WO2017169485A1

WO2017169485A1 - 半導体装置

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Publication number: WO2017169485A1
Application number: PCT/JP2017/008069
Authority: WO
Inventors: 正幸長松; 伸也丸茂; 潤一木村; 國里　竜也; 臼井　良輔
Original assignee: パナソニックＩｐマネジメント株式会社
Priority date: 2016-03-30
Filing date: 2017-03-01
Publication date: 2017-10-05
Also published as: CN107924884B; JP6561331B2; CN107924884A; JPWO2017169485A1; US20180197802A1; US10297516B2

Abstract

半導体装置（６）は、半導体素子（７）と、基台部（８）と、外装樹脂（１０）と、を備える。基台部（８）は、半導体素子（７）が実装されている実装面（８Ａ）と、実装面（８Ａ）における半導体素子（７）の周囲に設けられている溝部（９）と、を有する。外装樹脂（１０）は、半導体素子（７）と基台部（８）とを覆い、溝部（９）へ充填されることで基台部（８）に固定される。溝部（９）の底部（１１）は、溝部（９）の延伸方向に沿って、第１振幅と第１反復間隔とを有する第１凹凸を含む。第１凹凸は、溝部（９）の延伸方向に沿って、第１振幅よりも小さい第２振幅と第１反復間隔よりも短い第２反復間隔とを有する第２凹凸を含む。

Description

半導体装置

　本発明は、各種電子機器に使用される半導体装置に関する。

　以下、従来の半導体装置について図面を用いて説明する。図１１は従来の半導体装置１の構成を示す断面図である。半導体装置１では、半導体素子２がリードフレーム３に実装されていて、外装樹脂４が半導体素子２とリードフレーム３とを覆っている。また、リードフレーム３における半導体装置１の実装面には溝部５が設けられている。外装樹脂４の一部が溝部５へ入り込むことによって、外装樹脂４と溝部５とが互いに固定されている。これにより、外装樹脂４、半導体素子２、およびリードフレーム３は、互いに正しい位置関係を確保している。

　なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば特許文献１が知られている。

特開２００７－２５８５８７号公報

　従来の半導体装置１では、外装樹脂４とリードフレーム３とを互いに強く固定するために、外装樹脂４と溝部５との接触面積を大きくしている。すなわち、複数の溝部５、あるいは、鉤形状の溝部５が、リードフレーム３の実装面に設けられている。この結果、溝部５がリードフレーム３の実装面を大きく占有することで、半導体装置１の小型化が困難となる。あるいは、溝部５の形状が複雑となることで、リードフレーム３に関する生産性が低下する。

　そこで本発明は、小型化および高い生産性を実現しながら、外装樹脂と基台部（リードフレーム）とを溝部によって強く固定できる半導体装置を提供することを目的とする。

　そして、この目的を達成するために本発明に係る半導体装置は、半導体素子と、基台部と、外装樹脂と、を備える。基台部は、半導体素子が実装されている実装面と、実装面における半導体素子の周囲に設けられている溝部と、を有する。外装樹脂は、半導体素子と基台部とを覆い、溝部へ充填されることで基台部に固定される。溝部の底部は、溝部の延伸方向に沿って、第１振幅と第１反復間隔とを有する第１凹凸を含む。第１凹凸は、溝部の延伸方向に沿って、第１振幅よりも小さい第２振幅と第１反復間隔よりも短い第２反復間隔とを有する第２凹凸を含む。

　本発明によれば、基台部の溝部が第１凹凸と第２凹凸とを含むことで、外装樹脂と溝部との接触面積が大きくなり、かつ、外装樹脂と溝部との接触面の形状が複雑化する。これにより、外装樹脂と溝部とのアンカー効果が大きくなる。したがって、小型化および高い生産性を実現しながら、半導体装置における外装樹脂と基台部との固定状態を強固にすることができる。結果として、半導体装置の外装樹脂による封止状態についての信頼性が向上する。

図１は本発明の実施の形態における半導体装置の構成を示す斜視図である。図２は本発明の実施の形態における半導体装置の構成を示す一部の断面を露出させた斜視図である。図３は本発明の実施の形態における半導体装置の構成を示す断面図である。図４は本発明の実施の形態における半導体装置の要部を示す断面図である。図５は本発明の実施の形態における半導体装置の他の要部を示す断面図である。図６は本発明の実施の形態における半導体装置の構成を示す上面視図である。図７は本発明の実施の形態における半導体装置の他の構成を示す上面視図である。図８は本発明の実施の形態における半導体装置の他の構成を示す断面図である。図９は本発明の実施の形態における半導体装置の他の構成を示す要部断面図である。図１０は本発明の実施の形態における半導体装置の他の構成を示す要部拡大断面図である。図１１は従来の半導体装置の構成を示す断面図である。

　以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

　（実施の形態）
　図１は本発明の実施の形態における半導体装置６の構成を示す斜視図である。図２は本発明の実施の形態における半導体装置６の構成を示す一部の断面を露出させた斜視図である。半導体装置６は、半導体素子７と、金属製の基台部８と、外装樹脂１０とを含む。

　基台部８は、半導体素子７が実装されている実装面８Ａを有する。また、基台部８は、実装面８Ａにおける半導体素子７の周囲に設けられている溝部９を有する。外装樹脂１０は、半導体素子７と基台部８とを覆い、さらに溝部９へ充填されることで、基台部８に固定されている。

　溝部９の底部１１は、溝部９の延伸方向に沿って、第１振幅と第１反復間隔とを有する第１凹凸１２（図４参照）を含む。第１凹凸１２は、溝部９の延伸方向に沿って、第１振幅よりも小さい第２振幅と第１反復間隔よりも短い第２反復間隔とを有する第２凹凸１３（図４参照）を含む。

　以上の構成により、基台部８における溝部９の深さが溝部９の延伸方向に沿って一定でない。そのため、外装樹脂１０と溝部９との接触面積が大きくなり、かつ、外装樹脂１０と溝部９との接触面の形状が複雑化する。これにより、外装樹脂１０と溝部９とのアンカー効果が大きくなる。したがって、半導体装置６における外装樹脂１０と基台部８との固定状態を強固にすることができる。結果として、半導体装置６の外装樹脂１０による封止状態についての信頼性が向上する。

　ここで、本実施の形態において、複数の溝部９が半導体素子７の周囲を取り囲むように設けられているが、本開示はこれに限定されない。複数の溝部９は、半導体素子７の周囲の四方すべてに配置されていなくてもよく、半導体素子７の周囲の二方や三方のみに配置されていてもよい。また、本実施の形態において、基台部８は複数の溝部９を有しているが、本開示はこれに限定されない。基台部８は、溝部９を一つのみ有していてもよい。ただし、溝部９は半導体素子７の周囲に設けられているので、溝部９は基台部８の実装面８Ａを大きく占有することはない。

　以下で、半導体装置６の構成について詳しく説明する。図３は本発明の実施の形態における半導体装置６の構成を示す断面図である。基台部８には、溝部９が設けられている。溝部９は、実装面８Ａから基台部８における実装面８Ａの反対面に向かって窪んでいる。溝部９の断面形状は、Ｖ字状もしくはＵ字状である。溝部９には、外装樹脂１０の一部が充填されている。

　図４は本発明の実施の形態における半導体装置６の要部を示す断面図である。図５は本発明の実施の形態における半導体装置６の他の要部を示す断面図である。図４は、溝部９が延伸している方向に沿った断面を示している。図５は、溝部９が延伸している方向に垂直の断面を示している。図４において、矢印Ｄは、溝部９が延伸している方向を示している。

　図４で示しているように溝部９の底部１１は、点線で示される第１凹凸１２を含む。第１凹凸１２は、第１振幅と第１反復間隔とを有する。また、第１凹凸１２は、実線で示される第２凹凸１３を含む。第２凹凸１３は、第２振幅と第２反復間隔とを有する。ここで、第２振幅は第１振幅よりも小さく、第２反復間隔は第１反復間隔よりも短い。言い換えると、大きな波の第１凹凸１２に小さな波の第２凹凸１３が重畳している。なお、第１凹凸１２の表面は、点線で示されるような仮想的な面である。

　第１凹凸１２および第２凹凸１３は、それぞれの振幅と反復間隔とを有する。ここで、第１凹凸１２および第２凹凸１３における振幅および反復間隔は、決まった値や規則性を有さず、無作為に変動している。たとえば、幅Ｗ１に対応する第２凹凸１３は、比較的長い反復間隔と比較的小さい振幅とを有する。一方で、幅Ｗ２に対応する第２凹凸１３は、比較的短い反復間隔と比較的大きい振幅とを有する。このように、第１凹凸１２は、幅Ｗ１に対応する第２凹凸１３と幅Ｗ２に対応する第２凹凸１３とをそれぞれ有してもよい。当然ながら、幅Ｗ１に対応する第２凹凸１３と幅Ｗ２に対応する第２凹凸１３とが隣接していてもよい。言い換えると、第１凹凸１２および第２凹凸１３はともに、非周期的な反復間隔を有し、かつ、一定でない振幅を有している。

　このため、基台部８の実装面８Ａから、第２凹凸１３の表面までの距離は、矢印Ｄの方向に沿って無作為に変動している。ここで、第１凹凸１２の振幅の平均値は、第２凹凸１３の振幅の平均値に対して、１００倍から１０００倍程度大きい。同様に第１凹凸１２の反復間隔の平均値は、第２凹凸１３の反復間隔の平均値に対して、１００倍から１０００倍程度大きい。したがって、第２凹凸１３の第２振幅が、第１凹凸１２の第１振幅よりも大きくなることはない。そして、第２凹凸１３の第２反復間隔が、第１凹凸１２の第１反復間隔よりも大きくなることはない。

　この一方で、図５に示すように、溝部９が延伸している方向に垂直の断面において、第１凹凸１２はＵ字状もしくはＶ字状の断面形状を有する。なお、溝部９が延伸している方向に垂直の断面においても、第１凹凸１２の表面は、点線で示されるような仮想的な面である。また、第２凹凸１３は溝部９の断面の全周にわたって、第２振幅と第２反復間隔とを有する。ここでも、第２凹凸１３の振幅および反復間隔は、決まった値や規則性を有さずに、無作為に変動している。

　以上のように、溝部９は、細かな凹凸である第２凹凸１３と、第２凹凸１３よりも大きな凹凸である第１凹凸１２とが合成された断面形状を有する。すなわち、第１凹凸１２は、第２凹凸１３に対するバイアスである。溝部９の深さが溝部９の延伸方向に沿って一定でないことで、外装樹脂１０と溝部９との接触面積が大きくなり、かつ、外装樹脂１０と溝部９との接触面の形状が複雑化する。これにより、外装樹脂１０と溝部９とのアンカー効果が大きくなる。したがって、半導体装置６における外装樹脂１０と基台部８との固定状態を強固にすることができる。結果として、半導体装置６の外装樹脂１０による封止状態についての信頼性が向上する。

　通常、外装樹脂１０は、熱硬化性樹脂材と充填材とによって構成される。ここで、特に外装樹脂１０と基台部８との間の伝熱特性は、充填材と基台部８との接触面積に依存する。第２凹凸１３は小さな凹凸であるため、充填材は第２凹凸１３には浸入しにくい。一方で、第１凹凸１２は大きな凹凸であるため、充填材は第１凹凸１２には浸入しやすい。すなわち、第１凹凸１２による溝部９の底部１１の表面積の増加は、充填材と基台部８との接触面積の増加に寄与する。この結果、外装樹脂１０と基台部８との間の伝熱特性が向上する。

　ここでは基台部８は金属によって構成されていればよい。したがって基台部８はリードフレームやダイパッドであってもよい。

　また、第１振幅、第２振幅、第１反復間隔、および第２反復間隔のそれぞれは、溝部９のいずれの箇所においても決まった値や規則性を有さず、無作為に変動している。また、半導体素子７の周囲に配置された複数の溝部９について、単一の溝部９の中では溝部９の深さは一定でないが、複数の溝部９の深さはそれぞれ概ね近似している。言い換えると、ある溝部９の深さの平均値は、他の溝部９の深さの平均値と概ね近似する。このため、半導体素子７で生じた熱が溝部９の底部１１側に向かって拡散されるときに、半導体素子７からのいずれの方向においても溝部９の底部１１において熱的抵抗は概ね一定である。すなわち、熱拡散の方向に偏りは生じ難くなる。この結果として、半導体装置６における放熱効率が向上する。

　図６は本発明の実施の形態における半導体装置６の構成を示す上面視図である。ここでは基台部８の実装面８Ａにおける溝部９の上面視の開口形状は、狭窄部１４と拡張部１５とを有する。狭窄部１４は、溝部９の平均の開口幅よりも狭い開口幅を有する部分である。拡張部１５は、溝部９の平均の開口幅よりも広い開口幅を有する部分である。ここで、狭窄部１４における極小の開口幅を幅ｃｏｎとする。図４に示すように、実装面８Ａから底部１１まで深さは、幅ｃｏｎにおいて極小となる。この極小の深さが底部１１の尾根の部分に相当する。また、拡張部１５における極大の開口幅を幅ｅｘｔとする。実装面８Ａから底部１１まで深さは、幅ｅｘｔにおいて極大となる。この極大の深さが底部１１における谷の部分に相当する。

　以上のように、溝部９の拡張部１５が、溝部９の深さが極大となる部分に相当する。また、溝部９の狭窄部１４が、溝部９の深さが極小となる部分に相当する。すなわち、溝部９の深さは、拡張部１５において極大となる。つまり、拡張部１５における溝部９の深さは、拡張部１５に隣接する２つの狭窄部１４における溝部９の深さよりも深い。

　これにより、溝部９は深さ方向に加えて、開口方向においても大きな凹凸や大きな表面積を有する。このため、外装樹脂１０と溝部９との接触面積がさらに大きくなり、かつ、外装樹脂１０と溝部９との接触面の形状が複雑化する。これにより、外装樹脂１０と溝部９とのアンカー効果がさらに大きくなる。したがって、半導体装置６における外装樹脂１０と基台部８との固定状態をさらに強固にすることができる。結果として、半導体装置６の外装樹脂１０による封止状態についての信頼性が向上する。

　図７は本発明の実施の形態における半導体装置の他の構成を示す上面視図である。ここでは基台部８に設けられた溝部９は、半導体素子７を取り囲み、概ね方形状に連続した形状を有する。すなわち、溝部９は、４つの屈曲部９Ａおよび４つの辺部９Ｂからなる。各屈曲部９Ａは、２つの辺部９Ｂの間に配置されている。つまり、溝部９の上面視の形状は、半導体素子７を囲む連続的な方形状である。そのため、半導体装置６が外部から衝撃などの外力を受けたとき、溝部９および溝部９に充填された外装樹脂１０に加わる応力は、溝部９の全体へと分散され易くなる。この結果、半導体装置６における外装樹脂１０と基台部８との固定状態を、外力を受けたときでも安定させることができる。

　ここでさらに、方形状に形成された溝部９の４つの屈曲部９Ａにおいて、屈曲部９Ａの外周の曲率半径Ｒｏを、屈曲部９Ａの内周の曲率半径Ｒｉよりも大きくするとよい。半導体装置６が外部から機械的な衝撃など外力を受ける場合、外力は、外装樹脂辺部１０Ｂの中央よりも、外装樹脂角部１０Ａや外装樹脂辺部１０Ｂにおける外装樹脂角部１０Ａに近い位置に加わることが多い。このため、屈曲部９Ａに加わる応力は辺部９Ｂに加わる応力に比較して大きくなる。

　屈曲部９Ａは、外装樹脂角部１０Ａなどの作用点に近く、大きな衝撃を受け易い。ここで、屈曲部９Ａの外周の曲率半径Ｒｏは屈曲部９Ａの内周の曲率半径Ｒｉよりも大きいため、溝部９に充填された外装樹脂１０に加わる応力は分散され易くなる。この結果、半導体装置６における外装樹脂１０と基台部８との固定状態を、外力を受けたときでも安定させることができる。

　また、内周の曲率半径Ｒｉが小さくなることによって、半導体装置６を実装する領域を効率よく活用することができる。この結果、半導体装置６全体の小型化も可能となる。

　図８は本発明の実施の形態における半導体装置６の他の構成を示す断面図である。ここでは、溝部９は上面視で方形状に形成されている。各屈曲部９Ａにおける実装面８Ａから底部１１までの溝部９の深さは、辺部９Ｂにおける実装面８Ａから底部１１までの溝部９の深さよりも深い。

　例えばレーザ照射によって溝部９が形成される場合には、レーザ照射の走査方向は屈曲部９Ａにおいて変わる。そのため、レーザ照射によって生じる熱は、辺部９Ｂに比較して屈曲部９Ａにおいて蓄積し易くなる。このため、屈曲部９Ａにおける実装面８Ａから底部１１までの溝部９の深さを容易に深く形成することができる。

　なお、溝部９の形成方法は、レーザ照射による形成方法に限らない。溝部９の形成方法は、プレス加工やエッチング加工による形成方法であってもよい。いずれの方法であっても、溝部９を高い生産性で形成することができる。

　これにより、屈曲部９Ａにおいて、溝部９が深く形成される。半導体装置６が半導体装置６の外部から機械的な衝撃など外力を受ける場合に、溝部９の屈曲部９Ａは大きな応力を受け易い。ここで、屈曲部９Ａにおいて溝部９が深く形成されているため、外装樹脂１０と基台部８との固定状態を屈曲部９Ａにおいてさらに強固にすることができる。そのため、半導体装置６の外装樹脂１０による封止状態についての信頼性が向上する。

　図９は本発明の実施の形態における半導体装置６の他の構成を示す要部断面図である。ここでは、基台部８は、実装面８Ａにおける溝部９の開口縁に設けられた突起部１６を有している。突起部１６は、溝部９の窪み方向と反対方向に壁状に突出している。突起部１６が溝部９の開口縁に設けられていることにより、半導体素子７が実装面８Ａへ実装されるときに用いられる接合部材１７が溝部９へ浸入することが抑制される。したがって、外装樹脂１０は溝部９へ充填されやすい。この結果、半導体装置６における外装樹脂１０と基台部８との固定状態を安定させることができる。結果として、半導体装置６の外装樹脂１０による封止状態についての信頼性が向上する。

　また、実装面８Ａと外装樹脂１０との境界面には、半導体装置６の外部からの水や水分などが浸入し易い。ここで突起部１６が設けられていることによって、実装面８Ａと外装樹脂１０との境界面において基台部８の端部から溝部９までの距離が長くなる。このため、上記の水分が実装面８Ａと外装樹脂１０との境界面の一部へ浸入した場合であっても、水分は実装面８Ａと外装樹脂１０との境界面全体へは浸入し難い。この結果、半導体装置６における外装樹脂１０と基台部８との固定状態を安定させることができる。結果として、半導体装置６の外装樹脂１０による封止状態についての信頼性が向上する。

　突起部１６は、溝部９の開口縁全体に沿って配置されてもよい。突起部１６は、図７に示す内周縁９Ｃや、あるいは外周縁９Ｄに沿って、閉じた実線状の環状として配置されてもよい。また、突起部１６は、内周縁９Ｃや、あるいは外周縁９Ｄに沿って、閉じた破線状の環状として配置されてもよい。

　ここで突起部１６は、例えばレーザ照射などによって基台部８へ高温が加えられて溝部９が形成されるときに、基台部８の溶融物が溝部９の開口縁に堆積されることによって形成されてもよい。これにより、図９に示すように、突起部１６の先端部１６Ａが、結合部１６Ｂよりも溝部９に対して外側へと配置されやすい。すなわち、突起部１６が溝部９に対して外側へ傾いて形成されてもよい。これにより、鉤型の断面形状を有する突起部１６に、外装樹脂１０の一部が係合することができる。この結果、外装樹脂１０と基台部８との固定状態を強固にさせることができる。そのため、半導体装置６の外装樹脂１０による封止状態についての信頼性が向上する。

　また、例えばレーザ加工によって溝部９および突起部１６が形成されると、溝部９および突起部１６の表面は酸化される。このため、溝部９および突起部１６の表面には酸化膜（図示せず）が形成される。これによって、溝部９および突起部１６において接合部材１７に対する濡れ性が悪くなる。すなわち、溝部９および突起部１６は接合部材１７の流れを抑制できる。ここで、接合部材１７は、例えば半田である。またあるいは、溝部９および突起部１６の表面の酸化膜が除去されることによって、溝部９および突起部１６は、外装樹脂１０との密着性を向上できる。

　図１０は本発明の実施の形態における半導体装置６の他の構成を示す要部拡大断面図である。ここで突起部１６における、溝部９と対面しない壁面は複数の凹凸を有する。これにより、上記と同様に外装樹脂１０と基台部８との固定状態を強固にさせることができる。さらに、実装面８Ａと外装樹脂１０との境界面において基台部８の端部から溝部９までの距離がさらに長くなる。この結果、実装面８Ａと外装樹脂１０との境界面の一部へ水分が浸入した場合であっても、水分は実装面８Ａと外装樹脂１０との境界面全体へはさらに浸入し難くなる。そのため、半導体装置６の外装樹脂１０による封止状態についての信頼性がさらに向上する。

　本発明の半導体装置は、外装樹脂による封止状態についての信頼性を向上させるという効果を有し、各種電子機器において有用である。

　６　半導体装置
　７　半導体素子
　８　基台部
　８Ａ　実装面
　９　溝部
　９Ａ　屈曲部
　９Ｂ　辺部
　９Ｃ　内周縁
　９Ｄ　外周縁
　１０　外装樹脂
　１０Ａ　外装樹脂角部
　１０Ｂ　外装樹脂辺部
　１１　底部
　１２　第１凹凸
　１３　第２凹凸
　１４　狭窄部
　１５　拡張部
　１６　突起部
　１６Ａ　先端部
　１６Ｂ　結合部
　１７　接合部材

Claims

　半導体素子と、
　前記半導体素子が実装されている実装面と、前記実装面における前記半導体素子の周囲に設けられている溝部と、を有する基台部と、
　前記半導体素子と前記基台部とを覆い、前記溝部へ充填されることで前記基台部に固定される外装樹脂と、を備え、
　前記溝部の底部は、前記溝部の延伸方向に沿って、第１振幅と第１反復間隔とを有する第１凹凸を含み、
　前記第１凹凸は、前記溝部の延伸方向に沿って、前記第１振幅よりも小さい第２振幅と前記第１反復間隔よりも短い第２反復間隔とを有する第２凹凸を含む、
　半導体装置。
　前記第１振幅、前記第１反復間隔、前記第２振幅、および前記第２反復間隔は、それぞれが無作為に変動している、
　請求項１に記載の半導体装置。
　前記溝部の上面視の開口形状は、拡張部を有し、
　前記溝部の深さは、前記拡張部において極大となる、
　請求項１に記載の半導体装置。
　前記溝部の上面視の形状は、前記半導体素子を囲む連続的な方形状である、
　請求項１に記載の半導体装置。
　前記溝部は、２つの辺部と、前記２つの辺部の間に配置された屈曲部とを有し、
　前記屈曲部の外周の曲率半径は、前記屈曲部の内周の曲率半径よりも大きい、
　請求項１に記載の半導体装置。
　前記屈曲部における前記溝部の深さは、前記２つの辺部における前記溝部の深さよりも深い、
　請求項５に記載の半導体装置。
　前記基台部は、前記実装面における前記溝部の開口縁に設けられた突起部を有する、
　請求項１に記載の半導体装置。