JP2015198216A

JP2015198216A - 半導体装置

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Publication number: JP2015198216A
Application number: JP2014076923A
Authority: JP
Inventors: 逸人仲野; Hayato Nakano
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2014-04-03
Filing date: 2014-04-03
Publication date: 2015-11-09
Anticipated expiration: 2034-04-03
Also published as: JP6160542B2

Abstract

【課題】半導体装置に対する外部環境温度が変化しても信頼性の低下を抑制する。【解決手段】半導体装置１は、劈開性を有する半導体素子３ａを、その劈開方向Ｙが半導体装置１に発生した最大応力の方向（短手方向よりも外部環境温度の変化に起因する反りが大きい長手方向Ｘ）に向くように絶縁基板２に配置するようにした。これにより、半導体素子３ａ，３ｂが外部環境温度の変化により半導体装置１の長手方向Ｘに反ることで、半導体素子３ａ，３ｂにかかる応力を緩和することができるようになる。【選択図】図１

Description

半導体装置に関する。

インバータ装置、無停電電源装置、工作機械、産業用ロボット等では、その本体装置とは独立して半導体装置（汎用モジュール）が使用されている。
このような半導体装置は、例えば、絶縁基板上に半田材を介してパワー半導体素子が配置されており、当該パワー半導体素子上に、ポスト電極が形成されたフレキシブルプリント基板が配置されて、パワー半導体素子の所定の電極に各ポスト電極を半田（接合材）により電気的に接合されている。半導体装置は、さらに、パワー半導体素子が配置された絶縁基板と、フレキシブルプリント基板とが樹脂で封止されて構成される（例えば、特許文献１参照）。

また、当該半導体装置は、外部環境温度の変化に応じて半導体装置の構成部材がそれぞれ変形し、モジュール内部に過大な応力が発生してしまう。このため、半導体装置内のパワー半導体素子が損傷を受けて、半導体装置が故障してしまう怖れがある。そこで、半導体装置を構成する部材の各熱膨張係数の差をできる限り小さくすることで、モジュール内部に発生する応力を最小化することができる。

特開２００９−６４８５２号公報

しかし、上記のように、半導体装置を構成する部材の熱膨張係数の差を小さくするには限界があり、熱膨張係数の差を完全になくすことはできない。このため、特に、高温または低温の過酷な環境下では、モジュール内部の過大な応力がパワー半導体素子に集中し、損傷を与えてしまい、半導体装置が故障してしまうという問題点があった。

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、環境温度の変化に対する信頼性が向上した半導体装置を提供することを目的とする。

本発明では、絶縁基板と、劈開性を有し、前記絶縁基板の主面上に配置された半導体素子と、金属箔が表裏面にそれぞれ形成され、前記絶縁基板の主面に対向配置されたプリント基板と、前記表裏面に形成された前記金属箔の少なくとも一方と、前記半導体素子の主電極の少なくとも一つとを電気的に接続するポスト電極と、前記絶縁基板と前記プリント基板との間隙に充填された封止樹脂と、を有し、前記半導体素子は、前記半導体素子の劈開方向を半導体装置に発生した最大応力の方向に向けて前記絶縁基板に配置される、ことを特徴とする半導体装置を提供することを目的とする。

このような半導体装置によれば、半導体装置に対する外部環境温度が変化しても信頼性の低下を抑制することができる。

第１の実施の形態における半導体装置の一例を示す図である。第１の実施の形態における半導体素子に対する三点曲げ試験の一例を示す図である。第１の実施の形態における半導体素子に対する三点曲げ試験の試験結果を示す図である。第２の実施の形態における半導体装置の外観を示す図である。第２の実施の形態における半導体装置の内部構造を示す図である。第２の実施の形態における半導体装置の外部温度変化に応じた変位量を示す図である。

以下、図面を参照して実施の形態について説明する。
［第１の実施の形態］
第１の実施の形態における半導体装置について図１を用いて説明する。

図１は、第１の実施の形態における半導体装置の一例を示す図である。
なお、図１（Ａ）は、半導体装置１の側断面図を、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の一点鎖線Ａ−Ａにおける上断面図をそれぞれ示している。

半導体装置１は、絶縁基板２と、半導体素子３ａ，３ｂ、プリント基板４、ポスト電極７ａ，７ｂを備えており、絶縁基板２とプリント基板４との間隙に封止樹脂８が充填されている。

絶縁基板２は、上面視が矩形状であり、長手方向Ｘの一対の長辺と、短手方向の一対の短辺とを備える。
半導体素子３ａ，３ｂは、絶縁基板２の主面上に配置されている。なお、図１では、２個の半導体素子３ａ，３ｂが記載されているが、半導体素子３ａ，３ｂの個数に限定はなく、半導体装置１の仕様等に応じて１個でも、３個以上でも構わない。

プリント基板４は、金属箔５，６が表裏面にそれぞれ形成され、絶縁基板２の主面に対向配置されている。
ポスト電極７ａ，７ｂは、プリント基板４の表裏面に形成された金属箔５，６の少なくとも一方と、半導体素子３ａ，３ｂの主電極の少なくとも一つとを電気的に接続する。また、ポスト電極７ａ，７ｂは、外部接続用の端子としても機能する。なお、ポスト電極７ａ，７ｂは、半導体素子３ａ，３ｂの主電極と、プリント基板４の金属箔５，６と、図示しない半田部材により電気的に接続されている。

このような構成を有する半導体装置１では、絶縁基板２の主面上に配置されている半導体素子３ａ，３ｂは、劈開性を有し、劈開方向Ｙが絶縁基板２の長手方向Ｘに向けられている。

次に、このような半導体素子３ａ，３ｂに対する三点曲げ試験と、その試験結果とについて説明する。
まず、三点曲げ試験の方法について図２を用いて説明する。

図２は、第１の実施の形態における半導体素子に対する三点曲げ試験の一例を示す図であり、図２（Ａ）は三点曲げ試験装置１０を示し、図２（Ｂ），（Ｃ）は半導体素子３ａの三点試験時の圧力方向を示す上面図を示している。

三点曲げ試験装置１０は、図２（Ａ）に示すように、半導体素子３ａの裏面（図中下）側の２箇所を支持する支持部１１，１２と、支持部１１，１２に支持された半導体素子３ａを表面（図中上）側から押圧する押圧部１３とを備える。

このような三点曲げ試験装置１０では、支持部１１，１２に支持された半導体素子３ａを押圧部１３が押圧して、半導体素子３ａは図中下側にたわませて、この際の押圧部１３の圧力に対する半導体素子３ａのたわみ量が計測される。

また、半導体素子３ａは、図１に示したように、上面視で劈開方向Ｙに沿った劈開性を有する。このような半導体素子３ａを三点曲げ試験装置１０に対して、劈開方向Ｙが押圧部１３の押圧方向と平行になるように（図２（Ｂ））、また、劈開方向Ｙが押圧部１３の押圧方向と垂直になるように（図２（Ｃ））、支持部１１，１２にセットした際の三点曲げ試験を行った。

これらの場合における試験結果について図３を用いて説明する。
なお、以下では、三点曲げ試験の試験対象として半導体素子３ａの場合を例に挙げて説明するが、半導体素子３ａと製造プロセス、サイズ、表面構造等が同一の半導体素子３ｂを試験対象としても半導体素子３ａとほぼ同様の結果が得られる。

図３は、第１の実施の形態における半導体素子に対する三点曲げ試験の試験結果を示す図であり、図３（Ａ）は劈開方向Ｙが押圧部１３の押圧方向と平行である場合、また、図３（Ｂ）は劈開方向Ｙが押圧部１３の押圧方向と垂直である場合のそれぞれの試験結果をそれぞれ表している。なお、図３では、縦軸には半導体素子３ａに対する押圧部１３の圧力［Ｎ］を、横軸は押圧部１３の圧力に対する半導体素子３ａのたわみ量［ｍｍ］をそれぞれ対応付けている。

図３（Ａ），（Ｂ）のいずれの場合でも、半導体素子３ａに対する押圧部１３による圧力が増加するに連れて、たわみ量も増加することが分かる。
図３（Ａ）（劈開方向Ｙと平行）の場合には、押圧部１３による圧力を増加させていくと、半導体素子３ａが割れてしまい、この際の半導体素子３ａのチップ強度は４４７ＭＰａを示した。一方、図３（Ｂ）（劈開方向Ｙと垂直）の場合には、同様にして、半導体素子３ａのチップ強度は６２９ＭＰａを示し、図３（Ａ）の場合よりも高い強度を示す。

また、例えば、半導体素子３ａのたわみ量が０．２ｍｍ程度となるための押圧部１３からの圧力は、図３（Ａ）の場合には、１３Ｎ程度、図３（Ｂ）の場合には、１８Ｎ程度であり、図３（Ａ）の場合の押圧部１３の圧力の方が図３（Ｂ）の場合よりも小さいことが分かる。半導体素子３ａのたわみ量が０．３ｍｍ〜０．６ｍｍの場合も同様に、半導体素子３ａに対する押圧部１３の圧力は図３（Ａ）の方が図３（Ｂ）よりも小さいことが分かる。これは、半導体素子３ａは、その劈開方向Ｙと押圧部１３の押圧方向とが平行である場合には、劈開面によりたわみ易くなり、押圧部１３からの圧力を緩和することができるためである。したがって、劈開性を有する半導体素子３ａに同じ大きさの圧力が加わると、その圧力が半導体素子３ａの劈開方向Ｙに平行にかかる方が、劈開方向Ｙに垂直にかかるよりも、半導体素子３ａに発生する応力が小さくなる。

そこで、図１に示す上面視で矩形状の半導体装置１は、長手方向Ｘの方が短手方向よりも外部環境温度の変化に起因する反りが大きいことから、半導体素子３ａをその劈開方向Ｙが絶縁基板２の長手方向Ｘに向くように絶縁基板２に配置するようにした。

これにより、外部環境温度の変化により半導体装置１の長手方向に反ることで、半導体素子３ａ，３ｂにかかる応力を緩和することができるようになる。
より具体的には、例えば、半導体装置１では、温度変化に応じて封止樹脂８や、半導体素子３ａ，３ｂの主電極とポスト電極７ａ，７ｂとを接続する半田部材等が膨張・収縮することで、ポスト電極７ａ，７ｂにも周期的な応力がかかる。このような応力に伴い、ポスト電極７ａ，７ｂは半導体素子３ａ，３ｂの主電極に対しても周期的な応力を加え、半導体素子３ａ，３ｂの主電極（表面）の破壊に繋がっていた。

半導体装置１では、半導体素子３ａ，３ｂをその劈開方向Ｙが絶縁基板２の長手方向Ｘに向くように絶縁基板２に配置することで、このようなポスト電極７ａ，７ｂからの応力を緩和して、半導体素子３ａ，３ｂの破壊を防止して、信頼性の低下を抑制することができるようになる。

なお、上記の半導体装置１は、既述の通り、長手方向Ｘの方が短手方向よりも外部環境温度の変化に起因する反りが大きい、すなわち、長手方向Ｘの応力の方が短手方向の応力よりも大きいことから、半導体素子３ａをその劈開方向Ｙが長手方向Ｘに向くように絶縁基板２に配置するようにした。そこで、半導体装置１が、仮に、構成部材の配置、材質等により、短手方向に発生する応力の方が長手方向Ｘに発生する応力よりも大きい場合には、半導体素子３ａの劈開方向Ｙを短手方向に向くように絶縁基板２に配置する。また、半導体装置１が正方形状であれば、半導体素子３ａの劈開方向Ｙを、半導体装置１に発生している最大応力の方向に向けて絶縁基板２に配置する。

［第２の実施の形態］
第２の実施の形態では、第１の実施の形態についてより具体的な例を挙げて説明する。
半導体素子を内部に配置された半導体装置について図４を用いて説明する。

図４は、第２の実施の形態における半導体装置の外観を示す図である。
半導体装置１００は、半導体素子（後述）が内部に設けられて、アンダーフィル材１４０（封止樹脂）の封止により、外部接続用端子として垂直に貫通し、ポスト電極端子１３０ｅ，１３０ｆを導出させた状態で、一体的になって構成されている。なお、ポスト電極端子１３０ｅ，１３０ｆは、外部接続用端子として垂直に貫通し、その端子と半導体素子の各電極との電気的な接続が確保されており、ポスト電極端子１３０ｅは、主回路用の端子であって、ポスト電極端子１３０ｆは、計測・制御用の端子である。

さらに、この半導体装置１００は、樹脂ケースによりパッケージングされ（不図示）、汎用モジュールとして機能する。
また、半導体装置１００は、取り付け穴１５０が中心部に設けられており、所定の機器内部に搭載される際にこの取り付け穴１５０にねじが螺合されることで固定される。

次いで、半導体装置１００の内部の構成の詳細について、図５を用いて説明する。
図５は、第２の実施の形態における半導体装置の内部構造を示す図であり、図５（Ａ）は、半導体装置１００の上面透視図を、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）の一点鎖線Ｂ−Ｂにおける断面図をそれぞれ表している。

半導体装置１００は、複数のスイッチング素子１２０ａ及びダイオード１２０ｂ（以下、これらを総称して半導体素子１２０（図示を省略））が実装されている絶縁基板１１０と、絶縁基板１１０に対向させたプリント基板１３０とがアンダーフィル材１４０により封止されている。

絶縁基板１１０は、絶縁板１１０ａと、絶縁板１１０ａの下面にＤＣＢ（Direct Copper Bonding）法で形成された金属箔１１０ｂと、絶縁板１１０ａの上面に同じくＤＣＢ法で形成された、複数の金属箔１１０ｃ，１１０ｄを備えている。これらの金属箔１１０ｃ，１１０ｄは、絶縁板１１０ａの上面に選択的にパターン形成されている。

さらに、金属箔１１０ｃ，１１０ｄ上には、錫−銀系等の鉛フリーの半田層１１１を介して、少なくとも一つのスイッチング素子１２０ａの主電極側（例えば、コレクタ電極）、または、ダイオード１２０ｂのカソード電極が接合されている。

ここで、スイッチング素子１２０ａは、例えば、ＩＧＢＴ（Insulating Gate Bipolar Transistor）素子、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等の縦型のパワー半導体素子を適用することができる。また、ダイオード１２０ｂは、例えば、ＳＢＤ（Schottky Barrier Diode）、ＦＷＤ（Free Wheeling Diode）素子等のパワーダイオード素子を適用することができる。このようなスイッチング素子１２０ａ及びダイオード１２０ｂは、例えば、シリコンまたは炭化シリコンが用いられている。

なお、絶縁板１１０ａは、例えば、アルミナ焼結体、窒化シリコン等のセラミックで構成され、金属箔１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄは、銅を主成分とする金属で構成されている。

また、半導体装置１００においては、半導体素子１２０の上方に、インプラントプリント基板（プリント基板）１３０が絶縁基板１１０と対向するように配置されている。
このプリント基板１３０は、多層構造をなし、例えば、樹脂層１３０ａを中心部に配置し、その上面に、少なくとも一つの金属箔１３０ｂが選択的にパターン形成されている。また、その下面においても、少なくとも一つの金属箔１３０ｃが選択的にパターン形成されている。

ここで、樹脂層１３０ａの材質は、例えば、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂等である。また、必要に応じて、ガラス繊維で構成されたガラスクロスを樹脂層１３０ａ内部に含浸させたものを適用することもできる。また、金属箔１３０ｂ，１３０ｃは、例えば、銅を主たる成分として構成されている。

また、プリント基板１３０の剛性については、所定の剛性を備えた硬いタイプのものでもよく、プリント基板１３０全体が歪曲可能になるフレキシブルなものであってもよい。
また、プリント基板１３０の最表面には、樹脂製の保護層１３１が形成されている。

また、半導体装置１００においては、半導体素子１２０の主電極（例えば、エミッタ電極）が位置する領域直上のプリント基板１３０に、スルーホール１３０ｄが設けられている。そして、このスルーホール１３０ｄ内に、薄厚の筒状めっき層（図示しない）が設けられ、スルーホール１３０ｄ内に、円筒状のポスト電極端子１３０ｅが筒状めっき層を介し、配置されている。

また、各々のポスト電極端子１３０ｅは、スルーホール１３０ｄ内で半田付けされ、プリント基板１３０の主面に配設された金属箔１３０ｂ，１３０ｃと導通された状態にある。プリント基板１３０の両面に金属箔１３０ｂ，１３０ｃを配設する場合には、このように筒状めっき層を介してポスト電極端子１３０ｅを配置し、半田付けしておくことで、良好な電気的接続と機械的強度を確保することができる。なお、プリント基板１３０の片面に比較的肉厚の金属箔１３０ｃを形成しポスト電極端子１３０ｅを配置する場合は、筒状めっき層や半田付けを省略してもよい。一方、ポスト電極端子１３０ｅの下端は、半導体素子１２０の主電極に、半田層１１２を介して電気的に接続されている。

また、ポスト電極端子１３０ｅの材質は、例えば、金、銅、または、これらの金属からなる合金を主たる成分として構成されている。各々のポスト電極端子１３０ｅの長さは、均一である。

さらに、半導体装置１００においては、絶縁基板１１０とプリント基板１３０の間隙に、アンダーフィル材１４０を充填している。これにより、半導体装置１００は、絶縁基板１１０とプリント基板１３０により一体化されている。なお、アンダーフィル材１４０は、例えば、エポキシ系樹脂を主たる成分とし、その硬化温度がおよそ１８０度であり、無機材料で構成されるフィラー材を含有している。フィラー材としては、例えば、窒化ボロン、窒化アルミニウム、窒化シリコン等の高熱伝導率を備えた無機材料を用いる。

また、半導体装置１００には、アンダーフィル材１４０で封止された絶縁基板１１０とプリント基板１３０等を取り囲むように、例えば、ＰＰＳ（ポリ・フェニレン・サルファイド）製の樹脂ケース（図示を省略）が備えられている。

あるいは、樹脂ケース（図示を省略）を使用しないで、金属金型（図示を省略）を用いて、半導体装置１００を取り囲むようにエポキシ樹脂をポッティングあるいはトランスファーモールドして構成してもよい。

次に、このような構成を有する半導体装置１００の外部環境温度の変化による変位量の計測について説明する。
外部環境温度が、−４０℃、２５℃、１５０℃、１７５℃の各場合に、３Ｄレーザ形状計測器を用いて、半導体装置１００の長手方向にレーザを照射して、図５（Ａ）に示す半導体装置１００の破線円で印された計測箇所（１〜３，４〜６）の変位量を計測した。同様に、半導体装置１００の短手方向にレーザを照射して、図５（Ａ）に示す半導体装置１００の破線円で印された計測箇所（２，５）の変位量を計測した。

半導体装置１００の外部環境温度に応じた変位量の計測結果について図６を用いて説明する。
図６は、第２の実施の形態における半導体装置の外部温度変化に応じた変位量を示す図であり、図６（Ａ），（Ｂ）は、半導体装置１００の長手方向の変位量を、図６（Ｃ）は、半導体装置１００の短手方向の変位量をそれぞれ表している。また、図６では、横軸には半導体装置１００の計測箇所を、縦軸には各計測箇所における変位量［μｍ］をそれぞれ対応付けている。

半導体装置１００の長手方向における変位量は、図６（Ａ），（Ｂ）によれば、最少３５０μｍ程度、最大６００μｍ程度であることが分かる。一方、半導体装置１００の短手方向における変位量は、図６（Ｃ）によれば、最少３００μｍ程度、最大５００μｍ程度であり、長手方向における変位量と比較すると、全体的に小さいことが分かる。つまり、半導体装置１００では、外部環境温度により、長手方向の方が短手方向よりも反り量が大きいことから、長手方向の方が短手方向よりも大きな応力がかかることが考えられる。

なお、半導体装置１００が上記のように長手方向及び短手方向に変位しても、半導体装置１００内には、半導体素子１２０の他にも絶縁基板１１０、プリント基板１３０、アンダーフィル材１４０が存在することから、半導体装置１００の変位量は半導体素子１２０に対して減少して反映される。上記の場合では、半導体素子１２０は、半導体装置１００の長手方向の最大変位量（６００μｍ程度）及び短手方向の最大変位量（５００μｍ程度）に対して、それぞれ５００μｍ程度、４００μｍ程度変位する。

上記の半導体装置１００内に設置した半導体素子１２０にかかる圧力（応力）について図３を用いて説明する。
まず、半導体素子１２０をその劈開方向を半導体装置１００の長手方向に一致させて絶縁基板１１０に配置した場合について説明する。

この場合、既述の通り、半導体素子１２０は、半導体装置１００の長手方向の変位に応じて、最大５００μｍ程度変位する。半導体素子１２０が受ける応力は、図３（Ａ）から、（５００μｍ程度のたわみ量に対応する）２６Ｎ程度であることが分かる。

また、同様に、半導体素子１２０は半導体装置１００の短手方向の変位に応じて、最大４００μｍ程度変位する。この際、半導体素子１２０が受ける応力は、図３（Ｂ）から、（４００μｍ程度のたわみ量に対応する）２４Ｎ程度であることが分かる。

一方、半導体素子１２０をその劈開方向を半導体装置１００の長手方向に垂直に（短手方向に一致させて）絶縁基板１１０に配置した場合には、半導体素子１２０が半導体装置１００の長手方向及び短手方向の変位に応じて受ける応力は、図３（Ｂ），（Ａ）からそれぞれ特定することができる。すなわち、半導体素子１２０が半導体装置１００の長手方向の変位に応じて受ける応力は、図３（Ｂ）から、（５００μｍ程度のたわみ量に対応する）３０Ｎ程度である。同様に、半導体素子１２０が半導体装置１００の短手方向の変位に応じて受ける応力は、図３（Ａ）から、（４００μｍ程度のたわみ量に対応する）２４Ｎ程度である。

このように半導体素子１２０をその劈開方向を半導体装置１００の長手方向に一致させて絶縁基板１１０に配置することにより、半導体素子１２０が半導体装置１００の、（特に、長手方向の変位に応じて受ける応力を緩和することができる。

このため、外部環境温度の変化に応じて半導体装置１００の内部のアンダーフィル材１４０、半田層１１２の膨張・収縮によりポスト電極端子１３０ｅからの半導体素子１２０に対する応力が緩和されて、半導体素子１２０の破壊を防止して、信頼性の低下を抑制することができるようになる。

１半導体装置
２絶縁基板
３ａ，３ｂ半導体素子
４プリント基板
５，６金属箔
７ａ，７ｂポスト電極
８封止樹脂

Claims

絶縁基板と、
劈開性を有し、前記絶縁基板の主面上に配置された半導体素子と、
金属箔が表裏面にそれぞれ形成され、前記絶縁基板の主面に対向配置されたプリント基板と、
前記表裏面に形成された前記金属箔の少なくとも一方と、前記半導体素子の主電極の少なくとも一つとを電気的に接続するポスト電極と、
前記絶縁基板と前記プリント基板との間隙に充填された封止樹脂と、
を有し、
前記半導体素子は、前記半導体素子の劈開方向を半導体装置に発生した最大応力の方向に向けて前記絶縁基板に配置される、
ことを特徴とする半導体装置。
前記半導体装置は上面視で矩形状であって、前記半導体素子は前記劈開方向を前記半導体装置の長手方向に向けて前記絶縁基板の主面上に配置される、
ことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
前記半導体素子は、炭化シリコンを主成分とする、
ことを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置。