JP5258825B2 - パワー半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
填材の充填率が封止樹脂の無機充填材の充填率以下であり、樹脂組成物層の熱膨張率が、封止樹脂の熱膨張率以上、かつ金属材料の熱膨張率以下である。
図1は、本発明の実施の形態1によるパワー半導体装置を示す断面図であり、図2は、実施の形態1によるパワー半導体装置の要部を示す上面からの透視図である。パワー半導体装置1は、トランスファーモールド型パワー半導体装置である。半導体素子2がリードフレーム3と接合されたヒートシンク4に、例えば、はんだ付け(はんだは図示せず)によって搭載されており、半導体素子2が搭載されている面と反対側の面には、外部と電気的に絶縁することを目的とした片面金属箔6付き絶縁シート5が密着している。トランスファーモールド型のパワー半導体装置1は、これらの半導体素子2やリードフレーム3、ヒートシンク4全体を封止するように封止樹脂7で封止された構造を有する。パワー半導体装置1において、金属箔6が露出した面(図において下側、下面)とは反対側の封止樹脂7で封止している側の面(図において上側、上面)には、樹脂組成物の層(樹脂組成物層8)を設ける。
生が抑えられる。
また、図4に示すように、ヒートシンク4を有するパワー半導体装置1ばかりではなく、絶縁層5の片面に設けられた金属箔6が厚い金属ベース板9となった金属基板を用いて全体を封止樹脂7によってトランスファーモールドされたパワー半導体装置15にも適用できる。図4は本発明の実施の形態2によるパワー半導体装置を示す断面図である。金属箔6でなく、厚い金属ベース板9とすることによって放熱性をさらに高めることが可能となる。金属ベース板9は、銅やアルミニウムなど特に限定されることはないが、実施の形態1と同様に、封止樹脂7の片面(図において上側)に設ける無機充填材の充填量を少なくした樹脂組成物層8の熱膨張率αAは金属ベース板9の熱膨張率αCによって範囲を決める(αC≧αA≧αB)ことでヒートサイクル環境下での発生応力を抑えることができる。これにより、これまでモールド型で製造することが難しかった大容量タイプのケース型パワー半導体装置15をトランスファーモールド型で製造することも可能となり、大容量のパワー半導体装置も安価に製造することが可能となる。
また、樹脂組成物層8に用いる無機充填材の材料は、シリカだけでなく、例えばアルミナや窒化ホウ素、ガラス繊維などを用いることも可能である。例えば、パワー半導体装置全体から放熱性を高めるために封止樹脂7に充填している溶融シリカの一部をアルミナなどに置き換えることで熱伝導率を向上させた場合、樹脂組成物層8の熱伝導率も高めることで、パワー半導体装置1、15の放熱性が相乗効果となる。また、実施の形態5や実施の形態6に示すパワー半導体装置20、25にも適用できる。
図5は、本発明の実施の形態4によるパワー半導体装置の要部を示す上面からの透視図である。放熱性を担う2つのヒートシンク4a、4bが図5のように半導体装置20の内部に島状に配置されている場合、ヒートシンク4a、4bの形状に合わせて、無機充填材の充填量が少ない樹脂組成物層8a、8bの形状を決めることも可能である。ヒートシンク4a、4bのように厚い金属板がパワー半導体装置の内部で複数存在する場合や、ヒートシンク4が偏在する場合など、図2のようにパワー半導体装置1の表面に全体的に広く樹脂組成物層8を配置するのではなく、図5のように、ヒートシンク4a、4bが存在する部分の投影面を含むように樹脂組成物層8a、8bを配置することが好ましい。このように配置することによって実施の形態4のパワー半導体装置20は、パワー半導体装置の表面に全体的に広く配置することに比べ、ヒートサイクル環境下でのヒートシンク4a、4bが存在する部分に発生する局所的な応力を緩和することが可能となる。
図6は、本発明の実施の形態5によるパワー半導体装置の要部を示す上面からの透視図である。縦横の比が大きくなったパワー半導体装置25は、1つのヒートシンク4と、ヒートシンク4の長手方向の端部を覆うように2つの樹脂組成物層8a、8bを有する。パワー半導体装置の形状が図6に示すように、縦横の比が大きくなった場合は長手方向の反りが非常に大きくなる。この場合、図6示すように、無機充填材の充填量が少ない樹脂組成物層8a、8bを図6のように配置することで長手方向の反り低減・応力抑制効果を狙うことが可能である。実験で得られた結果から、ヒートシンクの縦横の比が3対10以下であれば、パワー半導体装置全体1の反り変化量が抑制され、封止樹脂7とヒートシンク4やリードフレーム3などの界面に発生する応力が低減される。また、このような反りを制御したい方向性のあるパワー半導体装置25の場合は、無機充填材としてガラス繊維を用いて樹脂組成物層8a、8bの熱膨張率に異方性を付与してもよい。
力損失が低いため、電力用半導体装置の高効率化が可能となる。また、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、電力用半導体装置の小型化が可能となる。さらにワイドバンドギャップ半導体素子は、耐熱性が高いので、高温動作が可能であり、ヒートシンクの放熱フィンの小型化や、水冷部の空冷化も可能となるので、電力用半導体装置の一層の小型化が可能になる。
実施例を図3のプロセス図に沿って説明する。図3(a)に示すように、パワー半導体装置1を成形するための金型10における下側金型11bに絶縁シート5付きの銅箔6を設置する(下部層設置工程)。絶縁シート5は、例えば、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂に熱伝導性が良好な無機粉末充填材が充填されたものを用いることができる。半導体素子2の発熱をパワー半導体装置1外部に放熱するためには、この絶縁シート5の放熱性が重要となり、放熱性を高めるためには、例えば無機粉末充填材としては、シリカ、アルミナ、窒化ホウ素、窒化アルミニウムなどの熱伝導性の高い充填材を用いることができる。また、ここで設置する絶縁シート5は後のリードフレーム3やヒートシンク4と接着させるため、Bステージ状態と言われる半硬化状態であることが望ましい。絶縁シート5の厚さは、使用環境に必要な絶縁耐圧を確保できる厚さであればよいが、例えば200μm、銅箔6は外装として絶縁シート5の保護ができれば特に厚さを限定することはないが、例えば105μmの電解銅箔を用いることができる。なお、金型10における上側金型11aは便宜上記載しているが、この金型10における上側金型11aは、パワー半導体装置1が成形された後に、下側金型11bとでパワー半導体装置1を挟み込み。
凹部成形後のパワー半導体装置1の凹部13にポッティングを行う液状エポキシ樹脂の無機充填材として溶融シリカの充填率を77.7重量%にして、熱膨張係数α1を15ppmとしたこと以外は実施例1と同様のプロセスにてパワー半導体装置1を製造した。
凹部成形後のパワー半導体装置1の凹部13にポッティングを行う液状エポキシ樹脂の無機充填材として溶融シリカの充填率を82.0重量%にして、熱膨張係数α1を13ppmとしたこと以外は実施例1と同様のプロセスにてパワー半導体装置1を製造した。ここで、液状樹脂に無機充填材を高充填することで熱膨張係数は小さくすることが可能であるが、高充填とすることで樹脂の粘度も非常に高くなり、流動性が悪くなる。溶融シリカを充填材として用いた場合、85重量%以上の液状エポキシ樹脂は、ポッティング用途としては適していない。
凹部成形後のパワー半導体装置1の凹部13にポッティングを行う液状エポキシ樹脂の
無機充填材として溶融シリカの充填率を69.1重量%にして、熱膨張係数α1を19ppmとしたこと以外は実施例1と同様のプロセスにてパワー半導体装置1を製造した。
半導体素子2やワイヤ14などは厚さ0.7mm厚のリードフレーム3上に搭載し、ヒートシンク4を用いず、銅箔6の変わりに厚さ4mmの金属アルミベース板を用いて実施例1と同様にパワー半導体装置15を製造した。このとき、アルミニウムの熱膨張係数が24ppmであることから、凹部成形後のパワー半導体装置15の凹部13にポッティングを行う液状エポキシ樹脂の無機充填材として溶融シリカの充填率を60.4重量%にして、熱膨張係数α1を23ppmとした。
凹部成形後のパワー半導体装置15の凹部13にポッティングを行う液状エポキシ樹脂の無機充填材として溶融シリカの充填率を77.7重量%にして、熱膨張係数α1を15ppmとしたこと以外は実施例3と同様のプロセスにてパワー半導体装置15を製造した。
凹部成形後のパワー半導体装置15の凹部13にポッティングを行う液状エポキシ樹脂の無機充填材として溶融シリカの充填率を82.0重量%にして、熱膨張係数α1を13ppmとしたこと以外は実施例3と同様のプロセスにてパワー半導体装置15を製造した。
凹部成形後のパワー半導体装置15の凹部13にポッティングを行う液状エポキシ樹脂
の無機充填材として溶融シリカの充填率を49.6重量%にして、熱膨張係数α1を28ppmとしたこと以外は実施例3と同様のプロセスにてパワー半導体装置1を製造した。
図5に示すように、パワー半導体装置20の外形が約42mm×約50mm×約9mm厚に対して、中に約15mm×約40mm×約3mm厚のヒートシンク4a、4bが2箇所に内蔵されており、樹脂組成物層8が熱膨張係数17ppmで上からの透視図において、ヒートシンク4a、4bの外形から+2mmの外形となる約17mm×約42mmで厚さが1mmとしたパワー半導体装置1を製造した。その結果、パッケージの反りは約+15μmであった。また、このパワー半導体装置1を長期信頼性試験のひとつとして、ヒートサイクル試験に投入し、−40℃〜175℃、1000サイクル行った後に、封止樹脂7とヒートシンク4の剥離がないことを超音波探傷装置にて確認を行った。図10に作成条件及び結果を示した。
樹脂組成物層8の外形をヒートシンク4a、4bの外形から+4mmとなる約19mm×約44としたこと以外は実施例5と同様である。このとき、図10に示すように、パワー半導体装置20の反りは約+5μmであり、ヒートサイクル試験では1000サイクルまで剥離は発生しなかった。
樹脂組成物層8の外形をヒートシンク4a、4bの外形と同等にしたこと以外は実施例5と同様である。このとき、図10に示すように、パワー半導体装置20の反りは+30μmであり、ヒートサイクルでは1000サイクルまで剥離は発生しなかった。
樹脂組成物層8の外形をヒートシンク4a、4bの外形から−2mmとなる約13mm×約38としたこと以外は実施例5と同様である。このとき、図11に示すように、パワー半導体装置20の反りは約+120μmであり、100μm以上の反りは前述したように、パワー半導体装置とフィンをグリースにて接触させた場合、グリースの厚さムラが発生しやすく、好ましくない。また、ヒートサイクル試験では100サイクルでは剥離が発生しなかったが、500サイクルの時点で剥離が発生した。
樹脂組成物層8の外形をヒートシンク4a、4bの外形から−6mmとなる約9mm×約34としたこと以外は実施例5と同様である。このとき、図11に示すように、パワー半導体装置20の反りは約+180μmであった。ヒートサイクル試験では100サイクルの時点で剥離が発生した。
樹脂組成物層8の外形をヒートシンク4a、4bの外形から−10mmとなる約5mm×約30としたこと以外は実施例5と同様である。このとき、図11に示すように、パワー半導体装置20の反りは約+200μmであった。ヒートサイクル試験では100サイクルの時点で剥離が発生した。
図6に示すように、長辺と短辺の比が大きいパワー半導体装置25は、厳しいヒートサイクル環境下において、長辺方向での反りが大きくなり、長手方向の熱応力が大きくなる。パワー半導体装置25の外形が約20mm×約50mm×約9mm厚に対して、中に約12mm×40mm×約3mm厚のヒートシンク4が中央に内蔵されており、樹脂組成物8a、8bが熱膨張係数17ppmで外形が、上からの透視図において図5のように2本の細長い形状でそれぞれ約3mm×約44mmで厚さが1mmとしたパワー半導体装置25を製造した。ヒートシンクの縦横の比は3対10である。なお、図10の実施例の表の中には短辺が3mm×2と考え、−6mmと記載している。その結果、パワー半導体装置25の反りは約+40μmであった。また、このパワー半導体装置25を長期信頼性試験のひとつとして、ヒートサイクル試験に投入し、−40℃〜175℃、1000サイクル行った後に、封止樹脂7とヒートシンク4の剥離がないことを超音波探傷装置にて確認を行った。
樹脂組成物層8a、8bの外形をヒートシンク4の外形から合計で−6mmとなるように、約3mm×約34を図6のように2本配置したこと以外は実施例8と同様である。このとき、図10に示すように、パワー半導体装置25の反りは約180μmであった。ヒートサイクル試験では100サイクルの時点で剥離が発生した。
パワー半導体装置1の放熱性を高めるために、実施例1の構造をもつパワー半導体装置1において、トランスファーモールド用の封止樹脂7の充填材として溶融シリカの一部をアルミナに置き換えることで、封止樹脂7の熱伝導率が約0.6W/(m・K)から約1.0W/(m・K)とし、パワー半導体装置1を図3のように作製した。これによって、半導体素子2からの放熱性が向上し、動作時の半導体素子2の接合温度(ジャンクション温度)が、120℃から113℃まで低減することを確認した。また、樹脂組成物層8の無機充填材を溶融シリカの一部をアルミナに置き換え、約1.0W/(m・K)とした結果、ジャンクション温度は、113℃から111℃に、約2.0W/(m・K)とした結果、ジャンクション温度は113℃から110℃まで低減することを確認した。
Claims (11)
- 半導体素子と、前記半導体素子が搭載されたリードフレームと、前記リードフレームに絶縁シートを介して配置された金属材料とが、無機充填材が充填された封止樹脂で封止されたパワー半導体装置であって、
前記金属材料は露出しており、前記半導体素子に対して前記金属材料の位置とは反対側である前記封止樹脂の面に、樹脂組成物層が設けられ、
前記樹脂組成物層の無機充填材の充填率が前記封止樹脂の無機充填材の充填率以下であり、
前記樹脂組成物層の熱膨張率が、前記封止樹脂の熱膨張率以上、かつ前記金属材料の熱膨張率以下であることを特徴とするパワー半導体装置。 - 半導体素子と、前記半導体素子が搭載されたリードフレームと、前記リードフレームに絶縁シートを介して配置された金属材料とが、無機充填材が充填された封止樹脂で封止されたパワー半導体装置であって、
前記リードフレームと前記絶縁シートとの間に、前記リードフレームに接合されたヒートシンクが介在し、
前記半導体素子に対して前記金属材料の位置とは反対側である前記封止樹脂の面に、樹脂組成物層が設けられ、前記樹脂組成物層の無機充填材の充填率が前記封止樹脂の無機充填材の充填率以下であり、
前記樹脂組成物層の熱膨張率が、前記封止樹脂の熱膨張率以上、かつ前記金属材料及び前記ヒートシンクの金属材料の熱膨張率以下であり、
前記樹脂組成物層は上面からみた場合、少なくとも1辺が前記ヒートシンクの1辺の長さ以上であることを特徴とするパワー半導体装置。 - 前記ヒートシンクの縦横の比は上面からみた場合、3対10以下であって、
前記ヒートシンクの長手方向の端部を覆うように前記樹脂組成物層が2つ配置されたことを特徴とする請求項2記載のパワー半導体装置。 - 半導体素子と、前記半導体素子が搭載されたリードフレームと、前記リードフレームに絶縁シートを介して配置された金属材料とが、無機充填材が充填された封止樹脂で封止され
たパワー半導体装置であって、
前記金属材料は露出しており、前記半導体素子に対して前記金属材料の位置とは反対側である前記封止樹脂の面に、樹脂組成物層が設けられ、前記樹脂組成物層の無機充填材の充填率が前記封止樹脂の無機充填材の充填率以下であり、
前記金属材料は金属ベース板であり、
前記樹脂組成物層の熱膨張率が、前記封止樹脂の熱膨張率以上、かつ前記金属ベース板の金属材料の熱膨張率以下であることを特徴とするパワー半導体装置。 - 前記ヒートシンクは複数個有し、前記樹脂組成物層は前記複数個有することを特徴とした請求項2記載のパワー半導体装置。
- 前記樹脂組成物層に充填する無機充填材としてシリカ、アルミナ、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、ガラス繊維の少なくともひとつを用いることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載のパワー半導体装置。
- 前記樹脂組成物層に充填される前記樹脂組成物層の無機充填材の平均粒径が前記封止樹脂に充填される前記封止樹脂の無機充填材の平均粒径よりも大きいことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載のパワー半導体装置。
- 前記樹脂組成物層は、前記半導体素子に対して前記金属材料の位置とは反対側である前記封止樹脂の面に設けられた凹部に形成されたことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載のパワー半導体装置。
- 前記半導体素子がワイドバンドギャップ半導体材料により形成されていることを特徴とする請求項8に記載のパワー半導体装置。
- 前記ワイドバンドギャップ半導体材料は、炭化ケイ素、窒化ガリウム、またはダイヤモンドのうちのいずれかであることを特徴とする請求項9に記載のパワー半導体装置。
- 一方の面に金属材料が貼り付けられた絶縁シートを配置する下部層設置工程と、前記絶縁シートに半導体素子が搭載されたリードフレームを配置するリードフレーム設置工程と、前記半導体素子と前記リードフレームと前記絶縁シートを封止樹脂で封止する封止樹脂注入工程と、前記半導体素子に対して前記金属材料の位置とは反対側である前記封止樹脂の面に、硬化前の樹脂組成物をポッティングするポッティング工程と、前記封止樹脂とポッティングした前記樹脂組成物を同時に硬化する樹脂硬化工程と、を含み、
前記樹脂組成物の無機充填材の充填率が前記封止樹脂の無機充填材の充填率以下であり、前記樹脂組成物の熱膨張率が、前記封止樹脂の熱膨張率以上、かつ前記金属材料の熱膨張率以下であることを特徴とするパワー半導体装置の製造方法。
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