JP2020077658A - 樹脂で封止した半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子を封止するモールド樹脂と金属板の密着性を向上させる。【解決手段】樹脂で封止した半導体装置であり、半導体素子と、半導体素子にはんだを介して接合している金属板と、半導体素子と金属板の接合部を封止しているモールド樹脂と、金属板とモールド樹脂の間に介在しているプライマ層を備えている。金属板のうちのモールド樹脂に対向する範囲に、金属板の表面から深部に向かう溝と、溝の側壁に近接する位置に形成されている深溝と、側壁から延びている突出部を備えている。突出部は、深溝より浅い位置を延びており、その深部側にモールド樹脂が侵入している。【選択図】図２

Description

本明細書に開示する技術は、半導体素子を樹脂で封止した半導体装置に関する。

半導体素子と、その半導体素子にはんだを介して接合されている金属板を備えており、半導体素子と金属板の接合部をモールド樹脂で封止した半導体装置が知られている。この種の半導体装置では、金属板とモールド樹脂が剥離することを防止するために、種々の改良がなされている。例えば、特許文献１の半導体装置では、金属板とモールド樹脂の間の密着性を向上させるために、金属板とモールド樹脂の間にポリアミド樹脂等のプライマ層を介在させる。また、プライマ層が部分的に薄くなることを抑制するために、金属板のうちのプライマ層と接する範囲に溝を設ける。特許文献１は、溝の入口側の高さにおいて、溝の側壁から溝の中央に向かって延びる突出部を設ける技術も開示している。

特開２０１５−１２６１１９号公報

特許文献１の半導体装置では、溝を設けることによってプライマ層が局所的に薄くなることを抑制し、これによって金属板とモールド樹脂との間の密着性を向上させる。しかしながら、プライマ層が薄くなることを抑制するだけでは、金属板とモールド樹脂との間の密着性を十分に向上できるとは言えない。例えば、特許文献１の半導体装置の場合、前記した突出部の深部側に流動性樹脂が侵入して硬化すれば、突出部によって突出部の深部側で硬化した樹脂が抜け出ることを防止する効果（アンカー効果という）が得られる。しかしながら、特許文献１の半導体装置では、金属板にプライマ層を塗布する際に、突出部の深部側にプライマ層が広がり、流動状態の樹脂が突出部の深部側に侵入しづらい。特許文献１の技術では、アンカー効果が小さくなり、金属板とモールド樹脂との間の密着性を十分に向上させることができなかった。本明細書は、半導体素子を封止するモールド樹脂と金属板の密着性を向上させる技術を開示する。

本明細書が開示する半導体装置は、半導体素子と、半導体素子にはんだを介して接合している金属板と、半導体素子と金属板の接合部を封止しているモールド樹脂と、金属板とモールド樹脂の間に介在しているプライマ層を備えている。金属板のうちのモールド樹脂に対向する範囲に、金属板の表面から深部に向かう溝と、溝の側壁に近接する位置に形成されている深溝と、側壁から延びている突出部を備えている。突出部は、深溝より浅い位置を延びており、突出部の深部側にモールド樹脂が侵入している。

上記の樹脂で封止した半導体装置では、プライマ層を備えることによって、金属板とモールド樹脂の密着性を向上させることができる。また、モールド樹脂に対向する金属板の対向面には、溝が形成されていることによって、その溝がプライマ溜まりとなり、プライマ層が局所的に薄くなることを防止することができる。プライマ層が薄くなっている部分では、金属板とモールド樹脂の密着性が低下するため、プライマ層が薄くなることを防止することによって、金属板とモールド樹脂の密着性を向上させることができる。さらに、深溝と、深溝より浅い位置を延びる突出部が形成されていることによって、突出部の深部側空間に流動性樹脂が侵入して硬化し、突出部の深部側にモールド樹脂が侵入した構造が得られる。これによって、アンカー効果が得られ、金属板とモールド樹脂の密着性を向上させることができる。これらの特徴を備えることによって、モールド樹脂が金属板から剥離することを抑制することができる。これによって、半導体素子と金属板とを接合するはんだの寿命を向上させることができる。

実施例に係る半導体装置の構成を模式的に示す断面図。 放熱板に設けられるディンプルを示す図であり、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である。 本実施例のディンプルによるアンカー効果を説明するための図であり、（ａ）はプライマ層の塗布前、（ｂ）はプライマ層の塗布後、（ｃ）はモールド成型後を示す。 深溝（第３溝）を備えていない従来のディンプルによるアンカー効果を説明するための図であり、（ａ）はプライマ層の塗布前、（ｂ）はプライマ層の塗布後、（ｃ）はモールド成型後を示す。 放熱板に設けられるディンプルの形成方法を説明するための図であり、（ａ）は第１プレス加工後の上面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図であり、（ｃ）は第２プレス加工後の上面図であり、（ｄ）は（ｃ）のＤ−Ｄ線における断面図である。 （ａ）はディンプルの他の例の上面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である。 （ａ）と（ｂ）は、放熱板に設けられるディンプルの他の例を示す図。 （ａ）と（ｂ）は、放熱板に設けられるディンプルの他の例を示す図。

本実施例に係る半導体装置１０について説明する。図１は、半導体装置１０の構成を模式的に示している。半導体装置１０は、パワーカードとも称される。図１に示すように、半導体装置１０は、半導体素子１２と、金属ブロック１４と、放熱板１６、１８と、モールド樹脂２０と、プライマ層２８を備えている。

半導体素子１２は、平板上であり、上面（図１の＋Ｚ側）と下面（図１の−Ｚ側）の各々に電極（図示省略）が形成されている。具体的には、半導体素子１２の下面には、図示しない下面電極が露出している。半導体素子１２の上面には、図示しない主電極と複数の信号電極が露出している。半導体素子１２は、半導体素子１２の内部に形成されている半導体構造によって、上面の主電極と下面電極の間を低抵抗な状態と高抵抗な状態との間で切り換える。半導体素子１２の下面電極は、はんだ層２２によって放熱板１６に接合されており、半導体素子１２の上面の主電極は、はんだ層２４によって金属ブロック１４に接合されている。

金属ブロック１４は、銅（Ｃｕ）で形成されている。金属ブロック１４のＺ軸に垂直な面は、半導体素子１２の主電極（図示省略）の形状とほぼ同一の形状となっている。金属ブロック１４は、はんだ層２６によって放熱板１８に接合される。金属ブロック１４は、スペーサである。金属ブロック１４を配置することによって半導体素子１２の信号電極と放熱板１８との間に空間ができる。これにより、信号電極にワイヤ（図示省略）を接続することができ、信号電極と端子（図示省略）が接続される。

放熱板１６、１８は、平板上の導電部材である。放熱板１６、１８は対向しており、放熱板１６、１８の間には、半導体素子１２と金属ブロック１４がはんだ層２２、２４、２６を介して配置されている。半導体素子１２の熱は、はんだ層２２を介して放熱板１６に伝達されると共に、はんだ層２４、金属ブロック１４、はんだ層２６を介して放熱板１８に伝達される。放熱板１６、１８の表面には、ディンプル３０（図２参照）が形成されている。ディンプル３０については、後に詳述する。なお、放熱板１６、１８は、「金属板」の一例である。

モールド樹脂２０は、半導体素子１２と、金属ブロック１４と、放熱板１６、１８を封止している。ただし、放熱板１６のはんだ層２２を介して半導体素子１２と接合している面の反対面と、放熱板１８のはんだ層２６を介して金属ブロック１４と接合している面の反対面は、露出している。放熱板１６、１８の露出する面はそれぞれ、絶縁板５２ｂ、５２ａを介して冷却器５０ｂ、５０ａに対向している。詳細には、放熱板１８は、グリス５４を介して絶縁板５２ａに対向し、絶縁板５２ａはグリス５６を介して冷却器５０ａに対向している。また、放熱板１６は、グリス５８を介して絶縁板５２ｂに対向し、絶縁板５２ｂはグリス６０を介して冷却器５０ｂに対向している。冷却器５０ａ、５０ｂによって、半導体素子１２を両面から冷却することができる。

プライマ層２８は、放熱板１６、１８とモールド樹脂２０の間に介在している。プライマ層２８は、例えば、ポリアミド樹脂で形成されている。プライマ層２８によって、放熱板１６、１８とモールド樹脂２０の密着性を向上させることができる。

ここで、図２を参照して、放熱板１６、１８の表面に設けられるディンプル３０について説明する。ディンプル３０は、放熱板１６、１８のうちモールド樹脂２０に対向する範囲１７（以下、この面を対向面１７ともいう）に形成される。すなわち、ディンプル３０は、放熱板１６、１８のプライマ層２８が塗布される面に設けられる。ディンプル３０は、放熱板１６、１８上に複数設けられており、本実施例では、各ディンプル３０が設けられるピッチは、約０．５ｍｍである。対向面１７にディンプル３０を設けることによって、対向面１７上にプライマ層２８を塗布したときにプライマ層２８がディンプル３０内に溜まり、プライマ層２８が局所的に薄くなることを防止することができる。プライマ層２８が薄い部分では、放熱板１６、１８とモールド樹脂２０の密着性が低下する。対向面１７にディンプル３０を設けることによって、放熱板１６、１８とモールド樹脂２０の密着性を向上することができ、放熱板１６、１８とモールド樹脂２０が剥離することを抑制することができる。

図２（ａ）に示すように、ディンプル３０は平面視すると略正方形である。また、図２（ｂ）に示すように、ディンプル３０は、第１溝３２と、第２溝３４と、第３溝３６によって構成されている。第１溝３２、第２溝３４及び第３溝３６は、対向面１７からディンプル３０の深部側（図２（ｂ）の−Ｚ方向）に向かって順に深くなっている。

第１溝３２は、対向面１７側に設けられており、底面３２ａを備えている。本実施例では、底面３２ａが形成される深さＤ１（すなわち、対向面１７から底面３２ａまでの深さ）は、約０．０５ｍｍである。底面３２ａは、対向面１７と略平行である。

第２溝３４は、第１溝３２より深部側に設けられている。第２溝３４は、底面３２ａより深部側に位置する底面３４ａと、対向面１７側が深部側より突出するように傾斜する側面３４ｂ（以下、傾斜面３４ｂともいう）によって構成されている。すなわち、第１溝３２の底面３２ａと第２溝３４の傾斜面３４ｂによって、ディンプル３０の側壁から突出する突出部３８が形成される。本実施例では、底面３４ａが形成される深さＤ２（すなわち、対向面１７から底面３４ａまでの深さ）は、約０．１５ｍｍである。また、底面３４ａは平面視したときに略正方形であり、本実施例では、その各辺の寸法Ｌ１は約０．１５ｍｍである。また、底面３４ａは、対向面１７と略平行である。なお、第２溝３４は、「溝」の一例である。

第３溝３６は、第２溝３４より深部側に設けられており、本実施例では、第３溝３６の深さＤ３（すなわち、対向面１７から第３溝３６の深部までの深さ）は、約０．２５ｍｍである。第３溝３６は、突出部３８の深部側に形成されている。換言すると、第３溝３６は、ディンプル３０の側壁に近接する位置に形成されており、突出部３８は、第３溝３６より対向面１７側の高さ（浅い位置）においてディンプル３０の側壁から突出している。また、第３溝３６は平面視したときに略正方形であり、本実施例では、その各辺の寸法Ｌ２は約０．２５ｍｍである。なお、第３溝３６は、「深溝」の一例である。

また、図２（ａ）に示すように、第３溝３６は、ディンプル３０を平面視したとき（図２（ａ）で示す状態において）、ディンプル３０の外周側に全周に亘って設けられる。一方、第１溝３２及び第２溝３４の傾斜面３４ｂは、ディンプル３０を平面視したとき、部分的に形成される。具体的には、第１溝３２は、平面視したとき第３溝３６によって形成される略正方形の各辺の中央部分に（すなわち、４箇所に）形成される。このため、第１溝３２が形成される部分では、突出部３８が形成される一方、第１溝３２が形成されない部分では、突出部３８が形成されない。なお、ディンプル３０の各寸法及び各ディンプル３０を設けるピッチは上記の寸法に限定されるものではなく、適宜選択することができる。

本実施例では、ディンプル３０に第３溝３６と突出部３８が設けられることによって、アンカー効果が得られる。以下に、図３及び図４を参照して、本実施例の半導体装置１０のアンカー効果について説明する。図３は、本実施例の半導体装置１０の放熱板１６、１８の対向面１７に設けられるディンプル３０と、プライマ層２８及びモールド樹脂２０との関係を示している。なお、図４は、比較例として、第３溝３６が形成されていないディンプル７０と、プライマ層２８及びモールド樹脂２０の関係を示している。

上述したように、放熱板１６、１８とモールド樹脂２０の間には、プライマ層２８が介在している。したがって、半導体装置を製造する際には、図３（ｂ）及び図４（ｂ）に示すように、放熱板１６、１８の対向面１７上にプライマ層２８を形成する樹脂（例えば、ポリアミド樹脂）を塗布し、塗布した樹脂を硬化させることによってプライマ層２８を形成する。その後、モールド樹脂２０で封止する（図３（ｃ）及び図４（ｃ）参照）。

図３（ａ）に示すように、本実施例では、ディンプル３０に第３溝３６と突出部３８が設けられている。図３（ｂ）に示すように、対向面１７上にプライマ層２８を塗布すると、第３溝３６内にプライマ層２８が侵入することによって、プライマ層２８が突出部３８の深部側に向かって広がって硬化する。これによって、プライマ層２８は、第２溝３４の傾斜面３４ｂに沿った形状で硬化し、突出部３８の深部側にプライマ層２８が存在しない空間ができやすくなる。このような形状で硬化したプライマ層２８を樹脂でモールドすると、図３（ｃ）に示すように、突出部３８の深部側にモールド樹脂２０が侵入しやすくなる。このようにモールド樹脂２０が広がることによって、モールド樹脂２０がディンプル３０から抜け出ることを抑制する効果（すなわち、アンカー効果）を得ることができる。

一方、図４（ａ）に示すように、第３溝３６が設けられていないディンプル７０では、図４（ｂ）に示すように、放熱板にプライマ層２８を塗布したときに突出部３８の深部側にプライマ層２８が溜まりやすくなる。このような形状で硬化したプライマ層２８を樹脂でモールドしても、図４（ｃ）に示すように、突出部３８の深部側にモールド樹脂２０が侵入しにくい。このため、アンカー効果を得ることができないか、得ることができたとしてもその効果は小さい。このように、本実施例では、ディンプル３０に第３溝３６と突出部３８を設けることによって、アンカー効果を得ることができ、放熱板１６、１８とモールド樹脂２０の密着性を向上させることができる。これによって、モールド樹脂２０が放熱板１６、１８から剥離することを抑制することができ、半導体素子１２と放熱板１６、１８を接合するはんだ層２２、２４、２６の寿命を向上させることができる。

次に、図５を参照して、半導体装置１０の製造方法について説明する。なお、本実施例では、放熱板１６、１８の対向面１７に設けられるディンプル３０を形成する工程に特徴があり、その他の工程については従来公知の工程を用いることができる。このため、以下では、本実施例の特徴部分のみを説明し、その他の工程については説明を省略する。

ディンプル３０の形成工程では、放熱板１６、１８の対向面７を２回に亘ってプレス加工する。以下では、２回のプレス加工をそれぞれ、第１プレス加工及び第２プレス加工と称する。

図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、第１プレス加工では、深さＤ２（本実施例では、約０．１５ｍｍ）の溝と深さＤ３（本実施例では、約０．２５ｍｍ）の溝を同時に形成する。詳細には、深さＤ３の溝は、平面視したときの外形が略正方形となるように形成する。深さＤ３の溝は、各辺が寸法Ｌ２（本実施例では、０．２５ｍｍ）の略正方形であり、平面視したときの外周側が深さＤ３となるように形成する。この溝が第３溝３６となる。また、平面視したとき第３溝３６より中央側に深さＤ２の対向面１７と略平行な溝を形成する。深さＤ２の溝は、各辺が寸法Ｌ１（本実施例では、０．１５ｍｍ）の略正方形の平坦面となるように形成する。これによって、第２溝３４の底面３４ａが形成される。

次いで、図５（ｃ）及び図５（ｄ）に示すように、第２プレス加工では、深さＤ１（本実施例では、約０．０５ｍｍ）の溝を形成する。詳細には、第３溝３６の寸法Ｌ２より大きい寸法Ｌ３で深さＤ１の溝を形成する。本実施例では、寸法Ｌ３は０．３５ｍｍであるが、寸法Ｌ３の大きさは適宜選択することができる。第２プレス加工では、第１プレス加工で形成した溝の一部を覆うように、具体的には、第１溝３２を形成する位置でプレス加工する。これによって、第１溝３２の底面３２ａが形成されると共に、プレス加工によって潰された部分が第１プレス加工で形成された溝（すなわち、第３溝３６）の上方に突出する。すなわち、第２プレス加工によって、底面３２ａと共に突出部３８が形成される。このようにして、第１溝３２、第２溝３４及び第３溝３６によって構成されるディンプル３０が形成される。

なお、本実施例では、突出部３８は、第３溝３６の上方の一部のみに形成されていたが（図２（ａ）参照）、このような構成に限定されない。ディンプルの形状としては、ディンプルの側壁に近接する位置に形成される深溝（例えば、第３溝）と、深溝より対向面１７側の高さにおいてディンプルの側壁から突出する突出部が設けられていればよく、その形状は適宜変更することができる。例えば、図６（ａ）に示すように、対向面１７に、第３溝３６の上方全体に第１溝１３２の底面１３２ａが形成されるディンプル１３０を形成してもよい。ディンプル１３０では、第３溝３６の上方全体に第１溝１３２の底面１３２ａが形成されることによって、第３溝３６の上方全体に突出部１３８が形成される。また、図６（ｂ）に示すように、ディンプル１３０の断面の形状は、図２（ｂ）に示す断面（第１溝３２が第３溝３６の上方の一部のみに形成されたディンプル３０において、第１溝３２が形成されている部分の断面）と同様の形状となる。このため、図６に示す構成であっても、アンカー効果を得ることができ、放熱板１６、１８とモールド樹脂２０の密着性を向上させることができる。

また、本実施例では、深溝である第３溝３６及び第２溝３４の底面３４ａの形状は、平面視したときに略正方形であったが、このような構成に限定されない。第３溝及び第２溝の底面の形状は特に限定されるものではなく、略正方形以外の形状であってもよい。例えば、図７（ａ）に示すように、第３溝２３６及び第２溝の底面２３４ａの平面視したときの形状は略円形であってもよいし、図８（ａ）に示すように、第３溝３３６及び第２溝の底面３３４ａの平面視したときの形状は略正三角形であってもよい。また、第３溝２３６及び第２溝の底面２３４ａの形状が略円形である場合も、図７（ａ）に示すように、突出部（すなわち、第１溝の底面３２ａ）を第３溝２３６の上方の一部のみに形成してもよいし、図７（ｂ）に示すように、突出部（すなわち、第１溝の底面２３２ａ）を第３溝２３６の上方全体に形成してもよい。同様に、第３溝３３６及び第２溝の底面３３４ａの形状が略正三角形である場合も、図８（ａ）に示すように、突出部（すなわち、第１溝の底面３２ａ）を第３溝３３６の上方の一部のみに形成してもよいし、図８（ｂ）に示すように、突出部（すなわち、第１溝の底面３３２ａ）を第３溝３３６の上方全体に形成してもよい。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合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、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：半導体装置
１２：半導体素子
１４：金属ブロック
１６、１８：放熱板
２０：モールド樹脂
２２、２４、２６：はんだ層
２８：プライマ層
３０、１３０：ディンプル
３２、１３２：第１溝
３２ａ、１３２ａ、２３２ａ、３３２ａ：第１溝の底面
３４：第２溝
３４ａ、２３４ａ、３３４ａ：第２溝の底面
３４ｂ：第２溝の傾斜面
３６、２３６、３３６：第３溝
３８、１３８：突出部
５０ａ、５０ｂ：冷却器

Claims (1)

1. 半導体素子と、
   前記半導体素子にはんだを介して接合している金属板と、
   前記半導体素子と前記金属板の接合部を封止しているモールド樹脂と、
   前記金属板と前記モールド樹脂の間に介在しているプライマ層を備えており、
   前記金属板のうちの前記モールド樹脂に対向する範囲に、
   前記金属板の表面から深部に向かう溝と、
   前記溝の側壁に近接する位置に形成されている深溝と、
   前記側壁から、前記深溝より浅い位置を延びている突出部を備えており、
   前記突出部の深部側にモールド樹脂が侵入している、樹脂で封止された半導体装置。

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