JP2014216459A - Semiconductor device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device having high insulation reliability.SOLUTION: A semiconductor device 1 comprises: a semiconductor element 2; a heat spreader 4 which mounts the semiconductor element 2 and which is a thermal diffusion plate for diffusing generated heat from the semiconductor element 2; and an encapsulation resin 8 for encapsulating the semiconductor element 2 and the heat spreader 4. The semiconductor device 1 further comprises a groove 9 formed on the heat spreader 4 on a periphery of a region where the semiconductor element 2 is mounted, in which the groove 9 is formed to have a distance from the semiconductor element 2 to an end of the groove 9 of 0-0.3 mm and an opening width of 0.1 mm-2 mm and the maximum depth of 0.1 mm-3/4 and under of a board thickness of the heat spreader 4.

Description

本発明は、パワー半導体素子を樹脂で封止した半導体装置に関するものであり、特に化合物半導体を用いたパワー半導体素子を搭載した半導体装置に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor device in which a power semiconductor element is sealed with a resin, and more particularly to a semiconductor device on which a power semiconductor element using a compound semiconductor is mounted.

パワー半導体素子を用いた半導体装置は、半導体素子をエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂で封止したモールド型と、ゲル状樹脂で封止したゲル封止型が使用されている。特にモールド封止型の半導体装置は小型で信頼性に優れており、取り扱いが容易であることから、空調機器の制御などに広く使用されている。また、近年は、モーター制御を行う自動車の動力制御などにも使用されている。   A semiconductor device using a power semiconductor element uses a mold type in which a semiconductor element is sealed with a thermosetting resin such as an epoxy resin, and a gel sealing type in which a semiconductor element is sealed with a gel resin. In particular, a mold-sealed semiconductor device is small and excellent in reliability, and is easy to handle. Therefore, it is widely used for controlling air-conditioning equipment. In recent years, it is also used for power control of automobiles that perform motor control.

従来の半導体装置では、小型化・大容量化を目的として放熱性を向上させるために熱伝導性に優れた金属により形成されたヒートスプレッダを設け、半導体素子で発熱した熱を拡散する手法が取り入れられている。例えば、銅製のヒートスプレッダ上に半導体素子がはんだ等により接合された樹脂封止型半導体装置がある(例えば、特許文献1参照)。   In conventional semiconductor devices, a heat spreader made of metal with excellent thermal conductivity is provided in order to improve heat dissipation for the purpose of miniaturization and large capacity, and a method of diffusing the heat generated by the semiconductor element is adopted. ing. For example, there is a resin-encapsulated semiconductor device in which a semiconductor element is bonded to a copper heat spreader by solder or the like (see, for example, Patent Document 1).

特許文献1に記載の半導体装置では、半導体素子の周囲の銅製ヒートスプレッダ表面には二重に溝が形成されており、溝を複数形成することによって、界面を通じて外部から水分の進入経路を防止する手段が採られている。水分は、ヒートスプレッダと封止樹脂の界面から進入しやすく、ヒートスプレッダの一方の面が露出している半導体装置にあっては、外部に通じるヒートスプレッダ/封止樹脂界面から水分が浸入し、半導体素子まで到達することで電気的な不良発生につながる。これを防止するためにヒートスプレッダ表面に溝を複数設けることにより進入経路を延長し、水分進入を防止している。   In the semiconductor device described in Patent Document 1, a double groove is formed on the surface of the copper heat spreader around the semiconductor element. By forming a plurality of grooves, a means for preventing a moisture entry path from the outside through the interface Has been adopted. Moisture easily enters from the interface between the heat spreader and the sealing resin, and in a semiconductor device in which one surface of the heat spreader is exposed, moisture enters from the heat spreader / sealing resin interface leading to the outside, leading to the semiconductor element. Reaching leads to electrical failure. In order to prevent this, a plurality of grooves are provided on the surface of the heat spreader to extend the approach path and prevent moisture from entering.

特開平1−270336号公報JP-A-1-270336

従来のSi製半導体素子に比べて、低損失、高耐圧、高温動作が可能な化合物半導体素子として、例えばSiC製半導体素子の半導体装置への搭載が進められている。SiC製半導体素子は、これらの利点が注目され開発が進められているが、Si製半導体素子と比較して弾性率が高いこと、および、これまで以上のより厳しい温度環境下で動作するため、これまで以上に半導体素子にかかる応力が増大している。樹脂封止した半導体装置においては、半導体素子と封止樹脂との界面にかかる応力はこれまで以上に高くなり、その結果、半導体素子と封止樹脂との界面で剥離が生じたり、半導体素子の端部付近の封止樹脂にクラックが生じたりすることがあり、半導体装置の絶縁信頼性低下を招くことがあった。   As a compound semiconductor element capable of operating at a low loss, high withstand voltage, and high temperature as compared with a conventional Si semiconductor element, for example, mounting of a SiC semiconductor element to a semiconductor device is being promoted. SiC semiconductor elements are being developed with attention to these advantages, but because they have a higher elastic modulus than Si semiconductor elements and operate under more severe temperature environments than ever, The stress applied to the semiconductor element is increasing more than ever. In a resin-encapsulated semiconductor device, the stress applied to the interface between the semiconductor element and the sealing resin is higher than before, and as a result, peeling occurs at the interface between the semiconductor element and the sealing resin. Cracks may occur in the sealing resin in the vicinity of the end portion, and the insulation reliability of the semiconductor device may be reduced.

また、特許文献1に記載の半導体装置では、半導体素子と封止樹脂との界面にかかる応力を低減させる技術については提案されていない。   Further, in the semiconductor device described in Patent Document 1, no technique has been proposed for reducing the stress applied to the interface between the semiconductor element and the sealing resin.

そこで、本発明は、絶縁信頼性の高い半導体装置を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a semiconductor device with high insulation reliability.

本発明に係る半導体装置は、半導体素子と、前記半導体素子を搭載し、かつ、当該半導体素子からの発熱を拡散する熱拡散板と、前記半導体素子および前記熱拡散板を封止する封止樹脂とを備え、前記熱拡散板における前記半導体素子が搭載された領域の外周部に溝が形成され、前記溝は、前記半導体素子から前記溝の端部までの距離が0〜0.3mm、前記溝の開口幅が0.1mm〜2mm、および前記溝の最大深さが0.1mm〜前記熱拡散板の板厚の3/4以下に形成されたものである。   A semiconductor device according to the present invention includes a semiconductor element, a heat diffusion plate that mounts the semiconductor element and diffuses heat generated from the semiconductor element, and a sealing resin that seals the semiconductor element and the heat diffusion plate And a groove is formed in an outer peripheral portion of the heat diffusion plate where the semiconductor element is mounted, and the groove has a distance from the semiconductor element to an end of the groove of 0 to 0.3 mm, The groove opening width is 0.1 mm to 2 mm, and the maximum depth of the groove is 0.1 mm to 3/4 or less of the thickness of the heat diffusion plate.

本発明に係る別の半導体装置は、半導体素子と、前記半導体素子を搭載するためのセラミックス基板と、前記半導体素子および前記セラミックス基板を封止する封止樹脂とを備え、前記セラミックス基板における前記半導体素子が搭載された領域の外周部に溝が形成され、前記溝は、前記半導体素子から前記溝の端部までの距離が0〜0.3mm、前記溝の開口幅が0.1mm〜2mm、および前記溝の最大深さが0.1mm〜前記セラミックス基板の電極厚の3/4以下に形成されたものである。   Another semiconductor device according to the present invention includes a semiconductor element, a ceramic substrate for mounting the semiconductor element, and a sealing resin for sealing the semiconductor element and the ceramic substrate, and the semiconductor in the ceramic substrate. A groove is formed in the outer peripheral portion of the region where the element is mounted, and the groove has a distance from the semiconductor element to the end of the groove of 0 to 0.3 mm, an opening width of the groove of 0.1 mm to 2 mm, The maximum depth of the groove is 0.1 mm to 3/4 or less of the electrode thickness of the ceramic substrate.

本発明によれば、半導体装置は、半導体素子と、半導体素子を搭載し、かつ、当該半導体素子からの発熱を拡散する熱拡散板と、半導体素子および熱拡散板を封止する封止樹脂とを備え、熱拡散板における半導体素子が搭載された領域の外周部に溝が形成され、溝は、半導体素子から溝の端部までの距離が0〜0.3mm、溝の開口幅が0.1mm〜2mm、および溝の最大深さが0.1mm〜熱拡散板の板厚の3/4以下に形成された。   According to the present invention, a semiconductor device includes a semiconductor element, a heat diffusion plate that mounts the semiconductor element and diffuses heat generated from the semiconductor element, and a sealing resin that seals the semiconductor element and the heat diffusion plate. And a groove is formed in the outer peripheral portion of the region where the semiconductor element is mounted on the thermal diffusion plate, the groove has a distance from the semiconductor element to the end of the groove of 0 to 0.3 mm, and the opening width of the groove is 0.1 mm. 1 mm to 2 mm, and the maximum depth of the groove was 0.1 mm to 3/4 or less of the thickness of the heat diffusion plate.

上記のような溝を設けたことで、半導体素子と封止樹脂との界面に発生する応力が低減でき、半導体素子の端部付近で発生する封止樹脂の剥離およびクラックなどを防止できる。これにより、絶縁信頼性の高い半導体装置が得られる。   By providing the groove as described above, the stress generated at the interface between the semiconductor element and the sealing resin can be reduced, and peeling and cracking of the sealing resin generated near the end of the semiconductor element can be prevented. Thereby, a semiconductor device with high insulation reliability is obtained.

実施の形態1に係る半導体装置の断面図である。1 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a first embodiment. ヒートスプレッダに設けた溝の断面図である。It is sectional drawing of the groove | channel provided in the heat spreader. ヒートスプレッダの上面透視図である。It is an upper surface perspective view of a heat spreader. 実施の形態2に係る半導体装置のヒートスプレッダの上面透視図である。FIG. 6 is a top perspective view of a heat spreader of a semiconductor device according to a second embodiment. 実施の形態3に係る半導体装置のヒートスプレッダの上面透視図である。FIG. 10 is a top perspective view of a heat spreader of a semiconductor device according to a third embodiment. 実施の形態4に係る半導体装置の断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a fourth embodiment. 実施の形態5に係る半導体装置の断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a fifth embodiment.

<実施の形態1>
本発明の実施の形態1について、図面を用いて以下に説明する。図1は、実施の形態1に係る半導体装置1の断面図である。
<Embodiment 1>
Embodiment 1 of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view of the semiconductor device 1 according to the first embodiment.

半導体装置1は、半導体素子2と、リードフレーム3a,3bと、ヒートスプレッダ4(熱拡散板)と、絶縁シート6(絶縁層)と、銅箔7と、封止樹脂8とを備えている。半導体素子2は、例えば、MOSFET、IGBTなどの電力制御用半導体素子、還流ダイオードなどのパワー半導体素子である。実施の形態1では、半導体装置1は、複数(例えば2つ)の半導体素子2を備え、半導体素子2は、電力制御用半導体素子および還流ダイオードを含む2種以上(例えば2種)の半導体素子である。   The semiconductor device 1 includes a semiconductor element 2, lead frames 3 a and 3 b, a heat spreader 4 (heat diffusion plate), an insulating sheet 6 (insulating layer), a copper foil 7, and a sealing resin 8. The semiconductor element 2 is, for example, a power control semiconductor element such as a MOSFET or IGBT, or a power semiconductor element such as a free wheel diode. In the first embodiment, the semiconductor device 1 includes a plurality (for example, two) of semiconductor elements 2, and the semiconductor element 2 includes two or more (for example, two) semiconductor elements including a power control semiconductor element and a free wheel diode. It is.

なお、半導体素子2は、珪素(Si)によって形成されたものの他、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成してもよい。ワイドバンドギャップ半導体としては、例えば、炭化珪素(SiC)、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドがある。ワイドバンドギャップ半導体を用いた場合、許容電流密度が高く、電力損失も低いため、電力用半導体素子を用いた装置の小型化が可能となる。   The semiconductor element 2 may be formed of a wide band gap semiconductor having a band gap larger than that of silicon other than that formed of silicon (Si). Examples of the wide band gap semiconductor include silicon carbide (SiC), a gallium nitride material, and diamond. When a wide bandgap semiconductor is used, the allowable current density is high and the power loss is low, so that a device using the power semiconductor element can be downsized.

ヒートスプレッダ4は、半導体素子2からの発熱を拡散するために設けられ、ヒートスプレッダ4の一方の面(上面)の中央部分には、はんだまたは銀接合材料などの接合材10により2つの半導体素子2が並列に搭載されている。ヒートスプレッダ4の一方の面(上面)の一端部には、リードフレーム3aが接合されている。一方の半導体素子2と他方の半導体素子2はワイヤ5aにより接続され、他方の半導体素子2とリードフレーム3bはワイヤ5bにより接続されている。   The heat spreader 4 is provided for diffusing heat generated from the semiconductor element 2, and two semiconductor elements 2 are formed in the central portion of one surface (upper surface) of the heat spreader 4 by a bonding material 10 such as solder or silver bonding material. It is mounted in parallel. A lead frame 3 a is joined to one end portion of one surface (upper surface) of the heat spreader 4. One semiconductor element 2 and the other semiconductor element 2 are connected by a wire 5a, and the other semiconductor element 2 and the lead frame 3b are connected by a wire 5b.

ここで、ヒートスプレッダ4は半導体素子2の発熱に対して熱抵抗を低減することを目的としており、ヒートスプレッダ4を備える必要がない場合は、リードフレームのパターン上に半導体素子2が直接搭載されていてもよい。   Here, the heat spreader 4 is intended to reduce the thermal resistance against the heat generation of the semiconductor element 2, and when it is not necessary to provide the heat spreader 4, the semiconductor element 2 is directly mounted on the lead frame pattern. Also good.

ヒートスプレッダ4において半導体素子2が搭載された面の反対側の面(下面)には、金属箔である銅箔7が貼り付けられた絶縁層として絶縁シート6が設けられている。絶縁シート6は、熱伝導性に優れるシリカ、アルミナ、窒化ホウ素、窒化アルミニウム等の無機粉末が少なくとも1種以上充填されたエポキシ樹脂により形成され、無機粉末は単独材料でも複数材料の組合せでもよい。また、銅箔7の下面は露出しており、放熱性を確保するだけでなく、絶縁シート6が外部からの接触により傷がつかないための保護層としての役目も果たしている。この目的を満たすものであれば、銅箔である必要もなく、アルミなどの金属箔でも、厚めの銅板でも構わない。   In the heat spreader 4, an insulating sheet 6 is provided on the surface (lower surface) opposite to the surface on which the semiconductor element 2 is mounted as an insulating layer to which a copper foil 7 that is a metal foil is attached. The insulating sheet 6 is formed of an epoxy resin filled with at least one kind of inorganic powder such as silica, alumina, boron nitride, and aluminum nitride having excellent thermal conductivity. The inorganic powder may be a single material or a combination of a plurality of materials. Moreover, the lower surface of the copper foil 7 is exposed, and not only ensures heat dissipation, but also serves as a protective layer for preventing the insulating sheet 6 from being damaged by external contact. As long as this purpose is satisfied, the copper foil is not necessary, and a metal foil such as aluminum or a thick copper plate may be used.

封止樹脂8は、リードフレーム3a,3bの一部、ヒートスプレッダ4、ヒートスプレッダ4に搭載された半導体素子2、ワイヤ5a,5b、絶縁シート6などを封止するようにトランスファーモールド成形により形成されている。封止樹脂8は、熱膨張係数の小さい溶融シリカ等の無機粉末、または熱伝導性が優れるアルミナなどが充填されたエポキシ樹脂により形成されている。エポキシ樹脂は、パワー半導体装置の放熱性、動作時の発熱量、および動作温度にもよるが一般的なオルトクレゾールノボラック型またはジシクロペンタジエン型など特に限定されることはない。例えばSiCなどを用いた半導体素子の動作温度の高温化によりナフタレン型または多官能型を用いた耐熱性の高い樹脂を用いることもできる。   The sealing resin 8 is formed by transfer molding so as to seal a part of the lead frames 3a and 3b, the heat spreader 4, the semiconductor element 2 mounted on the heat spreader 4, the wires 5a and 5b, the insulating sheet 6, and the like. Yes. The sealing resin 8 is formed of an epoxy resin filled with inorganic powder such as fused silica having a small thermal expansion coefficient or alumina having excellent thermal conductivity. The epoxy resin is not particularly limited, such as a general ortho-cresol novolac type or a dicyclopentadiene type, although it depends on the heat dissipation of the power semiconductor device, the amount of heat generated during operation, and the operating temperature. For example, a resin having high heat resistance using a naphthalene type or a polyfunctional type can be used by increasing the operating temperature of a semiconductor element using SiC or the like.

また、温度サイクルなどの信頼性試験で発生する熱応力を想定した場合、封止樹脂11の熱膨張係数は、環境温度を想定した範囲内において、半導体素子2の熱膨張係数以上であり、かつ、ヒートスプレッダ4の熱膨張係数以下に収めておくことが望ましい。熱膨張係数の違いにより、温度差が生じた場合には接触面でのひずみの違いが生じ、応力が発生する。したがって、ヒートスプレッダ4に搭載されている半導体素子2との応力を想定した場合には、両者の熱膨張係数の間の封止樹脂11を採用することが望ましい。   In addition, when thermal stress generated in a reliability test such as a temperature cycle is assumed, the thermal expansion coefficient of the sealing resin 11 is equal to or higher than the thermal expansion coefficient of the semiconductor element 2 within the range assuming the environmental temperature. It is desirable to keep it below the thermal expansion coefficient of the heat spreader 4. When a temperature difference occurs due to a difference in thermal expansion coefficient, a difference in strain occurs at the contact surface, and stress is generated. Therefore, when the stress with the semiconductor element 2 mounted on the heat spreader 4 is assumed, it is desirable to employ the sealing resin 11 between the two thermal expansion coefficients.

ヒートスプレッダ4における半導体素子2が搭載された領域の外周部には溝9が形成されている。すなわち、それぞれの半導体素子2が搭載された領域を連続的に囲むように溝9がそれぞれ形成されている。これにより、半導体素子2と封止樹脂11との界面に発生する熱応力を低減させ、封止樹脂11の剥離およびクラックの発生を防止できる。   Grooves 9 are formed in the outer periphery of the region where the semiconductor element 2 is mounted in the heat spreader 4. That is, the grooves 9 are formed so as to continuously surround the regions where the respective semiconductor elements 2 are mounted. Thereby, the thermal stress which generate | occur | produces in the interface of the semiconductor element 2 and the sealing resin 11 can be reduced, and peeling of the sealing resin 11 and generation | occurrence | production of a crack can be prevented.

また、溝9は、ヒートスプレッダ4に搭載されている全ての半導体素子2に対して設けてもよいが、例えば、それぞれの半導体素子2の材質が異なる場合、発生する熱応力が高い半導体素子2に限って設けてもよい。具体的には、電力制御用半導体素子に対してSi製半導体素子を用いて、還流ダイオードのみに対してSiC製半導体素子を用いた場合、ヒートスプレッダ4におけるSiC製半導体素子が搭載された領域の外周部のみを囲むように溝9を設けることも可能である。必要な部分のみ溝9を設けることで、溝9の形成スペースの増加およびヒートスプレッダ4の加工コストの増加などを抑制できる。   In addition, the grooves 9 may be provided for all the semiconductor elements 2 mounted on the heat spreader 4. For example, when the materials of the respective semiconductor elements 2 are different, the grooves 9 are formed in the semiconductor elements 2 having a high thermal stress. You may provide only. Specifically, when a Si semiconductor element is used for the power control semiconductor element and a SiC semiconductor element is used only for the free wheel diode, the outer periphery of the region where the SiC semiconductor element is mounted in the heat spreader 4 It is also possible to provide the groove 9 so as to surround only the part. By providing the groove 9 only in a necessary portion, an increase in the formation space of the groove 9 and an increase in the processing cost of the heat spreader 4 can be suppressed.

溝9は、半導体素子2の端部から溝9の内側端部までの距離をL、溝9の開口幅をW、ヒートスプレッダ4の表面から溝9の最深部までの距離をDとし、ヒートスプレッダ4またはリードフレーム3aの厚さをtとした場合、Lは0〜0.3mm、Wは0.1mm〜2mm、Dは0.1mm〜3/4tとなるように形成されている。   In the groove 9, the distance from the end of the semiconductor element 2 to the inner end of the groove 9 is L, the opening width of the groove 9 is W, the distance from the surface of the heat spreader 4 to the deepest part of the groove 9 is D, and the heat spreader 4. Alternatively, when the thickness of the lead frame 3a is t, L is 0 to 0.3 mm, W is 0.1 mm to 2 mm, and D is 0.1 mm to 3 / 4t.

例えば、L<0の領域では、溝9が半導体素子2の下面まで入り込む形状となり、樹脂封止された半導体素子2への応力低減効果はあるものの、半導体素子2を接合する際、接合材10が溝9に流れ込んでしまうことがあり、半導体素子2の位置決めが難しくなることがある。また、半導体素子2からの放熱性が悪くなるというデメリットもある。   For example, in the region of L <0, the groove 9 has a shape that penetrates to the lower surface of the semiconductor element 2, and has a stress reducing effect on the resin-encapsulated semiconductor element 2. May flow into the groove 9, and positioning of the semiconductor element 2 may be difficult. Further, there is a demerit that heat dissipation from the semiconductor element 2 is deteriorated.

また、L>0の領域では、半導体素子2の接合プロセスにおいて、接合材10が溝9の端部まで濡れ広がることがある。接合材10がはんだまたは銀接合材料により形成されている場合、封止樹脂8との接着性が乏しく、封止樹脂8が温度サイクル試験により容易に剥離してしまう。接合材10と封止樹脂8との剥離面は、温度サイクル試験により広がるように進展していく。半導体素子2の周囲に剥離界面が発生することにより、接着していたときと比べて半導体素子2と封止樹脂8との間への応力が増加する。これより、接着性が乏しい接合材10と封止樹脂8との界面面積はできるだけ小さいことが望ましい。   In the region where L> 0, the bonding material 10 may spread to the end of the groove 9 in the bonding process of the semiconductor element 2. When the bonding material 10 is formed of solder or a silver bonding material, the adhesiveness with the sealing resin 8 is poor, and the sealing resin 8 is easily peeled off by the temperature cycle test. The peeling surface between the bonding material 10 and the sealing resin 8 progresses so as to widen by the temperature cycle test. Due to the occurrence of a peeling interface around the semiconductor element 2, the stress between the semiconductor element 2 and the sealing resin 8 is increased as compared with the case of bonding. Accordingly, it is desirable that the interface area between the bonding material 10 having poor adhesion and the sealing resin 8 is as small as possible.

L>0.3mm領域では、接合材10と封止樹脂8との界面での剥離の影響が大きくなり、半導体素子2への応力が高くなる。これにより半導体素子2と封止樹脂8との界面で剥離が発生したり、半導体素子2の端部からの樹脂クラックが発生したりする。   In the region of L> 0.3 mm, the influence of peeling at the interface between the bonding material 10 and the sealing resin 8 increases, and the stress on the semiconductor element 2 increases. As a result, peeling occurs at the interface between the semiconductor element 2 and the sealing resin 8, or a resin crack from the end of the semiconductor element 2 occurs.

W<0.1mmでは、半導体素子2への応力低減効果が小さいだけでなく、半導体素子2をヒートスプレッダ4またはリードフレーム3aに接合する際、接合材10が溝9を乗り越えてはみ出してしまうことがある。これにより、溝9を設けた効果がなくなるだけでなく、封止樹脂8と剥離しやすい接合材10が広がることにより、L>0.3mmの場合と同様の影響が発生し、半導体素子2と封止樹脂8との界面で剥離が発生したり、半導体素子2の端部からの樹脂クラックが発生したりする。   When W <0.1 mm, not only the stress reducing effect on the semiconductor element 2 is small, but also when the semiconductor element 2 is bonded to the heat spreader 4 or the lead frame 3a, the bonding material 10 may get over the groove 9 and protrude. is there. As a result, not only the effect of providing the groove 9 is lost, but also the bonding material 10 that easily peels off from the sealing resin 8 spreads, so that the same effect as in the case of L> 0.3 mm occurs, and the semiconductor element 2 and Separation occurs at the interface with the sealing resin 8, or a resin crack from the end of the semiconductor element 2 occurs.

W>2mmでは、半導体素子2を搭載するヒートスプレッダ4またはリードフレーム3aのパターン面積の拡大を招き、半導体装置1の小型化の妨げになるだけでなく、ヒートスプレッダ4の放熱性も低下する。なお、隣接する半導体素子2の距離が短い場合、隣接する半導体素子2間について個々に溝9を形成する代わりに、1本の溝9で共通化してもよい。   When W> 2 mm, the pattern area of the heat spreader 4 or the lead frame 3a on which the semiconductor element 2 is mounted is increased, which not only hinders downsizing of the semiconductor device 1, but also reduces the heat dissipation of the heat spreader 4. When the distance between the adjacent semiconductor elements 2 is short, a single groove 9 may be used in common instead of individually forming the grooves 9 between the adjacent semiconductor elements 2.

Wを大きくした場合、ヒートスプレッダ4の大型化を防止するために、ヒートスプレッダ4の端部まで溝9を設けることも可能であるが、半導体装置1の反りが大きくなり、半導体素子2への応力が高くなる。このため、溝9の外周部であるヒートスプレッダ4の表面は、半導体素子2の搭載面と同等の高さであることが好ましい。ヒートスプレッダ4の反りを考慮するならば、溝9の外周端部からヒートスプレッダ4の端部までの距離はWと同程度確保することが望ましい。ただし、これによりヒートスプレッダ4が大面積となるため、半導体素子2に発生する応力および半導体装置1の反りに応じて狭くすることも可能である。   When W is increased, in order to prevent the heat spreader 4 from becoming large, it is possible to provide the groove 9 up to the end of the heat spreader 4, but the warp of the semiconductor device 1 increases and stress on the semiconductor element 2 is increased. Get higher. For this reason, it is preferable that the surface of the heat spreader 4, which is the outer peripheral portion of the groove 9, has the same height as the mounting surface of the semiconductor element 2. If the warp of the heat spreader 4 is taken into consideration, it is desirable to secure the distance from the outer peripheral end of the groove 9 to the end of the heat spreader 4 as much as W. However, since the heat spreader 4 has a large area, it can be made narrow according to the stress generated in the semiconductor element 2 and the warp of the semiconductor device 1.

D<0.1mmでは、半導体素子2への応力低減効果が非常に小さく、温度サイクル等の信頼性試験で発生する熱応力に対して半導体素子2と封止樹脂8との界面で剥離が発生したり、半導体素子2の端部からの樹脂クラックが発生したりする。   When D <0.1 mm, the stress reduction effect on the semiconductor element 2 is very small, and peeling occurs at the interface between the semiconductor element 2 and the sealing resin 8 against thermal stress generated in a reliability test such as a temperature cycle. Or a resin crack from the end of the semiconductor element 2 occurs.

D>3/4t、つまり、ヒートスプレッダ4の厚さの4分の3よりも深い溝9を形成した場合、ヒートスプレッダ4の本来の目的である熱拡散性が極端に損なわれてしまう。   When D> 3 / 4t, that is, when the groove 9 deeper than three-fourths of the thickness of the heat spreader 4 is formed, the heat diffusibility which is the original purpose of the heat spreader 4 is extremely impaired.

なお、溝9の形状は、図1のように断面形状が矩形状に形成されてもよいが、これに限定されることはない。放熱性の観点からは好ましくないが、溝9の断面形状は、半導体素子2の下に潜り込むテーパー形状(下方へ行く程幅が広がる形状)であれば、さらに半導体素子2への応力低減効果が得られる。また、生産性および放熱性の観点からは、溝9の断面形状が三角状に形成されていることが好ましく、溝形成による放熱性低下量も矩形状の溝に比べて三角形状の溝であれば小さく抑えられる。さらに、溝形成方法も三角形状の方がプレス金型等によるプレス成形が容易となる。少なくとも半導体素子2に近い側の溝9の内壁は、水平面に対する傾斜角度が90度以下であることが放熱性を考慮した場合には好ましい。   The shape of the groove 9 may be formed in a rectangular cross section as shown in FIG. 1, but is not limited thereto. Although it is not preferable from the viewpoint of heat dissipation, if the cross-sectional shape of the groove 9 is a tapered shape (a shape in which the width increases as it goes downward) that goes under the semiconductor element 2, the effect of reducing stress on the semiconductor element 2 is further improved. can get. Further, from the viewpoint of productivity and heat dissipation, the cross-sectional shape of the groove 9 is preferably formed in a triangular shape, and the amount of decrease in heat dissipation due to the groove formation may be a triangular groove as compared to the rectangular groove. Can be kept small. Furthermore, the groove forming method is also easier when the triangular shape is used for press molding with a press die or the like. In consideration of heat dissipation, it is preferable that at least the inner wall of the groove 9 on the side close to the semiconductor element 2 has an inclination angle of 90 degrees or less with respect to the horizontal plane.

次に、半導体装置の信頼性試験の結果について説明する。半導体装置の信頼性試験としては、実施例1〜10および比較例1〜9について、温度サイクル試験を実施した。温度サイクル試験は、半導体装置を温度制御可能な高温槽に入れ、高温槽内の温度を−60℃と180℃との間を繰り返し往復させて実施した。信頼性の判定基準は、温度サイクル試験において1000サイクル経過後に剥離が発生しなかった場合を○とし、剥離が発生した場合を×とした。剥離の発生有無の判定は、超音波映像装置(日立エンジニアリング・アンド・サービス製FineSAT)で観察して実施した。   Next, the result of the reliability test of the semiconductor device will be described. As a reliability test of the semiconductor device, a temperature cycle test was performed on Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 to 9. The temperature cycle test was carried out by putting the semiconductor device in a high-temperature bath capable of controlling the temperature and repeatedly reciprocating the temperature in the high-temperature bath between −60 ° C. and 180 ° C. The criterion for reliability was determined to be ◯ when no peeling occurred after 1000 cycles in the temperature cycle test, and x when peeling occurred. The determination of the occurrence of peeling was performed by observing with an ultrasonic imaging apparatus (FineSAT manufactured by Hitachi Engineering & Service).

Figure 2014216459
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実施例1として、ヒートスプレッダにおいて一方の面にSiC製半導体素子を接合し、他方の面に絶縁層を設けたヒートスプレッダにリードフレームを接合し、全体をエポキシ樹脂で封止したモールド型半導体装置を作製した。SiC製半導体素子は、10mm×10mm×0.3mmとし、ヒートスプレッダは20mm×40mm×3.2mmとした。ヒートスプレッダとリードフレームは放熱性を考えて銅製とした。ヒートスプレッダ上には、MOSFETとショットキーバリアダイオード(SBD)の2種の半導体素子を搭載した。封止樹脂として、ガラス転移点(Tg)が約190℃のエポキシ樹脂にシリカを82重量%充填し、熱膨張係数が12×10-6(1/K)であるものを用いた。 As Example 1, a molded semiconductor device in which a SiC semiconductor element is bonded to one surface of a heat spreader, a lead frame is bonded to a heat spreader provided with an insulating layer on the other surface, and the whole is sealed with an epoxy resin is manufactured. did. The SiC semiconductor element was 10 mm × 10 mm × 0.3 mm, and the heat spreader was 20 mm × 40 mm × 3.2 mm. The heat spreader and lead frame were made of copper in consideration of heat dissipation. Two types of semiconductor elements, MOSFET and Schottky barrier diode (SBD), are mounted on the heat spreader. As the sealing resin, an epoxy resin having a glass transition point (Tg) of about 190 ° C. filled with 82% by weight of silica and having a thermal expansion coefficient of 12 × 10 −6 (1 / K) was used.

ヒートスプレッダにおける半導体素子が搭載された領域の外周部に設ける溝の位置は、半導体素子の端部から溝加工の内側端部までの距離を0、つまり、ヒートスプレッダにおける溝に囲まれた領域の面積と半導体素子が搭載された領域の面積とを同一とした。また、溝の大きさは、溝の開口幅を0.8mm、最大深さを0.4mmとした。   The position of the groove provided on the outer periphery of the region where the semiconductor element is mounted in the heat spreader is the distance from the end of the semiconductor element to the inner end of the groove processing being 0, that is, the area of the region surrounded by the groove in the heat spreader The area of the region where the semiconductor element was mounted was the same. Further, the size of the groove was such that the opening width of the groove was 0.8 mm and the maximum depth was 0.4 mm.

このような溝を設けたヒートスプレッダ上に半導体素子を接合し、リードフレームおよび絶縁層と合わせてトランスファーモールドによる樹脂封止を行った。樹脂封止は約180℃で120秒間行い、金型取り出し後にオーブンにて180℃4時間のポストモールドキュア(以下「PMC」という)を実施した。PMC後の半導体装置の反り形状は、3次元レーザー変位計(Nikon製NEXIV VMR−3020)で計測した。反り形状測定後、冷熱衝撃試験機(ESPEC製TSD−100)を用いて−60℃と180℃との間を繰り返し往復させて温度サイクル試験を実施し、1000サイクル後の剥離有無判断を超音波映像装置にて行った。   A semiconductor element was bonded onto the heat spreader provided with such a groove, and the resin was sealed by transfer molding together with the lead frame and the insulating layer. Resin sealing was performed at about 180 ° C. for 120 seconds, and after mold removal, post mold curing (hereinafter referred to as “PMC”) was performed in an oven at 180 ° C. for 4 hours. The warpage shape of the semiconductor device after PMC was measured with a three-dimensional laser displacement meter (NEXIV VMR-3020 manufactured by Nikon). After measuring the warp shape, a thermal shock tester (TSP-100 manufactured by ESPEC) was used to repeatedly reciprocate between -60 ° C and 180 ° C, and a temperature cycle test was conducted. This was done with a video device.

PMC後の反りは、絶縁層側が凸反りをプラスとした場合、0〜60μmの範囲を○とし、60μを超えるものやマイナス反りとなったものを×とした。半導体装置は、絶縁層側に、例えば放熱グリースを塗布して放熱フィンを設けるため、マイナス反りは放熱性が重要となる半導体装置中央部でグリースが厚くなり好ましくない。また、反りが60μmよりも大きくなると、放熱フィンに設けた場合グリース厚不均一による放熱性の低下し、また強制的に放熱フィンに押し当てた場合に半導体装置に大きな負荷がかかるため好ましくない。   As for the warp after PMC, when the convex warpage was positive on the insulating layer side, the range of 0 to 60 μm was rated as ◯, and the warp exceeding 60 μ or the negative warp was rated as x. In the semiconductor device, for example, heat radiation grease is applied on the insulating layer side to provide heat radiation fins, and therefore, negative warpage is not preferable because the grease becomes thick in the central portion of the semiconductor device where heat dissipation is important. Further, if the warpage is larger than 60 μm, it is not preferable because the heat dissipation performance is reduced due to uneven grease thickness when it is provided on the heat dissipation fin, and a large load is applied to the semiconductor device when forcedly pressed against the heat dissipation fin.

素子接合性の判定基準は、半導体素子をヒートスプレッダに接合する場合、溝に接合材が入り込んでしまうことが発生した場合に×と判断し、接合後も溝が埋まることなく接合前の状態が保たれる場合に○とした。   Judgment criteria for element bondability is x when a semiconductor element is bonded to a heat spreader and a bonding material enters the groove, and the state before bonding is maintained without filling the groove after bonding. In case of dripping, it was marked as ○.

加工性の判定基準は、溝形成時の生産性および製造コスト等を加味して行った。ヒートスプレッダ表面へのプレス加工で溝が形成できたものは◎とし、切削加工を伴うものは○とした。幅に対して深さが深い溝加工は、実施可能ではあるが、生産性および製造コストの観点より×とした。   The criteria for workability were determined in consideration of productivity at the time of groove formation, manufacturing cost, and the like. The case where a groove was formed by pressing on the surface of the heat spreader was marked with ◎, and the one with cutting was marked with ○. Groove processing with a depth deeper than the width is feasible, but is x from the viewpoint of productivity and manufacturing cost.

放熱性の判定基準は、溝加工を実施していないヒートスプレッダと熱抵抗を比較して実施した。溝加工を施していないヒートスプレッダを用いた半導体装置において、半導体素子から金属箔までの熱抵抗に対して10%を超えて増加したものを×とした。   The criteria for determining the heat dissipation were carried out by comparing the heat resistance with a heat spreader that was not grooved. In a semiconductor device using a heat spreader that has not been subjected to groove processing, an increase of more than 10% with respect to the thermal resistance from the semiconductor element to the metal foil was indicated as x.

本実施例で設けた溝を備えた半導体装置において、各判定を行ったところ、反り、素子接合性、加工性、放熱性、温度サイクル性について全て判定基準を満足しており、信頼性の高い半導体装置が得られた。   In the semiconductor device provided with the groove provided in this example, when each determination was made, all the criteria for warpage, element bondability, workability, heat dissipation, and temperature cycleability were satisfied, and the reliability was high. A semiconductor device was obtained.

実施例2では、実施例1に対して溝配置位置を変更した以外は実施例1と同様に実施した。具体的には、溝の位置は、半導体素子の端部から溝加工の内側端部までの距離を0.1mmとし、溝の形状は、溝の開口幅を0.8mm、最大深さを0.4mmとした。本実施例で設けた溝を備えた半導体装置において、各判定を行ったところ、反り、素子接合性、加工性、放熱性、温度サイクル性について全て判定基準を満足しており、信頼性の高い半導体装置が得られた。   In Example 2, it implemented like Example 1 except having changed the groove arrangement position with respect to Example 1. FIG. Specifically, the groove position is 0.1 mm from the end of the semiconductor element to the inner edge of the groove processing, and the groove shape is 0.8 mm in the groove opening width and 0 in the maximum depth. 4 mm. In the semiconductor device provided with the groove provided in this example, when each determination was made, all the criteria for warpage, element bondability, workability, heat dissipation, and temperature cycleability were satisfied, and the reliability was high. A semiconductor device was obtained.

実施例3では、実施例1に対して溝配置位置を変更した以外は実施例1と同様に実施した。具体的には、溝の位置は、半導体素子の端部から溝加工の内側端部までの距離を0.3mmとし、溝の形状は、溝の開口幅を0.8mm、最大深さを0.4mmとした。本実施例で設けた溝を備えた半導体装置において、各判定を行ったところ、反り、素子接合性、加工性、放熱性、温度サイクル性について全て判定基準を満足しており、信頼性の高い半導体装置が得られた。   In Example 3, it implemented like Example 1 except having changed the groove arrangement position with respect to Example 1. FIG. Specifically, the position of the groove is 0.3 mm from the end of the semiconductor element to the inner end of the groove processing, and the groove shape is 0.8 mm in the groove opening width and 0 in the maximum depth. 4 mm. In the semiconductor device provided with the groove provided in this example, when each determination was made, all the criteria for warpage, element bondability, workability, heat dissipation, and temperature cycleability were satisfied, and the reliability was high. A semiconductor device was obtained.

実施例4では、実施例2に対して溝形状を変更した以外は実施例2と同様に実施した。具体的には、溝の位置は、半導体素子の端部から溝加工の内側端部までの距離を0.1mmとし、溝の形状は、溝の開口幅を0.1mm、最大深さを0.4mmとした。本実施例で設けた溝を備えた半導体装置において、各判定を行ったところ、反り、素子接合性、加工性、放熱性、温度サイクル性について全て判定基準を満足しており、信頼性の高い半導体装置が得られた。   In Example 4, it implemented similarly to Example 2 except having changed the groove shape with respect to Example 2. FIG. Specifically, the groove position is 0.1 mm from the end of the semiconductor element to the inner edge of the groove processing, and the groove shape is 0.1 mm in the groove opening width and 0 in the maximum depth. 4 mm. In the semiconductor device provided with the groove provided in this example, when each determination was made, all the criteria for warpage, element bondability, workability, heat dissipation, and temperature cycleability were satisfied, and the reliability was high. A semiconductor device was obtained.

実施例5では、実施例2に対して溝形状を変更した以外は実施例2と同様に実施した。具体的には、溝の位置は、半導体素子の端部から溝加工の内側端部までの距離を0.1mmとし、溝の形状は、溝の開口幅を0.5mm、最大深さを0.4mmとした。本実施例で設けた溝を備えた半導体装置において、各判定を行ったところ、反り、素子接合性、加工性、放熱性、温度サイクル性について全て判定基準を満足しており、信頼性の高い半導体装置が得られた。   In Example 5, it implemented similarly to Example 2 except having changed the groove shape with respect to Example 2. FIG. Specifically, the groove position is 0.1 mm from the end of the semiconductor element to the inner edge of the groove processing, and the groove shape is 0.5 mm in the groove opening width and 0 in the maximum depth. 4 mm. In the semiconductor device provided with the groove provided in this example, when each determination was made, all the criteria for warpage, element bondability, workability, heat dissipation, and temperature cycleability were satisfied, and the reliability was high. A semiconductor device was obtained.

実施例6では、実施例2に対して溝形状を変更した以外は実施例2と同様に実施した。具体的には、溝の位置は、半導体素子の端部から溝加工の内側端部までの距離を0.1mmとし、溝の形状は、溝の開口幅を1mm、最大深さを0.4mmとした。本実施例で設けた溝を備えた半導体装置において、各判定を行ったところ、反り、素子接合性、加工性、放熱性、温度サイクル性について全て判定基準を満足しており、信頼性の高い半導体装置が得られた。   In Example 6, it implemented similarly to Example 2 except having changed the groove shape with respect to Example 2. FIG. Specifically, the position of the groove is a distance from the end of the semiconductor element to the inner end of the groove processing of 0.1 mm, and the shape of the groove is a groove opening width of 1 mm and a maximum depth of 0.4 mm. It was. In the semiconductor device provided with the groove provided in this example, when each determination was made, all the criteria for warpage, element bondability, workability, heat dissipation, and temperature cycleability were satisfied, and the reliability was high. A semiconductor device was obtained.

実施例7では、実施例2に対して溝形状を変更した以外は実施例2と同様に実施した。具体的には、溝の位置は、半導体素子の端部から溝加工の内側端部までの距離を0.1mmとし、溝の形状は、溝の開口幅を2mm、最大深さを0.4mmとした。本実施例で設けた溝を備えた半導体装置において、各判定を行ったところ、反り、素子接合性、加工性、放熱性、温度サイクル性について全て判定基準を満足しており、信頼性の高い半導体装置が得られた。   In Example 7, it implemented similarly to Example 2 except having changed the groove shape with respect to Example 2. FIG. Specifically, the position of the groove is a distance from the end of the semiconductor element to the inner end of the groove processing of 0.1 mm, and the shape of the groove is a groove opening width of 2 mm and a maximum depth of 0.4 mm. It was. In the semiconductor device provided with the groove provided in this example, when each determination was made, all the criteria for warpage, element bondability, workability, heat dissipation, and temperature cycleability were satisfied, and the reliability was high. A semiconductor device was obtained.

実施例8では、実施例2に対して溝形状を変更した以外は実施例2と同様に実施した。具体的には、溝の位置は、半導体素子の端部から溝加工の内側端部までの距離を0.1mmとし、溝の形状は、溝の開口幅を0.8mm、最大深さを0.1mmとした。溝の深さを0.1とすることで、ヒートスプレッダ表面への溝加工方法としてプレスによる溝形成が可能となり、生産性が向上することを確認した。本実施例で設けた溝を備えた半導体装置において、各判定を行ったところ、反り、素子接合性、加工性、放熱性、温度サイクル性については全て判定基準を満足しており、信頼性の高い半導体装置が得られた。   In Example 8, it implemented similarly to Example 2 except having changed the groove shape with respect to Example 2. FIG. Specifically, the groove position is 0.1 mm from the end of the semiconductor element to the inner edge of the groove processing, and the groove shape is 0.8 mm in the groove opening width and 0 in the maximum depth. 1 mm. It was confirmed that, by setting the groove depth to 0.1, it was possible to form grooves by pressing as a groove processing method on the surface of the heat spreader, and productivity was improved. In the semiconductor device provided with the groove provided in this example, when each determination was made, all the criteria for warpage, element bondability, workability, heat dissipation, and temperature cycleability were satisfied, and reliability was improved. A high semiconductor device was obtained.

実施例9では、実施例2に対して溝形状を変更した以外は実施例2と同様に実施した。具体的には、溝の位置は、半導体素子の端部から溝加工の内側端部までの距離を0.1mmとし、溝の形状は、溝の開口幅を0.8mm、最大深さを1.2mmとした。本実施例で設けた溝を備えた半導体装置において、各判定を行ったところ、反り、素子接合性、加工性、放熱性、温度サイクル性については全て判定基準を満足しており、信頼性の高い半導体装置が得られた。実施例2などと比較して、溝を深く形成したことで熱の広がりが悪くなって熱抵抗の上昇を確認したが、判定基準内に収まっていることを確認した。   In Example 9, it implemented similarly to Example 2 except having changed the groove shape with respect to Example 2. FIG. Specifically, the position of the groove is 0.1 mm from the end of the semiconductor element to the inner end of the groove processing, and the shape of the groove is 0.8 mm for the groove opening width and 1 for the maximum depth. 2 mm. In the semiconductor device provided with the groove provided in this example, when each determination was made, all the criteria for warpage, element bondability, workability, heat dissipation, and temperature cycleability were satisfied, and reliability was improved. A high semiconductor device was obtained. Compared with Example 2 and the like, the formation of the groove deeply reduced the heat spread and confirmed the increase in thermal resistance, but it was confirmed that it was within the criterion.

実施例10では、実施例2に対して溝形状を変更した以外は実施例2と同様に実施した。具体的には、溝の位置は、半導体素子の端部から溝加工の内側端部までの距離を0.1mmとし、溝の形状は、溝の開口幅を2mm、最大深さを2.4mmとした。本実施例で設けた溝を備えた半導体装置において、各判定を行ったところ、反り、素子接合性、加工性、放熱性、温度サイクル性について全て判定基準を満足しており、信頼性の高い半導体装置が得られた。実施例7と比較して、溝を深く形成したことで熱の広がりが悪くなって熱抵抗の上昇を確認したが、判定基準内に収まっていることを確認した。   In Example 10, it implemented similarly to Example 2 except having changed the groove shape with respect to Example 2. FIG. Specifically, the position of the groove is 0.1 mm from the end of the semiconductor element to the inner end of the groove processing, and the shape of the groove is 2 mm for the groove opening width and 2.4 mm for the maximum depth. It was. In the semiconductor device provided with the groove provided in this example, when each determination was made, all the criteria for warpage, element bondability, workability, heat dissipation, and temperature cycleability were satisfied, and the reliability was high. A semiconductor device was obtained. Compared with Example 7, the heat spread deteriorated by forming the groove deeply, and an increase in thermal resistance was confirmed, but it was confirmed that it was within the criterion.

比較例1では、実施例1に対して溝配置位置を変更した以外は実施例1と同様に実施した。具体的には、溝の位置は、半導体素子の端部より内側に溝加工の内側端部が配置され、0.3mm内側に配置されている。つまり、半導体素子の端部から0.3mm内側の領域はヒートスプレッダには接合されておらず、溝が配置されている。ただし、樹脂封止後には、この溝は封止樹脂で埋まるため、半導体素子の端部も封止樹脂によって封止されている。ここで、溝の形状は、溝の開口幅を0.8mm、最大深さを0.4mmとした。   In Comparative Example 1, the same procedure as in Example 1 was performed except that the groove arrangement position was changed with respect to Example 1. Specifically, the position of the groove is such that the inner end portion of the groove processing is disposed inside the end portion of the semiconductor element, and is disposed 0.3 mm inside. That is, a region 0.3 mm inside from the end of the semiconductor element is not joined to the heat spreader, and a groove is disposed. However, since this groove is filled with the sealing resin after the resin sealing, the end portion of the semiconductor element is also sealed with the sealing resin. Here, the groove shape was such that the opening width of the groove was 0.8 mm and the maximum depth was 0.4 mm.

本比較例で設けた溝を備えた半導体装置において、各判定を行ったところ、反り、加工性、放熱性、温度サイクル性は判定基準を満足していたが、半導体素子をヒートスプレッダに接合したものを200台作製したうちの15%程度において、接合材が溝に流れ込むことがわかり、素子接合性の判定は×であった。   In the semiconductor device provided with the groove provided in this comparative example, when each determination was made, the warping, workability, heat dissipation, and temperature cycleability satisfied the determination criteria, but the semiconductor element was bonded to the heat spreader In about 15% of the 200 manufactured, the bonding material was found to flow into the groove, and the element bondability was judged as x.

比較例2では、実施例1に対して溝配置位置を変更した以外は実施例1と同様に実施した。具体的には、溝の位置は、半導体素子の端部から溝加工の内側端部までの距離を0.5mmとし、溝の形状は、溝の開口幅を0.8mm、最大深さを0.4mmとした。   Comparative Example 2 was performed in the same manner as in Example 1 except that the groove arrangement position was changed with respect to Example 1. Specifically, the position of the groove is 0.5 mm from the end of the semiconductor element to the inner end of the groove processing, and the groove shape is 0.8 mm in the groove opening width and 0 in the maximum depth. 4 mm.

本比較例で設けた溝を備えた半導体装置において、各判定を行ったところ、反り、素子接合性、加工性、放熱性は判定基準を満足していたが、温度サイクル試験において、1000サイクル後に封止樹脂の剥離が確認された。断面観察によって確認した結果、接合材はヒートスプレッダ上で溝の内側端部まで広がっており、接合材と封止樹脂との界面の剥離が周囲まで進展していることを確認した。これより温度サイクル性の判定を×とした。   In the semiconductor device provided with the groove provided in this comparative example, when each determination was made, the warpage, element bondability, workability, and heat dissipation satisfied the determination criteria, but in the temperature cycle test, after 1000 cycles Peeling of the sealing resin was confirmed. As a result of the cross-sectional observation, it was confirmed that the bonding material spread on the heat spreader to the inner end of the groove, and that the peeling of the interface between the bonding material and the sealing resin progressed to the surroundings. From this, the temperature cycle property was determined as x.

比較例3では、実施例2に対して溝形状を変更した以外は実施例2と同様に実施した。具体的には、溝の位置は、半導体素子の端部から溝加工の内側端部までの距離を0.1mmとし、溝の形状は、溝の開口幅を0.05mm、最大深さを0.4mmとした。   Comparative Example 3 was carried out in the same manner as in Example 2 except that the groove shape was changed from that in Example 2. Specifically, the groove position is 0.1 mm from the end of the semiconductor element to the inner edge of the groove processing, and the groove shape is 0.05 mm in groove width and 0 in maximum depth. 4 mm.

本比較例で設けた溝を備えた半導体装置において、各判定を行ったところ、反り、放熱性は判定基準を満足していたが、素子接合性、加工性、温度サイクル試験において以下のように判定基準として×となった。素子接合性は、半導体素子をヒートスプレッダに接合したものを200台作製したうちの約5%において接合材が溝に流れ込んだり、溝を乗り越えたりした。また、溝の開口幅に対して深さが深いため、溝の機械加工に時間を要し生産性が悪いことを確認した。温度サイクル試験においては、1000cyc後に封止樹脂の剥離が確認された。半導体装置の反りは判定基準内に入っていたが、反りが約55μm程度あり、溝形成による応力低減効果が低いことが原因と推定される。   In the semiconductor device provided with the groove provided in this comparative example, when each determination was performed, the warpage and the heat dissipation satisfied the determination criteria, but the element bondability, workability, and temperature cycle test were as follows. It became x as a criterion. As for the element bondability, the bonding material flowed into or over the groove in about 5% of the 200 semiconductor elements bonded to the heat spreader. Moreover, since the depth was deep with respect to the opening width of a groove | channel, it took time for the machining of a groove | channel, and it confirmed that productivity was bad. In the temperature cycle test, peeling of the sealing resin was confirmed after 1000 cyc. The warpage of the semiconductor device was within the criteria, but it is estimated that the warpage is about 55 μm and the stress reduction effect due to the groove formation is low.

比較例4では、実施例2に対して溝形状を変更した以外は実施例2と同様に実施した。具体的には、溝の位置は、半導体素子の端部から溝加工の内側端部までの距離を0.1mmとし、溝の形状は、溝の開口幅を2.5mm、最大深さを0.4mmとした。   In Comparative Example 4, the same procedure as in Example 2 was performed except that the groove shape was changed from that in Example 2. Specifically, the position of the groove is 0.1 mm from the end of the semiconductor element to the inner end of the groove processing, and the shape of the groove is 2.5 mm in the groove opening width and 0 in the maximum depth. 4 mm.

本比較例で設けた溝を備えた半導体装置において、各判定を行ったところ、素子接合性、加工性、放熱性、温度サイクル試験は判定基準を満足していたが、半導体装置の反りが大きく、約80μm程度反っていた。これにより金属箔にグリースを塗布して放熱フィンに取り付ける場合、グリースの厚さムラが発生したり、強制的にフィン等に押さえつけて備え付ける際に過度な力が封止樹脂にかかり不具合が発生する可能性があるため判定基準として×とした。   In the semiconductor device provided with the groove provided in this comparative example, when each determination was made, the element bondability, workability, heat dissipation, and temperature cycle test satisfied the determination criteria, but the warpage of the semiconductor device was large. About 80 μm. As a result, when grease is applied to the metal foil and attached to the heat radiating fin, uneven thickness of the grease occurs, or excessive force is applied to the sealing resin when it is forcibly pressed against the fin etc. Since there is a possibility, it was set as x as a judgment standard.

比較例5では、実施例2に対して溝形状を変更した以外は実施例2と同様に実施した。具体的には、溝の位置は、半導体素子の端部から溝加工の内側端部までの距離を0.1mmとし、溝の形状は、溝の開口幅を0.8mm、最大深さを0.05mmとした。   In Comparative Example 5, the same procedure as in Example 2 was performed except that the groove shape was changed from that in Example 2. Specifically, the groove position is 0.1 mm from the end of the semiconductor element to the inner edge of the groove processing, and the groove shape is 0.8 mm in the groove opening width and 0 in the maximum depth. .05 mm.

本比較例で設けた溝を備えた半導体装置において、各判定を行ったところ、反り、素子接合性、加工性、放熱性は判定基準を満足していることを確認した。特に、溝の最大深さが0.05mmであることから、プレスによる溝形成が可能となり生産性がよく低コストに生産できるため加工性は◎とした。しかし、温度サイクル試験においては、1000cyc後に封止樹脂の剥離が確認された。半導体装置の反りは判定基準内に入っていたが、反りが約50μm程度あり、溝形成による応力低減効果が低いことが原因と推定される。   When each determination was made in the semiconductor device provided with the groove provided in the present comparative example, it was confirmed that the warping, the element bondability, the workability, and the heat dissipation satisfy the determination criteria. In particular, since the maximum depth of the groove is 0.05 mm, it is possible to form the groove by pressing, and the productivity is good and the workability is low. However, in the temperature cycle test, peeling of the sealing resin was confirmed after 1000 cyc. Although the warpage of the semiconductor device was within the criteria, it is estimated that the warpage is about 50 μm and the stress reduction effect due to the groove formation is low.

比較例6では、実施例2に対して溝形状を変更した以外は実施例2と同様に実施した。具体的には、溝の位置は、半導体素子の端部から溝加工の内側端部までの距離を0.1mmとし、溝の形状は、溝の開口幅を0.8mm、最大深さを2.4mmとした。   In Comparative Example 6, the same operation as in Example 2 was performed except that the groove shape was changed from that in Example 2. Specifically, the position of the groove is 0.1 mm from the end of the semiconductor element to the inner end of the groove processing, and the shape of the groove is 0.8 mm for the groove opening width and 2 for the maximum depth. 4 mm.

本比較例で設けた溝を備えた半導体装置において、各判定を行ったところ、反り、素子接合性、放熱性、温度サイクル試験は判定基準を満足していることを確認した。しかし、溝の開口幅に対して深さが深いため、溝の機械加工に時間を要し生産性が悪いことから加工性の判定を×とした。   When each determination was made in the semiconductor device provided with the groove provided in this comparative example, it was confirmed that the warpage, the element bonding property, the heat dissipation property, and the temperature cycle test satisfied the determination criteria. However, since the depth is deep with respect to the opening width of the groove, it takes time for the machining of the groove and the productivity is poor.

比較例7では、実施例2に対して溝形状を変更した以外は実施例2と同様に実施した。具体的には、溝の位置は、半導体素子の端部から溝加工の内側端部までの距離を0.1mmとし、溝の形状は、溝の開口幅を0.8mm、最大深さを2.6mmとした。   Comparative Example 7 was carried out in the same manner as in Example 2 except that the groove shape was changed from that in Example 2. Specifically, the position of the groove is 0.1 mm from the end of the semiconductor element to the inner end of the groove processing, and the shape of the groove is 0.8 mm for the groove opening width and 2 for the maximum depth. 6 mm.

本比較例で設けた溝を備えた半導体装置において、各判定を行ったところ、反り、素子接合性、温度サイクル試験は判定基準を満足していることを確認した。しかし、比較例6と同様に溝の開口幅に対して深さが深いため、溝の機械加工に時間を要し生産性が悪いことから加工性の判定を×とした。さらに溝の最大深さがヒートスプレッダの厚さ3.2mmに対して3/4を超える量になってくるとヒートスプレッダでの熱拡散性が乏しくなり熱抵抗が高くなることを確認した。溝の最大深さが2.6mmとなってくると、溝を設けない場合のヒートスプレッダの熱抵抗と比較して10%以上の熱抵抗増加を確認し、判定基準として×とした。   When each determination was made in the semiconductor device provided with the groove provided in this comparative example, it was confirmed that the warpage, the element bonding property, and the temperature cycle test satisfied the determination criteria. However, since the depth is deep with respect to the opening width of the groove as in Comparative Example 6, it takes time to machine the groove and the productivity is poor. Furthermore, it was confirmed that when the maximum depth of the groove exceeds 3/4 of the thickness of the heat spreader of 3.2 mm, the thermal diffusibility in the heat spreader becomes poor and the thermal resistance increases. When the maximum depth of the groove was 2.6 mm, an increase in thermal resistance of 10% or more was confirmed compared to the thermal resistance of the heat spreader when no groove was provided, and x was determined as a criterion.

比較例8では、実施例2に対して溝形状を変更した以外は実施例2と同様に実施した。具体的には、溝の位置は、半導体素子の端部から溝加工の内側端部までの距離を0.1mmとし、溝の形状は、溝の開口幅を2mm、最大深さを2.6mmとした。   Comparative Example 8 was carried out in the same manner as in Example 2 except that the groove shape was changed from that in Example 2. Specifically, the position of the groove is 0.1 mm from the end of the semiconductor element to the inner end of the groove processing, and the groove shape is 2 mm for the groove opening width and 2.6 mm for the maximum depth. It was.

本比較例で設けた溝を備えた半導体装置において、各判定を行ったところ、比較例7と比較して溝の開口幅を2mmに広げたことから、深さ2.6mmの溝を形成することも比較的容易となり、反り、素子接合性、温度サイクルに加えて加工性も判定基準を満足するようになった。しかし、比較例7と同様に溝の最大深さがヒートスプレッダの厚さに対して3/4を超える量になってくるとヒートスプレッダでの熱拡散性が乏しくなり、溝を設けない場合のヒートスプレッダの熱抵抗と比較して10%以上の熱抵抗増加を確認し、放熱性の判定基準を×とした。   When each determination was made in the semiconductor device provided with the groove provided in this comparative example, the opening width of the groove was increased to 2 mm as compared with Comparative Example 7, so that a groove having a depth of 2.6 mm was formed. In addition to warping, device bondability, and temperature cycle, workability has also satisfied the criteria. However, as in Comparative Example 7, when the maximum depth of the groove exceeds 3/4 of the thickness of the heat spreader, the thermal diffusibility in the heat spreader becomes poor, and the heat spreader in the case where no groove is provided. A thermal resistance increase of 10% or more was confirmed compared with the thermal resistance, and the criterion for determining the heat dissipation was set to x.

比較例9では、実施例2に対して溝形状を変更した以外は実施例2と同様に実施した。溝の位置は、半導体素子の端部から溝加工の内側端部までの距離を0.1mmとした。溝の形状は、溝の開口幅を2mm、最大深さを2.8mmとした。   In Comparative Example 9, the same procedure as in Example 2 was performed except that the groove shape was changed from that in Example 2. As for the position of the groove, the distance from the end of the semiconductor element to the inner end of the groove processing was set to 0.1 mm. The groove shape was such that the groove opening width was 2 mm and the maximum depth was 2.8 mm.

本比較例で設けた溝を備えた半導体装置において、各判定を行ったところ、比較例8と同様に素子接合性、加工性、温度サイクルは判定基準を満足したが、放熱性はさらに熱抵抗が増加したことから比較例9と同様に、放熱性の判定基準を×とした。さらに溝が深くなったことにより半導体装置の反りも大きくなり、反りの判定基準から外れたことにより×とした。   In the semiconductor device provided with the groove provided in this comparative example, when each determination was made, the element bondability, workability, and temperature cycle satisfied the determination criteria as in Comparative Example 8, but the heat dissipation was further improved by the thermal resistance. As in Comparative Example 9, the heat release criterion was set as x. Further, the warp of the semiconductor device increased due to the deeper groove, and x was determined to be out of the warpage criterion.

以上のように、実施の形態1に係る半導体装置1では、半導体装置1は、半導体素子2と、半導体素子2を搭載し、かつ、当該半導体素子2からの発熱を拡散するヒートスプレッダ4と、半導体素子2およびヒートスプレッダ4を封止する封止樹脂8とを備え、ヒートスプレッダ4における半導体素子2が搭載された領域の外周部に溝9が形成され、溝9は、半導体素子2から溝9の端部までの距離が0〜0.3mm、溝9の開口幅が0.1mm〜2mm、および溝9の最大深さが0.1mm〜ヒートスプレッダ4の板厚の3/4以下に形成された。   As described above, in the semiconductor device 1 according to the first embodiment, the semiconductor device 1 includes the semiconductor element 2, the semiconductor element 2, the heat spreader 4 that diffuses the heat generated from the semiconductor element 2, and the semiconductor And a sealing resin 8 for sealing the element 2 and the heat spreader 4, and a groove 9 is formed in the outer peripheral portion of the region where the semiconductor element 2 is mounted in the heat spreader 4, and the groove 9 extends from the semiconductor element 2 to the end of the groove 9. The distance to the portion was 0 to 0.3 mm, the opening width of the groove 9 was 0.1 mm to 2 mm, and the maximum depth of the groove 9 was 0.1 mm to 3/4 or less of the plate thickness of the heat spreader 4.

上記のような溝9を設けたことで、半導体素子2と封止樹脂8との界面に発生する応力が低減でき、半導体素子2の端部付近で発生する封止樹脂8の剥離およびクラックなどを防止できる。これにより、絶縁信頼性の高い半導体装置1が得られ、ひいては半導体装置1の長期使用が可能となる。   By providing the groove 9 as described above, the stress generated at the interface between the semiconductor element 2 and the sealing resin 8 can be reduced, and the sealing resin 8 is peeled off and cracked near the end of the semiconductor element 2. Can be prevented. As a result, a semiconductor device 1 with high insulation reliability is obtained, and as a result, the semiconductor device 1 can be used for a long time.

それに加えて、応力低減構造となっていることから、封止樹脂8に求められる弾性率および樹脂強度などの要求特性値の許容幅が広がり、半導体装置1の生産性向上、低コスト化につながる。   In addition, since it has a stress reduction structure, the allowable range of required characteristic values such as elastic modulus and resin strength required for the sealing resin 8 is widened, leading to improvement in productivity and cost reduction of the semiconductor device 1. .

また、半導体素子2の下面にある接合材10と封止樹脂8との界面が剥がれても、ヒートスプレッダ4への剥離進展が溝9によって防止できることから、ヒートスプレッダ4の表面への剥離進展防止のためのディンプル加工が不要となる。これにより、より低コストにヒートスプレッダ4を製造することが可能となる。   Further, even if the interface between the bonding material 10 and the sealing resin 8 on the lower surface of the semiconductor element 2 is peeled off, the progress of the peeling to the heat spreader 4 can be prevented by the grooves 9, so that the peeling spread to the surface of the heat spreader 4 can be prevented. No dimple processing is required. Thereby, it becomes possible to manufacture the heat spreader 4 at lower cost.

半導体素子2は複数設けられ、複数の半導体素子2のうちの少なくとも一部がワイドバンドギャップ半導体により形成された、すなわち、複数の半導体素子2は、電力制御用半導体素子および還流ダイオードを含む2種以上の半導体素子であり、例えば電力制御用半導体素子に対してSi製半導体素子が用いられ、還流ダイオードのみに対してワイドバンドギャップ半導体素子が用いられた。これにより、発生する熱応力が高いために封止樹脂11の剥離が生じやすいワイドバンドギャップ半導体により形成された半導体素子2の周辺領域にのみ溝9を形成することができる。この場合には、溝9の形成スペースの増加およびヒートスプレッダ4の加工コストの増加などを抑制できる。   A plurality of semiconductor elements 2 are provided, and at least a part of the plurality of semiconductor elements 2 is formed of a wide band gap semiconductor. That is, the plurality of semiconductor elements 2 includes two types including a power control semiconductor element and a free wheel diode. For example, Si semiconductor elements are used for the power control semiconductor elements, and wide band gap semiconductor elements are used only for the freewheeling diodes. As a result, the groove 9 can be formed only in the peripheral region of the semiconductor element 2 formed of the wide band gap semiconductor in which the sealing resin 11 is easily peeled off due to the high thermal stress generated. In this case, an increase in the formation space of the groove 9 and an increase in the processing cost of the heat spreader 4 can be suppressed.

ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、ダイヤモンドのいずれかの半導体であるため、許容電流密度が高く、電力損失も低くなり、半導体装置1の小型化が可能となる。   Since the wide bandgap semiconductor is a semiconductor of silicon carbide, gallium nitride-based material, or diamond, the allowable current density is high, the power loss is low, and the semiconductor device 1 can be downsized.

溝9は、少なくとも1本形成され、かつ、半導体素子2が搭載された領域の外周部を連続的に囲むように形成されたため、半導体素子2と封止樹脂11との界面に発生する応力をより低減できる。   Since at least one groove 9 is formed and is formed so as to continuously surround the outer periphery of the region where the semiconductor element 2 is mounted, stress generated at the interface between the semiconductor element 2 and the sealing resin 11 is generated. It can be reduced more.

ヒートスプレッダ4における半導体素子2が搭載された面の反対側の面には、絶縁シート6が設けられたため、半導体装置1を導電性のヒートシンク(図示省略)の上に設置された状態で使用した場合に、ヒートスプレッダ4とヒートシンクとを絶縁することができる。   Since the insulating sheet 6 is provided on the surface of the heat spreader 4 opposite to the surface on which the semiconductor element 2 is mounted, the semiconductor device 1 is used in a state where it is installed on a conductive heat sink (not shown). In addition, the heat spreader 4 and the heat sink can be insulated.

溝9において、少なくとも半導体素子2側の内壁は、水平面に対する傾斜角度が90度以下に形成された場合は、ヒートスプレッダ4の溝形成による放熱量低下が矩形状の溝の場合よりも小さく抑えることができる。また、プレス金型などによるプレス成形が容易となる。   In the groove 9, if at least the inner wall on the semiconductor element 2 side is formed with an inclination angle of 90 degrees or less with respect to the horizontal plane, the reduction in heat radiation due to the groove formation of the heat spreader 4 can be suppressed to be smaller than in the case of the rectangular groove. it can. Further, press molding with a press die or the like is facilitated.

封止樹脂8の熱膨張係数は、半導体素子2の熱膨張係数以上であり、かつ、ヒートスプレッダ4の熱膨張係数以下であるため、温度差が生じた場合にこれらの部材の接触面でのひずみの違いにより発生する応力を抑制できる。   Since the thermal expansion coefficient of the sealing resin 8 is equal to or higher than the thermal expansion coefficient of the semiconductor element 2 and equal to or lower than the thermal expansion coefficient of the heat spreader 4, the strain on the contact surfaces of these members when a temperature difference occurs. The stress generated due to the difference can be suppressed.

封止樹脂8は、エポキシ樹脂によるトランスファーモールド成形により形成されたため、半導体装置1が小型で信頼性に優れたものとなり、さらに取り扱いが容易となる。   Since the sealing resin 8 is formed by transfer molding using an epoxy resin, the semiconductor device 1 is small in size and excellent in reliability, and is easy to handle.

<実施の形態2>
次に、実施の形態2に係る半導体装置について説明する。図4は、実施の形態2に係る半導体装置のヒートスプレッダ4の上面透視図である。なお、実施の形態2において、実施の形態1で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。
<Embodiment 2>
Next, a semiconductor device according to the second embodiment will be described. FIG. 4 is a top perspective view of the heat spreader 4 of the semiconductor device according to the second embodiment. In the second embodiment, the same components as those described in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.

実施の形態2では、溝11が、ヒートスプレッダ4における半導体素子2が搭載された領域の外周を囲むように連続的に設けられるのではなく、一部繋がっていない部分が存在するように設けられている。一般的に、半導体素子に対する熱応力は角部が高くなる。半導体装置の使用条件、使用環境下によって信頼性の温度サイクル条件が厳しくない場合においては、図4に示すように、ヒートスプレッダ4における熱応力の高い半導体素子2の角部に相当する部分にのみ溝11を設けることもできる。より具体的には、溝11の内側端部はヒートスプレッダ4における半導体素子2の端部の内側に対応する位置に形成され、溝11の外側端部はヒートスプレッダ4における半導体素子2の端部の外側に対応する位置に形成されている。   In the second embodiment, the groove 11 is not continuously provided so as to surround the outer periphery of the region where the semiconductor element 2 is mounted in the heat spreader 4, but is provided so that there is a part that is not partially connected. Yes. Generally, the corner portion of the thermal stress on the semiconductor element is high. When the temperature cycle condition of reliability is not severe due to the use condition and use environment of the semiconductor device, as shown in FIG. 4, the groove is formed only in the portion corresponding to the corner of the semiconductor element 2 having a high thermal stress in the heat spreader 4. 11 can also be provided. More specifically, the inner end of the groove 11 is formed at a position corresponding to the inner side of the end of the semiconductor element 2 in the heat spreader 4, and the outer end of the groove 11 is outside the end of the semiconductor element 2 in the heat spreader 4. It is formed in the position corresponding to.

これにより、半導体素子2からの放熱性の低下も最小限に抑えることが可能となる。ただし、ヒートスプレッダ4における半導体素子2が搭載された領域の外周のうち、溝11を設けない部分(溝11が繋がっていない部分)には、例えばソルダーレジストなどを設け、接合材が流れ出ないようにすることが好ましい。   As a result, it is possible to minimize a decrease in heat dissipation from the semiconductor element 2. However, a solder resist or the like is provided, for example, in a portion where the groove 11 is not provided (a portion where the groove 11 is not connected) in the outer periphery of the region where the semiconductor element 2 is mounted in the heat spreader 4 so that the bonding material does not flow out. It is preferable to do.

<実施の形態3>
次に、実施の形態3に係る半導体装置について説明する。図5は、実施の形態3に係る半導体装置のヒートスプレッダ4の上面透視図である。なお、実施の形態3において、実施の形態1,2で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。
<Embodiment 3>
Next, a semiconductor device according to the third embodiment will be described. FIG. 5 is a top perspective view of the heat spreader 4 of the semiconductor device according to the third embodiment. In the third embodiment, the same components as those described in the first and second embodiments are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.

実施の形態3では、溝9が、ヒートスプレッダ4における半導体素子2が搭載された領域を連続的に囲むように形成され、ヒートスプレッダ4における溝9の外周側に溝12が連続的に形成されている。より具体的には、溝9が、ヒートスプレッダ4における2つの半導体素子2が搭載された領域を連続的に囲むようにそれぞれ形成され、一重または多重の溝12が、ヒートスプレッダ4における2つの溝9の外周側を連続的に一括で囲むように形成されている。ここで、溝12は、ヒートスプレッダ4における2つの溝9をそれぞれ連続的に囲むように形成されてもよい。   In the third embodiment, the groove 9 is formed so as to continuously surround the region where the semiconductor element 2 is mounted in the heat spreader 4, and the groove 12 is continuously formed on the outer peripheral side of the groove 9 in the heat spreader 4. . More specifically, the grooves 9 are respectively formed so as to continuously surround a region where the two semiconductor elements 2 are mounted in the heat spreader 4, and the single or multiple grooves 12 are formed on the two grooves 9 in the heat spreader 4. It is formed so as to continuously surround the outer peripheral side in a lump. Here, the grooves 12 may be formed so as to continuously surround the two grooves 9 in the heat spreader 4.

溝12の断面形状は、溝9の断面形状と比較して、深さおよび幅は小さくてもよい。溝12を設けたことで、温度サイクル試験等の信頼性試験においてヒートスプレッダ4と封止樹脂との剥離発生・進展を防止できる。ここで、剥離の発生・進展が防止できる範囲であれば形状に限定されるものではなく、例えば、幅0.1mm、深さ0.05mm程度の溝が形成されていればよい。また、連続的である必要もなく、ヒートスプレッダ4における半導体素子2が搭載された領域を囲むような形状でなくてもよい。   The cross-sectional shape of the groove 12 may be smaller in depth and width than the cross-sectional shape of the groove 9. By providing the groove 12, it is possible to prevent the heat spreader 4 and the sealing resin from being peeled off and progressed in a reliability test such as a temperature cycle test. Here, the shape is not limited as long as the generation and progress of peeling can be prevented. For example, a groove having a width of about 0.1 mm and a depth of about 0.05 mm may be formed. Moreover, it does not need to be continuous and does not have to have a shape surrounding the region where the semiconductor element 2 is mounted in the heat spreader 4.

図5に示すヒートスプレッダ4の端部に形成された溝のように、ヒートスプレッダ4の大きさと半導体素子2の大きさの関係上、直線状に設けることも可能である。溝12は、例えば0.05mm程度の浅い溝であれば、ヒートスプレッダ4の表面に対してプレスによる溝加工で実施でき、加工も安価で設けることが可能となる。   Like the groove formed at the end portion of the heat spreader 4 shown in FIG. 5, it can be provided in a straight line due to the relationship between the size of the heat spreader 4 and the size of the semiconductor element 2. If the groove | channel 12 is a shallow groove | channel of about 0.05 mm, for example, it can implement by the groove process by a press with respect to the surface of the heat spreader 4, and a process can also be provided in low cost.

<実施の形態4>
次に、実施の形態4に係る半導体装置1Aについて説明する。図6は、実施の形態4に係る半導体装置1Aの断面図である。なお、実施の形態4において、実施の形態1〜3で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。
<Embodiment 4>
Next, a semiconductor device 1A according to the fourth embodiment will be described. FIG. 6 is a cross-sectional view of the semiconductor device 1A according to the fourth embodiment. Note that in the fourth embodiment, the same components as those described in the first to third embodiments are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

実施の形態1では、絶縁層として絶縁シート6を用いたが、実施の形態4では、絶縁シート6の代わりにセラミックス基板13が設けられている。セラミックス基板13として、例えばDBC(Direct Bonding Copper)のようなセラミックスの両面に電極が形成された基板を用いることができる。   In the first embodiment, the insulating sheet 6 is used as the insulating layer. However, in the fourth embodiment, the ceramic substrate 13 is provided instead of the insulating sheet 6. As the ceramic substrate 13, for example, a substrate such as DBC (Direct Bonding Copper) in which electrodes are formed on both surfaces of a ceramic can be used.

この場合、溝が形成されたヒートスプレッダの上面に半導体素子を搭載し、ヒートスプレッダの下面にセラミックス基板13を接合材によって接合することも可能である。また、放熱の必要性が低い場合は、図6に示すように、ヒートスプレッダを設けずにセラミックス基板13の一方の面(上面)の電極において、例えば中央部分に半導体素子2を搭載し、セラミックス基板13における半導体素子2が搭載された領域の外周部に溝14を形成してもよい。この場合、それぞれの半導体素子2が搭載された領域を連続的に囲むように少なくとも1本の溝14がそれぞれ形成されている。   In this case, it is also possible to mount a semiconductor element on the upper surface of the heat spreader in which the groove is formed, and bond the ceramic substrate 13 to the lower surface of the heat spreader with a bonding material. Further, when the necessity for heat dissipation is low, as shown in FIG. 6, the semiconductor element 2 is mounted on, for example, the central portion of the electrode on one surface (upper surface) of the ceramic substrate 13 without providing a heat spreader, and the ceramic substrate. A groove 14 may be formed in the outer peripheral portion of the region where the semiconductor element 2 is mounted. In this case, at least one groove 14 is formed so as to continuously surround a region where each semiconductor element 2 is mounted.

ここで、溝14は、半導体素子2の端部から溝14の端部までの距離をL、溝14の開口幅をW、セラミックス基板13の表面から溝14の最深部までの距離をDとし、セラミックス基板13の電極の厚さをtとした場合、Lは0〜0.3mm、Wは0.1mm〜2mm、Dは0.1mm〜3/4tとなるように形成されている。   Here, in the groove 14, the distance from the end of the semiconductor element 2 to the end of the groove 14 is L, the opening width of the groove 14 is W, and the distance from the surface of the ceramic substrate 13 to the deepest part of the groove 14 is D. When the thickness of the electrode of the ceramic substrate 13 is t, L is 0 to 0.3 mm, W is 0.1 mm to 2 mm, and D is 0.1 mm to 3 / 4t.

セラミックス基板13の上面の電極において、例えば一端部にリードフレーム3aが接合されている。また、封止樹脂8は、リードフレーム3a,3bの一部、セラミックス基板13、セラミックス基板13に搭載された半導体素子2、ワイヤ5a,5bなどを封止するようにトランスファーモールド成形により形成されている。実施の形態1の場合と同様に、封止樹脂8は、熱膨張係数の小さい溶融シリカ等の無機粉末、または熱伝導性が優れるアルミナなどが充填されたエポキシ樹脂により形成されている。   In the electrode on the upper surface of the ceramic substrate 13, for example, a lead frame 3a is bonded to one end. The sealing resin 8 is formed by transfer molding so as to seal part of the lead frames 3a and 3b, the ceramic substrate 13, the semiconductor element 2 mounted on the ceramic substrate 13, and the wires 5a and 5b. Yes. As in the case of the first embodiment, the sealing resin 8 is formed of an epoxy resin filled with inorganic powder such as fused silica having a small coefficient of thermal expansion, or alumina having excellent thermal conductivity.

以上のように、実施の形態4に係る半導体装置1Aは、半導体素子2と、半導体素子2を搭載するためのセラミックス基板13と、半導体素子2およびセラミックス基板13を封止する封止樹脂8とを備え、セラミックス基板13における半導体素子2が搭載された領域の外周部に溝14が形成され、溝14は、半導体素子2から溝14の端部までの距離が0〜0.3mm、溝14の開口幅が0.1mm〜2mm、および溝14の最大深さが0.1mm〜セラミックス基板13の電極厚の3/4以下に形成された。   As described above, the semiconductor device 1A according to the fourth embodiment includes the semiconductor element 2, the ceramic substrate 13 for mounting the semiconductor element 2, and the sealing resin 8 for sealing the semiconductor element 2 and the ceramic substrate 13. And a groove 14 is formed in the outer peripheral portion of the ceramic substrate 13 where the semiconductor element 2 is mounted. The groove 14 has a distance from the semiconductor element 2 to the end of the groove 14 of 0 to 0.3 mm, and the groove 14. And the maximum depth of the groove 14 is 0.1 mm to 3/4 or less of the electrode thickness of the ceramic substrate 13.

上記のような溝14を設けたことで、半導体素子2と封止樹脂8との界面に発生する応力が低減でき、半導体素子2の端部付近で発生する封止樹脂8の剥離およびクラックなどを防止できる。これにより、絶縁信頼性の高い半導体装置1Aが得られる。また、セラミックス基板13の一方の面の電極をエッチングによって形成する際に、同時に溝14も形成することができるため、半導体装置1Aを安価で容易に作製することが可能となる。   By providing the groove 14 as described above, the stress generated at the interface between the semiconductor element 2 and the sealing resin 8 can be reduced, and the sealing resin 8 is peeled off and cracked near the end of the semiconductor element 2. Can be prevented. Thereby, the semiconductor device 1A with high insulation reliability is obtained. In addition, since the groove 14 can be formed at the same time when the electrode on one surface of the ceramic substrate 13 is formed by etching, the semiconductor device 1A can be easily manufactured at low cost.

<実施の形態5>
次に、実施の形態5に係る半導体装置1Bについて説明する。図7は、実施の形態5に係る半導体装置1Bの断面図である。なお、実施の形態5において、実施の形態1〜4で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。
<Embodiment 5>
Next, a semiconductor device 1B according to the fifth embodiment will be described. FIG. 7 is a cross-sectional view of the semiconductor device 1B according to the fifth embodiment. Note that in the fifth embodiment, the same components as those described in the first to fourth embodiments are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

実施の形態5に係る半導体装置1Bは、半導体素子2およびセラミックス基板13を囲んで半導体装置1Bの外枠を形成するケース材16と、半導体装置1Bの底板を形成する金属ベース板15と、ケース材16により囲まれた領域に設けられた封止樹脂18とをさらに備えたものである。   A semiconductor device 1B according to the fifth embodiment includes a case material 16 that surrounds the semiconductor element 2 and the ceramic substrate 13 and forms an outer frame of the semiconductor device 1B, a metal base plate 15 that forms a bottom plate of the semiconductor device 1B, and a case And a sealing resin 18 provided in a region surrounded by the material 16.

金属ベース板15は、例えば銅などにより形成され、金属ベース板15の一方の面(上面)において、例えば中央部分にセラミックス基板13が接合材により接合されている。セラミックス基板13には、実施の形態4の場合と同様に、半導体素子2が搭載されるとともに溝14が形成されている。金属ベース板15の上面における端部には、例えばポリフェニレンサルファイド樹脂(以下「PPS」という)などにより形成されたケース材16が、半導体素子2およびセラミックス基板13を囲むように設けられている。   The metal base plate 15 is formed of, for example, copper or the like, and the ceramic substrate 13 is bonded to the center portion of one surface (upper surface) of the metal base plate 15 with a bonding material, for example. As in the case of the fourth embodiment, the ceramic element 13 is mounted with the semiconductor element 2 and the groove 14 is formed in the ceramic substrate 13. A case material 16 made of, for example, polyphenylene sulfide resin (hereinafter referred to as “PPS”) or the like is provided at an end portion on the upper surface of the metal base plate 15 so as to surround the semiconductor element 2 and the ceramic substrate 13.

リードフレーム3a,3bは、互いに対向するケース材16の上部にそれぞれ設けられ、セラミックス基板13の上面の電極において一端部と、リードフレーム3aはワイヤ5cにより接続され、一方の半導体素子2と他方の半導体素子2はワイヤ5aにより接続され、他方の半導体素子2とリードフレーム3bはワイヤ5bにより接続されている。   The lead frames 3a and 3b are respectively provided on the upper part of the case material 16 facing each other. One end of the electrode on the upper surface of the ceramic substrate 13 is connected to the lead frame 3a by a wire 5c. The semiconductor element 2 is connected by a wire 5a, and the other semiconductor element 2 and the lead frame 3b are connected by a wire 5b.

封止樹脂18は、例えば、シリコンゲルをケース材16で囲まれた領域に充填することで形成され、リードフレーム3a,3bの一部、セラミックス基板13、セラミックス基板13に搭載された半導体素子2、ワイヤ5a,5b,5cなどを封止する機能を有している。   The sealing resin 18 is formed, for example, by filling a region surrounded by the case material 16 with silicon gel, and a part of the lead frames 3a and 3b, the ceramic substrate 13, and the semiconductor element 2 mounted on the ceramic substrate 13. And has a function of sealing the wires 5a, 5b, 5c and the like.

以上のように、実施の形態5に係る半導体装置1Bでは、半導体素子2およびセラミックス基板13を囲んで半導体装置1Bの外枠を形成するケース材16をさらに備え、封止樹脂18は、ケース材16により囲まれた領域に設けられた。実施の形態1では、エポキシ樹脂をトランスファーモールド成形して形成された封止樹脂8が半導体装置1のボディーを兼ねていたが、実施の形態5では、PPSなどにより形成されたケース材16を用いることで、シリコンゲルにより形成された封止樹脂18をケース材16で囲まれた領域に充填して半導体素子2およびセラミックス基板13を封止した半導体装置1Bにおいても高い信頼性が得られる。   As described above, the semiconductor device 1B according to the fifth embodiment further includes the case material 16 that surrounds the semiconductor element 2 and the ceramic substrate 13 and forms the outer frame of the semiconductor device 1B. 16 is provided in a region surrounded by 16. In the first embodiment, the sealing resin 8 formed by transfer molding of an epoxy resin also serves as the body of the semiconductor device 1, but in the fifth embodiment, the case material 16 formed of PPS or the like is used. Thus, high reliability can be obtained even in the semiconductor device 1B in which the sealing resin 18 formed of silicon gel is filled in the region surrounded by the case material 16 and the semiconductor element 2 and the ceramic substrate 13 are sealed.

また、封止樹脂としてシリコンゲルの他、エポキシ樹脂を用いることができる。これにより、封止樹脂の材料選択の幅が広がり、種々の構成の半導体装置を製造することができる。   In addition to silicon gel, epoxy resin can be used as the sealing resin. Thereby, the range of materials for the sealing resin is widened, and semiconductor devices having various configurations can be manufactured.

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。   It should be noted that the present invention can be freely combined with each other within the scope of the invention, and each embodiment can be appropriately modified or omitted.

1,1A,1B 半導体装置、2 半導体素子、4 ヒートスプレッダ、6 絶縁シート、8 封止樹脂、9 溝、11 溝、12 溝、13 セラミックス基板、14 溝、16 ケース材、18 封止樹脂。   1, 1A, 1B Semiconductor device, 2 semiconductor element, 4 heat spreader, 6 insulating sheet, 8 sealing resin, 9 groove, 11 groove, 12 groove, 13 ceramic substrate, 14 groove, 16 case material, 18 sealing resin.

Claims (13)

半導体素子と、
前記半導体素子を搭載し、かつ、当該半導体素子からの発熱を拡散する熱拡散板と、
前記半導体素子および前記熱拡散板を封止する封止樹脂と、
を備え、
前記熱拡散板における前記半導体素子が搭載された領域の外周部に溝が形成され、
前記溝は、前記半導体素子から前記溝の端部までの距離が0〜0.3mm、前記溝の開口幅が0.1mm〜2mm、および前記溝の最大深さが0.1mm〜前記熱拡散板の板厚の3/4以下に形成された、半導体装置。
A semiconductor element;
A heat diffusing plate that carries the semiconductor element and diffuses heat generated from the semiconductor element;
Sealing resin for sealing the semiconductor element and the thermal diffusion plate;
With
Grooves are formed in the outer periphery of the region where the semiconductor element is mounted in the heat diffusion plate,
The groove has a distance from the semiconductor element to an end of the groove of 0 to 0.3 mm, an opening width of the groove of 0.1 mm to 2 mm, and a maximum depth of the groove of 0.1 mm to the thermal diffusion. A semiconductor device formed to 3/4 or less of the plate thickness.
半導体素子と、
前記半導体素子を搭載するためのセラミックス基板と、
前記半導体素子および前記セラミックス基板を封止する封止樹脂と、
を備え、
前記セラミックス基板における前記半導体素子が搭載された領域の外周部に溝が形成され、
前記溝は、前記半導体素子から前記溝の端部までの距離が0〜0.3mm、前記溝の開口幅が0.1mm〜2mm、および前記溝の最大深さが0.1mm〜前記セラミックス基板の電極厚の3/4以下に形成された、半導体装置。
A semiconductor element;
A ceramic substrate for mounting the semiconductor element;
A sealing resin for sealing the semiconductor element and the ceramic substrate;
With
Grooves are formed in the outer peripheral portion of the ceramic substrate on which the semiconductor element is mounted,
The groove has a distance from the semiconductor element to the end of the groove of 0 to 0.3 mm, an opening width of the groove of 0.1 mm to 2 mm, and a maximum depth of the groove of 0.1 mm to the ceramic substrate. A semiconductor device formed to 3/4 or less of the electrode thickness.
前記熱拡散板における前記半導体素子が搭載された面の反対側の面には、絶縁層が設けられた、請求項1記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein an insulating layer is provided on a surface of the heat diffusion plate opposite to a surface on which the semiconductor element is mounted. 前記半導体素子および前記セラミックス基板を囲んで前記半導体装置の外枠を形成するケース材をさらに備え、
前記封止樹脂は、前記ケース材により囲まれた領域に設けられた、請求項2記載の半導体装置。
A case material surrounding the semiconductor element and the ceramic substrate to form an outer frame of the semiconductor device;
The semiconductor device according to claim 2, wherein the sealing resin is provided in a region surrounded by the case material.
前記溝は、少なくとも1本形成され、かつ、前記半導体素子が搭載された領域の外周部を連続的に囲むように形成された、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の半導体装置。   5. The semiconductor according to claim 1, wherein at least one groove is formed, and is formed so as to continuously surround an outer peripheral portion of a region where the semiconductor element is mounted. apparatus. 前記溝において、少なくとも前記半導体素子側の内壁は、水平面に対する傾斜角度が90度以下に形成された、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の半導体装置。   6. The semiconductor device according to claim 1, wherein at least the inner wall on the semiconductor element side in the groove is formed with an inclination angle of 90 degrees or less with respect to a horizontal plane. 前記封止樹脂の熱膨張係数は、前記半導体素子の熱膨張係数以上であり、かつ、前記熱拡散板の熱膨張係数以下である、請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の半導体装置。   The thermal expansion coefficient of the said sealing resin is more than the thermal expansion coefficient of the said semiconductor element, and is below the thermal expansion coefficient of the said thermal diffusion board, The thermal expansion coefficient of any one of Claims 1-6. Semiconductor device. 前記封止樹脂は成形により形成された、請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the sealing resin is formed by molding. 前記封止樹脂は、シリコンゲルまたはエポキシ樹脂により形成された、請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the sealing resin is formed of silicon gel or epoxy resin. 前記半導体素子は複数設けられ、
前記複数の半導体素子のうちの少なくとも一部がワイドバンドギャップ半導体により形成された、請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の半導体装置。
A plurality of the semiconductor elements are provided,
The semiconductor device according to claim 1, wherein at least a part of the plurality of semiconductor elements is formed of a wide band gap semiconductor.
前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、ダイヤモンドのいずれかの半導体である、請求項10記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 10, wherein the wide band gap semiconductor is one of silicon carbide, a gallium nitride-based material, and diamond. 前記溝は、前記ワイドバンドギャップ半導体により形成された半導体素子の周辺領域にのみ形成された、請求項10または請求項11に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 10, wherein the groove is formed only in a peripheral region of a semiconductor element formed of the wide band gap semiconductor. 前記半導体素子は複数設けられ、
前記複数の半導体素子は、電力制御用半導体素子および還流ダイオードを含む2種以上の半導体素子である、請求項1から請求項12のいずれか1項に記載の半導体装置。
A plurality of the semiconductor elements are provided,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the plurality of semiconductor elements are two or more kinds of semiconductor elements including a power control semiconductor element and a free-wheeling diode.
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