JPH1117071A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPH1117071A
JPH1117071A JP16561597A JP16561597A JPH1117071A JP H1117071 A JPH1117071 A JP H1117071A JP 16561597 A JP16561597 A JP 16561597A JP 16561597 A JP16561597 A JP 16561597A JP H1117071 A JPH1117071 A JP H1117071A
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linear expansion
semiconductor device
metal substrate
expansion coefficient
resin
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Toshio Ogawa
敏夫 小川
Masaaki Takahashi
正昭 高橋
Masahiro Aida
正広 合田
Noritaka Kamimura
典孝 神村
Kazuhiro Suzuki
和弘 鈴木
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Hitachi Ltd
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    • H01L2224/42Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/44Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/45Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/45001Core members of the connector
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    • H01L2224/45117Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 400°C and less than 950°C
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    • H01L2224/48Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
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    • H01L2924/13055Insulated gate bipolar transistor [IGBT]

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  • Structures Or Materials For Encapsulating Or Coating Semiconductor Devices Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】半導体装置の高信頼性を確保し、かつ装置の熱
抵抗を低減すること。 【解決手段】金属基板の線膨張率に対するモールド樹脂
の線膨張率の比を0.3〜0.6とする。 【効果】本発明によれば、平坦性が良好で、高信頼性の
半導体装置を提供するという効果がある。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子を含む
チップ部品が絶縁層を介して、金属基板上に搭載され、
全体が外装モールドによって保護された構造を有する樹
脂封止型半導体装置に関し、特に金属基板及びモールド
樹脂などの、該半導体装置を構成する主要構造材料間の
線膨張率差に起因する、反りを防止する手段を取ること
により、高い信頼性を実現するパワー半導体装置に関す
る。従って、本発明による半導体装置は汎用及び産業用
機器等の出力制御用インバータなどとして有効利用でき
る。
【0002】
【従来の技術】従来のこの種パワー半導体装置として、
公告特許公報平7−249714 号に開示される構成がある。
これは、Al基板上に導体回路を形成し、その上にパワ
ー半導体素子を搭載し、外装を、Al基板より小さい線
膨張率を有する樹脂を用いてモールド成形したものであ
る。この構造を有する半導体装置では、複数のパワー半
導体素子及びその他の部品もあわせ実装される場合が多
く、基板寸法が大きくなる。基板寸法が大きいと、わず
かな反りがあっても、それが強調されるため、該半導体
装置の成形後の充分な平坦性を実現するのは難しく、信
頼性の確保にも難があるという欠点がある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記従来法の
問題点を解決し、平坦性が良好で、高信頼性のパワー半
導体装置を実現するものである。すなわち、該半導体装
置の反りはこれを構成する金属基板と、モールド樹脂と
の線膨張率のバランスによって主に決定される。ところ
が、両者の線膨張率の温度依存性には大きな差が有る。
この温度依存性を考慮して、両者の組合せを最適化する
ことによって、基板寸法の大きい半導体装置であって
も、その反り量を最小限に抑制でき、結果的に高信頼性
のパワー半導体装置を提供する。
【0004】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では次の手段をとる。
【0005】1.金属基板の片面に、絶縁層を介して導
体回路が形成され、該導体回路上に複数の発熱性半導体
素子が固着され、該金属基板の他の面の少なくとも一部
が実質的に外部に露出した状態で、一体の電気絶縁性外
装樹脂モールドによって保護された、複合構造を有する
半導体装置において、実用温度範囲における線膨張率の
比が、該金属基板1.0に対して該樹脂モールドが0.3
から0.6 の範囲に調節して構成された半導体装置とす
る。
【0006】2.上記1において、前記金属基板がAl
もしくはAl合金からなり、実用温度範囲における線膨
張率が21ppm/℃から25ppm/℃の範囲にあり、かつ
前記樹脂モールドの線膨張率が8ppm/℃から14ppm/
℃の範囲に調節して構成された半導体装置とする。
【0007】3.上記1において、前記金属基板がCu
もしくはCu合金からなり、実用温度範囲における線膨
張率が17ppm/℃から21ppm/℃の範囲にあり、かつ
前記樹脂モールドの線膨張率が6ppm/℃から12ppm/
℃の範囲に調節して構成された半導体装置とする。
【0008】図1に断面構造を示すように、この種の樹
脂封止型半導体装置の反りは、最も体積占有率の高い金
属基板と樹脂との線膨張率のバランスにより決定され
る。ところが、両者の線膨張の温度依存性には大きな差
が有り、平坦性を確保するためには製造工程における特
別な配慮が要求される。図2にAl基板の線膨張と温度
との関係を示す。ここで線膨張率αは線膨張と温度変化
との比、すなわち図2に示す直線の勾配で表される。図
3には典型的なトランスファモールド用のエポキシ系樹
脂材料のモールド成形時における収縮量と温度との関係
を示す。図中のx印が固化開始点であり、温度によっ
て、3つの領域に大別でき、それぞれ次のように定義す
る。A:化学的収縮域−液状樹脂が架橋を開始して固化
する領域。B:前期熱収縮域−ガラス転移温度(Tg)
までの熱収縮領域であり、この領域の収縮率をα2とす
る。C:後期熱収縮域−Tgより低い温度における熱収
縮領域であり、その間の収縮率をα1とする。通常α1
とα2との比は1/3とα1が小さい。これらを総合し
て、樹脂成形時の見かけの収縮率が求まる。見かけの収
縮率Aは、図3中の破線Aの勾配として得られ、液体状
態からの全収縮量が含まれる。見かけの収縮率Bは、破
線Bの勾配であり、固化終了から室温までの平均収縮量
を表す。
【0009】成形後、さらに樹脂を硬化するためのポス
トキュアを施すことにより、収縮率はさらに小さくなる
傾向が有る。通常この状態における収縮率α1を単にそ
の樹脂の線膨張率もしくは収縮率と称し、ここでは前述
の収縮率と区別するために、定常収縮率と呼ぶ。
【0010】仮に、金属基板と、その基板の線膨張率に
等しい定常収縮率を有する樹脂とを組合せて図1に示す
形状に成形すると、金属基板面側に凸の反りが発生し、
充分な平坦性は得られない。これは、金属基板に比較し
て、樹脂の見かけの収縮率が極端に大きくなってしまう
結果と考えられる。本発明者らは、繰り返し実験の結
果、平坦性を確保するために必要な次の条件を見出し
た。それは、適用する金属基板の線膨張率αが、高くて
も樹脂の見かけの収縮率A,低くとも見かけの収縮率B
の範囲に設定することである。これを実験則に基づい
て、定常収縮率で表現すると次のようになる。すなわ
ち、金属基板の線膨張率1.0 に対して、樹脂の定常収
縮率を0.3から0.5の範囲に設定することで、上記見
かけの収縮率の条件を概ね満足できる。その条件に適合
する材料の組合せにより、成形後の充分な平坦性を有す
る成形体が得られる。
【0011】一般に、単に収縮率といわれる樹脂の定常
収縮率と、見かけの収縮率には強い相関関係がある。理
由は次のようである。この種樹脂材料は、エポキシ系な
ど線膨張率の極めて高い樹脂に、熱膨張率の低いアルミ
ナ、シリカなどのフィラーを加えて材料の特性を調節し
ている。従って、両者の配合割合によって線膨張率は大
きく変動し、このように、フィラーの比率が高いほど線
膨張率は低減する。フィラーの比率で線膨張率が決定さ
れる状況は、図3中の各領域A,B及びCに共通の現象
であり、定常収縮率と見かけの収縮率はほぼ正比例する
傾向がある。
【0012】
【発明の実施の形態】以下、本発明を実施例によってさ
らに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されな
い。
【0013】実施例1 図1に本発明の一実施例による半導体装置の断面構成図
を示す。例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transis
tor )などのパワー半導体素子11が半田層12を介し
てリードフレーム13上に固着される。該リードフレー
ム13は絶縁層18を介して金属基板19に接着され、
素子11はアルミニウムのワイヤボンデング部16によ
り電気的に接合され、系全体が外装樹脂モールド17に
より一体成型された構造である。金属基板19は純度9
9.9%、寸法70mm×40mm×2mmのAl板を用い
た。この基板の線膨張率は23.5ppm/℃である。樹脂
材料は、エポキシ系樹脂にシリカ粉末を適当量添加して
線膨張率を調節した。表1にこれら樹脂材料の収縮率測
定結果を示す。測定は型中にセットした円柱状のサンプ
ル長さの温度変化を、変位検出用ロッドを介して直接測
定した。
【0014】素子11及びリードフレーム13などを装
着した金属基板19を金型内にセットし、トランスファ
モールド法により180℃で成形した。成形寸法は、図
1中のa寸法を1mm、t寸法を6mmとした。成形後、さ
らに180℃5時間のポストキュアを施して金属基板1
9の露出面の反り量を評価した。評価にあたっては、対
角線上に連続的に表面の変位を測定し、最も大きい値を
反り量とした。金属基板側に凸の変位を正、反対に樹脂
側に凸を負の反りと表現した。
【0015】負の反りは、該半導体装置と放熱部材との
間に空隙を生じ、熱抵抗が上昇してしまうので好ましく
ない。一方、正の反りが大きいと、放熱部材に取り付け
る際に内部応力が上昇し、充分な信頼性が得られない。
反りの範囲は、実用的に−20μmから+80μmの範囲
が好ましい。表1の結果より、本実施例での好ましい定
常収縮率は8.4ppm/℃−11.5ppm/℃の範囲にある
ことがわかる。
【0016】
【表1】
【0017】実施例2 金属基板19として、純度99.5% のCu板を用い、
その他については基板寸法も含め、実施例1と同様の方
法によってサンプルを作製し、同様に、基板面の反りを
測定した。金属基板19の線膨張率は17.7ppm/℃
である。
【0018】測定結果を表2に示す。これより、Cu系
基板を適用する場合には、モールド樹脂17の好ましい
範囲は6.8ppm/℃から8.4ppm/℃であることがわか
る。 実施例3 実施例1と同様の方法によってサンプルを作製し、同様
に、基板面の反りを測定した。ここでは金属基板19の
寸法に着目し、反りとの関係を評価した。測定結果を図
4に示す。反り量は基板寸法の増加につれて上昇する。
このため、反りの好ましい範囲は−20μmから+80
μmであり、基板寸法が大きいほど樹脂17の線膨張率
はより狭い範囲に設定する必要があり、逆に小さい基板
では適用可能な樹脂の線膨張率適用範囲は広くなること
が示される。
【0019】実施例4 実施例1と同様の方法によってサンプルを作製し、同様
に、基板面の反りを測定した。ここでは成形体厚さ、t
寸法に着目し、反りとの関係を評価した。測定結果を図
5に示す。反り量はt寸法の増加につれて若干上昇する
傾向がある。
【0020】実施例5 実施例1と同様の手順によって、図6に示す回路パター
ンを有するコンバータ及びインバータ複合パワー半導体
装置を作製した。この装置を三相インダクションモータ
に直接取り付けて両者を一体化した。電気回路のブロッ
ク図を図7に示す。本発明による半導体装置は基板の反
りが小さいので、熱抵抗が低く、かつ信頼性が高いの
で、厳しい環境で使用されるモータ、例えば電気自動
車、各種ポンプ及び搬送用などのモータとの一体化が可
能となる。このようにインバータとモータとを一体化す
ることにより、それぞれの装置全体としての小型化、高
信頼性化を実現出来る。
【0021】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
金属基板19と樹脂モールド17との線膨張率比を特定
することによって、成形後の成形体の反りを制御できる
ので、放熱部材への取付けによる内部応力を最小限に抑
制して、高信頼性を実現すると共に、低熱抵抗を確保す
る効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例によるパワー半導体装置の断
面構成図。
【図2】金属基板の線膨張温度依存性。
【図3】モールド樹脂の線膨張温度依存性。
【図4】成形体の反り量と基板寸法との関係。
【図5】成形体の反り量と成形体厚さ寸法との関係。
【図6】本発明の一実施例によるインバータモジュール
の回路パターン図。
【図7】本発明の一実施例によるインバータ装置の回路
ブロック図。
【符号の説明】
11…半導体素子、11a…整流ダイオード、11b…
IGBT、11c…フリーホイールダイオード、12…
半田、13…リードフレーム、13a…主回路系端子、
13b…制御系端子、16…ワイヤボンデング部、17
…外装樹脂モールド、19…金属基板、25…サーミス
タ、26…シャント抵抗、31…コンバータ部、32…
インバータ部、33…放熱部。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 神村 典孝 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 鈴木 和弘 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株 式会社日立製作所日立研究所内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】金属基板の片面に、絶縁層を介して導体回
    路が形成され、該導体回路上に複数の発熱性半導体素子
    が固着され、該金属基板の他の面の少なくとも一部が実
    質的に外部に露出した状態で、一体の電気絶縁性外装樹
    脂モールドによって保護された、複合構造を有する半導
    体装置において、実用温度範囲における線膨張率の比
    が、該金属基板1.0に対して該樹脂モールドが0.3か
    ら0.6 の範囲に調節して構成されたことを特徴とする
    半導体装置。
  2. 【請求項2】請求項1において、前記金属基板がAlも
    しくはAl合金からなり、実用温度範囲における線膨張
    率が21ppm/℃から25ppm/℃の範囲にあり、かつ前
    記樹脂モールドの線膨張率が8ppm/℃から14ppm/℃
    の範囲に調節して構成されたことを特徴とする半導体装
    置。
  3. 【請求項3】請求項1において、前記金属基板がCuも
    しくはCu合金からなり、実用温度範囲における線膨張
    率が17ppm/℃から21ppm/℃の範囲にあり、かつ前
    記樹脂モールドの線膨張率が6ppm/℃から12ppm/℃
    の範囲に調節して構成されたことを特徴とする半導体装
    置。
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