JP2012227337A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基板と封止樹脂体の接続強度が極めて高く、耐衝撃性、耐久性に優れた半導体装置を提供する。
【解決手段】基板２の素子搭載面の上にはんだ層３を介して半導体素子１が接合され、基板２と半導体素子１がエポキシ樹脂からなる封止樹脂体４で封止されてなるケースレス構造の半導体装置１０であって、基板２の素子搭載面のうち、半導体素子１が搭載されていない領域における半導体素子１の端部位置（もしくははんだ層の端部位置）から素子搭載面の端部までの長さをＬとした際に、０．４Ｌ〜０．９Ｌの長さの１つの凹溝２ａが素子搭載面の前記領域に設けられ、該凹溝２ａ内に封止樹脂体４の一部が入り込んでいる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ケースレス構造であって、はんだ層を介して基板（回路基板）表面に半導体素子が接続され、これらが比較的硬質の封止樹脂体で保護された構成の半導体装置に関するものである。

ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の半導体素子を搭載した半導体装置（パワーモジュール）は、回路基板の表面に半導体素子がはんだ層を介して接続されたユニットがケース内に収容され、さらにこのケース内に封止樹脂体が形成された構成のものや、ケースレス構造であって、比較的硬質の封止樹脂体で回路基板や半導体素子が保護された構成のものなど、その形態は多様に存在している。なお、ケースレス構造のもの、ケースを具備する構造のもののいずれであっても、それらの下方にはヒートシンクや冷媒を還流させる冷却器などが配され、半導体素子からの熱をこれらに放熱させる構造が一般に適用されている。

ところで、ケースレス構造の半導体装置においては、回路基板や半導体素子の表面を保護する硬質の封止樹脂体と回路基板の間の接着力を高めるために、封止樹脂体と接着する回路基板の接着面（すなわち、回路基板の表面のうち、半導体素子を搭載するはんだ層が形成されていない領域）には多数の凹溝を設けて封止樹脂体との接着面積を増加させ、接着界面における接着力を高めようとする半導体装置も開発されており、たとえば特許文献１にこのような構成の半導体装置が開示されている。

このようにケースレス構造であって、回路基板の表面に多数の凹溝を設けて封止樹脂体との接着面積を増加させる構成の半導体装置を図７に模擬している。同図で示す半導体装置Ｐは、基板Ｋの素子搭載面の上にはんだ層Ｈを介して半導体素子Ｓが接合され、基板Ｋと半導体素子Ｓが比較的硬質の封止樹脂体Ｆで封止されてなる半導体装置であり、基板Ｋのうち、封止樹脂体Ｆと接着される表面に多数の凹溝Ｋａ，…が設けられ、ここに封止樹脂体Ｆの一部が入り込んで双方の接着強度が高められた構成となっている。

特許文献１や図７で示されるケースレス構造の半導体装置においては、封止樹脂体と接着される基板表面に多数の凹溝が設けられて双方の接着界面が増加されたことにより、接着界面における接着力が高まると考えられており、理論上は確かに接着力が高められることになる。しかしながら、多数の凹溝ゆえに凹溝が細かくなってしまい、封止樹脂体用の樹脂が凹溝内に十分に充填されずにボイドが生じ、結果として接着力を十分に高めることができないことが本発明者等によって特定されている。さらに、多数の凹溝を基板表面に形成することからそのための加工手間を要し、これが製造効率低下に繋がる恐れもある。たとえば流動性の良好な樹脂を適用して細かな凹溝内への樹脂の充填性を保証しようとすると、結局は、使用できる樹脂素材が限定されたり、あるいは、放熱性を高めるために樹脂内にフィラーを含有させたい場合に、フィラー含有によって樹脂の流動性が低下することからフィラー含有を断念せざるを得ないといった問題などもある。

特許第３７４８８４９号公報

本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、ケースレス構造の半導体装置であって、基板や半導体素子を保護する封止樹脂体と基板の接合強度が高く、従来構造の半導体装置に比して加工手間も格段に低減することのできる半導体装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明による半導体装置は、基板の素子搭載面の上にはんだ層を介して半導体素子が接合され、基板と半導体素子がエポキシ樹脂からなる封止樹脂体で封止されてなるケースレス構造の半導体装置であって、前記基板の素子搭載面のうち、半導体素子が搭載されていない領域における半導体素子の端部位置もしくははんだ層の端部位置から素子搭載面の端部までの長さをＬとした際に、縦断面的に見て０．４Ｌ〜０．９Ｌの長さの１つの凹溝が素子搭載面の前記領域に設けられ、該凹溝内に封止樹脂体の一部が入り込んでいるものである。

本発明の半導体装置はケースレス構造の装置であり、そのために、半導体素子や基板、これらを繋ぐはんだ層を保護する封止樹脂体は比較的硬質なものが適用される。そして、この半導体装置は、基板の素子搭載面のうち、半導体素子が搭載されていない領域における半導体素子の端部位置もしくははんだ層の端部位置から素子搭載面の端部までの長さをＬとした際に、縦断面的に見て０．４Ｌ〜０．９Ｌの長さの１つの凹溝が素子搭載面の前記領域に設けられ、この凹溝内に封止樹脂体の一部が入り込んでいる構成としたこと、すなわち、従来構造の半導体装置のように多数の凹溝を設けるものではなく、比較的広幅の１つの凹溝を基板表面のはんだ層側方の領域に設け、ここに封止樹脂体の一部が入り込んだ形態のものである。

たとえば半導体素子が平面視正方形や長方形、円形、楕円形の場合であって、はんだ層もこれに対応するように平面視が正方形や長方形、円形、楕円形の場合に、はんだ層の端辺の周囲の基板表面に、正方形枠状、長方形枠状、円形枠状、楕円形枠状の凹溝が形成され、この枠状の凹溝がはんだ層を囲繞する形態を挙げることができる。また、たとえば平面視が正方形、長方形のはんだ層を構成する４つの端辺に対応する基板表面領域に対して、それぞれ凹溝が形成されて計４つの凹溝が設けられた形態を挙げることができる。

ここで、「基板」とは、回路基板、もしくは回路基板と絶縁基板の組み合わせ、もしくは回路基板と絶縁基板と応力緩和基板の組み合わせなど、のすべてを総称するものである。また、この絶縁基板は、たとえば純アルミニウムからなる基板と窒化アルミニウムからなる基盤とを積層してなる積層体（ＤＢＡ）であってもよいことは勿論のことである。

また、この半導体装置は、上記基板の下方に、ヒートシンク板や、ヒートシンク板と冷媒還流路を具備する冷却器とのアルミダイキャスト一体成形体を具備するものであってもよい。

ケースレス構造ゆえに封止樹脂体は比較的硬質であることを要するため、その素材としては、エポキシ樹脂やポリイミド、さらには、これらにシリカやアルミナ、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸化マグネシウム等の熱伝導性フィラーが含有された素材などを挙げることができる。

さらに、本発明者等による検証の結果、凹溝の幅は、導体素子が搭載されていない領域における半導体素子の端部位置もしくははんだ層の端部位置から素子搭載面の端部までの長さをＬとした際に、０．４Ｌ〜０．９Ｌの長さに設定されるのがよいことが実証されている。

この凹溝の長さ範囲は、エポキシ樹脂等からなる硬質の封止樹脂体を半導体装置の構成要素とした際に、この封止樹脂体のせん断強度に対して、凹溝に入り込んだ封止樹脂体のせん断強度とこの領域における凹溝と封止樹脂体の接着強度の和からなる接続強度が封止樹脂体のせん断強度以上となるための範囲である。

すなわち、０．４Ｌ〜０．９Ｌの範囲の幅を有する凹溝の場合には、接続箇所における破壊強度は封止樹脂体の有するせん断強度で規定され、せん断破壊モードとなるのに対して、０．４Ｌ未満および０．９Ｌを超える範囲の幅の凹溝の場合には、封止樹脂体の内部でのせん断破壊とならず、封止樹脂体と凹溝の接着界面での界面剥離モードとなるため、封止樹脂体と基板の接合強度は低下する。

上記範囲の幅に設定された凹溝内に封止樹脂体の一部を入り込ませた封止樹脂体と基板の接合構造を適用することで、外部からせん断力等が作用した際の当該接続箇所の破壊モードを界面破壊モードから封止樹脂体自身の有するせん断強度で規定されるせん断破壊モード（界面破壊モードに比して破壊強度は高い）とすることができ、もって当該接続箇所における接続強度を高めることができる。

本発明のケースレス構造の半導体装置は、上記のごとく基板と封止樹脂体の接続強度が極めて高いものであることから、耐衝撃性、耐久性に優れており、さらには、基板表面に形成される凹溝が比較的広幅でその基数も少ないことから加工手間も低減され、製造コスト低減に繋がる。これらのことから、上記する本発明の半導体装置は、搭載部品等に対して高耐久性と製造コスト低減を要求する近時のハイブリッド車や電気自動車に車載されるインバータ等への適用に最適である。

以上の説明から理解できるように、本発明の半導体装置によれば、基板の素子搭載面のうち、半導体素子が搭載されていない領域における半導体素子の端部位置もしくははんだ層の端部位置から素子搭載面の端部までの長さをＬとした際に、縦断面的に見て０．４Ｌ〜０．９Ｌの長さの１つの凹溝が素子搭載面の前記領域に設けられ、該凹溝内に封止樹脂体の一部が入り込んでいる構成を適用したことにより、基板と封止樹脂体の接続強度が極めて高く、耐衝撃性、耐久性に優れた半導体装置を提供することができる。

本発明の半導体装置の一実施の形態を示した縦断面図である。 図１のII−II矢視図であって半導体装置の一実施の形態の平面図であり、封止樹脂体を透視した図である。 封止樹脂体と基板表面の接続箇所において、半導体装置に外力が作用した際に抵抗する２つの領域を説明した模式図である。 図２に対応する半導体装置の他の実施の形態の平面図である。 封止樹脂体と基板表面の接続箇所における接続強度を求め、基板表面に形成される凹溝の幅の最適範囲を特定する実験で使用された試験体を示す模式図である。 基板表面に形成される凹溝の幅の最適範囲を特定する実験結果を示すグラフである。 従来のケースレス構造の半導体装置の実施の形態を示した縦断面図である。

以下、図面を参照して本発明の半導体装置の実施の形態を説明する。なお、図示する半導体装置は、１層の回路基板上にはんだ層を介して半導体素子が接続されたケースレス構造の形態を示したものであるが、これ以外の形態である回路基板と絶縁基板の組み合わせ構造や回路基板と絶縁基板と応力緩和基板の組み合わせ構造などを具備する半導体装置であってもよいし、さらには、回路基板の下面にヒートシンク板や、ヒートシンク板と冷媒還流路を具備する冷却器とのアルミダイキャスト一体成形体を具備する半導体装置などであってもよいことは勿論のことである。また、半導体素子と回路基板を繋ぐボンディングワイヤ等の図示は省略している。

（半導体装置の実施の形態１）
図１は本発明の半導体装置の一実施の形態を示した縦断面図であり、図２は図１のII−II矢視図であって半導体装置の一実施の形態の平面図である。なお、図２は、封止樹脂体を透視してその下方の平面を示したものである。図示する半導体装置１０は、回路基板２の上にはんだ層３を介して半導体素子１が接続され、回路基板２の露出部、はんだ層３の露出部および半導体素子１が比較的硬質の封止樹脂体４で包囲されてその全体が大略構成されており、ケースレス構造を呈するものである。

回路基板２の素子搭載面のうち、半導体素子１が搭載されていない領域に形成される凹溝２ａは、図１で示すように縦断面的に見て比較的広幅の１つの凹溝であり、図２で示すように、平面的にはこのような広幅の凹溝がはんだ層３を囲繞するように長方形枠状の形態で形成されている。

そして、回路基板２の素子搭載面のうち、半導体素子１が搭載されていない領域における半導体素子１の端部位置（図ではそれよりも外側に張り出すはんだ層３の端部位置）から素子搭載面の端部までの長さをＬ１とし、凹溝２ａの幅をＬ２とした際に、Ｌ２／Ｌ１が０．４〜０．９の範囲に設定されており、この凹溝２ａ内に封止樹脂体４の一部が入り込んで封止樹脂体４と回路基板２の露出表面の接続が図られている。

凹溝２ａの幅を上記範囲内に設定した理由は本発明者等によるせん断試験結果によるものであり、その規定根拠は後述するが、この範囲の幅を有する凹溝２ａを設けたことにより、たとえば図７で示す従来のケースレス構造で多数の凹溝Ｋａを有する半導体装置Ｐに比して、凹溝を加工する際の手間が大きく省略でき、このことによって製造コスト削減を図ることができることに加えて、凹溝が比較的広幅となったことで封止樹脂体用の樹脂が凹溝内に十分に充填でき、ボイド等が界面に介在して接着強度が低下することが解消できる。

また、図示する半導体装置１０はケースレス構造であることから、半導体素子１等を保護する封止樹脂体４は比較的硬質であることを要するため、その素材としては、エポキシ樹脂やポリイミド、さらには、これらにシリカやアルミナ、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸化マグネシウム等の熱伝導性フィラーが含有された素材などのうちのいずれか一種が使用される。

たとえば、フィラーを含有したエポキシ樹脂を素材とした場合にはその流動性が低下することになるが、凹溝２ａが幅広であることから、当該凹溝２ａ内における低流動性素材の良好な充填性を保証することができる。

図３は、封止樹脂体と基板表面の接続箇所において、半導体装置に外力が作用した際に抵抗する２つの領域を説明した模式図である。

同図で示すように、半導体装置１０の側方からせん断力等の外力Ｑが作用した際に、封止樹脂体４と回路基板２の特に凹溝２ａとの接続箇所においては、封止樹脂体４内の領域Ａ１における封止樹脂体自身の有するせん断強度と、封止樹脂体４と凹溝２ａの界面（図中の領域Ａ２）における接着強度が合計された接続強度で抵抗することになる。

この場合に、この接続強度における界面接着強度の割合が高い場合は、当該接続箇所における破壊モードは界面破壊モード（界面接着破壊モード）となる。たとえば、図７で示す従来の半導体装置Ｐでは、接着強度が支配的であることから界面破壊モードを有するものとなる。

一方、図３に図示する半導体装置１０では、凹溝２ａの幅が幅広となり、接続箇所において封止樹脂体４のせん断強度を発揮する領域Ａ１が広いことから、外力Ｑに対する破壊モードはせん断破壊モードとなる。

そして、半導体装置１０を構成する封止樹脂体４はエポキシ樹脂等からなる硬質体であることからそのせん断強度は極めて高く、したがって、界面破壊モードに比してせん断破壊モードとなる際のせん断強度（接続強度）は極めて高いものとなる。

（半導体装置の実施の形態２）
図４は、半導体装置の他の実施の形態を図２に対応するように平面図で示したものである。
同図で示す半導体装置１０Ａは、平面視長方形の半導体素子１およびはんだ層３の４つの端辺に対応する４つの凹溝２ａ’が回路基板２の表面に形成され、各凹溝２ａ’内に封止樹脂体４の一部が入り込んで双方の接続が図られたものである。

同平面図において、４つの隅角領域には凹溝を設けず、それ以外の４つの表面領域にのみ凹溝２ａ’を設け、ここに封止樹脂体４の一部を入り込ませて封止樹脂体４と回路基板２の接続を図った場合であっても、図３で示すような外力がどの方向から作用した場合であっても高い接続強度で抵抗することが可能となる。

[基板表面に形成される凹溝の幅の最適範囲を特定するための実験とその結果]
本発明者等は、図５で模擬するように、凹溝Ｍ１ａを具備する回路基板Ｍ１に対してエポキシ樹脂素材の封止樹脂体Ｍ２をその一部が凹溝Ｍ１ａ内に入り込むようにして試験体Ｍを試作し、せん断力Ｑを付与して双方の接続強度（せん断破壊時の強度）を測定する実験をおこなった。

ここで、試験体Ｍは、回路基板Ｍ１の幅Ｌ１に対する凹溝Ｍ１ａの幅Ｌ２の比率を種々変化させておこない（具体的には、Ｌ２／Ｌ１が０．１の場合、０．４の場合、０．６の場合、０．９の場合でそれぞれ複数の試験体を試作してせん断試験をおこなっている）、各試験体の接続強度を測定した。実験結果を図６に示す。

同図において、水平グラフ（Ｙ線）は、エポキシ樹脂からなる封止樹脂体Ｍ２のせん断強度を示すグラフである。

さらに、各試験体の接続強度に関する測定結果（プロット）を通る近似グラフを求め、同図にこれをＸ線（上に凸の曲線グラフ）で示している。

Ｘ線がＹ線よりも上に位置するＬ２／Ｌ１の範囲は０．４と０．９の間の範囲であり、この範囲では、封止樹脂体と回路基板の接続箇所の接続強度（封止樹脂体自身の有するせん断強度と界面接着強度の合計）が封止樹脂体のせん断強度である１５ＭＰａを上回り、この範囲の接続強度以上の外力に対して封止樹脂体の有するせん断強度で規定されるせん断破壊モードで破壊するものとなる。

これに対し、Ｌ２／Ｌ１が０．４を下回る範囲、および、０．９を上回る範囲においては、Ｌ２／Ｌ１が小さくなるにつれて、もしくはＬ２／Ｌ１が大きくなるにつれて破壊モードが界面破壊モードとなり易く、接続強度が低下することになる。

本実験結果より、ケースレス構造の半導体装置に関し、エポキシ樹脂等からなる硬質の封止樹脂体を具備する半導体装置においては、Ｌ２／Ｌ１の範囲が０．４と０．９の間の範囲となるように、さらに好ましくは０．５と０．７の間の範囲となるように凹溝の幅が設定されるのがよいことが実証されている。

また、同グラフからも明らかなように、Ｌ２／Ｌ１が０．６の場合に接続強度が最も高くなっており、このように凹溝の幅を設定するのが望ましいことも実証されている。

なお、実際の凹溝の幅としては、２ｍｍ以上の値、たとえば３ｍｍ程度に設定することができる。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１…半導体素子、２…回路基板（基板）、２ａ、２ａ’…凹溝、３…はんだ層、４…封止樹脂体、１０，１０Ａ…半導体装置

Claims (3)

1. 基板の素子搭載面の上にはんだ層を介して半導体素子が接合され、基板と半導体素子がエポキシ樹脂からなる封止樹脂体で封止されてなるケースレス構造の半導体装置であって、
   前記基板の素子搭載面のうち、半導体素子が搭載されていない領域における半導体素子の端部位置もしくははんだ層の端部位置から素子搭載面の端部までの長さをＬとした際に、縦断面的に見て０．４Ｌ〜０．９Ｌの長さの１つの凹溝が素子搭載面の前記領域に設けられ、該凹溝内に封止樹脂体の一部が入り込んでいる半導体装置。
2. 前記凹溝が半導体素子の周囲を囲繞している請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記半導体素子が平面視多角形の場合に、該多角形を構成する各辺の側方の前記領域に前記凹溝が設けられている請求項１に記載の半導体装置。

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