JP2017112280A - 半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性の確保された半導体モジュールを実現する。
【解決手段】半導体モジュール１００は、半導体装置１０と、第１突出部１１６を有する第１金属板１０６と、第２突出部１１８を有する第２金属板１０８を備えている。半導体装置１０は、半導体素子が形成されている半導体基板と、半導体素子と電気的に接続している第１電極層と、第１電極層をその外周縁に沿って覆っているとともに第１電極層を露出する開口を有する保護絶縁膜と、開口から露出する第１電極層上から保護絶縁膜上に亘って積層されている第２電極層を有する。半導体モジュール１００を半導体装置１０の表面に直交する方向から観察したときに、第１突出部１１６と第２突出部１１８は、第１突出部１１６と第２突出部１１８の周囲のはんだの歪振幅がはんだの端部の歪振幅より小さくなる位置に設けられているとともに、開口内に位置しており、双方が重複している。
【選択図】図１

Description

本明細書で開示される技術は、半導体モジュールに関する。

特許文献１に、半導体モジュールが開示されている。この半導体モジュールは、半導体装置と、半導体装置の第１主面とはんだを介して接続されている第１金属板と、半導体装置の第１主面と反対側の第２主面とはんだを介して接続されている第２金属板を備えている。以下、第１主面を装置上面と称し、第２主面を装置下面と称することがある。特許文献１の半導体装置では、第１金属板に装置上面に向けて突出する第１突出部が設けられており、第２金属板に装置下面に向けて突出する第２突出部が設けられている。第１，第２突出部は、金属板の表面に複数設けられている。第１，第２突出部を設けることにより、はんだ厚を確保することができる。はんだ厚を確保することにより、半導体装置と金属板（第１金属板，第２金属板）間の熱膨張差によってはんだに生じる歪を緩和している。なお、同様の構造が、特許文献２にも開示されている。

また、特許文献３には、半導体装置が開示されている。この半導体装置は、半導体基板と第１電極層と保護絶縁膜と第２電極層を備えている。半導体基板には、半導体素子が形成されている。第１電極層は、装置上面側に設けられており、半導体素子と電気的に接続している。保護絶縁膜は、装置上面側に設けられており、第１電極層をその外周縁に沿って覆っているとともに第１電極層を露出する開口を有する。第２電極層は、保護絶縁膜の開口から露出する第１電極層上から保護絶縁膜上に亘って積層されている。このような半導体装置は、保護絶縁膜によって半導体装置の周縁部分を保護することができる。

特開２０１４−０７３５１７号公報 特開２００８−１５３４３２号公報 特開２０１０−２７２７１１号公報

半導体装置が発熱すると、各構成要素の熱膨張率の差によって、はんだに歪みが生じることがある。典型的に、はんだの歪振幅は、はんだの端部（半導体装置を平面視したときの、はんだの外周部分）で最大となる。そのため、通常、半導体モジュールの設計は、はんだの中心部よりも端部に大きな歪みが生じることを前提として行われる。具体的には、半導体モジュールの設計は、はんだの端部に歪みに起因するクラックが生じないように行われる。したがって、半導体モジュールの信頼性（耐久性）は、はんだの端部の歪振幅を所望するレベルに制御することによって確保される。

しかしながら、上記した特許文献１，２のように金属板に突出部を設けると、突出部の周囲ではんだ歪みが生じ易くなり、はんだの端部よりもはんだの中央部で大きな歪振幅が生じることがある。この場合、はんだの端部の歪振幅を所定値に制御しても、所望する耐久性の半導体モジュールを実現することができない。そのため、はんだの端部の歪振幅を制御しただけでは、半導体モジュールの信頼性を確保することが困難となる。また、特許文献３のように第１電極層，保護絶縁膜及び第２電極層を備える半導体装置の場合、保護絶縁膜の開口部分において、第１電極層，保護絶縁膜及び第２電極層の三者が互いに接する。すなわち、保護絶縁膜の開口部分は、異なる複数の構成要素が集合している。このような構造を有する半導体装置を、特許文献１，２に記載された半導体モジュールに採用したとする。このとき、第１金属板又は第２金属板の突出部を、上記の三者が互いに接する部分の近傍に設けると、第１電極層の歪振幅が大きくなり、結果として、突出部の周囲のはんだに歪みが生じ易くなる。

上記したように、金属板に突出部を設けたり、電極（第１電極層）の外周縁に沿って保護絶縁膜を設けると、上記した利点が得られる代わりに、半導体モジュールの信頼性を確保することが困難となることがある。本明細書は、信頼性の確保された半導体モジュールを実現する技術を提供する。

本明細書が開示する半導体モジュールは、半導体装置と、第１金属板と、第２金属板を備えている。第１金属板は、半導体装置の第１主面とはんだを介して接続されており、第１主面に向けて突出する第１突出部を有する。第２金属板は、半導体装置の第１主面と反対側の第２主面とはんだを介して接続されており、第２主面に向けて突出する第２突出部を有する。この半導体モジュールでは、半導体装置は、半導体基板と、第１電極層と、保護絶縁膜と、第２電極層を有している。半導体基板には、半導体素子が形成されている。第１電極層は、半導体装置の第１主面側に設けられており、半導体素子と電気的に接続している。保護絶縁膜は、半導体装置の第１主面側に設けられており、第１電極層をその外周縁に沿って覆っているとともに第１電極層を露出する開口を有する。第２電極層は、保護絶縁膜の開口から露出する第１電極層上から保護絶縁膜上に亘って積層されている。本明細書で開示する半導体モジュールでは、第１主面に直交する方向から観察したときに、第１突出部と前記第２突出部は、第１突出部と第２突出部の周囲のはんだの歪振幅がはんだの端部の歪振幅より小さくなる位置に設けられているとともに、保護絶縁膜の開口内に位置しており、双方が重複している。

上記半導体モジュールでは、第１主面に直交する方向（以下、直交方向と称することがある）から観察したときに、第１突出部と第２突出部は、第１突出部と第２突出部の周囲のはんだの歪振幅がはんだの端部の歪振幅より小さくなる位置に設けられている。突出部（第１突出部，第２突出部）を設ける位置がはんだの端部に向かうに従い、突出部の周囲のはんだの歪振幅は大きくなる。そのため、突出部をはんだの端部近傍に設けると、突出部の周囲のはんだに、はんだ端部より大きな歪振幅が生じることがある。その結果、はんだ端部より先に、突出部の周囲のはんだにクラックが生じることがある。上記半導体モジュールは、突出部の周囲のはんだの歪振幅がはんだ端部の歪振幅より小さくなるように突出部を配置することにより、端部よりも先に突出部の周囲のはんだにクラックが生じることを抑制することができる。

また、上記半導体モジュールでは、直交方向から観察したときに、第１突出部と第２突出部が重複している。典型的に、装置上面側の金属板に突出部（第１突出部）を設けると、半導体装置が加熱されたときに、突出部が設けられている部分の半導体装置が下に凸に変形しようとする。また、装置下面側の金属板に突出部（第２突出部）を設けると、突出部が設けられている部分の半導体装置が上に凸に変形しようとする。半導体装置が変形すると、その周囲のはんだに歪みが生じる。第１突出部と第２突出部を重複するように配置すると、第１突出部を設けることに起因して半導体装置に加わる力の向きと、第２突出部を設けることに起因して半導体装置に加わる力の向きが反対向きとなる。その結果、半導体装置の変形が抑制され、突出部（第１突出部，第２突出部）の周囲のはんだが歪むことが抑制される。

また、上記半導体モジュールでは、直交方向から観察したときに、突出部（第１，第２突出部）が、保護絶縁膜の開口内に位置している。突出部が、第１電極層，保護絶縁膜及び金属層が集合する保護絶縁膜の内周縁と重複しないので、第１電極層の歪振幅が抑制され、突出部の周囲のはんだが歪むことを抑制することができる。以上の特徴を有することにより、上記半導体モジュールは、突出部周囲のはんだの歪振幅が増大することを抑制することができる。その結果、はんだ端部の歪振幅を所定値に制御することにより、半導体装置の信頼性を確保することができる。

実施例の半導体モジュールの断面を模式的に示す。 図１の破線IIで囲った部分の拡大図を示す。 突出部を設ける位置を説明するための図を示す。 突出部を設ける位置とはんだの歪振幅との関係を示す。 突出部を設ける位置と電極の歪振幅との関係を示す。 第１突起部と第２突起部の相対的位置関係とはんだの歪振幅との関係を示す。

図１から図３を参照し、半導体モジュール１００について説明する。図１に示すように、半導体モジュール１００は、第１放熱板１０４と放熱ブロック１０６と半導体装置１０と第２放熱板１０８を備える。第１放熱板１０４と放熱ブロック１０６が、はんだ１１０によって接合されている。放熱ブロック１０６と半導体装置１０が、はんだ１１１によって接合されている。半導体装置１０と第２放熱板１０８が、はんだ１１２によって接合されている。放熱ブロック１０６は特許請求の範囲に記載された第１金属板の一例であり、第２放熱板１０８は特許請求の範囲に記載された第２金属板の一例である。

放熱ブロック１０６は、半導体装置１０の上面１８と対向している。また、第２放熱板１０８は、半導体装置１０の下面２６と対向している。上面１８は特許請求の範囲に記載された第１主面の一例であり、下面２６は特許請求の範囲に記載された第２主面の一例である。放熱ブロック１０６には、上面１８に向けて突出する複数の第１突出部１１６が設けられている。また、第２放熱板１０８には、下面２６に向けて突出する複数の第２突出部１１８が設けられている。第１突出部１１６及び第２突出部１１８を設けることにより、はんだ１１１及びはんだ１１２の厚みを確保することができる（はんだ１１１，１１２が薄くなることを抑制することができる）。なお、第１放熱板１０４に、放熱ブロック１０６に向けて突出する突出部を設けてもよい。あるいは、放熱ブロック１０６に、第１放熱板１０４に向けて突出する突出部を設けてもよい。

半導体装置１０は、半導体基板２，第１電極層４，保護絶縁膜６及び第２電極層８を有する。半導体基板２は、半導体材料で構成された基板であり、例えばシリコン（Ｓｉ），炭化ケイ素（ＳｉＣ）を用いて構成することができる。半導体基板２には、半導体素子（図示省略）が形成されている。半導体素子は、例えばＩＧＢＴ，ＲＣ−ＩＧＢＴ又はＭＯＳＦＥＴといったパワー半導体素子であってよい。

図２に示すように、半導体装置１０の上面１８側には、第１電極層４，保護絶縁膜６及び第２電極層８が設けられている。第１電極層４は、半導体基板２の表面に沿って設けられており、半導体素子と電気的に接続している。第１電極層４の材料として、例えばアルミニウム（Ａｌ），アルミニウムとシリコン（Ｓｉ）を含むアルミニウム合金等を用いることができる。

保護絶縁膜６は、第１電極層４の外周縁に沿って、第１電極層４及び半導体基板２を覆っている。保護絶縁膜６は、半導体装置１０の上面１８側において枠状に伸びており、その内周縁によって開口６ａを画定している。保護絶縁膜６の開口６ａは、第１電極層４を露出する。保護絶縁膜２０は、樹脂材料を用いて構成することができる。保護絶縁膜２０の材料として、例えばポリイミドを用いることができる。保護絶縁膜６は、半導体装置１０の耐圧を維持する機能や、半導体装置１０に異物が接触することを防止する機能を有する。

第２電極層８は、開口６ａから露出する第１電極層４上から保護絶縁膜６上に亘って積層されている。第２電極層８の材料として、例えばニッケル（Ｎｉ），ニッケルと金（Ａｕ）を含むニッケル合金等を用いることができる。なお、第１電極層４と第２電極層８の間に、チタン（Ｔｉ）等の導電性材料で構成される層が付加的に設けられてもよい。この場合、その付加的な層は、第２電極層８の一部と見なすことができる。はんだ１１１は、第２電極層８上に設けられている。保護絶縁膜６の開口６ａ（内周縁）には、第１電極層４と保護絶縁膜６と第２電極層８が集合している。すなわち、保護絶縁膜６の内周縁には、異なる３個の材料が互いに接する部分が存在する。以下、第１電極層４と保護絶縁膜６と第２電極層８が集合する部分を三重点２０と称する。

図１に示すように、半導体装置１０は、樹脂モールド１０２によって封止されている。樹脂モールド１０２は、第１放熱板１０４の一部，放熱ブロック１０６，第２放熱板１０８の一部も覆っている。具体的には、第１放熱板１０４は、樹脂モールド１０２の上面１０２ａに露出しており、第２放熱板１０８は樹脂モールド１０２の下面１０２ｂに露出している。この構成により、動作時に半導体装置１０で発生する熱は、放熱ブロック１０６を介して第１放熱板１０４、あるいは、第２放熱板１０８へ伝導し、半導体装置１００の外部に放出される。すなわち、半導体モジュール１００は、両面冷却型の構造を有する。半導体モジュール１００は、樹脂モールド１０２の上面１０２ａ及び下面１０２ｂを冷却器（図示省略）に接触するように配置することができる。

第１放熱板１０４は、半導体装置１０の上面１８側に設けられている電極（電極層４，８）に、放熱ブロック１０を介して接続されている。また、第２放熱板１０８は、半導体装置１０の下面２６側に設けられている電極（図示省略）に接続されている。第１放熱板１０４，放熱ブロック１０６及び第２放熱板１０８は、金属材料で構成されており、例えば銅で構成することができる。なお、図示を省略するが、第１放熱板１０４と第２放熱板１０８の各々に、樹脂モールド１０２の外部へ伸びるリード（又はバスバー）が接続されている。そのため、第１放熱板１０４，放熱ブロック１０６及び第２放熱板１０８は、半導体装置１０と外部の機器とを電気的に接続する導電経路の少なくとも一部を構成する。

上記したように、放熱ブロック１０６に第１突出部１１６が設けられており、第２放熱板１０８に第２突出部１１８が設けられている。ここで、図３を参照し、突出部１１６，１１８が設けられている位置について詳しく説明する。図３は、突出部１１６，１１８の周囲の形状を模式的に示している。半導体モジュール１００では、半導体装置１０の表面（第１主面１８又は第２主面２６）に直交する方向（直交方向）から観察したときに、第１突出部１１６と第２突出部１１８が、互いに重複する位置に設けられている。なお、第１突出部１１６と第２突出部１１８が、直交方向において完全に一致している必要はない。第１突出部１１６の存在範囲１１６ａが、第２突出部１１８の存在範囲１１６ａの少なくとも一部と重複していればよい。

上記したように、半導体モジュール１００には三重点２０が存在する。三重点２０では、第１電極層４に大きな歪みが局所的に生じる傾向がある。突出部１１６，１１８は、直交方向における三重点２０の位置２０ａより半導体装置１０の内側（矢印３０側）に設けられている。換言すると、直交方向から観察したときに、突出部１１６，１１８は、開口６ａ（図２を参照）内に位置している。また、突出部１１６，１１８は、突出部１１６，１１８の周囲のはんだ１１１，１１２の歪振幅が端部（直交方向から観察したときのはんだ１１１，１１２の外周部分）の歪振幅より小さくなる位置に設けられている。

以下、突出部１１６，１１８を上記した位置に設ける理由について説明する。図４は、突出部１１６，１１８を設ける位置と、突出部１１６，１１８の周囲のはんだの歪振幅との関係を示している。グラフの横軸ははんだ端部からの距離（距離が大きくなるに従って図３の矢印３０方向に向かう）を示し、縦軸ははんだの歪振幅を示している。曲線６０は突出部１１６，１１８の周囲のはんだの歪振幅を示し、プロット５０ははんだの端部の歪振幅を示し、破線５０ａはプロット５０を横軸に平行に伸ばした線を示している。

図４に示すように、突出部１１６，１１８を金属板（放熱ブロック１０６，第２放熱板１０８）の中心側に位置させるに従い、突出部１１６，１１８の周囲のはんだの歪振幅が小さくなる。具体的には、突出部１１６，１１８を金属板の端部側（直交方向から観察したときの外周側）に配置すると、突出部１１６，１１８の周囲のはんだの歪振幅が、はんだの端部の歪振幅５０より大きくなる。この場合、半導体装置１０が動作して発熱すると、各構成要素の熱膨張係数の相違により、はんだの端部よりも先に突出部１１６，１１８の周囲のはんだにクラックが生じることがある。

はんだの端部よりも先に突出部１１６，１１８の周囲のはんだにクラックが生じると、はんだの端部にクラックが生じないように半導体モジュール１００を設計しても、はんだの内部でクラックが生じ、半導体モジュール１００の耐久性が設計したレベルより低下することがある。その結果、半導体モジュール１００の信頼性が低下する。曲線６０が直線５０ａより下方に位置するように突出部１１６，１１８の位置を規定すると、はんだの端部より先にはんだの内部でクラックが生じることを防止することができる。この点に関して、本実施例の半導体モジュール１００では、突出部１１６，１１８を、突出部１１６，１１８の周囲のはんだの歪振幅がはんだの端部の歪振幅より小さくなる位置に設けることにより、その信頼性（耐久性）を維持することができる。

図５は、第２放熱板１０８に突出部１１８を設ける位置と、第１電極層４の歪振幅との関係を示している。グラフの横軸ははんだ端部からの距離を示しており、縦軸は第１電極層４の歪振幅を示している。破線は、三重点２０の位置２０ａを示している（図２、３も参照）。プロット７２は第１電極層４の歪振幅を示し、直線７０は第２放熱板１０８に突出部を設けない場合の第１電極層の歪振幅を示している。

図５から明らかなように、突出部１１８が三重点２０と重複する位置に設けられていると、突出部１１８が他の位置に設けられている場合と比較して、第１電極層４の歪振幅が大きくなる。そのため、突出部１１８が三重点２０と重複する位置に設けられていると、半導体装置１０が動作して発熱したときに、第１電極層４にクラックが生じることがある。あるいは、第１電極層４の歪振幅が大きくなる結果、はんだの歪が増大する。耐久性の高い半導体モジュールを実現するという観点より、突出部１１８は、三重点２０と重複しない位置に設けることが好ましい。なお、半導体モジュール１００では、突出部１１８を三重点２０より内側（開口６ａ内）に設けている。三重点２０より外側に突出部１１８を設けても、第１電極層４の歪振幅が大きくなることは抑制できる。しかしながら、上記したように、突出部１１８が第２放熱板１０８の端部側に配置されていると、突出部１１８の周囲のはんだの歪振幅が端部の歪振幅より大きくなる。信頼性の高い半導体装置を実現するという観点より、突出部１１８は、三重点２０より内側に設けることが好ましい。

図６は、突出部１１６，１１８の相対的位置と、突出部１１６，１１８の周囲のはんだの歪振幅との関係を示している。グラフの縦軸は、突出部１１６，１１８の周囲のはんだの歪振幅を示している。棒線８０及び８２は、半導体装置１０の上面１８側のはんだ（はんだ１１１）の歪振幅を示している。また、棒線９０及び９２は、半導体装置１０の下面２６側のはんだ（はんだ１１２）の歪振幅を示している。なお、棒線８０及び９０は第１突出部１１６と第２突出部１１８が重複しない位置に設けられている場合を示し、棒線８２及び９２は第１突出部１１６と第２突出部１１８が重複する位置に設けられている場合を示す。

図６から明らかなように、第１突出部１１６と第２突出部１１８が重複する位置に設けられていると（棒線８２，９２）、突出部１１６，１１８の周囲のはんだの歪振幅は、第１突出部１１６と第２突出部１１８が重複しない位置に設けられている場合（棒線８０，９０）と比較して小さくなる。第１突出部１１６を設けると、半導体装置１０が加熱したときに、半導体装置１０に対して上（上面１８側）に凸に変形する力が加わる。一方、第２突出部１１８を設けると、半導体装置１０が加熱したときに、半導体装置１０に対して下（下面２６側）に凸に変形する力が加わる。第１突出部１１６と第２突出部１１８が重複する位置に設けられていると、双方の力が半導体装置１０の同じ位置に反対向き加わる。そのため、突出部１１６，１１８を設けることによる半導体装置１０の変形が抑制される。半導体装置１０の変形が抑制されると、はんだが歪むことも抑制される。第１突出部１１６と第２突出部１１８が重複する位置に設けることにより、突出部１１６，１１８の周囲のはんだの歪振幅が増大することが抑制され、半導体モジュール１００の信頼性を維持することができる。

上記したように、半導体モジュール１００では、半導体装置１０の上面１８に直交する方向から観察したときに、（１）第１突出部１１６と第２突出部１１８が、第１突出部１１６と第２突出部１１８の周囲のはんだの歪振幅がはんだの端部の歪振幅より小さくなる位置に設けられており、（２）第１突出部１１６と第２突出部１１８が、保護絶縁膜６の開口６ａより内側に位置しており、（３）第１突出部１１６と第２突出部１１８が、互いに重複するように配置されている。半導体モジュール１００は、これらの特徴を有することにより、突出部１１６，１１８を設け、保護絶縁膜６を設ける利点を得ながら、突出部１１６，１１８の周囲のはんだに、端部より先にクラックが生じることを防止することができる。

本明細書又は図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書又は図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：半導体基板
４：第１電極層
６：保護絶縁膜
６ａ：保護絶縁膜の開口
８：第２電極層
１０：半導体装置
１８：半導体装置の第１主面（上面）
２６：半導体装置の第２主面（下面）
１００：半導体モジュール
１０４：第１放熱板
１０６：放熱ブロック（第１金属板の一例）
１０８：第２放熱板（第２金属板の一例）
１１６：第１突出部
１１８：第２突出部

Claims (1)

1. 半導体装置と、
   前記半導体装置の第１主面とはんだを介して接続されており、前記第１主面に向けて突出する第１突出部を有する第１金属板と、
   前記半導体装置の前記第１主面と反対側の第２主面とはんだを介して接続されており、前記第２主面に向けて突出する第２突出部を有する第２金属板と、を備え、
   前記半導体装置は、
   半導体素子が形成されている半導体基板と、
   前記第１主面側に設けられており、前記半導体素子と電気的に接続している第１電極層と、
   前記第１主面側に設けられており、前記第１電極層をその外周縁に沿って覆っているとともに前記第１電極層を露出する開口を有する保護絶縁膜と、
   前記保護絶縁膜の前記開口から露出する前記第１電極層上から前記保護絶縁膜上に亘って積層されている第２電極層と、を有し、
   前記第１主面に直交する方向から観察したときに、前記第１突出部と前記第２突出部は、前記第１突出部と前記第２突出部の周囲のはんだの歪振幅がはんだの端部の歪振幅より小さくなる位置に設けられているとともに、前記開口内に位置しており、双方が重複している、半導体モジュール。

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