特許第6160542号(P6160542)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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(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】6160542
(24)【登録日】2017年6月23日
(45)【発行日】2017年7月12日
(54)【発明の名称】半導体装置
(51)【国際特許分類】
   H01L 25/07 20060101AFI20170703BHJP
   H01L 25/18 20060101ALI20170703BHJP
   H01L 23/12 20060101ALI20170703BHJP
【FI】
   H01L25/04 C
   H01L23/12 J
【請求項の数】2
【全頁数】11
(21)【出願番号】特願2014-76923(P2014-76923)
(22)【出願日】2014年4月3日
(65)【公開番号】特開2015-198216(P2015-198216A)
(43)【公開日】2015年11月9日
【審査請求日】2016年3月15日
(73)【特許権者】
【識別番号】000005234
【氏名又は名称】富士電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100092152
【弁理士】
【氏名又は名称】服部 毅巖
(72)【発明者】
【氏名】仲野 逸人
【審査官】 井上 和俊
(56)【参考文献】
【文献】 国際公開第2011/083737(WO,A1)
【文献】 特開昭62−291932(JP,A)
【文献】 特開2005−051157(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01L 25/07
H01L 23/12
H01L 25/18
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
絶縁基板と、
劈開性を有し、前記絶縁基板の主面上に配置された半導体素子と、
金属箔が表裏面にそれぞれ形成され、前記絶縁基板の前記主面に対向配置されたプリント基板と、
前記表裏面に形成された前記金属箔の少なくとも一方と、前記半導体素子の主電極の少なくとも一つとを電気的に接続するポスト電極と、
前記絶縁基板と前記プリント基板との間隙に充填された封止樹脂と、
を有し、
半導体装置は上面視で矩形状であって、
前記半導体素子は、前記半導体素子の劈開方向を前記半導体装置に発生した最大応力の方向である前記半導体装置の長手方向に向けて前記絶縁基板に配置される、
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項2】
前記半導体素子は、炭化シリコンを主成分とする、
ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
半導体装置に関する。
【背景技術】
【0002】
インバータ装置、無停電電源装置、工作機械、産業用ロボット等では、その本体装置とは独立して半導体装置(汎用モジュール)が使用されている。
このような半導体装置は、例えば、絶縁基板上に半田材を介してパワー半導体素子が配置されており、当該パワー半導体素子上に、ポスト電極が形成されたフレキシブルプリント基板が配置されて、パワー半導体素子の所定の電極に各ポスト電極を半田(接合材)により電気的に接合されている。半導体装置は、さらに、パワー半導体素子が配置された絶縁基板と、フレキシブルプリント基板とが樹脂で封止されて構成される(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
また、当該半導体装置は、外部環境温度の変化に応じて半導体装置の構成部材がそれぞれ変形し、モジュール内部に過大な応力が発生してしまう。このため、半導体装置内のパワー半導体素子が損傷を受けて、半導体装置が故障してしまう怖れがある。そこで、半導体装置を構成する部材の各熱膨張係数の差をできる限り小さくすることで、モジュール内部に発生する応力を最小化することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2009−64852号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかし、上記のように、半導体装置を構成する部材の熱膨張係数の差を小さくするには限界があり、熱膨張係数の差を完全になくすことはできない。このため、特に、高温または低温の過酷な環境下では、モジュール内部の過大な応力がパワー半導体素子に集中し、損傷を与えてしまい、半導体装置が故障してしまうという問題点があった。
【0006】
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、環境温度の変化に対する信頼性が向上した半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明では、絶縁基板と、劈開性を有し、前記絶縁基板の主面上に配置された半導体素子と、金属箔が表裏面にそれぞれ形成され、前記絶縁基板の前記主面に対向配置されたプリント基板と、前記表裏面に形成された前記金属箔の少なくとも一方と、前記半導体素子の主電極の少なくとも一つとを電気的に接続するポスト電極と、前記絶縁基板と前記プリント基板との間隙に充填された封止樹脂と、を有し、半導体装置は上面視で矩形状であって、前記半導体素子は、前記半導体素子の劈開方向を前記半導体装置に発生した最大応力の方向である前記半導体装置の長手方向に向けて前記絶縁基板に配置される、ことを特徴とする半導体装置を提供することを目的とする。
【発明の効果】
【0008】
このような半導体装置によれば、半導体装置に対する外部環境温度が変化しても信頼性の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
図1】第1の実施の形態における半導体装置の一例を示す図である。
図2】第1の実施の形態における半導体素子に対する三点曲げ試験の一例を示す図である。
図3】第1の実施の形態における半導体素子に対する三点曲げ試験の試験結果を示す図である。
図4】第2の実施の形態における半導体装置の外観を示す図である。
図5】第2の実施の形態における半導体装置の内部構造を示す図である。
図6】第2の実施の形態における半導体装置の外部温度変化に応じた変位量を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、図面を参照して実施の形態について説明する。
[第1の実施の形態]
第1の実施の形態における半導体装置について図1を用いて説明する。
【0011】
図1は、第1の実施の形態における半導体装置の一例を示す図である。
なお、図1(A)は、半導体装置1の側断面図を、図1(B)は、図1(A)の一点鎖線A−Aにおける上断面図をそれぞれ示している。
【0012】
半導体装置1は、絶縁基板2と、半導体素子3a,3b、プリント基板4、ポスト電極7a,7bを備えており、絶縁基板2とプリント基板4との間隙に封止樹脂8が充填されている。
【0013】
絶縁基板2は、上面視が矩形状であり、長手方向Xの一対の長辺と、短手方向の一対の短辺とを備える。
半導体素子3a,3bは、絶縁基板2の主面上に配置されている。なお、図1では、2個の半導体素子3a,3bが記載されているが、半導体素子3a,3bの個数に限定はなく、半導体装置1の仕様等に応じて1個でも、3個以上でも構わない。
【0014】
プリント基板4は、金属箔5,6が表裏面にそれぞれ形成され、絶縁基板2の主面に対向配置されている。
ポスト電極7a,7bは、プリント基板4の表裏面に形成された金属箔5,6の少なくとも一方と、半導体素子3a,3bの主電極の少なくとも一つとを電気的に接続する。また、ポスト電極7a,7bは、外部接続用の端子としても機能する。なお、ポスト電極7a,7bは、半導体素子3a,3bの主電極と、プリント基板4の金属箔5,6と、図示しない半田部材により電気的に接続されている。
【0015】
このような構成を有する半導体装置1では、絶縁基板2の主面上に配置されている半導体素子3a,3bは、劈開性を有し、劈開方向Yが絶縁基板2の長手方向Xに向けられている。
【0016】
次に、このような半導体素子3a,3bに対する三点曲げ試験と、その試験結果とについて説明する。
まず、三点曲げ試験の方法について図2を用いて説明する。
【0017】
図2は、第1の実施の形態における半導体素子に対する三点曲げ試験の一例を示す図であり、図2(A)は三点曲げ試験装置10を示し、図2(B),(C)は半導体素子3aの三点試験時の圧力方向を示す上面図を示している。
【0018】
三点曲げ試験装置10は、図2(A)に示すように、半導体素子3aの裏面(図中下)側の2箇所を支持する支持部11,12と、支持部11,12に支持された半導体素子3aを表面(図中上)側から押圧する押圧部13とを備える。
【0019】
このような三点曲げ試験装置10では、支持部11,12に支持された半導体素子3aを押圧部13が押圧して、半導体素子3aは図中下側にたわませて、この際の押圧部13の圧力に対する半導体素子3aのたわみ量が計測される。
【0020】
また、半導体素子3aは、図1に示したように、上面視で劈開方向Yに沿った劈開性を有する。このような半導体素子3aを三点曲げ試験装置10に対して、劈開方向Yが押圧部13の押圧方向と平行になるように(図2(B))、また、劈開方向Yが押圧部13の押圧方向と垂直になるように(図2(C))、支持部11,12にセットした際の三点曲げ試験を行った。
【0021】
これらの場合における試験結果について図3を用いて説明する。
なお、以下では、三点曲げ試験の試験対象として半導体素子3aの場合を例に挙げて説明するが、半導体素子3aと製造プロセス、サイズ、表面構造等が同一の半導体素子3bを試験対象としても半導体素子3aとほぼ同様の結果が得られる。
【0022】
図3は、第1の実施の形態における半導体素子に対する三点曲げ試験の試験結果を示す図であり、図3(A)は劈開方向Yが押圧部13の押圧方向と平行である場合、また、図3(B)は劈開方向Yが押圧部13の押圧方向と垂直である場合のそれぞれの試験結果をそれぞれ表している。なお、図3では、縦軸には半導体素子3aに対する押圧部13の圧力[N]を、横軸は押圧部13の圧力に対する半導体素子3aのたわみ量[mm]をそれぞれ対応付けている。
【0023】
図3(A),(B)のいずれの場合でも、半導体素子3aに対する押圧部13による圧力が増加するに連れて、たわみ量も増加することが分かる。
図3(A)(劈開方向Yと平行)の場合には、押圧部13による圧力を増加させていくと、半導体素子3aが割れてしまい、この際の半導体素子3aのチップ強度は447MPaを示した。一方、図3(B)(劈開方向Yと垂直)の場合には、同様にして、半導体素子3aのチップ強度は629MPaを示し、図3(A)の場合よりも高い強度を示す。
【0024】
また、例えば、半導体素子3aのたわみ量が0.2mm程度となるための押圧部13からの圧力は、図3(A)の場合には、13N程度、図3(B)の場合には、18N程度であり、図3(A)の場合の押圧部13の圧力の方が図3(B)の場合よりも小さいことが分かる。半導体素子3aのたわみ量が0.3mm〜0.6mmの場合も同様に、半導体素子3aに対する押圧部13の圧力は図3(A)の方が図3(B)よりも小さいことが分かる。これは、半導体素子3aは、その劈開方向Yと押圧部13の押圧方向とが平行である場合には、劈開面によりたわみ易くなり、押圧部13からの圧力を緩和することができるためである。したがって、劈開性を有する半導体素子3aに同じ大きさの圧力が加わると、その圧力が半導体素子3aの劈開方向Yに平行にかかる方が、劈開方向Yに垂直にかかるよりも、半導体素子3aに発生する応力が小さくなる。
【0025】
そこで、図1に示す上面視で矩形状の半導体装置1は、長手方向Xの方が短手方向よりも外部環境温度の変化に起因する反りが大きいことから、半導体素子3aをその劈開方向Yが絶縁基板2の長手方向Xに向くように絶縁基板2に配置するようにした。
【0026】
これにより、外部環境温度の変化により半導体装置1の長手方向に反ることで、半導体素子3a,3bにかかる応力を緩和することができるようになる。
より具体的には、例えば、半導体装置1では、温度変化に応じて封止樹脂8や、半導体素子3a,3bの主電極とポスト電極7a,7bとを接続する半田部材等が膨張・収縮することで、ポスト電極7a,7bにも周期的な応力がかかる。このような応力に伴い、ポスト電極7a,7bは半導体素子3a,3bの主電極に対しても周期的な応力を加え、半導体素子3a,3bの主電極(表面)の破壊に繋がっていた。
【0027】
半導体装置1では、半導体素子3a,3bをその劈開方向Yが絶縁基板2の長手方向Xに向くように絶縁基板2に配置することで、このようなポスト電極7a,7bからの応力を緩和して、半導体素子3a,3bの破壊を防止して、信頼性の低下を抑制することができるようになる。
【0028】
なお、上記の半導体装置1は、既述の通り、長手方向Xの方が短手方向よりも外部環境温度の変化に起因する反りが大きい、すなわち、長手方向Xの応力の方が短手方向の応力よりも大きいことから、半導体素子3aをその劈開方向Yが長手方向Xに向くように絶縁基板2に配置するようにした。そこで、半導体装置1が、仮に、構成部材の配置、材質等により、短手方向に発生する応力の方が長手方向Xに発生する応力よりも大きい場合には、半導体素子3aの劈開方向Yを短手方向に向くように絶縁基板2に配置する。また、半導体装置1が正方形状であれば、半導体素子3aの劈開方向Yを、半導体装置1に発生している最大応力の方向に向けて絶縁基板2に配置する。
【0029】
[第2の実施の形態]
第2の実施の形態では、第1の実施の形態についてより具体的な例を挙げて説明する。
半導体素子を内部に配置された半導体装置について図4を用いて説明する。
【0030】
図4は、第2の実施の形態における半導体装置の外観を示す図である。
半導体装置100は、半導体素子(後述)が内部に設けられて、アンダーフィル材140(封止樹脂)の封止により、外部接続用端子として垂直に貫通し、ポスト電極端子130e,130fを導出させた状態で、一体的になって構成されている。なお、ポスト電極端子130e,130fは、外部接続用端子として垂直に貫通し、その端子と半導体素子の各電極との電気的な接続が確保されており、ポスト電極端子130eは、主回路用の端子であって、ポスト電極端子130fは、計測・制御用の端子である。
【0031】
さらに、この半導体装置100は、樹脂ケースによりパッケージングされ(不図示)、汎用モジュールとして機能する。
また、半導体装置100は、取り付け穴150が中心部に設けられており、所定の機器内部に搭載される際にこの取り付け穴150にねじが螺合されることで固定される。
【0032】
次いで、半導体装置100の内部の構成の詳細について、図5を用いて説明する。
図5は、第2の実施の形態における半導体装置の内部構造を示す図であり、図5(A)は、半導体装置100の上面透視図を、図5(B)は、図5(A)の一点鎖線B−Bにおける断面図をそれぞれ表している。
【0033】
半導体装置100は、複数のスイッチング素子120a及びダイオード120b(以下、これらを総称して半導体素子120(図示を省略))が実装されている絶縁基板110と、絶縁基板110に対向させたプリント基板130とがアンダーフィル材140により封止されている。
【0034】
絶縁基板110は、絶縁板110aと、絶縁板110aの下面にDCB(Direct Copper Bonding)法で形成された金属箔110bと、絶縁板110aの上面に同じくDCB法で形成された、複数の金属箔110c,110dを備えている。これらの金属箔110c,110dは、絶縁板110aの上面に選択的にパターン形成されている。
【0035】
さらに、金属箔110c,110d上には、錫−銀系等の鉛フリーの半田層111を介して、少なくとも一つのスイッチング素子120aの主電極側(例えば、コレクタ電極)、または、ダイオード120bのカソード電極が接合されている。
【0036】
ここで、スイッチング素子120aは、例えば、IGBT(Insulating Gate Bipolar Transistor)素子、パワーMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)等の縦型のパワー半導体素子を適用することができる。また、ダイオード120bは、例えば、SBD(Schottky Barrier Diode)、FWD(Free Wheeling Diode)素子等のパワーダイオード素子を適用することができる。このようなスイッチング素子120a及びダイオード120bは、例えば、シリコンまたは炭化シリコンが用いられている。
【0037】
なお、絶縁板110aは、例えば、アルミナ焼結体、窒化シリコン等のセラミックで構成され、金属箔110b,110c,110dは、銅を主成分とする金属で構成されている。
【0038】
また、半導体装置100においては、半導体素子120の上方に、インプラントプリント基板(プリント基板)130が絶縁基板110と対向するように配置されている。
このプリント基板130は、多層構造をなし、例えば、樹脂層130aを中心部に配置し、その上面に、少なくとも一つの金属箔130bが選択的にパターン形成されている。また、その下面においても、少なくとも一つの金属箔130cが選択的にパターン形成されている。
【0039】
ここで、樹脂層130aの材質は、例えば、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂等である。また、必要に応じて、ガラス繊維で構成されたガラスクロスを樹脂層130a内部に含浸させたものを適用することもできる。また、金属箔130b,130cは、例えば、銅を主たる成分として構成されている。
【0040】
また、プリント基板130の剛性については、所定の剛性を備えた硬いタイプのものでもよく、プリント基板130全体が歪曲可能になるフレキシブルなものであってもよい。
また、プリント基板130の最表面には、樹脂製の保護層131が形成されている。
【0041】
また、半導体装置100においては、半導体素子120の主電極(例えば、エミッタ電極)が位置する領域直上のプリント基板130に、スルーホール130dが設けられている。そして、このスルーホール130d内に、薄厚の筒状めっき層(図示しない)が設けられ、スルーホール130d内に、円筒状のポスト電極端子130eが筒状めっき層を介し、配置されている。
【0042】
また、各々のポスト電極端子130eは、スルーホール130d内で半田付けされ、プリント基板130の主面に配設された金属箔130b,130cと導通された状態にある。プリント基板130の両面に金属箔130b,130cを配設する場合には、このように筒状めっき層を介してポスト電極端子130eを配置し、半田付けしておくことで、良好な電気的接続と機械的強度を確保することができる。なお、プリント基板130の片面に比較的肉厚の金属箔130cを形成しポスト電極端子130eを配置する場合は、筒状めっき層や半田付けを省略してもよい。一方、ポスト電極端子130eの下端は、半導体素子120の主電極に、半田層112を介して電気的に接続されている。
【0043】
また、ポスト電極端子130eの材質は、例えば、金、銅、または、これらの金属からなる合金を主たる成分として構成されている。各々のポスト電極端子130eの長さは、均一である。
【0044】
さらに、半導体装置100においては、絶縁基板110とプリント基板130の間隙に、アンダーフィル材140を充填している。これにより、半導体装置100は、絶縁基板110とプリント基板130により一体化されている。なお、アンダーフィル材140は、例えば、エポキシ系樹脂を主たる成分とし、その硬化温度がおよそ180度であり、無機材料で構成されるフィラー材を含有している。フィラー材としては、例えば、窒化ボロン、窒化アルミニウム、窒化シリコン等の高熱伝導率を備えた無機材料を用いる。
【0045】
また、半導体装置100には、アンダーフィル材140で封止された絶縁基板110とプリント基板130等を取り囲むように、例えば、PPS(ポリ・フェニレン・サルファイド)製の樹脂ケース(図示を省略)が備えられている。
【0046】
あるいは、樹脂ケース(図示を省略)を使用しないで、金属金型(図示を省略)を用いて、半導体装置100を取り囲むようにエポキシ樹脂をポッティングあるいはトランスファーモールドして構成してもよい。
【0047】
次に、このような構成を有する半導体装置100の外部環境温度の変化による変位量の計測について説明する。
外部環境温度が、−40℃、25℃、150℃、175℃の各場合に、3Dレーザ形状計測器を用いて、半導体装置100の長手方向にレーザを照射して、図5(A)に示す半導体装置100の破線円で印された計測箇所(1〜3,4〜6)の変位量を計測した。同様に、半導体装置100の短手方向にレーザを照射して、図5(A)に示す半導体装置100の破線円で印された計測箇所(2,5)の変位量を計測した。
【0048】
半導体装置100の外部環境温度に応じた変位量の計測結果について図6を用いて説明する。
図6は、第2の実施の形態における半導体装置の外部温度変化に応じた変位量を示す図であり、図6(A),(B)は、半導体装置100の長手方向の変位量を、図6(C)は、半導体装置100の短手方向の変位量をそれぞれ表している。また、図6では、横軸には半導体装置100の計測箇所を、縦軸には各計測箇所における変位量[μm]をそれぞれ対応付けている。
【0049】
半導体装置100の長手方向における変位量は、図6(A),(B)によれば、最少350μm程度、最大600μm程度であることが分かる。一方、半導体装置100の短手方向における変位量は、図6(C)によれば、最少300μm程度、最大500μm程度であり、長手方向における変位量と比較すると、全体的に小さいことが分かる。つまり、半導体装置100では、外部環境温度により、長手方向の方が短手方向よりも反り量が大きいことから、長手方向の方が短手方向よりも大きな応力がかかることが考えられる。
【0050】
なお、半導体装置100が上記のように長手方向及び短手方向に変位しても、半導体装置100内には、半導体素子120の他にも絶縁基板110、プリント基板130、アンダーフィル材140が存在することから、半導体装置100の変位量は半導体素子120に対して減少して反映される。上記の場合では、半導体素子120は、半導体装置100の長手方向の最大変位量(600μm程度)及び短手方向の最大変位量(500μm程度)に対して、それぞれ500μm程度、400μm程度変位する。
【0051】
上記の半導体装置100内に設置した半導体素子120にかかる圧力(応力)について図3を用いて説明する。
まず、半導体素子120をその劈開方向を半導体装置100の長手方向に一致させて絶縁基板110に配置した場合について説明する。
【0052】
この場合、既述の通り、半導体素子120は、半導体装置100の長手方向の変位に応じて、最大500μm程度変位する。半導体素子120が受ける応力は、図3(A)から、(500μm程度のたわみ量に対応する)26N程度であることが分かる。
【0053】
また、同様に、半導体素子120は半導体装置100の短手方向の変位に応じて、最大400μm程度変位する。この際、半導体素子120が受ける応力は、図3(B)から、(400μm程度のたわみ量に対応する)24N程度であることが分かる。
【0054】
一方、半導体素子120をその劈開方向を半導体装置100の長手方向に垂直に(短手方向に一致させて)絶縁基板110に配置した場合には、半導体素子120が半導体装置100の長手方向及び短手方向の変位に応じて受ける応力は、図3(B),(A)からそれぞれ特定することができる。すなわち、半導体素子120が半導体装置100の長手方向の変位に応じて受ける応力は、図3(B)から、(500μm程度のたわみ量に対応する)30N程度である。同様に、半導体素子120が半導体装置100の短手方向の変位に応じて受ける応力は、図3(A)から、(400μm程度のたわみ量に対応する)24N程度である。
【0055】
このように半導体素子120をその劈開方向を半導体装置100の長手方向に一致させて絶縁基板110に配置することにより、半導体素子120が半導体装置100の、(特に、長手方向の変位に応じて受ける応力を緩和することができる。
【0056】
このため、外部環境温度の変化に応じて半導体装置100の内部のアンダーフィル材140、半田層112の膨張・収縮によりポスト電極端子130eからの半導体素子120に対する応力が緩和されて、半導体素子120の破壊を防止して、信頼性の低下を抑制することができるようになる。
【符号の説明】
【0057】
1 半導体装置
2 絶縁基板
3a,3b 半導体素子
4 プリント基板
5,6 金属箔
7a,7b ポスト電極
8 封止樹脂
図1
図2
図3
図4
図5
図6