JP2015115382A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】主面5aに電極が形成され、ヒートスプレッダ6の回路面6fに裏面が接合された半導体素子5と、電極に接合されたリードフレーム3と、半導体素子5を取り囲むように、回路面6fを覆う被覆体2と、リードフレームの主面5aの電極に接合された部分と半導体素子5および被覆体2を包むように封止する封止体1と、を備え、被覆体2は、封止体1よりも弾性率が低い材料で形成され、かつ、回路面6fの延在方向において、半導体素子5から間隔をあけるとともに、回路面6fからの高さ方向において、半導体素子5の主面5aの高さ以上で、封止体1の表面1fに達しない高さになるように形成されている。
【選択図】図1
Description
図1〜図4は、本発明の実施の形態1にかかる半導体装置について説明するためのもので、図1は半導体装置の断面模式図である。図2は半導体装置から封止体や配線部材を除いた状態での半導体素子周辺部分の構成を説明するための図で、上段が部分平面図、下段が部分断面図である。図3は半導体装置を構成する被覆体の配置を説明するための部分断面図、図4は被覆体の配置を説明するための平面模式図である。また、図5(a)と(b)は、本発明の実施の形態1の変形例として、それぞれ複数の半導体素子が隣接して配置されたときの被覆体の配置を説明するための部分平面図である。なお、図2の上段と図5は断面図ではないが、便宜上、被覆体の設置領域をハッチングで示している。以下、詳細に説明する。
各試験サンプルには、半導体素子5を回路面6fに接合し、他方の面に絶縁層7と金属箔8を設けたヒートスプレッダ6にリードフレーム3を接合し、全体を封止体1で封止したモールド型半導体装置を用いた。半導体素子5は、10mm×10mm×0.3mmのSiC製半導体素子とし、ヒートスプレッダ6は20mm×40mm×3.0mmとした。ヒートスプレッダ6とリードフレーム3や金属箔8は放熱性を考えて銅とした。ヒートスプレッダ6上にはMOSFETとSBD(Schottky Barrier Diode:ショットキーバリアダイオード)の2種の半導体素子5を搭載した。絶縁層7にはエポキシ製の絶縁シートを用いた。
被覆体2を構成する主材料として、Tgが約170℃のエポキシ樹脂を使用した。被覆体2にはシリカの充填材の含量が5%のものを使用し、熱膨張係数αが50ppm/Kで、弾性率Eが2GPaのものを用いた。被覆体2は、粉末状のものを予め任意の形状に圧縮成型し、半導体素子5とその接合材4に接することの無いようD=0.2mmとして、t2=0.8mmでヒートスプレッダ6上に均一に設置して形成した。本実施例1の試験サンプルに対して各判定を行ったところ、温度サイクル性、成形性を満足しており、信頼性の高い半導体装置100が得られた。
本実施例2では、実施例1に対してシリカの充填材の添加量を調整し、被覆体2の物性を変化させた以外は、同様に実施した。被覆体2の物性は線膨張係数αが13ppm/K、弾性率Eが10GPaであった。本実施例2の試験サンプルに対して各判定を行ったところ、温度サイクル性、成形性を満足しており、信頼性の高い半導体装置100が得られた。
本実施例3では、実施例1に対して、被覆体2としてシリコーンゲルを用いた以外は同様に実施した。被覆体2の物性は線膨張係数αが600ppm/K、弾性率Eが3.0×10−6GPaであった。シリコーンゲルは、ディスペンサを用いて任意の形状に塗布し、120℃で10分間ポストキュアを行った後、トランスファモールドによる樹脂封止を行った。本実施例3の試験サンプルに対して各判定を行ったところ、温度サイクル性、成形性を満足しており、信頼性の高い半導体装置100が得られた。
本実施例4では、実施例1に対して半導体素子5と被覆体2との間隔Dを変えた以外は同様に実施した。半導体素子5と被覆体2との間隔D=2.0mmとした。本実施例4の試験サンプルに対して各判定を行ったところ、温度サイクル性、成形性を満足しており、信頼性の高い半導体装置100が得られた。
本実施例5では、実施例1に対して被覆体2の厚さt2を変えた以外は同様に実施した。被覆体2の厚さt2=0.4mmとした。本実施例5の試験サンプルに対して各判定を行ったところ、温度サイクル性、成形性を満足しており、信頼性の高い半導体装置100が得られた。
本実施例6では、実施例1に対して被覆体2厚さt2を変えた以外は同様に実施した。被覆体2の厚さt2=3.0mmとした。本実施例6の試験サンプルに対して各判定を行ったところ、温度サイクル性、成形性を満足しており、信頼性の高い半導体装置100が得られた。
本比較例1では、実施例1に対して被覆体2を用いずに試験サンプルを作成した。本比較例1の試験サンプルに対して各判定を行ったところ、成形性は満足していたが、温度サイクル試験において半導体素子5と封止体1との界面で剥離およびクラックが生じたため、温度サイクル性の判定は×であった。
本比較例2では、実施例1に対してシリカの充填材の添加量を調整し、被覆体2の物性を変化させた以外は同様に実施した。被覆体2の物性は線膨張係数αが10ppm/K、弾性率Eが12GPaであった。本比較例2の試験サンプルに対して各判定を行ったところ、成形性は満足していたが、温度サイクル試験において半導体素子5にかかる応力緩和の効果が小さく、半導体素子5と封止体1との界面で剥離およびクラックが生じたため、温度サイクル性の判定は×であった。
本比較例2では、実施例1に対して、被覆体2としてポリプロピレンを用いた以外は同様に実施した。被覆体2の物性は線膨張係数αが100ppm/K、弾性率Eが1.5×10−3GPaであった。ポリプロピレンを圧縮成型により任意の形状に成型した後、ヒートスプレッダ6上に設置し、リードフレーム3や絶縁層7と金属箔8と合わせてトランスファモールドによる樹脂封止を行った。本比較例3の試験サンプルに対して各判定を行ったところ、成型直後に封止体1にクラックが生じた。ポリプロピレンは融点が約130℃であり、液状から固体状に相変化する際の急激な体積変化が原因でクラックが生じたと考えられる。ゆえに、成形性の判定は×であった。
本比較例では、実施例1に対して半導体素子5と被覆体2との間隔Dを変えた以外は同様に実施した。被覆体2が、半導体素子5とヒートスプレッダ6を接合する接合材4の一部が覆われるようにした。つまり、内側面2sが図4におけるラインPiより内側になるようにした。本比較例4の試験サンプルに対して各判定を行ったところ、成形性は満足していたが、温度サイクル試験において半導体素子5とヒートスプレッダ6を接合する接合材4にクラックが生じたため、温度サイクル性の判定は×であった。
本比較例では、実施例1に対して半導体素子5と被覆体との間隔Dを変えた以外は同様に実施した。半導体素子5と被覆体2との間隔D=2.5mmとした。つまり、間隔Dが0.2Lを超え、図4におけるラインPxより外側になるようにした。本比較例4の試験サンプルに対して各判定を行ったところ、成形性は満足していたが、温度サイクル試験において半導体素子5にかかる応力緩和の効果が小さく、半導体素子5と封止体1との界面に剥離が生じたため、温度サイクル性の判定は×であった。
本比較例6では、実施例1に対して被覆体2の厚さt2を変えた以外は同様に実施した。被覆体2の厚さt2=0.3mmとした。つまり、接合材4の厚さを加味すると、被覆体2の高さが主面5aよりも低くなるようにした。本比較例6の試験サンプルに対して各判定を行ったところ、成形性は満足していたが、温度サイクル試験において半導体素子5と封止体1との界面で剥離およびクラックが生じたため、温度サイクル性の判定は×であった。
本比較例7では、実施例1に対して被覆体2の厚さt2を変えた以外は同様に実施した。被覆体2の厚さt2=3.5mmとした。なお、3.5mmは、回路面6fから封止体1の表面1fまでの距離、つまり封止体1の本来の厚みt1の3/4よりも大きな値である。本比較例7の試験サンプルに対して各判定を行ったところ、成形性の判定は×であった。これは、被覆体2の高さが、封止体1の本来の厚みt1の3/4を越え、被覆体2上部分の封止体1の厚みが薄くなったため、樹脂強度が低下してクラックに繋がったと考えられる。
封止体1の材料であるトランスファモールド用の封止樹脂は、充填剤の量を変えることで、Eとαを変化させることが可能である。ただし、Eとαはトレードオフの関係になっており、E×αの値が一定になるように変化することが経験的にわかっている。そのため、弾性率Eを下げると線膨張係数αが上昇することになり、例えば、E=12GPa、α=12ppm/Kの材料をE=10GPaになるように充填剤の量を変えると、α=14.4ppm/Kになる。
本実施の形態2にかかる半導体装置では、実施の形態1にかかる半導体装置に対して、ヒートスプレッダの代わりに絶縁基板を用いるようにしたものである。図6は、本発明の実施の形態2にかかる半導体装置の構成を説明するための断面模式図である。図中、実施の形態1と同様のものには同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
絶縁基板10を用いたものである。絶縁基板10の熱伝導率が十分に高く熱抵抗が小さければ、ヒートスプレッダ6を使用しなくてもよい。そして、図6では、2つの半導体素子5が、絶縁基板10の回路面10f側の導電層10aの所定位置に、はんだ等の接合材4を用いて接合されている。そして、実施の形態1と同様の条件で、2つの半導体素子5および接合材4に接することなく内側面が半導体素子5を囲むとともに、外側が導電層10aの端部まで覆う被覆体2を配置し、その上からトランスファモールド成型により封止体1を形成している。
上記実施の形態1あるいは2では、トランスファモールド成型のように成形金型による成形で封止体を形成し、封止体が半導体装置の筐体を兼ねるように構成していた。しかし、本実施の形態3にかかる半導体装置では、筐体となるケースを別途製造し、ケース内にポッティングにより封止体を形成するようにしたものである。図7は、本発明の実施の形態3にかかる半導体装置の構成を説明するための断面模式図である。図中、実施の形態1または2と同様のものには同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
D:被覆体(の内側面)と半導体素子(の側面)との間隔、 t1:回路面上の封止体の本来の厚み(回路面からの高さ)、 t2:被覆体の厚み(回路面からの高さ)、 L:半導体素子の辺の長さ。
Claims (11)
- 回路基板と、
主面に電極が形成され、前記回路基板の回路面に裏面が接合された半導体素子と、
前記電極に接合された配線部材と、
前記半導体素子を取り囲むように、前記回路面を覆う被覆体と、
前記配線部材の前記電極に接合された部分と前記半導体素子および前記被覆体を包むように封止する封止体と、を備え、
前記被覆体は、前記封止体よりも弾性率が低い材料で形成され、かつ、前記回路面の延在方向において、前記半導体素子から間隔をあけるとともに、前記回路面からの高さ方向において、前記半導体素子の主面の高さ以上で、前記封止体の表面に達しない高さになるように形成されていることを特徴とする半導体装置。 - 前記被覆体は、前記半導体素子と前記回路面とを接合する接合材に接触しないように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。
- 前記被覆体の高さが、前記回路面から前記封止体の表面までの高さの3/4以下に設定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。
- 前記半導体素子と前記被覆体との間隔が、前記半導体素子の辺の長さの0.2倍以下に設定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。
- 前記被覆体が、エポキシ樹脂、シリコーンゲル、シリコーンゴム、メラミン樹脂、フェノール樹脂、ポリアミド、ポリイミド、ポリブチレンテレフタレート、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルサルホン、およびポリフェニレンサルファイドの少なくともいずれかを用いて形成されていることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記封止体は、トランスファモールド成型によって形成されたものであ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。
- 当該半導体装置の外枠となるケースを備え、
前記封止体は、樹脂を前記ケースの中にポッティングすることによって形成されたものであ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。 - 前記回路基板は、裏面に絶縁層が形成された伝熱板であ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。
- 前記回路基板は、セラミックス基材の少なくとも一方の面に導電層が形成された絶縁基板であ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。
- 前記半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体材料で形成されていることを特徴とする請求項1から9のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記ワイドバンドギャップ半導体材料は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料、ダイヤモンド、および酸化ガリウム系材料のうちのいずれかであることを特徴とする請求項10に記載の半導体装置。
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