JP2018018932A - Semiconductor module - Google Patents

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    • H01L2924/1815Shape
    • H01L2924/1816Exposing the passive side of the semiconductor or solid-state body
    • H01L2924/18161Exposing the passive side of the semiconductor or solid-state body of a flip chip

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor module which has a double-sided cooling structure having a plurality of bonding materials and which can minimize a possible strain amount of all of the boding materials to resolve possible cracks in all of the bonding materials.SOLUTION: In a semiconductor module 10, a first lead frame 1, a bonding material 5, a semiconductor element 3, a bonding material 6, a metallic cooling block 4, a bonding material 7 and a second lead frame 2 are sequentially laminated, and the whole is sealed by an encapsulation resin body 8. The encapsulation resin body 8 is composed of a first encapsulation resin body 8A on the first lead frame 1 side including environment of the semiconductor element 3 and a second encapsulation resin body 8B on the second lead frame 2 side and other than the first encapsulation resin body 8A; and a linear expansion coefficient of the first encapsulation resin body 8A is relatively small compared to a linear expansion coefficient of the second encapsulation resin body 8B.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、二つのリードフレームの間に半導体素子が配設されている、両面冷却構造の半導体モジュールに関するものである。   The present invention relates to a semiconductor module having a double-sided cooling structure in which a semiconductor element is disposed between two lead frames.

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等の半導体素子を搭載した半導体モジュール(パワーモジュールもしくはパワーカード)は、リードフレームと半導体素子が接合材であるはんだ層を介して接合されて構成された積層体がケース内に収容され、さらにこのケース内に封止樹脂体が形成された構成のものや、ケースレス構造であって、比較的硬質の封止樹脂体で上記積層体が封止された構成のものなど、多様な形態が存在している。なお、ケースレス構造のもの、ケースを具備する構造のもののいずれであっても、ヒートシンクや冷媒を還流させる冷却器などがさらに配されて半導体素子からの熱をこれらに放熱させる構造が一般に適用されている。さらに、二つのリードフレームが上下に存在し、その間に半導体素子が接合材を介して配設されるとともに、これらの積層体が封止樹脂体で一体化された両面冷却構造の半導体モジュールも存在している。   A semiconductor module (power module or power card) equipped with semiconductor elements such as IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) is a case where a laminated body consisting of a lead frame and a semiconductor element joined via a solder layer as a bonding material is a case. A case in which a sealing resin body is formed in the case and a caseless structure in which the laminate is sealed with a relatively hard sealing resin body Various forms exist. It should be noted that a structure in which a heat sink or a cooler that circulates the refrigerant is further arranged to dissipate heat from the semiconductor element to either a caseless structure or a structure having a case is generally applied. ing. There are also two-sided cooling semiconductor modules in which two lead frames exist above and below, a semiconductor element is disposed between them with a bonding material, and these laminates are integrated with a sealing resin body. doing.

上記する両面冷却構造の半導体モジュールに関し、封止樹脂体で積層体の全体を一体化する目的の一つは、接合材に生じ得る歪抑制による信頼性を向上させることである。   With respect to the semiconductor module having the above-described double-sided cooling structure, one of the purposes of integrating the entire laminate with a sealing resin body is to improve reliability by suppressing distortion that may occur in the bonding material.

この接合材の歪抑制には封止樹脂体の線膨張係数の設定が重要になるが、この線膨張係数は接合材の場所によって最適値が異なっている。   Although the setting of the linear expansion coefficient of the sealing resin body is important for suppressing the distortion of the bonding material, the optimum value of the linear expansion coefficient differs depending on the location of the bonding material.

より具体的には、両面冷却構造の半導体モジュールの構造として、第一のリードフレーム、接合材、半導体素子、接合材、金属製冷却ブロック、接合材、第二のリードフレーム、が順に積層され、封止樹脂体で全体が封止されてなる構造の半導体モジュールを挙げることができる。   More specifically, as the structure of the semiconductor module having a double-sided cooling structure, a first lead frame, a bonding material, a semiconductor element, a bonding material, a metal cooling block, a bonding material, and a second lead frame are sequentially stacked. A semiconductor module having a structure in which the whole is sealed with a sealing resin body can be given.

このような構造の半導体モジュールでは、半導体素子を挟んで二種の接合材が存在し、金属製冷却ブロックを挟んで二種の接合材(そのうちの一種は半導体素子を挟む一方の接合材となる)が存在しており、計三種の接合材が存在している。   In the semiconductor module having such a structure, there are two types of bonding materials sandwiching the semiconductor element, and two types of bonding materials (one type of which is one bonding material sandwiching the semiconductor element). ) And there are a total of three types of bonding materials.

半導体素子とたとえば銅製の金属製冷却ブロックは相互に異なる剛性を有していることから、半導体素子の発熱時等に各接合材に加わる応力とこれに起因する歪量が接合材ごとに異なり、接合材にクラックが生じることが懸念される。そして、半導体モジュールの小型化と発熱密度の増大により、接合材に生じ得るクラックの問題はさらに顕著になる。各接合材に生じ得るクラックを解消するにはクラック発生の要因となる歪量を可及的に小さくすることが必要になるが、封止樹脂体の線膨張係数の最適値が接合材の場所ごとに異なることから、全ての接合材の歪量を一様に小さくするのは極めて難しい。   Since the semiconductor element and a metal cooling block made of copper, for example, have different rigidity from each other, the stress applied to each bonding material and the amount of strain resulting from this differ depending on the bonding material when the semiconductor element generates heat. There is a concern that cracks occur in the bonding material. And the problem of the crack which may arise in a joining material becomes still more remarkable by size reduction of a semiconductor module, and the increase in a heat generation density. To eliminate cracks that can occur in each bonding material, it is necessary to reduce the amount of strain that causes cracking as much as possible. However, the optimal value of the linear expansion coefficient of the sealing resin body is the location of the bonding material. Therefore, it is extremely difficult to uniformly reduce the strain amount of all the bonding materials.

現在製造されている両面冷却構造の半導体モジュールにおいては、各接合材間で最もバランスのよい線膨張係数の封止樹脂体が用いられているものの、必ずしも各接合材にとって最適な線膨張係数の封止樹脂体ではないことから、各接合材の歪を十分に抑制しきれていないのが現状である。   In currently manufactured semiconductor modules having a double-sided cooling structure, a sealing resin body having a linear expansion coefficient with the best balance among the bonding materials is used. However, it is not always necessary to seal the optimal linear expansion coefficient for each bonding material. Since it is not a stop resin body, the present condition is that the distortion of each joining material is not fully suppressed.

ここで、特許文献1には、両面基板の間に半導体素子と線膨張係数の近似したセラミックス製柱を設けた構造の半導体モジュールが開示されている。   Here, Patent Document 1 discloses a semiconductor module having a structure in which a semiconductor element and a ceramic column having an approximate linear expansion coefficient are provided between double-sided substrates.

一方、特許文献2には、構成部材の線膨張係数を変化させることで全体の反りを抑制可能とした半導体装置が開示されている。   On the other hand, Patent Document 2 discloses a semiconductor device in which the overall warpage can be suppressed by changing the linear expansion coefficient of the constituent members.

特開2007−311441号公報JP 2007-31441 A 特開2007−173680号公報JP 2007-173680 A

特許文献1,2に記載の半導体モジュールや半導体装置によれば、半導体モジュールや半導体装置に発生する反りを低減できるとしている。しかしながら、特許文献1に記載の半導体モジュールのように柱を設けて強制的に反りを低減しようとすると、接合材への応力集中が生じ易く、この応力集中に起因したクラックの発生が懸念される。   According to the semiconductor modules and semiconductor devices described in Patent Documents 1 and 2, it is possible to reduce warpage generated in the semiconductor modules and semiconductor devices. However, if a column is provided as in the semiconductor module described in Patent Document 1 to forcibly reduce warpage, stress concentration on the bonding material is likely to occur, and there is a concern about the occurrence of cracks due to this stress concentration. .

また、封止樹脂体と基板の接合界面に加わる応力も大きくなり、封止樹脂体の剥離の問題も懸念され、封止樹脂体が剥離することで接合材を拘束する効果が失われ、封止樹脂体による接合材の歪低減効果は期待できなくなる。   In addition, the stress applied to the bonding interface between the sealing resin body and the substrate is increased, and there is a concern about the problem of peeling of the sealing resin body, and the effect of restraining the bonding material is lost due to peeling of the sealing resin body. The effect of reducing the distortion of the bonding material by the stop resin body cannot be expected.

一方、特許文献2に記載の半導体装置においても特許文献1と同様の上記課題が懸念される。また、既述するように複数の接合材が存在する両面冷却構造の半導体モジュールにおいては、歪抑制にとって最適な封止樹脂体の線膨張係数が接合材ごとに異なることから、一種類の封止樹脂体では全ての接合材の歪量を十分に低減することは極めて難しい。   On the other hand, the semiconductor device described in Patent Document 2 is also concerned about the same problem as that of Patent Document 1. In addition, as described above, in a semiconductor module having a double-sided cooling structure in which a plurality of bonding materials are present, the linear expansion coefficient of the sealing resin body that is optimal for strain suppression differs for each bonding material. In a resin body, it is extremely difficult to sufficiently reduce the strain amount of all the bonding materials.

本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、複数の接合材を有する両面冷却構造の半導体モジュールに関し、全ての接合材に生じ得る歪量を可及的に小さくすることができ、もって全ての接合材に生じ得るクラックを解消することのできる半導体モジュールを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the problems described above, and relates to a double-sided cooling structure semiconductor module having a plurality of bonding materials, and can reduce the amount of distortion that can occur in all bonding materials as much as possible. An object of the present invention is to provide a semiconductor module capable of eliminating cracks that may occur in all bonding materials.

前記目的を達成すべく、本発明による半導体モジュールは、第一のリードフレーム、接合材、半導体素子、接合材、金属製冷却ブロック、接合材、第二のリードフレーム、が順に積層され、封止樹脂体で全体が封止されてなる半導体モジュールであって、前記封止樹脂体は、半導体素子の周囲を含む第一のリードフレーム側の第一の封止樹脂体と、それ以外の第二のリードフレーム側の第二の封止樹脂体と、から構成されており、前記第二の封止樹脂体の線膨張係数に比して前記第一の封止樹脂体の線膨張係数が相対的に小さいものである。   In order to achieve the above object, a semiconductor module according to the present invention includes a first lead frame, a bonding material, a semiconductor element, a bonding material, a metal cooling block, a bonding material, and a second lead frame stacked in order. A semiconductor module entirely sealed with a resin body, wherein the sealing resin body includes a first sealing resin body on the first lead frame side including the periphery of the semiconductor element, and a second other than that The second sealing resin body on the lead frame side, and the linear expansion coefficient of the first sealing resin body is relative to the linear expansion coefficient of the second sealing resin body. It is small in size.

本発明の半導体モジュールは、線膨張係数の異なる二種類の封止樹脂体(半導体素子の周囲を含む第一のリードフレーム側の第一の封止樹脂体と、それ以外の第二のリードフレーム側の第二の封止樹脂体)を適用し、第二の封止樹脂体の線膨張係数に比して第一の封止樹脂体の線膨張係数を相対的に小さくしたことにより、三種の接合材の歪量をいずれも可及的に小さくすることができ、全ての接合材に生じ得るクラックの解消を可能としたものである。   The semiconductor module of the present invention includes two types of sealing resin bodies having different linear expansion coefficients (the first sealing resin body on the first lead frame side including the periphery of the semiconductor element, and the other second lead frame) The second sealing resin body) is applied, and the linear expansion coefficient of the first sealing resin body is made relatively smaller than the linear expansion coefficient of the second sealing resin body, The amount of strain of each bonding material can be reduced as much as possible, and cracks that can occur in all the bonding materials can be eliminated.

ここで、本明細書において「リードフレーム」とは、文字通りのリードフレームのほか、ダイパッド、回路基板や応力緩和基板等の基板、純Alからなる基板とAlN(窒化アルミニウム)からなる基板を積層してなるDBA(絶縁基板)、ヒートシンクなども包含されるものであり、たとえばCu素材のリードフレームが適用できる。   In this specification, the term “lead frame” refers to a literal lead frame, a die pad, a substrate such as a circuit board or a stress relaxation substrate, a substrate made of pure Al and a substrate made of AlN (aluminum nitride). DBA (insulating substrate), heat sinks, etc. are also included, and for example, a lead frame made of Cu material can be applied.

また、「接合材」としては、Pb系はんだやPbフリーはんだ等からなるはんだ層が挙げられる。   Examples of the “joining material” include a solder layer made of Pb-based solder, Pb-free solder, or the like.

また、「金属製冷却ブロック」としては、たとえば銅製の冷却ブロックが挙げられる。   Further, examples of the “metal cooling block” include a copper cooling block.

さらに、「第一、第二の封止樹脂体」としては、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂やポリアミドイミド等の熱可塑性樹脂が挙げられ、第二の封止樹脂体の線膨張係数に比して第一の封止樹脂体の線膨張係数が相対的に小さくなるように双方の材料設定がおこなわれる。   Furthermore, examples of the “first and second sealing resin bodies” include thermosetting resins such as epoxy resins and thermoplastic resins such as polyamide imide, which are compared with the linear expansion coefficient of the second sealing resin body. Then, both materials are set so that the linear expansion coefficient of the first sealing resin body becomes relatively small.

半導体素子の線膨張係数はたとえば3×10-6/K程度であり、銅製の金属製冷却ブロックの線膨張係数はたとえば16.8×10-6/K程度であり、双方の線膨張係数には5〜6倍程度もの差異がある。 The linear expansion coefficient of the semiconductor element is, for example, about 3 × 10 −6 / K, and the linear expansion coefficient of the copper metal cooling block is, for example, about 16.8 × 10 −6 / K. There is a difference of about 6 times.

そこで、線膨張係数が相対的に低い半導体素子周辺の封止樹脂体を相対的に線膨張係数の小さいものとすることで、半導体素子に接合している接合材の周囲や金属製冷却ブロックに接合している接合材の周囲において、それぞれの接合材に適した線膨張係数の封止樹脂体を配設することができる。その結果、半導体素子の発熱時等に各接合材に加わる応力を可及的に低減でき、このことに起因して各接合材における歪量を可及的に小さくすることができ、歪に起因したクラックの発生を効果的に解消することが可能になる。   Therefore, the sealing resin body around the semiconductor element having a relatively low linear expansion coefficient has a relatively small linear expansion coefficient, so that it can be used for the periphery of the bonding material bonded to the semiconductor element and the metal cooling block. A sealing resin body having a linear expansion coefficient suitable for each bonding material can be disposed around the bonding material being bonded. As a result, the stress applied to each bonding material during heat generation of the semiconductor element can be reduced as much as possible, and this can reduce the amount of strain in each bonding material as much as possible. It is possible to effectively eliminate the occurrence of cracks.

以上の説明から理解できるように、本発明の半導体モジュールは、二つのリードフレームの間に半導体素子と金属製冷却ブロックが配設され、それらが複数の接合材で接合され、全体が封止樹脂体で一体化された構成の両面冷却構造の半導体モジュールにおいて、封止樹脂体が線膨張係数の異なる二種類の封止樹脂体から構成され、半導体素子の周囲を含む一方のリードフレーム側の第一の封止樹脂体の線膨張係数をそれ以外の他方のリードフレーム側の第二の封止樹脂体の線膨張係数に比して相対的に小さくしている。この構成により、全ての接合材の歪量をいずれも可及的に小さくすることができ、全ての接合材に生じ得るクラックを効果的に解消することができる。   As can be understood from the above description, in the semiconductor module of the present invention, a semiconductor element and a metal cooling block are disposed between two lead frames, which are joined by a plurality of joining materials, and the whole is a sealing resin. In a semiconductor module having a double-sided cooling structure integrated with a body, the sealing resin body is composed of two types of sealing resin bodies having different linear expansion coefficients, and the first lead frame side including the periphery of the semiconductor element The linear expansion coefficient of one sealing resin body is relatively smaller than that of the second sealing resin body on the other lead frame side. With this configuration, the amount of strain of all the bonding materials can be reduced as much as possible, and cracks that can occur in all the bonding materials can be effectively eliminated.

本発明の半導体モジュールの実施の形態を説明した縦断面図である。It is a longitudinal section explaining an embodiment of a semiconductor module of the present invention. (a)〜(d)の順に、本発明の半導体モジュールの製造方法を説明したフロー図である。It is the flowchart explaining the manufacturing method of the semiconductor module of this invention in order of (a)-(d). 第一の封止樹脂体の線膨張係数と、第一のリードフレーム−半導体素子間の接合材の非弾性歪の関係を検証した実験結果を示した図である。It is the figure which showed the experimental result which verified the relationship between the linear expansion coefficient of the 1st sealing resin body, and the inelastic distortion of the joining material between a 1st lead frame and a semiconductor element. 第二の封止樹脂体の線膨張係数と、第二のリードフレーム−金属製冷却ブロック間の接合材の非弾性歪の関係を検証した実験結果を示した図である。It is the figure which showed the experimental result which verified the relationship between the linear expansion coefficient of the 2nd sealing resin body, and the inelastic distortion of the joining material between a 2nd lead frame and metal cooling blocks.

以下、図面を参照して本発明の半導体モジュールの実施の形態を説明する。なお、半導体モジュールは両面冷却構造の半導体モジュールであれば図示例のものに何等限定されるものではなく、図示する形態のリードフレーム以外にも、絶縁基板や応力緩和板などからなる基材やこれら二種以上の基材が積層したものの表面に半導体素子が搭載される形態であってもよい。また、図示例は冷却器等の図示を省略している。   Hereinafter, embodiments of a semiconductor module of the present invention will be described with reference to the drawings. The semiconductor module is not limited to the illustrated example as long as the semiconductor module has a double-sided cooling structure. In addition to the lead frame of the illustrated form, the substrate includes an insulating substrate, a stress relaxation plate, and the like. The form by which a semiconductor element is mounted in the surface of what laminated | stacked 2 or more types of base materials may be sufficient. In the illustrated example, illustration of a cooler and the like is omitted.

(半導体モジュールの実施の形態)
図1は本発明の半導体モジュールの実施の形態を説明した縦断面図である。図示する半導体モジュール10は、第一のリードフレーム1、半導体素子3、金属製冷却ブロック4、第二のリードフレーム2、が順に積層され、第一のリードフレーム1と半導体素子3、半導体素子3と金属製冷却ブロック4、金属製冷却ブロック4と第二のリードフレーム2がそれぞれ、はんだ層からなる接合材5,6,7で接合されて積層体を構成し、積層体の周囲に封止樹脂体8が形成されて全体が構成されている。なお、図示する半導体モジュール10では、二つの半導体素子3が並列に搭載された形態である。
(Embodiment of semiconductor module)
FIG. 1 is a longitudinal sectional view for explaining an embodiment of a semiconductor module of the present invention. In the semiconductor module 10 shown in the figure, a first lead frame 1, a semiconductor element 3, a metal cooling block 4, and a second lead frame 2 are laminated in order, and the first lead frame 1, the semiconductor element 3, and the semiconductor element 3 are stacked. The metal cooling block 4 and the metal cooling block 4 and the second lead frame 2 are joined together by bonding materials 5, 6, and 7 made of solder layers to form a laminate, and sealed around the laminate A resin body 8 is formed to constitute the whole. In the illustrated semiconductor module 10, two semiconductor elements 3 are mounted in parallel.

二つのリードフレーム1,2はアルミニウムやその合金、銅やその合金などから形成されており、表面にNiめっき層が形成されたり、さらにNiめっき層の表面にAuめっき層が形成されていてもよい。   The two lead frames 1 and 2 are made of aluminum or an alloy thereof, copper or an alloy thereof, and even if a Ni plating layer is formed on the surface or an Au plating layer is formed on the surface of the Ni plating layer. Good.

金属製冷却ブロック4は銅製であり、その線膨張係数はたとえば16.8×10-6/K程度である。一方、シリコン製の半導体素子の線膨張係数はたとえば3×10-6/K程度である。 The metal cooling block 4 is made of copper, and its linear expansion coefficient is, for example, about 16.8 × 10 −6 / K. On the other hand, the linear expansion coefficient of a silicon semiconductor element is, for example, about 3 × 10 −6 / K.

接合材5,6,7を構成するはんだ層は、Pb系はんだ、Pbフリーはんだのいずれであってもよいが、環境影響負荷低減を図るべく、Sn−Ag系はんだ、Sn−Cu系はんだ、Sn−Ag−Cu系はんだ、Sn−Zn系はんだ、Sn−Sb系はんだなどのPbフリーはんだからなるものが好ましい。   The solder layers constituting the bonding materials 5, 6 and 7 may be either Pb-based solder or Pb-free solder, but in order to reduce the environmental impact load, Sn-Ag solder, Sn-Cu solder, It is preferable to use a Pb-free solder such as Sn—Ag—Cu solder, Sn—Zn solder, Sn—Sb solder.

封止樹脂体8は、半導体素子3の周囲を含む第一のリードフレーム1側の第一の封止樹脂体8Aと、それ以外の第二のリードフレーム2側の第二の封止樹脂体8Bと、から構成されている。   The sealing resin body 8 includes a first sealing resin body 8A on the first lead frame 1 side including the periphery of the semiconductor element 3, and a second sealing resin body on the second lead frame 2 side other than that. 8B.

さらに、第二の封止樹脂体8Bの線膨張係数に比して、第一の封止樹脂体8Aの線膨張係数が相対的に小さくなるように双方の封止樹脂体の素材が設定されている。   Further, the materials of both sealing resin bodies are set so that the linear expansion coefficient of the first sealing resin body 8A is relatively smaller than the linear expansion coefficient of the second sealing resin body 8B. ing.

ここで、第一の封止樹脂体8A,第二の封止樹脂体8Bの素材として、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂やポリアミドイミド等の熱可塑性樹脂が挙げられる。   Here, examples of the material of the first sealing resin body 8A and the second sealing resin body 8B include a thermosetting resin such as an epoxy resin and a thermoplastic resin such as polyamideimide.

エポキシ樹脂に関しては、その末端に反応性のエポキシ基を持つ熱硬化型の合成樹脂であり、ビスフェノールAとエピクロルヒドリンとの縮合反応により製造されるビスフェノールA型エポキシ樹脂や、ノボラック系エポキシ樹脂、トリスフェノールメタン型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、多官能エポキシ樹脂、可撓性エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、高分子型エポキシ樹脂およびグリシジルエステル型エポキシ樹脂などを挙げることができ、これらを単独で、もしくは、ビスフェノールA型エポキシ樹脂とその他の一種もしくは二種以上の樹脂を混合して使用することもできる。熱硬化性樹脂に関しては、ポリアミドイミド以外にも、ポリフェニレンサルファイドやポリブチレンテレフタレート等のエンジニアリングプラスチック、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル等が挙げられる。   Regarding epoxy resin, it is a thermosetting synthetic resin having a reactive epoxy group at its end, and it is produced by condensation reaction of bisphenol A and epichlorohydrin, novolac epoxy resin, trisphenol. Examples include methane type epoxy resin, bisphenol F type epoxy resin, polyfunctional epoxy resin, flexible epoxy resin, biphenyl type epoxy resin, polymer type epoxy resin and glycidyl ester type epoxy resin. Alternatively, a bisphenol A type epoxy resin and one or more other resins can be mixed and used. Regarding thermosetting resins, in addition to polyamideimide, engineering plastics such as polyphenylene sulfide and polybutylene terephthalate, polyethylene, polypropylene, polystyrene, and polyvinyl chloride are exemplified.

また、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂の中には、熱伝導性と熱膨張の改善を目的としてシリカやアルミナ、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸化マグネシウム等の無機フィラーが含有されていてもよい。   Thermosetting resins and thermoplastic resins contain inorganic fillers such as silica, alumina, boron nitride, silicon nitride, silicon carbide, and magnesium oxide for the purpose of improving thermal conductivity and thermal expansion. Also good.

上記するように、半導体素子3の線膨張係数はたとえば3×10-6/K程度であり、銅製の金属製冷却ブロック4の線膨張係数はたとえば16.8×10-6/K程度であり、双方の線膨張係数には5〜6倍程度もの差異がある。そこで、線膨張係数が相対的に低い半導体素子3周辺の第一の封止樹脂体8Aを相対的に線膨張係数の小さいものとすることで、半導体素子3に接合している接合材5の周囲や、金属製冷却ブロック4に接合している接合材7の周囲において、それぞれの接合材5,7に適した線膨張係数の封止樹脂体を配設することができる。 As described above, the linear expansion coefficient of the semiconductor element 3 is, for example, about 3 × 10 −6 / K, and the linear expansion coefficient of the copper metal cooling block 4 is, for example, about 16.8 × 10 −6 / K. There is a difference of about 5 to 6 times in the linear expansion coefficient. Therefore, the first sealing resin body 8A around the semiconductor element 3 having a relatively low linear expansion coefficient has a relatively small linear expansion coefficient, so that the bonding material 5 bonded to the semiconductor element 3 A sealing resin body having a linear expansion coefficient suitable for each of the bonding materials 5 and 7 can be disposed around the bonding material 7 bonded to the metal cooling block 4.

この構成により、半導体素子3の発熱時等に各接合材5,6,7に加わる応力を可及的に低減でき、このことに起因して各接合材5,6,7における歪量を可及的に小さくすることができ、歪に起因したクラックの発生を効果的に解消することが可能になる。   With this configuration, the stress applied to each bonding material 5, 6, 7 can be reduced as much as possible when the semiconductor element 3 generates heat, and as a result, the amount of strain in each bonding material 5, 6, 7 can be reduced. As a result, the generation of cracks due to strain can be effectively eliminated.

次に、図2を参照して半導体モジュールの製造方法を概説する。   Next, a method for manufacturing a semiconductor module will be outlined with reference to FIG.

まず、図2(a)で示すように、第一のリードフレーム1、接合材5、半導体素子3、接合材6、および金属製冷却ブロック4が積層した第一の中間体10’を製造する。   First, as shown in FIG. 2A, a first intermediate body 10 ′ in which a first lead frame 1, a bonding material 5, a semiconductor element 3, a bonding material 6, and a metal cooling block 4 are stacked is manufactured. .

次に、図2(b)で示すように、上型K1と下型K2から構成される成形型KのキャビティCに第一の中間体10’を収容し、上型K1に開設されている注入孔K1aから第一の封止樹脂体成形用の樹脂を注入し(X1方向)、図2(c)で示すように、脱型することで、第一の中間体10’の周囲に第一の封止樹脂体8Aが形成された第二の中間体10”を製造する。   Next, as shown in FIG. 2 (b), the first intermediate body 10 'is accommodated in the cavity C of the molding die K composed of the upper die K1 and the lower die K2, and is opened in the upper die K1. By injecting a resin for molding the first sealing resin body from the injection hole K1a (X1 direction) and removing the mold as shown in FIG. 2C, the first intermediate body 10 ′ is surrounded by the first intermediate body 10 ′. A second intermediate body 10 ″ in which one sealing resin body 8A is formed is manufactured.

次に、図2(d)で示すように、上型K1’と下型K2’から構成される別途の成形型K’のキャビティC’に第二の中間体10”を収容し、上型K1’に開設されている注入孔K1’aから第二の封止樹脂体成形用の樹脂を注入し(X2方向)、硬化を待って脱型することにより、図1で示す半導体モジュール10が製造される。   Next, as shown in FIG. 2 (d), the second intermediate body 10 ″ is accommodated in the cavity C ′ of a separate molding die K ′ composed of the upper die K1 ′ and the lower die K2 ′, and the upper die. By injecting the resin for molding the second sealing resin body from the injection hole K1′a opened in K1 ′ (X2 direction) and demolding after waiting for curing, the semiconductor module 10 shown in FIG. Manufactured.

(第一の封止樹脂体の線膨張係数と、第一のリードフレーム−半導体素子間の接合材の非弾性歪の関係を検証した実験、および、第二の封止樹脂体の線膨張係数と、第二のリードフレーム−金属製冷却ブロック間の接合材の非弾性歪の関係を検証した実験と、それらの結果)
本発明者等は、第一の封止樹脂体の線膨張係数と、第一のリードフレーム−半導体素子間の接合材の非弾性歪の関係を検証した実験、および、第二の封止樹脂体の線膨張係数と、第二のリードフレーム−金属製冷却ブロック間の接合材の非弾性歪の関係を検証した実験をおこなった。
(Experiment verifying the relationship between the linear expansion coefficient of the first sealing resin body and the inelastic strain of the bonding material between the first lead frame and the semiconductor element, and the linear expansion coefficient of the second sealing resin body And experiments verifying the inelastic strain relationship of the joint material between the second lead frame and the metal cooling block, and the results)
The inventors have conducted an experiment that verified the relationship between the linear expansion coefficient of the first sealing resin body and the inelastic strain of the bonding material between the first lead frame and the semiconductor element, and the second sealing resin. An experiment was conducted to verify the relationship between the linear expansion coefficient of the body and the inelastic strain of the bonding material between the second lead frame and the metal cooling block.

具体的には、いずれの実験も、図1で示す構成の半導体モジュールを第一の封止樹脂体と第二の封止樹脂体の線膨張係数を種々変化させて複数製作し、−40℃と150℃の間で温度条件を変化させる冷熱試験をおこない、各試験体における接合材(図1における接合材5,7)の非弾性歪を測定した。製作された半導体モジュールにおいて、半導体素子の線膨張係数は3×10-6/Kであり、金属製冷却ブロックの線膨張係数は16.8×10-6/Kであり、第一、第二のリードフレームの線膨張係数は16×10-6/Kであり、各接合材の線膨張係数は22×10-6/Kである。 Specifically, in any experiment, a plurality of semiconductor modules having the configuration shown in FIG. 1 were manufactured by changing the linear expansion coefficients of the first sealing resin body and the second sealing resin body in various ways. And 150 ° C. were subjected to a cooling test to change the temperature condition, and the inelastic strain of the bonding material (bonding materials 5 and 7 in FIG. 1) in each test body was measured. In the manufactured semiconductor module, the linear expansion coefficient of the semiconductor element is 3 × 10 −6 / K, the linear expansion coefficient of the metal cooling block is 16.8 × 10 −6 / K, and the first and second leads The linear expansion coefficient of the frame is 16 × 10 −6 / K, and the linear expansion coefficient of each bonding material is 22 × 10 −6 / K.

第一の封止樹脂体とその周囲の接合材(図1における接合材5)の非弾性歪の関係に関する実験結果を図3に示し、第二の封止樹脂体とその周囲の接合材(図1における接合材7)の非弾性歪の関係に関する実験結果を図4に示す。   FIG. 3 shows the experimental results regarding the relationship of inelastic strain between the first sealing resin body and the surrounding bonding material (bonding material 5 in FIG. 1), and the second sealing resin body and the surrounding bonding material ( FIG. 4 shows the experimental results regarding the relationship of the inelastic strain of the bonding material 7) in FIG.

図3より、接合材の非弾性歪は第一の封止樹脂体の線膨張係数の増加とともに増加する傾向を示しており、第一の封止樹脂体の線膨張係数は、半導体素子の線膨張係数3×10-6/Kに近づくにつれて接合材の歪量が小さくなることが分かる。図3より、第一の封止樹脂体の線膨張係数は10×10-6/K以下が望ましいことが分かる。 FIG. 3 shows that the inelastic strain of the bonding material tends to increase as the linear expansion coefficient of the first sealing resin body increases, and the linear expansion coefficient of the first sealing resin body shows the linear expansion coefficient of the semiconductor element. It can be seen that as the expansion coefficient approaches 3 × 10 −6 / K, the strain amount of the bonding material decreases. FIG. 3 shows that the linear expansion coefficient of the first sealing resin body is desirably 10 × 10 −6 / K or less.

一方、図4より、接合材の非弾性歪は第二の封止樹脂体の線膨張係数が18×10-6/Kのときに最小値を示す、下に凸の曲線上にあることが分かる。図4より、第二の封止樹脂体の線膨張係数はリードフレームの線膨張係数16×10-6/Kと接合材の線膨張係数22×10-6/Kの間が望ましいことが分かる。 On the other hand, as shown in FIG. 4, the inelastic strain of the bonding material is on a downwardly convex curve showing a minimum value when the linear expansion coefficient of the second sealing resin body is 18 × 10 −6 / K. I understand. FIG. 4 shows that the linear expansion coefficient of the second sealing resin body is preferably between the linear expansion coefficient 16 × 10 −6 / K of the lead frame and the linear expansion coefficient 22 × 10 −6 / K of the bonding material. .

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。   The embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to this embodiment, and there are design changes and the like without departing from the gist of the present invention. They are also included in the present invention.

1…第一のリードフレーム、2…第二のリードフレーム、3…半導体素子、4…金属製冷却ブロック、5,6,7…接合材(はんだ層)、8…封止樹脂体、8A…第一の封止樹脂体、8B…第二の封止樹脂体、10…半導体モジュール、10’…第一の中間体、10”…第二の中間体,K,K’…成形型、K1,K1’…上型,K2,K2’…下型、C,C’…キャビティ   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... 1st lead frame, 2 ... 2nd lead frame, 3 ... Semiconductor element, 4 ... Metal cooling block, 5, 6, 7 ... Bonding material (solder layer), 8 ... Sealing resin body, 8A ... 1st sealing resin body, 8B ... 2nd sealing resin body, 10 ... Semiconductor module, 10 '... 1st intermediate body, 10 "... 2nd intermediate body, K, K' ... Mold, K1 , K1 '... upper die, K2, K2' ... lower die, C, C '... cavity

Claims (1)

第一のリードフレーム、接合材、半導体素子、接合材、金属製冷却ブロック、接合材、第二のリードフレーム、が順に積層され、封止樹脂体で全体が封止されてなる半導体モジュールであって、
前記封止樹脂体は、半導体素子の周囲を含む第一のリードフレーム側の第一の封止樹脂体と、それ以外の第二のリードフレーム側の第二の封止樹脂体と、から構成されており、
前記第二の封止樹脂体の線膨張係数に比して前記第一の封止樹脂体の線膨張係数が相対的に小さい半導体モジュール。
A semiconductor module in which a first lead frame, a bonding material, a semiconductor element, a bonding material, a metal cooling block, a bonding material, and a second lead frame are laminated in order, and the whole is sealed with a sealing resin body. And
The sealing resin body includes a first sealing resin body on the first lead frame side including the periphery of the semiconductor element, and a second sealing resin body on the second lead frame side other than that. Has been
A semiconductor module in which the linear expansion coefficient of the first sealing resin body is relatively smaller than the linear expansion coefficient of the second sealing resin body.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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