(57)【要約】【課題】  高融点のPbフリーはんだ材で信頼性のあるSiチップ／金属部材の接合構造を持つトランジスタパッケージを提供する。【解決手段】  接合部の構造を(TiまたはNi)/SnSbAgCu系合金/(TiまたはNi)としたトランジスタパッケージＡを線膨張係数5ppm/℃〜9ppm/℃の樹脂１０でモールドした。Pbフリーのはんだ材４を接合材として使用し、Siチップ／金属リードの接合を行い、260℃のリフローに耐える温度サイクル信頼性に優れたトランジスタパッケージＡを提供することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップとチップ裏面電極に接続される第１の金属部材と、チップ上回路形成面の主電流電極に電気的に接続される第２の金属部材と、制御用電極に電気的に接続される第３の金属部材とを有し、前記金属部材の少なくとも一部が封止樹脂で覆われているトランジスタパッケージであって、
前記半導体チップと前記第１の金属部材とを接合する接合材は、固相温度225℃以上、245℃以下のSn、Sb、Ag、Cuを主成分とする合金であり、
前記合金には、AgとCuとが合わせて10〜35重量％、SbとSnとがSb/(Sn+Sb)の重量比率が0.23〜0.38で含まれており、
前記半導体チップと前記金属部材の少なくとも一部が線膨張係数5ppm/℃〜9ppm/℃の前記封止樹脂で封止されていることを特徴とするトランジスタパッケージ。
【請求項２】
請求項１記載のトランジスタパッケージにおいて、
前記接合材による接合部分は、(NiまたはTi)/前記接合材/(NiまたはCu)で構成されていることを特徴とするトランジスタパッケージ。
【請求項３】
請求項１または２記載のトランジスタパッケージにおいて、
前記接合材には、微量成分としてNi、P、Geが含まれることを特徴とするトランジスタパッケージ。
【請求項４】
請求項１または２記載のトランジスタパッケージにおいて、
前記第１の金属部材の側面に、前記封止樹脂との剥離を防止する剥離防止部が設けられていることを特徴とするトランジスタパッケージ。
【請求項５】
請求項４記載のトランジスタパッケージにおいて、
前記剥離防止部は、前記第１の金属部材の側面に前記封止樹脂が係合する溝等の凹部に形成されていることを特徴とするトランジスタパッケージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体チップをSn-Sb系の接合材でリードフレーム等の金属部材に搭載したトランジスタパッケージに関し、特に耐熱性や温度サイクル信頼性に優れたトランジスタパッケージとそのトランジスタパッケージの組み立てに用いられる接合材、金属部材及び封止樹脂に適用して有効な技術である。
【背景技術】
【０００２】
従来、トランジスタパッケージのSiチップ接合には、Pbを90％以上含む高融点はんだ材が使われていた。近年、有害物質のPbによる環境汚染を防ぐため、電子装置の組立部材からPbを除くことが早急に求められている。しかし、現時点では従来のPb入り高温はんだ材にそのまま置き換えることができる高融点のPbを含まないはんだ材は公表されていない。高温はんだ材としては、Sn-Sb系合金が知られている。例えば、特許文献１には、Sn-Sb系合金をはんだ材として用いた発明が開示されている。
【特許文献１】特開２００１−２３７２５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところが、Sn-Sb系合金を高温はんだ材として用いるには、以下の課題があることを本発明者は見出した。
【０００４】
Sn-Sb系合金で、高濃度のSbを含み固相温度が300℃以上のはんだ材は、ペレット付け後のトランジスタパッケージを260℃の温度で２次実装（以下260℃リフローと記す）しても、ペレット付け部のはんだの再溶融が無く良好である。しかし、このはんだ材は非常に硬く、かつ高温域まで脆くて伸びが非常に小さい性質を持っているため、ペレット付け時にSiチップに発生する熱応力が高く、チップが割れてしまうという問題がある。
【０００５】
一方、Sn-Sb系合金で、低濃度のSbを含むはんだ材は、高濃度のSb入りはんだ材よりも柔らかく、ペレット付け後にSiチップ割れは起こさないが、固相温度が240℃と低いため、トランジスタパッケージの信頼性試験（85℃/85RH%-168ｈ後260℃リフロー処理×3回）を行うと、はんだの再溶融に伴う体積膨張によってモールド樹脂が押し上げられ、はんだ材内部でのクラック発生や、はんだ材が接合部から周囲に流出して凝固時に体積不足を生じて接合部にボイド欠陥が発生するなど、半導体装置に不具合が生じるという問題がある。
【０００６】
トランジスタパッケージのSiチップ接合に要求されるはんだ材の性質としては、以下の４点があり、これら全てが満たされないとトランジスタパッケージの組立てには適用できない。かかる性質とは、1)SiチップをCuリードまたはNiめっきCuリードに接合したときの熱膨張差に伴う熱歪をはんだ接合部が緩和して、熱応力によるSiペレットの破損を防ぐこと、2)パッケージを配線基板に２次実装するときの加熱や高温環境での使用に耐える耐熱性を有していること、3)半導体デバイスの発熱によって引き起こされる温度変動に対してはんだ接合部の熱疲労寿命が十分に長いこと、4）はんだ材がSiペレットの電極材や金属部材に対して濡れ性に優れることである。
【０００７】
本発明の目的は、Pbを含まないはんだ材を用いて、ペレット付け後の冷却過程や温度サイクル試験におけるSiチップ割れを防止し、パッケージを配線基板に２次実装するときの加熱に耐え、かつ繰り返しの熱ストレスにおけるはんだ接合部の疲労寿命に優れたトランジスタパッケージを提供することにある。
【０００８】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、半導体チップとリードフレーム等の金属部材とを接合する接合材が、固相温度225℃のSnSbAgCu系を主成分とし、合金の構成比率がAg、Cuで10〜35重量％で、かつSb/(Sn+Sb)の重量比率が0.23〜0.38であり、半導体チップ裏面の電極材をTi/Ni/(AgまたはAu)あるいはNi/Ti/Ni/(AgまたはAu)とし、金属部材の表面はCuあるいはCu上に厚さ1μm以上のNiめっきを施して、半導体チップ/接合材/金属部材の構成とし、還元雰囲気中で300-370℃に加熱して接合し、半導体チップと金属部材の少なくとも一部を線膨張係数5ppm/℃〜9ppm/℃の樹脂で封止する構成を発案し、本発明に至った。
【００１０】
図４は、Sn-Sb系で低濃度のSbを含むはんだ材の液相温度と260℃における固相比率を調べたもので、本発明の根拠となった評価結果を示している。図４では、はんだ付け温度を360℃と従来のPb-Sn系はんだの場合と同等にしたため、液相温度はそれより30℃低い330℃以下のものを良（〇）として評価した。通常、液相温度より、約30℃プラスしたものをはんだ付け温度としている。
【００１１】
固相比率は260℃におけるはんだの溶融状態を示すもので、その値が高いほど260℃リフロー耐性があるといわれている。ここでは固相比率50％以上のものを良とした。図４から、目標とする液相温度と260℃における固相比率の双方を満足するのは、はんだ組成の比率がAgとCuを合わせて10〜35重量％で、Sb/(Sn+Sb)の重量比率が0.23〜0.38であることが分かる。かかる構成のはんだ材の硬さはHv40〜60と低く、Siチップ接合後の冷却過程や温度サイクル試験におけるチップの割れは発生しない。
【００１２】
また、260℃リフロー耐性の効果をさらに高めるため、トランジスタパッケージの封止樹脂について検討を進め、樹脂の線膨張係数αが5ppm/℃〜9ppm/℃の樹脂でモールドすることで、260℃リフローを数回繰り返してもはんだ接合部が剥離せず、耐熱信頼性の高いトランジスタパッケージが得られることを、初めて見出した。
【００１３】
さらに、Siペレットの電極材や、半導体チップとチップ裏面電極に接続される第１の金属部材に対して、本発明のはんだ材にNi、P、Geの微量成分を添加することで、はんだ濡れ性をさらに向上させると良い。また、封止樹脂と第１の金属部材との剥離防止について種々検討の結果、上記トランジスタパッケージに用いられる第１の金属部材の側面部に角溝、V溝あるいはL型のザクリ部等の封止樹脂と第１の金属部材とが係合する凹部を設けて樹脂モールドすることで、樹脂界面と金属部材との剥離を効果的に防止できることを見出した。かかる構成により、はんだ接合部の熱疲労寿命が大幅に向上したトランジスタパッケージを実現することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
【００１５】
すなわち、本発明によれば、PbフリーのSn-Sb系で融点の低いはんだ材を用いても、260℃リフロー耐性に優れ、かつペレット接合後の冷却過程や温度サイクル試験におけるSiチップ割れが防止できる信頼性の高いトランジスタパッケージを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
【００１７】
図１（ａ）は、本発明のトランジスタパッケージの一実施例の構成において封止樹脂を透視した状態を示す上面図であり、（ｂ）は同じく封止樹脂を透視した状態を示す側面図である。図１において、トランジスタパッケージＡでは、トランジスタチップ１がドレイン用リード２のヘッダ３に固相温度228℃のSnSbAgCu系のはんだ材４により接着され、トランジスタチップ１のソース電極５及びゲート電極６は外部接続端子のソースリード７及びゲートリード８にAlワイヤ９により結線されている。トランジスタパッケージＡの底面はヘッダ３が露出して、配線基板に接続可能な構造になっている。
【００１８】
トランジスタチップ１及びリード端子としてのドレイン用リード２、ソースリード７、ゲートリード８とヘッダ３の一部が、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、封止用の樹脂１０でモールドされている。封止用の樹脂１０は、線膨張係数が50℃から150℃の温度範囲で5ppm/℃以上、9ppm/℃以下のものを用いた。樹脂には、例えば、エポキシ樹脂のような固化タイプの使用が好ましい。
【００１９】
かかる構成では、トランジスタチップ１とヘッダ３とをリフロー温度の260℃より低いはんだ材４で接合しているが、低熱膨張の樹脂１０でモールドしているので、ヘッダ３と樹脂１０との界面で剥離は生じない。したがって、260℃のリフロー耐性のあるトランジスタパッケージを提供することができる。
【００２０】
また、用いたはんだ合金は硬度がHv 40〜60であることから、接合後の冷却や温度サイクル試験での熱歪によるSiチップ割れ等の損傷は発生しない。そのため、トランジスタパッケージＡにおけるはんだ接合部の熱疲労寿命を大幅に向上させることができる。
【００２１】
図２は、本発明のトランジスタチップ１とヘッダ３との接合構造の一実施例を示す断面図である。図２において、トランジスタチップ１の裏面電極のTi膜１１／Ni膜１２は、ヘッダ３のCuリード１３に形成されたNiめっき膜１４に、はんだ材４としてのSnSbAgCu系合金を接合材として使用することで接合された構造となっている。図に示す場合は、トランジスタチップ１の大きさは4×5mmで、厚さは0.2mmt、Cuリード１３の厚さは0.2mmtで、Niめっき１４の厚さは5μmである。ここで、はんだ材４はヘッダ３へのはんだ濡れ性向上のため、SnSbAgCu系合金にNi、P、Ge等を微量添加しても良い。
【００２２】
図３は、図２の接合構造を得るのに用いたトランジスタチップ１の断面構造を示す。図３において、Si基板１５の片面にはトランジスタ素子で構成された回路領域１６が形成され、他方の面にはペレット接合のための裏面電極膜としてSi側からTi膜１１／Ni膜１２／Au膜１７の多層膜が形成されている。
【００２３】
次に、上記構成の本発明に係わるトランジスタパッケージＡにおけるはんだ材４等の接合材としての適切な接合材組成について検討した結果を説明する。図５は、接合材のSb量及びAg、Cuの添加量を変えたはんだ材でトランジスタパッケージＡを作製し、Siチップ割れ及び260℃リフロー耐性を調べた結果である。また、はんだ材の硬さ及び260℃における固相比率を調べた結果も併記した。
【００２４】
高濃度のSbを含むはんだ材（Sb32.5〜35wt％）は、260℃の固相比率（90％、100％）は満足するが、硬さがHv81、Hv108付近にあり、Siチップのはんだ付け後にチップ割れが生じる。しかし、260℃リフロー耐性には問題が無い。一方、低濃度のSbを含むはんだ材（Sb17.5〜25wt％）は、はんだ付け後にSiチップ割れは生じないが、260℃における固相率が小さいために、リフロー耐性に問題がある。
【００２５】
そこで、本発明者らはSiチップ割れ防止と260℃リフロー耐性の双方を満足するはんだ材及びトランジスタパッケージに用いる樹脂について検討した。Siチップ割れ防止には、上記の如く、硬度が低い低濃度のSbを含むはんだ材であることが望ましい。しかし、かかる低濃度のSbを含むはんだ材は、リフロー耐性に問題があるが、本発明者は、かかるリフロー耐性の問題は、使用する樹脂の熱膨張と大いに関係があると着眼し、熱膨張を抑制することでリフロー耐性の問題点が解決できないかと考えた。
【００２６】
Sbを低濃度に含む種々の組成のはんだ材に対して、種々の線膨張係数αを有する樹脂を用いて樹脂封止し、それぞれについてチップ割れ、リフロー耐性を検討した。その結果、従来の樹脂より線膨張係数αが低い樹脂を使用することで、リフロー耐性を獲得することができることを見出した。すなわち、図５に示すように、線膨張係数αが5ppm/℃以上、9ppm/℃以下の樹脂を用いることによって十分なリフロー耐性が得られ、260℃のリフロー試験で、リードフレームと樹脂との接合界面に剥離は生じなかった。線膨張係数αが10〜15ppm/℃の従来の封止樹脂では、図５に示すように、いずれのはんだ材を用いても接合界面に剥離が生じた。
【００２７】
使用する樹脂の線膨張係数αが5ppm/℃未満では、樹脂の流動性が極端に悪くなり、トランジスタパッケージとしての成型が難しくなる。一方、線膨張係数αが10ppm/℃を越える場合には、従来の如く、リードフレームと樹脂との接合界面が剥離してしまう。低濃度のSbを含むはんだ材をトランジスタパッケージに用いる場合には、線膨張係数αが5ppm/℃以上、9ppm/℃以下の樹脂を用いることが最適であることが、本発明者の実験から初めて分かった。
【００２８】
図６は、トランジスタチップ１の金属電極構造が異なる本発明に係わるトランジスタパッケージＡの変形例を示す断面図である。図６において、トランジスタチップ１の裏面電極のNi膜１８／Ti膜１９は、ヘッダのCuリード１３に形成されたNiめっき膜１４にSnSbAgCu合金４によって接合された構造となっている。トランジスタチップ１の形状、Cuリード１３の厚さ及びNiめっき膜１４の厚さは図２の場合と同じである。
【００２９】
図７は、図６に示す接合構造を得るのに用いたトランジスタチップ１の断面構造を示す。図７において、Si基板２１の片面にはトランジスタ素子で構成された回路領域２２が形成され、他方の面にはペレット接合のための裏面電極膜としてSi側からNi膜１８／Ti膜１９／Ni膜２３／Ag膜２４の多層膜が形成されている。かかる構成によれば、図２及び図３に示す場合と同様に、耐熱性、高温信頼性、温度サイクル信頼性に優れたPbフリーのトランジスタパッケージを提供することができる。
【００３０】
図８は、図２及び図６の接合構造を実現するための接合方法を示す説明図である。接合は、水素を含む還元雰囲気が可能なコンベア炉２５で行った。接合工程では、まずリードフレームのNiめっき面にSnSbAgCu合金のワイヤ２６から所定量をチップサイズより小さい領域に溶融させて供給する。その溶融した合金上にチップの裏面電極を軽く一度押し付け、その後荷重を開放する方式でチップを搭載する。合金はチップのある領域だけ濡れ拡がって、フィレットを形成して接合される。SnSbAgCu合金は固相温度228℃のものを用いた。かかる構成では、ヘッダにCu合金にNiめっきを施したものを用いたが、Cu合金そのものにはんだ付けしても何ら差し支えなく、同様な効果が得られる。
【００３１】
図９（ａ）は、本発明に係わるトランジスタパッケージＡの構造の他の変形例を樹脂を透視した状態で示す上面図であり、（ｂ）は樹脂を透視した状態を示す側面図である。図９において、トランジスタチップ１はSnSbAgCu系及びSnSbAgCuNi系のはんだ材４を接合材として用いることによりヘッダ３に接合されている。
【００３２】
図９に示す構成は、図１の構成と異なり、ヘッダ３の側面に角溝２７ａ等の凹部が設けられている。角溝２７ａは、ヘッダ３と封止用の樹脂１０とが係合して剥離の防止効果を発揮するように設けた剥離防止部２７として機能する。剥離防止部２７の凹部の構成は、角溝２７ａに限定する必要はなく、例えば、図示はしないが、V溝あるいはL型にしてザクリ加工しても同じ効果が得られる。この場合でも、モールド用の樹脂１０には熱膨張係数5ppm/℃〜9ppm/℃のものを用いた。樹脂形態は前述の如く、例えば、エポキシ樹脂のような固化タイプが良い。
【００３３】
図１０は、本発明に係わるトランジスタパッケージＡの他の変形例の断面図を示す。図１０において、トランジスタチップ１はAl電極２８と貴金属めっき２９が施されたリード端子３０はAuバンプ３１によって強固に接合されている。トランジスタチップ１の裏面電極とダイ端子３２は、SnSbAgCu系またはSnSbAgCuNi系のはんだ材４を接合材として使用することによって接着されている。ダイ端子３２はCuヘッダにNiめっきされた構造で、Cuヘッダの周囲には封止用の樹脂１０へのアンカー効果が働くように係合部として機能する剥離防止部３３としての角溝３３ａが設けられている。リード端子はモールドした樹脂１０で構成される樹脂筐体１０ａの片側サイドから取り出されている。
【００３４】
また、ダイ端子３２は樹脂筐体１０ａの底面に露出しており、ダイ端子３２の下面（配線基板上の接続端子との接続面）と曲げ加工されたソース及びゲート用リード端子の下面（同接続面）は同じ高さになるように加工されている。樹脂１０には熱膨張係数5ppm/℃〜9ppm/℃のものを用い、樹脂形態はエポキシ樹脂のような固化タイプが良い。
【００３５】
かかる構成によれば、図１の場合と同様の効果が得られる。また、ダイ端子３２の側面には、樹脂１０が食い込む形状の剥離防止部３３の加工を施してあるため、樹脂封止に際しては、モールド成型後の樹脂１０が冷却されて収縮する際に、樹脂１０の収縮力でダイ端子３２をチップ裏面に押し付けることができ、かかる剥離防止部３３の構成を有しない構成とは異なり、格段に信頼性のあるトランジスタパッケージを提供することができる。
【００３６】
図１１は、本発明に係わるパワー半導体モジュールの断面構造の一実施例を示す。図１１において、Siチップに構成されたトランジスタチップ１は、SnSbAgCu系またはSnSbAgCuNi系のはんだ材４を接合材として使用することによりセラミック基板３４の上に形成された導体パターン３５に接合されている。Siチップの裏面にはTiまたはTi/Ni層が形成されており、導体パターン表面にはNiめっきが施されている。Siチップの回路面側の電極はAlのワイヤ３６、３７によって導体パターン３５に電気的に接続されている。
【００３７】
裏面にメタライズが施されたセラミック基板３４、Pbフリーの低融点はんだ材３８によって金属の放熱板３９にはんだ接合されている。低融点はんだ材には、SnAg系、SnAgCu系、SnZn系、SnBi系などを用いることが可能である。モジュール全体は樹脂１０で覆われて保護されている。樹脂１０の形態は、エポキシ樹脂のような固化タイプが良い。セラミック基板３４の周囲にはモールドした樹脂１０へのアンカー効果が働くように角溝４０ａが、剥離防止部４０として設けられている。
【００３８】
図１１に示す構成によれば、パワー半導体モジュールのPbフリー化が可能となる。また、セラミック基板３４と放熱板３９の接合にSnAgCu系はんだを用い、樹脂１０に耐熱エポキシタイプを採用すれば、耐熱性に優れたパワー半導体モジュールを提供することができる。
【００３９】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、半導体チップをPbフリーのSn-Sb系の接合材で金属部材に搭載したトランジスタパッケージに有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】（ａ）は本発明のトランジスタパッケージの一実施例の構成において封止樹脂を透視した状態を示す上面図であり、（ｂ）は同じく封止樹脂を透視した側面図である。
【図２】本発明のトランジスタパッケージにおけるトランジスタチップとヘッダとの接合構造の一実施例を示す断面図である。
【図３】図２に示す接合構造におけるトランジスタチップの一実施例の断面構成を示す断面図である。
【図４】本発明で用いるはんだ材の物性を示す図である。
【図５】本発明で用いるはんだ材と樹脂の線膨張係数との適正な組合せ関係を示す図である。
【図６】本発明のトランジスタパッケージにおける接合構造の一変形例を示す断面図である。
【図７】図６に示す接合構造におけるトランジスタチップの一実施例の断面構成を示す断面図である。
【図８】本発明で採用する接合構造における接合方法の一実施例を示す説明図である。
【図９】（ａ）は本発明のトランジスタパッケージの一変形例の構成において封止樹脂を透視した状態を示す上面図であり、（ｂ）は同じく封止樹脂を透視した側面図である。
【図１０】本発明のトランジスタパッケージの一変形例の構成を、封止樹脂を透視した状態で示す側面図である。
【図１１】本発明のトランジスタパッケージの一変形例の構成を、封止樹脂を透視した状態で示す側面図である。
【符号の説明】
【００４２】
１…トランジスタチップ、２…ドレイン用リード、３…ヘッダ、４…はんだ材、５…ソース電極、６…ゲート電極、７…ソースリード、８…ゲートリード、９…Alワイヤ、１０…樹脂、１０ａ…樹脂筐体、１１…Ti膜、１２…Ni膜、１３…Cuリード、１４…Niめっき膜、１５…Si基板、１６…回路領域、１７…Au膜、１８…Ni膜、１９…Ti膜、２１…Si基板、２２…回路領域、２３…Ni膜、２４…Ag膜、２５…コンベア炉、２６…ワイヤ、２７…剥離防止部、２７ａ…角溝、２８…Al電極、２９…貴金属めっき、３０…リード端子、３１…Auバンプ、３２…ダイ端子、３３…剥離防止部、３３ａ…角溝、３４…セラミック基板、３５…導体パターン、３６…ワイヤ、３７…ワイヤ、３８…はんだ材、３９…放熱板、４０…剥離防止部、４０ａ…角溝、Ａ…トランジスタパッケージ。
【図１】
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【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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