半導體裝置的制作方法
本發(fā)明涉及半導體裝置。
背景技術(shù)：
半導體裝置包含多個功率半導體元件，作為功率轉(zhuǎn)換裝置或開關(guān)裝置來利用。例如，半導體裝置中，包含IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：絕緣柵雙極晶體管)的半導體元件和包含MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor：金屬氧化物半導體場效應(yīng)晶體管)的半導體元件并聯(lián)連接，可起到作為開關(guān)裝置的功能。
這種半導體裝置中，例如IGBT的發(fā)射極電極和FWD(Free Wheeling Diode：續(xù)流二極管)的表面電極利用引線端子經(jīng)由焊料進行連接。引線端子由分別與IGBT的發(fā)射極電極、FWD的表面電極接合的接合部、及經(jīng)由臺階部與接合部連接的布線部構(gòu)成。而且，IGBT、FWD等半導體元件和引線端子由密封樹脂進行密封(例如，參照專利文獻1)。
現(xiàn)有技術(shù)文獻
專利文獻
專利文獻1：日本專利特開2006-202885號公報
技術(shù)實現(xiàn)要素：
發(fā)明所要解決的技術(shù)問題
在這種半導體裝置中，若IGBT、FWD等半導體元件驅(qū)動而發(fā)熱，則引線端子的臺階部會發(fā)生熱膨脹。然而，由于臺階部由密封樹脂進行密封，因此，熱膨脹受到抑制，其應(yīng)力會朝向半導體元件側(cè)。因此，半導體元件的表面電極受到損傷，表面電極中會產(chǎn)生裂紋，半導體裝置的特性會下降。
本發(fā)明是鑒于這點而完成的，其目的在于提供一種即使半導體元件發(fā) 熱，也能夠防止引線端子的應(yīng)力導致半導體元件的表面電極的損傷的半導體裝置。
解決技術(shù)問題的技術(shù)方案
根據(jù)本發(fā)明的一個觀點，可提供一種半導體裝置，其包括：半導體元件；具有絕緣板、及配置在所述絕緣板的正面且用于配置所述半導體元件的電路板的層疊基板；經(jīng)由焊料設(shè)置于所述半導體元件的正面的主電極的引線端子；及將所述半導體元件、所述層疊基板及所述引線端子密封的密封樹脂，所述密封樹脂的楊氏模量×(所述引線端子的線膨脹系數(shù)-所述密封樹脂的線膨脹系數(shù))的值為50×103以下。
發(fā)明效果
根據(jù)公開的技術(shù)，半導體裝置可抑制從引線端子對半導體元件的主電極的應(yīng)力，抑制特性的下降。
附圖說明
圖1是表示實施方式1中的半導體裝置的圖。
圖2是表示實施方式1中的半導體裝置所包含的半導體元件的主電極的圖。
圖3是表示實施方式1中塑性應(yīng)變振幅相對于密封樹脂的線膨脹系數(shù)的曲線圖。
圖4是表示實施方式1中塑性應(yīng)變振幅相對于與楊氏模量和線膨脹系數(shù)有關(guān)的指標的曲線圖。
圖5是表示實施方式2中塑性應(yīng)變振幅相對于密封樹脂的樹脂厚度的曲線圖。
圖6是表示實施方式2中塑性應(yīng)變振幅相對于與楊氏模量、線膨脹系數(shù)和樹脂厚度有關(guān)的指標的曲線圖。
圖7是表示實施方式3中塑性應(yīng)變振幅相對于引線端子的高度的曲線圖。
圖8是表示實施方式3中塑性應(yīng)變振幅相對于與楊氏模量、線膨脹系數(shù)和引線端子的高度有關(guān)的指標的曲線圖。
圖9是表示實施方式4中的半導體裝置的圖。
圖10是表示實施方式4中的半導體裝置的層疊基板的立體圖。
圖11是表示實施方式4中的半導體裝置的布線端子及層疊基板的剖視圖。
圖12是表示實施方式4中的半導體裝置的主要部分放大圖。
具體實施方式
以下，參照附圖對實施方式進行說明。
[實施方式1]
利用圖1，說明實施方式1的半導體裝置。
圖1是表示實施方式1中的半導體裝置的圖。
此外，圖1(A)表示半導體裝置10的俯視圖，圖1(B)表示圖1(A)的點劃線X-X處的剖視圖。圖1(A)中省略了密封樹脂18的圖示。
半導體裝置10中，冷卻器19、經(jīng)由焊料11設(shè)置在冷卻器19上的層疊基板12、經(jīng)由焊料13a設(shè)置于層疊基板12上的半導體元件14、將半導體元件14和層疊基板12電連接的引線端子16設(shè)置在框狀的殼體17內(nèi)。半導體裝置10中，殼體17內(nèi)的焊料11、層疊基板12、半導體元件14、引線端子16由密封樹脂18密封。密封樹脂18的外形約為長方體，具有上表面和與上表面相對且與冷卻器19相接觸的下表面。冷卻器19的上表面、層疊基板12、半導體元件14及密封樹脂18的上表面配置成大致平行。
焊料11將層疊基板12和冷卻器19進行熱性機械連接。對于這種焊料11，為了實現(xiàn)高可靠性，優(yōu)選高強度焊料，例如使用Sn(錫)-Sb(銻)類、Sn-Sb-Ag(銀)類。
層疊基板12為DCB(Direct Copper Bonding：直接銅鍵合)基板，包括陶瓷等絕緣板12a、由形成于絕緣板12a的正面的金屬等構(gòu)成的電路板12b、12c、及形成于絕緣板12a的背面的金屬板12d。
半導體元件14經(jīng)由焊料13a設(shè)置在層疊基板12的電路板12b上。半導體元件14例如為IGBT、功率MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor：金屬氧化物半導體場效應(yīng)晶體管)、FWD等。半導體元件14可適用在該元件內(nèi)部沿縱向形成的RB(Reverse Blocking：反向阻斷)-IGBT、 RC(Reverse Conducting：反向?qū)?-IGBT等。此外，在這種半導體元件14的正面，根據(jù)元件的種類，設(shè)置有發(fā)射極電極、源極電極、陽極電極等表面電極(省略圖示)。對于表面電極的詳細情況將在后文中闡述。
焊料15將引線端子16和半導體元件14的表面電極進行熱性電連接。這種焊料15在0.2％屈服強度較高的情況下，會在半導體元件14的表面電極產(chǎn)生高應(yīng)力。因此，焊料15優(yōu)選使用0.2％屈服強度低的較柔軟的材質(zhì)。作為這種焊料15，例如使用Sn-Cu(銅)類、Sn-Sb類。特別是對于Sn-Sb類，通過將銻的添加量設(shè)為0％以上、3％以下左右，可將0.2％屈服強度控制得較低。
引線端子16包括平板狀的接合部16a、16e、從接合部16a、16e向垂直上方立起的平板狀的臺階部16b、16d、及將臺階部16b、16d連接的平板狀的布線部16c。這種引線端子16由具有導電性的例如銅構(gòu)成。通過將帶狀的銅板彎曲來制造引線端子16。引線端子16中，接合部16a經(jīng)由焊料15與半導體元件14的表面電極接合。此外，引線端子16中，接合部16e經(jīng)由焊料13b與層疊基板12的電路板12c接合。此外，在引線端子16中，接合部16a和臺階部16b連接的部分的半導體元件14一側(cè)形成曲面，接合部16a的臺階部16b的下部側(cè)的角部具有曲率半徑R為1mm的曲率。由于引線端子16的接合部16a的角部像這樣具有曲率，從而如圖1所示，該角部的下部的焊料15變厚。因此，可抑制對該角部正下方的半導體元件14的表面電極的應(yīng)力，抑制該表面電極受到的損傷。這種引線端子16例如具有0.5mm以上、1mm以下左右的厚度，由銅、銅合金、鋁、鋁合金等構(gòu)成。另外，引線端子16中，將從接合部16a的下表面(焊料15的上表面)到布線部16c的上表面的高度設(shè)為引線端子16的高度H。
密封樹脂18具有規(guī)定的絕緣性，優(yōu)選為成型性優(yōu)良的樹脂。這種密封樹脂18例如使用環(huán)氧樹脂、馬來酰亞胺樹脂等。密封樹脂18如上所述，在殼體17內(nèi)密封層疊基板12、半導體元件14等，將此時的從密封樹脂18的下表面(冷卻器19的上表面)到密封樹脂18的上表面為止的距離(高度)設(shè)為密封樹脂18的樹脂厚度D。在圖示的示例中，布線層16c的上表面與密封樹脂18的上表面大致平行。
冷卻器19由熱傳導性優(yōu)良的例如鋁等構(gòu)成，在內(nèi)部設(shè)有空洞，具有多個翅片。該翅片間成為制冷劑的通路。作為這種制冷劑，例如可使用乙二醇水溶液、水等液體介質(zhì)。作為制冷劑，除液體介質(zhì)以外，例如也可使用空氣等氣體介質(zhì)。此外，也可使用氟利昂等因在冷卻器19中蒸發(fā)并氣化從而進行冷卻的能進行相變的制冷劑。
另外，在這種半導體裝置10中，半導體元件14和引線端子16并不限于1組，也可設(shè)置多組。通過并排配置多個半導體元件14，可增加半導體裝置10的額定輸出。此外，在配置多個半導體元件14時，也可根據(jù)需要，設(shè)置不同種類的半導體元件14。
接下來，利用圖2說明半導體裝置10的引線端子16與半導體元件14的表面電極的接合。
圖2是表示實施方式1中的半導體裝置所包含的半導體元件的主電極的圖。
另外，在圖2中，用虛線表示引線端子16的接合部16a的配置位置。
半導體元件14的表面電極20包含電極23a、23b、設(shè)置于電極23a、23b的表面且與焊盤電極24電連接的澆道22a、22b、及設(shè)置成包圍上述部件周圍的保護環(huán)21。
引線端子16中，在接合部16a和臺階部16b連接的部分的半導體元件14一側(cè)的兩端具有角部(頂部)16a1(圖中由虛線圓包圍的區(qū)域)。引線端子16的接合部16a相對于表面電極20配置成使得該接合部16a的形成有臺階部16b的一側(cè)的角部16a1并非位于澆道22a上，而位于電極23a、23b上。
假設(shè)將引線端子16相對于表面電極20配置成使得該接合部16a的形成有臺階部16b的一側(cè)的角部16a1位于澆道22a上，則接合部16a從臺階部16b受到的應(yīng)力施加于角部16a1，可能會對角部16a1下的澆道22a造成損傷。因此，引線端子16的接合部16a相對于表面電極20配置成使得該接合部16a的角部16a1位于電極23a、23b上。
具有這種結(jié)構(gòu)的半導體裝置10中，由于驅(qū)動半導體元件14時的發(fā)熱，引線端子16(特別是臺階部16b)會發(fā)生膨脹。此時，由于引線端子16被密封樹脂18密封從而被按壓，因此，由于臺階部16b與半導體元件14大致垂直， 從而無法朝密封樹脂18的上表面?zhèn)?垂直上側(cè))方向膨脹，而朝垂直下側(cè)膨脹，半導體元件14的表面電極有可能會受到損傷。
因此，在這種半導體裝置10中，對密封樹脂18中使用了各種楊氏模量、線膨脹系數(shù)的情況進行動力循環(huán)試驗的熱應(yīng)力仿真，計算出半導體元件14的表面電極的塑性應(yīng)變振幅。
一般而言，塑性應(yīng)變振幅遵守下式(1)的曼森-科菲定律。
ΔεP×Nfb＝C······(1)
其中，ΔεP：塑性應(yīng)變振幅，Nf：疲勞壽命，b，C：材料的常數(shù)
根據(jù)式(1)可知，為了延長疲勞壽命，需要減小塑性應(yīng)變振幅。
因此，為了延長半導體元件14的表面電極的疲勞壽命，也優(yōu)選減小半導體元件14的表面電極的塑性應(yīng)變振幅。
另外，在熱應(yīng)力仿真中，半導體元件14的表面電極由Al-Si(硅)材料構(gòu)成，應(yīng)用其厚度為5μm的情況。此外，在這種表面電極上實施4.5μm的厚度的鍍鎳。
焊料15如上所述，優(yōu)選使用0.2％屈服強度低的材質(zhì)。作為這種焊料15，利用Sn-0.7Cu形成150μm左右的厚度。
引線端子16具有0.5mm的厚度，由銅(具體而言，C1020-1/2H：線膨脹系數(shù)為16.7×10-6/℃)構(gòu)成。
此外，在利用熱應(yīng)力仿真進行的動力循環(huán)試驗中，使半導體元件14的溫度在1秒內(nèi)從25℃上升到175℃，之后，在9秒內(nèi)下降到25℃,將該過程作為1個循環(huán)，計算出此時的塑性應(yīng)變振幅。
接著，利用圖3說明在這種熱應(yīng)力仿真中使用了各種楊氏模量、線膨脹系數(shù)的密封樹脂18的情況下半導體元件14的表面電極的塑性應(yīng)變振幅。
圖3是表示實施方式1中塑性應(yīng)變振幅相對于密封樹脂的線膨脹系數(shù)的曲線圖。
另外，圖3的橫軸表示密封樹脂18的線膨脹系數(shù)(×106/℃)，圖3的縱軸表示半導體元件14的表面電極的塑性應(yīng)變振幅(％)。
此外，在圖3的曲線圖中，圓形標記(〇)表示密封樹脂18的楊氏模量為5.1×109Pa的情況，四角標記(□)表示密封樹脂18的楊氏模量為9.7×109Pa 的情況，三角標記(Δ)表示密封樹脂18的楊氏模量為19.6×109Pa的情況。
另外，密封樹脂18的楊氏模量、線膨脹系數(shù)應(yīng)用溫度為25℃的情況。
根據(jù)圖3的曲線圖，在楊氏模量為5.1×109Pa的情況(圓形標記)下，隨著密封樹脂18的線膨脹系數(shù)增加為7.5×106/℃、13.4×106/℃、17.6×106/℃，塑性應(yīng)變振幅減少為1.2％、0.97％、0.76％。
此外，在楊氏模量為9.7×109Pa的情況(四角標記)下，隨著密封樹脂18的線膨脹系數(shù)增加為7.5×106/℃、13.4×106/℃、17.6×106/℃，塑性應(yīng)變振幅減少為1.65％、1.23％、0.93％。
進一步地，在楊氏模量為19.6×109Pa的情況(三角標記)下，隨著密封樹脂18的線膨脹系數(shù)增加為7.5×106/℃、13.4×106/℃、17.6×106/℃，塑性應(yīng)變振幅減少為2.09％、1.45％、1.06％。
這樣，根據(jù)圖3的曲線圖可知，塑性應(yīng)變振幅在密封樹脂18的線膨脹系數(shù)越大、且密封樹脂18的楊氏模量越小時有降低的趨勢。
即，若是線膨脹系數(shù)較大、楊氏模量較小的密封樹脂18，則可認為將引線端子16密封并按壓的密封樹脂18與要膨脹的引線端子16(臺階部16b)一起膨脹。即，由于密封樹脂18的線膨脹系數(shù)接近引線端子16的線膨脹系數(shù)，從而可認為引線端子16(臺階部16b)與密封樹脂18一起發(fā)生熱膨脹。此外，由于密封樹脂18的楊氏模量較小，因此，可認為密封樹脂18對要發(fā)生熱膨脹的引線端子16(臺階部16b)的按壓力較小。因此，通過選擇線膨脹系數(shù)較大、且楊氏模量較小的密封樹脂18，可抑制對要發(fā)生熱膨脹的引線端子16(臺階部16b)向垂直上方的膨脹變化的妨礙。由此，可降低引線端子16(臺階部16b)對半導體元件14的表面電極的損傷，降低半導體元件14的表面電極的塑性應(yīng)變振幅。
鑒于這點，考慮半導體元件14的表面電極的塑性應(yīng)變振幅與如下的指標有關(guān)。
(密封樹脂18的楊氏模量)×{(引線端子16的線膨脹系數(shù))-(密封樹脂18的線膨脹系數(shù))}······指標(A)
因此，利用圖4說明半導體元件14的表面電極的塑性應(yīng)變振幅根據(jù)上述指標(A)而變化的情況。
圖4是表示實施方式1中塑性應(yīng)變振幅相對于與楊氏模量和線膨脹系數(shù)有關(guān)的指標的曲線圖。
另外，圖4的橫軸表示“密封樹脂18的楊氏模量×{引線端子16的線膨脹系數(shù)(16.7×10-6)-密封樹脂18的線膨脹系數(shù)}×(103Pa/℃)”，圖4的縱軸表示半導體元件14的表面電極的塑性應(yīng)變振幅(％)。
另外，“密封樹脂18的楊氏模量×{引線端子16的線膨脹系數(shù)(16.7×10-6)-密封樹脂18的線膨脹系數(shù)}”中，分別輸入了圖3的各楊氏模量的情況下各密封樹脂18的線膨脹系數(shù)(圓形標記、四角標記、三角標記)。
此外，圖4中，設(shè)為密封樹脂18的樹脂厚度D為10.9mm，引線端子16的高度H為3.4mm的情況。
根據(jù)該圖4的曲線圖可知，隨著“密封樹脂18的楊氏模量×{(16.7×10-6)-密封樹脂18的線膨脹系數(shù)}”從約為0起增加，塑性應(yīng)變振幅也增加。另一方面，可知隨著“密封樹脂18的楊氏模量×{(16.7×10-6)-密封樹脂18的線膨脹系數(shù)}”從約為0起減少，塑性應(yīng)變振幅增加。
此外，將上述仿真結(jié)果與實驗結(jié)果比較可知，在半導體元件14的表面電極中，與約5萬循環(huán)的疲勞壽命相對的該表面電極的塑性應(yīng)變振幅為1.25％左右。因此，半導體元件14的表面電極的塑性應(yīng)變振幅優(yōu)選為1.25％以下。
圖4的曲線圖中，塑性應(yīng)變振幅為1.25％以下，“密封樹脂18的楊氏模量×{(16.7×10-6)-密封樹脂18的線膨脹系數(shù)}”的最大值為46.8×103。另外，此時的密封樹脂18的楊氏模量為5.1×109Pa，密封樹脂18的線膨脹系數(shù)為7.5×10-6/℃。
同樣，“密封樹脂18的楊氏模量×{(16.7×10-6)-密封樹脂18的線膨脹系數(shù)}”的最小值為-17.6×103。此外，若根據(jù)“密封樹脂18的楊氏模量×{(16.7×10-6)-密封樹脂18的線膨脹系數(shù)}”為負的3點外插線(近似直線)進行判斷，則為了使塑性應(yīng)變振幅為1.25％以下，“密封樹脂18的楊氏模量×{(16.7×10-6)-密封樹脂18的線膨脹系數(shù)}”需要為-26×103(Pa/℃)以上。
因此，為了減小半導體元件14的表面電極的塑性應(yīng)變振幅(1.25％以下)，“密封樹脂18的楊氏模量×{(16.7×10-6)-密封樹脂18的線膨脹系數(shù)}” 至少需要為-26×103(Pa/℃)以上、且為50×103(Pa/℃)以下。
為了滿足這種條件，密封樹脂18的楊氏模量從5.1×109Pa以上、19.6×109Pa以下的范圍中選擇，且密封樹脂18的線膨脹系數(shù)從7.5×10-6/℃以上、17.6×10-6/℃以下的范圍中選擇。另外，密封樹脂18的楊氏模量與添加到密封樹脂18內(nèi)的由二氧化硅等構(gòu)成的填料的添加量成比例地增加。因此，在想降低密封樹脂18的楊氏模量的情況下，優(yōu)選減少對密封樹脂18的填料的添加量。
在上述半導體裝置10中，包括半導體元件14、具有絕緣板12a和配置在絕緣板12a的正面且配置半導體元件14的電路板12b的層疊基板12、經(jīng)由焊料15設(shè)置于半導體元件14的正面的主電極的引線端子16、及將半導體元件14、層疊基板12和引線端子16密封的密封樹脂18，密封樹脂18的楊氏模量×(引線端子16的線膨脹系數(shù)-密封樹脂18的線膨脹系數(shù))的值為-26×103(Pa/℃)以上、且為50×103(Pa/℃)以下。
在這種半導體裝置10中，通過選擇密封樹脂18的楊氏模量和線膨脹系數(shù)，使得密封樹脂18的楊氏模量×(引線端子16的線膨脹系數(shù)-密封樹脂18的線膨脹系數(shù))的值為-26×103(Pa/℃)以上、且為50×103(Pa/℃)以下，從而可抑制對要發(fā)生熱膨脹的引線端子16向垂直上方的膨脹變化的妨礙。由此，可降低引線端子16對半導體元件14的表面電極的損傷，降低半導體元件14的表面電極的塑性應(yīng)變振幅。其結(jié)果是，可抑制半導體裝置10的特性下降。
[實施方式2]
實施方式2中，說明對于實施方式1的圖4的曲線圖的結(jié)果考慮密封樹脂18的樹脂厚度D的情況。
首先，利用圖5說明與密封樹脂18的樹脂厚度D對應(yīng)的塑性應(yīng)變振幅。
圖5是表示實施方式2中塑性應(yīng)變振幅相對于密封樹脂的樹脂厚度的曲線圖。
另外，圖5的橫軸表示密封樹脂18的樹脂厚度D(mm)，圖5的縱軸表示半導體元件14的表面電極的塑性應(yīng)變振幅(％)。
此外，圖5中，是“密封樹脂18的楊氏模量×{(16.7×10-6)-密封樹脂18 的線膨脹系數(shù)}”為31.9×103(Pa/℃)，引線端子16的高度H為3.4mm的情況。
根據(jù)圖5的曲線圖可知，隨著密封樹脂18的樹脂厚度D變厚，半導體元件14的塑性應(yīng)變振幅增加。這可認為是，由于密封樹脂18的樹脂厚度D增加，引線端子16上的密封樹脂18的體積增加，由此從密封樹脂18對引線端子16的按壓力也增加。若從密封樹脂18對引線端子16的按壓力增加，則從引線端子16對半導體元件14的表面電極的按壓力也增加，從而對該表面電極造成損傷。由此可認為，隨著密封樹脂18的樹脂厚度D變厚，半導體元件14的塑性應(yīng)變振幅增加。
因此，對于上述指標(A)，若還考慮密封樹脂18的樹脂厚度D，則可認為半導體元件14的表面電極的塑性應(yīng)變振幅與如下的指標(B)有關(guān)。
(密封樹脂18的楊氏模量)×{(引線端子16的線膨脹系數(shù))-(密封樹脂18的線膨脹系數(shù))}×(密封樹脂18的樹脂厚度D)······指標(B)
接著，利用圖6說明半導體元件14的表面電極的塑性應(yīng)變振幅根據(jù)上述指標(B)而變化的情況。
圖6是表示實施方式2中塑性應(yīng)變振幅相對于與楊氏模量、線膨脹系數(shù)和樹脂厚度有關(guān)的指標的曲線圖。
另外，圖6的橫軸表示“密封樹脂18的楊氏模量×{引線端子16的線膨脹系數(shù)(16.7×10-6)-密封樹脂18的線膨脹系數(shù)}×(密封樹脂18的樹脂厚度)×(103Pa·mm/℃)”，圖6的縱軸表示半導體元件14的表面電極的塑性應(yīng)變振幅(％)。
此外，圖6的曲線圖為對圖4所示的曲線圖的各點的值分別乘以圖5所示的密封樹脂18的樹脂厚度(6mm(圓形標記(〇))、8mm(四角標記(□))、10.9mm(三角標記(Δ))后的圖。
此外，圖6中，為引線端子16的高度H為3.4mm的情況。
根據(jù)該圖6的曲線圖可知，隨著“密封樹脂18的楊氏模量×{(16.7×10-6)-密封樹脂18的線膨脹系數(shù)}×(密封樹脂18的樹脂厚度)”從約為0起增加，塑性應(yīng)變振幅也增加。另一方面，可知隨著“密封樹脂18的楊氏模量× {(16.7×10-6)-密封樹脂18的線膨脹系數(shù)}×(密封樹脂18的樹脂厚度)”從約為0起減少，塑性應(yīng)變振幅增加。
與圖4的曲線圖的情況同樣，塑性應(yīng)變振幅為1.25％以下，“密封樹脂18的楊氏模量×{(16.7×10-6)-密封樹脂18的線膨脹系數(shù)}×(密封樹脂18的樹脂厚度D)”的最小值為-191.6×103，最大值為509.2×103。另外，最小值的情況下的密封樹脂18的楊氏模量為19.6×109Pa，密封樹脂18的線膨脹系數(shù)為17.6×10-6/℃，密封樹脂18的樹脂厚度D為10.9mm。最大值的情況下的密封樹脂18的楊氏模量為5.1×109Pa，密封樹脂18的線膨脹系數(shù)為7.5×10-6/℃，密封樹脂18的樹脂厚度D為10.9mm。此外，若根據(jù)“密封樹脂18的楊氏模量×{(16.7×10-6)-密封樹脂18的線膨脹系數(shù)}×(密封樹脂18的樹脂厚度D)”為負的9點外插線進行判斷，則為了使塑性應(yīng)變振幅為1.25％以下，“密封樹脂18的楊氏模量×{(16.7×10-6)-密封樹脂18的線膨脹系數(shù)}×(密封樹脂18的樹脂厚度D)”需要為-255×103(Pa·mm/℃)以上。
因此，為了減小半導體元件14的表面電極的塑性應(yīng)變振幅(1.25％以下)，“密封樹脂18的楊氏模量×{(16.7×10-6)-密封樹脂18的線膨脹系數(shù)}×(密封樹脂18的樹脂厚度)”至少需要為-255×103(Pa·mm/℃)以上、且為515×103(Pa·mm/℃)以下。
為了滿足這種條件，密封樹脂18的楊氏模量從5.1×109Pa以上、19.6×109Pa以下的范圍中選擇，且密封樹脂18的線膨脹系數(shù)從7.5×10-6/℃以上、17.6×10-6/℃以下的范圍中選擇，且密封樹脂18的樹脂厚度從6mm以上、10.9mm以下的范圍中選擇。
在上述半導體裝置10中，包括半導體元件14、具有絕緣板12a和配置在絕緣板12a的正面且配置半導體元件14的電路板12b的層疊基板12、經(jīng)由焊料15設(shè)置于半導體元件14的正面的主電極的引線端子16、及將半導體元件14、層疊基板12和引線端子16密封的密封樹脂18，密封樹脂18的楊氏模量×(引線端子16的線膨脹系數(shù)-密封樹脂18的線膨脹系數(shù))×密封樹脂18的樹脂厚度D的值為-255×103(Pa·mm/℃)以上、且為515×103以下。
在這種半導體裝置10中，通過選擇密封樹脂18的楊氏模量、線膨脹系數(shù)和密封樹脂18的樹脂厚度D，使得密封樹脂18的楊氏模量×(引線端子16 的線膨脹系數(shù)-密封樹脂18的線膨脹系數(shù))×密封樹脂18的樹脂厚度的值為-255×103(Pa·mm/℃)以上、且為515×103以下，從而可抑制對要發(fā)生熱膨脹的引線端子16向垂直上側(cè)的膨脹變化的妨礙。由此，可降低引線端子16對半導體元件14的表面電極的損傷，降低半導體元件14的表面電極的塑性應(yīng)變振幅。其結(jié)果是，可抑制半導體裝置10的特性下降。
[實施方式3]
實施方式3中，說明對于實施方式1的圖4的曲線圖的結(jié)果考慮引線端子16的高度H的情況。
首先，利用圖7說明與引線端子16的高度H對應(yīng)的塑性應(yīng)變振幅。
圖7是表示實施方式3中塑性應(yīng)變振幅相對于引線端子的高度的曲線圖。
另外，圖7的橫軸表示引線端子16的高度H(mm)，圖7的縱軸表示半導體元件14的表面電極的塑性應(yīng)變振幅(％)。
此外，圖7中，是“密封樹脂18的楊氏模量×{(16.7×10-6)-密封樹脂18的線膨脹系數(shù)}”為31.9×103(Pa/℃)，且密封樹脂18的樹脂厚度D為10.9mm的情況。
根據(jù)圖7的曲線圖可知，隨著引線端子16的高度H變大，半導體元件14的塑性應(yīng)變振幅增加。這可認為，由于引線端子16的高度H變高，引線端子16的熱膨脹變大，因此，朝半導體元件14的表面電極的按壓力增加，會對該表面電極造成損傷。由此可認為，隨著引線端子16的高度H變厚，半導體元件14的塑性應(yīng)變振幅增加。
因此，對于上述指標(A)，若還考慮引線端子16的高度H，則可認為半導體元件14的表面電極的塑性應(yīng)變振幅與如下的指標(C)有關(guān)。
(密封樹脂18的楊氏模量)×{(引線端子16的線膨脹系數(shù))-(密封樹脂18的線膨脹系數(shù))}×(引線端子16的高度H)······指標(C)
接著，利用圖8說明半導體元件14的表面電極的塑性應(yīng)變振幅根據(jù)上述指標(C)而變化的情況。
圖8是表示實施方式3中塑性應(yīng)變振幅相對于與楊氏模量、線膨脹系數(shù)和引線端子的高度有關(guān)的指標的曲線圖。
另外，圖8的橫軸表示“密封樹脂18的楊氏模量×{引線端子16的線膨脹 系數(shù)(16.7×10-6)-密封樹脂18的線膨脹系數(shù)}×(引線端子16的高度)×(103Pa·mm/℃)”，圖8的縱軸表示半導體元件14的表面電極的塑性應(yīng)變振幅(％)。
此外，圖8的曲線圖為對圖4所示的曲線圖的各點的值分別乘以圖7所示的引線端子16的高度(2mm(圓形標記(〇))、3.4mm(四角標記(□))、5mm(三角標記(Δ))后的圖。
此外，圖8中，密封樹脂18的樹脂厚度D為10.9mm。
根據(jù)該圖8的曲線圖可知，隨著“密封樹脂18的楊氏模量×{(16.7×10-6)-密封樹脂18的線膨脹系數(shù)}×(密封樹脂18的樹脂厚度)×(引線端子16的高度H)”從約為0起增加，塑性應(yīng)變振幅也增加。另一方面，可知隨著“密封樹脂18的楊氏模量×{(16.7×10-6)-密封樹脂18的線膨脹系數(shù)}×(引線端子16的高度H)”從約為0起減少，塑性應(yīng)變振幅增加。
與圖4的曲線圖的情況同樣，塑性應(yīng)變振幅為1.25％以下，“密封樹脂18的楊氏模量×{(16.7×10-6)-密封樹脂18的線膨脹系數(shù)}×(引線端子16的高度H)”的最小值為-88.2×103，最大值為159.4×103。另外，最小值的情況下的密封樹脂18的楊氏模量為19.6×109Pa，密封樹脂18的線膨脹系數(shù)為17.6×10-6/℃，引線端子16的高度H為3.4mm，最大值的情況下的密封樹脂18的楊氏模量為5.1×109Pa，密封樹脂18的線膨脹系數(shù)為7.5×10-6/℃，引線端子16的高度H為3.4mm。此外，若根據(jù)“密封樹脂18的楊氏模量×{(16.7×10-6)-密封樹脂18的線膨脹系數(shù)}×(密封樹脂18的樹脂厚度)×(引線端子16的高度H)”為負的9點外插線進行判斷，則為了使塑性應(yīng)變振幅為1.25％以下，“密封樹脂18的楊氏模量×{(16.7×10-6)-密封樹脂18的線膨脹系數(shù)}×(密封樹脂18的樹脂厚度)×(引線端子16的高度H)”需要為-93×103(Pa·mm/℃)以上。
因此，為了減小半導體元件14的表面電極的塑性應(yīng)變振幅(1.25％以下)，“密封樹脂18的楊氏模量×{(16.7×10-6)-密封樹脂18的線膨脹系數(shù)}×(引線端子16的高度H)”至少需要為-93×103(Pa·mm/℃)以上、且為159.5×103(Pa·mm/℃)以下。
為了滿足這種條件，密封樹脂18的楊氏模量從5.1×109Pa以上、 19.6×109Pa以下的范圍中選擇，且密封樹脂18的線膨脹系數(shù)從7.5×10-6/℃以上、17.6×10-6/℃以下的范圍中選擇，且引線端子16的高度H從2mm以上、5mm以下的范圍中選擇。
在上述半導體裝置10中，包括半導體元件14、具有絕緣板12a和配置在絕緣板12a的正面且配置半導體元件14的電路板12b的層疊基板12、經(jīng)由焊料15設(shè)置于半導體元件14的正面的主電極的引線端子16、及將半導體元件14、層疊基板12和引線端子16密封的密封樹脂18，密封樹脂18的楊氏模量×(引線端子16的線膨脹系數(shù)-密封樹脂18的線膨脹系數(shù))×引線端子16的高度H的值為-93×103(Pa·mm/℃)以上、且為159.5×103(Pa·mm/℃)以下。
在這種半導體裝置10中，通過選擇密封樹脂18的楊氏模量、線膨脹系數(shù)和引線端子16的高度H，使得密封樹脂18的楊氏模量×(引線端子16的線膨脹系數(shù)-密封樹脂18的線膨脹系數(shù))×引線端子16的高度H的值為-93×103(Pa·mm/℃)以上、且為159.5×103(Pa·mm/℃)以下，從而可抑制對要發(fā)生熱膨脹的引線端子16向垂直上側(cè)的膨脹變化的妨礙。由此，可降低引線端子16對半導體元件14的表面電極的損傷，降低半導體元件14的表面電極的塑性應(yīng)變振幅。其結(jié)果是，可抑制半導體裝置10的特性下降。
[實施方式4]
實施方式4中，說明利用如實施方式1～3說明得那樣選擇的密封樹脂將半導體元件的表面電極上的引線端子(實施方式4中為跳線端子)密封的具體例。
首先，利用圖9，說明實施方式4的半導體裝置的一例。
圖9是表示實施方式4中的半導體裝置的圖。
半導體裝置100包含殼體110、及分別收納于殼體110的收納部112a、112b、112c的層疊基板140。
半導體裝置100中，P端子113a、113b、113c連接有正極，N端子114a、114b、114c連接有負極，對各控制端子121、131施加控制信號，從U端子115a、V端子115b、W端子115c可獲得與控制信號對應(yīng)的輸出。
另外，關(guān)于布線端子116、117、118將在后面闡述。
此外，對于層疊基板140，利用圖10進行說明。
圖10是表示實施方式4中的半導體裝置的層疊基板的立體圖。
層疊基板140在絕緣板141的下表面配置有由銅等構(gòu)成的散熱板(省略圖示)，在絕緣板141的上表面配置有由銅箔等構(gòu)成的電路板142a、142b。
在電路板142a上，例如，由銅構(gòu)成的導電端子143a配置在圖中下側(cè)，半導體元件144a、144b、144c(的集電極電極側(cè))經(jīng)由焊料配置成一列。此外，在配置成一列的半導體元件144a、144b、144c的各發(fā)射極電極經(jīng)由焊料配置有跳線端子145a，半導體元件144a、144b、144c的各發(fā)射極電極電連接。
在電路板142b上，例如，由銅構(gòu)成的導電端子143b配置在圖中上側(cè)，即配置在導電端子143a的相反側(cè)，半導體元件146a、146b、146c(的集電極電極側(cè))經(jīng)由焊料配置成一列。此外，在配置成一列的半導體元件146a、146b、146c的各發(fā)射極電極經(jīng)由焊料配置有跳線端子145b，半導體元件146a、146b、146c的各發(fā)射極電極電連接。
在圖示的示例中，半導體元件144a、144b、144c并聯(lián)地進行電連接，此外，半導體元件146a、146b、146c并聯(lián)地進行電連接。上述半導體元件的數(shù)量可根據(jù)半導體裝置的容量進行增減。
此外，平板部145aa和平板部145ba夾著樹脂板147錯開配置。
此外，利用圖11及圖12說明對圖9的半導體裝置100的點劃線X-X處的剖視圖。
圖11是表示實施方式4中的半導體裝置的布線端子及層疊基板的剖視圖。
圖12是表示實施方式4中的半導體裝置的主要部分放大圖。
布線端子116具有底面部116a、側(cè)面部116b及側(cè)面部116c。如圖9、10、12所示，底面部116a在一端的背面?zhèn)?圖中下表面)與U端子115a、V端子115b、W端子115c的一端、及導電端子143b接合，另一端與印刷基板119a、119b平行地延伸至布線端子118的跟前。
跳線端子145a(145b)具有接合部145ab(145bb)、平板部(板構(gòu)件)145aa(145ba)、將平板部145aa(145ba)和接合部145ab(145bb)連接的 布線部145ac(145bc)。布線部145ac(145bc)包含與接合部145ab(145bb)大致平行的部分、和與接合部145ab(145bb)大致垂直連接的臺階部。
此外，如圖11所示，底面部116a由跳線端子145a的布線部145ac支承下側(cè)(圖中下表面)。此外，底面部116a從布線部145ac突出，在底面部116a的突出部分與接合部145ab之間設(shè)置有間隙。而且，在底面部116a的突出部分形成有如圖12所示那樣從圖中上表面貫通至下表面?zhèn)鹊呢炌?16d。通過這樣在底面部116a的突出部分設(shè)置貫通孔116d，半導體裝置100在利用樹脂進行密封時，使樹脂進入貫通孔116d來提高樹脂的緊密接合性，可使得樹脂難以剝離。
如圖9、11、12所示，側(cè)面部116b為設(shè)置成在與底面部116a的布線端子117相對的邊從底面部116a呈L字狀立起(與底面部116a正交)的面。而且，如圖9、11、12所示，側(cè)面部116b與后述的側(cè)面部117b平行配置，與跳線端子145a(的平板部145aa)接合，與跳線端子145a電連接。
例如，側(cè)面部116b在平板部145aa的上端側(cè)(與層疊基板140相對的一側(cè))與平板部145aa接合。這樣，通過將側(cè)面部116b在平板部145aa的上端側(cè)接合，從而可使得接合部分遠離各半導體元件。由此，半導體裝置100可削弱因布線端子116的膨脹等而向各半導體元件、層疊基板140傳遞的應(yīng)力，抑制各半導體元件、層疊基板140的裂紋、破損，提高半導體裝置100的可靠性。
此外，如圖9、12所示，側(cè)面部116c為設(shè)置成在與底面部116a的布線端子117相對的邊從底面部116a呈L字狀立起(與底面部116a正交)的面，與布線端子117的側(cè)面部117c平行配置。側(cè)面部116b、116c的厚度為例如1.0mm～1.5mm。
布線端子117具有底面部117a、側(cè)面部117b及側(cè)面部117c。如圖9、11、12所示，底面部117a在一端的背面?zhèn)?圖中下表面)與N端子114a、114b、114c的一端接合，另一端與印刷基板119a、119b平行地延伸至布線端子116的跟前。
此外，如圖11所示，底面部117a由跳線端子145b的布線部145bc支承下側(cè)(圖中下表面)。此外，底面部117a從布線部145ac突出，在底面部117a 的突出部分與接合部145bb之間設(shè)置有間隙。然后，在底面部117a的突出部分形成有如圖12所示那樣從圖中上表面貫通下表面?zhèn)鹊呢炌?17d。通過這樣在底面部117a的突出部分設(shè)置貫通孔117d，半導體裝置100在利用樹脂進行密封時，使樹脂進入貫通孔117d來提高樹脂的緊密接合性，可使得樹脂難以剝離。
如圖9、11、12所示，側(cè)面部117b為設(shè)置成在與底面部117a的布線端子116、及布線端子118相對的邊從底面部117a呈L字狀立起(與底面部117a正交)的面。而且，如圖9、11、12所示，側(cè)面部117b與后述的側(cè)面部116b、118b平行配置，與跳線端子145b(的平板部145ba)接合，與跳線端子145b電連接。
例如，側(cè)面部117b在平板部145ba的上端側(cè)(與層疊基板140相對的一側(cè))與平板部145ba接合。這樣，通過將側(cè)面部117b在平板部145ba的上端側(cè)接合，從而可使得接合部分遠離各半導體元件。由此，半導體裝置100可削弱因布線端子117的膨脹等而向各半導體元件、層疊基板140傳遞的應(yīng)力，抑制各半導體元件、層疊基板140的裂紋、破損，提高半導體裝置100的可靠性。
此外，如圖9、12所示，側(cè)面部117c為設(shè)置成在與底面部117a的布線端子116相對的邊從底面部117a呈L字狀立起(與底面部117a正交)的面，與布線端子116的側(cè)面部116c平行配置。側(cè)面部117b、117c的厚度為例如1.0mm～1.5mm。
這樣，側(cè)面部116b和側(cè)面部117b夾著平行配置的平板部145aa、樹脂板147、平板部145ba而平行配置。
即，在半導體裝置100中，電連接的側(cè)面部117b及平板部145ba、電連接的側(cè)面部116b及平板部145aa夾著樹脂板147而平行配置。在半導體裝置100中，側(cè)面部116c、側(cè)面部117c平行配置。在半導體裝置100中，側(cè)面部117b、側(cè)面部118b平行配置。
在具有這種結(jié)構(gòu)的半導體裝置100中，利用密封樹脂將分別收納于殼體110的收納部112a、112b、112c的層疊基板140、印刷基板119a、119b、及布線端子116、117、118密封。
此時的密封樹脂例如像實施方式1～3中說明的那樣，選擇成密封樹脂的楊氏模量×(跳線端子的線膨脹系數(shù)-密封樹脂的線膨脹系數(shù))的值為-26×103(Pa/℃)以上、且為50×103(Pa/℃)以下，密封樹脂的楊氏模量×(跳線端子的線膨脹系數(shù)-密封樹脂的線膨脹系數(shù))×密封樹脂的樹脂厚度的值為-255×103(Pa·mm/℃)以上、且為515×103(Pa·mm/℃)以下，密封樹脂的楊氏模量×(跳線端子的線膨脹系數(shù)-密封樹脂的線膨脹系數(shù))×跳線端子的高度的值為-93×103(Pa·mm/℃)以上、且為159.5×103(Pa·mm/℃)以下。
由此，可抑制對要發(fā)生熱膨脹的跳線端子向垂直上側(cè)的膨脹變化的妨礙。由此，可降低跳線端子對半導體元件的表面電極的損傷，降低半導體元件的表面電極的塑性應(yīng)變振幅。其結(jié)果是，可抑制半導體裝置100的特性下降。
標號說明
10 半導體裝置
11，13a，13b，15 焊料
12 層疊基板
12a 絕緣板
12b，12c 電路板
12d 金屬板
14 半導體元件
16 引線端子
16a，16e 接合部
16b，16d 臺階部
16c 布線部
17 殼體
18 密封樹脂
19 冷卻器。
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