JPWO2014141346A1 - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

本発明は、リードフレームと制御回路基板とをモールド樹脂によって一体的に封止した信頼性の高い半導体装置の提供を目的とする。本発明に係る半導体装置１００は、一方の面に半導体素子１１が搭載された金属部材７と、金属部材７の他方の面側に絶縁層８を介して配置された金属板９と、半導体素子１１と電気的に接続された電気部品４が搭載されたプリント配線板３と、金属部材２とプリント配線板３と金属板９とを一体的に封止する使用環境温度おける線膨張係数が１５〜２３×１０−６（１／Ｋ）封止樹脂１０とを備えたものである。

Description

この発明は、パワー半導体素子が搭載されたリードフレームや電気部品が実装されたプリント配線板、放熱部材としてのヒートシンクなどをトランスファーモールドによって封止したモールド型半導体装置に関するものである。
従来の半導体装置においては、高信頼性かつ小型の半導体装置を実現するために、あらかじめ絶縁層を形成した絶縁金属基板を適用し、温度変化時の絶縁層への応力集中を緩和するために、パワー半導体素子周辺に多量のモールド樹脂を配置している。従来の半導体装置は、パワー半導体素子を含む回路部を一体的に補強するために、線膨張係数を特定した材質のモールド樹脂を備えている。（例えば特許文献１）。
特開平８−２９８２９９号公報（第４頁、第１図）
従来の半導体装置では、絶縁金属基板上に形成された回路部や半導体素子、リードフレームなどを一体的にモールド樹脂で封止している。小型化・低コスト化や生産性の観点から、これらの部材を絶縁性が確保できる範囲内で、できるだけモールド樹脂の使用量が少なくなるように封止される。
ここで、プリント配線板と電気部品とを有してパワー半導体素子を制御する電気回路を形成した制御回路基板を、リードフレームとパワー半導体素子と一体的にトランスファーモールドによって封止する。これにより、制御回路基板とリードフレームやパワー半導体素子等とが別体である場合と比較して、半導体装置全体を小型化できるだけでなく、制御回路基板上の電気部品周辺も絶縁性の高いモールド樹脂によって封止されることになるため、電気部品の間隔を狭く実装でき、制御回路基板の小型化も実現できる。
しかし、制御回路基板をリードフレームやパワー半導体素子等と一体的にモールド樹脂によって封止する場合、制御回路基板を内蔵した半導体装置全体の大きさは、従来の半導体装置と比較して非常に大きなものとなり、モールド樹脂の使用量もそれに比例して多くなる。そして、制御回路基板を内蔵した半導体装置は、半導体装置のサイズが大きくなることにより、モールド樹脂成形後や使用環境温度により従来の半導体装置と比較して、反りや熱応力の増大を招く。その結果、リードフレームと放熱用途の金属板との間に設けられた絶縁層の剥離やクラックが発生し、信頼性が低下するという問題があった。
さらに、モールド樹脂に内蔵している制御回路基板の一部を半導体装置から突出させる構造をとることで、モールド樹脂成形時の位置決めや外部端子との電気的な接続が容易となることがある。この場合、制御回路基板の一部が突出していることによりモールド樹脂と制御回路基板との界面がモールド樹脂外部へ露出する。これにより、温度サイクル試験などの信頼性試験時に発生する応力に対して、モールド樹脂と制御回路基板との界面が露出していない場合に比べて、このモールド樹脂と制御回路基板との界面は剥離の起点となりやすいという問題点があった。
この発明は、上述のような問題点を解決するためになされたもので、リードフレームと金属板との間に設けられた絶縁層の剥離やクラックの発生を抑制することで、リードフレームと制御回路基板とをモールド樹脂によって一体的に封止することを可能とし、信頼性の高い半導体装置を得るものである。
この発明に係る半導体装置においては、一方の面に半導体素子が搭載された金属部材と、前記金属部材の他方の面側に絶縁層を介して配置された金属板と、前記半導体素子と電気的に接続された電気部品が搭載されたプリント配線板と、前記金属部材と前記プリント配線板と前記金属板とを一体的に封止する線膨張係数が１５〜２３×１０−６（１／Ｋ）である封止樹脂とを備えたものである。
この発明は、制御回路基板を一体的に樹脂封止するための樹脂の線膨張係数を１５〜２３×１０−６（１／Ｋ）とし、リードフレームと制御回路基板とを一体的に封止したので、大型の半導体装置においても信頼性試験によるリードフレームと金属板との間に設けられた絶縁層の剥離やクラックの発生を抑制し、高い信頼性を得ることができる。
この発明の実施の形態１における半導体装置を示す断面模式図である。 この発明の実施の形態２における半導体装置を示す断面模式図である。 この発明の実施の形態３における半導体装置を示す断面模式図である。 この発明の実施の形態４における半導体装置を示す裏面模式図である。 この発明の実施の形態４における半導体装置を示す裏面模式図である。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における半導体装置の構造を示す断面模式図である。なお、図１は半導体装置の構造を模式的に示した断面図であるため、各部の位置関係や各種配線や部品等は概略的に示されている。
はじめに、この発明の実施の形態１における半導体装置の全体構成を説明する。図１に示すように、半導体装置１００は、金属部材であるリードフレーム２、制御回路基板５、金属基板７、封止樹脂であるモールド樹脂１０を備えている。
リードフレーム２には、所定の電気回路の配線パターンが形成されている（図示せず）。リードフレーム２の一方の面（以下第１主面）には、半導体素子１１としてＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やダイオード、電流値を検出するための電流検出手段としてのシャント抵抗、温度を検出するための温度検出手段としてのサーミスタ等（図示せず）がはんだ接合により搭載されている。なお、半導体素子１１としてはＩＧＢＴに限られるものではなく、例えばＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等を採用して実施してもよい。
これら半導体素子１１等が配置される配線パターンの上方には、リードフレーム２の第１主面と所定の間隔をもって、プリント配線板３と電気部品４とにより半導体素子１１等を制御する電気回路を形成した制御回路基板５が配置されている。そして、制御回路基板５とリードフレーム２との間（図示せず）や、リードフレーム２と半導体素子１１との間等、必要な箇所がボンディングワイヤ６により適宜電気的接続されている。なお、本実施の形態１ではボンディングワイヤとしてアルミニウムワイヤを使用しているが、これもアルミニウムワイヤに限られることはない。銅ワイヤ等の抵抗値の低い材料でも良い。銅ワイヤのような抵抗値の低い材料を用いることで、大電流化への対応も可能となる。金ワイヤを用いた場合でも、同様の効果を得ることが可能である。
リードフレーム２の第１主面と反対側の面（第２主面とする）には、放熱板として機能する金属基板７が配設されている。金属基板７は、絶縁層８と金属板であるヒートシンク９からなり、リードフレーム２の第２主面、絶縁層８、ヒートシンク９の順に配設される。
半導体素子１１等が搭載されたリードフレーム２と制御回路基板５と金属基板７とが、モールド樹脂１０により一体的にトランスファーモールド封止されている。この際、リードフレーム２の外部リード部とヒートシンク９の絶縁層８が配置されている側とは反対の面は、モールド樹脂１０から露出するような状態で封止されている。
制御回路基板５は、配線パターンが形成されたプリント配線板３とプリント配線板３の配線パターン上に搭載された電気部品４とを備えている。プリント配線板３は、例えば厚さ１．６ｍｍの電子機器に一般的に用いられているものを使用することができるが、厚さもこれに限られるものではない。また、プリント配線板の耐熱性グレードもＦＲ−４に限られることはなく、リードフレーム２に搭載する半導体素子１１としてシリコンカーバイド（ＳｉＣ：Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ）を用いて素子の高温動作を想定する場合など、耐熱性グレードの高いＦＲ−５相当のプリント配線板３を用いることもできる。
電気部品４は、図１のようにプリント配線板３の両面に実装されていることが好ましいが、片面に実装でもかまわない。プリント配線板３の両面に電気部品を実装することにより、温度サイクルなどで発生する熱応力に対して表裏の熱膨張率差が抑えられること、剛性がより高くなることにより、発生する反りを抑えることができる。また、プリント配線板３の両面に実装することによりプリント配線板の面積は片面実装の半分程度に抑えられ、半導体装置の小型化につながる。
リードフレーム２と制御回路基板５とは、図１に示すように略並行に配置されている。このように略並行に配置する方法としては、リードフレーム２上に支柱を立てて制御回路基板５を支える方法、リードフレーム２と接続されたボンディングワイヤ（図示せず）で維持する方法等を用いることができる。リードフレーム２と制御回路基板５との間隔は、リードフレーム２の第１主面に搭載された半導体素子１１等を電気的に接続するボンディンブワイヤ６のループ高さと、プリント配線板３のリードフレーム２と対向する側の面に配置される電気部品４の高さとを考慮して設定される。この間隔は、両者の接触を防ぐために必要な高さであって、かつ、出来るだけ狭くなるようにすることが望ましい。例えば、リードフレーム２の支柱を、リードフレーム２の一部を変形させたような導電性のものを用いて、支柱と制御回路基板５上の回路とを電気接続することも可能である。
制御回路基板５をリードフレーム２の上方でなく、リードフレーム２と横並びにして全体をモールド樹脂１０で一体的に封止することも考えられるが、半導体装置の設置面積が大きくなることや、モールド樹脂１０の樹脂量が多くなり経済的でないこと、線膨張係数の違う各部材の配置不均衡により半導体装置の反りが大きくなるために好ましくない。ただし、半導体装置の設置面積による制約よりも半導体装置の高さに制約がある場合にはこの限りではない。
金属基板７は、絶縁層８とヒートシンク９とを備え、リードフレーム２の第１主面上の半導体素子１１等による熱を放熱するための放熱板としての役割を担う。絶縁層８は、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂に熱伝導性の高い無機粉末フィラーが充填されたものであり、例えば、シリカやアルミナ、窒化硼素や窒化アルミニウム等の絶縁性の粉末を１種または複数混合して樹脂に充填されている。樹脂は、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂がリードフレーム２やヒートシンク９との接着性に優れるため好ましいが、これに限定されるものではなく、例えば熱可塑性樹脂でもよい。絶縁層８の厚さは、２００μｍ程度の膜厚で形成されている。絶縁層８の厚さはこれに限られるものではなく、半導体装置として要求される熱抵抗や熱容量、絶縁耐圧によって５０〜３００μｍの範囲で適宜選択が可能である。
ヒートシンク９は、例えば５ｍｍ厚のアルミニウム板等の金属板からなる。ヒートシンク９として使用する金属板は、放熱性を考えて選択することができ、アルミニウム板に限られたものではないが、制御回路基板５も一体的に封止した半導体装置は非常に大型となることから、軽量であるアルミニウムが好ましい。また、金属板の形状や厚さについても限定されることなく、半導体装置に要求される熱抵抗や熱容量によって厚い金属板や金属箔等を用いることができ、１００μｍ〜１０ｍｍの範囲で適宜選択が可能である。金属板の寸法としては、一辺の長さが５０ｍｍ以上のものが用いられる。半導体素子が複数搭載された場合、放熱性の観点から、ヒートシンクを５０ｍｍ以上とすることで放熱性を確保している。
半導体装置１００は、モールド樹脂１０によって一体的にトランスファーモールド成形される。モールド成形温度は、通常１８０℃前後で行われ、モールド成形後に室温まで冷却された場合や、信頼性試験のひとつである温度サイクル試験を実施した場合において、モールド樹脂は熱膨張や熱収縮する。モールド樹脂だけでなく各部材で熱膨張・熱収縮は発生し、ひずみ量は、（部材の長さ）×（部材の線膨張係数α）×（温度差ΔＴ）となることから、線膨張係数αの異なる材料が一体的に接していることにより温度差で応力や反りが発生する。ひずみ量は、部材サイズに伴って増大する。制御回路基板を一体的に内蔵した半導体装置は、内蔵していないものに比べて飛躍的に大型となり、半導体装置に占めるモールド樹脂の体積割合も高くなる。このため、温度差による半導体装置に発生する応力や反りは、モールド樹脂の線膨張係数の大小に大きく左右されることとなる。
半導体装置に求められることとして、温度サイクルなどの信頼性試験においてヒートシンクからの絶縁層の剥離や絶縁層へのクラック発生による電気的信頼性低下防止だけでなく、放熱フィンとグリースを介して接触させる場合、グリース塗布面となるヒートシンクの露出面が凹形状に反っていることを避ける必要がある。これは、ヒートシンクや放熱フィンと比較して熱伝導性の悪いグリースが設置面の中央に厚く塗られると、放熱性の悪化を招くためである。
次に、本実施の形態１における半導体装置の製造方法について説明する。まず、ヒートシンク９の一方の面に対してエポキシ系樹脂を塗布して絶縁層８を形成する。そして、エッチング加工等を用いて絶縁層８上に例えば銅を用いた回路パターン（図示せず）を形成する。
次に、この回路パターン上の所定の位置にはんだペースト（図示せず）を塗布し、このはんだペーストの上に半導体素子１１などの電子部品を実装する。その後リフローを行う。すなわち、金属基板７を高温に加熱して、塗布したはんだペーストを高温下で溶融して半導体素子１１などの電子部品と回路パターンとを電気的に接続する。この回路パターンとリードフレームを接続する。接続は、例えばはんだ接合や超音波接合を用いることができる。
次に、回路パターンと半導体素子１１とをボンディングワイヤ６により電気的に接続する。所定の配線パターンが形成されたプリント配線板３に電気部品４を固着する。これにより制御回路基板５が形成される。リードフレーム２と制御回路基板５とは、所定の方法で電気的に接続される。次に、半導体素子１１や回路パターンを備えたリードフレーム２、絶縁層８、制御回路基板５等の全体をトランスファーモールドによって封止するために、約１８０℃に設定された成形金型に設置してモールド樹脂１０を流し込む。このとき、減圧雰囲気中においてモールド樹脂１０を流し込んでもよく、これによりモールド樹脂１０中に発生する空隙発生を抑制することも可能である。
注入したモールド樹脂１０は、成形金型温度に熱せられることで硬化し、成形金型から取り出すことが可能となる。その後、必要に応じてさらに硬化を進めるためにオーブン等で熱処理してもよい。また、このような方法に限定されることはなく、一方の面に絶縁層８が設けられたヒートシンク９と、あらかじめリフロー工程により半導体素子１１が実装された回路パターンが形成された例えば銅を用いたリードフレーム２を成形金型の中でトランスファーモールド工程において一体的に封止してもよい。
モールド樹脂１０は、例えば、エポキシ樹脂系モールド樹脂を選択することができる。モールド樹脂１０は、エポキシ樹脂に充填材としてシリカやアルミナが充填されており、モールド成形前はタブレット状に形成されている。シリカは、溶融シリカや結晶シリカを用いることができ、単体でも複数を混合して充填することも可能である。モールド樹脂１０の線膨張係数を小さく調整するためには線膨張係数の小さい溶融シリカを充填することが有効であり、逆にモールド樹脂１０の線膨張係数を大きく調整する場合、シリカ充填量を少なくするか、シリカ充填量はあまり変えずに溶融シリカの一部を結晶シリカに置き変えることで対応することもできる。このようにすることにより、モールド樹脂１０中のエポキシ樹脂の量が増加することを防止し、モールド樹脂１０の難燃性低下を防止できる利点もある。
モールド樹脂１０は、通常室温において固形であるが、このトランスファーモールド工程において、１８０℃に設定された成形金型内で成形時には液状となって成形される。モールド樹脂１０はエポキシ系などの熱硬化性樹脂であるため、加熱によって時間とともに硬化が進行し、成形金型内でリードフレーム２や制御回路基板５等と接着しながら固化する。このとき、モールド樹脂１０は、液状から固体に変化するため体積収縮が生じる。そして、モールド成形後に成形金型から半導体装置１００を取り出した際には、約１８０℃から室温まで冷めることになるため、１５０℃〜１６０℃の冷却工程を経ることとなる。ここで、モールド樹脂１０のみならず、リードフレーム２や制御回路基板５、アルミニウムを用いたヒートシンク９等の各部材は、各線膨張係数に応じて熱収縮する。ヒートシンク９は、放熱性を高めるために例えば５ｍｍ厚などを用いることができ、リードフレーム２や制御回路基板５と比較して十分に厚い場合は、半導体装置１００全体の反りへの影響も大きく、ヒートシンク９の一方の面に絶縁層８が設けられていることから、ヒートシンク９の反りは、ヒートシンク９からの絶縁層８の剥離や絶縁層８へのクラック発生への影響も大きい。
モールド樹脂１０の線膨張係数がヒートシンク９の材質であるアルミニウムの線膨張係数である約２４×１０−６（１／Ｋ）と同等であると、成形金型から取り出して室温まで冷える際の熱収縮量は、ヒートシンク９と同等となるが、成形金型から取り出す前に成形金型内でモールド樹脂１０が硬化に伴い硬化収縮していることから、室温まで冷却されると半導体装置１００としては凸反りとなる。（凸反りとは、ヒートシンク９の露出面側が凸状に反ることを意味することとする。）
一方、モールド樹脂１０の線膨張係数がヒートシンク９の線膨張係数よりも小さい範囲においては、モールド成形後に成形金型から取り出して室温まで冷却した場合、半導体装置１００の凸反りが抑制され、反り量が小さくなる。モールド樹脂１０の線膨張係数をさらに小さくしすぎると、半導体装置１００は逆に凹反りとなってしまう。
半導体装置１００の反り量が大きくなることにより、ヒートシンク９の一方の面に設けられた絶縁層８の剥離やクラックが発生したり、制御回路基板５との剥離が生じたりすることにより電気的信頼性の低下を招く。
制御回路基板５を一体的に内蔵したこのような半導体装置においては、使用環境温度におけるモールド樹脂１０の線膨張係数が１５〜２３×１０−６（１／Ｋ）とすることにより、凹反りとなることもなく、絶縁層８や制御回路基板５の剥離も抑制され、信頼性の高い半導体装置１００を得ることができる。ここで、使用環境温度としては、半導体装置が用いられる周囲の環境温度あるいは、モールド樹脂の接触する半導体素子の動作温度のことであり、例えば−４０℃〜１２５℃の範囲が考えられる。また、半導体素子１１がＳｉＣを用いた場合は、この使用環境温度の高温側は例えば１５０℃〜２００℃となることが考えられる。
また、半導体装置の信頼性試験のひとつとして、温度サイクル試験がある。この温度サイクル試験の温度差においても各部材の熱膨張差による反りが発生する。ヒートシンクは金属材料であるため温度サイクル条件により線膨張係数に大きな違いはない。しかし、モールド樹脂のような熱硬化性樹脂材料は、ガラス転移点温度（Ｔｇ）が存在し、Ｔｇよりも高い温度では、ガラス領域からゴム領域となることで、線膨張係数が急激に増加することが一般的である。このことから、モールド樹脂のＴｇは、温度サイクル試験の高温側の温度よりも高いことが望ましい。例えば、温度サイクル試験が−４０℃〜１２５℃で試験する場合、モールド樹脂１０のＴｇは１２５℃以上であることが好ましい。より好ましくは、モールド樹脂１０のＴｇは１５０℃以上である。このように設定することで、Ｔｇは使用環境温度の高温側よりも高くなり、ヒートシンク９からの絶縁層８の剥離や絶縁層８へのクラックの発生の抑制や、モールド樹脂１０と制御回路基板５との剥離が抑制できる。
以上のように構成された半導体装置においては、トランスファーモールド成形に用いるモールド樹脂１０の線膨張係数を１５〜２３×１０−６（１／Ｋ）と設定することにより、アルミニウム製のヒートシンク９の反りを反りなしまたは凸反りの状態とすることができる。これにより、ヒートシンク９からの絶縁層８の剥離や絶縁層８へのクラックの発生を抑制し、モールド樹脂１０と制御回路基板５との剥離も抑制されることで信頼性が向上する。
また、モールド樹脂１０の線膨張係数の範囲を限定することにより、モールド樹脂１０成形後の半導体装置裏面に露出したヒートシンク９の表面が反りなしまたは凸形状（凸反り）となることから、このヒートシンク９へのフィン取付け時に放熱性で重要となる半導体装置中央部のグリースによる熱抵抗低下も防止できる。（ヒートシンク９の表面が凹反りすると、グリースを用いて放熱フィンを取り付けた場合、放熱性で重要な半導体装置の中央部でのグリースが厚くなり、放熱性が損なわれる。）
実施の形態２．
本実施の形態２においては、実施の形態１で用いたプリント配線板１３の一部をモールド樹脂の外部へ突出させた点が異なる。このように、プリント配線板１３の一部をモールド樹脂１０の外部へ突出させることで、樹脂封止時の制御回路基板５の位置決めを容易に行うことが可能となる。
図２は、この発明の実施の形態２における半導体装置を示す断面模式図である。図２において、半導体装置２００は、金属部材であるリードフレーム２、制御回路基板５、金属基板７、封止樹脂であるモールド樹脂１０を備える。図２に示すように、制御回路基板５はプリント配線板１３を備え、プリント配線板１３の一部が半導体装置２００のモールド樹脂１０の外部へ突出した構造となっていること以外は実施の形態１と同等の構造である。
制御回路基板１５は、リードフレーム２と略並行であることが望ましく、固定方法は特に限定されるものではないが、プリント配線板１３の一部をモールド樹脂１０から外部へ露出させることにより、この露出部を成形金型で挟みこんで固定することができる。これにより、制御回路基板５の配置位置や、リードフレームとの並行度がより正確にばらつきなく生産できるようになるという利点がある。また、プリント配線板１３のモールド樹脂１０の外部への突出部分の一部に配線パターンの一部を配置することもできる。
以上のように構成された半導体装置においては、トランスファーモールド成形に用いるモールド樹脂１０の線膨張係数を１５〜２３×１０−６（１／Ｋ）と設定することにより、アルミニウム製のヒートシンク９の反りを反りなしまたは凸反りとすることができる。これにより、絶縁層８の剥離やクラックの発生を抑制し、モールド樹脂１０と制御回路基板５との剥離も抑制されることで信頼性が向上する。さらに、プリント配線板１３は、モールド樹脂１０の外部へ突出するようにしたので、樹脂封止時の制御回路基板５の位置決めを容易に行うことが可能となる。
実施の形態３．
本実施の形態３においては、実施の形態１で用いたヒートシンク９を凹凸が形成されたフィン付きヒートシンク１２とした点が異なる。このように、ヒートシンクに凹凸を形成したことで放熱性を向上させることが可能となる。
図３は、この発明の実施の形態３における半導体装置を示す断面模式図である。図３において、半導体装置３００は、金属部材であるリードフレーム２、制御回路基板５、金属基板１７、封止樹脂であるモールド樹脂１０を備える。図３に示すように、金属基板１７はフィン付きヒートシンク１２を備え、フィン付きヒートシンク１２のリードフレーム２が配置された面の反対側の面に凹凸を設けた構造となっていること以外は実施の形態１と同等の構造である。
フィン付きヒートシンク１２の露出面に凹凸が設けられることで放熱性はより高くなる。このとき凹凸の長さや間隔にもよるが、ヒートシンクの反りがヒートシンクの露出面側へ凹反りとなると放熱フィンの役割を担う凸部分が互いに接近してしまい放熱性が損なわれる。
以上のように構成された半導体装置においては、トランスファーモールド成形に用いるモールド樹脂１０の線膨張係数を１５〜２３×１０−６（１／Ｋ）と設定することにより、アルミニウム製のヒートシンク１２の反りを反りなしまたは凸反りとすることができる。これにより、絶縁層８の剥離やクラックの発生を抑制し、モールド樹脂１０と制御回路基板５との剥離も抑制されることで信頼性が向上する。さらに、フィン付きヒートシンク１２の金属部材が配置された面の反対側の面に凹凸を設けたこととで放熱性を向上させることが可能となる。
実施の形態４．
本実施の形態４においては、実施の形態１、実施の形態２、および実施の形態３で用いたヒートシンク９またはフィン付きヒートシンク１２の絶縁層８が設けられた面とは反対側（裏面側）の外周部（端部）に段差部である段差１３を設けた点が異なる。このように、ヒートシンクの裏面側の外周部（端部）に段差部を形成したことで放熱性を損なわず信頼性を向上させることが可能となる。
図４は、この発明の実施の形態１における半導体装置を示す裏面模式図である。図４において、ヒートシンク９の絶縁層８が設けられた面とは反対側（裏面側）の外周部に段差１３を備えている。また、図４中の点線ＡＢにおけるヒートシンク９の断面構造模式図は、図１または図２に示したような構造である。図５は、この発明の実施の形態４における半導体装置を示す裏面模式図である。図５において、フィン付きヒートシンク１２のリードフレーム２が配置された面の反対側（裏面側）の面に凹凸を設け、さらに、この面の外周部（端部）に段差１３を備えている。また、図５中の点線ＡＢにおけるフィン付きヒートシンク１２の断面構造模式図は、図３に示したような構造である。
図４、図５に示すように、ヒートシンク９またはフィン付きヒートシンク１２の絶縁層８が設けられた面とは反対側の外周部に段差１３を設けることが好ましい。このように段差１３を設けたことでモールド樹脂１０が金属板７，１７の裏面側まで回り込むことで、モールド樹脂１０がヒートシンク１２を抱え込む構造となり、放熱性を損なわず信頼性を向上させることが可能で温度サイクル試験による信頼性が向上する。本実施の形態のように、制御回路基板５も一体的にモールド樹脂１０によって封止した構造では、モールドされた半導体装置自体が大きくなり、また、さまざまな構成部材がモールド樹脂１０内に封止されている。このような構造の場合では、実施の形態１〜３のようにモールド樹脂１０の線膨張係数を規定による信頼性の向上だけなく、本実施の形態のようにヒートシンク９またはフィン付きヒートシンク１２の絶縁層８が設けられた面とは反対側の外周部に段差１３を設けることで、モールド樹脂１０でヒートシンク１２を抱え込む構造とすることで、さらに信頼性が向上した半導体装置を得ることが可能となる。
段差１３の形状としては、特に限定されるものではないが、図に示したようにヒートシンクを抱え込む構造であることが好ましく、ヒートシンク９またはフィン付きヒートシンク１２の絶縁層８が設けられた面の反対面側の外周部に対して、連続的に設けることが良い。また、段差１３の形状は、ヒートシンク９またはフィン付きヒートシンク１２の強度を損なわない程度に大きな大きさとすることで、より効果的となる。この段差１３の大きさとしては、例えば、ヒートシンク９またはフィン付きヒートシンク１２の大きさが７０ｍｍ×５０ｍｍ×厚さ５ｍｍに対して、段差１３の断面寸法としては１ｍｍ×１ｍｍ程度に設けることで放熱性を損なわず信頼性を向上させることが可能となる。また、この段差１３を設けた構造は、絶縁層８として、絶縁シートを用いた場合により有効である。絶縁シートを用いた場合、温度サイクルにより発生する応力により、絶縁シート自身がシートシンク９やフィン付きヒートシンク１２からの剥離や絶縁シート自身のクラック発生が発生し、信頼性を劣化させるが、このような段差１３を設けることにより絶縁シートの剥離やクラックを抑制することが可能となり、信頼性を向上させることができる。
ヒートシンク９、フィン付きヒートシンク１２として使用可能な金属板７，１７の厚さは、０．１〜１０ｍｍの範囲内で適宜選択が可能であるが、より好ましくは、厚さが厚い範囲でより有効となる。特にアルミニウムなどの線膨張係数の大きな金属材料を用いる場合は、ヒートシンクの厚さによって信頼性に影響を与える。本実施の形態のように、制御回路基板をヒートシンクと対向させた配置し、モールド樹脂によって全体を樹脂封止した構造の場合、ヒートシンク以外の部材とのバランスも重要となってくる。本実施の形態では、制御回路基板の厚さよりもヒートシンクの厚さが厚い場合に特に有効であり、例えば制御回路基板の厚さが１．６ｍｍである場合、ヒートシンクである金属板の厚さは１．６ｍｍ以上であることが好ましい。また、ヒートシンクの材料としては、銅を用いても良く、使用するヒートシンクの材料に合わせて、その他使用する材料の特性を適宜選択し使用することが可能である。
以上のように構成された半導体装置においては、トランスファーモールド成形に用いるモールド樹脂１０の線膨張係数を１５〜２３×１０−６（１／Ｋ）と設定することにより、アルミニウム製のヒートシンク１２の反りを反りなしまたは凸反りとすることができる。これにより、絶縁層８の剥離やクラックの発生を抑制し、モールド樹脂１０と制御回路基板５との剥離も抑制されることで信頼性が向上する。また、ヒートシンク９の金属部材が配置された面の反対側の面またはフィン付きヒートシンク１２の金属部材が配置された面の反対側の面に凹凸を設け、さらに、これらの面の外周部に段差１３を設けたこととで放熱性を向上させることが可能となる。
実施の形態１の構造の半導体装置であるパワーモジュールを作製し、パワーモジュール作製後絶縁層８である絶縁シートの剥離、制御回路基板５とモールド樹脂１０との剥離の確認および温度サイクル信頼性試験に投入した。
［実施例１］
モールド樹脂の硬化後の線膨張係数は、充填材となるシリカの充填量を増減することにより、調整可能である。本実施例では、充填材として溶融シリカを用い、充填量を８０重量％充填し、線膨張係数を１５×１０−６（１／Ｋ）に調整した。
このモールド樹脂を用いて、７０ｍｍ×５０ｍｍ×５ｍｍのヒートシンクであるアルミベース板上に０．２ｍｍ厚の絶縁層、０．７ｍｍ厚の銅リードフレーム、一定の距離をおいて厚さ１．６ｍｍの制御回路基板を搭載したものを一体的に成形した半導体装置を得たところ、モールド成形後のアルミベース板露出面の反りはほぼ０となり、絶縁層や制御回路基板とモールド樹脂との剥離がないことを超音波探傷装置による観察や切断断面からの顕微鏡観察によって確認した。また、−４０℃／１２５℃の温度サイクル試験において５００回後でも剥離や動作異常がないことを確認した。
［実施例２］
本実施例では、充填材として溶融シリカを用い、充填量を７７重量％充填し、線膨張係数を１７×１０−６（１／Ｋ）に調整した。
このモールド樹脂を用いて７０ｍｍ×５０ｍｍ×５ｍｍのアルミベース板上に０．２ｍｍ厚の絶縁層、０．７ｍｍ厚の銅リードフレーム、一定の距離をおいて厚さ１．６ｍｍの制御回路基板を搭載したものを一体的に成形した半導体装置を得たところ、モールド成形後のアルミベース板露出面の反りは、凸反りで約１５μｍとなり、絶縁層や制御回路基板とモールド樹脂との剥離がないことを超音波探傷装置による観察や切断断面からの顕微鏡観察によって確認した。また、−４０℃／１２５℃の温度サイクル試験において５００回後でも剥離や動作異常がないことを確認した。
［実施例３］
本実施例では、充填材として溶融シリカを用い、充填量を７３重量％充填し、線膨張係数を２１×１０−６（１／Ｋ）に調整した。
このモールド樹脂を用いて７０ｍｍ×５０ｍｍ×５ｍｍのアルミベース板上に０．２ｍｍ厚の絶縁層、０．７ｍｍ厚の銅リードフレーム、一定の距離をおいて厚さ１．６ｍｍの制御回路基板を搭載したものを一体的に成形した半導体装置を得たところ、モールド成形後のアルミベース板露出面の反りは、凸反りで約６０μｍとなり、絶縁層や制御回路基板とモールド樹脂との剥離がないことを超音波探傷装置による観察や切断断面からの顕微鏡観察によって確認した。また、−４０℃／１２５℃の温度サイクル試験において５００回後でも剥離や動作異常がないことを確認した。
［実施例４］
本実施例では、充填材として溶融シリカと結晶シリカを用い、充填量を７３重量％充填し、線膨張係数を２３×１０−６（１／Ｋ）に調整した。
このモールド樹脂を用いて７０ｍｍ×５０ｍｍ×５ｍｍのアルミベース板上に０．２ｍｍ厚の絶縁層、０．７ｍｍ厚の銅リードフレーム、一定の距離をおいて厚さ１．６ｍｍの制御回路基板を搭載したものを一体的に成形した半導体装置を得たところ、モールド成形後のアルミベース板露出面の反りは、凸反りで約７０μｍとなり、絶縁層や制御回路基板とモールド樹脂との剥離がないことを超音波探傷装置による観察や切断断面からの顕微鏡観察によって確認した。また、−４０℃／１２５℃の温度サイクル試験において５００回後でも剥離や動作異常がないことを確認した。
［実施例５］
本実施例では、アルミベースの厚みを０．１ｍｍとした。モールド樹脂の充填材として溶融シリカを用い、充填量を７７重量％充填し、線膨張係数を１７×１０−６（１／Ｋ）に調整した。
このモールド樹脂を用いて７０ｍｍ×５０ｍｍ×０．１ｍｍのアルミベース板上に０．２ｍｍ厚の絶縁層、０．７ｍｍ厚の銅リードフレーム、一定の距離をおいて厚さ１．６ｍｍの制御回路基板を搭載したものを一体的に成形した半導体装置を得たところ、モールド成形後のアルミベース板露出面の反りは、凸反りで約５５μｍとなり、絶縁層や制御回路基板とモールド樹脂との剥離がないことを超音波探傷装置による観察や切断断面からの顕微鏡観察によって確認した。また、−４０℃／１２５℃の温度サイクル試験において５００回後でも剥離や動作異常がないことを確認した。
［実施例６］
本実施例では、アルミベースの厚みを１ｍｍとした。モールド樹脂の充填材として溶融シリカを用い、充填量を７７重量％充填し、線膨張係数を１７×１０−６（１／Ｋ）に調整した。
このモールド樹脂を用いて７０ｍｍ×５０ｍｍ×１ｍｍのアルミベース板上に０．２ｍｍ厚の絶縁層、０．７ｍｍ厚の銅リードフレーム、一定の距離をおいて厚さ１．６ｍｍの制御回路基板を搭載したものを一体的に成形した半導体装置を得たところ、モールド成形後のアルミベース板露出面の反りは、凸反りで約２０μｍとなり、絶縁層や制御回路基板とモールド樹脂との剥離がないことを超音波探傷装置による観察や切断断面からの顕微鏡観察によって確認した。また、−４０℃／１２５℃の温度サイクル試験において５００回後でも剥離や動作異常がないことを確認した。
［実施例７］
本実施例では、アルミベースの厚みを２ｍｍとした。モールド樹脂の充填材として溶融シリカを用い、充填量を７７重量％充填し、線膨張係数を１７×１０−６（１／Ｋ）に調整した。
このモールド樹脂を用いて７０ｍｍ×５０ｍｍ×２ｍｍのアルミベース板上に０．２ｍｍ厚の絶縁層、０．７ｍｍ厚の銅リードフレーム、一定の距離をおいて厚さ１．６ｍｍの制御回路基板を搭載したものを一体的に成形した半導体装置を得たところ、モールド成形後のアルミベース板露出面の反りは、凸反りで約８μｍとなり、絶縁層や制御回路基板とモールド樹脂との剥離がないことを超音波探傷装置による観察や切断断面からの顕微鏡観察によって確認した。また、−４０℃／１２５℃の温度サイクル試験において５００回後でも剥離や動作異常がないことを確認した。
［実施例８］
本実施例では、アルミベースの厚みを３ｍｍとした。モールド樹脂の充填材として溶融シリカを用い、充填量を７７重量％充填し、線膨張係数を１７×１０−６（１／Ｋ）に調整した。
このモールド樹脂を用いて７０ｍｍ×５０ｍｍ×３ｍｍのアルミベース板上に０．２ｍｍ厚の絶縁層、０．７ｍｍ厚の銅リードフレーム、一定の距離をおいて厚さ１．６ｍｍの制御回路基板を搭載したものを一体的に成形した半導体装置を得たところ、モールド成形後のアルミベース板露出面の反りは、凸反りで約７μｍとなり、絶縁層や制御回路基板とモールド樹脂との剥離がないことを超音波探傷装置による観察や切断断面からの顕微鏡観察によって確認した。また、−４０℃／１２５℃の温度サイクル試験において５００回後でも剥離や動作異常がないことを確認した。
［実施例９］
本実施例では、アルミベースの厚みを５ｍｍとした。モールド樹脂の充填材として溶融シリカを用い、充填量を７７重量％充填し、線膨張係数を１７×１０−６（１／Ｋ）に調整した。
このモールド樹脂を用いて７０ｍｍ×５０ｍｍ×５ｍｍのアルミベース板上に０．２ｍｍ厚の絶縁層、０．７ｍｍ厚の銅リードフレーム、一定の距離をおいて厚さ１．６ｍｍの制御回路基板を搭載したものを一体的に成形した半導体装置を得たところ、モールド成形後のアルミベース板露出面の反りは、凸反りで約１５μｍとなり、絶縁層や制御回路基板とモールド樹脂との剥離がないことを超音波探傷装置による観察や切断断面からの顕微鏡観察によって確認した。また、−４０℃／１２５℃の温度サイクル試験において５００回後でも剥離や動作異常がないことを確認した。
［実施例１０］
本実施例では、アルミベースの厚みを１０ｍｍとした。モールド樹脂の充填材として溶融シリカを用い、充填量を７７重量％充填し、線膨張係数を１７×１０−６（１／Ｋ）に調整した。
このモールド樹脂を用いて７０ｍｍ×５０ｍｍ×１０ｍｍのアルミベース板上に０．２ｍｍ厚の絶縁層、０．７ｍｍ厚の銅リードフレーム、一定の距離をおいて厚さ１．６ｍｍの制御回路基板を搭載したものを一体的に成形した半導体装置を得たところ、モールド成形後のアルミベース板露出面の反りは、凸反りで約２８μｍとなり、絶縁層や制御回路基板とモールド樹脂との剥離がないことを超音波探傷装置による観察や切断断面からの顕微鏡観察によって確認した。また、−４０℃／１２５℃の温度サイクル試験において５００回後でも剥離や動作異常がないことを確認した。
［比較例１］
本比較例では、充填材として溶融シリカを用い、充填量を８６重量％充填し、線膨張係数を１０×１０−６（１／Ｋ）に調整した。
このモールド樹脂を用いて７０ｍｍ×５０ｍｍ×５ｍｍのアルミベース板上に０．２ｍｍ厚の絶縁層、０．７ｍｍ厚の銅リードフレーム、一定の距離をおいて厚さ１．６ｍｍの制御回路基板を搭載したものを一体的に成形した半導体装置を得たところ、モールド成形後のアルミベース板露出面の反りは、凹反りで約４０μｍとなった。これにより、グリースを介してアルミベース板を放熱フィンに接合した後の熱抵抗が約３０％上昇した。また、成形後には、絶縁層の剥離が一部発生していることを超音波探傷装置にて確認した。
［比較例２］
本比較例では、充填材として溶融シリカを用い、充填量を８３重量％充填し、線膨張係数を１３×１０−６（１／Ｋ）に調整した。
このモールド樹脂を用いて７０ｍｍ×５０ｍｍ×５ｍｍのアルミベース板上に０．２ｍｍ厚の絶縁層、０．７ｍｍ厚の銅リードフレーム、一定の距離をおいて厚さ１．６ｍｍの制御回路基板を搭載したものを一体的に成形した半導体装置を得たところ、モールド成形後のアルミベース板露出面の反りは、凹反りで約１５μｍとなった。これにより、グリースを介してアルミベース板を放熱フィンに接合した後の熱抵抗が約１０％上昇した。また、成形後は絶縁層や制御回路基板とモールド樹脂との剥離がないことを超音波探傷装置による観察や切断断面からの顕微鏡観察によって確認したが、−４０℃／１２５℃の温度サイクル試験において５００回後では、絶縁層の一部が剥離していることを確認した。
［比較例３］
本比較例では、充填材として溶融シリカと結晶シリカを用い、充填量を７３重量％充填し、線膨張係数を２５×１０−６（１／Ｋ）に調整した。
このモールド樹脂を用いて７０ｍｍ×５０ｍｍ×５ｍｍのアルミベース板上に０．２ｍｍ厚の絶縁層、０．７ｍｍ厚の銅リードフレーム、一定の距離をおいて厚さ１．６ｍｍの制御回路基板を搭載したものを一体的に成形した半導体装置を得たところ、モールド成形後のアルミベース板露出面の反りは、凸反りで約１００μｍとなった。成形後は絶縁層の剥離は発生しなかったが、制御回路基板とモールド樹脂との界面で一部剥離が発生していることを超音波探傷装置による観察や切断断面からの顕微鏡観察によって確認した。また、−４０℃／１２５℃の温度サイクル試験において５００回後では、制御回路基板とモールド樹脂の界面の剥離が進展していることを確認した。
なお、表１では、各実施例及び比較例で使用した樹脂の線膨張係数（α）（１／K）、アルミベース板の反り量（μｍ）および評価結果についてまとめた。
Figure 2014141346
表１より、使用した樹脂のαが１５〜２３×１０−６（１／Ｋ）の間であるときに、剥離の発生が抑制され、また、温度サイクル試験でも劣化が無いことがわかる。さらに、好ましくは、使用した樹脂のαは１７〜２３×１０−６（１／Ｋ）の間である。樹脂のαを１７×１０−６（１／Ｋ）以上とすることで、製造バラつきを考慮した場合でも、アルミベース板の反りは凸反りとなり、確実に剥離の発生を抑制することができる。
なお、表２では、実施例５から実施例１０で使用したアルミベース板の厚み（μｍ）、アルミベース板の反り量（μｍ）および評価結果についてまとめた。
Figure 2014141346
表２より、使用したアルミベース板の厚みが０．１〜１０（ｍｍ）の間であるときに、剥離の発生が抑制され、また、温度サイクル試験でも劣化が無いことがわかる。ただし、モールド成形後のアルミベース板の反りは、アルミベース板の厚みにより異なり、信頼性がより高く、アルミベース板の反りが小さくなるアルミベース板の厚みは、制御回路基板の厚さ１．６〜約６（ｍｍ）の間である。
１００，２００，３００ 半導体装置、２ リードフレーム、３，１３ プリント配線板、４ 電気部品、５，１５ 制御回路基板、６ ボンディングワイヤ、７，１７ 金属基板、８ 絶縁層、９ ヒートシンク、１０ モールド樹脂、１１ 半導体素子、１２ フィン付きヒートシンク、１３ 段差。
この発明に係る半導体装置においては、一方の面に半導体素子が搭載された金属部材と、前記金属部材の他方の面側に絶縁層を介して配置された金属板と、前記半導体素子と電気的に接続された電気部品が搭載されたプリント配線板と、前記金属部材と前記プリント配線板と前記金属板とを一体的に封止する封止樹脂とを備え、前記金属部材の前記絶縁層が設けられている面とは反対側の面には凹凸が設けられ、かつ外周部に段差部が設けられ、前記絶縁層は、無機粉末が充填された樹脂であり、前記封止樹脂は、線膨張係数が１５〜２３×１０ −６ （１／Ｋ）であり、前記段差部を覆い一体的に抱え込んで封止するものである。
この発明に係る半導体装置においては、一方の面に半導体素子が搭載された金属部材と、前記金属部材の他方の面側に絶縁層を介して配置された金属板と、前記半導体素子と電気的に接続された電気部品が搭載されたプリント配線板と、前記金属部材と前記プリント配線板と前記金属板とを一体的に封止する封止樹脂とを備え、前記金属板の前記絶縁層が設けられている面とは反対側の面には凹凸が設けられ、かつ外周部に段差部が設けられ、前記絶縁層は、無機粉末が充填された樹脂であり、前記封止樹脂は、線膨張係数が１５〜２３×１０−６（１／Ｋ）であり、前記段差部を覆い一体的に抱え込んで封止するものである。前記封止樹脂の線膨張係数は前記金属板の線膨張係数よりも小さい。

Claims (10)

  1. 一方の面に半導体素子が搭載された金属部材と、
    前記金属部材の他方の面側に絶縁層を介して配置された金属板と、
    前記半導体素子と電気的に接続された電気部品が搭載されたプリント配線板と、
    前記金属部材と前記プリント配線板と前記金属板とを一体的に封止する線膨張係数が１５〜２３×１０−６（１／Ｋ）である封止樹脂と、
    を備えたことを特徴とする半導体装置。
  2. 前記封止樹脂のガラス転移点温度は、使用環境温度よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記プリント配線板は、前記金属部材と対向して配置されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
  4. 前記プリント配線板の一部を前記封止樹脂の外部へ突出させたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置。
  5. 前記プリント配線板の両面に前記電気部品を配置したことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置。
  6. 前記金属板の少なくとも一辺の長さが５０ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の半導体装置。
  7. 前記金属板の前記金属部材が配置された面の反対側の面に凹凸を設けたことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の半導体装置。
  8. 前記金属板の厚さは、前記プリント配線板の厚さよりも厚いことを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
  9. 前記金属板の前記金属部材が配置された面の反対側の面の端部に段差部を設けたことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の半導体装置。
  10. 前記金属板の前記金属部材が配置された面の反対側の面の外周部に段差部を設けたことを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の半導体装置。
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