JPH03266457A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、樹脂封止型高放熱性半導体装置に関するもの
である。

［従来の技術］ 今日、半導体の素子レベルにおける微細加工技術の進展
は目覚ましく、より一層の高集積化や高機能化が図られ
る一方、素子レベルの動作速度もこれに加えて高速化さ
れ、半導体チップからの放熱量も増加の一途をたどって
いる。

従来、一般的な樹脂封止型半導体装置における半導体チ
ップからの放熱は、外部に露出している封止樹脂表面と
、回路基板に接続されるリード部を通して行なわれてい
るが、このような構造では放熱性に限界がある。このた
め、最近ではダイパッドを兼ねる放熱用のヒートシンク
の裏面を露出させた状態で樹脂封止した高放熱性半導体
装置が用いられている。

この高放熱性半導体装置の製造は次のようにして行なわ
れる。まず、ダイパッド部分がなく、インナーリート、
アウターリート及びヒートシンク固定用リートを備えた
リードフレームをスタンピング又はエツチングにより作
製する。この際、ヒートシンク固定用リードは、ヒート
シンクがインナーリードに接触しないように、予めダウ
ンセット（固定部がインナーリートと同一平面上となら
ないように加工する）しておく。また、固定用リードの
端部にはプレス加工によって固定用の穴を穿設する。一
方、ヒートシンクには固定用の突起を形成しておく。

そして、ヒートシンクに設けた固定用の突起と固定用リ
ードの穴とを位置合わせし、かしめて固定した後、ヒー
トシンク上に半導体チップを高Ｐｂ半田又は導電性接着
材等でダイボンディングする。しかる後、半導体チップ
とインナーリード間のワイヤボンディングを行ない、ヒ
ートシンクの一部を露出させた状態で樹脂封止を行なう
ことにより目的とする半導体装置が得られる。

従来、かかる半導体装置のヒートシンクとしては、熱伝
導性の良好な銅又は希薄銅合金が用いられており、ヒー
トシンク露出部の変色を抑制するために露出部にＮｉメ
ツキが施されることもある。

〔発明が解決しようとする課題］ 上記のような従来の半導体装置において、これまでは、
封止樹脂とヒートシンクに用いられる銅との熱膨張係数
が近いため、封止樹脂とヒートシンクとの界面に隙間が
生じに（いと考えられてきた。

しかしながら、封止樹脂の熱伝導率は銅に比へて１７１
００程度と小さく、加熱時における両者の温度上昇プロ
ファイルが大きく異なるため、熱膨張係数が同レベルで
あっても、実際には、昇温の速い銅の膨張の方が封止樹
脂に比べてかなり大きくなり、両者の密着性が低下して
耐湿性が劣化するという問題が生じている。この封止樹
脂とヒートシンクの界面剥離による耐湿性の劣化の問題
は、急激な加熱が行なわれる表面実装の場合に特に顕著
である。

この発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、封
止樹脂とヒートシンクの密着性に優れ、熱衝撃を受けて
も耐湿性が劣化しない樹脂封止型高放熱性半導体装置を
提供することを目的とするものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明の半導体装置は、放熱用ヒートシンクの一部を露
出させた状態で、半導体チップと前記ヒートシンクが樹
脂で封止されてなり、上記の課題を達成するために、前
記ヒートシンクが、熱膨張係数１０Ｘ　ｔｏ−’／　ｔ
：以下で、かつ熱伝導率が０．５ｃａｌ／ｃｍ−ｓｅｃ
・℃以上の材料で構成されたものである。

本発明におけるヒートシンクは、具体的には高熱伝導性
セラミック材料、セラミック粒子を分散させた粒子分散
強化銅あるいは耐熱性！ａ維が混合された繊維強化銅等
から構成される。

［作用］ 本発明の作用を述べるにあたって、まず、第１図を用い
て°本発明による半導体装置の構造の一例を説明する。

図において、１は特定の範囲の熱膨張率と熱伝導率を有
するヒートシンクであり、ＳｉＣ、Ｃ−ＢＮ等の高密度
化された高熱伝導性セラミックや、Ａｌ２Ｏ３、５ｉＯ
ｚ等のセラミック粒子を高密度に分散させた粒子分散強
化銅、あるいはカーボンファイバーやＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ
３繊維等の耐熱性繊維を混合させた繊維強化銅等から構
成される。このヒートシンク１は、リードフレームの固
定用リート６に支持されている。ヒートシンク１が、粒
子分散強化銅や繊維強化銅等からなる場合、図に示され
るように固定用リート６に設けた穴にヒートシンク１の
突起を挿し込み、これをかしめて（かしめ部７）固定し
ても良いが、固定用リート６を設けずに、ヒートシンク
１を絶縁性テープを介して直接リードフレームのインナ
ーリード５ａに貼り付けることもできる。また、ヒート
シンク１がセラミック（電気絶縁性）からなる場合には
、接着材のみでインナーリード５ａに固定することもで
き、製造工程が簡略化できる。

半導体チップ３は、ヒートシンク１に直接ダイボンディ
ングされるとともに、その電極とインナーリード５ａが
ワイヤボンディング（ワイヤー４）されている。ヒート
シンク１がセラミックであって、高ｐｂ半田を用いてダ
イボンディングを行なう場合には、少なくともヒートシ
ンク１のチップ搭載部をＣｕやＮｉ等の金属で被覆して
おくと良い また、２はヒートシンクｌ、半導体チップ３及びインナ
ーリード５ａを封止する樹脂であって、この封止樹脂２
はヒートシンク１の半導体チップ３が搭載されていない
側の面が露出するように成形されている。

このような構造の半導体装置においては、半導体チップ
３で発生した熱は、速やかにヒートシンク１に伝達され
、その露出面から放散されることになる。第１図の例で
は、半導体装置の上面から放熱されることになるが、ア
ウターリード５ｂを反対側に折り曲げれば、裏面（回路
基板側）から放熱される構造となる。なお、第１図の構
造は説明のために示した例であり、半導体チップ３とイ
ンナーリード５ａの接続形式、インナーリード５ａ及び
アウターリード５ｂの形状等は本発明においては同等限
定されないことは言うまでもない。

次に、本発明においてヒートシンク１の熱膨張係数をＩ
ＯＸ　１０−６７　を以下とし、熱伝導率を０．５ｃａ
ｔ／ｃｍ−ｓｅｃ・℃以上とした理由について、説明す
る。

まず、熱膨張係数をＩＯＸ　１０−’／　を以下と樹脂
と同レベル以下に設定したのは、これ以上熱膨張係数が
大きいと、本質的に熱伝導率が樹脂よりも大きいヒート
シンクの加熱時の膨張の程道が樹脂より大幅に大きくな
ってしまい、界面の剥離を引き起こすからである。

また、熱伝導率を０．５　ｃａＬ／ｃｍ−ｓｅｃ・を以
上としたのは、０．５　ｃａｌ／ｃｍ−ｓｅｃ・ｔ：未
満では熱伝達速度が遅すぎて、本来のヒートシンクとし
ての機能を果たし得ないからである。

本発明においては、従来、樹脂と同レベルであることが
望ましいとされてきたヒートシンクの熱膨張係数を樹脂
と同レベル以下に設定し、かつ放熱効果を上げるには大
きい方が良いと考えられてきた熱伝導率を樹脂との整合
性がとれる範囲内とすることにより、急激な加熱がなさ
れた時にヒートシンクだけが急速に膨張して封止樹脂と
の界面に剥離が生しるのを防止し、熱衝撃を受けた後の
耐湿性の劣化を防いでいる。また、ヒートシンクの表面
に、ＮｉやＮｉ−Ｓｎ合金等の樹脂との密着性に優れる
メツキ層を設けると、より優れた耐湿性が得られる。

［実施例コ 実施例＝１ ヒートシンク用の材料として、幅１０ｍｍ、厚さ１．０
ｍｍのＳｉＣ、Ｃ−ＢＮ、　ＡＩＮ及び＾１２０５粒子
を５０ｗｔ零分散させた粒子分散強化銅を用意し、Ｓｊ
Ｃと粒子分散強化銅については、それぞれＣｕメツキ、
Ｎｉメツキを厚さを変えて施した。これらのヒートシン
ク材料とエポキシ基板（幅１ｈｍ、厚さ１．０ｍｍ　）
とを、接着長さが１０ｍｍとなるように熱圧着し、樹脂
を硬化させた。

次いで、上記のようにして作製した各試料片について、
熱サイクル試験（１５０℃、３０ａ＋ｉｎと常温の繰り
返し）と熱衝撃試験（２３０’Ｃの半田に５ｓｅｃ浸漬
）を行ない、密着力の低下の程度について引き剥がし試
験によって評価した。

上記の結果をまとめて第１表に示す。

比較例：１ ヒートシンク材として、無酸素銅を用い、表面にＮｉメ
ツキを厚さを変えて施し、実施例１と同様にして熱サイ
クル試験及び熱ｉ撃試験後の密着力の低下について調べ
た。この結果を第１表に示す。

第 １ 表 注）　村ＴＥＣ：熱膨張係数（ＸＩＯ−’／ｌ）＄２　
λ：熱伝導率　（ＣＩｌｌ／ＣＤｌ−５ｅｃ・ｔ：　）
＄ｘ表に示されるように、初期および熱サイクル試験後
については、実施例と比較例で密着強度の差がほとんど
ない。しかし、熱衝撃試験後については、実施例のもの
は密着強度の低下が掻く僅かであるのに対して、比較例
のものは密着強度が著しく低下していることが明らかで
ある。即ち、熱膨張率及び熱伝導率が本発明で限定した
範囲にあるヒートシンク材を用いた場合には、高温の半
田への浸漬という過酷な熱衝撃を加えても、樹脂との密
着性がほとんど低下しないが、熱Ｅ張車及び熱伝導率が
本発明で限定した範囲外のものを用いた場合には、急激
な加熱によって樹脂との密着性が劣化して界面剥離を生
じる。

また、実施例の結果を更に詳しく見ると、それぞれＣｕ
、Ｎｉメツキを施したＳｉＣ及び＾１２０３分散銅をヒ
ートシンク材としたものが、より耐熱衝撃性に優れてい
ることがわかる。

［発明の効果］ 以上のように、本発明においては、ヒートシンク材の熱
膨張係・数と熱伝導率を特定の範囲とじて封止樹脂との
整合を図っているので、急激な加熱が行なわれた場合に
おいてもヒートシンクと封止樹脂との密着性がほとんど
低下しない。即ち、過酷な熱衝撃を受けても、ヒートシ
ンクと封止樹脂の界面剥離が生じることがなく、熱衝軍
後においても優れた耐湿性が維持される。

このような効果を有する本発明は、例えばパワーＩＣ等
を回路基板に表面実装する場合等に、非常に有益である
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による半導体装置の構成の一例を示す断
面図である。 ［主要部分の符号の説明コ ト・・ヒートシンク ２・・・封止樹脂 ３・・・半導体チップ ４・・・ワイヤー ５ａ・・・インナーリード ５ｂ・・・アクタ−リード

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）放熱用ヒートシンクの一部を露出させた状態で、
   半導体チップと前記ヒートシンクが樹脂で封止された半
   導体装置において、 前記ヒートシンクが、熱膨張係数が１０×１０＾−＾６
   ／℃以下で、かつ熱伝導率が０．５ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅ
   ｃ・℃以上の材料で構成されたことを特徴とする半導体
   装置。
2. （２）前記ヒートシンクが、高熱伝導性セラミック材料
   からなることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. （３）前記ヒートシンクが、セラミック粒子を分散させ
   た粒子分散強化銅からなることを特徴とする請求項１記
   載の半導体装置。
4. （４）前記ヒートシンクが、耐熱性繊維が混合された繊
   維強化銅からなることを特徴とする請求項１記載の半導
   体装置。