(57)【要約】【課題】金属製のヒートシンクの一面側にダイボンド材を介して半導体シリコンチップを接着してなる半導体装置において、該半導体装置を実装するときのはんだリフロー時にダイボンド材に加わる応力を低減し、ダイボンド材とヒートシンクとの剥離を防止する。【解決手段】金属製のヒートシンク１０と、このヒートシンク１０の一面側にダイボンド材２０を介して接着された半導体シリコンチップ３０とを備える半導体装置Ｓ１において、ダイボンド材２０のガラス転移温度以上における熱膨張係数をα２、ダイボンド材２０のガラス転移温度以上におけるヤング率をＥ２としたとき、これらα２およびＥ２の積α２・Ｅ２が１８０００Ｐａ・℃−１以下である。【選択図】　　　　図１
2004103641.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製のヒートシンク（１０）と、
このヒートシンクの一面側にダイボンド材（２０）を介して接着された半導体シリコンチップ（３０）とを備える半導体装置において、
前記ダイボンド材のガラス転移温度以上における熱膨張係数をα２、前記ダイボンド材のガラス転移温度以上におけるヤング率をＥ２としたとき、これらα２およびＥ２の積α２・Ｅ２が１８０００Ｐａ・℃−１以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記ヒートシンク（１０）は銅からなるもの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】
前記ヒートシンク（１０）は、平面サイズが８ｍｍ×８ｍｍ以上である矩形板状をなすものであることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記半導体シリコンチップ（３０）は、平面サイズが４ｍｍ×４ｍｍ以上である矩形板状をなすものであることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記ヒートシンク（１０）および前記半導体シリコンチップ（３０）は、樹脂（６０）にて包み込むように封止されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一つに記載の半導体装置。
【請求項６】
被実装基板に対して、リフロー温度が２４０℃以上のはんだを用いて実装されるものであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一つに記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属製のヒートシンクの一面側にダイボンド材を介して半導体シリコンチップを接着してなる半導体装置に関し、特に、はんだを介して回路基板等の被実装基板に実装される半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の半導体装置としては、例えば、金属製のヒートシンクと、このヒートシンクの一面側に導電性接着剤等のダイボンド材を介して接着された半導体シリコンチップと、この半導体シリコンチップとボンディングワイヤにより電気的に接続されたリードフレームとを備え、これらのものを樹脂で封止してなる樹脂封止型半導体装置がある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
このような半導体装置は、リードフレームを介して回路基板等の被実装基板上にはんだ実装される。その実装のときには、はんだをリフローさせるため、そのリフロー温度がそのまま半導体装置に加わる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平３−２３７７３３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、半導体装置を実装するはんだの鉛フリー化の要求が高まり、それによってリフロー温度も高温化している。例えば従来が２２０℃程度であったのが、２４０℃以上となっている。それに伴い、半導体装置の耐熱性の向上も要求される。
【０００６】
しかしながら、本発明者らの検討によれば、従来の半導体装置では、リフロー温度が高温化（例えば２４０℃以上）されたはんだを用いて実装するときに、リフロー処理によってダイボンド材とヒートシンクとの間で剥離が発生することがわかった。
【０００７】
特に、ヒートシンクの大きな半導体装置、例えば矩形板状をなすヒートシンクにおいて平面サイズが８ｍｍ×８ｍｍ以上、矩形板状をなす半導体シリコンチップにおいて平面サイズが４ｍｍ×４ｍｍ以上といった大きな半導体装置において、上記剥離の問題が顕著に現れた。
【０００８】
このダイボンド材とヒートシンクとの間の剥離は、半導体シリコンチップとダイボンド材と金属製（例えば銅等）のヒートシンクとの間の熱膨張係数の差により、ダイボンド材にて応力が発生し、この応力がダイボンド材に加わることによって生じると考えられる。
【０００９】
なお、この剥離の問題は、上記した樹脂封止型半導体装置以外にも、樹脂で封止されていない半導体装置であっても発生すると考えられる。つまり、金属製のヒートシンクの一面側にダイボンド材を介して半導体シリコンチップを接着してなる半導体装置であって、はんだ実装されるものであれば、共通して発生すると考えられる。
【００１０】
本発明は上記問題に鑑み、金属製のヒートシンクの一面側にダイボンド材を介して半導体シリコンチップを接着してなる半導体装置において、該半導体装置を実装するときのはんだリフロー時にダイボンド材に加わる応力を低減し、ダイボンド材とヒートシンクとの剥離を防止することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記のはんだリフロー時には、導電性接着剤または有機や無機の絶縁性接着材等からなるダイボンド材が、ガラス転移温度以上になることから、そのガラス転移温度以上となったときのダイボンド材をやわらかくして、応力を緩和することを考えた。
【００１２】
導電性接着剤等の従来の一般的なダイボンド材は、ガラス転移温度以上の熱膨張係数α２が、ヒートシンクの熱膨張係数や半導体シリコンチップの熱膨張係数に比べて１桁以上大きい。そのため、まず、ダイボンド材のガラス転移温度以上の熱膨張係数α２を小さくして、ヒートシンクや半導体シリコンチップの熱膨張係数に近づけることを考えた。
【００１３】
また、ダイボンド材に応力が発生しても、ダイボンド材をやわらかくすれば当該応力が緩和しやすくなると考えて、ダイボンド材のガラス転移温度以上におけるヤング率Ｅ２を小さくすることを考えた。
【００１４】
このように、ダイボンド材のガラス転移温度以上における熱膨張係数α２、ヤング率Ｅ２を小さくすれば良いと考え、この考えに基づいて、改善のパラメータとしてα２とＥ２との積α２・Ｅ２を小さくすることに着目した。そして、どの程度まで積α２・Ｅ２を小さくすれば、剥離を生じないように応力低減がなされるかについて検討した結果、本発明を創出した。
【００１５】
すなわち、請求項１に記載の発明では、金属製のヒートシンク（１０）と、このヒートシンクの一面側にダイボンド材（２０）を介して接着された半導体シリコンチップ（３０）とを備える半導体装置において、前記ダイボンド材のガラス転移温度以上における熱膨張係数をα２、前記ダイボンド材のガラス転移温度以上におけるヤング率をＥ２としたとき、これらα２およびＥ２の積α２・Ｅ２が１８０００Ｐａ・℃−１以下であることを特徴とする。
【００１６】
本発明のように、ダイボンド材のガラス転移温度以上における熱膨張係数α２とヤング率Ｅ２との積α２・Ｅ２が１８０００Ｐａ・℃−１以下であれば、半導体装置を実装するときのはんだリフロー時にダイボンド材に加わる応力を低減し、ダイボンド材とヒートシンクとの剥離を防止することができる。
【００１７】
ここで、請求項２に記載の発明のように、前記ヒートシンク（１０）は銅からなるものにできる。
【００１８】
請求項３に記載の発明では、前記ヒートシンク（１０）は、平面サイズが８ｍｍ×８ｍｍ以上である矩形板状をなすものであることを特徴とする。
【００１９】
請求項４に記載の発明では、前記半導体シリコンチップ（３０）は、平面サイズが４ｍｍ×４ｍｍ以上である矩形板状をなすものであることを特徴とする。
【００２０】
上記請求項１に記載の半導体装置は、この請求項３や請求項４の発明のように、ヒートシンクや半導体シリコンチップが大型化し、ダイボンド材の剥離が生じやすいものに適用して有効である。
【００２１】
また、請求項５に記載の発明では、前記ヒートシンク（１０）および前記半導体シリコンチップ（３０）は、樹脂（６０）にて包み込むように封止されていることを特徴とする。このような樹脂封止型半導体装置にも本発明は適用可能である。
【００２２】
また、請求項６に記載の発明では、請求項１〜請求項５に記載の半導体装置が、被実装基板に対して、リフロー温度が２４０℃以上のはんだを用いて実装されるものであることを特徴とする。
【００２３】
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を示す一例である。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。図１は本発明の実施形態に係る樹脂封止型半導体装置としての半導体装置Ｓ１の概略断面構成を示す図である。
【００２５】
この半導体装置Ｓ１は、金属製のヒートシンク１０を有する。ヒートシンク１０は銅やアルミニウム等の放熱性に優れた金属からなり、例えば熱膨張係数αが１８ｐｐｍ・℃−１以下、ヤング率Ｅが１２０ＧＰａ以下程度のものを採用できる。本例では、ヒートシンク１０は銅からなり、その場合、熱膨張係数αは１７ｐｐｍ・℃−１、ヤング率Ｅは１２０ＧＰａ程度である。
【００２６】
また、ヒートシンク１０は、放熱性を向上させるためにサイズを大きくして放熱面積を大きくしたものにできる。そのような場合、具体的には、ヒートシンク１０は平面サイズが８ｍｍ×８ｍｍ以上である矩形板状をなすものを採用することができる。
【００２７】
このヒートシンク１０の一面上には、ダイボンド材２０を介して半導体シリコンチップ３０が搭載され、接着されている。半導体シリコンチップ３０はシリコン半導体からなるもので、例えば矩形板状のＩＣチップである。このチップ３０は、上記した大型化したヒートシンク１０を採用する場合には、平面サイズが４ｍｍ×４ｍｍ以上であるものにできる。
【００２８】
ダイボンド材２０は、例えばエポキシ系樹脂に導電性のフィラー（例えば銀フィラー等）を含有してなる導電性接着剤や、絶縁性の樹脂や無機物からなる接着剤等を採用することができる。
【００２９】
このダイボンド材２０は、ヒートシンク１０と半導体シリコンチップ３０との接着固定するとともに、両者１０、３０の間に加わる応力を緩和する機能を有することが好ましい。そのため、あまり薄いと上記応力緩和機能が不十分となることから、ダイボンド材２０の厚さは３０μｍ以上が好ましい。
【００３０】
また、この応力緩和機能を有するため、ダイボンド材２０においては、ダイボンド材２０のガラス転移温度（Ｔｇ点）以上における熱膨張係数α２およびダイボンド材２０のガラス転移温度以上におけるヤング率Ｅ２の積α２・Ｅ２を、１８０００Ｐａ・℃−１以下としている。この積α２・Ｅ２が１８０００Ｐａ・℃−１であることは、一例を挙げるならば、α２が１２０ｐｐｍ・℃−１、Ｅ２が１５０ＭＰａであることに相当する。
【００３１】
ここで、周知のことではあるが、ガラス転移温度を有する物質に関しては一般に、図２に示すような、温度と膨張量ΔＬとの関係となり、ガラス転移温度すなわちＴｇ点において膨張量ΔＬの温度に対する傾き、すなわち熱膨張係数が変化する。Ｔｇ点以下の熱膨張係数α１に対して、Ｔｇ点以上の熱膨張係数α２は大きくなる。この熱膨張係数と同じことがヤング率にも言える。
【００３２】
また、図１に示すように、ヒートシンク１０および半導体シリコンチップ３０の周囲には、リードフレーム４０が配置されている。このリードフレーム４０は銅や４２アロイ等の通常のリードフレーム材料を用いて形成されたもので、半導体シリコンチップ３０とは、金やアルミ等のボンディングワイヤ５０により結線され電気的に接続されている。
【００３３】
そして、これらヒートシンク１０、半導体シリコンチップ３０、リードフレーム４０およびボンディングワイヤ５０は、樹脂６０にて包み込まれるように封止されている。図１に示す樹脂６０の封止形態は、通常の樹脂封止型半導体装置の形態であり、ヒートシンク１０の他面およびリードフレーム４０の一部（アウターリード）を露出させた形で封止を行っている。
【００３４】
この樹脂６０は、例えばエポキシ系樹脂等の通常のモールド樹脂を採用することができ、そのＴｇ点以上の熱膨張係数α２は３０ｐｐｍ・℃−１以下、ヤング率Ｅ２は１０００ＭＰａ以下程度のものを採用できる。本例では、樹脂６０はエポキシ樹脂からなり、その場合、熱膨張係数α２は３０ｐｐｍ・℃−１、ヤング率Ｅ２は１０００ＭＰａ程度である。
【００３５】
このような半導体装置Ｓ１は、例えば、次のように製造することができる。リードフレーム４０がかしめ固定されたヒートシンク１０の上に半導体シリコンチップ３０をダイボンド材２０を介して搭載し接着した後、ワイヤボンディングを行い、半導体シリコンチップ３０とリードフレーム４０とをボンディングワイヤ５０にて結線する。
【００３６】
その後、このものを樹脂の成形型内へセットし、樹脂６０を注入、充填、硬化させることにより、半導体装置Ｓ１ができあがる。このようにして製造された半導体装置Ｓ１は、例えば、半導体シリコンチップ３０として発熱度合の大きいパワー素子を有するものを用い、放熱性を必要とするパワーパッケージとして適用することができる。
【００３７】
そして、本半導体装置Ｓ１は、リードフレーム４０のアウターリードを介して、配線基板等の被実装基板上にはんだ実装される。この実装においては、はんだをリフローさせることで実装が行われるが、鉛を含まない鉛フリーはんだの場合、リフロー温度は２４０℃以上となる。
【００３８】
次に、積α２・Ｅ２を１８０００Ｐａ・℃−１以下とした根拠について述べる。上述したように、半導体装置のはんだ実装時において、リフロー処理によってダイボンド材とヒートシンクとの間で剥離が発生し、この剥離は、半導体シリコンチップとダイボンド材とヒートシンクとの間の熱膨張係数の差により発生する応力がダイボンド材に加わることによって生じると考えられる。
【００３９】
本発明者らは、はんだリフロー時には、ダイボンド材２０がガラス転移温度以上になることから、そのガラス転移温度以上となったときのダイボンド材２０をやわらかくして、応力を緩和することを考えた。
【００４０】
一般にダイボンド材は、ガラス転移温度以上の熱膨張係数α２が、ヒートシンクの熱膨張係数（例えば銅の場合、１７ｐｐｍ・℃−１）や半導体シリコンチップの熱膨張係数（例えば３ｐｐｍ・℃−１程度）に比べて１桁以上大きい。そのため、まず、ダイボンド材２０の熱膨張係数α２を小さくして、ヒートシンク１０や半導体シリコンチップ３０の熱膨張係数に近づけることを考えた。
【００４１】
また、ダイボンド材に応力が発生しても、ダイボンド材を軟らかくすれば当該応力が緩和しやすくなると考えて、ダイボンド材２０のガラス転移温度以上におけるヤング率Ｅ２を小さくすることを考えた。このような考えから、α２とＥ２との積α２・Ｅ２を小さくすることに着目し、どの程度まで積α２・Ｅ２を小さくすれば剥離を生じないレベルまで応力が低減されるかについて、２次元モデルを用いたＦＥＭ解析を行った。
【００４２】
図３は、そのＦＥＭ応力解析結果を示す図である。ここで、半導体装置Ｓ１の各部構成は上記例のものとした。すなわち、ヒートシンク１０は平面サイズが８ｍｍ×８ｍｍ以上である矩形板状をなす銅製のもの、半導体シリコンチップ３０は平面サイズが４ｍｍ×４ｍｍ以上である矩形板状をなすもの、樹脂６０はエポキシ樹脂からなるものとした。また、ダイボンド材２０の厚さは３０μｍ、リフロー温度は２４５℃とした。
【００４３】
図３では、ダイボンド材２０における上記積α２・Ｅ２（単位：Ｐａ・℃−１）を変えていったときの、ダイボンド材２０に印加される応力（単位：ＭＰａ）を示している。
【００４４】
ここで、応力においては、１０ＭＰａ以下が実用上ダイボンド材とヒートシンクとの剥離が生じないレベルの値である。そして、図３に示すように、応力が１０ＭＰａ以下を満足するためには、ダイボンド材２０における積α２・Ｅ２を、誤差等を考慮しておおよそ１８０００Ｐａ・℃−１以下とすれば良いことがわかる。
【００４５】
実際に、図３中の白丸プロットに示すような本実施形態のダイボンド材２０、および黒丸プロットに示すような比較例としてのダイボンド材を作製した。この比較例のダイボンド材は従来のもので、エポキシ樹脂に銀フィラーを含有させた導電性接着剤とした。それに対して、本実施形態のダイボンド材２０は、比較例のダイボンド材に対して、更に比較的やわらかいシリコーン樹脂を混入させることで積α２・Ｅ２を小さくしたものである。
【００４６】
図３中の本実施形態のダイボンド材２０を用いて実際に半導体装置Ｓ１を形成し、これを２４５℃に加熱するという実機テストを行ったが、ダイボンド材２０とヒートシンク１０との間の剥離は発生しなかった。比較例では同条件で実機テストしたところ剥離が発生した。
【００４７】
また、このような積α２・Ｅ２を１８０００Ｐａ・℃−１以下としたダイボンド材２０は、例えば、上述したように、従来のエポキシ樹脂に対して比較的やわらかいシリコーン系樹脂を加えたり、あるいはエポキシ樹脂をシリコーン樹脂に置き換えたり、または、フィラーの量を調整したりすることにより、熱膨張係数α２やヤング率Ｅ２を低くすることで実現可能である。
【００４８】
以上述べてきたように、本実施形態によれば、金属製のヒートシンク１０と、このヒートシンク１０の一面側にダイボンド材２０を介して接着された半導体シリコンチップ３０とを備える半導体装置Ｓ１において、ダイボンド材２０のガラス転移温度以上における熱膨張係数α２、およびダイボンド材２０のガラス転移温度以上におけるヤング率Ｅ２の積α２・Ｅ２を１８０００Ｐａ・℃−１以下としたことを特徴としている。
【００４９】
このように、ダイボンド材２０における上記積α２・Ｅ２が１８０００Ｐａ・℃−１以下であれば、半導体装置Ｓ１を実装するときのはんだリフロー時にダイボンド材２０に加わる応力を低減し、ダイボンド材２０とヒートシンク１０との剥離を防止することができる。
【００５０】
なお、「課題」の欄にて上述したが、本発明者らの検討によれば、例えば、平面サイズが８ｍｍ×８ｍｍ以上にまで大型化した矩形板状のヒートシンク１０や、このように大型化したヒートシンク１０に伴って平面サイズが４ｍｍ×４ｍｍ以上である矩形板状の半導体シリコンチップ３０を有する大きな半導体装置において、上記剥離の問題が顕著に現れる。
【００５１】
そのため、上記した本実施形態の剥離防止効果は、これらのヒートシンク１０が大型化した半導体装置に特に有効である。また、本発明は上記樹脂封止型半導体装置以外にも、金属製のヒートシンクの一面側にダイボンド材を介して半導体シリコンチップを接着してなる半導体装置であって、はんだ実装されるものであれば適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体装置の概略断面図である。
【図２】ガラス転移温度を有する物質における温度と膨張量ΔＬとの一般的な関係を示す図である。
【図３】積α２・Ｅ２とダイボンド材に印加される応力との関係を示す図である。
【符号の説明】
１０…ヒートシンク、２０…ダイボンド材、３０…半導体シリコンチップ、
６０…樹脂。
【図１】
2004103641.tif 000003
【図２】
2004103641.tif 000004
【図３】
2004103641.tif 000005