JP2012190866A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置全体が大型化することなくセラミック基板の破壊を防止することが可能な半導体装置を提供する。
【解決手段】この発明の半導体装置１は、剛性を有する板状のベース体２、ベース体２上に配置されるセラミック基板３１とセラミック基板３１の表裏面に張り合わされた銅板３２，３３を有し、ベース体２、セラミック基板および銅板がトランスファーモールド法によりモールド樹脂５で封止されるものである。ベース体２の上面２２の少なくともセラミック基板３１のコーナー部と対応する位置に屋根部２２１を設ける。ベース体２２の側面に、屋根部２２１とベース体２の底面２３とを連結することによって形成される庇状の凸部２５が設けられている。
【選択図】図１

Description

この発明は、パワーモジュール等に用いられる半導体装置に関する。

パワーモジュール等に用いられる半導体装置は、半導体チップを外部からの応力、湿気や汚染物質から守るために、モールド樹脂を用いてパッケージングする工程（封止工程）を経て作製される。近年、半導体装置の小型化や薄型化の要請から、封止工程にトランスファーモールド法が採用されている。トランスファーモールド法は、熱硬化性のエポキシ系樹脂を用いて、半導体チップを基板ごと固めてしまうものであり、外枠となるケースが不要となる分、半導体装置の小型化や薄型化を実現出来る。

例えば、特許文献１等にトランスファーモールド法により作製された半導体装置が開示されている。特許文献１では、発熱量の大きいパワーモジュール等では、基板を熱伝導性の良い材料（たとえば、銅）からなる板状のベース体上にはんだ付け等で固定し、ベース体の裏面を放熱面として利用するために裏面を露出した状態でトランスファーモールド法により封止するようにしている。

図６に、特許文献１に記載された半導体装置の一例を示している。図６に示すように、この半導体装置１１０は、ベース体１０１、ＤＢＣ（Direct Bonding Copper）基板１０２、半導体チップ１０３およびパッケージ１０４（モールド樹脂）を有する。

ＤＢＣ基板１０２は、セラミック基板１０２１の表裏面にそれぞれ銅板１０２２、１０２３が貼り合わされ構成されている。表面の銅板１０２２は回路パターンを構成しており、それに半導体チップ１０３がボンデングワイヤ１０５を介して取付けられている。銅板の厚さは例えば0.2 〜0.6mm という比較的厚いものが用いられているため、大電流を流すことができる。このようなセラミック基板１０２１は、絶縁耐圧を確保するために、図示のごとく周縁部が銅板１０２２、１０２３に比して張り出した形態で作製されるのが一般的である。

表面の銅板１０２２に回路パターンを形成した上で、ここに半導体チップ１０３をダイボンデングにより取付け、ワイヤボンデングにより回路を組立てた後、ＤＢＣ基板１０２を、裏面の銅板１０２３を用いて、ベース体１０１の上にはんだ付けして、トランスファーモールド法によりエポキシ樹脂によるパッケージングを行う。

半導体装置は、モジュール強度信頼性評価の一環として熱サイクル試験が行われる。熱サイクル試験とは、低温と高温および温度変化に対する耐性を評価する試験である。熱サイクル試験の具体的手法は、特許文献１の段落［００１４］等に記載されている。

特開２００５−２８５８８５号公報

図６に示された上記従来の半導体装置１１０の構造では、ベース体１０１とモールド樹脂１０４の線膨張係数に差があるため、例えば熱サイクル試験中に、モールド樹脂１０４よりも線膨張係数の大きい材料で形成されるベース体１０１が膨張および収縮を繰り返しモールド樹脂１０４に作用すると、ベース体１０１とモールド樹脂１０４の界面１０１Ａでモールド樹脂１０４が剥離するおそれがある。一方、ベース体１０１上に配置されたＤＢＣ基板１０２の端部の張り出したセラミック基板１０２１の下側にもモールド樹脂１０４が充填される。モールド樹脂１０４は冷えたとき矢印Ｃ方向に収縮するので、図示のごとくベース体１０１とモールド樹脂の界面１０１Ａで剥離欠陥１０９が拡大していくと、モールド樹脂１０４がベース体１０１に拘束されない状態になり、モールド樹脂１０４の動ける範囲が大きくなる。そうするとセラミック基板１０２１の端部下側のモールド樹脂１０４がセラミック基板１０２１の張り出した端部を抱えたまま矢印Ｃ方向に収縮し、セラミック基板１０２１の端部を脆性破壊させてしまうおそれがある。この結果、半導体装置１１０のモジュール強度信頼性が低下する懸念がある。

特許文献１では、ベース体１０１とセラミック基板１０２１間に設けている放熱用銅板１０２３をなくし、ベース体１０１にセラミック基板１０２１を直接接合し、セラミック基板１０２１にかかる応力を低減することで破壊防止が提案されている。しかし、特許文献１の構造でセラミック基板１０２１表面の回路パターンとベース体１０１との沿面距離を確保するためには、回路パターンの最外周部とベース体１０１を十分離す必要があり、半導体装置全体が大型化する問題があった。

本発明は、上記の課題に鑑みて、装置全体が大型化することなくセラミック基板の破壊を防止することが可能な半導体装置を提供することを目的とする。

この発明の半導体装置は、剛性を有する板状のベース体、前記ベース体上に配置されるセラミック基板とセラミック基板の表裏面に張り合わされた前記ベース体上面よりも幅の短い銅板を有し、前記ベース体、前記セラミック基板、および前記銅板がトランスファーモールド法によりモールド樹脂で封止されるものである。この発明の半導体装置は、前記ベース体上面の少なくとも前記セラミック基板のコーナー部と対応する位置に屋根部を設け、前記屋根部と前記ベース体底面とを連結することによってベース体側面に形成される庇状の凸部が設けられている。

この構成によれば、熱サイクル試験の冷却時にモールド樹脂が収縮しても、ベース体の側面に形成した凸部がモールド樹脂を拘束し、収縮力を受け止めることによって、セラミック基板下側のモールド樹脂が収縮しても、その移動量が抑制される。これにより、セラミック基板に作用する応力が低減され、セラミック基板の割れを防止することができる。このような効果は、既存のベース体に凸部を形成することで得られる。したがって、装置が大型化することがない。

前記屋根部と前記ベース体底面との連結の態様により、凸部は副次的な作用を持つようになる。例えば、前記屋根部に対して垂直に形成した上部垂直面を介して連結することにより、モールド樹脂の収縮時に、凸部にモールド樹脂が鋭角に当接するのが防止され、凸部によりモールド樹脂にクラックが入ることが防止される。また、前記ベース体底面に対して垂直に形成した下部垂直面を介して連結することにより、凸部の下側にスペースが生まれ、樹脂成型時に該スペースに十分に樹脂が行き渡るため、製品の歩留まりが向上する。なお、上部垂直面に代えて、円弧状の円弧面にすることもできる。

前記屋根部と前記底面とを連結する連結面を設けることで、連結面で収縮力を受け止めることが可能である。この場合、連結面はセラミック基板に対して傾斜しており、その傾斜は、前記モールド樹脂の冷却時の収縮方向に対して異なる方向に傾斜させることで、受け止めた収縮力を連結面に分散させることができる。特に、収縮方向に対して垂直となるよう勾配をつけることで、受け止めた力を連結面で波紋状に均一に分散させることができるので効果的である。

前記凸部は、前記ベース体の側面の前記セラミック基板のコーナー部と対応する位置だけでなく、その間にも設けても良い。また、前記凸部を前記ベース体の側面全面に設けても良い。また、前記ベース体と前記モールド樹脂の界面を粗く加工し、加工面にモールド樹脂を入り込ませるようにしても良い。いずれにしても、ベース体とモールド樹脂との密着性を高めることが出来る。

この発明によれば、装置全体が大型化することなくセラミック基板の破壊を防止することが可能となる。

は半導体装置の断面図である。 はベース体の一例を示す斜視図である。 はベース体の変形例を示す斜視図である。 は凸部の変形例を示す半導体装置の要部断面図である。 は凸部の他の変形例を示す半導体装置の要部断面図である。 は従来の半導体装置の断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態に係る半導体装置を説明する。図１に示すように、半導体装置１はベース体２、セラミック基板３１、銅板３２，３３、半導体チップ４、およびパッケージ５（モールド樹脂）を有する。

ベース体２は熱伝導性の高い材料（例えば、銅）によって形成された剛性を有する板状の部材であり、ベース体２上には例えばＤＢＣ基板のように銅板３２，３３が表裏面に張り合わされたセラミック基板３１が配置される。銅板３２，３３はセラミック基板３１よりも小さく、セラミック基板３１外周端が露出された状態で、銅板３２，３３が張り合わされている。表面の銅板３２には回路パターンが形成されており、それに半導体チップ４が取り付けられている。ベース体２、セラミック基板３１、銅板３２，３３および半導体チップ４はトランスファーモールド樹脂５によりパッケージングされる。モールド樹脂５としては、熱硬化性のエポキシ樹脂を好適に用いることが出来る。銅板の厚さは例えば0.2〜0.6mmという比較的厚いものが用いられるため、大電流を流すことが出来る。このようなセラミック基板３１は絶縁耐圧を確保するため、周縁部が表裏の銅板３２,３３の周縁部に対して張り出した形態で製作されるのが一般的である。

ここで、図２を用いてベース体２について説明する。図２に示すように、ベース体２の上面２２には、セラミック基板３１を有するＤＢＣ基板３が配置され、底面２３は放熱面として用いられ、底面２３がヒートシンク（不図示）などに取り付けられて用いられる。ベース体２側面のセラミック基板３１のコーナー部（図２に○で示す。）に対応する位置には、上面２２の一部を除いて底面２３が削られることにより、上面２２に屋根部２２１が形成され、ベース体２の側面に断面で見て左右に突出した庇状の凸部２５が設けてある。凸部２５はベース体２を後工程で切削したり、金型でベース体２と同時に形成するなどして、ベース体２と一体に形成されている。本例ではセラミック基板３１のコーナー部と対応する位置以外にも、ほぼ中間位置にも凸部２５を形成している。このように凸部２５を複数個設けることにより、ベース体２とモールド樹脂５との密着性を増すことができ、ベース体２とモールド樹脂５との界面での剥離が広がるのを防止することができる。そのため凸部２５は複数個設けるのが好ましい。例えば図３に示すように、ベース体２の側面全面に渡り、凸部２５を形成すると、ベース体２とモールド樹脂５との密着性をより増すことができる。

再び図１を用いてベース体２の凸部２５の細部を説明する。凸部２５は、ベース体２の上面２２の屋根部２２１から垂下された上部垂直面２Ｂと底面２３に垂直に立ち上がる下部垂直面２Ｃと、上部垂直面２Ｂと下部垂直面２Ｃを繋ぐ連結面２Ａからなり、角を潰した略三角形に突出させた形状をしている。上部垂直面２Ｂを形成することで、モールド樹脂５の収縮時に、この凸部２５にモールド樹脂５が鋭角に当接するのを防止し、凸部２５によりモールド樹脂５にクラックが入るのを防止している。本例では屋根部２２１に垂直な上部垂直面２Ｂとしているが、上部垂直面２Ｂに代えて、円弧状の円弧面にすることもできる。このように円弧面を用いれば、凸部２５とモールド樹脂５との当接力をより抑えることができる。また、下部垂直面２Ｃと連結面２Ａとの間の角は鈍角で連結され、連結面２Ａがセラミック基板３１に対して傾斜している。この連結面２Ａの傾斜は、セラミック基板３１が受けるモールド樹脂５の収縮方向（図６中の矢印Ｃ参照。）に対して異なる方向に傾斜がつけられている。特に、本実施の形態では連結面２Ａの傾斜を収縮方向に対して垂直になるように選択されている。

本実施の形態にかかる半導体装置１では、熱サイクル試験の冷却時にモールド樹脂５が収縮しても、ベース体２の側面に形成した凸部２５がモールド樹脂５を拘束し、収縮力を受け止めることによって、その移動量が抑制される。これにより、セラミック基板３１に作用する応力が低減され、セラミック基板３１の割れを防止することができる。このような効果は、既存のベース体に凸部を形成することで得られる。したがって、半導体装置１が大型化することがない。

そして、凸部２５の連結面２Ａをセラミック基板３１にかかる矢印Ｃ方向のモールド樹脂５の収縮方向に対して異なる方向に傾斜させることで、連結面２Ａで収縮力を受け止め、受け止めた力を連結面２Ａに分散させることができる。特に、収縮方向に対して垂直となるよう勾配をつけることで、受け止めた力を連結面２Ａで波紋状に均一に分散させることができるので効果的である。なお、上部垂直面２Ｂと下部垂直面２Ｃと凸部２５との間につくられる角は９０度以上である方が、分散する際に力が集中してクラックを引き起こすことが防止できる。

また、ベース体２の下部垂直部２Ｃとモールド樹脂５の界面で剥離が生じても、凸部２５でモールド樹脂５の移動が拘束されるため、ベース体２の上面２２上のモールド樹脂５の移動が抑えることができる。すなわち、張り出したセラミック基板３１にかかる矢印Ｃ方向の収縮力が緩和し、脆性破壊を防止することができる。

本実施の形態では、凸部２５をモールド樹脂５が収縮する方向と垂直な連結面２Ａを有する略三角形に突出させて形成しているが、そのほか、図４に示すように、上部垂直面２Ｂと下部垂直面２Ｃとの間をほぼ９０度で連結した略四角形に突出させても良い。また、図５に示すように、上部垂直面２Ｂと下部垂直面２Ｃを形成せずに、屋根部２２１と底面２３を直結する連結面２Ａによって凸部２５を形成することもできる。上部垂直面２Ｂ又は下部垂直面２Ｃの何れか一方のみを形成し、上部又は下部垂直面と連結面２Ａのみで凸部を形成することもできる。図４、図５に示したような凸部の形状であっても、セラミック基板３１にかかる矢印Ｃ方向の収縮力を緩和させることが可能であり、脆性破壊を防止することができる。

また、屋根部２２１、上部垂直面２Ｂ、下部垂直面２Ｃ、連結面２Ａの夫々の成す角は、面取りをして丸みを持たせるのが好ましい。モールド樹脂５が膨張収縮を繰り返す際には、ベース体２にモールド樹脂５がくい込む力が働くが、このようにベース体２の各角に丸みを持たせることで、ベース体２の角によりモールド樹脂５にクラックが入るなどして破損するのを防止することができる。

庇状の凸部２５はベース体２の板金の鍛造加工時、プレス加工時等に容易に同時形成することが可能である。また、前述に示す形態に限られず、凸部２５を形成する面を増やして多角形状としても良いし、曲面にしても良い。また、ベース体２とモールド樹脂５の界面を粗く加工し（例えばナーリング加工を施す）、加工面にモールド樹脂５を入り込ませることで、凸部２５およびベース体２とモールド樹脂５との密着性を高め、ベース体２とモールド樹脂５との界面での剥離を防止するようにしても良い。

また、凸部２５はベース体２の少なくともセラミック基板３１のコーナー部に対応する位置に設けられるが、セラミック基板３１の全長に対応した長い凸部２５を設けても良く、ベース体２のセラミック基板３１と対応しない位置に部分的に設けても良いし、ベース体２の全周に連続的に設けても良い。何れの場合であっても、ベース体２の上面の幅寸法は、セラミック基板３１の幅寸法よりも大きく形成されている。

なお、本例では説明の便宜上、庇状の凸部２５を形成する、としているが、実際には凸部２５を残してベース体２の底面２３の幅を狭くすることで凸部２５を形成している。そのため、従来よりもベース体２の幅を狭くすることができ、コストダウンや小型化・軽量化にも貢献することができる。本例によれば、セラミック基板にかかるモールド樹脂５の収縮力を緩和できるので、従来よりもセラミック基板の張り出し量を大きくとることが可能になる。そのため沿面距離を十分に確保でき、設計の自由度を増すことができる。

上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、この発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１…半導体装置
２…ベース体
２５…凹部
３１…セラミック基板
３２，３３…銅板
４…半導体チップ
５…パッケージ（モールド樹脂）

Claims (10)

1. 剛性を有する板状のベース体と、
   前記ベース体上面に配置される外周端を露出させて表裏面に銅板が張り合わされた前記ベース体上面よりも幅の短いセラミック基板と、
   を有し、
   前記ベース体、前記セラミック基板および前記銅板がトランスファーモールド法によりモールド樹脂で封止される半導体装置において、
   前記ベース体上面の少なくとも前記セラミック基板のコーナー部と対応する位置に屋根部を設け、前記屋根部と前記ベース体底面とを連結することによって形成される庇状の凸部が前記ベース体側面に設けられた半導体装置。
2. 前記ベース体底面に垂直な下部垂直面を形成し、前記凸部が、前記下部垂直面を介して、前記屋根部と前記底面とを連結することによって形成されることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記屋根部に垂直な上部垂直面を形成し、前記凸部が、前記上部垂直面を介して、前記屋根部と前記底面とを連結することによって形成されることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置。
4. 前記屋根部に連続して円弧状の円弧面を形成し、前記凸部が、前記円弧面を介して前記屋根部と前記底面とを連結することによって形成されることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置。
5. 前記屋根部と前記底面とを連結する連結面を有し、当該連結面を前記セラミック基板に対して傾斜させたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体装置。
6. 前記屋根部と前記底面とを連結する連結面を有し、当該連結面を前記モールド樹脂の冷却時の収縮方向に対して異なる方向に傾斜させたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体装置。
7. 前記連結面を、前記モールド樹脂の冷却時の収縮方向に対して垂直方向に傾斜させたことを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
8. 前記凸部が、前記ベース体の側面全面に設けられることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の半導体装置。
9. 前記凸部が、前記ベース体の側面の前記セラミック基板のコーナー部と対応する位置の間にも設けられることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の半導体装置。
10. 前記ベース体と前記モールド樹脂の界面を粗く加工したことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の半導体装置。

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