JP6011410B2 - 半導体装置用接合体、パワーモジュール用基板及びパワーモジュール - Google Patents
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Description
本発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられる半導体装置用接合体、パワーモジュール用基板及びパワーモジュールに関する。
パワーモジュールに用いられる絶縁基板は、一般に絶縁体であるセラミックスや樹脂の両面に金属層がメタライズされる。メタライズされた金属層の一方の面ははんだ等で半導体素子が接合される回路面を構成し、他方の面は、半導体素子の発熱を放熱する放熱面を構成し、この放熱面は、ろう付けやはんだ付け、またはグリスを介して冷却器と接続される。
半導体素子と回路用金属層を接合するはんだの接合信頼性は、回路用金属層の硬さ（変形抵抗）と相関があり、回路用金属層として一般的に用いられる銅とアルミニウムを比較した場合、変形抵抗の大きい銅の方が信頼性は優れる。また、はんだとの濡れ性についても銅の方がアルミニウムよりも優れており、回路用金属層としてアルミニウムを用いる場合は、はんだとの濡れ性向上のために表面にＮｉめっきが必要となる。回路用金属層として銅を用いた場合、銅とはんだは濡れ性が良好なため、Ｎｉめっきは不要となりコスト低減となる。以上のことから、絶縁基板の半導体素子実装面の回路用金属層は銅が望ましい。
半導体素子と回路用金属層を接合するはんだの接合信頼性は、回路用金属層の硬さ（変形抵抗）と相関があり、回路用金属層として一般的に用いられる銅とアルミニウムを比較した場合、変形抵抗の大きい銅の方が信頼性は優れる。また、はんだとの濡れ性についても銅の方がアルミニウムよりも優れており、回路用金属層としてアルミニウムを用いる場合は、はんだとの濡れ性向上のために表面にＮｉめっきが必要となる。回路用金属層として銅を用いた場合、銅とはんだは濡れ性が良好なため、Ｎｉめっきは不要となりコスト低減となる。以上のことから、絶縁基板の半導体素子実装面の回路用金属層は銅が望ましい。
一方で、半導体素子をはんだ付けした後にこれらを熱硬化性樹脂により封止する構造の場合、半導体素子とリードフレームを電気的に接続するワイヤボンドを行った後に、樹脂封止されるが、銅はアルミニウムよりも樹脂との密着強度が劣り、封止樹脂と銅間に剥離が生じることがあった。特に、湿度の高い環境等で使用した場合、剥離による耐湿性の低下によって、電流リークやワイヤの腐食による信頼性低下や、樹脂により変形を抑制されていたワイヤボンディングと半導体素子の接続部が変形しやすくなり断線に至る等の課題が生じていた。
リードフレームと封止樹脂との密着性を向上させるため、以下の特許文献が知られている。
特許文献１では、チップマウント部の半導体素子搭載部の周辺に溝を設けておき、その溝を覆うように樹脂封止することにより、チップマウント部と封止樹脂との密着性を向上させている。
特許文献２では、リードフレームの両面にはニッケルめっきを施し、側面に露出する銅を酸化させて酸化膜を形成しておき、その側面も覆うように樹脂封止することにより密着性を向上させている。
特許文献１では、チップマウント部の半導体素子搭載部の周辺に溝を設けておき、その溝を覆うように樹脂封止することにより、チップマウント部と封止樹脂との密着性を向上させている。
特許文献２では、リードフレームの両面にはニッケルめっきを施し、側面に露出する銅を酸化させて酸化膜を形成しておき、その側面も覆うように樹脂封止することにより密着性を向上させている。
特許文献１の場合、密着性は溝により形成される凹凸の面積に応じて増加すると考えられるが、その効果は面積に比例するため、例えば密着性を２倍や３倍大きくしようとするには、非常に大きな面積増加が必要となる。
また、特許文献２の場合では、リードフレーム側面の銅を酸化させることで密着強度を向上させているものの、側面以外の密着強度を向上させることはできていない。
さらに、半導体素子をはんだで実装する場合、治具などにより素子の位置ズレを抑制することが必要であるが、リフロー炉などではんだを溶融させた状態で搬送させる際には、はんだの挙動を制御できず、半導体素子の位置ズレや傾きなどを生じるおそれがある。
また、特許文献２の場合では、リードフレーム側面の銅を酸化させることで密着強度を向上させているものの、側面以外の密着強度を向上させることはできていない。
さらに、半導体素子をはんだで実装する場合、治具などにより素子の位置ズレを抑制することが必要であるが、リフロー炉などではんだを溶融させた状態で搬送させる際には、はんだの挙動を制御できず、半導体素子の位置ズレや傾きなどを生じるおそれがある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、樹脂モールドされるパワーモジュールに使用する絶縁基板の素子実装面とモールド樹脂との密着性を向上させるとともに、半導体素子の位置ズレや傾きなどの発生を抑制することを目的とする。
本発明の半導体装置用接合体は、最表面が銅により構成された回路用金属層とセラミックス基板とを接合してなり、前記最表面に半導体素子がはんだ層を介して接合される半導体装置用接合体であって、前記回路用金属層の表面における前記半導体素子の接合予定領域及びフィレット形成領域を避けて、前記半導体素子の面方向の最大辺長さの１／４以上の幅で前記接合予定領域を囲むようにアルミニウム層を被覆したことを特徴とする。
アルミニウムは銅より樹脂密着性が高いので、銅からなる素子実装面における接合予定領域及びフィレット形成領域を避けてアルミニウム層を被覆したことにより、銅によるはんだ信頼性と、アルミニウム層による樹脂密着性とを両立させることができる。
一方、銅ははんだとの濡れ性が優れるのに対して、アルミニウムははんだとの濡れ性が悪いので、接合予定領域及びフィレット形成領域を囲むようにアルミニウム層が形成されていることにより、アルミニウム層の内周縁を越えるはんだの濡れ広がりを抑制することができる。
一方、銅ははんだとの濡れ性が優れるのに対して、アルミニウムははんだとの濡れ性が悪いので、接合予定領域及びフィレット形成領域を囲むようにアルミニウム層が形成されていることにより、アルミニウム層の内周縁を越えるはんだの濡れ広がりを抑制することができる。
本発明のパワーモジュール用基板は、前記半導体装置用接合体における前記回路用金属層とは反対面にアルミニウムからなる放熱用金属層が接合されたことを特徴とする。
また、本発明のパワーモジュールは、前記パワーモジュール基板の前記回路用金属層の最表面にはんだ層を介して半導体素子を接合したことを特徴とする。
また、本発明のパワーモジュールは、前記パワーモジュール基板の前記回路用金属層の最表面にはんだ層を介して半導体素子を接合したことを特徴とする。
本発明によれば、樹脂との密着性はアルミニウム層が担い、はんだの接合信頼性は銅からなる金属層の最表面が担うため、接合信頼性を損なうことなく樹脂密着性を向上することができる。また、はんだ溶融時にはんだ外周部がアルミニウム層に濡れないため、溶融時の半導体素子の挙動が一定範囲内に抑制され、はんだ付け時の半導体素子の位置ズレや傾きの発生を抑制することができる。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の半導体装置の一実施形態であるパワーモジュールを示す。このパワーモジュール１は、パワーモジュール用基板２にはんだ付けされた半導体素子３、半導体素子３とリードフレーム４あるいはパワーモジュール用基板２とリードフレーム４とを接続する金属製のボンディングワイヤまたはリボンボンディング等の接続配線５、パワーモジュール用基板２の一部を露出させた状態で全体を封止する封止樹脂６を備えている。符号７は半導体素子３をパワーモジュール用基板２に接合するはんだ層を示す。
図１は、本発明の半導体装置の一実施形態であるパワーモジュールを示す。このパワーモジュール１は、パワーモジュール用基板２にはんだ付けされた半導体素子３、半導体素子３とリードフレーム４あるいはパワーモジュール用基板２とリードフレーム４とを接続する金属製のボンディングワイヤまたはリボンボンディング等の接続配線５、パワーモジュール用基板２の一部を露出させた状態で全体を封止する封止樹脂６を備えている。符号７は半導体素子３をパワーモジュール用基板２に接合するはんだ層を示す。
パワーモジュール用基板２は、図２に示すように、絶縁性の高いセラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面に配設された回路用金属層１２と、セラミックス基板１１の他方の面に配設された放熱用金属層１３と、回路用金属層１２の表面の一部形成されたアルミニウム層１４とを備える。
回路用金属層１２は、銅又は銅合金（本発明ではこれらを総称して銅と称す）によって構成される。例えば、回路用金属層１２として、無酸素銅の圧延板（純度９９．９９％以上）からなる銅板がセラミックス基板１１に接合されることにより形成される。また、回路用金属層１２の厚さは、０．２ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲内で設定することができ、本実施形態では０．３ｍｍの厚さに設定される。
放熱用金属層１３は、アルミニウム又はその合金、もしくは銅又はその合金によって構成することができる。例えば、純度が９９．９％以上の純アルミニウム圧延材がセラミックス基板１１に接合されることにより形成される。また、放熱用金属板の厚さは、０．２ｍｍ〜３ｍｍの範囲内で設定することができ、本実施形態では０．５ｍｍの厚さに設定される。
回路用金属層１２は、銅又は銅合金（本発明ではこれらを総称して銅と称す）によって構成される。例えば、回路用金属層１２として、無酸素銅の圧延板（純度９９．９９％以上）からなる銅板がセラミックス基板１１に接合されることにより形成される。また、回路用金属層１２の厚さは、０．２ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲内で設定することができ、本実施形態では０．３ｍｍの厚さに設定される。
放熱用金属層１３は、アルミニウム又はその合金、もしくは銅又はその合金によって構成することができる。例えば、純度が９９．９％以上の純アルミニウム圧延材がセラミックス基板１１に接合されることにより形成される。また、放熱用金属板の厚さは、０．２ｍｍ〜３ｍｍの範囲内で設定することができ、本実施形態では０．５ｍｍの厚さに設定される。
セラミックス基板１１の各面に回路用金属層１２、放熱用金属層１３を接合する手段は特に限定されるものではないが、本実施形態ではろう付け法によって接合する。
これら金属層１２，１３をセラミックス基板１１にろう付け法により接合する場合、まず回路用金属層１２とセラミックス基板１１とをＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系のろう材を介して積層し、これらを例えば接合温度８５０℃程度に加熱することで接合する。その後、放熱用金属層１３とセラミックス基板１１とをＡｌ−Ｓｉ系のろう材を介して積層し、これらを例えば６４０℃程度に加熱することで接合すると、パワーモジュール用基板が形成される。
これら金属層１２，１３をセラミックス基板１１にろう付け法により接合する場合、まず回路用金属層１２とセラミックス基板１１とをＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系のろう材を介して積層し、これらを例えば接合温度８５０℃程度に加熱することで接合する。その後、放熱用金属層１３とセラミックス基板１１とをＡｌ−Ｓｉ系のろう材を介して積層し、これらを例えば６４０℃程度に加熱することで接合すると、パワーモジュール用基板が形成される。
回路用金属層１２の表面に形成されるアルミニウム層１４には、純アルミニウムが好適である。回路用金属層１２とアルミニウム層１４とを接合する手段は特に限定されるものではないが、ろう付け、スパッタ、蒸着又は固相拡散接合等により実施される。本実施形態では固相拡散接合法を用い、接合温度は５３０℃とした。
図３及び図４に示すように、本実施形態におけるアルミニウム層１４は、半導体素子３がはんだ付けされる予定の接合予定領域（半導体素子３の平面形状と同じ形状）Ｓ及びフィレット形成領域Ａを露出させるように開口部１５が設けられた構成とされる。なお、その開口部１５内には銅の表面が配置されている。
開口部１５が接合予定領域Ｓを露出するように設けられているので、半導体素子３と回路用金属層１２とが確実にはんだ付けされる。また、開口部１５内に、前記フィレット形成領域Ａが設けられているので、はんだ溶融時の表面張力に伴う半導体素子３のセルフアライメント機能を持たせることができる。
フィレット形成領域Ａの幅Ｃは、溶融前のはんだ層７ａの厚さをｔとした場合、ｔ以上２×ｔ以下が望ましい。この幅Ｃが溶融前のはんだ層７ａの厚さｔの１倍未満の場合、はんだ層のフィレット部Ｆが形成されず、接合信頼性が低下する。また、前記幅Ｃが溶融前のはんだ層７ａの厚さｔの２倍を超える場合、前述したセルフアライメント性及び封止樹脂の密着性が損なわれる。
本実施形態では、図４に示すように、前記幅Ｃは溶融前のはんだ層７ａの厚さｔと同じ２００μｍとした。なお、前記フィレット形成領域Ａは接合予定領域Ｓを取り囲む形状とされている。
また、アルミニウム層１４の厚さは５０μｍ以上１ｍｍ以下の範囲内で設定することができ、本実施形態では、１５０μｍに設定される。
開口部１５が接合予定領域Ｓを露出するように設けられているので、半導体素子３と回路用金属層１２とが確実にはんだ付けされる。また、開口部１５内に、前記フィレット形成領域Ａが設けられているので、はんだ溶融時の表面張力に伴う半導体素子３のセルフアライメント機能を持たせることができる。
フィレット形成領域Ａの幅Ｃは、溶融前のはんだ層７ａの厚さをｔとした場合、ｔ以上２×ｔ以下が望ましい。この幅Ｃが溶融前のはんだ層７ａの厚さｔの１倍未満の場合、はんだ層のフィレット部Ｆが形成されず、接合信頼性が低下する。また、前記幅Ｃが溶融前のはんだ層７ａの厚さｔの２倍を超える場合、前述したセルフアライメント性及び封止樹脂の密着性が損なわれる。
本実施形態では、図４に示すように、前記幅Ｃは溶融前のはんだ層７ａの厚さｔと同じ２００μｍとした。なお、前記フィレット形成領域Ａは接合予定領域Ｓを取り囲む形状とされている。
また、アルミニウム層１４の厚さは５０μｍ以上１ｍｍ以下の範囲内で設定することができ、本実施形態では、１５０μｍに設定される。
また、図４に示すように、本実施形態ではアルミニウム層１４の幅（アルミニウム層１４の開口部１５の内周縁からの幅）Ｗは、半導体素子３の平面形状（接合予定領域Ｓ）における長辺の長さ（図４では半導体素子３の平面形状が正方形としているが、長方形の場合には長い方の寸法）をＬとしたときに、Ｌ×１／４以上とされている。
アルミニウム層１４の幅ＷがＬ×１／４未満であると、クラックの進展が半導体素子３まで至るおそれがあり、半導体素子３と接続配線５との接続の信頼性を低下させる。
また、封止樹脂６との密着性をより向上させるためには、アルミニウム層１４はフィレット形成領域Ａ及び半導体素子３の接合予定領域Ｓを除いた回路用金属層１２の全体を覆うことがより望ましい。
アルミニウム層１４の幅ＷがＬ×１／４未満であると、クラックの進展が半導体素子３まで至るおそれがあり、半導体素子３と接続配線５との接続の信頼性を低下させる。
また、封止樹脂６との密着性をより向上させるためには、アルミニウム層１４はフィレット形成領域Ａ及び半導体素子３の接合予定領域Ｓを除いた回路用金属層１２の全体を覆うことがより望ましい。
このように構成されるパワーモジュール用基板２のアルミニウム層１４により囲まれた回路用金属層１２の銅表面に半導体素子３をはんだ付けにより接合する。はんだ材は、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ（例えば、Ｓｎ−３％Ａｇ−０．５％Ｃｕ）やＳｎ−Ｓｂ系はんだ（例えば、Ｓｎ−３．９％Ａｇ−０．６％Ｃｕ−３．０％Ｓｂ）などの鉛フリーはんだとし、溶融前のはんだ層７ａの厚さを５０〜４００μｍの範囲内とする。本実施形態では２００μｍに設定した。また、半導体素子３としてはＩＧＢＴ素子（平面寸法が例えば１０ｍｍ×１０ｍｍ）が使用される。
この半導体素子３を実装した後、半導体素子３とリードフレーム４、アルミニウム層１４とリードフレーム４をそれぞれ接続配線５により電気的に接続する。接続配線５に用いられるワイヤやリボンは一般的にアルミニウムや銅材が使用される。例えば、線径５００μｍのアルミニウム製ワイヤによりボンディングされる。リードフレーム４は電気伝導性に優れるアルミニウムや銅材により形成される。このリードフレーム４の板厚は１〜５ｍｍに設定され、本実施形態では厚さ２ｍｍのアルミニウム材が用いられる。
そして、このように構成したパワーモジュール用基板２とリードフレーム４とを封止樹脂用金型に設置し、熱硬化性の封止樹脂（シリカ粒子が分散したエポキシ系樹脂など）を流動させ封止を行う。この場合、パワーモジュール用基板２のほぼ全体が封止樹脂６により封止されるが、放熱用金属層１３の表面（セラミックス基板１１との接合面とは反対面）が露出するように封止され、その露出面１３ａにヒートシンク（図示略）が接合される。
なお、本発明では、セラミックス基板１１に回路用金属層１２を接合し、その回路用金属層１２の一部をアルミニウム層１４により被覆した構成体を、接合体と称しており、一実施形態で説明したパワーモジュール以外の他の半導体装置にも適用することができる。
パワーモジュール用基板として、回路用金属層を純度９９．９５％の無酸素銅（２０ｍｍ×３６ｍｍの矩形状で厚さ０．３ｍｍ）、セラミックス基板を窒化アルミニウム（ＡｌＮ）（２４ｍｍ×４０ｍｍの矩形状で厚さ０．６３５ｍｍ）、放熱用金属板に純度９９．９９％以上（４Ｎ−Ａｌ）のアルミニウム（２２ｍｍ×３８ｍｍの矩形状で厚さ０．５ｍｍ）を用いた。回路用金属層にアルミニウム層を固相拡散接合した後に、ＩＧＢＴ素子（平面サイズ：１０ｍｍ×１０ｍｍ）を２００μｍの厚さのはんだを用いてはんだ付けした。その後、半導体素子とリードフレーム、アルミニウム層とリードフレームをそれぞれ線径５００μｍのアルミニウム製ワイヤを用いて接続した。その後、熱硬化性樹脂によりモールドして封止した。
回路用金属層に接合したアルミニウム層は接合予定領域及び接合予定領域の外周縁からはんだ層の厚さと同じ２００μｍの距離の間の領域（フィレット形成領域）を避けるように形成し、その幅Ｗを表１に示すように変量して、信頼性試験を行った。この信頼性試験は、液槽式の冷熱サイクル試験機とし、−４０℃での３０分間の保持と１２５℃での３０分間の保持とを３０００サイクル繰り返し実施した後に、半導体素子が通電可能であったものを○、通電できなくなったものを×と判定した。
その信頼性試験の結果を表１に示す。
回路用金属層に接合したアルミニウム層は接合予定領域及び接合予定領域の外周縁からはんだ層の厚さと同じ２００μｍの距離の間の領域（フィレット形成領域）を避けるように形成し、その幅Ｗを表１に示すように変量して、信頼性試験を行った。この信頼性試験は、液槽式の冷熱サイクル試験機とし、−４０℃での３０分間の保持と１２５℃での３０分間の保持とを３０００サイクル繰り返し実施した後に、半導体素子が通電可能であったものを○、通電できなくなったものを×と判定した。
その信頼性試験の結果を表１に示す。
表１の結果からわかるように、アルミニウム層の幅Ｗを半導体素子の最大辺の長さＬの１／４以上とすることにより、接合信頼性の良好なパワーモジュールを得ることができる。
なお、本発明は、上記実施形態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において種々の変更を加えることが可能である。
実施形態では、回路用金属層を銅からなる一層の金属層としたが、最表面を銅とし、セラミックス基板と接合される裏面をアルミニウムとしてもよい。
実施形態では、回路用金属層を銅からなる一層の金属層としたが、最表面を銅とし、セラミックス基板と接合される裏面をアルミニウムとしてもよい。
１ パワーモジュール（半導体装置）
２ パワーモジュール用基板
３ 半導体素子
４ リードフレーム
５ 接続配線
６ 封止樹脂
７ はんだ層
１１ セラミックス基板
１２ 回路用金属層
１３ 放熱用金属層
１４ アルミニウム層
１５ 開口部
Ｓ 接合予定領域
Ａ フィレット形成領域
２ パワーモジュール用基板
３ 半導体素子
４ リードフレーム
５ 接続配線
６ 封止樹脂
７ はんだ層
１１ セラミックス基板
１２ 回路用金属層
１３ 放熱用金属層
１４ アルミニウム層
１５ 開口部
Ｓ 接合予定領域
Ａ フィレット形成領域
Claims (3)
- 最表面が銅により構成された回路用金属層とセラミックス基板とを接合してなり、前記最表面に半導体素子がはんだ層を介して接合される半導体装置用接合体であって、前記回路用金属層の表面における前記半導体素子の接合予定領域及びフィレット形成領域を避けて、前記半導体素子の面方向の最大辺長さの１／４以上の幅で前記接合予定領域を囲むようにアルミニウム層を被覆したことを特徴とする半導体装置用接合体。
- 請求項１記載の半導体装置用接合体における前記回路用金属層とは反対面にアルミニウムからなる放熱用金属層が接合されたことを特徴とするパワーモジュール用基板。
- 請求項２記載のパワーモジュール基板の前記回路用金属層の最表面にはんだ層を介して半導体素子を接合したことを特徴とするパワーモジュール。
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