JPH0936186A - パワー半導体モジュール及びその実装方法 - Google Patents
パワー半導体モジュール及びその実装方法Info
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- JPH0936186A JPH0936186A JP7187446A JP18744695A JPH0936186A JP H0936186 A JPH0936186 A JP H0936186A JP 7187446 A JP7187446 A JP 7187446A JP 18744695 A JP18744695 A JP 18744695A JP H0936186 A JPH0936186 A JP H0936186A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 パワー半導体モジュールの組立て工程の歩留
まり向上及び時間短縮並びに従来と同様のチップ内レイ
アウト構成で、素子／電極間の電気抵抗を下げ、かつモ
ジュールを構成する各部材間の接合部が温度サイクル負
荷が加わる実使用環境下において、長期に渡る信頼性を
保証できる実装構造を提供する。 【構成】 放熱板上に絶縁基板３が設けられ、その上に
シリコン半導体チップ１が設けられ、絶縁基板３上の電
極４と半導体チップ１上のパッド２とを導体２０，２１
で接続して成るパワー半導体モジュールにおいて、導体
２０，２１とパッド２及び電極４とは半田１２によって
接合され、導体２０，２１は放熱板、絶縁基板３及びシ
リコン基板１との熱膨張率の差をいずれも１０×１０-6
／℃以下とする。
まり向上及び時間短縮並びに従来と同様のチップ内レイ
アウト構成で、素子／電極間の電気抵抗を下げ、かつモ
ジュールを構成する各部材間の接合部が温度サイクル負
荷が加わる実使用環境下において、長期に渡る信頼性を
保証できる実装構造を提供する。 【構成】 放熱板上に絶縁基板３が設けられ、その上に
シリコン半導体チップ１が設けられ、絶縁基板３上の電
極４と半導体チップ１上のパッド２とを導体２０，２１
で接続して成るパワー半導体モジュールにおいて、導体
２０，２１とパッド２及び電極４とは半田１２によって
接合され、導体２０，２１は放熱板、絶縁基板３及びシ
リコン基板１との熱膨張率の差をいずれも１０×１０-6
／℃以下とする。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、パワー半導体モジュー
ルに関し、特に各接合部に発生する熱応力を低減したパ
ワー半導体モジュールの実装構造ならびに実装方法に関
する。
ルに関し、特に各接合部に発生する熱応力を低減したパ
ワー半導体モジュールの実装構造ならびに実装方法に関
する。
【０００２】
【従来の技術】パワー半導体モジュールは、各種モータ
ーの制御、電力変換機及び無停電電源等広範囲に使用さ
れている。近年、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラト
ランジスタ）デバイスの大容量化に伴い、従来サイリス
タが使用されていた領域にもＩＧＢＴモジュールが適用
されつつある。例えば、車両用のインバータ装置は、低
騒音、小型化及び高性能化の要求により、従来のサイリ
スタに代わりＩＧＢＴモジュールの適用が各所で検討さ
れている。
ーの制御、電力変換機及び無停電電源等広範囲に使用さ
れている。近年、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラト
ランジスタ）デバイスの大容量化に伴い、従来サイリス
タが使用されていた領域にもＩＧＢＴモジュールが適用
されつつある。例えば、車両用のインバータ装置は、低
騒音、小型化及び高性能化の要求により、従来のサイリ
スタに代わりＩＧＢＴモジュールの適用が各所で検討さ
れている。
【０００３】図１３は従来のパワー半導体モジュールの
構造の概略図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図
である。図において１はシリコン半導体チップ、２は半
導体チップ上に形成されたアルミニウムパッド、３は絶
縁基板、４は絶縁基板上に形成されたＮｉ／Ｃｕ層とし
て設けられた電極、５はアルミニウムパッドと電極とを
接続するために使用されたアルミニウムワイヤ、６は半
導体素子と電極とを接合するために使用された半田、７
は放熱板、８は絶縁基板と放熱板とを接合するために使
用された半田である。
構造の概略図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図
である。図において１はシリコン半導体チップ、２は半
導体チップ上に形成されたアルミニウムパッド、３は絶
縁基板、４は絶縁基板上に形成されたＮｉ／Ｃｕ層とし
て設けられた電極、５はアルミニウムパッドと電極とを
接続するために使用されたアルミニウムワイヤ、６は半
導体素子と電極とを接合するために使用された半田、７
は放熱板、８は絶縁基板と放熱板とを接合するために使
用された半田である。
【０００４】次に、従来のモジュールの組立て工程につ
いて説明する。シリコン半導体チップ１を絶縁基板３上
の電極４に半田６を用いて接合する。接合は専用治具を
用い、半導体チップと電極４の間に半導体チップとほぼ
同形状の薄いスズが主成分の半田６を置き、水素等の非
酸化性雰囲気中において加熱し、半田を溶融させて両者
を接合する。次いで半導体チップ上に形成されたアルミ
ニウムパッド２と電極４とを太いアルミニウムワイヤ５
を用い、ワイヤボンディングによって接続する。ワイヤ
ボンディングは、アルミニウムワイヤにツールを介し
て、大きな荷重と超音波を印加することによってワイヤ
ならびに接合する相手材を変形させ、両者の酸化膜を除
去し互いに清浄な新生面を露出させる原理で接合するも
のである。最後に、この絶縁基板３を、半田８を用いて
放熱板７に接合する。接合は、前述の半導体チップ１と
絶縁基板３との接合と同様の方法で行われるが、半導体
チップ１と絶縁基板３との間にある半田６が溶融しない
ように、半導体チップの接合に使用された半田６よりも
融点が低い半田８が使用される。
いて説明する。シリコン半導体チップ１を絶縁基板３上
の電極４に半田６を用いて接合する。接合は専用治具を
用い、半導体チップと電極４の間に半導体チップとほぼ
同形状の薄いスズが主成分の半田６を置き、水素等の非
酸化性雰囲気中において加熱し、半田を溶融させて両者
を接合する。次いで半導体チップ上に形成されたアルミ
ニウムパッド２と電極４とを太いアルミニウムワイヤ５
を用い、ワイヤボンディングによって接続する。ワイヤ
ボンディングは、アルミニウムワイヤにツールを介し
て、大きな荷重と超音波を印加することによってワイヤ
ならびに接合する相手材を変形させ、両者の酸化膜を除
去し互いに清浄な新生面を露出させる原理で接合するも
のである。最後に、この絶縁基板３を、半田８を用いて
放熱板７に接合する。接合は、前述の半導体チップ１と
絶縁基板３との接合と同様の方法で行われるが、半導体
チップ１と絶縁基板３との間にある半田６が溶融しない
ように、半導体チップの接合に使用された半田６よりも
融点が低い半田８が使用される。
【０００５】パワー半導体モジュールは、大電流を通電
するため半導体チップの発熱が著しく、この発熱に伴い
モジュール全体の温度が上昇する。そのため各接合部に
は部材間の熱膨張率の相違に基づいて熱応力が発生し、
この熱応力により接合界面が破壊するという問題があ
る。従来、絶縁基板と半導体チップとの接合部の信頼性
を高めることを主として検討されてきたが、半導体チッ
プ上のパッドと電極との接続構造に関する検討は不十分
であった。
するため半導体チップの発熱が著しく、この発熱に伴い
モジュール全体の温度が上昇する。そのため各接合部に
は部材間の熱膨張率の相違に基づいて熱応力が発生し、
この熱応力により接合界面が破壊するという問題があ
る。従来、絶縁基板と半導体チップとの接合部の信頼性
を高めることを主として検討されてきたが、半導体チッ
プ上のパッドと電極との接続構造に関する検討は不十分
であった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】パワー半導体モジュー
ルは、大電流をオン、オフするため温度の上下変動が著
しく、各接合部には部材間の熱膨張率の相違に基づいて
発生する熱応力に対する高い信頼性が要求される。従
来、半導体チップと絶縁基板との接合部は、半導体チッ
プの熱膨張率に近い絶縁基板が適用され熱応力の軽減が
図られているが、半導体チップ上のパッド並びに電極と
導体との接合部に作用する熱応力については検討されて
いない。ＩＧＢＴモジュール等のパワー半導体モジュー
ルの半導体チップ上のパッドと電極との接続は、前述の
ように導体としてアルミニウムワイヤが用いられ、接続
の方法はワイヤボンディングで行われている。
ルは、大電流をオン、オフするため温度の上下変動が著
しく、各接合部には部材間の熱膨張率の相違に基づいて
発生する熱応力に対する高い信頼性が要求される。従
来、半導体チップと絶縁基板との接合部は、半導体チッ
プの熱膨張率に近い絶縁基板が適用され熱応力の軽減が
図られているが、半導体チップ上のパッド並びに電極と
導体との接合部に作用する熱応力については検討されて
いない。ＩＧＢＴモジュール等のパワー半導体モジュー
ルの半導体チップ上のパッドと電極との接続は、前述の
ように導体としてアルミニウムワイヤが用いられ、接続
の方法はワイヤボンディングで行われている。
【０００７】接続方法としてワイヤボンディングを用い
ること及び導体としてアルミニウムを用いることに関し
ては、以下の大きな問題がある。一つは、半導体チップ
上のパッドに接合されたワイヤボンディング部並びに絶
縁基板上の電極との接合部が、長期にわたる温度の上下
変動によって劣化剥離するという問題である。モジュー
ルは車両の走行状態に応じて、温度の上昇、下降のサイ
クルを受ける。この温度サイクルによって、シリコン半
導体チップ並びに絶縁基板（Ａｌ2Ｎ3）の熱膨張率とア
ルミニウムの熱膨張率が大きく異なることに起因して、
両者の接合面寸法と比例した熱歪が接合界面に発生す
る。パッド及び電極とワイヤの接合部には、接合界面外
周部に沿ってクラック先端と同様の鋭い切欠きが不可避
的に形成されており、熱歪によって発生した熱応力がこ
の切欠き先端に集中的に加わって、温度の上下動と共に
クラックが発生する。切欠き先端の応力集中部に発生す
る応力がアルミニウムの破壊強度より小さければ、クラ
ックは発生せず、長期信頼性も保証される。しかし、実
製品で使用されているような直径２００μｍ以上の太線
のワイヤボンディング部では、必ずクラックが発生す
る。クラックの発生を防ぐためには、アルミニウムワイ
ヤの線径を細くし本数を増やせばよいが、半導体チップ
面積の増加やボンディング時間の増大によるコストの上
昇を招く。
ること及び導体としてアルミニウムを用いることに関し
ては、以下の大きな問題がある。一つは、半導体チップ
上のパッドに接合されたワイヤボンディング部並びに絶
縁基板上の電極との接合部が、長期にわたる温度の上下
変動によって劣化剥離するという問題である。モジュー
ルは車両の走行状態に応じて、温度の上昇、下降のサイ
クルを受ける。この温度サイクルによって、シリコン半
導体チップ並びに絶縁基板（Ａｌ2Ｎ3）の熱膨張率とア
ルミニウムの熱膨張率が大きく異なることに起因して、
両者の接合面寸法と比例した熱歪が接合界面に発生す
る。パッド及び電極とワイヤの接合部には、接合界面外
周部に沿ってクラック先端と同様の鋭い切欠きが不可避
的に形成されており、熱歪によって発生した熱応力がこ
の切欠き先端に集中的に加わって、温度の上下動と共に
クラックが発生する。切欠き先端の応力集中部に発生す
る応力がアルミニウムの破壊強度より小さければ、クラ
ックは発生せず、長期信頼性も保証される。しかし、実
製品で使用されているような直径２００μｍ以上の太線
のワイヤボンディング部では、必ずクラックが発生す
る。クラックの発生を防ぐためには、アルミニウムワイ
ヤの線径を細くし本数を増やせばよいが、半導体チップ
面積の増加やボンディング時間の増大によるコストの上
昇を招く。
【０００８】二つ目は、ワイヤボンディングの際に発生
する半導体チップの損傷である。ボンディング部の温度
サイクルに対する寿命を伸ばすためには、ワイヤを強固
に接合する必要がある。そのためには大きなパワーと荷
重でボンディングするが、この時、パッド下の絶縁層を
破壊し、絶縁耐圧が低下するという問題が発生する。三
つ目は、従来のワイヤによる接続では配線の電気抵抗を
低減することが困難なため、パワー半導体モジュールの
通電容量の増加に対応できないことである。すなわち、
電気抵抗を低減するには、ワイヤ径の増大及び低抵抗の
銅ワイヤを用いる方法があるが、太線ではボンディング
の際により大きなパワーが必要であり、銅ワイヤの場合
では硬いためいずれも前述の半導体チップの損傷が発生
する。
する半導体チップの損傷である。ボンディング部の温度
サイクルに対する寿命を伸ばすためには、ワイヤを強固
に接合する必要がある。そのためには大きなパワーと荷
重でボンディングするが、この時、パッド下の絶縁層を
破壊し、絶縁耐圧が低下するという問題が発生する。三
つ目は、従来のワイヤによる接続では配線の電気抵抗を
低減することが困難なため、パワー半導体モジュールの
通電容量の増加に対応できないことである。すなわち、
電気抵抗を低減するには、ワイヤ径の増大及び低抵抗の
銅ワイヤを用いる方法があるが、太線ではボンディング
の際により大きなパワーが必要であり、銅ワイヤの場合
では硬いためいずれも前述の半導体チップの損傷が発生
する。
【０００９】四つ目は、ワイヤボンディングの工程があ
るために、全体の組立て工程に時間がかかり、それに伴
ってコストが上昇し、また以下に述べる工程の複雑さの
ために歩留まりが低下することである。すなわち、前述
したようにモジュールの組立て工程は、主として（１）
絶縁基板への半導体チップの接合、（２）ワイヤボンデ
ィング、（３）放熱板への絶縁基板の接合の３工程で行
われている。（１）及び（３）の接合は半田を用いて行
われるが、（１）の接合の時には、（３）の接合の場合
より融点の高い半田が用いられている。したがって、特
に（３）の接合の際には、極めて慎重な温度管理が必要
とされるが、制御が困難なため接合後の半田にボイドが
発生し、接合部が短時間で劣化、剥離するという問題が
発生する。しかし、半導体チップの接合と放熱板への絶
縁基板の接合を１回の工程で行い、その後ワイヤボンデ
ィングをする方法は採用できない。これは、放熱板には
複数個の絶縁基板を接合するため、外形が大きくなり過
ぎてワイヤボンディングの可動範囲を越えることと、ワ
イヤボンディングで不良が発生するとそのモジュール全
てが不良になるため、歩留まりが非常に低下してしまう
からである。
るために、全体の組立て工程に時間がかかり、それに伴
ってコストが上昇し、また以下に述べる工程の複雑さの
ために歩留まりが低下することである。すなわち、前述
したようにモジュールの組立て工程は、主として（１）
絶縁基板への半導体チップの接合、（２）ワイヤボンデ
ィング、（３）放熱板への絶縁基板の接合の３工程で行
われている。（１）及び（３）の接合は半田を用いて行
われるが、（１）の接合の時には、（３）の接合の場合
より融点の高い半田が用いられている。したがって、特
に（３）の接合の際には、極めて慎重な温度管理が必要
とされるが、制御が困難なため接合後の半田にボイドが
発生し、接合部が短時間で劣化、剥離するという問題が
発生する。しかし、半導体チップの接合と放熱板への絶
縁基板の接合を１回の工程で行い、その後ワイヤボンデ
ィングをする方法は採用できない。これは、放熱板には
複数個の絶縁基板を接合するため、外形が大きくなり過
ぎてワイヤボンディングの可動範囲を越えることと、ワ
イヤボンディングで不良が発生するとそのモジュール全
てが不良になるため、歩留まりが非常に低下してしまう
からである。
【００１０】従来、半導体チップと電極との接続方法に
は、ワイヤボンディングの他にＬＳＩの分野ではワイヤ
を使用しないＴＡＢ（Tape-Automated-Bonding）があ
る。しかし、ＴＡＢによる接続は、ＬＳＩ等の極めて微
弱な電流を信号としてやりとりする分野において適用さ
れており、パワー半導体モジュールのように温度上昇に
よる熱歪の発生の問題は無く、したがって、導体は低抵
抗化のみ考慮されるため銅が主に用いられている。
は、ワイヤボンディングの他にＬＳＩの分野ではワイヤ
を使用しないＴＡＢ（Tape-Automated-Bonding）があ
る。しかし、ＴＡＢによる接続は、ＬＳＩ等の極めて微
弱な電流を信号としてやりとりする分野において適用さ
れており、パワー半導体モジュールのように温度上昇に
よる熱歪の発生の問題は無く、したがって、導体は低抵
抗化のみ考慮されるため銅が主に用いられている。
【００１１】本発明は、上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、温度サイクルにおけるワイヤ接
合部の劣化の抑制、素子損傷による絶縁耐圧低下の防止
及び製造工程の改善による歩留まりの向上並びに製造工
程時間の短縮を達成できるパワー半導体モジュールの実
装構造並びに実装方法を提供することを目的とする。
ためになされたもので、温度サイクルにおけるワイヤ接
合部の劣化の抑制、素子損傷による絶縁耐圧低下の防止
及び製造工程の改善による歩留まりの向上並びに製造工
程時間の短縮を達成できるパワー半導体モジュールの実
装構造並びに実装方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明は、シリコン半導
体チップ上のパッドと電極とを絶縁基板やシリコンとの
熱膨張差の小さい導体によって接続すること、シリコン
半導体チップ上のパッド及び電極と導体との接合を半田
によって行うこと、シリコン半導体チップ上のパッドと
電極とを導電性に優れ断面積の大きい導体によって接続
すること、シリコン半導体チップ上のパッドと電極とを
半田を用い、同一の電極に対しては１個の導体で接続す
ること等によって前記目的を達成する。
体チップ上のパッドと電極とを絶縁基板やシリコンとの
熱膨張差の小さい導体によって接続すること、シリコン
半導体チップ上のパッド及び電極と導体との接合を半田
によって行うこと、シリコン半導体チップ上のパッドと
電極とを導電性に優れ断面積の大きい導体によって接続
すること、シリコン半導体チップ上のパッドと電極とを
半田を用い、同一の電極に対しては１個の導体で接続す
ること等によって前記目的を達成する。
【００１３】より具体的には、本発明は、放熱板と、放
熱板上に固着された複数の電極を備える絶縁基板と、絶
縁基板の電極上に固着されたシリコン半導体チップとを
含み、絶縁基板のシリコン半導体チップが固着されてい
ない電極とシリコン半導体チップ上の複数のパッドとを
導体で接続して成るパワー半導体モジュールにおいて、
導体とパッド及び電極とは半田によって接合され、導体
は絶縁基板及びシリコンとの熱膨張率の差がいずれも１
０×１０-6／℃以下であることを特徴とする。
熱板上に固着された複数の電極を備える絶縁基板と、絶
縁基板の電極上に固着されたシリコン半導体チップとを
含み、絶縁基板のシリコン半導体チップが固着されてい
ない電極とシリコン半導体チップ上の複数のパッドとを
導体で接続して成るパワー半導体モジュールにおいて、
導体とパッド及び電極とは半田によって接合され、導体
は絶縁基板及びシリコンとの熱膨張率の差がいずれも１
０×１０-6／℃以下であることを特徴とする。
【００１４】また、本発明は、放熱板と、放熱板上に固
着された複数の電極を備える絶縁基板と、絶縁基板の電
極上に固着されたシリコン半導体チップとを含み、絶縁
基板のシリコン半導体チップが固着されていない電極と
シリコン半導体チップ上の複数のパッドとを導体で接続
して成るパワー半導体モジュールにおいて、導体とパッ
ド及び電極とは半田によって接合され、導体は放熱板、
絶縁基板及びシリコンとの熱膨張率の差がいずれも１０
×１０-6／℃以下であることを特徴とする。
着された複数の電極を備える絶縁基板と、絶縁基板の電
極上に固着されたシリコン半導体チップとを含み、絶縁
基板のシリコン半導体チップが固着されていない電極と
シリコン半導体チップ上の複数のパッドとを導体で接続
して成るパワー半導体モジュールにおいて、導体とパッ
ド及び電極とは半田によって接合され、導体は放熱板、
絶縁基板及びシリコンとの熱膨張率の差がいずれも１０
×１０-6／℃以下であることを特徴とする。
【００１５】導体は、低膨張率の金属と高導電性の金属
とのクラッド材、低膨張率の金属と高導電性の金属との
複合材、低膨張率の金属に高導電性の金属がメッキされ
たもの、あるいはセラミックに高導電性の金属がメタラ
イズされたものとすることができ、一部に湾曲部を設け
る等、熱歪を緩和、吸収できる形状とすることが好まし
い。低膨張率の金属はＭｏ，Ｗの群から選ばれた金属と
することができ、高導電性の金属はＣｕ，Ａｌ，Ａｕ，
Ａｇの群の中から選ばれた金属とすることができる。
とのクラッド材、低膨張率の金属と高導電性の金属との
複合材、低膨張率の金属に高導電性の金属がメッキされ
たもの、あるいはセラミックに高導電性の金属がメタラ
イズされたものとすることができ、一部に湾曲部を設け
る等、熱歪を緩和、吸収できる形状とすることが好まし
い。低膨張率の金属はＭｏ，Ｗの群から選ばれた金属と
することができ、高導電性の金属はＣｕ，Ａｌ，Ａｕ，
Ａｇの群の中から選ばれた金属とすることができる。
【００１６】また、導体は、シリコン半導体チップ上の
複数のパッドに接続される側が個々のパッドに対応して
複数の部分に分離され、共通の電極に接続される側が一
体化されている櫛状のものとすることができる。パッド
の上には、Ｃｒ，Ｎｉ，ＡｇもしくはＴｉ，Ｎｉ，Ａｕ
の３層、又はＮｉ，Ｔｉ，Ｎｉ，Ａｕの４層から成る金
属膜を形成することができる。
複数のパッドに接続される側が個々のパッドに対応して
複数の部分に分離され、共通の電極に接続される側が一
体化されている櫛状のものとすることができる。パッド
の上には、Ｃｒ，Ｎｉ，ＡｇもしくはＴｉ，Ｎｉ，Ａｕ
の３層、又はＮｉ，Ｔｉ，Ｎｉ，Ａｕの４層から成る金
属膜を形成することができる。
【００１７】本発明によるパワー半導体モジュールの製
造方法は、放熱板への絶縁基板の固着、絶縁基板の電極
へのシリコン半導体チップの固着、並びに絶縁基板の電
極及びシリコン半導体チップ上の複数のパッドと導体と
の接合をすべて半田により１回の工程で行うことを特徴
とする。この製造方法においては、シリコン半導体チッ
プ上のパッドと電極とを接続する導体として、前述のよ
うに、パッドに接続される側が個々のパッドに対応して
複数の部分に分離され、共通の電極に接続される側が一
体化されている櫛状の導体を用いのが好都合である。
造方法は、放熱板への絶縁基板の固着、絶縁基板の電極
へのシリコン半導体チップの固着、並びに絶縁基板の電
極及びシリコン半導体チップ上の複数のパッドと導体と
の接合をすべて半田により１回の工程で行うことを特徴
とする。この製造方法においては、シリコン半導体チッ
プ上のパッドと電極とを接続する導体として、前述のよ
うに、パッドに接続される側が個々のパッドに対応して
複数の部分に分離され、共通の電極に接続される側が一
体化されている櫛状の導体を用いのが好都合である。
【００１８】
【作用】パワーサイクル寿命を伸ばすためには、温度変
動に伴って発生する熱歪を小さくすることが最良の解決
策である。そのためには絶縁基板並びにシリコンに近い
熱膨張率を持つ高導電性材料としてモリブデンやタング
ステンを選択するのがよい。しかし、モリブデン又はタ
ングステンワイヤをワイヤボンディングによって接合す
ることは、これらの金属が硬過ぎて変形させることがで
きないため不可能である。
動に伴って発生する熱歪を小さくすることが最良の解決
策である。そのためには絶縁基板並びにシリコンに近い
熱膨張率を持つ高導電性材料としてモリブデンやタング
ステンを選択するのがよい。しかし、モリブデン又はタ
ングステンワイヤをワイヤボンディングによって接合す
ることは、これらの金属が硬過ぎて変形させることがで
きないため不可能である。
【００１９】また、ボンディング時における素子の損傷
は、ワイヤボンディングで接続する限り避けらない問題
である。導体の低抵抗化を図るには、アルミニウムより
も抵抗の低い銅や貴金属である金や銀ワイヤを選択する
か、さらに太いアルミニウムワイヤを用いる方法が考え
られる。しかし、金や銀の使用はコスト高になるととも
に、いずれのワイヤを選択しても、アルミニウムワイヤ
に比べ硬く、素子の損傷の発生が問題になる。
は、ワイヤボンディングで接続する限り避けらない問題
である。導体の低抵抗化を図るには、アルミニウムより
も抵抗の低い銅や貴金属である金や銀ワイヤを選択する
か、さらに太いアルミニウムワイヤを用いる方法が考え
られる。しかし、金や銀の使用はコスト高になるととも
に、いずれのワイヤを選択しても、アルミニウムワイヤ
に比べ硬く、素子の損傷の発生が問題になる。
【００２０】さらに、組立て工程時間の短縮及び歩留ま
りの向上は、ワイヤボンディングで接続する方法による
かぎり極めて困難である。以上述べたように、従来のワ
イヤボンディングによる接続では、前記した４つの問題
点に対して解決策を見出すことは困難である。そこで、
本発明では温度サイクルによるワイヤ接合部の長寿命化
を図るために、ワイヤボンディングによる接続を止め
て、導体として絶縁基板並びにシリコンの熱膨張率に近
い、高導電性材料を半田で接合し、半導体チップが形成
されているシリコン基板、絶縁基板及び放熱板の各部材
間の熱膨張率を揃えた。
りの向上は、ワイヤボンディングで接続する方法による
かぎり極めて困難である。以上述べたように、従来のワ
イヤボンディングによる接続では、前記した４つの問題
点に対して解決策を見出すことは困難である。そこで、
本発明では温度サイクルによるワイヤ接合部の長寿命化
を図るために、ワイヤボンディングによる接続を止め
て、導体として絶縁基板並びにシリコンの熱膨張率に近
い、高導電性材料を半田で接合し、半導体チップが形成
されているシリコン基板、絶縁基板及び放熱板の各部材
間の熱膨張率を揃えた。
【００２１】低膨張率の材料には、モリブデンあるいは
タングステンがある。導体としてアルミニウムを用いた
場合には、シリコンとアルミニウム並びに絶縁基板であ
るＡｌ2Ｎ3とアルミニウムとの熱膨張率の差が、いずれ
も約２０×１０-6／℃であるのに対し、導体としてモリ
ブデンやタングステンを用いた場合には、シリコン及び
Ａｌ2Ｎ3との熱膨張率差は約２×１０-6／℃となり、後
者の熱歪量は前者の約１／１０に抑えられる。
タングステンがある。導体としてアルミニウムを用いた
場合には、シリコンとアルミニウム並びに絶縁基板であ
るＡｌ2Ｎ3とアルミニウムとの熱膨張率の差が、いずれ
も約２０×１０-6／℃であるのに対し、導体としてモリ
ブデンやタングステンを用いた場合には、シリコン及び
Ａｌ2Ｎ3との熱膨張率差は約２×１０-6／℃となり、後
者の熱歪量は前者の約１／１０に抑えられる。
【００２２】図３は、シリコン半導体チップ上のパッド
に熱膨張率の異なる導体を半田で接合し、この接合部に
実車を走行させた場合と同様の温度差（Δｔ）を繰り返
し与えた時の接合部の寿命を、シリコンと導体との熱膨
張率の差（△α）をパラメータとして示したものであ
る。試験は、３０℃の雰囲気においたチップに通電して
放熱板が７３℃になるまで加熱し、その後通電を止め、
放熱板が３０℃になるまで放熱板を水冷する工程を１サ
イクルとして、この工程を反復して接合部に繰り返し温
度変化（温度差Δｔ＝４３℃）を与えることによって行
った。そして、導体がパッドから剥離して電流が流れな
くなった時を接合部の寿命とし、それまでに与えた温度
変化のサイクルの回数を計数した。この時、４５００サ
イクルを１年として寿命を年数に換算した。従って寿命
２０年は、９万サイクルに相当する。
に熱膨張率の異なる導体を半田で接合し、この接合部に
実車を走行させた場合と同様の温度差（Δｔ）を繰り返
し与えた時の接合部の寿命を、シリコンと導体との熱膨
張率の差（△α）をパラメータとして示したものであ
る。試験は、３０℃の雰囲気においたチップに通電して
放熱板が７３℃になるまで加熱し、その後通電を止め、
放熱板が３０℃になるまで放熱板を水冷する工程を１サ
イクルとして、この工程を反復して接合部に繰り返し温
度変化（温度差Δｔ＝４３℃）を与えることによって行
った。そして、導体がパッドから剥離して電流が流れな
くなった時を接合部の寿命とし、それまでに与えた温度
変化のサイクルの回数を計数した。この時、４５００サ
イクルを１年として寿命を年数に換算した。従って寿命
２０年は、９万サイクルに相当する。
【００２３】図３から、寿命はシリコンと導体との熱膨
張率の差Δαが小さいほど長くなることがわかる。導体
として従来のアルミニウムワイヤを用いた場合はΔαが
約２０×１０-6／℃であるため寿命は約１０年であり、
目標の２０年には及ばないことがわかる。目標の２０年
を達成するには導体とシリコンの熱膨張率差Δαを１０
×１０-6／℃以下にする必要があることがわかる。
張率の差Δαが小さいほど長くなることがわかる。導体
として従来のアルミニウムワイヤを用いた場合はΔαが
約２０×１０-6／℃であるため寿命は約１０年であり、
目標の２０年には及ばないことがわかる。目標の２０年
を達成するには導体とシリコンの熱膨張率差Δαを１０
×１０-6／℃以下にする必要があることがわかる。
【００２４】モリブデンあるいはタングステン単体を導
体として使用すると導電性に劣るので、必要な導電性
は、導電性の高いＣｕ，Ａｌ，Ａｕ，Ａｇ等の金属と組
み合わせてクラッド化、複合化あるいはメッキ等を施す
ことで確保する。図４はモリブデンを中心に上下とも同
じ厚さの銅で挟んだ導体において、モリブデンの厚さを
１とした場合における銅の片側の厚さｔと導体の熱膨張
率αとの関係を示したものである。この図から、この構
造の導体の熱膨張率を１０×１０ -6／℃以下にするに
は、片側の銅の厚さを１以下にすればよいことが分か
る。また、モリブデンよりも熱膨張率の小さいタングス
テンを銅で挟めば、タングステンの厚さをモリブデンの
場合よりも薄くできる。
体として使用すると導電性に劣るので、必要な導電性
は、導電性の高いＣｕ，Ａｌ，Ａｕ，Ａｇ等の金属と組
み合わせてクラッド化、複合化あるいはメッキ等を施す
ことで確保する。図４はモリブデンを中心に上下とも同
じ厚さの銅で挟んだ導体において、モリブデンの厚さを
１とした場合における銅の片側の厚さｔと導体の熱膨張
率αとの関係を示したものである。この図から、この構
造の導体の熱膨張率を１０×１０ -6／℃以下にするに
は、片側の銅の厚さを１以下にすればよいことが分か
る。また、モリブデンよりも熱膨張率の小さいタングス
テンを銅で挟めば、タングステンの厚さをモリブデンの
場合よりも薄くできる。
【００２５】上記の導体を半田で接続する場合、電極は
ニッケルメッキが施されているので半田が濡れるが、ア
ルミニウムパッドには半田が濡れるようにメタライズを
施す必要がある。アルミニウムパッドに施すメタライズ
層としては、Ｃｒ／Ｎｉ／Ａｇ、Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕある
いはＮｉ／Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕ層が適している。これらの
メタライズ層は、一般に行われている蒸着あるいはスパ
ッタ法で形成可能である。また、アルミニウムパッドに
メタライズしないで導体を接合するには、アルミニウム
パッドに接触する導体の表面にスズ膜を施し、この導体
をアルミニウムパッドに接触させ加熱しアルミニウムと
スズの合金を形成させればよい。
ニッケルメッキが施されているので半田が濡れるが、ア
ルミニウムパッドには半田が濡れるようにメタライズを
施す必要がある。アルミニウムパッドに施すメタライズ
層としては、Ｃｒ／Ｎｉ／Ａｇ、Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕある
いはＮｉ／Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕ層が適している。これらの
メタライズ層は、一般に行われている蒸着あるいはスパ
ッタ法で形成可能である。また、アルミニウムパッドに
メタライズしないで導体を接合するには、アルミニウム
パッドに接触する導体の表面にスズ膜を施し、この導体
をアルミニウムパッドに接触させ加熱しアルミニウムと
スズの合金を形成させればよい。
【００２６】一方、モジュールの大容量化に対応するた
めの配線抵抗の低減は、導体にアルミニウムよりも低抵
抗の銅を選択し、上記の方法で接続すればよい。導体に
銅を用いることにより電気抵抗を大幅に低減できるの
で、モジュールの電力損失を小さくでき、大容量化を図
ることが可能である。また、半導体チップの損傷の問題
は、半田による接合のため起こらない。
めの配線抵抗の低減は、導体にアルミニウムよりも低抵
抗の銅を選択し、上記の方法で接続すればよい。導体に
銅を用いることにより電気抵抗を大幅に低減できるの
で、モジュールの電力損失を小さくでき、大容量化を図
ることが可能である。また、半導体チップの損傷の問題
は、半田による接合のため起こらない。
【００２７】従来の組立て工程は、絶縁基板への半導体
チップの接合、ワイヤボンデイングによるパッドと電極
とのワイヤ接続、放熱板への絶縁基板の接合の３工程か
らなる。これに対して、本発明の組立て工程はでは、パ
ッド及び電極と導体との接続を半田で行い、かつ、複数
個の半導体チップのパッドと電極とを同一の電極に対し
１個の導体で接続するため、従来は３工程で行っていた
組立て工程を１工程で完了することができ、作業性の向
上とともに歩留まりの向上を図ることができる。
チップの接合、ワイヤボンデイングによるパッドと電極
とのワイヤ接続、放熱板への絶縁基板の接合の３工程か
らなる。これに対して、本発明の組立て工程はでは、パ
ッド及び電極と導体との接続を半田で行い、かつ、複数
個の半導体チップのパッドと電極とを同一の電極に対し
１個の導体で接続するため、従来は３工程で行っていた
組立て工程を１工程で完了することができ、作業性の向
上とともに歩留まりの向上を図ることができる。
【００２８】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に
説明する。図１及び図２により、本発明によるパワー半
導体モジュールの一実施例を説明する。図１（ａ）はモ
ジュールの平面図、図１（ｂ）は側面図であり、図２は
導体の接続部分を拡大して示したものである。図におい
て、ニッケルメッキされた銅膜で形成されているコレク
タ、エミッタ及びゲート電極４がＡｌ2Ｎ3絶縁基板３上
に設けられており、コレクタ電極上にはシリコン基板に
形成された半導体チップ１が半田６によって接合されて
いる。半導体チップ１上のＣｒ／Ｎｉ／Ａｇ膜９がメタ
ライズされたアルミニウムパッド２と銅メッキ１０され
たモリブデン１１からなる導体２０，２１とが半田１２
を介して接合され、その導体の一端はエミッタ並びにゲ
ート電極に半田を介して接合されることにより電気的接
続が成され、この絶縁基板３は半田８を介してモリブデ
ン放熱板１７に固着されている。メタライズ層９の厚さ
は、Ｃｒ層が０.１８μｍ、ニッケル層が０.６μｍ、Ａ
ｇ層が１.３μｍである。導体のモリブデン板１１は幅
が１ｍｍ、厚さ０.５ｍｍで、銅メッキ１０の厚さは５
０μｍである。なお、モリブデンの代わりに、同様に低
熱膨張率の金属例えばタングステンを用いてもよい。ま
た、導体のメッキは銅に限らず、半田で接合できる高導
電性の金属、例えば金、銀等でもよい。
説明する。図１及び図２により、本発明によるパワー半
導体モジュールの一実施例を説明する。図１（ａ）はモ
ジュールの平面図、図１（ｂ）は側面図であり、図２は
導体の接続部分を拡大して示したものである。図におい
て、ニッケルメッキされた銅膜で形成されているコレク
タ、エミッタ及びゲート電極４がＡｌ2Ｎ3絶縁基板３上
に設けられており、コレクタ電極上にはシリコン基板に
形成された半導体チップ１が半田６によって接合されて
いる。半導体チップ１上のＣｒ／Ｎｉ／Ａｇ膜９がメタ
ライズされたアルミニウムパッド２と銅メッキ１０され
たモリブデン１１からなる導体２０，２１とが半田１２
を介して接合され、その導体の一端はエミッタ並びにゲ
ート電極に半田を介して接合されることにより電気的接
続が成され、この絶縁基板３は半田８を介してモリブデ
ン放熱板１７に固着されている。メタライズ層９の厚さ
は、Ｃｒ層が０.１８μｍ、ニッケル層が０.６μｍ、Ａ
ｇ層が１.３μｍである。導体のモリブデン板１１は幅
が１ｍｍ、厚さ０.５ｍｍで、銅メッキ１０の厚さは５
０μｍである。なお、モリブデンの代わりに、同様に低
熱膨張率の金属例えばタングステンを用いてもよい。ま
た、導体のメッキは銅に限らず、半田で接合できる高導
電性の金属、例えば金、銀等でもよい。
【００２９】次に、本実施例のパワー半導体モジュール
の実装方法について説明する。図５は絶縁基板３を示
し、平面図（ａ）及び側面図（ｂ）に示すように、銅箔
にニッケルメッキした複数の電極４が銀ロウによってあ
らかじめ接着されている。図６は、実装に使用される黒
鉛治具の説明図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面
図、（ｃ）は（ａ）のａ−ａ’断面図である。黒鉛治具
２０は、絶縁基板３及び放熱板１７をその上に位置決め
して載置することができるように縁部領域にストッパ３
１，３２が設けられ、また中央部に貫通孔３３が設けら
れている。ストッパ３１，３２の高さは、絶縁基板３の
厚さに放熱板１７の厚さを足した値にほぼ等しくした。
また、貫通孔３３は、絶縁基板３上に半田付けされる半
導体チップ及び導体２０，２１の外形線を結んだ形をし
ている。
の実装方法について説明する。図５は絶縁基板３を示
し、平面図（ａ）及び側面図（ｂ）に示すように、銅箔
にニッケルメッキした複数の電極４が銀ロウによってあ
らかじめ接着されている。図６は、実装に使用される黒
鉛治具の説明図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面
図、（ｃ）は（ａ）のａ−ａ’断面図である。黒鉛治具
２０は、絶縁基板３及び放熱板１７をその上に位置決め
して載置することができるように縁部領域にストッパ３
１，３２が設けられ、また中央部に貫通孔３３が設けら
れている。ストッパ３１，３２の高さは、絶縁基板３の
厚さに放熱板１７の厚さを足した値にほぼ等しくした。
また、貫通孔３３は、絶縁基板３上に半田付けされる半
導体チップ及び導体２０，２１の外形線を結んだ形をし
ている。
【００３０】図１に示した半導体モジュールは、図７に
示す工程によって組立てられる。まず図７（ａ）の断面
図に示すように、黒鉛治具３０のストッパ３１，３２で
定められた領域に電極４側を下にした絶縁基板３、絶縁
基板の面積とほぼ同じ面積のＳｎ−Ｐｂ等の半田シート
２３、及び放熱板１７を重ねて載せる。次に、断面図
（ｂ）に示すように、その上に別の黒鉛治具３５をかぶ
せ、治具３０，３５に対して絶縁基板３及び放熱板１７
を固定する。次いで、全体をひっくり返し、（ｃ）に示
すように、黒鉛治具３０の貫通部を通して露出された絶
縁基板３の電極４上に半田シートを置き、中央の電極上
の定められた位置に半導体チップ１を置く。さらに半導
体チップ１のパッド上に半田を載せる。次いで、導体２
０，２１を所定位置に載置する。この時、半導体チップ
１と導体２０，２１の間にできる隙間に別に用意した黒
鉛治具３６，３７を挿入し、各チップ１及び導体２０，
２１の位置がずれないように固定する。その後、（ｄ）
に示すように、半田付けされる導体２０，２１及び半導
体チップ１の上に重り３８を載せる。なお、（ｅ）は
（ｄ）の要部拡大図である。最後に、全体を水素雰囲気
の電炉中に通し、例えば１９０℃で約３０分間加熱する
ことにより、放熱板１７、絶縁基板３及び導体２０，２
１を半田で同時に接合する。
示す工程によって組立てられる。まず図７（ａ）の断面
図に示すように、黒鉛治具３０のストッパ３１，３２で
定められた領域に電極４側を下にした絶縁基板３、絶縁
基板の面積とほぼ同じ面積のＳｎ−Ｐｂ等の半田シート
２３、及び放熱板１７を重ねて載せる。次に、断面図
（ｂ）に示すように、その上に別の黒鉛治具３５をかぶ
せ、治具３０，３５に対して絶縁基板３及び放熱板１７
を固定する。次いで、全体をひっくり返し、（ｃ）に示
すように、黒鉛治具３０の貫通部を通して露出された絶
縁基板３の電極４上に半田シートを置き、中央の電極上
の定められた位置に半導体チップ１を置く。さらに半導
体チップ１のパッド上に半田を載せる。次いで、導体２
０，２１を所定位置に載置する。この時、半導体チップ
１と導体２０，２１の間にできる隙間に別に用意した黒
鉛治具３６，３７を挿入し、各チップ１及び導体２０，
２１の位置がずれないように固定する。その後、（ｄ）
に示すように、半田付けされる導体２０，２１及び半導
体チップ１の上に重り３８を載せる。なお、（ｅ）は
（ｄ）の要部拡大図である。最後に、全体を水素雰囲気
の電炉中に通し、例えば１９０℃で約３０分間加熱する
ことにより、放熱板１７、絶縁基板３及び導体２０，２
１を半田で同時に接合する。
【００３１】本実施例によれば、導体２０，２１の熱膨
張率は６.１×１０-6／℃であり、導体とシリコンとの
熱膨張率差は２.６×１０-6／℃、導体とＡｌ2Ｎ3との
熱膨張率差は１.７×１０-6／℃と、いずれも１０×１
０-6／℃以下であるため、温度サイクルにおいて接合部
に発生する熱歪を小さくでき、モジュールの長寿命化を
図ることができる。また、アルミニウムパッドとエミッ
タ並びにゲート電極との接続が一体型の導体で行われる
ため、半田付けの作業性に優れている上に導体のパッド
への接続、半導体チップの絶縁基板上への固着並びに絶
縁基板の放熱板への固着を１回の半田付け工程で行うこ
とができ、組立て工程時間の短縮及び歩留まり向上が図
れる。
張率は６.１×１０-6／℃であり、導体とシリコンとの
熱膨張率差は２.６×１０-6／℃、導体とＡｌ2Ｎ3との
熱膨張率差は１.７×１０-6／℃と、いずれも１０×１
０-6／℃以下であるため、温度サイクルにおいて接合部
に発生する熱歪を小さくでき、モジュールの長寿命化を
図ることができる。また、アルミニウムパッドとエミッ
タ並びにゲート電極との接続が一体型の導体で行われる
ため、半田付けの作業性に優れている上に導体のパッド
への接続、半導体チップの絶縁基板上への固着並びに絶
縁基板の放熱板への固着を１回の半田付け工程で行うこ
とができ、組立て工程時間の短縮及び歩留まり向上が図
れる。
【００３２】図８に、導体接合部の他の実施例を示す。
図示したのは、Ａｌ2Ｎ3絶縁基板３上にシリコン基板に
形成された半導体チップ１が搭載され、この半導体チッ
プ上のアルミニウムパッド２と絶縁基板上の電極４とが
モリブデン１１を中心に銅１３が上下にクラッドされた
導体で接続された構造である。Ｃｒ／Ｎｉ／Ａｇの蒸着
膜層９がメタライズされたアルミニウムパッド２上に、
モリブデン１１を中心に上下を銅１３で挟んだクラッド
材の導体が半田を介して接合されている。メタライズ層
９の厚さは、Ｃｒ層が０.１８μｍ、Ｎｉ層が０.６μ
ｍ、Ａｇ層が１.３μｍである。導体のモリブデン１１
は幅が１ｍｍ、厚さ０.３ｍｍで、銅１３の厚さは上下
それぞれ０.１ｍｍである。モジュールの組立ては前記
実施例と同様の方法で行い、パッド上にＳｎ−Ｐｂ半田
シート１２を置き、その上に導体を重ね合わせた後、水
素雰囲気中で加熱して接合した。
図示したのは、Ａｌ2Ｎ3絶縁基板３上にシリコン基板に
形成された半導体チップ１が搭載され、この半導体チッ
プ上のアルミニウムパッド２と絶縁基板上の電極４とが
モリブデン１１を中心に銅１３が上下にクラッドされた
導体で接続された構造である。Ｃｒ／Ｎｉ／Ａｇの蒸着
膜層９がメタライズされたアルミニウムパッド２上に、
モリブデン１１を中心に上下を銅１３で挟んだクラッド
材の導体が半田を介して接合されている。メタライズ層
９の厚さは、Ｃｒ層が０.１８μｍ、Ｎｉ層が０.６μ
ｍ、Ａｇ層が１.３μｍである。導体のモリブデン１１
は幅が１ｍｍ、厚さ０.３ｍｍで、銅１３の厚さは上下
それぞれ０.１ｍｍである。モジュールの組立ては前記
実施例と同様の方法で行い、パッド上にＳｎ−Ｐｂ半田
シート１２を置き、その上に導体を重ね合わせた後、水
素雰囲気中で加熱して接合した。
【００３３】本実施例によれば、導体２０，２１の熱膨
張率は７.８×１０-6／℃であり、導体とシリコンとの
熱膨張率の差は４.３×１０-6／℃、導体とＡｌ2Ｎ3と
の熱膨張率の差は３.４×１０-6／℃と、いずれもと１
０×１０-6／℃以下であり、温度サイクルにおける熱歪
を小さくできるためモジュールの長寿命化が図れ、か
つ、低抵抗の銅とクラッドされているので配線抵抗が低
下し、モジュールの電力損失を小さくできることによ
り、大容量化を図ることが可能である。なお、中心の導
体はモリブデンに限らず、低熱膨張率の他の金属例えば
タングステンでもなんら問題がない。また、クラッドす
る金属は銅に限定されず高導電性の銀、金あるいはニッ
ケルでもよい。
張率は７.８×１０-6／℃であり、導体とシリコンとの
熱膨張率の差は４.３×１０-6／℃、導体とＡｌ2Ｎ3と
の熱膨張率の差は３.４×１０-6／℃と、いずれもと１
０×１０-6／℃以下であり、温度サイクルにおける熱歪
を小さくできるためモジュールの長寿命化が図れ、か
つ、低抵抗の銅とクラッドされているので配線抵抗が低
下し、モジュールの電力損失を小さくできることによ
り、大容量化を図ることが可能である。なお、中心の導
体はモリブデンに限らず、低熱膨張率の他の金属例えば
タングステンでもなんら問題がない。また、クラッドす
る金属は銅に限定されず高導電性の銀、金あるいはニッ
ケルでもよい。
【００３４】図９に、導体接合部の他の実施例を示す。
図示したのは、Ａｌ2Ｎ3絶縁基板３上にシリコン基板に
形成した半導体チップ１が搭載され、この半導体チップ
上のアルミニウムパッド２と絶縁基板上の電極４とがモ
リブデンと銅との複合材１４の導体で接続された構造で
ある。複合材１４は、モリブデン３０〜５０重量％、残
部銅の組成を有し、平均粒径４μｍのモリブデンを金型
に入れて５ｔ／ｃｍ2の圧力を加えて１４００〜１５０
０℃に加熱してモリブデン焼結体を形成し、そのモリブ
デン焼結体に平均粒径１μｍの銅粉をからめ、水素雰囲
気中で１１００℃に加熱して銅をモリブデン中に含浸し
て形成した。この複合材１４の熱膨張率は８〜１０×１
０-6／℃であった。複合材１４からなる導体は、Ｃｒ／
Ｎｉ／Ａｇの蒸着膜層９がメタライズされたアルミニウ
ムパッド２上に、半田１２を介して接合した。
図示したのは、Ａｌ2Ｎ3絶縁基板３上にシリコン基板に
形成した半導体チップ１が搭載され、この半導体チップ
上のアルミニウムパッド２と絶縁基板上の電極４とがモ
リブデンと銅との複合材１４の導体で接続された構造で
ある。複合材１４は、モリブデン３０〜５０重量％、残
部銅の組成を有し、平均粒径４μｍのモリブデンを金型
に入れて５ｔ／ｃｍ2の圧力を加えて１４００〜１５０
０℃に加熱してモリブデン焼結体を形成し、そのモリブ
デン焼結体に平均粒径１μｍの銅粉をからめ、水素雰囲
気中で１１００℃に加熱して銅をモリブデン中に含浸し
て形成した。この複合材１４の熱膨張率は８〜１０×１
０-6／℃であった。複合材１４からなる導体は、Ｃｒ／
Ｎｉ／Ａｇの蒸着膜層９がメタライズされたアルミニウ
ムパッド２上に、半田１２を介して接合した。
【００３５】本実施例によれば、導体とシリコンとの熱
膨張率の差は４.５〜６.５×１０-6／℃、導体とＡｌ2
Ｎ3との熱膨張率の差は３.６〜５.６×１０-6／℃と、
いずれも１０×１０-6／℃以下であるため、温度サイク
ルにおいて接合部に発生する熱歪を小さくでき、モジュ
ールの長寿命化を図ることができる。また、導体を構成
する複合材は、モリブデンと銅との複合材に限定され
ず、低熱膨張の金属と高導電性との複合材、例えばモリ
ブデンと銅、タングステンと銅、モリブデンあるいはタ
ングステンと銀の複合材でもよい。
膨張率の差は４.５〜６.５×１０-6／℃、導体とＡｌ2
Ｎ3との熱膨張率の差は３.６〜５.６×１０-6／℃と、
いずれも１０×１０-6／℃以下であるため、温度サイク
ルにおいて接合部に発生する熱歪を小さくでき、モジュ
ールの長寿命化を図ることができる。また、導体を構成
する複合材は、モリブデンと銅との複合材に限定され
ず、低熱膨張の金属と高導電性との複合材、例えばモリ
ブデンと銅、タングステンと銅、モリブデンあるいはタ
ングステンと銀の複合材でもよい。
【００３６】図１０に、導体接合部の他の実施例を示
す。図示したのは、Ａｌ2Ｎ3絶縁基板３上にシリコン基
板に形成した半導体チップ１が搭載され、この半導体チ
ップ上のアルミニウムパッド２と絶縁基板上の電極４と
が銅メッキ１０されたＡｌ2Ｎ3セラミック１６からなる
導体で接続された構造である。Ｃｒ／Ｎｉ／Ａｇの蒸着
膜層９がメタライズされたアルミニウムパッド２上に、
Ａｌ2Ｎ3セラミック１６を中心に周囲を銅メッキ１０で
覆ってなる導体が半田１２を介して接合されている。
す。図示したのは、Ａｌ2Ｎ3絶縁基板３上にシリコン基
板に形成した半導体チップ１が搭載され、この半導体チ
ップ上のアルミニウムパッド２と絶縁基板上の電極４と
が銅メッキ１０されたＡｌ2Ｎ3セラミック１６からなる
導体で接続された構造である。Ｃｒ／Ｎｉ／Ａｇの蒸着
膜層９がメタライズされたアルミニウムパッド２上に、
Ａｌ2Ｎ3セラミック１６を中心に周囲を銅メッキ１０で
覆ってなる導体が半田１２を介して接合されている。
【００３７】本実施例によれば、導体の中心に熱膨張率
が４.４×１０-6／℃と極めて小さいＡｌ2Ｎ3セラミッ
クがあリ、かつ高導電性の銅がメッキされているため、
導電性を損なうことがなく温度サイクルにおける熱歪を
小さくできるため長寿命化を図ることができる。なお、
Ａｌ2Ｎ3に代えて他のセラミック、例えばアルミナを用
いても同様の効果が得られる。
が４.４×１０-6／℃と極めて小さいＡｌ2Ｎ3セラミッ
クがあリ、かつ高導電性の銅がメッキされているため、
導電性を損なうことがなく温度サイクルにおける熱歪を
小さくできるため長寿命化を図ることができる。なお、
Ａｌ2Ｎ3に代えて他のセラミック、例えばアルミナを用
いても同様の効果が得られる。
【００３８】図１１及び図１２は、本発明によるパワー
半導体モジュールの他の実施例を示すものである。図１
１（ａ）はモジュールの平面図、図１１（ｂ）は側面図
であり、図１２は導体の接続部分を拡大して示したもの
である。この実施例では、導体とアルミニウムパッドの
接合を半田ではなくスズとアルミニウムとの拡散によっ
て行う。
半導体モジュールの他の実施例を示すものである。図１
１（ａ）はモジュールの平面図、図１１（ｂ）は側面図
であり、図１２は導体の接続部分を拡大して示したもの
である。この実施例では、導体とアルミニウムパッドの
接合を半田ではなくスズとアルミニウムとの拡散によっ
て行う。
【００３９】本実施例のパワー半導体モジュールにおい
ては、ニッケルメッキされた銅膜で形成されているコレ
クタ、エミッタ及びゲート電極４がＡｌ2Ｎ3絶縁基板３
上に設けられており、コレクタ電極上には半田６で半導
体チップ１が接合されている。半導体チップ１上のアル
ミニウムパッド２と銅メッキ１０されたモリブデン１１
からなる導体とがＡｌ−Ｓｎ化合物層１５により接合さ
れ、その導体の一端はエミッタ並びにゲート電極に半田
を介して接合されて電気的接続が成され、この絶縁基板
３は半田６を介してモリブデン放熱板１７に固着されて
いる。銅メッキ１０の厚さは５０μｍ、モリブデン１１
は幅１ｍｍで厚さが０.５ｍｍである。接合は、銅メッ
キされたモリブデンからなる導体の、少なくともアルミ
ニウムパッド２と接触する部分に厚さ１０μｍのＳｎメ
ッキを施し、この導体をアルミニウムパッドに押し当て
２５０℃程度に加熱する方法で行った。
ては、ニッケルメッキされた銅膜で形成されているコレ
クタ、エミッタ及びゲート電極４がＡｌ2Ｎ3絶縁基板３
上に設けられており、コレクタ電極上には半田６で半導
体チップ１が接合されている。半導体チップ１上のアル
ミニウムパッド２と銅メッキ１０されたモリブデン１１
からなる導体とがＡｌ−Ｓｎ化合物層１５により接合さ
れ、その導体の一端はエミッタ並びにゲート電極に半田
を介して接合されて電気的接続が成され、この絶縁基板
３は半田６を介してモリブデン放熱板１７に固着されて
いる。銅メッキ１０の厚さは５０μｍ、モリブデン１１
は幅１ｍｍで厚さが０.５ｍｍである。接合は、銅メッ
キされたモリブデンからなる導体の、少なくともアルミ
ニウムパッド２と接触する部分に厚さ１０μｍのＳｎメ
ッキを施し、この導体をアルミニウムパッドに押し当て
２５０℃程度に加熱する方法で行った。
【００４０】本実施例によれば、モリブデンの熱膨張率
が５.２×１０-6／℃と極めて小さいため、銅メッキを
施してもシリコンとの熱膨張率の差は２.６×１０-6／
℃、Ａｌ2Ｎ3との熱膨張率の差は１.７×１０-6／℃
と、いずれも１０×１０-6／℃以下である。その結果、
温度サイクルにおいて接合部に発生する熱歪を小さくで
き、モジュールの長寿命化を図ることができる。また、
アルミニウムパッドとエミッタ並びにゲート電極との接
続が一体型の導体で構成されているため、半田付けの作
業性に優れている上に導体のパッドへの接続、半導体チ
ップの絶縁基板上への固着並びに絶縁基板の放熱板への
固着が１回の半田付け工程で行うことができ、組立て工
程時間の短縮及び歩留まり向上が図れる。
が５.２×１０-6／℃と極めて小さいため、銅メッキを
施してもシリコンとの熱膨張率の差は２.６×１０-6／
℃、Ａｌ2Ｎ3との熱膨張率の差は１.７×１０-6／℃
と、いずれも１０×１０-6／℃以下である。その結果、
温度サイクルにおいて接合部に発生する熱歪を小さくで
き、モジュールの長寿命化を図ることができる。また、
アルミニウムパッドとエミッタ並びにゲート電極との接
続が一体型の導体で構成されているため、半田付けの作
業性に優れている上に導体のパッドへの接続、半導体チ
ップの絶縁基板上への固着並びに絶縁基板の放熱板への
固着が１回の半田付け工程で行うことができ、組立て工
程時間の短縮及び歩留まり向上が図れる。
【００４１】
【発明の効果】低抵抗の金属と低膨張率の材料とを組合
せたシリコン基板並びに絶縁基板との熱膨張率の差が小
さい導体で電気的接続が成されているため、電気抵抗が
下がり、かつ温度サイクル負荷時の熱歪の発生を抑制で
きることにより、接合部の長寿命化が図れ、また、アル
ミニウムパッドとエミッタ並びにゲート電極との接続が
一体型の導体で構成されているため、半田付けの作業性
に優れている上に導体のパッドへの接続、半導体チップ
の絶縁基板上への固着並びに絶縁基板の放熱板への固着
が１回の半田付け工程で行うことができ、組立て工程時
間の短縮及び歩留まり向上が図れるという効果がある。
せたシリコン基板並びに絶縁基板との熱膨張率の差が小
さい導体で電気的接続が成されているため、電気抵抗が
下がり、かつ温度サイクル負荷時の熱歪の発生を抑制で
きることにより、接合部の長寿命化が図れ、また、アル
ミニウムパッドとエミッタ並びにゲート電極との接続が
一体型の導体で構成されているため、半田付けの作業性
に優れている上に導体のパッドへの接続、半導体チップ
の絶縁基板上への固着並びに絶縁基板の放熱板への固着
が１回の半田付け工程で行うことができ、組立て工程時
間の短縮及び歩留まり向上が図れるという効果がある。
【図１】本発明によるパワー半導体モジュールの一実施
例を示す平面図及び側面図。
例を示す平面図及び側面図。
【図２】図１の導体接続部分の拡大図。
【図３】シリコン及びＡｌ2Ｎ3絶縁基板と導体の熱膨張
率の差と寿命との関係図。
率の差と寿命との関係図。
【図４】モリブデンを銅で挟んだ導体の熱膨張率をモリ
ブデンと銅との厚さの比で示した図。
ブデンと銅との厚さの比で示した図。
【図５】絶縁基板の説明図。
【図６】モジュールの実装に用いる黒鉛治具の説明図。
【図７】本発明によるパワー半導体モジュールの実装方
法の説明図。
法の説明図。
【図８】導体としてモリブデンと銅とのクラッドを用い
た実施例を示す図。
た実施例を示す図。
【図９】導体としてモリブデンと銅との複合体を用いた
実施例を示す図。
実施例を示す図。
【図１０】導体として銅メッキを施したＡｌ2Ｎ3を用い
た実施例を示す図。
た実施例を示す図。
【図１１】本発明によるパワー半導体モジュールの他の
実施例を示す平面図及び側面図。
実施例を示す平面図及び側面図。
【図１２】図１１の導体接続部分の拡大図。
【図１３】従来のパワー半導体モジュールの構造図。
１：半導体チップ、２：電極パッド、３：Ａｌ2Ｎ3絶縁
基板、４：外部電極、 ５：アルミニウムワイヤ、６：
半田、７：放熱板、８：半田、９：Ｃｒ−Ｎｉ−Ａｇ
層、１０：銅メッキ、１１：モリブデン、１２：半田、
１３：銅クラッド、１４：銅とモリブデンの複合材、１
５：Ｓｎ−Ａｌ化合物、１６：Ａｌ2Ｎ3セラミック、１
７：モリブデン放熱板、２０，２１：導体、３０：黒鉛
治具、３１，３２：ストッパ、３３：貫通孔、３８：重
り
基板、４：外部電極、 ５：アルミニウムワイヤ、６：
半田、７：放熱板、８：半田、９：Ｃｒ−Ｎｉ−Ａｇ
層、１０：銅メッキ、１１：モリブデン、１２：半田、
１３：銅クラッド、１４：銅とモリブデンの複合材、１
５：Ｓｎ−Ａｌ化合物、１６：Ａｌ2Ｎ3セラミック、１
７：モリブデン放熱板、２０，２１：導体、３０：黒鉛
治具、３１，３２：ストッパ、３３：貫通孔、３８：重
り
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 敏幸 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内
Claims (14)
- 【請求項１】 放熱板と、前記放熱板上に固着された複
数の電極を備える絶縁基板と、前記絶縁基板の電極上に
固着されたシリコン半導体チップとを含み、前記絶縁基
板のシリコン半導体チップが固着されていない電極と前
記シリコン半導体チップ上の複数のパッドとを導体で接
続して成るパワー半導体モジュールにおいて、 前記導体とパッド及び電極とは半田によって接合され、
前記導体は前記絶縁基板及びシリコンとの熱膨張率の差
がいずれも１０×１０-6／℃以下であることを特徴とす
るパワー半導体モジュール。 - 【請求項２】 放熱板と、前記放熱板上に固着された複
数の電極を備える絶縁基板と、前記絶縁基板の電極上に
固着されたシリコン半導体チップとを含み、前記絶縁基
板のシリコン半導体チップが固着されていない電極と前
記シリコン半導体チップ上の複数のパッドとを導体で接
続して成るパワー半導体モジュールにおいて、 前記導体とパッド及び電極とは半田によって接合され、
前記導体は前記放熱板、絶縁基板及びシリコンとの熱膨
張率の差がいずれも１０×１０-6／℃以下であることを
特徴とするパワー半導体モジュール。 - 【請求項３】 前記導体は、低膨張率の金属と高導電性
の金属とのクラッド材であることを特徴とする請求項１
又は２記載のパワー半導体モジュール。 - 【請求項４】 前記低膨張率の金属はＭｏ，Ｗの群から
選ばれた金属であり、前記高導電性の金属はＣｕ，Ａ
ｌ，Ａｕ，Ａｇの群の中から選ばれた金属であることを
特徴とする請求項３記載のパワー半導体モジュール。 - 【請求項５】 前記導体は、低膨張率の金属と高導電性
の金属との複合材であることを特徴とする請求項１又は
２記載のパワー半導体モジュール。 - 【請求項６】 前記低膨張率の金属はＭｏ，Ｗの群から
選ばれた金属であり、前記高導電性の金属はＣｕ，Ａ
ｌ，Ａｕ，Ａｇの群の中から選ばれた金属であることを
特徴とする請求項５記載のパワー半導体モジュール。 - 【請求項７】 前記導体は、低膨張率の金属に高導電性
の金属がメッキされたものであることを特徴とする請求
項１又は２記載のパワー半導体モジュール。 - 【請求項８】 前記低膨張率の金属はＭｏ，Ｗの群から
選ばれた金属であり、前記高導電性の金属はＣｕ，Ａ
ｌ，Ａｕ，Ａｇの群の中から選ばれた金属であることを
特徴とする請求項５記載のパワー半導体モジュール。 - 【請求項９】 前記導体は、セラミックに高導電性の金
属がメタライズされたものであることを特徴とする請求
項１又は２記載のパワー半導体モジュール。 - 【請求項１０】 前記導体は、前記シリコン半導体チッ
プ上の複数のパッドに接続される側が個々のパッドに対
応して複数の部分に分離され、共通の電極に接続される
側が一体化されていることを特徴とする請求項１〜９の
いずれか１項記載のパワー半導体モジュール。 - 【請求項１１】 前記パッドの上に金属膜が形成されて
成ることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項記
載のパワー半導体モジュール。 - 【請求項１２】 前記金属膜は、Ｃｒ，Ｎｉ，Ａｇもし
くはＴｉ，Ｎｉ，Ａｕの３層、又はＮｉ，Ｔｉ，Ｎｉ，
Ａｕの４層から成ることを特徴とする請求項１１記載の
パワー半導体モジュール。 - 【請求項１３】 前記導体は、熱歪を緩和する形状を有
することを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項記
載のパワー半導体モジュール。 - 【請求項１４】 請求項１〜１３のいずれか１項に記載
されたパワー半導体モジュールの製造方法において、放
熱板への絶縁基板の固着、絶縁基板の電極へのシリコン
半導体チップの固着、並びに絶縁基板の電極及びシリコ
ン半導体チップ上の複数のパッドと導体との接合をすべ
て半田により１回の工程で行うことを特徴とするパワー
半導体モジュールの製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7187446A JPH0936186A (ja) | 1995-07-24 | 1995-07-24 | パワー半導体モジュール及びその実装方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7187446A JPH0936186A (ja) | 1995-07-24 | 1995-07-24 | パワー半導体モジュール及びその実装方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0936186A true JPH0936186A (ja) | 1997-02-07 |
Family
ID=16206220
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7187446A Pending JPH0936186A (ja) | 1995-07-24 | 1995-07-24 | パワー半導体モジュール及びその実装方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0936186A (ja) |
Cited By (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
1995
- 1995-07-24 JP JP7187446A patent/JPH0936186A/ja active Pending
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