JP6167825B2

JP6167825B2 - 半導体装置

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Publication number: JP6167825B2
Application number: JP2013209929A
Authority: JP
Inventors: 寺井　護; 護寺井; 山本　圭; 圭山本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-10-07
Filing date: 2013-10-07
Publication date: 2017-07-26
Anticipated expiration: 2033-10-07
Also published as: JP2015076426A

Description

この発明は、半導体素子を樹脂で封止してなる半導体装置に関するものである。

半導体素子を用いた半導体装置は、半導体素子をエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂で封止したモールド型と、ゲル状樹脂で封止したゲル封止型が使用されている。特にモールド封止型の半導体装置は小型で信頼性に優れており、取り扱いが容易であることから、空調機器の制御などに広く用いられている。また、近年は、モーター制御を行う自動車の動力制御などにも使用されている。

従来の半導体装置では、小型化・大容量化を目的として放熱性を向上させるために熱伝導性に優れた金属からなるヒートシンクを設け、半導体素子で発熱した熱を拡散する手法を取り入れている。例えば、銅製のヒートシンク上に半導体素子がはんだ等により接合されている樹脂封止型半導体装置がある（例えば、特許文献１）。

特開平１−２７０３３６号公報（第３頁、第１図）

一方、従来のＳｉ（Ｓｉｌｉｃｏｎ）製半導体素子に比べて、低損失、高耐圧、高温動作が可能な化合物半導体素子として、例えばＳｉＣ（ＳｉｌｉｃｏｎＣａｒｂｉｄｅ）製半導体素子の半導体装置への適用が進められている。ＳｉＣ製半導体素子は、これらの利点が注目され適用開発が進められているが、Ｓｉ製半導体素子と比較して弾性率が高いことや、これまで以上のより厳しい温度環境下で動作することとなり、これまで以上に半導体素子にかかる応力が増大している。樹脂封止した半導体装置においては、特にヒートサイクル時に半導体素子と封止樹脂の界面にかかる応力はこれまで以上に高くなる。そのため、半導体素子と封止樹脂の界面で剥離が生じたり、半導体素子端部付近の封止樹脂にクラックが生じるため、半導体装置の絶縁信頼性低下を招くという問題点があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、ヒートサイクルに起因する半導体素子と封止樹脂の界面で生じる剥離や、半導体素子端部付近の封止樹脂に生じるクラックを抑制又はクラックの進展を抑制することで、絶縁信頼性の確保が可能な半導体装置を得るものである。

我々は、上記課題を克服するため鋭意検討を行った結果、半導体素子の接合面とヒートシンクの半導体素子搭載面とが同一形状である場合に優れた信頼性が得られることが明らかとなり、さらに詳細に検討を行うことで発明に到ったものである。

この発明に係る半導体装置は、半導体素子と、前記半導体素子の接合面と同一形状であって前記半導体素子を搭載する搭載面と、前記搭載面の辺部と接する領域の長さが前記辺部の長さよりも短く張り出し長さが前記半導体素子の辺方向の長さ以下で前記辺部から張り出した張出部とを有し、それぞれの前記辺部の端部に前記張出部がない金属部と、前記張出部と別部材であり、前記張出部と電気的に接続するリードフレームと、前記張出部を含み、前記半導体素子と前記金属部と前記リードフレームとを封止する封止樹脂とを備えたものである。

この発明は、ヒートシンクに半導体素子と同一形状の半導体素子の搭載面を設けることで、ヒートサイクル時の半導体素子と封止樹脂界面に発生する応力を低減したので、半導体素子端部に発生する封止樹脂の剥離やクラックの発生を抑制することが可能となり、絶縁信頼性の高い半導体装置が得られる。

この発明の実施の形態１の半導体装置の断面構造模式図である。この発明の実施の形態１の半導体装置の半導体素子を搭載した金属部であるヒートシンクの上面構造模式図である。この発明の実施の形態１の他の張出部の上面構造模式図である。この発明の実施の形態１の他の張出部の上面構造模式図である。この発明の実施の形態１の金属部であるヒートシンクの上面構造模式図である。この発明の実施の形態１の他の半導体装置の断面構造模式図である。この発明の実施の形態１の他の半導体装置の断面構造模式図である。この発明の実施の形態１の他の半導体装置の断面構造模式図である。この発明の実施の形態１の他の半導体装置の断面構造模式図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１の半導体装置の断面構造模式図である。図１において、半導体装置１００は、半導体素子２、リードフレーム３、金属部であるヒートシンク４、ボンディングワイヤ５、絶縁層６、金属箔７、封止樹脂８、接合材９を備える。

半導体素子２は、ＭＯＳＦＥＴ（ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの電力制御用半導体素子や還流ダイオードなどのパワー半導体素子が用いられる。また、半導体素子２は、接合材９によってヒートシンク４に接合される。さらに、回路構成に応じて、ＡｌやＣｕ、Ａｕ等のボンディングワイヤ５を用いて、半導体素子２、リードフレーム３、ヒートシンク４がそれぞれ接続されている。

接合材９は、はんだや銀などの熱溶融部材を用いて半導体素子２とヒートシンク４を接合するのが一般的であるが、電気的に接続されていれば接合方法は特に限定されず、例えば半導体素子２とヒートシンク４を超音波によって直接接合していてもよい。ヒートシンク４は、半導体素子２の発熱に対して熱抵抗を低減することを目的としている。

ヒートシンク４の半導体素子２が搭載されている搭載面の反対側の面には、金属箔７である銅箔付き絶縁層６が設けられている。絶縁層６は絶縁シートを用いることができる。絶縁シートは、エポキシ樹脂に熱伝導性に優れるシリカ、アルミナ、窒化ホウ素、窒化アルミニウム等の無機粉末が少なくとも１種以上充填されており、これらの無機粉末は単独でも複数の組合せでもよい。また、銅箔の絶縁シートが貼り付けられた面の反対側の面では銅箔面は露出している。この銅箔面は、半導体素子２の発熱による放熱性を確保するだけでなく、絶縁層６が外部からの接触により傷がつかないための保護層としての役目も果たしている。この目的を満たすものであれば、銅箔である必要もなく、アルミなどの金属箔７でも構わない。

封止樹脂８は、リードフレーム３やヒートシンク４に搭載された半導体素子２やＡｌワイヤ、絶縁シートなどの全体を封止するようにトランスファーモールドしている。封止樹脂８は、エポキシ樹脂に熱膨張係数の小さい溶融シリカ等の無機粉末や熱伝導性が優れるアルミナなどが充填されている。エポキシ樹脂は、半導体装置１００の放熱性や動作時の発熱量、動作温度にもよるが一般的なオルトクレゾールノボラック型やジシクロペンタジエン型などを用いる事ができる。しかし、半導体素子２が保護できれば特に限定されることはなく、例えば、ＳｉＣなどを用いた半導体素子２の動作温度の高温化によりナフタレン型や多官能型を用いた耐熱性の高い樹脂を用いることもできる。

また、温度サイクルなどの信頼性試験で発生する熱応力を想定した場合、封止樹脂８の熱膨張係数は、環境温度を想定した範囲内において、熱拡散板であるヒートシンク４の熱膨張係数と半導体素子２の熱膨張係数の間におさめておくことが望ましい。熱膨張係数の違いにより、温度差が生じた場合には、半導体素子２と封止樹脂８との接触面でのひずみの違いが生じ、応力が発生する。従って、熱拡散板であるヒートシンク４に搭載されている半導体素子２との応力を想定した場合には、両者の熱膨張係数の間の封止樹脂８を適用することが望ましい。

図２は、この発明の実施の形態１の半導体装置の半導体素子を搭載した金属部であるヒートシンクの上面構造模式図である。図３は、この発明の実施の形態１の他の張出部の上面構造模式図である。図４は、この発明の実施の形態１の他の張出部の上面構造模式図である。図２のように、金属部であるヒートシンク４は、半導体素子２の接合面と同一形状であって半導体素子２を搭載する搭載面４ａと、搭載面４ａの辺部と接する領域の長さが辺部の長さよりも短く辺部から張り出した張出部４ｂ，４ｃとを有している。張出部４ｂ、４ｃは、この張出部を介して他の部材との電気的接続が行われる。張出部４ｂ、４ｃの形状は特に限定されず、他の部材との電気的接続が可能であれば良く、例えば、図２、図３及び図４に示すように、三角形や四角形などの多角形構造や円弧状の半円形構造などを用いることができる。

また、ヒートシンク４と封止樹脂８の接着性を向上させるためにプライマー処理やプレス加工等の機械的アンカー構造、エッチング等の化学的アンカー構造等を設ける事ができる。これらのアンカー構造はリードフレーム３についても同様に設置する事が出来る。ただし、アンカー構造はワイヤ接合に不都合が生じたり、半導体素子２の搭載に不都合が生じない範囲で実施することができる。

図５は、この発明の実施の形態１の金属部であるヒートシンクの上面構造模式図である。図５において、ヒートシンク４は半導体素子２を搭載する搭載面４ａと張出部４ｂ、４ｃを備えている。すなわち、ヒートシンク４の搭載面４ａのサイズはＬ１及びＷ１で示され、張出部４ｂのサイズはＬ２及びＷ４で示され、半導体素子２の搭載面４ａにおける張出部４ｂの設置位置はＬ３で示されている。また、張出部４ｃのサイズはＷ２及びＬ４で示され、半導体素子２の搭載面４ａにおける張出部４ｃの設置位置はＷ３で示されている。本実施の形態１において、半導体素子２端部付近で発生する剥離やクラック等を防止するためにはＬ２，Ｗ４，Ｌ３，Ｗ２，Ｌ４，Ｗ３のサイズが非常に重要であり、Ｌ３≧Ｌ１×０．０２、Ｌ２≧２ｍｍ、２ｍｍ≦Ｗ４の範囲にそれぞれのサイズを設定する必要がある。なお、この関係は張出部４ｂに関するものであり、張出部４ｃの場合は、ＬとＷとを入れ替えることで対応可能である。

Ｌ３が、Ｌ１の０．０２倍を下回ると、張出部４ｂが半導体素子２の辺部の端部に近づきすぎることになり、半導体装置の信頼性が低下する。また、Ｌ３がＬ１の０．２７倍までは半導体の信頼性が段階的に向上するため、必要とされる信頼性に応じてＬ３のサイズは前述の範囲において適宜調整する事が出来る。Ｌ３がＬ１の０．２７倍を超えるサイズのヒートシンク４を用いることも可能であるが、ヒートシンクの本来の目的である熱拡散には不利になる。また、Ｌ２及びＷ４が２ｍｍを下回るとワイヤ接合や外部接続端子などを形成するための張出部４ｂの設置面積の確保が困難であり、アセンブリが出来ない。従って、上記のサイズ範囲を満たすことで、絶縁信頼性の高い半導体装置を得る事が出来る。また、Ｌ１とＷ１とが同サイズであれば、便宜上、張出部４ｂのサイズを用いて全ての張出部のサイズを規定できる。

なお、Ｗ１とＬ１のサイズが異なる場合は、上記の範囲で、それぞれの辺に見合った張出部を設定する事が出来る。張出部は辺の中心部にある必要はなく、上記の範囲内で設置する事が出来る。また、張出部は４辺すべてに設置する必要はなく、必要に応じてその数を調整する事が出来る。さらに、張出部の厚みを変える、例えば、半導体素子２の搭載面４ａの厚さよりも薄くすることできる。熱抵抗的に余裕のある場合は、張出部の厚みを薄くすることで、より応力を低減することができる。

また、ヒートシンク４のチップ搭載部の角部分は適宜カット形状を変更する事が可能である。すなわち、０．２ｍｍＲ以上の丸みを付けたり、３面以上の平面で構成する事が出来る。ヒートシンクの角部をカットすることにより、より半導体素子２の角部に発生する応力を低減する事が出来る。

ヒートシンク４の張出部はチップ搭載部と高さを違えることもできる。例えば張出部４ｂ及び４ｃの厚みをチップ搭載部の厚みより０．２ｍｍ薄くした場合、ヒートシンクとしての機能を損なうことなく、チップとチップ搭載部の位置ずれを防止する事が出来る。厚みの差は好ましくは２ｍｍ以下、より好ましくは０．５ｍｍ以下である。厚みの差が大きくなるとヒートシンクとしての熱拡散性能に悪影響を及ぼすことになる。

図６から図９は、図１に示した本実施の形態１における半導体装置１００以外の電気的接続方法を用いた半導体装置に関する図である。

図６は、この発明の実施の形態１の他の半導体装置の断面構造模式図である。図６において、半導体装置２００は、半導体素子２、リードフレーム３、金属部であるヒートシンク４、絶縁層６、金属箔７、封止樹脂８、接合材９、接続端子１０、接続バー１１を備える。

図６に示した半導体装置２００では、半導体装置２００内部の電気的接続は接続端子１０と接続バー１１とを用いて行っている。例えば、接続端子１０は、円筒形状のものを用いることができる。また、接続バー１１としては、この接続端子１０の円筒形状と接続可能な形状であれば良い。

図７は、この発明の実施の形態１の他の半導体装置の断面構造模式図である。図７において、半導体装置３００は、半導体素子２、リードフレーム３、金属部であるヒートシンク４、絶縁層６、金属箔７、封止樹脂８、接合材９を備える。

図７に示した半導体装置３００では、半導体装置３００内部の電気的接続はリードフレーム３を用いて行っている。

図８は、この発明の実施の形態１の他の半導体装置の断面構造模式図である。図８において、半導体装置４００は、半導体素子２、リードフレーム３、金属部であるヒートシンク４、ボンディングワイヤ５、絶縁層６、金属箔７、封止樹脂８、接合材９を備える。

図８に示した半導体装置４００では、半導体装置４００内部の電気的接続はボンディングワイヤ５とリードフレーム３とを組み合わせて行っている。

図９は、この発明の実施の形態１の他の半導体装置の断面構造模式図である。図９において、半導体装置５００は、半導体素子２、リードフレーム３、金属部であるヒートシンク４、ボンディングワイヤ５、絶縁層６、金属箔７、封止樹脂８、接合材９を備える。

図９に示した半導体装置５００では、半導体装置５００内部の電気的接続はボンディングワイヤ５を用いて行っている。また、張出部は、各辺部すべてに必要ではなく、回路構成により、電気的に接続が必要な部分に形成されていれば良い。

このように、電気的な接続は、所望の電流密度の電流を流すことが可能な接続方法を用いれば特に限定されない。また、回路構成等に応じた配線部材や配線形態を選択することで、さまざまな構成の半導体装置の形成が可能である。いずれの接続形態の半導体装置においても、本発明を適用することで同様な信頼性向上の効果を得ることができる。

以上のように構成された半導体装置においては、半導体素子２を半導体素子２と同一形状のヒートシンク４の搭載面４ａに搭載したので、封止樹脂の体積に対するヒートシンクの体積の割合が減少することで、ヒートサイクルに起因して発生する応力を低減することができる。その結果、半導体素子２と封止樹脂８との界面で生じる封止樹脂８の剥離や封止樹脂８のクラックを防止することができ、半導体装置の絶縁信頼性の向上が可能となる。

また、半導体素子２と同一形状のヒートシンク４の搭載面４ａとした応力低減構造となっていることから、封止樹脂８に求められる弾性率や樹脂強度などの要求特性値の許容幅が広がり、半導体装置の生産性向上、低コスト化につながる。

さらに、張出部４ｂ，４ｃの形状が四角形である場合、張出部４ｂ，４ｃのヒートシンク４の搭載面と接する領域の幅が半導体素子２の辺方向の長さの５０％であり、張出部４ｂ，４ｃの張り出し長さが半導体素子２の辺方向の長さの２５％である場合においては、銅板からヒートシンク４を抜き打ちする際に部材の無駄を最小限に抑える事ができるため、より低コストにヒートシンク４を製造することが可能となる。

［実施例］
ＳｉＣ製半導体素子２を一方の面に接合し、他方の面に絶縁層を設けたヒートシンク４にリードフレーム３を接合し、全体をエポキシ樹脂で封止したモールド型半導体装置を作製した。表１に試作・評価したヒートシンクのサイズと信頼性との関係を示す。ＳｉＣ製半導体素子２のサイズはＣＬ及びＣＷで示され、厚みは０．３ｍｍとし、ヒートシンク４のサイズは表１に示され、厚みは３ｍｍとした。ここで、ヒートシンク４の半導体素子搭載面４ａのサイズはＬ１及びＷ１で示され、張出部４ｂのサイズはＬ２及びＷ４で示され、半導体素子搭載面４ａにおける張出部４ｂの設置位置はＬ３で示されている。また、張出部４ｃのサイズはＷ２及びＬ４で示され、半導体素子搭載面４ａにおける張出部４ｃの設置位置はＷ３で示されている（図５参照）。ヒートシンク４とリードフレーム３とは放熱性を考えて銅とした。ヒートシンク４上には半導体素子２として、ＭＯＳＦＥＴとショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ：ＳｃｈｏｔｔｋｙＢａｒｒｉｅｒＤｉｏｄｅ）の２種を搭載した。

封止樹脂８は、ガラス転移点（Ｔｇ）が約１９０℃のエポキシ樹脂にシリカを８２重量％充填し、熱膨張係数を１２×１０^−６（１／Ｋ）となるものを用いた。

このようなヒートシンク４上に半導体素子２を接合し、半導体素子２とヒートシンク４の必要な場所にボンディングワイヤ５及びリードフレーム３にて電気的接続を行い、リードフレーム３や絶縁層６と合わせてトランスファーモールドによる樹脂封止を行った。樹脂封止は約１８０℃で１２０秒間行い、金型取り出し後にオーブンにて１８０℃４時間のポストモールドキュア（ＰＭＣ）を実施した。

半導体装置１００の信頼性試験は、温度サイクル試験にて実施した。温度サイクル試験は冷熱衝撃試験機（ＥＳＰＥＣ製ＴＳＤ−１００）に半導体装置を投入し、高温槽内の温度を−６０℃と１８０℃との間を繰り返し往復させて実施させた。信頼性の判定基準は、温度サイクル試験が１０００サイクル経過後に剥離無きこととした。剥離有無の判断は、超音波映像装置（日立エンジニアリング・アンド・サービス製ＦｉｎｅＳＡＴ）で観察して実施した。

実施例１〜４はＬ１，Ｗ１，Ｌ２，Ｌ３（Ｗ２，Ｗ３）のサイズは同一で、張出部４ｂ（４ｃ）のサイズＷ４（Ｌ４）を振ったヒートシンク４を用いた半導体装置の結果を示している。Ｗ４が２ｍｍを超える範囲ではアセンブリ性も信頼性も問題はなかったが、Ｗ４が１ｍｍの場合はワイヤ接合がうまくいかずアセンブリができなかった。以上の結果より、Ｗ４は２ｍｍ以上であればアセンブリ性と信頼性とを両立できる半導体装置を得られる事が明らかとなった。

実施例１、５及び６はＬ１，Ｗ１，Ｌ２，Ｗ４（Ｗ２，Ｌ４）のサイズは同一で、半導体素子搭載面４ａにおける張出部４ｂ，４ｃの設置位置Ｌ３（Ｗ３）の大きさを振ったヒートシンクを用いた半導体装置の結果を示している。Ｌ３が０．１ｍｍの場合はアセンブリ性には問題が生じないが、信頼性に問題が生じた。一方、実施例１についてはアセンブリ性と信頼性とに問題は生じなかった。以上の結果より、Ｌ３はＬ１の０．０２倍以上（Ｗ３はＷ１の０．０２倍以上）であればアセンブリ性と信頼性とを両立できる半導体装置を得られる事が明らかとなった。

実施例７、８はＬ１，Ｗ１，Ｌ３，Ｗ４（Ｗ３，Ｌ４）のサイズは同一で、半導体素子搭載面４ａにおける張出部４ｂ，４ｃの大きさを振ったヒートシンク４を用いた半導体装置の結果を示している。Ｌ２（Ｗ２）が１ｍｍの場合はボンディングワイヤ５接合がうまくいかずアセンブリができなかったが、Ｌ２が２ｍｍの場合はアセンブリ性と信頼性とを両立できる半導体装置を得られた。以上の結果より、Ｌ２は２ｍｍ以上であればアセンブリ性と信頼性とを両立できる半導体装置を得られる事が明らかとなった。

実施例９は、Ｌ２＝２ｍｍ、Ｗ４＝２ｍｍの大きさである半導体素子搭載面４ａにおける張出部４ｂが左右非対称に設置されている。すなわち、Ｌ１＝１０ｍｍであり、Ｌ３＝３ｍｍであるため、張出部４ｂはヒートシンク４の辺の中心から１ｍｍずれているが、アセンブリ性には問題がなく、また信頼性にも問題は生じなかった。実施例９のヒートシンク４の各サイズは実施例１〜８で述べてきた各サイズの規定内であることから、アセンブリ性と信頼性とが両立できた半導体装置を得られたと考えられる。

実施例１、１０〜１１はＬ２，Ｌ３，Ｗ４のサイズは同一で、半導体素子搭載面４ａのＬ１，Ｗ１を振ったヒートシンク４を用いた半導体装置の結果を示している。なお、半導体素子２のサイズはＣＬ＝１０ｍｍ、ＷＬ＝１０ｍｍのものを用いた。Ｌ１及びＷ１のサイズが１０．５ｍｍの場合はアセンブリ性、信頼性ともに問題なかったが、１１ｍｍの場合は信頼性に問題が生じた。一方、Ｌ１及びＷ１のサイズが８ｍｍの場合は半導体素子２が半導体素子搭載面４ａから大きくずれて搭載されてしまう場合があり、アセンブリ性に課題が生じた。

以上の結果より、半導体素子搭載面４ａと半導体素子２とのサイズは概ね同一であることが必要であり、少なくとも半導体搭載面４ａのサイズは半導体素子２のサイズよりも大きく、半導体素子搭載面４ａのサイズと半導体素子２のサイズとの差は０．０５％以下であれば良い。

実施例１３から１５は半導体素子２の大きさを振り、それらの半導体素子２の大きさに合わせたヒートシンク４を用いた半導体装置の結果を示している。これらの実施例は、従前に示した半導体素子２とヒートシンク４のサイズ規定に従っており、アセンブリ性と信頼性を両立した半導体装置が得られたことが分かった。以上の結果より、ヒートシンク４のサイズＬ１，Ｗ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｗ４，Ｗ２，Ｗ３，Ｌ４のサイズ制約は半導体素子２のサイズＣＬ＝１０ｍｍ、ＣＷ＝１０ｍｍに限ったものでなく、普遍的なものであることが明らかとなった。

１半導体装置、２半導体素子、３リードフレーム、４ヒートシンク、５ボンディングワイヤ、６絶縁層、７金属箔、８封止樹脂、９接合材、１０接続端子、１１接続バー。

Claims

半導体素子と、
前記半導体素子の接合面と同一形状であって前記半導体素子を搭載する搭載面と、前記搭載面の辺部と接する領域の長さが前記辺部の長さよりも短く張り出し長さが前記半導体素子の辺方向の長さ以下で前記辺部から張り出した張出部とを有し、それぞれの前記辺部の端部に前記張出部がない金属部と、
前記張出部と別部材であり、前記張出部と電気的に接続するリードフレームと、
前記張出部を含み、前記半導体素子と前記金属部と前記リードフレームとを封止する封止樹脂と、
を備えたことを特徴とする半導体装置。
前記張出部は、多角形であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記張出部は、円弧状であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記搭載面は、多角形であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置。
前記張出部の前記辺部と接する領域の長さは、２ｍｍ以上であり、かつ、前記張出部が接する前記辺部の一方の前記端部から前記一方の前記端部側の前記張出部の端部までの長さは、前記辺部の長さの０．０２倍以上であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置。
前記張出部の前記辺部からの張り出し長さは、２ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の半導体装置。