(57)【要約】【課題】複数の接合材を有する両面冷却構造の半導体モジュールに関し、全ての接合材に生じ得る歪量を可及的に小さくすることができ、もって全ての接合材に生じ得るクラックを解消することのできる半導体モジュールを提供する。【解決手段】第一のリードフレーム１、接合材５、半導体素子３、接合材６、金属製冷却ブロック４、接合材７、第二のリードフレーム２、が順に積層され、封止樹脂体８で全体が封止されてなる半導体モジュール１０であって、封止樹脂体８は、半導体素子３の周囲を含む第一のリードフレーム１側の第一の封止樹脂体８Ａと、それ以外の第二のリードフレーム２側の第二の封止樹脂体８Ｂと、から構成されており、第二の封止樹脂体８Ｂの線膨張係数に比して第一の封止樹脂体８Ａの線膨張係数が相対的に小さい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一のリードフレーム、接合材、半導体素子、接合材、金属製冷却ブロック、接合材、第二のリードフレーム、が順に積層され、封止樹脂体で全体が封止されてなる半導体モジュールであって、
前記封止樹脂体は、半導体素子の周囲を含む第一のリードフレーム側の第一の封止樹脂体と、それ以外の第二のリードフレーム側の第二の封止樹脂体と、から構成されており、
前記第二の封止樹脂体の線膨張係数に比して前記第一の封止樹脂体の線膨張係数が相対的に小さい半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二つのリードフレームの間に半導体素子が配設されている、両面冷却構造の半導体モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の半導体素子を搭載した半導体モジュール（パワーモジュールもしくはパワーカード）は、リードフレームと半導体素子が接合材であるはんだ層を介して接合されて構成された積層体がケース内に収容され、さらにこのケース内に封止樹脂体が形成された構成のものや、ケースレス構造であって、比較的硬質の封止樹脂体で上記積層体が封止された構成のものなど、多様な形態が存在している。なお、ケースレス構造のもの、ケースを具備する構造のもののいずれであっても、ヒートシンクや冷媒を還流させる冷却器などがさらに配されて半導体素子からの熱をこれらに放熱させる構造が一般に適用されている。さらに、二つのリードフレームが上下に存在し、その間に半導体素子が接合材を介して配設されるとともに、これらの積層体が封止樹脂体で一体化された両面冷却構造の半導体モジュールも存在している。
【０００３】
上記する両面冷却構造の半導体モジュールに関し、封止樹脂体で積層体の全体を一体化する目的の一つは、接合材に生じ得る歪抑制による信頼性を向上させることである。
【０００４】
この接合材の歪抑制には封止樹脂体の線膨張係数の設定が重要になるが、この線膨張係数は接合材の場所によって最適値が異なっている。
【０００５】
より具体的には、両面冷却構造の半導体モジュールの構造として、第一のリードフレーム、接合材、半導体素子、接合材、金属製冷却ブロック、接合材、第二のリードフレーム、が順に積層され、封止樹脂体で全体が封止されてなる構造の半導体モジュールを挙げることができる。
【０００６】
このような構造の半導体モジュールでは、半導体素子を挟んで二種の接合材が存在し、金属製冷却ブロックを挟んで二種の接合材（そのうちの一種は半導体素子を挟む一方の接合材となる）が存在しており、計三種の接合材が存在している。
【０００７】
半導体素子とたとえば銅製の金属製冷却ブロックは相互に異なる剛性を有していることから、半導体素子の発熱時等に各接合材に加わる応力とこれに起因する歪量が接合材ごとに異なり、接合材にクラックが生じることが懸念される。そして、半導体モジュールの小型化と発熱密度の増大により、接合材に生じ得るクラックの問題はさらに顕著になる。各接合材に生じ得るクラックを解消するにはクラック発生の要因となる歪量を可及的に小さくすることが必要になるが、封止樹脂体の線膨張係数の最適値が接合材の場所ごとに異なることから、全ての接合材の歪量を一様に小さくするのは極めて難しい。
【０００８】
現在製造されている両面冷却構造の半導体モジュールにおいては、各接合材間で最もバランスのよい線膨張係数の封止樹脂体が用いられているものの、必ずしも各接合材にとって最適な線膨張係数の封止樹脂体ではないことから、各接合材の歪を十分に抑制しきれていないのが現状である。
【０００９】
ここで、特許文献１には、両面基板の間に半導体素子と線膨張係数の近似したセラミックス製柱を設けた構造の半導体モジュールが開示されている。
【００１０】
一方、特許文献２には、構成部材の線膨張係数を変化させることで全体の反りを抑制可能とした半導体装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００７−３１１４４１号公報
【特許文献２】特開２００７−１７３６８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
特許文献１，２に記載の半導体モジュールや半導体装置によれば、半導体モジュールや半導体装置に発生する反りを低減できるとしている。しかしながら、特許文献１に記載の半導体モジュールのように柱を設けて強制的に反りを低減しようとすると、接合材への応力集中が生じ易く、この応力集中に起因したクラックの発生が懸念される。
【００１３】
また、封止樹脂体と基板の接合界面に加わる応力も大きくなり、封止樹脂体の剥離の問題も懸念され、封止樹脂体が剥離することで接合材を拘束する効果が失われ、封止樹脂体による接合材の歪低減効果は期待できなくなる。
【００１４】
一方、特許文献２に記載の半導体装置においても特許文献１と同様の上記課題が懸念される。また、既述するように複数の接合材が存在する両面冷却構造の半導体モジュールにおいては、歪抑制にとって最適な封止樹脂体の線膨張係数が接合材ごとに異なることから、一種類の封止樹脂体では全ての接合材の歪量を十分に低減することは極めて難しい。
【００１５】
本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、複数の接合材を有する両面冷却構造の半導体モジュールに関し、全ての接合材に生じ得る歪量を可及的に小さくすることができ、もって全ての接合材に生じ得るクラックを解消することのできる半導体モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前記目的を達成すべく、本発明による半導体モジュールは、第一のリードフレーム、接合材、半導体素子、接合材、金属製冷却ブロック、接合材、第二のリードフレーム、が順に積層され、封止樹脂体で全体が封止されてなる半導体モジュールであって、前記封止樹脂体は、半導体素子の周囲を含む第一のリードフレーム側の第一の封止樹脂体と、それ以外の第二のリードフレーム側の第二の封止樹脂体と、から構成されており、前記第二の封止樹脂体の線膨張係数に比して前記第一の封止樹脂体の線膨張係数が相対的に小さいものである。
【００１７】
本発明の半導体モジュールは、線膨張係数の異なる二種類の封止樹脂体（半導体素子の周囲を含む第一のリードフレーム側の第一の封止樹脂体と、それ以外の第二のリードフレーム側の第二の封止樹脂体）を適用し、第二の封止樹脂体の線膨張係数に比して第一の封止樹脂体の線膨張係数を相対的に小さくしたことにより、三種の接合材の歪量をいずれも可及的に小さくすることができ、全ての接合材に生じ得るクラックの解消を可能としたものである。
【００１８】
ここで、本明細書において「リードフレーム」とは、文字通りのリードフレームのほか、ダイパッド、回路基板や応力緩和基板等の基板、純Alからなる基板とAlN(窒化アルミニウム)からなる基板を積層してなるDBA（絶縁基板）、ヒートシンクなども包含されるものであり、たとえばCu素材のリードフレームが適用できる。
【００１９】
また、「接合材」としては、Pb系はんだやPbフリーはんだ等からなるはんだ層が挙げられる。
【００２０】
また、「金属製冷却ブロック」としては、たとえば銅製の冷却ブロックが挙げられる。
【００２１】
さらに、「第一、第二の封止樹脂体」としては、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂やポリアミドイミド等の熱可塑性樹脂が挙げられ、第二の封止樹脂体の線膨張係数に比して第一の封止樹脂体の線膨張係数が相対的に小さくなるように双方の材料設定がおこなわれる。
【００２２】
半導体素子の線膨張係数はたとえば3×10-6/K程度であり、銅製の金属製冷却ブロックの線膨張係数はたとえば16.8×10-6/K程度であり、双方の線膨張係数には5〜6倍程度もの差異がある。
【００２３】
そこで、線膨張係数が相対的に低い半導体素子周辺の封止樹脂体を相対的に線膨張係数の小さいものとすることで、半導体素子に接合している接合材の周囲や金属製冷却ブロックに接合している接合材の周囲において、それぞれの接合材に適した線膨張係数の封止樹脂体を配設することができる。その結果、半導体素子の発熱時等に各接合材に加わる応力を可及的に低減でき、このことに起因して各接合材における歪量を可及的に小さくすることができ、歪に起因したクラックの発生を効果的に解消することが可能になる。
【発明の効果】
【００２４】
以上の説明から理解できるように、本発明の半導体モジュールは、二つのリードフレームの間に半導体素子と金属製冷却ブロックが配設され、それらが複数の接合材で接合され、全体が封止樹脂体で一体化された構成の両面冷却構造の半導体モジュールにおいて、封止樹脂体が線膨張係数の異なる二種類の封止樹脂体から構成され、半導体素子の周囲を含む一方のリードフレーム側の第一の封止樹脂体の線膨張係数をそれ以外の他方のリードフレーム側の第二の封止樹脂体の線膨張係数に比して相対的に小さくしている。この構成により、全ての接合材の歪量をいずれも可及的に小さくすることができ、全ての接合材に生じ得るクラックを効果的に解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の半導体モジュールの実施の形態を説明した縦断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）の順に、本発明の半導体モジュールの製造方法を説明したフロー図である。
【図３】第一の封止樹脂体の線膨張係数と、第一のリードフレーム−半導体素子間の接合材の非弾性歪の関係を検証した実験結果を示した図である。
【図４】第二の封止樹脂体の線膨張係数と、第二のリードフレーム−金属製冷却ブロック間の接合材の非弾性歪の関係を検証した実験結果を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図面を参照して本発明の半導体モジュールの実施の形態を説明する。なお、半導体モジュールは両面冷却構造の半導体モジュールであれば図示例のものに何等限定されるものではなく、図示する形態のリードフレーム以外にも、絶縁基板や応力緩和板などからなる基材やこれら二種以上の基材が積層したものの表面に半導体素子が搭載される形態であってもよい。また、図示例は冷却器等の図示を省略している。
【００２７】
（半導体モジュールの実施の形態）
図１は本発明の半導体モジュールの実施の形態を説明した縦断面図である。図示する半導体モジュール１０は、第一のリードフレーム１、半導体素子３、金属製冷却ブロック４、第二のリードフレーム２、が順に積層され、第一のリードフレーム１と半導体素子３、半導体素子３と金属製冷却ブロック４、金属製冷却ブロック４と第二のリードフレーム２がそれぞれ、はんだ層からなる接合材５，６，７で接合されて積層体を構成し、積層体の周囲に封止樹脂体８が形成されて全体が構成されている。なお、図示する半導体モジュール１０では、二つの半導体素子３が並列に搭載された形態である。
【００２８】
二つのリードフレーム１，２はアルミニウムやその合金、銅やその合金などから形成されており、表面にNiめっき層が形成されたり、さらにNiめっき層の表面にAuめっき層が形成されていてもよい。
【００２９】
金属製冷却ブロック４は銅製であり、その線膨張係数はたとえば16.8×10-6/K程度である。一方、シリコン製の半導体素子の線膨張係数はたとえば3×10-6/K程度である。
【００３０】
接合材５，６，７を構成するはんだ層は、Pb系はんだ、Pbフリーはんだのいずれであってもよいが、環境影響負荷低減を図るべく、Sn−Ag系はんだ、Sn−Cu系はんだ、Sn−Ag−Cu系はんだ、Sn−Zn系はんだ、Sn−Sb系はんだなどのPbフリーはんだからなるものが好ましい。
【００３１】
封止樹脂体８は、半導体素子３の周囲を含む第一のリードフレーム１側の第一の封止樹脂体８Ａと、それ以外の第二のリードフレーム２側の第二の封止樹脂体８Ｂと、から構成されている。
【００３２】
さらに、第二の封止樹脂体８Ｂの線膨張係数に比して、第一の封止樹脂体８Ａの線膨張係数が相対的に小さくなるように双方の封止樹脂体の素材が設定されている。
【００３３】
ここで、第一の封止樹脂体８Ａ，第二の封止樹脂体８Ｂの素材として、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂やポリアミドイミド等の熱可塑性樹脂が挙げられる。
【００３４】
エポキシ樹脂に関しては、その末端に反応性のエポキシ基を持つ熱硬化型の合成樹脂であり、ビスフェノールAとエピクロルヒドリンとの縮合反応により製造されるビスフェノールA型エポキシ樹脂や、ノボラック系エポキシ樹脂、トリスフェノールメタン型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、多官能エポキシ樹脂、可撓性エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、高分子型エポキシ樹脂およびグリシジルエステル型エポキシ樹脂などを挙げることができ、これらを単独で、もしくは、ビスフェノールA型エポキシ樹脂とその他の一種もしくは二種以上の樹脂を混合して使用することもできる。熱硬化性樹脂に関しては、ポリアミドイミド以外にも、ポリフェニレンサルファイドやポリブチレンテレフタレート等のエンジニアリングプラスチック、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル等が挙げられる。
【００３５】
また、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂の中には、熱伝導性と熱膨張の改善を目的としてシリカやアルミナ、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸化マグネシウム等の無機フィラーが含有されていてもよい。
【００３６】
上記するように、半導体素子３の線膨張係数はたとえば3×10-6/K程度であり、銅製の金属製冷却ブロック４の線膨張係数はたとえば16.8×10-6/K程度であり、双方の線膨張係数には5〜6倍程度もの差異がある。そこで、線膨張係数が相対的に低い半導体素子３周辺の第一の封止樹脂体８Ａを相対的に線膨張係数の小さいものとすることで、半導体素子３に接合している接合材５の周囲や、金属製冷却ブロック４に接合している接合材７の周囲において、それぞれの接合材５，７に適した線膨張係数の封止樹脂体を配設することができる。
【００３７】
この構成により、半導体素子３の発熱時等に各接合材５，６，７に加わる応力を可及的に低減でき、このことに起因して各接合材５，６，７における歪量を可及的に小さくすることができ、歪に起因したクラックの発生を効果的に解消することが可能になる。
【００３８】
次に、図２を参照して半導体モジュールの製造方法を概説する。
【００３９】
まず、図２（ａ）で示すように、第一のリードフレーム１、接合材５、半導体素子３、接合材６、および金属製冷却ブロック４が積層した第一の中間体１０’を製造する。
【００４０】
次に、図２（ｂ）で示すように、上型Ｋ１と下型Ｋ２から構成される成形型ＫのキャビティＣに第一の中間体１０’を収容し、上型Ｋ１に開設されている注入孔Ｋ１ａから第一の封止樹脂体成形用の樹脂を注入し（Ｘ１方向）、図２（ｃ）で示すように、脱型することで、第一の中間体１０’の周囲に第一の封止樹脂体８Ａが形成された第二の中間体１０”を製造する。
【００４１】
次に、図２（ｄ）で示すように、上型Ｋ１’と下型Ｋ２’から構成される別途の成形型Ｋ’のキャビティＣ’に第二の中間体１０”を収容し、上型Ｋ１’に開設されている注入孔Ｋ１’ａから第二の封止樹脂体成形用の樹脂を注入し（Ｘ２方向）、硬化を待って脱型することにより、図１で示す半導体モジュール１０が製造される。
【００４２】
（第一の封止樹脂体の線膨張係数と、第一のリードフレーム−半導体素子間の接合材の非弾性歪の関係を検証した実験、および、第二の封止樹脂体の線膨張係数と、第二のリードフレーム−金属製冷却ブロック間の接合材の非弾性歪の関係を検証した実験と、それらの結果）
本発明者等は、第一の封止樹脂体の線膨張係数と、第一のリードフレーム−半導体素子間の接合材の非弾性歪の関係を検証した実験、および、第二の封止樹脂体の線膨張係数と、第二のリードフレーム−金属製冷却ブロック間の接合材の非弾性歪の関係を検証した実験をおこなった。
【００４３】
具体的には、いずれの実験も、図１で示す構成の半導体モジュールを第一の封止樹脂体と第二の封止樹脂体の線膨張係数を種々変化させて複数製作し、−40℃と150℃の間で温度条件を変化させる冷熱試験をおこない、各試験体における接合材（図１における接合材５，７）の非弾性歪を測定した。製作された半導体モジュールにおいて、半導体素子の線膨張係数は3×10-6/Kであり、金属製冷却ブロックの線膨張係数は16.8×10-6/Kであり、第一、第二のリードフレームの線膨張係数は16×10-6/Kであり、各接合材の線膨張係数は22×10-6/Kである。
【００４４】
第一の封止樹脂体とその周囲の接合材（図１における接合材５）の非弾性歪の関係に関する実験結果を図３に示し、第二の封止樹脂体とその周囲の接合材（図１における接合材７）の非弾性歪の関係に関する実験結果を図４に示す。
【００４５】
図３より、接合材の非弾性歪は第一の封止樹脂体の線膨張係数の増加とともに増加する傾向を示しており、第一の封止樹脂体の線膨張係数は、半導体素子の線膨張係数3×10-6/Kに近づくにつれて接合材の歪量が小さくなることが分かる。図３より、第一の封止樹脂体の線膨張係数は10×10-6/K以下が望ましいことが分かる。
【００４６】
一方、図４より、接合材の非弾性歪は第二の封止樹脂体の線膨張係数が18×10-6/Kのときに最小値を示す、下に凸の曲線上にあることが分かる。図４より、第二の封止樹脂体の線膨張係数はリードフレームの線膨張係数16×10-6/Kと接合材の線膨張係数22×10-6/Kの間が望ましいことが分かる。
【００４７】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４８】
１…第一のリードフレーム、２…第二のリードフレーム、３…半導体素子、４…金属製冷却ブロック、５，６，７…接合材（はんだ層）、８…封止樹脂体、８Ａ…第一の封止樹脂体、８Ｂ…第二の封止樹脂体、１０…半導体モジュール、１０’…第一の中間体、１０”…第二の中間体，Ｋ，Ｋ’…成形型、Ｋ１，Ｋ１’…上型，Ｋ２，Ｋ２’…下型、Ｃ，Ｃ’…キャビティ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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