JP6141120B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は半導体装置に関し、特に、ダイパッドに半導体素子が固定された構成を有し、半導体素子からの熱を放熱する機能を備えたパワーモジュールなどの半導体装置に関するものである。

従来、各技術分野で使用される、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）またはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を用いたパワーモジュールにおいては、電子部品の信頼性向上およびモジュールの生産性向上を目的として、樹脂による封止構造がしばしば採用されている。

このような樹脂封止構造を有するパワーモジュールは、そこに搭載されるＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子から発生する熱の放熱性を向上させるため、スイッチング素子と当該スイッチング素子が搭載されるダイパッドの一部（表側）のみが樹脂により封止され、ダイパッドの他の一部（裏側）は上記樹脂により封止されない。この封止されないダイパッドの一部は放熱部として用いられるため、封止されないダイパッドの裏側の主表面は、絶縁シートを介在して、外部の冷却モジュールと面接触される。このようにすれば、パワーモジュール内部のスイッチング素子が発する熱は、ダイパッドの裏側から絶縁シートを介在して外部の冷却モジュールへと効率的に放熱される。このような放熱経路が確保されるため、スイッチング素子の冷却効率が向上される。

たとえば特許文献１には、銅（Ｃｕ）または銅（Ｃｕ）合金からなる導体板の、半導体素子が搭載される一方の主表面とは反対側の他の主表面にアルミニウム（Ａｌ）膜が形成されたリードフレームと、リードフレームのアルミニウム膜側に隣接する絶縁シート樹脂とを備えるパワーモジュールが開示されている。アルミニウム膜の表面が粗化処理されるため、アンカー効果により、アルミニウム膜の表面に接する絶縁シート樹脂は、凹状のアルミニウム膜の表面に食い込まれる。このため絶縁シート樹脂とアルミニウム膜（導体板）との密着性が向上している。

特開２０１２−１３４２２２号公報

特許文献１においては、導体板の、絶縁シート樹脂と接する表面の全体が粗化処理されるため、当該表面の全体に凹部が形成される。このため、絶縁シート樹脂の表面の全体が導体板との密着性が向上する。しかし凹部においては、導体板と、絶縁シート樹脂の導体板と接する表面と反対側の表面に接するように配置される冷却モジュールとの距離が長くなる。つまり上記凹部が導電板の表面の全体に高い密度で形成されれば、導体板と冷却モジュールとの距離が長くなることにより、半導体素子が搭載される導体板から冷却モジュールへの放熱性が低下する可能性がある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、絶縁シートとの高い密着性を維持しながら、半導体素子からの放熱性をいっそう高めることが可能な半導体装置を提供することである。

本実施の形態の半導体装置は、絶縁シートと、ダイパッドと、半導体チップとを備えている。絶縁シートは放熱性を有している。ダイパッドは絶縁シートの一方の主表面上に配置される。半導体チップはダイパッドの絶縁シートと反対側の主表面である表側主表面上に配置される。ダイパッドの絶縁シートと接する側の主表面である裏側主表面のうち、半導体チップと平面的に重ならない位置にディンプルが形成されている。ディンプルは、裏側主表面の平面視における外周部に形成される。表側主表面上には複数の半導体チップが互いに間隔をあけて配置されている。ディンプルは、複数の半導体チップに挟まれた領域と平面的に重なる位置に形成されている。

本実施の形態によれば、ディンプルにより絶縁シートとダイパッドとの密着性が向上する。ディンプルは半導体チップと平面的に重ならない位置に形成されるため、半導体チップの真下における、ダイパッドと絶縁シートの（冷却モジュールが装着される）最下面との距離を一定に保つことができ、半導体チップの発熱を絶縁シート側へ放熱する効果が高められる。

本発明の実施の形態１におけるパワーモジュールの構成を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態１におけるパワーモジュールに冷却モジュールが装着された状態を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態１における、概ね図１中に点線で囲んだ領域ＩＩＩにおける構成を示す概略平面図（Ａ）および、図３（Ａ）中のＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ線に沿う部分の概略断面図である。 図３（Ｂ）のディンプルに絶縁シート樹脂の一部が食い込まれた構成を示す概略断面図である。 図３（Ｂ）のディンプルの一部のみに絶縁シート樹脂の一部が食い込まれた構成を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態２の第１例における、図３と同様の領域における構成を示す概略平面図（Ａ）および、図６（Ａ）中のＶＩＢ−ＶＩＢ線に沿う部分の概略断面図である。 本発明の実施の形態２の第２例における、図３と同様の領域における構成を示す概略平面図（Ａ）および、図７（Ａ）中のＶＩＩＢ−ＶＩＩＢ線に沿う部分の概略断面図である。 ランダムな形状を有するディンプルおよびフィラーの配置および寸法を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態３の第１例における、図３と同様の領域における構成を示す概略平面図である。 本発明の実施の形態３の第２例における、図３と同様の領域における構成を示す概略平面図（Ａ）および、図１０（Ａ）中のＸＢ−ＸＢ線に沿う部分の概略断面図である。 本発明の実施の形態３においてはんだ付け時にダイパッドが湾曲変形する態様を示す概略断面図（Ａ）と、ダイパッドの湾曲変形により間隙が形成される態様を示す概略断面図（Ｂ）と、ダイパッドに形成されたディンプルにより間隙の形成が抑制された態様を示す概略断面図（Ｃ）とである。 ディンプルの形成方法を概略的に示す第１図（Ａ）と、ディンプルの形成方法を概略的に示す第２図（Ｂ）と、図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）に示す方法により形成されたディンプルの態様を示す概略図（Ｃ）とである。

以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
（実施の形態１）
まず本実施の形態の半導体装置の構成としてのパワーモジュールの構成について図１および図２を用いて説明する。

図１を参照して、本実施の形態の半導体装置としてのパワーモジュール１００は、絶縁シート１と、ダイパッド２と、半導体チップ３と、リード４とを主に有している。

絶縁シート１は、放熱電極５と、絶縁シート樹脂６とを有している。放熱電極５は放熱性を有し、絶縁シート樹脂６は絶縁性を有しているため、これらを組み合わせた構成を有する絶縁シート１は、放熱性と絶縁性との双方を有している。

放熱電極５はシート状の部材であり、たとえば銅（Ｃｕ）、銅合金、銅−酸化銅（Ｃｕ−ＣｕＯ）などの複合材、アルミニウム（Ａｌ）、アルミニウム合金、アルミニウム炭化珪素（ＡｌＳｉＣ）、アルミニウム−炭素（Ａｌ−Ｃ）のような、放熱性に優れた金属材料または金属材料を含む複合材料により形成されることが好ましい。放熱電極５は、半導体チップ３に搭載される半導体素子の駆動により半導体チップ３からダイパッド２に伝えられた熱をパワーモジュール１００の外部に放出するために設けられる部材である。

絶縁シート樹脂６は、放熱電極５の表側（図１の上側）の主表面に接するように設置されたシート状の部材であり、ダイパッド２および半導体チップ３と、外部、特にダイパッド２よりも裏側（図１の下側）の領域とを電気的に絶縁するために配置される、シート状の樹脂材料である。絶縁シート樹脂６としては、たとえばノボラック系、多官能系、ビフェニル系のエポキシ樹脂系を基とした樹脂またはシリコーン樹脂が用いられることが好ましい。すなわち絶縁シート１はその表側（図１の上側）にて絶縁シート樹脂６により表側の領域と電気的に絶縁する役割を有し、かつその裏側（図１の下側）にて放熱電極５により上方からの熱を外部に放出する役割を有する。

ダイパッド２は、絶縁シート１の一方（表側すなわち図１の上側）の主表面上に配置されている。すなわちダイパッド２は、絶縁シート樹脂６の上側の主表面上に配置されている。また半導体チップ３は、ダイパッド２の、絶縁シート１と接する側と反対側の主表面である表側主表面２Ａ上に配置されている。

ダイパッド２は、たとえばＭＯＳＦＥＴおよび／またはＩＧＢＴなどの、大電流を制御可能な半導体素子（いわゆる電力用半導体素子）が搭載された半導体チップ３を支持固定し、半導体チップ３の発生する熱をダイパッド２の設置される側（図１における半導体チップ３の下側）に放熱する役割を有している。ダイパッド２の一方の主表面、すなわち表側（図１の上側）の主表面である表側主表面２Ａには半導体チップ３が、はんだ７を介在して配置されている。

ここでは絶縁シート１は平面視においてダイパッド２よりも大きく、ダイパッド２は平面視において半導体チップ３よりも大きいことが好ましい。

半導体チップ３にはリード４が、ワイヤ配線８を介在して電気的に接続されている。具体的にはいわゆるワイヤボンディング技術により、半導体チップ３に形成されたたとえば電極パッドと、リード４の表面の一部とが、ワイヤ配線８により電気的に接続されている。

リード４は半導体チップ３に搭載された半導体素子と、パワーモジュール１００の外部との間の電気信号の入出力を媒介する導電性部材であり、リード４はたとえばダイパッド２（ダイパッド２の表側主表面２Ａ上に配置される半導体チップ３）と、図示されないプリント基板とを電気的に接続するために用いられる。このためリード４は、平面視において概ねダイパッド２および半導体チップ３などが配置される位置から離れた位置（外側）に、概ね半導体チップ３などの外側に延びるように配置されることが好ましい。リード４は熱伝導率の高い導電性材料であるたとえば銅または銅合金により形成されることが好ましい。

またダイパッド２はリードフレーム１０の一部として形成され、リードフレーム１０とダイパッド２とは一体として形成されている。ダイパッド２はリードフレーム１０のうち、絶縁シート樹脂６の一方（図１の上側すなわち表側）の主表面に接するように配置される領域に概ね相当する。一方、リードフレーム１０は、ダイパッド２としての領域に対して屈曲している。リードフレーム１０が絶縁シート樹脂６から離れて浮かび上がった部分、すなわち特に図１中に４Ａで示す突起部分は、リード４と同様に平面視において半導体チップ３などから離れた位置に、半導体チップ３などの外側に延びるように配置されている。この部分４Ａはリード４と同様に機能し、この部分はダイパッド２と一体としてリードフレーム１０の一部を構成する。またダイパッド２と上記部分４Ａとの間に介在する、図１の左下側から右上側に斜め方向に延びる領域（この領域も上記部分４Ａと考えてもよい）についてもリード４と同様に機能する。

上記のようにダイパッド２には放熱性があるため、リード４と同様に機能する部分を含むダイパッド２は、リード４と同様に、熱伝導率の高い導電性材料であるたとえば銅または銅合金により形成されることが好ましい。またリード４もリードフレーム１０の一部として構成されている。

また半導体チップ３としては、１５０℃以上で動作するＭＯＳＦＥＴおよび／またはＩＧＢＴなどの電力用半導体素子に適用されると効果が大きい、たとえば炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）またはダイヤモンドのような、シリコン（Ｓｉ）に比べてバンドギャップが大きい、いわゆるワイドバンドギャップ半導体を基板として用いたチップが用いられることが好ましい。またワイヤ配線８は、たとえばアルミニウム、金（Ａｕ）または銅からなることが好ましい。

上記のように半導体チップ３は、ワイヤ配線８を介在してリード４と電気的に接続され、かつ半導体チップ３の配置されるダイパッド２はリードフレーム１０の一部として形成される。このためたとえば電流などの電気信号は、たとえばリードフレーム１０の部分４Ａからダイパッド２、半導体チップ３およびワイヤ配線８を経由してリード４までの間を流れることにより、パワーモジュール１００における電気信号の入出力がなされる。

上記の絶縁シート１と、ダイパッド２と、ダイパッド２と一体となったリードフレーム１０の部分４Ａの少なくとも一部と、リード４の少なくとも一部と、半導体チップ３とは、モールド樹脂９により封止されている。すなわち絶縁シート１の側面および絶縁シート１の特に絶縁シート樹脂６の上面の一部、ダイパッド２の表側主表面２Ａの一部、部分４Ａの表面の一部、リード４の表面の一部、および半導体チップ３の上面は、たとえば直方体状のモールド樹脂９に覆われている。モールド樹脂９により、パワーモジュール１００の全体が光、熱および湿度などの環境、ならびにパーティクルなどの汚染源から保護される。

一方、たとえば放熱電極５と絶縁シート樹脂６とが互いに接する面はモールド樹脂９と直接接触せず、またダイパッド２の、絶縁シート１（絶縁シート樹脂６）と接する側の主表面である裏側主表面２Ｂは、絶縁シート樹脂６と接するためモールド樹脂９と直接接触しない。さらにリード４およびリードフレーム１０の、平面視における比較的外側の領域も、モールド樹脂９の外側に露出している。リード４およびリードフレーム１０の比較的外側の領域は、パワーモジュール１００と外部とを電気的に接続する領域であるため、モールド樹脂９に覆われずに露出していることが好ましい。

図２を参照して、図１のパワーモジュール１００を実際に使用する際には、図１のパワーモジュール１００の特に最下面に接触するように冷却モジュール１１が装着されることが好ましい。冷却モジュール１１は半導体チップ３からダイパッド２および絶縁シート１によりパワーモジュール１００の裏側に伝えられた熱を放熱する効率を高めるために設けられた部材である。冷却モジュール１１は、特に絶縁シート１と反対側（すなわち図２の下側）にフィン部１１ａが複数並ぶように形成されることにより、冷却モジュール１１の表面積が拡張されるため、放熱機能が高められる。

冷却モジュール１１は、銅、銅合金、炭化銅（Ｃｕ₂Ｃ₂）、銅−酸化銅などの複合材、アルミニウム、アルミニウム合金、アルミニウム炭化珪素、アルミニウム−炭素などの複合材料により構成されることが好ましい。すなわち冷却モジュール１１は熱伝導性に優れた材料により構成されることが好ましい。

図３は、図１中に点線で囲んだ領域ＩＩＩの構成を完全な精度で再現したものではなく、各構成要素のサイズなどにおいて図１と若干の相違はあるものの、概ね図１中における構成を示している。図３（Ａ）を参照して、絶縁シート樹脂６の上側の主表面の一部と接するように、ダイパッド２が配置されている。図３のダイパッド２の上方に（絶縁シート樹脂６と重なる領域からはみ出るように）突出した領域は、リードフレーム１０を構成するように上記部分４Ａに繋がる領域である。

ダイパッド２の表側主表面２Ａの一部と接するように、半導体チップ３が配置されている。半導体チップ３の上側の主表面の一部の領域には、半導体素子が形成された素子パターン３Ａ，３Ｂが形成されている。素子パターン３Ａ，３Ｂには、ＭＯＳＦＥＴおよび／またはＩＧＢＴなどの、大電流を制御可能な電力用半導体素子が形成されている。

図３（Ａ）および図３（Ｂ）を参照して、本実施の形態のパワーモジュール１００は、ダイパッド２の、絶縁シート１（絶縁シート樹脂６）と接する側の主表面である裏側主表面２Ｂの一部には、ディンプル１２が形成されている。ここでディンプル１２とは、ダイパッド２の裏側主表面２Ｂの一部に形成された凹部（表面が窪んだ部分）を意味する。

ディンプル１２は、ダイパッド２の裏側主表面２Ｂのうち、半導体チップ３と平面的に重ならない領域、すなわち平面視における半導体チップ３の境界部ＢＤＲより外側の領域に形成される。言いかえればディンプル１２は、裏側主表面２Ｂの平面視における外周部（ダイパッド２と重なる半導体チップ３の境界部ＢＤＲより外側の、最外縁ＥＤと隣接する領域）に形成される。ディンプル１２は裏側主表面２Ｂの、境界部ＢＤＲより外側の領域に、互いに間隔をあけて複数形成されている。

上記のようにダイパッド２は平面視において半導体チップ３よりも大きい。このためたとえば半導体チップ３がダイパッド２の中央部に配置されれば、ダイパッド２の境界部ＢＤＲの外側には半導体チップ３と平面的に重ならない領域が形成される。この平面的に重ならない領域にディンプル１２が形成される。

ディンプル１２はたとえば半球形状を有しており、たとえばダイパッド２の裏側主表面２Ｂと重なる位置においてその径が最大となるように配置されている。すなわちディンプル１２が形成された部分においては裏側主表面２Ｂに穴が形成された状態となっている。

図４を参照して、ディンプル１２のサイズは５０μｍを超えており、ダイパッド２の主表面（表側主表面２Ａおよび裏側主表面２Ｂ）と交差する方向の厚み（図４の上下方向の厚みＴ₁）の半分以下であることが好ましい。

図４においては複数のディンプル１２のサイズはいずれもほぼ同じであるが、複数のディンプル１２の間のサイズがそれぞれ異なっていてもよい。また図４においては複数のディンプル１２はダイパッド２の最外縁ＥＤに沿う方向に直線状に並ぶように、１列に整列するように配置されているが、複数のディンプル１２はたとえば２列以上に整列するように配置されてもよい。

ディンプル１２のサイズとは、ディンプル１２が半球形状を有する場合には、当該半球形状の直径を意味する。したがってたとえばディンプル１２が、ダイパッド２の裏側主表面２Ｂの穴と重なる位置において径が最大となるように（ディンプル１２の半球形状の直径が上記穴と重なる位置に現れるように）形成される場合、裏側主表面２Ｂと重なる円形の穴の直径Ｄ１（図４参照）がディンプル１２のサイズであり、直径Ｄ１が５０μｍを超え厚みＴ₁の半分以下となる。しかしディンプル１２の半球形状の最大径である直径が裏側主表面２Ｂと重ならない位置に形成される場合であっても、ディンプル１２の半球形状の最大径である直径がここではディンプル１２のサイズと定義される。

ダイパッド２の厚みＴ₁は０．４ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であることが好ましい。なおここでダイパッド２の厚みＴ₁とは、ダイパッド２の裏側主表面２Ｂのうちディンプル１２が形成されず平らな部分における、ダイパッド２の表側主表面２Ａと裏側主表面２Ｂとの距離を意味する。したがって、たとえばダイパッド２の厚みＴ₁が０．４ｍｍである場合、ディンプル１２のサイズ（直径Ｄ１）は２００μｍ以下であることが好ましい。

ダイパッド２の裏側主表面２Ｂに接する絶縁シート樹脂６は、ディンプル１２内に食い込まれるように配置される。図４の断面図に示す２つのディンプル１２は、双方ともその内部が絶縁シート樹脂６に充填された構成を有している。しかし図５を参照して、この断面図に示す２つのディンプル１２は、その一部（図５の左側のディンプル１２）は図４のディンプル１２と同様にその内部が絶縁シート樹脂６に充填されているが、他の一部（図５の右側のディンプル１２）はその内部が絶縁シート樹脂６に充填されておらず、絶縁シート樹脂６とディンプル１２の半球形表面との間に空洞が形成されている。

このように、裏側主表面２Ｂに形成される複数のディンプル１２は、そのすべてが図４のように絶縁シート樹脂６で充填されてもよいし、一部のディンプル１２のみ絶縁シート樹脂６で充填され、他のディンプル１２は絶縁シート樹脂６で充填されなくてもよい。また図示されないが、ディンプル１２内の一部の領域のみを充填するように絶縁シート樹脂６がディンプル１２内に食い込んでもよい。

なお図４および図５に示すように、ディンプル１２内の少なくとも一部に絶縁シート樹脂６が充填するように形成されるためには、後述する製造工程において、絶縁シート樹脂６が加熱された状態で、ダイパッド２のディンプル１２内に絶縁シート樹脂６の一部が食い込まれるように、絶縁シート樹脂６が圧着されることが好ましい。

図３（Ｂ）、図４および図５を再度参照して、絶縁シート樹脂６内にはフィラー１３を有している。フィラー１３はたとえば球形状を有する小形物質であり、絶縁シート樹脂６内に複数のフィラー１３が互いに間隔をあけて、互いにランダムな（無秩序な）位置に浮遊するように配置されている。具体的には、絶縁シート樹脂６の重量全体に対するフィラー１３の占有率は７０ｗｔ％以上であることが好ましい。

フィラー１３はたとえばアルミナ、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、シリカ、窒化珪素からなる群より選択される少なくとも１つを含むことが好ましい。すなわち絶縁シート樹脂６は、たとえばエポキシ樹脂またはシリコーン樹脂の内部に上記のフィラー１３が混合された混合樹脂材料である。

フィラー１３のサイズは、５０μｍより小さいことが好ましい。ここでフィラー１３のサイズとは、フィラー１３が球形を有する場合にはたとえば図４および図５に示すようにその直径ｄ₂を示す。上記各図においては複数のフィラー１３のサイズはいずれもほぼ同じであるが、複数のフィラー１３の間のサイズがそれぞれ異なっていてもよい。

またモールド樹脂９内にもフィラーが含まれており、当該フィラーは、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、シリカ、窒化珪素からなる群より選択される少なくとも１つを含むことが好ましい。モールド樹脂９において充填されるフィラーの含有率の適正値は、パワーモジュール１００を構成する上記各部材の熱膨張係数などを考慮して定められることが好ましい。

次に、本実施の形態の作用効果について説明する。
本実施の形態においては、ダイパッド２の、絶縁シート１（特に絶縁シート樹脂６）と接する側の主表面である裏側主表面２Ｂにディンプル１２が形成される。つまりディンプル１２内に絶縁シート１（絶縁シート樹脂６）が充填可能な構成を有している。ディンプル１２内に絶縁シート１（絶縁シート樹脂６）が食い込みディンプル１２内が少なくとも部分的に絶縁シート１で充填されれば、アンカー効果により絶縁シート１とダイパッド２との密着性が増す。このためダイパッド２の表側の半導体チップ３の発熱を、ダイパッド２の裏側の絶縁シート１およびその外側に放熱する効果が高められる。

ただしディンプル１２の形成部においては、ディンプル１２のサイズの分だけ、ダイパッド２の表面（ディンプル１２内の表面に相当）と絶縁シート１の最下面（図２において冷却モジュール１１が装着される面）との、ダイパッドの厚みＴ₁（図４参照）に沿う方向の最短距離が増加する。このため、ダイパッド２から絶縁シート１側への放熱効果が弱められる可能性がある。

そこで本実施の形態においては、最も発熱量が多く放熱効率を高める必要がある半導体チップ３の真下（半導体チップ３と平面的に重なる領域）の裏側主表面２Ｂにはディンプル１２が形成されない。これにより、少なくとも半導体チップ３と平面的に重なる領域においては裏側主表面２Ｂが平坦となり、ダイパッド２と絶縁シート１の最下面との、上記Ｔ₁に沿う方向の最短距離が一定となり増加することはない。したがって半導体チップ３と平面的に重なる領域においてはダイパッド２と絶縁シート１の最下面との最短距離がディンプル１２により大きくなることがなくなることと、平面的に半導体チップ３の外側の領域においてはディンプル１２によるアンカー効果が発揮されることとの双方により、ダイパッド２から絶縁シート１側への放熱効果をいっそう高めることができる。

ただしたとえディンプル１２を有していたとしても、そのサイズがたとえば２０ｎｍ以下など微小である場合には、ディンプル１２内に絶縁シート１が食い込むことができず、アンカー効果が期待できない。

そこで本実施の形態のようにディンプル１２のサイズが５０μｍを超えていることにより、たとえば絶縁シート樹脂６内のフィラー１３のサイズが５０μｍより小さければ、フィラー１３がディンプル１２内に入り込むことにより、絶縁シート樹脂６とダイパッド２との密着性を高めることが可能となる。ここでフィラー１３がアルミナ、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、シリカ、窒化珪素という、熱伝導性の高い材質を含むことにより、絶縁シート樹脂６の熱伝導性つまり放熱性が高められるが、熱伝導性の高いフィラー１３がディンプル１２内に入り込めば、ディンプル１２内における放熱性がいっそう高められる。このためダイパッド２から絶縁シート１側への放熱効果をいっそう高めることができる。フィラー１３の、絶縁シート樹脂６全体に対する占有率を７０ｗｔ％以上とすることにより、絶縁シート樹脂６の放熱性をいっそう高めることができる。

またディンプル１２のサイズをダイパッド２の厚みＴ₁の半分以下とすることにより、ディンプル１２と平面的に重なる部分における（ディンプル１２により厚みが実質的に薄くなる領域の）ダイパッド２の厚みをダイパッド２の（ディンプル１２が形成されない領域の）厚みＴ₁の半分以上とすることができる。このためディンプル１２と平面的に重なる領域（ディンプル１２により厚みが実質的に薄くなる領域）におけるダイパッド２の強度の低下を抑制し、当該領域における剛性を確保することができる。

またディンプル１２が裏側主表面２Ｂの平面視における外周部（半導体チップ３の配置される領域の外側）に形成されることにより、ダイパッド２の外周部においてアンカー効果による絶縁シート１との密着性の向上効果が高まる。一般的にダイパッド２の外周部において絶縁シート１との密着性が低下し、絶縁シート１がダイパッド２から剥離する不具合が起こりやすい。しかし上記のように外周部においてアンカー効果が高められることにより、上記の剥離を抑制する効果が高められる。

（実施の形態２）
図６（Ａ）、（Ｂ）を参照して、本実施の形態の第１例の半導体装置としてのパワーモジュール１００（図１、図２参照）の構成は、図３（Ａ）、（Ｂ）に示す実施の形態１の構成と比較して、ディンプル１２が多面体状としての立方体状を有している点、およびフィラー１３が球形に限らず、三角錐形および立方体（直方体）状を有する点において異なっている。

図７（Ａ）、（Ｂ）を参照して、本実施の形態の第２例の半導体装置としてのパワーモジュール１００の構成は、既述の各構成と比較して、球形状、多面体状、角錐状、不定形状（特定の形状を有さないいわゆる歪な形状）などランダムな形状を有する、複数のディンプル１２が、ランダムな配置となるように、ランダムなサイズで、配置されている点において異なっている。また図７（Ａ）、（Ｂ）のフィラー１３は球形に限らず三角錐形、立方体（直方体）形、不定形状（特定の形状を有さないいわゆる歪な形状）を有するものが複数、混在している。

ここでディンプル１２の形状がランダムであるとは、ダイパッド２の裏側主表面２Ｂに形成される複数のディンプル１２の間でその形状が同じではなく、上記のように球形状、多面体状、角錐状、不定形状（特定の形状を有さないいわゆる歪な形状）など様々な形状を有するディンプル１２が混在していることを意味する。

またディンプル１２のサイズがランダムであるとは、ダイパッド２の裏側主表面２Ｂに形成される複数のディンプル１２の間でそのサイズが同じではなくさまざまなサイズのディンプル１２を有することを意味する。

さらにディンプル１２の配置がランダムであるとは、複数のディンプル１２がたとえば平面視におけるダイパッド２の最外縁ＥＤに沿うように直線状に並ぶように配置されておらず、複数のディンプル１２同士が無秩序な位置関係となるように無秩序に配置されることを意味する。すなわちたとえば、ある場所においてはディンプル１２はダイパッド２の最外縁ＥＤの延びる方向に複数並ぶ１つの列を形成しているが、他の場所においては上記方向に複数並ぶ２つ以上の列を形成するように配置されている。

図８を参照して、ディンプル１２のサイズとは、たとえばディンプル１２が立方体状である場合には立方体状の１辺の長さを意味する。すなわちたとえば図８における左側の立方体状を有するディンプル１２のサイズは、図の横方向の１辺の長さＬ₁または図の縦方向の１辺の長さＨ₁を意味する。またディンプル１２のサイズとは、ディンプル１２が角錐形状である場合にはその底面の１辺の長さ（図８の右側のディンプル１２の長さＬ₂）または当該角錐の高さ（図８の右側のディンプル１２の高さＨ₂）を意味する。図示されないがディンプル１２が円錐形状または円柱形状の場合には、そのサイズは円形の底面の直径、または高さを意味する。さらにディンプル１２が歪な不定形状を有する場合には、そのディンプル１２に対して測定可能な最大の寸法を当該ディンプル１２のサイズと定義する。いずれの場合においても、実施の形態１と同様に、ディンプル１２のサイズは５０μｍを超えており、ダイパッド２の厚みＴ₁の半分以下とすることが好ましい。

またディンプル１２の平面は、通常の球形、多面体形、角錐形のように滑らかな表面であってもよいが、通常の球形、多面体形、角錐形などの表面にたとえば微小で無秩序な形状の凹凸が複数形成されたような粗い表面形状を有していてもよい。

次に、本実施の形態においては絶縁シート樹脂６内に含まれる複数のフィラー１３の形状およびサイズがランダムであり、かつランダムな配置となっている。

ここでフィラー１３の形状がランダムであるとは、ディンプル１２の形状と同様に、球形状、多面体状、角錐状、不定形状（特定の形状を有さないいわゆる歪な形状）など様々な形状を有するフィラー１３が混在していることを意味する。またフィラー１３のサイズがランダムであるとは、複数のフィラー１３間の当該サイズは同じではなく、ディンプル１２のサイズと同様にさまざまなサイズのフィラー１３を有している。また複数のフィラー１３の配置がランダムであるとは、複数のフィラー１３は互いに間隔をあけて、互いにランダムな（無秩序な）位置に浮遊するように配置されていることを意味する。

なおフィラー１３のサイズとは、たとえばフィラー１３が立方体状または直方体状である場合には図８の長さｌ₃が示すように立方体または直方体をなす四角形の対角線の長さを意味する。またフィラー１３が角錐形状である場合には、そのサイズは図８の長さｌ₄または高さｈ₃が示すように当該角錐形状の１辺の長さまたは高さを意味する。図示されないがフィラー１３が円錐形状または円柱形状の場合には、そのサイズは円形の底面の直径、または高さを意味する。フィラー１３が不定形状である場合には、そのフィラー１３に対して測定可能な最大の寸法を当該フィラー１３のサイズと定義する。

またフィラー１３の平面は、通常の球形、多面体形、角錐形のように滑らかな表面であってもよいが、通常の球形、多面体形、角錐形などの表面にたとえば微小で無秩序な形状の凹凸が複数形成されたような粗い表面形状を有していてもよい。

なお、これ以外の本実施の形態の構成は、図３〜図５に示す実施の形態１の構成とほぼ同じであるため同一の要素については同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。

次に、本実施の形態の作用効果について説明する。
たとえば実施の形態１のようにディンプル１２が整然と並ぶ場合、その形状、サイズおよび配置を一定にするために加工精度を高めるなど、加工コストが高騰する可能性がある。しかし本実施の形態のようにディンプル１２の形状、サイズおよび配置をランダムにすれば、加工精度を高める必要がなくなるため、より低価格で加工を行なうことができる。ディンプル１２は実施の形態１のような半球形状に限らず、たとえば多面体状、角錐状、不定形状を有していても、実施の形態１と同様にダイパッド２と絶縁シート１との密着性を高めることにより、その放熱効果を高める効果が期待できる。

また通常、絶縁シート樹脂６に含まれるフィラー１３はその形状により大きく球形フィラーと不均一フィラーとの２種類に分類できる。実施の形態１のフィラー１３は球形フィラーであり、本実施の形態のフィラー１３は（球形フィラーを含めてもよいが）基本的に不均一フィラーである。球形フィラーは不均一フィラーに対して角取り作業等を行なう必要があるため、形成するために必要な工程数が増加し、高価格になる。しかし本実施の形態のように不均一フィラーを用いればより安価にフィラー１３を量産することができる。

（実施の形態３）
図９を参照して、本実施の形態の半導体装置としてのパワーモジュール１００（図１、図２参照）の構成は、ダイパッド２の表側主表面２Ａ上に、複数（たとえば図９では２つ）の半導体チップ３が、表側主表面２Ａ上において互いに間隔をあけて配置されている。２つの半導体チップ３のうち一方の半導体チップ３の上側の主表面の一部の領域には、図３の半導体チップ３と同様に、ＭＯＳＦＥＴおよび／またはＩＧＢＴなどの電力用半導体素子が形成された素子パターン３Ａ，３Ｂが形成されている。２つの半導体チップ３のうち上記一方とは異なる他方の半導体チップ３の上側の主表面の一部の領域には、たとえば還流用のダイオードが形成された素子パターン３Ｃが形成されている。ダイパッド２の裏側主表面のうち、これらの半導体チップ３に挟まれた領域と平面的に重なる位置にはディンプル１２が形成されている。

上記の各実施の形態と同様に、本実施の形態においても、ディンプル１２はダイパッド２の裏側主表面２Ｂのうち半導体チップ３と平面的に重ならない位置に形成される。このため本実施の形態においては、半導体チップ３の境界部ＢＤＲより外側の領域、すなわち最外縁ＥＤと隣接する裏側主表面２Ｂの外周部、および複数の半導体チップ３に挟まれた領域と平面的に重なる領域に、ディンプル１２が形成される。

図１０（Ａ）、（Ｂ）を参照して、本実施の形態においても、実施の形態２と同様に、ランダムな形状を有する複数のディンプル１２がランダムな配置となるようにランダムなサイズで配置されてもよい。また図示されないが、絶縁シート樹脂６内のフィラー１３についても実施の形態２と同様に、その形状およびサイズがランダムであり、かつランダムな配置となっていてもよい。

なお、これ以外の本実施の形態の構成は、図３〜図５に示す実施の形態１の構成とほぼ同じであるため同一の要素については同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。

次に、本実施の形態の作用効果について説明する。
本実施の形態においても上記の他の実施の形態と同様に、ディンプル１２内に絶縁シート樹脂６が食い込むことによるアンカー効果を促進し、絶縁シート１とダイパッド２との密着性を向上させ、放熱効果を高めることができる。

また本実施の形態の構成は以下の作用効果を有する。図１１（Ａ）を参照して、ダイパッド２の表側主表面２Ａ上にはんだ７を用いて半導体チップ３が固定される際に、はんだ７が収縮するためにダイパッド２が表側主表面２Ａ側（図１１（Ａ）の上側）に凸形状となるように変形する。このためダイパッド２の裏側主表面２Ｂも表側主表面２Ａ側に凸形状となるように湾曲する。

図１１（Ａ）のように、裏側主表面２Ｂの湾曲する量が比較的小さければ、裏側主表面２Ｂと接合面ＪＣにおいて接合される絶縁シート樹脂６は、裏側主表面２Ｂの湾曲に追随して変形する。しかし絶縁シート樹脂６の変形により絶縁シート樹脂６内には残留応力が発生する。このため図１１（Ｂ）を参照して、絶縁シート樹脂６内の残留応力が、絶縁シート樹脂６に対して図の下側向きに加われば、時間の経過とともに絶縁シート樹脂６は裏側主表面２Ｂから剥離する。これにより裏側主表面２Ｂと絶縁シート樹脂６との間に間隙ＧＰが形成される。間隙ＧＰは特にダイパッド２の平面視における中央部（図１１（Ｂ）の左右方向に関する中央部）において大きくなる。

そこで図１１（Ｃ）を参照して、たとえば複数の半導体チップ３が互いに間隔をあけて表側主表面２Ａ上に配置された構造における、互いに隣り合う１対の半導体チップ３に挟まれた領域と平面的に重なる位置にディンプル１２が形成される。１対の半導体チップ３に挟まれた位置は、ダイパッド２の平面視における中央部にほぼ相当する。１対の半導体チップ３に挟まれた位置のディンプル１２内には絶縁シート樹脂６の一部（およびフィラー１３）が充填される。

このようにすれば、はんだ付け時のダイパッド２の湾曲により最も間隙ＧＰが大きくなりやすいダイパッド２の平面視における中央部において、ディンプル１２内に絶縁シート樹脂６の一部が充填されるため、ダイパッド２と絶縁シート１との密着性が高まる。つまりダイパッド２と絶縁シート樹脂６との接合面ＪＣにおける両者の密着性を高めることができ、接合面ＪＣにおける間隙ＧＰの形成を抑制することができる。またダイパッド２と絶縁シート１との密着性が良くなることから、ダイパッド２から絶縁シート１側への放熱性が向上する。

次に、図１２を参照しながら、以上の各実施の形態に示す、半導体チップ３と平面的に重ならない位置に限定してディンプル１２を形成する方法の概略について説明する。なおここではたとえば図３に示すような半球形状のディンプル１２を裏側主表面２Ｂに形成する方法について説明する。

図１２（Ａ）を参照して、たとえば直方体状の土台の一の主表面に、５０μｍ超えの粒径を有する半球形状の粒子１４が複数、互いに間隔をあけて形成された下方治具１５が準備される。粒子１４の並び方およびサイズが、最終的に形成されるディンプル１２の並び方およびサイズに反映される。すなわちたとえば複数の粒子１４が互いにランダムな位置に並んでいれば、最終的に形成されるディンプル１２はランダムな配置となるように形成される。また粒子１４の粒径の最大値は、ダイパッド２（リードフレーム１０）の厚みＴ₁（図４、図５参照）の半分以下とすることが好ましい。

また、適度な硬度およびばね性を有する上方治具１６が準備される。この上方治具１６はダイパッド２を上方から押さえつけるための加圧部１６Ａを有している。ダイパッド２の表側主表面２Ａ上には、はんだ７を介在して複数の半導体チップ３が互いに間隔をあけて形成されており、加圧部１６Ａが複数の半導体チップ３に挟まれた領域の真上に配置される。ディンプル１２を形成しようとする領域の面積などに応じて、複数の上方治具１６が互いに重なりあうように配置されてもよい。

図１２（Ｂ）を参照して、下方治具１５の粒子１４が形成された面にダイパッド２の裏側主表面２Ｂが接触するようにダイパッド２が下方治具１５上に配置され、かつ半導体チップ３と平面的に重ならず露出されたダイパッド２の表側主表面２Ａが、その上方から加圧部１６Ａにより下方へ加圧されるように、上方治具１６がセットされる。すると裏側主表面２Ｂのうち、加圧部１６Ａにより下方治具１５の粒子１４に押さえつけられた領域（つまり半導体チップ３と平面的に重ならない領域）には、粒子１４による凸形状が転写され、ディンプル１２が形成される。

具体的には図１２（Ｃ）を参照して、図１２（Ｂ）の処理により、半導体チップ３が配置される領域と平面的に重なる位置を避けるように、複数のディンプル１２が形成される。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 絶縁シート、２ ダイパッド、２Ａ 表側主表面、２Ｂ 裏側主表面、３ 半導体チップ、３Ａ，３Ｂ 素子パターン、４ リード、４Ａ 突起部分、５ 放熱電極、６ 絶縁シート樹脂、７ はんだ、８ ワイヤ配線、９ モールド樹脂、１０ リードフレーム、１１ 冷却モジュール、１１ａ フィン部、１２ ディンプル、１３ フィラー、１４ 粒子、１５ 下方治具、１６ 上方治具、１６Ａ 加圧部、２０ 絶縁シート、１００ パワーモジュール、ＢＤＲ 境界部、ＥＤ 最外縁、ＧＰ 間隙。

Claims (6)

1. 放熱性を有する絶縁シートと、
   前記絶縁シートの一方の主表面上に配置されたダイパッドと、
   前記ダイパッドの前記絶縁シートと反対側の主表面である表側主表面上に配置される、半導体素子が搭載された半導体チップとを備え、
   前記ダイパッドの前記絶縁シートと接する側の主表面である裏側主表面のうち、前記半導体チップと平面的に重ならない位置にディンプルが形成されており、
   前記ディンプルは、前記裏側主表面の平面視における外周部に形成され、
   前記表側主表面上には複数の前記半導体チップが互いに間隔をあけて配置されており、
   前記ディンプルは、複数の前記半導体チップに挟まれた領域と平面的に重なる位置に形成されている、半導体装置。
2. 前記ディンプルのサイズは５０μｍを超えており、前記ダイパッドの前記主表面と交差する方向の厚みの半分以下である、請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記ディンプルは多面体状である、請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 前記ディンプルは複数形成されており、
   前記ディンプルの形状およびサイズはランダムであり、かつ前記ディンプルは前記裏側主表面のうち前記半導体チップと平面的に重ならない位置においてランダムな配置となるように形成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 前記絶縁シートは、前記半導体チップを外部と電気的に絶縁するための絶縁シート樹脂を含み、
   前記絶縁シート樹脂内にはフィラーを有しており、
   前記フィラーの前記絶縁シート樹脂全体に対する占有率は７０ｗｔ％以上である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
6. 前記フィラーは、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、シリカ、窒化珪素からなる群より選択される少なくとも１つを含む、請求項５に記載の半導体装置。

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