JP2012199400A

JP2012199400A - パワーモジュール

Info

Publication number: JP2012199400A
Application number: JP2011062820A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Murayama; 修一村山
Original assignee: Nichicon Corp
Current assignee: Nichicon Corp
Priority date: 2011-03-22
Filing date: 2011-03-22
Publication date: 2012-10-18
Anticipated expiration: 2031-03-22
Also published as: JP5777203B2

Abstract

【課題】半導体チップと該半導体チップを挟む２つの基板のとの間で接続異常が発生するのを防ぐことができるパワーモジュールを提供する。
【解決手段】本発明に係るパワーモジュールは、第１金属配線層を有する第１基板と、第２金属配線層を有する第２基板と、表面側電極が第２金属配線層に半田接続され、かつ裏面側電極が第１金属配線層に半田接続された複数の半導体チップとを備え、第１金属配線層は第１電極パッド３ｃを含み、第２金属配線層は第１電極パッド３ｃに対向する第２電極パッド５ｃを含み、これら２つのパッド３ｃ、５ｃの間には該２つのパッド３ｃ、５ｃを電気的に接続する導電性球１０と、内部に導電性球１０を収容した半田部１５とが備えられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数の半導体チップと該半導体チップの放熱機構を備えたパワーモジュールに関する。

従来の一般的なパワーモジュールとしては、例えば図５に記載のものが知られている。同図に示すように、従来のパワーモジュール１００は、基板１０１と、該基板１０１表面の金属配線層１０２に半田接続された複数の半導体チップ１０３（一例として、ＩＧＢＴ１０３ａ、ダイオード１０３ｂ）と、基板１０１の裏面側に設けられた放熱フィン１０８と、基板１０１を収容するハウジングとしての樹脂ケース１０４を備えている。

各半導体チップ１０３の表面電極は、金属配線層１０２の電極部１０５、他の半導体チップ１０３の表面電極または樹脂ケース１０４に設けられた電極部１０６にＡｌワイヤでボンディングされている。樹脂ケース１０４にはリードがインサート成形されており、これにより樹脂ケース１０４の電極部１０６が外部に引き出されている。また、樹脂ケース１０４内は、硬化した後も比較的柔軟な充填樹脂１０７（例えば、シリコンゲル）が充填されている。充填樹脂１０７を充填するのは、耐環境性能を高めるためである。充填樹脂１０７の充填は、上記Ａｌワイヤボンディングの後に行われる。

ところで、このパワーモジュール１００では、主に放熱フィン１０８により半導体チップ１０３の放熱が行われるが、半導体チップ１０３と放熱フィン１０８の間には基板１０１が存在しているため放熱効率が悪いという問題があった。なお、半導体チップ１０３の放熱はＡｌワイヤを介しても行われるが、その放熱量は微量である。

また、このパワーモジュール１００では、ボンディング性を考慮して線径１００〜５００μｍのＡｌワイヤが用いられるが、該Ａｌワイヤの許容電流条件を満たし、かつ半導体チップ１０３に必要な電流を供給するためには、１電極あたりのワイヤ本数を複数本にしなければならず、生産性が低いという問題もあった。

そこで、図６に示すように、特許文献１に記載のパワーモジュール２００は、第１の基板２０１と、第１の基板２０１に対向する第２の基板２０２と、第１の基板２０１上に接続された半導体チップ２０４と、半導体チップ２０４の表面電極と第２の基板２０２に設けられた回路パターンとを接続する球状の接続導体２０３を備えている。このパワーモジュール２００によれば、複数本のＡｌワイヤをボンディングしなくても接続導体２０３を通じて十分な電流を供給することができるので、生産性を向上させることができる。また、このパワーモジュール２００によれば、第１の基板２０１および第２の基板２０２の両方に放熱フィンを取り付けることにより、放熱効率を高めることもできる。

特開２００５−１９７４３５号公報

しかしながら、この従来のパワーモジュール２００では、水平位置がずれた状態で第２の基板２０２が取り付けられるということが起こり得る。この場合は、本来接続されるべき半導体チップ２０４の表面電極と第２の基板２０２の回路パターンが接続されなかったり、接続されるべきでない表面電極と回路パターンが接続されたりする接続異常が発生し、パワーモジュールとしての機能が損なわれるおそれがある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、半導体チップを挟む２つの基板の水平位置をセルフアライメントすることにより、半導体チップと基板との間で接続異常が発生するのを防ぐことができるパワーモジュールを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係るパワーモジュールは、
第１金属配線層を有する第１基板と、第２金属配線層を有する第２基板と、表面側電極が第２金属配線層に半田接続され、かつ裏面側電極が第１金属配線層に半田接続された複数の半導体チップとを備えたパワーモジュールであって、
第１金属配線層は第１電極パッドを含み、第２金属配線層は第１電極パッドに対向する第２電極パッドを含み、第１電極パッドおよび第２電極パッドの間に配置され、該第１電極パッドおよび第２電極パッドを電気的に接続する金属で表面を覆われた導電性球と、第１電極パッドおよび第２電極パッドを半田接続する半田部とをさらに備え、半田部内部に導電性球を収容したことを特徴とする。

この構成では、第１電極パッドおよび第２電極パッドを電気的に接続する導電性球が、第１電極パッドおよび第２電極パッドを半田接続する半田部内部に収容されている。このため、該半田部に形成されるメニスカスに起因して生ずる力（以下「メニスカス力」という）が第１電極パッドと第２電極パッド、すなわち半導体チップの裏面側にある第１基板と表面側にある第２基板とを水平移動させるように作用し、第１基板および第２基板の水平位置がセルフアライメントされる。したがって、この構成によれば、半導体チップと第１基板および第２基板との間で接続異常が発生するのを防ぐことができる。

上記パワーモジュールは、第１電極パッドおよび第２電極パッドを構成する辺のうち最も長い長辺の半分の長さを径寸法としたとき、第１電極パッドおよび第２電極パッドの径寸法が導電性球の半径の１．５倍以上かつ２．５倍以下であることが好ましい。このように構成すれば、メニスカス力を効果的に発生させることができるとともに、十分なアライメント量を確保することができる。

また、上記パワーモジュールは、導電性球の表面に半田との濡れ性を向上させるための表面処理が施されていることが好ましい。このように構成すれば、導電性球が転がり易くなり、セルフアライメントをより円滑に行うことができる。

本発明によれば、半導体チップと該半導体チップを挟む２つの基板のとの間で接続異常が発生するのを防ぐことができるパワーモジュールを提供することができる。

本発明の一実施形態に係るパワーモジュールであって、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。本発明の一実施形態に係るパワーモジュールの金属球周辺を拡大した断面図である。本発明におけるセルフアライメントの原理を説明するための図である。本発明におけるセルフアライメントの原理を説明するための図である。従来のパワーモジュールであって、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。従来の別のパワーモジュールの断面図である。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明に係るパワーモジュールの好ましい実施形態について説明する。

図１（Ａ）に本発明の一実施形態に係るパワーモジュールの平面図、図１（Ｂ）に断面図を示す。ただし、図１（Ａ）では理解を容易にするために一部の部材（後述する第２基板４、第２金属配線層５、第２放熱フィン９）を省略している。また、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＡ−Ａ’断面図である。

図１に示すように、本実施形態に係るパワーモジュール１は、表面に第１金属配線層３が形成された第１基板２と、裏面に第２金属配線層５が形成された第２基板４と、表面側電極が第２金属配線層５に半田接続され、かつ裏面側電極が第１金属配線層３に半田接続された複数の半導体チップ６と、第１基板２および第２基板４を収容するハウジングとしての樹脂ケース７と、第１基板２の裏面に取り付けられた第１放熱フィン８と、第２基板４の表面に取り付けられた第２放熱フィン９と備えている。

半導体チップ６は、ＩＧＢＴ６ａおよびダイオード６ｂを含んでいる。このうち、ＩＧＢＴ６ａは、表面側電極としてのエミッタ端子およびゲート端子が第２金属配線層５に接続され、裏面側電極としてのコレクタ端子が第１金属配線層３に接続されている。また、ダイオード６ｂは、表面側電極としてのアノード端子が第２金属配線層５に接続され、裏面側電極としてのカソード端子が第１金属配線層３に接続されている。半導体チップ６としては、この他、ＭＯＳＦＥＴ等を使用することができる。使用する半導体チップ６の種別は、パワーモジュール１の特性等に応じて適宜決定される。

第１基板２および第２基板４は、例えば、アルミナ系セラミック、窒化アルミニウム、窒化珪素等のセラミック材料からなり、平面視矩形状を有している。樹脂ケース７との接続部を設けるために、第２基板４は第１基板２より長辺寸法が大きくなっている。

第１金属配線層３は、第１基板２の表面に銅、アルミニウム等の金属をメタライズすることにより形成したもので、その最表面には、半田に対する濡れ性を向上させるためのＮｉめっきまたはＡｕめっきが施されている。また、第１金属配線層３には、ＩＧＢＴ６ａを接続するための電極パッド３ａ、ダイオード６ｂを接続するための電極パッド３ｂ、金属球１０（本発明の「導電性球」に相当）を接続するための第１電極パッド３ｃおよび各電極パッドを相互に接続する配線部（不図示）が含まれている。金属球１０については、後で詳細に説明する。

第２金属配線層５は、第１金属配線層３と同様に形成される。また、第２金属配線層５には、ＩＧＢＴ６ａを接続するための電極パッド５ａ、ダイオード６ｂを接続するための電極パッド５ｂ、金属球１０を接続するための第２電極パッド５ｃ、各電極パッドを相互に接続する配線部（不図示）、および外部引出パッド５ｄが含まれている。このうち、第２電極パッド５ｃは第１電極パッド３ｃに対向した位置に設けられ、その形状および寸法は第１電極パッド３ｃの形状および寸法と同一である。

半導体チップ６と第１金属配線層３とを接続する半田および半導体チップ６と第２金属配線層５とを接続する半田（以下、まとめて「基板−チップ間半田」という）の厚みは、温度サイクル等によって生じる疲労クラックを抑制する観点から厚い方が好ましいが、一方で半田は熱伝導係数が低いため、厚くしすぎると放熱効率が低下してしまう。このため、基板−チップ間半田の厚みは、０．１ｍｍ以上かつ０．３ｍｍ以下であることが好ましい。また、半導体チップ６が第１基板２と第２基板４との間で安定した位置を維持することと、半導体チップ６の上下の半田の信頼性を高めるために、半導体チップ６と第１金属配線層３とを接続する半田と半導体チップ６と第２金属配線層５とを接続する半田とを同一厚みとすることが好ましい。

第１基板２および第２基板４の間には、充填樹脂１１が充填されている。図１から明らかなように、本実施形態に係るパワーモジュール１はＡｌワイヤを必要としない。したがって、本発明ではＡｌワイヤの膨張・収縮を考慮する必要はないので、柔軟性の高いシリコンゲルではなくより硬質なエポキシ樹脂を充填樹脂１１として充填することができる。なお、充填樹脂１１は毛細管力により隅々にまで拡がるので、粘度の高いエポキシ樹脂を使用しても、充填されない部分が生じることはない。

樹脂ケース７は、外部接続リード１２を一体成型したインサートケースとなっており、図１（Ｂ）に示すように、樹脂ケース７の内側に設けられた内部接続端子１３（外部接続リード１２の一端）および第２基板４に形成された外部引出パッド５ｄは、屈曲部を有する接続ダンパリード１４により接続されている。また、接続ダンパリード１４周辺には、エポキシ樹脂ではなく柔軟性の高いシリコン樹脂が充填されている。屈曲部を有する接続ダンパリード１４で接続を行ったのは、樹脂ケース７とセラミック材料からなる第１基板２および第２基板４の熱膨張係数差に起因する応力を吸収させるためである。

第１放熱フィン８および第２放熱フィン９は、放熱接着剤によりそれぞれ第１基板２および第２基板４に接続されている。第１放熱フィン８および第２放熱フィン９の材料は、Ａｌ系合金、銅系合金、セラミック系合金から適宜選択することができる。特に、セラミック系合金を選択した場合は、第１基板２および第２基板４との熱膨張係数差が少なく、接続部にかかる応力が低くなるという利点がある。放熱接着剤としてはシリコングリースを使用するのが一般的であるが、これには限定されない。

このように、本実施形態では、半導体チップ６の表裏の電極が放熱性の高い基板２、４に半田で接続され、半導体チップ６の発熱を表裏の両方向に熱伝導させ、第１放熱フィン８と第２放熱フィン９とから放熱させることが可能となっている。このため、半導体チップ６の温度上昇を効果的に抑制することができる。

パワーモジュール１は、第１電極パッド３ｃおよび第２電極パッド５ｃの双方に接し、第１電極パッド３ｃと第２電極パッド５ｃとの間で数１０Ａオーダーの大電流を通流可能にする金属球１０をさらに備えている。大電流を通流させた際の発熱を抑えるために、金属球１０は電気伝導率が高い銅を主材料としている。また、金属球１０は、後で述べる理由から、半田との濡れ性を向上させるための表面処理がなされていることが好ましい。このような表面処理としては、例えば、Ｓｎ系メッキ、Ａｇ系メッキ等がある。

図２は、金属球１０周辺を拡大した断面図である。同図に示すように、第１電極パッド３ｃおよび第２電極パッド５ｃは、その最表面において金属球１０に接している。したがって、パッド間距離ｈは金属球１０の直径２Ｒ（金属球１０の半径をＲとする）に等しい。金属球１０の直径２Ｒは、基板−チップ間半田の厚みを、０．１ｍｍ以上かつ０．３ｍｍ以下とすると、半導体チップ６上下の半田厚みを考慮して、第１基板２と第２基板４とにより挟持される複数の半導体チップ６のうちで最も厚みが大きなチップの厚みに対して、０．２ｍｍ〜０．６ｍｍを加えた値に設定することが好ましい。

また、第１電極パッド３ｃと第２電極パッド５ｃの間には第１電極パッド３ｃおよび第２電極パッド５ｃを半田接続する半田部１５が設けられており、金属球１０はこの半田部１５内部に収容されている。本実施形態に係るパワーモジュール１は、かかる構成を採用したことにより、半田部１５の溶融時に第１電極パッド３ｃと第２電極パッド５ｃの水平位置を自動的に調整することができる（以下、セルフアライメントという）。

なお、セルフアライメントを効果的に機能させるためには、全ての基板−チップ間半田を同一組成とすることが好ましい。これにより、半田を溶融させる際に、半導体チップ６と第１金属配線層３とを接続する半田と半導体チップ６と第２金属配線層５とを接続する半田とを同時に溶融させ、セルフアライメントを有効に機能させることができる。

セルフアライメントは、図３に示す原理により行われる。すなわち、金属球１０が第２電極パッド５ｃの中心部で接していない状態（水平方向において第１電極パッド３ｃの中心位置と第２電極パッド５ｃの中心位置とがずれている状態）においては、溶融した半田部１５の第２電極パッド５ｃ近傍にγ_２のメニスカス力（表面張力ともいう）が生じる。そして、このメニスカス力により金属球１０が時計回りに回転し、第２電極パッド５ｃ（第２基板４）が右方向に移動し、最終的に、第１電極パッド３ｃと第２電極パッド５ｃが正対位置に対向し、かつ金属球１０が第１電極パッド３ｃおよび第２電極パッド５ｃの中心部に接した状態となる。金属球１０および第１電極パッド３ｃが第１電極パッド３ｃの中心部で接していない場合も、同様に、第１電極パッド３ｃ（第１基板２）が水平方向に移動して、金属球１０と第１電極パッド３ｃとが第１電極パッド３ｃの中心部で接した状態となる。

なお、セルフアライメント中、メニスカス力により第１電極パッド３ｃと第２電極パッド５ｃは互いに近づこうとする。しかしながら、第１電極パッド３ｃと第２電極パッド５ｃの間には金属球１０が挟まれているため、パッド間距離ｈは金属球１０の直径２Ｒに維持される。金属球１０にＳｎ系メッキ、Ａｇ系メッキ等の表面処理を行ったのは、半田との濡れ性を向上させ、溶融した半田部１５に埋もれた金属球１０が回転するときの転がり抵抗を少なくするためである。

ここで、メニスカス力を有効に働かせるためには、半田部１５の表面が懸垂曲線を描くことが必要である。したがって、図２に示すように、第１電極パッド３ｃおよび第２電極パッド５ｃの径寸法（第１電極パッド３ｃおよび第２電極パッド５ｃが平面視矩形状を有している場合は、その最も長い長辺を半分にした寸法、正方形であればそのまま一辺を半分にした寸法）は、金属球半径Ｒの１．５倍以上としなければならない。

極端な例として、図４は第１電極パッド３ｃの径寸法と金属球半径Ｒをほぼ等しくした場合である。この場合、半田部１５に生じるメニスカス力は金属球１０を第１電極パッド３ｃに押し付ける力としてのみ働く。つまり、メニスカス力は、金属球１０を回転させて第１電極パッド３ｃ（第１基板２）の水平位置をセルフアライメントするようには働かない。

一方で、金属球１０の回転による十分な基板移動を許容するとともに、メニスカス力を有効に働かせるという阻害させない観点からは、第１電極パッド３ｃおよび第２電極パッド５ｃの径寸法は、金属球半径Ｒとメニスカス距離（水平方向における金属球１０の外縁から電極パッド端縁までの距離）１．５Ｒとの和、すなわち金属球半径Ｒの２．５倍まで確保できれば十分である。ここで、少なくとも、半田部１５の表面が懸垂曲線を描きセルフアライメントを機能させるには、上記したように、第１電極パッド３ｃおよび第２電極パッド５ｃの径寸法は、金属球半径Ｒの１．５倍以上とする必要がある。一方で、あまり電極パッド面積を大きくすると、パワーモジュールの小型化に支障があるだけでなく、金属球１０の回転モーメントが低下してセルフアライメントが働きにくくなる。

以上から、第１電極パッド３ｃおよび第２電極パッド５ｃの径寸法を金属球半径Ｒの１．５倍以上かつ２．５倍以下に設定すれば、半導体チップ６の実装密度の低下によりパワージュールが大型化するのを抑えつつ、十分なアライメント量（第１電極パッド３ｃおよび第２電極パッド５ｃの水平移動量）を確保することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこの構成に限定されるものではない。

例えば、上記実施形態における半導体チップ６の種別および配置、第１電極パッド３ｃおよび第２電極パッド５ｃの形状はすべて一例であり、任意に変更することができる。例えば、第１電極パッド３ｃおよび第２電極パッド５ｃの形状として、長方形のほか正方形等の四角形を含む多角形、円形を採用することができる。ただし、第１電極パッド３ｃおよび第２電極パッド５ｃの形状については、上記の条件を満たすよう注意が必要である。例えば、第１電極パッド３ｃおよび第２電極パッド５ｃが円形状であれば、そのパッド半径である径寸法を金属球半径Ｒの１．５倍以上とする必要がある。

また、上記実施形態では、熱伝導率および電気伝導率が高く、比較的安価で、しかも加工性に優れた銅を金属球１０の主材料としたが、金属球１０を構成する金属は、銀（Ａg）または高純度アルミニウムを主材料としたものであってもよい。また、導電性球は、導電性プラスチックまたはカーボンコンポジット等に上記金属からなるメッキ皮膜を形成したものであってもよい。

１パワーモジュール
２第１基板
３第１金属配線層
３ａ電極パッド（ＩＧＢＴ用）
３ｂ電極パッド（ダイオード用）
３ｃ第１電極パッド（金属球用）
４第２基板
５第２金属配線層
５ａ電極パッド（ＩＧＢＴ用）
５ｂ電極パッド（ダイオード用）
５ｃ第２電極パッド（金属球用）
５ｄ外部引出パッド
６半導体チップ
６ａＩＧＢＴ
６ｂダイオード
７樹脂ケース
８第１放熱フィン
９第２放熱フィン
１０金属球（導電性球）
１１充填樹脂
１２外部接続リード
１３内部接続端子
１４接続ダンパリード
１５半田部

Claims

第１金属配線層を有する第１基板と、第２金属配線層を有する第２基板と、表面側電極が前記第２金属配線層に半田接続され、かつ裏面側電極が前記第１金属配線層に半田接続された複数の半導体チップとを備えたパワーモジュールであって、
前記第１金属配線層は第１電極パッドを含み、
前記第２金属配線層は前記第１電極パッドに対向する第２電極パッドを含み、
前記第１電極パッドおよび第２電極パッドの間に配置され、該第１電極パッドおよび第２電極パッドを電気的に接続する金属で表面を覆われた導電性球と、
前記第１電極パッドおよび前記第２電極パッドを半田接続する半田部と、
をさらに備え、
前記半田部内部に前記導電性球を収容したことを特徴とするパワーモジュール。
前記第１電極パッドおよび前記第２電極パッドを構成する辺のうち最も長い長辺の半分の長さを径寸法としたとき、
前記第１電極パッドおよび第２電極パッドの径寸法が、前記導電性球の半径の１．５倍以上かつ２．５倍以下であることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
前記導電性球の表面に、半田との濡れ性を向上させるための表面処理が施されていることを特徴とする請求項１または２に記載のパワーモジュール。