(57)【要約】【課題】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。【解決手段】本発明に係る半導体装置１は、第１および第２リードフレーム３、７は、封止樹脂体５が接合されたリードフレームの第１部分３１、７１と、装置本体１１が接合されたリードフレームの第２部分３２、７２と、を有している。第１および第２リードフレーム３、７には、第１部分３１、７１の厚みｄ１が第２部分３２、７２の厚みｄ２よりも薄くなるように、装置本体１１側とは反対側の表面に凹部３３、７３を有しており、凹部３３、７３は、露出した状態にある。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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配置され、半導体素子を少なくとも備えた装置本体と、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リードフレームは、前記封止樹脂体が接合されたリードフレームの第１部分と、前記装置本体が接合されたリードフレームの第２部分と、を有し、
前記第１および第２リードフレームのうち、少なくとも一方のリードフレームは、前記第１部分の厚みが前記第２部分の厚みよりも薄くなるように、前記装置本体側とは反対側の表面に凹部を有しており、
前記凹部は、露出した状態にあることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、この種の半導体装置として、第１および第２リードフレームと、これらの間に配置され、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の半導体素子を少なくとも備えた装置本体と、上記リードフレームの間で、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が知られている。
【０００３】
この半導体装置では、高温と低温が繰り返される半導体素子の温度変化に起因して、封止樹脂体が膨張および収縮しようとする。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。
【０００４】
ところで、リードフレームから封止樹脂体の剥離を防止する技術として、特許文献１には、リードフレームの表面のうち、封止樹脂体に接触する表面に溝部を設け、溝部内に封止樹脂体の樹脂を充填する技術が開示されている。この技術によれば、リードフレームの溝部と封止樹脂体の樹脂とによるアンカー効果により、リードフレームから封止樹脂体の剥離を抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２６６８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の技術を、一対のリードフレームを有する上記半導体装置に適用しても、封止樹脂体の膨張および収縮により、溝部に充填された封止樹脂体の樹脂に応力が集中し、この樹脂が破損するおそれがある。この結果、リードフレームから封止樹脂体が剥離することが想定される。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。
【０００７】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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配置され、半導体素子を少なくとも備えた装置本体と、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リードフレームは、前記封止樹脂体が接合されたリードフレームの第１部分と、前記装置本体が接合されたリードフレームの第２部分と、を有し、前記第１および第２リードフレームのうち、少なくとも一方のリードフレームは、前記第１部分の厚みが前記第２部分の厚みよりも薄くなるように、前記装置本体側とは反対側の表面に凹部を有しており、前記凹部は、露出した状態にあることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、第１部分の厚みが第２部分の厚みよりも薄いため、リードフレームの第１部分の剛性が、第２部分の剛性よりも低くなる。この剛性の低い第１部分が、装置本体側とは反対側の表面の凹部の一部となり、この凹部には、封止樹脂体の樹脂等が充填されず、凹部が露出している。
【００１０】
これにより、封止樹脂体と接合しているリードフレームの第１部分は、第２部分に比べて変形し易いため、封止樹脂体の膨張・収縮に追従し易く、第１部分と封止樹脂体との界面の応力を低減することができる。この結果、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。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】（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、本実施形態の第１リードフレームの拡大断面である。
【図２】（ａ）および（ｂ）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。
【図３】解析モデルを説明する模式的断面図である。
【図４】図３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。
【図５】リードフレームの厚みと、樹脂接着界面の応力との関係を示すグラフである。
【図６】従来の半導体装置の模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、図１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。
【００１３】
なお、本実施形態では、２つの装置本体１１、１１が、第１および第２リードフレーム３、７の間に、並設されているが、これらの装置本体１１、１１は、同様の構成を有しているため、以下に、１つの装置本体１１を参照して、説明をする。
【００１４】
装置本体１１は、半導体素子４を少なくとも備えており、図１（ａ）に示すように、半導体装置１の高さを調整するために、金属ブロック６をさらに備えてもよい。金属ブロック６をさらに備える場合、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、図１（ａ）に示す装置本体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。
【００１５】
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、密着性を高めるプライマ層が設けられていてもよく、第１および第２リードフレーム３、７と封止樹脂体５との間にも、このようなプライマ層が設けられていてもよい。
【００１６】
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。
【００１７】
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とは、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とは、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とは、第３接合材（はんだ層）２３を介して接合されている。
【００１８】
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。
【００１９】
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の材料としては、例えば、Ｃｕ等を挙げることができる。第１および第２リードフレーム３、７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めっき層を形成してもよく、さらにＮｉめっき層の表面にＡｕめっき層を形成してもよい。
【００２０】
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等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。
【００２１】
本実施形態では、第１リードフレーム３は、封止樹脂体５が接合された第１リードフレーム３の第１部分３１と、装置本体１１が接合された第１リードフレーム３の第２部分３２とを有する。同様に、第２リードフレーム７は、封止樹脂体５が接合された第２リードフレーム７の第１部分７１と、装置本体１１が接合された第２リードフレーム７の第２部分７２とを有する。
【００２２】
図１（ｂ）に示すように、第１リードフレーム３の装置本体１１側の表面は平面状である。本実施形態では、第１リードフレーム３の第１部分３１の厚みｄ１は、第２部分３２の厚みｄ２よりも薄くなるように、装置本体１１とは反対側の表面に凹部３３が形成されている。本実施形態では、２つの装置本体１１が並接されているため、これらが接合された第２部分３２、３２の間にも、凹部３３が形成されている。
【００２３】
同様に、第２リードフレーム７の装置本体１１側の表面も平面状である。本実施形態では、第２リードフレーム７の第１部分７１の厚みｄ１は、第２部分７２の厚みｄ２よりも薄くなるように、装置本体１１とは反対側の表面に凹部７３が形成され、２つの装置本体１１が接合された第２部分３２、３２の間にも、凹部７３が形成されている。
【００２４】
さらに、本実施形態では、第１リードフレーム３の凹部３３および第２リードフレーム７の凹部７３のいずれにも、封止樹脂体５の樹脂等が充填されず、凹部３３、７３は、露出した状態にある。
【００２５】
本実施形態によれば、第１部分３１、７１の厚みが第２部分３２、７２の厚みよりも薄いため、第１および第２リードフレーム３、７の第１部分３１、７１の剛性が、第２部分３２、７２の剛性よりも低くなる。この剛性の低い第１部分３１、７１が、装置本体１１側とは反対側の表面の凹部３３、７３の一部となり、この凹部３３、７３には、封止樹脂体５の樹脂等が充填されず、凹部３３、７３が露出している。
【００２６】
これにより、封止樹脂体５と接合している第１および第２リードフレーム３、７の第１部分３１は、第２部分３２に比べて変形し易いため、高温と低温が繰り返される半導体素子４の温度変化に起因した封止樹脂体５の膨張・収縮に追従し易い。このような結果、各第１部分３１、７１と封止樹脂体５との界面の応力を低減することができ、封止樹脂体５が第１および第２リードフレーム３、７から剥離することを防止することができる。
【００２７】
これに加えて、第１および第２リードフレーム３、７の凹部３３、７３が、装置本体１１側とは反対側の表面に形成されている。このため、本実施形態に係る第１および第２リードフレーム３、７は、従来の装置本体側と反対側の表面が平坦面のものに比べて、放熱性が高い。このような結果、本実施形態に係る半導体装置１によれば、半導体素子４の発熱が継続し、その発熱量が過渡状態になったとしても、第１および第２リードフレーム３、７と、封止樹脂体５との温度上昇を、これまでのものよりも低減することができる。
【００２８】
次に、図２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２（ａ）に示すように、２つの装置本体１１、１１に、第１および第２リードフレーム３、７を接合した接合体１０を準備する。
【００２９】
具体的には、第１リードフレーム３の第２部分３２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、第２リードフレーム７の第２部分７２を接合する。これらの接合は、所定の熱履歴のリフローはんだ付けにより行う。
【００３０】
次に、図２（ｂ）に示すように、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を封止するように、封止樹脂体５をモールド成形する。
【００３１】
具体的には、装置本体側とは反対側において、第１および第２リードフレーム３、７が有する凹部３２、７３の形状に応じた金型８を準備する。準備した金型８に、装置本体１１側とは反対側の、第１部分３１、７１および第２部分３２、７２の表面が接触するように、金型８内に接合体１０を配置する。配置後、エポキシ系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、金型８から取り出して、室温まで、冷却する。
【００３２】
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）とに起因した樹脂の収縮が発生する。
【００３３】
このため、図６に示すように、従来の半導体装置９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。これに加えて、封止樹脂体５と第１および第２リードフレーム３、７の界面に沿った方向にも応力が発生する。したがって、これまでの半導体装置１では、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った。
【００３４】
それに対して、本実施形態では、第１部分３１、７１の厚みが第２部分３２、７２の厚みよりも薄いため、第２部分３２、７２に比べて、第１部分３１、７１の剛性が低い。これにより、封止樹脂体５の成形過程において、樹脂の収縮が発生しても、封止樹脂体５に第１部分３１、７１が追従し易い。
【００３５】
このような結果、封止樹脂体５の成形時に、第１および第２リードフレーム３、７と封止樹脂体５との界面に発生する応力を低減することができ、封止樹脂体５が第１および第２リードフレーム３、７から剥離することを防止することができる。
【００３６】
ここで、発明者は、半導体装置の解析モデルで、本実施形態に係る半導体装置の第１部分および封止樹脂体の接着界面の応力を解析により推定した。
【００３７】
具体的には、図３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３に示す節点Ａでは、ＸおよびＹ方向を完全拘束し、一方、図３に示す節点Ｂでは、Ｙ方向を拘束した。
【００３８】
また、解析では、図４に示す如く、解析ステップ１〜３の温度条件を、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。
【００３９】
上述した解析モデルおよび解析履歴を用いて、リードフレームの厚みを変化させた時の、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。この解析を、Ａｂａｑｕｓを使用した有限要素法により行った。結果を図５に示す。
【００４０】
図５からわかるように、第１部分の厚さを薄くすれば、封止樹脂体の接着界面の応力が低下することがわかる。これにより、第１部分の厚みを第２部分の厚みより薄くすれば、第１部分が、封止樹脂体に追従し易くなり、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。
【００４１】
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。
【００４２】
本実施形態では、第１および第２リードフレームの双方に凹部を設けたが、これらのうちいずれか一方に凹部を設けてもよい。
【符号の説明】
【００４３】
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、７：第２リードフレーム、１１：装置本体、３１、７１：第１部分、３２、７２：第２部分、ｄ１：第１部分の厚み、ｄ２：第２部分の厚み
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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