JPH1022418A - 半導体素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】金属板を内蔵する樹脂封止型パッケージを備え
た半導体素子において、封止樹脂の金属板からの剥離の
発生と剥離の拡大を防止することの出来る半導体素子を
提供する。 【解決手段】半導体チップ５を載置した金属板３と、上
記半導体チップ５を封止する樹脂封止パッケージ２と、
を備えた半導体素子であって、金属板３の封止樹脂密着
面に、上記半導体チップ５の大部分を平面上で少なくと
もほぼ囲む形状の溝（６と７）を少なくとも２重以上に
設けたことを特徴とする半導体素子。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子、特に
金属板を内蔵した樹脂封止型パッケージを備えた半導体
素子における、金属板と封止樹脂との界面に発生および
拡大する封止樹脂の剥離の防止技術に関し、例えば、放
熱板を備えて大電流を通電させる半導体チップの実装に
利用して信頼性、品質向上に有効な技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】大電流通電を実現するための半導体素子
として、半導体チップを金属板に半田付けした構造があ
る。この半田付けされる金属板は大電流通電時に半導体
チップから発生する熱を放出する作用と、半導体チップ
を支持し、かつ封止樹脂を支持する構造となっている。
このような金属板においては、通常、金属板の封止樹脂
密着面側に、金属板と封止樹脂との熱膨張係数の違いに
よる剪断応力を緩和するための溝が１本だけ形成されて
いる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記のような金属板を
内蔵する樹脂封止型パッケージを備えた半導体素子は、
気相熱衝撃試験に代表される繰り返し熱衝撃印加状態下
において、金属板と封止樹脂との熱膨張係数の違いによ
って金属板と封止樹脂との界面に発生する剪断応力を緩
和するための溝を１本形成し、その１本の溝の内部に充
填される封止樹脂の投錨効果（樹脂や接着剤が非接着面
にある空隙に侵入、固化し、釘または楔のような働きを
する効果、アンカー効果とも云う）をもって剪断応力を
緩和する構造となっている。しかし、後述する理由によ
り、１本の溝だけでは熱衝撃による繰り返し剪断応力に
対して十分に抗することができず、剥離が発生すると、
その剥離が繰り返し剪断応力によって剥離面積を拡大し
ていき、その結果、半導体チップを金属板に接着してい
る半田層にクラックを発生させるという問題点があっ
た。

【０００４】前述の剪断応力を緩和する溝が１本で構成
される半導体素子において、１本の溝だけでは熱衝撃に
よる繰り返し剪断応力に対して十分に抗することができ
ない理由は以下の如くである。

【０００５】すなわち、封止樹脂の剥離は、半導体素子
に印加された熱衝撃による繰り返し剪断応力により、封
止樹脂端面から金属板と封止樹脂との界面の中心に向け
て拡大していくもの（以下、外からの剥離という）と、
金属板と封止樹脂との界面の中心付近から封止樹脂端面
に向けて拡大していくもの（以下、内からの剥離とい
う）との２つの剥離過程に依存し、また溝はその内部に
充填された封止樹脂の投錨効果によって剥離する面積拡
大を防止するようになっている。

【０００６】しかし、従来構造の半導体素子は１本の溝
で剪断応力を緩和する構造であるため、外からの剥離と
内からの剥離との両剥離が溝を挟み込んで、溝領域で接
触して繋がった場合には、溝に充填された封止樹脂の投
錨効果は失われてしまう。そのため、投錨効果を失った
封止樹脂は、繰り返し剪断応力によって広範囲にわたっ
てその剥離面積を急速に拡大していき、その結果、剪断
応力は半導体チップに集中し、半田クラックを発生させ
ることが本発明者によって明らかにされた。

【０００７】本発明は、上記のごとき従来技術の問題を
解決するためになされたものであり、金属板を内蔵する
樹脂封止型パッケージを備えた半導体素子において、封
止樹脂の金属板からの剥離の発生と剥離の拡大を防止す
ることの出来る半導体素子を提供することを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明においては、特許請求の範囲に記載するよう
に構成している。すなわち、請求項１に記載の発明にお
いては、半導体チップを載置した金属板と、上記半導体
チップを封止する樹脂封止パッケージと、を備えた半導
体素子であって、金属板の封止樹脂密着面に、上記半導
体チップの大部分を平面上で少なくともほぼ囲む形状の
溝または楔を少なくとも２重以上に設けるように構成し
ている。なお、上記の溝または楔は、半導体チップを切
れ目なしで完全に囲むものでなくてもよいが、半導体チ
ップの大部分を平面上で少なくともほぼ囲む形状（完全
に囲むか若しくは切れ目を有してほぼ囲む形状）で少な
くとも２重以上に設ける必要がある。

【０００９】また、請求項２においては、上記の溝また
は楔の断面形状を、Ｖ字型またはＵ字型若しくはＶ字型
とＵ字型との合成型にしたものである。

【００１０】上記のように、本発明においては、金属板
の封止樹脂密着面に、上記半導体チップを平面上で少な
くともほぼ囲む形状の溝または楔を少なくとも２重以上
に設けたものである。

【００１１】上記の構成によれば、熱衝撃による繰り返
し剪断応力により、金属板と封止樹脂との界面に対して
これを剥離させようとする力が作用し、金属板から封止
樹脂が剥離し、封止樹脂の投錨効果が希薄な界面上にて
その剥離面積を拡大していったとしても、例えば封止樹
脂の金属板密着面上において、溝が多重に設けられてい
る、すなわち、従来の溝の内側（または外側）に、新た
な溝または楔が設けられているので、従来構造の溝は外
からの剥離の拡大を防止せしめる効果を発揮し、新たな
溝は内からの剥離の拡大を防止せしめる効果を発揮す
る。そのため、従来構造の溝と新たな溝または楔との間
には剥離の発生しない領域が形成され、剥離の発生しな
い領域の封止樹脂と金属板との密着は保たれて、その剥
離の発生しない領域を囲む溝または楔による封止樹脂の
投錨効果をもって剪断応力を十分に緩和し、剥離力に対
して極めて強く抗することができる。したがって、外か
らの剥離と内からの剥離とが繋がるような広範囲にわた
る剥離の面積拡大は防止される。

【００１２】また、剥離は封止樹脂等による投錨効果の
希薄な界面上にて発生するが、従来構造の溝と新たな構
造である溝または楔との間の界面においては、その両構
造によって形成される封止樹脂または楔の投錨効果が、
剥離力に対して極めて強く抗するため、剥離は発生しな
い。

【００１３】すなわち、本発明の作用の概要を説明すれ
ば、従来の溝に加えて１本以上の溝または楔を金属板に
設けて２重以上の剥離拡大防止構造を形成することによ
り、熱衝撃での繰り返し応力により発生する外からと内
からとの２種類の剥離に対して、２重以上の剥離防止構
造が独立してそれぞれの両剥離の面積拡大の防止効果を
発揮するため、両剥離が繋がることはなく、剥離の拡大
は確実に防止される。さらに、新たに開設する溝または
楔の立体形状によって形成される封止樹脂の投錨効果に
よる剥離防止効果も同時に発揮されるのは前述の通りで
ある。

【００１４】

【発明の効果】金属板の封止樹脂密着面に、半導体チッ
プを平面上で少なくともほぼ囲む形状の溝または楔を少
なくとも２重以上に設けたことにより、熱衝撃に伴って
発生する応力によって金属板と封止樹脂が剥離した場合
でも、２重に設けた溝または楔で剥離の拡大を防止でき
るため、半導体チップを金属板に接着している半田層の
クラックの発生を防止することができ、半導体素子の耐
環境性、特に耐熱衝撃性を大幅に向上できる、という効
果が得られる。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１は本発明の一実施の形態であ
る樹脂封止パッケージを備えている半導体素子を示す断
面図、図２はそのパッケージに付属している金属板３の
樹脂密着面の平面図である。

【００１６】本実施の形態において、樹脂封止パッケー
ジを備えている半導体素子１は封止樹脂２と金属板３と
を備えており、金属板３はパッケージング以前には図２
に示されているように構成されている。すなわち、金属
板３の封止樹脂密着面側には、金属板と封止樹脂との熱
膨張係数の違いによる剪断応力を緩和する溝６に加え
て、封止樹脂の剥離の発生および拡大を防止する溝７を
溝６の内側に備えている。溝６の断面構造は通常Ｖ字状
であり、本実施の形態では溝７も断面構造をＶ字状とし
ている。溝７は、金属板３に金型プレス加工を施すこと
により形成される。例えば、溝６を形成するプレス金型
に溝７を形成する楔を形成することにより、溝７は溝６
のプレス加工と同時に金属板３に形成することができ
る。また、金属板３にエッチング加工を施しても溝６は
形成できるし、溝７も同様にして形成することができ
る。

【００１７】また、上記の溝６、７は、図２に示すよう
に、金属板面に対して閉じている（半導体チップ５を完
全に囲む形状）ものでなくてもよいし、また、切れ目が
あってもよいが、半導体チップ５の大部分を平面上で少
なくともほぼ囲む形状（完全に囲むか若しくは切れ目を
有してほぼ囲む形状）で少なくとも２重（溝６と７で２
重に囲んでいる）以上に設ける必要がある。

【００１８】金属板３上には、集積回路を作り込まれた
半導体チップ５が接着剤９（銀ペースト、半田等）によ
ってボンディングされており、半導体チップ５の電極パ
ッド（図示せず）と各インナーリード１１との間にワイ
ヤ１０がそれぞれボンディングされている。また、半導
体チップ５の集積回路は電極パッド、ワイヤ１０、イン
ナーリード１１およびアウターリード４を介して電気的
に外部に引き出されるようになっている。

【００１９】上記のごとき半導体素子において、半導体
チップ５の金属板３への接着剤９を用いたボンディング
作業は次のようにして行なわれる。まず、図２に示す金
属板３上の、あらかじめ塗布された銀ペースト上に、接
着剤９を塗布する。続いて、塗布された接着剤９上に、
集積回路を作り込まれた半導体チップ５を配置する。そ
して、ワイヤボンディングを行なった後、封止樹脂２を
用いて半導体チップ５は金属板３と一体成型される。こ
の封止樹脂２によって前記アウターリード４の一部、半
導体チップ５、ワイヤ１０およびインナーリード１１が
気密封止される。すなわち、金属板３上に封止樹脂２が
配置され、金属板３裏面は外部に露出し、封止樹脂２の
一端面からアウターリード４が突出された構造となる。

【００２０】次に作用を説明する。前記構成にかかる半
導体素子は出荷前に抜き取り検査を施される。抜き取り
検査では気相熱衝撃試験を含む環境試験が実施される。
また、この半導体素子がプリント配線基板等に実装され
る際には、半田ディップやフロー半田処理によって半導
体素子は加熱される。

【００２１】このような環境試験または実装時に熱衝撃
が半導体素子に加えられた場合、構成材料の熱膨張係数
差によって封止樹脂２の内部に応力が発生する。図３
は、上記内部応力を示す断面図であり、曲線が内部応力
を示す。

【００２２】封止樹脂２の内部応力は、主に半導体チッ
プ５の上辺付近および金属板３と封止樹脂２との界面に
加えて金属板３上の溝付近にて発生する。ただし、半導
体チップ５を金属板３に接着している接着剤９のクラッ
クはこの程度の応力集中では発生しない。しかし、度重
なる熱衝撃による繰返し応力により、金属板３と封止樹
脂２との界面に外からの剥離と内からの剥離が発生して
拡大し、両剥離が繋がって溝内部に充填された封止樹脂
の投錨効果が失われると、溝付近に分散されていた応力
が半導体チップ５に集中して過大な応力が作用するた
め、半田層にクラックが発生する。

【００２３】しかし、本実施の形態においては、金属板
３に溝６および溝７が構成されているため、封止樹脂２
と金属板３との界面に半田層クラックを発生させる程の
広範囲な剥離が発生することは無い。すなわち、前述し
たような熱衝撃による繰り返し応力により、金属板３と
封止樹脂２との界面に対してこれを剥離させようとする
力が作用し、外からの剥離と内からの剥離とが発生して
拡大したとしても、溝６に加えて溝７が新たに開設され
ていることから、外からの剥離に対しては溝６でその剥
離の拡大を防止し、内からの剥離に対しては溝７でその
剥離の拡大を防止する。そのため、外からの剥離と内か
らの剥離が繋がることはなく、剥離はそれ以上面積を拡
大できないため、溝６および溝７に充填された封止樹脂
２は投錨効果を保持し、故に半導体チップ５に熱応力が
集中することは無く、半田クラックは確実に防止され
る。そして、剥離が発生しない場合には、半導体チップ
５の上辺付近および金属板３と封止樹脂２との界面に応
力が加わったとしても、溝６および溝７に充填された封
止樹脂の投錨効果によって応力は分散され、半田層にク
ラックが発生しないのは前述した通りである。

【００２４】前記実施の形態によれば次の効果が得られ
る。すなわち、金属板に、従来より開設されている溝に
加えて、重複して溝を追加することにより、熱衝撃に伴
って発生する応力により金属板と封止樹脂が剥離した場
合でも、封止樹脂の端面から封止樹脂と金属板との界面
内部へ向けて拡大する剥離と、封止樹脂と金属板との界
面内部から封止樹脂の端面に向けて拡大する剥離との、
両剥離が繋がることによる広範囲な面積拡大を防止でき
るため、半導体チップを金属板に接着している接着剤層
のクラックの発生を防止することができる。

【００２５】次に、図３は本発明の第２の実施の形態を
示す断面図である。この実施の形態は、前記図１の実施
の形態における、樹脂の剥離の発生および拡大を防止す
る溝７に代えて、楔８を金属板３上に設けたものであ
り、その作用および効果は前記図１の実施の形態と同様
である。

【００２６】以上、本発明者によってなされた発明を実
施の形態に基づき具体的に説明してきたが、本発明は前
記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸
脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもな
い。例えば、樹脂の剥離の発生および拡大を防止する溝
または楔は、直線状、曲線状、多角線状、点線状等のよ
うな形状を問うものではない。

【００２７】また溝６および溝７のように金属板面に対
して閉じている必要もなく、封止樹脂２と金属板３との
界面内に重複して位置すれば効果を発揮するのは言うま
でもない。ただし、溝６と溝７（または楔８）は切れ目
なしで完全に囲むものでなくてもよいが、半導体チップ
の大部分を平面上で少なくともほぼ囲む形状（完全に囲
むか若しくは多少の切れ目を有してほぼ囲む形状）で多
重（少なくとも２重以上）に設ける必要がある。

【００２８】また、溝または楔の断面形状は、Ｖ字状に
形成するに限らず、Ｕ字状またはＶ字状とＵ字状との合
成型でも効果を発揮する。

【００２９】また、半導体チップ５を金属板３に接着し
ている半田層のクラックを防止するには、封止樹脂２と
金属板３との界面の接着を強化することが根幹にあるこ
とはいうまでもない。

【００３０】また、以上の説明では、主として本発明者
によってなされた発明をその背景となった利用分野であ
る樹脂封止パッケージを備えた半導体素子に適用した場
合について説明してきたが、それに限定されるものでは
なく、その他の形式の樹脂封止型パッケージを備えた半
導体素子等の半導体素子全般に適用することができるも
のである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を示す断面図。

【図２】図１のパッケージに付属している金属板３の樹
脂密着面の平面図。

【図３】本発明の第２の実施の形態を示す断面図。

【符号の説明】

１…金属板付き樹脂封止型の半導体素子 ２…封止樹脂 ３…金属板 ４…アウターリード ５…半導体チップ ６…熱衝撃による繰返し剪断応力を緩和するための溝 ７…樹脂の剥離の発生および拡大を防止するための溝 ８…樹脂の剥離の発生および拡大を防止するための楔 ９…接着剤 １０…ワイヤ １１…インナーリード

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体チップを載置した金属板と、上記半
   導体チップを封止する樹脂封止パッケージと、を備えた
   半導体素子であって、 金属板の封止樹脂密着面に、上記半導体チップの大部分
   を平面上で少なくともほぼ囲む形状の溝または楔を少な
   くとも２重以上に設けたことを特徴とする半導体素子。
2. 【請求項２】上記溝または楔の断面形状が、Ｖ字型また
   はＵ字型若しくはＶ字型とＵ字型との合成型であること
   を特徴とする請求項１に記載の半導体素子。