(57)【要約】【課題】信頼性の高い半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置１０では、回路基板３０は、チップ載置部３４と凹凸部３５を有する端子載置部３６ａ、３６ｂ、３６ｃを有する金属回路３２を備えている。半導体チップ１１は、チップ載置部３４に第１ハンダ層１２を介して接続されている。電極端子１６、２０、２４は、一端部が金属回路３２の表面と略平行に対向し、凹凸部３５を埋めるように盛られた第２ハンダ層１７、２１、２５を介して端子載置部３６ａ、３６ｂ、３６ｃに接合され、半導体チップ１１に電気的に接続されている。【選択図】  図１
2012064855.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チップ載置部と凹凸部を有する端子載置部を有する金属回路を備えた回路基板と、
前記チップ載置部に第１ハンダ層を介して接続された半導体チップと、
一端部が前記金属回路の表面と略平行に対向し、前記凹凸部を埋めるように盛られた第２ハンダ層を介して前記端子載置部に接合され、前記半導体チップに電気的に接続された電極端子と、
を具備することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
チップ載置部と端子載置部を有する金属回路を備えた回路基板と、
前記チップ載置部に第１ハンダ層を介して接続された半導体チップと、
凹凸部を有し、一端部が前記金属回路の表面と略平行に対向し、前記凹凸部を埋めるように前記一端部を被覆する第２ハンダ層を介して前記端子載置部に接合され、前記半導体チップに電気的に接続された電極端子と、
を具備することを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
チップ載置部と第１の凹凸部を有する端子載置部を有する金属回路を備えた回路基板と、
前記チップ載置部に第１ハンダ層を介して接続された半導体チップと、
第２の凹凸部を有し、一端部が前記金属回路の表面と略平行に対向し、前記第１の凹凸部を埋めるように盛られるとともに前記第２の凹凸部を埋めるように前記一端部を被覆する第２ハンダ層を介して前記端子載置部に接合され、前記半導体チップに電気的に接続された電極端子と、
を具備することを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
前記凹凸部又は前記第１の凹凸部は、溝、ホール、貫通孔のいずれかであることを特徴とする請求項１又は請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記凹凸部又は前記第２の凹凸部は、断面が矩形状、三角形状、ドーム状のいずれかであることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力用半導体装置では、金属回路を有する回路基板を用いて、電力用半導体素子を金属回路のチップ載置部にハンダ付けし、電力用半導体素子は金属回路の端子載置部にハンダ付けされた電極端子により外部に引き出されている。
【０００３】
電力用半導体素子では、集積度の向上に伴い、通電時の発熱量が増大している。その結果、ハンダ接合部の疲労が増大し、半導体装置の信頼性が損なわれるという問題がある。
【０００４】
この疲労寿命の検査方法として、ＴＦＴ試験（Thermal Fatigue Test：繰り返し熱疲労試験）がある。通電により電力用半導体素子が発熱すると、電力用半導体素子の周りの金属回路、ハンダ接合部、電極端子などの温度が上昇する。
【０００５】
特に、ハンダ接合部はその上面および下面が固定されているので、温度が上昇すると、熱膨張による圧縮応力が発生する。温度が低下すると、圧縮応力は開放される。
【０００６】
この圧縮応力の発生と開放の繰り返しにより、ハンダ接合部が金属疲労し、脆化する。ハンダ接合部が脆化すると、ハンダクラックが発生し、電気的なオープン状態に到る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−９６００４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、信頼性の高い半導体装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
一つの実施形態によれば、半導体装置では、回路基板は、チップ載置部と凹凸部を有する端子載置部を有する金属回路を備えている。半導体チップは、前記チップ載置部に第１ハンダ層を介して接続されている。電極端子は、一端部が前記金属回路の表面と略平行に対向し、前記凹凸部を埋めるように盛られた第２ハンダ層を介して前記端子載置部に接合され、前記半導体チップに電気的に接続されている。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施例１に係る半導体装置を示す断面図。
【図２】実施例１に係る回路基板を示す図で、図２（ａ）はその平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線に沿って切断し矢印方向に眺めた断面図。
【図３】実施例１に係る半導体装置の組み立て工程を説明するための図。
【図４】実施例１に係る別の回路基板を示す図で、図４（ａ）はその平面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ線に沿って切断し矢印方向に眺めた断面図。
【図５】実施例１に係る別の回路基板を示す図で、図５（ａ）はその平面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＣ−Ｃ線に沿って切断し矢印方向に眺めた断面図。
【図６】実施例２に係る半導体装置を示す断面図。
【図７】実施例２に係る半導体装置の別の要部を示す断面図。
【図８】実施例２に係る半導体装置の別の要部を示す断面図。
【図９】実施例３に係る半導体装置の要部を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１２】
本実施例に係る半導体装置について図１および図２を用いて説明する。図１は本実施例の半導体装置を示す断面図、図２は回路基板を示す図で、図２（ａ）はその平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線に沿って切断し矢印方向に眺めた断面図である。
【００１３】
本実施例の半導体装置１０では、電力用半導体チップ、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やパワーＭＯＳトランジスタと半導体チップに電気的に接続される電極端子が金属回路を有する回路基板に載置されている。半導体チップは金属回路のチップ載置部に載置され、電極端子は金属回路の端子載置部に載置されている。
【００１４】
初めに、回路基板について説明する。図２に示すように、回路基板３０は、絶縁基板３１の第１の面３１ａに金属回路３２が形成され、第１の面３１ａに対向する第２の面３１ｂに金属回路３３が形成されている。
【００１５】
金属回路３２は３つの部分に分かれている。絶縁基板３１の中央部にはチップ載置部３４と、凹凸部３５を有する端子載置部３６ａを備えた金属回路３２ａが形成されている。絶縁基板３１の両端には金属回路３２ａを挟むように凹凸部３５を有する端子載置部３６ｂを備えた金属回路３２ｂと、凹凸部３５を有する端子載置部３６ｃを備えた金属回路３２ｃが形成されている。
【００１６】
金属回路３３は、単一の金属膜であり、回路基板３０を後述する放熱板にハンダ付けするために設けられている。
【００１７】
チップ載置部３４には、半導体チップがハンダ付けされる。端子載置部３６ａ、３６ｂ、３６ｃには、半導体チップに電気的に接続される電極端子がハンダ付けされる。
【００１８】
絶縁基板３１は、例えばアルミナセラミックス基板である。金属回路３２、３３は、例えばアルミニウム箔である。
【００１９】
凹凸部３５は、断面がＶ字状の溝である。溝の幅および深さは、例えば約０．３ｍｍおよび約０．５ｍｍである。凹凸部３５は、例えば断面がＶ字状で、ストライプ状の凸部を有する金型を用いて、プレスすることにより形成する。
【００２０】
次に、図１に戻って、本実施例の半導体装置について説明する。図１に示すように、半導体装置１０では、半導体チップ１１は金属回路３２ａのチップ搭載部３４に載置されている。半導体チップ１１は、例えば縦型のＩＧＢＴで、コレクタ電極がハンダ層（第１ハンダ層）１２を介して金属回路３２ａのチップ搭載部３４に接合されている。
【００２１】
半導体チップ１１を搭載した回路基板３０には、金属回路３３にハンダ層１３を介して放熱板１４が接合されている。放熱板１４には、更にフィン型の放熱板１５が取り付けられている。２つの放熱板１４、１５により、通電時の半導体チップ１１の発熱が大気中に放散される。
【００２２】
電極端子１６の一端部は折り曲げられて金属回路３２ａの表面と略平行に対向し、凹凸部３５を埋めるように盛られた図示されないハンダ層（第２ハンダ層）１７を介して端子載置部３６ａに接合されている。電極端子１６の他端部は、折り曲げられてボルト・ナット１８によりブスバー１９に固定されている。
【００２３】
電極端子２０の一端部は折り曲げられて金属回路３２ｂの表面と略平行に対向し、凹凸部３５を埋めるように盛られたハンダ層（第２ハンダ層）２１を介して端子載置部３６ｂに接合されている。電極端子２０の他端部は、折り曲げられてボルト・ナット２２によりブスバー２３に固定されている。
【００２４】
電極端子２４の一端部は折り曲げられて金属回路３２ｃの表面と略平行に対向し、凹凸部３５を埋めるように盛られたハンダ層（第２ハンダ層）２５を介して端子載置部３６ｃに接合されている。
【００２５】
半導体チップ１１のエミッタ電極は、複数のワイヤ２８を介して金属回路３２ｂに接続されている。半導体チップ１１のベース電極は、ワイヤ２９を介して金属回路３２ｃに接続されている。
【００２６】
回路基板３０は、放熱板１４を露出して合成樹脂性のケース４０に収納されている。ケース４０は合成樹脂性のターミナルホルダー４１により気密封止されている。電極端子１６、２０、２４はターミナルホルダー４１を貫通している。
【００２７】
本実施例の半導体装置１０では、電極端子１６、２０、２４を端子載置部３６ａ、３６ｂ、３６ｃに接合するハンダ層１７、２１、２５の実効的な厚さを増大させるように構成されている。
【００２８】
ハンダ層２１は、凹凸部３５を埋めるように盛られて電極端子２０を端子載置部３６ｂに接合している。その結果、ハンダ層２１の実効的な厚さｔ１は、見掛けの厚さｔ２より凹凸部３５の深さに応じて厚くすることが可能である（ｔ１＞ｔ２）。
【００２９】
ここで、見掛けの厚さとは、電極端子２０の折り曲げられた一端部の下面（第２の面）と金属回路３２ｂの上面（第１の面）の間の距離である。実効的な厚さとは、見掛けの厚さに、凹凸部３５の深さと凹凸部３５の断面形状に応じた係数の積を加算したものである。
【００３０】
更に、凹凸部３５にハンダが貯留される構造のため、ハンダが端子載置部３６ｂの外側に広がることが抑えられる。ハンダ層１７、２５についても同様である。
【００３１】
その結果、回路基板３０からの高さを増加することなく、ハンダ層１７、２１、２５の厚さを実効的に厚くすることが可能である。例えば、金属疲労を抑制するために必要とされるハンダ層の厚が約１００μｍとする。ハンダ層１７、２１、２５の見掛けの厚さを約３０μｍに設定しても、十分な実効的な厚さを確保することができる。
【００３２】
更に、ハンダ層１７、２１、２５の見掛けの厚さがばらついた場合でも、十分なロバスト性を確保することができる。
【００３３】
ハンダ層１７、２１、２５の厚さを実効的に厚くすることにより、通電時の半導体チップ１１の発熱によるハンダ層１７、２１、２５の金属疲労が低減される。ハンダ層１７、２１、２５の金属疲労により、ハンダクラックが発生し、電気的なオープン状態に到るのを防止することができる。
【００３４】
次に、半導体装置１０の組み立て工程を説明する。図３は半導体装置１０の組み立て工程を説明するための図である。図３（ａ）は、放熱板１４にケース４０が搭載され状態を示す斜視図、図３（ｂ）は、ターミナルホルダー４１に固定された電極端子１６、２０、２４を示す斜視図である。電極端子１６は、ターミナルホルダー４１に隠れているので、図４（ｂ）には示されない。
【００３５】
まず、図３（ｃ）に示すように、金属回路３２ａ、３２ｂ、３２ｃを有し、金属回路３２ａに半導体チップ１１がハンダ付けされた回路基板３０を、放熱板１４に取付ける。
【００３６】
次に、図３（ｄ）に示すように、ターミナルホルダー４１に取付けた電極端子１６、２０、２４を回路基板３０の金属回路３２ａ、３２ｂ、３２ｃにはんだ付けする。
【００３７】
その後、ケース４０を放熱板１４に取り付け、ケース４０に回路基板３０が収納されるように構成する。その後、樹脂（図示せず）をケース４０に充填し、回路基板３０及び半導体チップ１１を樹脂で封止する。
【００３８】
組み立て後、半導体装置１０に対してＴＦＴ試験を１００００サイクル実施した。ＴＦＴ試験条件は、例えば室温から１２０℃である。ＴＦＴ試験後、半導体装置１０を分解し、ハンダ層１７、２１、２５にハンダクラックが発生しているかを調査した。
【００３９】
その結果、ハンダクラックの発生はほとんど見られず（略０／１００００ｐｃｓ）、金属疲労が抑制されていることが確かめられた。
【００４０】
以上説明したように、本実施例の半導体装置では、電極端子１６、２０、２４が凹凸部３５を埋めるように盛られたハンダ層１７、２１、２５を介して端子載置部３６ａ、３６ｂ、３６ｃに接続されている。
【００４１】
その結果、ハンダ層１７、２１、２５の実効的な厚さｔ１を厚くすることができる。通電時の半導体チップ１１の発熱によるハンダ層１７、２１、２５の金属疲労が低減され、ハンダ層１７、２１、２５にハンダクラックが発生し、電気的なオープン状態に到るのを防止することができる。従って、十分な信頼性を有する半導体装置１０が得られる。
【００４２】
ここでは、凹凸部が溝である場合について説明したが、これに限定されることなく、その他の形状、例えばホール、貫通孔などでも構わない。
【００４３】
図４は凹凸部がホールである金属回路を備えた回路基板を示す図で、図４（ａ）はその平面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ線に沿って切断し矢印方向に眺めた断面図である。図４に示すように、回路基板５０は、凹凸部５１がホールである金属回路３２ａ、３２ｂ、３２ｃを備えている。凹凸部がホールの場合、Ｖ字状よりも断面形状に応じた係数が大きくなるので、実効的な厚さが増大する利点がある。
【００４４】
図５は凹凸部が貫通孔である金属回路を備えた回路基板を示す図で、図５（ａ）はその平面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＣ−Ｃ線に沿って切断し矢印方向に眺めた断面図である。図５に示すように、回路基板５５は、凹凸部５６が貫通孔である金属回路３２ａ、３２ｂ、３２ｃを備えている。凹凸部が貫通孔の場合、Ｖ字状よりも断面形状に応じた係数が大きくなるので、更に実効的な厚さが増大する利点がある。
【実施例２】
【００４５】
本発明の実施例２に係る半導体装置について図６を用いて説明する。図６は本実施例の半導体装置を示す断面図である。本実施例において、上記実施例１と同一の構成部分には同一符号を付してその部分の説明は省略し、異なる部分について説明する。本実施例が実施例１と異なる点は、電極端子に凹凸部を形成したことにある。
【００４６】
即ち、図６に示すように、本実施例の半導体装置６０では、電力用半導体チップ６１、例えばＩＧＢＴと半導体チップ６１に電気的に接続された電極端子６２、６３と図示しない電極端子６４が回路基板６５に載置されている。回路基板６５は、回路基板３０と基本的に同じであるが、端子載置部に凹凸部が形成されていない点が異なっている。
【００４７】
回路基板６５の絶縁基板３１には、金属回路６６ａ、６６ｂ、６６ｃが形成されている。半導体チップ６１は金属回路６６ａのチップ搭載部に載置されている。半導体チップ６１は、裏面がハンダ層１２を介して金属回路６６ａのチップ搭載部に接合されている。
【００４８】
電極端子６４の一端部は折り曲げられて金属回路６６ａの表面と略平行に対向し、凹凸部６７を埋めるように一端部を被覆する図示されないハンダ層（第２ハンダ層）を介して金属回路６６ａの端子載置部に接合されている。図示しない電極端子６４の他端部は、折り曲げられてボルト・ナット（図示せず）によりブスバー（図示せず）に接続されている。
【００４９】
電極端子６２の一端部は折り曲げられて金属回路６６ｃの表面と略平行に対向し、凹凸部６７を埋めるように一端部を被覆するハンダ層（第２ハンダ層）６８を介して金属回路６６ｃの端子載置部に接合されている。電極端子６２の他端部は、折り曲げられてボルト・ナット６９によりブスバー７０に接続されている。
【００５０】
電極端子６３の一端部は折り曲げられて金属回路６６ｂの表面と略平行に対向し、凹凸部６７を埋めるように一端部を被覆するハンダ層（第２ハンダ層）７１を介して金属回路６６ｂの端子載置部に接合されている。電極端子６３の他端部は、折り曲げられてボルト・ナット７２によりブスバー７３に接続されている。
【００５１】
半導体チップ６１のコレクタ電極は、直接金属回路６６ａに接合されている。半導体チップ６１のベース電極は、ワイヤ７４を介して金属回路６６ｃに接続されている。半導体チップ６１のエミッタ電極は、ワイヤ７５を介して金属回路６６ｂに接続されている。
【００５２】
本実施例の半導体装置６０では、電極端子６２、６３とハンダ層６８、７１の接合面積を増大さるように構成されている。
【００５３】
電極端子６２、６３は、例えば幅が５ｍｍ、厚さが６ｍｍである。凹凸部６７は、例えば金型を用いてプレスすることにより形成する。凹凸部６７は、分散して形成することが望ましい。
【００５４】
電極端子６２、６３とハンダ層６８、７１の接合面積を増やすことにより、通電時の半導体チップ１１の発熱による電極端子６２、６３にかかる応力が緩和され、ハンダ層６８、７１にハンダダクラックが発生し、電気的なオープン状態に到るのを防止することができる。凹凸部６７に局所的に応力を集中させることにより、全体の応力が低減されるためである。図示しない電極端子６４についても同様であり、その説明は省略する。
【００５５】
以上説明したように、本実施例の半導体装置６０では、電極端子６２、６３が凹凸部６７を有しているので、ハンダ層６８、７１との接合面積が増大する。その結果、凹凸部６７に局所的に応力が集中し、全体の応力が低減される。
【００５６】
ハンダ層６８、７１にハンダクラックが発生し、電気的なオープン状態に到るのを防止することができる。従って、十分な信頼性を有する半導体装置６０が得られる。
【００５７】
ここでは、凹凸部が矩形状である場合について説明したが、これに限定されることなく、その他の形態、例えば三角形状、ドーム状などでも構わない。
【００５８】
図７は凹凸部が三角形状である電極端子をハンダ接合した場合を示す断面図である。図７に示すように、電極端子８１には、三角形状の凹凸部８２が形成されている。
【００５９】
図８は凹凸部がドーム状である電極端子をハンダ接合した場合を示す断面図である。図８に示すように、電極端子９１には、ドーム状の凹凸部９２が形成されている。
【実施例３】
【００６０】
本発明の実施例３に係る半導体装置について図９を用いて説明する。図９は本実施例の半導体装置の要部を示す断面図である。本実施例は、上記実施例１および実施例２を組み合わせた例である。
【００６１】
即ち、図９に示すように、本実施例の半導体装置では、金属回路３２ｃの端子載置部３６ｃには凹凸部（第１の凹凸部）３５が形成され、電極端子６２には凹凸部（第２の凹凸部）６７が形成されている。
【００６２】
凹凸部３５により、ハンダ層６８において金属回路３２ｃの上面と電極端子６２の下面の間の実効的な厚さが増大し、凹凸部６７により電極端子６２とハンダ層６８の接触面積が増大する。
【００６３】
凹凸部３５と凹凸部６７の相乗効果により、通電時の半導体チップ１１の発熱によるハンダ層６８にハンダクラックが発生し、電気的なオープン状態に到るのを防止する効果を増大させることが可能である。
【００６４】
以上説明したように、本実施例の半導体装置では、金属回路３２ｃの端子載置部３６ｃには凹凸部３５が形成され、電極端子６２には凹凸部６７が形成されている。その結果、凹凸部３５と凹凸部６７の相乗効果により、通電時の半導体チップ１１の発熱によるハンダ層６８にハンダダクラックが発生し、電気的なオープン状態に到るのを防止する効果が増大する。
【００６５】
上述した実施形態は、単に例として示したもので、本発明の範囲を限定することを意図したものではない。実際、ここにおいて述べた新規な装置は、種々の他の形態に具体化されても良いし、さらに、本発明の主旨又はスピリットから逸脱することなくここにおいて述べた装置の形態における種々の省略、置き換えおよび変更を行っても良い。付随する請求項およびそれらの均等物または均等方法は、本発明の範囲および主旨又はスピリットに入るようにそのような形態若しくは変形を含むことを意図している。
【符号の説明】
【００６６】
１０、６０  半導体装置
１１、６１  半導チップ
１２、１３、１７、２１、２５、６８、７１  ハンダ層
１４、１５  放熱板
１６、２０、２４、６２、６３、８１、９１  電極端子
１８、２２、６９、７１  ボルト・ナット
１９、２３、７０、７３  ブスバー
２８、２９、７４、７５  ワイヤ
４０  ケース
４１  ターミナルホルダー
３０、５０、５５、６５  回路基板
３１  絶縁基板
３２、３３、６６  金属回路
３４  チップ載置部
３５、５１、５６、６７、８２、９２  凹凸部
３６ａ、３６ｂ、３６ｃ  端子載置部
【図１】
2012064855.tif 000003
【図２】
2012064855.tif 000004
【図３】
2012064855.tif 000005
【図４】
2012064855.tif 000006
【図５】
2012064855.tif 000007
【図６】
2012064855.tif 000008
【図７】
2012064855.tif 000009
【図８】
2012064855.tif 000010
【図９】
2012064855.tif 000011