JP2009170703A

JP2009170703A - 半導体モジュール

Info

Publication number: JP2009170703A
Application number: JP2008007951A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Kikuchi; 義行菊地
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 2008-01-17
Filing date: 2008-01-17
Publication date: 2009-07-30

Abstract

【課題】熱疲労寿命を向上させることができる半導体モジュールを提供する。
【解決手段】矩形板形状の半導体素子３と基板体２を接合手段により接合した半導体モジュール１において、半導体素子３と基板体２の接合を行う接合手段は、材質をはんだとし、矩形板形状の半導体素子３の中央部を基板体２と接合するはんだ４と、材質を導電性のある接着剤とし、矩形板形状の半導体素子３の四隅を基板体２と接合する導電性接着剤５を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子と基板をはんだで接合する半導体モジュールの技術分野に属する。

従来では、両面放熱型の半導体装置において、金属板と半導体素子との間にブロック体を介在させ、ブロック体とはんだ付けを行う金属板ではんだが設置される領域の外周に環状の溝を設け、溝の内側に濡れ性が大きい部材を設けて、溝内のはんだがブロック体の端面を濡れ広がるのを抑制している（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００７−１０３９０９号公報（第２−１３頁、全図）

しかしながら、従来にあっては、冷熱サイクルに対する対策が充分なものではなかった。

本発明は、上記問題点に着目してなされたもので、その目的とするところは、冷熱サイクルに対する耐性を向上し、熱疲労寿命を向上させることができる半導体モジュールを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明では、矩形板形状の半導体素子と基板体を接合手段により接合した半導体モジュールにおいて、前記接合手段は、材質をはんだとし、矩形板形状の前記半導体素子の中央部を前記基板体と接合するはんだ部と、材質を導電性のある接着剤とし、矩形板形状の前記半導体素子の四隅を前記基板体と接合する導電性接着部と、を備えた、ことを特徴とする。

よって、本発明にあっては、半導体モジュールの熱疲労寿命を向上させることができる。

以下、本発明の半導体モジュールを実現する実施の形態を、請求項１，２，３に係る発明に対応する実施例１と、請求項１に係る発明に対応する実施例２に基づいて説明する。

まず、構成を説明する。
図１は実施例１の半導体モジュールの平面図である。図２は図１のＡ−Ａ断面図である。
実施例１の半導体モジュール１は、基板体２に半導体素子３をはんだ４及び導電性接着剤５で接合したものである。
基板体２は、いわゆるリードフレーム材料の金属部材であり、半導体素子３をはんだ付け及び導電性接着剤５により固定する面を上面とする。

半導体素子３は、所定の矩形板状にダイシングされたもので、例としてＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）を挙げておく。なお、半導体素子３は、下面の全面と上面の複数の所定位置を電極とする。
はんだ４は、はんだ付けによって基板体２に半導体素子３を固定するとともに、基板体２と半導体素子３を電気的に接続する。これにより基板体２は端子としての機能を備えることになる。また、はんだ４は、矩形板状の半導体素子３の矩形に相似で、小さい矩形形状をはんだ付け領域とする。

導電性接着剤５は、例えば特開平７−２３１０５０に示すようなものであり、電気的接続を導電性により充分に確保して接着を行うものである。例として可撓性のあるポリマー性樹脂と導電物を含む接着剤を挙げておく。
この導電性接着剤５は、半導体素子３の下面と基板体２の上面を接着させるように配置するとともに、はんだ４の周囲をロ字状（矩形で環状）に囲む形状にする。
つまり、半導体素子３の中央部とははんだ４が重なるようにし、半導体素子３の周縁部とは導電性接着剤５が重なるようにする。
さらに言い換えて説明すると、半導体素子３の四隅は導電性接着剤５により基板体２と接着され、且つ四隅を含む四辺が導電性接着剤５により基板体２と接着される構造である。

作用を説明する。
[ダイボンディングを良好にする作用]
実施例１の半導体モジュール１は、半導体素子３を矩形にダイシングした後に、基板体２に載置し、その後にダイボンディングした状態のものである。そのため、実施例１の半導体モジュール１に、その後、ワイヤボンディング等を行うものとする。なお、樹脂モールドするパッケージングは、行うものでも、行わないものであってもよい。

実施例１の半導体モジュール１では、例えば、はんだ４と導電性接着剤５をあらかじめ半導体素子３と基板体２の間に配置し、その後に熱で溶融させて、半導体素子３と基板体２を接合する場合、ロ字状に囲んだ導電性接着剤５により、はんだ４の不要な広がりは防止される。これにより、ダイボンディングが良好に行える。
そして、半導体素子３と基板体２との電気的接続は、はんだ４及び導電性接着剤５により良好に接続される。

[冷熱サイクルの耐性向上作用]
図３は実施例１の半導体モジュールの冷熱サイクルの状態の説明図である。
半導体モジュール１は、製品等に組み込まれて使用されるため、機器全体の起動から停止まで、比較的緩やかな熱環境変化において、不具合なく正常作動することを求められる。
このような環境温度変化は、比較的緩やかな熱変化であるため、冷熱サイクルと呼ばれる高温と低温を繰り返すモードが設定され、試験等が行われる。

この冷熱サイクルでは、装置全体がほぼ均一に温度変化すると仮定でき、その場合の応力は、それぞれの部品の線膨張係数に依存する。半導体モジュールでは、シリコンの線膨張係数が、他の材料よりも小さいため半導体素子３に対して基板体２やアルミワイヤの伸縮が大きくなるため、持続的に大きなストレスが掛かる。

実施例１のような矩形の半導体素子３を基板体２にはんだ４及び導電性接着剤５で接合する構造の場合、辺の長さが最大になる対角線の応力が最大となる。つまり、四隅部分から疲労破壊による亀裂（クラック）が生じやすくなる。これに対して、実施例１では、矩形の板状の半導体素子３の四隅の下方には、導電性接着剤５が位置する。導電性接着剤５は、例えばポリマー性樹脂であり、弾性を有するため、応力が吸収される。そのため、対角線方向に対して、許容応力が大きくなる。よって、はんだ４の四隅に亀裂（クラック）が入ることを非常に抑制する。

半導体素子３の四隅に導電性接着剤５がない場合には、対角線の応力が最大となるため、初めにはんだ４の四隅に亀裂（クラック）が入ってしまう。
そのため、実施例１の半導体モジュール１は、冷熱サイクルの耐性が向上する。よって、熱疲労寿命が延びることになる。
なお、図３には、この対角線方向を符号１００で示す。

[パワーサイクルの耐性向上作用]
図４は実施例１の半導体モジュール１のパワーサイクルの状態の説明図である。
パワーサイクルでは、モジュール全体の温度は少ないが、図４に示すように、ワイヤ接合部２００での温度変化が頻繁に生じる動作を想定したものである。ワイヤボンディング等が後に行われる半導体モジュール１にあっては、重要な性能となる。

このパワーサイクルでは、半導体素子３の自身の動作による発熱が主であり、電流の経路と導体抵抗により熱分布が求められる。なお、厳密には、半導体内部のＰＮジャンクションの損失も含められる。従って、ワイヤボンディング等が後に行われる半導体モジュール１にあっては、ワイヤボンドの付け根付近を中心に過渡熱が分布し、はんだ４にかかる応力は、中心部が最大、つまり四隅の中心付近が大きくなる。

これに対して実施例１では、半導体素子３の中央部の下方には、熱伝導率の高いはんだ４を用いるようにする。また、はんだ４は導電率が高いため、中央部に集中する電流を許容する。
なお、パワーサイクルにおいては、ワイヤ接合部２００の配置、数等との関係から、半導体素子上面の周縁部の応力が大きくなることがある。実施例１では、この応力をロ字状の導電性接着剤５が樹脂の弾性で吸収するため、許容応力が大きくなる。
そのため、はんだ４のワイヤ接合部２００で最も大きく応力を受けるパワーサイクルに対しての耐性が向上し、熱疲労寿命が延びることになる。

次に、効果を説明する。
実施例１の半導体モジュールにあっては、下記に列挙する効果を得ることができる。

(1)矩形板形状の半導体素子３と基板体２を接合手段により接合した半導体モジュール１において、接合手段は、材質をはんだとし、矩形板形状の半導体素子３の中央部を基板体２と接合するはんだ４と、材質を導電性のある接着剤とし、矩形板形状の半導体素子３の四隅を基板体２と接合する導電性接着剤５を備えたため、冷熱サイクルの耐性を向上でき、熱疲労寿命を向上させることができる。

(2)上記(1)において、導電性接着剤５は、矩形板形状の半導体素子３の周縁部を基板体２と接合したため、半導体素子３の周縁部に応力が集中する場合のパワーサイクルに対する耐性を向上でき、さらに熱疲労寿命を向上させることができる。

実施例２は、半導体素子の四隅と基板体を導電性接着剤で接合した例である。
構成を説明する。
図５は実施例２の半導体モジュールの平面図である。図６は図５のＢ−Ｂ断面図である。図７は図５のＣ−Ｃ断面図である。
実施例２の半導体モジュール１では、半導体素子３の矩形板状の四隅の四箇所に、導電性接着剤５１〜５４を配置し、基板体２と接合する。そして、半導体素子３の中央部及び導電性接着剤５１〜５４の間では、はんだ４により基板体２と接合させる。
その他構成は実施例１と同様であるので説明を省略する。

作用を説明する。
[冷熱サイクルの耐性向上作用]
実施例２では、半導体素子３の四隅に導電性接着剤５１〜５４を配置している。そのため、対角線上で最大となる冷熱サイクル時の応力を緩和し、冷熱サイクルの耐性を向上する。

また、実施例２では、導電性接着剤５１〜５４を半導体素子３の四隅のみとすることにより、高度に冷熱サイクルに対する耐性とパワーサイクル等の他の要求を両立させる。冷熱サイクルで、もしはんだ４のみである場合に、応力を最大に受けて亀裂（クラック）を生じる半導体素子３の四隅部分のみを、導電性接着剤５１〜５４とし、他の部分は、はんだ４とすることにより熱伝導性、導電性等のはんだ４の有利性を維持するからである。

効果を説明する。
実施例２の半導体モジュールにあっては、以下の効果を有する。
(1)´矩形板形状の半導体素子３と基板体２を接合手段により接合した半導体モジュール１において、接合手段は、材質をはんだとし、矩形板形状の半導体素子３の中央部を基板体２と接合するはんだ４と、材質を導電性のある接着剤とし、矩形板形状の半導体素子３の四隅を基板体２と接合する導電性接着剤５を備えたため、冷熱サイクルの耐性を向上でき、熱疲労寿命を向上させることができる。

以上、本発明の半導体モジュールを実施例１、実施例２に基づき説明してきたが、具体的な構成については、これらの実施例に限られるものではなく、特許請求の範囲の各請求項に係る発明の要旨を逸脱しない限り、設計の変更や追加等は許容される。

例えば、実施例１では、導電性接着剤５は、ロ字状とし、切れ目のない環状としたが、切れ目を設けるようにして、内部のはんだ４を密封しすぎないようにしてもよい。これにより気体の混入を防止する。溶融はんだの偏在による応力集中の逃がしを行うようにしてもよい。

また例えば、導電性接着剤５とはんだ４の配置形状は、さらにワイヤ接合箇所を考慮するのが望ましい。

実施例１の半導体モジュールの平面図である。図１のＡ−Ａ断面図である。実施例１の半導体モジュールの冷熱サイクルの状態の説明図である。実施例１の半導体モジュール１のパワーサイクルの状態の説明図である。実施例２の半導体モジュールの平面図である。図５のＢ−Ｂ断面図である。図５のＣ−Ｃ断面図である。

符号の説明

１半導体モジュール
２基板体
３半導体素子
４はんだ
５導電性接着剤
１００（対角線方向を示す）矢印
２００ワイヤ接合部

Claims

矩形板形状の半導体素子と基板体を接合手段により接合した半導体モジュールにおいて、
前記接合手段は、
材質をはんだとし、矩形板形状の前記半導体素子の中央部を前記基板体と接合するはんだ部と、
材質を導電性のある接着剤とし、矩形板形状の前記半導体素子の四隅を前記基板体と接合する導電性接着部と、
を備えた、
ことを特徴とする半導体モジュール。
請求項１に記載の半導体モジュールにおいて、
前記導電性接着部は、
矩形板形状の前記半導体素子の周縁部を前記基板体と接合した、
ことを特徴とする半導体モジュール。