JP6750263B2 - 電力用半導体モジュール - Google Patents

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    • H01L2224/37463—Coating material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than 1550°C
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    • H01L2224/40—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process of an individual strap connector
    • H01L2224/401—Disposition
    • H01L2224/40151—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/40221—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/40225—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
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    • H01L2224/39—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process
    • H01L2224/40—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process of an individual strap connector
    • H01L2224/401—Disposition
    • H01L2224/40151—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/40221—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/40225—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
    • H01L2224/40227—Connecting the strap to a bond pad of the item
    • H01L2224/40229—Connecting the strap to a bond pad of the item the bond pad protruding from the surface of the item
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    • H01L2224/39—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process
    • H01L2224/40—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process of an individual strap connector
    • H01L2224/404—Connecting portions
    • H01L2224/40475—Connecting portions connected to auxiliary connecting means on the bonding areas
    • H01L2224/40499—Material of the auxiliary connecting means
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    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/73—Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L2224/10, H01L2224/18, H01L2224/26, H01L2224/34, H01L2224/42, H01L2224/50, H01L2224/63, H01L2224/71
    • H01L2224/732—Location after the connecting process
    • H01L2224/73251—Location after the connecting process on different surfaces
    • H01L2224/73263—Layer and strap connectors
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    • H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L2224/84—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a strap connector
    • H01L2224/8438—Bonding interfaces outside the semiconductor or solid-state body
    • H01L2224/84399—Material
    • H01L2224/844—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/84401—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of less than 400°C
    • H01L2224/84411—Tin [Sn] as principal constituent
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    • H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L2224/84—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a strap connector
    • H01L2224/848—Bonding techniques
    • H01L2224/84801—Soldering or alloying
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Description

本発明は、大電流、高電圧を制御する電力用半導体素子を用いた電力用半導体モジュールに関する。
電力用半導体モジュールは、複数の電力用半導体素子を含み、たとえば、インバータ装置の電力変換素子として利用されている。電力用半導体素子としては、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＦＷＤ（Free Wheeling Diode）などがある。また、電力用半導体素子として、ＩＧＢＴとＦＷＤとを一体化したＲＣ（Reverse Conducting）−ＩＧＢＴ、逆バイアスに対しても十分な耐圧を有するＲＢ（Reverse Blocking）−ＩＧＢＴなどがある。
このような電力用半導体モジュールにおいて、半導体素子は、その裏面の電極が絶縁基板にはんだによって接合され、おもて面の主電流が流れる電極が配線用の導体にはんだによって接合されている。ここで、半導体素子の裏面に用いられるはんだとおもて面に用いられるはんだとに、物性の異なるはんだを用いることが知られている（たとえば、特許文献１、２参照）。
特許文献１の半導体装置は、耐熱性や熱疲労性に優れた接合部を実現することを目的としている。この目的のために、半導体素子と絶縁基板の導体とを接合するはんだペーストとして、「Ｓｎ（錫）３．５Ａｇ（銀）０．５Ｃｕ（銅）（溶融温度：２２０℃）」が用いられている。また、配線用導体と半導体素子とを接合するクリームはんだとしては、「Ｓｎ２０Ａｇ５Ｃｕ（固相線の温度：２２０℃、液相線の温度：３４５℃）」が用いられている。また、半導体素子と接合される配線用導体は、半導体素子の表面側への放熱をも考慮して、半導体素子との接合部分が肉厚で半導体素子との接合面積を大きくした銅材で構成され、その上端から半導体素子の面方向に配線部が延出されている。
特許文献２は、半導体素子を２つの導体部材で挟み込んだものであって、はんだリフロー時に半導体素子の下側になるはんだの凝固点を半導体素子の上側になるはんだの凝固点より低くしたものを開示している。
特開２００６−２８７０６４号公報 特許第４７３０１８１号公報
電力用半導体モジュールに用いられる半導体素子のチップは、薄型化しており、シリコン基板のものでは、１００マイクロメートル（μｍ）以下の厚さのものが出現してきている。また、半導体素子は、その支持体となる絶縁基板および配線用導体であるリード端子とそれぞれはんだにより接合して構成されている。さらに、このようにして構成された半導体素子、絶縁基板およびリード端子は、たとえばエポキシ樹脂によって封止されている。
リード端子は、半導体素子の発熱によって熱膨張する。このとき、リード端子は、樹脂による封止によって押さえ込まれているため、薄い半導体素子に向かって膨張することになる。これにより、半導体素子は、リード端子から大きな応力を受けることになり、それが原因で半導体素子の表面電極にクラックが入り、破損に至ることがある。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、半導体素子の裏面をはんだにより絶縁基板に接合し、半導体素子のおもて面にはリード端子をはんだにより接合した電力用半導体モジュールにおいて、半導体素子の表面電極の信頼性を向上した電力用半導体モジュールを提供することを目的とする。
本発明の一観点によれば、一方の面および前記一方の面の反対側の他方の面を有する半導体素子と、一端と他端を有し前記一端が前記半導体素子に電気的および熱的に接続された接合部と前記接合部の端部から上方へ折り曲げられた起立部とを有するリード端子と、前記リード端子の前記接合部と前記半導体素子の一方の面とを接合する第１のはんだと、一方の面および前記一方の面の反対側の他方の面を有する絶縁板、前記絶縁板の一方の面に配置した第１の回路層および前記絶縁板の他方の面に配置した金属箔を有する絶縁基板と、前記半導体素子の他方の面と前記絶縁基板の前記第１の回路層とを接合する第２のはんだと、少なくとも前記半導体素子、前記リード端子全体、前記第１のはんだおよび前記絶縁基板を封止する樹脂と、を備えた電力用半導体モジュールが提供される。この電力用半導体モジュールは、前記第１のはんだの０．２％耐力をＡ、前記第２のはんだの０．２％耐力をＢとしたとき、Ａ＜Ｂが成立する関係にしている。
上記構成の電力用半導体モジュールは、リード端子からストレスを直接受ける側の第１のはんだの０．２％耐力を低くすることで、半導体素子の表面電極にかかるストレスが第１のはんだによって低減される。これにより、半導体素子の表面電極の信頼性を向上させることができるという効果がある。
第１の実施の形態に係る電力用半導体モジュールの一例を示す図である。 半導体素子の一例を示す図であって、（Ａ）は半導体素子とするＲＣ−ＩＧＢＴの回路図、（Ｂ）は半導体素子とするＲＣ−ＩＧＢＴの平面図である。 半導体素子とリード端子との接合状態を示す平面図である。 半導体素子とリード端子との接合部の部分拡大断面図である。 半導体素子のガードリングおよび表面電極の近傍を示す部分拡大断面図である。 実施例１，２および比較例１，２における信頼性試験の結果を示す図である。 比較例１の電力用半導体モジュールが寿命に達したときの半導体素子の状態を示す部分断面図である。 比較例１の電力用半導体モジュールが寿命に達した時期に比較例２の電力用半導体モジュールが劣化している途中の経過状態を示す部分断面図である。 比較例１の電力用半導体モジュールが寿命に達した時期における実施例１，２の電力用半導体モジュールの状態を示す部分断面図である。 第２の実施の形態に係る電力用半導体モジュールの一例を示す部分拡大断面図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一または均等の構成要素については、同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。また、本発明は、下記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形して実施することができるものである。
［第１の実施の形態］
図１は第１の実施の形態に係る電力用半導体モジュールの一例を示す図である。図２は半導体素子の一例を示す図であって、（Ａ）は半導体素子とするＲＣ−ＩＧＢＴの回路図、（Ｂ）は半導体素子とするＲＣ−ＩＧＢＴの平面図である。図３は半導体素子とリード端子との接合状態を示す平面図である。図４は半導体素子とリード端子との接合部の部分拡大断面図である。図５は半導体素子のガードリングおよび表面電極の近傍を示す部分拡大断面図である。なお、図１に示した第１の実施の形態に係る電力用半導体モジュールは、その一例の要部断面を模式的に示している。
電力用半導体モジュール１０は、図１に示したように、絶縁基板１３、半導体素子１４およびリード端子１５を備えている。電力用半導体モジュール１０は、冷却器１１と、その上に載置され、絶縁基板１３、半導体素子１４およびリード端子１５を収容するケース１２とを備えてもよい。
冷却器１１は、熱伝導性に優れた、たとえば、Ａｌ（アルミニウム）などにより構成されており、内部に空洞が設けられ、その空洞の中に複数のフィンを備えている。フィンとフィンとの間は、冷媒の通路となっている。このような冷媒としては、たとえば、エチレングリコール水溶液、水などの液体媒体を用いることができる。冷媒としては、液体媒体の他に、たとえば、空気などの気体媒体も用いることができる。さらには、フロンなどのように冷却器１１で蒸発させて気化させることで冷却する相変化可能な冷媒を用いることも可能である。
絶縁基板１３は、ＤＣＢ（Direct Copper Bonding）基板とすることができる。すなわち、絶縁基板１３は、セラミック絶縁板１３ａと、このセラミック絶縁板１３ａのおもて面（上面）に形成された回路層１３ｂ，１３ｃと、セラミック絶縁板１３ａの裏面（下面）に形成された金属箔１３ｄとにより構成されている。金属箔１３ｄは、絶縁基板下はんだ１６によって冷却器１１に接合されている。回路層１３ｂは、半導体素子下はんだ１７によって半導体素子１４の下面に接合されている。セラミック絶縁板１３ａが絶縁性のため、回路層１３ｂと金属箔１３ｄとの間は、電気が導通しない。絶縁基板１３と冷却器１１は、はんだによる接合に代えて、金属箔１３ｄと冷却器１１の間のグリスによって熱的に接続されてもよい。
絶縁基板下はんだ１６は、絶縁基板１３と冷却器１１とを熱的、機械的に接続するものである。このような絶縁基板下はんだ１６は、高信頼性のために、高強度はんだが望ましく、たとえば、Ｓｎ−Ｓｂ（アンチモン）系、Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ系が用いられる。
半導体素子１４は、この実施の形態では、ＲＣ−ＩＧＢＴとしている。ＲＣ−ＩＧＢＴは、図２（Ａ）に示したように、ＩＧＢＴ１４ａとＦＷＤ（還流ダイオード）１４ｂとを一体化したものである。すなわち、ＲＣ−ＩＧＢＴは、ＩＧＢＴ１４ａとＦＷＤ１４ｂとが逆並列接続された構成を有している。ＩＧＢＴ１４ａのコレクタ端子は、ＦＷＤ１４ｂのカソード端子と接続されて半導体素子１４の裏面の表面電極を構成している。この半導体素子１４の裏面の表面電極は、半導体素子下はんだ１７によって回路層１３ｂに接合される電極である。
半導体素子下はんだ１７は、半導体素子１４と回路層１３ｂとを電気的および熱的に接続している。半導体素子下はんだ１７は、半導体素子１４と回路層１３ｂとを比較的強固に接合するために、Ｓｎ−Ｓｂ系はんだまたはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだが望ましい。
Ｓｎ−Ｓｂ系はんだとして、Ｓｂを０．１ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下含有し、残部がＳｎおよび不可避的不純物からなるはんだが好ましい。Ｓｂの含有量が０．１ｗｔ％未満だとはんだにクラックが発生しやすくなるため、必要な信頼性を確保できない可能性が高くなり、）１５ｗｔ％を超えるとはんだ付けの温度が３００℃を超え、周辺のニッケル膜の結晶化に伴う故障率の増加が懸念される。Ｓｂの含有量は、さらに、２．８ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下の範囲が好ましい。Ｓｂの含有量が２．８ｗｔ％以上であると、電力用半導体モジュール１０の信頼性を向上させやすくなる。
Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだとして、Ａｇを３．５ｗｔ％、Ｃｕを０．５ｗｔ％、それぞれ含有し、残部がＳｎおよび不可避的不純物からなるはんだが好ましい。
ＲＣ−ＩＧＢＴは、また、ＩＧＢＴ１４ａのエミッタ端子がＦＷＤ１４ｂのアノード端子と接続されて半導体素子１４のおもて面の表面電極を構成している。ＲＣ−ＩＧＢＴは、図２（Ｂ）に示したように、複数のＩＧＢＴ領域１４ｃと複数のＦＷＤ領域１４ｄとをストライプ状に交互に配置した構成を有している。ＲＣ−ＩＧＢＴは、図２（Ｂ）には図示しないが、複数のＩＧＢＴ領域１４ｃにあるＩＧＢＴ１４ａのエミッタ端子および複数のＦＷＤ領域１４ｄにあるＦＷＤ１４ｂのアノード端子に接続された表面電極を有している。半導体素子１４のおもて面は、また、ＩＧＢＴ１４ａのゲート端子に接続された制御用表面電極を有している。半導体素子１４は、さらに、その中央部および周辺部に感温センサ１４ｅ，１４ｆが一体に形成されている。
リード端子１５は、その一端が半導体素子１４のおもて面にあるエミッタ端子の表面電極にリード端子下はんだ１８によって接合されている。リード端子１５の他端は、リード端子下はんだ１９によって絶縁基板１３の回路層１３ｃに接合されている。
リード端子下はんだ１８は、リード端子１５の下面と半導体素子１４の表面電極とを電気的および熱的に接続している。リード端子下はんだ１８は、半導体素子１４の表面電極がリード端子１５から強いストレスを受ける箇所に用いられるので、半導体素子下はんだ１７よりも０．２％耐力が低いはんだを用いている。たとえば、リード端子下はんだ１８は、Ｓｎ−Ｃｕ系はんだが望ましい。これにより、リード端子下はんだ１８は、リード端子１５が熱により伸縮して半導体素子１４がリード端子１５からストレスを受けたときに、そのストレスを吸収するように作用する。したがって、半導体素子１４のおもて面の表面電極にかかるストレスが低減され、半導体素子１４の表面電極の信頼性を向上させることができる。Ｓｎ−Ｃｕ系はんだとして、Ｃｕを０．１ｗｔ％以上１．０ｗｔ％以下含有し、残部がＳｎおよび不可避的不純物からなるはんだが好ましい。Ｃｕの含有量が０．１ｗｔ％未満だとはんだにクラックが発生しやすくなるため、必要な信頼性を確保できない可能性が高くなり、１．０ｗｔ％を超えるとはんだの０．２％耐力が半導体素子１４の表面電極のアルミニウムよりも大きくなり、万が一故障が発生した際、セルが短絡する可能性が高くなる。なお、リード端子下はんだ１９として、半導体素子下はんだ１７と同じものが使用されてもよい。なお、０．２％耐力はたとえば５０℃における数値である。
リード端子１５は、電気抵抗が低く、熱伝導率が高い材質の金属が好適に用いられる。具体的には、リード端子１５は、ＣｕやＡｌが望ましい。この実施の形態では、Ａｌよりも熱膨張係数の小さなＣｕが用いられている。
リード端子１５は、図３に示したように、半導体素子１４の少なくとも中央部にある感温センサ１４ｅを覆うように半導体素子１４にリード端子下はんだ１８によって接合されている。
また、リード端子１５は、帯状の銅板を折り曲げて作られている。リード端子１５は、図４に示したように、リード端子下はんだ１８で接合される接合部１５ａと、この接合部１５ａの端部から図の上方へ折り曲げられた起立部１５ｂと、この起立部１５ｂの端部から半導体素子１４の面に平行な方向に折り曲げられた水平部１５ｃとを有している。ここで、リード端子１５の起立部１５ｂは、半導体素子１４の熱により縦方向に伸縮し、リード端子下はんだ１８および半導体素子１４の主面に垂直な方向にストレスをかける部分になるので、できるだけ短く形成される。ただし、半導体素子１４のガードリング１４ｇとリード端子１５の水平部１５ｃとの間の距離Ｈは、使用環境の気圧、温度、湿度や誘電率などを考慮し、この電力用半導体モジュールの規定の耐圧よりも低い電圧で空間放電が生じない距離にしている。もちろん、リード端子１５を半導体素子１４にはんだ接合する位置においても、接合部１５ａおよび起立部１５ｂの屈曲部とガードリング１４ｇとの最短の距離ｄがその間で空間放電が生じない距離にしている。
また、リード端子１５は、接合部１５ａと起立部１５ｂとの折り曲げ部分がリード端子下はんだ１８および半導体素子１４に対して斜め方向に作用するストレスを大きくしていることがシミュレーションにより判明している。接合部１５ａと起立部１５ｂが接続する折り曲げ部分は、半導体素子１４の発熱により接合部１５ａおよび起立部１５ｂが横および縦方向に伸びると、図示する矢印の斜め方向に、リード端子下はんだ１８および半導体素子１４の表面電極にストレスを与える。リード端子１５が封止樹脂２０によって拘束されると、このストレスは顕著になる。リード端子１５は、そのストレスを大きくしたくない制約と、曲げ加工するときの製造上の制約とから、０．５ミリメートル（ｍｍ）〜１．０ｍｍ程度の厚さにするのが望ましい。図示した例では、リード端子１５は、接合部１５ａの主面が半導体素子１４のおもて面に沿って配置されている。接合部１５ａの主面は、好ましくは半導体素子１４のおもて面に略平行となるよう配置される。リード端子１５において、接合部１５ａと起立部１５ｂがなす角α、すなわち間に挟む角αは、たとえば約９０°であり、１０°〜１８０°の範囲から選択されてよい。αが、１０°未満だとリード端子を精度よく折り曲げることが困難になり、１８０°を超えると空間放電が起きてしまう。
ケース１２内に収容された要素のうち、少なくともリード端子１５、リード端子下はんだ１８、半導体素子１４、半導体素子下はんだ１７、回路層１３ｂおよびセラミック絶縁板１３ａは、封止樹脂２０によって封止されている。リード端子１５などが封止樹脂２０によって封止されていれば、電力用半導体モジュール１０はケース１２を備えていなくてもよい。
封止樹脂２０は、所定の絶縁性能があり、成形性がよいものが好ましく、エポキシ樹脂、マレイミド樹脂などが好適に用いられる。これらのほか、封止樹脂２０としてポリイミド樹脂、イソシアネート樹脂、アミノ樹脂、フェノール樹脂やシリコーン系樹脂、またはその他の熱硬化性樹脂を用いてもよい。封止樹脂２０は、無機フィラーなどの添加物をさらに含有してもよい。封止樹脂２０は、また、その誘電率によってガードリング１４ｇとリード端子１５との間で空間放電が生じる距離を短くできる機能を有している。たとえば、放電条件が悪くなる標高４５００メールの高地での使用を想定した１２００ボルト（Ｖ）耐圧の半導体素子１４では、半導体素子１４のガードリング１４ｇとリード端子１５の水平部１５ｃとの間の距離Ｈは、１．１ｍｍ程度にすることが可能である。
半導体素子１４は、図５に示したように、ガードリング１４ｇの表面が有機系の膜によって被覆され、表面電極が３層の金属によって形成されている。ガードリング１４ｇの上の膜は、ポリイミド２１であり、表面電極の金属は、下から順にＡｌ、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｕ（金）である。各金属層の厚さは、たとえば、Ａｌが２μｍ〜６μｍ、Ｎｉが３μｍ〜６μｍ、Ａｕが０．０２μｍ〜０．１μｍである。ポリイミド（第１のポリイミド）２１と３層の金属との間には、別のポリイミド（第２のポリイミド）２２が充填されている。この第２のポリイミド２２は、ポリイミド２１と３層の金属との間に製造プロセス上の理由により不可避的にできてしまう微少なすき間を埋めるためのものである。これにより、そのすき間にリード端子下はんだ１８が流入し、熱によるリード端子下はんだ１８の伸縮によって３層の金属が剥離してしまうことを防止している。
また、電力用半導体モジュール１０は、リフロー炉において、３００℃以下の温度で絶縁基板下はんだ１６、半導体素子下はんだ１７およびリード端子下はんだ１８，１９が溶融され、はんだ接合が行われる。好ましくは、リフロー炉の温度は、２６０℃程度がよい。これは、はんだ溶融温度（融点）を、半導体素子１４の表面電極を構成しているＮｉがアモルファスから結晶状態に変質する結晶化温度以下にして、Ｎｉが硬くて脆くなるのを防ぐためである。これにより、半導体素子１４の表面電極は、リード端子１５からストレスを受けても、Ｎｉがひび割れを起こすことによる電力用半導体モジュール１０の故障率を低減することができる。
なお、このような電力用半導体モジュール１０では、半導体素子１４およびリード端子１５は、１組に限らず、複数組設けることも可能である。半導体素子１４を複数並列に配置した場合、電力用半導体モジュール１０の定格出力を増加させることができる。また、半導体素子１４を２個直列に配置した場合、ハーフブリッジインバータ回路の電力用半導体モジュール１０を構成することができる。さらに、複数の半導体素子１４を配置する際には、必要に応じて、異なる種類の半導体素子１４を設けることも可能である。
次に、電力用半導体モジュール１０の半導体素子下はんだ１７およびリード端子下はんだ１８の実施例について説明する。なお、半導体素子１４はシリコン基板にＲＣ−ＩＧＢＴを形成したものを用いている。シリコン基板の厚さは、約６０μｍ以上、約１２０μｍ以下であり、好ましくは約８０μｍである。また、リフロー炉の温度は、表面電極のＮｉが結晶化しない２６０℃としている。さらに、パワーサイクル試験では、半導体素子１４の通電による自己発熱（１７５℃）と遮断による冷却動作とを所定回数繰り返した試料を切断することによって劣化の進行状況を観測している。
［実施例１］
リード端子下はんだ１８は、Ｓｎ０．７Ｃｕ、すなわち、Ｓｎを主成分とし、Ｃｕを０．７ｗｔ％の割合で添加した。半導体素子下はんだ１７は、Ｓｎ５Ｓｂ、すなわち、Ｓｎを主成分とし、Ｓｂを５ｗｔ％の割合で添加した。このとき、Ｓｎ０．７Ｃｕの０．２％耐力は、５０℃において１８．５メガパスカル（ＭＰａ）であり、Ｓｎ５Ｓｂの０．２％耐力は、５０℃において２４．８ＭＰａである。これにより、リード端子下はんだ１８の０．２％耐力を「Ａ」、半導体素子下はんだ１７の０．２％耐力を「Ｂ」としたとき、Ａ＜Ｂの関係になる。
［実施例２］
リード端子下はんだ１８は、Ｓｎ０．７Ｃｕ、すなわち、Ｓｎを主成分とし、Ｃｕを０．７ｗｔ％の割合で添加した。半導体素子下はんだ１７は、Ｓｎ３．５Ａｇ０．５Ｃｕ、すなわち、Ｓｎを主成分とし、Ａｇを３．５ｗｔ％、Ｃｕを０．５ｗｔ％の割合で添加した。このとき、Ｓｎ０．７Ｃｕの０．２％耐力は、５０℃において１８．５ＭＰａであり、Ｓｎ３．５Ａｇ０．５Ｃｕの０．２％耐力は、５０℃において２０．０ＭＰａである。これにより、リード端子下はんだ１８の０．２％耐力を「Ａ」、半導体素子下はんだ１７の０．２％耐力を「Ｂ」としたとき、Ａ＜Ｂの関係になる。
［比較例１］
リード端子下はんだ１８は、Ｓｎ３．５Ａｇ０．５Ｃｕ、すなわち、Ｓｎを主成分とし、Ａｇを３．５ｗｔ％、Ｃｕを０．５ｗｔ％の割合で添加した。半導体素子下はんだ１７は、Ｓｎ０．７Ｃｕ、すなわち、Ｓｎを主成分とし、Ｃｕを０．７ｗｔ％の割合で添加した。このとき、Ｓｎ３．５Ａｇ０．５Ｃｕの０．２％耐力は、５０℃において２０．０ＭＰａであり、Ｓｎ０．７Ｃｕの０．２％耐力は、５０℃において１８．５ＭＰａである。これにより、リード端子下はんだ１８の０．２％耐力を「Ａ」、半導体素子下はんだ１７の０．２％耐力を「Ｂ」としたとき、Ａ＞Ｂの関係になる。
［比較例２］
リード端子下はんだ１８は、Ｓｎを主成分とし、Ｃｕを０．７ｗｔ％の割合で添加し、半導体素子下はんだ１７は、Ｓｎを主成分とし、Ｃｕを０．７ｗｔ％の割合で添加した。このとき、リード端子下はんだ１８および半導体素子下はんだ１７の０．２％耐力は、いずれも５０℃において１８．５ＭＰａであるので、リード端子下はんだ１８の０．２％耐力を「Ａ」、半導体素子下はんだ１７の０．２％耐力を「Ｂ」としたとき、Ａ＝Ｂの関係になる。
図６は実施例１，２および比較例１，２における信頼性試験の結果を示す図である。
図６には、リード端子下はんだ１８の０．２％耐力を「Ａ」、半導体素子下はんだ１７の０．２％耐力を「Ｂ」としたときに、「Ａ」および「Ｂ」の大小関係と半導体素子の温度を繰り返し変化させたときの寿命との関係を示している。
すなわち、Ａ＞Ｂの関係になる比較例１では、電力用半導体モジュール１０は、パワーサイクル試験を１０００００（１００ｋｃｙｃ．）回実施したときに寿命となっている。Ａ＝Ｂの関係になる比較例２では、電力用半導体モジュール１０は、パワーサイクル試験を２０００００（２００ｋｃｙｃ．）回実施したときに寿命となっている。これに対し、Ａ＜Ｂの関係になる実施例１，２では、電力用半導体モジュール１０は、パワーサイクル試験を１００００００（１０００ｋｃｙｃ．）回以上実施したときでも寿命には至らなかった。
図７は比較例１の電力用半導体モジュールが寿命に達したときの半導体素子の状態を示す部分断面図である。
この図７では、比較例１の電力用半導体モジュール１０が寿命のときにどのような壊れ方をするかを示しており、特に、リード端子１５の接合部１５ａが立ち上がる折り曲げ部分（図の左端）近傍の状態を示している。リード端子１５は、折り曲げ部分がリード端子下はんだ１８および半導体素子１４に対して大きなストレスをかける部分であり、その折り曲げ部分の直下には、部分的な劣化部２５がいくつも生じている。これらの劣化部２５は、リード端子下はんだ１８がリード端子１５からストレスを繰り返し受けることによって半導体素子１４の表面電極のＡｌにひび割れを生じさせ、Ａｌ直下のＲＣ−ＩＧＢＴを構成しているトランジスタのセルを傷つけることによって生じる。すなわち、セルが短絡するようなことがあると、その箇所に大電流が流れ、その通り道のリード端子下はんだ１８および半導体素子１４が瞬間的に高温になることで溶けて穴が形成され、それが劣化部２５となる。ただし、パワーサイクル試験を１０００００（１００ｋｃｙｃ．）回実施した後でも、リード端子１５の折り曲げ部分の直下を除く部分には、大きな変化は見られなかった。
図８は比較例１の電力用半導体モジュールが寿命に達した時期に比較例２の電力用半導体モジュールが劣化している途中の経過状態を示す部分断面図である。
リード端子下はんだ１８の０．２％耐力を半導体素子下はんだ１７の０．２％耐力と同じとした比較例２では、寿命の半分のパワーサイクル試験を経過したときの劣化状態は、比較例１の場合と相当相違している。すなわち、封止樹脂２０とリード端子１５とリード端子下はんだ１８とが交わる場所の近傍をクラック起点２６にしてリード端子下はんだ１８にクラック２７が入っている。このクラック２７により、半導体素子１４からリード端子下はんだ１８を介してリード端子１５に流れる電流の流路が部分的にオープンとなる。つまり、電力用半導体モジュール１０は、リード端子下はんだ１８にクラック２７が入り、そのクラック２７が進展して故障に至る方向に進んでいることになる。これは、比較例１の電力用半導体モジュール１０が瞬間的にショートにより故障するのと違い、クラック２７の進展がゆっくりであるが、確実に故障に向かって進展していることには変わりはない。
図９は比較例１の電力用半導体モジュールが寿命に達した時期における実施例１，２の電力用半導体モジュールの状態を示す部分断面図である。
比較例１，２と同じパワーサイクルの回数のときに抜き取った実施例１，２の電力用半導体モジュール１０の試料によれば、リード端子下はんだ１８にひび割れや劣化といった現象が確認されない。このことから、リード端子下はんだ１８の０．２％耐力を半導体素子下はんだ１７の０．２％耐力より低くした場合、リード端子下はんだ１８の劣化が確認できないので、電力用半導体モジュール１０の信頼性が向上したことになる。このようなリード端子下はんだ１８および半導体素子下はんだ１７の組み合わせは、リード端子１５が接合部１５ａと起立部１５ｂが接続する折り曲げ部分を備える電力用半導体モジュール１０において有用であろう。リード端子１５がエポキシ樹脂などの封止樹脂２０により拘束される場合に、さらに有用であろう。
なお、この実施例１，２の電力用半導体モジュール１０においても、故障する場合には、リード端子下はんだ１８のクラックの進展によるものと考えられる。このため、このような現象は、リード端子下はんだ１８の抵抗値の変化を定期的にモニタすることで、寿命を予測することが可能になる。また、実施例１，２の電力用半導体モジュール１０は、１０００００（１００ｋｃｙｃ．）回程度のパワーサイクル試験でもリード端子下はんだ１８の劣化を確認できないので、特に、厚さが１００μｍ以下の薄い半導体素子１４を用いたものに有用であることがわかる。
［第２の実施の形態］
図１０は第２の実施の形態に係る電力用半導体モジュールの一例を示す部分拡大断面図である。この図１０において、第１の実施の形態の対応する構成要素と同じまたは均等の構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
第２の実施の形態では、電力用半導体モジュール１０のリード端子１５を第１の実施の形態のものと変更している。すなわち、リード端子１５は、その表面に導電性材料による被覆処理が施され、被覆３０が形成されている。被覆３０の材料は、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ（パラジウム）などの異種金属が用いられるが、本実施の形態では、Ｎｉを用い、被覆３０の厚さを１０μｍ以下としている。
被覆３０の形成方法は、量産性を考慮すると、めっきが好適に用いられ、無電解めっき、電解めっきなどが用いられる。無電解Ｎｉめっき中に含まれるリン濃度としては、Ｎｉの結晶化温度がリフロー炉の温度（２６０℃）以下に低下しないよう、５０％以下が望ましく、より好適には、２０％以下が望ましい。
Ｎｉめっきによってリード端子１５の表面を被覆処理することにより、パワーサイクル試験による熱的なストレスが与えられても、リード端子１５を構成するＣｕの元素がリード端子下はんだ１８へ拡散する現象を阻止している。これにより、リード端子下はんだ１８は、Ｓｎ０．７Ｃｕを用いているが、リード端子１５を構成するＣｕが拡散されて初期の物性から変化してしまうことが防止される。
すなわち、リード端子下はんだ１８の主成分であるＳｎは、これに添加されるＣｕが増えるとはんだ強度が増加することが一般に知られている。この結果、リード端子下はんだ１８が同じ変形量に対して部分的に塑性変形領域に入り、その変形が蓄積することで半導体素子１４が変形したものと推測される。
これに対し、第２の実施の形態では、被覆３０が拡散バリアとして機能し、リード端子下はんだ１８へのＣｕの拡散現象が生じないことから、半導体素子１４へ加えられるストレスの経時的な変化は、実質的にない。
ちなみに、被覆３０が形成されていないリード端子１５を使用し、パワーサイクル試験を４５００００（４５０ｋｃｙｃ．）回経過した後では、薄い半導体素子１４が波打つように変形する現象が確認されている。これは、リード端子下はんだ１８において、電流密度の大きい領域ほどＣｕの拡散が大きいことが確認されていて、リード端子下はんだ１８のはんだ強度が均一ではなく、伸縮も均一でないことに起因していると思われる。
これにより、第２の実施の形態の電力用半導体モジュール１０は、第１の実施の形態の電力用半導体モジュール１０が持つ効果に加え、リード端子下はんだ１８が硬化しないことによる半導体素子１４の表面電極の保護効果を有している。
以上の実施の形態では、半導体素子下はんだ１７として、Ｓｎ５ＳｂまたはＳｎ３．５Ａｇ０．５Ｃｕを用いたが、０．２％耐力がリード端子下はんだ１８よりも高いものであれば、これらに限定されるものではない。たとえば、半導体素子下はんだ１７として、Ｓｎ８Ｓｂ３Ａｇなどがある。また、電力用半導体モジュール１０は、絶縁基板１３と冷却器１１をはんだ１６により直接接合する場合と同様、絶縁基板１３と冷却器１１を間にグリスを挟んで接続する場合にも効果を奏する。
１０ 電力用半導体モジュール
１１ 冷却器
１２ ケース
１３ 絶縁基板
１３ａ セラミック絶縁板
１３ｂ，１３ｃ 回路層
１３ｄ 金属箔
１４ 半導体素子
１４ａ ＩＧＢＴ
１４ｂ ＦＷＤ
１４ｃ ＩＧＢＴ領域
１４ｄ ＦＷＤ領域
１４ｅ，１４ｆ 感温センサ
１４ｇ ガードリング
１５ リード端子
１５ａ 接合部
１５ｂ 起立部
１５ｃ 水平部
１６ 絶縁基板下はんだ
１７ 半導体素子下はんだ
１８，１９ リード端子下はんだ
２０ 封止樹脂
２１ ポリイミド（第１のポリイミド）
２２ ポリイミド（第２のポリイミド）
２５ 劣化部
２６ クラック起点
２７ クラック
３０ 被覆

Claims (21)

  1. 一方の面および前記一方の面の反対側の他方の面を有する半導体素子と、
    一端と他端を有し前記一端が前記半導体素子に電気的および熱的に接続された接合部と前記接合部の端部から上方へ折り曲げられた起立部とを有するリード端子と、
    前記リード端子の前記接合部と前記半導体素子の一方の面とを接合する第１のはんだと、
    一方の面および前記一方の面の反対側の他方の面を有する絶縁板、前記絶縁板の一方の面に配置した第１の回路層および前記絶縁板の他方の面に配置した金属箔を有する絶縁基板と、
    前記半導体素子の他方の面と前記絶縁基板の前記第１の回路層とを接合する第２のはんだと、
    少なくとも前記半導体素子、前記リード端子全体、前記第１のはんだおよび前記絶縁基板を封止する樹脂と、
    を備え、
    前記第１のはんだの０．２％耐力をＡ、前記第２のはんだの０．２％耐力をＢとしたとき、Ａ＜Ｂが成立する関係にした、電力用半導体モジュール。
  2. 前記半導体素子の厚さが１００マイクロメートル以下である、請求項１記載の電力用半導体モジュール。
  3. 前記半導体素子は前記第１のはんだによって前記リード端子と接合される表面電極を備え、前記表面電極がアルミニウム、ニッケルおよび金の３層からなる、請求項１記載の電力用半導体モジュール。
  4. 前記第１のはんだおよび前記第２のはんだの融点が前記ニッケルの結晶化温度より低い、請求項３記載の電力用半導体モジュール。
  5. 前記半導体素子のガードリングの表面が第１のポリイミドの膜によって被覆され、前記第１のポリイミドと前記表面電極とのすき間が第２のポリイミドで充填されている、請求項３記載の電力用半導体モジュール。
  6. 前記リード端子の表面が異種金属によって被覆されている、請求項１記載の電力用半導体モジュール。
  7. 前記被覆の方法がめっきである、請求項６記載の電力用半導体モジュール。
  8. 前記リード端子の被覆厚が１０マイクロメートル以下である、請求項６記載の電力用半導体モジュール。
  9. 前記リード端子の被覆材料がニッケルである、請求項６記載の電力用半導体モジュール。
  10. 前記ニッケルの中に含まれるリン濃度が５０％以下である、請求項９記載の電力用半導体モジュール。
  11. 前記ニッケルの中に含まれるリン濃度が２０％以下である、請求項９記載の電力用半導体モジュール。
  12. 前記リード端子の材料が銅である、請求項１記載の電力用半導体モジュール。
  13. 前記リード端子の厚さが０．５〜１．０ミリメートルである、請求項１２記載の電力用半導体モジュール。
  14. 前記第１のはんだは、錫を主成分とし、銅を０．１ｗｔ％以上、１．０ｗｔ％以下の割合で含む、請求項１記載の電力用半導体モジュール。
  15. 前記第２のはんだは、錫を主成分とし、アンチモンを０．１ｗｔ％以上、１５ｗｔ％以下の割合で含む、請求項１４記載の電力用半導体モジュール。
  16. 前記第２のはんだは、錫を主成分とし、銀を３．５ｗｔ％、銅を０．５ｗｔ％の割合で含む、請求項１４記載の電力用半導体モジュール。
  17. 前記半導体素子は、ＲＣ−ＩＧＢＴである、請求項１記載の電力用半導体モジュール。
  18. 前記絶縁基板は、前記一方の面に第２の回路層を有し、
    前記リード端子の前記他端は、第３のはんだによって前記絶縁基板の前記第２の回路層に接合されている、請求項１から１７のいずれか一項に記載の電力用半導体モジュール。
  19. 前記第３のはんだは、前記第２のはんだと同じ組成である、請求項１８記載の電力用半導体モジュール。
  20. 前記樹脂は、エポキシ樹脂、マレイミド樹脂、ポリイミド樹脂、イソシアネート樹脂、アミノ樹脂、フェノール樹脂のいずれかである、請求項１から１９のいずれか一項に記載の電力用半導体モジュール。
  21. 前記リード端子は、帯状の板を折り曲げて作られており、前記起立部の端部から前記半導体素子の面に平行な方向に折り曲げられた水平部を有している、請求項１から２０のいずれか一項に記載の電力用半導体モジュール。
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