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半導体装置 - 株式会社日立製作所
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発明の名称 半導体装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平6−236947
公開日 平成6年(1994)8月23日
出願番号 特願平5−20983
出願日 平成5年(1993)2月9日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】小川 勝男
発明者 保川 彰夫 / 斎藤 隆一 / 岡村 久宣 / 小池 義彦
要約 目的


構成
半導体装置において、熱拡散板の硬度の水平方向分布を、チップ接合位置で低く、その周囲で高くなるように分布させる。また、垂直方向の分布を硬ろう接合の側で高く、はんだ接合の側で低くする。
特許請求の範囲
【請求項1】半導体チップを搭載した熱拡散板をはんだ接合した構造を有する半導体装置において、前記熱拡散板の硬度の水平方向の分布を、前記半導体チップの搭載位置に対応する部分で低く、その周囲が高くなるような分布としたことを特徴とする半導体装置。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体装置に係り、特に、大電流のインバータ装置を構成する高信頼のIGBTモジュールに好適な構造に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の装置は、例えば、特願平4−13684 号公報に記載のような構造を有していた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】従来技術は、熱拡散板の硬さの分布についての考慮がなされておらず、熱拡散板を他部材と接合するはんだ接合層に、はんだ接合後の冷却時のそりにより、大きな応力が発生し、はんだ接合層にクラックが生じやすいという問題があった。
【0004】また、ダイオードの表面の電極膜をワイヤごとに分離する点についての考慮がなされておらず、電流が複数のワイヤのうちの一部のワイヤに集中して流れるため、このワイヤの発熱が大きくなり、温度上昇によるひずみが大きくなり、断線を生じやすくなるという問題があった。
【0005】本発明の目的は、はんだ層のクラックを防ぎ、またワイヤの断線を防ぐことにより、信頼性の高い半導体装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的は、熱拡散板の硬度の水平方向分布を、チップ搭載位置で低く、その周囲で高い分布とすることによって達成される。
【0007】
【作用】上記構成によれば、はんだ付け後の冷却によるそりが抑えられ、はんだに加わる応力が抑えられるため、はんだに生じるクラックが抑えられる。これにより、装置の動作時の電流によりチップ部分で発生した熱がベースに逃げやすくなり、チップの温度上昇を防ぎ、温度の上昇しすぎによる装置の不良を防止できる。
【0008】
【実施例】以下、本発明の実施例を図により説明する。
【0009】本実施例の半導体チップは、図10に示すように、6個のIGBTチップ1と2個のダイオードチップ2を組み込んでいる。これらのチップを相互に接続し、大電流のインバータ装置の一部を構成するモジュールを形成している点では、従来技術と同様である。
【0010】図11は、本発明の実施例の断面図である。まず、8個の緩衝板3を1個の熱拡散板4に硬ろう5を用いて接合する。その後、8個の緩衝板3の上に、6個のIGBTチップ1と2個のダイオードチップ2を高温はんだ6で接合することにより、熱拡散板組7を作成する。次にベース8と絶縁板9と熱拡散板組7と絶縁部材10と電極板11を重ね、低温はんだ12で接合し、さらに、チップ1,2と電極板11の間をワイヤ41で接続することにより、ベース組14を作成する。ベース組14に、さらにケース15を接着剤16によって接着し、充填材17を充填することにより、モジュールを完成させる。このような構成を取ることにより、多数の部品を、順次、集約し、効率的な組立て工程を構成することが可能となる。
【0011】図10において、チップの両側に配置された電極板11aと11bが一端で連結され、外部端子11cとして外に取りだされる。このような対称な電極配置により、チップ間の電流分担を均一化し、特性を向上している。ここで、電極板11aと11bを連結する部材11fには、外部端子11cとそれぞれの電極板11aと11bとの間に、水平方向の変位を吸収できる形状の屈曲11dと11eが形成されている。これにより、連結部材の水平方向の熱膨張を吸収できるため、電極板11aと11bに加わる力を低減し、電極板と絶縁部材10を接合している低温はんだ12の破壊を防止できる。
【0012】また、本モジュールには、ねじ穴18が形成されており、インバータ装置の放熱板の上に、ベースが密着するような形でねじ穴18を介してねじで組付けられ、電極板に配線されることにより、インバータ装置の中に組み込まれる。これにより、良好な放熱特性が得られる。
【0013】部品の材料は、熱拡散板4とベース8には、熱伝導率の高い材料、例えば、銅系の材料、特に無酸素銅を用いることにより、良好な放熱特性を得ることができる。緩衝板3には、チップ材料と熱膨張係数の近い材料、例えば、Moを用いることにより、製造時や使用時の温度変化により、チップ1,2と緩衝板3のあいだの高温はんだ6に加わるひずみを低減することができる。硬ろう5の材料は、降伏応力が高く、接合時のぬれ性のよい材料、例えば、銀ろうを用いることにより、緩衝板と熱拡散板の間の接合性を向上できる。高温はんだ6の材料は、疲労強度の高い材料、例えば、錫アンチモンはんだを用いる。絶縁板9と絶縁部材10の材料は、絶縁性のよい材料、例えば、アルミナを用いることにより、良好な電気絶縁性を得ることができる。低温はんだ12の材料は、良好なはんだ付け性を有するPb−Sn共晶はんだを用いることにより、良好な生産性が得られる。電極板11の材料は、電気伝導率の高い材料、例えば、銅系の材料、特に無酸素銅を用いることにより、良好な回路特性が得られる。ケース15の材料は、絶縁性が高く、かつ、ベースの線膨張係数に近似した線膨張係数を有する材料を用い、また、接着剤16としてこの材料との接着性に優れ、かつ、変形吸収性に優れた材料を用いることにより、製造時や使用時の熱変形によるケースとベースの間の剥離を防ぐことができる。例えば、ベース8に銅を用い、ケース15にポリフェニレンサルファイド樹脂を用い、接着剤16にシリコーンゴム接着剤を用いるという組み合せにより、前述の条件をみたすことができる。充填材17の材料は、絶縁性と耐湿性と変形吸収性とにすぐれた材料、例えば、シリコーンゲルを用いることにより、装置の絶縁性と耐湿性を確保しながら、ワイヤに充填材からの力が加わり断線することを防ぐことができる。
【0014】以上のような構成でも、まだ次のような問題があった。すなわち、熱拡散板4は、その上に搭載された緩衝板3およびチップ1より線膨張係数が大きいため、低温はんだ12によるはんだ接合後の冷却時に、緩衝板3およびチップ1よりよけいに熱収縮する。このとき、熱拡散板4は、その上面の熱収縮が緩衝板3およびチップ1によって拘束されるため、図3に示すように上に凸のそりが生じる。このそりにより、熱拡散板4と絶縁板9の間のはんだ12の中の、チップ搭載位置に対応する部分に垂直方向の引っ張り応力21が生じ、一方、この部分の周囲の部分には圧縮応力22が生じることになる。このうちの引張応力21によりチップ搭載位置に対応する部分のはんだにクラック23が生じる場合があるという問題があった。クラック23が生じると、装置動作時にチップ1で発生した熱がベース8へ逃げにくくなるため、チップ1の温度が過度に上昇し、チップ1が正常に動作しなくなる場合があった。
【0015】これに対して、本発明の実施例では、図1に示すように、熱拡散板4の硬度の水平方向の分布を、チップ搭載位置、すなわち、緩衝板3の位置に対応する部分で低くその周囲が高くなるような分布とした。これにより、まず、周囲部分の高い硬度により、図4に示すように、この周囲部分がそり変形を抑えるような力24を生じるため、そり変形を低減できる。また、多少そり変形がのこっていても、チップ搭載位置に対応する部分の低い硬度により、この部分に生じる垂直方向の引っ張りの変形を、この部分の熱拡散板の変形25として吸収できるため、この位置に対応する部分のはんだに生じる垂直方向の引っ張り応力21を低減できる。これにより、この部分のはんだのクラック23を防止できる。
【0016】また、本発明の実施例では、図1に示すように、熱拡散板の硬度の垂直方向の分布を、硬ろうの側で高くはんだの側で低くなるような分布とした。これにより、まず、硬ろう側の高い硬度により、前述の場合と同様なそりを抑えるような図4に示す力24を生じるため、そり変形を低減することができる。また、多少そり変形がのこっていても、はんだ側の低い硬度により、この部分に生じる垂直方向の引っ張りの変形を、この部分の熱拡散板の前述の場合と同様な変形25として吸収できるため、この位置に対応する部分のはんだに生じる垂直方向の引っ張り応力を低減できる。これにより、この部分のはんだのクラックを防止できる。
【0017】このような硬度の分布を得ることは、例えば、次のような方法で実現できる。まず、はんだ付けの前に、熱拡散板組の状態で、高温のプロセスを通し、除冷することにより、熱拡散板を焼き鈍し、熱拡散板全体の硬度を下げる。次に、図5に示すように、チップ搭載位置、すなわち、緩衝板搭載位置に対応する位置に凹みを設けた上型31と、下型32を用いて上下方向にプレスを行う。この結果、緩衝板の部分には型が当たらず、緩衝板のない部分だけが、上下方向に圧縮され、加工硬化を生じる。これにより、熱拡散板の硬度の水平方向の分布を、チップ搭載位置に対応する部分で低くその周囲が高くなるような分布とできる。ここで、プレスを緩衝板3を接合した後の状態で行うことにより、緩衝板3により、プレス時の位置決めを容易にできる。
【0018】また、この上下方向のプレスした状態で、さらに水平方向に拡散板の側面のうちで、緩衝板を硬ろうで接合した側の部分を図5のように型34と35を用いて、周囲から圧縮する。これにより、熱拡散板の硬度の垂直方向の分布を、硬ろうの側で高くはんだの側で低くなるような分布にできる。
【0019】このような構成において、また次の問題もあった。すなわち、IGBTインバータモジュールでは、ダイオードチップのワイヤに大電流が流れるため、このワイヤのジュール発熱により温度が上昇し、熱膨張によりひずみが生じる。この繰り返しにより、ワイヤが疲労し、断線を生じる場合もある。これに対して、図10に示すように、ダイオードチップ2の一個に対して、複数のワイヤ41を接続し、これに電流を分担させることにより、一本のワイヤの電流を低減し、疲労寿命を向上できる。しかし、次の原因で、これだけの対策では不十分となる場合があった。すなわち、電気抵抗が各ワイヤごとに異なるため、電流が各ワイヤに均一に分担されず、一部のワイヤに集中し、このワイヤが短い寿命で断線してしまう場合があった。これに対して、本発明の実施例では、図2に示すようにダイオードチップ上面の電極膜42を各ワイヤ41ごとに分離している。これにより、ワイヤの電流を均一化できる。このメカニズムを以下に、ワイヤを2本に簡単化した場合を例にとって説明する。
【0020】従来の装置では、図6に示すように、電極膜42が各ワイヤごとには分離されておらず、各ワイヤ41a,41bを通った電流は、チップ上の電極膜42の中を広がり合流した後、チップ2の中を通って流れることになる。この状態における電流は、図7に示すような簡単化した回路で近似的に検討できる。すなわち、電流源54から出た電流は各ワイヤに対応する抵抗51a,51b(図6のワイヤ41a,41bに対応)に分かれて流れた後、合流してからチップに対応する抵抗52を通り、抵抗53を通って、電流源54にもどる。ここで図6の電極膜42の抵抗は、図7のワイヤの抵抗51a,51bに含めて考えている。抵抗53は回路中の抵抗51a,51b,52以外の抵抗をすべて含めたものである。ここで、例えば、一本のワイヤの抵抗51aが他のワイヤの抵抗51bより小さければ、電流は抵抗の低いワイヤ51aに集中して流れることになることは、図7と並列抵抗の考え方から容易にわかる。
【0021】一方、本発明の実施例の装置では、図8に示すように、各ワイヤ41a,41bを通った電流は、電極膜42a,42bの中で合流することなく、チップ2に流れ込むことになる。この状態の電流は、図9に示すような簡単化した回路で近似的に検討できる。すなわち、電流源54から出た電流はワイヤに対応する二つの抵抗51a,51bに分かれて流れた後、合流することなくチップに対応する抵抗52a,52b(図8のチップ2の抵抗のうちの、それぞれ電極膜42aと42bの下の部分の抵抗に対応)を通り、抵抗53を通って、電流源54にもどる。この場合、一本のワイヤの抵抗51aが他のワイヤの抵抗51bより小くても、電流がワイヤ51aに集中して流れないようにすることが、次のようにして可能となる。
【0022】すなわち、ワイヤの電流分担に影響するのは、ワイヤの抵抗51aとこれに対応するチップの抵抗52aを足した直列抵抗値と、ワイヤの抵抗51bとこれに対応するチップの抵抗52bを足した直列抵抗値との比である。各ワイヤについて、この直列抵抗値を均一にすれば、まったく等しい電流が各ワイヤに分担されて流れることになる。ワイヤの抵抗とチップの抵抗をうまく調整することにより、丁度、このような状態になるようなことが実現できる。ただし、このような調整は困難な場合も多いので、実用上十分均一な電流分担を、より簡単に実現する方法を次に述べる。
【0023】本実施例では、チップの抵抗52a,52bはワイヤの抵抗51a,51bより十分大きくしている。このため、直列抵抗値は、ほとんどチップの抵抗52a,52bで決まることになる。このため、各ワイヤに対応したチップの抵抗52a,52bを等しくすることにより、ワイヤの抵抗51a,51bが多少違っても、殆んど均一な電流分担を実現できる。各ワイヤに対応したチップの抵抗52a,52bを等しくすることは、各ワイヤに対応した電極膜の面積を等しくし、また、チップ中の不純物拡散状態をチップ面内で均一とすることにより実現している。
【0024】図8において、電極膜53aからチップに流れる電流の一部は、チップ中で、電極膜53bの下の部分に流れ込み、また、逆に電極膜53bからの電流の一部は電極膜53aの下に流れ込むことにより、チップの抵抗は図9のような厳密な並列とはならなくなる。ただし、本実施例で用いるチップ2の寸法は、厚さが0.3mm 程度であるのに対して、水平方向の寸法が10mm以上であり、寸法比が30倍以上となるため、水平方向への電流の流れの影響は小さくなる。したがって、実用上殆んど並列状態と考えて良いようになり、電流の均一化が可能となる。
【0025】
【発明の効果】本発明によれば、はんだ付け後の冷却によるそりが抑えられ、はんだに加わる応力が抑えられるため、はんだに生じるクラックが抑えられる。これにより、チップで発生した熱がベースに逃げやすくなり、チップの温度上昇を抑え、温度の上昇しすぎによる装置の不良を防止できる。




 

 


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