JP2020155765A - 半導体モジュールおよび製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】クラックの発生が抑制された半導体モジュールを提供する。【解決手段】上面電極および上面電極と反対側の下面電極を有する半導体チップと、半導体チップの上面電極と電気的に接続される金属配線板と、金属配線板上に設けられ、金属配線板よりも低い弾性率を有する、シート状の低弾性シートとを備える半導体モジュールを提供する。半導体モジュールの製造方法であって、半導体チップを提供する段階と、半導体チップの上方に金属配線板をはんだ接合する段階と、金属配線板よりも弾性率の低いシート状の低弾性シートを金属配線板に貼り付ける段階とを備える製造方法を提供する。【選択図】図１Ｂ
Description
本発明は、半導体モジュールおよび製造方法に関する。
従来、半導体チップの上面電極に、金属配線板を接続した構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。金属配線板は、上面電極にはんだ接合される板状の接合部と、接合部の端部から上方に延伸して設けられた立上り部とを有する。
特許文献１ 特開２００３−１１５５１２号公報
特許文献１ 特開２００３−１１５５１２号公報
半導体チップおよび金属配線板は、樹脂により封止される。金属配線板の温度が変動すると、金属配線板の立上り部は上下方向に伸縮しようとする。立上り部の上側は封止樹脂により押さえられるので、立上り部は半導体チップの上面電極を押圧する。このため、立上り部近傍の上面電極の領域は、他の上面電極の領域よりもひずみが大きくなる。また、金属配線板の熱膨張により封止用の樹脂にクラックが生じる場合がある。
本発明の一つの態様においては、上面電極および上面電極と反対側の下面電極を有する半導体チップと、半導体チップの上面電極と電気的に接続される金属配線板と、金属配線板上に設けられ、金属配線板よりも低い弾性率を有する、シート状の低弾性シートとを備える半導体モジュールを提供する。
金属配線板は、半導体チップの上面電極と接合するための接合部と、接合部と接続され、半導体チップから離れる方向に延伸する立上り部とを有してよい。
低弾性シートは、接合部上および立上り部上の両方に設けられてよい。
低弾性シートは、接合部上に設けられ、立上り部上には設けられなくてよい。
低弾性シートは、接合部の端部において、金属配線板との接合面から外側にはみ出して設けられてよい。
低弾性シートは、接合部の端部において、金属配線板との接合面を有し、接合部は、半導体チップの上面電極とはんだ接合されていてよい。
半導体モジュールは、半導体チップの上面電極と金属配線板とを接合するためのはんだ部と、半導体チップおよび金属配線板を封止する封止樹脂とをさらに備えてよい。封止樹脂は、はんだ部と接触していてよい。
封止樹脂は、金属配線板の接合部の側面と接触していてよい。
低弾性シートの弾性率は、封止樹脂の弾性率よりも低くてよい。
低弾性シートの弾性率は、封止樹脂の弾性率の１００００分の１以上、１０分の１以下であってよい。
低弾性シートは、１ＭＰａ以上、１０００Ｍｐａ以下の弾性率を有してよい。
低弾性シートは、０．０５ｍｍ以上、１．５ｍｍ以下の厚みを有してよい。
低弾性シートは、発泡体、樹脂およびシリコーンゴムのいずれかを含んでよい。
本発明の一つの態様においては、半導体モジュールの製造方法であって、半導体チップを提供する段階と、半導体チップの上方に金属配線板をはんだ接合する段階と、金属配線板よりも弾性率の低いシート状の低弾性シートを金属配線板に貼り付ける段階とを備える製造方法を提供する。
低弾性シートを金属配線板に貼り付ける段階の後に、半導体チップの上方に金属配線板をはんだ接合してよい。
半導体チップの上方に金属配線板をはんだ接合する段階の後に、低弾性シートを金属配線板に貼り付けてよい。
上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。これらの特徴群のサブコンビネーションも発明となりうる。
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
図１Ａは、実施例１に係る半導体モジュール３００の上面図である。図１Ｂは、図１ＡのＡ−Ａ断面図である。本例の半導体モジュール３００は、半導体組立体１００と、冷却部１１０と、ケース１２０と、封止樹脂１３０とを備える。
本明細書においては、半導体組立体１００の厚み方向における一方の側を「上」、他方の側を「下」と称する。素子、基板、層、膜またはその他の部材の２つの主面のうち、一方の面を上面、他方の面を下面と称する。「上」、「下」の方向は重力方向に限定されない。本例では、上下方向をＺ軸方向、Ｚ軸方向と垂直な面内において直交する２つの方向をＸ軸方向およびＹ軸方向と称する。ＸＹＺ軸は右手系を構成する。
半導体組立体１００は、半導体チップ１０と、積層基板２０と、金属配線板６０と、低弾性シート７０とを有する組立品である。半導体組立体１００は、はんだ部１１２を用いて、冷却部１１０上にはんだ接合されている。なお、半導体組立体１００は、金属製のベース板上に載置されてもよい。
冷却部１１０は、半導体チップ１０等が発する熱を、外部に放出する。冷却部１１０は、アルミニウム等の熱伝導率が高い材料で形成される。冷却部１１０は、天板および天板に対向する底板を有してよい。冷却部１１０は、天板と底板の間に、放熱面積を増大させるべく複数のフィンが形成されていてもよい。本例の半導体組立体１００は、はんだ部１１２により、熱的および機械的に冷却部１１０に固定されている。例えば、はんだ部１１２は、Ｓｎ−Ｓｂ系またはＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ系のはんだである。
ケース１２０は、冷却部１１０の上面において、半導体組立体１００を囲んで設けられる。本例のケース１２０の形状は矩形であるが、これに限定されない。例えば、ケース１２０の材料は、樹脂等の絶縁材料である。樹脂は、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリブチレンテレフタラート（ＰＢＴ）、ポリブチルアクリレート（ＰＢＡ）、ポリアミド（ＰＡ）、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリブチレンサクシネート（ＰＢＳ）、ウレタンおよびシリコーン等から選択されてよい。
封止樹脂１３０は、ケース１２０の内部を封止する。封止樹脂１３０は、半導体組立体１００の全体を覆っている。つまり、封止樹脂１３０は、半導体チップ１０、積層基板２０、金属配線板６０、はんだ部３３、３４、４３および低弾性シート７０を封止している。例えば、封止樹脂１３０の材料は、エポキシ樹脂である。
半導体チップ１０は、シリコン基板等の半導体基板で形成された半導体チップである。一例において、半導体チップ１０は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）およびパワーＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子を含む。半導体チップ１０は、フリーホイールダイオード（ＦＷＤ）を含むＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｒｅｖｅｒｓｅ−Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ＩＧＢＴ）を含んでよい。半導体チップ１０は縦型のスイッチング素子を含んでよい。半導体チップ１０には、上面電極および下面電極が形成されてよい。上部電極および下面電極はそれぞれ電源の負電位および正電位に電気的に接続されてよい。
積層基板２０は、冷却部１１０の上面に設けられる。積層基板２０は、金属板２１、絶縁板２２、回路部２３および回路部２４を備える。例えば、積層基板２０は、ＤＣＢ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｏｐｐｅｒ Ｂｏｎｄｉｎｇ）基板またはＡＭＢ（Ａｃｔｉｖｅ Ｍｅｔａｌ Ｂｒａｚｉｎｇ）基板であってよい。
絶縁板２２は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）等のセラミックス等の絶縁材料で形成される。金属板２１は、絶縁板２２の下面に設けられる。回路部２３および回路部２４は、絶縁板２２の上面に設けられる。金属板２１、回路部２３および回路部２４は、銅または銅合金などの金属材料を含む板で形成されてよい。金属板２１、回路部２３および回路部２４は、はんだやロウ等によって絶縁板２２の表面に固定されていてもよい。
回路部２３は、はんだ部３３を用いて、半導体チップ１０とはんだ接合されている。これにより、回路部２３は、半導体チップ１０と電気的に接続されている。
回路部２４は、金属配線板６０とはんだ接合される。回路部２４は、半導体チップ１０とはんだ接合されていない。但し、回路部２４は、回路部２３とはんだ接合された半導体チップ１０とは別の半導体チップ１０にはんだ接合されてもよい。回路部２３および回路部２４は、絶縁板２２の上面に形成された金属配線、パッド等を含んでよく、信号処理回路等を含んでもよい。
はんだ部３３は、半導体チップ１０を回路部２３に固定する。はんだ部３３は、半導体チップ１０および回路部２３を、電気的および機械的に接続する。例えば、はんだ部３３は、回路部２３に含まれるパッドと、半導体チップ１０の下面電極とを接続する。例えば、はんだ部３３の材料は、Ｓｎ−Ｃｕ系またはＳｎ−Ｓｂ系のはんだである。はんだ部３３は、半導体チップ１０を回路部２３に接触する２つの面と、２つの面を接続する側面を有し、側面は封止樹脂１３０に接触している。
金属配線板６０は、半導体チップ１０と電気的に接続された半導体チップ１０用の電気配線である。本例の金属配線板６０は、半導体チップ１０と回路部２４とを電気的に接続する。金属配線板６０の一方の端部は半導体チップ１０の上面電極に接続され、金属配線板６０のもう一方の端部は回路部２４の上面に接続される。
例えば、金属配線板６０の材料は、銅、銅合金、アルミニウム、または、アルミニウム合金等である。一例において、金属配線板６０の厚みは、０．５ｍｍ以上、１．０ｍｍ以下である。本例の金属配線板６０は、接合部６２と、立上り部６３と、接続部６４と、立上り部６５と、接合部６６とを有する。
接合部６２は、はんだ部４３を用いて、半導体チップ１０の上面電極とはんだ接合される。これにより、接合部６２は、半導体チップ１０上に固定され、半導体チップ１０と電気的に接続される。例えば、はんだ部４３は、Ｓｎ−Ｃｕ系またはＳｎ−Ｓｂ系のはんだである。
立上り部６３は、接合部６２と接続される。立上り部６３は、接合部６２から半導体チップ１０の上面と離れる方向に延伸する。言い換えると、立上り部６３は、接合部６２から任意の角度で折れ曲がった部分である。本例の立上り部６３は、半導体チップ１０の上面に対して垂直な方向（即ち、Ｚ軸方向）に延伸している。
接合部６６は、はんだ部３４により回路部２４の上面とはんだ接合される。これにより、接合部６６は、回路部２４上に固定され、回路部２４と電気的に接続される。例えば、はんだ部３４は、Ｓｎ−Ｃｕ系またはＳｎ−Ｓｂ系のはんだである。接合部６６は、接続部６４により立上り部６３と接続されている。
立上り部６５は、接合部６６と接続される。立上り部６５は、接合部６６から回路部２４の上面と離れる方向に延伸する。言い換えると、立上り部６５は、接合部６６から任意の角度で折れ曲がった部分である。本例の立上り部６５は、回路部２４の上面と垂直な方向（即ち、Ｚ軸方向）に延伸している。接合部６２と接合部６６はＺ軸方向に離れて設けられてよい。Ｚ軸方向において、立上り部６３の長さは立上り部６５の長さより、例えば半導体チップ１０およびはんだ部４３の厚みだけ、小さくてよい。
低弾性シート７０は、金属配線板６０上に設けられる。低弾性シート７０は、金属配線板６０の弾性率よりも低い弾性率を有する、シート状の部材である。本例において、「シート状」とは、低弾性シート７０の端部においても略均一な厚みを有することを指す。一方、液体塗布によって低弾性層を形成した場合、層の中心と端部とで膜厚が均一にならない。
低弾性シート７０は、接合部７２と、立上り部７３と、接続部７４と、立上り部７５と接合部７６とを備える。接合部７２は、接合部６２の上面に設けられる。立上り部７３は、立上り部６３と対向して設けられる。接続部７４は、接続部６４上に設けられる。立上り部７５は、立上り部６５と対向して設けられる。接合部７６は、接合部６６上に設けられる。本例では、低弾性シート７０となる一枚のシートが金属配線板６０上に貼り付けられている。低弾性シート７０は、金属配線板６０へ接着剤により貼り付けられてよい。接合部７２および接合部７６は、略均一な膜厚を有する。例えば、接合部６２および接合部６６の膜厚のばらつきは、±１０％以内である。なお、接合部７２、立上り部７３、接続部７４、立上り部７５および接合部７６は、互いに離間して金属配線板６０に貼り付けられてもよい。
低弾性シート７０の弾性率は、封止樹脂１３０の弾性率よりも低い。一例において、低弾性シート７０の弾性率は、封止樹脂１３０の弾性率の１０分の１以下であってよく、１００分の１以下であってよい。本例の低弾性シート７０の弾性率は、封止樹脂１３０の弾性率の１００００分の１以上、１０分の１以下である。但し、低弾性シート７０の弾性率は、封止樹脂１３０の弾性率の１０００分の１以上であってもよい。低弾性シート７０は、金属配線板６０と封止樹脂１３０との間に設けられる。これにより、低弾性シート７０は、熱応力によって生じる電極クラックおよび樹脂クラック等のクラックを抑制できる。
低弾性シート７０は、金属配線板６０の上面の全面に設けられている。但し、低弾性シート７０は、金属配線板６０の一部にのみ設けられてもよい。本例の低弾性シート７０は、接合部上および立上り部上の両方に設けられる。本例における「立上り部上」とは、立上り部と接して低弾性シート７０が設けられる場合を指し、必ずしも重力方向の上面に設けられる場合に限定されない。なお、低弾性シート７０は、半導体チップ１０およびはんだ部と離間して設けられる。即ち、はんだ部と封止樹脂１３０とが接触することにより、はんだ部が強固に固定され、はんだクラックの発生を抑制できる。
低弾性シート７０の膜厚は、半導体モジュール３００の構造等に応じて適宜設計されてよい。一例において、低弾性シート７０の膜厚は、０．０５ｍｍ以上、１．５ｍｍ以下である。低弾性シート７０の膜厚は、０．１ｍｍ以上であっても、０．３ｍｍ以上であってもよい。低弾性シート７０の膜厚は、１．０ｍｍ以下であってもよい。例えば、低弾性シート７０の材料は、発泡体、樹脂およびシリコーンゴムのいずれかを含む。より具体的には、低弾性シート７０の材料は、ポリイミド発泡体またはエポキシ樹脂であってよい。なお、低弾性シート７０の熱伝導性および電気伝導性は特に限定されない。
低弾性シート７０は、接合部６２の端部において、金属配線板６０との接合面を有する。接合部６２の端部の位置は特に限定されない。接合部６２の端部は、立上り部６３とは逆側の接合部６２の端部であってよい。接合部６２が半導体チップ１０とはんだ接合されており、接合部６２および立上り部６３で熱膨張が生じる。そして、立上り部６３とは逆側の接合部６２の端部では、接合部６２および立上り部６３の熱膨張による応力が集中しやすくなる。応力の集中しやすい領域に低弾性シート７０を設けることによって、樹脂クラックの発生を抑制できる。
図２Ａは、実施例２に係る半導体モジュール３００の上面図である。図２Ｂは、図２ＡのＢ−Ｂ断面図である。本例の半導体モジュール３００は、接合部６２上に低弾性シート７０を備える。本例では、実施例１と相違する点について特に説明する。
低弾性シート７０は、接合部６２上に設けられる。一方、本例の低弾性シート７０は、立上り部６３、接続部６４、立上り部６５および接合部６６上には設けられない。低弾性シート７０は、半導体チップ１０が設けられた領域の近傍に設けられることにより、半導体チップ１０の発熱に起因した熱応力によって生じる樹脂クラックの発生を抑制できる。
本例の半導体モジュール３００は、接合部６２上のみに低弾性シート７０を設けているので、低弾性シート７０を金属配線板６０の形状に沿って貼り付ける必要がない。よって、金属配線板６０の構造が複雑な場合であっても、低弾性シート７０の貼り付けが容易である。
図３Ａは、実施例３に係る半導体モジュール３００の上面図である。図３Ｂは、図３ＡのＣ−Ｃ断面図である。本例の半導体モジュール３００は、実施例２と異なる形状の金属配線板６０を備える。本例では、実施例２と相違する点について特に説明する。
金属配線板６０は、接合部６２と、接続部６４と、立上り部６５と、接合部６６とを備える。即ち、本例の金属配線板６０は、立上り部６３を有しない点で実施例２の金属配線板６０と異なる。このように、金属配線板６０の形状は、半導体モジュール３００の構造等に応じて適宜変更されてよい。
低弾性シート７０は、接合部６２上に設けられる。低弾性シート７０は、接続部６４、立上り部６５および接合部６６上には設けられていない。但し、低弾性シート７０は、接続部６４、立上り部６５および接合部６６の上面に設けられてもよい。このように、低弾性シート７０は、金属配線板６０の形状が変更された場合であっても、半導体チップ１０とはんだ接合された接合部６２上に設けられることが好ましい。これにより、金属配線板６０の熱膨張による影響が低減される。
図４は、比較例に係る半導体モジュール５００の断面図の一例である。半導体モジュール５００は、低弾性シート７０を備えない点で実施例に係る半導体モジュール３００と相違する。半導体モジュール５００は、ケース５２０と、封止樹脂５３０と、半導体組立体５４０と、冷却部５５０とを備える。半導体組立体５４０は、積層基板５２５上に載置された半導体チップ５１０および金属配線板５６０を備える。
金属配線板５６０は、はんだ部５４３を介して半導体チップ５１０の上方に設けられる。但し、金属配線板５６０上には、低弾性シート７０が設けられていない。よって、金属配線板５６０は、封止樹脂５３０で直接覆われている。金属配線板５６０は、半導体チップ５１０の上方に立上り部５６３を有する。
ここで、ΔＴｊパワーサイクル等のパワーサイクル試験によって、半導体モジュール３００の信頼性が試験される。例えば、ΔＴｊパワーサイクル試験では、電極クラックと樹脂クラックとの２つの故障モードが評価される。
電極クラックは、半導体チップ１０の上部電極のクラックを起点として、半導体チップ１０にクラックが生じる故障モードである。破壊寿命は、熱応力シミュレーションの塑性ひずみ振幅から推定できる。半導体チップ１０は、塑性ひずみ振幅の小さい方が長寿命となる。塑性ひずみ振幅とは、上面電極に発生する塑性ひずみの加熱時と冷却時との差である。金属配線板５６０の立上り部の直下では、ひずみが大きくなる。金属配線板５６０の立上り部が熱膨張により伸びようとするが、封止樹脂５３０により押さえつけられていることから、熱膨張による応力が半導体チップ１０に向かうことが原因である。
樹脂クラックは、封止樹脂５３０にクラックが生じる故障モードである。樹脂クラックによる破壊箇所は、熱応力シミュレーションの発生応力の分布から推定できる。応力が高い箇所は、金属配線板５６０の先端部（即ち、半導体チップ５１０と接合する部分の先端部）であり、クラックの発生起点と考えられる。半導体チップ５１０の発熱により金属配線板５６０が水平方向に熱膨張するが、周囲を封止樹脂５３０で固められているので、金属配線板５６０の伸びが先端部の側面５６７に集中することが原因である。
半導体組立体１００では、低弾性シート７０を設けることにより、半導体チップ１０に向かう応力や、封止樹脂１３０への応力集中を緩和できる。例えば、半導体チップ１０に向かう応力について、低弾性シート７０の膜厚を厚くすることにより、半導体チップ１０に向かう応力をさらに緩和できる。低弾性シート７０の弾性率を低くし、膜厚を厚くすることにより、半導体チップ１０に応力を緩和するためのクッション効果が高くなる。これにより電極クラックが抑制されやすくなる。
また、封止樹脂１３０への応力集中について、低弾性シート７０のクッション効果により鉛直方向への変形が可能となり、金属配線板６０の水平方向の熱膨張による応力集中が低減される。これにより樹脂クラックが抑制されやすくなる。このように、半導体組立体１００は、低弾性シート７０を設けることにより、ΔＴｊパワーサイクル時の電極クラックおよび樹脂クラックを抑制できる。
図５Ａは、実施例１に係る半導体モジュール３００に応力が発生した後の断面図の一例である。低弾性シート７０は、半導体モジュール３００に生じた応力により、形状が大きく変形している。例えば、低弾性シート７０の上面７９が大きく潰れており、横方向に移動している。そして、封止樹脂１３０の上面も大きく変形している。このように、半導体モジュール３００は、低弾性シート７０の変形により、金属配線板６０の近傍での応力の集中を緩和できる。図５Ａは、説明のために強調した図であり、具体的な変形については本例に限られない。
図５Ｂは、比較例に係る半導体モジュール５００に応力が発生した後の断面図の一例である。本例の半導体モジュール５００は、金属配線板５６０の上面に低弾性シート７０を有しない。そのため、封止樹脂５３０が変形せずに、封止樹脂５３０と金属配線板５６０との界面で大きな応力が発生する。特に、発熱する半導体チップ５１０の周囲では大きな応力が発生する。
図６Ａは、樹脂応力と低弾性シート７０のヤング率との関係を示すグラフである。縦軸は封止樹脂１３０に生じる樹脂応力（Ｍｐａ）を任意単位（ａ．ｕ．）にスケールした値を示し、横軸はヤング率（Ｍｐａ）を示す。実線は、実施例に係る半導体モジュール３００のシミュレーション結果を示す。破線は、比較例に係る半導体モジュール５００のシミュレーション結果を示す。本例では、比較例を１００（ａ．ｕ．）として示している。
実施例では、低弾性シート７０のヤング率が１０Ｍｐａ、１００Ｍｐａ、１０００Ｍｐａの３種類のシミュレーション結果が示されている。実施例の樹脂応力は、いずれの場合も比較例の樹脂応力よりも小さくなった。即ち、半導体モジュール３００は、低弾性シート７０を適用することにより、封止樹脂１３０に発生する応力を低減できる。また、封止樹脂１３０に生じる応力は、低弾性シート７０のヤング率が小さいほど、小さくなっている。
図６Ｂは、上面電極に発生する塑性ひずみ振幅と低弾性シート７０のヤング率との関係を示すグラフである。縦軸は電極の塑性ひずみ振幅（％）を任意単位（ａ．ｕ．）にスケールした値を示し、横軸はヤング率（Ｍｐａ）を示す。本例の上面電極とは、半導体チップ１０の上面に設けられたＡｌ−Ｓｉ等の電極である。実線は、実施例に係る半導体モジュール３００のシミュレーション結果を示す。破線は、比較例に係る半導体モジュール５００のシミュレーション結果を示す。本例では、比較例を１００（ａ．ｕ．）として示している。
実施例では、低弾性シート７０のヤング率が１０Ｍｐａ、１００Ｍｐａ、１０００Ｍｐａの３種類のシミュレーション結果が示されている。実施例に係る電極の塑性ひずみ振幅は、いずれの場合も比較例に係る電極の塑性ひずみ振幅よりも小さくなった。即ち、半導体モジュール３００は、低弾性シート７０を適用することにより、電極の塑性ひずみ振幅を低減できる。また、電極の塑性ひずみ振幅は、低弾性シート７０のヤング率が小さいほど、小さくなっている。
図７Ａは、樹脂応力と低弾性シート７０の膜厚との関係を示すグラフである。縦軸は封止樹脂１３０に生じる樹脂応力（Ｍｐａ）を任意単位（ａ．ｕ．）にスケールした値を示し、横軸は低弾性シート７０の膜厚（ｍｍ）を示す。実線は、実施例に係る半導体モジュール３００のシミュレーション結果を示す。破線は、比較例に係る半導体モジュール５００のシミュレーション結果を示す。本例では、比較例を１００（ａ．ｕ．）として示している。
実施例では、低弾性シート７０の膜厚が０．０５ｍｍ、０．１ｍｍ、０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、および１．５ｍｍの６種類のシミュレーション結果が示されている。実施例の樹脂応力は、いずれの場合も比較例の樹脂応力よりも小さくなった。即ち、半導体モジュール３００は、低弾性シート７０を適用することにより、封止樹脂１３０に発生する応力を低減できる。
図７Ｂは、塑性ひずみ振幅と低弾性シート７０の膜厚との関係を示すグラフである。縦軸は電極の塑性ひずみ振幅（％）を任意単位（ａ．ｕ．）にスケールした値を示し、横軸は低弾性シート７０の膜厚（ｍｍ）を示す。実線は、実施例に係る半導体モジュール３００のシミュレーション結果を示す。破線は、比較例に係る半導体モジュール５００のシミュレーション結果を示す。本例では、比較例を１００（ａ．ｕ．）として示している。
実施例では、低弾性シート７０の膜厚が０．０５ｍｍ、０．１ｍｍ、０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、および１．５ｍｍの６種類のシミュレーション結果が示されている。実施例に係る電極の塑性ひずみ振幅は、いずれの場合も比較例に係る電極の塑性ひずみ振幅よりも小さくなった。即ち、半導体モジュール３００は、低弾性シート７０を適用することにより、電極の塑性ひずみ振幅を低減できる。また、電極の塑性ひずみ振幅は、低弾性シート７０の膜厚が厚くなるほど小さくなっている。
図８は、半導体モジュール３００を製造するためのフローチャートの一例を示す。ステップＳ１００において、半導体チップ１０を含む半導体組立体１００を組み立てる。具体的な半導体組立体１００の組立方法については後述する。ステップＳ１０２において、半導体組立体１００を冷却部１１０に接合する。また、半導体組立体１００を冷却部１１０に接合した後に、半導体組立体１００の組み立てを完成させてもよい。ステップＳ１０４において、冷却部１１０にケース１２０を接着し、半導体組立体１００を封止樹脂１３０で封止する。これにより、半導体モジュール３００が製造される。
図９Ａは、半導体モジュール３００の製造方法の一例を示す。本例では、低弾性シート７０を金属配線板６０に貼り付ける段階の後に、半導体チップ１０の上方に金属配線板６０をはんだ接合している。
ステップＳ２００において、低弾性シート７０を金属配線板６０に接着剤により貼り合わせる。金属配線板６０を打ち抜いた後に、低弾性シート７０を貼り合わせてもよいし、金属配線板６０を打ち抜く前の金属板に低弾性シート７０を貼り合わせた後に、金属配線板６０を打ち抜いてもよい。
ステップＳ２０２において、低弾性シート７０付きの金属配線板６０をはんだ部４３で半導体チップ１０にはんだ接合し、半導体組立体１００を組立てる。低弾性シート７０は、はんだリフローの耐熱性を有する材料で形成される。はんだリフローの温度は、封止樹脂１３０を硬化するための温度よりも高い。この場合、低弾性シート７０は、はんだリフローに対する耐熱性を有すれば、封止樹脂１３０を硬化するための耐熱性も有する。
ステップＳ２０４において、冷却部１１０上に半導体組立体１００を載置する。ステップＳ２０６において、ケース１２０を取り付け、封止樹脂１３０で半導体組立体１００を封止する。ステップＳ２０４およびステップＳ２０６の工程は、特に限定されるものではない。
図９Ｂは、半導体モジュール３００の製造方法の一例を示す。本例では、半導体チップ１０の上方に金属配線板６０をはんだ接合した後に、低弾性シート７０が貼り付けられている。
ステップＳ３００において、金属配線板６０をはんだ部４３で半導体チップ１０にはんだ接合し、半導体組立体１００を組立てる。ステップＳ３０２において、冷却部１１０上に半導体組立体１００を載置する。
ステップＳ３０４において、低弾性シート７０を金属配線板６０に貼り合わせる。低弾性シート７０は、実施例１のように金属配線板６０の全面に貼り合わせられてもよいし、金属配線板６０の一部に貼り合わせられてもよい。低弾性シート７０は、金属配線板６０に接着剤により貼られてよい。低弾性シート７０の材料は、封止樹脂１３０を硬化するための温度に対する耐熱性を有すればよく、はんだリフローに対する耐熱性を有しなくてよい。そして、図９ＡのステップＳ２０６の場合と同様に、ケース１２０を取り付け、封止樹脂１３０で半導体組立体１００を封止する。
図１０Ａは、実施例に係る低弾性シート７０の端部を説明するための部分拡大図である。本例の低弾性シート７０は、金属配線板６０の端部にまで設けられている。低弾性シート７０の端部は、金属配線板６０の端部と略一致している。即ち、低弾性シート７０の側面７７および金属配線板６０の側面６７が略同一平面を形成している。側面７７は、実施例に係る接合部７２の一部である。側面６７は、実施例に係る接合部６２の一部である。
封止樹脂１３０は、側面６７および側面７７と接触している。即ち、低弾性シート７０は、接合部６２の側面６７と接触していない。そのため、封止樹脂１３０は、側面６７と接触している。低弾性シート７０は、シート状なので、金属配線板６０の端部まで設けられた場合であっても、側面６７と接触しないように配置できる。
また、封止樹脂１３０は、はんだ部４３の側面４７と接触している。即ち、低弾性シート７０は、はんだ部４３の側面４７と接触していない。封止樹脂１３０は、半導体チップ１０、金属配線板６０および低弾性シート７０とも接触している。本例の封止樹脂１３０は、半導体チップ１０、はんだ部４３および金属配線板６０を封止して固定することにより、はんだ部４３のクラックを抑制できる。
図１０Ｂは、実施例に係る低弾性シート７０の端部を説明するための部分拡大図である。本例の低弾性シート７０は、金属配線板６０の端部からはみ出して設けられている。
低弾性シート７０は、金属配線板６０との接合面７８から外側にはみ出して設けられている。本例の外側とは、接合面７８よりも−Ｘ軸方向側である。低弾性シート７０が金属配線板６０との接合面７８から外側にはみ出すことにより、封止樹脂１３０の応力集中をさらに緩和しやすくなる。低弾性シート７０は、接合部６２の端部において、金属配線板６０との接合面７８から外側にはみ出して設けられてよい。低弾性シート７０は、金属配線板６０の端部からＸＹ面に平行な方向へはみ出してよい。接合部６２の端部の位置は特に限定されない。接合部６２の端部は、立上り部６３とは逆側の接合部６２の端部であってよい。なお、低弾性シート７０は、はんだ部４３と離間して設けられる。即ち、封止樹脂１３０ではんだ部４３を固定することにより、はんだ部４３の固定力が高まり、はんだクラックの発生を抑制できる。したがって、本例の半導体モジュール３００は、はんだクラックを抑制しつつ、電極クラックおよび樹脂クラックを防止し、さらなる長寿命化を実現できる。
例えば、低弾性シート７０は、１ＭＰａ以上、１０００Ｍｐａ以下の弾性率を有する。１０００Ｍｐａ以下の弾性率を有することにより、半導体チップ１０の電極の塑性ひずみ振幅（％）を低減して、電極クラックを抑制できる。また、低弾性シート７０は、１００Ｍｐａ以下の弾性率を有してよい。低弾性シート７０は、１００Ｍｐａ以下の弾性率を有することにより、封止樹脂５３０の発生応力を低減して、樹脂クラックを抑制できる。
図１１Ａは、比較例に係る低弾性部５７０の端部を説明するための部分拡大図である。本例の半導体モジュール５００は、はんだ部５４３を介して、金属配線板５６０が半導体チップ５１０上に設けられている。また、金属配線板５６０上には、低弾性部５７０が設けられている。
低弾性部５７０は、液体塗布により金属配線板５６０上に設けられている。そのため、低弾性部５７０の膜厚が均一とならず、低弾性部５７０の端部が薄くなっている。そのため、金属配線板５６０の端部における応力を十分に低減できない。よって、特に半導体チップ５１０の近傍における金属配線板５６０の端部では、金属配線板５６０と封止樹脂５３０との間の弾性率差によって、大きな応力が生じる場合がある。
また、低弾性部５７０を塗布する際に、金属配線板５６０の端部にまで低弾性部５７０を塗布しようとすると、はんだ部５４３に低弾性部５７０が付着する恐れがある。低弾性部５７０がはんだ部５４３に付着すると、はんだの固定力が低下して、はんだクラックの原因となる場合がある。
図１１Ｂは、比較例に係る低弾性部５７０の端部を説明するための部分拡大図である。本例の低弾性部５７０は、金属配線板５６０の側面５６７およびはんだ部５４３の側面５４７を覆って設けられている。この場合、封止樹脂５３０等の固い樹脂で金属配線板５６０とはんだ部５４３を固定できなくなり、はんだクラックが生じる恐れがある。
図１２は、実施例に係る車両２００の概要を示す図である。車両２００は、少なくとも一部の推進力を、電力を用いて発生する車両である。一例として車両２００は、全ての推進力をモーター等の電力駆動機器で発生させる電気自動車、または、モーター等の電力駆動機器と、ガソリン等の燃料で駆動する内燃機関とを併用するハイブリッド車である。
車両２００は、モーター等の電力駆動機器を制御する制御装置２１０（外部装置）を備える。制御装置２１０には、半導体モジュール３００を含む電力変換装置２２０が設けられている。電力変換装置２２０は、電力駆動機器に供給する電力を制御してよい。半導体モジュール３００は、挿入される締結部材によって制御装置２１０に固定されてよい。半導体モジュール３００の冷却部１１０は、パイプを介して接続された、制御装置２１０の冷却系から冷媒が供給されてよい。
図１３は、実施例に係る電力変換装置２２０の主回路図である。電力変換装置２２０は、車両２００のモーターを駆動する車載用ユニットの一部であってよい。電力変換装置２２０は、電源端子Ｐ、Ｎ、負荷端子Ｕ、ＶおよびＷを有する三相交流インバータ回路として機能してよい。
半導体チップ１０−１、１０−２および１０−３は電力変換装置２２０における下アームを、複数の半導体チップ１０−４、１０−５および１０−６は電力変換装置２２０における上アームを構成してよい。一組の半導体チップ１０−１、１０−４はレグを構成してよい。一組の半導体チップ１０−２、１０−５、および、一組の半導体チップ１０−３、１０−６も同様にレグを構成してよい。半導体チップ１０−１においては、上面電極が電源端子Ｎ１に、下面電極が負荷端子Ｕに、それぞれ電気的に接続してよい。半導体チップ１０−４においては、上面電極が負荷端子Ｕに、下面電極が電源端子Ｐ１に、それぞれ電気的に接続してよい。同様に、半導体チップ１０−２、１０−３においては、上面電極がそれぞれ電源端子Ｎ２、Ｎ３に、下面電極がそれぞれ負荷端子Ｖ、Ｗに、電気的に接続してよい。さらに、半導体チップ１０−５、１０−６においては、上面電極がそれぞれ負荷端子Ｖ、Ｗに、下面電極がそれぞれ負荷端子Ｐ２、Ｐ３に、電気的に接続してよい。
各半導体チップ１０−１から１０−６は、半導体チップ１０の制御電極パッドに入力される信号により交互にスイッチングされてよい。本例において、各半導体チップ１０はスイッチング時に発熱し得る。電源端子Ｐ１、Ｐ２およびＰ３は外部電源の正極に、電源端子Ｎ１、Ｎ２およびＮ３は負極に、負荷端子Ｕ、Ｖ、およびＷは負荷にそれぞれ接続してよい。電源端子Ｐ１、Ｐ２およびＰ３は互いに電気的に接続されてよく、また、他の電源端子Ｎ１、Ｎ２およびＮ３も互いに電気的に接続されてよい。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
１０・・・半導体チップ、２０・・・積層基板、２１・・・金属板、２２・・・絶縁板、２３・・・回路部、２４・・・回路部、３３・・・はんだ部、３４・・・はんだ部、４３・・・はんだ部、４７・・・側面、６０・・・金属配線板、６２・・・接合部、６３・・・立上り部、６４・・・接続部、６５・・・立上り部、６６・・・接合部、６７・・・側面、７０・・・低弾性シート、７２・・・接合部、７３・・・立上り部、７４・・・接続部、７５・・・立上り部、７６・・・接合部、７７・・・側面、７８・・・接合面、７９・・・上面、１００・・・半導体組立体、１１０・・・冷却部、１１２・・・はんだ部、１２０・・・ケース、１３０・・・封止樹脂、２００・・・車両、２１０・・・制御装置、２２０・・・電力変換装置、３００・・・半導体モジュール、５００・・・半導体モジュール、５１０・・・半導体チップ、５２０・・・ケース、５２５・・・積層基板、５３０・・・封止樹脂、５４０・・・半導体組立体、５４３・・・はんだ部、５４７・・・側面、５５０・・・冷却部、５６０・・・金属配線板、５６３・・・立上り部、５６７・・・側面、５７０・・・低弾性部
低弾性シートは、１ＭＰａ以上、１０００ＭＰａ以下の弾性率を有してよい。
半導体チップ１０は、シリコン基板等の半導体基板で形成された半導体チップである。一例において、半導体チップ１０は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）およびパワーＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子を含む。半導体チップ１０は、フリーホイールダイオード（ＦＷＤ）を含むＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｒｅｖｅｒｓｅ−Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ＩＧＢＴ）を含んでよい。半導体チップ１０は縦型のスイッチング素子を含んでよい。半導体チップ１０には、上面電極および下面電極が形成されてよい。上面電極および下面電極はそれぞれ電源の負電位および正電位に電気的に接続されてよい。
低弾性シート７０は、接合部７２と、立上り部７３と、接続部７４と、立上り部７５と接合部７６とを備える。接合部７２は、接合部６２の上面に設けられる。立上り部７３は、立上り部６３と対向して設けられる。接続部７４は、接続部６４上に設けられる。立上り部７５は、立上り部６５と対向して設けられる。接合部７６は、接合部６６上に設けられる。本例では、低弾性シート７０となる一枚のシートが金属配線板６０上に貼り付けられている。低弾性シート７０は、金属配線板６０へ接着剤により貼り付けられてよい。接合部７２および接合部７６は、略均一な膜厚を有する。例えば、接合部７２および接合部７６の膜厚のばらつきは、±１０％以内である。なお、接合部７２、立上り部７３、接続部７４、立上り部７５および接合部７６は、互いに離間して金属配線板６０に貼り付けられてもよい。
電極クラックは、半導体チップ１０の上面電極のクラックを起点として、半導体チップ１０にクラックが生じる故障モードである。破壊寿命は、熱応力シミュレーションの塑性ひずみ振幅から推定できる。半導体チップ１０は、塑性ひずみ振幅の小さい方が長寿命となる。塑性ひずみ振幅とは、上面電極に発生する塑性ひずみの加熱時と冷却時との差である。金属配線板５６０の立上り部の直下では、ひずみが大きくなる。金属配線板５６０の立上り部が熱膨張により伸びようとするが、封止樹脂５３０により押さえつけられていることから、熱膨張による応力が半導体チップ１０に向かうことが原因である。
実施例では、低弾性シート７０のヤング率が１０ＭＰａ、１００ＭＰａ、１０００ＭＰａの３種類のシミュレーション結果が示されている。実施例の樹脂応力は、いずれの場合も比較例の樹脂応力よりも小さくなった。即ち、半導体モジュール３００は、低弾性シート７０を適用することにより、封止樹脂１３０に発生する応力を低減できる。また、封止樹脂１３０に生じる応力は、低弾性シート７０のヤング率が小さいほど、小さくなっている。
図６Ｂは、上面電極に発生する塑性ひずみ振幅と低弾性シート７０のヤング率との関係を示すグラフである。縦軸は電極の塑性ひずみ振幅（％）を任意単位（ａ．ｕ．）にスケールした値を示し、横軸はヤング率（ＭＰａ）を示す。本例の上面電極とは、半導体チップ１０の上面に設けられたＡｌ−Ｓｉ等の電極である。実線は、実施例に係る半導体モジュール３００のシミュレーション結果を示す。破線は、比較例に係る半導体モジュール５００のシミュレーション結果を示す。本例では、比較例を１００（ａ．ｕ．）として示している。
実施例では、低弾性シート７０のヤング率が１０ＭＰａ、１００ＭＰａ、１０００ＭＰａの３種類のシミュレーション結果が示されている。実施例に係る電極の塑性ひずみ振幅は、いずれの場合も比較例に係る電極の塑性ひずみ振幅よりも小さくなった。即ち、半導体モジュール３００は、低弾性シート７０を適用することにより、電極の塑性ひずみ振幅を低減できる。また、電極の塑性ひずみ振幅は、低弾性シート７０のヤング率が小さいほど、小さくなっている。
図７Ａは、樹脂応力と低弾性シート７０の膜厚との関係を示すグラフである。縦軸は封止樹脂１３０に生じる樹脂応力（ＭＰａ）を任意単位（ａ．ｕ．）にスケールした値を示し、横軸は低弾性シート７０の膜厚（ｍｍ）を示す。実線は、実施例に係る半導体モジュール３００のシミュレーション結果を示す。破線は、比較例に係る半導体モジュール５００のシミュレーション結果を示す。本例では、比較例を１００（ａ．ｕ．）として示している。
例えば、低弾性シート７０は、１ＭＰａ以上、１０００ＭＰａ以下の弾性率を有する。１０００ＭＰａ以下の弾性率を有することにより、半導体チップ１０の電極の塑性ひずみ振幅（％）を低減して、電極クラックを抑制できる。また、低弾性シート７０は、１００ＭＰａ以下の弾性率を有してよい。低弾性シート７０は、１００ＭＰａ以下の弾性率を有することにより、封止樹脂５３０の発生応力を低減して、樹脂クラックを抑制できる。
半導体チップ１０−１、１０−２および１０−３は電力変換装置２２０における下アームを、複数の半導体チップ１０−４、１０−５および１０−６は電力変換装置２２０における上アームを構成してよい。一組の半導体チップ１０−１、１０−４はレグを構成してよい。一組の半導体チップ１０−２、１０−５、および、一組の半導体チップ１０−３、１０−６も同様にレグを構成してよい。半導体チップ１０−１においては、上面電極が電源端子Ｎ１に、下面電極が負荷端子Ｕに、それぞれ電気的に接続してよい。半導体チップ１０−４においては、上面電極が負荷端子Ｕに、下面電極が電源端子Ｐ１に、それぞれ電気的に接続してよい。同様に、半導体チップ１０−２、１０−３においては、上面電極がそれぞれ電源端子Ｎ２、Ｎ３に、下面電極がそれぞれ負荷端子Ｖ、Ｗに、電気的に接続してよい。さらに、半導体チップ１０−５、１０−６においては、上面電極がそれぞれ負荷端子Ｖ、Ｗに、下面電極がそれぞれ電源端子Ｐ２、Ｐ３に、電気的に接続してよい。
Claims (16)
- 上面電極および前記上面電極と反対側の下面電極を有する半導体チップと、
前記半導体チップの前記上面電極と電気的に接続される金属配線板と、
前記金属配線板上に設けられ、前記金属配線板よりも低い弾性率を有する、シート状の低弾性シートと
を備える半導体モジュール。 - 前記金属配線板は、
前記半導体チップの前記上面電極と接合するための接合部と、
前記接合部と接続され、前記半導体チップから離れる方向に延伸する立上り部と
を有する請求項１に記載の半導体モジュール。 - 前記低弾性シートは、前記接合部上および前記立上り部上の両方に設けられる
請求項２に記載の半導体モジュール。 - 前記低弾性シートは、前記接合部上に設けられ、前記立上り部上には設けられない
請求項２に記載の半導体モジュール。 - 前記低弾性シートは、前記接合部の端部において、前記金属配線板との接合面から外側にはみ出して設けられる
請求項２から４のいずれか一項に記載の半導体モジュール。 - 前記低弾性シートは、前記接合部の端部において、前記金属配線板との接合面を有し、
前記接合部は、前記半導体チップの前記上面電極とはんだ接合されている
請求項２から５のいずれか一項に記載の半導体モジュール。 - 前記半導体チップの前記上面電極と前記金属配線板とを接合するためのはんだ部と、
前記半導体チップおよび前記金属配線板を封止する封止樹脂と
をさらに備え、
前記封止樹脂は、前記はんだ部と接触している
請求項２から６のいずれか一項に記載の半導体モジュール。 - 前記封止樹脂は、前記金属配線板の前記接合部の側面と接触している
請求項７に記載の半導体モジュール。 - 前記低弾性シートの弾性率は、前記封止樹脂の弾性率よりも低い
請求項７または８に記載の半導体モジュール。 - 前記低弾性シートの弾性率は、前記封止樹脂の弾性率の１００００分の１以上、１０分の１以下である
請求項９に記載の半導体モジュール。 - 前記低弾性シートは、１ＭＰａ以上、１０００Ｍｐａ以下の弾性率を有する
請求項１から１０のいずれか一項に記載の半導体モジュール。 - 前記低弾性シートは、０．０５ｍｍ以上、１．５ｍｍ以下の厚みを有する
請求項１から１１のいずれか一項に記載の半導体モジュール。 - 前記低弾性シートは、発泡体、樹脂およびシリコーンゴムのいずれかを含む
請求項１から１２のいずれか一項に記載の半導体モジュール。 - 半導体モジュールの製造方法であって、
半導体チップを提供する段階と、
前記半導体チップの上方に金属配線板をはんだ接合する段階と、
前記金属配線板よりも弾性率の低いシート状の低弾性シートを前記金属配線板に貼り付ける段階と
を備える製造方法。 - 前記低弾性シートを前記金属配線板に貼り付ける段階の後に、前記半導体チップの上方に前記金属配線板をはんだ接合する
請求項１４に記載の製造方法。 - 前記半導体チップの上方に前記金属配線板をはんだ接合する段階の後に、前記低弾性シートを前記金属配線板に貼り付ける
請求項１４に記載の製造方法。
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-
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