JP5481111B2

JP5481111B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP5481111B2
Application number: JP2009158114A
Authority: JP
Inventors: 康亮池田; 良松林
Original assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2009-07-02
Filing date: 2009-07-02
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2029-07-02
Also published as: JP2011014739A

Description

この発明は、半導体装置に関する。

従来の半導体装置には、図７に示すように、ケース１０１内部の搭載面１０１ａに半導体チップ１０２を搭載すると共に、半導体チップ１０２とケース１０１の内面に露出する接続端子１０３の端子面とを導電性のワイヤや接続板等の電気接続子１０４により電気接続し、さらに、ケース１０１内部に埋設用樹脂１０５を充填して、搭載面１０１ａ、半導体チップ１０２及び電気接続子１０４を埋設したものがある（例えば、特許文献１参照。）。ケース１０１の一部は、モールド樹脂１０６を成形して構成されており、接続端子１０３はモールド樹脂１０６によって封止されている。
そして、電気接続子１０４を接合させる接続端子１０３の端子面は、接続端子１０３のうち板状に形成された端子板部１０７の板厚方向の一端面１０７ａからなり、その全体がモールド樹脂１０６から外方に露出している。一方、端子板部１０７の他端面１０７ｂや側面は、概ねモールド樹脂１０６によって覆われている。

特開２００４−２１４２９４号公報

ところで、上記構成のケース１０１を製造する場合には、一端面１０７ａ全体が露出するように接続端子１０３をモールド樹脂１０６により封止する。この際、モールド樹脂１０６内にはガスが含まれているため、特に金型内においてモールド樹脂１０６を成形する場合には、モールド樹脂１０６内のガスを取り除く脱泡を実施しても、端子板部１０７の他端面１０７ｂとモールド樹脂１０６との間に上記ガスが気泡として残ることが多い。

また、上記構成の半導体装置１に対しては、急激な加熱冷却を繰り返す熱衝撃試験が実施されるが、この試験において半導体装置１を急激に加熱すると、導電性材料（金属材料）からなる端子板部１０７と樹脂材料であるモールド樹脂１０６との熱膨張係数の差に基づいて、端子板部１０７の側面とモールド樹脂１０６との間に隙間が生じる。
すなわち、樹脂材料であるモールド樹脂１０６の熱膨張係数は、導電性材料（金属材料）からなる端子板部１０７よりも低く、また、端子板部１０７やモールド樹脂１０６は、端子板部１０７の板厚方向よりも面方向に沿って膨張収縮し易いため、半導体装置１を急激に加熱すると端子板部１０７の側面とモールド樹脂１０６との間に大きな隙間が生じ易い。

そして、上記隙間が形成された状態では、端子板部１０７の他端面１０７ｂとモールド樹脂１０６との間の気泡が上記隙間を介して端子板部１０７の一端面１０７ａと埋設用樹脂１０５との界面に現れる。ここで、熱衝撃試験等により気泡が膨張収縮すると、接続端子１０３と電気接続子１０４との電気接続状態が解消されてしまい、半導体装置の電気的な信頼性が低下する虞がある。
また、埋設用樹脂１０５がゲル状樹脂である場合には、上記気泡が高温状態でゲル状樹脂に侵入すると、ゲル状樹脂が酸化してその特性が劣化する虞がある。さらに、電気接続子１０４がゲル状樹脂に埋設されたワイヤである場合には、ゲル状樹脂の劣化に基づいてワイヤが断線する虞がある。具体的に説明すれば、ゲル状樹脂が酸化するとその柔軟性が増してしまい、熱衝撃試験におけるゲル状樹脂の膨張収縮の振幅が増大する。そして、ゲル状樹脂の大きな膨張収縮が繰り返されることで、ゲル状樹脂に埋設されたワイヤが断線し易くなる、すなわち、半導体装置の電気的な信頼性が低下する、という問題がある。なお、気泡がゲル状樹脂に侵入して、複数のワイヤが同一の気泡に含まれてしまう場合でも、複数のワイヤ間に放電が生じることでワイヤが断線し易くなる、という問題が生じる。

なお、従来では、ゲル状樹脂の針入度を低く（硬く）設定することで、ゲル状樹脂に対する気泡の侵入防止を図っている。しかしながら、近年の熱衝撃試験の条件は、−５５℃〜１５０℃あるいは−６５℃〜１７５℃と厳しくなる傾向にあり、この条件ではゲル状樹脂の針入度を低くしても気泡がゲル状樹脂に侵入する、という問題がある。

この発明は、上述した事情に鑑みたものであって、電気的な信頼性の向上を図ることが可能な半導体装置を提供することを目的とする。

この課題を解決するために、本発明の半導体装置は、半導体チップと、これを内部に収容する収容ケースと、当該収容ケースを構成するモールド樹脂に封止されると共に導電性の接続子を介して前記半導体チップに電気接続される接続端子と、前記収容ケースの内部に充填されて前記半導体チップ及び前記接続子を埋設する埋設樹脂とを備え、前記接続端子は、板状に形成されると共に板厚方向の一端面に前記接続子が接合される内部端子板部を備え、前記モールド樹脂が、前記内部端子板部の他端面及び側面全体、並びに、前記一端面の周縁を一括して覆い、前記モールド樹脂のうち前記一端面の周縁を覆う環状被覆部が、前記一端面からの厚さ寸法が前記一端面の周縁から内側に向かうにしたがって薄くなるように、断面楔形状に形成され、前記環状被覆部の内縁が、平面視多角形状に形成され、当該環状被覆部の内縁角部が、前記一端面の内側に膨出する平面視扇状に形成されていることを特徴とする。

本発明の半導体装置を急激に加熱した場合には、従来の半導体装置と同様に、導電性材料からなる内部端子板部とこれを覆うモールド樹脂との間に隙間が形成される。ここで、内部端子板部やモールド樹脂は、内部端子板部の板厚方向よりも面方向に沿って膨張収縮し易いため、内部端子板部の側面とモールド樹脂との隙間は大きくなるものの、内部端子板部の一端面とモールド樹脂との隙間は、内部端子板部の側面とモールド樹脂との隙間と比較して非常に狭くなる。このため、内部端子板部の他端面とモールド樹脂との間の気泡は、内部端子板部の側面とモールド樹脂との隙間までは容易に移動できるものの、内部端子板部の一端面とモールド樹脂との隙間を通過し難くなる。
したがって、上記気泡が内部端子板部の一端面とモールド樹脂との隙間から埋設樹脂側に侵入することを抑制することができ、例えば、半導体装置に対して熱衝撃試験が実施されても、従来のように気泡の膨張収縮に伴う内部端子板部と接続子との電気接続状態が解消されることを防止して、半導体装置の信頼性向上を図ることができる。

さらに、この半導体装置によれば、内部端子板部の一端面の周縁に位置する環状被覆部の基端部の厚さ寸法と比較して、前記一端面の周縁から内側に離れた環状被覆部の先端部の厚さ寸法が薄いため、半導体装置を急激に加熱した際に環状被覆部の先端部が厚さ方向に膨張する割合は、環状被覆部の基端部と比較して小さくなる。すなわち、半導体装置を急激に加熱した際に内部端子板部の一端面と環状被覆部の先端部との間に生じる隙間が、内部端子板部の一端面と環状被覆部の基端部との間に生じる隙間と比較して小さくなり、上記気泡が内部端子板部の一端面とモールド樹脂との隙間をさらに通過し難くなる。
また、内部端子板部の一端面とこれに連なる環状被覆部の表面との傾斜角度が鈍角となるため、埋設樹脂を充填する際に、内部端子板部の一端面と環状被覆部の表面との角部に充填不良が発生することを防止できる。

さらに、この半導体装置によれば、環状被覆部の内縁が平面視多角形状に形成されても、内縁角部の内角をより大きく形成することが可能となるため、埋設樹脂を充填する際に、この内縁角部に充填不良が発生することを防止できる。

本発明によれば、内部端子板部の他端面とモールド樹脂との間の気泡が、内部端子板部の一端面とモールド樹脂との隙間から埋設樹脂側に侵入することを抑制できるため、半導体装置の信頼性向上を図ることができる。

本発明の一実施形態に係る半導体装置を示す概略平面図である。図１の半導体装置を示す要部拡大断面図である。図１，２の半導体装置において、モールド樹脂から露出する内部端子板部の一端面に対するモールド樹脂の被覆状態を示す要部拡大平面図である。図３のＡ−Ａ矢視断面図である。図３に示すモールド樹脂の被覆状態の変形例を示す概略平面図である。図５のＢ−Ｂ矢視断面図である。従来の半導体装置の一例を示す概略断面図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。
図１，２に示すように、この実施形態に係る半導体装置１は、半導体チップ２及びセラミック基板３と、これらを内部に収容する収容ケース４と、収容ケース４を構成するモールド樹脂Ｒ１に封止された複数の接続端子５と、半導体チップ２、セラミック基板３及び接続端子５を互いに電気接続させるためのワイヤ（接続子）６と、収容ケース４の内部に充填されて半導体チップ２、セラミック基板３及びワイヤ６を埋設するゲル状樹脂（埋設樹脂）Ｒ２とを備えて構成されている。
なお、モールド樹脂Ｒ１は、電気的な絶縁性及び収容ケース４としての剛性を有していればよく、例えばエポキシ樹脂やシリカ系樹脂等が挙げられる。また、ゲル状樹脂Ｒ２は、電気的な絶縁性を有する高分子ゲルであればよく、その具体例としては、シリコーンゲル等が挙げられる。

収容ケース４は、上面１１ａにセラミック基板３及び半導体チップ２を順番に積層する平面視矩形板状の底壁板部１１と、底壁板部１１の上面１１ａの周縁から上方に延びて平面視矩形環状に形成された周壁部１２とを備えた箱型に形成されている。なお、前述した収容ケース４の内部とは、周壁部１２によって囲繞される空間部分を示している。
そして、収容ケース４の底壁板部１１は半導体チップ２において生じる熱を外方に放熱させる放熱板であり、収容ケース４の周壁部１２はモールド樹脂Ｒ１によって構成されている。すなわち、底壁板部１１と周壁部１２とは別個の部材によって構成されている。

底壁板部１１をなす放熱板は、例えば、銅（Ｃｕ）、タングステン、モリブデン等のように、放熱性の高い材料によって形成されていればよいが、これに加えて例えばＮｉメッキを施したものでもよい。
モールド樹脂Ｒ１からなる周壁部１２は、底壁板部１１の上面１１ａの周縁よりも外側に延出するように形成されており、周壁部１２の延出部分には、底壁板部１１側に面する下端面１２ｂから突出して底壁板部１１を囲繞する平面視矩形環状の囲繞壁部１３が一体に形成されている。この囲繞壁部１３は、その内縁形状が底壁板部１１の平面視形状に対応していることで、周壁部１２に対する底壁板部１１の位置決めを容易としている。

また、底壁板部１１側に位置する周壁部１２の下端面１２ｂ側には、周壁部１２の内周面１２ｃから内側に突出する段差部１４が一体に形成されている。この段差部１４は、周壁部１２の下端面１２ｂと同一平面をなす下側段差面１４ｂと、底壁板部１１の上面１１ａの上方に位置して、周壁部１２の上端面１２ａよりも高さ位置が低い上側段差面１４ａとを有している。なお、この段差部１４は、周壁部１２の内周面１２ｃの周方向全体にわたって平面視環状に形成され、その内縁形状が平面視矩形状に形成されている。

各接続端子５は、導電性部材を断面視Ｌ字状に屈曲させて形成されている。そして、接続端子５のうち屈曲部分の一方側は、周壁部１２内において上方に延びるように配されると共に、その先端部分が周壁部１２の上端面１２ａ上に突出する外部端子部２１をなしている。また、接続端子５のうち屈曲部分の他方側は、周壁部１２内から段差部１４内に入り込むように延びて配され、半導体チップ２やセラミック基板３に電気接続するための内部端子板部２２をなしている。
内部端子板部２２は、図２〜４に示すように、その板厚方向の一端面２２ａが段差部１４の上側段差面１４ａから露出しており、この一端面２２ａにワイヤ６が接合されている。そして、周壁部１２の内周面１２ｃ及び段差部１４の上側段差面１４ａをなすモールド樹脂Ｒ１は、この内部端子板部２２の他端面２２ｂ及び側面２２ｃ全体、並びに一端面２２ａの周縁を一括して覆っている。

さらに詳述すれば、モールド樹脂Ｒ１のうち内部端子板部２２の一端面２２ａの周縁を覆う環状被覆部１５は、一端面２２ａからの厚さ寸法が一端面２２ａの周縁側から内側に向かうにしたがって次第に薄くなるように、断面楔形状に形成されている。これにより、段差部１４の上側段差面１４ａと内部端子板部２２の一端面２２ａの露出部分とが、環状被覆部１５の各辺の傾斜面（表面）１５ａによって連なっている。
なお、環状被覆部１５の断面楔形状は、例えば内部端子板部２２の一端面２２ａの周縁から内側のみに形成されてもよいが、図示例のように、一端面２２ａの周縁の外側まで延びるように形成されていることがより好ましい。

図１，２に示すように、セラミック基板３は、電気的な絶縁性を有する平面視矩形状のセラミック板３１の表面及び裏面に、導電性を有する配線パターン３２，３３，３４を形成して構成されている。ここで、セラミック板３１の表面には複数（図示例では２つ）の配線パターン３２，３３が形成されているが、これらは互いに電気的に絶縁されている。
以上のように構成されるセラミック基板３は、段差部１４の内縁との間に隙間が形成されるように底壁板部１１の上面１１ａに配され、半田（不図示）を介してセラミック板３１の裏面に形成された第三配線パターン３４を底壁板部１１の上面１１ａに接合することで底壁板部１１に固定されている。なお、図示例において、底壁板部１１の上面１１ａに対するセラミック基板３の高さ寸法は、段差部１４の高さ寸法よりも低く設定されているが、これに限ることは無く、例えば段差部１４の高さ寸法以上に設定されてもよい。

半導体チップ２は、半田（不図示）を介してセラミック板３１の表面に形成された第一配線パターン３２に接合されることでセラミック基板３に固定されている。この状態においては、半導体チップ２が第一配線パターン３２に電気接続され、また、セラミック板３１によって底壁板部１１と電気的に絶縁されている。
ワイヤ６には、半導体チップ２と各接続端子５とを直接電気接続するものと、第一配線パターン３２や第二配線パターン３３を介して半導体チップ２と接続端子５とを電気接続するものとがある。また、第一、第二配線パターン３２，３３と一部の接続端子５との間、あるいは、半導体チップ２と第二配線パターン３３との間には、複数のワイヤ６Ａが平行するように配列されている。これら複数のワイヤ６Ａは、ゲル状樹脂Ｒ２内に埋設された状態で隣り合うワイヤ６Ａ間において放電が発生しない程度の間隔をあけて配されている。

以上のように構成された半導体装置１を急激に加熱した場合には、内部端子板部２２とこれを覆うモールド樹脂Ｒ１との間に隙間が形成される。ここで、内部端子板部２２やこれを覆うモールド樹脂Ｒ１は、内部端子板部２２の板厚方向よりも面方向に沿って膨張収縮し易いため、内部端子板部２２の側面２２ｃとモールド樹脂Ｒ１との隙間は大きくなるものの、内部端子板部２２の一端面２２ａと環状被覆部１５をなすモールド樹脂Ｒ１との隙間は、内部端子板部２２の側面２２ｃとモールド樹脂Ｒ１との隙間と比較して非常に狭くなる。

特に、断面楔形状に形成された環状被覆部１５では、内部端子板部２２の一端面２２ａの周縁に位置する環状被覆部１５の基端部の厚さ寸法と比較して、一端面２２ａの周縁から内側に離れた環状被覆部１５の先端部の厚さ寸法が薄くなるため、半導体装置１を急激に加熱した際に環状被覆部１５の先端部が厚さ方向に膨張する割合は、環状被覆部１５の基端部と比較して小さくなる。したがって、半導体装置１を急激に加熱した際に内部端子板部２２の一端面２２ａと環状被覆部１５の先端部との間に生じる隙間は、一端面２２ａと環状被覆部１５の基端部との間に生じる隙間と比較してさらに小さくなる。

このため、内部端子板部２２の他端面２２ｂとモールド樹脂Ｒ１との間の気泡は、内部端子板部２２の側面２２ｃとモールド樹脂Ｒ１との隙間までは容易に移動できるものの、内部端子板部２２の一端面２２ａと環状被覆部１５との隙間、特に、内部端子板部２２の一端面２２ａと環状被覆部１５の先端部との隙間を通過し難くなる。すなわち、上記気泡が内部端子板部２２の一端面２２ａとモールド樹脂Ｒ１との隙間からゲル状樹脂Ｒ２側に侵入することを抑制することができる。

したがって、上記構成の半導体装置１によれば、上記気泡に起因する半導体装置１の電気的な信頼性低下を防ぐことができる。
具体的には、内部端子板部２２の一端面２２ａとゲル状樹脂Ｒ２との界面に気泡が現れることが無いため、例えば、内部端子板部２２の一端面２２ａとワイヤ６との接合状態が解消されることを防止できる。また、例えば、気泡によるゲル状樹脂Ｒ２の特性劣化に基づいてワイヤ６が断線することも防止できる。さらに、第一、第二配線パターン３２，３３と一部の接続端子５との間や、半導体チップ２と第二配線パターン３３との間にそれぞれ複数配列されたワイヤ６Ａ同士の間隔が狭くても、隣り合うワイヤ６が同一の気泡に含まれることは無いため、隣り合うワイヤ６間において放電が生じてワイヤ６が断線することも防止できる。
すなわち、本実施形態の半導体装置１によれば、電気的な信頼性向上を図ることができる。

また、本実施形態の半導体装置１によれば、内部端子板部２２の一端面２２ａとこれに連なる環状被覆部１５の傾斜面１５ａとの傾斜角度が鈍角となるため、ゲル状樹脂Ｒ２を充填する際に、内部端子板部２２の一端面２２ａと環状被覆部１５の傾斜面１５ａとの角部に充填不良が発生することを防止できる。

なお、上記実施形態において、内部端子板部２２の一端面２２ａの周縁を覆う環状被覆部１５の内縁は平面視矩形状に形成されているが、この場合には、例えば図５，６に示すように、環状被覆部１５の内縁角部を、一端面２２ａの内側に膨出する平面視扇状に形成することがより好ましい。なお、図示例においては、内縁角部の膨出部分１６が、環状被覆部１５の各辺の傾斜面１５ａに倣う円錐状に形成され、その円錐面１６ａが前記傾斜面１５ａに連なるように形成されている。

この構成によれば、環状被覆部１５の内縁角部の内角をより大きく形成することが可能となるため、ゲル状樹脂Ｒ２を充填する際に、内縁角部に充填不良が発生することを防止できる。特に、環状被覆部１５の内縁角部が、２つの傾斜面１５ａによって画成されたり、一端面２２ａ及び２つの傾斜面１５ａによって画成されたりする図３に示す構成と比較して、ゲル状樹脂Ｒ２の充填不良をより確実に防止できる。

また、内部端子板部２２の一端面２２ａの周縁を覆う環状被覆部１５は、その厚さ寸法が変化する断面楔形状に形成されていなくてもよく、例えば厚さ寸法が一定となるように形成されても構わない。
この構成でも、上記実施形態の場合と同様に、内部端子板部２２の他端面２２ｂとモールド樹脂Ｒ１との間の気泡は、内部端子板部２２の一端面２２ａと環状被覆部１５との隙間を通過し難いため、一端面２２ａと環状被覆部１５との隙間からゲル状樹脂Ｒ２側に侵入することを抑制できる。

さらに、環状被覆部１５の内縁は平面視矩形状に形成されるとしたが、任意の平面視形状に形成されていてよい。ただし、環状被覆部１５の内縁が平面視多角形状に形成されている場合には、前述したように、環状被覆部１５の内縁角部を、内部端子板部２２の一端面２２ａの内側に膨出する平面視扇状に形成することがより好ましい。
また、半導体チップ２やセラミック基板３、内部端子板部２２を互いに電気接続させる接続子は、ワイヤ６に限らず、例えば導電性を有する板状の接続板によって構成されてもよい。なお、ワイヤ６を接合させる半導体チップ２やセラミック基板３の表面、内部端子板部２２の一端面２２ａの高さ位置が異なる等している場合には、接続板の中途部を適宜屈曲させることで、接続板の各端部を半導体チップ２やセラミック基板３の表面、内部端子板部２２の一端面２２ａにそれぞれ接合することができる。

さらに、接続端子５は、導電性部材を断面視Ｌ字状に屈曲させて形成されるとしたが、少なくとも内部端子板部２２を備えていればよい。したがって、接続端子５は、例えば屈曲部分のない平板状に形成されると共に、その一部が周壁部１２の側部から収容ケース４の外側に突出するようにモールド樹脂Ｒ１に封止されていてもよい。
また、収容ケース４の底壁板部１１は、放熱板によって構成されるとしたが、半導体チップ２の放熱を考慮しない場合には、例えば周壁部１２と同様のモールド樹脂Ｒ１によって周壁部１２と一体に構成されてもよい。

さらに、上記実施形態においては、セラミック基板３を収容ケース４とは別個の構成として記載したが、例えばセラミック基板３は収容ケース４の構成に含まれていてもよい。また、半導体チップ２は、セラミック基板３を介して収容ケース４の底壁板部１１の上面１１ａ上に配されるとしたが、例えば底壁板部１１の上面１１ａに直接固定されてもよい。ただし、底壁板部１１が導電性を有する場合には、半導体チップ２と底壁板部１１とを電気的な絶縁性を有する接着剤等により固定することがより好ましい。
さらに、半導体チップ２、セラミック基板３及びワイヤ６を埋設する埋設樹脂は、ゲル状樹脂Ｒ２に限らず、エポキシ樹脂等のように、少なくとも電気的な絶縁性を有すると共に、半導体チップ２、セラミック基板３及びワイヤ６を収容ケース４内に配置した後に収容ケース４内に流し込むことが可能な樹脂であればよい。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

１半導体装置
２半導体チップ
４収容ケース
５接続端子
６ワイヤ（接続子）
１５環状被覆部
１５ａ傾斜面
１６膨出部分
１６ａ円錐面
２２内部端子板部
２２ａ一端面
２２ｂ他端面
２２ｃ側面
Ｒ１モールド樹脂
Ｒ２ゲル状樹脂（埋設樹脂）

Claims

半導体チップと、これを内部に収容する収容ケースと、当該収容ケースを構成するモールド樹脂に封止されると共に導電性の接続子を介して前記半導体チップに電気接続される接続端子と、前記収容ケースの内部に充填されて前記半導体チップ及び前記接続子を埋設する埋設樹脂とを備え、
前記接続端子は、板状に形成されると共に板厚方向の一端面に前記接続子が接合される内部端子板部を備え、
前記モールド樹脂が、前記内部端子板部の他端面及び側面全体、並びに、前記一端面の周縁を一括して覆い、
前記モールド樹脂のうち前記一端面の周縁を覆う環状被覆部が、前記一端面からの厚さ寸法が前記一端面の周縁から内側に向かうにしたがって薄くなるように、断面楔形状に形成され、
前記環状被覆部の内縁が、平面視多角形状に形成され、
当該環状被覆部の内縁角部が、前記一端面の内側に膨出する平面視扇状に形成されていることを特徴とする半導体装置。