(57)【要約】【課題】半導体装置の耐ヒートサイクル特性を向上する。【解決手段】  支持電極(1)の載置部(2)を包囲して周辺部(3)上に配置される筒体(10)は、封止樹脂(11)よりガラス転移点の低い物質により構成され、載置部(2)の上方に空洞部(9)を形成して、高温時に膨張する筒体(10)の増大する内径により、封止樹脂(11)の熱膨張を吸収する。また、筒体(10)の空洞部(9)内に配置される封止樹脂(11)と半導体チップ(5)の側面(5c)、半導体チップ(5)に隣接するリード電極(6)の一部及び半導体チップ(5)に隣接する載置部(2)の一部に保護樹脂膜(8)を連続的に且つ大きな接着面積で強固に付着するので、保護樹脂膜(8)の接着面での剥離が発生しない。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
載置部及び該載置部の周囲に設けられた周辺部を有する支持電極と、第１の導電性接着剤を介して前記支持電極の載置部に固定された一方の主面を有する半導体チップと、第２の導電性接着剤を介して前記半導体チップの他方の主面に固着されたリード電極と、前記支持電極の載置部の表面、前記第１の導電性接着剤、半導体チップ、第２の導電性接着剤の各側面に連続的に付着された保護樹脂膜とを有し、前記載置部と周辺部が銅を主成分とする金属により一体に形成され、前記支持電極は、放熱体に形成される装着孔内に嵌合される半導体装置において、
前記支持電極の載置部を包囲して周辺部上に配置され且つ前記載置部の上方に空洞部を形成する筒体と、
該筒体の空洞部内に配置されて前記載置部、保護樹脂膜及びリード電極の一部を封止する封止樹脂とを備え、
前記半導体チップの側面、前記半導体チップに隣接する前記リード電極の一部及び前記半導体チップに隣接する前記載置部の一部に連続的に前記保護樹脂膜を付着したことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記封止樹脂よりガラス転移点の低い物質により前記筒体を形成した請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記保護樹脂膜は、１×１０-6乃至１００×１０-6／℃の線膨張係数と、１乃至５０ＧＰａの縦弾性係数を有する請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記保護樹脂膜は、イミド系樹脂により形成される請求項１乃至３の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記保護樹脂膜は、シリコーンを含む請求項１乃至４の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記保護樹脂膜は、前記半導体チップの２倍を超える高さでリード電極の側面に付着して上方及び下方に延伸する請求項１乃至５の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記封止樹脂は、エポキシ樹脂により形成される請求項１乃至６の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記リード電極は、前記半導体チップの他方の主面に固着されたヘッダーと、該ヘッダーから上方に延伸する導出部とを備え、
前記保護樹脂膜は、前記リード電極のヘッダーの側面に沿って上方に延伸し且つ前記ヘッダーの上面を被覆する請求項１乃至７の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記載置部より低い位置に形成される前記周辺部に環状溝を設け、
該環状溝に前記筒体を嵌合し、
前記環状溝付近まで前記保護樹脂膜を延伸させた請求項１乃至８の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記保護樹脂膜は、１６０℃乃至３５０℃の範囲にあるガラス転移点を有する請求項１乃至９の何れか１項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、半導体装置、特に、放熱体に形成される装着孔内に嵌合される支持電極を有するプレスフィット型半導体装置に関連する。
【背景技術】
【０００２】
放熱体に形成される装着孔内に嵌合される支持電極を有するプレスフィット型ダイオード装置は、下記特許文献１に示されるように、公知である。
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−２１５５５２号公報
【０００４】
従来のプレスフィット型ダイオードは、例えば、図１０に示すように、載置部(2)及び載置部(2)の周囲に設けられた周辺部(3)を有する支持電極(1)と、第１の導電性接着剤である第１の半田(4)を介して支持電極(1)の載置部(2)に固定された一方の主面(5a)を有する半導体チップを構成するダイオードチップ(5)と、第２の導電性接着剤である第２の半田(7)を介してダイオードチップ(5)の他方の主面(5b)に固着されたリード電極(6)と、ダイオードチップ(5)の側面(5c)に付着されてダイオードチップ(5)を保護する保護樹脂膜(8)と、支持電極(1)の周辺部(3)の環状壁(13)により形成される空洞部(9)内に配置される封止樹脂(11)とを備える。載置部(2)と周辺部(3)とを有する支持電極(1)は、銅を主成分とする金属により一体に形成される。リード電極(6)は、ダイオードチップ(5)の他方の主面(5b)に固着されたヘッダー(6a)と、ヘッダー(6a)から上方に延伸する導出部(6b)とを備える。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
周期的に環境温度を変化させるヒートサイクル試験を従来のプレスフィット型ダイオード装置に実施すると、ダイオードチップ(5)の側面に付着される保護樹脂膜(8)及び封止樹脂(11)の熱収縮により、ダイオードチップ(5)を接着する半田に亀裂（クラック）が生ずる現象が認められ、ヒートサイクル試験では、比較的短時間でダイオード装置の電気的特性が劣化して、所定の特性又は耐圧が得られない欠陥があった。
【０００６】
そこで、本発明は、耐ヒートサイクル特性を有する半導体装置を提供することを目的とする。また、本発明は、導電性接着剤の熱疲労寿命を向上する半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の半導体装置は、載置部(2)及び載置部(2)の周囲に設けられた周辺部(3)を有する支持電極(1)と、第１の導電性接着剤(4)を介して支持電極(1)の載置部(2)に固定された一方の主面(5a)を有する半導体チップ(5)と、第２の導電性接着剤(7)を介して半導体チップ(5)の他方の主面(5b)に固着されたリード電極(6)と、支持電極(1)の載置部(2)の表面、第１の導電性接着剤(4)、半導体チップ(5)、第２の導電性接着剤(7)の各側面に連続的に付着された保護樹脂膜(8)とを有する。載置部(2)と周辺部(3)は、銅を主成分とする金属により一体に形成され、支持電極(1)は、放熱体(20)に形成される装着孔(21)内に嵌合される。
【０００８】
本発明の半導体装置では、筒体(10)の空洞部(9)内に配置される封止樹脂(11)と半導体チップ(5)の側面(5c)、半導体チップ(5)に隣接するリード電極(6)の一部及び半導体チップ(5)に隣接する載置部(2)の一部に保護樹脂膜(8)を連続的に且つ大きな接着面積で強固に付着するので、保護樹脂膜(8)の接着面での剥離が発生しない。従って、放熱体(20)の装着孔(21)内に支持電極(1)を嵌合する状態で、ヒートサイクルを受けるとき、保護樹脂膜(8)は、第１及び第２の導電性接着剤(4,7)の変形を防止して、第１及び第２の導電性接着剤(4,7)の熱サイクルによる収縮に起因する亀裂発生を確実に防止できる。また、リード電極(6)と保護樹脂膜(8)との間に剥離が発生しないので、剥離部分からイオン又は酸素等の異物が進入せず、半導体装置の電気的特性の劣化を防止することができる。
【発明の効果】
【０００９】
ヒートサイクル時の第１及び第２の導電性接着剤並びに封止樹脂の膨張と収縮とによる第１及び第２の導電性接着剤の亀裂発生を抑制して、熱疲労を軽減し、電気的特性の劣化を防止して、半導体装置の作動寿命を延長することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明による半導体装置の実施の形態を図１乃至図９について以下説明する。図１乃至図３では、図１０に示す箇所と同一の部分には同一の符号を付して説明を省略する。
【００１１】
図１に示す本発明の第１の実施の形態による半導体装置では、半導体チップを構成するダイオードチップ(5)の側面(5c)、第１及び第２の導電性接着剤(4,7)の側面、ダイオードチップ(5)に隣接するリード電極(6)のヘッダー(6a)の下部及びダイオードチップ(5)に隣接する載置部(2)の上部に連続的に保護樹脂膜(8)が付着される。図９に示すように、ダイオードチップ(5)から上方及び下方に延伸する保護樹脂膜(8)は、ダイオードチップ(5)の厚みの２倍を超える高さでリード電極(6)のヘッダー(6a)の側面(6c)及び載置台(2)の側面に付着することが好ましく、後述するが、図９に示すように、ダイオードチップ(5)の厚みの３倍乃至４倍の領域に付着されることが特に好ましい。ダイオードチップ(5)の２倍を超える高さでヘッダー(6a)及び載置台(2)の側面に付着する保護樹脂膜(8)は、リード電極(6)、載置台(2)及び封止樹脂(11)との各接触面でこれらに強固に付着して、保護樹脂膜(8)は、リード電極(6)、載置部(2)及び封止樹脂(11)との間に剥離を発生しない。従って、放熱体(20)の装着孔(21)内に支持電極(1)を嵌合する状態で、半導体装置がヒートサイクルを受けるとき、保護樹脂膜(8)は、第１及び第２の導電性接着剤(4,7)の変形又は亀裂を防止すると共に、リード電極(6)と保護樹脂膜(8)との接触面に剥離を生じない。このため、保護樹脂膜(8)の剥離部分からイオン又は酸素等の異物が進入せず、第１及び第２の導電性接着剤(4,7)の熱サイクルによる収縮に起因する亀裂発生を確実に防止できるので、本発明の半導体装置は、長時間のヒートサイクルに耐える耐環境特性を改善することができる。
【００１２】
本発明の半導体装置では、例えば、５０℃乃至２２０度の温度範囲でヒートサイクル試験が行われる。それに伴い、２２０℃での保護樹脂膜(8)の線膨張係数は、封止樹脂(11)の線膨張係数より低いことが望ましい。その理由は、載置部(2)とリード電極(6)の隙間に入り込む状態の保護樹脂膜(8)の線膨張係数が封止樹脂(11)より高いと、縦方向に膨張して、リード電極(6)を押し上げる形態で半田クラックの一因になるためである。そのため、封止樹脂(11)の線膨張係数を低下させる無機質の充填剤を封止樹脂(11)に配合することが望ましい。
【００１３】
保護樹脂膜(8)は、２００℃乃至３５０℃の範囲、より好ましくは２２０℃乃至３００℃の範囲にあるガラス転移点と、１×１０-6乃至１００×１０-6／℃の線膨張係数と、１乃至５０ＧＰａの縦弾性係数、１乃至１００μｍの厚さを有する。保護樹脂膜(8)は、粒状シリカを配合したイミド系樹脂、特にポリイミド樹脂(PI)又はポリアミドイミド樹脂(PAI)又はこれらの混合樹脂により形成される。例えば、エポキシ樹脂により形成される封止樹脂(11)は、例えば、１×１０-6乃至５０×１０-6／℃の線膨張係数を有する。保護樹脂膜(8)は、ダイオードチップ(5)の側面(5c)から上方及び下方に延伸し、第１及び第２の導電性接着剤(4,7)の側面、リード電極(6)のヘッダー(6a)の側面(6c)及び載置台(2)の側面を被覆する。ダイオードチップ(5)の側面(5c)の２倍を超えて、どこまで保護樹脂膜(8)を延伸させるかは、保護樹脂膜(8)の特性と環境に依存する。
【００１４】
図１に示す実施の形態では、支持電極(1)の周辺部(3)の外周部に環状突起(3a)が周辺部(3)に一体に形成され、載置部(2)より低い位置に形成される周辺部(3)に筒体(10)を嵌合する環状溝(12)が設けられる。環状溝(12)内で環状突起(3a)の内側に樹脂製の筒体(10)がとまり嵌め又は締り嵌めで嵌合される。具体的には、ポリエチレンテレフタラート（ポリエチレンテレフタレート又はＰＥＴ）樹脂により筒体(10)を形成することが好ましい。また、封止樹脂(11)より柔らかい、即ちガラス転移点の低い樹脂により筒体(10)を形成して、ダイオードチップ(5)並びに第１及び第２の導電性接着剤(4,7)を押圧する樹脂封止体(11)による有害な機械的膨張力又は圧縮力を回避すると共に、ダイオードチップ(5)に印加される応力を軽減することが好ましい。支持電極(1)の周辺部(3)に配置される筒体(10)により空洞部(9)が形成され、空洞部(9)内に封止樹脂(11)が充填される。空洞部(9)内に充填される封止樹脂(11)は、筒体(10)に強固に接着されるため、筒体(10)が支持電極(1)から脱落しない。
【００１５】
図４は、室温２７℃のシリコンの膨張量を１としたときのガラス転移温度Ｔｇ＝１１０℃のポリイミド樹脂、ガラス転移温度Ｔｇ＝２２０℃のポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、半田、銅及びシリコンの温度変化に対する膨張量を示す。図４では、膨張率の変化が小さいほど熱疲労サイクル時の半田の変化を抑制できることが理解できよう。例えば、Ｔｇ＝１１０℃のポリイミド樹脂とＴｇ＝２２０℃のポリイミド樹脂の膨張率を比較すると、略１２０℃までは、膨張率は殆ど同じであるが、略１２０℃を超えると、Ｔｇ＝２２０℃のポリイミド樹脂は、連続してほぼ一定の変化率であるのに対し、Ｔｇ＝１１０℃のポリイミド樹脂は、Ｔｇ＝２２０℃のポリイミド樹脂に比べて急激に膨張率が増加する。また、シリコン、銅及び半田は、温度変化に対して殆ど膨張しない。このため、Ｔｇ＝２２０℃のポリイミド樹脂は、ダイオードチップ(5)を構成するシリコン、導電性接着剤を構成する半田、支持電極(1)を構成する銅及び封止樹脂(11)を構成するエポキシ樹脂との熱膨張量の差がＴｇ＝１１０℃のポリイミド樹脂より小さいため、熱疲労サイクル時の半田の変化を抑制できることを理解できよう。図５は、図４のグラフの基礎データを示す数値表を示す。このように、１６０℃乃至３５０℃の範囲にあるガラス転移点を有する保護樹脂膜(8)は、１６０℃未満では流動化せず、１６０℃に満たないガラス転移温度を有する保護樹脂膜に比べて高温接着強度が顕著に増加するので有利である。
【００１６】
図６は、Ｔｇ＝１４０℃のガラス転移温度を有する樹脂の熱疲労破壊値を１としたときの樹脂のガラス転移温度の変化に対する熱疲労破壊値の変化を示す。図６から明らかなように、ガラス転移温度が１４０℃を超えると、熱疲労破壊値が１から徐々に増加し、ガラス転移温度が１６０℃を超えると、加速度的に熱疲労破壊値が増加するが、ガラス転移温度が略１８０℃を超えると、破壊値が飽和する傾向が認められる。従って、１６０℃以上、好ましくは、１８０℃以上、より好ましくは、２００℃以上のガラス転移温度を有する樹脂を選択すべきである。本発明では、ジャンクション温度Ｔｊは、２２０℃であり、２２０℃は、Ｔｊ−０℃と表現できる。その際に、Ｔｊ−６０℃(Ｔｇでは、１６０℃)のあたりで熱疲労破壊値の劇的な改善が見られる。より好適には、Ｔｊ−４０℃である。これは、放熱効果のある銅で支持電極(1)を成形するためである。
【００１７】
図７は、保護樹脂膜(8)として使用するポリイミド樹脂のガラス温度変化と熱疲労寿命との関係を示すグラフである。図７は、１１０℃、２００℃及び２５０℃のガラス転移温度を有するポリイミド樹脂は、それぞれ略４×１０3乃至５×１０3時間、略６×１０3乃至９×１０3時間及び略１５×１０3乃至２０×１０3時間の熱疲労寿命を示すので、ガラス転移温度が高い程、熱疲労寿命を延長できることを理解できよう。
【００１８】
図８は、本発明の半導体装置を具体的な寸法で各部を示す実施例の断面図である。
【００１９】
図９は、ダイオードチップ(5)の厚さ、即ち側面(5c)の長さを１とする保護樹脂膜(8)の塗布範囲の変化に対する熱疲労破壊値の特性を示す。ダイオードチップ(5)の厚さをLO、ダイオードチップ(5)より高い位置にある保護樹脂膜(8)の高さをLH、ダイオードチップ(5)より低い位置にある保護樹脂膜(8)の高さをLLとすると、本発明では、保護樹脂膜(8)の塗布範囲長さＬは、Ｌ＝LO＋LH＋LL＞２LOで表わされる。図９では、保護樹脂膜(8)の塗布範囲がダイオードチップ(5)の厚さの２倍を超えると、熱疲労破壊強度は、急激に増加し、保護樹脂膜の塗布範囲が４LOで熱疲労破壊値が５.０を超えると、熱疲労破壊値が飽和して略一定となることが明らかである。従って、本発明では、塗布範囲が２LOを超えれば、保護樹脂膜(8)の実用上十分な接着強度が得られると思われる。
【００２０】
従って、本発明では、１４０℃を超えた温度での保護樹脂膜(8)のガラス状態、即ち流動化を防止して、封止樹脂(11)及びリード電極(6)に対する保護樹脂膜(8)の強固な接着強度を維持して、保護樹脂膜(8)内への異物の進入と半田の亀裂発生を防止することができる。ポリイミド樹脂の接着強度が増加すると、半田の亀裂及び変形を抑制することができる。また、接着強度の増加によりエポキシ樹脂で構成される封止樹脂(11)と保護樹脂膜(8)との界面及び銅で構成されるリード電極(6)との界面に剥離が発生しないため、イオン又は酸素等の異物が外部から進入せず、ダイオード装置の寿命を延長することができる。
【００２１】
図２は、図１に示す保護樹脂膜(8)の垂直方向長さをより長くして、載置台(2)の側面及びヘッダー(6a)の側面(6c)と保護樹脂膜(8)との接触面積を増加する構造を示す。図２に示す保護樹脂膜(8)は、図１に示す保護樹脂膜(8)より載置台(2)の側面及びヘッダー(6a)の側面(6c)との接着面積が大きいため、図１の実施の形態より優れた保護樹脂膜(8)の接着性が得られることを理解できよう。また、図３は、保護樹脂膜(8)の長さをダイオードチップ(5)の側面(5c)の厚さの２倍より僅かに大きくする例を示す。図３に示す実施の形態では、図９に示すグラフから１を超える熱疲労破壊値を有することが理解できよう。
【００２２】
また、図１０に示すように、従来では、銅により支持電極(1)に一体に形成した環状壁(13)で形成される空洞部(9)内に封止樹脂(11)を充填したが、この構造では、環状壁(13)が支持電極(1)と同じ銅により形成されるため、環状壁(13)の機械的強度が高い。従って、ダイオード装置の温度が上昇すると、銅製の環状壁(13)が殆ど膨張しないのに対し、エポキシ樹脂により構成される封止樹脂(11)が膨張して、その分、第１の半田(4)、第２の半田(7)及びダイオードチップ(5)に対し封止樹脂(11)の熱膨張による有害な機械的膨張力又は圧縮力が加えられる。この点では、本発明のダイオード装置では、可撓性又は弾力性のあるポリエチレンテレフタラート等により筒体(10)を形成し、筒体(10)を支持電極(1)の周辺部(3)に嵌合して、空洞部(9)を形成するので、熱で膨張する封止樹脂(11)が周辺部品に圧縮力を加えるときに、筒体(10)も変形し又は膨張して筒体(10)の内径が増大し、封止樹脂(11)の熱膨張を吸収することができる。このように、封止樹脂(11)の熱膨張を筒体(10)の変形により吸収できるので、封止樹脂(11)が発生する有害な機械的膨張力又は圧縮力を回避することができる。
【００２３】
従って、保護樹脂膜(8)は、樹脂樹脂(11)とリード電極(6)の接触面に強固に付着して、保護樹脂膜(8)とリード電極(6)及び載置部(2)との間に剥離が発生せず、放熱体(20)の装着孔(21)内に支持電極(1)を嵌合した状態で、ヒートサイクルを受けるとき、保護樹脂膜(8)は、第１の導電性接着剤(4)及び第２の導電性接着剤(7)の変形を防止すると共に、リード電極(6)と保護樹脂膜(8)との剥離部分からイオン又は酸素等の異物が進入せず、第１及び第２の導電性接着剤(4,7)の熱サイクルによる収縮に起因する亀裂発生を確実に防止できる。従って、本発明の半導体装置は、長時間の耐ヒートサイクル性を生じて、耐環境特性を改善することができる。ヒートサイクル時の第１及び第２の半田（導電性接着剤）の膨張・収縮による亀裂発生を抑制して、熱疲労を軽減し、電気的特性の劣化を防止して、半導体装置の作動寿命を延長することができる。
【００２４】
本発明の前記実施の形態は、種々の変更が可能である。例えば、支持電極(1)の載置部(2)の表面に沿い支持電極(1)の周辺部(3)まで又は環状溝(12)まで径方向外側に保護樹脂膜(8)を延伸させてもよい。前記の実施の形態は、本発明をダイオード装置に適用する例を示したが、ダイオード装置以外のトランジスタ装置、サイリスタ装置、集積回路等種々の半導体装置にも本発明を同様に適用できることは明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明は、反復して温度が変化する環境で使用される半導体装置への適用に適する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施の形態による半導体装置の断面図
【図２】本発明の他の実施の形態による半導体装置の断面図
【図３】本発明の更に別の実施の形態による半導体装置の断面図
【図４】温度変化に対する異なる材料の熱膨張率を示すグラフ
【図５】図３のグラフの基礎データを示す数値表
【図６】ガラス転移温度の変化に対する樹脂の熱疲労寿の変化を示すグラフ
【図７】ポリイミド樹脂のガラス転移温度の変化に対する熱疲労寿の変化を示すグラフ
【図８】具体的な寸法で各部を示す本発明の半導体装置の実施例の断面図
【図９】保護樹脂膜の塗布範囲と熱疲労破壊値との関係を示すグラフ
【図１０】従来の半導体装置の断面図
【符号の説明】
【００２７】
(1)・・支持電極、  (2)・・載置部、  (3)・・周辺部、  (4)・・第１の半田（第１の導電性接着剤）、  (5)・・ダイオードチップ（半導体チップ）、  (5a)・・一方の主面、  (5b)・・他方の主面、  (5c)・・側面、  (6)・・リード電極、(6a)・・ヘッダー、  (7)・・第２の半田（第２の導電性接着剤）、  (8)・・保護樹脂膜、  (9)・・空洞部、  (10)・・筒体、  (11)・・封止樹脂、  (20)・・放熱体、  (21)・・装着孔、
【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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