JP2015090965A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大幅なはんだ量の増加なくはんだ付け強度を向上させることができる半導体装置を提供する。
【解決手段】放熱板上に配線基板が配置されている。配線基板上に半導体チップが実装されている。中空のケースが配線基板及び半導体チップを取り囲むように放熱板に接合されている。電極端子は、ケースに固定される固定部と、ケース内において配線基板にはんだ９により接合された平面部８ｂとを有する。平面部８ｂの上面に凹部１１が設けられている。平面部８ｂの下面から凹部１１の底面に達する貫通孔１２が設けられている。平面部８ｂの下面と配線基板がはんだ９により接合されている。はんだ９は貫通孔１２内と凹部１１の底面上にも延在する。
【選択図】図３

Description

本発明は、大幅なはんだ量の増加なくはんだ付け強度を向上させることができる半導体装置に関する。

電力用の半導体装置（パワーモジュール）において、中空のケースが配線基板及び半導体チップを取り囲むように放熱板に接合され、ケースに固定された電極端子の平面部が配線基板にはんだにより接合されている。

しかし、半導体装置の動作中に温度が上昇し、配線基板と電極端子のはんだ接合面に線膨張係数の違いに起因して熱応力が発生する。これにより、電極端子が配線基板から剥離して故障が発生するという問題があった。これに対して、電極端子の平面部に貫通孔を設けることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。貫通孔を通って平面部の上面に存在するはんだがリベットになるため、はんだバルクによるアンカー効果が得られ、はんだ付け強度を向上させることができる。

特開昭６２−２０２５４８号公報

しかし、単純な貫通孔のみではリベットを構成するために、はんだ量を大幅に増加する必要がある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は大幅なはんだ量の増加なくはんだ付け強度を向上させることができる半導体装置を得るものである。

本発明に係る半導体装置は、放熱板と、前記放熱板上に配置された配線基板と、前記配線基板上に実装された半導体チップと、前記配線基板及び前記半導体チップを取り囲むように前記放熱板に接合された中空のケースと、前記ケースに固定される固定部と、前記ケース内において前記配線基板にはんだにより接合された平面部とを有する電極端子とを備え、前記平面部の上面に凹部が設けられ、前記平面部の下面から前記凹部の底面に達する貫通孔が設けられ、前記平面部の前記下面と前記配線基板が前記はんだにより接合され、前記はんだは前記貫通孔内と前記凹部の前記底面上にも延在することを特徴とする。

本発明では貫通孔内と凹部の底面上に存在するはんだがリベットになるため、はんだバルクによるアンカー効果が得られ、はんだ付け強度を向上させ、信頼性において優れた半導体装置を得ることができる。また、単純な貫通孔のみではリベットを構成するために、はんだ量を大幅に増加する必要がある。そこで、平面部の上面に凹部を設け、平面部の下面から凹部の底面に達する貫通孔を設ける。これにより、大幅なはんだ量の増加なくはんだ付け強度を向上させることができる。

本発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る電極端子と配線基板との接合部を示す斜視図である。 図２のＩ−ＩＩに沿った断面図である。 本発明の実施の形態２に係る電極端子の平面部を示す断面図である。 本発明の実施の形態３に係る電極端子と配線基板との接合部を示す斜視図である。 本発明の実施の形態４に係る電極端子の平面部を示す断面図である。 本発明の実施の形態５に係る電極端子と配線基板との接合部を示す斜視図である。 図７のＩ−ＩＩに沿った断面図である。 図７のＩ−ＩＩに沿った断面図である。 本発明の実施の形態６に係る電極端子の平面部を示す断面図である。

本発明の実施の形態に係る半導体装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す断面図である。放熱板１上に配線基板２が配置されている。両者ははんだ３により接合されている。配線基板２は絶縁基板上に回路が形成されたものである。絶縁基板は、放熱性に優れるＡｌＮ（窒化アルミニウム）等である。

配線基板２上にＩＧＢＴ（Insulated-Gate Bipolar Transistor）等の半導体チップ４がはんだ５により実装されている。半導体チップ４はワイヤ６により配線基板２に接続されている。中空のケース７が配線基板２及び半導体チップ４を取り囲むように放熱板１に接合されている。ケース７はエンプラ（ＰＰＳ）等である。

電極端子８は、ケース７に固定される固定部８ａと、ケース７内において配線基板２にはんだ９により接合された平面部８ｂとを有し、直線状の固定部８ａに対して平面部８ｂが横に折れ曲がったＬ字型となっている。電極端子８は、はんだ付け性を向上させるためＮｉめっきを施したＣｕ等である。ケース７の内部にはシリコーンゲル１０が充填されている。

図２は、本発明の実施の形態１に係る電極端子と配線基板との接合部を示す斜視図である。図３は、図２のＩ−ＩＩに沿った断面図である。平面部８ｂの上面に凹部１１が設けられている。平面部８ｂの下面から凹部１１の底面に達する貫通孔１２が設けられている。平面部８ｂの下面と配線基板２がはんだ９により接合されている。はんだ９は貫通孔１２内と凹部１１の底面上にも延在する。凹部１１の側面及び底面の一部にはんだ９が接合されているが、側面及び底面の全面にはんだ９が接合されていてもよい。

続いて、本実施の形態の効果を説明する。半導体装置の動作中に発生した熱で、ケース７、放熱板１、配線基板２が変形する。この変形により、ケース７に固定された電極端子８と配線基板２との接合部に応力が発生する。電極端子８を覆うシリコーンゲル１０はモールド樹脂のように電極を固定するほどの強度がない。このため、電極端子８と配線基板２との接合部に大きな負荷が加わる。しかし、貫通孔１２と凹部１１が無い従来構造では、はんだ付け強度は平面部８ｂの下面と配線基板２の接合界面での強度だけで決まってしまう。

一方、本実施の形態では、貫通孔１２内と凹部１１の底面上に存在するはんだ９がリベットになるため、はんだバルクによるアンカー効果が得られる。例えば変形により図３に示す上下の引張応力が印加された際に、はんだ９のリベットが凹部１１の底面に下向きの抗力を発生させる。従って、はんだ付け強度を向上させ、信頼性において優れた半導体装置を得ることができる。また、単純な貫通孔１２のみではリベットを構成するために、はんだ量を大幅に増加する必要がある。そこで、平面部８ｂの上面に凹部１１を設け、平面部８ｂの下面から凹部１１の底面に達する貫通孔１２を設ける。これにより、大幅なはんだ量の増加なくはんだ付け強度を向上させることができる。

実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２に係る電極端子の平面部を示す断面図である。凹部１１の断面形状は円弧型である。凹部１１の円弧の部分の一部にはんだ９が接合されているが、円弧の部分の全面にはんだ９が接合されていてもよい。

パワーモジュールの動作により斜め上下方向に引張応力が印加された際に、凹部１１の円弧の部分でその応力に対抗する抗力を発生させることができる。よって、上下方向だけでなく、斜め方向への応力に対してはんだバルクの強度を付加することができる。

実施の形態３．
図５は、本発明の実施の形態３に係る電極端子と配線基板との接合部を示す斜視図である。はんだ付けされる平面部８ｂに発生する応力は特に先端角部で大きくなり、この部分を起点にしてはんだにクラックができ、内部に進行していき、最終的には剥離に至る。そこで、本実施の形態では凹部１１を平面部８ｂの先端角部に設けている。これにより、クラックの起点となる部分の耐剥離強度が大きくなるため、クラックの発生を抑え、はんだ付け強度を向上させることができる。

実施の形態４．
図６は、本発明の実施の形態４に係る電極端子の平面部を示す断面図である。貫通孔１２の下端部に直線状又は曲面状の面取り１３が施されている。これにより、はんだ９の濡れ上がり性が向上するために、はんだ９が貫通孔１２を通って凹部１１の底面上に達しやすくなり、はんだ９によるリベット形状が安定して形成される。

実施の形態５．
図７は、本発明の実施の形態５に係る電極端子と配線基板との接合部を示す斜視図である。図８及び図９は、図７のＩ−ＩＩに沿った断面図である。平面部８ｂの上面三辺にそれぞれ凹部１４が少なくとも１つ設けられている。平面部８ｂの下面と配線基板２がはんだ９により接合されている。はんだ９は平面部８ｂの下面から側面を這い上がって凹部１４の底面上にも延在する。この凹部１４の側面と底面の一部にはんだ９が接合されているが、側面と底面の全面にはんだ９が接合されていてもよい。

剥離が発生しやすい平面部８ｂの周辺部において、はんだバルクによるアンカー効果が得られ、はんだ付け強度を向上させることができる。そして、図８に示すように、平面部８ｂを上に向かって引き剥がそうとする応力に対し、凹部１４の底面上のはんだ９が平面部８ｂを上方から押さえることができる。また、平面部８ｂの上面三辺にそれぞれ凹部１４を設けることにより、図９に示すように左右方向の応力に対しても抗力を持たせることができる。

実施の形態６．
図１０は、本発明の実施の形態６に係る電極端子の平面部を示す断面図である。本実施の形態において電極端子８と配線基板２との接合部は図７と同様であり、図１０は図７のＩ−ＩＩに沿った断面図に対応する。平面部８ｂの下面から凹部１４の底面に達する円柱状の貫通孔１５が設けられている。はんだ９は貫通孔１５内にも延在する。これにより、はんだ９の濡れ上がり性が向上するために、はんだ９が貫通孔１５を通って凹部１４の底面上に達しやすくなり、はんだ９によるリベット形状が安定して形成される。

なお、半導体チップ４は、珪素によって形成されたものに限らず、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成されたものでもよい。ワイドバンドギャップ半導体は、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、又はダイヤモンドである。このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成された半導体チップ４は、耐電圧性や許容電流密度が高いため、小型化できる。この小型化された半導体チップ４を用いることで、この素子を組み込んだ半導体装置も小型化できる。また、半導体チップ４の耐熱性が高いため、ヒートシンクの放熱フィンを小型化でき、水冷部を空冷化できるので、半導体装置を更に小型化できる。また、半導体チップ４の電力損失が低く高効率であるため、半導体装置を高効率化できる。

１ 放熱板、２ 配線基板、４ 半導体チップ、７ ケース、８ 電極端子、８ａ 固定部、８ｂ 平面部、９ はんだ、１１，１４ 凹部、１２，１５ 貫通孔、１３ 面取り

Claims (6)

1. 放熱板と、
   前記放熱板上に配置された配線基板と、
   前記配線基板上に実装された半導体チップと、
   前記配線基板及び前記半導体チップを取り囲むように前記放熱板に接合された中空のケースと、
   前記ケースに固定される固定部と、前記ケース内において前記配線基板にはんだにより接合された平面部とを有する電極端子とを備え、
   前記平面部の上面に凹部が設けられ、
   前記平面部の下面から前記凹部の底面に達する貫通孔が設けられ、
   前記平面部の前記下面と前記配線基板が前記はんだにより接合され、
   前記はんだは前記貫通孔内と前記凹部の前記底面上にも延在することを特徴とする半導体装置。
2. 前記凹部の断面形状は円弧型であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記凹部は前記平面部の先端角部に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
4. 前記貫通孔の下端部に面取りが施されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体装置。
5. 放熱板と、
   前記放熱板上に配置された配線基板と、
   前記配線基板上に実装された半導体チップと、
   前記配線基板及び前記半導体チップを取り囲むように前記放熱板に接合された中空のケースと、
   前記ケースに固定される固定部と、前記ケース内において前記配線基板にはんだにより接合された平面部とを有する電極端子とを備え、
   前記平面部の上面三辺にそれぞれ凹部が設けられ、
   前記平面部の前記下面と前記配線基板が前記はんだにより接合され、
   前記はんだは前記凹部の底面上にも延在することを特徴とする半導体装置。
6. 前記平面部の下面から前記凹部の底面に達する貫通孔が設けられ、
   前記はんだは前記貫通孔内にも延在することを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。

Images