JP4385324B2 - 半導体モジュールおよびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体モジュールおよびその製造方法に関し、より詳細には、１または複数の回路素子を金属ベース基板で挟み込み成形樹脂で封止された半導体モジュールおよびその製造方法に関する。
電源装置に使用される半導体モジュールは、家庭用エアコン、冷蔵庫などの民生機器から、インバータ、サーボコントローラなどの産業機器まで、広範囲に渡って適用されている。半導体モジュールは、消費電力の点から、金属ベース基板やセラミックス基板などの配線板に搭載される。この配線板にパワー半導体などの１または複数の回路素子を搭載し、プラスチックケース枠を接着し、シリコーンゲルやエポキシ樹脂などで封止することによって半導体モジュールを構成する。図２は従来の半導体モジュールの第１例を示したものである。金属ベース基板７ａの上には、パワー半導体２がはんだ接合され、ボンディングワイヤ４ａにより接続されている。金属ベース基板７ａの絶縁層にはＳｉＯ2やＡl２Ｏ３などの無機フィラーが充填されたエポキシ樹脂などからなる樹脂が用いられる。それに、ＰＰＳやＰＢＴなどからなるケース９をシリコーン接着剤で接着し、内側にパワー半導体２や配線パターンを絶縁または塵埃などの汚損から保護するため、シリコーンゲル８をポッテイングする。図３は従来の半導体モジュールの第２例を示したものである。本モジュールは第１例と基本構造は同じであるが、より大容量で発熱が大きいパワー半導体４ａを搭載するために、金属ベース基板より熱抵抗の低いＤＢＣ基板７ａを用いたものである。ＤＢＣ基板７ａの絶縁材にはＡｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４などのセラミックス板が用いられる。
一方、製造コストを低減するために、トランスファー成形方式によるフルモールド半導体モジュールが用いられている（例えば、特許文献１参照）。フルモールド半導体モジュールは、リードフレーム、ヒートシンクを固定的に連結するとともに、電気的絶縁を確保している。図４に、従来のフルモールド型の半導体モジュールとして第３例を示す。リードフレーム１の上には、パワー半導体２、駆動ＩＣ２ｂが実装され、ボンディングワイヤ４ａ、４ｂにより相互に接続されている。これら部品を金型にセットして、成形樹脂５を流し込むことにより、フルモールド半導体モジュールを構成する。図５に従来のフルモールド型の半導体モジュールとして第４例を示す。図４に示したフルモールド半導体モジュールに加えて、ヒートシンク６を設けたものである。さらに、図５に従来のフルモールド型の半導体モジュールとして第５例を示す。金属ベース基板７を用い絶縁層とヒートシンクの２つの機能を兼ねている。
特開平９−１３９４６１公報（段落番号００３８、第１図〉
しかしながら、従来の半導体モジュールは、パワー半導体２により発生した熱のほとんどを下部から放熱する構造となっており、より小型で発熱密度を大きくしたいという要望に対し冷却特性が不十分であるという課題があった。従来の半導体モジュールの第１例ではパワー半導体２より発生した熱は、金属ベース基板７ａを介し、従来の半導体モジュールの第２例ではＤＢＣ基板を介し、従来の半導体モジュールの第３例では３００μｍ程度の薄層に覆った成形樹脂５を介し、従来の半導体モジュールの第４例では成形樹脂５とヒートシンク６を介し、従来の半導体モジュールの第５例では金属ベース基板７を介し、別途取り付けられる放熱用フィンに放熱する。これらの従来の半導体モジュールはいずれも上部がシリコーンゲル８もしくは成形樹脂５で覆われており、厚みも厚くその熱抵抗は高い。したがって、放熱は下部方向のみで行なわれるにすぎない。
そこで、パワー半導体２の上部からも放熱が可能となるように、パワー半導体２の上部電極との電気的接合をＤＢＣ基板７ｂで行なう、すなわち、上下をＤＢＣ基板７ｂで挟み込んだ構造とする半導体モジュールが考案されている。従来の両面冷却方式半導体モジュールの例を図７に示す。本方式によれば上部からも放熱が可能となる。
しかしながら、本方式ははんだ接合部の機械的信頼性が得られない。通常、半導体モジュールは冷熱負荷を想定したヒートサイクル試験、例えば−４０℃と１２５℃の繰り返し温度ストレスを半導体モジュールに加えて、はんだ接合部などの機械的信頼性を検証する。図７に示した構成だと、各構成部材の熱膨張係数が大きく異なるため、はんだ接合部（図７中、はんだを２４で示す）に応力が集中してしまい亀裂が生じてしまう。各部材の熱膨張係数は、ＤＢＣ基板７ｂがＡｌ２Ｏ３の場合６〜６．５×１０６ｐｐｍ、パワー半導体の材料であるシリコンが３．５×１０６ｐｐｍである。したがってヒートサイクル時Ａｌ２Ｏ３の方の伸縮がおおきくなり、その時の熱応力は、はんだ接合部に集中してしまう。はんだはやわらかく弾性があるが、熱応力が繰り返し加わると、例えばＳｎ６３Ｐｂ３７はんだの場合は粒界に微少クラックが生じ最終的には破断してしまう。また、現在環境対策で採用が進められている鉛フリーはんだでは、例えばＳｎ９６．５Ａｇ３．０ＣＵ０．５の場合、その弾性率が５２ＧｐａとＳｎ６３Ｐｂ３７の３８ＧＰａより高くなり、より大きな熱応力がはんだ部に加わるようになり、機械的信頼性を得るのがより難しくなる。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、機械的信頼性に優れ、両面冷却が可能で放熱性に優れた半導体モジュールおよびその製造方法を提供することにある。
このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、ベース金属および前記ベース金属の上の絶縁層を有する上部金属ベース基板および下部金属ベース基板と、前記上部金属ベース基板と前記下部金属ベース基板との間に鉛フリーはんだによりはんだ付けされた１または複数の回路素子と、前記１または複数の回路素子と前記上部金属ベース基板および前記下部金属ベース基板との間の隙間に充填された樹脂とを備える半導体モジュールであって、前記上部金属ベース基板および前記下部金属ベース基板が有する前記絶縁層のヤング率は、５００ＭＰａ〜５ＧＰａの範囲であることを特徴とする。
この構成によれば、回路素子の上部も金属ベース基板に接合されているので、これによって回路素子上部の熱抵抗も下部と同等程度に小さくすることができ、放熱性を向上することができる。
請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記金属ベース基板の外周縁部分が樹脂封止により当該樹脂内に構成されていることを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１において、前記上部および下部金属ベース基板に各々接続されたリード端子が前記樹脂の成形部分の側面より取り出されていることを特徴する。
請求項４に記載の発明は、請求項１において、前記樹脂は、熱伝導率が０．２〜１０Ｗ／ｍ・Ｋであることを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、請求項１において、前記金属ベース基板の絶縁層は、酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素からなるフィラー群の１種類以上を含むことを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、１または複数の回路素子を、ベース金属および前記ベース金属の上の絶縁層を有する上部金属ベース基板および下部金属ベース基板の間にはんだ付けした半導体モジュールを製造する方法であって、前記回路素子に、ウエハー段階で、鉛フリーはんだをコートする第１工程と、前記コート後の回路素子を、前記上部金属ベース基板にはんだ付け接合する第２工程と、前記回路素子が搭載された前記上部金属ベース基板を前記下部金属ベース基板に鉛フリーはんだによりはんだ付け接合する第３工程と、前記第３工程後の前記回路素子と前記上部および下部金属ベース基板との間の隙間を成形樹脂により封止成形する第４工程とを含み、前記上部金属ベース基板および前記下部金属ベース基板が有する前記絶縁層のヤング率は、５００ＭＰａ〜５ＧＰａの範囲であることを特徴とする。
本発明によれば、半導体モジュールの上面にも金属ベース基板が接合され、その絶縁層は低弾性率であるので、はんだ接合部の機械的信頼性に優れた両面冷却が可能な、放熱性に優れた半導体モジュールを製造することができる。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
まず、半導体モジュールの製作方法について説明する。図１に、本発明の実施形態にかかる半導体モジュールの製作方法と構造を示す。最初に、シリコンウエハ状態で所定の半導体回路を形成する（図１（ａ））。ここではパワー半導体であるＩＧＢＴ素子の例を示している。シリコンウエハ２５の上部にはエミッタ用電極２１とゲート用電極２２が形成される。通常、エミッタ用電極２１、ゲート用電極２２はアルミワイヤーボンデイングを施すのでＡｌ−Ｓｉ膜の上にＡｌ膜を数μｍの厚さに形成し用いる。ここでは、はんだをコートするため、はんだ付け用電極をさらに形成する必要がある。Ａｌ電極の上にＴｉ、Ｎｉ、Ａｕをスパッタもしくは蒸着により形成する。または、湿式メッキ法により直接Ｎｉ、Ａｕをコートしてもよい。シリコンウエハ２５下部はコレクタ電極用の裏面電極２３を形成する。通常、スパッタによりシリコンウエハ２５側より、Ｔｉ、Ｎｉ、ＡｕもしくはＴｉ、Ｎｉ、Ａｇなどの膜を形成しはんだ付け用電極とする。
次に、エミッタ用電極２１とゲート用電極２２にはんだ２４を予備コートする（図１（ｂ））。はんだマスクを使い、フラックス入りのクリームはんだをコートしておく。なお、フラックスなしのはんだチップやはんだ球を電極上に載せ、加熱することによりコートしてもよい。この場合、フラックスがないので、水素還元炉内ではんだ付けを行なう。
次に、はんだコートを行なった半導体チップをダイシングし一個ごとのパワー半導体２に分割する（図１（ｃ））。
次に、分割されたパワー半導体２を上部用金属ベース基板７ａに接合する。金属ベース基板７ａは事前に所定の回路パターンを形成しておく。金属ベース基板７ａのベース金属はアルミニウム、銅、鉄からものが好適であり、金属ベース基板７ａの絶縁層は酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素からなるフィラー群の１種類以上を配合した熱硬化性樹脂を用いる（金属ベース基板７ｂも同様である）。熱硬化性樹脂にはエポキシ系樹脂を用いる。ここで、エポキシ樹脂は低弾性化を図るため、エポキシ樹脂の分子構造にシリコーンなどを付与したものや、シリコーン系樹脂を直接配合したもの、または、粒子状のシリコーンゴムもしくはアクリルニトリルゴムを配合したものを用いる。絶縁層の熱伝導率は１．０〜１０Ｗ／ｍ・Ｋのものを用いる。ここで、弾性率（ヤング率）は５００ＭＰａ〜５ＧＰａの範囲に調整する。パターン用銅箔は１８〜７５μｍ程度の厚さのものを用いる。なお、弾性率（ヤング率）を５００ＭＰａ〜５ＧＰａの範囲にすることによって、パワー半導体２との間の熱膨張係数の差によって生じるはんだ接合部への熱応力を効果的に抑えることができる。
上部用金属ベース基板７ａの回路パターンにはクリームはんだを予めコートしておく。所定の回路パターンにパワー半導体２をマウントし、はんだをリフロー炉で加熱・溶融・固化させることにより接合を行なう。この時同時に上部用リードフレーム１ａをはんだ付けする（図１（ｄ））。
次に下部用金属ベース基板７ｃをパワー半導体２を実装した前記金属ベース７ａに接合する。下部用金属ベース基板７ｃには予め下部用リードフレーム１ｂをはんだ付け接合しておく。これを図１（ｅ〉〜（ｆ）に示すように再度はんだ付け接合する。
次に図１（ｆ）に示した部品を、トランスファー成形機に取り付けられた金型にセットする。金型は１７０〜１８０℃程度に保温されており、予熱後にタブレット状のエポキシ樹脂をプランジャーにて金型内に流し込む。エポキシ樹脂は、酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素からなるフィラー群の１種類以上を含むエポキシ樹脂からなり、熱伝導率は０．２〜１０Ｗ／ｍ・Ｋの樹脂を用いる。熱伝導率は０．２〜１０Ｗ／ｍ・Ｋの樹脂を用いることによって、はんだ接合部への熱応力を抑えることに効果的に寄与することができる。
エポキシ樹脂の注入を行なうと数十秒で硬化するので、直ぐに金型から取り出し、恒温槽で後硬化を行なって封止を完了する（図１（ｇ））。これにより図１（ｆ）に示した部品の隙間および外周を成形樹脂５で封止、覆うことができる。
最後に側面から取り出されているリードフレーム１ａ、１ｂにはんだ付けのためにＳｎＰｂやＮｉめっきを施して最後に所定の構造に折り曲げもしくは切断して半導体モジュールを完成させる。
上部用金属ベース基板７ａ、下部用金属ベース基板７ｃの絶縁層は５００Ｍｐａ〜５Ｇｐａの低弾性となっているので、ヒートサイクル試験時に各部材の熱膨張係数の差によって生じるはんだ接合部への熱応力をこの部分で緩和させることが可能となり、機械的信頼性を得ることができる。
本発明の実施形態にかかる半導体モジュールの作製方法および構成を示す断面図である。 従来の半導体モジュールの第１例を示す断面図である。 従来の半導体モジュールの第２例を示す断面図である。 従来の半導体モジュールの第３例を示す断面図である。 従来の半導体モジュールの第４例を示す断面図である。 従来の半導体モジュールの第５例を示す断面図である。 従来の両面冷却方式半導体モジュールの例を示す断面図である。
符号の説明
１ａ 上部用リードフレーム
１ｂ 下部用リードフレーム
２ パワー半導体
２ｂ 駆動ＩＣ
３ 駆動ＩＣ
４ａ パワー用ボンディングワイヤ
４ｂ 信号用ボンディングワイヤ
５ 成形樹脂
６ ヒートシンク
７ 金属ベース基板
７ａ 上部用金属ベース基板
７ｃ 下部用金属ベース基板
７ｂ ＤＢＣ基板
８ シリコーンゲル
９ ケース
２１ エミッタ用電極
２２ ゲート用電極
２３ 裏面電極
２４ はんだ

Claims (6)

  1. ベース金属および前記ベース金属の上の絶縁層を有する上部金属ベース基板および下部金属ベース基板と、
    前記上部金属ベース基板と前記下部金属ベース基板との間に鉛フリーはんだによりはんだ付けされた１または複数の回路素子と、
    前記１または複数の回路素子と前記上部金属ベース基板および前記下部金属ベース基板との間の隙間に充填された樹脂と
    を備える半導体モジュールであって、
    前記上部金属ベース基板および前記下部金属ベース基板が有する前記絶縁層のヤング率は、５００ＭＰａ〜５ＧＰａの範囲であることを特徴とする半導体モジュール。
  2. 前記金属ベース基板の外周縁部分が樹脂封止により当該樹脂内に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
  3. 前記上部および下部金属ベース基板に各々接続されたリード端子が前記樹脂の成形部分の側面より取り出されていることを特徴する請求項１に記載の半導体モジュール。
  4. 前記樹脂は、熱伝導率が０．２〜１０Ｗ／ｍ・Ｋであることを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
  5. 前記金属ベース基板の絶縁層は、酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素からなるフィラー群の１種類以上を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
  6. １または複数の回路素子を、ベース金属および前記ベース金属の上の絶縁層を有する上部金属ベース基板および下部金属ベース基板の間にはんだ付けした半導体モジュールを製造する方法であって、
    前記回路素子に、ウエハー段階で、鉛フリーはんだをコートする第１工程と、
    前記コート後の回路素子を、前記上部金属ベース基板にはんだ付け接合する第２工程と、
    前記回路素子が搭載された前記上部金属ベース基板を前記下部金属ベース基板に鉛フリーはんだによりはんだ付け接合する第３工程と、
    前記第３工程後の前記回路素子と前記上部および下部金属ベース基板との間の隙間を成形樹脂により封止成形する第４工程と
    を含み、
    前記上部金属ベース基板および前記下部金属ベース基板が有する前記絶縁層のヤング率は、５００ＭＰａ〜５ＧＰａの範囲であることを特徴とする方法。
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