JP5665572B2 - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
図1〜図4は、本発明の実施の形態1にかかる半導体装置の構成および半導体装置の製造方法並びに半導体装置の耐剥離性能を説明するための図である。図1は半導体装置の構成を説明するためのもので、図1(a)は半導体装置から封止体(破線)を除いた場合に上方から見たときの部分平面図、図1(b)は半導体装置の封止体を含めた図1(a)におけるA−A線の断面図、図1(c)は半導体装置の側面図である。また、図2は端子部材であるリードを被覆する被覆層の構成を説明するためのもので、図2(a)は半導体装置から封止体を除いた場合に上方から見たときの平面模式図、図2(b)は図2(a)における円B部分の拡大図、図2(c)は封止体を含めた半導体装置の図2(b)におけるC−C線の部分断面図、図2(d)は半導体装置の図2(a)における円B近傍部分を横から見たとき部分側面図である。また、図3は半導体装置の製造方法を説明するためのフローチャート、図4は被覆樹脂の被覆長さと剥離が生じたサイクル数、つまり耐剥離性能との関係を示すグラフである。以下、詳細に説明する。
つぎに、本発明の実施の形態1にかかる半導体装置の信頼性を評価するために、上記のような製造方法で様々な仕様(パラメータ)の半導体装置を作成して寿命評価試験を実施した。
封止樹脂は、線膨張係数を回路基板の線膨張係数に近づける(低下させる)ために、フィラを70体積%(あるいは、vol%と表記)まで充填したエポキシ樹脂(ガラス転移点Tg=170℃)を使用した。ただし、製造上は重量含有率(82wt%)で管理した。これにより、封止体1を構成する材料の線膨張係数αは14ppm/Kとなった。被覆樹脂は、封止樹脂に比べてリードフレームとの密着性を向上させるために、フィラ充填率を封止樹脂よりも低くした。試験サンプルごとの充填率や線膨張係数αの数値は、後述する表で示す。製造プロセスは、図2、図3で示すように、半導体素子3が接続されるとともに、一端が外部へ露出するリードフレーム4の該当部分に被覆層2を設けて硬化した後、トランスファモールドで半導体素子3を含む全体を封止樹脂によって封止し、パワー半導体装置10を得る。このとき、被覆層2は、リードフレーム4に沿って、封止体1(半導体装置10の外形部分)からはみ出す程度に厚さ約0.1mmで被覆されており、はみ出す長さは次工程の端子接続等に不都合がない範囲で特に限定されることはないが、封止体1に埋め込まれた(リードフレーム4と封止体1とで両面を挟まれた)部分の距離Lをさまざまに変化させた。
上記のような共通仕様と、サンプル毎に定められた仕様で作成したパワー半導体装置10に対し、所定数(1000回)のヒートサイクル試験(−40℃から200℃まで)を行い、リードフレーム4と被覆層2間で剥離が生じるか否かで寿命を評価した。また、作成した別のサンプルに対し、実際に半導体素子3に通電させて発熱させるパワーサイクル試験(半導体素子の上限温度を250℃まで)を実施し、被覆層2とリードフレーム4間で剥離が発生した回数をカウントし、カウントした回数を目標回数(今回のパラメータ試験では10万回に設定)で規格化して寿命を評価した。
つぎに、寿命評価を行った各試験サンプルの仕様について説明する。なお、試験サンプルで実施例と表記したものが、本パラメータ試験によって当該実施の形態にかかる半導体装置として規定する仕様に合致する試験サンプルであり、比較例と表記したものは、当該実施の形態にかかる半導体装置としての規定からはずれることになる試験サンプルである。
被覆層2を構成する被覆樹脂のフィラ含有率を25体積%(40wt%)まで充填したエポキシ樹脂(ガラス転移点Tg=170℃)を使用した。被覆層2を構成する樹脂材料の線膨張係数αは、リードフレーム4の線膨張係数の倍以上の45ppm/Kとなった。被覆層2を設けるリードフレーム4の幅を7mmとし、被覆層の長さLをパラメータとして試験した。各試験サンプルの条件とその評価結果を表1(実施例)および表2(比較例)に示す。(実施例1〜6、比較例1〜5)
被覆層の樹脂2の長さLを0.1mmとした。ヒートサイクルについては、所定回数内で剥離は発生しなかった。また、パワーサイクル試験においては、目標回数の1.2倍程度まで剥離は生じなかった。つまり、目標回数までは、剥離なしで動作できることを確認した。
被覆層の樹脂2の長さLを0.5mm(実施例2)〜10mm(実施例6)の間で設定した。どの被覆長さにおいてもヒートサイクルについては、所定回数内で剥離は発生しなかった。また、パワーサイクル試験においては、目標回数の1.4倍以上の回数まで剥離は生じなかった。さらに、被覆長さを1〜10mmの範囲(実施例2〜実施例6)に設定すれば、目標回数の1.5倍以上(1.6〜1.8倍)の回数まで剥離は生じなかった。つまり、被覆長さを0.5〜10mmの範囲に設定すれば、目標回数の1.4倍以上の回数までは、剥離なしで動作でき、さらに被覆長さを1〜10mmの範囲に設定すれば、目標回数の1.5倍以上の回数まで剥離なしで動作できることを確認した。
被覆層の樹脂2の長さLを上記実施例1〜6よりも短い0.05mm(比較例1)、0.08mm(比較例2)に設定した。いずれの被覆長さにおいてもヒートサイクルについては、所定回数内で剥離が生じた。また、パワーサイクル試験においては、目標回数の1割および4割の回数で剥離が発生した。つまり、被覆長さを0.1mmより短くすると、剥離によって寿命が短くなることを確認した。
被覆層の樹脂2の長さLを上記実施例1〜6よりも長い12mm(比較例3)〜25mm(比較例5)の間に設定した。いずれの被覆長さにおいてもヒートサイクルについては、所定回数内で剥離が生じた。また、パワーサイクル試験においては、目標回数の7割以下で剥離が発生し、被覆長さが長くなるほど早期に剥離が発生した。つまり、被覆長さを10mmより大きくすると、剥離によって寿命が短くなることを確認した。
被覆層2を構成する被覆樹脂と封止体1を構成する封止樹脂の構成は、パラメータ試験1と同じで、被覆層2を設けるリードフレーム4の幅Wが3mmのものを使用し、被覆層の長さLをパラメータとして試験した。なお、パラメータとしてはパラメータ試験1で得られた最適範囲と範囲外のうち、代表的な数値に絞って確認した。各試験サンプルの条件とその評価結果を表3に示す。(実施例7〜10、比較例6)
被覆層の樹脂2の長さLをパラメータ試験1で得られた範囲のうち、下限値(0.1mm:実施例7)と上限値(10mm:実施例10)、および好ましい範囲の低い値(1mm:実施例8)と高い値(5mm:実施例9)を選定して半導体装置を作成した。いずれの被覆長さにおいてもヒートサイクルについては、所定回数内で剥離は発生しなかった。また、パワーサイクル試験においては、好ましい範囲に相当する実施例8と9では、目標回数の1.5倍以上の回数まで剥離は生じなかった。
被覆層の樹脂2の長さLをパラメータ試験1で得られた範囲より長い12mmに設定した。この場合も、ヒートサイクルについては、所定回数内で剥離が生じた。また、パワーサイクル試験においては、目標回数に達する前に剥離が発生した。
上述したように、被覆層2を構成する樹脂(マトリクス樹脂)へのフィラ充填量は、封止樹脂のように高くする必要が無いので、封止体1のマトリクス樹脂としては不都合となる高粘度(フィラ充填性が悪くなる)な樹脂でも、被覆樹脂には適用可能となる。そのため、例えば、封止体1のマトリクス樹脂をさらに高分子量化した高Tg(ガラス転移点)樹脂や、多官能型やビフェニル骨格を有するTgの高くなる樹脂を被覆層2のマトリクス樹脂を用いることができる。この場合、被覆層2はリードフレーム4等の被着体との接着強度が高くなるだけでなく、耐熱性も向上するため、パワーサイクルなどのリードフレームから伝わる熱に対しての熱劣化も抑えることができる。熱劣化が抑えられることにより、被着体との密着強度低化が抑制できるだけでなく、被覆層2のうち、外気にさらされている(露出している)部分の酸化劣化も抑えることができ、例えば、封止樹脂表面層での電気特性の低化も抑制することが可能となる。そこで、本パラメータ試験では、封止層2のマトリクス樹脂にガラス転移点の高い樹脂種を用いたときに、耐剥離性能を有するか否かについての確認を行った。他の試験条件はパラメータ試験1の実施例5と同様である。各試験サンプルの条件とその評価結果を表4に示す。(実施例11、12)
本実施の形態2では、実施の形態1と異なり、半導体素子の能動面に接続され、他端が外部へ露出する板状の配線部材に対して被覆層を設けたものである。図5は、本実施の形態2にかかる半導体装置210を示す断面図(図1(b)に対してx方向の位置をずらしたものに相当)である。図において、半導体素子3は、実施の形態1で示したアルミニウムや金等のワイヤボンディングによる配線部材7の代わりに、銅のリード4sを直接半導体素子3の能動面の電極にはんだ8で接合するDLB(Direct Lead Bonding)方式で形成したものである。このように、半導体素子3に対して、伝熱面積の大きな銅リード4sによって配線する場合は、実施の形態1におけるリードフレーム4と同様に、発熱源である半導体素子3からの熱が直接伝わるので、他端が外部に露出するリードフレーム4sの露出部分から内部にいたる所定長さLの範囲が被覆層2で被覆されている。これにより、リード4sと封止体1で挟まれた被覆層2に対して、接着力の向上と歪み量の抑制を両立させることができるので、寿命信頼性の高い半導体装置210を得ることができる。
本実施の形態3では、実施の形態1や2と異なり、リードフレームが半導体素子に直接つながれたものではなく、半導体素子が接続されたヒートスプレッダに対して伝熱接合されている。図6は、本実施の形態3にかかる半導体装置310を示す断面図(図1(b)相当)である。図において、半導体素子3は、放熱性を目的とし、電極部材を兼ねたヒートスプレッダ11に搭載されており、ヒートスプレッダ11とリードフレーム4eが伝熱面積を確保して接合(伝熱接合)されている。このような構成においても、他端が外部に露出するリードフレーム4eの露出部分から内部にいたる所定長さLの範囲が被覆層2で被覆されている。これにより、リード4eと封止体1で挟まれた被覆層2に対して、接着力の向上と歪み量の抑制を両立させることができるので、寿命信頼性の高い半導体装置310を得ることができる。
5 絶縁シート(回路基板)、 6 金属箔(または金属膜)、 7 ワイヤ(内部配線部材)、 8 はんだ(接合材)、 9 リード(端子部材)、 10 半導体装置、
11 ヒートスプレッダ(伝熱部材/電極部材)、
Be 封止端(露出部分と封止部分の境界)、 L 被覆長さ、 Pc 被覆層の範囲を設定する所定位置、
百位の数字は実施の形態による違いを示す。
Claims (9)
- 半導体素子と、
前記半導体素子、または前記半導体素子が接合された電極部材に一端部が接合され、他端が外部機器と電気接続される端子部材と、
樹脂にフィラを充填し、当該樹脂の線膨張係数よりも前記半導体素子の線膨張係数に近い線膨張係数を有するようにフィラ充填率を調整した材料で構成され、前記端子部材の一端部とともに前記半導体素子を封止する封止体と、
前記端子部材よりも断面積が小さいボンディングワイヤを介して、一端部が前記封止体の中で前記半導体素子と電気接続され、他端が前記封止体から露出する第二端子部材と、を備え、
前記端子部材と前記第二端子部材のうち、前記端子部材のみには、前記封止体のフィラ充填率よりもフィラ充填率の低い樹脂材料で構成され、前記封止体による封止端を含み、前記封止端近傍部分から前記一端部に向かう前記一端部に達しない所定位置までの範囲を被覆する被覆層が形成されていることを特徴とする半導体装置。 - 前記封止端から前記所定位置までの長さが0.1〜10mmとなるように設定されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記封止端から前記所定位置までの長さが1〜5mmとなるように設定されていることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
- 前記封止体を構成する材料に、エポキシ樹脂が用いられることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記被覆層を構成する材料に、エポキシ樹脂が用いられることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記被覆層を構成する材料に、ポリイミド系樹脂またはポリアミド系樹脂が用いられることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 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1ないし6のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 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7に記載の半導体装置。
- 半導体素子、または半導体素子が接合された電極部材に、他端が外部機器と電気接続される端子部材の一端部を接合する工程と、
他端が外部機器と電気接続される第二端子部材の一端部を、前記端子部材よりも断面積が小さいボンディングワイヤを介して、前記半導体素子と電気接続する工程と、
樹脂にフィラを充填し、当該樹脂の線膨張係数よりも前記半導体素子の線膨張係数に近い線膨張係数を有するようにフィラ充填率を調整した材料を用い、前記端子部材および前記第二端子部材の一端部とともに前記半導体素子を封止する封止体を形成する工程と、を含み、
少なくとも前記封止体を形成する工程の前に、
前記端子部材と前記第二端子部材のうち、前記端子部材のみに、前記封止体のフィラ充填率よりもフィラ充填率の低い樹脂材料で構成され、前記封止体による封止端を含み、前記封止端近傍部分から前記一端部に向かう前記一端部に達しない所定位置までの範囲を被覆する被覆層を形成する工程を実施することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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