(57)【要約】【課題】半導体装置の湾曲が抑えられた半導体モジュールを提供すること。【解決手段】半導体モジュールは、半導体基板を有する半導体装置であって、半導体基板の下面に下面電極が設けられており、半導体基板の上面に上面電極が設けられている、半導体装置と、半導体装置の下面電極に下側はんだ層を介して接合するリードフレームと、半導体装置の上面電極に上側はんだ層を介して接合する導体ブロックと、を備えており、リードフレームと半導体装置と導体ブロックの積層方向から見たときに、半導体装置はリードフレームよりも内側に位置しており、導体ブロックは半導体装置よりも内側に位置しており、下側はんだ層と上側はんだ層の少なくとも一方は、はんだ材料を含むはんだ材料部分を有しており、はんだ材料部分が、積層方向に直交する面内方向において、分断して構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板を有する半導体装置であって、前記半導体基板の下面に下面電極が設けられており、前記半導体基板の上面に上面電極が設けられている、半導体装置と、
前記半導体装置の前記下面電極に下側はんだ層を介して接合するリードフレームと、
前記半導体装置の前記上面電極に上側はんだ層を介して接合する導体ブロックと、を備えており、
前記リードフレームと前記半導体装置と前記導体ブロックの積層方向から見たときに、前記半導体装置は前記リードフレームよりも内側に位置しており、前記導体ブロックは前記半導体装置よりも内側に位置しており、
前記下側はんだ層と前記上側はんだ層の少なくとも一方は、はんだ材料を含むはんだ材料部分を有しており、
前記はんだ材料部分が、前記積層方向に直交する面内方向において、分断して構成されている、半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書が開示する技術は、半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、半導体装置が搭載された半導体モジュールを開示する。この半導体モジュールに搭載される半導体装置は、半導体基板の下面に下面電極が設けられており、半導体基板の上面に上面電極が設けられている。リードフレームが半導体装置の下面電極に下側はんだ層を介して接合しており、導体ブロックが半導体装置の上面電極に上側はんだ層を介して接合している。このように、特許文献１に開示される半導体モジュールは、リードフレームと半導体装置と導体ブロックが積層して構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１８−１８９３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この半導体モジュールを積層方向から見たときに、半導体装置はリードフレームよりも内側に位置しており、導体ブロックは半導体装置よりも内側に位置している。このため、リードフレームと半導体装置の間にある下側はんだ層は、積層方向から見たときに、半導体装置の形状に概ね一致する。また、半導体装置と導体ブロックの間にある上側はんだ層は、積層方向から見たときに、導体ブロックの形状に概ね一致する。したがって、積層方向から見たときに、下側はんだ層と上側はんだ層の形状は一致しておらず、下側はんだ層が上側はんだ層よりも面内方向に広がった形態を有している。
【０００５】
本発明者らの研究によると、半導体装置に断続的な通電が行われ、半導体モジュール内で温度変動が繰り返されると（冷熱サイクル）、下側はんだ層を構成するはんだ材料の面内方向における流動と上側はんだ層を構成するはんだ材料の面内方向における流動が異なることにより、半導体装置が湾曲することが分かってきた。はんだ材料が流動することにより、下側はんだ層におけるはんだ量の疎密部分の位置と上側はんだ層におけるはんだ量の疎密部分の位置が積層方向に不一致となり、半導体装置が湾曲することが分かってきた。本願明細書は、半導体装置の湾曲が抑えられた半導体モジュールを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本明細書が開示する半導体モジュールは、半導体装置とリードフレームと導体ブロックを備えることができる。前記半導体装置は、半導体基板を有しており、前記半導体基板の下面に下面電極が設けられており、前記半導体基板の上面に上面電極が設けられている。前記リードフレームは、前記半導体装置の前記下面電極に下側はんだ層を介して接合する。前記導体ブロックは、前記半導体装置の前記上面電極に上側はんだ層を介して接合する。前記リードフレームと前記半導体装置と前記導体ブロックの積層方向から見たときに、前記半導体装置は前記リードフレームよりも内側に位置しており、前記導体ブロックは前記半導体装置よりも内側に位置している。前記下側はんだ層と前記上側はんだ層の少なくとも一方は、はんだ材料を含むはんだ材料部分を有している。前記はんだ材料部分が、前記積層方向に直交する面内方向において、分断して構成されている。
【０００７】
上記半導体モジュールによると、前記下側はんだ層と前記上側はんだ層の少なくとも一方の前記はんだ材料部分が前記面内方向において分断して構成されているので、冷熱サイクル時に前記はんだ材料部分の流動が抑えられる。これにより、前記下側はんだ層と前記上側はんだ層の少なくとも一方において、冷熱サイクル時にはんだ量の疎密部分が形成されることが抑えられるので、前記半導体装置の湾曲が抑えられる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本実施形態の半導体モジュールの構成を模式的に示す要部断面図。
【図２】本実施形態の半導体装置の構成を模式的に示す断面図であり、図３のＩＩ−ＩＩ線における断面図。
【図３】本実施形態の半導体装置の平面図。
【図４】本実施形態の半導体モジュールの下側はんだ層の構成を模式的に示す図であり、（Ａ）下側はんだ層の要部断面図、（Ｂ）下側はんだ層の要部平面図。
【図５】冷熱サイクルにおける半導体モジュールの半導体装置の様子を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１〜図４を参照し、本実施形態の半導体モジュール１００について説明する。図１に示されるように、半導体モジュール１００は、下側リードフレーム３２と、半導体装置１０と、導体ブロック３４と、上側リードフレーム３６と、封止体５２と、を備えている。下側リードフレーム３２と半導体装置１０と導体ブロック３４と上側リードフレーム３６が積層方向（ｚ軸方向）に積層しており、これらを封止体５２が封止している。
【００１０】
図２に示されるように、半導体装置１０は、炭化珪素基板１２と、炭化珪素基板１２の上面１２ａに設けられた上面電極１４と、炭化珪素基板１２の下面１２ｂに設けられた下面電極２０と、を備えている。半導体装置１０は、いわゆるパワー半導体素子であり、炭化珪素基板１２の内部に例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）又はＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）といったスイッチング素子の構造が形成されている。なお、炭化珪素基板１２の内部には、スイッチング素子の構造に加えて、又は代えて、ｐｎ接合型ダイオードやショットキーバリアダイオードといったダイオードの構造が形成されていてもよい。炭化珪素基板１２の内部構造については特に限定されない。
【００１１】
上面電極１４と下面電極２０の各々は、例えば金属材料といった導体で構成されている。上面電極１４は、炭化珪素基板１２の上面１２ａにオーミック接触している。下面電極２０も、炭化珪素基板１２の下面１２ｂにオーミック接触している。上面電極１４と下面電極２０の各々の具体的な構成は特に限定されない。上面電極１４と下面電極２０の各々は、モリブテン、ニッケル、チタン、アルミニウム、金又はその他の金属材料や、それらの金属材料の少なくとも一つを含む合金を用いて構成することができる。
【００１２】
半導体装置１０は、絶縁膜１６と、保護膜１８と、をさらに備えている。絶縁膜１６と保護膜１８は、炭化珪素基板１２の上面１２ａのうちの周縁側に設けられている。絶縁膜１６は、酸化シリコンといった絶縁材料で構成されており、炭化珪素基板１２の周縁に沿って枠状に延びている。図３に示されるように、保護膜１８は、エポキシ樹脂といった樹脂材料で構成されており、絶縁膜１６上に位置するとともに、炭化珪素基板１２の周縁に沿って枠状に延びている。なお、本技術の適用に関して絶縁膜１６と保護膜１８は必ずしも必要とされない。
【００１３】
図１に戻る。半導体モジュール１００では、半導体装置１０の下面電極２０が下側はんだ層４２を介して下側リードフレーム３２に接合しており、半導体装置１０の上面電極１４が上側はんだ層４４を介して導体ブロック３４に接合している。さらに、半導体モジュール１００では、導体ブロック３４と上側リードフレーム３６が、はんだ層４６を介して接合している。下側リードフレーム３２は、封止体５２の下面５２ｂにおいて外部に露出している。上側リードフレーム３６も、封止体５２の上面５２ａにおいて外部に露出している。下側リードフレーム３２と上側リードフレーム３６の各々は、半導体モジュール１００の電気回路の一部を構成するだけでなく、半導体装置１０の熱を外部へ放出する放熱板としても機能する。このように、半導体モジュール１００は、封止体５２の上面５２ａと下面５２ｂのそれぞれに放熱板が露出する両面冷却構造を有している。
【００１４】
半導体装置１０は、積層方向（ｚ軸方向）から見たときに（以下、「平面視したときに」という）、下側リードフレーム３２よりも内側に位置している。また、導体ブロック３４（即ち、半導体装置１０の上面電極１４の位置に相当する）は、半導体装置１０よりも内側に位置している。
【００１５】
下側はんだ層４２は、下側リードフレーム３２と半導体装置１０の間に位置してこれらを接合している。上側はんだ層４４は、半導体装置１０と導体ブロック３４の間に位置してこれらを接合している。したがって、平面視したときの下側はんだ層４２の形状は、半導体装置１０の下面電極２０の形状（あるいは、半導体装置１０の形状）に一致する。また、平面視したときの上側はんだ層４４の形状は、半導体装置１０の上面電極１４（あるいは、導体ブロック３４の形状）に一致する。このため、平面視したときに、下側はんだ層４２と上側はんだ層４４の形状は一致しておらず、下側はんだ層４２が上側はんだ層４４よりも面内方向（ｘｙ平面に平行な方向）に広がった形態を有している。
【００１６】
図４に、下側はんだ層４２の構成を示す。図４（Ａ）が下側はんだ層４２の要部断面図であって、図４（Ｂ）のＡ-Ａ線に対応した断面図である。図４（Ｂ）が下側はんだ層４２の要部平面図である。なお、半導体モジュール１００では、上側はんだ層４４も同様の構成を有している。この例に代えて、下側はんだ層４２と上側はんだ層４４のいずれか一方のみが、図４に示す構成を有していてもよい。
【００１７】
下側はんだ層４２は、はんだ材料部分１４２と、分断壁部分２４２と、を有している。はんだ材料部分１４２は、例えばＰｂフリーはんだ等のはんだ材料で構成されている。分断壁部分２４２は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ）又は窒化シリコン（ＳｉＮ）等で構成されている。分断壁部分２４２は、はんだ材料部分１４２のはんだ材料よりもヤング率が大きい材料で構成されている。
【００１８】
図４（Ａ）に示されるように、分断壁部分２４２は、下側はんだ層４２の表面４２ａから裏面４２ｂまで貫通して形成されている。さらに、図４（Ｂ）に示されるように、分断壁部分２４２は、ｘ軸方向に沿って伸びる複数の部分とｙ軸方向に沿って伸びる複数の部分の組み合わせで構成されており、平面視したときに、メッシュ状の形態を有している。このため、はんだ材料部分１４２は、分断壁部分２４２によって複数個に分断して構成されている。より詳細には、はんだ材料部分１４２は、ｘ軸方向に沿って複数に分断されるとともに、ｙ軸方向に沿っても複数に分断して構成されている。はんだ材料部分１４２の分断された各々の部分が、平面視したときに、矩形状の形態を有している。
【００１９】
はんだ材料部分１４２の分断された各々の部分の形態は、平面視したときに、矩形状の形態に限らず、他の形態であってもよい。例えば、はんだ材料部分１４２の分断された各々の部分の形態は、円形状、多角形状（例えば、ハニカム形状）であってもよい。また、はんだ材料部分１４２は、面内方向のうちの少なくとも一方向（例えば、ｘ軸方向）に沿ってのみ分断されていてもよい。または、はんだ材料部分１４２は、面内方向の全ての方向に分断されるように、同心円状に複数個に分断されていてもよい。
【００２０】
下側はんだ層４２は、次のように形成することができる。まず、ＣＶＤ技術を利用して、半導体装置１０の下面電極２０の表面上に、酸化シリコン（ＳｉＯ）又は窒化シリコン（ＳｉＮ）のＣＶＤ膜を成膜する。次に、フォトリソグラフィー技術を利用して、ＣＶＤ膜上にレジストをパターニングする。レジストは、分断壁部分２４２の形成位置に対応して残存するようにパターニングされる。次に、エッチング技術を利用して、レジストの開口から露出するＣＶＤ膜を除去し、分断壁部分２４２を形成する。次に、分断壁部分２４２で囲まれた部分にはんだ材料部分１４２を塗布することで、下側はんだ層４２が形成される。
【００２１】
半導体モジュール１００では、半導体装置１０へ断続的な通電が行われると、半導体モジュール１００の温度が繰り返し変動する（冷熱サイクル）。この温度変動に伴い、半導体モジュール１００の各構成要素は、それぞれ膨張と収縮とを繰り返す。このとき、半導体モジュール１００の各構成要素は、互いに異なる線膨張係数を有するので、半導体モジュール１００内に生じる応力分布は一様とならず、半導体装置１０にも局所的に高い応力が生じ得る。半導体モジュール１００では、下側リードフレーム３２と導体ブロック３４と上側リードフレーム３６の線膨張係数はいずれも、炭化珪素基板１２の炭化珪素の線膨張係数よりも大きい。例えば、下側リードフレーム３２と導体ブロック３４と上側リードフレーム３６の各々の材料には銅が用いられており、その線膨張係数は１７．７［ｐｐｍ／℃］である。一方、炭化珪素基板１２の炭化珪素の線膨張係数は、５．１［ｐｐｍ／℃］である。
【００２２】
図５に、比較例の半導体モジュールにおける冷熱サイクル時の様子を示す。なお、本実施形態の半導体モジュールと共通する構成要素に「Ａ」を付して説明する。この比較例の半導体モジュールでは、下側はんだ層４２Ａ及び上側はんだ層４４Ｂが、上記で説明した分断壁部分２４２を有しておらず、はんだ材料部分のみで構成されている例である。
【００２３】
下側リードフレーム３２Ａと導体ブロック３４Ａは、線膨張係数が大きいので、半導体モジュールが昇温する時に面内方向に膨張し、半導体モジュールが降温する時に面内方向に収縮することを繰り返す。一方、半導体装置１０Ａの炭化珪素基板は、線膨張係数が小さいので、面内方向の膨張及び収縮は小さい。このような冷熱サイクルの結果、下側はんだ層４２Ａを構成するはんだ材料は、半導体装置１０Ａの中心ＣＴ及び周縁に凝集して密となり、それらの間で粗となるように流動する。一方、上側はんだ層４４Ａを構成するはんだ材料は、導体ブロック３４Ａの周縁で密となり、半導体装置１０Ａの中心ＣＴで粗となるように流動する。このように、下側はんだ層４２Ａを構成するはんだ材料のはんだ量の疎密部分の位置と上側はんだ層４４Ａを構成するはんだ材料のはんだ量の疎密部分の位置が積層方向において不一致となる。
【００２４】
半導体装置１０Ａの中心ＣＴでは、下側はんだ層４２Ａを構成するはんだ材料のはんだ量が密であり、上側はんだ層４４Ａを構成するはんだ材料のはんだ量が粗である。さらに、半導体装置１０Ａの中心ＣＴの周囲では、下側はんだ層４２Ａを構成するはんだ材料のはんだ量が粗であり、上側はんだ層４４Ａを構成するはんだ材料のはんだ量が密である。これにより、半導体装置１０Ａは、その中心ＣＴにおいて上側に向けて凸状に変形し、その周囲において下側に向けて凸状に変形する。この下側に向けて凸状に変形する部分は、半導体装置１０Ａの中心ＣＴの周囲を取り囲むように概ねリング状である。この下側に向けて凸状に変形する部分は、引っ張り方向に変形量が大きくなっており、引張応力が加わっている。炭化珪素基板１２の材料である炭化珪素は、ヤング率の大きい材料であり、この下側に向けて凸状に変形する部分において破損が生じる可能性がある。
【００２５】
このように、従来の半導体モジュールにおける半導体装置１０Ａの湾曲は、冷熱サイクル時に下側はんだ層４２Ａと上側はんだ層４４Ａが流動することが原因である。一方、上記したように、本実施形態の半導体モジュール１００では、下側はんだ層４２と上側はんだ層４４が分断壁部分２４２を有しており、はんだ材料部分１４２が複数個に分断されている。また、分断壁部分２４２の材料にヤング率の高い材料が用いられており、冷熱サイクル時にもその形状が維持される。このため、本実施形態の半導体モジュール１００では、冷熱サイクル時にはんだ材料部分１４２の流動が抑えられる。これにより、下側はんだ層４２と上側はんだ層４４において、はんだ量の疎密部分が形成されることが抑えられるので、半導体装置１０の湾曲が抑えられる。
【００２６】
上記実施形態では、ＣＶＤ技術を利用して分断壁部分２４２を成膜し、下側はんだ層４２と上側はんだ層４４を形成する場合を例示した。この例に代えて、下側リードフレーム３２と導体ブロック３４の表面を機械加工して分断された複数個の溝を形成し、それら複数個の溝内にはんだ材料を塗布することで、下側はんだ層と上側はんだ層を形成してもよい。または、下側リードフレーム３２と導体ブロック３４と同一の材料を用いて分断壁部分となるリードフレームを用意し、そのリードフレーム内にはんだ材料部分を充填することで下側はんだ層と上側はんだ層を形成してもよい。
【００２７】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００２８】
１０    ：半導体装置
１２    ：炭化珪素基板
１４    ：上面電極
２０    ：下面電極
３２    ：下側リードフレーム
３４    ：導体ブロック
３６    ：上側リードフレーム
４２    ：下側はんだ層
４４    ：上側はんだ層
１００  ：半導体モジュール
１４２  ：はんだ材料部分
２４２  ：分断壁部分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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