JP2005340267A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
【課題】 耐熱性と400℃以下のダイボンディング性を備えた鉛を使用しない接合材料を用いた熱疲労信頼性がある鉛を使用しない半導体装置を提供する。
【解決手段】 43wt%≦Sb/(Sn+Sb)重量比<53wt%の組成比率のSn-Sb合金に、Ag、Cuを1種以上かつ5〜30wt%の量を添加した合金を半田材6、7、8、9とし半導体素子1とベース電極2、リード電極3とを、間に熱膨張率10ppm以下の低熱膨張部材4を介在させて接合する。各部材の接合面をNiメタライズ化して耐熱性とダイボンディング性を確保した。半導体素子1の破損防止と熱疲労寿命の向上を同時に可能にした。250℃の耐熱信頼性、7000回以上の熱疲労信頼性を確保できる鉛を使用しない半導体装置Aを提供できる。耐熱性と熱疲労寿命を低下させずに接合材に鉛を使用しないことが求められている自動車用途向けの大容量半導体装置として有効に適用することができる。
【選択図】 図1PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a lead-free semiconductor device having heat fatigue reliability using a lead-free bonding material having heat resistance and die bonding property of 400 ° C. or less.
SOLUTION: An alloy obtained by adding one or more of Ag and Cu and an amount of 5 to 30 wt% to an Sn-Sb alloy having a composition ratio of 43 wt% ≦ Sb / (Sn + Sb) weight ratio <53 wt%. 6, 7, 8, and 9, the semiconductor element 1, the base electrode 2, and the lead electrode 3 are joined with a low thermal expansion member 4 having a thermal expansion coefficient of 10 ppm or less interposed therebetween. The joint surface of each member was Ni metallized to ensure heat resistance and die bonding properties. The semiconductor element 1 can be prevented from being damaged and the thermal fatigue life can be improved at the same time. It is possible to provide a semiconductor device A that does not use lead and can ensure a heat resistance reliability of 250 ° C. and a thermal fatigue reliability of 7000 times or more. The present invention can be effectively applied as a large-capacity semiconductor device for automobile applications in which it is required not to use lead as a bonding material without reducing heat resistance and thermal fatigue life.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、自動車用途に用いられる半導体装置に関し、特に半導体装置の鉛不使用化、熱疲労寿命向上、耐熱性向上を図った接合構造を持つ高耐熱半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device used for automobiles, and more particularly to a high heat-resistant semiconductor device having a junction structure in which lead-free semiconductor devices, thermal fatigue life and heat resistance are improved.
従来、半導体装置の半導体素子接合には、Pbが90%以上で他にSn、Agなどを数%含む高融点半田材料が使われていた。その構造は、Cuベース電極、Cu/Fe-Ni合金/Cuからなる応力緩衝用低熱膨張部材、半導体素子、Cuリード電極を積層した構成で、各部材間を鉛入り高融点半田で接合した構造である。各部材および半導体素子の上下電極には、Niめっきを施している。 Conventionally, high-melting-point solder materials containing Pb of 90% or more and several percent of Sn, Ag, etc. have been used for semiconductor element bonding of semiconductor devices. The structure is a structure in which a Cu base electrode, a Cu / Fe-Ni alloy / Cu low thermal expansion member for stress buffering, a semiconductor element, and a Cu lead electrode are stacked, and each member is joined with a high melting point solder containing lead. It is. Ni plating is applied to the upper and lower electrodes of each member and the semiconductor element.
一方、近年は、環境を有害物質の汚染から守ることが重要となってきており、電子装置の組立部材から鉛を除去することが求められている。しかし、現状は、従来の鉛入り高温半田材にそのまま置き換え可能な鉛を使用しない高温半田材は開発されておらず、金属系ではZnAl系やSnSb系の高温半田材が知られているものの、実用上種々の問題を有しており、半導体装置への適用は困難である。特許文献1には、ZnAl共晶合金をはんだ材として使用する発明が開示されている。また、特許文献2には、Sn-Sb系合金をはんだ材として用いた発明が開示されている。
自動車用の半導体装置では、半導体装置1個当たりの電流容量を増加することが求められている。従来の半導体装置素子で通電電流を増すと素子からの発熱が増加し、半導体装置の使用温度が高くなる。このため、半導体装置の耐熱性向上が大きな技術課題になっている。また、もう一つの課題としては、環境保護の観点から欧州を中心に規制が加えられようとしている自動車機器あるいは電子機器の鉛使用禁止の問題がある。 In semiconductor devices for automobiles, it is required to increase the current capacity per semiconductor device. When the energization current is increased in a conventional semiconductor device element, heat generation from the element increases, and the operating temperature of the semiconductor device increases. For this reason, improvement in heat resistance of semiconductor devices has become a major technical issue. Another problem is the prohibition of the use of lead in automobile equipment or electronic equipment, which is going to be regulated mainly in Europe from the viewpoint of environmental protection.
従来の鉛入り高温半田材を用いた半導体装置では、半田材が柔らかいため半導体素子とCuリード電極あるいは半導体素子とCu/Fe-Ni/Cuの低熱膨張部材間の熱歪をほとんど半田部で吸収しており、使用温度が上昇すると短期間に半田内にクラックが進展したり、接合界面に成長したNiSn化合物が原因となって化合物と半田界面あるいは化合物とNiめっき界面にクラックを生じて寿命が短くなるという問題がある。 In conventional semiconductor devices using high-temperature lead-containing solder materials, the solder material is soft, so most of the thermal strain between the semiconductor element and the Cu lead electrode or between the semiconductor element and the low thermal expansion member of Cu / Fe-Ni / Cu is absorbed by the solder part. If the operating temperature rises, cracks develop in the solder in a short period of time, or the NiSn compound that grows at the bonding interface causes cracks at the compound-solder interface or the compound-Ni plating interface, resulting in a long life. There is a problem of shortening.
従来知られている鉛を使用しない高温半田材の1つであるZnAl系高融点半田は、半田ペレットの表面に化学的に安定で機械的に強固なAl酸化膜が形成されており、水素雰囲気下でも還元されず濡れ拡がり性が悪いという問題がある。 ZnAl refractory solder, one of the conventional high-temperature solder materials that do not use lead, has a chemically stable and mechanically strong Al oxide film formed on the surface of the solder pellet, and a hydrogen atmosphere There is a problem that it is not reduced even under, and the wet spreadability is poor.
一方、SnSb系高融点半田は濡れ性は良いものの、固相温度が300℃以上の組成では液相温度が400℃以上と高く、半田接合温度を400℃以上とする必要があるため作業性に劣り、また材質的に硬いため接合後の冷却過程で半導体素子に割れが発生したり、温度サイクル試験で半導体素子が割れてしまうという問題があった。 On the other hand, SnSb high-melting-point solder has good wettability, but in the case of a composition with a solid phase temperature of 300 ° C or higher, the liquidus temperature is as high as 400 ° C or higher, and the solder joint temperature must be 400 ° C or higher. There are problems that the semiconductor element is cracked in the cooling process after joining because the material is inferior and hard, and the semiconductor element is cracked in the temperature cycle test.
本発明の目的は、組立時の半田接合性に優れ、250℃までの高温環境下で使用可能な鉛を使用しない半導体装置に関する技術を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a technique related to a semiconductor device that does not use lead, which is excellent in solderability during assembly and can be used in a high temperature environment up to 250 ° C.
本発明の他の目的は、接合組立後の冷却過程や温度サイクル試験における半導体素子の割れを防止し、素子への通電と遮断の繰り返しに伴う熱疲労寿命に優れた半導体装置に関する技術を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a technology relating to a semiconductor device that prevents cracking of a semiconductor element in a cooling process after temperature assembly and a temperature cycle test, and has an excellent thermal fatigue life due to repeated energization and interruption of the element. There is.
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。 Of the inventions disclosed in the present application, the outline of typical ones will be briefly described as follows.
すなわち、組立時の半田接合性に優れ、250℃までの高温環境下で使用可能な鉛を使用しない半導体装置に関する技術を提供する第1の目的を達成するために、半導体素子および両電極端子部材の表面にNiめっき膜を形成し、主要構成元素が43wt%≦Sb/(Sn+Sb)重量比<53wt%の組成比率のSnSb合金にAg、Cuを1種以上でかつ合計が5〜25wt%の量を添加した組成の接合材料を用いた接合構造を発案した。 That is, in order to achieve the first object of providing a technique related to a semiconductor device that does not use lead, which is excellent in solderability at the time of assembly and can be used in a high temperature environment up to 250 ° C., a semiconductor element and both electrode terminal members An Ni plating film is formed on the surface of the material, and the main constituent element is 43 wt% ≦ Sb / (Sn + Sb) weight ratio <53 wt%. A joining structure using a joining material having a composition with an amount of% added was conceived.
前記組成の合金を種々試作して固相と液相の温度を調べた結果、固相線温度はSn、Sbの組成比で決まり前記組成範囲では300℃以上であること、Ag、Cuを添加すると固相線温度は低下せず液相線温度のみ低下させることが可能で前記組成では400℃以下となることを見出し、本発明に至ったものである。 As a result of examining the temperature of the solid phase and the liquid phase by making various trial manufactures of the alloy of the above composition, the solidus temperature is determined by the composition ratio of Sn and Sb, and the composition range is 300 ° C or higher, and Ag and Cu are added. Then, it was found that the solidus temperature could not be lowered but only the liquidus temperature could be lowered, and the above composition would be 400 ° C. or lower, and the present invention was achieved.
図9にはSn-Sbの2元合金の状態図を、図10、11、12には種々の組成の合金における固相線温度、液相線温度の測定結果を示す。各図はSn-Sb-Ag-Cuの4元合金で特定の元素の比率が変わった時の固相線温度と液相線温度を示す。 FIG. 9 shows a phase diagram of the Sn—Sb binary alloy, and FIGS. 10, 11 and 12 show the measurement results of the solidus temperature and the liquidus temperature in alloys of various compositions. Each figure shows the solidus temperature and liquidus temperature when the ratio of a specific element is changed in the Sn—Sb—Ag—Cu quaternary alloy.
図10は、Sn-Sb-Ag-Cu系合金の固相・液相線温度特性のSb/(Sn+Sb)パラメータ依存性を示すものであり、43wt%≦Sb/(Sn+Sb)の場合に、固相線温度が300℃以上となることが分かる。図11はSn-Sb-Ag-Cu系半田の固相・液相線温度特性のAg濃度依存性を、図12はSn-Sb-Ag-Cu系半田の固相・液相線温度特性のCu濃度依存性をそれぞれ示したものである。図11、12に示すように、AgやCuの添加により液相線温度は大きく低下しているが、固相線温度は300℃以上のままで変化が小さい。このため、固液共存温度領域は狭くなっている。 Fig. 10 shows the Sb / (Sn + Sb) parameter dependence of the solid-phase / liquidus temperature characteristics of Sn-Sb-Ag-Cu-based alloys, with 43 wt% ≤ Sb / (Sn + Sb). It can be seen that the solidus temperature is 300 ° C. or higher. Fig. 11 shows the Ag concentration dependence of the solid phase / liquidus temperature characteristics of Sn-Sb-Ag-Cu solder, and Fig. 12 shows the solid phase / liquidus temperature characteristics of Sn-Sb-Ag-Cu solder. This shows the Cu concentration dependence. As shown in FIGS. 11 and 12, the liquidus temperature is greatly lowered by the addition of Ag or Cu, but the solidus temperature remains at 300 ° C. or more and the change is small. For this reason, the solid-liquid coexistence temperature region is narrow.
半田接合による組立では、作業温度や濡れ性で決まる作業性と接合欠陥の発生を防止できることが重要である。本発明で採用したSn-Sb系の半田は360℃〜400℃の加熱温度で半田接合可能で、従来のSn-Sbの2元系半田に比べて接合温度を大幅に低下でき、従来の鉛入り半田の設備とプロセスをそのまま使える利点がある。 In assembly by soldering, it is important to be able to prevent workability determined by working temperature and wettability and the occurrence of joint defects. The Sn-Sb solder used in the present invention can be soldered at a heating temperature of 360 ° C to 400 ° C, and the bonding temperature can be greatly reduced compared to the conventional Sn-Sb binary solder. There is an advantage that the equipment and process of the solder can be used as it is.
また、酸化しやすい元素を含んでいないためNiやCuに対する濡れ性が優れ、フラックス等を用いなくても還元性雰囲気で濡れの良好な接合が可能となる。また、クリーンな環境でクリーンなまま接合できるため、洗浄その他の工程が不要となり作業性が優れている。 In addition, since it does not contain an easily oxidizable element, it has excellent wettability with respect to Ni and Cu, and bonding with good wettability in a reducing atmosphere is possible without using a flux or the like. In addition, since it can be joined cleanly in a clean environment, cleaning and other processes are unnecessary, and workability is excellent.
また、固相線と液相線の温度域が小さいため、凝固過程での組成の偏析が小さい。そのため、凝固時の体積収縮量が小さく引け巣的な欠陥が抑制され、かつフィレット表面の凹凸等が抑制されて、接合欠陥の少ない接合が可能となる。さらには、固相線温度が300℃以上と高温であり、部材の接合表面をNiめっきして半田/Ni界面とすることにより、250℃-1500hでの高温信頼性を確保できることが分かった。 Further, since the temperature range of the solidus line and the liquidus line is small, the segregation of the composition during the solidification process is small. Therefore, the volume shrinkage at the time of solidification is small, shrinkage-like defects are suppressed, and irregularities on the fillet surface are suppressed, so that bonding with few bonding defects becomes possible. Furthermore, it was found that the solidus temperature is as high as 300 ° C. or higher, and high temperature reliability at 250 ° C. to 1500 h can be secured by plating the joint surface of the member with Ni to form a solder / Ni interface.
接合組立後の冷却過程や温度サイクル試験における半導体素子の割れを防止し、素子への通電と遮断の繰り返しに伴う熱疲労寿命に優れた半導体装置に関する技術を提供する第2の目的を達成するために、半導体素子と両電極端子の間に応力緩衝材として熱膨張率が10ppm以下の薄板状低熱膨張部材を挿入し、その薄板状低熱膨張部材の外形寸法をリード電極端子側では半導体素子の電極面の外形寸法より小さく、ベース電極端子側では半導体素子の同外形寸法より大きい構造を発案した。 To achieve the second object of providing a technology relating to a semiconductor device that prevents cracking of a semiconductor element in a cooling process or temperature cycle test after joining and assembly and has an excellent thermal fatigue life due to repeated energization and interruption of the element. In addition, a thin plate-like low thermal expansion member having a coefficient of thermal expansion of 10 ppm or less is inserted as a stress buffer between the semiconductor element and both electrode terminals, and the outer dimensions of the thin plate-like low thermal expansion member are defined as the electrode of the semiconductor element on the lead electrode terminal side. A structure was devised that is smaller than the outer dimension of the surface and larger than the outer dimension of the semiconductor element on the base electrode terminal side.
また接合材料を、主要構成元素が43wt%≦Sb/(Sn+Sb)重量比<54wt%の組成比率のSnSb合金にAg、Cuを1種以上でかつ合計が5〜30wt%の量を添加した組成とした。半導体素子の上下に熱膨張率が10ppmを越える、例えば11.0ppmのCu/Fe-Ni合金/Cuの低熱膨張部材を配置し、前記接合材を使って半田接合したときに半導体素子に剥離割れが発生すること、低熱膨張材のFe-Ni合金の比率を高めて熱膨張率を10ppm以下に下げれば、半導体素子に割れを生じないことが分かった。 Addition of one or more of Ag and Cu to the SnSb alloy with a composition ratio of 43 wt% ≤ Sb / (Sn + Sb) weight ratio <54 wt% and a total of 5 to 30 wt% of the main constituent elements The composition was as follows. When the thermal expansion coefficient exceeds 10 ppm above and below the semiconductor element, for example, 11.0 ppm of Cu / Fe-Ni alloy / Cu low thermal expansion member is placed, and the solder cracking occurs when the semiconductor element is soldered. It has been found that if the ratio of the Fe-Ni alloy, which is a low thermal expansion material, is increased and the coefficient of thermal expansion is reduced to 10 ppm or less, no cracking occurs in the semiconductor element.
また、熱疲労試験を行って詳細な検討を加えた結果、リード電極側の薄板状低熱膨張部材の外形寸法を半導体素子の電極面の外形寸法より小さくし、さらにベース電極側の薄板状低熱膨張部材の外形寸法を半導体素子の電極面の外形寸法より大きくすると、熱疲労寿命が向上することも分かった。リード電極側の薄板状低熱膨張部材の外形寸法を半導体素子の電極面の外形寸法より小さくすると、半導体素子の外周側壁に発生する引張応力を低減でき、ベース電極側の薄板状低熱膨張部材の外形寸法を半導体素子の電極面の外形寸法より大きくすると素子からの放熱性が改善して寿命が向上することを解析により解明したのである。 In addition, as a result of conducting detailed examination by conducting a thermal fatigue test, the external dimensions of the thin plate-like low thermal expansion member on the lead electrode side are made smaller than the external dimensions of the electrode surface of the semiconductor element, and further, the thin plate-like low thermal expansion on the base electrode side It has also been found that the thermal fatigue life is improved when the outer dimension of the member is made larger than the outer dimension of the electrode surface of the semiconductor element. If the outer dimension of the thin plate-like low thermal expansion member on the lead electrode side is made smaller than the outer dimension of the electrode surface of the semiconductor element, the tensile stress generated on the outer peripheral side wall of the semiconductor element can be reduced, and the outer shape of the thin plate-like low thermal expansion member on the base electrode side It has been elucidated by analysis that if the dimension is made larger than the outer dimension of the electrode surface of the semiconductor element, the heat dissipation from the element is improved and the life is improved.
さらに、このときの低熱膨張部材の弾性率や降伏強度を下げると半田の疲労寿命が伸びること、また低熱膨張部材の熱伝導率を上げることや半田接合厚さを下げることで放熱性が改善されて熱疲労寿命が伸びることも確認できた。 Furthermore, lowering the elastic modulus and yield strength of the low thermal expansion member at this time will increase the fatigue life of the solder, and increasing the thermal conductivity of the low thermal expansion member and lowering the solder joint thickness will improve heat dissipation. It was also confirmed that the thermal fatigue life was extended.
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。 Among the inventions disclosed in the present application, effects obtained by typical ones will be briefly described as follows.
すなわち、本発明によれば、接合材料を43wt%≦Sb/(Sn+Sb)重量比<53wt%の組成比率のSn-Sb合金にAg、Cuを1種以上かつ5〜30wt%の量を添加した合金とし、接合される各部材の接合面をNiメタライズ処理することにより、400℃以下のダイボンディング性と250℃までの高温信頼性を確保できる鉛を使用しない半導体装置を提供することができる。 That is, according to the present invention, the bonding material is 43 wt% ≦ Sb / (Sn + Sb) weight ratio <53 wt% in a Sn—Sb alloy having a composition ratio of one or more of Ag and Cu and an amount of 5 to 30 wt%. To provide a semiconductor device that does not use lead, which can ensure die bonding property of 400 ° C or less and high temperature reliability up to 250 ° C by Ni metallization treatment of the joining surface of each member to be joined as an added alloy it can.
また、半導体素子に直接に接合する薄板の部材を熱膨張率が10ppm以下の部材で構成し、ベース電極側の半導体素子に直接接合する薄板部材の外形寸法を半導体素子の電極面の外形寸法より大きい寸法とし、リード電極側の半導体素子に直接接合する薄板部材の外形寸法を半導体素子の電極面の外形寸法より小さい寸法とすることにより、接合組立後の冷却過程や温度サイクル時に発生する熱ストレスで半導体素子が割れるのを防止でき、併せて高強度のSnSbAgCu半田を採用したことと低熱膨張部材を半導体素子の上下に配置したこととにより半導体素子への通電と遮断の繰り返しに伴う熱疲労寿命を飛躍的に向上した半導体装置を提供することができる。 In addition, the thin plate member that is directly bonded to the semiconductor element is configured with a member having a coefficient of thermal expansion of 10 ppm or less, and the outer dimension of the thin plate member that is directly bonded to the semiconductor element on the base electrode side is greater than the outer dimension of the electrode surface of the semiconductor element. Thermal stress that occurs during the cooling process and temperature cycle after joining and assembly by making the outer dimensions of the thin plate member directly bonded to the semiconductor element on the lead electrode side smaller than the outer dimensions of the electrode surface of the semiconductor element. The thermal fatigue life associated with repeated energization and interruption of the semiconductor element due to the use of high-strength SnSbAgCu solder and the placement of low thermal expansion members above and below the semiconductor element It is possible to provide a semiconductor device that has been improved dramatically.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiment, and the repetitive description thereof may be omitted.
(実施の形態1)
本実施の形態では、本発明に係わる半導体装置について説明する。図1は、本発明による半導体装置の実装構造の一実施例を示す断面図である。図2は、図1に示す半導体装置の接合部の構造をさらに詳細に示す断面図である。図1、2において、半導体装置Aは、整流作用を有する半導体素子1の上下に薄板状の低熱膨張部材4a(4)、4b(4)が配置され、その上にCu製のリード電極3、その下にCu製のベース電極2が配置されている。リード電極3、低熱膨張部材4b、半導体素子1、低熱膨張部材4a、ベース電極2のそれぞれの間は、Sn-35Sb-11Ag-8Cu(wt%)の組成を有する半田材6、7、8、9を接合材として使用して接合されている。
(Embodiment 1)
In this embodiment mode, a semiconductor device according to the present invention will be described. FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of a semiconductor device mounting structure according to the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view showing in more detail the structure of the junction of the semiconductor device shown in FIG. 1 and 2, a semiconductor device A includes thin plate-like low
半導体素子1の上下の半田材6、8の厚さの平均は20〜60μmとし、ベース電極2、リード電極3等の電極部材を接合している半田材7、9の厚さの平均は30〜100μmとしている。図2に示すように、ベース電極2、リード電極3等の電極部材と低熱膨張部材4a、4bの全面には、不純物のめっき膜中への混入が少ない無光沢の電気Niめっき12、13、14、15が2〜10μmの厚さで施されており、半導体素子の上下面には無電解Ni-Pめっき11が0.5〜3μmの厚さで施されている。かかる構成では、接合部分の金属材料構成がNi/前記接合材/Niとなっている。
The average thickness of the upper and
半導体素子1が納められた皿状のベース電極2の内部には、図1に示すように、リード電極3の一部を覆う高さまで樹脂10を充填している。ここで用いた低熱膨張部材4a、4bは、図3に示す断面構造を持つCu/Fe-Ni合金/Cuの複合材で、熱膨張率αを6.0ppmに調整した材料である。低熱膨張材料21としてのFe-Ni合金と、良導体材料22としてのCuの積層構造を有している。かかる積層構造の周囲は、Niめっき23で覆われている。
The dish-
リード電極3と半導体素子1との間に介在させる上側の薄板状の低熱膨張部材4bの外形寸法は半導体素子1の電極面の外形寸法より小さく、半導体素子1とベース電極2との間に介在させる下側の薄板状の低熱膨張部材4aの外形寸法は半導体素子1の電極面の外形寸法より大きくしている。接合組立方法は、各部品と半田ペレットを冶具で位置合わせして積層し、水素雰囲気中で380℃に加熱して半田接合している。加熱は380℃に2分間保持し、冷却速度20℃/分程度で室温まで冷却した。
The upper thin plate-like low
かかる本実施例によれば、SnSbAgCu半田がNiに対して濡れ性が優れるため組立時の半田接合性に優れ、AnSbAgCu半田と無電解Niめっきあるいは無光沢の電気Niめっきの接合界面の化合物成長が250℃の高温環境下でも小さく、界面にカーケンダルボイドやクラックの発生がなく安定しているため、250℃までの高温信頼性に優れた鉛を使用しない半導体装置の部品を提供すことができる。 According to this example, SnSbAgCu solder has excellent wettability to Ni, so it has excellent solder joint properties during assembly, and compound growth at the joint interface between AnSbAgCu solder and electroless Ni plating or matte electric Ni plating occurs. Because it is small even under a high temperature environment of 250 ° C and stable without the occurrence of Kirkendall voids or cracks at the interface, it can provide lead-free semiconductor device parts with high temperature reliability up to 250 ° C. .
また、図1、2に示すように、半導体素子1の上下には熱膨張率6.0ppmの低熱膨張部材4a(4)、4b(4)が、熱膨張率18ppmと比較的小く高強度のSnSbAgCu半田材6、8で接合されているため、半導体素子1に発生する熱応力が低減される。さらに、上下の低熱膨張部材4a(4)、4b(4)の外形寸法を半導体素子1に対して大と小に違えているため、冷却時に半導体素子1に発生する引張の熱応力を分散させることができる。
As shown in FIGS. 1 and 2, low
そのため、それらの効果によって半導体素子1が温度サイクルやパワーサイクルが加わった時に熱ストレスによって割れるという問題を完全に回避することができる。同時にSnSbAgCu半田材6、8の強度が高いため熱歪が低熱膨張部材4a、4bや半導体素子1に分散され、かつ半田材6、8の高温クリープ歪が小さい材料であるため、温度サイクルやパワーサイクルなどで熱ストレスが加わった時の半田部の疲労寿命が飛躍的に改善される。
Therefore, the problem that the
尚、本実施例に示す上記構成では、半導体素子1上には無電解Ni-Pめっき、低熱膨張部材4a、4bやベース電極2、リード電極3等の電極部材表面には無光沢の電気Niめっきを施したが、全て無電解Ni-Pめっきとしてもよい。無電解Ni-Pめっきの方が、半田との界面に形成される化合物の成長が遅く、電気Niめっきに比べて高温信頼性が高くなる。
In the configuration shown in this embodiment, the electroless Ni-P plating on the
(実施の形態2)
上記実施の形態では、低熱膨張部材4として、低熱膨張材料21の上下面を良導体材料22で挟み、その全周をNiめっき23で覆う構成を示したが、かかる構成以外の構成でも構わない。
(Embodiment 2)
In the above embodiment, the low
例えば、図4は、本発明による半導体装置Aに用いる低熱膨張部材4(4a、4b)の一実施例を示すもので、(a)は(b)に示すB−B線での平断面図であり、(b)は(a)に示す低熱膨張部材4のA−A線での断面図である。図4の低熱膨張部材4において、中央の部材は熱膨張率が高く熱や電気を良く通す良導体材料22であるCuあるいはCu合金で、周囲の部材は熱や電気の伝導率が低いFe-Ni合金などの低熱膨張材料21で構成されている。良導体材料22と低熱膨張材料21の間は、熱間圧延による圧接法や摩擦攪拌接合法により強固に金属接合されている。低熱膨張部材4の周囲全体は、Niめっき23で覆われている。
For example, FIG. 4 shows an embodiment of the low thermal expansion member 4 (4a, 4b) used in the semiconductor device A according to the present invention, where (a) is a plan sectional view taken along line BB shown in (b). (B) is sectional drawing in the AA line of the low
本実施例のかかる構成によれば、水平方向の熱膨張率は外周に配置された低熱膨張材料23で良導体材料22の膨張や収縮が抑制されて部材として低熱膨張の挙動を示すため、半導体素子1を半田接合した場合に発生する熱歪を低減して半導体素子1の機械的破壊や半田部の熱疲労寿命の改善が図れる。
According to this configuration of the present embodiment, the thermal expansion coefficient in the horizontal direction is low
また同時に、良導体材料22が板厚方向に配置されているため半導体素子1で発生した熱を効率よくベース電極2に伝えて半導体素子1の温度上昇を抑制することができ、そのため半導体素子1自身で発生する損失を低減することができる。
At the same time, since the
また低熱膨張部材4中には、良導体材料22からなる電気の良導体が通電方向に貫通して配置されているため、低熱膨張部材4としての電気抵抗が小さく抑えられ、低熱膨張部材4から発生する熱を抑制できてエネルギー損失を低減し、それらの結果として半導体装置Aの効率を向上することができる。また半導体素子1の温度上昇を抑制できるため、熱疲労寿命もさらに改善することができる。
Further, since the good electrical conductor made of the
(実施の形態3)
本実施の形態では、前記実施の形態で説明した低熱膨張部材4の変形例の構成について述べる。図5は、本発明による半導体装置Aに用いる低熱膨張部材4の一実施例を示すもので、(a)は(b)に示すD−D線での平断面図であり、(b)は(a)に示す低熱膨張部材4のC−C線での断面図である。図5において、内部に配置された複数の部材は熱膨張率が高く熱や電気の良導体材料22としてのCuあるいはCu合金で、周囲の部材は熱や電気の伝導率が低いFe-Ni合金などの低熱膨張材料21で構成されている。良導体材料22と低熱膨張材料21の間は強固に金属接合されている。低熱膨張部材4の周囲全体は、Niめっき23で覆われている。
(Embodiment 3)
In the present embodiment, a configuration of a modified example of the low
本実施例によれば、図4と同様の効果が得られる他に、熱膨張率の大きい良導体材料22を小さいサイズで分散して配置したため、サイズの大きな良導体材料22一つを配置する図4に示す構成の場合とは異なり、熱膨張差で発生する良導体材料22の歪量がサイズに比例して小さくなり、局所的な熱応力の最大値を下げることができ、半導体素子1の割れや半田部の熱疲労寿命をさらに向上することができる。
According to the present embodiment, the same effect as in FIG. 4 can be obtained. In addition, the
図6は、本発明による半導体装置Aに用いる低熱膨張部材4の他の変形例を示す断面図である。図6において、CuまたはCu合金から成る良導体材料22の良導体マトリックス22aの中に、熱や電気の伝導に劣る低熱膨張材料21が細かく分散配置されている。低熱膨張材料21と良導体材料22の界面は緩やかな結合、言い換えれば密着しているが強度的には弱い状態で接合されている。低熱膨張部材4全面は、Niめっき23で覆われている。
FIG. 6 is a sectional view showing another modification of the low
本実施例の図6に示す構成によれば、図4と同様の効果が得られる他に、半田と低熱膨張部材4との間で発生する熱歪が、低熱膨張材料21が良導体マトリックス22aの中に分散された構成の低熱膨張部材4側の変形によっても一部緩和されるために、半田部の熱疲労寿命が大幅に改善されて、半導体装置Aの熱疲労信頼性が飛躍的に改善されるのである。
According to the configuration shown in FIG. 6 of this embodiment, in addition to the same effects as in FIG. 4, the thermal strain generated between the solder and the low
(実施の形態4)
前記実施の形態で説明した低熱膨張部材4は、薄板状に形成され、半導体素子1とベース電極2、リード電極3等の電極部材との間に配置することを前提とするため、良導体材料22を設けることにより半導体素子1と電極部材との導通を確保する構成を有していた。
(Embodiment 4)
The low
本実施の形態の低熱膨張部材4は、半導体素子1と電極部材との間に配置するものではなく、半導体素子1と半田により接合された電極部材の周囲に配置することにより熱応力の緩和を行うことを前提とした構成である。
The low
図7は本発明による半導体装置Aに用いる低熱膨張部材4の一実施例を示すもので、(a)は(b)に示すF−F線での平断面図であり、(b)は(a)に示す低熱膨張部材4のE−E線での断面図である。図7に示す低熱膨張部材5は、リングに形成された低熱膨張材料21の表面にNiめっき23が施された構成を有している。
FIG. 7 shows one embodiment of the low
図8は、図7の低熱膨張部材5を適用した半導体装置Aの実装構造の一実施例を示す断面図である。図8において、半導体素子1の下には図5で示した低熱膨張部材4が配置され、さらにその下にベース電極2が配置されている。半導体素子1の上には図7と同じリング状の低熱膨張部材5が配置され、その内側にリード電極3が配置されている。
FIG. 8 is a cross-sectional view showing an embodiment of the mounting structure of the semiconductor device A to which the low
ベース電極2と低熱膨張部材4間、低熱膨張部材4と半導体素子1間、半導体素子1とリング状の低熱膨張部材5及びリード電極3間はSn45Sb9Ag5Cu(wt%)の半田材6a、7a、8aを接合材として用いて接合されている。各部材の接合面は、全ての面に無電解のNi-Pめっきが施されている。
Between the
本実施例によると、半導体素子1の下側は図1に示す構成において説明したと同様の理由によって半導体素子1や半田部に発生する熱応力の低減が図れ、半導体素子1の上側は、Cuのリード電極3が直接に半田接合されているが同時にリング状の低熱膨張部材5とも半田接合されているため、リード電極3の熱歪がリング状の低熱膨張部材5で拘束されて半導体素子1に過大な応力が発生することを防ぎ、それらの効果によって半導体素子1が破損することを防止することができる。
According to this embodiment, the lower side of the
図8に示す構成では、リード電極3と半導体素子1が直接に半田接合されているため、電気抵抗や熱抵抗の上昇を抑えることができ、電力損失や熱疲労寿命の改善が図れるという効果もある。さらに、低熱膨張部材5が、半導体素子1とリード電極3との間に介在される構成ではないため、半導体装置Aの接合構造を低く抑えて、半導体装置Aの全体構成を薄くすることができる。
In the configuration shown in FIG. 8, since the
(実施の形態5)
本実施の形態では、電極部材を低熱膨張材料で形成することで、電極部材に熱歪みを緩和する機能を発揮させようとする構成である。図13は、本発明による半導体装置Aの実装構造の一実施例を示す断面図である。
(Embodiment 5)
In the present embodiment, the electrode member is formed of a low thermal expansion material so that the electrode member has a function of reducing the thermal strain. FIG. 13 is a cross-sectional view showing an embodiment of the mounting structure of the semiconductor device A according to the present invention.
無電解Ni-Pめっきを上下の電極面に施した半導体素子1が無光沢電気Niを全面に施されたベース電極52とリード電極53の間に配置され、それらの間がSn-35Sb-10Ag-8Cu合金の半田材54、55を接合材として使用して接合されている。かかる接合構造が納められた皿状のベース電極52の内部には、リード電極53の一部を覆う高さまで樹脂56が充填されている。ここでベース電極52とリード電極53はFe-Ni合金の粒子とCuの粒子が圧着されて形成された低熱膨張材で構成されている。両電極部材のFe-Ni合金とCuの体積比率は3:2で配合しており、熱膨張率が7ppmに調整された材料である。
A
本実施例によれば、電極部材を低熱膨張材で構成したため半導体素子1の熱応力による破損を防止できるとともに、SnSbAgCu系の高降伏強度の接合材を用いたため半田部の疲労寿命を大幅に改善できて熱疲労寿命の長い半導体装置Aを実現することができる。かかる構成では、構成部品点数を半導体素子1、ベース電極52、リード電極53と最小の3個に削減することができるため、接合箇所が最少となって組立歩留まりの向上を図れるという効果がある。
According to the present embodiment, the electrode member is made of a low thermal expansion material, so that the
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。 As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.
例えば、上記実施の形態では、低熱膨張部材を平面円形に形成した場合を例に挙げて説明したが、かかる円形形状に限定する必要はなく、使用する半導体素子の形状に合わせて矩形等の適宜形状を採用すればよい。 For example, in the above-described embodiment, the case where the low thermal expansion member is formed in a flat circular shape has been described as an example. However, it is not necessary to limit to such a circular shape, and a rectangular shape or the like is appropriately used according to the shape of the semiconductor element to be used. The shape may be adopted.
リングに形成した低熱膨張部材の説明では、リングを円環に形成した場合を例示したが、かかる円環に限定する必要はなく、例えば、角形のリング等に適宜変形しても構わない。 In the description of the low thermal expansion member formed in the ring, the case where the ring is formed in an annular shape is illustrated, but it is not necessary to be limited to such an annular shape. For example, the ring may be appropriately modified into a square ring or the like.
低熱膨張部材の大きさは、半導体素子とベース電極との間に介在させる場合は、前記実施の形態の説明では半導体素子より大きい形状とする場合を好適例として示したが、半導体素子より小形でなければ、熱応力緩和効果は劣るものの同形サイズの場合である程度の効果は期待できることが確認されている。 When the size of the low thermal expansion member is interposed between the semiconductor element and the base electrode, in the description of the above embodiment, the shape larger than the semiconductor element is shown as a preferred example. If not, the thermal stress relaxation effect is inferior, but it is confirmed that a certain degree of effect can be expected in the case of the isomorphic size.
低熱膨張部材の大きさは、半導体素子とリード電極との間に介在させる場合は、前記実施の形態の説明ではリード電極面より大きい形状とする場合を好適例として示したが、リード電極面より小形でなければ、熱応力緩和効果は劣るものの同形サイズの場合でもある程度の効果は期待できることが確認されている。 When the size of the low thermal expansion member is interposed between the semiconductor element and the lead electrode, in the description of the embodiment, the shape larger than the lead electrode surface is shown as a preferred example. If it is not small, the thermal stress relaxation effect is inferior, but it has been confirmed that a certain degree of effect can be expected even in the case of the same shape size.
本発明は、半導体装置の鉛不使用化、熱疲労寿命向上、耐熱性向上を図った接合構造を持つ高耐熱半導体装置の分野に有効に利用することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be effectively used in the field of a high heat-resistant semiconductor device having a junction structure in which the semiconductor device is made lead-free, improved in thermal fatigue life, and improved in heat resistance.
1:半導体素子、2:ベース電極、3:リード電極、4a、4b、4、5:低熱膨張部材、6、6a、7、7a、8、8a、9:半田材、10:樹脂、11:無電解Ni-Pめっき、12、13、14、15:電気Niめっき、21:低熱膨張材料、22:良導体材料、22a:良導体マトリックス、23:Niめっき、低熱膨張材料、52:ベース電極、53:リード電極、54、55:半田材、56:樹脂、A:半導体装置。 1: Semiconductor element, 2: Base electrode, 3: Lead electrode, 4a, 4b, 4, 5: Low thermal expansion member, 6, 6a, 7, 7a, 8, 8a, 9: Solder material, 10: Resin, 11: Electroless Ni-P plating, 12, 13, 14, 15: Electric Ni plating, 21: Low thermal expansion material, 22: Good conductor material, 22a: Good conductor matrix, 23: Ni plating, low thermal expansion material, 52: Base electrode, 53 : Lead electrode, 54, 55: Solder material, 56: Resin, A: Semiconductor device.
Claims (7)
前記接合材が、固相線温度が300℃以上、かつ液相線温度が400℃以下で、Pbを含まずSn、Sbを主要構成元素とする合金材料で構成されていることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor element having a rectifying action; a lead electrode terminal electrically connected to one electrode surface of the semiconductor element by a bonding material; and a base electrode terminal connected to the other electrode surface of the semiconductor element by a bonding material; A semiconductor device comprising an insulating member that insulates and seals a joint portion between the semiconductor element and both the electrode terminals,
The bonding material is composed of an alloy material having a solidus temperature of 300 ° C. or higher and a liquidus temperature of 400 ° C. or lower, not containing Pb, and Sn and Sb as main constituent elements. Semiconductor device.
前記リード電極端子と前記半導体素子の電極面の間に、熱膨張率が10ppm以下で、前記半導体素子と接合される面の外形寸法が前記半導体素子の電極面の外形寸法より小さい薄板状の第1の低熱膨張部材が配置され、
前記ベース電極端子と前記半導体素子の電極面の間に、熱膨張率が10ppm以下で、前記半導体素子と接合される面の外形寸法が前記半導体素子の電極面の外形寸法より大きい薄板状の第2の低熱膨張部材が配置され、
前記ベース電極端子と前記第2の低熱膨張部材との間、前記第2の低熱膨張部材と前記半導体素子との間、前記半導体素子と前記第1の低熱膨張部材との間、前記第1の低熱膨張部材と前記リード電極端子との間がいずれも、固相線温度300℃以上、かつ液相線温度が400℃以下で、Pbを含まずSn、Sbを主要構成元素とする合金の接合材で電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor element having a rectifying action; a lead electrode terminal electrically connected to one electrode surface of the semiconductor element by a bonding material; and a base electrode terminal connected to the other electrode surface of the semiconductor element by a bonding material; A semiconductor device comprising an insulating member that insulates and seals a joint portion between the semiconductor element and both the electrode terminals,
Between the lead electrode terminal and the electrode surface of the semiconductor element, the coefficient of thermal expansion is 10 ppm or less, and the outer dimension of the surface joined to the semiconductor element is smaller than the outer dimension of the electrode surface of the semiconductor element. 1 low thermal expansion member is disposed,
Between the base electrode terminal and the electrode surface of the semiconductor element, the coefficient of thermal expansion is 10 ppm or less, and the outer dimension of the surface joined to the semiconductor element is larger than the outer dimension of the electrode surface of the semiconductor element. 2 low thermal expansion members are arranged,
Between the base electrode terminal and the second low thermal expansion member, between the second low thermal expansion member and the semiconductor element, between the semiconductor element and the first low thermal expansion member, the first Between the low thermal expansion member and the lead electrode terminal, a solidus temperature of 300 ° C. or higher, and a liquidus temperature of 400 ° C. or lower, joining Pb-free alloys containing Sn and Sb as main constituent elements A semiconductor device characterized by being electrically connected by a material.
前記接合材は、43wt%≦Sb/(Sn+Sb)重量比<53wt%の組成比率のSn、Sbに、Ag、Cuを1種以上かつ5〜30wt%の量を含むことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1 or 2,
The bonding material includes 43 wt% ≦ Sb / (Sn + Sb) weight ratio <53 wt% in a composition ratio of Sn and Sb containing one or more of Ag and Cu and an amount of 5 to 30 wt%. Semiconductor device.
前記接合材は、0.01〜5wt%のNi、Ge、Zn、Ga、0.005〜0.5wt%のPのいずれか1種以上を含む合金であることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 3.
The semiconductor device is characterized in that the bonding material is an alloy containing at least one of 0.01 to 5 wt% of Ni, Ge, Zn, Ga and 0.005 to 0.5 wt% of P.
前記接合材により接合されてなる前記接合部分は、金属材料構成がNi/前記接合材/Niであることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1 or 2,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the joining portion joined by the joining material has a metal material configuration of Ni / the joining material / Ni.
前記第1の低熱膨張部材及び、または前記第2の低熱膨張部材が、熱膨張率4ppm以下の材料と高導電性材料が積層された構造であり、
リード電極端子側の前記第1の低熱膨張部材の外形寸法が前記半導体素子の電極面の外形寸法より小さく、
ベース電極端子側の前記第2の低熱膨張部材の外形寸法が前記半導体素子の電極面の外形寸法より大きいことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 2,
The first low thermal expansion member and / or the second low thermal expansion member have a structure in which a material having a coefficient of thermal expansion of 4 ppm or less and a highly conductive material are laminated,
The outer dimension of the first low thermal expansion member on the lead electrode terminal side is smaller than the outer dimension of the electrode surface of the semiconductor element;
A semiconductor device, wherein an outer dimension of the second low thermal expansion member on a base electrode terminal side is larger than an outer dimension of an electrode surface of the semiconductor element.
前記第1の低熱膨張部材及び、または前記第2の低熱膨張部材はリングに形成されて前記半導体素子に接合され、
前記リード電極端子及び、または前記ベース電極端子が前記リングの内側で前記半導体素子に接合されていることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 2,
The first low thermal expansion member and / or the second low thermal expansion member are formed in a ring and joined to the semiconductor element,
The semiconductor device, wherein the lead electrode terminal and / or the base electrode terminal are joined to the semiconductor element inside the ring.
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