(57)【要約】【課題】パワーモジュール等の半導体装置において、単純な構成で接合材の内部におけるクラックの原因となり得る熱応力による熱ストレスを実質的に低減する手段を提供する。【解決手段】本発明は、基板と、基板の上面に配置された半導体素子と、基板及び半導体素子の間に配置された接合材と、接合材の周囲に配置された突起部材と、突起部材の上面と半導体素子の下面とが非接合の状態で対向するように配置された対向領域とを有する半導体装置に関する。【選択図】図２
2019057675.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、基板の上面に配置された半導体素子と、基板及び半導体素子の間に配置された接合材と、接合材の周囲に配置された突起部材と、突起部材の上面と半導体素子の下面とが非接合の状態で対向するように配置された対向領域とを有する半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド自動車及び電気自動車等の輸送機器、並びにエアコン等の家電機器では、大出力モーターを制御するインバーターとして、パワー半導体素子を実装した半導体装置であるパワーモジュールが使用されている。ハイブリッド自動車及び電気自動車等の輸送機器においては、パワーモジュールは、通常はエンジンルーム内に搭載される。エンジンルーム内は、125℃を超える高温環境であるため、パワーモジュールを構成する部材は、このような高温環境下であっても使用し得る耐熱性を有することが求められる。
【０００３】
例えば、特許文献1は、基板と、該基板上に配置された半導体素子と、該基板と該半導体素子とを接合するように配置されたSn系はんだ層とを備え、Sn系はんだ層におけるSn結晶のC軸が、Sn系はんだ層の最大主応力方向と略直交するように配置される、半導体装置を記載する。当該文献は、鉛フリーはんだを使用する前記半導体装置において、鉛フリーはんだ層の非弾性歪みを実質的に抑制して、半導体装置の信頼性を向上することができると記載する。
【０００４】
特許文献2は、金属ブロックに取り付けられた電力用半導体素子をモールド樹脂で封入したパワーモジュールと、上記パワーモジュールにはんだにより接合されたヒートシンクとを有する電力用半導体装置において、上記ヒートシンクのパワーモジュール搭載面には、上記パワーモジュールの角部で規定される位置決め部と、はんだ流出止め部とからなる突起部を設け、上記突起部と上記パワーモジュールと上記ヒートシンクで囲まれた空間であって上記はんだの周囲には、上記はんだの溶融時に膨張する体積分以上の容積で、その表面がはんだに濡れない材質で構成された溶融はんだの体積膨張吸収部を形成した電力用半導体装置を記載する。当該文献は、前記構成により、ヒートシンクとパワーモジュールとの接合部外へ漏れ出すはんだを減少させ、放熱性能の低下を抑制できると記載する。
【０００５】
パワーモジュールは、大電力で動作するため、半導体素子自体が発熱し得る。このような場合、半導体素子、基板及びはんだ材のような接合材の間の熱膨張係数の差異に起因して、熱応力が発生し、さらにこの熱応力により、接合材の内部にクラックが発生し得ることが知られている。
【０００６】
このような問題に対し、例えば特許文献3は、表面に電極層を設けた絶縁基板と、裏面に電極層を設けた半導体素子と、紡錘形またはひし形を並べて構成される格子状パターンで分割され、前記絶縁基板の表面の電極層と前記半導体素子の裏面の電極層とを接合するダイボンド部とを備えたことを特徴とする電力用半導体装置を記載する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開2015-65301号公報
【特許文献２】特開2012-142521号公報
【特許文献３】特開2017-079217号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前記のように、パワーモジュールに使用される半導体装置においては、半導体素子の発熱によって、接合材に熱応力が生じ得る。このような熱応力は、半導体素子、基板及び接合材の間の熱膨張係数の差異に起因して生じ、接合材の内部にクラックが発生する原因となり得る。
特許文献3は、当該文献に記載の電力用半導体装置は、接合材であるダイボンド部が格子状パターンに分割されて複数の独立した接合領域となることにより、半導体動作時に発生する熱応力を緩和することができ、ダイボンド部に発生するクラックの抑制をし得ると記載する。しかしながら、当該文献に記載の電力用半導体装置では、ダイボンド部に特定のパターンを形成する必要がある。このような複雑な構成は、半導体装置の製造コストを上昇させる可能性がある。
【０００９】
それ故、本発明は、パワーモジュール等の半導体装置において、単純な構成で接合材の内部におけるクラックの原因となり得る熱応力による熱ストレスを実質的に低減する手段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】
【００１０】
本発明者は、前記課題を解決するための手段を種々検討した。本発明者は、半導体装置において、接合材の周囲に突起部材を配置することにより、基板及び半導体素子との接合面方向の熱膨張及び収縮を抑制して、接合材の内部におけるクラックの発生を実質的に抑制し得ることを見出した。本発明者は、前記知見に基づき、本発明を完成した。
【００１１】
すなわち、本発明の要旨は以下の通りである。
（1）  基板と、基板の上面に配置された半導体素子と、基板及び半導体素子の間に配置された接合材と、接合材の周囲に配置された突起部材と、突起部材の上面と半導体素子の下面とが非接合の状態で対向するように配置された対向領域とを有する半導体装置。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、パワーモジュール等の半導体装置において、単純な構成で接合材の内部におけるクラックの原因となり得る熱応力による熱ストレスを実質的に低減する手段を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図1は、従来技術の半導体装置の形状を模式的に示す断面図である。
【図２】図2は、本発明の一態様の半導体装置の一実施形態の形状を示す模式図である。（a）：断面模式図、（b）：（a）におけるI-I’に沿った水平断面模式図である。
【図３】図3は、本発明の一態様の半導体装置の別の一実施形態の形状を示す模式図である。（a）：断面模式図、（b）：（a）におけるII-II’に沿った水平断面模式図である。
【図４】図4は、比較例、実施例1及び実施例2の半導体装置の接合材に発生する熱応力による熱ストレスを比較したグラフである。縦軸に示す値は、比較例の半導体装置の接合材に発生する熱応力による熱ストレスを1とした場合の相対値である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。
【００１５】
＜1. 半導体装置＞
本発明の一態様は、基板と、基板の上面に配置された半導体素子と、基板及び半導体素子の間に配置された接合材と、接合材の周囲に配置された突起部材とを有する半導体装置に関する。
【００１６】
従来技術の半導体装置の形状を模式的に示す断面図を図1に示す。従来技術の半導体装置においては、基板1と、基板の上面に配置された半導体素子2との間を、接合材3で電気的に接合する。このような構成を有する従来技術の半導体装置、特にパワーモジュールに使用される半導体装置においては、半導体素子の発熱によって、接合材3に熱応力が生じ得る。熱応力は、通常、半導体素子2、基板1及び接合材3の順に熱膨張係数が高くなることに起因して生じる。特に、接合材3において、基板1及び半導体素子2との接合面方向の熱応力は、接合材3における同方向の熱膨張及び収縮を引き起こし得る。このような熱応力が発生すると、接合材の内部にクラックが発生する原因となり得る。
【００１７】
本発明者は、半導体装置において、接合材の周囲に突起部材を配置することにより、基板及び半導体素子との接合面方向の熱膨張及び収縮を抑制して、接合材の内部におけるクラックの発生を実質的に抑制し得ることを見出した。
【００１８】
本発明の一態様の半導体装置の一実施形態の形状を図2に示す。図2（a）に示すように、本態様の半導体装置100は、基板11と、基板の上面に配置された半導体素子12と、基板11及び半導体素子12の間に配置された接合材13と、接合材13の周囲に配置された突起部材14とを有する。接合材13は、突起部材14の内壁部と電気的に接合した状態である。接合材13の周囲が突起部材14によって包囲されることにより、接合材13の基板11及び半導体素子12に対する接合面積が減少して、接合材13の変形量が実質的に減少する。また、接合材13と突起部材14との接合により、見かけの線膨張係数が低下する。これにより、熱応力によって引き起こされる、接合材13における、基板11及び半導体素子12との接合面方向の熱膨張及び収縮を顕著に抑制し得る。それ故、本態様の半導体装置の構成により、接合材の内部におけるクラックの原因となり得る熱応力による熱ストレスを実質的に低減することができる。
【００１９】
本発明の各態様において、半導体装置の接合材に発生する熱応力及び該熱応力による熱ストレスは、例えば、FEM（有限要素法）解析ソフトウェアを用いて、熱応力シミュレーション等の数値計算を実施することにより、算出することができる。
【００２０】
本態様の半導体装置を構成する基板及び半導体素子としては、パワーモジュール、特にハイブリッド自動車及び電気自動車等の大出力モーターを制御するインバーターに使用するために、当該技術分野で通常使用される基板及び半導体素子であれば、特に限定されず、使用することができる。基板としては、例えば、Cu及びAl等の材料からなるリードフレーム等を挙げることができる。前記材料は、所望により無電解Ni-P、又は電解Ni、Cu、Sn、Ag若しくはAu等でめっきされていてもよい。
【００２１】
本態様の半導体装置を構成する接合材としては、Sn-3Ag-0.5Cu合金及びSn-0.7Cu合金等のSn系はんだ、並びにCu及びAg等の金属ナノ粒子ペースト等の、当該技術分野で通常使用される接合材であれば、特に限定されず、使用することができる。
【００２２】
本態様の半導体装置を構成する突起部材は、基板と同一の材料からなることが好ましい。この場合、基板及び突起部材の熱膨張係数等の物性を同一とすることができる。このような特徴を有することにより、基板及び突起部材の間の熱膨張係数の差異に起因する熱応力の発生を実質的に抑制することができる。また、基板及び突起部材の電気的特性を実質的に同一とすることができる。
【００２３】
突起部材は、上面視において、半導体素子と同一の外寸及び外周形状を有することが好ましい。突起部材は、壁厚が、通常は0.1〜0.5 mmの範囲、好ましくは0.125〜0.25 mmの範囲である。また、壁高さが、通常は0.025〜0.2 mmの範囲、好ましくは0.05〜0.15 mmの範囲である。このような特徴を有することにより、基板、半導体素子及び接合材の接合をより確実なものとすることができる。また、接合材の内部におけるクラックの原因となり得る熱応力による熱ストレスを実質的に低減することができる。
【００２４】
本態様の半導体装置は、基板の上面部及び突起部材の内壁部で形成される1個の空間を有する。本態様の半導体装置において、基板の上面部及び突起部材の内壁部で形成される空間を、接合材収容部と記載する場合がある。本態様の半導体装置において、接合材は、1個の接合材収容部に収容されている。
【００２５】
本発明の一態様の半導体装置の別の一実施形態の形状を図3に示す。図3（a）に示すように、本態様の半導体装置200において、突起部材24は、上面視における内壁角が特定の曲率半径を有することが好ましい。このような実施形態の場合、熱応力が内壁角に集中することを実質的に抑制することができる。本実施形態において、突起部材24の、上面視における内壁角の曲率半径は、0.1〜1 mmの範囲であることが好ましく、0.1〜0.5 mmの範囲であることがより好ましい。前記特徴を有する場合、接合材の内部におけるクラックの原因となり得る熱応力による熱ストレスをより低減することができる。
【００２６】
本態様の半導体装置100, 200は、突起部材14, 24の上面と半導体素子12, 22の下面とが、非接合の状態で対向するように配置された対向領域15, 25を有する。本発明の各態様において、「非接合の状態」は、電気的に接合されていない状態を意味する。本態様の半導体装置において、対向領域では、例えば、突起部材の上面と半導体素子の下面とが接触していてもよく、接触していなくてもよいが、接触していないことが好ましい。対向領域が非接合の状態であることにより、熱応力によって引き起こされる基板及び半導体素子との接合面に垂直な方向の熱膨張及び収縮による影響を実質的に回避することができる。
【００２７】
本態様の半導体装置において、突起部材の上面は、半導体素子の下面との接合を実質的に防止するための表面処理がなされていることが好ましい。この場合において、表面処理としては、例えば、表面粗化処理及びはんだレジスト塗布処理等を挙げることができる。突起部材の上面に、前記のような表面処理がなされていることにより、突起部材の上面と半導体素子の下面との接合を実質的に防止して、熱応力によって引き起こされる基板及び半導体素子との接合面に垂直な方向の熱膨張及び収縮による影響を実質的に回避することができる。
【００２８】
本態様の半導体装置において、対向領域は、突起部材の上面と半導体素子の下面の外周領域とが対向するように配置されることが好ましい。当該技術分野において、通常使用される半導体素子では、外周領域に、絶縁性を確保するためのガードリングが配置されている。この場合、ガードリングの絶縁性により、半導体素子の外周領域は、実質的に発熱しない。このため、熱応力によって引き起こされる接合材の熱膨張及び収縮をさらに抑制し得る。それ故、前記特徴を有することにより、接合材の内部におけるクラックの原因となり得る熱応力による熱ストレスをさらに低減することができる。
【００２９】
＜2. 半導体装置を製造する方法＞
本発明の別の一態様は、前記で説明した本発明の一態様の半導体装置を製造する方法に関する。本態様の方法は、基板及び突起部材準備工程、接合材の材料準備工程及び接合工程を含む。本態様の方法において、基板、半導体素子、接合材及び突起部材は、前記で説明した特徴を有する。
【００３０】
［2-1. 基板及び突起部材準備工程］
本態様の方法において、基板及び突起部材準備工程は、基板の上面に突起部材を配置する工程である。本工程において、基板及び突起部材は、別々の部材として準備してもよく、単一の部材として準備してもよい。例えば、基板及び突起部材が同一の材料からなる場合、基板及び突起部材を単一の部材として成型することが好ましい。
【００３１】
［2-2. 接合材の材料準備工程］
本態様の方法において、接合材の材料準備工程は、基板の上面部及び突起部材の内壁部で形成される1個の接合材収容部に、接合材の材料を配置する工程である。本工程において、接合材の材料は、ペレット、ペースト又は箔等の当該技術分野で通常使用される形状であればよい。
【００３２】
［2-3. 接合工程］
本態様の方法において、接合工程は、前記工程で準備された基板、接合材の材料及び突起部材の上面に半導体素子を配置して、各部材を接合する工程である。本工程において、各部材を接合する条件としては、使用される接合材の材料に基づき、当該技術分野で通常使用される接合材の溶融及び冷却条件を適用することができる。
【００３３】
以上のように、本発明の一態様の半導体装置は、熱応力によって引き起こされる、接合材における、基板及び半導体素子との接合面方向の熱膨張及び収縮を顕著に抑制し得る。本発明の一態様の半導体装置の構成により、接合材の内部におけるクラックの原因となり得る熱応力による熱ストレスを実質的に低減して、半導体装置の信頼性を向上することができる。それ故、本発明の一態様の半導体装置を、例えばハイブリッド自動車及び電気自動車等の大出力モーターを制御するインバーターに使用することにより、高温環境下においても信頼性の高い、長寿命の電子機器を得ることが可能となる。
【実施例】
【００３４】
以下、実施例を用いて本発明をさらに具体的に説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれら実施例に限定されるものではない。
【００３５】
＜I：半導体装置の作製＞
［I-1：比較例］
Cu系基板（35×20 mm）上に、接合材としてSn系はんだのペレット（Sn-0.7Cu-0.06Ni、15×15 mm、厚さ150 μm）を置き、その上に、パワー半導体素子（15×15 mm）を置いた。前記装置を、還元雰囲気下、300℃で5分間加熱して、Sn系はんだのペレットを溶融させた。その後、半導体装置全体を、1分間で25℃まで冷却した。これにより、溶融したはんだを凝固させて、基板と半導体素子との間をSn系はんだ層からなる接合材で接合した。
【００３６】
［I-2：実施例1］
図2に示す実施形態に基づき、無電解Ni-PめっきCu系基板（35×20 mm）の上面の中央部に、同一材料からなる、壁厚0.25 mm、壁高さ0.15 mm、上面視における外寸15×15 mmの突起部材を有する基板を準備した。突起部材の上面は、予め粗化処理を施した。基板の上面部及び突起部材の内壁部で形成される空間（接合材収容部）に、接合材としてSn系はんだのペレット（Sn-0.7Cu-0.06Ni、14.5×14.5 mm、厚さ150 μm）を置き、その上に、パワー半導体素子（15×15 mm）を置いた。前記装置を、還元雰囲気下、300℃で5分間加熱して、Sn系はんだのペレットを溶融させた。その後、半導体装置全体を、1分間で25℃まで冷却した。これにより、溶融したはんだを凝固させて、基板と半導体素子との間をSn系はんだ層からなる接合材で接合した。作製された半導体装置において、突起部材の上面と半導体素子の下面とが対向する領域（対向領域）は、突起部材と半導体素子とが接合していない状態であった。
【００３７】
［I-3：実施例2］
図3に示す実施形態に基づき、無電解Ni-PめっきCu系基板（35×20 mm）の上面の中央部に、同一材料からなる、壁厚0.25 mm、壁高さ0.15 mm、上面視における内壁角の曲率半径0.5 mm、上面視における外寸15×15 mmの突起部材を有する基板を準備した。突起部材の上面は、予め粗化処理を施した。基板の上面部及び突起部材の内壁部で形成される空間（接合材収容部）に、接合材としてSn系はんだのペレット（Sn-0.7Cu-0.06Ni、14.5×14.5 mm、厚さ150 μm）を置き、その上に、パワー半導体素子（15×15 mm）を置いた。前記装置を、実施例1と同様の条件で処理して、半導体装置を作製した。作製された半導体装置において、突起部材の上面と半導体素子の下面とが対向する領域（対向領域）は、突起部材と半導体素子とが接合していない状態であった。
【００３８】
＜II：半導体装置の熱ストレス試験＞
比較例、実施例1及び実施例2の半導体装置を用いて、熱応力シミュレーション等の数値計算を実施して、各半導体装置の接合材に発生する熱応力を算出した（FEM（有限要素法）解析ソフトウェア）。算出された熱応力に基づき、比較例の半導体装置の接合材に発生する熱応力による熱ストレスを1とした場合の実施例1及び実施例2の半導体装置の接合材に発生する熱応力による熱ストレスの相対値を算出した。比較例、実施例1及び実施例2の半導体装置の接合材に発生する熱応力による熱ストレスを比較したグラフを図4に示す。
【００３９】
図4に示すように、実施例1及び実施例2の半導体装置では、比較例の半導体装置と比較して、接合材に発生する熱応力による熱ストレスが顕著に低減された。特に、実施例2の半導体装置では、比較例の半導体装置と比較して、接合材に発生する熱応力による熱ストレスが約10％低減された。
【符号の説明】
【００４０】
11,21…基板
12,22…半導体素子
13,23…接合材
14,24…突起部材
15,25…対向領域
100,200…半導体装置
【図１】
2019057675.tif 000003
【図２】
2019057675.tif 000004
【図３】
2019057675.tif 000005
【図４】
2019057675.tif 000006