JP3826776B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばヒートシンク(金属体)の上面に半導体素子を半田付けするように構成された半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば高耐圧・大電流用の半導体素子は、使用時の発熱が大きいため、チップからの放熱性を高める構成が必要である。このため、CuやAl等の放熱性の良い金属体からなるヒートシンクの上面に、上記半導体素子を直接半田付けして接合し、放熱性を向上させている。この場合、半田付けに使用する半田としては、Pbを含む通常の半田を使用している。また、ヒートシンクの表面には、無電解Ni−Pめっきを施しており、この無電解Ni−Pめっき層により、ヒートシンクの耐蝕性及び半田付け性を向上させている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、環境保護の観点から、Pbを含む半田を使用しないようにする対策が求められている。そこで、Pbを含まない半田として、Snリッチ半田例えばSn−Sb系ろう材を使用することが考えられている。そして、本発明者らは、実際にSn−Sb系ろう材を使用して、ヒートシンクの上面に半導体素子を半田付けしてみた。すると、ヒートシンクの表面にめっきされていた無電解Ni−Pめっき層が剥離するという不具合が発生した。
【0004】
ここで、本発明者らは、上記無電解Ni−Pめっき層の剥離が発生する原因を調べてみたところ、次のことがわかった。Sn−Sb系ろう材は、多量のSnを含んでいるため、溶融した状態では他の金属と活発に反応して、他の金属を溶融ろう材中に溶け込ませるという性質があった。従って、無電解Ni−Pめっき層に含まれるNiが、Sn−Sb系ろう材中に溶融し、Ni−Snの金属化合物が生成される。
【0005】
この結果、無電解Ni−Pめっき層と被接着部材であるヒートシンクとの界面付近は、無電解Ni−Pめっき層に含まれるPが濃化した状態となり、Ni3Pが主成分のPリッチ層が形成される。このPリッチ層が形成されると、ヒートシンクと無電解Ni−Pめっき層との間の接着力が低下するため、無電解Ni−Pめっき層の剥離が発生するのである。特に、半導体装置に熱的ストレスや機械的ストレスが加わると、無電解Ni−Pめっき層ひいては半田層の剥離が発生し易くなることがわかった。
【0006】
そこで、本発明の目的は、半田付けにSnリッチ半田を使用しながら、金属体の表面に施された無電解Ni−Pめっき層の剥離を防止することができる半導体装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明によれば、表面に無電解Ni−Pめっき層がめっきされた金属体の上面に半導体素子をSnリッチ半田を介して接合してなり、前記半導体素子の全体並びに前記金属体の一部を除きその大部分を樹脂でモールドするように構成された半導体装置において、無電解Ni−Pめっき層の厚み寸法を、金属体と無電解Ni−Pめっき層との界面に、半田付け時にPリッチ層が到達しないようにする厚み寸法に構成したので、Snリッチ半田を使用しても、金属体と無電解Ni−Pめっき層との界面にPリッチ層が形成されなくなる。従って、金属体と無電解Ni−Pめっき層との間の接着力が低下しなくなるため、無電解Ni−Pめっき層の剥離を防止することができる。
【0008】
請求項2の発明によれば、前記無電解Ni−Pめっき層の厚み寸法を、約5μm以上に設定したので、無電解Ni−Pめっき層の剥離を防止することができる。尚、本発明者らは、実験及び試作を行うことにより、無電解Ni−Pめっき層の厚み寸法を、約5μm以上に設定すれば、無電解Ni−Pめっき層の剥離を防止できることを確認している。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例について図面を参照しながら説明する。まず、図1は、本実施例の半導体装置の概略構成を示す断面図である。この図1に示すように、本実施例の半導体装置1は、半導体チップ(半導体素子)2と、下側ヒートシンク(金属体)3と、上側ヒートシンク(金属体)4と、ヒートシンクブロック(金属体)5とを備えて構成されている。
【0010】
上記半導体チップ2は、例えばIGBTやMOSFETやサイリスタ等のパワー半導体素子から構成されている。この半導体チップ2の形状は、本実施例の場合、例えば矩形状の薄板状である。また、下側ヒートシンク3、上側ヒートシンク4及びヒートシンクブロック5は、例えばCuで構成されている。尚、Cuに代えて、Al等の熱伝導性及び電気伝導性の良い金属で構成しても良い。
【0011】
更に、下側ヒートシンク3、上側ヒートシンク4及びヒートシンクブロック5の表面には、図2に示すように、無電解Ni−Pめっき層6がめっきされている。そして、この無電解Ni−Pめっき層6の厚み寸法は、本実施例の場合、約5μm以上に設定されている。
【0012】
また、上記構成の半導体装置1においては、半導体チップ2の下面と下側ヒートシンク3の上面との間は、接合部材である例えば半田7によって接合されている。この半田7としては、Snリッチ半田(Pbを含まない半田)、例えばSn−Sb系のろう材が使用されている。尚、上記Sn−Sb系のろう材に代えて、Sn−Ag系のろう材やSn−Cu−Ni系のろう材等を使用しても良い。
【0013】
そして、半導体チップ2の上面とヒートシンクブロック5の下面との間も、上記Sn−Sb系のろう材からなる半田7によって接合されている。更に、ヒートシンクブロック5の上面と上側ヒートシンク4の下面との間も、上記Sn−Sb系のろう材からなる半田7によって接合されている。尚、上記各半田7の層の厚み寸法は、約100μm程度に設定されている。このように接合することにより、上記構成においては、半導体チップ2の両面からヒートシンク3、4及びヒートシンクブロック5を介して放熱される構成となっている。
【0014】
尚、上記構成の場合、下側ヒートシンク3及び上側ヒートシンク4は、半導体チップ2の各主電極(例えばコレクタ電極やエミッタ電極等)に半田7を介して電気的にも接続されている。
【0015】
一方、半導体チップ2の制御電極(例えばゲートパッド等)は、図1に示すように、リードフレーム8にワイヤーボンディングされている。即ち、例えばAlやAu等製のワイヤー9によって半導体チップ2の制御電極とリードフレーム8とが接続されている。
【0016】
また、下側ヒートシンク3及び上側ヒートシンク4は、厚さ寸法が約1mm程度の板材で形成されており、それぞれ端子部3a及び4aが突設されている。更に、ヒートシンクブロック5は、半導体チップ2よりも1回り小さい程度の大きさの矩形状の板材である。更にまた、上記構成の場合、下側ヒートシンク3の上面と上側ヒートシンク4の下面との間の距離は、例えば1〜2mm程度になるように構成されている。
【0017】
そして、図1に示すように、一対のヒートシンク3、4の隙間、並びに、チップ2及びヒートシンクブロック5の周囲部分には、樹脂(例えばエポキシ樹脂)10が充填封止されている。この構成の場合、ヒートシンク3、4等を樹脂10でモールドするに当たっては、上下型からなる成形型(図示しない)を使用している。また、上記構成の場合、下側ヒートシンク3の下面及び上側ヒートシンク4の上面が、それぞれ露出するように樹脂モールドされている。これにより、ヒートシンク3、4の放熱性を高めている。
【0018】
尚、樹脂10とヒートシンク3、4との密着力、樹脂10と半導体チップ2との密着力、並びに、樹脂10とヒートシンクブロック5との密着力を強くするために、上記樹脂10をモールドする前に、コーティング樹脂例えばポリアミド樹脂(図示しない)をヒートシンク3、4、ヒートシンクブロック5及びチップ2の表面に塗布しておくことが好ましい。
【0019】
また、上記した構成の半導体装置1の製造方法(即ち、製造工程)の具体例は、本出願人がすでに出願した特願2001−127516や特願2001−225963等に記載されており、これらに記載されている方法を適宜使用すれば良い。
【0020】
ここで、下側ヒートシンク3、上側ヒートシンク4及びヒートシンクブロック5の表面に施した無電解Ni−Pめっき層6の厚み寸法を、約5μm以上に設定した理由について説明する。
【0021】
本発明者らは、無電解Ni−Pめっき層6の厚み寸法を、2μmから6μmまで1μm単位で変化させたヒートシンク3、4、5を試作し、Sn−Sb系のろう材(半田7)を使用した半田付けを実行し、冷熱サイクル試験を2000サイクル行った後、無電解Ni−Pめっき層6の剥離の発生率を調べる実験(試作)を実行した。この実験結果を、図3に示す。
【0022】
この図3から、無電解Ni−Pめっき層6の厚み寸法を、約5μm以上に設定すると、剥離発生率が0となることから、無電解Ni−Pめっき層6(ひいては半田層7)の剥離を確実に防止できることがわかる。尚、図3のグラフにおいて、横軸は無電解Ni−Pめっき層6の厚み寸法を示し、縦軸は剥離発生率を示し、プロットが試作品を示している。
【0023】
ここで、本発明者らは、無電解Ni−Pめっき層6の厚み寸法を、約5μm以上に設定したヒートシンク3、4、5に、Sn−Sb系のろう材(半田7)を使用して半田付けを実行しものについて、ヒートシンク3、4、5と半田7との界面における金属元素のデプスプロファイル(depth profile )を測定してみた。この測定結果を、図4に示す。
【0024】
この図4において、Cuはヒートシンクの母材物質であり、Niはめっき層の主成分物質であり、Pはめっき層の添加物質であり、Snはろう材(半田)の主成分物質であり、Sbはろう材(半田)の添加物質である。上記図4によれば、無電解Ni−Pめっき層6に含まれるNiが、Sn−Sb系ろう材7中に溶融し、Ni−Snの金属化合物が生成され、無電解Ni−Pめっき層に含まれるPが濃化した状態となり、Pリッチ層(P濃化層)が形成されるが、このPリッチ層は、無電解Ni−Pめっき層6とヒートシンク3、4、5との界面には到達していない。
【0025】
このため、無電解Ni−Pめっき層6とヒートシンク3、4、5との界面には、健全な層(半田付け前の状態の層)が残るので、無電解Ni−Pめっき層6とヒートシンク3、4、5との間の接着力が十分な強度のまま保持される。従って、無電解Ni−Pめっき層6の厚み寸法を、約5μm以上に(十分厚く)設定すると、無電解Ni−Pめっき層の剥離が発生しない。
【0026】
ここで、比較例として、無電解Ni−Pめっき層6の厚み寸法を3μmに設定したヒートシンク3、4、5に、Sn−Sb系のろう材(半田7)を使用して半田付けを実行しものについて、ヒートシンク3、4、5と半田7との界面における金属元素のデプスプロファイルを測定してみた。この比較例の測定結果を、図5に示す。
【0027】
この図5によれば、無電解Ni−Pめっき層6に含まれるPが濃化した状態のPリッチ層が、無電解Ni−Pめっき層6とヒートシンク3、4、5との界面に到達している。即ち、無電解Ni−Pめっき層6とヒートシンク3、4、5との界面まで、すべてPリッチ層となっている。このような状態では、ヒートシンク3、4、5と無電解Ni−Pめっき層6との間の接着力が低下するため、無電解Ni−Pめっき層6の剥離が発生するのである。
【0028】
ちなみに、従来、ヒートシンクにめっきされている無電解Ni−Pめっき層6の厚み寸法は、1〜2μm程度であり、かなり薄い。このように無電解Ni−Pめっき層6の厚み寸法を薄くする理由は、製造コストを安くするためである。即ち、無電解Ni−Pめっき層6の厚み寸法を薄くすると、めっき工程に要する時間を短くすることができ、それだけ生産性が向上するためである。
【0029】
尚、上記実施例では、無電解Ni−Pめっき層6の厚み寸法を約5μm以上に設定したが、これに限られるものではなく、無電解Ni−Pめっき層の厚み寸法を、ヒートシンク(金属体)と無電解Ni−Pめっき層との界面に、Pリッチ層が到達しないようにする厚み寸法を実験や試作等によって求め、この求めた厚み寸法に設定するように構成すれば良い。
【0030】
また、上記実施例においては、半導体チップ2を1対のヒートシンク3、4で挟む構成の半導体装置1に適用したが、半導体チップを1つのヒートシンクの上面に載せて半田付けする構成の半導体装置に適用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示す半導体装置の縦断面図
【図2】半導体装置の要部の拡大縦断面図
【図3】無電解Ni−Pめっき層の厚み寸法と剥離発生率との関係を示すグラフ
【図4】無電解Ni−Pめっき層の厚み寸法を十分厚くした場合のヒートシンクと半田との界面における金属元素のデプスプロファイルを示す図
【図5】無電解Ni−Pめっき層の厚み寸法を薄くした場合のヒートシンクと半田との界面における金属元素のデプスプロファイルを示す図
【符号の説明】
1は半導体装置、2は半導体チップ(半導体素子)、3は下側ヒートシンク(金属体)、4は上側ヒートシンク(金属体)、5はヒートシンクブロック(金属体)、6は無電解Ni−Pめっき層、7は半田(Snリッチ半田)、10は樹脂を示す。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device configured to solder a semiconductor element to an upper surface of a heat sink (metal body), for example.
[0002]
[Prior art]
For example, a semiconductor device for high withstand voltage and large current generates a large amount of heat during use, and therefore requires a configuration that improves heat dissipation from the chip. For this reason, the semiconductor element is directly soldered and joined to the upper surface of a heat sink made of a metal body having good heat dissipation, such as Cu or Al, to improve heat dissipation. In this case, normal solder containing Pb is used as solder used for soldering. Moreover, the surface of the heat sink is subjected to electroless Ni—P plating, and the electroless Ni—P plating layer improves the corrosion resistance and solderability of the heat sink.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in recent years, from the viewpoint of environmental protection, there is a demand for measures to prevent the use of solder containing Pb. Therefore, it is considered to use Sn-rich solder, for example, Sn—Sb brazing material, as the solder not containing Pb. Then, the present inventors actually soldered the semiconductor element on the upper surface of the heat sink by using a Sn—Sb brazing material. Then, the trouble that the electroless Ni-P plating layer plated on the surface of the heat sink peeled occurred.
[0004]
Here, the present inventors examined the cause of the peeling of the electroless Ni—P plating layer, and found the following. Since the Sn—Sb brazing filler metal contains a large amount of Sn, it has a property of reacting actively with other metals in a molten state and causing the other metals to be dissolved in the molten brazing filler metal. Therefore, Ni contained in the electroless Ni—P plating layer is melted in the Sn—Sb brazing material, and a metal compound of Ni—Sn is generated.
[0005]
As a result, in the vicinity of the interface between the electroless Ni—P plating layer and the heat sink as the adherend member, P contained in the electroless Ni—P plating layer is concentrated, and P 3 rich mainly composed of Ni 3 P. A layer is formed. When this P-rich layer is formed, the adhesive force between the heat sink and the electroless Ni—P plating layer is reduced, so that the electroless Ni—P plating layer is peeled off. In particular, it has been found that when thermal stress or mechanical stress is applied to the semiconductor device, peeling of the electroless Ni—P plating layer and the solder layer easily occurs.
[0006]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of preventing peeling of an electroless Ni—P plating layer applied to the surface of a metal body while using Sn-rich solder for soldering. .
[0007]
[Means for Solving the Problems]
According to the first aspect of the present invention, a semiconductor element is joined to the upper surface of a metal body having an electroless Ni-P plating layer on its surface via Sn-rich solder, and the entire semiconductor element and the metal body are joined together. In the semiconductor device configured to mold most of the resin with resin except for a part of the thickness, the thickness dimension of the electroless Ni—P plating layer is soldered to the interface between the metal body and the electroless Ni—P plating layer. Since the thickness dimension is set so that the P-rich layer does not reach at the time of application, the P-rich layer is not formed at the interface between the metal body and the electroless Ni—P plating layer even if Sn-rich solder is used. Therefore, since the adhesive force between the metal body and the electroless Ni—P plating layer does not decrease, peeling of the electroless Ni—P plating layer can be prevented.
[0008]
According to invention of
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. First, FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the semiconductor device of this embodiment. As shown in FIG. 1, a
[0010]
The
[0011]
Furthermore, as shown in FIG. 2, an electroless Ni—
[0012]
In the
[0013]
The upper surface of the
[0014]
In the case of the above configuration, the
[0015]
On the other hand, the control electrodes (eg, gate pads) of the
[0016]
The
[0017]
As shown in FIG. 1, a resin (for example, epoxy resin) 10 is filled and sealed in the gap between the pair of
[0018]
Before the
[0019]
Further, specific examples of the manufacturing method (that is, the manufacturing process) of the
[0020]
Here, the reason why the thickness dimension of the electroless Ni—
[0021]
The inventors prototyped
[0022]
From FIG. 3, when the thickness dimension of the electroless Ni—
[0023]
Here, the present inventors use Sn—Sb-based brazing material (solder 7) for the
[0024]
In FIG. 4, Cu is a base material of the heat sink, Ni is a main component of the plating layer, P is an additive of the plating layer, Sn is a main component of the brazing material (solder), Sb is an additive material of brazing material (solder). According to FIG. 4 described above, Ni contained in the electroless Ni—
[0025]
For this reason, since a sound layer (layer before soldering) remains at the interface between the electroless Ni—
[0026]
Here, as a comparative example, soldering was performed using Sn—Sb brazing material (solder 7) on the
[0027]
According to FIG. 5, the P-rich layer in the state where P contained in the electroless Ni—
[0028]
Incidentally, the thickness dimension of the electroless Ni—
[0029]
In the above embodiment, the thickness dimension of the electroless Ni—
[0030]
In the above-described embodiment, the
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a vertical cross-sectional view of a semiconductor device showing an embodiment of the present invention. FIG. 2 is an enlarged vertical cross-sectional view of a main part of the semiconductor device. FIG. FIG. 4 is a graph showing the depth profile of the metal element at the interface between the heat sink and the solder when the thickness dimension of the electroless Ni—P plating layer is sufficiently thick. FIG. Figure showing the metal element depth profile at the interface between the heat sink and the solder when the thickness of the plating layer is reduced.
1 is a semiconductor device, 2 is a semiconductor chip (semiconductor element), 3 is a lower heat sink (metal body), 4 is an upper heat sink (metal body), 5 is a heat sink block (metal body), and 6 is electroless Ni-P plating A layer, 7 is solder (Sn rich solder), and 10 is resin.
Claims (2)
前記無電解Ni−Pめっき層の厚み寸法を、前記金属体と前記無電解Ni−Pめっき層との界面に、半田付け時にPリッチ層が到達しないようにする厚み寸法に構成したことを特徴とする半導体装置。A semiconductor element is joined to the upper surface of a metal body plated with an electroless Ni-P plating layer on the surface via Sn-rich solder, and most of the semiconductor element and a part of the metal body are excluded. In a semiconductor device configured to mold with resin ,
The thickness dimension of the electroless Ni—P plating layer is configured such that the P rich layer does not reach the interface between the metal body and the electroless Ni—P plating layer during soldering. A semiconductor device.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001368562A JP3826776B2 (en) | 2001-12-03 | 2001-12-03 | Semiconductor device |
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