JP2857725B2 - 樹脂封止型半導体装置 - Google Patents

樹脂封止型半導体装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、樹脂封止型半導体装置
に係り、特に放熱用の熱伝導部材と封止樹脂との接着部
の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体装置においては、素子の高集積化
に伴って素子の発熱量が増大する傾向にあるが、素子の
信頼性を確保し、良好な電気特性を得るためには、素子
から発生する熱を効率よく装置外部に放散させ、素子の
温度を一定温度以下に保持する必要がある。一方、半導
体装置の大半を占める樹脂封止型半導体装置では、樹脂
の熱伝導率が金属やセラミックスなどに比べて極めて低
いため放熱性が悪い。そこで、従来、樹脂封止型の放熱
性能を高めるため、特開昭59−28364号公報あるいは、
特開昭60−165745号公報などに記載されているように、
半導体素子に高い熱伝導率を有する熱伝導性部材を熱的
に結合し、この部材の反対側の面を封止樹脂の表面に露
出させた構造のものが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記従来技
術において、放熱用の熱伝導性部材は半導体素子に接着
されているのと同時に、封止樹脂の外部に露出している
ことから、熱伝導部材の側面と封止樹脂との接着界面が
剥離すると、その界面を通って外部の水分が半導体素子
部にまで容易に到達することになる。このように、水分
が半導体素子部に侵入すると、素子表面の微細なアルミ
ニウム配線が腐食する等、素子の機能を損なわせるとい
う問題がある。
【０００４】一方、熱伝導性部材が樹脂によって被覆さ
れた部分の断面形状、特に樹脂表面部の断面形状は、一
般に半導体基板の形状に合わせた正方形又は長方形の角
形となっている。ところが、一般に熱伝導部材には金属
又はセラミックスが用いられるから、封止樹脂の線膨張
係数よりも小さく、それらの間の線膨張係数に差があ
る。そのために、角形断面を有する熱伝導部材と封止樹
脂との接着界面のうち、特に角部の両者間に高い剪断応
力が発生し、界面剥離が生じやすいという問題がある。
【０００５】また、封止樹脂よりも熱伝導部材の線膨張
係数が小さいことから、樹脂をモールド温度から常温に
冷却すると樹脂の方が大きく収縮し、熱伝導性部材の側
面に樹脂からの締め付け力が作用する。このような接着
界面を圧縮する応力は、界面の剥離又は隙間の発生を防
止する効果がある。
【０００６】しかし、角形の熱伝導部材をモールドする
場合、樹脂の締め付け力は熱伝導部材の角部近傍に集中
し、辺の中央部付近にはほとんど作用しない。また、場
合によっては引張り応力が作用することすらある。した
がって、角形の熱伝導性部材を有する従来の樹脂封止型
半導体装置では、熱伝導性部材と樹脂との接着界面に剥
離を生じやすく、十分な封止信頼性を得ることが難しい
という問題があった。
【０００７】本発明の目的は、放熱用の熱伝導性部材と
封止樹脂との界面の剥離を防止して、高い封止信頼性を
有する樹脂封止型半導体装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、半導体基板の一方の面に放熱用の熱伝導
部材が熱的に結合させて配置され、前記半導体基板の全
体と前記熱伝導部材の側面の全部又は一部が樹脂により
被覆されてなり、前記熱伝導部材の反対側が露出された
構造を有する樹脂封止型半導体装置において、前記熱伝
導部材のうち前記樹脂に被覆された部分の断面形状が、
円形、楕円形、角部の内角が１８０度未満でかつ鈍角又
は緩やかな曲率に面とりされた多角形のいずれか１つの
形状であることを特徴とする。
【０００９】また、前記熱伝導部材の前記断面形状が、
角部が１８０度未満でかつ緩やかな曲率に面とりされた
四角形の場合、その面とり部の曲率半径がその四角形の
最長辺の１５％以上であることが望ましい。
【００１０】また、前記熱伝導部材を、前記半導体基板
の半導体素子が形成された面の反対側の面に熱的に結合
することが望ましい。この場合、前記熱伝導部材の前記
半導体基板との熱的結合面が、少なくとも半導体基板の
平面形状よりも大きいことが望ましい。
【００１１】更に、前記熱伝導部材を、前記半導体基板
の素子に電気的に接続され前記樹脂被覆から外部に引き
出されたリード端子に熱的に結合することが望ましい。
【００１２】
【作用】このように構成されることから、本発明によれ
ば、封止樹脂により被覆された部分の熱伝導部材の断面
形状を、角部の無い円形又は楕円形にすると、あるいは
角部の内角が１８０度未満でかつ鈍角又は緩やかな曲率
に面とりされた多角形とすることにより、角部の接着面
に作用する剪断応力を小さくできるとともに、熱伝導性
部材の側面に作用する樹脂の締め付け力を均一にさせる
ことができるので、熱伝導性部材と樹脂との接着界面の
剥離を防止することができる。その結果、その接着界面
から水分が内部に侵入して半導体素子の機能を損なうと
いう問題を解決できる。
【００１３】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面によって説明す
る。図１は、本発明の一実施例の樹脂封止型半導体装置
の部分断面斜視図である。半導体基板１は、半導体素子
が形成された回路面を下向きにして、円板状の熱伝導性
部材２の下面に接着材３などを用いて固定されている。
熱伝導性部材２は金属又はセラミックス等の熱伝導性が
高い材料で形成され、接着材３を介して半導体基板１に
熱的に結合されている。リード端子４は外部回路との接
続に用いられるもので、絶縁部材５を介して熱伝導部材
２に接着されるとともに、金属細線６によって半導体基
板１の回路面に形成された電極と電気的に接続されてい
る。これらの各部材は、熱伝導部材２の上面及びリード
端子４の外部引出部を除いて、樹脂７によってモールド
されている。すなわち、熱伝導部材２の上面は樹脂７の
表面に露出されている。また、樹脂７の外部に引き出さ
れた部分のリード端子４は、本半導体装置が実装される
プリント配線基板などとの接続のため、図示のように所
定の形状に成形されている。
【００１４】ここで、本実施例による熱伝導部材２と樹
脂７との接着界面における応力分布について、断面角形
の熱伝導部材を用いた従来例と比較して説明する。図２
に、平面形状が正方形の樹脂封止型半導体装置に、本実
施例の円板状の熱伝導部材２を用いた場合の熱伝導部材
２の外周側面における応力分布、すなわち熱伝導部材２
と樹脂７との接着界面における応力分布を解析した結果
を示す。また、比較のため、図３に従来の正方形の熱伝
導部材を用いた場合の熱伝導部材の外周側面における応
力分布を解析した結果を示す。なお、それらの図は、熱
伝導部材等の平面形状の対称性に鑑み、平面形状の１／
４の部分のみを図示し、熱伝導部材２の外周面に沿った
接線方向せん断応力τｔと、外周面の法線方向の圧縮応
力σｎの分布を示している。また、熱伝導部材２及び樹
脂７の材質は、それぞれ銅及びシリカ粒子充てんエポキ
シ樹脂とした。
【００１５】それらの図から判るように、正方形の熱伝
導部材を用いた図３の従来例の場合、正方形の角部に高
いせん断応力τｔが発生するとともに、辺の中央部では
圧縮応力σｎが小さくなっている。これに対して、円板
状の熱伝導部材２を用いた図２の本実施例の場合には、
熱伝導部材２の外周全体でせん断応力τｔが極めて小さ
くなり、圧縮応力σｎも一様に高い値となっている。し
たがって、本実施例によれば、熱伝導部材２と樹脂７の
接着界面に剥離が生じにくくなり、高い封止信頼性を得
ることができる。
【００１６】なお、上記比較では、樹脂７の線膨張係数
が熱伝導部材２よりも大きいという条件で解析を行って
いる。この大小関係が逆転するような材料の組合せの場
合、熱伝導部材２の外周部には樹脂７からの締め付け力
が作用しなくなるため、界面剥離が生じやすくなるの
で、そのような材料の組合せは避けることが望ましい。
【００１７】また、図１の実施例において、熱伝導部材
２は、半導体基板１で発生した熱を半導体装置上面の広
い面積に広げ、上面からの放熱を促進する役割を果たし
ている。また、同時に、半導体基板１とリード端子４の
間の熱伝導を良好にし、リード端子４を経由して前記プ
リント配線基板への放熱を促進する役割も果たしてい
る。なお、半導体装置上面から周囲空気への放熱性をさ
らに向上させる場合には、周知のように熱伝導部材２の
上面をフィン状に成形したり、樹脂モールド後に円板状
の熱伝導部材２の上面にフィン状の放熱器を取り付ける
ことが望ましい。
【００１８】また、図１では、リード端子４を下方に曲
げ、図の下側でプリント配線基板との接続を行い、熱伝
導部材２の露出面をプリント配線基板の反対側に配置し
ているが、リード端子４の折り曲げ方向を逆にして、熱
伝導部材２の露出面を配線基板側に向けて配置してもよ
い。この場合は、半導体装置とプリント配線基板との間
に空気を通流して放熱させる実装法の他に、薄い空気の
層を介してプリント配線基板に熱を放散させる実装法を
とることも可能である。後者の場合、半導体装置と配線
基板のすき間に熱伝導性グリースなどの高熱伝導体を介
在させれば、さらに放熱性能を向上させることができ
る。
【００１９】前述したように、熱伝導部材２の材質とし
ては、銅やアルミニウムなどの高熱伝導性金属材料が適
している。しかし、これ以外の材料でも、樹脂７より熱
伝導率が高い材料であれば、他の金属やセラミックスな
ど種々の材料を使用することができる。熱伝導部材２に
セラミックスなどの絶縁材料を使用する場合は、リード
端子４との間の絶縁部材５を省略することができる。ま
た、熱伝導部材２の露出面は、必ずしも内部と同一材料
である必要はなく、金属めっきや、熱伝導の妨げになら
ない程度の厚さの非金属コーティングなどを施し、熱伝
導部材２自体の耐食性や、他の放熱器などとの密着性、
接着性を向上させるようにしてもよい。また、熱伝導部
材２と半導体基板１との接着固定に使用する接着材３
は、エポキシ系、ポリイミド系またはシリコーン系など
の高耐熱性接着材、あるいはこれらに銀粉、シリカ粉な
どの高熱伝導性粒子を充填した接着材が望ましい。また
接着材３を使用せずに、はんだ付けあるいは金−シリコ
ン共晶接合などによって固定することも可能である。
【００２０】リード端子４は、通常厚さ１００〜５００
μｍ程度の銅や銅合金、鉄ニッケル合金などの金属薄板
からなるリードフレーム内に一体で形成され、樹脂モー
ルド後に切り離される。リード端子４を樹脂７の外部に
引き出す方向は直方体の樹脂７の側面の４方向全ての方
向であってもよく、１乃至３方向であってもよい。樹脂
７の材質としては、エポキシ、ポリイミドなどの高分子
材料に、シリカ粉またはアルミナ粉などの高熱伝導性フ
ィラーを充填した材料を使用することが望ましい。
【００２１】図４は、本発明に係る他の実施例の樹脂封
止型半導体装置の平面図を示す。半導体基板１は熱伝導
部材２の下側に配置されているので、その輪郭が破線で
示されている。本実施例の場合、半導体基板１及び樹脂
７の外形は長方形となっている。このような場合にも熱
伝導部材２の形状は、半導体基板１の外接円よりも大き
く、また樹脂外形の内接円よりも小さな円板状とすれば
よい。ただし、熱伝導部材２の外周が樹脂７の側面に極
端に近くなるのは好ましくない。その理由を図５を用い
て説明する。同図は、平面形状が長方形の樹脂封止型半
導体装置に、大型の円板状の熱伝導部材２を使用した場
合の応力解析結果である。図２と同様の円板状熱伝導部
材であるにもかかわらず、熱伝導部材２と樹脂７との接
着界面が樹脂７の長辺側面に近い部分２ａでは、法線方
向の圧縮応力σｎがほとんど０になり、その位置から離
れるに従ってせん断応力τｔが大きくなっている。この
ように、熱伝導部材２が回転対称形状であっても、樹脂
７外形が回転対称でないため、熱伝導部材２と樹脂７と
の接着界面に応力の不均一分布が発生するので好ましく
ないのである。したがって、製造工程や基板実装上の問
題点はあるが、封止信頼性の観点からは、樹脂の外形を
円板状にすることが望ましいことになる。
【００２２】図６に、半導体基板１が図５よりも更に長
い長方形の場合の実施例を示す。本実施例は、図示のよ
うに、楕円板状の熱伝導部材２を用いることにより、熱
伝導部材２の外周が樹脂７の側面に極端に近くなるを避
けた例である。本実施例の場合の熱伝導部材２外周部の
応力解析結果を図７に示す。図３及び図５の場合に比べ
てせん断応力τｔは小さくなり、法線方向の圧縮応力σ
ｎもほぼ一様になっている。したがって、本実施例によ
れば、円板状の熱伝導部材を適用できないような、大型
の長方形半導体基板１に対しても高い封止信頼性を得る
ことができる。また、本実施例によれば、半導体基板１
の寸法が小さい場合でも、長方形の樹脂７の外形を有効
に利用して可能な限り熱伝導部材２の面積を拡大し、放
熱性能を向上させるとともに、封止信頼性も確保するこ
とができる。
【００２３】図８は、本発明に係る更に他の実施例の樹
脂封止型半導体装置の平面図である。この図では熱伝導
部材２の平面形状が、四角形の角部を緩やかな曲率の円
弧状に面とりした形状としている。本実施例によれば、
図１及び図６の実施例に比べて、剥離防止効果は低くな
るものの、従来の角形の熱伝導部材２に比べれば高い封
止信頼性を得ることができる。なお、角部の形状は必ず
しも厳密な円弧である必要はなく、角部の内角が１８０
度以下でかつ鈍角であって、その角部をなだらかな曲線
で面とりした形状であればよい。ただし、面とり曲線の
曲率半径があまり小さいと、剪断応力低減と圧縮応力均
一化の効果が得られなくなる。また、接着界面の角部の
応力集中を低減するだけの目的であれば、局部的な円弧
仕上げだけでもある程度の効果を得ることはできる。し
かし、本発明で意図している効果、特に圧縮応力均一化
の効果を得るためには、曲率半径の最小値を、図３に示
した角部における圧縮応力σｎが急変する領域の寸法に
合わせて、熱伝導部材２の最大幅２ｂの１５％以上とす
ることが望ましい。
【００２４】図９は、熱伝導部材２の角部の更に他の実
施例の平面図を示す。本実施例では、熱伝導部材２の四
角形の角部に面取りを施して八角形とたものである。こ
のように、熱伝導部材２の平面形状を多角形として、す
べての角部を鈍角としても、四角形の熱伝導部材２に比
べて角部におけるせん断応力の集中化低減と圧縮応力の
均一化を図ることができる。ただし、その効果は、図８
の実施例よりも小さい。また、熱伝導部材２の多角形の
形状は、全ての角部が鈍角であれば八角形だけでなく、
五角形以上の種々の多角形が適用できる。しかし、図８
の円弧の場合に説明したように、極端に狭い範囲のみで
面取りを行うだけでは効果が得られない。したがって、
角部を図８の実施例と同様に曲線状に面とりすることに
より、同様の剥離防止効果を得ることができる。
【００２５】図１０は、本発明の更に他の実施例の樹脂
封止型半導体装置の断面図である。熱伝導部材２の平面
形状を上記各実施例のような形状にすると同時に、その
側面に図１０のような段差を設けて剥離防止効果を一層
高めるとともに、剥離が発生した場合でも水分の浸入経
路を長くして、半導体装置の耐湿性を向上させたもので
ある。
【００２６】図１１は、本発明の更に他の実施例の樹脂
封止型半導体装置の断面図である。本実施例が他の実施
例と相違する点は、熱伝導部材２とリード端子４とを熱
的に結合していない点である。したがって、リード端子
４を経由した放熱はあまり期待できない。当然、熱伝導
部材２の平面形状は、図１、図６、図８、図９の各実施
例に示したものを適用することができ、高い封止信頼性
を得ることができる。また、本実施例では、熱伝導部材
２をプリント配線基板側に向けて配置している例を示し
たが、他の実施例と同様にできることは言うまでもな
い。
【００２７】図１２は、本発明の更に他の実施例である
樹脂封止型半導体装置の断面図である。本実施例におい
て、半導体基板１はその回路面を上向きにして、リード
フレーム内にリード端子４とともに形成されたタブ８上
に、接着材３ａなどを用いて固定されている。熱伝導部
材２は接着材３ｂにより半導体基板１の回路面側に接着
され、その上面が樹脂７の表面に露出されている。熱伝
導部材２と半導体基板１を接着する接着材３ｂは、タブ
８と半導体基板１を接着する接着材３ａと必ずしも同一
である必要はない。当然、熱伝導部材２の平面形状は、
図１、図６、図８、図９の各実施例に示したものを適用
することができ、高い封止信頼性を得ることができる。
ただし、この場合、半導体基板１の回路面上には、金属
細線６による電気接続のための領域を確保する必要があ
るため、熱伝導部材２はその寸法に制約を受ける。した
がって、本実施例によれば、放熱性能の点では他の実施
例の場合の方が優れている。
【００２８】図１３及び図１４は、それぞれ本発明の更
に他の実施例である樹脂封止型半導体装置の断面図であ
る。それらの図に示すように、熱伝導部材２の露出面
は、必ずしも周囲の樹脂７の表面と同一高さである必要
はなく、図１３のように突き出ていても、また図１４の
ようにくぼんでいてもよい。図１３のように突き出てい
る場合は、平坦な場合に比べて放熱性能が向上する。ま
た図１３、図１４いずれの場合も、フィン状などの放熱
器を熱伝導部材２の表面に強固に取り付けることが容易
となる。
【００２９】
【発明の効果】本発明によれば、本発明によれば、封止
樹脂により被覆された部分の熱伝導部材の断面形状を、
角部の無い円形又は楕円形にしたことから、又は角部の
内角が１８０度未満でかつ鈍角又は緩やかな曲率に面と
りされた多角形としたことから、角部の接着面に作用す
る剪断応力を小さくできるとともに、熱伝導性部材の側
面に作用する樹脂の締め付け力を均一にさせることがで
きるので、熱伝導性部材と樹脂との接着界面の剥離を防
止することができる。その結果、その接着界面から水分
が内部に侵入して半導体素子の機能を損なうという問題
を解決でき、高い封止信頼性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の樹脂封止型半導体装置を示
す部分断面斜視図である。
【図２】図１実施例の樹脂封止型半導体装置の熱伝導部
材と樹脂の接着境界面における応力分布を示す図であ
る。
【図３】図２との比較のために、従来の樹脂封止型半導
体装置の熱伝導部材と樹脂の接着境界面における応力分
布を示す図である。
【図４】半導体基板が長方形の樹脂封止型半導体装置に
本発明を適用した実施例の平面図である。
【図５】図４実施例において、熱伝導部材が大きくなっ
てその外側面が樹脂の外側面に近づいた場合のそれら接
着境界面における応力分布を示す図である。
【図６】熱伝導部材の断面形状を楕円形にして、半導体
基板が更に長い長方形の樹脂封止型半導体装置に本発明
を適用した実施例の平面図である。
【図７】図６実施例における熱伝導部材と樹脂の接着境
界面における応力分布を示す図である。
【図８】熱伝導部材の断面形状を角部に円弧状の面とり
を施した四角形にして、半導体基板が更に長い長方形の
樹脂封止型半導体装置に本発明を適用した実施例の平面
図である。
【図９】熱伝導部材の断面形状を角部に直線上の面とり
を施した多角形にして、半導体基板が更に長い長方形の
樹脂封止型半導体装置に本発明を適用した実施例の平面
図である。
【図１０】熱伝導部材の側面に段部を設けた実施例の断
面図である。
【図１１】熱伝導部材をプリント配線基板側に向けて配
置した実施例の断面図である。
【図１２】熱伝導部材を半導体基板の回路面側に接着し
た実施例の断面図である。
【図１３】熱伝導部材の露出面をを樹脂の外表面よりも
突出させて設けた実施例の断面図である。
【図１４】熱伝導部材の露出面を樹脂の外表面よりも凹
ませて設けた実施例の断面図である。
【符号の説明】
１ 半導体基板 ２ 熱伝導部材 ３ 接着材 ４ リード端子 ５ 絶縁部材 ６ 金属細線 ７ 樹脂 ８ タブ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−148844（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−91951（ＪＰ，Ａ) 実開 昭53−130971（ＪＰ，Ｕ) 実公 昭49−14304（ＪＰ，Ｙ２) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 23/28 - 23/30 H01L 21/56 H01L 23/29

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 平板状の熱伝導部材の一方の面に半導体
    基板を熱的に結合し、前記半導体基板の全体と前記熱伝
    導部材の側面の全部又は一部を樹脂により被覆し、前記
    熱伝導部材の他方の面を露出してなる構造を有する樹脂
    封止型半導体装置において、前記熱伝導部材のうち前記
    樹脂に被覆された側面位置における該熱伝導部材の横断
    面形状が、円形、楕円形、角部の内角が１８０度未満で
    かつ鈍角又は緩やかな曲率に面とりされた四角形のいず
    れか１つの形状であることを特徴とする樹脂封止型半導
    体装置。
  2. 【請求項２】 請求項１において、前記横断面形状が、
    角部の内角が１８０度未満でかつ緩やかな曲率に面とり
    された四角形であり、その面とり部の曲率半径がその四
    角形の最長辺の１５％以上であることを特徴とする樹脂
    封止型半導体装置。
  3. 【請求項３】 請求項１又は２において、前記熱伝導部
    材の側面に段部が形成され、前記熱伝導部材の平板状の
    対向面が異なる大きさに形成されてなることを特徴とす
    る樹脂封止型半導体装置。
  4. 【請求項４】 請求項１乃至３のいずれかにおいて、前
    記樹脂の線膨張係数が前記熱伝導部材の線膨張係数より
    も大きいことを特徴とする樹脂封止型半導体装置。
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