JP2008124390A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】放熱性とヒートサイクル信頼性とが両立する半導体装置を提供する。
【解決手段】リードフレーム１と、前記リードフレームの一表面上に接合されたディスク２と、前記ディスクの一表面上に接合された半導体チップ３と、を備え、前記ディスクは銅と鉄と銅の３層クラッド層構成を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置に関するものである。
パワーＭＯＳＦＥＴ素子は発熱量が大きく、半導体パッケージにはパッケージを介して外部に熱を逃がす放熱性能が要求される。そのため、熱伝導率の高い銅によるリードフレームを半導体チップ搭載部のみ厚く形成し放熱を行っていた。しかし、温度サイクル試験（ＴＣＴ：Temperature cycle test）を行うと、半導体チップ（シリコン）とリードフレーム（銅）は線膨張率が大きく異なるため、ヒートサイクルにより、リードフレームにはんだ接合した半導体チップに大きな熱応力が働くことで、はんだ接合部に剥離が生じて電気特性が変動する問題が生じる。
このようなヒートサイクル信頼性に対する問題を解決するために、銅とコバール（鉄Ｆｅ、ニッケルＮｉ、コバルトＣｏの合金）と銅の３層クラッド材からなる金属製放熱容器に半導体チップをはんだ接合するものが提案されている（例えば特許文献１参照）。しかし、コバールは熱伝導率が低いため、この３層クラッド材の放熱性能は十分ではない。
特開昭６３−２５２４５７号公報
本発明は放熱性とヒートサイクル信頼性とが両立する半導体装置を提供することを目的とする。
本発明の一態様による半導体装置は、リードフレームと、前記リードフレームの一表面上に接合されたディスクと、前記ディスクの一表面上に接合された半導体チップと、を備え、前記ディスクは銅と鉄と銅の３層クラッド層構成を有することを特徴とするものである。
また、本発明の一態様による半導体装置は、基板と、前記基板の一表面上に電気的に接続された半導体チップと、前記半導体チップの一表面上に接合されたディスクと、を備え、前記ディスクは銅と鉄と銅の３層クラッド層構成を有することを特徴とするものである。
本発明によれば、放熱性とヒートサイクル信頼性とを両立できる。
以下、本発明の実施の形態による半導体装置を図面に基づいて説明する。
図１に本発明の実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す。半導体装置はリードフレーム１、リードフレーム１上にはんだ接合されたディスク２、ディスク２上にはんだ接合された半導体チップ３、リード端子４と半導体チップ３を接続するコネクタ５を有する。リードフレーム１、ディスク２、半導体チップ３、コネクタ５及びリード端子４の一部は樹脂モールド６で覆われている。
このような半導体装置は次のようにして製造される。まず、リードフレーム１上にはんだを供給し、はんだ層を介してディスク２を搭載する。リードフレーム１の材質は例えば銅である。次に、ディスク２上にはんだを供給し、はんだ層を介して半導体チップ３を搭載する。次に、半導体チップ３上およびリード端子４上にはんだを供給し、それぞれのはんだ層を介してコネクタ５を接合する。続いて、樹脂モールド６で樹脂封止する。
ディスク２は銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、銅の３層からなるクラッド材である。銅の線膨張係数は１７×１０−６／℃、鉄の線膨張係数は１２×１０−６／℃である。このため、クラッド材において鉄が占める割合が大きいとクラッド材の線膨張係数は低くなり、半導体チップの線膨張係数との差が小さくなり、ヒートサイクルにより半導体チップに働く熱応力が小さくなる。従ってヒートサイクル信頼性が高くなる。また、銅の熱伝導率は３４７Ｗ／ｍ・Ｋ、鉄の熱伝導率は７９Ｗ／ｍ・Ｋであるため、クラッド材において銅が占める割合が大きいとクラッド材の放熱性が良くなる。
銅、鉄、銅の比率を変えたクラッド材のチップ表面温度とミーゼス（ｍｉｓｅｓ）応力を図２に示す。チップ表面温度は半導体チップ３を所定時間動作させた後の表面温度であり、クラッド材の放熱特性を表す指標となる。ミーゼス応力は延性破損に適合する基準であり、ヒートサイクル信頼性を表す指標となる。図２に示される比率は銅：鉄：銅の厚さ比率である。放熱特性を実線、応力特性を破線で示す。横軸は各クラッド材の線膨張係数である。一般に、半導体装置に求められる条件はチップ表面温度が６０〜７０℃、ミーゼス応力が６２０ＭＰａ以下である。
図２から銅の割合が大きいほどチップ表面温度が低くなり放熱性が良くなることが分かる。また、鉄の割合が大きいほどミーゼス応力が低くなり、ヒートサイクル信頼性が高まることが分かる。図２から銅、鉄、銅の比率は１：５：１〜１：１：１〜３：１：３が良い。また、より好適にはミーゼス応力が６００ＭＰａ以下、チップ表面温度が６０〜６８℃であり、この条件を満たす銅、鉄、銅の比率は１：３：１〜１：１：１である。このような比率にすることで放熱性及びヒートサイクル信頼性がさらに高まる。
比較のため銅、コバール、銅を１：１：１の比率にしたクラッド材を用いた場合のチップ表面温度を図２に示す。このようなクラッド材ではチップ表面温度が８０℃弱になり、放熱性が良くないことがわかる。
このように本実施形態に係る半導体装置により、放熱性とヒートサイクル信頼性とを両立することができる。
上述した実施の形態はいずれも一例であって制限的なものではないと考えられるべきである。例えば、図３に示すように基板１０と半導体チップ３をフリップチップ接続し、半導体チップ３上面に銅、鉄、銅の３層クラッド材からなるディスク２を金属接合するようにしてもよい。また、さらにディスク２上にヒートシンク（放熱器）を設けるようにしてもよい。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明の実施形態による半導体装置の概略構成図である。 クラッド材の厚さ比率の変化に対するチップ表面温度及びミーゼス応力の変化を示す図である。 変形例による半導体装置の概略構成図である。
符号の説明
１ リードフレーム
２ ディスク
３ 半導体チップ
４ リード端子
５ コネクタ

Claims (5)

  1. リードフレームと、
    前記リードフレームの一表面上に接合されたディスクと、
    前記ディスクの一表面上に接合された半導体チップと、
    を備え、
    前記ディスクは銅と鉄と銅の３層クラッド層構成を有することを特徴とする半導体装置。
  2. さらに、前記ディスク及び前記半導体チップを封止するモールド樹脂を備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 基板と、
    前記基板の一表面上に電気的に接続された半導体チップと、
    前記半導体チップの一表面上に接合されたディスクと、
    を備え、
    前記ディスクは銅と鉄と銅の３層クラッド層構成を有することを特徴とする半導体装置。
  4. さらに、前記ディスクの一表面上に接合されたヒートシンクを備えることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
  5. 前記３層クラッド層構成は銅と鉄と銅の厚さの比率が１：１：１〜１：３：１であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US9275921B2 (en) 2014-01-30 2016-03-01 Kabushiki Kaisha Toshiba Semiconductor device
US9362192B2 (en) 2014-01-30 2016-06-07 Kabushiki Kaisha Toshiba Semiconductor device comprising heat dissipating connector
KR20200104182A (ko) * 2019-02-26 2020-09-03 주식회사 코스텍시스 스템 유닛 및 반도체 레이저 다이오드 패키지

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