JP7306248B2 - semiconductor module - Google Patents
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Description
本明細書が開示する技術は、半導体モジュールに関する。 The technology disclosed in this specification relates to a semiconductor module.
特許文献1には、半導体基板と、半導体基板の一方の主面上に設けられている一対の表面電極と、一対の表面電極の間に設けられているポリイミド膜と、ポリイミド膜を跨いて一対の表面電極を覆うように設けられている金属ブロックと、を備えた半導体モジュールが開示されている。ポリイミド膜は、一対の表面電極の間に配設されているゲートライナーを被覆するために設けられている。一対の表面電極と金属ブロックは、はんだを介して接合されている。
ポリイミドは有機物であり、はんだに対する濡れ性が低い。このため、本発明者らの検討によると、このような半導体モジュールでは、ゲートライナーを被覆するポリイミド膜上にはんだの空洞が形成されることが分かってきた。これにより、半導体モジュールを樹脂で封止したときに、はんだの空洞に樹脂が侵入することが分かってきた。 Polyimide is an organic material and has low wettability to solder. For this reason, according to the study of the present inventors, it has been found that in such a semiconductor module, solder cavities are formed on the polyimide film covering the gate liner. As a result, it has been found that when the semiconductor module is sealed with resin, the resin penetrates into the cavity of the solder.
本発明者らは、はんだの空洞に樹脂が侵入すると、樹脂とはんだの線膨張係数差に起因して熱ストレスが増加することを見出した。本明細書は、はんだの空洞に樹脂が侵入するのを抑制する技術を提供する。 The present inventors have found that when resin penetrates into solder cavities, thermal stress increases due to the difference in linear expansion coefficient between the resin and the solder. The present specification provides a technique for suppressing the intrusion of resin into solder cavities.
本明細書が開示する半導体モジュールは、半導体基板と、前記半導体基板の一方の主面上に設けられている一対の表面電極と、前記一対の表面電極の間に設けられており、前記一対の表面電極の間に配設されているゲートライナーを被覆するポリイミド膜と、前記ポリイミド膜を跨いて前記一対の表面電極を覆うように設けられており、はんだを介して前記一対の表面電極に接合されている金属ブロックと、を備えることができる。前記一対の表面電極の対向方向における前記ポリイミド膜の表面の幅が、前記ポリイミド膜の前記表面と前記金属ブロックの間の距離よりも小さい。 A semiconductor module disclosed in this specification includes a semiconductor substrate, a pair of surface electrodes provided on one main surface of the semiconductor substrate, and a pair of surface electrodes provided between the pair of surface electrodes. A polyimide film covering the gate liner disposed between the surface electrodes, and a polyimide film provided so as to cover the pair of surface electrodes across the polyimide film and joined to the pair of surface electrodes via solder and a metal block having a The width of the surface of the polyimide film in the facing direction of the pair of surface electrodes is smaller than the distance between the surface of the polyimide film and the metal block.
上記半導体モジュールによると、ポリイミド膜上に形成されるはんだの空洞の断面積が小さく、あるいは、空洞ができなくなる。このため、上記半導体モジュールでは、はんだの空洞に樹脂が侵入することが抑制される。これにより、半導体モジュールでは、熱ストレスの増加が抑えられ、高い信頼性が得られる。 According to the above semiconductor module, the cross-sectional area of the solder cavity formed on the polyimide film is small, or the cavity cannot be formed. Therefore, in the semiconductor module described above, the resin is prevented from entering the cavity of the solder. As a result, in the semiconductor module, an increase in thermal stress can be suppressed, and high reliability can be obtained.
図1に、本実施形態に係る半導体装置1の平面図を模式的に示す。半導体装置1は、各種の拡散領域及び/又はエピタキシャル層が形成された半導体基板10を備えている。半導体基板10には、各種の拡散領域及び/又はエピタキシャル層によって、例えばMOSFET、IGBT又は逆導通IGBTと称される種類のパワーデバイス構造が構成されている。半導体基板10の表面上には、一対の表面電極12とゲートパッド14とポリイミド膜16が設けられている。
FIG. 1 schematically shows a plan view of a
一対の表面電極12の各々は、平面視したときに(半導体基板10の主面に直交する方向(z方向)から見たときに)、矩形状の形態を有している。表面電極12の長辺がy方向に平行であり、短辺がx方向に平行である。一対の表面電極12は、x方向に対向するように配置されている。表面電極12は、一例ではあるが、アルミニウムシリコンのAlSi層とニッケルのNi層が積層して構成されている。
Each of the pair of
ゲートパッド14は、後述するように、半導体基板10上に配設されているゲートライナーが接続されるパッドである。ゲートパッド14の半導体基板10上の位置は特に限定されるものではない。また、図示省略しているが、半導体基板10上にはゲートパッド14以外にも複数のパッドが設けられている。
The
ポリイミド膜16は、一対の表面電極12とゲートパッド14が露出するように半導体基板10の表面上を被覆している。本明細書では、一対の表面電極12の間に設けられているポリイミド膜16を特にライナー用ポリイミド膜16aという。
A
図2に、半導体モジュール100の平面図を模式的に示す。なお、図2では、一対の表面電極12の位置を破線で示す。半導体モジュール100は、図1に示す半導体装置1の一対の表面電極12にはんだ24を介して金属ブロック26を接合することで構成されている。金属ブロック26は、ライナー用ポリイミド膜16a(図1参照)を跨いで一対の表面電極12を覆うように設けられている。金属ブロック26の材料は、一例ではあるが銅(Cu)である。
FIG. 2 schematically shows a plan view of the
図2のIII-III線に対応した断面図を図3に示し、図2のIV-IV線に対応した断面図を図4に示す。なお、半導体基板10の表面上には、層間絶縁膜等の構造も設けられているが、図示明瞭化を目的として省略して示されていることに留意されたい。
A sectional view corresponding to line III-III in FIG. 2 is shown in FIG. 3, and a sectional view corresponding to line IV-IV in FIG. 2 is shown in FIG. It should be noted that although structures such as an interlayer insulating film are also provided on the surface of the
図3及び図4に示されるように、一対の表面電極12の間をy方向に沿ってゲートライナー18が配設されている。ゲートライナー18は、ライナー用ポリイミド膜16aによって被覆されている。ゲートライナー18の材料は、一例ではあるが、ポリシリコンである。
As shown in FIGS. 3 and 4, a
ライナー用ポリイミド膜16aの表面上には、はんだ24の空洞24aが形成されている。ポリイミドは有機物であり、はんだ24に対する濡れ性が低い。このため、はんだ24を塗布して金属ブロック26を接合するときに、ライナー用ポリイミド膜16aの表面上にははんだ24が濡れず、アーチ状の空洞24aが形成される。
図5に、ゲートライナー18近傍の拡大要部断面図を示す。半導体モジュール100では、ライナー用ポリイミド膜16aの表面の幅W1が、ライナー用ポリイミド膜16aの表面と金属ブロック26の間の距離D1よりも小さくなるように構成されている。ここで、ライナー用ポリイミド膜16aの表面の幅W1は、一対の表面電極12の対向方向(x方向)における幅である。半導体モジュール100では、W1<D1の関係が成立している。このような関係が成立していると、はんだ24の空洞24aの断面積が極めて小さく形成される。
FIG. 5 shows an enlarged cross-sectional view of the main part in the vicinity of the
背景技術でも説明したように、はんだ24の空洞24aの断面積が大きいと、半導体モジュール100を樹脂で封止したときに、はんだ24の空洞24aに樹脂が侵入し、これにより、樹脂とはんだ24の線膨張係数差に起因して熱ストレスが増加してしまう。なお、従来の半導体モジュールでは、W1>D1の関係であった。これは、他の導体に対するゲートライナー18の絶縁性を余裕を持って確保するために、ライナー用ポリイミド膜16aの幅W1を大きく設定していたからである。このため、はんだ24の空洞24aの断面積が大きくなり、上記問題が発生していた。一方、本実施形態の半導体モジュール100では、W1<D1の関係によってはんだ24の空洞24aの断面積が極めて小さく構成されていることから、はんだ24の空洞24aに樹脂が侵入することが抑制される。これにより、半導体モジュール100では、熱ストレスの増加が抑えられ、高い信頼性が得られる。
As described in Background Art, if the cross-sectional area of the
図6~8に、変形例の半導体モジュール101を示す。なお、図2~4に示す半導体モジュール100と共通する構成要素については共通の符号を付し、その説明を省略する。
6 to 8 show a modified
半導体モジュール101では、ライナー用ポリイミド膜16aの表面上に、はんだ24の空洞が形成されていない。図5を用いて説明したように、ライナー用ポリイミド膜16aの表面の幅W1が、ライナー用ポリイミド膜16aの表面と金属ブロック26の間の距離D1よりも小さくなるように構成されていると、はんだ24のライナー用ポリイミド膜16aに対する表面張力がはんだ24のアーチ形状の空洞を維持できなくなり、ライナー用ポリイミド膜16aの表面上にもはんだ24が濡れる。なお、このような現象は必ずしも生じるものではないが、W1<D1の関係が成立していると、このような現象の発生する確率が上昇する。はんだ24の空洞が形成されていないので、樹脂の侵入を防止できる。これにより、半導体モジュール101は、熱ストレスの増加が顕著に抑えられ、より高い信頼性が得られる。
In the
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 Although specific examples of the present invention have been described in detail above, these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above. The technical elements described in this specification or in the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims as of the filing. In addition, the techniques exemplified in this specification or drawings achieve multiple purposes at the same time, and achieving one of them has technical utility in itself.
1 :半導体装置
10 :半導体基板
12 :表面電極
14 :ゲートパッド
16 :ポリイミド膜
16a :ライナー用ポリイミド膜
18 :ゲートライナー
24 :はんだ
24a :空洞
26 :金属ブロック
100 :半導体モジュール
Reference Signs List 1: semiconductor device 10: semiconductor substrate 12: surface electrode 14: gate pad 16:
Claims (1)
前記半導体基板の一方の主面上に設けられている一対の表面電極と、
前記一対の表面電極の間に設けられており、前記一対の表面電極の間に配設されているゲートライナーを被覆するポリイミド膜と、
前記ポリイミド膜を跨いて前記一対の表面電極を覆うように設けられており、はんだを介して前記一対の表面電極に接合されている金属ブロックと、を備えており、
前記一対の表面電極の対向方向における前記ポリイミド膜の表面の幅が、前記ポリイミド膜の前記表面と前記金属ブロックの間の距離よりも小さい、半導体モジュール。 a semiconductor substrate;
a pair of surface electrodes provided on one main surface of the semiconductor substrate;
a polyimide film provided between the pair of surface electrodes and covering a gate liner disposed between the pair of surface electrodes;
A metal block provided to cover the pair of surface electrodes across the polyimide film and joined to the pair of surface electrodes via solder,
A semiconductor module, wherein the width of the surface of the polyimide film in the direction in which the pair of surface electrodes face each other is smaller than the distance between the surface of the polyimide film and the metal block.
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