JP3972821B2 - 電力用半導体装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒートシンク上に絶縁基板を介し半導体素子を戴置し周囲を樹脂でモールドした電力用半導体装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来このような半導体装置においては、装置の実装を容易にするために、半導体素子及び電極は、半導体素子から発生する熱を放散させるためのヒートシンクと絶縁基材を介し電気的に絶縁されるよう構成されている。半導体素子にはシリコン、ヒートシンクには熱伝導率の高いアルミニウム又は銅のような金属、絶縁基材にはアルミナ又は窒化アルミニウムのようなセラミックスが一般的に使用され、それぞれはんだ等の固着材により固着されている。周囲をモールドしている樹脂には一般的にエポキシ樹脂が使用される。
【0003】
ところが、上記構成によれば、モールド樹脂の熱膨張率と絶縁基材の熱伝導率が整合されていないために、上記半導体装置に稼動時や休止時に伴う熱ストレスが繰り返し印加されることにより、両者の接合界面に過大な応力が発生し、それがはんだ付け部分の熱疲労破壊を引き起こす。これにより製品寿命に至るヒートサイクル繰返し回数、すなわち半導体装置のヒートサイクル寿命が短くなる。
【0004】
このような課題を解決するため特許文献1においては、その図11に示されるような構成を有する半導体装置を提案している。この図11に示される半導体装置は、金属板(ヒートシンク)1の主面に絶縁層2を介して、配線層3が選択形成された基板10上にIGBT素子21aとダイオード素子21bと端子24とが配線層3上に、Sn−5wt%Sb材からなる固着材25により、導電的及び機械的に固着されている。また、各素子と配線層間には、直径300μmのアルミニウムの金属線26によるボンディングが施されている。これらの搭載部品や基板10は、線膨張率16ppm/℃のエポキシ樹脂からなるモールド樹脂30によって、トランスファーモールドされて気密封止されている。
【0005】
【特許文献1】
特開平10−135377号公報 (第8−9頁、図11)
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献1では線膨張率が適切に選択されたモールド樹脂を使用することにより、固着材への歪を軽減させているが、モールド樹脂の線膨張率を限定しているためより安価な樹脂の採用を制限している。さらに、全ての構成部品をトランスファーモールドにより樹脂で被覆しているために、歪みの軽減効果が不十分であった。特に本先行例のように、固着材として鉛を含有しないはんだ、すなわち鉛フリーはんだを使用した場合、従来の鉛含有はんだを使用した場合と比較して、はんだへの歪が同等ならば、ヒートサイクル寿命が1/3から1/5と短くなるため、信頼性の大幅な低下が予想される。
【0007】
一方、鉛フリーはんだを用いた場合で、同等のヒートサイクル寿命を確保するためには、はんだにおける歪εを従来の鉛含有はんだを用いた場合の約45〜60%に低減させる必要がある。この鉛フリーはんだの歪εを低減させるため、はんだの厚みを厚くする、ヒートシンク材に線膨張率の低い材料を使用する、ヒートシンクの厚みを薄くする、絶縁基材の厚みを薄くする等の対策が考えられるが、いずれも、熱抵抗の増大、コスト高、ヒートシンクのそりの増大、絶縁基材のクラック発生等の弊害が生じ、結局はんだ歪εを従来の鉛含有はんだの場合の約45〜60%に低減させることができなかった。
【0008】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、固着材に鉛フリーはんだを使用した場合でも、従来の鉛含有はんだの場合と同等以上の耐ヒートサイクル性を確保することのできる半導体装置を提供しようとするものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
第1の発明に係る半導体装置は、ヒートシンクと、前記ヒートシンク上に戴置され、2つの平行な表面を有する絶縁基材と、その一方の表面上に存在する回路パターンと、他方の表面上に存在する裏面パターンとから構成される絶縁基板と、前記裏面パターンと前記ヒートシンクとを接合している基板下はんだと、前記絶縁基板の上に戴置され、2つの平行な表面を有する少なくとも1つの半導体素子と、前記半導体素子の一方の表面と前記回路パターンとを接合している半導体素子下はんだと、前記ヒートシンク上で前記絶縁基板の周囲に形成され、前記ヒートシンクよりの高さが前記絶縁基材の一方の表面の高さ以上で、かつ前記半導体素子の他方の表面の高さ以下であるエポキシ樹脂からなるモールド樹脂と、を備える。
【0010】
第2の発明に係る半導体装置は、第1の発明の装置において、絶縁基材は周辺部に少なくとも1つの突起又は窪みを有することとしたものである。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下添付の図面を参照して、本発明に係る半導体装置の実施の形態を詳細に説明する。以下に説明する本発明に係る半導体装置は、複数の半導体素子を、目的の用途に適した回路構成となるように金属端子及び金属細線により接続し、同一パッケージ内に収めたものである。
【0012】
実施の形態1.
図1に実施の形態1の半導体装置の構成を示す。図1は半導体装置の要部の断面図である。実動作時の装置の発熱を効率よく外部に放散させるためのヒートシンク1は銅を材料としている。
【0013】
ヒートシンク1の上には絶縁基板2が戴置されている。絶縁基板2は、絶縁基材3,回路パターン4及び裏面パターン5で構成されている。絶縁基材3の材料には、良好な絶縁特性と熱伝導特性を兼ね備えた窒化アルミニウム(AlN)が使用されている。絶縁基材3の一方の表面には導電性材料からなる回路パターン4が、他方の表面には同じく裏面パターン5が一体で形成されている。
【0014】
絶縁基板2はその裏面パターン5を介して基板下はんだ7によりヒートシンク1に固着されている。半導体素子6は、回路パターン4を介して半導体素子下はんだ8により絶縁基板2上に固着されている。これら基板下はんだ7及び半導体素子下はんだ8には、環境に配慮して鉛フリーはんだが使用されている。ヒートシンク1の周辺には、半導体素子6を外部に電気的接続するための電極端子11を一体成型した樹脂製の外囲器10が、接着剤12により固着されている。電極端子11と半導体素子6とはアルミワイヤ9により電気的に接続されている。
【0015】
外囲器10内部の絶縁基板2の周囲には、線膨張率(α)が約16〜22ppm/K、弾性率が約8.5〜13GPaのエポキシ樹脂からなるモールド樹脂14が絶縁基板の表面近くまで充填されており、その上に配置される樹脂製の蓋15との間の空間にはシリコーンゲル13が充填されている。
【0016】
従来例では、製品寿命に至るまでの熱サイクルの繰返しにおいて、絶縁基材3の材料である窒化アルミニウムの線膨張率7〜8ppm/Kと、ヒートシンク1の材料である銅の線膨張率16〜17ppm/Kとの不整合により基板下はんだ7にクラックが発生していた。基板下はんだに鉛フリーはんだを使用した場合は、前述した如く、更にはんだ疲労が加速され、早期にクラックが発生するが、本実施例の構造においては、熱サイクル時における基板下はんだの歪が従来比で約30%程度に低減されることが、以下に述べる表1の解析結果から判明した。
【0017】
【表1】
【0018】
表1は、温度を一様に82.5K上昇させた場合の、ヒートシンクからのモールド樹脂の充填高さをパラメータとして、本実施の形態の半導体装置の基板下はんだの歪εを有限要素法により解析した結果である。ここでは、モールド樹脂の弾性率Eは12.8GPa、線膨張率αは20.1ppm/Kとした。これによれば、モールド樹脂の充填高さは、絶縁基材3の上表面の高さ以上でかつ半導体素子6の上表面の高さ以下が望ましいことがわかる。
【0019】
図2は、製品寿命に至るヒートサイクル回数(N)と基板下はんだ歪との関係を、鉛含有はんだと鉛フリーはんだとのそれぞれについて示したグラフである。このグラフによれば、同じ基板下はんだ歪量であれば、鉛フリーはんだの場合の製品寿命に至るヒートサイクル回数N1は、鉛含有はんだの場合の製品寿命に至るヒートサイクル回数N2の約1/5になり、同じ製品寿命に至るヒートサイクル回数を実現しようとすれば、鉛フリーはんだの場合の基板下はんだ歪ε1は、鉛含有はんだの場合の基板下はんだ歪ε2の約45%でなければならないことがわかる。
【0020】
したがって、本実施の形態の半導体装置の構成によれば、基板下はんだに鉛フリーはんだを用いても、従来の鉛含有はんだを用いた場合と同等以上の製品寿命が得られることになる。また、半導体素子下はんだ歪も約40%低減しており、半導体素子下はんだについても従来の鉛含有はんだと同等の耐ヒートサイクル性が得られる。
【0021】
実施の形態2.
図3に実施の形態2の半導体装置の構成を示す。図3は半導体装置の要部の断面図であり、主要な部分の構成は図1と同じである。絶縁基板2の周辺に充填されるモールド樹脂14は、ヒートシンク1及び絶縁基材3に対する密着性を保っておかなければ、前述したはんだ歪の低減効果が得られないことが判明している。そこで実施の形態2では、アンカー効果によるモールド樹脂との密着性の向上のため、絶縁基材3の周辺部分に複数の突起4a及び5aが設けられ、ヒートシンク1のモールド樹脂と境を接している面に複数の溝1aが設けられている。
【0022】
図4は実施の形態2の絶縁基材3の周辺部分の上表面にある複数の突起4aを上から眺めた平面図である。突起4aはこのように断続状に複数形成する方が、モールド樹脂注入時の空気の排出を良好にし更に密着性を向上させることができる。
【0023】
複数の突起4aは回路パターン4と同じ材料が使用されており、したがって絶縁基材3表面上の回路パターン4の形成と同時に、複数の突起も形成される。即ち、回路パターン4は、絶縁基材3の表面全面にパターン材料の薄膜を形成し、エッチングにより所望の形状となるように加工されるが、複数の突起4aも、その時に周辺部分の薄膜を残すことで形成できるわけで、複雑な付加加工工程を必要としない。また図示していないが、絶縁基材3の周辺部分の下表面にある複数の突起5aについても上記と同様である。
【0024】
図5は実施の形態2のヒートシンク1のモールド樹脂と境を接している面に形成された複数の溝1aを上から眺めた平面図である。図5は溝1aが連続形状となっており、アンカー効果によりヒートシンク1とモールド樹脂の密着性の向上に寄与する。また複数の溝1aは突起であっても良い。
【0025】
図6は実施の形態2の変形例を示す図で、ヒートシンク1のモールド樹脂と境を接している面に形成された複数の溝1aを上から眺めた平面図で、図5との相違は溝1aが断続形状の窪みとなっている点で、やはりアンカー効果によりヒートシンク1とモールド樹脂の密着性の向上に寄与する。また複数の溝1aは突起であっても良い。
【0026】
実施の形態3.
図7に実施の形態3の半導体装置の構成を示す。図7は半導体装置の要部の断面図であり、主要な部分の構成は実施の形態2と同じである。実施の形態2との相違は、前述したアンカー効果を付与させる他の方法として、絶縁基材3の周辺部分の両面に複数の穴3aが設けたことにある。図8はその絶縁基材3の周辺部分を上から眺めた平面図であり、複数の穴3aが配置されている様子が示されている。図9は絶縁基材3の複数の穴3aが形成されている部分の断面図を示している。この図に示された穴3aはレーザーパルスにより形成された円錐形状の穴である。
【0027】
この場合おける絶縁基板2はレーザーカット方法により作成された基板である。レーザーカット方法とは、絶縁基材3にレーザーパルスを照射し、円錐形状のブレーク穴3bを適切な位置に形成した後、ブレーク穴3bに沿って所望の大きさにブレークする方式のものである。ブレーク面に残されたブレーク穴3bの一部にもアンカー効果はあるが、よりアンカー効果を高めるためにブレーク穴3bの内側に複数の円錐状穴3aを付与させた。このため、円錐状穴3aはブレーク穴3bと同時に形成することができ、複雑な付加加工工程を必要としない。
【0028】
なお、円錐状穴3aの深さはブレーク穴3bの深さの約1/2程度とすると共に、ブレーク穴3bと円錐状穴3aはちどり状に交互に配置させることにより、絶縁基板のブレーク時にブレーク面以外からの折損することを防止し、併せてブレーク穴の密度向上を図っている。また円錐状穴3aは、図10に示されるような絶縁基材3の上表面と下表面に併設の場合でも、又は上表面或いは下表面のいずれかの形成の場合でも、その効果は得られる。
【0029】
なお、これまでの実施の形態の説明では絶縁基材に窒化アルミニウム(AlN)を用いた場合について述べたが、他のセラミックス、例えばアルミナ(Al2O3)、窒化珪素(Si3N4)を用いた場合でも同様の効果が得られることは言うまでもない。ヒートシンク1は銅を材料としているが、他にアルミニウムのように熱伝導率の良い金属を使用することも可能である。
【0030】
【発明の効果】
以上実施の形態について説明したように、モールド樹脂のヒートシンクよりの充填高さを絶縁基材の一方の表面の高さ以上で、かつ前記半導体素子の他方の表面の高さ以下としたため、各はんだに与えられる歪が軽減され、その結果として半導体装置のヒートサイクル寿命が向上するという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態1における半導体装置の要部の断面図
【図2】 はんだ歪と製品寿命に至るヒートサイクル回数の関係を示すグラフ
【図3】 本発明の実施の形態2における半導体装置の要部の断面図
【図4】 本発明の実施の形態2における絶縁基板周辺部の平面図
【図5】 本発明の実施の形態2におけるヒートシンクの平面図
【図6】 本発明の実施の形態2におけるヒートシンクの平面図
【図7】 本発明の実施の形態3における半導体装置の要部の断面図
【図8】 本発明の実施の形態3における絶縁基板周辺部の平面図
【図9】 本発明の実施の形態3における絶縁基板周辺部の断面図
【図10】 本発明の実施の形態3における絶縁基板周辺部の断面図
【符号の説明】
1 ヒートシンク、 2 絶縁基板、 3 絶縁基材、 4 回路パターン、5 裏面パターン、 6 半導体素子、 7 基板下はんだ、 8 半導体素子下はんだ、 9アルミワイヤ、 10 外囲器、 11 電極端子、 12 接着剤、 13 シリコーンゲル、 14モールド樹脂。
Claims (2)
- ヒートシンクと、
前記ヒートシンク上に戴置され、2つの平行な表面を有する絶縁基材の一方の表面上に回路パターンを配設し、他方の表面上に裏面パターンを配設し構成される絶縁基板と、
前記裏面パターンと前記ヒートシンクとを接合している基板下はんだと、
前記絶縁基板の上に戴置され、2つの平行な表面を有する少なくとも1つの半導体素子と、
前記半導体素子の一方の表面と前記回路パターンとを接合している半導体素子下はんだと、
前記ヒートシンク上で前記絶縁基板の周囲に形成され、前記ヒートシンクよりの高さが前記絶縁基材の一方の表面の高さ以上で、かつ前記半導体素子の他方の表面の高さ以下であるエポキシ樹脂からなるモールド樹脂と、
を備える電力用半導体装置。 - 前記絶縁基材は周辺部に少なくとも1つの突起又は窪みを有することを特徴とする請求項1記載の電力用半導体装置。
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