JP2018082012A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｚｎ−Ａｌ系はんだ層の濡れ上がりとフィレット不良の双方を解消することのできる半導体装置を提供する。【解決手段】コレクタリードフレーム１と、半導体素子２と、ターミナル３と、エミッタリードフレーム６と、が順に積層され、各構成部材間にＺｎ−Ａｌ系はんだ層７が介在して積層体が形成され、積層体の周囲に封止樹脂体９が形成されてなる半導体装置１０において、ターミナル３の側面には凸部３ａ’’もしくは凹部３ａ’が形成されており、ターミナル３のうち、封止樹脂体９と接する表面には、Ｎｉ、Ａｌ、もしくはこれらの酸化物のいずれかからなる第一被膜４が形成され、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ層７と接する表面には、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄのいずれかからなる第二被膜５が形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、両面冷却構造の半導体装置に関するものである。

ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の半導体素子を搭載した半導体装置（パワーモジュールもしくはパワーカード）は、コレクタリードフレームと半導体素子が接合材であるはんだ層を介して接合されて構成された積層体がケース内に収容され、さらにこのケース内に封止樹脂体が形成された構成のものや、ケースレス構造であって、比較的硬質の封止樹脂体で上記積層体が封止された構成のものなど、多様な形態が存在している。

なお、ケースレス構造のもの、ケースを具備する構造のもののいずれであっても、ヒートシンクや冷媒を還流させる冷却器などがさらに配されて半導体素子からの熱をこれらに放熱させる構造が一般に適用されている。

さらに、コレクタリードフレームとエミッタリードフレームが上下に存在し、その間に半導体素子がはんだ層を介して配設されるとともに、これらの積層体が封止樹脂体で一体化された両面冷却構造の半導体装置も存在しており、たとえば特許文献１にこの形態の半導体装置が開示されている。

上記する両面冷却構造の半導体装置の構造として、コレクタリードフレーム、はんだ層、半導体素子、はんだ層、ターミナル（スペーサ）、はんだ層、エミッタリードフレーム、が順に積層され、封止樹脂体で全体が封止されてなる構造の半導体装置を挙げることができる。そして、このように両面冷却構造の半導体装置をたとえば２５０℃以上で作動させるべく、はんだ層にはＺｎ−Ａｌ系などの高融点素材のはんだ層が適用される必要がある。

上記構造の半導体装置では、一回目のリフロー工程にてコレクタリードフレームに半導体素子を接合し、半導体素子にターミナルを接合する。次いで、ワイヤボンドを施した後、二回目のリフロー工程にてエミッタリードフレームをターミナルに接合する。

特開２０１４−１９２２０２号公報

上記する両面冷却構造の半導体装置の製造においては、一回目のリフロー工程の際に半導体素子とターミナルの間ではんだ層が濡れ上がり、ターミナルの上面まで広がる場合があったり、フィレット不良が生じる場合がある。したがって、これらはんだ層の濡れ上がりの解消やフィレット不良の解消が必要となる。

たとえば、上記する特許文献１に開示の半導体装置のように、ターミナルの全表面にＮｉ、Ａｌまたはそれらの酸化物からなる被膜を形成した場合、Ｚｎ−Ａｌはんだ層とターミナル側面との濡れ性が良好でないため、Ｚｎ−Ａｌはんだ層とターミナルの接合が十分になされず、フィレット不良が生じる可能性がある。

そこで、ターミナルの全表面に対してＺｎ−Ａｌはんだ層と濡れ性の良好なＣｕ等からなる被膜を形成した場合、今度はターミナル側面と封止樹脂体の密着強度が低下してしまい、封止樹脂体が剥離する可能性がある。

本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ層を介して、コレクタリードフレーム、半導体素子、ターミナル、およびエミッタリードフレームが接合され、それらの周囲に封止樹脂体が形成されてなる半導体装置に関し、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ層の濡れ上がりとフィレット不良の双方を解消することのできる半導体装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明による半導体装置は、コレクタリードフレームと、半導体素子と、ターミナルと、エミッタリードフレームと、が順に積層され、前記コレクタリードフレームと前記半導体素子の間、および、前記半導体素子と前記ターミナルの間、および、前記ターミナルと前記エミッタリードフレームの間、にはそれぞれ、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ層が介在して積層体が形成され、前記積層体の周囲に封止樹脂体が形成されてなる半導体装置において、前記ターミナルの側面には凸部もしくは凹部が形成されており、前記ターミナルのうち、前記封止樹脂体と接する表面には、Ｎｉ、Ａｌ、もしくはこれらの酸化物のいずれかからなる第一被膜が形成されており、前記ターミナルのうち、前記Ｚｎ−Ａｌ系はんだ層と接する表面には、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄのいずれかからなる第二被膜が形成されているものである。

本発明の半導体装置は、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ層を介して、コレクタリードフレーム、半導体素子、ターミナル、およびエミッタリードフレームが接合され、それらの周囲に封止樹脂体が形成されてなる半導体装置に関し、ターミナルの構造に特徴を有するものである。

具体的には、まず、ターミナルの側面において、凸部もしくは凹部が形成されている。ここで、「側面」とは、ターミナルの側方の表面で封止樹脂体と接する面のことである。なお、ターミナルのうち、側面以外の上面および下面にはＺｎ−Ａｌ系はんだ層が存在する。

また、「凸部」とは、ターミナルの側面の全周に亘って設けられる形態などが挙げられ、側面から突起が突出した形態や、側面がたとえば下端から上端に亘ってテーパー状に広がるように傾斜した形態（断面積が上方に向かって大きくなる形態）などが挙げられる。

このように、ターミナルの側面において、突起や、上方に向かって広がるテーパー状の凸部があることで、この凸部によってＺｎ−Ａｌ系はんだ層の濡れ上がりを解消することができる。

また、「凹部」とは、たとえばターミナルの側面の全周に亘って設けられる溝であり、溝の断面形状は、三角形、矩形、楕円形など、任意の断面形状が挙げられる。

このように、ターミナルの側面において凹部が形成されていることで、この凹部にＺｎ−Ａｌ系はんだ層を入り込ませることができ、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ層の濡れ上がりを解消することができる。

なお、ターミナルの側面の一部に凸部が形成され、他部に凹部が形成された、凸部と凹部の組み合わせ形態であってもよい。

なお、半導体素子がＩＧＢＴからなる場合には、半導体素子から外側に向かって延びるボンディングワイヤが存在する。このようにボンディングワイヤが存在する場合に、ターミナルの側面に上記する凸部があると、この凸部とボンディングワイヤが接触する可能性があることから、半導体素子がＩＧＢＴからなる場合で、特にボンディングワイヤが存在する側には少なくとも凹部を設けておくのが望ましい。

一方で、半導体素子がダイオードの場合にはボンディングワイヤが存在しないことから、この場合にはターミナルの側面に凸部と凹部のいずれを設けてもよい。

さらに、ターミナルの他の特徴として、ターミナルのうち、封止樹脂体と接する表面には、Ｎｉ、Ａｌ、もしくはこれらの酸化物のいずれかからなる第一被膜が形成され、ターミナルのうち、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ層と接する表面には、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄのいずれかからなる第二被膜が形成されている。

Ｚｎ−Ａｌ系はんだ層はリフロー工程の際に上方に持ち上がる濡れ上がりが生じ易いが、ターミナルの表面のうち、封止樹脂体と接する表面にＮｉ、Ａｌ、もしくはこれらの酸化物からなる第一被膜（たとえばめっき被膜）を形成しておくことで、第一被膜はＺｎ−Ａｌ系はんだ層との濡れ性が良好でないことからＺｎ−Ａｌ系はんだ層の濡れ上がりそのものを抑制できることに加えて、封止樹脂体との良好な密着性が得られる。

一方で、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ層と接する表面にＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄのいずれかからなる第二被膜（たとえばめっき被膜）を形成しておくことで、第二被膜はＺｎ−Ａｌ系はんだ層との濡れ性が良好であることから当該Ｚｎ−Ａｌ系はんだ層と良好に密着する。

たとえば、凸部や凹部が形成されているターミナルの側面の全面に第一被膜を形成しておき、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ層と必ず接するターミナルの上面および下面に第二被膜を形成しておいてもよいし、ターミナルの下面から側面の凸部や凹部のある箇所に亘る下方領域とターミナルの上面に第二被膜を形成しておき、ターミナルの側面の凸部や凹部の上方領域にのみ第一被膜を形成しておいてもよい。

以上の説明から理解できるように、本発明の半導体装置によれば、両面冷却構造の半導体装置を構成するターミナルが、その側面に凸部もしくは凹部を有し、封止樹脂体と接する表面にＮｉ、Ａｌ、もしくはこれらの酸化物のいずれかからなる第一被膜を有し、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ層と接する表面にＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄのいずれかからなる第二被膜を有していることにより、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ層の濡れ上がりとフィレット不良の双方を解消することができる。

本発明の半導体装置の実施の形態の縦断面図である。 ターミナルの他の実施の形態を示した縦断面図である。 ターミナルのさらに他の実施の形態を示した縦断面図である。 ターミナルのさらに他の実施の形態を示した縦断面図である。

以下、図面を参照して本発明の半導体装置の実施の形態を説明する。なお、図示するターミナルは、その側面に凸部を備えた形態、もしくは凹部を備えた形態であるが、これ以外にも、ターミナルの側面の一部に凸部が形成され、他部（たとえばボンディングワイヤが存在する領域）に凹部が形成された、凸部と凹部の組み合わせ形態であってもよい。

（半導体装置の実施の形態）
図１は本発明の半導体装置の実施の形態の縦断面図である。
図示する両面冷却構造の半導体装置１０は、コレクタリードフレーム１、半導体素子２、ターミナル３、エミッタリードフレーム６、が順に積層され、コレクタリードフレーム１と半導体素子２の間、半導体素子２とターミナル３の間、ターミナル３とエミッタリードフレーム６の間にそれぞれＺｎ−Ａｌ系はんだ層７が介在して積層体が形成され、この積層体の周囲に封止樹脂体９が形成されてその全体が構成されている。

コレクタリードフレーム１とエミッタリードフレーム６は、アルミニウムやその合金、銅やその合金などから形成されており、表面にＮｉめっき層１ａ、６ａがそれぞれ形成されている。

半導体素子２はＩＧＢＴやダイオードからなるが、図示例の半導体素子２はＩＧＢＴであり、したがって、半導体素子２からコレクタリードフレーム１に亘ってボンディングワイヤ８が配設されている。

各構成部材がＺｎ−Ａｌ系はんだ層７にて接合されていることで、半導体装置１０の作動によって２５０℃以上の高温環境下に置かれた場合でも、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ層７が溶融することなく、各構成部材の接合状態を保持することができる。なお、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ層７は、たとえば、Ｚｎ−５Ａｌ、Ｚｎ−２２Ａｌなどを具体的な合金素材とする。

また、封止樹脂体９の素材としては、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂やポリアミドイミド等の熱可塑性樹脂が挙げられ、これらの樹脂材の中に、熱伝導性と熱膨張の改善を目的としてシリカやアルミナ、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸化マグネシウム等の無機フィラーが含有されていてもよい。

一方、ターミナル３は、主として封止樹脂体９と接する側面３ａと、上方のＺｎ−Ａｌ系はんだ層７と接する上面３ｂ、下方のＺｎ−Ａｌ系はんだ層７と接する下面３ｃを有しており、側面３ａにおいては、側面３ａの全周に亘って連続する凹部３ａ’が形成されている。

さらに、側面３ａの表面には、Ｎｉ、Ａｌ、もしくはこれらの酸化物のいずれかからなる第一被膜４が形成され、上面３ｂと下面３ｃの表面には、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄのいずれかからなる第二被膜５が形成されている。

Ｚｎ−Ａｌ系はんだ層７と接するターミナル３の上面３ｂと下面３ｃの表面にＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄのいずれかからなる第二被膜５を形成しておくことで、第二被膜５はＺｎ−Ａｌ系はんだ層７との濡れ性が良好であることからＺｎ−Ａｌ系はんだ層７と良好に密着する。

図示する半導体装置１０の製造においては、一回目のリフロー工程にてコレクタリードフレーム１に半導体素子２をＺｎ−Ａｌ系はんだ層７を介して接合し、半導体素子２にターミナル３をＺｎ−Ａｌ系はんだ層７を介して接合する。次いで、ワイヤボンドを施した後、二回目のリフロー工程にてエミッタリードフレーム６をターミナル３にＺｎ−Ａｌ系はんだ層７を介して接合する。この一回目のリフロー工程の際に半導体素子２とターミナルの間でＺｎ−Ａｌ系はんだ層７が濡れ上がり易く、ターミナルの上面まで広がる恐れがある。

しかしながら、半導体装置１０を構成するターミナル３では、その側面において凹部３ａ’が形成されていることで、この凹部３ａ’に濡れ上がろうとしたＺｎ−Ａｌ系はんだ層７を入り込ませることができ、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ層７の上方への濡れ上がりを解消することができる。

さらに、ターミナル３の側面３ａにＮｉ、Ａｌ、もしくはこれらの酸化物のいずれかからなる第一被膜４を形成しておくことで、第一被膜４はＺｎ−Ａｌ系はんだ層７との濡れ性が良好でないことからＺｎ−Ａｌ系はんだ層７の濡れ上がりそのものを抑制できることに加えて、封止樹脂体９との良好な密着性が保証される。

このように、ターミナル３の側面３ａに凹部３ａ’を有し、かつ側面３ａの表面にＮｉ、Ａｌ、もしくはこれらの酸化物のいずれかからなる第一被膜４を有することで、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ層７の濡れ上がりを解消することができる。

次に、図２〜４を参照して、ターミナルの他の実施の形態を説明する。まず、図２に示すターミナル３は、その下面３ｃから側面３ａの凹部３ａ’のある中段程度に亘る下方領域とターミナル３の上面３ｂに第二被膜５が形成され、ターミナル３の側面３ａの凹部３ａ’の上方領域にのみ第一被膜４が形成された形態である。

リフロー工程の際にターミナル３の下方にあるＺｎ−Ａｌ系はんだ層７は上方に濡れ上がろうとするため、側面３ａの途中位置まではＺｎ−Ａｌ系はんだ層７と濡れ性の良好な第一被膜４を形成しておくことで、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ層７の上方への濡れ上がりの解消に加えて、フィレット不良も効果的に解消することができる。

また、図３で示すターミナル３Ａは、側面３ａに外側に突出する突起状の凸部３ａ’’を備え、側面３ａの表面に第一被膜４が形成され、上面３ｂと下面３ｃの表面に第二被膜５が形成された形態である。

側面３ａが外側に突出する突起状の凸部３ａ’’を有することにより、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ層７の上方への濡れ上がりを効果的に解消することができる。

一方、図４で示すターミナル３Ｂは、側面３ａにおいて、ターミナル３Ｂの下端から上端に亘ってテーパー状に広がるように傾斜したテーパー凸部３ａ’’’を備え、側面３ａの表面に第一被膜４が形成され、上面３ｂと下面３ｃの表面に第二被膜５が形成された形態である。

側面３ａが上方に向かって外側に広がるテーパー凸部３ａ’’’を有することにより、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ層７の上方への濡れ上がりを効果的に解消することができる。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１…コレクタリードフレーム、１ａ，６ａ…Ｎｉめっき層、２…半導体素子、３，３Ａ，３Ｂ…ターミナル、３ａ…側面、３ａ’…凹部、３ａ’’…凸部、３ａ’’’…テーパー凸部、３ｂ…上面、３ｃ…下面、４…第一被膜、５…第二被膜、６…エミッタリードフレーム、７…Ｚｎ−Ａｌ系はんだ層、８…ボンディングワイヤ、９…封止樹脂体、１０…半導体装置

Claims (1)

1. コレクタリードフレームと、
   半導体素子と、
   ターミナルと、
   エミッタリードフレームと、が順に積層され、
   前記コレクタリードフレームと前記半導体素子の間、および、前記半導体素子と前記ターミナルの間、および、前記ターミナルと前記エミッタリードフレームの間、にはそれぞれ、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ層が介在して積層体が形成され、
   前記積層体の周囲に封止樹脂体が形成されてなる半導体装置において、
   前記ターミナルの側面には凸部もしくは凹部が形成されており、
   前記ターミナルのうち、前記封止樹脂体と接する表面には、Ｎｉ、Ａｌ、もしくはこれらの酸化物のいずれかからなる第一被膜が形成されており、
   前記ターミナルのうち、前記Ｚｎ−Ａｌ系はんだ層と接する表面には、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄのいずれかからなる第二被膜が形成されている半導体装置。

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