JP7124637B2

JP7124637B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP7124637B2
Application number: JP2018201405A
Authority: JP
Inventors: 彰加藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-10-26
Filing date: 2018-10-26
Publication date: 2022-08-24
Anticipated expiration: 2038-10-26
Also published as: JP2020068340A

Description

本発明は、半導体装置に関する。

例えば、この種の半導体装置として、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の半導体素子と、これを挟むように配置された第１および第２リードフレームと、第１および第２リードフレームと半導体素子とを覆う封止樹脂体と、を少なくとも備えた半導体装置が知られている。この半導体装置では、半導体装置の高さを調整するために、半導体素子と第２リードフレームとの間に金属ブロックが配置される場合がある（例えば特許文献１参照）。

特開２０１８－０８１９７３号公報

しかしながら、特許文献１に示す構成を有した半導体装置では、半導体素子の発熱に起因して、封止樹脂体が熱膨張しようとする。封止樹脂体は、リードフレームに拘束されているため、封止樹脂体とリードフレームとの界面に応力が発生する場合がある。この応力が大きくなると、リードフレームから封止樹脂体が剥離するおそれがある。このような剥離が発生すると、封止樹脂体とリードフレームの隙間に外部からの異物が混入する結果、半導体装置の信頼性が低下する可能性がある。

本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、本発明として、リードフレームと封止樹脂体との界面に発生する応力を低減して、封止樹脂体がリードフレームから剥離することを防止する半導体装置を提供する。

前記課題を鑑みて、本発明に係る半導体装置は、第１および第２リードフレームと、前記第１および第２リードフレームの間に、前記第１リードフレームの側から前記第２リードフレームの側に向かって、半導体素子および金属ブロックが順に配置された装置本体と、前記第１および第２リードフレームの間において、前記装置本体を封止する封止樹脂体と、を少なくとも備えた半導体装置であって、前記第１および第２リードフレームのうち、少なくとも１つは、前記装置本体に接合されたリードフレーム本体部と、前記リードフレーム本体部の外周に沿って配置され、前記封止樹脂体に接着された外枠部と、を備えており、前記リードフレーム本体部のうち、前記装置本体が接合される側の外周の少なくとも一部分には、前記外枠部と嵌合する第１嵌合部が形成されており、前記外枠部には、前記第１嵌合部と嵌合する第２嵌合部が形成されており、前記外枠部の材料の弾性率は、前記リードフレーム本体部の材料の弾性率よりも低いことを特徴とする。

本発明によれば、封止樹脂体に接着された外枠部の材料の弾性率が、リードフレーム本体部の材料の弾性率より低い。これにより、外枠部は、リードフレーム本体部よりも弾性変形し易いため、半導体素子の発熱等により、封止樹脂体が熱膨張しても、封止樹脂体に外枠部が追従し易くなる。

さらに、本発明によれば、リードフレーム本体部の第１嵌合部と、外枠部の第２嵌合部とが、装置本体が接合される側において、相互に嵌合している。そのため、半導体素子の繰り返しの発熱により、封止樹脂体が熱膨張および熱収縮を繰り返しても、外枠部はリードフレーム本体部から外れ難い。

以上の結果、第１および第２嵌合部を介して、リードフレーム本体部と外枠部が拘束された状態を維持しつつ、リードフレームの外枠部と封止樹脂体との界面に発生する応力を低減することができる。これにより、封止樹脂体がリードフレームから剥離することを防止することができる。

（ａ）は、本実施形態に係る半導体装置の模式的断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す半導体装置の第１および第２嵌合部付近の拡大断面図である。（ａ）は、図１（ａ）に示す装置本体が接合される側から視たリードフレーム本体部の平面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すリードフレーム本体部のＡ－Ａ線に沿った矢視方向の断面図である。（ａ）は、図２に示すリードフレーム本体部の別の態様を示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すリードフレーム本体部のＢ－Ｂ線に沿った矢視方向の断面図であり、（ｃ）は、（ａ）に示すリードフレーム本体部のＣ－Ｃ線に沿った矢視方向の断面図である。（ａ）は、本実施形態に係る第２リードフレームを、装置本体が接合される側から見た平面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すリードフレームのＤ－Ｄ線に沿った矢視断面図であり、（ｃ）は、（ｂ）に示すリードフレームのＥ方向から見た図である。（ａ）～（ｃ）は、本実施形態の半導体装置の製造方法を説明するための模式的概念図である。（ａ）は、本実施形態の変形例に係る半導体装置の模式的断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す半導体装置の第１および第２嵌合部付近の拡大断面図である。（ａ）～（ｃ）は、本実施形態の変形例に係る半導体装置の製造方法を説明するための模式的概念図である。解析モデルを説明する模式的断面図である。図８に示すモデルを用いた解析の温度履歴を示すグラフである。外枠部の弾性率と樹脂接着界面の応力との関係を示すグラフである。外枠部の線膨張係数と樹脂接着界面の応力との関係を示すグラフである。従来の半導体装置の模式的断面図である。

以下に、図１～４を参照しながら本発明に係る実施形態について説明する。本実施形態に係る半導体装置１は、両面冷却型半導体装置として利用されるものである。図１（ａ）に示すように、本実施形態の半導体装置１は、第１および第２リードフレーム３、７と、装置本体１１と、封止樹脂体５と、を少なくとも備えている。

装置本体１１は、半導体素子４および金属ブロック６を備えている。装置本体１１では、第１および第２リードフレーム３、７の間に、第１リードフレーム３の側から第２リードフレーム７の側に向かって、半導体素子４および金属ブロック６が順に配置されている。なお、ここでいう、装置本体１１は、半導体素子４および金属ブロック６と共に、第１～第３接合材２１～２３を含む。

封止樹脂体５は、第１および第２リードフレーム３、７の間において、装置本体１１を封止している。なお、装置本体１１と封止樹脂体５との間に、密着性を高めるプライマ層を設けてもよい。

第１および第２リードフレーム３、７は、それぞれ半導体素子４のコレクタ側およびエミッタ側に配置されている。なお、本明細書において「リードフレーム」とは、文字通りのリードフレームのほか、ダイパッド、回路基板や応力緩和基板等の基板、純Ａｌからなる基板とＡｌＮ（窒化アルミニウム）からなる基板とを配置してなるＤＢＡ（絶縁基板）、ヒートシンク等も包含されるものである。

本実施形態の半導体装置１では、第１リードフレーム３と半導体素子４は、第１接合材（はんだ層）２１を介して接合されている。半導体素子４と金属ブロック６は、第２接合材（はんだ層）２２を介して接合されている。金属ブロック６と第２リードフレーム７は、第３接合材（はんだ層）２３を介して接合されている。なお、本明細書では、第１～第３接合材２１～２３は、接合前に塗布されるはんだ材も、接合された状態のはんだ層も、第１～第３接合材と称し、同じ符号を付している。

第１～第３接合材２１～２３は、Ｐｂ系はんだ、Ｐｂフリーはんだのいずれであってもよいが、Ｐｂフリーはんだであることが好ましい。このようなＰｂフリーはんだとしては、Ｓｎ－Ａｇ系はんだ、Ｓｎ－Ｃｕ系はんだ、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ系はんだ、Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系はんだ、Ｓｎ－Ｚｎ系はんだ、または、Ｓｎ－Ｓｂ系はんだ等を挙げることができる。

半導体素子４としては、Ｓｉ素子またはＳｉＣ素子を挙げることができる。金属ブロック６は、半導体装置１の高さを調整するものであり、材料としては、例えば、Ｃｕ等を挙げることができる。

第１リードフレーム３は、アルミニウムやその合金、銅やその合金等から形成されており、表面にＮｉめっき層が形成されたり、さらにＮｉめっき層の表面にＡｕめっき層が形成されていてもよい。第２リードフレーム７については後述する。

封止樹脂体５は、第１および第２リードフレーム３、７の間に形成され、半導体素子４、金属ブロック６、および第１～第３接合材２１～２３の周りを覆っている。封止樹脂体５の材料としてはエポキシ系樹脂などの熱硬化性樹脂を挙げることができる。熱硬化性樹脂の中には、シリカ、アルミナ、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、または酸化マグネシウム等の無機フィラーが含有されていてもよい。

本実施形態では、第２リードフレーム７は、リードフレーム本体部７１と、外枠部７２と、を備えている。リードフレーム本体部７１は、第３接合材２３を介して、装置本体１１に接合している。リードフレーム本体部７１のうち、装置本体１１が接合される側の外周の少なくとも一部分には、外枠部７２と嵌合する第１嵌合部７１Ａが形成されている。

図１（ｂ）に示すように、第１嵌合部７１Ａには、第１凹部７１ａが形成されており、第１凹部７１ａを形成している壁面のうち、リードフレーム本体部７１の外周側の側壁面７１ｂは、第１外縁部７１ｃにより形成されている。第１外縁部７１ｃは、後述する第２凹部７２ａに嵌入されている。

一方、外枠部７２は、リードフレーム本体部７１の外周に沿って配置され、封止樹脂体５に接着している。外枠部７２には、第１嵌合部７１Ａと嵌合する第２嵌合部７２Ａが形成されている。図１（ｂ）に示すように、第２嵌合部７２Ａには、第２凹部７２ａが形成されており、第２凹部７２ａを形成している壁面のうち、リードフレーム本体部７１の中央側の側壁面７２ｂは、第２外縁部７２ｃにより形成されている。第２外縁部７２ｃは、第１凹部７１ａに嵌入されている。このようにして、第１嵌合部７１Ａと第２嵌合部７２Ａとが相互に嵌合することにより、これらは、リードフレーム７の幅方向（具体的には厚さ方向と直交する方向）において、相互に拘束される。

第１嵌合部７１Ａと第２嵌合部７２Ａとが嵌合した状態で、リードフレーム本体部７１の表面と、外枠部７２の表面とは、段差の無い表面（面一の表面）となる。さらに、リードフレーム本体部７１の表面のうち、封止樹脂体５側の表面を、外枠部７２で覆うことができる。

図２（ａ）および図２（ｂ）の如く、第１嵌合部７１Ａを構成する第１凹部７１ａと第１外縁部７１ｃとは、リードフレーム本体部７１のうち、装置本体１１が接合される側の外周を周回するように形成されていてもよく、あるいは、図３（ａ）～図３（ｃ）の如く、該外周の一部に形成されていてもよい。

外枠部７２は、後述する第２リードフレーム７を形成する際に、装置本体１１の側面側から挿入可能となるように分割された分割部品で構成されていることが好ましい。本実施形態では、図４（ａ）の如く、外枠部７２が、これを４つに分割した分割部品７２Ｂ～７２Ｅで構成されているが、外枠部７２が、３つまたは２つに分割した分割部品で構成されていてもよい。

また、本実施形態では、図４（ａ）～図４（ｃ）に示すように、リードフレーム本体部７１に、複数の配線９が接合されており、外枠部７２から各配線９を逃がすために、外枠部７２に、配線９が挿通する切欠き部７２Ｆを設けることが好ましい。

リードフレーム本体部７１の材料としては、熱伝導率の観点からＣｕまたはその合金が好ましい。なお、第３接合材２３の濡れ性を良好にするために、リードフレーム本体部７１には、フレーム本体の表面にＡｕめっき層を形成してもよい。

本実施形態では、外枠部７２の材料の弾性率（ヤング率）は、リードフレーム本体部７１の材料の弾性率よりも低い。これにより、半導体素子４の発熱等により、封止樹脂体５の熱膨張や熱収縮に外枠部７２が追従することができる。たとえば、リードフレーム本体部７１が、ＣｕまたはＣｕ合金である場合には、外枠部７２の弾性率は、ＣｕまたはＣｕ合金の弾性率より低い。このような外枠部７２の材料としては、以下に示す金属、樹脂、または、セラミック等を挙げることができる。

外枠部７２を構成する金属として、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｃｄ、または、これらを２種類以上の組み合わせたものを挙げることができる。外枠部７２を構成する樹脂の例として、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエチレン（ＰＥ）樹脂、ポリプロピレン（ＰＰ）樹脂、ポリスチレン（ＰＳ）樹脂、または、これらを２種類以上組み合わせたものを挙げることができる。外枠部７２を構成するセラミックとして、ＡｌＮ、ＳｉＮ、または、Ａｌ_２Ｏ_３等を挙げることができる。

なお、外枠部７２では、封止樹脂体５との密着性を高めるために、封止樹脂体５と対向する面にプライマ層を設けてもよく、あるいは、封止樹脂体５と対向する面に表面粗化処理を行ってもよい。

本実施形態によれば、外枠部７２の材料の弾性率がリードフレーム本体部７１の材料の弾性率より低い。これにより、外枠部７２は、リードフレーム本体部７１よりも弾性変形し易いため、半導体素子４の発熱等により、封止樹脂体５が熱膨張しても、封止樹脂体５に外枠部７２が追従し易くなる。

さらに、リードフレーム本体部７１の第１嵌合部７１Ａと、外枠部７２の第２嵌合部７２Ａとが、装置本体１１が接合される側において互いに嵌合している。そのため、半導体素子４の繰り返しの発熱により、封止樹脂体５が熱膨張および熱収縮を繰り返しても、外枠部７２はリードフレーム本体部７１から外れ難い。

結果として、第１および第２嵌合部７１Ａ、７２Ａを介して、リードフレーム本体部７１と外枠部７２が拘束された状態を維持しつつ、第２リードフレーム７の外枠部７２と封止樹脂体５との界面に発生する応力を低減することができる。これにより、封止樹脂体５が第２リードフレーム７の外枠部７２から剥離することを防止することができる。

次に、図５を参照して、本実施形態の半導体装置１の製造方法を以下に説明する。本実施形態の半導体装置１の製造方法では、まず、図５（ａ）に示すように、装置本体１１に、第１リードフレーム３およびリードフレーム本体部７１を接合した接合体１２を準備する。

具体的には、第１リードフレーム３に第１接合材２１を介して半導体素子４を接合し、半導体素子４に、第２接合材２２を介して、金属ブロック６を接合し、金属ブロック６に、第３接合材２３を介して、リードフレーム本体部７１を接合する。接合は、所定の熱履歴のリフローはんだ付けにより行う。次に、図示しないが、リードフレーム本体部７１に、配線を接合する。接合は、これらが導通した状態を確保することができる接合であれば特に限定されない。

次に、図５（ｂ）に示すように、リードフレーム本体部７１の第１嵌合部７１Ａに外枠部７２の第２嵌合部７２Ａを嵌合させて、第２リードフレーム７を形成する。具体的には、配線９が接合された状態の接合体１２を反転させ、この反転状態で、一例として、図４（ａ）の如く、外枠部７２を４つに分割した分割部品７２Ｂ～７２Ｅを装置本体１１の側面側から挿入する。

より具体的には、第１嵌合部７１Ａの第１凹部７１ａに第２嵌合部７２Ａの第２外縁部７２ｃを嵌入し、かつ、第２嵌合部７２Ａの第２凹部７２ａに第１嵌合部７１Ａの第１外縁部７１ｃを嵌入する（図１（ｂ）、図４（ｂ）参照）。第１および第２嵌合部７１Ａ、７２Ａは、互いに嵌合する構造を有するため、リードフレーム本体部７１に対する外枠部７２（具体的には分割部品７２Ｂ～７２Ｅ）の位置決めを容易にすることができる。

次に、図５（ｃ）に示すように、外枠部７２の表面と共に、装置本体１１および第１リードフレーム３の表面を覆うように、封止樹脂体５をモールド成形する。具体的には、上記の如く、第１および第２嵌合部７１Ａ、７２Ａが互いに嵌合した状態の接合体１２を金型８内に挿入後、エポキシ樹脂等の未硬化の熱硬化性樹脂を注入口８１から金型８内に充填する。この状態で、未硬化の熱硬化性樹脂を所定の加熱温度および加熱時間で加熱し、これを熱硬化させ、その後、室温まで、冷却する。

ところで、封止樹脂体５の成形過程において、封止樹脂体５を構成する封止樹脂では、硬化反応による収縮（硬化収縮）と、冷却による収縮（熱収縮）とに起因した樹脂収縮が発生する。この樹脂収縮に起因した封止樹脂体５の体積の収縮は、装置本体１１の配置方向の寸法に拘束される。

このため、図１２に示す従来の半導体装置１’の場合には、第１および第２リードフレーム３’、７’と封止樹脂体５との界面に、剥離を誘発する応力Ｐが発生する。この応力Ｐが大きくなると、封止樹脂体５が第１および第２リードフレーム３’、７’から剥離する可能性がある。

それに対して、本実施形態では、封止樹脂体５と接着した外枠部７２の材料の弾性率がリードフレーム本体部７１の材料の弾性率より低い。これにより、外枠部７２は、リードフレーム本体部７１よりも弾性変形し易いため、封止樹脂体５の成形過程において、封止樹脂体５に熱収縮が発生しても、封止樹脂体５に外枠部７２が追従し易くなる。このような結果、外枠部７２と封止樹脂体５との界面に発生する応力を低減することができ、封止樹脂体５が外枠部７２から剥離することを防止することができる。

次に、図６および図７を参照して、本実施形態の変形例およびその製造方法について以下に説明する。図６からわかるように、本変形例に係る半導体装置１が上述した実施形態のものと相違する点は、第２リードフレーム７が、リードフレーム本体部と外枠部を備えず、第１リードフレーム３が、リードフレーム本体部３１と、外枠部３２とを備える点である。よって、以下に相違点について主に説明し、上述した実施形態と同じ部材および部分に関しては、同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

リードフレーム本体部３１および外枠部３２は、それぞれ、上述した実施形態のリードフレーム本体部７１および外枠部７２に対応する。したがって、図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、リードフレーム本体部３１および外枠部３２には、それぞれ、互いに嵌合している第１嵌合部３１Ａおよび第２嵌合部３２Ａが形成されている。そして、上述した実施形態と同様に、第１凹部３１ａの側壁面３１ｂを形成している第１外縁部３１ｃは、第２凹部３２ａに嵌入されている。一方、第２凹部３２ａの側壁面３２ｂを形成している第２外側縁３２ｃは、第１凹部３１ａに嵌入されている。

このような変形例に係る半導体装置１の場合にも、外枠部３２が、上述した実施形態と同様に、封止樹脂体５に追従可能となるため、外枠部３２と封止樹脂体５との界面に発生する応力を低減することができる。その結果、封止樹脂体５が外枠部３２から剥離することを防止することができる。

本変形例に係る製造方法では、図７（ａ）の如く、準備した接合体１２は、リードフレーム本体部３１に、装置本体１１および第２リードフレーム７が接合されている。次いで、この接合体１２のリードフレーム本体部３１の外周に配線（図示せず）を接続する。

次に、図７（ｂ）に示すように、リードフレーム本体部３１の第１嵌合部３１Ａに外枠部３２の第２嵌合部３２Ａを嵌合させて、第１リードフレーム３を形成する。最後に図７（ｃ）の如く、接合体１２を金型８内に挿入後、封止樹脂体５をモールド成形する。

本変形例に係る製造方法の場合にも、成形過程において、外枠部３２が、上述した実施形態と同様に、封止樹脂体５に追従可能となる。そのため、上述した実施形態同様に、封止樹脂体５の外枠部３２からの剥離を防止することができる。

ここで、発明者は、半導体装置の解析モデルで、外枠部および封止樹脂体の接着界面の応力を解析した。

具体的には、図８の如く、２つのリードフレームの間に、接合材を介して、半導体素子（ＳｉＣ）および金属ブロック（Ｃｕ）を配置し、これらを封止樹脂体で封止した半導体装置を解析モデルとしたこの解析モデルでは、図８に示す節点Ａでは、ＸおよびＹ方向を完全拘束し、一方、図８に示す節点Ｂでは、Ｙ方向を拘束した。

また、解析では、図９に示す如く、解析ステップ１～３の温度を、それぞれ１８０℃、１７９℃、および２５℃とした。ここで、解析ステップ１から解析ステップ２では、封止樹脂体の硬化収縮を模擬し、解析ステップ２から解析ステップ３では、封止樹脂体の熱収縮を模擬した。

上述した解析モデルおよび解析履歴を用いて、リードフレーム（外枠部）の弾性率を変化させた時の、リードフレームと封止樹脂体との界面の応力（樹脂接着界面の応力）を解析した。結果を図１０に示す。

図１０からわかるように、外枠部の弾性率を低下させれば、樹脂接着界面の応力が低下することがわかる。これにより、リードフレーム（リードフレーム本体部）の素材であるＣｕの弾性率（１１８ＧＰａ）よりも、外枠部の弾性率を低くすれば、封止樹脂体の収縮に外枠部が追従し易くなり、樹脂接着界面の応力を低下させることができると考えられる。

さらに、発明者は、上述した解析モデルおよび解析履歴を用いて、リードフレームの弾性率をＣｕの弾性率に固定して、リードフレームの線膨張係数を変化させて、樹脂接着界面の応力を解析した。結果を図１１に示す。

図１１からわかるように、線膨張係数を低下させれば、樹脂接着界面の応力が低下することがわかる。これにより、外枠部の弾性率の低弾性率化に加えて、リードフレーム本体部の素材であるＣｕの線膨張係数（１７ｐｐｍ／Ｋ）よりも、外枠部の線膨張係数を低くすれば、封止樹脂体の収縮に外枠部がさらに追従し易くなり、樹脂接着界面の応力を低下させることができると考えられる。なお、外枠部の材料が樹脂である場合には、樹脂に添加するフィラーの種類や量を調整することにより、外枠部の線膨張係数を小さくすることができる。

以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

例えば、上述の実施形態およびその変形例では、第１および第２リードフレームのうちいずれか一方が、リードフレーム本体部および外枠部を備えていたが、第１および第２リードフレームの両方がリードフレーム本体部および外枠部を備えていてもよい。

１：半導体装置、３：第１リードフレーム、４：半導体素子、５：封止樹脂体、６：金属ブロック、７：第２リードフレーム、１１：装置本体、３１、７１：リードフレーム本体部、３１Ａ、７１Ａ：第１嵌合部、３２、７２：外枠部、３２Ａ、７２Ａ：第２嵌合部

Claims

第１および第２リードフレームと、前記第１および第２リードフレームの間に、前記第１リードフレームの側から前記第２リードフレームの側に向かって、半導体素子および金属ブロックが順に配置された装置本体と、前記第１および第２リードフレームの間において、前記装置本体を封止する封止樹脂体と、を少なくとも備えた半導体装置であって、
前記第１および第２リードフレームのうち、少なくとも１つは、前記装置本体に接合されたリードフレーム本体部と、前記リードフレーム本体部の外周に沿って配置され、前記封止樹脂体に接着された外枠部と、を備えており、
前記リードフレーム本体部のうち、前記装置本体が接合される側の外周の少なくとも一部分には、前記外枠部と嵌合する第１嵌合部が形成されており、前記外枠部には、前記第１嵌合部と嵌合する第２嵌合部が形成されており、
前記リードフレーム本体部と前記外枠部とは、金属材料からなり、
前記外枠部の金属材料の弾性率は、前記リードフレーム本体部の金属材料の弾性率よりも低いことを特徴とする半導体装置。