JPH0750372A - パワー半導体モジュール - Google Patents
パワー半導体モジュールInfo
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- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
- H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
- H01L2224/4805—Shape
- H01L2224/4809—Loop shape
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- H01L2224/4911—Disposition the connectors being bonded to at least one common bonding area, e.g. daisy chain
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- H01L2924/13—Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
- H01L2924/1304—Transistor
- H01L2924/1305—Bipolar Junction Transistor [BJT]
- H01L2924/13055—Insulated gate bipolar transistor [IGBT]
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Abstract
(57)【要約】
【目的】各部材を順次接合する構成のパワー半導体モジ
ュールにおいて、半田寿命の長い高信頼性モジュールを
得ること。 【構成】モジュール内部に使用されるＣｕ熱拡散板とＣ
ｕ基板のヤング率、硬度を同じとする。そのためにＣｕ
材がなまされない温度以下での接合を行う構成とする
か、Ｃｕ熱拡散板とＣｕ基板を共になます構成とした。 【効果】モジュール作成時、あるいは動作時にモジュー
ルを構成する各部材の変形を抑えることができ、各半田
にかかる応力を低減することで長寿命化が図れた。
ュールにおいて、半田寿命の長い高信頼性モジュールを
得ること。 【構成】モジュール内部に使用されるＣｕ熱拡散板とＣ
ｕ基板のヤング率、硬度を同じとする。そのためにＣｕ
材がなまされない温度以下での接合を行う構成とする
か、Ｃｕ熱拡散板とＣｕ基板を共になます構成とした。 【効果】モジュール作成時、あるいは動作時にモジュー
ルを構成する各部材の変形を抑えることができ、各半田
にかかる応力を低減することで長寿命化が図れた。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置に係り、特
に、複数個のパワー素子を同一基板上に搭載し複数の基
板を積層化したパワー半導体モジュールの構造に関す
る。
に、複数個のパワー素子を同一基板上に搭載し複数の基
板を積層化したパワー半導体モジュールの構造に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】従来からＩＧＢＴ，ダイオード，ＧＴ
Ｏ，パワートランジスタ等のパワー半導体スイッチング
素子を絶縁容器内に密封して構成したパワー半導体モジ
ュールが知られている。これらの素子はその耐圧や電流
容量に応じて各種インバータ装置などに応用されてい
る。中でもＩＧＢＴは電圧制御素子であるため制御が容
易であり、大電流の高周波動作が可能であるなどの利点
を有している素子である。ＩＧＢＴなどのパワー半導体
モジュールは、通常、モジュール取り付け基板部と電流
通電部が電気的に絶縁されている構造となっている。す
なわち、半導体素子と電極などが半田などによって接合
ないし金属ワイヤ接続された電流通電部がアルミナある
いはＡｌＮなどのセラミックからなる絶縁板を介してＣ
ｕ板などからなる取り付け基板部上に接合された構造と
なる。このような構造のパワー半導体モジュールにおい
ては、スイッチング条件により半導体モジュール全体の
温度が変化する。また、パワー半導体モジュール内部で
も半導体チップとモジュール取り付け基板部との間に介
在する各基板間において、温度差が生じる。パワー半導
体モジュールの寿命は各部材を接合している半田あるい
はろう材に前記温度差を原因とする熱疲労によるクラッ
クが生じ、熱抵抗が上昇する現象によって決定される。
従来パワー半導体モジュールの長寿命化の為に、半導体
チップの下には熱膨張係数差が比較的小さいＭｏ板やＷ
板(熱膨張係数；Ｓｉ：２.６×１０-6／℃，Ｍｏ：４.
９×１０-6／℃，Ｗ：４.６×１０-6／℃，Ｃｕ：１６.
５×１０-6／℃）等を使う方法が一般的に知られてい
る。また、半田層の厚さが熱疲労寿命に大きな影響を与
えることから半田の厚さを均一化する方法が知られてい
る。この他に半田の材質やモジュール内部に使われる部
材の材質を適正化することによって信頼性を向上させる
方法がとられてきた。これらの技術に関するものとして
は特開昭59−35464号公報，特開昭62−198140号公報，
特開昭61−51934号公報，特開昭61−237456号公報など
が挙げられる。
Ｏ，パワートランジスタ等のパワー半導体スイッチング
素子を絶縁容器内に密封して構成したパワー半導体モジ
ュールが知られている。これらの素子はその耐圧や電流
容量に応じて各種インバータ装置などに応用されてい
る。中でもＩＧＢＴは電圧制御素子であるため制御が容
易であり、大電流の高周波動作が可能であるなどの利点
を有している素子である。ＩＧＢＴなどのパワー半導体
モジュールは、通常、モジュール取り付け基板部と電流
通電部が電気的に絶縁されている構造となっている。す
なわち、半導体素子と電極などが半田などによって接合
ないし金属ワイヤ接続された電流通電部がアルミナある
いはＡｌＮなどのセラミックからなる絶縁板を介してＣ
ｕ板などからなる取り付け基板部上に接合された構造と
なる。このような構造のパワー半導体モジュールにおい
ては、スイッチング条件により半導体モジュール全体の
温度が変化する。また、パワー半導体モジュール内部で
も半導体チップとモジュール取り付け基板部との間に介
在する各基板間において、温度差が生じる。パワー半導
体モジュールの寿命は各部材を接合している半田あるい
はろう材に前記温度差を原因とする熱疲労によるクラッ
クが生じ、熱抵抗が上昇する現象によって決定される。
従来パワー半導体モジュールの長寿命化の為に、半導体
チップの下には熱膨張係数差が比較的小さいＭｏ板やＷ
板(熱膨張係数；Ｓｉ：２.６×１０-6／℃，Ｍｏ：４.
９×１０-6／℃，Ｗ：４.６×１０-6／℃，Ｃｕ：１６.
５×１０-6／℃）等を使う方法が一般的に知られてい
る。また、半田層の厚さが熱疲労寿命に大きな影響を与
えることから半田の厚さを均一化する方法が知られてい
る。この他に半田の材質やモジュール内部に使われる部
材の材質を適正化することによって信頼性を向上させる
方法がとられてきた。これらの技術に関するものとして
は特開昭59−35464号公報，特開昭62−198140号公報，
特開昭61−51934号公報，特開昭61−237456号公報など
が挙げられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】前記従来技術では熱疲
労寿命を考える上でモジュール作成時、あるいはモジュ
ール動作時の熱変動による素材の物性の変化や変形によ
って半田にかかる応力が変化することについては考慮さ
れていなかった。熱疲労寿命を向上させる方法としては
半田膜厚を熱抵抗が許容される範囲で厚く、かつ均一に
することが重要であり、例えば特開昭59−35464 号公報
では半田材中に球状物質を混入させる方法、特開昭62−
198140号公報では半導体チップとＭｏ板を高温半田で接
合し、そのＭｏ板と放熱用ブロックを半田よりも熱伝導
度の大きい金属による網状体を挿入した低温半田材です
る方法があった。また、特開昭61−51934 号公報のよう
にＳｎ−Ｓｂ半田と共晶半田を組み合わせるなどの材質
を変えることだけで向上させる方法があった。しかし、
これらの方法では半田にかかる応力を低減させるのでは
なく耐応力性を向上させる方法であり、モジュール内部
に複数枚の部材を積層させた場合に起こる各部材の変形
による寿命低下の問題がある。さらに特開昭61−237456
号公報ではモジュール内部に使われる部材の線膨張係数
と縦弾性係数を規定することでろう付けによる積層構造
を可能としていた。しかし、この方法はろう付け時に基
板の物性値が変化し、半田にかかる応力が変化すること
により半田寿命が低下するという問題がある。
労寿命を考える上でモジュール作成時、あるいはモジュ
ール動作時の熱変動による素材の物性の変化や変形によ
って半田にかかる応力が変化することについては考慮さ
れていなかった。熱疲労寿命を向上させる方法としては
半田膜厚を熱抵抗が許容される範囲で厚く、かつ均一に
することが重要であり、例えば特開昭59−35464 号公報
では半田材中に球状物質を混入させる方法、特開昭62−
198140号公報では半導体チップとＭｏ板を高温半田で接
合し、そのＭｏ板と放熱用ブロックを半田よりも熱伝導
度の大きい金属による網状体を挿入した低温半田材です
る方法があった。また、特開昭61−51934 号公報のよう
にＳｎ−Ｓｂ半田と共晶半田を組み合わせるなどの材質
を変えることだけで向上させる方法があった。しかし、
これらの方法では半田にかかる応力を低減させるのでは
なく耐応力性を向上させる方法であり、モジュール内部
に複数枚の部材を積層させた場合に起こる各部材の変形
による寿命低下の問題がある。さらに特開昭61−237456
号公報ではモジュール内部に使われる部材の線膨張係数
と縦弾性係数を規定することでろう付けによる積層構造
を可能としていた。しかし、この方法はろう付け時に基
板の物性値が変化し、半田にかかる応力が変化すること
により半田寿命が低下するという問題がある。
【０００４】本発明の目的は、パワー半導体モジュール
の内部構造を複数のＣｕ材を積層させた場合でも高い信
頼性を確保できる構造を提供することにある。
の内部構造を複数のＣｕ材を積層させた場合でも高い信
頼性を確保できる構造を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】パワー半導体モジュール
の長寿命化の観点から複数個の半導体チップの下はＭｏ
板あるいはＷ板を個々の半導体チップに配置接合し、そ
の下は熱伝導を良くするためにＣｕ熱拡散板を接合し
た。該Ｍｏ板あるいはＷ板とＣｕ熱拡散板の接合にはＣ
ｕ材がなまらない３５０℃以下で接合できる金と錫で構
成された半田を用いた。また、半導体チップとＭｏ板あ
るいはＷ板との接合には金と錫で構成された半田の融点
以下で接合できる錫ベースでアンチモン入りの半田を用
いた。さらにモジュール内部での絶縁をとるための絶縁
板を介してのＣｕモジュール取り付け基板への接合には
錫ベースでアンチモン入りの半田の融点以下で接合でき
る鉛と錫で構成された半田を用いた。また、Ｃｕ熱拡散
板は周辺部の厚さが中心部に比べ薄くなるよう機械的に
加工して用いた。さらに、絶縁板の表面のメッキパター
ンはＣｕ熱拡散板の半田接合される面の一辺の長さが熱
拡散板の長さと接合に用いる半田厚さの２倍を加えた長
さ以上とした。
の長寿命化の観点から複数個の半導体チップの下はＭｏ
板あるいはＷ板を個々の半導体チップに配置接合し、そ
の下は熱伝導を良くするためにＣｕ熱拡散板を接合し
た。該Ｍｏ板あるいはＷ板とＣｕ熱拡散板の接合にはＣ
ｕ材がなまらない３５０℃以下で接合できる金と錫で構
成された半田を用いた。また、半導体チップとＭｏ板あ
るいはＷ板との接合には金と錫で構成された半田の融点
以下で接合できる錫ベースでアンチモン入りの半田を用
いた。さらにモジュール内部での絶縁をとるための絶縁
板を介してのＣｕモジュール取り付け基板への接合には
錫ベースでアンチモン入りの半田の融点以下で接合でき
る鉛と錫で構成された半田を用いた。また、Ｃｕ熱拡散
板は周辺部の厚さが中心部に比べ薄くなるよう機械的に
加工して用いた。さらに、絶縁板の表面のメッキパター
ンはＣｕ熱拡散板の半田接合される面の一辺の長さが熱
拡散板の長さと接合に用いる半田厚さの２倍を加えた長
さ以上とした。
【０００６】
【作用】チップ下半田は、熱膨張係数差の小さい半導体
チップとＭｏ板あるいはＷ板を接合する構造とし、熱ス
トレスを低減して長寿命化が図れる。該Ｍｏ板あるいは
Ｗ板は熱伝導性が良くないことからこの下にＣｕ熱拡散
板を接合することでモジュール取り付け基板部、及び複
数個配置した半導体ペレットの面方向での熱広がりを良
くし、半導体ペレットの放熱効率を向上させることがで
きる。Ｃｕ材は３５０℃異常に加熱すると硬度あるいは
ヤング率が低下し、熱ストレスによる各部材変化の挙動
が変化する。このため、Ｃｕ熱拡散板とＭｏ板あるいは
Ｗ板との接合には３５０℃以下の温度で接合が可能であ
り、かつ弾性領域が広くクリープしずらい金と錫で構成
された半田を用いた。これによりＣｕ熱拡散板が加熱さ
れることによる変形を低減することができる。更に、Ｃ
ｕ熱拡散板とＭｏ板あるいはＷ板との接合後は各部材の
熱膨張係数が異なるため、接合後にはＣｕ熱拡散板がＭ
ｏ板あるいはＷ板側（表側）を凸にして変形する。接合
後にＭｏ板あるいはＷ板の付いていない側（裏面）を機
械加工などの手段により平坦化することでＣｕ熱拡散板
の周辺部の厚さを中央部に比べ薄くして、Ｃｕ熱拡散板
が加熱されることによる変形を低減することができ、モ
ジュールの長寿命化が図れる。Ｃｕ熱拡散板とＭｏ板あ
るいはＷ板との接合には金と錫で構成された半田の融点
以下であり、かつ熱ストレスに強い錫ベースでアンチモ
ン入りの半田で接合することにより長寿命化が図れる。
さらにモジュール内部での絶縁をとるための絶縁板を介
する接合には錫ベースでアンチモン入りの半田の融点以
下で接合できる鉛と錫で構成された半田を用いる。鉛と
錫で構成された半田はＣｕ熱拡散板の接合時、あるいは
モジュール使用時の温度変化での変形をクリープで許容
することができ、長寿命化が図れる。絶縁板を介する半
田の長寿命化の為に絶縁板の表面のメッキパターンはＣ
ｕ熱拡散板の半田接合される面の一辺の長さが熱拡散板
の長さと接合に用いる半田厚さの２倍を加えた長さ以上
とし、接合後に半田のフィレットが全周に形成される構
造とすることでクラックの発生を遅らせることによって
も長寿命化を図った。
チップとＭｏ板あるいはＷ板を接合する構造とし、熱ス
トレスを低減して長寿命化が図れる。該Ｍｏ板あるいは
Ｗ板は熱伝導性が良くないことからこの下にＣｕ熱拡散
板を接合することでモジュール取り付け基板部、及び複
数個配置した半導体ペレットの面方向での熱広がりを良
くし、半導体ペレットの放熱効率を向上させることがで
きる。Ｃｕ材は３５０℃異常に加熱すると硬度あるいは
ヤング率が低下し、熱ストレスによる各部材変化の挙動
が変化する。このため、Ｃｕ熱拡散板とＭｏ板あるいは
Ｗ板との接合には３５０℃以下の温度で接合が可能であ
り、かつ弾性領域が広くクリープしずらい金と錫で構成
された半田を用いた。これによりＣｕ熱拡散板が加熱さ
れることによる変形を低減することができる。更に、Ｃ
ｕ熱拡散板とＭｏ板あるいはＷ板との接合後は各部材の
熱膨張係数が異なるため、接合後にはＣｕ熱拡散板がＭ
ｏ板あるいはＷ板側（表側）を凸にして変形する。接合
後にＭｏ板あるいはＷ板の付いていない側（裏面）を機
械加工などの手段により平坦化することでＣｕ熱拡散板
の周辺部の厚さを中央部に比べ薄くして、Ｃｕ熱拡散板
が加熱されることによる変形を低減することができ、モ
ジュールの長寿命化が図れる。Ｃｕ熱拡散板とＭｏ板あ
るいはＷ板との接合には金と錫で構成された半田の融点
以下であり、かつ熱ストレスに強い錫ベースでアンチモ
ン入りの半田で接合することにより長寿命化が図れる。
さらにモジュール内部での絶縁をとるための絶縁板を介
する接合には錫ベースでアンチモン入りの半田の融点以
下で接合できる鉛と錫で構成された半田を用いる。鉛と
錫で構成された半田はＣｕ熱拡散板の接合時、あるいは
モジュール使用時の温度変化での変形をクリープで許容
することができ、長寿命化が図れる。絶縁板を介する半
田の長寿命化の為に絶縁板の表面のメッキパターンはＣ
ｕ熱拡散板の半田接合される面の一辺の長さが熱拡散板
の長さと接合に用いる半田厚さの２倍を加えた長さ以上
とし、接合後に半田のフィレットが全周に形成される構
造とすることでクラックの発生を遅らせることによって
も長寿命化を図った。
【０００７】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。
る。
【０００８】図１は本発明の一実施例を示すパワー半導
体モジュールの断面構造である。図２は、図１の半導体
モジュールの内部配置を示す平面図である。図１の実施
例においては、コレクタ共通電極をかねたＣｕからなる
熱拡散板１０３の上に８個のＳｉチップを図２のように
分散して配置する。Ｓｉチップのうち、６個はIGBTチッ
プ１０１であり、２個はダイオードチップ１０２であ
る。
体モジュールの断面構造である。図２は、図１の半導体
モジュールの内部配置を示す平面図である。図１の実施
例においては、コレクタ共通電極をかねたＣｕからなる
熱拡散板１０３の上に８個のＳｉチップを図２のように
分散して配置する。Ｓｉチップのうち、６個はIGBTチッ
プ１０１であり、２個はダイオードチップ１０２であ
る。
【０００９】Ｓｉチップ１０１／１０２は、例えば５％
アンチモン−０.６％ ニッケル−０.０５％リン−錫
（５Ｓｂ−０.６Ｎｉ−０.０５Ｐ−Ｓｎ)半田層１００
により、それぞれＭｏ板１０４に接合されている。Ｍｏ
板１０４は、例えば８０％金−錫（８０Ａｕ−Ｓｎ）半
田層１２０によりＣｕ熱拡散板１０３に接合されてい
る。熱拡散板１０３は例えば４０％鉛−錫(４０Ｐｂ−
Ｓｎ)半田層１０５，１０７によりＡｌ2Ｏ3からなる絶
縁板１０６を介してＣｕからなるモジュール取り付け基
板１０８に接合されている。コレクタ共通電極１０３は
図示しない１０５と同じ材質の半田層１０９により、コ
レクタ端子１１０に接合されている。ＩＧＢＴ１０１の
エミッタ電極とダイオードチップ１０２のアノード電極
とは、Ａｌワイヤ１１５により、エミッタ端子１１４に
接合されている。エミッタ端子１１４は、５Ｓｂ−Ｓｎ
半田層１１３により、Ａｌ2Ｏ3からなるエミッタ端子用
絶縁板１１２により接合されている。エミッタ端子用絶
縁板１１２は５Ｓｂ−Ｓｎ半田層１１１により、コレク
タ共通電極１０３に接合されている。
アンチモン−０.６％ ニッケル−０.０５％リン−錫
（５Ｓｂ−０.６Ｎｉ−０.０５Ｐ−Ｓｎ)半田層１００
により、それぞれＭｏ板１０４に接合されている。Ｍｏ
板１０４は、例えば８０％金−錫（８０Ａｕ−Ｓｎ）半
田層１２０によりＣｕ熱拡散板１０３に接合されてい
る。熱拡散板１０３は例えば４０％鉛−錫(４０Ｐｂ−
Ｓｎ)半田層１０５，１０７によりＡｌ2Ｏ3からなる絶
縁板１０６を介してＣｕからなるモジュール取り付け基
板１０８に接合されている。コレクタ共通電極１０３は
図示しない１０５と同じ材質の半田層１０９により、コ
レクタ端子１１０に接合されている。ＩＧＢＴ１０１の
エミッタ電極とダイオードチップ１０２のアノード電極
とは、Ａｌワイヤ１１５により、エミッタ端子１１４に
接合されている。エミッタ端子１１４は、５Ｓｂ−Ｓｎ
半田層１１３により、Ａｌ2Ｏ3からなるエミッタ端子用
絶縁板１１２により接合されている。エミッタ端子用絶
縁板１１２は５Ｓｂ−Ｓｎ半田層１１１により、コレク
タ共通電極１０３に接合されている。
【００１０】図３は図１，図２で示した構成のパワー半
導体モジュールで、Ｃｕ熱拡散板１０３がモジュール形
成過程の熱履歴によりなまされることでＣｕ基板とヤン
グ率が異なった場合の各半田層の寿命の関係を示す。従
来法は銀ろうを用いてＭｏ板とＣｕ熱拡散板を接合し、
Ｃｕ材がなまった場合の半田寿命であり、本発明は８０
Ａｕ−Ｓｎ半田を用いて接合した場合の結果を示す。１
０７半田層はヤング率が小さくなるにつれ劣化するため
なまされない条件で接合する必要がある。図４はＣｕ材
の応力−歪曲線を示す。図１，図２で示した構成のパワ
ー半導体モジュールではＣｕ熱拡散板の歪が約０.０６
％ となり例えばＣｕ熱拡散板１０３とＭｏ板１０４を
銀ろうにより接合した場合の条件で焼鈍することでなま
された後の見かけ上のヤング率は１／２０に低下する。
本来ヤング率とは弾性領域での応力−歪曲線の傾きであ
り、Ｃｕがなまされると弾性領域が小さくなるが、この
弾性領域で応力−歪曲線の傾きは変化しない。ここでい
う見かけ上のヤング率とはＣｕ熱拡散板にかかる歪まで
を直線近似した線の傾きとしているまた、Ｃｕ材の硬度
も８２Ｈｖから５０Ｈｖに低下し、モジュール作成時あ
るいは完成後の使用時の温度変化でのＣｕ材の変形率が
大きくなり半田に生ずる歪が大きくなる。８０Ａｕ−Ｓ
ｎ半田にて接合した場合、融点が２８０℃なのでＣｕ拡
散板のヤング率を変化させないで形成することをが可能
である。
導体モジュールで、Ｃｕ熱拡散板１０３がモジュール形
成過程の熱履歴によりなまされることでＣｕ基板とヤン
グ率が異なった場合の各半田層の寿命の関係を示す。従
来法は銀ろうを用いてＭｏ板とＣｕ熱拡散板を接合し、
Ｃｕ材がなまった場合の半田寿命であり、本発明は８０
Ａｕ−Ｓｎ半田を用いて接合した場合の結果を示す。１
０７半田層はヤング率が小さくなるにつれ劣化するため
なまされない条件で接合する必要がある。図４はＣｕ材
の応力−歪曲線を示す。図１，図２で示した構成のパワ
ー半導体モジュールではＣｕ熱拡散板の歪が約０.０６
％ となり例えばＣｕ熱拡散板１０３とＭｏ板１０４を
銀ろうにより接合した場合の条件で焼鈍することでなま
された後の見かけ上のヤング率は１／２０に低下する。
本来ヤング率とは弾性領域での応力−歪曲線の傾きであ
り、Ｃｕがなまされると弾性領域が小さくなるが、この
弾性領域で応力−歪曲線の傾きは変化しない。ここでい
う見かけ上のヤング率とはＣｕ熱拡散板にかかる歪まで
を直線近似した線の傾きとしているまた、Ｃｕ材の硬度
も８２Ｈｖから５０Ｈｖに低下し、モジュール作成時あ
るいは完成後の使用時の温度変化でのＣｕ材の変形率が
大きくなり半田に生ずる歪が大きくなる。８０Ａｕ−Ｓ
ｎ半田にて接合した場合、融点が２８０℃なのでＣｕ拡
散板のヤング率を変化させないで形成することをが可能
である。
【００１１】Ｍｏ板とＣｕ熱拡散板の接合に銀ろうを用
いることでＣｕ熱拡散板がなまされた場合は、同じ熱処
理によりＣｕ基板もなますことにより応力均衡が取れ、
Ｃｕ熱拡散板とＣｕ基板をなまさないで形成したモジュ
ールと同等の半田寿命を得ることができる。但し、両基
板をなました場合、温度変化による変形量が大きくなる
傾向があるので反り量を規定するモジュールの場合は部
材の厚さを適正化して反り量を低減する必要がある。
いることでＣｕ熱拡散板がなまされた場合は、同じ熱処
理によりＣｕ基板もなますことにより応力均衡が取れ、
Ｃｕ熱拡散板とＣｕ基板をなまさないで形成したモジュ
ールと同等の半田寿命を得ることができる。但し、両基
板をなました場合、温度変化による変形量が大きくなる
傾向があるので反り量を規定するモジュールの場合は部
材の厚さを適正化して反り量を低減する必要がある。
【００１２】半導体チップ下半田層１００の材質もＣｕ
熱拡散板１０３をなまさない条件のもとでの選択をする
必要がある。その選択肢として以下の３種類の方法があ
る。Ａｕ−Ｓｎ半田を用い、半導体チップ／Ｍｏ板／
Ｃｕ熱拡散板を同時に接合する。Ａｕ−Ｓｎ半田より
融点が高くＣｕがなまらない範囲の温度で接合可能な半
田を用い、半導体チップ／Ｍｏ板を先に接合する。Ａ
ｕ−Ｓｎ半田より融点が低い半田を用い、Ｍｏ板／Ｃｕ
熱拡散板の接合を先に行い半導体チップ別途接合する。
いずれの方法でも作成は可能であるが、熱膨張係数の異
なる部品を接合するため形成時の温度は低くし、半田接
合後の温度変化(冷却過程)による部材の変化での半田へ
の歪を極力小さくした方が有利である。図５は図１，図
２で示した構成のパワー半導体モジュールで、半導体チ
ップ下半田１００の材質及び厚さの違いによる寿命の変
化を示す。の方法による１.５Ａｇ −５Ｓｎ−Ｐｂ半
田との方法による５Ｓｂ−０.６Ｎｉ−０.０５Ｐ−Ｓ
ｎ半田の比較では５Ｓｂ−０.６Ｎｉ−０.０５Ｐ−Ｓｎ
半田の方が寿命の点からも有利でありこれを用いた構造
とした。本実施例ではＳｂ入り半田として５Ｓｂ−０.
６Ｎｉ−０.０５Ｐ−Ｓｎ半田を使った例を記載した
が、Ｓｂの添加量として７〜５％、またＮｉ，Ｐの添加
されない半田でもほぼ同じ熱疲労寿命が得られる。ま
た、モジュール作成時の他の部品の構成等によっては、
寿命の許容される範囲内での方法を取っても問題な
い。
熱拡散板１０３をなまさない条件のもとでの選択をする
必要がある。その選択肢として以下の３種類の方法があ
る。Ａｕ−Ｓｎ半田を用い、半導体チップ／Ｍｏ板／
Ｃｕ熱拡散板を同時に接合する。Ａｕ−Ｓｎ半田より
融点が高くＣｕがなまらない範囲の温度で接合可能な半
田を用い、半導体チップ／Ｍｏ板を先に接合する。Ａ
ｕ−Ｓｎ半田より融点が低い半田を用い、Ｍｏ板／Ｃｕ
熱拡散板の接合を先に行い半導体チップ別途接合する。
いずれの方法でも作成は可能であるが、熱膨張係数の異
なる部品を接合するため形成時の温度は低くし、半田接
合後の温度変化(冷却過程)による部材の変化での半田へ
の歪を極力小さくした方が有利である。図５は図１，図
２で示した構成のパワー半導体モジュールで、半導体チ
ップ下半田１００の材質及び厚さの違いによる寿命の変
化を示す。の方法による１.５Ａｇ −５Ｓｎ−Ｐｂ半
田との方法による５Ｓｂ−０.６Ｎｉ−０.０５Ｐ−Ｓ
ｎ半田の比較では５Ｓｂ−０.６Ｎｉ−０.０５Ｐ−Ｓｎ
半田の方が寿命の点からも有利でありこれを用いた構造
とした。本実施例ではＳｂ入り半田として５Ｓｂ−０.
６Ｎｉ−０.０５Ｐ−Ｓｎ半田を使った例を記載した
が、Ｓｂの添加量として７〜５％、またＮｉ，Ｐの添加
されない半田でもほぼ同じ熱疲労寿命が得られる。ま
た、モジュール作成時の他の部品の構成等によっては、
寿命の許容される範囲内での方法を取っても問題な
い。
【００１３】Ｃｕ熱拡散板とＣｕモジュール取り付け基
板をＡｌ2Ｏ3からなる絶縁板１０６を介して接合する半
田には４０Ｐｂ−Ｓｎを用いた。これにより表１に示す
ように３回の温度階層でモジュール内部で使用するＣｕ
材のヤング率、硬度を変えること無く図１，図２に示す
構造のパワー半導体モジュールを構成することができ
る。
板をＡｌ2Ｏ3からなる絶縁板１０６を介して接合する半
田には４０Ｐｂ−Ｓｎを用いた。これにより表１に示す
ように３回の温度階層でモジュール内部で使用するＣｕ
材のヤング率、硬度を変えること無く図１，図２に示す
構造のパワー半導体モジュールを構成することができ
る。
【００１４】
【表１】
【００１５】図６は、Ｃｕ熱拡散板／絶縁板／Ｃｕ基板
との接合状況の１部を模式的に示す。半田は接合部材の
周辺で図中に示したフィレットを形成することで熱疲労
試験時のクラックの入り始めを遅くすることができる。
本実施例の場合、モジュール内部の絶縁を確保するため
接合後Ｃｕ熱拡散板の周辺にセラミックの絶縁部が面方
向で残るようセラミック基板の表面にメッキパターンを
形成している。そのメッキの大きさはＣｕ熱拡散板の半
田接合される面の一辺の長さが熱拡散板の長さと接合に
用いる半田厚さの２倍を加えた長さ以上とし、接合後に
半田のフィレットが全周に形成される構造とすること
で、クラックの発生を遅らせることによっても長寿命化
を図った。
との接合状況の１部を模式的に示す。半田は接合部材の
周辺で図中に示したフィレットを形成することで熱疲労
試験時のクラックの入り始めを遅くすることができる。
本実施例の場合、モジュール内部の絶縁を確保するため
接合後Ｃｕ熱拡散板の周辺にセラミックの絶縁部が面方
向で残るようセラミック基板の表面にメッキパターンを
形成している。そのメッキの大きさはＣｕ熱拡散板の半
田接合される面の一辺の長さが熱拡散板の長さと接合に
用いる半田厚さの２倍を加えた長さ以上とし、接合後に
半田のフィレットが全周に形成される構造とすること
で、クラックの発生を遅らせることによっても長寿命化
を図った。
【００１６】
【発明の効果】本発明によれば、半導体モジュール内部
のＣｕからなる複数枚の熱拡散板及びＣｕ基板を接合時
にＣｕがなまされない温度階層を取ることでのヤング率
及び硬度を同じとした。またＭｏ板／Ｃｕ熱拡散板を接
合後裏面を研削したことで加工時及び動作時の熱変動に
よって変化率を小さくした。これらにより半田にかかる
応力を低減させることができ、半導体モジュールを長寿
命化できる。
のＣｕからなる複数枚の熱拡散板及びＣｕ基板を接合時
にＣｕがなまされない温度階層を取ることでのヤング率
及び硬度を同じとした。またＭｏ板／Ｃｕ熱拡散板を接
合後裏面を研削したことで加工時及び動作時の熱変動に
よって変化率を小さくした。これらにより半田にかかる
応力を低減させることができ、半導体モジュールを長寿
命化できる。
【図１】本発明による半導体モジュールの一実施例の内
部構造を示す断面図である。
部構造を示す断面図である。
【図２】図１の半導体モジュールの内部配置を示す平面
図である。
図である。
【図３】図１の実施例においてＣｕ熱拡散板のヤング率
が変化した場合の各層の１０７半田層の寿命を示す図で
ある。
が変化した場合の各層の１０７半田層の寿命を示す図で
ある。
【図４】Ｃｕ熱拡散板の応力−歪曲線から各条件下での
ヤング率及び硬度を示す図である。
ヤング率及び硬度を示す図である。
【図５】図１の実施例において、Ｓｉチップ下半田の膜
厚と組成の違いによるはんだ寿命の差を示す図である。
厚と組成の違いによるはんだ寿命の差を示す図である。
【図６】Ｃｕ熱拡散板／絶縁板接合状況の１部を模式的
に示す図である。
に示す図である。
１００…錫ベースでアンチモン入りの半田層、１０１…
ＩＧＢＴチップ、102…ダイオードチップ、１０３…コ
レクタ電極兼用Ｃｕ熱拡散板、１０４…Ｍｏ応力緩衝
板、１０５…鉛と錫で構成された半田層、１０６…絶縁
板、１０７…鉛と錫で構成された半田層、１０８…Ｃｕ
モジュール取り付け基板、１０９…鉛と錫で構成された
半田層、１１０…コレクタ電極、１１１…錫ベースでア
ンチモン入りの半田層、１１２…エミッタ端子用絶縁
板、１１３…錫ベースでアンチモン入りの半田層、１１
４…エミッタ電極、１１５…Ａｌワイヤー、１１６…錫
ベースでアンチモン入りの半田層、１１７…ゲート端子
用絶縁板、１１８…錫ベースでアンチモン入りの半田
層、１１９…ゲート電極、１２０…金と錫で構成された
半田層、１７０…Ｎｉメッキ面。
ＩＧＢＴチップ、102…ダイオードチップ、１０３…コ
レクタ電極兼用Ｃｕ熱拡散板、１０４…Ｍｏ応力緩衝
板、１０５…鉛と錫で構成された半田層、１０６…絶縁
板、１０７…鉛と錫で構成された半田層、１０８…Ｃｕ
モジュール取り付け基板、１０９…鉛と錫で構成された
半田層、１１０…コレクタ電極、１１１…錫ベースでア
ンチモン入りの半田層、１１２…エミッタ端子用絶縁
板、１１３…錫ベースでアンチモン入りの半田層、１１
４…エミッタ電極、１１５…Ａｌワイヤー、１１６…錫
ベースでアンチモン入りの半田層、１１７…ゲート端子
用絶縁板、１１８…錫ベースでアンチモン入りの半田
層、１１９…ゲート電極、１２０…金と錫で構成された
半田層、１７０…Ｎｉメッキ面。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 脇澤 祐二 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内
Claims (7)
- 【請求項１】Ｓｉ半導体チップ下にＭｏ板、あるいはＷ
板からなる応力緩衝板を設け、該応力緩衝板下にＣｕ材
からなる熱拡散板を設け、該熱拡散板下にＡｌ2Ｏ3ある
いはＡｌＮからなる絶縁板を設け、該絶縁板下にＣｕ材
からなるモジュール取り付け基板を設け、各部材を順次
接合する構成のパワー半導体モジュールにおいて前記応
力緩衝板との前記熱拡散板の接合が前記熱拡散板及び前
記モジュール取り付け基板の焼きなまされる温度以下で
なされ、前記熱拡散板と前記モジュール取り付け基板の
ヤング率及び硬度がモジュール完成後ほぼ等しいことを
特徴とするパワー半導体モジュール。 - 【請求項２】請求項１において、各部材の接合に金と錫
で構成された半田と、錫ベースでアンチモン入りの半田
と、鉛と錫で構成された半田の３種類を使用して構成し
たことを特徴とするパワー半導体モジュール。 - 【請求項３】請求項２において、Ｓｉ半導体チップが複
数の場合、複数の半導体チップの下にそれぞれ１枚のＭ
ｏ板あるいはＷ板からなる応力緩衝板を設け、前記複数
の応力緩衝板の下に１枚のＣｕ材からなる熱拡散板を設
け、前記熱拡散板をＡｌ2Ｏ3あるいはＡｌＮからなる絶
縁板を介してＣｕ材からなるモジュール取り付け基板を
設ける構造において、前記複数の半導体チップと応力緩
衝板の接合に錫ベースでアンチモン入りの半田、前記複
数の応力緩衝板と熱拡散板の接合を金と錫で構成された
半田、前記熱拡散板と絶縁板とモジュール取り付け基板
の接合を鉛と錫で構成された半田を使用したことを特徴
とするパワー半導体モジュール。 - 【請求項４】請求項１において、該応力緩衝板の接合が
該熱拡散板の焼きなまされる温度以上でなされた場合、
該モジュール取り付け基板も同じ熱履歴を加えることで
前記熱拡散板と前記モジュール取り付け基板のヤング率
及び硬度がなまされた状態でほぼ等しいことを特徴とす
るパワー半導体モジュール。 - 【請求項５】請求項１〜４のいずれか１項において、該
熱拡散板の周辺の厚さを中央部に比べ薄くしたことを特
徴とするパワー半導体モジュール。 - 【請求項６】請求項１〜５のいずれか１項において、該
熱拡散板を該絶縁基板に接合した後の該熱拡散板の裏面
の形状が平坦でないことを特徴とするパワー半導体モジ
ュール。 - 【請求項７】請求項１〜６のいずれか１項において、該
絶縁板上下にメタライズパターンを介してメッキ層を形
成し、前記メッキ層に半田を介して該熱拡散板を接合す
る場合、メッキ層の面積を接合される熱拡散板の面積よ
り大きくし、該メッキ層一辺の長さが熱拡散板の長さと
接合に用いる半田厚さの２倍を加えた長さ以上であるこ
と特徴とするパワー半導体モジュール。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5195796A JPH0750372A (ja) | 1993-08-06 | 1993-08-06 | パワー半導体モジュール |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5195796A JPH0750372A (ja) | 1993-08-06 | 1993-08-06 | パワー半導体モジュール |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0750372A true JPH0750372A (ja) | 1995-02-21 |
Family
ID=16347123
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5195796A Pending JPH0750372A (ja) | 1993-08-06 | 1993-08-06 | パワー半導体モジュール |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0750372A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0924845A3 (en) * | 1997-12-22 | 2001-05-23 | Omnirel LLC | Power semiconductor module |
-
1993
- 1993-08-06 JP JP5195796A patent/JPH0750372A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0924845A3 (en) * | 1997-12-22 | 2001-05-23 | Omnirel LLC | Power semiconductor module |
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Legal Events
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