JP7156141B2 - 半導体モジュール - Google Patents

Description

本明細書に開示の技術は、半導体モジュールに関する。

特許文献１に開示の半導体モジュールは、リードフレームと、半導体チップと、絶縁樹脂を有する。半導体チップは、リードフレームの表面の一部に対してはんだ層を介して接続されている。絶縁樹脂は、半導体チップの周囲のリードフレームの表面を覆っている。

特開２０１８－０４６１５１号公報

特許文献１のような構造を有する半導体モジュールでは、多くの場合、絶縁樹脂の線膨張係数が、リードフレームの線膨張係数よりも低い。このため、半導体モジュールの温度が上昇すると、リードフレームの膨張率が絶縁樹脂の膨張率よりも大きくなる。その結果、半導体チップとは反対側のリードフレームの表面が凸となるようにリードフレームが反る。リードフレームが反るときに、はんだ層中のはんだが、半導体チップの中央部側に向かって移動する。半導体モジュールが繰り返し発熱すると、はんだ層中ではんだが半導体チップの中央部側に向かって徐々に移動し、半導体チップの中央部においてはんだ層が厚くなる。その結果、半導体チップの中央部がはんだ層によって加圧され、半導体チップの特性に影響を与える。本明細書では、半導体チップの中央部ではんだ層が厚くなることを抑制して、半導体モジュールの信頼性を向上させる技術を提案する。

本明細書が開示する半導体モジュールは、リードフレームと、前記リードフレームの表面の一部に対してはんだ層を介して接続された半導体チップと、前記半導体チップの周囲の前記リードフレームの前記表面を覆うとともに前記リードフレームよりも低い線膨張係数を有する絶縁樹脂、を有する。前記リードフレームが、前記リードフレームの前記表面から突出する凸部を有している。前記凸部が、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、前記半導体チップと前記リードフレームが重なる範囲に配置されている。前記凸部が、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、前記半導体チップの中央部の周囲に配置されている。前記凸部が、前記はんだ層に覆われている。前記凸部の前記中央部側の第１側面の傾斜角度が、前記凸部の前記第１側面とは反対側に位置する第２側面の傾斜角度よりも大きい。

なお、本明細書において、凸部の側面の傾斜角度は、リードフレームの表面に対する角度を意味する。したがって、凸部の側面がリードフレームの表面に対して垂直である場合には、傾斜角度は９０°である。傾斜角度が９０°より大きいことは、側面が坂状に傾斜していることを意味し、傾斜角度が９０°より小さいことは、側面がオーバーハング状に傾斜していることを意味する。

この半導体モジュールでは、リードフレームが凸部を有している。温度上昇によってリードフレームが反るときに、凸部の第２側面（外側の側面）によってはんだ層中のはんだが半導体チップの中央部側に移動することが抑制される。また、温度低下によってリードフレームの反りが解消されるときには、凸部によってはんだ層中のはんだが外周側へ掻き出される。このとき、凸部の第１側面（中央部側の側面）の傾斜角度が大きいので、半導体チップの中央部側から外周側へはんだ層中のはんだが移動し易い。このように、凸部によってはんだ層中のはんだが半導体チップの中央部に集まることが抑制される。したがって、この半導体モジュールでは、半導体チップの中央部ではんだ層が厚くなることが抑制され、半導体チップの中央部がはんだ層によって加圧されることを抑制することができる。したがって、この構造によれば、半導体モジュールの信頼性を向上させることができる。

実施形態の半導体モジュールの断面図。 凸部の拡大図。 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の半導体チップの平面図（凸部の配置を示す図）。 温度上昇時の半導体モジュールの断面図。 変形例の凸部の拡大図。 変形例の凸部の拡大図。 変形例の凸部の配置を示す図３に対応する平面図。 変形例の凸部の配置を示す図３に対応する平面図。 変形例の凸部の配置を示す図３に対応する平面図。 変形例の凸部の配置を示す図３に対応する平面図。

図１に示す実施形態の半導体モジュール１０は、半導体チップ４０と、金属ブロック３０と、リードフレーム２０と、リードフレーム５０と、絶縁樹脂６０を有している。

半導体チップ４０は、半導体基板４０ｂと、上部電極４０ａと、下部電極４０ｃを有している。半導体基板４０ｂは、シリコン、炭化シリコン等の半導体により構成されている。半導体基板４０ｂの内部には、スイッチング素子、ダイオード等が形成されている。上部電極４０ａは、半導体基板４０ｂの上面に接している。図示していないが、上面の外周部には、複数の信号電極が設けられている。各信号電極は、図示しない信号端子に接続されている。下部電極４０ｃは、半導体基板４０ｂの下面に接している。

金属ブロック３０は、半導体チップ４０の上部に配置されている。金属ブロック３０は、上部電極４０ａの上部に配置されている。金属ブロック３０は、主に銅によって構成されている。金属ブロック３０の下面は、はんだ層８２によって上部電極４０ａに接続されている。

リードフレーム２０は、金属ブロック３０上の上部に配置されている。リードフレーム２０は、主に銅によって構成されている。リードフレーム２０の下面は、はんだ層８０によって金属ブロック３０の上面に接続されている。

リードフレーム５０は、半導体チップ４０の下部に配置されている。リードフレーム５０は、主に銅によって構成されている。リードフレーム５０は、下部電極４０ｃの下部に配置されている。リードフレーム５０の上面５０ａは、はんだ層８４によって下部電極４０ｃに接続されている。はんだ層８４は、リードフレーム５０の上面５０ａの一部に接合されている。

図１、２に示すように、リードフレーム５０の上面５０ａには、凸部５２が設けられている。凸部５２は、上面５０ａから上側に突出している。図３は、リードフレーム５０と半導体チップ４０の積層方向に沿って見た半導体チップ４０の上面図を示している。図３に示すように、凸部５２は、半導体チップ４０とリードフレーム５０とが重なる範囲に配置されている。図３に示すように積層方向に沿って半導体チップ４０を平面視したときに、凸部５２は、半導体チップ４０の中央部４０ｄの周囲を一巡するように伸びている。図２に示すように、凸部５２は、中央部４０ｄ（半導体チップ４０の中央部）側の側面（以下、中央側側面５２ａという）と、中央部４０ｄと反対側の側面（以下、外側側面５２ｂという）を有している。中央側側面５２ａは外側に傾斜しており、外側側面５２ｂは中央部４０ｄ側に傾斜している。このため、凸部５２の断面形状が三角形となっている。中央側側面５２ａの傾斜角度θａは、外側側面５２ｂの傾斜角度θｂよりも大きい。

絶縁樹脂６０は、リードフレーム２０、はんだ層８０、金属ブロック３０、はんだ層８２、半導体チップ４０、はんだ層８４及びリードフレーム５０を覆っている。すなわち、絶縁樹脂６０は、半導体チップ４０の周囲（より詳細には、はんだ層８４の周囲）において、リードフレーム５０の上面５０ａに接している。絶縁樹脂６０の線膨張係数は、リードフレーム５０の線膨張係数よりも低い。

半導体チップ４０に電流が流れると、半導体チップ４０が発熱し、リードフレーム５０を含む半導体モジュール１０全体の温度が上昇する。半導体チップ４０に流れる電流が停止すると、半導体モジュール１０全体の温度が低下する。以下に、半導体モジュール１０が温度変化するときの、凸部５２の機能について説明する。

半導体モジュール１０の温度が上昇すると、半導体モジュール１０を構成する各部材が熱膨張する。このとき、リードフレーム５０の線膨張係数が絶縁樹脂６０の線膨張係数よりも大きいので、リードフレーム５０の膨張率は絶縁樹脂６０の膨張率よりも高くなる。すると、図４に示すように、リードフレーム５０の下面が凸となるようにリードフレーム５０が反る。すると、半導体チップ４０の中央部４０ｄでは半導体チップ４０とリードフレーム５０の間の間隔が広がる。その結果、図４の矢印１００に示すように、はんだ層８４を構成するはんだが、半導体チップ４０の中央部４０ｄ側に向かって移動する。矢印１００に示すはんだの移動が進行すると、はんだ層８４の厚みが、半導体チップ４０の中央部４０ｄでその外周部よりも厚くなる。このように中央部４０ｄではんだ層８４が厚くなると、はんだ層８４が半導体チップ４０の中央部４０ｄを上方向に加圧して、半導体チップ４０に反りが生じる。このように半導体チップ４０に反りが生じると、半導体チップ４０の特性が劣化する。しかしながら、本実施形態の半導体モジュールでは、凸部５２によって矢印１００に示すはんだの移動が抑制される。すなわち、はんだ層８４の内部に凸部５２が存在するので、凸部５２によって矢印１００に示すはんだの移動が抑制される。特に、図２に示すように、凸部５２の外側側面５２ｂの傾斜角度θｂが小さいので、図４の矢印１００に示すはんだの移動が効果的に抑制される。

その後、半導体モジュール１０の温度が低下すると、リードフレーム５０が、図４に示す反った状態から図１に示す平坦な状態に戻る。このようにリードフレーム５０が平坦な形状に戻ると、半導体チップ４０の中央部４０ｄでは半導体チップ４０とリードフレーム５０の間の間隔が狭くなる。その結果、図１の矢印１０２に示すように、はんだ層８４を構成するはんだが、半導体チップ４０の中央部４０ｄ側から外周側に向かって移動する。図２に示すように、凸部５２の中央側側面５２ａの傾斜角度が大きいので、矢印１０２に示すはんだの移動が、凸部５２の中央側側面５２ａによって阻害され難い。また、図４と図１を比較することで明らかなように、リードフレーム５０が反った状態から平坦な状態に戻るときに、凸部５２の先端が外周側に移動するように凸部５２が変形する。このような凸部５２の動きによって、はんだ層８４を構成するはんだが、中央部４０ｄ側から凸部５２の外周側に掻き出される。これによって、矢印１０２に示すはんだの移動が促進される。以上に説明したように、リードフレーム５０が反った状態から平坦な状態に戻るときには、凸部５２によって、はんだ層８４を構成するはんだが中央部４０ｄ側から外周側へ移動することが促進される。

以上に説明したように、実施形態の半導体モジュール１０によれば、リードフレーム５０が反るとき（温度上昇時）には外周側から中央部４０ｄ側へのはんだの移動が抑制され、リードフレーム５０が平坦に戻るとき（温度低下時）には中央部４０ｄ側から外周側へのはんだの移動が促進される。このため、半導体モジュール１０が繰り返し温度変化したときに、半導体チップ４０の中央部４０ｄの下部にはんだ層８４中のはんだが集中することが抑制され、半導体チップ４０の中央部４０ｄの下部ではんだ層８４が厚くなることが抑制される。特に、凸部５２が半導体チップ４０の中央部４０ｄの周囲を囲むように伸びているので、中央部４０ｄの下部ではんだ層８４が厚くなることがより効果的に抑制される。このため、半導体チップ４０に反りが生じ難い。したがって、実施形態の半導体モジュール１０は、高い信頼性を有する。

なお、上述した実施形態では、凸部５２の断面が三角形であった。しかしながら、図５に示すように、凸部５２の断面が矩形であってもよい。また、図６に示すように、リードフレーム５０の上面５０ａに切り込み５０ｂを設けてその切り込み５０ｂに隣接する位置にフィンを設ける技術（いわゆる、目立て）によって、凸部５２を形成してもよい。なお、図５、６のいずれでも、中央側側面５２ａの傾斜角度θａが、外側側面５２ｂの傾斜角度θｂよりも大きい。また、凸部５２は、その他の方法によって形成されてもよい。例えば、溶接、型への流し込み、削り出し等の方法により凸部５２を形成してもよい。なお、凸部５２は、リードフレーム５０と同じ銅によって構成されている方が好ましい。

また、上述した実施形態では、凸部５２が半導体チップ４０の中央部４０ｄの周囲を一巡するように伸びていた。しかしながら、図７、８に示すように、凸部５２が半導体チップ４０の中央部４０ｄの周囲に離散的に設けられていてもよい。また、図９、１０に示すように、凸部５２が中央部４０ｄの周囲に二重に設けられていてもよい。

本明細書が開示する技術要素について、以下に列記する。なお、以下の各技術要素は、それぞれ独立して有用なものである。

本明細書が開示する一例の半導体モジュールにおいては、半導体基板とリードフレームの積層方向に沿って見たときに、凸部が、半導体基板の中央部の周囲を囲むように伸びていてもよい。

この構成によれば、半導体基板の中央部ではんだ層が厚くなることをより効果的に抑制することができる。

以上、実施形態について詳細に説明したが、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、単独あるいは各種の組み合わせによって技術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１つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。

１０ ：半導体モジュール
２０ ：リードフレーム
３０ ：金属ブロック
４０ ：半導体チップ
４０ｄ ：中央部
５０ ：リードフレーム
５２ ：凸部
５２ａ ：中央側側面
５２ｂ ：外側側面
６０ ：絶縁樹脂
８０ ：はんだ層
８２ ：はんだ層
８４ ：はんだ層

Claims (2)

1. 半導体モジュールであって、
   リードフレームと、
   前記リードフレームの表面の一部に対してはんだ層を介して接続された半導体チップと、
   前記半導体チップの周囲の前記リードフレームの前記表面を覆い、前記リードフレームよりも低い線膨張係数を有する絶縁樹脂、
   を有し、
   前記リードフレームが、前記リードフレームの前記表面から突出する凸部を有しており、
   前記凸部が、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、前記半導体チップと前記リードフレームが重なる範囲に配置されており、
   前記凸部が、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、前記半導体チップの中央部の周囲に配置されており、
   前記凸部が、前記はんだ層に覆われており、
   前記凸部の前記中央部側の第１側面の傾斜角度が、前記凸部の前記第１側面とは反対側に位置する第２側面の傾斜角度よりも大きい、
   半導体モジュール。
2. 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、前記凸部が、前記中央部の周囲を囲むように伸びている、請求項１の半導体モジュール。

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