JP2020035809A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】封止樹脂体とリードフレームとの密着性を確保しつつ、半導体素子の放熱性を確保することができる半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置１は、Ｎｉ−Ｐめっき層３２が形成されたリードフレーム３と、リードフレーム３に接合材２を介して接合されている半導体素子４と、リードフレーム３と半導体素子４とを覆う封止樹脂体５と、を少なくとも備えている。Ｎｉ−Ｐめっき層３２は、結晶質層３２Ａと非晶質層３２Ｂとで構成されており、非晶質層３２Ｂは、少なくとも封止樹脂体５と接触する接触領域３２ｂに配置されており、結晶質層３２Ａは、接合材２を介して半導体素子４に対向している対向領域３２ａのうち、少なくとも対向領域３２ａの外周を含む外側領域３２ａ２よりも内側に位置する内側領域３２ａ１に配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置に関する。

従来から、半導体装置として、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの半導体素子と、これを搭載したリードフレームと、半導体素子とリードフレームとを覆う封止樹脂体と、を備えた半導体装置が知られている。

このような半導体装置として、たとえば、特許文献１には、Ｎｉ−Ｐめっき層が形成されたリードフレームと、リードフレームのＮｉ−Ｐめっき層の表面に接合材を介して接合された半導体素子と、これらを覆う封止樹脂体と、を備えた半導体装置が開示されている。

特開２０１８−０９８２５１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の半導体装置では、Ｎｉ−Ｐめっき層が結晶質層である場合には、高温多湿の環境下では、Ｎｉ−Ｐめっき層に腐食が発生する可能性がある。Ｎｉ−Ｐめっき層の腐食が進行すると、リードフレームと封止樹脂体との密着性が低下するおそれがある。

一方、Ｎｉ−Ｐめっき層が非晶質層の場合には、半導体素子が高温になると、Ｎｉ−Ｐめっき層のＮｉが接合材内に熱拡散し、Ｎｉ−Ｐめっき層のＮｉが消費されてしまう。その結果、接合材とＮｉ−Ｐめっき層との接合界面にカーケンダルボイド（ボイド）が生成され、このボイドにより半導体素子の放熱性が低下するおそれがある。

本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、本発明として、封止樹脂体とリードフレームとの密着性を確保しつつ、半導体素子の放熱性を確保することができる半導体装置を提供する。

前記課題を鑑みて、本発明に係る半導体装置は、Ｎｉ−Ｐめっき層が形成されたリードフレームと、前記リードフレームの前記Ｎｉ−Ｐめっき層に接合材を介して接合された半導体素子と、前記リードフレームと前記半導体素子とを覆う封止樹脂体と、を少なくとも備えた半導体装置であって、前記Ｎｉ−Ｐめっき層は、結晶質層と非晶質層とで構成されており、前記非晶質層は、少なくとも前記封止樹脂体と接触する接触領域に配置されており、前記結晶質層は、前記接合材を介して前記半導体素子に対向している対向領域のうち、少なくとも前記対向領域の外周を含む外側領域よりも内側に位置する内側領域に配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、Ｎｉ−Ｐめっき層が結晶質層と非晶質層とで構成され、非晶質層が、少なくとも封止樹脂体と接触する接触領域に配置されている。これにより、接触領域に結晶質層が配置された場合と比べて、接触領域の耐食性が向上するので、リードフレームと、封止樹脂体との密着性を確保することができる。

一方、結晶質層は、接合材を介して半導体素子に対向している対向領域のうち、少なくとも対向領域の外周を含む外側領域よりも内側に位置する内側領域に配置されている。これにより、半導体装置の使用時に半導体素子が高温になったとしても、内側領域に非晶質層が配置された場合と比べて、内側領域のＮｉが、接合材に熱拡散することを抑えることができる。これにより、接合材と内側領域との接合界面にボイドが発生することを抑えることができ、ボイドに起因した半導体素子の放熱性の低下を抑えることができる。

このようにして、本発明によれば、封止樹脂体とリードフレームとの密着性を確保しつつ、半導体素子の放熱性を確保することができる。

本実施形態に係る半導体装置の模式的断面図である。 （ａ）は、半導体素子の温度分布の一例を示した模式的平面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す温度分布において、非晶質層および結晶質層のＮｉ食われ量を示すグラフであり、（ｃ）は、（ｂ）に示す結果から、非晶質層と結晶質層の配置を決定した後のＮｉ食われ量を示すグラフである。 本実施形態に係る半導体装置の変形例に係る模式的断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本実施形態の比較となる半導体装置の模式的断面図である。 （ａ）は、確認試験に係る半導体素子の温度分布を示した模式的平面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す温度分布において、非晶質層および結晶質層のＮｉ食われ量を示すグラフであり、（ｃ）は、（ｂ）に示す結果から、非晶質層と結晶質層の配置を選択した後のＮｉ食われ量を示すグラフである。

以下に、図１〜図３を参照しながら本発明に係る実施形態について説明する。図１は、本実施形態に係る半導体装置１の模式的断面図である。図１に示すように、本実施形態に係る半導体装置１は、冷却型半導体装置として利用されるものである。本実施形態の半導体装置１は、リードフレーム３と、半導体素子４と、封止樹脂体５と、を少なくとも備えている。

なお、本明細書において「リードフレーム」とは、文字通りのリードフレームのほか、ダイパッド、回路基板や応力緩和基板などの基板、純Ａｌからなる基板とＡｌＮ（窒化アルミニウム）からなる基板とを配置してなるＤＢＡ（絶縁基板）、ヒートシンクなども包含されるものである。本実施形態の半導体装置１では、半導体素子４は、リードフレーム３に、接合材２を介して接合されている。

封止樹脂体５は、リードフレーム３と半導体素子４とを覆っている。具体的には、リードフレーム３の表面のうち、少なくとも半導体素子４が搭載されている側の表面とともに、半導体素子４および接合材２の周りを覆っている。また、半導体素子４が搭載されている側と反対側のリードフレーム３の表面は、封止樹脂体５から露出している。なお、本実施形態では、リードフレーム３、半導体素子４、および接合材２と、封止樹脂体５との間に、密着性を高めるプライマ層（不図示）を設けてもよい。

さらに、本実施形態の半導体装置１は、Ａｌ、Ｃｕ、またはＡｕ製のワイヤ（不図示）と、Ｃｕ製の金属端子（不図示）と、を備えており、半導体素子４は、このワイヤを介して金属端子に接続されている。

なお、リードフレーム３をコレクタ側のリードフレームとし、半導体素子４を挟むように、エミッタ側のリードフレーム（図示せず）をさらに設けてもよい。この場合には、半導体装置１の高さを調整するスペーサーとして、たとえばＣｕ製の金属ブロック（図示せず）を、エミッタ側のリードフレームと半導体素子４との間に、接合材を介して配置してもよい。

半導体素子４としては、Ｓｉ素子またはＳｉＣ素子を挙げることができる。接合材２は、Ｐｂ系はんだ、Ｐｂフリーはんだのいずれであってもよいが、Ｐｂフリーはんだであることが好ましい。このようなＰｂフリーはんだとしては、Ｓｎ−Ａｇ系はんだ、Ｓｎ−Ｃｕ系はんだ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉ系はんだ、Ｓｎ−Ｚｎ系はんだ、または、Ｓｎ−Ｓｂ系はんだなどを挙げることができる。

封止樹脂体５は、リードフレーム３と、半導体素子４とを封止するとともに、接合材２を封止するものである。封止樹脂体５の材料としてはエポキシ系熱硬化性樹脂を挙げることができる。エポキシ系熱硬化性樹脂の中には、シリカ、アルミナ、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、または酸化マグネシウムなどの無機フィラーが含有されていてもよい。

リードフレーム３は、アルミニウム、銅、またはこれらの合金からなるフレーム本体３１と、フレーム本体３１に被覆されたＮｉ−Ｐめっき層３２と、を備えている。Ｎｉ−Ｐめっき層３２は、フレーム本体３１の表面のうち、少なくとも半導体素子４が搭載されている側の表面を被覆している。このようなＮｉ−Ｐめっき層３２は、結晶質層３２Ａと非晶質層３２Ｂとで構成されている。

結晶質層３２Ａは、結晶質の構造を有したＮｉにＰを含む層である。結晶質の構造を有したＮｉを得ることができるのであれば、特に、Ｐの含有量は限定されないが、好ましくは、Ｐの含有量は、１質量％以上かつ６質量％未満である。

非晶質層３２Ｂは、非晶質（アモルファス）の構造を有したＮｉにＰを含む層である。非晶質Ｎｉめっき層の例としては、たとえば、Ｐ含有量が６質量％以上のＮｉ−Ｐめっき層を挙げることができる。結晶質層３２Ａおよび非晶質層３２Ｂは、無電解めっき法、または電解めっき法によって形成することができるが、たとえば蒸着法などにより形成してもよい。

本実施形態では、非晶質層３２Ｂは、少なくとも封止樹脂体５と接触する接触領域３２ｂに配置されている。これにより、接触領域３２ｂに結晶質層が配置された場合と比べて、接触領域３２ｂの腐食を抑えることができる。

一方、結晶質層３２Ａは、接合材２を介して半導体素子４に対向している対向領域３２ａのうち、少なくとも対向領域３２ａの外周を含む外側領域３２ａ_２よりも内側に位置する内側領域３２ａ_１に、配置されている。

これにより、半導体装置１の使用時に半導体素子４が高温になったとしても、内側領域３２ａ_１に非晶質層が配置された場合と比べて、内側領域３２ａ_１のＮｉが、接合材２へ熱拡散すること（すなわち内側領域３２ａ_１が接合材２に食われること）を抑えることができる。なお、外側領域３２ａ_２は、対向領域３２ａを周回する外周から内側に所定の幅Ｄ２を有した部分である。

本実施形態では、外側領域３２ａ_２には、非晶質層３２Ｂが配置されている。これにより、結晶質層３２Ａの成膜位置公差と接合材２のサイズ公差とに起因して、位置ずれが発生しても、結晶質層３２Ａは、半導体素子４と対向する位置に配置される。このため、上述した位置ずれが発生しても、結晶質層３２Ａが封止樹脂体５に接触することを回避することができるため、結晶質層３２Ａの腐食を抑えることができる。

なお、図１に示す実施形態では、外側領域３２ａ_２には、非晶質層３２Ｂが配置されているが、たとえば、図３に示すように、外側領域３２ａ_２に、結晶質層３２Ａが配置されていてもよい。

なお、本実施形態では、図１に示すように、Ｘ方向から見た半導体素子４、接合材２、および対向領域３２ａは、矩形状であり、これらの大きさは略同じである。したがって、図１に示すように、これらの幅Ｄは略同じである。

対向領域３２ａのうち、内側領域３２ａ_１は、矩形状または円形状であり、半導体素子４の中央部分に対向する位置に、幅Ｄ１を有している。一方、外側領域３２ａ_２は、矩形状または円形状の内側領域３２ａ_１の周囲を囲むように形成されており、内側領域３２ａ_１の外周から対向領域３２ａの外周までの長さに相当する幅Ｄ２を有している。

本実施形態では、内側領域３２ａ_１および外側領域３２ａ_２を、図２に示す方法で決定している。図２は、図１に示す内側領域３２ａ_１の幅Ｄ１および外側領域３２ａ_２の幅Ｄ２を決定する方法を説明するための図である。図２（ａ）は、半導体素子４の温度分布の一例を示した模式的平面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す温度分布において、結晶質層３２Ａおよび非晶質層３２ＢのＮｉ食われ量を示すグラフである。図２（ｃ）は、図２（ｂ）に示す結果から、非晶質層３２Ｂと結晶質層３２Ａの配置を決定した後のＮｉ食われ量を示すグラフである。

まず、本実施形態の半導体装置１において、使用時に、半導体素子４が最大温度に到達した際の半導体素子４の温度分布をシミュレーションで算出する。図２（ａ）に示すように、半導体素子４が最高温度で発熱した時の温度分布では、半導体素子４の中央側で最も高く、外周側に向かって、次第に低くなる傾向を示す。なお、以下で説明する最高温度とは、その位置における最高温度のことである。

たとえば、図２（ａ）では、対向領域３２ａの中心を含む円形状の中央エリア４１では、最高温度が１７５℃である。円形状の中央エリア４１の外周４２（円周）の最高温度は、１５０℃である。中央エリア４１を囲う円周４３の最高温度が１２０℃であり、これらの間の最高温度は、１５０℃から１２０℃まで略線形的に変化している。さらに、半導体素子４の外縁４４の最高温度は、１００℃であり、最高温度が１２０℃の円周４３から半導体素子４の外縁４４までの間は、同様に略線形的に、最高温度が変化している。

なお、本実施形態では、半導体素子４の温度分布をシミュレーションにより算出するが、たとば、温度計により、半導体素子４の温度分布を実測してもよい。

次に、Ｎｉ−Ｐめっき層３２のＮｉ食われ量を算出する。ここでは、Ｎｉ−Ｐめっき層３２の全体が結晶質層または非晶質層であると仮定して、それぞれの場合のＮｉ食われ量を算出する。図２（ａ）に示す温度分布から、実車走行時または加速試験時に、Ｎｉが接合材２に拡散する量（Ｎｉ食われ量）を算出する。

この際、たとえば、図２（ｂ）に示すように、半導体素子４の破線Ｌ上の所定の位置におけるＮｉ食われ量を算出して、これらを線で繋いでもよい。図２（ｂ）に示す（●）を繋ぐ実線Ｌ１が、図２（ａ）の破線Ｌに沿った位置の非晶質層３２ＢのＮｉ食われ量であり、（○）を繋ぐ実線Ｌ２が、破線Ｌに沿った位置の結晶質層３２ＡのＮｉ食われ量である。

図２（ａ）および（ｂ）に示すように、最高温度が高いほど、Ｎｉ食われ量が多くなり、同じ最高温度では、結晶質層３２ＡのＮｉ食われ量（〇）は、非晶質層３２ＢのＮｉ食われ量（●）よりも少ないことが分かる。

次に、図２（ｂ）のグラフに対して、カーケンダルボイドが発生し始めるＮｉ食われ量の閾値を設定する。図２（ｂ）に示すように、閾値よりも、非晶質層３２ＢのＮｉ食われ量の大きい部分は、カーケンダルボイドが発生することがわかる。

したがって、実線Ｌ１において、カーケンダルボイドが発生する部分、すなわち、閾値よりも非晶質層３２ＢのＮｉ食われ量の大きい部分は、結晶質層３２Ａを選択し、それ以外の部分は、非晶質層３２Ｂを選択する。このように選択した状態で、図２（ｃ）に示すように、再度、Ｎｉ食われ量を算出する。なお、この際、非晶質層３２Ｂと結晶質層３２Ａとの境界領域は、非晶質層３２Ｂと結晶質層３２ＡとのＮｉ食われ量の影響を考慮して決定する。

ここで、結晶質層３２Ａを選択した部分は、対向領域３２ａよりも小さくなる。したがって、結晶質層３２Ａを選択した部分は、幅Ｄ１の内側領域３２ａ_１に配置される。一方、非晶質層３２Ｂを選択した部分は、内側領域３２ａ_１を囲う幅Ｄ２の外側領域３２ａ_２に配置される。

上述した設定事項をもとに、実際に半導体装置１を作製する。まず、フレーム本体３１の表面にＮｉ−Ｐめっき層３２が形成されたリードフレーム３を準備する。具体的には、フレーム本体３１に対して、内側領域３２ａ_１以外をマスキングし、上述したＰの含有量となるように、内側領域３２ａ_１に結晶質層３２Ａをめっきにより形成する。次に、結晶質層３２Ａをマスキングし、上述したＰの含有量となるように、内側領域３２ａ_１以外の領域に非晶質層３２Ｂをめっきにより形成する。

次に、対向領域３２ａに接合材を介して半導体素子４を配置し、これらを所定の熱履歴で加熱し、リフローはんだ付けにより、リードフレーム３に半導体素子４を接合する。はんだ付けは、リフローはんだ付けに限定されず、個別に溶融したはんだで接合してもよい。

次に、リードフレーム３に半導体素子４を接合した状態で、リードフレーム３および半導体素子４とともに、接合材２の表面を覆うように、エポキシ樹脂など未硬化の熱硬化性樹脂を配置し、これを熱硬化させ、封止樹脂体５をトランスファー成形する。

このようにして得られた半導体装置１に対して、結晶質層３２Ａの成膜位置公差と接合材２のサイズ公差とに起因して、これらの位置ずれが最大となる場合であっても、外側領域３２ａ_２と封止樹脂体５とが接触していること確認する。外側領域３２ａ_２と封止樹脂体５とが接触していることが確認できれば、同様の方法で、半導体装置１を製造する。

ここで、たとえば、図４（ａ）に示す、比較となる半導体装置９Ａでは、リードフレーム３のＮｉ−Ｐめっき層３２全体が、結晶質層３２Ａのみで構成されている。この場合には、結晶質層３２Ａは、非晶質層３２Ｂの場合と比べて、耐食性が劣ることから、高温多湿の環境下では、Ｎｉ−Ｐめっき層３２に腐食が発生しやすい。この腐食が進行する結果、リードフレーム３と封止樹脂体５との密着性が低下してしまうことがある。

一方、図４（ｂ）に示す、比較となる半導体装置９Ｂでは、リードフレーム３のＮｉ−Ｐめっき層３２全体が、非晶質層３２Ｂのみで構成されている。この場合には、半導体素子４が高温になると、Ｎｉ−Ｐめっき層３２のＮｉが接合材２に熱拡散して消費される量が多くなる。その結果、ボイドが発生して、半導体素子４の放熱性が低下してしまうことがある。

さらに、図４（ｃ）に示す、比較となる半導体装置９Ｃでは、図４（ａ）に示すＮｉ−Ｐめっき層３２（結晶質層３２Ａ）に、Ａｕめっき層３６が形成されている。Ａｕめっき層は酸化し難いため、Ｎｉ酸化物を生成するＮｉ−Ｐめっき層３２と比べて、封止樹脂体５との密着性が低下してしまう。

それに対して、本実施形態によれば、非晶質層３２Ｂは、少なくとも接触領域３２ｂに配置されている。これにより、接触領域３２ｂに結晶質層３２Ａが配置された場合と比べて、Ｎｉ−Ｐめっき層３２の耐食性が向上し、リードフレーム３と、封止樹脂体５との密着性を確保することができる。

一方、結晶質層３２Ａは、対向領域３２ａのうち、少なくとも内側領域３２ａ_１に配置されている。これにより、非晶質層３２Ｂが配置された場合と比べて、半導体素子４が高温になった際に、Ｎｉが接合材２へ熱拡散して、消費される量を低減することができる。このため、接合材２とＮｉ−Ｐめっき層３２との接合界面にボイドが発生することを防ぐことができる結果、半導体素子４の放熱性を確保することができる。

図２に示す方法により、発明者は、以下の確認試験を行った。

まず、図５（ａ）に示すように、半導体素子の温度分布をシミュレーションで算出した。半導体素子の中央エリアでは、最高温度が２００℃であり、半導体素子の外縁の最高温度が１２５℃である。なお、これらの間における最高温度は、略線形的に変化し、図５（ａ）には、最高温度が１７５℃、１５０℃の分布（円周）を示している。

次に、Ｎｉ−Ｐめっき層の全体が結晶質層または非晶質層であると仮定して、それぞれに対して、半導体装置を、実車走行を模擬した加速試験で１０００時間使用した後のＮｉ食われ量を算出した。結晶質層および非晶質層は、それぞれ３質量％および１２質量％のＰ含有量を有するＮｉ−Ｐめっき層であると仮定した。この結果を、図５（ｂ）に示す。

図５（ｂ）に示す（●）を繋ぐ実線Ｌ１が、非晶質層のＮｉ食われ量であり、（○）を繋ぐ実線Ｌ２が、結晶質層のＮｉ食われ量である。ここで、カーケンダルボイドが発生し始めるＮｉ食われ量は、７μｍであり、これ以上のＮｉ食われ量であれば、カーケンダルボイドが発生した。

図５（ｂ）に示すように、半導体素子の幅は６ｍｍであり、１．５ｍｍ〜４．５ｍｍの範囲において、非晶質層のＮｉ食われ量は、７μｍ以上であるので、この範囲に結晶質層を選択し、それ以外の範囲に非晶質層を選択した。結晶質層および非晶質層の領域を選択した半導体装置に対して、Ｎｉ−Ｐめっき層のＮｉ食われ量を算出した。この結果を、図５（ｃ）に示す。

図５（ｃ）に示すように、Ｎｉ−Ｐめっき層のＮｉ食われ量は、７μｍよりも低いため、このように構成した半導体装置では、カーケンダルボイドの発生を抑えることができるといえる。

さらに、外側領域には、非晶質層が配置され、外側領域の幅Ｄ２を、１．５ｍｍ確保することができる。このため、仮に、半導体素子４の配置に０．５ｍｍの位置ズレが発生しても、内側領域の結晶質層が封止樹脂体に接触することを回避することができる。

以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

たとえば、上述した実施形態では、半導体素子、接合材、および対向領域の幅は、いずれも略同じであった。しかしながら、製造時の接合材の濡れ拡がりにより、接合材の幅は半導体素子の幅大きくなってもよい。この場合、濡れ拡がり部分の接合材とＮｉ−Ｐめっき層３２とが接合した部分の幅も、外側領域の幅に含むように設定してもよい。

また、上述した実施形態では、半導体装置は、１つのリードフレームを用いた片面冷却構造を有するものであったが、半導体装置が、２つのリードフレームの間に半導体素子が備えられた、両面冷却構造を有するものでもよい。なお、半導体装置では、リードフレームに配置される半導体素子は１つであったが、リードフレームに配置される半導体素子は複数であってもよい。

１：半導体装置、２：接合材、３：リードフレーム、４：半導体素子、５：封止樹脂体、３２：Ｎｉ−Ｐめっき層、３２Ａ：結晶質層、３２Ｂ：非晶質層、３２ａ：対向領域、３２ａ_１：内側領域、３２ａ_２：外側領域、３２ｂ：接触領域

Claims (1)

1. Ｎｉ−Ｐめっき層が形成されたリードフレームと、前記リードフレームの前記Ｎｉ−Ｐめっき層に接合材を介して接合された半導体素子と、前記リードフレームと前記半導体素子とを覆う封止樹脂体と、を少なくとも備えた半導体装置であって、
   前記Ｎｉ−Ｐめっき層は、結晶質層と非晶質層とで構成されており、
   前記非晶質層は、少なくとも前記封止樹脂体と接触する接触領域に配置されており、
   前記結晶質層は、前記接合材を介して前記半導体素子に対向している対向領域のうち、少なくとも前記対向領域の外周を含む外側領域よりも内側に位置する内側領域に配置されていることを特徴とする半導体装置。

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