(57)【要約】【課題】  大きな熱応力が作用したときに、半導体装置の中の接合部の歪みを低減して、素子破壊を防止する。【解決手段】  本発明の半導体装置１は、半導体素子２と、この半導体素子２の両面から放熱するためのものであって電極を兼ねる一対の金属体３、４とを備え、装置１のほぼ全体を樹脂モールドするように構成したものにおいて、樹脂７として、そのガラス転移点が半導体装置１の保証使用温度の上限値よりも高いものを使用するように構成した。この構成によれば、半導体素子２を拘束している樹脂７のガラス転移点が半導体装置１の保証使用温度の上限値よりも高いことから、通常の使用温度範囲内では、半導体素子２に対して十分な大きさの圧縮力が加わるようになる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、この半導体素子の両面から放熱するためのものであって電極を兼ねる一対の金属体とを備え、装置のほぼ全体を樹脂モールドするように構成した半導体装置において、
前記樹脂として、そのガラス転移点が半導体装置の保証使用温度の上限値よりも高いものを使用したことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記樹脂として、ガラス転移点以下の温度においてヤング率が２０ＧＰａ以下であるエポキシ系樹脂を使用す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】
前記樹脂として、ガラス転移点以下の温度において熱膨張係数が前記金属体の熱膨張係数と比較して５０％以内で整合しているエポキシ系樹脂を使用することを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記樹脂のガラス転移点が１５０℃以上であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか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、半導体素子の両面に一対の金属体を接合し、半導体素子の両面から放熱するように構成した半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば高耐圧・大電流用の半導体チップ（半導体素子）は、使用時の発熱が大きいため、チップからの放熱性を向上させるための構成が必要になる。この構成の一例として、特許文献１に記載された半導体装置が知られている。この半導体装置では、チップの両面に一対のヒートシンク（金属体）を例えば半田層を介して接合するように構成されており、この構成によれば、チップの両面から放熱できるので、放熱性が向上する。そして、上記した両面放熱型の半導体装置は、全体が樹脂でモールドされている。尚、一対のヒートシンクの各外面は、放熱性を良くするために、露出されるように構成されている。
【特許文献１】特開２００３−１１００６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記構成の半導体装置においては、半導体チップ、ヒートシンク、樹脂の熱膨脹係数の差が大きいため、これら３つの部材の接触部にかなり大きな熱応力が作用し、この熱応力によって、半導体チップが破壊されてしまうことがある。この問題点を解決する対策の一例が、上記特許文献１に記載されており、この記載されている対策は、半導体チップの厚さを薄くすることにより、接合（半田付け）部の歪みを小さくするようにしている。
【０００４】
これに対して、本発明者らは、他の構成・方法によっても接合部の歪みを低減することができないかと考えてみた。というのは、上記他の構成・方法があれば、それを特許文献１の構成に加えることにより、接合部の歪みをより一層低減させることが可能となるからである。
本発明の目的は、大きな熱応力が作用したときに、接合部の歪みを低減できて、素子破壊を防止することができる半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の半導体装置は、半導体素子と、この半導体素子の両面から放熱するためのものであって電極を兼ねる一対の金属体とを備え、装置のほぼ全体を樹脂モールドするように構成したものにおいて、前記樹脂として、そのガラス転移点が半導体装置の保証使用温度の上限値よりも高いものを使用したところに特徴を有する。この構成の場合、半導体素子を拘束している樹脂のガラス転移点が半導体装置の保証使用温度の上限値よりも高いことから、通常の使用温度範囲内では、半導体素子に対して十分な大きさの圧縮力が加わるようになる。従って、大きな熱応力が作用したとしても、接合部の歪みを低減することができる。
【０００６】
また、上記構成の場合、前記樹脂として、ガラス転移点以下の温度においてヤング率が２０ＧＰａ以下であるエポキシ系樹脂を使用することが好ましい。
更に、前記樹脂として、ガラス転移点以下の温度において熱膨張係数が前記金属体の熱膨張係数と比較して５０％以内で整合しているエポキシ系樹脂を使用することがより一層好ましい構成である。
【０００７】
更にまた、前記樹脂のガラス転移点が１５０℃以上であることが良い構成である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の一実施例について、図面を参照しながら説明する。まず、図１は、本実施例の半導体装置の概略構成を示す断面図である。この図１に示すように、本実施例の半導体装置１は、半導体チップ（半導体素子）２と、下側ヒートシンク（金属体）３と、上側ヒートシンク（金属体）４と、ヒートシンクブロック（金属体）５とを備えて構成されている。
【０００９】
この構成の場合、半導体チップ２の下面と下側ヒートシンク３の上面との間は、接合部材である例えば半田６によって接合されている。そして、半導体チップ２の上面とヒートシンクブロック５の下面との間も、半田６によって接合されている。更に、ヒートシンクブロック５の上面と上側ヒートシンク４の下面との間も、半田６によって接合されている。これにより、上記構成においては、半導体チップ２の両面からヒートシンク３、４（即ち、一対の金属体）を介して放熱される構成となっている。
【００１０】
尚、上記半導体チップ２は、例えばＩＧＢＴやサイリスタ等のパワー半導体素子から構成されている。
また、上記半導体チップ２の形状は、本実施例の場合、例えば矩形薄板状である。下側ヒートシンク３、上側ヒートシンク４及びヒートシンクブロック５は、例えばＣｕやＡｌ等の熱伝導性及び電気伝導性の良い金属で構成されている。この構成の場合、下側ヒートシンク３及び上側ヒートシンク４は、半導体チップ２の各主電極（例えばコレクタ電極やエミッタ電極等）に半田６を介して電気的にも接続されている。
【００１１】
また、下側ヒートシンク３は、全体として例えばほぼ長方形状の板材であり、図示しない端子部が突設されている。ヒートシンクブロック５は、半導体チップ２よりも一回り小さい程度の大きさの矩形状の板材である。上側ヒートシンク４は、全体として例えばほぼ長方形状の板材で構成されており、図示しない端子部が突設されている。
尚、上記構成の場合、下側ヒートシンク３の上面と上側ヒートシンク４の下面との間の距離は、例えば１〜２ｍｍ程度になるように構成されている。
【００１２】
そして、一対のヒートシンク３、４の隙間、並びに、半導体チップ２及びヒートシンクブロック５の周囲部分には、樹脂７が充填封止されている。この場合、ヒートシンク３、４等を樹脂７でモールドするに当たっては、上下型からなる成形型（図示しない）を使用している。尚、樹脂７とヒートシンク３、４との密着力、樹脂７と半導体チップ２との密着力、並びに、樹脂７とヒートシンクブロック５との密着力を強くするために、上記樹脂７でモールドする前に、コーティング樹脂である例えばポリアミド樹脂（図示しない）をヒートシンク３、４、ヒートシンクブロック５及びチップ２の表面に塗布しておくことが好ましい。
【００１３】
また、上記構成の場合、下側ヒートシンク３の下面及び上側ヒートシンク４の上面が、樹脂７からそれぞれ露出するようにモールドされている。これにより、ヒートシンク３、４の放熱性を高めている。
さて、本実施例においてモールドに使用する樹脂７について、詳しく説明する。この樹脂７は、例えばエポキシ系樹脂で構成されており、従来構成（特許文献１）の半導体装置に使用される樹脂（エポキシ系樹脂）と異なる点は、そのガラス転移点（の温度）が高く設定されているところである。具体的には、従来構成の樹脂のガラス転移点Ｔｇは１００〜１３０℃程度であるのに対して、本実施例の樹脂７のガラス転移点Ｔｇは例えば１５０℃以上に設定されている。
【００１４】
この場合、ガラス転移点Ｔｇを１５０℃以上に設定する理由は、本実施例の半導体装置１を例えば自動車（電機自動車を含む）に使用した場合、半導体装置１の保証使用温度の上限値が１５０℃となるためである。
ところで、従来構成の樹脂（ガラス転移点Ｔｇが１００〜１３０℃程度のもの）を使用した半導体装置を、ガラス転移点の温度を越える使用温度（例えば１４０〜１５０℃）の環境で使用した場合、樹脂のヤング率が急減し、その熱膨張係数が急増する。この結果、半導体チップを拘束する圧縮応力を保持する能力が急減する。これにより、半導体チップの圧縮応力が開放されることから、半導体チップ２とヒートシンク３との接合部の歪みが増加し、接合部の耐久性が低下するという問題点がある。
【００１５】
図２において、破線Ｂ１は従来構成の樹脂のヤング率の変化を示し、破線Ｂ２は従来構成の半導体装置の接合部の歪みの変化を示す。尚、図２の横軸は温度（℃）であり、縦軸はヤング率（ＭＰａまたはＧＰａ等）と歪み（単位なし）である。温度Ｔ１は従来構成の樹脂のガラス転移点Ｔｇである。
これに対して、本実施例の樹脂７のガラス転移点Ｔｇは１５０℃以上であるから、使用温度範囲内では、樹脂７のヤング率はほとんど変化しない。この樹脂７のヤング率の変化を、図２中の実線Ａ１で示す。これにより、樹脂７の熱膨張係数も余り変化しない。この結果、半導体チップ２を拘束する圧縮応力を保持する能力が十分保持されるから、半導体チップ２の圧縮応力が開放され難くなり、接合部の歪みを抑制することができ、接合部の耐久性を高めることができる。半導体装置１の接合部の歪みの変化を、図２中の実線Ａ２で示す。
【００１６】
図３（ａ）は、本実施例の半導体チップ２を拘束する圧縮応力が十分作用している様子を、幅広の矢印で示す半導体装置１の断面図である。そして、半導体装置１の接合部の歪みが抑制されている状態を、図３（ｂ）に示す。
これに対して、図４（ａ）は、従来構成の半導体装置において半導体チップを拘束する圧縮応力が低減している様子を、短い幅広の矢印で示す半導体装置の断面図である。そして、半導体装置の接合部の歪みが増加している状態を、図４（ｂ）に示す。尚、従来構成の半導体装置のうちの樹脂１１を除く構成は、本実施例の半導体装置１の構成と同じである。
【００１７】
ここで、樹脂７としてエポキシ系樹脂を使用した場合に、樹脂７のガラス転移点を高くする方法・構成について説明する。まず、第１の方法として、官能基（側鎖）を増やすという方法がある。そして、第２の方法として、ベンゼン環を円形状につなげることにより架橋点を短くし、架橋密度をアップするという方法がある。ちなみに、ガラス転移点が高い従来周知の樹脂は、ベンゼン環が直線状につながっている樹脂、または、側鎖が少ない樹脂である。更に、第３の方法として、ガラス転移点が高くなるようにフィラー量を調整する方法がある。これら３つの方法を単独または組合せて適宜使用することにより、樹脂７のガラス転移点を所定温度（１５０℃以上）まで高くすることができる。
【００１８】
尚、本実施例においては、樹脂７のガラス転移点Ｔｇを、周知のＴＭＡ法により求めている、即ち、定義している。このＴＭＡ法は、計測温度に対する変位量の変化を求め、その結果を複数の直線で近似し、２つの直線が交わる点の温度をガラス転移点と定義する方法である。
具体的には、図５に示すようにして、樹脂７のガラス転移点を定義する。上記図５において、横軸は温度（℃）、縦軸は変位量（ｍやｍｍ等）であり、実線の曲線Ｃ１は樹脂の温度を変化させたときの樹脂の膨張量（もしくは圧縮量）の変化を示している。破線の直線Ｄ１、Ｄ２は上記曲線Ｃ１を２つの直線で近似した直線であり、これら２つの直線Ｄ１、Ｄ２の交点をガラス転移点Ｔｇと定義している。
【００１９】
一方、本実施例においては、樹脂７をエポキシ系樹脂で構成すると共に、ガラス転移点以下の温度においてヤング率が２０ＧＰａ以下となるように構成している。このように構成する理由は、ヤング率が２０ＧＰａ以上になると、発生する応力が樹脂の接着力を超えてしまうためである。
更に、本実施例においては、樹脂７として、ガラス転移点以下の温度において熱膨張係数がヒートシンク３、４（金属体）の熱膨張係数と比較して５０％以内で整合しているエポキシ系樹脂（即ち、熱膨張係数が金属体の熱膨張係数の１．５倍以内のエポキシ系樹脂）を使用している。このように構成する理由は、上記５０％以内で整合していないと、発生する応力が樹脂の接着力を超えてしまうためである。
【００２０】
このような構成の本実施例においては、半導体装置１のほぼ全体をモールドする樹脂７として、そのガラス転移点が半導体装置１の保証使用温度の上限値（例えば１５０℃）よりも高いものを使用するように構成した。この構成によれば、半導体チップ２を拘束している樹脂７のガラス転移点が半導体装置１の保証使用温度の上限値よりも高いことから、通常の使用温度範囲内では、半導体チップ２に対して十分な大きさの圧縮力が加わるようになる。従って、大きな熱応力が作用したとしても、接合部の歪みを低減することができる。
【００２１】
また、上記実施例では、樹脂７として、ガラス転移点以下の温度においてヤング率が２０ＧＰａ以下であるエポキシ系樹脂を使用する構成としたので、発生する応力が樹脂の接着力を超えてしまうことを防止できる。更に、上記実施例では、樹脂７として、ガラス転移点以下の温度において熱膨張係数がヒートシンク３、４の熱膨張係数と比較して５０％以内で整合しているエポキシ系樹脂を使用する構成としたので、発生する応力が樹脂の接着力を超えてしまうことを防止できる。
【００２２】
尚、上記実施例においても、半導体チップ２、ヒートシンク３、４の厚み寸法を、前記特許文献１に記載されているように構成しても良い。このように構成すると、半導体装置１の接合部の歪みをより一層低減することができ、素子破壊を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施例を示す半導体装置の断面図
【図２】樹脂のヤング率の変化と接合部の歪みの変化を示す図
【図３】（ａ）は樹脂のヤング率が高い場合に圧縮応力が大きい様子を示す断面図、（ｂ）は同部分拡大断面図
【図４】（ａ）は樹脂のヤング率が低い場合に圧縮応力が小さい様子を示す断面図、（ｂ）は同部分拡大断面図
【図５】ＴＭＡ法によりガラス転移点を定義する例を示す図
【符号の説明】
【００２４】
図面中、１は半導体装置、２は半導体チップ（半導体素子）、３は下側ヒートシンク（金属体）、４は上側ヒートシンク（金属体）、５はヒートシンクブロック（金属体）、６は半田、７は樹脂を示す。
【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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