JP2010010330A

JP2010010330A - 半導体装置

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Publication number: JP2010010330A
Application number: JP2008166991A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Yoshida; 博吉田; Tatsuo Ota; 達雄太田; Nobutake Taniguchi; 信剛谷口; Shingo Sudo; 進吾須藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-06-26
Filing date: 2008-06-26
Publication date: 2010-01-14
Anticipated expiration: 2028-06-26
Also published as: US20090321900A1; DE102008050852A1; DE102008050852B4; JP4666185B2; US7768118B2

Abstract

【課題】電極リードの接合部における熱応力を緩和することによって、疲労破壊の発生が生じにくい半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体装置は、基板１１と、半導体素子４と、電極リード５１と、封止樹脂部とを有する。基板１１は、回路パターン３が形成された主面を有する。半導体素子４は、第１および第２の面を有し、第１の面と主面とが互いに面するように基板上に配置されている。電極リード５１は、回路パターン３に接合された一方端と、第２の面にハンダ接合された他方端とを有する。他方端は、互いに分割された複数の部分を有する。封止樹脂部は、半導体素子４および電極リード５１を封止している。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体装置に関し、特に、半導体素子を封止する封止樹脂部を有する半導体装置に関するものである。

半導体装置には、たとえば特開２００３−２６４２６５号公報に開示されているように、モールド樹脂（封止樹脂部）を有する電力用半導体装置がある。この公報によれば、電力用半導体装置は、半導体素子と、金属ブロックと、リードフレームと、筐体とを有する。半導体素子は、表面及び裏面を有する。金属ブロックは、半導体素子の裏面に固着されている。リードフレームは、半導体素子の表面にハンダにより固着されている。筐体は、半導体素子、金属ブロックおよびリードフレームをモールド樹脂で一体成形している。

この電力用半導体装置の構成によれば、リードフレームと半導体素子とをモールド樹脂が取り囲むので、両者の間の接合を強化することができ、リードフレームの接続部での疲労破壊が生じにくい、と上記公報には記載されている。
特開２００３−２６４２６５号公報

しかしながら、上記の電力用半導体装置では、半導体装置の発熱または半導体装置の使用環境の変化が生じた場合に、ハンダ付部にかかる熱応力による疲労破壊が生じることがあるという問題があった。

この熱応力は、半導体装置の各構成部材間の線膨張係数の格差に起因している。線膨張係数の格差について例示すると、半導体素子に用いられるシリコンの線膨張係数は２．３×１０^-6（１／Ｋ）程度、電極リードに用いられる銅の線膨張係数は１６．７×１０^-6程度、封止樹脂の線膨張係数は１８×１０^-6程度である。このように線膨張係数に格差があることで熱応力が生じる結果、リードフレーム（電極リード）の接合部での疲労破壊が生じやすい。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、電極リードの接合部における熱応力を緩和することによって、疲労破壊の発生が生じにくい半導体装置を提供することである。

本発明の半導体装置は、基板と、半導体素子と、電極リードと、封止樹脂部とを有する。基板は、回路パターンが形成された主面を有する。半導体素子は、第１および第２の面を有し、第１の面と主面とが互いに面するように基板上に配置されている。電極リードは、回路パターンに接合された一方端と、第２の面にハンダ接合された他方端とを有する。他方端は、互いに分割された複数の部分を有する。封止樹脂部は、半導体素子および電極リードを封止している。

本発明によれば、電極リードの他方端は、互いに分割された複数の部分を有する。よって、分割方向に交差する方向に沿って複数の部分が互いに相対的に変位することができる。この変位により熱応力が緩和されるので、半導体装置の疲労破壊の発生を抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における半導体装置の構成を概略的に示す斜視図である。図２は、本発明の実施の形態１における半導体装置の封止樹脂部の内部の構成を概略的に示す斜視図である。図３は、本発明の実施の形態１における半導体装置の電極リードの構成を概略的に示す斜視図である。図４は、図３の線ＩＶ−ＩＶに沿った概略断面図である。

図１〜図４を参照して、本実施の形態の半導体装置１００は、基板１１と、半導体素子４および４２と、電極リード５１と、封止樹脂部１０と、信号リード６と、信号端子７と、主端子８とを有する。

半導体素子４および４２の各々と回路パターン３とは、電極リード５１および信号リード６により電気的に接続されている。また信号端子７と主端子８とにより、半導体装置１００は外部と接続される。このようにして形成された電気的経路のうち、半導体素子４、４２、および電極リード５１を介して主端子８間を結ぶ経路が、半導体装置１００の主電流の経路となっている。

基板１１は、ベース板１と、絶縁層２と、回路パターン３とを有する。絶縁層２は、ベース板１の主面上に形成されている。回路パターン３は、絶縁層２上に形成されている。これにより、基板１１は、回路パターン３が形成された主面（図２において図示されている面）を有する。ベース板１は、熱伝導性が高い材質である金属からなる。この金属は、たとえば銅またはアルミニウムである。絶縁層２は、たとえばＡｌＮ、ＢＮ、Ａｌ₂Ｏ₃またはシリカからなる粒子を含有している。回路パターン３は、たとえば銅またはアルミニウムからなる薄膜がエッチングされることで形成されている。これにより、半導体素子４および４２の各々とベース板１との絶縁性が確保されつつ、基板１１は半導体素子４および４２からの熱を効率的に放熱することができる。

封止樹脂部１０は、半導体素子４、４２、および電極リード５１を封止している。封止樹脂部１０は、たとえばエポキシ樹脂またはＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）からなる。これにより半導体装置１００の筐体強度が確保されるので、半導体素子４および４２がより確実に保護される。

封止樹脂部１０を充填することによる封止が行なわれる際は、半導体素子４および４２と電極リード５１との間に隙間が発生しにくくなるような充填条件が用いられる。すなわち、充填位置、充填圧、流動などのプロセス条件と、粘度などの樹脂材の物性値とが最適化される。充填位置としては、電極リード５１の内側から充填が開始され、電極リード５１付近の充填が完了された後に、その周辺に充填が行なわれるような位置が好ましい。また封止樹脂部１０がエポキシ樹脂からなる場合、粘度と線膨張係数とが考慮されて、封止樹脂部１０に含有されるフィラーが選定される。樹脂材の粘度は、充填の障害とならない程度の大きさとされ、たとえば４０００Ｐａ・ｓ（６０℃における値）程度とされる。

半導体素子４および４２の各々は、第１の面（基板１１に面する面）と、第１の面と正対する第２の面（図２において図示されている面）を有し、この第１の面と、基板１１の主面とが互いに面するように、基板１１上に配置されている。

電極リード５１は、一方端ＥＡ（図２における右下端）と、他方端ＥＢ（図２における左上端）とを有する。一方端ＥＡは回路パターン３に接合されている。他方端ＥＢは半導体素子４および４２の各々の第２の面にハンダ接合されている。他方端ＥＢは、互いに分割された複数の部分Ｐ１およびＰ２を有する。すなわち、他方端ＥＢは、部分Ｐ１と部分Ｐ２との境界に沿った方向（分割方向）に沿って分割されている。

部分Ｐ１は、図４に示すように、接合部Ｐ１Ｊと、配線部Ｐ１Ｃと、連結部Ｐ１Ｍとを有する。接合部Ｐ１Ｊは、半導体素子４および４２の各々の第２の面（図２において図示されている面）に接合されている。配線部Ｐ１Ｃは、接合部Ｐ１Ｊに対して、半導体素子４および４２の第２の面に直交する方向（図４における縦方向）に間隔を空けて配置されている。連結部Ｐ１Ｍは、接合部Ｐ１Ｊと配線部Ｐ１Ｃとを繋いでいる。

また部分Ｐ２も、図４に示すように、部分Ｐ１と同様の構成を有している。すなわち部分Ｐ２は、接合部Ｐ２Ｊと、配線部Ｐ２Ｃと、連結部Ｐ２Ｍとを有する。接合部Ｐ２Ｊは、半導体素子４および４２の各々の第２の面（図２において図示されている面）に接合されている。配線部Ｐ２Ｃは、接合部Ｐ２Ｊに対して、半導体素子４および４２の第２の面に直交する方向（図４における縦方向）に間隔を空けて配置されている。連結部Ｐ２Ｍは、接合部Ｐ２Ｊと配線部Ｐ２Ｃとを繋いでいる。

電極リード５１の厚さと幅とは、電流容量に支障がないように設定される。たとえば、電極リード５１は、板厚０．２〜０．３ｍｍの銅材から構成される。また電極リード５１の材質は、電極リードと半導体素子４および４２との接合部の応力が緩和されるような物性値を有することが好ましく、たとえば線膨張係数が１０×１０^-6（１／Ｋ）以下の金属が用いられる。

次に、本実施の形態と比較しつつ、その変形例について説明する。図５は、本発明の実施の形態１の変形例における電極リードの構成を概略的に示す断面図である。

図４および図５を参照して、上述した電極リード５１（図４）は、連結部Ｐ１Ｍの一方面側（図中における右側）に接合部Ｐ１Ｊおよび配線部Ｐ１Ｃを有し、連結部Ｐ２Ｍの一方面側（図中における左側）に接合部Ｐ２ＪおよびＰ２Ｃを有する。一方、その変形例である電極リード５２（図５）は、連結部Ｐ１Ｍの他方面側（図中における左側）に接合部Ｐ１Ｊを有し、また連結部Ｐ２Ｍの他方面側（図中における右側）に接合部Ｐ２Ｊを有する。

本実施の形態によれば、電極リード５１の他方端ＥＢ（図３）は、互いに分割された複数の部分Ｐ１およびＰ２を有する。よって電極リード５１の弾性変形により、複数の部分Ｐ１およびＰ２が、分割方向（部分Ｐ１と部分Ｐ２との境界に沿った方向）に交差する方向（図３における線ＩＶ−ＩＶの方向）に沿って、互いに相対的に変位することができる。すなわち部分Ｐ１とＰ２とが近づいたり遠ざかったりすることができる。これによりより熱応力が緩和されるので、半導体装置１００の疲労破壊の発生を抑制することができる。

なお仮に複数の部分Ｐ１およびＰ２の各々の先端（図３の左上端）が互いに一体化されているとすると、すなわち電極リードが分割されていないとすると、部分Ｐ１およびＰ２の各々の先端が相対的に変位することができなくなる。このため部分Ｐ１とＰ２とが互いにより束縛されるので、電極リードの弾性変形による熱応力の緩和が不十分となる。分割されていない電極リードの一例が、従来の電極リード５１Ｚ（図１３）である。電極リード５１Ｚの他方端ＥＢＺは、貫通孔は有するものの、分割されてはいない。

また本実施の形態によれば、電極リード５１の他方端ＥＢ（図３）は、互いに分割された部分Ｐ１およびＰ２を有し、かつ部分Ｐ１およびＰ２の間は封止樹脂部により隔てられる。部分Ｐ１およびＰ２の熱伝導率は、たとえば４００Ｗ／ｍ・Ｋであり、封止樹脂部１０の熱伝導率は、たとえば０．５Ｗ／ｍ・Ｋである。よって他方端ＥＢにおいて、高い熱伝導率を有する材質からなる分割された複数の部分Ｐ１、Ｐ２が設けられ、かつ、この複数の部分Ｐ１、Ｐ２の間は低い熱伝導率を有する材質からなる封止樹脂部１０により隔てられている。この構成により、電極リード５１の他方端ＥＢにおいて主要な伝熱経路が分枝して広がるので、半導体素子４から生じた熱を拡散させることができる。これにより温度分布がより平均化されるので、熱応力に起因する半導体装置１００の疲労破壊の発生を、より抑制することができる。

また、電極リード５１が分割された部分を有するので、半導体装置１００の製造工程において封止樹脂部１０が充填される際の障害物が少なくなる。これにより、より隙間なく封止樹脂部１０を形成することができる。

また、電極リード５１による接続の代わりにアルミワイヤ接続が行なわれる場合に比して、より短時間でより高い強度の接続を行なうことができる。

また、接合部Ｐ１ＪおよびＰ２Ｊとは別に配線部Ｐ１ＣおよびＰ２Ｃが設けられている。これにより電極リード５１を流れる電流に対する電極リード５１の断面積をより十分に確保することができる。よって半導体素子４および４２をより低い抵抗で回路パターン３に接続することができる。

また、本実施の形態およびその変形例によれば、電極リード５１および５２の下の封止樹脂部１０の収縮の影響を低減することで、半導体装置１００の疲労破壊の発生を、より抑制することができる。この効果について、以下に説明する。

図６は、本発明の実施の形態１の変形例における電極リードと封止樹脂部との間の作用を説明する図（Ａ）、および比較例における電極リードと封止樹脂部との間の作用を説明する図（Ｂ）である。なお図６においては、封止樹脂部１０の一部と、電極リードとのみが図示されている。

図６（Ａ）および（Ｂ）を参照して、本実施の形態の変形例の電極リード５２が用いられる場合（図６（Ａ）の場合）、電極リード５２下の分割された一方の領域の幅寸法ａの部分における封止樹脂部１０の収縮が電極リード５２下の角部Ｃに作用する。一方、比較例の電極リード５２Ｚが用いられる場合（図６（Ｂ）の場合）、電極リード５２Ｚ下の幅寸法Ａの部分における封止樹脂部１０の収縮が電極リード５２Ｚ下の角部ＣＺに作用する。すなわち、電極リード５２下の角部Ｃには、電極リード５２Ｚ下の角部ＣＺよりも小さな幅寸法の領域の封止樹脂部１０からの応力が作用する。このため、角部Ｃに加わる応力は、角部ＣＺに加わる応力に比して小さくなる。これにより半導体装置１００の疲労破壊の発生を、より抑制することができる。

なお本実施の形態においては互いに分割された配線部Ｐ１ＣおよびＰ２Ｃのそれぞれに、連結部Ｐ１Ｍおよび接合部Ｐ１Ｊからなる部分と、連結部Ｐ２Ｍおよび接合部Ｐ２Ｊからなる部分とが繋がっていたが、本発明はこれに限定されるものではない。半導体素子４との接合部が分割されていれば、たとえば電極リード５７（図７および図８）のように、電極リードの配線部が分割されていなくてもよい。

（実施の形態２）
図９は、本発明の実施の形態２における半導体装置の電極リードの構成を概略的に示す斜視図である。図１０は、図９の線Ｘ−Ｘに沿った概略断面図である。

図９および図１０を参照して、本実施の形態の電極リード５６は、一方端ＥＡｘ（図９における右下端）と、他方端ＥＢｘ（図９における左上端）とを有する。一方端ＥＡｘは回路パターン３（図９において図示せず）に接合されている。他方端ＥＢｘは半導体素子４および４２の各々の第２の面（図９において図示せず）にハンダ接合されている。他方端ＥＢｘは、互いに分割された複数の部分Ｐ１ｘおよびＰ２ｘを有する。すなわち、他方端ＥＢｘは、部分Ｐ１ｘと部分Ｐ２ｘとの境界に沿った方向（分割方向）に沿って分割されている。

部分Ｐ１ｘは、図１０に示すように、接合部Ｐ１Ｊと、配線部Ｐ１Ｃｘを有する。接合部Ｐ１Ｊは、半導体素子４および４２の各々の第２の面（図２において図示されている面）に接合されている。配線部Ｐ１Ｃｘは、半導体素子４および４２の第２の面に直交する方向（図８における縦方向）に延びている。

また部分Ｐ２ｘも、図１０に示すように、部分Ｐ１ｘと同様の構成を有する。すなわち、部分Ｐ２ｘは、接合部Ｐ２Ｊと、配線部Ｐ２Ｃｘを有する。接合部Ｐ２Ｊは、半導体素子４および４２の各々の第２の面（図２において図示されている面）に接合されている。配線部Ｐ１Ｃｘは、半導体素子４および４２の第２の面に直交する方向（図１０における縦方向）に延びている。

配線部Ｐ１ＣｘおよびＰ２Ｃｘは、半導体素子４の第２の面（図１０において図示せず）と直交する法線方向ＮＮを有する板状部であって、電極リード５６の上側（図１０における上側）に位置している。

図１１は、本発明の実施の形態２における半導体装置における半導体素子および電極リードの近傍の様子を概略的に示す部分断面図（Ａ）、および本発明の実施の形態１における半導体装置における半導体素子および電極リードの近傍の様子を概略的に示す部分断面図（Ｂ）である。

図１１（Ａ）を参照して、領域ＲＧは、封止樹脂部１０のうち半導体素子４の第２の面（図中における上面）の法線方向ＮＤにおいて、本実施の形態の電極リード５６の部分Ｐ２ｘによって半導体素子４の第２の面から隔てられている領域である。領域ＲＧは法線方向ＮＤに沿って部分Ｐ２ｘから露出されている。すなわち領域ＲＧの封止樹脂部１０は、法線方向ＮＤに沿って部分Ｐ２ｘによって挟まれていない。これは法線方向ＮＮが法線方向ＮＤと直交しており、その結果法線方向ＮＮが法線方向ＮＤと逆向きの成分を有さないことによる。

なお上記においては図１１（Ａ）を用いて部分Ｐ２ｘについて説明したが、部分Ｐ１ｘについても同様である。

図１１（Ｂ）を参照して、領域ＲＧＺ１およびＲＧＺ２は、封止樹脂部１０のうち半導体素子４の第２の面（図中における上面）の法線方向ＮＤにおいて、実施の形態１の電極リード５１の部分Ｐ２によって半導体素子４の第２の面から隔てられている領域である。領域ＲＧＺ１およびＲＧＺ２のうち領域ＲＧＺ１は、その上面が配線部Ｐ２Ｃに覆われている。すなわち領域ＲＧＺ１は法線方向ＮＤに沿って部分Ｐ２から露出されていない。これにより、領域ＲＧＺ１の封止樹脂部１０は、法線方向ＮＤに沿って、接合部Ｐ２Ｊと配線部Ｐ２Ｃとに挟まれている。この結果、領域ＲＧＺ１は両端（図１１（Ｂ）における上端および下端）が部分Ｐ２により拘束されている。これは、配線部Ｐ２Ｃの法線方向ＮＮＺが法線方向ＮＤと逆向きの成分を有することによる。

なお、上記以外の構成については、上述した実施の形態１の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。

本実施の形態によれば、封止樹脂部１０の領域ＲＧ（図１１（Ａ））は法線方向ＮＤに沿って部分Ｐ２ｘによって挟まれていない。よって領域ＲＧは自由に伸縮しやすく、電極リード５６に応力を及ぼす作用が小さい。よって電極リード５６が受ける応力が小さくなるので、半導体装置の疲労破壊の発生をより抑制することができる。

次に本実施の形態の効果を確認するために行なわれた応力シミュレーションの結果について説明する。このシミュレーションは、本実施の形態の電極リード５６を有する半導体装置と、従来の電極リード５１Ｚ（図１３および図１４）を有する半導体装置との各々について行なわれた。電極リード５１Ｚは、一方端ＥＡＺおよび他方端ＥＢＺを有する。一方端ＥＡおよび他方端ＥＢは両方とも分割されていない。図１２は、本発明の実施の形態２における半導体装置における電極リードが受ける応力と、従来の半導体装置における電極リードが受ける応力とを示すグラフである。

図１２を参照して、半導体装置の周囲温度が２０℃から１００℃まで８０℃変化した場合、従来の半導体装置の電極接合部の応力が１とされると、本実施の形態の半導体装置の電極接合部の応力は０．８８であった。すなわち熱応力が約１２％緩和された。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示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。本発明の範囲は上記した説明ではなくて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。

本発明は、半導体素子を封止する封止樹脂部を有する半導体装置に特に有利に適用され得る。

本発明の実施の形態１における半導体装置の構成を概略的に示す斜視図である。本発明の実施の形態１における半導体装置の封止樹脂部の内部の構成を概略的に示す斜視図である。本発明の実施の形態１における半導体装置の電極リードの構成を概略的に示す斜視図である。図３の線ＩＶ−ＩＶに沿った概略断面図である。本発明の実施の形態１の変形例における電極リードの構成を概略的に示す断面図である。本発明の実施の形態１の変形例における電極リードと封止樹脂部との間の作用を説明する図（Ａ）、および比較例における電極リードと封止樹脂部との間の作用を説明する図（Ｂ）である。本発明の実施の形態１の他の変形例における電極リードおよび半導体素子の近傍を概略的に示す斜視図である。図７の線ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩに沿った概略断面図である。本発明の実施の形態２における半導体装置の電極リードの構成を概略的に示す斜視図である。図９の線Ｘ−Ｘに沿った概略断面図である。本発明の実施の形態２における半導体装置における半導体素子および電極リードの近傍の様子を概略的に示す部分断面図（Ａ）、および本発明の実施の形態１における半導体装置における半導体素子および電極リードの近傍の様子を概略的に示す部分断面図（Ｂ）である。本発明の実施の形態２における半導体装置における電極リードが受ける応力と、従来の半導体装置における電極リードが受ける応力とを示すグラフである。従来の電極リードの構成を概略的に示す斜視図である。図１３の線ＸＩＶ−ＸＩＶに沿った概略断面図である。

符号の説明

１ベース板、２絶縁層、３回路パターン、４，４２半導体素子、６信号リード、７信号端子、８主端子、１０封止樹脂部、１１基板、５１，５２，５６，５７電極リード、１００半導体装置。

Claims

回路パターンが形成された主面を有する基板と、
第１および第２の面を有し、前記第１の面と前記主面とが互いに面するように前記基板上に配置された半導体素子と、
前記回路パターンに接合された一方端と、前記第２の面にハンダ接合された他方端とを有する電極リードとを備え、
前記他方端は、互いに分割された複数の部分を有し、
前記半導体素子および前記電極リードを封止する封止樹脂部をさらに備えた、半導体装置。
前記複数の部分の各々は、前記第２の面に接合された接合部と、前記接合部に対して前記第２の面に直交する方向に間隔を空けて配置された配線部と、前記接合部と前記配線部とを繋ぐ連結部とを有する、請求項１に記載の半導体装置。
前記封止樹脂部のうち前記第２の面の法線方向において前記複数の部分によって前記第２の面から隔てられている領域は、前記第２の面の法線方向に沿って前記複数の部分から露出されている、請求項１に記載の半導体装置。