JP5145168B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は半導体装置に関し、特に、絶縁回路基板上に搭載する半導体素子および絶縁回路基板の下部に設けられる放熱板をハンダ付けで当該絶縁回路基板に接合する半導体装置に関する。

ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等のパワー半導体素子を含む半導体モジュールは、一般的に、
パワー半導体素子をハンダを介して絶縁回路基板に接合し、さらに当該絶回路基板をハンダを介して放熱板に接合するという構造を有している。パワー半導体素子の周りにはパワー半導体素子を囲むように樹脂ケースが配置され、この樹脂ケースは放熱板に取り付けられる。樹脂ケースは、配線接続用ターミナルを内部に挿入してモールドしている。パワー半導体素子の電極部とターミナルとはワイヤボンディング等で接続される。

上記半導体モジュールは、給電装置において電源をオン・オフ動作させるインバータ装置等として利用されている。半導体モジュールを構成する複数の要素（絶縁回路基板、半導体素子、放熱板等）はそれぞれ熱膨張係数が異なるため、半導体装置に大電流を流す使用時には、複数の要素の各々の異なる温度変化によってハンダ接合部に熱応力歪みが生じ、ハンダ接合部にクラックが発生する。近年では、環境問題の観点から鉛を使用しない鉛フリーハンダへの切り替えが加速している。この鉛フリーハンダは比較的に硬い材質であることから熱応力歪みによるハンダ接合部のクラックが発生しやすい。そこで、特許文献１〜３に開示されるようにハンダ接合部のクラックを防止する技術が提案されている。

特許文献１の半導体装置では、ボールグリップアレイタイプの半導体パッケージで、半導体チップの電極と絶縁基板の電極をピンで接続するとき、半導体チップの電極にはピンの一端を直接に接続し、絶縁基板の電極にはハンダ材を介してピンの他端を接続している。絶縁基板上で、半導体チップとピンおよびハンダによる電気的接続部とは、封止材によって封止されている。封止材の熱膨張率はピンの熱膨張率以下に設定されている。これにより、電気的接続部に含まれるハンダの部分にクラックを生じるのを防止する。

特許文献２の半導体装置では、絶縁基板と銅板をハンダで接合する構造において、当該ハンダに４つの角部の各々に予めボイドが形成されており、ハンダによる接合時の段階で当該ボイド内に位置する突起を絶縁基板の接合面に取り付けた構造を有している。突起は、ハンダに濡れない金属ワイヤ片で形成されている。これによりハンダ接合の厚さを均一にし、ハンダ接合部での亀裂やボイドの発生を抑制する。

特許文献３の半導体装置では、絶縁基板とベース板とをハンダで接合する構造において、絶縁基板の裏面側パターン、またはベース板に、ハンダ接合部の厚さを規制する複数個の突起を設ける構造を有する。これらの突起の各々では、絶縁基板の裏面側パターン側の周縁部に面する端部を、当該周縁部から１〜１０ｍｍ離した領域に位置させるようにしている。これにより、突起の周囲のハンダ接合部のストレスを抑制し、ハンダ接合部のクラックの発生を抑制している。
特開平０８−２３６５７５号公報 特開平１１−１８６３３１号公報 特開２００１−３５８２６７号公報

特許文献１による技術は、ボールハンダを使用するためハンダ接合部の接触面積が少なくなり、パワー半導体素子等の大電流を流す半導体装置に適用することは困難である。特許文献２による技術は、金属ワイヤ片を利用して突起を形成するため、部品点数が増加するという問題を有する。特許文献３による技術は、絶縁基板等に直接に突起を設けるため、部材形状が複雑になり、製造工程が複雑になり、部材価格が高くなるという問題を有する。

本発明の目的は、上記の課題に鑑み、絶縁回路基板の一方の面に半導体素子、他方の面に放熱板をそれぞれハンダで接合する半導体装置であり、熱応力歪みに起因して生じるハンダ接合部のクラックの発生を抑制し、クラックの進展を防止することができ、パワー半導体素子等に適用することが容易であり、かつ構造が簡素で、製造の仕方が容易で、製造コストを安価にすることができる半導体装置を提供することにある。

本発明に係る半導体装置は、上記の目的を達成するため、次のように構成される。

第１の半導体装置（請求項１に対応）は、角型の絶縁回路基板と、絶縁回路基板の一方の面に第１のハンダを介して接合される半導体素子と、絶縁回路基板の他方の面に第２のハンダを介して接合される放熱板を備え、さらに、第１および第２のハンダは四角形のシート状ハンダ材であり、これらのシート状ハンダ材の各々は４つの角部の少なくとも１つに孔部（ボイド）を有し、かつ孔部は、加熱によりシート状ハンダ材を溶融して絶縁回路基板に半導体素子と放熱板が接合されるとき残留空間（孔部が塞がっていない空間）が形成されることを特徴とする。

上記の半導体装置では、クラックが生じやすいハンダ周縁部分の角部に対応して予めシート状ハンダ材に孔部を成形しておき、リフロー炉等で半導体装置の全体を加熱してシート状ハンダ材を溶融し、絶縁回路基板と半導体素子と放熱板の間のハンダ付けを行う。絶縁回路基板と半導体素子、絶縁回路基板と放熱板の間のハンダ接合部の角部に空間が残留するようにしたので、熱応力によってハンダ接合部に歪みが生じた際に、当該空間で歪みを緩衝・吸収し、クラックの発生を抑制することができる。またハンダ接合部の外側からクラックが発生したとしても、空間でクラックの進展を抑制することができる。

第２の半導体装置（請求項２に対応）は、上記の構成において、好ましくは、シート状ハンダ材は、その対角線上に中心点を設定した円形孔部が形成されることを特徴とする。

角型すなわち四角形の絶縁回路基板は、加熱されるとき中央部を基準に熱膨張することから、シート状ハンダ材の対角線上の隅部に大きな歪みが生じる。そこで、歪みに弱い部位に対応させて孔部を設けることにより、クラックの発生および進展を抑制することが可能になる。

第３の半導体装置（請求項３に対応）は、上記の構成において、好ましくは、シート状ハンダ材は、４つの角部の各々に、角部を頂点とする二等分線上に中心点を設定した円形孔部が形成されることを特徴とする。

絶縁回路基板とパワー半導体素子と放熱板のそれぞれの熱膨張係数の差から生じる歪みによって、シート状ハンダ材の角部に大きな応力がかかる。このハンダ角部の頂点から面に対して略直角方向に進展する応力分布になる。そこで、シート状ハンダ材の角部を頂点とする二等分線上に孔部を設けることにより、クラックの発生および進展を防止する。

第４の半導体装置（請求項４に対応）は、上記の構成において、好ましくは、シート状ハンダ材は、その対角線上に中心点を設定した第１円形孔部と、各角部を頂点とする二等分線上に中心点を設定した第２円形孔部とを含む楕円形状の孔部が形成されることを特徴とする。

第５の半導体装置（請求項５に対応）は、上記の構成において、好ましくは、絶縁回路基板と放熱板の間に配置するシート状ハンダ材は、絶縁回路器基板の角部と半導体素子の角部とを結ぶ線上に中心点を設定した円形孔部が形成されていることを特徴とする。

第６の半導体装置（請求項３に対応）は、上記の構成において、好ましくは、絶縁回路基板は半導体素子よりも大きな平面を有し、絶縁回路基板と放熱板を接合するシート状ハンダ材の孔部は、絶縁回路器基板上に配置された半導体素子より外方の位置に設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、自動車等に使用されるパワー半導体モジュールに含まれる半導体装置で、当該半導体装置におけるハンダ接合部を利用した半導体素子に係る積層構造で、クラックが発生しやすいハンダ角部等の周縁部分等に対応させて応力緩和作用を有するボイドを予め形成するようにしたため、溶融後のハンダ接合部でボイドが残留し、当該ボイドでその後の発熱に起因する熱応力歪みを緩衝するため、ハンダ接合部でのクラックの発生を抑制することができ、外部からクラックが生じたとしても当該クラックの進展を防止することができる。

以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。

図１はパワー半導体モジュールの一例を示す。１１はモジュール樹脂ケースであり、その内部に本発明に係る半導体装置２０が配置されている。モジュール樹脂ケース１１の内部空間には、同様な他の半導体装置１２や端子部１３，１４が設けられている。端子部１３，１４の先端はモジュール樹脂ケース１１の外側に引き出されている。モジュール樹脂ケース１１の内部空間にはシリコンゲルが注入され、充填された状態になっている。ただし、図１においてはシリコンゲルの図示は省略されている。図１におけるＡ−Ａ線断面の部分を簡略しその要部を概念的に示すと、図２になる。図２において、モジュール樹脂ケース１１の内部は破線１５で示される箇所までシリコンゲル１６が充填されることになる。図２で示した縦断面図は、図１の断面構造を厳密に示すものではない。図２では、半導体装置２０および周辺部の積層構造と、モジュール樹脂ケース１１内での配置関係とを示すものである。

図２に示した半導体装置２０の積層構造を分解して示すと、図３に示すようになる。また半導体装置２０の平面形状を示すと、図４のようになる。図３において、それぞれの厚みは、実際の厚みよりも誇張して描かれている。

図２〜図４において、半導体装置２０は、その中央位置に絶縁回路基板２１を備える。絶縁回路基板２１は、絶縁板２２とその上下（表裏）の面に設けられた銅材２３，２４とから構成される。絶縁板２２の材質としては、セラミックス、窒化アルミニウム、窒化珪素、アルミナ等が用いられている。銅材２３，２４は、導電パターンを形成するものであり、実際には所要の回路パターンに形成されている。絶縁板２２の平面形状は四角形（角型）であり、その結果、絶縁回路基板２１の全体の平面形状も四角形（角型）になっている。

絶縁回路基板２１の上に２つの半導体素子２５，２６がそれぞれハンダ２７，２８を介して取り付けられている。半導体素子２５は例えばＩＧＢＴであり、半導体２６は例えばダイオードである。２つの半導体素子２５，２６の平面形状は四角形である。ハンダ２７，２８の溶融前の形状は、シート状のハンダであって、それぞれ、対応する半導体素子２５，２６に応じた形状を有し、かつほぼ同じ大きさを有している。２つのハンダ２７，２８は、溶融前の平面形状は四角形である。ハンダ２７，２８が溶融した後には、その面積は広がり、ハンダ２７は半導体素子２５と絶縁回路基板２１を接合し、ハンダ２８は半導体素子２６と絶縁回路基板２１を接合する。ハンダ溶融後、ハンダ２７，２８のそれぞれによりハンダ接合部が形成される。

絶縁回路基板２１の下側には放熱板２９がハンダ３０を介して取り付けられている。ハンダ３０はシート状のハンダであり、その平面形状は四角形であり、絶縁回路基板２１の形状に応じた大きさに形成されている。ハンダ３０の溶融後は、その面積は広がり、絶縁回路基板２１と放熱板２９を接合する。ハンダ３０によりハンダ接合部が形成される。また放熱板２９は銅またはアルミニウムで作られた板材である。

上記のハンダ２７，２８，３０の材質は、鉛入りあっても、鉛フリーであってもよい。

図２に示すように、放熱板２９はモジュール全体のベース部材になっており、その上にモジュール樹脂ケース１１が結合部３１を介して固定されている。結合部３１には耐熱性の接着剤が用いられる。図２に示された構造は、半導体装置２０の各要素が接合されて一体化され、モジュール樹脂ケース１１に組み付けられ、端子部（図示せず）と半導体素子２５，２６とがワイヤ３２で電気的に接続され、シリコンゲル１６が充填された状態を示している。

以上のように、本実施形態に係る半導体装置２０では、絶縁回路基板２１と半導体素子２５，２６との間、および絶縁回路基板２１と放熱板２９との間に接合部としてのハンダ層（２７，２８，３０）を介在させている。このようなハンダ接合部を形成するに当たって、本実施形態のシート状のハンダ２７，２８，３０では、溶融前の段階の形状において、図５に示すようなボイド（空隙または空間）３３が形成されている。

図５において、（Ａ）は溶融前のシート状ハンダ２７の平面図を示し、（Ｂ）は溶融前のシート状ハンダ２８の平面図を示し、（Ｃ）は溶融前のシート状ハンダ３０の平面図を示している。シート状のハンダ２７，２８，３０のいずれも四角形を有し、それらの角部の全部または一部にボイド３３が形成されている。辺部に沿って、あるいは中央部近傍にボイドを形成することもできる。ボイド３３は貫通孔であり、例えば円形形状をした孔部である。基本的に、ボイド３３の孔の径等の大きさ、あるいは面積は、配置される箇所に応じて任意に設定される。またハンダ２７，２８，３０の各々におけるボイド３３の数は任意であり、形成場所も任意である。上記の複数のボイド３３は、完成品としてのパワー半導体モジュールが自動車等に装備され、実際に使用される状況において、発生する熱に起因して応力が生じるとき、当該応力を緩和する効果を発揮させるために設けられたものである。かかる応力緩和作用を生じさせることができる限りにおいて、ボイド３３の構造は任意に設けることができる。すなわち、ボイド３３の構造について、大きさ、位置は熱性能の許す範囲内とし、かつ機械的強度を保つことができる範囲内し、個数は問わない。ボイド３３の形状は、応力緩和効果を得るためには、面取りして湾曲していることが好ましい。

次には、ボイド３３についてより好ましい作り方の例を説明する。

ボイド３３は、例えばハンダ３０で、その対角線３４上に中心点を設定した円形孔部として形成することが好ましい。また、例えば４つの角部の各々に、角部を頂点とする二等分線３５上に中心点を設定した円形孔部として形成することもできる。

さらに、対角線３４上に中心点を設定した第１円形孔部と、各角部を頂点とする二等分線３５上に中心点を設定した第２円形孔部とを含む楕円形状の孔部として形成することもできる。

絶縁回路基板２１と放熱板２９の間に配置するハンダ３０の場合には、絶縁回路器基板２１の角部と半導体素子２５，２６の角部とを結ぶ線上に中心点を設定した円形孔部を形成することもできる。

さらに絶縁回路基板２１は半導体素子２５，２６よりも大きな平面を有しており、絶縁回路基板２１と放熱板２９を接合するハンダ３０のボイド３３は、絶縁回路器基板２１上に配置された半導体素子２５，２６より外方の位置に設けられていることが好ましい。

以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値および各構成の組成（材質）等については例示にすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。

本発明に係る半導体装置は、自動車等に搭載されるパワー半導体モジュールとして利用される。

本発明に係る半導体装置を備えたパワー半導体モジュールの内部構造を示した斜視図である。 図１におけるＡ−Ａ線断面図である。 半導体装置の積層構造を分解して示した図である。 半導体装置の平面図である。 ボイドを有するシート状ハンダの平面図である。

符号の説明

１１ モジュール樹脂ケース
１２ 半導体装置
１３，１４ 端子部
１６ シリコンゲル
２１ 絶縁回路基板
２２ 絶縁板
２３，２４ 銅材
２５，２６ 半導体素子
２７ ハンダ
２８ ハンダ
２９ 放熱板
３０ ハンダ
３３ ボイド

Claims (6)

1. 角型の絶縁回路基板と、前記絶縁回路基板の一方の面に第１のハンダを介して接合される半導体素子と、前記絶縁回路基板の他方の面に第２のハンダを介して接合される放熱板を備える半導体装置において、
   前記第１および第２のハンダは四角形のシート状ハンダ材であり、これらのシート状ハンダ材の各々は４つの角部の少なくとも１つに孔部を有し、かつ前記孔部は、加熱により前記シート状ハンダ材を溶融して前記絶縁回路基板に前記半導体素子と前記放熱板が接合されるとき空間が形成されることを特徴とする半導体装置。
2. 前記シート状ハンダ材は、その対角線上に中心点を設定した円形孔部が形成されることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記シート状ハンダ材は、前記４つの角部の各々に、前記角部を頂点とする二等分線上に中心点を設定した円形孔部が形成されることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
4. 前記シート状ハンダ材は、その対角線上に中心点を設定した第１円形孔部と、各角部を頂点とする二等分線上に中心点を設定した第２円形孔部とを含む楕円形状の孔部が形成されることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
5. 前記絶縁回路基板と前記放熱板の間に配置する前記シート状ハンダ材は、前記絶縁回路器基板の角部と前記半導体素子の角部とを結ぶ線上に中心点を設定した円形孔部が形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
6. 前記絶縁回路基板は前記半導体素子よりも大きな平面を有し、前記絶縁回路基板と前記放熱板を接合する前記シート状ハンダ材の前記孔部は、前記絶縁回路器基板上に配置された前記半導体素子より外方の位置に設けられていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。

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