JP6314416B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置に関し、特に樹脂封止型の半導体装置に関する。
樹脂封止型半導体装置の信頼性、特に半導体チップに対する耐湿性の向上を図るため、モールド樹脂で成形する前の段階で、基板上にマウントされた半導体チップの表面を耐湿性の高いコーティング材（ジャンクション・コーティング・レジン）で覆うことが実施されている（例えば特許文献１参照）。
このコーティング材は、溶剤を加えて流動性を付与した状態で、ディスペンサにより半導体チップの上にポッティングされ、乾燥させて硬化させることにより、半導体チップの表面全体がコーティングされるようになっている。
近年、自動車分野などで、例えばエンジンルームといった高湿・高温である過酷な環境下でも信頼性の高い樹脂封止型の半導体装置を用いる需要が高まってきていることから、前述のコーティング材にもより高い高湿・高温特性が求められるようになってきている。一方で従来のコーティング材を高湿・高温下に適用した場合、以下のような課題が発生することが本発明者の鋭意研究により明らかとなった。模式図を図７に示す。
コーティング材１０１の内部に水分１０２が入った状態で（図７（ａ）、図７（ｂ））高温下にさらされると、水分１０２が気化し膨張する結果、コーティング材１０１の内部に気泡１０３が発生する（図７（ｃ））。この時、従来のコーティング材１０１の高温下の変形は弾性変形ではなく塑性変形が支配的であるため、常温に戻ったとしても気泡１０３が残留してしまう（図７（ｄ））。このコーティング材１０１の内部に残留した気泡１０３が新たな水分侵入経路となり、半導体チップ表面の腐食など信頼性に悪影響を及ぼすことになる。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、高湿・高温な環境でもコーティング材内部の水分による気泡発生を抑制し、またコーティング材内部に気泡が発生した場合でも常温下での気泡の残留を抑制することができる半導体装置を提供するものである。
前記の目的を達成するために、この発明の一態様では、基板と、前記基板の主面に載置されている半導体チップと、前記基板に載置された前記半導体チップを覆うように配置されているコーティング材と、前記コーティング材を覆うように配置されている樹脂とを備え、前記コーティング材は２６０℃以下の貯蔵弾性率（１Ｈｚ）が５０ＭＰａ以上１０００ＭＰａ以下である構成とする。
また別の一態様では、半導体装置は、基板と、前記基板の主面に載置されている半導体チップと、前記基板に載置された前記半導体チップを覆うように配置されているコーティング材と、前記コーティング材を覆うように配置されている樹脂とを備え、前記コーティング材は２６０℃以下の損失弾性率（１Ｈｚ）が１．１ＭＰａ以上１０ＭＰａ以下である構成とする。
さらに別の一態様では、半導体装置は、基板と、前記基板の主面に載置されている半導体チップと、前記基板に載置された前記半導体チップを覆うように配置されているコーティング材と、前記コーティング材を覆うように配置されている樹脂とを備え、前記コーティング材は２６０℃以下の貯蔵弾性率（１Ｈｚ）が５０ＭＰａ以上１０００ＭＰａ以下であり、前記コーティング材は２６０℃以下の損失弾性率（１Ｈｚ）が１．１ＭＰａ以上１０ＭＰａ以下である構成とする。
上記の手段によれば、樹脂封止型の半導体装置において、高湿・高温な環境でもコーティング材内部の水分による気泡発生を抑制し、さらにコーティング材内部に気泡が発生した場合でも常温下での気泡の残留を抑制することができ、高い耐湿性を有する半導体装置が実現できる。
以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を図面に基づいて説明する。
実施の形態を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。
実施の形態を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。
なおこの実施例は、説明された実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。
[実施例１]
図１は、この発明の実施例１に係る樹脂封止型の半導体装置５０の構成図であり、同図（ａ）は上面図、同図（ｂ）はＩ−Ｉ’断面図である。
[実施例１]
図１は、この発明の実施例１に係る樹脂封止型の半導体装置５０の構成図であり、同図（ａ）は上面図、同図（ｂ）はＩ−Ｉ’断面図である。
図示する半導体装置５０は、半導体チップ１と、金属基板２と、コーティング材３と、封止樹脂４と、ボンディングワイヤ５と、外部端子６と、接合材７などで構成されている。
半導体チップ１は、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、パワーＭＯＳＦＥＴ、ＦＷＤ（Ｆｒｅｅ Ｗｈｅｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等の縦型のパワー半導体素子が該当する。これらの半導体チップ１は動作時に高温を発生させるため、隣接するコーティング材３も高温下にさらされることになる。
金属基板２は、縦型のパワー半導体素子である半導体チップ１の裏面電極（例えばコレクタ電極）を、はんだなどの導電性の接合材７を経由して付随する端子部へと電気的に接続させる機能を有する。また半導体チップ１から発生する高温を効果的に放熱する機能も求められている。このように金属基板２には高い電気伝導率と熱伝導率が必要とされることから、例えば銅や銅合金などで構成されている。
金属基板２は、例えば外部端子６と一体でリードフレームから成形され、最終的に外部端子６と切り離されることにより形成されている。
コーティング材３は、半導体チップ１の耐湿性を確保することを目的として、半導体チップ１の表面および側面を覆うように配置されている。コーティング材３は、例えば、ポリイミド、ポリエーテルアミド、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミドなどの有機材料で構成されている。
コーティング材３は、半導体チップ１の耐湿性を確保することを目的として、半導体チップ１の表面および側面を覆うように配置されている。コーティング材３は、例えば、ポリイミド、ポリエーテルアミド、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミドなどの有機材料で構成されている。
銅や銅合金などの金属で構成された外部端子６と、半導体チップ１の表面電極（例えばエミッタ電極やゲート電極）は、アルミニウムやアルミニウム合金などで構成されたボンディングワイヤ５を用いて電気的に接続されている。
封止樹脂４は、半導体チップ１やコーティング材３、ボンディングワイヤ５などを外部環境から保護することを目的として、それらを覆うように配置されている。封止樹脂４は、例えば、エポキシ樹脂などで構成されている。
実施例１に係る半導体装置５０の製造工程の概略図を図２に示す。
まず銅や銅合金で構成された金属板を所定形状のリードフレームに加工して、金属基板２や図示しない外部端子を形成し、はんだなどの接合材７を用いて金属基板２上に半導体チップ１を固定する。さらに必要に応じて、半導体チップ１と外部端子との間に図示しないボンディングワイヤを接合する（図２（ａ））。
まず銅や銅合金で構成された金属板を所定形状のリードフレームに加工して、金属基板２や図示しない外部端子を形成し、はんだなどの接合材７を用いて金属基板２上に半導体チップ１を固定する。さらに必要に応じて、半導体チップ１と外部端子との間に図示しないボンディングワイヤを接合する（図２（ａ））。
続いて溶剤を加えて流動性を付与したコーティング材３を、半導体チップ１の上方からディスペンサを用いてポッティングし、コーティング材３の材質に応じて最適な温度で熱処理して硬化させて、半導体チップ１をコーティングする（図２（ｂ））。例えばコーティング材３としてポリエーテルアミドを用いた場合は、約１８０〜２６０℃の硬化温度が適している。またポリイミドを用いた場合には、約２５０℃の硬化温度が適している。
続いて構成部材を所定の金型に投入し、トランスファーモールド成形を行うことにより、封止樹脂４を形成する（図２（ｃ））。最後にリードフレームの不要な部分を切除することにより、半導体装置５０が完成する。
実施例１が前述の従来例と異なる点としては、高温下でコーティング材３内部の水分が気化し、膨張することを防止するため、コーティング材３の貯蔵弾性率を最適化した点である。コーティング材３の貯蔵弾性率と、気泡が発生する確率の相関を図３に示す。
このグラフは、６種類の様々な貯蔵弾性率を持つコーティング材を適用した半導体装置を、温度８５℃、湿度８５％の条件下に１６８時間さらしてコーティング材に吸湿させ、さらに２６０℃で１０秒間の高温処理を行った後のコーティング材内部の発泡の有無を評価したデータである。
なお本実験で用いたコーティング材の硬化前の粘度は４５〜４７．５（Ｐａ・ｓ）、硬化後のガラス転移点温度は２００〜２５０（℃）、熱膨張係数は３６〜６０（ｐｐｍ／℃）である。
コーティング材の貯蔵弾性率は動的粘弾性測定装置（日立ハイテクサイエンス社製動的粘弾性測定装置）を用い、温度２６０℃、荷重７０ｍＮ、周波数１Ｈｚの条件で測定したものである。
なおコーティング材に対する上記試験において、２６０℃という処理温度及び測定温度を定義した理由は、この温度が本発明が適用される半導体装置がさらされうる最も高い温度であるため、この温度での発泡特性、粘弾性特性が本発明においては重要であるからである。つまり、本発明が適用される半導体装置では、コーティング材が１８０℃〜２６０℃で硬化させるので、この温度での貯蔵弾性率と損失弾性率が重要となる。
上記６種類のコーティング材の貯蔵弾性率を測定した結果、それぞれ３８ＭＰａ、４１ＭＰａ、４８ＭＰａ、５９ＭＰａ、７８ＭＰａ及び１０００ＭＰａであった。またそれぞれのコーティング材の発泡の有無を評価したところ、貯蔵弾性率が３８ＭＰａ及び４１ＭＰａのコーティング材では発泡が発生（発泡発生率＞０）していたのに対し、貯蔵弾性率が４８ＭＰａ、５９ＭＰａ、７８ＭＰａ及び１０００ＭＰａのコーティング材では発泡が発生していない（発泡発生率＝０）ことが明らかとなった。
すなわち、これはコーティング材３の貯蔵弾性率（１Ｈｚ）を５０ＭＰａ以上に設定することにより、高温高湿下においても気泡の発生を防止することが可能であることを示している。これにより図７に示したような気泡の残留による新たな水分侵入経路の形成を防止することができ、半導体チップ表面の腐食などを防止することが可能となった。
またコーティング材３の貯蔵弾性率（１Ｈｚ）を１０００ＭＰａ以上にした場合、コーティング材３自体の製造コストが非常に高くなるため、コーティング材３の貯蔵弾性率（１Ｈｚ）は１０００ＭＰａ以下が望ましい。
[実施例２]
実施例２に関して、本実施例に係る半導体装置の構成自体は実施例１と同様である。
[実施例２]
実施例２に関して、本実施例に係る半導体装置の構成自体は実施例１と同様である。
実施例２が前述の従来例と異なる点としては、高温下でコーティング材３内部の水分が気化し、膨張した際に塑性変形して気泡が残留することを防止するため、コーティング材３の損失弾性率を最適化した点である。コーティング材３の損失弾性率と、気泡が発生する確率の相関を図４に示す。
このグラフは、７種類の様々な損失弾性率を持つコーティング材を適用した半導体装置を、温度８５℃、湿度８５％の条件下に１６８時間さらしてコーティング材に吸湿させ、さらに２６０℃で１０秒間の高温処理を行った後のコーティング材内部の発泡の有無を評価したデータである。
なお本実験で用いたコーティング材の硬化前の粘度は４５〜４７．５（Ｐａ・ｓ）、硬化後のガラス転移点温度は２００〜２５０（℃）、熱膨張係数は３６〜６０（ｐｐｍ／℃）である。
コーティング材の貯蔵弾性率は動的粘弾性測定装置（日立ハイテクサイエンス社製動的粘弾性測定装置）を用い、温度２６０℃、荷重７０ｍＮ、周波数１Ｈｚの条件で測定したものである。
上記７種類のコーティング材の損失弾性率を測定した結果、それぞれ１．１ＭＰａ、２．０ＭＰａ、２．２ＭＰａ、２．５ＭＰａ、１０ＭＰａ、１９ＭＰａ及び２７ＭＰａであった。またそれぞれのコーティング材の発泡の有無を評価したところ、貯蔵弾性率が１９ＭＰａ及び２７ＭＰａのコーティング材では発泡が発生（発泡発生率＞０）していたのに対し、貯蔵弾性率が１．１ＭＰａ、２．０ＭＰａ、２．２ＭＰａ、２．５ＭＰａ及び１０ＭＰａのコーティング材では発泡が発生していない（発泡発生率＝０）ことが明らかとなった。
すなわち、これはコーティング材３の損失弾性率（１Ｈｚ）を１０ＭＰａ以下に設定することにより、高温高湿下において気泡が発生した際に、コーティング材の変形モードを塑性変形ではなく弾性変形に維持することが可能であることを示している。これにより図７に示したような気泡の残留による新たな水分侵入経路の形成を防止することができ、半導体チップ表面の腐食などを防止することが可能となった。
またコーティング材３の損失弾性率（１Ｈｚ）を１．１ＭＰａ以下にした場合、コーティング材３自体の製造コストが非常に高くなるため、コーティング材３の損失弾性率（１Ｈｚ）は１．１ＭＰａ以上が望ましい。
また、実施例１にて記した貯蔵弾性率の良好な範囲と、実施例２で示した損失弾性率の良好な範囲を共に満たすコーティング材３を用いることにより、さらに信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
[実施例３]
図５は、この発明の実施例３に係る樹脂封止型の半導体装置６０の要部断面図である。
[実施例３]
図５は、この発明の実施例３に係る樹脂封止型の半導体装置６０の要部断面図である。
実施例３が実施例１と大きく異なる点としては、構成部材として樹脂ケース１３が用いられていることと、半導体チップ１が固定されている基板が金属基板でなく絶縁回路基板であることがあげられる。絶縁回路基板８は、金属パターン層９、絶縁層１０及び下部金属層１１の３層構造で構成されている。
絶縁回路基板８の一様態としては、絶縁層１０は、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）焼結体、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）等のセラミックで構成されている。金属パターン層９及び下部金属層１１は銅（Ｃｕ）を主成分とする金属で構成され、ＤＣＢ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｏｐｐｅｒ Ｂｏｎｄｉｎｇ）法などを用いて絶縁層１０のそれぞれの面に形成されている。また金属パターン層９は選択的にパターン形成され、半導体装置６０に必要な回路が形成されている。
また絶縁回路基板８の別の一様態としては、アルミニウム板などで構成された下部金属層１１の表面にエポキシ系樹脂で絶縁層１０を形成し、さらにその表面に金属パターン層９を選択的にパターン形成して、絶縁回路基板８が構成されている。先の様態と比較した場合、コスト面で有利である。
また、半導体装置６０には、半導体チップ１の動作を制御するための制御チップ１２が搭載されている。図５では、制御チップ１２は外部端子６上に固定されているが、絶縁回路基板８上に固定されてももちろん良い。
実施例３に係る半導体装置６０の製造工程の概略図を図６に示す。
まず銅や銅合金で構成された金属板を所定形状のリードフレームに加工して外部端子６を形成し、
あらかじめ準備した絶縁回路基板８と共に所定の金型に投入して、トランスファーモールド成形により樹脂ケース１３を形成する（図６（ａ））。樹脂ケース１３は、例えばポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ樹脂）、ポリブチレンテレフタレート樹脂（ＰＢＴ樹脂）、ポリアミド樹脂（ＰＡ樹脂）又はアクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂（ＡＢＳ樹脂）などで構成されている。また樹脂ケース１３の成形後に、リードフレームの不要部分が切除される。
まず銅や銅合金で構成された金属板を所定形状のリードフレームに加工して外部端子６を形成し、
あらかじめ準備した絶縁回路基板８と共に所定の金型に投入して、トランスファーモールド成形により樹脂ケース１３を形成する（図６（ａ））。樹脂ケース１３は、例えばポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ樹脂）、ポリブチレンテレフタレート樹脂（ＰＢＴ樹脂）、ポリアミド樹脂（ＰＡ樹脂）又はアクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂（ＡＢＳ樹脂）などで構成されている。また樹脂ケース１３の成形後に、リードフレームの不要部分が切除される。
続いてはんだなどの接合材７を用いて絶縁回路基板８上に半導体チップ１を、外部端子６上に制御チップ１２を固定する。さらに必要に応じて、半導体チップ１と制御チップ１２、外部端子６との間にボンディングワイヤ５を接合する（図６（ｂ））。
続いて溶剤を加えて流動性を付与したコーティング材３を、半導体チップ１の上方からディスペンサを用いてポッティングし、コーティング材３の材質に応じて最適な温度で熱処理して硬化させて、半導体チップ１をコーティングする（図６（ｃ））。例えばコーティング材３としてポリエーテルアミドを用いた場合は、約１８０〜２６０℃の硬化温度が適している。またポリイミドを用いた場合には、約２５０℃の硬化温度が適している。
続いてエポキシ樹脂やシリコーン樹脂、ウレタン樹脂などから成る樹脂を樹脂ケース１３内に注入して、固化することにより封止樹脂４が形成される（図６（ｄ））。これにより半導体装置６０が完成する。
本実施例においても、実施例１と同様にコーティング材３の貯蔵弾性率（１Ｈｚ）を５０ＭＰａ以上、１０００ＭＰａ以下に設定することにより、高温高湿下においても気泡の発生を防止することが可能である。
また、本実施例においても実施例２と同様にコーティング材３の損失弾性率（１Ｈｚ）を１．１ＭＰａ以上、１０ＭＰａ以下に設定することにより、高温高湿下において気泡が発生した際に、コーティング材の変形モードを塑性変形ではなく弾性変形に維持することが可能である。
さらに、本実施例においても、コーティング材３の貯蔵弾性率と損失弾性率は基本的に独立で制御可能であることから、上記貯蔵弾性率の良好な範囲と、上記損失弾性率の良好な範囲を共に満たすコーティング材３を用いることにより、さらに信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
これらにより図７に示したような気泡の発生・残留による新たな水分侵入経路の形成を防止することができ、半導体チップ表面の腐食などを防止することが可能となる。
また本実施例では、図５で示すように制御チップ１２の表面はコーティング材３で保護されていない。これは制御チップ１２は半導体チップ３に比べ、動作時に高温が発生しないためである。しかしながら、高い信頼性を確保する目的で、制御チップ１２にも今回適用したコーティング材を適用してもよい。
また本実施例では、図５で示すように制御チップ１２の表面はコーティング材３で保護されていない。これは制御チップ１２は半導体チップ３に比べ、動作時に高温が発生しないためである。しかしながら、高い信頼性を確保する目的で、制御チップ１２にも今回適用したコーティング材を適用してもよい。
１ 半導体チップ
２ 金属基板
３ コーティング材
４ 封止樹脂
５ ボンディングワイヤ
６ 外部端子
７ 接合材
８ 絶縁回路基板
９ 金属パターン層
１０ 絶縁層
１１ 下部金属層
１２ 制御チップ
１３ 樹脂ケース
５０、６０ 半導体装置
２ 金属基板
３ コーティング材
４ 封止樹脂
５ ボンディングワイヤ
６ 外部端子
７ 接合材
８ 絶縁回路基板
９ 金属パターン層
１０ 絶縁層
１１ 下部金属層
１２ 制御チップ
１３ 樹脂ケース
５０、６０ 半導体装置
Claims (6)
- 基板と、
前記基板の主面に載置されている半導体チップと、
前記基板に載置された前記半導体チップを覆うように配置されているコーティング材と 、
前記コーティング材を覆うように配置されている樹脂と、
を備え、
前記コーティング材は２６０℃以下の損失弾性率（１Ｈｚ）が１．１ＭＰａ以上１０Ｍ Ｐａ以下であることを特徴とする半導体装置。 - 基板と、
前記基板の主面に載置されている半導体チップと、
前記基板に載置された前記半導体チップを覆うように配置されているコーティング材と 、
前記コーティング材を覆うように配置されている樹脂と、
を備え、
前記コーティング材は２６０℃以下の貯蔵弾性率（１Ｈｚ）が５０ＭＰａ以上１０００ ＭＰａ以下であり、
前記コーティング材は２６０℃以下の損失弾性率（１Ｈｚ）が１．１ＭＰａ以上１０Ｍ Ｐａ以下であることを特徴とする半導体装置。 - 前記コーティング材は、ポリイミド、ポリエーテルアミド、ポリエーテルイミドおよび ポリアミドイミドよりなる群から選ばれる少なくとも１種類により構成されることを特 徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
- 前記基板は、金属基板もしくは絶縁回路基板であることを特徴とする請求項１又は２に 記載の半導体装置。
- 前記樹脂は、エポキシ樹脂で構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の 半導体装置。
- 前記半導体チップは、縦型パワー半導体素子であることを特徴とする請求項１又は２に 記載の半導体装置。
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