特開 2024-98347 半導体モジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024098347

(43)【公開日】2024-07-23

(54)【発明の名称】半導体モジュール

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/52 20060101AFI20240716BHJP

   H01L 21/60 20060101ALI20240716BHJP

【ＦＩ】

H01L21/52 A

H01L21/60 321E

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023001803

(22)【出願日】2023-01-10

(71)【出願人】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】520124752

【氏名又は名称】株式会社ミライズテクノロジーズ

(74)【代理人】

【識別番号】110000110

【氏名又は名称】弁理士法人 快友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】西田 秀一

【テーマコード（参考）】

5F047

【Ｆターム（参考）】

5F047AA11

5F047BA01

(57)【要約】

【課題】 半導体モジュールにおいて、表面電極のクラックを抑制する。
【解決手段】 半導体モジュールであって、半導体基板と、前記半導体基板の表面に設けられた表面電極と、金属ブロックと、前記表面電極を前記金属ブロックに接続しているはんだ層と、を有する。前記半導体基板と前記金属ブロックの積層方向に沿って見たときに、前記金属ブロックの前記はんだ層に対する第１接合領域が、前記表面電極の前記はんだ層に対する第２接合領域よりも狭い。前記第１接合領域内に、複数の溝が設けられている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体モジュールであって、
半導体基板（１２）と、
前記半導体基板の表面に設けられた表面電極（１２ａ）と、
金属ブロック（１６）と、
前記表面電極を前記金属ブロックに接続しているはんだ層（１４）と、
を有し、
前記半導体基板と前記金属ブロックの積層方向に沿って見たときに、前記金属ブロックの前記はんだ層に対する接合領域である第１接合領域が、前記表面電極の前記はんだ層に対する接合領域である第２接合領域よりも狭く、
前記第１接合領域内に、複数の溝（１８）が設けられている、
半導体モジュール。

【請求項2】

前記積層方向に沿って見たときに、前記金属ブロックが長方形であり、
前記複数の溝が、前記長方形の短辺に沿って伸びている、
請求項１に記載の半導体モジュール。

【請求項3】

前記第１接合領域内に、前記複数の溝と複数の凸条（２０）が交互に配置されており、
前記第１接合領域の中央部に配置された前記凸条の高さが、前記第１接合領域の外周部に配置された前記凸条の高さよりも低い、
請求項１または２に記載の半導体モジュール。

【請求項4】

前記はんだ層の線膨張係数が、前記金属ブロックの線膨張係数よりも高い、請求項３に記載の半導体モジュール。

【請求項5】

前記第１接合領域内に、前記複数の溝と複数の凸条が交互に配置されており、
前記第１接合領域の中央部に配置された前記凸条の高さが、前記第１接合領域の外周部に配置された前記凸条の高さよりも高い、
請求項１または２に記載の半導体モジュール。

【請求項6】

前記はんだ層の線膨張係数が、前記金属ブロックの線膨張係数よりも低い、請求項５に記載の半導体モジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書に開示の技術は、半導体モジュールに関する。

【0002】

特許文献１に開示の半導体モジュールでは、半導体チップと、放熱用の金属ブロックと、
はんだ層を有している。はんだ層は、半導体チップと金属ブロックを接続している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００８－０４１７５２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

半導体モジュールの使用時に、半導体モジュールが繰り返し発熱する。半導体チップと金属ブロックの線膨張係数が互いに異なるので、半導体モジュールが繰り返し発熱すると、はんだ層に繰り返し熱応力が加わる。これにより、はんだ層が塑性変形により流動し、はんだ層に接合されている半導体チップの表面電極（すなわち、半導体基板の表面に設けられた電極）に高い応力が加わる。その結果、表面電極にクラックが生じる場合がある。本明細書では、半導体モジュールにおいて、表面電極のクラックを抑制する技術を提案する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本明細書が開示する半導体モジュールは、半導体基板と、前記半導体基板の表面に設けられた電極と、金属ブロックと、前記電極を前記金属ブロックに接続しているはんだ層と、を有する。前記半導体基板と前記金属ブロックの積層方向に沿って見たときに、前記金属ブロックの前記はんだ層に対する接合領域である第１接合領域が、前記電極の前記はんだ層に対する接合領域である第２接合領域よりも狭い。前記第１接合領域内に、複数の溝が設けられている。

【0006】

この半導体モジュールでは、金属ブロックの第１接合領域内に複数の溝が設けられている。溝によってはんだ層の流動が抑制されるので、半導体基板の表面電極に加わる応力が低減される。したがって、この半導体モジュールによれば、表面電極のクラックを抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】実施例１の半導体モジュールの断面図。

【図2】半導体基板と金属ブロックを上から見た平面図。

【図3】上部主電極の外周端とその周辺の拡大断面図。

【図4】実施例２の半導体モジュールの断面図。

【図5】実施例３の半導体モジュールの断面図。

【図6】第１変形例の半導体モジュールの図２に対応する平面図。

【図7】第２変形例の半導体モジュールの図２に対応する平面図。

【発明を実施するための形態】

【0008】

本明細書が開示する一例の半導体モジュールでは、前記積層方向に沿って見たときに、前記金属ブロックが長方形であってもよい。前記複数の溝が、前記長方形の短辺に沿って伸びていてもよい。

【0009】

金属ブロックが長方形の場合、その長手方向の端部（すなわち、長方形の長辺に沿う方向の端部）において表面電極に応力が加わり易い。しかしながら、複数の溝が長方形の短辺に沿って伸びていると、金属ブロックの長手方向の端部で生じる応力を効果的に抑制できる。したがって、当該端部近傍で表面電極のクラックを抑制できる。

【0010】

本明細書が開示する一例の半導体モジュールでは、前記第１接合領域内に、前記複数の溝と複数の凸条が交互に配置されていてもよい。前記第１接合領域の中央部に配置された前記凸条の高さが、前記第１接合領域の外周部に配置された前記凸条の高さよりも低くてもよい。この場合において、前記はんだ層の線膨張係数が、前記金属ブロックの線膨張係数よりも高くてもよい。

【0011】

この構成によれば、はんだ層がその外周側に向かって流動することを抑制できる。

【0012】

本明細書が開示する一例の半導体モジュールでは、前記第１接合領域内に、前記複数の溝と複数の凸条が交互に配置されていてもよい。前記第１接合領域の中央部に配置された前記凸条の高さが、前記第１接合領域の外周部に配置された前記凸条の高さよりも高くてもよい。この場合において、前記はんだ層の線膨張係数が、前記金属ブロックの線膨張係数よりも低くてもよい。

【0013】

この構成によれば、はんだ層がその中心側に向かって流動することを抑制できる。

【実施例0014】

図１に示す実施例１の半導体モジュール１０は、半導体基板１２を有している。半導体基板１２は、Ｓｉ、ＳｉＣ等の半導体により構成されている。なお、以下では、半導体基板１２の上面に平行な一方向をｘ方向といい、半導体基板１２の上面に平行かつｘ方向に直交する方向をｙ方向といい、半導体基板１２の厚み方向をｚ方向という。図１、２に示すように、半導体基板１２の上面には、２つの上部主電極１２ａと複数の信号電極１２ｂが設けられている。２つの上部主電極１２ａは、ｘ方向に間隔を空けて配置されている。各信号電極１２ｂは、上部主電極１２ａに対してｙ方向に間隔を空けた位置に配置されている。図１に示すように、半導体基板１２の下部に、下部主電極１２ｃが設けられている。半導体基板１２の内部には、ＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field effect transistor）、ＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）などのスイッチング素子が形成されている。上部主電極１２ａと下部主電極１２ｃは、スイッチング素子の主電流が流れる電極である。主電流は、下部主電極１２ｃから半導体基板１２を通って各上部主電極１２ａへ流れる。各信号電極１２ｂは、スイッチング素子を制御するための信号が入力または出力される電極である。

【0015】

図１に示すように、半導体基板１２の上部に、金属ブロック１６が配置されている。したがって、ｚ方向は、半導体基板１２と金属ブロック１６の積層方向である。図２に示すように、ｚ方向に沿って見たときに金属ブロック１６は長方形である。金属ブロック１６は、長方形の長辺がｘ方向に沿って伸び、長方形の短辺がｙ方向に沿って伸びるように配置されている。金属ブロック１６は、２つの上部主電極１２ａの上部に跨るように配置されている。

【0016】

図１に示すように、金属ブロック１６と半導体基板１２の間に、はんだ層１４が配置されている。金属ブロック１６は、はんだ層１４によって２つの上部主電極１２ａに接続されている。はんだ層１４は、各上部主電極１２ａの上面に接合されている。すなわち、各上部主電極１２ａの上面は、はんだ層１４に対する接合領域である。はんだ層１４は、金属ブロック１６の下面に接合されている。すなわち、金属ブロック１６の下面は、金属ブロック１６のはんだ層１４に対する接合領域である。図２に示すようにｚ方向に沿って見たときに、金属ブロック１６の下面の面積（すなわち、図２において金属ブロック１６の輪郭により画定される領域の面積）は、２つの上部主電極１２ａの上面の面積の合計値よりも小さい。すなわち、ｚ方向に沿って見たときに、金属ブロック１６のはんだ層１４に対する接合領域は、上部主電極１２ａのはんだ層１４に対する接合領域よりも狭い。

【0017】

図１に示すように、金属ブロック１６の下面に、平行に伸びる複数の溝１８が設けられている。金属ブロック１６の下面のうちの溝１８以外の領域は、溝１８の底面よりも下側に突出する突条２０となっている。図２に示すように、各溝１８と各突条２０は、ｙ方向に沿って伸びている。すなわち、各溝１８と各突条２０は、金属ブロック１６の輪郭である長方形の短辺に沿って伸びている。複数の溝１８と複数の突条２０が、ｘ方向に沿って交互に繰り返し配置されている。図１に示すように、はんだ層１４は、各溝１８の内面と各突条２０の表面のほぼ全域に接合されている。

【0018】

金属ブロック１６の上部に、リードフレーム２４が配置されている。金属ブロック１６とリードフレーム２４の間に、はんだ層２２が配置されている。はんだ層２２は、金属ブロック１６とリードフレーム２４を接続している。金属ブロック１６とリードフレーム２４は、上部主電極１２ａに接続された配線として機能するとともに、半導体基板１２から放熱する放熱部材として機能する。

【0019】

半導体基板１２の下部に、リードフレーム２８が配置されている。半導体基板１２とリードフレーム２８の間に、はんだ層２６が配置されている。はんだ層２６は、下部主電極１２ｃとリードフレーム２８を接続している。リードフレーム２８は、下部主電極１２ｃに接続された配線として機能するとともに、半導体基板１２から放熱する放熱部材として機能する。

【0020】

リードフレーム２４とリードフレーム２８の間に、絶縁樹脂３０が配置されている。絶縁樹脂３０は、はんだ層２２、金属ブロック１６、はんだ層１４、半導体基板１２及びはんだ層２６のそれぞれの側面を覆っている。

【0021】

図３は、上部主電極１２ａの外周端とその周辺の拡大断面図である。図３に示すように、上部主電極１２ａは、第１電極層３１と第２電極層３２を有している。また、半導体基板１２の上部に、絶縁性のポリイミド層３４が設けられている。第１電極層３１は、ＡｌＳｉ（すなわち、アルミニウムとシリコンの合金）により構成されている。第１電極層３１は、半導体基板１２の上面を覆っている。ポリイミド層３４は、第１電極層３１の周辺において半導体基板１２の上面を覆っている。また、ポリイミド層３４は、第１電極層３１の上面の外周端の近傍の部分を覆っている。第２電極層３２は、ニッケルにより構成されている。第２電極層３２は、第１電極層３１の上面のうちのポリイミド層３４に覆われていない部分を覆っている。第２電極層３２の上面全体が、はんだ層１４に接合されている。図３に示すように、上部主電極１２ａの外周端には、第１電極層３１と第２電極層３２とポリイミド層３４とが互いに接触する三重接触部３６が形成されている。

【0022】

次に、金属ブロック１６に溝１８が設けられていない場合に生じる問題について説明する。半導体モジュール１０の使用時に、半導体基板１２が繰り返し発熱する。半導体モジュール１０を構成する各部材は、半導体基板１２の発熱時（すなわち、通電時）に熱膨張し、半導体基板１２の発熱終了時（すなわち、通電停止時）に熱収縮する。半導体基板１２と金属ブロック１６の線膨張係数が異なるので、半導体モジュール１０の使用時に、はんだ層１４に繰り返し熱応力が加わる。溝１８が設けられていない場合には、はんだ層１４に繰り返し熱応力が加わることで、はんだ層１４が塑性変形により流動する。はんだ層１４が流動すると、上部主電極１２ａに応力が加わる。このため、上部主電極１２ａにクラックが生じる場合がある。特に、上部主電極１２ａの外周端に存在する三重接触部３６では、材質が異なる第１電極層３１、第２電極層３２及びポリイミド層３４が互いに接触しているので、高い応力が生じ易い。したがって、上部主電極１２ａの外周端において、上部主電極１２ａ（特に、第１電極層３１）に、図３に例示するクラック４０が生じ易い。また、図２に示すように、金属ブロック１６の形状は、ｘ方向に長い長方形である。したがって、金属ブロック１６の膨張量は、ｘ方向においてｙ方向よりも大きい。このため、金属ブロック１６のｘ方向の端部周辺（すなわち、金属ブロック１６の短辺の周辺）でより高い応力が発生し易い。このため、クラックは、上部主電極１２ａの外周端のうちの金属ブロック１６の短辺の近傍で特に発生し易い。

【0023】

これに対し、金属ブロック１６が溝１８を有する実施例１の半導体モジュール１０では、溝１８によってはんだ層１４の流動が抑制される。これによって、上部主電極１２ａに加わる応力が低減され、上部主電極１２ａでクラックの発生が抑制される。特に、溝１８がｙ方向に沿って伸びているので、はんだ層１４のｘ方向への流動を効果的に抑制できる。このため、金属ブロック１６のｘ方向の端部周辺（すなわち、金属ブロック１６の短辺の周辺）において上部主電極１２ａの外周端に加わる応力を低減できる。このため、金属ブロック１６のｘ方向の端部周辺において、上部主電極１２ａの外周端でのクラックの発生を特に効果的に抑制できる。

【実施例0024】

図４は、実施例２の半導体モジュール２００を示している。実施例２の半導体モジュール２００では、はんだ層１４の線膨張係数が、金属ブロック１６の線膨張係数よりも高い。また、実施例２では、突条２０の高さが位置によって異なる。図４に示すように、金属ブロック１６の下面（すなわち、はんだ層１４に対する接合領域）の中央部に配置された突条２０の高さが、接合領域の外周部に配置された突条２０の高さよりも低い。より詳細には、接合領域の中央部から外周端に向かうにしたがって徐々に突条２０の高さが高くなっている。これらの点を除いて、実施例２の半導体モジュール２００の構成は、実施例１の半導体モジュール１０と等しい。

【0025】

実施例２の半導体モジュール２００では、はんだ層１４の線膨張係数が金属ブロック１６の線膨張係数よりも高い。このため、半導体基板１２の発熱時に、半導体基板１２が下に凸となる向きで反るように変形する。このように半導体基板１２が変形すると、図４の矢印１００に示すように、はんだ層１４が中央部から外周部に向かって流動しようとする。しかしながら、実施例２の半導体モジュール２００では、突条２０の高さが外周部で高く中央部で低いので、はんだ層１４の中央部から外周部へ向かう流動を効果的に抑制できる。したがって、実施例２の半導体モジュール２００によれば、上部主電極１２ａのクラックを効果的に抑制できる。

【0026】

なお、上述した実施例２では、はんだ層１４の線膨張係数が金属ブロック１６の線膨張係数よりも高かった。しかしながら、はんだ層１４の線膨張係数が金属ブロック１６の線膨張係数よりも低い場合でも、はんだ層１４が中央部から外周部へ流動し易い場合がある。したがって、はんだ層１４の線膨張係数が金属ブロック１６の線膨張係数よりも低い場合に、接合領域の中央部に配置された突条２０の高さが接合領域の外周部に配置された突条２０の高さよりも低い構造を採用してもよい。