JP4722415B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は半導体装置およびその製造方法に関し、特に、絶縁基板上に半導体素子を搭載し、当該絶縁基板を樹脂ケース底面のヒートシンク上にハンダ付けで接合する半導体装置およびその製造方法に関する。
絶縁基板上に半導体素子を搭載し、当該絶縁基板を樹脂ケース底面のヒートシンク上にハンダ付けで接合する半導体装置において、ヒートシンクに銅（Ｃｕ）材を用いた場合、熱サイクルが加わると、絶縁基板とＣｕとの熱膨張係数の差に起因して、ヒートシンクと絶縁基板とを接合するハンダ層（基板下ハンダ層と呼称）にクラックが発生する場合がある。
ここで特に問題となるのは、昨今、環境保護の観点から利用が促進されている鉛を含有しない鉛フリーハンダを使用する場合である。
例えば、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｚｎ系、あるいは、これらにＢｉ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｓｂ等を添加した鉛フリーハンダは、基板下ハンダ層の歪が同一であれば、鉛含有ハンダに比べて熱サイクルに対する耐久性が低いことが発明者らの試験により判明した。
すなわち、鉛フリーハンダで構成される基板下ハンダ層および鉛含有ハンダで構成される基板下ハンダ層にクラックが発生した場合、ハンダ層の歪が同一の場合、製品寿命に至る熱サイクルの繰り返し回数は、鉛フリーハンダで構成される基板下ハンダ層が、鉛含有ハンダで構成される基板下ハンダ層の約５分の１となる。
そこで、基板下ハンダ層に上述した組成の鉛フリーハンダを用いた場合、鉛含有ハンダを用いる場合と同等の熱サイクルに対する耐久性を確保して信頼性を維持するために、ハンダ層の歪を低減することに想到した。
上述した試験結果から、基板下ハンダ層に鉛フリーハンダを用いる場合には、鉛含有ハンダを用いる場合の歪の約４５％に低減させる必要があることが判明した。
基板下ハンダ層の歪を低減させるためには、基板下ハンダ層の厚みを厚くすること、ヒートシンクの厚みを薄くすること、絶縁基板の厚みを薄くすることなどが考えられるが、それぞれについて試行を行ったところ、熱抵抗の増大、ヒートシンクのそりの増大、絶縁基板を構成するセラミック基材におけるクラックの発生などの新たな問題が生じ、結局のところ基板下ハンダ層に鉛フリーハンダを用いる場合の歪を、鉛含有ハンダを用いる場合の歪の約４５％にまで低減させることができなかった。
なお、ヒートシンクに熱膨張係数の低い材料を用いた場合には上記数値目標は達成できたが、当該材料のコストはＣｕに比べて約１０倍も高くなり、実用的な解決方法ではないという結論を得た。
ここで、特許文献１には鉛フリーハンダの利用については言及がないものの、基板下ハンダ層にクラックが生じることを防止するために、基板下ハンダ層を流し込む凹部を絶縁基板の周囲に形成した構成が開示されている。
以上説明したように、基板下ハンダ層に鉛フリーハンダを用いた場合にも、鉛含有ハンダを用いる場合と同等の熱サイクルに対する耐久性を確保するための従来的な試みは、熱抵抗の増大、ヒートシンクのそりの増大、絶縁基板を構成するセラミック基材におけるクラックの発生などの新たな問題を生じさせたり、製造コスト的に実用的ではないという問題があった。
本発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、鉛含有ハンダを用いる場合と同等の熱サイクルに対する耐久性を確保するとともに、熱抵抗の抑制および耐熱性の確保を実現しつつ、製造コストの上昇も抑制した半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明に係る請求項１記載の半導体装置は、半導体素子を搭載する矩形状の絶縁基板と、主面上に前記絶縁基板が接合されるヒートシンクと、前記ヒートシンクを底面として有する樹脂ケースと、前記樹脂ケース内に充填された硬化性樹脂と、を備える半導体装置であって、前記ヒートシンクの前記主面と前記絶縁基板との接合は、前記絶縁基板を構成するセラミック基材と前記ヒートシンクの前記主面との間に形成された鉛フリーハンダ層によってなされ、前記ヒートシンクは、前記セラミック基材の四方のコーナー部外方に対応する前記主面内に少なくとも配設され、前記コーナー部に沿うとともに、内壁が内側に傾斜したアングル溝を有し、前記アングル溝は、その開口部の溝幅方向の一方の端縁が、前記鉛フリーハンダ層のスロープの先端位置と一致するように配設され、前記硬化性樹脂は、前記アングル溝に入り込み、更に少なくとも前記鉛フリーハンダ層の前記スロープを覆い、前記鉛フリーハンダ層の前記スロープ及び前記アングル溝の前記内壁に密着することで、前記鉛フリーハンダ層の前記スロープと前記ヒートシンクとの間が開くことを防止する。
本発明に係る請求項８記載の半導体装置の製造方法は、前記独立アングル溝が、前記独立アングル溝と同じ溝底面の幅、溝深さおよび平面視形状を有し内壁が垂直な溝に対して、該溝の溝幅よりも大きな幅を有し、前記独立アングル溝と同じ平面視形状の突出部を備えたプレス金型を、前記溝の上部に押し当ててプレスすることで、前記溝の内壁上部を前記溝の内側に向けて体積移動させて形成する。
本発明に係る請求項１記載の半導体装置によれば、セラミック基材の四方のコーナー部外方に対応するヒートシンクの主面内に少なくとも配設され、コーナー部に沿うとともに内壁が内側に傾斜したアングル溝を有するので、アングル溝に入り込んだ硬化性樹脂が、鉛フリーハンダ層の端縁部とヒートシンクとの間が開くことを防止するので、絶縁基板の固定に鉛フリーハンダを使用する場合に、熱サイクルが加わっても、鉛フリーハンダ層にクラックが生じることおよびクラックが進展することを防止できる。また、アングル溝は、その開口部の溝幅方向の一方の端縁が、鉛フリーハンダ層のスロープの先端位置と一致するように配設されるので、硬化性樹脂とヒートシンクとの密着性を高めることができ、絶縁基板のコーナー部において発生するハンダのクラックを抑制できる。
本発明に係る請求項８記載の半導体装置の製造方法によれば、独立アングル溝をプレス加工により形成することができるので、セラミック基材のコーナー部の曲率が同じであるならば、セラミック基材の種々の大きさや形状（正方形および長方形）に対して、プレス金型を共通して使用することが可能であり、金型製作の費用を抑制して、半導体装置全体の製造コストの増加を抑制できる。また、プレス領域が狭い範囲に限定されるため、プレス圧力が小さくて済むので、大型のプレス装置を使用せずに済み、製造コストの増加を抑制できる。
＜実施の形態＞
本発明に係る半導体装置の実施の形態について、図１〜図１３を用いて説明する。
本発明に係る半導体装置の実施の形態について、図１〜図１３を用いて説明する。
＜Ａ−１．装置構成＞
＜Ａ−１−１．全体構成＞
まず、図１を用いて実施の形態に係る半導体装置１００の構成を説明する。
＜Ａ−１−１．全体構成＞
まず、図１を用いて実施の形態に係る半導体装置１００の構成を説明する。
図１は、半導体装置１００の部分断面を示す図であり、発明に関連する部分のみを示している。
図１において、銅（Ｃｕ）材で構成されるヒートシンク１の主面上に、絶縁基板２が接合されている。
絶縁基板２は、セラミック基材３として窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を使用しており、セラミック基材３の下主面、すなわちヒートシンク１に対面する主面全面にはＣｕまたはＡｌで構成される厚さ０．２５ｍｍ〜０．５ｍｍの裏面パターン５が配設されている。なお、セラミック基材３としては、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）あるいは窒化硅素（Ｓｉ3Ｎ4）を使用しても良い。
また、セラミック基材３の上主面、すなわち下主面とは反対側の主面には、ＣｕまたはＡｌで構成される厚さ０．２５ｍｍ〜０．５ｍｍの回路パターン４が配設されている。
なお、回路パターン４および裏面パターン５は、活性金属法による接合、あるいは直接接合によりセラミック基材３に接合されている。
回路パターン４上には、半導体素子６が半導体素子下ハンダ層８を介して接合されている。
また、裏面パターン５は、基板下ハンダ層７（鉛フリーハンダ層）を介してヒートシンク１の主面に接合され、それによって絶縁基板２がヒートシンク１上に固定されている。
なお、基板下ハンダ層７および半導体素子下ハンダ層８は鉛フリーハンダで構成されており、その組成は、例えば、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｚｎ系、あるいは、これらにＢｉ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｓｂ等を添加したものである。
そして絶縁基板２を構成するセラミック基材３の端縁部外方のヒートシンク１の主面内には、セラミック基材３の四方のコーナー部外方に配設され、内壁が内側に傾斜したアングル溝１５（独立アングル溝）が配設されている。なお、アングル溝１５については後にさらに詳細に説明する。
ヒートシンク１の周囲は樹脂製のパッケージケース１０によって囲まれ、ヒートシンク１を底面とし、当該底面とは反対側が開口部となった樹脂ケース２０を構成している。なお、パッケージケース１０と樹脂ケース２０とは接着剤１２によって接着されている。
パッケージケース１０の内部には電極端子１１が埋め込まれ、その一方端部がパッケージケース１０の内壁面において露出し、当該一方端部と半導体素子６の電極とを電気的に接続するアルミワイヤ９がワイヤボンディングにより接合されている。なお、電極端子１１の他方端部はパッケージケース１０の上端面から外部に突出している。
そして、樹脂ケース２０内には、底面からアルミワイヤ９を覆うレベルにまで第１層モールド樹脂１６（硬化性樹脂）が充填され、第１層モールド樹脂１６の上部には、パッケージケース１０の上端面まで達する第２層モールド樹脂１７（硬化性樹脂）が充填されて２層樹脂構造をなしている。
第１層モールド樹脂１６は、半導体素子６の表面にも直接接触するので、線膨張係数や曲げ弾性率が低く、不純物が少ないモールド樹脂を使用することで、極力、素子特性を損なわないようにすることができる。
例えば、線膨張係数としては１６〜２２（ｐｐｍ／Ｋ）、曲げ弾性率としては７．８〜８．８ＧＰａ（ギガパスカル）のものを使用する。なお、不純物の含有量は、ナトリウム（Ｎａ）イオンおよび塩素（Ｃｌ）イオンが４０ｐｐｍ以下であることを目安とする。
一方、第２層モールド樹脂１７は、第１層モールド樹脂１６ほど物性値を厳密に定める必要はなく、例えば線膨張係数としては２５〜２７（ｐｐｍ／Ｋ）、曲げ弾性率としては１１〜１３ＧＰａのものを使用するが、必ずしもこの範囲に入らなくても良い。また、不純物の含有量については特に規制はない。
なお、樹脂ケース２０内の樹脂を２種類使用するのは、第１層モールド樹脂１６がコスト的に高価だからであり、また、アルミワイヤ９を覆うレベルにまで第１層モールド樹脂１６を充填し、仮キュアリングを行えば、以後にどのような樹脂を使用しても半導体素子６への影響が及ばないからである。なお、第２層モールド樹脂１７を充填した後は改めてキュアリングを行うことで、第１層モールド樹脂１６および第２層モールド樹脂１７を硬化させる。
もちろん、コストを考慮しないのであれば、樹脂ケース２０内に第１層モールド樹脂１６で満たす構成としても良いことは言うまでもない。
＜Ａ−１−２．アングル溝の構成＞
アングル溝１５の説明に先だって、基板下ハンダ層に発生するクラックの発生状況について図２および図３を用いて説明する。
アングル溝１５の説明に先だって、基板下ハンダ層に発生するクラックの発生状況について図２および図３を用いて説明する。
図２は本願発明との比較のために準備された、アングル溝１５を有さない構成における部分断面図であり、図１に示した半導体装置１００と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
図２に示すように、絶縁基板２は、セラミック基材３の下主面および上主面に、それぞれ、裏面パターン５および回路パターン４を有しており、裏面パターン５とヒートシンク１とを接合する基板下ハンダ層７の端縁部にはクラック１８が発生している。
ここで、図３にクラックの発生領域を平面視的に示す。図３は、絶縁基板２を上方から見た場合のクラックの発生領域１８０を模式的に示す図であり、ヒートシンク１上においてクラックが発生した絶縁基板２に対して超音波画像診断および断面解析を行って、クラック発生領域１８０を特定したものである。なお、図３においては絶縁基板２をセラミック基材３の輪郭形状のみで表しており、回路パターン４等は省略している。
図３に示されるように、クラックは、平面視形状が矩形のセラミック基材３の四方のコーナー部下部に対応する領域に集中しており、他の領域ではクラックは殆ど発生していないことが判る。
発明者らは、クラックがセラミック基材３の四方のコーナー部下部に集中して発生するという事実に基づいて、クラックの発生および進展の原因を推測した。
すなわち、絶縁基板２の熱膨張係数は、７〜８ｐｐｍ／Ｋであるのに対し、ヒートシンク１の熱膨張係数は１６〜１７ｐｐｍ／Ｋである。このように熱膨張係数に差がある部材が接合されている状態で熱サイクルが繰り返し加わると、熱応力によって強度的に弱い部分にストレスが加わる。この場合、基板下ハンダ層７が最も強度的に弱いのでストレスを受け、当該ストレスは構造的にコーナー部に集中し、コーナー部を起点としてクラックが発生し、進展するものと考えられる。
発明者らはこの推論に基づいて検証を進め、絶縁基板とヒートシンクとの熱膨張係数の差によって両者の接合部、実際には基板下ハンダ層の端縁部、特にコーナー部の端縁部とヒートシンクとの間が開き、基板下ハンダ層に大きな歪が生じることがクラックの発生原因であることを突き止めた。
この結果を受けて、基板下ハンダ層７のコーナー部の端縁部とヒートシンク１との間が開くことを防止することでクラックの発生を防止するという技術思想に到達した。そして、当該技術思想を実現するための具体的な構成がアングル溝１５である。
ここで、図４に、図１に示した半導体装置１００を絶縁基板２の上方から見た場合の平面構成を示す。なお、図４においては簡略化のため、図１に示した回路パターン４上の半導体素子６や、パッケージケース１０等は省略している。
図４に示すように、セラミック基材３の四方のコーナー部３ｃ外方に対応するヒートシンク１の表面内に、それぞれアングル溝１５が独立して設けられている。アングル溝１５の配設長さは、アングル溝１５の一方の端部から屈曲部までの長さ（アングル長さと呼称）をＬとした場合、セラミック基材３の平面形状が、一辺の長さがＳの正方形である場合、長さＬが長さＳの３分の１ないし６分の１となるように設定される。この範囲に設定することで、クラックの発生を確実に抑制することができる。
なお、セラミック基材３の四方のコーナー部３ｃは、それぞれ曲率を有するように構成されており、各アングル溝１５はコーナー部３ｃの輪郭に沿うように、その屈曲部がコーナー部３ｃと同様の曲率を有したＬ字状に形成されている。
次に、アングル溝１５の幅方向での断面構成を図５に示す。
図５において、溝内壁の水平面に対する傾斜角度をアングル角θ、ヒートシンク１の主面から底面までの深さをアングル溝深さｈ、溝底面の幅をアングル溝幅ｌとして示す。
また、図５においてはアングル角θ、アングル溝深さｈおよびアングル溝幅ｌのそれぞれについて、最適値の範囲を示している。具体的には、アングル角θについては、９０°〜１１０°（９０°を超えることが望ましい）、アングル溝深さｈについては０．１５ｍｍ〜２．１ｍｍ、アングル溝幅ｌについては１．０ｍｍ〜３．０ｍｍとなっている。
アングル溝１５は、あり溝とも呼称され、あり溝フライス（アングルカッター）を用いたアングルカッター加工によって形成される。
図５においては基板下ハンダ層７とアングル溝１５との位置関係についても併せて示しており、アングル溝１５は、その開口部の溝幅方向の一方の端縁が、基板下ハンダ層７のスロープの先端とほぼ一致する位置となるように配設される。
すなわち、絶縁基板２のヒートシンク１への接合に際しては、溶融したハンダが広がってアングル溝１５の端縁部にも接近するが、そのハンダの広がりを計算し、ハンダの広がりが止まる位置にアングル溝１５の端縁部が位置するようにアングル溝１５の配置を決定しておくことで、当該ハンダが固まって基板下ハンダ層７となった場合に、図５に示すような構成となる。
このような構成を採ることで、第１層モールド樹脂１６とヒートシンク１との密着性を高めることができ、絶縁基板２のコーナー部において発生するハンダのクラックを抑制できる。
すなわち、樹脂ケース２０内に第１層モールド樹脂１６を充填すると、アングル溝１５内の内側に傾斜した内壁と底面とで規定されるアングル領域にも第１層モールド樹脂１６が入り込む。
ここで、熱サイクルによる熱応力に起因して、基板下ハンダ層７の端縁部、特にコーナー部の端縁部とヒートシンク１との間が開く方向に歪みが発生するような場合、図５の上方向（ヒートシンクの主面に対して垂直上方向）および下方向（ヒートシンクの主面に対して垂直下方向）に力が働くが、上述したアングル領域に入り込んだ第１層モールド樹脂１６は、アングル溝１５内の内側に傾斜した内壁に密着して容易に剥がれることはない。これは、基板下ハンダ層７のスロープに密着した第１層モールド樹脂１６についても同様である。
なお、アングル溝１５内の内側に傾斜した内壁に密着した第１層モールド樹脂１６は、図５の上方向に働く力に対して密着性をより強め、基板下ハンダ層７のスロープに密着した第１層モールド樹脂１６は、図５の下方向に働く力に対して密着性をより強めるので、結果として基板下ハンダ層７の端縁部とヒートシンク１との間が開くことを防止できる。
また、アングル溝１５は溶融したハンダが溝内部に流入することを防止する点でも有効である。すなわち、アングル溝１５の開口部の溝幅方向の端縁の断面形状は、エッジ状の形状を有している。このように形状が急変する部分では、ハンダの表面張力により広がりが抑制され、ハンダがアングル溝１５の内部に流入することを防止できる。これは、換言すれば、アングル溝１５が、ハンダが必要以上に流出して広がることを防止できることも意味している。
＜Ａ−１−３．アングル溝の構成諸元の最適値の決定＞
次に、アングル溝１５の構成諸元（アングル角θ、アングル溝深さｈおよびアングル溝幅ｌ）の最適値の根拠について、図６および図７を用いて説明する。
次に、アングル溝１５の構成諸元（アングル角θ、アングル溝深さｈおよびアングル溝幅ｌ）の最適値の根拠について、図６および図７を用いて説明する。
図６は、アングル角θ（°）を変化させた場合の基板下ハンダ層７のクラックの進展度合い、およびコーナー部のモールド樹脂におけるクラックの発生度合いを実測した結果を示す図である。
図６に示すように、基板下ハンダ層７のクラックの進展度合いは、数値（任意単位）が大なるほどクラックが進展し易いことを表し、数値が小さいほどクラックが進展し難いことを表している。
そして、図６に示されるように、アングル角が０°〜９０°の範囲では、クラックの進展度合いが角度の増加に伴って急勾配で小さくなり、アングル角が９０°以上ではクラックの進展度合いはそれほど変化がなく、ほぼ最低値を保つことが判る。
また、図６に示すように、コーナー部のモールド樹脂におけるクラックの発生度合いは、数値（任意単位）が大なるほどクラックが生じ易いことを表し、数値が小さいほどクラックが生じ難いことを表している。
そして、図６に示されるように、アングル角が０°〜１１０°の範囲では、クラックの発生度合いが角度の増加に伴って緩やかに増加しているが、アングル角が１１０°を超えると、クラックの発生度合いが急激に増加することが判る。以上の実測結果から、アングル角θの最適値の範囲を９０°〜１１０°とした。
なお、図６に示す特性は、アングル溝のアスペクト比（ｈ／ｌ）の変化に対しては依存性は見られなかった。
図７は、アングル溝１５のアングル溝深さｈとアングル溝幅ｌとのアスペクト比（ｈ／ｌ）を変化させた場合の、基板下ハンダ層７のクラックの進展度合いを、アングル角θが９０°の場合と１１０°の場合とで実測した結果を示す図である。
図７に示されるように、アングル溝のアスペクト比が０．１を超えると、何れのアングル角でも、クラックの進展度合いの変化が緩やかになり、アスペクト比が０．５を超えるとクラックの進展度合いは最低値を維持することが判る。この実測結果から、アスペクト比の最適値の範囲を０．１５〜０．７とした。
＜Ａ−２．効果＞
以上説明したように、本実施の形態に係る半導体装置１００においては、絶縁基板２を構成するセラミック基材３の端縁部外方のヒートシンク１の主面内に、セラミック基材３の外周にほぼ沿うように、内壁が内側に傾斜したアングル溝１５を配設し、第１層モールド樹脂１６によって、ボンディングワイヤ以下を覆う構成としたので、アングル溝に入り込んだ第１層モールド樹脂１６によって基板下ハンダ層７の端縁部とヒートシンク１との間が開くことを防止して、基板下ハンダ層７にクラックが生じることおよびクラックが進展することを防止できる。
以上説明したように、本実施の形態に係る半導体装置１００においては、絶縁基板２を構成するセラミック基材３の端縁部外方のヒートシンク１の主面内に、セラミック基材３の外周にほぼ沿うように、内壁が内側に傾斜したアングル溝１５を配設し、第１層モールド樹脂１６によって、ボンディングワイヤ以下を覆う構成としたので、アングル溝に入り込んだ第１層モールド樹脂１６によって基板下ハンダ層７の端縁部とヒートシンク１との間が開くことを防止して、基板下ハンダ層７にクラックが生じることおよびクラックが進展することを防止できる。
この結果、熱サイクルを受けて基板下ハンダ層７に生じる歪が、鉛含有ハンダを用いる場合の歪の約４０％にまで低減し、基板下ハンダ層７に鉛含有ハンダを用いる場合と同等の熱サイクルに対する耐久性を確保して信頼性を維持することが可能となった。
また、本実施の形態に係る半導体装置１００においては、基板下ハンダ層７の厚さを厚くすることや、ヒートシンク１の厚みを薄くすることは行っておらず、ヒートシンク１の材料も、熱膨張係数が低い特別なものは使用していないので、熱抵抗の抑制および耐熱性の確保を実現しつつ、製造コストの上昇も抑制できた。
また、アングル溝１５は、図４に示すように、セラミック基材３の四方のコーナー部３ｃ外方に対応するヒートシンク１の表面内に、それぞれ独立して設けるようにしたので、必要最小限のアングル溝加工で済み、アングル溝加工に伴うコストの増加を抑制することができる。
＜Ａ−３．変形例１＞
以上説明した実施の形態においては、アングル溝１５をセラミック基材３の四方のコーナー部３ｃ外方にそれぞれ独立して設ける構成としたが、セラミック基材３の周囲に連続するループ状のアングル溝を設けるようにしても良い。
以上説明した実施の形態においては、アングル溝１５をセラミック基材３の四方のコーナー部３ｃ外方にそれぞれ独立して設ける構成としたが、セラミック基材３の周囲に連続するループ状のアングル溝を設けるようにしても良い。
図８に、セラミック基材３の端縁部外方に連続するように設けられたアングル溝１５Ａ（連続アングル溝）を示す。
アングル溝１５Ａを設けることで、セラミック基材３の全周において、基板下ハンダ層７が溶融状態にあるときに、ハンダが必要以上に流出して広がることを防止できる。アングル溝１５Ａの構成緒元は、アングル長さＬを除いてアングル溝１５と同じである。
＜Ａ−４．変形例２＞
以上説明した実施の形態においては、セラミック基材３の四方のコーナー部３ｃ外方に、それぞれ１つずつ配設する構成としたが、同心状に複数列配設しても良い。
以上説明した実施の形態においては、セラミック基材３の四方のコーナー部３ｃ外方に、それぞれ１つずつ配設する構成としたが、同心状に複数列配設しても良い。
図９に、セラミック基材３の３の四方のコーナー部３ｃ外方に、同心状に配設されたアングル溝１５および１５Ｂを示す。
このように、同心状に複数列配設することで、第１層モールド樹脂１６とヒートシンク１との密着性をより高めることができる。
＜Ａ−５．変形例３＞
図４に示したように、セラミック基材３の四方のコーナー部３ｃ外方にそれぞれ独立してアングル溝１５を設けた場合、先に説明したようにアングル溝１５を設けた部分では、基板下ハンダ層７が溶融状態にあるときに、ハンダが必要以上に流出して広がることを防止できるが、アングル溝１５間においてはハンダの流出を効果的に防止することはできない。
図４に示したように、セラミック基材３の四方のコーナー部３ｃ外方にそれぞれ独立してアングル溝１５を設けた場合、先に説明したようにアングル溝１５を設けた部分では、基板下ハンダ層７が溶融状態にあるときに、ハンダが必要以上に流出して広がることを防止できるが、アングル溝１５間においてはハンダの流出を効果的に防止することはできない。
そこで、図１０に示すように、アングル溝１５間に対応するヒートシンク１の主面上をソルダーレジスト３０で被覆する構成とすることでハンダの流出を効果的に防止することができる。
ソルダーレジスト３０は、基板下ハンダ層７が溶融状態にあるときのハンダの広がりを計算し、ハンダの広がりが止まる位置にソルダーレジスト３０の端縁が位置するように配置を決定しておく。基本的には、アングル溝１５の溝幅方向の端縁と、ソルダーレジスト３０の幅方向の端縁とが直線的に並ぶように配置すれば良い。
なお、ソルダーレジスト３０の材質としては、エポキシ樹脂やエポキシアクリレートなどが挙げられるが、ソルダーレジスト３０の表面と第１層モールド樹脂１６との接着性が良好な値を示すように、ソルダーレジスト３０の材質を選択している。
＜Ａ−６．プレス加工によるアングル溝の製造方法＞
以上説明した実施の形態においては、アングル溝は、アングルカッターを用いて切削加工により形成していたので加工時間が短くて済むという特徴を有していたが、プレス加工により形成しても良い。
以上説明した実施の形態においては、アングル溝は、アングルカッターを用いて切削加工により形成していたので加工時間が短くて済むという特徴を有していたが、プレス加工により形成しても良い。
以下、図１１および図１２を用いてプレス加工によりにアングル溝を形成する方法を説明する。
まず、図１１に示すように、アングル溝幅ｌと同等の幅およびアングル溝深さｈと同等の高さを有するとともに、形成すべきアングル溝と同じ平面視形状の突出部Ｄ１を備えたプレス金型Ｐ１をヒートシンク１のアングル溝を形成すべき所定位置に押し当ててプレスを行い、内壁が垂直な溝１５１を形成する。図１１は、プレス金型Ｐ１を引き上げる状態を示している。
次に、図１２に示すように、アングル溝幅ｌよりもαだけ幅が広く、高さβで、形成すべきアングル溝と同じ平面視形状の突出部Ｄ２を備えたプレス金型Ｐ２を、溝１５１の上部に押し当ててプレスを行う。このとき、突出部Ｄ２が溝１５１の開口部を均等に覆うように押し当てる。図１２は、プレス金型Ｐ２を引き上げる状態を示している。
この結果、アングル溝幅ｌよりもαだけ幅が広い突出部Ｄ２が押し付けられた溝１５１の内壁は、内壁上部が溝の内側に向けて体積移動し、内壁が内側に傾斜したアングル溝１５が得られることになる。
なお、上述した幅αは、アングル溝幅ｌの約３分の１の長さに設定され、具体的には、０．４ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲に設定される。
また、高さβはアングル溝深さｈの約３分の１の長さに設定され、具体的には、０．０５ｍｍ〜０．７ｍｍの範囲に設定される。
なお、アングル溝の諸元（アングル角θ、アングル溝幅ｌ、アングル溝深さｈおよびアングル長さＬ）については切削加工により形成する場合と同じである。
アングル溝をプレス加工により形成することは、アングル溝をセラミック基材の四方のコーナー部外方にそれぞれ独立して設ける場合に特に有利である。
すなわち、セラミック基材のコーナー部の曲率が同じであるならば、セラミック基材の種々の大きさや形状（正方形および長方形）に対して、上述したプレス金型Ｐ１およびＰ２は共通して使用することが可能であり、金型製作の費用を抑制して、半導体装置全体の製造コストの増加を抑制できる。また、プレス領域が狭い範囲に限定されるため、プレス圧力が小さくて済むので、大型のプレス装置を使用せずに済み、製造コストの増加を抑制できる。
例えば、図１３には面積の異なる相似形の２種類のセラミック基材３１および３２を例に採り、１セットの金型を共通に使用する例を示している。
図１３においては、面積の小さいセラミック基材３１の四方のコーナー部外方に、それぞれプレス金型Ｐ１１、Ｐ１２、Ｐ１３およびＰ１４を配置してプレスを行う状態と、面積の大きいセラミック基材３２の四方のコーナー部外方に、それぞれプレス金型Ｐ１１、Ｐ１２、Ｐ１３およびＰ１４を配置してプレスを行う状態とを模式的に示している。
例えば、面積の小さいセラミック基材３１を使用する半導体装置においてプレス加工によりアングル溝を形成したのち、面積の大きいセラミック基材３２を使用する半導体装置においてプレス加工を施す場合には、プレス金型Ｐ１１、Ｐ１２、Ｐ１３およびＰ１４をＸ方向およびＹ方向にスライドさせてセラミック基材３２の四方のコーナー部外方に配置することで、セラミック基材３２に対応したプレス加工が可能となる。
なお、プレス金型Ｐ１１、Ｐ１２、Ｐ１３およびＰ１４は、図１１に示したプレス金型Ｐ１に対応する金型であり、図１３は図１１に示したプレス工程を表しているが、これは図１２に示したプレス工程においても同様であり、図１１に示したプレス工程に使用するプレス金型を１セットと、図１２に示したプレス工程に使用するプレス金型を１セット準備すれば、セラミック基材の種々の大きさや形状（正方形および長方形）に対応できる。
１ ヒートシンク、２ 絶縁基板、３ セラミック基板、４ 回路パターン、５ 裏面パターン、６ 半導体素子、７ 基板下ハンダ層、１０ パッケージケース、１５ アングル溝、１６ 第１層モールド樹脂、１７ 第２層モールド樹脂、 ２０ 樹脂ケース、３０ ソルダーレジスト。
Claims (8)
- 半導体素子を搭載する矩形状の絶縁基板と、
主面上に前記絶縁基板が接合されるヒートシンクと、
前記ヒートシンクを底面として有する樹脂ケースと、
前記樹脂ケース内に充填された硬化性樹脂と、を備える半導体装置であって、
前記ヒートシンクの前記主面と前記絶縁基板との接合は、
前記絶縁基板を構成するセラミック基材と前記ヒートシンクの前記主面との間に形成された鉛フリーハンダ層によってなされ、
前記ヒートシンクは、
前記セラミック基材の四方のコーナー部外方に対応する前記主面内に少なくとも配設され、前記コーナー部に沿うとともに、内壁が内側に傾斜したアングル溝を有し、
前記アングル溝は、
その開口部の溝幅方向の一方の端縁が、前記鉛フリーハンダ層のスロープの先端位置と一致するように配設され、
前記硬化性樹脂は、
前記アングル溝に入り込み、更に少なくとも前記鉛フリーハンダ層の前記スロープを覆い、
前記鉛フリーハンダ層の前記スロープ及び前記アングル溝の前記内壁に密着することで、前記鉛フリーハンダ層の前記スロープと前記ヒートシンクとの間が開くことを防止することを特徴とする半導体装置。 - 前記アングル溝は、
前記内壁の水平面に対する傾斜角度が、９０°を超える値から１１０°までの範囲を有し、
溝底面の幅に対する溝深さのアスペクト比が、０．１５ないし０．７の範囲を有する、請求項１記載の半導体装置。 - 前記アングル溝は前記四方のコーナー部にそれぞれ沿うように設けられ、平面形状がＬ字形の独立アングル溝を複数含む、請求項１記載の半導体装置。
- 隣り合う前記独立アングル溝間の前記ヒートシンクの前記主面上を被覆するように配設されたソルダーレジストをさらに備える、請求項３記載の半導体装置。
- 前記独立アングル溝の平面形状は、屈曲部が曲率を有するＬ字形状であって、
２つの溝端部から前記屈曲部までの長さが、それぞれ前記セラミック基材の一辺の長さの３分の１ないし６分の１である、請求項３記載の半導体装置。 - 前記アングル溝は、
前記セラミック基材を囲むように連続して設けられ、ループ状をなす、請求項１記載の半導体装置。 - 前記硬化性樹脂は、前記樹脂ケース内の前記底面から所定の高さまで充填された第１層樹脂と、
前記第１層樹脂上に充填された第２層樹脂とを含む２層樹脂構造を有し、
前記第１層樹脂は、
前記第２層樹脂よりも、線膨張係数および曲げ弾性率が低いとともに、含有するナトリウムイオンおよび塩素イオンの濃度も低い、請求項１記載の半導体装置。 - 請求項３記載の半導体装置の製造方法であって、
前記独立アングル溝は、
前記独立アングル溝と同じ溝底面の幅、溝深さおよび平面視形状を有し内壁が垂直な溝に対して、該溝の溝幅よりも大きな幅を有し、前記独立アングル溝と同じ平面視形状の突出部を備えたプレス金型を、前記溝の上部に押し当ててプレスすることで、前記溝の内壁上部を前記溝の内側に向けて体積移動させて形成する、半導体装置の製造方法。
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