JP2019140285A

JP2019140285A - 半導体モジュール

Info

Publication number: JP2019140285A
Application number: JP2018023312A
Authority: JP
Inventors: 真男野口; Masao Noguchi; 林太郎淺井; Rintaro Asai
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-02-13
Filing date: 2018-02-13
Publication date: 2019-08-22

Abstract

【課題】半導体モジュールの信頼性を向上させることができる技術を提供する。【解決手段】半導体モジュールは、上面電極と下面電極を有する半導体素子と、第１電極接合層を介して上面電極に接続されている第１導体板と、第２電極接合層を介して下面電極に接続されている第２導体板と、を備える。下面電極が上面電極よりも大きい。第２電極接合層の耐クリープ性は、第１電極接合層の耐クリープ性よりも高く、第２電極接合層の０．２％耐力は、第１電極接合層の０．２％耐力よりも大きい。【選択図】図１

Description

本明細書が開示する技術は、半導体モジュールに関する。

特許文献１に、半導体素子の両面に導電体が接合層によって接合された構造を有する半導体モジュールが開示されている。図４は、特許文献１の半導体モジュールの一部分を拡大して示している。図４に示すように、半導体素子４６０は、半導体基板４５０と、上面電極の上面に設けられている上面電極４１０と、半導体基板４５０の下面に設けられている下面電極４２０と、を備える。上面電極４１０は、第１電極接合層４１２を介して第１導体板４１４に接続されており、下面電極４２０は、第２電極接合層４２２を介して第２導体板４２４に接続されている。下面電極４２０が上面電極４１０よりも広い。

特開２０１６−０４６４９７号公報

特許文献１の半導体モジュールでは、第１導体板４１４と第２導体板４２４のそれぞれが、半導体基板４５０から熱を逃がす放熱部材として機能する。このため、半導体基板４５０の発熱時に、第１導体板４１４、第２導体板４２４及び半導体基板４５０のそれぞれが熱膨張する。このとき、第１導体板４１４の線膨張係数と第２導体板４２４の線膨張係数が半導体基板４５０の線膨張係数よりも大きいので、第１導体板４１４の膨張量と第２導体板４２４の膨張量が半導体基板４５０の膨張量よりも大きくなる。このため、第１導体板４１４の熱膨張によって、第１電極接合層４１２が外周側に引っ張られる。また、第２導体板４２４の熱膨張によって、第２電極接合層４２２が外周側に引っ張られる。半導体基板４５０が繰り返し発熱することで、接合層４１２、４２２に繰り返し応力が加わる。すると、クリープ現象によって、図４の矢印に示すように、第１電極接合層４１２の内部ではんだが外周側に移動し、第２電極接合層４２２の内部ではんだが外周側に移動する。さらにクリープ現象が進行すると、図５の矢印４９０に示すように、第１電極接合層４１２の内部で外周側に移動したはんだが、上面電極４１０の外周縁４１０ａ近傍において半導体基板４５０を下方向に加圧する。その結果、半導体基板４５０が上面電極４１０の外周縁４１０ａで下方向に反る。また、下方向に沿った半導体基板４５０によって加圧されることによって、第２電極接合層４２２内のはんだが、加圧された部分から周囲に向かって移動する。その結果、第２電極接合層４２２内のはんだの一部が、図５の矢印４９２に示すように、上面電極４１０の中央部の下部に向かって移動する。このため、上面電極４１０の中央部の位置で、第２電極接合層４２２が半導体基板４５０を上方向に加圧し、半導体基板４５０が上方向に反る。第２電極接合層４２２は、第２電極接合層４２２が上側に反った状態に変形する。そして、半導体基板４５０の発熱が終了しても、第２電極接合層４２２及び半導体基板４５０が上側に反った状態が維持される。半導体基板４５０に図５に示すような反りが生じることで、半導体基板４５０が劣化する。これによって、半導体モジュールの信頼性が低下する。なお、図４、５では、半導体素子４６０が絶縁樹脂に覆われているが、半導体素子が絶縁樹脂に覆われていない場合でも図５と同様の反りが生じることが確認されている。従って、本明細書では、半導体モジュールにおいて、半導体基板の反りを抑制する技術を提案する。

本明細書に開示する半導体モジュールは、上面電極と下面電極を有する半導体素子と、第１電極接合層を介して前記上面電極に接続されている第１導体板と、第２電極接合層を介して前記下面電極に接続されている第２導体板と、を備える。前記下面電極が前記上面電極よりも大きい。前記第２電極接合層の耐クリープ性は、前記第１電極接合層の耐クリープ性よりも高く、前記第２電極接合層の０．２％耐力は、前記第１電極接合層の０．２％耐力よりも大きい。

上記した半導体モジュールでは、第２電極接合層の耐クリープ性が、第１電極接合層の耐クリープ性よりも高い。第２電極接合層の耐クリープ性が比較的に高いことから、半導体素子が発熱しても、第２電極接合層にクリープ現象が発生し難い。また、第２電極接合層の０．２％耐力は、第１電極接合層の０．２％耐力よりも大きい。第２電極接合層の０．２％耐力が比較的に大きいことから、第２電極接合層は、半導体素子の発熱時に、第１電極接合層によって下方向に加圧されても、塑性変形し難い。このため、第２電極接合層は、半導体素子の発熱が停止され、第１電極接合層によって下方向に加圧されている状態が解消されると、元の状態に戻る。これにより、半導体素子も元の状態に戻る。従って、この半導体モジュールでは、半導体基板の経時的な劣化が生じ難い。

第１実施例に係る半導体モジュールの断面図。第２実施例に係る半導体モジュールの断面図。第３実施例に係る半導体モジュールの断面図。従来の半導体モジュールの半導体素子４６０とその周辺の拡大断面図。従来の半導体モジュールの半導体素子４６０とその周辺の拡大断面図。

（第１実施例）
図１を参照して、本実施例の半導体モジュール１０について説明する。半導体モジュール１０は、上部金属板１２、金属ブロック１６、半導体素子２０、下部金属板２４、ワイヤ２８、信号端子３０、下部接続端子３２、上部接続端子３４、及び、絶縁樹脂３６を有している。

半導体素子２０は、ＳｉＣ（炭化シリコン）基板２０ａと、上面電極２０ｂと、下面電極２０ｃと、信号電極２０ｄと、を有している。ＳｉＣ基板２０ａの上面及び下面は、平坦である。

上面電極２０ｂは、ＳｉＣ基板２０ａの上面の中央部を覆っており、上面の周縁部を覆っていない。下面電極２０ｃは、ＳｉＣ基板２０ａの下面の全域を覆っている。従って、ＳｉＣ基板２０ａの厚み方向に沿って見たときに、下面電極２０ｃは上面電極２０ｂよりも大きい。信号電極２０ｄは、ＳｉＣ基板２０ａの上面の周縁部の一部に設けられている。信号電極２０ｄは、上面電極２０ｂと離間して配置されている。信号電極２０ｄは、ワイヤ２８によって信号端子３０に接続されている。信号端子３０は、絶縁樹脂３６の外部に突出している。ＳｉＣ基板２０ａの内部には、ショットキーバリアダイオード等の半導体素子が形成されている。

金属ブロック１６は、金属（より詳細には、銅）により構成されている。金属ブロック１６は、半導体素子２０の上部に配置されている。金属ブロック１６の下面は、第１電極接合層１８によって半導体素子２０の上面電極２０ｂに接続されている。他の実施形態として、金属ブロック１６は、金属以外の導体で構成された他の部材に変更されてもよい。第１電極接合層１８は、Ｓｎ（スズ）系はんだ層である。第１電極接合層１８全体を１００ａｔ％とした場合のＳｎの含有量は、８５ａｔ％以上である。このため、第１電極接合層１８の耐クリープ性は比較的に低く、第１電極接合層１８の０．２％耐力が比較的に小さい。

上部金属板１２は、金属（より詳細には、銅）により構成されている。上部金属板１２は、金属ブロック１６の上部に配置されている。上部金属板１２の下面は、接合層１４によって金属ブロック１６の上面に接続されている。上部金属板１２には、上部接続端子３４が接続されている。上部接続端子３４は、絶縁樹脂３６の外部に突出している。他の実施形態として、上部金属板１２は、金属以外の導体で構成された他の部材に変更されてもよい。

下部金属板２４は、金属（より詳細には、銅）により構成されている。下部金属板２４は、半導体素子２０の下部に配置されている。下部金属板２４の上面は、第２電極接合層２２によって半導体素子２０の下面電極２０ｃに接続されている。第２電極接合層２２は、金属（例えば、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、Ｎｉ（ニッケル）等）からなるペースト剤を焼結することで形成される層である。第２電極接合層２２の耐クリープ性は、第１電極接合層１８の耐クリープ性よりも高い。また、第２電極接合層２２の０．２％耐力は、第１電極接合層１８の０．２％耐力よりも大きい。なお、第２電極接合層２２は、合金（例えば、Ｎｉ−Ｓｎ、Ｃｕ−Ｓｎ、Ａｇ−Ｓｎ等）をインサート材として利用するＴＬＰ接合（液相拡散接合）層であってもよいし、Ｚｎ−Ａｌ系のはんだ層であってもよい。下部金属板２４には、下部接続端子３２が接続されている。下部接続端子３２は、絶縁樹脂３６の外部に突出している。他の実施形態として、下部金属板２４は、金属以外の導体で構成された他の部材に変更されてもよい。

上部金属板１２、金属ブロック１６、半導体素子２０及び下部金属板２４の積層体は、絶縁樹脂３６によって覆われている。上部金属板１２の上面と下部金属板２４の下面を除く積層体の表面全体が、絶縁樹脂３６によって覆われている。上部金属板１２の上面と下部金属板２４の下面は、図示しない冷却器に接続される。

本実施例の半導体モジュール１０によって得られる効果について説明する。上部接続端子３４と上部金属板１２、及び、下部接続端子３２と下部金属板２４を介して、半導体素子２０に電流を流すことができる。また、上部金属板１２と下部金属板２４は、放熱板としても機能する。半導体素子２０に電流を流すと、半導体素子２０が発熱する。半導体素子２０で生じた熱は、下部金属板２４を介して放熱されるとともに、金属ブロック１６と上部金属板１２を介して放熱される。このため、半導体素子２０に電流を流すと、下部金属板２４、金属ブロック１６及び上部金属板１２が高温になる。

下部金属板２４の線膨張係数と金属ブロック１６の線膨張係数はＳｉＣ基板２０ａの線膨張係数よりも高い。このため、下部金属板２４と金属ブロック１６の膨張量は、ＳｉＣ基板２０ａの膨張量よりも大きくなる。ＳｉＣ基板２０ａの膨張量が小さく、金属ブロック１６の膨張量が大きいので、これらの間の第１電極接合層１８に高い熱応力が加わる。このため、半導体素子２０に繰り返し通電すると、第１電極接合層１８に繰り返し熱応力が加わり、クリープ現象によって第１電極接合層１８の内部ではんだが外周側に向かって移動する。また、ＳｉＣ基板２０ａの膨張量が小さく、下部金属板２４の膨張量が大きいので、これらの間の第２電極接合層２２に高い熱応力が加わる。このため、半導体素子２０に繰り返し通電すると、第２電極接合層２２に繰り返し熱応力が加わる。この点に関して、前述したように、第２電極接合層２２の耐クリープ性は、第１電極接合層１８の耐クリープ性よりも高い。第２電極接合層２２の耐クリープ性が比較的に高いので、第２電極接合層２２においてクリープ現象が抑制される。

また、第２電極接合層２２の０．２％耐力は、第１電極接合層１８の０．２％耐力よりも大きい。第２電極接合層２２の０．２％耐力が比較的に大きいため、第２電極接合層２２は塑性変形し難い。従って、ＳｉＣ基板２０ａの発熱が停止し、第１電極接合層１８による下方向への加圧が解消されると、第２電極接合層２２は、元の平坦な状態に戻る。これにより、ＳｉＣ基板２０ａも元の平坦な状態に戻る。このため、実施形態の半導体モジュール１０では、図５のような半導体基板４５０の反りが抑制される。従って、半導体モジュール１０によれば、ＳｉＣ基板２０ａの経時的な劣化が抑制され、高い信頼性を確保することができる。

次いで、本実施例の半導体モジュール１０の更なる効果について説明する。比較例として、第２電極接合層２２の耐クリープ性が、第１電極接合層１８の耐クリープ性と同等（又はそれ以下）であり、第２電極接合層２２の０．２％耐力についても、第１電極接合層１８の０．２％耐力と同等（又はそれ以下）である場合を想定する。この場合でも、第２電極接合層２２の耐クリープ性や０．２％耐力が、従来の半導体モジュールよりも十分に優れていれば、ＳｉＣ基板２０ａの発熱に起因する半導体素子２０の上側への反りは抑制される。しかしながら、第１電極接合層１８の耐クリープ性や０．２％耐力が、第２電極接合層２２のそれらと同等である（又は優れている）と、ＳｉＣ基板２０ａの発熱時に、上面電極２０ｂに接続された第１電極接合層１８においても、クリープ現象が抑制される。第１電極接合層１８においてクリープ現象が抑制されると、金属ブロック１６の線膨張係数とＳｉＣ基板２０ａの線膨張係数との差に起因する熱応力が、上面電極２０ｂへより強く作用する。これにより、上面電極２０ｂにおいてクラックの生成や進展が促進されてしまう。

一方、本実施例の半導体モジュール１０では、金属ブロック１６と上面電極２０ｂとを接続する第１電極接合層１８が、比較的に低い耐クリープ性を有し、かつ、比較的に小さい０．２％耐力を有する。この場合、ＳｉＣ基板２０ａの発熱時に、第１電極接合層１８においてクリープ現象が生じやすい。これにより、金属ブロック１６の線膨張係数とＳｉＣ基板２０ａの線膨張係数との差に起因する熱応力が、第１電極接合層１８で生じるクリープ現象によって緩和される。その結果、上述した比較例の場合と比較して、上面電極２０ｂに作用する熱応力が低下して、上面電極２０ｂにおいてクラックの進展が抑制される。従って、半導体モジュール１０によれば、上面電極２０ｂにおいてクラックの生成や進展が抑制され、さらに高い信頼性を確保することができる。

（対応関係）
金属ブロック１６、下部金属板２４が、それぞれ、「第１導体板」、「第２導体板」の一例である。

（第２実施例）
次いで、図２を参照して、第２実施例の半導体モジュール２１０について説明する。なお、以下では、実施例間で共通する構成について、同じ符号を付して説明を省略する。半導体モジュール２１０は、絶縁樹脂３６の片面（下面）に下部金属板２４が露出する片面冷却構造を有する。

半導体モジュール２１０では、金属ブロック１６の上面にワイヤ２５０が接続されている。ワイヤ２５０は、屈曲している。ワイヤ２５０は、絶縁樹脂３６の外部に突出している。このような構成でも、第１実施例の半導体モジュール１０と同様の効果を奏することができる。

（第３実施例）
次いで、図３を参照して、第３実施例の半導体モジュール３１０について説明する。第３実施例の半導体モジュール３１０は、第２実施例の半導体モジュール２１０と同様に、片面冷却構造を有する。

半導体モジュール３１０では、電極板３５０が、第１電極接合層１８によって金属ブロック１６の上面に接続されている。電極板３５０は、Ｌ字型の形状を有し、絶縁樹脂３６の外部に突出している。このような構成でも、第１実施例の半導体モジュール１０と同様の効果を奏することができる。本実施例では、電極板３５０が、「第１導体板」の一例である。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書また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、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書また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。

１０：半導体モジュール
１２：上部金属板
１４：接合層
１６：金属ブロック
１８：接合層
２０：半導体素子
２０ａ：ＳｉＣ基板
２０ｂ：上面電極
２０ｃ：下面電極
２０ｄ：信号電極
２２：接合層
２４：下部金属板
２６：信号電極
２８：ワイヤ
３０：信号端子
３２：下部接続端子
３４：上部接続端子
３６：絶縁樹脂

Claims

半導体モジュールであって、
上面電極と下面電極を有する半導体素子と、
第１電極接合層を介して前記上面電極に接続されている第１導体板と、
第２電極接合層を介して前記下面電極に接続されている第２導体板と、を備え、
前記下面電極が前記上面電極よりも大きく、
前記第２電極接合層の耐クリープ性は、前記第１電極接合層の耐クリープ性よりも高く、
前記第２電極接合層の０．２％耐力は、前記第１電極接合層の０．２％耐力よりも大きい、
半導体モジュール。