(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップ（１２）の一面に、接合面が該半導体チップ（１２）の一面よりも小さい金属ブロック体（１３、２２、３２、４２、５２）をはんだ接合すると共に、それらの両面側に夫々金属放熱板（１４、１５、６２）をはんだ接合した構成を備える半導体装置（１１、２１、３１、４１、５１、６１）において、
前記金属ブロック体（１３、２２、３２、４２、５２）の側壁部のうち、少なくとも前記半導体チップ（１２）の一面から立上る部分の該一面からの立上り角度が、鋭角となっていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記金属ブロック体（１３、２２、３２、４２、５２）の側壁部の鋭角形状部分は、該金属ブロック体（１３、２２、３２、４２、５２）の厚さ方向の半分以上について設けられていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記金属ブロック体（３２）の側壁部は、前記半導体チップ（１２）の一面から立上る部分の該一面からの立上り角度が鋭角状とされた曲面状をなしていることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置。
【請求項４】
半導体チップ（１２）の一面に、接合面が該半導体チップ（１２）の一面よりも小さい金属ブロック体（２２）をはんだ接合すると共に、それらの両面側に夫々金属放熱板（１４、１５）をはんだ接合した構成を備える半導体装置（３１）において、
前記金属ブロック体（２２）の側壁部のうち、少なくとも前記半導体チップ（１２）の一面から立上る部分の該一面からの立上り角度が、鋭角となっていると共に、
前記金属ブロック体（２２）の側壁部は、前記半導体チップ（１２）の一面と接触する側に位置される傾斜面（２２ａ）と、その傾斜面（２２ａ）から連続して前記金属放熱板（１４）側に延びる垂直面（２２ｂ）とを有して構成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
半導体チップ（１２）の一面に、接合面が該半導体チップ（１２）の一面よりも小さい金属ブロック体（４２、５２）をはんだ接合すると共に、それらの両面側に夫々金属放熱板（１４、１５）をはんだ接合した構成を備える半導体装置（４１、５１）において、
前記金属ブロック体（４２、５２）の側壁部のうち、少なくとも前記半導体チップ（１２）の一面から立上る部分の該一面からの立上り角度が、鋭角となっていると共に、
前記金属ブロック体（４２、５２）の側壁部のうち、前記金属放熱板（１４）との接合側についても、該金属ブロック体（４２、５２）の厚み方向に関して前記半導体チップ（１２）との接合側と対称的になるような鋭角形状に構成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
前記金属ブロック体（１３、２２、３２、４２、５２）の側壁部の、前記半導体チップ（１２）の一面から鋭角形状に立上る部分の立上り角度θは、４５°以上、９０°未満の範囲とされていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項７】
前記半導体チップ（１２）の表面に対してはんだ（１７）のなす接触角度（α）が、６０°以上、９０°未満であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項８】
前記金属放熱板（６２）の、前記金属ブロック体（１３）が接合される接合面には、はんだ接合部の外周に位置して、はんだ（１７）の拡がりを防止するための環状の溝（６２ａ）が形成されていると共に、その溝（６２ａ）の内面には、前記金属ブロック体（１３）の側面よりもはんだ（１７）の濡れ性の大きい部材（６３）が設けられていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかに記載の半導体装置（１１、２１、３１、４１、５１、６１）に用いられる金属ブロック体（１３、２２、３２、４２、５２）であって、側壁部のうち少なくとも前記半導体チップ（１２）の一面から立上る部分の該一面からの立上り角度が、鋭角となっていることを特徴とする金属ブロック体。
【請求項１０】
請求項９に記載の金属ブロック体（１３、２２、３２、４２、５２）を製造するための方法であって、金属材料（７１）を上面からプレスすることにより形成されることを特徴とする金属ブロック体の製造方法。
【請求項１１】
請求項９に記載の金属ブロック体（１３、２２、３２、４２、５２）を製造するための方法であって、金属材料（７１）を側面からプレスすることにより形成されることを特徴とする金属ブロック体の製造方法。
【請求項１２】
請求項９に記載の金属ブロック体（１３、２２、３２、４２、５２）を製造するための方法であって、厚み方向に２分割された形態の２つの分割体（７５、７５）を接合することにより形成されることを特徴とする金属ブロック体の製造方法。
【請求項１３】
請求項９に記載の金属ブロック体（１３、２２、３２、４２、５２）を製造するための方法であって、金属材料（７１）の切削及び研削加工により形成されることを特徴とする金属ブロック体の製造方法。
【請求項１４】
請求項９に記載の金属ブロック体（１３、２２、３２、４２、５２）を製造するための方法であって、フープ材（７６）から直接切り出すことにより形成されることを特徴とする金属ブロック体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体チップの一面に、接合面が該半導体チップの一面よりも小さい金属ブロック体をはんだ接合すると共に、それらの両面側に夫々金属放熱板をはんだ接合した構成を備える半導体装置、並びに、その半導体装置に用いられる金属ブロック体及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばＩＧＢＴ等のパワー素子を含んだ半導体装置としては、放熱性を高めるために、パッケージの両面側に放熱板を有する構成のものがある（例えば特許文献１参照）。この特許文献１に開示された半導体装置１の構成を、図１４に示す。
【０００３】
即ち、図１４（ａ）に示すように、この半導体装置１は、横長な板状に構成された例えば銅等からなる一対の放熱板（ヒートシンク）２、３間に、左右に位置して２個の半導体チップ４、５を備える。このとき、半導体チップ４、５と、下側の放熱板３との間に、矩形ブロック状（直方体形状）をなしスペーサとして機能する例えば銅製の金属ブロック体６、７が夫々挟まれている。前記放熱板２と半導体チップ４、５の間、半導体チップ４、５と金属ブロック体６、７の夫々の間、金属ブロック体６、７と放熱板３との間は、夫々はんだ８により電気的及び熱的に接合されている。この半導体装置１は、エポキシ樹脂等のモールド樹脂層９でモールドされてパッケージが構成され、前記放熱板２、３がパッケージの表面に露出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１０３９０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記構成の半導体装置１においては、半導体チップ４、５の構造によっては、半導体チップ４、５と金属ブロック体６、７との間を接合しているはんだ８の端部において、熱サイクルを受けた際などに、熱膨張係数の相違に起因して半導体チップ４、５に比較的大きな垂直応力が作用し、半導体チップ４、５に悪影響を与えてしまう問題点があった。特に、金属ブロック体６、７と放熱板３との間を接合しているはんだ８が溢れて、金属ブロック体６、７の側面に濡れ拡がり、半導体チップ４、５の表面にまで溢れてしまう場合がある。この場合、溢れたはんだ８と半導体チップ４、５との接触角によっては、垂直応力が更に大きくなり、半導体チップ４、５の寿命低下を招く虞があった。
【０００６】
尚、上記した特許文献１では、図１４（ｂ）に接合部分の一部を拡大して示すように、放熱板３の上面に、溢れたはんだ８を収容するための溝３ａを形成すると共に、その溝３ａの内面を含むはんだ８の接合面に、金属ブロック体６、７の側面に比べてはんだ８との濡れ性を大きくするための金メッキ層１０を形成するようにしている。これにより、放熱板３の上面から溢れたはんだ８が金属ブロック体６、７の側面に濡れ拡がることを防止するようにしている。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、半導体チップの一面に金属ブロック体をはんだ接合する構成を備えるものにあって、半導体チップのはんだ接合部分に作用する応力を小さくすることができながらも、そのための構成を簡単に済ませることができる半導体装置を提供するにある。また、本発明の第２の目的は、上記半導体装置に適する金属ブロック体及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明者は、半導体チップ（１２）の表面に金属ブロック体（１３、２２、３２、４２、５２）をはんだ接合した場合に、接合部から溢れたはんだ（１７）によって半導体チップ（１２）が受ける応力に関し、様々な試験、研究を行った。その結果、半導体チップ（１２）に作用する垂直応力は、はんだ（１７）の形状、具体的には半導体チップ（１２）の表面に対してはんだ（１７）がなす接触角度（α）の大小によって変動することを確認した（図３参照）。即ち、はんだ（１７）の接触角度（α）が９０°以上の鈍角であると、応力が比較的大きくなり、接触角度（α）が９０°未満の鋭角であると、応力を十分に（はんだ（１７）の溢れがない場合と同程度に）小さくできるとの知見を得て、本発明を成し遂げるに至ったのである。
【０００９】
本発明の半導体装置は、半導体チップ（１２）の一面に、接合面が該半導体チップ（１２）の一面よりも小さい金属ブロック体（１３、２２、３２、４２、５２）をはんだ接合すると共に、それらの両面側に夫々金属放熱板（１４、１５、６２）をはんだ接合した構成を備えるものにおいて、前記金属ブロック体（１３、２２、３２、４２、５２）の側壁部のうち、少なくとも前記半導体チップ（１２）の一面から立上る部分の該一面からの立上り角度が、鋭角となっているところに特徴を有する（請求項１の発明）。
【００１０】
これによれば、金属ブロック体（１３、２２、３２、４２、５２）の側壁部の半導体チップ（１２）表面からの立上り角度が鋭角に構成されているので、接合部から溢れてはみ出したはんだ（１７）が、金属ブロック体（１３、２２、３２、４２、５２）の側壁部に沿って付着した場合でも、そのはんだ（１７）の半導体チップ（１２）表面に対する接触角度（α）が鋭角状になる。従って、半導体チップ（１２）と金属ブロック体（１３、２２、３２、４２、５２）とのはんだ接合部分からはんだ（１７）が溢れて金属ブロック体（１３、２２、３２、４２、５２）の側壁面に付着することがあっても、半導体チップ（１２）に作用する応力を小さくすることが可能になる。この場合、金属ブロック体（１３、２２、３２、４２、５２）の形状によって応力を小さくすることができるので、製造工程の複雑化やコストアップを抑えることができる。
【００１１】
ここで、金属ブロック体（１３、２２、３２、４２、５２）の側壁部全体を一定の鋭角形状の傾斜面とした場合には、金属ブロック体（１３、２２、３２、４２、５２）の金属放熱板（１４、６２）と接合される側の面の面積が小さくなってしまい、熱伝導性能ひいては放熱性を低下させることにつながる。そこで、本発明においては、前記金属ブロック体（１３、２２、３２、４２、５２）の側壁部の鋭角形状部分を、該金属ブロック体（１３、２２、３２、４２、５２）の厚さ方向の半分以上について設けることにより（請求項２の発明）、所期の目的を達成することができる。
【００１２】
或いは、前記金属ブロック体（３２）の側壁部（３２ａ）を、前記半導体チップ（１２）の一面から立上る部分の該一面からの立上り角度が鋭角状とされた曲面状をなすように構成しても良い（請求項３の発明）。これによれば、金属ブロック体（２２、３２）の金属放熱板（１４）と接合される側の面の接触面積を徒に小さくすることなく済ませることができる。
【００１３】
また、本発明の半導体装置は、半導体チップ（１２）の一面に、接合面が該半導体チップ（１２）の一面よりも小さい金属ブロック体（２２）をはんだ接合すると共に、それらの両面側に夫々金属放熱板（１４、１５）をはんだ接合した構成を備えるものにおいて、前記金属ブロック体（２２）の側壁部のうち、少なくとも前記半導体チップ（１２）の一面から立上る部分の該一面からの立上り角度が、鋭角となっていると共に、前記金属ブロック体（２２）の側壁部は、前記半導体チップ（１２）の一面と接触する側に位置される傾斜面（２２ａ）と、その傾斜面（２２ａ）から連続して前記金属放熱板（１４）側に延びる垂直面（２２ｂ）とを有して構成されているところに特徴を有する（請求項４の発明）。これによっても、金属ブロック体（２２）の金属放熱板（１４）と接合される側の面の接触面積を徒に小さくすることなく済ませることができる。
更には、本発明の半導体装置は、半導体チップ（１２）の一面に、接合面が該半導体チップ（１２）の一面よりも小さい金属ブロック体（４２、５２）をはんだ接合すると共に、それらの両面側に夫々金属放熱板（１４、１５）をはんだ接合した構成を備えるものにおいて、前記金属ブロック体（４２、５２）の側壁部のうち、少なくとも前記半導体チップ（１２）の一面から立上る部分の該一面からの立上り角度が、鋭角となっていると共に、前記金属ブロック体（４２、５２）の側壁部のうち、前記金属放熱板（１４）との接合側についても、該金属ブロック体（４２、５２）の厚み方向に関して前記半導体チップ（１２）との接合側と対称的になるような鋭角形状に構成されているところに特徴を有する（請求項５の発明）。これによれば、金属ブロック体（４２、５２）の金属放熱板（１４）と接合される側の面の接触面積を徒に小さくすることなく済ませることができることに加え、金属ブロック体（４２、５２）を上下反転しても組付けが可能となるので、組付作業性を高めることができる。
【００１４】
また、本発明においては、前記金属ブロック体（１３、２２、３２、４２、５２）の側壁部の、前記半導体チップ（１２）の一面から鋭角状に立上る部分の角度θを、４５°以上、９０°未満の範囲とすることが望ましい（請求項６の発明）。或いは、前記半導体チップ（１２）の表面に対してはんだ（１７）のなす接触角度（α）が、６０°以上、９０°未満の範囲となるように構成することが望ましい（請求項７の発明）。これらによれば、はんだ（１７）が接合部から溢れて金属ブロック体（１３、２２、３２、４２、５２）の側壁面に付着することがあっても、半導体チップ（１２）に作用する応力を、はんだ（１７）の溢れがない場合と同程度に小さくすることができる。
【００１５】
本発明においては、前記金属放熱板（６２）の、前記金属ブロック体（１３）が接合される接合面に、はんだ接合部の外周に位置して、はんだ（１７）の拡がりを防止するための環状の溝（６２ａ）を形成すると共に、その溝（６２ａ）の内面に、前記金属ブロック体（１３）の側面よりもはんだ（１７）の濡れ性の大きい部材（６３）を設ける構成としても良い（請求項８の発明）。金属放熱板（６２）と金属ブロック体（１３）との接合部において溢れるはんだ（１７）を溝（６２ａ）内に捕獲して、金属ブロック体（１３）の側面にはんだ（１７）が濡れ拡がることを効果的に防止することができる。
【００１６】
尚、本発明における「はんだ」とは、一般的な、錫−鉛合金系の接合材料に限定されるものではなく、金属や合金からなる各種の金属接合材（ろう付け材料）全般を含む概念である。
【００１７】
本発明の金属ブロック体は、上記請求項１乃至８のいずれかに記載の半導体装置（１１、２１、３１、４１、５１、６１）に用いられる金属ブロック体（１３、２２、３２、４２、５２）であって、側壁部のうち少なくとも前記半導体チップ（１２）の一面から立上る部分の該一面からの立上り角度が、鋭角となっているところに特徴を有する（請求項９の発明）。これによれば、半導体チップ（１２）のはんだ接合部分に作用する応力を小さくすることができながらも、そのための構成を簡単に済ませることができる。
【００１８】
そして、上記金属ブロック体（１３、２２、３２、４２、５２）を製造するための製造方法として、金属材料（７１）を上面からプレスすることにより形成する方法を採用したり（請求項１０の発明）、金属材料（７１）を側面からプレスすることにより形成する方法を採用したり（請求項１１の発明）、厚み方向に２分割された形態の２つの分割体（７５、７５）を接合することにより形成する方法を採用したり（請求項１２の発明）、金属材料（７１）の切削及び研削加工により形成する方法を採用したり（請求項１３の発明）、フープ材（７６）から直接切り出すことにより形成する方法を採用したり（請求項１４の発明）することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１の実施例を示すもので、はんだの溢れがない状態の半導体装置の縦断面図
【図２】はんだの溢れがある場合の半導体装置の縦断面図（ａ）及びそのＡ部の拡大図（ｂ）
【図３】立上り部の傾斜角度θと半導体チップに作用する垂直方向の応力との関係（ａ）及びはんだ溢れ時のはんだの接触角度αと半導体チップに作用する垂直方向の応力との関係（ｂ）をシミュレートした解析結果を示す図
【図４】本発明の第２の実施例を示すもので、図１相当図（ａ）及び図２（ａ）相当図（ｂ）
【図５】本発明の第３の実施例を示すもので、図１相当図（ａ）及び図２（ａ）相当図（ｂ）
【図６】本発明の第４の実施例を示すもので、図１相当図（ａ）及び図２（ａ）相当図（ｂ）
【図７】本発明の第５の実施例を示すもので、図１相当図（ａ）及び図２（ａ）相当図（ｂ）
【図８】本発明の第６の実施例を示すもので、図１相当図（ａ）及びそのＢ部の拡大図（ｂ）
【図９】本発明の第７の実施例を示すもので、金属ブロック体の製造方法を説明するための概略的な縦断面図
【図１０】本発明の第８の実施例を示す図９相当図
【図１１】本発明の第９の実施例を示す図９相当図
【図１２】本発明の第１０の実施例を示す図９相当図
【図１３】本発明の第１１の実施例を示す図９相当図
【図１４】従来例を示すもので、半導体装置の縦断面図（ａ）及びそのＣ部の拡大図（ｂ）
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を具体化したいくつかの実施例について、図１ないし図１３を参照しながら説明する。尚、以下の実施例を説明する各図面においては、本来ハッチングを付すべき断面に関しても、判り易くするために、便宜上、基本的にはんだ部分を除いてハッチングを省略して示している。また、以下の各実施例においては、本発明を、例えば三相モータ駆動用のインバータ回路に用いられる、ＩＧＢＴとダイオードとの並列接続回路を一体的に形成した半導体チップをパッケージ内に備える半導体装置に適用している。
【００２１】
（１）第１の実施例
まず、図１ないし図３を参照して、本発明の第１の実施例について述べる。図１及び図２（ａ）は、本実施例に係る半導体装置１１の全体構成を概略的に示している。この半導体装置１１は、半導体チップ１２の一面この場合図で上面に、金属ブロック体１３を接合すると共に、それらの図で上下両面側に夫々金属放熱板１４、１５を接合し、更に全体を例えばエポキシ樹脂からなるモールド樹脂層１６（パッケージ）でモールドした構成を備える。金属放熱板１４、１５の放熱面は、モールド樹脂層１６から露出している。
【００２２】
詳しく図示はしないが、前記半導体チップ１２は、例えばパワー素子であるＩＧＢＴと、そのコレクタ−エミッタ間に並列接続されたダイオードとを備え、薄型の矩形チップ状に構成されている。これも図示はしないが、半導体チップ１２の表面（図で上面）には、例えば大部分に位置してエミッタ電極が形成されていると共に、一辺側に位置してゲート用やケルビンエミッタ用の複数個の小型の電極パッドが形成されている。また、半導体チップ１２の裏面には、コレクタ電極が大きな面積で形成されている。
【００２３】
前記金属ブロック体１３は、例えば銅やアルミニウム等の金属から、この場合薄型の四角錘台状、つまり上下両面が上面側の方が小さい矩形状で、４つの側壁部が傾斜面１３ａとされたブロック状に構成されている。この金属ブロック体１３は、半導体チップ１２の表面（上面）のエミッタ電極に重なるようにして、はんだ１７により電気的及び熱的な接続状態で接合されている。このとき、金属ブロック体１３の接合面（下面）は、半導体チップ１２の上面より小さく構成されている。
【００２４】
そして、図２（ｂ）にも示すように、金属ブロック体１３の側壁部の半導体チップ１２の表面から立上る部分は、鋭角形状に構成されている。より具体的には、その立上り角度θは、４５°以上、９０°未満の範囲、例えば４５°とされている。この場合、金属ブロック体１３の側壁部は、厚み方向全体に渡って傾斜面１３ａとされている。尚、この金属ブロック体１３は、後の第７の実施例等で説明するように、例えば、金属材料を上下方向にプレス加工することにより製造される。
【００２５】
前記金属放熱板１４、１５は、例えば銅やアルミニウム等の熱伝導性の高い金属から、前記半導体チップ１２よりも大型の矩形板状に構成されている。上側の金属放熱板１４の下面と、前記金属ブロック体１３の上面との間は、はんだ１７により電気的及び熱的な接続状態で接合されている。このとき、図示はしないが、金属放熱板１４に電気的に接続された（或いは一体に設けられた）パワー端子が、モールド樹脂層１６の側面から導出するように設けられている。
【００２６】
下側の金属放熱板１５の上面には、前記半導体チップ１２の下面側（コレクタ電極）が、はんだ１７により電気的及び熱的な接続状態で接合されている。また、図示はしないが、金属放熱板１５には、パワー端子が電気的に接続される（或いは一体に設けられる）と共に、複数本の信号端子となるリード部を有したリードフレームが接続される。これも図示はしないが、リードフレームの各リード部（信号端子）と、前記半導体チップ１２の表面の複数個の電極パッドとが、夫々ボンディングワイヤによって電気的に接続される。前記金属ブロック体１３は、ワイヤボンディングのためのスペーサ等として機能する。リードフレームはモールド樹脂層１６の形成後に切離され、前記パワー端子および信号端子が、モールド樹脂層１６の側面から導出された形態で設けられる。
【００２７】
ここで、上記半導体装置１１の製造の手順について述べる。半導体装置１１を製造するにあたっては、図示はしないが、予め、必要な大きさ及び形状に切断した薄いはんだ箔を用意しておく。まず、図示しない治具上に、下側の金属放熱板１５を載置し、その上にはんだ箔を載せ、半導体チップ１２を載置する。さらに、半導体チップ１２のエミッタ電極上にはんだ箔を載せ、金属ブロック体１３を載置する。次いで、１回目のはんだリフローの工程が実行され、はんだ箔が一旦溶けた後、硬化してはんだ１７の層となり、部品間つまり金属放熱板１５と半導体チップ１２との間、並びに、半導体チップ１２と金属ブロック体１３との間がはんだ接合される。
【００２８】
この後、金属放熱板１５にリードフレームを接続し、リードフレームの各リード部と、半導体チップ１２の各電極パッドと夫々を接続するワイヤボンディングが行われる。さらに、金属ブロック体１３上にはんだ箔を載せ、上側の金属放熱板１４を載置した上で、２回目のはんだリフローの工程が実行される。これにて、金属ブロック体１３と金属放熱板１４との間についても、はんだ１７の層による接合がなされる。
【００２９】
そして、以上のように組立てられた中間組立体を、図示しないモールド成形型内に収容し、エポキシ樹脂により一体に封止する樹脂モールド工程が実行され、モールド樹脂層１６（パッケージ）が形成される。この樹脂モールド工程の後に、パッケージの上下両面を切削或いは研磨することにより、金属放熱板１４の上面の放熱面がパッケージの上面に露出し、金属放熱板１５の下面の放熱面がパッケージの下面に露出した形態とされる。またこれと共に、前記リードフレームの外周側の連結部分が切離され、パワー端子や信号端子が整形される。
【００３０】
さて、上記のように構成された半導体装置１１においては、半導体チップ１２と金属ブロック体１３との間の接合部や、金属ブロック体１３と金属放熱板１４との間の接合部に関して、図１に示すように、はんだ１７の量や部材間の間隔が適切であることが理想的である。即ち、はんだ１７の層の厚み（はんだ１７の量）が適切であって、接合部からはんだ１７が溢れるようなことがない場合には、半導体チップ１２に対する垂直応力がさほど大きくなることがない。
【００３１】
図３（ａ）は、本発明者が、半導体チップ１２と金属ブロック体１３との接合部においてはんだ１７の溢れがない場合に、金属ブロック体１３の側壁部の半導体チップ１２表面からの立上り角度θと、半導体チップ１２に作用する垂直応力との関係をシミュレートした解析結果を示している。この図３（ａ）から理解できるように、金属ブロック体１３の立上り角度θが、４５°以上の鋭角である場合には、応力が比較的小さく済み、９０°あるいは鈍角の場合には、応力が比較的大きくなる。従って、金属ブロック体１３の側壁部の立上り部分の角度θを、４５°以上、９０°未満の範囲とすることが望ましい。
【００３２】
また、現実には、図１のような理想的な状態とすることは難しく、図２（ａ）に示すように、はんだ１７の量が多く溢れてしまうことがある。このように接合部から溢れたはんだ１７が、金属ブロック体１３の側壁部を覆う（上下につながる）ように付着すると、はんだ１７層と半導体チップ１２との間の熱膨張係数の相違に起因して、熱サイクルを受けた際に、半導体チップ１２の表面部に比較的大きな垂直応力がかかることが考えられる。この垂直応力が大きくなると、はんだ１７の層にクラックが発生したり、半導体チップ１２に対して悪影響を及ぼしたりする虞がある。
【００３３】
ところが、本実施例では、金属ブロック体１３の形状に工夫を施した、つまり金属ブロック体１３の側壁部の半導体チップ１２の上面から立上る部分を、鋭角形状の傾斜面１３ａに構成した。これにより、半導体チップ１２と金属ブロック体１３とのはんだ接合部分からはんだ１７が溢れて金属ブロック体１３の側壁面に付着することがあっても、半導体チップ１２の表面部に作用する応力を小さく（はんだ１７の溢れがない場合と同程度に）することができたのである。
【００３４】
即ち、本発明者の試験、研究によれば、半導体チップ１２に作用する応力は、溢れたはんだ１７の形状、具体的には半導体チップ１２の表面に対して、はんだ１７がなす接触角度αの大小によって変動し、接触角度αが９０°以上の鈍角であると、応力が大きくなり、接触角度αが９０°未満の鋭角であると、応力を十分に小さくできることが明らかとなったのである。図３（ｂ）は、半導体チップ１２に対するはんだ１７の接触角度αと、半導体チップ１２に作用する垂直方向の応力との関係をシミュレートした解析結果を示している。
【００３５】
この図３（ｂ）の結果から、半導体チップ１２に対するはんだ１７の接触角度αが、９０°（直角）又はそれ以下（鋭角）であると、半導体チップ１２に作用する垂直方向の応力が比較的小さいものとなる。中でも、接触角度αを６０°程度としたものが、応力が最も小さくなっている。そして、はんだ１７の接触角度αが９０°を超えた鈍角になると、角度αが大きくなればなるほど、半導体チップ１２に作用する応力も次第に大きくなっていくことが理解できる。従って、はんだ１７の接触角度αを、６０°以上、９０°未満とすることが最も望ましいのである。
【００３６】
本実施例では、金属ブロック体１３の側壁部の半導体チップ１２表面から立上る部分の角度θが鋭角状に構成されているので、接合部から溢れてはみ出したはんだ１７が、金属ブロック体１３の側壁部に沿って付着した場合でも、そのはんだ１７の半導体チップ１２表面に対する接触角度αも鋭角状になる。従って、半導体チップ１２に作用する応力を小さくすることが可能になるのである。この場合、金属ブロック体１３の形状によって応力を小さくすることができるので、従来のような溝３ａの加工及び金めっき層１０の加工を行うものと異なり、製造工程の複雑化やコストアップを抑えることができる。
【００３７】
この結果、本実施例の半導体装置１１によれば、半導体チップ１２の一面に金属ブロック体１３をはんだ接合する構成を備えるものにあって、半導体チップ１２のはんだ接合部分に作用する応力を小さくすることができながらも、そのための構成を簡単に済ませることができるという優れた効果を奏する。特に本実施例では、金属ブロック体１３の側壁部の傾斜面１３ａの立上り部分の角度θを、４５°以上、９０°未満の範囲とした。これにより、はんだ１７の溢れが無い場合の半導体チップ１２に作用する垂直応力を低減できるだけでなく、はんだ１７が接合部から溢れて金属ブロック体１３の側壁面に付着することがあっても、はんだ１７の半導体チップ１２に対する接触角度αを、６０°以上、９０°未満とすることができ、半導体チップ１２に作用する応力を、はんだ１７の溢れがない理想的な場合と同程度に小さくすることができたのである。
【００３８】
（２）第２、第３の実施例
次に、図４、図５を夫々参照して、本発明の第２、第３の実施例について述べる。尚、第２の実施例以降の説明に関しては、上記した第１の実施例と同一部分には同一符号を付して詳しい説明を省略し、第１の実施例と異なる点についてのみ述べる。
【００３９】
図４（ａ）、（ｂ）は、第２の実施例に係る半導体装置２１の構成を示している。この半導体装置２１は、半導体チップ１２の一面この場合図で上面に、金属ブロック体２２をはんだ１７により接合すると共に、それらの図で上下両面側に夫々金属放熱板１４、１５をはんだ１７により接合し、それらを例えばエポキシ樹脂からなるモールド樹脂層１６（パッケージ）でモールドした構成を備えている。図４（ａ）は、はんだ１７に溢れがない様子、図４（ｂ）は、はんだ１７の溢れが生じている様子を示している。
【００４０】
このとき、前記金属ブロック体２２は、例えば銅等の金属により全体として矩形状に構成されているのであるが、その側壁部は、前記半導体チップ１２の上面と接触する側（下半部）に位置される傾斜面２２ａと、その傾斜面２２ａから連続して前記金属放熱板１４の下面側に直角に延びる垂直面２２ｂとを有している。前記金属ブロック体２２の傾斜面２２ａの半導体チップ１２の上面からの立上り角度θは、やはり、４５°以上、９０°未満の範囲の鋭角状に構成されている。このとき、金属ブロック体２２の斜面部２２ａの高さ寸法ｈが、該金属ブロック体２２の全体の厚さ寸法Ｈの半分以上となるように形成されている。
【００４１】
この構成によれば、金属ブロック体２２の側壁部の半導体チップ１２表面から立上る傾斜面２２ａの立上り角度θが鋭角形状に構成されているので、図４（ｂ）に示すように、接合部から溢れてはみ出したはんだ１７が、金属ブロック体２２の側壁部に沿って付着した場合でも、そのはんだ１７の半導体チップ１２表面に対する接触角度αも鋭角状（６０°以上、９０°未満）になる。
【００４２】
従って、半導体チップ１２に作用する応力を小さくすることができながらも、そのための構成を簡単に済ませることができる。そして、金属ブロック体２２の側壁部の上半部は、垂直面２２ｂとされているので、金属ブロック体２２の金属放熱板１４と接合される側の面（上面）の接触面積を徒に小さくすることなく済ませることができ、高い放熱性を確保することができる。
【００４３】
図５（ａ）、（ｂ）は、本発明の第３の実施例に係る半導体装置３１の構成を示している。この半導体装置３１は、半導体チップ１２の一面この場合図で上面に、金属ブロック体３２をはんだ１７により接合すると共に、それらの図で上下両面側に夫々金属放熱板１４、１５をはんだ１７により接合し、それらを例えばエポキシ樹脂からなるモールド樹脂層１６（パッケージ）でモールドした構成を備えている。図５（ａ）は、はんだ１７に溢れがない様子、図５（ｂ）は、はんだ１７の溢れが生じている様子を示している。
【００４４】
そして、この実施例では、金属ブロック体３２の４面の側壁部は、半導体チップ（１２）の一面から立上る部分が鋭角状とされた曲面状である円弧面３２ａとされている。この場合も、円弧面３２ａの立上り角度θは、４５°以上、９０°未満の範囲の鋭角状に構成されている。また、図５（ｂ）に示すように、接合部から溢れてはみ出したはんだ１７が、金属ブロック体３２の側壁部に沿って付着した場合でも、そのはんだ１７の半導体チップ１２表面に対する接触角度αが鋭角状（６０°以上、９０°未満）になる。
【００４５】
この構成によっても、上記第２の実施例と同様に、半導体チップ１２に作用する応力を小さくすることができながらも、そのための構成を簡単に済ませることができる。そして、金属ブロック体３２の側壁部は、円弧面３２ａとされているので、金属ブロック体３２の金属放熱板１４と接合される側の面（上面）の接触面積を徒に小さくすることなく済ませることができ、高い放熱性を確保することができる。
【００４６】
（３）第４、第５、第６の実施例
図６（ａ）、（ｂ）は、本発明の第４の実施例に係る半導体装置４１の構成を示している。この半導体装置４１は、半導体チップ１２の一面この場合図で上面に、金属ブロック体４２をはんだ１７により接合すると共に、それらの図で上下両面側に夫々金属放熱板１４、１５をはんだ１７により接合し、それらを例えばエポキシ樹脂からなるモールド樹脂層１６（パッケージ）でモールドした構成を備えている。図６（ａ）は、はんだ１７に溢れがない様子、図６（ｂ）は、はんだ１７の溢れが生じている様子を示している。
【００４７】
そして、この実施例では、金属ブロック体４２の４面の側壁部は、半導体チップ（１２）の一面から立上る部分が４５°以上、９０°未満の範囲の鋭角状とされた傾斜面４２ａが形成されている。この傾斜面４２ａは、金属ブロック体４２の厚み方向の下半分について、厚み寸法の半分の位置まで延びて形成されていると共に、厚み方向に関して上半部とにおいても、下半部との間で対称的となる、つまり断面「く」字状になるように形成されている。また、図５（ｂ）に示すように、接合部から溢れてはみ出したはんだ１７が、金属ブロック体４２の側壁部に沿って付着した場合でも、そのはんだ１７の半導体チップ１２表面に対する接触角度αが鋭角状（６０°以上、９０°未満）になる。
【００４８】
この構成によっても、上記第２、第３の実施例と同様に、半導体チップ１２に作用する応力を小さくすることができながらも、そのための構成を簡単に済ませることができる。そして、金属ブロック体４２の側壁部は、傾斜面４２ａが対称的に形成されているので、金属ブロック体４２の金属放熱板１４と接合される側の面（上面）の接触面積を徒に小さくすることなく済ませることができ、高い放熱性を確保することができる。しかも、金属ブロック体４２は、上下反転しても組付けが可能となるので、組付作業時の取付け方向のミスを未然に防止し、組付作業性を高めることができる。
【００４９】
図７（ａ）、（ｂ）は、本発明の第５の実施例に係る半導体装置５１の構成を示している。図７（ａ）は、はんだ１７に溢れがない様子、図７（ｂ）は、はんだ１７の溢れが生じている様子を示している。この半導体装置５１が、上記図６の半導体装置４１と異なる点は、金属ブロック体５２の形状にある。
【００５０】
即ち、金属ブロック体５２の４面の側壁部は、半導体チップ（１２）の一面から立上る部分が４５°以上、９０°未満の範囲の鋭角状とされた円弧面５２ａが形成されている。この円弧面５２ａは、金属ブロック体５２の厚み方向の中央部において最も深い凹形状となるように形成され、厚み方向に関して上半部と下半部との間で対称的となるように形成されている。図６（ｂ）に示すように、接合部から溢れてはみ出したはんだ１７が、金属ブロック体５２の側壁部に沿って付着した場合でも、そのはんだ１７の半導体チップ１２表面に対する接触角度αが鋭角状（６０°以上、９０°未満）になる。
【００５１】
この構成によっても、上記第４の実施例と同様に、半導体チップ１２に作用する応力を小さくすることができながらも、そのための構成を簡単に済ませることができる。そして、金属ブロック体５２の金属放熱板１４と接合される側の面（上面）の接触面積を徒に小さくすることなく済ませることができ、高い放熱性を確保することができる。しかも、金属ブロック体５２は、上下反転しても組付けが可能となるので、組付作業時の取付け方向のミスを未然に防止し、組付作業性を高めることができる。
【００５２】
図８は、本発明の第６の実施例に係る半導体装置６１の構成を示しており、図８（ａ）は全体の縦断面図、図８（ｂ）はそのＢ部の拡大図を夫々示している。この半導体装置６１は、半導体チップ１２の一面この場合図で上面に、金属ブロック体１３をはんだ１７により接合すると共に、それらの図で上下両面側に夫々金属放熱板６２、１５をはんだ１７により接合し、それらを例えばエポキシ樹脂からなるモールド樹脂層１６（パッケージ）でモールドした構成を備えている。
【００５３】
このとき、金属ブロック体１３は、上記第１の実施例で示したと同様に、この場合薄型の四角錘台状、つまり上下両面が上面側の方が小さい矩形状で、４つの側壁部が傾斜面１３ａとされたブロック状に構成されている。傾斜面１３ａの立上り角度θは、４５°以上、９０°未満の範囲、例えば４５°とされている。この場合、金属ブロック体１３の側壁部は、厚み方向全体に渡って傾斜面１３ａとされている。従って、接合部から溢れてはみ出したはんだ１７が、金属ブロック体５２の側壁部に沿って付着した場合でも、そのはんだ１７の半導体チップ１２表面に対する接触角度αが鋭角状（６０°以上、９０°未満）になる。
【００５４】
そして、本実施例では、上側の金属放熱板６２の、前記金属ブロック体１３が接合される接合面（下面）に、はんだ接合部の外周に位置して、はんだ１７の拡がりを防止するための溝６２ａが環状（矩形枠状）に形成されている。これと共に、金属放熱板６２の下面には、前記溝６２ａの内面及び内側領域に位置して、金属ブロック体１３の側面よりもはんだ１７の濡れ性の大きい部材、この場合金メッキ層６３が設けられている。
【００５５】
このような第６の実施例によれば、第１の実施例と同様に、金属ブロック体１３の側壁部を鋭角形状の傾斜面１３ａとしたので、半導体チップ１２のはんだ接合部分に作用する応力を小さくすることができながらも、そのための構成を簡単に済ませることができる。そして、本実施例では、金属放熱板６２に溝６２ａを形成すると共に、金メッキ層６３を設けたので、金属放熱板６２と金属ブロック体１３との接合部において溢れ出るはんだ１７を溝６２ａ内に捕獲して、金属ブロック体１３の側面にはんだ１７が濡れ拡がることを効果的に防止することができる。
【００５６】
（４）第７〜第１１の実施例、その他の実施例
図９〜図１３は、本発明の第７〜第１１の実施例を順に示すものである。これら第７〜第１１の実施例は、上記第１〜第６の実施例で用いられた、側壁部に鋭角形状を備えた金属ブロック体１３、２２、３２、４２、５２の製造方法のいくつかの具体例を示すものである。ここでは、それらのうち、金属ブロック体１３又は金属ブロック体４２を代表させて製造方法を説明する。
【００５７】
図９は、本発明の第７の実施例に係る金属ブロック体の製造方法を示すもので、前記金属ブロック体１３の製造方法を示している。図９（ａ）に示すように、金属ブロック体１３には、銅やアルミニウムから矩形板状（ブロック状）に切出された金属材料７１が用いられる。そして、図９（ｂ）に示すように、その金属材料７１をプレス型７２により上面からプレスすることにより、側壁部が傾斜面１３ａとされた金属ブロック体１３が形成される。
【００５８】
図１０は、本発明の第８の実施例に係る金属ブロック体の製造方法を示すもので、前記金属ブロック体４２の製造方法を示している。この場合も、図１０（ａ）に示すように、金属材料７１が用いられ、図１０（ｂ）に示すように、その金属材料７１を図で左右のプレス型７３，７４により側面からプレスすることにより、側壁部に傾斜面４２ａが厚み方向に対称的に設けられた金属ブロック体４２が形成される。
【００５９】
図１１は、本発明の第９の実施例に係る金属ブロック体の製造方法を示すもので、前記金属ブロック体４２の製造方法を示している。この実施例では、図１１（ａ）に示すように、金属ブロック体４２が厚み方向に２分割された形態の２つの分割体７５、７５を用い、図１１（ｂ）に示すように、溶接等により接合することにより、側壁部に傾斜面４２ａが厚み方向に対称的に設けられた金属ブロック体４２が形成される。尚、分割体７５自体は、薄型の金属材料に対する上記第７の実施例のようなプレスによる方法、或いは、次に述べる切削や切出しなどの方法により製造することができる。
【００６０】
図１２は、本発明の第１０の実施例に係る金属ブロック体の製造方法を示すもので、前記金属ブロック体１３の製造方法を示している。この実施例では、金属材料７１の端部（四辺部）を、切削及び研削により斜めに切断した不要部７１ａ，７１ａを除去し、側壁部が傾斜面１３ａとされた金属ブロック体１３が形成される。
【００６１】
図１３は、本発明の第１１の実施例に係る金属ブロック体の製造方法を示すもので、前記金属ブロック体１３の製造方法を示している。この実施例では、金属ブロック体１３と同等の厚み寸法を有する長尺なフープ材７６から、直接切り出されることにより、側壁部が傾斜面１３ａとされた複数個の金属ブロック体１３が連続的に形成される。
【００６２】
尚、図示は省略するが、上記第２の実施例の金属ブロック体２２や、第３の実施例の金属ブロック体３２についても、上記第７〜第１１の実施例（上面からのプレス、側面からのプレス、分割体の接合、切削及び研削、直接の切出し）のような各製造方法を採用することができる。第５の実施例の金属ブロック体５２に関しても、上記第８〜第１０の実施例（側面からのプレス、分割体の接合、切削及び研削）のような各製造方法を採用することができる。第１の実施例の金属ブロック体１３を、第８、第９の実施例（側面からのプレスや、分割体の接合）のように製造したり、第４の実施例の金属ブロック体４２を、第１０の実施例（切削及び研削）のように製造したりしても良いことは勿論である。
【００６３】
その他、本発明は上記し且つ図面に示した各実施例に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。例えば金属ブロック体の側壁部の立上り角度θとしては、鋭角状であれば任意の角度を採用すれば良く、その際、特に、４５°以上、９０°未満の範囲の角度を採用することが好ましい。また、本発明は、１つのパッケージ内に複数個半導体チップを備えるもの等、様々な用途及び構成の半導体装置に適用することができる等、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施し得るものである。
【符号の説明】
【００６４】
図面中、１１、２１、３１、４１、５１、６１は半導体装置、１２は半導体チップ、１３、２２、３２、４２、５２は金属ブロック体、１４、１５、６２は金属放熱板、１６はモールド樹脂層、１７ははんだ、１３ａは傾斜面、２２ａは傾斜面、２２ｂは垂直面、３２ａは円弧面、４２ａは傾斜面、５２ａは円弧面、６２ａは溝、６３は金メッキ層（濡れ性の大きい部材）、７１は金属材料、７５は分割体、７６はフープ材を示す。
【図１】
0005708044.tif 000002
【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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【図１３】
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【図１４】
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