JP3836010B2

JP3836010B2 - Semiconductor device

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Publication number: JP3836010B2
Application number: JP2001321986A
Authority: JP
Inventors: 弘西堀; 望千年原
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2001-10-19
Filing date: 2001-10-19
Publication date: 2006-10-18
Anticipated expiration: 2021-10-19
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワーモジュールに関し、特に、半導体素子と金属ブロック等の間を１種類の半田材で接合したパワーモジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図８は、全体が５００で表される、従来のパワーモジュール（電力用半導体装置）の断面図である。
パワーモジュール５００は、金属ベース板１を含む。金属ベース板１の主面１ａには、窒化アルミニウムの絶縁板２ａの両面に銅箔からなる表金属パターン２ｂ、２ｃ、裏金属パターン２ｄが設けられた絶縁基板２が、半田材８Ｃにより固定されている。
また、表金属パターン２ｂの上には、半導体素子３が上面に取りつけられた金属ブロック（ヒートシンク）４が半田材８Ｂにより固定されている。
【０００３】
樹脂ケース５は、例えばＬＣＰ（Liquid Crystalline Polymer）等の耐熱性樹脂からなり、外部接続用の電極端子６がインサートされている。電極端子６の端部６ａは、絶縁基板２の表金属パターン２ｃに半田８Ｄで固定されている。
金属ベース板１の端縁１ｂは樹脂ケース５の開口端に嵌合され、接着剤７で接着されている。かかる状態で、電極端子６の端部６ａは、絶縁基板２の表金属パターン２ｃに半田８Ｄで固定されている。
即ち、絶縁基板２と金属ベース板１との半田付け工程において、樹脂ケース５が金属ベース板１に接着剤７で接合される際に、電極端子６の端部６ａも表金属パターン２ｃに半田接合される。
樹脂ケース５内には、封止用シリコンゲル２０、エポキシ系樹脂等の封止用充填樹脂３０が充填されることが好ましい。
【０００４】
ここで、半導体素子３を金属ブロック４に半田付けする半田材８Ａは、融点が約３００℃の高温半田、金属ブロック４を表金属パターン２ｂ上に半田付けする半田材８Ｂ、金属パターン２ｄを金属ベース板１に半田付けする半田材８Ｃは共に融点が約２２０℃の中温半田、表金属パターン２ｃと樹脂製ケース５にインサートされた電極端子６の端部６ａとを半田付けする半田材８Ｄは融点が約１８０℃の低温半田である。半田材８Ａ〜８Ｄは全て、鉛、錫（Ｐｂ、Ｓｎ）の合金である所謂鉛半田であり、鉛と錫の配合比を変えてその溶融温度を変えたものである。かかる鉛半田はクリーム状であり、塗布して使用に供される。
【０００５】
次に、パワーモジュール５００の製造方法について簡単に説明する。
かかる製造方法では、最初に、半導体素子３を金属ブロック４に半田材８Ａを用いて半田付けする。
【０００６】
次に、絶縁基板２を金属ベース板１上に半田材８Ｃを介して載置すると共に、半導体素子３が固定された金属ブロック４を絶縁基板２上に半田材８Ｂを介して載置する。続いて、約２５０℃に調整されたリフロー炉を通過させて、金属ブロック４を表金属パターン２ｂに半田８Ｂで接合するとともに、金属ベース板１の主面１ａと絶縁基板２の裏金属パターン２ｄとを半田８Ｃで接合する。この際、半導体素子３と金属ブロック４との半田接合面は半田材８Ａの溶融温度がリフロー炉の炉内温度（約２５０℃）よりも高いので再溶融しない。
【０００７】
次に、金属ベース板１の端縁１ｂに樹脂ケース５の開口端に嵌合させ、接着剤７で接着する。この際、電極端子６の端部６ａが絶縁基板２の表金属パターン２ｃに半田材８Ｄを介して押圧する。続いて、この状態で、約２００℃に調整されたリフロー炉を通過させて、樹脂ケース５と金属ベース板１を接合する接着剤７をキュアさせると共に、端部６ａを絶縁基板２の表金属パターン２ｃに半田付けする。この際、半導体素子３と金属ブロック４との接合面、金属ブロック４と絶縁基板２の表金属パターン２ｂとの接合面、及び金属ベース板１の主面１ａと絶縁基板２の裏金属パターン２ｄとの接合面は、各接合面に使用される半田材８Ａ〜８Ｃの溶融温度がリフロー炉の炉内温度（約２００℃）よりも高いので、再溶融しない。
【０００８】
また、図９は、全体が６００で表される、従来構造の他のパワーモジュールの断面図である（樹脂ケース５等は省略）。
パワーモジュール６００では、金属ベース板１の主面１ａ上に、絶縁層１１が形成されている。絶縁層１１の上面には、絶縁材の粘着力で金属電極箔１２が貼りつけられている。金属電極箔１２上には、電極端子６と金属ブロック４とが固定されている。
かかるパワーモジュール６００では、溶融温度の異なる２種類の半田材８Ａ、８Ｄが使用されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、パワーモジュール５００は、半導体素子３と金属ブロック４間、金属ブロック４と表金属パターン２ｂ間、及び裏金属パターン２ｄと金属ベース板１間、表金属パターン２ｃと電極端子６の端部６ａ間を、所謂、鉛半田を用いて接合するため、環境汚染を引き起こすという問題があった。
【００１０】
かかる問題点を解決するために、鉛を含まない所謂鉛フリー半田の使用が望まれるが、熱疲労に対する鉛半田程度の耐クラック性を有し、実用に供し得る鉛フリー半田としては、現在、ＳｎＡｇ系、又はＳｎＡｇＣｕ系の半田材（融点：約２００〜２３０℃）しか存在しない。即ち、鉛半田のように、融点の異なった複数の半田材を用いることができない。
【００１１】
このため、半田材８Ａ〜８Ｄの代わりに鉛フリーの半田材９を用いた場合、金属ブロック４を表金属パターン２ｂ上に半田付けする際、及び裏金属パターン２ｄを金属ベース板１に半田付けする際に、図１０に示すように、前工程で半田付けした半導体素子３と金属ブロック４間の半田材９が再溶融し、半導体素子３の位置がずれる、所謂半田ずれが生じた。
この結果、半導体素子３と、他の部材（図示せず）や表金属パターン２ｂ、２ｃ等とを接続するボンディングワイヤ（図示せず）に損傷を与えるという問題があった。
【００１２】
また、半導体素子３の位置ずれ防止のため、金属ブロック４上の半導体素子３の周囲にレジストを塗布して再溶融した半田材９の流れを防止することもできるが、レジストの塗布、加熱硬化等の処理により、製造コストが高くなり、また製造工程も長くなるという問題があった。
【００１３】
更に、鉛フリー半田を用いた場合、表金属パターン２ｃと電極端子６の端部６ａとを半田付けする際に、図１１に示すように、前工程で半田付けした金属ブロック４と表金属パターン２ｂ間、裏金属パターン２ｄと金属ベース板１間の半田材９が再溶融し、電極端子６の端部６ａによる押圧力で、絶縁基板２が金属ベース板１に対して傾いた。この結果、半田材９のはみ出しにより絶縁基板２の端縁における絶縁沿面距離が損なわれるという問題があった。また、半田層９の厚みが不均一となることにより、熱疲労に対する半田層９の耐クラック性が著しく低下する等の問題があった。
【００１４】
なお、ＳｎＡｇ系等の鉛フリーの半田材９にビスマスやインジウムを添加して、例えば、Ｓｎ・３％Ａｇ・０．５％（Ｃｕ＋Ｂｉ））とすることにより、溶融温度を下げることができる。しかしながら、同時に、熱疲労に伴う耐クラック性も著しく低下するため、パワーモジュール５００用の半田材としては信頼性等の観点から使用できない。即ち、パワーモジュール５００の製造において必要とされる、溶融温度の異なる３種類の（高温、中温、低温）半田材を、鉛フリー半田で提供することは困難である。
【００１５】
そこで、本発明は、所定の溶融温度を有する１種類の半田材、特に、鉛フリー半田材（配合比：Ｓｎ３．０Ａｇ０．５Ｃｕ、融点：約２２０℃）を用いたパワーモジュール及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、絶縁基板と、該絶縁基板上に固定されたヒートシンクと、該ヒートシンク上に半田材で固定された半導体素子とを含む電力用半導体装置であって、該ヒートシンクが、該絶縁基板に固定されたブロック状の本体部と、該本体部から上方に突出して上部が該半導体素子の載置面となった突出部であって、該載置面が張出し部を４隅に備えた矩形形状である該突出部とを有し、再溶融した該半田材が該載置面上に保持されて、該半導体素子の周囲に該載置面を覆う半田フィレットを形成することを特徴とする電力用半導体装置である。
かかる電力用半導体装置では、再溶融された半田材が載置面上に保持されるため、半導体素子のずれが生じない。このため、半導体素子に接続されたボンディングワイヤの損傷等を防止できる。また、かかる張出し部を有することにより、半導体素子の周囲の半田フィレットを、半導体素子の隅部において広くできる。この結果、隅部における半田フィレットの応力が緩和され、半導体素子の破損等を防止できる。
【００１７】
また、本発明は、絶縁基板と、該絶縁基板上に固定されたヒートシンクと、該ヒートシンク上に半田材で固定された半導体素子とを含む電力用半導体装置であって、該ヒートシンクが、該半導体素子の裏面と同一形状で、該半導体素子が載置される載置面と、該載置面の周囲を囲み、外方に広がった張出し部を４隅に備えた矩形のフレーム形状の溝部であって、該溝部を埋めるように該載置面上に設けられた該半田材で該半導体素子が固定される該溝部とを、その上面に有し、再溶融した該半田材が、該載置面上と該溝部内とに保持されてなることを特徴とする電力用半導体装置でもある。
かかる電力用半導体装置では、再溶融された半田材が載置面上と溝部内とに保持されるため、半導体素子のずれが発生しない。また、かかる張出し部を有することにより、半導体素子の隅部における半田フィレットの応力が緩和され、半導体素子の破損等を防止できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、全体が１００で表される、本実施の形態にかかるパワーモジュールの断面図である。図１中、図８と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
【００１９】
パワーモジュール１００は、金属ベース板１を含む。金属ベース板１の主面１ａには、窒化アルミニウムの絶縁板２ａの両面に銅箔からなる表金属パターン２ｂ、２ｃ、裏金属パターン２ｄが設けられた絶縁基板２が、半田材９により固定されている。金属ベース１の主面１ａにはワイヤバンプ１０が設けられ、絶縁基板２はワイヤバンプ１０に支持された状態で半田材９で固定されている。
また、表金属パターン２ｂの上には、半導体素子３が上面に取りつけられた段付き金属ブロック（ヒートシンク）４Ａが半田材９で固定されている。
【００２０】
樹脂ケース５は、例えばＰＰＳやＬＣＰ等からなり、外部接続用の電極端子６がインサートされている。電極端子６の端部６ａは、絶縁基板２の表金属パターン２ｃに半田材９で固定されている。
金属ベース板１の端縁１ｂは樹脂ケース５の開口端に嵌合され、シリコン系接着剤７で接着されている。かかる状態で、電極端子６の端部６ａは、絶縁基板２の表金属パターン２ｃに半田材９で固定されている。
即ち、絶縁基板２と金属ベース板１との半田付け工程において、樹脂ケース５が金属ベース板１に接着剤７で接合される際に、電極端子６の端部６ａも表金属パターン２ｃに半田接合される。
樹脂ケース５内には、封止用シリコンゲル２０、エポキシ系樹脂等の封止用充填樹脂３０が充填されることが好ましい。
なお、半田材９は、例えばＳｎ・３．０Ａｇ・０．５Ｃｕのような鉛フリー半田であり、塗布使用に適したクリーム状で供給される。
【００２１】
図２は、段付き金属ブロック４Ａを詳細に示した図であり、図２（ａ）は上面図、図２（ｂ）は、III―III方向の断面図である。図２（ａ）（ｂ）に示すように、段付き金属ブロック４Ａは、本体部と、凸形状の突出部とを含み、突出部の上端に平坦な、半導体素子３の載置面４Ａａが形成されている。段付き金属ブロック４Ａを、表金属パターン２ｂとの接合面４Ａｘに対して、半導体素子３の載置面４Ａａの面積を小さくした（面積比、約１／４）。これは、第１に、半導体素子３のヒートシンクとしての性能を従来の金属ブロック４（図８参照）と同程度に維持すべく、その体積（熱容量）及び表金属パターン２ｂとの接合面積（放熱面積）を金属ブロック４とほぼ同じにするためである。第２に、半導体素子３と接合する半田層の再溶融による半導体素子３の半田ずれを防止するために、半導体素子３が載置されて半田付けされた状態において、半導体素子３の外周縁３ｂに所定幅Ｓの半田フィレット９ａが形成できる程度に載置面４Ａａの面積を制限したためである。
【００２２】
即ち、段付き金属ブロック４Ａにおける半導体素子３の載置面４Ａａの外周縁４Ａｂは略矩形を為す。その各辺の寸法は、同じく略矩形を為す半導体素子３の半田付け面３ａにおける対応する辺の寸法よりも夫々若干大きい。また、その差（２Ｓ）は、段付き金属ブロック４Ａと半導体素子３とを半田付けする半田層厚ｔの略２√３倍以下とし、半導体素子３が載置されて半田付けされた状態で、半導体素子３の外周縁３ｂに所定幅Ｓの半田フィレット９ａが形成される。
この半田フィレット９ａは、半田層の応力緩和のために必要だが、広過ぎると半導体素子３の半田ずれが問題となるので適切な幅寸法Ｓを設定する必要がある。
【００２３】
また、図２（ｂ）に示すように、段付き金属ブロック４Ａを、半導体素子３の載置面４Ａａが形成された段付きの凸形状としたのは、かかる形状は、加工が容易なためである。即ち、モリブテン（Ｍｏ）や銅（Ｃｕ）等の金属板から、打ち抜き加工で段付き金属ブロック４Ａを形成する際に、同時に、段付きの凸形状をコイニング加工により形成できる。
【００２４】
次に、パワーモジュール５００の製造方法について、図３を参照しながら簡単に説明する。
かかる製造方法では、最初に、図３（ａ）に示すごとく、例えば鉛フリー半田からなる半田材９を用いて、半導体素子３を段付き金属ブロック４Ａに半田付けする。
段付き金属ブロック４Ａは、金属板（Ｃｕ、Ｍｏ等）を準備し、プレス加工、及びコイニング加工により金属板を打ち抜くと同時に凸部先端に平坦な載置面４Ａａを備えた突出部を形成する方法により作製する。
【００２５】
次に、図３（ｂ）に示すごとく、絶縁基板２を金属ベース板１の主面１ａ上の所定位置に半田材９を介して載置する。この場合、絶縁基板２は、金属ベース板１の主面１ａに設けられたワイヤバンプ１０上に指示された状態で載置される。更に、半導体素子３を半田付け済の段付き金属ブロック４Ａを、絶縁基板２上に半田材９を介して載置する。かかる状態で、約２５０℃に調整されたリフロー炉を通過させて、段付き金属ブロック４Ａを絶縁基板２の表金属パターン２ｂに半田材９で接合とともに、金属ベース板１の主面１ａと絶縁基板２の裏金属パターン２ｄとを半田材９で接合する。この際、半導体素子３と金属ブロック４との半田接合面は、半田材９の溶融温度がリフロー炉の炉内温度（約２５０℃）よりも低く再溶融するが、載置面４Ａａが半導体素子３の半田付け面とほぼ同一面積のため（正確には、半導体素子３の外周縁３ｂにおける半田フィレット９ａの幅Ｓの分、載置面４Ａａが若干大きい）、再融解した半田材９は、載置面４Ａａから流出しない。このため、半田材９上の半導体素子３の位置ずれが発生しない。
【００２６】
次に、図３（ｃ）に示すように、電極端子６をインサートした樹脂ケース５を準備し（樹脂ケース５は、部分的に表示）、その開口端５ａに接着剤７を塗布して金属ベース板１の端縁１ｂに開口端５ａを嵌合させる。同時に、ディスペンサで、表金属パターン２ｃ上に部分供給された半田材９を介して、電極端子６の端部６ａを、絶縁基板２の表金属パターン２ｃに押圧する。かかる状態で、約２５０℃に調整されたリフロー炉を通過させて、接着剤７をキュアさせると共に、端部６ａを絶縁基板２の表金属パターン２ｃに半田付けする。
かかるリフロー工程では、半導体素子３と金属ブロック４との間の半田材９が再溶融するが、上述のように、半導体素子３の位置ずれは発生しない。
【００２７】
なお、段付き金属ブロック４Ａと絶縁基板２の表金属パターン２ｂとの間の半田材９が再溶融して、段付き金属ブロック４Ａの位置がずれる場合には、半田材９の周囲に、レジスト層（図示せず）を形成して、半田材９の流れ出しを防止しても良い。
以上の工程により、図１に示すパワーモジュール１００が完成する。
【００２８】
なお、段付き金属ブロック４Ａと絶縁基板２の表金属パターン２ｂとの接合面と共に、金属ベース板１の主面１ａと絶縁基板２の裏金属パターン２ｄとの接合面も半田材９の溶融温度がリフロー炉の炉内温度（約２５０℃）よりも低いので再溶融する。絶縁基板２は、電極端子６の端部６ａによる押圧力で、金属ベース板１側へ押圧された状態にあるが、複数（少なくとも４個）のワイヤバンプ１０の存在により、金属ベース板に対して絶縁基板２が傾くことはない。このため、半田層厚を均一に形成でき、半田材９がはみ出して絶縁基板２の端縁において絶縁沿面距離が損なわれたり、半田層厚が不均一となることにより半田層の熱疲労に対する耐クラック性が著しく劣化することはない。
【００２９】
以上のように、実施の形態１にかかるパワーモジュール１００では、段付き金属ブロック４Ａを用いることにより、１種類の半田材９のみを用いた接合が可能となり、半田材の鉛フリー化が可能となる。即ち、従来、パワーモジュールの製造において必要であった溶融温度の異なる３種類の（高温、中温、低温）所謂鉛半田材の代わりに、１種類の鉛フリー半田材９のみで、パワーモジュール１００が製造可能となる。
特に、半導体素子３と金属ブロック４間の半田材９の再溶融に起因する半導体素子３の位置ずれが生じず、半導体素子３と、その他の部材（図示せず）や表金属パターン２ｂ、２ｃ等とを接続するボンディングワイヤ（図示せず）に損傷を与えることはない。
また、絶縁基板２と金属ベース板１との間の半田層内にワイヤバンプ１０を設けることにより、金属ベース板１に対して絶縁基板２を略平行に維持できる。このため、半田材９のはみ出しにより絶縁基板２の端縁における絶縁沿面距離が損なわれたり、半田層厚が不均一となることによる半田層の熱疲労に対する耐クラック性が著しく劣化することがない。
【００３０】
図４は、本実施の形態にかかる段付き金属ブロックの変形例である。図４（ａ）は段付き金属ブロック４Ｂの上面図であり、図４（ｂ）はIV−IV方向の断面図である。また、図４（ｃ）は溝３の隅部の拡大図である。図中、図２と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
【００３１】
図４（ａ）（ｂ）に示すように、段付き金属ブロック４Ｂは、半導体素子３の載置面４Ｂａの外周縁４Ｂｂにおいて、隣接する２組の稜線が交差する４隅が、略半円形又は半楕円形状に外側に膨れた張出し部４Ｂｃを有する。段付き金属ブロック４Ｂでは、張出し部４Ｂｃの外周縁端部４Ｂｄと、対応する半導体素子３の矩形頂点部３ｃとの間の幅寸法ＳＣＢが、段付き金属ブロック４Ａ（載置面４Ｂａの隣接する２組の稜線の交点と対応する半導体素子３の矩形頂点部３ｃ間の幅寸法ＳＣＡ）より、例えば１．５倍だけ大きくなっている。
【００３２】
なお、段付き金属ブロック４Ｂの製造方法は、上述の段付き金属ブロック４Ａの製造方法とほぼ同じである。即ち、プレス加工、及びコイニング加工により金属板（Ｃｕ、Ｍｏ等）を打ち抜くと共に、段付きの凸形状を形成する。この際、載置面４Ｂａの４隅において、略半円形、又は半楕円形状に外側に膨れた張出し部４Ｂｃを同時に形成する。
【００３３】
次に、図５を参照しながら、段付き金属ブロック４Ｂの特徴を、段付き金属ブロック４Ａと比較して説明する。
図５（ａ）は、段付き金属ブロック４Ａの隅部を拡大した上面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＶａ−Ｖａ方向の断面図である。また、図５（ｃ）は、段付き金属ブロック４Ｂの隅部を拡大した上面図であり、図５（ｄ）は、図５（ｃ）のＶｃ−Ｖｃ方向の断面図である。
【００３４】
図５（ａ）（ｂ）において、ＳＣＡは段付き金属ブロック４Ａの隣接する稜線（外周縁端）４Ａｂの交差点４Ａｃと半導体素子３の外周縁３ｂの頂点部３ｃとの間の幅である。即ち、半導体素子３の矩形頂点部３ｃにおける半田フィレット９ｂの幅である。一方、図５（ｃ）（ｄ）において、ＳＣＢは段付き金属ブロック４Ｂの張出し部４Ｂｃの外周縁端部４Ｂｄと半導体素子３の矩形頂点部３ｃとの間の幅である。即ち、半導体素子３の矩形頂点部３ｃにおける半田フィレット９ｃの幅である。
【００３５】
図５（ａ）〜（ｄ）から明らかなように、段付き金属ブロック４Ｂでは、半田クラックが最も成長し易い半導体素子３の矩形頂点部３ｃ近傍に、張出し部４Ｂｃが形成されている。このため、金属ブロック４Ａに比べて、半田フィレット９ｃの勾配が緩やかであり、この部分や近傍の半田層の応力が緩和され、半田クラックが生じ難くなる。また、万一半田クラックが発生した場合でもクラックが成長し難くなる。
【００３６】
なお、段付き金属ブロック４Ａを用いることにより得られたパワーモジュール１００のその他の効果は、段付き金属ブロック４Ｂを用いても同様に得ることができる。
【００３７】
また、図１〜図５では、階段状の段部を有する段付き金属ブロックを示し、名称も「段付き」と表現したが、本発明にかかる金属ブロックは、階段状の段部を有する段付き金属ブロックに限定されるものではない。例えば、図２に示した金属ブロック４Ａのように、絶縁基板２との接合面（下面）４Ａｘが、半導体素子３の半田付け面（上面）３ａに比較して、数倍広い（例えば、４倍）ような場合も含まれる。かかる構造では、凸部形状の突出部の先端に形成された平坦な載置面４Ａａの広さが、半導体素子３を半田接合した状態において、半導体素子３の外周縁３ｂに所定の微小幅寸法Ｓの半田フィレット９ａを形成できる程度に形成されている。即ち、半導体素子３と載置面４Ａａとを接合した半田材９の再溶融により半田ずれが生じない程度に、半田付け面３ａよりも若干広く又はほぼ同一の広さに載置面４Ａａが形成され、その周縁に溶融半田の流れ（広がり）防止用の段差が形成された構造も本発明の段付き金属ブロックに含まれる。
【００３８】
実施の形態２．
図６は、上述のパワーモジュール１００に用いられる、本実施の形態にかかる金属ブロック４Ｃを表す。図６（ａ）は、図１と同一断面における、金属ブロック４Ｃの断面図であり、図６（ｂ）は、金属ブロック４Ｃの上面図である（半導体素子３、半田材９は図示せず）。
金属ブロック４Ｃでは、半導体素子３の載置面４Ｃａの周囲を囲むように、溝２３が形成されている。載置面４Ｃａの広さは、半導体素子３の底面と同じか、又は底面より若干広くなっている。
【００３９】
段付き金属ブロック４Ｃの製造方法は、段付き金属ブロック４Ａの製造方法とほぼ同じである。即ち、プレス加工、及びコイニング加工により金属板（Ｃｕ、Ｍｏ等）を打ち抜くと共に、溝２３を形成する。なお、図６（ａ）では、溝２３の断面が半円形状となっているが、矩形等の他の形状でも構わない。
【００４０】
このように、金属ブロック４Ｃでは、半導体素子３の載置面４Ｃａを囲むように溝２３が形成されているため、パワーモジュール１００の組立工程において、再溶融した半田材９の流出を防止でき、半導体素子３の位置ずれを防ぐことができる。
【００４１】
図６（ｃ）に示す金属ブロック４Ｄは、金属ブロック４Ｃの変形例であり、溝２３がそれぞれの隅部において、略半円形又は半楕円形状に外方に広がった張出し部２４を有する。
このように、半田材９にクラックが最も成長し易い隅部に張出し部２４を形成することにより、金属ブロック４Ｃに比べて、隅部における半田フィレットの勾配が緩やかになる。このため、隅部近傍の半田層９の応力が緩和され、半田クラックが生じ難くなる。また、万一半田クラックが発生した場合でもクラックが成長し難くなる。
【００４２】
実施の形態３．
図７は、上述のパワーモジュール１００に用いられる、本実施の形態にかかる金属ブロック４Ｅを表す。図７（ａ）は、図１と同一断面における、金属ブロック４Ｅの断面図であり、図７（ｂ）は、金属ブロック４Ｅの上面図である（半導体素子３、半田材９は図示せず）。
金属ブロック４Ｅでは、金属ブロック４Ｅの表面に凹部３３が形成され、凹部３３の底面が、半導体素子３の載置面４Ｅａとなっている。載置面４Ｅａの広さは、半導体素子３の底面と同じか、又は底面より若干広くなっている。
【００４３】
段付き金属ブロック４Ｅの製造方法は、段付き金属ブロック４Ａの製造方法とほぼ同じで、プレス加工、及びコイニング加工により金属板を打ち抜くと共に、凹部３３を形成する。
【００４４】
このように、金属ブロック４Ｅでは、凹部３３の底面が半導体素子３の載置面４Ｅａとなっているため、パワーモジュール１００の組立工程において、再溶融した半田材９の流出を防止でき、半導体素子３の位置ずれを防ぐことができる。
【００４５】
図７（ｃ）に示す金属ブロック４Ｆは、金属ブロック４Ｅの変形例であり、凹部３３がそれぞれの隅部において、略半円形又は半楕円形状に外方に広がった張出し部３４を有する。
このように、半田材９にクラックが最も成長し易い隅部に張出し部３４を形成することにより、金属ブロック４Ｅに比べて、隅部における半田フィレットの勾配が緩やかになる。このため、隅部近傍の半田層９の応力が緩和され、半田クラックが生じ難くなる。また、万一半田クラックが発生した場合でもクラックが成長し難くなる。
【００４６】
実施の形態１〜３では、半田材に鉛フリー半田を用いる場合について説明した。しかし、本発明は、パワーモジュールの組み立てを１種類の半田材を用いて行うものであり、半田材は鉛フリー半田に限られない。但し、環境問題等の観点から、鉛フリー半田を用いることが好ましい。
【００４７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項１記載の電力用半導体装置では、再溶融された半田材が載置面上に保持されるため、半導体素子のずれが生じず、半導体素子に接続されたボンディングワイヤの損傷等を防止できる。また、半導体素子の周囲の半田フィレットを半導体素子の隅部において広くでき、隅部における半田フィレットの応力を緩和して、半導体素子の破損等を防止できる。
【００４８】
また、請求項２記載の電力用半導体装置では、再溶融された半田材が載置面上と溝部内とに保持されるため、半導体素子のずれが発生しない。また、半導体素子の隅部における半田フィレットの応力が緩和され、半導体素子の破損等を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１にかかるパワーモジュールの断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかるパワーモジュールに含まれる金属ブロックである。
【図３】本発明の実施の形態１にかかるパワーモジュールの製造工程の概略図である。
【図４】本発明の実施の形態１にかかるパワーモジュールに含まれる金属ブロックである。
【図５】本発明の実施の形態１にかかるパワーモジュールに含まれる金属ブロックの一部の拡大図である。
【図６】本発明の実施の形態２にかかるパワーモジュールに含まれる金属ブロックである。
【図７】本発明の実施の形態３にかかるパワーモジュールに含まれる金属ブロックである。
【図８】従来のパワーモジュールの断面図である。
【図９】従来のパワーモジュールの断面図である。
【図１０】従来のパワーモジュールに含まれる金属ブロックの上面図である。
【図１１】従来のパワーモジュールの断面図である。
【符号の説明】
１金属ベース板、２絶縁基板、２ａ絶縁板、２ｂ、２ｃ表金属パターン、２ｄ裏金属パターン、３半導体素子、３ａ半田付け面、３ｂ外周縁、３ｃ矩形頂点部、４Ａ段付き金属ブロック、４Ａａ半導体素子３の載置面、４Ａｂ外周縁４Ａｂ、４Ａｘ表金属パターン２ｂとの接合面、５樹脂ケース、６電極端子、６ａ端部（内部端子）、７接着剤、９鉛フリー半田材、１０ワイヤバンプ、１００パワーモジュール。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a power module, and more particularly, to a power module in which a semiconductor element and a metal block are joined with one kind of solder material.
[0002]
[Prior art]
FIG. 8 is a cross-sectional view of a conventional power module (power semiconductor device) denoted as a whole by 500.
The power module 500 includes a metal base plate 1. On the main surface 1a of the metal base plate 1, an insulating substrate 2 provided with front and rear metal patterns 2b and 2c and a back metal pattern 2d made of copper foil on both surfaces of an aluminum nitride insulating plate 2a is fixed by a solder material 8C. ing.
On the surface metal pattern 2b, a metal block (heat sink) 4 having a semiconductor element 3 attached to the upper surface is fixed by a solder material 8B.
[0003]
The resin case 5 is made of a heat-resistant resin such as LCP (Liquid Crystalline Polymer), for example, and an electrode terminal 6 for external connection is inserted. The end 6a of the electrode terminal 6 is fixed to the surface metal pattern 2c of the insulating substrate 2 with solder 8D.
The edge 1 b of the metal base plate 1 is fitted into the open end of the resin case 5 and bonded with an adhesive 7. In this state, the end 6a of the electrode terminal 6 is fixed to the surface metal pattern 2c of the insulating substrate 2 with solder 8D.
That is, when the resin case 5 is bonded to the metal base plate 1 with the adhesive 7 in the soldering process between the insulating substrate 2 and the metal base plate 1, the end 6a of the electrode terminal 6 is also soldered to the surface metal pattern 2c. Be joined.
The resin case 5 is preferably filled with a sealing resin 30 such as a sealing silicon gel 20 and an epoxy resin.
[0004]
Here, the solder material 8A for soldering the semiconductor element 3 to the metal block 4 is a high-temperature solder having a melting point of about 300 ° C., the solder material 8B for soldering the metal block 4 onto the surface metal pattern 2b, and the metal pattern 2d is a metal. The solder material 8C to be soldered to the base plate 1 is a medium temperature solder having a melting point of about 220 ° C., and the solder material 8D to solder the surface metal pattern 2c and the end portion 6a of the electrode terminal 6 inserted in the resin case 5 is It is a low-temperature solder having a melting point of about 180 ° C. The solder materials 8A to 8D are all so-called lead solder which is an alloy of lead and tin (Pb, Sn), and the melting temperature is changed by changing the compounding ratio of lead and tin. Such lead solder is creamy and applied for use.
[0005]
Next, a method for manufacturing the power module 500 will be briefly described.
In this manufacturing method, first, the semiconductor element 3 is soldered to the metal block 4 using the solder material 8A.
[0006]
Next, the insulating substrate 2 is placed on the metal base plate 1 via the solder material 8C, and the metal block 4 to which the semiconductor element 3 is fixed is placed on the insulating substrate 2 via the solder material 8B. Subsequently, the metal block 4 is bonded to the front metal pattern 2b with solder 8B through a reflow furnace adjusted to about 250 ° C., and the main surface 1a of the metal base plate 1 and the back metal pattern 2d of the insulating substrate 2 are joined. Are joined with solder 8C. At this time, the solder joint surface between the semiconductor element 3 and the metal block 4 is not remelted because the melting temperature of the solder material 8A is higher than the furnace temperature (about 250 ° C.) of the reflow furnace.
[0007]
Next, the edge of the metal base plate 1 is fitted to the open end of the resin case 5 and bonded with an adhesive 7. At this time, the end 6a of the electrode terminal 6 presses against the surface metal pattern 2c of the insulating substrate 2 via the solder material 8D. Subsequently, in this state, the resin 7 is passed through a reflow furnace adjusted to about 200 ° C. to cure the adhesive 7 that joins the resin case 5 and the metal base plate 1, and the end 6 a is connected to the surface metal of the insulating substrate 2. Solder to the pattern 2c. At this time, the bonding surface between the semiconductor element 3 and the metal block 4, the bonding surface between the metal block 4 and the surface metal pattern 2 b of the insulating substrate 2, and the back metal pattern 2 d of the main surface 1 a of the metal base plate 1 and the insulating substrate 2. Since the melting temperature of the solder materials 8A to 8C used for each of the bonding surfaces is higher than the furnace temperature (about 200 ° C.) of the reflow furnace, the bonding surfaces are not remelted.
[0008]
FIG. 9 is a cross-sectional view of another power module having a conventional structure represented entirely by 600 (the resin case 5 and the like are omitted).
In the power module 600, the insulating layer 11 is formed on the main surface 1 a of the metal base plate 1. A metal electrode foil 12 is attached to the upper surface of the insulating layer 11 by the adhesive strength of the insulating material. An electrode terminal 6 and a metal block 4 are fixed on the metal electrode foil 12.
In the power module 600, two types of solder materials 8A and 8D having different melting temperatures are used.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, the power module 500 includes an end portion 6a between the semiconductor element 3 and the metal block 4, between the metal block 4 and the front metal pattern 2b, between the back metal pattern 2d and the metal base plate 1, and between the front metal pattern 2c and the electrode terminal 6. Since the gaps are joined using so-called lead solder, there is a problem of causing environmental pollution.
[0010]
In order to solve such problems, it is desired to use so-called lead-free solder that does not contain lead, but as lead-free solder that has crack resistance comparable to that of lead solder against thermal fatigue and can be put to practical use, There are only SnAg-based or SnAgCu-based solder materials (melting point: about 200 to 230 ° C.). That is, it is impossible to use a plurality of solder materials having different melting points like lead solder.
[0011]
Therefore, when the lead-free solder material 9 is used instead of the solder materials 8A to 8D, when the metal block 4 is soldered on the front metal pattern 2b, and the back metal pattern 2d is soldered to the metal base plate 1. In doing so, as shown in FIG. 10, the solder material 9 between the semiconductor element 3 and the metal block 4 soldered in the previous process was remelted, and so-called solder misalignment in which the position of the semiconductor element 3 was shifted occurred.
As a result, there is a problem in that the bonding wires (not shown) connecting the semiconductor element 3 to other members (not shown), the surface metal patterns 2b, 2c and the like are damaged.
[0012]
Further, in order to prevent misalignment of the semiconductor element 3, it is possible to prevent the flow of the solder material 9 which has been remelted by applying a resist around the semiconductor element 3 on the metal block 4. As a result of such processes, the manufacturing cost is increased and the manufacturing process is lengthened.
[0013]
Further, when lead-free solder is used, when the surface metal pattern 2c and the end portion 6a of the electrode terminal 6 are soldered, as shown in FIG. 11, the metal block 4 and the surface metal pattern soldered in the previous step are used. The solder material 9 between the back metal pattern 2d and the metal base plate 1 was remelted between 2b, and the insulating substrate 2 was inclined with respect to the metal base plate 1 by the pressing force by the end 6a of the electrode terminal 6. As a result, there is a problem that the insulation creepage distance at the edge of the insulating substrate 2 is impaired by the protrusion of the solder material 9. Further, since the thickness of the solder layer 9 is not uniform, there is a problem that the crack resistance of the solder layer 9 against thermal fatigue is remarkably lowered.
[0014]
Note that the melting temperature can be lowered by adding bismuth or indium to the SnAg-based lead-free solder material 9 such as Sn · 3% Ag · 0.5% (Cu + Bi). However, at the same time, the crack resistance due to thermal fatigue is significantly reduced, so that it cannot be used as a solder material for the power module 500 from the viewpoint of reliability or the like. That is, it is difficult to provide three kinds (high temperature, medium temperature, low temperature) of solder materials having different melting temperatures required for manufacturing the power module 500 as lead-free solder.
[0015]
Therefore, the present invention relates to a power module using one kind of solder material having a predetermined melting temperature, particularly a lead-free solder material (mixing ratio: Sn3.0Ag0.5Cu, melting point: about 220 ° C.) and a method for manufacturing the same. The purpose is to provide.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is a power semiconductor device including an insulating substrate, a heat sink fixed on the insulating substrate, and a semiconductor element fixed on the heat sink with a solder material, and the heat sink is attached to the insulating substrate. A fixed block-shaped main body portion, and a projecting portion projecting upward from the main body portion and having an upper portion serving as a mounting surface for the semiconductor element, the mounting surface having a rectangular shape with projecting portions at four corners And the re-melted solder material is held on the mounting surface to form a solder fillet covering the mounting surface around the semiconductor element. This is a power semiconductor device.
In such a power semiconductor device, since the remelted solder material is held on the mounting surface, the semiconductor element is not displaced. For this reason, damage etc. of the bonding wire connected to the semiconductor element can be prevented. Moreover, by having such an overhang | projection part, the solder fillet around a semiconductor element can be widened in the corner part of a semiconductor element. As a result, the stress of the solder fillet at the corner is relaxed, and damage to the semiconductor element can be prevented.
[0017]
The present invention also provides a power semiconductor device including an insulating substrate, a heat sink fixed on the insulating substrate, and a semiconductor element fixed on the heat sink with a solder material, and the heat sink includes the semiconductor A rectangular frame-shaped groove portion having the same shape as the back surface of the element, a mounting surface on which the semiconductor element is mounted, and a rectangular frame-shaped groove portion that surrounds the mounting surface and extends outward at four corners. And the solder material provided on the mounting surface so as to fill the groove is fixed to the semiconductor element with the solder material, and the remelted solder material is placed on the mounting surface. It is also a power semiconductor device that is held on the mounting surface and in the groove.
In such a power semiconductor device, the remelted solder material is held on the mounting surface and in the groove, so that the semiconductor element does not shift. Moreover, by having such an overhang | projection part, the stress of the solder fillet in the corner part of a semiconductor element is relieve | moderated and damage to a semiconductor element etc. can be prevented.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a cross-sectional view of the power module according to the present embodiment, the whole being represented by 100. In FIG. 1, the same reference numerals as those in FIG. 8 indicate the same or corresponding parts.
[0019]
The power module 100 includes a metal base plate 1. On the main surface 1a of the metal base plate 1, an insulating substrate 2 provided with front metal patterns 2b and 2c and a back metal pattern 2d made of copper foil on both surfaces of an aluminum nitride insulating plate 2a is fixed by a solder material 9. ing. Wire bumps 10 are provided on the main surface 1 a of the metal base 1, and the insulating substrate 2 is fixed by the solder material 9 while being supported by the wire bumps 10.
On the surface metal pattern 2b, a stepped metal block (heat sink) 4A having a semiconductor element 3 attached to the upper surface is fixed with a solder material 9.
[0020]
The resin case 5 is made of, for example, PPS or LCP, and is inserted with electrode terminals 6 for external connection. The end 6 a of the electrode terminal 6 is fixed to the surface metal pattern 2 c of the insulating substrate 2 with a solder material 9.
The edge 1 b of the metal base plate 1 is fitted into the open end of the resin case 5 and bonded with a silicon adhesive 7. In this state, the end 6 a of the electrode terminal 6 is fixed to the surface metal pattern 2 c of the insulating substrate 2 with the solder material 9.
That is, when the resin case 5 is bonded to the metal base plate 1 with the adhesive 7 in the soldering process between the insulating substrate 2 and the metal base plate 1, the end 6a of the electrode terminal 6 is also soldered to the surface metal pattern 2c. Be joined.
The resin case 5 is preferably filled with a sealing resin 30 such as a sealing silicon gel 20 and an epoxy resin.
The solder material 9 is a lead-free solder such as Sn · 3.0Ag · 0.5Cu, for example, and is supplied in a cream form suitable for application.
[0021]
2A and 2B are diagrams showing the stepped metal block 4A in detail. FIG. 2A is a top view and FIG. 2B is a cross-sectional view in the III-III direction. As shown in FIGS. 2A and 2B, the stepped metal block 4A includes a main body portion and a projecting protrusion, and the mounting surface 4Aa of the semiconductor element 3 is flat at the upper end of the protrusion. Is formed. In the stepped metal block 4A, the area of the mounting surface 4Aa of the semiconductor element 3 was reduced with respect to the joint surface 4Ax with the surface metal pattern 2b (area ratio, about 1/4). First, in order to maintain the performance of the semiconductor element 3 as a heat sink at the same level as that of the conventional metal block 4 (see FIG. 8), the volume (heat capacity) and the junction area with the surface metal pattern 2b (heat dissipation) This is because the area is substantially the same as that of the metal block 4. Second, in order to prevent the solder displacement of the semiconductor element 3 due to remelting of the solder layer bonded to the semiconductor element 3, the outer peripheral edge 3b of the semiconductor element 3 in a state where the semiconductor element 3 is placed and soldered. This is because the area of the mounting surface 4Aa is limited to such an extent that a solder fillet 9a having a predetermined width S can be formed.
[0022]
That is, the outer peripheral edge 4Ab of the mounting surface 4Aa of the semiconductor element 3 in the stepped metal block 4A has a substantially rectangular shape. The dimension of each side is slightly larger than the dimension of the corresponding side in the soldering surface 3a of the semiconductor element 3 which is also substantially rectangular. Further, the difference (2S) is set to be approximately 2√3 times or less of the solder layer thickness t for soldering the stepped metal block 4A and the semiconductor element 3, and the semiconductor element 3 is placed and soldered. A solder fillet 9 a having a predetermined width S is formed on the outer peripheral edge 3 b of the semiconductor element 3.
The solder fillet 9a is necessary for stress relaxation of the solder layer. However, if the solder fillet 9a is too wide, solder misalignment of the semiconductor element 3 becomes a problem, and an appropriate width dimension S needs to be set.
[0023]
Further, as shown in FIG. 2B, the stepped metal block 4A is formed into a stepped convex shape on which the mounting surface 4Aa of the semiconductor element 3 is formed because the shape is easy to process. It is. That is, when the stepped metal block 4A is formed by punching from a metal plate such as molybdenum (Mo) or copper (Cu), a stepped convex shape can be simultaneously formed by coining.
[0024]
Next, a method for manufacturing the power module 500 will be briefly described with reference to FIG.
In this manufacturing method, first, as shown in FIG. 3A, the semiconductor element 3 is soldered to the stepped metal block 4A by using, for example, a solder material 9 made of lead-free solder.
The stepped metal block 4A prepares a metal plate (Cu, Mo, etc.), punches out the metal plate by pressing and coining, and at the same time forms a protrusion having a flat mounting surface 4Aa at the tip of the convex portion. Prepared by the method.
[0025]
Next, as shown in FIG. 3B, the insulating substrate 2 is placed at a predetermined position on the main surface 1 a of the metal base plate 1 via the solder material 9. In this case, the insulating substrate 2 is placed in the state instructed on the wire bumps 10 provided on the main surface 1a of the metal base plate 1. Further, the stepped metal block 4 A to which the semiconductor element 3 has been soldered is placed on the insulating substrate 2 via the solder material 9. In this state, the stepped metal block 4A is bonded to the surface metal pattern 2b of the insulating substrate 2 with the solder material 9 through the reflow furnace adjusted to about 250 ° C. and insulated from the main surface 1a of the metal base plate 1. The back metal pattern 2 d of the substrate 2 is joined with the solder material 9. At this time, the solder joint surface between the semiconductor element 3 and the metal block 4 remelts the melting temperature of the solder material 9 lower than the furnace temperature (about 250 ° C.) of the reflow furnace. 3 (although the mounting surface 4Aa is slightly larger by the width S of the solder fillet 9a at the outer peripheral edge 3b of the semiconductor element 3), the remelted solder material 9 is It does not flow out from the mounting surface 4Aa. For this reason, the position shift of the semiconductor element 3 on the solder material 9 does not occur.
[0026]
Next, as shown in FIG.3 (c), the resin case 5 which inserted the electrode terminal 6 is prepared (resin case 5 is displayed partially), the adhesive agent 7 is apply | coated to the opening end 5a, and metal The open end 5 a is fitted to the end edge 1 b of the base plate 1. At the same time, the end 6a of the electrode terminal 6 is pressed against the surface metal pattern 2c of the insulating substrate 2 through the solder material 9 partially supplied onto the surface metal pattern 2c by a dispenser. In this state, the adhesive 7 is cured by passing through a reflow furnace adjusted to about 250 ° C., and the end 6 a is soldered to the surface metal pattern 2 c of the insulating substrate 2.
In such a reflow process, the solder material 9 between the semiconductor element 3 and the metal block 4 is remelted, but as described above, the semiconductor element 3 is not displaced.
[0027]
In addition, when the solder material 9 between the stepped metal block 4A and the surface metal pattern 2b of the insulating substrate 2 is remelted, the position of the stepped metal block 4A is shifted. A layer (not shown) may be formed to prevent the solder material 9 from flowing out.
Through the above process, the power module 100 shown in FIG. 1 is completed.
[0028]
Note that the bonding surface between the main surface 1a of the metal base plate 1 and the back metal pattern 2d of the insulating substrate 2 as well as the bonding surface between the stepped metal block 4A and the front metal pattern 2b of the insulating substrate 2 is also the melting temperature of the solder material 9. Is lower than the in-furnace temperature (about 250 ° C.) of the reflow furnace, so that it is remelted. The insulating substrate 2 is in a state of being pressed toward the metal base plate 1 side by the pressing force of the end 6a of the electrode terminal 6, but due to the presence of a plurality (at least four) of the wire bumps 10, the insulating substrate 2 is pressed against the metal base plate. The insulating substrate 2 does not tilt. For this reason, the solder layer thickness can be formed uniformly, the solder material 9 protrudes, the insulation creepage distance is impaired at the edge of the insulating substrate 2, and the solder layer thickness becomes non-uniform so that the solder layer has resistance to thermal fatigue. Cracking properties do not deteriorate significantly.
[0029]
As described above, in the power module 100 according to the first embodiment, by using the stepped metal block 4A, joining using only one kind of solder material 9 is possible, and lead-free solder material can be achieved. Become. That is, instead of the three types of so-called lead solder materials (high temperature, medium temperature, low temperature) having different melting temperatures conventionally required in the manufacture of power modules, the power module 100 is composed of only one type of lead-free solder material 9. Manufacturable.
In particular, the semiconductor element 3 is not misaligned due to remelting of the solder material 9 between the semiconductor element 3 and the metal block 4, and the semiconductor element 3 and other members (not shown) and the surface metal patterns 2b, 2c The bonding wire (not shown) that connects the like is not damaged.
Further, by providing the wire bumps 10 in the solder layer between the insulating substrate 2 and the metal base plate 1, the insulating substrate 2 can be maintained substantially parallel to the metal base plate 1. For this reason, the protrusion of the solder material 9 does not impair the insulation creepage distance at the edge of the insulating substrate 2 and the crack resistance against thermal fatigue of the solder layer due to the non-uniform solder layer thickness. .
[0030]
FIG. 4 is a modification of the stepped metal block according to the present embodiment. 4A is a top view of the stepped metal block 4B, and FIG. 4B is a cross-sectional view in the IV-IV direction. FIG. 4C is an enlarged view of a corner portion of the groove 3. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 2 denote the same or corresponding parts.
[0031]
As shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b), the stepped metal block 4B has a substantially semicircular shape at the four corners where two adjacent ridge lines intersect on the outer peripheral edge 4Bb of the mounting surface 4Ba of the semiconductor element 3. Or it has the overhang | projection part 4Bc bulging outside in the semi-elliptical shape. In the stepped metal block 4B, the width dimension SCB between the outer peripheral edge portion 4Bd of the overhang portion 4Bc and the rectangular vertex portion 3c of the corresponding semiconductor element 3 is equal to the stepped metal block 4A (adjacent to the mounting surface 4Ba). For example, the width dimension SCA between the rectangular vertexes 3c of the semiconductor element 3 corresponding to the intersection of the two sets of ridge lines is 1.5 times larger.
[0032]
In addition, the manufacturing method of the stepped metal block 4B is substantially the same as the manufacturing method of the above-mentioned stepped metal block 4A. That is, a metal plate (Cu, Mo, etc.) is punched out by pressing and coining, and a stepped convex shape is formed. At this time, at the four corners of the mounting surface 4Ba, overhang portions 4Bc bulging outward in a substantially semicircular or semi-elliptical shape are simultaneously formed.
[0033]
Next, the features of the stepped metal block 4B will be described in comparison with the stepped metal block 4A with reference to FIG.
FIG. 5A is an enlarged top view of a corner portion of the stepped metal block 4A, and FIG. 5B is a cross-sectional view in the Va-Va direction of FIG. 5C is an enlarged top view of the corner of the stepped metal block 4B, and FIG. 5D is a cross-sectional view in the Vc-Vc direction of FIG. 5C.
[0034]
5A and 5B, SCA is the width between the intersection 4Ac of adjacent ridgelines (outer peripheral edge) 4Ab of the stepped metal block 4A and the apex 3c of the outer peripheral edge 3b of the semiconductor element 3. That is, the width of the solder fillet 9 b at the rectangular vertex 3 c of the semiconductor element 3. On the other hand, in FIGS. 5C and 5D, SCB is the width between the outer peripheral edge 4Bd of the overhanging portion 4Bc of the stepped metal block 4B and the rectangular vertex 3c of the semiconductor element 3. That is, the width of the solder fillet 9 c at the rectangular vertex 3 c of the semiconductor element 3.
[0035]
As is apparent from FIGS. 5A to 5D, in the stepped metal block 4B, an overhanging portion 4Bc is formed in the vicinity of the rectangular apex portion 3c of the semiconductor element 3 where solder cracks are most likely to grow. For this reason, as compared with the metal block 4A, the gradient of the solder fillet 9c is gentle, the stress of the solder layer in this portion and the vicinity is relieved, and solder cracks are less likely to occur. Moreover, even if a solder crack occurs, the crack is difficult to grow.
[0036]
In addition, the other effect of the power module 100 obtained by using the stepped metal block 4A can be obtained similarly even if the stepped metal block 4B is used.
[0037]
1 to 5 show a stepped metal block having a stepped step portion, and the name is also expressed as “stepped”, but the metal block according to the present invention is a stepped stepped step portion. The metal block is not limited to the attached metal block. For example, like the metal block 4A shown in FIG. 2, the bonding surface (lower surface) 4Ax to the insulating substrate 2 is several times wider than the soldering surface (upper surface) 3a of the semiconductor element 3 (for example, 4 Times). In such a structure, the width of the flat mounting surface 4Aa formed at the tip of the protruding portion having the convex shape is such that a predetermined minute width dimension is formed on the outer peripheral edge 3b of the semiconductor element 3 in a state where the semiconductor element 3 is soldered. It is formed to such an extent that an S solder fillet 9a can be formed. That is, the mounting surface 4Aa is formed to be slightly wider or substantially the same size as the soldering surface 3a to such an extent that solder misalignment does not occur due to remelting of the solder material 9 that joins the semiconductor element 3 and the mounting surface 4Aa. In addition, the stepped metal block of the present invention includes a structure in which a step for preventing the flow (spreading) of the molten solder is formed on the periphery thereof.
[0038]
Embodiment 2. FIG.
FIG. 6 shows a metal block 4C according to the present embodiment, which is used in the power module 100 described above. 6A is a cross-sectional view of the metal block 4C in the same cross section as FIG. 1, and FIG. 6B is a top view of the metal block 4C (the semiconductor element 3 and the solder material 9 are not shown). ).
In the metal block 4 </ b> C, a groove 23 is formed so as to surround the periphery of the mounting surface 4 </ b> Ca of the semiconductor element 3. The width of the mounting surface 4Ca is the same as or slightly larger than the bottom surface of the semiconductor element 3.
[0039]
The manufacturing method of the stepped metal block 4C is substantially the same as the manufacturing method of the stepped metal block 4A. That is, a metal plate (Cu, Mo, etc.) is punched out by pressing and coining, and the groove 23 is formed. In FIG. 6A, the groove 23 has a semicircular cross section, but may have other shapes such as a rectangle.
[0040]
Thus, in the metal block 4C, since the groove 23 is formed so as to surround the mounting surface 4Ca of the semiconductor element 3, it is possible to prevent the remelted solder material 9 from flowing out in the assembly process of the power module 100, The position shift of the semiconductor element 3 can be prevented.
[0041]
A metal block 4D shown in FIG. 6C is a modification of the metal block 4C, and the groove 23 has a protruding portion 24 that extends outward in a substantially semicircular or semielliptical shape at each corner.
Thus, by forming the overhanging portion 24 at the corner where the crack is most likely to grow in the solder material 9, the gradient of the solder fillet at the corner becomes gentler than that of the metal block 4C. For this reason, the stress of the solder layer 9 in the vicinity of the corner is relieved and solder cracks are hardly generated. Moreover, even if a solder crack occurs, the crack is difficult to grow.
[0042]
Embodiment 3 FIG.
FIG. 7 shows a metal block 4E according to the present embodiment, which is used in the power module 100 described above. 7A is a cross-sectional view of the metal block 4E in the same cross section as FIG. 1, and FIG. 7B is a top view of the metal block 4E (the semiconductor element 3 and the solder material 9 are not shown). ).
In the metal block 4E, a recess 33 is formed on the surface of the metal block 4E, and the bottom surface of the recess 33 serves as a mounting surface 4Ea for the semiconductor element 3. The width of the mounting surface 4Ea is the same as the bottom surface of the semiconductor element 3 or slightly wider than the bottom surface.
[0043]
The manufacturing method of the stepped metal block 4E is almost the same as the manufacturing method of the stepped metal block 4A. The metal plate is punched out by pressing and coining, and the recess 33 is formed.
[0044]
Thus, in the metal block 4E, since the bottom surface of the recess 33 is the mounting surface 4Ea of the semiconductor element 3, it is possible to prevent the remelted solder material 9 from flowing out during the assembly process of the power module 100. 3 can be prevented from being displaced.
[0045]
A metal block 4F shown in FIG. 7C is a modification of the metal block 4E, and the recess 33 has a protruding portion 34 that spreads outward in a substantially semicircular or semielliptical shape at each corner.
Thus, by forming the overhanging portion 34 at the corner where the crack is most likely to grow in the solder material 9, the gradient of the solder fillet at the corner becomes gentler than that of the metal block 4E. For this reason, the stress of the solder layer 9 in the vicinity of the corner is relieved and solder cracks are less likely to occur. In addition, even if a solder crack occurs, the crack is difficult to grow.
[0046]
In the first to third embodiments, the case where lead-free solder is used as the solder material has been described. However, according to the present invention, the power module is assembled using one kind of solder material, and the solder material is not limited to lead-free solder. However, it is preferable to use lead-free solder from the viewpoint of environmental problems.
[0047]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, in the power semiconductor device according to claim 1, since the remelted solder material is held on the mounting surface, the semiconductor element is not displaced and is connected to the semiconductor element. Damage to the bonding wire can be prevented. In addition, the solder fillet around the semiconductor element can be widened at the corner of the semiconductor element, and the stress of the solder fillet at the corner can be relaxed to prevent damage to the semiconductor element.
[0048]
In the power semiconductor device according to the second aspect, since the remelted solder material is held on the mounting surface and in the groove portion, the semiconductor element is not displaced. In addition, the stress of the solder fillet at the corner of the semiconductor element is relaxed, and damage to the semiconductor element can be prevented.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a power module according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a metal block included in the power module according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic diagram of a manufacturing process of the power module according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a metal block included in the power module according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an enlarged view of a part of a metal block included in the power module according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a metal block included in a power module according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a metal block included in a power module according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a cross-sectional view of a conventional power module.
FIG. 9 is a cross-sectional view of a conventional power module.
FIG. 10 is a top view of a metal block included in a conventional power module.
FIG. 11 is a cross-sectional view of a conventional power module.
[Explanation of symbols]
1 Metal base plate, 2 Insulating substrate, 2a Insulating plate, 2b, 2c Front metal pattern, 2d Back metal pattern, 3 Semiconductor element, 3a Soldering surface, 3b Outer edge, 3c Rectangular apex, 4A Stepped metal block, 4Aa Mounting surface of semiconductor element 3, 4Ab Outer peripheral edge 4Ab, 4Ax Joint surface with surface metal pattern 2b, 5 Resin case, 6 Electrode terminal, 6a End (internal terminal), 7 Adhesive, 9 Lead-free solder material, 10 Wire bump, 100 power module.

Claims

A power semiconductor device including an insulating substrate, a heat sink fixed on the insulating substrate, and a semiconductor element fixed on the heat sink with a solder material,
The heat sink includes a block-shaped main body portion fixed to the insulating substrate, and a protruding portion that protrudes upward from the main body portion and has an upper portion serving as a mounting surface for the semiconductor element. The protrusion having a rectangular shape with four corners,
A power semiconductor device, wherein the remelted solder material is held on the mounting surface, and a solder fillet is formed around the semiconductor element to cover the mounting surface.

A power semiconductor device including an insulating substrate, a heat sink fixed on the insulating substrate, and a semiconductor element fixed on the heat sink with a solder material,
The heat sink has the same shape as the back surface of the semiconductor element, and has a mounting surface on which the semiconductor element is mounted, and a rectangular shape that surrounds the periphery of the mounting surface and has protruding portions that extend outward at four corners. A frame-shaped groove portion, the groove portion to which the semiconductor element is fixed with the solder material provided on the mounting surface so as to fill the groove portion, on the upper surface thereof,
A power semiconductor device, wherein the remelted solder material is held on the mounting surface and in the groove.