JP2003110064A - 半導体装置 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【図面の簡単な説明】

【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

【図２】半導体装置の製造工程を示す図

【図３】厚さ比率と圧縮応力比との関係を示す特性図

【図４】厚さ比率とせん断応力比との関係を示す特性図

【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

【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

【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

【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

【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

【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

【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

【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

【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

【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

【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

【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

【符号の説明】

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。

───────────────────────────────────────────────────── 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

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 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ことを特徴とする半導体装
   置。
2. 【請求項２】 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請求項１に
   記載の半導体装置。
3. 【請求項３】 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請求項１ま
   たは２に記載の半導体装置。
4. 【請求項４】 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。
5. 【請求項５】 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請求項４に
   記載の半導体装置。
6. 【請求項６】 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。
7. 【請求項７】 半導体素子と、この半導体素子の裏面に
   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。
8. 【請求項８】 前記半導体素子の厚さを２５０μｍ以下
   としたことを特徴とする請求項７記載の半導体装置。
9. 【請求項９】 前記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。
10. 【請求項１０】 前記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、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. 【請求項１１】 前記半導体素子表面のせん断応力が３
    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。
12. 【請求項１２】 前記接合層をＳｎ系はんだで構成した
    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。
13. 【請求項１３】 前記半導体素子のデバイス構造を、ト
    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。
14. 【請求項１４】 前記半導体素子の厚さ寸法をｔ１と
    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。
15. 【請求項１５】 前記金属体の熱膨張係数を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請求項１４
    記載の半導体装置。
16. 【請求項１６】 前記半導体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請求項１４
    または１５に記載の半導体装置。