JP2011155147A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】封止層の熱膨張による熱応力に起因した封止層の亀裂発生を抑制し、信頼性の向上を可能とする半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体チップ２と、上方に開口部４Ａを有し半導体チップ２を内部に収容する収容ケース４と、開口部４Ａを閉じる蓋材８と、収容ケース４の内部に充填されて半導体チップ２を埋設する封止層９と、を有し、蓋材８は、半導体チップ２と対向する面に、少なくとも半導体チップ２と平面的に重なり半導体チップ２側に突出した凸状部８Ａが設けられていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体装置に関するものである。

従来の半導体装置は、一部が開口した箱型のケース内に半導体チップを搭載したのち、通常はケース内部に絶縁性のゲル状樹脂（封止材）を充填して、収容する半導体チップを埋設している（例えば、特許文献１参照）。このような構造にすることによって、ケース内の収容物を物理的に、あるいは空気中の水分から保護している。

また、封止材が絶縁性を備えることにより、半導体チップやこれに接続する配線等からの放電を防止し、装置の信頼性を高め破損を防ぐこととしている。

特開２００３−２１８２９８号公報

ところで、上記構成の半導体装置に対しては、信頼性試験として、急激な加熱冷却を繰り返す熱衝撃試験が実施される。この試験において半導体装置を急激に加熱すると、熱応力によって封止材表面に亀裂が生じやすかった。この結果は、半導体装置の使用により半導体チップが発熱すると、封止材に亀裂が生じるおそれがあることを示している。使用により生じる亀裂から半導体装置内部に水分の侵入を許すと、半導体装置の破損につながるため、装置に求められる高信頼性が得られないおそれがある。

また、上記構成の半導体装置では、封止材を充填した上で、ケース開口部を閉じる蓋材を配設することがある。このような蓋材によって、ケース内への水分の侵入を防ぐとともに、封止材を外気に曝さないことにより封止材の劣化を防ぐ構成としている。

しかし、上述のように封止材が熱膨張すると、蓋材が押し上げられて変形し、蓋材の破損に繋がるおそれがある。すると、蓋材の破損部から装置内への水分侵入を許すこととなるため、装置の信頼性低下につながる。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、封止層の熱膨張による熱応力に起因した封止層の亀裂発生を抑制し、信頼性の向上を可能とする半導体装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の半導体装置は、半導体チップと、上方に開口部を有し前記半導体チップを内部に収容する収容ケースと、前記開口部を閉じる蓋材と、前記収容ケースの内部に充填されて前記半導体チップを埋設する封止層と、を有し、前記蓋材は、前記半導体チップと対向する面に、少なくとも前記半導体チップと平面的に重なり前記半導体チップ側に突出した凸状部が設けられていることを特徴とする。

この構成によれば、封止層に生じる熱応力に起因した封止層の亀裂発生を抑制し、信頼性の高い半導体装置とすることができる。

すなわち、封止層の半導体チップと平面的に重なる部分は、使用により半導体チップが発熱した場合に最も加熱されるため、相対的に最も熱膨張を生じる部分である。そのため、半導体チップと重なる封止層の表面が平坦であると、熱応力により大きな引張り力が生じ、当該引張り力によって封止層が裂け、表面から亀裂が生じると考えられる。

これに対して、本願発明の封止層は、半導体チップ側に凸状に形成された蓋材の形状に応じ、封止層が半導体チップ側に凹状に形成されている。そのため、封止層が熱膨張する際、蓋材と接する封止層表面では、封止層表面の凹部を縮める方向（圧縮方向）に変形するため、亀裂の原因となる引張り力が生じない。

また、半導体チップを熱源として封止層に熱が伝導されることから、封止層内には半導体チップ周辺が最も温度が高く、半導体チップから遠ざかると温度が低下するという分布を生じることとなる。そのため、封止層の半導体チップと重ならない部分は、半導体チップの直上の部分と比べると温度が低くなり、発生する熱応力が小さく亀裂が発生し難い。

したがって、内側が凸状に形成された蓋材を用いて封止層の表面形状を所望の形とすることにより、熱応力に起因した封止層の亀裂発生を抑制し、信頼性の高い半導体装置とすることができる。

本発明においては、前記凸状部は、前記半導体チップと平面的に重ならない部分と比べて厚く形成されていることが望ましい。
このような構成を有する蓋材では、半導体チップと平面的に重なる部分の熱容量が大きくなる。半導体チップで発生した熱は、封止層を介して蓋材に伝わり、外部に放熱されることとなるが、蓋材の熱容量が大きいと加熱される封止層から相対的に温度が低い蓋材への熱移動が継続して生じやすい。すると、封止層の熱膨張そのものが抑制されることとなるため封止層に亀裂が発生しにくくなり、信頼性の高い半導体装置とすることが可能となる。

本発明においては、前記蓋材は、前記半導体チップと対向しない面が平坦面として形成されていることが望ましい。
この構成によれば、蓋材の半導体チップと対向しない面（外側の面）において他の構成と密着させて接合することができるため、蓋材の外側の面に設けられた構成によっても封止層の熱膨張による蓋材の変形を抑制することができ、封止層の亀裂発生を抑制し、信頼性の高い半導体装置とすることができる。また、放熱板のような放熱部材を蓋材の外側の面に設けて冷却効率を高める場合には、放熱部材と蓋材とが密着するため放熱効率を高めることができる。

本発明においては、前記凸状部は、前記半導体チップ側に階段状に形成されていることが望ましい。
この構成によれば、半導体チップ側に一部が突出した蓋材を形成することが容易となる。例えば、平板状の基材に対し突出させたい部分に対応する板材の小片を積層させる、または平板状の基材から削り出すといった手法により、階段状に半導体チップ側に突出した凸状部を有する蓋材を容易に形成することができる。

本発明においては、前記凸状部は、前記半導体チップ側に円弧状に形成されていることが望ましい。
この構成によれば、封止層において熱膨張による応力が集中する箇所が無くなるため、封止層の破損を防ぐことが可能となる。

本発明においては、前記半導体チップの上面に一端が接続された接続端子を有し、前記蓋材は、前記封止層の材料よりも高い伝熱性を有する材料を用いて設けられ、前記接続端子が、前記蓋材と熱的に接続していることが望ましい。

この構成によれば、半導体チップで発生した熱は、接続端子を介して蓋材に伝わることとなる。蓋材は封止層よりも高い熱伝導性を有しているため、半導体チップで発生した熱が封止層を介して放熱されていた従来の構造と比べ、封止層側からの効率的な放熱を可能とし、装置全体として放熱効率を向上させることができる。

ここで「熱的に接続」とは、接続端子が蓋材に接しており、両者の間で直接熱伝導を行う構成、または、接続端子と蓋材との間に封止層の材料よりも高い伝熱性を有する材料で形成された部材が配設され、当該部材を介して接続端子と蓋材との間で間接的に熱伝導を行う構成をさしている。

本発明においては、前記蓋材における第１の領域において前記蓋材と熱的に接続する第１の前記接続端子と、前記蓋材における前記第１の領域とは異なる第２の領域において、前記蓋材と熱的に接続する第２の前記接続端子とを有し、平面視において、前記第２の領域は前記第１の領域よりも前記半導体チップから離れており、前記第２の接続端子における高さ方向の頂点位置は、前記第１の接続端子における高さ方向の頂点位置よりも高く設けられ、各頂点位置において前記蓋材と熱的に接続していることが望ましい。

この構成によれば、複数の接合端子を介して放熱することができるため、放熱効率を高めることができる。

また、蓋材に設けられる凸状部は、凸状部の半導体チップ側へ突出する高さは、凸状部の場所によって異なるが、半導体チップと平面的に重なって設けられるため、平面視で半導体チップに近いほど突出する高さが高くなっていることが想定される。この構成によれば、半導体チップから離れた位置の接続端子ほど頂点位置が高くなっているため、凸状部の高さが異なっていても、接続端子と蓋材との熱的な接続が確実となる。

本発明においては、前記収容ケースは、前記半導体チップを配置する面の下側に放熱板を有することが望ましい。
この構成によれば、封止層側からの放熱に加え、半導体チップを配置する面からの放熱も容易となるため、封止層の熱膨張を抑制し、熱応力による亀裂発生を抑えた信頼性の高い半導体装置とすることができる。

本発明の半導体装置によれば、封止層に生じる熱応力に起因した封止層の亀裂発生を抑制し、信頼性の高い半導体装置とすることができる。

本発明の実施形態に係る半導体装置の平面図である。 本発明の実施形態に係る半導体装置の断面図である。 本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程図である。 本発明の実施形態の変形例に係る半導体装置の断面図である。

以下、図１〜図４を参照しながら、本発明の実施形態に係る半導体装置について説明する。なお、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の寸法や比率などは適宜異ならせてある。

図１は、本実施形態の半導体装置１Ａの平面図であり、図２は、図１の線分Ａ−Ａにおける概略断面図である。

図１，２に示すように、本実施形態に係る半導体装置１Ａは、半導体チップ２および半導体チップ２が配置される基板３と、これらを内部に収容する収容ケース４と、半導体チップ２に一端が接続され、上方（高さ方向）に屈曲して設けられた接続端子６と、接続端子６の上部に設けられた熱伝導層７と、熱伝導層７に接して設けられた蓋材８と、収容ケース４の内壁と蓋材８とで囲まれた空間に充填され、半導体チップ２、セラミック基板３及び接続端子６を埋設する封止層９と、を備えている。

基板３は、セラミックスを形成材料とする基板本体３ａと、基板本体３ａの上面に設けられた配線パターン３ｂと、を有している。図では、２つの配線パターン３ｂが形成されているものとして示しており、これらは互いに離間して形成されている。

収容ケース４は、上面４１ａに基板３及び半導体チップ２を順番に積層する平面視矩形板状の底壁板部４１と、底壁板部４１の上面４１ａの周縁から上方に延びて平面視矩形環状に形成された周壁部４２とを備えた箱型に形成されている。なお、収容ケース４の内部とは、底壁板部４１と周壁部１２とによって囲繞される空間部分を示している。

底壁板部４１は、半導体チップ２において生じる熱を外方に放熱させる放熱板としての機能を有している。底壁板部４１の形成材料としては、例えば、銅（Ｃｕ）、タングステン、モリブデン等のように、放熱性（熱伝導性）の高い材料を用いることができ、更に表面にＮｉメッキを施したものでもよい。底壁板部４１の外側には、更に放熱用のヒートシンクを設けることもできる。もちろん、底壁板部４１に放熱機能を持たせない構成を採用することもできる。

周壁部４２は、電気的な絶縁性、及び収容ケース４としての剛性を有しており、形成材料としては、例えばエポキシ樹脂やウレタン樹脂等の樹脂材料を用いることができる。これらには、必要に応じてガラスフィラーやシリカ等の添加剤を加えることとしても良い。周壁部４２には、複数の外部接続端子５が封止されている。

外部接続端子５は、導電性部材を断面視Ｌ字状に屈曲させて形成されており、一端が周壁部４２内において上方に延びるように配されると共に、他端が収容ケース４の内部に露出するように配されている。

接続端子６は、導電性材料を用いて帯状に形成されており、半導体チップ２、配線パターン３ｂ、外部接続端子５の表面とハンダなどの接合部材と介して接続されている。これにより、半導体チップ２の上面と配線パターン３ｂ、あるいは配線パターン３ｂと外部接続端子５を電気的に接続している。

接続端子６の形成材料としては、通常の配線材料として用いるＣｕ（銅）やＡｌ（アルミニウム）のような金属単体や、Ｃｕ−Ｍｏ（モリブデン）合金やＣｕ−Ｗ（タングステン）合金のような合金等の金属材料を用いることができる。また、帯状の接続端子６は半導体装置１Ａの高さ方向に屈曲しており、複数の接続端子６における高さ方向の頂点位置が、半導体チップ２に近いもの（符号６ａ）ほど低く、半導体チップ２から離れるもの（符号６ｂ）ほど高くなっている。もちろん、接続端子６は湾曲していても良く、半導体チップ２から離れた位置の接続端子６の頂点位置が、半導体チップ２に近接した接続端子６の頂点位置よりも低い構成であってもよい。

接続端子６は、蓋材８の半導体チップ２に対向する面（内面）に、熱伝導層７を介して熱的に接続している。接続端子６が蓋材８に直接接する構成とすることもできるが、その場合には短絡を防ぐために蓋材８の材料を絶縁性の材料とする必要がある。

熱伝導層７は、複数の接続端子６の頂点位置にそれぞれ設けられている。本実施形態の半導体装置１Ａでは、各接続端子６の頂点位置がすべて等しいため、それぞれの熱伝導層７は同じ厚さに形成されている。接続端子６の頂点位置が異なる場合には、熱伝導層７の厚さを変えることにより、各接続端子６に設けられた熱伝導層７の上部での位置を良好に揃える構成とすると良い。

熱伝導層７の形成材料としては、絶縁性を有し且つ高熱伝導性を有する材料を採用することができ、高い熱伝導性が付与された樹脂材料が好適である。熱伝導層７の熱伝導性は、封止層９の形成材料よりも高いことが好ましい。このような材料としては、例えば、日立化成工業株式会社製の「ハイセット」を採用することができる。

蓋材８は、複数の熱伝導層７に接するように配置されている。蓋材８が配置されていることにより、半導体装置１Ａの内部構造が外部から視認できないように隠すことができ、装置のデザイン性を高めることができる。

蓋材８の内面（封止層９に接する面）には、半導体チップと平面的に重なる部分に、内側に突出する凸状部８Ａが設けられている。凸状部８Ａは、断面形状が階段状になるように設けられていても良く、断面形状が円弧状となるように設けられていても良い。図では、階段状の凸状部８Ａを有する蓋材８を採用している。

蓋材８の外面（半導体チップ２に対向しない面）は、平坦なものとして形成すると、たとえば、半導体装置１Ａを蓋材８側から他の部材に接合させるときに、容易に隙間なく密着させることができる。隙間が空いていると、隙間の分だけ蓋材８の変形を許容してしまうが、他の部材と密着させると、封止層９の熱膨張による蓋材８の変形を抑制することができ、封止層９の亀裂発生を抑制することができる。また、放熱部材を蓋材８の外面に設けて装置の冷却効率を高める場合には、放熱部材と蓋材８とが密着するため放熱効率を高めることができる。もちろん、蓋材８の外面が平坦ではない構成も採用可能である。

さらに、凸状部８Ａは、半導体チップ２と平面的に重ならない部分と比べて厚く形成されていることが望ましい。蓋材８の熱容量が大きくなるため、半導体チップ２に加熱される封止層９から、相対的に温度が低い蓋材８への熱移動が継続して生じやすい。すると、封止層９の熱膨張そのものが抑制されることとなるため、封止層９に亀裂が発生しにくくなる。

このような蓋材８は、封止層９の形成材料よりも高い形成材料を用いて設けられており、例えば、セラミックスや金属材料を用いることができる。蓋材８の形成材料として金属材料を選択したとしても、蓋材８に接する周壁部４２や熱伝導層７の形成材料が絶縁性を有しているため、内部の配線パターン３ｂや接続端子６と導通することはない。また、蓋材８には、複数の貫通孔８ａ（図１では４つ）が設けられている。貫通孔８ａは、収容ケース４内に蓋材８を配置した場合に、接続端子６と平面的に重ならない位置に設けられている。

このような形状の蓋材８に対し、接続端子６は複数箇所で熱的に接続している。接続端子６のうち、半導体チップ２に近い位置に配設された接続端子６ａは、凸状部８Ａの頂部ＡＲ１で蓋材８と接続しており、半導体チップ２から遠い位置に配設された接続端子６ｂは、凸状部８Ａの周辺部ＡＲ２で蓋材８と接続している。すなわち、周辺部ＡＲ２は頂部ＡＲ１よりも半導体チップ２からの高さ方向の位置が高いため、蓋材の形状に合わせて接続端子６の頂点位置を変更することにより、接続端子６と蓋材８との確実な接続を実現している。

封止層９は、電気的な絶縁性を有する高分子ゲル（封止材）を形成材料として、収容ケース４と蓋材８とで囲繞された空間を充填している。封止層９の形成材料としては、例えばシリコーンゲルが挙げられる。

このような構成の半導体装置１Ａでは、使用により半導体チップ２が発熱した場合における、封止層９の亀裂発生を抑制することができる。

すなわち、封止層９の半導体チップ２と平面的に重なる部分では、使用により半導体チップ２が発熱した場合に最も加熱されるため、相対的に最も熱膨張を生じる。そのため、半導体チップ２と重なる封止層９の表面が平坦であると、熱応力により大きな引張り力が生じ、当該引張り力によって封止層９が裂け、表面から亀裂が生じると考えられる。

これに対して、本実施形態の封止層９は、半導体チップ２側に階段状に形成された蓋材８の凸状部８Ａの形状に応じ、封止層９が半導体チップ２側に凹状に形成されている。そのため、封止層９が熱膨張する際、蓋材８と接する封止層９表面では、封止層９表面の凹部を縮める方向（圧縮方向）に変形するため、亀裂の原因となる引張り力が生じにくい。

また、半導体チップ２を熱源として封止層９に熱が伝導されることから、封止層９内には半導体チップ２周辺が最も温度が高く、半導体チップ２から遠ざかると温度が低下するという分布を生じる。そのため、封止層９の半導体チップ２と重ならない部分では、半導体チップ２の直上の部分と比べると温度が低くなり、発生する熱応力が小さい。したがって、封止層９の表面に凹部を形成しなくても亀裂が発生し難くなっている。

以上のことから、内側が凸状に形成された蓋材８を用いて封止層９の表面形状を凹状に形成することにより、熱応力に起因した封止層９の亀裂発生を抑制することができる。

また、半導体チップ２で発生した熱は、直接または配線パターン３ｂを介して接続端子６に伝わり、熱伝導層７を介して蓋材８に伝わることとなる。接続端子６、熱伝導層７および蓋材８は、封止層９よりも高い熱伝導性を有しているため、半導体チップ２で発生した熱が封止層９を介して放熱されていた従来の構造と比べ、効率的に放熱されることとなる。すると、封止層９側からの放熱が促進され、半導体装置１Ａ全体として放熱効率が向上することとなる。すると、封止層９の熱膨張による体積変化自体を抑制することができるため、封止層９の亀裂発生を抑えることができる。

図３は、本実施形態の半導体装置１Ａの製造方法を示す工程図であり、図２に対応する図である。

まず、図３（ａ）に示すように、収容ケース４内に基板３および基板３上に実装された半導体チップ２を収容し、接続端子６を高さ方向に湾曲させて半導体チップ２と配線パターン３ｂ、配線パターン３ｂと外部接続端子５との電気的導通を行う。そして、接続端子６の頂上部付近に熱伝導層７を設ける。接続端子６ａと接続端子６ｂとは頂点位置が異なっており、後の工程で配置する蓋材の内面の高さ位置よりも高くなっている。

次いで、図３（ｂ）に示すように、収容ケース４の開口部４Ａを覆うように蓋材８を配置する。蓋材８を配置する際には、蓋材８が熱伝導層７に当接しながら接続端子６を押し下げるため、自然に蓋材８と熱伝導層７とが密着した状態となる。

次いで、図３（ｃ）に示すように、蓋材８に設けられた不図示の貫通孔から、シリコーンゲルを注入し、封止層９を形成する。貫通孔は複数もうけられているため、少なくとも一つの貫通孔からはシリコーンゲルの注入を行わないようにして、シリコーンゲルの注入を行わない貫通孔から注入部分の空気を抜きながらシリコーンゲルの注入を行う。

シリコーンゲルを蓋材８に密着するまで注入することにより、形成される封止層９は、蓋材８の内面形状と相補的な形状である凹形状となる。シリコーンゲルの注入が終了すると、必要に応じて貫通孔を別部材で閉じ、封止層９が外気に触れないようにすることとしても良い。
本実施形態の半導体装置１Ａは、以上のようにして製造する。

以上のような構成の本実施形態の半導体装置１Ａでは、封止層９に生じる熱応力に起因した封止層９の亀裂発生を抑制し、信頼性の高い半導体装置１Ａとすることができる。

なお、本実施形態の半導体装置１Ａでは、収容ケース４から装置上方に向けて外部接続端子５が配設されている構成としたが、本発明はこのような構成の半導体装置に限るものではない。

図４は、本発明の変形例に係る半導体装置１Ｂの断面図である。本実施形態の半導体装置１Ｂは、第１実施形態の半導体装置１Ａと一部共通しており、異なるのは、半導体装置１Ｂが、半導体装置１Ａの外部接続端子５に代えて、基板３から底壁板部４１を貫通して装置下方に向けて外部接続端子５０が配設されている面実装タイプの半導体装置であることである。

半導体装置１Ｂは、複数の外部接続端子５０を有しており、各外部接続端子５０は、基板本体３ａを介して配線パターン３ｂと接続されている。このような外部接続端子５０を有する半導体装置１Ｂでは、装置下方（底壁板部４１側）で他のプリント基板等と接続する面実装が可能となっている。

このような構成の半導体装置１Ｂであっても、蓋材８の内面に設けられた凸状部８Ａにより、封止層９の上面が凹状に形成されているため、封止層９に生じる熱応力に起因した封止層９の亀裂発生を抑制し、信頼性の高い半導体装置１Ｂとすることができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施の形態例について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

１Ａ，１Ｂ…半導体装置、２…半導体チップ、４…収容ケース、４Ａ…開口部、４１…放熱板（底壁板部）、４３…凹部、６，６ａ，６ｂ…接続端子、７…熱伝導層、８…蓋材、８Ａ…凸状部、８ａ…貫通孔、９…封止層

Claims (8)

1. 半導体チップと、
   上方に開口部を有し前記半導体チップを内部に収容する収容ケースと、
   前記開口部を閉じる蓋材と、
   前記収容ケースの内部に充填されて前記半導体チップを埋設する封止層と、を有し、
   前記蓋材は、前記半導体チップと対向する面に、少なくとも前記半導体チップと平面的に重なり前記半導体チップ側に突出した凸状部が設けられていることを特徴とする半導体装置。
2. 前記凸状部は、前記半導体チップと平面的に重ならない部分と比べて厚く形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記蓋材は、前記半導体チップと対向しない面が平坦面として形成されてい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. 前記凸状部は、前記半導体チップ側に階段状に形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 前記凸状部は、前記半導体チップ側に円弧状に形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置。
6. 前記半導体チップの上面に一端が接続された接続端子を有し、
   前記蓋材は、前記封止層の材料よりも高い伝熱性を有する材料を用いて設けられ、
   前記接続端子が、前記蓋材と熱的に接続していることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体装置。
7. 前記蓋材における第１の領域において前記蓋材と熱的に接続する第１の前記接続端子と、
   前記蓋材における前記第１の領域とは異なる第２の領域において、前記蓋材と熱的に接続する第２の前記接続端子とを有し、
   平面視において、前記第２の領域は前記第１の領域よりも前記半導体チップから離れており、
   前記第２の接続端子における高さ方向の頂点位置は、前記第１の接続端子における高さ方向の頂点位置よりも高く設けられ、各頂点位置において前記蓋材と熱的に接続していることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
8. 前記収容ケースは、前記半導体チップを配置する面の下側に放熱用のヒートシンクを有することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の半導体装置。

Images