JP2007227510A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱サイクルに対する耐性を向上させるとともに、半田剤の飛散による悪影響を防止した半導体装置を提供する。
【解決手段】ベース板と、ベース板の表面に設けられた半田濡れ領域と、半田濡れ領域の上に半田層を介して固定された絶縁基板と、絶縁基板の上に載置された半導体素子とを含み、半田濡れ領域が、半田層が形成される略矩形の第１領域と、第１領域の周囲を囲むように第１領域に沿って設けられた第２領域と、該１領域と第２領域とをそれぞれの隅部で接続する第３領域からなる。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体装置に関し、特に、半導体素子が搭載された絶縁基板をベース板にはんだ付けした電力用半導体装置に関する。

従来の電力用半導体装置では、ＩＧＢＴ等の電力用半導体素子が搭載された絶縁基板が、ヒートシンク上に半田層で接続されている。このような電力用半導体装置では、半導体素子の動作に伴い、１００度以上の温度差のある熱サイクルで半導体素子の温度が上昇、下降を繰り返す。この結果、セラミックからなる絶縁基板と金属からなるベース板との線膨張係数の違いにより、両者を接続する半田層に亀裂が生じるという問題があった。
これに対して、半田層の膜厚を大きくすることにより、熱サイクルが与えられたときに半田層に生じる歪量を低減し、半田層の亀裂を防止することが提案されている（例えば、特許文献１）。
ここで、半田層を形成する場合、通常、フラックスとソルダーボールの混合物であるペースト状の半田剤（ペースト半田）を印刷法やディスペンス法でベース板の上に塗布した後、ホットプレートなどの加熱機構を用いてフラックスを活性化させ、酸素を遮断しながら半田剤を溶融させて良好なはんだ濡れを得る方法が用いられる。
特許第３３４７２７９号公報

しかしながら、フラックスに含有される揮発成分によって半田付け時に気泡が発生し、かかる気泡が半田剤の表面に出た場合、気泡がはじけるような現象が起きて、半田剤が微小なボール状となって飛散した。飛散した半田剤はベース板上を転がり、意図しない場所で凝固し、固着された。このようはボール状の半田剤がベース板とケース部（図示せず）との間に挟まった場合、ケース部の内部から絶縁性ゲルが漏れ出す等の問題が発生した。特に、半田層を厚くした場合、フラックスに含有される揮発成分の量も多くなり、ボール状の半田剤が多く発生した。

そこで、本発明は、熱サイクルに対する耐性を向上させるとともに、半田剤の飛散による悪影響を防止した半導体装置の提供を目的とする。

本発明は、ベース板と、ベース板の表面に設けられた半田濡れ領域と、半田濡れ領域の上に半田層を介して固定された絶縁基板と、絶縁基板の上に載置された半導体素子とを含み、半田濡れ領域が、半田層が形成される略矩形の第１領域と、第１領域の周囲を囲むように第１領域に沿って設けられた第２領域と、該１領域と第２領域とをそれぞれの隅部で接続する第３領域からなることを特徴とする半導体装置である。

本発明にかかる半導体装置では、上述のような構成とすることにより、熱サイクルに対する耐性を向上させつつ、発生したボール状の半田剤の拡散を防止でき、半導体装置の生産効率を向上させることができる。

実施の形態１．
以下に、図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、以下の説明では、「上」、「下」、「左」、「右」、およびこれらの用語を含む名称を適宜使用するが、これらの方向は図面を参照した発明の理解を容易にするために用いるものであり、実施形態を上下反転、あるいは任意の方向に回転した形態も、当然に本願発明の技術的範囲に含まれる。

図１は、全体が１００で表される、本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の斜視図である。また、図２は、図１をＩ−Ｉ方向に見た場合の断面図である。

図１、２に示すように、半導体装置１００は、ベース板１を含む。ベース板１は、例えば、銅、Ｃｕ−Ｍｏ等の銅合金、Ａｌ−ＳｉＣ等のアルミニウム合金から形成される。ベース板１の大きさは、例えば、縦横が２００ｍｍ×１３０ｍｍで、厚さが３ｍｍである。

ベース板１の上には、例えばニッケルからなる濡れ性の良好な半田濡れ領域として、メッキ層（第１領域）２が形成されている。ここでは、半田濡れ領域をメッキ層２から形成したが、ベース板１の材料に濡れ性の良い金属を用いた場合は、メッキ層２は不要となる。

メッキ層２の上には、半田層３を介して絶縁基板４が取り付けられている。半田層３には、錫−鉛半田や鉛フリー半田等が用いられる。半田層３の膜厚は例えば１５０μｍ以上とする。このように、半田層３の膜厚を厚くすると、熱サイクルが与えられたときに半田層３に生じる歪量を低減し、半田層３の亀裂を防止できる。
また、絶縁基板４は、アルミナ等の絶縁体４ａの両面に、アルミニウム等の金属膜４ｂが設けられた構造を有する。例えば、厚さ０．６３５ｍｍのアルミナ４ａの両面に、厚さ０．４ｍｍのアルミニウム膜４ｂが設けられた構造が用いられる。絶縁基板４の大きさは、例えば６０ｍｍ×５０ｍｍである。

絶縁基板４の上には、電力用の半導体素子６が半田層５で固定されている。半導体素子６は、例えばＩＧＢＴ、ＦＥＴ等からなる。半田層５には、錫−鉛半田や鉛フリー半田等が用いられる。

半導体装置１００では、更に、メッキ層（第１領域）２の周囲を囲むように、リング状のトラップ層１１（第２領域）が設けられている。トラップ層１１は、メッキ層２と同様に、ニッケル等の濡れ性の良好な金属からなる。メッキ層２やトラップ層１１は、ベース板１の表面を、例えばレジストで覆い、レジストの開口箇所のみにメッキを行うことにより形成する。メッキ層２とトラップ層１１は、同一工程で形成することが好ましい。

図３は、メッキ層２とトラップ層１１とを形成したベース板１の上面図である。図３に示すように、トラップ層１１は、略矩形のメッキ層２を囲むように、メッキ層２に沿って形成される。また、ベース板１の上にケース部（図示せず）を載置する場合に、妨げとならない領域に形成される。

図４は、ボール状の半田剤１２が飛散した場合の、半導体装置１００の断面図であり、図１のＩ−Ｉ方向と同じ方向に見た場合の断面を示す。図４中、図１、２と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。

上述のように、半田層３の膜厚を、例えば１５０μｍ以上に厚くした場合、半田剤を溶融する工程で半田剤に含まれる気泡がはじけ、微小なボール状となった半田剤が飛散するという問題があった。
これに対して、半導体装置１００のようにトラップ層１１を設けることにより、飛散したボール状の半田剤１２が、半田に対する濡れ性の良いトラップ層１１に付着して、固定される。
この結果、ベース板１の上にケース部（図示せず）を搭載する工程において、ベース板１とケース部との間に半田剤１２が挟まりベース板１とケース部との接合が不十分になるのを防止できる。また、半田剤１２がベース板１の表面から転げ落ち、裏面などに付着することによる不具合も防止できる。

ここで、飛散するボール状の半田剤１２の直径は、最大で半田層３の２倍程度と考えられる。また、トラップ層１１の幅（図２では左右方向の長さ）は、半田剤１２の直径以上あればよい。従って、トラップ層１１の幅は、半田層３の厚みの２倍程度あれば、十分に半田剤１２を吸着する効果を有する。

このように、本実施の形態にかかる半導体装置１００では、半田剤１２の飛散による悪影響を防止しながら、半田層３の膜厚を厚くし、熱サイクルに対する耐性の高い半導体装置の供給が可能となる。

なお、例えば特許第３３４７２７９号公報に記載されているように、ベース板の表面に突起部を設けて、その上に絶縁基板を載置することにより、半田層も膜厚を、例えば５００μｍ以上に厚くしても構わない。

図５は、全体が２００で表される、本実施の形態１にかかる他の半導体装置の断面図であり、図１のＩ−Ｉ方向と同じ方向に見た場合の断面を示す。図５中、図１、２と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。

半導体装置２００では、ベース板１の表面を覆うように、メッキ層２が形成されている。メッキ層２は、例えばニッケルからなり、良好な半田濡れ性を有する。

メッキ層２の上には、例えばエポキシ系樹脂からなるソルダーレジスト２１、２２が設けられている。ソルダーレジスト２１に囲まれた領域には、半田層３が設けられ、その上に絶縁基板４等が固定される。一方、ソルダーレジスト２１とソルダーレジスト２２に挟まれた領域は、半田層３を設けた領域を囲むトラップ領域１３となる。トラップ領域１３の幅は、半田層３の厚みの２倍程度が好ましい。

半導体装置２００では、トラップ領域１３を設けることにより、半田層３から飛散したボール状の半田剤を固定し、半田剤の付着による悪影響を防止できる。

なお、ベース板１の材料に例えば銅のような半田濡れ性の良い材料を用いた場合、ベース板１の表面全体が良好な半田濡れ性を有する。このようなベース板１の上に半田層３を形成した場合、発生したボール状の半田剤は、ベース板１のいろいろな場所で固定されてしまう。このため、ケース部を搭載する領域で固定された場合は上述のような不具合が発生する。
これに対して、半導体装置２００のように所定の位置にトラップ領域１３を設けることにより、ボール状の半田剤１２が固定される領域を限定し、このような不具合を防止する。

また、かかる構造では、メッキ層２を設ける工程が省略でき、製造工程の簡略化、低コスト化が可能となる。また、ベース板１の表面を半田濡れ領域として使用するため、半田剤を溶融させた場合に半田濡れ領域の温度がより均一になり、十分な半田濡れ性を確保できる。

実施の形態２．
図６は、本実施の形態２にかかるベース板１の上面図である。ベース板１の上には、メッキ層（第１領域）２と、その周囲を囲むトラップ層（第２領域）１１が設けられている。更に、メッキ層２の隅部において、メッキ層２とトラップ層１１とを接続する接続層（第３領域）１５が設けられている。メッキ層２、トラップ層１１、及び接続層１１は、例えばニッケルからなり、同一工程で形成されることが好ましい。

このように、接続層１５を設けることにより、メッキ層２の上に形成された半田層３が、隅部において接続層１５の上にも延び、半田層３のフィレットが、隅部において外方に延びた構造となる。

このような構造を有することにより、半田層３に熱サイクルが加えられた場合に、熱応力が集中する隅部において熱応力を緩和することができ、半田層３の熱サイクルに対する耐性を大きくすることができる。この結果、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。

図７は、本実施の形態２にかかる他のベース板１の上面図である。トラップ層１１の幅が、接続層１５近傍で大きくなり、各辺の中央部に向かって漸次小さくなっている。他の構造は、図６のベース板１と同様である。

このように、トラップ層１１の幅を変えることにより、ボール状の半田剤が多量にトラップ層１１に固定された場合、半田剤はトラップ層１１の幅の狭い部分から広い部分に向かって移動し、接続層１５近傍に集まるようになる。この結果、接続層１５に延びた半田層３に、トラップ層１１上を移動してきた半田剤が吸収され、フィレットを形成することになる。この結果、接続層１５の上に延びたフィレットが形成され、半田層３の隅部における応力の集中を緩和することができる。

ボール状の半田剤が多量に発生する場合としては、例えば、半田層３の形成中にベース板１が傾斜し、溶融中の半田層３から半田剤が飛び出した場合が考えられる。このような場合、半田層３の半田量が減少し、半田層３の膜厚が薄くなったり、十分に延びたフィレットが形成されなかったりして、半導体装置の信頼性の低下を招く。
これに対して、図７に示すような構造を用いることにより、半田層３の減少量を、ボール状の半田剤を吸収することにより、自動的に補うことが可能となる。

図８は、本実施の形態２にかかる他のベース板１の上面図であり、接続層１５の幅が、内側（ａ）から外側（ｂ）に向かって、漸次小さくなっている（ａ＞ｂ）。接続層１５に対する半田層３の濡れ角が一定の場合、接続層１５の幅（ｂ）の狭い部分では半田層３のフィレットの高さが低くなり、一方、接続層１５の幅（ａ）の広い部分では半田層３のフィレットの高さが高くなる。従って、接続層１５をこのような形状とすることにより、フィレットの高さが半導体層３の近傍から外方に向かってなだらかに減少し、応力の集中を有効に緩和することができる。

なお、図６〜８では、トラップ層１１を１周設けたが、２周以上設けても構わない。この場合、全てのトラップ層１１の隅部を接続層１５で接続するのが好ましい。

図９は、１つのベース板１の上に３つのメッキ層２を形成し、その周囲にトラップ層１１を設けたものである。このように、隣接するメッキ層２に対して、共通のトラップ層１１を設けることにより、半導体装置の小型化が可能となる。この場合も、図６〜８の場合と同様に、メッキ層２の隅部において、メッキ層２とトラップ層１１とを接続層で接続することが好ましい。

本実施の形態２では、ベース板１の上に、メッキ層２、トラップ層１１、および接続層１５を設けたが、かかる構造は、上述の半導体装置２００のように、ベース板１の上にメッキ層２を全面に配置し、その上にソルダーレジストを形成した構造や、濡れ性のあるベース板１上に直接ソルダーレジストを形成した構造にも適用できる。

本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の斜視図である。 本発明の実施の形態１にかかるベース板の上面図である。 本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる他の半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態２にかかるベース板の上面図である。 本発明の実施の形態２にかかる他のベース板の上面図である。 本発明の実施の形態２にかかる他のベース板の上面図である。 本発明の実施の形態２にかかる他のベース板の上面図である。

符号の説明

１ ベース板、２ メッキ層、３ 半田層、４ 絶縁基板、５ 半田層、６ 半導体素子、１１ トラップ層、１００ 半導体装置。

Claims (7)

1. ベース板と、
   該ベース板の表面に設けられた半田濡れ領域と、
   該半田濡れ領域の上に半田層を介して固定された絶縁基板と、
   該絶縁基板の上に載置された半導体素子とを含み、
   該半田濡れ領域が、該半田層が形成される略矩形の第１領域と、該第１領域の周囲を囲むように該第１領域に沿って設けられた第２領域と、該第１領域と該第２領域とをそれぞれの隅部で接続する第３領域からなることを特徴とする半導体装置。
2. 上記第２領域の幅が、上記隅部から２つの隅部の間の中央部に向かって漸次狭くなることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 上記第３領域の幅が、上記第１領域側から上記第２領域側に向かって漸次狭くなることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
4. 上記半田濡れ領域が、上記ベース板の上に選択的に設けられたメッキ領域からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置。
5. 上記半田濡れ領域が、上記ベース板の上に設けられたメッキ層を、該メッキ層を覆うソルダーレジストから部分的の露出させたメッキ領域からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置。
6. 上記半田濡れ領域が、上記ベース板を覆うソルダーレジストから部分的に露出させたベース板の表面領域からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置。
7. 上記第２領域の幅が、上記半田層の厚みの略２倍以上であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の半導体装置。
   
   

Images