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Semiconductor device
JP6057926B2
Japan
- Other languages
Japanese - Inventor
万里子 ▲高▼原 万里子 ▲高▼原 和弘 多田 和弘 多田 範之 別芝 範之 別芝 - Current Assignee
- Mitsubishi Electric Corp
Description
translated from Japanese
この発明は、電力用半導体素子を実装した半導体装置、特に大容量で高温で動作する半導体装置の実装構造に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device mounted with a power semiconductor element, and more particularly to a mounting structure of a semiconductor device that operates at a high temperature with a large capacity.
従来のケース型の半導体装置は、一般にシリコーンゲルにてケース内の半導体素子周辺が封止されている。一方、エポキシ封止はチップ周辺を硬い樹脂で拘束することからヒートサイクルやパワーサイクル信頼性が高い。しかし、エポキシ樹脂は硬いことから界面に発生する応力が高く、剥離やクラックという問題が発生するため、構造の制約が非常に多い。 In a conventional case type semiconductor device, the periphery of a semiconductor element in a case is generally sealed with silicone gel. On the other hand, epoxy sealing has high heat cycle and power cycle reliability because the periphery of the chip is constrained by a hard resin. However, since the epoxy resin is hard, the stress generated at the interface is high, and the problem of peeling or cracking occurs, so the structure is very limited.
特許文献1に記載されている半導体装置は、半導体素子と外部との電気接続は、半導体素子の主電極への接続のための主端子、および半導体素子の制御電極や半導体装置内部に設けられたセンサ類への接続のための信号端子ともケース材を介するインサートケースを用いている。このインサートケースを作製する際には、高温の溶融した熱可塑性樹脂を、端子をセットした金型内に注入して、冷却することで作製している。主端子は大電流を流す必要があることから、体積抵抗の小さい銅が一般的に用いられている。しかし、電力用の半導体装置に用いるようなケース材は耐熱性の高い材料が用いられており、300℃前後の高温の樹脂が金型内に注入して成型されている。銅は高温下では酸化しやすいため、このような高温での成型を行うと表面が酸化するため、ニッケルメッキを施した銅材を用いることが多い。
In the semiconductor device described in
また、特許文献2に記載されている半導体装置は、半導体素子が接合された半導体素子基板の絶縁基板が露出する部分を、半導体素子を覆う封止樹脂よりも弾性率の小さい応力緩和接着層で覆うことで、封止樹脂の剥離を抑えるようにしている。また、特許文献1と同様、半導体素子と外部との電気接続は、主端子、信号端子ともにケースに設けた端子を介して行っている。
In addition, in the semiconductor device described in
しかしながら、エポキシ樹脂で封止する場合、ニッケルメッキを施した銅材に対してエポキシ樹脂は接着性が低いという問題がある。接着性が低いとヒートサイクルの際に剥離が発生しやすく、剥離がワイヤボンド接続部の寿命を短くすることに課題がある。 However, when sealing with an epoxy resin, there exists a problem that an epoxy resin has low adhesiveness with respect to the copper material which gave nickel plating. If the adhesiveness is low, peeling is likely to occur during the heat cycle, and peeling has a problem in shortening the life of the wire bond connecting portion.
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、ケース内部を封止樹脂で覆う構造の半導体装置において、ヒートサイクル信頼性が高い装置を得ることを目的としている。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to obtain a device having high heat cycle reliability in a semiconductor device having a structure in which the inside of a case is covered with a sealing resin.
この発明は、絶縁基板の片面に表面電極が、および絶縁基板の他の面に裏面電極が、それぞれ形成された半導体素子基板と、表面電極の絶縁基板とは反対側の面に接合材を介して固着された半導体素子と、表面電極に接合された第1の主端子および半導体素子の表面
電極とは反対側の面に接合された第2の主端子と、少なくとも半導体素子を内側に含むように設けられ、電気信号の入出力を行うための信号端子が一体成型されたケースと、ケースの内部を、少なくとも半導体素子を覆うように封止する封止樹脂とを備えた半導体装置において、第1の主端子および第2の主端子は封止樹脂を貫通して封止樹脂の外部に露出するとともに、信号端子の材料が第1の主端子および第2の主端子の材料と異なるようにしたものである。
The present invention provides a semiconductor element substrate having a surface electrode on one surface of an insulating substrate and a back electrode on the other surface of the insulating substrate, and a bonding material on a surface of the surface electrode opposite to the insulating substrate. A first main terminal bonded to the surface electrode, a second main terminal bonded to the surface opposite to the surface electrode of the semiconductor element, and at least the semiconductor element inside In a semiconductor device comprising: a case in which signal terminals for inputting and outputting electrical signals are integrally molded; and a sealing resin that seals the inside of the case so as to cover at least the semiconductor element. The first main terminal and the second main terminal pass through the sealing resin and are exposed to the outside of the sealing resin, and the material of the signal terminal is different from the material of the first main terminal and the second main terminal. It is a thing.
この発明によれば、主端子をケースに設けず、信号端子の材料を主端子の材料と異なる材料としたため、信号端子の材料の選択範囲が広がって、封止樹脂との接着性が高く、ヒートサイクル寿命を支配するワイヤボンドの接続部となる信号端子と封止樹脂界面の剥離を抑制できる材料の選択が可能となる。したがって、ヒートサイクル信頼性の高い半導体装置を得ることができる。 According to the present invention, the main terminal is not provided in the case, and the material of the signal terminal is different from the material of the main terminal. Therefore, the selection range of the material of the signal terminal is expanded, and the adhesiveness with the sealing resin is high. It is possible to select a material that can suppress the separation of the interface between the signal terminal and the sealing resin, which is a wire bond connecting part that dominates the heat cycle life. Therefore, a semiconductor device with high heat cycle reliability can be obtained.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1による半導体装置の構成を示す側面断面図である。図1において、セラミックスなどの絶縁基板3aの片面には、パターンを有さない単一の表面電極3bが形成され、他の面には、やはりパターンを有さない単一の裏面電極3cが形成されている。表面電極3bおよび裏面電極3cは銅などの導電性材料の薄板である。表面電極3bおよび裏面電極3cが形成された絶縁基板3aを、ここでは半導体素子基板3と称する。半導体素子基板3の表面電極3bの絶縁基板3aとは反対側の所定の位置に、半導体素子1a、1bが導電性の接合材2を用いて固定され、半導体素子1aの一方の主電極と半導体素子1bの一方の主電極が電気的に接続される。ここで、半導体素子1aは例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect-Transistor)のようなスイッチング素子である。半導体素子1bは例えばスイッチング素子と並列に接続される還流ダイオードである。
FIG. 1 is a side sectional view showing a configuration of a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 1, a
スイッチング素子である半導体素子1aのゲート電極や、電流センサあるいは温度センサといったセンサ類などの電気信号の入出力を行う信号端子6がケース4と一体成型されて設けられている。信号端子6と半導体素子1aのゲート電極やセンサ類との信号伝送のための電気的な接続はボンディングワイヤ7により行われる。また、半導体素子1a、1bの表面電極3bとの接合面との反対側の面に形成された主電極(他方の主電極)には、第2の主端子5bとなる金属板が導電性の接合材8を用いて固定されるとともに電気的に接続される。一方、表面電極3bには第1の主端子5aが接合材を用いて電気的に接続される。第1の主端子5aと第2の主端子5bをまとめて主端子5と称することもある。第1の主端子5aと第2の主端子5bは、外部からこれらの端子を通じて半導体素子1aや
1bが制御する電力用の電流を、半導体素子1aや1bに流すための端子である。
A
ケース4は、接着剤を介して表面電極3bの周辺部上に固定されている。半導体素子1a、1bや配線部材であるボンディングワイヤ7や主端子5を含めて、ケース4の内部が封止樹脂9で封止されている。ただし、配線部材のうち第1の主端子5aおよび第2の主端子5bは、外部との電気的接続を行うために封止樹脂9を貫通して上部が封止樹脂9から露出している。
つぎに、各部材の詳細について説明する。半導体素子1a、1bは、シリコーン(Si)を基材とした一般的な素子でも良いが、本発明は、より高温で動作する半導体素子に適用したときに好適な構造を目指している。半導体素子1a、1bが、例えば炭化ケイ素(SiC)や窒化ガリウム(GaN)系材料、またはダイヤモンドといったシリコーンと較べてバンドギャップが広い、いわゆるワイドバンドギャップ半導体材料の半導体素子、特に炭化ケイ素を用いた半導体素子に本発明は好適である。デバイス種類としては、特に限定しないが、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect-Transistor)のようなスイッチング素子、またはダイオードのような整流素子が考えられる。
Next, details of each member will be described. The
例えば半導体素子1aがMOSFETの場合、半導体素子1aの表面電極3b側の面にはドレイン電極が形成されている。ドレイン電極と反対側(図1では上側)の面には、ゲート電極やソース電極が、領域を分けて形成されている。なお、ドレイン電極の表面には接合材との接合を良好とするための複合金属膜が形成されている。ソース電極の表面にも、厚さ数μmの薄いアルミニウムなどの電極膜やチタン、モリブデン、ニッケル、金などの薄膜層が形成されている。
For example, when the
半導体素子基板3の表面電極3bおよび裏面電極3cとも、パターンが形成されていないべた状の導電性材料である。図2に、半導体素子基板3の上面図、すなわち表面電極3b側から見た図を示す。図2に示すように、表面電極3bにはパターンが形成されておらず、周辺部以外は絶縁基板3aが露出していない。半導体素子基板3のコア材となる絶縁基板3aとしては、伝熱性に優れた窒化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素、酸化アルミニウム(アルミナ)などのセラミックス材料を用いることができる。表面電極3bおよび裏面電極3cは、銅、アルミニウムなどの導電性材料またはそれらを主成分とする合金材料からなり、ろう材などで絶縁基板3aに対して接合されている。そして表面電極3bおよび裏面電極3cの表面には、酸化防止や接合材料の濡れ性を考慮して、ニッケルなどのめっき被膜が形成されている場合がある。表面電極3bと裏面電極3cとを絶縁基板3aに対して対称に形成することで、半導体素子基板3の反りを抑制することができ、半導体素子1aおよび1bの接合材2を用いての実装が容易となる。
Both the
図3に、図1に示した半導体装置のうち、封止樹脂9を取り除いた上面図を示す。ケース4が表面電極3b上に形成されているため、ケース4内の半導体素子基板3には、絶縁基板3aが露出している部分が無い。従って、ケース4内を封止樹脂9で封止したとき、封止樹脂9が絶縁基板3aと接触する部分が無い。このため、封止樹脂9を、半導体素子基板3全体としての熱膨張係数に近い熱膨張係数としておくことで、ヒートサイクルによる剥離が生じ難くなる。本発明の半導体装置に対し、例えば特許文献1の半導体装置では、表面電極にパターンが形成されており、封止樹脂と絶縁基板であるセラミックスが直接接する部分が存在するため、ヒートサイクルによりこの部分に剥離が生じる恐れがあった。
FIG. 3 shows a top view of the semiconductor device shown in FIG. 1 with the sealing
また、例えば、特許文献1など従来の半導体装置では、半導体素子の大電流が流れる主電極と半導体装置外部との接続のための端子を、ケースに設け、この端子と主電極との間をパターンが形成された表面電極を介してボンディングワイヤなどにより接続していた。一方、図1の半導体装置では、表面電極3bにパターンを形成していないため、半導体素子1aや1bの大電流が流れる主電極と半導体装置外部との接続のための端子を、表面電極のパターンを介さず、またケース4に設けた端子とせず、表面電極3bから封止樹脂9を貫通して直接引き出す第1の主端子5aとして設けた。また、半導体素子1aや1bの他方の主電極から外部に引き出すための端子も、表面電極を介さず、またケース4に設けた端子とせず、封止樹脂9を貫通して直接引き出す第2の主端子5bとして設けた。
Further, for example, in a conventional semiconductor device such as
接合材2や接合材8としては、はんだや、例えば銀を主成分とする焼結性フィラーやろう材、錫中に銅を分散した材料といった、熱伝導性が良く導電性の接合材料が適用できる。配線部材としてのボンディングワイヤ7の材質として、アルミニウム、銅、金などがあげられる。配線部材としての主端子5は、大電流が流れることから導電性のよい金属が用いられる。中でも、銅材が電気抵抗、加工性やコストの点から最適である。銅材は酸化防止の点から、ニッケルメッキを施していてもよいが、ニッケルメッキは封止樹脂9との接着性に劣ることから、酸化しないように扱いメッキを施さないことが好ましい。
As the
例えば特許文献1や特許文献2に記載されているように、ケース内を封止樹脂でモールドする構成の半導体装置にあっては、従来は半導体素子の主電極に接続する配線は、ケースに主端子を設けて外部と接続する構成になっていた。一方、信号端子も従来からケースに設けられていた。主端子は大電流が流れるため導電率が高い銅を用いる必要がある。このため、端子としては信号端子を含めて銅を用いることが当然のように行われていた。本発明では、主端子をケースに設けず、表面電極3bや半導体素子1a、1bの主電極に電気接続した主端子の部材が直接封止樹脂9を貫通して封止樹脂9から露出する構成にした。これにより、ケースに設ける端子が信号端子のみとなり、信号端子の材料として大電流を考慮する必要がなく、耐酸化性や樹脂との間の耐剥離性などに基づいて主端子とは別の材料を選択できる状況を作り出すことができた。
For example, as described in
以上のように、配線部材としての信号端子6は、主端子5のように大電流が流れることはない。一方、信号端子6はケース4と一体成型するため、ケース4成型時の300℃前後の高温下で表面状態が変化しないことが必要である。そのため、銅材を使用する場合は、300℃の高温下では表面の酸化が激しく、酸化防止として表面にニッケルメッキを施す必要がある。しかし、ニッケルメッキとエポキシ樹脂との相性は悪く、ヒートサイクル時に剥離が発生してボンディングワイヤ7接合部に剥離が進展してボンディングワイヤ7の切断を引き起こし、モジュールの寿命が短くなるという問題がある。そこで、300℃での高温下でも酸化しない銅以外の材料、具体的には鉄ニッケル合金や鉄ニッケルコバルト合金のように鉄とニッケルを含む合金を用いる。鉄ニッケル合金としては、ニッケルの含有率が42重量%の42アロイやニッケルの含有率が50重量%の材料があげられる。鉄ニッケルコバルト合金としては、ニッケル29重量%コバルト16%のコバールがあげられる。中でも鉄ニッケル合金としてニッケルの含有率が42重量%である42アロイはICのリードフレーム材として用いられており封止樹脂9との接着強度も高いので、本発明の信号端子6の材料として好適である。
As described above, the
ケース4は信号端子6と一体成型され、封止樹脂9を注入する際に樹脂漏れを防止するために設ける。ケース4の材料としては、少なくとも封止樹脂9の硬化温度や、半導体素子1a、1bが動作する際の半導体装置の温度以上の融点を有する樹脂材であれば良い。この条件を満足する材料として、通常ケースとして良く用いられるポリp−フェニレンサルファイド樹脂(PPS)やポリブチレンテレフタレート樹脂(PBT)、ナイロン樹脂、液晶ポリマー(LCP)などがある。
The
封止樹脂9の材料は、室温で液体の性状を示すエポキシ系などの熱硬化性樹脂に、溶融シリカなどのセラミックス粒子・繊維等のフィラーを混入し、硬化後の熱膨張係数や弾性率を調整した材料である。注入の際は、硬化反応が起こらない温度範囲で、加温して流動性を良くして注入することができる。封止樹脂9の硬化後の熱膨張係数を、半導体素子基板3の熱膨張係数に近い熱膨張係数とすることで、界面に発生する応力を低減でき界面剥離や樹脂破断を防止でき、モジュールの信頼性を向上させることができる。絶縁基板3aの熱膨張係数は、窒化アルミニウムが4.5ppm/K、窒化ケイ素が3ppm/K、酸化アルミニウムが7.3ppm/Kであり、表面電極3bや裏面電極3cの熱膨張係数は、銅が17ppm/K、アルミニウムが24ppm/Kである。したがって、絶縁基板3aと表面電極3bおよび裏面電極3cの厚み構成にもよるが、絶縁基板3aに表面電極3bおよび裏面電極3cが接合された半導体素子基板3全体としての熱膨張係数は、7〜15ppm/Kとなる。したがって、封止樹脂9のガラス転移温度以下の熱膨張係数も7〜15ppm/Kであることが望ましい。
The material of the sealing
以上説明したように、本発明の実施の形態1による半導体装置は、ケース4に設けた、電気信号のみを伝え、大電流を流す必要が無い信号端子6の材料を、ケースに設けない主端子5の材料である銅以外の材料とした。特に、信号端子6の材料を鉄ニッケル合金や鉄ニッケルコバルト合金のように鉄とニッケルを含む合金とすれば、ケース材、封止樹脂それぞれとの密着性を両立することが可能となり、信号端子とケース材、封止樹脂との剥離を防止でき、耐ヒートサイクル性や耐パワーサイクル性が高く、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。また、表面電極3bにパターンを形成せず、封止樹脂9と半導体素子基板3の絶縁基板3aとが直接接する部分が無ため、封止樹脂9が半導体素子基板3から剥離し難い。また、表面電極3bにパターンを形成せずに、表面電極3bに電気的に接続された第1の主端子5aを、封止樹脂9を貫通させて封止樹脂9の外部に露出させる構成にした。また、半導体素子1aや1bの、表面電極3bに接合された側と反対側に形成された主電流を流すための主電極に電気的に接続された第2の主端子5bも封止樹脂9を貫通して封止樹脂9の外部に露出させる構成にした。従来は主端子がケースと一体成型されていたのに対し、本発明の実施の形態1による半導体装置では、主端子をケースに設けず封止樹脂9から直接露出する構成としたので、配置の自由度が増し、ケース成型時の高温による主端子の酸化を考慮しなくてもよいというメリットがある。
As described above, in the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, the main terminal provided in the
実施の形態2.
図4に、本発明の実施の形態2による半導体装置の構成を示す。図4に示す半導体装置の構成は、図1の半導体装置と概ね同じであるが、表面電極31bにパターンが形成されており、半導体素子1a、1bの上面の主電極は、ボンディングワイヤ70を介して第2の主端子5cが固定された表面電極31bに形成されたパターン32と電気的に接続している。これ以外の構成は、図1の構成と同じである。
FIG. 4 shows the configuration of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. The configuration of the semiconductor device shown in FIG. 4 is substantially the same as that of the semiconductor device of FIG. 1, but a pattern is formed on the
図4の構成の半導体装置においても実施の形態1と同様、主端子5はケース4に設けず、封止樹脂9を貫通して直接引き出す第1の主端子5a、および第2の主端子5cとして設けた。一方、信号端子6はケース4と一体成型され、半導体素子1aのゲート電極やセンサ類と信号端子6との電気的な接続はボンディングワイヤ7により行われる。この構成においても、実施の形態1と同様、信号端子6は、主端子5と同じ銅ではなく、銅以外の材料、具体的には鉄およびニッケルを含む合金としたため、ケース材、封止樹脂それぞれとの密着性を両立することが可能となり、信号端子6とケース材、封止樹脂との剥離を防止でき、耐ヒートサイクル性や耐パワーサイクル性が高く、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
Also in the semiconductor device having the configuration shown in FIG. 4, as in the first embodiment, the
実施の形態3.
図5は、この発明の実施の形態3による半導体装置の構成を示す側面断面図である、本実施の形態3による半導体装置は、図1に示した半導体装置を内部モジュール20として、内部モジュール20を複数放熱板10の一面に配置したものである。放熱板10の周辺部に設けた第2のケース12の内部を第2の封止樹脂13で封止する構造になっている。また、封止樹脂9を貫通して封止樹脂9の外部に取り出された主端子5は、第2の封止樹脂13も貫通して第2の封止樹脂13の外部に露出させる構成となっている。なお、図5では、図1に示した半導体装置を内部モジュールとして複数放熱板の一面に配置したものを示したが、実施の形態2の図4に示した半導体装置を内部モジュールとして複数放熱板の一面に配置しても良い。
FIG. 5 is a side cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. The semiconductor device according to the third embodiment uses the semiconductor device shown in FIG. Are arranged on one surface of the plurality of
図5において、金属製の放熱板10は、熱伝導性の良い金属材料、例えば銅の板材で構成されている。銅が主成分であれば良く、銅以外の金属を含有していても構わない。また、軽量で熱伝導性の高いアルミニウムまたはその合金でもよい。放熱板10は接合材11を介して半導体素子基板3の裏面電極3cと接合している。放熱板10と裏面電極3cとの接合材11は、半導体素子1と表面電極3bとの接合材と同様に熱伝導性の良いはんだや、例えば銀を主成分とする焼結性フィラーやろう材を用いることもできる。さらに、熱伝導性の良い絶縁性の接着剤でも構わない。
In FIG. 5, the
第2のケース12は、放熱板10と接着剤等で固定されている。第2のケース12は硬化前の第2の封止樹脂13を注入する際に樹脂漏れを防止するために設けている。第2のケース12の材料としては実施の形態1においてケース4で説明した材料と同じものを用いることができる。第2の封止樹脂13は、硬化前に室温で流動性を示す樹脂であれば良いが、大型のモジュール全体を封止するとともに、硬化後、発生応力が大きくならないよう、封止樹脂9よりも弾性率が小さいシリコーン系やウレタン系の軟らかい樹脂が良い。
The
半導体素子基板3の沿面の絶縁性の確保は、軟らかい第2の封止樹脂13で行う。もし、エポキシ系の封止樹脂で覆った場合、半導体素子基板と銅やアルミニウムからなる放熱板10とは熱膨張係数が異なることから、発生応力をエポキシ系の封止樹脂吸収できなく、剥離や樹脂クラックなどの問題を引き起こす。そこで、封止樹脂の弾性率よりも小さい弾性率、すなわち軟らかい第2の封止樹脂13で応力低減を図っている。
The insulation of the creeping surface of the
以上の半導体装置の動作について説明する。半導体装置を駆動させると、半導体素子1a、1bをはじめとする半導体装置内の様々な素子に電流が流れ、その際に電気抵抗成分やスイッチングによる電力ロスが熱に変換され発熱する。このとき半導体素子1a、1bとして、SiCのような高温動作が可能な半導体材料の半導体素子を用いると、電流が大きく、動作時の半導体素子1a、1b周辺の温度は300℃にまで達する。半導体素子周辺の温度上昇に伴い半導体装置全体の温度も上昇する。この温度上昇により信号端子6とボンディングワイヤ7が接続される部分が剥離してしまうと、電気信号が途絶え、半導体装置として機能しなくなってしまう。しかし、本発明による半導体装置では、信号端子6が主端子5の材料である銅とは異なる材料、具体的には鉄およびニッケルを含む材料で作製されているため、ケース材、封止樹脂それぞれとの密着性を両立することが可能となる。特に信号端子6とボンディングワイヤ7が接続される部分であり封止樹脂9と接する部分での剥離が抑制される。また、半導体素子1a、1b、配線部材であるボンディングワイヤ7や主端子5等の回路部材を含む半導体素子基板の回路面側をエポキシ系からなる封止樹脂9により拘束し、しかも、封止樹脂9の熱膨張係数を半導体素子基板の熱膨張係数に近くなるように調整しているので、半導体素子基板や回路部材に対する熱応力の発生を抑えることができる。したがって、放熱特性に優れ、信頼性の高い半導体装置を得ることが可能となる。
The operation of the above semiconductor device will be described. When the semiconductor device is driven, current flows through various elements in the semiconductor device including the
実施の形態4.
図6は、本発明の実施の形態4による半導体装置の構成を示す側面断面図である。実施の形態4による半導体装置は、42アロイなど鉄およびニッケルを含む合金を用いた信号端子6と一体成型されたケース4が接着剤を介して放熱板10と接合されている。放熱板10は接合材11を介して半導体素子基板3の裏面電極3cと接合している。また、ケース4の内部は封止樹脂9で封止されている。さらに、実施の形態1と同様、表面電極3bにはパターンが形成されておらず、表面電極3bと裏面電極3cとは絶縁基板3aに対して対称に設けられている。表面電極3bに接続された第1の主端子5aは封止樹脂9を貫通して封止樹脂9の外部に露出している。また、半導体素子1a、1bの表面電極3bと反対側の面の主電極に接続された第2の主端子5bも封止樹脂9を貫通して封止樹脂9の外部に露出している。
FIG. 6 is a side sectional view showing the configuration of the semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention. In the semiconductor device according to the fourth embodiment, the
放熱板10は、実施の形態3と同様に、熱伝導性の良い金属材料、例えば銅の板材で構成されている。また、軽量で熱伝導性の高いアルミニウムまたはその合金でもよい。ただし、本実施の形態4の構造では、絶縁基板、封止樹脂、接合材、放熱板の熱膨張係数の違いから、ヒートサイクル時に樹脂割れが発生しないよう、例えば放熱板を比較的熱膨張係数の小さいAl−SiC(熱膨張係数≒10〜16ppm / K)などのアルミニウム合金を用いるのがよい。封止樹脂9は、実施の形態1と同様エポキシ樹脂を用いればよい。
As in the third embodiment, the
実施の形態4の半導体装置は、信号端子6を通常銅製である主端子5とは別の材料、特に鉄ニッケル合金や鉄ニッケルコバルト合金などの鉄およびニッケルを含む合金を用いることで、ケース材、封止樹脂それぞれとの密着性を両立することが可能となる。よって、信号端子とケース材、封止樹脂との剥離を防止でき、ヒートサイクル性やパワーサイクル性の信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
In the semiconductor device of the fourth embodiment, the
実施の形態5.
図7は、本発明の実施の形態5による半導体装置の構成を示す側面断面図である。実施の形態5による半導体装置は、表面電極33bと放熱板10とが絶縁シート14を介して接合されている。
FIG. 7 is a side sectional view showing the structure of the semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention. In the semiconductor device according to the fifth embodiment, the
絶縁シート14は、例えば、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂の中に熱伝導性の良い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。この絶縁シート14は放熱性が重要となり、放熱性を高めるためには熱伝導性の高い無機粉末充填材を用いることが有効である。例えば、結晶シリカ、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使用することができる。
As the insulating
本実施の形態5による半導体装置は、放熱板10上に絶縁シート14、表面電極33bが一体となった金属基板の絶縁シート上にケース4を接着させ、接合材を介し半導体素子1a、1b、および第1の主端子5a、第2の主端子5bを接合する。その後、ケース4の内部を封止樹脂9で封止する。第1の主端子5a、および第2の主端子5bは、外部との電気的接続を行うために封止樹脂9を貫通し、封止樹脂9から露出している。
In the semiconductor device according to the fifth embodiment, the
実施の形態5の半導体装置は、実施の形態1〜4と同様、信号端子6を主端子5とは別の材料である鉄およびニッケルを含む合金を用いることで、ケース材、封止樹脂それぞれとの密着性を両立することが可能となり、信号端子とケース材、封止樹脂との剥離を防止でき、ヒートサイクル性やパワーサイクル性の信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
As in the first to fourth embodiments, the semiconductor device according to the fifth embodiment uses an alloy containing iron and nickel, which are different materials from the
また、実施の形態5の半導体装置は、樹脂ベースである絶縁シートを使用しているため、線膨張係数が絶縁基板よりも封止樹脂や放熱板と近く、セラミックスを使用する時に比べ、ヒートサイクルによる樹脂割れを防ぐことができる。 Further, since the semiconductor device of the fifth embodiment uses an insulating sheet that is a resin base, the linear expansion coefficient is closer to the sealing resin and the heat radiating plate than the insulating substrate, and the heat cycle is higher than when ceramics are used. Can prevent resin cracking.
実施例.
図6に示した実施の形態4の構造の半導体装置を作製し、ヒートサイクル信頼性試験に投入した。信号端子6に本発明の材料の一例として42アロイを用いたものと、比較例として銅にニッケルメッキを施したものを、放熱板10の材料として、銅、アルミニウム、Al−SiCを用いたものを作製し試験対象とした。
Example.
A semiconductor device having the structure of the fourth embodiment shown in FIG. 6 was fabricated and put into a heat cycle reliability test. What used 42 alloy as an example of the material of the present invention for the
まず、半導体装置の具体的な構成について説明する。窒化ケイ素からなる絶縁基板3a(40mm×20mm、厚み0.32mm)表面に0.5mm厚のべた状の銅製の表面電極3bおよび裏面電極3cを形成して半導体素子基板3とする。半導体素子1として、15mm×15mm、厚み0.25mmのIGBTチップと15mm×10mm、厚み0.25mmのダイオードチップ各1個を、半田接合材2を用いて、半導体素子基板3に接合する。銅製(ニッケルメッキなし)の第1の主端子5aおよび第2の主端子5bも半田接合材を用いて接合する。
First, a specific configuration of the semiconductor device will be described. A
比較例としては銅にニッケルメッキを施した信号端子6を、本発明の実施例としては42アロイ製の信号端子6を一体成型したPPS製のケース4をシリコーン系の接着剤を用いて半導体素子基板3の表面電極3b上に接合する。次に、0.15mm径のアルミニウムからなるボンディングワイヤ7で電気配線を行う。
As a comparative example, a
その後、半導体素子基板3を放熱板10の所定位置に半田接合材11を用いて接合する。次に、室温で液状である硬化前のエポキシ系の封止樹脂9をケース4内に注入する。封止樹脂9の硬化を行う。
Thereafter, the
この半導体装置を−40℃から125℃(各30分間保持)のヒートサイクル信頼性試験に投入し、500サイクル毎に取り出し、外観上の損傷、半導体素子1a、1bの動作、半導体素子基板3の絶縁試験(2.5kV、1分間印加)を実施して問題ないかを確認した。
This semiconductor device is put into a heat cycle reliability test at −40 ° C. to 125 ° C. (held for 30 minutes each), taken out every 500 cycles, damaged in appearance, the operation of the
上述のように、信号端子6に本発明の材料の一例として42アロイを用いたものと、比較例として銅にニッケルメッキを施したものを、また、放熱板10の材料として、銅、アルミニウム、Al−SiCを用いたものを作製した。図8に、500サイクル毎のヒートサイクル信頼性試験の結果を示す。信号端子6として、42アロイを用いた方が、銅を用いたものより信頼性結果が良好である。信頼性試験の目標として1500サイクルとした場合、信号端子6として42アロイを用いたものは放熱板の種類に関わらず全て目標を満足することになる。鉄およびニッケルを含む他の合金も、ケース成型時の高温による耐酸化性、およびケース材、封止樹脂それぞれとの密着性において42アロイと同じような性質を示すため、銅と比較して良好な特性を示すものと考えられる。
As described above, a
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、あるいはその構成要件を省略したりすることが可能である。 In the present invention, it is possible to freely combine the respective embodiments within the scope of the invention, to appropriately modify the respective embodiments, or to omit the constituent elements thereof.
1a、1b 半導体素子、2、接合材、3 半導体素子基板、3a 絶縁基板、3b 表面電極、3c 裏面電極、4 ケース、5 主端子、5a 第1の主端子、5b 第2の主端子、6 信号端子、8 接合材、9 封止樹脂、10 放熱板、11 接合材、12 第2のケース、13 第2の封止樹脂 1a, 1b Semiconductor element, 2, bonding material, 3 semiconductor element substrate, 3a insulating substrate, 3b surface electrode, 3c back electrode, 4 case, 5 main terminal, 5a first main terminal, 5b second main terminal, 6 Signal terminal, 8 bonding material, 9 sealing resin, 10 heat sink, 11 bonding material, 12 second case, 13 second sealing resin
Claims (6)
Hide Dependent
translated from Japanese
前記表面電極の、前記絶縁基板とは反対側の面に接合材を介して固着された半導体素子と、
前記表面電極に接合された第1の主端子および前記半導体素子の前記表面電極とは反対側の面に接合された第2の主端子と、
少なくとも前記半導体素子を内側に含むように設けられ、電気信号の入出力を行うための信号端子が一体成型されたケースと、
前記ケースの内部を、少なくとも前記半導体素子を覆うように封止する封止樹脂とを備えた半導体装置において、
前記第1の主端子および前記第2の主端子は前記封止樹脂を貫通して前記封止樹脂の外部に露出するとともに、
前記信号端子の材料が前記第1の主端子および前記第2の主端子の材料と異なる材料であることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor element substrate in which a surface electrode is formed on one surface of the insulating substrate and a back electrode is formed on the other surface of the insulating substrate;
A semiconductor element fixed to a surface of the surface electrode opposite to the insulating substrate via a bonding material;
A first main terminal bonded to the surface electrode and a second main terminal bonded to a surface of the semiconductor element opposite to the surface electrode;
A case in which at least the semiconductor element is included inside and a signal terminal for inputting and outputting an electric signal is integrally formed; and
In a semiconductor device comprising a sealing resin for sealing the inside of the case so as to cover at least the semiconductor element,
The first main terminal and the second main terminal penetrate through the sealing resin and are exposed to the outside of the sealing resin,
The semiconductor device is characterized in that the material of the signal terminal is different from the material of the first main terminal and the second main terminal.