特許 5946128 パワーモジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5946128

(24)【登録日】2016年6月10日

(45)【発行日】2016年7月5日

(54)【発明の名称】パワーモジュール

(51)【国際特許分類】

   H01L 25/07 20060101AFI20160621BHJP

   H01L 25/18 20060101ALI20160621BHJP

【ＦＩ】

   H01L25/04 C

【請求項の数】4

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2012-138760(P2012-138760)

(22)【出願日】2012年6月20日

(65)【公開番号】特開2014-3218(P2014-3218A)

(43)【公開日】2014年1月9日

【審査請求日】2015年5月15日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004606

【氏名又は名称】ニチコン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000475

【氏名又は名称】特許業務法人みのり特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】村山 修一

(72)【発明者】

【氏名】坂根 政男

(72)【発明者】

【氏名】張 聖徳

【審査官】 豊島 洋介

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−０７０８６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２８５８１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０３４２３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−０５６８７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１９５７４２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ２３／２８−２３／３１

２５／００−２５／０７

２５／１０−２５／１１

２５／１６−２５／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１金属配線層が表面に設けられ、セラミック材料からなる第１基板と、
前記第１金属配線層に対向配置された第２金属配線層が表面に設けられ、セラミック材料からなる第２基板と、
表面側電極が前記第２金属配線層に半田接続され、かつ裏面側電極が前記第１金属配線層に半田接続された半導体チップとを備え、
前記第１基板と前記第２基板との間にエポキシ樹脂が充填されており、かつ、
前記エポキシ樹脂の熱膨張係数をα_Ｃ、前記エポキシ樹脂の弾性率をＥ_Ｃ、前記第１基板および前記第２基板の熱膨張係数をα_Ａとし、前記エポキシ樹脂に対するフィラーの添加量を変えたときの熱膨張係数α_Ｃおよび弾性率Ｅ_Ｃの関係式が“Ｅ_Ｃ＝−Ａα_Ｃ＋Ｂ”であるとき、前記エポキシ樹脂の熱膨張係数α_Ｃが、“α_Ａ／２＋Ｂ／２Ａ−３”以上、かつ“α_Ａ／２＋Ｂ／２Ａ＋３”以下であることを特徴とするパワーモジュール。

【請求項2】

前記第１基板および前記第２基板の裏面に金属層が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。

【請求項3】

前記金属層を介して、前記第１基板の裏面および前記第２基板の裏面にそれぞれ放熱フィンが設けられていることを特徴とする請求項２に記載のパワーモジュール。

【請求項4】

前記エポキシ樹脂の熱膨張係数α_Ｃが、“α_Ａ／２＋Ｂ／２Ａ”であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のパワーモジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体チップの表裏面にそれぞれ基板を半田接続したパワーモジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

従来の一般的なパワーモジュールとしては、例えば図８に記載のものが知られている。同図に示すように、従来のパワーモジュール１００は、基板１０１と、該基板１０１表面の金属配線層１０２に半田接続された複数の半導体チップ１０３（一例として、ＩＧＢＴ１０３ａ、ダイオード１０３ｂ）と、基板１０１の裏面側に設けられた放熱フィン１０８と、基板１０１を収容するハウジングとしての樹脂ケース１０４を備えている。

【0003】

各半導体チップ１０３の表面電極は、金属配線層１０２の電極部１０５、他の半導体チップ１０３の表面電極または樹脂ケース１０４に設けられた電極部１０６にアルミニウムワイヤ（ＡＬワイヤ）でボンディングされている。樹脂ケース１０４にはリードがインサート成形されており、これにより樹脂ケース１０４の電極部１０６が外部に引き出されている。また、樹脂ケース１０４内は、硬化した後も柔軟な充填樹脂１０７（例えば、シリコンゲル）が充填されている。充填樹脂１０７を充填するのは、耐環境性能を高めるためである。充填樹脂１０７の充填は、上記ＡＬワイヤボンディングの後に行われる。

【0004】

ところで、このパワーモジュール１００では、主に放熱フィン１０８により半導体チップ１０３の放熱が行われるが、半導体チップ１０３と放熱フィン１０８の間には基板１０１が存在しているため放熱効率が悪いという問題があった。なお、半導体チップ１０３の放熱はＡＬワイヤを介しても行われるが、その放熱量は微量である。

【0005】

また、このパワーモジュール１００では、ボンディング性を考慮して線径１００〜５００μｍのＡＬワイヤが用いられるが、該ＡＬワイヤの許容電流条件を満たし、かつ半導体チップ１０３に必要な電流を供給するためには、１電極あたりのワイヤ本数を複数本にしなければならず、生産性が低いという問題もあった。

【0006】

そこで、図９に示すように、特許文献１に記載のパワーモジュール２００は、第１の基板２０１と、第１の基板２０１に対向する第２の基板２０２と、第１の基板２０１上に接続された半導体チップ２０４と、半導体チップ２０４の表面電極と第２の基板２０２に設けられた回路パターンとを接続する球状の接続導体２０３と、第１の基板２０１および第２の基板２０２の間に充填されたゲル状絶縁耐熱性充填材（不図示）とを備えている。

【0007】

このパワーモジュール２００によれば、複数本のＡＬワイヤをボンディングしなくても接続導体２０３を通じて十分な電流を供給することができるので、生産性を向上させることができる。また、このパワーモジュール２００によれば、第１の基板２０１および第２の基板２０２の両方に放熱フィンを取り付けることにより、放熱効率を高めることもできる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２００５−１９７４３５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

ところで、パワーモジュール２００では、当該パワーモジュール２００を構成する部材の熱膨張係数の違い、より具体的には、基板２０１、２０２、半導体チップ２０４および充填樹脂（不図示）の熱膨張係数の違いにより、半導体チップ２０４と第２の基板２０２とを接続する接続導体２０３に応力が集中し、クラック等の異常が発生することがしばしば問題になる。また、近年では、上記接続導体２０３が接続される半導体チップ２０４上の電極（例えば、ＡＬ−１．２％Ｓｉパッド）が熱疲労により損傷し、半導体チップ２０４の機能が損なわれることも問題視され始めている。

【0010】

この点、従来のパワーモジュール２００では、接続導体２０３に可撓性をもたせることで、１つ目の問題である接続導体２０３におけるクラックの発生を防いでいる。しかしながら、２つ目の問題である電極の損傷に対しては、別途対策が必要とされているが、これについて有効な対策が講じられている状況とはいえなかった。したがって、従来のパワーモジュール２００では、電極に熱疲労が蓄積した結果、半導体チップ２０４が損傷するおそれがあった。

【0011】

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、接続導体にクラック等の異常が発生するのを防ぐだけでなく、熱疲労による半導体チップの損傷をも防ぐことができるパワーモジュールを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0012】

上記課題を解決するために、本発明に係るパワーモジュールは、第１金属配線層が表面に設けられ、セラミック材料からなる第１基板と、第１金属配線層に対向配置された第２金属配線層が表面に設けられ、セラミック材料からなる第２基板と、表面側電極が第２金属配線層に半田接続され、かつ裏面側電極が第１金属配線層に半田接続された半導体チップとを備え、第１基板と第２基板との間にエポキシ樹脂が充填されており、かつ、エポキシ樹脂の熱膨張係数をα_Ｃ、エポキシ樹脂の弾性率をＥ_Ｃ、第１基板および第２基板の熱膨張係数をα_Ａとし、エポキシ樹脂に対するフィラーの添加量を変えたときの熱膨張係数α_Ｃおよび弾性率Ｅ_Ｃの関係式が“Ｅ_Ｃ＝−Ａα_Ｃ＋Ｂ”であるとき、エポキシ樹脂の熱膨張係数α_Ｃが、“α_Ａ／２＋Ｂ／２Ａ−３”以上、かつ“α_Ａ／２＋Ｂ／２Ａ＋３”以下であることを特徴とする。

【0013】

この構成では、半導体チップの裏面側電極が第１基板（セラミック基板）の表面に形成された第１金属配線層に半田接続され、半導体チップの表面側電極が第２基板（セラミック基板）の表面に形成された第２金属配線層に半田接続されている。このため、半導体チップからの発熱を表裏面から第１および第２基板に効率良く放熱させることができる。一方、このように半導体チップの表裏面を基板（第１および第２基板）に半田接続した場合には、特に「発明が解決しようとする課題」の項に記載したように熱疲労により半導体チップが損傷するおそれがある。これに対し、本発明によれば、第１基板と第２基板との間に充填する充填樹脂として、エポキシ樹脂を使用している。通常、エポキシ樹脂は、パワーモジュールの充填樹脂として多用されているシリコン系樹脂よりも弾性率が高く、また、半導体チップ、第１基板および第２基板を構成するセラミック材料よりも熱膨張係数が大きい。したがって、この構成によれば、高温時における半導体チップの膨張をエポキシ樹脂の膨張によって抑え込み（押し戻し）、半導体チップにおける応力を低減することができる。すなわち、この構成によれば、半導体チップに応力がかかることによって起こる、半導体チップの損傷を防ぐことができる。
また、この構成によれば、半導体チップにおける応力がほぼ最小化されるので、昇降温を１万回繰り返しても半導体チップが損傷することはない。

【0014】

上記パワーモジュールは、第１基板および第２基板の裏面に金属層が設けられていること、および、金属層を介して第１基板の裏面および第２基板の裏面にそれぞれ放熱フィンが設けられていることが好ましい。

【0015】

この構成によれば、半導体チップから発せられた熱を金属層によって素早く面内方向に拡散させ、放熱フィンによって効率的に放熱させることができる。

【0018】

また、上記パワーモジュールは、エポキシ樹脂の熱膨張係数α_Ｃが“α_Ａ／２＋Ｂ／２Ａ”であることが特に好ましい。

【0019】

この構成によれば、半導体チップにおける応力が最小化されるので、半導体チップの損傷をより確実に防ぐことができる。

【0020】

なお、本明細書で使用する用語「エポキシ樹脂」は、弾性率が１［ＧＰａ］以上である一般的なエポキシ樹脂を意味する。弾性率が１［ＧＰａ］を下回るような特殊なものは本発明で使用する「エポキシ樹脂」に含まれないので注意されたい。

【発明の効果】

【0021】

本発明によれば、接続導体にクラック等の異常が発生するのを防ぐだけでなく、熱疲労による半導体チップの損傷をも防ぐことができるパワーモジュールを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】本発明に係るパワーモジュールの平面図、および断面図である。

【図2】本発明に係るパワーモジュールにおいて、熱膨張係数α_Ｃが半導体チップの膨張に与える影響を説明するための図である。

【図3】本発明に係るパワーモジュールで使用するエポキシ樹脂の熱膨張係数α_Ｃと弾性率Ｅ_Ｃの関係を示すグラフである。

【図4】本発明に係るパワーモジュールで使用するエポキシ樹脂の熱膨張係数α_Ｃと実際のチップ応力σ_Ｂ’の関係を示すグラフである。

【図5】本発明に係るパワーモジュールの応力マップである。

【図6】ＡＬ−１．２％ＳｉのＳ−Ｎ曲線である。

【図7】本発明に係るパワーモジュールで使用するエポキシ樹脂の熱膨張係数α_Ｃと実際のチップ応力σ_Ｂ’の関係を示すグラフである。

【図8】従来のパワーモジュールの平面図、および断面図である。

【図9】従来の別のパワーモジュールの断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下、添付図面を参照しながら、本発明に係るパワーモジュールの実施形態について説明する。

【0024】

［パワーモジュールの全体構成］

【0025】

図１（Ａ）に本発明の一実施形態に係るパワーモジュールの平面図、図１（Ｂ）に断面図を示す。ただし、図１（Ａ）では理解を容易にするために一部の部材（後述する第２基板４、第２金属配線層５、第２放熱フィン９、金属層１６）を省略している。また、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＡ−Ａ’断面図である。

【0026】

図１に示すように、本実施形態に係るパワーモジュール１は、表面に第１金属配線層３が形成された第１基板２と、表面に第２金属配線層５が形成された第２基板４と、表面側電極が第２金属配線層５に半田接続され、かつ裏面側電極が第１金属配線層３に半田接続された複数の半導体チップ６と、第１基板２および第２基板４を収容するハウジングとしての樹脂ケース７と、金属層１５を介して第１基板２の裏面に取り付けられた第１放熱フィン８と、金属層１６を介して第２基板４の裏面に取り付けられた第２放熱フィン９と備えている。

【0027】

半導体チップ６は、ＩＧＢＴ６ａおよびダイオード６ｂを含んでいる。このうち、ＩＧＢＴ６ａは、表面側電極としてのエミッタ端子およびゲート端子が第２金属配線層５に接続され、裏面側電極としてのコレクタ端子が第１金属配線層３に接続されている。また、ダイオード６ｂは、表面側電極としてのアノード端子が第２金属配線層５に接続され、裏面側電極としてのカソード端子が第１金属配線層３に接続されている。半導体チップ６としては、この他、ＭＯＳＦＥＴ等を使用することができる。使用する半導体チップ６の種別は、パワーモジュール１の特性等に応じて適宜決定される。

【0028】

第１基板２および第２基板４は、例えば、アルミナ系セラミック、窒化アルミニウム、窒化珪素等のセラミック材料からなり、平面視矩形状を有している。樹脂ケース７との接続部を設けるために、第２基板４は第１基板２より長辺寸法が大きくなっている。

【0029】

第１金属配線層３は、第１基板２の表面に銅、アルミニウム等の金属をメタライズすることにより形成したもので、その最表面には、半田に対する濡れ性を向上させるためのＮｉめっきまたはＡｕめっきが施されている。また、第１金属配線層３には、ＩＧＢＴ６ａを接続するための電極パッド３ａ、ダイオード６ｂを接続するための電極パッド３ｂ、金属球１０を接続するための第１電極パッド３ｃおよび各電極パッドを相互に接続する配線部（不図示）が含まれている。

【0030】

第２金属配線層５は、第１金属配線層３と同様に形成される。また、第２金属配線層５には、ＩＧＢＴ６ａを接続するための電極パッド５ａ、ダイオード６ｂを接続するための電極パッド５ｂ、金属球１０を接続するための第２電極パッド５ｃ、各電極パッドを相互に接続する配線部（不図示）、および外部引出パッド５ｄが含まれている。このうち、第２電極パッド５ｃは第１電極パッド３ｃに対向した位置に設けられ、その形状および寸法は第１電極パッド３ｃの形状および寸法と同一である。

【0031】

第１基板２および第２基板４の間には、充填樹脂１１が充填されている。本実施形態に係るパワーモジュール１では、フィラーを添加することにより熱膨張係数α_Ｃが調整されたエポキシ樹脂を充填樹脂１１とした。エポキシ樹脂の熱膨張係数α_Ｃについては、後で詳細に説明する。

【0032】

樹脂ケース７は、外部接続リード１２を一体成型したインサートケースとなっており、図１（Ｂ）に示すように、樹脂ケース７の内側に設けられた内部接続端子１３（外部接続リード１２の一端）および第２基板４に形成された外部引出パッド５ｄは、屈曲部を有する接続ダンパリード１４により接続されている。また、接続ダンパリード１４周辺には、エポキシ樹脂ではなく柔軟性の高いシリコン樹脂が充填されている。屈曲部を有する接続ダンパリード１４で接続を行ったのは、樹脂ケース７とセラミック材料からなる第１基板２および第２基板４の熱膨張係数差に起因する応力を吸収させるためである。

【0033】

第１放熱フィン８および第２放熱フィン９は、放熱接着剤により第１基板２および第２基板４の裏面に形成された金属層１５、１６にそれぞれ接続されている。第１放熱フィン８および第２放熱フィン９の材料は、ＡＬ系合金、銅系合金、セラミック系合金から適宜選択することができる。特に、セラミック系合金を選択した場合は、第１基板２および第２基板４との熱膨張係数差が少なく、接続部にかかる応力が低くなるという利点がある。放熱接着剤としてはシリコングリースを使用するのが一般的であるが、これには限定されない。

【0034】

第１基板２と第１放熱フィン８の間に金属層１５を配置したのは、半導体チップ６から発せられた熱を面内方向に素早く拡散させるためである。第２基板４と第２放熱フィン９の間に金属層１６を配置したのも同じ理由からである。

【0035】

第１電極パッド３ｃおよび第２電極パッド５ｃの間には、双方に接する金属球１０が備えられている。パワーモジュール１は、この金属球１０を備えたことにより、第１電極パッド３ｃと第２電極パッド５ｃとの間で数１０Ａオーダーの大電流を通流させることが可能である。

【0036】

本実施形態では、大電流を通流させた際の発熱を抑えるために、電気伝導率が高い銅を金属球１０の主材料としたが、金属球１０を構成する金属は、銀（Ａg）または高純度アルミニウムを主材料としたものであってもよい。なお、金属球１０は、半田との濡れ性を向上させるための表面処理がなされていることが好ましい。このような表面処理としては、例えば、Ｓｎ系メッキ、Ａｇ系メッキ等がある。

【0037】

第１電極パッド３ｃおよび第２電極パッド５ｃは半田でも接続されており、図１（Ｂ）に示すように、金属球１０はこの半田の内部に収容されている。

【0038】

［熱膨張係数α_Ｃの決定方法］
上記の通り、本実施形態に係るパワーモジュール１では、充填樹脂１１として、フィラーを添加することにより熱膨張係数α_Ｃが調整されたエポキシ樹脂が使用される。また、本実施形態に係るパワーモジュール１では、高温時における半導体チップ６の膨張をエポキシ樹脂１１の膨張によって抑え込むことにより、半導体チップ６における応力を低減し、半導体チップ６の損傷が防がれる。すなわち、本発明においては、エポキシ樹脂１１の熱膨張係数α_Ｃをどのような値にするのかが非常に重要である。以下、熱膨張係数α_Ｃの決定方法について、順を追って説明する。

【0039】

まず、図２を参照して、エポキシ樹脂１１の熱膨張係数α_Ｃが半導体チップ６の膨張にどのように影響するのかについて説明する。

【0040】

図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示されているパワーモジュール１の一部分を抽象化した図である。図２（Ｂ）に示すように、パワーモジュール１は、第１基板２および第２基板４に相当する２つの基板部Ａと、半導体チップ６に相当する半導体チップ部Ｂと、エポキシ樹脂１１に相当するエポキシ樹脂部Ｃとに分かれている。

【0041】

図２（Ｃ）は、エポキシ樹脂部Ｃが存在しないと仮定した場合の図である。この場合、半導体チップ部Ｂにおける応力（以下、チップ応力という）σ_Ｂは、次式で表される。

σ_Ｂ［ＭＰａ］＝Ｅ_Ｂ・（α_Ｂ−α_Ａ）・ΔＴ ・・・（１）

ここで、Ｅ_Ｂは半導体チップ部Ｂの弾性率、α_Ａは基板部Ａの熱膨張係数（通常、５〜８［ｐｐｍ／℃］）、α_Ｂは半導体チップ部Ｂの熱膨張係数（通常、２〜４［ｐｐｍ／℃］）である。

【0042】

基板部Ａの熱膨張係数α_Ａは、半導体チップ部Ｂの熱膨張係数α_Ｂよりも大きい。したがって、高温になると、半導体チップ部Ｂは基板部Ａによって強制的に引っ張られ、横方向に延びる。これにより、半導体チップ部Ｂに上記チップ応力σ_Ｂが発生する。

【0043】

高温になると、エポキシ樹脂部Ｃにも応力が発生する。すなわち、半導体チップ部Ｂが存在しないと仮定すると（図２（Ｄ）参照）、エポキシ樹脂部Ｃには、次式で表される応力（以下、樹脂応力という）σ_Ｃが発生する。

σ_Ｃ［ＭＰａ］＝Ｅ_Ｃ・（α_Ｃ−α_Ａ）・ΔＴ ・・・（２）

ここで、Ｅ_Ｃはエポキシ樹脂部Ｃの弾性率、α_Ａは基板部Ａの熱膨張係数（通常、５〜８［ｐｐｍ／℃］）、α_Ｃはエポキシ樹脂部Ｃの熱膨張係数（通常、１０〜２０［ｐｐｍ／℃］）である。

【0044】

基板部Ａの熱膨張係数α_Ａは、エポキシ樹脂部Ｃの熱膨張係数α_Ｃよりも小さい。したがって、高温になると、エポキシ樹脂部Ｃは基板部Ａによって膨張が制限される。これにより、エポキシ樹脂部Ｃに上記樹脂応力σ_Ｃが発生する。

【0045】

なお、半導体チップ部Ｂおよびエポキシ樹脂部Ｃは、第１基板２に相当する基板部Ａと第２基板４に相当する基板部Ａとによって挟み込まれているので、上下方向にはほとんど延びない。すなわち、本発明では、横方向への延びだけを考慮すればよい。

【0046】

図２（Ａ）に示す、２つの基板部Ａの間に半導体チップ部Ｂおよびエポキシ樹脂部Ｃが挟み込まれている実際のモデルにおいては、半導体チップ部Ｂおよびエポキシ樹脂部Ｃが互いに影響を及ぼし合うので、チップ応力σ_Ｂは（１）式の通りにはならない。すなわち、図２（Ａ）に示す実際のモデルでは、基板部Ａに引っ張られることによる半導体チップ部Ｂの延びがエポキシ樹脂部Ｃの膨張によって抑え込まれ（押し戻され）、その結果、実際のチップ応力σ_Ｂ’は、（１）式に示すσ_Ｂよりも小さくなる。

【0047】

次に、実際のチップ応力σ_Ｂ’を最小化するための条件について検討する。

【0048】

実際のチップ応力σ_Ｂ’を最小化するためには、（２）式に含まれる“Ｅ_Ｃ・（α_Ｃ−α_Ａ）”を最大にする必要があると考えられる。この部分には、エポキシ樹脂部Ｃの弾性率Ｅ_Ｃ、エポキシ樹脂部Ｃの熱膨張係数α_Ｃおよび基板部Ａの熱膨張係数α_Ａが含まれているが、このうち、基板部Ａの熱膨張係数α_Ａは選定した基板の材料によって決定されるので、結局、実際のチップ応力σ_Ｂ’を最小化するためには、エポキシ樹脂部Ｃの弾性率Ｅ_Ｃおよび熱膨張係数α_Ｃを大きくする必要がある。ここで、熱膨張係数α_Ｃは大きければよいという訳でなく、エポキシ樹脂部Ｃの弾性率Ｅ_Ｃとの兼ね合いの中で最適化することが必要となる。

【0049】

エポキシ樹脂部Ｃの弾性率Ｅ_Ｃおよび熱膨張係数α_Ｃは、フィラーの添加量によって調整することができる。しかしながら、図３に示すように、熱膨張係数α_Ｃおよび弾性率Ｅ_Ｃはトレードオフの関係にあり、フィラーの添加量を減らして熱膨張係数α_Ｃを大きくすると弾性率Ｅ_Ｃが下がり、反対に、フィラーの添加量を増やして弾性率Ｅ_Ｃを大きくすると熱膨張係数α_Ｃが下がってしまう。したがって、実際のチップ応力σ_Ｂ’を最小化するためには、最適な熱膨張係数α_Ｃ（および弾性率Ｅ_Ｃ）を見つけ出さなければならない。

【0050】

最適な熱膨張係数α_Ｃは、以下のステップにより求めることができる。

【0051】

まず、熱膨張係数α_Ｃと弾性率Ｅ_Ｃの関係を表す一次の関係式を求める。例えば、図３に示すグラフからは、次の関係式が求められる。

Ｅ_Ｃ［ＭＰａ］＝−１０７５．８・α_Ｃ＋３３５８８ ・・・（３）

上式を定数Ａ、Ｂを用いて書き換えると、次式となる。

Ｅ_Ｃ［ＭＰａ］＝−Ａ・α_Ｃ＋Ｂ ・・・（４）

【0052】

次に、（４）式を“Ｅ_Ｃ・（α_Ｃ−α_Ａ）”に代入し、次式を得る。

Ｅ_Ｃ・（α_Ｃ−α_Ａ）
＝（−Ａ・α_Ｃ＋Ｂ）・（α_Ｃ−α_Ａ）
＝−Ａ・α_Ｃ^２＋（Ｂ＋α_Ａ・Ａ）・α_Ｃ−α_Ａ・Ｂ ・・・（５）

【0053】

（５）式が最大値をとるのは、（５）式を微分したものが“０”になるときである。すなわち、次式が成立するときである。

−２Ａ・α_Ｃ＋Ｂ＋α_Ａ・Ａ＝０ ・・・（６）

これを、エポキシ樹脂部Ｃの熱膨張係数α_Ｃについて解くと、次式が得られる。

α_Ｃ＝α_Ａ／２＋Ｂ／２Ａ ・・・（７）

すなわち、エポキシ樹脂部Ｃの熱膨張係数α_Ｃが“α_Ａ／２＋Ｂ／２Ａ”であるとき、実際のチップ応力σ_Ｂ’は最小となる。

【0054】

具体的には、基板部Ａの熱膨張係数α_Ａが５［ｐｐｍ／℃］である場合は、定数Ａ＝１０７５．８、定数Ｂ＝３３５８８なので、エポキシ樹脂部Ｃの最適な熱膨張係数α_Ｃは、１８．１［ｐｐｍ／℃］となる。一方、基板部Ａの熱膨張係数α_Ａが８［ｐｐｍ／℃］である場合は、熱膨張係数α_Ｃの最適値は１９．６［ｐｐｍ／℃］となる。

【0055】

続いて、上記方法で決定した熱膨張係数α_Ｃにより、実際のチップ応力σ_Ｂ’を最小化することができるのかについて検証した結果について説明する。なお、以下の検証では、有限要素法によるＣＡＥ解析を用いた。また、基板部Ａの熱膨張係数α_Ａは５［ｐｐｍ／℃］とした。

【0056】

図４に、エポキシ樹脂部Ｃの熱膨張係数α_Ｃを８〜２１［ｐｐｍ／℃］まで変化させたときのチップ応力σ_Ｂ’の検証結果を示す。同図に示すように、横軸である“Ｅ_Ｃ・（α_Ｃ−α_Ａ）”が最大となるところでチップ応力σ_Ｂ’は最小に近い値を示し、エポキシ樹脂部Ｃの熱膨張係数α_Ｃをさらに大きくしていくと、チップ応力σ_Ｂ’が増大していくことが分かる。すなわち、チップ応力σ_Ｂ’は、エポキシ樹脂部Ｃの熱膨張係数α_Ｃの増加に伴って初めのうちは減少していくが、“Ｅ_Ｃ・（α_Ｃ−α_Ａ）”がほぼ最大となるあるポイント（変曲点）を境に増大に転じることが明らかになった。また、チップ応力σ_Ｂ’が最小となるとき、エポキシ樹脂１１の熱膨張係数α_Ｃは約１８［ｐｐｍ／℃］であり、上記計算の結果とほぼ一致した。

【0057】

図５（Ｂ）は、エポキシ樹脂部Ｃの熱膨張係数α_Ｃを１８．１［ｐｐｍ／℃］に設定し、１２５℃まで昇温させたときの応力マップである。この応力マップでは、応力の高い部分が白っぽく表され、反対に、応力の低い部分が黒っぽく表されている。同図に示すように、第１基板２、第２基板４およびエポキシ樹脂１１は白っぽい部分が多く、応力が高いが、半導体チップ６は黒っぽい部分が多く、応力が低かった。これは、エポキシ樹脂部Ｃの熱膨張係数α_Ｃを上記方法で最適化したことにより、半導体チップ６における実際のチップ応力σ_Ｂ’が低減されたことを示している。一方、熱膨張係数α_Ｃを１８．１［ｐｐｍ／℃］よりも小さくした場合（図５（Ａ）参照）および大きくした場合（図５（Ｃ）参照）は、図５（Ｂ）に比べて半導体チップ６が白っぽくなった。これは、半導体チップ６における実際のチップ応力σ_Ｂ’が、熱膨張係数α_Ｃを１８．１［ｐｐｍ／℃］に設定した場合よりも高いことを示している。

【0058】

最後に、エポキシ樹脂部Ｃの熱膨張係数α_Ｃの好適な範囲について検討する。

【0059】

図６は、岡山理科大学工学部の金谷輝人氏らが作成した、半導体チップ６の電極に使用されるＡＬ−１．２％ＳｉのＳ−Ｎ曲線である（「ＡＬ−１．２％合金の時効処理による粒界近傍の組織変化と疲労強度」、軽金属、巻５０、号１２、頁６５０−６５４より引用）。この曲線は、温度サイクル（横軸）と限界応力σ_ＭＡＸ（縦軸）の関係を示している。熱疲労による半導体チップ６の電極の損傷を防ぐためには、実際のチップ応力σ_Ｂ’がこの曲線で示されている限界応力σ_ＭＡＸを超えないようする必要がある。一般に、半導体機器では、−４０℃〜１２５℃の温度サイクルを想定した場合、１千回の温度サイクルに耐え得ることが求められている。しかし、本発明のようなパワーモジュールの場合、さらに上限温度が１７５℃までの過酷な環境が要求され、コフィン・マンソンの寿命予測式からは、−４０℃〜１７５℃の１千回の温度サイクルは、−４０℃〜１２５℃の１万回の温度サイクルに相当する。このため、上限温度１７５℃の使用環境を想定した場合は、−４０℃〜１２５℃で１万回の温度サイクルに耐え得ることが求められる。したがって、本実施形態に係るパワーモジュール１では、実際のチップ応力σ_Ｂ’が４８［ＭＰａ］を超えないようにしなければならない。

【0060】

図７は、図４に４８［ＭＰａ］を示すラインを書き加えたものである。上記の通り、実際のチップ応力σ_Ｂ’が最も低くなる熱膨張係数α_Ｃの最適値は約１８［ｐｐｍ／℃］であるが、図７に示すように、この値に±３［ｐｐｍ／℃］を加えた１５〜２１［ｐｐｍ／℃］の範囲内であれば、実際のチップ応力σ_Ｂ’が４８［ＭＰａ］を超えるのを防ぐことができる。すなわち、エポキシ樹脂部Ｃの熱膨張係数α_Ｃが“α_Ａ／２＋Ｂ／２Ａ−３”以上、かつ“α_Ａ／２＋Ｂ／２Ａ＋３”以下であれば、熱疲労による半導体チップ６の損傷を防ぐことができる。

【0061】

［変形例］
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこの構成に限定されるものではない。

【0062】

例えば、上記実施形態では、金属層１５、１６を介して第１基板２および第２基板４の裏面に第１放熱フィン８および第２放熱フィン９を備えたが、金属層１５、１６および放熱フィン８、９は適宜省略することができる。また、上記実施形態では、第１基板２および第２基板４を金属球１０で接続したが、これも適宜省略することができる。

【0063】

この他、上記実施形態では、熱膨張係数と弾性率に図３に示す関係があるエポキシ樹脂、すなわち、定数Ａが１０７５．８であり、かつ定数Ｂが３３５８８であるエポキシ樹脂を用いたが、定数Ａと定数Ｂの値はこれに限定されない。

【符号の説明】

【0064】

１ パワーモジュール
２ 第１基板
３ 第１金属配線層
３ａ 電極パッド（ＩＧＢＴ用）
３ｂ 電極パッド（ダイオード用）
３ｃ 第１電極パッド（金属球用）
４ 第２基板
５ 第２金属配線層
５ａ 電極パッド（ＩＧＢＴ用）
５ｂ 電極パッド（ダイオード用）
５ｃ 第２電極パッド（金属球用）
５ｄ 外部引出パッド
６ 半導体チップ
６ａ ＩＧＢＴ
６ｂ ダイオード
７ 樹脂ケース
８ 第１放熱フィン
９ 第２放熱フィン
１０ 金属球
１１ 充填樹脂（エポキシ樹脂）
１２ 外部接続リード
１３ 内部接続端子
１４ 接続ダンパリード
１５ 金属層
１６ 金属層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図5】