JP4376798B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
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。 The present invention relates to a semiconductor device including a heating element and a pair of heat sinks bonded to both surfaces of the heating element.
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。 For example, a semiconductor chip (heat generating element) for high withstand voltage and large current generates a large amount of heat during use, and thus requires a configuration for improving heat dissipation from the chip. As an example of this configuration, a configuration in which a pair of heat radiating plates is joined to both sides of a chip via, for example, a solder layer has been conventionally considered. According to this configuration, heat can be radiated from both sides of the chip. Will improve. The entire double-sided heat dissipation type semiconductor device is molded with resin. Each outer surface of the pair of heat radiating plates is configured to be exposed in order to improve heat dissipation.
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 configuration, since the difference in thermal expansion coefficient between the semiconductor chip, the heat sink, and the resin is large, a considerably large thermal stress acts on the contact portion of these three members, and the semiconductor chip is destroyed by this thermal stress. It may end up. This tendency becomes more prominent as the temperature difference of the thermal cycle applied to the semiconductor device is larger.
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。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor device that can prevent element destruction even when a large thermal stress is applied and can improve the long-term reliability of the semiconductor device.
請求項1の発明では、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が1%以下となるように、前記半導体素子の厚さを250μm以下とすると共に、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。 According to the first aspect of the present invention, the thickness of the semiconductor element is set to 250 μm or less so that the strain component in the bonding layer for bonding the semiconductor element and the metal body is 1% or less, and the entire apparatus is restrained by the mold resin. Since it comprised so that it might hold | maintain, durability, such as cold-heat cycle resistance and creep resistance, can be improved.
また、請求項2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、前記半導体素子の厚さを250μm以下とすると共に、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することが好ましい。
Further, as in the invention of
また、請求項3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。
Further, as in the invention of
請求項4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5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 invention of Claim 4, since the joining layer was comprised with Sn type solder, while the intensity | strength of joining becomes high, the distortion component in a joining layer can be reduced. Further, as in the invention of
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。
A first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. First, FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the semiconductor device of this embodiment. As shown in FIG. 1, a
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 configuration, the lower surface of the
尚、上記半導体チップ2は、例えばIGBT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
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 this embodiment, the shape of the
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。
Further, as shown in FIG. 2A, the
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 configuration, the distance between the upper surface of the
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, resin (for example, epoxy resin) 7 is filled and sealed in the gap between the pair of
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
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10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。
Subsequently, as shown in FIG. 2C, a process of wire bonding the control electrode (eg, gate pad) of the
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。
Next, as shown in FIGS. 2D and 2E, a process of soldering the upper heat sink 4 on the
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. 2 (e), for example, a
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 the case of this configuration, before the solder foil 8 is melted, the distance between the upper heat sink 4 and the
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。
Then, the process of apply | coating polyamide resin to the
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。
And after apply | coating a polyamide resin, the process (mold process) of filling the
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。
The
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。
Here, the reason why the conditional expression of the thickness dimensions t1 and t2, that is, the thickness ratio (t2 / t1) is set as described above will be described. The inventors of the present invention can increase the compressive stress for holding the
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, the
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。
It was confirmed that when the thermal cycle having a large temperature difference is applied to the
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15.00(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, for the
従って、図3のグラフから、厚さ比率(t2/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, if the thickness ratio (t2 / t1) is set to 5.00 or more, the element compressive stress can be kept sufficiently large, and a large thermal stress acts on the
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 of the element surface of each prototype of the
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1.02)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
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 temperature of the
従って、図4のグラフから、厚さ比率(t2/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, if the thickness ratio (t2 / t1) is set to 5.00 or more, the shear stress can be sufficiently reduced, and a large thermal stress acts on the
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t2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 for increasing the thickness ratio, one method is to reduce the thickness dimension t1 of the
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 dimension t1 of the
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。
Moreover, in the said Example, it is preferable to use materials, such as a metal and an alloy whose Young's modulus is 100 GPa or more at normal temperature as a material of the
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。
And as a material of the
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。
Moreover, in the said Example, as a specific material of the
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-described embodiment, the thickness dimension of both the
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。
5 to 7 are views showing a second embodiment of the present invention. In the second embodiment, when the thermal expansion coefficient of the
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。
If the
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
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, it can be seen that as the thermal expansion coefficient α2 of the
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
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, the shear stress is preferably closer to 0, and it has been found that the absolute value of the shear stress is not good. For the five prototypes shown in FIG. 6, even if a large thermal stress is applied, the occurrence of peeling of the
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 thermal expansion coefficient α2 of the
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 upper limit value. Therefore, the thermal expansion coefficient α2 of the
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 conditional expression for the thermal expansion coefficient, that is, 0.5α1 ≦ α2 ≦ 1.5α1 is obtained. And if it is the
尚、Z方向の応力の上限値が35〜40MPa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 reason why the upper limit value of the stress in the Z direction is about 35 to 40 MPa is that the tensile strength of the solder (for example, Sn-Pb solder) that joins the
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 a general mold resin is about 50 MPa. When shear stress exceeding this is applied, the resin is peeled off. This is because of this. This was confirmed by the applicant's experiment.
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17ppm程度となる)には、樹脂7の熱膨張係数α2を10ppm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
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
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。
Furthermore, in the said Example, the thing with a Young's modulus of 10 GPa or more was used as the
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
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 so that Ra ≦ 500 nm is established when the surface roughness of the back surface of the
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。
Thus, when the surface roughness Ra of the back surface of the
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, the present inventors have determined how much cracking has occurred in the
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。
FIG. 8 shows that when the surface roughness Ra is set to 500 nm or less, the strength of the
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
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
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 of the element surface of each prototype of the
この半導体チップ2の厚み寸法が400μm(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。
When a thermal cycle having a large temperature difference is applied to the
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100μm(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
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 can be understood that the resin on the surface of the
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 solder foil 8 is used as a joining member for joining the
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 embodiments described above, one semiconductor chip (heat dissipating element) 2 is sandwiched between the
次に、本発明者らが、先の出願(特願2001−225963)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 research results after the present inventors filed the previous application (Japanese Patent Application No. 2001-225963) will be described with reference to FIGS. First, in order to improve the durability of the
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。
As measures for reducing the distortion of the joint portion and preventing element destruction, (1) applying compressive stress to the
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。
According to the present inventors, it has been found that the requirements necessary for increasing the durability of the
(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) Silicon constituting the semiconductor element (semiconductor chip 2) does not break even when the compressive stress is 600 MPa or more, but it is known that the silicon element breaks only when the tensile stress is about 100 MPa. Even in the interior or in the environment of use, the semiconductor device is configured so that compressive stress is always applied.
(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 compressive stress applied to the semiconductor element is thermal stress resulting from the difference in thermal expansion coefficient between the metal body and the semiconductor element (silicon). In order to apply a compressive stress to the semiconductor element, the thermal stress is surely transmitted to the semiconductor element and the compressed state is maintained. For this reason, as a bonding material between the metal body and the semiconductor element, from the viewpoint of transmission of compressive stress, it has higher strength than the conventionally known Pb-Sn solder, and from the viewpoint of maintaining compressive stress, It is necessary to use a solder excellent in creep resistance as compared with a known Pb—Sn solder.
(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 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.
(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) As another configuration for effectively applying compressive stress to the semiconductor element and maintaining the compressive stress, there is a configuration in which the semiconductor element and the metal body are molded with resin. In the case of this configuration, the compressive stress state can be maintained 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.
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。 Hereinafter, the operational effects (and experimental data, etc.) of the above requirements will be described in order.
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 illustrating a process in which compressive stress is applied to a semiconductor element. When joining the front and back surfaces of a semiconductor element to a metal body, a reflow process is generally employed in which the semiconductor element, the metal body, and the bonding material (solder) are raised to a predetermined temperature to melt and harden the bonding material. . In this case, when the bonding material is melted and cooled, the bonding is completed. In this process, a compressive stress is generated.
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 them is quite large. In general, the larger the difference in thermal expansion coefficient, the higher the compressive stress. However, the compressive stress does not increase linearly because of the yielding and plastic deformation of the bonding material and metal body. The thermal expansion coefficients of main materials are shown in Table 1 below.
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 behavior of relaxation of the compressive stress is mainly caused by the creep characteristics of the bonding material. Therefore, the strength and relaxation of the bonding material will be described below. The strength of main bonding materials is shown in Table 2 below.
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。 Even if a compressive stress can be applied to the semiconductor element in this manner, if it is relaxed, the semiconductor element will be destroyed. Then, 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 a direction to relax the stress. This behavior is called creep and is remarkable in Pb. Here, the relaxation rates of the main bonding materials are shown in Table 3 below.
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 the change over time in the compressive stress value at the center of the semiconductor element when Pb-based solder and Sn-based solder are used (when left at room temperature after bonding). From FIG. 12, it can be seen that by using Sn solder as the bonding material, the compressive stress can be increased and the state can be maintained.
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 method described above, and this method will be described below. It was found that the compressive stress on the element depends on the rigidity of each part except for the material property value such as the difference in thermal expansion coefficient between the semiconductor element and the metal body.
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, if it is assumed that the joint is not plastic or yielded, the semiconductor element becomes more easily displaced and the compressive stress increases as the thickness of the semiconductor element is reduced relative to the metal body. Go. FIG. 13 is a diagram showing a result of calculation of compressive stress applied to a semiconductor element, that is, a stress distribution. FIG. 13A shows a case where the thickness of the semiconductor element is 0.4 mm, and FIG. b) is the case where the thickness of the semiconductor element is 0.2 mm. FIG. 13 shows that compressive stress can be increased by reducing the heat of the semiconductor element.
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。 This result means that if the thickness of the semiconductor element is reduced and the rigidity of the semiconductor element is reduced, the element is more likely to be displaced with the metal body. Accordingly, when the thickness of the semiconductor element is reduced, the semiconductor element behaves so as to “adhere” to the metal body. Therefore, the shear stress on the front surface and the back surface of the semiconductor element is reduced, and the junction portion related to the durability of the semiconductor device is reduced. It can be expected that the distortion component is reduced.
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250μm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. From FIG. 14, it can be seen that when the thickness of the semiconductor element is reduced, the shear strain of the joint portion is reduced. In particular, when the element thickness is 250 μm or less, the plastic strain value in the shear direction is 1% or less. I understand. And in this case, it turns out that the durability performance represented by the thermal shock test improves.
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 mold resin and compressive stress (durability) will be described. Basically, the mold resin preferably has a thermal expansion coefficient equivalent to that of the metal body. For example, when Cu is used as the metal body, it has been confirmed through experiments and the like that sufficient durability can be obtained if the thermal expansion coefficient of the mold resin is about 11 to 20 ppm.
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 is a characteristic diagram showing the result of evaluating the relationship between the thermal expansion coefficient of the mold resin and the stress in the Z direction on the semiconductor element by simulation. From FIG. 15, it can be seen that if the thermal expansion coefficient of the resin is increased, the compressive stress including the Z direction can be increased. In addition, when the thermal expansion coefficient of the resin is 25 ppm or more, it is known from the simulation that the shear stress at the interface with Cu is increased and the resin and the metal body may be separated. However, since the influence of the resin is not so great, it is estimated that it is a secondary parameter.
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16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, FIG. 16 shows the result of trial manufacture of a semiconductor device based on each requirement described above and the evaluation of durability. 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. Also, “Batsu-in” means that all the prototype semiconductor elements are broken, “Triangle” means that some of the prototype semiconductor elements are broken, and “Maru” means all prototypes. The semiconductor element was not broken. The straight line in FIG. 16 shows the case where the ratio (t2 / t1) is 5. Therefore, it can be seen that if the ratio (t2 / t1) is 5 or less, sufficient durability can be obtained.
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、1.0〜2.0mm程度のものが量産に適している。 In addition, regarding the thickness of the metal body, from the viewpoint of heat dissipation, it can be easily understood that the thickness is better, but the thickness of what is available as a general frame material is up to about 2.5 mm. Actually, a material of about 1.0 to 2.0 mm is suitable for mass production.
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 A heat sink block (third metal body), 6 is solder (bonding layer), and 7 is resin.
Claims (9)
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250μm以下とすると共に、
前記半導体素子の厚さ寸法をt1とし、前記第1の金属体及び前記第2の金属体の厚さ寸法を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って、
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。 A semiconductor element, a first metal body bonded to the back surface of the semiconductor element and serving as an electrode and heat dissipation, a second metal body bonded to the surface side of the semiconductor element and also serving as a heat sink, and a surface of the semiconductor element And a third metal body joined between the second metal body and a semiconductor device in which almost the entire device is molded with a resin so that one surface of the pair of heat sinks is exposed.
While the thickness of the semiconductor element is 250 μm or less so that the plastic strain rate in the bonding layer for bonding the semiconductor element and the metal body is 1% or less,
When the thickness dimension of the semiconductor element is t1, and the thickness dimension of the first metal body and the second metal body is t2,
t2 / t1 ≧ 5
Is configured to hold,
A semiconductor device characterized in that the entire device is restrained and held by the mold resin.
前記半導体素子表面のせん断応力が35MPa以下となるように、前記半導体素子の厚さを250μm以下とすると共に、
前記半導体素子の厚さ寸法をt1とし、前記第1の金属体及び前記第2の金属体の厚さ寸法を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って、
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。 A semiconductor element, a first metal body bonded to the back surface of the semiconductor element and serving as an electrode and heat dissipation, a second metal body bonded to the surface side of the semiconductor element and also serving as a heat sink, and a surface of the semiconductor element And a third metal body joined between the second metal body and a semiconductor device in which almost the entire device is molded with a resin so that one surface of the pair of heat sinks is exposed.
The thickness of the semiconductor element is 250 μm or less so that the shear stress of the semiconductor element surface is 35 MPa or less,
When the thickness dimension of the semiconductor element is t1, and the thickness dimension of the first metal body and the second metal body is t2,
t2 / t1 ≧ 5
Is configured to hold,
A semiconductor device characterized in that the entire device is restrained and held by the mold resin.
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または2に記載の半導体装置。 When the thermal expansion coefficient of the metal body is α1, and the thermal expansion coefficient of the resin is α2,
0.5α1 ≦ α2 ≦ 1.5α1
The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is configured so that
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。 When the surface roughness of the back surface of the semiconductor element is Ra,
Ra ≦ 500nm
The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is configured so that
Wherein the semiconductor element and the first metal body, a semiconductor device according to any one of claims 1, characterized in that it is directly bonded by a bonding layer 8.
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