JP4171355B2 - Molded power device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(以下IGBTと記す)などの半導体素子を備える半導体チップを樹脂モールドしたモールド型半導体装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、半導体素子が形成された半導体チップを樹脂にて封止した半導体パッケージが提案されている(特許文献1参照)。図5に、この従来の半導体パッケージ36を示す。
【0003】
半導体パッケージ36は、半導体基板上にIGBTを備えた半導体チップ37と、IGBTのコレクタ電極に接続される下側ヒートシンク38と、IGBTのエミッタ電極に接続される上側ヒートシンク39と、半導体装置37の上面に設置された内部ヒートシンク40とを備えて構成されている。各部材は、はんだ41を介して電気的に接続されている。また、半導体チップ37のゲート電極とリードフレーム42とが、ゲートワイヤ43を介して接続されている。そして、下側および上側ヒートシンク38、39のそれぞれの片面とリードフレーム42の一部が露出するように樹脂44にて封止され、半導体パッケージ36が形成されている。
【0004】
【特許文献1】
特開2003−110064号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上述した半導体パッケージ36は、各部材を型内に設置したのち、溶かした樹脂44をその型に流し込むことで形成される。このとき、樹脂44が180℃とされることから、樹脂44の熱により、半導体パッケージ36を構成する各部材が高温になる。このとき、各部材の線膨張係数の差によって応力が発生するが、各部材を接合しているはんだ41によりその応力が吸収される。
【0006】
しかしながら、線膨張係数の差によって発生した応力が大きい場合、はんだ41がその応力を吸収しきれなくなり、この応力がIGBTのエミッタ電極やIGBTが形成された半導体基板に印加されることになる。そして、エミッタ電極や半導体基板がこの応力を受けると、エミッタ電極の電極材料となるAl層にクラックが入り、エミッタ電極が半導体基板からはく離するという問題が生じる。このような場合、IGBTが動作しなくなったり、動作したとしても、剥離箇所でのギャップにより熱伝導が良好に行われなくなり、放出されるはずの熱がIGBTから放出されず、IGBTが破壊されたりするという問題も生じる。
【0007】
また、当該半導体パッケージ36の実際の使用時においては、半導体素子の動作によって高温になったり、使用雰囲気の温度変動によって低温にさらされたりするため、当該半導体パッケージ36には大きな熱サイクルが印加される。この熱サイクルによっても同様に電極部には応力、あるいは歪みが生じ、前述と同様、電極の剥離、ひいてはIGBTの動作不良や破壊に至るという問題も懸念される。
【0008】
また、近年では、鉛フリーはんだなどの硬い材質のはんだが用いられるようになっている。このような硬いはんだを使用した場合、上記した問題がより生じ易くなる。
【0009】
本発明は上記点に鑑みて、さまざまな熱変化によって生じる応力により半導体素子が破壊されることを防止できるモールド型半導体装置を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するべく、本発明者らは、モールド型パワーデバイス(モールド型半導体装置)における半導体チップの電極材料と、この電極材料に接続されるはんだの材料との関係に着目した。その結果、半導体チップの電極材料とはんだの材料それぞれの降伏応力の関係において、はんだの材料の方が半導体チップの電極材料よりも降伏応力が小さくなるようにすることで、熱サイクルによって生じる応力をはんだによって吸収でき、電極材料にクラックが生じることを防止できるという効果を得られることが確認された。
【0011】
より詳しくは、半導体チップの電極材料が多層構造で構成される場合、はんだの材料の降伏応力が好ましくは多層構造を構成する各層の電極材料よりも小さく、少なくともの半導体チップに接続される下層側の電極材料よりも小さくなっていれば、上記した効果を得られることが分かった。
【0012】
また、半導体チップの電極材料には様々な種類があり、その種類毎に降伏応力が異なるが、半導体チップの電極材料として選択されたものの降伏応力に対して、はんだの材料の降伏応力が小さければ、上記した効果が得られることも確認している。すなわち、半導体チップの電極材料として、例えばAl層とNi層とAu層という3層構造が採用された場合、半導体チップに直接接続される最下層がAl層となる。このため、比較的降伏応力が小さいAl層よりも更にはんだの材料の降伏応力が小さくなっていることが要求される。また、半導体チップの電極材料として、例えばCu層とNi層とAu層という3層構造とされた場合、半導体チップに直接接続される最下層がCu層となる。この場合、比較的降伏応力が大きなCu層よりもはんだの材料の降伏応力が小さくなっていれば良いため、はんだの材料の選択肢が広がることになる。
【0013】
なお、ここでいう降伏応力とは、降伏現象、つまり、材料に負荷される応力が弾性限界を超えてある値に達すると応力の増加がほとんどないまま急激に塑性歪みが発生するという現象を引き起こすのに必要な応力を指す。一般的に、降伏に伴い応力が極大を示す場合には、極大点の応力が降伏応力とされるが、極大が明瞭に現われないような場合、0.2%の永久歪みを生じる応力(0.2%耐力)が実用的に降伏応力として扱われる。本明細書中においては、はんだや電極材料等の金属が明瞭に極大が現われない場合の一例であることから、0.2%耐力が降伏応力と定義されるものとして説明している。
【0014】
以上のような検討結果に基づき、請求項1に記載の発明では、半導体素子が形成された半導体チップ(1)の表面に金属層(13)およびPbフリーはんだ(14)を介して金属部材(24)が接合されてなるモールド型パワーデバイスにおいて、Pbフリーはんだの降伏応力を、金属層の降伏応力よりも小さくしたことを特徴としている。
【0015】
このように、金属層よりも降伏応力が小さいはんだ材料で金属層に接続されるPbフリーはんだを構成することで、熱サイクルによって生じる応力をPbフリーはんだによって吸収でき、電極材料にクラックが生じることを防止できる。請求項1に示すように、PbフリーはんだをSn−Cu−Niの3元系のはんだ材料で構成すれば、金属層よりも降伏応力を小さくすることが可能となる。
【0016】
請求項1に記載の発明では、金属層は、半導体素子の表面に形成され、半導体素子と電気的接続がなされる第1金属層(13a)を有しており、Pbフリーはんだの降伏応力を、少なくとも第1金属層の降伏応力よりも小さくしたことを特徴としている。このように、Pbフリーはんだの降伏応力が半導体素子と電気的接続がなされる第1金属層の金属材料の降伏応力よりも小さくなっていれば、上記の効果を得ることができる。
【0017】
請求項1に示すように、金属層は、第1、第2金属層を含む多層金属層で構成され、第1金属層はAlを含む金属材料で、第2金属層はNiを含む金属材料で構成される。この場合にも、Pbフリーはんだの降伏応力が第1金属層よりも小さければ良い。
【0018】
請求項1に記載の発明では、Al層の厚みは、少なくとも2μmとされていることを特徴としている。このように、Al層の厚みを2μm以上とすることにより、応力による歪みの影響により半導体基板自体に亀裂が生じることを防止することができる。
【0020】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【0021】
【発明の実施の形態】
(第1実施形態)
図1は、本発明の一実施形態が適用された半導体チップ1の断面構造を示す図である。また、図2は、半導体チップ1が樹脂モールドされたモールド型パワーデバイスの断面構造を示す図である。以下、これらの図に基づいて半導体チップ1およびモールド型パワーデバイスの構成について説明する。
【0022】
半導体チップ1は、p+型基板2の主表面上にn-型ドリフト層3を形成した半導体基板を用いて形成されたものであり、半導体チップ1は、セル部と、セル部の外周に形成された外周耐圧部とが備えられた構成となっている。
【0023】
セル部には、多数のIGBTが形成されている。n-型ドリフト層3の表層部にはp型ベース層4が形成され、p型ベース層4の表層部にはn+型ソース層6が形成されている。これら、n+型ソース層6とp型ベース層4とを貫通してn-型ドリフト層3に達するようにトレンチ7が形成され、このトレンチ7の内壁表面にゲート絶縁膜8とゲート層9とが順に形成され、これらトレンチ7、ゲート絶縁膜8、ゲート層9からなるトレンチゲート構造が構成されている。また、n+型ソース層6の一部とトレンチゲート構造とが絶縁膜12aにて覆われている。p+型基板2の裏面には、当該裏面と接するようにコレクタ電極18が形成されている。
【0024】
さらに、IGBTの表面にエミッタ電極13が形成されている。このエミッタ電極13は、例えばAl−Si−Cu等のAlを主成分とするAl合金からなる第1金属層13aと、Niからなる第2金属層13bと、Auからなる第3金属層13cとを有した多層金属層から構成されている。このエミッタ電極13における第3金属層13cの表面にPbフリーのはんだ14が接続された構成となっている。なお、図1においてエミッタ電極13は、便宜上はんだ14を溶融する前の状態で示している。
【0025】
第1金属層13aは、複数のトレンチゲート構造上にまたがるように形成され、p型ベース層4とn+型ソース層6に接するように形成され、多数のIGBTを共通に接続している。この第1金属層13aは、例えばスパッタリングにより形成され、膜厚が約2μm以上とされている。これは、第1金属層13aが2μm未満になると、応力による歪みの影響が第1金属層13aではなく半導体基板そのものに作用してしまうからである。このため、応力による歪みの影響によって半導体基板自体に亀裂が生じたりすることを防止するために、第1金属膜13aを上記の膜厚に設定している。第1金属層13aは、上述したようにAl合金で構成されており、材質としての降伏応力がはんだ14よりも高いものとなっている。
【0026】
第2金属層13bは、第1金属層13aを構成する金属と第3金属層13cの双方と接合性が良好なNiで構成され、例えば、湿式プロセス、具体的には湿式無電解メッキにより5μm程度の膜厚で形成されている。この第2金属層13bを構成するNiは、はんだ14と比べて硬い材料であり、その降伏応力もはんだ14よりも高いものとなっている。
【0027】
第3金属層13cは、Niの酸化を抑制してはんだ14の濡れ性が良好となるように、例えばめっき形成されたAuで構成されている。この第3金属層13cは、例えば0.1μm程度の膜厚とされているが、はんだ14が溶融してはんだのSnと第2金属層13bのNiが合金層を形成する際に散逸してしまい、ほとんど厚みが残らない場合もある。この第3金属層13cを構成するAuは、柔らかい材料であるが、第1、第2金属層13a、13bと比べて非常に薄く、またはんだ溶融後にはほとんど層状に存在していないため、線膨張係数の相違に基づいて生じる応力による歪みの影響を考える上では、考慮に入れる必要はない。
【0028】
はんだ14は、Sn−Cu−Niの3元系はんだ材で構成されており、その組成は、例えば、Cuが0.5〜2.0重量%程度、Niが0.05〜0.1重量%程度、Snが残部、および微量な混入成分からなっている。このような組成比で構成されたはんだ14は、降伏応力が小さく、具体的には第1金属層13aよりも小さくなる。
【0029】
図3に、素子電極材となる第1金属層13aの材料と本実施形態に示されるはんだ14および従来の代表的なPbフリーはんだ材それぞれの温度(℃)と降伏応力[MPa]との関係を示す。ただし、この図は、各材料を同一の形態で、−40〜150℃の温度域において、比較評価した一例である。サンプル形状は一般的な引張試験やねじり試験に用いられる形状等を参照すればよい。なお、ここでいう従来の代表的なPbフリーはんだ材とは、Sn−Ag−Cuの3元系はんだ材を指している。
【0030】
この図から分かるように、第1金属層13aの材料とはんだ14の材料それぞれの降伏応力の関係は、モールド型パワーデバイスが使用され得るあらゆる温度域において、第1金属層13aの方がはんだ14よりも大きくなっている。本実施形態では、このような材質を用いてはんだ14を形成している。
【0031】
このような材質を用いてはんだ14を形成した場合に、半導体基板表面近傍でどの程度の大きさのせん断応力が発生するかを調べてみた。具体的には、第1金属層13aとしてAl−Si−Cuを用い、モールド型パワーデバイスが使用され得る温度域において第1金属層13aよりも降伏応力が小さくなるSn−Cu−Niの3元系はんだ材ではんだ14を形成した場合と、モールド型パワーデバイスが使用され得る温度域の一部において第1金属層13aよりも降伏応力が小さくなるSn−Ag−Cuの3元系はんだ材ではんだ14を形成した場合、それぞれで半導体基板表面近傍で生じるせん断応力を比較してみた。その結果を図4に示す。
【0032】
この図に示されるように、Sn−Cu−Niの3元系はんだ材ではんだ14を形成した場合には、Sn−Ag−Cuの3元系はんだ材を用いた場合と比べて、せん断応力が小さくなっていることが分かる。このように、本実施形態では、第1金属層13aとしてAl合金を用いた場合において、モールド型デバイスが使用され得る温度域において第1金属層13aよりも降伏応力が小さくなるSn−Cu−Niの3元系はんだ材ではんだ14を形成している。このため、半導体基板表面近傍に生じるせん断応力も小さなものとなっている。
【0033】
一方、外周耐圧部には、n-型ドリフト層3の表層部に形成されたp型層5と、LOCOS酸化膜11および絶縁膜12bを介して、p型層5の上に形成されたフィールドプレートとしての第1の電極15とが備えられている。また、n-型ドリフト層3の表層部に形成されたn+型層10と、このn+型層10と接するように形成された最外周リングとしての第2の電極16が備えられている。これら第1、第2の電極15、16により、半導体チップ1にサージが印加されたときにIGBT内部に発生する電界集中を緩和させ、電界強度を低下させられるようになっている。そして、第1、第2の電極15、16を覆うパッシベーション膜17が形成され、外周耐圧部の表面が保護されている。
【0034】
このように構成された半導体チップ1が樹脂部20にて封止されて、図2に示す半導体パッケージ21が形成されている。
【0035】
図2に示されるように、半導体パッケージ21は、半導体チップ1と共に、下側ヒートシンク22、上側ヒートシンク23、内部ヒートシンク24、ゲートワイヤ25およびリード端子26が樹脂部20に封止された構成となっている。半導体チップ1に形成されたIGBTのゲート電極パッドとリード端子26とがゲートワイヤ25を介してワイヤボンディングされ、リード端子26の一部が樹脂部20から露出させられている。これにより、リード端子26を介して、外部からIGBTにゲート駆動電圧を印加できるようになっている。なお、ゲート電極パッドも、エミッタ電極部13と同様、下層側からAl合金層、Niメッキ層、Auメッキ層からなり、各トレンチゲート構造のゲート層9に接続している。Au層は上記の如く約0.1μm(0.2μm以下)であり、Alワイヤからなるゲートワイヤ25とのボンディング性も良好である。
【0036】
また、下側ヒートシンク22の上面と半導体チップ1の下面との間がはんだ27により、半導体チップ1の上面と内部ヒートシンク24の下面との間がはんだ14により、さらに、内部ヒートシンク24の上面と上側ヒートシンク23の下面との間がはんだ28により、それぞれ電気的に接続されている。このため、半導体チップ1に形成されたIGBTのエミッタ電極13は内部ヒートシンク24および上側ヒートシンク23を介して、また、IGBTのコレクタ電極18は下側ヒートシンク22を介して外部と電気的に接続できるようになっている。
【0037】
下側および上側ヒートシンク22、23は、それぞれIGBTのコレクタ電極18およびエミッタ電極13を通じて伝わってくる熱を逃がすと共に、IGBTの電流経路を構成するものであり、熱伝導性が良く、電気抵抗が低いCuなどで構成されている。これら下側および上側ヒートシンク22、23は共に、一面が樹脂部20から露出させられ、半導体チップ1から発せられる熱を放出し易くした構成とされている。
【0038】
内部ヒートシンク24は半導体チップ1のエミッタ電極16から伝わってくる熱を上側ヒートシンク23側へ逃がすと共に、エミッタ電極13と上側ヒートシンク23との電気的接続を図るものであり、例えばCuなどで構成される。
【0039】
このように構成されたモールド型パワーデバイスにおいては、上述したように、半導体チップ1に形成されたIGBTとの電気的接合を行うためのはんだ14が第1金属層13aよりも降伏応力が小さなSn−Cu−Niの3元系はんだ材で構成されている。このため、半導体基板表面近傍に発生し得るせん断応力も小さなものとなり、半導体チップ1を樹脂部20にて封止したとしても、第1金属層13aにクラックが発生することを防止することができる。したがって、エミッタ電極13の剥離やIGBTの破壊を防止することができる。また、IGBTの表面が破壊されることによって引き起こされる不具合、例えば電流が流れなくなったり、熱の流れが止まるなどによって素子そのものが破壊されたりすることも防止することができる。
【0040】
参考として、−40℃〜125℃の加熱冷却を3000サイクル繰り返すという液相冷熱サイクル試験により、本実施形態のようにSn−Cu−Niの3元系はんだ材ではんだ14を形成した場合とSn−Ag−Cuの3元系はんだ材を用いた場合、それぞれの場合における半導体基板表面近傍の様子を調べた。その結果、Sn−Ag−Cuの3元系はんだ材を用いた場合には、IGBTの表面に形成される電極層にクラックが発生してIGBTが破壊されていた。これに対し、本実施形態のようにSn−Cu−Niの3元系はんだ材を用いた場合には、IGBTの表面に形成される第1電極層13aにクラックが発生せず、IGBTも全く破壊されていなかった。この結果からも、本実施形態の構成を採用することで、エミッタ電極13の剥離やIGBTの破壊を防止できるといえる。
【0041】
(他の実施形態)
上記第1実施形態では、第1金属層13aをAl−Si−CuからなるAlを主成分とするAl合金で構成した場合において、それよりも降伏応力が小さくなる材質であるSn−Cu−Niではんだ14を形成する場合について説明している。Al合金としてはAl-Cu、Al−Siもしくは他の添加元素を含むものが採用可能である。また純Alを採用してもよい。要は、はんだ14の材質の降伏応力が半導体素子と電気的に接続される第1金属層13aの材質よりも小さくなればよく、第1金属層13aとはんだ14とは他の組み合わせも適用可能である。
【0042】
例えば、第1金属層13aがAlを主成分とする金属材料で構成される場合、はんだ14をSn−CuやSn−Niの2元系の金属材料またはSn−Cu−Niの3元系の金属材料で構成することが可能である。
【0043】
また、上記実施例では、第1金属層13aを直接半導体基板(Si)に接触する電極層として説明するものであったが、バリアメタルをAl合金とSiとの間に挿入してエミッタ電極を構成する場合もある。その場合も本発明は適用可能である。すなわち、エミッタ電極を構成する全ての積層金属膜の何れよりも降伏応力が小さくなる材質をはんだ材料に選ぶようにすればよい。
【0044】
また、第1金属層13aはAlを主成分とする金属材料に限定されるものでもない。第1金属層13aがCuを主成分とする金属材料で構成される場合には、はんだ14をSn−Agの2元系の金属材料またはSn−Ag−Cuの3元系の金属材料で構成することも可能である。
【0045】
また、半導体素子としてIGBTを例に挙げて説明したが、他の半導体素子についても適用可能である。例えば、縦型MOSFET、ダイオードやバイポーラトランジスタに対しても本発明を適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態が適用された半導体チップの断面構成を示す図である。
【図2】図1に示す半導体チップを樹脂封止したモールド型パワーデバイスの断面構成を示す図である。
【図3】第1電極層を構成する金属材料とSn−Ag−Cuのはんだ材およびSn−Cu−Niのはんだ材との温度と降伏応力の関係を示した図である。
【図4】Sn−Ag−Cuのはんだ材とSn−Cu−Niのはんだ材それぞれにおける半導体基板表面近傍に発生するせん断応力を調べた結果を示す図である。
【図5】従来のモールド型パッケージの断面構成を示した図である。
【符号の説明】
1…半導体チップ、2…p+型基板、3…n-型ドリフト層、
13…エミッタ電極、13a…第1金属層、13b…第2金属層、
13c…第3金属層、14…はんだ、20…樹脂部、
21…モールド型パワーデバイス、22…下側ヒートシンク、
23…上側ヒートシンク、24…内部ヒートシンク。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a molded semiconductor device in which a semiconductor chip including a semiconductor element such as an insulated gate bipolar transistor (hereinafter referred to as IGBT) is resin-molded.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a semiconductor package in which a semiconductor chip on which a semiconductor element is formed is sealed with a resin has been proposed (see Patent Document 1). FIG. 5 shows this
[0003]
The
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2003-110064
[Problems to be solved by the invention]
The
[0006]
However, when the stress generated by the difference in linear expansion coefficient is large, the
[0007]
Further, when the
[0008]
In recent years, a hard material solder such as lead-free solder has been used. When such a hard solder is used, the above-described problem is more likely to occur.
[0009]
An object of the present invention is to provide a mold type semiconductor device capable of preventing a semiconductor element from being destroyed by stresses caused by various thermal changes.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present inventors paid attention to the relationship between the electrode material of the semiconductor chip in the mold type power device (mold type semiconductor device) and the solder material connected to the electrode material. As a result, in the relationship between the yield stress of each of the semiconductor chip electrode material and the solder material, the stress generated by the thermal cycle is reduced by making the solder material have a smaller yield stress than the semiconductor chip electrode material. It was confirmed that the effect of being able to be absorbed by the solder and preventing the electrode material from cracking can be obtained.
[0011]
More specifically, when the electrode material of the semiconductor chip has a multi-layer structure, the yield stress of the solder material is preferably smaller than the electrode material of each layer constituting the multi-layer structure, and the lower layer side connected to at least the semiconductor chip It was found that the effects described above can be obtained if the electrode material is smaller than the above electrode material.
[0012]
In addition, there are various types of semiconductor chip electrode materials, and the yield stress varies depending on the type, but if the yield stress of the solder material is small compared to the yield stress of the semiconductor chip electrode material selected. It has also been confirmed that the effects described above can be obtained. That is, for example, when a three-layer structure of an Al layer, a Ni layer, and an Au layer is employed as the electrode material of the semiconductor chip, the lowermost layer directly connected to the semiconductor chip is the Al layer. For this reason, the yield stress of the solder material is required to be smaller than that of the Al layer having a relatively low yield stress. Further, when the electrode material of the semiconductor chip has a three-layer structure of a Cu layer, an Ni layer, and an Au layer, for example, the lowermost layer directly connected to the semiconductor chip is the Cu layer. In this case, since it is sufficient that the yield stress of the solder material is smaller than that of the Cu layer having a relatively large yield stress, options for the solder material are expanded.
[0013]
The yield stress here refers to the yield phenomenon, that is, when the stress applied to the material reaches a certain value exceeding the elastic limit, it causes a phenomenon in which plastic strain occurs suddenly with almost no increase in stress. It refers to the stress required for Generally, when the stress shows a maximum accompanying yield, the stress at the maximum point is regarded as the yield stress. However, when the maximum does not appear clearly, a stress (0) that causes a permanent strain of 0.2%. .2% yield strength) is practically treated as yield stress. In the present specification, it is an example in which a metal such as solder or electrode material does not clearly show a maximum, and therefore, 0.2% proof stress is defined as a yield stress.
[0014]
Based on the above examination results, in the invention according to
[0015]
In this way, by configuring the Pb-free solder connected to the metal layer with a solder material whose yield stress is smaller than that of the metal layer, the stress generated by the thermal cycle can be absorbed by the Pb-free solder, and the electrode material is cracked. Can be prevented. As shown in
[0016]
In the first aspect of the present invention, the metal layer has the first metal layer (13a) formed on the surface of the semiconductor element and electrically connected to the semiconductor element, and the yield stress of the Pb-free solder is reduced. , At least smaller than the yield stress of the first metal layer. As described above, if the yield stress of the Pb-free solder is smaller than the yield stress of the metal material of the first metal layer that is electrically connected to the semiconductor element, the above effect can be obtained.
[0017]
According to another aspect of the present invention, the metal layer is composed of a multilayer metal layer including first and second metal layers , the first metal layer is a metal material containing Al, and the second metal layer is a metal material containing Ni. in Ru it is configured. Also in this case, it is sufficient that the yield stress of the Pb-free solder is smaller than that of the first metal layer.
[0018]
The invention according to
[0020]
In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing a cross-sectional structure of a
[0022]
The
[0023]
A number of IGBTs are formed in the cell portion. A p-type base layer 4 is formed on the surface layer portion of the n − -type drift layer 3, and an n + -
[0024]
Further, an
[0025]
The
[0026]
The
[0027]
The
[0028]
The
[0029]
FIG. 3 shows the relationship between the temperature (° C.) and the yield stress [MPa] of the material of the
[0030]
As can be seen from this figure, the relationship between the yield stress of the material of the
[0031]
When the
[0032]
As shown in this figure, when the
[0033]
On the other hand, a field formed on the p-
[0034]
The
[0035]
As shown in FIG. 2, the
[0036]
Also, the space between the upper surface of the
[0037]
The lower and
[0038]
The
[0039]
In the mold type power device configured as described above, as described above, the
[0040]
As a reference, when the
[0041]
(Other embodiments)
In the first embodiment, in the case where the
[0042]
For example, when the
[0043]
In the above embodiment, the
[0044]
The
[0045]
Moreover, although IGBT was mentioned as an example as a semiconductor element, it is applicable also to another semiconductor element. For example, the present invention can be applied to a vertical MOSFET, a diode, or a bipolar transistor.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a cross-sectional configuration of a semiconductor chip to which a first embodiment of the present invention is applied.
FIG. 2 is a view showing a cross-sectional configuration of a mold type power device in which the semiconductor chip shown in FIG. 1 is sealed with resin.
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the temperature and the yield stress of a metal material constituting a first electrode layer, a Sn—Ag—Cu solder material, and a Sn—Cu—Ni solder material.
FIG. 4 is a diagram showing a result of examining a shear stress generated in the vicinity of the surface of a semiconductor substrate in each of a Sn—Ag—Cu solder material and a Sn—Cu—Ni solder material.
FIG. 5 is a diagram showing a cross-sectional configuration of a conventional mold type package.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
13 ... Emitter electrode, 13a ... First metal layer, 13b ... Second metal layer,
13c ... 3rd metal layer, 14 ... Solder, 20 ... Resin part,
21 ... Mold type power device, 22 ... Lower heat sink,
23 ... Upper heat sink, 24 ... Internal heat sink.
Claims (1)
前記金属層は、前記半導体素子の表面に形成され前記半導体素子と電気的接続がなされる第1金属層(13a)と、前記第1金属層の上に該第1金属層と異なる金属材料で構成された第2金属層(13b)とを有した多層金属層であって、
前記第1金属層はAlを含む金属材料であり厚みが少なくとも2μmとして構成され、第2金属層はNiを含む金属材料で構成されているとともに、
前記Pbフリーはんだは、Sn−Cu−Niの3元系のはんだ材料で構成されることにより、
−40〜150℃の温度域において、前記Pbフリーはんだの降伏応力を前記第1金属層の降伏応力よりも小さくしたことを特徴とするモールド型パワーデバイス。In a molded power device in which a metal member (24) is joined to a surface of a semiconductor chip (1) on which a semiconductor element is formed via a metal layer (13) and Pb-free solder (14),
The metal layer includes a first metal layer (13a) formed on a surface of the semiconductor element and electrically connected to the semiconductor element, and a metal material different from the first metal layer on the first metal layer. A multilayer metal layer having a second metal layer (13b) configured,
The first metal layer is a metal material containing Al and has a thickness of at least 2 μm, the second metal layer is made of a metal material containing Ni,
The Pb-free solder is composed of Sn—Cu—Ni ternary solder material,
A mold type power device , wherein a yield stress of the Pb-free solder is made smaller than a yield stress of the first metal layer in a temperature range of -40 to 150 ° C.
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