JP6303776B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
この発明は、半導体素子を樹脂で封止してなる半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device formed by sealing a semiconductor element with a resin.
半導体素子を用いた半導体装置は、半導体素子をエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂で封止したモールド型と、ゲル状樹脂で封止したゲル封止型が使用されている。特にモールド封止型の半導体装置は小型で信頼性に優れており、取り扱いが容易であることから、空調機器の制御などに広く用いられている。また、近年は、モーター制御を行う自動車の動力制御などにも使用されている。 As a semiconductor device using a semiconductor element, a mold type in which the semiconductor element is sealed with a thermosetting resin such as an epoxy resin and a gel sealing type in which the semiconductor element is sealed with a gel resin are used. In particular, a mold-sealed semiconductor device is small and excellent in reliability, and is easy to handle. Therefore, it is widely used for controlling air-conditioning equipment. In recent years, it is also used for power control of automobiles that perform motor control.
従来の半導体装置では、小型化・大容量化を目的として放熱性を向上させるために熱伝導性に優れた金属からなるヒートシンクを設け、半導体素子で発熱した熱を拡散する手法を取り入れている。例えば、銅製のヒートシンク上に半導体素子がはんだ等により接合されている樹脂封止型半導体装置がある(例えば特許文献1)。 In the conventional semiconductor device, in order to improve heat dissipation for the purpose of downsizing and increasing the capacity, a heat sink made of a metal having excellent thermal conductivity is provided, and a method of diffusing the heat generated by the semiconductor element is adopted. For example, there is a resin-sealed semiconductor device in which a semiconductor element is bonded to a copper heat sink by solder or the like (for example, Patent Document 1).
また、はんだの熱疲労現象による信頼性の低下を抑制する目的で、半導体基板接着部が半導体基板の面積と同等またはわずかに広い面積を持つ突起部をもつ凸型の断面形状をもつ銅製のリードフレームを用い、2種類の樹脂を用いてモールドされている。樹脂封止半導体装置がある(例えば特許文献2)。 In addition, in order to suppress a decrease in reliability due to the thermal fatigue phenomenon of solder, the lead made of copper having a convex cross-sectional shape with a protrusion having a semiconductor substrate bonding portion having an area equal to or slightly larger than the area of the semiconductor substrate It is molded using two types of resins using a frame. There is a resin-encapsulated semiconductor device (for example, Patent Document 2).
一方、従来のSi(Silicon)製半導体素子に比べて、低損失、高耐圧、高温動作が可能な化合物半導体素子として、例えばSiC(Silicon Carbide)製半導体素子の半導体装置への適用が進められている。SiC製半導体素子は、これらの利点が注目され適用開発が進められているが、Si製半導体素子と比較して弾性率が高いことや、これまで以上のより厳しい温度環境下で動作することとなり、これまで以上に半導体素子にかかる応力が増大している。特許文献1および特許文献2に記載の樹脂封止した半導体装置においては、特にヒートサイクル時に半導体素子と封止樹脂界面にかかる応力は、これまで以上に高くなる。その結果、半導体素子と封止樹脂との界面で剥離が生じたり、半導体素子端部付近の封止樹脂にクラックが生じるため、半導体装置の絶縁信頼性低下を招くという問題点があった。
On the other hand, compared to conventional Si (Silicon) semiconductor elements, for example, SiC (Silicon Carbide) semiconductor elements are applied to semiconductor devices as compound semiconductor elements capable of low loss, high breakdown voltage, and high temperature operation. Yes. SiC semiconductor elements are being developed and applied with attention to these advantages, but they have a higher elastic modulus than Si semiconductor elements and operate in a more severe temperature environment than ever. The stress applied to the semiconductor element is increasing more than ever. In the resin-encapsulated semiconductor device described in
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、ヒートサイクルに起因する半導体素子と封止樹脂の界面で生じる剥離や、半導体素子端部付近の封止樹脂に生じるクラックを抑制又はクラックの進展を抑制することで、絶縁信頼性の確保が可能な半導体装置を得るものである。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and is capable of preventing peeling that occurs at the interface between the semiconductor element and the sealing resin due to heat cycles and cracks that occur in the sealing resin near the edge of the semiconductor element. A semiconductor device capable of ensuring insulation reliability is obtained by suppressing the suppression or the progress of cracks.
我々は、上記課題を克服するため鋭意検討を行った結果、半導体素子を搭載する凸状の搭載面を有する金属部を用い、搭載面の面積が半導体素子の面積以下の構造を有する場合に優れた信頼性が得られることが明らかとなり、さらに詳細に検討を行うことで発明に到ったものである。 As a result of intensive studies to overcome the above-mentioned problems, we have a metal part with a convex mounting surface on which a semiconductor element is mounted, which is excellent when the area of the mounting surface is less than the area of the semiconductor element. It has become clear that high reliability can be obtained, and the present invention has been made through further detailed studies.
この発明に係る半導体装置は、半導体素子と、前記半導体素子の電極が形成された面の周縁内に収まり前記半導体素子を搭載する搭載面を有する凸状の搭載部を備えた金属部と、前記半導体素子と前記金属部とを封止する封止樹脂とを備え、前記搭載部の厚さ(A)は、0.25mm<A≦2.5mmである。
A semiconductor device according to the present invention includes a semiconductor element, and a metal part including a convex mounting part having a mounting surface that fits within a periphery of a surface on which the electrode of the semiconductor element is formed and mounts the semiconductor element, A sealing resin for sealing the semiconductor element and the metal part is provided , and the thickness (A) of the mounting part is 0.25 mm <A ≦ 2.5 mm .
この発明は、金属部に半導体素子の面積よりも小さな面積の半導体素子の搭載面を設けたことで、ヒートサイクル時の半導体素子と封止樹脂界面とに発生する応力を低減したので、半導体素子端部に発生する封止樹脂の剥離やクラックの発生を抑制することが可能となり、絶縁信頼性の高い半導体装置が得られる。 Since the present invention reduces the stress generated in the semiconductor element and the sealing resin interface during the heat cycle by providing a mounting surface of the semiconductor element having an area smaller than the area of the semiconductor element in the metal portion. It is possible to suppress peeling of the sealing resin and cracks generated at the end, and a semiconductor device with high insulation reliability can be obtained.
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1の半導体装置の断面構造模式図である。図1において、半導体装置100は、半導体素子1、リードフレーム2、金属部であるヒートシンク3、ボンディングワイヤ4、絶縁層5、金属板6、封止樹脂7、接合材8を備える。
1 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device according to
半導体素子1は、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)やIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などの電力制御用半導体素子や還流ダイオードなどの電力用半導体素子が用いられる。また、半導体素子1は、その構造に応じて、表面側に表面電極、裏面側に裏面電極が形成されている。そして、回路構成に応じて、半導体素子1は、表面電極または裏面電極が接合材8によってヒートシンク3に接合される。さらに、回路構成に応じて、AlやCu、Au等のボンディングワイヤ4を用いて、半導体素子1、リードフレーム2、ヒートシンク3がそれぞれ接続されている。また、図1では、一つのモールドされた半導体装置に半導体素子が2個しか搭載されていないが、これに限定するものではなく、使用される用途に応じて必要な個数の半導体素子を搭載することができる。
The
接合材8は、はんだや銀などの熱溶融部材を用いて半導体素子1とヒートシンク3とを搭載するのが一般的であるが、電気的に接続されていれば接合方法は特に限定されず、例えば半導体素子1とヒートシンク3を超音波によって直接接合していてもよい。ヒートシンク3は、半導体素子1の発熱に対して熱抵抗を低減することを目的としている。
ヒートシンク3は、半導体素子1を搭載する搭載面を有する凸状の搭載部を備える。ヒートシンク3の半導体素子1が搭載されている面の反対側の面には、金属板6である銅箔付き絶縁層5が設けられている。絶縁層5は絶縁シートを用いることができる。絶縁シートは、エポキシ樹脂に熱伝導性に優れるシリカ、アルミナ、窒化ホウ素、窒化アルミニウム等の無機粉末が少なくとも1種以上充填されており、これらの無機粉末は単独でも複数の組合せでもよい。また、銅箔の絶縁シートが貼り付けられた面の反対側の面では銅箔面は露出している。この銅箔面は、半導体素子1の発熱による放熱性を確保するだけでなく、絶縁層5が外部からの接触により傷がつかないための保護層としての役目も果たしている。この目的を満たすものであれば、銅箔である必要もなく、アルミなどの金属箔でも構わない。また、金属板6を金属箔としたが、金属箔に限定されるものではなく、金属箔と同様な効果を得られれば特に限定されることはなく、例えば、アルミなどの金属板も適用可能である。
The
封止樹脂7は、リードフレーム2やヒートシンク3に搭載された半導体素子1やボンディングワイヤ4であるAlワイヤ、絶縁シートなどの全体を封止するようにトランスファーモールドされている。封止樹脂7は、エポキシ樹脂に熱膨張係数の小さい溶融シリカ等の無機粉末や熱伝導性が優れるアルミナなどが充填されている。エポキシ樹脂は、半導体装置100の放熱性や動作時の発熱量、動作温度にもよるが、一般的なオルトクレゾールノボラック型やジシクロペンタジエン型などを用いる事ができる。しかし、半導体素子1が保護できれば特に限定されることはなく、例えば、SiCなどを用いた半導体素子1の動作温度の高温化によりナフタレン型や多官能型を用いた耐熱性の高い樹脂を用いることもできる。
The sealing
また、温度サイクルなどの信頼性試験で発生する熱応力を想定した場合、封止樹脂7の熱膨張係数は、環境温度を想定した範囲内において、熱拡散板であるヒートシンク3の熱膨張係数と半導体素子1の熱膨張係数の間に収めておくことが望ましい。熱膨張係数の違いにより、温度差が生じた場合には、半導体素子1と封止樹脂7との接触面でのひずみの違いが生じ、応力が発生する。したがって、熱拡散板であるヒートシンク3に搭載されている半導体素子1との応力を想定した場合には、両者の熱膨張係数の間の封止樹脂7を適用することが望ましい。SiC素子に用いる封止樹脂の場合、一般的に線膨脹係数は10〜13×10−6(1/K)程度の間で調整される。
In addition, when thermal stress generated in a reliability test such as a temperature cycle is assumed, the thermal expansion coefficient of the
図2は、この発明の実施の形態1の半導体装置の半導体素子を搭載した金属部であるヒートシンクの上面構図模式図である。図2(a)は、ヒートシンク3の半導体素子1の搭載面3aが四角形の場合、図2(b)は、ヒートシンク3の半導体素子1の搭載面3bが角部に丸みを持たせた場合の上面構造模式図である。便宜上、半導体素子1は点線にて大きさを図示している。図2に示すように、ヒートシンク3の半導体素子1の搭載面の面積は半導体素子1の面積よりも小さくなっている。ヒートシンク3に接する側の半導体素子1の面積をα、ヒートシンク3の半導体素子1の搭載面の面積をβとすると、これらの面積の関係は1>β/α≧1/2を満たす必要がある。ここで、半導体素子1の面積は、半導体素子1の電極が形成されている面の面積である。また、半導体素子1の搭載面の面積は、半導体素子1を搭載部に搭載したときの搭載面を上面から見た時の面積である。また、ヒートシンク3の半導体素子1の搭載面は、半導体素子1の電極が形成されている面の周縁内に収まる大きさである。
FIG. 2 is a schematic top view of a heat sink that is a metal part on which the semiconductor element of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention is mounted. 2A shows a case where the mounting surface 3a of the
ヒートシンク3の半導体素子1の搭載面3aの面積βが半導体素子1の面積αよりも大きくなると、半導体素子1と封止樹脂7の界面で剥離が生じ、信頼性の低下を招く。また、ヒートシンク3の半導体素子1の搭載面3aの面積βが半導体素子の面積αの1/2よりも小さくなると、ヒートシンクが本来の放熱効果を十分に発揮できず、半導体素子1の熱暴走や半導体素子1の破壊を招く。ヒートシンク3の半導体素子1の搭載面の形状は半導体素子1の相似縮小形(3a)、半導体素子1の同形状から角部(端部)のみ丸みを持たせたもの(3b)を例示しているが、本発明の目的が達成されるものであれば特に限定されず、これらの組み合わせ、又は曲線や多角形で形成されていても良い。
When the area β of the mounting surface 3 a of the
図3は、この発明の実施の形態1の半導体装置に用いるヒートシンクの半導体素子の搭載部の断面構造模式図である。図3(a)は、図1に示したヒートシンク3の半導体素子1の搭載部3cと同様の形状である。図3(b)は、ヒートシンク3の半導体素子1の搭載部3dの側面部の形状を半導体素子1の搭載面に向かって狭くなるテーパー形状としている。図3(b)のようなヒートシンク3の構造にした場合は、半導体素子1で発熱した熱のヒートシンク3への広がりが、図3(a)に示した構造よりも有利になり、より高熱動作が必要な半導体装置(モジュール)に適した構造である。また、図3(c)は、ヒートシンク3の半導体素子1の搭載部3eの側面部の形状を半導体素子1の搭載面に向かって広くなるテーパー形状としている。図3(c)のようなヒートシンク3の構造にした場合は、半導体素子1からヒートシンク3への熱の広がりは悪化するものの、封止樹脂7とヒートシンク3との食い付きが向上することから、構造的に剥離耐性が必要なモジュールに適した構造である。このように図3に示したヒートシンク3の半導体素子1の搭載部の形状は、上記の事例に縛られるものではなく、本発明の目的が達成されるものであれば特に限定されない。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the mounting portion of the semiconductor element of the heat sink used in the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 3A shows the same shape as the mounting portion 3c of the
図4は、この発明の実施の形態1の半導体装置に用いるヒートシンクの半導体素子の搭載部の断面構造模式図である。図4(a)は、ヒートシンク3と半導体素子1の搭載部3cの凸部が一体的に形成されたものであり、削りだしや鋳造、プレス加工等によって形成する。図4(b)は、別体のヒートシンク3の半導体素子1の搭載部3fとヒートシンク11とをはんだ8等の導電性接合剤で形成した場合である。図4(c)は、銅製の半導体素子1の搭載部3gとアルミ等のヒートシンク12とを直接接合して形成した場合である。これらのいずれの方法を用いても本発明の目的に達成することができる。また、図4(b)および図4(c)は用いる金属が1種類以上であっても良く、本発明の目的が達成されるものであれば特に限定されない。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional structure diagram of the mounting portion of the semiconductor element of the heat sink used in the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 4A, the
図5は、この発明の実施の形態1の半導体装置に用いるヒートシンクの半導体素子の搭載部の断面構造模式図である。図5(a)には、半導体装置100の全体構造の断面構造模式図を示す。図5(b)には、図5(a)中の点線で囲んだ半導体素子1の搭載部3cの部分を拡大した断面構造模式図を示す。図5(b)に示したように、ヒートシンク3の半導体素子1の搭載部3cの凸部の厚さをA、搭載部3cの凸部を含めたヒートシンク3の厚さをBとすると、これらの厚さの関係は0.92>A/B>0.08を満たす必要がある。半導体素子1の搭載部3cの凸部の厚さAが、ヒートシンク3の厚さBの0.08倍を下回ると、封止樹脂7の半導体素子1の下面側への回り込み量が減少するので、封止樹脂7による半導体素子1の抑え込みが弱くなり、半導体素子1と封止樹脂7との界面で剥離が生じ、半導体装置100の信頼性が著しく損なわれる。また、半導体素子1の端部とヒートシンク3がより近接するため、ヒートサイクル時の半導体素子1の端部と封止樹脂7の界面とに発生する応力が大きくなり、封止樹脂7の剥離やクラックが生じて信頼性が低下する。逆に、半導体素子1の搭載部3aの凸部の厚さAが、ヒートシンク3の厚さBの0.92倍を超えると、ヒートシンク3の本来の役目である放熱性が低下し、半導体素子1の温度が上昇して半導体素子1の破壊が生じてしまう。
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the mounting portion of the semiconductor element of the heat sink used in the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 5A shows a schematic sectional view of the entire structure of the
さらに、ヒートシンク3の半導体素子1の搭載部3cの凸部の厚さAは、0.25<A≦2.5mmを満たす必要がある。半導体素子1の搭載部3cの凸部の厚さAが、0.25mmを下回ると、封止樹脂7の半導体素子1の下面側への回り込み量が減少するので、封止樹脂7による半導体素子1の抑え込みが弱くなり、半導体素子1と封止樹脂7との界面で剥離が生じ、半導体装置100の信頼性が著しく損なわれる。また、半導体素子1の端部とヒートシンク3がより近接するため、ヒートサイクル時の半導体素子1の端部と封止樹脂7の界面とに発生する応力が大きくなり、封止樹脂7の剥離やクラックが生じて信頼性が低下する。逆に、半導体素子1の搭載部3aの凸部の厚さAが、2.5mmを超えると、ヒートシンク3の本来の役目である放熱性が低下し、半導体素子1の温度が上昇して半導体素子1の破壊が生じてしまう。
Furthermore, the thickness A of the convex portion of the mounting portion 3c of the
図6および図7は、図1に示した本実施の形態1における半導体装置100以外の電気的接続方法を用いた半導体装置に関する図である。
6 and 7 are diagrams relating to a semiconductor device using an electrical connection method other than the
図6は、この発明の実施の形態1の他の半導体装置の断面構造模式図である。図6において、半導体装置200は、半導体素子1、リードフレーム2、金属部であるヒートシンク3、絶縁層5、金属板6、封止樹脂7、接合材8、接続端子13、接続バー14を備える。
FIG. 6 is a schematic sectional view of another semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 6, the
図6に示した半導体装置200では、半導体装置200内部の電気的接続は接続端子13と接続バー14とを用いて行っている。例えば、接続端子13は、円筒形状のものを用いることができる。また、接続バー14としては、この接続端子13の円筒形状と接続可能な形状であれば良い。
In the
図7は、この発明の実施の形態1の他の半導体装置の断面構造模式図である。図8は、この発明の実施の形態1の他の半導体装置の上面構造模式図および断面構造模式図である。図8(a)は、半導体装置300の上面構造模式図であり、モールド樹脂7で覆われた外観図である。図8(b)は、モールド樹脂7を透過して見た場合の半導体装置300の上面構造模式図である。図8(c)は、点線AAにおける半導体装置300の断面構造模式図である。図8(d)は、点線BBにおける半導体装置300の断面構造模式図である。図7、図8において、半導体装置300は、半導体素子1、リードフレーム2、金属部であるヒートシンク3、ボンディングワイヤ4、絶縁層5、金属板6、封止樹脂7、接合材8を備える。なお、図7は、図8(b)の点線AAにおける断面を紙面上側から見た図で、図8(c)は点線AAにおける断面を紙面下側から見た図である。
FIG. 7 is a schematic sectional view of another semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 8 is a schematic top view and a schematic cross-sectional view of another semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 8A is a schematic top view of the
図7、図8に示した半導体装置300では、半導体装置300内部の電気的接続はリードフレーム2とボンディングワイヤ4とを用いて行っている。図6、図7および図8において、金属板6を用いたが、金属板に限定されるものでなく、銅箔やアルミ箔などの金属箔でも同様の効果を得ることができる。
In the
このように、電気的な接続は、所望の電流密度の電流を流すことが可能な接続方法を用いれば特に限定されない。また、回路構成等に応じた配線部材や配線形態を選択することで、さまざまな構成の半導体装置の形成が可能である。さらに、同一半導体装置内であっても、切断する位置により断面形状が異なる場合もある。いずれの接続形態の半導体装置においても、本発明を適用することで同様な信頼性向上の効果を得ることができる。 Thus, the electrical connection is not particularly limited as long as a connection method capable of flowing a current having a desired current density is used. Further, by selecting a wiring member and a wiring form according to the circuit configuration and the like, it is possible to form semiconductor devices having various configurations. Furthermore, even within the same semiconductor device, the cross-sectional shape may differ depending on the cutting position. In any connection type semiconductor device, the same reliability improvement effect can be obtained by applying the present invention.
以上のように構成された半導体装置においては、半導体素子1を半導体素子1よりも面積が小さいヒートシンク3の半導体素子1の搭載面3aに搭載したので、封止樹脂7の体積に対するヒートシンク3の体積の割合が減少することで、ヒートサイクルに起因して発生する応力を低減することができる。その結果、半導体素子1と封止樹脂7との界面で生じる封止樹脂7の剥離や封止樹脂7のクラックを防止することができ、半導体装置の絶縁信頼性の向上が可能となる。
In the semiconductor device configured as described above, since the
また、半導体素子1を半導体素子1よりも面積が小さいヒートシンク3の半導体素子1の搭載面3aに搭載した応力低減構造となっていることから、封止樹脂7に求められる弾性率や樹脂強度などの要求特性値の許容幅が広がり、半導体装置の生産性向上、低コスト化につながる。
Further, since the
実施の形態2.
本実施の形態2においては、実施の形態1で用いたヒートシンクを含む冷却構造において、絶縁層として絶縁シートから絶縁基板に変更した点が異なる。このように絶縁層として絶縁基板を用いて構成した場合においても、ヒートサイクルに起因して発生する応力を低減することができる。その結果、半導体素子1と封止樹脂7との界面で生じる封止樹脂7の剥離や封止樹脂7のクラックを防止することができ、半導体装置の絶縁信頼性の向上が可能となる。
The second embodiment is different in that the insulating structure is changed from an insulating sheet to an insulating substrate in the cooling structure including the heat sink used in the first embodiment. As described above, even when the insulating layer is used as the insulating layer, the stress generated due to the heat cycle can be reduced. As a result, peeling of the sealing
図9および図10は、図7に示した本実施の形態1における半導体装置300において、他の電気的接続方法を用いた半導体装置に関する図である。
FIGS. 9 and 10 are diagrams relating to the semiconductor device using another electrical connection method in the
図9は、この発明の実施の形態2における半導体装置の断面構造模式図である。基本的な構成は実施の形態1と同様であるが、半導体素子1を搭載するヒートシンク3を含む冷却部分の構成が異なる。
FIG. 9 is a schematic sectional view of a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. Although the basic configuration is the same as that of the first embodiment, the configuration of the cooling portion including the
図9において、半導体装置400は、半導体素子1、リードフレーム2、金属部であるヒートシンク3、封止樹脂7、接合材8、絶縁基板15、金属板6を備える。
In FIG. 9, the
すなわち、実施の形態1では、絶縁層5として絶縁シートを用いているが、本実施の形態2においては、絶縁層5として絶縁シート5の替わりに絶縁基板15を用いている。絶縁基板15は、絶縁性のセラミック基板である。絶縁基板15のいずれかの面に金属部であるヒートシンク3と金属板6とが配置されている。半導体素子1が搭載される面の電極部が凸部を有している構成になっている。絶縁層5として絶縁基板15を用いている以外は実施の形態1の図7に示した半導体装置300と同様の構成である。
That is, in
図10は、本発明の実施の形態2における他の半導体装置の断面構造模式図である。図10において、半導体装置500は、半導体素子1、リードフレーム2、金属部であるヒートシンク3、封止樹脂7、接合材8、ベース板9、絶縁基板15、金属板6を備える。半導体装置500のように、絶縁基板15の下部の金属板16の下部にさらに応力低減や放熱のために金属製のベース板9を備える構造をとることもできる。基本的な構成は実施の形態1の図7に示した半導体装置300と同様であるが、半導体素子1を搭載するヒートシンク3を含む部分の構成が異なる。すなわち、実施の形態1では、絶縁層5として絶縁シートを用いているが、本実施の形態2の他の半導体装置500においては、絶縁層5として絶縁シート5の替わりに絶縁基板15を用いている。絶縁基板15は絶縁性のセラミック基板である。絶縁基板15のいずれかの面に金属部であるヒートシンク3と金属板16とが配置されている。さらに、絶縁基板15の下部の金属板6の下部にベース板9を備えている以外は、実施の形態1の図7に示した半導体装置300と同様の構成である。ベース板9として、銅モリブデン(CuMo)合金やアルミシリコンカーバイド(AlSiC)合金等を用いることができる。
FIG. 10 is a schematic cross-sectional structure diagram of another semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 10, the
以上のように構成された半導体装置においては、半導体素子1を半導体素子1よりも面積が小さいヒートシンク3の半導体素子1の搭載面3aに搭載したので、封止樹脂7の体積に対するヒートシンク3の体積の割合が減少することで、ヒートサイクルに起因して発生する応力を低減することができる。その結果、半導体素子1と封止樹脂7との界面で生じる封止樹脂7の剥離や封止樹脂7のクラックを防止することができ、半導体装置の絶縁信頼性の向上が可能となる。
In the semiconductor device configured as described above, since the
なお、本実施の形態2で用いるヒートシンクは、実施の形態1で示したヒートシンク3の形状(図2、図3)や構成(図4)を用いることができることは言うまでもない。
Needless to say, the heat sink used in the second embodiment can use the shape (FIGS. 2 and 3) and the configuration (FIG. 4) of the
また、半導体素子1を半導体素子1よりも面積が小さいヒートシンク3の半導体素子1の搭載面3aに搭載した応力低減構造となっていることから、封止樹脂7に求められる弾性率や樹脂強度などの要求特性値の許容幅が広がり、半導体装置の生産性向上、低コスト化につながる。
Further, since the
実施の形態3.
本実施の形態3においては、実施の形態1および実施の形態2で用いた封止樹脂で全体を覆ったモールド型の半導体装置において、モールド型から枠材を用いて周囲を囲い、枠材の内部を封止樹脂にて充填するケース型に変更した点が異なる。このように半導体装置をケース型とした場合においても、ヒートサイクルに起因して発生する応力を低減することができる。その結果、半導体素子1と封止樹脂7との界面で生じる封止樹脂7の剥離や封止樹脂7のクラックを防止することができ、半導体装置の絶縁信頼性の向上が可能となる。
In the third embodiment, in the mold type semiconductor device that is entirely covered with the sealing resin used in the first and second embodiments, the frame material is used to surround the periphery of the mold material, The difference is that the interior is changed to a case mold filled with sealing resin. Thus, even when the semiconductor device is a case type, the stress generated due to the heat cycle can be reduced. As a result, peeling of the sealing
図11は、本発明の実施の形態3における半導体装置の断面構造模式図である。図11において、半導体装置600は、半導体素子1、金属部であるヒートシンク3、絶縁層5、封止樹脂7、接合材8、ベース板9、ケース部材10、電極端子16を備える。基本的な構成は実施の形態1と同様であるが、モジュールの製造方法がモールディング方式であるモールド型ではなく、ポッティング方式であるケース型となっている。すなわち、本実施の形態はベース板9の上に、絶縁層5である高耐熱性の絶縁樹脂がシート状に形成され(絶縁シート)、さらにこのシート状絶縁樹脂の上に半導体素子1が搭載される搭載面を有する電極部が凸部を有しているヒートシンク3が形成されている。さらに、ベース板9を取り囲むように、電極端子16を有したケース部材10が取り付けられ、内部にはポッティングによる封止樹脂7で封止されている。それ以外は実施の形態1と同様である。
FIG. 11 is a schematic sectional view of a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. In FIG. 11, a
以上のように構成された半導体装置においては、半導体素子1を半導体素子1よりも面積が小さいヒートシンク3の半導体素子1の搭載面3aに搭載したので、封止樹脂7の体積に対するヒートシンク3の体積の割合が減少することで、ヒートサイクルに起因して発生する応力を低減することができる。その結果、半導体素子1と封止樹脂7との界面で生じる封止樹脂7の剥離や封止樹脂7のクラックを防止することができ、半導体装置の絶縁信頼性の向上が可能となる。
In the semiconductor device configured as described above, since the
また、半導体素子1を半導体素子1よりも面積が小さいヒートシンク3の半導体素子1の搭載面3aに搭載した応力低減構造となっていることから、封止樹脂7に求められる弾性率や樹脂強度などの要求特性値の許容幅が広がり、半導体装置の生産性向上、低コスト化につながる。なお、本実施の形態3で用いるヒートシンク3は、実施の形態1で示したヒートシンクの形状(図2、図3)や構成(図4)を用いることができることは言うまでもない。
Further, since the
[実施例]
実施の形態1における図1に示した半導体装置100を用いて、比較検討を行った。SiC製半導体素子1を一方の面に接合し、他方の面に絶縁層5を設けたヒートシンク3にリードフレーム2を接合し、全体をエポキシ樹脂で封止したモールド型半導体装置を作製した。表1に試作・評価した各種半導体装置の信頼性試験結果を示す。表1には、SiC製半導体素子1の接合材搭載側の面積をS(chip)、ヒートシンク3の凸部のチップ搭載面の面積をS(HS)、ヒートシンク3の厚さをL(HS)(図5におけるB)、ヒートシンク3の凸部の厚さをL(凸)(図5におけるA)、で示した。ヒートシンク3とリードフレーム2は放熱性を考えて銅とした。ヒートシンク3上には、半導体素子1として、温度センサ付きMOSFETとショットキーバリアダイオード(SBD:Schottky Barrier Diode)の2種を搭載した。なお、面積はπ=3として計算、少数第3位で四捨五入している。
[Example]
A comparative study was performed using the
封止樹脂7は、ガラス転移点(Tg)が約190℃のエポキシ樹脂にシリカを82重量%充填し、熱膨張係数を12×10−6(1/K)となるものを用いた。
As the sealing
このようなヒートシンク3上に半導体素子1を接合し、半導体素子1とヒートシンク3の必要な場所にボンディングワイヤ4およびリードフレーム2にて電気的接続を行い、リードフレーム2や絶縁層5と合わせてトランスファーモールドによる樹脂封止を行った。樹脂封止は約180℃で120秒間行い、金型取り出し後にオーブンにて180℃、4時間のポストモールドキュア(PMC:Post Mold Cure)を実施した。
The
半導体装置の信頼性試験は、温度サイクル試験にて実施した。温度サイクル試験は冷熱衝撃試験機(ESPEC製TSD−100)に半導体装置を投入し、高温槽内の温度を−60℃と180℃との間を繰り返し往復させて実施させた。信頼性の判定基準は、温度サイクル(H/C)試験が1000サイクル経過後に剥離無きこととした。剥離有無の判断は、超音波映像装置(日立エンジニアリング・アンド・サービス製FineSAT)で観察して実施した。また、連続動作時温度(Tj(op))の測定は、MOSFETの温度センサを用いて実施した。定格の6500Vでモジュールを動作させ、この動作時のチップ温度を測定した。信頼性の判断基準は、定格動作時のチップ温度が175℃を超えないこととした。 The reliability test of the semiconductor device was performed by a temperature cycle test. The temperature cycle test was performed by putting the semiconductor device into a thermal shock tester (TSP-100 manufactured by ESPEC) and repeatedly reciprocating the temperature in the high temperature bath between -60 ° C and 180 ° C. The criterion for reliability was that the temperature cycle (H / C) test had no peeling after 1000 cycles. Judgment of the presence or absence of peeling was carried out by observing with an ultrasonic imaging apparatus (FineSAT manufactured by Hitachi Engineering & Service). The temperature during continuous operation (Tj (op)) was measured using a MOSFET temperature sensor. The module was operated at the rated 6500 V, and the chip temperature during this operation was measured. The criterion for determining reliability is that the chip temperature during rated operation does not exceed 175 ° C.
実施例1〜9は用いる半導体素子1のサイズ:S(chip)は81mm2、ヒートシンク3の厚み:L(HS)は3mm、L(凸)は1mmと同一で、ヒートシンク3の凸部の面積:S(HS)だけを振った半導体装置の結果を示している。S(HS)の面積がチップサイズ以上である場合、ヒートサイクル時に封止樹脂と半導体素子の間で剥離が生じるため信頼性はNGであった。また、S(HS)の面積が小さくなるにつれ、H/C回数は向上し、反対にチップ温度は除々に上昇する(実施例2〜8)。さらに、S(HS)の面積が小さくなり、36mm2以下になった場合にチップ温度が177℃になり、信頼性がNGとなった。以上の結果より、半導体素子1及びヒートシンク3の凸部の面積は1>S(HS)/S(chip)≧1/2の関係を満たせば信頼性を有する半導体装置を得ることができる。
In Examples 1 to 9, the size of the
実施例10〜12は、実施例5のヒートシンク3の凸部の厚みL(凸)を薄くした半導体装置の結果を示している。L(凸)が薄くなるにつれてチップ温度は低下傾向になるが、H/C回数は減少傾向であった。さらにL(凸)が薄くなった実施例12ではH/C耐性の悪化により信頼性がNGとなった。以上の結果より、L(凸)/L(HS)>0.08の条件を満たす半導体装置が信頼性を有することが明らかとなった。
Examples 10 to 12 show the results of the semiconductor device in which the thickness L (convex) of the convex portion of the
実施例13〜15は、実施例5のヒートシンク3の凸部の厚みL(凸)を厚くした半導体装置の結果を示している。L(凸)が厚くなるにつれてH/C耐性は1200回以上を維持しており良好であるが、チップ温度は上昇傾向であった。さらに、L(凸)が厚くなった実施例15ではチップ温度が180℃となり、信頼性がNGとなった。以上の結果より、0.92>L(凸)/L(HS)の条件を満たす半導体装置が信頼性を有することが明らかとなった。
Examples 13 to 15 show the results of the semiconductor device in which the thickness L (convex) of the convex portion of the
実施例16〜19はチップサイズの異なる半導体素子1を用いた半導体素子の信頼性評価の結果を示すが、実施例1〜15で得られた知見と同様の傾向が見られた。これらの結果より、S(chip)、S(HS)、L(HS)、L(凸)のサイズ制約は他の半導体素子1でも同様であり、普遍的であることが明らかとなった。
Examples 16 to 19 show the results of reliability evaluation of semiconductor elements using the
実施例20〜22は厚みの異なるヒートシンク3を用いた半導体装置の信頼性評価の結果を示すが、実施例12〜15で得られた知見と同様の傾向が見られた。これらの結果より、L(HS)、L(凸)のサイズ制約は他の半導体素子1でも同様であり、普遍的であることが明らかとなった。
Examples 20 to 22 show the results of the reliability evaluation of the semiconductor device using the
1 半導体素子、2 リードフレーム、3 ヒートシンク、3a,3b ヒートシンクの搭載面、3c,3d,3e,3f ヒートシンクの半導体素子搭載部、4 ボンディングワイヤ、5 絶縁層、6 金属板(金属箔)、7 封止樹脂、8 接合材、9 ベース板、10 ケース部材、11 ヒートシンク部材、12 ヒートシンク部材、13 接続端子、14 接続バー、15 セラミック基板、16 電極端子、100,200,300,400,500,600 半導体装置。
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記半導体素子の電極が形成された面の周縁内に収まり前記半導体素子を搭載する搭載面を有する凸状の搭載部を備えた金属部と、
前記半導体素子と前記金属部とを封止する封止樹脂と、
を備え、
前記搭載部の厚さ(A)は、0.25mm<A≦2.5mmであることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor element;
A metal part having a convex mounting part that has a mounting surface for mounting the semiconductor element within a periphery of the surface on which the electrode of the semiconductor element is formed;
Sealing resin for sealing the semiconductor element and the metal part;
With
A thickness (A) of the mounting portion is 0.25 mm <A ≦ 2.5 mm.
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