JP4595877B2 - 半導体パワーモジュール - Google Patents

半導体パワーモジュール Download PDF

Info

Publication number
JP4595877B2
JP4595877B2 JP2006120028A JP2006120028A JP4595877B2 JP 4595877 B2 JP4595877 B2 JP 4595877B2 JP 2006120028 A JP2006120028 A JP 2006120028A JP 2006120028 A JP2006120028 A JP 2006120028A JP 4595877 B2 JP4595877 B2 JP 4595877B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
solder
power module
substrate
base substrate
insulating substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2006120028A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2007294626A (ja
Inventor
太佐男 曽我
大助 川瀬
和弘 鈴木
英一 森崎
英恵 下川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
Priority to JP2006120028A priority Critical patent/JP4595877B2/ja
Priority to US11/739,122 priority patent/US8004075B2/en
Priority to DE102007019523A priority patent/DE102007019523B4/de
Priority to DE102007063793.6A priority patent/DE102007063793B4/de
Publication of JP2007294626A publication Critical patent/JP2007294626A/ja
Priority to US12/843,934 priority patent/US8125090B2/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4595877B2 publication Critical patent/JP4595877B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/28Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/29Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/29001Core members of the layer connector
    • H01L2224/29099Material
    • H01L2224/2919Material with a principal constituent of the material being a polymer, e.g. polyester, phenolic based polymer, epoxy
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/31Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L2224/32Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/321Disposition
    • H01L2224/32151Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/32221Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/32225Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/44Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/45Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process of an individual wire connector
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/44Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/45Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/45001Core members of the connector
    • H01L2224/45099Material
    • H01L2224/451Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/45117Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 400°C and less than 950°C
    • H01L2224/45124Aluminium (Al) as principal constituent
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/4805Shape
    • H01L2224/4809Loop shape
    • H01L2224/48091Arched
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/481Disposition
    • H01L2224/48151Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/48221Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/48225Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
    • H01L2224/48227Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation connecting the wire to a bond pad of the item
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/73Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L2224/10, H01L2224/18, H01L2224/26, H01L2224/34, H01L2224/42, H01L2224/50, H01L2224/63, H01L2224/71
    • H01L2224/732Location after the connecting process
    • H01L2224/73251Location after the connecting process on different surfaces
    • H01L2224/73265Layer and wire connectors
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/73Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L24/10, H01L24/18, H01L24/26, H01L24/34, H01L24/42, H01L24/50, H01L24/63, H01L24/71
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01Chemical elements
    • H01L2924/01013Aluminum [Al]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01Chemical elements
    • H01L2924/01014Silicon [Si]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01Chemical elements
    • H01L2924/01028Nickel [Ni]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01Chemical elements
    • H01L2924/01029Copper [Cu]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01Chemical elements
    • H01L2924/0103Zinc [Zn]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01Chemical elements
    • H01L2924/01047Silver [Ag]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01Chemical elements
    • H01L2924/01049Indium [In]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01Chemical elements
    • H01L2924/0105Tin [Sn]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01Chemical elements
    • H01L2924/01051Antimony [Sb]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01Chemical elements
    • H01L2924/01078Platinum [Pt]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01Chemical elements
    • H01L2924/01079Gold [Au]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01Chemical elements
    • H01L2924/01083Bismuth [Bi]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/013Alloys
    • H01L2924/0132Binary Alloys
    • H01L2924/01322Eutectic Alloys, i.e. obtained by a liquid transforming into two solid phases
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/013Alloys
    • H01L2924/0132Binary Alloys
    • H01L2924/01327Intermediate phases, i.e. intermetallics compounds
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/013Alloys
    • H01L2924/0133Ternary Alloys
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/013Alloys
    • H01L2924/0134Quaternary Alloys
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/013Alloys
    • H01L2924/014Solder alloys
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/06Polymers
    • H01L2924/0665Epoxy resin
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/102Material of the semiconductor or solid state bodies
    • H01L2924/1025Semiconducting materials
    • H01L2924/10251Elemental semiconductors, i.e. Group IV
    • H01L2924/10253Silicon [Si]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/11Device type
    • H01L2924/13Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
    • H01L2924/1304Transistor
    • H01L2924/1305Bipolar Junction Transistor [BJT]
    • H01L2924/13055Insulated gate bipolar transistor [IGBT]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/15Details of package parts other than the semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/181Encapsulation

Description

本発明は半導体パワーモジュールに係り、特に、鉄道用,電気自動車用,産業用,民生用等のIGBT等を含むものに好適な半導体パワーモジュールに関するものである。
半導体パワーモジュールは、SiチップとAlN,Al23等の絶縁基板と熱伝導性に優れるCu,Cu−Mo,Cu−C,Al,Al−SiC,Al−C等のベース基板とがはんだ付けされ、シリコーンゲルが充填される構成が一般に使用されている。
セラミック絶縁基板とベース基板との後付け用はんだとして、これまでは、Sn−
37Pb共晶系はんだが使われてきた。大型基板に適用しはんだ付け直後に大きな反りが発生しても、この反りは、Sn−37Pb共晶はんだ固有のクリープにより緩和され経時と共に低減される。また、はんだ最外周部においては、はんだ組織が基板の変形,応力に追従し、容易にはクラックが発生することはなく、寿命としての問題はなかった。
ところが、環境の問題で生じ、欧州の法規制によりPbフリーはんだの使用が必須になった。日本では、Sn−3Ag−0.5Cu はんだが民生,コンピュータ、或いは通信用にと広範囲に使用されている。
しかし、パワーモジュールは、セラミック基板とCuベース基板間の大面積基板のはんだ付けがあり、基板の反りを伴う大変形に対してクリープ変形し難いSn−3Ag−
0.5Cu では、温度サイクル,断続通電の製品の温度変化等に対して、寿命低下が顕著に起きることが分かり、従来型モジュール構造では高信頼性の確保が困難な状況にある。
Sn−Ag−Cu−In系はんだ組成成分に関しては、米国特許第5520752号公報が知られている。
米国特許第5520752号公報
Sn−3Ag−0.5Cu はんだは、耐クリープ性はあってもクリープ変形ができないため、パワーモジュール等の大型基板の反りの発生をクリープにより緩和できず、結局、常に高い応力が作用するため、予想に反して寿命が短くなることが分かった。このため、熱容量が大きい実物相当モデルで、歪速度が大変遅い構成での温度サイクル試験を行い、実現可能性のある有望なSn系はんだの中で寿命を評価し、はんだ組成の選定を行った。
本発明の目的は、セラミック基板とベース基板間に使われるはんだの断続通電の温度変化,温度サイクル寿命向上を図った半導体パワーモジュールを提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の半導体パワーモジュールは、セラミック絶縁基板とベース基板とのはんだ付けに、Ag:2〜4.5mass%,Cu:0〜2.0mass%,In:3〜7mass%、残りがSnからなる鉛フリーはんだを用いたことを特徴とする。
つまり、Cuベース基板上に有望と思われる各種組成のはんだ箔(150μm厚)を載せ、その上にCu貼りした電極を有するAl23絶縁基板を載せ、還元雰囲気でリフローはんだ付けを行った。
図1に示すAl23基板1とCuベース基板2を接合したモデル基板を−40〜125℃の温度サイクル試験にかけ、長いサイクル経過後のクラック進展率を断面観察で測定した。この結果、温度サイクル試験において、優れた組成を割り出し、破壊メカニズムを明らかにすることで、パワーモジュールの後付け用はんだに適したPbフリーはんだ組成を選定する。
更に、より高信頼化が要求される場合、適正な物性を有するエポキシ系樹脂をクラック発生起点であるはんだ最外周部周辺に部分的に塗布することで、破壊メカニズムを変えさせ、はんだのクラック発生を阻止,遅延させることで、温度サイクルの寿命を大幅に向上させることができる。
Sn系のPbフリーはんだはクリープでき難いはんだであるが、Sn晶にInの固溶による改質により、温度サイクル試験並みの歪速度が遅い状態でも脆さが少なくなり、かつ、クラック進展を遅らせる効果を見出すことができる。また、高温でも低温の共晶相が現れず、安定した組成であることから、高温での長期試験に耐えられるはんだである。更に、各種メタライズに対して、接合界面強度はSn−Ag−Cu強度並みが期待できる。
セラミック基板とベース基板間に使われるはんだの断続通電の温度変化,温度サイクル寿命向上を図るという目的を、熱容量が大きい実物相当モデルで、歪速度が大変遅い構成での温度サイクル試験を行い、実現可能性のある有望なSn系はんだの中で寿命を評価し、はんだ組成の選定を行って実現した。
図1は、0.3mmCu貼りAl23基板1(t0.3)とCuベース基板2(t4)間に150μmの各種圧延はんだ箔を置いて、還元雰囲気中でmax245℃のはんだ付け温度でリフローした試験評価モデルの断面を示す。
はんだ箔は、表1に示した(1)〜(7)の7種類で性質が異なり、有望な組成についてモジュール構造での温度サイクル試験を行った。組成は、Sn−Ag−Cu系にInを5%入れることで、低温系の後付けはんだ4用としてベースとなるSn−3Ag−0.5Cu に比べ約10℃下げられ、かつ接合界面での十分な強度確保を考慮したものである。
In添加は、Bi添加と異なり微量添加による各種メタライズに対する接合強度,バルク材の機械的性質等に及ぼす悪影響は少ないことが知られている。また、Sn晶への固溶なので、高温での信頼性はSn−Ag−Cu並みである。しかし、In量を多く入れることはSnマトリクス中に更にInを固溶させることになるので、内部歪が増し伸び難くなる。Inの場合は、素地のSnより柔らかい元素であるため、強度上昇は少なく伸びの低下も少なく、In添加により機械的強度への悪影響は少ないことが知られている(例えば二宮;エレクトロニクス実装学会,第26回セミナー,2000.1.26)。Inを約5%以上入れると、接合界面での強度低下が始まる。試験評価したはんだの概略的特徴を以下に示す。
(1)Sn−3Ag−0.5Cu:
Pbフリーはんだの代表組成であり、強度,粘りがあり、針状のAg3Sn がネットワーク状に発達している組織である。
(2)Sn−0.7Cu:
Sn−0.7Cu 共晶はんだはSnマトリクス中にCu6Sn5が分散している状態であるが、Sn−Ag系共晶はんだのAg3Sn量と比べると量は少なく、かつ、Cu6Sn5がAg3Sn 程には強度強化に繋がらない。従って、比較的強度は低く伸びに優れているので、変形性に優れる性質がある。
(3)Sn−1.5Ag−0.5Cu:
Ag量が(1)と(2)との中間域で、Ag3Sn のネットワークが形成するまでは成長していない組織で、性質も両者の中間である。3%Ag入りはんだに比べ、LSIに対する応力負担を軽減できる理由で、はんだバンプ接続等では使用されている。
(4)Sn−3Ag−0.5Cu−5In:
Sn−3Ag−0.5Cu の代表組成に5%Inを添加した組成であり、Inを入れることで融点が下がる。Inは柔らかいので、室温強度はSn−3Ag−0.5Cu より僅かに上昇する程度で、伸びも若干下がる。しかし、高温(125℃)での伸び(31%)はSn−3Ag−0.5Cu(20%) より増しているので、高温でのクリープ変形に対応できる可能性がある。
(5)Sn−0.5Cu−5In:
Sn−Cu晶自体が変形性に富むことから、柔らかく伸びに優れるSn−Cu共晶系に5%Inを添加した組成である。Inを入れることで融点が下がり、伸びに優れ、強度の低いはんだである。これにより、クリープ特性に優れ、応力負担の少ないはんだを期待した組成である。
(6)Sn−1.5Ag−0.5Cu−5In:
(4)と(5)の中間組成で、Ag3Sn のネットワークが形成されていない状態で、5%Inを添加した系で、Inを入れることで融点は下がる。
(7)Sn−37Pb共晶(比較用):
パワーモジュールのセラミック絶縁基板とCuベース基板接続用として、過去に使用されてきたはんだである。
表1は、−55〜125℃2500サイクル経過後に断面観察により、継手全長に対するクラック長を測定し、クラック進展率を整理したものである。
Figure 0004595877
この結果、及び断面観察によるクラック進展状況,組織変化の観察、更にはメカニズム解明実験等により、以下の新たな知見が得られた。
1)In;5%入れることで、Sn系はんだのクラック進展率は低下する。
2)Sn系はんだでも3%Ag入り((1))はんだのクラック進展率が、0%((2))、1.5%入り((3))より低下する。
3)従来のSn−37Pb共晶はSn系のはんだに比べ、クラック進展率が大幅に低下する。
結論として、針状Ag3Snのネットワークが堅固に発達した系にInが固溶した組成が優れていることが分かった。これは、これまでの一般常識では予想できない事実である。
当初、本発明者は、強度が低く伸びに優れるSn−0.7Cu にInを入れた系が優れ、強度の高いSn−3Ag−0.5Cu にInを入れた系は劣るものと考えていた〔例えば、特開2001−35978号公報参照〕。上記内容は実験での再現性があり、これまでの常識では予知できない結果である。
そこで、寿命向上メカニズムについて以下に考察し、新たな知見を得たものである。
1.In添加でクラック進展が低下する理由;
クラック進展の断面観察によると、感覚的ではあるが、InなしのSn系においてはクラックが同一平面上を直線的に進む傾向が強い(シャープな進展に見える)。即ち、クラックパス以外のはんだ部は、応力緩和が少ないことを意味すると思われる。Inを入れることで、Snマトリクス全域はInがくまなく固溶しているので、周辺の応力状態は、このマトリクスを介して隣接のマトリクスにも伝えられる。また、応力集中部でもミクロ的なクラック低減効果が期待される。
断面観察の相対比較の結果、Inが入ることで、本来のSn系はんだの強さ,粘っこさが欠け、クラック進行方向以外にも応力を分散・開放することで、クラックの直線的進展を遅延させているものと思われる(鋭さが欠けた進展に見える)。
衝撃試験(シャルピー)においても、Sn系はんだにInを添加することで、衝撃吸収エネルギーが低下することを確認している。約5%Inを添加することで、Sn−37Pb共晶並みに下がる。衝撃試験結果が、必ずしもクラック進展に直接に関係しているかどうかは不明であるが、材料の衝撃エネルギーを吸収できる減衰能が、間接的ではあるが、
Sn晶にInが固溶することで現れる現象と考える。
なお、Biを添加したはんだは脆いことが知られているが、微量添加でも−50℃では極端に低い衝撃エネルギーを示す。Bi添加による衝撃値の低下の程度は、Inによるエネルギー吸収とは異なり、極端に低く脆さを示していると思われる。作業性向上のためにBiを入れた場合、0.5% 以下が望ましく、多くても1%以下である。この範囲であれば、脆化の問題は少なく、パワーモジュールとしての信頼性を確保できる。
Inは、多く含まれる程応力分散(応力緩和)効果がでてくることが予想される。平行状態図によると、Sn中にInは約12%程度固溶する。In量が12%より少なくても、その近傍の組成では、温度の過渡的な変化等で低温の共晶相(117℃)、In相が析出する可能性があり、パワーモジュールの厳しい条件に耐えられる組成とは言えない。
Sn固溶体系でInが多く固溶すると、機械的特性の低下,メタライズとの接合界面強度の低下等をもたらすので、Inの上限は7%とする。7%以下では、150℃レベルの高温でも安定している。他方、Inが少なくなると、Inによる応力集中の分散効果が少なくなるので、下限は3%とした。従って、パワーサイクルの絶縁基板とベース基板との接続に適したInの適正範囲は、7%>In>3%である。
2.In添加した系で、Agが十分に入った系が優れる理由;
Agが多い系はAg3Snの針状晶がネットワーク状に形成されるので、高温でも安定しているAg3Snが複合材の補強効果として存在している。この効果がクラック進展を阻止しているものと考える。この結果、(5)Sn−0.5Cu−5In、(6)Sn−1.5Ag−0.5Cu−5Inは、Ag添加量の多い(4)Sn−3Ag−0.5Cu−5Inよりクラック進展が速くなったと推定する。(6)1.5%Ag 入りは、(5)0%Ag入りよりも悪く、クラック進展率は最大である。即ち、Ag3Sn がネットワーク状にはならず、強度が上がっている分、クラック進展は柔らかい(5)0%Ag入りより高く現れたものと考える。
Ag添加の上限は、コスト等を考慮し実用的な範囲の4.5% とした。Ag添加の下限は、Ag3Snのネットワーク形成がないレベルを考慮し、少なくとも2%以上とした。従って、Agの適正範囲として、4.5%>Ag>2%である。
3.従来のSn−37Pb共晶がSn系のはんだに比べ、大幅に優れる理由:
低サイクル疲労試験では、Sn−3Ag−0.5Cu がSn−37Pb共晶より優れることは公知〔例えば苅谷;はんだ材料の非線形特性と熱疲労信頼性、エレクトロニクス実装学会、Vol.8 No.2(2005)〕とされている。しかし、パワーモジュールのセラミック絶縁基板とベース基板との接続部の温度サイクル試験では、何故、Sn−37Pb共晶はんだが寿命に優れるかを考察した。
パワーモジュールのはんだを挟むセラミック絶縁基板及びCuベース基板表面に歪みゲージを貼り付け、温度サイクル中における歪速度の測定を行った。その結果、高温から低温への変化時に最大で、1.5〜2×10-6/sを示し、非常に遅いことが分かった。
これまで、通信,コンピュータ,民生用品の部品継手では、歪速度が遅いとされるダイボンド部でも公式データは見かけないが、遅くても10-4/sレベルとみなされていた。パワーモジュールのセラミック絶縁基板及びCuベース基板の歪速度が遅い理由は、パワーモジュール固有のCuベース基板等の大きな熱容量のためである。急激な温度変化に対して、チップ部分は表面からの冷却に影響されるが、Cuベース基板近傍は歪速度が1.5〜2×10-6/s以上にはなり難い。
この歪速度及びこの歪速度以下におけるはんだの機械的特性,金属組織的特性を比較すると、Sn−3Ag−0.5CuとSn−37Pb 共晶との明かな違いが現れることが分かる。これまでは両者の特性比較において、10-4/s以上の速い歪速度での比較データが多く、この範囲ではSn−3Ag−0.5CuがSn−37Pb共晶より、約1.5倍優れる結果になることは理解できる。
Sn−37Pb共晶はんだは、約10-4/sレベル以下の遅い歪速度で超塑性現象(例えば、M.M.I.Ahmed;Journal of Materials Science Letters 2,1983,59〜62)を呈し始め、応力が低下し伸びが急激に増してくる。即ち、パワーモジュールのセラミック絶縁基板とCuベース基板のはんだ付け部においては、Sn−37Pb共晶はんだ固有なクリープ現象により、モジュールの変形を伴う大面積接合部の温度サイクル試験に順応できるはんだである。
これに対し、Sn系(Sn−Ag−Cu系はその一部)は基本はSn晶の集まりであり、温度に対して安定しており、歪速度が遅くなってもクリープできず、応力は下がらない。即ち、Sn系はんだは、クリープし難いはんだとして知られている(例えば、前述の苅谷文献)。
従って、温度サイクル試験において同一条件でもモジュールの反りを緩和できず、常にSn−37Pb共晶はんだより高い応力が作用していることになり、このため、Sn−
37Pb共晶はんだより寿命が短くなるものと思われる。
これらの現象を考慮し、パワーモジュールのPbフリー化への対応として、Sn系はんだにおいて、ある程度の寿命向上が期待でき、高温でも安定な代表組成として、Sn−
3Ag−0.5Cu−5Inを選定した。
なお、Cuを入れる理由は、Sn−Ag−Cu系の3元共晶とすることで、Sn−Ag系より融点を少し下げられること。更に、セラミック基板上のCu電極への接続、Cuベース基板に直接接続する場合もあり、はんだによるCuのくわれ防止となる。Niメタライズに対して、Cuを添加することで、高温放置後も強度が強い。また、Cuの固融強化、(Cu,Ni)6Sn5等の析出強化等により、Cuなしはんだに比べ強い(例えば、伊藤他;Mate2002)。Cu添加量としては、通常は0.5〜0.8%で、1%を超えると伸びが低下するが、疲労強度の点で2%を限度とした(例えば、平田他;Mate99,p425)。
なお、これらのSn−Ag−Cu系に微量のBi,Ni,Al,Ge,Zn,Sb等を添加してもIn添加の効果は変わらない。これらの微量添加は、それぞれの別の特徴を出すことに意味がある。
Ni添加の目的は、はんだによるNiのくわれ防止、高温放置後の金属間化合物層の成長抑制による安定化である。Ni添加量のはんだ中への固溶は約0.15% であり、多く入れることはぬれ性の低下につながることを考慮すると、Ni添加量として0.2% とする。
Al添加の目的は、強度と延性の改質,微細な亜結晶生成によるクラック遅延効果が期待できる(例えば、鈴木他;Mate2004,p149)。Ge添加は特に酸化防止を目的とし、フラックスを使用しない箔を用いた接続の場合には効果が期待できる。
Zn添加の目的は、組織の改質で、ぬれ性を阻害する材料なので1%以下とする。
Sbは強度向上,結晶粗大化防止に一般に使用されるが、Sn−Ag−Cuへの添加量として、0.4%で良い。
次に、セラミック絶縁基板とCuベース基板の接続部の温度サイクル寿命を、更に向上させる手段として、適正物性を有するエポキシ系樹脂で接合外周部を部分塗布し補強することが考えられる。特にIn添加したはんだを使う理由は、はんだ付けプロセスにおける基板の反り緩和作用等が期待でき、接続の歩留まり向上に繋がる。
図2は、AlN絶縁基板端部を樹脂で部分補強しない例で、Sn−3Ag−0.5Cu−5InのPbフリーはんだを用いたパワーモジュールの断面構造である。モジュール構造自体は、従来構造と変わらない。図3は、図2のAlN絶縁基板11の端部に、エポキシ系樹脂3を部分塗布し補強した構造である。
AlN絶縁基板11−Cuベース基板2の構成において、熱疲労的に厳しくSiチップ5上の端子接続は従来通り、Alワイヤボンド6方式で、チップのはんだ付けは、b−
5Snの高温系はんだ7を用いた。AlN基板の電極8は、CuもしくはAl(Alの場合、はんだとのぬれ性確保のため表面にNiもしくはNi/Auめっきが施される)である。チップを高温系はんだ7で接続したAlN基板と、Cuベース基板2間に、本実施例組成のSn−3Ag−0.5Cu−5In 箔を搭載し、還元性雰囲気中で接続する。その後、Sn−3Ag−0.5Cuはんだ19をペースト等でAlN基板の電極上に供給し、部品,リード線18等をリフロー接続する。
図3は、AlN絶縁基板11の端部を包むようにエポキシ系樹脂3を塗布したものである。エポキシ系樹脂3を硬化した後に、シリコーンゲル20がモジュール全体を覆うようにプラスチックケース17内に充填される。エポキシ系樹脂3は、後付けはんだ4の周辺をできるだけ均一に塗布することが望ましいので、エポキシ系で塗布し易い低熱膨張係数のポッテイング用樹脂が用いられる。エポキシ系樹脂3の塗布形状として、フィレット部が図3の塗布構造に限定されるものではなく、基板下だけでも効果がある。
エポキシ系樹脂樹脂3とCuベース基板2間の密着力を増すために設けた末広状のデインプル穴14は、全周囲に巡らせても良い。また、デインプル14は、図4に示すように、応力的に厳しいAlN絶縁基板11の4隅の部分のみ設ける場合、図5に示すように、AlN絶縁基板11の4隅の部分と辺の中央部に設ける場合もある。
樹脂に要求される条件として、AlN絶縁基板11の周辺端部での応力的負担を担うので、(イ)樹脂の密着力は必須であり、(ロ)強いヤング率と変形できる柔軟性を備えていること、(ハ)線膨張係数としてはCuに近いか、熱応力的バランスではCu(α=
17.5×10-6/℃)とAlN(α=4.3×10-6/℃)の間であること、更に、(ニ)高温での安定性(Tgが高い)に優れること等である。
なお、樹脂物性としては、ヤング率;300〜3000kgf/mm2,線膨張係数;6〜25×10-6/℃の範囲が望ましい。
Al23基板とCuベース基板を接合した試験評価モデルの断面図である。 本発明の半導体パワーモジュールの一実施例を示し、AlN絶縁基板の端部を樹脂で部分補強しない例の断面図である。 本発明の半導体パワーモジュールの一実施例を示し、AlN絶縁基板の端部を包むように樹脂を塗布した例の断面図である。 Cuベース基板にデインプルを形成した一例を示す図である。 Cuベース基板にデインプルを形成した他の例を示す図である。
符号の説明
1…Al23基板、2…Cuベース基板、3…エポキシ系樹脂、4…後付けはんだ、5…Siチップ、6…Alワイヤボンド、7…高温系はんだ、8…電極、11…AlN絶縁基板、14…デインプル穴、17…プラスチックケース、18…リード線、19…Sn−3Ag−0.5Cuはんだ、20…シリコーンゲル。

Claims (3)

  1. ベース基板とセラミック絶縁基板及び半導体チップとがはんだで接続されてなる半導体パワーモジュールにおいて、
    前記セラミック絶縁基板とベース基板とのはんだ付けに、Ag:2〜4.5mass%、Cu:0〜2.0mass%、In:3〜7mass%、残りがSnからなる鉛フリーはんだを用いたことを特徴とする半導体パワーモジュール。
  2. シリコーンゲルが充填され、かつ、前記セラミック絶縁基板とベース基板とのはんだ付け端部周囲、及びその周囲の前記セラミック絶縁基板周囲とその周囲のベース基板表面の一部を包むようにエポキシ系樹脂を部分被覆したことを特徴とする請求項1に記載の半導体パワーモジュール。
  3. シリコーンゲルが充填され、かつ、前記セラミック絶縁基板とベース基板とのはんだ付け端部周囲、及びその周囲の前記セラミック絶縁基板周囲とその周囲のデインプル溝加工が施されたベース基板表面の一部を包むようにエポキシ系樹脂を部分被覆したことを特徴とする請求項1に記載の半導体パワーモジュール。
JP2006120028A 2006-04-25 2006-04-25 半導体パワーモジュール Active JP4595877B2 (ja)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006120028A JP4595877B2 (ja) 2006-04-25 2006-04-25 半導体パワーモジュール
US11/739,122 US8004075B2 (en) 2006-04-25 2007-04-24 Semiconductor power module including epoxy resin coating
DE102007019523A DE102007019523B4 (de) 2006-04-25 2007-04-25 Halbleiterleistungsmodul
DE102007063793.6A DE102007063793B4 (de) 2006-04-25 2007-04-25 Halbleiterleistungsmodul
US12/843,934 US8125090B2 (en) 2006-04-25 2010-07-27 Semiconductor power module

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006120028A JP4595877B2 (ja) 2006-04-25 2006-04-25 半導体パワーモジュール

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2007294626A JP2007294626A (ja) 2007-11-08
JP4595877B2 true JP4595877B2 (ja) 2010-12-08

Family

ID=38764956

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2006120028A Active JP4595877B2 (ja) 2006-04-25 2006-04-25 半導体パワーモジュール

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4595877B2 (ja)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4972503B2 (ja) * 2007-09-11 2012-07-11 株式会社日立製作所 半導体パワーモジュール
JP5852080B2 (ja) * 2013-11-05 2016-02-03 ローム株式会社 半導体装置
CN106415827B (zh) * 2014-06-23 2019-03-08 富士电机株式会社 冷却器一体型半导体模块
JP6623508B2 (ja) * 2014-09-30 2019-12-25 日亜化学工業株式会社 光源及びその製造方法、実装方法
JP6854480B2 (ja) * 2017-03-31 2021-04-07 国立大学法人大阪大学 試験方法、試験サンプル、試験システム、評価方法、評価システム、及び評価プログラム

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001168519A (ja) * 1999-12-03 2001-06-22 Hitachi Ltd 混載実装構造体及び混載実装方法並びに電子機器
JP2003124438A (ja) * 2001-10-19 2003-04-25 Mitsubishi Electric Corp 半導体装置及びその製造方法
JP2004228286A (ja) * 2003-01-22 2004-08-12 Mitsubishi Electric Corp 電力用半導体装置
JP2005056873A (ja) * 2003-08-01 2005-03-03 Hitachi Ltd 半導体パワーモジュール
JP2006041363A (ja) * 2004-07-29 2006-02-09 Hitachi Ltd 樹脂封止型半導体装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001168519A (ja) * 1999-12-03 2001-06-22 Hitachi Ltd 混載実装構造体及び混載実装方法並びに電子機器
JP2003124438A (ja) * 2001-10-19 2003-04-25 Mitsubishi Electric Corp 半導体装置及びその製造方法
JP2004228286A (ja) * 2003-01-22 2004-08-12 Mitsubishi Electric Corp 電力用半導体装置
JP2005056873A (ja) * 2003-08-01 2005-03-03 Hitachi Ltd 半導体パワーモジュール
JP2006041363A (ja) * 2004-07-29 2006-02-09 Hitachi Ltd 樹脂封止型半導体装置

Also Published As

Publication number Publication date
JP2007294626A (ja) 2007-11-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4972503B2 (ja) 半導体パワーモジュール
US8125090B2 (en) Semiconductor power module
JP5280520B2 (ja) はんだ材料および電子部品接合体
JP4453612B2 (ja) 無鉛はんだ合金
JP2002307188A (ja) Zn−Al系はんだを用いた製品
US9205513B2 (en) Bi—Sn based high-temperature solder alloy
JP5614507B2 (ja) Sn−Cu系鉛フリーはんだ合金
KR20190132566A (ko) 면 실장 부품의 솔더링 방법 및 면 실장 부품
JP3796181B2 (ja) 無鉛ハンダ合金、ハンダボール及びハンダバンプを有する電子部材
JP4595877B2 (ja) 半導体パワーモジュール
JP3832151B2 (ja) 鉛フリーはんだ接続構造体
JP2013013916A (ja) 金属間化合物含有鉛フリーはんだ合金及びその製造方法
JP6810915B2 (ja) はんだ材
WO2007081006A1 (ja) はんだ合金、はんだボールおよびそれを用いたはんだ接合部
JP2002076606A (ja) 電子機器および半導体装置
JPH01237095A (ja) はんだ材
JP7025208B2 (ja) はんだ合金
JP6848859B2 (ja) はんだ合金
JP2008221330A (ja) はんだ合金
KR20230015361A (ko) 고온 응용 분야를 위한 혼합 땜납 분말을 함유한 무연 땜납 페이스트
JP2008142721A (ja) 無鉛はんだ合金
US11724342B2 (en) Cost-effective lead-free solder alloy for electronic applications
JP2006000925A (ja) 無鉛はんだ合金およびその製造方法
JP2011519180A (ja) 電子部品用金属フレーム

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20080602

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20100222

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20100302

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20100608

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20100730

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20100824

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20100906

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 4595877

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131001

Year of fee payment: 3

S111 Request for change of ownership or part of ownership

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313111

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350