(57)【要約】【課題】  半導体チップの反りを抑制する。【解決手段】  半導体モジュールであって、半導体チップと、はんだ層と、第１金属板と、アルミニウム層と、第２金属板を有する。前記半導体チップは、半導体基板と、上面電極と、下面電極とを備える。前記はんだ層は、前記上面電極に接合されている。前記第１金属板は、前記はんだ層を介して前記上面電極に接続されている。前記アルミニウム層は、前記下面電極に接合されている。前記第２金属板は、前記アルミニウム層を介して前記下面電極に接続されている。前記第１金属板の線膨張係数が、前記第２金属板の線膨張係数よりも小さい。【選択図】図１
2020115530.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体モジュールであって、
半導体基板と、上面電極と、下面電極とを備える半導体チップと、
前記上面電極に接合されているはんだ層と、
前記はんだ層を介して前記上面電極に接続されている第１金属板と、
前記下面電極に接合されているアルミニウム層と、
前記アルミニウム層を介して前記下面電極に接続されている第２金属板、
を有し、
前記第１金属板の線膨張係数が、前記第２金属板の線膨張係数よりも小さい、
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は、半導体チップと、第１金属板と、第２金属板を有する。半導体チップは、半導体基板と、上面電極と、下面電極を有する。第１金属板は、はんだ層を介して上面電極に接続されている。第２金属板は、はんだ層を介して下面電極に接続されている。第１金属板と第２金属板は、半導体チップに電流を流す配線として機能するとともに、半導体チップから熱を拡散する放熱板としても機能する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１０９５２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に、半導体チップの線膨張係数は、第１金属板の線膨張係数及び第２金属板の線膨張係数よりも小さい。このため、半導体チップが発熱すると、第１金属板と第２金属板が半導体チップよりも大きく膨張する。このため、第１金属板と半導体チップの間のはんだ層、及び、第２金属板と半導体チップの間のはんだ層に、高い応力が加わる。半導体チップが繰り返し発熱すると、各はんだ層に繰り返し応力が加わる。すると、各はんだ層の内部でクリープ現象によりはんだが流動し、各はんだ層の厚みが位置によって変化する。その結果、半導体チップに反りが生じる。したがって、本明細書では、半導体チップの反り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、半導体チップと、はんだ層と、第１金属板と、アルミニウム層と、第２金属板を有する。前記半導体チップは、半導体基板と、上面電極と、下面電極とを備える。前記はんだ層は、前記上面電極に接合されている。前記第１金属板は、前記はんだ層を介して前記上面電極に接続されている。前記アルミニウム層は、前記下面電極に接合されている。前記第２金属板は、前記アルミニウム層を介して前記下面電極に接続されている。前記第１金属板の線膨張係数が、前記第２金属板の線膨張係数よりも小さい。
【０００６】
この半導体モジュールでは、第１金属板の線膨張係数が、第２金属板の線膨張係数よりも小さい。したがって、半導体チップの発熱時に、第１金属板の膨張量が小さい。したがって、第１金属板と半導体チップの間を接続しているはんだ層に加わる応力が小さい。このため、はんだ層でクリープ現象が生じ難く、はんだ層の厚みが位置によって変化する現象が生じ難い。他方、第１金属板の線膨張係数を小さくすると、第２金属板と半導体チップの間を接続しているアルミニウム層に高い応力が加わり易くなる。しかしながら、アルミニウム層では、クリープ現象が生じ難い。したがって、アルミニウム層の厚みが位置によって変化する現象が生じ難い。このように、はんだ層とアルミニウム層の両方で厚みの変化が抑制されるので、半導体チップの反りが抑制される。したがって、この半導体モジュールは、高い信頼性を有する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施形態の半導体モジュールの断面図。
【図２】比較例の半導体モジュールの断面図。
【図３】比較例の半導体モジュールの断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図１に示す半導体モジュール１０は、例えば、電気自動車、ハイブリッド車、又は燃料電池車等に搭載される電子制御回路に搭載されている。半導体モジュール１０は、下部リードフレーム１２、半導体チップ１６、ターミナル２０、上部リードフレーム２４、及び、絶縁樹脂２６を有する。下部リードフレーム１２、半導体チップ１６、ターミナル２０、及び、上部リードフレーム２４は積層されており、その積層体が絶縁樹脂２６によって封止されている。半導体モジュール１０は、絶縁樹脂２６の内部から外部に向かって延びる複数の信号端子（図示省略）を備える。半導体チップ１６は、絶縁樹脂２６の内部で各信号端子に接続されている。
【０００９】
半導体チップ１６は、半導体基板１６ｂと、上面電極１６ａと、下面電極１６ｃを有している。上面電極１６ａは、半導体基板１６ｂの上面に設けられている。上面電極１６ａは、半導体基板１６ｂの上面の中央部に設けられている。半導体基板１６ｂの上面の外周部には、上面電極１６ａが設けられていない。下面電極１６ｃは、半導体基板１６ｂの下面に設けられている。下面電極１６ｃは、半導体基板１６ｂの下面全域に設けられている。したがって、上面電極１６ａの面積は、下面電極１６ｃの面積よりも小さい。
【００１０】
下部リードフレーム１２は、半導体チップ１６の下側に配置されている。下部リードフレーム１２は、銅により構成されている。下部リードフレーム１２は、アルミニウム層１４を介して下面電極１６ｃに接続されている。アルミニウム層１４は、９０．００〜９９．９９％の純度を有するアルミニウムにより構成されている。アルミニウム層１４の再結晶温度は、半導体モジュール１０の動作温度よりも高い。アルミニウム層１４の下面は、下部リードフレーム１２の上面に接合されている。アルミニウム層１４の上面は、下面電極１６ｃに接合されている。アルミニウム層１４は、下面電極１６ｃの面積と同じかそれ以上の面積を有している。アルミニウム層１４は、下面電極１６ｃの表面全域に接合されている。アルミニウム層１４と下面電極１６ｃの間、及び、アルミニウム層１４と下部リードフレーム１２の間は、ＴＬＰ（transient-liquid-phase）接合により接続されている。ＴＬＰ接合では、アルミニウム層１４を構成するアルミニウム箔と下面電極１６ｃの間にインサート金属を配置し、アルミニウム箔と下部リードフレーム１２の間にインサート金属を配置した状態で、下部リードフレーム１２、アルミニウム箔、及び、半導体チップ１６を積層する。アルミニウム箔の厚さは、１０μｍ以上であり、インサート金属の厚さよりも十分に厚い。そして、その積層体を加圧しながら加熱して、２つのインサート金属を溶融させて拡散させる。アルミニウム層１４と下面電極１６ｃの界面にインサート金属が拡散することで、アルミニウム層１４と下面電極１６ｃが接合される。アルミニウム層１４と下部リードフレーム１２の界面にインサート金属が拡散することで、アルミニウム層１４と下部リードフレーム１２が接合される。
【００１１】
ターミナル２０は、半導体チップ１６の上側に配置されている。ターミナル２０は、ＣｕＭｏ（銅モリブデン）により構成されている。ターミナル２０を構成する銅モリブデンは、７〜１２ｐｐｍ／℃の線膨張係数を有している。ターミナル２０の線膨張係数は、下部リードフレーム１２（すなわち、銅）の線膨張係数よりも小さい。ターミナル２０は、はんだ層１８を介して上面電極１６ａに接続されている。すなわち、はんだ層１８は、上面電極１６ａに接合されているとともに、ターミナル２０の下面に接合されている。
【００１２】
上部リードフレーム２４は、ターミナル２０の上側に配置されている。上部リードフレーム２４は、銅により構成されている。上部リードフレーム２４の下面は、はんだ層２２を介してターミナル２０の上面に接続されている。すなわち、はんだ層２２は、ターミナル２０の上面に接合されているとともに、上部リードフレーム２４の下面に接合されている。
【００１３】
下部リードフレーム１２と上部リードフレーム２４の間に電圧を印加することで、半導体チップ１６に電流を流すことができる。半導体チップ１６に電流を流すと、半導体チップ１６が発熱する。半導体チップ１６で生じた熱は、下部リードフレーム１２と上部リードフレーム２４から放熱される。すなわち、下部リードフレーム１２と上部リードフレーム２４は、放熱板としても機能する。半導体チップ１６に繰り返し電流を流すと、半導体チップ１６が繰り返し発熱する。半導体チップ１６が繰り返し発熱すると、半導体チップ１６に反りが生じるおそれがある。以下に、比較例の半導体モジュールと実施形態の半導体モジュール１０を比較しながら、半導体チップ１６の反りについて説明する。
【００１４】
図２は、比較例の半導体モジュールを示している。比較例の半導体モジュールでは、アルミニウム層１４に代えて、はんだ層１４ａが設けられている。すなわち、下面電極１６ｃが、はんだ層１４ａを介して下部リードフレーム１２に接続されている。また、比較例の半導体モジュールでは、ターミナル２０が、銅モリブデンではなく銅により構成されている。比較例の半導体モジュールのその他の構成は、図１に示す実施形態の半導体モジュール１０と等しい。
【００１５】
比較例の半導体モジュールにおいて、半導体チップ１６が発熱すると、下部リードフレーム１２、ターミナル２０、及び、上部リードフレーム２４の温度も上昇する。ターミナル２０が銅により構成されているので、ターミナル２０の線膨張係数は、半導体基板１６ｂの線膨張係数よりも遥かに大きい。したがって、ターミナル２０の膨張量が半導体基板１６ｂの膨張量よりも大きくなる。その結果、ターミナル２０は、上に凸となるように撓む。半導体チップ１６の温度が低下すると、ターミナル２０が平坦に戻る。このとき、はんだ層１８の中央部で、ターミナル２０と半導体チップ１６の間ではんだが加圧される。その結果、図２の矢印１００に示すように、はんだ層１８内でクリープ現象が起こり、はんだ層１８内のはんだが中央部から外周部へ向かって移動する。半導体チップ１６が繰り返し発熱すると、矢印１００に示すはんだの移動が進行し、上面電極１６ａの外周部ではんだの密度が高くなる。すると、上面電極１６ａの外周部近傍で、はんだ層１８が半導体チップ１６を下側に加圧する。すると、半導体チップ１６の下側のはんだ層１４ａ内でクリープ現象が起こり、矢印１０２に示すようにはんだ層１４ａ内のはんだが外周部から中央部に向かって移動する。このため、はんだ層１４ａの中央部で、はんだ層１４ａが半導体チップ１６を上側に加圧する。その結果、図３に示すように、半導体チップ１６が上に凸となるように反る。
【００１６】
これに対し、図１に示す実施形態の半導体モジュール１０では、ターミナル２０が銅よりも線膨張係数が小さい銅モリブデンにより構成されている。このため、実施形態の半導体モジュール１０では、比較例の半導体モジュールよりも、ターミナル２０の熱膨張量が小さい。このため、図２の矢印１００に示すようなはんだの移動がそれほど生じない。また、実施形態の半導体モジュール１０では、下面電極１６ｃと下部リードフレーム１２が、アルミニウム層１４によって接続されている。アルミニウム層１４では、はんだ層に比べて、クリープ現象が生じ難い。したがって、アルミニウム層１４内では、図２の矢印１０２のようなクリープ現象が生じ難い。このため、実施形態の半導体モジュール１０では、半導体チップ１６に反りが生じ難い。このため、実施形態の半導体モジュール１０は、高い信頼性を有する。
【００１７】
なお、上述した実施形態の半導体モジュール１０では、ターミナル２０が銅モリブデンにより構成されていた。しかしながら、ターミナル２０は、下部リードフレーム１２よりも線膨張係数が小さい金属であれば、どのような金属で構成されていてもよい。例えば、ターミナル２０が、銅クロム（線膨張係数：１４ｐｐｍ／℃）、アルミニウムマグネシウムシリコン（ＡｌＭｇＳｉ（線膨張係数：９ｐｐｍ／℃））、または、銅タングステン（線膨張係数：６〜９ｐｐｍ／℃）により構成されていてもよい。
【００１８】
また、上述した実施形態の半導体モジュール１０では、アルミニウム層１４がＴＬＰ接合によって下面電極１６ｃと下部リードフレーム１２に接合されていた。しかしながら、１〜５０μｍ程度の厚さのナノ焼結材料によって、アルミニウム層１４が下面電極１６ｃと下部リードフレーム１２に接合されていてもよい。
【００１９】
以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、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さまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わ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するものであり、そのうちの１つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００２０】
１０    ：半導体モジュール
１２    ：下部リードフレーム
１４    ：アルミニウム層
１６    ：半導体チップ
１６ａ  ：上面電極
１６ｂ  ：半導体基板
１６ｃ  ：下面電極
１８    ：はんだ層
２０    ：ターミナル
２２    ：はんだ層
２４    ：上部リードフレーム
２６    ：絶縁樹脂
【図１】
2020115530.tif 000003
【図２】
2020115530.tif 000004
【図３】
2020115530.tif 000005