(57)【要約】【課題】ヒートシンク上に絶縁基板を介し半導体素子を戴置し周囲を樹脂でモールドした電力用半導体装置において、鉛フリーはんだを用いた場合でも、従来の鉛含有はんだを使用した場合と同等以上のヒートサイクル寿命を確保する。【解決手段】半導体装置は、ヒートシンク１と、基板下はんだ７によりヒートシンク１の上に固着された絶縁基板２と、半導体素子下はんだ８により絶縁基板２の上に固着された半導体素子６と、絶縁基板２の周囲に形成されたモールド樹脂１４とを備え、モールド樹脂１４のヒートシンク１よりの高さを絶縁基板の上表面の高さ以上で、かつ半導体素子６の上表面の高さ以下とした。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒートシンクと、
前記ヒートシンク上に戴置され、２つの平行な表面を有する絶縁基材の一方の表面上に回路パターンを配設し、他方の表面上に裏面パターンを配設し構成される絶縁基板と、
前記裏面パターンと前記ヒートシンクとを接合している基板下はんだと、
前記絶縁基板の上に戴置され、２つの平行な表面を有する少なくとも１つの半導体素子と、
前記半導体素子の一方の表面と前記回路パターンとを接合している半導体素子下はんだと、
前記ヒートシンク上で前記絶縁基板の周囲に形成され、前記ヒートシンクよりの高さが前記絶縁基材の一方の表面の高さ以上で、かつ前記半導体素子の他方の表面の高さ以下であるモールド樹脂と、
を備える電力用半導体装置。
【請求項２】
前記絶縁基材は周辺部に少なくとも１つの突起又は窪みを有することを特徴とする請求項１記載の電力用半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒートシンク上に絶縁基板を介し半導体素子を戴置し周囲を樹脂でモールドした電力用半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来このような半導体装置においては、装置の実装を容易にするために、半導体素子及び電極は、半導体素子から発生する熱を放散させるためのヒートシンクと絶縁基材を介し電気的に絶縁されるよう構成されている。半導体素子にはシリコン、ヒートシンクには熱伝導率の高いアルミニウム又は銅のような金属、絶縁基材にはアルミナ又は窒化アルミニウムのようなセラミックスが一般的に使用され、それぞれはんだ等の固着材により固着されている。周囲をモールドしている樹脂には一般的にエポキシ樹脂が使用される。
【０００３】
ところが、上記構成によれば、モールド樹脂の熱膨張率と絶縁基材の熱伝導率が整合されていないために、上記半導体装置に稼動時や休止時に伴う熱ストレスが繰り返し印加されることにより、両者の接合界面に過大な応力が発生し、それがはんだ付け部分の熱疲労破壊を引き起こす。これにより製品寿命に至るヒートサイクル繰返し回数、すなわち半導体装置のヒートサイクル寿命が短くなる。
【０００４】
このような課題を解決するため特許文献１においては、その図１１に示されるような構成を有する半導体装置を提案している。この図１１に示される半導体装置は、金属板（ヒートシンク）１の主面に絶縁層２を介して、配線層３が選択形成された基板１０上にＩＧＢＴ素子２１ａとダイオード素子２１ｂと端子２４とが配線層３上に、Ｓｎ−５ｗｔ％Ｓｂ材からなる固着材２５により、導電的及び機械的に固着されている。また、各素子と配線層間には、直径３００μｍのアルミニウムの金属線２６によるボンディングが施されている。これらの搭載部品や基板１０は、線膨張率１６ｐｐｍ／℃のエポキシ樹脂からなるモールド樹脂３０によって、トランスファーモールドされて気密封止されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−１３５３７７号公報  （第８−９頁、図１１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１では線膨張率が適切に選択されたモールド樹脂を使用することにより、固着材への歪を軽減させているが、モールド樹脂の線膨張率を限定しているためより安価な樹脂の採用を制限している。さらに、全ての構成部品をトランスファーモールドにより樹脂で被覆しているために、歪みの軽減効果が不十分であった。特に本先行例のように、固着材として鉛を含有しないはんだ、すなわち鉛フリーはんだを使用した場合、従来の鉛含有はんだを使用した場合と比較して、はんだへの歪が同等ならば、ヒートサイクル寿命が１／３から１／５と短くなるため、信頼性の大幅な低下が予想される。
【０００７】
一方、鉛フリーはんだを用いた場合で、同等のヒートサイクル寿命を確保するためには、はんだにおける歪εを従来の鉛含有はんだを用いた場合の約４５〜６０％に低減させる必要がある。この鉛フリーはんだの歪εを低減させるため、はんだの厚みを厚くする、ヒートシンク材に線膨張率の低い材料を使用する、ヒートシンクの厚みを薄くする、絶縁基材の厚みを薄くする等の対策が考えられるが、いずれも、熱抵抗の増大、コスト高、ヒートシンクのそりの増大、絶縁基材のクラック発生等の弊害が生じ、結局はんだ歪εを従来の鉛含有はんだの場合の約４５〜６０％に低減させることができなかった。
【０００８】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、固着材に鉛フリーはんだを使用した場合でも、従来の鉛含有はんだの場合と同等以上の耐ヒートサイクル性を確保することのできる半導体装置を提供しようとするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
第１の発明に係る半導体装置は、ヒートシンクと、前記ヒートシンク上に戴置され、２つの平行な表面を有する絶縁基材と、その一方の表面上に存在する回路パターンと、他方の表面上に存在する裏面パターンとから構成される絶縁基板と、前記裏面パターンと前記ヒートシンクとを接合している基板下はんだと、前記絶縁基板の上に戴置され、２つの平行な表面を有する少なくとも１つの半導体素子と、前記半導体素子の一方の表面と前記回路パターンとを接合している半導体素子下はんだと、前記ヒートシンク上で前記絶縁基板の周囲に形成され、前記ヒートシンクよりの高さが前記絶縁基材の一方の表面の高さ以上で、かつ前記半導体素子の他方の表面の高さ以下であるモールド樹脂と、を備える。
【００１０】
第２の発明に係る半導体装置は、第１の発明の装置において、絶縁基材は周辺部に少なくとも１つの突起又は窪みを有することとしたものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下添付の図面を参照して、本発明に係る半導体装置の実施の形態を詳細に説明する。以下に説明する本発明に係る半導体装置は、複数の半導体素子を、目的の用途に適した回路構成となるように金属端子及び金属細線により接続し、同一パッケージ内に収めたものである。
【００１２】
実施の形態１．
図１に実施の形態１の半導体装置の構成を示す。図１は半導体装置の要部の断面図である。実動作時の装置の発熱を効率よく外部に放散させるためのヒートシンク１は銅を材料としている。
【００１３】
ヒートシンク１の上には絶縁基板２が戴置されている。絶縁基板２は、絶縁基材３，回路パターン４及び裏面パターン５で構成されている。絶縁基材３の材料には、良好な絶縁特性と熱伝導特性を兼ね備えた窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が使用されている。絶縁基材３の一方の表面には導電性材料からなる回路パターン４が、他方の表面には同じく裏面パターン５が一体で形成されている。
【００１４】
絶縁基板２はその裏面パターン５を介して基板下はんだ７によりヒートシンク１に固着されている。半導体素子６は、回路パターン４を介して半導体素子下はんだ８により絶縁基板２上に固着されている。これら基板下はんだ７及び半導体素子下はんだ８には、環境に配慮して鉛フリーはんだが使用されている。ヒートシンク１の周辺には、半導体素子６を外部に電気的接続するための電極端子１１を一体成型した樹脂製の外囲器１０が、接着剤１２により固着されている。電極端子１１と半導体素子６とはアルミワイヤ９により電気的に接続されている。
【００１５】
外囲器１０内部の絶縁基板２の周囲には、線膨張率（α）が約１６〜２２ｐｐｍ／Ｋ、弾性率が約８．５〜１３ＧＰａのエポキシ樹脂からなるモールド樹脂１４が絶縁基板の表面近くまで充填されており、その上に配置される樹脂製の蓋１５との間の空間にはシリコーンゲル１３が充填されている。
【００１６】
従来例では、製品寿命に至るまでの熱サイクルの繰返しにおいて、絶縁基材３の材料である窒化アルミニウムの線膨張率７〜８ｐｐｍ／Ｋと、ヒートシンク１の材料である銅の線膨張率１６〜１７ｐｐｍ／Ｋとの不整合により基板下はんだ７にクラックが発生していた。基板下はんだに鉛フリーはんだを使用した場合は、前述した如く、更にはんだ疲労が加速され、早期にクラックが発生するが、本実施例の構造においては、熱サイクル時における基板下はんだの歪が従来比で約３０％程度に低減されることが、以下に述べる表１の解析結果から判明した。
【００１７】
【表１】
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【００１８】
表１は、温度を一様に８２．５Ｋ上昇させた場合の、ヒートシンクからのモールド樹脂の充填高さをパラメータとして、本実施の形態の半導体装置の基板下はんだの歪εを有限要素法により解析した結果である。ここでは、モールド樹脂の弾性率Ｅは１２．８ＧＰａ、線膨張率αは２０．１ｐｐｍ／Ｋとした。これによれば、モールド樹脂の充填高さは、絶縁基材３の上表面の高さ以上でかつ半導体素子６の上表面の高さ以下が望ましいことがわかる。
【００１９】
図２は、製品寿命に至るヒートサイクル回数（Ｎ）と基板下はんだ歪との関係を、鉛含有はんだと鉛フリーはんだとのそれぞれについて示したグラフである。このグラフによれば、同じ基板下はんだ歪量であれば、鉛フリーはんだの場合の製品寿命に至るヒートサイクル回数Ｎ１は、鉛含有はんだの場合の製品寿命に至るヒートサイクル回数Ｎ２の約１／５になり、同じ製品寿命に至るヒートサイクル回数を実現しようとすれば、鉛フリーはんだの場合の基板下はんだ歪ε１は、鉛含有はんだの場合の基板下はんだ歪ε２の約４５％でなければならないことがわかる。
【００２０】
したがって、本実施の形態の半導体装置の構成によれば、基板下はんだに鉛フリーはんだを用いても、従来の鉛含有はんだを用いた場合と同等以上の製品寿命が得られることになる。また、半導体素子下はんだ歪も約４０％低減しており、半導体素子下はんだについても従来の鉛含有はんだと同等の耐ヒートサイクル性が得られる。
【００２１】
実施の形態２．
図３に実施の形態２の半導体装置の構成を示す。図３は半導体装置の要部の断面図であり、主要な部分の構成は図１と同じである。絶縁基板２の周辺に充填されるモールド樹脂１４は、ヒートシンク１及び絶縁基材３に対する密着性を保っておかなければ、前述したはんだ歪の低減効果が得られないことが判明している。そこで実施の形態２では、アンカー効果によるモールド樹脂との密着性の向上のため、絶縁基材３の周辺部分に複数の突起４ａ及び５ａが設けられ、ヒートシンク１のモールド樹脂と境を接している面に複数の溝１ａが設けられている。
【００２２】
図４は実施の形態２の絶縁基材３の周辺部分の上表面にある複数の突起４ａを上から眺めた平面図である。突起４ａはこのように断続状に複数形成する方が、モールド樹脂注入時の空気の排出を良好にし更に密着性を向上させることができる。
【００２３】
複数の突起４ａは回路パターン４と同じ材料が使用されており、したがって絶縁基材３表面上の回路パターン４の形成と同時に、複数の突起も形成される。即ち、回路パターン４は、絶縁基材３の表面全面にパターン材料の薄膜を形成し、エッチングにより所望の形状となるように加工されるが、複数の突起４ａも、その時に周辺部分の薄膜を残すことで形成できるわけで、複雑な付加加工工程を必要としない。また図示していないが、絶縁基材３の周辺部分の下表面にある複数の突起５ａについても上記と同様である。
【００２４】
図５は実施の形態２のヒートシンク１のモールド樹脂と境を接している面に形成された複数の溝１ａを上から眺めた平面図である。図５は溝１ａが連続形状となっており、アンカー効果によりヒートシンク１とモールド樹脂の密着性の向上に寄与する。また複数の溝１ａは突起であっても良い。
【００２５】
図６は実施の形態２の変形例を示す図で、ヒートシンク１のモールド樹脂と境を接している面に形成された複数の溝１ａを上から眺めた平面図で、図５との相違は溝１ａが断続形状の窪みとなっている点で、やはりアンカー効果によりヒートシンク１とモールド樹脂の密着性の向上に寄与する。また複数の溝１ａは突起であっても良い。
【００２６】
実施の形態３．
図７に実施の形態３の半導体装置の構成を示す。図７は半導体装置の要部の断面図であり、主要な部分の構成は実施の形態２と同じである。実施の形態２との相違は、前述したアンカー効果を付与させる他の方法として、絶縁基材３の周辺部分の両面に複数の穴３ａが設けたことにある。図８はその絶縁基材３の周辺部分を上から眺めた平面図であり、複数の穴３ａが配置されている様子が示されている。図９は絶縁基材３の複数の穴３ａが形成されている部分の断面図を示している。この図に示された穴３ａはレーザーパルスにより形成された円錐形状の穴である。
【００２７】
この場合おける絶縁基板２はレーザーカット方法により作成された基板である。レーザーカット方法とは、絶縁基材３にレーザーパルスを照射し、円錐形状のブレーク穴３ｂを適切な位置に形成した後、ブレーク穴３ｂに沿って所望の大きさにブレークする方式のものである。ブレーク面に残されたブレーク穴３ｂの一部にもアンカー効果はあるが、よりアンカー効果を高めるためにブレーク穴３ｂの内側に複数の円錐状穴３ａを付与させた。このため、円錐状穴３ａはブレーク穴３ｂと同時に形成することができ、複雑な付加加工工程を必要としない。
【００２８】
なお、円錐状穴３ａの深さはブレーク穴３ｂの深さの約１／２程度とすると共に、ブレーク穴３ｂと円錐状穴３ａはちどり状に交互に配置させることにより、絶縁基板のブレーク時にブレーク面以外からの折損することを防止し、併せてブレーク穴の密度向上を図っている。また円錐状穴３ａは、図１０に示されるような絶縁基材３の上表面と下表面に併設の場合でも、又は上表面或いは下表面のいずれかの形成の場合でも、その効果は得られる。
【００２９】
なお、これまでの実施の形態の説明では絶縁基材に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いた場合について述べたが、他のセラミックス、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）を用いた場合でも同様の効果が得られることは言うまでもない。ヒートシンク１は銅を材料としているが、他にアルミニウムのように熱伝導率の良い金属を使用することも可能である。
【００３０】
【発明の効果】
以上実施の形態について説明したように、モールド樹脂のヒートシンクよりの充填高さを絶縁基材の一方の表面の高さ以上で、かつ前記半導体素子の他方の表面の高さ以下としたため、各はんだに与えられる歪が軽減され、その結果として半導体装置のヒートサイクル寿命が向上するという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における半導体装置の要部の断面図
【図２】はんだ歪と製品寿命に至るヒートサイクル回数の関係を示すグラフ
【図３】本発明の実施の形態２における半導体装置の要部の断面図
【図４】本発明の実施の形態２における絶縁基板周辺部の平面図
【図５】本発明の実施の形態２におけるヒートシンクの平面図
【図６】本発明の実施の形態２におけるヒートシンクの平面図
【図７】本発明の実施の形態３における半導体装置の要部の断面図
【図８】本発明の実施の形態３における絶縁基板周辺部の平面図
【図９】本発明の実施の形態３における絶縁基板周辺部の断面図
【図１０】本発明の実施の形態３における絶縁基板周辺部の断面図
【符号の説明】
１  ヒートシンク、  ２  絶縁基板、  ３  絶縁基材、  ４  回路パターン、５  裏面パターン、  ６  半導体素子、  ７  基板下はんだ、  ８  半導体素子下はんだ、  ９アルミワイヤ、  １０  外囲器、  １１  電極端子、  １２  接着剤、  １３  シリコーンゲル、  １４モールド樹脂。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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