JP2006120838A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 金属体上に半導体素子をはんだ接合したものを、モールド樹脂により封止してなる半導体装置において、温度サイクルによるはんだ層のクラック発生を極力防止する。
【解決手段】 金属体１０と、金属体１０の一面に搭載された半導体素子２０と、金属体１０と半導体素子２０との間に介在し金属体１０と半導体素子２０とを接合するはんだ層３０と、金属体１０および半導体素子２０を包み込むように封止する第１の樹脂４０とを備える半導体装置１００において、はんだ層３０の外周には、熱膨張係数が第１の樹脂４０よりもはんだ層３０に近いエポキシ樹脂などからなる第２の樹脂７０を、はんだ層３０の端部と接した状態で全周に設けている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、金属体上に半導体素子をはんだ接合したものを、モールド樹脂により封止してなる樹脂封止タイプの半導体装置に関する。

樹脂封止タイプの半導体装置すなわち半導体モールドパッケージにおいては、半導体素子の高出力化と高密度化に伴い、極めて高い放熱性が要求される。そのため、従来の半導体装置においては、半導体素子は、放熱の機能を果たす金属体とはんだ接合されモールド樹脂により封止される。

図２は、一般的なこの種の樹脂封止タイプの半導体装置の具体的な構成を示す概略断面図である。

この半導体装置は、放熱用の金属体１０と、この金属体１０の一面に搭載された半導体素子２０と、金属体１０と半導体素子２０との間に介在し金属体１０と半導体素子２０とを接合するはんだ層３０とを備えている。

そして、この半導体装置は、これら金属体１０および半導体素子２０がモールド樹脂４０によって包み込まれるように封止されて構成されている。通常は、金属体１０の一面がモールド樹脂４０から露出しており、それによって、半導体素子１０からの熱は、はんだ層３０、金属体１０を介して放熱されるようになっている。

また、この図２に示される半導体装置においては、半導体素子２０の電気的な取り出し構成として、半導体素子２０の周囲にリードフレーム５０を配設するとともに、これら半導体素子２０とリードフレーム５０とをボンディングワイヤ６０により結線した構成を採用している。

ここで、リードフレーム５０におけるボンディングワイヤ６０との接続部は、インナーリードとしてモールド樹脂４０の内部に封止され、リードフレーム５０は、モールド樹脂４０の外部に突出した部位すなわちアウターリードにて、外部と電気的な接続が可能となっている。

こうして、半導体素子２０は、ボンディングワイヤ６０、リードフレーム５０を介して外部と電気的な接続がなされるようになっている。

しかしながら、はんだは、小さな応力で塑性変形域に至るため、このようなはんだ接合部を持つ半導体装置を、熱衝撃などのおおきな温度サイクルの加わる環境で使用した場合、たとえば車両に搭載した状態（実車環境下）で使用した場合には、次のような問題が生じる。

たとえば、上記図２に示される半導体装置において、はんだ層３０は、互いに熱膨張係数の違う半導体素子２０、金属体１０およびモールド樹脂４０と接するため、実車温度サイクル下で応力（熱応力）を受ける。

ここで、従来では、モールド樹脂４０は、はんだ層３０だけでなく半導体素子２０や金属体１０を保護する目的も兼ねているため、その物性は、はんだ層３０のみを考慮した設計値とななっていない。そのため、はんだ層３０に加わる応力が大きくなってしまうことは避けられない。

この応力を受けたはんだ層３０は塑性変形域に至り、やがてクラックが発生する。そして、このクラックが発生したはんだ層３０は、導電性に劣るだけでなく伝熱性にも劣るため、半導体素子２０からの熱が金属体１０へ伝わりにくくなる。

そのため、半導体装置において、パッケージの放熱性が極端に低下することになる。そして、この放熱性が低下すると、半導体素子２０が、その耐熱温度を超える温度域に達しやすくなり、半導体素子２０が機能不良に陥いるという恐れがある。

本発明は、上記したような問題に鑑みてなされたものであり、金属体上に半導体素子をはんだ接合し、これら半導体素子および金属体をモールド樹脂により封止してなる半導体装置において、温度サイクルによるはんだ層のクラックの発生を極力防止することを目的とする。

上記した目的を達成するため、請求項１に記載の発明によれば、金属体（１０）と、金属体（１０）の一面に搭載された半導体素子（２０）と、金属体（１０）と半導体素子（２０）との間に介在し、金属体（１０）と半導体素子（２０）とを接合するはんだ層（３０）と、金属体（１０）および半導体素子（２０）を包み込むように封止するモールド樹脂としての第１の樹脂（４０）とを備える半導体装置において、はんだ層（３０）の外周には、熱膨張係数が第１の樹脂（４０）よりもはんだ層（３０）に近い第２の樹脂（７０）が、はんだ層（３０）の端部と接した状態で全周に設けられていることを特徴としている。

本発明の構成によれば、第２の樹脂（７０）は、熱膨張係数が第１の樹脂（４０）よりもはんだ層（３０）に近いものとしているため、熱が加わったとき、はんだ層（３０）とともに変形しやすく、その結果、はんだ層（３０）に加わる熱応力が緩和されると考えられる。

また、このような第２の樹脂（７０）が、はんだ層（３０）の全周に接して設けられていることにより、熱によるはんだ層（３０）の変形が、第２の樹脂（７０）によって押さえ込まれることで拘束されると考えられる。

そして、実際に本発明者が行った実験によれば、本発明の半導体装置においては、従来のものに比べて、半導体装置の寿命を大幅に長くできることが確認できた。

したがって、本発明によれば、金属体（１０）上に半導体素子（２０）をはんだ接合し、これら金属体（１０）および半導体素子（２０）をモールド樹脂（４０）により封止してなる半導体装置において、温度サイクルによるはんだ層（３０）のクラックの発生を極力防止することができる。

ここで、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、第２の樹脂（７０）は、熱硬化性樹脂であることを特徴としている。

さらに、請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の半導体装置において、前記熱硬化性樹脂は、エポキシ系樹脂であることを特徴としている。第２の樹脂（７０）としては、このようなものにできる。

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。

図１は、本発明の実施形態に係る半導体モールドパッケージ１００すなわち樹脂封止タイプの半導体装置１００の概略的な断面構成を示す図である。

図１に示されるように、本実施形態における半導体装置１００は、主として、放熱用の金属体１０と、この金属体１０の一面に搭載された半導体素子２０と、金属体２０と半導体素子１０との間に介在し金属体１０と半導体素子２０とを接合するはんだ層３０とを備えるとともに、これら金属体１０および半導体素子２０を包み込むように封止するモールド樹脂４０とを備えて構成されたものである。

金属体１０は、たとえばヒートシンクとして構成されたり、リードフレームのアイランド部などとして構成されるものである。このような金属体１０は、たとえば、銅や銅合金もしくはアルミニウムやアルミニウム合金などの熱伝導性および電気伝導性の良い金属により構成されている。

また、この金属体１０は、特に形状を限定するものではないが、たとえば、全体としてほぼ長方形状の板材とすることができる。このような金属体１０は、たとえば、プレス加工などにより形成することができる。

そして、図１に示されるように、金属体１０における半導体素子２０が搭載された一面（図１中の上面）とは反対側の他面（図１中の下面）は、モールド樹脂４０から露出しており、金属体１０における放熱面として構成されている。

金属体１０の一面上に搭載された半導体素子２０は、図１では、１個しか示されていないが、この半導体素子２０は２個以上、すなわち複数個設けられていてもよい。つまり、複数個の半導体素子２０が、金属体１０の一面上にはんだ層３０を介して接合されていてもよい。

ここで、半導体素子２０としては、特に限定されるものではないが、たとえばＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）やサイリスタなどのパワー半導体素子やＦＷＤ（フリーホイールダイオード）などから構成することができる。言うまでもないが、このような半導体素子２０は、シリコン半導体基板（半導体チップ）に半導体製造技術を用いて形成することができるものである。

また、このような金属体１０の一面上に搭載される半導体素子２０の一般的な構成として、半導体素子２０の表面（図１中の上面）はトランジスタなどの素子が形成された素子形成面となっており、裏面（図１中の下面）はそのような素子が形成されていない非形成面となっている。

そして、半導体素子２０の裏面すなわち非形成面に金属体１０が設けられ、金属体１０と半導体素子２０とがはんだ層３０を介して、機械的および熱的、さらに場合によっては電気的にも接続されている。

また、本実施形態において、はんだ層３０としては、一般的に用いられている各種のはんだ、たとえば、Ｓｎ−Ｐｂ系はんだや、Ｓｎ−Ａｇ系はんだなどの鉛フリーはんだを採用することができる。

これにより、上記した構成においては、駆動時などに半導体素子２０から発生する熱は、はんだ層３０を介して金属体１０へ伝わり、金属体１０の放熱面から外部へ放熱されるようになっている。

また、図１に示される半導体装置１００においては、半導体素子２０の電気的な取り出し構成として、半導体素子２０の周囲にリードフレーム５０を配設するとともに、半導体素子２０とリードフレーム５０とをボンディングワイヤ６０により結線した構成を採用している。

ここにおいて、リードフレーム５０としては、通常の電子装置に用いられる銅や４２アロイなどのリードフレーム材料を採用することができる。また、ボンディングワイヤ６０は、アルミニウムワイヤや金ワイヤなどを用い通常のワイヤボンディング法により形成されるものである。

ここで、リードフレーム５０におけるボンディングワイヤ６０との接続部は、インナーリードとしてモールド樹脂４０の内部に封止され、リードフレーム５０は、モールド樹脂４０の外部に突出した部位すなわちアウターリードにて、外部と電気的な接続が可能となっている。

こうして、本実施形態の半導体装置１００においては、半導体素子２０は、ボンディングワイヤ６０、リードフレーム５０を介して外部と電気的な接続がなされ、信号のやりとりなどが可能になっている。

さらに、本実施形態の半導体装置１００においては、金属体１０の放熱面が露出するように、半導体装置１００のほぼ全体が、上記モールド樹脂４０によりモールドされ封止されている。

このモールド樹脂４０は、たとえばエポキシ樹脂などの通常のモールド材料を採用することができる。また、半導体素子２０、金属体１０、リードフレーム５０、ボンディングワイヤ６０をモールド樹脂４０でモールドするにあたっては、成形型を使用したトランスファーモールド法やポッティングなどによって容易に行うことができる。

このような構成を有する本半導体装置１００においては、さらに独自の構成として、図１に示されるように、はんだ層３０の外周において、はんだ拘束用樹脂７０が、はんだ層３０の端部と接した状態で全周に設けられている。つまり、はんだ拘束用樹脂７０は、はんだ層３０の外周端部に接して取り囲むように環状に設けられ、モールド樹脂４０により封止されている。

このはんだ拘束用樹脂７０は、熱膨張係数がモールド樹脂４０よりもはんだ層３０に近い樹脂により構成されている。ここで、モールド樹脂４０が第１の樹脂として構成され、はんだ拘束用樹脂７０が第２の樹脂として構成されている。

はんだ拘束用樹脂７０としては、エポキシ樹脂やポリイミド樹脂などの熱硬化性樹脂、または、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）やＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）などの熱可塑性樹脂などの樹脂を採用することができる。特に、はんだ拘束用樹脂７０として典型的に採用できるものとしては、熱硬化性樹脂、その中でもエポキシ系樹脂が挙げられる。

ここで、はんだ拘束用樹脂７０の熱膨張係数を、モールド樹脂４０よりもはんだ層３０に近づけることは、樹脂中のフィラーの含有量を変えたり、成分や組成比、重合度などを変えたりすることにより実現可能である。

ここで、本半導体装置１００における各部の熱膨張係数（α）の一具体例を挙げておく。たとえば、銅などからなる金属体１０の熱膨張係数は１６〜１７ｐｐｍ／℃、シリコンなどからなる半導体素子２０の熱膨張係数は３〜１０ｐｐｍ／℃、はんだ層３０の熱膨張係数は２０〜２５ｐｐｍ／℃、また、モールド樹脂４０の熱膨張係数は８〜１７ｐｐｍ／℃である。

そして、たとえば、熱膨張係数が上記した具体的数値のようになっている場合には、はんだ拘束用樹脂７０の熱膨張係数は、はんだ層３０の熱膨張係数である２０〜２５ｐｐｍ／℃に近い値とすることになる。

このような構成を有する本実施形態の半導体装置１００は、たとえば、次のようにして製造することができる。

まず、金属体１０の一面に、たとえばＳｎ系はんだからなるはんだ箔を介して半導体素子２０を積層する。この後、たとえば、加熱装置（リフロー装置）によって、はんだの融点以上に昇温することにより、上記はんだ箔を溶融させてから、冷却し、はんだを硬化させる。

こうして、溶融したはんだ箔が硬化すれば、この硬化したはんだが、はんだ層３０として構成されることになる。そして、このはんだ層３０を介して金属体１０と半導体素子２０との間の接合が実現する。

続いて、半導体素子２０と、その周囲に配置されたリードフレーム５０との間でワイヤボンディングを行い、半導体素子２０とリードフレーム５０とをボンディングワイヤ６０により結線する。

しかる後、ポッティングなどにより、はんだ層３０の外周の全周に、はんだ拘束用樹脂７０を配設し、これを硬化させる。その後、トランスファーモールド法やポッティングなどにより、装置のほぼ全体をモールド樹脂４０により封止する。

これによって、図１に示されるように、モールド樹脂４０によって、金属体１０、半導体素子２０、はんだ層３０、はんだ拘束用樹脂７０、リードフレーム５０、ボンディングワイヤ６０が封止される。こうして、上記半導体装置１００が完成する。

ところで、本実施形態によれば、金属体１０と、金属体１０の一面に搭載された半導体素子２０と、金属体１０と半導体素子２０との間に介在し金属体１０と半導体素子２０とを接合するはんだ層３０と、金属体１０および半導体素子２０を包み込むように封止する第１の樹脂としてのモールド樹脂４０とを備える半導体装置において、はんだ層３０の外周には、熱膨張係数が第１の樹脂４０よりもはんだ層３０に近い第２の樹脂としてのはんだ拘束用樹脂７０が、はんだ層３０の端部と接した状態で全周に設けられていることを特徴とする半導体装置１００が提供される。

このような特徴を有する本半導体装置１００によれば、はんだ拘束用樹脂７０は、熱膨張係数がモールド樹脂４０よりもはんだ層３０に近いものとしているため、熱が加わったとき、はんだ層３０とともに変形しやすく、その結果、はんだ層３０に加わる熱応力が緩和されると考えられる。

つまり、はんだ拘束用樹脂７０は、はんだ層３０とほぼ同等の熱膨張係数としているため、温度サイクル環境下にてはんだ層３０と同等の挙動を示す。そのため、モールド樹脂だけではんだ層を封止する従来の場合と比較して、はんだ層３０の界面部での応力が減少しクラックに至るまでの余裕度が大きくなる。

また、このようなはんだ拘束用樹脂７０が、はんだ層３０の全周に接して設けられていることにより、熱によるはんだ層３０の変形が、はんだ拘束用樹脂７０によって押さえ込まれることで拘束されると考えられる。

そして、実際に本発明者が行った実験によれば、本実施形態の半導体装置１００においては、従来のものに比べて、半導体装置１００の寿命を大幅に長くできることが確認できた。

表１は、本発明者が温度サイクル試験によって半導体装置の寿命を調べた結果を示すものである。

この表１では、低温と高温との熱衝撃を１サイクルとした温度サイクル試験によって、電気的な不良が生じるまでのサイクル数を調べた結果を示している。

表１において、「はんだ拘束無し」は、はんだ拘束用樹脂７０を持たない上記図２に示されるような従来の半導体装置についての結果を示すものであり、「はんだ拘束有り」は、エポキシ樹脂からなるはんだ拘束用樹脂７０を用いた本実施形態の半導体装置１００についての結果を示すものである。

上述したが、従来の半導体装置では、はんだ拘束用樹脂７０を持たないため、温度サイクル下で応力を受けたはんだ層３０は塑性変形域に至り、やがてクラックが発生する。そして、パッケージの放熱性の低下を引き起こし、半導体素子２０の機能不良が誘引される。その結果、従来の半導体装置では、１０００サイクルを超えたあたりで電気的不良に陥っている。

それに対して、本実施形態の半導体装置１００では、はんだ拘束用樹脂７０による上記の効果が適切に発揮されるため、従来のものに比べて約３倍以上、すなわち３０００サイクルを超えても電気的不良が発生しなかった。このように、本実施形態の半導体装置１００は、従来のものに大幅に長い信頼性寿命を持つに至っている。

以上述べてきたように、本実施形態によれば、金属体１０上に半導体素子２０をはんだ接合し、これら金属体１０および半導体素子２０をモールド樹脂４０により封止してなる半導体装置１００において、温度サイクルによるはんだ層３０のクラックの発生を極力防止することができる。

その結果、本実施形態によれば、はんだ接合部の接続信頼性を向上させることができ、半導体素子２０の機能不良を低減することができ、信頼性の高い半導体装置１００を提供することができる。

また、本実施形態においては、半導体装置１００におけるはんだ拘束用樹脂７０としては、熱硬化性樹脂、とくにエポキシ系樹脂を用いることができることも特徴点のひとつである。

しかし、もちろん、はんだ拘束用樹脂７０は、これらエポキシ系樹脂に限定されるものではなく、上述したように、はんだ拘束用樹脂７０としては、熱膨張係数がモールド樹脂４０よりもはんだ層３０に近い樹脂であるならば、ポリイミド樹脂などの他の熱硬化性樹脂、または、ＰＰＳやＰＢＴなどの熱可塑性樹脂などからなるものであってもよい。

（他の実施形態）
なお、上記実施形態においては、半導体素子２０の一面にのみ金属体１０を設け、これらをモールド樹脂４０にて封止したタイプの半導体装置であったが、半導体素子の両面にそれぞれ金属体を設け、両金属体の放熱面が露出するように半導体素子および両金属体をモールド樹脂にて封止するようにした半導体装置であっても、本発明は適用することができる。

具体的には、上記図１に示される半導体装置１００において、半導体素子２０の上面側にも金属体を設け、この金属体と当該上面とをはんだ層を介して接続するものであってもよい。そして、この場合、半導体素子２０の上面側のはんだ層に対しても、上記したはんだ拘束用樹脂を適用すればよい。

なお、上記図１において、このような半導体素子２０の上面側に金属体を設ける場合には、半導体素子２０の上面からボンディングワイヤ６０を引き出す際の当該ワイヤ６０の高さを確保することが必要となる。そのためには、たとえば、金属体と半導体素子２０の上面との間に、半導体素子２０よりも一回り小さい金属体を、さらに介在させるようにすればよい。

また、上記図１に示される半導体装置１００においては、半導体素子２０の電気的な取り出し構成として、半導体素子２０とリードフレーム５０とをボンディングワイヤ６０により結線した構成を採用しているが、それ以外に、半導体装置の分野で用いられている他の構成を採用してもよいことはもちろんである。

要するに、金属体１０と、金属体１０の一面に搭載された半導体素子２０と、金属体１０と半導体素子２０との間に介在し金属体１０と半導体素子２０とを接合するはんだ層３０と、金属体１０および半導体素子２０を包み込むように封止する第１の樹脂４０とを備える半導体装置において、はんだ層３０の外周に、熱膨張係数が第１の樹脂４０よりもはんだ層３０に近い第２の樹脂７０を、はんだ層３０の端部と接した状態で全周に設け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。

本発明の実施形態に係る樹脂封止タイプの半導体装置の概略断面図である。 従来の一般的な半導体装置の具体的構成を示す概略断面図である。

符号の説明

１０…金属体、２０…半導体素子、３０…はんだ層、
４０…第１の樹脂としてのモールド樹脂、
７０…第２の樹脂としてのはんだ拘束用樹脂。

Claims (3)

1. 金属体（１０）と、
   前記金属体（１０）の一面に搭載された半導体素子（２０）と、
   前記金属体（１０）と前記半導体素子（２０）との間に介在し、前記金属体（１０）と前記半導体素子（２０）とを接合するはんだ層（３０）と、
   前記金属体（１０）および前記半導体素子（２０）を包み込むように封止するモールド樹脂としての第１の樹脂（４０）とを備える半導体装置において、
   前記はんだ層（３０）の外周には、熱膨張係数が前記第１の樹脂（４０）よりも前記はんだ層（３０）に近い第２の樹脂（７０）が、前記はんだ層（３０）の端部と接した状態で全周に設けられていることを特徴とする半導体装置。
2. 前記第２の樹脂（７０）は、熱硬化性樹脂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. 前記熱硬化性樹脂は、エポキシ系樹脂であることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
   

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