JP4492448B2 - 半導体パワーモジュール - Google Patents

Description

本発明は、家電用、産業用、車用等に広く用いられる半導体パワーモジュールに関する。

ＩＧＢＴモジュールは、ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor) チップと、制御用ＦＷＤ(Free Wheeling Diode) チップとがペアで複数個搭載されており、通常４〜６チップが搭載される。電流は２５Ａ〜１８００Ａ、電圧は２００Ｖ〜３３００Ｖを対象にしている。また、ＩＧＢＴモジュールの端子数は、制御信号端子を含めて少なくとも４端子以上である。

特許文献１には、部品類の全面保護としてシリコーンゲルが注入され、その上にエポキシ系樹脂が注入された構造の半導体装置と、線膨張係数が５×１０^-6／℃〜２５×１０^-6／℃の樹脂でモジュール全体の半導体チップを直接封止する構造の半導体装置とが開示されており、線膨張係数が２５×１０^-6／℃より大きいと発生する応力が大きくなりアルミ配線の断線等が起こりやすくなることが記載されている。

特許文献２には、樹脂封止型半導体装置で、耐湿性向上、封止用樹脂との密着性を良くするため、第２の樹脂の層（封止用樹脂より低硬度、例えばポリイミド系樹脂）を設けることが開示されている。

特許文献３は、パワー素子部をポリイミド系、またはポリアミドイミド系でコーティング後、（３〜１７）×１０^-6／℃の樹脂でトランスファーモールドし、周囲を樹脂で覆い、線膨張係数のバランスを取り、熱応力を低減させ寿命向上、密着性を向上させた樹脂封止型半導体装置を開示している。

特開平６−５７４２号公報（図１、図２と（００２３）段落の記載。） 特開平１１−１６３０２３号公報（（００１０）段落と（００２０）段落の記載。） 特開平２００１−１５６８２号公報（（０００９）段落と（００１４）段落の記載。）

特許文献１に開示の半導体装置では、チップ、基板等がシリコーンゲルで直接に被覆されている構造で、シリコーンゲルのヤング率が低過ぎるためチップ、基板等を拘束できないので、現状並みの寿命である。

また、特許文献２や特許文献３に開示の半導体装置のように、モジュール全体をエポキシ系樹脂で封止した場合、モジュールの大型化、厳しい環境試験条件では、エポキシ系樹脂固有の性質から、線膨張係数を下げて、かつ柔らかく（ヤング率を低く）することに限界があるため、セラミックス基板とベース基板と樹脂により発生するモジュールの反りが大きく、ベース基板とヒートシンクの接触熱抵抗が大きくなる。また、剛性の強いエポキシ系樹脂では、セラミックス基板並みに線膨張係数を下げられず、温度サイクル加速試験で、セラミックス基板の外周部等の樹脂界面で剥離の可能性がある。

本発明の目的は、モジュールの反り防止対策だけでなく、ハンダの熱疲労寿命と耐湿性を同時に向上させたバランスの優れた樹脂封止構造で、かつ素子部の保護を兼ねた半導体パワーモジュールを提供することである。

本発明の半導体パワーモジュールは、予め柔らかいポリイミド系もしくはポリアミドイミド系樹脂でモジュール実装面全体もしくは一部、及びワイヤ周囲を薄く塗布・被覆して硬化後、３〜２０ＧＰａの低ヤング率で、ハンダの線膨張係数（１２×１０^-6〜３０×
１０^-6／℃）に合わせた物性のエポキシ系樹脂で直接に封止した。

さらに、本発明の半導体パワーモジュールは、モジュールの反りによる、接触熱低抗の増大を阻止するため、モジュール全体をエポキシ系樹脂で封止するのではなく、各チップ単位で、もしくは接近している複数チップをまとめてエポキシ系樹脂で局所的に被覆し、さらにその上部を比較的に柔らかく、耐湿性に優れ、機械的保護を兼ねるウレタン樹脂でモジュール全体を被覆して樹脂による剛性を下げた。

本発明によれば、大型チップ、厳しいパワーサイクル、温度サイクル試験に対しても耐えることができ、モジュールの反り防止だけでなく、ハンダの熱疲労寿命と耐湿性を同時に向上させた半導体パワーモジュールを提供できる。

以下、本発明の半導体パワーモジュールについて詳細に説明する。本発明の半導体パワーモジュールは、ポリイミド系もしくはポリアミドイミド系樹脂をモジュール実装面全体もしくは一部、及びワイヤ周囲に塗布し、チップ端部、素子部、セラミックス界面での応力集中を低減し、エポキシ系樹脂との界面剥離を防止できる。さらに、本発明の半導体パワーモジュールでは、ボンディングワイヤもしくはテープリードがエポキシ系樹脂とウレタン樹脂との応力的不連続層を横切ることになるが、ボンディングワイヤもしくはテープリードがポリイミド膜で被覆されているので、そこで変形を吸収し、厳しい試験条件でもボンディングワイヤのＡｌ線やテープリードが断線することはない。

本発明の半導体パワーモジュールは、ポリイミド膜の膜厚が約５０μｍ以下に塗布してあるので、エポキシ系樹脂界面近傍での見掛け上のヤング率を大きく下げ、かつ、エポキシ系樹脂による拘束力でチップ端部での応力集中を緩和し、界面におけるハンダのクラック起点での応力集中を抑えて半導体パワーモジュールの寿命を長くし、かつ、半導体チップの破壊を起さないレベルの応力で各部を拘束し、チップ端部及び素子を保護する。

ここで、エポキシ系樹脂は比較的ヤング率が高い部類の樹脂であること、及びＳｉチップ、セラミックス基板等における樹脂の密着力等を考慮すると、このエポキシ系樹脂だけでは応力的な負担が大きいため、大型のＳｉチップや温度差が大きな厳しい環境条件には耐えられない恐れがある。そこで、本発明の半導体パワーモジュールでは、モジュール実装面側の全表面とワイヤ周囲を、予め、エポキシ系樹脂より柔らかいポリイミド系樹脂で薄く被覆した。薄く被覆したポリイミド系樹脂は、密着力があり、ヤング率もエポキシ系樹脂より約１桁くらい低く優れる。なお、シリコーンゲルのようにヤング率が低すぎる（０.０５ＭＰａ ）と、変形は吸収するが、界面が離れてチップ等を拘束する力がないので、半導体パワーモジュール寿命向上の効果が小さい。本発明の半導体パワーモジュールでは、被覆したポリイミド系樹脂によるせん断方向の変形性とエポキシ系樹脂によるチップの拘束により端部でのハンダの応力集中を緩和し、耐パワーサイクル性、耐温度サイクル性、界面における剥離防止、それによる耐湿性が何れも向上し、チップ破壊を防止できる。さらには、剛性の強いエポキシ系樹脂でチップを個別に封止しているため、半導体パワーモジュール全体の反りへの影響は小さく、そのために、後工程のハンダ付け工程で、接触熱抵抗の増大が起こらない。

低膨張化したエポキシ系樹脂ではヤング率が下げられないので、本発明の半導体パワーモジュールでは、柔らかく比較的線膨張係数が低く、かつヤング率の低く密着力のあるポリイミド系樹脂と、エポキシ系樹脂とで機能を分担したので、エポキシ系樹脂が薄く被覆されたポリイミド系樹脂層を介して、チップ、基板等に応力的に強く作用する。また、エポキシ系樹脂とウレタン樹脂をまたがるＡｌ線もしくはリードフレームも、同様にポリイミド系樹脂で被覆されているので、樹脂の境界層である応力的不連続層による影響が柔らかいポリイミドの変形で緩和される。

本発明の半導体パワーモジュールは、エポキシ系樹脂のヤング率が３〜２０ＧＰａである。すなわち、半導体チップ周辺を、ハンダと同レベルの柔らかさにし、かつ密着力のあるエポキシ系樹脂と柔らかいポリイミドもしくはポリアミドイミド系樹脂を予め界面に塗布して取り囲む。なお、ポリイミド系樹脂に限らずポリイミドとシリコーンの変性体、フィラーを含むポリイミドのように、封止樹脂より硬度が低いものであれば本発明の半導体パワーモジュールに適用できる。ポリイミドもしくはポリアミドイミド系樹脂として、例えば、日立化成製ＨＬ−１２００（ヤング率；２.８ＧＰａ、Ｔｇ；２３０℃）がある。表面被覆用として望ましい樹脂の物性（ヤング率）は０.１〜３ＧＰａ である。弾性率であるヤング率が極端に小さいシリコーンゲル（０.０５ＭＰａ ）ではエポキシ系樹脂によるチップ等を拘束する効果が伝わり難く、ある程度の弾性率を示す表面被覆用樹脂が好ましい。

これにより、本発明の半導体パワーモジュールでは、半導体素子及びチップ端部に大きな応力が作用しないように隔離して機械的に保護し、半導体チップの保護、界面剥離防止、耐湿性を向上させ、かつ、パワーサイクル、温度サイクルにおける接合部のハンダの寿命を向上させている。本発明の半導体パワーモジュールでは、半導体チップ上のモジュール全体が柔らかいウレタン樹脂（ヤング率；０.７ＭＰａ ）で充填されているので、機械的保護とモジュールの反りが緩和される。

本発明の半導体パワーモジュールでは、封止用エポキシ系樹脂のヤング率を、３〜２０ＧＰａ、より望ましくは５〜１０ＧＰａとする。エポキシ系樹脂のヤング率が比較的高くても可能な理由は柔らかいポリイミド系樹脂との複合作用による。また、ウレタン樹脂の代わりに同様な柔らかさのシリコーンゴム系（ヤング率；０.７ＭＰａ ）樹脂、フィラーの入ったシリコーン系樹脂でもよい。これらの樹脂はモジュール全体を覆うので、その剛性がモジュールの反りに影響しない程度のヤング率であり、かつ機械的保護の役割を持つ硬さであればよい。また、本発明の半導体パワーモジュールでは、ガラス転移温度（Ｔｇ）が１５０℃以上の樹脂を使用すると良い。これにより、ガラス転移温度を超えた温度で線膨張係数の急激な（２〜３倍）上昇を避けることで、半導体パワーモジュールの特に高温での信頼性を向上させることができる。以下、本発明の半導体パワーモジュールの実施例を図面を用いて説明する。

図１は、本実施例の半導体パワーモジュールの断面図である。図１は、予め実装面側をポリイミド系樹脂９で薄く塗布して硬化後、半導体チップであるＳｉチップ１単位でエポキシ系樹脂１０で被覆し、さらにウレタン樹脂１１でモジュール全体を被覆し、セラミックス絶縁基板１０２としてＡｌ₂Ｏ₃基板１０３を用いた半導体パワーモジュールの断面図である。なお、Ｓｉチップ１は、絶縁ゲート型電力半導体であるＩＧＢＴ、パワーＭＯＳＦＥＴや、ダイオードである。

ポリイミド系樹脂をスプレー等で塗布することで、Ａｌ線８周囲も被覆され、さらにその上をエポキシ系樹脂１０もしくは一部ウレタン樹脂１１で被覆した構造となる。裏面に薄膜メタライズを施したパワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ダイオードなどのＳｉチップ１のＡｌ₂Ｏ₃基板１０３へのチップ下のハンダ３の接続は、Ｓｎ−５Ｓｂ（融点；２３２〜２４０℃）の中高温系鉛フリーハンダを用いて、水素炉内で行った。

次に、Ａｌ₂Ｏ₃基板１０３裏のＮｉメッキされたメタライズ膜５とＣｕ板にＮｉメッキされたベース基板４とをＳｎ−３Ａｇ−０.５Ｃｕ−７Ｉｎ（融点；１９８〜２０７℃）の低温系鉛フリーハンダ箔を挟んでｍａｘ２２５〜２３０℃温度条件で水素炉でハンダ付けした。このとき、自重等で溶融ハンダが潰れたり、接合する部材が傾かないようにするためにスペーサを用いる場合がある。なお、チップ下のハンダ３と基板下のハンダ１６を同時に接続してもよい。また、Ａｌ₂Ｏ₃基板１０３をベース基板４に接続する際に、部品、外部リード２等も同時にぺーストハンダを用いて、真空排気と特定の組成の雰囲気とを組み合わせた条件のハンダ付けを行っても良い。ぺーストハンダを用いる場合で、ロジン入りフラックスを使用する場合は、洗浄後にＡｌ線８を超音波ワイヤボンド（ＷＢと略す。）接続する。また、ぺーストハンダを用いて、ロジンの入らないフラックスを使用した、洗浄レスの場合には、後工程でＡｌ線８のＷＢ接続、樹脂ポッティングができる。

次にＳｉチップ１、Ａｌ線８等に対して密着力があり、柔軟なポリイミド系、あるいはポリアミドイミド系樹脂を、実装した側のＳｉチップ１及びセラミックス絶縁基板１０２の表面と側面、及びベース基板４表面に、溶媒で薄め、均一に薄く散布もしくは塗布し、硬化させ、硬化後の厚さを１０〜５０μｍにした。

次に、ヤング率１０ＧＰａで線膨張係数をハンダの線膨張係数（２１×１０^-6／℃）にほぼ合わせたエポキシ系樹脂１０を各Ｓｉチップ１毎にポッティングし、これを硬化させた。

半導体パワーモジュールのハンダの寿命を向上するためには、Ｓｉチップ１、セラミックス絶縁基板１０２等を拘束できて、かつ素子部、Ｓｉチップ１外周部の応力集中を緩和できる、低ヤング率でハンダに合わせた線膨張係数を有するエポキシ系樹脂１０の拘束効果が必要である。但し、エポキシ系樹脂１０だけでは、大型チップ、厳しい試験条件に対しては界面における応力、歪みの対応に限界がある。従って、本実施例に示す構造のパワーモジュールのように、２種類の樹脂の異なった機能を併せ持つことにより、パワーサイクル、温度サイクル試験においても、封止樹脂とＳｉチップ１、Ａｌ₂Ｏ₃基板１０３等の端部、界面における応力による剥離破壊、及びそれに伴って起きる耐湿性の低下を防止できる。

本実施例の半導体パワーモジュールにパワーサイクル試験及び温度サイクル試験を実施した結果、ハンダのクラック進展は殆ど認められなかった。また、耐湿性も優れ、さらに、モジュールの反りも最小に抑えられ、接続の歩留まりに影響を与えないことも確認した。

柔らかいポリイミド系樹脂９を介してエポキシ系樹脂１０がハンダ３とＳｉチップ１を取り囲み拘束する補強効果、即ち、エポキシ系樹脂１０がＳｉチップ１の端部でのハンダ３の応力集中を緩和するので、ハンダ３のクラック進展を阻止する。ここで、エポキシ系樹脂１０の応力−歪特性は熱弾性で近似でき、ハンダ３の応力−歪特性は熱弾塑性で近似できる。このため、ハンダ３のヤング率がエポキシ系樹脂１０に比べ高くても、応力が作用するとハンダ３は塑性変形し、温度変化域では、見掛け上のハンダ３のヤング率が低くなる。このため、見掛け上ハンダ３がエポキシ系樹脂１０と同様の柔らかさになり、Ｓｉチップ１が周囲を柔らかい材料で包まれて保護される。パワーモジュールの周囲温度が低温に変化した時に、エポキシ系樹脂１０に大きな応力が作用した場合、Ｓｉチップ１周囲に大きな応力が作用するので、そのままではエポキシ系樹脂１０とＳｉチップ１界面で剥離、破壊が起きる可能性がある。しかし、本実施例の半導体パワーモジュールでは、Ｓｉチップ１界面を覆っている柔らかいポリイミド系樹脂９が変形して、応力を緩和する。なお、柔らかいポリイミド系樹脂９を厚く塗布し過ぎるとチップ破壊を防止する作用があっても、エポキシ系樹脂１０がＳｉチップ１やセラミックス絶縁基板１０２を拘束する作用が緩慢になる可能性がある。そこで、柔らかいポリイミド系樹脂９の層を通常１０〜５０μｍ厚さで形成することが望ましい。当然、１〜１０μｍ厚さでもチップ破壊を防止する作用があることは言うまでもない。なお、本実施例では、柔らかいポリイミド系樹脂９を１０〜５０μｍの厚さに塗布するので、ポッティング用のエポキシ系樹脂１０のヤング率は、チップ寸法等にも依存するが、Ｓｉチップ１、セラミックスス絶縁基板１０２等を強く拘束できて、かつＳｉチップ１に対して負担がかからないことが条件になるため、２０ＧＰａより小さければ良い。

本実施例の半導体パワーモジュールの断面図を図２（ａ）に示す。図２（ｂ）と図２（ｃ）は、図２（ａ）でエポキシ系樹脂１０とウレタン樹脂１１との不連続層を通るＡｌ線８付近の詳細な説明図である。本実施例に使用するＡｌ線８の線径は３００〜５００μｍである。Ａｌ線８は柔らかいのでそのままでは、パワーサイクル、温度サイクル試験により、樹脂のヤング率、熱膨張の影響により塑性変形を起こして、断線を起こす可能性がある。そこで、本実施例では図２（ｂ）に示すように、Ａｌ線８周囲を１０〜５０μｍの厚さで柔らかいポリイミド系樹脂９を被覆して、ポリイミド系樹脂９でＡｌ線８を補強した。これによって、エポキシ系樹脂１０とウレタン樹脂１１との境界部での応力集中とを阻止するので、Ａｌ線８の熱疲労による断線を防止する。図２（ｃ）はＡｌ線８をさらに補強するための構成を示し、エポキシ系樹脂１０のポッティング時に、ポリイミド系樹脂９で被覆されたＡｌ線８の表面も同時にエポキシ系樹脂１０で被覆した。本実施例ではＡｌ線８の線膨張係数（２４×１０^-6／℃）に近い線膨張係数（１８×１０^-6／℃）のエポキシ系樹脂１０を選定しているので、Ａｌ線８を補強する効果が大きい。Ａｌ線８の線膨張係数に合わせた線膨張係数のエポキシ系樹脂１０をポッティング用の樹脂に選定することは容易である。

パワーモジュール全体をエポキシ系樹脂１０で覆うことにより、Ｓｉチップ１ヘの応力的負担がシリコーンゲル充填構造に比べ大きくなるが、温度サイクル、パワーサイクル試験では、シリコーンゲル充填構造に比べ、ハンダ３の寿命が大幅に改善される。そのメカニズムを本実施例の半導体パワーモジュールを例にして説明する。

本実施例の半導体パワーモジュールの断面構造は実施例１の図１と同様であり、図１のセラミックス絶縁基板１０２としてＡｌ₂Ｏ₃基板１０３を用いた。樹脂封止型モジュールの寿命に対する樹脂の物性値の影響はまだ良く知られていない。しかし、温度サイクル、パワーサイクル試験における熱疲労寿命に対し、適正な樹脂物性値を選定することで、シリコーンゲル充填構造に比べ、大幅に寿命を向上できることが分かった。また、有限要素法解析でも、実験結果の妥当性を確認できた。

以下に示す物性のエポキシ系樹脂で封止することで、応力的には裸のＳｉチップと同様の状態であるシリコーンゲル充填構造より格段に優れた熱疲労寿命を示すことは、Ａｌ₂Ｏ₃ 基板のフリップチップ実装における樹脂充填構造でも知られており、例えば、電子情報通信学会論文誌Ｃ−II、Ｖol.Ｊ７３−Ｃ−II Ｎo.９、pp５１６−５２４ に記載がある。

以下に示す物性のエポキシ系樹脂で封止することで、本実施例の半導体パワーモジュールのように、高出力、大型Ｓｉチップの接続、あるいはＡｌＮ絶縁基板とＣｕベース基板との接続に対しても、高信頼性を確保できる見通しを得た。本実施例の半導体パワーモジュールでは、エポキシ系樹脂１０の線膨張係数をハンダ（２１×１０^-6／℃）の線膨張係数に合わせ、かつエポキシ系樹脂１０のヤング率を低くし、Ｓｉチップ１を個別に封止した。これにより、ハンダ３接合部の寿命を向上させ、Ｓｉチップ１、セラミックス絶縁基板１０２の界面剥離を防止し、かつモジュールの反りを防止した。以下、応力的に厳しいＳｉチップ１とＣｕ板とのハンダ付けモデルを例に、選定すべきエポキシ系樹脂１０の物性値の詳細を説明する。なお、このことは、Ｓｉチップ−Ａｌ₂Ｏ₃基板でも同様な見方ができることを確認してある。

図３は、樹脂構造パワーモジュールの設計指針を得るための封止用エポキシ系樹脂１０の線膨張係数に対するチップ応力、ハンダ歪のグラフである。図３（ａ）のグラフ中に示す断面モデル構造で、パワーサイクル試験における半導体チップ端部Ｂの相当応力、ハンダのクラック起点Ａの相当歪を有限要素法による３次元弾塑性解析で求めた。この解析に用いた温度プロファイルは、実績のある１２０℃→２０℃→１２０℃→２０℃の変化で、１.５ サイクルの温度変化で発生した半導体チップ端部Ｂの相当応力振幅及びハンダのクラック起点Ａでの相当歪振幅を求めた。なお、Ｓｉチップ１表面に作用する応力として、相当応力の他に主応力、σｘ、σｙ、σｚ等での評価も行ったが、ほぼ相当応力に比例していることから、ここでは相当応力で評価した。なお、図３（ａ）、（ｂ）中に示した枠は、樹脂の線膨張係数の適正領域（１２×１０^-6〜３０×１０^-6／℃）を示す。

図３（ａ）から、エポキシ系樹脂１０のヤング率はＳｉチップ１端部の応力に直接に影響を与えることが分かる。同一ヤング率の場合、ヤング率が低い１５ＧＰａレベルでは、エポキシ系樹脂１０の線膨張係数が１０×１０^-6〜４０×１０^-6／℃の広い範囲で、相当応力は変わらず、適正領域ではさらにその傾向が強い。ヤング率が約２０ＧＰａを超える（ここでは曲線は省略。）とチップ表面部にかかる相当応力は、線膨張係数が３０×１０^-6／℃以上になると上昇する傾向が強い。エポキシ系樹脂１０のヤング率が高いと、相当応力は上昇し、さらにエポキシ系樹脂１０の線膨張係数が低い程、相当応力が上昇する傾向がある。

図３（ｂ）から、同一ヤング率の場合、エポキシ系樹脂１０の線膨張係数が増す程、ハンダのクラック起点Ａの相当歪は大きくなる。しかも、破線で示したシリコーンゲル充填構造の値と比べると、エポキシ系樹脂１０の線膨張係数が１０×１０^-6〜４０×１０^-6／℃の広い範囲で、ハンダ３の相当歪は低い値を示し、ハンダ３の寿命がシリコーンゲル充填構造より長くなることを意味している。実際のパワーサイクル加速試験でも、この樹脂構造では、Ａｌ線８のワイヤボンド部が剥離しても、ハンダ３に起因する寿命低下は生じていないことを確認した。これは、樹脂物性の選定によりハンダ３の応力集中を緩和できたためである。このことは、有限要素法解析でも確認できた。

図４は、エポキシ系樹脂１０の線膨張係数に対するＳｉチップ１の応力とハンダ３の歪の関係である。図４中に示した枠は樹脂の線膨張係数の適正領域（１２×１０^-6〜３０×１０^-6／℃）を示す。横軸にエポキシ系樹脂１０の線膨張係数をとり、縦軸にハンダのクラック起点Ａの相当歪（左）と半導体チップ表面素子端部Ｂに作用する相当応力（右）をプロットした。破線はシリコーンゲルで全体を充填した場合のハンダのクラック起点の相当歪を示す。エポキシ系樹脂１０の線膨張係数が１２×１０^-6〜３０×１０^-6／℃の範囲では、本実施例の樹脂被覆構造（窓枠部の上段）のクラック起点Ａでのハンダ３の相当歪は、シリコーンゲルで全体を被覆した構造（点線）のハンダの相当歪よりも小さい。従って、本実施例の物性を有するエポキシ系樹脂１０を用いると、シリコーンゲル封止構造に比べ、ハンダ３の歪は小さいことから、ハンダ３による断線の確率はより少ない。また、半導体チップ端部Ｂの相当応力σ（窓枠部）の値も小さく、Ｓｉの破壊応力（１００ＭＰａ）以下にあり、素子部の破壊、界面での剥離等が起こり難いことから、有限要素法解析を実証する結果が得られた。

変位を拘束する樹脂のヤング率は少なくとも１ＧＰａ以上であることが必要で、さらに、Ｓｉチップ１を拘束する効果が確実に現われる樹脂のヤング率は３ＧＰａ以上であることも有限要素法解析で確認した。ヤング率が１５ＧＰａ以上では変位は余り変わらないが、Ｓｉチップ１の界面に作用する応力が大きくなり、チップ素子部への影響、チップ界面剥離、素子部の破壊、チップ割れ等を起こしやすくなる。このため、弱いＳｉチップ表面を保護する意味からも、ヤング率の高い樹脂では問題がある。また、実際の製品では製造時の許容できる範囲のばらつきでも、弱い素子もあるので、高い歩留まりで高い信頼性を確保するためには、ヤング率を下げることが重要である。このことは、有限要素法による３次元弾塑性解析でも物性による違いを確認できた。

なお、本実施例中のヤング率（曲げ弾性率）は、樹脂硬化物を５×１０×１００mmに切削し、ＪＩＳ−６９１１規定の曲げ試験片を作製し、これを、島津製作所製オートグラフＤＳＳ−５０００を用い、曲げ速度１mm／min 、支点間距離８０mmの両端指示中央集中荷重法によって測定した。

なお、樹脂物性の改善策として、エポキシ系樹脂１０中にシリコーン系ゲルやゴムを微細粒子にして５〜１５重量％分散させることで、ヤング率を下げてもよい。このようにエポキシ系樹脂１０中に可撓化剤を分散させると、そのマクロな物性効果に加えて、ゴム添加による耐熱衝撃緩和材としての優れた性質もあることを確認した。

さらに、エポキシ系樹脂１０に限らず樹脂特有の問題として、ガラス転移温度Ｔｇがある。特にパワーモジュールにおいては高温時の特性が重視されるので、ガラス転移温度Ｔｇの高低は信頼性に大きく影響を及ぼす。一般に、ガラス転移温度Ｔｇの低い樹脂は作業性に優れることから、使い勝手性に優れるが、ガラス転移温度Ｔｇ以上では線膨張係数が約３倍になるので、高温での線膨張係数のマージンが少ないと良い結果が得られない場合がある。従って、使用環境条件、加速試験等はガラス転移温度Ｔｇ以下であることが高信頼性確保の必要条件である。厳しいパワーサイクル試験を考慮すると、ガラス転移温度Ｔｇは１５０℃以上が必要で、１７０℃位のガラス転移温度Ｔｇであることが望ましい。これにより厳しい環境条件、熱処理．等の高温での熱影響によるダメージを最小限に抑え、高い信頼性を確保できる。

本実施例では、線膨張係数とガラス転移温度Ｔｇの測定を、真空理工製の熱物理試験機ＴＭＡ−１５００を用いて測定した。測定条件は、厚さ４mmの硬化試験片を圧縮モード、毎分１℃の速度で昇温し、伸びの温度特性を測定した。線膨張係数αは伸びの温度特性から求め、ガラス転移温度は伸びの温度特性グラフの変曲点とした。

以上の検討結果をまとめ、素子への影響を考慮し、高信頼性を得るための個別実装用エポキシ系樹脂の物性を整理すると次の（１）〜（６）を得る。
（１）線膨張係数：１２×１０^-6〜３０×１０^-6／℃。
（２）ヤング率：３〜２０ＧＰａ、望ましくは５〜１０ＧＰａ。
（３）密着性に優れること。特に先に塗布されるポリイミド系樹脂に対しての密着性が良いこと。
（４）ガラス転移温度Ｔｇ：１５０℃以上。望ましくは１７０℃以上。
（５）シリコーンゲル等の高温で安定な微粒子ゴムをエポキシ系樹脂に分散させて熱衝撃を緩和。
（６）不純物濃度：Ｎａ⁺、Ｋ⁺≦１ppm、Ｃｌ^-≦５ppm。
（７）エポキシ系樹脂を封止前に実装した基板表面を、予め耐熱性のある柔らかいポリアミドイミド系、あるいはポリイミド系樹脂で薄くスプレー等で塗布する。

耐熱性に優れる柔らかいポリイミド系樹脂９を薄く塗布することでエポキシ系樹脂１０にはない新たな変形機能付加により、応力を逃がす役割を果たすことができる。なお、ポリイミド系樹脂９の塗布がなくても、応力的には緩和した樹脂物性、構造になっているので、使用条件によればこのような構成も有効である。なお、ポリイミド系樹脂９の塗布の有無にかかわらず、エポキシ系樹脂１０の適正物性の条件は変わらない。エポキシ系樹脂１０の適正な線膨張係数は、個別Ｓｉチップ１の封止のため反りが少なくなることを考慮し、比較的高めでも可能になるので、また低ヤング率化になるので、上限を３０×１０^-6／℃とした。即ち、Ｓｎ系ハンダの２１×１０^-6／℃を中心に分布した値である１２×１０^-6〜３０×１０^-6／℃とした。また、ベース基板がＣｕの場合（１７×１０^-6／℃）も、Ａｌ基板の場合（２４×１０^-6／℃）もこの範囲に含まれるので、基板との相性も良い。

なお、半導体パワーモジュールでは、モジュール内の制御部に必要な、割れ易く低膨張の大型セラミックスチップコンデンサー等も面実装する場合があるので、Ｓｉチップ１だけではなく搭載するチップ部品に対しても、ポリイミド系樹脂９を予め薄く被覆するとよい。

本実施例の半導体パワーモジュールに用いるハンダ３の組成として、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系では、上記鉛フリーハンダ以外に、例えばＳｎ−１Ａｇ−０.５Ｃｕ 、Ｓｎ−Ｃｕ系では、例えばＳｎ−０.７Ｃｕ 等がある。あるいは上記ハンダにＩｎ、Ｂｉ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｎｉ等を１種類以上微量添加した組成であってもよい。さらに、高温系鉛フリーハンダとして、Ｓｎ−Ｓｂ系のＳｎ−（５〜１０）Ｓｂ（融点：２３２〜２４０℃）を用いてもよい。このハンダでモジュールを組み立て、他の基板にモジュールを実装する場合には、この組成と温度階層を可能とする低温系鉛フリーハンダとして、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｃｕ共晶系にＩｎを５〜１５％添加した低融点高信頼ハンダがある。これらは、機械的性質に優れ、比較的柔軟であり、温度分布の優れた炉を使用してｍａｘ２３０℃での接続が可能である。同様に低温系でさらに融点を下げられる鉛フリーハンダとして、Ｓｎ−９Ｚｎ（融点；１９９℃）もしくはＳｎ−９Ｚｎに微量のＩｎ、Ｂｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｇｅ、Ｎｉ等を１種類以上添加したものも可能である。

本実施例では、大型チップに対する樹脂の寿命向上効果確認のため、セラミックス絶縁基板１０２として、Ａｌ₂Ｏ₃基板１０３及びＡｌＮ基板等のセラミックス基板を用いて、パワーサイクル、温度サイクルの試験結果を行った。以下その結果について示す。樹脂は予め希釈されたポリアミドイミド系樹脂を、１０〜５０μｍの厚さにモジュール実装面全体に薄く塗布し、硬化後、ヤング率１３.５ＧＰａ、線膨張係数１８×１０^-6／℃ のエポキシ系樹脂１０で各Ｓｉチップ１ごとにポッティングで封止したモジュールとした。チップ寸法が１辺７mm及び９mmの略正方形のＳｉチップを用いた。なお、比較用にモジュール全体をエポキシ系樹脂で封止したものも評価した。チップ下のハンダ３、即ちＳｉチップ１と絶縁基板間を接合するハンダ(Ｓｎ−３Ａｇ−０.５Ｃｕ) と、基板下のハンダ１６、セラミックス絶縁基板１０２とベース基板４の間を接合するハンダ（Ｓｎ−３Ａｇ−０.５Ｃｕ）の疲労劣化度を断面観察で評価した。

本実施例の個別チップ毎もしくは複数チップを一括してエポキシ系樹脂１０で封止した半導体パワーモジュールでは、チップ下のハンダ３には何れも劣化は認められない。また、エポキシ系樹脂１０で封止されない基板下のハンダ１６では疲労劣化はあるものの、Ａｌ₂Ｏ₃基板１０３が通常の寸法であれば、十分な寿命があることを確認した。なお、Ａｌ₂Ｏ₃基板１０３の寸法が、特に大きい場合、ベース基板４とＡｌ₂Ｏ₃基板１０３とのハンダ接合部である境界部周囲のみを、予め塗布したポリイミド系樹脂９層の上にエポキシ系樹脂１０を塗布して、ハンダ１６の応力集中部を補強でき、絶縁基板下のハンダ１６の寿命を向上できる。他方、モジュール全体をエポキシ系樹脂１０で封止したものでは、チップ下のハンダ３、基板下のハンダ１６の寿命は向上しているものの、モジュールの反りが大きく、これによる放熱器との接触熱抵抗の増大が予想される。

本実施例の個別Ｓｉチップ１をエポキシ系樹脂１０で封止したものは、モジュールの反りを小さくし、かつパワーサイクル試験及び温度サイクル試験での寿命を大幅に向上させることができる。なお、個別Ｓｉチップ１のエポキシ系樹脂１０封止方式で反りの程度が小さい場合には、チップが密集していれば、１個のＳｉチップに拘らず、例えば３チップ（ＩＧＢＴチップ；３個、ＦＷＤチップ；３個）をまとめてポッティングしてもよい。

図５は、３個のＩＧＢＴチップ１２と、３個の制御用チップ１３とを一纏めにしてエポキシ系樹脂１０で封止した構造の半導体パワーモジュールである。図５（ａ）は、図５（ｂ）の平面図ＡＡ位置における断面図である。エポキシ系樹脂１０の塗布箇所としてこの２箇所以外に、外部リード２の端子部周囲、セラミックス絶縁基板１０２とベース基板４との間の外周接合部周囲、及びケース１１０とベース基板４との間の接着等がある。エポキシ系樹脂１０の塗布領域を見ても長手方向のモジュールの反りに及ぼす影響は小さいことが予想される。なお、図５では図示を省略したが、モジュール実装側全表面には予めポリイミド系樹脂９を被覆してある。

図６はＳｉチップ以外にもエポキシ系樹脂１０を塗布した半導体パワーモジュールの断面である。図６（ａ）は個別のＳｉチップ１を、図６（ｂ）は３個のＳｉチップ１をまとめてエポキシ系樹脂１０で封止した構造を示す。なお、ここではＡｌ線８によるワイヤボンディングの例を示したが、リードフレームの場合も同様である。エポキシ系樹脂１０はケース１１０とベース基板４との間の充填に限らず、セラミックス絶縁基板１０２とベース基板４との間のハンダ１６の接合を補強し、セラミックス絶縁基板１０２の周囲を塗布することで、温度サイクル試験等での寿命向上につながる。この時のエポキシ系樹脂１０は、温度サイクル試験でセラミックス絶縁基板１０２外周部に発生するハンダの最大せん断歪みを抑えて、疲労寿命を向上する。また、同時に電気回路６のパターンとセラミックス絶縁基板１０２との密着を補強する。さらには、外部リード２と電気回路６パターンとのハンダ付け部の寿命も向上する。後工程で反りの悪影響を受けない程度に、補強部を厚く充填することが望ましい。また、反り、信頼性に問題がなければ、エポキシ系樹脂１０をモジュール全面に薄く塗布して、その上をウレタン樹脂１１で被覆して、モジュール全体をさらに強化してもよい。なお、本実施例によれば、セラミックス絶縁基板１０２に高純度ＡｌもしくはＣｕを直接に接合した構造も使用できる。

以上説明したように、本実施例によれば、容易に鉛フリーハンダ化ができ、信頼性が高い、小型・軽量の半導体パワーモジュールを実現できる。

本実施例の半導体パワーモジュールは、実施例１から実施例４の半導体パワーモジュールのエポキシ系樹脂１０で封止したＳｉチップ１上部もしくはその周辺にフェライト層（板）、あるいは、ウレタン樹脂１１中にフェライト粒子を混ぜて電磁シールド部材を配置したことだけが相違する。本実施例の電磁シールド部材は、フェライト粉末を、耐熱性のある接着剤で固着した板でも良く、あるいはウレタン樹脂１１にフェライト粉末をフィラー材として混合してもよい。フェライト粉末の一例として、ＮｉＦｅ₂Ｏ₄・ＺｎＦｅ₂Ｏ₄があるが、これに限定されるものではない。本実施例の半導体パワーモジュールでもパワーサイクル試験を行ったが、ジャンクション温度Ｔｊ：５０〜１５０℃の試験条件では、１００００サイクルでも破壊や、ハンダの劣化は殆ど認められなかった。

パワー素子では大電流を流す必要からチップ当たり約１０本のφ３００μｍのＡｌ線を超音波ＷＢで接続する方式に比べ、ＷＢより放熱効果が良いＣｕリードフレームによるハンダ付け方式が注目されており、例えば、池田他５、リードフレームハンダ接合と熱特性の検討；Mate ２００４、ｐ３７５にその記載がある。

図７に、本実施例の半導体パワーモジュールの断面図を示す。図７ではリードフレーム１７の伸び剛性による影響を直接にハンダ付け部である素子部に及ぼさないようにするために、リードフレーム１７をベローズ型にした。本実施例の半導体パワーモジュールのリードフレーム１７は、無酸素Ｃｕをプレス圧延加工で型を形成後、アニールし柔らかくしてある。本実施例では予め、実装面側にポリイミド系樹脂９を塗布、硬化後、実施例１から実施例４で説明した物性のエポキシ系樹脂１０をリードフレーム１７を搭載したＳｉチップ１毎にポッティング封止し、その周囲を柔らかいウレタン樹脂１１で充填した。なおエポキシ系樹脂１０は外部リード２の端子部周囲、セラミックス絶縁基板１０２とベース基板４との間の外周接合部周囲、及びケース１１０とベース基板４との間の接着等にも塗布した。

Ｓｉチップ１のジャンクション部で発生した熱は、Ｓｉチップ１下に伝導されるだけでなく、Ｓｉチップ１真上にあるリードフレーム１７の熱容量があるＣｕブロック部に吸収されて一旦均熱化され、リードフレーム１７のベローズ部を伝わってセラミックス絶縁基板１０２、ベース基板４に伝わる。この場合、セラミックス絶縁基板１０２の熱流路となっているＳｉチップ１下ではない場所にも新たな熱流路ができるため、比較的効率の良い熱引きができる。Ｓｉチップ１とＣｕ製のリードフレーム１７の間は線膨張係数差が大きいので、単にシリコーンゲル等で被覆したのでは、ハンダの寿命が短くなるが、図７に示すようにポリイミド系樹脂９を塗布、硬化し、エポキシ系樹脂１０をポッティングしてあるので、Ｓｉチップ１の下のハンダ寿命や、基板下のハンダ寿命も同様に大幅に向上している。図７に示した本実施例の半導体パワーモジュールは、高出力対応としてＣｕのリードフレーム１７と、セラミックス絶縁基板１０２にＡｌＮ基板を用い、Ｃｕのベース基板４という組み合わせにすることによって、Ｓｉチップ１の保護、ハンダの寿命向上、及び耐湿性にも優れる。

図８は、本実施例の別の半導体パワーモジュールの断面図であり、図７同様にモジュール実装面側全域にポリイミド系樹脂９を塗布した後、Ｓｉチップ１を個別にエポキシ系樹脂１０で封止し、さらにその上をウレタン樹脂１１で充填したものである。図８に示す半導体パワーモジュールでは、リードフレーム１９の剛性を下げるためその形状が図７と異なる他は、図７と同様である。なお、無酸素Ｃｕ以外にリードフレーム１９に使うことができる材料には、ＮｉもしくはＮｉ／Ａｕフラッシュメッキを施した、柔らかい高純度Ａｌリードや、応力的な負担が少なく、熱伝導性に優れ、線膨張係数がＡｌ₂Ｏ₃並みで熱伝導率はＡｌより優れる柔らかいＣｕ−Ｃ複合材（Ｃｕと高純度カーボングラファイトのナノレベルの粒径で作られた粉末もしくは繊維を混ぜて焼結した複合材）がある。

図７、図８に示すような本実施例のリードフレーム方式の半導体パワーモジュールではＳｉチップ１ヘの熱衝撃は緩和されるが、ジャンクション部に直接ハンダ付けされる構造のため、接合部の温度は高く、融点が低いハンダでは熱疲労による劣化を対策する必要がある。そこで、本実施例でも実施例１から実施例４と同様の樹脂物性を有し、かつ、１５０℃以上の高いガラス転移温度Ｔｇのエポキシ系樹脂１０で封止することで、樹脂によるハンダ３の熱疲労劣化の少ない、高出力モジュールを得た。

本実施例に、高温のＳｎ−５Ｓｂ（融点：２３２〜２４０℃）鉛フリーハンダを使用することで、パワーサイクルに対してもジャンクション部での温度上昇に対しての温度マージンを確保できる。さらに高温に対応する場合には、例えば特開２００２−２６１１０５号公報に開示されている２８０℃でも強度を確保できるＣｕ粒子混入Ｓｎ系ハンダ複合材等を用いることができる。この他、チップヘの負荷の少なく、耐力が小さいＳｎ−０.７Ｃｕ、Ｓｎ−０.７ＣｕにＩｎを添加した系あるいは純Ｓｎも、適用可能である。

リードフレーム方式の本実施例の半導体パワーモジュールの製造プロセス例の詳細を説明する。リードフレーム１９とＳｉチップ１間を上記複合ハンダぺーストと、ロジンを含有しない無洗浄ぺーストとを用い、水素雰囲気と真空ハンダ付けを組み合わせた雰囲気炉に入れてｍａｘ２６０℃のリフロー温度で接合する。溶剤を含むフラックス成分はすべて揮発するので、無洗浄で清浄化できる。なお、通常の洗浄タイプのぺーストでも可能であることは言うまでもない。

リードフレーム１９とＳｉチップ１との間隙、位置決めを確実にするため、複合ハンダ中には粒径が大きめのＣｕ粒子を僅かであるが分散してある。治具には適度な加圧が加わるようになっている。これにより、リフロー後のリードフレーム１９とＳｉチップ１との間隙、リードフレーム１９の端子部位置等は安定している。予め、無洗浄タイプのＳｎ−３Ａｇ−０.５Ｃｕ ハンダぺーストをセラミックス絶縁基板１０２上に供給しておき、上記複合ハンダで接続したアセンブリ品、他の部品、外部リード２等を搭載、位置決めし、再度、同様の雰囲気炉に入れてｍａｘ２４０℃のリフロー温度で接合する。最後にセラミックス絶縁基板１０２とベース基板４とをさらに低融点のＳｎ−３Ａｇ−０.５Ｃｕ−７Ｉｎ（融点；１９８〜２０７℃）箔でｍａｘ２１５℃の温度条件で接続する。この場合、ハンダの供給は箔だけに限らず、ぺーストでも可能であり、共に、無洗浄でも洗浄でもよい。なお、前工程で接合された箇所のリードフレーム１９とＳｉチップ１間では、ハンダ３中のＳｎが再溶融しても、後工程のハンダ付け温度が低いので、再溶融したＳｎはぬれ拡がることはなく、かつ、Ｃｕ粒子の一部がＣｕ−Ｓｎ化合物等で連結しているので、リフロー時の変形にも耐えられる強度を有する。このため、後工程のリフロー時に位置ずれ等は起こらない。この場合は３階層のハンダを用いた例であるが、セラミックスとべース基板が直接張り合わされた基板等では、２階層のハンダでの接続が可能である。

実施例１の半導体パワーモジュールの断面図。 実施例２の半導体パワーモジュールの断面図と一部拡大説明図。 実施例３の半導体パワーモジュールの封止用樹脂の線膨張係数とチップ応力、ハンダ歪のグラフ。 実施例３の半導体パワーモジュールの封止用樹脂の線膨張係数に対するチップ応力とハンダ歪みのグラフ。 実施例５の半導体パワーモジュールの断面図と平面図。 実施例５の別の半導体パワーモジュールの断面図と平面図。 実施例６の半導体パワーモジュールの断面図。 実施例６の別の半導体パワーモジュールの断面図。

符号の説明

１…Ｓｉチップ、２…外部リード、３、１６…ハンダ、４…べース基板、５…メタライズ膜、６…電気回路、７…共通電気回路、８…Ａｌ線、９…ポリイミド系樹脂、１０…エポキシ系樹脂、１１…ウレタン樹脂、１２…ＩＧＢＴチップ、１３…制御用チップ、１５…電極、１７、１９…リードフレーム、１０２…セラミックス絶縁基板、１０３…Ａｌ₂Ｏ₃基板、１１０…ケース。

Claims (3)

1. 絶縁基板に形成した回路にハンダを介して接合した複数の半導体チップと、該半導体チ
   ップに接合した配線部材とを有する半導体パワーモジュールにおいて、
   前記半導体チップと配線部材がポリイミド系樹脂あるいはポリアミドイミド系樹脂から
   なる第１の樹脂と、該第１の樹脂の上に配置したエポキシ系樹脂からなる第２の樹脂とで
   被覆されており、
   該第２の樹脂による被覆部が複数あり、前記エポキシ系樹脂がさらにウレタン樹脂で覆
   われていることを特徴とする半導体パワーモジュール。
2. 請求項１に記載の半導体パワーモジュールにおいて、前記ウレタン樹脂中にはフェライト粒子が混ぜてあることを特徴とする半導体パワーモジュール。
   
   
   
3. ベース基板と、該ベース基板上部に配置される絶縁基板と、該絶縁基板に形成した回路
   にハンダを介して接合した複数の半導体チップと、
   該半導体チップに接合した配線部材とを有する半導体パワーモジュールであって、
   前記半導体チップと配線部材がポリイミド系樹脂あるいはポリアミドイミド系樹脂から
   なる第１の樹脂と、該第１の樹脂の上に配置したエポキシ系樹脂からなる第２の樹脂とで
   被覆されており、
   該第２の樹脂による被覆部が複数あり、
   前記半導体チップに接合する配線部材がベローズ型とされたリードフレームであり、
   さらに、前記第２の樹脂のガラス転移温度（Ｔｇ）が１５０℃以上であることを特徴と
   する半導体パワーモジュール。

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