WO2023175854A1 - 半導体装置、電力変換装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置、電力変換装置および半導体装置の製造方法 Download PDF

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semiconductor device
lead frame
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protective film
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直樹 吉松
紀和 境
英夫 河面
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三菱電機株式会社
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    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/48Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor

Definitions

  • the present disclosure relates to a semiconductor device, a power conversion device, and a method for manufacturing a semiconductor device.
  • Patent Document 1 listed below discloses a semiconductor device having a configuration in which a plating electrode is provided on a surface electrode exposed from a protective film, and the plating electrode and a lead frame are connected through solder as a bonding material. There is.
  • the solder connecting the plating electrode and the lead frame contacts the inclined side surface of the protective film.
  • the above-mentioned protective film, plating electrode, solder, and lead frame are sealed with a mold resin.
  • a temperature distribution occurs due to heat generation and cooling as the semiconductor element turns on and off
  • stress is generated at the boundaries of each member due to differences in linear expansion coefficients of each member.
  • the amount of expansion and contraction of the mold resin and protective film is different from that of the plating electrode, bonding material, and lead frame, and if stress is repeatedly generated at the boundary between the two, the plating electrode has low peel strength. The edges may peel off, causing damage to the semiconductor device.
  • the present disclosure has been made to solve the above-mentioned problems, and aims to prevent peeling of a plated electrode due to stress caused by differences in linear expansion coefficients of various parts of a semiconductor device.
  • a semiconductor device includes a semiconductor substrate on which a semiconductor element is formed, a surface electrode formed on a surface of the semiconductor substrate, and an opening formed on the surface electrode and exposing a part of the surface electrode.
  • a plating electrode formed on the surface electrode exposed in the opening of the protective film; a lead frame connected to the plating electrode via a bonding material;
  • the width of the portion of the protective film covered with the bonding material is greater than the thickness of the bonding material between the lead frame and the plating electrode.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of main parts of a semiconductor device according to Embodiment 1.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining a method for manufacturing a semiconductor device according to a first embodiment
  • FIG. 1 is a diagram for explaining a method for manufacturing a semiconductor device according to a first embodiment
  • FIG. 1 is a diagram for explaining a method for manufacturing a semiconductor device according to a first embodiment
  • FIG. 1 is a diagram for explaining a method for manufacturing a semiconductor device according to a first embodiment
  • FIG. 1 is a diagram for explaining a method for manufacturing a semiconductor device according to a first embodiment
  • FIG. 1 is a diagram for explaining a method for manufacturing a semiconductor device according to a first embodiment
  • FIG. 1 is a diagram for explaining a method for manufacturing a semiconductor device according to a first embodiment
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of main parts of a semiconductor device according to a second embodiment.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing the configuration of a main part of a semiconductor device according to a third embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram showing the configuration of a power conversion system to which a power conversion device according to a fourth embodiment is applied.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of the main part (specifically, the vicinity of the connection part between the semiconductor element and the lead frame) of the semiconductor device according to the first embodiment.
  • the semiconductor device according to the first embodiment includes a semiconductor substrate 1 on which a semiconductor element is formed, and a surface electrode 2 formed on the surface of the semiconductor substrate 1.
  • the semiconductor element formed on the semiconductor substrate 1 there are no particular restrictions on the semiconductor element formed on the semiconductor substrate 1, and any semiconductor element such as a MOSFET, IGBT, Schottky barrier diode, or PN junction diode may be used.
  • a protective film 3 having an opening that exposes a part of the surface electrode 2 is formed on the surface electrode 2, and a plating electrode 4 is formed on the surface electrode 2 exposed through the opening of the protective film 3. has been done.
  • the protective film 3 is formed to cover the outer edge of the surface electrode 2 , and the central portion of the surface electrode 2 is exposed to the opening of the protective film 3 . Therefore, the plating electrode 4 is formed on the center portion of the surface electrode 2.
  • the plated electrode 4 is formed by plating the surface electrode 2 exposed in the opening of the protective film 3 with, for example, nickel.
  • the protective film 3 is preferably made of a resin material with low elasticity, chemical stability, and high heat resistance, such as polyimide.
  • the plating electrode 4 is connected to a lead frame 6 via a bonding material 5.
  • the lead frame 6 is made of, for example, copper or a copper alloy. Further, the semiconductor substrate 1 , the surface electrode 2 , the protective film 3 , the plating electrode 4 , and the lead frame 6 are sealed with a mold resin 7 .
  • a portion of the bonding material 5 protrudes from above the plating electrode 4 and covers the edge of the opening of the protective film 3. As a result, the boundary between the plating electrode 4 and the protective film 3, which has a low peel strength, is covered with the bonding material 5, and the plating electrode 4 is prevented from peeling off.
  • the width of the portion of the protective film 3 at the edge of the opening covered with the bonding material 5 is greater than the thickness of the bonding material 5 below the lead frame 6, that is, the thickness of the bonding material 5 between the lead frame 6 and the plating electrode 4. Larger is preferable. In other words, as shown in FIG. 1, if the thickness of the bonding material 5 between the lead frame 6 and the plating electrode 4 is a, and the width of the portion where the protective film 3 at the edge of the opening is covered with the bonding material 5 is b. , b>a.
  • the end surface of the lead frame 6 covered with the molding resin 7 is located at a position shifted from above the end of the plating electrode 4, that is, from above the boundary between the plating electrode 4 and the protective film 3.
  • the end surface of lead frame 6 covered with mold resin 7 is placed on plating electrode 4 .
  • the amount of deviation between the position of the end surface of the lead frame 6 covered with the mold resin 7 and the position of the end of the plating electrode 4 is preferably larger than the thickness of the bonding material 5 between the lead frame 6 and the plating electrode 4. .
  • c is the amount of deviation between the position of the end face of lead frame 6 covered with mold resin 7 and the position of the end of plating electrode 4, then the relationship c>a holds true. preferable.
  • the bonding material 5 is applied not only to the plating electrode 4 but also to the protective film 3 made of resin, and it is necessary to cover the protective film 3 even after the lead frame 6 is bonded. Therefore, the bonding material 5 should not be a material that gets wet like solder, but a material that hardens at the position where it is applied, such as sintered silver that is a sintered body of silver or a conductive adhesive. is preferred.
  • the bonding material 5 made of sintered silver can be formed by applying nanosilver paste and sintering it.
  • Methods for sintering nanosilver include pressure sintering, which involves heating while applying pressure, and pressureless sintering, which involves heating without applying pressure. Pressureless sintering is preferable, considering that there is a portion where the lead frame 6 is not present and that the bonding material 5 is made porous to have low elasticity.
  • materials with linear expansion coefficients close to each other are generally selected as materials for adjacent members.
  • materials with linear expansion coefficients close to each other are generally selected as materials for adjacent members.
  • the coefficient of linear expansion of the mold resin 7 and the coefficient of linear expansion of the lead frame 6 close to each other the difference in the amount of expansion and contraction between the mold resin 7 and the lead frame 6 due to environmental temperature changes such as cooling and heating cycles can be reduced. can be made smaller.
  • the semiconductor element when the semiconductor element is in the on state, most of the heat generated in the semiconductor element is radiated to the lower surface side of the semiconductor substrate 1.
  • the temperature of the lead frame 6 is higher than the temperature of the protective film 3 and the mold resin 7, which are made of a resin material with low thermal conductivity.
  • the semiconductor substrate 1 is cooled from the bottom side, so the temperatures of the plating electrode 4, bonding material 5, and lead frame 6 are lower than that of the protective film 3 and mold resin 7. .
  • a temperature distribution that is, a temperature difference between members
  • the boundary between the plating electrode 4 and the protective film 3, which has a low peel strength, is covered with the bonding material 5, and the boundary between the mold resin 7 and the lead frame 6 (that is, the boundary between the mold resin 7 and the lead frame 6) is covered with the bonding material 5.
  • the bonding material 5 By not arranging the end face of the lead frame 6 covered by the lead frame 7, stress applied to the end of the plating electrode 4 due to temperature distribution during operation of the semiconductor device is reduced. This prevents the plating electrode 4 from peeling off and contributes to improving the reliability of the semiconductor device.
  • a semiconductor device in which the semiconductor substrate 1 is made of silicon carbide (SiC) has a wide operating temperature range, so the difference in the amount of expansion and contraction between members becomes significant, so the above effect is very effective. be.
  • FIGS. 2 to 7 show the vicinity of the connecting portion between the semiconductor substrate 1 and the lead frame 6, similarly to FIG. 1.
  • FIGS. 2 to 4 are the wafer process
  • FIGS. 5 to 7 are the assembly process. 2 to 7 show the vicinity of the connecting portion between the semiconductor substrate 1 and the lead frame 6, similarly to FIG. 1.
  • processes related to that part will be explained, and explanations of other processes (for example, dicing process, die bonding process, wire bonding process, etc.) will be omitted.
  • a semiconductor substrate 1 on which a semiconductor element is formed is prepared, and a surface electrode 2 is formed on the surface of the semiconductor substrate 1 as shown in FIG.
  • a protective film 3 is formed on the surface electrode 2, and as shown in FIG. 3, an opening that exposes a part of the surface electrode 2 is formed in the protective film 3.
  • the surface of the surface electrode 2 exposed through the opening of the protective film 3 is subjected to a plating treatment, thereby forming a plating electrode 4 as shown in FIG.
  • a bonding material 5 containing silver is applied onto the plating electrode 4 and the protective film 3 at the edge of the opening.
  • the bonding material 5 can be applied by, for example, printing a nanosilver paste as the bonding material 5 on the protective film 3 and the plating electrode 4.
  • the lead frame 6 and the plating electrode 4 are connected via the bonding material 5, as shown in FIG.
  • the bonding material 5 when nanosilver paste is used as the bonding material 5, it is preferable to sinter the silver of the bonding material 5 in a non-pressurized state. Further, in the state after the silver of the bonding material 5 is sintered, it is preferable that the above-mentioned relationships b>a and c>a hold.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing the configuration of the main parts of the semiconductor device according to the second embodiment.
  • elements that are the same as or correspond to those described in Embodiment 1 (FIG. 1) are given the same reference numerals. Therefore, detailed explanation thereof will be omitted here, and differences from Embodiment 1 will be explained.
  • the end surface of the lead frame 6 covered with the molding resin 7 is arranged outside the plating electrode 4.
  • the other configurations are the same as in the first embodiment.
  • the end surface of the lead frame 6 covered with the molding resin 7 is at a position shifted from above the end of the plating electrode 4 (that is, the boundary between the plating electrode 4 and the protective film 3). Therefore, the stress generated at the boundary between the lead frame 6 and the molded resin 7 is suppressed from being applied to the end portion of the plating electrode 4, which has low peel strength, and peeling of the plating electrode 4 is suppressed.
  • the amount of deviation between the position of the end surface of the lead frame 6 covered with the mold resin 7 and the position of the end of the plating electrode 4 is preferably larger than the thickness of the bonding material 5 between the lead frame 6 and the plating electrode 4. .
  • the relationship d>a holds true. preferable.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing the configuration of the main part of the semiconductor device according to the third embodiment. Also in FIG. 9, elements that are the same as or correspond to those described in Embodiment 1 (FIG. 1) are given the same reference numerals. Therefore, detailed explanation thereof will be omitted here, and differences from Embodiment 1 will be explained.
  • the thickness of the bonding material 5 above the boundary between the plating electrode 4 and the protective film 3 is greater than the thickness of the bonding material 5 below the lead frame 6 (that is, between the lead frame 6 and the plating electrode 4). It is larger than the thickness of. That is, as shown in FIG. 9, if the thickness of the bonding material 5 between the lead frame 6 and the plating electrode 4 is a, and the thickness of the bonding material 5 on the boundary between the plating electrode 4 and the protective film 3 is e, , the relationship e>a holds true. This makes the material that immediately covers the edge of the plated electrode 4, which has low peeling strength, uniform, and reduces the difference in the amount of expansion and contraction due to temperature distribution during operation of the semiconductor device, thereby suppressing peeling of the plated electrode 4. be done.
  • the bonding material 5 In order to partially control the thickness of the bonding material 5, it is preferable to apply the bonding material 5 by dispensing (that is, applying using a dispenser). Application of the bonding material 5 by printing allows the bonding material 5 to be efficiently applied over a wide range, but the thickness of the applied bonding material 5 remains constant.
  • the semiconductor device according to the first to third embodiments described above is applied to a power conversion device.
  • the application of the semiconductor devices according to Embodiments 1 to 3 is not limited to a specific power conversion device, hereinafter, as Embodiment 4, the semiconductor devices according to Embodiments 1 to 3 are applied to a three-phase inverter. We will explain the case where this is applied.
  • FIG. 10 is a block diagram showing the configuration of a power conversion system to which the power conversion device according to the present embodiment is applied.
  • the power conversion system shown in FIG. 10 includes a power source 100, a power conversion device 200, and a load 300.
  • Power supply 100 is a DC power supply and supplies DC power to power conversion device 200.
  • the power source 100 can be composed of various things, for example, it can be composed of a DC system, a solar battery, a storage battery, or it can be composed of a rectifier circuit or an AC/DC converter connected to an AC system. Good too.
  • the power supply 100 may be configured with a DC/DC converter that converts DC power output from a DC system into predetermined power.
  • the power conversion device 200 is a three-phase inverter connected between the power source 100 and the load 300, converts the DC power supplied from the power source 100 into AC power, and supplies the AC power to the load 300.
  • the power conversion device 200 includes a main conversion circuit 201 that converts DC power into AC power and outputs it, and a control circuit 203 that outputs a control signal for controlling the main conversion circuit 201 to the main conversion circuit 201. It is equipped with
  • the load 300 is a three-phase electric motor driven by AC power supplied from the power conversion device 200.
  • the load 300 is not limited to a specific application, but is a motor installed in various electrical devices, and is used, for example, as a motor for a hybrid vehicle, an electric vehicle, a railway vehicle, an elevator, or an air conditioner.
  • the main conversion circuit 201 includes a switching element and a freewheeling diode (not shown), and when the switching element switches, it converts DC power supplied from the power supply 100 into AC power, and supplies the alternating current power to the load 300.
  • the main conversion circuit 201 is a two-level three-phase full bridge circuit, and has six switching elements and each switching element. It can be constructed from six freewheeling diodes arranged in antiparallel.
  • Each switching element and each freewheeling diode of the main conversion circuit 201 is configured by a semiconductor module 202 corresponding to any one of the first to third embodiments described above.
  • the six switching elements are connected in series every two switching elements to constitute upper and lower arms, and each upper and lower arm constitutes each phase (U phase, V phase, W phase) of the full bridge circuit.
  • the output terminals of the upper and lower arms that is, the three output terminals of the main conversion circuit 201, are connected to the load 300.
  • the main conversion circuit 201 includes a drive circuit (not shown) that drives each switching element, but the drive circuit may be built in the semiconductor module 202 or may be provided separately from the semiconductor module 202. It may be a configuration in which it is provided.
  • the drive circuit generates a drive signal for driving the switching element of the main conversion circuit 201 and supplies it to the control electrode of the switching element of the main conversion circuit 201. Specifically, according to a control signal from a control circuit 203, which will be described later, a drive signal that turns the switching element on and a drive signal that turns the switching element off are output to the control electrode of each switching element.
  • the drive signal When keeping the switching element in the on state, the drive signal is a voltage signal (on signal) that is greater than or equal to the threshold voltage of the switching element, and when the switching element is kept in the off state, the drive signal is a voltage signal that is less than or equal to the threshold voltage of the switching element. signal (off signal).
  • the control circuit 203 controls the switching elements of the main conversion circuit 201 so that the desired power is supplied to the load 300. Specifically, based on the power to be supplied to the load 300, the time (on time) during which each switching element of the main conversion circuit 201 should be in the on state is calculated. For example, the main conversion circuit 201 can be controlled by PWM control that modulates the on-time of the switching element according to the voltage to be output. Then, a control command (control signal) is given to the drive circuit included in the main conversion circuit 201 so that an on signal is output to the switching element that should be in the on state at each time, and an off signal is output to the switching element that should be in the off state. Output.
  • the drive circuit outputs an on signal or an off signal as a drive signal to the control electrode of each switching element according to this control signal.
  • the semiconductor modules according to Embodiments 1 to 3 are applied as the switching elements and free wheel diodes of the main conversion circuit 201, reliability can be improved.
  • the semiconductor devices according to Embodiments 1 to 3 are applied to a two-level three-phase inverter, but the application of the semiconductor devices according to Embodiments 1 to 3 is limited to this. It can be applied to various power conversion devices. In this embodiment, a two-level power converter is used, but a three-level or multi-level power converter may also be used, and in the case of supplying power to a single-phase load, a single-phase inverter is used.
  • the semiconductor devices according to 1 to 3 may be applied. Further, when power is supplied to a DC load or the like, the semiconductor devices according to Embodiments 1 to 3 can be applied to a DC/DC converter or an AC/DC converter.
  • the power conversion device to which the semiconductor device according to Embodiments 1 to 3 is applied is not limited to the case where the above-mentioned load is an electric motor, but is, for example, an electrical discharge machine, a laser processing machine, or an induction heating cooker. It can also be used as a power supply device for a non-contact power supply system, and can also be used as a power conditioner for a solar power generation system, a power storage system, etc.

Abstract

半導体装置は、半導体素子が形成された半導体基板(1)と、半導体基板(1)の表面上に形成された表面電極(2)と、表面電極(2)の一部を露出する開口部を有する保護膜(3)と、保護膜(3)の開口部に露出した表面電極(2)上に形成されためっき電極(4)と、接合材(5)を介してめっき電極(4)に接続されたリードフレーム(6)とを備える。半導体基板(1)、表面電極(2)、保護膜(3)、めっき電極(4)、リードフレーム(6)は、モールド樹脂(7)によって封止される。接合材(5)は、開口部の縁の保護膜(3)を覆っており、開口部の縁の保護膜(3)が接合材(5)で覆われた部分の幅は、リードフレーム(6)とめっき電極(4)の間の接合材(5)の厚みよりも大きい。

Description

半導体装置、電力変換装置および半導体装置の製造方法
 本開示は、半導体装置、電力変換装置および半導体装置の製造方法に関するものである。
 半導体基板の表面上に形成された表面電極に金属製のリードフレームを接続させた構造を持つ半導体装置が知られている。例えば下記の特許文献1には、保護膜から露出した表面電極上にめっき電極を有し、接合材としてのはんだを介してめっき電極とリードフレームとを接続させた構成の半導体装置が開示されている。特許文献1において、めっき電極とリードフレームとの間を接続するはんだは、保護膜の傾斜した側面に接触する。また、上記の保護膜、めっき電極、はんだおよびリードフレームは、モールド樹脂によって封止される。
特開2013-16538号公報
 上記のような構成を持つ半導体装置では、半導体素子のオン、オフに伴う発熱および冷却によって温度分布が生じると、各部材の線膨張係数の違いにより、各部材の境界に応力が発生する。特に、モールド樹脂および保護膜の膨張・収縮量と、めっき電極、接合材およびリードフレームの膨張・収縮量とが異なり、両者の間の境界に応力が繰り返し発生すると、剥離強度の低いめっき電極の端部が剥離して、半導体装置の破壊を招く原因となる。
 本開示は以上のような課題を解決するためになされたものであり、半導体装置の各部位の線膨張係数の違いに起因する応力によるめっき電極の剥離を防止することを目的とする。
 本開示に係る半導体装置は、半導体素子が形成された半導体基板と、前記半導体基板の表面上に形成された表面電極と、前記表面電極上に形成され、前記表面電極の一部を露出する開口部を有する保護膜と、前記保護膜の前記開口部に露出した前記表面電極上に形成されためっき電極と、接合材を介して前記めっき電極に接続されたリードフレームと、前記半導体基板、前記表面電極、前記保護膜、前記めっき電極、前記リードフレームを封止するモールド樹脂と、を備え、前記接合材は、前記開口部の縁の前記保護膜を覆っており、前記開口部の縁の前記保護膜が前記接合材で覆われた部分の幅は、前記リードフレームと前記めっき電極との間の前記接合材の厚みよりも大きい。
 本開示によれば、半導体装置の各部位の線膨張係数の違いに起因する応力によるめっき電極の剥離が防止される。
 本開示の目的、特徴、態様、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。
実施の形態1に係る半導体装置の主要部の構成を示す断面図である。 実施の形態1に係る半導体装置の製造方法を説明するための図である。 実施の形態1に係る半導体装置の製造方法を説明するための図である。 実施の形態1に係る半導体装置の製造方法を説明するための図である。 実施の形態1に係る半導体装置の製造方法を説明するための図である。 実施の形態1に係る半導体装置の製造方法を説明するための図である。 実施の形態1に係る半導体装置の製造方法を説明するための図である。 実施の形態2に係る半導体装置の主要部の構成を示す断面図である。 実施の形態3に係る半導体装置の主要部の構成を示す断面図である。 実施の形態4係る電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示す図である。
 <実施の形態1>
 図1は、実施の形態1に係る半導体装置の主要部(具体的には、半導体素子とリードフレームとの接続部の近傍)の構成を示す断面図である。図1のように、実施の形態1に係る半導体装置は、半導体素子が形成された半導体基板1と、半導体基板1の表面上に形成された表面電極2とを備えている。半導体基板1に形成される半導体素子としては、特に制約は無く、例えば、MOSFET、IGBT、ショットキーバリアダイオード、PN接合ダイオードなど、任意のものでよい。
 表面電極2の上には、表面電極2の一部を露出する開口部を有する保護膜3が形成されており、保護膜3の開口部に露出した表面電極2の上にめっき電極4が形成されている。本実施の形態では、保護膜3は、表面電極2の外縁部を覆うように形成され、表面電極2の中央部が保護膜3の開口部に露出している。よって、めっき電極4は表面電極2の中央部の上に形成されている。
 めっき電極4は、保護膜3の開口部に露出した表面電極2を、例えばニッケルなどでめっき処理することで形成される。保護膜3は、組み立て性および信頼性の観点から、例えばポリイミドのような、低弾性で化学的に安定し、耐熱性の高い樹脂材料であることが好ましい。
 めっき電極4は、接合材5を介してリードフレーム6に接続されている。リードフレーム6は、例えば銅、または銅合金などで形成される。また、半導体基板1、表面電極2、保護膜3、めっき電極4、リードフレーム6は、モールド樹脂7によって封止される。
 接合材5の一部は、めっき電極4の上からはみ出し、保護膜3の開口部の縁を覆っている。これにより、剥離強度の低いめっき電極4と保護膜3との境界部分が接合材5で覆われ、めっき電極4の剥離が防止される。
 開口部の縁の保護膜3が接合材5で覆われる部分の幅は、リードフレーム6の下の接合材5の厚み、すなわちリードフレーム6とめっき電極4の間の接合材5の厚みよりも大きいことが好ましい。つまり、図1に示すように、リードフレーム6とめっき電極4の間の接合材5の厚みをa、開口部の縁の保護膜3が接合材5で覆われた部分の幅をbとすると、b>aの関係が成り立つことが好ましい。
 さらに、モールド樹脂7で覆われたリードフレーム6の端面は、めっき電極4の端部の上、すなわちめっき電極4と保護膜3との境界部分の上からずれた位置にある。実施の形態1では、モールド樹脂7で覆われたリードフレーム6の端面を、めっき電極4の上に配置している。これにより、リードフレーム6とモールド樹脂7との境界部分に生じた応力が、剥離強度の低いめっき電極4の端部に加わることが抑制され、めっき電極4の剥離がさらに抑制される。
 モールド樹脂7で覆われたリードフレーム6の端面の位置とめっき電極4の端部の位置とのずれ量は、リードフレーム6とめっき電極4の間の接合材5の厚みよりも大きいことが好ましい。つまり、図1に示すように、モールド樹脂7で覆われたリードフレーム6の端面の位置とめっき電極4の端部の位置とのずれ量をcとすると、c>aの関係が成り立つことが好ましい。
 接合材5は、めっき電極4だけでなく樹脂製の保護膜3にも塗布され、リードフレーム6を接合した後にも保護膜3を覆う必要がある。そのため、接合材5は、はんだのような濡れを伴う材料ではなく、例えば銀の焼結体である焼結銀や導電性接着剤のような、塗布された位置でそのまま硬化する材料であることが好ましい。
 また、焼結銀からなる接合材5は、ナノ銀のペーストを塗布して焼結することで形成できる。ナノ銀を焼結させる方法には、圧力を加えながら加熱する加圧焼結と、圧力を加えずに加熱する無加圧焼結とがあるが、本実施の形態では、接合材5の上にリードフレーム6が存在しない部分があること、および、接合材5を多孔質化して低弾性にすることを考慮して、無加圧焼結が好ましい。
 半導体装置内で発生する応力を小さく抑えるために、半導体装置の設計においては、隣接する部材の材料として線膨張係数が互いに近いものが選択されるのが一般的である。例えば、モールド樹脂7の線膨張係数とリードフレーム6の線膨張係数とを近くすることで、冷熱サイクルのような環境温度変化に伴うモールド樹脂7とリードフレーム6との膨張量および収縮量の差を小さくできる。
 しかし、半導体素子がオン状態のとき、半導体素子で発生する熱の大半は半導体基板1の下面側へ放熱されるが、熱伝導率の高い金属材料で形成されるめっき電極4、接合材5およびリードフレーム6の温度は、熱伝導率の低い樹脂材料で形成される保護膜3およびモールド樹脂7の温度に比べて高くなる。また、半導体素子がオフ状態のときは、半導体基板1は下面側から冷却されるため、めっき電極4、接合材5およびリードフレーム6の温度は、保護膜3およびモールド樹脂7に比べて低くなる。このように、半導体装置の動作時には温度分布(つまり、部材間の温度差)が生じるため、各部材の線膨張係数を近づけても、それらの膨張量および収縮量を揃えることは困難である。
 そこで、本実施の形態では、剥離強度の低いめっき電極4と保護膜3との境界部分を接合材5で覆い、さらに、その上にモールド樹脂7とリードフレーム6との境界(つまり、モールド樹脂7で覆われたリードフレーム6の端面)を配置しないことで、半導体装置の動作時の温度分布に起因してめっき電極4の端部に加わる応力を低減させている。それにより、めっき電極4の剥離が防止され、半導体装置の信頼性向上に寄与できる。特に、半導体基板1が炭化珪素(SiC)で形成された半導体装置は、動作温度範囲が広いため、部材間の膨張量および収縮量の差が顕著となるので、上記の効果は非常に有効である。
 以下、図2~図7の工程図を参照しつつ、実施の形態1に係る半導体装置の製造方法を説明する。なお、図2~図7のうち、図2~図4はウエハ工程、図5~図7はアセンブリ工程となる。また、図2~図7は、図1と同様に半導体基板1とリードフレーム6との接続部の近傍を示している。以下では、その部分に関係する工程を説明し、それ以外の工程(例えば、ダイシング工程、ダイボンド工程、ワイヤボンド工程など)の説明は省略する。
 まず、半導体素子が形成された半導体基板1を用意し、図2のように、半導体基板1の表面上に表面電極2を形成する。次に、表面電極2上に保護膜3を形成し、図3のように、表面電極2の一部を露出する開口部を保護膜3に形成する。続いて、保護膜3の開口部に露出した表面電極2の表面をめっき処理することで、図4のように、めっき電極4を形成する。
 その後、図5のように、めっき電極4上および開口部の縁の保護膜3上に銀を含む接合材5を塗布する。接合材5を塗布は、例えば、接合材5としてのナノ銀ペーストを、保護膜3およびめっき電極4上に印刷することによって行うことができる。
 そして、接合材5上にリードフレーム6を載せて加熱することで、図6のように、リードフレーム6とめっき電極4とを接合材5を介して接続させる。上述したように、接合材5としてナノ銀ペーストを用いる場合、接合材5の銀を無加圧状態で焼結させることが好ましい。また、接合材5の銀を焼結させた後の状態において、上述したb>aおよびc>aの関係が成り立つことが好ましい。
 最後に、図7のように、モールド樹脂7を用いて、半導体基板1、表面電極2、保護膜3、めっき電極4、リードフレーム6を封止することで、図1に示した半導体装置の構成が得られる。
 <実施の形態2>
 図8は、実施の形態2に係る半導体装置の主要部の構成を示す断面図である。図8では、実施の形態1(図1)で説明したものと同一または対応する要素にはそれと同一符号を付している。そのため、ここではそれらの詳細な説明は省略し、実施の形態1との相違点を説明する。
 実施の形態2では、モールド樹脂7で覆われたリードフレーム6の端面が、めっき電極4の外側に配置されている。それ以外の構成は、実施の形態1と同様である。
 図8の構成においても、モールド樹脂7で覆われたリードフレーム6の端面が、めっき電極4の端部(すなわち、めっき電極4と保護膜3との境界部分)の上からずれた位置になるため、リードフレーム6とモールド樹脂7との境界部分に生じた応力が、剥離強度の低いめっき電極4の端部に加わることが抑制され、めっき電極4の剥離が抑制される。
 モールド樹脂7で覆われたリードフレーム6の端面の位置とめっき電極4の端部の位置とのずれ量は、リードフレーム6とめっき電極4の間の接合材5の厚みよりも大きいことが好ましい。つまり、図8に示すように、モールド樹脂7で覆われたリードフレーム6の端面の位置とめっき電極4の端部の位置とのずれ量をdとすると、d>aの関係が成り立つことが好ましい。
 <実施の形態3>
 図9は、実施の形態3に係る半導体装置の主要部の構成を示す断面図である。図9においても、実施の形態1(図1)で説明したものと同一または対応する要素にはそれと同一符号を付している。そのため、ここではそれらの詳細な説明は省略し、実施の形態1との相違点を説明する。
 実施の形態3では、めっき電極4と保護膜3との境界部分の上の接合材5の厚みが、リードフレーム6の下(すなわち、リードフレーム6とめっき電極4との間)の接合材5の厚みよりも大きくなっている。つまり、図9に示すように、リードフレーム6とめっき電極4の間の接合材5の厚みをa、めっき電極4と保護膜3との境界部分の上の接合材5の厚みをeとすると、e>aの関係が成り立つ。これにより、剥離強度の低いめっき電極4の端部を直近で覆う材料が均一となり、半導体装置の動作時の温度分布による膨張量および収縮量の差を小さくできるため、めっき電極4の剥離が抑制される。
 接合材5の厚みの部分的に制御するために、接合材5の塗布をディスペンス(つまり、ディスペンサーを用いた塗布)で行うとよい。接合材5の印刷による塗布は、接合材5を広範囲に効率よく塗布できるが、塗布された接合材5の厚みは一定となる。
 <実施の形態4>
 本実施の形態は、上述した実施の形態1~3にかかる半導体装置を電力変換装置に適用したものである。実施の形態1~3にかかる半導体装置の適用は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、実施の形態4として、三相のインバータに実施の形態1~3にかかる半導体装置を適用した場合について説明する。
 図10は、本実施の形態にかかる電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。
 図10に示す電力変換システムは、電源100、電力変換装置200、負荷300から構成される。電源100は、直流電源であり、電力変換装置200に直流電力を供給する。電源100は種々のもので構成することが可能であり、例えば、直流系統、太陽電池、蓄電池で構成することができるし、交流系統に接続された整流回路やAC/DCコンバータで構成することとしてもよい。また、電源100を、直流系統から出力される直流電力を所定の電力に変換するDC/DCコンバータによって構成することとしてもよい。
 電力変換装置200は、電源100と負荷300の間に接続された三相のインバータであり、電源100から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷300に交流電力を供給する。電力変換装置200は、図10に示すように、直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路201と、主変換回路201を制御する制御信号を主変換回路201に出力する制御回路203とを備えている。
 負荷300は、電力変換装置200から供給された交流電力によって駆動される三相の電動機である。なお、負荷300は特定の用途に限られるものではなく、各種電気機器に搭載された電動機であり、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車、鉄道車両、エレベーター、もしくは、空調機器向けの電動機として用いられる。
 以下、電力変換装置200の詳細を説明する。主変換回路201は、スイッチング素子と還流ダイオードを備えており(図示せず)、スイッチング素子がスイッチングすることによって、電源100から供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷300に供給する。主変換回路201の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態にかかる主変換回路201は2レベルの三相フルブリッジ回路であり、6つのスイッチング素子とそれぞれのスイッチング素子に逆並列された6つの還流ダイオードから構成することができる。主変換回路201の各スイッチング素子や各還流ダイオードは、上述した実施の形態1~3のいずれかに相当する半導体モジュール202によって構成する。6つのスイッチング素子は2つのスイッチング素子ごとに直列接続され上下アームを構成し、各上下アームはフルブリッジ回路の各相(U相、V相、W相)を構成する。そして、各上下アームの出力端子、すなわち主変換回路201の3つの出力端子は、負荷300に接続される。
 また、主変換回路201は、各スイッチング素子を駆動する駆動回路(図示なし)を備えているが、駆動回路は半導体モジュール202に内蔵されていてもよいし、半導体モジュール202とは別に駆動回路を備える構成であってもよい。駆動回路は、主変換回路201のスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成し、主変換回路201のスイッチング素子の制御電極に供給する。具体的には、後述する制御回路203からの制御信号に従い、スイッチング素子をオン状態にする駆動信号とスイッチング素子をオフ状態にする駆動信号とを各スイッチング素子の制御電極に出力する。スイッチング素子をオン状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以上の電圧信号(オン信号)であり、スイッチング素子をオフ状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以下の電圧信号(オフ信号)となる。
 制御回路203は、負荷300に所望の電力が供給されるよう主変換回路201のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷300に供給すべき電力に基づいて主変換回路201の各スイッチング素子がオン状態となるべき時間(オン時間)を算出する。例えば、出力すべき電圧に応じてスイッチング素子のオン時間を変調するPWM制御によって主変換回路201を制御することができる。そして、各時点においてオン状態となるべきスイッチング素子にはオン信号を、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号が出力されるよう、主変換回路201が備える駆動回路に制御指令(制御信号)を出力する。駆動回路は、この制御信号に従い、各スイッチング素子の制御電極にオン信号又はオフ信号を駆動信号として出力する。
 本実施の形態に係る電力変換装置では、主変換回路201のスイッチング素子と還流ダイオードとして実施の形態1~3にかかる半導体モジュールを適用するため、信頼性向上を実現することができる。
 本実施の形態では、2レベルの三相インバータに実施の形態1~3にかかる半導体装置を適用する例を説明したが、実施の形態1~3にかかる半導体装置の適用は、これに限られるものではなく、種々の電力変換装置に適用することができる。本実施の形態では、2レベルの電力変換装置としたが3レベルやマルチレベルの電力変換装置であっても構わないし、単相負荷に電力を供給する場合には単相のインバータに実施の形態1~3にかかる半導体装置を適用しても構わない。また、直流負荷等に電力を供給する場合にはDC/DCコンバータやAC/DCコンバータに実施の形態1~3にかかる半導体装置を適用することも可能である。
 また、実施の形態1~3にかかる半導体装置を適用した電力変換装置は、上述した負荷が電動機の場合に限定されるものではなく、例えば、放電加工機やレーザー加工機、又は誘導加熱調理器や非接触給電システムの電源装置として用いることもでき、さらには太陽光発電システムや蓄電システム等のパワーコンディショナーとして用いることも可能である。
 なお、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
 上記した説明は、すべての態様において、例示であって、例示されていない無数の変形例が想定され得るものと解される。
 1 半導体基板、2 表面電極、3 保護膜、4 めっき電極、5 接合材、6 リードフレーム、7 モールド樹脂、100 電源、200 電力変換装置、201 主変換回路、202 半導体モジュール、203 制御回路、300 負荷。

Claims (21)

  1.  半導体素子が形成された半導体基板と、
     前記半導体基板の表面上に形成された表面電極と、
     前記表面電極上に形成され、前記表面電極の一部を露出する開口部を有する保護膜と、
     前記保護膜の前記開口部に露出した前記表面電極上に形成されためっき電極と、
     接合材を介して前記めっき電極に接続されたリードフレームと、
     前記半導体基板、前記表面電極、前記保護膜、前記めっき電極、前記リードフレームを封止するモールド樹脂と、
    を備え、
     前記接合材は、前記開口部の縁の前記保護膜を覆っており、
     前記開口部の縁の前記保護膜が前記接合材で覆われた部分の幅は、前記リードフレームと前記めっき電極との間の前記接合材の厚みよりも大きい、
    半導体装置。
  2.  前記モールド樹脂で覆われた前記リードフレームの端面の位置は、前記めっき電極の端部の上からずれている、
    請求項1に記載の半導体装置。
  3.  前記モールド樹脂で覆われた前記リードフレームの端面の位置と前記めっき電極の端部の位置とのずれ量は、前記リードフレームと前記めっき電極との間の前記接合材の厚みよりも大きい、
    請求項2に記載の半導体装置。
  4.  前記モールド樹脂で覆われた前記リードフレームの端面は、前記めっき電極上に位置している、
    請求項3に記載の半導体装置。
  5.  前記モールド樹脂で覆われた前記リードフレームの端面は、前記めっき電極の外側に位置している、
    請求項3に記載の半導体装置。
  6.  前記めっき電極と前記保護膜との境界部分の上の前記接合材の厚みは、前記リードフレームと前記めっき電極との間の前記接合材の厚みよりも大きい、
    請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の半導体装置。
  7.  前記保護膜はポリイミドで形成されている、
    請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の半導体装置。
  8.  前記接合材は銀の焼結体である
    請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の半導体装置。
  9.  前記半導体基板は炭化珪素で形成されている、
    請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の半導体装置。
  10.  請求項1から請求項9のいずれか一項に記載の半導体装置を有し、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
     前記主変換回路を制御する制御信号を前記主変換回路に出力する制御回路と、
    を備えた電力変換装置。
  11.  半導体素子が形成された半導体基板の表面上に表面電極を形成する工程と、
     前記表面電極上に保護膜を形成し、前記表面電極の一部を露出する開口部を前記保護膜に形成する工程と、
     前記保護膜の前記開口部に露出した前記表面電極の表面をめっき処理することでめっき電極を形成する工程と、
     前記めっき電極上および前記開口部の縁の前記保護膜上に銀を含む接合材を塗布する工程と、
     前記接合材上にリードフレームを載せ、前記接合材の銀を無加圧状態で焼結させることで、前記リードフレームと前記めっき電極とを前記接合材を介して接続させる工程と、
     モールド樹脂を用いて、前記半導体基板、前記表面電極、前記保護膜、前記めっき電極、前記リードフレームを封止する工程と、
    を備える、
    ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  12.  前記接合材の銀を焼結させた後において、前記開口部の縁の前記保護膜が前記接合材で覆われた部分の幅は、前記リードフレームと前記めっき電極との間の前記接合材の厚みよりも大きい
    請求項11に記載の半導体装置の製造方法。
  13.  前記接合材の銀を焼結させた後において、前記モールド樹脂で覆われた前記リードフレームの端面の位置は、前記めっき電極の端部の上からずれている、
    請求項11または請求項12に記載の半導体装置の製造方法。
  14.  前記接合材の銀を焼結させた後において、前記モールド樹脂で覆われた前記リードフレームの端面の位置と前記めっき電極の端部の位置とのずれ量は、前記リードフレームと前記めっき電極との間の前記接合材の厚みよりも大きい、
    請求項13に記載の半導体装置の製造方法。
  15.  前記接合材の銀を焼結させた後において、前記モールド樹脂で覆われた前記リードフレームの端面は、前記めっき電極上に位置している、
    請求項14に記載の半導体装置の製造方法。
  16.  前記接合材の銀を焼結させた後において、前記モールド樹脂で覆われた前記リードフレームの端面は、前記めっき電極の外側に位置している、
    請求項14に記載の半導体装置の製造方法。
  17.  前記接合材の銀を焼結させた後において、前記めっき電極と前記保護膜との境界部分の上の前記接合材の厚みは、前記リードフレームと前記めっき電極との間の前記接合材の厚みよりも大きい、
    請求項11から請求項16のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
  18.  前記接合材を塗布する工程は、前記接合材としてのナノ銀ペーストの印刷により行われる、
    請求項11から請求項17のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
  19.  前記接合材を塗布する工程は、前記接合材としてのナノ銀ペーストのディスペンスにより行われる、
    請求項11から請求項17のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
  20.  前記保護膜はポリイミドで形成されている、
    請求項11から請求項19のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
  21.  前記半導体基板は炭化珪素で形成されている、
    請求項11から請求項20のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
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