JP7419781B2 - semiconductor module - Google Patents
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Description
本発明は、半導体モジュール、特に電力変換に用いるパワー半導体モジュールに関する。 The present invention relates to a semiconductor module, and particularly to a power semiconductor module used for power conversion.
リード端子による配線を利用し、樹脂により封止されたパワー半導体モジュールを開示した文献として、次の特許文献1のパワー半導体モジュールが知られている。特許文献1の図1、図2には、半導体素子をリード端子で電気的に接合し、樹脂で封止した構造が開示されている。 A power semiconductor module disclosed in Patent Document 1 is known as a document disclosing a power semiconductor module sealed with resin using wiring using lead terminals. 1 and 2 of Patent Document 1 discloses a structure in which semiconductor elements are electrically connected with lead terminals and sealed with resin.
また、特許文献2には、半導体素子の電極上に選択的に設けられた第1の保護膜及びめっき膜と、該めっき膜および該保護膜が接する部分を覆う第2の保護膜とを設け、めっき膜とはんだとの密着性を向上することが開示されている。 Furthermore, Patent Document 2 discloses that a first protective film and a plating film are selectively provided on the electrodes of a semiconductor element, and a second protective film that covers a portion in contact with the plating film and the protective film is provided. , has been disclosed to improve the adhesion between the plating film and the solder.
特許文献1のように、半導体素子の上面に銅(Cu)等のリード端子がはんだ接合され、樹脂封止された構造では、半導体素子の発熱によるパワーサイクルにより、半導体素子の表面に形成されるAl膜電極や、Al-Si合金膜にクラックが発生する問題があった。 As in Patent Document 1, in a structure in which a lead terminal made of copper (Cu) or the like is soldered to the top surface of a semiconductor element and sealed with resin, lead terminals are formed on the surface of the semiconductor element due to power cycles caused by heat generation of the semiconductor element. There was a problem that cracks occurred in the Al film electrode and the Al-Si alloy film.
これは発熱の際に発生する応力を要因としており、リード端子と半導体素子のシリコン(Si)の熱膨張係数差(銅の線膨張係数:16.7×10-6/℃、Siの熱膨張係数:3.0×10-6/℃)によるものである。 This is due to the stress generated during heat generation, and the difference in thermal expansion coefficient between the lead terminal and silicon (Si) of the semiconductor element (linear expansion coefficient of copper: 16.7 × 10 -6 /℃, thermal expansion of Si) coefficient: 3.0×10 −6 /°C).
さらに、リード端子の立ち上がり部の熱膨張により半導体素子に垂直方向に引張り圧縮の力が繰り返し発生することによって、性能及び信頼性に悪影響が生じることも考えられた。 Furthermore, it has been considered that performance and reliability may be adversely affected due to the repeated generation of tensile and compressive forces in the vertical direction on the semiconductor element due to thermal expansion of the rising portions of the lead terminals.
また、半導体素子表面の電極上にはポリイミドでパターニングされたガードリングとゲートランナーが配置され、ポリイミドパターン内部には電極保護膜が形成されるが、これら材料の密着性は良好ではなく、熱履歴を経るごとにポリイミドの熱収縮により隙間が広がることによる性能及び信頼性の劣化が考えられた。 Additionally, guard rings and gate runners patterned with polyimide are placed on the electrodes on the surface of the semiconductor element, and an electrode protective film is formed inside the polyimide pattern, but the adhesion of these materials is not good and thermal history It was thought that performance and reliability would deteriorate as the gap widened due to thermal contraction of the polyimide over time.
また、リード端子との接合時や実動作時にはんだが広がり、応力集中だけでなく、応力拡大点となり寿命を低下させる恐れが考えられた。 In addition, the solder spreads during bonding with lead terminals or during actual operation, which not only causes stress concentration but also becomes a stress magnification point, which may reduce the lifespan.
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、リード端子接合を利用した半導体モジュールにおいて、半導体素子の発熱による熱応力を低減し、信頼性の高い半導体モジュールを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to reduce thermal stress caused by heat generation of semiconductor elements in a semiconductor module using lead terminal bonding, and to provide a highly reliable semiconductor module. do.
また、高電力密度化が可能であり、小型化・高出力化が可能で信頼性の高い半導体モジュールを提供することを目的とする。 Another object of the present invention is to provide a highly reliable semiconductor module that is capable of high power density, miniaturization, and high output.
本発明の半導体モジュールは、
半導体素子と、
当該半導体素子が実装された積層基板と、
当該半導体素子の表面に形成された電極層と、
当該電極層上に形成され、第1の開口を有する第1の絶縁膜と、
当該第1の開口内に形成された金属層と、
当該第1の開口の縁部における当該第1の絶縁膜及び当該金属層を覆うように形成され、かつ当該金属層を露出し、曲線で囲まれた形状を有する第2の開口を有する第2の絶縁膜と、
当該第2の開口内に形成されたはんだ部と、を有している。
The semiconductor module of the present invention includes:
a semiconductor element;
a laminated substrate on which the semiconductor element is mounted;
an electrode layer formed on the surface of the semiconductor element;
a first insulating film formed on the electrode layer and having a first opening;
a metal layer formed within the first opening;
A second opening formed to cover the first insulating film and the metal layer at the edge of the first opening, exposing the metal layer, and having a second opening surrounded by a curved line. an insulating film,
and a solder portion formed within the second opening.
本発明の半導体モジュールによれば、高温連続動作時においても高い信頼性を得ることができる。また、大電流を小スペースで扱えることから高電力密度化が可能となり、パワー半導体モジュールの小型化・高出力化が可能となる。 According to the semiconductor module of the present invention, high reliability can be obtained even during continuous high temperature operation. Furthermore, since large currents can be handled in a small space, it becomes possible to increase power density, making it possible to downsize and increase the output of power semiconductor modules.
以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。これらを適宜改変し、組合せて適用することができる。また、以下の説明及び添付図面において、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符を付して説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施の形態によって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。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. These can be modified as appropriate and applied in combination. Further, in the following description and the accompanying drawings, substantially the same or equivalent parts are designated by the same reference numerals. Note that the present invention is not limited to the embodiments described below, and can be implemented with appropriate modifications within the scope without changing the gist thereof.
また、以下においては、半導体モジュール10が半導体素子としてパワー半導体素子を実装したパワー半導体モジュールである場合について説明する。
[第1の実施形態]
図1は、本発明の第1の実施形態に係るパワー半導体モジュール10の断面を模式的に示す断面図である。
Further, in the following, a case will be described in which the
[First embodiment]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a cross section of a
図1に示すように、パワー半導体モジュール10は、冷却器19と、冷却器19上にはんだ11を介して設けられた積層基板12と、積層基板12上にはんだ13を介して設けられた半導体素子14と、半導体素子14と積層基板12とをリード端子下はんだ15(以下、単にはんだ15という。)を介して電気的に接続するリード端子16とが、冷却器19上に立設された枠状のケース17内に収容されている。
As shown in FIG. 1, the
また、枠状のケース17内には封止樹脂18が充填され、はんだ11と、積層基板12と、半導体素子14と、リード端子16とが封止されている。
Further, the frame-
ケース17及び封止樹脂18の外形は略直方体であり、封止樹脂18は、上面と上面に対向し冷却器19に接する下面とを備えている。冷却器19の上面、積層基板12、半導体素子14及び封止樹脂18の上面はほぼ平行となるよう配置されている。
The outer shapes of the
なお、本明細書において、上面又は下面とは、説明の目的で添付図中の上下を指す相対的な用語であって、パワー半導体モジュール10の使用態様等との関係で上下を限定するものではない。
Note that in this specification, the upper surface or the lower surface is a relative term that refers to the upper and lower sides in the attached drawings for the purpose of explanation, and does not limit the upper and lower sides in relation to the usage mode of the
積層基板12は、絶縁基板と導電性板が積層された基板で、DCB(Direct Copper Bonding)基板またはAMB(Active Metal Blazing)基板などがある。より詳細には、積層基板12は、セラミックなどの絶縁基板12Bの下面に金属箔12Aが配置され、上面に回路層12Cが配置されている。金属箔および回路層は銅などの導電性金属が用いられ、所定のパターンに加工されていてもよい。前記絶縁基板は、熱伝導度の高いセラミックス、例えば酸化アルミニウム(アルミナ)や窒化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素などが用いられる。
The laminated
積層基板下はんだ11(以下、単にはんだ11という。)は金属箔12Aと冷却器19とを熱的、機械的に接続する。すなわち、半導体素子14から積層基板12(DCB基板)に伝わった熱は冷却器19に伝熱される。はんだ11としては、高信頼性のために高強度はんだが好適であり、Sn-Sb系はんだやSn-Sb-Ag系はんだが好ましい。
The laminated substrate lower solder 11 (hereinafter simply referred to as solder 11) connects the
はんだ15は、リード端子16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。はんだ15の引張強さが高い場合には、半導体素子14の表面電極に高い応力が発生するため、引張強さが低く比較的柔らかいはんだが好ましい。具体的には、引張強さは50MPa以下が好ましく、より好ましくは30MPa以下である。例えば、Sn-Cu系はんだが好ましい。なお、引張強さは、応力-ひずみ曲線の最大引張力を試料の断面積で割って求められる(JIS Z2241)
リード端子16は、はんだ15を介して半導体素子14の上面に電気的および熱的に接続されている。リード端子16は、平板状の接合部16a,16eと、接合部16aから上方に立ち上がっている平板状の立ち上がり部16bと、立ち上がり部16bと立ち下がり部16dとを接続する平板状の接続部分16cとにより構成されている。
Lead terminal 16 is electrically and thermally connected to the upper surface of
リード端子16は帯状の導電性の板を折り曲げて製造される。リード端子16は、平板状の先端部である接合部16aがはんだ15を介して半導体素子14の表面電極に接合されている。また、リード端子16は、接合部16eがはんだを介して積層基板12の回路板12cに接合されている。
The
リード端子16の材質は、電気抵抗が低く熱伝導率が高い金属が好適に用いられ、具体的には電気抵抗が低い、CuまたはCu銅合金、AlまたはAl合金が好ましい。また、Niめっきなどの表面処理を行っても良い。垂直部を有するリード端子16の厚みは0.3mm~0.8mm程度が高寿命を得るためには好ましい。
As the material of the
封止樹脂18は、所定の絶縁性能があり、曲げ弾性率が低く、熱膨張係数が内部材料を鑑みて調整され、成形性がよいものが好ましい。エポキシ樹脂やマレイミド樹脂などを骨格にもつ樹脂材料が適しているが、これらに限定されない。これら樹脂には、例えば熱伝導性を向上させるためにフィラーが混合されており、フィラー量により熱膨張係数や曲げ弾性率を調整可能である。
It is preferable that the sealing
ヒートシンクである冷却器19は、内部が空洞であり、複数のフィンを備えている。フィンの間が冷媒通路になっている。冷媒としては、特に限定されないが、例えば、エチレングリコール系の冷媒や水などの液体冷媒を用いることも可能であり、空冷も可能である。冷却器19は、DCB基板の金属箔12Aに熱的に接続されている。
The cooler 19, which is a heat sink, is hollow inside and includes a plurality of fins. There is a refrigerant passage between the fins. Although the refrigerant is not particularly limited, for example, it is possible to use an ethylene glycol refrigerant or a liquid refrigerant such as water, and air cooling is also possible. The cooler 19 is thermally connected to the
半導体素子14は、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)あるいはダイオードチップ等のパワーチップであるが、種々のSiデバイス、あるいはSiCデバイス、GaNデバイスなどのワイドギャップ半導体素子を用いることもできる。また、これらのデバイスを組み合わせて用いても良い。例えば、Si-IGBTとSiC-SBD(Schottky Barrier Diode:ショットキーバリアダイオード)を用いたハイブリッドモジュールなどを用いることができる。
The
なお、半導体素子14の搭載数は、図示する形態に限定されるものではなく、積層基板12上に複数搭載することもできる。
Note that the number of
また、半導体素子14、リード端子16の組を複数備えている構造にしてもよい。半導体素子14を複数並列接続で並べることにより半導体モジュール10の定格出力を増加することができる。また、複数の半導体素子14の種類をそれぞれ異なる種類の半導体素子に変えてもよい。例えば、IGBTとFWD(Free Wheeling Diode)を並列接続にする構造としてもよい。
Further, a structure including a plurality of sets of
次に、本発明の第1の実施形態に係る半導体モジュール10の半導体素子14の表面の電極部分の構造について、図面を参照して詳細に説明する。図2A,2Bは、それぞれ半導体素子14の表面上に設けられた、保護膜としても機能する絶縁膜25(以下、第1の絶縁膜25という。)を説明する平面図及び断面図であり、図3A,3Bは、それぞれ第1の絶縁膜25上に設けられた、保護膜としても機能する絶縁膜33(以下、第2の絶縁膜33という。)を説明する平面図及び断面図である。
Next, the structure of the electrode portion on the surface of the
より詳細には、図2Aは、半導体素子14の表面に設けられた第1の絶縁膜25を説明する平面図であり、図2Bは、図2Aに示す線A-Aに沿った半導体素子14の表面部分の断面を模式的に示す断面図である。
More specifically, FIG. 2A is a plan view illustrating the first insulating
まず、図2Bに示すように、半導体素子14の半導体層23の表面に形成された電極層である表面電極24が設けられている。表面電極24は、例えばAl-Si膜であるが、Al-Si膜やAl膜、あるいはTi膜等を含む複数の金属層からなっていてもよい。
First, as shown in FIG. 2B, a
図2A、図2Bに示すように、表面電極24上には、例えばポリイミド等の第1の絶縁膜25のパターニングによって被覆されたゲートランナー31やガードリング32が配置されている。第1の絶縁膜25は、複数の第1の開口部25A(以下、複数の第1の開口25Aと称する。)を有している。ゲートランナー31やガードリング32はパッド電極26に電気的に接続されている。
As shown in FIGS. 2A and 2B, on the
なお、ガードリング32とは、素子の外側を囲むように、素子内部にp型かn型の領域が形成されたもので、電界集中を防ぐためのものである。また、ゲートランナーとはトランジスタのゲート電極に電圧を印加するための配線で、断面図では、周囲を絶縁膜で囲まれており、取出し端子に接続される。また、第1の絶縁膜は、SiO2(酸化ケイ素)やTEOS(オルトケイ酸テトラエチル)などの絶縁性材料でもよい。
The
図3A、図3Bは、図2A,2Bと同様な図であり、図3Aは、第2の絶縁膜33を説明する平面図であり、図3Bは、図3Aに示す線B-Bに沿った半導体素子14の表面部分の断面を模式的に示す断面図である。
3A and 3B are views similar to FIGS. 2A and 2B, and FIG. 3A is a plan view illustrating the second insulating
より具体的には、図3B及び図2Bを参照すると、第1の絶縁膜25の第1の開口25A内の表面電極24上には、すなわち第1の絶縁膜25から露出する表面電極24上には金属層(例えば、電極保護膜)27が形成されている。金属層27は、例えばNi膜と当該Ni膜上に形成されたAu膜とからなるが、これに限定されない。
More specifically, with reference to FIGS. 3B and 2B, on the
図3B及び図2Bを参照すると、ポリイミド等からなる第2の絶縁膜33が、第1の開口25Aの縁部(すなわち、第1の絶縁膜25の縁部。図3A、破線で示している)における第1の絶縁膜25及び金属層27を覆うように形成されている。また、第2の絶縁膜33は、曲線で囲まれた形状を有する複数の第2の開口部33A(以下、複数の第2の開口33Aと称する。)を有している。
Referring to FIGS. 3B and 2B, the second insulating
また、製造方法としては、第1の絶縁膜25を形成後、金属層27をめっき法によりNi膜、Au膜を形成し、その後、第2の絶縁膜33を第1の絶縁膜25と金属層27の境界を覆うように形成することができる。
In addition, as a manufacturing method, after forming the first insulating
本実施の形態では、複数の第2の開口33Aの各々が楕円形状を有する場合を例に示しているが、第2の開口33Aの形状はこれには限定されず、曲線形状を有していれば良い。また、第2の絶縁膜33が複数の開口33Aを有する場合を例に示しているが、1つの開口を有していても良い。
In this embodiment, each of the plurality of
より具体的には、第2の開口33A形状は、上面から見て、直線と直線によって形成される角を有しないことが好ましい。例えば第2の開口33Aに四角形のような直線と直線によって形成される角が存在すると、その角部において、はんだ材と第2の絶縁膜33との間で応力集中が生じて割れや剥離が生じ易い。
More specifically, the shape of the
また、第2の開口33Aは一部に直線部を有してもよい。開口の形状が直線と曲線からなる場合は、直線と曲線のなす角が90度より大きいことが好ましい。
Further, the
また、第2の開口33Aは全て曲線で形成されていることが好ましく、楕円や円などでも良い。
Further, it is preferable that all of the
次に、図4A,4Bを参照して、本実施形態の半導体素子14の電極構造及びリード端子16の接続について説明する。図3Bに示す第2の開口33A内の金属層27上には、リード端子下はんだであるはんだ部15が形成されている。そして、リードフレームのリード端子16は、複数のはんだ部15に接続されている。
Next, the electrode structure of the
より詳細には、第2の絶縁膜33に設けられた複数の第2の開口33Aの各々内にはんだ部15が形成され、リード端子16の平板状の接合部16a(リード端子16の平板状の先端部)が、複数のはんだ部15に接続されている。
More specifically, the
また、図4A,4Bに示すように、リード端子16の接合部16aは、リード端子16が接合される第2の開口33Aの全面を覆わないように(すなわち、リード端子16が接合されるはんだ部15の表面の一部15Aが露出するように部分的に覆うように)、複数のはんだ部15に接続される。
In addition, as shown in FIGS. 4A and 4B, the
リード端子16がはんだ部15の全面を覆わない方が良い理由は、リード端子16がはんだ部15よりも外側にはみ出してオーバーハングが形成されると、はんだがリード端子16との間で鋭角に形成される箇所が生じ、当該箇所に応力が集中してはんだが剥がれるからである。
The reason why it is better for the
一方、図4A,4Bに示すように、はんだ部15の表面の一部15Aが露出するようにリード端子16が接続された場合では、応力集中箇所がなくなり、剥がれが生じない。また、はんだ部15の中央寄りの部分に応力集中箇所が生じても、変位が小さいので剥がれることはない。
On the other hand, as shown in FIGS. 4A and 4B, when the
なお、上記においては、はんだ部15が第2の開口33Aの全体を充填するように形成されている場合について説明した(図4A)。しかし、図4Cに示すように、はんだ部15が第2の開口33Aの一部を覆うように、すなわち第2の絶縁膜33との間に間隙を有するように形成されていてもよい。
In addition, the case where the
また、図4Dは、はんだ部15のはんだがリード端子16の接合部16aの先端部の外側(側面)、又は接合部16aの側部の外側(側面)に回り込んで接合部16aの先端側面16t、又は側部側面16sの一部を覆っているように構成されている場合を模式的に示す部分拡大断面図である。リード端子16の厚さをTA、接合部16aがはんだによって覆われる厚さをTBとした。
Further, in FIG. 4D, the solder of the
ここで、はんだがリード端子16の先端側面16t、又は側部側面16sを覆う割合(=TB/TA)は、20%以上が好ましい。これにより、強度が向上し、応力緩和効果も得られる。
Here, the ratio (=TB/TA) of the solder covering the
また、上記したように、リード端子16の側部側面16sがはんだ部15の表面の一部15Aが露出するように、すなわちはんだ部15を部分的に覆うように形成されていることが好ましい(図4A)。例えば、半導体素子14は封止樹脂で埋め込まれていてもよいが、リード端子16がはんだ部15の表面全体を覆ってオーバーハングが生じるように形成されていると、リード端子16の下に樹脂が入り込み、リード端子16の端部下に入り込んだ樹脂の垂直方向の熱応力により、剥がれが生じやすくなる。
Further, as described above, it is preferable that the
図5は、リード端子16の接合部16a(平板部)の面積に対する接合面積の割合(%)と熱抵抗との関係を示すグラフである。すなわち、縦軸は、接合部16a(平板部)の接合面積が100%の場合(すなわち、接合部16aの全面をはんだ部15とはんだ付けした場合)の熱抵抗を100(%)として示している。横軸は、接合部16aの接合面積の割合(%)を示している。このグラフから、接合部16aの面積に対する接合面積の割合を40%未満とすると熱抵抗が急速に増大すること、また接合面積の割合が40%以上であることが好ましいことが理解される。
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the ratio (%) of the bonding area to the area of the
なお、図4Bに示す場合では、リード端子16の先端部である接合部16aは、接合部16aの延伸方向に沿って配置された2つのはんだ部15に接合されて接続されている。換言すれば、リード端子16の先端部である接合部16aの延伸方向が、複数のはんだ部15の配置方向に沿うようにリード端子16の接合部16aの向きが定められ、複数のはんだ部15に接合部16aが接合されている。
In the case shown in FIG. 4B, the
本実施形態によれば、ポリイミド等の第2の絶縁膜(保護膜)は開口部の縁部が曲面形状を有し、半導体素子の発熱の際に第2の絶縁膜(保護膜)とはんだ接続材との間に生じる熱応力を低減し、またクラックが発生することを防止することができる。半導体素子が封止樹脂で覆われている場合は、保護膜とはんだ接続材と封止樹脂の間に生じる熱応力を低減することができる。また、リードフレーム下においては、はんだとリードフレームとに線膨張係数の差などにより生じる熱応力も、楕円状などの曲面形状とすることにより低減することができる。 According to this embodiment, the second insulating film (protective film) made of polyimide or the like has a curved edge at the opening, and when the semiconductor element generates heat, the second insulating film (protective film) and the solder It is possible to reduce the thermal stress generated between the connecting material and the connecting material, and also to prevent the occurrence of cracks. When the semiconductor element is covered with a sealing resin, thermal stress generated between the protective film, the solder connection material, and the sealing resin can be reduced. In addition, thermal stress caused by a difference in linear expansion coefficient between the solder and the lead frame under the lead frame can also be reduced by forming the lead frame into a curved shape such as an ellipse.
また、半導体素子表面の電極上にポリイミド等でパターニングされたガードリングとゲートランナーが設けられた場合においても、熱履歴を経ることによるポリイミド等の熱収縮により隙間が広がることを防止でき、性能及び信頼性を向上することができる。 Furthermore, even when guard rings and gate runners patterned with polyimide or the like are provided on the electrodes on the surface of the semiconductor element, it is possible to prevent gaps from widening due to heat shrinkage of the polyimide or the like due to thermal history, thereby improving performance and improving performance. Reliability can be improved.
また、リード端子との接合時や実動作時にはんだが広がり、応力集中、応力拡大点となり寿命を低下させる悪影響を低減することができる。 Further, during bonding with lead terminals or during actual operation, solder spreads, becomes a stress concentration and stress magnification point, and the negative effects of shortening life can be reduced.
半導体素子の表面構造として第2の絶縁膜33の開口33Aを楕円形状とした本実施形態の半導体モジュール10の信頼性(寿命)試験の結果を、第2の絶縁膜の開口の形状を矩形とした従来構造の場合と比較して図6に示す。なお、リード端子16とはんだとの接合面積を同一にし、矩形形状の開口部(従来構造)の面積と楕円形状の開口部(本実施形態)の面積とを同一として試験を行った。
The results of the reliability (lifetime) test of the
信頼性試験としてTjP/C試験を行い、一定の放熱を与えた状態での半導体素子の発熱による温度サイクル試験とした。半導体素子の温度を1秒間で25℃から175℃まで上昇させ、その後、9秒間かけて25℃まで降下させた条件を1サイクルとし、特性異常を検知するまでのサイクル数を測定することで信頼性(寿命)の比較を行った。 A TjP/C test was performed as a reliability test, and a temperature cycle test was performed using heat generated by the semiconductor element under a certain amount of heat radiation. Reliability is determined by measuring the number of cycles until a characteristic abnormality is detected, with one cycle being defined as raising the temperature of the semiconductor element from 25°C to 175°C in 1 second and then dropping it to 25°C over 9 seconds. A comparison was made in terms of gender (lifespan).
図6に示すように、本実施形態の半導体モジュールの信頼性(寿命)は、従来構造の場合と比較して約45%向上することが確認された。
[第2の実施形態]
図7は、リード端子16の接合部16aと複数のはんだ部15との他の接続形態を示す断面図である。本接続形態においては、リード端子の接合部16aは、その先端方向に金属層27に近づく向きに傾斜して複数のはんだ部15に接合されている。
As shown in FIG. 6, it was confirmed that the reliability (life span) of the semiconductor module of this embodiment was improved by about 45% compared to the case of the conventional structure.
[Second embodiment]
FIG. 7 is a sectional view showing another form of connection between the
また、リード端子16の接合部16aが接合されるはんだ部15が、接合部16aの先端の外側に回り込んで接合部16aの先端側面16tの一部を覆っているように構成されている。すなわち、接合部16aの先端側面16tを含む先端部がリード端子16の先端側に配されたはんだ部15Fに少なくとも部分的に埋め込まれ、接合部16aの後端が後端側のはんだ部15Rに接合されている。このようにリード端子16を保持することで、接合強度が増大され、またボイドなどの発生も低減される。
Further, the
また、図7に示すように、リード端子16の接合部16aは、リード端子16の立ち上がり部16bから折れ曲って形成されている。リード端子16の先端部(平板状の接合部16a及び平板状の立ち上がり部16b)の当該折れ曲がり部の角度(接合部16aと立ち上がり部16bのなす角度)θは90度以上(鈍角)であることが接合強度及び接合安定性の点で好ましい。
Further, as shown in FIG. 7, the
リード端子16はヒートサイクルなどの熱ストレスを受けると、はんだに垂直方向、せん断方向の熱応力を生じさせる。リード端子16に角度をつけると、垂直方向の応力(垂直成分)は低減する。なお、鋭角でも垂直方向成分は低減するが、リード端子16の長さが長くなり好ましくない。また、垂直方向の応力は、はんだ下部の表面電極24を加圧するので好ましくない。
When the
なお、リード端子16の接合部16aの先端側のはんだ部15Fと後端側のはんだ部15Rのはんだの厚さをそれぞれH2及びH1としたとき、H1>H2とすることが接合強度の点で好ましい。より具体的には、H1は、はんだ部15Rにおいて、リード端子16の接合部16aと表面電極24(又は金属層27)との距離が最も小さい箇所で測った厚さであり、H2は接合部16aの先端側のはんだ部15Fにおいて、リード端子16の接合部16aと表面電極24との距離が最も小さい箇所で測った厚さある。
In addition, when the thickness of the solder of the
より詳細には、熱履歴により、リード端子16からのせん断方向の応力が表面電極24にせん断力を印加する。H1>H2が好ましいのは、はんだは、リード端子16や半導体素子より柔らかく、応力が緩和するので、はんだの厚さを厚くすると、電極に加わる水平方向のせん断力は低下するからである。
More specifically, stress in the shearing direction from the
なお、リード端子16は半導体素子14から積層基板12のターミナルへと接続され、リード端子16の両方の角(接合部16aと立ち上がり部16bとのなす角度(θ)及び立ち上がり部16bと接続部分16cとのなす角度)を鈍角にすると、必然的にH1>H2となり、安定して配置されるので好ましい。
Note that the
本実施形態の半導体モジュールによれば、リード端子の接合強度を増大することができ、また、半導体素子の発熱の際に、リード端子の立ち上がり部の熱膨張・熱収縮により半導体素子に垂直方向に加わる熱応力を低減でき、信頼性を向上することができる。 According to the semiconductor module of the present embodiment, the bonding strength of the lead terminals can be increased, and when the semiconductor element generates heat, the rising portions of the lead terminals are thermally expanded and contracted in a direction perpendicular to the semiconductor element. Applied thermal stress can be reduced and reliability can be improved.
また、本実施形態の半導体モジュールによれば、高温連続動作時においても高い信頼性を得ることができる。また、大電流を小スペースで扱えることから高電力密度化が可能となり、パワー半導体モジュールの小型化・高出力化が可能となる。 Moreover, according to the semiconductor module of this embodiment, high reliability can be obtained even during continuous high temperature operation. Furthermore, since large currents can be handled in a small space, it becomes possible to increase power density, making it possible to downsize and increase the output of power semiconductor modules.
10 半導体モジュール
11 セラミック絶縁基板下はんだ
12 積層基板
12A 金属箔
12B セラミック絶縁基板
12C 回路層
13 半導体素子下はんだ
14 半導体素子
15 リード端子下はんだ
16 リード端子
16a リード端子16の接合部
17 ケース
18 封止樹脂
19 冷却器
23 半導体層
24 表面電極
25 第1の絶縁膜
25A 第1の開口
26 パッド電極
27 金属層
31 ゲートランナー
33 第2の絶縁膜
33A 第2の開口
10
Claims (6)
前記半導体素子が実装された積層基板と、
前記半導体素子の表面に形成された電極層と、
前記電極層上に形成され、第1の開口を有する第1の絶縁膜と、
前記第1の開口内に形成された金属層と、
前記第1の開口の縁部における前記第1の絶縁膜及び前記金属層を覆うように形成され、かつ前記金属層を露出し、前記金属層の露出側から見た形状が、なす角が90度より大きい直線と曲線でからなる形状、楕円、または円である第2の開口を有する第2の絶縁膜と、
前記第2の開口内に形成されたはんだ部と、を有する半導体モジュール。 a semiconductor element;
a laminated substrate on which the semiconductor element is mounted;
an electrode layer formed on the surface of the semiconductor element;
a first insulating film formed on the electrode layer and having a first opening;
a metal layer formed within the first opening;
It is formed to cover the first insulating film and the metal layer at the edge of the first opening, and exposes the metal layer, and the shape of the metal layer when viewed from the exposed side has an angle of 90 mm. a second insulating film having a second opening having a shape of a straight line and a curved line, an ellipse, or a circle that is larger than the angle ;
a solder portion formed within the second opening.
前記第2の開口は、各々内に前記はんだ部が形成された複数の第2の開口部を有し、前記リード端子の前記接合部は前記複数の第2の開口部の少なくとも1つのはんだ部に接続されている、請求項1に記載の半導体モジュール。 It further includes a lead terminal having a joint at its tip,
The second opening has a plurality of second openings each having the solder portion formed therein, and the joint portion of the lead terminal has a solder portion of at least one of the plurality of second openings. The semiconductor module according to claim 1, wherein the semiconductor module is connected to.
前記半導体素子が実装された積層基板と、
前記半導体素子の表面に形成された電極層と、
前記電極層上に形成され、第1の開口を有する第1の絶縁膜と、
前記第1の開口内に形成された金属層と、
前記第1の開口の縁部における前記第1の絶縁膜及び前記金属層を覆うように形成され、かつ前記金属層を露出し、曲線で囲まれた形状を有する第2の開口を有する第2の絶縁膜と、
前記第2の開口内に形成されたはんだ部と、
先端に接合部を有するリード端子を更に備え、
前記第2の開口は、各々内に前記はんだ部が形成された複数の第2の開口部を有し、前記リード端子の前記接合部は前記複数の開口部分の少なくとも1つのはんだ部に接続されており、
前記リード端子の前記接合部は、前記接合部が接合される前記第2の開口部内のはんだ部をその表面の一部が露出するように覆っている、半導体モジュール。 a semiconductor element;
a laminated substrate on which the semiconductor element is mounted;
an electrode layer formed on the surface of the semiconductor element;
a first insulating film formed on the electrode layer and having a first opening;
a metal layer formed within the first opening;
A second opening formed to cover the first insulating film and the metal layer at the edge of the first opening, exposing the metal layer, and having a second opening surrounded by a curved line. an insulating film,
a solder portion formed within the second opening;
It further includes a lead terminal having a joint at its tip,
The second opening has a plurality of second openings each having the solder portion formed therein, and the joint portion of the lead terminal is connected to the solder portion of at least one of the plurality of opening portions. and
In the semiconductor module, the bonding portion of the lead terminal covers a solder portion in the second opening to which the bonding portion is bonded so that a part of the surface thereof is exposed .
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