JP2020088107A

JP2020088107A - 半導体モジュール

Info

Publication number: JP2020088107A
Application number: JP2018218629A
Authority: JP
Inventors: 佐知子中島; Sachiko Nakajima
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-11-21
Filing date: 2018-11-21
Publication date: 2020-06-04

Abstract

【課題】信号パッドと信号端子との間をはんだ層を介して接続する構造において、両者の接続部分への応力集中を抑制す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、信号パッドを有する半導体素子と、はんだ層を介して端部が信号パッドに接続された信号端子を備える。信号端子は、信号端子の長手方向における中間部分に、ばね部を有する。【選択図】図１

Description

本明細書に開示の技術は、半導体モジュールに関する。

特許文献１には、信号パッドを有する半導体素子と、信号端子とを備える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では、信号パッドと信号端子とが、ボンディングワイヤによって接続されている。

特開２０１２−０８９５４８号公報

半導体モジュールを小型化するために、信号パッドと信号端子との間を、ボンディングワイヤを用いることなく、はんだ層を介して接続する構造が考えられる。半導体モジュールの使用時には、半導体素子が繰り返し発熱することにより、半導体素子や信号端子が膨張と収縮を繰り返す。このため、上記の構造を採用すると、信号パッドと信号端子の接続部分に、高い応力が加わるおそれがある。本明細書では、信号パッドと信号端子との間をはんだ層を介して接続する構造において、両者の接続部分への応力集中を抑制することができる技術を提供する。

本明細書が開示する半導体モジュールは、信号パッドを有する半導体素子と、はんだ層を介して端部が前記信号パッドに接続された信号端子を備える。前記信号端子は、前記信号端子の長手方向における中間部分に、ばね部を有する。

本明細書でいうばね部とは、信号端子の他の部分よりも弾性変形し易い部分（ばね定数が低い部分）であって、例えば信号端子の両端間に引っ張り又は曲げといった荷重が加えられたときに、他の部分に優先して変形する部分を意味する。

上記の半導体モジュールでは、信号端子の端部が、はんだ層を介して信号パッドに接続されている。この信号端子には、その長手方向における中間部分に、ばね部が設けられている。このため、半導体素子や信号端子の熱変形に起因する応力を、ばね部によって吸収することができる。したがって、信号パッドと信号端子との接続部分に加わる応力を低減することができる。

半導体モジュール１０の断面図。半導体素子１２の上面図。半導体モジュール１０の製造工程を説明するための図。半導体モジュール１０の製造工程を説明するための図。

図を参照して、実施形態の半導体モジュール１０について説明する。図１に示すように、半導体モジュール１０は、半導体素子１２、上部リードフレーム２０、下部リードフレーム２２、絶縁樹脂２４及び複数の信号端子２６を有している。

半導体素子１２は、半導体基板１４、複数の上部電極１６及び下部電極１８を有している。本実施形態では、半導体素子１２は、いわゆるパワー半導体素子である。半導体基板１４には、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）が形成されている。なお、半導体基板１４に形成される半導体構造は、ＭＯＳＦＥＴには限定されず、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やダイオード等であってもよい。

複数の上部電極１６は、半導体基板１４の上面に設けられている。図２は、半導体素子１２を上面から見たときの図を示している。図２に示すように、複数の上部電極１６は、２つの主電極パッド１６ａと、複数の信号パッド１６ｂにより構成されている。本実施形態では、各主電極パッド１６ａはソース電極として機能する。各信号パッド１６ｂには、例えば、半導体素子１２の温度を示す電圧を出力するもの、半導体素子１２に流れる電流値を示す電圧を出力するもの、半導体素子１２のゲートパッドとなるもの等がある。各信号パッド１６ｂのサイズは、各主電極パッド１６ａのサイズよりも小さい。

下部電極１８は、半導体基板１４の下面に設けられている。下部電極１８は、半導体基板１４の下面の略全域を覆っている。本実施形態では、下部電極１８は、ドレイン電極として機能する。

上部リードフレーム２０は、半導体素子１２の上側に配置されている。上部リードフレーム２０の下面は、はんだ層２８を介して半導体素子１２の主電極パッド１６ａに接続されている。上部リードフレーム２０は、例えば、Ｃｕ等の熱伝導性に優れた材料により構成されている。

下部リードフレーム２２は、半導体素子１２の下側に配置されている。下部リードフレーム２２の上面は、はんだ層３０によって半導体素子１２の下部電極１８に接続されている。下部リードフレーム２２は、例えば、Ｃｕ等の熱伝導性に優れた材料により構成されている。

図１、２に示すように、複数の信号端子２６は、半導体素子１２の対応する信号パッド１６ｂに接続されている。図１に示すように、各信号端子２６の一方の端部２６ａは、はんだ層３２によって、対応する信号パッド１６ｂに接続されている。各信号端子２６の他方の端部２６ｅは、不図示の外部回路にそれぞれ接続されている。各信号端子２６は、絶縁樹脂２４の外部に突出している。各信号端子２６は、例えば、Ｃｕによって構成されている。

各信号端子２６は、第１平板部２６ｂ、ばね部２６ｃ及び第２平板部２６ｄを有している。第１平板部２６ｂは、信号端子２６の一方の端部２６ａから平板状に伸びている。第２平板部２６ｄは、信号端子２６の他方の端部２６ｅから平板状に伸びている。ばね部２６ｃは、第１平板部２６ｂと第２平板部２６ｄの間に蛇腹状に設けられている。すなわち、ばね部２６ｃは、信号端子２６の長手方向の中間部分に配置されている。ばね部２６ｃは、信号端子２６の他の部分（第１平板部２６ｂ及び第２平板部２６ｄ）よりも弾性変形し易い。すなわち、信号端子２６に対して力が作用すると、ばね部２６ｃは、信号端子２６の他の部分に優先して弾性変形する。換言すると、ばね部２６ｃは、信号端子２６の他の部分よりも小さいばね定数を有している。例えば、信号端子２６に対してその長手方向に力が作用した場合、ばね部２６ｃが最初に弾性変形して当該長手方向にひずみ、第１平板部２６ｂと第２平板部２６ｄの間の距離が小さくなる。本実施形態では、単一の材料により構成された平板を塑性変形させることにより、ばね部２６ｃを有する信号端子２６が形成される。ばね部２６ｃは、絶縁樹脂２４の内部に位置している。すなわち、信号端子２６のうち、ばね部２６ｃよりも端部２６ｅ側に位置する部分（第２平板部２６ｄの一部）については、絶縁樹脂２４から突出している。

図１に示すように、上部リードフレーム２０、半導体素子１２及び下部リードフレーム２２の積層体は、絶縁樹脂２４によって覆われている。上部リードフレーム２０の上面と下部リードフレーム２２の下面を除く積層体の表面全体が、絶縁樹脂２４によって覆われている。絶縁樹脂２４は、例えば、エポキシ樹脂等の熱硬化性の樹脂により構成されている。上部リードフレーム２０の上面と下部リードフレーム２２の下面は、それぞれ不図示の冷却器に接続される。

半導体モジュール１０の使用時には、半導体素子１２が繰り返し発熱することにより、半導体素子１２や信号端子２６が膨張と収縮を繰り返す。このため、半導体素子１２と信号端子２６の接続部分に高い応力が生じる。しかしながら、本実施形態では、信号端子２６にその他の部分よりも弾性変形し易いばね部２６ｃが設けられている。そして、このばね部２６ｃは、絶縁樹脂２４の内部に設けられている。このため、ばね部２６ｃが弾性変形することにより、半導体素子１２や信号端子２６の熱変形に起因する応力を吸収することができる。したがって、この半導体モジュール１０では、半導体素子１２、信号端子２６の端部２６ａ及びこれらの接続部分に設けられたはんだ層３２に応力が集中することを抑制することができる。

次に、半導体モジュール１０の製造方法について説明する。ただし、本実施形態では特に、上部リードフレーム２０、半導体素子１２及び下部リードフレーム２２の積層体に対して信号端子２６を信号パッド１６ｂに接続する工程について説明する。上記積層体を製造する工程については、従来公知の各種の方法を適宜用いて実施することができるため、ここではその工程の説明を省略する。

まず、図３に示すように、上部リードフレーム２０、半導体素子１２及び下部リードフレーム２２からなる積層体５０を準備する。そして、積層体５０に対して、信号端子２６の位置を調整する。信号端子２６は、第１平板部２６ｂ側の端部２６ａがはんだ層３２の上部に位置するように位置決めされる。また、この工程では、第２平板部２６ｄ側の端部２６ｅにおいて、信号端子２６の高さ位置を調節するための治具６０が設けられる。治具６０の高さ位置は、下部リードフレーム２２の下面からはんだ層３２の上面までの高さよりも上方であって、はんだ層３２が設けられている範囲における上部リードフレーム２０の下面の高さよりも下方に設定される。すなわち、治具６０の高さは、信号端子２６の端部２６ａの下面とはんだ層３２の上面との間に所定の間隔が設けられるように調節される。ここでは、第１平板部２６ｂと第２平板部２６ｄとが略平行な面上に位置している。すなわち、第１平板部２６ｂと第２平板部２６ｄとの間の成す角度は略０度である。

次に、図４の矢印１００に示すように、信号端子２６の第１平板部２６ｂの上面側から所定の荷重を加える。これにより、第１平板部２６ｂを押し下げ、端部２６ａをはんだ層３２に接触させて押し付ける。この状態ではんだ層３２を溶融させることにより、はんだ層３２を介して端部２６ａと信号パッド１６ｂとを接続する。

積層体５０を平面視すると、端部２６ａとはんだ層３２との接続部分が、上部リードフレーム２０によって遮られる。したがって、はんだ層３２を介して信号端子２６の端部２６ａを信号パッド１６ｂに接続する際には、端部２６ａが正確にはんだ層３２に接続されたのか否かを目視により検査することができない。本実施形態では上記に鑑みて、第１平板部２６ｂと第２平板部２６ｄとの成す角度を測定することにより、端部２６ａとはんだ層３２との接続の可否を検査する。上述したように、治具６０の高さは、信号端子２６の端部２６ａの下面とはんだ層３２の上面との間に所定の間隔が設けられるように調節される。したがって、第１平板部２６ｂの上面から所定の荷重を加えると、ばね部２６ｃが弾性変形することにより、第１平板部２６ｂが第２平板部２６ｄに対して傾斜してはんだ層３２に接触する。このため、本実施形態では、はんだ層３２を介した端部２６ａと信号パッド１６ｂとの接続工程を実施後、第１平板部２６ｂが第２平板部２６ｄに対して傾斜している場合に、端部２６ａがはんだ層３２に対して正確に接続されたと判断することができる。一方、端部２６ａがはんだ層３２に対して接続されていない場合（例えば、信号端子２６の位置決めにずれが生じていた場合）、上記接続工程の実施後、ばね部２６ｃの弾性力によって第１平板部２６ｂの位置が荷重を加えられる前の位置に戻る。すなわち、第１平板部２６ｂと第２平板部２６ｄとの間の成す角度が略０度に戻る。このように、本実施形態では、ばね部２６ｃの弾性力を利用して、第１平板部２６ｂと第２平板部２６ｄとの間の成す角度を測定することにより、はんだ層３２を介して端部２６ａと信号パッド１６ｂとが正確に接続されたのか否かを検査することができる。

その後、絶縁樹脂２４によって積層体５０を封止することにより、図１に示す半導体モジュール１０が完成する。

上述した実施形態では、信号端子２６は、単一の材料によって構成されていた。また、ばね部２６ｃが蛇腹状に形成されていた。しかしながら、信号端子２６のばね部２６ｃは、信号端子２６の他の部分よりも弾性変形し易いように構成されていればよい。例えば、ばね部２６ｃをその他の部分（第１平板部２６ｂ及び第２平板部２６ｄ）よりも弾性率が小さい材料によって構成してもよいし、ばね部２６ｃの断面積をその他の部分の断面積よりも小さくしてもよい。すなわち、半導体素子１２や信号端子２６の熱変形に起因する応力を吸収可能な構成であればよい。

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。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み合わ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み合わ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するものであり、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：半導体素子、１４：半導体基板、１６：上部電極、１６ａ：主電極パッド、１６ｂ：信号パッド、１８：下部電極、２０：上部リードフレーム、２２：下部リードフレーム、２４：絶縁樹脂、２６：信号端子、２６ａ：端部、２６ｂ：第１平板部、２６ｃ：ばね部、２６ｄ：第２平板部、２６ｅ：端部、２８、３０、３２：はんだ層

Claims

半導体モジュールであって、
信号パッドを有する半導体素子と、
はんだ層を介して端部が前記信号パッドに接続された信号端子、
を備え、
前記信号端子は、前記信号端子の長手方向における中間部分に、ばね部を有する、
半導体モジュール。