(57)【要約】【課題】  半導体チップの素子形成面側と非形成面側との両側にヒートシンクを接合してなり、装置のほぼ全体が樹脂でモールドされてなる半導体装置において、熱応力による接合部の破断に対して信頼性を向上させる。【解決手段】  半導体チップ１０と、半導体チップ１０の素子形成面１１側に接合材５０を介して接合された上側ヒートシンク３０と、半導体チップ１０の非形成面１２側に接合材５０を介して接合された下側ヒートシンク３０とを備え、装置のほぼ全体が樹脂６０でモールドされてなる半導体装置において、両ヒートシンク２０、３０の線膨張係数α２と樹脂６０の線膨張係数α１との関係が、０．８α２≦α１≦１．５α２、である。【選択図】        図１
2005116963.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱チップ（１０）と、
前記発熱チップ（１０）の素子形成面（１１）側に接合材（５０）を介して接合された第１の放熱板（３０）と、
前記発熱チップ（１０）の前記素子形成面（１１）とは反対側の非形成面（１２）側に接合材（５０）を介して接合された第２の放熱板（２０）とを備え、
装置のほぼ全体が樹脂（６０）でモールドされてなる半導体装置において、
前記第１の放熱板（３０）および前記第２の放熱板（２０）の線膨張係数α２と前記樹脂（６０）の線膨張係数α１との関係が、
０．８α２≦α１≦１．５α２
であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第１の放熱板（３０）および前記第２の放熱板（２０）が同じ材質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】
前記第１の放熱板（３０）および前記第２の放熱板（２０）がＣｕであるとき、前記樹脂（６０）の線膨張係数α１が１４〜２５ｐｐｍ／℃であることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記樹脂（６０）の線膨張係数α１が１６〜２０ｐｐｍ／℃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】
前記樹脂（６０）のヤング率が６〜２４ＧＰａであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項６】
前記発熱チップ（１０）は、発熱に寄与する素子形成領域（Ｒ１）の外周に非発熱領域（Ｒ２）を持っており、
前記非発熱領域（Ｒ２）の幅（ｔ’）は前記発熱チップ（１０）の厚さ（ｔ）以上の大きさであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項７】
発熱チップ（１０）と、
前記発熱チップ（１０）の素子形成面（１１）側に接合材（５０）を介して接合された第１の放熱板（３０）と、
前記発熱チップ（１０）の前記素子形成面（１１）とは反対側の非形成面（１２）側に接合材（５０）を介して接合された第２の放熱板（２０）とを備え、
装置のほぼ全体が樹脂（６０）でモールドされてなる半導体装置において、
前記発熱チップ（１０）は、発熱に寄与する素子形成領域（Ｒ１）の外周に非発熱領域（Ｒ２）を持っており、
前記非発熱領域（Ｒ２）の幅（ｔ’）は前記発熱チップ（１０）の厚さ（ｔ）以上の大きさであることを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
発熱チップ（１０）と、
前記発熱チップ（１０）の素子形成面（１１）側に接合材（５０）を介して接合された配線部材（９０）と、
前記発熱チップ（１０）の前記素子形成面（１１）とは反対側の非形成面（１２）側に接合材（５０）を介して接合された放熱板（２０）とを備え、
装置のほぼ全体が樹脂（６０）でモールドされてなる半導体装置において、
前記配線部材（９０）および前記放熱板（２０）の線膨張係数α２と前記樹脂（６０）の線膨張係数α１との関係が、
０．８α２≦α１≦１．５α２
であることを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
前記配線部材（９０）および前記放熱板（２０）が同じ材質であることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記配線部材（９０）および前記放熱板（２０）がＣｕであるとき、前記樹脂（６０）の線膨張係数α１が１４〜２５ｐｐｍ／℃であることを特徴とする請求項９に記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記樹脂（６０）の線膨張係数α１が１６〜２０ｐｐｍ／℃であることを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置。
【請求項１２】
前記樹脂（６０）のヤング率が６〜２４ＧＰａであることを特徴とする請求項８ない１１のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項１３】
前記発熱チップ（１０）は、発熱に寄与する素子形成領域（Ｒ１）の外周に非発熱領域（Ｒ２）を持っており、
前記非発熱領域（Ｒ２）の幅（ｔ’）は前記発熱チップ（１０）の厚さ（ｔ）以上の大きさであることを特徴とする請求項８ないし１２のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項１４】
発熱チップ（１０）と、
前記発熱チップ（１０）の素子形成面（１１）側に接合材（５０）を介して接合された配線部材（９０）と、
前記発熱チップ（１０）の前記素子形成面（１１）とは反対側の非形成面（１２）側に接合材（５０）を介して接合された放熱板（２０）とを備え、
装置のほぼ全体が樹脂（６０）でモールドされてなる半導体装置において、
前記発熱チップ（１０）は、発熱に寄与する素子形成領域（Ｒ１）の外周に非発熱領域（Ｒ２）を持っており、
前記非発熱領域（Ｒ２）の幅（ｔ’）は前記発熱チップ（１０）の厚さ（ｔ）以上の大きさであることを特徴とする半導体装置。
【請求項１５】
前記接合材（５０）は、はんだであることを特徴とする請求項１ないし１４のいずれか１つ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、少なくとも発熱チップの非形成面側に放熱板を接合してなり、装置のほぼ全体が樹脂でモールドされてなる半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のこの種の半導体装置に用いられる発熱チップは、たとえばパワー半導体素子等からなるものであり、一面が発熱に寄与する素子が形成されている素子形成面として構成され、他面が発熱に寄与する素子が形成されていない非形成面として構成されているものである。
【０００３】
そして、このような発熱チップを用いた半導体装置は、一般に、次のような構成を有している。
【０００４】
すなわち、発熱チップと、発熱チップの素子形成面側に接合材を介して接合された第１の放熱板と、発熱チップの素子形成面とは反対側の非形成面側に接合材を介して接合された第２の放熱板とを備え、装置のほぼ全体が樹脂でモールドされてなる（たとえば、特許文献１参照）。
【０００５】
なお、このような半導体装置においては、発熱チップの素子形成面側には、放熱板ではなく接合材を介して配線部材が接合されている場合もある。
【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】
【０００６】
ところで、この種の半導体装置においては、上記特許文献１にも記載されているように、樹脂の線膨張係数α１と放熱板（ヒートシンク）の線膨張係数α２との関係を、０．５α２≦α１≦１．５α２、とすることで、熱応力が作用したときの素子破壊を防止するようにしている。
【０００７】
たとえば、ヒートシンクに銅（α２＝１７ｐｐｍ／℃）を選択した場合、樹脂の線膨張係数α１は、８．５≦α１≦２５．５、が適しているとしている。
【０００８】
しかしながら、これら線膨張係数に関して、本発明者らがさらに検討を行ったところ、樹脂の線膨張係数を変えた場合に、発熱チップの素子形成面側に位置する接合部とそれとは反対側の非形成面側に位置する接合部とでは、破断しやすい接合部が変わることがわかった。
【０００９】
具体的には、本発明者らの行ったＦＥＭ解析によれば、樹脂の線膨張係数が１５ｐｐｍ／℃よりも小さいときには、発熱チップの素子形成面側に位置する接合材のひずみが大きく、１５ｐｐｍ／℃以上のときにはでは非形成面側に位置する接合材の方がひずみが大きくなることがわかった（図３参照）。
【００１０】
実際に、本発明者らが行った実験においても、樹脂の線膨張係数を１４ｐｐｍ／℃から１０ｐｐｍ／℃と小さくすることで、発熱チップの素子形成面側に位置する接合部の熱応力による破断が大きくなることが確認され、１４ｐｐｍ／℃から１８ｐｐｍ／℃と大きくすることで、発熱チップの素子形成面側に位置する接合部の熱応力による破断が小さくなることが確認された。
【００１１】
ここで、少なくとも発熱チップの非形成面側に放熱板を接合してなり、装置のほぼ全体が樹脂でモールドされてなる半導体装置においては、熱応力が作用した場合に、発熱チップの素子形成面側に位置する接合部と非形成面側に位置する接合部とでは、非形成面側に位置する接合部の方にて破断を発生させるようにすることが好ましい。この理由は、次の通りである。
【００１２】
発熱チップにおいては、ＩＧＢＴやトランジスタ等の発熱素子の形成領域すなわち発熱に寄与する素子形成領域が内周側にあり、当該素子形成領域の外周に、発熱に寄与する素子が形成されていない非発熱領域がある。
【００１３】
この種の半導体装置においては、発熱チップの素子形成面側では、接合材は、発熱に寄与する素子形成領域のほぼ全域に対応して配置され、非発熱領域には実質的に配置されていない。つまり、発熱チップの素子形成面側では、接合材は、発熱に寄与する素子形成領域に過不足無く正確に対応して、無駄な領域を有することなく配置されている。
【００１４】
それに対して、発熱チップの非形成面側では、接合材は、発熱チップ全体の面積と同等かそれよりもやや大きい程度の面積にて配置されている。そのため、発熱チップの非形成面側では、接合材は、放熱には実質的に関与しない非発熱領域にも接して熱的に接続されている。
【００１５】
そして、この非発熱領域は、上述したように、発熱チップの外周側に位置するものである。また、接合材を含む接合部の破断は、通常、接合材の端部側すなわち発熱チップの外周側から発生しやすいものである。
【００１６】
つまり、発熱チップの素子形成面側に位置する接合部の方にて破断を発生させる場合には、放熱経路に影響せずに破断を発生させることが困難であるのに対し、発熱チップの非形成面側に位置する接合部の方にて破断を発生させる場合には、当該接合部のうち放熱に影響しない部分にて破断を発生させる余地が十分にあるということである。
【００１７】
そこで、本発明者らは、熱応力が作用したときの接合部の破断の発生において、発熱チップの非形成面側に位置する接合部の方を犠牲にすれば、より信頼性の高い半導体装置が提供できるのではないかと考えた。
【００１８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、少なくとも発熱チップの非形成面側に放熱板を接合してなり、装置のほぼ全体が樹脂でモールドされてなる半導体装置において、発熱チップの素子形成面側に位置する接合部とそれとは反対側の非形成面側に位置する接合部とでは、非形成面側に位置する接合部の方にて熱応力による破断を発生させるのに好適な構成を実現するという新規な課題を提供するとともに、この新規な課題を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、発熱チップ（１０）と、発熱チップ（１０）の素子形成面（１１）側に接合材（５０）を介して接合された第１の放熱板（３０）と、発熱チップ（１０）の素子形成面（１１）とは反対側の非形成面（１２）側に接合材（５０）を介して接合された第２の放熱板（２０）とを備え、装置のほぼ全体が樹脂（６０）でモールドされてなる半導体装置において、第１の放熱板（３０）および第２の放熱板（２０）の線膨張係数α２と樹脂（６０）の線膨張係数α１との関係が、
０．８α２≦α１≦１．５α２
であることを特徴としている。
【００２０】
このように、第１および第２の放熱板（２０、３０）の線膨張係数α２と樹脂（６０）の線膨張係数α１との関係を規定することにより、熱応力印加時において、発熱チップ（１０）の素子形成面（１１）側に位置する接合材（５０）の歪みを小さく、発熱チップ（１０）の素子形成面（１１）とは反対側の非形成面（１２）側に位置する接合材（５０）の歪みを大きくすることができる（図３参照）。
【００２１】
その結果、本発明によれば、発熱チップ（１０）の素子形成面（１１）および非形成面（１２）の両側に放熱板（２０、３０）を接合してなり、装置のほぼ全体が樹脂（６０）でモールドされてなる半導体装置において、発熱チップ（１０）の素子形成面（１１）側に位置する接合部とそれとは反対側の非形成面（１２）側に位置する接合部とでは、非形成面（１２）側に位置する接合部の方にて熱応力による破断を発生させるのに好適な構成を実現することができる。
【００２２】
ここで、請求項２に記載の発明のように、請求項１に記載の半導体装置においては、第１の放熱板（３０）および第２の放熱板（２０）は同じ材質であるものにできる。
【００２３】
また、請求項３に記載の発明のように、請求項２に記載の半導体装置において、第１の放熱板（３０）および第２の放熱板（２０）がＣｕである場合には、樹脂（６０）の線膨張係数α１は１４〜２５ｐｐｍ／℃となる。さらに望ましくは、請求項４に記載の発明のように、樹脂（６０）の線膨張係数α１は１６〜２０ｐｐｍ／℃であることが好ましい。
【００２４】
また、請求項５に記載の発明のように、請求項１〜請求項４に記載の半導体装置においては、樹脂（６０）のヤング率は６〜２４ＧＰａとすることができる。
【００２５】
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において、発熱チップ（１０）は、発熱に寄与する素子形成領域（Ｒ１）の外周に非発熱領域（Ｒ２）を持っており、非発熱領域（Ｒ２）の幅（ｔ’）は発熱チップ（１０）の厚さ（ｔ）以上の大きさであることを特徴としている。
【００２６】
このように、非発熱領域（Ｒ２）の幅（ｔ’）を発熱チップ（１０）の厚さ（ｔ）以上に大きくすれば、発熱チップ（１０）の非発熱領域（Ｒ２）の非形成面（１２）側に位置する接合材（５０）において、破断しても放熱特性に影響のない領域を設けることができる。
【００２７】
請求項７に記載の発明では、発熱チップ（１０）と、発熱チップ（１０）の素子形成面（１１）側に接合材（５０）を介して接合された第１の放熱板（３０）と、発熱チップ（１０）の素子形成面（１１）とは反対側の非形成面（１２）側に接合材（５０）を介して接合された第２の放熱板（２０）とを備え、装置のほぼ全体が樹脂（６０）でモールドされてなる半導体装置において、発熱チップ（１０）は、発熱に寄与する素子形成領域（Ｒ１）の外周に非発熱領域（Ｒ２）を持っており、非発熱領域（Ｒ２）の幅（ｔ’）は発熱チップ（１０）の厚さ（ｔ）以上の大きさであることを特徴としている。
【００２８】
それによれば、上記請求項６に記載の発明と同様に、非発熱領域（Ｒ２）の幅（ｔ’）を発熱チップ（１０）の厚さ（ｔ）以上に大きくすることで、発熱チップ（１０）の非発熱領域（Ｒ２）の非形成面（１２）側に位置する接合材（５０）において、破断しても放熱特性に影響のない領域を設けることができる。
【００２９】
そのため、本発明によれば、発熱チップ（１０）の素子形成面（１１）および非形成面（１２）の両側に放熱板（２０、３０）を接合してなり、装置のほぼ全体が樹脂（６０）でモールドされてなる半導体装置において、発熱チップ（１０）の素子形成面（１１）側に位置する接合部とそれとは反対側の非形成面（１２）側に位置する接合部とでは、非形成面（１２）側に位置する接合部の方にて熱応力による破断を発生させるのに好適な構成を実現することができる。
【００３０】
請求項８に記載の発明では、発熱チップ（１０）と、発熱チップ（１０）の素子形成面（１１）側に接合材（５０）を介して接合された配線部材（９０）と、発熱チップ（１０）の素子形成面（１１）とは反対側の非形成面（１２）側に接合材（５０）を介して接合された放熱板（２０）とを備え、装置のほぼ全体が樹脂（６０）でモールドされてなる半導体装置において、配線部材（９０）および放熱板（２０）の線膨張係数α２と樹脂（６０）の線膨張係数α１との関係が、
０．８α２≦α１≦１．５α２
であることを特徴としている。
【００３１】
それによれば、上記請求項１に記載の半導体装置と同様に、熱応力印加時において、発熱チップ（１０）の素子形成面（１１）側に位置する接合材（５０）の歪みを小さく、発熱チップ（１０）の素子形成面（１１）とは反対側の非形成面（１２）側に位置する接合材（５０）の歪みを大きくすることができる。
【００３２】
その結果、本発明の半導体装置によれば、発熱チップ（１０）の素子形成面（１１）側に配線部材（９０）、非形成面（１２）側に放熱板（２０）を接合してなり、装置のほぼ全体が樹脂（６０）でモールドされてなる半導体装置において、発熱チップ（１０）の素子形成面（１１）側に位置する接合部とそれとは反対側の非形成面（１２）側に位置する接合部とでは、非形成面（１２）側に位置する接合部の方にて熱応力による破断を発生させるのに好適な構成を実現することができる。
【００３３】
請求項９に記載の発明では、請求項８に記載の半導体装置において、配線部材（９０）および放熱板（２０）が同じ材質であることを特徴としている。
【００３４】
請求項１０に記載の発明では、請求項９に記載の半導体装置において、配線部材（９０）および放熱板（２０）がＣｕであるとき、樹脂（６０）の線膨張係数α１が１４〜２５ｐｐｍ／℃であることを特徴としている。
【００３５】
請求項１１に記載の発明では、請求項１０に記載の半導体装置において、樹脂（６０）の線膨張係数α１が１６〜２０ｐｐｍ／℃であることを特徴としている。
【００３６】
請求項１２に記載の発明では、請求項８〜請求項１１に記載の半導体装置において、樹脂（６０）のヤング率が６〜２４ＧＰａであることを特徴としている。
【００３７】
請求項１３に記載の発明では、請求項８〜請求項１２に記載の半導体装置において、発熱チップ（１０）は、発熱に寄与する素子形成領域（Ｒ１）の外周に非発熱領域（Ｒ２）を持っており、非発熱領域（Ｒ２）の幅（ｔ’）は発熱チップ（１０）の厚さ（ｔ）以上の大きさであることを特徴としている。
【００３８】
これら請求項９、請求項１０、請求項１１、請求項１２、請求項１３に記載の発明は、請求項８に記載の発明の作用効果に加えて、それぞれ、上記請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６に記載の発明と同様の作用効果を奏するものである。
【００３９】
請求項１４に記載の発明では、発熱チップ（１０）と、発熱チップ（１０）の素子形成面（１１）側に接合材（５０）を介して接合された配線部材（９０）と、発熱チップ（１０）の素子形成面（１１）とは反対側の非形成面（１２）側に接合材（５０）を介して接合された放熱板（２０）とを備え、装置のほぼ全体が樹脂（６０）でモールドされてなる半導体装置において、発熱チップ（１０）は、発熱に寄与する素子形成領域（Ｒ１）の外周に非発熱領域（Ｒ２）を持っており、非発熱領域（Ｒ２）の幅（ｔ’）は発熱チップ（１０）の厚さ（ｔ）以上の大きさであることを特徴としている。
【００４０】
それによれば、上記請求項６に記載の発明と同様に、非発熱領域（Ｒ２）の幅（ｔ’）を発熱チップ（１０）の厚さ（ｔ）以上に大きくすることで、発熱チップ（１０）の非発熱領域（Ｒ２）の非形成面（１２）側に位置する接合材（５０）において、破断しても放熱特性に影響のない領域を設けることができる。
【００４１】
そのため、本発明によれば、発熱チップ（１０）の素子形成面（１１）側に配線部材（９０）、非形成面（１２）側に放熱板（２０）を接合してなり、装置のほぼ全体が樹脂（６０）でモールドされてなる半導体装置において、発熱チップ（１０）の素子形成面（１１）側に位置する接合部とそれとは反対側の非形成面（１２）側に位置する接合部とでは、非形成面（１２）側に位置する接合部の方にて熱応力による破断を発生させるのに好適な構成を実現することができる。
【００４２】
ここで、請求項１５に記載の発明のように、請求項１〜請求項１４に記載の半導体装置における接合材（５０）は、はんだとすることができる。
【００４３】
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】
【００４４】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。
【００４５】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置Ｓ１の概略断面構成を示す図である。
【００４６】
この図１に示すように、本実施形態の半導体装置Ｓ１は、発熱チップとしての半導体チップ１０と、放熱板としての下側ヒートシンク２０および上側ヒートシンク３０と、放熱ブロックとしてのヒートシンクブロック４０と、これらの間に介在する接合材５０と、これらをモールドする樹脂６０とを備えて構成されている。
【００４７】
この構成の場合、半導体チップ１０の下面と下側ヒートシンク２０の上面との間は、接合材である例えばはんだ５０によって接合されている。そして、半導体チップ１０の上面とヒートシンクブロック４０の下面との間も、接合材である例えばはんだ５０によって接合されている。
【００４８】
さらに、ヒートシンクブロック４０の上面と上側ヒートシンク３０の下面との間も、接合材である例えばはんだ５０によって接合されている。なお、接合材５０としては、はんだ以外にも、たとえば導電性接着剤等であってもよい。
【００４９】
これにより、上記構成においては、半導体チップ１０の上面では、接合材５０、ヒートシンクブロック４０、接合材５０および上側ヒートシンク３０を介して放熱が行われ、半導体チップ１０の下面では、接合材５０から下側ヒートシンク２０を介して放熱が行われる構成となっている。
【００５０】
なお、発熱チップ１０としては、特に限定されるものではないが、本実施形態において発熱素子として用いられている上記半導体チップ１０は、たとえばＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）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。この場合、半導体チップ１０のデバイス構造を、トレンチゲートタイプとすることが好ましい。もちろん、他のタイプのデバイス構造を用いるように構成しても良い。
【００５１】
ここで、図２は、半導体チップ１０の概略平面構成を示す図である。この図２は、半導体チップ１０の素子形成面１１を見た図である。上記半導体チップ１０の形状は、たとえば矩形状の薄板状とすることができる。
【００５２】
この発熱チップとしての半導体チップ１０においては、図２に現れている一面が、発熱に寄与する素子が形成されている素子形成面１１として構成され、この素子形成面１１とは反対側の他面が、発熱に寄与する素子が形成されていない非形成面１２（図１参照）として構成されている。
【００５３】
図２では、半導体チップ１０がＩＧＢＴやトランジスタ等の場合を示しており、素子形成面１１側には、ＩＧＢＴやトランジスタ等の発熱に寄与する素子が形成されている。この発熱に寄与する素子が形成されている素子形成領域Ｒ１は、図２では、エミッタ電極１３とほぼ重なった領域である。
【００５４】
ここで、図２に示されるように、半導体チップ１０は、素子形成領域Ｒ１の外周に非発熱領域Ｒ２を持っている。この非発熱領域Ｒ２は、発熱に寄与する素子が形成されていない領域である。
【００５５】
図２では、矩形状の半導体チップ１０の中央部に矩形状の素子形成領域Ｒ１が位置しており、その周囲を取り囲むように半導体チップ１０の外周端部に、矩形枠状の非発熱領域Ｒ２が位置している。
【００５６】
また、半導体チップ１０の素子形成面１１において、素子形成領域Ｒ１の外側すなわち非発熱領域Ｒ２にはゲート電極１４が形成されている。なお、図示しないが、半導体チップ１０の非形成面１２には、裏面電極としてコレクタ電極が形成されている。
【００５７】
そして、半導体チップの素子形成面１１側では、接合材５０は、素子形成領域Ｒ１（図２ではエミッタ電極１３と同じ）のほぼ全域に対応して配置され、非発熱領域Ｒ２には実質的に配置されない。
【００５８】
つまり、半導体チップ１０の素子形成面１１側では、接合材５０は、素子形成領域Ｒ１に過不足無く正確に対応して、無駄な領域を有することなく配置されている。そして、この接合材５０を介してヒートシンクブロック４０が、半導体チップ１０の素子形成面１１にて素子形成領域Ｒ１に接続されている。
【００５９】
それに対して、半導体チップ１０の非形成面１２側では、接合材５０は、半導体チップ１０全体の面積と同等かそれよりもやや大きい程度の面積にて配置されている。
【００６０】
そのため、発熱チップ１０の非形成面１２側では、接合材５０は、放熱には実質的に関与しない非発熱領域Ｒ２にも接して熱的に接続されている。そして、この接合材５０を介して下側ヒートシンク２０が非形成面１２に接続されている。
【００６１】
また、下側ヒートシンク２０、上側ヒートシンク３０およびヒートシンクブロック４０は、たとえば銅合金もしくはアルミ合金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。ここで、これら下側ヒートシンク２０、上側ヒートシンク３０およびヒートシンクブロック４０は、同じ材質であることが好ましい。
【００６２】
この構成の場合、下側ヒートシンク２０および上側ヒートシンク３０は、半導体チップ１０の上記各主電極（たとえば、コレクタ電極やエミッタ電極等）に接合材であるはんだ５０を介して電気的にも接続されている。
【００６３】
また、下側ヒートシンク２０および上側ヒートシンク３０はともに、たとえば、全体としてほぼ長方形状の板材とすることができる。また、ヒートシンクブロック４０は、たとえば、半導体チップ１０よりも１回り小さい程度の大きさの矩形状の板材とすることができる。
【００６４】
ここで、上側ヒートシンク３０は、半導体チップ（発熱チップ）１０の素子形成面１１側に接合材５０を介して接合された第１の放熱板として構成され、下側ヒートシンク２０は、半導体チップ（発熱チップ）１０の素子形成面１１とは反対側の非形成面１２側に接合材５０を介して接合された第２の放熱板として構成されている。
【００６５】
さらに、図１に示されるように、一対のヒートシンク２０、３０の隙間、並びに、半導体チップ１０およびヒートシンクブロック４０の周囲部分には、樹脂６０が充填封止されている。
【００６６】
この樹脂６０はたとえばエポキシ樹脂等の通常のモールド材料を採用することができる。また、ヒートシンク２０、３０等を樹脂６０でモールドするにあたっては、上下型からなる成形型（図示しない）を使用し、トランスファーモールド法によって容易に行うことができる。
【００６７】
また、樹脂６０内において半導体チップ１０の周囲には、リードフレーム７０が設けられており、樹脂６０内において、半導体チップ１０とリードフレーム７０とは、ワイヤ８０によって結線され、電気的に接続されている。このワイヤ８０はワイヤボンディング等により形成され、金やアルミ等からなるものである。
【００６８】
このような半導体装置Ｓ１において、本実施形態では、上側ヒートシンク（第１の放熱板）３０および下側ヒートシンク（第２の放熱板）２０の線膨張係数α２と、樹脂６０の線膨張係数α１との関係が、０．８α２≦α１≦１．５α２、であるという独自の構成としている。
【００６９】
具体的に、両ヒートシンク２０、３０がＣｕ（線膨張係数α２：１７ｐｐｍ／℃）であるとき、樹脂６０の線膨張係数α１が１４〜２５ｐｐｍ／℃であり、望ましくは、１６〜２０ｐｐｍ／℃である。また、樹脂６０のヤング率は６〜２４ＧＰａであることが好ましい。
【００７０】
この樹脂６０の線膨張係数α１やヤング率の調整は、たとえばエポキシ樹脂をベース材料とした場合、このエポキシ樹脂に含有されるフィラーの量を調整することにより行うことが可能である。
【００７１】
次に、上記した構成の半導体装置Ｓ１の製造方法について、図１を参照して、簡単に説明する。まず、下側ヒートシンク２０の上面に、半導体チップ１０とヒートシンクブロック４０をはんだ付けする工程を実行する。
【００７２】
この場合、下側ヒートシンク２０の上面に、たとえば、はんだ箔を介して半導体チップ１０を積層するとともに、この半導体チップ１０の上にはんだ箔を介してヒートシンクブロック４０を積層する。この後、加熱装置（リフロー装置）によって上記はんだ箔を溶融させてから、硬化させる。
【００７３】
続いて、半導体チップ１０の制御電極（例えば上記ゲート電極１４等）とリードフレーム７０とをワイヤボンディングする工程を実行する。これによって、ワイヤ８０によって半導体チップ１０の上記制御電極とリードフレーム７０とが結線され、電気的に接続される。
【００７４】
次いで、ヒートシンクブロック４０の上に上側ヒートシンク３０をはんだ付けする工程を実行する。この場合、ヒートシンクブロック４０の上にはんだ箔を介して上側ヒートシンク３０を載せる。そして、加熱装置によって上記はんだ箔を溶融させてから、硬化させる。
【００７５】
こうして溶融したはんだ箔が硬化すれば、硬化したはんだ５０が接合材５０として構成されることになる。そして、この接合材５０を介して、下側ヒートシンク２０、半導体チップ１０、ヒートシンクブロック４０、上側ヒートシンク３０間の接合および電気的・熱的接続が完了する。
【００７６】
しかる後、図示しない成形型を使用して、ヒートシンク２０、３０の隙間及び外周部に樹脂６０を充填する工程（モールド工程）を実行する。これにより、図１に示されるように、ヒートシンク２０、３０の隙間及び外周部等に、樹脂６０が充填封止される。
【００７７】
そして、樹脂６０が硬化した後、成形型内から半導体装置Ｓ１を取り出せば、半導体装置Ｓ１が完成する。
【００７８】
なお、上記構成の場合、下側ヒートシンク２０の下面及び上側ヒートシンク３０の上面が、それぞれ露出するように樹脂モールドされている。これにより、ヒートシンク２０、３０の放熱性が高められている。
【００７９】
ところで、本実施形態によれば、半導体チップ（発熱チップ）１０と、半導体チップ１０の素子形成面１１側に接合材５０を介して接合された上側ヒートシンク（第１の放熱板）３０と、半導体チップ１０の非形成面１２側に接合材５０を介して接合された下側ヒートシンク（第２の放熱板）２０とを備え、装置のほぼ全体が樹脂６０でモールドされてなる半導体装置Ｓ１において、両ヒートシンク２０、３０の線膨張係数α２と樹脂６０の線膨張係数α１との関係が、０．８α２≦α１≦１．５α２、であることを特徴とする半導体装置Ｓ１が提供される。
【００８０】
この両ヒートシンク２０、３０の線膨張係数α２と樹脂６０の線膨張係数α１との関係を採用する根拠について述べる。
【００８１】
図３は、両ヒートシンク２０、３０が銅（Ｃｕ）の場合に半導体チップ１０の素子形成面１１側と非形成面１２側とにおいて接合材５０に発生する歪み（せん断塑性歪み）と樹脂６０の線膨張係数α１との関係を、ＦＥＭ解析で求めた結果を示すグラフである。
【００８２】
この場合、接合材５０は、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉ系はんだ（線膨張係数：２３ｐｐｍ／℃程度）とした。また、半導体チップ１０の素子形成面１１側と非形成面１２側とにおける接合材５０の評価点は、図１中の符号Ａ、Ｂで示される部位とした。
【００８３】
なお、図３では、半導体チップ１０の素子形成面１１側の接合材５０を、図１に示される上下関係から、素子上の接合材と示し、非形成面１２側の接合材５０を、素子下の接合材と示している。
【００８４】
この図３に示される結果から、樹脂６０の線膨張係数α１が１５ｐｐｍ／℃より大きくなるにつれて、素子下の接合材の歪みが増大している。これは。樹脂６０の線膨張係数α１が１５ｐｐｍ／℃より大きくなるにつれて、熱サイクルなどによって、素子下の接合材の破断が進行しやすくなることを意味している。
【００８５】
そして、樹脂６０の線膨張係数α１を変えた場合に、半導体チップ１０の素子形成面１１側に位置する接合部とそれとは反対側の非形成面１２側に位置する接合部とでは、破断しやすい接合部が変わることがわかる。
【００８６】
このように、ＦＥＭ解析によれば、樹脂６０の線膨張係数が１５ｐｐｍ／℃よりも小さいときには、半導体チップ１０の素子形成面１１側に位置する接合材５０のひずみが大きく、１５ｐｐｍ／℃以上のときにはでは非形成面１２側に位置する接合材５０の方がひずみが大きくなる。
【００８７】
そのため、樹脂６０の線膨張係数α１を１５ｐｐｍ／℃より大きくすることで、素子下の接合材、すなわち半導体チップ１０の非形成面１２側の接合材５０が熱サイクルで破断するような設計を行うことができる。
【００８８】
ここで、図３のＦＥＭ解析に基づく結果では、樹脂６０の線膨張係数が１５ｐｐｍ／℃を境として、破断しやすい接合部が変わるが、実際に、樹脂６０の線膨張係数α１を変えて実験を行ったところ、１４ｐｐｍ／℃を境として歪みが大きい接合部が変わった。つまり、歪みが大きい接合部が変わる樹脂６０の線膨張係数α１の境界は、上記図３に示されるＦＥＭ解析結果とほぼ一致した。
【００８９】
この実験結果から、熱応力印加時において、半導体チップ１０の素子形成面１１側に位置する接合材５０の歪みを小さく、非形成面１２側に位置する接合材５０の歪みを大きくするためには、両ヒートシンク２０、３０の線膨張係数α２と樹脂６０の線膨張係数α１とは、０．８α２≦α１であればよい。
【００９０】
また、樹脂６０の線膨張係数α１の上限については、上記した特許文献１（特開２００３−１１００６４号公報）に記載されている理由と同様の理由により定められる。つまり、α１≦１．５α２、の関係となる。
【００９１】
よって、本実施形態において、０．８α２≦α１≦１．５α２、の関係を規定することにより、半導体チップ１０の素子形成面１１側に位置する接合部と非形成面１２側に位置する接合部とでは、非形成面１２側に位置する接合部の方にて熱応力による破断を発生させるのに好適な構成を実現することができる。
【００９２】
以上のことが、本実施形態において、両ヒートシンク２０、３０の線膨張係数α２と樹脂６０の線膨張係数α１との関係を、０．８α２≦α１≦１．５α２、としたことの根拠である。
【００９３】
そして、このような線膨張係数α１、α２の関係を有する場合、両ヒートシンク２０、３０がＣｕ（線膨張係数α２：１７ｐｐｍ／℃）であるとき、樹脂６０の線膨張係数α１は１４〜２５ｐｐｍ／℃となる。
【００９４】
また、両ヒートシンク２０、３０がＣｕ（線膨張係数α２：１７ｐｐｍ／℃）である場合、望ましくは、樹脂６０の線膨張係数α１は１６〜２０ｐｐｍ／℃であることが好ましい。これは、次のような理由による。
【００９５】
樹脂６０の線膨張係数α１は、製法上のばらつき、たとえば、±２ｐｐｍ／℃程度のばらつきを有することから、望ましくは、下限値は１６ｐｐｍ／℃が良い。
【００９６】
また、一般に樹脂６０のベース材料にフィラーを添加して線膨張係数α１を変化させるが、フィラー材を入れることで線膨張係数α１が低くなるため、同一ベース材料で線膨張係数α１を大きくするのは限界がある。また、線膨張係数α１を高くすると、素子下の接合材の歪みが大きくなるため、素子上と素子下の接合材のバランスを考慮して、樹脂６０の線膨張係数α１の上限値は２０ｐｐｍ／℃ぐらいが望ましい。
【００９７】
これらのことから、両ヒートシンク２０、３０がＣｕ（線膨張係数α２：１７ｐｐｍ／℃）である場合、望ましくは、樹脂６０の線膨張係数α１は１６〜２０ｐｐｍ／℃であることが好ましい。
【００９８】
また、樹脂６０の線膨張係数α１を変えることで、樹脂６０のヤング率も変化するが、６〜２４ＧＰａの範囲ならば、各部位の応力・歪みはほとんど影響ないことがＦＥＭ解析から得られている。
【００９９】
以上のように、本実施形態によれば、半導体チップ（発熱チップ）の素子形成面１１および非形成面１２の両側にヒートシンク（放熱板）２０、３０を接合してなり、装置のほぼ全体が樹脂６０でモールドされてなる半導体装置Ｓ１において、上記線膨張係数の関係を規定することにより、半導体チップ１０の素子形成面１１側に位置する接合部と非形成面１２側に位置する接合部とでは、非形成面１２側に位置する接合部の方にて熱応力による破断を発生させるのに好適な構成を実現することができる。
【０１００】
（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態に係る半導体装置Ｓ２の概略断面構成を示す図である。以下、上記実施形態と相違するところを中心に述べる。
【０１０１】
図４に示される本実施形態の半導体装置Ｓ２では、樹脂６０やリードフレーム７０、ワイヤ８０は省略してある。
【０１０２】
本実施形態は、半導体チップ（発熱チップ）１０と、半導体チップ１０の素子形成面１１側に接合材５０を介して接合された上側ヒートシンク（第１の放熱板）３０と、半導体チップ１０の非形成面１２側に接合材５０を介して接合された下側ヒートシンク（第２の放熱板）２０とを備え、装置のほぼ全体が樹脂６０でモールドされてなる半導体装置Ｓ２において、次のような独自の特徴点を有するものである。
【０１０３】
本実施形態においても、上記図２に示されるものと同じように、半導体チップ１０は、発熱に寄与する素子形成領域Ｒ１の外周に非発熱領域Ｒ２を持っている。これら素子形成領域Ｒ１および非発熱領域Ｒ２は、図４中にも示されている。
【０１０４】
そして、本実施形態では、図４に示されるように、非発熱領域Ｒ２の幅ｔ’は半導体チップ（発熱チップ）１０の厚さｔ以上の大きさであることを主たる特徴としている。このような構成を採用した理由は次の通りである。
【０１０５】
上述したが、半導体チップ１０の素子形成面１１では、素子形成領域Ｒ１が内周側にあり、その外周に非発熱領域Ｒ２がある。そして、素子形成面１１側では、接合材５０は素子形成領域Ｒ１に正確に対応して過不足無く配置されている。
【０１０６】
それに対して、半導体チップ１０の非形成面１２側では、接合材５０は、半導体チップ１０全体の面積と同等かそれよりもやや大きい程度の面積にて配置されている。そのため、半導体チップ１０の非形成面１２側では、接合材５０は、放熱には実質的に関与しない非発熱領域Ｒ２にも接して熱的に接続されている。
【０１０７】
ここで、図４に矢印にて示されるように、半導体チップの素子形成領域Ｒ１からの熱は、非形成面１２側の素子形成領域Ｒ１の端部では、非形成面１２から４５度の角度で斜め下方に伝熱される。これは、直角の下方向への伝熱度合と水平方向への伝熱度合とが同程度であることによる。
【０１０８】
このように、半導体チップ１０の非形成面１２側への熱の伝わり方は４５度で伝熱することから、図４において、非発熱領域Ｒ２の下に位置する接合材５０のうち素子形成領域Ｒ１の端部から４５度の角度を示す矢印よりも上の部分５０ａ（図４中、点ハッチングにて示す）は熱伝導には大きく寄与しない。つまり、この部分５０ａは、接合材５０の破断が生じても影響がない領域である。
【０１０９】
ここで、図４に示されるように、半導体チップ１０の厚さをｔとすると、４５度で熱が伝わるから、非発熱領域Ｒ２の幅ｔ’はｔ以上、すなわちｔ’≧ｔであれば、半導体チップ１０の非形成面１２側に位置する接合材５０において、当該接合材５０の端部に上記部分５０ａが存在することになる。
【０１１０】
つまり、半導体チップ１０において非発熱領域Ｒ２の幅ｔ’を半導体チップ１０の厚さｔ以上に大きくすることで、半導体チップ１０の非発熱領域Ｒ２の非形成面１２側に位置する接合材５０において、破断しても放熱特性に影響のない領域５０ａを設けることができる。
【０１１１】
そして、上述したように、接合材５０を含む接合部の熱応力による破断は、通常、接合材５０の端部側から発生するため、半導体チップ１０の非形成面１２側に位置する接合材５０における破断は、上記部分５０ａから発生する。そして、この部分５０ａで破断が発生しても放熱特性には影響しない。
【０１１２】
そのため、本実施形態の半導体装置Ｓ２によっても、半導体チップ１０の素子形成面１１側に位置する接合部とそれとは反対側の非形成面１２側に位置する接合部とでは、非形成面１２側に位置する接合部の方にて熱応力による破断を発生させるのに好適な構成を実現することができる。
【０１１３】
なお、本実施形態においても、上記第１実施形態と同様に、両ヒートシンク２０、３０の線膨張係数α２と樹脂６０の線膨張係数α１との関係が、０．８α２≦α１≦１．５α２、であるようにしてもよい。
【０１１４】
それによれば、非発熱領域Ｒ２の幅ｔ’を半導体チップ（発熱チップ）１０の厚さｔ以上の大きさとしたことによる本実施形態の作用効果と併せて、上記線膨張係数の関係による作用効果が期待される。
【０１１５】
（第３実施形態）
図５は、本発明の第３実施形態に係る半導体装置Ｓ３の概略断面構成を示す図である。以下、上記実施形態と相違するところを中心に述べる。
【０１１６】
上記実施形態の半導体装置は、半導体チップ（発熱チップ）１０の素子形成面１１と非形成面１２の両面側に放熱板としてのヒートシンク２０、３０を接合してなるものであった。
【０１１７】
それに対して、本実施形態の半導体装置Ｓ３は、半導体チップ（発熱チップ）１０の非形成面１２のみに放熱板としてのヒートシンク２０を接合しており、素子形成面１１側には、放熱板に代えて、配線部材９０を接合材５０を介して電気的に接続してなるものである。
【０１１８】
この配線部材９０は、導電性材料からなるものであり、樹脂６０から一部突出して設けられており、この突出部にて外部との接続を行うものである。そして、半導体チップ１０は、この配線部材９０を介して外部と電気的に接続されている。
【０１１９】
つまり、本実施形態では、半導体チップ（発熱チップ）１０と、半導体チップ１０の素子形成面１１側に接合材５０を介して接合された配線部材９０と、半導体チップ１０の非形成面１２側に接合材５０を介して接合されたヒートシンク（放熱板）２０とを備え、装置のほぼ全体が樹脂６０でモールドされてなる半導体装置Ｓ３が提供される。
【０１２０】
そして、本実施形態では、独自の構成として、配線部材９０およびヒートシンク２０の線膨張係数α２と樹脂６０の線膨張係数α１との関係が、０．８α２≦α１≦１．５α２、であるものとしている。
【０１２１】
このような本実施形態における線膨張係数の関係は、上記第１実施形態における線膨張係数の関係と同様の考えから導出されたものであり、その作用効果も上記第１実施形態と同様である。
【０１２２】
すなわち、上記第１実施形態の半導体装置と同様に、本実施形態の半導体装置Ｓ３においても、熱応力印加時に、半導体チップ１０の素子形成面１１側に位置する接合材５０の歪みを小さく、半導体チップ１０の非形成面１１側に位置する接合材５０の歪みを大きくすることができる。
【０１２３】
その結果、本実施形態によっても、半導体チップ１０の素子形成面１１側に位置する接合部とそれとは反対側の非形成面１２側に位置する接合部とでは、非形成面１２側に位置する接合部の方にて熱応力による破断を発生させるのに好適な構成を実現することができる。
【０１２４】
また、本実施形態においても、配線部材９０およびヒートシンク２０が同じ材質であってもよい。
【０１２５】
また、配線部材９０およびヒートシンク２０がＣｕであるとき、樹脂６０の線膨張係数α１が１４〜２５ｐｐｍ／℃であり、望ましくは、１６〜２０ｐｐｍ／℃であることも、上記第１実施形態と同様である。また、樹脂６０のヤング率を６〜２４ＧＰａとすることも同様である。
【０１２６】
さらに、本実施形態の半導体装置構成において、さらに、上記第２実施形態と同様に、非発熱領域Ｒ２の幅ｔ’を半導体チップ１０の厚さｔ以上の大きさとしてもよい。その場合の作用効果は同様である。
【０１２７】
また、本実施形態ではないが、図５に示される半導体装置構成において、第３実施形態における線膨張係数の関係は採用せずに、上記第２実施形態と同様に、非発熱領域Ｒ２の幅ｔ’を半導体チップ１０の厚さｔ以上の大きさとしてもよい。
【０１２８】
（他の実施形態）
なお、発熱チップとしては、一面が発熱に寄与する素子が形成されている素子形成面として構成され、他面が発熱に寄与する素子が形成されていない非形成面として構成されているものであれば、適宜使用可能である。
【０１２９】
また、可能であるならば、上記第１および第２実施形態において、ヒートシンクブロック４０は存在しないものであってもよい。
【０１３０】
また、本発明は、発熱チップの非形成面側に位置する接合部の方にて熱応力による破断を発生させるために、上記したように線膨張係数の関係を規定したり、非発熱領域の幅を規定したことを要部とするものであり、半導体装置においてその他の部分は、適宜設計変更してよいことはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【０１３１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る半導体装置の概略断面構成を示す図である。
【図２】図１中の半導体チップの概略平面構成を示す図である。
【図３】ヒートシンクが銅の場合に半導体チップの素子形成面側と非形成面側とにおいて接合材に発生するせん断塑性歪みと樹脂の線膨張係数α１との関係を、ＦＥＭ解析で求めた結果を示すグラフである。
【図４】本発明の第２実施形態に係る半導体装置の概略断面構成を示す図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係る半導体装置の概略断面構成を示す図である。
【符号の説明】
【０１３２】
１０…発熱チップとしての半導体チップ、１１…半導体チップの素子形成面、
１２…半導体チップの非形成面、２０、３０…放熱板としてのヒートシンク、
５０…接合材、６０…樹脂、９０…配線部材、Ｒ１…半導体チップの素子形成領域、
Ｒ２…半導体チップの非発熱領域、ｔ…半導体チップの厚さ、ｔ’…非発熱領域の幅。
【図１】
2005116963.tif 000003
【図２】
2005116963.tif 000004
【図３】
2005116963.tif 000005
【図４】
2005116963.tif 000006
【図５】
2005116963.tif 000007