JP6439389B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置に関する。

パワー半導体モジュールには、Ｓｉ（シリコン）からなる半導体チップが広く使われている。また近年、ＳｉＣ（炭化ケイ素）などのバンドギャップが大きい半導体材料からなる半導体チップが用いられるようになっている。

Ｓｉ半導体チップやＳｉＣ半導体チップのおもて面の電極と、絶縁基板の回路板等とを電気的に接続する配線部材には、ボンディングワイヤが用いられてきた。近年、ボンディングワイヤに代わり、プリント基板と、このプリント基板に一端が接続された複数の導電ポストとから構成される配線部材がある（特許文献１）。

プリント基板と導電ポストとから構成される配線部材は、信頼性が高く、また、ボンディングワイヤを用いた場合に比べてパワー半導体モジュールを薄型化できる。また、ボンディングワイヤに比べて、導電ポストは、半導体チップのおもて面の電極の面積が小さくても接続できる。したがって、プリント基板と導電ポストとから構成される配線部材は、Ｓｉ半導体チップに比べておもて面の電極が小さいＳｉＣ半導体チップ用の配線部材に好適である。また、おもて面の一つの電極に複数の導電ポストを接続することにより、半導体チップに大電流を流すことが可能であるので、Ｓｉ半導体チップ用の配線部材にも好適である。

特開２００９−６４８５２号公報

上述した配線部材の導電ポストの一端は、半導体チップに、接合材、例えばはんだにより電気的かつ機械的に接続される。そして、接続された導電ポストの一端には、裾広がり形状のはんだ（以下、フィレットと記載）が形成されている。さらに、半導体チップ上に複数の導電ポストを隣接して設けている場合に、隣接した導電ポストのフィレット同士が接触する場合があった。この場合、半導体チップに流れる電流がショートし、半導体チップの不良を来すおそれがある。

隣接したポスト電極のフィレット同士の接触は、接合前に半導体チップ表面に塗布されるはんだ量が適正量よりも多いほど生じ易い。そこで、問題解決のため、接合前に半導体チップ表面に塗布されるはんだ量を減少させることが考えられる。しかしながら、工業的に用いられるはんだ塗布装置は、はんだ塗布量を小数点以下数ミリグラム単位で制御することが困難であるため、所望のはんだ量の制御は困難であった。

本発明は、上記の問題を有利に解決するものであり、プリント基板と導電ポストとから構成された配線部材を備える半導体装置において、隣接するポスト電極のフィレット同士の接触を抑制することができる半導体装置を提供することを目的とする。

本発明の半導体装置は、絶縁板と回路板を有する絶縁基板と、おもて面に電極を有し、裏面が該回路板に固定された半導体チップと、該半導体チップのおもて面及び該回路板に対向するプリント基板と、一端が該半導体チップの該電極又は該回路板にはんだにより接続され、他端が該プリント基板に接続され、該はんだに接する側面から該プリント基板に接する側面にわたって延びる溝を有する複数の導電ポストと、を備え、前記溝が、傾斜角度が異なる複数の溝からなる。

本発明の半導体装置によれば、プリント基板と導電ポストとから構成された配線部材を備える半導体装置において、隣接するポスト電極のフィレット同士の接触を抑制することができる。

本発明の一実施形態のパワー半導体モジュールの断面図である。 図１の半導体チップと配線部材近傍の拡大図である。 図２の導電ポストの平面図及び斜視図である。 導電ポストの例の平面図及び斜視図である。 導電ポストの例の平面図及び斜視図である。 別の実施形態における半導体チップと配線部材近傍の拡大図である。

以下、本発明の半導体装置の実施形態について、図面を参照しつつ具体的に説明する。なお、本出願の記載に用いられている「電気的かつ機械的に接続されている」という用語は、対象物同士が直接接合により接続されている場合に限られず、はんだや金属焼結材などの導電性の接合材を介して対象物同士が接続されている場合も含むものとする。

（実施形態１）
図１は、本発明の一実施形態のパワー半導体モジュール１０の模式的な断面図である。
パワー半導体モジュール１０は、例えばスイッチング素子と還流ダイオードが逆並列に接続されて上アーム及び下アームが構成された回路を有している。パワー半導体モジュール１０は、絶縁基板１１、半導体チップ１２、プリント基板１４及び導電ポスト１５を備えている。パワー半導体モジュール１０は、さらに外部端子１６及び封止材１７を備えている。

絶縁基板１１は、絶縁板１１ａと、絶縁板１１ａのおもて面、換言すれば主面に設けられた回路板１１ｂと、絶縁板１１ａの裏面に設けられた金属板１１ｃとで構成されている。すなわち、絶縁基板１１は回路板１１ｂ、絶縁板１１ａ及び金属板１１ｃが順次に積層されてなる。絶縁板１１ａは例えば窒化アルミニウムや窒化珪素、酸化アルミニウム等の絶縁性セラミックスよりなり、回路板１１ｂ、金属板１１ｃは、例えば銅などの金属よりなる。そして回路板１１ｂは、所定の回路パターンが形成されている。絶縁基板１１は、例えばＤＣＢ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｏｐｐｅｒ Ｂｏｎｄｉｎｇ）基板やＡＭＢ（Ａｃｔｉｖｅ Ｍｅｔａｌ Ｂｌａｚｉｎｇ）基板等を用いることができる。

半導体チップ１２は、おもて面に図示しない電極を有しており、裏面が回路板１１ｂに図示しない接合材、例えばはんだによって固定されている。本実施例では、半導体チップ１２はおもて面と裏面のそれぞれに電極が配置された縦型の半導体チップであり、裏面の電極が回路板１１ｂに電気的かつ機械的に接続されている。もっとも、半導体チップ１２は縦型のものに限られず、半導体チップ１２のおもて面に複数種類の電極が配置された横型の半導体チップであってもよい。

半導体チップ１２は、例えばパワーＭＯＳＦＥＴやダイオード、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）である。半導体チップ１２は、シリコン半導体よりなるものでもよいし、炭化ケイ素（ＳｉＣ）半導体よりなるものでもよい。半導体チップ１２がＩＧＢＴの場合では、裏面の電極はコレクタ電極であり、おもて面の電極はエミッタ電極及びゲート電極である。半導体チップ１２がパワーＭＯＳＦＥＴである場合は、裏面の電極はドレイン電極であり、おもて面の電極はソース電極及びゲート電極である。ＳｉＣからなる半導体チップ（例えばＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ）は、シリコンからなる半導体チップに比べて高耐圧で、かつ高周波でのスイッチングが可能である。半導体チップ１２は、ＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴに限定されず、スイッチングの動作が可能な半導体チップの一個又は複数個の組み合わせであればよい。さらに、半導体チップ１２は、ＦＷＤ（還流ダイオード）やＳＢＤ（ショットキーバリアダイオード）などのダイオードチップであっても良い。

プリント基板１４は、半導体チップ１２のおもて面電極及び絶縁基板１１の回路板１１ｂに対向して設けられている。プリント基板１４は、絶縁層１４ａと、半導体装置の電気回路に対応して選択的に形成された金属層１４ｂとを備えている。半導体チップ１２がスイッチング素子である場合に、そのおもて面に配置されたゲート電極およびソース電極への配線に対応するため、複数層の金属層１４ｂを有する構成が好ましい。プリント基板１４の金属層１４ｂは、導電性のよい金属、例えば銅よりなる。また、プリント基板１４の金属層１４ｂは、必要に応じてめっきを表面に施すことができる。プリント基板１４の絶縁層１４ａは、ガラスエポキシ材などからなるリジッド基板でもよく、また、絶縁層１４ａがポリイミド材などからなるフレキシブル基板でよく、更に、絶縁層１４ａがセラミックスからなる基板でもよい。

導電ポスト１５は、その一端が半導体チップ１２のおもて面電極又は絶縁基板１１の回路板１１ｂに、はんだにより電気的かつ機械的に接続されている。そして、他端がプリント基板１４の金属層１４ｂとはんだやロウ付け、又はカシメにより電気的かつ機械的に接続されている。導電ポスト１５は、円柱形状、直方体形状等の形状とすることができるが特に限定されない。導電ポスト１５の底面は、半導体チップ１２のおもて面の電極より小さい大きさである。更に、一つの半導体チップ１２に対する導電ポスト１５の設置数は任意であり、一つのおもて面電極に複数個の導電ポスト１５を接合することも可能である。導電ポスト１５は、導電性のよい金属、例えば銅よりなる。また、導電ポスト１５は、必要に応じてめっきを表面に施すことができる。
導電ポスト１５の側面には、溝が形成されている。この溝は、本実施形態の特徴部分であるので、図２を用いて後で詳述する。

プリント基板１４と導電ポスト１５とにより構成されている配線部材１３を用いて、例えば半導体チップ１２のおもて面電極と、回路板１１ｂとが電気的に接続されている。これにより、半導体チップ１２の発熱の繰り返しによる熱サイクルに対する信頼性が高いパワー半導体モジュール１０とすることができる。また、ボンディングワイヤを用いた場合に比べてパワー半導体モジュール１０を薄型化できる。また、ボンディングワイヤに比べて、導電ポスト１５はおもて面の電極の面積が小さくても確実に接続できる。また、リードに比べて半導体チップ１２に加わる応力が小さいので信頼性が高く、はんだなどの接合材の厚さを薄くできるので電気伝導、熱伝導に有利である。

プリント基板１４と導電ポスト１５とは、パワー半導体モジュール１０の組み立てに当たって、あらかじめ一体化して配線部材１３とすることができる。あらかじめ一体化した配線部材１３を用いることにより、ボンディングワイヤに比べてパワー半導体モジュール１０の製造工程を簡素化することができる。

絶縁基板１１の回路板１１ｂに、外部端子１６の一端が電気的かつ機械的に接続されている。外部端子１６は、金属板よりなるリードなどを適用することができる。回路板１１ｂと外部端子１６との接続は、はんだ等の接合材（図示せず）や超音波接合などを用いることができる。

パワー半導体モジュール１０の各部材である絶縁基板１１、半導体チップ１２、配線部材１３、及び外部端子１６は、絶縁性の熱硬化性樹脂よりなる封止材１７により封止されている。なお、絶縁基板１１の金属板１１ｃの底面、および外部端子１６の他端は、封止材１７から外部に露出している。熱硬化性樹脂よりなる封止材は、ゲルよりなる封止材よりも耐熱性、耐圧性が高いので、封止材１７に用いるのに好ましい。封止材１７は、具体的には、エポキシ樹脂を用いることができる。また、放熱性を高めるために、樹脂中に熱伝導性の高い材料のフィラーを添加した封止材も好ましい。フィラーは、例えば、アルミナや窒化ボロン等が適用できる。

封止材１７のモールド成形により、パワー半導体モジュール１０の外形が形成される。本実施形態では、封止材１７によりパワー半導体モジュール１０の筐体が構成されていて、別途にケースを備えていない。モールド成形は、トランスファーモールド法を用いることができるが、トランスファーモールド法に限られない。例えば樹脂のポッティングにより成形することもできる。また、パワー半導体モジュール１０は、別途ケースを備える構成とすることもできる。

図２に、半導体チップ１２と配線部材１３近傍の模式的な拡大図を示す。導電ポスト１５が半導体チップ１２の電極に、はんだ１８で接合されている。はんだ１８は導電ポスト１５の一端側の底面および側面に接して、フィレットが形成されている。
導電ポスト１５の側面には、はんだ１８と接する側面からプリント基板１４に接する側面にわたって延びる溝１５ａが形成されている。

半導体チップ１２と導電ポスト１５との接合工程は以下の通りである。まず、半導体チップ１２上にペースト状のはんだを塗布する。次に、塗布したはんだ上に導電ポスト１５の一端を載置又は近接させる。次に塗布したはんだを加熱し、はんだを溶融させる。このはんだの溶融時に、毛細管現象によって、溶融したはんだが溝１５ａに沿って導電ポスト１５の側面の上方に吸い上げられる。したがって、本実施形態においては、半導体チップに接するフィレットの広がりを抑制することができる。よって隣接する導電ポスト１５のフィレット同士の接触を抑制することができる。また、本実施形態においては、溝１５ａにより導電ポスト１５とはんだ１８との接触面積が増大するので、接合強度を増大させ、信頼性を向上させることができる。

図２に示した導電ポスト１５の平面図及び斜視図を図３（ａ）に示す。比較のために溝を有しない導電ポスト１１５を図３（ｂ）に示す。導電ポスト１５は、円筒形の外形の側面の４か所に、等間隔で直線状の溝１５ａが、一端から他端にわたって設けられた例である。溝１５ａの幅、深さは、はんだのフィレットが毛細管現象により吸い上げられることが可能な寸法である。溝加工は例えばプレス加工により行うことができる。導電ポスト１５の外径は、半導体チップ１２に接続する一端からプリント基板１４に接続する他端にわたって一定であることが、製造コストを抑制できるので好ましい。

本実施形態に係る導電ポスト１５は図３（ａ）に示されたものに限られない。導電ポスト１５の変形例を図４及び図５に示す。
図４（ａ）に示す導電ポスト１５Ａは、側面に７本の溝１５ａが設けられている例である。導電ポスト１５Ａから理解できるように、溝１５ａの数は特に限定されない。少なくとも１本あればよい。
図４（ｂ）に示す導電ポスト１５Ｂは角柱の外形に４本の溝１５ａが設けられて概略十字形の断面形状を有している例である。１５Ｂから理解されるように導電ポストの形状は円柱形状に限られず角柱形状であってもよい。
図４（ｃ）に示す導電ポスト１５Ｃは溝１５ａの幅が、導電ポストの軸線方向に沿って異なり、はんだ１８と接する側が広く、プリント基板１４と接する側が狭い例である。はんだ１８と接する側面の溝１５ａの幅が広いことにより、溝１５ａ内に溶融したはんだを容易に導くことができる。さらに、プリント基板に近づくにつれて溝１５ａの幅が細くすることにより、溝１５ａの毛細管現象の効果が生じ易くなる。これらの効果により、フィレットの広がりを効果的に抑制することができる。
図４（ｄ）に示す導電ポスト１５Ｄは、角柱の外形に横断面で円弧形状になる４本の溝が設けられている例である。導電ポスト１５Ｄから理解されるように溝１５ａの形状は、横断面で多角形に限られず円弧形状であってもよい。
図４（ｅ）に示す導電ポスト１５Ｅは、円柱の外形に側面の全周にわたって多数の溝１５ａが設けられている例である。

図５（ａ）に示す導電ポスト１５Ｆは、溝１５ａが、らせん状に設けられている例である。換言すれば、導電ポスト１５Ｆの軸線方向と平行な方向に対して溝１５ａを傾斜させている例である。溝１５ａの傾斜角度、すなわち、導電ポスト１５Ｆの軸線方向と平行な方向に対する角度は、毛細管現象によりはんだを吸い上げる観点から４５°以内であることが好ましい。導電ポスト１５Ｆから理解されるように、溝の延伸方向は、軸線方向に平行な方向、換言すれば導電ポストの一端から他端に延びる直線の方向に限られず、軸線方向に平行な方向から傾斜していてもよい。
図５（ｂ）に示す導電ポスト１５Ｇは、溝１５ａが、傾斜角度が異なる複数の溝からなる例である。導電ポスト１５Ｇから理解されるように、傾斜角度が異なる複数の溝を設けることができる。
図５（ｃ）示す導電ポスト１５Ｈは、溝１５ａが、導電ポストの軸線方向と平行な方向に対して傾斜し、かつ、溝１５ａの幅が、はんだ１８と接する側が広く、プリント基板と接する側が狭い例である。導電ポスト１５Ｈから理解されるように、らせん状の溝であっても、プリント基板に近づくにつれて溝１５ａの幅が次第に細くなるような構成にすることができる。

（実施形態２）
次に、実施形態２のパワー半導体モジュールを説明する。図６は、半導体チップ１２と配線部材１３近傍の模式的な拡大図であり、先に説明した実施形態１の図２に対応している。図６において、図２と同一部材については、同一の符号を付している。したがって、各部材についての重複する説明は省略する。

図６においては、半導体チップ１２のおもて面の隣接する導電ポスト１５の間に、はんだレジスト１９が設けられている。そして、はんだレジスト１９により、はんだ１８がより効率的に吸い上げられ、はんだ１８がプリント基板１４と導電ポスト１５との接合部まで達している。

本実施形態は、はんだレジスト１９が設けられることにより、溝１５ａと相まって、隣接する導電ポスト１５のフィレット同士の接触を一層抑制することができる。
なお、図２及び図６では導電ポスト１５が、プリント基板１４から先に突出していないが、導電ポスト１５は、プリント基板１４から先に突出していてもよい。

以上、本発明のパワー半導体モジュールを図面及び実施形態を用いて具体的に説明したが、本発明のパワー半導体モジュールは、実施形態及び図面の記載に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で幾多の変形が可能である。

１０ パワー半導体モジュール
１１ 絶縁基板
１１ａ 絶縁板
１１ｂ 回路板
１１ｃ 金属板
１２ 半導体チップ
１３ 配線部材
１４ プリント基板
１４ａ 絶縁層
１４ｂ 金属層
１５ 導電ポスト
１５ａ 溝
１６ 外部端子
１７ 封止材
１８ はんだ
１９ はんだレジスト

Claims (5)

1. 絶縁板と回路板を有する絶縁基板と、
   おもて面に電極を有し、裏面が該回路板に固定された半導体チップと、
   該半導体チップのおもて面及び該回路板に対向するプリント基板と、
   一端が該半導体チップの該電極又は該回路板にはんだにより接続され、他端が該プリント基板に接続され、該はんだに接する側面から該プリント基板に接する側面にわたって延びる溝を有する導電ポストと、
   を備え、
   前記溝が、傾斜角度が異なる複数の溝からなる半導体装置。
2. 前記導電ポストの一端が、前記半導体チップの前記電極に前記はんだにより接続されている請求項１記載の半導体装置。
3. 前記溝の延伸方向が、前記導電ポストの軸線方向と平行な方向に対して４５°以内である請求項１記載の半導体装置。
4. 前記導電ポストの外径は、半導体チップに接続する一端からプリント基板に接続する他端にわたって一定である請求項１記載の半導体装置。
5. 前記半導体チップのおもて面の隣接する導電ポストの間に、はんだレジストが備えられている請求項２記載の半導体装置。

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