JP2010219420A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【目的】半導体チップの配線にリードフレームを用いた場合に、半導体チップの上下の半田層の熱疲労による熱抵抗の増大を防止し信頼性の高い半導体装置を提供する。
【解決手段】ケース９内部の銅ベース基板３上に半導体チップ５、この半導体チップ５上にリードフレーム７をそれぞれ半田層４，６で固着しこれらを二層の封止材層１２，１３で被覆する。そして半導体チップ５全体と配線であるリードフレーム７の一部と半導体チップ５周囲の銅ベース基板３を第１封止材層１２で覆い、更にその外側を第２封止材層１３で覆い、第１封止材層１２の熱膨張係数を銅ベース基板３の熱膨張係数付近の１．５×１０^-5／℃〜１．８×１０^-5／℃とし、第１封止材層１２の銅ベース基板３に対する接着強さを１５ＭＰａ〜３０ＭＰａとすることで、半導体チップ５の上下の半田層４，６の熱疲労による熱抵抗の増大を防止し信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、パワー半導体モジュールなどの半導体装置に関する。

図７は、従来のパワー半導体モジュールの要部断面図である。パワー半導体モジュール５００は、絶縁層１と回路パターン２および銅板１４からなる銅ベース基板３に半田層４により半導体チップ５が半田付けされる。そしてさらに半導体チップ５に半田層６によりリードフレーム７の一端が半田付けされ、このリードフレーム７の他端には主端子８が取り付けられる。

この状態で、ケース９が取り付けられ銅ベース基板３との接合部を図示しない接着剤でシールされ封止材層１０が充填される。封止材層１０として使用されるのはシリコーンゲルで、２液混合型の反応材料である。所定量を計量したのち混合し０．１Ｔｏｒｒ（１３．３Ｐａ）の真空状態で１０分間一次脱泡したのちにケース９内に注型される。
その後、０．１Ｔｏｒｒの真空状態で１０分間２次脱泡し１２０℃、２時間加熱硬化された後にフタ１１が取り付けられパワー半導体モジュールが完成する。パワー半導体モジュール５００は図示しない冷却フィンの上に取り付けられて使用される。

パワー半導体モジュール５００の動作時は、半導体チップ５や回路パターン２には高電圧が印加され使用される。従来のパワー半導体モジュールでは、シリコーンゲルで封止材層１０を形成することにより短い沿面長で沿面絶縁耐圧を確保することができる。
特許文献１において、 基板上に搭載されたチップ状の回路素子の表面に、及び基板上のワイヤ線のネック部に連続状態で素子の熱膨張係数と近似させた熱膨張係数の低い樹脂薄膜を被覆することで、冷熱サイクル時に発生する応力による素子と導体とを接続するワイヤ線の断線を防止することが開示されている。

また、特許文献２において、一面上に半導体チップをワイヤボンド実装し且つ該実装部を実装部封止樹脂で封止してなる回路基板を、注入樹脂を用いてケース内に封入、固定した回路基板の実装構造において、実装部の封止樹脂の弾性率を注入樹脂の弾性率よりも大きいものとすることで、各樹脂にかかる熱応力によりワイヤ線が断線するのを防止することが開示されている。

特開平５−８２６７８号公報 特開２０００−２２３６２３号公報

図７に示す従来のパワー半導体モジュール５００では、半導体チップ５を回路パターン２に接合している半田層４とリードフレーム７に接合している半田層６に温度変化による熱疲労で熱抵抗が増大する問題点がある。
パワーサイクル試験をΔＴｊ＝１００℃、運転１秒、休止９秒の条件を１サイクルとして実施するとサイクル数の増加にしたがいパワー半導体モジュールの熱抵抗が増加する傾向が顕著になる。

また、ヒートショック試験を−４０℃（３０分間)〜＋１２５℃（３０分間）の条件を１サイクルとして実施するとパワーサイクル試験と同様にサイクル数の増加とともに熱抵抗が増加する傾向が顕著になる。
特許文献１では、ワイヤ線の断線を防止することを目的とし、樹脂薄膜を回路素子上に薄く形成する必要があるため、樹脂としては溶液性のフェノール系エポキシ樹脂を用いている（段落００１７参照）。樹脂膜が薄いため半導体チップの裏面の半田層の熱疲労による熱抵抗の増大の防止に対しては効果が低い。

また、特許文献２では、冷熱サイクル時に発生する応力によるワイヤ線の断線防止について説明している。しかし、半導体チップの配線をワイヤ線の代わりにリードフレームで行った場合、半導体チップの上下の半田層の熱疲労による熱抵抗の増大を防止する必要があるがそのための方策は説明されていない。
この発明の目的は、前記の課題を解決して、半導体チップの配線にリードフレームを用いた場合に、半導体チップの上下の半田層の熱疲労による熱抵抗の増大を防止し信頼性の高い半導体装置を提供することである。

前記の目的を達成するために、特許請求の範囲の請求項１記載の発明によれば、ケースと、ケースに取り付けられた銅ベース基板と、銅ベース基板上に固着された半導体チップと、該半導体チップ上に固着されたリードフレームとを備える半導体装置において、前記半導体チップおよびリードフレームは夫々半田層で銅ベース基板上および半導体チップ上に固着されており、前記銅ベース基板、半導体チップおよびリードフレームが、銅ベース基板の熱膨張係数付近の所定の値の熱膨張係数を有する封止材層により被覆されている構成とする。

また、特許請求の範囲の請求項２記載の発明によれば、請求項１に記載の発明において、前記封止材層が第１封止材層と第２封止材層をこの順に積層したものであり、前記半導体チップと、リードフレームと、半導体チップの周囲の銅ベース基板とが第１封止材層で覆われており、該第１封止材層が第２封止材層で覆われており、前記第１封止材層の熱膨張係数が銅ベース基板の熱膨張係数付近の所定の値である構成とする。

また、特許請求の範囲の請求項３記載の発明によれば、請求項１〜３のいずれか一項に記載の発明において、前記所定の値が１．５×１０^-5／℃〜１．８×１０^-5／℃であるとよい。
また、特許請求の範囲の請求項４記載の発明によれば、請求項１〜３のいずれか一項に記載の発明において、前記封止材層または前記第１封止材層の前記銅ベース基板に対する接着強さが１５ＭＰａ〜３０ＭＰａであるとよい。

また、特許請求の範囲の請求項５記載の発明によれば、請求項１〜４のいずれか一項に記載の発明において、前記封止材層または前記第１封止材層の熱変形温度が１５０℃〜２００℃であるとよい。
また、特許請求の範囲の請求項６記載の発明によれば、請求項１〜５のいずれか一項に記載の発明において、前記封止材層または前記第１封止材層の弾性率が１４ＧＰａ〜１８ＧＰａであるとよい。

また、特許請求の範囲の請求項７記載の発明によれば、請求項１〜６のいずれか一項に記載の発明において、前記封止材層または前記第１封止材層がカチオン重合型１液型エポキシ樹脂であるとよい。
また、特許請求の範囲の請求項８記載の発明によれば、請求項７に記載の発明において、前記カチオン重合型１液型エポキシ樹脂が、充填材としてＳｉＯ₂又はＴｉＯ₂を８０Ｖｏｌ．％〜９０Ｖｏｌ．％充填されているとよい。

また、特許請求の範囲の請求項９記載の発明によれば、請求項２に記載の発明において、前記第２封止材層が、シリコーンゲルであるとよい。
また、特許請求の範囲の請求項１０記載の発明によれば、請求項２に記載の発明において、前記第２封止材層が、第１封止材層より熱膨張率が大きく、接着強さが小さく、熱変形温度が高く、弾性率が小さい条件のうち少なくともいずれかを満たす材料で形成するとよい。

この発明によれば、ケース内部の銅ベース基板上に半導体チップ、この半導体チップ上にリードフレームをそれぞれ半田層で固着しこれらを二層の封止材層で被覆した半導体装置において、半導体チップ全体と配線であるリードフレームの一部と半導体チップ周囲の銅ベース基板を第１封止材層で覆い、更にその外側を第２封止材層で覆い、第１封止材層の熱膨張係数を銅ベース基板の熱膨張係数付近の１．５×１０^-5／℃〜１．８×１０^-5／℃とし、第１封止材層の銅ベース基板に対する接着強さを１５ＭＰａ〜３０ＭＰａとすることで、半導体チップの上下の半田層の熱疲労による熱抵抗の増大を防止し信頼性の高い半導体装置を提供することができる。

また、第１封止材層の熱変形温度を１５０℃〜２００℃にすることで、低温状態から高温状態まで銅ベース基板に対して高い接着強さが維持できて、パワーサイクル試験やヒートショック試験で発生する半田層での熱応力疲労による熱抵抗の増大を防止することができる。
さらに、第１封止材層の弾性率を１４ＧＰａ〜１８ＧＰａとすることで、その効果を増大させることができる。

溶剤を含まないカチオン重合型１液型エポキシ樹脂を用いたことにより、気泡の発生を抑えてバルクの厚い封止材層を形成することができ、半導体チップ上に半田層でリードフレームを固着する場合でも半導体チップと銅ベース基板とを強固に固着し、半田層の熱疲労を防止することができる。
また、前記した第１封止材層でケース内を充填することで、前記と同様に熱疲労の低減を図ることができる。

また、前記した第１封止材層で半導体チップ全体と配線であるリードフレームの一部と半導体チップ周囲の銅ベース基板を被覆した場合でも熱疲労の低減を図ることができる。

この発明の第１実施例の半導体装置の要部断面図である。 カチオン重合型１液型エポキシ樹脂とシリコーンゲルの銅ベース基板に対する接着強さの温度依存性を示す図である。 図１の変形例を示す要部断面図である。 図１の別の変形例を示す要部断面図である。 この発明の第２実施例の半導体装置の要部断面図である。 この発明の第３実施例の半導体装置の要部断面図である。 従来のパワー半導体モジュールの要部断面図である。

実施の形態を以下の実施例で説明する。従来構造と同一部位には同一の符号を付した。

図１は、この発明の第１実施例の半導体装置の要部断面図である。ここでは半導体装置として例えばパワー半導体モジュールを例に挙げた。
このパワー半導体モジュール１００は、絶縁層１と回路パターン２および銅板１４からなる銅ベース基板３と、この銅ベース基板に半田層４により固着される半導体チップ５と、この半導体チップ５上に半田層６により固着されるリードフレーム７と、このリードフレームが半田付けされる主端子８とからなる。尚、銅板１４は、腐食防止およびアルミニウム製の冷却フィンとの電腐防止のためにニッケルなどの金属膜が被覆されている。

また、この状態で、銅ベース基板３が取り付けられたケース９と、半導体チップ５と半導体チップ５に接続するリードフレーム７と半導体チップ５の周りの銅ベース基板３を被覆する第１封止材層１２と、ケース９内を充填する第２封止材層１３であるシリコーンゲルと、その上を覆うフタ１１で構成される。
つぎに、図１のパワー半導体モジュールの製造方法について工程順に説明する。

まず、パワー半導体モジュールは、絶縁層１と回路パターン２を有する銅ベース基板３に半田層４により半導体チップ５を半田付けする。そしてさらに半田層６によりリードフレーム７の一端が半田付けされ、リードフレーム７の他端が主端子８に取り付ける。この状態で、ケース９が取り付けられ銅ベース基板３との接合部を図示しない接着剤でシールする。

つぎに、第１封止材層１２として、カチオン重合型１液型エポキシ樹脂を図示しないディスペンサーを使用して滴下塗布する。その後、第１封止材層１２を６０℃１時間の加熱硬化でゲル化状態までの硬化状態とする。その後更に１５０℃２時間の２次硬化により第１封止材層１２の硬化を完了する。
そして、第２封止材層１３を充填する。第２封止材層１３として使用されるのはシリコーンゲルで、２液混合型の反応材料である。所定量を計量したのち混合し０．１Ｔｏｒｒ（１３．３Ｐａ）の真空状態で１０分間一次脱泡したのちにケース９内に注型する。その後、０．１Ｔｏｒｒの真空状態で１０分間２次脱泡し１２０℃２時間加熱硬化した後にフタ１１が取り付けられパワー半導体モジュールは完成する。このパワー半導体モジュールは図示しない冷却フィンの上に取り付けられて使用される。

前記の第１封止材層１２として使用する材料は、例えばペルノックス（株）製のカチオン重合型１液型エポキシ樹脂を使用する。第１封止材層１２として使用される材料性能としては、接着強さが２５ＭＰａ、熱変形温度が１７０℃、弾性率が１６ＧＰａである。第１封止材層１２に使用される材料には、充填材としてＳｉＯ₂やＴｉＯ₂等の材料が８０〜９０Ｖｏｌ．％（容量パーセント）近く充填すると、熱膨張係数を銅ベース基板３の熱膨張係数１．７×１０^-5／℃に合わせることができる。また、第１封止材層１２の熱伝導率を高めるとパワー半導体モジュール１００の性能を高めることができる。第１封止材層１２の形状について、半導体チップ１２上での厚みを１ｍｍ〜１０ｍｍとすることが望ましく、また回路パターン２上での幅を１ｍｍ〜５ｍｍとすることが望ましい。半導体チップと銅ベース基板とを強固に固着し、半田層の熱疲労を防止するために必要な封止材の厚さとしては最低１ｍｍ程度が必要となる。

図２は、カチオン重合型１液型エポキシ樹脂とシリコーンゲルの銅ベース基板に対する接着強さの温度依存性を示す図である。図２から、−４０℃から＋１７５℃の範囲でカチオン重合型１液型エポキシ樹脂の接着強さは、シリコーンゲルの接着強さより大幅に高いことが分かる。
また、表１には、図１の本発明品（パワー半導体モジュール１００）と図７の従来品（パワー半導体モジュール５００）との信頼性評価試験の結果を示す。

表１から、本発明品（パワー半導体モジュール１００）では、従来品（パワー半導体モジュール５００）と違い、パワーサイクル試験とヒートサイクル試験で半田層４，６の熱疲労による熱抵抗の増大は発生しなかった。

尚、第１封止材層１２でリードフレーム７を被覆する形態として図１に示すものの他その変形例を図３、４に示す。いずれの形態も半導体チップ５とリードフレーム７とを接合する半田層６での応力をリードフレーム７のばね作用により緩和することができる。
いずれも３つの部分で屈曲したリードフレーム７を用い共通しているが、図１に示したリードフレーム７は、その第１の屈曲部が半導体チップ５との接合部に固着されており、半導体チップ５上からその面に略垂直な上方へ延伸され、第１封止材層１２内の第２の屈曲部において半導体チップ５の面方向へ曲げられ、第１封止材層１２の表面を貫いて、第３の屈曲部を経て主端子８へ取り付けられている。

すなわち、図１では半導体チップ５とリードフレーム７との接合付近から離れた箇所までリードフレーム７が被覆されている。これに対し図３に示したリードフレーム７は、半導体チップ５との固着部からその面内方向に延伸され、第１封止材層１２の表面を貫いた後３つの屈曲部を経て主端子８へ取り付けられている。
すなわち、図３では半導体チップ５から水平方向にリードフレーム７をはみ出させ、そのはみ出した水平のリードフレーム７までを第１封止材層１２で被覆している。

次に図４に示したリードフレーム７は、その形状は図１に示したものと同じであるが、その第１の屈曲部と第２の屈曲部との間に第１封止材層１２の表面が位置している点で異なっている。すなわち、リードフレーム７の垂直部分までが第１封止材層で被覆されている。
なお、以上の形態では３つの屈曲部を有するリードフレーム７について説明したが、屈曲部の数を増やしてばね作用をさらに増加させたものを用いてもよい。

前記のことをまとめるとつぎのようになる。
第１封止材層１２の熱膨張係数を、銅ベース基板３の熱膨張係数に近づけて、１．５×１０^-5℃〜１．８×１０^-5／℃とし、第２封止材層１３であるシリコーンゲルより銅ベース基板３に対する接着強さが強く、第１封止材層１２の銅ベース基板３に対する接着強さを１５ＭＰａ〜３０ＭＰａとすることで、第１封止材層１２により半導体チップ５、半導体チップ５の上下の半田層６，４およびリードフレーム７がしっかりと固定され、従来のシルコーンゲルで封止した場合に比べて、パワーサイクル試験やヒートショック試験で発生する半田層４，６での熱応力疲労を防止できて、その結果パワー半導体モジュールの熱抵抗の増大を防止することができる。

また、前記に加えて、第２封止材層１３であるシリコーンゲルより熱変形温度が高く、第１封止材層１２の熱変形温度を１５０℃〜２００℃にすることで、第１封止材層１２は、低温状態から高温状態まで銅ベース基板３に対して高い接着強さが維持できて、パワーサイクル試験やヒートショック試験で発生する半田層４，６での熱応力疲労による熱抵抗の増大を防止することができる。

さらに、第２封止材層１３であるシリコーンゲルより弾性率が大きく、第１封止材層１２の弾性率を１０ＧＰａ〜２５ＧＰａとすることで、その効果はさらに強められる。
尚、第１封止材層１２には例えば、前記したＳｉＯ₂やＴｉＯ₂を充填したカチオン重合型１液型エポキシ樹脂を用いると、熱膨張係数を銅ベース基板３の熱膨張係数付近にすることができるのでよい。また、第１封止材層１２であるカチオン重合型１液型エポキシ樹脂はシリコーンゲルのように表面保護膜の役割もするので、短い沿面長で半導体チップ５の沿面絶縁耐圧を確保することができる。

前記した熱膨張係数が１．５×１０^-5／℃未満ではＳｉＯ₂などの充填材の添加量が限界となり注型材料としての粘度限界を超えるため注型が困難になり第１封止材層１２を形成できない。一方、１．８×１０^-5／℃を超えると、銅ベース基板との熱膨張係数差が大きく成り過ぎて熱応力が過大になる。
また、接着強さが１５ＭＰａ未満では、銅で形成された回路パターン２との界面で剥離状態となり接着強さのばらつきが大きく成り過ぎる。一方、３０ＭＰａを超えると、注型材料の凝集破壊（第１封止材層１２内で起こる破壊）が発生するため第１封止材層１２として使用できない。

また、熱変形温度が１５０℃未満ではパワー半導体モジュール１００の使用温度以下となり適用が困難になる。一方、２００℃を超えるエポキシ樹脂は製造が困難である。
また、弾性率が１０ＧＰａ未満では、封止材として柔らかすぎて半導体チップを固定する力が弱すぎる。一方、２５ＧＰａを超えると、ＳｉＯ₂などの充填材の添加限界となり、注型材料としての粘度限界を超えるため注型が困難になり、第１封止材層１２を形成できない。

尚、前記の第２封止材層１３としてシリコーンゲルを例に挙げたが、前記の第１封止材層１２より熱膨張率が大きく、接着強さが小さく、熱変形温度が高く、弾性率が小さい条件のうち少なくともいずれかを満たす材料で第２封止材層１３を形成するとよい。

図５は、この発明の第２実施例の半導体装置の要部断面図である。本パワー半導体モジュール２００と図１のパワー半導体モジュール１００との違いは、第１封止材層１２で全体を充填して、第２封止材層１３を用いない構成となっている点である。第１封止材層１２によりケース９内は保護されるので外界の環境に対しては図１のパワー半導体モジュール１００の場合と同じである。また、第１封止材層１２の厚さが厚くなるので、図１のパワー半導体モジュール１００の場合より、半田層４，６の熱疲労が低減される。しかし、第１封止材層１２に用いられるカチオン重合型１液型エポキシ樹脂はコストが高いため、図１のパワー半導体モジュール１００よりコストは高くなる。

図６は、この発明の第３実施例の半導体装置の要部断面図である。本パワー半導体モジュール３００と図１のパワー半導体モジュール１００との違いは、第２封止材層１３のシリコーンゲルを充填しない構成となっている点である。熱疲労に対しては従来のパワー半導体モジュール５００よりは著しく起こり難くなっているが、第２封止材層１３がないため図１のパワー半導体モジュール１００よりは発生しやすくなる。しかし、図１のパワー半導体モジュール１００よりコストは低減される。

しかし、半導体チップ５近辺のみを被覆した第１封止材層１２で外界の雰囲気から半導体チップを保護しているため、図２のパワー半導体モジュール２００のようにケース９内全体を第２封止材層１３で充填した場合に比べて環境に対する信頼性が低下する傾向にある。

１ 絶縁層
２ 回路パターン
３ 銅ベース基板
４，６ 半田層
５ 半導体チップ
７ リードフレーム
８ 主端子
９ ケース
１１ フタ
１２ 第１封止材層
１３ 第２封止材層
１４ 銅板
１５ 空間
１００，２００，３００ パワー半導体モジュール

Claims (10)

1. ケースと、ケースに取り付けられた銅ベース基板と、銅ベース基板上に固着された半導体チップと、該半導体チップ上に固着されたリードフレームとを備える半導体装置において、
   前記半導体チップおよびリードフレームは夫々半田層で銅ベース基板上および半導体チップ上に固着されており、
   前記銅ベース基板、半導体チップおよびリードフレームが、銅ベース基板の熱膨張係数付近の所定の値の熱膨張係数を有する封止材層により被覆されていることを特徴とする半導体装置。
2. 前記封止材層が第１封止材層と第２封止材層をこの順に積層したものであり、前記半導体チップと、リードフレームと、半導体チップの周囲の銅ベース基板とが第１封止材層で覆われており、該第１封止材層が第２封止材層で覆われており、前記第１封止材層の熱膨張係数が銅ベース基板の熱膨張係数付近の所定の値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. 前記所定の値が１．５×１０^-5／℃〜１．８×１０^-5／℃であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 前記封止材層または前記第１封止材層の前記銅ベース基板に対する接着強さが１５ＭＰａ〜３０ＭＰａであることを特徴とする請求項１〜３に記載の半導体装置。
5. 前記封止材層または前記第１封止材層の熱変形温度が１５０℃〜２００℃であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体装置。
6. 前記封止材層または前記第１封止材層の弾性率が１４ＧＰａ〜１８ＧＰａであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体装置。
7. 前記封止材層または前記第１封止材層がカチオン重合型１液型エポキシ樹脂であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体装置。
8. 前記カチオン重合型１液型エポキシ樹脂が、充填材としてＳｉＯ₂又はＴｉＯ₂を８０Ｖｏｌ．％〜９０Ｖｏｌ．％充填されていることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。
9. 前記第２封止材層が、シリコーンゲルであることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
10. 前記第２封止材層が、第１封止材層より熱膨張率が大きく、接着強さが小さく、熱変形温度が高く、弾性率が小さい条件のうち少なくともいずれかを満たす材料で形成した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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