JP4458028B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

この発明は、モータを制御するインバータ等の電力変換機器に使用する半導体装置に関するものである。

従来の半導体装置における半導体素子基体を支持する部材は半導体装置の一電極を兼ねる場合が多かった。例えば、パワートランジスタチップを銅ベース板上に半田材により固着したパワートランジスタ装置では、銅ベース板はトランジスタのコレクタ電極と支持部材を兼ねる。このような半導体装置では、数アンペア以上のコレクタ電流を流すことができるため、トランジスタチップの発熱量も大きくなる。半導体素子を安全かつ安定に動作させるためには、半導体装置の動作時に発生する熱を外部に効率よく放散させる必要がある。この熱放散は通常発熱源である半導体素子基体からこれと固着された各部材を経由して装置外部へ熱伝達されることで達成される。半導体装置ではこの熱伝達経路中に、絶縁体及び半導体素子基体とを接着する部分等に用いられた半田層等の固着材層を含む。

このような半導体装置には稼動時や休止時に伴う熱ストレスが繰返し印加され、最終的に半田層の熱疲労破壊を生ずるに至る。このような課題の解決のため特許文献１には、アルミニウムベース板上に、線膨張率が調整された複合材料からなる熱拡散部材を介して、半導体素子が半田層により固着された半導体装置が開示されている。このような構成とすることで、半導体装置の動作時における半導体素子の発熱による温度上昇によって半田層に働く熱応力が、直接半導体素子をアルミベース板上に半田付けする場合に比べて緩和され、長寿命化されるというものであった。

特開平１１−３５４６８７号公報 （図１）

このような半導体装置においては、特に半田層の厚みのバランスに配慮していないため、半導体素子や熱拡散部材が傾いて搭載されると、半導体素子や熱拡散部材のコーナー部で半田厚みが極めて小さい箇所が発生し、長期信頼性を確保できないという不具合があった。すなわち、半田厚みの小さい箇所では温度サイクルによる半導体素子や半田層に加わる応力が過大となり、特に半導体素子を１００μｍ以下と薄くした場合には、半田層に亀裂の発生があるだけでなく、半導体素子が破損してしまう恐れがあり、そのための手直しや市場流出防止のための検査が必要であった。

上述したような事情があるため、少々の厚みのバラツキがあっても上記のような不具合を回避できるように半田層の厚みを十分大きく設定すればよいが、半導体素子から発生する熱はこの半田層を経由して外部に伝達されるため、半田層の厚みが大きくなるということはそれだけ熱抵抗が大きくなり、十分な放熱ができなくなることで半導体素子の温度上昇を招来し、思ったほどの長寿命化が果たせない。特に半田は銅やアルミニウム等の金属に比べて熱伝導率が低く、半導体素子の温度上昇に与える影響は大きい。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、半田層の寿命を向上させ、かつ半導体素子にかかる応力を軽減し、厚みの小さい半導体素子の破損が防止できる半導体装置を提供しようとするものである。

前記の目的を達成するために、本発明に係る半導体装置は、導電体からなるベース板と、上記ベース板上に第１の半田層を介して固着された熱拡散板と、上記熱拡散板上に第２の半田層を介して固着された平面形状が四角形の半導体素子とを備えた半導体装置であって、上記熱拡散板は、上記半導体素子の各辺の長さ方向に沿った長さは上記半導体素子の各辺の長さより大きく、上記半導体素子の対角線に沿った長さは上記半導体素子の対角線の長さより小さい形状であり、それにより上記熱拡散板の四隅において上記第１の半田層と上記第２の半田層とがつながっていることを特徴とする。

上記のような構成としたため、本発明に係る半導体装置は、半導体素子の四隅の半田層における亀裂の発生を防止できるとともに、半導体素子の温度上昇を軽減できる。

＜実施の形態１＞
以下、本発明の実施の形態１を図に基づいて説明する。図１は本発明に係る半導体装置の実施の形態１を示す平面図（ａ）及びＡ−Ａ断面図（ｂ）である。平面図においては便宜上モールド樹脂を省略している。

図１において、銅又は銅合金からなり、相対向する２つの平行な主面を有し、厚みが２〜３ｍｍで２０ｍｍ×４０ｍｍの長方形のベース板１の上面には、例えばニッケルめっきされたモリブデンからなる厚さ２００μｍの熱拡散板２が、厚みが１００μｍ程度の第１の半田層３ａにより略平行に半田付けされている。このような熱拡散板２は、両面にニッケルめっきされたフープ材のモリブデンをプレス加工で打ち抜くことで成型できる。熱拡散板２の上にはさらに半導体素子４がやはり厚みが１００μｍ程度の第２の半田層３ｂにより略平行に半田付けされている。半導体素子４は、その平面形状が一辺の長さが１０ｍｍから１５ｍｍの正方形又は長方形で、厚みが５０μｍから２００μｍである。半導体素子の面積と厚みは半導体素子の特性と密接な関係がある。一般に高い耐電圧特性を得ようとすれば半導体素子の厚みは大きい方がよいが、反面厚みが大きいほど電力損失は大きくなる。例えば、６００Ｖの耐電圧特性を有する半導体素子では６０μｍの厚みで十分であるが、１２００Ｖの耐電圧特性を得るためには半導体素子の厚みは１３０μｍ必要とする。

アルミニウムからなる直径３００〜４００μｍの金属細線５が半導体素子４の表面電極と第１の外部接続端子６との間を電気的に接続している。また、ベース板１には第２の外部接続端子７が半田付けや超音波接合により固着され、電気的にも接続されている。第１の外部接続端子６及び第２の外部接続端子７は銅又は銅合金が用いられ、厚みは０．５〜１ｍｍである。そして、これらベース板１、熱拡散板２、半導体素子４、金属細線５、第１の外部接続端子６及び第２の外部接続端子７はモールド樹脂８により被覆されている。ベース板１の下面には絶縁層９及び保護層１０が設けられている。この絶縁層９はその厚みが０．１〜０．５ｍｍで、ベース板１とこの半導体装置が取り付けられるフィン等の放熱部材との間の絶縁を確保するものである。

図２は図１のＢ−Ｂ断面図であって、ベース板１、熱拡散板２及び半導体素子４相互の接合構造を詳述したものである。熱拡散板２はその平面形状が半導体素子４よりもやや大きい正方形又は長方形であるが、その四隅は面取りがなされ、図２に示されたように四角形の対角線の長さを半導体素子４のそれより小さくしている。そうすることによって、図示されたように、熱拡散板２の上下の第１の半田層３ａ及び第２の半田層３ｂは半導体素子４の四隅において互いに繋がった構造が得られ、当該部分の半田層３の全厚みを約４００μｍ程度としている。

一般的に、材料が異なることによる線膨張率の相違があるため、半導体素子の発熱による温度上昇及び下降に伴い、半導体素子４と熱拡散板２との間ならびに熱拡散板２とベース板１との間には応力が生じる。この応力は両者の間に存在する第１の半田層３ａ及び第２の半田層３ｂが吸収することになるため、温度サイクルにより第１の半田層３ａ及び第２の半田層３ｂに疲労が蓄積し、特にこのような応力が集中する半導体素子の四隅における第１の半田層３ａ及び第２の半田層３ｂにおいて亀裂が発生しやすい。例えば半田層の厚みが５０μｍ以下の従来の半導体装置で−４０℃から１２５℃のヒートサイクル試験を行ったところ、１００サイクル以下で半導体素子の四隅における半田層に亀裂が発生している。ここで発生した亀裂は温度サイクルにより半導体素子の中央部に向かって進展していく。亀裂が大きく進展すると、半導体素子の電気的特性及び機械的特性に悪影響を与えるため、第１の半田層及び第２の半田層のそれぞれの厚みを１００μｍより大きく、例えば２００μｍとし、このような応力を分散させる必要がある。

しかしながら一方では、第１の半田層及び第２の半田層の厚みを大きくすると、半導体素子の放熱特性及び電気的特性に悪影響を与えていた。例えばモリブデンの熱伝導率は１３０Ｗ／ｍＫであるのに対して代表的な半田の熱伝導率はおよそ５０Ｗ／ｍＫであり、またモリブデンの比抵抗は５．２μΩ／ｃｍであるのに対して代表的な半田の比抵抗は１４．５μΩ／ｃｍである。このように半田は一般の金属に比較して熱伝導率や比抵抗の逆数である電気伝導度が低いため、半田層の厚みを大きくすると、導通状態での半導体装置の電力損失が増大し、半導体素子からの発熱の放散が不十分であった。そのことが半導体素子の一層の温度上昇を招来し、半導体装置の寿命を更に悪化させていた。

本実施の形態にかかる半導体装置においては、上記のように半導体素子４の少なくとも四隅における半田層３の全厚みのみを大きくしたため、半田層の厚みのバラツキが多少あったとしても、応力が集中する半導体素子の四隅において熱膨張率の差による応力は分散され、よって半田層の歪が軽減されるため、半田層の亀裂は抑制され、半導体装置の長寿命化が図られる。一方、四隅以外の部分においては、半導体素子４とベース板１との間には熱拡散板２が介在し、半田層の全厚みが熱拡散板２の厚みだけ小さくなるので、半導体素子４の電気的特性及び放熱特性への悪影響はほとんどみられない。また、熱拡散板２がベース板１及び半導体素子４に平行に配置され熱拡散板上下の第１の半田層３ａ及び第２の半田層３ｂの厚みが十分確保されている限りにおいては、四隅以外の部分では上記応力の集中はなく、亀裂の発生も見られない。

半田材料としては、例えばＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ等のＳｎ系の材料を用いるが、アルミニウム（Ａｌ）、アンチモン（Ｓｂ）、銀（Ａｇ）等を０．５％から３％程度含有させることで、半田内に直径数μｍの分散析出層を出現させることができる。このような分散型の析出物を半田層に有することで、半田層の長期信頼性を大幅に改善できる。そのメカニズムは、半田層に歪が生じ、転位が結晶面に平行に進行するときに、析出物のところで転位の進展が妨げられ、半田の塑性変形が生じにくくなるという作用による。析出相の形状としては球状がよく、大きさは数μｍ程度で、１０μｍ以内に複数の析出物が含まれる程度の密度で半田層内に存在すれば、上記のような作用を生じさせることができる。このような半田を用いることで、降伏点が上昇し半田層の寿命が長くなるため、半田層の厚みを１００μｍ以下としても半導体装置として十分な信頼性を確保できる。

本発明の要旨からすれば、熱拡散板２は対角線方向の長さが半導体素子４のそれより短ければよいわけであるが、辺の長さは半導体素子４のそれより大きくなくても、本発明の範囲に属することは言うまでもないことであるが、本実施例のように辺の長さは半導体素子４のそれより大きいほうが、半導体素子４の発熱を垂直方向だけでなく水平方向にもより多く伝達できるため、熱抵抗を抑制でき望ましい。また、熱拡散板２の材質は、熱伝導性と電気伝導性とが良好な材料であればよいが、応力緩和の観点からは、本実施例のようにベース板１の材料である銅（線膨張率：１７ｐｐｍ／Ｋ）と半導体素子４の材料であるシリコン（線膨張率：３ｐｐｍ／Ｋ）との間の線膨張率を有するモリブデン（線膨張率：５ｐｐｍ／Ｋ）であるほうが望ましい。すなわち、直接銅等のベース板に半導体素子が半田付けされる構成では、樹脂封止のためのトランスファーモールド工程のプロセス温度である１８０℃において、半導体素子にかかる熱応力は例えば３００ＭＰａを超える場合があるが、本実施例のような構成である場合には、半導体素子にかかる熱応力は約１２０ＭＰａと大幅に低減する。
＜実施の形態２＞

上述したように、本発明の効果が最大限に発揮されるためには、熱拡散板２がベース板１及び半導体素子４に平行に配置され、熱拡散板上下の第１の半田層３ａ及び第２の半田層３ｂの厚みが十分確保されていることが望ましい。さらに厳しい条件においても、高い信頼性を確保するためである。それを担保するための形態を実施の形態２として図３及び図４に示す。図３は本発明に係る半導体装置の実施の形態２を示す平面図（ａ）及びそのＣ−Ｃ断面図（ｂ）であり、図４はそこに用いられている熱拡散板２の平面図（ａ）及びそのＤ−Ｄ断面図（ｂ）である。図４に示されるように、熱拡散板２の４箇所の上下に高さ１００μｍの突起２ａを設けている。突起２ａの配設位置は半導体素子の四隅を避け、前記四隅から少なくとも１ｍｍ以上隔てた内側の少なくとも３箇所に設けることが望ましい。このように熱拡散板２の上下に突起２ａを設けることにより、必要な半田厚みが確保でき、かつ四隅における半田層の歪量の増大を避けることができ、半田層の長期信頼性を確保できる。

上記の熱拡散板２においては上下の突起２ａが対応するように設けられているが、図５のような形状とすることも可能である。図５は図３に用いられている熱拡散板２の変形例の平面図（ａ）及びそのＥ−Ｅ断面図（ｂ）であるが、熱拡散板の上下の面にはそれぞれに４個の突起２ａと４個の窪み２ｂとが熱拡散板の四隅のやや内側に設けられており、上面の突起２ａは下面の窪み２ｂに対応した位置に設けられ、下面の突起２ａは上面の窪み２ｂに対応した位置に設けられている。このような形状の熱拡散板２は一般にプレス加工により成型されるが、この変形例のような構成とすれば、熱拡散板２の成型と共に突起も同時に形成できるので、製造工程が簡略化でき、安価な熱拡散板を製作できる。

以上、本発明の具体的な実施形態を説明したが、本発明はこれらに限らず種々の改変が可能である。例えば、上記実施の形態において熱拡散板２の平面形状はは四角形であるが、円形であってもその直径が四角形である半導体素子の対角線の長さより短ければ、本発明の範囲に含まれる。また、その材質はモリブデンであるが、ベース板の材料である銅（線膨張率：１７ｐｐｍ／Ｋ）と半導体素子４の材料であるシリコン（線膨張率：３ｐｐｍ／Ｋ）との間の線膨張率を有し熱伝導性と電気伝導性とが良好な材料であれば、本発明の範囲に含まれる。このような材料としては他にタングステンや鉄ニッケル合金、銅モリブデン合金、銅タングステン合金等の合金やセラミックフィラー又はカーボンファイバを銅又はアルミニウムで鋳くるんだＦＲＭ材料がある。

本発明に係る半導体装置の実施の形態１を示す平面図（ａ）及びそのＡ−Ａ断面図（ｂ）である。 図１のＢ−Ｂ断面図である。 本発明に係る半導体装置の実施の形態２を示す平面図（ａ）及びそのＣ−Ｃ断面図（ｂ）である。 本発明に係る半導体装置の実施の形態２に使用されている熱拡散板の平面図（ａ）及びそのＤ−Ｄ断面図（ｂ）である。 本発明に係る半導体装置の実施の形態２に使用されている熱拡散板の変形例の平面図（ａ）及びそのＥ−Ｅ断面図（ｂ）である。

符号の説明

１ ベース板、 ２ 熱拡散板、 ２ａ 突起、 ２ｂ 窪み、 ３ 半田層、 ３ａ 第１の半田層、 ３ｂ 第２の半田層、 ４ 半導体素子、 ５ 金属細線、 ６ 第１の外部接続端子、 ７ 第２の外部接続端子、 ８ モールド樹脂、 ９ 絶縁層、 １０ 保護層。

Claims (3)

1. 導電体からなるベース板と、
   前記ベース板上に第１の半田層を介して固着された熱拡散板と、
   前記熱拡散板上に第２の半田層を介して固着された平面形状が四角形の半導体素子と、
   を備えた半導体装置であって、
   前記熱拡散板は、前記半導体素子の各辺の長さ方向に沿った長さは前記半導体素子の各辺の長さより大きく、前記半導体素子の対角線に沿った長さは前記半導体素子の対角線の長さより小さい形状であり、それにより前記熱拡散板の四隅において前記第１の半田層と前記第２の半田層とがつながっていることを特徴とする半導体装置。
2. 前記熱拡散板の表面及び裏面には突起が形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記突起の形成された面の反対側の対応部分は窪みとなっていることを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
   
   
   

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