JP2013084657A - Semiconductor device and control method thereof - Google Patents

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秀穂 吉田
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健介 佐々木
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device capable of relaxing a stress generated in a joint material layer between a semiconductor device and a mounting substrate, and a control method thereof.SOLUTION: A semiconductor device comprises: a mounting substrate 4; semiconductor elements 2 and 3 mounted on the mounting substrate via a thermoplastic joint material layer 5 having an electrical conduction property; and control means 6 for controlling the energization of the semiconductor elements. The control means performs stress relaxation control for softening at least the thermoplastic joint material layer under prescribed conditions.

Description

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。   The present invention relates to a semiconductor device and a control method thereof.

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）。   A semiconductor device used as a power transistor or the like, comprising: a semiconductor chip; an insulating material that insulates current from the semiconductor chip; and a heat dissipating material that dissipates heat generated from the semiconductor chip. A thing provided with the buffer material for buffering the thermal stress by the thermal expansion difference with a heat radiating material is known (patent documents 1).

特開２００８−２７７３１７号公報JP 2008-277317 A

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。   However, although the above-mentioned prior art can buffer the thermal stress due to the difference in thermal expansion between the insulating material and the heat dissipation material by the buffer material, the thermal stress is applied to the solder layer for mounting the semiconductor chip on the circuit board by the heat generated from the semiconductor chip. This acts as residual stress, which may cause cracks in the solder layer.

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。   The problem to be solved by the present invention is to provide a semiconductor device that can relieve stress generated in a bonding material layer between a semiconductor element and a mounting substrate, and a control method therefor.

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。   The present invention solves the above-described problem by at least softening the thermoplastic bonding material layer between the semiconductor element and the mounting substrate by controlling energization of the semiconductor element.

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。   According to the present invention, the residual stress accumulated in the thermoplastic bonding material layer can be relaxed by softening the thermoplastic bonding material layer.

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。1 is a perspective view showing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. 図１のII-II線に沿う断面図である。It is sectional drawing which follows the II-II line of FIG. 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。1 is an equivalent circuit showing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. 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。It is a flowchart which shows the control procedure of the controller of FIG. 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。It is a top view (V arrow of FIG. 2) which shows the semiconductor device which concerns on other embodiment of this invention. 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。It is a perspective view which shows the semiconductor device which concerns on further another embodiment of this invention. 図６のVII-VII線に沿う断面図である。It is sectional drawing which follows the VII-VII line of FIG. 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。It is a perspective view which shows the semiconductor device which concerns on further another embodiment of this invention. 図８のIX-IX線に沿う断面図である。It is sectional drawing which follows the IX-IX line of FIG. 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。It is a perspective view which shows the semiconductor device which concerns on further another embodiment of this invention. 図１０のXI-XI線に沿う断面図である。It is sectional drawing which follows the XI-XI line of FIG. 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。It is a perspective view which shows the semiconductor device which concerns on further another embodiment of this invention. 図１２のXIII-XIII線に沿う断面図である。It is sectional drawing which follows the XIII-XIII line | wire of FIG.

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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
<< First Embodiment >>
The semiconductor device 1 according to this example has semiconductor elements that generate heat when energized, such as the transistor 2 and the diode 3 shown in FIG. 3, and these are soldered to the mounting substrate 4 as shown in FIGS. And a controller 6 that controls ON / OFF of the transistor 2 as shown in FIG. 3. This type of semiconductor device 1 is configured as a power module as shown in FIGS. 1 and 2 and can be used in an AC-AC, AC-DC, and DC-AC power conversion circuit.

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。   Hereinafter, the present invention will be described by giving an example in which a power conversion circuit (inverter circuit) including the semiconductor device 1 having the circuit configuration shown in FIG. 3 is applied to a power conversion device for an electric vehicle. However, the semiconductor device 1 of the present invention can be applied as long as a semiconductor element that generates heat is mounted on a substrate.

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。   The mounting substrate 4 shown in FIGS. 1 and 2 is a rigid substrate in which conductive patterns 4b are formed on the front and back sides of the insulating substrate 4a. Although not shown in the drawing, A heat radiating fin is attached or another power module is connected. On the other hand, a transistor 2 such as an IGBT and a diode 3 are mounted on a conductive pattern 4 b on the surface of the mounting substrate 4 via a thermoplastic bonding material layer 5.

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。   The thermoplastic bonding material layer 5 of this example is a layer made of a bonding material having electrical conductivity and thermoplasticity such as a solder material, and the transistor 2 and the diode 3 are formed on the surface of the mounting substrate 4 by a solder reflow process. Be joined. The thermoplastic bonding material layer 5 has a softening point (softening temperature) at which the material softens and a melting point at which the material melts in a higher temperature region. When the temperature of the thermoplastic bonding material layer 5 increases, the thermoplastic bonding material layer 5 softens at the softening point. After starting to melt, it melts into a liquid at the melting point, but when the temperature falls below the softening point, it returns to the original solid.

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。 The controller 6 of this example controls energization of the transistor 2 or the diode 3, and specifically is a control device that outputs an ON / OFF signal to the transistor 2. Although shown as the dedicated controller 6 in FIG. 3, when applied to a power conversion circuit such as an inverter, it can be included in a controller that outputs an ON / OFF signal to the transistor of the inverter. The controller 6 of this example
Stress relaxation control is executed to at least soften the thermoplastic bonding material layer 5 under predetermined conditions. This will be described later.

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。   As shown in FIGS. 1 and 2, a temperature sensor 7 is mounted in the vicinity of the transistor 2 of the semiconductor device 1, and the temperature sensor 7 is a controller so that a detection signal from the temperature sensor 7 is output to the controller 6. 6 is connected. The temperature sensor 7 can directly detect the temperature of the thermoplastic bonding material layer 5 that fixes the transistor 2, but at the same time, the temperature of the thermoplastic bonding material layer 5 that fixes the diode 3 is also multiplied by a correction coefficient. And can be detected indirectly. Heat from the transistor 2 and the diode 3 is transmitted to the thermoplastic bonding material layer 5 and residual stress is generated by repeating the cooling / heating cycle. In order to detect the state of the cooling / heating cycle, the temperature detected by the temperature sensor 7 is detected. Used. However, the temperature sensor 7 is not essential in the semiconductor device of the present invention, and the temperature of the thermoplastic bonding material layer 5 may be estimated based on a control signal from the controller 6 or a control circuit of the power conversion circuit.

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。   As shown in FIG. 3, a signal related to the driving load state is input to the controller 6 from the controller 8 of the vehicle on which the semiconductor device 1 is mounted. The driving load state of the vehicle is a state in which the semiconductor device 1 of this example is stopped when the driving load is zero. In addition to the state where the vehicle is stopped or stopped, power conversion is performed in a hybrid vehicle or the like. This includes a state where the circuit is stopped. If the stress relaxation control of this example is executed when the driving load of the vehicle is large, the running performance of the vehicle is affected. Therefore, when the driving load of the vehicle is zero or low, the stress relaxation control is executed to determine a preferable timing. Therefore, the driving load state of the vehicle is detected.

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。 Next, the control procedure of the controller 6 will be described.
As shown in FIG. 4, first, the output signal of the temperature sensor 7 is read (step S1), and it is determined whether or not the temperature of the thermoplastic bonding material layer 5 is equal to or higher than a predetermined threshold temperature Tth (step S2). As the predetermined threshold temperature T th , it is preferable to set a lower limit value of a temperature at which thermal stress is generated in the thermoplastic bonding material layer 5. If the temperature of the thermoplastic bonding material layer 5 is lower than the predetermined threshold temperature Tth, the process returns to step S1 and the reading of the output signal from the temperature sensor 7 is repeated. If the temperature is higher than the predetermined threshold temperature Tth, step S3 is repeated. to advances, as well as counting the number of times equal to or greater than a predetermined threshold temperature T th, the number of times counted until now to determine whether or not a predetermined number N th or more. The predetermined number N th, it is preferable that the thermoplastic bonding material layer 5 is set with reference to whether the residual stress and it is repeated much time to be more than a predetermined threshold temperature T th is generated. That is, in steps S2 and S3 of this example, the residual stress of the thermoplastic bonding material layer 5 is detected or estimated based on the integrated degree of temperature × time.

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。 Number of equal to or greater than a predetermined threshold temperature T th at step S3 is repeated from the reading of the temperature sensor 7 is returned to step S1 if it is less than the predetermined number N th, but not less than the predetermined number N th to step S4 The process proceeds to determine whether or not the vehicle is stopped based on a signal relating to the driving load state from the controller 8 of the vehicle on which the semiconductor device 1 of this example is mounted. If the vehicle is not stopped in step S4, the process returns to step S1 and repeats from the reading of the temperature sensor 7. If the vehicle is stopped, the process proceeds to step S5, and a control signal is output from the controller 6. Stress relaxation control is started by passing a current through the transistor 2 and the diode 3. Thereby, the transistor 2 and the diode 3 generate heat, and the temperature of the thermoplastic bonding material layer 5 starts to rise.

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。   In step S6, the output signal of the temperature sensor 7 is read, and in step S7, a control signal from the controller 6 is controlled in accordance with the temperature of the thermoplastic bonding material layer 5 detected by the temperature sensor 7, and flows to the transistor 2 and the diode 3. Adjust the current. That is, when the temperature difference between the temperature of the thermoplastic bonding material layer 5 and the softening point is large, energization control in which a large current flows through the transistor 2 and the diode 3 is performed, and conversely, the temperature and softening of the thermoplastic bonding material layer 5 are performed. When the temperature difference from the point is small, the current flowing through the transistor 2 and the diode 3 is suppressed.

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。   If the temperature of the thermoplastic bonding material layer 5 is raised to at least the softening point, the thermoplastic bonding material layer 5 is softened. Therefore, in the stress relaxation control of this example, the thermoplastic bonding material layer 5 is set to the softening point or higher. Although the residual stress is reduced by raising the temperature, the temperature may be raised to the melting point of the thermoplastic bonding material layer 5 or higher. Residual stress is further reduced or eliminated by raising the temperature to the melting point or higher.

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。   In step S8, it is determined whether or not the temperature of the thermoplastic bonding material layer 5 detected by the temperature sensor 7 has reached the softening point. If not, the process returns to step S6 and steps S7 and S8 are repeated. On the other hand, when the temperature of the thermoplastic bonding material layer 5 reaches the softening point, the process proceeds to step S9, and the stress relaxation control of the thermoplastic bonding material layer 5 by the controller 6 is ended.

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。   In step S10, the thermoplastic bonding material layer 5 is cooled and re-solidified by a control signal from the controller 6. At this time, natural cooling may be performed, but it is preferable to adjust the control signal of the controller 6 to cool with the same temperature profile as the reflow process when the transistor 2 and the diode 3 are mounted. When the re-solidification of the thermoplastic bonding material layer 5 is completed, the number of times counted in step S3 is reset, and then the process returns to step S1 to repeat the above processing.

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。   As described above, according to the semiconductor device 1 of this example, when residual stress is generated in the thermoplastic bonding material layer 5, the stress relaxation control is executed at a timing that does not affect the running state of the vehicle. The layer 5 is softened, and the residual stress accumulated so far can be reduced or removed. As a result, the mounting part of the transistor 2 and the diode 3 can be extended.

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。   Further, according to the semiconductor device 1 of this example, the control accuracy of the controller 6 is improved by using the temperature detection value from the temperature sensor 7 and can be softened at an optimal temperature for an optimal time.

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。   Further, according to the semiconductor device 1 of this example, the residual stress is detected or estimated based on the actual operating environment such as the temperature of the thermoplastic bonding material layer 5 × the integrated degree of time, and the residual stress becomes a predetermined threshold or more. In this case, since the stress relaxation control is executed, it is possible to avoid softening the thermoplastic bonding material layer 5 at an unnecessary timing.

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。   Further, according to the semiconductor device 1 of the present example, the driving load state is detected such as when the vehicle is stopped, and the stress relaxation control is executed when the driving load is small, which may adversely affect the running performance of the vehicle. Is prevented.

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。   Moreover, according to the semiconductor device 1 of this example, the temperature profile when the thermoplastic bonding material layer 5 is re-solidified in the cooling process of step S10 has the same characteristics as the temperature profile of the reflow process at the time of mounting. It is possible to make the size of the particles of the thermoplastic bonding material layer 5 having the same as that immediately after the initial mounting.

《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。 << Second Embodiment >>
A semiconductor device 1 according to another embodiment of the present invention will be described. 5 is a perspective plan view of the thermoplastic bonding material layer 5 as viewed from the top of the transistor 2 or the diode 3 as viewed from the direction of arrow V in FIG. Between the mounting substrate 4 of this example and the semiconductor element 2 or 3, the thermoplastic bonding material layer 5 of the first embodiment described above and the second heat provided in a portion other than the thermoplastic bonding material layer 5. It is comprised from 5 A of plastic joining material layers. Specifically, as shown in FIG. 5, the softening point T 1 (or the thermoplastic bonding material layer 5) is formed on the portion excluding the end of the transistor 2 or the diode 3, that is, on the central portion of the thermoplastic bonding material layer 5. A second thermoplastic bonding material layer 5 having a higher softening point T 2 (or melting point) and electrical conductivity is provided.

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。 Then, in step S5 and subsequent stress relief control of FIG. 4, the controller 6, at least the power supply control transistor 2 or diode 3 so that the temperature of the second thermoplastic bonding material layer 5A is a temperature below the softening point T 2 To do.

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。   According to the semiconductor device 1 of this example, even if the thermoplastic bonding material layer 5 having electrical conductivity having a low softening point (or melting point) is softened or liquefied, the second thermoplastic bonding material layer 5A is softened or liquefied. Therefore, the inclination of the semiconductor element such as the transistor 2 or the diode 3 can be prevented. As a result, it is possible to prevent an electrical short circuit from occurring due to execution of stress relaxation control. Moreover, since it can prevent that the thickness of the thermoplastic joining material layer 5 varies when it softens or liquefies, it can also prevent that the part where stress concentrates arises.

《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。 << Third Embodiment >>
A semiconductor device 1 according to still another embodiment of the present invention will be described. 6 to 13 are perspective views showing respective embodiments in which outflow prevention means 9, 10, 11, and 12 for damming the molten material of the thermoplastic bonding material layer 5 are provided around the thermoplastic bonding material layer 5. FIG. FIG. Explaining each, the first example shown in FIGS. 6 and 7 is provided with a resin frame 9 on the surface of the mounting substrate 4 so as to surround the periphery of the transistor 2 and the diode 3.

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。   In the second example shown in FIGS. 8 and 9, the range including the transistor 2 and the diode 3 is sealed with a resin sealing body 10 using a resin mold. In the third example shown in FIGS. 10 and 11, a resin resist film 11 surrounding the thermoplastic bonding material layer 5 is provided. In the fourth example shown in FIGS. 12 and 13, an annular recess 12 is provided around the thermoplastic bonding material layer 5.

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。   In any form of the first example to the fourth example, even if the thermoplastic bonding material layer 5 is liquefied when the stress relaxation control is executed, the resin frame 9, the resin sealing body 10, and the resin resist The outflow of the liquefied material can be blocked by the film 11 or the annular recess 12, and the performance of the semiconductor device 1 can be prevented from being deteriorated when re-solidified.

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。   The transistor 2 and the diode 3 correspond to a semiconductor element according to the present invention, the controller 6 corresponds to a control means according to the present invention, the temperature sensor corresponds to a temperature detection means according to the present invention, and the vehicle controller 8 Corresponds to the load detection means according to the present invention, and the resin frame body 9, the resin sealing body 10, the resin resist film 11 and the annular recess 12 correspond to the outflow prevention means according to the present invention.

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 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semiconductor device 2 ... Transistor 3 ... Diode 4 ... Mounting board 5 ... Thermoplastic joining material layer 5A ... 2nd thermoplastic joining material layer 6 ... Controller 7 ... Temperature sensor 8 ... Vehicle controller 9 ... Resin frame 10 ... Resin sealing body 11 ... resin resist film 12 ... annular recess

Claims (8)

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。 A mounting board;
A semiconductor element mounted on the mounting substrate via a thermoplastic bonding material layer having electrical conductivity;
In a semiconductor device comprising a control means for controlling energization of the semiconductor element,
The said control means is a semiconductor device which performs stress relaxation control which at least softens the said thermoplastic joining material layer on predetermined conditions. 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。 A temperature detecting means for directly or indirectly detecting the temperature of the thermoplastic bonding material layer;
The semiconductor device according to claim 1, wherein the control unit controls energization to the semiconductor element according to a temperature detected by the temperature detection unit. 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。   3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the control unit executes the stress relaxation control when a time or number of times when the temperature detected by the temperature detection unit is equal to or higher than a predetermined threshold reaches a predetermined threshold. 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。 Load detecting means for detecting a driving load state of a vehicle on which the semiconductor device is mounted;
The semiconductor device according to claim 1, wherein the control unit performs the stress relaxation control when a driving load state of the vehicle by the load detection unit is a predetermined threshold value or less. 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。 A second layer provided at a portion other than the thermoplastic bonding material layer between the mounting substrate and the semiconductor element and having a softening point T 2 higher than a softening point T 1 of the thermoplastic bonding material layer and electrical conductivity. Further comprising a thermoplastic bonding material layer,
Said control means, a temperature of at least the second thermoplastic bonding material layer according to any one of claims 2-4 to perform the stress relaxation controlled to a temperature of less than said softening point T 2 Semiconductor device. 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。   The control means according to any one of claims 1 to 5, wherein when the thermoplastic bonding material layer is melted, the temperature profile at the time of cooling is set equal to the temperature profile of the cooling process at the time of mounting the semiconductor element. The semiconductor device described. 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。   The semiconductor device according to claim 1, further comprising an outflow prevention unit that dams up a molten material of the thermoplastic bonding material layer around the thermoplastic bonding material layer. 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。 For a semiconductor device in which a semiconductor element is mounted on a mounting substrate via a thermoplastic bonding material layer having electrical conductivity,
Detecting a residual stress of the thermoplastic bonding material layer;
A method of controlling a semiconductor device, comprising: energizing the semiconductor element to soften at least the thermoplastic bonding material layer when the residual stress is equal to or greater than a predetermined threshold.
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