JP4797492B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、パワー半導体モジュール，スイッチングＩＣなどを対象とする半導体装置、詳しくは半導体装置に搭載した半導体チップの実装回路構造に関する。
昨今ではパワー半導体モジュールの小型，大容量化が進み、これに伴いパワー半導体モジュールに搭載するパワー半導体チップ（例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor））等は高い電流密度で通電使用されることから、その放熱対策が重要課題となっている。
すなわち、ＩＧＢＴなどのパワー半導体デバイスでは、半導体チップの接合部温度Ｔjに上限保証温度（例えば１２５℃）が規定されているのに対して、放熱用ベース（銅ベース板）に絶縁基板を介して半導体チップをマウントした片面冷却方式では、半導体チップの上面側がパッケージ内に充填した封止樹脂で封止されているためにチップの上面側からの放熱は殆ど期待できない。このために半導体チップの小型,大電流化に伴い発熱密度が増大すると、半導体チップの上面電極に接続する配線リードとしてアルミワイヤをボンディングした在来の配線構造では、チップの接合部温度を上限保証温度以下に抑えることが困難であるばかりか、アルミワイヤのジュール発熱も加わってワイヤ溶断のおそれもあってヒートサイクル，パワーサイクル耐量の低下が懸念される。
一方、半導体チップの上面からの放熱性を高めるための手段として、前記のアルミワイヤに代えてストラップ状の金属箔になる配線リードを半導体チップの上面主電極に半田接合し、この金属箔を伝熱経路として半導体チップの発生熱をチップ上面側から絶縁基板に放熱させるようにした構成のものが知られており（例えば、特許文献１参照）、さらに配線リードを高伝熱性材質の平板ないしブロック状のリードフレームで構成し、該リードフレーム自身をヒートスプレッダとして半導体チップの発熱集中を緩和させるようにした構成のものも知られている（例えば、特許文献２参照）。なお、配線部材として前記リードフレームを配線用基板に置き換え、半導体チップ３の上下両主面を基板に接合したパッケージ形態の半導体モジュールもある。
次に、パワー半導体モジュールを例に、特許文献２に開示されているモジュール組立構造を図７に示す。図において、１は放熱用銅ベース、２はセラミックス基板２ａの表，裏両面に導体パターン２ｂ，２ｃを形成して銅ベース１の上に搭載接合した絶縁基板（例えば、Direct Copper Bonding基板）、３は絶縁基板２の導体パターン２ｂに半田接合してマウントした半導体チップ(ＩＧＢＴ)、４は半導体チップ３の上面電極（エミッタ電極）と絶縁基板２の導体パターン２ａとの間に半田接合したリードフレーム（銅製の配線リード）、５は外囲樹脂ケースである。なお、１ａは銅ベース１に伝熱結合した放熱フィン（ヒートシンク）である。
ところで、前記のように半導体チップ３の主面にリードフレーム４の接合端面を重ね合わせて両者の間を半田接合（面接合）した実装回路では、半導体チップ３とリードフレーム４との線膨張係数差から、通電時のヒートサイクルにより半田接合層に発生する熱応力がその接合面方向に剪断応力として繰り返し作用し、この応力による疲労で半田層にクラックが発生するなどの欠陥が生じて半導体モジュールの接続信頼性が低下する問題がある。また、同様な応力問題は絶縁基板２の導体パターン２ａに半導体チップ３を接合した半田層にも起こり得る。
一方、前記した半田層の熱応力緩和対策として、半導体チップの主面に半田よりもヤング率が低い樹脂緩衝層と、該緩衝層を貫通して分散配備したポスト電極とを組合せた応力緩和層を半導体チップの主面電極に積層した上でその上面に配線リードを半田接合し、半導体チップと配線リードとの熱膨張係数差に起因して半田層に発生する応力を前記の樹脂緩衝層の変形により吸収して応力を緩和するようにした半導体チップの実装回路構造が知られている（例えば、特許文献３参照）。
特開２００１−３３２６６４号公報 特開２００５−６４４４１号公報 特開２００３−２３４４４７号公報
ところで、特許文献３に開示されている応力緩和策は、その応力緩衝部を非導電性の樹脂層で形成し、該樹脂層に分散植設したポスト電極を通じて通電，伝熱を行うようにしていることから、その通電，伝熱経路がポスト電極の部分に制約される。このために、パワー半導体モジュールなどのように通電電流，発熱量の大きな半導体チップへの適用には不向きである。
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は高い通電性と伝熱性を確保しつつ、半導体チップと配線リードもしくは基板との線膨張係数差が原因で接合層に発生する面方向の応力を効果的に緩和できるようにして実装回路の接続信頼性の向上を図った半導体装置を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明によれば、絶縁基板に半導体チップをマウントした上で、該半導体チップの上面主電極に配線部材として配線リードもしくは配線基板を接続した実装回路になる半導体装置において、
半導体チップの上面主電極に、応力緩和機能を有する通電，伝熱経路部材として、低線膨張係数の材質になる導電板と、該導電板の板面に高導電，高伝熱性の材質になるポスト電極を分散して貫通植設した構造の接続体を面接合（例えば半田接合）し、その導電板から引出し形成した端子部に配線部材を接合するものとし（請求項１）、具体的には次記のような態様で構成することができる。
（１）前記接続体のポスト電極を中空構造体として水平方向の撓み剛性を低め、接続体の応力緩和機能を高めるようにする（請求項２）。
（２）前記接続体の導電板を断面形状が波型の板として水平方向の撓み剛性を低め、接続体としての応力緩和機能を一層高めるようにする（請求項３）。
（３）前記のポスト電極を断面形状が波型の導電板の山部に配置し、かつポスト電極の挿入深さを導電板の波形高さよりも小に設定して接続体の全面域で接合層の導電抵抗，および伝熱抵抗を平均化させて熱応力を分散させるようにする（請求項４）。
（４）前記の接続体について、その導電板の材質をＦｅ−Ｎｉ系合金，Ｍｏ，Ｗ、もしくはそのいずれかの成分と銅またはアルミを含む低膨張合金とし、ポスト電極の材質は純銅，純アルミ、もしくはＭｏ，Ｗ，またはそのいずれかの成分と銅またはアルミを含む合金として半導体チップと接続体との間で線膨張係数のミスマッチを低く抑えるようにする（請求項５）。
もしくは、絶縁基板に半導体チップをマウントした上で、該半導体チップの上面主電極に配線部材として配線リードもしくは配線基板を接続した実装回路になる半導体装置において、半導体チップの少なくとも一方の主電極面に、通電，伝熱経路部材として低線膨張係数であって断面形状が波型の導電板に高導電，高伝熱性のポスト電極を分散して貫通植設した構造の接続体を面接合し、該接続体を介して配線部材ないし絶縁基板に接合するものとし（請求項７）、具体的には次記のような態様で構成することができる。
（５）前記接続体を半導体チップの主面に接合した上で、その導電板の背面に露呈しているポスト電極を配線部材，ないし絶縁基板の導体パターンに接合する（請求項８）。
上記のように、低線膨張係数の導電板に高導電，高伝熱性のポスト電極を分散植設して該ポスト電極の相互間を導電板で分離するよう構成した接続体を、通電，伝熱経路部材として半導体チップの主面に接合（例えば、半田接合）することにより、半導体チップとの線膨張係数のミスマッチを低く抑えて前記接合層に発生する応力を低減できるとともに、この接続体自身がヒートスプレッダとしても機能し、半導体チップの発熱温度分布を平均化させることができる。したがって、この接続体を介して半導体チップに配線部材，もしくは基板を接続することで実装回路の接続信頼性が向上する。
しかも、導電板を接続体の接合層に対する応力緩衝部として機能させるようにしたことで、先記の特許文献３に開示されている応力緩和層（応力緩衝部を樹脂層で形成している）と比べて高い通電性と伝熱性を確保することができて通電容量，発熱量の大きなパワー半導体モジュールにも十分に対応可能となる。
ここで、前記接続体は、半導体装置のパッケージ形態に合わせてポスト電極，あるいは導電板の端子部を選択して接続相手部材（配線リード，配線基板，絶縁基板）に接合（例えば、ロウ付け）するようにすることで、先記したパワー半導体モジュールのほか、表面実装形デバイスなど各種のパッケージ形態に適用できる。
また、前記接続体の構造について、そのポスト電極を中空構造体，導電板を断面形状が波型の板として撓み剛性を低めるようにしたことで、接続体の応力緩和機能をより一層高めることができ、さらに接続体に先記のような材質を選択することにより、接続体の実効的な線膨張係数を半導体チップに近づけて接合層に発生する応力を軽減できる。
また、接続体のポスト電極を断面形状が波型の導電板の山部に配置し、かつポスト電極の挿入深さを導電板の波形高さよりも小に設定した構成を採用することにより、接続体の接合面全域で接合層の導電抵抗および伝熱抵抗を平均化し、併せて熱応力を分散させることができて接続信頼性がさらに向上する。
以下、本発明の実施の形態を図１〜図６に示す実施例に基づいて説明する。なお、実施例の図中で、図７に対応する部材には同じ符号を付してその説明は省略する。
図１（ａ）〜（ｃ）は、半導体チップ３を絶縁基板２に半田マウントし、該半導体チップ３の上面主電極に配線リード（アルミワイヤ，もしくはリードフレーム）を接続して実装回路を構成したパッケージ形態のパワー半導体モジュールに適用した実施例を示すものであり、図１（ａ）で示すように半導体チップ３の上面主電極（エミッタ電極）には、半田層６に対する応力緩和手段として接続体７（詳細構造は後記する）を半田接合（面接合）した上で、該接続体７に配線リード８を接続するようにしている。
ここで、前記の接続体７は、図１（ｂ），（ｃ）で示すように、半導体チップ３の主面と略同等な外形サイズでその材質が低熱膨張係数である導電板７ａに対し、その板面に例えば打ち抜き加工によって貫通穴７ａ−１を分散開口した上で、この貫通穴７ａ−１に柱状のポスト電極７ｂをその先端が導電板７ａの接合面側に突き出すように圧入して植設した構造になる。また、前記の導電板７ａは、例えば４２アロイ，コバール，インバーなどの低膨張合金（Ｆｅ−Ｎｉ合金）であり、ポスト電極７ｂは導電性，伝熱性の高い純銅で作られている。
そして、図１（ａ）で示すように半導体チップ３の上面主電極に前記接続体７を重ねて半田接合し、この接続体７を通電，伝熱経路部材としてその導電板７ａの背面側に露呈しているポスト電極７ｂに配線リード８をロウ付け，超音波接合などの適宜な接合方法により接合して実装回路を構成している。
上記構成によれば、個々のポスト電極７ｂが導電板７ａの板面上に分離して担持されていることから、接続体７の実質的な線膨張係数は低膨張合金の導電板７ａの線膨張係数となり、これにより半導体チップとの線膨張係数のミスマッチが低減する。したがって、通電時のヒートサイクルに伴い半田層６に発生する応力を低レベルに低減しつつ、一方では導電板７ａ，および該導電板に植設した導電性，伝熱性の高いポスト電極７ｂにより電気的，伝熱的に高い導通機能を確保し、特に通電容量の大きなパワー半導体モジュールの実装回路としてその接続信頼性が向上する。また、接続体７の導電板７ａの板厚を増して熱容量を大きく設定することにより接続体自身がヒートスプレッダとして有効に機能し、半導体チップ３の発熱集中を緩和させることができる。また、半導体チップ３の発熱はチップの中央域に多く発生することから、前記ポスト電極７ｂは導電板７ａに対してその中央範囲での配列ピッチを小さくし、周域では配列ピッチを大きくすればよい。
なお、導電板７ａの材質は前記の低膨張合金のほか、Ｍｏ，Ｗ，もしくはＭｏ−Ｃｕ，Ｍｏ−Ａｌ，Ｗ−Ｃｕ，Ｗ−Ａｌなどの合金でもよく、またポスト電極７ｂも純Ｃｕのほか、純Ａｌ，Ｍｏ−Ｃｕ，Ｍｏ−Ａｌ，Ｗ−Ｃｕ，Ｗ−Ａｌの合金を選択してもよい。
次に、前記接続体７に関して、図１の構造を変更したいくつかの改良実施例について述べる。
まず、図２は本発明の請求項４に対応する接続体の実施例であり、図1と同様に、例えば打ち抜き加工によって導電板７ａに分散開口した貫通穴に圧入してポスト電極７ｂ’を植設している。このポスト電極７ｂ’は、中空構造のコニック形状体（錐形）として水平方向の撓み剛性を低めるようにしている。これにより、半田層６（図１（ａ）参照）に発生した応力に対してポスト電極７ａが容易に変形して応力を吸収緩和するようになり、接続体７の応力緩和機能が向上する。
図３は本発明の請求項５に対応する接続体の実施例であり、先記実施例１（図１（ｂ），（ｃ）参照）における導電板７ａを図示のような断面形状が波型の板７ａ’として水平方向の撓み剛性を低めようにし、実施例２と中空構造のポスト電極と同様に応力緩和機能を高めることができる。なお、平坦な導電板７ａを断面形状が波型の板７ａ’に加工するにはプレス加工が好適である。また、このプレス加工工程で同時に貫通穴７ａ−１を板面に分散開口することもできる。
また、この実施例では断面形状が波型の導電板７ａ’に対し、ポスト電極７ｂ”を波形の山部に分散して圧入，植設し、かつ導電板７ａ’を貫通してその半田接合面側に突き出す圧入深さｄを導電板７ａ’の波形高さｈよりも小（ｄ＜ｈ）に設定している。
上記の波形導電板７ａ’およびポスト電極７ｂ”の採用により、接続体７を半導体チップ３の上主面に半田接合した状態（図１（ａ）参照）では、導電性，膨張係数が低い断面形状が波型の導電板７ａ’の谷部範囲に対応する半田層６の厚さに比べて、導電性，膨張係数の高いポスト電極７ｂ”に対応する半田層６の厚さが厚くなる。これにより、接続体７の全面域で半田層６の電気抵抗，伝熱抵抗が平均化されるとともに、熱応力の集中を避けて半田歪みを半田層６の全域に分散させることができる。
ここで、図３に示すポスト電極７ｂ”は一方の端部に鍔状部７ｂ”-1を設けており、このポスト電極７ｂ”を導電板７ａ’の開口穴に圧入する際に前記鍔状部７ｂ”-1を開口穴の縁に突き当ててポスト電極７ｂ”の圧入深さｄを決めるようにしている。また、前記鍔状部７ｂ”-1を配線リード８（図１（ａ）参照）との接続端側に設けることで、配線リード８との接合面積が広くなって確実な接合が得られる。しかも、このポスト電極７ｂ”と配線リード８は膨張係数が近いので、半田接合面６（図１（ａ）参照）に作用する熱応力の影響も小さい。
また、図４は実施例３の応用実施例であり、図３における中実構造のポスト電極７ｂを図２に示した中空構造のポスト電極７ｂに置き換えた構成になる。これにより、実施例３と同様な機能を発揮して応力緩和効果がより一層向上する。
図５は半導体チップ３の上下両主面に図４に示した接続体７を半田接合した上で、該接続体７を介して絶縁基板２および上方の配線基板９に接合したモジュール形態の実施例を示すものであり、この実施例においては、半導体チップ３の上下主面に半田接合した接続体７の導電板７ａからその背面側に露呈しているポスト電極７ｂの端面をそれぞれ絶縁基板２，および配線基板９の導体パターンに突き当ててロウ付けなどにより接合している。
この構成によれば、半導体チップ３の発生熱をその上下両主面に配した接続体７を介して絶縁基板２および配線基板９に放熱してモジュールの放熱性が向上するとともに、半導体チップ３／絶縁基板２および半導体チップ３／配線基板９の間で半田層６に発生する熱応力を接続体７により低減緩和して高い接続信頼性を実現できる。さらに、各基板についても接合前後の応力が低減されることから、基板の品質管理条件も緩和されて製造上での歩留も向上する。
図６は、図１（ａ）に示したモジュール形態の応用実施例を示すものである。この実施例においては、半導体チップ３の上面主電極に半田接合した接続体７と配線リード８との接続構造に関して、あらかじめ導電板７ａの周縁より上方に引き出した端子部７ｃを形成しておき、モジュールの組立工程で前記端子部７ｃに配線リード８をロウ付け，あるいは超音波接合するようにしている。
この構成においても、図１（ａ）と同様に半田層６に発生する応力を緩和して接続信頼性の高い実装回路を実現できる。
なお、以上述べた各実施例では、半導体チップ３の主面と接続体７とを半田接合した場合について述べたが、半導体チップ３／接続体７の間の接合は半田接合のみに限定されるものではなく、ロウ付けなど他の接合法においても同様な応力低減効果を奏することができる。
本発明の実施例１に対応する実施例の構成図で、（ａ）は半導体モジュールの組立構造図、（ｂ），（ｃ）はそれぞれ（ａ）における接続体の詳細構造を表す平面図および拡大断面図 本発明の実施例２に対応する接続体の断面図 本発明の実施例３に対応する接続体の断面図 本発明の実施例４に対応する接続体の断面図 本発明の実施例５に対応する半導体モジュールの組立構造図 本発明の実施例６に対応する半導体モジュールの組立構造図 パワー半導体モジュールを例にした従来例のモジュール組立構造図
２ 絶縁基板
３ 半導体チップ
６ 半田層
７ 接続体
７ａ 導電板
７ｂ ポスト電極
８ 配線リード
９ 配線基板

Claims (12)

  1. 絶縁基板に半導体チップをマウントした上で、該半導体チップの上面主電極に配線部材として配線リードもしくは配線基板を接続した実装回路になる半導体装置において、
    半導体チップの上面主電極に、通電，伝熱経路部材として低線膨張係数の導電板に高導電，高伝熱性のポスト電極を分散して貫通植設した構造の接続体を面接合し、その導電板から引出し形成した端子部に配線部材を接合したことを特徴とする半導体装置。
  2. 請求項１記載の半導体装置において、接続体のポスト電極が中空構造体になることを特徴とする半導体装置。
  3. 請求項１または２に記載の半導体装置において、接続体の導電板が、断面形状が波型の板であることを特徴とする半導体装置。
  4. 請求項３記載の半導体装置において、ポスト電極を断面形状が波型の導電板の山部に配置し、かつポスト電極の挿入深さを導電板の波形高さよりも小に設定したことを特徴とする半導体装置。
  5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の半導体装置において、接続体の導電板の材質がＦｅ−Ｎｉ系合金，Ｍｏ，Ｗ、もしくはそのいずれかの成分と銅またはアルミを含む低膨張合金であり、ポスト電極の材質が純銅，純アルミ、もしくはＭｏ，Ｗ，またはそのいずれかの成分と銅またはアルミを含む合金であることを特徴とする半導体装置。
  6. 請求項１記載の半導体装置において、前記ポスト電極の形状が柱状もしくはコニック状であることを特徴とする半導体装置。
  7. 絶縁基板に半導体チップをマウントした上で、該半導体チップの上面主電極に配線部材として配線リードもしくは配線基板を接続した実装回路になる半導体装置において、
    半導体チップの少なくとも一方の主電極面に、通電，伝熱経路部材として低線膨張係数であって断面形状が波型の導電板に高導電，高伝熱性のポスト電極を分散して貫通植設した構造の接続体を面接合し、該接続体を介して配線部材ないし絶縁基板に接合したことを特徴とする半導体装置。
  8. 請求項７記載の半導体装置において、半導体チップの主面に接続体を接合した上で、その導電板の背面に露呈しているポスト電極を配線部材，ないし絶縁基板の導体パターンに接合したことを特徴とする半導体装置。
  9. 請求項７または８に記載の半導体装置において、接続体のポスト電極が中空構造体になることを特徴とする半導体装置。
  10. 請求項７記載の半導体装置において、ポスト電極を断面形状が波型の導電板の山部に配置し、かつポスト電極の挿入深さを導電板の波形高さよりも小に設定したことを特徴とする半導体装置。
  11. 請求項７ないし１０のいずれかに記載の半導体装置において、接続体の導電板の材質がＦｅ−Ｎｉ系合金，Ｍｏ，Ｗ、もしくはそのいずれかの成分と銅またはアルミを含む低膨張合金であり、ポスト電極の材質が純銅，純アルミ、もしくはＭｏ，Ｗ，またはそのいずれかの成分と銅またはアルミを含む合金であることを特徴とする半導体装置。
  12. 請求項７記載の半導体装置において、前記ポスト電極の形状が柱状もしくはコニック状であることを特徴とする半導体装置。
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