両面冷却型半導体パワーモジュール
【課題】 両面冷却型の半導体パワーモジュールにおいて、半導体チップの放熱性や信頼性の低下を抑えつつ、溢れたはんだによるリードフレーム間のショートや半導体チップ面内でのショートの発生を防止する。
【解決手段】 半導体素子と、第１の突起面が半導体素子の一方の面に形成された電極部とはんだで接続されている第１のリードフレームと、半導体素子の前記一方の面と反対側の面に形成された電極部とはんだで接続されている第２のリードフレームと、第１のリードフレームと熱的に接続された第１の放熱部材と、第２のリードフレームと熱的に接続された第２の放熱部材とを備えた両面冷却型半導体パワーモジュールにおいて、第１の突起面は半導体素子の一方の面に形成されたはんだ接続する電極部よりも小さい形状を有し、第１の突起面と電極部との形状の寸法差が第１の突起面の方向により異なるように構成した。
【解決手段】 半導体素子と、第１の突起面が半導体素子の一方の面に形成された電極部とはんだで接続されている第１のリードフレームと、半導体素子の前記一方の面と反対側の面に形成された電極部とはんだで接続されている第２のリードフレームと、第１のリードフレームと熱的に接続された第１の放熱部材と、第２のリードフレームと熱的に接続された第２の放熱部材とを備えた両面冷却型半導体パワーモジュールにおいて、第１の突起面は半導体素子の一方の面に形成されたはんだ接続する電極部よりも小さい形状を有し、第１の突起面と電極部との形状の寸法差が第１の突起面の方向により異なるように構成した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リード端子に対し半導体部品をはんだにより接続して構成し、半導体部品の両面を冷却するする両面冷却型半導体パワーモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
電力の変換や制御を行う半導体パワーモジュールでは、従来、チップの片面を基板上にはんだ接続し、もう一方の面をワイヤボンディングにより接続することにより、電気的な接続及び基板への放熱を実現していた。ところが、半導体パワーモジュールの小型化や高放熱化の要求から、半導体チップ（半導体素子）の表裏両面をはんだ接続し、半導体チップの両面から冷却する方法も採用されるようになってきた。半導体チップの両面から冷却する方法を採用している半導体パワーモジュールの例が特許文献１や特許文献２、特許文献３に記載されている。この両面冷却方式の半導体パワーモジュールでは、半導体チップをヒートシンクにはんだ接続した後モールド樹脂により封止した構成となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−７７４６４号公報
【特許文献２】特開２００５−２４４１６６号公報
【特許文献３】特開２００３−１１００６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載されているように、半導体パワーモジュールの放熱性をより高くするために、半導体チップを熱伝導率の高い金属材料により作られた導体板にはんだ接続し、この導体板を放熱ベースに接続する構成を採用している。この導体板を低コスト化するために薄い板状の材料を用いてプレス加工により形成した場合（以下、これをリードフレームと呼ぶ）、プレス加工上の理由から加工による変形や反り量のばらつきが数十μｍと大きいため寸法公差が大きくなる。
【０００５】
半導体チップの冷却効率を上げるために、このような変形や反りによる寸法のばらつきが大きいリードフレームを半導体チップの両面にはんだ接続する場合、リードフレームの寸法公差を考慮し、接続箇所に供給するはんだ量を設計する必要がある。リードフレームの変形や反りによる寸法公差が大きい場合、リードフレームと半導体チップの距離、及びリードフレームともう一方のリードフレームの距離のばらつきも大きくなる。上記距離が大きい場合にも未接続とならないようなはんだ量を供給する必要があるが、これらの距離が小さくなるリードフレームの組み合わせの場合にはリードフレームと半導体チップの間に供給したはんだがリードフレームと半導体チップの間から溢れるため、この溢れたはんだにより半導体チップの両方のリードフレームがショートしたり、半導体チップ上に形成された他の電極部とショートすることが懸念される。
【０００６】
このショートを回避するために有効な方法として、リードフレームのはんだ接続部に突起やスペーサを設ける方法が考えられる。ただし、この形成する突起やスペーサに関しては、反り量のばらつきや供給するはんだ量、接続後の放熱性、信頼性を考慮して寸法を設計する必要がある。放熱性、信頼性を重視する場合、突起やスペーサの面積を大きくする必要があるが、この場合チップ電極との寸法差が小さくなり、はんだフィレットが小さくなる。溢れたはんだが表面張力により集まりやすくなり、ショートが発生しやすくなる可能性がある。一方、この問題の回避を考え、突起やスペーサの面積を小さくした場合、放熱性や信頼性の低下が懸念される。
【０００７】
特許文献１には、半導体チップから発生した熱を導体板を介して放熱ベースに伝達する半導体パワーモジュールの構成が記載されているが、半導体チップの両面に導体板を半田で接続するときに、半導体チップの両面に供給したはんだ半導体チップの脇にあふれ出て両面の導体板の間で接続したり、半導体チップの一方の面の側に形成された他の電極パッドと接続することにより半導体チップ回路の短絡（ショート）を発生させてしまうのを防止することについては配慮されていない。
【０００８】
また、特許文献２には、ヒートシンクブロックをリードフレームと半導体チップの間に設けた構成が記載されている。しかし特許文献１には、ヒートシンクブロックを半導体チップの一方の側に設けた構成しか開示しておらず、ヒートシンクブロックを半導体チップの両方の側に設けることによって顕在化してくる上記した問題を解決することについては配慮されていない。
【０００９】
本発明の課題は、半導体チップの放熱性や信頼性の低下を最低限に抑えつつ、溢れたはんだによるリードフレーム間のショートや半導体チップ面内でのショートの発生を防止するはんだ接続部構造を有する両面冷却型の半導体パワーモジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記した従来技術の課題を解決するために、本発明では、半導体素子と、第１の突起面を有してこの第１の突起面が半導体素子の一方の面に形成された電極部とはんだで接続されている第１のリードフレームと、半導体素子の前記一方の面と反対側の面に形成された電極部とはんだで接続されている第２のリードフレームと、第１のリードフレームと熱的に接続された第１の放熱部材と、第２のリードフレームと熱的に接続された第２の放熱部材とを備えた両面冷却型半導体パワーモジュールにおいて、第１のリードフレームの第１の突起面は半導体素子の一方の面に形成されたはんだ接続する電極部よりも小さい形状を有し、第１の突起面と電極部との形状の寸法差が第１の突起面の方向により異なるように構成した。
【００１１】
また、上記した従来技術の課題を解決するために、本発明では、半導体素子と、第１の突起面を有してこの第１の突起面が半導体素子の一方の面に形成された電極部とはんだで接続されている第１のリードフレームと、半導体素子の前記一方の面と反対側の面に形成された電極部とはんだで接続されている第２のリードフレームと、第１のリードフレームと熱的に接続された第１の放熱部材と、第２のリードフレームと熱的に接続された第２の放熱部材とを備えた両面冷却型半導体パワーモジュールにおいて、第１のリードフレームの第１の突起面とこの第１の突起面にはんだ接続された半導体素子の電極部との間にははんだフィレットが形成され、このはんだフィレットの大きさが、第１の突起面の方向により異なるように形成した。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、はんだ接続部にはんだフィレットが形成される方向を制御することができるので、半導体チップを両面冷却するタイプの半導体モジュールにおいて、半導体チップの両面間の短絡の発生や、一方のチップ面内でリードフレームとのはんだ接続に与らない電極パッドとの短絡の発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１Ａ】チップの両面から冷却する方法を採用しているモジュールの斜視図である。
【図１Ｂ】チップの両面から冷却する方法を採用しているモジュールの断面図である。
【図２】本発明におけるはんだ接続部の基本構造を示した模式図である。
【図３】リードフレームとはんだ接続する半導体チップの電極面に対してリードフレームの凸状はんだ接続部を投影し状態を示す半導体チップの平面図である。
【図４Ａ】リードフレームの凸状はんだ接続部を半導体チップの電極面にはんだ接続した状態を図３のＬ−Ｌ線に沿った断面を示す断面図である。
【図４Ｂ】リードフレームの凸状はんだ接続部を半導体チップの電極面にはんだ接続した状態を図３のＭ−Ｍ線に沿った断面を示す断面図である。
【図５】上下異形材リードフレームの加工方向の組み合わせにより、一方のリードフレームの反りの影響を低減できるメカニズムを示した模式図を示す表である。
【図６】実施例１において検討したサンプルに関し、チップの電極面に対してリード凸部はんだ接続面を投影し、リードの凸部はんだ接続面の寸法とチップ電極面の寸法を示した表である。
【図７】実施例１において、ショート発生数についてまとめた結果を示す表である。
【図８】実施例２において検討したサンプルに関し、チップの電極面に対してリード凸部はんだ接続面を投影した状態を示す半導体チップの平面図である。
【図９】実施例２において、ショート発生数についてまとめた結果を示す表である。
【図１０】実施例３において、検討に用いたリードの概要を示した表である。
【図１１】実施例３において、ショート発生数についてまとめた結果を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
チップの両面を冷却する方法を採用している両面冷却型半導体パワーモジュールの構成の外観を示す斜視図を図１Ａに、また、図１ＡにおけるＮ−Ｎ断面図を図１Ｂに示す。
【００１５】
図１Ａ及び図１Ｂに示した構成において、両面冷却型半導体パワーモジュール１００は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）やダイオードなどの半導体チップ１０１、半導体チップ１０１の裏面側と接続する第１のリードフレーム１０２、第１の絶縁部材１０３、フィン１０４が多数形成された第１の放熱部材１０５、半導体チップ１０１の表面側と接続する第２のリードフレーム１０６、第２の絶縁部材１０７、フィン１０８が多数形成された第２の放熱部材１０９、半導体チップ１０１を含む第１のリードフレーム１０２と第２のリードフレーム１０６との間の空間に充填された第一の封止樹脂１１０、第一の封止樹脂１１０が充填された第１のリードフレーム１０２と第２のリードフレーム１０６とを挿入して第１の絶縁部材１０３と第２の絶縁部材１０７とが熱圧着されたモジュールケース１１１、モジュールケースの内部の隙間に充填された第二の封止樹脂１１２、バスバー１２１、ゲートピン１２２、中間バスバー１２３、バスバー１２１とゲートピン１２２と中間バスバー１２３との下部を覆う補助モールド体１２４、補助モールド体１２４をモジュールケース１１１に固定するネジ１２５を備えて構成されている。
【００１６】
半導体チップ１０１と、第１のリードフレーム１０２及び第２のリードフレーム１０６との接続部の構成を図２に示す。半導体チップ１０１は、一方の１０１−１がＩＧＢＴ、他方の１０１−２がダイオードである。以下、ＩＧＢＴ１０１−１とダイオード１０１−２とを組にして半導体チップ１０１と記す。半導体チップ１０１は、ＩＧＢＴ１０１−１が裏面側を第１のリードフレーム１０２とはんだ１０−１ａで接続し、表面側を第２のリードフレーム１０６とはんだ１０−１ｂで接続している。ＩＧＢＴ１０１−１の表面側と接続する第２のリードフレーム１０６に凸状のはんだ接続部１０６−１ａを形成している。一方、ダイオード１０１−２は裏面側を第１のリードフレーム１０２とはんだ１０−２ａで接続し、表面側を第２のリードフレーム１０６とはんだ１０−２ｂで接続している。ダイオード１０１−２の表面側と接続する第２のリードフレーム１０６に凸状のはんだ接続部１０６−２ａを形成している。
【００１７】
本発明では、この凸状のはんだ接続部１０６−１ａ及び１０６−２ａにおけるはんだ１０−１ｂ，１０−２ｂの接続面１０６−１ｂ，１０６−２ｂに関し、この接続面１０６−１ｂ，１０６−２ｂの１辺の長さと、これに対向する半導体チップ１０１（ＩＧＢＴ１０１−１，ダイオード１０１−２）の電極面における前記凸部はんだ接続部１０６−１ａ，１０６−２ａのはんだ接続面１０６−１ｂ，１０６−２ｂの１辺に平行な１辺の長さとの差が、前記凸状のはんだ接続部１０６−１ａ，１０６−２ａの接続面１０６−１ｂ，１０６−２ｂの１辺と直角に交わる他辺の長さと、これに対向する半導体チップ１０１−１，１０１−２の電極面における前記凸状のはんだ接続部１０６−１ａ，１０６−２ａの接続面１０６−１ｂ，１０６−２ｂの他辺に平行な１辺の長さとの差よりも大きくなるように前記凸状のはんだ接続部１０６−１ａ，１０６−２ａの接続面１０６−１ｂ，１０６−２ｂの寸法を設定することにより、前記凸状のはんだ接続部１０６−１ａ，１０６−２ａの接続面１０６−１ｂ，１０６−２ｂと半導体チップ１０１−１，１０１−２の表面側１０１−１ａ，１０１−２ｂとの間から溢れるはんだ１０−１ａ，１０−２ａの流出方向（はんだ１０−１ａ，１０−２ａの濡れ方）を制御し、半導体チップ１０１（ＩＧＢＴ１０１−１，ダイオード１０１−２）の両側に供給されたはんだ１０−１ａとはんだ１０−１ｂ，はんだ１０−２ａとはんだ１０−２ｂとのショートを防止するものである。
【００１８】
第２のリードフレーム１０６の凸状のはんだ接続部１０６−１ａの寸法と半導体チップ１０１（ＩＧＢＴ１０１−１）の表面側１０１−１ａに形成されている電極部寸法について図３に示す。図３は半導体チップ１０１（ＩＧＢＴ１０１−１）の表面側１０１−１ａに形成された電極面（主電極パッド１０１−１ｃ及び制御用電極パッド１０１−１ｄ）に対し、第２のリードフレーム１０６の凸状のはんだ接続部１０６−１ａのはんだ接続面１０６−１ｂを投影（図３において、主電極パッド１０１−１ｃの中のハッチングされている領域１０６−１ｃ）した図である。
【００１９】
図３において、半導体チップ１０１（ＩＧＢＴ１０１−１）をはんだ接続するための主電極パッド１０１−１ｃのＸ方向の寸法をＥ１，Ｙ方向の寸法をＥ２，主電極パッド１０１−１ｃの上に投影された第２のリードフレーム１０６の凸状のはんだ接続部１０６−１ａのはんだ接続面１０６−１ｂの投影領域のＸ方向の寸法をＤ１，Ｙ方向の寸法をＤ２とした時に、Ｅ１−Ｄ１＞Ｅ２−Ｄ２となるよう凸状のはんだ接続部１０６−１ａのはんだ接続面１０６−１ｂの寸法を決定する。主電極パッド１０１−１ｃの寸法とリードフレーム１０６の凸状のはんだ接続部１０６−１ａのはんだ接続面１０６−１ｂの寸法を上記のような関係になるように設定すると、半導体チップ１０１（ＩＧＢＴ１０１−１）とリードフレーム１０６の凸状のはんだ接続部１０６−１ａとをはんだ１０−１ｂで接続したときに、図４Ａに示すように、図３のＬ−Ｌ線に沿った断面においてリードフレーム１０６の凸状のはんだ接続部１０６−１ｂ（図３のハッチングした領域１０６−１ｃ）のＹ方向の辺：１０６−１ａＹ１に沿った方向のほうが、図４Ｂに示すように図３のＭ−Ｍ線に沿った断面におけるＸ方向の辺：１０６−１ａＸ１に沿った方向よりもより多くのはんだ１０−１ｂが半導体チップ１０１−１とリードフレーム１０６の凸状のはんだ接続部１０６−１ａとの間から外にはみ出して、リードフレーム１０６の凸状のはんだ接続部１０６−１ａの側面に付着してフィレット１０−１ｃが形成される。これと比べて、図４Ｂで形成されるフィレット１０−１ｄは小さい。
【００２０】
このように、半導体チップ１０１（ＩＧＢＴ１０１−１）のはんだ接続領域とリードフレーム１０６の凸状のはんだ接続部１０６−１ａのはんだ接続領域の寸法差が異なるように設定しておくことにより、はんだ１０−１ａで接続するときに半導体チップ１０１（ＩＧＢＴ１０１−１）とリードフレーム１０６の凸状のはんだ接続部１０６−１ａとの間からはみ出したはんだ部材をリードフレーム１０６の凸状のはんだ接続部１０６−１ａの側面の上記寸法差が大きい側に流れ出る量を多くし、上記寸法差が小さい側に流れ出る量を少なくするように制御することができる。その結果、上記寸法差が大きい側の凸状のはんだ接続部１０６−１ａの側面の側に、上記寸法差が小さい側の凸状のはんだ接続部１０６−１ａの側面の側に比べてより大きなはんだフィレットが形成される。
【００２１】
第２のリードフレーム１０６の構造の都合又は、半導体チップ１０１（ＩＧＢＴ１０１−１）の表面側の面１０１−１ａの電極パッドの配置により、逆にＥ２−Ｄ２＞Ｅ１−Ｄ１としてもよいが、図３のように半導体チップ１０１（ＩＧＢＴ１０１−１）の表面側１０１−１ａに制御用電極パッド１０１−１ｄなどの他の電極を有する場合、その電極面（図３の場合には制御用電極パッド１０１−１ｄ）の存在する向きの辺（図３の場合にはＸ方向の辺）に関し、はんだフィレットが短くなるようＥ１−Ｄ１＞Ｅ２−Ｄ２とする方が好適である。また、半導体チップ１０１（ＩＧＢＴ１０１−１）の表面側１０１−１ａとリードフレーム１０６の凸状のはんだ接続部１０６−１ａとの間に供給したはんだ１０−１ｂの流れをより効果的に制御したい場合には、（Ｅ１−Ｄ１）／（Ｅ２−Ｄ２）の値を１.５以上とするのが望ましい。
【００２２】
上記した例においては、半導体チップ１０１としてＩＧＢＴ１０１−１をリードフレーム１０６及び１０２とはんだ接続する例を説明したが、ダイオード１０１−２をリードフレーム１０６及び１０２とはんだ接続する場合にも、同様な寸法関係とすればよい。
【００２３】
リードフレーム１０６の上に凸状のはんだ接続部１０６−１ａを作成する方法としては、プレス加工による成形、スペーサ接続、異形材を用いた成形等がある。これらの方法のうち、プレス加工については加工後の寸法精度に難点があるため、接続部におけるはんだ厚の設計難易度が高くなると考えられる。また、スペーサ接続では、上述のように接続部の数が増加するため、接続プロセスが複雑化するデメリットがある。よって異形材を用いた成形が好適と考えられる。
【００２４】
異型材を用いてリードフレーム１０６及び１０２を形成する場合について、図５を用いて説明する。異形材を用いた成形では、押し出し加工、あるいは引き抜き加工により例えばリードフレーム１０６に凸部５０６ａを形成した素材に対し、プレスによる追加工を行いリードフレーム１０６の外形、及び半導体チップの電極と接続するための凸状のはんだ接続部１０６ａを形成する。リードフレーム１０２についても同様に加工して凸状のはんだ接続部１０２ａを形成する。このとき、リードフレーム１０６の凸状のはんだ接続部１０６ａは他方のリードフレーム１０２の凸状のはんだ接続部１０２ａと重なる部分に設ける。このとき、このリードフレーム１０６の凸状のはんだ接続部１０６ａを形成させるための素材の異形材加工方向１１１が、図５の欄５０１に示すような、他方のリードフレーム１０２の異形材加工方向１１２と平行な向きではなく、欄５０２に示すように、他方のリードフレーム１０２の異形材加工方向５１２に対して直角又は直角に近い方向５１３とするのが望ましい。
【００２５】
この場合、リードフレーム１０２および１０６の加工により発生する反り量のばらつきが大きいとしても、図５の欄５０１に示すような、素材の異形材加工方向５１１と異形材加工方向５１２とが平行な場合のリードフレーム１０２と１０６との間隔Ｄ１のばらつき幅と比べて、図５の欄５０２に示すような、素材の異形材加工方向５１３と異形材加工方向５１２とが異なる場合にはリードフレーム１０２と１０６との間隔Ｄ２のばらつき幅を低減できる。これにより、半導体チップ１０１とリードフレーム１０６との間から流出したはんだが、もう一方のリードフレーム１０２と接触しにくくなり、ショートの発生を防止できる。特に、本実施例のように、リードフレーム１０２と１０６との間に複数の半導体チップ１０１を並列に有する場合には、ばらつき幅低減による効果が顕著である。異形材は圧延により形成するため、比較的安価に凸部を形成可能である。また、リードフレームの構造に関し、この引き抜き材の引き抜き方向の制約は無い。よって一方のリードフレームに対しもう一方のリードフレームの引き抜き方向を変えることは、コストアップの要因とならない。
【００２６】
また、一方のリードフレーム１０２の異形材加工方向と、もう一方のリードフレーム１０６の異形材加工方向が９０°前後で交わるようにすると、リードフレーム１０２と１０６との凸状のはんだ接続部１０２ａと１０６ａとの交わる部分を最も小さく設計でき、溢れたはんだによるショートのリスクを最も軽減できる。
【００２７】
さらには、流出したはんだをもう一方のリードフレームに近接させないよう、はんだだまりとして溝や窪み等を作成してもよい。
【００２８】
この他、ショートを防止するために、はんだの流出量を低減する工夫が必要である。リードフレーム成形時の加工により、はんだ接続部近傍での反りやうねりなどのばらつきを増大させるような加工は低減すべきである。
【００２９】
はんだ材に関しては、一般的なSn系はんだが好適である。濡れ性を向上させる場合には、Sn−Ag系のはんだを用いてもよい。半導体チップのNiメタライズ消失が問題になる場合には、Sn−Cu系のはんだを用いても良い。
【００３０】
はんだ接続方法については、従来技術のダイボンディングプロセスのうち、はんだシート、はんだワイヤ供給、溶融したはんだの直接供給等が望ましい。半導体チップあるいはリードフレーム上に錘を載せる、チップやリードフレームを供給するときにスクラブさせる等の方法を付加しても良い。
【００３１】
接続条件に関しては、採用するはんだの融点直上から３５０℃程度までの間から選定すればよい。濡れ性を向上させる場合には高温側、Niメタライズ消失が問題になる場合には低温側の温度が好適である。接続時の雰囲気は、大気中よりもN2雰囲気の方が望ましい。さらに濡れ性を向上させるためには、H2や蟻酸等の還元雰囲気とすべきである。
【００３２】
リードフレームの表面処理に関しては、何も施さないCu無垢の状態でも良い。ただし、防錆剤等の処理を行っている場合には、はんだの濡れ性が低下する恐れがあるため、接続条件の適正化や防錆剤除去等の対策が必要である。
【００３３】
濡れ性向上やはんだ接続界面の信頼性向上を目的とし、リードフレーム１０２及び１０６にめっきを施しても良い。
【００３４】
尚、図２、図４Ａ，Ｂ及び図５に示した構成においては、下側のリードフレーム１０２に凸状のはんだ接続部１０２ａを形成した構成について説明したが、下側のリードフレーム１０２には凸状のはんだ接続部１０２ａを形成せずに平坦な板状のままで用いても良い。但し、その場合にも、材料として異形材を用いて、半導体チップ１０１とはんだ接続したときに、押出し加工又は引き抜き加工の方向が上側のリードフレーム１０６の押出し加工又は引き抜き加工の方向と直交するように組合わせる。
【００３５】
以上に説明したしたように、本実施形態による半導体パワーモジュールのはんだ接続部において、はんだフィレットはリードフレーム凸部に対しある１辺とこれに直角に交わる他辺とで異なる長さに形成される。このとき、半導体チップとリードフレームとの間からはんだが溢れた場合でも、寸法効果による表面張力の影響の差のため、はんだはフィレットの長い部分へ流出しようとする。即ち、はんだはフィレットの長い凸部の側に流出し、フィレットの短い凸部の側への流出は少なく、流出する方向を制御することができる。
【００３６】
はんだのショートを防止する場合、単純には全ての辺に関して凸部寸法を小さく（はんだフィレットを長く）作成する方法が考えられるが、この場合放熱性や信頼性の低下が懸念される。パワーモジュールのはんだ接続部を上記に説明したように構成することにより、チップの放熱性や信頼性の低下を最低限に抑えつつ、溢れたはんだによるリードフレーム間のショートを容易に防止するはんだ接続部構造を得ることができる。
【実施例１】
【００３７】
本発明の実施例を以下に示す。今回検討したサンプルに関し、リードフレーム１０６の凸状のはんだ接続部１０６ａと半導体チップ１０１の電極面の寸法について図６に示す。半導体チップ１０１の表裏面に接続するリードフレーム１０２及び１０６は平板を切削加工し作成した。外形寸法が１４ｍｍ×１２.５ｍｍ（厚さ０.１ｍｍ、電極面６１１のサイズ１１.６ｍｍ×１１.７ｍｍ）の半導体チップ１０１に対し、欄６０１にはリードフレーム１０６の凸状のはんだ接続部１０６ａのはんだ接続面６１２を正方形（１１ｍｍ角）、欄６０２にはリードフレーム１０６の凸状のはんだ接続部１０６ａのはんだ接続面６１３を長方形（長辺１１ｍｍ、短辺１０ｍｍ）とした。
【００３８】
はんだ１０ａ及び１０ｂはシート状のＳｎ３Ａｇ０．５Ｃｕはんだを用いた。はんだシート１０ａ及び１０ｂは０.１５ｍｍとし、意図的にはんだをもらせるため半導体チップ１０１と上下リードフレーム１０２及び１０６の間のギャップをそれぞれ０.１ｍｍとした。リフローは真空リフロー装置を用い、２５０℃ピークの温度プロファイルを用いて接続した。
【００３９】
それぞれ２０個のサンプルに対しはんだ接続を行い、ショート発生の有無を確認した。ショート発生数についてまとめた結果を図７に示す。欄７０１に示したリードフレーム１０６のはんだ接続面６１１を正方形とした場合、ショートが発生していたが、欄７０２に示したはんだ接続面６１２を長方形としたリードフレーム６０２の場合ショートは発生しなかった。
【実施例２】
【００４０】
半導体チップ１０１の電極面８１１の寸法を一定にして、リードフレーム１０６の凸状のはんだ接続部１０６ａのはんだ接続面８１２の寸法を変化させた場合のショート防止効果について検討した。今回検討したサンプルに関し、リードフレーム１０６の凸状のはんだ接続部１０６ａのはんだ接続面８１２と半導体チップ１０１の電極面８１１の寸法について図８に示す。半導体チップ１０１の表裏面に接続するリードフレーム１０２及び１０６は異形材を用いて作成した。外形寸法が１４ｍｍ×１２.５ｍｍ（厚さ０.１ｍｍ、電極面サイズ１１.６ｍｍ×１１.７ｍｍ）の半導体チップ１０１に対し、リードフレーム１０６の凸状のはんだ接続部１０６ａのはんだ接続面８１２を長方形とし、その辺の長さの組み合わせを１１ｍｍ×１１.２ｍｍ、１１ｍｍ×１１ｍｍ、１１ｍｍ×１０.８ｍｍ、１１ｍｍ×１０.６ｍｍとした。はんだ１０ａ及び１０ｂはシート状のＳｎ３Ａｇ０．５Ｃｕはんだを用いた。はんだシート１０ａ及び１０ｂは０.１５ｍｍとし、意図的にはんだをもらせるためチップと上下リードフレーム１０２及び１０６の間のギャップをそれぞれ０.１ｍｍとした。リフローは真空リフロー装置を用い、２５０℃ピークの温度プロファイルを用いて接続した。
【００４１】
それぞれ２０個のサンプルに対しはんだ接続を行い、ショート発生の有無を確認した。２０個のサンプルに対するショート発生数について、図３中に示す（Ｅ１−Ｄ１）／（Ｅ２−Ｄ２）の値とともにまとめた結果を図９に示す。凸状のはんだ接続部１０６ａのはんだ接続面８１２に関し、欄９０３の１１ｍｍ×１０.８ｍｍの場合、及び欄９０４の１１ｍｍ×１０.６ｍｍの場合に欄９０１及び欄９０２に示した結果と比較してショートの発生率が大きく低下していることから、チップの電極面に対し、（Ｅ１−Ｄ１）／（Ｅ２−Ｄ２）の値を１.５以上とした場合にショート発生割合が少ないことが分かった。
【実施例３】
【００４２】
異形材を用いた場合のショート抑制効果について検討した。今回検討したサンプルに関し、リードフレーム１０２’及び１０６’の概要を図１０に示す。今回は半導体チップ１０１として、２種類の半導体チップを用いた。半導体チップの表裏面に接続するリードフレーム１０２’及び１０６’は異形材を用いて作成した。２種類の半導体チップのうち、大きい方の半導体チップは１４ｍｍ×１２.５ｍｍ（厚さ０.１ｍｍ、電極面サイズ１１.６ｍｍ×１１.７ｍｍ）であり、欄１００１に示すように、リードフレーム１０６’の凸状のはんだ接続部１０６ａのはんだ接続面１０１１の幅を、長辺で１１ｍｍ、短辺で１０.８ｍｍとした。もう一方の小さい方の半導体チップに関して、接続後のはんだフィレットの長さが大きい方の半導体チップのフィレットと同じ寸法となるよう、凸状のはんだ接続部１０６ａのはんだ接続面１０１２の寸法を決定した。欄１００１に示した上側のリードフレーム１０６’に対してその引き抜き方向が平行となる向き、及び垂直となる向きで欄１００２に示した下側のリードフレーム１０２’を作成し、それぞれを大きい半導体チップ及び小さい半導体チップとはんだ接続した。
【００４３】
はんだ１０ａ及び１０ｂはシート状のＳｎ３Ａｇ０．５Ｃｕはんだを用いた。はんだシート１０ａ及び１０ｂは０.１５ｍｍとし、意図的にはんだをもらせるため半導体チップと上下リードフレーム１０２’と１０６’との間のギャップをそれぞれ０.１ｍｍとした。リフローは真空リフロー装置を用い、２５０℃ピークの温度プロファイルを用いて接続した。
【００４４】
それぞれ２０個のサンプルに対しはんだ接続を行い、ショート発生の有無を確認した。その結果、図１１に示すように、欄１１０１に示した引き抜き方向が平行となる上下リードフレーム１０２’と１０６’との組み合わせでは溢れたはんだによる上下のリードのショートが発生したが、欄１１０２に示した引き抜き方向が垂直となる上下リードフレーム１０２’と１０６’との組み合わせではショートは発生しなかった。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
今後の高度情報化社会において電気エネルギの需要は高く、また、環境問題における省エネや、CO2排出の低減を目的とした化石燃料削減によるオール電化等の要求から、電力を高効率で使用するパワーエレクトロニクスの役割がますます重要になると考えられる。パワーエレクトロニクス分野においてはモジュールの小型化、高放熱化の要求が大きく、これらの検討が必須である。本発明はチップの両面をはんだ接続する全てモジュールに対し有効であると考えられる。
【符号の説明】
【００４６】
１０ａ,１０ｂ…はんだ １００…パワーモジュール １０１…半導体チップ １０２、１０６…リードフレーム １０３，１０７…絶縁部材 １０５，１０９…放熱部材 １１１…モジュールケース
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リード端子に対し半導体部品をはんだにより接続して構成し、半導体部品の両面を冷却するする両面冷却型半導体パワーモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
電力の変換や制御を行う半導体パワーモジュールでは、従来、チップの片面を基板上にはんだ接続し、もう一方の面をワイヤボンディングにより接続することにより、電気的な接続及び基板への放熱を実現していた。ところが、半導体パワーモジュールの小型化や高放熱化の要求から、半導体チップ（半導体素子）の表裏両面をはんだ接続し、半導体チップの両面から冷却する方法も採用されるようになってきた。半導体チップの両面から冷却する方法を採用している半導体パワーモジュールの例が特許文献１や特許文献２、特許文献３に記載されている。この両面冷却方式の半導体パワーモジュールでは、半導体チップをヒートシンクにはんだ接続した後モールド樹脂により封止した構成となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−７７４６４号公報
【特許文献２】特開２００５−２４４１６６号公報
【特許文献３】特開２００３−１１００６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載されているように、半導体パワーモジュールの放熱性をより高くするために、半導体チップを熱伝導率の高い金属材料により作られた導体板にはんだ接続し、この導体板を放熱ベースに接続する構成を採用している。この導体板を低コスト化するために薄い板状の材料を用いてプレス加工により形成した場合（以下、これをリードフレームと呼ぶ）、プレス加工上の理由から加工による変形や反り量のばらつきが数十μｍと大きいため寸法公差が大きくなる。
【０００５】
半導体チップの冷却効率を上げるために、このような変形や反りによる寸法のばらつきが大きいリードフレームを半導体チップの両面にはんだ接続する場合、リードフレームの寸法公差を考慮し、接続箇所に供給するはんだ量を設計する必要がある。リードフレームの変形や反りによる寸法公差が大きい場合、リードフレームと半導体チップの距離、及びリードフレームともう一方のリードフレームの距離のばらつきも大きくなる。上記距離が大きい場合にも未接続とならないようなはんだ量を供給する必要があるが、これらの距離が小さくなるリードフレームの組み合わせの場合にはリードフレームと半導体チップの間に供給したはんだがリードフレームと半導体チップの間から溢れるため、この溢れたはんだにより半導体チップの両方のリードフレームがショートしたり、半導体チップ上に形成された他の電極部とショートすることが懸念される。
【０００６】
このショートを回避するために有効な方法として、リードフレームのはんだ接続部に突起やスペーサを設ける方法が考えられる。ただし、この形成する突起やスペーサに関しては、反り量のばらつきや供給するはんだ量、接続後の放熱性、信頼性を考慮して寸法を設計する必要がある。放熱性、信頼性を重視する場合、突起やスペーサの面積を大きくする必要があるが、この場合チップ電極との寸法差が小さくなり、はんだフィレットが小さくなる。溢れたはんだが表面張力により集まりやすくなり、ショートが発生しやすくなる可能性がある。一方、この問題の回避を考え、突起やスペーサの面積を小さくした場合、放熱性や信頼性の低下が懸念される。
【０００７】
特許文献１には、半導体チップから発生した熱を導体板を介して放熱ベースに伝達する半導体パワーモジュールの構成が記載されているが、半導体チップの両面に導体板を半田で接続するときに、半導体チップの両面に供給したはんだ半導体チップの脇にあふれ出て両面の導体板の間で接続したり、半導体チップの一方の面の側に形成された他の電極パッドと接続することにより半導体チップ回路の短絡（ショート）を発生させてしまうのを防止することについては配慮されていない。
【０００８】
また、特許文献２には、ヒートシンクブロックをリードフレームと半導体チップの間に設けた構成が記載されている。しかし特許文献１には、ヒートシンクブロックを半導体チップの一方の側に設けた構成しか開示しておらず、ヒートシンクブロックを半導体チップの両方の側に設けることによって顕在化してくる上記した問題を解決することについては配慮されていない。
【０００９】
本発明の課題は、半導体チップの放熱性や信頼性の低下を最低限に抑えつつ、溢れたはんだによるリードフレーム間のショートや半導体チップ面内でのショートの発生を防止するはんだ接続部構造を有する両面冷却型の半導体パワーモジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記した従来技術の課題を解決するために、本発明では、半導体素子と、第１の突起面を有してこの第１の突起面が半導体素子の一方の面に形成された電極部とはんだで接続されている第１のリードフレームと、半導体素子の前記一方の面と反対側の面に形成された電極部とはんだで接続されている第２のリードフレームと、第１のリードフレームと熱的に接続された第１の放熱部材と、第２のリードフレームと熱的に接続された第２の放熱部材とを備えた両面冷却型半導体パワーモジュールにおいて、第１のリードフレームの第１の突起面は半導体素子の一方の面に形成されたはんだ接続する電極部よりも小さい形状を有し、第１の突起面と電極部との形状の寸法差が第１の突起面の方向により異なるように構成した。
【００１１】
また、上記した従来技術の課題を解決するために、本発明では、半導体素子と、第１の突起面を有してこの第１の突起面が半導体素子の一方の面に形成された電極部とはんだで接続されている第１のリードフレームと、半導体素子の前記一方の面と反対側の面に形成された電極部とはんだで接続されている第２のリードフレームと、第１のリードフレームと熱的に接続された第１の放熱部材と、第２のリードフレームと熱的に接続された第２の放熱部材とを備えた両面冷却型半導体パワーモジュールにおいて、第１のリードフレームの第１の突起面とこの第１の突起面にはんだ接続された半導体素子の電極部との間にははんだフィレットが形成され、このはんだフィレットの大きさが、第１の突起面の方向により異なるように形成した。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、はんだ接続部にはんだフィレットが形成される方向を制御することができるので、半導体チップを両面冷却するタイプの半導体モジュールにおいて、半導体チップの両面間の短絡の発生や、一方のチップ面内でリードフレームとのはんだ接続に与らない電極パッドとの短絡の発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１Ａ】チップの両面から冷却する方法を採用しているモジュールの斜視図である。
【図１Ｂ】チップの両面から冷却する方法を採用しているモジュールの断面図である。
【図２】本発明におけるはんだ接続部の基本構造を示した模式図である。
【図３】リードフレームとはんだ接続する半導体チップの電極面に対してリードフレームの凸状はんだ接続部を投影し状態を示す半導体チップの平面図である。
【図４Ａ】リードフレームの凸状はんだ接続部を半導体チップの電極面にはんだ接続した状態を図３のＬ−Ｌ線に沿った断面を示す断面図である。
【図４Ｂ】リードフレームの凸状はんだ接続部を半導体チップの電極面にはんだ接続した状態を図３のＭ−Ｍ線に沿った断面を示す断面図である。
【図５】上下異形材リードフレームの加工方向の組み合わせにより、一方のリードフレームの反りの影響を低減できるメカニズムを示した模式図を示す表である。
【図６】実施例１において検討したサンプルに関し、チップの電極面に対してリード凸部はんだ接続面を投影し、リードの凸部はんだ接続面の寸法とチップ電極面の寸法を示した表である。
【図７】実施例１において、ショート発生数についてまとめた結果を示す表である。
【図８】実施例２において検討したサンプルに関し、チップの電極面に対してリード凸部はんだ接続面を投影した状態を示す半導体チップの平面図である。
【図９】実施例２において、ショート発生数についてまとめた結果を示す表である。
【図１０】実施例３において、検討に用いたリードの概要を示した表である。
【図１１】実施例３において、ショート発生数についてまとめた結果を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
チップの両面を冷却する方法を採用している両面冷却型半導体パワーモジュールの構成の外観を示す斜視図を図１Ａに、また、図１ＡにおけるＮ−Ｎ断面図を図１Ｂに示す。
【００１５】
図１Ａ及び図１Ｂに示した構成において、両面冷却型半導体パワーモジュール１００は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）やダイオードなどの半導体チップ１０１、半導体チップ１０１の裏面側と接続する第１のリードフレーム１０２、第１の絶縁部材１０３、フィン１０４が多数形成された第１の放熱部材１０５、半導体チップ１０１の表面側と接続する第２のリードフレーム１０６、第２の絶縁部材１０７、フィン１０８が多数形成された第２の放熱部材１０９、半導体チップ１０１を含む第１のリードフレーム１０２と第２のリードフレーム１０６との間の空間に充填された第一の封止樹脂１１０、第一の封止樹脂１１０が充填された第１のリードフレーム１０２と第２のリードフレーム１０６とを挿入して第１の絶縁部材１０３と第２の絶縁部材１０７とが熱圧着されたモジュールケース１１１、モジュールケースの内部の隙間に充填された第二の封止樹脂１１２、バスバー１２１、ゲートピン１２２、中間バスバー１２３、バスバー１２１とゲートピン１２２と中間バスバー１２３との下部を覆う補助モールド体１２４、補助モールド体１２４をモジュールケース１１１に固定するネジ１２５を備えて構成されている。
【００１６】
半導体チップ１０１と、第１のリードフレーム１０２及び第２のリードフレーム１０６との接続部の構成を図２に示す。半導体チップ１０１は、一方の１０１−１がＩＧＢＴ、他方の１０１−２がダイオードである。以下、ＩＧＢＴ１０１−１とダイオード１０１−２とを組にして半導体チップ１０１と記す。半導体チップ１０１は、ＩＧＢＴ１０１−１が裏面側を第１のリードフレーム１０２とはんだ１０−１ａで接続し、表面側を第２のリードフレーム１０６とはんだ１０−１ｂで接続している。ＩＧＢＴ１０１−１の表面側と接続する第２のリードフレーム１０６に凸状のはんだ接続部１０６−１ａを形成している。一方、ダイオード１０１−２は裏面側を第１のリードフレーム１０２とはんだ１０−２ａで接続し、表面側を第２のリードフレーム１０６とはんだ１０−２ｂで接続している。ダイオード１０１−２の表面側と接続する第２のリードフレーム１０６に凸状のはんだ接続部１０６−２ａを形成している。
【００１７】
本発明では、この凸状のはんだ接続部１０６−１ａ及び１０６−２ａにおけるはんだ１０−１ｂ，１０−２ｂの接続面１０６−１ｂ，１０６−２ｂに関し、この接続面１０６−１ｂ，１０６−２ｂの１辺の長さと、これに対向する半導体チップ１０１（ＩＧＢＴ１０１−１，ダイオード１０１−２）の電極面における前記凸部はんだ接続部１０６−１ａ，１０６−２ａのはんだ接続面１０６−１ｂ，１０６−２ｂの１辺に平行な１辺の長さとの差が、前記凸状のはんだ接続部１０６−１ａ，１０６−２ａの接続面１０６−１ｂ，１０６−２ｂの１辺と直角に交わる他辺の長さと、これに対向する半導体チップ１０１−１，１０１−２の電極面における前記凸状のはんだ接続部１０６−１ａ，１０６−２ａの接続面１０６−１ｂ，１０６−２ｂの他辺に平行な１辺の長さとの差よりも大きくなるように前記凸状のはんだ接続部１０６−１ａ，１０６−２ａの接続面１０６−１ｂ，１０６−２ｂの寸法を設定することにより、前記凸状のはんだ接続部１０６−１ａ，１０６−２ａの接続面１０６−１ｂ，１０６−２ｂと半導体チップ１０１−１，１０１−２の表面側１０１−１ａ，１０１−２ｂとの間から溢れるはんだ１０−１ａ，１０−２ａの流出方向（はんだ１０−１ａ，１０−２ａの濡れ方）を制御し、半導体チップ１０１（ＩＧＢＴ１０１−１，ダイオード１０１−２）の両側に供給されたはんだ１０−１ａとはんだ１０−１ｂ，はんだ１０−２ａとはんだ１０−２ｂとのショートを防止するものである。
【００１８】
第２のリードフレーム１０６の凸状のはんだ接続部１０６−１ａの寸法と半導体チップ１０１（ＩＧＢＴ１０１−１）の表面側１０１−１ａに形成されている電極部寸法について図３に示す。図３は半導体チップ１０１（ＩＧＢＴ１０１−１）の表面側１０１−１ａに形成された電極面（主電極パッド１０１−１ｃ及び制御用電極パッド１０１−１ｄ）に対し、第２のリードフレーム１０６の凸状のはんだ接続部１０６−１ａのはんだ接続面１０６−１ｂを投影（図３において、主電極パッド１０１−１ｃの中のハッチングされている領域１０６−１ｃ）した図である。
【００１９】
図３において、半導体チップ１０１（ＩＧＢＴ１０１−１）をはんだ接続するための主電極パッド１０１−１ｃのＸ方向の寸法をＥ１，Ｙ方向の寸法をＥ２，主電極パッド１０１−１ｃの上に投影された第２のリードフレーム１０６の凸状のはんだ接続部１０６−１ａのはんだ接続面１０６−１ｂの投影領域のＸ方向の寸法をＤ１，Ｙ方向の寸法をＤ２とした時に、Ｅ１−Ｄ１＞Ｅ２−Ｄ２となるよう凸状のはんだ接続部１０６−１ａのはんだ接続面１０６−１ｂの寸法を決定する。主電極パッド１０１−１ｃの寸法とリードフレーム１０６の凸状のはんだ接続部１０６−１ａのはんだ接続面１０６−１ｂの寸法を上記のような関係になるように設定すると、半導体チップ１０１（ＩＧＢＴ１０１−１）とリードフレーム１０６の凸状のはんだ接続部１０６−１ａとをはんだ１０−１ｂで接続したときに、図４Ａに示すように、図３のＬ−Ｌ線に沿った断面においてリードフレーム１０６の凸状のはんだ接続部１０６−１ｂ（図３のハッチングした領域１０６−１ｃ）のＹ方向の辺：１０６−１ａＹ１に沿った方向のほうが、図４Ｂに示すように図３のＭ−Ｍ線に沿った断面におけるＸ方向の辺：１０６−１ａＸ１に沿った方向よりもより多くのはんだ１０−１ｂが半導体チップ１０１−１とリードフレーム１０６の凸状のはんだ接続部１０６−１ａとの間から外にはみ出して、リードフレーム１０６の凸状のはんだ接続部１０６−１ａの側面に付着してフィレット１０−１ｃが形成される。これと比べて、図４Ｂで形成されるフィレット１０−１ｄは小さい。
【００２０】
このように、半導体チップ１０１（ＩＧＢＴ１０１−１）のはんだ接続領域とリードフレーム１０６の凸状のはんだ接続部１０６−１ａのはんだ接続領域の寸法差が異なるように設定しておくことにより、はんだ１０−１ａで接続するときに半導体チップ１０１（ＩＧＢＴ１０１−１）とリードフレーム１０６の凸状のはんだ接続部１０６−１ａとの間からはみ出したはんだ部材をリードフレーム１０６の凸状のはんだ接続部１０６−１ａの側面の上記寸法差が大きい側に流れ出る量を多くし、上記寸法差が小さい側に流れ出る量を少なくするように制御することができる。その結果、上記寸法差が大きい側の凸状のはんだ接続部１０６−１ａの側面の側に、上記寸法差が小さい側の凸状のはんだ接続部１０６−１ａの側面の側に比べてより大きなはんだフィレットが形成される。
【００２１】
第２のリードフレーム１０６の構造の都合又は、半導体チップ１０１（ＩＧＢＴ１０１−１）の表面側の面１０１−１ａの電極パッドの配置により、逆にＥ２−Ｄ２＞Ｅ１−Ｄ１としてもよいが、図３のように半導体チップ１０１（ＩＧＢＴ１０１−１）の表面側１０１−１ａに制御用電極パッド１０１−１ｄなどの他の電極を有する場合、その電極面（図３の場合には制御用電極パッド１０１−１ｄ）の存在する向きの辺（図３の場合にはＸ方向の辺）に関し、はんだフィレットが短くなるようＥ１−Ｄ１＞Ｅ２−Ｄ２とする方が好適である。また、半導体チップ１０１（ＩＧＢＴ１０１−１）の表面側１０１−１ａとリードフレーム１０６の凸状のはんだ接続部１０６−１ａとの間に供給したはんだ１０−１ｂの流れをより効果的に制御したい場合には、（Ｅ１−Ｄ１）／（Ｅ２−Ｄ２）の値を１.５以上とするのが望ましい。
【００２２】
上記した例においては、半導体チップ１０１としてＩＧＢＴ１０１−１をリードフレーム１０６及び１０２とはんだ接続する例を説明したが、ダイオード１０１−２をリードフレーム１０６及び１０２とはんだ接続する場合にも、同様な寸法関係とすればよい。
【００２３】
リードフレーム１０６の上に凸状のはんだ接続部１０６−１ａを作成する方法としては、プレス加工による成形、スペーサ接続、異形材を用いた成形等がある。これらの方法のうち、プレス加工については加工後の寸法精度に難点があるため、接続部におけるはんだ厚の設計難易度が高くなると考えられる。また、スペーサ接続では、上述のように接続部の数が増加するため、接続プロセスが複雑化するデメリットがある。よって異形材を用いた成形が好適と考えられる。
【００２４】
異型材を用いてリードフレーム１０６及び１０２を形成する場合について、図５を用いて説明する。異形材を用いた成形では、押し出し加工、あるいは引き抜き加工により例えばリードフレーム１０６に凸部５０６ａを形成した素材に対し、プレスによる追加工を行いリードフレーム１０６の外形、及び半導体チップの電極と接続するための凸状のはんだ接続部１０６ａを形成する。リードフレーム１０２についても同様に加工して凸状のはんだ接続部１０２ａを形成する。このとき、リードフレーム１０６の凸状のはんだ接続部１０６ａは他方のリードフレーム１０２の凸状のはんだ接続部１０２ａと重なる部分に設ける。このとき、このリードフレーム１０６の凸状のはんだ接続部１０６ａを形成させるための素材の異形材加工方向１１１が、図５の欄５０１に示すような、他方のリードフレーム１０２の異形材加工方向１１２と平行な向きではなく、欄５０２に示すように、他方のリードフレーム１０２の異形材加工方向５１２に対して直角又は直角に近い方向５１３とするのが望ましい。
【００２５】
この場合、リードフレーム１０２および１０６の加工により発生する反り量のばらつきが大きいとしても、図５の欄５０１に示すような、素材の異形材加工方向５１１と異形材加工方向５１２とが平行な場合のリードフレーム１０２と１０６との間隔Ｄ１のばらつき幅と比べて、図５の欄５０２に示すような、素材の異形材加工方向５１３と異形材加工方向５１２とが異なる場合にはリードフレーム１０２と１０６との間隔Ｄ２のばらつき幅を低減できる。これにより、半導体チップ１０１とリードフレーム１０６との間から流出したはんだが、もう一方のリードフレーム１０２と接触しにくくなり、ショートの発生を防止できる。特に、本実施例のように、リードフレーム１０２と１０６との間に複数の半導体チップ１０１を並列に有する場合には、ばらつき幅低減による効果が顕著である。異形材は圧延により形成するため、比較的安価に凸部を形成可能である。また、リードフレームの構造に関し、この引き抜き材の引き抜き方向の制約は無い。よって一方のリードフレームに対しもう一方のリードフレームの引き抜き方向を変えることは、コストアップの要因とならない。
【００２６】
また、一方のリードフレーム１０２の異形材加工方向と、もう一方のリードフレーム１０６の異形材加工方向が９０°前後で交わるようにすると、リードフレーム１０２と１０６との凸状のはんだ接続部１０２ａと１０６ａとの交わる部分を最も小さく設計でき、溢れたはんだによるショートのリスクを最も軽減できる。
【００２７】
さらには、流出したはんだをもう一方のリードフレームに近接させないよう、はんだだまりとして溝や窪み等を作成してもよい。
【００２８】
この他、ショートを防止するために、はんだの流出量を低減する工夫が必要である。リードフレーム成形時の加工により、はんだ接続部近傍での反りやうねりなどのばらつきを増大させるような加工は低減すべきである。
【００２９】
はんだ材に関しては、一般的なSn系はんだが好適である。濡れ性を向上させる場合には、Sn−Ag系のはんだを用いてもよい。半導体チップのNiメタライズ消失が問題になる場合には、Sn−Cu系のはんだを用いても良い。
【００３０】
はんだ接続方法については、従来技術のダイボンディングプロセスのうち、はんだシート、はんだワイヤ供給、溶融したはんだの直接供給等が望ましい。半導体チップあるいはリードフレーム上に錘を載せる、チップやリードフレームを供給するときにスクラブさせる等の方法を付加しても良い。
【００３１】
接続条件に関しては、採用するはんだの融点直上から３５０℃程度までの間から選定すればよい。濡れ性を向上させる場合には高温側、Niメタライズ消失が問題になる場合には低温側の温度が好適である。接続時の雰囲気は、大気中よりもN2雰囲気の方が望ましい。さらに濡れ性を向上させるためには、H2や蟻酸等の還元雰囲気とすべきである。
【００３２】
リードフレームの表面処理に関しては、何も施さないCu無垢の状態でも良い。ただし、防錆剤等の処理を行っている場合には、はんだの濡れ性が低下する恐れがあるため、接続条件の適正化や防錆剤除去等の対策が必要である。
【００３３】
濡れ性向上やはんだ接続界面の信頼性向上を目的とし、リードフレーム１０２及び１０６にめっきを施しても良い。
【００３４】
尚、図２、図４Ａ，Ｂ及び図５に示した構成においては、下側のリードフレーム１０２に凸状のはんだ接続部１０２ａを形成した構成について説明したが、下側のリードフレーム１０２には凸状のはんだ接続部１０２ａを形成せずに平坦な板状のままで用いても良い。但し、その場合にも、材料として異形材を用いて、半導体チップ１０１とはんだ接続したときに、押出し加工又は引き抜き加工の方向が上側のリードフレーム１０６の押出し加工又は引き抜き加工の方向と直交するように組合わせる。
【００３５】
以上に説明したしたように、本実施形態による半導体パワーモジュールのはんだ接続部において、はんだフィレットはリードフレーム凸部に対しある１辺とこれに直角に交わる他辺とで異なる長さに形成される。このとき、半導体チップとリードフレームとの間からはんだが溢れた場合でも、寸法効果による表面張力の影響の差のため、はんだはフィレットの長い部分へ流出しようとする。即ち、はんだはフィレットの長い凸部の側に流出し、フィレットの短い凸部の側への流出は少なく、流出する方向を制御することができる。
【００３６】
はんだのショートを防止する場合、単純には全ての辺に関して凸部寸法を小さく（はんだフィレットを長く）作成する方法が考えられるが、この場合放熱性や信頼性の低下が懸念される。パワーモジュールのはんだ接続部を上記に説明したように構成することにより、チップの放熱性や信頼性の低下を最低限に抑えつつ、溢れたはんだによるリードフレーム間のショートを容易に防止するはんだ接続部構造を得ることができる。
【実施例１】
【００３７】
本発明の実施例を以下に示す。今回検討したサンプルに関し、リードフレーム１０６の凸状のはんだ接続部１０６ａと半導体チップ１０１の電極面の寸法について図６に示す。半導体チップ１０１の表裏面に接続するリードフレーム１０２及び１０６は平板を切削加工し作成した。外形寸法が１４ｍｍ×１２.５ｍｍ（厚さ０.１ｍｍ、電極面６１１のサイズ１１.６ｍｍ×１１.７ｍｍ）の半導体チップ１０１に対し、欄６０１にはリードフレーム１０６の凸状のはんだ接続部１０６ａのはんだ接続面６１２を正方形（１１ｍｍ角）、欄６０２にはリードフレーム１０６の凸状のはんだ接続部１０６ａのはんだ接続面６１３を長方形（長辺１１ｍｍ、短辺１０ｍｍ）とした。
【００３８】
はんだ１０ａ及び１０ｂはシート状のＳｎ３Ａｇ０．５Ｃｕはんだを用いた。はんだシート１０ａ及び１０ｂは０.１５ｍｍとし、意図的にはんだをもらせるため半導体チップ１０１と上下リードフレーム１０２及び１０６の間のギャップをそれぞれ０.１ｍｍとした。リフローは真空リフロー装置を用い、２５０℃ピークの温度プロファイルを用いて接続した。
【００３９】
それぞれ２０個のサンプルに対しはんだ接続を行い、ショート発生の有無を確認した。ショート発生数についてまとめた結果を図７に示す。欄７０１に示したリードフレーム１０６のはんだ接続面６１１を正方形とした場合、ショートが発生していたが、欄７０２に示したはんだ接続面６１２を長方形としたリードフレーム６０２の場合ショートは発生しなかった。
【実施例２】
【００４０】
半導体チップ１０１の電極面８１１の寸法を一定にして、リードフレーム１０６の凸状のはんだ接続部１０６ａのはんだ接続面８１２の寸法を変化させた場合のショート防止効果について検討した。今回検討したサンプルに関し、リードフレーム１０６の凸状のはんだ接続部１０６ａのはんだ接続面８１２と半導体チップ１０１の電極面８１１の寸法について図８に示す。半導体チップ１０１の表裏面に接続するリードフレーム１０２及び１０６は異形材を用いて作成した。外形寸法が１４ｍｍ×１２.５ｍｍ（厚さ０.１ｍｍ、電極面サイズ１１.６ｍｍ×１１.７ｍｍ）の半導体チップ１０１に対し、リードフレーム１０６の凸状のはんだ接続部１０６ａのはんだ接続面８１２を長方形とし、その辺の長さの組み合わせを１１ｍｍ×１１.２ｍｍ、１１ｍｍ×１１ｍｍ、１１ｍｍ×１０.８ｍｍ、１１ｍｍ×１０.６ｍｍとした。はんだ１０ａ及び１０ｂはシート状のＳｎ３Ａｇ０．５Ｃｕはんだを用いた。はんだシート１０ａ及び１０ｂは０.１５ｍｍとし、意図的にはんだをもらせるためチップと上下リードフレーム１０２及び１０６の間のギャップをそれぞれ０.１ｍｍとした。リフローは真空リフロー装置を用い、２５０℃ピークの温度プロファイルを用いて接続した。
【００４１】
それぞれ２０個のサンプルに対しはんだ接続を行い、ショート発生の有無を確認した。２０個のサンプルに対するショート発生数について、図３中に示す（Ｅ１−Ｄ１）／（Ｅ２−Ｄ２）の値とともにまとめた結果を図９に示す。凸状のはんだ接続部１０６ａのはんだ接続面８１２に関し、欄９０３の１１ｍｍ×１０.８ｍｍの場合、及び欄９０４の１１ｍｍ×１０.６ｍｍの場合に欄９０１及び欄９０２に示した結果と比較してショートの発生率が大きく低下していることから、チップの電極面に対し、（Ｅ１−Ｄ１）／（Ｅ２−Ｄ２）の値を１.５以上とした場合にショート発生割合が少ないことが分かった。
【実施例３】
【００４２】
異形材を用いた場合のショート抑制効果について検討した。今回検討したサンプルに関し、リードフレーム１０２’及び１０６’の概要を図１０に示す。今回は半導体チップ１０１として、２種類の半導体チップを用いた。半導体チップの表裏面に接続するリードフレーム１０２’及び１０６’は異形材を用いて作成した。２種類の半導体チップのうち、大きい方の半導体チップは１４ｍｍ×１２.５ｍｍ（厚さ０.１ｍｍ、電極面サイズ１１.６ｍｍ×１１.７ｍｍ）であり、欄１００１に示すように、リードフレーム１０６’の凸状のはんだ接続部１０６ａのはんだ接続面１０１１の幅を、長辺で１１ｍｍ、短辺で１０.８ｍｍとした。もう一方の小さい方の半導体チップに関して、接続後のはんだフィレットの長さが大きい方の半導体チップのフィレットと同じ寸法となるよう、凸状のはんだ接続部１０６ａのはんだ接続面１０１２の寸法を決定した。欄１００１に示した上側のリードフレーム１０６’に対してその引き抜き方向が平行となる向き、及び垂直となる向きで欄１００２に示した下側のリードフレーム１０２’を作成し、それぞれを大きい半導体チップ及び小さい半導体チップとはんだ接続した。
【００４３】
はんだ１０ａ及び１０ｂはシート状のＳｎ３Ａｇ０．５Ｃｕはんだを用いた。はんだシート１０ａ及び１０ｂは０.１５ｍｍとし、意図的にはんだをもらせるため半導体チップと上下リードフレーム１０２’と１０６’との間のギャップをそれぞれ０.１ｍｍとした。リフローは真空リフロー装置を用い、２５０℃ピークの温度プロファイルを用いて接続した。
【００４４】
それぞれ２０個のサンプルに対しはんだ接続を行い、ショート発生の有無を確認した。その結果、図１１に示すように、欄１１０１に示した引き抜き方向が平行となる上下リードフレーム１０２’と１０６’との組み合わせでは溢れたはんだによる上下のリードのショートが発生したが、欄１１０２に示した引き抜き方向が垂直となる上下リードフレーム１０２’と１０６’との組み合わせではショートは発生しなかった。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
今後の高度情報化社会において電気エネルギの需要は高く、また、環境問題における省エネや、CO2排出の低減を目的とした化石燃料削減によるオール電化等の要求から、電力を高効率で使用するパワーエレクトロニクスの役割がますます重要になると考えられる。パワーエレクトロニクス分野においてはモジュールの小型化、高放熱化の要求が大きく、これらの検討が必須である。本発明はチップの両面をはんだ接続する全てモジュールに対し有効であると考えられる。
【符号の説明】
【００４６】
１０ａ,１０ｂ…はんだ １００…パワーモジュール １０１…半導体チップ １０２、１０６…リードフレーム １０３，１０７…絶縁部材 １０５，１０９…放熱部材 １１１…モジュールケース
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
第１の突起面を有して該第１の突起面が前記半導体素子の一方の面に形成された電極部とはんだで接続されている第１のリードフレームと、
前記半導体素子の前記一方の面と反対側の面に形成された電極部とはんだで接続されている第２のリードフレームと、
前記第１のリードフレームと熱的に接続された第１の放熱部材と、
前記第２のリードフレームと熱的に接続された第２の放熱部材と
を備えた半導体パワーモジュールであって、
前記第１のリードフレームの第１の突起面は前記半導体素子の一方の面に形成されたはんだ接続する電極部よりも小さい形状を有し、前記第１の突起面と該電極部との形状の寸法差は、前記第１の突起面の方向により異なることを特徴とする両面冷却型半導体パワーモジュール。
【請求項２】
前記第２のリードフレームは第２の突起面を有して該第２の突起面が前記半導体素子の前記一方の面と反対側の面に形成された電極部とはんだで接続されていることを特徴とする請求項１記載の両面冷却型半導体パワーモジュール。
【請求項３】
前記第１のリードフレームの第１の突起面と前記半導体素子の一方の面に形成されたはんだ接続する電極部とはそれぞれ矩形又は矩形に近い形状を有し、前記第１の突起面の矩形の１つの辺と該第１の突起面の矩形の１つの辺に対応する前記電極部の１つの辺との長さの差は、前記第１の突起面の矩形の前記１つの辺に隣接する辺と該隣接する辺に対応する前記電極部の辺との長さの差よりも大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の両面冷却型半導体パワーモジュール。
【請求項４】
前記半導体素子の前記第１のリードフレームの第１の突起面とはんだ接続される面の側には、前記第１の突起面の矩形の前記１つの辺に隣接する辺に対応する前記電極部の辺に沿って前記第１の突起面とはんだ接続される電極とは異なる電極が形成されていることを特徴とする請求項３記載の両面冷却型半導体パワーモジュール。
【請求項５】
前記第１のリードフレームと前記第２のリードフレームとはそれぞれ異形材を押出し加工又は引き抜き加工により形成されたものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の両面冷却型半導体パワーモジュール。
【請求項６】
前記第１のリードフレームと前記第２のリードフレームとは互いに前記異形材の押出し加工又は引き抜き加工の加工方向が異なることを特徴とする請求項５記載の両面冷却型半導体パワーモジュール。
【請求項７】
前記第１のリードフレームと前記第２のリードフレームとの間に、複数の半導体素子をはんだにより接続して有することを特徴とする請求項６記載の両面冷却型半導体パワーモジュール。
【請求項８】
半導体素子と、
第１の突起面を有して該第１の突起面が前記半導体素子の一方の面に形成された電極部とはんだで接続されている第１のリードフレームと、
前記半導体素子の前記一方の面と反対側の面に形成された電極部とはんだで接続されている第２のリードフレームと、
前記第１のリードフレームと熱的に接続された第１の放熱部材と、
前記第２のリードフレームと熱的に接続された第２の放熱部材と
を備えた半導体パワーモジュールであって、
前記第１のリードフレームの第１の突起面と該第１の突起面にはんだ接続された前記半導体素子の電極部との間にははんだフィレットが形成され、該はんだフィレットの大きさが、前記第１の突起面の方向により異なることを特徴とする両面冷却型半導体パワーモジュール。
【請求項９】
前記第２のリードフレームは第２の突起面を有して該第２の突起面が前記半導体素子の前記一方の面と反対側の面に形成された電極部とはんだで接続されていることを特徴とする請求項８記載の両面冷却型半導体パワーモジュール。
【請求項１０】
前記第１のリードフレームの第１の突起面と前記半導体素子の一方の面に形成されたはんだ接続する電極部とはそれぞれ矩形又は矩形に近い形状を有し、前記第１の突起面の矩形の１つの辺と該第１の突起面の矩形の１つの辺に対応する前記電極部の１つの辺との長さの差は、前記第１の突起面の矩形の前記１つの辺に隣接する辺と該隣接する辺に対応する前記電極部の辺との長さの差よりも大きく、該長さの差が大きい前記第１の突起面の矩形の１つの辺と該第１の突起面の矩形の１つの辺に対応する前記電極部の１つの辺との間には大きいフィレットが形成されており、前記長さの差が小さい前記第１の突起面の矩形の前記１つの辺に隣接する辺と該隣接する辺に対応する前記電極部の辺との間には小さいフィレットが形成されていることを特徴とする請求項８又は９に記載の両面冷却型半導体パワーモジュール。
【請求項１１】
前記小さいフィレットが形成される前記第１の突起面の矩形の前記１つの辺に隣接する辺に対応する前記電極部の辺に沿って前記第１の突起面とはんだ接続される電極とは異なる電極が形成されていることを特徴とする請求項１０記載の両面冷却型半導体パワーモジュール。
【請求項１】
半導体素子と、
第１の突起面を有して該第１の突起面が前記半導体素子の一方の面に形成された電極部とはんだで接続されている第１のリードフレームと、
前記半導体素子の前記一方の面と反対側の面に形成された電極部とはんだで接続されている第２のリードフレームと、
前記第１のリードフレームと熱的に接続された第１の放熱部材と、
前記第２のリードフレームと熱的に接続された第２の放熱部材と
を備えた半導体パワーモジュールであって、
前記第１のリードフレームの第１の突起面は前記半導体素子の一方の面に形成されたはんだ接続する電極部よりも小さい形状を有し、前記第１の突起面と該電極部との形状の寸法差は、前記第１の突起面の方向により異なることを特徴とする両面冷却型半導体パワーモジュール。
【請求項２】
前記第２のリードフレームは第２の突起面を有して該第２の突起面が前記半導体素子の前記一方の面と反対側の面に形成された電極部とはんだで接続されていることを特徴とする請求項１記載の両面冷却型半導体パワーモジュール。
【請求項３】
前記第１のリードフレームの第１の突起面と前記半導体素子の一方の面に形成されたはんだ接続する電極部とはそれぞれ矩形又は矩形に近い形状を有し、前記第１の突起面の矩形の１つの辺と該第１の突起面の矩形の１つの辺に対応する前記電極部の１つの辺との長さの差は、前記第１の突起面の矩形の前記１つの辺に隣接する辺と該隣接する辺に対応する前記電極部の辺との長さの差よりも大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の両面冷却型半導体パワーモジュール。
【請求項４】
前記半導体素子の前記第１のリードフレームの第１の突起面とはんだ接続される面の側には、前記第１の突起面の矩形の前記１つの辺に隣接する辺に対応する前記電極部の辺に沿って前記第１の突起面とはんだ接続される電極とは異なる電極が形成されていることを特徴とする請求項３記載の両面冷却型半導体パワーモジュール。
【請求項５】
前記第１のリードフレームと前記第２のリードフレームとはそれぞれ異形材を押出し加工又は引き抜き加工により形成されたものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の両面冷却型半導体パワーモジュール。
【請求項６】
前記第１のリードフレームと前記第２のリードフレームとは互いに前記異形材の押出し加工又は引き抜き加工の加工方向が異なることを特徴とする請求項５記載の両面冷却型半導体パワーモジュール。
【請求項７】
前記第１のリードフレームと前記第２のリードフレームとの間に、複数の半導体素子をはんだにより接続して有することを特徴とする請求項６記載の両面冷却型半導体パワーモジュール。
【請求項８】
半導体素子と、
第１の突起面を有して該第１の突起面が前記半導体素子の一方の面に形成された電極部とはんだで接続されている第１のリードフレームと、
前記半導体素子の前記一方の面と反対側の面に形成された電極部とはんだで接続されている第２のリードフレームと、
前記第１のリードフレームと熱的に接続された第１の放熱部材と、
前記第２のリードフレームと熱的に接続された第２の放熱部材と
を備えた半導体パワーモジュールであって、
前記第１のリードフレームの第１の突起面と該第１の突起面にはんだ接続された前記半導体素子の電極部との間にははんだフィレットが形成され、該はんだフィレットの大きさが、前記第１の突起面の方向により異なることを特徴とする両面冷却型半導体パワーモジュール。
【請求項９】
前記第２のリードフレームは第２の突起面を有して該第２の突起面が前記半導体素子の前記一方の面と反対側の面に形成された電極部とはんだで接続されていることを特徴とする請求項８記載の両面冷却型半導体パワーモジュール。
【請求項１０】
前記第１のリードフレームの第１の突起面と前記半導体素子の一方の面に形成されたはんだ接続する電極部とはそれぞれ矩形又は矩形に近い形状を有し、前記第１の突起面の矩形の１つの辺と該第１の突起面の矩形の１つの辺に対応する前記電極部の１つの辺との長さの差は、前記第１の突起面の矩形の前記１つの辺に隣接する辺と該隣接する辺に対応する前記電極部の辺との長さの差よりも大きく、該長さの差が大きい前記第１の突起面の矩形の１つの辺と該第１の突起面の矩形の１つの辺に対応する前記電極部の１つの辺との間には大きいフィレットが形成されており、前記長さの差が小さい前記第１の突起面の矩形の前記１つの辺に隣接する辺と該隣接する辺に対応する前記電極部の辺との間には小さいフィレットが形成されていることを特徴とする請求項８又は９に記載の両面冷却型半導体パワーモジュール。
【請求項１１】
前記小さいフィレットが形成される前記第１の突起面の矩形の前記１つの辺に隣接する辺に対応する前記電極部の辺に沿って前記第１の突起面とはんだ接続される電極とは異なる電極が形成されていることを特徴とする請求項１０記載の両面冷却型半導体パワーモジュール。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−６９８２５（Ｐ２０１３−６９８２５Ａ）
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０６７８５（Ｐ２０１１−２０６７８５）
【出願日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【出願人】（５０９１８６５７９）日立オートモティブシステムズ株式会社 (2,205)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【出願人】（５０９１８６５７９）日立オートモティブシステムズ株式会社 (2,205)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]