JP5328740B2 - Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Description
この発明は、半導体装置、特に高温で動作する半導体装置の実装構造に関するものである。 The present invention relates to a mounting structure of a semiconductor device, particularly a semiconductor device that operates at a high temperature.
産業機器や電鉄、自動車の進展に伴い、それらに使用される半導体素子の使用温度も向上している。近年、高温でも動作する半導体素子の開発が精力的に行われ、半導体素子の小型化や高耐圧化、高電流密度化が進んでいる。特に、SiCやGaNなどのワイドバンドギャップ半導体は、Si半導体よりもバンドギャップが大きく、半導体装置の高耐圧化、小型化、高電流密度化、高温動作が期待されている。このような特徴を持つ半導体素子を装置化するためには、半導体素子が150℃以上の高温で動作する場合も、接合材のクラックや配線の劣化を抑えて半導体装置の安定な動作を確保する必要がある。 With the progress of industrial equipment, electric railways, and automobiles, the operating temperature of semiconductor elements used for them has also increased. In recent years, semiconductor devices that operate even at high temperatures have been energetically developed, and miniaturization, high breakdown voltage, and high current density of semiconductor devices have been advanced. In particular, wide bandgap semiconductors such as SiC and GaN have a larger bandgap than Si semiconductors, and semiconductor devices are expected to have higher breakdown voltage, smaller size, higher current density, and higher temperature operation. In order to implement a semiconductor element having such characteristics as an apparatus, even when the semiconductor element operates at a high temperature of 150 ° C. or higher, a stable operation of the semiconductor device is ensured by suppressing the crack of the bonding material and the deterioration of the wiring. There is a need.
このような概念に基づいて、例えば特許文献1では、ポリイミドまたは、ポリエーテルアミドを用いて半導体素子を2度コーティングする3層構造にし、半導体素子に近いコーティング材の弾性率が、その上のコーティング層の弾性率よりも大きくする方法が提案されている。また、特許文献2では、シリコーンゴムを用いて半導体素子をコーティングし、その上から封止樹脂で封止する方法が提案されている。
Based on such a concept, for example, in
しかしながら、特許文献1に示された方法では、半導体素子に近いコーティング材の弾性率を高くしてあるが、半導体素子に近いコーティングの弾性率が高いと、半導体素子との間に発生する熱応力が高く、パワーサイクル試験やヒートサイクル試験などの信頼性試験で、コーティング樹脂の剥離やクラックが発生し、その結果、半導体素子の絶縁性や半導体素子を搭載する接合材にクラックや剥離が発生して半導体装置の信頼性を損ねるという課題があった。また、特許文献2に示された方法の様に半導体素子と配線を一体にコーティングすると、水分の浸入は防げるがコーティングの樹脂の膨張収縮により、配線を疲労破壊させてしまったり、半導体装置の信頼性を著しく損ねてしまったりする課題があった。
However, in the method disclosed in
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、半導体素子が繰り返し高温で動作してヒートサイクルを受ける場合も、接合材のクラックや配線の劣化による動作不良を起こし難い信頼性の高い半導体装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and even when a semiconductor element repeatedly operates at a high temperature and undergoes a heat cycle, it causes a malfunction due to a crack in the bonding material or deterioration of the wiring. An object is to obtain a difficult and highly reliable semiconductor device.
この発明は、絶縁基板上に設けられた電極パターン上面に接合材を介して半導体素子が固着された半導体素子基板を金属のベース板上に配置し、少なくとも絶縁基板および半導体素子を封止樹脂により被覆した半導体装置において、半導体素子の電極パターンに接合された面とは逆の面の一部と接触するように、封止樹脂よりも線膨張率が大きい膨張押圧部材を封止樹脂で被覆されるように設けたものである。 According to the present invention, a semiconductor element substrate having a semiconductor element fixed to an upper surface of an electrode pattern provided on an insulating substrate via a bonding material is disposed on a metal base plate, and at least the insulating substrate and the semiconductor element are made of a sealing resin. In the coated semiconductor device, an expansion pressing member having a linear expansion coefficient larger than that of the sealing resin is coated with the sealing resin so as to contact a part of the surface opposite to the surface bonded to the electrode pattern of the semiconductor element. It is provided as follows.
この発明に係る半導体装置は上記のように構成されているため、高温動作時に膨張押圧部材が膨張しようとする圧力により、接合材に圧力が印加されるため、接合材の膨張が抑えられる結果、熱サイクルによる膨張収縮が抑えられて接合材のクラックや配線の劣化による動作不良を起こし難い信頼性の高い半導体装置を得ることができる。 Since the semiconductor device according to the present invention is configured as described above, pressure is applied to the bonding material due to the pressure at which the expansion pressing member is expanded during high-temperature operation, so that the expansion of the bonding material is suppressed. It is possible to obtain a highly reliable semiconductor device in which expansion and contraction due to thermal cycle is suppressed and operation failure due to cracking of the bonding material or deterioration of the wiring hardly occurs.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1による半導体装置の構造であって、封止樹脂と配線を省略して示す基本構造の上面図、図2は図1のA−A位置に相当する位置で切断した断面図であり封止樹脂12と配線13を含めて示している。絶縁基板1の上面に電極パターン2、裏面に裏面電極3が貼られた半導体素子基板4の電極パターン2の表面に半導体素子5、6がはんだなどの接合材7、70で固着されている。ここで、例えば半導体素子5は大電流を制御するMOSFETのような電力用半導体素子であり、半導体素子6は例えば電力用半導体素子5に並列に設けられる還流用のダイオードである。半導体素子基板4は裏面電極3側がベース板10に固着されており、ベース板10が底板となり、このベース板10とケース側板11とでケースが形成され、このケース内に封止樹脂12を注入してモールドする。各半導体素子には各半導体素子の電極などを外部に電気接続するための配線13が接続され、配線13が端子14に接続されている。大電流を制御し発熱が大きい電力用半導体素子5の上面(電極パターン2に接合された面とは逆の面)には、この上面の一部と接触するように膨張押圧部材9が5箇所設けられている。また、膨張押圧部材91が、接合材7が半導体素子5の周囲にはみ出した部分を覆うように設けられている。一方、発熱が小さい半導体素子6には膨張押圧部材を設けていない。
1 is a top view of a basic structure showing a structure of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention, in which sealing resin and wiring are omitted, and FIG. 2 is a position corresponding to the position AA in FIG. It is sectional drawing cut | disconnected by (4), and is shown including the
本発明は、電力用半導体素子として、150℃以上で動作する半導体素子に適用すると効果が大きい。特に、炭化珪素(SiC)、窒化ガリウム(GaN)系材料またはダイヤモンドといった材料で形成された、珪素(Si)に比べてバンドギャップ大きい、いわゆるワイドバンドギャップ半導体に適用すると効果が大きい。また、図1では、一つのモールドされ
た半導体装置に半導体素子が4個しか搭載されていないが、これに限定するものではなく、使用される用途に応じて必要な個数の半導体素子を搭載することができる。
The present invention has a great effect when applied to a semiconductor element operating at 150 ° C. or more as a power semiconductor element. In particular, the present invention is highly effective when applied to a so-called wide band gap semiconductor made of a material such as silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN) -based material, or diamond and having a larger band gap than silicon (Si). Further, in FIG. 1, only four semiconductor elements are mounted on a single molded semiconductor device. However, the present invention is not limited to this, and a necessary number of semiconductor elements are mounted according to the intended use. be able to.
電極パターン2、裏面電極3、ベース板10および端子14は、通常銅を用いるが、これに限定するものではなく、アルミや鉄を用いても良く、これらを複合した材料を用いても良い。また表面は、通常、ニッケルメッキを行うが、これに限定するものではなく、金や錫メッキを行っても良く、必要な電流と電圧を半導体素子に供給できる構造であれば構わない。また、銅/インバー/銅などの複合材料を用いても良く、SiCAl、CuMoなどの合金
を用いても良い。また、端子14及び電極パターン2は、封止樹脂12に埋設されるため、樹脂との密着性を向上させるため表面に微小な凹凸を設けても良く、化学的に結合するようにシランカップリング剤などで接着補助層を設けても良い。
The
半導体素子基板4は、Al2O3、SiO2、AlN、BN、Si3N4などのセラミックの絶縁基板1に
銅やアルミの電極パターン2および裏面電極3を設けてあるものを指す。半導体素子基板4は、放熱性と絶縁性を備えることが必要であり、上記に限らず、セラミック粉を分散させた樹脂硬化物、あるいはセラミック板を埋め込んだ樹脂硬化物のような絶縁基板1に電極パターン2および裏面電極3を設けたものでも良い。また、絶縁基板1に使用するセラミック粉は、Al2O3、SiO2、AlN、BN、Si3N4などが用いられるが、これに限定するもので
はなく、ダイヤモンド、SiC、B2O3、などを用いても良い。また、シリコーン樹脂やアク
リル樹脂などの樹脂製の粉を用いても良い。粉形状は、球状を用いることが多いが、これに限定するものではなく、破砕状、粒状、リン片状、凝集体などを用いても良い。粉体の充填量は、必要な放熱性と絶縁性が得られる量が充填されていれば良い。絶縁基板1に用いる樹脂は、通常エポキシ樹脂が用いられるが、これに限定するものではなく、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂、アクリル樹脂などを用いても良く、絶縁性と接着性を兼ね備えた材料であれば構わない。
The
配線13は、アルミまたは金でできた断面が円形の線体を用いるが、これに限定するものではなく、例えば断面が方形の銅板を帯状にしたものを用いても良い。また図2では、半導体素子に3本の配線しか施されていないが、これに限定するものではなく、半導体素子の電流密度などにより、必要な本数を設けることができる。また、配線13は、銅や錫などの金属片を溶融金属で接合しても良く、必要な電流と電圧を半導体素子に供給できる構造であれば構わない。
The
封止樹脂12および膨張押圧部材9は、通常、エポキシ樹脂を用いるが、これに限定するものではなく、シリコーン樹脂やポリイミド樹脂、アクリル樹脂などを用いることもできる。また、通常は熱膨張率などを調整するためAl2O3、SiO2などのセラミック粉を添加
して用いるが、これに限定するものではなく、AlN、BN、Si3N4、ダイヤモンド、SiC、B2O3などを添加しても良く、シリコーン樹脂やアクリル樹脂などの樹脂製の粉を添加しても
良い。粉形状は、球状を用いることが多いが、これに限定するものではなく、破砕状、粒状、リン片状、凝集体などを用いても良い。粉体の充填量は、必要な流動性や絶縁性や接着性が得られる量であれば良い。
The sealing
ここで、膨張押圧部材9および91と封止樹脂12は、添加物などが異なり、膨張押圧部材9および91の線膨張率は封止樹脂12の線膨張率よりも大きい材料となっている。膨張押圧部材9および91が封止樹脂12に密着して覆われるように設けられており、膨張押圧部材9および91の線膨張率が封止樹脂12の線膨張率よりも大きいため、半導体素子5の発熱により温度が上がった場合、膨張押圧部材9および91が封止樹脂12よりも膨張しようとするため圧力が発生する。このため、半導体素子5の上面に設けられた膨張押圧部材9により半導体素子5を電極パターン2側に押し付ける圧力がかかる。また、接合材7の周辺に設けられた膨張押圧部材91により接合材7に直接圧力がかかる。以上
のようにして、接合材7の膨張を抑える力が働き、接合材7の剥離や亀裂を抑制することができる。
Here, the
図1に示す半導体装置では、膨張押圧部材は、半導体素子上に5箇所、接合材の周囲全面に設けたが、これに限定するものではなく、膨張押圧部材が膨張することにより半導体素子および接合材に圧力が印加される位置であれば、必要な箇所に設けて良い。ただし、配線13の下部に接しないよう設けるのが好ましい。
In the semiconductor device shown in FIG. 1, the expansion pressing member is provided on the semiconductor element at five locations around the entire surface of the bonding material. However, the present invention is not limited to this. If it is a position where pressure is applied to the material, it may be provided at a necessary position. However, it is preferable not to contact the lower portion of the
図3に膨張押圧部材9が半導体素子5の上部に設けられた、封止樹脂12で覆われる前の様子の一例の要部拡大図を示す。ここでは、膨張押圧部材9は、ディスペンサを用いて突起状に形成している。膨張押圧部材9を突起状に形成することで、温度が上昇して線膨張率がより小さい封止樹脂12で覆われた状態で半導体素子5を抑える圧力を強くすることができる。ただし、膨張押圧部材9を、未硬化の樹脂溶液を多数の細孔から噴射して設けても良く、必要な形状の型を設けて成形しても良い。
FIG. 3 is an enlarged view of a main part of an example of a state before the
半導体素子が高温で動作すると、半導体素子の周囲にある封止樹脂、コーティングや接合材が熱膨張し、半導体素子が動作を止めると、熱収縮が起こる。従来の半導体装置では、この際に接合材に剥離や亀裂が発生し、半導体装置の信頼性を著しく低下させていた。しかしながら、上述したように、半導体素子の上部や接合材の周辺に封止樹脂12より線膨張率の大きな膨張押圧部材9や91が存在すると、半導体素子や接合材が膨張する際も線膨張率の高い膨張押圧部材9や91が封止樹脂12よりも膨張しようとするため圧力が発生して、接合材7の膨張を抑えるため、接合材の膨張・収縮の熱サイクルが抑制され接合材の剥離や亀裂を防止することができ、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
When the semiconductor element operates at a high temperature, the sealing resin, coating, and bonding material around the semiconductor element thermally expands, and when the semiconductor element stops operating, thermal contraction occurs. In the conventional semiconductor device, peeling or cracking occurs in the bonding material at this time, and the reliability of the semiconductor device is significantly reduced. However, as described above, when the
なお、図1、図2では、膨張押圧部材を半導体素子5の上面5箇所および接合材7の周辺に設けたが、接合材7の周辺には必ずしも設ける必要は無い。膨張押圧部材は、少なくとも、半導体素子5の上面、すなわち半導体素子5の電極パターン2に接合された面とは逆の面の一部と接触するように設けることで、本発明の効果を奏する。また、膨張押圧部材91を接合材7の周辺に設ける場合、半導体素子5と電極パターン2との間から外部に露出している接合材7を被覆するように設ければ良い。
In FIG. 1 and FIG. 2, the expansion pressing member is provided at five locations on the upper surface of the
実施の形態2.
図4は、本発明の実施の形態2による半導体装置の構造を示す断面図である。図4において、図2と同一符号は、同一または相当する部分を示す。本実施の形態2では、配線131、132として銅板を用いている。高温になる半導体素子5への配線131は接合材71で接合されており、配線131の上部に膨張押圧部材92を設けている。一方、半導体素子6と配線132が接合材72で接合されているが、半導体素子6は発熱が少なく温度上昇が小さいため、接合材72の膨張も小さいので膨張押圧部材は設けていない。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the structure of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. 4, the same reference numerals as those in FIG. 2 denote the same or corresponding parts. In the second embodiment, copper plates are used as the
本実施の形態2では、半導体素子5の上部に設けた膨張押圧部材9や、半導体素子5と電極パターン2の接合材7の周辺に設けた膨張押圧部材91に加えて、配線131の上部(半導体素子と接合された面とは反対の面)に膨張押圧部材92を設けた。このため、半導体素子5が発熱して高温となった場合、半導体素子5と電極パターン2とを接合する接合材7だけでなく、半導体素子5と配線131とを接合する接合材71にも圧力がかかり、接合材71の膨張を抑える。このため、半導体素子5と電極パターン2とを接合する接合材7だけでなく、半導体素子5と配線131とを接合する接合材71についても剥離や亀裂を防止することができ、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
In the second embodiment, in addition to the
実施の形態3.
図5は、本発明の実施の形態3による半導体装置の構造を示す要部断面図であり、封止
樹脂12で覆われる前の様子を示している。図5において、図2と同一符号は、同一または相当する部分を示す。膨張押圧部材は配線と接触しない状態が望ましいが、本実施の形態3では、半導体素子5の上部に設けられた膨張押圧部材9が一部配線13と接触している。ただし、配線13の半導体素子5と接合された部分と、膨張押圧部材9が半導体素子5と接触する部分とが連続するように膨張押圧部材9と配線13が接触しており、図5に示すように、半導体素子5の表面から膨張押圧部材9が配線13に接触している高さHが定義できる。また、配線13の半導体素子5の表面からの高さ、すなわち配線13の厚みをLとする。種々実験した結果、接触部が増加して膨張押圧部材9が配線13に接触している高さHがLよりも大きくなると、接合材7の剥離や亀裂を防止する効果が少なくなることが判った。
FIG. 5 is a main part sectional view showing the structure of the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention, and shows a state before being covered with the sealing
これは、膨張押圧部材9が配線13に接触していると、半導体素子5が発熱して膨張押圧部材9が膨張した場合、配線13に図5の横方向の力が発生して、配線13を押すことになる。一方、発熱が止まると膨張押圧部材9が収縮するため、配線13に膨張とは逆の力が発生して、配線13を引っ張る事になる。このため、パワーサイクル時の膨張、収縮により配線が疲労破壊するためと考えられる。よって、膨張押圧部材9が配線13に接触している高さHがLよりも小さい状態が好ましく、より好ましいのは、膨張押圧部材9が配線13に接触しない状態である。
This is because when the
実施の形態4.
本実施の形態4では、パワーサイクル試験用の半導体装置モジュールを、種々の材料による膨張押圧部材を用いて作製し、パワーサイクル試験を行った結果を実施例として示す。図6は、パワーサイクル試験を行ったモジュールの上面図であり、配線および封止樹脂は省略して示しているが、試験を行ったモジュールは半導体素子5と端子14との間には配線が設けられ、図2と同様、封止樹脂で覆われている。図6において図1と同一符号は同一または相当する部分を示す。モジュール内部には、SiC半導体素子5を1個搭載し、半導体素子5の上面に膨張押圧部材9を5箇所、接合材の周辺に膨張押圧部材91を設けている。
In this
実施例1.
図7に、封止樹脂12に線膨張率が24ppmのサンユレック製EX-550(エポキシ樹脂)
を用いて、膨張押圧部材の線膨張率を変えたときのパワーサイクル試験の結果を示す。パワーモジュールには、ベース板10のサイズが50×92×3mm、AlNを用いた絶縁基板1のサイズが23.2×23.4×1.12mm、SiCを用いた半導体素子5のサイズが5×5×0.35mm、接合材
には千住金属製M731、ポリフェニレンサルファイド(PPS)を用いたケース側板11、直
径が0.4mmのアルミを用いた配線13を使用した。封止樹脂12として線膨張率24ppmを用いるのは、銅のベース板10の線膨張率と同程度とするためであり、通常、封止樹脂の線膨張率はほぼこの程度の線膨張率に設定される。
Example 1.
Fig. 7 shows that the sealing
The result of the power cycle test when changing the linear expansion coefficient of an expansion press member using is shown. In the power module, the size of the
パワーサイクル試験は、半導体素子5の温度が175℃になるまで通電し、その温度に達
したら通電を止め、半導体素子5の温度が85℃になるまで冷却し、これを1サイクルとして、通電、通電停止を繰り返し行った。
In the power cycle test, the
図7の例1について説明する。膨張押圧部材9および91は、ソマール製E-530(エポ
キシ樹脂)にデンカ製の平均粒径5umのシリカフィラーを48vol%添加し、線膨張率を約30ppmに調整した。この時、パワーサイクル試験の結果は110000サイクルで配線が溶断することがわかった。また、半導体素子下の接合材にはクラックが発生していたことから、接合材のクラックにより、半導体素子5の熱が放熱できなくなり、配線が溶断したと考えられる。一方、膨張押圧部材を設けない構造であれば、パワーサイクル寿命は約100000サイクルであった。
An example 1 in FIG. 7 will be described. For the
次に、例2について説明する。膨張押圧部材9および91は、ソマール製E-530にデン
カ製の平均粒径5umのシリカフィラーを35vol%添加し、線膨張率を約40ppmに調整した。この時、パワーサイクル試験の寿命は約180000サイクルに達することがわかった。
Next, Example 2 will be described. For the
次に、例3について説明する。膨張押圧部材9および91に、線膨張率が300ppmの東レダウコーニング製JCR69101(シリコーン樹脂)を用いて、パワーサイクル試験した結果、寿命が約200000サイクルに達することがわかった。
Next, Example 3 will be described. As a result of a power cycle test using Toray Dow Corning JCR69101 (silicone resin) having a linear expansion coefficient of 300 ppm as the
次に、例4について説明する。膨張押圧部材9および91に、線膨張率が1000ppmの東
レダウコーニング製SE1885M(シリコーン樹脂)を用いて、パワーサイクル試験した結果
、寿命が約190000サイクルに達することがわかった。
Next, Example 4 will be described. As a result of a power cycle test using SE1885M (silicone resin) manufactured by Toray Dow Corning having a linear expansion coefficient of 1000 ppm for the
以上のように、封止樹脂12の線膨張率が24ppmのとき、膨張押圧部材9および91と
して、線膨張率40ppm以上のものを用いるとパワーサイクル試験における長寿命化の効果
が大きいことが判った。また、線膨張率が1000ppmより大きい樹脂硬化物は架橋が少なく
、液体に近くなるため実用的ではない。このように、膨張押圧部材の線膨張率は40ppm以
上1000ppm以下が好ましい。
As described above, when the linear expansion coefficient of the sealing
実施例2.
図8に、封止樹脂に線膨張率が19ppmのLOCTITE製FP-4450HF(エポキシ樹脂)を用いて
、膨張押圧部材の線膨張率を変えたときのパワーサイクル試験の結果を示す。パワーモジュールには、ベース板10のサイズが85×120×3mm、Si3N4を用いた絶縁基板1のサイズが23.2×23.4×1.12mm、SiCを用いた半導体素子5のサイズが5×5×0.35mm、接合材には千住金属製M731、ポリフェニレンサルファイド(PPS)を用いたケース側板11、直径が0.4mmのアルミを用いた配線13を部材に使用した。
Example 2
FIG. 8 shows the results of a power cycle test when the linear expansion coefficient of the expansion pressing member was changed using FP-4450HF (epoxy resin) manufactured by LOCTITE having a linear expansion coefficient of 19 ppm as the sealing resin. In the power module, the size of the
ソマール製E-530にデンカ製の平均粒径5umのシリカフィラーを48vol%添加し、線膨張率を約30ppmに調整した膨張押圧部材を用いると、図8の例5に示す様に、120000サイクル
で寿命に達する事がわかった。また、例6から例8に示す様に膨張押圧部材の線膨張率が40〜1000ppmの範囲であれば、膨張押圧部材を設けない時(パワーサイクル寿命:110000
サイクル)に比べて、半導体装置の信頼性が向上することがわかった。この実施例2においても、膨張押圧部材の線膨張率は40ppm以上1000ppm以下が好ましいことがわかった。
As shown in Example 5 in FIG. 8, 120,000 cycles were obtained by adding 48 vol% of Denka silica filler with an average particle size of 5 μm to Samar E-530 and adjusting the linear expansion coefficient to about 30 ppm. It was found that the life reached. Further, as shown in Examples 6 to 8, when the linear expansion coefficient of the expansion pressing member is in the range of 40 to 1000 ppm, when the expansion pressing member is not provided (power cycle life: 110000
It has been found that the reliability of the semiconductor device is improved as compared with the cycle. Also in Example 2, it was found that the linear expansion coefficient of the expansion pressing member is preferably 40 ppm or more and 1000 ppm or less.
実施例3.
図6に示した試験用モジュールの配線として図4と同様の銅板の配線を用いた構造でパワーサイクル試験した結果を図9に示す。封止樹脂に線膨張率が24ppmのサンユレック製
EX-550を用いて、膨張押圧部材の線膨張率を変えたときのパワーサイクル試験の結果を示す。パワーモジュールには、ベース板10のサイズが50×92×3mm、AlNを用いた絶縁基板1のサイズが23.2×23.4×1.12mm、SiCを用いた半導体素子5のサイズが5×5×0.35mm
、接合材には千住金属製M731、ポリフェニレンサルファイド(PPS)を用いたケース側板
11、厚さが0.5mmの銅板を用いた配線を部材に使用した。
Example 3
FIG. 9 shows the result of a power cycle test with a structure using the same copper plate wiring as in FIG. 4 as the wiring for the test module shown in FIG. The result of the power cycle test when changing the linear expansion coefficient of the expansion pressing member using EX-550 manufactured by Sanyu Rec with a linear expansion coefficient of 24 ppm as the sealing resin is shown. In the power module, the size of the
As a bonding material, M731, made by Senju Metal,
ここでも、膨張押圧部材を設けないパワーモジュールのパワーサイクル試験の寿命は、約180000サイクルであるのに対し、図9の例10から例12に示す様に膨張押圧部材の線膨張率が40〜1000ppmであれば、半導体装置の信頼性が向上することがわかった。 Here, the life of the power cycle test of the power module without the expansion pressing member is about 180,000 cycles, whereas the linear expansion coefficient of the expansion pressing member is 40 to 40 as shown in Example 10 to Example 12 of FIG. It has been found that the reliability of the semiconductor device is improved at 1000 ppm.
以上、実施例1〜3で示したように、封止樹脂12の線膨張率が20ppm前後のとき、膨
張押圧部材9および91として、線膨張率40ppm以上のものを用いるとパワーサイクル試
験における長寿命化の効果が大きいことが判った。また、線膨張率が1000ppmより大きい
樹脂硬化物は、液体に近くなるため実用的ではない。封止樹脂12の線膨張率は、モジュールに用いられる他の材料、特にベース板の線膨張率に近い線膨張率に設定されるため、通常20ppm前後に設定される。従って、膨張押圧部材の線膨張率は40ppm以上1000ppm以下が好ましい。
As described above in Examples 1 to 3, when the linear expansion coefficient of the sealing
実施の形態5.
本実施の形態5では、本発明の膨張押圧部材を設けた半導体装置の製造方法について説明する。図10に半導体装置の製造工程のフロー図を示す。以下、実施の形態4で説明したパワーサイクル試験に用いたモジュールの作製を例にとって説明する。サイズが40×80×3mmの銅のベース板10上に接合材(第一の接合材とも称する)である千住金属製M731
ペーストを塗布し、水素還元下で、290℃に加熱し、接合材が溶融したら、サイズが40×50×1.12mmのAlN絶縁基板1の表裏面に0.4mm厚の銅の電極パターン2、裏面電極3が設けられた半導体素子基板4を搭載してベース板10と接合する(ST1)。接合後は、室温まで冷却し、半導体素子基板の表面に接合材(第二の接合材とも称する)である千住金属製M20ペーストを塗布する。この第二の接合材の融点は第一の接合材の融点より低い。
水素還元した後、260℃(第二の接合材の融点よりも高く第一の接合材の融点よりも低い
温度まで)に加熱し、接合材が溶融したら、SiC半導体素子5を搭載し、半導体素子基板
4に半導体素子5を接合する(ST2)。この時、接合材および金属表面の酸化膜を取り除くために蟻酸雰囲気で還元しても良く、フラックスを用いても良い。なお、第二の接合材が図2などで示す接合材7に相当する。
In the fifth embodiment, a method for manufacturing a semiconductor device provided with the expansion pressing member of the present invention will be described. FIG. 10 shows a flowchart of the manufacturing process of the semiconductor device. Hereinafter, description will be made by taking as an example the production of a module used in the power cycle test described in the fourth embodiment. Senju Metal M731 which is a bonding material (also called the first bonding material) on a
After applying the paste, heating to 290 ° C under hydrogen reduction, and melting the bonding material, 0.4 mm thick
After hydrogen reduction, heating to 260 ° C. (to a temperature higher than the melting point of the second bonding material and lower than the melting point of the first bonding material), and when the bonding material melts, the
接合後は、室温まで冷却し、硬化後の線膨張率が封止樹脂11の線膨張率よりも大きい高膨張性樹脂硬化材料である東レダウコーニング製JCR69101をディスペンサで、半導体素子上の5箇所および、接合材の上面部に塗布し、70℃×1時間 + 150℃×2時間樹脂硬化させて膨張押圧部材9および91を形成する(ST3)。樹脂硬化後は、室温まで冷却し、端子が取り付けられたケース側板11となる樹脂板の底面にMOMENTIVE製TSE3295を塗布し、ベース板10と貼り合わせて室温で16時間硬化させる(ST4)。
After bonding, it is cooled to room temperature, and JCR69101 made by Toray Dow Corning, which is a highly expansive resin cured material whose linear expansion coefficient after curing is larger than the linear expansion coefficient of the sealing
膨張押圧部材の形成は、封止樹脂を注入する直前に行うのが良く、好ましくは、ケース側板をベース板に貼りあわせる前に行うのが良い。 The expansion pressing member may be formed immediately before the sealing resin is injected, and is preferably performed before the case side plate is bonded to the base plate.
その後、直径が400umのアルミワイヤを用いて、半導体素子5および端子14の間を配
線する(ST5)。その後、ケース側板11とベース板10で形成されたケース内に封止樹脂材料であるサンユレック製EX-550を注入し、10torr×1時間脱泡した後、125℃×3時
間 + 150℃×3時間の樹脂硬化を行い(ST6)、パワーモジュールの作製が完了する。
Thereafter, the aluminum element having a diameter of 400 μm is used to wire between the
高膨張性樹脂硬化材料が、ソマール製E-530であれば、150℃×3時間の樹脂硬化を行い
、東レダウコーニング製SE1885Mであれば、120℃×1時間の樹脂硬化を行う。また、封止
樹脂がLOCTITE製FP4450HFの場合は、125℃×30分+165℃×90分の樹脂硬化を行う。
If the highly expansive resin-curing material is E-530 made by Somar, the resin is cured at 150 ° C. for 3 hours, and if it is SE1885M made by Toray Dow Corning, the resin is cured at 120 ° C. for 1 hour. If the sealing resin is LOC4ITE FP4450HF, the resin is cured at 125 ° C. for 30 minutes + 165 ° C. for 90 minutes.
以上説明したように、本発明の半導体装置の製造工程は、通常の工程にわずかに膨張押圧部材の形成工程が付加されるだけで、複雑な工程を要することなく、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。 As described above, the manufacturing process of the semiconductor device of the present invention is a process for forming a highly reliable semiconductor device without requiring a complicated process only by adding a step of forming an expansion pressing member to a normal process. Can be obtained.
1:絶縁基板 2:電極パターン
3:裏面電極 4:半導体素子基板
5、6:半導体素子 7、70〜72:接合材
9、91、92:膨張押圧部材 10:ベース板
11:ケース側板 12:封止樹脂
13:配線 14:端子
1: Insulating substrate 2: Electrode pattern
3: Back electrode 4:
Claims (9)
ベース板に第一の接合材を塗布し、このベース板を上記第一の接合材の融点よりも高い温度に加熱した後上記第一の接合材が塗布された上に半導体素子基板を搭載して、上記ベース板と上記半導体素子基板を接合する工程と、
上記半導体素子基板の表面に上記第一の接合材よりも融点が低い第二の接合材を塗布し、上記半導体素子基板を上記第二の接合材の融点よりも高く上記第一の接合材の融点よりも低い温度まで加熱した後上記第二の接合材が塗布された上記半導体素子基板の面に半導体素子を搭載して、上記半導体素子基板と上記半導体素子を接合する工程と、
上記半導体素子の上記半導体素子基板に接合された面とは逆の面の一部に高膨張性樹脂材料を塗布した後上記高膨張性樹脂材料を硬化させて膨張押圧部材を形成する工程と、
上記ベース板に端子が取り付けられたケース側板を接合する工程と、
上記半導体素子と上記端子との間を配線により接続する工程と、
上記ケース側板と上記ベース板とで囲まれた空間に、上記膨張押圧部材よりも線膨張率が小さい樹脂を注入してこの樹脂を硬化させて封止樹脂を形成する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1,
A first bonding material is applied to the base plate, and after heating the base plate to a temperature higher than the melting point of the first bonding material, the semiconductor element substrate is mounted on the first bonding material applied. Bonding the base plate and the semiconductor element substrate;
A second bonding material having a melting point lower than that of the first bonding material is applied to the surface of the semiconductor element substrate, and the semiconductor element substrate is made higher than the melting point of the second bonding material. Mounting the semiconductor element on the surface of the semiconductor element substrate coated with the second bonding material after heating to a temperature lower than the melting point, and bonding the semiconductor element substrate and the semiconductor element;
Applying a high expansion resin material to a part of the surface of the semiconductor element opposite to the surface bonded to the semiconductor element substrate and then curing the high expansion resin material to form an expansion pressing member;
Joining the case side plate with the terminal attached to the base plate;
Connecting the semiconductor element and the terminal by wiring;
A step of injecting a resin having a smaller linear expansion coefficient than the expansion pressing member into a space surrounded by the case side plate and the base plate and curing the resin to form a sealing resin. A method for manufacturing a semiconductor device.
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