(57)【要約】      （修正有）【課題】金属端子と回路基板間のはんだ厚を一定に保つことによって、金属端子と回路基板のはんだ接合部の応力を緩和する電力用半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置は、チップ１と、チップ１の電極に電気的に接続された金属端子７ｂ、７ｃと、チップ１を搭載するチップ搭載部３ａ及び金属端子７ｂ、７ｃを搭載し、且つ金属回路が形成された端子搭載部３ｂ、３ｃを有する回路基板３と、前記金属端子７ｂ、７ｃの一端７ｄは、金属回路３ｂ、３ｃ表面と平行に対向し、両者は両者間のはんだ１０ｂ、１０ｃにより接合されている。金属端子７ｂ、７ｃの一端の折曲部もしくはこの折曲部に対向する金属回路３ｂ、３ｃ表面には間隔を維持する少なくとも１つの突起９が形成されている。【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、
前記半導体チップの電極に電気的に接続された金属端子と、
前記半導体チップを搭載するチップ搭載部及び前記金属端子を搭載し、且つ金属回路が形成された端子搭載部を有する回路基板と、
前記金属端子の一端は、前記金属回路表面と平行に対向し、前記金属端子の一端と前記金属回路との間ははんだ層により接合され、且つ前記金属端子の一端もしくは前記一端に対向する金属回路表面には少なくとも１つの突起が形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記突起は、前記金属端子一端と前記一端に対向する金属回路表面との間隔を一定に保持することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記回路基板は、セラミックスからなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記半導体チップ及び前記金属端子が搭載された前記回路基板は、ケースに収納され、前記半導体チップ及び前記金属端子が搭載された前記回路基板は、前記ケース内において、樹脂封止されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項５】
前記回路基板は、放熱基板上に搭載され、前記回路基板裏面に形成された金属回路を介して前記放熱基板にはんだ付けされていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高信頼性が要求される放熱用金属ベースと回路基板間のはんだ接合部を有する大電力用の半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体装置は、ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor) やパワーＭＯＳＦＥＴなどの大電力用の半導体素子が形成された半導体チップ（以下、チップという）と、このチップに設けられた電極に電気的に接続された金属端子と、このチップを搭載するチップ搭載部及び前記金属端子を搭載し、且つ金属回路が形成された端子搭載部を有する回路基板とから構成され、前記金属端子の一端は、前記金属回路表面と平行に対向し、この金属端子の一端と前記金属回路表面との間は、ハンダ層により接合されている。回路基板は、セラミックスからなり、主面及び裏面両面に銅などの金属回路が設けられている。チップ及び金属端子が搭載され、チップ及び金属端子が搭載された回路基板は、ケース内において、樹脂封止されている。回路基板は、放熱基板上に搭載され、回路基板裏面に形成された金属層を介して前記放熱基板にハンダ付けされている。チップと回路基板とをはんだにより接着してから、アルミニウムなどのボンディングワイヤで回路基板の金属回路とチップの電極とを接続する。回路基板は、放熱用基板に搭載してから、これをケースに収容する。その後、ケースシリコーンゲルを注入し、さらに液状エポキシ樹脂を注入して回路基板等を封止して製品組立てを完了する。
【０００３】
この半導体装置、いわゆる半導体モジュールの問題点としては、ＴＣＴ３００サイクル（−４０℃×３０分〜２５℃×１０分〜１２５℃×３０分）において、はんだ接合部にはんだクラック（３／１０ｐｃｓＮＧ）が入り信頼性が問題となった。市場での要求は、１０００サイクルで製品信頼性保証する必要があり対策を要するものであった。
寿命の短い製品はんだ接合部を調査した結果、金属端子と回路基板とのはんだ接合部のはんだ厚が設計値１００μｍに対し薄い所で３０μｍしかなく接合部応力が増加して、はんだ厚が薄いほど製品寿命が短いという結果が得られた。また金属端子と回路基板間のはんだ厚を一定に保つことは難しく技術対策が必要であうという問題があった。
特許文献１には、パワーモジュールで基板に電極端子をはんだ付けする場合に熱的破壊応力を抑制するために電極端子にベントを設けることが記載されている。即ち、この半導体装置は、Ｃベンド先端の肉厚を薄肉化することによって効果的に配線端子の剛性を低減させて配線端子半田付け部にかかる応力を低減できる構造とし、配線抵抗をほとんど増加させることなしに温度変化により発生する配線端子半田付け部の応力を低減させることができる。
【特許文献１】特開平８−８３７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
金属端子と回路基板間のはんだ厚を一定に保つことによって、金属端子と回路基板のはんだ接合部における応力を緩和する半導体装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の半導体装置の一態様は、チップと、前記チップの電極に電気的に接続された金属端子と、前記チップを搭載するチップ搭載部及び前記金属端子を搭載し、且つ金属回路が形成された端子搭載部を有する回路基板と、前記金属端子の一端は、前記金属回路表面と平行に対向し、前記金属端子の一端と前記金属回路との間ははんだ層により接合され、且つ前記金属端子の一端もしくは前記一端に対向する金属回路表面には少なくとも１つの突起が形成されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００６】
金属端子と回路基板間のはんだ厚を一定に保つことによって、金属端子と回路基板のはんだ接合部における応力を緩和した半導体装置が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、実施例を参照して発明の実施の形態を説明する。
【実施例１】
【０００８】
まず、図１乃至図４を参照して実施例１を説明する。
図１は、半導体装置の断面図、図２は、図１の半導体装置に用いられる回路基板と金属端子との接合構造を示す断面図、図３は、図１の半導体装置に用いられる金属端子の部分斜視図、図４は、半導体装置の組み立て工程を説明する斜視図である。図１に示すように、回路基板３は、セラミックス材料を用いた絶縁基板であり、主面にアルミニウム箔などの金属回路３ａ、３ｂ、３ｃが形成され、裏面にアルミニウム箔などの金属回路３ｄが形成されている。この裏面の金属回路３ｄは、銅板などからなる放熱基板８にはんだ１０ａにより接合されている。主面の金属回路３ａには、シリコン半導体などのチップ１が、搭載される。即ち、チップ１裏面は、金属回路３ａにはんだ１０により接合される。金属端子７ａは、金属回路３ａにはんだ（図示しない）により接合されている。金属端子７ｂは、金属回路３ｂにはんだ１０ｂにより接合されている。金属端子７ｃは、金属回路３ｃにはんだ１０ｃにより接合されている。金属端子７（７ａ、７ｂ、７ｃ）は、チップ１に対してほぼ垂直に配置されているが、一端部は、金属回路３ａ、３ｂ、３ｃとの接合面と平行に対向するように先端が折り曲げられており、他端部は、共通の樹脂封止板６に固定されている。
【０００９】
他端部の先端は、樹脂封止板６を貫通し、外部の配線を接続するためのナットなどが取り付けられ，樹脂封止板６に取り付けられている。
チップ１の電極と金属端子７とはアルミニウムなどのボンディングワイヤ２により電気的に接続されている。例えば、チップ１に形成された半導体素子がＩＧＢＴの場合、ゲート電極（図示しない）と金属回路３ｂとがボンディングワイヤ２により接続され、エミッタ電極（図示しない）と金属回路３ｃとが他のボンディングワイヤ２により接続されている。コレクタ電極はチップ１裏面に設けられている。ＩＧＢＴ以外に、バイポーラパワートランジスタやパワーＭＯＳＦＥＴを用いることができる。このような電力用半導体装置は、３０〜８０Ａの電流が流れる。チップ１が搭載された回路基板３は、放熱基板８に取り付けられたＰＢＴなどの合成樹脂からなるケース４に収納されている。ケース４内部には封止体５が充填されている。ケース４の下部にはシリコーンゲルからなる封止体５ａが充填され、その上にエポキシ樹脂からなる封止体５ｂが充填されている。ケース４に収納された回路基板３は、チップ１及び金属端子７の一部とともに封止体５ａに封止され、樹脂封止板６は、一部が封止体５ｂに封止され、上部と金属端子７の他端部先端とが封止体５ｂから露出している。
【００１０】
次に、図２及び図３を参照して回路基板の金属回路と金属端子との接合構造の詳細を説明する。回路基板３の主面には金属回路３ａ、３ｂ、３ｃが設けられており、金属端子７ａは、チップ１が接合された金属回路３ａに接続され、金属端子７ｂは、金属回路３ｂに接続され、金属端子７ｃは、金属回路３ｃに接続されている（図４（ｄ）参照）。図２は、金属端子７ｂと回路基板３との接続構造を示しており、他の金属端子と回路基板との接続構造は、これと全く同じなので、説明を省略する。金属端子７ｂの一端部７ｄは、折曲され、この折曲部は金属回路３ｂ表面と平行に対向している。両者３ｂ、７ｄは、例えば、はんだ厚１００μｍのはんだ層１０ｂにより接合されている。図３は、金属端子７の部分斜視図である。金属端子７の一端部７ｄは、金属回路表面に対向する面に、例えば、この実施例では４つの突起９が形成されている。この突起９が金属端子と回路基板の金属回路間の間隔を維持し、はんだ厚を維持している。したがって、この実施例の突起９の高さは、１００μｍ程度にしてある。
【００１１】
次に、図４を参照して半導体装置の組み立て工程を説明する。図４（ａ）は、放熱基板８にケース４が搭載された斜視図であり、図４（ｂ）は、樹脂封止板６に固定された金属端子７（７ａ、７ｂ、７ｃ）の斜視図である。金属端子７ａは、封止板６に隠れているので、図４（ｂ）には示さない。まず、主面に金属回路３ａ、３ｂ、３ｃを設け、金属回路３ａ上にはんだ付けしたチップ１を設けた配線基板３を放熱基板８に取付ける（図４（ｃ））。次に、封止板６に取付けた金属端子７（７ａ、７ｂ、７ｃ）を回路基板３の金属回路３ａ、３ｂ、３ｃにはんだ付けする（図４（ｄ））。その後、樹脂などのケース４を放熱基板８に取り付け、ケース４に回路基板３に収納するように構成する。その後、樹脂封止体５をケース４に充填し、回路基板３及びチップ１を封止する。
【００１２】
従来の半導体装置におけるはんだ付け部は、はんだ厚１００μｍで設計しているが実際は製造上において、金属端子の先端が直角に折曲されていない、傾いて金属端子が組み立てられる等のバラツキ要因がある。この要因によって、はんだ厚のバラツキが、回路基板上に電力用金属端子を直接はんだ付けしているために、ＴＣＴによる各部品の熱膨張差により発生する応力が一番弱いはんだ部に掛かるので、ＴＣＴサイクル数増加によりはんだクラックに至る。
この実施例においては、従来の半導体装置ではＴＣＴ３００サイクル完了品分解調査においてはんだクラック３／１０ｐｃｓ発生したが、ＴＣＴ１０００サイクル完了品分解後０／１０ｐｃｓＮＧであり大幅に信頼性が向上した。
【実施例２】
【００１３】
次に、図５及び図６を参照して実施例２を説明する。
図５は、この実施例の半導体装置に用いられる回路基板と金属端子との接合構造を示す部分断面図、図６は、図５の半導体装置に用いられる回路基板の平面図である。この実施例における半導体装置は、図１に示す半導体装置の構造と同じであるが、金属端子と回路基板の金属回路との接続構造が実施例１とは異なる。即ち、この実施例の半導体装置は、チップと、チップの電極に電気的に接続された金属端子と、チップを搭載するチップ搭載部及び前記金属端子を搭載し、且つ金属回路が形成された端子搭載部を有する回路基板と、金属端子の一端は、金属回路表面と平行に対向し、両者の間のハンダ層により接合され、且つ金属端子の一端に対向する金属回路表面には少なくとも１つの突起が形成されている。
【００１４】
回路基板２３の主面には金属回路２３ａ、２３ｂ、２３ｃが設けられており、金属端子２７ａは、チップが接合された金属回路２３ａに接続され、金属端子２７ｂは、金属回路２３ｂに接続され、金属端子２７ｃは、金属回路２３ｃに接続されている（図４（ｄ）参照）。図５は、金属端子２７ｂと回路基板２３との接続構造を示しており、他の金属端子と回路基板との接続構造は、これと全く同じである。金属端子２７ｂの一端部２７ｄは、折曲され、この折曲部は金属回路２３ｂ表面と平行に対向している。両者２３ｂ、２７ｄは、例えば、はんだ厚１００μｍのはんだ層２０により接合されている。図６は、回路基板２３の平面図である。金属回路２３ｂの金属端子２７ｂの一端部２７ｄに対向する面に、例えば、この実施例では４つの突起２９が形成されている。この突起２９が金属端子と回路基板の金属回路間の間隔を維持し、はんだ厚を維持している。したがって、この実施例の突起２９の高さは、１００μｍ程度にしてある。
【００１５】
以上、従来の半導体装置におけるはんだ付け部は、はんだ厚１００μｍで設計しているが実際は製造上において、金属端子の先端が直角に折曲されていない、傾いて金属端子が組み立てられる等のバラツキ要因がある。この要因によって、はんだ厚のバラツキが、回路基板上に電力用金属端子を直接はんだ付けしているために、ＴＣＴによる各部品の熱膨張差により発生する応力が一番弱いはんだ部に掛かるので、ＴＣＴサイクル数増加により、はんだクラックに至る。この実施例は、実施例１と同様な効果を有し、従来の半導体装置ではＴＣＴ３００サイクル完了品分解調査においてはんだクラック３／１０ｐｃｓ発生したが、ＴＣＴ１０００サイクル完了品分解後０／１０ｐｃｓＮＧであり大幅に信頼性が向上する。
【実施例３】
【００１６】
次に、図７及び図８を参照して実施例２を説明する。
図７は、この実施例の半導体装置の断面図、図８は、図７の半導体装置に用いられる回路基板裏面の平面図である。この実施例における半導体装置は、図１に示す半導体装置の構造と同じである。即ち、この実施例の半導体装置は、チップと、チップの電極に電気的に接続された金属端子と、チップを搭載するチップ搭載部及び前記金属端子を搭載し、且つ金属回路が形成された端子搭載部を有する回路基板と、金属端子の一端は、金属回路表面と平行に対向し、両者の間のハンダ層により接合され、且つ金属端子の一端には少なくとも１つの突起が形成されている。また、金属端子の一端の代わりに、この一端に対向する金属回路表面に少なくとも１つの突起が形成されているように構成することができる。この実施例における半導体装置は、図１に示す半導体装置の構造と基本的に同じであるが、回路基板の金属回路と放熱基板との接続構造が実施例１とは異なる。
【００１７】
ケース３４に収納され放熱基板３８上に形成された回路基板３３の主面には金属回路３３ａ、３３ｂ、３３ｃが設けられており、金属端子３７ａは、チップ３１が接合された金属回路３３ａに接続され、金属端子３７ｂは、金属回路３３ｂに接続され、金属端子３７ｃは、金属回路３３ｃに接続されている（図４（ｄ）参照）。金属回路３３ｂ、３３ｃとチップ３１とはそれぞれボンディングワイヤ３２により電気的に接続される。図７は、回路基板３３と放熱基板３８との接続構造を詳細に示している。金属端子３７ｂ、３７ｃの一端は、折曲され、この折曲部は金属回路３３ｂ、３３ｃ表面と平行に対向している。金属端子３３ｂ、３３ｃのそれぞれの一端は、例えば、はんだ厚１００μｍのはんだ３０ｂ、３０ｃにより接合されている。回路基板３３の裏面の金属回路３３ｄは、はんだ３０ａにより放熱基板３８に接合される。図８は、回路基板３３の金属回路３３ｄが形成された裏面が示された平面図である。回路基板３３の裏面に形成された金属回路３３ｄと放熱基板３８とは、例えば、はんだ厚１００μｍのはんだ３０ａにより接合されている。
【００１８】
図８に示すように、回路基板３３の裏面に設けられた金属回路３３ｄには、例えば、５つの突起３９が形成されている。この突起３９が回路基板３３の金属回路３３ｄと放熱基板３８との間の間隔を維持し、はんだ厚を維持している。したがって、この実施例の突起３９の高さは、１００μｍ程度にしてある。勿論、実施例１と同様に、回路基板３３上の金属回路３３ｂ、３３ｃと金属端子３７ｂ、３７ｃ一端との間にも前記一端側に突起３５、３６が設けられて、その間の間隔を一定に維持している。
【００１９】
以上、従来の半導体装置におけるはんだ付け部は、はんだ厚１００μｍで設計しているが実際は製造上において、金属端子の先端が直角に折曲されていない、傾いて金属端子が組み立てられる等のバラツキ要因がある。この要因によって、はんだ厚のバラツキが、回路基板上に電力用金属端子を直接はんだ付けしているために、ＴＣＴによる各部品の熱膨張差により発生する応力が一番弱いはんだ部に掛かるので、ＴＣＴサイクル数増加により、はんだクラックに至る。この実施例は、実施例１と同様な効果を有し、従来の半導体装置ではＴＣＴ３００サイクル完了品分解調査においてはんだクラック３／１０ｐｃｓ発生したが、ＴＣＴ１０００サイクル完了品分解後０／１０ｐｃｓＮＧであり大幅に信頼性が向上する。この実施例では、回路基板と放熱基板間においてもはんだ層を一定に維持しているので、実施例１、２に比較してさらに向上する。
【実施例４】
【００２０】
次に、図９及び図１０を参照して実施例２を説明する。
図９は、この実施例の半導体装置の断面図、図１０は、図９の半導体装置に用いられる放熱基板主面の平面図である。この実施例における半導体装置は、図１に示す半導体装置の構造と同じである。即ち、この実施例の半導体装置は、チップと、チップの電極に電気的に接続された金属端子と、チップを搭載するチップ搭載部及び前記金属端子を搭載し、且つ金属回路が形成された端子搭載部を有する回路基板と、金属端子の一端は、金属回路表面と平行に対向し、両者の間のハンダ層により接合され、且つ金属端子の一端には少なくとも１つの突起が形成されている。また、金属端子の一端の代わりに、この一端に対向する金属回路表面に少なくとも１つの突起が形成されているように構成することができる。この実施例における半導体装置は、図１に示す半導体装置の構造と基本的に同じであるが、回路基板の金属回路と放熱基板との接続構造が実施例１とは異なる。
【００２１】
ケース４４に収納され放熱基板４８上に形成された回路基板４３の主面には金属回路４３ａ、４３ｂ、４３ｃが設けられており、金属端子４７ａは、チップ４１が接合された金属回路４３ａに接続され、金属端子４７ｂは、金属回路４３ｂに接続され、金属端子４７ｃは、金属回路４３ｃに接続されている（図４（ｄ）参照）。金属回路４３ｂ、４３ｃとチップ４１とはそれぞれボンディングワイヤ４２により電気的に接続される。図９は、回路基板４３と放熱基板４８との接続構造を詳細に示している。金属端子４７ｂ、４７ｃの一端は、折曲され、この折曲部は金属回路４３ｂ、４３ｃ表面と平行に対向している。金属端子４３ｂ、４３ｃのそれぞれの一端は、例えば、はんだ厚１００μｍのはんだ４０ｂ、４０ｃにより接合されている。回路基板４３の裏面の金属回路４３ｄは、はんだ４０ａにより放熱基板４８に接合される。図１０は、放熱基板４８主面が示された平面図である。回路基板４３の裏面に形成された金属回路４３ｄと放熱基板４８とは、例えば、はんだ厚１００μｍのはんだ４０ａにより接合されている。
【００２２】
図１０に示すように、回路基板４３の裏面に設けられた金属回路４３ｄに対向する放熱基板４８には、例えば、５つの突起４９が形成されている。この突起４９が回路基板４３の金属回路４３ｄと放熱基板４８との間の間隔を維持し、はんだ厚を維持している。したがって、この実施例の突起４９の高さは、１００μｍ程度にしてある。勿論、実施例１と同様に、回路基板４３上の金属回路４３ｂ、４３ｃと金属端子４７ｂ、４７ｃ一端との間にも前記一端側に突起４５、４６が設けられて、その間の間隔を一定に維持している。
【００２３】
以上、従来の半導体装置におけるはんだ付け部は、はんだ厚１００μｍで設計しているが実際は製造上において、金属端子の先端が直角に折曲されていない、傾いて金属端子が組み立てられる等のバラツキ要因がある。この要因によって、はんだ厚のバラツキが、回路基板上に電力用金属端子を直接はんだ付けしているために、ＴＣＴによる各部品の熱膨張差により発生する応力が一番弱いはんだ部に掛かるので、ＴＣＴサイクル数増加により、はんだクラックに至る。この実施例は、実施例１と同様な効果を有し、従来の半導体装置ではＴＣＴ３００サイクル完了品分解調査においてはんだクラック３／１０ｐｃｓ発生したが、ＴＣＴ１０００サイクル完了品分解後０／１０ｐｃｓＮＧであり大幅に信頼性が向上するこの実施例では、回路基板と放熱基板間においてもはんだ層を一定に維持しているので、実施例１、２に比較して更に向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施例である実施例１の半導体装置の断面図。
【図２】図１の半導体装置に用いられる回路基板と金属端子との接合構造を示す断面図。
【図３】図１の半導体装置に用いられる金属端子の部分斜視図。
【図４】図１の半導体装置の組み立て工程を説明する斜視図。
【図５】本発明の一実施例である実施例２半導体装置に用いられる回路基板と金属端子との接合構造を示す部分断面図。
【図６】図５の半導体装置に用いられる回路基板の平面図。
【図７】本発明の一実施例である実施例３の半導体装置の断面図。
【図８】図７の半導体装置に用いられる回路基板裏面の平面図。
【図９】本発明の一実施例である実施例４の半導体装置の断面図。
【図１０】図９の半導体装置に用いられる放熱基板主面の平面図。
【符号の説明】
【００２５】
１、３１、４１・・・チップ
２、３２、４２・・・ボンディングワイヤ
３、２３、３３、４３・・・回路基板
４、３４、４４・・・ケース
５、５ａ、５ｂ・・・樹脂封止体
６、３６、４６・・・樹脂封止板
７、７ａ、７ｂ、７ｃ、２７、２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、３７ａ、３７ｂ、３７ｃ、４７ａ、４７ｂ、４７ｃ・・・金属端子
７ｄ、２７ｄ・・・金属端子の一端部
８、３８、４８・・・放熱基板
９、２９、３５、３６、３９、４５、４６、４９・・・突起
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、２０、３０、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、４０、４０ａ、４０ｂ、４０ｃ・・・はんだ
【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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