(57)【要約】【課題】半導体チップの上面の電極に接合された半田の端部に発生する応力を極力低減する。【解決手段】本発明の半導体装置によれば、第１の金属板１３の上面における半田付け用電極の端部に対応する部位から金属ブロック１５の端部の内側に対応する部位まで凸部２２を設け、この凸部２２の上面と半導体チップ１２の下面との間の半田１６の膜厚を、第１の金属板１３の凸部２２以外の部分の上面と半導体チップ１２の下面との間の半田１６の膜厚よりも薄くするように構成したので、半導体チップ１２の上面の半田付け用電極に接合された半田１６の端部に発生する応力を極力低減することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップと、前記半導体チップの下面全面に半田付けされた第１の金属板と、前記半導体チップの上面に設けられた半田付け用電極に半田付けされた金属ブロックと、前記金属ブロックの上面全面に半田付けされた第２の金属板とを備えて成る半導体装置において、
前記第１の金属板の上面における前記半田付け用電極の端部に対応する部位から前記金属ブロックの端部の内側に対応する部位まで凸部を設け、
前記凸部の上面と前記半導体チップの下面との間の半田の膜厚を、前記第１の金属板の前記凸部以外の部分の上面と前記半導体チップの下面との間の半田の膜厚よりも薄くするように構成したことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
半導体チップと、前記半導体チップの下面全面に半田付けされた第１の金属板と、前記半導体チップの上面に設けられた半田付け用電極に半田付けされた金属ブロックと、前記金属ブロックの上面全面に半田付けされた第２の金属板とを備えて成る半導体装置において、
前記半導体チップの下面における前記半田付け用電極の端部に対応する部位から前記金属ブロックの端部の内側に対応する部位まで凸部を設け、
前記凸部の下面と前記第１の金属板の上面との間の半田の膜厚を、前記半導体チップの前記凸部以外の部分のした面と前記第１の金属板の上面との間の半田の膜厚よりも薄くするように構成したことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
前記凸部の高さ寸法は、前記第１の金属板の前記凸部以外の部分の上面と前記半導体チップの下面との間の半田の膜厚のほぼ５０％〜８０％程度であることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記凸部は、前記半田付け用電極の外周部に沿うように全周に設けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項５】
前記凸部は、前記半田付け用電極の外周部に沿うように間欠的に設けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体チップの両面にヒートシンクを半田付けするように構成された半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高耐圧・大電流用のパワーＩＣ（ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等）の半導体チップ（半導体素子）は、使用時の発熱が大きいため、半導体チップからの放熱性を向上させるための構成が必要である。この構成の一例として、半導体チップの両面にヒートシンク（金属板）を半田付けする構成が考えられており、例えば特許文献１に記載されている。
【０００３】
上記構成の半導体装置１は、図１１に示すように、例えばＩＧＢＴからなる半導体チップ２と、下側ヒートシンク３と、上側ヒートシンク４と、ターミナルブロック５とを備えて構成されている。半導体チップ２の下面全体と下側ヒートシンク３との間は半田６により接合され、半導体チップ２の上面に設けられた半田付け用の電極（エミッタ電極）７（図１２参照）とターミナルブロック５との間は半田６により接合されている。ターミナルブロック５の上面と上側ヒートシンク４の下面との間は半田６により接合されている。尚、図１２において、８はシリコン基板、８ａは活性領域、９ａはＡｌ層、９ｂは保護膜である。
【特許文献１】特開２００５−１１６８７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記構成の場合、半導体チップ２のオンオフに伴う温度変化が繰り返されたときに、半導体チップ２を構成するシリコンの線膨張係数と半田６の線膨張係数の違いにより、繰り返し応力が発生し、半田６が劣化することがあった。特に、半導体チップ２の上面の電極７に接合された半田６の端部（エッジ部）には、大きな繰り返し応力が作用して、クラック６ａが生ずることがあった（図１２）。クラック６ａが生ずると、図１２に示すように、電流集中が発生する部分Ａが発生する。そして、電流集中が発生すると、その部分Ａが発熱し、該熱により半導体チップ２が破壊されるという問題点があった。このため、半導体チップ２の上面の電極７に接合された半田６の端部に発生する応力を極力低減することが望まれている。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、半導体チップの上面の電極に接合された半田の端部に発生する応力を極力低減することができる半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１の発明によれば、第１の金属板の上面における半田付け用電極の端部に対応する部位から金属ブロックの端部の内側に対応する部位まで凸部を設け、この凸部の上面と半導体チップの下面との間の半田の膜厚を、第１の金属板の凸部以外の部分の上面と半導体チップの下面との間の半田の膜厚よりも薄くするように構成したので、半導体チップの上面の半田付け用電極に接合された半田の端部に発生する応力を極力低減することができる。
【０００７】
請求項２の発明によれば、凸部を半導体チップの下面に設けるように構成したので、請求項１の発明と同じ作用効果を得ることができる。
請求項３の発明によれば、凸部の高さ寸法を、前記第１の金属板の前記凸部以外の部分の上面と前記半導体チップの下面との間の半田の膜厚のほぼ５０％〜８０％程度としたので、前記応力を確実に低減することができる。
【０００８】
また、請求項４の発明のように、前記凸部は、前記半田付け用電極の外周部に沿うように全周に設けられていることが好ましい。更に、請求項５の発明のように、前記凸部は、前記半田付け用電極の外周部に沿うように間欠的に設けられていることが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の第１の実施例について、図１ないし図７を参照して説明する。まず、図１は、本実施例の半導体装置の概略構成を示す断面図である。この図１に示すように、本実施例の半導体装置１１は、半導体チップ（半導体素子）１２と、下側ヒートシンク（第１の金属板）１３と、上側ヒートシンク（第２の金属板）１４と、ヒートシンクを構成するターミナルブロック（金属ブロック）１５とを備えて構成されている。
【００１０】
上記半導体チップ１２は、例えばＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴやサイリスタやダイオード等のパワー半導体素子から構成されている。この半導体チップ１２の形状は、本実施例の場合、矩形（例えば一辺が１３ｍｍ程度の正方形）の薄板状である。また、下側ヒートシンク１３、上側ヒートシンク１４及びターミナルブロック１５は、例えばＣｕで構成されている。尚、上記Ｃｕに代えて、Ａｌ等の熱伝導性及び電気伝導性の良い金属で構成しても良い。
【００１１】
半導体チップ１２の下面の全面は、半田付け用の電極（チップ１２が例えばＩＧＢＴである場合、コレクタ電極）となっている。この半導体チップ１２の下面全面と下側ヒートシンク１３の上面との間は、接合部材である例えば半田１６によって接合されている。
【００１２】
また、半導体チップ１２の上面には、半田付け用の電極（チップ１２が例えばＩＧＢＴである場合、エミッタ電極）１７（図２参照）と、図示しないワイヤボンディング用の電極（チップ１２が例えばＩＧＢＴである場合、ゲート電極や各種センサ用電極等）と、図示しないガードリング等が設けられている。半導体チップ１２の上面の半田付け用電極１７とターミナルブロック１５の下面全面との間は、半田１６によって接合されている。尚、半導体チップ１２のワイヤボンディング用の電極とリードフレーム１９との間は、ボンディングワイヤ２０により接続されている。
【００１３】
更に、ターミナルブロック１５の上面と上側ヒートシンク１４の下面との間は、半田１６によって接合されている。そして、半導体装置１１のほぼ全体は、樹脂（例えばエポキシ樹脂）２１によりモールドされている。尚、半導体装置１１を樹脂２１でモールドするに当たっては、上下型からなる成形型（図示しない）を使用している。また、下側ヒートシンク１３の下面、上側ヒートシンク１４の上面、各ヒートシンク１３、１４の端子部（図示しない）及びリードフレーム１９の端子部は、モールド樹脂２１（成形体）から露出または突出するように構成されている。上記構成においては、半導体チップ１２の両面からヒートシンク１３、１４及びターミナルブロック１５を介して放熱される構成となっている。
【００１４】
さて、図２に示すように、下側ヒートシンク１３の上面における半田付け用電極１７の端部１７ａに対応する部位からターミナルブロック１５の端部１５ａの内側に対応する部位までの部分に凸部２２を設けた。この場合、凸部２２の中心位置を半田１６の端部にほぼ一致させるように配置している（図８（ｃ）参照）。尚、凸部２２の中心位置を左右に多少シフトさせても良い。上記凸部２２の高さ寸法ｈは、下側ヒートシンク１３の上記凸部２２以外の部分の上面と、半導体チップ１２の下面との間に設けられた半田１６の膜厚ｄのほぼ５０％程度となるように構成されている。
【００１５】
具体的には、凸部２２の高さ寸法ｈは例えば０．０４ｍｍ程度に設定されている。上記半田１６の膜厚ｄは例えば０．０８ｍｍ程度に設定されている。これにより、凸部２２の上面と半導体チップ１２の下面との間の半田１６の膜厚（例えば０．０４ｍｍ程度）が、下側ヒートシンク１３の凸部２２以外の部分の上面と半導体チップ１２の下面との間の半田１６の膜厚（例えば０．０８ｍｍ程度）よりも薄くなるように構成した。ここで、凸部２２を下側ヒートシンク１３に形成するに際しては、例えばプレス成形により形成したり、エッチングにより形成したり、金属層を堆積することにより形成したりする方法が好ましい。
【００１６】
尚、半導体チップ１２の上面の半田付け用電極１７とターミナルブロック１５の下面との間に設けられた半田１６の膜厚、並びに、ターミナルブロック１５の上面と上側ヒートシンク１４の下面との間に設けられた半田１６の膜厚も、例えば０．０８ｍｍ程度に設定されている。ここで、０．０８ｍｍ程度の膜厚の半田１６を形成するに際しては、半田１６の膜中に外径寸法が０．０８ｍｍ程度のボールやワイヤを埋設するような周知の方法を用いることが好ましい。
【００１７】
また、下側ヒートシンク１３及び上側ヒートシンク１４は、厚さ寸法が例えば約２ｍｍ程度の板材で形成されている。ターミナルブロック１５は、厚さ寸法が例えば約１．５ｍｍ程度の板材で形成されており、その大きさは、半導体チップ１２の上面の半田付け用電極１７の大きさとほぼ同じ大きさである。また、半導体チップ１２の厚さ寸法は、例えば約０．１４ｍｍ程度である。
【００１８】
また、図３に示すように、上記凸部２２は、半田付け用電極１７の外周部に沿うように全周に、即ち、矩形枠状をなすように設けられている。凸部２２の幅寸法ｗ（図２参照）は、例えば２．０ｍｍ程度に設定されている。ここで、半導体チップ１２に冷熱サイクル（１８０℃から２５℃へ（モールド成形時の温度変化）、更に１５０℃と−４０℃との間の冷熱サイクルを１回）を加えた後、半導体チップ１２の上面の応力分布を測定した結果を、図４に示す。
【００１９】
この図４において、実線Ｐ１は本実施例（凸部２２の幅寸法ｗ＝２．０ｍｍ）の測定結果を示し、実線Ｐ２は本実施例において凸部２２の幅寸法ｗを１．０ｍｍに設定した場合の測定結果を示し、実線Ｐ３は本実施例において凸部２２の幅寸法ｗを０．５ｍｍに設定した場合の測定結果を示し、実線Ｐ４は従来構成（即ち、凸部２２を設けない構成）の測定結果を示している。尚、図４の左右両端の位置が半導体チップ１２の両端の位置に対応し、図４中の位置ｔ１、ｔ２がターミナルブロック１５の両端の位置に対応している。
【００２０】
上記図４の実線Ｐ１、Ｐ４から、本実施例の凸部２２を下側ヒートシンク１３の上面に設けたことにより、半導体チップ１２の上面に発生する応力を大幅に小さく（２８．４ＭＰａから１７．７ＭＰａへ）できたことがわかる。
【００２１】
尚、半導体チップ１２に上記した冷熱サイクルを加えた後、半導体チップ１２の下面の応力分布を測定した結果を、図５に示す。この図５において、実線Ｑ１は本実施例（凸部２２の幅寸法ｗ＝２．０ｍｍ）の測定結果を示し、実線Ｑ２は本実施例において凸部２２の幅寸法ｗを１．０ｍｍに設定した場合の測定結果を示し、実線Ｑ３は本実施例において凸部２２の幅寸法ｗを０．５ｍｍに設定した場合の測定結果を示し、実線Ｑ４は従来構成（即ち、凸部２２を設けない構成）の測定結果を示している。
【００２２】
次に、上記凸部２２の高さ寸法ｈを変化させたときに、半導体チップ１２に発生する応力の測定結果を図６に示す。この図６において、横軸は凸部２２の高さ寸法を示し、縦軸は応力の大きさを示す。図６中の実線Ｒ１は半導体チップ１２の上面に発生する応力の大きさを示し、実線Ｒ２は半導体チップ１２の下面に発生する応力の大きさを示している。尚、冷熱サイクルの条件は、図４、図５の場合と同じである。
【００２３】
上記図６の実線Ｒ１から、凸部２２の高さ寸法が高くなるほど、半導体チップ１２の上面に発生する応力の大きさが小さくなる。これに対して、図６の実線Ｒ２から、凸部２２の高さ寸法が高くなるほど、半導体チップ１２の下面に発生する応力の大きさが大きくなる。従って、凸部２２の高さ寸法を、半田１６の膜厚のほぼ８０％程度に設定すると、半導体チップ１２の上面に発生する応力を最も低減できることがわかる。ただし、下側ヒートシンク１３の加工性や、下側ヒートシンク１３および半導体チップ１２の半田付け性等を考慮して実現性の面から判断すると、凸部２２の高さ寸法を、半田１６の膜厚のほぼ５０％程度に設定することが好ましい。
【００２４】
一方、図７は、凸部２２の位置を変化させたときに、半導体チップ１２の上面に発生する応力の測定結果を示す図である。この図７において、横軸は凸部２２の位置のシフト量を示し、縦軸は応力の大きさを示す。ここで、シフト量とは、凸部２２の中心位置を半田１６（半田付け用の電極１７）の端部に一致させた位置をシフト量が０であるとし、この位置から内側へシフトさせる、または外側へシフトさせるようにしている（図８参照）。この場合、凸部２２の幅寸法は１ｍｍ程度に設定している。尚、冷熱サイクルの条件は、図４、図５、図６の場合と同じである。
【００２５】
上記図７から、凸部２２の中心位置を半田１６の端部に一致させた位置（即ち、シフト量が０の位置）のときに、半導体チップ１２の上面に発生する応力の大きさを最も低減できることがわかる。そして、凸部２２の一部が半田１６の端部にかかる位置（シフト量が±０．５ｍｍの位置）であれば、半導体チップ１２の上面に発生する応力の大きさを十分低減できることがわかる。
【００２６】
上記した構成の本実施例によれば、下側ヒートシンク１３の上面における半田付け用電極１７の端部に対応する部位からターミナルブロック１５の端部の内側に対応する部位までの部分に凸部２２を設け、凸部２２の上面と半導体チップ１２の下面との間の半田１６の膜厚を、下側ヒートシンク１３の凸部２２以外の部分の上面と半導体チッ１２プの下面との間の半田１６の膜厚よりも薄くするように構成したので、半導体チップ１２の上面に発生する応力の大きさを十分低減することができる。
【００２７】
尚、上記実施例では、図３に示すように、凸部２２の形状を矩形枠状としたが、これに限られるものではなく、図９（ａ）に示すように、丸みを帯びた矩形枠状としても良いし、また、図９（ｂ）に示すように、４５度回転させ、且つ、幅広に形成した矩形枠状としても良い。更に、図９（ｃ）に示すように、間欠的に設けた矩形枠状としても良いし、また、図９（ｄ）に示すように、半田付け用電極１７の４隅部に形状の異なる凸部（同じ形状の凸部であっても良い）２３を形成するように構成しても良い。更にまた、図９（ｅ）に示すように、矩形枠状を止めて、矩形状としても良く、また、図９（ｆ）に示すように、円形状としても良い。
【００２８】
また、凸部２２を下側ヒートシンク１３に形成するに際しては、図１０（ａ）に示すように、下側ヒートシンク１３の上面における凸部２２以外の部分に凹部を形成するように構成しても良い。更に、図１０（ｂ）に示すように、下側ヒートシンク１３の上面に凸部を形成することを止めて、半導体チップ１２の下面に凸部２４を形成するように構成しても良い。更にまた、図１０（ｃ）に示すように、下側ヒートシンク１３の上面に凸部を形成することを止めると共に、半導体チップ１２の下面に凸部を形成することも止め、両者の間に、半田１６の膜厚を薄くする金属箔２５を配設するように構成しても良い。この金属箔２５は、半田１６と合金化し、且つ、半田１６よりも硬い金属で構成されている。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の第１の実施例を示す半導体装置の断面図
【図２】凸部周辺の拡大断面図
【図３】下側ヒートシンクの平面図
【図４】半導体チップの上面に発生する応力を示す特性図
【図５】半導体チップの下面に発生する応力を示す特性図
【図６】凸部の高さ寸法と半導体チップの上面および下面に発生する応力との関係を示す特性図
【図７】凸部のシフト量と半導体チップの上面に発生する応力との関係を示す特性図
【図８】凸部のシフト量を説明する拡大断面図
【図９】凸部の変形例を示す図３相当図
【図１０】凸部の変形例を示す図１相当図
【図１１】従来構成を示す図１相当図
【図１２】要部の拡大断面図
【符号の説明】
【００３０】
図面中、１１は半導体装置、１２は半導体チップ、１３は下側ヒートシンク（第１の金属板）、１４は上側ヒートシンク（第２の金属板）、１５はターミナルブロック（金属ブロック）、１６は半田、１７は半田付け用電極、１９はリードフレーム、２１は樹脂、２２は凸部、２３は凸部、２４は凸部、２５は金属箔を示す。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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