JP2019134002A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体チップの近傍でプライマの柱状部が形成され難い構造を有する半導体装置を提案する。【解決手段】 半導体装置であって、半導体チップと、上部放熱板と、下部放熱板と、プライマと、封止樹脂を備えている。上部放熱板が、半導体チップの外側まで伸びる上部延出部を有している。下部放熱板が、半導体チップの外側まで伸びる下部延出部を有している。上部延出部と下部延出部が対向している。上部延出部が、下部延出部に向かって突出する突出部を有している。厚み方向に沿って見たときに、突出部の最も下部延出部側に位置する部分が、半導体チップから間隔を開けた位置に配置されている。プライマが、半導体チップの周囲において上部延出部の下面と下部延出部の上面を覆っている。封止樹脂が、上部延出部と下部延出部の間の隙間に充填されており、プライマに接している。【選択図】図２

Description

本明細書に開示の技術は、半導体装置に関する。

特許文献１の半導体装置は、半導体チップと、上部放熱板と、下部放熱板を有している。上部放熱板は、半導体チップの厚み方向に沿って見たときに、半導体チップの外側まで伸びる上部延出部を有している。下部放熱板は、半導体チップの厚み方向に沿って見たときに、半導体チップの外側まで伸びる下部延出部を有している。上部延出部と下部延出部は、互いに対向している。上部延出部の下面と下部延出部の上面は、プライマによって覆われている。上部延出部と下部延出部の間の隙間に、封止樹脂が充填されている。封止樹脂によって、半導体チップが封止されている。封止樹脂は、プライマに接している。プライマを介して封止樹脂を上部延出部及び下部延出部に接続することで、封止樹脂が上部延出部及び下部延出部から剥離し難くなる。

特開２０１７−１０８００２号公報

特許文献１の半導体装置の製造工程では、上部延出部の下面と下部延出部の上面に液状のプライマが塗布される。塗布されたプライマを硬化させた後に、封止樹脂が形成される。液状のプライマを塗布する工程において、上部延出部の下面に塗布されたプライマが、下部延出部に向かって垂れ落ちる場合がある。上部延出部から下部延出部に向かって垂れ下がった状態でプライマが硬化すると、プライマの柱状部が形成される。このような場合、柱状部の周囲を取り囲むように封止樹脂が形成される。封止樹脂中にプライマの柱状部が存在していると、柱状部の周囲で封止樹脂が変形し難くなる。

半導体チップに電流が流れると、半導体チップが発熱する。このため、半導体チップの近傍では、上部放熱板、下部放熱板、及び、封止樹脂が加熱される。その結果、各部材が熱膨張する。各部材の線膨張係数が異なるので、半導体チップの近傍では、各部材に熱応力が加わる。半導体チップの近傍にプライマの柱状部が存在していると、半導体チップ近傍の封止樹脂が変形し難くなるので、半導体チップ近傍で高い応力が生じ易くなる。その結果、封止樹脂が、他の部材（例えば、上部延出部、下部延出部、半導体チップ等）から剥離し易くなったり、半導体チップ用の接続部材にクラックが生じ易くなる等の問題が生じる。このように、半導体チップの近傍にプライマの柱状部が存在すると、半導体装置の信頼性の低下に繋がる。したがって、本明細書では、半導体チップの近傍でプライマの柱状部が形成され難い構造を有する半導体装置を提案する。

本明細書が開示する半導体装置は、半導体チップと、半導体チップの上面に接続されている上部放熱板と、半導体チップの下面に接続されている下部放熱板と、プライマと、封止樹脂を備えている。前記上部放熱板が、前記半導体チップの厚み方向に沿って見たときに、前記半導体チップの外側まで伸びる上部延出部を有している。前記下部放熱板が、前記厚み方向に沿って見たときに、前記半導体チップの外側まで伸びる下部延出部を有している。前記上部延出部と前記下部延出部が対向している。前記上部延出部が、前記下部延出部に向かって突出する突出部を有している。前記厚み方向に沿って見たときに、前記突出部の最も下部延出部側に位置する部分が、前記半導体チップから間隔を開けた位置に配置されている。前記プライマが、前記半導体チップの周囲において前記上部延出部の下面と前記下部延出部の上面を覆っている。前記封止樹脂が、前記上部延出部と前記下部延出部の間の隙間に充填されており、前記プライマに接している。

この半導体装置では、上部延出部が、下部延出部に向かって突出する突出部を有している。このため、液状のプライマを塗布する工程において、上部延出部の下面にプライマが塗布されると、余剰のプライマが突出部を伝って下部延出部側に垂れる。突出部の最も下部延出部側に位置する部分は、半導体チップから間隔を開けた位置に配置されている。したがって、プライマは、半導体チップから間隔を開けた位置で下部延出部側に垂れ落ちる。このため、プライマの柱状部が形成される場合には、半導体チップから間隔を開けた位置に柱状部が形成される。したがって、半導体チップの近傍にプライマの柱状部が形成されることを抑制することができる。また、半導体チップから間隔を開けた位置では温度変化が少ないので、それほど高い熱応力は生じない。したがって、半導体チップから間隔を開けた位置に柱状部が形成されても、半導体装置の信頼性に対する影響は極めて小さい。このように、この半導体装置では、半導体チップの近傍にプライマの柱状部が形成されることを抑制して、半導体装置の信頼性を確保することができる。

半導体装置１０の縦断面図。 図１の範囲ＩＩにおける拡大断面図。 比較例の半導体装置の拡大断面図。 変形例の半導体装置の拡大断面図。 変形例の半導体装置の拡大断面図。

図１、２に示す半導体装置１０は、半導体チップ１２と、ターミナル１４と、上部放熱板１６と、下部放熱板１８と、プライマ２０と、封止樹脂２２を有している。

半導体チップ１２は、図示しない上部電極と下部電極を有している。上部電極は、半導体チップ１２の上面に設けられている。下部電極は、半導体チップ１２の下面に設けられている。

ターミナル１４は、金属（例えば、銅）により構成されたブロックである。ターミナル１４の下面は、はんだ層３０を介して半導体チップ１２の上部電極に接続されている。

上部放熱板１６は、金属（例えば、銅）により構成された板状の部材である。上部放熱板１６の下面は、はんだ層３２を介してターミナル１４の上面に接続されている。上部放熱板１６は、はんだ層３２、ターミナル１４及びはんだ層３０を介して半導体チップ１２の上面（すなわち、上部電極）に接続されている。上部放熱板１６は、半導体チップ１２から放熱する放熱板として機能するとともに、半導体チップ１２に通電するための導電板としても機能する。

下部放熱板１８は、金属（例えば、銅）により構成された板状の部材である。下部放熱板１８の上面は、はんだ層３４を介して半導体チップ１２の下面（すなわち、下部電極）に接続されている。下部放熱板１８は、半導体チップ１２から放熱する放熱板として機能するとともに、半導体チップ１２に通電するための導電板としても機能する。

上部放熱板１６は、半導体チップ１２の厚み方向（すなわち、図１のｚ方向）に沿って見たときに、半導体チップ１２の外側（すなわち、半導体チップ１２と重複しない範囲）まで伸びる上部延出部１６ａを有している。下部放熱板１８は、半導体チップ１２の厚み方向に沿って見たときに、半導体チップ１２の外側まで伸びる下部延出部１８ａを有している。上部延出部１６ａと下部延出部１８ａは、対向している。上部延出部１６ａと下部延出部１８ａの間には、空間４０（隙間）が設けられている。

上部延出部１６ａの下面の外周側の端部に、突出部１６ｂが設けられている。突出部１６ｂは、その周囲の下面（上部延出部１６ａの下面）よりも下側（すなわち、下部延出部１８ａ側）に突出している。突出部１６ｂの下面は、突出部１６ｂのうちで最も下側（下部延出部１８ａ側）に位置する部分である。突出部１６ｂは、その下面の端部と半導体チップ１２の端部の間に、２ｍｍ以上の距離Ｌが確保されるように配置されている。なお、距離Ｌは、下部放熱板１８の上面に沿って横方向に測定した距離である。すなわち、突出部１６ｂは、図１のＺ方向に沿って見たときに、半導体チップ１２から距離Ｌ分の間隔を開けた位置に配置されている。

上部延出部１６ａと下部延出部１８ａの間の空間４０に面する範囲において、上部延出部１６ａの下面と下部延出部１８ａの上面は、プライマ２０によって覆われている。プライマ２０は、はんだ層３２に隣接する範囲で上部延出部１６ａの下面を覆っているとともに、はんだ層３４に隣接する範囲で下部延出部１８ａの上面を覆っている。プライマ２０として、例えば、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂等を用いることができる。

封止樹脂２２は、上部放熱板１６の上面と下部放熱板１８の下面を除いて、上部放熱板１６と下部放熱板１８を覆っている。また、封止樹脂２２は、上部延出部１６ａと下部延出部１８ａの間の空間４０内に充填されており、半導体チップ１２、ターミナル１４及びはんだ層３０、３２、３４を覆っている。封止樹脂２２は、プライマ２０に接している。封止樹脂２２は、プライマ２０を介して上部延出部１６ａの下面に接続されている。封止樹脂２２と上部延出部１６ａの間にプライマ２０が介在していることで、封止樹脂２２が上部延出部１６ａから剥離し難くなっている。封止樹脂２２は、プライマ２０を介して下部延出部１８ａの上面に接続されている。封止樹脂２２と下部延出部１８ａの間にプライマ２０が介在していることで、封止樹脂２２が下部延出部１８ａから剥離し難くなっている。封止樹脂２２として、例えば、ポリイミド樹脂等を用いることができる。

次に、半導体装置１０の製造方法について説明する。まず、図１、２に示すように、上部放熱板１６、ターミナル１４、半導体チップ１２及び下部放熱板１８を、はんだ層３０、３２、３４によって接続する。次に、空間４０内に露出する上部延出部１６ａの下面と下部延出部１８ａの上面に、液状のプライマ２０を塗布する。プライマ２０を塗布したら、プライマ２０を乾燥させて硬化させる。

液状のプライマ２０を塗布する際に、上部延出部１６ａの下面に塗布されるプライマ２０が過多となる場合がある。この場合、余剰のプライマ２０が、上部延出部１６ａの下面から下部延出部１８ａに向かって垂れ落ちる。本実施形態では、上部延出部１６ａの下面に、突出部１６ｂが設けられている。このため、上部延出部１６ａの下面に存在する余剰のプライマ２０は、突出部１６ｂを伝って下側へ流動し、突出部１６ｂの下端から下部延出部１８ａに向かって垂れ落ちる。液状のプライマが粘性を有するため、突出部１６ｂから下部延出部１８ａに向かって垂れ下がったプライマ２０が、突出部１６ｂと下部延出部１８ａの両方に接続された状態となる場合がある。この状態でプライマ２０が硬化すると、図２に示すように、突出部１６ｂと下部延出部１８ａとに接続されたプライマ２０の柱状部２０ａが形成される。突出部１６ｂが半導体チップ１２から距離Ｌだけ離れた位置に配置されているので、柱状部２０ａは半導体チップ１２から距離Ｌと略同じ距離だけ離れた位置に形成される。このように、本実施形態の製造方法では、柱状部２０ａが形成される場合には、柱状部２０ａが半導体チップ１２から離れた位置に形成される。

プライマ２０を硬化させたら、射出成型によって、封止樹脂２２を形成する。射出成型時に、空間４０内に硬化前の樹脂が充填される。その後、樹脂が硬化することで、封止樹脂２２が形成される。このように、プライマ２０を形成した後に封止樹脂２２を形成することで、封止樹脂２２がプライマ２０を介して上部延出部１６ａ及び下部延出部１８ａに対して強固に接続される。以上の工程によって、半導体装置１０が完成する。

半導体装置１０の使用時に、半導体チップ１２に繰り返し電流が流れ、半導体チップ１２が繰り返し発熱する。半導体チップ１２が発熱すると、半導体チップ１２の近傍において、ターミナル１４、上部放熱板１６、下部放熱板１８及び封止樹脂２２が高温となる。封止樹脂２２の線膨張係数が、隣接する半導体チップ１２、ターミナル１４、上部放熱板１６及び下部放熱板１８と異なるので、封止樹脂２２と他の部材との間の界面で熱応力が生じる。本実施形態では、封止樹脂２２が高い弾性を有しているので、封止樹脂２２と他の部材の間の界面で生じる熱応力が抑制される。これによって、熱応力による半導体装置１０の劣化（例えば、封止樹脂２２の剥離、プライマ２０の剥離、はんだ層３０、３２、３４でのクラックの発生等）が抑制される。

また、柱状部２０ａが存在する場合には、柱状部２０ａの周囲を取り囲むように封止樹脂２２が形成される。柱状部２０ａ（すなわち、プライマ２０）が硬いので、柱状部２０ａが存在すると、その周囲の封止樹脂２２が変形し難くなる。このため、柱状部２０ａの周囲の封止樹脂２２が、他の部材との熱膨張差に対して柔軟に変形することができなくなる。本実施形態では、突出部１６ｂによって柱状部２０ａが半導体チップ１２から離れた位置に形成されるようになっており、これによって半導体装置１０の信頼性の低下が抑制される。以下に、本実施形態と比較例とを比較しながら、本実施形態による効果を説明する。

図３は、比較例の半導体装置を示している。図３の半導体装置は、突出部１６ｂを有さない点で図２の半導体装置とは異なる。図３の半導体装置では、突出部１６ｂを有さないので、液状のプライマ２０が上部延出部１６ａの下面に塗布された場合に、余剰のプライマが下側に垂れる位置を制御することができない。このため、柱状部２０ａが形成される位置を制御することができない。したがって、図３の位置２１ｘに示すように、半導体チップ１２上に柱状部２０ａが形成される場合がある。また、図３の位置２１ｙに示すように、半導体チップ１２近傍の下部延出部１８ａ上に柱状部２０ａが形成される場合がある。すなわち、位置２１ｘ、２１ｙに示すように、半導体チップ１２の近傍に柱状部２０ａが形成される場合がある。半導体チップ１２の近傍は、半導体チップ１２の発熱時に高温となる。このため、図３のように半導体チップ１２の近傍に柱状部２０ａが形成されると、柱状部２０ａの周囲の封止樹脂２２が柔軟に変形することができず、柱状部２０ａの近傍で極めて高い熱応力が生じる。柱状部２０ａの近傍で繰り返し高い熱応力が生じると、半導体装置１０の劣化（例えば、封止樹脂２２の剥離、プライマ２０の剥離、はんだ層３０、３２、３４でのクラックの発生等）が起きる。特に、半導体チップ１２から２ｍｍ以内の範囲に柱状部２０ａが形成されると、半導体装置１０の劣化が顕在化する。

これに対し、図２に示す本実施形態の半導体装置では、柱状部２０ａが形成される場合には、突出部１６ｂの下部に柱状部２０ａが形成される。すなわち、柱状部２０ａが形成される位置を、突出部１６ｂの下部に制御することができる。突出部１６ｂが半導体チップ１２から離れた位置に設けられているので、柱状部２０ａも半導体チップ１２から離れた位置に形成される。すなわち、半導体チップ１２の近傍に柱状部２０ａが形成されることを抑制することができる。半導体チップ１２から離れた位置は、半導体チップ１２が発熱しても、それほど高温とはならない。したがって、半導体チップ１２から離れた位置に柱状部２０ａが形成されていても、柱状部２０ａの近傍でそれほど高い熱応力は生じない。このため、半導体装置１０の劣化はほとんど生じない。特に、本実施形態では、突出部１６ｂが半導体チップ１２から距離Ｌ（２ｍｍ以上の距離）だけ離れた位置に配置されているので、柱状部２０ａが半導体チップ１２から２ｍｍ以内の範囲に形成されることを抑制することができる。したがって、半導体装置１０の劣化をより効果的に抑制することができる。

なお、図２に示す突出部１６ｂの下端と下部延出部１８ａの上面との間の間隔Ｃは、０．１ｍｍ以上であることが好ましい。間隔Ｃを０．１ｍｍ以上とすることで、製造工程において間隔Ｃを通って空間４０内へ好適に封止樹脂２２が流入するとともに、上部放熱板１６と下部放熱板１８の間で十分な絶縁破壊強度を確保することができる。

また、突出部１６ｂを設けることで、プライマ塗布工程において余剰のプライマが突出部１６ｂで垂れ落ちるようになるので、半導体チップ１２近傍で上部延出部１６ａの下面と下部延出部１８ａの上面を覆うプライマ２０の厚みを均一化することができる。これによって、封止樹脂２２の上部延出部１６ａ及び下部延出部１８ａに対する接着力を安定化することができる。

また、突出部１６ｂを設けることで、突出部１６ｂの体積分だけ封止樹脂２２の量を少なくすることができる。これによって、空間４０内の封止樹脂２２の熱膨張量が少なくなり、封止樹脂２２が他の部材から剥離し難くなる。また、空間４０内の封止樹脂２２の熱膨張量が少なくなるので、半導体チップ１２やはんだ層３０、３２、３４等の他の部材に加わる熱応力が小さくなる。これによって、半導体チップ１２やはんだ層３０、３２、３４等の他の部材の劣化を抑制することができる。

また、突出部１６ｂを設けることで、半導体チップ１２から外部までの沿面距離（上部放熱板１６の表面に沿って測定した距離）が長くなるので、外部からの半導体チップ１２への水分の進入をより効果的に抑制することが可能となる。

なお、上述した実施形態では、突出部１６ｂが、上部延出部１６ａの下面から真下に伸びるように形成されていた。しかしながら、図４に示すように、上部延出部１６ａの下面を傾斜させることによって突出部１６ｂが設けられていてもよい。図４の構成では、突出部１６ｂの下端部１６ｃ（最も下部延出部１８ａ側の部分）が、半導体チップ１２から距離Ｌ（２ｍｍ以上の距離）だけ離れた位置に配置されている。この構成でも、上部延出部１６ａの下面へ液状のプライマを塗布するときに、余剰のプライマが突出部１６ｂの下端部１６ｃまで流れて、下端部１６ｃから下部延出部１８ａに向かって垂れ落ちる。すなわち、柱状部２０ａが、下端部１６ｃの下部に形成される。したがって、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。また、図５に示すように、傾斜部の断面を、円弧状としてもよい。

以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの１つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。

１０ ：半導体装置
１２ ：半導体チップ
１４ ：ターミナル
１６ ：上部放熱板
１６ａ ：上部延出部
１６ｂ ：突出部
１８ ：下部放熱板
１８ａ ：下部延出部
２０ ：プライマ
２０ａ ：柱状部
２２ ：封止樹脂

Claims (1)

1. 半導体装置であって、
   半導体チップと、
   前記半導体チップの上面に接続されている上部放熱板と、
   前記半導体チップの下面に接続されている下部放熱板と、
   プライマと、
   封止樹脂、
   を備えており、
   前記上部放熱板が、前記半導体チップの厚み方向に沿って見たときに、前記半導体チップの外側まで伸びる上部延出部を有しており、
   前記下部放熱板が、前記厚み方向に沿って見たときに、前記半導体チップの外側まで伸びる下部延出部を有しており、
   前記上部延出部と前記下部延出部が対向しており、
   前記上部延出部が、前記下部延出部に向かって突出する突出部を有しており、
   前記厚み方向に沿って見たときに、前記突出部の最も下部延出部側に位置する部分が、前記半導体チップから間隔を開けた位置に配置されており、
   前記プライマが、前記半導体チップの周囲において前記上部延出部の下面と前記下部延出部の上面を覆っており、
   前記封止樹脂が、前記上部延出部と前記下部延出部の間の隙間に充填されており、前記プライマに接している、
   半導体装置。

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