(57)【要約】【課題】  エレクトロマイグレーションによる金属ブロックとはんだ層の剥離を防止する。【解決手段】  半導体モジュールは、第１リードフレームと、上面電極と下面電極を備えており、下面電極が第１リードフレームの上面に第１はんだ層を介して固定されている半導体チップと、下面が上面電極に第２はんだ層を介して固定されている金属ブロックと、金属ブロックの上面に第３はんだ層を介して固定されている第２リードフレームを備えている。各部材の積層方向から平面視したときに、第２はんだ層の面積及び第３はんだ層の面積が、第１はんだ層の面積よりも小さい。第２はんだ層及び第３はんだ層の抵抗率が、金属ブロックの抵抗率よりも高い。金属ブロックの上面と下面の少なくとも一方の中央部が、その外周部よりも突出している。第２はんだ層と第３はんだ層のうち、外周部に接する部分が、中央部に接する部分よりも厚い。【選択図】  図１
2017084877.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１リードフレームと、
上面電極と下面電極を備えており、前記下面電極が前記第１リードフレームの上面に第１はんだ層を介して固定されている半導体チップと、
下面が前記上面電極に第２はんだ層を介して固定されている金属ブロックと、
前記金属ブロックの上面に第３はんだ層を介して固定されている第２リードフレーム、
を備える半導体モジュールであって、
前記第１リードフレーム、前記半導体チップ、前記金属ブロック及び前記第２リードフレームの積層方向から平面視したときに、前記第２はんだ層の面積及び前記第３はんだ層の面積が、前記第１はんだ層の面積よりも小さく、
前記第２はんだ層及び第３はんだ層の抵抗率が、前記金属ブロックの抵抗率よりも高く、
前記金属ブロックの上面と下面の少なくとも一方の中央部が、その外周部よりも突出しており、
前記第２はんだ層と前記第３はんだ層のうち、前記外周部に接する部分が、前記中央部に接する部分よりも厚い、
半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示する技術は、半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、２つのリードフレーム間に半導体チップを固定した半導体モジュールが開示されている。この半導体モジュールでは、半導体チップと一方のリードフレームの間には、金属ブロックがはんだ層により固定されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−１４９３６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の半導体モジュールにおいて、金属ブロックとはんだ層の接合面の面積が小さいので、この接合面で電流密度が高くなる。電流密度が高くなると、電子の衝突により、はんだ層や金属ブロックを構成する物質が移動する現象（エレクトロマイグレーションといい、本明細書ではＥＭという）が起きる。ＥＭが進行すると、はんだ層と金属ブロックの間で剥離が生じる場合がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
発明者の鋭意検討により、金属ブロックとはんだ層に流れる電流が繰り返し変化する場合には、表皮効果によってそれらの外周部に電流が集中しやすいことがわかった。このため、金属ブロックとはんだ層の接合面の外周側の領域でＥＭが局所的に速く進行することがわかった。接合面の外周側の領域でのＥＭの進行を抑制するために、本明細書で開示する半導体モジュールは以下の構成を有する。
【０００６】
本明細書で開示する半導体モジュールは、第１リードフレームと、上面電極と下面電極を備えているとともに下面電極が第１リードフレームの上面に第１はんだ層を介して固定されている半導体チップと、下面が上面電極に第２はんだ層を介して固定されている金属ブロックと、金属ブロックの上面に第３はんだ層を介して固定されている第２リードフレームを備えている。第１リードフレーム、半導体チップ、金属ブロック及び第２リードフレームの積層方向から平面視したときに、第２はんだ層の面積及び第３はんだ層の面積が、第１はんだ層の面積よりも小さい。第２はんだ層及び第３はんだ層の抵抗率が、金属ブロックの抵抗率よりも高い。金属ブロックの上面と下面の少なくとも一方の中央部が、その外周部よりも突出している。第２はんだ層と第３はんだ層のうち、外周部に接する部分が、中央部に接する部分よりも厚い。
【０００７】
この半導体モジュールでは、積層方向に平面視したときに第２はんだ層と第３はんだ層の面積が小さい。したがって、これらのはんだ層と金属ブロックとの接合面で、電流密度が高くなる。表皮効果が生じると、接合面の外周側の領域で電流密度がさらに高くなる。これに対し、本明細書が開示する半導体モジュールでは、金属ブロックの上面（すなわち、第３はんだ層との接合面）と下面（すなわち、第２はんだ層との接合面）の少なくとも一方の中央部が、その外周部よりも突出している。このため、突出部を備える表面に接合されているはんだ層（すなわち、第２はんだ層と第３はんだ層の少なくとも一方）の厚みが、金属ブロックの中央部よりも外周部で厚くなっている。つまり、はんだ層の電気抵抗が、中央部よりも外周部で高くなっている。このため、接合面の外周部で電流密度が高くなることを抑制することができ、接合面における電流密度を均一にすることができる。したがって、金属ブロックとはんだ層の接合面の外周部（ＥＭが発生し易い領域）におけるＥＭを抑制することができる。つまり、接合面の外周部でＥＭが局所的に速く進行することを抑制することができる。これによって、半導体モジュールのＥＭに対する耐久性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施例１の半導体モジュール１０の縦断面図。
【図２】実施例１の金属ブロック１６の上面を示す平面図。
【図３】比較例の半導体モジュールの縦断面図。
【図４】実施例２の半導体モジュール１０ａの縦断面図。
【図５】実施例３の半導体モジュール１０ｂの縦断面図。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【０００９】
図１に示す実施例１の半導体モジュール１０は、第１リードフレーム１２、半導体チップ１４、金属ブロック１６及び第２リードフレーム１８を備えている。これらの部材がはんだ層によって互いに接続されることで、半導体モジュール１０が構成されている。
【００１０】
半導体チップ１４は、半導体基板１４ａと、下面電極１４ｂと、上面電極１４ｃを有している。半導体基板１４ａは、半導体によって構成された基板であり、その内部にダイオードが形成されている。下面電極１４ｂは、半導体基板１４ａの下面に形成されている。上面電極１４ｃは、半導体基板１４ａの上面に形成されている。実施例１では、下面電極１４ｂがカソード電極であり、上面電極１４ｃがアノード電極である。半導体チップ１４は、上面電極１４ｃと下面電極１４ｂの間に印加される電圧に応じて、上面電極１４ｃから下面電極１４ｂに電流が流れるオン状態と、これらの間に電流が流れないオフ状態とに切り換わる。オン状態では、第２リードフレーム１８から第１リードフレーム１２へ向かって電流が流れる。
【００１１】
第１リードフレーム１２は、半導体チップ１４の下側に配置されている。第１リードフレーム１２の上面は、第１はんだ層２０を介して下面電極１４ｂに固定されている。
【００１２】
金属ブロック１６は、半導体チップ１４の上側に配置されている。金属ブロック１６は、Ｃｕによって構成されている母材と、母材の表面を覆っているＮｉ層（めっき層）を備えている。金属ブロック１６の下面は、第２はんだ層２２を介して上面電極１４ｃに固定されている。第２はんだ層２２の抵抗率は、金属ブロック１６の抵抗率よりも高い。
【００１３】
第２リードフレーム１８は、金属ブロック１６の上側に配置されている。第２リードフレーム１８の下面は、第３はんだ層２４を介して金属ブロック１６の上面に固定されている。第２リードフレーム１８は、第３はんだ層２４、金属ブロック１６及び第２はんだ層２２を介して上面電極１４ｃに接続されている。第３はんだ層２４の抵抗率は、金属ブロック１６の抵抗率よりも高い。
【００１４】
次に、第２リードフレーム１８と金属ブロック１６の接続構造について、詳細に説明する。図１、２に示すように、金属ブロック１６の上面には、突出部３０が形成されている。突出部３０は、金属ブロック１６の中央部１６ａにおいて最も第２リードフレーム１８側に突出しており、外周部１６ｂに向かうにつれて階段状に第２リードフレーム１８から離間するように形成されている。すなわち、金属ブロック１６の上面の中央部１６ａは、その外周部１６ｂよりも突出している。金属ブロック１６の上面（突出部３０）は、その全体が第３はんだ層２４に接合されている。また、第３はんだ層２４は、第２リードフレーム１８の平坦な下面に接合されている。したがって、半導体モジュール１０の各部材の積層方向における第３はんだ層２４の厚みが、中央部１６ａに接する部分よりも、外周部１６ｂに接する部分で厚くなっている。
【００１５】
次に、半導体モジュール１０の動作について説明する。なお、比較のため、図３に示す比較例の半導体モジュール（金属ブロック１６が突出部３０を有さない半導体モジュール）の動作についても説明する。
【００１６】
比較例の半導体モジュールでは、図３に示すように第３はんだ層２４の厚みが均一であるため、その電気抵抗も中央部と外周部で同一である。また、比較例の半導体モジュールでは、第３はんだ層２４及び第２はんだ層２２の面積が第１はんだ層２０の面積より小さいため、第３はんだ層２４及び第２はんだ層２２では第１はんだ層２０よりも電流密度が高くなる。また、半導体モジュールに流れる電流は、外部の回路によって高速でスイッチングされる。このため、半導体チップ１４のオンとオフが短い周期で繰り返される。つまり、第２リードフレーム１８から第１リードフレーム１２に向かって電流が流れる状態と、電流が流れない状態とが短い周期で繰り返される。したがって、半導体チップ１４に流れる電流が高い周波数で変動する。このため、第２はんだ層２２、金属ブロック１６及び第３はんだ層２４を電流が流れる際に、表皮効果が生じ、図３において矢印で示すように、外周部で中央部よりも電流密度が高くなる。つまり、電流密度が高い第２はんだ層２２、金属ブロック１６及び第３はんだ層２４の中でも、これらの外周部で電流密度がさらに高くなる。電流が金属ブロック１６と第３はんだ層２４の界面を流れるときに、ＥＭによって、金属ブロック１６の表面のＮｉ層のＮｉが第３はんだ層２４へ移動する。つまり、電子の流れる向き（すなわち、電流の逆向きであり、金属ブロック１６から第２リードフレーム１８に向かう向き）にＮｉが移動する。ＥＭは、電流密度が高い金属ブロック１６の外周部で、電流密度が低い金属ブロック１６の中央部よりも顕著に生じる。このため、金属ブロック１６の外周部でＮｉ層に欠損が生じ、第３はんだ層２４と金属ブロック１６の剥離が生じる。
【００１７】
本実施例の半導体モジュール１０でも、比較例の半導体モジュールと同様に、第３はんだ層２４及び第２はんだ層２２の面積が第１はんだ層２０の面積より小さい。このため、第２はんだ層２２及び第３はんだ層２４では第１はんだ層２０よりも電流密度が高くなる。また、本実施例１の半導体モジュール１０でも、比較例の半導体モジュールと同様に、電流が高い周波数で変動する。したがって、第２はんだ層２２、金属ブロック１６及び第３はんだ層２４を電流が流れる際に、表皮効果が生じる。しかしながら、本実施例の半導体モジュール１０では、金属ブロック１６に突出部３０が形成されていることにより、第３はんだ層２４の厚みが中央部よりも外周部で厚くなっている。このため、第３はんだ層２４の電気抵抗は、中央部よりも外周部で高い。このように、第３はんだ層２４の中央部で、より電流が流れ易くなるように電気抵抗が分布しているので、表皮効果の影響を緩和することができる。したがって、図１において矢印で示すように、第３はんだ層２４と金属ブロック１６の接合面において、電流密度が均一化され、外周部における電流集中が緩和される。これにより、Ｎｉ層の外周部で局所的にＥＭが速く進行することを抑制することができる。したがって、第３はんだ層２４が金属ブロック１６の上面から剥離することを抑制することができる。
【実施例２】
【００１８】
次に、図４を参照して、実施例２の半導体モジュール１０ａについて説明する。実施例２では、金属ブロック１６の上面に、湾曲した形状の突出部４０が形成されている。実施例２の半導体モジュール１０ａのその他の構成は、実施例１の半導体モジュール１０と等しい。実施例２の構成によっても、第３はんだ層２４の厚みが中央部よりも外周部で厚くなっているため、実施例１と同様に、Ｎｉ層の外周部で局所的にＥＭが速く進行することを抑制することができる。すなわち、第３はんだ層２４の金属ブロック１６からの剥離を抑制することができる。
【実施例３】
【００１９】
次に、図５を参照して、実施例３の半導体モジュール１０ｂについて説明する。実施例３の半導体モジュール１０ｂでは、半導体チップ１４の内部にＩＧＢＴが形成されている。実施例３では、上面電極１４ｃがエミッタ電極であり、下面電極１４ｂがコレクタ電極である。また、半導体チップ１４は、図示しないゲート電極を有している。半導体チップ１４は、ゲート電極に入力される信号に応じて、下面電極１４ｂから上面電極１４ｃに電流が流れるオン状態と、これらの間に電流が流れないオフ状態とに切り換わる。オン状態では、第１リードフレーム１２から第２リードフレーム１８へ向かって電流が流れる。
【００２０】
実施例３では、金属ブロック１６の上面が平坦であり、第３はんだ層２４の厚みが均一である。他方、実施例３では、金属ブロック１６の下面に突出部５０が形成されている。以下に、金属ブロック１６の下面と第２はんだ層２２の接続構造について、詳細に説明する。金属ブロック１６の下面には、突出部５０が形成されている。突出部５０は、金属ブロック１６の下面の中央部３６ａにおいて最も上面電極１４ｃ側に突出しており、外周部３６ｂに向かうにつれて上面電極１４ｃから階段状に離間するように形成されている。金属ブロック１６の下面（突出部５０）は、その全体が第２はんだ層２２に接合されている。したがって、半導体モジュール１０ｂの各部材の積層方向における第２はんだ層２２の厚みが、中央部３６ａに接する部分よりも、外周部３６ｂに接する部分で厚くなっている。
【００２１】
半導体モジュール１０ｂでは、積層方向からの平面視において、第３はんだ層２４及び第２はんだ層２２の面積が第１はんだ層２０の面積より小さい。このため、第１リードフレーム１２から第２リードフレーム１８に電流が流れる際には、第３はんだ層２４及び第２はんだ層２２での電流密度が高くなる。また、第１リードフレームから第２リードフレーム１８に電流が流れると、ＥＭによって、金属ブロック１６の下面に形成されているＮｉ層のＮｉが、電子の移動に伴って金属ブロック１６から第２はんだ層２２に移動する。
【００２２】
また、半導体モジュール１０ｂに流れる電流が半導体チップ１４によって高速でスイッチングされるため、電流が高周波で変化する。このため、表皮効果が生じる。表皮効果によって、第２はんだ層２２における電流密度が外周部で中央部よりも高くなると、金属ブロック１６の下面の外周部でＥＭが速く進行して、外周部で第２はんだ層２２が金属ブロック１６から剥離する。しかしながら、実施例３の半導体モジュール１０ｂでは、金属ブロック１６の下面に突出部５０が形成されているので、第２はんだ層２２の厚みが中央部よりも外周部で厚い。このため、第２はんだ層２２の電気抵抗は、中央部よりも外周部で高い。したがって、第２はんだ層２２において電流密度が均一化される。このため、金属ブロック１６の下面の外周部で、ＥＭが局所的に速く進行することを抑制することができる。したがって、第２はんだ層２２が金属ブロック１６の下面から剥離することを抑制することができる。
【００２３】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
【００２４】
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は、複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００２５】
１０：半導体モジュール
１２：第１リードフレーム
１４：半導体チップ
１４ａ：半導体基板
１４ｂ：下面電極
１４ｃ：上面電極
１６：金属ブロック
１６ａ：突出部
１８：第２リードフレーム
２０：第１はんだ層
２２：第２はんだ層
２４：第３はんだ層
【図１】
2017084877.tif 000003
【図２】
2017084877.tif 000004
【図３】
2017084877.tif 000005
【図４】
2017084877.tif 000006
【図５】
2017084877.tif 000007