JP3868966B2

JP3868966B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP3868966B2
Application number: JP2004179117A
Authority: JP
Inventors: 隆之那波; 恒雄代谷
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-06-17
Filing date: 2004-06-17
Publication date: 2007-01-17
Anticipated expiration: 2024-06-17
Also published as: JP2006005111A

Description

本発明は、大電力分野に使用される半導体パワーモジュールなどの半導体装置に関する。

半導体パワーモジュールでは、大型の絶縁基板の表面（第１主面）に上部電極を介してパワー素子やパワーＩＣが設けられ、絶縁基板の裏面（第１主面と相対向する第２主面）に下部電極が設けられている。そして、大型で厚い金属ベースと絶縁基板の下部電極との間をはんだによりはんだ付けされている（例えば、非特許文献１参照。）。この様な構造の半導体パワーモジュールにおいては、比較的に高温のはんだリフロー工程で発生する大面積で厚さの厚い金属ベースなどの反りにより、はんだの脆化や絶縁基板にクラックが発生しやすいという問題点がある。そして、はんだの脆化や絶縁基板のクラック発生は、Ｓｎ（錫）−３７％Ｐｂ（鉛）共晶はんだよりも溶融温度が３０〜４０℃高いＳｎ−Ａｇ（銀）共晶系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ（銅）共晶系、Ｓｎ−Ｃｕ共晶系などのＰｂ（鉛）フリーはんだの方がより顕著になる。
特開平１１−４０７１６号公報（頁６、図９）

本発明は、半導体パワーモジュールの絶縁基板のクラックを低減し、はんだの脆化を抑制できる半導体装置を提供する。

本発明の一態様の半導体装置は、第１主面に上部電極が設けられ、前記第１主面と相対向する第２主面に下部電極が設けられた絶縁基板と、前記上部電極の第１主面に設けられ、前記上部電極と電気的に接続された半導体素子と、前記下部電極と金属ベースの間に設けられ、樹脂粒子及び金属ナノ粒子が混入された錫−鉛共晶はんだよりも溶融温度の高い鉛フリーはんだ膜と、を具備することを特徴とする。

また、本発明の一態様の半導体装置は、第１主面に上部電極が設けられ、前記第１主面と相対向する第２主面に下部電極が設けられた絶縁基板と、前記上部電極の第１主面に設けられ、前記上部電極と電気的に接続された半導体素子と、前記下部電極と金属ベースの間に設けられ、樹脂粒子及び金属ナノ粒子が混入された錫−鉛共晶はんだよりも溶融温度の高い鉛フリーはんだ膜とを具備し、前記鉛フリーはんだ膜は、錫−銅共晶はんだ或いは錫−銀共晶はんだであることを特徴とする。

本発明によれば、半導体パワーモジュールの絶縁基板のクラックを低減し、はんだの脆化を抑制できる半導体装置を提供することができる。

以下本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

まず、本発明の実施例１に係る半導体装置について、図面を参照して説明する。図１は半導体装置を示す平面図で、図２は図１のＡ−Ａ線に沿う半導体装置の断面図ある。本実施例では鉛フリーはんだを用いている。

図１に示すように、半導体装置１は、矩形状をなす金属ベース２と、この金属ベース２の第１主面に設けられた金属ベース２よりも面積が小さい矩形状をなす絶縁基板３と、この絶縁基板３の第２主面に絶縁基板３と接着された下部電極４と、この下部電極４と金属ベース２とを接着し、樹脂粒子が混入されたＰｂフリーはんだ膜５と、絶縁基板３の第１主面に設けられた上部電極７と、この上部電極７の第１主面に設けられた半導体素子６ａ、６ｂと、上部電極７と半導体素子６ａ、６ｂの間を電気的に接続するボンディングワイヤ９とから構成された半導体パワーモジュールである。ここで、樹脂粒子は、円形、卵形ばかりでなく角柱、円柱形を有するもの、及びそれらの形状で且つ内部が中空なものも含める。

図２に示すように、金属ベース２は、例えば、寸法が横９５ｍｍ、縦３０ｍｍ、厚さ３ｍｍで、Ｃｕからなり、プレス加工などにより形成される。なお、金属ベース２には、Ｃｕを用いているが銅合金、Ａｌ（アルミニウム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｗ（タングステン）、或いはＭｏ（モリブデン）を用いてもよい。金属ベース２の第１主面には、例えば、厚さ５μｍのＮｉメッキ膜１１が設けられている。金属ベース２の第１主面上には、例えば、寸法が横７５ｍｍ、縦２５ｍｍ、厚さ０．６４ｍｍの窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）からなる絶縁基板３が設けられている。ここで、絶縁基板３には窒化珪素を用いているが、窒化アルミ（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、或いは炭化珪素（ＳｉＣ）を用いてもよい。

絶縁基板３の第１主面には、例えば、厚さ０．３ｍｍでＣｕからなる上部電極７が設けられ、上部電極７の第１主面には、マウント膜１３で固着された半導体チップ６ａが設けられている。そして、絶縁基板３の第１主面と相対向する第２主面に設けられた、例えば、厚さ０．２５ｍｍでＣｕからなる下部電極４と金属ベース２のメッキ膜１１の間には、樹脂粒子１４を混入したＰｂフリーはんだ膜５が設けられている。このＰｂフリーはんだ膜５には、はんだシートに樹脂粒子１４を混入させたものを用い、絶縁基板３を金属ベース２に固定し、その目標膜厚は１６０μｍである。ここで、樹脂粒子１４には、球形のものを用いているが、卵形、角柱、或いは円柱などの形状のもの、或いはこれらの形状で且つ内部が中空なものを用いてもよい。

ここで、はんだシートの代わりにペースト状のはんだに樹脂粒子１４を混入させたものを用いてもよい。上部電極７及び下部電極４にはＣｕを用いているが銅合金、Ａｌ、Ｎｉ、Ｗ、或いはＭｏを用いてもよい。Ｐｂフリーはんだ膜５には溶融温度２２７°ＣのＳｎ−０．７Ｃｕを用いているがＳｎ−Ａｇ共晶系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ共晶系、或いはＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ（ビスマス）共晶系を用いてもよい。

そして、樹脂粒子１４には、溶融温度がはんだよりも高く、且つヤング率の小さく弾性の強い合成樹脂などが好ましい。樹脂粒子１４の粒径は、１００〜１６０μｍの範囲でバラツキ１０μｍ以内が好ましい。樹脂粒子１４の粒径が１００μｍ（目標膜厚１６０μｍの６０％）以下の場合、はんだの脆化や絶縁基板のクラック発生に対する抑制効果が低下し、樹脂粒子１４の粒径が１６０μｍ以上の場合、目標はんだ厚１６０μｍ以上となり絶縁基板３と金属ベース２の間に空洞が生じる領域が発生するので絶縁基板３と金属ベース２の接着強度が低下する。また、Ｐｂフリーはんだ膜５中の樹脂粒子１４は、０．１〜２ｗｔ％の範囲が好ましい。樹脂粒子１４が０．１％以下の場合、はんだの脆化や絶縁基板のクラック発生に対する抑制効果が低下し、樹脂粒子１４が２％以上の場合、絶縁基板３と金属ベース２の間の接着強度が低下する可能性がある。

次に、製造途中及び完成後の半導体装置の特性について図３乃至図５を参照して説明する。図３は半導体装置の反り量の変化を示す図で、図中の実線（ａ）は本実施例の反り量の変化であり、図中の破線（ｂ）は従来の反り量の変化であり、図４は半導体装置の絶縁基板四隅のはんだ厚を示す図、図５は半導体装置のＴＣＴ後でのはんだ脆化量を示す図である。

図３から明白なように、従来では、高温のはんだリフロー工程を行うことにより、Ｐｂフリーはんだ膜５に樹脂粒子１４を混入させていないので、半導体装置１はリフロー直後で−３００μｍ以上の反りが発生し、電子機器に実装する直前においても−１００μｍ以上の反りが残存している。このため、はんだリフロー後に絶縁基板３にクラックが発生したり、リフロー工程以降の作業を行うことが困難になる可能性がある。

一方、本実施例では、Ｐｂフリーはんだ膜５に樹脂粒子１４を混入しているので、半導体装置１は、はんだリフロー直後で−２００μｍ以内の反りに低減され、電子機器に実装する直前においては＋５０μｍ以下の反りに低減されている。このため、はんだリフロー後に絶縁基板３でのクラックの発生を抑制でき、リフロー工程以降の作業を容易に行うことができる。Ｐｂフリーはんだ膜５に樹脂粒子１４を混入する効果は、金属ベース２と絶縁基板３との間隔を一定に保持でき接着面積を確保することができ、はんだ不足によるはんだ付け不良を防止することができることにある。

なお、反り量の測定は高精度レーザ角度測定器を用いているが、表面粗さ計やシャドウモアレ測定法を用いてもよい。ここで、電子機器に半導体装置を実装するユーザーの反り要求領域は、０〜＋１００μｍの範囲であり、好ましくは０〜＋５０μｍの範囲である。反りの（＋）とは、四隅に対して中央部がへこんだ凹状の形状のことであり、反りの（−）とは、四隅に対して中央部がとがった凸状の形状のことである。

図４から明白なように、従来では、絶縁基板３の重量により、半導体装置１の絶縁基板３の四隅の許容されるはんだ厚（１６０±６０μｍ）に対して、絶縁基板３の重量により、平均値が規格１００μｍ以下になり、規格を満足せず、はんだ不足が生じてはんだ付け不良が発生する。一方、本実施例では、樹脂粒子１４を混入しているので、平均値が１５８μｍとほぼ目標はんだ厚１６０μｍを満足し、はんだ付け不良が発生しない。

図５から明白なように、従来では、ＴＣＴ（Thermal Cycle Test）３００サイクル試験によるはんだ脆化量は平均値９％と大きく、許容値２％を満足せず、接合部周辺にクラックが発生して熱抵抗の低下や半導体素子の破壊など信頼性上問題が生じる。一方、本実施例では、はんだ脆化量は平均値０．６％と許容値２％を十分満足し、信頼性上問題ない。

上述したように、本実施例の半導体装置では、Ｐｂフリーはんだ膜５に樹脂粒子１４を混入している。このため、Ｐｂフリーはんだを用いたリフロー工程で発生する反りを従来よりも低減することができる。したがって、絶縁基板３のクラックの発生及びＰｂフリーはんだ膜５の脆化を抑制し、且つリフロー後の作業を安定してできる。

次に、本発明の実施例２に係る半導体装置について、図面を参照して説明する。図６は、図１のＡ−Ａ線に沿う半導体装置の断面図である。本実施例ではＳｎ−Ｐｂ共晶はんだを用いている。

以下、本実施例において、実施例１と同一構成部分には、同一符号を付してその部分の説明は省略し、異なる部分のみ説明する。

図６に示すように、絶縁基板３の第１主面と相対向する第２主面に設けられた下部電極４と金属ベース２のメッキ膜１１の間には、樹脂粒子１４を混入した溶融温度１８３℃のＳｎ−Ｐｂはんだ膜（Ｓｎ−３７％Ｐｂ）１５が設けられている。このＳｎ−Ｐｂはんだ膜１５には、はんだシートに樹脂粒子１４を混入させたものを用い、その目標膜厚は１５０μｍである。

次に、製造途中及び完成後の半導体装置の特性について図面を参照して説明する。図７は半導体装置の反り量の変化を示す図で、図中の実線（ａ）は本実施例の反り量の変化であり、図中の破線（ｂ）は従来の反り量の変化である。

この図から明白なように、従来では、高温のはんだリフロー工程を行うことにより、Ｓｎ−Ｐｂはんだ膜１５に樹脂粒子１４を混入させていないので、半導体装置１はリフロー直後で−２１０μｍ以上の反りが発生し、電子機器に実装する直前においても−１００μｍ以上の反りが残存している。このため、はんだリフロー後に絶縁基板３にクラックが発生したり、リフロー工程以降の作業を行うことが困難になる可能性がある。

一方、本実施例では、Ｓｎ−Ｐｂはんだ膜１５に樹脂粒子１４を混入しているので、半導体装置１は、はんだリフロー直後で−１５０μｍ以内の反りに低減され、電子機器に実装する直前においては＋５０μｍ以下の反りに低減されている。このため、はんだリフロー後に絶縁基板３でのクラックの発生を抑制でき、リフロー工程以降の作業を容易に行うことができる。Ｓｎ−Ｐｂはんだ膜１５に樹脂粒子１４を混入する効果は、金属ベース２と絶縁基板３との間隔を一定に保持でき接着面積を確保することができ、はんだ不足によるはんだ付け不良を防止することができることにある。

上述したように、本実施例の半導体装置では、Ｓｎ−Ｐｂはんだ膜１５に樹脂粒子１４を混入している。このため、Ｓｎ−Ｐｂはんだを用いたリフロー工程で発生する反りを従来よりも低減することができ、実施例１と同様な効果を有する。る。

次に、本発明の実施例３に係る半導体装置について、図面を参照して説明する。図８は、図１のＡ−Ａ線に沿う半導体装置の断面図である。

図８に示すように、絶縁基板３の第１主面と相対向する第２主面に設けられた下部電極４と金属ベース２のメッキ膜１１の間には、樹脂粒子１４及び銀ナノ粒子１６を混入したＳｎ−０．７ＣｕからなるＰｂフリーはんだ膜５が設けられている。このＰｂフリーはんだ膜５には、はんだシートに樹脂粒子１４及び銀ナノ粒子１６を混入させたものを用い、その目標膜厚は１５０μｍである。

銀は粒子の径が小さくなるにつれて表面エネルギーが指数関数的に増大し、例えば、銀粒子が直径５ｎｍ程度になると常温で銀粒子が焼結する。ここでは直径が１０〜数十ｎｍの銀ナノ粒子を用いている。このため、Ｐｂフリーはんだのリフロー温度よりも低温で銀ナノ粒子１６とＳｎ−０．７Ｃｕ共晶はんだ間で融着及び焼結が進行し、絶縁基板３を金属ベース２に固定し、且つＳｎ−０．７Ｃｕ共晶はんだ間の電気的コンタクトを強化することができる。なお、銀ナノ粒子１６の代わりに、Ａｕ（金）、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｉｎ（インジウム）、或いはＢｉなどのナノ粒子を用いてもよい。また、Ｓｎ−０．７Ｃｕ共晶はんだの代わりにＳｎ−Ａｇ共晶はんだを用いてもよい。この場合、金属ナノ粒子にはＣｕ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｉｎ、或いはＢｉを用いる。

次に、製造途中及び完成後の半導体装置の特性について図面を参照して説明する。図９は半導体装置の反り量の変化を示す図で、図中の実線（ａ）は本実施例の反り量の変化であり、図中の破線（ｂ）は従来の反り量の変化である。

この図から明白なように、従来では、高温のはんだリフロー工程を行うことにより、Ｐｂフリーはんだ膜５に樹脂粒子１４及び銀ナノ粒子１６を混入させていないので、半導体装置１はリフロー直後で−３００μｍ以上の反りが発生し、電子機器に実装する直前においても−１００μｍ以上の反りが残存している。このため、はんだリフロー後に絶縁基板３にクラックが発生したり、リフロー工程以降の作業を行うことが困難になる可能性がある。

一方、本実施例では、Ｐｂフリーはんだ膜５に樹脂粒子１４及び銀ナノ粒子１６を混入しているので、半導体装置１は、はんだリフロー直後で−１６０μｍ以内の反りに低減され、電子機器に実装する直前においては＋５０μｍ以下の反りに低減されている。このため、はんだリフロー後に絶縁基板３でのクラックの発生を抑制でき、リフロー工程以降の作業を容易に行うことができる。Ｐｂフリーはんだ膜５に樹脂粒子１４及び銀ナノ粒子１６を混入する効果は、金属ベース２と絶縁基板３との間隔を一定に保持でき接着面積を確保することができ、はんだ不足によるはんだ付け不良を防止することができることにある。ここで、はんだリフロー直後での反りが−１６０μｍ以内で、実施例１の反り２００μｍよりも低減しているのは、はんだリフロー温度を実施例１よりも低温化できたことによる。

上述したように、本実施例の半導体装置では、Ｐｂフリーはんだ膜５に樹脂粒子１４及び銀ナノ粒子１６を混入している。このため、はんだリフロー温度を低温化できＰｂフリーはんだを用いたリフロー工程で発生する反りを実施例１よりも更に低減することができる。したがって、絶縁基板３のクラックの発生及びＰｂフリーはんだ膜５の脆化を抑制し、且つリフロー後の作業を安定してできる。

次に、本発明の実施例４に係る半導体装置について、図面を参照して説明する。図１０は、半導体装置を示す平面図、図１１は図１０のＢ−Ｂ線に沿う半導体装置の断面図である。

図１０に示すように、半導体装置１ｂは矩形状をなす金属ベース２と、金属ベース２よりも面積が小さい矩形状をなす絶縁基板３と、絶縁基板３に設けられた上部電極７と、この上部電極７に設けられた半導体素子６ａ、６ｂと、上部電極７と半導体素子６ａ、６ｂの間を電気的に接続するボンディングワイヤ９と、絶縁基板３に接着された下部電極４と、絶縁基板３の四隅に相対向して金属ベースの第１主面に設けられた樹脂粒子１４とから構成された半導体パワーモジュールである。

図１１に示すように、絶縁基板３の第１主面と相対向する第２主面に設けられた下部電極４と金属ベース２のメッキ膜１１の間には、Ｐｂフリーはんだ膜５が設けられ、Ｐｂフリーはんだ膜５中の絶縁基板３の四隅に相対向した部分には、卵形の樹脂粒子１４が固着されている。ここで、樹脂粒子１４は、はんだ材を用いて固着しているが、樹脂接着剤やフラックスなどを用いてもよい。そして、樹脂粒子１４の高さは、Ｐｂフリーはんだ膜５の目標膜厚である１６０μｍに対して１００〜１６０μｍの範囲でバラツキ１０μｍ以内が好ましい。なお、卵形の樹脂粒子１４の代わりに、球形、角柱、或いは円柱などの形状のもの、或いはこれらの形状で且つ内部が中空なものを用いてもよい。

上述したように、本実施例の半導体装置では、Ｐｂフリーはんだ膜５中の絶縁基板３の四隅に相対向した部分に樹脂粒子１４が固着されている。このため、Ｐｂフリーはんだを用いたリフロー工程で発生する反りを従来よりも低減することができる。したがって、実施例１と同様な効果を有する。

本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々、変更してもよい。

本実施例では、半導体パワーモジュールに適用したが、パワーハイブリッドＩＣやＩＰＭ(Intelligent Power Module)などに適用できる。

本発明は、以下の付記に記載されているような構成が考えられる。
（付記１）第１主面に上部電極が設けられ、前記第１主面と相対向する第２主面に下部電極が設けられた絶縁基板と、前記上部電極の第１主面に設けられ、前記上部電極と電気的に接続された半導体素子と、前記下部電極と金属ベースの間に設けられたはんだ膜と、前記はんだ膜の０．１ｗｔ％以上、２ｗｔ％以下の範囲で前記はんだ膜に混入された樹脂粒子とを具備する半導体装置。

（付記２）前記樹脂粒子の形状は、球形、卵形、角柱、或いは円柱である付記１に記載の半導体装置。

（付記３）前記樹脂粒子は、粒径が前記はんだ膜の所定膜厚の６０％以上、１００％以下の範囲である付記１に記載の半導体装置。

本発明の実施例１に係る半導体装置を示す平面図。図１のＡ−Ａ線に沿う半導体装置の断面図。本発明の実施例１に係る半導体装置の反りの変化を示す図。本発明の実施例１に係る半導体装置の絶縁基板四隅のはんだ厚を示す図。本発明の実施例１に係る半導体装置のＴＣＴ後のはんだ脆化量を示す図。本発明の実施例２に係る図１のＡ−Ａ線に沿う半導体装置の断面図。本発明の実施例２に係る半導体装置の反りの変化を示す図。本発明の実施例３に係る図１のＡ−Ａ線に沿う半導体装置の断面図。本発明の実施例３に係る半導体装置の反りの変化を示す図。本発明の実施例４に係る半導体装置を示す平面図。図１０のＢ−Ｂ線に沿う半導体装置の断面図。

符号の説明

１、１ａ半導体装置
２金属ベース
３絶縁基板
４下部電極
５鉛フリーはんだ膜
６ａ、６ｂ半導体素子
７上部電極
８電極
９ボンディングワイヤ
１１メッキ膜
１２ソルダーレジスト膜
１３マウント膜
１４樹脂粒子
１５Ｓｎ−Ｐｂはんだ膜
１６銀ナノ粒子

Claims

第１主面に上部電極が設けられ、前記第１主面と相対向する第２主面に下部電極が設けられた絶縁基板と、
前記上部電極の第１主面に設けられ、前記上部電極と電気的に接続された半導体素子と、
前記下部電極と金属ベースの間に設けられ、樹脂粒子及び金属ナノ粒子が混入された錫−鉛共晶はんだよりも溶融温度の高い鉛フリーはんだ膜と、
を具備することを特徴とする半導体装置。
前記鉛フリーはんだ膜は、錫−銅共晶はんだ或いは錫−銀共晶はんだであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。