(57)【要約】【課題】半導体素子と実装基板との間の接合材層に生じた応力を緩和できる半導体装置及びその制御方法を提供する。【解決手段】実装基板４と、前記実装基板上に、電気伝導性を有する熱可塑性接合材層５を介して実装された半導体素子２，３と、前記半導体素子を通電制御する制御手段６と、を備えた半導体装置において、前記制御手段は、所定条件で前記熱可塑性接合材層を少なくとも軟化させる応力緩和制御を実行する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
実装基板と、
前記実装基板上に、電気伝導性を有する熱可塑性接合材層を介して実装された半導体素子と、
前記半導体素子を通電制御する制御手段と、を備えた半導体装置において、
前記制御手段は、所定条件で前記熱可塑性接合材層を少なくとも軟化させる応力緩和制御を実行する半導体装置。
【請求項２】
前記熱可塑性接合材層の温度を直接的又は間接的に検出する温度検出手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記温度検出手段による検出温度に応じて前記半導体素子への通電を制御する請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記温度検出手段による検出温度が所定閾値以上となる時間又は回数が所定閾値以上に達した場合に前記応力緩和制御を実行する請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記半導体装置が搭載された車両の駆動負荷状態を検出する負荷検出手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記負荷検出手段による車両の駆動負荷状態が所定閾値以下の場合に前記応力緩和制御を実行する請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記実装基板と前記半導体素子との間の前記熱可塑性接合材層以外の部分に設けられ、前記熱可塑性接合材層の軟化点Ｔ１より高い軟化点Ｔ２と電気伝導性とを有する第２の熱可塑性接合材層をさらに備え、
前記制御手段は、少なくとも前記第２の熱可塑性接合材層の温度が前記軟化点Ｔ２未満の温度となるように前記応力緩和制御を実行する請求項２〜４のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記制御手段は、前記熱可塑性接合材層が溶融した場合に、冷却時の温度プロファイルを前記半導体素子の実装時の冷却工程の温度プロファイルと等しく設定する請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記熱可塑性接合材層の周囲に、当該熱可塑性接合材層の溶融材料を堰き止める流出防止手段をさらに備える請求項１〜７のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項８】
実装基板上に、電気伝導性を有する熱可塑性接合材層を介して半導体素子が実装された半導体装置に対し、
前記熱可塑性接合材層の残留応力を検出するステップと、
前記残留応力が所定閾値以上の場合に、前記半導体素子を通電制御して前記熱可塑性接合材層を少なくとも軟化させるステップと、を含む半導体装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置及びその制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
パワートランジスタなどとして用いられる半導体装置であって、半導体チップと、該半導体チップからの電流を絶縁する絶縁材と、半導体チップの発熱を放熱する放熱材と、を備えた半導体装置において、絶縁材と放熱材との熱膨張差による熱応力を緩衝するための緩衝材を備えたものが知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２７７３１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来技術は、緩衝材により絶縁材と放熱材との熱膨張差による熱応力は緩衝できるものの、半導体チップからの発熱により半導体チップを回路基板に実装するためのはんだ層に熱応力が作用し、これが残留応力となってはんだ層にクラックが発生するおそれがある。
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、半導体素子と実装基板との間の接合材層に生じた応力を緩和できる半導体装置及びその制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、半導体素子を通電制御して半導体素子と実装基板との間の熱可塑性接合材層を少なくとも軟化させることによって、上記課題を解決する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、熱可塑性接合材層を軟化させることで、当該熱可塑性接合材層に蓄積された残留応力を緩和することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施の形態に係る半導体装置を示す斜視図である。
【図２】図１のII-II線に沿う断面図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係る半導体装置を示す等価回路である。
【図４】図３のコントローラの制御手順を示すフローチャートである。
【図５】本発明の他の実施の形態に係る半導体装置を示す平面図（図２のＶ矢視）である。
【図６】本発明のさらに他の実施の形態に係る半導体装置を示す斜視図である。
【図７】図６のVII-VII線に沿う断面図である。
【図８】本発明のさらに他の実施の形態に係る半導体装置を示す斜視図である。
【図９】図８のIX-IX線に沿う断面図である。
【図１０】本発明のさらに他の実施の形態に係る半導体装置を示す斜視図である。
【図１１】図１０のXI-XI線に沿う断面図である。
【図１２】本発明のさらに他の実施の形態に係る半導体装置を示す斜視図である。
【図１３】図１２のXIII-XIII線に沿う断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
《第１実施形態》
本例に係る半導体装置１は、たとえば図３に示すトランジスタ２及びダイオード３などのように、通電すると発熱する半導体素子を有し、これらが図１及び図２に示すように実装基板４にはんだなどの熱可塑性接合材層５を介して実装された半導体装置であって、図３に示すようにトランジスタ２をＯＮ／ＯＦＦ制御するコントローラ６を備える。この種の半導体装置１は、図１及び図２に示すようなパワーモジュールとして構成されて、ＡＣ−ＡＣ、ＡＣ−ＤＣ、ＤＣ−ＡＣ電力変換回路に用いることができる。
【００１０】
以下、図３に示す回路構成の半導体装置１を含む電力変換回路（インバータ回路）を電気自動車の電力変換装置に適用した例を挙げて本発明を説明する。ただし、本発明の半導体装置１は、発熱する半導体素子を基板に実装したものであれば適用することができる。
【００１１】
図１及び図２に示す実装基板４は、絶縁性基板４ａの表裏それぞれに導電性パターン４ｂが形成された剛性を有する基板であり、図示は省略するが、同図において下側の裏面には放熱フィンが装着されたり他のパワーモジュールが接続されたりする。一方、実装基板４の表面の導電性パターン４ｂにはＩＧＢＴなどのトランジスタ２とダイオード３が熱可塑性接合材層５を介して実装されている。
【００１２】
本例の熱可塑性接合材層５は、はんだ材料などの電気伝導性と熱可塑性とを有する接合材からなる層であり、トランジスタ２及びダイオード３は、はんだのリフロー工程により実装基板４の表面に接合される。熱可塑性接合材層５は、材料が軟化する軟化点（軟化温度）と、これより高温領域において材料が溶融する融点を有し、熱可塑性接合材層５の温度が上昇すると、軟化点で軟化し始めたのち融点で液状に溶融するが、温度が軟化点より下降すると元の固体に戻る性質を有する。
【００１３】
本例のコントローラ６は、トランジスタ２又はダイオード３を通電制御するものであって、具体的にはトランジスタ２へＯＮ／ＯＦＦ信号を出力する制御装置である。図３においては専用のコントローラ６として表しているが、インバータなどの電力変換回路に適用する場合は、当該インバータのトランジスタへＯＮ／ＯＦＦ信号を出力するコントローラに含ませることができる。本例のコントローラ６は、
所定条件で熱可塑性接合材層５を少なくとも軟化させる応力緩和制御を実行する。これについては後述する。
【００１４】
図１及び図２に示すように、半導体装置１のトランジスタ２の近傍には温度センサ７が実装されており、この温度センサ７による検出信号がコントローラ６に出力されるように温度センサ７はコントローラ６に接続されている。なお、温度センサ７はトランジスタ２を固定する熱可塑性接合材層５の温度を直接的に検出することができるが、同時にダイオード３を固定する熱可塑性接合材層５の温度も補正係数を乗じるなどして間接的に検出することができる。熱可塑性接合材層５には、トランジスタ２やダイオード３からの熱が伝わり、冷熱サイクルを繰り返すことで残留応力が発生するが、この冷熱サイクルの状態を検出するために温度センサ７による検出温度が用いられる。ただし、本発明の半導体装置において温度センサ７は必須ではなく、コントローラ６や電力変換回路の制御回路からの制御信号に基づいて熱可塑性接合材層５の温度を推定してもよい。
【００１５】
図３に示すように、コントローラ６には、当該半導体装置１が搭載された車両のコントローラ８から駆動負荷状態に関する信号が入力される。この車両の駆動負荷状態とは、本例の半導体装置１が停止している状態を駆動負荷＝ゼロとするものであり、車両が停止又は停車している状態のほか、ハイブリッド車両などにおいて電力変換回路が停止している状態などが含まれる。車両の駆動負荷が大きい場合に本例の応力緩和制御を実行すると、車両の走行性能に影響を与えるため、車両の駆動負荷がゼロ又は低い場合など応力緩和制御を実行して好ましいタイミングを判断するために車両の駆動負荷状態が検出される。
【００１６】
次にコントローラ６の制御手順を説明する。
図４に示すように、まず温度センサ７の出力信号を読み出し（ステップＳ１）、熱可塑性接合材層５の温度が所定の閾温度Ｔｔｈ以上か否かを判断する（ステップＳ２）。所定の閾温度Ｔｔｈとしては、熱可塑性接合材層５に熱応力が発生する温度の下限値を設定することが好ましい。熱可塑性接合材層５の温度が所定の閾温度Ｔｔｈ未満の場合はステップＳ１へ戻って温度センサ７からの出力信号の読み出しを繰り返すが、所定の閾温度Ｔｔｈ以上の場合にはステップＳ３へ進み、所定の閾温度Ｔｔｈ以上になった回数をカウントするとともに、今までカウントされた回数が所定回数Ｎｔｈ以上か否かを判断する。所定の回数Ｎｔｈとしては、熱可塑性接合材層５が所定の閾温度Ｔｔｈ以上になることが時間的にどれくらい繰り返されると残留応力が発生するかを基準にして設定することが好ましい。すなわち、本例のステップＳ２及びＳ３においては、温度×時間の積算度合いにて熱可塑性接合材層５の残留応力を検出乃至推定している。
【００１７】
ステップＳ３にて所定の閾温度Ｔｔｈ以上になった回数が所定回数Ｎｔｈ未満の場合はステップＳ１へ戻って温度センサ７の読み出しから繰り返すが、所定回数Ｎｔｈ以上の場合にはステップＳ４へ進み、本例の半導体装置１が搭載された車両のコントローラ８からの駆動負荷状態に関する信号に基づいて、当該車両が停車中か否かを判断する。そして、ステップＳ４にて車両が停車中ではない場合はステップＳ１へ戻って温度センサ７の読み出しから繰り返すが、車両が停車中である場合はステップＳ５へ進み、コントローラ６から制御信号を出力してトランジスタ２及びダイオード３に電流を流して応力緩和制御を開始する。これによりトランジスタ２及びダイオード３は発熱し、熱可塑性接合材層５の温度が昇温し始める。
【００１８】
ステップＳ６では温度センサ７の出力信号を読み出し、ステップＳ７では温度センサ７により検出された熱可塑性接合材層５の温度に応じてコントローラ６からの制御信号を制御し、トランジスタ２及びダイオード３に流れる電流を調節する。すなわち、熱可塑性接合材層５の温度と軟化点との温度差が大きい場合にはトランジスタ２及びダイオード３に大電流が流れる通電制御を実行し、逆に熱可塑性接合材層５の温度と軟化点との温度差が小さい場合にはトランジスタ２及びダイオード３に流れる電流を抑制する。
【００１９】
なお、熱可塑性接合材層５を少なくとも軟化点以上に昇温させれば、熱可塑性接合材層５が軟化するので、本例の応力緩和制御では、熱可塑性接合材層５を軟化点以上に昇温することにより残留応力を低減することとしているが、熱可塑性接合材層５の融点以上に昇温させてもよい。融点以上に昇温することで、より一層残留応力が低減乃至除去される。
【００２０】
ステップＳ８では温度センサ７により検出された熱可塑性接合材層５の温度が軟化点に達したか否かを判断し、達していない場合にはステップＳ６へ戻ってステップＳ７及びＳ８を繰り返す。これに対して、熱可塑性接合材層５の温度が軟化点に達した場合にはステップＳ９へ進み、コントローラ６による熱可塑性接合材層５の応力緩和制御を終了する。
【００２１】
ステップＳ１０ではコントローラ６の制御信号により熱可塑性接合材層５を冷却し、再固化させる。このとき、自然冷却させてもよいが、コントローラ６の制御信号を調節して、トランジスタ２及びダイオード３を実装したときのリフロー工程と同じ温度プロファイルで冷却させることが好ましい。熱可塑性接合材層５の再固化が終了したら、ステップＳ３にてカウントされた回数をリセットしたのちステップＳ１に戻り、以上の処理を繰り返す。
【００２２】
以上のとおり本例の半導体装置１によれば、熱可塑性接合材層５に残留応力が発生すると、車両の走行状態等に影響を与えないタイミングで応力緩和制御を実行するので、熱可塑性接合材層５が軟化し、それまでに蓄積していた残留応力を低減乃至除去することができる。その結果、トランジスタ２やダイオード３の実装部分を延命させることができる。
【００２３】
また本例の半導体装置１によれば、温度センサ７からの温度検出値を用いることでコントローラ６の制御精度が向上し、最適な温度で最適な時間だけ軟化させることができる。
【００２４】
また本例の半導体装置１によれば、熱可塑性接合材層５の温度×時間の積算度合いといった実際の動作環境に基づいて残留応力を検出乃至推定し、この残留応力が所定の閾値以上になった場合に応力緩和制御を実行するので、不要なタイミングで熱可塑性接合材層５を軟化させることが回避できる。
【００２５】
また本例の半導体装置１によれば、車両が停車している場合など駆動負荷状態を検出し、駆動負荷が小さい場合に応力緩和制御を実行するので、車両の走行性能に悪影響を与えることが防止される。
【００２６】
また本例の半導体装置１によれば、ステップＳ１０の冷却工程において熱可塑性接合材層５が再固化するときの温度プロファイルを実装時のリフロー工程の温度プロファイルと同じ特性とするので、電気伝導性を有する熱可塑性接合材層５の粒子の大きさを初期の実装直後と同じにすることができる。
【００２７】
《第２実施形態》
本発明の他の実施の形態に係る半導体装置１について説明する。図５は、図２のＶ矢視図であって、トランジスタ２又はダイオード３の上から見た熱可塑性接合材層５の透視平面図である。本例の実装基板４と半導体素子２又は３との間は、上述した第１実施形態の熱可塑性接合材層５と、この熱可塑性接合材層５以外の部分に設けられた第２の熱可塑性接合材層５Ａとから構成されている。具体的には、図５に示すように、トランジスタ２又はダイオード３の端部を除いた部分、すなわち熱可塑性接合材層５の中央部分に、熱可塑性接合材層５の軟化点Ｔ１（又は融点）より高い軟化点Ｔ２（又は融点）と電気伝導性とを有する第２の熱可塑性接合材層５が設けられている。
【００２８】
そして、図４のステップＳ５以降の応力緩和制御において、コントローラ６は、少なくとも第２の熱可塑性接合材層５Ａの温度が軟化点Ｔ２未満の温度となるようにトランジスタ２又はダイオード３に通電制御する。
【００２９】
本例の半導体装置１によれば、軟化点（又は融点）が低い電気伝導性を有する熱可塑性接合材層５が軟化もしくは液化しても、第２の熱可塑性接合材層５Ａは軟化又は液化しないので、トランジスタ２又はダイオード３などの半導体素子の傾きを防止することができる。その結果、応力緩和制御を実行したことにより電気的な短絡が発生するのを防止することができる。また、軟化や液化したときに熱可塑性接合材層５の厚さがばらつくことも防止できるので、応力集中する部分が生じるのも防止することができる。
【００３０】
《第３実施形態》
本発明のさらに他の実施の形態に係る半導体装置１について説明する。図６〜図１３は、熱可塑性接合材層５の周囲に、当該熱可塑性接合材層５の溶融材料を堰き止める流出防止手段９，１０，１１，１２を設けた各実施形態を示す斜視図及び断面図である。それぞれについて説明すると、図６及び図７に示す第１例は、トランジスタ２及びダイオード３のそれぞれの周囲を囲むように実装基板４の表面に樹脂製枠体９を設けたものである。
【００３１】
また図８及び図９に示す第２例は、トランジスタ２及びダイオード３を含む範囲を樹脂モールドによる樹脂製封止体１０で封止したものである。また図１０及び図１１に示す第３例は、熱可塑性接合材層５の周囲を囲む樹脂製レジスト膜１１を設けたものである。また図１２及び図１３に示す第４例は、熱可塑性接合材層５の周囲に環状凹部１２を設けたものである。
【００３２】
第１例から第４例のいずれの形態においても、応力緩和制御を実行した際に熱可塑性接合材層５が液化しても、樹脂性枠体９、樹脂製封止体１０、樹脂製レジスト膜１１又は環状凹部１２によって液化材料の流出を堰き止めることができ、再固化した際に半導体装置１の性能を悪化させることが防止できる。
【００３３】
上記トランジスタ２及びダイオード３は本発明に係る半導体素子に相当し、上記コントローラ６は本発明に係る制御手段に相当し、上記温度センサは本発明に係る温度検出手段に相当し、上記車両コントローラ８は本発明に係る負荷検出手段に相当し、上記樹脂製枠体９、樹脂製封止体１０、樹脂製レジスト膜１１、環状凹部１２は本発明に係る流出防止手段に相当する。
【符号の説明】
【００３４】
１…半導体装置
２…トランジスタ
３…ダイオード
４…実装基板
５…熱可塑性接合材層
５Ａ…第２の熱可塑性接合材層
６…コントローラ
７…温度センサ
８…車両コントローラ
９…樹脂製枠体
１０…樹脂製封止体
１１…樹脂製レジスト膜
１２…環状凹部
【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】
2013084657.tif 000012
【図１１】
2013084657.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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