JP2020107627A - Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a method of manufacturing a semiconductor device.
パワーモジュール(パワー系の半導体装置)は、半導体素子(以下、半導体チップまたは単にチップともいう)および配線基板(絶縁基板)、もしくは配線基板およびヒートシンク(放熱用金属板)をはんだ等の接合材によって接合した構造を有している場合が多い。 In a power module (power semiconductor device), a semiconductor element (hereinafter, also referred to as a semiconductor chip or simply a chip) and a wiring board (insulating board), or a wiring board and a heat sink (metal plate for heat dissipation) are joined by a bonding material such as solder. Often has a bonded structure.
これまで、高耐熱性が要求される自動車や建機、鉄道、産業分野等に用いられる半導体装置の接合材としては鉛(Pb)入りはんだが使用されてきたが、環境負荷低減のため、鉛フリーの接合材を使用した機器も広く流通されてきている。 So far, lead (Pb)-containing solder has been used as a bonding material for semiconductor devices used in automobiles, construction machinery, railways, industrial fields, etc., which require high heat resistance. Equipment using free bonding materials has also been widely distributed.
近年、高温動作が可能で、かつ冷却系を簡素化することで機器の小型軽量化が可能な炭化ケイ素(SiC)や窒化ガリウム(GaN)等のワイドギャップ半導体の開発が推し進められている。なお、一般的にSiの半導体素子は動作温度の上限が150〜175℃であるのに対し、SiCの半導体素子は175℃以上での使用が可能である。使用温度が高温になると、パワーモジュールに使用される各種部材についても耐熱性、信頼性が要求される。 In recent years, development of wide-gap semiconductors such as silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN) that can operate at high temperatures and can reduce the size and weight of devices by simplifying a cooling system has been promoted. In general, the upper limit of the operating temperature of a Si semiconductor element is 150 to 175° C., whereas the SiC semiconductor element can be used at 175° C. or higher. When the operating temperature becomes high, various members used in the power module are also required to have heat resistance and reliability.
そのため、一般にパワーモジュールの配線基板として、耐熱性のあるセラミック基板が用いられる。例えば、特許文献1には、ヒートシンクとはんだ接合する場合に、空隙率が小さいはんだ層を得ることができるようなセラミック基板を提供することを目的として、230〜300℃に加熱した時に、金属放熱板側に凸形状に反っていることを特徴とするセラミック基板が記載されている。
Therefore, a heat-resistant ceramic substrate is generally used as the wiring substrate of the power module. For example, in
本発明者は、パワーモジュールにおいて、配線基板と半導体チップとの接合、または、配線基板とベース板(ヒートシンク)との接合を良好にすることを検討している。パワーモジュールにおいて、半導体装置およびその製造方法を工夫することにより、前記半導体装置の信頼性の向上が望まれる。 The inventor of the present invention is considering improving the bonding between the wiring board and the semiconductor chip or the bonding between the wiring board and the base plate (heat sink) in the power module. In the power module, it is desired to improve the reliability of the semiconductor device by devising the semiconductor device and the manufacturing method thereof.
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。 Other problems and novel features will be apparent from the description of the present specification and the accompanying drawings.
一実施の形態による半導体装置は、第1面および前記第1面の反対側に位置する第2面を有する配線基板と、前記配線基板の前記第1面に形成された第1配線と、前記配線基板の前記第2面に形成された第2配線と、前記第1配線上に第1接合材を介して搭載された複数の半導体チップと、前記第2配線との間に第2接合材を介して接合され、前記配線基板を支持するベース板と、を有する。前記複数の半導体チップは、平面視において、前記配線基板の端部に配置され、前記配線基板のうち、平面視において、前記配線基板の前記端部は、前記第1面側に向かって凸となる形状で固定されている一方、前記配線基板の中央部は、平坦である。 A semiconductor device according to an embodiment is a wiring board having a first surface and a second surface opposite to the first surface; a first wiring formed on the first surface of the wiring board; A second bonding material between the second wiring formed on the second surface of the wiring board, a plurality of semiconductor chips mounted on the first wiring via a first bonding material, and the second wiring. And a base plate that supports the wiring board. The plurality of semiconductor chips are arranged on an end portion of the wiring board in a plan view, and the end portion of the wiring board in the wiring board in a plan view is convex toward the first surface side. The central portion of the wiring board is flat while being fixed in such a shape.
一実施の形態によれば、半導体装置の信頼性を向上させることができる。 According to one embodiment, the reliability of the semiconductor device can be improved.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なときを除き、同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In all the drawings for explaining the embodiments, members having the same function are designated by the same reference numeral, and the repeated description thereof will be omitted. In the following embodiments, the description of the same or similar portions will not be repeated in principle unless particularly necessary.
(実施の形態1)
<半導体装置の構造>
図1および図2は、一実施の形態(以下、実施の形態1)の半導体装置(パワーモジュール)の構造を示す要部断面図、図3は、実施の形態1の半導体装置の構造を示す要部平面図である。なお、図1は、図3中B方向から見た要部断面図であり、図2は、図3中C方向から見た要部断面図である。
(Embodiment 1)
<Structure of semiconductor device>
1 and 2 are cross-sectional views of a main part showing a structure of a semiconductor device (power module) according to one embodiment (hereinafter, referred to as a first embodiment), and FIG. 3 shows a structure of the semiconductor device according to the first embodiment. It is a principal part top view. Note that FIG. 1 is a cross-sectional view of a main part viewed from the B direction in FIG. 3, and FIG. 2 is a cross-sectional view of the main part viewed from the C direction in FIG.
以下、図1〜図3に示す実施の形態1の半導体装置の構成について説明する。実施の形態1の半導体装置10は、例えば、鉄道の車両や自動車の車体等に搭載されるパワーモジュール(半導体モジュール)として構成されている。具体的には、半導体装置10は、複数の半導体チップ1と、半導体チップ1を支持する配線基板(支持基板、絶縁基板)3と、配線基板3を支持するベース板(ヒートシンク)4と、半導体チップ1および配線基板3を電気的に接続するワイヤ6と、配線基板3および外部装置(図示せず)を電気的に接続する端子(リード)7とを有している。半導体チップ1と配線基板3とは、接合材2を介して接合されている。そして、配線基板3とベース板4とは、接合材5を介して接合されている。
The configuration of the semiconductor device according to the first embodiment shown in FIGS. 1 to 3 will be described below. The
複数の半導体チップ1は、パワー系の半導体チップ(半導体素子)である。各半導体チップ1は、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)、FWD(Free Wheeling Diode)、SBD(Schottky Barrier Diode)等を含むが、これに限定されるものではない。また、半導体チップ1は、SiやSiCやGaN、酸化ガリウム、ダイヤモンドなどにより構成され、好ましくは175℃以上の高温で動作可能なSiCまたはGaNにより構成されているが、これに限定されるものではない。半導体チップ1の好適な例としては、例えば、鉄道車両用駆動装置などにおいて炭化ケイ素スイッチング素子として用いられるSiCを基板材料としたIGBT(SiC−IGBT)またはMOSFET(SiC−MOSFET)、および、SiC−IGBTまたはSiC−MOSFETの還流用の素子であるSiCダイオードを含んでいる。各半導体チップ1は、平面視において、長方形状に形成されている。
The plurality of
実施の形態1の配線基板3は、例えばアルミナ(Al2O3)や窒化アルミニウム(AlN)、窒化ケイ素(Si3N4)等のセラミック基板により構成されている。配線基板3の上面(第1面、主面)3a上には複数の配線(第1配線、導体膜、導体パターン、電極、回路)3aa,3ab,3acが、配線基板3の下面(第2面、主面)3b上には配線(第2配線、導体膜、導体パターン)3baが、それぞれ形成されている。配線3aa,3ab,3ac,3baは、例えば銅(Cu)、アルミニウム(Al)を主成分とする材料により構成されている。
The
配線基板3の上面3aに設けられた配線3ab上には、接合材(第1接合材)2を介して、複数(例えば6つ)の半導体チップ1が搭載されている。すなわち、配線基板3は、接合材2を介して半導体チップ1を支持している。このように、配線基板3の上面3a側の配線3abに半導体チップ1を接合するため、以下、配線基板3の上面3aを半導体チップ搭載面3aと呼ぶことがある。
On the wiring 3ab provided on the
接合材2は、溶融して被接合材との界面で金属間化合物を生成して接合する材料、例えばはんだ(合金)により構成されている。はんだとしては、スズ(Sn)を主成分とするはんだ、または鉛(Pb)を主成分とするはんだが好ましく、具体的にはPb−Sn、Sn−Cu、Sn−Cu−Sb、Sn−Sb、Sn−Ag、Sn−Ag−Cu等のはんだが好ましい。接合材2を構成する材料の融点は、スズ(Sn)を主成分とするはんだの場合、220℃程度であり、鉛(Pb)を主成分とするはんだの場合、290℃以上である。なお、被接合材やその周辺の部材の耐熱性や冷却時の残留応力の観点から、接合材2を構成する材料の融点は、300℃以下であることが好ましい。
The
図1および図3に示すように、複数の半導体チップ1は、平面視において、配線基板3の端部に配置されている。なお、「端部」とは、平面視において、配線基板3の周縁(最外周縁)から半導体チップ1の1辺(長辺または短辺)の長さ分内方に至るまでの領域をいう。
As shown in FIGS. 1 and 3, the plurality of
図3に示すように、実施の形態1の配線基板3は平面視において長方形状に形成されている。そのため、配線基板3の長辺方向(長手方向、長さ方向)中央部を領域A1(以下、長辺方向中央部A1または単に中央部A1ともいう)、長辺方向端部を領域A2(以下、長辺方向端部A2または単に端部A2ともいう)として表している。そのため、図1および図3に示すように、実施の形態1の半導体装置10においては、複数の半導体チップ1が、平面視において、配線基板3の長辺方向端部A2に配置されている。特に、複数の半導体チップ1のそれぞれが有する辺のうちの1つは、配線基板3の周縁に沿って配置されている。
As shown in FIG. 3, the
なお、複数の半導体チップ1の全てが、平面視において、配線基板3の端部に配置されている必要はなく、複数の半導体チップ1のうちの一部は、平面視において、配線基板3の中央部に配置されていてもよい。ただし、複数の半導体チップ1のそれぞれが有する辺のうちの1つが、配線基板3の周縁に沿って配置されていることが好ましい。
It is not necessary that all of the plurality of
また、実施の形態1では、半導体チップ1は、平面視において、配線基板3の長辺方向端部A2に配置されている場合を例に説明するが、これに限定されるものではなく、後述の変形例で示すように、半導体チップ1は、平面視において、配線基板3の短辺方向(短手方向、幅方向)端部に配置されていてもよい。
Further, in the first embodiment, the
また、配線基板3は、平面視において長方形状に形成されている場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。この場合においても、平面視において、半導体チップ1が配置される配線基板3の端部は、配線基板3の周縁(最外周縁)から半導体チップ1の1辺(長辺または短辺)の長さ分内方に至るまでの領域と定義できる。
Further, although the
また、実施の形態1の配線基板3は、平面視において、配線基板3の端部A2は、上面(第1面)3a側に向かって凸となる(反った)形状で固定されている一方、配線基板3の中央部A1は、平坦である。いいかえれば、配線基板3の上面3aと配線基板3の下面3bとの(最近接)距離は、配線基板3の中央部A1と配線基板3の端部A2とでほぼ一定である一方、配線基板3の端部A2の下面3bとベース板4(の上面)との(最近接)距離は、配線基板3の中央部A1の下面3bとベース板4(の上面)との(最近接)距離よりも短い。
Further, in the
また、実施の形態1の配線基板3は、例えば200〜350℃に加熱された場合に、配線基板3の半導体チップ搭載面(上面、第1面)3a側に向かって凸となる形状に変形する(反る)。配線基板3の変形(反り)量は、200μm以下であることが好ましい。
Further, the
配線基板3の具体的な構成例の1つとしては、配線基板3の上面3a側の配線3aa,3ab,3acを構成する材料と、配線基板3の下面3b側の配線3baを構成する材料が同じであり、かつ、配線基板3の上面3a側の配線3aa,3ab,3acの厚さが、配線基板3の下面3b側の配線3baの厚さよりも厚いものが挙げられる。こうすることで、配線3aa,3ab,3acの熱膨張量が、配線3baの熱膨張量よりも多くなる。その結果、配線基板3は、加熱された場合に、配線基板3の上面3a側に向かって凸となる形状に変形する(反る)。
As one specific example of the structure of the
また、配線基板3の具体的な構成例の他の1つとしては、配線基板3の上面3a側の配線3aa,3ab,3acの厚さが、配線基板3の下面3b側の配線3baの厚さと同じであり、かつ、配線3aa,3ab,3acを構成する材料の線膨張係数が、配線3baを構成する材料の線膨張係数よりも大きいものが挙げられる。こうすることで、配線3aa,3ab,3acの熱膨張量は、配線3baの熱膨張量よりも多くなる。その結果、配線基板3は、加熱された場合に、配線基板3の上面3a側に向かって凸となる形状に変形する(反る)。なお、半導体チップ1を構成する主材料の線膨張係数は、配線3aa,3ab,3ac,3baを構成する材料の線膨張係数よりも小さい。
Further, as another specific configuration example of the
実施の形態1のベース板4は、ヒートシンク(放熱用金属板)であり、例えば、アルミニウム、Al−C、アルミニウム合金、銅、Cu−C、Cu−Mo、銅合金、アルミニウムとSiCとの複合材、または、マグネシウム(Mg)とSiCとの複合材により構成されており、表面にニッケル(Ni)、金(Au)、銀(Ag)などのめっきが施されていてもよい。ベース板4は、接合材(第2接合材)5を介して、配線基板3の下面3bに形成された配線3baに電気的に接続されている。すなわち、ベース板4は、接合材5を介して配線基板3を支持している。このように、配線基板3の下面3b側の配線3baにベース板4を接合するため、以下、配線基板3の下面3bをベース板接合面3bと呼ぶことがある。
The
接合材5は、接合材2と同様に、溶融して被接合材との界面で金属間化合物を生成して接合する材料からなり、例えばはんだ(合金)である。接合材2および接合材5の材料は、同じであっても異なっていてもよいが、後述するように、接合材5を構成する材料の融点は、接合材2を構成する材料の融点よりも低いことが好ましい。すなわち、ある温度で溶融している接合材2,5を同じ割合で冷却していくと接合材2が先に凝固することが好ましい。
Like the
実施の形態1のワイヤ6は、例えばアルミニウム線または銅線などの金属線であり、半導体チップ1の上面に設けられた電極(例えばゲート用、図示せず)と、配線基板3の上面3aの配線(導体膜、回路)3aa,3acとを電気的に接続している。
The
実施の形態1の端子7は、例えば金属線であり、一方の端部が配線基板3の上面3aに設けられた配線3aaに接続され、他方の端部が後述するケース8の外部まで引き出されることにより、配線3aaと外部装置(図示せず)とを電気的に接続している。
The
また、実施の形態1のベース板4には、複数の半導体チップ1、複数のワイヤ6および配線基板3を覆うケース8が取り付けられている。ベース板4の上面およびケース8に囲まれた領域には、例えば封止用の樹脂11が充填されている。樹脂11は、例えばゲル状の樹脂材を用いることができる。
Further, a
<半導体装置の製造工程>
次に、実施の形態1の半導体装置の製造工程を説明するとともに、実施の形態1の半導体装置の構造をより明確にする。図4〜図10は、実施の形態1の半導体装置の製造工程中の要部断面図であり、上記図1に相当する断面を示している。
<Semiconductor device manufacturing process>
Next, the manufacturing process of the semiconductor device of the first embodiment will be described, and the structure of the semiconductor device of the first embodiment will be made clearer. 4 to 10 are main-portion cross-sectional views of the semiconductor device of First Embodiment during a manufacturing step, and show cross sections corresponding to FIG.
実施の形態1の半導体装置の製造方法は、半導体チップ接合工程(S1)と、ベース板接合工程(S2)とを含んでいる。半導体チップ接合工程(S1)は、配線基板3を加熱し、配線基板3を半導体チップ搭載面(上面、第1面)3a側に向かって凸となる形状に変形させる(反らせる)工程と、配線基板3の半導体チップ搭載面3a側の配線(第1配線)3ab上に接合材(第1接合材)2を配置し溶融させる工程とを含んでいる。そして、半導体チップ接合工程(S1)は、平面視において配線基板3の端部A2に配置された接合材2上に半導体チップ1を配置する工程と、配線基板3を冷却し、半導体チップ1の下面と配線基板3の端部A2の上面3aとを接近させ、かつ、接合材2を凝固させる工程とを含んでいる。
The method of manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment includes a semiconductor chip bonding step (S1) and a base plate bonding step (S2). The semiconductor chip bonding step (S1) includes a step of heating the
ベース板接合工程(S2)は、配線基板3を加熱し、配線基板3の端部A2をベース板接合面(下面、第2面)3b側に向かって凸となる形状に変形させる(反らせる)工程と、ベース板4上に接合材(第2接合材)5を配置し溶融させる工程とを含んでいる。そして、ベース板接合工程(S2)は、配線基板3のベース板接合面3b側の配線(第2配線)3baが接合材5に接するように、接合材5上に配線基板3を配置する工程と、配線基板3を冷却し、ベース板4の上面と配線基板3の端部の下面3bとを接近させ、かつ、接合材5を凝固させる工程とを含んでいる。以下、各工程について詳細に説明する。
In the base plate bonding step (S2), the
まず、半導体チップ接合工程(S1)について説明する。図4に示すように、配線基板3を用意する。続いて、図5に示すように、配線基板3を、接合材2が十分に溶融する温度、例えば200〜350℃に加熱する。この際、配線基板3は、前述したように、配線基板3の上面3a側の配線3abの熱膨張量が配線基板3の下面3b側の配線3baの熱膨張量よりも多い(図5中の矢印参照)ため、配線基板3の上面3a側に向かって凸となる形状に変形する(反る)。
First, the semiconductor chip joining step (S1) will be described. As shown in FIG. 4, the
ここで、図6に示すように、配線基板3の上面3a側の配線3ab上に接合材2を配置し、接合材2を溶融させる。さらに、接合材2上に半導体チップ1を配置する。この際、半導体チップ1は、平面視において、配線基板3の長辺方向端部A2に配置する。
Here, as shown in FIG. 6, the
その後、配線基板3(および半導体チップ1)を冷却していくと、溶融していた接合材2が凝固し始める。同時に、配線基板3の上面3a側の配線3abの熱収縮量が配線基板3の下面3b側の配線3baの熱収縮量よりも多いため、反っていた配線基板3が平坦になろうとする。その結果、半導体チップ1の下面と配線基板3の長辺方向端部の上面3aとが接近し(図6中の矢印参照)、図7に示すように、接合材2は、半導体チップ1と配線基板3の配線3abとの間に充填された状態で凝固する。
Then, as the wiring board 3 (and the semiconductor chip 1) is cooled, the melted
なお、図7に示すように、配線基板3の冷却が進行し、接合材2が凝固すると、配線基板3の配線3abの長辺方向端部A2は半導体チップ1と一体になる。ここで、半導体チップ1を構成する主材料の線膨張係数は、配線3ab,3baを構成する材料の線膨張係数よりも小さいため、接合材2が凝固した後には、配線基板3の長辺方向端部A2は完全に平坦にはならない。一方、半導体チップ1が搭載されていない配線基板3の長辺方向中央部A1は完全に平坦になる。以上が、半導体チップ接合工程(S1)である。
As shown in FIG. 7, when the
なお、図7に示すように、配線基板3の冷却が進行し、接合材2が凝固すると、配線基板3の配線3abの長辺方向端部A2は半導体チップ1と一体になる。この際、接合材2は、被接合材である半導体チップ1との界面および配線基板3の配線3abとの界面においてそれぞれ金属間化合物を生成して強固に接合されるため、以下に示すベース板接合工程(S2)中に仮に接合材2が溶融したとしても、図6に示すような状態には戻ることはない。もし、このような事態を確実に防ぐ場合には、接合材5を構成する材料の融点を、接合材2を構成する材料の融点よりも低くしておけばよい。こうすることで、以下に示すベース板接合工程(S2)において、配線基板3を接合材5の融点以上、かつ、接合材2の融点未満に加熱すれば、接合材5を溶融した状態にできる一方、接合材2を凝固したままの状態に維持することができる。
As shown in FIG. 7, when the
次に、ベース板接合工程(S2)について説明する。図8に示すように、配線基板3を、接合材5が十分に溶融する温度、例えば200〜350℃に加熱する。この際、前述したように、半導体チップ1と一体になった配線基板3の配線3abの長辺方向端部において、半導体チップ1を構成する主材料の線膨張係数が、配線3ab,3baを構成する材料の線膨張係数よりも小さいため、配線基板3の下面3b側の配線3baの熱膨張量が配線基板3の上面3a側の配線3abの熱膨張量よりも多くなる(図8中の矢印参照)。その結果、配線基板3の長辺方向端部A2は、配線基板3の下面3b側に向かって凸となる形状に変形する(反る)。一方、半導体チップ1が搭載されていない配線基板3の長辺方向中央部A1は、配線基板3の上面3a側の配線3abの熱膨張量が配線基板3の下面3b側の配線3baの熱膨張量よりも多いため、配線基板3の上面3a側に向かって凸となる形状に変形する(反る)。
Next, the base plate bonding step (S2) will be described. As shown in FIG. 8, the
ここで、図9に示すように、ベース板4の上面上に接合材5を配置し、接合材5を溶融させる。さらに、接合材5上に配線基板3を搭載する。この際、配線基板3の下面3b側の配線3baが接合材5に接するように配置する。
Here, as shown in FIG. 9, the
その後、配線基板3(およびベース板4)を冷却していくと、溶融していた接合材5が凝固し始める。同時に、前述のように、上面3a側に向かって凸に反っていた配線基板3の長辺方向中央部A1は、平坦になろうとする。一方、半導体チップ1と一体になった配線基板3の配線3abの長辺方向端部A2において、配線基板3の下面3b側の配線3baの熱収縮量が配線基板3の上面3a側の配線3abの熱収縮量よりも多い。そのため、ベース板4の上面と配線基板3の長辺方向端部の下面3bとが接近し(図9中の矢印参照)、図10に示すように、接合材5は、ベース板4と配線基板3の配線3baとの間に充填された状態で凝固する。
After that, when the wiring board 3 (and the base plate 4) is cooled, the melted
以上の工程を経た結果、実施の形態1の半導体装置10は、最終的に、平面視において、配線基板3の端部A2は、上面3aに向かって凸となる(反った)形状で固定されている一方、配線基板3の中央部A1は、平坦となる。いいかえれば、配線基板3の上面3aと配線基板3の下面3bとの(最近接)距離は、配線基板3の中央部A1と配線基板3の端部A2とでほぼ一定である一方、配線基板3の端部A2の下面3bとベース板4の上面との(最近接)距離は、配線基板3の中央部A1の下面3bとベース板4の上面との(最近接)距離よりも短い。
As a result of the above steps, in the
その後、図示しないが、半導体チップ1と配線基板3の配線3aa,3acとをワイヤ6で接続する工程(ワイヤボンディング工程)、配線3aaに端子7を接続する工程、ベース板4にケース8を取り付ける工程、ベース板4の上面およびケース8に囲まれた領域に樹脂11を充填する工程等を経て、実施の形態1の半導体装置10が完成する。
After that, although not shown, a step of connecting the
なお、実施の形態1の半導体装置の製造方法においては、図6および図7に示すように、半導体チップ1と配線基板3との接合時において、半導体チップ1の下面と配線基板3の長辺方向端部の上面3aとが接近し、図9および図10に示すように、配線基板3とベース板4との接合時において、ベース板4の上面と配線基板3の長辺方向端部の下面3bとが接近することが肝要である。そのため、これらの条件を満たしていれば、前述の工程に限定されるものではない。
In the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment, as shown in FIGS. 6 and 7, when the
一例としては、図6に示す半導体チップ1、接合材2および配線基板3に加えて、接合材5およびベース板4も用意し、これらを同時に冷却していくものである。この場合、接合材5を構成する材料の融点を、接合材2を構成する材料の融点よりも低くしておく。こうすることで、溶融している接合材2,5を同じ割合で冷却していくと接合材2が先に凝固するため、半導体チップ1および配線基板3は、接合材2の凝固が進行するに従って、図6の状態から図8の状態へと変化する。一方、接合材2の凝固が進行している間は、接合材5は溶融した状態が維持される。その後の工程は、図9および図10に示す通りである。このようにして、半導体チップ接合工程(S1)とベース板接合工程(S2)とを一つの工程として行うことができ、半導体装置の製造工程の簡略化が可能となる。
As an example, in addition to the
<検討の経緯>
以下、本発明者が検討した第1の検討例(以下、検討例1)の半導体装置(パワーモジュール)について、説明する。図11は、検討例1の半導体装置の構造を示す要部断面図、図12は、検討例1の半導体装置の構造を示す要部平面図である。なお、図11は、図2中B方向から見た要部断面図である。図13は、検討例1の半導体装置の製造工程中の要部断面図であり、上記図11に相当する断面を示している。図14は、後述の第2の検討例(以下、検討例2)の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。図15は、検討例1および検討例2の半導体装置において、接合材中に形成されるひけ部の様子を表す模式図である。
<Background of the study>
Hereinafter, the semiconductor device (power module) of the first study example (hereinafter, study example 1) examined by the present inventor will be described. FIG. 11 is a cross-sectional view of an essential part showing the structure of the semiconductor device of Study Example 1, and FIG. 12 is a plan view of the essential part showing the structure of the semiconductor device of Study Example 1. Note that FIG. 11 is a cross-sectional view of the main parts as seen from the direction B in FIG. FIG. 13 is a cross-sectional view of essential parts in the process of manufacturing the semiconductor device of Study Example 1, and shows a cross section corresponding to FIG. 11. FIG. 14 is a cross-sectional view of essential parts in a manufacturing process of a semiconductor device of a second study example (hereinafter, study example 2) described later. FIG. 15 is a schematic diagram showing the appearance of the sink mark formed in the bonding material in the semiconductor devices of Study Example 1 and Study Example 2.
図11および図12に示す検討例1の半導体装置100は、図1に示す実施の形態1の半導体装置10と同様に、複数の半導体チップ1と、半導体チップ1を支持する配線基板3と、配線基板3を支持するベース板4とを有している。
The
ただし、検討例1の半導体装置100においては、複数の半導体チップ1が、平面視において、配線基板3の端部(長辺方向端部)A2ではなく、配線基板3の中央部(長辺方向中央部)A1に配置されており、この点が実施の形態1の半導体装置10との相違点である。なお、図11および図12において、ワイヤ6、端子7、ケース8および樹脂11等は、説明を簡単にするため省略している。また、図12において4つの半導体チップを示しているが、半導体チップの数は特に限定されるものではない。
However, in the
ここで、検討例1について本発明者が見出した課題について説明する。前述したように、本発明者は、パワーモジュールにおいて、配線基板と半導体チップとの接合、または、配線基板とベース板との接合を良好にすることを検討している。 Here, the problem found by the present inventor in Study Example 1 will be described. As described above, the present inventor is considering improving the bonding between the wiring substrate and the semiconductor chip or the bonding between the wiring substrate and the base plate in the power module.
検討例1の配線基板3は、上面3a側に設けられた配線3ca,3cb,3ccと、下面3b側に設けられた配線3dとを有している。一般的には、上面3a側の配線3ca,3cb,3ccを構成する材料と、下面3b側の配線3dを構成する材料とは同じであり、かつ、配線3ca,3cb,3ccの厚さは、配線3dの厚さと同じである。
The
ここで、配線基板3の上面3a側の配線は、回路を形成するためにエッチング等で一部が除去されることによって配線3ca,3cb,3ccとして構成されている。一方、配線基板3の下面3b側の配線3dは、ベース板4と接合するためのものであるため、エッチング等はされていない。そのため、検討例1において、配線3dの体積が配線3ca,3cb,3ccの体積よりも大きくなるため、配線基板3が加熱された場合に、配線3dの熱膨張量は、配線3ca,3cb,3ccの熱膨張量よりも多くなる。その結果、図13に示すように、配線基板3は、加熱された場合に、配線基板3の上面3a側に向かって凸となる形状に変形する。
Here, the wiring on the
まず、前述の半導体チップ接合工程(S1)について検討する。図13に示すように、配線基板3を加熱した後に、配線基板3の上面3a側の配線3cb上に接合材2を配置し、接合材2を溶融させる。さらに、溶融している接合材2上に半導体チップ1を搭載する。この際、半導体チップ1は、平面視において、配線基板3の長辺方向中央部A1に配置する。
First, the aforementioned semiconductor chip joining step (S1) will be examined. As shown in FIG. 13, after the
その後、半導体チップ1および配線基板3を冷却していくと、溶融していた接合材2が凝固し始める。同時に、配線基板3の下面3b側の配線3dの熱収縮量が配線基板3の上面3a側の配線3cbの熱収縮量よりも多いため、反っていた配線基板3が平坦になろうとする。その結果、半導体チップ1の下面と配線基板3の長辺方向中央部の上面3aとが離反しながら(図13中の矢印参照)、接合材2が凝固する。接合材2は凝固しながら収縮するため、図15に示すように、半導体チップ1の下面と配線基板3の長辺方向中央部の上面3aとの間で局所的な接合材不足が生じ、接合材2中には外部に開口した接合不良部分であるひけ部101が形成される。接合材2中にこのようなひけ部101が存在すると、半導体チップ1において発生した熱の放熱性の低下や封止樹脂中のボイドの原因となり、パワーモジュールとしての特性が劣化する原因となる。
After that, when the
そこで、本発明者は、このような検討例1の半導体装置の問題を解決するために、検討例2の半導体装置を検討した。検討例2の配線基板3は、実施の形態1の配線基板3と同様に、加熱された場合に、配線基板3の上面3a側に向かって凸となる形状に変形するものを採用している。具体的には、配線基板3の上面3a側の配線3ca,3cb,3ccを構成する材料と、配線基板3の下面3b側の配線3dを構成する材料が同じ場合、配線基板3の上面3a側の配線3ca,3cb,3ccの厚さは、配線基板3の下面3b側の配線3dの厚さよりも厚くする。または、配線基板3の上面3a側の配線3ca,3cb,3ccの厚さが、配線基板3の下面3b側の配線3dの厚さと同じ場合には、配線3ca,3cb,3ccを構成する材料の線膨張係数を、配線3dを構成する材料の線膨張係数よりも大きくする。
Therefore, the present inventor studied the semiconductor device of Study Example 2 in order to solve the problem of the semiconductor device of Study Example 1. Like the
まず、半導体チップ接合工程(S1)において、図14に示すように、加熱した配線基板3の上面3a側の配線3cb上に接合材2を配置し、溶融している接合材2上に半導体チップ1を配置する。
First, in the semiconductor chip bonding step (S1), as shown in FIG. 14, the
その後、半導体チップ1および配線基板3を冷却していくと、溶融していた接合材2が凝固し始める。同時に、配線基板3の下面3b側の配線3dの熱収縮量が配線基板3の上面3a側の配線3cbの熱収縮量よりも多いため、反っていた配線基板3が平坦になろうとする。その結果、検討例2では、半導体チップ1の下面と配線基板3の長辺方向中央部の上面3aとが接近し(図14中の矢印参照)、実施の形態1と同様に、接合材2は、半導体チップ1と配線基板3の配線3cbとの間に充填された状態で凝固する。
After that, when the
次に、ベース板接合工程(S2)において、ベース板4の上面上に接合材5を配置し、溶融している接合材5上に配線基板3を配置する。
Next, in the base plate bonding step (S2), the
その後、ベース板4および配線基板3を冷却していくと、溶融していた接合材5が凝固し始める。同時に、配線基板3の下面3b側の配線3dの熱収縮量が配線基板3の上面3a側の配線3cbの熱収縮量よりも多いため、反っていた配線基板3が平坦になろうとする。その結果、検討例2では、ベース板4の上面と配線基板3の長辺方向端部の下面3bとが離反しながら(図14中の矢印参照)、接合材5が凝固する。接合材5は凝固しながら収縮するため、図15に示すように、ベース板4の上面と配線基板3の長辺方向中央部の下面3bとの間で局所的な接合材不足が生じ、接合材5中には外部に開口した接合不良部分であるひけ部101が形成される。接合材5中にこのようなひけ部101が存在すると、半導体チップ1から配線基板3に伝わった熱の放熱性の低下や封止樹脂中のボイドの原因となり、パワーモジュールとしての特性が劣化する原因となる。
Then, as the
従って、検討例2の半導体装置にあっては、半導体チップ接合工程(S1)における、上記検討例1の半導体装置の問題は解消される一方で、ベース板接合工程(S2)における別の問題が発生してしまう。なお、図13に示すように、検討例1の半導体装置にあっては、ベース板接合工程(S2)において、ベース板4の上面と配線基板3の長辺方向端部の下面3bとが接近しながら(図13中の矢印参照)、接合材5が凝固するため、検討例2の半導体装置の問題は発生しない。
Therefore, in the semiconductor device of Study Example 2, the problem of the semiconductor device of Study Example 1 in the semiconductor chip joining step (S1) is solved, while another problem in the base plate joining step (S2) is solved. Will occur. As shown in FIG. 13, in the semiconductor device of Study Example 1, in the base plate bonding step (S2), the upper surface of the
以上より、検討例1および検討例2の半導体装置においては、半導体チップ1と配線基板3との間に存在する接合材2のひけ部101の形成と、配線基板3とベース板4との間に存在する接合材5のひけ部101の形成とを同時に防ぐことができない。そのため、接合材2,5におけるひけ部101の形成を防止し、半導体装置の信頼性を向上することができる半導体装置、およびその製造方法が望まれる。
From the above, in the semiconductor devices of Study Example 1 and Study Example 2, the formation of the
<実施の形態1の主要な特徴と効果>
図1〜図3に示す実施の形態1に係る半導体装置10の特徴の一つは、複数の半導体チップ1が、平面視において、配線基板3の端部(長辺方向端部)A2に配置されていることである。そして、配線基板3の端部(長辺方向端部)A2は、配線基板3の上面(第1面)3a側に向かって凸となる(反った)形状で固定されている一方、配線基板3の中央部(長辺方向中央部)A1は、平坦である。または、配線基板3は、加熱された場合に半導体チップ搭載面(上面)3a側に向かって凸となる形状に変形する(反る)。
<Main Features and Effects of First Embodiment>
One of the characteristics of the
また、半導体チップ1と配線基板3とは、接合材(第1接合材)2を介して接合され、配線基板3とベース板4とは、接合材(第2接合材)5を介して接合され、接合材2,5は、溶融して被接合材との界面で金属間化合物を生成して接合する材料からなる。
Further, the
図4〜図10に示す実施の形態1に係る半導体装置の製造方法の特徴の一つは、半導体チップ接合工程(S1)に、配線基板3を加熱し、配線基板3を半導体チップ搭載面(上面)3a側に向かって凸となる形状に変形させる工程と、配線基板3を冷却し、半導体チップ1の下面と配線基板3の長辺方向端部A2の上面3aとを接近させ、かつ、接合材2を凝固させる工程とを含んでいることである。そして、ベース板接合工程(S2)に、配線基板3を加熱し、配線基板3の端部A2をベース板接合面(下面)3b側に向かって凸となる形状に変形させる工程と、配線基板3を冷却し、ベース板4の上面と配線基板3の長辺方向端部の下面3bとを接近させ、かつ、接合材5を凝固させる工程とを含んでいる。
One of the features of the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment shown in FIGS. 4 to 10 is that the
本実施の形態では、このような構成および製造方法を採用したことにより、パワーモジュールにおいて、接合材2,5におけるひけ部101の形成を防止し、半導体装置の信頼性を向上することができる。以下、その理由について具体的に説明する。
In the present embodiment, by adopting such a configuration and manufacturing method, it is possible to prevent the formation of the
前述したように、検討例1および検討例2の半導体装置においては、半導体チップ1と配線基板3との間に存在する接合材2のひけ部101の形成と、配線基板3とベース板4との間に存在する接合材5のひけ部101の形成とを同時に防ぐことができない。
As described above, in the semiconductor devices of Study Example 1 and Study Example 2, the formation of the
そこで、実施の形態1の半導体装置10では、配線基板3は、加熱された場合に半導体チップ搭載面(上面)3a側に向かって凸となる形状に変形する配線基板3を採用している。具体的には、配線基板3の上面3a側の配線3aa,3ab,3acを構成する材料と、配線基板3の下面3b側の配線3baを構成する材料が同じであり、かつ、配線基板3の上面3a側の配線3aa,3ab,3acの厚さが、配線基板3の下面3b側の配線3baの厚さよりも厚い。または、配線基板3の上面3a側の配線3aa,3ab,3acの厚さが、配線基板3の下面3b側の配線3baの厚さと同じであり、かつ、配線3aa,3ab,3acを構成する材料の線膨張係数が、配線3baを構成する材料の線膨張係数よりも大きい。こうすることで、図6および図7に示すように、半導体チップ1と配線基板3との接合時において、半導体チップ1の下面と配線基板3の端部の上面3aとを接近させることができる。その結果、半導体チップ1の下面と配線基板3の端部の上面3aとの間で接合材不足は生じない。
Therefore, in the
そして、実施の形態1の半導体装置10では、複数の半導体チップ1を、平面視において、配線基板3の端部(長辺方向端部)A2に配置している。半導体チップ1を構成する主材料の線膨張係数が、配線3ab,3baを構成する材料の線膨張係数よりも小さいため、配線基板3の端部に半導体チップ1を配置することで、配線基板3の端部の変形を制御することができる。具体的には、前述の図9および図10に示すように、配線基板3とベース板4との接合時において、ベース板4の上面と配線基板3の端部の下面3bとを接近させることができる。その結果、ベース板4の上面と配線基板3の端部の下面3bとの間で接合材不足は生じない。
In the
以上より、実施の形態1の半導体装置10にあっては、半導体チップ1と配線基板3との間に存在する接合材2のひけ部101の形成と、配線基板3とベース板4との間に存在する接合材5のひけ部101の形成とを同時に防ぐことができ、半導体装置の信頼性を向上することができる。
As described above, in the
特に、配線基板3のうち、平面視において、配線基板3の端部A2は、上面(第1面)3a側に向かって凸となる形状で固定されている一方、配線基板3の中央部A1は、平坦となるため、配線基板3の全体が上面(第1面3a)側に向かって凸となる(反っている)場合に比べて、配線基板3とベース板4との密着性を高めることができる。
In particular, of the
特に、実施の形態1の半導体装置10において、複数の半導体チップ1が、炭化ケイ素スイッチング素子を含み、配線基板3がセラミック基板であり、接合材2および接合材5がスズを主成分とするはんだであるような場合には、半導体装置10が高温環境下で使用されることになる。そのため、半導体装置10が上記のような特徴を有することにより、高温環境下での動作安定性と高電流負荷にも耐え得る半導体装置10を提供することができる。
In particular, in the
また、実施の形態1の半導体装置では、複数の半導体チップ1のそれぞれが有する辺のうちの1つが、配線基板3の周縁に沿って配置されている。こうすることで、図9および図10に示すように、配線基板3とベース板4との接合時において、ベース板4の上面と配線基板3の端部の下面3bとを確実に接近させることができる。
Further, in the semiconductor device of the first embodiment, one of the sides of each of the plurality of
また、実施の形態1の半導体装置においては、半導体チップ1が、平面視において、配線基板3の長辺方向端部に配置されている。配線基板3が平面視において長方形状に形成されている場合、長辺方向端部の変形量の方が短辺方向端部の変形量よりも多いと考えられる。そのため、実施の形態1の半導体装置では、ベース板4の上面と配線基板3の長辺方向端部の下面3bとの間における接合材不足を確実に防止することができる。
Further, in the semiconductor device of the first embodiment, the
<変形例>
上記実施の形態1の変形例の半導体装置について、図16を参照して説明する。図16は、変形例の半導体装置の要部平面図である。なお、図16において、ワイヤ6、端子7、ケース8および樹脂11等は、説明を簡単にするため省略している。また、図16において8つの半導体チップを示しているが、半導体チップの数は特に限定されるものではない。
<Modification>
A semiconductor device of a modified example of the first embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 16 is a plan view of relevant parts of a semiconductor device of a modification. In addition, in FIG. 16, the
変形例の半導体装置15において、複数の半導体チップ1は、平面視において、配線基板3の端部に配置されている点で、実施の形態1の半導体装置10と共通している。ただし、変形例の半導体装置15においては、複数の半導体チップ1は、配線基板3の長辺方向(長手方向、長さ方向)端部A2だけでなく、配線基板3の短辺方向(短手方向、幅方向)端部にも配置されている点で、実施の形態1と相違している。
In the
また、図16に示すように、変形例の半導体装置15は、配線基板3の上面に配線3ea,3eb,3ecが形成されており、それぞれ、図3に示す実施の形態1の配線基板3の上面3aに形成された配線3aa,3ab,3acに対応している。これは、半導体チップ1を、平面視において、配線基板3の端部に配置するために、配線のレイアウトを変更した例を示すものである。
Further, as shown in FIG. 16, in the
変形例の半導体装置15のそれ以外の構成は、基本的には、実施の形態1の半導体装置10の構成と同一であるため、繰り返しの説明を省略する。また、変形例の半導体装置の製造方法も、基本的には実施の形態1の半導体装置の製造方法と同じであるため、繰り返しの説明を省略する。
The other configuration of the
変形例の半導体装置15においては、実施の形態1と同様に、複数の半導体チップ1が、平面視において、配線基板3の端部に配置されているため、パワーモジュールにおいて、接合材2,5におけるひけ部101の形成を防止し、半導体装置の信頼性を向上することができる。特に、変形例にあっては、半導体チップ1が、平面視において、配線基板3の短辺方向端部にも配置されているため、ベース板4の上面と配線基板3の長辺方向端部の下面3bとの間だけでなく、ベース板4の上面と配線基板3の短辺方向端部の下面3bとの間における接合材不足を防止することができる。この点で、変形例は、上記実施の形態1よりも有利である。
In the
(実施の形態2)
実施の形態2の半導体装置について、図17を参照して説明する。図17は、実施の形態2の半導体装置の要部断面図である。なお、図17は、図3中C方向から見た要部断面図に相当する。
(Embodiment 2)
The semiconductor device of the second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 17 is a main-portion cross-sectional view of the semiconductor device in
図17に示すように、実施の形態2の半導体装置20においては、配線基板3は、上面3aに配線3fa,3fb,3fcが形成され、下面3bに配線3ga,3gb,3gcからなる配線3gが形成されている。配線3fb,3gbは、平面視において、配線基板3の中央部に配置されている。配線(第1部分)3fbは、平面視において、配線(第3部分)3gbと重なっている。一方、配線3fa,3fc,3ga,3gcは、平面視において、配線基板3の端部に配置されている。配線(第2部分)3fa,3fcは、平面視において、配線(第4部分)3ga,3gcと重なっている。
As shown in FIG. 17, in the semiconductor device 20 of the second embodiment, the
特に、配線基板3の上面3a側の配線(第1部分)3fbの厚さは、下面3b側の配線(第3部分)3gbの厚さよりも厚い。また、配線基板3の下面3b側の配線(第2部分)3ga,3gcの厚さは、上面3a側の配線(第4部分)3ga,3gcと平面視においてそれぞれ重なる配線3fa,3fcの厚さよりも厚い。
In particular, the thickness of the wiring (first portion) 3fb on the
そして、複数の半導体チップ1は、上面3a側の配線(第1部分)3fb上に接合材2を介して配置されている。特に、複数の半導体チップ1は、配線3fbの周縁(最外周縁)に沿って配置されている。
The plurality of
実施の形態2の以上の構成が、検討例1の半導体装置100との相違点である。なお、配線3fa,3fb,3fc,3gを構成する材料は同じである。
The above-described configuration of the second embodiment is the difference from the
図17に示すように、実施の形態2の半導体装置20のうち、配線基板3以外の構成については、図11および図12に示す検討例1の半導体装置100と同様であるため、ここではその繰り返しの説明は省略する。
As shown in FIG. 17, in the semiconductor device 20 of the second embodiment, the configuration other than the
実施の形態2にあっては、平面視において、配線基板3の中央部の上面3a側の配線3fbの厚さを、配線基板3の下面3b側の配線3gbの厚さよりも厚くすることで、配線3fbの熱膨張量が、配線3gbの熱膨張量よりも多くなる。その結果、配線基板3の中央部は、加熱された場合に、配線基板3の半導体チップ搭載面(上面)3a側に向かって凸となる形状に変形する。
In the second embodiment, in plan view, the thickness of the wiring 3fb on the
一方、実施の形態2にあっては、平面視において、配線基板3の端部の下面3b側の配線3ga,3gcの厚さを、それぞれ配線基板3の上面3a側の配線3fa,3fcの厚さよりも厚くすることで、配線3ga,3gcの熱膨張量が、配線3fa,3fcの熱膨張量よりも多くなる。その結果、配線基板3の端部は、加熱された場合に、配線基板3のベース板接合面(下面)3b側に向かって凸となる形状に変形する。
On the other hand, in the second embodiment, in plan view, the thickness of the wirings 3ga and 3gc on the
こうすることで、実施の形態2の半導体装置20においては、半導体チップ1と配線基板3との接合時において、半導体チップ1の下面と配線基板3の端部の上面3aとを接近させることができ、かつ、配線基板3とベース板4との接合時において、ベース板4の上面と配線基板3の端部の下面3bとを接近させることができる。その結果、実施の形態1と同様に、パワーモジュールにおいて、接合材2,5におけるひけ部101の形成を防止し、半導体装置の信頼性を向上することができる。特に、実施の形態2にあっては、半導体チップ1の平面視における配置が限定されないため、レイアウトの自由度が高まるという点で、上記実施の形態1よりも有利である。
By doing so, in the semiconductor device 20 of the second embodiment, the lower surface of the
(適用例)
図18は図1に示す半導体装置が搭載された鉄道車両の一例を示す部分側面図、図19は図18に示す鉄道車両に設置されたインバータの内部構造の一例を示す平面図である。
(Application example)
18 is a partial side view showing an example of a railway vehicle equipped with the semiconductor device shown in FIG. 1, and FIG. 19 is a plan view showing an example of the internal structure of the inverter installed in the railway vehicle shown in FIG.
本適用例では、実施の形態1の半導体装置10(または変形例の半導体装置15、実施の形態2の半導体装置20、以下同じ)を搭載した鉄道車両について説明する。図18に示す鉄道車両21は、例えば、図1に示す半導体装置10が搭載されたものであり、車両本体26と、半導体装置10と、半導体装置10を支持する実装部材と、集電装置であるパンタグラフ22と、インバータ23とを備えている。そして、半導体装置10は、車両本体26の下部に設置されたインバータ23に搭載されている。
In this application example, a railway vehicle equipped with the
図19に示すように、インバータ23の内部では、プリント基板(実装部材)25上に複数の半導体装置10が搭載され、さらにこれらの半導体装置10を冷却する冷却装置24が搭載されている。図1に示す本実施の形態の半導体装置10では、半導体チップ1からの発熱量が多い。したがって、複数の半導体装置10を冷却してインバータ23の内部を冷却可能なように冷却装置24が取り付けられている。
As shown in FIG. 19, inside the
ここで、本適用例(半導体装置10を鉄道車両21に適用した例)によれば、配線基板3と半導体チップ1との接合、または、配線基板3とベース板(ヒートシンク)4との接合を良好にすることができ、これらの接合部の接合信頼性を高めることができる。その結果、インバータ23の高温環境に対する耐性が高くなるため、インバータ23に対する冷却機能を簡略化して、冷却装置24の小型化、ひいては、インバータ23の小型化を図ることも可能になる。
Here, according to this application example (an example in which the
これにより、鉄道車両21において、図1に示す複数の半導体装置10を搭載したインバータ23が設けられていることにより、インバータ23内が高温環境となった場合であっても、インバータ23およびそれが設けられた鉄道車両21の信頼性を高めることができる。すなわち、高温環境下での動作安定性と高電流負荷にも耐え得る半導体装置10およびこれを用いたインバータシステムを実現することができる。
As a result, since the
次に、上記実施の形態の半導体装置10を搭載した自動車について説明する。図20は図1に示す半導体装置が搭載された自動車の一例を示す斜視図である。
Next, an automobile equipped with the
図20に示す自動車27は、例えば、図1に示す半導体装置10が搭載されたものであり、車体28と、タイヤ29と、半導体装置10と、半導体装置10を支持する実装部材である実装ユニット30と、を備えている。
An
自動車27では、半導体装置10は、実装ユニット30に含まれるインバータに搭載されているが、実装ユニット30は、例えば、エンジン制御ユニット等であり、その場合、実装ユニット30はエンジンの近傍に配置されている。この場合には、実装ユニット30は、高温環境下での使用となり、これにより、半導体装置10も高温状態となる。
In the
ここで、本適用例(半導体装置10を自動車27に適用した例)によれば、鉄道車両21への適用例と同様に、配線基板3と半導体チップ1との接合、または、配線基板3とベース板(ヒートシンク)4との接合を良好にすることができ、これらの接合部の接合信頼性を高めることができる。
Here, according to this application example (example in which the
その結果、自動車27において、図1に示す複数の半導体装置10を搭載したインバータが設けられていることにより、実装ユニット30が高温環境となった場合であっても、自動車27の信頼性を高めることができる。つまり自動車27においても、高温環境下での動作安定性と高電流負荷にも耐え得る半導体装置10およびこれを用いたインバータシステムを実現することができる。
As a result, since the
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。 Although the invention made by the inventor has been specifically described based on the embodiment, the invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.
その他、実施の形態に記載された内容に対応するもの或いはその一部を以下に記載する。 In addition, what corresponds to the contents described in the embodiments or a part thereof will be described below.
[付記1]
第1面および前記第1面の反対側に位置する第2面を有する配線基板と、
前記配線基板の前記第1面に形成された第1配線と、
前記配線基板の前記第2面に形成された第2配線と、
前記第1配線上に第1接合材を介して搭載された複数の半導体チップと、
前記第2配線との間に第2接合材を介して接合され、前記配線基板を支持するベース板と、
を有し、
前記複数の半導体チップは、平面視において、前記配線基板の端部に配置され、
平面視において、前記配線基板の前記第1面と前記配線基板の前記第2面との距離は、前記配線基板の中央部と前記配線基板の前記端部とでほぼ一定である一方、前記配線基板の前記端部における前記配線基板の前記第2面と前記ベース板との距離は、前記配線基板の前記中央部における前記配線基板の前記第2面と前記ベース板との距離よりも短い、半導体装置。
[Appendix 1]
A wiring board having a first surface and a second surface opposite to the first surface;
A first wiring formed on the first surface of the wiring board;
Second wiring formed on the second surface of the wiring board;
A plurality of semiconductor chips mounted on the first wiring via a first bonding material;
A base plate that is joined to the second wiring via a second joining material and supports the wiring board;
Have
The plurality of semiconductor chips are arranged at an end portion of the wiring board in a plan view,
In a plan view, the distance between the first surface of the wiring board and the second surface of the wiring board is substantially constant between the central portion of the wiring board and the end portion of the wiring board, while the wiring A distance between the second surface of the wiring board and the base plate at the end portion of the board is shorter than a distance between the second surface of the wiring board and the base plate at the central portion of the wiring board; Semiconductor device.
[付記2]
付記1記載の半導体装置において、
前記複数の半導体チップのそれぞれは、平面視において、長方形状に形成され、
前記複数の半導体チップのそれぞれが有する辺のうちの1つは、前記配線基板の周縁に沿って配置されている、半導体装置。
[Appendix 2]
In the semiconductor device according to
Each of the plurality of semiconductor chips is formed in a rectangular shape in plan view,
A semiconductor device in which one of the sides of each of the plurality of semiconductor chips is arranged along a peripheral edge of the wiring board.
[付記3]
付記1記載の半導体装置において、
前記配線基板は、平面視において、長方形状に形成され、
前記複数の半導体チップは、平面視において、前記配線基板の長辺方向端部に配置されている、半導体装置。
[Appendix 3]
In the semiconductor device according to
The wiring board is formed in a rectangular shape in plan view,
The semiconductor device, wherein the plurality of semiconductor chips are arranged at end portions in the long side direction of the wiring board in a plan view.
[付記4]
付記1記載の半導体装置において、
鉄道の車両に設けられたインバータに搭載されている、半導体装置。
[Appendix 4]
In the semiconductor device according to
A semiconductor device installed in an inverter installed in a railway vehicle.
[付記5]
付記1記載の半導体装置において、
自動車の車体に設けられたインバータに搭載されている、半導体装置。
[Appendix 5]
In the semiconductor device according to
A semiconductor device installed in an inverter installed in the body of an automobile.
[付記6]
第1面および前記第1面の反対側に位置する第2面を有する配線基板と、
前記配線基板の前記第1面に形成された第1配線と、
前記配線基板の前記第2面に形成された第2配線と、
前記第1配線上に第1接合材を介して搭載された複数の半導体チップと、
前記第2配線との間に第2接合材を介して接合され、前記配線基板を支持するベース板と、
を有し、
前記第1配線は、平面視において、前記配線基板の中央部に配置された第1部分と、前記配線基板の端部に配置された第2部分とを含み、
前記第2配線は、前記第1部分と平面視において重なる第3部分と、前記第2部分と平面視において重なる第4部分とを含み、
前記複数の半導体チップは、前記第1部分の周縁に沿って配置され、
前記第1部分の厚さは、前記第3部分の厚さよりも厚く、かつ、前記第4部分の厚さは、前記第2部分の厚さよりも厚い、半導体装置。
[Appendix 6]
A wiring board having a first surface and a second surface opposite to the first surface;
A first wiring formed on the first surface of the wiring board;
Second wiring formed on the second surface of the wiring board;
A plurality of semiconductor chips mounted on the first wiring via a first bonding material;
A base plate that is joined to the second wiring via a second joining material and supports the wiring board;
Have
The first wiring includes a first portion arranged at a central portion of the wiring board and a second portion arranged at an end portion of the wiring board in a plan view,
The second wiring includes a third portion overlapping with the first portion in a plan view, and a fourth portion overlapping with the second portion in a plan view,
The plurality of semiconductor chips are arranged along a peripheral edge of the first portion,
The semiconductor device, wherein the thickness of the first portion is thicker than the thickness of the third portion, and the thickness of the fourth portion is thicker than the thickness of the second portion.
[付記7]
付記6記載の半導体装置において、
前記複数の半導体チップのそれぞれは、平面視において、長方形状に形成され、
前記複数の半導体チップのそれぞれが有する辺のうちの1つは、前記第1部分の周縁に沿って配置されている、半導体装置。
[Appendix 7]
In the semiconductor device according to
Each of the plurality of semiconductor chips is formed in a rectangular shape in plan view,
The semiconductor device, wherein one of the sides of each of the plurality of semiconductor chips is arranged along the peripheral edge of the first portion.
1 半導体チップ
2,5 接合材
3 配線基板
4 ベース板
6 ワイヤ
7 端子
8 ケース
10,15,20,100 半導体装置
11 樹脂
21 鉄道車両
27 自動車
Claims (15)
前記配線基板の前記第1面に形成された第1配線と、
前記配線基板の前記第2面に形成された第2配線と、
前記第1配線上に第1接合材を介して搭載された複数の半導体チップと、
前記第2配線との間に第2接合材を介して接合され、前記配線基板を支持するベース板と、
を有し、
前記複数の半導体チップは、平面視において、前記配線基板の端部に配置され、
前記配線基板のうち、平面視において、前記配線基板の前記端部は、前記第1面側に向かって凸となる形状で固定されている一方、前記配線基板の中央部は、平坦である、半導体装置。 A wiring board having a first surface and a second surface opposite to the first surface;
A first wiring formed on the first surface of the wiring board;
Second wiring formed on the second surface of the wiring board;
A plurality of semiconductor chips mounted on the first wiring via a first bonding material;
A base plate that is joined to the second wiring via a second joining material and supports the wiring board;
Have
The plurality of semiconductor chips are arranged at an end portion of the wiring board in a plan view,
Of the wiring board, in plan view, the end portion of the wiring board is fixed in a shape that is convex toward the first surface side, while the central portion of the wiring board is flat. Semiconductor device.
前記複数の半導体チップのそれぞれは、平面視において、長方形状に形成され、
前記複数の半導体チップのそれぞれが有する辺のうちの1つは、前記配線基板の周縁に沿って配置されている、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
Each of the plurality of semiconductor chips is formed in a rectangular shape in plan view,
A semiconductor device in which one of the sides of each of the plurality of semiconductor chips is arranged along a peripheral edge of the wiring board.
前記配線基板は、平面視において、長方形状に形成され、
前記複数の半導体チップは、平面視において、前記配線基板の長辺方向端部に配置されている、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The wiring board is formed in a rectangular shape in plan view,
The semiconductor device, wherein the plurality of semiconductor chips are arranged at end portions in the long side direction of the wiring board in a plan view.
前記複数の半導体チップは、炭化ケイ素スイッチング素子を含み、
前記配線基板は、セラミック基板であり、
前記第1接合材および前記第2接合材は、スズを主成分とするはんだである、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The plurality of semiconductor chips includes a silicon carbide switching element,
The wiring board is a ceramic substrate,
The semiconductor device in which the first bonding material and the second bonding material are solders containing tin as a main component.
鉄道の車両に設けられたインバータに搭載されている、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
A semiconductor device installed in an inverter installed in a railway vehicle.
自動車の車体に設けられたインバータに搭載されている、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
A semiconductor device installed in an inverter installed in the body of an automobile.
前記配線基板の前記第1面に形成された第1配線と、
前記配線基板の前記第2面に形成された第2配線と、
前記第1配線上に第1接合材を介して搭載された複数の半導体チップと、
前記第2配線との間に第2接合材を介して接合され、前記配線基板を支持するベース板と、
を有し、
前記複数の半導体チップは、平面視において、前記配線基板の端部に配置され、
前記配線基板は、加熱された場合に、前記第1面側に向かって凸となる形状に変形する、半導体装置。 A wiring board having a first surface and a second surface opposite to the first surface;
A first wiring formed on the first surface of the wiring board;
Second wiring formed on the second surface of the wiring board;
A plurality of semiconductor chips mounted on the first wiring via a first bonding material;
A base plate that is joined to the second wiring via a second joining material and supports the wiring board;
Have
The plurality of semiconductor chips are arranged at an end portion of the wiring board in a plan view,
The semiconductor device, wherein the wiring board is deformed into a shape that is convex toward the first surface side when heated.
前記複数の半導体チップを構成する主材料の線膨張係数は、前記第1配線を構成する材料の線膨張係数、および、前記第2配線を構成する材料の線膨張係数よりも小さい、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 7,
A semiconductor device in which a linear expansion coefficient of a main material forming the plurality of semiconductor chips is smaller than a linear expansion coefficient of a material forming the first wiring and a linear expansion coefficient of a material forming the second wiring.
前記第1配線の厚さは、前記第2配線の厚さよりも厚い、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 7,
The semiconductor device, wherein the thickness of the first wiring is thicker than the thickness of the second wiring.
前記第1配線を構成する材料の線膨張係数は、前記第2配線を構成する材料の線膨張係数よりも大きい、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 7,
A semiconductor device in which a linear expansion coefficient of a material forming the first wiring is larger than a linear expansion coefficient of a material forming the second wiring.
(b)前記配線基板の前記第1面に形成された第1配線上に第1接合材を配置し、前記第1接合材を溶融させる工程、
(c)平面視において、前記配線基板の端部に配置された前記第1接合材上に複数の半導体チップを配置する工程、
(d)前記配線基板を冷却し、前記複数の半導体チップの下面と前記配線基板の前記端部の前記第1面とを接近させ、かつ、前記第1接合材を凝固させる工程、
(e)前記配線基板を加熱し、前記配線基板の前記端部を前記第2面側に向かって凸となる形状に変形させる工程、
(f)ベース板上に第2接合材を配置し、前記第2接合材を溶融させる工程、
(g)前記配線基板の前記第2面に形成された第2配線が前記第2接合材に接するように、前記第2接合材上に前記配線基板を配置する工程、
(h)前記配線基板を冷却し、前記ベース板の上面と前記配線基板の前記端部の前記第2面とを接近させ、かつ、前記第2接合材を凝固させる工程、
を備える、半導体装置の製造方法。 (A) a step of heating a wiring board having a first surface and a second surface located on the opposite side of the first surface to deform the wiring board into a convex shape toward the first surface side;
(B) a step of disposing a first bonding material on the first wiring formed on the first surface of the wiring board and melting the first bonding material;
(C) a step of disposing a plurality of semiconductor chips on the first bonding material arranged at an end portion of the wiring board in a plan view,
(D) cooling the wiring board, bringing the lower surfaces of the plurality of semiconductor chips close to the first surface of the end portion of the wiring board, and solidifying the first bonding material;
(E) a step of heating the wiring board to deform the end portion of the wiring board into a convex shape toward the second surface side;
(F) disposing a second bonding material on the base plate and melting the second bonding material,
(G) disposing the wiring board on the second bonding material so that the second wiring formed on the second surface of the wiring board contacts the second bonding material,
(H) cooling the wiring board, bringing the upper surface of the base plate and the second surface of the end portion of the wiring board close to each other, and solidifying the second bonding material;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記複数の半導体チップを構成する主材料の線膨張係数は、前記第1配線を構成する材料の線膨張係数、および、前記第2配線を構成する材料の線膨張係数よりも小さく、
前記(d)工程では、前記配線基板の前記端部の前記第1配線と前記複数の半導体チップとが一体化し、
前記(e)工程において、前記配線基板を加熱すると、前記配線基板の前記端部が前記第2面側に向かって凸となる形状に変形する、半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 11,
The linear expansion coefficient of the main material forming the plurality of semiconductor chips is smaller than the linear expansion coefficient of the material forming the first wiring and the linear expansion coefficient of the material forming the second wiring,
In the step (d), the first wiring at the end of the wiring board and the plurality of semiconductor chips are integrated with each other,
In the step (e), when the wiring board is heated, the end portion of the wiring board is deformed into a shape protruding toward the second surface side.
前記第1配線の厚さは、前記第2配線の厚さよりも厚く、
前記(a)工程において、前記配線基板を加熱すると、前記配線基板が前記第1面側に向かって凸となる形状に変形する、半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 11,
The thickness of the first wiring is thicker than the thickness of the second wiring,
In the step (a), when the wiring board is heated, the wiring board is deformed into a convex shape toward the first surface side.
前記第1配線を構成する材料の線膨張係数は、前記第2配線を構成する材料の線膨張係数よりも大きく、
前記(a)工程において、前記配線基板を加熱すると、前記配線基板が前記第1面側に向かって凸となる形状に変形する、半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 11,
The linear expansion coefficient of the material forming the first wiring is larger than the linear expansion coefficient of the material forming the second wiring,
In the step (a), when the wiring board is heated, the wiring board is deformed into a convex shape toward the first surface side.
前記第1接合材を構成する材料の融点は、前記第2接合材を構成する材料の融点よりも高い、半導体装置の製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 11,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein a melting point of a material forming the first bonding material is higher than a melting point of a material forming the second bonding material.
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