特許 6206494 半導体装置

(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】6206494

(24)【登録日】2017年9月15日

(45)【発行日】2017年10月4日

(54)【発明の名称】半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 25/07 20060101AFI20170925BHJP

   H01L 25/18 20060101ALI20170925BHJP

   H01L 23/12 20060101ALI20170925BHJP

【ＦＩ】

   H01L25/04 C

   H01L23/12 F

【請求項の数】2

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2015-522857(P2015-522857)

(86)(22)【出願日】2014年6月12日

(86)【国際出願番号】JP2014065589

(87)【国際公開番号】WO2014203798

(87)【国際公開日】20141224

【審査請求日】2015年9月7日

(31)【優先権主張番号】特願2013-128409(P2013-128409)

(32)【優先日】2013年6月19日

(33)【優先権主張国】JP

(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】100096714

【弁理士】

【氏名又は名称】本多 一郎

(72)【発明者】

【氏名】中村 瑶子

(72)【発明者】

【氏名】梨子田 典弘

【審査官】 原田 貴志

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−２３１６９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−０４０７００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−００９５３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０４１０５３（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】

絶縁板および回路板を有する絶縁基板と、
おもて面に電極を有し、裏面が前記回路板に固定されている半導体チップと、
金属層を有し、前記絶縁基板に対向したプリント基板と、
前記電極に配置されている導電性の接合材と、
先端部が前記接合材を介して前記電極に電気的かつ機械的に接続され、根元部が前記金属層に電気的かつ機械的に接続され、前記先端部の表面がＡｇメッキで覆われ、かつ、中央部の表面よりも溶融した前記接合材に対して濡れ角が小さい導電ポストと、
を備えた半導体装置。

【請求項2】

前記接合材がハンダである請求項１記載の半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体装置に関し、特にパワー半導体チップを搭載したパワー半導体モジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

図５は、従来のパワー半導体モジュール５００の構成図である。図５（ａ）は要部平面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＶ−Ｖ線で切断した要部断面図である。
パワー半導体モジュール５００は、絶縁基板１０４と、半導体チップ１０６と、プリント基板１０９と、導電ポスト１０８とを備えている。

【0003】

半導体チップ１０６は、その裏面がハンダなどの導電性の接合材１０５を介して、絶縁基板１０４の回路板１０３に固定されている。導電ポスト１０８は、根元部がプリント基板１０９の金属層１１４に電気的かつ機械的に接続されている。また、導電ポスト１０８は、先端部がハンダなどの導電性の接合材１０７を介して、半導体チップ１０６のおもて面電極に電気的かつ機械的に接続されている。
また、パワー半導体モジュール５００は、外部端子１１０と、封止樹脂１１１も備えている。

【0004】

このパワー半導体モジュール５００は、半導体チップ１０６の裏面電極（図示せず）への電気配線を回路板１０３で行い、おもて面電極（図示せず）への電気配線を導電ポスト１０８及びプリント基板１０９で行なう構造となっている（例えば、特許文献１参照）。

【0005】

パワー半導体モジュール５００の製造工程を以下に示す。まず、絶縁基板１０４に接合材１０５を載置した後、その上に半導体チップ１０６を載置し、さらにその上に接合材１０７を載置する。次に、絶縁基板１０４の回路板１０３に設けられた凹部１１２に、外部端子１１０を挿入する。次に、導電ポスト１０８をあらかじめ固定したプリント基板１０９を、スルーホール１１３に外部端子１１０を挿入しながら、絶縁基板１０４に対向する位置に載置する。これをＮ_２・Ｈ_２リフロー等により接合材を溶融させて一括組立し、最後に絶縁樹脂１１１で封止する。（例えば、特許文献２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００９−６４８５２号公報

【特許文献2】特開２０１２−１２９３３６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

導電ポスト１０８の先端部は、接合材１０７により半導体チップ１０６に固定されている。一方で、接合材１０７が所定の量より多い場合、リフロー工程の際に毛細管現象により接合材１０７は導電ポスト１０８の中央部を這い上がる。そして、接合材１０７がプリント基板１０９に到達し、導電ポスト１０８が接合材１０７で覆われる場合もある。図６（ａ）はその場合の概略図である。

【0008】

導電ポスト１０８を銅で構成した場合、線膨張係数は１６．５×１０^−６（１／℃）程度である。また、接合材１０７をハンダで構成した場合、線膨張係数は２２．０〜２４．０×１０^−６（１／℃）程度である。図６（ａ）の状態で半導体チップ１０６が動作時に発熱し、周囲の温度が上昇した場合、銅とハンダの線膨張係数差により、導電ポスト１０８が上下に引っ張られる方向に熱応力が発生する。そして、図６（ｂ）に示す通り、半導体チップ１０６にこの熱応力がかかり、半導体チップ１０６の破損の原因となる。

【0009】

図７は半導体チップ１０６の信頼性試験前後の表面写真であり、図７（ａ）は試験前、図７（ｂ）は試験後の様子である。図７（ｂ）に示すように、信頼性試験後に半導体素子が凹凸に変形して、破損していることがわかる。

【0010】

さらに、近年適用が進むＳｉＣ等のＷＢＧ（Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ Ｇａｐ）チップを搭載したパワー半導体モジュールでは、動作温度の範囲が従来のＳｉチップを搭載したパワー半導体モジュールと比べ高くなっている（例えばＴｊｍａｘ＞１７５℃）。このため、ＷＢＧチップを搭載したパワー半導体モジュールにおいては、さらに上記熱応力が増加するため、信頼性低下の懸念がより高まる。

【0011】

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、半導体チップをプリント基板と導電ポストを用いて電気配線を行うパワー半導体モジュールにおいて、半導体チップにかかる熱応力を緩和し、信頼性を向上させることができる半導体装置を提供するものである。

【課題を解決するための手段】

【0012】

前記の目的を達成するために、この発明の一態様では、半導体装置は、絶縁板および回路板を有する絶縁基板と、おもて面に電極を有し、裏面が前記回路板に固定されている半導体チップと、金属層を有し、前記絶縁基板に対向したプリント基板と、前記電極に配置されている導電性の接合材と、先端部が前記接合材を介して前記電極に電気的かつ機械的に接続され、根元部が前記金属層に電気的かつ機械的に接続され、前記先端部の表面がＡｇメッキで覆われ、かつ、中央部の表面よりも溶融した前記接合材に対して濡れ角が小さい導電ポストと、を備えている。

【発明の効果】

【0013】

上記の手段によれば、導電ポストの先端部もしくは中央部の濡れ性を制御することにより、接合材がリフローで溶融する際に、接合材を導電ポストの先端部の所定の範囲に限定して配置することができる。そして、接合材の導電ポストへの毛細管現象による這い上がりを抑制することができる。その結果、接合材と導電ポストとの線膨張係数差による熱応力を抑制することができるため、信頼性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】図１は、この発明の実施例１に係る半導体装置の平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。

【図2】図２は、この発明の実施例１に係る導電ポスト周辺を拡大した断面図であり、（ａ）が接合前、（ｂ）が接合後の図である。

【図3】図３は、この発明の実施例２に係る半導体装置の平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。

【図4】図４は、この発明の実施例２に係る導電ポスト周辺を拡大した断面図であり、（ａ）が接合前、（ｂ）が接合後の図である。

【図5】図５は、従来例に係る半導体装置の平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。

【図6】図６は、従来例に係る導電ポストの周辺を拡大した断面図である。

【図7】図７は、従来例に係る信頼性試験前（ａ）及び試験後（ｂ）の結果を示した半導体チップの表面写真である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を図面に基づいて説明する。
実施の形態を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。なお、本出願の明細書および請求の範囲に用いられている「電気的かつ機械的に接続されている」という用語は、対象物同士が直接接合により接続されている場合に限られず、ハンダや金属焼結材などの導電性の接合材を介して対象物同士が接続されている場合も含むものとする。

【0016】

（実施例１）
本発明の第１の実施形態を、図１および図２に基づいて説明する。
図１は、この発明の実施例１のパワー半導体モジュール５０の構成図である。図１（ａ）は要部平面図、図１（ｂ）はＩ−Ｉ線で切断した要部断面図である。

【0017】

パワー半導体モジュール５０は、絶縁基板４と、半導体チップ６と、プリント基板９と、接合材７と、導電ポスト８を備えている。またパワー半導体モジュール５０は、外部端子１０を備え、封止樹脂１１により一体的になった構造をなしている。

【0018】

絶縁基板４は、金属板１と、絶縁板２と、回路板３を有している。金属板１および回路板３は、銅やアルミニウムなどの金属や、それらを主成分とする合金で構成されている。絶縁板２は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）焼結体、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）等のセラミックで構成されている。絶縁基板４は、例えばＤＣＢ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｏｐｐｅｒ Ｂｏｎｄｉｎｇ）基板である。回路板３は、絶縁板２のおもて面に選択的にパターン形成されている。

【0019】

半導体チップ６は、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）やパワーＭＯＳＦＥＴ、還流ダイオード（Ｆｒｅｅ Ｗｈｅｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等の縦型のパワー半導体チップが該当する。

【0020】

そして回路板３には、Ｓｎ−Ａｇハンダなどの導電性の接合材５を用いて、半導体チップ６が固定されている。そして、半導体チップ６の裏面電極（例えばコレクタ電極）が、回路板３と電気的に接続されている。

【0021】

プリント基板９は、パワー半導体モジュールの配線部材として用いられる金属層１４を有する。プリント基板９の材質は、例えばポリイミド樹脂等である。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内部に含浸させてもよい。金属層１４は、例えば、銅や銅合金により構成されている。

【0022】

また、プリント基板９には、内壁がめっき層（図示せず）で処理された複数の孔が設けられ、その孔の内に円筒状の導電ポスト８がめっき層を介してインプラントされている。この構造により、導電ポスト８をプリント基板９の主面上に垂直になるように固定することができる。また導電ポスト８は根元部１７において、金属層１４と電気的かつ機械的に接続されている。そして、パワー半導体モジュール５０では、半導体チップ６のおもて面電極と外部との配線が、導電ポスト８と金属層１４により行われている。

【0023】

導電ポスト８は、例えば、銅やアルミニウム（Ａｌ）、または、これらの金属を主成分とする合金で構成されている。また、それぞれの半導体チップ６に接続される導電ポスト８の長さは、均一である。導電ポスト８の表面は銅、または銅にＮｉメッキされたものが望ましい。

【0024】

接合材７は、導電性で、かつ融点で溶融し、融点以下で凝固する特性を有しており、例えば、Ｓｎ−Ａｇ系やＡｇ−Ｓｎ系の鉛フリーハンダで構成されている。接合材７は融点以上で溶融し、融点以下で凝固する特性を有しているので、リフロー工程で被接合部材同士を接合することができる。また、接合材７は導電性であるので、導電ポスト８の先端部１５と、半導体チップ６のおもて面電極を電気的かつ機械的に接続することができる。

【0025】

またパワー半導体モジュール５０は、回路板３に設けられた凹部１２に嵌合して、回路板３と電気的かつ機械的に接続される外部端子１０を備えている。また、外部端子１０は、プリント基板９に設けられたスルーホール１３に挿通され、プリント基板９の位置決め用部材としても機能している。なお、外部端子１０は、凹部１２との嵌合と図示しない接合材の組み合わせで固定されているため、回路板３との接合強度が確保されている。

【0026】

また上記の構成要素を外部環境から保護するため、エポキシ樹脂などで構成される封止樹脂１１が上記の構成要素の周囲に配置されている。

【0027】

実施例１が前述の従来例と異なる点としては、導電ポスト８の半導体チップ６と当接する先端部１５の表面が中央部１６の表面よりも濡れ性が良いメッキで覆われている点である。詳細を図２に示す。

【0028】

導電ポスト８の先端部１５の表面を中央部１６の表面よりも濡れ性が良いメッキで覆うことにより（図２（ａ））、溶融した接合材７に対する導電ポスト８の先端部１５の濡れ角が、メッキで覆われていない、またはＮｉメッキで覆われている中央部１６よりも小さくなる。そのため、接合材７がリフロー工程で溶融した際に、溶融した接合材７は導電ポスト８の先端部１５に選択的に濡れる。その結果、接合材７を半導体チップ６から所定の高さに限定して配置することができ、接合材７の毛細管現象による這い上がりを抑制することができる（図２（ｂ））。このことから、接合材７と導電ポスト８との線膨張係数差に起因する半導体チップ６にかかる熱応力を抑制することができるため、パワー半導体モジュールの信頼性を高めることができる。

【0029】

なお導電ポスト８の表面は前述のように銅、または銅にＮｉメッキがされているが、本実施例に係る先端部１５へのメッキは、Ａｇ、Ａｕなどの金属メッキが望ましい。なぜなら、銅やＮｉメッキの表面に比べハンダなどの接合材に対する濡れ性が良い（すなわち、濡れ角が小さい）からである。

【0030】

（実施例２）
本発明の第２の実施形態を、図３および図４に基づいて説明する。
図３は、この発明の実施例２のパワー半導体モジュール６０の構成図である。図３（ａ）は要部平面図、図３（ｂ）はＩＩＩ−ＩＩＩ線で切断した要部断面図である。
実施例２が従来例と異なる点としては、導電ポスト８の中央部１６の表面に、先端部１５よりも濡れ性が悪い部分マスクが施されている点である。詳細を図４に示す。

【0031】

導電ポスト８の中央部１６の表面にのみ部分マスクを施すことにより（図４（ａ））、溶融した接合材７に対する導電ポスト８の中央部１６の濡れ角が、部分マスクが施されていない先端部１５よりも大きくなる。そのため接合材７がリフロー工程で溶融した際に、溶融した接合材７は導電ポスト８の先端部１５に選択的に濡れる。そのため実施例１と同様、接合材７の毛細管現象による這い上がりを抑制することができる（図４（ｂ））。その結果、接合材７と導電ポスト８との線膨張係数差に起因する熱応力を抑制することができるため、パワー半導体モジュールの信頼性を高めることができる。

【0032】

なお導電ポスト８の中央部１６への部分マスクは、例えば、レーザー照射により形成される酸化膜や、ポリイミドなどの樹脂膜などである。また、中央部１６の表面に機械的な方法で粗さをつけ、濡れを制限するなどをしてもよい。

【0033】

以上、図面を用いて本発明の半導体装置の実施形態について説明したが、本発明の半導体装置は、実施形態及び図面の記載に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で幾多の変形が可能である。

【符号の説明】

【0034】

１ 金属板
２ 絶縁板
３ 回路板
４ 絶縁基板
５ 接合材
６ 半導体チップ
７ 接合材
８ 導電ポスト
９ プリント基板
１０ 外部端子
１１ 封止樹脂
１２ 凹部
１３ スルーホール
１４ 金属層
１５ 先端部
１６ 中央部
１７ 根元部
５０、６０ パワー半導体モジュール

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】