(57)【要約】【課題】本発明では、接合部を拘束でき、接合部のひずみを低減することができる半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置１は、リードフレーム３と、リードフレーム３に接合部２１を介して接合された半導体素子４と、リードフレーム３と半導体素子４とを覆う封止樹脂体５と、を備えている。リードフレーム３には、凹部３１が設けられ、凹部３１の底面３１ａ上には、接合部２１が配置され、封止樹脂体５は、高分子樹脂およびフィラーを含み、かつ、接合部２１の側面２１ａを覆うように凹部３１に充填されている充填部分５１を形成しており、少なくとも充填部分５１には、充填部分５１の線膨張係数がリードフレーム３の線膨張係数より大きくなるように、前記フィラーが含まれている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
リードフレームと、前記リードフレームに接合部を介して接合された半導体素子と、前記リードフレームと前記半導体素子とを覆う封止樹脂体と、を備えた半導体装置であって、
前記リードフレームには、凹部が設けられ、
前記凹部の底面上には、前記接合部が配置され、
前記封止樹脂体は、高分子樹脂およびフィラーを含み、かつ、前記接合部の側面を覆うように前記凹部に充填されている充填部分を形成しており、
少なくとも前記充填部分には、前記充填部分の線膨張係数が前記リードフレームの線膨張係数より大きくなるように、前記フィラーが含まれてい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、リードフレームと、リードフレームに接合部を介して接合された半導体素子と、リードフレームと半導体素子とを覆う封止樹脂体と、を少なくとも備えた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の技術としては、たとえば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の半導体素子とリードフレームとを接合部を介して接合した接合体を、封止樹脂体で封止した半導体装置が知られている。この半導体装置では、熱伝導性の改善など所望の物性を得るために、封止樹脂体にフィラーを含ませることがある。
【０００３】
このような半導体装置として、特許文献１には、フィラーを含ませた封止樹脂体で、リードフレームと、リードフレームに接合部を介して接合された半導体素子と、を覆っている半導体装置が開示されている。この半導体装置では、封止樹脂体の線膨張係数を半導体素子、リードフレーム、および接合部の線膨張係数に近づけることで、これらの線膨張係数の差から発生する、封止樹脂体とこれらの部材との応力を低減することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１１１４３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の半導体装置では、例えば、繰り返される半導体素子の温度変化に起因して半導体素子とリードフレームとの接合部の一部が封止樹脂体から剥離する場合がある。この場合、接合部と封止樹脂体とが密着していない状態では、接合部の線膨張係数は、半導体素子の線膨張係数より大きいため、半導体素子の高温時に、半導体素子と接合部との間に熱応力が発生する。この結果、接合部には、ひずみが発生し、接合部に割れが入る可能性がある。
【０００６】
本発明は上記点に鑑みてなされたものであり、本発明では、熱応力により発生する接合部のひずみを低減することができる半導体装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、発明者が、鋭意検討を重ねた結果、半導体素子が高温になった際に、接合部周辺の封止樹脂体を膨張させて、封止樹脂体で接合部の側面を圧縮することにより、接合部と封止樹脂体との密着度合いによらず接合部を拘束して接合部のひずみを低減することができると考えた。
【０００８】
本発明は、このような考えに基づいてなされたものであり、本発明の半導体装置は、リードフレームと、前記リードフレームに接合部を介して接合された半導体素子と、前記リードフレームと前記半導体素子とを覆う封止樹脂体と、を備えたものである。前記リードフレームには、凹部が設けられ、前記凹部の底面上には、前記接合部が配置され、前記封止樹脂体は、高分子樹脂およびフィラーを含み、かつ、前記接合部の側面を覆うように前記凹部に充填されている充填部分を形成しており、少なくとも前記充填部分には、前記充填部分の線膨張係数が前記リードフレームの線膨張係数より大きくなるように、前記フィラーが含まれていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、接合部は、リードフレームの凹部の底面上に配置されている。接合部の側面は、高分子樹脂およびフィラーを含む封止樹脂体の充填部分により覆われている。充填部分には、充填部分の線膨張係数がリードフレームの線膨張係数より大きくなるように、フィラーが含まれている。これにより、半導体素子の高温時に、その熱が周辺の封止樹脂体に伝導した場合、凹部内で充填部分が膨張しようとするため、接合部の側面は充填部分により圧縮される。この結果、接合部が充填部分により拘束され、接合部のひずみを抑制することができる。凹部の開口部から底面までの深さは、接合部の厚み以上であることが望ましい。
【００１０】
ここで、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）からなる基板を積層してなるＤＢＡ（絶縁基板）、ヒートシンクなども包含されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】（ａ）は、第１実施形態に係る半導体装置の模式的断面図であり、（ｂ）は、（ａ）の半導体装置に係る半導体素子とリードフレームとを接合する接合部近傍の模式的な拡大断面図である。
【図２】第１実施形態の変形例に係る半導体素子とリードフレームとを接合する接合部近傍の模式的な拡大断面図である。
【図３】第２実施形態に係る半導体素子とリードフレームとを接合する接合部近傍の模式的な拡大断面図である。
【図４】第２実施形態の変形例に係る半導体素子とリードフレームとを接合する接合部近傍の模式的な拡大断面図である。
【図５】（ａ）は、従来の半導体装置の模式的断面図であり、（ｂ）は、剥離部が形成された（ａ）の半導体装置に係る半導体素子とリードフレームとを接合する接合部近傍の模式的な拡大断面構造図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、図１〜４を参照して、本発明の２つの実施形態とこれらの変形例について説明する。
【００１３】
＜第１実施形態＞
図１（ａ）は、第１実施形態に係る半導体装置１の模式的断面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）の半導体装置１に係る半導体素子４とリードフレーム３とを接合する接合部２１近傍の模式的な拡大断面図である。
【００１４】
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）に示す形態では、半導体装置１は、半導体素子４のコレクタ側に配置された１つのリードフレーム３とエミッタ側に配置された１つのリードフレーム７との間に、半導体素子４を備えた積層部１１が２つ並列に配置されている。２つの積層部１１は同じ構造を有しているため、以下に、１つの積層部１１とリードフレーム３、７とを参照して、本実施形態の半導体装置１の部材について説明をする。
【００１５】
本実施形態の半導体装置１は、リードフレーム３と、リードフレーム３に接合部２１を介して接合された半導体素子４と、リードフレーム３および半導体素子４を覆う封止樹脂体５と、を少なくとも備えている。
【００１６】
さらに、本実施形態の半導体装置１では、スペーサーとなるブロック６およびリードフレーム７を備えている。半導体素子４には、ブロック６と、リードフレーム７とが順に配置されており、半導体素子４とブロック６とは、接合部２２を介して接合され、ブロック６とリードフレーム７とは、接合部２３を介して接合されている。封止樹脂体５は、封止樹脂体５との密着性を高めるプライマ層（不図示）を介して、積層部１１（半導体素子４、ブロック６、および接合部２１〜２３）の表面およびリードフレーム３，７の対向する表面を覆っている。
【００１７】
リードフレーム３，７は、Ａｌやその合金、Ｃｕやその合金などからなってもよいが、これらを基材として、リードフレーム３，７の表面に、Ｎｉめっき層が形成され、Ｎｉめっき層の表面にＡｕめっき層が形成されていてもよい。
【００１８】
半導体素子４としては、Ｓｉ素子が挙げることができる。接合部２１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−Ｚｎ系はんだ、Ｓｎ−Ｓｂ系はんだなどを挙げることができる。同様に、接合部２２，２３は、接合部２１と同様の材料を使用してよい。なお、ブロック６は、半導体装置１の高さを調整するものであり、材料としては、例えば、Ｃｕなどを挙げることができる。
【００１９】
封止樹脂体５は、高分子樹脂およびフィラーを含む。高分子樹脂は封止樹脂体５の基材となるものであり、高分子樹脂として、エポキシ系熱硬化性樹脂を用いることができる。フィラーは、封止樹脂体５に所望の物性を付与するものであり、フィラーとして、シリカ、アルミナ、および酸化マグネシウムなどの破砕状または球状のフィラーの少なくとも１種類以上を用いることができる。
【００２０】
なお、プライマ層（不図示）の材料としては、たとえば、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、およびウレタン樹脂などを挙げることができる。
【００２１】
本実施形態では、従来とは異なり、図１（ｂ）に示すように、リードフレーム３には、凹部３１が設けられている。凹部３１は、底面３１ａと、開口部３１ｂと、側面３１ｃとで形成される空間である。凹部３１の底面３１ａ上には、接合部２１が配置され、凹部３１の開口部３１ｂから底面３１ａまでの深さＤは、接合部２１の厚みＨ以上である。これにより、凹部３１は、凹部３１の側面３１ｃで接合部２１の側面２１ａを囲むようにして、接合部２１を凹部３１に収めることができる。
【００２２】
また、封止樹脂体５は、接合部２１の側面２１ａを覆うように凹部３１に充填されている充填部分５１を形成している。さらに、少なくとも充填部分５１には、充填部分５１の線膨張係数がリードフレーム３の線膨張係数より大きくなるように、フィラーが含まれている。これにより、半導体素子４が高温に発熱した場合、充填部分５１の熱膨張量が、リードフレーム３のものより大きくなる。
【００２３】
ここで、本明細書では、充填部分５１の線膨張係数とは、高分子樹脂とフィラーとを含む充填部分５１の見かけの線膨張係数をいう。また、リードフレーム３の線膨張係数とは、リードフレーム３を構成する基材の線膨張係数をいう。
【００２４】
例えば、リードフレーム３が銅（線膨張係数１６〜１８ｐｐｍ／Ｋ）で構成されている場合、充填部分５１の線膨張係数は、線膨張係数２８〜３７ｐｐｍ／Ｋの範囲にあることが好ましい。このような充填部分５１の線膨張係数の範囲は、封止樹脂体５に添加するフィラーの種類および含有量を調整することにより、決定することができる。なお、本実施形態では、後述する第２実施形態とは異なり、充填部分５１を含む封止樹脂体５に含まれるフィラーの種類および含有量は同じである。
【００２５】
ここで、図５（ａ）および（ｂ）を参照して、従来の半導体装置１について説明する。図５（ａ）は、従来の半導体装置１の模式的断面図であり、図５（ｂ）は、剥離部８が形成された（ａ）の半導体装置１に係る半導体素子４とリードフレーム３とを接合する接合部２１近傍の模式的な拡大断面図である。なお、本実施形態と同じ部材および部分に関しては、同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００２６】
従来では、図５（ａ）に示すように、半導体装置１は、本実施形態とは異なり、平板状のリードフレーム３に接合部２１が配置されている。また、半導体素子４、リードフレーム３、および、接合部２１と、封止樹脂体５との応力を低減するように、封止樹脂体５は、封止樹脂体５の線膨張係数が、半導体素子４、リードフレーム３、および接合部２１の線膨張係数に近づくようにフィラーを含んでいる。なお、半導体素子４の線膨張係数は、リードフレーム３よりも小さいため、封止樹脂体５の線膨張係数を、これらの部材の線膨張係数に近づけた場合、フィラーを含む封止樹脂体５の線膨張係数は、リードフレーム３の線膨張係数よりも、小さくなる傾向なる。
【００２７】
このような従来の半導体装置１では、例えば、半導体素子４の繰り返される温度変化により、図５（ｂ）に示すように、接合部２１の一部が封止樹脂体５から剥離した剥離部８が形成される場合がある。一般的に、半導体素子４の線膨張係数（数ｐｐｍ／Ｋ）より接合部２１の線膨張係数（２０ｐｐｍ／Ｋ以上）のほうが大きい。そのため、剥離部８が形成した状態など、封止樹脂体５と接合部２１とが良好に密着していない状態では、半導体素子４が発熱により高温になると、接合部２１が半導体素子４に対して膨張しようとする。この結果、接合部２１のひずみが大きくなり、半導体装置１の信頼性が低下する。
【００２８】
一方、図１（ｂ）に示すように、本実施形態によれば、凹部３１内に収まるように配置された接合部２１の側面２１ａが、封止樹脂体５のうち凹部３１内に充填された充填部分５１により覆われている。充填部分５１には、充填部分５１の線膨張係数がリードフレーム３の線膨張係数より大きくなるように、フィラーが含まれている。
【００２９】
これにより、半導体素子４の高温時に、その発熱した熱が周辺の封止樹脂体５に伝導すると、凹部３１の容積よりも充填部分５１が大きく膨張しようとするため、接合部２１の側面２１ａには圧縮応力が加わる（図１（ｂ）矢印Ｐを参照）。この結果、封止樹脂体５と接合部２１とが良好な密着性を確保することができない場合であっても、半導体素子４の発熱時に、接合部２１は充填部分５１により拘束されるため、接合部２１のひずみを抑制することができる。
【００３０】
次に、本実施形態の半導体装置１の製造方法の概略を以下に説明する。
まず、凹部３１の形成工程を行う。この工程では、リードフレーム３を準備し、リードフレーム３の半導体素子４を搭載する面に、所定の大きさの開口部３１ｂを有し、かつリードフレーム３の厚さ方向に深さＤを有するように、凹部３１を２個並列して形成する。このような凹部３１，３１は、機械加工で形成することができる。
【００３１】
上述した形成工程の次に、接合工程を行う。この工程では、凹部３１，３１の底面３１ａ，３１ａ上に接合部２１，２１を介して半導体素子４，４を接合する。この接合では、各半導体素子４が各凹部３１内に収まるように、各接合部２１の厚みＨを各凹部３１の深さＤ以下にする。次いで、半導体素子４，４の上に接合部２２，２２を介してブロック６，６を搭載した後、ブロック６，６の上に１つのリードフレーム７を、接合部２３，２３を介して接合する。これにより、リードフレーム３とリードフレーム７との間に二つの積層部１１が形成される。
【００３２】
このような接合工程の後に、プライマ層（不図示）を形成する工程を行う。この工程では、リードフレーム３，７、各接合部２１〜２３、各半導体素子４、各ブロック６の表面に、例えばスピンコートにより溶液状のプライマを塗布して、乾燥させて、プライマ層を形成する。
【００３３】
次に、封止工程を行う。この工程では、リードフレーム３と半導体素子４とを覆うように封止樹脂体５を成形する。具体的には、封止樹脂体５の線膨張係数がリードフレーム３の線膨張係数より大きくなるように、エポキシ樹脂など高分子樹脂およびフィラーを含む組成物を予め調製しておく。次いで、プライマ層（不図示）を介して、リードフレーム３，７、各接合部２１〜２３、各半導体素子４、各ブロック６の表面を覆うように、調製した組成物をポッティングし、これを硬化させる。
【００３４】
これにより、プライマ層（不図示）を介して、リードフレーム３，７、各接合部２１〜２３、各半導体素子４、各ブロック６の表面を覆うように封止樹脂体５が成形される。ここで、本実施形態では、接合部２１が凹部３１内に配置されているため、接合部２１の側面２１ａを覆うように凹部３１の側面３１ｃと接合部２１の側面２１ａとの間に充填された封止樹脂体５の充填部分５１が成形される。
【００３５】
最後に、外装処理工程を行う。この工程では、封止樹脂体５が成形された半導体装置１に対して、切削などの外装処理を施し、所定の形状にする。これにより、図１（ａ）および（ｂ）に示す本実施形態の半導体装置１を取得することができる。
【００３６】
＜第１実施形態の変形例＞
図２は、第１実施形態の変形例に係る半導体素子４とリードフレーム３とを接合する接合部２１近傍の模式的な拡大断面図である。図２に示すように、本変形例では、半導体装置１のリードフレーム３の構造が上述した実施形態のものとは異なる。よって、以下に相違点について主に説明し、上述した実施形態と同じ部材および部分に関しては、同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００３７】
本変形例では、リードフレーム３は、リードフレーム本体３３とリードフレーム本体３３上に接合部２１の側面２１ａを囲むように配置された枠部３２とで構成されている。ここでは、凹部３１は、リードフレーム本体３３の上面と枠部３２の内側壁面とで形成され、枠部３２の高さが凹部３１の開口部３１ｂから底面３１ａまでの深さＤに相当する。
【００３８】
本変形例の半導体装置１の製造方法では、上述した製造方法の凹部３１を形成する工程において、リードフレーム本体３３上の所定の位置に枠部３２を二個並列して凹部３１を形成する。このような枠部３２，３２は、機械加工で形成することができる。この点以外は上述した製造方法と同様にして本変形例の半導体装置１を製造することができる。
【００３９】
このように、構成された半導体装置１であっても、上述した第１実施形態に係る半導体装置１と同様の効果を奏することは勿論のことである。
【００４０】
＜第２実施形態＞
図３は、第２実施形態に係る半導体素子４とリードフレーム３とを接合する接合部２１近傍の模式的な拡大断面図である。第２実施形態に係る半導体装置１が第１実施形態のものと相違する点は、充填部分５１のみに、充填部分５１の線膨張係数をリードフレーム３の線膨張係数より大きくなるようにフィラーが含まれている点である。よって、以下に相違点を主に説明し、その他の詳細な説明は省略する。
【００４１】
図３に示すように、第２実施形態では、封止樹脂体５は、充填部分（第１封止樹脂体）５１と、充填部分５１以外の部分（第２封止樹脂体）５２と、で構成されている。第１封止樹脂体５１のみに、第１封止樹脂体５１の線膨張係数をリードフレーム３の線膨張係数より大きくなるようにフィラーが含まれている。
【００４２】
なお、第２封止樹脂体５２は、フィラーを含まない、または、第２封止樹脂体５２には、第１封止樹脂体５１の線膨張係数をリードフレーム３の線膨張係数以下となるように、フィラーが含まれていてもよい。たとえば、第２封止樹脂体５２には、第１封止樹脂体５１とは異なる物性を発揮するようにフィラーが含まれていてもよい。異なる物性としては、封止樹脂体５全体の反りの抑制や封止樹脂体５の強度の向上などが挙げることができる。たとえば、第１封止樹脂体５１と第２封止樹脂体５２とに含有するフィラーは同じ材料および同じ材料からなるフィラーであり、第２封止樹脂体５２のフィラーの含有率を、第１封止樹脂体５１のフィラーの含有率よりも高くしてもよい。
【００４３】
第２実施形態の半導体装置１の製造方法では、第１実施形態に係る製造方法の封止工程において、第１封止樹脂体５１に相当する樹脂を各凹部３１内にポッティングした後、これを硬化させて、各第１封止樹脂体５１を成形する。
【００４４】
次いで、成型した各第１封止樹脂体５１と、プライマ層が形成されたリードフレーム３，７、各接合部２２，２３、各半導体素子４、および各ブロック６との表面を覆うように第２封止樹脂体５２に相当する樹脂をポッティングし、これを硬化させる。これにより、第２封止樹脂体５２が成形される。このような第１封止樹脂体５１および第２封止樹脂体５２の形成以外は、上述した第１実施形態の半導体装置１の製造方法と同様である。
【００４５】
本実施形態によれば、特性の異なる２種類の第１および第２封止樹脂体５１，５２を備えることにより、第１封止樹脂体５１で、第１実施形態の如く、接合部２１を拘束してひずみを防止する効果を発揮しながら、さらに、第２封止樹脂体５２で、ひずみ防止効果とは異なる所望の効果を発揮することができる。
【００４６】
＜第２実施形態の変形例＞
図４は、第２実施形態の変形例に係る半導体素子４とリードフレーム３とを接合する接合部２１近傍の模式的な拡大断面構造を説明する図である。本変形例では、リードフレーム３が上述した第１実施形態の変形例と同様の構成を有する点が、第２実施形態のものとは異なる。よって、以下に第２実施形態との相違点を主に説明し、その他の詳細な説明は省略する。
【００４７】
図４に示す本変形例では、第１実施形態の変形例の如く、リードフレーム３は、リードフレーム本体３３と枠部３２とで構成されている。凹部３１は、リードフレーム本体３３の上面と枠部３２の内側壁面とで形成され、枠部３２の高さが凹部３１の開口部３１ｂから底面３１ａまでの深さＤに対応する。
【００４８】
本変形例の半導体装置１の製造方法では、上述した第１実施形態の変形例に係る製造方法の如く、第１実施形態の製造方法に係る凹部３１の形成工程において、リードフレーム本体３３上の所定の位置に枠部３２を二個並列して凹部３１，３１を形成する。このような枠部３２，３２は、機械加工で形成することができる。この点以外は上述の第２実施形態の製造方法と同様にして、本変形例の半導体装置１を製造することができる。このような構成を有する本変形例であっても、第２実施形態と同様の効果を奏することは勿論のことである。
【００４９】
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。
【００５０】
たとえば、上述した実施形態およびこれらの変形例ではリードフレーム３に充填部分５１が充填された凹部３１設けたが、リードフレーム７に上述した実施形態およびこれらの変形例の如く、充填部分５１が充填された凹部３１を設けてもよい。
【符号の説明】
【００５１】
１：半導体装置、３：リードフレーム、２１：接合部、２１ａ：接合部の側面、４：半導体素子、５：封止樹脂体、３１：凹部、３１ａ：底面、３１ｂ：開口部、５１：充填部分、Ｄ：開口部から底面までの深さ、Ｈ：接合部の厚み
【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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