JP6394810B1 - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

半導体装置１は、ヒートシンク２３と、ヒートシンク２３に固定材５で固定された半導体チップ３および回路基板４と、ワイヤ６を介して半導体チップ３および回路基板４と接続された複数のリード２２と、ヒートシンク２３の上に設けられたモールド樹脂７と、を備えている。モールド樹脂７は、リード２２の一部、ワイヤ６、および半導体チップ３を覆っており、リード２２の残部を露出させている。リード２２およびヒートシンク２３の表面には、表面粗さがＲＭＳ＝１５０ｎｍ以上の粗化めっき２１が設けられている。固定材５は、ハンダまたは焼結銀である。モールド樹脂７の吸水率が、０．２４％以下である。

Description

本発明は、半導体装置に関するものである。
従来、例えば日本特開２０１５−１６４１６５号公報に開示されているように、ＧａＮなどのワイドバンドギャップ半導体材料からなる半導体チップをモールド樹脂で封止した半導体装置が知られている。シリコンよりもバンドギャップの大きいワイドバンドギャップ半導体を用いることで、高温動作可能な半導体チップが提供される。高温動作に対応するモールドパッケージ構造を実現するためには、その高温動作に耐えうるモールド樹脂を選定する必要がある。この点に関し、上記特許文献１の段落００２３において、モールド樹脂のガラス転移温度Ｔｇの好ましい値として１９５℃以上という数値が記載されている。また、上記特許文献１の段落００１４には、半導体チップの高温動作に耐えうるように、焼結銀接合体を用いて半導体チップをヒートブロックに接合することが記載されている。
日本特開２０１５−１６４１６５号公報
しかしながら、本願発明者が鋭意研究を重ねたところ、上記特許文献１に記載された構造では、吸湿リフロー試験において樹脂がヒートシンクから剥離する問題が生ずることが見出された。この樹脂剥離の問題が解決されないと、半導体装置をリフロー実装することができず、樹脂パッケージ構造の利点が活かされないという問題がある。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、高温動作可能な樹脂封止型のパッケージ構造を有し、リフロー工程での樹脂剥離を抑制するように改善された半導体装置を提供することを目的とする。
本発明にかかる半導体装置は、
ヒートシンクと、
前記ヒートシンクに固定材で固定され、ＧａＮで形成された半導体チップと、
ワイヤを介して前記半導体チップと接続されたリードと、
前記リードの一部、前記ワイヤ、および前記半導体チップを覆うように前記ヒートシンクの上に設けられ、ガラス転移温度が１９５℃以上であるモールド樹脂と、
を備え、
前記ヒートシンクにおける前記モールド樹脂と重なる表面および前記リードにおける前記モールド樹脂と重なる表面には、表面粗さがＲＭＳ＝１５０ｎｍ以上の粗化めっきが設けられており、
前記固定材が、ハンダ又は焼結銀であり、
前記モールド樹脂の吸水率が０．２４％以下である。
本発明の構造であれば、高ガラス転移温度のモールド樹脂を用いてもリフロー実装時における樹脂剥離を抑制できることが、本願発明者によって新たに見出された。これにより、リフロー工程での樹脂剥離が抑制され高温動作可能な樹脂封止型の半導体装置が提供される。




本発明の実施の形態にかかる半導体装置を示す外観斜視図である。 本発明の実施の形態にかかる半導体装置の内部構造を示す斜視図である。 本発明の実施の形態にかかる半導体装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態にかかる半導体装置を示す部分拡大図である。 本発明の実施の形態にかかる半導体装置の変形例の内部構造を示す図である。 本発明の実施の形態にかかる半導体装置の変形例が備えるヒートシンクを示す平面図である。 本発明の実施の形態にかかる半導体装置の変形例を示す断面図である。
図１は、本実施の形態の実施の形態にかかる半導体装置１を示す外観斜視図である。図１に示すように、半導体装置１は、ヒートシンク２３の上に設けられたモールド樹脂７と、モールド樹脂７から突出するリード２２とを備えている。図２は、本実施の形態の実施の形態にかかる半導体装置１の内部構造を示す斜視図である。図２に示すように、半導体装置１は、ヒートシンク２３と、ヒートシンク２３に固定材５で固定された半導体チップ３および回路基板４と、ワイヤ６を介して半導体チップ３および回路基板４と接続された複数のリード２２とを備えている。図１および図２からわかるように、モールド樹脂７は、リード２２の一部、ワイヤ６、および半導体チップ３を覆っており、リード２２の残部を露出させている。
半導体装置１は、樹脂パッケージであり、リフロー実装が可能である。リフロー実装時の熱ストレスは、一例としては、ピーク温度で２６０℃、時間として３０秒以内である。半導体装置１は、このような熱ストレスがかかってもヒートシンク２３およびリード２２に対するモールド樹脂７の剥離が生じないように改善されたものである。
図３は、本実施の形態の実施の形態にかかる半導体装置１を示す断面図である。図３は、図１および図２のＡ−Ａ´線に沿って半導体装置１を切断したときの断面図を示している。図４は、本実施の形態の実施の形態にかかる半導体装置１を示す部分拡大図である。図４は図３のＸ部分を拡大したものである。
ヒートシンク２３の表面全体には、表面粗さがＲＭＳ＝１５０ｎｍ以上の粗化めっき２１が設けられている。リード２２の表面全体にも、粗化めっき２１が設けられている。なお、粗化めっき２１は、ヒートシンク２３およびリード２２における少なくともモールド樹脂７と重なる表面に設けられていればよい。従って、ヒートシンク２３およびリード２２におけるモールド樹脂７から露出する部位には、粗化めっき２１が設けられていなくともよい。ヒートシンク２３およびリード２２は、銅で形成されている。銅は３９８Ｗ／ｍＫという高い熱伝導率を持つ。ヒートシンク２３およびリード２２の材料については後ほど説明するように様々な変形が可能であるが、高い放熱性を得る観点からは２００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を持つ材料で形成されることが好ましい。
半導体装置１は、周波数１ＧＨｚ以上で作動し且つ１Ｗ以上の電力を出力する高周波高出力半導体装置である。半導体装置１に内蔵された半導体チップ３は、ガリウムナイトライド（ＧａＮ）で形成されている。ＧａＮ半導体装置は、従来から高周波半導体装置に使用されてきたシリコン（Ｓｉ）半導体装置やガリウムアーセナイド（ＧａＡｓ）半導体装置に比べて高温で動作できる。具体的には、半導体装置１の作動時における半導体チップ３のジャンクション温度は２５０℃以上である。実施の形態では、一例として、半導体装置１を無線通信半導体装置としている。半導体装置１は、無線通信半導体装置の一つである携帯電話用基地局であってもよい。無線通信半導体装置にかかる技術分野のうち高出力化が指向される分野においては、通信容量増大による広帯域化および半導体装置の小型化という要求があり、ＧａＮ半導体装置が主に用いられるようになっている。半導体装置１は、これらの広帯域化および小型化を満たすことができる。また、ネジ止め方式のメタルベースパッケージ構造およびセラミックパッケージ構造が適用されてきた従来のＧａＮ半導体装置と比べると、実施の形態にかかる半導体装置１は樹脂パッケージ構造なので低コスト化が可能である。
半導体チップ３および回路基板４が、固定材５によってヒートシンク２３の表面に固定されている。固定材５は、ハンダまたは焼結銀である。ハンダおよび焼結銀は、銀ペースト樹脂と比べると、水分を吸いにくく且つ熱伝導率が良好である。
モールド樹脂７は、異物および外力等から半導体チップ３および回路基板４を保護するために、半導体チップ３および回路基板４を封止する。モールド樹脂７のガラス転移温度は１９５℃以上である。モールド樹脂７の吸水率は０．２４％以下である。より具体的には、実施の形態では、モールド樹脂７は、ガラス転移温度２００℃、熱分解開始温度３００℃、吸水率０．２４％、かつ線膨張係数９〜１９ｐｐｍであるものとする。
半導体チップ３はＧａＮで形成されているので、３００℃付近まで高温となると故障のおそれがある。しかし故障しない温度範囲であれば、３００℃近くまで高温の状態で作動するということでもある。モールド樹脂７の熱分解開始温度が３００℃以上とされることで、半導体チップ３の高温動作上限付近でもモールド樹脂７が確実に熱分解しないようにすることができる。
本願発明者は、高ガラス転移温度のモールド樹脂を用いた半導体装置においてリフロー実装時の樹脂剥離を抑制するために、下記の第一対策〜第三対策が有効であることを見出した。
第一対策は、モールド樹脂７の材料自体の吸水率を下げることである。モールド樹脂７の材料は、エポキシ樹脂と無機フィラーとを含有する熱硬化性樹脂を用いることができる。この熱硬化性樹脂を熱硬化させることでモールド樹脂７が提供される。モールド樹脂７の物性値の一つにガラス転移温度（Ｔｇ）がある。半導体装置１の高温動作に耐えられるように、モールド樹脂７が高いガラス転移温度且つ高い熱分解開始温度を有するように、モールド樹脂７に含まれるエポキシ樹脂が選定される。しかしながら、一般的には、エポキシ樹脂の分子構造が原因で、ガラス転移温度が高いと従来のモールド樹脂材料では吸水率も高くなる傾向がある。モールド樹脂剥離の原因の一つは、パッケージ内部の水分がリフロー実装時に水蒸気化することである。単に高ガラス転移温度の樹脂を選定するだけでは吸水率も高くなってしまい、リフロー実装時の熱ストレスに起因して樹脂剥離が発生してしまう。
ところで、近年開発された技術によれば、エポキシ樹脂の分子構造を制御することで、高いガラス転移温度でありながら吸水率を低く抑えたモールド樹脂材料が提供されはじめている。そこで、本願発明者はこのような技術的動向に着目し、高ガラス転移温度かつ吸水率を低くしたモールド樹脂材料を用いて実験を行った。後述する表１〜３で示した実験結果により、吸水率を０．２４％以下に抑えれば、後述する第二対策および第三対策と組み合わせることで、リフロー実装時の樹脂剥離を抑制できることが見出された。なお、実験結果によれば、吸水率が０．２４％を超えるとリフロー実装時に部分剥離が発生するおそれがあり、吸水率が０．３０％以上では全面剥離が発生する。
第二対策は、モールド樹脂７の内部に、吸水し易いものを入れないということである。モールド樹脂７内部で半導体チップ３および回路基板４がヒートシンク２３に固定材５でダイボンドされている。半導体装置１ではこの固定材５がハンダまたは焼結銀とされる。仮に銀ペースト樹脂等のダイボンド材を用いた場合には、銀ペースト樹脂に含まれるエポキシ樹脂に吸湿された水分によって、半導体装置１のリフロー実装時にモールド樹脂７が剥離してしまう。この点、実施の形態にかかる半導体装置１ではハンダまたは焼結銀で半導体チップ３等が固定されているので、モールド樹脂７内の水分を抑制することができる。
第三対策は、モールド樹脂とヒートシンクの密着強度を十分に向上させることである。半導体装置１では、粗化めっき２１が設けられることで、モールド樹脂７とヒートシンク２３およびリード２２との密着強度がアンカー効果により向上させられている。粗化めっき２１の表面粗さは、ＲＭＳ値（Ｒｏｏｔ−ｍｅａｎ−ｓｑｕａｒｅ）で１５０ｎｍ以上が必要であることが本願発明者の実験により見出された。実施の形態における表面粗さは、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で測定したＲＭＳ値である。ＲＭＳ値は、平均値に対する偏差の２乗値の平均に対する平方根である。
上記の第一対策〜第三対策の全てが組み合されることで、リフロー実装時にモールド樹脂７とヒートシンク２３等との間の樹脂剥離を抑制することができることが本願発明者の実験により明らかにされた。
なお、モールド樹脂７の材料選定に関わるさらに好ましい付随的対策として、モールド樹脂７とヒートシンク２３およびリード２２との線膨張係数差を十分に小さくする改良を施してもよい。銅の線膨張係数は約１７ｐｐｍであるので、ガラス転移温度以下におけるモールド樹脂７のα１領域における線膨張係数が９〜１９ｐｐｍとなるようにモールド樹脂７の材料成分を調整してもよい。これによりモールド樹脂７に生ずる応力を低減させることができ、樹脂剥離を抑制することができる。
本願発明者が行った実験結果を、下記の表１〜３を用いて説明する。表１〜３に表面粗さ、接合材、およびモールド樹脂の吸水率を異ならしめたサンプルの吸湿リフロー試験の結果を示す。試験条件は、ＪｅｄｅｃのＬｖ．３とした。
表１は、ガラス転移温度Ｔｇ＝２０８および線膨張係数＝１２ｐｐｍを有する第一モールド樹脂で試験を行った結果である。表１に示す通り、第一モールド樹脂の吸水率が０．３％の場合、粗化めっきの表面粗さおよび接合材の組合せに関係なく吸湿リフロー試験後に剥離が発生した。
Figure 0006394810
表２は、ガラス転移温度Ｔｇ＝１９５および線膨張係数＝１０ｐｐｍを有する第二モールド樹脂で試験を行った結果である。表２に示す通り、第二モールド樹脂の吸水率が０．２７％の場合、吸湿リフロー試験後に剥離が発生した。但し、表面粗さ１５０ｎｍ〜２５０ｎｍで且つ接合材はハンダ、又は焼結銀を使用したサンプルは部分剥離であった。
Figure 0006394810
表３は、ガラス転移温度Ｔｇ＝１９５および線膨張係数＝１２ｐｐｍを有する第三モールド樹脂で試験を行った結果である。表３に示す通り、第三モールド樹脂の吸水率が０．２４％の場合、表面粗さ１５０ｎｍ〜２５０ｎｍで且つ接合材はハンダ、又は焼結銀を使用したサンプルにおいて剥離の発生は無かった。
Figure 0006394810
実施の形態にかかる半導体装置１は、下記に述べるように様々に変形することができる。
粗化めっき２１の表面粗さは、ＲＭＳ＝１５０ｎｍ〜２５０ｎｍであることが好ましい。ＲＭＳ＝１５０ｎｍ以下では密着強度が足りずリフロー実装時に樹脂剥離が発生してしまう。またＲＭＳ＝２５０ｎｍ以上では、粗化の影響によりめっき液残渣を洗浄にて除去することが難しい。めっき液残渣の影響によりめっき表面にシミおよび変色が発生すると、ワイヤ不着が発生する。これらの点から、表面粗さは原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で測定した際にＲＭＳ＝１５０ｎｍ〜２５０ｎｍが望ましい。これによりめっき液残渣がヒートシンク２３およびリード２２から洗浄除去されにくくなることを抑制することができる。ただし、樹脂剥離の抑制効果のみを考慮するのであれば、表面粗さは２５０ｎｍより大きくともよい。
モールド樹脂７の熱分解開始温度は、３００℃未満であってもよい。半導体装置１の仕様上、半導体チップ３の動作温度が３００℃付近の高温まで達しないことが確実であれば、モールド樹脂７の熱分解開始温度が３００℃未満の低温であってもよい。
高周波半導体装置である半導体チップ３は、具体的には例えば高出力増幅器、ＨＥＭＴ、あるいはＭＯＳＦＥＴなどであってもよい。また、半導体装置１は、周波数１ＧＨｚ以上かつ１Ｗ以上の電力を出力するものに限られない。半導体装置１は、周波数１ＧＨｚ未満の高周波半導体装置であってもよいし、出力電力１Ｗ未満であってもよい。
半導体チップ３の材料は、ガリウムナイトライド（ＧａＮ）に限定されない。シリコンカーバイド（ＳｉＣ）あるいはダイヤモンドなどのワイドバンドギャップ半導体材料が用いられてもよい。さらに、半導体装置１によれば高ガラス転移温度のモールド樹脂７を用いつつリフロー実装時におけるモールド樹脂７の剥離を抑制できるという効果があり、この効果は半導体チップ３の半導体材料に関わらず得られる。従って、ワイドバンドギャップ半導体材料が用いられなくともよく、半導体チップ３の材料はシリコン（Ｓｉ）またはガリウムアーセナイド（ＧａＡｓ）でもよい。
ヒートシンク２３およびリード２２の材料は、銅に限られない。ヒートシンク２３およびリード２２の材料として、銅合金、およびアルミニウムを用いることもできる。ヒートシンク２３およびリード２２の材料として用いる銅合金は、銅とモリブデンの合金を用いてもよい。銅合金の組成は、Ｃｕ／ＰＣＭ／Ｃｕであってもよい。「Ｃｕ／ＰＣＭ（Ｃｕ−Ｍｏ）／Ｃｕ」とは、Ｃｕ−Ｍｏを芯材にして両面にＣｕを貼り合わせた三層構造のクラッド材である。ヒートシンク２３およびリード２２の材料として用いる銅合金は、銅とタングステンの合金であってもよい。なお、ヒートシンク２３およびリード２２の材料は、同じでもよく、異なっていてもよい。
ヒートシンク２３およびリード２２は、２００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する材料で形成されることが好ましい。これにより半導体チップ３が高温動作したときに良好な放熱性を発揮することができる。銅の熱伝導率は約４００Ｗ／ｍＫである。銅モリブデン合金（銅３５％、モリブデン７０％）の熱伝導率は２００Ｗ／ｍＫであり、銅の比率を３５％より高くし且つモリブデンを７０％未満とすることで熱伝導率を２００Ｗ／ｍＫより高くすることができる。銅タングステン合金（銅２０％、タングステン８０％）の熱伝導率は２００Ｗ／ｍＫであり、銅タングステン合金（銅１１％、タングステン８９％）の熱伝導率は２００Ｗ／ｍＫ以上である。アルミニウムの熱伝導率は、２００Ｗ／ｍＫ以上である。しかしながら、要求される放熱性能が厳しくないのであれば、２００Ｗ／ｍＫ以下の熱伝導率を有する材料で形成されてもよい。
モールド樹脂７の線膨張係数は９〜１９ｐｐｍであることが好ましい。この点について説明すると、まず、銅の線膨張係数は約１７ｐｐｍである。実施の形態にかかる銅製のヒートシンク２３とモールド樹脂７との線膨張係数差は８ｐｐｍ以下に抑制される。また、ヒートシンク用途の銅モリブデン合金の線膨張係数は７〜１１．５ｐｐｍである。銅モリブデン合金製に変形したヒートシンク２３とモールド樹脂７との線膨張係数差は１２ｐｐｍ以下に抑制される。ヒートシンク用途の銅タングステン合金の線膨張係数は６〜８．３ｐｐｍである。銅タングステン合金製に変形したヒートシンク２３とモールド樹脂７と線膨張係数差は１３ｐｐｍ以下に抑制される。アルミニウムの線膨張係数は約２４ｐｐｍである。アルミニウム製に変形したヒートシンク２３とモールド樹脂７との線膨張係数差は１５ｐｐｍ以下に抑制される。その結果、ヒートシンク２３に高い放熱性を持たせつつ、モールド樹脂７の剥離を抑制することができる。
図５は、本実施の形態の実施の形態にかかる半導体装置１の変形例の内部構造を示す図である。図５ではモールド樹脂７が図示されていないが、この変形例においても図１と同様にモールド樹脂７がヒートシンク２３等を覆う。図６は、本実施の形態の実施の形態にかかる半導体装置１の変形例が備えるヒートシンク２３を示す平面図である。図７は、本実施の形態の実施の形態にかかる半導体装置１の変形例を示す断面図である。図７は図５のＢ−Ｂ´線に沿って半導体装置１を切断した断面を示しており、図７においてはモールド樹脂７も図示している。図５〜図７に示す変形例では、ヒートシンク２３の表面の四隅に、半導体チップ３を囲むように伸びる溝２４が設けられている。四隅にある溝２４それぞれは、複数の溝であってもよく或いは一本の溝であってもよい。溝２４の深さは５０μｍ以上が好ましく、溝２４の長さは１ｍｍ以上であることが好ましい。溝２４の断面形状は図７に示すようにＶ字形状でもよく、あるいはＵ字形状または逆台形状などでも良い。本変形例によれば、リフロー等によりモールド樹脂７とヒートシンク２３等との間で樹脂剥離が発生した場合でも、溝２４によりモールドの剥離進展方向を変えることができる。その結果、半導体チップ３および回路基板４が実装されている領域までモールド樹脂７の剥離が進展することを防止できる。
１ 半導体装置
３ 半導体チップ
４ 回路基板
５ 固定材
６ ワイヤ
７ モールド樹脂
２２ リード
２３ ヒートシンク
２４ 溝

Claims (4)

  1. ヒートシンクと、
    前記ヒートシンクに固定材で固定され、ＧａＮで形成された半導体チップと、
    ワイヤを介して前記半導体チップと接続されたリードと、
    前記リードの一部、前記ワイヤ、および前記半導体チップを覆うように前記ヒートシンクの上に設けられ、ガラス転移温度が１９５℃以上であるモールド樹脂と、
    を備え、
    前記ヒートシンクにおける前記モールド樹脂と重なる表面および前記リードにおける前記モールド樹脂と重なる表面には、表面粗さがＲＭＳ＝１５０ｎｍ以上かつＲＭＳ＝２５０ｎｍ以下の粗化めっきが設けられており、
    前記固定材が、ハンダ又は焼結銀であり、
    前記モールド樹脂の吸水率が０．２４％以下であり、
    前記ヒートシンクおよび前記リードの材料が、銅、銅モリブデン合金、銅タングステン合金、またはアルミニウムであり、
    前記モールド樹脂の線膨張係数が９〜１９ｐｐｍである半導体装置。
  2. 前記半導体チップが、ワイドバンドギャップ半導体材料で形成され、
    前記モールド樹脂の熱分解開始温度が３００℃以上である請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記ヒートシンクは、２００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する材料で形成された請求項１または２に記載の半導体装置。
  4. 前記ヒートシンクの前記表面の四隅に、前記半導体チップを囲むように伸びる溝が設けられた請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
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