JP5049221B2

JP5049221B2 - 半導体装置

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Publication number: JP5049221B2
Application number: JP2008194670A
Authority: JP
Inventors: 真寛川口
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2008-07-29
Filing date: 2008-07-29
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2028-07-29
Also published as: JP2010034278A

Description

本発明は、パワーモジュールなどの半導体装置に関する。

図９は、従来の半導体装置の一例を示している（たとえば特許文献１参照）。同図に示された半導体装置Ｘは、半導体チップ９１、半導体チップ９１を搭載するリード９２、半導体チップ９１とリード９２とを接着するハンダ層９３、および、これらを保護する樹脂パッケージ９４を備えている。半導体チップ９１は、たとえば、消費電力の多いパワートランジスタやパワーＩＣである。このような半導体チップ９１は動作時に大きな電圧がかかるため発熱し、半導体チップ９１、リード９２、ハンダ層９３、および樹脂パッケージ９４を膨張させる。膨張時および収縮時に、半導体チップ９１、リード９２、ハンダ層９３、および樹脂パッケージ９４の材料間の線膨張係数の差に起因して、応力が発生する。ハンダ層３は、ハンダ材が液相状態より冷却され凝固点に達したとき、Ｐｂの溶け込んだα相と、Ｓｎの溶け込んだβ相という２つの固相状態となって凝固して形成される。α相とβ相は、半導体チップ９１またはリード９２との接合部において、凝固した直後は小さな粒子状態であり、一様に分布している。この状態のとき、ハンダ層３は、機械的特性に優れ、応力を緩和する性質を備えており、緩衝部材として機能することが期待されている。

しかしながら、ハンダ層３は、高温状態に置かれたり、応力を受け続けたりすると、α相およびβ相が溶け合ったり拡散したりしてより大きな粒子状態になるため、応力の緩和を十分に行えなくなることがあった。さらに、ハンダ層３にα相とβ相との境界を起点とするクラックが生じることがあり、半導体装置Ｘの故障の要因となっていた。また、ハンダ層９３を形成する際に、加熱されて液状となったハンダ材がリード９２上を流れやすいため、ハンダ層９３を均一に設けるのは困難であり、半導体チップ９１が傾いた状態で固定されてしまい不良となることがあった。

特許第３７２１０７３号公報

本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、不良が生じにくく、安定した動作が可能な半導体装置を提供することを課題とする。

本発明によって提供される半導体装置は、矩形状でその外周縁が曲面によって形成されている半導体チップと、表面に上記半導体チップを搭載する板状のリードと、上記半導体チップと上記リードとを接着する緩衝部材と、を備えた半導体装置であって、上記リードの表面には、上記半導体チップとの間に上記緩衝部材が介在する複数の突起が形成されており、上記複数の突起は、上記リードの厚み方向視において、上記半導体チップの四隅と重ならないように配置されており、上記リードの表面の上記複数の突起の外側には、上記リードの厚み方向視において、上記半導体チップの外周と重なるように凹部が形成されており、上記緩衝部材の外周縁が、上記凹部内に位置するとともに、上記複数の突起は、上記リードの厚み方向視において上記半導体チップの外周縁に沿う長手方向を有する形状であることを特徴とする。

このような構成によれば、上記緩衝部材の、上記リードの厚み方向視において上記半導体チップの四隅と重なる部分は、少なくとも上記突起に重なる部分よりも厚く形成される。さらに、上記緩衝部材となる液体材料を上記リード上に流し込む際に、上記液体材料の流れを上記突起により調整することができるため、上記緩衝部材を均一に好ましい厚みに形成しやすくなっている。このため、上記半導体装置では、上記緩衝部材にかかる応力が分散しやすいように上記緩衝部材を厚く形成することが可能となっている。したがって、上記半導体装置では、上記緩衝部材にクラックが生じにくい。また上記半導体チップが傾くのを防ぐことができ、不良が生じにくく安定した動作が可能となっている。また、このような構成によれば、上記緩衝部材を液状にして上記リード上に流し込む際に、上記緩衝部材の流れを止めることができるため、上記緩衝部材を厚く形成しやくなっている。また、このような構成によれば、上記緩衝部材の、上記リードの厚み方向視において上記半導体チップの外周と重なる部分の厚みをより大きくすることが可能となる。また、このような構成によれば、上記緩衝部材を液状にして上記リード上に流し込む際に、上記緩衝部材が広がり過ぎて薄い部分が生じるのを防ぐことができる。また、このような構成によれば、上記半導体チップの外周縁に応力が集中しにくいため、上記半導体チップの外周縁と上記緩衝部材との剥離を防ぐ上で好ましい。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記複数の突起は、上記半導体チップの外周縁に沿って配列されており、上記半導体チップの外周縁に沿って互いに隣合う２つの上記突起どうしの間の距離は、これらの突起のいずれの長手方向寸法よりも小である。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記複数の突起は、それぞれ同形である。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記リードの上記半導体チップと対向する面が凸面に形成されている。このような構成によれば、上記緩衝部材が、上記半導体チップの外周縁に近づくほど厚くなっている。このため、上記緩衝部材から上記半導体チップにかかる力も分散され、上記半導体チップと上記緩衝部材との剥離を防ぎやすくなっている。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記リードの厚み方向視において上記複数の突起と重ならない部分での上記緩衝部材の厚みは、３０μｍ〜７０μｍである。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

図１は、本発明に係る半導体装置の第１実施形態を平面図で示している。図２には、図１のII-II線に沿う断面図を示している。図１および図２に示す半導体装置Ａ１は、半導体チップ１、リード２、ハンダ層３、および、樹脂パッケージ４を備えたパワーモジュールである。なお、リード２の表面の様子を示すために、図１では、半導体チップ１およびハンダ層３の一部と樹脂パッケージ４とを省略している。なお、図１は、リード２の厚み方向視における平面を示しており、以下の説明における平面視はリード２の厚み方向視と同一である。

半導体チップ１は、たとえば、一辺の長さが４ｍｍ程度の電力の制御を行うパワーＩＣである。半導体チップ１は、平面視において、四隅の頂角が丸く形成された正方形状に形成されている。半導体チップ１の外周縁は、たとえばレーザーを用いて上下から切断することにより、曲面で構成されている。この半導体チップ１は、リード２の表面にハンダ層３を介して搭載されている。

リード２は、たとえばＣｕ製であり、厚さ１〜２ｍｍ程度の板状に形成されている。このリード２は、平面視において、四隅の角が丸く形成された、一辺の長さがたとえば２０ｍｍの正方形となっている。このリード２には、４個の同形の突起２１と、これらの突起２１を囲む凹部２２とを備えている。

各突起２１は、図１に仮想線で示した、半導体チップ１よりも小さい正方形２１Ａの各四辺に沿って延びるように形成されている。この正方形２１Ａの各辺は半導体チップ１の各辺と平行となっている。各突起２１は、正方形２１Ａの各頂点周辺までは延びていない。さらに、図２に示すように、各突起２１の断面は半円状に形成されている。各突起２１は、たとえば５μｍ〜４０μｍ程度、リード２の表面から突き出している。

凹部２２は、図１および図２に示すように、平面視において半導体チップ１の外周と重なるように形成されている。この凹部２２は、たとえば５μｍ〜４０μｍ程度、リード２の表面から凹んでいる。

ハンダ層３は、本発明に係る緩衝部材であり、たとえば、直径５〜１０μｍ程度の金属粒が添加されたハンダ材によって形成されている。上記金属粒としては、たとえばＡｇ，ＣｕまたはＴｅが用いられる。このハンダ層３は、リード２の各突起２１に囲まれた領域にハンダ材を流し込むことにより形成されており、平面視において凹部２２の外縁近傍まで広がっている。また、このハンダ層３は、平面視において複数の突起２１と重ならない部分での厚みが、突起２１がリード２の表面から突き出す長さよりも大きくなるように形成されている。このため、ハンダ層３は、突起２１と半導体チップ１との間に入り込むように形成されている。

樹脂パッケージ４は、半導体チップ１、リード２、およびハンダ層３を覆うように形成されており、半導体チップ１、リード２、およびハンダ層３を保護している。

次に、上記構成の半導体装置Ａ１の作用について説明する。

本実施形態によれば、加熱により液状となったハンダ材をリード２の各突起２１に囲まれた領域に流し込んだ際に、ハンダ材の流れが突起２１により妨げられるため、ハンダ材がリード２上を広がる速度は遅くなる。このため、ハンダ層３を厚く形成しやすくなっている。ハンダ層３は、厚く形成されることにより、受ける応力を分散することができ、Ｐｂの溶け込んだα相およびＳｎの溶け込んだβ相が小さな粒子として一様に分布する状態を持続しやすくなっている。この状態のハンダ層３は、半導体チップ１およびリード２にかかる応力を緩和する緩衝部材として好ましく機能する。さらに、ハンダ層３にクラックが生じにくくなっている。従って、半導体装置Ａ１は、不良が生じにくく安定した動作が可能となっている。

また、本実施形態によれば、各突起２１が同形であるため、ハンダ材の広がり方に偏りが生じにくく、半導体チップ１が傾いた状態で固定されるのを防ぐことができる。

また、本実施形態によれば、ハンダ材は、各突起２１同士の隙間から流れ出るため、応力の集中しやすい半導体チップ１の四隅にはハンダ材が流れ込みやすくなっている。このため、より確かに、平面視において半導体チップ１の四隅と重なるハンダ層３の厚みを厚くすることが可能となっている。

また、本実施形態によれば、凹部２２が設けられているため、ハンダ材が流れてハンダ層３が薄くなってしまうのを防ぐことができる。さらに、平面視において凹部２２が半導体チップ１の外周と重なるように形成されているため、半導体チップ１の外周と重なるハンダ層３が厚くなりやすくなっている。半導体チップ１の外周部分、特に四隅は応力がかかりやすいため、これらの部分と重なるハンダ層３の厚みが大きくなることは、応力を緩和する上で好ましい。

また、本実施形態によれば、ハンダ層３が平面視において凹部２２の外側に広がらないように形成されているため、ハンダ層３の裾部分が過度に広がりにくくなっている。このため、ハンダ層３は厚みが薄くなる部分が生じにくく、クラックが発生しにくくなっている。

また、本実施形態によれば、半導体チップ１の外周縁が曲面で形成されているため、半導体チップ１の外周縁にかかる応力が分散されやすく、半導体チップ１とハンダ層３との剥離が生じにくくなっている。

また、本実施形態によれば、ハンダ材には金属粒が添加されているため、ハンダ層３の厚さが金属粒の直径より小さくなることがない。さらに、金属粒を均一に添加すれば、ハンダ層３に支持される半導体チップ１が傾くのを防ぐのに好ましい効果を得ることができる。また、さらに、金属粒が添加されることにより、ハンダ層３のＰｂを含むα相と、Ｓｎを含むβ相とが分離するのを抑制することができる。このことは、ハンダ層３にクラックが生じるのを防ぐのに好ましい。

また、上記構成の半導体装置Ａ１では、半導体チップ１は、ハンダ層３および樹脂パッケージ４から応力を受ける。半導体チップ１がハンダ層３から受ける応力は、ハンダ層３が厚くなるほど弱くなる傾向がある。一方、ハンダ層３および半導体チップ１の厚みの合計が大きくなるほど、樹脂パッケージ４の厚みも大きくなるため、半導体チップ１が樹脂パッケージ４から受ける応力は強くなる傾向がある。図３には、ＴＣＹ試験において、半導体装置Ａ１を２５℃から１５０℃に加熱した際の、ハンダ層３の厚みと半導体チップ１に発生する応力の大きさとの関係を示している。ただし、ここでのハンダ層３の厚みは、平面視において複数の突起２１および凹部２２のいずれとも重ならない部分での厚みのことを指すものとする。図３によると、ハンダ層３の厚みが３０〜７０μｍのとき、半導体チップ１に発生する応力が小さくなっている。このため、半導体装置Ａ１は、ハンダ層３の厚みを３０〜７０μｍとすれば、より安定した動作を期待できる。

図４〜図７は、本発明の他の実施形態を示しており、図８には参考例を示している。なお、これらの図において上記実施形態と同一または類似の要素には、上記実施形態と同一の符号を付し、説明を省略している。

図４は、本発明に係る半導体装置の第２実施形態を断面図で示している。図４に示す半導体装置Ａ２では、リード２の表面が、平面視における中央に寄るほど半導体チップ１に近づく凸面に形成されている。

このような半導体装置Ａ２では、ハンダ層３が凸面状のリード２上に形成されるため、外周縁ほど厚くなっており、中央に応力が集中しにくい形状となっている。このため、ハンダ層３から半導体チップ１に加わる応力が分散されやすく、半導体チップ１とハンダ層３との剥離が生じにくくなっている。このため、半導体装置Ａ２は、不良が生じにくくより安定した動作が期待できる。

図５は、本発明に係る半導体装置の第３実施形態を断面図で示している。図５に示す半導体装置Ａ３では、凹部２２が、リード２の表面に開口する開口部２２ａと、開口部２２ａと連結され、開口部２２ａよりも幅の広い底部２２ｂとで構成されている。

このような半導体装置Ａ３では、開口部２２ａが狭く形成されているため、ハンダ材が凹部２２に流れ込む速度を抑えることができる。このため、ハンダ材が凹部２２に流れ込みすぎてハンダ層３の厚みが損なわれるのを防ぐことができる。

図６は、本発明に係る半導体装置の第４実施形態を平面図で示している。リード２の表面の様子を示すために、図６では、半導体チップ１およびハンダ層３の一部と、樹脂パッケージ４とを省略している。図６に示す半導体装置Ａ４では、半導体チップ１およびリード２が、平面視において角が丸い長方形状に形成されている。さらに、複数の突起２１ａ，２１ｂが、仮想線で示す長方形２１Ｂの各辺に沿って配列されており、これらの突起２１を囲むように凹部２２が形成されている。

複数の突起２１ａは、それぞれ同形であり、長方形２１Ａの各長辺に沿って一定の間隔で並べられている。複数の突起２１ｂはそれぞれ同形であり、長方形２１Ａの各短辺に沿って一定の間隔で並べられている。突起２１ａ，２１ｂの断面は、たとえば同形の長方形状となっている。また、各突起２１ａの長方形２１Ｂの各長辺に沿って延びる長さは、角突起２１ｂの長方形２１Ｂの各短辺に沿って延びる長さよりも長くなっている。また、突起２１ａ，２１ｂは、長方形２１Ｂの各頂点を回避するように設けられている。

このような半導体装置Ａ４においても、突起２１ａ，２１ｂによって、ハンダ材の流れを抑えることができるため、ハンダ層３を厚く形成しやすくなっている。このため、半導体装置Ａ４は、半導体装置Ａ１の場合と同様に、熱変形によって生じる応力を緩和することが可能となっており、半導体チップ１がハンダ層３から剥離しにくく、安定した動作が可能となっている。

図７は、本発明に係る半導体装置の第５実施形態を断面図で示している。図７に示す半導体装置Ａ５は、半導体装置Ａ１と異なり樹脂パッケージ４を備えておらず、半導体チップ１に複数の放熱板を有する放熱部材１２が取り付けられた構成となっている。放熱部材１２は、半導体チップ１の表面に接着層１１を介して接着されている。さらに、この半導体装置Ａ５におけるハンダ層３の厚さは７０μｍ以上となっている。

このような半導体装置Ａ５では、半導体装置Ａ１のように樹脂パッケージ４が半導体チプ１に応力を及ぼすことがないため、ハンダ層３をより厚く形成することが可能となっている。このため、ハンダ層３から半導体チップ１にかかる応力をより好ましく緩和することができる。従って、半導体装置Ａ５では、より一層、熱変形によって生じる応力を緩和することが可能となっており、半導体チップ１がハンダ層３から剥離しにくく、安定した動作が可能となっている。

さらに、半導体装置Ａ５では、半導体チップ１に放熱部材１２が取り付けられているため、熱変形自体が生じにくくなっている。このため、より安定した動作を期待できる。

図８は、半導体装置の参考例を平面図で示している。リード２の表面の様子を示すために、図８では、半導体チップ１およびハンダ層３の一部と、樹脂パッケージ４とを省略している。図８に示す半導体装置Ａ６では、半導体チップ１が平面視円形に形成されており、平面視においてリード２の四隅と半導体チップ１との間に試験用端子５が配置されている。さらに、リード２には、仮想線で示す円２１Ｃに沿って並ぶ４個の同形の突起２１ｃが形成されており、これらの突起２１ｃを囲む平面視環状の凹部２２が形成されている。突起２１ｃの平面視における形状は、円環の一部となっている。

試験用端子５は、たとえばリード２の抵抗値を試験的に測定するための端子である。なお、試験用端子５を設ける代わりに樹脂などを成形し、その密着強度を測定しても構わない。

このような半導体装置Ａ６においても、突起２１ｃによって、ハンダ材の流れる速さを抑えることができるため、ハンダ層３を厚く形成しやすくなっている。このため、半導体装置Ａ６は、熱変形によって生じる応力を緩和することが可能となっており、半導体チップ１がハンダ層３から剥離しにくく、安定した動作が可能となっている。さらに、半導体装置Ａ６では、半導体チップ１に角がないため、応力が集中する場所がなく、半導体チップ１がハンダ層３から剥離しにくくなっている。

本発明に係る半導体装置は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る半導体装置の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。上記実施形態においては、リード２は、Ｃｕ製であるが、たとえばＡｇやＮｉといったハンダとの濡れ性のよい金属材料によりメッキされたリードであってもよい。また、半導体チップ１のリード２と対向する側の面に、ＡｇやＮｉといったハンダとの濡れ性のよい金属材料によるメッキを施してもよい。このようなメッキを施すと半導体チップ１の外周縁にハンダ材が広がりやすくなり、半導体チップ１とハンダ層３との間の応力を分散する上で好ましい効果を得ることができる。

上記実施形態では、ハンダ層３の外周縁が凹部２２内に形成されているが、ハンダ層３の外周円が凹部２２から外れている場合も本発明の範囲内である。このような場合でも、凹部２２はハンダ層３が広がりすぎるのを防ぐのに効果的である。

上記実施形態では、各突起２１の断面は、半円状または長方形状であるが、たとえば楔形であっても構わない。また、凹部２２の断面形状も自在に設定可能である。

本発明の第１実施形態に係る半導体装置の一例を示す平面図である。図１のII-II線に沿う断面図である。図１に示す半導体装置におけるハンダ層の厚みと半導体チップにかかる応力との関係を示す図である。本発明の第２実施形態に係る半導体装置の一例を示す断面図である。本発明の第３実施形態に係る半導体装置の一例を示す断面図である。本発明の第４実施形態に係る半導体装置の一例を示す平面図である。本発明の第５実施形態に係る半導体装置の一例を示す断面図である。半導体装置の参考例を示す平面図である。従来の半導体装置の一例を示す断面図である。

符号の説明

Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ａ５，Ａ６半導体装置
１半導体チップ
２リード
３ハンダ層
４樹脂パッケージ
５試験用端子
１１接着層
１２放熱部材
２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ突起
２１Ａ正方形
２１Ｂ長方形
２１Ｃ円
２２凹部
２２ａ開口部
２２ｂ底部

Claims

矩形状でその外周縁が曲面によって形成されている半導体チップと、
表面に上記半導体チップを搭載する板状のリードと、
上記半導体チップと上記リードとを接着する緩衝部材と、
を備えた半導体装置であって、
上記リードの表面には、上記半導体チップとの間に上記緩衝部材が介在する複数の突起が形成されており、
上記複数の突起は、上記リードの厚み方向視において、上記半導体チップの四隅と重ならないように配置されており、
上記リードの表面の上記複数の突起の外側には、上記リードの厚み方向視において、上記半導体チップの外周と重なるように凹部が形成されており、
上記緩衝部材の外周縁が、上記凹部内に位置するとともに、
上記複数の突起は、上記リードの厚み方向視において上記半導体チップの外周縁に沿う長手方向を有する形状であることを特徴とする、半導体装置。
上記複数の突起は、上記半導体チップの外周縁に沿って配列されており、
上記半導体チップの外周縁に沿って互いに隣合う２つの上記突起どうしの間の距離は、これらの突起のいずれの長手方向寸法よりも小である、請求項１に記載の半導体装置。
上記複数の突起は、それぞれ同形である、請求項１または２に記載の半導体装置。
上記リードの上記半導体チップと対向する面が凸面に形成されている、請求項１ないし３のいずれかに記載の半導体装置。
上記リードの厚み方向視において上記複数の突起と重ならない部分での上記緩衝部材の厚みは、３０μｍ〜７０μｍである、請求項１ないし４のいずれかに記載の半導体装置。