JP2020017702A

JP2020017702A - 半導体装置

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Publication number: JP2020017702A
Application number: JP2018141490A
Authority: JP
Inventors: 逸人仲野; Hayato Nakano
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2018-07-27
Filing date: 2018-07-27
Publication date: 2020-01-30
Anticipated expiration: 2038-07-27
Also published as: JP7183609B2

Abstract

【課題】発生する応力の方向に対応して応力緩和が可能な半導体装置を提供する。【解決手段】矩形状の樹脂封止部１０と、樹脂封止部１０の長手方向に配列するプレスフィット端子３ａ，３ｂ，３ｃと、底面が放熱板に熱的に接続するように樹脂封止部１０に埋め込まれた絶縁基板５と、絶縁基板５の上面に配置され、プレスフィット端子３ａ，３ｂ，３ｃに電気的に接続する半導体チップとを備える。長手方向の中央部に配置されたプレスフィット端子３ａに、樹脂封止部１０の上下方向の応力に対応する第１応力緩和部３２ａを設け、長手方向の一端部に配置されたプレスフィット端子３ｂに、一端部から樹脂封止部１０の斜め上外向きの応力に対応する第２応力緩和部３２ｂを設ける。【選択図】図６

Description

本発明は、外部回路基板とプレスフィット端子で接続する半導体装置に関する。

産業機器分野におけるパワーモジュール等の電力用半導体装置において、高信頼性で、小型化及び低コスト化ができるモールド封止構造が採用されている。外部回路基板との接続にプレスフィット端子を用いることではんだレス実装ができ、環境負荷物質の低減が可能となる。電力用の半導体装置では大電流を扱い、高温になるため、半導体装置の底面を放熱板に固定して放熱性能を向上させている。

外部回路基板との接続においては、プレスフィット端子の圧接部にバネ性を持たせ、外部回路基板の貫通孔径よりも大きな幅の圧接部を圧入する。圧接部の弾性変形による圧力によって貫通孔内壁との接触を維持する。半導体装置への通電を繰り返すと、温度サイクルにより発生する応力によって、半導体装置が変形し貫通孔内壁への圧接力が変動する。圧接力が大きくなると、貫通孔内壁が損傷する。また、圧接力が小さくなると、接触抵抗が増加する。このように、温度サイクルにより発生する応力が、外部回路基板との接触に影響し、信頼性を損ねる可能性がある。

半導体装置の温度サイクル等による発生応力を緩和するため、応力緩和構造が提案されている。特許文献１には、半導体装置と外部回路基板との間に高さ方向の隙間を設けて、応力を抑制することが記載されている。特許文献２〜５では、プレスフィット端子の圧接部に連結した括れ部や屈曲部等によって応力を緩和することが開示されている。

また、特許文献６には、矩形状の電力用半導体装置において、外部温度変化によってかかる応力は長手方向のほうが短手方向よりも大きいことが記載されている。電力用半導体装置は放熱板にねじ止めされているので、プレスフィット端子に発生する応力の方向は、長手方向の両端部及び中央部でそれぞれ異なる。しかし、特許文献１〜５には、発熱により発生する応力の方向に関する記述はない。

特開２０１６‐２１９７７８号公報特開２０１７‐１２６７８６号公報特開２０１３‐４２３９号公報特開２００８‐１９２５６９号公報特開２０１５‐７９５８４号公報特開２０１５‐１９８２１６号公報

本発明は上記課題に着目してなされたものであって、発熱により発生する応力の方向に対応して応力緩和ができ、信頼性の確保が可能な半導体装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様は、(ａ) 上面に外部回路基板が保持され、下面が放熱板に固定される半導体装置であって、（ｂ）矩形状の樹脂封止部と、（ｃ）樹脂封止部の長手方向に配列された複数のプレスフィット端子と、（ｄ）底面が放熱板に熱的に接続するように樹脂封止部に埋め込まれた絶縁基板と、（ｅ）絶縁基板の上面に配置され、複数のプレスフィット端子のいずれかに電気的に接続する半導体チップとを備え、複数のプレスフィット端子のそれぞれが、樹脂封止部に埋め込まれた端子部、樹脂封止部の上面から突出し、端子部に接続する応力緩和部、応力緩和部に接続し、外部回路基板の貫通孔に圧入される圧接部を有し、複数のプレスフィット端子のうち、長手方向の中央部に配置されたプレスフィット端子に、樹脂封止部の上下方向の応力に対応する第１応力緩和部を設け、長手方向の一端部に配置されたプレスフィット端子に、一端部から樹脂封止部の斜め上外向きの応力に対応する第２応力緩和部を設ける半導体装置であることを要旨とする。

本発明によれば、発熱により発生する応力の方向に対応して応力緩和ができ、信頼性の確保が可能な半導体装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る半導体装置の一例を示す上面図である。図１のＡ−Ａ線から垂直に切った半導体装置の断面概略図である。本発明の実施形態に係る半導体装置に用いるプレスフィット端子の一例を説明する正面図及び側面図である。本発明の実施形態に係る半導体装置に用いるプレスフィット端子の他の例を説明する正面図である。本発明の実施形態に係る半導体装置に用いるプレスフィット端子の他の例を説明する正面図である。外部回路基板を装着した場合の、図１のＢ−Ｂ線から垂直に切った半導体装置の断面概略図である。本発明の実施形態に係る半導体装置の発熱による反りの一例を説明する断面図である（その１）。本発明の実施形態に係る半導体装置の発熱による反りの一例を説明する断面図である（その２）。

以下に本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各装置や各部材の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判定すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

また、以下の説明における「左右」や「上下」の方向は、単に説明の便宜上の定義であって、本発明の技術的思想を限定するものではない。よって、例えば、紙面を９０度回転すれば「左右」と「上下」とは交換して読まれ、紙面を１８０度回転すれば「左」が「右」に、「右」が「左」になることは勿論である。

（実施形態）
本発明の実施形態に係る半導体装置は、後述するように、上面に外部回路基板が保持され、下面を放熱板に固定する。図１に示すように、矩形状の樹脂封止部１０の上面において、複数のプレスフィット端子３ａ、３ｂ、３ｃが長手方向に配列される。なお、図１では、プレスフィット端子３ａ、３ｂ、３ｃが樹脂封止部１０の短手方向の両端部に配置されているが、プレスフィット端子３ａ、３ｂ、３ｃの配置は限定されない。樹脂封止部１０の４隅には、外部回路基板を保持するねじ穴８１を有する保持部８が設けられる。また、樹脂封止部１０の長手方向の両端には、樹脂封止部１０を放熱板に固定するための固定貫通孔９１を有する固定部９が設けられる。樹脂封止部１０の上面は長辺と短辺を有する矩形であり、樹脂封止部１０全体の形状は略直方体であってよい。

図２に示すように、実施形態に係る半導体装置は、樹脂封止部１０の中に埋め込まれた、絶縁基板５及び半導体チップ７を備える。絶縁基板５は、例えば、絶縁層５１、導体層５２及び配線層５３を有するダイレクトボンド銅（ＤＣＢ）基板又は活性金属接合（ＡＭＢ）基板である。半導体チップ７は、絶縁基板５の配線層５３の上面に配置される。配線層５３には、配線回路パターン（図示省略）が設けられる。導体層５２は、下面が樹脂封止部１０の底面から露出するように設けられる。半導体チップ７は、プレスフィット端子３ａ、３ｂ、３ｃのいずれかに図示しないボンディングワイヤ等により電気的に接続される。

半導体チップ７には、炭化珪素（ＳｉＣ）を用いたＭＯＳ電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、ショットキバリアダイオード（ＳＢＤ）等の電力用半導体素子が設けられる。半導体チップ７は、ＳｉＣに限定されない。ＳｉＣの他にも、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）、ロンズデーライト（六方晶ダイヤモンド）又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の六方晶系の半導体材料がそれぞれ使用可能である。また、電力用半導体素子として、バイポーラトランジスタ（ＢＰＴ）、静電誘導トランジスタ（ＳＩＴ）、静電誘導サイリスタ（ＳＩサイリスタ）やゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）等も使用可能である。

図１に示すように、プレスフィット端子３ａは、樹脂封止部１０の長手方向の中央部に配置される。プレスフィット端子３ｂは、樹脂封止部１０の長手方向の一端部に配置される。プレスフィット端子３ｃは、樹脂封止部１０の長手方向の他端部に配置される。プレスフィット端子３ｂ、プレスフィット端子３ａおよびプレスフィット端子３ｃは、この順に、樹脂封止部１０の上面の長辺に沿って一列に配置されてよい。

図３〜図６を参照して、プレスフィット端子３ａ、３ｂ、３ｃの形状、及びプレスフィット端子３ａ、３ｂ、３ｃと外部回路基板１８との接続を説明する。図３〜図４に示すように、プレスフィット端子３ａ，３ｂ，３ｃはそれぞれ、Ｕ字状の圧接部３１、圧接部３１の下部に接続された応力緩和部３２ａ，３２ｂ，３２ｃ、及び応力緩和部３２ａ，３２ｂ，３２ｃの下部に接続された端子部３４を有する。

図６に示すように、プレスフィット端子３ａ、３ｂ、３ｃの圧接部３１はそれぞれ、図１に示した保持部８によって保持された外部回路基板１８の貫通孔８２に圧入される。圧接部３１の最大幅Ｗｐは貫通孔８２の内径より大きくしてある。また、Ｕ字状の圧接部３１はバネ性を有する。貫通孔８２に圧入された圧接部３１の弾性変形による圧力によって貫通孔８２内壁との接触を維持する。プレスフィット端子３ａ、３ｂ、３ｃの端子部３４はそれぞれ、図示しないボンディングワイヤ等により、図２に示した半導体チップ７、あるいは配線層５３の配線回路等に電気的に接続される。図３に示すように、応力緩和部（第１応力緩和部）３２ａには、幅方向の中央部に、開口部３３ａが設けられる。図４に示すように、応力緩和部（第２応力緩和部）３２ｂには、樹脂封止部１０の長手方向において一端部の反対側に溝部３３ｂが設けられる。図５に示すように、応力緩和部（第３応力緩和部）３２ｃには、樹脂封止部１０の長手方向において他端部の反対側に溝部３３ｃが設けられる。

例えば、プレスフィット端子３ａ、３ｂ、３ｃは、リン青銅（Ｃｕ−Ｓｎ−Ｐ系）、ベリリウム銅（ＢｅＣｕ）、及びコルソン銅（Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系）等の銅（Ｃｕ）を主成分としたバネ性を有する合金からなる。プレスフィット端子３ａ、３ｂ、３ｃの表面に、錫（Ｓｎ）やニッケル（Ｎｉ）等のめっき層を設けてもよい。外部回路基板１８には、プリント回路基板（ＰＣＢ）等が用いられる。外部回路基板１８の貫通孔８２は下地のＮｉ膜に金（Ａｕ）やＣｕのめっき層が設けられる。

プレスフィット端子３ａ、３ｂ、３ｃの圧接部３１は、例えば、最大幅Ｗｐが２．８ｍｍ程度、長さＬｐが５．６ｍｍ程度、最大離間幅Ｗｑが１ｍｍ程度、先端の離間幅が０．８５ｍｍ、厚さｔが２ｍｍ程度である。外部回路基板１８の厚さは１．６ｍｍ程度で、貫通孔８２の内径は２ｍｍ〜２．３ｍｍ程度である。また、応力緩和部３２ａの開口部３３ａは、上下方向の長さＬａが３００μｍ〜６００μｍ程度で、幅Ｗａが２００μｍ〜５００μｍ程度である。応力緩和部３２ｂ、３２ｃの溝部３３ｂ、３３ｃは、それぞれ上下方向の長さＬｂ、Ｌｃが３００μｍ〜６００μｍ程度で、幅Ｗｂ、Ｗｃが２００μｍ〜５００μｍ程度である。

次に、実施形態に係る半導体装置に通電した場合について説明する。通電すると半導体装置が発熱するため、図７に示すように、半導体装置は、図１に示した固定部９の固定貫通孔９１によって放熱板１９にネジ止めされる。なお、図７においては、外部回路基板１８の図示は省略している。

半導体装置に通電すると、半導体チップ７の発熱により絶縁基板５が膨張し、図８に示すように、樹脂封止部１０及び放熱板１９に、中央部が上方に向かう反りが発生する。放熱板の反り量Ｂｈの最大値、及び樹脂封止部１０の反り量Ｂｍの最大値は、それぞれ３００μｍ程度である。また、半導体装置への通電を停止すると、半導体装置及び放熱板１９の温度が低下して室温になり、反りが消失する。このような温度サイクルにより、樹脂封止部１０の中央部に配置されたプレスフィット端子３ａには、上下方向の応力Ｓａが発生する。一方、樹脂封止部１０の一端部側のプレスフィット端子３ｂには、樹脂封止部１０の一端部において、外向きには斜め上方向で内向きには斜め下方向の応力Ｓｂが発生する。同様に、樹脂封止部１０の他端部側のプレスフィット端子３ｃには、樹脂封止部１０の他端部において、外向きには斜め上方向で内向きには斜め下方向の応力Ｓｃが発生する。

プレスフィット端子３ａの応力緩和部３２ａには、幅方向の中央部に開口部３３ａが設けられている。発熱により上方向に応力Ｓａがかかると、開口部３３ａの側壁を成す金属部が上方向に伸展する。その結果、発熱で発生する上方向の応力Ｓａを緩和することができる。また、プレスフィット端子３ｂの応力緩和部３２ｂには、一端部の反対側に溝部３３ｂが設けられている。一端部から樹脂封止部１０の斜め上外向きに応力Ｓｂがかかると、溝部３３ｂの側壁を成す金属部が一端部から斜め上外向きに伸展する。その結果、発熱で発生する斜め上外向きの応力Ｓｂを緩和することができる。同様に、プレスフィット端子３ｃの応力緩和部３２ｃには、一端部の反対側に溝部３３ｃが設けられている。一端部から樹脂封止部１０の斜め上外向きに応力Ｓｃがかかると、溝部３３ｃの側壁を成す金属部が他端部から斜め上外向きに伸展する。その結果、発熱で発生する斜め上外向きの応力Ｓｃを緩和することができる。

上述のように、放熱板の反り量Ｂｈの最大値、及び樹脂封止部１０の反り量Ｂｍの最大値は、それぞれ３００μｍ程度である。したがって、応力緩和部３２ａ、３２ｂ、３２ｃの開口部３３ａ、溝部３３ｂ、３３ｃの上下方向の長さＬａ、Ｌｂ、Ｌｃは、それぞれ３００μｍ以上が望ましい。また、応力緩和部３２ａの開口部３３ａは、幅Ｗａよりも長さＬａが大きい長方形が応力緩和の観点からは望ましい。開口部３３ａの幅Ｗａ、溝部３３ｂ、３３ｃの幅Ｗｂ、Ｗｃを大きくして、それぞれの側壁をなす金属部の厚さを薄くすると、金属の伸展性が大きくなり、応力の緩和は向上する。しかし、この場合、薄い金属部により抵抗値が増加するため、半導体装置の使用を考慮して、開口部３３ａの幅Ｗａ、溝部３３ｂ、３３ｃの幅Ｗｂ、Ｗｃを決める必要がある。

実施形態に係る半導体装置では、樹脂封止部１０の中央部に配置するプレスフィット端子３ａの応力緩和部３２ａには開口部３３ａを設けている。また、樹脂封止部１０の端部のプレスフィット端子３ｂ、３ｃの応力緩和部３２ｂ、３２ｃにはそれぞれの端部の反対側に溝部３３ｂ、３３ｃを設けている。そのため、実施形態によれば、樹脂封止部１０の中央部及び端部に発生する応力の方向に対応して応力緩和ができ、信頼性の確保が可能な半導体装置を実現することができる。溝部３３ｂ、３３ｃは、樹脂封止部１０の上面の長辺に沿って互いに対向するように設けられてよい。

（その他の実施形態）
上記のように、本発明は一つの実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。上記の実施形態の開示の趣旨を理解すれば、当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が本発明に含まれ得ることが明らかとなろう。又、上記の実施形態及び各変形例において説明される各構成を任意に応用した構成等、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の例示的説明から妥当な、特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

３ａ、３ｂ、３ｃ・・・プレスフィット端子
５・・・絶縁基板
７・・・半導体チップ
８・・・保持部
９・・・固定部
１０・・・樹脂封止部
１８・・・外部回路基板
１９・・・放熱板
３１・・・圧接部
３２ａ、３２ｂ、３２ｃ・・・応力緩和部
３３ａ・・・開口部
３３ｂ、３３ｃ・・・溝部
３４・・・端子部
５１・・・絶縁層
５２・・・導体層
５３・・・配線層
８１・・・ねじ穴
８２・・・貫通孔
９１・・・固定貫通孔

Claims

上面に外部回路基板が保持され、下面が放熱板に固定される半導体装置であって、
矩形状の樹脂封止部と、
前記樹脂封止部の長手方向に配列された複数のプレスフィット端子と、
底面が前記放熱板に熱的に接続するように前記樹脂封止部に埋め込まれた絶縁基板と、
前記絶縁基板の上面に配置され、前記複数のプレスフィット端子のいずれかに電気的に接続する半導体チップ
とを備え、
前記複数のプレスフィット端子のそれぞれが、前記樹脂封止部に埋め込まれた端子部、前記樹脂封止部の上面から突出し、前記端子部に接続する応力緩和部、該応力緩和部に接続し、前記外部回路基板の貫通孔に圧入される圧接部を有し、
前記複数のプレスフィット端子のうち、
前記長手方向の中央部に配置されたプレスフィット端子に、前記樹脂封止部の上下方向の応力に対応する第１応力緩和部を設け、
前記長手方向の一端部に配置されたプレスフィット端子に、前記一端部から前記樹脂封止部の斜め上外向きの応力に対応する第２応力緩和部を設けることを特徴とする半導体装置。
前記第１応力緩和部において幅方向の中央部に開口部が設けられ、
前記第２応力緩和部において前記一端部の反対側に溝部が設けられることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記長手方向の他端部に配置されたプレスフィット端子に、前記他端部から前記樹脂封止部の斜め上外向きの応力に対応する第３応力緩和部を更に設けることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
前記第３応力緩和部において前記他端部の反対側に溝部が設けられることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
前記第１応力緩和部の開口部が矩形状であり、前記樹脂封止部の上下方向に長辺を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
前記開口部及び前記溝部は、前記樹脂封止部の上下方向における長さが３００μｍ以上であることを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。