JP5525856B2 - 半導体モジュール - Google Patents

Description

本発明は、耐熱性に優れた半導体モジュールに関する。

従来、パワーエレクトロニクスのアプリケーションでは、高電力半導体素子（パワーデバイス：サイリスタ、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ダイオード）を実装基板に接合し電気的に相互接続した半導体モジュールとして使用されることが多い。

図２１に、従来の半導体モジュール５００を示す。半導体モジュール５００では、半導体素子５０と冷却器５２とが絶縁基板５４を挟んではんだ接合されている。絶縁基板５４としては、冷却性の向上のために、高熱伝導セラミック材である窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いて、アルミニウム（Ａｌ）の配線部５４ａ／窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の絶縁部５４ｂ／アルミニウム（Ａｌ）の金属部５４ｃの積層構造からなる基板等が適用される。

ここで、半導体素子５０からの放熱による冷熱サイクルによって、半導体素子５０と配線部５４ａとの間のはんだ接合部５６においてはんだクラックが発生するおそれがある。特に、はんだ接合部５６の端部におけるクラックの発生が多くみられる。

そこで、クラックの発生する可能性が高い接合端部の歪みを緩和するために、図２２に示すように、はんだ接合部５６の周辺部５６ａのはんだを他の部分より厚くした構造が開示されている（特許文献１参照）。これにより、はんだ接合部５６のクラックが抑制できるとされている。

特開２００７−１１０００１号公報

しかしながら、はんだ接合部５６の周辺部５６ａの厚さを大きくしたとしても、周辺部においてはんだ接合自体が存在するので熱応力の緩和が十分ではない。そのため、依然として、はんだクラックが発生するおそれが高い。

本発明は、上記課題を鑑み、冷熱サイクルに対する信頼性に優れた半導体モジュールを提供することを目的とする。

本発明の１つの態様は、半導体素子と、表面に配線部が形成され、前記配線部の表面に前記半導体素子をマウントする絶縁基板を備えた半導体モジュールであって、前記半導体素子と前記配線部、及び、前記半導体素子と前記絶縁基板上の界面層の少なくとも一部、を接続するはんだ接合部を備え、前記はんだ接合部は、前記配線部の膜厚が薄くなっている薄膜領域、又は、前記配線部の一部が除去されている除去領域の前記絶縁基板上の界面層の表面に接合が存在し、前記薄膜領域に繋がる段差又は前記除去領域に繋がる段差の側面に接合が存在せず、これにより前記はんだ接合部が分断されていることを特徴とする。

半導体素子と、表面に配線部が形成され、前記配線部上に前記半導体素子をマウントする絶縁基板を備えた半導体モジュールであって、前記半導体素子と前記配線部、及び、前記半導体素子と前記配線部の側面を接続するはんだ接合部を備え、前記はんだ接合部は、前記配線部の膜厚が薄くなっている薄膜領域、又は、前記配線部の一部が除去されている除去領域の前記絶縁基板の表面に接合が存在せず、これにより前記はんだ接合部が分断されていることを特徴とする。

ここで、前記薄膜領域又は前記除去領域は、前記配線部の４隅のいずれかに設けられていることが好適である。

本発明によれば、半導体モジュールにおける冷熱サイクルに対する信頼性を高めることができる。

第１の実施の形態における半導体モジュールの構成を示す平面図である。 第１の実施の形態における半導体モジュールの構成を示す断面図である。 第１の実施の形態における半導体モジュールの構成を示す断面図である。 第１の実施の形態における配線部、絶縁基板及び導電部の構成を示す平面図である。 第１の実施の形態における配線部、絶縁基板及び導電部の構成を示す断面図である。 第１の実施の形態における配線部、絶縁基板及び導電部の構成を示す断面図である。 第１の実施の形態における配線部、絶縁基板及び導電部の構成の別例を示す断面図である。 第１の実施の形態における配線部、絶縁基板及び導電部の構成の別例を示す断面図である。 第１の実施の形態における配線部、絶縁基板及び導電部の構成の別例を示す断面図である。 第２の実施の形態における半導体モジュールの構成を示す平面図である。 第２の実施の形態における半導体モジュールの構成を示す断面図である。 第２の実施の形態における半導体モジュールの構成を示す断面図である。 第２の実施の形態における配線部、絶縁基板及び導電部の構成を示す平面図である。 第２の実施の形態における配線部、絶縁基板及び導電部の構成を示す断面図である。 第２の実施の形態における配線部、絶縁基板及び導電部の構成を示す断面図である。 第２の実施の形態における配線部、絶縁基板及び導電部の構成の別例を示す断面図である。 第２の実施の形態における配線部、絶縁基板及び導電部の構成の別例を示す断面図である。 第２の実施の形態における配線部、絶縁基板及び導電部の構成の別例を示す断面図である。 第３の実施の形態における半導体モジュールの構成を示す断面図である。 第４の実施の形態における半導体モジュールの構成を示す断面図である。 従来の半導体モジュールの構成を示す断面図である。 従来の半導体モジュールの構成を示す断面図である。

＜第１の実施の形態＞
第１の実施の形態における半導体モジュール１００は、図１〜図３に示すように、半導体素子１０、はんだ接合部１２、界面層１４、配線部１６、絶縁基板１８、導電部２０、界面層２２及び放熱部２４を含んで構成される。

図１は、半導体モジュール１００の表面側からみた平面図である。図２は、図１のラインＡ−Ａに沿った断面図である。図３は、図１のラインＢ−Ｂに沿った断面図である。

半導体素子１０は、半導体基板上に形成された半導体素子等の電気・電子素子を含んで構成される。本実施の形態の半導体モジュール１００の構造は、特に、半導体素子１０が高電力用の素子を含む場合に好適である。例えば、半導体素子１０は、高電力半導体素子であるサイリスタ、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ダイオード等を含むことが好適である。

はんだ接合部１２は、半導体素子１０と界面層１４，配線部１６及び絶縁基板１８とを接続する部分である。はんだ接合部１２は、はんだ材にて構成される。はんだ材は、特に限定されるものではないが、鉛はんだ系の錫（Ｓｎ）−鉛（Ｐｂ）系はんだや錫（Ｓｎ）−銀（Ａｇ）系の鉛フリーはんだ等を適用することができる。

界面層１４は、はんだ接合部１２のはんだ材の濡れ性を高めるための層である。界面層１４は、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｎ）等のはんだ濡れ性が高い材料を適用することが好適である。配線部１６は、絶縁基板１８の表面に形成された回路パターンを含む。ここでは、配線部１６は、アルミニウム（Ａｌ）等のはんだ濡れ性が低い材料で構成される。絶縁基板１８は、半導体素子１０と放熱部２４との電気的な絶縁をもたせると共に、半導体素子１０から発せられる熱を放熱部２４に伝達する。絶縁基板１８には、熱伝性が高いセラミック材を適用することが好適である。例えば、高熱伝導セラミック材である窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を適用することが好適である。

導電部２０は、絶縁基板１８から放熱部２４への熱伝導の役割を果す部分である。導電部２０は、絶縁基板１８の裏面に形成される。導電部２０は、配線部１６と同じ金属材料を用いることが好適である。界面層２２は、絶縁基板１８と放熱部２４との間に形成され、導電部２０と放熱部２４とを繋ぐ部分である。

放熱部２４は、半導体素子１０から伝達された熱を放熱する部分である。放熱部２４は、高熱伝導性のアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）等の金属ブロック等で構成することが好適である。また、放熱性を高めるために、放熱部２４にフィンや穴を設けることも好適である。

本実施の形態における半導体モジュール１００では、半導体素子１０と絶縁基板１８との接合に特徴を有する。以下、図４〜図６を参照しつつ、本実施の形態を説明する。なお、図４は、界面層１４、配線部１６及び導電部２０が形成された絶縁基板１８を表面側からみた平面図である。図５は、図４におけるラインＣ−Ｃに沿った断面図である。図６は、図４におけるラインＤ−Ｄに沿った断面図である。

絶縁基板１８の表面に形成された配線部１６は、図４〜図６に示すように、端部の４隅の領域が除去され、その領域では絶縁基板１８の表面に界面層１４が直接形成されている。すなわち、配線部１６は、絶縁基板１８の表面側からみて絶縁基板１８上に十字形状に形成され、その表面にさらに界面層１４が形成されている。また、十字形状の配線部１６が設けられていない４隅の領域には絶縁基板１８の表面に界面層１４が直接形成されている。すなわち、ラインＤ−Ｄに沿った断面に示すように、配線部１６の表面に形成された界面層１４と、絶縁基板１８の表面に直接形成された界面層１４との間に段差が形成される。

なお、配線部１６及び界面層１４はスパッタリング法、蒸着法等により形成することができる。また、配線部１６及び界面層１４のパターンニングは、マスクを用いたスパッタリング法や蒸着法を適用したり、全面に形成した金属に対してマスクを用いたエッチング法を適用したりことで行うことが可能である。

このような構成において、絶縁基板１８の表面側において半導体素子１０とのはんだ接合部１２を形成すると、図３に示すように、配線部１６の表面及び絶縁基板１８の表面に形成されたはんだに対する濡れ性が高い界面層１４でははんだ接合が形成され、はんだに対する濡れ性が低い配線部１６の段差の側面でははんだ接合が形成されない。

このように、配線部１６の端部の４隅では、配線部１６の段差の側面に対してはんだ接合が形成されないので、はんだ接合部１２が分断される。これにより、はんだ接合部１２の実効的な接合長が短くなる。また、はんだ接合部１２の端部の厚さが大きくなる。これらによって、端部のはんだ接合部１２に生ずる歪みが低減され、冷熱サイクルに対する信頼性が向上する。

また、図７〜図９に示すように界面層１４、配線部１６、導電部２０及び樹脂層２６が形成された絶縁基板１８でも同様の効果を得ることができる。図７〜図９は、図４におけるラインＤ−Ｄに沿った断面図の別例である。

図７の構成では、絶縁基板１８の表面に形成された配線部１６は、端部の４隅の領域において膜厚が他の領域より薄く形成されており、その領域の表面に界面層１４が形成されている。すなわち、配線部１６は、絶縁基板１８上に十字形状に配置された厚膜部分と、その４隅の端部には厚膜部分よりも薄い薄膜部分が設けられ、それぞれの表面に界面層１４が形成されている。これにより、配線部１６の厚膜部分の表面に形成された界面層１４と、薄膜部分の表面に形成された界面層１４との間に段差が形成される。

図８の構成では、絶縁基板１８の表面に形成された配線部１６は、図４〜図６に示す構成と同様に、端部の４隅の領域が除去され、その領域では絶縁基板１８の表面に界面層１４が直接形成されている。ただし、配線部１６は、はんだの濡れ性が高い金属、例えば、銅（Ｃｕ）で形成される。したがって、その表面に界面層１４は形成する必要がない。すなわち、ラインＤ−Ｄに沿った断面では、配線部１６の表面と、絶縁基板１８の表面に直接形成された界面層１４との間に段差が形成される。その段差の側面には、はんだの濡れ性が低い樹脂層２６が形成される。

図９の構成では、絶縁基板１８の表面に形成された配線部１６は、端部の４隅の領域において膜厚が他の領域より薄く形成されている。この場合も、配線部１６は、はんだの濡れ性が高い金属、例えば、銅（Ｃｕ）で形成される。したがって、その表面に界面層１４は形成する必要がない。また、ラインＤ−Ｄに沿った断面では、配線部１６の厚膜部分の表面と、薄膜部分の表面とに段差が形成される。その段差の側面には、はんだの濡れ性が低い樹脂層２６を形成する。

なお、樹脂層２６は、はんだの濡れ性が低いものであればよい。例えば、ポリイミド等を適用することが好適である。樹脂層２６は、塗布法等により全面に形成し、マスクを用いてエッチングすることによって必要な領域のみに形成することができる。

図７〜図９の構成においても、絶縁基板１８上に半導体素子１０を載せ置いて、はんだ接合部１２を形成すると、はんだに対する濡れ性が高い界面層１４や銅（Ｃｕ）の配線部１６でははんだ接合が形成され、はんだに対する濡れ性が低いアルミニウム（Ａｌ）の配線部１６や樹脂層２６を形成した段差の側面でははんだ接合が形成されない。すなわち、配線部１６の端部の４隅では、配線部１６の段差の側面に対してはんだ接合が形成されない。これにより、はんだ接合部１２が分断され、はんだ接合部１２の実効的な接合長が短くなる。また、端部において、はんだ接合部１２の厚さが大きくなる。したがって、端部のはんだ接合部１２に生ずる歪みが低減され、冷熱サイクルに対する信頼性が向上する。

＜第２の実施の形態＞
第２の実施の形態における半導体モジュール２００は、図１０〜図１２に示すように、半導体素子１０、はんだ接合部３０、配線部３２、絶縁基板３４、導電部３６及び放熱部２４を含んで構成される。

図１０は、半導体モジュール２００の表面側からみた平面図である。図１１は、図１０のラインＥ−Ｅに沿った断面図である。図１２は、図１０のラインＦ−Ｆに沿った断面図である。図において、第１の実施の形態と同じ構成要素には同じ符合を付して説明を省略する。

はんだ接合部３０は、半導体素子１０と配線部３２とを接続する部分である。はんだ接合部３０は、第１の実施の形態と同様のはんだ材にて構成される。

配線部３２は、絶縁基板３４の表面に形成された回路パターンを含む。ここでは、配線部３２は、銅（Ｃｕ）等のはんだ濡れ性が高い材料で構成される。絶縁基板３４は、第１の実施の形態における絶縁基板１８と同様に構成することが好適である。導電部３６は、絶縁基板３４から放熱部２４への熱伝導の役割を果す部分である。導電部３６も第１の実施の形態における導電部２０と同様に構成することが好適である

本実施の形態における半導体モジュール２００では、半導体素子１０と絶縁基板３４との接合に特徴を有する。以下、図１３〜図１５を参照しつつ、本実施の形態を説明する。なお、図１３は、配線部３２及び導電部３６が形成された絶縁基板３４を表面側からみた平面図である。図１４は、図１３におけるラインＧ−Ｇに沿った断面図である。図１５は、図１３におけるラインＨ−Ｈに沿った断面図である。

絶縁基板３４の表面に形成された配線部３２は、図１３〜図１５に示すように、端部の４隅の領域が除去され、その領域では絶縁基板３４の表面が露出している。すなわち、配線部３２は絶縁基板３４上に十字形状に形成されている。ラインＧ−Ｇに沿った断面では、配線部３２の表面と絶縁基板３４の表面との間に段差が形成されていることが分かる。

なお、配線部３２はスパッタリング法、蒸着法等により形成することができる。また、配線部３２のパターンニングは、マスクを用いたスパッタリング法や蒸着法を適用したり、全面に形成した金属に対してマスクを用いたエッチング法を適用したりことで行うことが可能である。

このような構成において、半導体素子１０を載せ置いて、はんだによりはんだ接合部３０を形成すると、図１２に示すように、配線部３２の表面及び半導体素子１０下の配線部３２の段差の側面のはんだに対する濡れ性が高い領域ではんだ接合が形成され、はんだに対する濡れ性が低い絶縁基板３４の表面でははんだ接合が形成されない。

このように、配線部３２の端部の４隅では、半導体素子１０下の配線部３２の段差の側面に対してはんだ接合部３０が形成され、そのはんだ接合部３０の底面に当たる絶縁基板３４の表面領域でははんだ接合部３０が形成されず、はんだ接合部３０が分断される。これにより、はんだ接合部３０の端部が機械的に拘束されず、はんだ接合部３０の実効的な接合長が短くなる。また、はんだ接合部３０の端部の厚さが大きくなる。これらによって、端部のはんだ接合部３０に生ずる歪みが低減され、冷熱サイクルに対する信頼性が向上する。

また、図１６〜図１８に示すように界面層１４、配線部３２及び導電部３６が形成された絶縁基板３４でも同様の効果を得ることができる。図１６〜図１８は、図１３におけるラインＨ−Ｈに沿った断面図の別例である。

図１６の構成では、絶縁基板３４の表面に形成された配線部３２は、端部の４隅の領域において膜厚が他の領域より薄い薄膜部分が形成されており、薄膜部分の表面及び薄膜部分と絶縁基板３４との段差の側面に樹脂層３８が形成されている。すなわち、配線部３２は、絶縁基板３４上に十字形状に配置された厚膜部分と、その４隅の端部には厚膜部分よりも薄い薄膜部分が設けられ、薄膜部分の表面及び側面に樹脂層３８が形成されている。なお、樹脂層３８は、はんだの濡れ性が低いものであればよい。例えば、ポリイミド等を適用することが好適である。樹脂層３８は、塗布法等により全面に形成し、マスクを用いてエッチングすることによって必要な領域のみに形成することができる。

図１７の構成では、絶縁基板３４の表面に形成された配線部３２は、端部の４隅の領域が除去され、配線部３２の表面及び絶縁基板３４との段差の側面に界面層４０が直接形成されている。ただし、配線部３２は、はんだの濡れ性が低い金属、例えば、アルミニウム（Ａｌ）で形成される。界面層４０は、第１の実施の形態と同様に、はんだ接合部３０のはんだ材の濡れ性を高めるための層である。界面層４０は、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｎ）等のはんだ濡れ性が高い材料を適用することが好適である。

図１８の構成では、絶縁基板３４の表面に形成された配線部３２は、端部の４隅の領域において膜厚が他の領域より薄く形成されている。すなわち、配線部３２の厚膜部分の表面と、薄膜部分の表面とに段差が形成される。配線部３２は、はんだの濡れ性が低い金属、例えば、アルミニウム（Ａｌ）で形成される。配線部３２の厚膜部分の表面と、厚膜部分と薄膜部分との段差の側面には、はんだの濡れ性が高い界面層４０を形成する。

図１６〜図１８の構成においても、絶縁基板３４上に半導体素子１０を載せ置いてはんだ接合部３０を形成すると、はんだに対する濡れ性が高い界面層４０や銅（Ｃｕ）の配線部３２の領域でははんだ接合が形成され、はんだに対する濡れ性が低いアルミニウム（Ａｌ）の配線部３２や樹脂層２６を形成した領域でははんだ接合が形成されない。すなわち、配線部３２の端部の４隅では、配線部３２と絶縁基板３４との段差の側面又は配線部３２の厚膜部分と薄膜部分との段差の側面にははんだ接合部３０が形成され、そのはんだ接合部３０と絶縁基板３４との間又はそのはんだ接合部３０と薄膜部分との間の領域にははんだ接合部３０が形成されない。これにより、はんだ接合部３０の端部が機械的に拘束されず、はんだ接合部３０の実効的な接合長が短くなる。また、はんだ接合部３０の端部の厚さが大きくなる。これらによって、端部のはんだ接合部３０に生ずる歪みが低減され、冷熱サイクルに対する信頼性が向上する。

＜第３の実施の形態＞
第３の実施の形態における半導体モジュール３００は、第１の実施の形態における半導体モジュール１００の変形例である。半導体モジュール３００では、図１９の断面図に示すように、配線部１６の隅のみならず、半導体素子１０が配置された領域下全面に亘って配線部１６を除去した領域を設ける。配線部１６の除去領域は、特に限定されるものでなく、例えば、格子状や線状であってもよい。また、配線部１６の表面及び配線部１６の除去領域における絶縁基板１８の表面にははんだとの濡れ性が高いニッケル（Ｎｉ）等の金属を形成する。

これにより、はんだ接合部１２の接合面が周期的に分断され、はんだ接合部１２の実効的な接合面積が小さくなる。したがって、はんだ接合部１２に生ずる歪みが低減され、冷熱サイクルに対する信頼性が向上する。

また、本実施の形態における半導体モジュール３００では、図１９に破線矢印で示すように、半導体素子１０から放熱部２４までの熱流の経路は確保されており、冷却性の観点から問題はない。なお、本実施の形態は図７〜図９の構成に対しても適用できる。

＜第４の実施の形態＞
第４の実施の形態における半導体モジュール４００は、第２の実施の形態における半導体モジュール２００の変形例である。半導体モジュール４００では、図２０の断面図に示すように、配線部３２の隅のみならず、半導体素子１０が配置された領域下全面に亘って配線部３２を除去した領域を設ける。配線部３２の除去領域は、特に限定されるものでなく、例えば、格子状や線状であってもよい。

これにより、はんだ接合部３０の接合面が周期的に分断され、はんだ接合部３０の実効的な接合面積が小さくなる。したがって、はんだ接合部３０に生ずる歪みが低減され、冷熱サイクルに対する信頼性が向上する。なお、本実施の形態は図１６〜図１８の構成に対しても適用できる。

１０ 半導体素子、１２ はんだ接合部、１４ 界面層、１６ 配線部、１８ 絶縁基板、２０ 導電部、２２ 界面層、２４ 放熱部、２６ 樹脂層、３０ はんだ接合部、３２ 配線部、３４ 絶縁基板、３６ 導電部、３８ 樹脂層、４０ 界面層、５０ 半導体素子、５２ 冷却器、５４ 絶縁基板、５４ａ 配線部、５４ｂ 絶縁部、５４ｃ 金属部、５６ 接合部、５６ａ 周辺部、１００，２００，３００，４００，５００ 半導体モジュール。

Claims (3)

1. 半導体素子と、表面に配線部が形成され、前記配線部の表面に前記半導体素子をマウントする絶縁基板を備えた半導体モジュールであって、
   前記半導体素子と前記配線部、及び、前記半導体素子と前記絶縁基板上の界面層の少なくとも一部、を接続するはんだ接合部を備え、
   前記はんだ接合部は、
   前記配線部の膜厚が薄くなっている薄膜領域、又は、前記配線部の一部が除去されている除去領域の前記絶縁基板上の界面層の表面に接合が存在し、
   前記薄膜領域に繋がる段差又は前記除去領域に繋がる段差の側面に接合が存在せず、
   これにより前記はんだ接合部が分断されていることを特徴とする半導体モジュール。
2. 半導体素子と、表面に配線部が形成され、前記配線部上に前記半導体素子をマウントする絶縁基板を備えた半導体モジュールであって、
   前記半導体素子と前記配線部、及び、前記半導体素子と前記配線部の側面を接続するはんだ接合部を備え、
   前記はんだ接合部は、
   前記配線部の膜厚が薄くなっている薄膜領域、又は、前記配線部の一部が除去されている除去領域の前記絶縁基板の表面に接合が存在せず、
   これにより前記はんだ接合部が分断されていることを特徴とする半導体モジュール。
3. 請求項１又は２に記載の半導体モジュールであって、
   前記薄膜領域又は前記除去領域は、前記配線部の４隅のいずれかに設けられていることを特徴とする半導体モジュール。

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