(57)【要約】【課題】本明細書は、半導体チップ３がリードフレーム４にハンダ付けされている半導体装置に関し、ハンダ層に発生するクラックによるダメージを抑制する。【解決手段】本明細書が開示する半導体装置２は、リードフレーム４と、リードフレーム４にハンダ付けされている半導体チップ３と、ハンダ層に埋設された金属棒６を備える。金属棒６は、リードフレーム４に垂直な方向から見たときに、ハンダ層内に、半導体チップ３の一辺に沿って伸びており、一部が半導体チップ３と重なっているとともに残部が半導体チップ３と重ならないように配置されている。そして、金属棒６は、その幅方向を横断する断面において、半導体チップ側の端からリードフレーム側の端までの半導体チップの中心側の輪郭が半導体チップの中心側に突出するようにカーブしている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
リードフレームと、
リードフレームにハンダ付けされている半導体チップと、
リードフレームに垂直な方向から見たときに、ハンダ層内に、半導体チップの一辺に沿って伸びており、一部が半導体チップと重なっているとともに残部が半導体チップと重ならないように配置されている金属棒と、
を備えており、
金属棒は、その幅方向を横断する断面において、半導体チップ側の端からリードフレーム側の端までの半導体チップ中心側の輪郭が半導体チップ中心側に突出するようにカーブしていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
リードフレームとの接点における前記カーブの接線とリードフレーム表面とのなす角度が、半導体チップ中心側で鋭角をなしていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
金属棒は、半導体チップの一辺に沿って当該一辺の両端にわたって伸びていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
半導体チップは長方形であり、金属棒は、半導体チップの短辺に沿って伸びていることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
金属棒は断面が円または楕円であり、リードフレームに垂直な方向から見たときに、金属棒の楕円又は円の断面中心が半導体チップの外側に位置しており、半導体チップの縁から断面中心の直上までハンダに覆われていることを特徴とする請求項３又は４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、半導体装置に関する。特に、リードフレーム上に半導体チップがハンダ付けされた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
リードフレーム上に半導体チップがハンダ付けされた半導体装置では、リードフレームと半導体チップの熱膨張率の相違により、ハンダ層にクラックが生じることがある。クラックの発生を抑制する、あるいは、クラックによるダメージを抑制する様々な技術が提唱されている（特許文献１−３）。
【０００３】
特許文献１の技術は以下の通りである。リードフレームに突起を設け、その上に半導体チップを載置し、それからハンダ付けする。突起により、ハンダ層の厚みが均一化し、クラック発生が抑制される。突起は、ハンダに濡れない材料で作られる。ハンダに濡れない突起により、突起とハンダの境界にボイドが発生する。ハンダの境界はボイド沿って緩やかな曲線を描く。即ち、フィレットの形状が緩やかとなり、クラック発生が抑制される。
【０００４】
特許文献２の技術は次の通りである。ハンダ材に初めから２本の金属線材を埋設しておく。リードフレームの上にハンダ材を載置し、その上に半導体チップを載せる。ハンダを溶融させたとき、線材がリードフレームと半導体チップの間の幅を一定に保ち、一定厚みのハンダ層を形成することができる。
【０００５】
特許文献３の技術は次の通りである。金属粒体をハンダ材に混入させる。ハンダ付け後、ハンダ層にクラックが発生しても、そのクラックは金属粒子にぶつかるとそこで進行が止まる。従ってクラックによるダメージが低減される。また、平面視したときに矩形の半導体チップの角部でクラックが発生し易いので、半導体チップの角部周辺に集中してハンダ材に金属粒子を混在させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−１８６３３１号公報
【特許文献２】特開２００９−１０６９９３号公報
【特許文献３】特開２００６−０４３７３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本明細書も、クラックが発生してもそのダメージを抑制する技術を提供する。本明細書が開示する技術は、特定形状の金属棒をハンダ層の特定の位置に配置してクラックによるダメージを抑制する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本明細書が開示する技術は、リードフレームと半導体チップの間のハンダ層に、リードフレームに垂直な方向から見たときに半導体チップの一辺に沿って金属棒を配置する。フレームに垂直な方向から見たときに、一部が半導体チップと重なり残部が半導体チップと重ならないように金属棒を配置する。その金属棒は、その幅方向を横断する断面において、半導体チップ側の端からリードフレーム側の端までの半導体チップの中心側の輪郭が半導体チップの中心側に突出するようにカーブしている。
【０００９】
本明細書が開示する半導体装置の利点を説明する。クラックはハンダ層のフィレットで生じ易い。フィレットとは、２つの物体のハンダ接合面の間からはみだしたハンダの部位を意味する。半導体装置の場合、フィレットは、リードフレームと半導体チップの間からはみだしたハンダの部位を意味する。本明細書が開示する技術は、フィレットの中に金属棒を配置する。その金属棒は、幅方向を横断する断面（横断面）において、半導体チップ側の端からリードフレーム側の端までの半導体チップの中心側の輪郭が半導体チップの中心側に突出するようにカーブしている。上記形状と配置の金属棒によって、フィレットの表面で発生したクラックは、ハンダと金属棒の境界に沿って進行する。金属棒表面がカーブを描いているので、クラックはスムーズにカーブに沿うようになる。金属棒表面のカーブは、半導体チップの中心に向かって突出する曲線を描いている。仮に、金属棒と半導体チップの間でクラックが発生した場合、そのクラックは金属棒の表面のカーブに沿って進み、最後はリードフレームと金属棒の接点で止まる。こうして、本明細書が開示する半導体装置は、クラックが半導体チップ中心に向かって進行することを防止する。従って、半導体チップ中心付近のハンダ層にダメージを与えない。
【００１０】
上記の金属棒は、さらに、リードフレームとの接点におけるカーブの接線とリードフレーム表面とのなす角度が、半導体チップ中心側で鋭角をなしているとよい。半導体チップと金属棒の間で発生したクラックは、金属棒表面のカーブに沿って一旦は半導体チップの中心に向かって進むが、さらにカーブに沿って進行すると、半導体チップの中心から離れる方向に進む。最後は金属棒とリードフレームとの接点で止まる。この態様においては、クラックは半導体チップから離れる方向に進行するので、クラックが半導体チップ中心方向へ進行することをさらに確実に抑制することができる。
【００１１】
本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の実施例にて説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施例の半導体装置の斜視図である。
【図２】図１のII−II線における部分断面図である。
【図３】半導体装置の平面図である。
【図４】第２実施例の半導体装置の部分断面図である。
【図５】第３実施例の半導体装置の部分断面図である。
【図６】第４実施例の半導体装置の部分断面図である。
【図７】濡れ性を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
最初に、概要で述べた以外に、実施例の半導体装置の特徴の幾つかを列記しておく。なお、以下に記載する技術要素は、それぞれ独立した技術要素であって、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。
【００１４】
金属棒は、半導体チップの一辺に沿って、その一辺の両端にわたって棒状に伸びている。そのような態様においては、半導体チップの一辺の全域にわたってクラックによるダメ―ジを抑制できる。
【００１５】
半導体チップは長方形であり、金属棒は、半導体チップの短辺に沿って伸びている。平面視したときの半導体チップの形状が長方形の場合、半導体チップとリードフレームの熱膨張率の相違による応力は、短辺方向よりも長辺方向で大きくなる。それゆえ、長辺におけるフィレットよりも短辺におけるフィレットでクラックが発生し易い。上記の特徴は、クラックが発生し易い短辺の全域にわたってクラックによる被害を抑制できる。もちろん、長辺と短辺の両方に金属棒を配置することが望ましい。
【００１６】
金属棒は断面が円または楕円であり、リードフレームに垂直な方向から見たときに、金属棒の楕円又は円の断面中心が半導体チップの外側に位置しており、半導体チップの縁から断面中心の直上までハンダに覆われている。逆に、リードフレームに垂直な方向から見たときに金属棒の断面中心が半導体チップよりも外側に位置するように金属棒を配置すると、半導体チップの縁から断面中心の直上へとハンダ材が拡がり易くなり、半導体チップ側からリードフレーム側に向けてフィレットが拡がり易くなる。フィレットが拡がるとクラックが発生し難くなる。
【００１７】
リードフレームに、金属棒が嵌る溝が設けられている。あるいは、金属棒のリードフレーム対向面が平坦である。上記いずれかの形状を採用すると、金属棒が転がらず、その位置決めが容易となる。
【００１８】
金属棒は、半導体チップの中心から遠い側の表面のハンダ濡れ性が、半導体チップの中心に近い側の表面のハンダ濡れ性よりも高い。半導体チップの中心から遠い側とは、即ちフィレット側である。上記の濡れ性特性は、フィレット側にハンダ材を流れ易くし、フィレット形状を緩やかにする。
【実施例】
【００１９】
（第１実施例）図面を参照して実施例の半導体装置を説明する。図１は、第１実施例の半導体装置２の斜視図である。半導体装置２は、リードフレーム４の上に、半導体チップ３がハンダ付けされたデバイスである。以下では、リードフレーム４と半導体チップ３の間のハンダ層を符号５で表す。半導体チップ３は、ＩＧＢＴ、ＭＯＳ、ダイオードなどである。なお、図では、ハンダ層５の様子がよくわかるように、厚みやフィレットを誇張して描いてある。
【００２０】
ハンダ層５の内には、金属棒６が配置されている。図２に、図１のII−II線における断面図を示す。図２は、部分断面図を示している。図２における符号ＣＰは、半導体チップ３を平面視したときのチップの中心を表している。以下、説明の便宜上、半導体チップの中心ＣＰをチップ中心ＣＰと称する。図２の断面は、チップ中心ＣＰと半導体チップの縁３ａを通る断面に相当する。なお、半導体チップ３の平面視は、リードフレーム４の垂直方向からの視点と同じである。また、図２では、理解し易いように、ハンダ層５には断面を表すハッチングは省略してある。以降の断面図でも同様である。
【００２１】
金属棒６は、ボンディングワイヤと同じ材料で作られている。金属棒６は、ハンダ層５のフィレット５ａの中に位置する。より詳しくは、金属棒６は、リードフレーム４に垂直な方向から見て、その一部が半導体チップ３とオーバーラップしており、残部が半導体チップ３とオーバーラップしないように配置される。図２に示されているように、金属棒６の断面は円であり、半導体チップ３の平面視において、金属棒６は、その断面中心ＣＬが半導体チップ３とオーバーラップしないように配置されている。図２では、断面中心ＣＬが半導体チップ３の縁３ａよりも距離Ｗｆだけチップ中心ＣＰよりも離れている。そのような配置を採用すると、フィレット５ａの輪郭線は、半導体チップ３の縁３ａから、金属棒６の断面中心ＣＬの直上を通り、緩やかにリードフレーム４へと続く。フィレットの輪郭線が緩やかになることにより、クラックが発生し難くなる。なお、この構成は、別言すれば、次の通りである。金属棒６は、断面が円であり、リードフレーム４に垂直な方向から見たときに、金属棒６の断面中心ＣＬが半導体チップ３の外側に位置しており、半導体チップ３の縁３ａから断面中心ＣＬの直上を含む金属棒６の全体がハンダに覆われている。
【００２２】
また、金属棒６の断面が円であることから、金属棒６の円弧の輪郭線は、金属棒６の幅方向を横断する断面において（金属棒６の横断面において）、半導体チップ側の端からリードフレーム側の端までのチップ中心ＣＰ側の輪郭がチップ中心ＣＰ側に突出するようにカーブしている。このことは、金属棒６とリードフレーム４との接点ＡＰにおける金属棒断面の接線ＰＬと、リードフレーム４とがチップ中心ＣＰ側でなす角度Ｔｈａが鋭角となることを意味する。そうすると、仮に半導体チップ３と金属棒６の間でフィレット５ａにクラックが発生した場合、そのクラックは金属棒６とハンダ層５の境界に沿って進み、最後は、金属棒６とリードフレーム４との接点ＡＰで止まる。このとき、クラックは、金属棒６の円弧の断面に沿って、一旦チップ中心ＣＰに近づくが、その後、チップ中心ＣＰから離れる方向に進む（図２の太矢印線ＣＫ参照）。その方向のまま、クラックは接点ＡＰで止まる。クラック進行方向がチップ中心ＣＰから離れる方向であるので、仮にクラックが接点ＡＰに向かう方向からずれたとしても、クラックはフィレットに向かって進み、チップ中心ＣＰに向かっては進まない。即ち、上記の構造は、クラックの進行方向を誘導し、クラックがチップ中心ＣＰに向かうことを防止する。なお、金属棒６の断面が円の場合、接点ＡＰでの接線ＰＬはリードフレーム４の表面と一致することになるが、説明を理解し易くするために、図２では、幾何学的には正しくないが意図的に接線ＰＬとリードフレーム４の表面との間に角度があるように描いてある。
【００２３】
図３に、半導体装置２の平面図を示す。図３によく表されているように、半導体チップ３は平面視において長方形であり、金属棒６は、半導体チップ３の短辺に沿ってその端から端まで伸びている。半導体チップ３とリードフレーム４の熱膨張率の差による応力は、半導体チップ３の長手方向（図中のＸ軸方向）で大きくなるため、半導体チップ３の短辺側においてクラックが発生し易い。その短辺に沿って金属棒６を配置することによって、クラックが発生し易い領域においてクラックによるダメージを低減することができる。
【００２４】
（第２実施例）図４は、第２実施例の半導体装置１０２の部分断面図である。図４の断面図は、図２の断面図に相当する。この例では、金属棒１０６は低面が平坦に削られており、その平坦な低面でリードフレーム４に接している。第１実施例の金属棒６と比べて金属棒１０６は、ハンダが溶融した場合でも転がることがない。
【００２５】
なお、第２実施例の半導体装置１０２においても、金属棒１０６を幅方向に横断する断面において（図４の断面において）、半導体チップ側の端からリードフレーム側の端までのチップ中心ＣＰ側の輪郭がチップ中心ＣＰ側に突出するようにカーブしており、また、リードフレーム４との接点ＡＰにおけるカーブの接線ＰＬとリードフレーム表面とのなす角度Ｔｈｂが、チップ中心ＣＰの側で鋭角をなしている。そのような金属棒１０６の形状と配置により、フィレットで発生したクラックは最終的にはチップ中心ＣＰから離れる方向に進み、チップ中心ＣＰに近い領域をクラックから保護する。
【００２６】
（第３実施例）図５は、第３実施例の半導体装置２０２の断面図である。この実施例では、リードフレーム２０４に、金属棒２０６を嵌める溝２０４ａが設けられている。その他は第１実施例の半導体装置２と同じである。溝２０４ａは、図２実施例の金属棒１０６における平坦な低面と同じ利点を有する。即ち、溝２０４ａは、ハンダが溶解している間、金属棒２０６が転がることを防止する。
【００２７】
（第４実施例）図６に、第４実施例の半導体装置３０２の断面図を示す。図６の断面は、図２の断面に相当する。この実施例では、金属棒３０６の表面の濡れ性に特徴がある。金属棒３０６は、断面が円であり、チップ中心ＣＰから遠い側の半円の表面３０６ｂの濡れ性が、チップ中心ＣＰに近い側の半円の表面３０６ａの濡れ性よりも高い。濡れ性が高い方が、密着性がよく、上記の濡れ性特性を有する金属棒３０６を採用することで、金属棒３０６のチップ中心ＣＰから遠い側、即ち、フィレット側にハンダ材が流れ易くなり、半導体チップの縁３ａからリードフレーム４に向かうフィレットの拡がりが緩やかとなる。フィレットの拡がりが緩やかになるとクラックは発生し難くなる。
【００２８】
なお、濡れ性は、図７に示すように、溶融したハンダ材２１を母材２２の上に置いたときの接触角Ｔｈｃで評価される。なお、接触角は、母材表面におけるハンダ材２１の境界ＦＰにおけるハンダ材接線ＰＬとハンダ材直下の母材表面２２とのなす角度である。この接触角が小さいほど濡れ性が高いことを表している。
【００２９】
以上、実施例の半導体装置を説明した。実施例の半導体装置は、いずれも、フィレットの表面で発生したクラックがハンダ層内でチップ中心ＣＰへ向かって進行することを阻止し、クラックによるダメージを低減する。
【００３０】
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例の金属線材はいずれの断面が円である。金属線材の断面の輪郭形状は円あるいは楕円であることが好ましいが、実施例で示した条件を満足する曲線であればよい。金属線材の断面の輪郭形状は、その輪郭に沿ってクラックが進み易くなるように、チップ中心に近い側の輪郭形状が、チップ中心側に突出する曲線であればよい。ここで、曲線とは、数学的な意味で連続であること、即ち、微分可能な曲線であること、が好ましい。輪郭が屈曲していると、屈曲点を境にしてクラックが金属線材から離れてしまう可能性があるからである。さらに好ましくは、金属線材の断面の輪郭形状の曲線のリードフレームとの接点における接線とリードフレーム表面とのなす角度が、チップ中心側で鋭角をなしているのがよい。
【００３１】
金属線材は、半導体チップの端子とリードフレームの端子を接続するボンディングワイヤと同じ材料のものであると、製造コストが抑制できる。
【００３２】
実施例の半導体装置では、いずれも、ハンダ層の厚みは金属線材の直径よりも大きく、金属線材と半導体チップは接触していない。金属線材と半導体チップは接触していてもよい。
【００３３】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００３４】
２、１０２、２０２、３０２：半導体装置
３：半導体チップ
３ａ：縁
４、２０４：リードフレーム
５：ハンダ層
５ａ：フィレット
６、１０６、２０６、３０６：金属棒
２１：ハンダ材
２２：母材
２０４ａ：溝
ＣＬ：金属棒の断面中心
ＣＰ：半導体チップ中心
【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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