JPH11354687A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPH11354687A
JPH11354687A JP16467998A JP16467998A JPH11354687A JP H11354687 A JPH11354687 A JP H11354687A JP 16467998 A JP16467998 A JP 16467998A JP 16467998 A JP16467998 A JP 16467998A JP H11354687 A JPH11354687 A JP H11354687A
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    • H01L2924/13091Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor [MOSFET]

Abstract

(57)【要約】 【課題】半導体基板にはんだ付けして部品を取付け後、
樹脂モールドすると、熱膨張係数の違いにより、はんだ
付け部が熱疲労破壊することがある。 【解決手段】半導体基体と該熱拡散部材間が90(wt
%)以上のSnにSb,Ag,Zn,In,Bi及びC
uの群から選択された1種類以上の金属が添加された合
金材によって固着することにより、熱拡散部材の熱吸収
性と伝達性の効果により放熱性の向上を図る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、樹脂モールド絶縁
型半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、半導体素子基体を支持する部材は
非絶縁型半導体装置の一電極を兼ねる場合が多かった。
例えば、パワートランジスタチップを銅ベース上にPb
−Snはんだ材により一体化搭載したパワートランジス
タ装置では、銅ベース(金属支持部材)はトランジスタ
のコレクタ電極と支持部材を兼ねる。このような半導体
装置では、数アンペア以上のコレクタ電流が流れ、トラ
ンジスタチップは発熱する。この発熱に起因する特性の
不安定性や寿命の劣化を避けるため、銅ベースは熱放散
のための部材を兼ねる。また、高耐圧化及び高周波化さ
れ、大電流を流すことの可能な半導体チップを上記銅ベ
ースに直接はんだ付け搭載した場合は、熱放散中継部材
としての銅ベースの役割は一層重要になる。
【0003】また、半導体装置の全ての電極を金属支持
部材から電気的に絶縁し、もって半導体装置の回路適用
上の自由度を増すことのできる絶縁型半導体装置におい
て、全ての電極は絶縁部材により金属支持部材を含む全
てのパッケージ部材から、絶縁されて外部へ引き出され
る。そのために、一対の主電極が回路上の接地電位から
浮いている使用例であっても、電極電位とは無関係にパ
ッケージを接地電位部に固定できるので、半導体装置の
実装が容易になる。
【0004】絶縁型半導体装置においても、半導体素子
を安全かつ安定に動作させるためには、半導体装置の動
作時に発生する熱をパッケージの外へ効率良く放散させ
る必要がある。この熱放散は通常、発熱源である半導体
基体からこれと接着された各部材を通じて気中へ熱伝達
させることで達成される。絶縁型半導体装置ではこの熱
伝達経路中に、絶縁体及び半導体基体を接着する部分等
に用いられた接着材層を含む。
【0005】また、半導体装置を含む回路の扱う電力が
高くなるほど、あるいは要求される信頼性(経時的安定
性,耐湿性,耐熱性等)が高くなるほど、完全な絶縁性
が要求される。ここで言う耐熱性には、半導体装置の周
囲温度が外因により上昇した場合のほか、半導体装置の
扱う電力が大きく、半導体基体で発生する熱が大きくな
った場合の耐熱性も含む。
【0006】一方、混成集積回路装置あるいは半導体モ
ジュール装置では、一般に半導体素子を含むあるまとま
った電気回路が組み込まれるため、その回路の少なくと
も1部とこれらの装置の支持部材あるいは放熱部材等の
金属部とを電気的に絶縁する必要がある。例えば、第1
先行技術例としての風見明による“MIST基板”:工
業材料(Vol.30,No.3),22〜26頁(1983
年)には、両面に薄いアルマイト層(14〜30μm)を
形成したアルミニウム基板(1〜2mm)の一方の面上に、
エポキシ系絶縁樹脂層(28μm)を介して銅箔(35μ
m)を形成した混成集積回路装置用基板が開示されてい
る。また、上記銅箔を選択エッチングして回路配線を施
した上記混成集積回路装置用基板上に、はんだ付けによ
りパワー半導体素子及び受動素子が搭載された混成集積
回路装置が開示されている。
【0007】第2先行技術例としての特開昭64−5092号
公報には、アルミニウムからなる金属基板上にエポキシ
系絶縁層(20μm以上)を介して、アルミニウム箔と銅
箔(35〜1500μm)を選択形成したハイパワー用回
路基板が開示されている。また、上記回路基板の銅箔上
に、はんだ付けによりパワートランジスタ素子を複数個
搭載した混成集積回路が開示されている。
【0008】上記先行技術例1及び2に基づく回路基板
や混成集積回路装置は、量産性に優れるとともに経済的
利点が多く、半導体実装の分野で広く利用されている。
【0009】上記先行技術例1及び2に基づく回路基板
や混成集積回路装置は、放熱を促進させるため、通常、
アルミニウムフィン等のヒートシンクへ機械的に取付け
られて使用される。
【0010】一方、第3先行技術例としての特開平8−3
16370 号公報には、金属放熱板上に絶縁基板を固着し、
絶縁基板に設けた導電層上に半導体素子が設けられ、半
導体素子の表面にエポキシ樹脂とシリコーンゲルを順次
被覆してなる半導体装置を開示している。特に、エポキ
シ樹脂は透湿度の低いもので構成しているため、半導体
装置内部への水分の浸入を抑え、電気的特性の劣化を回
避できるようになっている。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】上記先行技術例1及び
2に基づく回路基板や混成集積回路装置の場合は、熱膨
張率の小さい搭載部品、例えば、半導体素子基体:3.
5ppm/℃(Si),チップ抵抗体:7ppm/℃(アルミ
ナ),チップコンデンサ:10ppm/℃(チタン酸バリウ
ム)が、熱膨張率の大きい回路基板(Al:25ppm/
℃)上にPb−Sn系合金材のはんだ付けにより固着さ
れる。はんだ付け部は搭載部品を基板上の所定位置に固
定するとともに、上記半導体装置の配線及び熱放散路の
役割を担う。
【0012】しかしながら、上記半導体装置には稼働時
や休止時に伴う熱ストレスが繰返し印加され、最終的に
はんだ付け部の熱疲労破壊を生ずるに至る。特に、はん
だ材が適切に選択されていない場合や、回路基板に対し
てモールド樹脂の熱膨張率が適切に調整されていない場
合は、両者の接合界面に過大な残留応力が内在すること
となり、これに半導体装置の稼働時の熱応力が重畳され
ると、はんだ付け部の熱疲労破壊が一層加速される。こ
の熱疲労破壊が進むと、断線,熱放散路の遮断等の悪影
響を生ずる。この結果、半導体装置はそ回路機能を失
う。
【0013】また、上記先行技術例1及び2に基づく回
路基板や混成集積回路装置の場合は、発熱の著しい半導
体素子基体が回路基板上に直接はんだ付け搭載されてお
り、半導体素子基体が放出する熱の効率的な外部放散を
困難にする。この結果、上記装置の放熱性が損ねられ
る。
【0014】一方、先行技術例3の場合は、金属放熱板
に固着した絶縁基板に直接半導体素子が搭載されてい
る。この場合の絶縁基板は恐らくセラミックであって、
半導体素子とセラミック絶縁基板との間の熱膨張率差が
小さく、そして、セラミック絶縁基板の熱伝導率は比較
的高いため、上記先行技術例1及び2で生ずる問題はあ
まり無い。しかしながら、本技術例では高価なセラミッ
ク絶縁基板が必要となるため、経済性の点で不利にな
る。
【0015】したがって本発明の目的は、上記先行技術
例の欠点を補い、放熱性及びはんだ接続部の信頼性に優
れる樹脂モールド絶縁型半導体装置を提供することにあ
る。
【0016】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明による半導体装置の特徴は、アルミニウム板の主面に
エポキシ絶縁層を介して形成された銅配線を有する絶縁
基板上に半導体基体が熱拡散部材を介して搭載され、該
半導体基体と該熱拡散部材の間の熱膨張率差が10ppm
/℃以下、そして、該熱拡散部材と該絶縁基板の間の熱
膨張率差が16.5ppm/℃ 以下に調整され、該半導体基体
と該熱拡散部材間が90(wt%)以上のSnにSb,A
g,Zn,In,Bi及びCuの群から選択された1種
類以上の金属が添加された合金材によって固着され、該
熱拡散部材と該絶縁基板間がSnを35wt%以上60
wt%以下含有し残部が実質的にPbである合金材によ
って固着され、該半導体基体がエポキシ樹脂とシリコー
ンゲル樹脂によって順次被覆され、該エポキシ樹脂の熱
膨張率が13〜21ppm/℃ に調整されていることにあ
る。
【0017】本発明によれば、熱拡散部材の熱吸収性と
伝達性の効果により放熱性の向上が図られる。また、熱
拡散部材の剛性及び熱歪吸収性と、封止材としての樹脂
の熱膨張性の相性が合い、はんだ接続部の信頼性向上が
図られる。
【0018】
【発明の実施の形態】以上の構成を、図面を用いて説明
する。
【0019】図1は、本発明の半導体装置の断面図であ
る。絶縁基板10は、母材であるアルミニウム板1の一
方の主面上にエポキシ絶縁樹脂層2を介して銅配線層3
が選択的に形成されている。絶縁基板10上には、半導
体素子基体21,チップ抵抗22やチップコンデンサ2
3からなる受動素子,端子24とが、Snを主成分とし
これにSb,Ag,Zn,In,Bi及びCuの群から
選択された1種類以上の金属が添加された合金材25,
25′によって固着されている。絶縁基板10と半導体
素子基体21の間には、熱拡散部材27が介装されてい
る。半導体素子基体21と銅配線層3の間には、Alワ
イヤ(直径:300μm)26が超音波ボンディングによ
り配線されている。また、半導体素子基体21と受動素
子の搭載部には、熱膨張率を13〜21ppm/℃ に調整
したエポキシ樹脂31がポッティング法により被覆され
ている。このエポキシ樹脂31は、シリコーンゲル樹脂
32で被覆されている。以上の構成による構造体には、
外囲器を兼ねる樹脂ケース33が設けられている。
【0020】本発明における合金材25は半導体素子基
体21,受動素子,端子24を導電的かつ強固に固着す
るためのものであり、本質的に高い熱疲労破壊耐量を有
している必要がある。図2は合金材の熱疲労破壊耐量を
示す図である。合金材25,25′の熱疲労破壊耐量
を、半導体素子基体21からアルミニウム板1に至る放
熱経路間の熱抵抗の温度サイクル数依存性として表して
いる。ここでは、合金材の本質的耐量を評価するため、
図中に示すように、半導体素子基体21を絶縁基板10
上に直接はんだ付けしている。また、合金材25とし
て、曲線AはSn−5wt%Sb材(合金材A)を、曲線
BはPb−60wt%Sn材(合金材B)を、そして、曲
線CはPb−5wt%Sn材(合金材C)を適用した場合
を示す。合金材Aの場合は、温度サイクル数300回ま
では熱抵抗の変動をほとんど示していない。これに対し
て、合金材B及びCの場合は、50回あたりから変動
(熱抵抗の増大)を生じ始めている。熱抵抗増大は、温
度変化に伴うはんだ層の疲労破壊により、放熱経路が遮
断されることによってもたらされる。
【0021】このように、本発明に係る合金材Aを適用
した場合は、従来のはんだ材(合金材B及びC)を適用
した場合に比べ、優れた熱疲労破壊耐量を示している。
これは、Sn−5wt%Sb材の剛性がPb−60wt
%Sn材やPb−5wt%Sn材より高く、塑性変形しに
くい材料であることに基づく。
【0022】合金材AとしてのSn−5wt%Sb材の
代替物としては、例えば、Sn−3.5wt%Ag,S
n−3.5wt%Ag−1.5wt%In,Sn−8.5
wt%Zn−1.5wt%In,Sn−4wt%Ag−
2wt%Zn−2wt%Bi,Sn−4.5wt%C
u,Sn−0.5wt%Cu−3wt%Ag,Sn−2
wt%Sb−0.5wt%Cu−2wt%Ag−2wt
%Zn 等が挙げられる。
【0023】ここで、合金材Aについて説明する。
【0024】Sn−Sb系合金材では、250℃以下の
液相線が得られる組成は90wt%Sn以上の範囲であ
る。液相線が高くなると、はんだ付けの処理温度が高く
なる。この場合は、絶縁基板10に形成されて回路の絶
縁を担うエポキシ絶縁樹脂層2が化学的に劣化し、良好
な電気絶縁性が得られなくなる。一般に半導体装置で
は、なるべく低い処理温度で作業できることが望まし
い。この観点からすれば、Sn−Sb系合金材ではんだ
材として適するのは、250℃以下の液相線が得られる
組成は90wt%Sn以上の組成範囲であると言える。
【0025】しかしながら、Sn含有量が90wt%に
近い組成領域では、Sn−Sb合金融液が全率固溶体的
に固相化した後、Sn−Sb合金結晶の粒界近傍にSb
が多量に含まれた包晶領域を形成しやすい。この包晶領
域は、機械的に脆く展延性に欠ける。このため、大きな
熱応力または熱歪の発生しやすい部分では、Sn−Sb
系合金はんだ材領域でクラック等の機械的破壊を生じや
すい。この結果、半導体装置の回路機能は劣化する。一
方、Sn含有量が90wt%よりも更に高い組成領域で
は、包晶領域の生成が抑制され、はんだ材の展延性も確
保される。この結果、大きな熱応力または熱歪の発生し
やすい部分にあっても、クラック等の機械的破壊を生じ
にくくなり、半導体装置の回路機能は維持される。以上
の観点から選択されるSnの濃度は、望ましくは95w
t%以上の範囲であると言える。後述する各種試験によ
っても、この点が確認されている。
【0026】また、本発明の半導体装置における合金材
25′のように合金材25との間で温度階層性を設ける
必要がある場合は、上記合金材Aと異なる融点を有し、
しかも優れた耐熱疲労性を有する材料が必要である。こ
のような場合に適合する第2のはんだ材として、Snを
35wt%以上60wt%以下含有し残部が実質的にP
bである合金材、特に好ましくはPb−50wt%Sn
の如き合金材が挙げられる。
【0027】本発明では、半導体基体21と熱拡散部材
27の間の熱膨張率差が10ppm/℃以下、そして、熱
拡散部材27と絶縁基板10の間の熱膨張率差が16.
5ppm/℃以下に調整されている。ここで、熱拡散部材
27は、半導体基体21で生ずる熱流を広げて絶縁基板
10へ効率的に伝達すること、及び、半導体基体21と
絶縁基板10間の熱膨張率差を緩和して接続部の信頼性
を維持するためのものである。ここで、熱拡散部材とし
て従来から知られているCu材やMo材を用いた場合
は、十分な接続信頼性を確保することが困難であった。
これに対し、本発明に係る熱膨張率を調整した熱拡散部
材27を用いた場合は、十分な接続信頼性を確保でき
る。この点について、以下に述べる。
【0028】図3は半導体装置におけるはんだ接続部寿
命の熱拡散部材の熱膨張率依存性を示す。ここで、半導
体装置は図1に示した構成(半導体基体21はSi,絶
縁基板10の母材はアルミニウム板1)のものである。
ただし、熱拡散部材の熱膨張率による影響を明確に読み
取るために、エポキシ樹脂31やシリコーンゲル樹脂3
2は設けていない。また、寿命は熱抵抗が初期値の1.
5 倍に到達した時の温度サイクル数で表す。はんだ接
続部寿命は、熱拡散部材の熱膨張率が大きくなるにつれ
て増大し、10ppm/℃ を越えると低下する傾向を示し
ている。例えば、寿命は熱拡散部材がMo材(5.1ppm
/℃)の場合は約750回、Cu材(16.5ppm/℃)の
場合は約400回と短い。Mo材の場合は熱拡散部材2
7と基板10の間のはんだ層25′の破壊(モードA),
Cu材の場合は半導体基体21と熱拡散部材27の間の
はんだ層25の破壊(モードB)が、それぞれ熱抵抗を高
める支配的要因である。これに対して、Mo材やCu材
の中間の熱膨張率領域の場合はこれらより長い寿命を示
している。この場合の寿命到達後に観測される破壊は、
モードA及びBがともに混在している。熱拡散部材の熱
膨張率を調整することにより、モードAやBの破壊の進
行がそれぞれ抑制され、結果的に両接合部25,25′
の寿命を延ばす効果が得られる。
【0029】半導体装置の全体としての寿命は、エポキ
シ樹脂31を被覆しない状態では1000回以上である
ことが望ましい。このような観点で選択される熱膨張率
範囲は、6.5〜13.5ppm/℃ である。換言すると、
半導体基体21と熱拡散部材27の間の熱膨張率差が1
0ppm/℃ 以下、そして、熱拡散部材27と絶縁基板1
0の間の熱膨張率差が16.5ppm/℃以下に調整されて
いることが望ましい。
【0030】本発明に係る熱拡散部材27は熱膨張率が
調整されている。図4は熱拡散部材の模式図を示す。
(a)は熱拡散部材の一例を示す断面模式図で、Cu材2
71−インバ材272−Cu材271の3層構造を有す
るものである。所望の熱膨張率及び熱伝導率に応じて、
Cu材271とインバ材272の厚さ比が調整される。
ここで、Cu材271は主として熱伝導性を高める観点
から、そして、インバ材272は熱膨張率を制御する観
点から選択される。インバ材272の代替材としては、
鉄,42アロイ等が選択される。図には示していない
が、熱拡散部材27の表面にNi等のめっきを施してお
くことは好ましいことである。また、(b)は熱拡散部材
の他の一例を示す断面模式図である。これは、(d)の平
面模式図に示すように、交互にストライプ状に接合され
たCu材271とインバ材272からなる平板からな
る。(c)は熱拡散部材の他の一例を示す断面模式図であ
る。これは、(d)及び(e)に示す平面模式図のように、
ストライプ方向を90度回転させて平板を積層、一体化
したものである。平板の積層数は、必要に応じて3層以
上にしてもよい。
【0031】本発明における熱拡散部材27は、図4で
述べた複合材に限定されるものではない。例えば、Al
やCuマトリックス中にSiC粉末,C粉末,Si粉
末,SiC繊維,C繊維を分散した複合材,Cu粉末と
Mo又はW粉末とを焼結した複合材等も代替材料として
挙げることができる。これらの代替材料は、等方的な物
性を有する。
【0032】ところで、本発明におけるエポキシ樹脂3
1は、搭載部品の機械的保護及び気密封止のための役割
を持つ。したがって、エポキシ樹脂31は基板10との
間の一体化面に過大な内部応力を生じないことが望まし
い。この第1の理由は、基板10上に搭載部品(21,
22,23,24,25,26)がはんだ付け搭載され
ており、これらの部品を固着する合金材25,25′に
過大な内部応力が導入されると、その後の稼働時の温度
変化に起因する応力が重畳されるため、熱疲労破壊を生
じやすくなるためである。第2の理由は、エポキシ樹脂
31は基板10との間の一体化面に過大な内部応力を生
ずると一体化面で剥離を生じ、この界面を通した水分の
浸入により搭載部品が腐食し、半導体装置40の正常な
回路機能を損ねるからである。
【0033】図5は、本発明による一実施例のエポキシ
樹脂と絶縁基板との一体化物のそり量を示すグラフであ
る。ここで、基板10の寸法は20.5mm×38mm×1.
5mm,エポキシ樹脂31の最大厚さは約2mmである。ま
た、図5の縦軸は基板10の長手方向のそり量であり、
プラスは基板10側に凸形状になり、マイナスはエポキ
シ樹脂31側に凸形状になることを意味する。横軸はエ
ポキシ樹脂31の熱膨張率を表している。
【0034】そり量は、エポキシ樹脂31の熱膨張率が
大きくなるにつれて、プラスの大きな値を示している。
一方、基板10の初期そり量は25μmである。図にお
いて、そり量の点で考察すれば、界面内部応力が導入さ
れないようにするためには、エポキシ樹脂31を設けた
後のそり量を初期そり量に近似(望ましくは±10μm
以内)させる必要がある。このような観点から判断する
とRで示される範囲、すなわちエポキシ樹脂31の熱膨
張率が13〜21ppm/℃ の範囲であることが望まし
い。
【0035】本発明によるシリコーンゲル樹脂32は、
エポキシ樹脂31そのもの、あるいは基板10との間の
一体化面を通して水分が浸入するのを防ぐ役割を有す
る。
【0036】(実施例)本発明を実施例により詳細に説
明する。
【0037】本実施例では、発熱素子としてのMOS
FET素子基体及びチップ抵抗体を搭載した半導体装置
について説明する。
【0038】絶縁基板10は、図1に示したように、厚
さ1.5mm,面積40.7mm×22mmのアルミニウム板1
の一方の主面上に、厚さ150μmのエポキシ系絶縁樹
脂層2を介して厚さ70μmの銅配線層3が選択的に形
成されている。
【0039】MOS FET素子基体(7mm×7mm,4
個)21は、熱拡散部材27を介して銅配線層3上には
んだ付けされている。MOS FET 素子基体21と熱
拡散部材27の間は厚さ70μmのSn−5wt%Sb
はんだ層25、そして、熱拡散部材27と絶縁基板10
の間は厚さ70μmのPb−50wt%Snはんだ層2
5′によりそれぞれ固着されている。熱拡散部材27
(8mm×8mm)は厚さ0.6mmで、Cu材271(厚さ:0.
2mm)−インバ材272(厚さ:0.2mm)−Cu材271
(厚さ:0.2mm)の3層構造を有している。一方、チッ
プ抵抗体(3.2mm×1.6mm,4個)22は、銅配線層3
上にSn−5wt%Sbはんだ層25により導電的に直
接固着されている。
【0040】MOS FET素子基体21と銅配線層3
の間には、直径300μm のAlワイヤ26が超音波
ボンディングされている。また、銅配線層3の1部の領
域には、端子24がはんだ層25により導電的に固着さ
れている。絶縁基板10の周囲には、樹脂ケース33が
樹脂接着剤によって取付けられている。
【0041】MOS FET 素子基体21,熱拡散部材
27,Alワイヤ26,チップ抵抗体22には、熱膨張
率が16ppm/℃ に調整されたエポキシ樹脂31で被覆
され、エポキシ樹脂31は更にシリコーンゲル樹脂32
で被覆されている。
【0042】このようにして得られた半導体装置は、図
6に示すようにMOS FET 素子21と抵抗体22と
からなる電源回路を構成している。ここで、Alワイヤ
26は、過電流を生じたとき溶断する、ヒューズの役割
を担っている。
【0043】図7はMOS FET 素子搭載部の熱抵抗
の推移を示すグラフである。図中の曲線Aは本実施例の
半導体装置についてであり、比較例としての曲線B及び
Cはそれぞれ熱拡散部材がCu材及びMo材の場合につ
いて示す。比較例の場合も、はんだ層25,25′の構
成、及び、エポキシ樹脂31やシリコーンゲル樹脂32
の構成は本実施例と同様である。
【0044】曲線Aでは、温度サイクル数2万回までの
試験で、熱抵抗の上昇を示していない。これに対し曲線
B及びCではそれぞれ、2000回及び4000回以降
で熱抵抗の上昇を示している。このように、本実施例の
場合に長い寿命が得られたのは、(1)はんだ層25,2
5′自体が優れた耐熱疲労性を有していることや、(2)
エポキシ樹脂31の熱膨張率が適正に調整されているた
め、基板10との一体化界面やはんだ付け界面の内部応
力を軽減できたことに加えて、(3)熱拡散部材27の熱
膨張率が適切に調整(半導体基体21と熱拡散部材27
の間の熱膨張率差が10ppm/℃ 以下、そして、熱拡散
部材27と絶縁基板10の間の熱膨張率差が16.5ppm
/℃以下に調整)されているため、モードA及びBによ
るはんだ層の破壊があまり進行せず、結果的に両接合部
25,25′の寿命を延ばす効果が得られたことによ
る。
【0045】一方、曲線B(Cu熱拡散部材)の場合は、
上述した(1)及び(2)の効果が得られているため、寿命
値そのものは図3の場合(約400回)より格段に向上し
ている。しかし、上述の(3)の効果が得られないため、
モードBの破壊(熱拡散部材と絶縁基板の間の破壊)が
早く進行し、寿命値は本実施例の2万回以上を大幅に下
回っている。曲線C(Mo熱拡散部材)の場合も、(1)と
(2)の効果が得られるため寿命値は図3の場合(約75
0回)より向上しているけれども、(3)の効果が得られ
ないためモードAの破壊(半導体基体と熱拡散部材の間
の破壊)が早く進行し、寿命値は本実施例の4万回以上
を大幅に下回っている。
【0046】
【表1】
【0047】表1は各種試験による半導体装置の耐久性
能を示す。この試験に用いられた半導体装置には、熱膨
張率6〜25ppm/℃ のエポキシ樹脂31が適用されて
いる。温度サイクル試験では、半導体装置に−55〜1
50℃の温度変化を与え、はんだ層25、25′の破壊
による回路機能の劣化状況を追跡している。熱膨張率6
〜11ppm/℃の領域及び25ppm/℃の場合では、いず
れも5000回以下の温度サイクルで回路機能の劣化を
生じている。これに対し13〜21ppm/℃ の範囲で
は、いずれの試料も1万回以上の温度サイクルを印加し
ても回路機能の劣化は観測されていない。
【0048】また、高温高湿バイアス試験では、半導体
装置に85℃,85%RHの雰囲気ストレスを与えなが
ら、MOS FET 素子21のソースとドレイン間に6
0Vの直流電圧を印加して、素子21の電気的性能の劣
化状況を追跡している。熱膨張率6〜11ppm/℃の領
域及び25ppm/℃の場合では、いずれも2000h以
下で劣化を生じている。これに対し13〜21ppm/℃
の範囲では、いずれの試料も5000h以上の試験によ
っても劣化は観測されていない。
【0049】以上の各種試験を総合的に評価すると、望
ましいエポキシ樹脂31の熱膨張率は、13〜21ppm
/℃の範囲にあると言える。
【0050】ところで、本発明は上述の実施例に記載し
た範囲以外にも適用され得る。エポキシ樹脂31は、フ
ィラーとしてSiO2(溶融シリカ、結晶シリカ)やZn
O粉末を添加したフェノール硬化型エポキシ樹脂が用い
られる。この場合、フィラーは50〜90%添加される
が、所望の熱膨張率及びモールド処理温度に応じて、任
意の組成を選ぶことが可能である。また、ゴム変性エポ
キシ樹脂を用いた場合でも、その熱膨張率が13〜21
ppm/℃ の範囲に選択される限り本発明の効果が得られ
る。
【0051】半導体素子基体21としてはMOS FE
T素子以外に、IGBT(InsulatedGate Bipolar Trans
istor),トランジスタ,サイリスタ,ダイオード等を適
用することが可能であり、その母材がSi以外の例えば
GaAsやSiCからなる場合でも本発明の効果を享受
できる。
【0052】
【発明の効果】以上までに説明したように、本発明によ
れば固着部の耐熱疲労性と気密性に優れる半導体装置を
提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体装置の断面図である。
【図2】合金材の熱疲労破壊耐量を示す特性図である。
【図3】半導体装置におけるはんだ接続部寿命の熱拡散
部材の熱膨張率依存性を示す特性図である。
【図4】熱拡散部材の模式断面図である。
【図5】一実施例のエポキシ樹脂と絶縁基板との一体化
物のそり量を示すグラフである。
【図6】本発明の半導体装置の電気回路を示す図であ
る。
【図7】MOS FET素子搭載部の熱抵抗の推移を示
すグラフである。
【符号の説明】
1…アルミニウム板、2…エポキシ絶縁樹脂層、3…銅
配線層、10…絶縁基板、21…半導体素子基体、22
…チップ抵抗、23…チップコンデンサ、24…端子、
25,25′…合金材,はんだ層、26…Alワイヤ、
27…熱拡散部材、31…エポキシ樹脂、32…シリコ
ーンゲル樹脂、271…Cu材、272…インバ材。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小山 賢治 東京都小平市上水本町五丁目20番1号 株 式会社日立製作所半導体事業部内 (72)発明者 新津 利治 東京都小平市上水本町五丁目20番1号 株 式会社日立製作所半導体事業部内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】アルミニウム板の主面にエポキシ絶縁層を
    介して形成された銅配線を有する絶縁基板上に半導体基
    体が熱拡散部材を介して搭載され、該半導体基体と該熱
    拡散部材の間の熱膨張率差が10ppm/ ℃以下、そし
    て、該熱拡散部材と該絶縁基板の間の熱膨張率差が1
    6.5ppm/℃以下に調整され、該半導体基体と該熱拡散
    部材間が90(wt%)以上のSnに、Sb,Ag,Z
    n,In,Bi及びCuの群から選択された1種類以上
    の金属が添加された合金材によって固着されていること
    を特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項2】請求項1において、該熱拡散部材と該絶縁
    基板間がSnを35wt%以上60wt%以下含有し残
    部が実質的にPbである合金材によって固着されている
    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、該半導体基体がエポキ
    シ樹脂とシリコーンゲル樹脂によって順次被覆され、上
    記エポキシ樹脂の熱膨張率が13〜21ppm/℃ に調整
    されていることを特徴とする半導体装置。
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