JP2008041905A - 樹脂封止型半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】過酷な使用環境においても十分な信頼性を確保することが可能な樹脂封止型半導体装置を提供する。
【解決手段】本発明の樹脂封止型半導体装置１０は、セラミックス材料により構成され、表面に回路パターンが形成された回路基板１２と、回路パターンに半田付けにより電気的に接続されて回路基板１２の表面上に実装されたリードレスタイプの半導体パッケージ素子１４と、回路基板１２及び半導体パッケージ素子１４を封止するモールド樹脂２８と、を備える。回路基板１２がセラミックス材料により構成されているので、モールド成形時に回路基板１２が耐えることができ、しかも、例えば、温度差の激しい環境下に置かれた場合でも、半導体パッケージ素子１４と回路基板１２との半田付け部２２に作用する応力を少なくでき、半田付け部２２の信頼性を確保できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、樹脂封止型半導体装置に係り、特に、車載用モータを駆動するために該モータに一体的に取り付けられ、リードレスタイプの半導体パッケージ素子を備えた樹脂封止型半導体装置に関する。

従来、例えば、自動車用のモータコントローラにおいて、コントローラ部は、主にガラスエポキシ素材により構成された回路基板に制御ＩＣ、その他周辺チップ部品が半田付けされることにより構成されていた。ところが、近年では、鉛フリーの半田の導入により半田自体の特性が変化し、自動車特有の環境、すなわち、強い振動、大きい温度差などの環境の影響によりコントローラ部の半田付け部における信頼性を以前のレベルに保つことが難しくなってきた。

そこで、例えば、特許文献１に記載のように、半導体パッケージ素子に設けられた舌片状のリード部にゴム状の応力緩和材を塗布し、モールド時のリード部にかかる応力を緩和する構造が提案されている。

しかしながら、機器の小型化が進むにつれて、舌片状のリード部を備えないリードレスタイプの半導体パッケージ素子が使用されるようになっているが、このリードレスタイプの半導体パッケージ素子では、舌片状のリード部が備えられていないので、例えば、上述の緩和材を塗ることができない。このため、リードレスタイプの半導体パッケージ素子を用いた場合でも、強い振動、大きい温度差などの環境に対する半田付け部の信頼性の確保が望まれる。
特許２６３４２４９号公報

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、過酷な使用環境においても十分な信頼性を確保することが可能な樹脂封止型半導体装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の樹脂封止型半導体装置は、車載用モータを駆動するために該モータに一体的に取り付けられる制御回路用の樹脂封止型半導体装置において、セラミックス材料により構成され、表面に回路パターンが形成された回路基板と、前記回路パターンに電気的に接続されて前記回路基板の表面上に実装されたリードレスタイプの半導体パッケージ素子と、前記回路基板及び前記半導体パッケージ素子を封止するモールド樹脂と、を備えたことを特徴とする。

請求項１に記載の樹脂封止型半導体装置では、回路基板がセラミックス材料により構成されている。従って、回路基板及び半導体パッケージ素子をモールド成形するときに、例えばガラスエポキシ素材では耐えられない約２００℃の温度に到達した場合でも、回路基板が耐えることができる。

また、セラミックス材料により構成された回路基板は、例えばガラスエポキシ素材を用いた回路基板に比して線膨張係数が小さく、しかも、放熱性にも優れる。従って、例えば、温度差の激しい環境下に置かれた場合でも、回路基板の温度変化による伸縮量を例えばガラスエポキシ素材により構成された回路基板に比して低く抑えることができる。これにより、半導体パッケージ素子と回路基板との接続部（例えば、導電性接着剤による接続部や半田付けによる接続部）に作用する応力を少なくでき、接続部の信頼性を確保できる。

また、請求項１に記載の樹脂封止型半導体装置では、回路基板に半導体パッケージ素子を実装した状態でこの回路基板及び半導体パッケージ素子の全体をモールドすることにより、半導体パッケージ素子と回路基板との接続部に常に圧縮応力をかけることができる。従って、自動車特有の環境、すなわち、強い振動や、激しい温度差による冷熱作用によって接続部に力が作用しても、この力に対して上述の圧縮応力を抵抗力として作用させることができる。これにより、強い振動や、温度差の激しい環境下に置かれた場合でも、接続部にクラック等が生じることを抑制できる。

特に、半導体パッケージ素子と回路基板との接続に鉛フリーの半田を使用し、この場合に、この鉛フリーの半田の特性上或いは装置の小型化の要請から半田付け部の面積が減少されても、この半田付け部の信頼性を確保できる。

このように、請求項１に記載の樹脂封止型半導体装置によれば、接続部の信頼性を確保でき、自動車等における過酷な使用環境においても十分な信頼性を確保することが可能である。

請求項２に記載の樹脂封止型半導体装置は、請求項１に記載の樹脂封止型半導体装置において、前記回路基板と前記半導体パッケージ素子との間の間隙には、アンダーフィル樹脂が充填されていることを特徴とする。

一般に、この種の樹脂封止型半導体装置では、その実装形態上、回路基板と半導体パッケージ素子との間に微小な間隙が形成される。そして、この間隙に水分が存在していた場合には、例えば、回路基板及び半導体パッケージ素子の全体をモールドするときや、この樹脂封止型半導体装置を搭載した自動車が高温使用環境下に置かれたときや、半導体パッケージ素子自体が発熱したときなどに、この水分が水蒸気となりその体積が何倍にも膨らむ。従って、半導体パッケージ素子と回路基板との接続部に互いを引き離す方向に応力が作用し、モールド樹脂にもクラックを生じ得る応力が作用する。

しかしながら、請求項２に記載の樹脂封止型半導体装置では、回路基板と半導体パッケージ素子との間に形成された間隙に、アンダーフィル樹脂が充填されている。従って、回路基板と半導体パッケージ素子との間の間隙に水分が残存することを防止できる。これにより、この水分の体積が膨らむことに伴う接続部の応力、モールド樹脂の応力の発生を防止できる。

しかも、このアンダーフィル樹脂は、凝固した後には、例えば、鉛フリーの半田と同程度の機械的温度特性を有することから、接続部を半田付け部とした場合には、その温度変化による伸縮量が半田付け部の半田と同程度となる。従って、温度差の激しい環境下に置かれた場合でも、このアンダーフィル樹脂の伸縮に伴って半田付け部に応力が作用することを抑制できる。これにより、半導体パッケージ素子と回路基板との半田付け部の信頼性をより確保することができる。

また、上記課題を解決するために、請求項３に記載の樹脂封止型半導体装置は、車載用モータを駆動するために該モータに一体的に取り付けられる制御回路用の樹脂封止型半導体装置において、金属材料により構成され、回路パターンを構成するリードフレームと、前記リードフレームと電気的に接続されて前記リードフレームの表面上に実装されたリードレスタイプの半導体パッケージ素子と、前記リードフレーム及び前記半導体パッケージ素子を封止するモールド樹脂と、を備えたことを特徴とする。

部品の小型化が進み、特に、近年になって自動車に導入されてきた例えばＱＦＮ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｎｏｎ−Ｌｅａｄｅｄ Ｐａｃｋａｇｅ）等のリードレスタイプの小型の半導体パッケージ素子については、小型化によるリード部の面積の縮小、すなわち、半田付け部の縮小により、より一層、半田付け部の信頼性を確保することが難しくなっている。また、小型化による熱密度の上昇により半導体パッケージ素子が発生する熱を如何に外部に散熱するかが信頼性の向上に繋がる。

ここで、従来のガラスエポキシ素材等の樹脂を用いた回路基板では、温度差による伸縮により半田付け部に応力が作用すること、また、放熱性が比較的悪いことから放熱のために放熱器が必要になるなど装置の小型化に相反する要素と部品にコストがかかることなどの問題があった。

しかしながら、請求項３に記載の樹脂封止型半導体装置では、回路パターンを構成するリードフレームの表面上に直接的にリードレスタイプの半導体パッケージ素子が実装されており、しかも、このリードフレームは、金属材料により構成されている。従って、線膨張係数が小さく、しかも、放熱性にも優れた金属材料でリードフレームを構成することにより、例えば、温度差の激しい環境下に置かれた場合でも、回路基板の温度変化による伸縮量を例えばガラスエポキシ素材により構成された回路基板に比して低く抑えることができる。これにより、半導体パッケージ素子とリードフレームとの接続部（例えば、溶接や半田付けによる接続部）に作用する応力を少なくでき、この接続部の信頼性を確保できる。

このように、請求項３に記載の樹脂封止型半導体装置によれば、半導体パッケージ素子とリードフレームとの接続部の信頼性を確保でき、自動車等における過酷な使用環境においても十分な信頼性を確保することが可能である。

また、請求項３に記載の樹脂封止型半導体装置では、放熱性の高い金属製のリードフレームに直接的にリードレスタイプの半導体パッケージ素子を実装できるので、放熱器が不要であり、装置全体を小型化できると共にコストを低く抑えることができる。

［第一実施形態］
以下、図１乃至図３に基づき本発明の第一実施形態について説明する。

図１乃至図３は、本発明の第一実施形態を示す図であり、図１は樹脂封止型半導体装置１０の全体構成を示す斜視図、図２は樹脂封止型半導体装置１０の側面断面図、図３は樹脂封止型半導体装置１０の側面要部拡大断面図である。

はじめに、本発明の第一実施形態に係る樹脂封止型半導体装置１０の構成について説明する。

図１に示される本発明の第一実施形態に係る樹脂封止型半導体装置１０は、例えば、自動車に搭載されたモータを駆動するために該モータに一体的に取り付けられる制御回路用の装置である。この樹脂封止型半導体装置１０には、回路基板１２が設けられている。回路基板１２は、セラミックス材料により構成され、その表面に図示しない回路パターンが形成されて構成されている。また、この回路パターンの所定位置には、シルク印刷等によって鉛フリーの半田が塗布されている。

そして、回路基板１２には、半導体パッケージ素子１４及びその他周辺の電気部品１６が実装されている。半導体パッケージ素子１４としては、例えばＱＦＮ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｎｏｎ−Ｌｅａｄｅｄ Ｐａｃｋａｇｅ）等のリードレスタイプの小型のものが使用されている。この半導体パッケージ素子１４には、図２に示されるように、回路基板１２と相対する面にリード部１８が設けられている。

そして、この半導体パッケージ素子１４及びその他の周辺の電気部品１６は、上述の回路パターンに半田付けにより電気的に接続されている。このとき、半導体パッケージ素子１４及びその他の周辺の電気部品１６が実装された回路基板１２がリフロー炉を通ることで回路パターンの半田２０が溶融し、この半田２０が冷却固化することにより、上述の半導体パッケージ素子１４及びその他の周辺の電気部品１６が回路基板１２の回路パターンと電気的に接続される。なお、半田２０の代わりに、銀ペースト等による導電性の接着剤を用いることで、上述の半導体パッケージ素子１４及びその他の周辺の電気部品１６が回路基板１２の回路パターンと電気的に接続されても良い。

また、この半導体パッケージ素子１４及びその他の周辺の電気部品１６が半田付けされた回路基板１２は、リードフレーム２４の表面に接着材を用いて固定されている。リードフレーム２４は、例えば銅合金等で構成された板が機械加工されることにより構成されたものである。また、このリードフレーム２４と回路基板１２とは、アルミニウム又は金を用いた細線２６により電気的に接続されている。この細線２６は、ワイヤボンディング工法により配線される。

そして、上述の半導体パッケージ素子１４及びその他の周辺の電気部品１６が半田付けされた回路基板１２、及び、この回路基板１２と固定されて細線２６により電気的に接続されたリードフレーム２４は、その全体がモールド成形されることによってモールド樹脂２８により封止されている。なお、リードフレーム２４の端子３０は、モールド樹脂２８の外部に突出されて外部の装置と接続可能となっている。

次に、本発明の第一実施形態に係る樹脂封止型半導体装置１０の作用及び効果について説明する。

本発明の第一実施形態に係る樹脂封止型半導体装置１０では、回路基板１２がセラミックス材料により構成されている。従って、回路基板１２及び半導体パッケージ素子１４をモールド成形するときに、例えばガラスエポキシ素材では耐えられない約２００℃の温度に到達した場合でも、回路基板１２が耐えることができる。

また、セラミックス材料により構成された回路基板１２は、例えばガラスエポキシ素材を用いた回路基板１２に比して線膨張係数が小さく、しかも、放熱性にも優れる。従って、例えば、温度差の激しい環境下に置かれた場合でも、回路基板１２の温度変化による伸縮量を例えばガラスエポキシ素材により構成された回路基板に比して低く抑えることができる。これにより、半導体パッケージ素子１４と回路基板１２との半田付け部２２に作用する応力を少なくでき、半田付け部２２の信頼性を確保できる。

また、本発明の第一実施形態に係る樹脂封止型半導体装置１０では、回路基板１２に半導体パッケージ素子１４を実装した状態でこの回路基板１２及び半導体パッケージ素子１４の全体をモールドすることにより、図２，図３の矢印Ａで示される如く、半導体パッケージ素子１４と回路基板１２との半田付け部２２に常に圧縮応力をかけることができる。従って、自動車特有の環境、すなわち、強い振動や、激しい温度差による冷熱作用によって半田付け部２２に力が作用しても、この力に対して上述の圧縮応力を抵抗力として作用させることができる。これにより、強い振動や、温度差の激しい環境下に置かれた場合でも、半田付け部２２の半田２０にクラック等が生じることを抑制できる。

特に、半導体パッケージ素子１４と回路基板１２との半田付けに鉛フリーの半田２０を使用し、この場合に、この鉛フリーの半田２０の特性上或いは装置の小型化の要請から半田付け部２２の面積が減少されても、この半田付け部２２の信頼性を確保できる。

このように、本発明の第一実施形態に係る樹脂封止型半導体装置１０によれば、半田付け部２２の信頼性を確保でき、自動車等における過酷な使用環境においても十分な信頼性を確保することが可能である。

［第二実施形態］
以下、図４に基づき本発明の第二実施形態について説明する。

図４は、本発明の第二実施形態に係る樹脂封止型半導体装置４０の側面断面図である。

はじめに、本発明の第二実施形態に係る樹脂封止型半導体装置４０の構成について説明する。

本発明の第二実施形態に係る樹脂封止型半導体装置４０は、上述の本発明の第一実施形態に係る樹脂封止型半導体装置１０に対し、以下の構成を追加したものである。なお、本発明の第二実施形態において、以下に説明する構成以外の構成については、上述の本発明の第一実施形態と同一であるので、上述の本発明の第一実施形態と同一の符号を用いることとしてその詳細な説明を省略する。

図４に示される本発明の第二実施形態に係る樹脂封止型半導体装置４０において、回路基板１２と半導体パッケージ素子１４との間の間隙４２には、例えば、エポキシ樹脂等のアンダーフィル樹脂４４が充填されている。このアンダーフィル樹脂４４は、凝固前は液状を示し、表面張力により上述の間隙４２に充填され、温度上昇により凝固した後には、例えば、上述の鉛フリーの半田２０と同程度の機械的温度特性を有するようになり、その温度差による伸縮は上述の鉛フリーの半田２０と同程度となるものである。

次に、本発明の第二実施形態に係る樹脂封止型半導体装置４０の作用及び効果について説明する。

一般に、この種の樹脂封止型半導体装置４０では、図４に示されるように、その実装形態上、回路基板１２と半導体パッケージ素子１４との間に微小な間隙４２が形成される。そして、この間隙４２に水分が存在していた場合には、例えば、回路基板１２及び半導体パッケージ素子１４の全体をモールドするときや、この樹脂封止型半導体装置４０を搭載した自動車が高温使用環境下に置かれたときや、半導体パッケージ素子１４自体が発熱したときなどに、この水分が水蒸気となりその体積が何倍にも膨らむ。従って、半導体パッケージ素子１４と回路基板１２との半田付け部２２に互いを引き離す方向に応力が作用し、モールド樹脂２８にもクラックを生じ得る応力が作用する。

しかしながら、本発明の第二実施形態に係る樹脂封止型半導体装置４０では、回路基板１２と半導体パッケージ素子１４との間に形成された間隙４２に、アンダーフィル樹脂４４が充填されている。従って、回路基板１２と半導体パッケージ素子１４との間の間隙４２に水分が残存することを防止できる。これにより、この水分の体積が膨らむことに伴う半田付け部２２の応力、モールド樹脂２８の応力の発生を防止できる。

しかも、このアンダーフィル樹脂４４は、凝固した後には、例えば、鉛フリーの半田２０と同じ機械的温度特性を有することから、その温度変化による伸縮量が半田付け部２２の半田２０と同程度となる。従って、温度差の激しい環境下に置かれた場合でも、このアンダーフィル樹脂４４の伸縮に伴って半田付け部２２に応力が作用することを抑制できる。これにより、半導体パッケージ素子１４と回路基板１２との半田付け部２２の信頼性をより確保することができる。

［第三実施形態］
以下、図５，図６に基づき本発明の第三実施形態について説明する。

図５，図６は、本発明の第三実施形態を示す図であり、図５は樹脂封止型半導体装置５０の全体構成を示す平面図、図６は樹脂封止型半導体装置５０の側面断面図である。

はじめに、本発明の第三実施形態に係る樹脂封止型半導体装置５０の構成について説明する。

本発明の第三実施形態に係る樹脂封止型半導体装置５０は、上述の本発明の第一実施形態に係る樹脂封止型半導体装置１０に対し、以下の如く構成を変更したものである。なお、本発明の第三実施形態において、上述の本発明の第一実施形態と同一の構成については同一の符号を用いることとしてその詳細な説明を省略する。

図５に示される本発明の第三実施形態に係る樹脂封止型半導体装置５０において、リードフレーム２４は、例えば銅合金等の金属材料により構成されており、複数に分割されることで回路パターンを構成している。また、半導体パッケージ素子１４及びその他周辺の電気部品１６は、図６に示されるように、リードフレーム２４の表面上に半田付け（その他、溶接でも良い）により直接的に固定されて実装されている。

また、図５に示されるように、リードフレーム２４の各フレーム片は、アルミニウム又は金を用いた細線２６により電気的に接続されている。この細線２６は、ワイヤボンディング工法により配線される。

そして、上述の半導体パッケージ素子１４及びその他の周辺の電気部品１６が直接的に固定されて実装されると共に各フレーム片が細線２６により電気的に接続されたリードフレーム２４は、その全体がモールド成形されることによってモールド樹脂２８により封止されている。なお、リードフレーム２４の端子３０は、モールド樹脂２８の外部に突出されて外部の装置と接続可能となっている。

次に、本発明の第三実施形態に係る樹脂封止型半導体装置５０の作用及び効果について説明する。

部品の小型化が進み、特に、近年になって自動車に導入されてきた例えばＱＦＮ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｎｏｎ−Ｌｅａｄｅｄ Ｐａｃｋａｇｅ）等のリードレスタイプの小型の半導体パッケージ素子１４については、小型化によるリード部１８の面積の縮小、すなわち、半田付け部２２の縮小により、より一層、半田付け部２２の信頼性を確保することが難しくなっている。また、小型化による熱密度の上昇により半導体パッケージ素子１４が発生する熱を如何に外部に散熱するかが信頼性の向上に繋がる。

ここで、従来のガラスエポキシ素材等の樹脂を用いた回路基板では、温度差による伸縮により半田付け部に応力が作用すること、また、放熱性が比較的悪いことから放熱のために放熱器が必要になるなど装置の小型化に相反する要素と部品にコストがかかることなどの問題があった。

しかしながら、本発明の第三実施形態に係る樹脂封止型半導体装置５０では、回路パターンを構成するリードフレーム２４の表面上に直接的にリードレスタイプの半導体パッケージ素子１４が実装されており、しかも、このリードフレーム２４は、例えば銅合金等の金属材料により構成されている。従って、線膨張係数が小さく、しかも、放熱性にも優れた金属材料でリードフレーム２４を構成することにより、例えば、温度差の激しい環境下に置かれた場合でも、回路基板１２の温度変化による伸縮量を例えばガラスエポキシ素材により構成された回路基板に比して低く抑えることができる。これにより、半導体パッケージ素子１４とリードフレーム２４との半田付け部２２に作用する応力を少なくでき、この半田付け部２２の信頼性を確保できる。

このように、本発明の第三実施形態に係る樹脂封止型半導体装置５０によれば、半導体パッケージ素子１４とリードフレーム２４との半田付け部２２の信頼性を確保でき、自動車等における過酷な使用環境においても十分な信頼性を確保することが可能である。

また、本発明の第三実施形態に係る樹脂封止型半導体装置５０では、放熱性の高い金属製のリードフレーム２４に直接的にリードレスタイプの半導体パッケージ素子１４を実装できるので、放熱器が不要であり、装置全体を小型化できると共にコストを低く抑えることができる。

本発明の第一実施形態に係る樹脂封止型半導体装置の全体構成を示す斜視図である。 本発明の第一実施形態に係る樹脂封止型半導体装置の側面断面図である。 本発明の第一実施形態に係る樹脂封止型半導体装置の側面要部拡大断面図である。 本発明の第二実施形態に係る樹脂封止型半導体装置の側面断面図である。 本発明の第三実施形態に係る樹脂封止型半導体装置の全体構成を示す平面図である。 本発明の第三実施形態に係る樹脂封止型半導体装置の側面断面図である。

符号の説明

１０，４０，５０…樹脂封止型半導体装置、１２…回路基板、１４…半導体パッケージ素子、１６…電気部品、１８…リード部、２０…半田、２２…半田付け部、２４…リードフレーム、２６…細線、２８…モールド樹脂、３０…端子、４２…間隙、４４…アンダーフィル樹脂

Claims (3)

1. 車載用モータを駆動するために該モータに一体的に取り付けられる制御回路用の樹脂封止型半導体装置において、
   セラミックス材料により構成され、表面に回路パターンが形成された回路基板と、
   前記回路パターンに電気的に接続されて前記回路基板の表面上に実装されたリードレスタイプの半導体パッケージ素子と、
   前記回路基板及び前記半導体パッケージ素子を封止するモールド樹脂と、
   を備えたことを特徴とする樹脂封止型半導体装置。
2. 前記回路基板と前記半導体パッケージ素子との間の間隙には、アンダーフィル樹脂が充填されていることを特徴とする請求項１に記載の樹脂封止型半導体装置。
3. 車載用モータを駆動するために該モータに一体的に取り付けられる制御回路用の樹脂封止型半導体装置において、
   金属材料により構成され、回路パターンを構成するリードフレームと、
   前記リードフレームと電気的に接続されて前記リードフレームの表面上に実装されたリードレスタイプの半導体パッケージ素子と、
   前記リードフレーム及び前記半導体パッケージ素子を封止するモールド樹脂と、
   を備えたことを特徴とする樹脂封止型半導体装置。

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