(57)【要約】【課題】半導体チップを樹脂モールドした半導体装置において、より高温下においても樹脂剥離を防止することが可能な構造を提供する。【解決手段】樹脂モールド部８と各構成部品との間に備えられた接着層１３を単一層ではなく第１層１３ａおよび第２層１３ｂの２層構造とし、それぞれを密着付与樹脂層と応力散逸樹脂層として別々に機能させる。すなわち、第１層１３ａによって各構成部品と樹脂モールド部８との間における高い接着力を確保すると共に、第２層１３ｂによって応力散逸を行い、構成部材間の接着力確保と応力散逸構造の両立を図る。これにより、高い密着力を確保して各構成部品と樹脂モールド部８との間の剥離を防止しつつ、高温下における応力散逸が可能となって、２００〜２５０℃という高温下においても、各構成部品と樹脂モールド部８との間の剥離防止が可能となる。【選択図】図１
2015050222.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面および裏面を有し、半導体素子が形成された半導体チップ（１）と、
前記半導体チップを含む構成部品を樹脂モールドする樹脂モールド部（８）と、
前記樹脂モールド部と前記構成部品との間に配置された接着層（１３）とを有し、
前記接着層は、前記構成部品の表面に配置される有機樹脂にて構成されると共に前記構成部品に対して接着された第１層（１３ａ）と、前記樹脂モールド部と接着された第２層（１３ｂ）とを有する二層構造を有した構成とされており、２００〜２５０℃の温度範囲における損失係数ｔａｎδについて、前記第１層の方が前記第２層よりも小さくされていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第１層は、２００〜２５０℃の温度範囲における損失係数δが０＜ｔａｎδ≦０．３の有機樹脂であ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】
前記第１層を構成する有機樹脂は、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリイミドシリコーンのいずれか１つであ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層は、２００〜２５０℃の温度範囲における損失係数δが１．０≦ｔａｎδ＜２の有機樹脂であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第２層を構成する有機樹脂は、ポリイミドもしくはポリアミドイミドであることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記構成部品には、
前記半導体チップの表面側に接続される第１ヒートシンク（３）と、
前記半導体チップの裏面側に接続される第２ヒートシンク（４）と、を有し、
前記樹脂モールド部に、前記第１および第２ヒートシンクが前記半導体チップと反対側の面を露出させた状態でモールドされており、前記第１および第２ヒートシンクのうち前記樹脂モールド部から露出させられた面から放熱を行うように構成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つ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、半導体チップを樹脂モールドした半導体装置に関するものであり、例えば半導体チップおよびヒートシンクを共に樹脂モールドする半導体装置に適用されると好適である。
【背景技術】
【０００２】
従来、特許文献１に、半導体チップおよびヒートシンクを共に樹脂モールドする半導体装置において、樹脂剥離を防止すべく、半導体チップやヒートシンクの表面にポリアミド樹脂層を配置する構造が提案されている。このような構造とすることで、半導体チップやヒートシンクとモールド樹脂との間の接着力を向上させることが可能となり、高温下においても半導体チップやヒートシンクからの樹脂剥離を防止することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１２４４０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記したようなポリアミド樹脂によって半導体チップやヒートシンクとモールド樹脂との間の接着力を高めるようにする構造としても、２００℃以上という高温下ではその接着力以上の応力が発生して剥離が生じてしまう。特に、半導体材料として炭化珪素（以下、ＳｉＣという）が用いられる場合においては、シリコン半導体と比較して、例えば２００〜２５０℃というより高温下での機能保障が求められる。
【０００５】
本発明は上記点に鑑みて、半導体チップを樹脂モールドした半導体装置において、より高温下においても樹脂剥離を防止することが可能な構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、表面および裏面を有し、半導体素子が形成された半導体チップ（１）と、半導体チップを含む構成部品を樹脂モールドする樹脂モールド部（８）と、樹脂モールド部と構成部品との間に配置された接着層（１３）とを有し、接着層は、構成部品の表面に配置される有機樹脂にて構成されると共に構成部品に対して接着された第１層（１３ａ）と、樹脂モールド部と接着された第２層（１３ｂ）とを有する二層構造を有した構成とされており、２００〜２５０℃の温度範囲における損失係数ｔａｎδについて、第１層の方が第２層よりも小さくされていることを特徴としている。
【０００７】
このように構成された半導体装置では、樹脂モールド部と各構成部品との間に備えられた接着層を単一層ではなく第１層および第２層の２層構造とし、それぞれが密着付与樹脂層と応力散逸樹脂層として別々に機能する。すなわち、第１層によって各構成部品と樹脂モールド部との間における高い接着力を確保できると共に、第２層によって応力散逸が行え、構成部材間の接着力確保と応力散逸構造の両立を図ることが可能となる。このため、高い密着力を確保して各構成部品と樹脂モールド部８との間の剥離を防止しつつ、高温下における応力散逸が可能となって、２００〜２５０℃という高温下においても、各構成部品と樹脂モールド部との間の剥離防止が可能となる。
【０００８】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる半導体装置の断面構成を示す図である。
【図２】半導体装置の温度Ｔｅｍｐ［℃］と貯蔵弾性率Ｅ’［Ｐａ］および損失係数ｔａｎδとの関係を示した図である。
【図３】実験に用いた各種材料ａ〜ｅの種類とＴｇ／℃およびｔａｎδの最大値を示した図表である。
【図４】図３に示す材料を用いた実験結果を示す図表である。
【図５】図３に示す材料を用いた実験結果を示す図表である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
【００１１】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態にかかる半導体装置について説明する。図１に示すように、本実施形態にかかる半導体装置は、半導体チップ１、金属ブロック２、ヒートシンク３、４、リードフレーム５〜７などを備え、これらが樹脂モールド部８によって樹脂モールドされることで一体化された構造とされている。
【００１２】
半導体チップ１は、ＳｉＣ基板にＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどの半導体パワー素子もしくはショットキーバリアダイオードなどの半導体素子を形成したものをチップ化したものである。本実施形態では、半導体パワー素子としてＭＯＳＦＥＴを形成してある。半導体チップ１は、表面および裏面を有した矩形板状とされている。そして、本実施形態の場合、半導体チップ１の表面側にゲート電極やソース電極が配置され、裏面側にドレイン電極が配置された構造とされている。
【００１３】
金属ブロック２は、半導体チップ１の表面とヒートシンク３とを電気的および熱的に接続するものであり、例えば電気伝導率および熱伝達率の大きな銅などによって構成されている。具体的には、金属ブロック２は、表面および裏面を有する長方体とされている。そして、金属ブロック２の裏面側がはんだ等の接合材料９を介して半導体チップ１の表面側におけるＭＯＳＦＥＴのソース電極と、金属ブロック２の表面側がはんだ等の接合材料１０を介してヒートシンク３と、それぞれ電気的および熱的に接続されている。
【００１４】
ヒートシンク３、４は、半導体チップ１から伝えられる熱を広範囲に拡散させて放出する放熱板として機能する。例えば、ヒートシンク３、４は、電気伝導率および熱伝達率の高い銅をベースとして形成されるが、必要に応じて表面が金メッキなどされた構造とされる。一方のヒートシンク３は、金属ブロック２を介して半導体チップ１の表面側におけるＭＯＳＦＥＴのソース電極と電気的および熱的に接続されることで、放熱板としての機能に加えて、ＭＯＳＦＥＴのソース電極に接続される配線としても機能している。また、他方のヒートシンク４は、はんだ等の接合部材１１を介して半導体チップ１の裏面側におけるＭＯＳＦＥＴのドレイン電極と電気的および熱的に接続されている。このため、ヒートシンク４は、放熱板としての機能に加えて、ＭＯＳＦＥＴのドレイン電極に接続される配線としても機能している。これら各ヒートシンク３、４は、半導体チップ１と反対側の一面が樹脂モールド部８から露出させられており、その露出面を通じて放熱が行える構成とされている。
【００１５】
リードフレーム５は、ヒートシンク３に一体化もしくは接続されたもので、樹脂モールド部８の外部まで引き出され、ＭＯＳＦＥＴのソース電極と外部との電気的接続を行う配線として機能する。リードフレーム６は、ヒートシンク４に一体化もしくは接続されたもので、樹脂モールド部８の外部まで引き出され、ＭＯＳＦＥＴのドレイン電極と外部との電気的接続を行う配線として機能する。リードフレーム７は、ヒートシンク４から離間した位置に配置され、樹脂モールド部８の外部まで引き出されている。このリードフレーム７は、ボンディングワイヤ１２を介してＭＯＳＦＥＴのゲート電極と電気的に接続され、ゲート電極と外部との電気的接続を行う配線として機能する。
【００１６】
樹脂モールド部８は、エポキシ系樹脂等の高耐熱性の樹脂によって構成されている。樹脂モールド部８は、上記した各構成部品（半導体チップ１、金属ブロック２、ヒートシンク３、４、リードフレーム５〜７等）の接続を終えたものを成形型内に設置したのち、その成形型内に樹脂を注入してモールド化することで構成される。この樹脂モールド部８は、上記した各構成部品を覆いつつ、各リードフレーム５〜７の一端を露出させると共に、ヒートシンク３、４の一面側を露出させるように構成されている。
【００１７】
このようにして、半導体装置の基本構造が構成されている。そして、このように構成された半導体装置において、樹脂モールド部８と各構成部品との間の接着力の向上および応力散逸を行うために、各構成部品の表面に、２層構造の接着層１３を備えている。
【００１８】
接着層１３のうち各構成部品の表面に形成された第１層１３ａは、各構成部品との接着力を向上する密着付与樹脂層を構成するものである。具体的には、第１層１３ａは、各構成部品との間において少なくとも樹脂モールド部８を各構成部品の表面に接するように形成した場合よりも高い接着力を有し、２００〜２５０℃の高温下においてガラス状態になる有機樹脂層によって構成されている。すなわち、第１層１３ａは、２００〜２５０℃の温度範囲において損失係数ｔａｎδが、０＜ｔａｎδ≦０．３を満たし、ガラス転移しておらずガラス状態になる有機樹脂で構成されている。例えば、第１層１３ａとしては、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリイミドシリコーンなどを適用できる。この第１樹脂層１３ａは、例えばモールド前に構成部品を第１樹脂層１３ａの構成材料を含む有機樹脂溶液に浸したり、スプレー塗布することなどによって形成される。
【００１９】
また、接着層１３のうち樹脂モールド部８と接する側、つまり第１層１３ａの表面に形成された第２層１３ｂは、各構成部品と樹脂モールド部８との間の応力を散逸する応力散逸樹脂層を構成するものであり、２００〜２５０℃の高温下において応力散逸可能な有機樹脂層によって構成されている。第２層１３ｂと樹脂モールド部８との間の接着力についても高くなっており、少なくとも樹脂モールド部８を各構成部品の表面に接するように形成した場合よりも高い接着力を有している。ここでは、第２層１３ｂは、２００〜２５０℃の温度範囲において損失係数ｔａｎδの分散ピーク（以下、ｔａｎδ分散ピークという）が、１．０≦ｔａｎδ＜２の範囲に含まれる樹脂材料で構成されている。例えば、第２層１３ｂとしては、ポリイミド、ポリアミドイミドなどを適用できる。この第２樹脂層１３ｂは、第１樹脂層１３ａを形成した後の構成部品を第２樹脂層１３ｂの構成材料を含む有機樹脂溶液に浸したり、スプレー塗布することなどによって形成される。
【００２０】
ここで、第１層１３ａについて損失係数ｔａｎδを上記範囲となるようにし、第２層１３ｂについてｔａｎδ分散ピークが上記範囲内に含まれるようにしたが、これは以下の理由による。この理由について、図２を参照して説明する。
【００２１】
図２は、半導体装置の温度Ｔｅｍｐ［℃］と貯蔵弾性率Ｅ’［Ｐａ］および損失係数ｔａｎδとの関係を示している。貯蔵弾性率Ｅ’は、物体に外力と歪みにより生じたエネルギーのうち物体の内部に保存される成分のことであり、物体に外力が加わったときに与えたエネルギーを時間差無く返してくる成分を示している。損失係数ｔａｎδは、貯蔵弾性率Ｅ’と損失弾性率Ｅ’’との比を表したものであり、応力散逸を示すパラメータとして用いている。損失弾性率Ｅ’’とは、物体に外力と歪みにより生じたエネルギーのうち外部へ拡散する成分、つまり物体に外力が加わったときに与えたエネルギーを時間差を持って返してくる成分のことである。ここでは、応力散逸を示すパラメータとして損失係数ｔａｎδを用いているが、本来は、損失弾性率Ｅ’’の変化の面積が応力散逸を示すパラメータとなる。ただし、損失弾性率Ｅ’’は幅が広くあまり明確に図示できないことから、一般に損失係数ｔａｎδが応力散逸を示すパラメータとして用いられている。
【００２２】
図２に示すデータでは、２００〜２５０℃の温度範囲において、第１層１３ａを構成する材料については、損失係数ｔａｎδが０＜ｔａｎδ≦０．３の範囲に含まれていることが確認できる。少なくとも損失係数ｔａｎδが０＜ｔａｎδ≦０．３の範囲に含まれている有機樹脂を用いた場合、２００〜２５０℃の温度範囲においてガラス状態のままであることから、接着力を維持することが可能となる。このため、第１層１３ａについては、損失係数ｔａｎδが０＜ｔａｎδ≦０．３の範囲に含まれている有機樹脂を用いるようにしている。
【００２３】
また、図２に示すデータでは、２００〜２５０℃の温度範囲において、第２層１３ｂを構成する材料については、ｔａｎδ分散ピーク（損失係数ｔａｎδのピーク）が１．０≦ｔａｎδ＜２の範囲に含まれていることが確認できる。これは、２００〜２５０℃の温度範囲において、ｔａｎδ分散ピークが１．０≦ｔａｎδ＜２の範囲に含まれている有機樹脂を用いた場合、２００〜２５０℃の温度範囲においてガラス転移し、ガラス転移に伴う活発な分子運動が行われていることを意味している。このため、このような有機樹脂を用いることにより、高温下において、構成部品と樹脂モールド部８との間の線膨張係数差などに起因する発生応力を有機樹脂の分子運動の熱エネルギーとして散逸することが可能になる。このため、第２層１３ｂについては、ｔａｎδ分散ピークが１．０≦ｔａｎδ＜２の範囲に含まれている有機樹脂を用いるようにしている。
【００２４】
なお、ここでは第１層１３ａおよび第２層１３ｂのいずれについても、構成する有機樹脂の一例としてポリイミド、ポリアミドイミドを例に挙げているが、これらの中でも組成が異なっているものを指しており、それぞれｔａｎδが上記条件を満たしていれば良い。また、第１層１３ａと第２層１３ｂとは、共に有機樹脂層によって構成されているため、これらの間の密着性は高く、少なくとも２００〜２５０℃という高温下においても密着性が保持可能となっている。
【００２５】
以上のようにして、本実施形態にかかる半導体装置が構成されている。このように構成された半導体装置では、樹脂モールド部８と各構成部品との間に備えられた接着層１３を単一層ではなく第１層１３ａおよび第２層１３ｂの２層構造とし、それぞれが密着付与樹脂層と応力散逸樹脂層として別々に機能する。すなわち、第１層１３ａによって各構成部品と樹脂モールド部８との間における高い接着力を確保できると共に、第２層１３ｂによって応力散逸が行え、構成部材間の接着力確保と応力散逸構造の両立を図ることが可能となる。このため、高い密着力を確保して各構成部品と樹脂モールド部８との間の剥離を防止しつつ、高温下における応力散逸が可能となって、２００〜２５０℃という高温下においても、各構成部品と樹脂モールド部８との間の剥離防止が可能となる。
【００２６】
具体的に、第１層１３ａおよび第２層１３ｂを材料ａ〜ｅのいずれかによって構成して−４０〜２２５℃の温度範囲での冷熱サイクル試験を１０００サイクル行い、構成部品と樹脂モールド部８との間における剥離の有無を確認する実験を行った。
【００２７】
実験では、溶剤含有型有機樹脂を用いてヒートシンク上にそれを塗布し、乾燥させたのち、同一のモールド材Ａを用いてモールド成形した後、モールド材を硬化させると共にモールド材と有機樹脂の接着力を発揮させてから冷熱サイクル試験を行った。材料ａ〜ｅについては、図３に示す各材料を用いた。材料ａとしては、ガラス転移温度Ｔｇ［℃］が３００、２００〜２５０℃におけるｔａｎδの最大値が０．０８であるポリイミドを用いた。材料ｂとしては、ガラス転移温度Ｔｇ［℃］が２６０、２００〜２５０℃におけるｔａｎδの最大値が０．０６であるポリアミドイミドを用いた。材料ｃとしては、ガラス転移温度Ｔｇ［℃］が２１０、２００〜２５０℃におけるｔａｎδの最大値が１．７４（２４２℃のとき）であるポリイミドを用いた。材料ｄとしては、ガラス転移温度Ｔｇ［℃］が２５０、２００〜２５０℃におけるｔａｎδの最大値が０．２８であるポリイミドシリコーンを用いた。材料ｅとしては、ガラス転移温度Ｔｇ［℃］が２２０、２００〜２５０℃におけるｔａｎδの最大値が１．１９（２２５℃のとき）であるポリアミドイミドを用いた。
【００２８】
そして、図４に示すように、第１層１３ａ、第２層１３ｂを、それぞれ、材料ａと材料ｃ、材料ａと材料ｅ、材料ｂと材料ｃ、材料ｄと材料ｃ、材料ｄと材料ｅの５パターンの組み合わせとした。つまり、材料ａ、ｂ、ｄのように、２００〜２５０℃の温度範囲において損失係数ｔａｎδが０＜ｔａｎδ≦０．３の範囲に含まれる有機樹脂については、第１層１３ａとして用いた。また、材料ｃ、ｅのように、２００〜２５０℃の温度範囲において１．０≦ｔａｎδ＜２となるｔａｎδ分散ピークを有する有機樹脂については、第２層１３ｂとして用いた。
【００２９】
その結果、これらの組合せとした場合には、冷熱サイクルを行っても各構成部品と樹脂モールド部８との間の剥離が０％で全く剥離が発生しておらず、良好な信頼性結果を得ることができた。
【００３０】
また、比較例として、上記材料ａ〜ｅを用いつつ、接着層１３を一層構造とした場合や第１層１３ａと第２層１３ｂの二層構造としつつ、これら各層１３ａ、１３ｂを構成する有機材料の特性を逆にした場合について、同様の実験を行った。具体的には、接着層１３を一層構造とする場合には、それを材料ａ〜ｅで構成した。また、接着層１３を第１層１３ａ、第２層１３ｂの二層構造とする場合には、第１層１３ａ、第２層１３ｂを、それぞれ、材料ｃと材料ａ、材料ｃと材料ｂ、材料ｃと材料ｄ、材料ｅと材料ａ、材料ｅと材料ｂの５パターンの組み合わせとした。
【００３１】
その結果、図５に示すように、接着層１３を一層構造とした場合において材料ａを選択した場合にのみ、剥離面積が２０％未満であったものの、他の比較例はすべて剥離面積が２０％以上になっていて、良好な信頼性結果を得ることができなかった。
【００３２】
これらの結果からも、第１層１３ａを２００〜２５０℃の温度範囲において損失係数ｔａｎδが０＜ｔａｎδ≦０．３を満たす有機樹脂、第２層１３ｂをｔａｎδ分散ピークが１．０≦ｔａｎδ＜２の範囲に含まれている有機樹脂を用いることが良いと言える。
【００３３】
（他の実施形態）
本発明は上記した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した範囲内において適宜変更が可能である。
【００３４】
例えば、上記実施形態では、半導体素子としてＭＯＳＦＥＴを備える構造としたことから、ゲート電極やソース電極およびドレイン電極それぞれに接続されるリードフレーム５〜７を備える構造としているが、備えられる半導体素子によって異なる。例えば、半導体素子としてショットキーバリアダイオードを備える場合には、アノード電極とカソード電極に接続されるリードフレームだけでよい。
【００３５】
また、上記実施形態では、半導体チップ１に加えて金属ブロック２やヒートシンク３、４を備えた構造を例に挙げて説明したが、単に半導体チップ１を樹脂モールド部８によって樹脂モールドする構造であっても本発明を適用できる。
【００３６】
また、上記実施形態では、第１層１３ａ、第２層１３ｂを構成する有機樹脂としてより好適な材料の損失係数ｔａｎδの例を挙げた。しかしながら、これも単なる一例を示したものである。すなわち、少なくとも２００〜２５０℃の温度範囲の損失係数ｔａｎδについて、第１層１３ａの方が第２層１３ｂよりも小さく、第１層１３ａが接着力を高める密着付与樹脂層として機能し、第２層１３ｂが応力散逸を行う応力散逸樹脂層として機能すれば良い。
【符号の説明】
【００３７】
１        半導体チップ
２        金属ブロック
３、４    ヒートシンク
５〜７    リードフレーム
８        樹脂モールド部
９〜１１  接合材料
１２      ボンディングワイヤ
１３      接着層
１３ａ    第１樹脂層
１３ｂ    第２樹脂層
【図１】
2015050222.tif 000003
【図２】
2015050222.tif 000004
【図３】
2015050222.tif 000005
【図４】
2015050222.tif 000006
【図５】
2015050222.tif 000007