JP6858657B2 - Power semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、電流経路用の主端子と信号端子を備え、パワー半導体素子と端子、それを結線するワイヤを封止材で封止した電力用半導体装置に関し、特に、はんだペーストによる接合を適用する電力用半導体装置に関する。 The present invention relates to a power semiconductor device having a main terminal and a signal terminal for a current path, and sealing a power semiconductor element and a terminal, and a wire connecting the terminals with a sealing material, and particularly applies solder paste bonding. Regarding power semiconductor devices.
電力変換用の電力用半導体装置は、輸送用機器から生活家電まで様々な製品に組み込まれている。また、これまで電力用半導体装置を備えていなかった製品においても、省電力化と高効率化の観点から、組み込まれるケースが増加している。これらの製品では、さらなる小型化や耐久性の向上が求められており、搭載される電力用半導体装置でも、小型化と高耐久化が必須条件となっている。 Power semiconductor devices for power conversion are incorporated in various products from transportation equipment to home appliances. In addition, even in products that have not been equipped with semiconductor devices for electric power, the number of cases where they are incorporated is increasing from the viewpoint of power saving and high efficiency. Further miniaturization and improvement of durability are required for these products, and miniaturization and high durability are indispensable conditions for the power semiconductor devices to be mounted.
電力用半導体装置は、家庭用電化製品あるいはコンピュータなどに使われる半導体素子に比べて、高電圧、大電流、高周波での動作が可能である。一方で、電力用半導体装置は、動作時における発熱が顕著で高温になりやすい。 Power semiconductor devices can operate at higher voltages, higher currents, and higher frequencies than semiconductor devices used in home appliances or computers. On the other hand, power semiconductor devices generate remarkable heat during operation and tend to become hot.
例えば、電力変換装置として幅広く利用されているスイッチング電源は、大電流回路を高速に、繰り返し開閉し続けることで電力を制御している。このような制御を行うことで、スイッチング電源は、スイッチング素子として使われるパワー半導体のオン抵抗および順方向の電圧降下による電力損失で発熱する。このため、パワー半導体素子の大電流経路となる主端子のはんだ接合性は、モジュール製品の耐久性、信頼性などに大きな影響を及ぼす要因の1つになっている。 For example, a switching power supply widely used as a power conversion device controls electric power by continuously opening and closing a large current circuit at high speed and repeatedly. By performing such control, the switching power supply generates heat due to the on-resistance of the power semiconductor used as the switching element and the power loss due to the forward voltage drop. Therefore, the solder bondability of the main terminal, which is a large current path of the power semiconductor element, is one of the factors that have a great influence on the durability and reliability of the module product.
パワーモジュールでは、リフロー工程による部品の接続が一般的であり、その際、フラックス成分を含むはんだペーストが用いられる。パワーモジュールのように電極面積が大きくなると、リフロー時の温度を上げても、はんだペーストの濡れ拡がり性は改善されない。そのため、はんだペーストを多めに使用してはんだ付け性を確保している。しかしながら、はんだペーストを多めに使用することによって、ボイドの発生、フラックスやはんだ粒子の飛散などの不具合を引き起こす。 In a power module, parts are generally connected by a reflow process, and at that time, a solder paste containing a flux component is used. When the electrode area is large as in the power module, the wett spreadability of the solder paste is not improved even if the temperature at the time of reflow is raised. Therefore, a large amount of solder paste is used to ensure solderability. However, using a large amount of solder paste causes problems such as generation of voids and scattering of flux and solder particles.
熱によるパワーモジュール用部品における接続端子の不具合を防止する従来技術としては、リード電極面の中央部に穴を開け、煙突効果を利用してはんだ接合部のガス(ボイド)を放出させるものがある(例えば、特許文献1参照)。 As a conventional technique for preventing a defect of a connection terminal in a power module component due to heat, there is a technique of making a hole in the center of a lead electrode surface and using the chimney effect to release gas (void) at the solder joint. (See, for example, Patent Document 1).
しかしながら、この従来技術には、以下のような課題がある。上述した特許文献1記載の半導体パワーモジュール用部品接続端子において、リード電極面の中央部に開けられる穴は、はんだ接続部のガスを外に放出する目的である。このため、この穴の形状は、端子下面の開口が広く上方に向かうに従い狭くなる逆テーパー型である。また、この特許文献1は、部品の接続については、あらかじめはんだペーストが塗布されており、その上に部品を載せるものである。
However, this conventional technique has the following problems. In the component connection terminal for the semiconductor power module described in
この場合、はんだペースト上に部品を載せるための加圧力で、あらかじめ塗布してあるはんだペーストの周囲への押出し、フラックスやはんだ粒子の飛散などが生じる。そのため、溶融後のはんだペーストが、隣接するチップあるいは配線に接触し、電気的なショートを引き起こすおそれがある。さらに、フラックスやはんだ粒子が飛散することで、十分なはんだ溶融性を得るために必要な量のはんだが残らないという問題もある。 In this case, the pressing force for placing the component on the solder paste causes extrusion to the periphery of the solder paste that has been applied in advance, and scattering of flux and solder particles. Therefore, the solder paste after melting may come into contact with adjacent chips or wirings, causing an electrical short circuit. Further, there is also a problem that the amount of solder required to obtain sufficient solder meltability does not remain due to the scattering of flux and solder particles.
また、板はんだなど固形はんだを使用する場合には、はんだ、または接合部材の表面酸化により、はんだ溶融時の濡れ性が著しく悪くなる。そのため、事前にフラックス剤を塗布すること、あるいはギ酸などの還元雰囲気におけるはんだ溶融を行うことが必要となる。 Further, when solid solder such as plate solder is used, the wettability at the time of solder melting becomes remarkably deteriorated due to the surface oxidation of the solder or the joining member. Therefore, it is necessary to apply a flux agent in advance or to melt the solder in a reducing atmosphere such as formic acid.
一方、フラックスを塗布してはんだ溶融した場合には、信頼性上の問題により、はんだ溶融後にフラックス残渣の洗浄工程が必要であった。この結果、作業工程の追加、あるいは作業者の追加が必要となり、コストの増加につながる。 On the other hand, when the flux is applied and the solder is melted, a step of cleaning the flux residue is required after the solder is melted due to a problem in reliability. As a result, it is necessary to add work processes or workers, which leads to an increase in cost.
さらに、小さな部品を配置する場合には、あるいは構造的に複雑な場合など、フラックス残渣を完全に取り除けない場合も考えられる。このため、信頼性劣化への懸念が残る。 Furthermore, it may not be possible to completely remove the flux residue when arranging small parts or when the structure is complicated. Therefore, there remains a concern about reliability deterioration.
ギ酸雰囲気によるはんだ溶融の場合では、ギ酸の取扱い、管理上の問題、およびギ酸専用の雰囲気形成装置の導入が必要となる。従って、ギ酸雰囲気によるはんだ溶融の場合には、コストの増加に加え、作業性も悪くなるといった問題がある。 In the case of solder melting due to a formic acid atmosphere, handling of formic acid, management problems, and introduction of an atmosphere forming device dedicated to formic acid are required. Therefore, in the case of solder melting due to a formic acid atmosphere, there is a problem that workability is deteriorated in addition to an increase in cost.
本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、はんだペーストを適用した接合を行う際に、はんだペーストに含まれるフラックス成分の流れを制御可能にし、小型・軽量化、大電流・高耐圧化、および低コスト・高信頼化を実現できる電力用半導体装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve such a problem, and makes it possible to control the flow of the flux component contained in the solder paste when joining by applying the solder paste, and to reduce the size and weight and to generate a large current. The purpose is to obtain a power semiconductor device that can realize high withstand voltage, low cost, and high reliability.
本発明に係る電力用半導体装置は、パワー半導体素子がAgシンターによりチップ搭載され、はんだ接合用のランド部を有する金属配線基板と、ランド部と一端がはんだ接合により電気的に接続された主端子と、主端子の他端が外部に突出するように組み込まれるとともに、パワー半導体素子が搭載された金属配線基板の周囲を覆う樹脂製のフレーム枠とを備えて構成された電力用半導体装置であって、主端子は、はんだ接合される一端に、フラックスを含むはんだペーストを注入するための開口が設けられるとともに、開口を形成する周囲の一部分に、はんだペーストを外部に流出させるための切り欠きを有し、切り欠きは、開口部に注入されたはんだペーストが、パワー半導体素子およびAgシンターからずれた方向に流出する位置に設けられ、はんだペーストに含まれるフラックス成分の流れ制御を可能とするものである。 In the power semiconductor device according to the present invention, a power semiconductor element is mounted on a chip by an Ag sinker, a metal wiring board having a land portion for solder bonding, and a main terminal in which the land portion and one end are electrically connected by solder bonding. It is a power semiconductor device configured with a resin frame frame that covers the periphery of a metal wiring substrate on which a power semiconductor element is mounted, while being incorporated so that the other end of the main terminal protrudes to the outside. The main terminal is provided with an opening for injecting the solder paste containing the flux at one end to be solder-bonded, and a notch for allowing the solder paste to flow out to the outside is provided in a part of the periphery forming the opening. The notch is provided at a position where the solder paste injected into the opening flows out in a direction deviated from the power semiconductor element and the Ag sinker, and enables flow control of the flux component contained in the solder paste. Is.
本発明によれば、主端子の一端において、特定の方向にはんだペーストを流出させるための切り欠きを有する開口を備えることで、多めにはんだペーストが塗布された場合にも、主端子から漏洩するはんだペーストを適切に誘導、排出できる構成を実現している。この結果、はんだペーストを適用した接合を行う際に、はんだペーストに含まれるフラックス成分の流れを制御可能にし、小型・軽量化、大電流・高耐圧化、および低コスト・高信頼化を実現できる電力用半導体装置を得ることができる。 According to the present invention, by providing an opening having a notch for flowing out the solder paste in a specific direction at one end of the main terminal, even if a large amount of solder paste is applied, the solder paste leaks from the main terminal. We have realized a configuration that can appropriately guide and discharge the solder paste. As a result, when joining with the solder paste applied, the flow of the flux component contained in the solder paste can be controlled, and compactness and weight reduction, large current and high withstand voltage, and low cost and high reliability can be realized. A power semiconductor device can be obtained.
以下、本発明の電力用半導体装置の好適な実施の形態につき、図面を用いて説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the power semiconductor device of the present invention will be described with reference to the drawings.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る電力用半導体装置の構成を示す図である。本実施の形態1に係る電力用半導体装置は、モジュールの樹脂製フレーム枠2から突出して形成された、主端子5および複数本の信号端子6を備えて構成されている。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a power semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. The power semiconductor device according to the first embodiment includes a
主端子5は、電力用半導体装置の主電源を入力するための電源端子である。主端子5は、金属製であり、例えば、銅やステンレス鋼を基材とした合金から形成されている。主端子5の表面は、基材の金属が露出していても良いし、当該表面の少なくとも一部にめっき処理が施されていても良い。
The
信号端子6は、一端が、モジュールのフレーム枠から突出して形成されている。信号端子6は、パワー半導体素子3の動作を制御する信号を外部から入力するための端子である。信号端子6は、主端子5と同様に、金属製であり、合金で形成されている。また、信号端子6は、リードの表面の少なくとも一部または全体にめっき処理が施されていてもよい。
One end of the
フレーム枠2は、射出成型可能であり、高耐熱性樹脂からなる。高耐熱性樹脂の具体例としては、PPS(ポリファニレンサルファイド)、フッ素系樹脂などが挙げられる。フレーム枠2には、半導体素子の電源端子である主端子5と動作制御用の信号端子6、さらにワイヤボンド結線用の端子が組み込まれている。
Frame The
このフレーム枠2は、半導体素子を搭載する基板1と、接着剤により接着されている。接着剤は、シリコーン系またはエポキシ系の熱硬化型接着剤が一般的である。
The
パワー半導体素子3は、パワー半導体素子3の上面に設けられた上面電極、およびパワー半導体素子3の下面に設けられた下面電極を備えている。パワー半導体素子3の下面電極は、配線基板の端子上に導電性部材を介して接合されることによって、配線基板と機械的および電気的に接続されている。
The
また、パワー半導体素子3の上面電極は、主端子5の下部と導電性部材を介して接合されることによって、機械的および電気的に接続されている。さらに、パワー半導体素子3は、ワイヤにより外部端子であるリードに接続されている。パワー半導体素子3は、オン時にはその厚さ方向に電流を流し、オフ時には電流を遮断する特徴をもつ。
Further, the upper surface electrode of the
なお、パワー半導体素子3の材料としては、例えば、Siのみならず、SiC、GaN、GaAsなどの化合物半導体が用いられても良い。また、パワー半導体素子3の上面電極の表面には、Niめっき層など、はんだ付けをできる層が設けられてもよい。
As the material of the
電力用半導体装置は、電力の制御または供給を行う半導体装置であり、大きな電圧、電流を扱うことが特徴である。電力用半導体装置は、電圧の変換、周波数の変換、直流から交流への変換、あるいは交流から直流への変換など、電力変換用途に用いられている。また、電力用半導体装置は、エアコン、冷蔵庫、洗濯機などの家電製品のインバータ、電気・ハイブリッド自動車、電気鉄道車両の駆動系装置、照明機器の照度制御用途などに使用されている。 A power semiconductor device is a semiconductor device that controls or supplies electric power, and is characterized by handling a large voltage and current. Power semiconductor devices are used for power conversion applications such as voltage conversion, frequency conversion, DC to AC conversion, and AC to DC conversion. Further, semiconductor devices for electric power are used for inverters of home appliances such as air conditioners, refrigerators and washing machines, drive train devices of electric / hybrid automobiles and electric railway vehicles, and illuminance control applications of lighting equipment.
導電性部材は、パワー半導体素子3の上面電極または配線基板と、主端子5との間、およびパワー半導体素子3の下面電極と、配線基板との間、にそれぞれ配設される。導電性部材には、例えば、銀(Ag)ペーストが用いられる。Agペーストは、高温耐久性、放熱性に優れたダイボンド材料の一つとして、パワー半導体製品に用いられるようになってきた。
The conductive member is arranged between the upper surface electrode or the wiring board of the
Agペーストは、Agナノ粒子に有機溶剤を加えてペースト状にしたものである。Agナノ粒子は、金属の中でも高い伝導率を持ち、耐熱性、高温耐久性および信頼性に優れている。さらに、Agナノ粒子は、金属をナノスケールまで微粒子化して反応性を高めることで、接合材料を融解することなく低温で焼結させて、金属接合層を形成する。 The Ag paste is obtained by adding an organic solvent to Ag nanoparticles to form a paste. Ag nanoparticles have high conductivity among metals, and are excellent in heat resistance, high temperature durability and reliability. Further, Ag nanoparticles form a metal bonding layer by sintering the bonding material at a low temperature without melting it by atomizing the metal to nanoscale and increasing the reactivity.
シリコーンゲルは、パワー半導体素子3と端子、ワイヤなどを覆い、パワー半導体素子を光、熱、湿度、振動などの外部環境要因から保護することを目的に、モジュール用封止材料として使用される。
The silicone gel covers the
また、シリコーンゲルは、シリコーン特有の耐熱・耐寒性に優れ、腐食性がなく、硬化時の収縮が小さい、などの性質と、低架橋密度から生じる粘着性および密着性に優れ、シール性、耐湿性を有する性質とを持っている。さらに、シリコーンゲルは、振動吸収性にも優れた特性を併せ持ち、封止・保護材、充填剤として広く使用されている。 In addition, silicone gel has excellent heat and cold resistance peculiar to silicone, is not corrosive, has small shrinkage during curing, and has excellent adhesiveness and adhesion resulting from low crosslink density, and has excellent sealing properties and moisture resistance. It has the property of having sex. Furthermore, silicone gel also has excellent vibration absorption properties, and is widely used as a sealing / protective material and filler.
配線基板は、絶縁層と導体層を持ち、パワー半導体素子3の下面電極と導電性部材を介して接合されている。配線基板は、セラミック素材に、銅あるいはアルミニウムなどで配線されたものである。
The wiring board has an insulating layer and a conductor layer, and is joined to the lower surface electrode of the
すり鉢状治具12は、はんだ溶融温度を上回る耐熱性の材質でできている。フレーム枠2と同様に、すり鉢状治具12には、PPS(ポリファニレンサルファイド)、あるいはフッ素系樹脂が用いられ、セラミックも使用可能である。
The mortar-shaped jig 12 is made of a heat-resistant material that exceeds the solder melting temperature. Similar to the
本発明の治具であるすり鉢状治具12は、はんだ塗布工程で端子部にセットされ、はんだ塗布後に取り外される。または、すり鉢状治具12は、リフロー工程のはんだ溶融後に取り外されるか、もしくはそのまま取り外すことなく、後工程のシリコーンゲルで封入されることも可能である。 The mortar-shaped jig 12, which is the jig of the present invention, is set in the terminal portion in the solder application step and is removed after the solder application. Alternatively, the mortar-shaped jig 12 can be removed after the solder is melted in the reflow step, or can be sealed with a silicone gel in the subsequent step without being removed as it is.
また、フレーム枠2の製造工程において、金型設計により主端子5の上部位置に予めすり鉢状治具12に相当する形状をフレーム枠製造時に射出一体成型することが可能である。この場合には、フレーム枠2とすり鉢形状とが一体構造になるため、パワー半導体素子の組み立て工程で、すり鉢状治具12を主端子5の上に設置する作業が不要となる。この結果、工程削減、作業者削減など時間短縮とコスト削減が可能である。
Further, in the manufacturing process of the
図2は、本発明の実施の形態1に係る電力用半導体装置の上面および断面の具体的な構成を示す図である。図2に示した電力用半導体装置に用いられる基板1は、セラミックなどの絶縁層とCuなどの表面導体層、裏面導体層から構成されている。そして、この基板1の表面導体層には、Agペーストにより、パワー半導体素子3(IGBT;Insulated Gate Bipolar Transistorとフリーホイールダイオード)が各2個ずつダイボンドされている。
FIG. 2 is a diagram showing a specific configuration of an upper surface and a cross section of the power semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. The
また、基板1の裏面は、パワー半導体動作時の発熱を逃がす効果を有するヒートシンクに接合されている。
Further, the back surface of the
基板表面のチップ外周部に、シリコーン接着剤などを用いてフレーム枠2を接着し、熱硬化させる。フレーム枠2には、パワー半導体を動作させるための大電流の経路となる主端子5と、電力制御用の8本の信号端子6が、フレーム枠の垂直方向(Z軸方向)に突出している。
The
また、フレーム枠の水平方向(XY方向)には、基板1とはんだ付け接合するための主端子5と、パワー半導体素子3の電極パッドとワイヤボンドで結線するための信号端子6とが、それぞれ突出している。
Further, in the horizontal direction (XY direction) of the frame, the
基板1にフレーム枠2を接着剤で接着、硬化させると、基板1上のランドとフレーム枠2から突出している主端子5とが位置決めされた状態となる。接着・硬化された電力用パワー半導体装置は、チップ上の電極とフレーム上の端子がアルミワイヤにより結線された後に、はんだ塗布工程の治具にセットされる。
When the
ディスペンサユニットを主端子5上の開口部に移動させ、はんだペーストを注入する。はんだペーストは、ディスペンサユニットのエア圧力、ヘッド部の移動速度、ディスペンサ先端部と主端子間の距離(GAP)を変数として、最適な塗布量が得られるように調整可能である。
The dispenser unit is moved to the opening on the
使用するはんだペーストは、無残渣、あるいは洗浄工程不要な低残渣のタイプを用いることで、はんだ付け前のフラックス塗布、およびはんだ塗布後のギ酸還元雰囲気における溶融を回避できる。従って、このようなはんだペーストを用いることで、汎用の窒素リフロー装置における低酸素濃度雰囲気でのはんだペーストの溶融が可能となる。 By using a residue-free or low-residue type that does not require a cleaning step, the solder paste used can avoid flux coating before soldering and melting in a formic acid reduction atmosphere after soldering. Therefore, by using such a solder paste, it is possible to melt the solder paste in a low oxygen concentration atmosphere in a general-purpose nitrogen reflow device.
図3は、本発明の実施の形態1に係る電力用半導体装置の主端子5の上面およびIII−III線に沿った断面を示した図である。
FIG. 3 is a view showing the upper surface of the
主端子5は、フレーム枠2からXY方向に突出している、はんだを塗布するための端子である。この端子は、Z方向の端子上面の開口寸法が下面の開口寸法より広く、いわゆるテーパー形状10を有している。
The
この端子の上部から、ディスペンサユニットを用いてはんだペーストの塗布を行った場合を、次に説明する。 The case where the solder paste is applied from the upper part of the terminal using the dispenser unit will be described next.
本発明による主端子5の構造によれば、はんだペーストが、端子の上面に載ったままになったり、端子上面から端子外側に漏洩したりすることを防止できる。さらに、塗布したはんだペーストが、端子下面のランド部15(図2参照)まで溶融したまま流動する。そのため、基板1のランド部15と端子下面および側面部において、良好なフィレットを形成するために必要な量のはんだペーストを充填することが可能である。
According to the structure of the
図4は、本発明の実施の形態1に係る電力用半導体装置におけるはんだペーストの流れ出しを模式的に示す図である。主端子5は、先の図3に示したように、先端の一部分が切れたC字の切れ目9をしている。図4において、この切れた部分は、基板1上に2個並んで搭載されている半導体チップ3の間に位置する。主端子5の中にはんだペースト14が注入されている。
FIG. 4 is a diagram schematically showing the outflow of solder paste in the power semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, the
ディスペンサユニットで、はんだペースト14を注入する際に、はんだペースト14の量が多くなると、主端子5の開口部から余分なはんだペースト14が漏出する。この時、主端子5の先端に導入したC字の切れ目9が、開口部に対して垂直方向へはんだペースト14の流れを誘導させることで、半導体素子(チップ)3やAgシンターエリア8へ流れこむはんだペースト14の量を低減できる。すなわち、C字の切れ目9を有することで、はんだペースト14に含まれるフラックス成分の流れ制御を実現できる。
When the amount of the solder paste 14 is increased when the solder paste 14 is injected by the dispenser unit, the excess solder paste 14 leaks from the opening of the
この効果により、漏洩したはんだペースト14による電気的なショートが防止できる。さらに、はんだペースト14に含有されるフラックス成分が、Agシンターエリア8に付着して生じる、Agイオンマイグレーションの発生も回避でき、製品の信頼性を向上できる。
Due to this effect, an electrical short circuit due to the leaked solder paste 14 can be prevented. Further, it is possible to avoid the occurrence of Ag ion migration caused by the flux component contained in the solder paste 14 adhering to the
図5は、本発明の実施の形態1に係る電力用半導体装置の主端子5の断面を拡大した図である。図5には、フレーム枠2の断面も重ねて描画している。この主端子5は、図3と同様に、端子上面部の開口が広く、下面に行くほど狭くなるテーパーを持っている。さらに、主端子5の下面の外側が、基板方向に向かって鍵形(L字)に曲がったカギ部11を有する構造となっている。
FIG. 5 is an enlarged cross section of the
ディスペンサユニットからはんだペースト14を注入する時に、はんだペースト14の粘度、または端子と基板ランドの間隔によって、端子下面に流動したはんだペースト14がそのままランドの外に押し出されるおそれがある。そこで、このカギ部11は、はんだペースト14がランドの外に押し出されることを防止するための防波堤の役割をするために設けられている。
When the solder paste 14 is injected from the dispenser unit, the solder paste 14 flowing on the lower surface of the terminal may be pushed out of the land as it is depending on the viscosity of the solder paste 14 or the distance between the terminal and the substrate land. Therefore, the
本実施の形態1に係る主端子5の構造により、はんだペースト14、およびそれに含まれるフラックスが、端子、ランド周辺に流れ出して半導体素子(チップ)3と電気的にショートすることを回避することができる。これにより、はんだ接合用のランド、チップと配線の間隔を狭めてモジュールの小型化、軽量化を図ることが可能である。さらには、主端子5の簡便な構成によりはんだペーストに含まれるフラックス成分の流れ制御を実現でき、使用部材の削減が可能となり、コストを低減できる。
According to the structure of the
図6は、本発明の実施の形態1に係る電力用半導体装置の主端子5の形状例である。はんだペースト14の流出方向を誘導し制御するために、端子の一部分を用途に合わせて切り欠いた例である。
FIG. 6 is a shape example of the
図6(a)は、端子の横方向が切れた端子を例示している。図6(b)は、任意の角度をつけて切り取った端子を例示している。なお、端子の形状は、図6(a)、図6(b)に示したような形状に限定されない。 FIG. 6A illustrates a terminal in which the terminal is cut in the lateral direction. FIG. 6B illustrates a terminal cut at an arbitrary angle. The shape of the terminal is not limited to the shape shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b).
端子と半導体素子(チップ)3の距離あるいは相互配置、ランドのサイズ、はんだ接合に必要な面積、はんだペーストの塗布量などによって、はんだペーストの流出方向を考慮して、端子の形状、端子の切れ位置、切れ幅を設計することが可能である。その具体例として、図6(c)は、菱形形状の端子を例示しており、図6(d)は、三角形状の端子を例示している。 Depending on the distance or mutual arrangement between the terminal and the semiconductor element (chip) 3, the land size, the area required for solder bonding, the amount of solder paste applied, etc., the shape of the terminal and the breakage of the terminal are taken into consideration in consideration of the outflow direction of the solder paste. It is possible to design the position and cutting width. As a specific example, FIG. 6 (c) exemplifies a diamond-shaped terminal, and FIG. 6 (d) exemplifies a triangular terminal.
実施の形態2.
図7は、本発明の実施の形態2に係る電力用半導体装置の上面および断面の具体的な構成を示す図である。図7においては、セラミックなどの絶縁層とCuなどの表面導体層、裏面導体層からなる基板1の表面導体層に、Agペーストでパワー半導体素子(IGBTとフリーホイールダイオード)3が各1個ずつダイボンドされている。基板表面のチップ外周部に、シリコーン接着剤などを用いてフレーム枠2を接着し、熱硬化させる。
FIG. 7 is a diagram showing a specific configuration of an upper surface and a cross section of the power semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 7, one power semiconductor element (IGBT and one freewheel diode) 3 is formed by Ag paste on the surface conductor layer of the
フレーム枠2には、パワー半導体を動作させるための大電流の経路となる主端子5と、電力制御用の5本の信号端子6が、フレーム枠2の垂直方向(Z軸方向)に突出している。また、フレーム枠2の水平方向(XY方向)には、基板1とはんだ付け接合するための主端子5と、パワー半導体素子3の電極パッドとワイヤボンドで結線するための信号端子6とが、それぞれ突出している。
In the
基板1にフレーム枠2を接着剤で接着、硬化させた後に、アルミワイヤでチップ電極とフレーム上の端子を結線する。次に、ディスペンサユニットで端子開口部にはんだペースト14を注入する。はんだペースト14は、無残渣、あるいは洗浄工程不要な低残渣のタイプを用いることで、フラックス塗布やギ酸還元雰囲気における溶融を回避できる。従って、このようなはんだペースト14を用いることで、汎用の窒素リフロー装置における低酸素濃度雰囲気でのはんだペースト14の溶融が可能となる。
After the
図8は、本発明の実施の形態2に係る電力用半導体装置におけるはんだペースト14の流れ出しを模式的に示す図である。主端子5は、端子片側の横サイドを切り欠いた形状である。はんだペースト14の量が多くなると、端子の開口部から漏れ出したはんだペースト14が、端子の切れ目に対して垂直方向に流れ出すように誘導され、半導体素子(チップ)3やAgシンターエリア8へ向かわないように、主端子の切れ目が配置されている。
FIG. 8 is a diagram schematically showing the outflow of the solder paste 14 in the power semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. The
これにより、流れ出したはんだペーストとチップとのショートが防止できる。すなわち、Agシンターエリア8において、はんだペーストに含有されるフラックス成分が付着することで引き起こされる、Agイオンマイグレーションの発生を回避し、製品の信頼性を向上させることが可能である。
As a result, it is possible to prevent a short circuit between the solder paste that has flowed out and the chip. That is, in the
実施の形態3.
図9は、本発明の実施の形態3に係る電力用半導体装置の主端子5に載せる具体的なすり鉢状治具12および治具を主端子5上に搭載した場合の断面を示す図である。本実施の形態3におけるすり鉢状治具12は、フレーム枠2と同じ材質のPPS(ポリフェニレンスルファイド)などの射出成形可能な樹脂からなる。
FIG. 9 is a diagram showing a cross section of a specific mortar-shaped jig 12 and a jig mounted on the
ディスペンサユニットによる端子上部からのはんだペースト14塗布前に、このすり鉢状治具12を端子上部に機械制御、または人手により位置決めして設置した後に、はんだペースト14を塗布する。 Before applying the solder paste 14 from the upper part of the terminal by the dispenser unit, the solder paste 14 is applied after the mortar-shaped jig 12 is mechanically controlled or manually positioned and installed on the upper part of the terminal.
通常、ディスペンサユニットで端子開口内にはんだペースト14を注入し、基板ランド部15と端子のすき間にはんだペースト14を充填させるためには、ディスペンサヘッド先端のノズル(またはニードル)を、端子上面に数十ミクロンから数百ミクロンの距離に近付ける位置決め精度が必要となる。 Normally, in order to inject the solder paste 14 into the terminal opening with the dispenser unit and fill the solder paste 14 in the gap between the board land portion 15 and the terminal, a number of nozzles (or needles) at the tip of the dispenser head are placed on the upper surface of the terminal. Positioning accuracy close to a distance of tens to hundreds of microns is required.
しかし、量産工程を想定した場合、電力用半導体装置の部材公差、組立公差、搬送の位置決め精度により、ディスペンサユニットのノズル先端と端子開口の相対位置にばらつきが生じる。 However, assuming a mass production process, the relative positions of the nozzle tip and the terminal opening of the dispenser unit vary depending on the member tolerance, assembly tolerance, and transport positioning accuracy of the power semiconductor device.
そこで、量産工程でのノズル先端と端子開口の位置決め精度のばらつきに影響されないために、本実施の形態2では、すり鉢状治具12を用いている。具体的には、すり鉢状治具12を端子上面に設置し、すり鉢状治具12の開口内にはんだペーストを注入するためのノズル先端を配置する。ここで、図9に示すように、すり鉢状治具12は、すり鉢状治具12の開口部の断面積が、主端子5の上面開口部の断面積よりも大きくなるような形状として形成されている。
Therefore, in the second embodiment, the mortar-shaped jig 12 is used so as not to be affected by the variation in the positioning accuracy between the nozzle tip and the terminal opening in the mass production process. Specifically, the mortar-shaped jig 12 is installed on the upper surface of the terminal, and the tip of the nozzle for injecting the solder paste is arranged in the opening of the mortar-shaped jig 12. Here, as shown in FIG. 9, the mortar-shaped jig 12 is formed in a shape such that the cross-sectional area of the opening of the mortar-shaped jig 12 is larger than the cross-sectional area of the upper surface opening of the
このような形状を有するすり鉢状治具12を用いることで、ディスペンサヘッド先端のノズルの位置決め精度を緩和し、はんだペースト注入時のタレや漏れを防止し、チップや配線にはんだペースト、およびそれに含まれるフラックスがかかり、電気的にショートすることを防止できる。 By using the mortar-shaped jig 12 having such a shape, the positioning accuracy of the nozzle at the tip of the dispenser head is relaxed, sagging and leakage during solder paste injection are prevented, and the solder paste is included in the chips and wiring. It is possible to prevent electrical short-circuiting due to the flux applied.
図10は、本発明の実施の形態3に係る電力用半導体装置の主端子5に載せるフレーム枠一体型治具13の断面を示す図である。図10に示したフレーム枠一体型治具13は、図9と異なり、金型設計により、すり鉢状治具12が樹脂製フレーム枠と一体形成されている。この結果、フレーム枠2とすり鉢状治具13の位置合わせ機構が不要である。
FIG. 10 is a diagram showing a cross section of a frame-integrated jig 13 mounted on the
フレーム枠2は、例えば、PPS(ポリファニレンサルファイド)等の樹脂でできている。従って、すり鉢状部分のある金型を設計し、フレーム枠2の製造工程において、すり鉢状部分のある金型を使うことで、フレーム枠一体型治具13を射出成型することが可能となる。この結果、製品品質、歩留まり的にも安定し、高コストになることもなく、大量生産が可能である。
Frame The
実施の形態3におけるすり鉢状治具13は、はんだペーストをディスペンサユニットで端子上部から塗布する時の、ディスペンサユニットの位置決め精度を緩和することができる。この結果、端子とディスペンサユニットの相対位置ずれによるはんだペーストのタレ、漏れ、はみ出し等を抑制し、端子開口部と端子下と基板ランド間の隙間に必要な量のはんだペーストを塗布することが可能となる。 The mortar-shaped jig 13 according to the third embodiment can relax the positioning accuracy of the dispenser unit when the solder paste is applied from the upper part of the terminal by the dispenser unit. As a result, it is possible to suppress dripping, leakage, protrusion, etc. of the solder paste due to the relative positional deviation between the terminal and the dispenser unit, and to apply the required amount of solder paste to the gap between the terminal opening, the bottom of the terminal, and the board land. It becomes.
さらに、十分なフィレットを形成させ、良好なはんだペーストの溶融性を確保するために、多めにはんだペーストを塗布した場合でも、はんだペーストがチップや配線部へもれ出して、はんだブリッジによる電気的ショートを引き起こすことなどによる製品品質不良を防止することが可能である。 Furthermore, in order to form sufficient fillets and ensure good meltability of the solder paste, even if a large amount of solder paste is applied, the solder paste leaks to the chips and wiring parts, and is electrically operated by the solder bridge. It is possible to prevent product quality defects due to short circuits and the like.
耐熱性のすり鉢状治具は、はんだペースト塗布後、またはリフロー工程のはんだペーストの溶融後に取り外して後続のモジュールに再設置するリサイクルが可能である。しかし、耐熱治具を取り外して再設置するための人手や設備などを考慮して、コスト的に高くなると判断される場合は、耐熱治具を付けたまま後工程へ流動し、半導体素子や端子、ワイヤと共に耐熱治具をシリコーンゲルで充填することも可能である。 The heat-resistant mortar-shaped jig can be recycled by removing it after applying the solder paste or after melting the solder paste in the reflow process and re-installing it in a subsequent module. However, if it is judged that the cost will be high in consideration of manpower and equipment for removing and re-installing the heat-resistant jig, it will flow to the subsequent process with the heat-resistant jig attached, and the semiconductor element or terminal , It is also possible to fill the heat-resistant jig with silicone gel together with the wire.
実施の形態4.
本実施の形態4では、本発明の係る電力用半導体装置の一連の製造工程について、フローチャートを用いて具体的に説明する。図11は、本発明の実施の形態4における電力用半導体装置の製造工程を示すフローチャートである。
In the fourth embodiment, a series of manufacturing processes of the power semiconductor device according to the present invention will be specifically described with reference to a flowchart. FIG. 11 is a flowchart showing a manufacturing process of the power semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention.
まず、セラミック基板(基板1)にAgペーストを印刷し(ステップS1101)、パワー半導体素子3(チップ3)をダイボンドする(ステップS1102)。 First, Ag paste is printed on the ceramic substrate (board 1) (step S1101), and the power semiconductor element 3 (chip 3) is die-bonded (step S1102).
次に、エポキシ系接着剤をフレーム枠2裏面に塗布し、基板1とフレーム枠2を重ね合わせて組み付けた後、硬化炉で基板1とフレーム枠2を硬化させる(ステップS1103)。
Next, an epoxy adhesive is applied to the back surface of the
次に、アルミワイヤでチップ3の電極(パッド)とフレーム枠2表面にある電極端子とをワイヤボンドで結線する(ステップS1104)。
Next, the electrode (pad) of the
次に、主端子リード4がフレーム枠2から突出している主端子5に設けられたはんだ付け部にはんだペースト14を塗布し、リフロー工程にて、低酸素濃度雰囲気ではんだを溶融、冷却して、主端子5と基板1と接合させる(ステップS1105)。
Next, the solder paste 14 is applied to the soldered portion provided on the
この工程において、先の実施の形態1〜3で説明したように、一端において、特定の方向にはんだペースト14を流出させるための切り欠きを有する開口を備える主端子5が適用される。このような主端子5を適用することにより、多めにはんだペースト14が塗布された場合にも、主端子5から漏洩するはんだペースト14を適切に誘導、排出でき、はんだペースト14に含まれるフラックス成分の流れ制御が可能となる。
In this step, as described in the first to third embodiments above, a
次に、ヒートシンクにはんだを設置し、その上に複数個の電力用半導体装置を載せる。また、電力用半導体装置のチップ上の電極にはんだを載せて、その上にリード(端子と同様の金属製部品)を設置し、リフロー工程にて溶融、冷却してはんだ接合にてリードを組み付ける(ステップS1106)。 Next, solder is placed on the heat sink, and a plurality of power semiconductor devices are placed on the solder. In addition, solder is placed on the electrodes on the chip of the power semiconductor device, leads (metal parts similar to terminals) are installed on the electrodes, melted and cooled in the reflow process, and the leads are assembled by solder bonding. (Step S1106).
次に、シリコーン系ゲルにてフレーム枠2の内部にゲルを注入し、硬化炉でゲルを硬化させる(ステップS1107)。
Next, the gel is injected into the
次に、サポートを取り付けて主端子をTIG(Tungsten Inert Gas)溶接し(ステップS1108)、シリコーンゲルでパワー半導体装置を搭載するサポート内部全体をゲル封止する(ステップS1109)。 Next, the support is attached and the main terminals are TIG (Tungsten Inert Gas) welded (step S1108), and the entire inside of the support on which the power semiconductor device is mounted is gel-sealed with silicone gel (step S1109).
ゲル封止後に、冷却用のパイプを圧入し(ステップS1110)、特性を検査する(ステップS1111)。 After gel sealing, a cooling pipe is press-fitted (step S1110) and the characteristics are inspected (step S1111).
なお、この組み立て工程フローに記載していないが、外観目視検査、超音波探傷検査(SAT・C−SAM)、X線検査、電気特性検査などの品質検査工程、あるいは還元・洗浄工程は、工程フロー途中の予め規定されたタイミングで実施されるものとする。 Although not described in this assembly process flow, the quality inspection process such as visual inspection, ultrasonic flaw detection inspection (SAT / C-SAM), X-ray inspection, electrical characteristic inspection, or reduction / cleaning process is a process. It shall be carried out at a predetermined timing in the middle of the flow.
以上、好ましい実施の形態について詳説したが、上述した実施の形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。 Although the preferred embodiment has been described in detail above, it is not limited to the above-described embodiment, and various modifications and substitutions are made to the above-described embodiment without departing from the scope of the claims. Can be added.
1 基板、2 フレーム枠、3 パワー半導体素子(半導体チップ)、4 主端子リード、5 主端子(はんだ付け部)、6 信号端子、7 位置決めピン、8 Agシンターエリア、9 端子切り欠き部、10 テーパー部、11 カギ(¬)部、12 すり鉢状治具、13 フレーム枠一体型すり鉢状治具、14 はんだペースト、15 ランド部。 1 board, 2 frame frame, 3 power semiconductor element (semiconductor chip), 4 main terminal lead, 5 main terminal (soldered part), 6 signal terminal, 7 positioning pin, 8 Ag sinker area, 9 terminal notch, 10 Tapered part, 11 key (¬) part, 12 mortar-shaped jig, 13 frame-integrated mortar-shaped jig, 14 solder paste, 15 land part.
Claims (5)
前記ランド部と一端がはんだ接合により電気的に接続される主端子と、
前記主端子の他端が外部に突出するように組み込まれるとともに、前記パワー半導体素子が搭載された前記金属配線基板の周囲を覆う樹脂製のフレーム枠と
を備えて構成された電力用半導体装置であって、
前記主端子は、はんだ接合される前記一端に、フラックスを含むはんだペーストを注入するための開口部が設けられるとともに、前記開口部を形成する周囲の一部分に、前記はんだペーストを外部に流出させるための切り欠きを有し、
前記切り欠きは、前記開口部に注入された前記はんだペーストが、前記パワー半導体素子および前記Agシンターからずれた方向に流出する位置に設けられ、前記はんだペーストに含まれるフラックス成分の流れ制御を可能とする
電力用半導体装置。 A metal wiring board on which a power semiconductor element is mounted by an Ag sinker and has a land portion for solder bonding,
A main terminal whose land portion and one end are electrically connected by solder joining,
A power semiconductor device configured to include a resin frame frame that covers the periphery of the metal wiring board on which the power semiconductor element is mounted, while being incorporated so that the other end of the main terminal protrudes to the outside. There,
The main terminal is provided with an opening for injecting a solder paste containing a flux at one end thereof to be solder-bonded, and the solder paste is allowed to flow out to a part of the periphery forming the opening. Has a notch,
The notch is provided at a position where the solder paste injected into the opening flows out in a direction deviated from the power semiconductor element and the Ag sinker, and can control the flow of the flux component contained in the solder paste. Power semiconductor device.
請求項1に記載の電力用半導体装置。 The main terminal has a tapered shape in which the vertical cross-sectional shape of the opening widens the upper surface side with respect to the lower surface side solder-bonded to the land portion, and the opening expands toward the upper surface. The power semiconductor device described in 1.
請求項1または2に記載の電力用半導体装置。 The power semiconductor device according to claim 1 or 2, wherein the main terminal has a key shape in which the vertical cross-sectional shape of the tip end portion of one end is bent toward the lower surface side to be solder-bonded to the land portion.
をさらに備える請求項1から3のいずれか1項に記載の電力用半導体装置。 The power semiconductor device according to any one of claims 1 to 3, further comprising a jig having a mortar shape mounted on the upper surface of the opening and expanding the cross-sectional area of the upper surface of the opening.
請求項4に記載の電力用半導体装置。 The power semiconductor device according to claim 4, wherein the jig is integrally molded with the frame.
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