(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
リードフレームと、
前記半導体素子と前記リードフレームの間に配置された金属スペーサと、
前記半導体素子と前記金属スペーサを封止しているとともに前記リードフレームの一面が密着している樹脂モールド体と、を備えており、
前記金属スペーサと前記半導体素子が第１接合材によって接合されているとともに、前記金属スペーサと前記リードフレームが第２接合材によって接合されており、
前記第２接合材の強度が前記第１接合材の強度よりも低く、
前記強度は、予め定められた基準に基づく予測寿命と、降伏応力あるいは０．２％耐力と、予測寿命と降伏応力を融合した評価関数のいずれかで定められることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記樹脂モールド体の両側の夫々に前記リードフレームが固定されており、少なくとも一方のリードフレームと前記金属スペーサが前記第２接合材で接合され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】
他方のリードフレームと別の金属スペーサが前記第２接合材で接合されており、前記別の金属スペーサと前記半導体素子が前記第１接合材で接合されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第２接合材がＳｎ−Ｃｕハンダ材であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第１接合材がＳｎ−Ｓｂハンダ材、Ｚｎ−Ａｌハンダ材、ニッケルナノ粒子、銀ナノ粒子のいずれかであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第１接合材が、前記金属スペーサと前記半導体素子との間の接合部分であって、拡散接合におけるインサート材が拡散した接合部分であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項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、半導体素子が樹脂でモールドされており、その半導体素子がモールド表面に露出するリードフレームと接合されている半導体装置に関する。そのような半導体装置は、半導体カード、あるいは、半導体パッケージと称されることがある。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車の走行用モータを駆動するインバータや電圧コンバータでは、大電流を扱う半導体素子を樹脂でモールドした半導体装置（半導体パッケージ）が用いられることがある（例えば、特開２００６−１７９６５５号公報を参照のこと）。そのような半導体素子の典型は、スイッチング回路に用いられるトランジスタである。以下では、半導体素子をモールドした樹脂の塊を「樹脂モールド体」と称することがある。樹脂モールド体は、射出成形にて形成される。樹脂モールド体の両側にはリードフレームと呼ばれる金属板が取り付けられる。樹脂モールド体の内部の半導体素子は夫々のリードフレームと接合される。リードフレームは、電極として用いられることもあれば、単なる放熱板として使われる場合もある。また、リードフレームと半導体素子の接合には、典型的には、ハンダ材が用いられる。しかし、接合にはハンダ材以外の材料、例えばＮｉナノ粒子等が用いられてもよい。以下では、リードフレームと半導体素子を接合する材料を接合材と称する。【０００３】
半導体素子を樹脂でモールドするのは、外部の塵や水分から半導体素子を保護するためと、半導体素子とリードフレームを接合している接合材の疲労劣化を抑制するためである。半導体素子とリードフレームは熱膨張率が異なるため、半導体素子が生じさせる熱サイクルで接合材に繰り返し応力が加わることになる。リードフレームの一部と半導体素子を樹脂でモールドすることで、半導体素子とリードフレームの変形が抑制される。その結果、接合材に加わる応力が抑制され、接合材の疲労劣化が抑制される。
【発明の概要】
【０００４】
樹脂でモールドしてあっても、疲労劣化は少しずつ進行する。疲労劣化が相当程度に進行すると、半導体素子を接合している接合材にクラックが生じることがある。半導体素子に接している接合材に生じるクラックは、半導体素子に悪影響を与える虞がある。そこで、本明細書は、接合材にクラックが生じる可能性が高まるほどに疲労劣化が進んでも、クラック発生が半導体素子に与える影響を低減する技術を提供する。
【０００５】
電流経路において半導体素子に直接に接している場所とは異なる場所で接合材が破損した場合、電気抵抗が上昇するが、破損に起因して半導体素子が受ける影響は小さい。そこで本明細書が開示する技術では、半導体素子とリードフレームの間に金属スペーサを配置する。そして、半導体素子と金属スペーサを第１接合材で接合し、金属スペーサとリードフレームを第２接合材で接合する。ここで、第２接合材には、強度が第１接合材の強度よりも低い材料を用いる。なお、金属スペーサは、導電性の金属ブロック、あるいは、金属板でよい。
【０００６】
上記の構成によれば、半導体素子とリードフレームの間で応力が繰り返し加わると、半導体素子と金属スペーサ間の接合部よりもリードフレームと金属スペーサ間の接合部で先にクラックが発生する。しかし、リードフレームと金属スペーサ間の接合部に生じたクラックは、半導体素子にダメージを与えることはない。あるいは、ダメージを与えても僅かである。従って、リードフレームと金属スペーサの間の接合部がダメージを受けて電気抵抗が上昇したとしても、半導体素子が被る影響は小さい。さらに、リードフレームと半導体素子の熱膨張率の違いに起因する歪みは、破損した接合部で吸収される。それゆえ、半導体素子と金属スペーサの間の接合部では応力が緩和され、その接合部は破損し難くなる。
【０００７】
別言すれば、本明細書が開示する技術は、半導体素子とリードフレームの間で、半導体素子と接しない部位にて相対的に脆弱な接合部を設け、最初にそこにクラックが生じるようにする。そうすることで半導体素子と接する接合部を保護し、ひいては疲労劣化により生じるクラックが半導体素子に与える影響を低減する。
【０００８】
本明細書が開示する技術では、第２接合材として、第１接合材よりも強度が低い材料を用いる。ここで、「強度」とは、応力集中に対する強さを意味し、物理的には２つの異なる指標のいずれかで定義し得る。一つの定義は、予め定められた基準に基づく予測寿命による定義である。予測寿命は、耐久試験やシミュレーションで決めることができる。例えば、所定の温度条件と荷重条件で繰り返し負荷を与える試験を実施し、クラックが発生するまでの繰り返し数が多いほど、強度が高い接合材であると特定する。なお、全ての半導体装置に共通する耐久試験は無いので、試験条件は半導体装置が使用される環境に応じて定められる。
【０００９】
「強度」に関する他の一つの定義は、降伏強度（降伏応力）の大きさによる定義である。降伏強度が大きいほど、強度が高い接合材であると特定できる。なお、降伏強度を定めることができない金属の場合、０．２％耐力で降伏強度の代替としてよい。「０．２％耐力」とは、明確な降伏点を有さない金属について、歪量が０．２％に達したときの応力で定められる。明確な降伏点を有さない金属については０．２％耐力の値を降伏強度の代替として採用することは、材料力学の技術分野で一般に広く用いられる手法である。本明細書では、「０．２％耐力」も「降伏強度」の一つとして扱う。
【００１０】
「強度」として予測寿命（例えば耐久試験の結果）を採用するか、降伏強度を採用するかは、半導体装置が使用される環境に依存する。変動の少ない平均的な繰り返し応力が継続して加わる環境化では、予測寿命で強度を定めることが好ましい。他方、応力の変動が比較的に大きく、長い時間を経ずに一度（あるいは数度）の大きな応力で接合材が破損する可能性が高い場合には、降伏応力で強度を定めることが好ましい。あるいは、予測寿命と降伏強度を融合した特別な評価関数を設定して強度を定めることも好適である。繰り返し述べるが、「強度」に唯一の基準はなく、本明細書が開示する技術における「強度」は、特定の基準に限られるものではない。本明細書が開示する技術的思想は、半導体素子の熱によって生じる繰り返し応力に対して第１接合材よりも先に破損する可能性の高い物質を第２接合材に選定することにある。
【００１１】
第１、第２接合材は、種類の異なるハンダ材であってもよいし、ハンダ材以外の接合材でもよい。半導体装置の技術分野では、ハンダ材を含む接合材は「ダイボンド」と総称される。ダイボンドには、ハンダ材のほか、ニッケルナノ粒子や、銀ナノ粒子が含まれる。さらには、接合材は、拡散接合におけるインサート材であってもよい。すなわち、拡散接合の場合、インサート材が拡散した接合部分そのものが、本明細書における「接合材」に含まれ得る。
【００１２】
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「発明を実施するための形態」にて説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施例の半導体装置の模式的斜視図である。
【図２】図１のII−II線矢視における断面図である。
【図３】第１接合材、第２接合材、素子の表面電極の降伏強度（０．２％耐力）の例を示すグラフである。
【図４】第２実施例の半導体装置の断面図である。
【図５】第３実施例の半導体装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１に、第１実施例の半導体装置２の模式的斜視図を示す。図２に、図１のII−II線矢視における断面図を示す。半導体装置２は、例えば電気自動車の走行用モータに電流を供給するインバータのスイッチング回路に用いられる。半導体装置２は、トランジスタ３を樹脂でモールドした構成を有している。トランジスタ３は、例えば、ＩＧＢＴや、ＳｉＣ基板を用いたＭＯＳトランジスタである。トランジスタ３が半導体素子の一例に相当する。
【００１５】
トランジスタ３をモールドする樹脂には、例えばエポキシ系の高強度の材料が用いられる。トランジスタ３をモールドしている樹脂全体を、樹脂モールド体１３と称する。樹脂モールド体１３は、直方体に成形されており、その最も広い２面にリードフレーム８ａ、８ｂ（電極板）が固定される。図２によく示されているように、リードフレーム８ａ、８ｂは、厚み方向にその半分が樹脂モールド体１３に埋設される。リードフレーム８ａ、８ｂは、導電体（金属）であり、トランジスタ３のエミッタとコレクタ（あるいは、ドレインとソース）に接続している。トランジスタ３のエミッタとコレクタは、トランジスタ３の表面に露出している。トランジスタ３の表面に露出している導電部は表面電極と称されることがある。リードフレーム８ａ、８ｂは、外部のデバイスと接続するためのトランジスタ３の電極端子に相当する。また、樹脂モールド体１３からは、トランジスタ３の制御電極１９が延出している。エミッタとコレクタに通じるリードフレーム８ａ、８ｂには大電流が流れるためこれらの電極には面積の大きい金属板（リードフレーム）が用いられ、ゲートに通じる制御電極１９には大電流が流れないため、細い金属棒が用いられる。
【００１６】
図２に示すように、トランジスタ３のエミッタ（あるいはコレクタ）に相当する一面（表面電極）は、第１のハンダ材５を介してリードフレーム８ｂに接合している。トランジスタ３のコレクタ（あるいはエミッタ）に相当する別の面（表面電極）は、第１のハンダ材５を介して金属スペーサ４の一方の面と接合している。金属スペーサ４の他方の面は、第２のハンダ材６を介して他方のリードフレーム８ａに接合している。別言すれば、金属スペーサ４は、リードフレーム８ａとトランジスタ３の間に位置し、その一方の面において第１のハンダ材５によってトランジスタ３と接合しており、一方の面とは反対側の他方の面において第２のハンダ材６によってリードフレーム８ａと接合している。後に詳しく説明するが、第２ハンダ材６の強度は、第１ハンダ材５の強度よりも低い。金属スペーサ４は、トランジスタ３とリードフレーム８ａの間で、トランジスタ３と接しない部位でハンダ材を用いるために挿入されている。そして、トランジスタ３と接しない場所で強度の低い第２ハンダ材６を用いる。
【００１７】
なお、金属スペーサ４は、トランジスタ３の厚みに対して樹脂モールド体１３の厚みが比較的に大きいため、その間の距離を埋める役割も果たす。金属スペーサ４は、導電性の金属ブロック、あるいは、金属板である。また、それぞれの場所のハンダ材は、ハンダ材の両側の材料を接合する接合部と称することもできる。
【００１８】
前述したように、第２ハンダ材６には、第１ハンダ材５よりも強度が低い材料が用いられる。「強度」の基準は、ここでは０．２％耐力が採用される。０．２％耐力が比較的に低い材料としては、Ｓｎ−Ｃｕハンダ材が知られている。Ｓｎ−Ｃｕハンダ材は、錫（Ｓｎ）を主成分とし、銅（Ｃｕ）が微量〜０．７（重量％）程度含有する合金である。第１ハンダ材５の候補としては、例えば、Ｓｎ−Ｓｂハンダ材、Ｚｎ−Ａｌハンダ材がある。Ｓｎ−Ｓｂハンダ材は、錫（Ｓｎ）を主成分とし、アンチモン（Ｓｂ）を５〜１３（重量％）程度含有する合金である。Ｚｎ−Ａｌハンダ材は、亜鉛（Ｚｎ）を主成分とし、アルミニウム（Ａｌ）を４〜６（重量％）程度含有する合金である。Ｓｎ−Ｓｂハンダ材、Ｚｎ−Ａｌハンダ材の０．２％耐力は、いずれも、Ｓｎ−Ｃｕハンダ材の０．２％耐力よりも高い。
【００１９】
図３に、トランジスタ３の表面電極とハンダ材の０．２％耐力の相違を模式的に表したグラフを示す。トランジスタ３の表面電極とは、トランジスタ３のチップの表面に露出している電極である。表面電極は、典型的には、ＡｌＳｉ合金（アルミニウム−シリコン合金）で作られている。図３の座標系は、縦軸が０．２％耐力であり、横軸が温度である。グラフＧ１は、第１ハンダ材（Ｓｎ−Ｓｂハンダ材やＺｎ−Ａｌハンダ材）の０．２％耐力を示しており、グラフＧ２は表面電極の０．２％耐力を示しており、グラフＧ３は第２ハンダ材（Ｓｎ−Ｃｕハンダ材）の０．２％耐力を示している。０．２％耐力はいずれも温度の上昇とともに低下するが、常に、第１ハンダ材＞表面電極＞第２ハンダ材の関係を満たしている。（なお、本明細書が開示する技術においては、表面電極＞第１ハンダ材＞第２ハンダ材であってもよい。）
【００２０】
すなわち、どの温度においても、第２ハンダ材の強度が最も低い。このことは、熱サイクルが繰り返されるうちに、第２ハンダ材が最も劣化が激しく、最も早くクラックが発生する可能性が高いことを示している。なお、熱サイクルは、半導体装置を長期間使っている間に、トランジスタ３の発熱によって生じる。
【００２１】
半導体装置２を長期間使っていると、強度が低い第２ハンダ材６、即ち、金属スペーサ４とリードフレーム８ａの接合部に最初にクラックが生じる。クラックが生じると、金属スペーサ４とリードフレーム８ａの間の電気抵抗が増加する。それゆえ、半導体装置２のパフォーマンスは低下する。しかし、トランジスタ３にはクラックは影響せず、トランジスタ３が破壊されることはない。
【００２２】
第２ハンダ材６を導入した別の利点を説明する。半導体装置２では、２枚のリードフレーム８ａ、８ｂの間に、トランジスタ３と金属スペーサ４が２種類のハンダ材５、６で積層され、接合されている。トランジスタ３が発熱すると、トランジスタやリードフレームなどの熱膨張率の相違に応じて各部品に応力が発生する。金属スペーサ４とリードフレーム８ａの間の接合部、即ち、第２ハンダ材６にクラックが生じると、接合力が低下し、金属スペーサ４とリードフレーム８ａが相対的にずれ易くなる。そうすると、金属スペーサ４とリードフレーム８ａの間のずれが、他の部分（トランジスタ３や第１ハンダ材５）に生じる応力を緩和する。それゆえ、トランジスタ３を接合している第１ハンダ材５の劣化が抑制される。すなわち、第２ハンダ材６にクラックが生じることで、第１ハンダ材５の劣化の進行が抑制される。
【００２３】
図４を参照して第２実施例の半導体装置２ａを説明する。この半導体装置２ａは、トランジスタ３の両側のそれぞれに金属スペーサ４ａ、４ｂを配置している。トランジスタ３の夫々の側において、トランジスタ３が第１ハンダ材５を介して金属スペーサ４ａ（４ｂ）と接合しており、金属スペーサ４ａ（４ｂ）の反対側にて第２ハンダ材６を介してリードフレーム８ａ（８ｂ）が接合している。別言すれば、半導体装置２ａでは、樹脂モールド体１３の両側の夫々にリードフレーム８ａ、８ｂが固定されており、夫々のリードフレーム８ａ、８ｂと金属スペーサ４ａ、４ｂが夫々第２接合材６で接合されており、２枚の金属スペーサ４ａ、４ｂの間にトランジスタ３が配置されており、２枚の金属スペーサ４ａ、４ｂの夫々は第１ハンダ材５を介してトランジスタ３に接合している。この構成では、リードフレーム８ａと金属スペーサ４ａの間の接合部（第２ハンダ材６）、及び、リードフレーム８ｂと金属スペーサ４ｂの間の接合部（第２ハンダ材６）が、トランジスタ３の両側の接合部（第１ハンダ材５）よりも強度が低い。従って、トランジスタ３の両側の接合部よりも、リードフレーム８ａと金属スペーサ４ａの間の接合部、あるいは、リードフレーム８ｂと金属スペーサ４ｂの間の接合部にて先にクラックが生じ得る。第１実施例の半導体装置２と比較すると、強度が低い接合部を２箇所設けているので、トランジスタ３の両側では一層クラックが生じ難くなる。
【００２４】
図５を参照して第３実施例の半導体装置２ｂを説明する。この半導体装置２ｂは、リードフレーム８ｂの上に第２ハンダ材６を介して金属スペーサ４が接合しており、その上に第１ハンダ材５を介してトランジスタ３が接合している。別言すれば、トランジスタ３とリードフレーム８ｂの間に金属スペーサ４が配置され接合している。また、トランジスタ３と別のリードフレーム８ａはワイヤボンディング１５で電気的に接続している。リードフレーム８ｂの上で、トランジスタ３と金属スペーサ４が樹脂でモールドされている。リードフレーム８ａは細板状の金属棒であり、その一端が樹脂に埋設されており、他端が樹脂から露出ししている。一方のリードフレーム８ａとトランジスタ３がワイヤボンディングで接続されている点が、前述の半導体装置２、２ａと異なる。第３実施例の半導体装置２ｂでも、リードフレーム８ｂとトランジスタ３の間に金属スペーサ４が配置され、金属スペーサ４とトランジスタ３は第１ハンダ材５で接合しており、金属スペーサ４とリードフレーム８ｂは第２ハンダ材６で接合している。従って、トランジスタ３と金属スペーサ４の接合部よりも金属スペーサ４とリードフレーム８ｂの間の接合部に先にクラックが生じ易く、トランジスタ３に接する位置でクラックが発生することが抑制される。第３実施例の半導体装置２ｂも、前述した半導体装置２、２ａと同じ利点を有する。
【００２５】
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。第１ハンダ材５は、第１接合材の一例であり、第２ハンダ材６は、第２接合材の一例である。実施例では、接合材（ハンダ材）の強度の基準として０．２％耐力を用いた。強度の基準は０．２％耐力に限られない。接合材の降伏応力が測定できる場合には、強度の基準として降伏応力を適用してもよい。あるいは、強度の基準として、予め定められた予測寿命を適用してもよい。予測寿命は、寿命試験や、寿命を評価するシミュレーションで得られる。なお、材料の「強度」には様々な定義が存在する。本明細書が開示する技術では、どのような強度の定義を用いてもよい。
【００２６】
実施例では、第１ハンダ材５の候補としてＳｎ−Ｓｂハンダ材やＺｎ−Ａｌハンダ材を示し、第２ハンダ材６の候補としてＳｎ−Ｃｕハンダ材を示した。第１接合材、第２接合材は、それらのハンダ材に限られない。第２接合材は、第１接合材よりも強度が低いものであればよい。第１接合材の他の候補としては、Ｎｉナノ粒子やＡｇナノ粒子が挙げられる。これらのナノ粒子は、２つの金属を接合する接合材として知られている。また、接合材としてのＮｉナノ粒子やＡｇナノ粒子は、Ｓｎ−Ｃｕハンダ材よりも０．２％耐力が高い。さらに、トランジスタと金属スペーサの結合には、Ｃｕ（銅）を母材とし、Ｓｎ（錫）をインサート材として用いてＣｕＳｎを形成する液相拡散結合（ＴＬＰ：Transient Liquid Phase Diffusion Bonding）や、Ｎｉ（ニッケル）を母材とし、Ｓｎ（錫）をインサート材として用いてＮｉＳｎを形成する液相拡散結合も好適である。これらの強度も、Ｓｎ−Ｃｕハンダ材の強度よりも高い。なお、液相拡散結合の場合、インサート材が拡散した領域が「接合材」に相当する。
【００２７】
本明細書が開示する技術は、トランジスタをモールドする半導体装置に限られない。トランジスタ以外、例えば、ダイオードをモールドする半導体装置に適用することも好適である。
【００２８】
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。
【図１】
0006028810.tif 000002
【図２】
0006028810.tif 000003
【図３】
0006028810.tif 000004
【図４】
0006028810.tif 000005
【図５】
0006028810.tif 000006