JP2018082009A - Semiconductor module - Google Patents
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Abstract
【課題】 ゲートランナーの配設箇所近傍にある主面電極に集中する応力を緩和する技術を提供する。【解決手段】 半導体モジュールは、半導体基板と、前記半導体基板の一方の主面に設けられている主面電極と、前記主面電極上の一部に配設されているゲートランナーであって、ゲート配線と、そのゲート配線を被覆する保護膜と、を有するゲートランナーと、前記ゲートランナーが設けられている範囲以外の前記主面電極上の少なくとも一部に設けられているはんだ層と、前記ゲートランナーの前記保護膜上の少なくとも一部に設けられている密着層と、を備えており、前記密着層は、前記はんだ層とは異なる材料であり、前記はんだ層よりも前記保護膜との密着力が高い材料である。【選択図】図3PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technique for relieving stress concentrated on a principal surface electrode near a location where a gate runner is provided. A semiconductor module includes a semiconductor substrate, a main surface electrode provided on one main surface of the semiconductor substrate, and a gate runner arranged on a part of the main surface electrode. A gate runner having a gate wire and a protective film covering the gate wire, a solder layer provided on at least a part of the main surface electrode other than the range where the gate runner is provided, and An adhesion layer provided on at least a part of the protective film of the gate runner, and the adhesion layer is a material different from the solder layer, and the protective film with the solder layer than the solder layer. It is a material with high adhesion. [Selection diagram] Fig. 3
Description
本明細書が開示する技術は、半導体モジュールに関する。 The technology disclosed in this specification relates to a semiconductor module.
特許文献1は、半導体基板の一方の主面に設けられている主面電極をはんだ層を介してリードフレームに接合した構造を有する半導体モジュールを開示する。 Patent Document 1 discloses a semiconductor module having a structure in which a principal surface electrode provided on one principal surface of a semiconductor substrate is joined to a lead frame via a solder layer.
この種の半導体モジュールでは、半導体基板内に形成されている半導体素子が通電したときの自己発熱及び/又は外部からの熱ストレスの印加等の熱サイクルによって各部材が膨張及び収縮を繰返し、各部材の熱膨張差に起因して主面電極に応力が集中する。このような主面電極に集中する応力を緩和する技術が必要とされている。 In this type of semiconductor module, each member repeats expansion and contraction due to thermal cycles such as self-heating when the semiconductor element formed in the semiconductor substrate is energized and / or application of external thermal stress. Stress concentrates on the principal surface electrode due to the thermal expansion difference. There is a need for a technique for relieving such stress concentrated on the principal surface electrode.
ところで、この種の半導体モジュールでは、主面電極上にゲートランナーが配設されることが多い。ゲートランナーは保護膜で被覆されたゲート配線を有しており、そのゲート配線が半導体基板内に形成されているゲート電極に接続するように構成されている。これにより、半導体基板内に形成されているゲート電極に対してゲート信号が均一に印加される。 By the way, in this type of semiconductor module, a gate runner is often disposed on the main surface electrode. The gate runner has a gate wiring covered with a protective film, and the gate wiring is configured to be connected to a gate electrode formed in the semiconductor substrate. Thereby, a gate signal is uniformly applied to the gate electrode formed in the semiconductor substrate.
ゲートランナーが配設されている従来の半導体モジュールでは、主面電極上に塗布されるはんだ層が、このようなゲートランナー上にも塗布されている。しかしながら、本発明者らの検討の結果、ゲートランナーの保護膜とはんだ層は密着性が悪いことが分かってきた。このため、半導体モジュールに熱サイクルが加わったときに、保護膜上に塗布されたはんだ層は、保護膜に強く拘束されていないことから、大きく膨張及び収縮を繰返して移動する。このような保護膜上のはんだ層の移動(膨張及び収縮)は、ゲートランナーの配設箇所近傍にある主面電極に対して応力を特に集中させてしまう。本明細書は、ゲートランナーの配設箇所近傍にある主面電極に集中する応力を緩和する技術を提供する。 In a conventional semiconductor module in which a gate runner is provided, a solder layer applied on the main surface electrode is also applied on such a gate runner. However, as a result of studies by the present inventors, it has been found that the adhesion between the protective film of the gate runner and the solder layer is poor. For this reason, when a thermal cycle is applied to the semiconductor module, the solder layer applied on the protective film is not strongly constrained by the protective film, and thus moves with repeated expansion and contraction. Such movement (expansion and contraction) of the solder layer on the protective film particularly concentrates stress on the principal surface electrode in the vicinity of the location where the gate runner is disposed. The present specification provides a technique for relieving stress concentrated on a main surface electrode in the vicinity of an arrangement location of a gate runner.
本明細書が開示する半導体モジュールの一実施形態は、半導体基板、主面電極、ゲートランナー、はんだ層及び密着層を備える。主面電極は、半導体基板の一方の主面に設けられている。ゲートランナーは、主面電極上の一部に配設されている。ゲートランナーは、ゲート配線と、そのゲート配線を被覆する保護膜と、を有する。はんだ層は、ゲートランナーが設けられている範囲以外の主面電極上の少なくとも一部に設けられている。密着層は、ゲートランナーの保護膜上の少なくとも一部に設けられている。密着層は、はんだ層とは異なる材料であり、はんだ層よりも保護膜との密着力が高い材料である。なお、ここでいう密着力とは、プリンカップ試験によって測定されるものである。 One embodiment of a semiconductor module disclosed in the present specification includes a semiconductor substrate, a main surface electrode, a gate runner, a solder layer, and an adhesion layer. The main surface electrode is provided on one main surface of the semiconductor substrate. The gate runner is disposed on a part of the main surface electrode. The gate runner includes a gate wiring and a protective film that covers the gate wiring. The solder layer is provided on at least a part of the main surface electrode outside the range where the gate runner is provided. The adhesion layer is provided on at least a part of the protective film of the gate runner. The adhesion layer is a material different from the solder layer, and has a higher adhesion force to the protective film than the solder layer. In addition, the adhesion strength here is measured by a pudding cup test.
上記実施形態の半導体モジュールは、ゲートランナーの保護膜上の少なくとも一部に密着層が設けられている。密着層は、はんだ層よりも保護膜との密着力が高い材料である。このため、保護膜上に設けられている密着層の移動が抑制されるので、ゲートランナーの配設箇所近傍にある主面電極に集中する応力が緩和される。 In the semiconductor module of the above embodiment, an adhesion layer is provided on at least a part of the protective film of the gate runner. The adhesion layer is a material having higher adhesion with the protective film than the solder layer. For this reason, since the movement of the adhesion layer provided on the protective film is suppressed, the stress concentrated on the main surface electrode in the vicinity of the location where the gate runner is disposed is relieved.
図1に示す半導体モジュール10は、上部リードフレーム12、銅ブロック16、半導体基板20、下部リードフレーム24及び樹脂層26を備える。半導体基板20は、主にシリコンによって構成されている。図1には示していないが、半導体基板20の上面には、電極層、絶縁保護膜等が設けられている。また、図1には示していないが、半導体基板20の下面には、電極層が設けられている。半導体基板20の下面に設けられた電極層は、はんだ層22を介して下部リードフレーム24の上面に接合されている。半導体基板20の上面に設けられた電極層は、はんだ層18を介して銅ブロック16の下面に接合されている。銅ブロック16の上面は、はんだ層14を介して上部リードフレーム12に接合されている。上部リードフレーム12及び下部リードフレーム24は、半導体基板20に通電するための電極板として機能するとともに、半導体基板20から放熱するための放熱板としても機能する。上部リードフレーム12、銅ブロック16、半導体基板20及び下部リードフレーム24からなる積層体の側面は、樹脂層26によって覆われている。
A
図2は、半導体基板20の平面図であり、はんだ層18が塗布された状態を示す。図2に示されるように、半導体基板20上にはゲートランナー30が配設されており、そのゲートランナー30によってはんだ層18の塗布される領域が、この例では3つに分割されている。
FIG. 2 is a plan view of the
図3は、図2のIII-III線に対応した拡大断面図である。図3に示されるように、半導体基板20の上面は、主面電極42によって覆われている。主面電極42の材料は、AlSi(アルミニウムとシリコンを含有する合金)である。主面電極42は、半導体基板20に形成されている半導体領域(例えばソース及びアノード等)と電気的に接続されている。
FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view corresponding to line III-III in FIG. As shown in FIG. 3, the upper surface of the
図2及び図3に示されるように、主面電極42の上面の一部にゲートランナー30が配設されている。図2に示されるように、ゲートランナー30は、第1ゲートランナー部32と第2ゲートランナー部34を有する。第1ゲートランナー部32は、半導体基板20内に半導体素子が形成されている素子領域を横断して一方向に伸びている。第2ゲートランナー部34は、第1ゲートランナー部32から分岐して第1ゲートランナー部32に対して直交する方向に伸びている。第2ゲートランナー部34は、ゲートパッドが設けられている位置に向けて第1ゲートランナー部32から伸びている。第1ゲートランナー部32と第2ゲートランナー部34は、素子領域の中央で接続するように構成されている。この例では、ゲートランナー30は、素子領域の周辺側に位置する3つの端部30Aを有する。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
図3に示されるように、ゲートランナー30(第1ゲートランナー部32も第2ゲートランナー部34も同一構成である)は、ゲート配線30aと、そのゲート配線30aを被覆する保護膜30bと、を有する。ゲート配線30aは、半導体基板20内のゲート電極に接続するように構成されている。これにより、半導体基板20内に形成されているゲート電極に対してゲート信号を均一に印加することができる。保護膜30bの材料は、絶縁体のポリイミドである。
As shown in FIG. 3, the gate runner 30 (the first
ゲートランナー30が配設されていない主面電極42の上面にニッケル層44が設けられている。ニッケル層44の上面は、はんだ層18に接合されている。はんだ層18の上面は、銅ブロック16に接合されている。ニッケル層44は、はんだ層18の濡れ性を改善するために設けられている。はんだ層18は、後述する密着層52が保護膜30bと銅ブロック16の間に接合された後に、ニッケル層44と銅ブロック16の間に塗布される。はんだ層18の材料は、SnCuNiPである。
A
ゲートランナー30の上面には密着層52が設けられている。図2に示されるように、密着層52は、ゲートランナー30の上面の全範囲に設けられている。密着層52の材料は、CuMoである。密着層52の材料であるCuMoは、Cuを含有していることから、ポリイミドの保護膜30bに対して良好に接合することができる材料である。密着層52の保護膜30bに対する密着力は、はんだ層18の保護膜30bに対する密着力よりも高い。密着層52の上面は、銅ブロック16に接合されている。
An
密着層52は、保護膜30bの上面を酸素プラズマ処理した後に、保護膜30bの上面に成膜される。これにより、密着層52と保護膜30bの密着力がさらに向上する。密着層52と銅ブロック16は、超音波接合技術を利用して接合される。これにより、密着層52と銅ブロック16は、強固に接合することができる。密着層52の厚みは、はんだ層18の厚みと同程度となるように調整される。
The
図4に、従来の半導体モジュールの要部断面図を示す。半導体モジュール10の各部に対応する部分に、図3と同じ参照番号が付されている。図4に示す従来の半導体装置は、密着層52を備えておらず、ゲートランナー30の上面にもはんだ層18が塗布されている。はんだ層18の保護膜30bに対する密着力は弱いので、ゲートランナー30の上面に設けられているはんだ層18は、強く拘束されていない。
FIG. 4 shows a cross-sectional view of a main part of a conventional semiconductor module. Parts corresponding to the respective parts of the
半導体モジュール10の温度は、半導体基板20内に形成されている半導体素子に通電することで上昇する。また、外部の温度上昇によって、半導体モジュール10の温度が上昇する場合もある。このように、半導体モジュール10は熱サイクルに曝される。以下に、半導体モジュール10が熱サイクルに曝されたときについて説明する。まず、図4に示す従来の半導体モジュールについて説明する。図4に示す従来の半導体モジュールでは、保護膜30bとはんだ層18の密着性が悪いことから、熱サイクルが加わったときに、保護膜30bの上面に塗布されたはんだ層18が大きく膨張及び収縮を繰返しして自由に移動する。半導体モジュール10は樹脂層26で被覆されているので、保護膜30b上に塗布されたはんだ層18は、ゲートランナー30の端部30A(図2参照)において樹脂層26を押圧する(図1の「A」参照)。この押圧に伴う外力によってゲートランナー30の端部30Aの直下近傍にある主面電極42に応力が特に集中してしまう。特に、ゲートランナー30の端部30Aの直下は、主面電極42とニッケル層44と樹脂層26が接する三重点であり、応力が集中し易い箇所である。ゲートランナー30の端部30Aとこの三重点が近接することで、この三重点近傍の主面電極42に特に応力が集中する。
The temperature of the
これに対し、図3に示す本実施形態の半導体モジュール10では、ゲートランナー30の保護膜30bの上面に、はんだ層18に代えて密着層52が設けられている。密着層52は、はんだ層18よりも保護膜30bとの密着力が高い材料である。このため、保護膜30bの上面に設けられている密着層52の移動が抑制されるので、ゲートランナー30の配設箇所近傍にある主面電極42、特に、ゲートランナー30の端部30Aの直下にある主面電極42の応力が緩和される。
On the other hand, in the
また、密着層52の材料であるCuMoの線膨張係数は、はんだ層18の線膨張係数よりも小さく、ポリイミドの保護膜30bの線膨張係数により近い。このため、半導体モジュール10では、従来の半導体モジュールに比して、密着層52と保護膜30bの間の熱膨張差による応力も緩和される。
The linear expansion coefficient of CuMo, which is the material of the
さらに、密着層52の材料であるCuMoの熱伝導率は、はんだ層18の熱伝導率よりも大きい。このため、半導体基板20内の半導体素子が動作したときに発生する熱は、密着層52を介して銅ブロック16及び上部リードフレーム12に良好に伝熱され、半導体基板20の温度上昇を抑えることができる。
Furthermore, the thermal conductivity of CuMo which is the material of the
上記で説明した半導体モジュール10では、密着層52がゲートランナー30の上面の全範囲に設けられていた。しかしながら、ゲートランナー30の配設箇所近傍にある主面電極42の応力を緩和するためには、ゲートランナー30の上面の少なくとも一部に密着層52が設けられていればよい。
In the
例えば、図5に示されるように、密着層52は、第1ゲートランナー部32と第2ゲートランナー部34の接続部、即ち、素子領域の中央部に選択的に設けられていてもよい。この例では、ゲートランナー30の上面に設けられているはんだ層18が3つに分断されるので、ゲートランナー30の配設箇所近傍にある主面電極42の応力が緩和される。さらに、素子領域の中央部は温度が最も高くなる部分であり、その素子領域の中央部に熱伝導率の高い密着層52が設けられているので、半導体基板20の最高温度を抑えることができる。
For example, as shown in FIG. 5, the
また、図6に示されるように、密着層52は、ゲートランナー30の端部30Aに対応して選択的に設けられていてもよい。この場合でも、ゲートランナー30の端部30Aの直下にある主面電極42の応力が緩和される。
As shown in FIG. 6, the
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above. The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology illustrated in the present specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical utility by achieving one of the objects.
10:半導体モジュール
12:上部リードフレーム
14:はんだ層
16:銅ブロック
18:はんだ層
20:半導体基板
22:はんだ層
24:下部リードフレーム
26:樹脂層
30:ゲートランナー
30a:ゲート配線
30b:保護膜
32:第1ゲートランナー部
34:第2ゲートランナー部
42:主面電極
44:ニッケル層
52:密着層
10: Semiconductor module 12: Upper lead frame 14: Solder layer 16: Copper block 18: Solder layer 20: Semiconductor substrate 22: Solder layer 24: Lower lead frame 26: Resin layer 30:
Claims (1)
前記半導体基板の一方の主面に設けられている主面電極と、
前記主面電極上の一部に配設されているゲートランナーであって、ゲート配線と、そのゲート配線を被覆する保護膜と、を有するゲートランナーと、
前記ゲートランナーが設けられている範囲以外の前記主面電極上の少なくとも一部に設けられているはんだ層と、
前記ゲートランナーの前記保護膜上の少なくとも一部に設けられている密着層と、を備えており、
前記密着層は、前記はんだ層とは異なる材料であり、前記はんだ層よりも前記保護膜との密着力が高い材料である、半導体モジュール。 A semiconductor substrate;
A main surface electrode provided on one main surface of the semiconductor substrate;
A gate runner disposed on a part of the main surface electrode, the gate runner having a gate wiring and a protective film covering the gate wiring,
A solder layer provided on at least a part of the main surface electrode other than the range in which the gate runner is provided;
An adhesion layer provided on at least a part of the protective layer of the gate runner,
The adhesion layer is a semiconductor module that is a material different from the solder layer and has a higher adhesion to the protective film than the solder layer.
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