JP7119817B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
本実施形態に係る半導体装置は、主面及び放熱面を有するヒートブロックと、ヒートブロックの主面に接合材を介して積層された半導体素子と、接合材及び半導体素子を封止し、かつヒートブロックの主面の少なくとも一部を封止する第一の封止樹脂硬化物と、ヒートブロックの放熱面を露出させた状態で、ヒートブロック及び第一の封止樹脂硬化物を封止する第二の封止樹脂硬化物と、を備える。以下、図1及び図2を用いて、より具体的な態様について説明する。なお、図中にて主面とは、半導体素子の積層方向において上面側に存在する面である。
上述した半導体装置について、その製造方法の一例を以下に説明する。先ず、ヒートブロック2cの主面に、半導体素子1を接合材3を介して接合する。そして、半導体素子1の主面の表面電極と、アウターリード2aとを、ワイヤボンディングにより電気的に接続する。次に、ヒートブロック2cの放熱面を下にしてトランスファーモールド用の下金型の上に載せ、リードフレームの周縁部を上金型と下金型とで挟み込むように型締めすることで回路部の位置を固定し、第一の封止樹脂を金型内に注入する。第一の封止樹脂を硬化させることで、ヒートブロック2cの放熱面とアウターリード2a,2bの端部が露出した状態で、半導体素子1、接合材3及び金属配線5が第一の封止樹脂硬化物4aによって封止される。
(はんだ接合工程)
厚さ4μmのNiめっきが形成されたCuリードフレームを用意した。Cuリードフレームの一部のヒートブロック(縦24mm×横19mm×厚さ3mm)上に、はんだのシート(95質量%Pb-3.5質量%Sn-1.5質量%Ag、縦10mm×横5mm×厚さ100μm)を載置し、はんだのシートの上に、半導体素子であるSiCショットキーバリアダイオードチップ(縦8.23mm×横4mm×厚さ0.4mm、陽極最表面:Al、陰極最表面:Ni)を、陰極側とはんだシートとが接触するように重ねた。
SiCショットキーバリアダイオードチップの陽極面(リードフレームとの接合面とは反対側の面)と、+側アウターリードを直径400μmのAlワイヤ、6本によって接続した。なお、ワイヤボンダーによって、超音波を加えながらAlワイヤをSiCショットキーバリアダイオードチップのAl陽極に押し付けることでAlワイヤの接続を行った。
エポキシ樹脂として、三菱化学株式会社(旧ジャパンエポキシレジン株式会社)製トリスフェノールメタン型エポキシ樹脂(1032H60)を100質量部、硬化剤として新日鐵化学株式会社(旧東都化成株式会社)製フェノール樹脂(SN-395)を65質量部、酸化防止剤として、ヒンダードフェノール系酸化防止剤(ADEKA社製、AO-60)を5質量部、硬化促進剤としてトリフェニルホスフィンと1,4-ベンゾキノンの付加反応物を2質量部、無機フィラーとして平均粒径(D50)3.5μm、の窒化ホウ素を1023質量部、カップリング剤としてエポキシシラン(γ-グリシドキシプロピルトリメトキシシラン)を11質量部、着色剤としてカーボンブラック(三菱化学株式会社製、商品名「MA-100」)を2.6質量部、離型剤としてカルナバワックス(株式会社セラリカNODA製)を1質量部、を秤量し、これらを混練温度80℃、混練時間15分の条件でロール混練を行うことによって封止樹脂Aを調製した。
エポキシ樹脂として、三菱化学株式会社(旧ジャパンエポキシレジン株式会社)製トリスフェノールメタン型エポキシ樹脂(1032H60)を100質量部、硬化剤として新日鐵化学株式会社(旧東都化成株式会社)製フェノール樹脂(SN-375)を59質量部、酸化防止剤として、ヒンダードフェノール系酸化防止剤(ADEKA社製、AO-60)を5質量部、硬化促進剤としてトリフェニルホスフィンと1,4-ベンゾキノンの付加反応物を2質量部、無機フィラーとして平均粒径(D50)17.5μmの球状溶融シリカを1023質量部、カップリング剤としてエポキシシラン(γ-グリシドキシプロピルトリメトキシシラン)を11質量部、着色剤としてカーボンブラック(三菱化学株式会社製、商品名「MA-100」)を2.6質量部、離型剤としてカルナバワックス(株式会社セラリカNODA製)を1質量部、秤量し、これらを混練温度80℃、混練時間15分の条件でロール混練を行うことによって封止樹脂Bを調製した。
ワイヤボンディング後のサンプルにおいて、SiCショットキーバリアダイオードチップとAlワイヤの表面の全てと、ヒートブロックとアウターリードの一部分を封止樹脂Aによって封止した。封止にはトンラスファーモールド装置を用いて、金型温度180℃、成形圧力6.9MPa、硬化加熱時間90秒にて、封止を行った。
第一のパッケージ封止工程後のサンプルにおいて、封止樹脂Aと、ヒートブロックとアウターリードの一部分を封止樹脂Bによって封止した。封止にはトンラスファーモールド装置を用いて、金型温度180℃、成形圧力6.9MPa、硬化加熱時間90秒にて、封止を行った。その後、封止後のサンプルを200℃のオーブンにて6時間加熱することで封止樹脂の硬化を完了した。最後にアウターリードを切断し、封止樹脂硬化物の外形が縦50mm×横30mm×厚さ9mmであるSiCショットキーバリアダイオードパッケージを作製した(以下、単に「パッケージ」ということがある。)。なお、デジタルマイクロスコープ(株式会社キーエンス製、VHX-5000)により観察したところ、実施例1のパッケージは、封止樹脂硬化物AとBとの界面にガス収容部(空気層)を有していた。
長さ80mm×幅10mm×厚さ3mmの試験片を成形する金型を用いて、封止にはトンラスファーモールド装置を用いて、金型温度180℃、成形圧力6.9MPa、硬化加熱時間90秒にて、封止樹脂硬化物の試験片を成形し、さらに200℃で6時間アフターキュアした。得られた試験片の熱拡散率を、熱拡散率測定装置(NETZSCH社製、LFA447)を用いてレーザーフラッシュ法により測定した。得られた熱拡散率と、別途、示差走査熱量測定(DSC)により測定した試験片の比熱及び比重との積から、硬化物の熱伝導率を求めた。
25℃の冷却水によって温度調節された銅製冷却ブロック(縦100mm×横100mm×厚さ20mm)に、放熱シート(信越化学工業株式会社製、TC-100TXS、熱伝導率5W/m・K、縦60mm×横40mm×厚さ1mm)を貼り、その上に、SiCショットキーバリアダイオードパッケージのヒートブロックの露出面を放熱シートに接するように、SiCショットキーバリアダイオードパッケージを設置した。+側アウターリードから-側アウターリードに電流IONを80A通電させ、1.1秒後に通電を停止した。その時に+側アウターリードと-側アウターリードの両側に発生する電圧をオシロスコープにて測定した。通電時間中の電圧を平均し、順方向電圧VONとして評価した。また、IONの通電直前と通電直後に微小電流ICを0.5A通電し、+側アウターリードと-側アウターリードの両側に発生する微小電圧Vjをオシロスコープにて測定した。Vjの温度依存性を用いて、通電開始の10ミリ秒前のVjから最低ジャンクション温度Tjminを求め、通電停止から0.5ミリ秒後のVjから最低ジャンクション温度Tjmaxを求めた。TjmaxからTjminを差し引いた温度差ΔTjによってVONを除算し、熱抵抗RTを求めた。得られた熱抵抗について、比較例2の熱抵抗を基準(100%)としたときのパーセンテージを表1に示す。
SiCショットキーバリアダイオードパッケージの上面(チップ真上)にK型熱電対を取り付け、パッケージの表面温度を評価した。パッケージの表面温度を表1に示す。
(金属ペーストの調製)
DPMA(ダイセル工業株式会社製、ジプロピレングリコールメチルエーテルアセテート)12質量部と、MTPH(日本テルペン化学株式会社製、イソボルニルシクロヘキサノール)12質量部、ステアリン酸0.88質量部をらいかい機にて10分間混練し、液状成分を得た。この液状成分に、鱗片状銀粒子(福田金属箔粉工業株式会社製、AgC-239)88質量部を加えてらいかい機にて15分間混練し、銀粒子接着剤組成物(銀粒子を含有するペースト)を得た。
厚さ4mmのAgめっきが形成されたCuリードフレームの一部のヒートブロック(縦24mm×横19mm×厚さ3mm)上に、ギャップ100μmのメタルマスクを設置し、焼結銀ペースト(銀粒子接着剤組成物)を縦10mm×横5mmの範囲にスクリーン印刷した。ついで、焼結銀ペーストをスクリーン印刷したCuリードフレームを160℃のホットプレート上で180秒間加熱し、銀粒子接着剤組成物層を形成した。
SiCショットキーバリアダイオードチップ(縦8.23mm×横4mm×厚さ0.4mm、陽極最表面:Al、陰極最表面:Ag)を、陰極側と銀粒子接着剤組成物層とが接触するように重ねて、圧着用サンプルを用意した。300℃に加熱されたステンレス製ステージとステンレス製ヘッドによって、圧着用サンプルを10MPaで90秒間加圧し、チップをヒートブロックに接合した。この接合材を「焼結銀」と呼ぶ。なお、加圧の際にチップのヒートブロックとの接合面とは反対側の面とステンレス製ヘッドとの間にカーボンシート(厚さ3mm)を挟み、チップを保護した。
実施例1と同様にしてはんだ接合工程~ワイヤボンディング工程を行い、ワイヤボンディングされたサンプルを準備した。このサンプルに対し、以下のパッケージ封止工程を行った。
SiCショットキーバリアダイオードチップとAlワイヤの表面の全てと、ヒートブロックとアウターリードの一部分を封止樹脂Aによって封止した。封止にはトンラスファーモールド装置を用いて、金型温度180℃、成形圧力6.9MPa、硬化加熱時間90秒にて、封止を行った。その後、封止後のサンプルを200℃のオーブンにて6時間加熱することで封止樹脂の硬化を完了した。最後にアウターリードを切断し、封止樹脂硬化物の外形が縦50mm×横30mm×厚さ9mmであるSiCショットキーバリアダイオードパッケージを作製した。
封止樹脂Aの代わりに封止樹脂Bを使用した以外は、比較例1と同様にしてSiCショットキーバリアダイオードパッケージを作製した。さらに実施例1と同様にして、パッケージの熱抵抗評価と表面温度評価を行った。結果を表1に示す。
第一及び第二のパッケージ封止工程の代わりに、比較例1のパッケージ封止工程を実施したこと以外は、実施例2と同様にしてSiCショットキーバリアダイオードパッケージを作製した。さらに実施例1と同様にして、パッケージの熱抵抗評価と表面温度評価を行った。結果を表1に示す。
封止樹脂Aの代わりに封止樹脂Bを使用した以外は、比較例3と同様にしてSiCショットキーバリアダイオードパッケージを作製した。さらに実施例1と同様にして、パッケージの熱抵抗評価と表面温度評価を行った。結果を表1に示す。
Claims (8)
- 主面及び放熱面を有するヒートブロックと、
前記ヒートブロックの主面に接合材を介して積層された半導体素子と、
前記接合材及び前記半導体素子を封止し、かつ前記ヒートブロックの主面の少なくとも一部を封止する第一の封止樹脂硬化物と、
前記ヒートブロックの放熱面を露出させた状態で、前記ヒートブロック及び前記第一の封止樹脂硬化物を封止する第二の封止樹脂硬化物と、を備え、
前記第一の封止樹脂硬化物の熱伝導率が、前記第二の封止樹脂硬化物の熱伝導率より高い、半導体装置。 - 前記第一の封止樹脂硬化物と前記第二の封止樹脂硬化物との界面に、ガス収容部をさらに備える、請求項1に記載の半導体装置。
- 前記第一の封止樹脂硬化物及び前記第二の封止樹脂硬化物が、エポキシ樹脂及び無機フィラーを含む熱硬化性樹脂組成物の硬化物である、請求項1又は2に記載の半導体装置。
- 前記無機フィラーの含有量が、前記熱硬化性樹脂組成物全体の50~95質量%である、請求項3に記載の半導体装置。
- 前記接合材が金属粒子を含むペーストの焼結体である、請求項1~4のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記半導体素子がワイドバンドギャップ半導体である、請求項1~5のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記第一の封止樹脂硬化物及び前記第二の封止樹脂硬化物が、トランスファー成形体である、請求項1~6のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記第一の封止樹脂硬化物の熱伝導率が1W/m・K以上である、請求項1~7のいずれか一項に記載の半導体装置。
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