JP6604114B2

JP6604114B2 - 半導体モジュール

Info

Publication number: JP6604114B2
Application number: JP2015187317A
Authority: JP
Inventors: 林太郎淺井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-09-24
Filing date: 2015-09-24
Publication date: 2019-11-13
Anticipated expiration: 2035-09-24
Also published as: JP2017063105A

Description

本明細書が開示する技術は、半導体モジュールに関する。

リードフレームと、リードフレームの表面に固定された半導体チップと、半導体チップとその周囲のリードフレームの表面を覆っている樹脂層を有する半導体モジュールが知られている。樹脂層によって封止されることで、半導体チップが保護される。このような半導体モジュールにおいては、樹脂層がリードフレームから剥離することが問題となる。樹脂層がリードフレームから剥離すると、剥離部（剥離によって形成された隙間）に水分が進入する。水分が半導体チップに達すると、半導体チップ表面の電極が腐食する等の問題が生じる。

特許文献１には、ヒートシンクを覆う樹脂層がヒートシンクから剥離することを抑制する技術が開示されている。この技術では、ヒートシンク表面を粗面化し、粗面化した表面に樹脂層を形成する。粗面化した表面の細かい凹部内に樹脂層が入り込むため、樹脂層がヒートシンクから剥離し難くなる。

特開２００７−２０１０３６号公報

半導体モジュールの大電流化のニーズにより、近年では半導体モジュールが高温化し易い。このため、樹脂層に高い熱応力が生じやすく、樹脂層の剥離がますます問題となっている。したがって、本明細書では、樹脂層がリードフレームから剥離することを抑制する新たな技術を提供する。なお、本明細書に開示の技術は、単独で用いることもできるし、上述した特許文献１等の他の剥離防止技術と組み合わせて用いることもできる。

半導体チップをリードフレームに適切に接合するために、リードフレームの表面には、接合材によって接合し易い金属層（以下、第１金属層という）が露出している。第１金属層は、リードフレームの母材の表面を覆っている金属層（例えば、Ｎｉメッキ）である場合もあるし、リードフレームの母材自体（例えば、Ｃｕの母材）である場合もある。第１金属層は樹脂層に接している。樹脂層が部分的に第１金属層から剥離すると、剥離部に水分が進入する。すると、第１金属層がイオン化して水分中に溶け出し、第１金属層が腐食する。第１金属層の腐食によって樹脂層の接着力が低下し、樹脂層の剥離が進行するという問題がある。

本明細書が開示する半導体モジュールは、表面が第１金属層により構成されているリードフレームと、前記第１金属層の表面の一部を覆うとともに前記第１金属層よりもイオン化傾向が大きい第２金属層と、前記第１金属層に接合層を介して固定されている半導体チップと、樹脂層を有している。前記樹脂層は、前記半導体チップ、前記半導体チップの周囲の前記リードフレームの表面、及び、前記第２金属層を覆っている。

この半導体モジュールでは、樹脂層に覆われている範囲の一部において、第１金属層上に第２金属層が配置されている。樹脂層の剥離部が第２金属層に達すると、第２金属層が剥離部に進入した水分と接触する。すると、イオン化傾向が大きい第２金属が水分中に溶け出すことで、イオン化傾向が小さい第１金属が水分中に溶け出すことが抑制される。さらに、水分中にイオン化した第１金属が多量に存在する場合には、第２金属が水分中に溶け出すと、電池反応によって、水分中の第１金属が第１金属層の表面に成長する。したがって、第１金属層が腐食することが抑制される。このため、第２金属層が存在する領域で、樹脂層の剥離部の進展を抑制することができる。

半導体モジュール１０の縦断面図。Ａｌ層３６近傍の拡大断面図。積層方向に沿って見た半導体チップ２２と下側リードフレーム３０の平面図。剥離部８０の説明図。部品９０の斜視図。変形例の半導体モジュールの縦断面図。変形例の半導体モジュールの縦断面図。

図１に示す実施形態の半導体モジュール１０は、下側リードフレーム３０と、半導体チップ２１と、半導体チップ２２と、スペーサブロック４１と、スペーサブロック４２と、上側リードフレーム５０と、樹脂層７０を有している。

半導体チップ２１、２２の各々は、半導体層と、半導体層の下面に配置されている下部電極（図示省略）と、半導体層の上面に配置されている上部電極（図示省略）を有している。下部電極は、半導体層の下面全域に配置されている。上部電極は、半導体層の上面の中央部に配置されている。

下側リードフレーム３０は、半導体チップ２１、２２の下側に配置されている。下側リードフレーム３０は、金属により構成されている。下側リードフレーム３０の上面の一部に、半導体チップ２１が固定されている。より詳細には、半導体チップ２１の下部電極が、はんだ層６２によって下側リードフレーム３０に接続されている。下側リードフレーム３０の上面の一部に、半導体チップ２２が固定されている。より詳細には、半導体チップ２２の下部電極が、はんだ層６３によって下側リードフレーム３０に接続されている。

スペーサブロック４１は、半導体チップ２１の上側に配置されている。スペーサブロック４１は、Ｃｕ等の熱伝導率が高い金属により構成されている。スペーサブロック４１は、はんだ層６４によって半導体チップ２１の上部電極に接続されている。

スペーサブロック４２は、半導体チップ２２の上側に配置されている。スペーサブロック４２は、Ｃｕ等の熱伝導率が高い金属により構成されている。スペーサブロック４２は、はんだ層６５によって半導体チップ２１の上部電極に接続されている。

上側リードフレーム５０は、スペーサブロック４１、４２の上側に配置されている。上側リードフレーム５０は、Ｃｕ等の熱伝導率が高い金属により構成されている。上側リードフレーム５０の下面の一部に、スペーサブロック４１が固定されている。より詳細には、スペーサブロック４１が、はんだ層６６によって上側リードフレーム５０に接続されている。上側リードフレーム５０の下面の一部に、スペーサブロック４２が固定されている。より詳細には、スペーサブロック４２が、はんだ層６７によって上側リードフレーム５０に接続されている。

樹脂層７０は、下側リードフレーム３０の下面と上側リードフレーム５０の上面を除いて、下側リードフレーム３０、上側リードフレーム５０、半導体チップ２１、２２、スペーサブロック４１及びはんだ層６２〜６７の表面全域を覆っている。下側リードフレーム３０の下面と上側リードフレーム５０の上面は、樹脂層７０から露出している。

下側リードフレーム３０と上側リードフレーム５０は、半導体チップ２１、２２に通電するための電極であり、半導体チップ２１、２２を冷却する放熱板としても機能する。

図２に示すように、下側リードフレーム３０は、Ｃｕ（銅）によって構成された母材３２と、Ｎｉ（ニッケル）によって構成されたＮｉ層３４を有している。Ｎｉ層３４は、母材３２の表面に形成されたメッキ層である。母材３２の表面全域が、Ｎｉ層３４によって覆われている。下側リードフレーム３０の上面（すなわち、Ｎｉ層３４の上面）の一部の範囲内に、Ａｌ（アルミニウム）によって構成されたＡｌ層３６が配置されている。Ａｌ層３６は、Ｎｉ層３４上に部分的に配置されている。図３に示すように、半導体チップ２２と下側リードフレーム３０の積層方向に沿って平面視したときに、Ａｌ層３６は、半導体チップ２２の周囲を囲むように伸びている。なお、図３では、図の見易さのため、Ａｌ層３６をハッチングにより示している。図２に示すように、はんだ層６３と接合する範囲には、Ａｌ層３６は配置されていない。はんだ層６３は、Ｎｉ層３４と接合している。Ａｌ層３６は、樹脂層７０に接している。また、Ａｌ層３６及びはんだ層６３に覆われていない範囲のＮｉ層３４は、樹脂層７０に接している。なお、図１に示すように、半導体チップ２１の周囲の下側リードフレーム３０の上面にも、半導体チップ２１を囲むように伸びるＡｌ層３６が配置されている。また、図１に示すように、上側リードフレーム５０の下面にも、下側リードフレーム３０の上面と同様にして、Ａｌ層３６が配置されている。

半導体モジュール１０に繰り返し通電すると、半導体チップ２１、２２が繰り返し発熱する。すると、樹脂層７０に繰り返し熱応力が加わる。これによって、樹脂層７０が下側リードフレーム３０から剥離する場合がある。多くの場合、図１の剥離部８０に示すように、半導体モジュール１０の表面に露出している位置の下側リードフレーム３０と樹脂層７０の境界から剥離し始める。半導体モジュール１０の使用に伴って、剥離部８０は下側リードフレーム３０の側面と上面に沿って徐々に半導体チップ２２側に向かって進展する。なお、剥離が始まると、剥離部８０内に水分が進入する。すると、剥離部８０内でＮｉ層３４が水分と接触し、Ｎｉ層３４から水分中にイオン化したＮｉが溶け出す。これによって、Ｎｉ層３４が腐食（電蝕）し、樹脂層７０のＮｉ層３４に対する接着力が低下する。これによって、樹脂層７０がより剥離し易くなる。

樹脂層７０の剥離が進行すると、図４に示すように、剥離部８０がＡｌ層３６に達する。なお、図４において、参照番号３４ｂは腐食したＮｉ層３４を示し、参照番号３４ａは腐食していないＮｉ層３４を示す。剥離部８０がＡｌ層３６に達すると、剥離部８０内の水分がＡｌ層３６とＮｉ層３４の両方に接触する。すると、Ａｌ層３６のイオン化傾向がＮｉ層３４のイオン化傾向よりも高いので、Ａｌ層３６がイオン化して水分中に溶け出す。これによって、腐食していないＮｉ層３４ａからＮｉが水分中に溶け出すことが抑制される。すなわち、腐食していないＮｉ層３４ａの腐食が抑制される。また、剥離部８０内の水分中には、腐食したＮｉ層３４ｂから溶け出したＮｉイオンが多量に存在している。このため、水分がＡｌ層３６に接触すると、以下に説明する電池反応が発生する。上述したように、Ａｌ層３６のＡｌがイオン化して水分中に溶け出す。すると、Ａｌ→Ａｌ^３＋＋３ｅ⁻の化学式であらわされるように、Ａｌがイオン化する際に水分中に電子を供給する。すると、Ｎｉ^２＋＋２ｅ⁻→Ｎｉの化学式であらわされるように、水分中に存在するＮｉイオンが還元されて、Ｎｉが、Ａｌ層３６の近くのＮｉ層３４ａの表面に成長する。これによって、Ｎｉ層３４ａの腐食がより抑制される。このため、樹脂層７０とＮｉ層３４ａの間の接着力が低下し難く、Ａｌ層３６よりも半導体チップ２２側へ剥離部８０が進展することを抑制することができる。

図３に示すように、Ａｌ層３６が半導体チップ２２の周囲を囲んでいるので、何れの向きで剥離部８０が進展する場合でも、Ａｌ層３６によって半導体チップ２２側への剥離部８０の伸展を抑制することができる。

なお、Ａｌ層３６は、種々の方法によって形成することができる。

第１の方法では、まず、下側リードフレーム３０の上面（Ｎｉ層３４が露出している表面）に対してワイヤーボンディングを繰り返すことによって、その上面にＡｌワイヤーを設置する。ここでは、図３のＡｌ層３６のように、半導体チップ２２の周囲がＡｌワイヤーで囲まれるようにワイヤーボンディングを繰り返し実施する。この段階では、各Ａｌワイヤーがループ状に延びている。次に、Ａｌワイヤーを下側リードフレーム３０に向かって押しつぶす。これによって、半導体チップ２２の周囲を囲む領域（すなわち、図３のＡｌ層３６に相当する領域全体）で、ＡｌワイヤーがＮｉ層３４に接触する。これによって、Ａｌ層３６が形成される。

第２の方法では、第１の方法と同様に、ワイヤーボンディングを繰り返すことによって、下側リードフレーム３０の上面にＡｌワイヤーを設置する。次に、半導体モジュール１０の樹脂層７０を除く部分を組み立て、その組み立てた半製品を成形型に設置する。そして、成形型を用いた射出成型によって、樹脂層７０を形成する。射出成型時の樹脂の圧力によって、ＡｌワイヤーがＮｉ層３４に向かって押しつぶされる。これによって、半導体チップ２２の周囲を囲む領域で、ＡｌワイヤーがＮｉ層３４に接触する。この方法でも、Ａｌ層３６を形成することができる。

第３の方法では、蒸着、コールドスプレー等によって、下側リードフレーム３０の上面上（すなわち、Ｎｉ層３４上）にＡｌ層３６を成長させる。

第４の方法では、図５に示すように、環状に成形されたＡｌ製の部品９０を用意する。部品９０は、プレス加工によって形成したものでもよい。また、部品９０は、ワイヤーボンディング用のＡｌワイヤーを環状にしたものでもよい。次に、部品９０を下側リードフレーム３０の上面上（すなわち、Ｎｉ層３４上）に載置する。その後、第２の方法と同様にして、半製品を組み立て、射出成型によって樹脂層７０を形成する。射出成型時に、部品９０が樹脂によってＮｉ層３４に向かって押し付けられる。その状態で、樹脂層７０が固化するので、部品９０がＮｉ層３４に密着した状態で固定される。これによって、Ａｌ層３６を形成することができる。なお、図５では、円形の環状の部品９０が示されているが、矩形の環状の部品であってもよい。

なお、上述した実施形態では、下側リードフレーム３０の平坦な上面上にＡｌ層３６が配置されていた。しかしながら、図６に示すように、下側リードフレーム３０の上面に凹部を形成し、その凹部内にＡｌ層３６を配置してもよい。

また、上述した実施形態では、下側リードフレーム３０の上面にＡｌ層３６が配置されていた。しかしながら、図７に示すように、下側リードフレーム３０の側面にＡｌ層３６を配置してもよい。

また、上述した実施形態では、下側リードフレーム３０がＮｉ層３４を有していた。しかしながら、下側リードフレーム３０がＮｉ層３４を有していなくてもよい。この場合、下側リードフレーム３０の表面に母材３２（すなわち、Ｃｕ）が露出する。このような構成でも、はんだ層６３が母材３２に好適に接合することができる。また、このような構成でも、Ａｌ層３６によって母材３２（すなわち、Ｃｕ）の腐食を抑制することができる。

また、上述した実施形態では、イオン化傾向が大きい金属としてＡｌを用いたが、Ｚｎ等の他の金属を用いてもよい。

上述した実施形態の特徴を以下に説明する。本明細書が開示する一例の半導体モジュールでは、半導体チップとリードフレームの積層方向に沿って見たときに、樹脂層がリードフレームに接している範囲内において、第２金属層が半導体チップを囲むように伸びている。

この構成によれば、剥離部がどのような向きで進展した場合でも、第２金属層によって剥離部の半導体チップ側への進展を抑制することができる。

上述した半導体チップを囲むように伸びる第２金属層は、以下のように形成することができる。まず、第２金属層を構成する金属（以下、第２金属という）を、予め環状に成形する。次に、環状の第２金属を、第１金属層上に配置する。その後、射出成型によって、樹脂層を形成する。射出成型時の樹脂の圧力によって、第２金属が第１金属に押し付けられ、その状態で固定される。これによって、第２金属層が形成される。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：半導体モジュール
２１、２２：半導体チップ
３０：下側リードフレーム
３２：母材
３４：Ｎｉ層
３６：Ａｌ層
４１、４２：スペーサブロック
４２：スペーサブロック
５０：上側リードフレーム
６２〜６７：はんだ層
７０：樹脂層
８０：剥離部

Claims

半導体モジュールであって、
表面が第１金属層により構成されているリードフレームと、
前記第１金属層の表面の一部を覆うとともに前記第１金属層よりもイオン化傾向が大きい第２金属層と、
前記第１金属層に接合層を介して固定されている半導体チップと、
前記半導体チップ、前記半導体チップの周囲の前記リードフレームの表面、前記第２金属層、及び、前記第２金属層の周囲の前記リードフレームの表面を覆っている樹脂層、
を有しており、
前記第２金属層の全体が前記樹脂層に覆われており、
前記半導体チップと前記リードフレームの積層方向に沿って見たときに、前記第２金属層が前記半導体チップを囲むように伸びている、
半導体モジュール。