(57)【要約】      （修正有）【課題】高価なＡｌＮやＡｌ２Ｏ３絶縁基板等を用いず、安価なＡｌやＣｕ等の金属基板を用いて信頼性と熱放散性を向上させ、大型化、高出力化へ対応。【解決手段】充填樹脂１５の線膨張係数を半田３以上例えば（２４±３）×１０-6／℃とし、ヤング率を１〜１２Ｇｐａ望ましくは５〜８ＧＰａとすることで、半導体チップ１周辺を半田３に近い物性を有する多少柔らかく、かつ密着力のあるエポキシ系樹脂１５で取り囲むことで、チップに大きな応力が作用しないように保護し、チップの素子部、界面剥離破壊を防止し、かつ半田３の寿命を確保する。また、充填樹脂１５のガラス転移温度Ｔｇを１５０℃以上とすることで、２次リフロー等の高温時の充填樹脂の熱膨張による悪影響を抑える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁樹脂層を有する金属基板と、この金属基板の前記絶縁樹脂層に接合した金属製の熱拡散板と、メタライズ面を前記熱拡散板に半田付けされた半導体チップと、これらを収容するケースと、このケース内部に充填された樹脂を備えた半導体パワーモジュールにおいて、前記樹脂の線膨張係数を前記半田の線膨張係数以上とし、前記熱拡散板は、Ｃｕと低膨張材の粉体を混合し焼結した焼結形成体と、この焼結形成体と連なるＣｕ板とを備えたことを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項２】
請求項１において、前記樹脂の線膨張係数を、（２０〜４５）×１０−６／℃としたことを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項３】
請求項１において、前記金属基板は、ＣｕもしくはＡｌもしくはそれらを含む合金からなる基板と、この基板に接着もしくは塗布された絶縁樹脂層を備え、前記熱拡散板は、Ｃｕ、Ｃｕ合金、ＣｕとＣｕ２Ｏ、ＣｕとＭｏ、もしくはＣｕとインバーの粉体を混ぜて成型した構造、もしくはこの成型体を核としたサンドイッチ構造のＣｕ−（Ｃｕ／Ｃｕ２Ｏ）−Ｃｕ、Ｃｕ−（Ｃｕ／Ｍｏ）−Ｃｕ、Ｃｕ−（Ｃｕ／インバー）−Ｃｕ、Ｃｕ−（Ｃｕ／Ｃ）−Ｃｕの異方性構造を持つことを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項４】
請求項１において、前記熱拡散板を、断面凹状に焼結形成した構造とし、その凹部に前記半導体チップを載置したことを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項５】
請求項１において、１５〜２０℃における前記樹脂のヤング率は、１〜１２ＧＰａであることを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項６】
請求項１において、前記樹脂のガラス転移温度Ｔｇは、１５０℃以上であることを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項７】
請求項１において、前記半導体チップの素子形成面を、前記樹脂よりも低いヤング率の樹脂で０．０１〜１ｍｍ被覆したことを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項８】
請求項１において、前記半導体チップの素子形成面を、シリコーンゲルで０．０１〜１ｍｍ被覆したことを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項９】
請求項１において、前記樹脂の中に可撓化剤を５〜１５ｍａｓｓ％の範囲で添加したことを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項１０】
請求項１において、１５〜２０℃における前記樹脂のヤング率は、３〜１０ＧＰａであることを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項１１】
絶縁樹脂層を有する金属基板と、この金属基板の前記絶縁樹脂層に接合した金属製の熱拡散板と、メタライズ面を前記熱拡散板に半田付けされた半導体チップと、これらを収容するケースと、このケース内部に充填された樹脂を備えた半導体パワーモジュールにおいて、前記樹脂の線膨張係数は、（２０〜４５）×１０−６／℃であり、かつ１５〜２０℃における前記樹脂のヤング率は、１〜１２ＧＰａであることを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項１２】
請求項１１において、前記金属基板は、ＣｕもしくはＡｌもしくはそれらを含む合金からなる基板と、この基板に接着もしくは塗布された絶縁樹脂層を備え、前記熱拡散板は、Ｃｕと低膨張材の粉体を混合し焼結した焼結形成体と、この焼結形成体を固着、圧着、又は一体化させたＣｕ板とを備えた複合体としたことを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項１３】
請求項１１において、前記樹脂のガラス転移温度Ｔｇは、１５０℃以上であることを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項１４】
請求項１１において、前記半導体チップの素子形成面を、前記樹脂よりも低いヤング率の樹脂で０．０１〜１ｍｍ被覆したことを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項１５】
請求項１１において、前記樹脂の中に可撓化剤を５〜１５ｍａｓｓ％の範囲で添加したことを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項１６】
請求項１１において、１５〜２０℃における前記樹脂のヤング率は、３〜１０ＧＰａであることを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項１７】
絶縁樹脂層を有する金属基板と、この金属基板の前記絶縁樹脂層に接合した金属製の熱拡散板と、メタライズ面を前記熱拡散板に半田付けされた半導体チップと、これらを収容するケースと、このケース内部に充填された樹脂を備えた半導体パワーモジュールにおいて、前記樹脂に、フィラーを２０〜５５ｖｏｌ％配合するとともに、前記熱拡散板は、Ｃｕと低膨張材の粉体を混合し焼結した焼結形成体と、この焼結形成体に連なるＣｕ板とを備えたことを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項１８】
請求項１７において、１５〜２０℃における前記樹脂のヤング率は１〜１２ＧＰａであることを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項１９】
請求項１７において、１５〜２０℃における前記樹脂のヤング率は１〜１２ＧＰａ、前記樹脂のガラス転移温度Ｔｇは１５０℃以上であることを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項２０】
請求項１７において、１５〜２０℃における前記樹脂のヤング率は３〜１０ＧＰａであることを特徴とする半導体パワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、家電用あるいは産業用に広く用いられる半導体パワーモジュールの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体スイッチング素子を内蔵した半導体パワーモジュールは、スイッチング素子の発熱量の大きさを考慮し、高熱伝導性の金属基板と、高熱伝導性でかつ高電気絶縁性の材料からなる絶縁板を用いるのが一般的である。
【０００３】
発熱量の大きな中〜大容量の製品では、絶縁板として、高価ではあるが、熱伝導率の高いセラミックが主として用いられている。比較的、小容量の製品では熱伝導率は小さいが安価な絶縁樹脂が用いられている。
【０００４】
特許文献１には、半導体パワーモジュールの２例が開示されている。その図２では、放熱基板の上面に絶縁板等を介して半導体チップを半田付けし、シリコーンゲルを充填し、その上から硬いエポキシ樹脂で封止している。柔らかいシリコーンゲルを用いるのは、ケースの熱変形等の応力が半導体チップや金属細線に加わることを避けるためである。
【０００５】
また、特許文献１の図１には、線膨張係数が５×１０−６／℃〜２５×１０−６／℃の樹脂で半導体チップを直接封止する構造が提案されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平６−５７４２号公報（図１，図２、全体）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１には、半導体チップでの熱放散性や、充填される樹脂についての線膨張係数以外の物性について触れられておらず、「線膨張係数が２５×１０−６／℃より大きいと発生する応力が大きくなりアルミ配線の断線等が起こりやすくなる。」と述べている。
【０００８】
チップは益々大型化し、高出力化している中で、低コスト化が要求されており、高出力化に伴う大きな発生熱の熱放散性と信頼性の向上を低コストで実現することが重要となっている。
【０００９】
本発明の目的は、高価なＡｌＮ絶縁基板やＡｌ２Ｏ３絶縁基板等を用いず、安価なＡｌやＣｕ等の金属基板を用いて、信頼性と熱放散性を向上させた半導体パワーモジュールを提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明はその一面において、メタライズ面を熱拡散板に半田付けされた半導体チップをケースに入れ、このケース内に樹脂を充填した半導体パワーモジュールにおいて、樹脂の線膨張係数を半田の線膨張係数以上とし、熱拡散板は、Ｃｕと低膨張材の粉体を混合し焼結した焼結形成体と、この焼結形成体と連なるＣｕ板とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
この樹脂の線膨張係数は、具体的には（２０〜４５）×１０−６／℃である。
【００１２】
このような、樹脂の線膨張係数の選定により、半田クラック起点での応力集中を抑え、半導体チップの破壊を起さないレベルの応力でチップを保護、拘束することと相俟って、複合体の熱拡散板の採用により、半導体チップとの線膨張係数の差をより小さくすることにより、応力、歪みを抑制でき、樹脂の効果を更に顕著に発揮させることができる。
【００１３】
本発明は、他の一面において、前記樹脂の選定に加え、室温（１５〜２０℃）における前記樹脂のヤング率を、１〜１２ＧＰａとする。
【００１４】
すなわち、半導体チップ周辺を、半田と同レベルに柔らかくし、かつ密着力のあるエポキシ系樹脂で取り囲む。これにより、半導体チップに大きな応力が作用しないように隔離するように機械的に保護し、半導体チップの保護、界面剥離破壊等を防止し、かつ、半田の寿命を保証する。
【００１５】
また、本発明は、他の一面において、前記樹脂の選定に加え、ガラス転移温度（Ｔｇ）が１５０℃以上の樹脂を使用する。
【００１６】
これにより、ガラス転移温度に達することによる線膨張係数の急激な（２〜３倍）上昇を避けることで、半導体パワーモジュールの信頼性を向上できる。
【００１７】
本発明の望ましい実施形態においては、充填する樹脂のヤング率を、３〜１０ＧＰａ、より望ましくは５〜８ＧＰａとする。
【００１８】
これにより、半導体チップを拘束できて、半導体チップ界面剥離を防止でき、半田の寿命向上が期待できる。
【００１９】
本発明の他の実施形態においては、半導体チップ表面と接する箇所を、前記樹脂よりも柔らかい（ヤング率の小さい）樹脂で薄く（０．０１〜１ｍｍ）コートし、その上に前記樹脂でチップ周囲を覆うように充填する。
【００２０】
これにより、特に、半導体チップ表面が弱い場合の対策として、素子の保護をより重点化した実装が可能である。
【００２１】
更に、本発明の望ましい実施形態においては、上記の構造に加え、半導体チップ周辺にヒートシンクを配置し、上部からも熱放散させる。
【００２２】
本発明によるその他の目的と特徴は以下の実施形態の説明で明らかにする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態による半導体パワーモジュールの断面図である。ＭＯＳＦＥＴなどのパワー半導体チップ１を、ＮｉめっきしたＣｕ製の熱拡散板２に、Ｐｂ−５Ｓｎの半田３で水素炉において半田付けする。一方、Ａｌ製の放熱基板４の上端部に樹脂絶縁層５を形成し、この樹脂絶縁層５上にＮｉめっきＣｕ箔導体の電気回路６１を形成する。この電気回路６１に、鉛フリーのＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕの半田ペーストを塗布し、その上に、半導体チップ１を半田付けした熱拡散板２の裏面を位置決め搭載後、ｍａｘ２４０℃のリフロー炉で半田７で半田付けする。Ｃｕ箔導体製の電気回路６１の厚さは７０μｍ程度で、熱拡散板２の厚さは、熱拡散の効果を考慮して１〜２ｍｍ程度である。熱拡散板２は、Ｃｕと低膨張材の粉体を混合し焼結した焼結形成体と、この焼結形成体を固着、圧着、又は焼結時に一体化させたＣｕ板とを備えた複合体である。この低膨張材としては、具体的には次のようなものである。（１）Ｃｕ合金、ＣｕとＣｕ２Ｏ、ＣｕとＭｏ、ＣｕとＣ（カーボン繊維）又はＣｕとインバーの粉体を一定比率で混ぜて成型した構造。もしくは、（２）上記の成型体を核としたサンドイッチ構造のＣｕ−（Ｃｕ／Ｃｕ２Ｏ）−Ｃｕ、Ｃｕ−（Ｃｕ／Ｍｏ）−Ｃｕ、Ｃｕ−（Ｃｕ／Ｃ）−Ｃｕ又はＣｕ−（Ｃｕ／インバー）−Ｃｕの異方性構造である。
【００２４】
前記電気回路６１に、Ａｌ製の金属細線８による接続が施され、更に外部接続端子９に対する配線が施される。ＩＣ１０は、制御基板１１上の電気回路６２に半田１２で接着される。制御基板１１は、ガラスエポキシ製の多層基板であり、樹脂絶縁層５上に接着剤により固着され、半導体チップ１と制御基板１１は金属細線８で電気的に接続される。外部接続端子１３が、制御基板１１の接続端子に半田１２で半田付けされる。これらは、ケース１４に収められ、半田３以上の線膨張係数を持つエポキシ系の充填樹脂１５で封止される。
【００２５】
本実施形態で、線膨張係数が２４×１０−６／℃、室温のヤング率が８ＧＰａのエポキシ系の充填樹脂１５の場合、パワーサイクル試験及び温度サイクル試験において、クラック進展は殆ど認められないことが判った。シリコーンゲルで充填した構造に比べると、約３〜１０倍の寿命向上を期待できることが判った。寿命が向上するメカニズムは、適正な樹脂の選定により、半田クラック起点での応力集中を抑えること、半導体チップ１の破壊を起さないレベルの応力でチップを保護、拘束することである。更に、熱拡散板２をＣｕ製でなく、Ｃｕと低膨張材の粉体を混合し焼結した焼結形成体と、この焼結形成体を固着、圧着、又は一体化させたＣｕ板とを備えた複合体としたことにより、半導体チップとの線膨張係数の差をより小さくしている。このため、応力、歪みの値は小さくなり、樹脂１５の効果を更に顕著に発揮させることを確認できた。低膨張材として、具体的には、Ｃｕ−Ｍｏ、Ｃｕ−Ｃｕ２Ｏ、Ｃｕ−インバー（線膨張係数：約１０×１０−６／℃）製の紛体を用い、焼結形成した。
【００２６】
なお、樹脂１５の線膨張係数は、高精度に半田３に合わせる必要はなく、半田３と同等の値として（２４±３）×１０−６／℃であれば、Ｓｎ−Ｐｂ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の半田組成域の値を包含するので、共通の樹脂で対応できる。
【００２７】
他方、同一樹脂系でもフィラーを多く含有させてヤング率を２０ＧＰａ以上に高めると、樹脂１５と半導体チップ１の界面でのＳｉ剥がれ、素子部の破壊等を起こす確率が高くなることが判った。ヤング率１５〜２０ＧＰａでは、構造、試験条件の厳しさによって起きる場合と、起きない場合の境界レベルにある。
【００２８】
従って、上記物性を特定化したエポキシ系の充填樹脂１５で全体を被覆することで、高価な放熱基板を用いなくとも、半導体チップ１の破壊を防止でき、かつ、半田３のクラック進展を防止できる半導体パワーモジュールの提供を可能にした。
【００２９】
以下に、本発明によって、低コスト実装で高信頼性をもたらす充填樹脂の役割について詳述する。
【００３０】
本発明では、機械的に特定した物性を有する樹脂１５を充填することで、半導体チップ１とＣｕ製の熱拡散板２間の半田３継手部の寿命を大幅に向上する。この寿命向上のために、樹脂の線膨張係数を半田３以上の（２０〜４５）×１０−６／℃にする。また、ヤング率を下げ、半導体チップ１に応力的負担をかけない物性の樹脂１５で半導体チップ１の周囲を取り囲むことで、素子への影響、半導体チップの界面剥離等から開放する。そして、樹脂１５が半田３と半導体チップ１を取り囲み拘束する補強効果、即ち、樹脂１５は半導体チップ１の端部での半田３の応力集中を緩和する役割を果たすことにより、半田３のクラック進展を阻止する。この場合、樹脂１５の応力−歪特性は熱弾性で近似できるが、半田３の場合は熱弾塑性で近似される。
【００３１】
図２は、充填樹脂１５の応力−歪曲線（Ａ）と半田３の応力−歪曲線（Ｂ）の温度依存性のモデルを示すグラフである。半導体チップ１と半田３との間に大きな歪が発生しても、図２（Ｂ）から分かるように、半田３は塑性変形するので、高温では大きな応力はかからない。また、低温で大きな応力が作用しても半導体チップに割れを起こす程の応力は発生し難い状態にある。他方、図２（Ａ）に示す樹脂１５の場合は、熱弾性のため高温になるとヤング率が下がり応力は下がるが、低温ではヤング率が高く応力も高い。従って、温度差が生ずると歪量に比例した大きな応力が作用し、樹脂の密着力がないとせん断応力によりチップ１と樹脂１５の界面で剥れを起こす恐れがある。ヤング率が比較的高い樹脂（１５〜２０℃の室温で１５Ｇｐａ）を用いた苛酷なパワーサイクル試験において、半導体チップ１と樹脂との界面での破壊を確認し、解析でも大きな応力が作用することを確認できた。
【００３２】
このように、各種実験と解析で確認した結果、基本的に樹脂の線膨張係数を半田３のそれ以上（２０〜４５）×１０−６／℃にし、室温（１５〜２０℃）でのヤング率を１〜１２Ｇｐａ（望ましくは３〜１０Ｇｐａ）とすべきことが判明した。このような樹脂１５を使用することで、苛酷な加速試験条件の範囲で半導体チップ１の界面破壊を防止できた。しかも、後述する図６の解析結果からも分かるように、シリコーンゲル充填構造に比べ、半田３の歪みが小さくなることから、半田３の寿命も向上することが判った。
【００３３】
図３は、樹脂充填構造での半導体チップ割れ発生のメカニズムを示すための端部断面図と、充填樹脂と半田の応力−歪曲線のモデルを示すグラフである。樹脂被覆構造において、樹脂１５により半導体チップ１の破壊の有無の目安を説明するものである。半導体チップ１の破壊し易い場所は、チップ端部１０１である。特に、ＩＧＢＴ等の高耐圧半導体素子においては、端部の欠けは耐圧低下の原因となる。図３（Ａ）は、半導体チップ１を熱拡散板２に半田３で半田付けし、樹脂１５で被覆した断面モデルであり、半導体チップ１の表面で応力が最大になるチップ端部１０１と、半田３のクラックの起点になる最大相当歪をとる位置３０１を示す。図３（Ｂ）は、半導体チップ１の割れの有無の単純な見方を示すもので、温度差により生じた歪Δεの範囲で、チップ１の破壊発生レベルの応力σＢを超えるか超えないかで、割れの発生の有無が決まることを示している。室温でのヤング率Ｅの大きい樹脂１５１を使用すると、温度差による歪Δεが生じたとき、それに比例した応力σ１が半導体チップ１に作用し、ａ点でチップの破壊応力の限界を超え、チップ１のへき界割れを起こす。一方、ヤング率Ｅの小さい樹脂１５２を使用すると、ｂ点までにチップ１の破壊応力を超えることはなく、界面破壊は生じない。
【００３４】
更に、樹脂特有の問題として、ガラス転移温度Ｔｇがあり、信頼性に大きく影響を及ぼす。一般に、Ｔｇの低い樹脂は作業性に優れることから、使い勝手性に優れるが、Ｔｇ温度以上では線膨張係数が約３倍に急上昇するので、信頼性試験結果で裏切られるケースが多い。したがって、使用環境条件、加速試験、２次リフロー等の最高温度もＴｇ温度以下であることが高信頼性の条件である。少なくともパワーサイクル試験なら、最低でもＴｇは１５０℃以上が必要で、１７０℃位のＴｇであることが望ましい。これにより厳しい環境条件、２次リフロー等の高温での熱影響のダメージを最小限に抑え、高信頼性を確保できる。
【００３５】
線膨張係数とガラス転移温度Ｔｇの測定は、真空理工製の熱物理試験機ＴＭＡ−１５００を用いて測定した。厚さ４ｍｍの硬化試験片を圧縮モード、毎分１℃の速度で昇温し、伸びの温度特性を測定した。線膨張係数αは伸びの温度特性から求め、ガラス転移温度は伸びの温度直線の変曲点とした。Ｔｇは変曲点を取っているので、多少のズレはあるので厳密に１５０℃と定めることは難しい。
【００３６】
図４は、充填樹脂に対するフィラー、可撓化剤添加と充填樹脂物性との関係を示すグラフである。Ｓｉ等への密着性に優れるエポキシ系の充填樹脂１５の機械的性質を決めるフィラー配合量と可撓化剤添加量が、線膨張係数及びヤング率へ及ぼす影響、及び可撓化剤添加量による線膨張係数対ヤング率の関係への影響について示す。エポキシ化合物としてＡＥＲ−８５０１（アデカ社製）、ＣＥＬ−２０２１Ｐ（ダイセル社製）を用い、硬化剤は酸無水物でＭＨＡＣ−Ｐ（日立化成社製）、可撓化剤はＸ−２２−１６６Ｃ（信越化学社製）を用いた。他に、分散剤Ｓ−２（日立化成社製）、界面活性剤Ａ−１８７（日本ユニカ社製）、充填剤ＦＢ−３０Ｘ（電気化学社製）を用いた。一液性の無溶剤系で、２５℃での粘度は５２０Ｐｏｉｓｅで、ポッテイング用として使用した。不純物濃度測定は硬化物を１００メッシュ以下に粉砕し、この微粉末５ｇｆと脱イオン水５０ｍｌをテフロン（登録商標）〜ＳＵＳ二重容器に入れ、１２０℃で２４０ｈ保持し、抽出イオン成分をイオンクロマトグラフを用いて行った。Ｎａ＋，Ｋ＋；１ｐｐｍ、Ｃｌ−；５ｐｐｍである。硬化条件は１１０℃（１０ｈ）／２００℃（１０ｈ）で、Ｔｇは１７０℃ある。なお、パワーモジュールのポッテイング用、モールド用としては一液性樹脂である必要はなく、使い易い二液性樹脂で良い。また、溶剤が抜け易い構造であれば、無溶剤系でなく樹脂組成等の制約の少ない溶剤系で良いので、流動性から開放され、広い範囲の樹脂系が選べる利点がある。上記組成で配合量を変えた各種の検討を行った。
【００３７】
図４（Ａ）は、上記エポキシ樹脂に石英フィラーの配合量（Ｖｏｌ％）を変えた場合の線膨張係数とヤング率の関係を示す。エポキシ化合物と充填剤を合計した体積％（Ｖｏｌ％）である。エポキシ線膨張係数とヤング率の関係は逆相関の関係にあり、図示するように、フィラー配合量は２０〜５５ｖｏｌ％の範囲とすることが必要である。線膨張係数を半田（Ｐｂ−５Ｓｎの場合）の値の２７×１０−６／℃にするにはフィラー配合量は約５０ｖｏｌ％にする必要がある。エポキシ系で素材が柔らかい場合は、フィラーを配合しても配合比率の割りにヤング率が低い樹脂となる。従って、ヤング率はこのエポキシ素材では室温で約８ＧＰａになる。
【００３８】
図４（Ｂ）は、同一エポキシ樹脂系でフィラーの入っていない樹脂にゴムの可撓化剤を添加した場合の物性を示す。可撓化剤として高温で変質しないシリコーン系としてエポキシシリコーン、アミノシリコーン、ヒドロキシシリコーン等が可能である。ここでは溶解度の観点で優れるエポキシシリコーン；信越化学（株）社製Ｘ−２２−１６６Ｃを用いた。ベースの樹脂が決まると線膨張係数とヤング率はフィラー量で決まり、可撓化剤の添加量の及ぼす影響は少ない。可撓化剤は微細粒として分散することが前提であり、１５ｍａｓｓ％以上では均一分散できなくなり、逆に、線膨張係数が増すデメリットから１０±５％レベルが望ましい。
【００３９】
図４（Ｃ）は、フィラーとゴムの配合率に対する基板の端子部破壊による断線を調べる評価結果を説明する図である。薄膜で配線を施した破壊し易いソーダガラス基板（線膨張係数；９．３×１０−６／℃）上にＳｉチップをフリップチップで接続した。その隙間及び周囲に樹脂を充填し、硬化後、温度サイクル試験（−４０〜１００℃）を実施し、樹脂物性による素子、基板の端子部破壊による断線を調べる評価法を採用した。パワーモジュール構造ではないが、樹脂の基板及びチップへの熱応力的影響を調べるのに適した評価法である。ゴムはエポキシ樹脂１００ｇｆに対する重量部で表示した。ゴムを分散する配合率が２０重量部（１６，７％に相当）以上では分散が不均一になると共に、それ自体の線膨張係数が大きく、混入後の線膨張係数が大となり、耐熱疲労性を低下させる原因となる。判定法として、樹脂のない構造の寿命よりも短い場合を×とし、長い場合を程度に応じ、優れる：△印、大幅に優れる：○印とした。その結果から、ゴム配合量としては、均一分散性を考慮し、１０±５ｍａｓ％（５〜１５ｍａｓ％）が望ましいことが判る。なお、ゴムの効果はヤング率の変化ではそれ程大きいとは思えないが、熱衝撃時の急激な温度変化に対し、衝撃緩和作用があるものと思われる。
【００４０】
図４（Ｄ）は、充填樹脂１５におけるヤング率と線膨張係数の関係を示すグラフである。半田の線膨張係数の範囲で、ほぼ望ましいヤング率（５〜１０ＧＰａ）の範囲４０（斜線部）を示し、破線で示す可撓化剤を１１％添加した組成は、適正な領域に入っている。この樹脂系においては、ヤング率を３ＧＰａ程度に下げようとすると、チップ破壊は防止できるものの、線膨張係数が増えるので、半田の寿命向上への寄与は少なくなるトレードオフの関係がある。
【００４１】
図５は、樹脂構造パワーモジュールの設計指針を得るための充填樹脂物性と信頼性を示す線膨張係数対チップ応力と半田歪のグラフである。図５（Ａ）のグラフ中に示す断面モデル構造で、パワーサイクル試験における半導体チップ端部１０１の相当応力、半田のクラック起点３０１の相当歪の有限要素法による３次元弾塑性解析を行った。温度プロファイルは、実績のある１２０℃→２０℃→１２０℃→２０℃の変化で、１．５サイクルの温度変化で発生した半導体チップ端部１０１の相当応力振幅及び半田のクラック起点３０１での相当歪振幅を求めた。なお、半導体チップ表面に作用する応力として、相当応力の他に主応力、σｘ、σｙ、σｚ等での評価も行ったが、ほぼ相当応力に比例していることから、ここでは相当応力で評価した。
【００４２】
図５（Ａ）から、同一ヤング率の場合、ヤング率が低い１５ＧＰａ以下では、樹脂の線膨張係数が（２０〜４５）×１０−６／℃の広い範囲で、樹脂の線膨張係数が半田と同等（２８×１０−６／℃）レベルで最小になることが判る。しかし、ヤング率が１５ＧＰａを超えるとチップ表面部にかかる相当応力は急激に上昇する傾向がある。即ち、樹脂のヤング率が１５ＧＰａ超では、樹脂の線膨張係数が４５×１０−６／℃以上で、チップ表面部にかかる相当応力が上昇する。従って、最適な樹脂設計としては、第１に、樹脂１５の線膨張係数を（２０〜４５）×１０−６／℃の範囲とすることである。第２に、樹脂１５の室温におけるヤング率を１５ＧＰａ以下に低く抑え、チップ表面部にかかる相当応力を下げることがポイントになる。ヤング率の低い樹脂を用いることは、半導体チップ素子部、Ａｌ導体部、Ｓｉ界面等の破壊を防止する上での効果は大きいと考えられる。図５（Ｂ）から、樹脂１５の線膨張係数が（２０〜４５）×１０−６／℃の範囲で、同一ヤング率の場合、樹脂１５のヤング率が高い程、半田のクラック起点の相当歪が小さくなり、かつ樹脂１５の線膨張係数が下がる程、小さくなることが判る。しかも、破線のシリコーンゲル封止構造と比べると、樹脂の線膨張係数が（１０〜４５）×１０−６／℃の広い範囲で、半田の相当歪は低い値を示し、半田の寿命はシリコーンゲル封止構造より長いと考えられる。実際の加速試験でも、この樹脂構造では、別の原因での寿命低下おきるまでに、半田に起因する寿命低下は生じないことが確認されている。これは、樹脂１５により半田３の応力集中を緩和する作用と考えられ、有限要素法解析でも確認できた。
【００４３】
図６は、充填樹脂物性と信頼性を示す線膨張係数対チップ応力と半田歪のグラフである。図４（Ａ）の関係を下に、横軸に樹脂の線膨張係数をとり、縦軸に半田のクラック起点の相当歪と半導体チップ表面素子部に作用する相当応力をプロットしたものである。破線はシリコーンゲルで全体を被覆した場合の半田のクラック起点の相当歪である。樹脂１５の線膨張係数が（２０〜４５）×１０−６／℃の範囲６０１（斜線部）で、本実施形態の樹脂被覆構造は、シリコーンゲルで全体を被覆した構造よりも、半田３のクラック起点３０１での相当歪は小さい。従って、本実施形態の物性を有する樹脂１５を用いると、シリコーンゲル封止構造に比べ、半田の歪は小さいことから、半田による断線はより少なくなる。また、半導体チップ端部１０１の相当応力σも小さく、領域６０２（斜線部）にあり、素子部の破壊、界面での剥離等が起こり難いことから、良好な結果が得られた。
【００４４】
図７は、充填樹脂のヤング率と樹脂による拘束の関係を示す解析結果のグラフである。樹脂のヤング率を変えた場合に、半導体チップ１（１０×０．５ｍｍ厚さ）とアルミナ基板４１（１０×１ｍｍ厚さ）間に樹脂４２を入れ、１５０℃から−５５℃変化させた。このとき、最外周部の両者の相対変位（ΔＬ）を２次元熱弾塑性解析で求め縦軸に示した。樹脂４２の線膨張係数は２５×１０−６／℃として計算した。図７より、変位を拘束する樹脂４２のヤング率は少なくとも１ＧＰａ以上であることが分かる。更に、チップを拘束する効果が確実に現われる樹脂４２のヤング率は３ＧＰａ以上である。１２ＧＰａ以上ではＳｉチップ１の界面に作用する応力が大きくなり、チップ素子部への影響、チップ界面剥離、素子部の破壊、チップ割れ等を起こしやすくなる。このため、弱い半導体チップ表面を保護する意味からも、ヤング率の高い樹脂は問題である。また、製品のばらつきにより、弱い強度を有する場合もあり、それでも高歩留まりで高信頼性を確保するにはヤング率を下げることが重要である。有限要素法による３次元弾塑性解析でも物性による違いを確認できた。特に、素子部に問題がある場合には、チップ表面のみをシリコーンゲル等で薄くコートし、チップ周囲をこの樹脂で拘束するように充填することも可能である。
【００４５】
なお、ヤング率（曲げ弾性率）の測定に当っては、硬化物を５×１０×１００ｍｍに切削し、ＪＩＳ−６９１１規定の曲げ試験片を作製した。これを、島津製作所製オートグラフＤＳＳ−５０００を用い、曲げ速度１ｍｍ／ｍｉｎ、支点間距離８０ｍｍの両端指示中央集中荷重法によって測定した。
【００４６】
以上の検討をまとめ、半導体パワーモジュールの高信頼性を得るための充填樹脂の物性を整理すると次の通りである。
【００４７】
▲１▼線膨張係数：半田以上（２０〜４５）×１０−６／℃。
【００４８】
▲２▼ヤング率：１〜１２ＧＰａ（望ましくは３〜１０ＧＰａ）。
【００４９】
▲３▼ガラス転移温度Ｔｇ：１５０℃以上。望ましくは１７０℃以上。
【００５０】
▲４▼半導体チップ、基板に対する密着性に優れること。
【００５１】
▲５▼シリコーンゲル等の高温で安定な微粒子ゴムを分散させて熱衝撃を緩和。
【００５２】
▲６▼不純物濃度：Ｎａ＋，Ｋ＋≦１ｐｐｍ、Ｃｌ−≦５ｐｐｍ
これら▲１▼〜▲６▼を管理することで、半導体パワーモジュールにおける高信頼実装を実現することが可能である。
【００５３】
図８は、本発明の第２の実施形態による半導体パワーモジュールの断面図である。図１と同一符号は同一物を表わし、なるべく重複説明は避ける。Ｃｕ製の放熱基板４の上面に樹脂絶縁層５を設けている。この上に、予め打ち抜き等で作製したＮｉめっきＣｕ製の電極（熱拡散板）２を接着剤で貼り付ける。なお、樹脂絶縁層５は、耐圧により絶縁層の膜厚が変わり、ここでは耐圧を保証できる厚さとして１６０μｍを選定した。そして、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ（融点；２１７〜２２１℃）の鉛フリー半田ペースト（ＲＭＡタイプのフラックス）３を約２５０μｍの厚さに印刷した。この上に、４．９ｍｍ半導体チップ１を搭載後、ｍａｘ２４０℃の温度で窒素中のリフローで半導体チップ１及びＩＣ１０、部品等を半田付けした構造である。フラックスで洗浄後、Ａｌ製細線８を素子の端子部に超音波ワイヤボンドし、他端子を絶縁層５上に接着剤で貼り付けたＮｉめっきＣｕ製端子６１上に超音波ワイヤボンドした断面構造である。他方、マイコン等の電子部品が搭載された制御基板１１は、主に多層ガラスエポキシ基板で構成される。なお、多層ガラスエポキシ基板は、先にＣｕ製の放熱基板４に接着し、その後、半導体チップ１の接続と同時にリフローを行うのが理想的である。しかし、印刷等のプロセス上の制約から、別工程で予め多層ガラスエポキシ基板に部品搭載リフローしておき、半導体チップ１をＣｕ放熱基板４に半田付け後に、部品搭載済の多層ガラスエポキシ製の制御基板１１をＣｕ放熱基板４に接着しても良い。ＩＣ１０、部品等を搭載した多層ガラスエポキシ製の制御基板１１は、パワー素子１部からは離れており、熱伝導性の悪い接着剤及びガラスエポキシ基板が介在している。したがって、マイコンを誤動作させるほどの温度上昇にはならない。本構造はプラスチックケース１４にエポキシ系の充填樹脂１５をポッテイングする方式であるが、量産には低コスト化に有利なモールド方式を使うことも可能である。硬化後の樹脂１５の機械的物性値は前述した通りのものである。
【００５４】
この実施形態では、打ち抜きで作製した電極６１を絶縁層５に貼り付けた構造で、制御側の外部接続端子１３は、フラットリード型構造である。
【００５５】
本実施形態においても、線膨張係数が２４×１０−６／℃、室温のヤング率が８ＧＰａのエポキシ系の充填樹脂１５の場合、パワーサイクル試験及び温度サイクル試験において、クラック進展は殆ど認められない。
【００５６】
図９は、本発明の第３の実施形態による半導体パワーモジュールの断面図である。図１や図８と同一符号は同一物を表わし、重複説明は避ける。約０．１ｔのＮｉめっきしたＣｕ箔６２を絶縁層５上に貼り付け、パターンをエッチングで形成したもので、制御側外部接続端子１３はピン型構造である。半導体チップ１を予め熱拡散板２にＰｂ−５Ｓｎ高温半田３で接続したものを更に低温のＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ半田１６で接続した構造である。高温半田３と低温半田１６の組み合わせとして、半導体チップ１側は高温半田３で、Ｐｂ−５Ｓｎ等のＰｂリッチ系のＰｂ−Ｓｎ系半田が一般的組成である。この組合せの低温系半田１６は、Ｓｎ−Ｐｂ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｃｕ系等の共晶系の広い組み合わせが可能である。鉛フリーに限定すると、高温系はＳｎ−Ｓｂ系の一例としてＳｎ−５Ｓｂ（融点：２３２〜２４０℃）がある。この組成と温度階層を可能とする低温系で高温域での信頼性を保障できる半田１６として、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｃｕ共晶系にＩｎを５〜１０％添加した半田がある。これは、機械的性質に優れ、比較的柔軟であり、炉内温度分布の優れた炉の使用によりｍａｘ２３０℃での接続が可能である。後付け用として、鉛フリー組成が使用可能であれば、高温用としてはＳｎ系が使用可能となる。鉛フリー組成としては、Ｓｎ−９Ｚｎ（融点；１９９℃）もしくはＳｎ−９Ｚｎに微量のＩｎ、Ｂｉ、Ａｇ、Ｃｕ等を１種類以上添加したものがある。Ｓｎ系としては、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系（例えばＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ）、Ｓｎ−Ｃｕ系（例えばＳｎ−０．７Ｃｕ）、Ｓｎ−Ｓｂ系（例えばＳｎ−５Ｓｂ）等がある。
【００５７】
本実施形態においても、線膨張係数が２４×１０−６／℃、室温のヤング率が８ＧＰａのエポキシ系の充填樹脂１５の場合、パワーサイクル試験及び温度サイクル試験において、クラック進展は殆ど認められなかった。
【００５８】
以下、第１〜第３の実施形態の各要素について機能面を中心に、性能、生産性、コスト等からの制約条件下での検討結果を説明する。
【００５９】
まず、放熱基板４は、軽量化を重視する場合はＡｌもしくはＡｌ合金もしくはＡｌ−カーボン複合材を選択し、放熱性、小型高性能を考慮する場合はＣｕもしくはＣｕ合金もしくはＣｕ−カーボン複合材を選択する。放熱基板４は、内部の熱の拡がりによる熱抵抗の低減が十分に得られるように、１〜３ｍｍの厚さにする。なお、実装した段階での反りを少なくするために、Ｃｕ基板の厚さを３ｍｍ以上にすることもある。半導体電力変換装置内の放熱基板４は比較的大きな体積を有するので、軽量のＡｌを選択する利点は大きい。但し、Ａｌの線膨張係数（２４×１０−６／℃）はＣｕ（１７×１０−６／℃）に比べ大きいので、部品との線膨張係数の差が大きくなる。このため、半導体チップの半田付け、および同一基板上にチップ部品等を搭載した場合、半田付け継手の信頼性はＣｕ基板に比べ低下する。それでも問題が起きない場合に限定して使用することで、Ａｌの長所を活かすことができる。
【００６０】
本発明の実施形態に採用する樹脂１５は、線膨張係数としては３０×１０−６／℃レベルを目標にしているので、Ａｌ放熱基板４に対しては、放熱基板４の反り防止の面で望ましい方向と言える。一般的に線膨張係数が高くなるにつれ、フィラー量は少なくなるので、樹脂のヤング率は低くなり、反り量は少ないことが予想される。なお、この放熱基板４は、冷却フィンに取り付けられるようになっている。
【００６１】
次に、樹脂絶縁層５は、低熱抵抗と高絶縁性が必要であり、このため、フィラーが分散された耐熱性エポキシ樹脂を用いる。樹脂絶縁層５は液状塗布、もしくはフィルム状の樹脂（樹脂のプリプレグを含む）を加熱加圧成型あるいはローラで貼り付ける。樹脂としてはエポキシ樹脂、フェノール樹脂、その他ポリアミドイミド、ポリアミドエーテル系を含めた熱可塑性樹脂が可能である。樹脂絶縁層５に入れるフィラーは酸化ケイ素、アルミナ、窒化珪素、窒化ボロン、窒化アルミなどの高熱伝導性の無機化合物が使用される。このとき、フィラーの充填量を増すほど、樹脂絶縁層５の熱抵抗を低減できるが、エポキシ樹脂中に分散可能なフィラー量は限界があるので、通常はフィラーの含有量として５０〜９０ｍａｓｓ％の範囲で使用する。フィラーの充填率が９５ｍａｓｓ％以上ではフィラーを均一に充填できない。この場合の樹脂絶縁層５の熱伝導率は１〜５Ｗ／ｍ・Ｋの範囲となる。一方、樹脂絶縁層５の熱抵抗を低減するのに有効な方法は薄くすることである。しかし、樹脂絶縁層５を薄くすると、その分、絶縁耐圧が低下し、樹脂絶縁層５にピンホールなどが発生し易くなって信頼性が低下する恐れがある。樹脂絶縁層５の厚さの下限には限界があり、要求される絶縁耐圧にもよるが、５０μｍ以上は必要である。
【００６２】
次に、電気回路は、板厚が０．７ｍｍ以上の熱拡散板２であるＣｕ導体もしくはＡｌ導体で作られ、樹脂絶縁層５の表面に張りつけられる。電気回路の厚さを０．７ｍｍ以上とすることにより十分な熱拡がりが得られ、熱拡散板の役割も担う。Ｃｕ，Ａｌ導体は厚くなってもプレス加工が容易でコスト面でも有利である。
【００６３】
以上の構造でパワーサイクル試験を行った結果、ジャンクション温度Ｔｊ：５０〜１５０℃では、１００００サイクルでも破壊せず、半田のクラック進展は殆ど認められないことが判った。
【００６４】
図１０は、本発明による半導体パワーモジュールに用い得る各種熱拡散板の断面図である。大型チップ、もしくは厳しい環境条件下で使用する場合、熱拡散板としてＣｕ板の使用は信頼性（チップ破壊、チップ割れ、半田の寿命等）で限界がある。そこで、半導体チップに線膨張係数を近づけて、熱放散性にも優れる材料として、次の材料等の組合せがある。すなわち、粒子分散型のＣｕ−Ｍｏ〔例えば（株）アライドマテリアル社製〕、Ｃｕ−Ｃｕ２Ｏ〔例えば（株）日立電線社のＬ−ＣＯＰカタログ資料、ＮｏＣ−１１７８、０２−４〕、Ｃｕ−インバーもしくは複合繊維型のＡｌ−カーボン、Ｃｕ−カーボン等の組み合わせである。Ｌ−ＣＯＰの資料によると、線膨張係数は（９〜１５）×１０−６／℃の範囲で、熱伝導率は約１２０〜２４０Ｗ／ｍ・Ｋの範囲で調整可能である。また、（株）アライドマテリアル社のカタログによると、Ｃｕ−Ｍｏの線膨張係数は（７〜１３）×１０−６／℃の範囲で、熱伝導率は約２００〜２８０Ｗ／ｍ・Ｋの範囲で調整が可能である。粉末加工時に加工したＣｕ板と一体化、あるいは粉末加工後に加工したＣｕ板と一体化し、Ｃｕとの複合材を作ることで、熱拡散板を低熱膨張化することができる。半導体チップと半田付けされる熱拡散板を低熱膨張化することで、より継手の信頼性、及び半導体チップ界面剥離を防止し、大型チップ及び厳しい条件に耐えられる構造を提供することができる。複合材の線膨張係数はＣｕの比率を増減することで制御できる。成型したものをＣｕ板にかしめて一体化する方法も可能である。
【００６５】
図１０（Ａ）は、上記のＣｕ−Ｍｏ、Ｃｕ−Ｃｕ２Ｏ、Ｃｕ−インバー、Ｃｕ−カーボン繊維等を用いた各種熱拡散板の断面図である。Ｐｂ−５Ｓｎ高温半田３でチップ１と熱拡散板２を接続後、この熱拡散板２とＣｕ電極パッド６２とはＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕの鉛フリー半田１６で接続した。
【００６６】
図１０（Ｂ）〜（Ｅ）は、粒子分散型とＣｕ板とを組合せて作った複合構造の熱拡散板２の断面図である。（Ｂ）は薄く貼り付ける場合のかしめ構造で、Ｃｕ板２０１に、粒子分散材２０２をかしめ部２０３でかしめた構造である。（Ｃ）は、パンチング等で打ち抜いたＣｕ板２０４の中に粒子分散材２０５を埋め込む構造である。（Ｄ）は、Ｃｕ板２０６と粒子分散材２０７を貼り合わせた構造である。（Ｅ）は、予め加工したＣｕ板２０８を置いて、粉末加工で粒子分散材２０９を一体化した構造である。これらの一体化した厚さは、１〜１．５ｍｍである。
【００６７】
図１１は、本発明による半導体パワーモジュールに用いる形状を変えた各種熱拡散板の断面図である。熱拡散板の形状を変えて、各種の機能を持たすことができる。（Ａ）は、異方性を利用した高熱伝導性と低熱膨張を兼ねた構造で、Ｃｕ−Ｍｏ分散剤もしくはＣｕ−インバー分散剤もしくはＣｕ−Ｃｕ２Ｏ分散剤の何れかで作製した板２１０を、Ｃｕ板２１１及び２１２で挟んだ複合構造である。あるいは、Ｃｕ−Ｍｏ材、もしくはインバー材２１０をＣｕ板２１１及び２１２で挟んだ複合構造であり、反りが少ない熱拡散板２が作れる。これらの配合比率を変えることで特性を自由に変えることができる。なお、複合構造は粉末以外の製法で造っても良い。（Ｂ）は、図１３〜図１５で後述する横拡がり熱拡散板２１３、２１４で板２１５を挟んだ複合構造で、性能向上のため材料の異方性を利用した構造である。板２１５は、（Ａ）と同様Ｃｕ−インバー−Ｃｕ、Ｃｕ−Ｃｕ／Ｍｏ−Ｃｕ、Ｃｕ−Ｃｕ２Ｏ−Ｃｕ、Ｃｕ−Ｃｕ／Ｃ−Ｃｕ等の組み合わせであれば、線膨張係数は同様に制御でき、反りも少ない。他方、熱はチップ１からＣｕ２１３を伝わり横拡がり部に容易に伝達でき、異方性のメリットが現れる。（Ｃ）〜（Ｆ）は、粒子分散型のＣｕ−Ｍｏ、Ｃｕ−Ｃｕ２Ｏ、Ｃｕ−インバー等で作った熱拡散板２１６〜２１９の形状を変えたもので、粉末加工時に自由な形に形成できる。また、異方性を利用した構造で造ることもできる。（Ｃ）、（Ｄ）の構造は、半田３の位置決めと、剛性の低下による半田３の亀裂発生寿命の向上が期待できる。（Ｅ）、（Ｆ）の構造は、半田３の厚さの調節、半田３の亀裂発生寿命、亀裂進展寿命の向上が期待できる。なお、これらの組合せに使用した一部の複合材の線膨張係数は、α≒１０×１０−６／℃であり、半導体チップ１の半田付け時、冷却時、及び冷却後における残留応力等のＳｉへの負担は小さく問題はない。また、樹脂封止後もＣｕ製熱拡散板に比べＳｉチップへの負担は小さく、大型チップ、苛酷な試験にも耐え得る構造である。従って、Ｃｕ熱拡散板構造に比べ、より高信頼性の半導体パワーモジュールを提供することができる。
【００６８】
図１２は、本発明による半導体パワーモジュールに用い得る半田の寿命向上策を示す断面モデルである。半田の耐熱疲労性向上及び温度階層接続を目的としたもので、高温での強度低下を阻止し、クラック進展を遅らすことが可能である。図１２（Ａ）は、ＰｂフリーのＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ半田３０２ペースト中に、Ｃｕ粒子３０３を約１０〜３０ｖｏｌ％混ぜて、比較的高い温度の２６０〜２８０℃でリフローしたものである。１８はＴｉ／Ｎｉ／Ａｕ薄膜である。これにより、球状のＣｕ粒子３０３では、図１２（Ｂ）に示すように、棒状に伸びたＣｕ６Ｓｎ５化合物３０４がランダムに成長し、半田のクラック進展を阻止する役割を果たす。なお、複合半田箔に作ることも可能であり、半田ボールは圧延で一体化されるので、Ｃｕ粒子だけが半田中に分散された状態になる。Ｃｕ６Ｓｎ５化合物３０４は融点が高く硬いので、２次リフロー等の２５０℃レベルの高温処理があった場合でも、周囲のＳｎ系半田が溶けても、形が崩れることはない。このため、連結した化合物、金属による弾性的連結で高温での接合強度を有し、２次リフロー時の温度に耐えられる強度を確保している。Ｃｕ粒子を多く入れると、ボイド形成が多くなる傾向なので望ましくなく、他方、１０ｖｏｌ％レベルでも連結による強度向上の効果があることは確認できた。図１２（Ｃ）は、Ｃｕ網３０５をベースにした複合半田箔をセットした状態で、Ｃｕ粒子３０３を若干混ぜたものである。図１２（Ｄ）は、半田付け後の断面モデルである。高温ではＣｕのＳｎ中への拡散は早いので、半田中、及びメタライズ界面でのＣｕ６Ｓｎ５化合物３０４が形成され、高温での強度を確保する。この方式ではボイドは少ないが、半田は半田箔として供給する制約がある。半田粒子としては鉛フリー半田として、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ、Ｓｎ、Ｓｎ−０．７Ｃｕ、Ｓｎ−（５〜１０）Ｓｂが一般的組成である。
【００６９】
従来のＳｎ系半田だけでは、高温での信頼性を確保できる温度階層接続は難しい状況にある。この複合半田を温度階層用高温系半田として使用し、従ってここでの低温系半田は一般的なＳｎ系、例えばＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ２３を使用することで、継手としては信頼性の高い温度階層接続が可能になる。これより、耐熱性の向上、耐温度サイクル性の向上、半田の熱伝導性の向上等によりＣｕ放熱板の使用領域を拡張することができる。
【００７０】
なお、半田組成として、鉛フリー半田の代表組成としてＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕの例を示したが、他にＳｎ系、Ｓｎ−Ｓｂ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ系等においても同様な結果を得ることができる。
【００７１】
図１３は、本発明の第４の実施形態であり、半導体チップの熱放散性を向上した半導体パワーモジュールの断面図である。図１，図８及び図９と同一符号は同一物を表わし、重複説明は避ける。樹脂絶縁基板の弱点である信頼性と熱放散性の向上策であり、低コストで実現する構造である。粒子分散型のＣｕ−Ｍｏ、Ｃｕ−Ｃｕ２Ｏ、Ｃｕ−インバー等で作る場合は、成型の型があれば大きなコスト上昇には繋がらない。そこで、熱拡散板２の構造として凹型で２面が開いた構造で熱放散性の向上とワイヤボンデイング性を両立させる横拡がり熱拡散板２２０とした。チップ１の下の樹脂絶縁層５には熱伝導性の悪い樹脂絶縁膜があるので、チップ下から熱がＣｕ放熱基板４に直接に伝わり難い状態にある。一方、熱拡散板２２０には熱が良く伝わる。そこで、熱拡散板２２０の形状を工夫してチップの周囲にヒートシンク部２２１を設ける構造として、一対の側面間を開放した凹型形状とした。これにより、ワイヤボンドへの影響をなくし、かつ、半田付け性、洗浄等への悪影響を軽減した。
【００７２】
図１４は、本発明の第５の実施形態であり、半導体チップの表面からの熱放散性を向上した半導体パワーモジュールの断面図である。図１３の熱拡散板２２０だけの構造では放熱効果が少ない場合、図１４に示すように、熱伝導性に優れ、安価なセラミックス（例えばメタライズなしのＡｌ２Ｏ３、ＡｌＮ）の板４３を載せ、上面にＣｕ，Ａｌ等の放熱板４４を当てた状態で樹脂に埋め込む。そして、Ｃｕ，Ａｌ等の放熱板４４の上にはフィン（図示せず）を取り付けることができる。熱拡散板２２０とセラミックス板４３とＣｕ，Ａｌ等の放熱板４４との接触を良くさせた状態でポッテイング樹脂１５でしっかり固定する。これにより、ヒートシンク２２１の凹部とセラミックス板４３間、セラミックス板４３とＣｕ，Ａｌ等の放熱板４４間の接触は、充填した周囲の樹脂１５でしっかり拘束される。Ｃｕ，Ａｌ等の放熱板４４の中央の穴４５は、充填樹脂１５によるボイド発生防止用である。以上により、チップ１の上側からも熱引きを可能にする。
【００７３】
図１５は、本発明の第６の実施形態であり、半導体チップの表面からの熱放散性を向上した半導体パワーモジュールの断面図と平面図である。前述した実施形態と同一符号は同一物を表わし、重複説明は避ける。熱拡散板２２０とヒートシンク２２１の凹部を更に高くし、この凹部とメタライズなしの高熱伝導セラミックス板４６間は、図１４と同様に、接触状態で樹脂でしっかり拘束されている。ヒートシンク２２１の凹部とワイヤボンドの配置の関係は、図１５（Ｂ）に正しく図示している。図１３、図１４及び図１５（Ａ）に示した断面図では、分り易くするため、９０度回転した構造として図示している。
【００７４】
以上の実施形態によれば、半田以上の線膨張係数をもつ充填樹脂の採用により、ＡｌやＣｕ製の安価な放熱基板と組み合わせて、低コストで、信頼性に富み、長寿命の半導体パワーモジュールを提供することができる。また、充填樹脂の線膨張係数がＡｌに近いこともあり、Ａｌ線の超音波ワイヤボンド部の疲労劣化、断線等が起こらなくなる効果も期待できる。
【００７５】
【発明の効果】
本発明によれば、高価なＡｌＮ絶縁基板やＡｌ２Ｏ３絶縁基板等を用いず、安価なＡｌやＣｕ等の金属基板を用いて、信頼性と熱放散性を向上させた半導体パワーモジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による半導体パワーモジュールの断面図。
【図２】樹脂と半田の応力−歪曲線の温度依存性のモデルを示すグラフ。
【図３】樹脂充填構造での半導体チップ割れ発生のメカニズムを示すための要部断面図と、充填樹脂と半田の応力−歪曲線のモデルを示すグラフ。
【図４】フィラー、可撓化剤添加と充填樹脂物性との関係を示すグラフ。
【図５】線膨張係数対チップ応力及び線膨張係数対半田歪のグラフ。
【図６】充填樹脂物性と信頼性を示す線膨張係数対チップ応力と半田歪のグラフ。
【図７】樹脂のヤング率と樹脂による拘束の関係を示す解析結果のグラフ。
【図８】本発明の第２の実施形態による半導体パワーモジュールの断面図。
【図９】本発明の第３の実施形態による半導体パワーモジュールの断面図。
【図１０】本発明による半導体パワーモジュールに用い得る各種熱拡散板の断面図。
【図１１】本発明による半導体パワーモジュールに用い得る形状を変えた各種熱拡散板の断面図。
【図１２】本発明による半導体パワーモジュールに用い得る半田の寿命向上案を示す断面モデル。
【図１３】本発明の第４の実施形態として半導体チップの熱放散性を向上した半導体パワーモジュールの断面図。
【図１４】本発明の第５の実施形態として半導体チップの表面からの熱放散性を向上した半導体パワーモジュールの断面図。
【図１５】本発明の第６の実施形態として半導体チップの表面からの熱放散性を向上した半導体パワーモジュールの断面図と平面図。
【符号の説明】
１…半導体チップ、２，２２０…熱拡散板、２０１，２０４，２０６，２０８…Ｃｕ製熱拡散板、２０２，２０５，２０７，２０９…粒子分散材、２１０，２１５…インバー材、２１１〜２１４，２１６〜２１９…Ｃｕ板、２２９…ヒートシンク、３，７，１２，１６，１７…半田、４…放熱基板、４３，４６…セラミックス板、４４…Ｃｕ，Ａｌ等の放熱板、５…樹脂絶縁層、６…電気回路（Ｃｕ箔導体）、６１…Ｃｕ端子、６２…Ｃｕパッド、８…金属細線、９，１３…外部接続端子、１０…ＩＣ、１１…制御基板、１４…ケース、１５…充填（エポキシ系）樹脂。
【図１】
2005056873.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2005056873.tif 000015
【図１４】
2005056873.tif 000016
【図１５】
2005056873.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】平成15年10月17日(2003.10.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2005056873.tif 000018
【図２】
2005056873.tif 000019
【図３】
2005056873.tif 000020
【図４Ａ】
2005056873.tif 000021
【図４Ｂ】
2005056873.tif 000022
【図４Ｃ】
2005056873.tif 000023
【図４Ｄ】
2005056873.tif 000024
【図５】
2005056873.tif 000025
【図６】
2005056873.tif 000026
【図７】
2005056873.tif 000027
【図８】
2005056873.tif 000028
【図９】
2005056873.tif 000029
【図１０】
2005056873.tif 000030
【図１１】
2005056873.tif 000031
【図１２】
2005056873.tif 000032
【図１３】
2005056873.tif 000033
【図１４】
2005056873.tif 000034
【図１５】
2005056873.tif 000035
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３６】
図４Ａ〜図４Ｄは、充填樹脂に対するフィラー、可撓化剤添加と充填樹脂物性との関係を示すグラフである。Ｓｉ等への密着性に優れるエポキシ系の充填樹脂１５の機械的性質を決めるフィラー配合量と可撓化剤添加量が、線膨張係数及びヤング率へ及ぼす影響、及び可撓化剤添加量による線膨張係数対ヤング率の関係への影響について示す。エポキシ化合物としてＡＥＲ−８５０１（アデカ社製）、ＣＥＬ−２０２１Ｐ（ダイセル社製）を用い、硬化剤は酸無水物でＭＨＡＣ−Ｐ（日立化成社製）、可撓化剤はＸ−２２−１６６Ｃ（信越化学社製）を用いた。他に、分散剤Ｓ−２（日立化成社製）、界面活性剤Ａ−１８７（日本ユニカ社製）、充填剤ＦＢ−３０Ｘ（電気化学社製）を用いた。一液性の無溶剤系で、２５℃での粘度は５２０Ｐｏｉｓｅで、ポッテイング用として使用した。不純物濃度測定は硬化物を１００メッシュ以下に粉砕し、この微粉末５ｇｆと脱イオン水５０ｍｌをテフロン（登録商標）〜ＳＵＳ二重容器に入れ、１２０℃で２４０ｈ保持し、抽出イオン成分をイオンクロマトグラフを用いて行った。Ｎａ+，Ｋ+；１ｐｐｍ、Ｃｌ-；５ｐｐｍである。硬化条件は１１０℃（１０ｈ）／２００℃（１０ｈ）で、Ｔｇは１７０℃ある。なお、パワーモジュールのポッテイング用、モールド用としては一液性樹脂である必要はなく、使い易い二液性樹脂で良い。また、溶剤が抜け易い構造であれば、無溶剤系でなく樹脂組成等の制約の少ない溶剤系で良いので、流動性から開放され、広い範囲の樹脂系が選べる利点がある。上記組成で配合量を変えた各種の検討を行った。


【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３７】
図４Ａは、上記エポキシ樹脂に石英フィラーの配合量（Ｖｏｌ％）を変えた場合の線膨張係数とヤング率の関係を示す。エポキシ化合物と充填剤を合計した体積％（Ｖｏｌ％）である。エポキシ線膨張係数とヤング率の関係は逆相関の関係にあり、図示するように、フィラー配合量は２０〜５５ｖｏｌ％の範囲とすることが必要である。線膨張係数を半田（Ｐｂ−５Ｓｎの場合）の値の２７×１０-6／℃にするにはフィラー配合量は約５０ｖｏｌ％にする必要がある。エポキシ系で素材が柔らかい場合は、フィラーを配合しても配合比率の割りにヤング率が低い樹脂となる。従って、ヤング率はこのエポキシ素材では室温で約８ＧＰａになる。


【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３８】
図４Ｂは、同一エポキシ樹脂系でフィラーの入っていない樹脂にゴムの可撓化剤を添加した場合の物性を示す。可撓化剤として高温で変質しないシリコーン系としてエポキシシリコーン、アミノシリコーン、ヒドロキシシリコーン等が可能である。ここでは溶解度の観点で優れるエポキシシリコーン；信越化学（株）社製Ｘ−２２−１６６Ｃを用いた。ベースの樹脂が決まると線膨張係数とヤング率はフィラー量で決まり、可撓化剤の添加量の及ぼす影響は少ない。可撓化剤は微細粒として分散することが前提であり、１５ｍａｓｓ％以上では均一分散できなくなり、逆に、線膨張係数が増すデメリットから１０±５％レベルが望ましい。


【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３９】
図４Ｃは、フィラーとゴムの配合率に対する基板の端子部破壊による断線を調べる評価結果を説明する図である。薄膜で配線を施した破壊し易いソーダガラス基板（線膨張係数；９．３×１０-6／℃）上にＳｉチップをフリップチップで接続した。その隙間及び周囲に樹脂を充填し、硬化後、温度サイクル試験（−４０〜１００℃）を実施し、樹脂物性による素子、基板の端子部破壊による断線を調べる評価法を採用した。パワーモジュール構造ではないが、樹脂の基板及びチップへの熱応力的影響を調べるのに適した評価法である。ゴムはエポキシ樹脂１００ｇｆに対する重量部で表示した。ゴムを分散する配合率が２０重量部（１６，７％に相当）以上では分散が不均一になると共に、それ自体の線膨張係数が大きく、混入後の線膨張係数が大となり、耐熱疲労性を低下させる原因となる。判定法として、樹脂のない構造の寿命よりも短い場合を×とし、長い場合を程度に応じ、優れる：△印、大幅に優れる：○印とした。その結果から、ゴム配合量としては、均一分散性を考慮し、１０±５ｍａｓ％（５〜１５ｍａｓ％）が望ましいことが判る。なお、ゴムの効果はヤング率の変化ではそれ程大きいとは思えないが、熱衝撃時の急激な温度変化に対し、衝撃緩和作用があるものと思われる。


【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４０】
図４Ｄは、充填樹脂１５におけるヤング率と線膨張係数の関係を示すグラフである。半田の線膨張係数の範囲で、ほぼ望ましいヤング率（５〜１０ＧＰａ）の範囲４０（斜線部）を示し、破線で示す可撓化剤を１１％添加した組成は、適正な領域に入っている。この樹脂系においては、ヤング率を３ＧＰａ程度に下げようとすると、チップ破壊は防止できるものの、線膨張係数が増えるので、半田の寿命向上への寄与は少なくなるトレードオフの関係がある。


【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４３】
図６は、充填樹脂物性と信頼性を示す線膨張係数対チップ応力と半田歪のグラフである。図４Ａの関係を下に、横軸に樹脂の線膨張係数をとり、縦軸に半田のクラック起点の相当歪と半導体チップ表面素子部に作用する相当応力をプロットしたものである。破線はシリコーンゲルで全体を被覆した場合の半田のクラック起点の相当歪である。樹脂１５の線膨張係数が（２０〜４５）×１０-6／℃の範囲６０１（斜線部）で、本実施形態の樹脂被覆構造は、シリコーンゲルで全体を被覆した構造よりも、半田３のクラック起点３０１での相当歪は小さい。従って、本実施形態の物性を有する樹脂１５を用いると、シリコーンゲル封止構造に比べ、半田の歪は小さいことから、半田による断線はより少なくなる。また、半導体チップ端部１０１の相当応力σも小さく、領域６０２（斜線部）にあり、素子部の破壊、界面での剥離等が起こり難いことから、良好な結果が得られた。


【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図面の簡単な説明
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による半導体パワーモジュールの断面図。
【図２】樹脂と半田の応力−歪曲線の温度依存性のモデルを示すグラフ。
【図３】樹脂充填構造での半導体チップ割れ発生のメカニズムを示すための要部断面図と、充填樹脂と半田の応力−歪曲線のモデルを示すグラフ。
【図４Ａ】エポキシ樹脂に石英フィラーの配合量（Ｖｏｌ％）を変えた場合の線膨張係数とヤング率の関係を示すグラフ。
【図４Ｂ】同一エポキシ樹脂系でフィラーの入っていない樹脂にゴムの可撓化剤を添加した場合の物性を示すグラフ。
【図４Ｃ】フィラーとゴムの配合率に対する基板の端子部破壊による断線を調べる評価結果を説明する図。
【図４Ｄ】充填樹脂１５におけるヤング率と線膨張係数の関係を示すグラフ。
【図５】線膨張係数対チップ応力及び線膨張係数対半田歪のグラフ。
【図６】充填樹脂物性と信頼性を示す線膨張係数対チップ応力と半田歪のグラフ。
【図７】樹脂のヤング率と樹脂による拘束の関係を示す解析結果のグラフ。
【図８】本発明の第２の実施形態による半導体パワーモジュールの断面図。
【図９】本発明の第３の実施形態による半導体パワーモジュールの断面図。
【図１０】本発明による半導体パワーモジュールに用い得る各種熱拡散板の断面図。
【図１１】本発明による半導体パワーモジュールに用い得る形状を変えた各種熱拡散板の断面図。
【図１２】本発明による半導体パワーモジュールに用い得る半田の寿命向上案を示す断面モデル。
【図１３】本発明の第４の実施形態として半導体チップの熱放散性を向上した半導体パワーモジュールの断面図。
【図１４】
本発明の第５の実施形態として半導体チップの表面からの熱放散性を向上した半導体パワーモジュールの断面図。
【図１５】
本発明の第６の実施形態として半導体チップの表面からの熱放散性を向上した半導体パワーモジュールの断面図と平面図。
【符号の説明】
１…半導体チップ、２，２２０…熱拡散板、２０１，２０４，２０６，２０８…Ｃｕ製熱拡散板、２０２，２０５，２０７，２０９…粒子分散材、２１０，２１５…インバー材、２１１〜２１４，２１６〜２１９…Ｃｕ板、２２９…ヒートシンク、３,７，１２，１６，１７…半田、４…放熱基板、４３，４６…セラミックス板、４４…Ｃｕ，Ａｌ等の放熱板、５…樹脂絶縁層、６…電気回路（Ｃｕ箔導体）、６１…Ｃｕ端子、６２…Ｃｕパッド、８…金属細線、９，１３…外部接続端子、１０…ＩＣ、１１…制御基板、１４…ケース、１５…充填（エポキシ系）樹脂。