JP4931835B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートシンク、半導体チップおよびリードを樹脂で包み込むように封止してなる半導体装置、すなわち樹脂モールドパッケージタイプの半導体装置に関する。

図１２は、従来の一般的な樹脂モールドパッケージタイプの半導体装置の概略断面構成を示す図である。

このものは、ヒートシンク１０の一面１１側に導電性接着剤などの樹脂製の接着剤３０を介して半導体チップ２０を搭載し、半導体チップ２０とリード４０とをワイヤ５０などによって電気的に接続し、ヒートシンク１０、半導体チップ２０およびリード４０を包み込むようにモールド樹脂６０にて封止してなる。

ここでは、ヒートシンク１０は、その一面１１と他面１２との間の側面１３に突起部（コイニング）１４を有するものとなっている。これは、この突起部１４をモールド樹脂６０に食い込ませることにより、モールド樹脂６０とヒートシンク１０との密着性を高めるためである。

このような樹脂モールドパッケージタイプの半導体装置においては、Ｃｕなどからなるヒートシンク１０を内蔵しており、このヒートシンク１０の他面１２をモールド樹脂６０から露出させているため、放熱性に優れている。そして、この半導体装置は、リード４０のうちモールド樹脂６０から露出する部位にて、はんだを介して、実装基板上にはんだ付けされる。

ところで、このような樹脂モールドパッケージタイプの半導体装置は、冷熱サイクルやはんだ実装時のリフローなどにより生じる熱応力によって、ヒートシンク１０とモールド樹脂６０との間に剥離が生じやすい。これは、金属などからなるヒートシンク１０と樹脂との熱膨張係数の差が大きいためである。

そして、このヒートシンク１０とモールド樹脂６０との剥離が生じると、モールド樹脂６０において熱衝撃により比較的早く樹脂クラックが発生するため、機能低下の問題が生じる。

また、近年、はんだ材料のＰｂ（鉛）フリー化が望まれており、それに伴い、はんだの溶融温度も高温化している。上記した半導体装置を外部基板上にはんだを介して接合する際、はんだリフローの温度は、従来のＰｂ含有はんだにおける２２５℃から２４０〜２６０℃へと高温化している。そのため、上記樹脂クラックの問題が顕著になっている。

また、この種の半導体装置では、ヒートシンク１０の一部、上記図１２ではヒートシンク１０の他面１２をモールド樹脂６０から露出させることで放熱性を確保した構造となっているが、このヒートシンク１０の露出面である他面１２には、モールド樹脂６０の成型時に樹脂バリが発生し、放熱特性が阻害されるという問題もある。

特に、ヒートシンク１０とモールド樹脂６０との剥離防止のために、ヒートシンク１０の表面を粗くすると、反対に、ヒートシンク１０の露出面における樹脂バリの発生量も多く、また、その密着力も大きくなるため除去が難しくなる。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、ヒートシンク、半導体チップおよびリードを樹脂で包み込むように封止してなる半導体装置において、モールド樹脂のクラック防止とヒートシンクの露出面における樹脂バリの防止とを適切に両立することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明によれば、ヒートシンク（１０）と、ヒートシンク（１０）の表面に搭載されて固定された半導体チップ（２０）と、半導体チップ（２０）の周囲に配置され半導体チップ（２０）と電気的に接続されたリード（４０）と、半導体チップ（２０）、ヒートシンク（１０）、リード（４０）を包み込むように封止するモールド樹脂（６０）とを備え、ヒートシンク（１０）の表面の一部がモールド樹脂（６０）から露出している半導体装置において、ヒートシンク（１０）の表面のうちモールド樹脂（６０）に封止されている部位（Ｈ１）およびモールド樹脂（６０）から露出する部位（Ｈ２）は、平坦な母材（１０ａ）の上に比表面積が１．１４以上１．３２以下に粗化されたメッキ膜（１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ）が形成された同じ表面形状であることを特徴としている。

本発明は、ヒートシンク（１０）の比表面積と樹脂クラックおよび樹脂バリとの関係について検討した結果、実験的に見出されたものである（図７参照）。

つまり、本発明者の検討によれば、ヒートシンク（１０）の表面における比表面積を１．１４以上とすれば、ヒートシンク（１０）とモールド樹脂（６０）との密着強度が向上して樹脂クラックの発生を防止することができ、当該比表面積を１．３２以下とすれば、当該密着強度を過度に大きなものとすることなく、問題となるような樹脂バリの発生を防止できることが確認された。

そして、本発明では、ヒートシンク（１０）の表面のうちモールド樹脂（６０）に封止されている部位（Ｈ１）およびモールド樹脂（６０）から露出する部位（Ｈ２）を、比表面積が１．１４以上１．３２以下のものとしているため、樹脂クラックおよび樹脂バリを防止できる。

よって、本発明によれば、ヒートシンク（１０）、半導体チップ（２０）およびリード（４０）をモールド樹脂（６０）で包み込むように封止してなる半導体装置において、モールド樹脂（６０）のクラック防止とヒートシンク（１０）の露出面における樹脂バリの防止とを適切に両立することができる。

また、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の半導体装置において、モールド樹脂（６０）の２６０℃におけるヤング率は、０．７ＧＰａ以下であることを特徴としている。

本発明者の検討によれば、装置をＰｂフリーはんだを用いて実装するときには、高温でリフローさせるため、このリフロー時にはヒートシンク（１０）とモールド樹脂（６０）との間に大きな熱応力が発生する。

この熱応力を低減するには、高温でのモールド樹脂（６０）のヤング率を小さくすることが有効であり、本発明者は、モールド樹脂（６０）のヤング率と剥離との関係について検討した。

その結果、モールド樹脂（６０）の２６０℃におけるヤング率を０．７ＧＰａ以下とすれば、上記リフロー時などにモールド樹脂（６０）とヒートシンク（１０）と間に発生する熱応力を、剥離防止可能な程度に低く抑制できることが確認された（図８参照）。つまり、本発明によれば、ヒートシンク（１０）とモールド樹脂（６０）との剥離を、より高レベルで防止することができる。

また、請求項３に記載の発明では、請求項１または請求項２に記載の半導体装置において、半導体チップ（２０）は、樹脂製の接着剤（３０）を介してヒートシンク（１０）の表面に固定されており、接着剤（３０）の２６０℃におけるヤング率は、０．０４ＧＰａ以下であることを特徴としている。

このように、半導体チップ（２０）が樹脂製の接着剤（３０）を介してヒートシンク（１０）の表面に固定されている場合、モールド樹脂（６０）と同様、熱膨張係数差により、ヒートシンク（１０）と樹脂製の接着剤（３０）との間で熱応力による剥離が生じやすい。

このヒートシンク（１０）と接着剤（３０）との間で剥離が生じると、半導体チップ（２０）とヒートシンク（１０）との熱的・電気的抵抗が大きくなるなど、やはり機能低下の問題が生じる。

本発明者の検討によれば、接着剤（３０）の２６０℃におけるヤング率を０．０４ＧＰａ以下とすることにより、上記リフロー時などに接着剤（３０）とヒートシンク（１０）との間に発生する熱応力を、剥離防止可能な程度に低く抑制できることが確認された（図９参照）。

このように、本発明によれば、ヒートシンク（１０）と接着剤（３０）との剥離をより高レベルに防止することができ、好ましい。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各図相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。
（第１実施形態）
図１（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る樹脂モールドパッケージタイプの半導体装置１００の概略断面構成を示す図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）中の丸で囲んだＡ部の拡大図である。この半導体装置１００は、たとえばＱＦＰ（クワッドフラットパッケージ）、ＳＯＰ（スモールアウトラインパッケージ）などにも適用できる。

ヒートシンク１０は、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｏ、４２アロイ、コバールなどの金属など、放熱性に優れた材料からなるものであり、たとえば矩形板状をなす。本例では、ヒートシンク１０はＣｕ板からなる。

また、図１（ａ）に示されるように、ヒートシンク１０は、その一面１１と他面１２との間の側面１３に、モールド樹脂６０とヒートシンク１０との密着性を高めるための突起部（コイニング）１４を有する。このような突起部１４を有するヒートシンク１０は、プレス加工などにより形成することができる。

このヒートシンク１０の一面１１側には、半導体チップとしてのＩＣチップ２０が搭載されている。このＩＣチップは、シリコン基板などからなるもので、半導体プロセス技術を用いてトランジスタなどの素子が形成されたものである。
そして、本実施形態では、ヒートシンク１０とＩＣチップ２０とは樹脂製の接着剤３０を介して接着され固定されている。

この接着剤３０は、エポキシ系樹脂、ポリイミド樹脂、シリコーン系樹脂などの熱伝導性に優れた樹脂からなり、具体的には、導電性接着剤などからなる。本例では、接着剤３０は、エポキシ系樹脂にＡｇフィラーを混合させた銀ペーストからなる。

また、ヒートシンク１０およびＩＣチップ２０の周囲には、Ｃｕや４２アロイ合金などの金属からなるリードとしてのリードフレーム４０が配置されている。そして、ＩＣチップ２０とリードフレーム４０とは、金やアルミニウムなどからなるワイヤ５０によって結線され電気的に接続されている。

そして、モールド樹脂６０は、ヒートシンク１０、ＩＣチップ２０、リードフレーム４０およびワイヤ５０を包み込むように封止している。ここでは、ヒートシンク１０の他面１２側をモールド樹脂６０から露出させており、それによって、放熱性の向上が図られている。

このモールド樹脂６０は、エポキシ系樹脂などの通常のモールド材料からなるものである。本例では、モールド樹脂６０は、エポキシ系樹脂からなり、さらに熱膨張係数を調整する等のためにシリカなどからなるフィラーが含有されたものである。

このような半導体装置１００において、本実施形態では、ヒートシンク１０とモールド樹脂６０との密着性、ヒートシンク１０と樹脂製の接着剤３０との密着性を確保しつつ、ヒートシンク１０の他面１２へのモールド樹脂６０による樹脂バリの発生を防止するために、ヒートシンク１０の表面全体を、比表面積が１．１４以上１．３２以下であるものとしている。

具体的には、図１において、ヒートシンク１０における比表面積が１．１４以上１．３２以下である部位は、ヒートシンク１０の表面のうちモールド樹脂６０に封止されている部位Ｈ１、および、モールド樹脂６０から露出する部位Ｈ２として示されている。

さらに言うならば、図１に示される半導体装置１００においては、ヒートシンク１０の表面のうちモールド樹脂６０に封止されている部位Ｈ１は、ヒートシンク１０の表面のうち一面１１および一面１１と他面１２との間の側面１３に相当する部位であり、一方、ヒートシンク１０の表面のうちモールド樹脂６０から露出する部位Ｈ２は、ヒートシンク１０の他面１２に相当する部位である。

具体的に、ヒートシンク１０において比表面積を１．１４以上１．３２以下とするには、ヒートシンク１０の表面を粗化処理すればよい。

本例では、図１（ｂ）に示されるように、ヒートシンク１０の表面はメッキ処理が施されたものであり、ヒートシンク１０の母材（ここではＣｕ）１０ａの上に、粗化されたＮｉメッキ１０ｂ、薄いＰｄメッキ１０ｃ、薄いＡｕメッキ１０ｄが順次形成されたものとなっている。

ここでは、粗化されたＮｉメッキ１０ｂの表面形状を、その上部の薄いメッキ１０ｃ、１０ｄの各膜が承継することにより、メッキ膜の最表面すなわちヒートシンク１０の表面が粗化された形状となっている。

このようなヒートシンク１０は、母材１０ａをヒートシンク１０形状となるようにプレス加工した後、個片または多連の状態で母材１０ａの表面にメッキを行うことにより形成することができる。

また、このメッキ膜１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの粗化方法は公知である。たとえば、電解メッキや無電解メッキにてＮｉメッキ１０ｂを成膜する時に、電流密度や薬液の組成を調整するなどにより粗化を行うことができる。

また、メッキを粗化する方法としては、このように電解メッキや無電解メッキ等のメッキ条件を工夫（メッキ液、電流密度など）して粗化する方法以外にも、メッキ後にエッチングやサンドブラストなどによって、メッキ表面を粗化する方法を採用してもよい。

なお、本実施形態におけるヒートシンク１０の粗化方法は、上記したメッキを粗化する方法以外の方法であってもよい。ヒートシンクの他の粗化方法について、図２を参照して述べておく。

図２は、ヒートシンク素材を直接粗化したヒートシンク１０を示す概略断面図である。この図２に示される粗化方法は、ヒートシンク素材を直接粗化する方法であり、図２（ａ）は、母材１０ａの表面を粗化し、メッキは施さないヒートシンク１０の例、図２（ｂ）は、母材１０ａの表面を粗化し、上記メッキ１０ｂ、１０ｃ、１０ｄを施したヒートシンク１０の例を示す。

ヒートシンク素材を直接粗化する具体的方法としては、機械加工による粗化（荒研磨、サンドブラストなど）、薬品によるエッチング、レーザー光等による加熱など、が挙げられる。

さらに、ヒートシンク１０の母材１０ａの表面に形成する膜としては、メッキ以外にも蒸着膜、ＣＶＤ膜、印刷法による膜なども使用できる。

また、図１（ｂ）に示される例では、ヒートシンク１０の表面を構成するメッキは、粗化されたＮｉメッキ３０ｂ、薄いＰｄメッキ１０ｃ、薄いＡｕメッキ１０ｄの３層であったが、図３に示されるように、粗化されたＮｉメッキ３０ｂの１層のみでＰｄメッキ１０ｃおよびＡｕメッキ１０ｄは無くてもよい。

Ｐｄメッキ１０ｃおよびＡｕメッキ１０ｄは、後述する図４に示されるように、半導体装置１００の実装においてヒートシンク１０をはんだ付けする場合に、はんだ付け性を確保するために設けられるものである。

つまり、ヒートシンク１０の表面の構成としては、パッケージの用途に応じて選択することができ、たとえば、はんだ付けが必要な場合には、ヒートシンク１０の表層にはんだ付けできるＡｕ、Ａｇ、Ｐｄなどを形成すればよい。

一方、後述する図５に示されるように、ヒートシンク１０の表層に機能的な膜を形成する必要がない場合には、上記図３に示されるように、ヒートシンク１０の表層は、粗化されたＮｉメッキ３０ｂの１層のみでＰｄメッキ１０ｃおよびＡｕメッキ１０ｄは無くてもよい。さらに、この場合、上記図２（ａ）に示されるように、ヒートシンク１０は、その母材１０ａのみを粗化したものを使用してもよい。

このような半導体装置１００は、上記のように表面が粗化されたヒートシンク１０とリードフレーム４０とをかしめ、溶接、接着などにより一体に固定した後、ＩＣチップ２０を接着剤３０を介してヒートシンク１０に搭載し、ワイヤボンディングを行い、樹脂モールドを行い、リードフレーム４０の成形やカットなどを行うことにより、製造することができる。

そして、この半導体装置１００は、図４の実装構造例に示されるように、外部基板２００上に搭載され実装される。ここで、外部基板２００は、たとえばセラミック基板、プリント基板などであり、半導体装置１００が搭載される面には、ランド２１０が設けられている。

そして、半導体装置１００においては、モールド樹脂６０からリードフレーム４０の一部が露出しており、このリードフレーム４０の露出部すなわちアウターリードが、外部基板２００のランド２１０にはんだ２２０を介して接合されている。

また、ヒートシンク１０の他面１２も、外部基板２００のランド２１０にはんだ２２０を介して接合されている。これにより、図４に示される実装構造では、ヒートシンク１０の他面１２から外部基板２００への放熱が適切になされる。

ここで、このはんだ２２０は、Ｐｂを実質的に含まないＰｂフリーはんだである。これは、はんだリフローの温度が従来のＰｂ含有はんだにおける２２５℃から２４０〜２６０℃へと高温化したものである。

具体的なＰｂフリーはんだとしては、たとえば、Ｓｎ−Ａｇ（Ａｇ３．５）系はんだ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだなどが挙げられる。さらに、前記Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだとしては、Ａｇ１〜４、Ｃｕ０〜１で３Ａｇ−０．５Ｃｕ、３．５Ａｇ−０．７Ｃｕなどが挙げられる。

また、この半導体装置１００は、図５の実装構造例に示されるように、外部基板２００上に搭載され実装されてもよい。ここで、半導体装置１００においては、アウターリードが上記図１および図４に示されるものとは反対側に折り曲げられ、外部基板２００のランド２１０にはんだ２２０を介して接合されている。

一方、ヒートシンク１０の他面１２は、外部基板２００とは反対側に設けられたケース３００に接着剤３１０はんだ２２０を介して接合されている。これにより、図５に示される実装構造では、ヒートシンク１０の他面１２からケース３００への放熱が適切になされる。

ところで、上述したように、本実施形態では、半導体装置１００において上記図１（ａ）に示されるように、ヒートシンク１０の表面のうちモールド樹脂６０に封止されている部位Ｈ１、および、モールド樹脂６０から露出する部位Ｈ２を、比表面積が１．１４以上１．３２以下である部位としている。このようにした根拠について述べる。

本発明者は、ヒートシンク１０の表面の粗化度合として、ヒートシンク１０の比表面積に着目した。

この比表面積は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により測定することができる。図６は、上記した各種の方法で粗化されたヒートシンク１０の表面形状を模式的に示す図であり、この図は走査型電子顕微鏡で観察した像を模式化したものである。

図６に示されるように、粗化されたヒートシンク１０の表面は、鋭い三角錐の突起が上方に向かっている凹凸形状となっている。そして、比表面積は、この凹凸面の表面積を表面が平坦である場合のヒートシンク１０の表面積で割った値である。

具体的には、比表面積は、図６中の長さａの辺と長さｂの辺からなる四角形の面積（ａ×ｂ）を用い、この四角形内の凹凸面の表面積を（ａ×ｂ）で除した比率として表すことができる。このような比表面積は、原子間力顕微鏡の画像処理を行うことで求めることができる。

ヒートシンク１０の比表面積が大きいほど、モールド樹脂６０との密着が大きくなり、ヒートシンク１０とモールド樹脂６０との剥離を抑え、樹脂クラックの防止に好ましいが、一方では、ヒートシンク１０の他面１２に樹脂が付着しやすく、樹脂バリが発生しやすくなる。

そこで、本発明者は、ヒートシンク１０の比表面積と樹脂クラックおよび樹脂バリとの関係について調査検討を行った。ここでは、母材としてＣｕを用い、上記図１に示されるように全表面がメッキで粗化されたヒートシンク１０を使用し、接着剤３０であるＡｇペーストおよびモールド樹脂６０はともにエポキシ系樹脂とした。

図７は、ヒートシンク１０の比表面積Ｓａに対する、モールド樹脂６０の樹脂クラック発生率（単位：％）および樹脂バリ残り率（単位：％）の関係について調査した結果を示す図である。

ここで、樹脂バリ残り率は、モールド樹脂６０によるモールドを行った後に観察調査したものであり、ヒートシンク１０の他面１２に残った樹脂バリの面積の、当該他面１２の全面積に対する割合を百分率で示したものである。

また、樹脂クラック発生率については、比表面積Ｓａを変えた半導体装置１００をサンプルとして作成し、各サンプルを、３０℃、７０％の湿度で２６４時間、吸湿させた後、リフロー相当温度である２６３℃にさらし、さらに−６５℃と１５０℃との冷熱サイクルを５００サイクル行った後、外観観察やＳＡＴ（超音波探傷装置）などを用いてクラックの発生状態を調査した。

図７では、横軸にヒートシンク１０の比表面積Ｓａをとり、左縦軸に樹脂クラック発生率をとり、右縦軸に樹脂バリ残り率をとり、比表面積Ｓａと樹脂クラック発生率との関係を白丸プロットにて、比表面積Ｓａと樹脂バリ残り率との関係を黒丸プロットにて、それぞれ示してある。

この図７に示されるように、ヒートシンク１０の比表面積Ｓａを１．１４以上とすれば、樹脂クラック発生率が実質的に０となっている。一方、ヒートシンク１０の比表面積Ｓａを１．３２以下とすれば、樹脂バリ残り率が実質的に０となっている。

このように、ヒートシンク１０の表面における比表面積を１．１４以上とすれば、ヒートシンク１０とモールド樹脂６０との密着強度が向上して樹脂クラックの発生を防止することができ、当該比表面積を１．３２以下とすれば、当該密着強度を過度に大きなものとすることなく、問題となるような樹脂バリの発生を防止できることが確認された。

そして、このような実験検討結果に基づいて、本実施形態では、ヒートシンク１０と、ヒートシンク１０の表面に搭載されて固定された半導体チップとしてのＩＣチップ２０と、ＩＣチップ２０の周囲に配置されＩＣチップ２０と電気的に接続されたリードとしてのリードフレーム４０と、ＩＣチップ２０、ヒートシンク１０、リードフレーム４０を包み込むように封止するモールド樹脂６０とを備え、ヒートシンク１０の表面の一部がモールド樹脂６０から露出している半導体装置において、ヒートシンク１０の表面のうちモールド樹脂６０に封止されている部位Ｈ１およびモールド樹脂６０から露出する部位Ｈ２は、比表面積が１．１４以上１．３２以下であることを特徴とする半導体装置１００を提供している。

上述したように、本実施形態の半導体装置１００によれば、ヒートシンク１０の表面のうちモールド樹脂６０に封止されている部位Ｈ１およびモールド樹脂６０から露出する部位Ｈ２を、比表面積が１．１４以上１．３２以下のものとしているため、樹脂クラックおよび樹脂バリを防止できる。

よって、本実施形態によれば、ヒートシンク１０、半導体チップ２０およびリード４０をモールド樹脂６０で包み込むように封止してなる半導体装置１００において、モールド樹脂６０のクラック防止とヒートシンク１０の露出面１２における樹脂バリの防止とを適切に両立することができる。

また、本実施形態の半導体装置１００においては、モールド樹脂６０の２６０℃におけるヤング率は、０．７ＧＰａ以下であることが好ましい。

本発明者の検討によれば、半導体装置１００をＰｂフリーはんだを用いて実装するときには、高温でリフローさせるため、このリフロー時にはヒートシンク１０とモールド樹脂６０との間に大きな熱応力が発生する。

この熱応力を低減するには、高温でのモールド樹脂６０のヤング率を小さくすることが有効であり、本発明者は、モールド樹脂６０のヤング率と剥離との関係について検討を行った。ここで、ヤング率は、Ｐｂフリーはんだのリフロー温度にほぼ相当する２６０℃におけるヤング率とした。

図８は、モールド樹脂６０の２６０℃におけるヤング率（単位：ＧＰａ）に対する、モールド樹脂６０とヒートシンク１０との間に発生する熱応力（単位：ＭＰａ）、および、ヒートシンク１０とモールド樹脂６０との間の剥離発生率（図８ではヒートシンク剥離発生率と図示、単位：％）の関係について調査した結果を示す図である。

ここで、モールド樹脂６０とヒートシンク１０との間に発生する熱応力については、モールド樹脂６０の上記ヤング率を変えた半導体装置１００をサンプルとし、各サンプルについてＦＥＭ（有限要素法）解析により求めた。

また、ヒートシンク剥離発生率については、これら各サンプルを実際に作成し、３０℃、７０％の湿度で２６４時間、吸湿させた後、リフロー相当温度である２６３℃にさらし、さらに−６５℃と１５０℃との冷熱サイクルを５００サイクル行った後、上記ＳＡＴで剥離状態を調査した。

図８では、横軸にモールド樹脂６０のヤング率（２６０℃）をとり、左縦軸に熱応力をとり、右縦軸にヒートシンク剥離発生率をとり、モールド樹脂６０のヤング率と熱応力との関係を白丸プロットにて、モールド樹脂６０のヤング率とヒートシンク剥離発生率との関係を黒丸プロットにて、それぞれ示してある。

この図８に示されるように、モールド樹脂６０の２６０℃におけるヤング率が０．８ＧＰａを超えると、熱応力が大きくなり、リフロー時などにおいてヒートシンク１０とモールド樹脂６０との剥離が発生するが、当該ヤング率が０．７ＧＰａ以下ではヒートシンク剥離発生率は実質的に０である。

このように、モールド樹脂６０の２６０℃におけるヤング率を０．７ＧＰａ以下とすれば、上記リフロー時などにモールド樹脂６０とヒートシンク１０と間に発生する熱応力を、剥離防止可能な程度に低く抑制できる。

つまり、本実施形態の半導体装置１００において、モールド樹脂６０の２６０℃におけるヤング率を０．７ＧＰａ以下とすれば、ヒートシンク１０とモールド樹脂６０との剥離を、より高レベルで防止することができる。

また、本実施形態の半導体装置１００においては、半導体チップとしてのＩＣチップ２０は、樹脂製の接着剤３０を介してヒートシンク１０の表面に固定されているが、ここにおいて、接着剤３０の２６０℃におけるヤング率は、０．０４ＧＰａ以下であることが好ましい。

このように、ＩＣチップ２０が樹脂製の接着剤３０を介してヒートシンク１０の表面に固定されている場合、モールド樹脂６０と同様、熱膨張係数差により、ヒートシンク１０と樹脂製の接着剤３０との間で熱応力が発生し、それによって剥離が生じやすい。

このヒートシンク１０と接着剤３０との間で剥離が生じると、ＩＣチップ２０とヒートシンク１０との熱的・電気的抵抗が大きくなるなど、やはり半導体装置１００における機能低下の問題が生じる。

そこで、この接着剤３０についても熱応力を低減するには、高温での接着剤３０のヤング率を小さくすることが有効であり、本発明者は、接着剤３０の２６０℃におけるヤング率と剥離との関係について検討を行った。

図９は、接着剤３０の２６０℃におけるヤング率（単位：ＧＰａ）に対する、接着剤３０とヒートシンク１０との間に発生する熱応力（単位：ＭＰａ）、および、接着剤３０とヒートシンク１０との間の剥離発生率（図９では接着剤剥離発生率と図示、単位：％）の関係について調査した結果を示す図である。

ここで、接着剤３０とヒートシンク１０との間に発生する熱応力については、接着剤３０の上記ヤング率を変えた半導体装置１００をサンプルとし、各サンプルについてＦＥＭ（有限要素法）解析により求めた。

また、接着剤剥離発生率については、これら各サンプルを実際に作成し、３０℃、７０％の湿度で２６４時間、吸湿させた後、リフロー相当温度である２６３℃にさらし、さらに−６５℃と１５０℃との冷熱サイクルを５００サイクル行った後、上記ＳＡＴで剥離状態を調査した。

図９では、横軸に接着剤３０のヤング率（２６０℃）Ｓａをとり、左縦軸に熱応力をとり、右縦軸に接着剤剥離発生率をとり、接着剤３０のヤング率と熱応力との関係を白丸プロットにて、接着剤３０のヤング率とヒートシンク剥離発生率との関係を黒丸プロットにて、それぞれ示してある。

この図９に示されるように、接着剤３０の２６０℃におけるヤング率が０．０５ＧＰａを超えると、熱応力が大きくなり、リフロー時などにおいてヒートシンク１０と接着剤３０との剥離が発生するが、当該ヤング率が０．０４ＧＰａ以下では接着剤剥離発生率は実質的に０である。

このように、接着剤３０の２６０℃におけるヤング率を０．０４ＧＰａ以下とすることにより、上記リフロー時などに接着剤３０とヒートシンク１０との間に発生する熱応力を、剥離防止可能な程度に低く抑制できる。

つまり、本実施形態の半導体装置１００において、接着剤３０の２６０℃におけるヤング率を０．０４ＧＰａ以下とすれば、ヒートシンク１０と接着剤３０との剥離をより高レベルに防止することができる。
［変形例］
なお、上記図１に示される半導体装置１００では、半導体チップとしてのＩＣチップ２０は、ヒートシンク１０の一面１１に樹脂製の接着剤３０を介して接着され固定されていた。そのため、上記のように比表面積が規定されたヒートシンク１０と樹脂製の接着剤３０との剥離も極力防止することができた。

ここにおいて、ＩＣチップ２０は、ヒートシンク１０の一面１１に樹脂製の接着剤３０ではなく、はんだなどを介して接着され固定されていてもよい。

この場合、ヒートシンク１０と樹脂製の接着剤との剥離という問題は回避されるが、やはり、半導体装置１００において、ヒートシンク１０とモールド樹脂６０との剥離を極力抑制できるという効果は発揮される。

また、上記図１に示される半導体装置１００は、たとえばＱＦＰやＳＯＰなどに適用可能な形態のものであったが、本実施形態のヒートシンク１０を適用可能な半導体装置としては、パッケージ形態やパッケージサイズなどが限定されるものではない。

図１０は、本第１実施形態のヒートシンク１０を適用可能な半導体装置としてのリードフレームを用いたＱＦＮパッケージ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｎｏｎ−Ｌｅａｄｅｄ Ｐａｃｋａｇｅ）構造を有する半導体装置を示す概略断面図である。

この場合、リードフレーム４０は、アウターリード部を無くし、リードフレーム４０のインナーリード部の下面をモールド樹脂６０から露出させるハーフモールド構造となっている。

図１１は、本第１実施形態のヒートシンク１０を適用可能な半導体装置としてのパワーモジュールの概略断面図である。

この場合、ヒートシンク１０の一面１１には、接着剤３０を介してＩＣチップ２０が搭載されている以外に、さらに、ＩＣチップ７１やチップ部品７２を搭載した基板７０が、接着剤３０を介して搭載されている。この基板７０としてはセラミック基板やプリント基板を採用できる。

もちろん、これら図１０、図１１に示される半導体装置においても、ヒートシンク１０の表面のうちモールド樹脂６０に封止されている部位Ｈ１、および、モールド樹脂６０から露出する部位Ｈ２は、比表面積が１．１４以上１．３２以下であり、それによって、モールド樹脂６０のクラック防止とヒートシンク１０の露出面１２における樹脂バリの防止とを適切に両立している。
（第２実施形態）
ところで、上記第１実施形態では、ヒートシンク１０の表面全体を、比表面積が１．１４以上１．３２以下であるものとしていた。

これは、実験的に求められた上記図７に示されるヒートシンク１０の比表面積Ｓａに対する、モールド樹脂６０の樹脂クラック発生率および樹脂バリ残り率の関係に基づいて得られたものである。

これらのことから、ヒートシンク１０の表面において樹脂クラックに関する部位と、樹脂バリに関する部位とを区別して、比表面積を規定してもよいと考えられる。

ここで、本実施形態の半導体装置も、上記第１実施形態と同様に、図１に示されるように、ヒートシンク１０と、ヒートシンク１０の表面に搭載されて固定されたＩＣチップ２０と、ＩＣチップ２０の周囲に配置されたリードフレーム４０と、ＩＣチップ２０、ヒートシンク１０、リードフレーム４０を包み込むように封止するモールド樹脂６０とを備え、ヒートシンク１０の表面の一部がモールド樹脂６０から露出している基本構成を有している。

そして、本実施形態においては、このような基本構成を有する半導体装置において、上記第１実施形態と相違する点は、上記図１中のヒートシンク１０の表面のうちモールド樹脂６０に封止されている部位Ｈ１が、比表面積が１．１４以上であり、一方、上記図１中のヒートシンク１０の表面のうちモールド樹脂６０から露出する部位Ｈ２が、比表面積が１．３２以下であるという点である。

このように、ヒートシンク１０において、それぞれの部位Ｈ１、Ｈ２で比表面積Ｓａを変えることは、部分的な選択メッキを行うなどにより、実現可能である。

本実施形態では、ヒートシンク１０の表面において樹脂クラックに係る部位、すなわちモールド樹脂６０に封止されている部位Ｈ１の比表面積が１．１４以上であるため、ヒートシンク１０とモールド樹脂６０との剥離を極力防止して、樹脂クラックを防止することができる。

一方、ヒートシンク１０の表面において樹脂バリに係る部位、すなわちモールド樹脂６０から露出する部位Ｈ２の比表面積が１．３２以下であるため、ヒートシンク１０とモールド樹脂６０との密着強度を過度に大きなものとすることなく、問題となるような樹脂バリの発生を防止することができる。

よって、本実施形態によっても、ヒートシンク１０、半導体チップ２０およびリード４０をモールド樹脂６０で包み込むように封止してなる半導体装置において、モールド樹脂６０のクラック防止とヒートシンク１０の露出面１２における樹脂バリの防止とを適切に両立することができる。

また、本実施形態の半導体装置においても、モールド樹脂６０の２６０℃におけるヤング率を０．７ＧＰａ以下とすることが好ましく、ＩＣチップ２０が樹脂製の接着剤３０を介してヒートシンク１０の表面に固定されている場合、接着剤３０の２６０℃におけるヤング率を０．０４ＧＰａ以下とすることが好ましい。
（他の実施形態）
なお、上記図１に示される半導体装置１００においては、ヒートシンク１０の表面のうちモールド樹脂６０に封止されている部位Ｈ１は、ヒートシンク１０の一面１１および側面１３であり、一方、モールド樹脂６０から露出する部位Ｈ２は、ヒートシンク１０の他面１２であったが、ヒートシンク１０のモールド樹脂６０からの露出形態が図１と相違する場合には、これら部位Ｈ１、Ｈ２も図１とは相違することはもちろんである。

また、上記実施形態では、ＩＣチップ２０とリードフレーム４０との電気的な接続は、ボンディングワイヤ５０により行っていたが、それ以外の方法で行ってもよい。

また、ヒートシンク１０の側面１３には突起部（コイニング）１４が無いものであってもよい。また、突起部１４の形状は、上記図示例に限定されるものではなく、モールド樹脂６０との密着性を向上させるような形状であればかまわない。

また、ヒートシンク１０の表面をメッキで構成する場合には、上記したメッキに限定されるものではなく、種々の材質のメッキや積層構成を採用できる。

要するに、本発明は、ヒートシンクと、ヒートシンクの表面に搭載されて固定された半導体チップと、半導体チップの周囲に配置され半導体チップと電気的に接続されたリードと、これらを包み込むように封止するモールド樹脂とを備え、ヒートシンクの表面の一部がモールド樹脂から露出している半導体装置において、ヒートシンク表面のうちモールド樹脂に封止されている部位の比表面積を１．１４以上とし、ヒートシンク表面のうちモールド樹脂から露出する部位の比表面積を１．３２以下としたことを要部とするものであり、その他の部分については適宜、設計変更が可能である。

（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る樹脂モールドパッケージタイプの半導体装置の概略断面図であり、（ｂ）は、（ａ）中のＡ部拡大図である。 ヒートシンク素材を直接粗化したヒートシンクを示す概略断面図である。 上記第１実施形態のヒートシンクの他の例を示す概略断面図である。 図１に示される半導体装置の実装構造の一例を示す概略断面図である。 図１に示される半導体装置の実装構造のもう一つの例を示す概略断面図である。 粗化されたヒートシンクの表面形状を模式的に示す図である。 ヒートシンクの比表面積Ｓａに対する、樹脂クラック発生率および樹脂バリ残り率の関係を示す図である。 モールド樹脂の２６０℃におけるヤング率に対する、熱応力およびヒートシンク剥離発生率の関係を示す図である。 接着剤の２６０℃におけるヤング率に対する、熱応力および接着剤剥離発生率の関係を示す図である。 上記第１実施形態の変形例としてのリードフレームを用いたＱＦＮ構造を有する半導体装置を示す概略断面図である。 上記第１実施形態の変形例としてのパワーモジュールとしての半導体装置を示す概略断面図である。 従来の一般的な樹脂モールドパッケージタイプの半導体装置の概略断面構成を示す図である。

符号の説明

１０…ヒートシンク、２０…半導体チップとしてのＩＣチップ、
４０…リードとしてのリードフレーム、６０…モールド樹脂、
Ｈ１…ヒートシンクの表面のうちモールド樹脂に封止されている部位、
Ｈ２…ヒートシンクの表面のうちモールド樹脂から露出する部位。

Claims (3)

1. ヒートシンク（１０）と、
   前記ヒートシンク（１０）の表面に搭載されて固定された半導体チップ（２０）と、
   前記半導体チップ（２０）の周囲に配置され前記半導体チップ（２０）と電気的に接続されたリード（４０）と、
   前記半導体チップ（２０）、前記ヒートシンク（１０）、前記リード（４０）を包み込むように封止するモールド樹脂（６０）とを備え、
   前記ヒートシンク（１０）の表面の一部が前記モールド樹脂（６０）から露出している半導体装置において、
   前記ヒートシンク（１０）の表面のうち前記モールド樹脂（６０）に封止されている部位（Ｈ１）および前記モールド樹脂（６０）から露出する部位（Ｈ２）は、平坦な母材（１０ａ）の上に比表面積が１．１４以上１．３２以下に粗化されたメッキ膜（１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ）が形成された同じ表面形状であることを特徴とする半導体装置。
2. 前記モールド樹脂（６０）の２６０℃におけるヤング率は、０．７ＧＰａ以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記半導体チップ（２０）は、樹脂製の接着剤（３０）を介して前記ヒートシンク（１０）の表面に固定されており、
   前記接着剤（３０）の２６０℃におけるヤング率は、０．０４ＧＰａ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。

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