(57)【要約】【課題】  はんだ層にラチェット現象が生じ難く、半導体チップの信頼性が低下し難い半導体モジュールを提供する。【解決手段】  半導体モジュールであって、半導体チップと、第１電極体と、第２電極体を有している。前記半導体チップが、半導体基板と、前記半導体基板の第１表面の中央部に接するとともに前記第１表面の外周部に接していない第１電極層と、前記半導体基板の前記第１表面の裏側の第２表面の中央部に接するとともに前記第２表面の外周部に接していない第２電極層を有している。前記第１電極体が第１はんだ層を介して前記第１電極層に接続されている。前記第２電極体が第２はんだ層を介して前記第２電極層に接続されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体モジュールであって、
半導体チップと、
第１電極体と、
第２電極体、
を有し、
前記半導体チップが、
半導体基板と、
前記半導体基板の第１表面の中央部に接するとともに前記第１表面の外周部に接していない第１電極層と、
前記半導体基板の前記第１表面の裏側の第２表面の中央部に接するとともに前記第２表面の外周部に接していない第２電極層、
を有し、
前記第１電極体が第１はんだ層を介して前記第１電極層に接続されており、
前記第２電極体が第２はんだ層を介して前記第２電極層に接続されている、
半導体モジュール。
【請求項２】
前記第１電極層と前記第１はんだ層の間の接合部の面積が、前記第２電極層と前記第２はんだ層の間の接合部の面積の０．９５〜１．０５倍である請求項１の半導体モジュール。
【請求項３】
前記第１はんだ層が、前記第１電極層側から前記第１電極体側に向かうにしたがって幅が狭くなる形状を有し、
前記第２はんだ層が、前記第２電極層側から前記第２電極体側に向かうにしたがって幅が狭くなる形状を有し、
前記半導体チップ、前記第１はんだ層及び前記第２はんだ層を覆う絶縁樹脂層をさらに有する、
請求項１または２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は、ベース基板に半導体チップをフリップチップ実装した半導体モジュールが開示されている。この半導体モジュールでは、半導体チップの表面側に用いる接着剤と半導体チップの裏面側に用いる接着剤とで特性を揃えることで、半導体チップの反りを抑制する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−００７９６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
半導体チップと、半導体チップの一方の表面に接続された第１電極体と、半導体チップの他方の表面に接続された第２電極体を有する半導体モジュールが知られている。半導体チップは、半導体基板と、半導体基板の一方の表面（第１表面）を覆う第１電極層と、半導体基板の他方の表面（第２表面）を覆う第２電極層を有している。第１電極体は、第１はんだ層を介して第１電極層に接続されている。第２電極体は、第２はんだ層を介して第２電極層に接続されている。この種の半導体チップにおいては、第１電極層は、第１表面の中央部のみを覆っており、第１表面の外周部を覆っていない。これに対し、第２電極層は、第２表面の略全域を覆っている。このため、第１電極層と第１はんだ層の間の接合部の面積が、第２電極層と第２はんだ層の間の接合部の面積よりも小さい。このため、半導体チップで発生した熱が、第１電極体よりも第２電極体へ多く伝わる。このため、第２電極体が第１電極体よりも高温になり易い。第２電極体の半導体チップ側の表面が第２はんだ層を介して半導体チップに拘束されているので、第２電極体が熱膨張すると、第２電極体が反る。このとき、第２電極体は、第２はんだ層と反対側の表面が凸となるように反る。半導体チップが繰り返し発熱すると、第２電極体に繰り返し反りが生じる。すると、第２はんだ層に不均一な応力が繰り返し加わり、ラチェット現象によって第２はんだ層の内部ではんだが移動する。その結果、第２はんだ層の厚みが、半導体チップの中央部で厚く、外周部で薄くなるように変化する。このように第２はんだ層の厚みが変化すると、半導体チップに高い応力が加わるようになり、半導体チップの信頼性が低下する。
【０００５】
したがって、本明細書では、はんだ層にラチェット現象が生じ難く、半導体チップの信頼性が低下し難い半導体モジュールを提供する。
【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、半導体チップと、第１電極体と、第２電極体を有している。前記半導体チップが、半導体基板と、前記半導体基板の第１表面の中央部に接するとともに前記第１表面の外周部に接していない第１電極層と、前記半導体基板の前記第１表面の裏側の第２表面の中央部に接するとともに前記第２表面の外周部に接していない第２電極層を有している。前記第１電極体が第１はんだ層を介して前記第１電極層に接続されている。前記第２電極体が第２はんだ層を介して前記第２電極層に接続されている。
【０００７】
この半導体モジュールでは、第１電極層が第１表面の外周部に接しておらず、第２電極層が第２表面の外周部に接していない。このため、第１電極層と第１はんだ層の間の接合部の面積と第２電極層と第２はんだ層の間の接合部の面積との差が、従来の半導体モジュールに比べて小さい。このため、半導体チップが発熱したときに、半導体チップから第１電極体と第２電極体へ従来よりも均等に熱が伝わる。このため、高温になったときの第１電極体と第２電極体の温度差が従来よりも小さく、第２電極体で反りが生じ難い。このため、第２はんだ層でラチェット現象が生じ難く、第２はんだ層の厚みが変化し難い。このため、この半導体モジュールでは、半導体チップの信頼性が低下し難い。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態の半導体モジュールの平面図。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線における実施形態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。
【図４】変形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】
【０００９】
図１に示す実施形態の半導体モジュール１０は、絶縁樹脂層６０の内部に半導体チップ２０ａ、２０ｂが埋め込まれた構造を有している。また、絶縁樹脂層６０の内部から外部に向かって主端子１６ａ、１６ｂと複数の信号端子１８が突出している。主端子１６ａ、１６ｂと信号端子１８は、絶縁樹脂層６０の内部で半導体チップ２０ａまたは半導体チップ２０ｂに接続されている。また、絶縁樹脂層６０の上面に、リードフレーム４０が露出している。リードフレーム４０は、半導体チップ２０ａと半導体チップ２０ｂに接続されている。
【００１０】
図２に示すように、半導体チップ２０ａは、半導体基板７４と、上部電極層７２と、下部電極層７６を有している。半導体基板７４は、シリコンにより構成されている。半導体基板７４の内部には、ＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）が形成されている。上部電極層７２は、半導体基板７４の上面７４ａに接している。上部電極層７２は、上面７４ａの中央部を覆っており、上面７４ａの外周部を覆っていない。図示していないが、上面７４ａの外周部には、複数の信号電極が設けられている。各信号電極は、図示しないワイヤーによって信号端子１８（図１参照）に接続されている。下部電極層７６は、半導体基板７４の下面７４ｂに接している。下部電極層７６は、下面７４ｂの中央部を覆っており、下面７４ｂの外周部を覆っていない。下面７４ｂには、下部電極層７６以外の電極は設けられていない。半導体チップ２０ａを厚み方向に透視したときに、上部電極層７２と下部電極層７６の輪郭が略一致する。したがって、上部電極層７２が半導体基板７４に接触する領域の面積は、下部電極層７６が半導体基板７４に接触する領域の面積と略等しい。より詳細には、上部電極層７２が半導体基板７４に接触する領域の面積は、下部電極層７６が半導体基板７４に接触する領域の面積の０．９５〜１．０５倍である。
【００１１】
半導体チップ２０ａの上部に、金属ブロック３０が配置されている。金属ブロック３０は、上部電極層７２の上部に配置されている。金属ブロック３０は、主に銅によって構成されている。金属ブロック３０の下面は、はんだ層８２によって上部電極層７２に接続されている。はんだ層８２は、金属ブロック３０の下面全体と、上部電極層７２の上面全体に接合されている。金属ブロック３０の下面の面積は、上部電極層７２の上面の面積よりも小さい。したがって、はんだ層８２は、上部電極層７２側から金属ブロック３０側に向かうにしたがって幅が狭くなる形状を有している。このため、はんだ層８２の側面と半導体基板７４の上面７４ａの外周部との間の角度θ１が、鈍角となっている。角度θ１が鈍角となっているので、射出成型によって絶縁樹脂層６０を形成するときに、溶融樹脂がはんだ層８２の側面と上面７４ａの外周部との境界部（すなわち、角度θ１の部分）に行き渡り易い。このため、この部分にボイド等が生じることが抑制される。
【００１２】
金属ブロック３０上に、リードフレーム４０が配置されている。リードフレーム４０は、主に銅によって構成されている。リードフレーム４０の下面は、はんだ層８４によって金属ブロック３０の上面に接続されている。
【００１３】
半導体チップ２０ａの下部に、リードフレーム１４が配置されている。リードフレーム１４は、主に銅によって構成されている。リードフレーム１４は、下部電極層７６の下部に配置されている。図示していないが、リードフレーム１４は、主端子１６ａ（図１参照）に接続されている。リードフレーム１４の上面は、はんだ層８０によって下部電極層７６に接続されている。はんだ層８０は、リードフレーム１４の上面全体と、下部電極層７６の下面全体に接合されている。リードフレーム１４の上面の面積は、下部電極層７６の下面の面積よりも小さい。したがって、はんだ層８０は、下部電極層７６側からリードフレーム１４側に向かうにしたがって幅が狭くなる形状を有している。このため、はんだ層８０の側面と半導体基板７４の下面７４ｂの外周部との間の角度θ２が、鈍角となっている。角度θ２が鈍角となっているので、射出成型によって絶縁樹脂層６０を形成するときに、溶融樹脂がはんだ層８０の側面と下面７４ｂの外周部との境界部（すなわち、角度θ２の部分）に行き渡り易い。このため、この部分にボイド等が生じることが抑制される。はんだ層８２と上部電極層７２の間の接合部の面積は、はんだ層８０と下部電極層７６の間の接合部の面積と略等しい。より詳細には、はんだ層８２と上部電極層７２の間の接合部の面積は、はんだ層８０と下部電極層７６の間の接合部の面積の０．９５倍〜１．０５倍である。
【００１４】
絶縁樹脂層６０は、リードフレーム４０、はんだ層８４、金属ブロック３０、はんだ層８２、半導体チップ２０ａ、はんだ層８０及びリードフレーム１４を覆っている。但し、リードフレーム４０の上面と、リードフレーム１４の下面は、絶縁樹脂層６０から露出している。
【００１５】
半導体チップ２０ａに電流を流すと、半導体チップ２０ａが発熱する。半導体モジュール１０の使用時には、半導体チップ２０ａに繰り返し電流が流れ、半導体チップ２０ａが繰り返し発熱する。以下に、半導体モジュール１０の動作時に生じる熱応力について、図３に示す比較例の半導体モジュールと比較しながら説明する。なお、図３では、比較例の半導体モジュールにおいて、実施形態の半導体モジュール１０の各部と同様の機能を有する部分に、図２と同じ符号を付している。図３に示す比較例の半導体モジュールでは、下部電極層７６が半導体基板１２の下面７４ｂ全体を覆っている。また、リードフレーム１４の上面が、下部電極層７６の下面よりも大きい。このため、はんだ層８０が、下部電極層７６側からリードフレーム１４側に向かうにしたがって幅が広くなる形状を有している。これらの点を除いて、図３に示す比較例の半導体モジュールの構造は、図２に示す実施形態の半導体モジュール１０の構造と等しい。
【００１６】
図３に示す比較例の半導体モジュールにおいて、半導体チップ２０ａが発熱すると、半導体チップ２０ａからリードフレーム４０とリードフレーム１４に熱が伝わる。すなわち、半導体チップ２０ａからはんだ層８２、金属ブロック３０、はんだ層８４を介してリードフレーム４０へ熱が伝わり、半導体チップ２０ａからはんだ層８０を介してリードフレーム１４へ熱が伝わる。比較例の半導体モジュールでは、はんだ層８０と下部電極層７６の接合面積がはんだ層８２と上部電極層７２の接合面積よりも広いので、リードフレーム４０よりもリードフレーム１４へより多くの熱が伝わる。このため、リードフレーム１４がリードフレーム４０よりも高温となる。ここで、リードフレーム１４の上面は、はんだ層８０を介して硬い半導体基板７４に接続されている。このため、リードフレーム１４の上面側の部分は、半導体基板７４に拘束されて、熱膨張し難い。他方、リードフレーム１４の下面側の部分は、熱膨張し易い。このため、リードフレーム１４が高温になると、下面側の部分の熱膨張量が上面側の部分の熱膨張量よりも多くなり、リードフレーム１４が下に凸となるように反る。半導体チップ２０ａが繰り返し発熱すると、リードフレーム１４に繰り返し反りが生じる。すると、はんだ層８０に繰り返し応力が加わる。このため、ラチェット現象によって、はんだ層８０を構成するはんだが、図３において矢印で示すように、はんだ層８０の中心側に向かって移動する。すると、はんだ層８０が中央部で外周部よりも厚くなる。このため、半導体チップ２０ａに反るように応力が加わり、半導体チップ２０ａの信頼性が低下する。
【００１７】
これに対し、図２に示す実施形態の半導体モジュール１０では、はんだ層８２と上部電極層７２の接合面積が、はんだ層８０と下部電極層７６の接合面積と略等しい。このため、半導体チップ２０ａが発熱したときに、リードフレーム４０とリードフレーム１４に比較例の半導体モジュールよりも均等に熱が伝わる。このため、比較例の半導体モジュールに比べて、実施形態の半導体モジュール１０では、リードフレーム１４の温度が上昇し難い。このため、リードフレーム１４に反りが生じ難い。特に、リードフレーム４０とリードフレーム１４の温度差が小さいので、リードフレーム４０側とリードフレーム１４側とで発生する応力がバランスし易く、リードフレーム１４の反りが抑制される。その結果、はんだ層８０に加わる応力が低減され、はんだ層８０でラチェット現象が生じ難い。このため、半導体チップ２０ａに加わる応力が小さく、半導体チップ２０ａの信頼性の低下を抑制することができる。
【００１８】
以上に説明したように、実施形態の半導体モジュール１０では、はんだ層８２と上部電極層７２の間の接合部の面積がはんだ層８０と下部電極層７６の間の接合部の面積と略等しい（より詳細には、０．９５倍〜１．０５倍である）ので、半導体チップ２０ａに加わる応力を従来よりも低減することができる。これによって、半導体チップ２０ａの信頼性の低下を抑制することができる。
【００１９】
なお、図４に示すように、リードフレーム１４が、はんだ層８０に接触しない位置で、はんだ層８０よりも外周側に突出する部分１４ａ（例えば、導電路）を有していてもよい。この構成でも、実施形態の半導体モジュール１０と同様に、半導体チップ２０ａに加わる応力を低減することができる。
【００２０】
上述した実施形態の構成要素と請求項の構成要素との関係について説明する。実施形態の金属ブロック３０は、請求項の第１電極体の一例である。実施形態のリードフレーム１４は、請求項の第２電極体の一例である。実施形態の上部電極層７２は、請求項の第１電極層の一例である。実施形態の下部電極層７６は、請求項の第２電極層の一例である。実施形態のはんだ層８２は、請求項の第１はんだ層の一例である。実施形態のはんだ層８０は、請求項の第２はんだ層の一例である。
【００２１】
本明細書が開示する技術要素について、以下に列記する。なお、以下の各技術要素は、それぞれ独立して有用なものである。
【００２２】
本明細書が開示する一例の半導体モジュールでは、第１電極層と第１はんだ層の間の接合部の面積が、第２電極層と第２はんだ層の間の接合部の面積の０．９５〜１．０５倍である。
【００２３】
本明細書が開示する一例の半導体モジュールでは、第１はんだ層が、第１電極層側から第１電極体側に向かうにしたがって幅が狭くなる形状を有する。また、第２はんだ層が、第２電極層側から第２電極体側に向かうにしたがって幅が狭くなる形状を有する。半導体モジュールは、半導体チップ、第１はんだ層及び第２はんだ層を覆う絶縁樹脂層をさらに有する。
【００２４】
この構成によれば、電極層に覆われていない範囲の半導体チップの表面とはんだ層との境界部においてこれらが成す角が鈍角となるので、樹脂成形時に前記境界部に溶融樹脂が流入し易い。したがって、前記境界部にボイド等が生じ難い。
【００２５】
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】
【００２６】
１０    ：半導体モジュール
１２    ：半導体基板
１４    ：リードフレーム
１６ａ  ：主端子
１６ｂ  ：主端子
１８    ：信号端子
２０ａ  ：半導体チップ
２０ｂ  ：半導体チップ
３０    ：金属ブロック
４０    ：リードフレーム
６０    ：絶縁樹脂層
７２    ：上部電極層
７４    ：半導体基板
７６    ：下部電極層
８０    ：はんだ層
８２    ：はんだ層
８４    ：はんだ層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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