JP2003110064A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 半導体装置に対して大きな熱応力が作用した
ときに、素子破壊を防止することができ、半導体装置の
長期的信頼性を向上させる。
【解決手段】 本発明の半導体装置1は、半導体チップ
2と、この半導体チップ2の両面から放熱するための一
対のヒートシンク3、4とを備え、装置のほぼ全体を樹
脂7でモールドしたものにおいて、半導体チップ2の厚
さ寸法をt1とし、一対のヒートシンク3、4のうちの
少なくとも一方のヒートシンク3の厚さ寸法をt2とし
たときに、t2/t1≧5が成立するように構成したも
のである。本発明者らは、上記構成の半導体装置1に対
して大きな熱応力が作用しても、素子破壊が発生しない
ことを試作と実験により確認した。
(57) Abstract: When a large thermal stress acts on a semiconductor device, element destruction can be prevented, and the long-term reliability of the semiconductor device is improved. SOLUTION: A semiconductor device 1 according to the present invention includes a semiconductor chip 2 and a pair of heat sinks 3 and 4 for dissipating heat from both surfaces of the semiconductor chip 2, and substantially the entire device is molded with a resin 7. A configuration in which t2 / t1 ≧ 5 holds when the thickness of the semiconductor chip 2 is t1 and the thickness of at least one of the pair of heat sinks 3 and 4 is t2. It is. The present inventors have confirmed through trial production and experiments that element destruction does not occur even when a large thermal stress acts on the semiconductor device 1 having the above configuration.
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、発熱素子と、この
発熱素子の両面に接合された一対の放熱板とを備えて成
る半導体装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device including a heating element and a pair of heat radiating plates bonded to both sides of the heating element.
【0002】[0002]
【従来の技術】例えば高耐圧・大電流用の半導体チップ
(発熱素子)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、チップの両面に一対の放熱板を例え
ば半田層を介して接合する構成が、従来より、考えられ
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、一対の放熱板の各外面は、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。2. Description of the Related Art For example, a semiconductor chip (heat generating element) for high breakdown voltage and large current generates a large amount of heat during use, and therefore, a structure for improving heat dissipation from the chip is required. As an example of this configuration, a configuration in which a pair of heat dissipation plates are joined to both sides of the chip via, for example, a solder layer has been considered in the past. With this configuration, heat can be dissipated from both sides of the chip. Is improved. The entire double-sided heat dissipation type semiconductor device is molded with resin.
The outer surfaces of the pair of heat dissipation plates are exposed so as to improve heat dissipation.
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】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。この傾向
は、半導体装置に加わる熱サイクルの温度差が大きいほ
ど顕著である。In the semiconductor device having the above structure, since the semiconductor chips, the heat sink, and the resin have a large difference in coefficient of thermal expansion, a considerably large thermal stress acts on the contact portion between these three members, and The semiconductor chip may be destroyed by the stress. This tendency becomes more remarkable as the temperature difference of the heat cycle applied to the semiconductor device increases.
【0004】そこで、本発明の目的は、大きな熱応力が
作用したとしても、素子破壊を防止することができ、半
導体装置の長期的信頼性を向上させることができる半導
体装置を提供することにある。Therefore, an object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of preventing element destruction even when a large thermal stress acts and improving the long-term reliability of the semiconductor device. .
【0005】[0005]
【課題を解決するための手段】請求項1の発明において
は、発熱素子と、この発熱素子の両面から放熱するため
の一対の放熱板とを備え、装置のほぼ全体を樹脂でモー
ルドした半導体装置において、前記発熱素子の厚さ寸法
をt1とし、前記一対の放熱板のうちの少なくとも一方
の放熱板の厚さ寸法をt2としたときに、
t2/t1≧5
が成立するように構成した。本発明者らは、試作や実験
等を実行することにより、上記条件式が成立する構成で
あれば、発熱素子を保持するための圧縮応力を大きくす
ることができると共に、発熱素子表面のせん断応力を低
減することができることを確認した。そして、上記構成
の半導体装置に対して大きな熱応力が作用したとして
も、素子破壊が発生しないことを確認した。従って、上
記構成によれば、半導体装置の長期的信頼性を向上させ
ることができる。According to a first aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device including a heating element and a pair of heat radiating plates for radiating heat from both sides of the heating element, and substantially the entire device is molded with resin. In the above, when the thickness dimension of the heating element is t1 and the thickness dimension of at least one of the pair of heat radiation plates is t2, t2 / t1 ≧ 5 is satisfied. The present inventors can increase the compressive stress for holding the heat generating element and increase the shear stress of the surface of the heat generating element if the above conditional expression is satisfied by executing trial manufacture or experiments. It has been confirmed that can be reduced. Then, it was confirmed that even if a large thermal stress was applied to the semiconductor device having the above-mentioned structure, element destruction did not occur. Therefore, according to the above configuration, the long-term reliability of the semiconductor device can be improved.
【0006】請求項2の発明においては、前記放熱板の
熱膨張係数をα1とし、前記樹脂の熱膨張係数をα2と
したときに、
0.5α1≦α2≦1.5α1
が成立するように構成した。本発明者らは、試作や実験
等を実行することにより、上記条件式が成立する構成で
あれば、発熱素子に対する引張り応力及び発熱素子表面
のせん断応力を低減できることを確認した。従って、上
記構成によれば、大きな熱応力が作用したとしても、長
期的信頼性を向上させることができる。According to a second aspect of the invention, when the coefficient of thermal expansion of the heat sink is α1 and the coefficient of thermal expansion of the resin is α2, 0.5α1 ≦ α2 ≦ 1.5α1 is satisfied. did. The inventors of the present invention have confirmed that the tensile stress to the heat generating element and the shear stress on the surface of the heat generating element can be reduced if the above conditional expressions are satisfied by performing trial manufacture and experiments. Therefore, according to the above configuration, long-term reliability can be improved even if a large thermal stress acts.
【0007】請求項3の発明では、前記発熱素子の裏面
の面粗度をRaとしたときに、
Ra≦500nm
が成立するように構成した。本発明者らは、試作や実験
等を実行することにより、上記条件式が成立する構成で
あれば、発熱素子の裏面に作用する応力に対して十分な
強度を有し、素子割れが発生しないことを確認した。従
って、上記構成によれば、大きな熱応力が作用したとし
ても、長期的信頼性を向上させることができる。According to the third aspect of the invention, when the surface roughness of the back surface of the heating element is Ra, Ra ≦ 500 nm is satisfied. The inventors of the present invention have sufficient strength against the stress acting on the back surface of the heat generating element and do not cause element cracking if the above conditional expressions are satisfied by performing trial manufacture and experiments. It was confirmed. Therefore, according to the above configuration, long-term reliability can be improved even if a large thermal stress acts.
【0008】また、請求項4の発明によれば、請求項2
の発明とほぼ同じ作用効果を得ることができる。そし
て、請求項5または6の発明によれば、請求項3の発明
とほぼ同じ作用効果を得ることができる。According to the invention of claim 4, claim 2
It is possible to obtain substantially the same operational effects as the invention of. According to the invention of claim 5 or 6, it is possible to obtain substantially the same effect as that of the invention of claim 3.
【0009】一方、請求項7の発明では、半導体素子表
面のせん断応力、または、半導体素子と金属体とを接合
する接合層における歪み成分等を低減させるように、半
導体素子の厚さを薄くすると共に、モールド樹脂により
装置全体を拘束保持するように構成したので、耐冷熱サ
イクル性や耐クリープ性等の耐久性を向上させることが
できる。On the other hand, in the seventh aspect of the invention, the thickness of the semiconductor element is reduced so as to reduce the shear stress on the surface of the semiconductor element or the strain component in the joining layer for joining the semiconductor element and the metal body. At the same time, since the entire device is restrained and held by the mold resin, durability such as cold and heat cycle resistance and creep resistance can be improved.
【0010】この場合、請求項8の発明のように、半導
体素子の厚さを250μm以下とすることが好ましい。
また、請求項9の発明のように、3個の金属体のうちの
少なくとも1つの金属体の厚みを1.0mm以上とする
ことも好ましい構成である。更に、請求項10の発明の
ように、接合層の端部における塑性歪み率が1%以下と
なるように、半導体素子の厚さを調整しても良い。更に
また、請求項11の発明のように、半導体素子表面のせ
ん断応力が35MPa以下となるように、半導体素子の
厚さを調整しても良い。In this case, it is preferable that the semiconductor element has a thickness of 250 μm or less.
It is also preferable that at least one of the three metal bodies has a thickness of 1.0 mm or more. Further, as in the tenth aspect of the invention, the thickness of the semiconductor element may be adjusted so that the plastic strain rate at the end of the bonding layer is 1% or less. Furthermore, the thickness of the semiconductor element may be adjusted so that the shear stress on the surface of the semiconductor element is 35 MPa or less.
【0011】請求項12の発明によれば、接合層をSn
系はんだで構成したので、接合の強度が高くなると共
に、接合層における歪み成分を低減できる。また、請求
項13の発明のように、半導体素子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。According to the invention of claim 12, the bonding layer is made of Sn.
Since it is composed of the system solder, the strength of the joint is increased and the strain component in the joint layer can be reduced. Further, it is preferable that the device structure of the semiconductor element is of a trench gate type.
【0012】更に、請求項14、15、16の発明によ
れば、請求項1、2、3の発明とほぼ同様の作用効果を
得ることができる。Furthermore, according to the inventions of claims 14, 15 and 16, it is possible to obtain substantially the same operational effects as those of the inventions of claims 1, 2, and 3.
【0013】[0013]
【発明の実施の形態】以下、本発明の第1の実施例につ
いて、図1ないし図4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(発熱素子、半導体素子)2と、下
側ヒートシンク(放熱板、第1の金属体)3と、上側ヒ
ートシンク(放熱板、第2の金属体)4と、ヒートシン
クブロック5(第3の金属体)とを備えて構成されてい
る。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION A first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. First,
FIG. 1 is a sectional view showing a schematic configuration of the semiconductor device of this embodiment. As shown in FIG. 1, the semiconductor device 1 of this embodiment includes a semiconductor chip (heat generating element, semiconductor element) 2, a lower heat sink (heat sink, first metal body) 3, and an upper heat sink (heat sink). , Second metal body) 4 and a heat sink block 5 (third metal body).
【0014】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(接合層)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(接合層)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(接合層)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
の放熱板)を介して放熱される構成となっている。In the case of this structure, the lower surface of the semiconductor chip 2 and the upper surface of the lower heat sink 3 are joined by a joining member such as solder (joining layer) 6. The upper surface of the semiconductor chip 2 and the lower surface of the heat sink block 5 are also joined by solder (joint layer) 6. Further, the upper surface of the heat sink block 5 and the lower surface of the upper heat sink 4 are also joined by solder (joint layer) 6. As a result, in the above configuration, heat is radiated from both surfaces of the semiconductor chip 2 via the heat sinks 3 and 4 (that is, the pair of heat radiating plates).
【0015】尚、上記半導体チップ2は、例えばIGB
T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2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。The semiconductor chip 2 is, for example, an IGB.
It is composed of a power semiconductor element such as a T or a thyristor. In this case, the device structure of the semiconductor chip 2 is preferably a trench gate type. Of course, other types of device structures may be used.
【0016】上記半導体チップ2の形状は、本実施例の
場合、図2(a)に示すように、例えば矩形状の薄板状
である。また、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。In the case of the present embodiment, the shape of the semiconductor chip 2 is, for example, a rectangular thin plate shape as shown in FIG. The lower heat sink 3, the upper heat sink 4, and the heat sink block 5 are made of a metal having good thermal conductivity and electrical conductivity, such as Cu or Al. In the case of this configuration, the lower heat sink 3 and the upper heat sink 4 are also electrically connected to each main electrode (for example, a collector electrode or an emitter electrode) of the semiconductor chip 2 via the solder 6.
【0017】また、下側ヒートシンク3は、図2(a)
に示すように、全体として例えばほぼ長方形状の板材で
あり、端子部3aが後方へ向けて延びるように突設され
ている。また、ヒートシンクブロック5は、図2(a)
に示すように、半導体チップ2よりも1回り小さい程度
の大きさの矩形状の板材である。更に、上側ヒートシン
ク4は、図2(d)に示すように、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、端子部4aが後方
へ向けて延びるように突設されている。尚、下側ヒート
シンク3の端子部3aと、上側ヒートシンク4の端子部
4aは、互いの位置がずれるように、即ち、対向しない
ように構成されている。The lower heat sink 3 is shown in FIG.
As shown in FIG. 3, the plate member is, for example, a substantially rectangular plate as a whole, and the terminal portion 3a is provided so as to extend rearward. Further, the heat sink block 5 is shown in FIG.
As shown in (1), the rectangular plate member is one size smaller than the semiconductor chip 2. Further, as shown in FIG. 2D, the upper heat sink 4 is composed of, for example, a substantially rectangular plate material as a whole, and the terminal portion 4a is provided so as to project rearward. The terminal portion 3a of the lower heat sink 3 and the terminal portion 4a of the upper heat sink 4 are configured so that their positions are displaced from each other, that is, they do not face each other.
【0018】また、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。図
1及び図2においては、上記距離をかなり拡大して示し
ている。In the case of the above construction, the distance between the upper surface of the lower heat sink 3 and the lower surface of the upper heat sink 4 is
For example, it is configured to be about 1 to 2 mm. In FIGS. 1 and 2, the distance is shown in a considerably enlarged manner.
【0019】更に、図1に示すように、一対のヒートシ
ンク3、4の隙間、並びに、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(例えばエポキシ樹
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をモ
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。Further, as shown in FIG. 1, a resin (for example, epoxy resin) 7 is filled and sealed in the gap between the pair of heat sinks 3 and 4, and in the peripheral portion of the chip 2 and the heat sink block 5. In this case, when molding the heat sinks 3, 4 and the like with the resin 7, a molding die (not shown) composed of upper and lower dies is used. Before the resin 7 is molded, in order to increase the adhesion between the resin 7 and the heat sinks 3 and 4, the adhesion between the resin 7 and the semiconductor chip 2, and the adhesion between the resin 7 and the heat sink block 5. In addition, it is preferable to apply a coating resin such as polyamide resin (not shown) to the surfaces of the heat sinks 3, 4, the heat sink block 5, and the chip 2.
【0020】次に、上記した構成の半導体装置1の製造
方法(即ち、製造工程)について、図2を参照して簡単
に説明する。まず、図2(a)及び(b)に示すよう
に、下側ヒートシンク3の上面に、半導体チップ2とヒ
ートシンクブロック5を半田付けする工程を実行する。
この場合、下側ヒートシンク3の上面に半田箔8を介し
てチップ2を積層すると共に、このチップ2の上に半田
箔8を介してヒートシンクブロック5を積層する。この
後、加熱装置(リフロー装置)によって上記半田箔8、
8を溶融させてから、硬化させる。Next, a manufacturing method (that is, a manufacturing process) of the semiconductor device 1 having the above structure will be briefly described with reference to FIG. First, as shown in FIGS. 2A and 2B, the step of soldering the semiconductor chip 2 and the heat sink block 5 to the upper surface of the lower heat sink 3 is performed.
In this case, the chip 2 is laminated on the upper surface of the lower heat sink 3 via the solder foil 8, and the heat sink block 5 is laminated on the chip 2 via the solder foil 8. Then, the solder foil 8 is heated by a heating device (reflow device),
Melt 8 and then cure.
【0021】続いて、図2(c)に示すように、チップ
2の制御電極(例えばゲートパッド等)とリードフレー
ム9a、9bとをワイヤーボンディングする工程を実行
する。これにより、例えばAlやAu等製のワイヤー1
0によってチップ2の制御電極とリードフレーム9a、
9bとが接続される。Then, as shown in FIG. 2C, a step of wire-bonding the control electrodes (for example, gate pads) of the chip 2 and the lead frames 9a and 9b to each other is performed. Thereby, for example, the wire 1 made of Al or Au
The control electrode of the chip 2 and the lead frame 9a
9b is connected.
【0022】次いで、図2(d)及び(e)に示すよう
に、ヒートシンクブロック5の上に上側ヒートシンク4
を半田付けする工程を実行する。この場合、図2(d)
に示すように、ヒートシンクブロック5の上に半田箔8
を介して上側ヒートシンク4を載せる。そして、加熱装
置によって上記半田箔8を溶融させてから、硬化させ
る。Then, as shown in FIGS. 2D and 2E, the upper heat sink 4 is placed on the heat sink block 5.
Perform the step of soldering. In this case, FIG. 2 (d)
As shown in FIG.
The upper heat sink 4 is placed via. Then, the solder foil 8 is melted by a heating device and then cured.
【0023】このとき、図2(e)に示すように、上側
ヒートシンク4の上に例えば重り11を載置することに
より、上側ヒートシンク4を下方へ向けて加圧するよう
に構成されている。これと共に、上側ヒートシンク4と
下側ヒートシンク3との間に、スペーサ治具(図示しな
い)を取り付けることにより、上側ヒートシンク4と下
側ヒートシンク3との間の距離を設定距離に保持するよ
うに構成している。At this time, as shown in FIG. 2E, a weight 11 is placed on the upper heat sink 4 to press the upper heat sink 4 downward. Along with this, a spacer jig (not shown) is attached between the upper heat sink 4 and the lower heat sink 3 so that the distance between the upper heat sink 4 and the lower heat sink 3 is maintained at a set distance. is doing.
【0024】この構成の場合、半田箔8が溶融する前の
状態では、上側ヒートシンク4と下側ヒートシンク3と
の距離は、スペーサ治具の設定距離よりも大きくなるよ
うに構成されている。そして、半田箔8が溶融すると、
重り11の加圧力により、溶融した半田層の部分が薄く
なり、上側ヒートシンク4と下側ヒートシンク3との距
離がスペーサ治具の設定距離と等しくなる。このとき、
半田層は、適度な薄さまで薄くなるように構成されてい
る。そして、溶融した半田層が硬化すれば、チップ2と
ヒートシンク3、4とヒートシンクブロック5の接合及
び電気的接続が完了する。In this structure, the distance between the upper heat sink 4 and the lower heat sink 3 is larger than the set distance of the spacer jig before the solder foil 8 is melted. When the solder foil 8 melts,
The portion of the melted solder layer becomes thin due to the pressure applied by the weight 11, and the distance between the upper heat sink 4 and the lower heat sink 3 becomes equal to the set distance of the spacer jig. At this time,
The solder layer is configured to be thin to an appropriate thickness. Then, when the melted solder layer is hardened, the joining and electrical connection of the chip 2, the heat sinks 3, 4, and the heat sink block 5 are completed.
【0025】この後、ポリアミド樹脂を、ヒートシンク
3、4とヒートシンクブロック5とチップ2の表面等に
塗布する工程を実行する。この場合、例えばディッピン
グにより塗布しても良いし、ポリアミド樹脂塗布用のデ
ィスペンサのノズルから滴下(または噴霧)することに
より塗布しても良い。尚、ポリアミド樹脂は必要に応じ
て塗布すれば良く、ポリアミド樹脂の塗布を省略しても
良い。After that, a step of applying the polyamide resin to the surfaces of the heat sinks 3, 4, the heat sink block 5, the chip 2 and the like is executed. In this case, it may be applied by dipping, for example, or may be applied by dropping (or spraying) from a nozzle of a polyamide resin application dispenser. The polyamide resin may be applied as needed, and the application of the polyamide resin may be omitted.
【0026】そして、ポリアミド樹脂を塗布した後は、
図示しない成形型を使用して、ヒートシンク3、4の隙
間及び外周部に樹脂7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に示すように、ヒートシ
ンク3、4の隙間及び外周部等に、樹脂7が充填封止さ
れる。そして、樹脂7が硬化した後、成形型内から半導
体装置1を取り出せば、半導体装置1が完成する。尚、
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、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3、4の
放熱性を高めている。After applying the polyamide resin,
A step of filling the gap between the heat sinks 3 and 4 and the outer peripheral portion with the resin 7 using a molding die (not shown) (molding step)
To execute. As a result, as shown in FIG. 1, the resin 7 is filled and sealed in the gaps and the outer peripheral portions of the heat sinks 3 and 4. Then, after the resin 7 is cured, the semiconductor device 1 is taken out from the molding die, and the semiconductor device 1 is completed. still,
In the case of the above configuration, the lower surface of the lower heat sink 3 and the upper surface of the upper heat sink 4 are resin-molded so as to be exposed. This enhances the heat dissipation of the heat sinks 3 and 4.
【0027】さて、上記構成の半導体装置1において
は、半導体チップ2の厚さ寸法をt1とし、下側ヒート
シンク3の厚さ寸法をt2としたときに、
t2/t1≧5
が成立するように構成した。尚、本実施例の場合、上側
ヒートシンク4の厚さ寸法もt2としている。In the semiconductor device 1 having the above structure, t2 / t1 ≧ 5 is satisfied when the thickness dimension of the semiconductor chip 2 is t1 and the thickness dimension of the lower heat sink 3 is t2. Configured. In the case of this embodiment, the thickness dimension of the upper heat sink 4 is also t2.
【0028】ここで、厚さ寸法t1、t2の条件式、即
ち、厚さ比率(t2/t1)を上記したように設定した
理由について説明する。本発明者らは、試作や実験等を
実行することにより、上記厚さ比率の条件式が成立する
構成であれば、半導体チップ2を保持するための圧縮応
力を大きくすることができると共に、半導体チップ2の
表面のせん断応力を低減することができることを確認し
た。Now, the reason why the conditional expressions for the thickness dimensions t1 and t2, that is, the thickness ratio (t2 / t1) is set as described above will be described. The present inventors can increase the compressive stress for holding the semiconductor chip 2 as long as the conditional expression of the thickness ratio is satisfied by executing trial manufacture and experiments, and at the same time, the semiconductor It was confirmed that the shear stress on the surface of the chip 2 can be reduced.
【0029】具体的には、厚さ比率を変えた半導体装置
1を試作し、各試作品の素子圧縮応力を測定し、図3に
示すグラフを得た。この図3のグラフにおいて、横軸は
厚さ比率を示し、縦軸は素子圧縮応力比を示し、プロッ
トが実際に試作した半導体装置1を示している。ここ
で、素子圧縮応力比は、厚さ比率が3.75の半導体装
置1の素子圧縮応力を1.00と定義した場合の数値で
ある。Specifically, semiconductor devices 1 having different thickness ratios were manufactured as prototypes, and the element compressive stress of each prototype was measured to obtain the graph shown in FIG. In the graph of FIG. 3, the horizontal axis represents the thickness ratio, the vertical axis represents the element compressive stress ratio, and the plot represents the actually manufactured semiconductor device 1. Here, the element compressive stress ratio is a numerical value when the element compressive stress of the semiconductor device 1 having a thickness ratio of 3.75 is defined as 1.00.
【0030】この厚さ比率が3.75(即ち、素子圧縮
応力比が1.00)の半導体装置1に対して温度差の大
きい熱サイクルを作用させると、半導体チップ2が割れ
てしまうことを確認している。そして、厚さ比率が2.
5(即ち、素子圧縮応力比が0.98)の半導体装置1
に対して温度差の大きい熱サイクルを作用させたとき
も、半導体チップ2が割れてしまうことを確認してい
る。When a semiconductor device 1 having a thickness ratio of 3.75 (that is, a device compressive stress ratio of 1.00) is subjected to a thermal cycle with a large temperature difference, the semiconductor chip 2 is cracked. I'm confirming. The thickness ratio is 2.
5 (that is, a device compression stress ratio of 0.98) 1
It has been confirmed that the semiconductor chip 2 is broken even when a thermal cycle with a large temperature difference is applied.
【0031】これに対して、厚さ比率が7.00(即
ち、素子圧縮応力比が1.09)と厚さ比率が15.0
0(即ち、素子圧縮応力比が1.13)の半導体装置1
に対して温度差の大きい熱サイクルを作用させた場合、
両者の半導体チップ2が割れないことを確認している。
即ち、厚さ比率ひいては素子圧縮応力比が大きいほど、
半導体チップ2が割れ難くなることを確認している。On the other hand, the thickness ratio is 7.00 (that is, the element compressive stress ratio is 1.09) and the thickness ratio is 15.0.
Semiconductor device 1 having 0 (that is, element compression stress ratio of 1.13)
When a thermal cycle with a large temperature difference is applied to
It has been confirmed that the semiconductor chips 2 of both are not broken.
That is, the greater the thickness ratio and thus the element compression stress ratio,
It has been confirmed that the semiconductor chip 2 is less likely to break.
【0032】従って、図3のグラフから、厚さ比率(t
2/t1)を5.00以上に設定すれば、素子圧縮応力
を十分大きく保持することができ、その半導体装置1に
対して大きな熱応力が作用しても、素子破壊の発生を防
止できることがわかる。これによって、半導体装置1の
長期的信頼性を向上させることができる。Therefore, from the graph of FIG. 3, the thickness ratio (t
If 2 / t1) is set to 5.00 or more, the element compressive stress can be kept sufficiently large, and even if a large thermal stress acts on the semiconductor device 1, it is possible to prevent the element destruction. Recognize. Thereby, the long-term reliability of the semiconductor device 1 can be improved.
【0033】また、厚さ比率を変えた半導体装置1の各
試作品の素子表面のせん断応力を、シミュレーションに
よって計算し、図4に示すグラフを得た。この図4のグ
ラフにおいて、横軸は厚さ比率を示し、縦軸は素子表面
のせん断応力比を示し、プロットが実際に試作した半導
体装置1を示している。ここで、せん断応力比は、厚さ
比率が3.75の半導体装置1のせん断応力を1.00
と定義した場合の数値である。Further, the shear stress on the element surface of each prototype of the semiconductor device 1 having a different thickness ratio was calculated by simulation, and the graph shown in FIG. 4 was obtained. In the graph of FIG. 4, the horizontal axis represents the thickness ratio, the vertical axis represents the shear stress ratio on the element surface, and the plot represents the actually manufactured semiconductor device 1. Here, as for the shear stress ratio, the shear stress of the semiconductor device 1 having a thickness ratio of 3.75 is 1.00.
It is a numerical value when it is defined as.
【0034】この厚さ比率が3.75(即ち、せん断応
力比が1.00)の半導体装置1に対して温度差の大き
い熱サイクルを作用させると、半導体チップ2の表面付
近の樹脂が剥離してしまうことを確認している。そし
て、厚さ比率が2.5(即ち、せん断応力比が1.0
2)の半導体装置1に対して温度差の大きい熱サイクル
を作用させたときも、半導体チップ2の表面付近の樹脂
が剥離してしまうことを確認している。When a thermal cycle having a large temperature difference is applied to the semiconductor device 1 having a thickness ratio of 3.75 (that is, a shear stress ratio of 1.00), the resin near the surface of the semiconductor chip 2 peels off. I'm sure you'll do it. The thickness ratio is 2.5 (that is, the shear stress ratio is 1.0
It has been confirmed that the resin near the surface of the semiconductor chip 2 peels off even when the semiconductor device 1 of 2) is subjected to a thermal cycle with a large temperature difference.
【0035】これに対して、厚さ比率が7.00(即
ち、せん断応力比が0.6)と厚さ比率が15.00
(即ち、せん断応力比が0.15)の半導体装置1に対
して温度差の大きい熱サイクルを作用させた場合、両者
の半導体チップ2の表面付近の樹脂が剥離しないことを
確認している。即ち、厚さ比率が大きいほど(即ち、せ
ん断応力比が小さいほど)、半導体チップ2表面の樹脂
が剥離し難くなることを確認している。On the other hand, the thickness ratio is 7.00 (that is, the shear stress ratio is 0.6) and the thickness ratio is 15.00.
It has been confirmed that when a semiconductor device 1 having a shear stress ratio of 0.15 is subjected to a thermal cycle with a large temperature difference, the resin in the vicinity of the surfaces of the semiconductor chips 2 does not peel off. That is, it has been confirmed that the larger the thickness ratio (that is, the smaller the shear stress ratio), the more difficult the resin on the surface of the semiconductor chip 2 is to peel off.
【0036】従って、図4のグラフから、厚さ比率(t
2/t1)を5.00以上に設定すれば、せん断応力を
十分低減することができ、その半導体装置1に対して大
きな熱応力が作用しても、素子表面の樹脂の剥離を防止
できることがわかる。これによって、半導体装置1の長
期的信頼性を向上させることができる。Therefore, from the graph of FIG. 4, the thickness ratio (t
When 2 / t1) is set to 5.00 or more, the shear stress can be sufficiently reduced, and the resin on the element surface can be prevented from peeling off even when a large thermal stress acts on the semiconductor device 1. Recognize. Thereby, the long-term reliability of the semiconductor device 1 can be improved.
【0037】尚、上記実施例の場合、厚さ比率を大きく
すれば、良い効果が得られることはわかっているが、厚
さ比率をあまり大きくすることは困難である。というの
は、厚さ比率を大きくする方法は、2つあり、1つの方
法は半導体チップ2の厚み寸法t1を薄くすることであ
り、他の1つの方法はヒートシンク3、4の厚み寸法t
2を厚くすることである。In the case of the above embodiment, it is known that a good effect can be obtained by increasing the thickness ratio, but it is difficult to increase the thickness ratio too much. This is because there are two methods of increasing the thickness ratio, one method is to reduce the thickness dimension t1 of the semiconductor chip 2, and another method is to reduce the thickness dimension t of the heat sinks 3 and 4.
2 is to thicken.
【0038】しかし、半導体チップ2の厚み寸法t1を
薄くする場合、0.1mm程度が加工限界であり、ヒー
トシンク3、4の厚み寸法t2を1.0mm程度に固定
すると、厚さ比率は15が限界となる。一方、ヒートシ
ンク3、4の厚み寸法t2を厚くする場合には、半導体
装置1の全体の厚み寸法が厚くなってしまうので、実用
上(製品上)の制約がある。従って、厚さ比率は15程
度が限界であり、チップの加工のし易さ及び実用上の制
約から見ると、ベストの厚さ比率は7〜8程度となる。However, when the thickness t1 of the semiconductor chip 2 is reduced, the processing limit is about 0.1 mm. If the thickness t2 of the heat sinks 3 and 4 is fixed to about 1.0 mm, the thickness ratio becomes 15. It will be the limit. On the other hand, when the thickness dimension t2 of the heat sinks 3 and 4 is increased, the overall thickness dimension of the semiconductor device 1 is increased, which is a practical (product) limitation. Therefore, the thickness ratio is limited to about 15, and the thickness ratio of the vest is about 7 to 8 in view of the ease of processing the chip and practical restrictions.
【0039】また、上記実施例においては、ヒートシン
ク3、4の材料として、ヤング率が常温で100GPa
以上の金属や合金等の材料を使用することが好ましい。
上記100GPa以上のヤング率の材料は、硬く、十分
な剛性があることから、十分な大きさの圧縮応力を得る
ことが可能になるためである。尚、圧縮応力を大きくす
るためには、材料の剛性が大きいほど良い。Further, in the above embodiment, the Young's modulus is 100 GPa at room temperature as the material of the heat sinks 3 and 4.
It is preferable to use materials such as the above metals and alloys.
This is because the material having a Young's modulus of 100 GPa or more is hard and has sufficient rigidity, so that a sufficient amount of compressive stress can be obtained. In order to increase the compressive stress, it is preferable that the rigidity of the material is large.
【0040】そして、上記ヤング率の条件を満たすヒー
トシンク3、4の材料としては、例えばCu、Cu系合
金、Al、Al系合金等があり、これらの金属や合金を
使用すれば良い。Examples of materials for the heat sinks 3 and 4 which satisfy the Young's modulus include Cu, Cu-based alloys, Al and Al-based alloys, and these metals or alloys may be used.
【0041】また、上記実施例において、半導体チップ
2とヒートシンク3、4及びヒートシンクブロック5と
を接合する半田6の具体的材料としては、例えばSn−
Pb系、Sn−Ag系、Sn−Sb系、Sn−Cu系な
どの2元系、或いは、多元系組成から適宜選択すれば良
い。更に、モールド用の樹脂7としては、エポキシ系な
どの適正な素材の中から適宜選択すれば良い。Further, in the above embodiment, as a concrete material of the solder 6 for joining the semiconductor chip 2 to the heat sinks 3, 4 and the heat sink block 5, for example, Sn--
A binary system such as a Pb system, a Sn-Ag system, a Sn-Sb system, a Sn-Cu system, or a multi-component system may be appropriately selected. Further, the resin 7 for molding may be appropriately selected from appropriate materials such as epoxy series.
【0042】尚、上記実施例においては、下側ヒートシ
ンク3及び上側ヒートシンク4の両方の厚み寸法をt2
としたが、これに限られるものではなく、下側ヒートシ
ンク3の厚み寸法だけをt2とし、上側ヒートシンク4
の厚み寸法をt2と異なる寸法にしても良いし、反対
に、上側ヒートシンク4の厚み寸法だけをt2とし、下
側ヒートシンク3の厚み寸法をt2と異なる寸法にして
も良い。In the above embodiment, the thickness dimensions of both the lower heat sink 3 and the upper heat sink 4 are t2.
However, the thickness of the lower heat sink 3 is not limited to this, and the thickness dimension of the lower heat sink 3 is t2.
May be different from t2, or conversely, only the thickness of the upper heat sink 4 may be t2 and the thickness of the lower heat sink 3 may be different from t2.
【0043】図5ないし図7は、本発明の第2の実施例
を示す図である。この第2の実施例は、第1の実施例の
半導体装置1において、ヒートシンク3、4の熱膨張係
数をα1とし、樹脂7の熱膨張係数をα2としたとき
に、
0.5α1≦α2≦1.5α1
が成立するように構成したものである。FIGS. 5 to 7 are views showing a second embodiment of the present invention. In the second embodiment, when the heat expansion coefficient of the heat sinks 3 and 4 is α1 and the heat expansion coefficient of the resin 7 is α2 in the semiconductor device 1 of the first embodiment, 0.5α1 ≦ α2 ≦ The configuration is such that 1.5α1 holds.
【0044】本発明者らは、試作や実験等を実行するこ
とにより、上記熱膨張係数の条件式が成立するように構
成した半導体装置1であれば、半導体チップ(発熱素
子)2の表面の端部に対する引張り応力及び半導体チッ
プ2の表面のせん断応力を低減できることを確認した。
以下、実験結果等に基づいて、上記熱膨張係数の条件式
が有効であることを具体的に説明する。The inventors of the present invention have conducted the trial manufacture and the experiment etc., and if the semiconductor device 1 is constructed so that the conditional expression of the thermal expansion coefficient is satisfied, the surface of the semiconductor chip (heating element) 2 It was confirmed that the tensile stress on the edge and the shear stress on the surface of the semiconductor chip 2 can be reduced.
Hereinafter, based on experimental results and the like, it will be specifically described that the conditional expression of the thermal expansion coefficient is effective.
【0045】まず、樹脂7の熱膨張係数α2を変えた半
導体装置1の各試作品の半導体チップ2の表面の端部に
おける引張り力、即ち、Z方向の応力を、シミュレーシ
ョンによって計算し、図5に示すグラフを得た。この図
5のグラフにおいて、横軸は樹脂7の熱膨張係数α2を
示し、縦軸はZ方向の応力を示し、プロットが実際に試
作した半導体装置1を示している。尚、Z方向は、半導
体チップ2に直交する方向、即ち、図1における上下方
向である。また、半導体装置1の各試作品のヒートシン
ク3、4は例えばCuで形成されており、Cuの熱膨張
係数α1は17ppmである。First, the tensile force at the end of the surface of the semiconductor chip 2 of each prototype of the semiconductor device 1 in which the thermal expansion coefficient α2 of the resin 7 was changed, that is, the stress in the Z direction was calculated by simulation, and FIG. The graph shown in is obtained. In the graph of FIG. 5, the horizontal axis represents the thermal expansion coefficient α2 of the resin 7, the vertical axis represents the stress in the Z direction, and the plot shows the actually manufactured semiconductor device 1. The Z direction is the direction orthogonal to the semiconductor chip 2, that is, the vertical direction in FIG. The heat sinks 3 and 4 of each prototype of the semiconductor device 1 are made of Cu, for example, and the thermal expansion coefficient α1 of Cu is 17 ppm.
【0046】上記図5から、樹脂7の熱膨張係数α2が
大きくなるほど、Z方向の応力、即ち、半導体チップ2
の表面の端部の引張り力が小さくなり、半導体チップ2
を強固に保持できることがわかる。From FIG. 5 described above, as the thermal expansion coefficient α2 of the resin 7 increases, the stress in the Z direction, that is, the semiconductor chip 2 is increased.
The tensile force at the edge of the surface of the
It can be seen that can be firmly held.
【0047】次に、樹脂7の熱膨張係数α2を変えた半
導体装置1の各試作品の半導体チップ2の表面における
せん断応力を、シミュレーションによって計算し、図6
に示すグラフを得た。この図6のグラフにおいて、横軸
は樹脂7の熱膨張係数α2を示し、縦軸はせん断応力を
示し、プロットが実際に試作した半導体装置1を示して
いる。Next, the shear stress on the surface of the semiconductor chip 2 of each prototype of the semiconductor device 1 in which the thermal expansion coefficient α2 of the resin 7 was changed was calculated by simulation, and FIG.
The graph shown in is obtained. In the graph of FIG. 6, the horizontal axis represents the thermal expansion coefficient α2 of the resin 7, the vertical axis represents the shear stress, and the plot represents the actually manufactured semiconductor device 1.
【0048】この場合、せん断応力は、0に近いほど好
ましく、その絶対値が大きくなると、良くないことがわ
かっている。そして、上記図6に示す5個の試作品につ
いては、大きな熱応力を作用させても、樹脂7の剥離等
の発生は確認しておらず、熱膨張係数α2が25ppm
であっても、そのときのせん断応力が問題ないことを確
認している。In this case, it has been found that the closer the shear stress is to 0, the better, and the larger the absolute value, the worse the shear stress. With respect to the five prototypes shown in FIG. 6, the occurrence of peeling of the resin 7 was not confirmed even when a large thermal stress was applied, and the thermal expansion coefficient α2 was 25 ppm.
Even then, it has been confirmed that the shear stress at that time is not a problem.
【0049】ここで、樹脂7の熱膨張係数α2をヒート
シンク3、4の熱膨張係数α1で表現し、これを横軸と
し、更に、縦軸を、Z方向の応力(即ち、半田の降伏応
力)と、せん断応力の絶対値として、図7に示す2つの
グラフ(曲線)A及びBを得た。この場合、曲線AがZ
方向の応力と樹脂7の熱膨張係数との関係を示し、曲線
Bがせん断応力と樹脂7の熱膨張係数との関係を示して
いる。Here, the coefficient of thermal expansion α2 of the resin 7 is expressed by the coefficient of thermal expansion α1 of the heat sinks 3 and 4, and this is taken as the horizontal axis, and the vertical axis is taken as the stress in the Z direction (that is, the yield stress of the solder). ) And the absolute value of the shear stress, two graphs (curves) A and B shown in FIG. 7 were obtained. In this case, curve A is Z
The relationship between the directional stress and the thermal expansion coefficient of the resin 7 is shown, and the curve B shows the relationship between the shear stress and the thermal expansion coefficient of the resin 7.
【0050】この図7において、Z方向の応力の上限値
は、35〜40MPa程度であり、Z方向の応力は上記
上限値よりも小さくしなければならない。従って、樹脂
7の熱膨張係数α2を、0.5α1以上としなければな
らない。また、せん断応力の上限値は、50MPa程度
であり、せん断応力は上記上限値よりも小さくしなけれ
ばならない。従って、樹脂7の熱膨張係数α2を、1.
5α1以下としなければならない。In FIG. 7, the upper limit value of the stress in the Z direction is about 35 to 40 MPa, and the stress in the Z direction must be smaller than the above upper limit value. Therefore, the thermal expansion coefficient α2 of the resin 7 must be 0.5α1 or more. The upper limit of shear stress is about 50 MPa, and the shear stress must be smaller than the above upper limit. Therefore, the thermal expansion coefficient α2 of the resin 7 is set to 1.
Must be 5α1 or less.
【0051】この結果、前記した熱膨張係数の条件式、
即ち、
0.5α1≦α2≦1.5α1
が得られる。そして、この熱膨張係数の条件式が成立す
る構成の半導体装置1であれば、大きな熱応力が作用し
たとしても、半導体チップ2が割れるようなことはな
く、長期的信頼性を向上させることができる。As a result, the above-mentioned conditional expression of the coefficient of thermal expansion,
That is, 0.5α1 ≦ α2 ≦ 1.5α1 is obtained. If the semiconductor device 1 is configured to satisfy the conditional expression of the coefficient of thermal expansion, the semiconductor chip 2 will not be cracked even if a large thermal stress acts, and long-term reliability can be improved. it can.
【0052】尚、Z方向の応力の上限値が35〜40M
Pa程度である理由は、半導体チップ2とヒートシンク
3、4を接合する半田(例えばSn−Pb系の半田)の
引張り強度が35〜40MPa程度であり、これを越え
ると半田接合の耐久信頼性を確保することができないた
めである。このことは、文献(例えば高信頼度マイクロ
ソルダリング技術、工業調査会)に記載されている。The upper limit of the Z-direction stress is 35 to 40M.
The reason why it is about Pa is that the tensile strength of the solder (for example, Sn—Pb based solder) that joins the semiconductor chip 2 and the heat sinks 3 and 4 is about 35 to 40 MPa. This is because it cannot be secured. This is described in the literature (for example, high reliability micro soldering technology, industrial research committee).
【0053】また、せん断応力の上限値が50MPa程
度である理由は、Cuのフレームと一般的なモールド樹
脂との密着強度は、50MPa程度であり、これを越え
るようなせん断応力が加わった場合、樹脂の剥離が発生
するためである。このことは、本出願人の実験によって
確認した。The reason why the upper limit of the shear stress is about 50 MPa is that the adhesion strength between the Cu frame and the general molding resin is about 50 MPa, and when a shear stress exceeding this is applied, This is because resin peeling occurs. This was confirmed by the applicant's experiment.
【0054】尚、上記実施例において、ヒートシンク
3、4を例えばCuやCu系合金で形成した場合(この
場合、ヒートシンク3、4の熱膨張係数α1は17pp
m程度となる)には、樹脂7の熱膨張係数α2を10p
pm以上に設定することが好ましいことを、本発明者ら
は実験等で確認している。In the above embodiment, when the heat sinks 3 and 4 are made of, for example, Cu or a Cu-based alloy (in this case, the thermal expansion coefficient α1 of the heat sinks 3 and 4 is 17 pp.
m)), the thermal expansion coefficient α2 of the resin 7 is 10 p
The present inventors have confirmed through experiments and the like that it is preferable to set to pm or more.
【0055】また、ヒートシンク3、4を例えばCu系
焼結合金やCu系複合材で形成した場合(この場合、ヒ
ートシンク3、4の熱膨張係数α1は8ppm程度とな
る)には、樹脂7の熱膨張係数α2を6ppm以上に設
定することが好ましいことを、本発明者らは実験等で確
認している。When the heat sinks 3 and 4 are made of, for example, a Cu-based sintered alloy or a Cu-based composite material (in this case, the thermal expansion coefficient α1 of the heat sinks 3 and 4 is about 8 ppm), the resin 7 The present inventors have confirmed through experiments and the like that it is preferable to set the thermal expansion coefficient α2 to 6 ppm or more.
【0056】更に、上記実施例においては、樹脂7とし
て、ヤング率が10GPa以上のものを使用した。これ
は、全体の応力のバランスを考慮すると、半導体装置1
のほぼ全体をモールドして保護する樹脂7のヤング率が
10GPa以上あることが好ましいためである。Further, in the above embodiment, the resin 7 having a Young's modulus of 10 GPa or more was used. This is because, considering the balance of the overall stress, the semiconductor device 1
This is because it is preferable that the Young's modulus of the resin 7 that molds and protects almost all of the above is 10 GPa or more.
【0057】尚、上記第2の実施例では、第1の実施例
の半導体装置1において、ヒートシンク3、4の熱膨張
係数をα1と、樹脂7の熱膨張係数をα2との間に前記
条件式が成立するように構成したが、これに限られるも
のではなく、厚さ比率(t2/t1)が5未満の構成の
半導体装置において、前記熱膨張係数の条件式が成立す
るように構成しても良く、この構成の場合も、ほぼ同じ
作用効果を得ることができる。In the second embodiment, in the semiconductor device 1 of the first embodiment, the above conditions are satisfied between the coefficient of thermal expansion of the heat sinks 3 and 4 being α1 and the coefficient of thermal expansion of the resin 7 being α2. However, the present invention is not limited to this. In a semiconductor device having a thickness ratio (t2 / t1) of less than 5, the conditional expression for the coefficient of thermal expansion is satisfied. However, even in the case of this configuration, substantially the same operational effect can be obtained.
【0058】図8は、本発明の第3の実施例を示す図で
ある。この第3の実施例は、第1の実施例または第2の
実施例の半導体装置1において、半導体チップ2の裏面
の面粗度をRaとしたときに、
Ra≦500nm
が成立するように構成したものである。FIG. 8 is a diagram showing a third embodiment of the present invention. The third embodiment is configured such that Ra ≦ 500 nm is established when the surface roughness of the back surface of the semiconductor chip 2 is Ra in the semiconductor device 1 of the first embodiment or the second embodiment. It was done.
【0059】このように、半導体チップ2の裏面の面粗
度Raを設定すると、素子破壊に対する強度を向上させ
ることができ、大きな熱応力が作用したときに、半導体
チップ2が割れることを確実に防止できる。By setting the surface roughness Ra of the back surface of the semiconductor chip 2 in this way, the strength against element destruction can be improved, and the semiconductor chip 2 is surely cracked when a large thermal stress acts. It can be prevented.
【0060】ここで、本発明者らは、上記面粗度Raを
変えた半導体装置1の各試作品に、熱応力を作用させた
ときに、半導体チップ2に割れがどの程度の割合で発生
したかを調べ、その結果を図8に示した。この図8にお
いて、横軸は、半導体チップ2の裏面の面粗度Raを示
し、縦軸は、半導体チップ2の割れ発生率を示してい
る。Here, when the present inventors apply thermal stress to each prototype of the semiconductor device 1 in which the surface roughness Ra is changed, the rate at which the semiconductor chip 2 is cracked occurs. The result was shown in FIG. In FIG. 8, the horizontal axis represents the surface roughness Ra of the back surface of the semiconductor chip 2, and the vertical axis represents the crack occurrence rate of the semiconductor chip 2.
【0061】この図8から、面粗度Raを500nm以
下に設定すると、半導体チップ2の強度が高くなり、半
導体チップ2がほとんど割れないことがわかる。尚、面
粗度Raを2000nmに設定する場合は、一般的な小
さいチップの場合である。From FIG. 8, it can be seen that when the surface roughness Ra is set to 500 nm or less, the strength of the semiconductor chip 2 increases and the semiconductor chip 2 is hardly cracked. The case where the surface roughness Ra is set to 2000 nm is a general case of a small chip.
【0062】尚、上記第3の実施例においては、第1の
実施例または第2の実施例の半導体装置1において、半
導体チップ2の裏面の面粗度Raを500nm以下とし
たが、これに限られるものではなく、第1の実施例の厚
さ比率(t2/t1)が5未満の構成の半導体装置や、
第2の実施例の熱膨張係数の条件式が成立しないような
構成の半導体装置等において、半導体チップ2の裏面の
面粗度Raを500nm以下とするように構成しても良
い。このような構成の場合も、ほぼ同じ作用効果を得る
ことができる。In the third embodiment, the surface roughness Ra of the back surface of the semiconductor chip 2 is set to 500 nm or less in the semiconductor device 1 of the first or second embodiment. The present invention is not limited to this, and a semiconductor device having a thickness ratio (t2 / t1) of less than 5 according to the first embodiment,
In a semiconductor device or the like having a structure in which the conditional expression of the thermal expansion coefficient of the second embodiment is not satisfied, the surface roughness Ra of the back surface of the semiconductor chip 2 may be set to 500 nm or less. Also in the case of such a configuration, substantially the same operational effect can be obtained.
【0063】図9及び図10は、本発明の第4の実施例
を示す図である。この第4の実施例は、第1の実施例の
半導体装置1において、ヒートシンク3、4の厚み寸法
(t2)を例えば1.5mm程度に固定し、半導体チッ
プ2の厚み寸法(t1)を変化させるように構成したも
のである。そして、第2の実施例では、半導体チップ2
の厚み寸法を薄く設定することにより、半導体チップ2
の端部部分2a(図9参照)で樹脂7が剥離する事態を
防止するようにしている。9 and 10 are diagrams showing a fourth embodiment of the present invention. In the fourth embodiment, in the semiconductor device 1 of the first embodiment, the thickness dimension (t2) of the heat sinks 3 and 4 is fixed to about 1.5 mm, and the thickness dimension (t1) of the semiconductor chip 2 is changed. It is configured to allow. Then, in the second embodiment, the semiconductor chip 2
By setting the thickness of the
The resin 7 is prevented from peeling off at the end portion 2a (see FIG. 9).
【0064】具体的には、第4の実施例の場合、半導体
チップ2の厚み寸法を変えた半導体装置1の各試作品の
素子表面のせん断応力を、シミュレーションによって計
算し、図10に示すグラフを得た。この図10のグラフ
において、横軸は半導体チップ2の厚み寸法を示し、縦
軸は素子表面のせん断応力比を示し、プロットが実際に
試作した半導体装置1を示している。ここで、せん断応
力比は、半導体チップ2の厚み寸法が400μm(第1
の実施例の厚さ比率(t2/t2)に換算すると、3.
75)の半導体装置1のせん断応力を1.00と定義し
た場合の数値である。Specifically, in the case of the fourth embodiment, the shear stress on the element surface of each prototype of the semiconductor device 1 in which the thickness dimension of the semiconductor chip 2 is changed is calculated by simulation, and the graph shown in FIG. Got In the graph of FIG. 10, the horizontal axis represents the thickness dimension of the semiconductor chip 2, the vertical axis represents the shear stress ratio on the element surface, and the plot shows the actually manufactured semiconductor device 1. Here, regarding the shear stress ratio, the thickness dimension of the semiconductor chip 2 is 400 μm (first
When converted to the thickness ratio (t2 / t2) in the example of 3.
This is a numerical value when the shear stress of the semiconductor device 1 of 75) is defined as 1.00.
【0065】この半導体チップ2の厚み寸法が400μ
m(即ち、せん断応力比が1.00)の半導体装置1に
対して温度差の大きい熱サイクルを作用させると、半導
体チップ2の表面端部部分2a付近の樹脂が剥離してし
まうことを、本発明者らは確認している。The thickness dimension of this semiconductor chip 2 is 400 μm.
When a thermal cycle with a large temperature difference is applied to the semiconductor device 1 having m (that is, a shear stress ratio of 1.00), the resin in the vicinity of the surface end portion 2a of the semiconductor chip 2 peels off. The present inventors have confirmed.
【0066】これに対して、半導体チップ2の厚み寸法
が200μm(厚さ比率が7.00で、せん断応力比が
0.6)の半導体装置1になると、この半導体装置1に
対して温度差の大きい熱サイクルを作用させた場合、樹
脂剥離の寿命が10倍以上延びることを、本発明者らは
確認している。そして、半導体チップ2の厚み寸法が1
00μm(厚さ比率が15.00で、せん断応力比が
0.15)の半導体装置1に対して温度差の大きい熱サ
イクルを作用させた場合も、樹脂が剥離しないことを確
認している。On the other hand, when the semiconductor chip 2 has the thickness dimension of 200 μm (the thickness ratio is 7.00 and the shear stress ratio is 0.6), the temperature difference with respect to the semiconductor device 1 is increased. The present inventors have confirmed that the life of resin peeling is extended ten times or more when a large heat cycle of is applied. The thickness dimension of the semiconductor chip 2 is 1
It has been confirmed that the resin does not peel off even when a thermal cycle with a large temperature difference is applied to the semiconductor device 1 of 00 μm (thickness ratio is 15.00 and shear stress ratio is 0.15).
【0067】従って、半導体チップ2の厚み寸法が薄く
なるほど(厚さ比率が大きいほど、即ち、せん断応力比
が小さいほど)、半導体チップ2表面の樹脂が剥離し難
くなることがわかる。Therefore, it is understood that the thinner the thickness of the semiconductor chip 2 (the larger the thickness ratio, that is, the smaller the shear stress ratio), the more difficult the resin on the surface of the semiconductor chip 2 is to peel off.
【0068】尚、上記各実施例では、ヒートシンク3、
4と半導体チップ2とヒートシンクブロック5とを接合
する接合部材として半田箔8を用いたが、これに代え
て、半田ペースト等を用いるように構成しても良い。In each of the above embodiments, the heat sink 3,
Although the solder foil 8 is used as a joining member for joining the semiconductor chip 4, the semiconductor chip 2, and the heat sink block 5, a solder paste or the like may be used instead.
【0069】更に、上記各実施例においては、ヒートシ
ンク3、4間に半導体チップ(放熱素子)2を1個挟む
ように構成したが、これに限られるものではなく、2個
以上のチップ(または2種類以上のチップ)を挟むよう
に構成しても良い。Further, in each of the above embodiments, one semiconductor chip (heat dissipation element) 2 is sandwiched between the heat sinks 3 and 4, but the present invention is not limited to this, and two or more chips (or It may be configured to sandwich two or more types of chips).
【0070】次に、本発明者らが、先の出願(特願20
01−225963)を行った後の研究結果について、
図11ないし図16を参照して説明する。まず、上述し
た各実施例の半導体装置1の冷熱サイクル等に対する耐
久性を向上させるためには、半導体チップ(半導体素
子)2とヒートシンク(金属体)3、4、5との接合部
における歪みを低減する、または、半導体チップ2の表
面のせん断応力を低減すれば、よいことがわかった。Next, the inventors of the present invention filed an earlier application (Japanese Patent Application No. 20).
01-225963) about the research results after
This will be described with reference to FIGS. 11 to 16. First, in order to improve the durability of the semiconductor device 1 of each of the above-described embodiments against a cooling / heating cycle or the like, the strain at the joint between the semiconductor chip (semiconductor element) 2 and the heat sink (metal body) 3, 4, 5 is reduced. It has been found that it is preferable to reduce the shear stress on the surface of the semiconductor chip 2.
【0071】そして、接合部の歪みを低減して素子破壊
を防止する対策としては、(1)半導体チップ2に圧縮
応力を加え、圧縮による変位を保持し、引張り応力を発
生させないことと、(2)半導体チップ2の圧縮変位を
容易にさせるために、半導体チップ2の剛性を低減させ
ること等があることがわかった。以下、これらの条件を
数値的に規定しながら、半導体装置1の耐久性が高くな
ることを具体的に説明する。Then, as a measure for reducing the strain of the joint portion and preventing the element destruction, (1) applying compressive stress to the semiconductor chip 2 to hold the displacement due to compression and not to generate tensile stress; 2) It has been found that the rigidity of the semiconductor chip 2 may be reduced in order to facilitate the compressive displacement of the semiconductor chip 2. Hereinafter, it will be specifically described that the durability of the semiconductor device 1 is increased while numerically defining these conditions.
【0072】本発明者らによれば、半導体装置1の耐久
性を高くするのに必要な要件が、次の4つにまとめられ
ることがわかった。The present inventors have found that the requirements necessary for improving the durability of the semiconductor device 1 can be summarized into the following four.
【0073】(a)半導体素子(半導体チップ2)を構
成するシリコンは、圧縮応力が600MPa以上かかっ
ても破壊しないが、引張り応力が100MPa程度かか
るだけで破壊してしまうことが知られているので、製造
工程内においても、または、使用環境下においても、常
に圧縮応力が半導体素子に加わるように構成することで
ある。(A) It is known that the silicon constituting the semiconductor element (semiconductor chip 2) does not break even when a compressive stress of 600 MPa or more is applied, but it breaks only when a tensile stress of about 100 MPa is applied. That is, the compressive stress is always applied to the semiconductor element even in the manufacturing process or in the usage environment.
【0074】(b)半導体素子への圧縮応力の発生源
は、金属体と半導体素子(シリコン)との熱膨張係数の
差に起因する熱応力である。そして、半導体素子に圧縮
応力を加えるためには、熱応力を半導体素子へ確実に伝
達し、且つ、圧縮状態を保持するように構成することで
ある。このため、金属体と半導体素子との接合材として
は、圧縮応力の伝達の観点から、従来周知のPb−Sn
系はんだと比較して高強度であると共に、圧縮応力の保
持の観点から、従来周知のPb−Sn系はんだと比較し
て耐クリープ性に優れたはんだを用いる必要がある。(B) The source of the compressive stress on the semiconductor element is the thermal stress due to the difference in the coefficient of thermal expansion between the metal body and the semiconductor element (silicon). Then, in order to apply the compressive stress to the semiconductor element, it is necessary to surely transmit the thermal stress to the semiconductor element and to maintain the compressed state. Therefore, as a bonding material between the metal body and the semiconductor element, from the viewpoint of transmission of compressive stress, the conventionally known Pb-Sn is known.
It is necessary to use a solder which has higher strength than that of the system-based solder and which has excellent creep resistance as compared with the conventionally known Pb-Sn-based solder from the viewpoint of retaining compressive stress.
【0075】(c)半導体素子の圧縮応力を高め、変位
を容易にし、且つ、圧縮応力に対する半導体素子からの
反発力を低減するためには、半導体素子の厚さを薄くす
る必要がある。(C) In order to increase the compressive stress of the semiconductor element, facilitate the displacement, and reduce the repulsive force from the semiconductor element against the compressive stress, it is necessary to reduce the thickness of the semiconductor element.
【0076】(d)半導体素子へ効果的に圧縮応力を加
え、圧縮応力を保持するための別の構成として、半導体
素子と金属体を樹脂によりモールドする構成がある。こ
の構成の場合、モールド用の樹脂の熱膨張係数を、金属
体の熱膨張係数に対して、同等またはそれ以上とするこ
とにより、圧縮応力状態を保持することができる。(D) Another structure for effectively applying compressive stress to the semiconductor element and holding the compressive stress is to mold the semiconductor element and the metal body with resin. In the case of this configuration, by setting the thermal expansion coefficient of the molding resin to be equal to or higher than the thermal expansion coefficient of the metal body, the state of compressive stress can be maintained.
【0077】以下、上記各要件の作用効果(及び実験デ
ータ等)について順に説明する。The operational effects (and experimental data, etc.) of the above requirements will be described below in order.
【0078】まず、図11は、半導体素子に圧縮応力が
加わる過程を説明する図である。半導体素子の表面及び
裏面と金属体を接合する場合、半導体素子、金属体及び
接合材(はんだ)を所定の温度まで上昇させて、接合材
を溶融、硬化させるリフロー行程が一般的に採用され
る。この場合、接合材が溶融後、冷却されると、接合が
完了するが、この過程において、圧縮応力が発生する。First, FIG. 11 is a diagram for explaining a process in which a compressive stress is applied to a semiconductor element. When joining a front surface and a back surface of a semiconductor element to a metal body, a reflow process is generally adopted in which the semiconductor element, the metal body, and the bonding material (solder) are heated to a predetermined temperature to melt and cure the bonding material. . In this case, when the joining material is melted and then cooled, the joining is completed, but in this process, compressive stress is generated.
【0079】例えば、半導体素子がシリコン、金属体が
Cuである場合、両者の熱膨張係数の差はかなり大き
い。そして、一般的に熱膨張係数差が大きいほど、圧縮
応力が高くなるが、接合材や金属体の降伏、塑性変形が
あるため、圧縮応力は線形には増加しない。尚、主な材
料の熱膨張係数を下記の表1に示す。For example, when the semiconductor element is silicon and the metal body is Cu, the difference in thermal expansion coefficient between the two is quite large. In general, the larger the difference in thermal expansion coefficient, the higher the compressive stress, but the compressive stress does not increase linearly due to the yielding and plastic deformation of the bonding material and the metal body. The thermal expansion coefficients of the main materials are shown in Table 1 below.
【0080】[0080]
【表1】
そして、冷却後、放置を行うと、接合材のクリープによ
り圧縮応力が緩和していく。緩和が進展すると、最終的
には半導体素子の内部応力はゼロになってしまう。この
状態で、半導体素子の発熱や雰囲気温度の上昇が起こる
と、半導体素子に引張り応力が加わることになり、半導
体素子の破壊を起こすおそれがある。[Table 1] Then, if left standing after cooling, the compressive stress relaxes due to creep of the bonding material. As the relaxation progresses, the internal stress of the semiconductor element eventually becomes zero. In this state, if the semiconductor element generates heat or the ambient temperature rises, tensile stress is applied to the semiconductor element, which may cause the semiconductor element to be broken.
【0081】上記圧縮応力の緩和の挙動は、主に接合材
のクリープ特性に起因する。そこで、以下、接合材の強
度と緩和について説明する。主な接合材の強度を、下記
の表2に示す。The relaxation behavior of the compressive stress is mainly due to the creep characteristics of the bonding material. Therefore, the strength and relaxation of the bonding material will be described below. The strengths of the main joining materials are shown in Table 2 below.
【0082】[0082]
【表2】
一般的に、SnをベースとするSn系はんだは、Pbベ
ースのはんだに比べて、機械的強度が高いことが知られ
ている。このため、接合材としてSn系はんだを使用す
ることが好ましく、これにより、冷却過程で生ずる熱応
力を半導体素子へ確実に加えることができ、素子に対し
て圧縮応力を生じさせることができる。尚、Sn系はん
だは、種類が多く、さまざまな組成のものが提案されて
いるが、2元系、3元系を問わず、Pb系はんだと比較
して、破断強度や降伏応力等が高いはんだを選定すれば
良い。[Table 2] It is generally known that Sn-based solder based on Sn has higher mechanical strength than Pb-based solder. For this reason, it is preferable to use Sn-based solder as the joining material, and thereby, the thermal stress generated in the cooling process can be surely applied to the semiconductor element, and the compressive stress can be generated in the element. Although there are many types of Sn-based solders and various compositions have been proposed, the breaking strength, the yield stress, etc. are higher than those of Pb-based solders regardless of whether they are binary or ternary. Just select the solder.
【0083】このようにして、半導体素子に圧縮応力を
加えることができたとしても、緩和してしまうと、半導
体素子の破壊につながってしまう。そこで、次に、半導
体素子の圧縮状態を保持するための要件について考察す
る。材料に応力が加わると、材料は応力を緩和する方向
に変位していく。この挙動がクリープと呼ばれ、Pbで
は顕著である。ここで、主な接合材の緩和速度を、下記
の表3に示す。In this way, even if the compressive stress can be applied to the semiconductor element, if it is relaxed, it leads to the destruction of the semiconductor element. Therefore, next, the requirements for maintaining the compressed state of the semiconductor element will be considered. When stress is applied to the material, the material is displaced in the direction of relaxing the stress. This behavior is called creep and is remarkable in Pb. The relaxation rates of the main bonding materials are shown in Table 3 below.
【0084】[0084]
【表3】
上記表から、Pbはんだに比べて、Snはんだは、クリ
ープによる歪み速度が遅く、素子の圧縮応力の保持に有
効であることがわかる。[Table 3] From the above table, it can be seen that the Sn solder has a slower strain rate due to creep than the Pb solder and is effective in retaining the compressive stress of the element.
【0085】また、図12は、Pb系はんだとSn系は
んだを使用した場合の半導体素子中央部の圧縮応力値の
経時変化(接合後、常温にて放置した場合)を比較した
グラフである。この図12から、接合材をSn系はんだ
とすることにより、圧縮応力を増加させると共に、その
状態を維持することができることがわかる。FIG. 12 is a graph comparing changes over time in the compressive stress value at the center of the semiconductor element (when left at room temperature after joining) when Pb-based solder and Sn-based solder were used. It can be seen from FIG. 12 that the compressive stress can be increased and the state can be maintained by using the Sn-based solder as the bonding material.
【0086】次に、上述した方法とは別の方法で、素子
の圧縮応力を増加させると共に、緩和挙動を抑制するこ
とも可能であり、以下、この方法について述べる。素子
への圧縮応力は、半導体素子と金属体との熱膨張係数差
のような材料物性値以外では、各部の剛性によっても左
右されることがわかった。Next, it is possible to increase the compressive stress of the element and suppress the relaxation behavior by a method different from the above-mentioned method. This method will be described below. It was found that the compressive stress applied to the element depends on the rigidity of each part, other than the physical property values of the material such as the difference in thermal expansion coefficient between the semiconductor element and the metal body.
【0087】例えば、接合部が塑性や降伏をしないと仮
定した場合、金属体に対して相対的に半導体素子の厚さ
を薄くしていくと、半導体素子はより変位しやすくな
り、圧縮応力は増加していく。図13は、半導体素子に
加わる圧縮応力をシミュレーションにより計算した結
果、即ち、応力分布を示す図であり、図13(a)は半
導体素子の厚さが0.4mmの場合であり、図13
(b)は半導体素子の厚さが0.2mmの場合である。
この図13から、半導体素子の暑さを薄くすることによ
り、圧縮応力を増加させ得ることがわかる。For example, assuming that the joint does not undergo plasticity or yielding, if the thickness of the semiconductor element is reduced relative to the metal body, the semiconductor element is more easily displaced and the compressive stress is reduced. Increase. FIG. 13 is a diagram showing the result of calculation of the compressive stress applied to the semiconductor element by simulation, that is, the stress distribution. FIG. 13A shows the case where the thickness of the semiconductor element is 0.4 mm.
(B) is the case where the thickness of the semiconductor element is 0.2 mm.
From FIG. 13, it is understood that the compressive stress can be increased by reducing the heat of the semiconductor element.
【0088】この結果は、半導体素子の厚さを薄くし、
半導体素子の剛性を低減すれば、素子は金属体とともに
変位する傾向がより強くなることを意味する。従って、
半導体素子の厚さを薄くすると、半導体素子は金属体に
「なじむ」ように振舞うため、半導体素子の表面及び裏
面のせん断応力が低下し、且つ、半導体装置の耐久性に
関わる接合部の歪み成分が縮小することを期待できる。The result is that the thickness of the semiconductor element is reduced,
Reducing the rigidity of the semiconductor element means that the element has a greater tendency to displace with the metal body. Therefore,
When the thickness of the semiconductor element is reduced, the semiconductor element behaves as if it "fits" into the metal body, so that the shear stress on the front and back surfaces of the semiconductor element is reduced, and the distortion component of the joint part related to the durability of the semiconductor device is reduced. Can be expected to shrink.
【0089】図14は、半導体素子の厚さとせん断塑性
歪みとの関係を実測して得たグラフである。この図14
から、半導体素子の厚さを薄くすると、接合部のせん断
歪みが低下することがわかり、特に、素子厚さを250
μm以下とすると、せん断方向の塑性歪み値が1%以下
となることがわかる。そして、この場合、冷熱衝撃試験
に代表される耐久性能が向上することがわかる。FIG. 14 is a graph obtained by actually measuring the relationship between the thickness of the semiconductor element and the shear plastic strain. This FIG.
From the above, it can be seen that when the thickness of the semiconductor element is reduced, the shear strain of the joint portion is reduced.
It can be seen that the plastic strain value in the shear direction is 1% or less when the thickness is less than μm. And, in this case, it is understood that the durability performance represented by the thermal shock test is improved.
【0090】次に、モールド樹脂と圧縮応力(耐久性
能)との関係について説明する。基本的に、モールド樹
脂は、金属体の熱膨張係数と同等の熱膨張係数を有する
ことが好ましい。例えば、金属体としてCuを使用した
場合、モールド樹脂の熱膨張係数が11〜20ppm程
度であれば、十分な耐久性能が得られることを実験等で
確認している。Next, the relationship between the mold resin and the compressive stress (durability) will be described. Basically, the mold resin preferably has a coefficient of thermal expansion equivalent to that of the metal body. For example, when Cu is used as the metal body, it has been confirmed by experiments that sufficient durability performance can be obtained if the thermal expansion coefficient of the mold resin is about 11 to 20 ppm.
【0091】図15は、モールド樹脂の熱膨張係数と、
半導体素子に対するZ方向の応力との関係をシミュレー
ションにより評価した結果を示す特性図である。この図
15から、樹脂の熱膨張係数を大きくすれば、Z方向も
含め、圧縮応力を増加させ得ることがわかる。尚、樹脂
の熱膨張係数を25ppm以上とすると、シミュレーシ
ョン上では、Cuとの界面におけるせん断応力が高くな
り、樹脂と金属体との剥離を生じさせるおそれがあるこ
とがわかっている。ただし、樹脂の影響は、それほど大
きくないため、副次的なパラメータであると推定され
る。FIG. 15 shows the thermal expansion coefficient of the mold resin,
It is a characteristic view which shows the result of having evaluated the relationship with the stress of the Z direction with respect to a semiconductor element by simulation. From FIG. 15, it can be seen that the compressive stress can be increased in the Z direction as well by increasing the thermal expansion coefficient of the resin. It is known that when the coefficient of thermal expansion of the resin is 25 ppm or more, the shear stress at the interface with Cu becomes high and the resin and the metal body may be separated from each other in the simulation. However, since the influence of the resin is not so large, it is estimated that it is a secondary parameter.
【0092】さて、以上説明した各要件に基づいて、半
導体装置を試作し、耐久性評価を実施した結果を、図1
6に示す。この図16においては、縦方向に半導体素子
の厚さをとり、横方向に金属体の厚さをとっている。ま
た、「ばつ印」はすべての試作品の半導体素子が割れた
ものであり、「三角印」は一部の試作品の半導体素子が
割れたものであり、「丸印」はすべての試作品の半導体
素子が割れなかったものである。図16上の直線は、前
記した比(t2/t1)が5の場合を示している。従っ
て、上記比(t2/t1)が5以下であれば、十分な耐
久性が得られることがわかる。Now, based on the above-mentioned requirements, a semiconductor device was prototyped and the durability was evaluated.
6 shows. In FIG. 16, the thickness of the semiconductor element is taken in the vertical direction and the thickness of the metal body is taken in the horizontal direction. In addition, "Batsutsu" is a cracked semiconductor element of all prototypes, "Triangle" is a cracked semiconductor element of some prototypes, and "Circle" is all prototypes. The semiconductor element of was not broken. The straight line on FIG. 16 shows the case where the ratio (t2 / t1) is 5. Therefore, it is understood that if the ratio (t2 / t1) is 5 or less, sufficient durability can be obtained.
【0093】尚、金属体の厚さに関しては、放熱性の観
点からは、厚いほど優れていることが容易にわかるが、
一般的なフレーム材として入手可能なものの厚さは、
2.5mm程度までであり、実際には、1.0〜2.0m
m程度のものが量産に適している。Regarding the thickness of the metal body, it is easily understood that the thicker it is, the better from the viewpoint of heat dissipation.
The thickness of what is available as a general frame material,
Up to about 2.5 mm, actually 1.0-2.0 m
Those of about m are suitable for mass production.
【図1】本発明の第1の実施例を示す半導体装置の縦断
面図FIG. 1 is a vertical sectional view of a semiconductor device showing a first embodiment of the present invention.
【図2】半導体装置の製造工程を示す図FIG. 2 is a diagram showing a manufacturing process of a semiconductor device.
【図3】厚さ比率と圧縮応力比との関係を示す特性図FIG. 3 is a characteristic diagram showing the relationship between the thickness ratio and the compressive stress ratio.
【図4】厚さ比率とせん断応力比との関係を示す特性図FIG. 4 is a characteristic diagram showing the relationship between the thickness ratio and the shear stress ratio.
【図5】本発明の第2の実施例を示すものであり、樹脂
の熱膨張係数とZ方向の応力との関係を示す特性図FIG. 5 is a characteristic diagram showing a second embodiment of the present invention and showing the relationship between the coefficient of thermal expansion of resin and the stress in the Z direction.
【図6】樹脂の熱膨張係数とせん断応力との関係を示す
特性図FIG. 6 is a characteristic diagram showing the relationship between the thermal expansion coefficient of resin and shear stress.
【図7】熱膨張係数とZ方向の応力及びせん断応力の絶
対値との関係を示す特性図FIG. 7 is a characteristic diagram showing the relationship between the coefficient of thermal expansion and the absolute values of Z-direction stress and shear stress.
【図8】本発明の第3の実施例を示すものであり、半導
体チップの裏面の面粗度と割れ発生率との関係を示す特
性図FIG. 8 is a characteristic diagram showing a third embodiment of the present invention and showing the relationship between the surface roughness of the back surface of the semiconductor chip and the crack occurrence rate.
【図9】本発明の第4の実施例を示す半導体装置の部分
縦断面図FIG. 9 is a partial vertical sectional view of a semiconductor device showing a fourth embodiment of the present invention.
【図10】半導体チップの厚み寸法とせん断応力比との
関係を示す特性図FIG. 10 is a characteristic diagram showing a relationship between a thickness dimension of a semiconductor chip and a shear stress ratio.
【図11】半導体素子への圧縮応力発生過程と圧縮応力
緩和過程を説明する図FIG. 11 is a diagram illustrating a compressive stress generation process and a compressive stress relaxation process in a semiconductor element.
【図12】半導体素子にかかる圧縮応力の経時変化を示
す特性図FIG. 12 is a characteristic diagram showing changes over time in compressive stress applied to a semiconductor element.
【図13】(a)は厚さ0.4mmの半導体素子に加わ
る圧縮応力の分布を示す図、(b)は厚さ0.2mmの
半導体素子に加わる圧縮応力の分布を示す図13A is a diagram showing a distribution of compressive stress applied to a semiconductor element having a thickness of 0.4 mm, and FIG. 13B is a diagram showing a distribution of compressive stress applied to a semiconductor element having a thickness of 0.2 mm.
【図14】半導体素子の厚さと接合部のせん断塑性歪み
との関係を示す特性図FIG. 14 is a characteristic diagram showing the relationship between the thickness of a semiconductor element and the shear plastic strain of a joint.
【図15】樹脂の熱膨張係数と半導体素子に加わるZ方
向の応力との関係を示す特性図FIG. 15 is a characteristic diagram showing the relationship between the coefficient of thermal expansion of resin and the stress applied to the semiconductor element in the Z direction.
【図16】半導体素子の厚さと金属体の厚さと耐久評価
結果との関係を示す図FIG. 16 is a diagram showing the relationship between the thickness of a semiconductor element, the thickness of a metal body, and the durability evaluation result.
1は半導体装置、2は半導体チップ(発熱素子、半導体
素子)、3は下側ヒートシンク(放熱板、第1の金属
体)、4は上側ヒートシンク(放熱板、第2の金属
体)、5はヒートシンクブロック(第3の金属体)、6
は半田(接合層)、7は樹脂を示す。1 is a semiconductor device, 2 is a semiconductor chip (heating element, semiconductor element), 3 is a lower heat sink (heat sink, first metal body), 4 is an upper heat sink (heat sink, second metal body), 5 is Heat sink block (third metal body), 6
Indicates solder (bonding layer), and 7 indicates resin.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 真光 邦明 愛知県刈谷市昭和町1丁目1番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 八木 賢次 愛知県刈谷市昭和町1丁目1番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 中瀬 好美 愛知県刈谷市昭和町1丁目1番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 大倉 康嗣 愛知県刈谷市昭和町1丁目1番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 野村 和仁 愛知県刈谷市昭和町1丁目1番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 福田 豊 愛知県刈谷市昭和町1丁目1番地 株式会 社デンソー内 Fターム(参考) 5F036 AA01 BA23 BC06 BD01 BD21 BE01 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page (72) Inventor Kuniaki Mahikari 1-1, Showa-cho, Kariya city, Aichi stock market Inside the company DENSO (72) Inventor Kenji Yagi 1-1, Showa-cho, Kariya city, Aichi stock market Inside the company DENSO (72) Yoshimi Nakase, the inventor 1-1, Showa-cho, Kariya city, Aichi stock market Inside the company DENSO (72) Inventor Yasutsugu Okura 1-1, Showa-cho, Kariya city, Aichi stock market Inside the company DENSO (72) Inventor Kazuhito Nomura 1-1, Showa-cho, Kariya city, Aichi stock market Inside the company DENSO (72) Inventor Yutaka Fukuda 1-1, Showa-cho, Kariya city, Aichi stock market Inside the company DENSO F-term (reference) 5F036 AA01 BA23 BC06 BD01 BD21 BE01
Claims (16)
熱するための一対の放熱板とを備え、装置のほぼ全体を
樹脂でモールドした半導体装置において、 前記発熱素子の厚さ寸法をt1とし、前記一対の放熱板
のうちの少なくとも一方の放熱板の厚さ寸法をt2とし
たときに、 t2/t1≧5 が成立するように構成したことを特徴とする半導体装
置。1. A semiconductor device comprising a heating element and a pair of heat radiating plates for radiating heat from both surfaces of the heating element, wherein substantially the entire device is molded with resin, and the thickness dimension of the heating element is t1. The semiconductor device is configured such that t2 / t1 ≧ 5 holds when the thickness dimension of at least one of the pair of heat sinks is t2.
記樹脂の熱膨張係数をα2としたときに、 0.5α1≦α2≦1.5α1 が成立するように構成したことを特徴とする請求項1に
記載の半導体装置。2. When the coefficient of thermal expansion of the heat dissipation plate is α1 and the coefficient of thermal expansion of the resin is α2, 0.5α1 ≦ α2 ≦ 1.5α1 is satisfied. The semiconductor device according to claim 1.
たときに、 Ra≦500nm が成立するように構成したことを特徴とする請求項1ま
たは2に記載の半導体装置。3. The semiconductor device according to claim 1, wherein Ra ≦ 500 nm is established when the surface roughness of the back surface of the heating element is Ra.
熱するための一対の放熱板とを備え、装置のほぼ全体を
樹脂でモールドした半導体装置において、 前記放熱板の熱膨張係数をα1とし、前記樹脂の熱膨張
係数をα2としたときに、 0.5α1≦α2≦1.5α1 が成立するように構成したことを特徴とする半導体装
置。4. A semiconductor device comprising a heat-generating element and a pair of heat-radiating plates for radiating heat from both sides of the heat-generating element, wherein substantially the entire device is molded with resin, wherein the heat-expanding plate has a coefficient of thermal expansion of α1. The semiconductor device is configured such that 0.5α1 ≦ α2 ≦ 1.5α1 is satisfied when the thermal expansion coefficient of the resin is α2.
たときに、 Ra≦500nm が成立するように構成したことを特徴とする請求項4に
記載の半導体装置。5. The semiconductor device according to claim 4, wherein Ra ≦ 500 nm is established when the surface roughness of the back surface of the heating element is Ra.
熱するための一対の放熱板とを備え、装置のほぼ全体を
樹脂でモールドした半導体装置において、 前記発熱素子の裏面の面粗度をRaとしたときに、 Ra≦500nm が成立するように構成したことを特徴とする半導体装
置。6. A semiconductor device comprising a heating element and a pair of heat radiating plates for radiating heat from both sides of the heating element, wherein substantially the entire device is molded with resin. A semiconductor device characterized in that, when Ra, Ra ≦ 500 nm is established.
接合され電極と放熱を兼ねる第1の金属体と、前記半導
体素子の表面側に接合され電極と放熱を兼ねる第2の金
属体と、前記半導体素子の表面と前記第2の金属体との
間に接合された第3の金属体とを備え、装置のほぼ全体
を樹脂でモールドした半導体装置において、 前記半導体素子表面のせん断応力、または、前記半導体
素子と前記金属体とを接合する接合層における歪み成分
等を低減させるように、前記半導体素子の厚さを薄くす
ると共に、 前記モールド樹脂により装置全体を拘束保持するように
構成したことを特徴とする半導体装置。7. A semiconductor element, a first metal body joined to the back surface of this semiconductor element to serve as an electrode and heat dissipation, and a second metal body joined to the front surface side of the semiconductor element to serve as an electrode and heat dissipation. A semiconductor device comprising a third metal body bonded between the surface of the semiconductor element and the second metal body, wherein almost the entire device is molded with resin, wherein the shear stress on the surface of the semiconductor element, or The semiconductor device is configured to be thin and to restrain and hold the entire device by the molding resin so as to reduce a strain component or the like in a bonding layer that bonds the semiconductor device and the metal body. A semiconductor device characterized by:
としたことを特徴とする請求項7記載の半導体装置。8. The semiconductor device according to claim 7, wherein the semiconductor element has a thickness of 250 μm or less.
つの金属体の厚みを1.0mm以上としたことを特徴と
する請求項7または8記載の半導体装置。9. At least one of the three metal bodies
9. The semiconductor device according to claim 7, wherein the thickness of each metal body is 1.0 mm or more.
が1%以下となるように、前記半導体素子の厚さを調整
したことを特徴とする請求項7記載の半導体装置。10. The semiconductor device according to claim 7, wherein the thickness of the semiconductor element is adjusted so that the plastic strain rate at the end of the bonding layer is 1% or less.
5MPa以下となるように、前記半導体素子の厚さを調
整したことを特徴とする請求項7記載の半導体装置。11. The shear stress on the surface of the semiconductor element is 3
8. The semiconductor device according to claim 7, wherein the thickness of the semiconductor element is adjusted to be 5 MPa or less.
ことを特徴とする請求項7ないし11のいずれかに記載
の半導体装置。12. The semiconductor device according to claim 7, wherein the bonding layer is made of Sn-based solder.
レンチゲートタイプとしたことを特徴とする請求項7な
いし12のいずれかに記載の半導体装置。13. The semiconductor device according to claim 7, wherein the device structure of the semiconductor element is a trench gate type.
し、前記第1の金属体または前記第2の金属体のうちの
少なくとも一方の放熱板の厚さ寸法をt2としたとき
に、 t2/t1≧5 が成立するように構成したことを特徴とする請求項7記
載の半導体装置。14. When the thickness dimension of the semiconductor element is t1 and the thickness dimension of the heat dissipation plate of at least one of the first metal body and the second metal body is t2, t2 / 8. The semiconductor device according to claim 7, wherein t1 ≧ 5 is established.
前記樹脂の熱膨張係数をα2としたときに、 0.5α1≦α2≦1.5α1 が成立するように構成したことを特徴とする請求項14
記載の半導体装置。15. The thermal expansion coefficient of the metal body is α1,
15. When the coefficient of thermal expansion of the resin is α2, 0.5α1 ≦ α2 ≦ 1.5α1 is established.
The semiconductor device described.
としたときに、 Ra≦500nm が成立するように構成したことを特徴とする請求項14
または15に記載の半導体装置。16. The surface roughness of the back surface of the semiconductor element is Ra.
15. It is configured such that Ra ≦ 500 nm is satisfied when the above condition is satisfied.
Alternatively, the semiconductor device according to item 15.
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