JP6877600B1 - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】温度変化があっても不具合を生じることのない半導体装置を提供する。【解決手段】樹脂封止体（９）の内部に、半導体素子（１ａ、１ｂ）を搭載したヒートスプレッダー（３）と、ヒートスプレッダー（３）に樹脂絶縁層（６）を介して固定された銅板（７）の一部分と、ヒートスプレッダー（３）に接合材（５ｂ）により接合された第１のリードフレーム（４ａ）の一部分と、半導体素子（１ａ、１ｂ）に接合材（５ａ１、５ａ２）により接合された第２のリードフレーム（４ｂ）の一部分とを埋設し、銅板（７）の樹脂封止体（９）から露出した部分と冷却器（１１）とをハンダ接合部（１０）により接合するように構成し、銅板（７）の厚さ寸法を、０．３［ｍｍ］以上で、かつ前記ヒートスプレッダー（３）の厚さ寸法を超えない値に設定した。【選択図】図１

Description

本願は、半導体装置に関するものである。

電力用半導体素子を実装した半導体装置では、近年、大容量化が進んでいる。電力用半導体素子に大電流を流すためには、半導体素子に発生する熱を効率よく放散させる必要があり、そのため、半導体素子とヒートシンクなどの冷却器との間に存在する絶縁部材および接合部材の低熱抵抗化が図られている。

たとえば、特許文献1に開示された従来の半導体装置は、リードフレームの上に形成した半導体素子を含む回路部と熱放散のための冷却器とを熱拡散板を含む特定構造で電気的に絶縁し、樹脂系モールドで一体的に構成して補強するようにしている。このように構成された半導体装置は、高信頼性を確保し、かつ装置の熱抵抗を低減することができ、小型かつ高信頼性のパワー半導体装置を低価格で提供することができるとされる。

特開平１０−９３０１５号公報

特許文献１には、冷却器にパワー半導体素子を固定する旨の記載はあるが、その固定方法については触れられていない。一般に、冷却器にパワー半導体素子を接続する場合、シリコン放熱グリスが用いられている。実用的なシリコン放熱グリスは、熱伝導率が高いものでも３［Ｗ／ｍＫ]レベルであり、冷却器を含めた半導体装置の熱抵抗の上昇の要因となっている。また、シリコン放熱グリスは、冷却器に半導体素子を固定する機能を備えていないことから、別途、ねじなどの固定部材が必要となる。

そこで、半導体素子と冷却器との間の熱抵抗の低減と、半導体素子と冷却器との固定と、を満足させる接合の方法として、ハンダ接合材による接合する方法がある。しかしながら、この場合、ハンダ接合する際のリフロー工程において、半導体装置全体が高温にさらされることから、半導体装置に内蔵される樹脂絶縁層が高温により剥離もしくは接合材に悪影響を与えるなどの不具合が生じる可能性がある。

本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、高温にさらされても不具合を生じることのない半導体装置を提供することを目的としている。

本願に開示される半導体装置は、
パワーモジュールと、前記パワーモジュールにハンダ接合材からなるハンダ接合部により接合された冷却器と、を備えた半導体装置であって、
前記パワーモジュールは、
半導体素子と、
前記半導体素子を接合材を介して一方の面部に搭載したヒートスプレッダーと、
前記ヒートスプレッダーに接合材を介して接合された主端子となる第１のリードフレームと、
前記半導体素子に接合材を介して接合された主端子となる第２のリードフレームと、
前記ヒートスプレッダーの前記一方の面部に対向する他方の面部に、樹脂絶縁層を介して一方の面部が接合された銅板と、
前記半導体素子と、前記ヒートスプレッダーと、前記第１のリードフレームの一部分と、前記第２のリードフレームの一部分と、前記樹脂絶縁層と、前記銅板の前記一方の面部に対向する他方の面部以外の部分と、を封止する樹脂封止体と、
を備え、
前記パワーモジュールは、前記樹脂封止体から露出した前記銅板の前記他方の面部が前記ハンダ接合部に当接して前記冷却器に接合され、
前記銅板の厚さ寸法は、０．３［ｍｍ］以上で、かつ前記ヒートスプレッダーの厚さ寸法を超えない値に設定されている、
ことを特徴とする。

また、本願に開示される半導体装置は、
パワーモジュールと、前記パワーモジュールにハンダ接合材からなるハンダ接合部により接合された冷却器と、を備えた半導体装置であって、
前記パワーモジュールは、
半導体素子と、
前記半導体素子を接合材を介して一方の面部に搭載した部位と、前記部位の厚さ寸法に対して異なる厚さ寸法の部位と、を備えた主端子となる第１のリードフレームと、
前記半導体素子に接合材を介して接合された主端子となる第２のリードフレームと、
前記第1のリードフレームの前記半導体素子を搭載した前記部位における、前記一方の面部に対向する他方の面部に、樹脂絶縁層を介して一方の面部が接合された銅板と、
前記半導体素子と、前記第１のリードフレームの前記半導体素子を搭載した前記部位と、前記第２のリードフレームの一部分と、前記樹脂絶縁層と、前記銅板の前記一方の面部に対向する他方の面部以外の部分と、を封止する樹脂封止体と、
を備え、
前記パワーモジュールは、前記樹脂封止体から露出した前記銅板の前記他方の面部が前記ハンダ接合部に当接して前記冷却器に接合され、
前記銅板の厚さ寸法は、０．３［ｍｍ］以上で、かつ前記第１のリードフレームの前記半導体素子を搭載した前記部位の厚さ寸法を超えない値に設定されている、
ことを特徴とする。

本に開示される半導体装置によれば、高温にさらされても不具合を生じることのない半導体装置を得ることができる。

実施の形態１による半導体装置の断面図である。 実施の形態１による半導体装置の製造過程を説明するための、製造途中の工程により形成された中間構成体を示す断面図である。 図２に示す中間構成体が後の工程を経て形成された中間構成体を示す断面図である。 図３に示す中間構成体が後の工程を経て形成された中間構成体を示す断面図である。 図４に示す中間構成体が後の工程を経て、最終的に製造された半導体装置を示す断面図である。 実施の形態２による半導体装置の断面図である。 実施の形態３による半導体装置の断面図である。 実施の形態４による半導体装置の断面図である。 実施の形態１から４による半導体装置の実施例のデータと、比較例のデータと、を示す説明図である。 図９に示す実施例と比較例の評価結果を示す説明図である。

本願のそれぞれの実施の形態による半導体装置について、図を参照しながら以下に説明する。

実施の形態１．
まず、実施の形態１による電力用の半導体装置の構成について説明する。図１は、実施の形態１による半導体装置の断面図である。図１において、半導体装置１００は、パワーモジュール１０１と、冷却器１１を備えている。冷却器１１の一方の面部１１ａには、パワーモジュール１０１がハンダ接合部１０により接合されている。冷却器１１の反パワーモジュール側の面部である他方の面部１１ｂには、複数の放熱フィン１１ｃが設けられている。なお、冷却器１１は、実施の形態１では金属製の平板状のヒートシンクにより構成されているが、たとえば内部に冷却液を通流させる流路を備えた液冷式の冷却器であってもよい。

パワーモジュール１０１は、スイッチング素子としての半導体素子１ａと、整流素子としての半導体素子１ｂと、ヒートスプレッダー（Ｈｅａｔ Ｓｐｒｅａｄｅｒ）３と、第１のリードフレーム４ａと、第２のリードフレーム４ｂと、樹脂に無機充填材を含有した樹脂絶縁層６と、銅板７と、ボンディングワイヤ８と、樹脂封止体９と、を備えている。スイッチング素子としての半導体素子１ａは、チップ下接合材２ａによりヒートスプレッダー３の一方の面部に接合されている。整流素子としての半導体素子１ｂは、チップ下接合材２ｂによりヒートスプレッダー３の一方の面部に接合されている。ヒートスプレッダー３の一方の面部に対向する他方の面部は、樹脂絶縁層６を介して銅板７の一方の面部に固定されている。

銅板７の一方の面部に対向する他方の面部は、パワーモジュール１０１の樹脂封止体９の上面部９３に対向する下面部９４から露出しており、ハンダ接合部１０により冷却器１１の一方の面部１１ａに接合されている。これにより、パワーモジュール１０１と冷却器１１とが一体に接合され、半導体装置１００が構成されている。

第１のリードフレーム４ａは、リード接合材５ｂによりヒートスプレッダー３の一方の面部に接合されている。リード接合材５ｂは、ヒートスプレッダー３と第１のリードフレーム４ａとの間の電気的導通を確保するために、ハンダ接合材による接合もしくは超音波による金属接合などにより形成され、ヒートスプレッダー３と第１のリードフレーム４ａとを一体に接合している。第２のリードフレーム４ｂは、チップ上接合材５ａ１により半導体素子１ａに接合されるとともに、チップ上接合材５ａ２により半導体素子１ｂに接合されている。ボンディングワイヤ８は、スイッチング素子としての半導体素子１ａと複数の第３のリードフレーム４ｃ（図１では、第１のリードフレーム４ａと重なっているため、図示されていない）とを電気的に接続している。第３のリードフレーム４ｃは、一部分が後述の樹脂封止体９に埋設されて固定されており、第１のリードフレーム４ａとは分離されている。

樹脂封止体９は、前述の半導体素子１ａ、１ｂと、ヒートスプレッダー３と、第１のリードフレーム４ａの一部と、第２のリードフレーム４ｂの一部と、第３のリードフレーム４ｃの一部と、樹脂絶縁層６と、銅板７の一部分と、ボンディングワイヤ８と、チップ下接合材２ａ、２ｂと、チップ上接合材５ａ1、５ａ２と、リード接合材５ｂと、を内包してこれらを外部から封止するように構成されている。

第１のリードフレーム４ａは、樹脂封止体９の一方の側面部９１から垂直に樹脂封止体９の外部へ導出された第１の部位４ａ１と、この第１の部位４ａ１のあらかじめ定められた位置で冷却器１１から離れる方向に直角に屈曲し、冷却器１１から離れる方向に延びる第２の部位４ａ２とを備えている。第３のリードフレーム４ｃも第１のリードフレーム４ａと同様に、第１の部位４ｃ１（図示せず）と第２の部位４ｃ２（図示せず）を備える。第２のリードフレーム４ｂは、樹脂封止体９の一方の側面部９１に対向する他方の側面部９２から垂直に樹脂封止体９の外部へ導出された第１の部位４ｂ１と、この第１の部位４ｂ１のあらかじめ定められた位置で冷却器１１から離れる方向に直角に屈曲し、冷却器１１から離れる方向に延びる第２の部位４ｂ２とを備えている。第１のリードフレーム４ａの第２の部位４ａ２と、第２のリードフレーム４ｂの第２の部位４ｂ２は、外部の電気回路に接続される。第３のリードフレーム４ｃの第２の部位（図示せず）は、後述の信号配線、および制御配線に接続される。

以上のように構成された実施の形態１による半導体装置１００において、半導体素子１ａ、１ｂが動作した際に発生する熱は、チップ下接合材２ａ、２ｂ、ヒートスプレッダー３、樹脂絶縁層６、銅板７、ハンダ接合部１０を介して、冷却器１１に放熱される。

次に、パワーモジュール１０１と外部との電気的な接続に関して更に詳しく説明する。半導体素子１ａ、１ｂは、表面部に相当する能動面部と、この能動面部に対して反対側の面部である裏面部と、を備えている。半導体素子１ａ、１ｂの裏面部は、ハンダ接合材などからなるチップ下接合材２ａ、２ｂにより、ヒートスプレッダー３の一方の面部に接合されている。第１のリードフレーム４ａの前述の第２の部位４ａ２は、第１のリードフレーム４ａの外部端子となる。

半導体素子１ａ、１ｂの能動面部には、前述のようにハンダ接合材などからなるチップ上接合材５ａ１、５ａ２を介して、主端子となる第２のリードフレーム４ｂが接合されている。第２のリードフレーム４ｂの前述の第２の部位４ｂ２は、第２のリードフレーム４ｂの外部端子となる。

スイッチング素子としての半導体素子１ａは、スイッチングするための信号にかかわる配線である信号配線、および、温度もしくは電流をモニタするなどの制御にかかわる配線である制御配線に電気的に接続される必要がある。信号配線と制御配線に流れる電流量は大きくないことから、スイッチング素子としての半導体素子１ａは、ボンディングワイヤ８を用いて信号端子となる複数の第３のリードフレーム４ｃと接続される。ボンディングワイヤ８の材質としては、たとえば、アルミニウム、銅、金などがあげられるが、その中でも、接合信頼性の高いアルミニウムがよい。

パワーモジュール１０１は、スイッチング素子としての半導体素子１ａと、整流素子としての半導体素子１ｂとが搭載された半導体チップである。半導体素子１ａは、たとえば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、あるいは、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）のような半導体スイッチング素子により構成されている。パワーモジュール１０１は、前述のようにダイオードなどからなる整流素子としての半導体素子１ｂを含むものである。

半導体素子１ａを構成するＩＧＢＴは、負荷に大電流を流して駆動させる素子である。ＩＧＢＴにより構成された半導体素子１ａを搭載したパワーモジュール１０１は、電力用パワーモジュールとして動作する。半導体素子１ａ、１ｂは、たとえば、シリコン（Ｓｉ）により形成されていることが好ましいが、シリコンに限定されるものではない。たとえば、半導体素子１ａ、１ｂを構成する半導体チップが、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム系材料［たとえば窒化ガリウム（ＧａＮ）］、ダイヤモンドからなる群から選択されるいずれかの材料により形成されていれば、より好ましい。半導体素子１ａ、１ｂは、シリコンに比べてバンドギャップの広い、いわゆるワイドバンドギャップ半導体材料である。このようなワイドバンドギャップ半導体材料を用いて形成された半導体素子１ａ、１ｂは、ＭＯＳＦＥＴなどのシリコン半導体材料を用いた半導体素子に比べて、高温での動作に適用することができる。すなわち、ワイドバンドギャップ半導体材料は、大電流を流すことに適している半導体材料である。

半導体素子１ａ、１ｂの表面部としての能動面部には、前述のように主端子となる第２のリードフレーム４ｂが、ハンダ接合材などからなるチップ上接合材５ａ１、５ａ２を介して接合されている。なお、図１において、スイッチング素子としての半導体素子１ａと、整流素子としての半導体素子１ｂは、互いに間隔をあけてひとつずつ配置されているが、この配置に限定されるものではない。１つのパワーモジュール１０１に配置される半導体素子１ａ、１ｂの数は、任意である。すなわち、半導体素子１ａと半導体素子１ｂのうちの何れか１つのみ、又は、半導体素子１ａを３つ以上、或いは半導体素子1ｂを３つ以上、或いは半導体素子１ａと半導体素子１ｂを混在させて３つ以上、を配置するようにしてもよい。

また、スイッチング素子としての半導体素子１ａは、ＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ＩＧＢＴ）を用いてもよい。ＲＣ−ＩＧＢＴは、ＩＧＢＴとダイオードが１つの半導体チップに収納されたものである。半導体素子１ａ、１ｂのヒートスプレッダー３と接合される裏面部に対して反対側の能動面部には、部分的にニッケル―金メッキが施されている。

ヒートスプレッダー３、第１のリードフレーム４ａ、および第２のリードフレーム４ｂには、導電性のよい金属が用いられる。導電性の良い金属の中でも、銅材が、電気抵抗、加工性、コストなどの点から、最適である。ここで、銅材とは、純銅もしくは銅を主成分とする銅合金を指している。パワーモジュール１０１の全体は、樹脂封止体９により封止されている。樹脂封止体９としては、硬化後に発生する応力が大きくならないように、ヒートスプレッダー３、第１のリードフレーム４ａ、および第２のリードフレーム４ｂの線膨張係数に近い線膨張係数を備えた樹脂を用いるのがよい。

純銅の線膨張係数が１６［ｐｐｍ／Ｋ］から１７［ｐｐｍ／Ｋ］であることから、樹脂封止体９の線膨張係数も１５［ｐｐｍ／Ｋ］から１９［ｐｐｍ／Ｋ］であるのがよい。樹脂封止体９の線膨張係数は、ガラス転移温度Ｔｇ以下の温度域での線膨張係数の値である。樹脂封止体９のガラス転移温度Ｔｇは、半導体素子１ａ、１ｂが動作した際に到達する温度以上であることがよい。もし、ガラス転移温度Ｔｇが低い場合、半導体素子1ａ、１ｂが動作中に樹脂封止体９の物性が大きく変わる。このことは、樹脂封止体９の電気的絶縁性、および機械的強度の低下を引き起こすことがある。好ましくは、半導体素子１ａ、１ｂがシリコンにより形成されている場合、最高１７５［℃］で動作するため、樹脂封止体９は、１７５［℃］以上のガラス転移温度Ｔｇを有するのが望ましい。

樹脂絶縁層６は、電気的絶縁性を確保しつつ、半導体素子１ａ、１ｂが動作した際に発生する熱を冷却器１１に伝達して放散させることが求められる。樹脂絶縁層６は、熱硬化性樹脂に、高熱伝導性の絶縁性の無機充填材としての無機フィラーを充填したものであり、樹脂の熱硬化反応によりヒートスプレッダー３と銅板７とを接着する。

パワーモジュール１０１は、半導体素子１ａ、１ｂの動作時に発生する熱を散逸させるために、放熱フィン１１ｃを備えた冷却器１１にハンダ接合部１０により接合されている。高い冷却性能が求められる冷却器１１としては、水冷式、空冷式、のいづれであってもよい。冷却器１１は、銅、アルミニウム、銅またはアルミニウムの合金からなる群から選択される、いずれかにより形成されていることが好ましい。なかでも、冷却器１１の材質としては、軽量でかつ加工性に優れたアルミニウム又はその合金が好適である。

パワーモジュール１０１と接合される冷却器１１は、半導体装置１００の冷却性能を向上させるために、複数の放熱フィン１１ｃを設けている。冷却器１１は、複雑な形状となることから、ダイカスト成形、あるいは押し出し成形により製造される。ダイカスト成形、あるいは押し出し成形などに適したアルミニウム合金としては、Ａｌ-Ｓｉ-Ｃｕ系のＡＤＣ１０、ＡＤＣ１２、Ａｌ-Ｍｇ-Ｓｉ系のＡ６０６１、もしくはＡ６０６３などが好適である。

次に、実施の形態１による半導体装置１００の製造方法について説明図する。まず、実施の形態１による半導体装置１００の製造方法における、ダイボンディングの工程について説明する。図２は、実施の形態１による半導体装置の製造方法を説明するための、製造途中の工程により形成された中間構成体を示す断面図であって、ダイボンディングの工程を経て形成された中間構成体を示している。ダイボンディングの工程においては、図２に示すように、スイッチング素子としての半導体素子１ａと、整流素子としての半導体素子１ｂとを、ヒートスプレッダー３の一方の面部３１の上に、チップ下接合材２ａ、２ｂを介してそれぞれ互いに間隔をあけて接合する。図２に示すこの工程は、ダイボンディングの工程と称される。スイッチング素子としての半導体素子１ａは、たとえば、シリコンにより形成されており、ＩＧＢＴが搭載された半導体チップが用いられる。整流素子としての半導体素子１ｂは、たとえば、シリコンにより形成され、ダイオードが搭載された半導体チップが用いられる。

図２には、これらの２つの半導体素子１ａ、１ｂが、互いに間隔をあけて、ヒートスプレッダー３に接合された状態が示されている。ヒートスプレッダー３の厚さ寸法としては、１．０［ｍｍ］から３．０［ｍｍ］である。ヒートスプレッダー３の厚さ寸法が１．０［ｍｍ］未満の場合、半導体素子１ａ、１ｂが発生する熱を、ヒートスプレッダー３の横方向、つまりヒートスプレッダー３の面の広がる方向、に広げる効果が不十分となり、パワーモジュール１０１としての熱抵抗の低減を図ることが不十分となる。一方、ヒートスプレッダー３の厚さ寸法が３．０［ｍｍ］より大きくなると、熱の広がりの効果が飽和してしまい、また厚さ寸法が大きくことでパワーモジュール１０１の重量増加などの課題が発生する。このことから、ヒートスプレッダー３の厚さ寸法としては、１．０［ｍｍ］から３．０［ｍｍ］が最適である。

ここで、たとえば、ＩＧＢＴ（定格１２００［Ｖ］、３００［Ａ］）が搭載されたスイッチング素子としての半導体素子１ａは、その平面視におけるサイズが、１３［ｍｍ］×１３［ｍｍ］×０．１２［ｍｍ］である。たとえば、ダイオード（定格１２００［Ｖ］、３００［Ａ］）が搭載された整流素子としての半導体素子１ｂは、その平面視におけるサイズが、１３［ｍｍ］×１０［ｍｍ］×０．１２［ｍｍ］である。

サイズが３５［ｍｍ］×２０［ｍｍ］×２．５［ｍｍ］のヒートスプレッダー３は、無酸素銅からなる。図２に示すように、ヒートスプレッダー３の所望の位置に、スイッチング素子としての半導体素子１ａと、整流素子としての半導体素子１ｂが、チップ下接合材２ａと、チップ下接合材２ｂとによりそれぞれ固定される。

チップ下接合材２ａ、２ｂは、ハンダ接合材、銀を主成分とする焼結性フィラー、銀を主成分とするろう材、スズ中に銅を分散した材料、金を主成分とする金スズ、金ゲルマニウム等の金系合金からなる群から選択された、いずれかの接合材であることが好ましい。これらの接合材は、熱伝導性と導電性が高い接合材料である。チップ下接合材２ａ、２ｂとして、たとえば、焼結銀を用いるのが良い。焼結銀は、接合後に再溶融せず、接合層内にボイドの発生が少ないために局所的にチップが熱くなるホットスポットが発生しないので、チップ下接合材２ａ、２ｂとして好適な材料である。チップ下接合材２ａ、２ｂの厚さ寸法は、０．０５［ｍｍ］とする。

図３は、図２に示す中間構成体が後の工程を経て形成された中間構成体を示す断面図であって、第１のリードフレーム４ａ、と第２のリードフレーム４ｂを、半導体素子１ａ、１ｂとヒートスプレッダー３に接合する工程を経て形成された中間構成体を示す。図３に示すように、この中間構成体においては、主端子となる第１のリードフレーム４ａ、主端子となる第２のリードフレーム４ｂ、および信号端子となる第３のリードフレーム４ｃが、半導体素子１ａ、１ｂと、ヒートスプレッダー３に接合されている。

即ち、主端子となる第１のリードフレーム４ａを、リード接合材５ｂを用いてヒートスプレッダー３の一方の面部３１に接合する。また、主端子となる第２のリードフレーム４ｂを、チップ上接合材５ａ１を用いてスイッチング素子としての半導体素子１ａの能動面に接合し、かつ、チップ上接合材５ａ２を用いて整流素子としての半導体素子１ｂの能動面に接合する。さらに、信号端子としての第３のリードフレーム４ｃを、ボンディングワイヤ８を用いてスイッチング素子としての半導体素子１ａに接続する。前述の第１のリードフレーム４ａと、第２のリードフレーム４ｂを、半導体素子１ａ、１ｂとヒートスプレッダー３に接合する工程において、各リードフレームの接続作業の順序は問わない。

ヒートスプレッダー３と第１のリードフレーム４ａとの接続には、ハンダ接合材からなるリード接合材５ｂを用いているが、それ以外の超音波接合、溶接などの接合方法を用いてもよい。半導体素子１ａ、１ｂと第２のリードフレーム４ｂとの接合には、ハンダ接合材からなるチップ上接合材５ａ１、５ａ２を用いる。なお、チップ上接合材５ａ１、５ａ２は、ハンダ接合材である必要はなく、焼結銀であってもよい。チップ上接合材５ａ１、５ａ２、およびリード接合材５ｂに、ハンダ接合材を用いる場合は、後述するように冷却器１１とパワーモジュール１０１とをハンダ接合部１０により接合する工程における、ハンダリフロー工程時に、再溶融しないように注意する必要がある。

前述のように、スイッチング素子としての半導体素子１ａと信号端子となる第３のリードフレーム４ｃとの間は、ボンディングワイヤ８を用いて電気的に接続される。ここで用いられているアルミニウム製のボンディングワイヤ８は、その延在する方向に対して直交する方向の断面が、たとえば、直径０．２０［ｍｍ］のほぼ円形である。

図４は、図３に示す中間構成体が後の工程を経て形成された中間構成体を示す断面図であって、パワーモジュール１０１を完成させる工程を示している。すなわち、前述の図３に示した工程の後、図４に示す工程では、まず、トランスファー成型（Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ）用の金型内に、一体となった銅板７と樹脂絶縁層６とを設置する。このとき、銅板７は樹脂絶縁層６の下部に配置される。つぎに、ヒートスプレッダー３に搭載された半導体素子１ａ、１ｂに、第１のリードフレーム４ａ、第２のリードフレーム４ｂ、第３のリードフレーム４ｃを接合した図３の工程による中間構成体を、前述の金型に設置する。このとき、ヒートスプレッダー３の一方の面部３１に対向する他方の面部３２（図２、図３参照）を、樹脂絶縁層６の上面部に当接させる。

つぎに、熱硬化性樹脂を金型に注入し、半導体素子１ａ、１ｂと、ヒートスプレッダー３と、第１のリードフレーム４ａ、第２のリードフレーム４ｂ、第３のリードフレーム４ｃの一部と、樹脂絶縁層６と、銅板７に一部分と、の周囲を熱硬化性樹脂からなる樹脂封止体９により封止する。このとき、銅板７は、樹脂絶縁層６と反対側の面部７１は、樹脂封止体９から露出するように成型する。

ここで、樹脂絶縁層６は放熱性、絶縁性と接着性を兼ね備えた材料により構成されており、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂の中に熱伝導性の高いセラミック粒子などの無機粉末充填材が含有された構成を有している。高熱伝導性の無機充填材としては、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） 、酸化ケイ素（シリカ） 、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、酸化チタンなどのセラミック粒子が適している。なお、これら無機充填材の何れかを単独で用いなくても、複数種を混合して用いてもよい。樹脂絶縁層６の厚さ寸法は、５０[μｍ]以上で５００［μｍ］以下であることが好ましい。

樹脂絶縁層６に使用される無機充填材は、その最大粒径が５０［μｍ］以上で１５０［μｍ］以下のものが好適である。ここで、無機充填材の最大粒径とは、無機充填材の内部に引いた直線の寸法（無機充填材の射影におけるその内部の直線状の寸法）の最大値を意味する。このため樹脂絶縁層６が５０［μｍ］よりも薄ければ、そこに含まれる無機粉末充填材の最大粒径よりも薄くなることから、樹脂絶縁層６の絶縁性が著しく低下してしまう場合がある。一方、樹脂絶縁層６が５００［μｍ］よりも大きな厚さ寸法を有する場合は、絶縁性はよいが熱抵抗が大きくなり、放熱性能が低下してしまう場合がある。これらの観点から、樹脂絶縁層６の厚さ寸法は５０［μｍ］以上で５００「μｍ」以下であることが好ましい。なお，樹脂絶縁層６は、単一の層からなるものである必要はなく、たとえば熱伝導率が互いに異なる複数の層が積層された構成であってもよい。

さらに、樹脂材料をベースとする樹脂絶縁層６は、接着材としての機能も有している。このため、後述するパワーモジュール１０１の封止工程において行われる樹脂封止体９の熱硬化時に、樹脂絶縁層６は、ヒートスプレッダー３と銅板７とが、互いに密着するようにこれらを接着される。このため樹脂絶縁層６は、その一方の面部および他方の面部に、接着材を塗布する必要がない。接着材は熱抵抗上昇の原因となるため、この接着材を樹脂絶縁層６の一方の面部と他方の面部に塗布しないことにより、樹脂絶縁層６とヒートスプレッダー３、ひいては第１のリードフレーム４ａ、第２のリードフレーム４ｂ、第３のリードフレーム４ｃ、銅板７、および樹脂封止体９との間の熱抵抗の増加を抑制することができ、放熱性能の高いパワーモジュール１０１を得ることができる。

銅板７は、ヒートスプレッダー３および第１のリードフレーム４ａ、第２のリードフレーム４ｂ、第３のリードフレーム４ｃと同じく、純銅もしくは銅が主成分である銅合金により構成されている。銅板７の厚さ寸法としては、０．３［ｍｍ］以上で樹脂絶縁層６を挟んで対向するヒートスプレッダー３の厚さ寸法以下である。銅板７の厚さ寸法が０．３［ｍｍ］より薄くなると、銅板７を構成する銅材の剛性が弱いため、後の工程であるハンダ付け工程における熱履歴により、樹脂絶縁層６がダメージを受けて剥離する可能性がある。一方、銅板７の厚さ寸法がヒートスプレッダー３の厚さ寸法を超えると、パワーモジュール１０１の重量増、銅板７と樹脂絶縁層６が一体となった部材の加工性が悪くなり、ハンダ接合部１０のリフロー工程において、銅板７の熱容量が大きくなり熱が逃げやすくなることから、ハンダ接合部１０の接合不良が発生しやすくなる。ヒートスプレッダー３の最適厚さ寸法は、１．０［ｍｍ]から３．０［ｍｍ］であることから、銅板７の厚さ寸法としては、０．３［ｍｍ］から１．０［ｍｍ］の範囲にあるのが特に好ましい。

樹脂封止体９は、樹脂絶縁層６と同様にエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂の中に無機充填材が含有された構成を有している。なお、トランスファー成型の工程においては、樹脂封止体９および樹脂絶縁層６を硬化させるため、たとえば、金型の温度は１８０［℃］、金型の内部圧力は１０［ＭＰａ］、加熱時間は３［分］とされる。ただし、トランスファー成型の工程における加熱時間は、樹脂封止体９および樹脂絶縁層６の反応度により適宜任意の時間を設定することができる。また、樹脂絶縁層６は、加温されることにより溶融し、さらにこのトランスファー成型の工程での更なる加温により熱硬化する。

樹脂封止体９には高熱伝導性であることが不要なため、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂の中に含有される無機充填材は、熱硬化性樹脂に含有させた際に流動性がよく、線膨張係数の調整が容易である酸化ケイ素（シリカ）のうち、溶融シリカが最適である。パワーモジュール１０１は、銅材を多く使用していることから、銅の線膨張係数に樹脂封止体９の線膨張係数を合わせる、つまり樹脂封止体９の線膨張係数を銅の線膨張係数と同一もしくは近似させることで、パワーモジュール１０１の内部の応力低減を図ることができることから、樹脂封止体９の線膨張係数を１５［ｐｐｍ／Ｋ］から１９［ｐｐｍ／Ｋ］とるように、無機充填材の量を調整する。このことにより、温度サイクルに対する信頼性が向上する効果がある。

図５は、図４に示す中間構成体が後の工程を経て、最終的に製造された半導体装置を示す断面図である。トランスファー成型後の図４に示すパワーモジュール１０１は、その後の工程にて、第１のリードフレーム４ａ、第２のリードフレーム４ｂ、第３のリードフレーム４ｃのカットと曲げ加工を実施して、主端子となる第１のリードフレーム４ａと、第２のリードフレーム４ｂと、信号端子となる第３のリードフレーム４ｃを成形する。すなわち、図４に示すように樹脂封止体９の相対抗する側面部から垂直に延出された第１のリードフレーム４ａ、第２のリードフレーム４ｂ、第３のリードフレーム４ｃを、それぞれあらかじめ定められた長さ寸法にカットする。そして、前述のように、それぞれの第１のリードフレーム４ａ、第２のリードフレーム４ｂ、第３のリードフレーム４ｃを屈曲させて、第１の部位４ａ１、４ｂ１、４ｃ１と、第２の部位４ａ２、４ｂ２、４ｃ２を形成する。

その後、パワーモジュール１０１と冷却器１１との間を、ハンダ接合部１０を用いて接合する。冷却器１１の材質は、アルミニウム合金、たとえば、Ａｌ―Ｍｇ−Ｓｉ系のＡ６０６３とする。ハンダ接合部１０には、たとえば、鉛を含まないハンダ接合材（スズ９５．５［重量％］、銀２［重量％］、銅０．５［重量％］、ビスマス２［重量％］、液相線２２１［℃］）を用いている。冷却器１１は、押し出し成形にて作製されている。

ハンダ付け工程において、ハンダ接合部１０を溶融させる温度域までパワーモジュール１０１および冷却器１１を加熱する必要がある。この際、パワーモジュール１０１の中で使用しているハンダ接合材も溶融する可能性があり、仮に、そのハンダ接合材が溶融した際は、固体から液体に変化する体積膨張の影響で樹脂封止体９にクラックが発生する可能性がある。このため、パワーモジュール１０１の内部で使用するハンダ接合材と、冷却器１１とパワーモジュール１０１とを接合するために使用するハンダ接合部１０には融点差を設ける必要がある。

たとえば、パワーモジュール１０１の内部で使用するチップ上接合材５ａ１、５ａ２、およびリード接合材５ｂとして、スズ９５［重量％］、アンチモン５［重量％］の液相線２４３［℃］のハンダ接合材、ハンダ接合部１０として、スズ９５．５［重量％］、銀２［重量％］、銅０．５［重量％］、ビスマス２［重量％］）の液相線２２１［℃］のハンダ接合材を用いた場合、ハンダ接合材の融点差は２２［℃］となる。また、チップ上接合材５ａ１、５ａ２、およびリード接合材５ｂとして、スズ９０［重量％］、アンチモン１０［重量％］の液相線２６６［℃］のハンダ接合材を用い、ハンダ接合部１０として、スズ９５．５［重量％］、銀２［重量％］、銅０．５［重量％］、ビスマス２［重量％］）の液相線２２１［℃］のハンダ接合材を用いた場合、ハンダ接合材の融点差は４５［℃］となる。したがって、チップ上接合材５ａ１、５ａ２、およびリード接合材５ｂと、ハンダ接合部１０と、の間に融点差を設けることができる。

この融点差を利用して、ハンダ接合部１０の接合工程であるハンダリフロー時の温度設定を行うことで、パワーモジュール１０１の内部にあるハンダ接合材の再溶融を防止することができる。パワーモジュール１０１の内部のハンダ接合材と、冷却器１１とパワーモジュール１０１とを接合するために使用するハンダ接合部１０と、の間の融点差としては、２０［℃］以上であることが必要である。なお、実施の形態１では、チップ下接合材２ａ、２ｂは、ハンダリフロー工程で再溶融しないハンダ以外の材料、中でも銀を主成分とする焼結性フィラーを用いることが必要となる。

以上述べた実施の形態１による半導体装置は、銅板７の厚さ寸法を、０．３［ｍｍ］以上で、かつ銅製の第１のリードフレーム４ａ、第２のリードフレーム４ｂ、第３のリードフレーム４ｃと接合した銅製のヒートスプレッダー３における少なくとも半導体素子１ａ、１ｂが搭載される部位の厚さ寸法を超えない厚さ寸法としたことを特徴とするものである。この構成により、パワーモジュール１０１と冷却器１１をハンダ接合部１０を用いて接合することができ、低熱抵抗で放熱性の優れた温度サイクルに対する信頼性の高い半導体装置を提供することができる。

実施の形態２．
図６は、実施の形態２による半導体装置の断面図である。図６において、実施の形態２による半導体装置１００は、実施の形態１と同様にパワーモジュール１０１と、冷却器１１を備えている。冷却器１１は、パワーモジュール１０１に、ハンダ接合部１０により接合されている。実施の形態２による半導体装置１００は、実施の形態１による半導体装置１００で用いているヒートスプレッダー３を使用せず、一部分の厚さ寸法が大きくなった異厚リードフレームとしての第１のリードフレーム４１を用いている点で実施の形態１の半導体装置とは異なる。

すなわち、異厚リードフレームとしての第１のリードフレーム４１は、スイッチング素子としての半導体素子１ａと整流素子としての半導体素子１ｂとを搭載する第１の部位４１ａと、第１の部位４１ａから図の斜め上方に延びる第２の部位４１ｂと、第２の部位４１ｂから図の水平方向に屈曲して延びる第３の部位４１ｃと、第３の部位４１ｃから冷却器１１から離れる方向に直角に屈曲して延びる第４の部位４１ｄとを備え、これらの各部位は同一材料により一体に形成されている。ボンディングワイヤ８は、スイッチング素子としての半導体素子１ａと複数の第３のリードフレーム４ｃ（図６では、第１のリードフレーム４１と重なっているため、図示されていない）とを電気的に接続している。第３のリードフレーム４ｃは、一部分が樹脂封止体９に埋設されて固定されており、第１のリードフレーム４１とは分離されている。第１のリードフレーム４１と第２のリードフレーム４ｂは主端子となり、第３のリードフレーム４ｃは信号端子となる。

樹脂封止体９に埋設された第４のリードフレーム４ｄは、チップ上接合材５ａ１により半導体素子１ａの能動面に接合されるとともに、チップ上接合材５ａ２により半導体素子１ｂの能動面に接合されている。第２のリードフレーム４ｂは、一部分が樹脂封止体９に埋設されて樹脂封止体９に固定されており、ハンダ接合材からなるリード接合材４０により第４のリードフレーム４ｄに接合されている。なお、第２のリードフレーム４ｂと第４のリードフレーム４ｄの接合は、ハンダ接合材からなるリード接合材４０に代えて、超音波接合もしくは溶接などによる接合としてもよい。

異厚リードフレームとしての第１のリードフレーム４１における、半導体素子１ａ、１ｂが搭載される部位としての第１の部位４１ａの厚さ寸法は、１．０［ｍｍ］から２．０［ｍｍ］である。第１のリードフレーム４１は、第２のリードフレーム４ｂ、第４のリードフレーム４ｄ、第３のリードフレーム４ｃと同じく純銅もしくは銅を主成分とする銅合金により構成されている。実施の形態２による半導体装置１００は、銅板７の厚さ寸法が０．３［ｍｍ］以上であり、かつ銅製の異厚リードフレームとしての第１のリードフレーム４１における半導体素子１ａ、１ｂが搭載される第１の部位４１ａの厚さ寸法である１．０［ｍｍ］から２．０［ｍｍ］を超えない大きさで構成されていることを特徴とするものである。なお、その他の構成は、実施の形態１による半導体装置と同様である。

銅板７の厚さ寸法としては、０．３［ｍｍ］以上で、かつ樹脂絶縁層６を挟んで対向する第１のリードフレーム４１における半導体素子１ａ、１ｂが搭載される第１の部位４１ａの厚さ寸法以下である。銅板７の厚さ寸法が０．３［ｍｍ］より薄くなると、銅板７を構成する銅材の剛性が弱いため、後の工程であるハンダ付け工程における熱履歴により、樹脂絶縁層６がダメージを受けて剥離する可能性がある。一方、銅板７の厚さ寸法が第１のリードフレーム４１における半導体素子１ａ、１ｂが搭載される第１の部位４１ａの厚さ寸法を超えると、パワーモジュール１０１の重量増、銅板７と樹脂絶縁層６が一体となった部材の加工性が悪くなり、ハンダ接合部１０のリフロー工程において、銅板７の熱容量が大きくなり熱が逃げやすくなることから、ハンダ接合部１０の接合不良が発生しやすくなる。銅製の異厚リードフレームとしての第１のリードフレーム４１における半導体素子１ａ、１ｂが搭載される第１の部位４１ａの厚さ寸法が１．０［ｍｍ］から２．０［ｍｍ］であることから、銅板７の厚さ寸法としては、０．３［ｍｍ］から１．０［ｍｍ］の範囲にあるのが特に好ましい。

ハンダ付け工程において、ハンダ接合部１０を溶融させる温度域までパワーモジュール１０１および冷却器１１を加熱する必要がある。この際、パワーモジュール１０１の中で使用しているハンダ接合材も溶融する可能性があり、仮に、そのハンダ接合材が溶融した際は、固体から液体に変化する体積膨張の影響で樹脂封止体９にクラックが発生する可能性がある。このため、パワーモジュール１０１の内部で使用するハンダ接合材と、冷却器１１とパワーモジュール１０１とを接合するために使用するハンダ接合部１０には融点差を設ける必要がある。

たとえば、パワーモジュール１０１の内部で使用するチップ上接合材５ａ１、５ａ２として、スズ９５［重量％］、アンチモン５［重量％］の液相線２４３［℃］のハンダ接合材、ハンダ接合部１０として、スズ９５．５［重量％］、銀２［重量％］、銅０．５［重量％］、ビスマス２［重量％］）の液相線２２１［℃］のハンダ接合材を用いた場合、ハンダ接合材の融点差は２２［℃］となる。また、チップ上接合材５ａ１、５ａ２として、スズ９０［重量％］、アンチモン１０［重量％］の液相線２６６［℃］のハンダ接合材を用い、ハンダ接合部１０として、スズ９５．５［重量％］、銀２［重量％］、銅０．５［重量％］、ビスマス２［重量％］）の液相線２２１［℃］のハンダ接合材を用いた場合、ハンダ接合材の融点差は４５［℃］となる。したがって、チップ上接合材５ａ１、５ａ２と、ハンダ接合部１０と、の間に融点差を設けることができる。

この融点差を利用して、ハンダ接合部１０の接合工程であるハンダリフロー時の温度設定を行うことで、パワーモジュール１０１の内部にあるハンダ接合材の再溶融を防止することができる。パワーモジュール１０１の内部のハンダ接合材と、冷却器１１とパワーモジュール１０１とを接合するために使用するハンダ接合部１０と、の間の融点差としては、２０［℃］以上であることが必要である。なお、実施の形態２では、チップ下接合材２ａ、２ｂは、ハンダリフロー工程で再溶融しないハンダ以外の材料、中でも銀を主成分とする焼結性フィラーを用いることが必要となる。

実施の形態２による半導体装置は、前述の構成により、パワーモジュール１０１と冷却器１１をハンダ接合部１０を用いて接合することができ、低熱抵抗で温度サイクルに対する信頼性の高い半導体装置を提供することができる。

実施の形態２による半導体装置の製造方法では、前述の実施の形態１におけるヒートスプレッダー３に代えて異厚リードフレームとしての第１のリードフレーム４１の第１の部位４１ａが用いられ、また、実施の形態１では、半導体素子１ａ、１ｂが第２のリードフレーム４ｂに接合されるのに対して、実施の形態２では、第４のリードフレーム４ｄが半導体素子１ａ、１ｂに接合され、この第４のリードフレーム４ｄがリード接合材４０により第２のリードフレーム４ｂに接合される。その他の工程は、前述の実施の形態１による半導体装置の製造方法における対応する工程と実質的に同一である。

実施の形態３．
図７は、実施の形態３による半導体装置の断面図である。実施の形態３による半導体装置１００は、パワーモジュール１０１と、冷却器１１を備えている。冷却器１１は、パワーモジュール１０１に、ハンダ接合部１０により接合されている。実施の形態３による半導体装置１００は、パワーモジュール１０１の樹脂封止体９に孔部１２ａ１、１２ａ２，１２ｂを備えている点で、実施の形態１の半導体装置と異なる。

孔部１２ａ１は、樹脂封止体９の上面部９３で開口し、樹脂封止体９の内部に存在するチップ上接合材５ａ１の表面部に至っている。孔部１２ａ２は、樹脂封止体９の上面部９３で開口し、樹脂封止体９の内部に存在するチップ上接合材５ａ２の表面部に至っている。孔部１２ｂは、樹脂封止体９の上面部９３で開口し、樹脂封止体９の内部に存在するリード接合材５ｂの表面部に至っている。ハンダ接合部１０の接合工程であるハンダリフロー時に、樹脂封止体９の内部に存在するハンダ接合材からなるチップ上接合材５ａ１が再溶融した場合、チップ上接合材５ａ１は固体から液体への相変化により体積が膨張するが、その体積膨張は孔部１２ａ１により吸収されるので、封止樹脂体９に対して応力が発生しないため、樹脂封止体９が破損することはない。

また、ハンダ接合部１０の接合工程であるハンダリフロー時に、樹脂封止体９の内部に存在するハンダ接合材からなるチップ上接合材５ａ２が再溶融した場合、チップ上接合材５ａ２は固体から液体への相変化により体積が膨張するが、その体積膨張は孔部１２ａ２により吸収されるので、封止樹脂体９に対して応力が発生しないため、樹脂封止体９が破損することはない。また同様に、ハンダ接合部１０の接合工程であるハンダリフロー時に、樹脂封止体９の内部に存在するハンダ接合材からなるリード接合材５ｂが再溶融した場合、リード接合材５ｂは固体から液体への相変化により体積が膨張するが、その体積膨張は孔部１２ｂにより吸収されるので、封止樹脂体９に対して応力が発生しないため、樹脂封止体９が破損することはない。

前述の実施の形態１では、チップ上接合材５ａ１、５ａ２、およびリード接合材５ｂと、ハンダ接合部１０と、の間に融点差を設け、この融点差を利用して、ハンダ接合部１０の接合工程であるハンダリフロー時の温度設定を行うことで、パワーモジュール１０１の樹脂封止体９の内部に存在するハンダ接合材の再溶融を防止するようにしているが、実施の形態３による半導体装置は、前述のように孔部１２ａ１、１２ａ２、１２ｂを設けることで、パワーモジュール１０１の樹脂封止体９の内部に埋設されるチップ上接合材５ａ１、５ａ２、およびリード接合材５ｂと、ハンダ接合部１０とを構成するハンダ接合材の選定において、融点の制約事項がなくなり、それぞれのハンダ接合材の選択の幅が広がるとともに、ハンダリフロー工程のプロセスマージンも広がるメリットがある。

孔部１２ａ１、１２ａ２、１２ｂのサイズとしては、ハンダ接合材の体積膨張量を考慮すれば、直径１［ｍｍ］から３［ｍｍ］の範囲が望ましい。孔部１２ａ１、１２ａ２、１２ｂの直径を３［ｍｍ］より大きくすると、樹脂封止体９による半導体素子1ａ、１ｂへの封止効果が損なわれる可能性があるので好ましくない。

孔部１２ａ１、１２ａ２、１２ｂの作製方法に特に制約はないが、たとえば次のような方法があげられる。トランスファー成型を行い、樹脂封止体９により覆われたパワーモジュール１０１を作製した後、パワーモジュール１０１の樹脂封止体９の内部に埋設されたハンダ接合材からなるチップ上接合材５ａ１、５ａ２およびリード接合材５ｂに対応する位置で、樹脂封止体９の外部からドリルもしくはレーザなどを用いて孔部１２ａ１、１２ａ２、１２ｂを設ける加工を実施する。

また別の方法として、トランスファー成型時の金型内に孔部１２ａ１、１２ａ２、１２ｂに対応する位置にピンをそれぞれ配置することで、成型後の樹脂封止体９に孔部１２ａ１、１２ａ２、１２ｂが形成されるようにする方法がある。さらに別の方法として、トランスファー成型時の金型内に孔部１２ａ１、１２ａ２、１２ｂに対応する位置にピンを配置することで成型後の樹脂封止体９に形成された孔部１２ａ１、１２ａ２、１２ｂに対して、ドリルもしくはレーザで仕上げ加工を行うようにしてもよい。あるいは、トランスファー成型時の金型内に孔部１２ａ１、１２ａ２、１２ｂに対応する位置に対応したピンを配置する場合、ヒートスプレッダー３を樹脂絶縁層６の密着性を確保するために加圧するためのピンと共用するようにしてもよい。

実施の形態３による半導体装置によれば、パワーモジュール１０１の内部、即ち樹脂封止体９の内部に埋設されたハンダ接合材からなるチップ上接合材５ａ１、５ａ２、およびリード接合材５ｂが存在する位置に対応して、樹脂封止体９に孔部１２ａ１、１２ａ２、１２ｂを設けることで、冷却器１１にハンダ接合部１０を用いてパワーモジュール１０１を接合するハンダリフロー工程において、チップ上接合材５ａ１、５ａ２、およびリード接合材５ｂが溶融して体積膨張した場合でも、樹脂封止体９を破損させることはない。

そのため、パワーモジュール１０１の内部で使用するハンダ接合材からなるチップ上接合材５ａ１、５ａ２、およびリード接合材５ｂと、ハンダ接合部１０に融点差を設ける必要がなくなるため、ハンダ接合材の選択肢が広がり、ハンダリフロー工程のプロセスマージンも広がる。そして、ハンダ接合材の選択肢が広がることで、耐温度サイクル性に優れたハンダ接合材を選択することも可能となり、温度サイクルに対する信頼性の高い半導体装置を提供することができる。

実施の形態４．
図８は、実施の形態４による半導体装置の断面図である。実施の形態４による半導体装置１００は、パワーモジュール１０１と、冷却器１１を備えている。冷却器１１は、パワーモジュール１０１に、ハンダ接合部１０により接合されている。実施の形態４による半導体装置１００は、パワーモジュール１０１の樹脂封止体９に孔部１２ａ１、１２ａ２を備えている点、および図６に示す実施の形態２における第４のリードフレーム４ｄを一体化した第２のリードフレーム４ｂを用いている点で、実施の形態２の半導体装置と異なる。

孔部１２ａ１は、樹脂封止体９の上面部９３で開口し、樹脂封止体９の内部に存在するチップ上接合材５ａ１の表面部に至っている。孔部１２ａ２は、樹脂封止体９の上面部９３で開口し、樹脂封止体９の内部に存在するチップ上接合材５ａ２の表面部に至っている。ハンダ接合部１０の接合工程であるハンダリフロー時に、樹脂封止体９の内部に存在するハンダ接合材からなるチップ上接合材５ａ１が再溶融した場合、チップ上接合材５ａ１は固体から液体への相変化により体積が膨張するが、その体積膨張は孔部１２ａ１により吸収されるので、封止樹脂体９に対して応力が発生しないため、樹脂封止体９が破損することはない。

また、ハンダ接合部１０の接合工程であるハンダリフロー時に、樹脂封止体９の内部に存在するハンダ接合材からなるチップ上接合材５ａ２が再溶融した場合、チップ上接合材５ａ２は固体から液体への相変化により体積が膨張するが、その体積膨張は孔部１２ａ２により吸収されるので、封止樹脂体９に対して応力が発生しないため、樹脂封止体９が破損することはない。

実施の形態４による半導体装置は、前述のように孔部１２ａ１、１２ａ２を設けることで、パワーモジュール１０１の樹脂封止体９の内部に埋設されるチップ上接合材５ａ１、５ａ２と、ハンダ接合部１０と、を構成するハンダ接合材の選定において、融点の制約事項がなくなり、それぞれのハンダ接合材の選択の幅が広がるとともに、ハンダリフロー工程のプロセスマージンも広がるメリットがある。

孔部１２ａ１、１２ａ２のサイズとしては、ハンダ接合材の体積膨張量を考慮すれば、直径１［ｍｍ］から３［ｍｍ］の範囲が望ましい。孔部１２ａ１、１２ａ２の直径を３［ｍｍ］より大きくすると、樹脂封止体９による半導体素子1ａ、１ｂへの封止効果が損なわれる可能性があるので好ましくない。孔部１２ａ１、１２ａ２の作製方法については、前述の実施の形態３の場合と同様である。

実施の形態４による半導体装置によれば、パワーモジュール１０１の内部、即ち樹脂封止体９の内部に埋設されたハンダ接合材からなるチップ上接合材５ａ１、５ａ２が存在する位置に対応して、樹脂封止体９に孔部１２ａ１、１２ａ２を設けることで、冷却器１１にハンダ接合部１０を用いて接合するハンダリフロー工程において、チップ上接合材５ａ１、５ａ２が溶融して体積膨張した場合でも、樹脂封止体９を破損させることはない。

そのため、パワーモジュール１０１の内部で使用するハンダ接合材からなるチップ上接合材５ａ１、５ａ２と、ハンダ接合部１０に融点差を設ける必要がなくなるため、ハンダ接合材の選択肢が広がり、ハンダリフロー工程のプロセスマージンも広がる。そして、ハンダ接合材の選択肢が広がることで、耐温度サイクル性に優れたハンダ接合材を選択することも可能となり、温度サイクルに対する信頼性の高い半導体装置を提供することができる。

図９は、実施の形態１から実施の形態４による半導体装置の実施例の具体的データと、比較例の具体的データと、を示す説明図である。図９において、「ヒートスプレッダー」は、前述の実施の形態１と実施の形態３に対応するものである。銅製のヒートスプレッダー３と、銅板７と、の厚さ寸法を、実施例１から実施例５と、比較例１から比較例４ごとに示した値にてパワーモジュール１０１を製作し、その後、それらのパワーモジュール１０１と冷却器１１とを、ハンダリフロー工程を経てハンダ接合部１０により接合した。このようにして実施例１から実施例５と、比較例１から比較例４の半導体素子を製造し、それぞれの半導体素子における樹脂絶縁層６とハンダ接合部１０の状態を、超音波探傷装置を用いて確認した。また、半導体素子１ａ、１ｂに電流を流し、その際の電力量と半導体素子１ａ、１ｂと冷却器１１との温度差から、それぞれの実施例の半導体装置の熱抵抗を求めた。

また、図９において、「異厚リードフレーム」は、前述の実施の形態２と実施の形態４に対応するものである。銅製の異厚リードフレームとしての第１のリードフレーム４１における第１の部位４１ａと、銅板７と、の厚さ寸法を、実施例６、７ごとに示した値としてパワーモジュール１０１を制作し、その後、それらのパワーモジュール１０１と冷却器１１とを、ハンダリフロー工程を経てハンダ接合部１０により接合した。このようにして実施例６、実施例７の半導体素子を製造し、それぞれの半導体素子における樹脂絶縁層６とハンダ接合部１０の状態を、超音波探傷装置を用いて確認した。また、半導体素子１ａ、１ｂに電流を流し、その際の電力量と半導体素子１ａ、１ｂと冷却器１１との温度差から、それぞれの実施例の半導体装置の熱抵抗を求めた。

図１０は、図９に示す実施例と比較例の評価結果を示す説明図である。図１０において、樹脂絶縁層６の状態については、剥離が発生していない場合を「丸印」、剥離が発生している場合を「バツ印」で示している。また、ハンダ接合部１０の状態については、接合不良が観察されない場合を「丸印」、接合不良が観察された場合を「バツ印」で示している。パワーモジュール１０１の熱抵抗は、熱抵抗が設計値の１０［％］以内に収まっている場合は「丸印」、熱抵抗が設計値の１０［％］から外れている場合を「バツ印」で示している。

図１０から明らかなように、比較例１から比較例４では、樹脂絶縁層６の剥離またはハンダ接合部１０の接合不良が観察され、その結果、熱抵抗の上昇となっていることが分かる。一方、実施例１から実施例７では、樹脂絶縁層６の剥離は確認されず、またハンダ接合部１０の接合不良が観察されず良好な接合状態であることが確認され、熱抵抗も設計値の１０［％］以内に収まっている結果となっていることが分かる。

なお、各実施の形態を組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりことが可能である。

１ａ、１ｂ 半導体素子、２ａ、２ｂ チップ下接合材、３ ヒートスプレッダー、４ａ、４１ 第１のリードフレーム、４ｂ 第２のリードフレーム、４ｃ 第３のリードフレーム、４ｄ 第４のリードフレーム、５ａ１、５ａ２ チップ上接合材、５ｂ リード接合材、６ 樹脂絶縁層、７ 銅板、８ ボンディングワイヤ、９ 樹脂封止体、１０ ハンダ接合部、１１ 冷却器、１２ａ１、１２ａ２、１２ｂ 孔部、１００ 半導体装置、１０１ パワーモジュール

Claims (7)

1. パワーモジュールと、前記パワーモジュールにハンダ接合材からなるハンダ接合部により接合された冷却器と、を備えた半導体装置であって、
   前記パワーモジュールは、
   半導体素子と、
   前記半導体素子を接合材を介して一方の面部に搭載したヒートスプレッダーと、
   前記ヒートスプレッダーに接合材を介して接合された主端子となる第１のリードフレームと、
   前記半導体素子に接合材を介して接合された主端子となる第２のリードフレームと、
   前記ヒートスプレッダーの前記一方の面部に対向する他方の面部に、樹脂絶縁層を介して一方の面部が接合された銅板と、
   前記半導体素子と、前記ヒートスプレッダーと、前記第１のリードフレームの一部分と、前記第２のリードフレームの一部分と、前記樹脂絶縁層と、前記銅板の前記一方の面部に対向する他方の面部以外の部分と、を封止する樹脂封止体と、
   を備え、
   前記パワーモジュールは、前記樹脂封止体から露出した前記銅板の前記他方の面部が前記ハンダ接合部に当接して前記冷却器に接合され、
   前記銅板の厚さ寸法は、０．３［ｍｍ］以上で、かつ前記ヒートスプレッダーの厚さ寸法を超えない値に設定されている、
   ことを特徴とする半導体装置。
2. 前記ヒートスプレッダーの厚さ寸法は、１．０［ｍｍ］以上で、かつ３．０［ｍｍ］以下の値に設定されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記樹脂封止体は、前記第１のリードフレームと前記半導体素子とを接合する前記接合材と、前記第２のリードフレームと前記ヒートスプレッダーとを接合する前記接合材と、に対応して設けられた孔部を備えている、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
4. パワーモジュールと、前記パワーモジュールにハンダ接合材からなるハンダ接合部により接合された冷却器と、を備えた半導体装置であって、
   前記パワーモジュールは、
   半導体素子と、
   前記半導体素子を接合材を介して一方の面部に搭載した部位と、前記部位の厚さ寸法に対して異なる厚さ寸法の部位と、を備えた主端子となる第１のリードフレームと、
   前記半導体素子に接合材を介して接合された主端子となる第２のリードフレームと、
   前記第１のリードフレームの前記半導体素子を搭載した前記部位における、前記一方の面部に対向する他方の面部に、樹脂絶縁層を介して一方の面部が接合された銅板と、
   前記半導体素子と、前記第１のリードフレームの前記半導体素子を搭載した前記部位と、前記第２のリードフレームの一部分と、前記樹脂絶縁層と、前記銅板の前記一方の面部に対向する他方の面部以外の部分と、を封止する樹脂封止体と、
   を備え、
   前記パワーモジュールは、前記樹脂封止体から露出した前記銅板の前記他方の面部が前記ハンダ接合部に当接して前記冷却器に接合され、
   前記銅板の厚さ寸法は、０．３［ｍｍ］以上で、かつ前記第１のリードフレームの前記半導体素子を搭載した前記部位の厚さ寸法を超えない値に設定されている、
   ことを特徴とする半導体装置。
5. 前記第１のリードフレームの前記半導体素子を搭載した前記部位の厚さ寸法は、１．０［ｍｍ］以上で、かつ２．０［ｍｍ］以下に設定されている、
   ことを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
6. 前記樹脂封止体は、前記第２のリードフレームと前記半導体素子とを接合する前記接合材に対応して設けられた孔部を備えている、
   ことを特徴とする請求項４又は５に記載の半導体装置。
7. 前記孔部の直径の寸法は、１［ｍｍ］から３［ｍｍ］に設定されている、
   ことを特徴とする請求項３又は６に記載の半導体装置。

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