JP2012049575A

JP2012049575A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2012049575A
Application number: JP2011268663A
Authority: JP
Inventors: Shin Kiuchi; 伸木内; Hiroshi Tobisaka; 浩志鳶坂; Yoshinari Ikeda; 良成池田
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2011-12-08
Filing date: 2011-12-08
Publication date: 2012-03-08

Abstract

【課題】ダイボンディング材を介してリードフレームに半導体素子を接合し、それをモールド樹脂中に封入した半導体装置において、その構成部材の物理特性値の調整をおこなうことなく、半導体素子やダイボンディング材に発生する熱応力を抑制すること。
【解決手段】リードフレーム１１と半導体素子１２とを接合するダイボンディング材１３の厚さを４０μｍ以上、好ましくは７０μｍ以上とする。または、半導体素子１２の厚さを２００μｍ以下とする。あるいは、ダイボンディング材１３の厚さを４０μｍ以上、好ましくは７０μｍ以上とするとともに、半導体素子１２の厚さを２００μｍ以下とする。このようにダイボンディング材１３を厚くするか、半導体素子１２を薄くすることによって、半導体素子１２やダイボンディング材１３に発生する熱応力を抑制する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ダイボンディング材を介してリードフレームに半導体素子を接合し、それをモールド樹脂中に封入した半導体装置に関する。

モールド樹脂で封止された半導体装置では、初期的な内在応力、外部熱応力または発熱疲労等の熱応力が発生する。内在応力は、樹脂モールド・キュア後の冷却にともなう樹脂の硬化収縮により発生する。外部熱応力は、使用環境温度変化による熱ストレスや、半導体装置を配線基板に実装する際の温度変化による熱ストレスによって発生する。発熱疲労は、半導体素子のオン／オフによる発熱の繰り返しによって発生する。このような熱応力は、ダイボンディング材の疲労による熱抵抗特性の劣化、半導体素子表面のアルミ電極スライド（外部環境、熱ストレスにより樹脂からシリコンチップ状にストレスが印加されチップ上の配線材料であるアルミがスライド（移動）したりすること）、チップ保護膜のクラック、またはチップクラック等の問題を引き起こす原因となる。そこで、これらの問題の発生を防止するため、従来は、モールド樹脂、リードフレーム、半導体素子およびダイボンディング材等について、熱膨張係数や弾性率等の物理特性値を適宜調整し、それによって熱応力が小さくなるようにしている。

特開平０８−１１６００７号公報特開平０４−２７００９２号公報特開平０６−１２０２８３号公報国際公開第０１／２４２６１号パンフレット特開平１１−１５０１３５号公報特開２０００−２９４５１９号公報特開平０３−１１６８４２号公報特開平０８−２２２５８５号公報国際公開第９８／４１３５４号パンフレット特開平０３−０４４０４０号公報特開平０８−０３１８７１号公報特開平０４−２２５５７５号公報特開平０６−１２５１５７号公報特開平０６−１０４５７５号公報特開平０１−１４９３７８号公報

しかしながら、上述したようにモールド樹脂やリードフレームや半導体素子やダイボンディング材等の熱膨張係数や弾性率等の物理特性値の調整をおこなうと、耐熱性や熱伝導率や機械強度等の他の特性の低下を招来するという問題点がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、ダイボンディング材を介してリードフレームに半導体素子を接合し、それをモールド樹脂中に封入した半導体装置において、その半導体装置を構成する部材の物理特性値の調整をおこなうことなく、半導体素子やダイボンディング材に発生する熱応力を抑制することが可能な構造を有する半導体装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明にかかる半導体装置は、リードフレームと半導体素子とを接合するダイボンディング材の厚さを４０μｍ以上、好ましくは７０μｍ以上とするか、または半導体素子の厚さを２００μｍ以下とするか、あるいはそれらを組み合わせることを特徴とする。

このように、ダイボンディング材を厚くするか、半導体素子を薄くすることによって、半導体素子やダイボンディング材に発生する熱応力が小さくなる。その理由について、図１に示すモデルを用いて説明する。このモデルは、第１の物質１（縦弾性定数：Ｅ１、熱膨張係数：α１、長さ：Ｌ、厚さ：ｔ１）と第２の物質２（縦弾性定数：Ｅ２、熱膨張係数：α２、長さ：Ｌ、厚さ：ｔ２）とを接合材３（厚さ：ｈ）により接合したものである。このモデルについて、Ｇを横弾性定数とすると、温度Ｔによる歪みγは一般的につぎの式（１）で表される。

γ＝（Ｌ／２）×（（α２−α１）ΔＴ／（√Ａ×ｈ））・・・（１）
ただし、Ａ＝（Ｇ／ｈ）×（（１／（Ｅ２×ｔ２））＋（１／（Ｅ１×ｔ１）））
ここで、第１の物質１をリードフレーム、第２の物質２を半導体素子、接合材３をダイボンディング材とすると、上記式（１）より明らかなように、ダイボンディング材の厚さ（ｈ）を大きくするか、半導体素子の厚さ（ｔ２）を小さくするか、またはダイボンディング材を厚くし、かつ半導体素子を薄くすれば、ダイボンディング材によりリードフレームに半導体素子を接合した物体の温度による歪み（γ）が小さくなる。したがって、この物体に発生する熱応力が小さくなる。

この発明によれば、ダイボンディング材の厚さが４０μｍ以上、好ましくは７０μｍ以上であるため、半導体素子やダイボンディング材に発生する熱歪みや熱応力が小さくなる。また、半導体素子の厚さが２００μｍ以下である場合も同様に、半導体素子やダイボンディング材に発生する熱歪みや熱応力が小さくなる。ダイボンディング材の厚さが４０μｍ以上、好ましくは７０μｍ以上であり、かつ半導体素子の厚さが２００μｍ以下であれば、より一層、半導体素子やダイボンディング材に発生する熱歪みや熱応力が小さくなる。

本発明によれば、ダイボンディング材の厚さが４０μｍ以上、好ましくは７０μｍ以上であるか、または半導体素子の厚さが２００μｍ以下であるため、半導体素子やダイボンディング材に発生する熱歪みや熱応力が小さくなる。ダイボンディング材の厚さが４０μｍ以上、好ましくは７０μｍ以上であり、かつ半導体素子の厚さが２００μｍ以下であれば、より一層、半導体素子やダイボンディング材に発生する熱歪みや熱応力が小さくなる。したがって、ダイボンディング材、リードフレーム、半導体素子およびモールド樹脂などの、半導体装置を構成する部材の物理特性値を調整しなくても、半導体素子やダイボンディング材に発生する熱応力を抑制することができる。

２つの物質を接合材により接合した物体のモデルを示す概略図である。本発明にかかる半導体装置の一例の概略を示す縦断面図である。パワーサイクル試験により得られたダイボンディング材の厚さと熱抵抗変化率との関係を示す特性図である。半導体素子とダイボンディング材（ダイボンディング材の厚さを２０μｍ）との界面における応力σｙｙの分布をシミュレーションした結果を示す特性図である。半導体素子とダイボンディング材（ダイボンディング材の厚さを３０μｍ）との界面における応力σｙｙの分布をシミュレーションした結果を示す特性図である。半導体素子とダイボンディング材（ダイボンディング材の厚さを４０μｍ）との界面における応力σｙｙの分布をシミュレーションした結果を示す特性図である。半導体素子とダイボンディング材（ダイボンディング材の厚さを５０μｍ）との界面における応力σｙｙの分布をシミュレーションした結果を示す特性図である。半導体素子とダイボンディング材（ダイボンディング材の厚さを７０μｍ）との界面における応力σｙｙの分布をシミュレーションした結果を示す特性図である。半導体素子とダイボンディング材（ダイボンディング材の厚さを１００μｍ）との界面における応力σｙｙの分布をシミュレーションした結果を示す特性図である。パワーサイクル試験により得られた半導体素子の厚さと熱抵抗変化率との関係を示す特性図である。半導体素子（半導体素子の厚さを１８０μｍ）とダイボンディング材との界面における応力σｙｙの分布をシミュレーションした結果を示す特性図である。半導体素子（半導体素子の厚さを２４０μｍ）とダイボンディング材との界面における応力σｙｙの分布をシミュレーションした結果を示す特性図である。半導体素子（半導体素子の厚さを２８０μｍ）とダイボンディング材との界面における応力σｙｙの分布をシミュレーションした結果を示す特性図である。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。図２は、本発明にかかる半導体装置の一例の概略を示す縦断面図である。この半導体装置は、リードフレーム１１に半導体素子１２をダイボンディング材１３により接合し、それをモールド樹脂１４中に封入したものである。

半導体素子１２の厚さｔ３は２００μｍ以下である。半導体素子１２の厚さの下限値については、特に限定する必要はないが、この半導体装置を実際に使用する際に発生する応力により、半導体素子１２が劈開に至ってしまう応力に応じて決まる。つまり、半導体素子１２は、実際の使用時に発生する応力によって劈開してしまわない程度の厚さを少なくとも有していればよい。

特に限定しないが、たとえば半導体素子１２は３０μｍ程度〜２００μｍの厚さを有していればよい。この数値限定の具体的な根拠については後述するが、半導体素子１２がこのような厚さを有していることにより、半導体素子１２またはダイボンディング材１３に発生する熱応力が従来よりも小さくなる。また、たとえば半導体素子１２が縦型構造のパワーデバイスで構成されている場合には、従来の５００μｍ厚を２００μｍ厚にすることによって、パワーデバイスのオン抵抗が従来に比べて８％低減される。

ダイボンディング材１３の厚さｔ４は４０μｍ以上、好ましくは７０μｍ以上である。この数値限定の具体的な根拠については後述する。ダイボンディング材１３としては、たとえば熱膨張係数が２０ｐｐｍ／℃以上、好ましくは２０〜９０ｐｐｍ／℃のものが好適である。特に限定しないが、一例として、熱膨張係数が２９．１ｐｐｍ／℃のＰｂ半田、熱膨張係数が２６．６ｐｐｍ／℃のＳｎ半田、熱膨張係数が２８．７ｐｐｍ／℃の９３．５Ｐｂ−５Ｓｎ−１．５Ａｇ半田、熱膨張係数が３７ｐｐｍ／℃のＳｎ−Ａｇ半田、熱膨張係数が８５ｐｐｍ／℃のＡｇペーストなどが挙げられる。

半導体装置の製造プロセスにおいて、ダイボンディング材１３を上述した厚さに精度よく制御するため、たとえばダイボンディング材１３の供給量を従来よりも多くしたり、またダイボンディング材１３の供給を２回おこなうなどによってダイボンディング材１３の供給量を最適化するとともに、スクラブ方向や、半導体素子１２とリードフレーム１１との間隔を最適化する。

つぎに、半導体素子１２の厚さおよびダイボンディング材１３の厚さの数値限定理由について説明する。これらの厚さの有効な範囲を求めるにあたって、本発明者らは以下のような検討をおこなった。まず、本発明者らは、ドレイン・ソース電圧Ｖ_DSSが３０Ｖ以上、ドレイン電流が１Ａ以上の縦型のＭＯＳＦＥＴよりなるスイッチ素子と制御用ＩＣとを同一のＳｉ半導体基板上に集積した、いわゆるインテリジェント・パワー・スイッチと呼ばれる３．４ｍｍ×２．５ｍｍの大きさの半導体素子を、厚さを変えて種々用意した。

インテリジェント・パワー・スイッチとは、負荷短絡等の異常状態に対する検出・保護機能の制御をＩＣでおこなうものであり、その用途としては異常状態に対する保護スイッチ素子のユニット側で対策することが望まれる。たとえば、自動車の電装品である油圧ソレノイドバルブの制御、ランプの制御等である。

そして、これらの半導体素子をダイボンディング材の厚さを種々変えてリードフレームに接合し、それらを樹脂モールドしたＳＯＰ−８パッケージ（代表的な表面実装パッケージである）をサンプルとして用意した。リードフレームは銅にニッケルメッキをしたものであり、ボンディング部分の大きさは３．８ｍｍ×２．６ｍｍ、厚さは０．１５ｍｍであった。ダイボンディング材として９３．５Ｐｂ−５Ｓｎ−１．５Ａｇ半田（熱膨張係数：２８．７ｐｐｍ／℃）を用いた。

用意したサンプルに対して、△Ｔｃ＝９０℃、オンおよびオフをそれぞれ６０秒、１Ｗ印加の条件でパワーサイクル試験を実施した。そして、パワーサイクル試験中の内部発熱の繰り返しによる、ダイボンディング材の繰り返し塑性変形による発熱疲労を評価するため、パワーサイクル４００００サイクル後の熱抵抗を測定し、パワーサイクル試験の開始時（パワーサイクル０サイクル）の熱抵抗と比較し、その変化率を求めた。なお、ＭＯＳＦＥＴのスイッチング特性と熱応力の発生との間には関連性はない。

はじめにダイボンディング材の厚さを４０μｍ以上とする根拠を説明する。半導体素子の厚さを２００μｍとし、ダイボンディング材の厚さが異なる複数のサンプルについてパワーサイクル試験をおこなった結果を図３に示す。図３は、パワーサイクル試験により得られたダイボンディング材の厚さと、パワーサイクル４００００サイクル後の熱抵抗変化率との関係を示す特性図である。

ここで、パワーサイクル試験の不良判定基準として、仮にパワーサイクル４００００サイクル後に熱抵抗が２０％以上増加したら不良であるという判定基準を設けるとすると、図３より明らかにダイボンディング材の厚さが４０μｍ以上であれば４００００サイクルのパワーサイクル耐量を達成できることがわかる。また、ダイボンディング材がより厚くなれば、４００００サイクルを超えるパワーサイクル耐量を達成できることがわかる。

たとえば、図３より、ダイボンディング材の厚さが７０μｍ以上であればパワーサイクル４００００サイクル後の熱抵抗の増加率はおおよそ１１％以下である。また、ダイボンディング材の厚さが９０μｍ以上であればパワーサイクル４００００サイクル後の熱抵抗の増加率はおおよそ８％以下である。また、ダイボンディング材の厚さが１００μｍ以上であればパワーサイクル４００００サイクル後の熱抵抗の増加率はおおよそ６％以下である。これより、ダイボンディング材の厚さが７０μｍ以上あれば、４００００サイクルのパワーサイクル耐量の保証が可能となることがわかる。

ダイボンディング材の厚さを４０μｍ以上とするもう一つの理由を説明する。図４〜図８は、ダイボンディング材の厚さを２０μｍ（図４）、従来と同じ厚さの３０μｍ（図５）、４０μｍ（図６）、５０μｍ（図７）、７０μｍ（図８）および１００μｍ（図９）として、半導体素子とダイボンディング材との界面における応力σｙｙの分布をシミュレーションした結果である。この結果から、従来のダイボンディング材の厚さは３０μｍであるが、この厚さのときの垂直応力が４．５ｋｇｆ／ｍｍ²であるのに対して、たとえばダイボンディング材の厚さを１００μｍとすれば、垂直応力は３．９ｋｇｆ／ｍｍ²となり、垂直応力が１３％低減されることがわかる。これは、パワーサイクル耐量をさらに２００００サイクル向上させる効果に相当する。

また、実際に半導体装置を製造する際の工程能力を考慮し、その６σを許容範囲とすれば、ダイボンディング材の厚さの設計値を１００μｍとして製造をおこなえば、ダイボンディング材の厚さがもっとも小さくなる方向にばらついたとしても４０μｍの厚さを確保することができる。したがって、ダイボンディング材の厚さの設計値を１００μｍとし、実際に製造して得られた半導体装置におけるダイボンディング材の厚さを４０μｍ以上とするのが妥当である。

半導体素子の厚さを２００μｍ以下とする根拠を説明する。ダイボンディング材の厚さを１００μｍとし、半導体素子の厚さが異なる複数のサンプルについてパワーサイクル試験をおこなった結果を図１０に示す。図１０は、パワーサイクル試験により得られた半導体素子の厚さと、パワーサイクル４００００サイクル後の熱抵抗変化率との関係を示す特性図である。図１０より明らかなように、半導体素子が薄くなるほど熱抵抗変化率が小さくなり、パワーサイクル耐量が向上することがわかる。

また、図１１〜図１３は、半導体素子の厚さを１８０μｍ（図１１）、２４０μｍ（図１２）および従来と同じ厚さの２８０μｍ（図１３）として、半導体素子とダイボンディング材との界面における応力σｙｙの分布をシミュレーションした結果である。この結果から、従来の半導体素子の厚さは２８０μｍであるが、この厚さのときの垂直応力が４．４ｋｇｆ／ｍｍ²であるのに対して、たとえば半導体素子の厚さを１８０μｍとすれば、垂直応力は４．１ｋｇｆ／ｍｍ²となり、垂直応力が６％低減されることがわかる。これは、パワーサイクル耐量をさらに１００００サイクル向上させる効果に相当する。

ところで、半導体素子およびダイボンディング材のうちの一方のみが上述した厚さの範囲を満たしていてもよいし、両方とも上述した範囲内の厚さであってもよい。ただし、ダイボンディング材の厚さが７０μｍ以上の場合に、４００００サイクル以上のパワーサイクル耐量を確保するためには、半導体素子の厚さは２００μｍ以下である必要がある。

上述した実施の形態によれば、ダイボンディング材１３の厚さが４０μｍ以上、好ましくは７０μｍ以上であるため、半導体素子１２やダイボンディング材１３に発生する熱歪みや熱応力が小さくなる。また、半導体素子１２の厚さが２００μｍ以下である場合にも、半導体素子１２やダイボンディング材１３に発生する熱歪みや熱応力は小さくなる。ダイボンディング材１３の厚さが４０μｍ以上、好ましくは７０μｍ以上であり、かつ半導体素子１２の厚さが２００μｍ以下であれば、より一層、半導体素子１２やダイボンディング材１３に発生する熱歪みや熱応力が小さくなる。したがって、ダイボンディング材１３、リードフレーム１１、半導体素子１２およびモールド樹脂１４などの、半導体装置を構成する部材の物理特性値を調整しなくても、半導体素子１２やダイボンディング材１３に発生する熱応力を抑制することができる。

以上において本発明は、半導体装置はＳＯＰ−８パッケージを用いた表面実装デバイスに限らず、半導体素子１２とリードフレーム１１とをダイボンディング材１３により接合した構造の半導体装置に広く応用可能である。また、実施の形態においては、発熱疲労を例にして説明したが、本発明は発熱疲労だけでなく、内在応力や外部熱応力の抑制にも有効である。また、半導体素子はインテリジェント・パワー・スイッチだけでなく、単体のＭＯＳＦＥＴまたはバイポーラトランジスタ等のスイッチング素子やダイオードにも有効である。

１１リードフレーム
１２半導体素子
１３ダイボンディング材
１４モールド樹脂

Claims

Ａｇペーストを介してリードフレームに半導体素子を接合し、それをモールド樹脂中に封入した半導体装置であって、
前記Ａｇペーストは、その厚さは７０μｍ以上であり、前記半導体素子の厚さは２００μｍ以下であることを特徴とする半導体装置。
前記半導体素子は、縦型構造のデバイスであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。