(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣｕもしくはＣｕ合金からなるヒートシンク（１０）と、
このヒートシンクの一面側に搭載された半導体素子（２０）と、
この半導体素子と電気的に接続されたリードフレーム（４０）と、
前記ヒートシンクの他面側を露出させつつ前記ヒートシンク、前記半導体素子および前記リードフレームを包み込むように封止する封止用樹脂（６０）とを備える樹脂封止型半導体装置において、
前記封止用樹脂はフィラーを含有するものであって、そのフィラー含有率が８４ｗｔ％以上であり、前記ヒートシンクの他面側と同一平面となるように封止され、
前記ヒートシンクは、前記一面と前記他面との間の側面に、突起部（１２）を有するものであり、
前記ヒートシンクの他面から前記突起部までのコイニング深さｔ（単位ｍｍ）、前記封止用樹脂の熱膨張係数をα（単位ｐｐｍ／℃）とし、αは５〜１５であるとすると、ｔ＞−０.０４α＋０．７
の関係が成立していることを特徴とする樹脂封止型半導体装置。
【請求項２】
前記αは、８〜１３であることを特徴とする請求項１に記載の樹脂封止型半導体装置。
【請求項３】
前記αは、８〜１１であることを特徴とする請求項１に記載の樹脂封止型半導体装置。
【請求項４】
前記突起は、前記ヒートシンクの他面側に向かって先細りとなる断面形状であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１つに記載の樹脂封止型半導体装置。
【請求項５】
前記ヒートシンク（１０）は矩形板状をなすものであり、そのコーナー部は面取りが施されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１つに記載の樹脂封止型半導体装置
【請求項６】
前記封止用樹脂（６０）はエポキシ系樹脂からなり、前記フィラーはシリカからなるものであることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１つに記載の樹脂封止型半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートシンク、半導体素子およびリードフレームを樹脂で封止してなる樹脂封止型半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図６は、従来の一般的な樹脂封止型半導体装置の概略断面図である。このものは、ＣｕもしくはＣｕ合金からなるヒートシンク１０の一面側に半導体素子２０を搭載し、半導体素子２０とリードフレーム４０とをワイヤ５０によって電気的に接続し、ヒートシンク１０の他面側を露出させつつヒートシンク１０、半導体素子２０およびリードフレーム４０を包み込むように封止用樹脂６０にて封止してなる。
【０００３】
ここで、ヒートシンク１０は、その一面と他面との間の側面に突起部（コイニング）１２を有する。これは、突起部１２を封止用樹脂６０に食い込ませることにより、封止用樹脂６０とヒートシンク１０との密着性を高めるためである。
【０００４】
このような樹脂封止型半導体装置においては、Ｃｕよりなるヒートシンク１０を内部に内蔵しているため、放熱性に優れている。この装置に使用する封止用樹脂６０の熱膨張係数は１３ｐｐｍ／℃以上のものが一般的に使用され、ヒートシンク１０の熱膨張係数（１８ｐｐｍ／℃程度）に近づけることで、樹脂６０のクラック寿命を確保している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記した装置構成では、次の二つの問題点がある。一つは、封止用樹脂６０の熱膨張係数が大きいため、半導体素子２０と樹脂６０との界面での熱応力が大きくなり、半導体素子２０から樹脂６０が剥離しやすい。そのため、半導体素子２０の表面をポリイミド樹脂等の保護膜で覆う必要が生じ、コストアップとなる。
【０００６】
もう一つの問題は、封止用樹脂６０中のフィラー量が少ないため、樹脂６０の吸湿性が大きくリフロー耐性が小さいことから、リードフレーム４０からの剥離が発生しやすく、信頼性に欠けることである。これは、装置を基板上にはんだを介してリフロー実装する際に、樹脂６０中に吸湿された水分がリフローの熱によって蒸発し、このときの水蒸気圧で樹脂６０が剥離しやすくなることによると考えられる。
【０００７】
さらに、近年、リフロー実装に用いるはんだの鉛フリー化への対応のため、より融点の高いはんだを用いることから、リフロー温度を上昇させたい要求がある。そのため、リードフレーム４０と樹脂６０との密着性を向上させたいという要求がいっそう強まっている。
【０００８】
本発明は上記問題に鑑み、ヒートシンク、半導体素子およびリードフレームを封止用樹脂で封止してなる樹脂封止型半導体装置において、大幅な構成の変更をすることなく、封止用樹脂のクラック寿命、および、半導体素子、リードフレームからの封止用樹脂の剥離寿命、の両寿命を適切に確保できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、ＣｕもしくはＣｕ合金からなるヒートシンク（１０）と、ヒートシンクの一面側に搭載された半導体素子（２０）と、半導体素子と電気的に接続されたリードフレーム（４０）と、ヒートシンクの他面側を露出させつつヒートシンク、半導体素子およびリードフレームを包み込むように封止する封止用樹脂（６０）とを備える樹脂封止型半導体装置において、封止用樹脂はフィラーを含有するものであって、そのフィラー含有率が８４ｗｔ％以上であり、ヒートシンクの他面側と同一平面となるように封止され、ヒートシンクは、一面と他面との間の側面に、突起部（１２）を有するものであり、ヒートシンクの他面から突起部までのコイニング深さｔ（単位ｍｍ）、封止用樹脂の熱膨張係数をα（単位ｐｐｍ／℃）とすると、ｔ＞−０．０４α＋０．７の関係が成立していることを特徴とする。
【００１０】
本発明は、本発明者等の行った検討の結果、実験的に見出したものである。まず、封止用樹脂のフィラー含有率を８４ｗｔ％以上とすることで、半導体素子からの封止用樹脂の剥離寿命およびリードフレームからの封止用樹脂の剥離寿命を適切に確保することができる。
【００１１】
また、ヒートシンクの側面に封止用樹脂との密着性を高めるための突起部を設けた場合、この突起部先端から封止用樹脂にクラックが発生しやすいが、上記距離ｔを（−０．０４α＋０．７）よりも大きくすることで、封止用樹脂のクラック寿命を適切に確保することができる。
【００１２】
そして、このように封止用樹脂のフィラー含有率を調整したり、ヒートシンクにおける側面に突起部を設け、この突起部の位置と封止用樹脂の熱膨張係数との関係を調整すれば良く、従来構成に対して大幅な構成の変更は不要である。
【００１３】
したがって、本発明によれば、樹脂封止型半導体装置において、大幅な構成の変更をすることなく、封止用樹脂のクラック寿命、および、半導体素子、リードフレームからの封止用樹脂の剥離寿命、の両寿命を適切に確保することができる。
【００１４】
また、請求項１に記載の発明では、αは５〜１５であることを特徴とする。それにより、図５に示されるように、封止用樹脂のクラック寿命を確保できるようになる。また、請求項２、３に記載の発明では、αは８〜１１又は８〜１３であることを特徴とする。それにより、図３に示されるように、チップ剥離・リード剥離の発生を抑制することができるようになる。
【００１５】
また、請求項４に記載の発明では、突起はヒートシンクの他面側に向かって先細りとなる断面形状であることを特徴とする。それにより、封止用樹脂に発生するクラックが、突起部の先端からヒートシンクの他面へ成長しやすいので、上述のように、ヒートシンクの他面から突起部までのコイニング深さｔと封止用樹脂の熱膨張係数αとの関係を規定することにより、封止用樹脂のクラック寿命を適切に確保することができるようになる。
【００１６】
また、請求項５に記載の発明では、ヒートシンク（１０）のコーナー部は面取りが施されていることを特徴とする。それにより、ヒートシンクのコーナー部における樹脂に加わる応力を低減でき、好ましい。
【００１７】
また、請求項６に記載の発明のように、封止用樹脂（６０）はエポキシ系樹脂からなり、フィラーはシリカからなるものを採用することができる。
【００１８】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
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Ｓ１における封止用樹脂６０の一部を透視して示す一部透視平面図であり、透視部分において樹脂６０の外形は破線にて示してある。また、図２は、図１中のＡ−Ａ線に沿った概略断面図である。
【００２０】
ヒートシンク１０は、ＣｕもしくはＣｕ合金を用いた矩形板状をなすものであり、本例では熱膨張係数が１８ｐｐｍ／℃のＣｕ板からなる。ヒートシンク１０の一面側には、半導体素子としてのシリコン基板等からなるＩＣチップ２０が搭載され、ヒートシンク１０とＩＣチップ２０とはダイボンド材３０を介して接着固定されている。
【００２１】
本例では、ヒートシンク１０の一面におけるＩＣチップ２０の搭載領域には、Ａｇめっき膜１１が形成されており、このＡｇめっき膜１１において、ヒートシンク１０とＩＣチップ２０とはダイボンド材３０を介して接着されている。
【００２２】
また、ヒートシンク１０の周囲には、Ｃｕ等の金属からなるリードフレーム４０が複数本配置されており、ＩＣチップ２０とリードフレーム４０とは金やアルミ等からなるワイヤ５０によって結線され電気的に接続されている。本例では、リードフレーム４０のうちワイヤ５０が接続される面にはＡｇめっき膜４１が形成され、このＡｇめっき膜４１にワイヤ５０がボンディングされている。
【００２３】
また、図１に示すように、リードフレーム４０のうちの一部４０ａがヒートシンク１０にかしめられることによりかしめ部４０ｂが形成されている。このかしめ部４０ｂにより、樹脂モールド前の各リードフレーム４０がフレーム部やタイバーで一体に連結された状態において、リードフレーム４０とヒートシンク１０とは一体に固定されたものとなる。
【００２４】
そして、封止用樹脂６０は、ヒートシンク１０の他面側を露出させつつヒートシンク１０、ＩＣチップ２０、リードフレーム４０およびワイヤ５０を包み込むように封止している。
【００２５】
ここで、封止用樹脂６０はエポキシ系樹脂等からなり、さらに熱膨張係数αを調整する等のためにシリカ等からなるフィラーが含有されたものである。そして、そのフィラー含有率を８４ｗｔ％以上としており、それによって、封止用樹脂６０の熱膨張係数αは例えば８ｐｐｍ／℃〜１３ｐｐｍ／℃程度としている。
【００２６】
なお、封止用樹脂６０に用いるエポキシ樹脂としては、フィラーを多く含有可能な粘性の低いものが好ましく、例えばビフェニル、ＤＣＰＤ（ジシクロペンタジエン）、ナフタレン等の骨格を有するエポキシ樹脂を採用できる。また、フィラーに用いるシリカとしては、球状の溶融ガラス等を採用できる。
【００２７】
また、図２に示すように、ヒートシンク１０は、その一面と他面との間の側面に、封止用樹脂６０とヒートシンク１０との密着性を高めるための突起部（コイニング）１２を有する。このような突起部１２を有するヒートシンク１０は、プレス加工等により形成することができる。
【００２８】
そして、図２に示すように、ヒートシンク１０の他面から突起部１２までの距離をｔとする。以下、この距離ｔをコイニング深さｔということとする。本実施形態では、コイニング深さｔは０．４ｍｍとしている。さらに、このコイニング深さｔ（単位：ｍｍ）は、封止用樹脂６０の熱膨張係数α（単位：ｐｐｍ／℃）との関係において、ｔ＞−０．０４α＋０．７の関係が成立している。
【００２９】
このような樹脂封止型半導体装置Ｓ１は、ヒートシンク１０とリードフレーム４０とをかしめ固定した後、ＩＣチップ２０をヒートシンク１０に搭載し、ワイヤボンディングを行い、樹脂モールドを行い、リードフレームの成形・カットを行うことにより、製造することができる。
【００３０】
ところで、本実施形態においては、封止用樹脂６０のフィラー含有率を８４ｗｔ％以上としたこと、および、コイニング深さｔと封止用樹脂６０の熱膨張係数αとの関係においてｔ＞−０．０４α＋０．７の関係が成立するようにしたことを、主たる特徴としている。
【００３１】
まず、封止用樹脂６０のフィラー含有率を８４ｗｔ％以上としたことの根拠について述べる。図３は、封止用樹脂６０における樹脂特性と吸湿後のリフロー耐性（いわゆる吸湿リフロー性）との関係を調べた結果を示す図表である。
【００３２】
上記図１、図２に示す装置Ｓ１において、封止用樹脂６０の材料を、図３に示すように樹脂Ａ、樹脂Ｂ、樹脂Ｃと変えたサンプルを作製した。各樹脂材料Ａ〜Ｃの樹脂はエポキシ樹脂であり、フィラーは溶融シリカガラスを用いた。
【００３３】
吸湿リフロー性の評価は、次のようにして行った。各サンプルについて、１２５℃で２４時間ベーキングを行って、いったん樹脂６０中の湿気を除去し、次に、３０℃、７０％ＲＨ、２４時間の条件または３０℃、７０％ＲＨ、１９２時間の条件で樹脂６０への吸湿を行い、次に、リフロー工程に相当する温度を加えた。具体的には、リフロー温度２４５℃で２回加熱処理した。
【００３４】
この後、各サンプルについて、超音波探査装置（ＳＡＴ）により、ＩＣチップ２０と封止用樹脂６０との剥離（図３中、チップ剥離）の様子、リードフレーム４０と封止用樹脂６０との剥離（図３中、リード剥離）の様子を調べた。図３では、剥離が発生していなかった場合を「○」、剥離が発生していた場合を「×」としてある。
【００３５】
図３からわかるように、フィラー含有率８０ｗｔ％の樹脂Ａでは、３０℃、７０％、２４ｈｒの吸湿リフロー試験ではチップ剥離、リード剥離ともに発生していないが、３０℃、７０％、１９２ｈｒではチップ剥離、リード剥離がともに発生している。
【００３６】
それに対し、フィラー含有率８４ｗｔ％以上の樹脂Ｂ、Ｃは、３０℃、７０％、１９２ｈｒのリフロー試験においても、チップ剥離とリード剥離の発生はともにない。このことから、樹脂のフィラー含有率は８４ｗｔ％以上とすることが必要であることがわかった。
【００３７】
つまり、封止用樹脂６０のフィラー含有率を８４ｗｔ％以上とすることで、ＩＣチップ（半導体素子）２０からの封止用樹脂６０の剥離寿命（つまり、チップ剥離寿命）およびリードフレーム４０からの封止用樹脂６０の剥離寿命（つまり、リード剥離寿命）を適切に確保することができる。
【００３８】
次に、コイニング深さｔについて、ｔ＞−０．０４α＋０．７の関係が成立するようにしたことの根拠を述べる。図４は、コイニング深さｔをパラメータとして、クラック長さと最大主応力の関係をＦＥＭで解析した結果を示す図である。
【００３９】
ここで、解析モデルとしては、温度変化ΔＴは２１５℃（−６５〜１５０℃）、封止用樹脂６０の熱膨張係数αは８ｐｐｍ／℃、ヒートシンク１０の熱膨張係数は１８ｐｐｍ／℃、ＩＣチップ（シリコン）２０の熱膨張係数は３ｐｐｍ／℃とした。
【００４０】
また、図４（ａ）に示すように、本発明者等の検討によれば、封止用樹脂６０に発生するクラックＫは、突起部１２の先端からヒートシンク１０の他面へ成長しやすい。そこで、図４（ａ）に示すように、コイニング深さｔの方向すなわちヒートシンク１０の厚み方向に沿ったクラックＫの長さをクラック長さＬとする。
【００４１】
そして、コイニング深さｔを０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．３ｍｍ、０．４ｍｍと変えた場合において、クラック長さＬ（単位：ｍｍ）と最大主応力（単位：ＭＰａ）との関係を応力解析により求めた結果が、図４（ｂ）である。
【００４２】
図４（ｂ）より、各コイニング深さｔにおいて同じクラック長さＬのクラックＫが発生した場合、コイニング深さｔが深いほど最大主応力の増加が抑制されている。つまり、コイニング深さｔを厚くする（深くする）と最大主応力が低減することがわかる。
【００４３】
実際のサンプルでも、コイニング深さｔの効果については確認しており、熱膨張係数８ｐｐｍ／℃の封止用樹脂６０を用いた場合は、コイニング深さｔが０．４ｍｍ以上であれば、実用レベルのクラック寿命、具体的には、−６５℃、３０分と１５０℃、３０分とのサイクルを１０００サイクル以上行ってもクラックが封止用樹脂６０の外表面にまで現れないことを満足することを確認している。
【００４４】
このように、封止用樹脂６０のクラック寿命は、樹脂６０の熱膨張係数αとコイニング深さｔによって大きく左右される。そこで、さらに、樹脂６０のクラック寿命が成立する樹脂６０の熱膨張係数αとコイニング深さｔとの関係について、実験解析した。
【００４５】
具体的には、樹脂６０の熱膨張係数αとコイニング深さｔとを変えていき、上記した実用レベルのクラック寿命すなわち−６５℃、３０分と１５０℃、３０分とを１０００サイクル以上としたクラック寿命が確保されるような、αとｔとの範囲を求めた。その結果を図５に示す。
【００４６】
図５から、ｔ＞−０．０４α＋０．７の関係を満足すれば、樹脂６０のクラック寿命を実用レベルにて満足できることがわかった。
【００４７】
このように、本実施形態によれば、封止用樹脂６０のフィラー含有率を８４ｗｔ％以上とすることで、チップ剥離寿命およびリード剥離寿命を適切に確保することができる。また、コイニング深さｔを（−０．０４α＋０．７）よりも大きくすることで、封止用樹脂６０のクラック寿命を適切に確保することができる。
【００４８】
そして、本実施形態では、封止用樹脂６０のフィラー含有率を調整したり、ヒートシンク１０における側面に突起部１２を設け、この突起部１２の位置と封止用樹脂６０の熱膨張係数αとの関係を調整すれば良く、従来構成に対して大幅な構成の変更は不要である。
【００４９】
したがって、本実施形態によれば、樹脂封止型半導体装置において、大幅な構成の変更をすることなく、封止用樹脂のクラック寿命、および、半導体素子、リードフレームからの封止用樹脂の剥離寿命、の両寿命を適切に確保することができる。
【００５０】
また、本実施形態では、上記図１に示すように、ヒートシンク１０のコーナー部に面取りを施し面取り部１３を設けることがより好ましい。上記図３〜図５に示す各効果は、面取り部１３の無いヒートシンク１０によっても十分達成できるが、面取り部１３が形成されていた方が好ましい。
【００５１】
これは、面取り部１３の形成により、該コーナー部における樹脂６０に加わる応力を低減できることが可能なためである。ＦＥＭ応力解析で解析した結果によると、コーナー部に０．５ｍｍの面取り部１３を設けることにより、約２５％の応力低減が可能なことがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施形態に係る樹脂封止型半導体装置における封止用樹脂の一部を透視して示す一部透視平面図である。
【図２】図１中のＡ−Ａ線に沿った概略断面図である。
【図３】封止用樹脂における樹脂特性と吸湿リフロー性との関係を調べた結果を示す図表である。
【図４】コイニング深さｔをパラメータとして、クラック長さと最大主応力の関係をＦＥＭで解析した結果を示す図である。
【図５】実用レベルのクラック寿命を確保するための封止用樹脂の熱膨張係数αとコイニング深さｔとの関係を示す図である。
【図６】従来の一般的な樹脂封止型半導体装置の概略断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０  ヒートシンク
１２  突起部
２０  ＩＣチップ
４０  リードフレーム
６０  封止用樹脂
【図１】
0004679987.tif 000002
【図２】
0004679987.tif 000003
【図３】
0004679987.tif 000004
【図４】
0004679987.tif 000005
【図５】
0004679987.tif 000006
【図６】
0004679987.tif 000007