(57)【要約】  半導体素子が繰り返し高温で動作してヒートサイクルを受ける場合も、封止樹脂に亀裂が生じたり、基板から剥離を起こしたりし難い信頼性の高い半導体装置を提供する。  絶縁基板の片面に表面電極パターンが、および絶縁基板の他の面に裏面電極パターンが、それぞれ形成された半導体素子基板と、表面電極パターンの、絶縁基板とは反対側の面に接合材を介して固着された半導体素子と、この半導体素子および半導体素子基板を覆う封止樹脂と、を備えた半導体装置において、半導体素子が接合されている位置の表面電極パターンの電位と同電位となる表面電極パターンの位置に、導電体の中継端子と、この中継端子と表面電極パターンとを絶縁する絶縁部材とで形成された絶縁端子台を設け、半導体素子から外部への配線を、中継端子を介して引き出すようにした。
2012144070.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板の片面に表面電極パターンが、および上記絶縁基板の他の面に裏面電極パターンが、それぞれ形成された半導体素子基板と、
上記表面電極パターンの、上記絶縁基板とは反対側の面に接合材を介して固着された半導体素子と、
この半導体素子および上記半導体素子基板を覆う第一の封止樹脂と、を備えた半導体装置において、
上記半導体素子が接合されている位置の上記表面電極パターンの電位と同電位となる上記表面電極パターンの位置に、導電体の中継端子と、この中継端子と上記表面電極パターンとを絶縁する絶縁部材とで形成された絶縁端子台を設け、上記半導体素子から外部への配線を、上記中継端子を介して引き出す構成としたことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
上記絶縁部材の線膨張率と上記第一の封止樹脂の線膨張率との差が１５ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
上記半導体素子基板の上記半導体素子が固着された側であって上記半導体素子基板の周辺部分に、上記半導体素子基板の周囲を囲むように設けられた上記半導体素子の高さよりも高い樹脂製の区画壁を備えるとともに、第一の封止樹脂が上記区画壁の内側を満たし、上記区画壁の樹脂の弾性率は上記第一の封止樹脂の弾性率よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
上記第一の封止樹脂および上記区画壁を覆う、上記第一の封止樹脂の弾性率よりも小さい弾性率を有する第二の封止樹脂を備えたことを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
上記区画壁の樹脂の弾性率が３０ｋＰａから３ＧＰａの範囲であり、上記第一の封止樹脂の弾性率が１ＧＰａから２０ＧＰａの範囲であることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の半導体装置。
【請求項６】
上記半導体素子がワイドバンドギャップ半導体により形成されていることを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
上記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料またはダイアモンドの半導体であることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体装置、特に高温で動作する半導体装置の実装構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
産業機器や電鉄、自動車の進展に伴い、それらに使用される半導体素子の使用温度も向上している。近年、高温でも動作する半導体素子の開発が精力的に行われ、半導体素子の小型化や高耐圧化、高電流密度化が進んでいる。特に、SiCやGaNなどのワイドバンドギャップ半導体は、Si半導体よりもバンドギャップが大きく、半導体装置の高耐圧化、小型化、高電流密度化、高温動作が期待されている。このような特徴を持つ半導体素子を装置化するためには、半導体素子が１５０℃以上の高温で動作する場合も、接合材のクラックや配線の劣化を抑えて半導体装置の安定な動作を確保する必要がある。【０００３】
一方、半導体装置において半導体素子を樹脂で封止する方法として、特許文献１には、ダム材を用いて半導体素子の周囲を囲い、その内側を部分的に樹脂封止する方法が提案されている。また、特許文献２には、半導体素子を覆う樹脂が流れ広がるのを防止するために、半導体素子の周囲にダムを設ける方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１２４４０１号公報
【特許文献２】特開昭５８−１７６４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１および特許文献２に開示されている方法では、半導体素子がＳｉＣなどワイドバンドギャップ半導体素子になって、これまで以上に高温で動作したり、これに対応してヒートサイクル試験の温度が高温になったりすると、封止樹脂に亀裂が生じたり、基板から剥離を起こしたりして、半導体装置の信頼性を著しく損ねる課題があった。【０００６】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、半導体素子が繰り返し高温で動作してヒートサイクルを受ける場合も、封止樹脂に亀裂が生じたり、基板から剥離を起こしたりし難い信頼性の高い半導体装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明は、絶縁基板の片面に表面電極パターンが、および絶縁基板の他の面に裏面電極パターンが、それぞれ形成された半導体素子基板と、表面電極パターンの、絶縁基板とは反対側の面に接合材を介して固着された半導体素子と、この半導体素子および半導体素子基板を覆う封止樹脂と、を備えた半導体装置において、半導体素子が接合されている位置の表面電極パターンの電位と同電位となる表面電極パターンの位置に、導電体の中継端子と、この中継端子と表面電極パターンとを絶縁する絶縁部材とで形成された絶縁端子台を設け、半導体素子から外部への配線を、中継端子を介して引き出すようにしたものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明に係る半導体装置は上記のように構成されているため、高温動作に際して、封止樹脂と表面電極パターンや絶縁基板の間に剥離が発生したり、封止樹脂に亀裂が生じたりし難く、高温動作による動作不良を起こし難い信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】この発明の実施の形態１による半導体装置の基本構造を示す断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１による半導体装置の基本構造を、部品の一部を取り除いて示す斜視図である。
【図３】この発明の実施の形態２による半導体装置の絶縁端子台を示す三面図である。
【図４】この発明の実施の形態３による半導体装置の基本構造を示す断面図である。
【図５】この発明の実施の形態３による半導体装置の基本構造を、部品の一部を取り除いて示す上面図である。
【図６】この発明の実施の形態３による半導体装置の別の基本構造を示す断面図である。
【図７】この発明の実施の形態４による半導体装置の基本構造を示す断面図である。
【図８】この発明の実施の形態５による半導体装置の基本構造を示す断面図である。
【図９】この発明の実施の形態５による半導体装置のモジュールを複数配置して一つの半導体装置とする基本構造を、封止樹脂や部品の一部を取り除いて示す斜視図である。
【図１０】この発明の実施の形態６による半導体装置の製造方法を示す模式図である。
【図１１】この発明の実施例１による半導体装置のヒートサイクル試験結果示す図である。
【図１２】比較例の半導体装置の基本構造を、部品の一部を取り除いて示す斜視図である。
【図１３】この発明の実施例２による半導体装置のパワーサイクル試験およびヒートサイクル試験結果を示す図である。
【図１４】この発明の実施例３による半導体装置のパワーサイクル試験およびヒートサイクル試験結果を示す図である。
【図１５】この発明の実施例４による半導体装置のパワーサイクル試験およびヒートサイクル試験結果を示す図である。
【図１６】この発明の実施例５による半導体装置のパワーサイクル試験およびヒートサイクル試験結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による半導体装置の基本構造を示す断面図、図２はケース側板、ベース板などを省略し、封止樹脂を取り除いて示す斜視図である。図１は図２のＡ−Ａ線を含んで半導体素子基板に垂直な面で切断した断面図である。絶縁基板１の上面に表面電極パターン２、裏面に裏面電極パターン３が貼られた半導体素子基板４の表面電極パターン２の表面に半導体素子５、６がはんだなどの接合材７で固着されている。ここで、例えば半導体素子５は大電流を制御するＭＯＳＦＥＴのような電力用半導体素子であり、半導体素子６は例えば電力用半導体素子５に並列に設けられる還流用のダイオードである。半導体素子基板４は裏面電極パターン３側がベース板１０にはんだなどの接合材７０で固着されており、このベース板１０が底板となり、ベース板１０とケース側板１１とでケースが形成され、このケース内に第一の封止樹脂１２を注入してモールドする。各半導体素子には各半導体素子の電極などを外部に電気接続するための配線１３が接続され、配線１５が端子１４に接続されている。端子１４を介して半導体装置の外部と電気接続が行われる。
【００１１】
半導体素子５から端子１４への接続は、半導体素子５のチップ上はスペースの関係から細線ワイヤにより配線する必要があり、端子１４への配線は強度が必要なため太線ワイヤにより配線する必要がある。このため、配線を中継する端子台が必要となる。本発明では、配線を中継する端子台を、表面電極パターン２上に設けている。ここで、端子台は、配線が接続される中継端子８２が表面電極パターン２と絶縁されるように構成された絶縁端子台８としている。絶縁端子台８は、少なくとも配線を中継するための中継端子８２となる導電体と、この導電体を表面電極パターン２から絶縁するための絶縁部材８１とで構成される。絶縁端子台８の構造は、半導体素子基板４上の表面電極パターン２と、配線が接続される中継端子８２が絶縁される構造であれば形状は特に限定されない。また、絶縁端子台８は、半導体素子が接合されている位置の表面電極パターンの電位と同電位となる表面電極パターンの位置に設けている。
【００１２】
中継端子８２となる導電体は、必要な電気特性を満たしていれば良く、例えば銅やアルミ、鉄等を用いることが出来る。また、絶縁部材８１の材料としては、例えばエポキシ樹脂を用いるが、これに限定するものではなく、所望の耐熱性と接着性を有している樹脂であれば用いることが出来る。例えばエポキシ樹脂の他に、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、アクリル樹脂、等が好適に用いられる。また、耐熱性・熱膨張率の調整のために、セラミック粉を分散させた樹脂硬化物なども用いることが出来る。使用するセラミック粉は、Al2O3、SiO2、AlN、BN、Si3N4などが用いられるが、これに限定するものではなく、ダイアモンド、SiC、B2O3、などを用いても良い。粉形状は、球状を用いることが多いが、これに限定するものではなく、破砕状、粒状、リン片状、凝集体などを用いても良い。粉体の充填量は、必要な流動性や絶縁性や接着性が得られる量であれば良い。
【００１３】
絶縁端子台８は、例えば、絶縁材料で形成される絶縁部材８１の表面に、中継端子８２となる銅箔が形成されている。また、絶縁部材８１の表面電極パターン２側の面は、この表面電極パターン２にはんだなどで固着するための固着用銅箔８３が形成されている。絶縁端子台８の表面電極パターン２への固着は、はんだではなく、絶縁性接着剤によっても良く、この場合は、必ずしも固着用銅箔８３を設ける必要はない。中継端子８２は、絶縁部材８１上にエッチングにより島状にパターンを形成して設けることもできる。それぞれの島が別々の中継端子となり、別々の配線を中継する端子となる。
【００１４】
本発明は、本実施の形態１のみならず他の実施の形態においても、電力用半導体素子として、１５０℃以上の高温で動作する半導体素子に適用すると効果が大きい。特に、炭化珪素（SiC）、窒化ガリウム（GaN）系材料またはダイアモンドといった材料で形成された、珪素（Si）に比べてバンドギャップが大きい、いわゆるワイドバンドギャップ半導体に適用すると効果が大きい。また、図２では、一つのモールドされた半導体装置に半導体素子が２個しか搭載されていないが、これに限定するものではなく、使用される用途に応じて必要な個数の半導体素子を搭載することができる。
【００１５】
表面電極パターン２、裏面電極パターン３、ベース板１０および端子１４は、通常銅を用いるが、これに限定するものではなく、アルミや鉄を用いても良く、これらを複合した材料を用いても良い。また表面は、通常、ニッケルメッキを行うが、これに限定するものではなく、金や錫メッキを行っても良く、必要な電流と電圧を半導体素子に供給できる構造であれば構わない。また、銅/インバー/銅などの複合材料を用いても良く、SiCAl、CuMoなどの合金を用いても良い。また、端子１４及び表面電極パターン２は、第一の封止樹脂１２に埋設されるため、樹脂との密着性を向上させるため表面に微小な凹凸を設けても良く、化学的に結合するようにシランカップリング剤などで接着補助層を設けても良い。
【００１６】
半導体素子基板４は、Al2O3、SiO2、AlN、BN、Si3N4などのセラミックの絶縁基板１に銅やアルミの表面電極パターン２および裏面電極パターン３を設けてあるものを指す。半導体素子基板４は、放熱性と絶縁性を備えることが必要であり、上記に限らず、セラミック粉を分散させた樹脂硬化物、あるいはセラミック板を埋め込んだ樹脂硬化物のような絶縁基板１に表面電極パターン２および裏面電極パターン３を設けたものでも良い。また、絶縁基板１に使用するセラミック粉は、Al2O3、SiO2、AlN、BN、Si3N4などが用いられるが、これに限定するものではなく、ダイアモンド、SiC、B2O3、などを用いても良い。また、シリコーン樹脂やアクリル樹脂などの樹脂製の粉を用いても良い。粉形状は、球状を用いることが多いが、これに限定するものではなく、破砕状、粒状、リン片状、凝集体などを用いても良い。粉体の充填量は、必要な放熱性と絶縁性が得られる量が充填されていれば良い。絶縁基板１に用いる樹脂は、通常エポキシ樹脂が用いられるが、これに限定するものではなく、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂、アクリル樹脂などを用いても良く、絶縁性と接着性を兼ね備えた材料であれば構わない。
【００１７】
配線１３、配線１５は、アルミまたは金でできた断面が円形の線体（以下、ワイヤと称する。）を用いるが、これに限定するものではなく、例えば断面が方形の銅板を帯状にしたもの（リボンとも称する。）を用いても良い。また半導体素子の電流密度などにより、必要な本数を設けることができる。あるいは、配線１３は、銅や錫などの金属片を溶融金属で接合しても良く、必要な電流と電圧を半導体素子に供給できる構造であれば構わない。
【００１８】
配線１３、配線１５の配線形状や配線径は、電流量・配線長・電極パッド面積により適宜自由に選択して用いることができる。例えば電流量が大きい場合や配線長が長い場合は径の太い配線、例えば直径400μｍのワイヤやリボンボンド等を用いることができる。また、SiC半導体素子はコスト面で小面積化が図られており、電極パッド面積が小さい場合が多く、この場合は径の細い配線、例えば直径150μｍのワイヤ等を用いることができる。
【００１９】
従来の半導体装置では、例えば特許文献１の図１に示されているように、本願の表面電極パターンに相当する導電パターンを、半導体素子を固定するダイパッドと、配線を中継するためのセカンドパッドに分けて形成する。ダイパッドとセカンドパッドは絶縁されており、ダイパッドとセカンドパッドとの間は、回路用基板が露出している。これら回路用基板、導電パターンや半導体素子を封止樹脂で封止しているが、封止樹脂材料と回路用基板材料の熱膨張率に大きな差があるため、高温動作が繰り返されると、この回路用基板が露出している部分で封止樹脂と回路用基板の間にクラックが入ったり、剥離が生じたりすることがあった。この部分でクラックや剥離が発生すると、ダイパッドとセカンドパッドの間に高電圧が印加されるため、絶縁破壊が生じることがあった。一方、本発明の実施の形態１による半導体装置では、表面電極パターン２は少なくとも半導体素子が接合されている部分と絶縁端子台が固着されている部分では同電位となっており、また絶縁端子台８と半導体素子５の間で絶縁基板１が露出していないため、この部分で封止樹脂１２にクラックや剥離が発生する恐れがなく、絶縁破壊が生じ難い。よって、信頼性の高い半導体装置が提供できる。
【００２０】
実施の形態２．
実施の形態２では、絶縁端子台８の構造や製造方法を説明する。絶縁端子台８の詳細構造の例を図３に示す。図３（Ａ）は絶縁端子台８の上面図、図３（Ｂ）は側面図、図３（Ｃ）は下面図である。絶縁部材８１の上面に中継端子８２である導電体が形成されており、下面に固着用銅箔８３が形成されている。図３では、中継端子８２が島状のパターンとして２個設けられており、それぞれの中継端子８２が別々の配線の中継端子となる。
【００２１】
ここで、図３に示す絶縁端子台８の製造方法の一例を説明する。絶縁部材８１となる絶縁性樹脂の両面に導電体を張り合わせたシート状部材を形成し、このシート上の導電体に写真製版を用いて中継端子８２となる必要なパターンを形成する。その後、所望のサイズで切り出して絶縁端子台８とする。シート状部材は、例えば絶縁性樹脂として半硬化エポキシシートを用い、この両面に銅箔をプレス成形にて張り合わせ、両面銅貼りシートを作製することが出来る。銅箔の厚さは、必要な電気特性が得られれば特に限定はされないが、好ましくは１〜２０００μｍ、さらに好ましくは２０〜４００μｍのものが用いられる。銅箔が薄すぎると配線を接合するためのワイヤボンド時に、銅箔とワイヤの接合部で銅箔が裂損することがあり、厚すぎると中継端子のパターン形成時のエッチングに時間が掛かり、著しく生産性が低下する。絶縁部材８１の厚さは、必要な絶縁特性が得られれば特に限定されないが、好ましくは１〜５０００μｍ、さらに好ましくは５０〜２０００μｍで調整される。樹脂厚が薄いと必要な絶縁特性を得ることが出来ず、樹脂厚が厚いとワイヤボンド時の取り回しに難が生じたり、所望サイズでの切り出しが困難になったりする。また、シート状部材は一般的なガラスエポキシ基板を流用することもできる。
【００２２】
中継端子８２のパターンは、感光性の組成物（フォトレジスト）を塗布して、パターン露光、現像により、中継端子８２となる導電体の必要な部分のみを残すことで形成される。なお、中継端子にパターンが必要ない場合、すなわち中継端子が一つだけの場合はこの工程は省略できる。
【００２３】
絶縁端子台の切り出しは、レーザカットやルータ加工等の一般的な個片化の手法を用いて行うことが出来る。絶縁端子台のサイズは搭載する半導体素子基板のサイズによって適宜選択することができる。また、ワイヤボンドで配線接続する場合、用いるワイヤ径、ワイヤボンダーの打ち下ろし位置精度等の制約によっても形状が規定される。絶縁端子台の寸法は、例えば、タテ５ｍｍ、ヨコ２５ｍｍ、高さ(銅箔と樹脂の総厚)１ｍｍといった寸法のものが用いられる。
【００２４】
上記以外の絶縁端子台の製造方法として、例えば、絶縁性樹脂の片面に銅箔を張り合わせ、所望の中継端子のパターンをエッチングにて形成して絶縁端子台を作製することも出来る。この絶縁端子台の場合、絶縁端子台の半導体素子基板への固定方法は、エポキシ樹脂等の絶縁性接着剤によって半導体素子基板の任意の位置に固着する方法、絶縁性樹脂の軟化点以上に加熱して任意の位置に押し付け、その後冷却することで固着させる方法、などが好適である。
【００２５】
また、例えば後述の実施の形態４で説明するように、中継端子を導電性物質のブロックで構成し、絶縁部材として絶縁性接着剤を用いて導電性物質のブロックを表面電極パターンに固着する構造でも良い。導電性物質として、銅、鉄やアルミ等、またそれらの複合物質を用いることができる。ブロックの形状は用いる半導体装置に応じて任意に調整することができる。導電性物質で構成された中継端子を用いた場合は、半導体素子基板の表面電極パターンとの絶縁を確保するため、エポキシ樹脂等の絶縁性接着剤を用いる。
【００２６】
なお、絶縁端子台の中継端子と表面電極パターンを絶縁する絶縁部材は、第一の封止樹脂と、線膨張率を合わせることが望ましい。絶縁部材と第一の封止樹脂の線膨張率が大きく異なると、半導体素子の動作の繰り返し、すなわちヒートサイクルが生じた場合に、絶縁部材と第一の封止樹脂の界面で剥離が生じる恐れがある。このため、絶縁部材の線膨張率と第一の封止樹脂の線膨張率との差が１５ｐｐｍ以下であることが望ましい。
【００２７】
実施の形態３．
図４は、本発明の実施の形態３による半導体装置の基本構造を示す断面図、図５は封止樹脂、配線、および端子を取り除いて示す本発明の実施の形態３による半導体装置の基本構造の上面図である。図４および図５において、図１および図２と同一符号は、同一または相当する部分を示す。図４は図５のＡ−Ａ位置に相当する位置で切断した断面図であり、封止樹脂、配線および端子を含めて示している。図４および図５に示すように、本実施の形態２では、半導体素子基板４の周辺を囲むように、樹脂製の区画壁９を設けた。この区画壁９で区切られた内部を第一の封止樹脂１２０で覆っている。また第一の封止樹脂１２０および区画壁９の外部は、第二の封止樹脂１２１で覆っている。
【００２８】
区画壁９には、例えばシリコーン樹脂を用いるが、これに限定するものではなく、ウレタン樹脂やアクリル樹脂なども用いる事ができる。また、Al2O3、SiO2などのセラミック粉を添加して用いることもできるが、これに限定するものではなく、AlN、BN、Si3N4、ダイアモンド、SiC、B2O3などを添加しても良く、シリコーン樹脂やアクリル樹脂などの樹脂製の粉を添加しても良い。粉形状は、球状を用いることが多いが、これに限定するものではなく、破砕状、粒状、リン片状、凝集体などを用いても良い。粉体の充填量は、必要な流動性や絶縁性や接着性が得られる量であれば良い。ただし、区画壁９の弾性率は、第一の封止樹脂１２０の弾性率よりも小さくなければならない。
【００２９】
半導体素子が高温で動作すると、半導体素子の周囲にある第一の封止樹脂１２０や半導体素子基板４が熱膨張し、半導体素子が動作を止めると、熱収縮が起こる。すなわちヒートサイクルが生じる。第一の封止樹脂１２０は、半導体素子基板４の材料のうち表面電極パターン２や裏面電極パターン３の材料（例えば銅）の線膨張係数に近い線膨張係数となるように調整されているため、絶縁基板１とは線膨張係数が異なる。従来の半導体装置では、半導体素子基板の表面電極パターン２や裏面電極パターン３が形成されていない部分は、封止樹脂と絶縁基板が直接接しているため、ヒートサイクルを繰り返すうちに、両者の線膨張係数の違いにより、封止樹脂と絶縁基板との接触部分で、封止樹脂の剥離や亀裂が発生し、半導体装置の信頼性を著しく低下させていた。しかしながら、図４および図５に示す本発明の実施の形態３による半導体装置では、第一の封止樹脂１２０で覆う前の半導体素子基板４単体において絶縁基板１が露出している周辺部分に、第一の封止樹脂１２０よりも弾性率が低い樹脂の区画壁９を設けた。このため、ヒートサイクルが生じた場合、第一の封止樹脂１２０よりも低弾性、すなわち軟らかい区画壁９の部分で、膨張係数の違いにより発生する応力が緩和され、第一の封止樹脂１２０の剥離や亀裂が生じ難くなり、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
【００３０】
さらに、配線に銅板配線１３０を用いた例を図６に示す。図６において、図１および図４と同一符号は、同一または相当する部分を示す。銅板配線１３０の表面は、防錆のためにニッケル鍍金を用いてもよく、防錆剤などの化学的処理を行っても良い。また、各封止樹脂との密着性を高めるために、表面に凹凸を設けても良く、シランカップリング剤などの化学的処理を行っても良い。ここでは、配線として銅板を用いた例を示したが、端子１４と電気的に接続することができ、半導体素子５や半導体素子６とも電気的に接続することができ、必要な電流容量を確保できる材料であれば、銅以外の金属を用いても良い事は言うまでも無い。
【００３１】
区画壁９の高さは、第一の封止樹脂１２０が半導体素子５や半導体素子６を覆うように、半導体素子５や半導体素子６の高さ以上であり、半導体装置のケース側板１１の高さを超えない高さであれば構わない。また、第一の封止樹脂１２０の表面張力を利用して、区画壁９の高さ以上に第一の封止樹脂１２０を液盛りした状態で半導体素子が完全に封止する方法をとることもできる。また、区画壁９の幅は、絶縁基板１の大きさが100mm×100mm以下のサイズが多い事から、1〜2mm程度が良いが、これに限定するものではなく、第一の封止樹脂１２０を区画するのに必要な幅であれば構わない。
【００３２】
第二の封止樹脂１２１には、例えばシリコーン樹脂を用いるが、これに限定するものではなく、ウレタン樹脂やアクリル樹脂なども用いる事ができる。また、Al2O3、SiO2などのセラミック粉を添加して用いることもできるが、これに限定するものではなく、AlN、BN、Si3N4、ダイアモンド、SiC、B2O3などを添加しても良く、シリコーン樹脂やアクリル樹脂などの樹脂製の粉を添加しても良い。粉形状は、球状を用いることが多いが、これに限定するものではなく、破砕状、粒状、リン片状、凝集体などを用いても良い。粉体の充填量は、必要な流動性や絶縁性や接着性が得られる量であれば良い。
【００３３】
本実施の形態３では、半導体素子基板４の周辺部分に区画壁９を設けて、区画壁９の内部を第一の封止樹脂１２０で覆い、区画壁９および第一の封止樹脂１２０を覆うように第二の封止樹脂１２１を設けた。区画壁９や第二の封止樹脂１２１を、第一の封止樹脂１２０よりも弾性率が低い材料で構成している。封止樹脂が硬化収縮やヒートサイクル時の熱応力を発生する際も、弾性率の低い区画壁９で応力緩和するため、半導体素子基板４への応力負荷が小さくなる。また、半導体素子基板４の外部を弾性率の低い第二の封止樹脂１２１で封止することで、第一の封止樹脂１２０と同等の弾性率の樹脂で封止するよりも、ベース板や半導体素子基板に発生する応力負荷が小さくなる。この結果、第一の封止樹脂１２０が半導体素子基板４から剥離したり亀裂が生じたりするのを防止することができ、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
【００３４】
実施の形態４．
図７は、本発明の実施の形態４による半導体装置の構造を示す断面図である。図７において、図１、図４および図６と同一符号は、同一または相当する部分を示す。図７に示すように、本実施の形態４では、中継端子８４に銅ブロックを用いて絶縁端子台８を構成している。銅ブロックの中継端子８４は、第一の封止樹脂１２０から露出した構造となっており、半導体素子基板４へはエポキシ樹脂等の絶縁性接着剤８５によって固着されている。絶縁性接着剤８５は絶縁端子８の絶縁部材を構成しており、所望の電気的絶縁と耐熱性、密着性を有していれば良く、特に限定されない。
【００３５】
この構造であれば、中継端子８４を介して、表面電極パターン２の、区画壁９の外部となる部分から端子１４などへ配線を接続することにより、モジュール内からモジュール外への電気接続を行うことで、第一の封止樹脂１２０と第二の封止樹脂１２１の界面を配線が通過することが無く、繰り返しヒートサイクルを受けても配線が断線しにくくなる。この時、中継端子８４と、表面電極パターン２の上には、封止樹脂との密着性を向上させるために、表面に凹凸を設けても良く、またプライマー処理等の密着性向上剤を設けても良い。密着性向上剤は、例えばシランカップリング剤やポリイミド、エポキシ樹脂等が用いられるが、用いる配線１５と、第一の封止樹脂１２０との密着性を向上させるものであれば特に限定されない。
【００３６】
実施の形態５．
図８は、本発明の実施の形態５による半導体装置の構造を示す断面図である。図８において、図１、図４、図６および図７と同一符号は、同一または相当する部分を示す。本実施の形態５では、中継端子８２や表面電極パターン２といった第一の封止樹脂１２０に覆われた部分に配線を接続するためのソケット１３１を設けた。第一の封止樹脂１２０で覆った後に外部からソケット１３１に配線を差し込むことができるよう、ソケット１３１は、第一の封止樹脂１２０の表面に露出するように設けられている。
【００３７】
通常、ソケットは、パイプ上の金属に金属状のピンを挿入することで両者の電気的な接続を行うが、この方法に限定するものではなく、第一の封止樹脂１２０に埋め込まれた部分と配線を電気的に繋げる構造であれば構わない。また、ソケット１３１の表面は、第一の封止樹脂１２０や第二の封止樹脂１２１との密着性を向上させるために表面に凹凸を設けても良く、シランカップリング剤などの化学的な処理を行っても良い。中継端子８２や表面電極パターン２とソケット１３１の電気的な接続は、通常、はんだ材を用いて接続するがこれに限定するものではなく、銀ペーストや焼結により金属結合する材料を用いても良い。図８では、ソケット１３１への配線は銅板配線１３０を用いているが、通常の線状の配線を用いても良いのは言うまでもない。
【００３８】
図８の破線で示した部分、すなわち区画壁９の内部に第一の封止樹脂１２０を注入して半導体素子５、６を封止したものをモジュール１００として、このモジュール１００をケース側板１１内に複数個配置して一つの半導体装置とした構成の概念図を図９に示す。図９において、図８と同一符号は同一または相当する部分を示す。図９では、第二の封止樹脂１２１、端子１４および配線１３０を取り除き、さらに一部は第一の封止樹脂１２０も取り除き半導体素子が見える状態を示す斜視図である。図９において、各モジュールの間に設けられているバー１１０は、各モジュールからの配線を橋渡しするための端子（図９では取り除いて示している。）を取り付けるための部材である。
【００３９】
この構造では、第一の封止樹脂１２０で半導体素子５、６を封止した後、第二の封止樹脂１２１でモジュールを封止する前に、ソケット１３１から通電することにより各モジュール１００の動作試験を行うことができる。動作試験において不良モジュールが判明した場合、不良モジュールについては、半導体素子基板４とベース板１０の間の接合を取り除き、良品モジュールと置き換えることができるため、半導体装置の歩留まりの向上が図れる。
【００４０】
実施の形態６．
図１０は、区画壁９を設けた本発明の半導体装置の製造方法を示す模式図である。区画壁９は、注射器に未硬化の樹脂を入れて、必要な箇所に押し出しながら描画したり、スクリーンマスクを用いて印刷を行ったりして作製できる。しかし、これらの方法では作製に時間がかかる。半導体素子基板の表面電極パターンと裏面電極パターンを、溝を設けた治具で挟み、その後に未硬化の樹脂を注入硬化すれば、溝の位置や形状を変えることで多様な区画壁を設けた基板を作製できる。
【００４１】
まず、絶縁基板１の片面に表面電極パターン２、他方の面に裏面電極パターン３、が貼りつけられた半導体素子基板４を準備する（図１０（Ａ））。また、テフロン（登録商標）で作製された上治具２１と下治具２２で構成される分割式の治具を準備する（図１０（Ｂ））。上治具２１には樹脂を注入するための樹脂注入穴２３が設けられている。下治具２２の所定の位置に半導体素子基板４を置き、位置がずれない様に上治具２２を用いて蓋をし、ねじ留めや油圧プレス等の方法を用いて、後に樹脂が注入された際に上下の治具から樹脂が漏れないよう十分締め付ける。上治具２１および下治具２２は、表面電極パターン２および裏面電極パターン３の表面に樹脂が流れないよう、十分な平面度をもって作製しておく。次に半導体素子基板４を内包した治具の内部を減圧チャンバー３１等を用いて10torrまで減圧する。その後、図１０（Ｃ）の矢印で示すように未硬化の樹脂４１を上治具２１の樹脂注入穴２３から約１MPaの押圧力で注入する。治具の空間部分の全部に樹脂が注入されたら、760torr（大気）に戻し、樹脂を熱硬化させる。例えば、樹脂にシリコーン樹脂である信越化学製KE1833を用いる場合は、120℃で1時間の硬化を行う。熱硬化後は、治具を室温まで冷却してから、上下の治具を分割して、基板を取り出せば、区画壁９が成型された基板が作製できる（図１０（Ｄ））。
【００４２】
この時、１か所の樹脂注入穴２３から全ての空間部分に樹脂が注入されるよう、区画壁９を設ける箇所は、治具内部の空間で繋がっていなければならない。ここで、治具には、脱気用の穴を設けても良い。また、治具の壁面に、脱型性を向上させるために、離型剤を塗布しても良いことは言うまでもなく、治具の材質もテフロン（登録商標）以外の材料を用いて良い事はいうまでも無い。
【００４３】
以上のように、本発明の実施の形態６による半導体装置の製造方法によれば、治具を使用しているので、同一形状の樹脂硬化物を精度良く形成できる。また、減圧下で圧力をかけて樹脂注入するため、低弾性樹脂である区画壁に気泡が入りにくいだけでなく、絶縁基板や銅パターンや裏面電極パターンとの密着性が向上し、ヒートサイクル時にも剥離しにくく、絶縁性も向上する。更に、電極パターンや裏面電極パターンを治具で挟み込んだため、樹脂硬化時の温度による表面酸化の影響が少なくなり、半導体素子やベース板を接合材で接合した時の信頼性が向上するという効果も奏する。
【００４４】
実施の形態７．
本実施の形態７では、試験用の半導体装置モジュールを、種々の材料を用いた区画壁や封止樹脂により作製し、パワーサイクル試験やヒートサイクル試験を行った結果を実施例として示す。
【００４５】
実施例１．
まず、本発明の実施の形態３による図４の構造の半導体装置、および図１２に示す比較例の半導体装置を作製し、ヒートサイクル実施前後でＰＤＩＶ（PD Inception Voltage：部分放電開始電圧）測定を実施した。比較例の半導体装置は、図１２に示すような、従来技術に相当する構造の半導体装置である。図１２は、図２と同様、ケース側板、ベース板などを省略し、封止樹脂を取り除いて示している。比較例の図１２に示す半導体装置は、絶縁端子台を用いず、表面電極パターン２とは電気的に絶縁され、絶縁基板１上に表面電極パターン２と同様に形成された中継端子パターン２１により配線を中継する構造となっている。
【００４６】
ヒートサイクル試験は、半導体装置全体を、温度制御が可能な恒温曹に入れ、恒温曹の温度を−４０℃〜１５０℃の間で繰り返し変化させて実施した。ＰＤＩＶは、部分放電試験機を使用して測定した。電極パターン間に電極を繋ぎ、不活性液体中２５℃にて、交流周波数６０Ｈｚで昇圧し、１０ｐＣ以上の部分放電が発生した時の電圧を読み取った。ｎ＝５で実施し、その平均値で評価した。結果を図１１に示す。本発明の図４の構造の半導体装置、および比較例の半導体装置共に初期状態では優れた絶縁特性を有しているが、ヒートサイクル実施後は比較例に比べ、図４の構造の半導体装置の部分放電電圧は十分に優れていることがわかった。
【００４７】
以下の実施例２〜実施例５では、絶縁端子台と半導体素子を図４または図７に示すような構成で半導体素子基板に設置し、配線にて各実装品を接続した半導体装置を作製し、パワーサイクル試験およびヒートサイクル試験を実施した結果を説明する。パワーサイクル試験は、半導体素子の温度が２００℃になるまで通電し、その温度に達したら通電を止め、半導体素子の温度が１２０℃になるまで冷却し、冷却された後に再び通電した。またヒートサイクル試験は、半導体装置全体を、温度制御が可能な恒温曹に入れ、恒温曹の温度を−４０℃〜１５０℃の間で繰り返し変化させて実施した。
【００４８】
実施例２．
本実施例２では、図４の構造で、種々の弾性率の区画壁９の半導体装置を作製し、パワーサイクル試験およびヒートサイクル試験を実施した。図１３には、第一の封止樹脂１２０に弾性率が7.0GPaのサンユレック製ＥＸ-550を用い、第二の封止樹脂１２１として東レダウコーニング社製SE1885（弾性率15kPa）を用いて区画壁９の弾性率を変えたときのパワーサイクル試験およびヒートサイクル試験の結果を示す。
【００４９】
絶縁端子台８には、絶縁部材８１として住友ベークライト製EI-6782GHを用い、105ミクロンの銅箔８３を絶縁部材８１の片面に貼り付け、所望のサイズに加工し、中継端子８２のパターンをエッチングにより形成したものを用い、サンユレック製ＥＸ-550を用いて半導体素子基板へ固定した。半導体装置には、ベース板１０のサイズが50×92×3mm、AlNを用いた絶縁基板１のサイズが23.2×23.4×1.12mm、SiCを用いた半導体素子のサイズが5×5×0.35mm、接合材には千住金属製M731、ポリフェニレンサルファイド（PPS）を用いたケース、直径が0.4mmのアルミを用いた配線を使用した。また、本試験では、モジュール内部にSiC半導体素子を１個のみ搭載し、パワーサイクル試験およびヒートサイクル試験を行った。
【００５０】
図１３の例２−１について説明する。東レダウコーニング製SE1885（弾性率15kPa）を用いて区画壁９を作製した場合、パワーサイクル試験では、110000サイクル後に第一の封止樹脂１２０に剥離が発生し、ヒートサイクル試験でも200サイクル後に第一の封止樹脂１２０の剥離と亀裂が発生して半導体装置が動作しなくなることがわかった。
【００５１】
例２−２では、東レダウコーニング製SE1886（弾性率30kPa）を用いて区画壁９を作製した結果、パワーサイクル試験は200000サイクルまで改善され、ヒートサイクル試験でも800サイクルまで改善することが判明した。
【００５２】
例２−３では、信越化学製KE1833（弾性率3.5MPa）を用いて、区画壁９を作製した結果、パワーサイクル試験は210000サイクルまで改善され、ヒートサイクル試験でも1200サイクル以上半導体装置の特性が維持されることが判明した。
【００５３】
例２−４では、信越化学製KER-4000にガラスフィラーを約50wt%添加し、弾性率を900MPaに調整し、区画壁９を作製した結果、パワーサイクル試験は200000サイクル、ヒートサイクル試験でも1200サイクル以上半導体装置の特性が維持されることがわかった。
【００５４】
例２−５では、信越化学製SCR-1016(弾性率1400MPa)を用いて区画壁９を作製した結果、パワーサイクル試験は180000サイクルに低下し、ヒートサイクル試験も500サイクルに低下することが判明した。
【００５５】
例２−６では、信越化学製SCR-1016にガラスフィラーを約54wt%添加し、弾性率を3000MPaに調整し、区画壁９を作製した結果、パワーサイクル試験は120000サイクルに低下し、ヒートサイクル試験も250サイクルに低下することがわかった。
【００５６】
以上の結果より、区画壁９の弾性率Ｎは、30kPa以上3GPa未満の範囲が適切であることがわかった。
【００５７】
実施例３．
本実施例３では、図４の構造で、種々の弾性率の第一の封止樹脂１２０の半導体装置を作製し、パワーサイクル試験およびヒートサイクル試験を実施した。図１４に、区画壁９に信越化学製KE1833（弾性率3.5MPa）を用い、第二の封止樹脂として、東レダウコーニング製SE1885（弾性率15kPa）を用いて、第一の封止樹脂の弾性率を変えたときのパワーサイクル試験およびヒートサイクル試験の結果を示す。ここで、絶縁端子台には、105ミクロンの銅箔を住友ベークライト製EI-6782GHの片面に貼り付け、所望のサイズに加工し、中継端子パターンをエッチングにより形成したものを用い、サンユレック製ＥＸ-550を用いて半導体素子基板へ固定した。
【００５８】
図１４の例３−１について説明する。第一の封止樹脂として、信越化学製KER-4000にガラスフィラーを約50wt%添加し、弾性率を0.9GPaに調整した樹脂を用いた結果、パワーサイクル試験では、100000サイクル後に封止樹脂に剥離が発生し、ヒートサイクル試験でも100サイクル後に封止樹脂の剥離と亀裂が発生して半導体装置が動作しなくなることがわかった。
【００５９】
例３−２では、第一の封止樹脂として、信越化学製KER-4000にガラスフィラーを約58wt%添加し、弾性率を1GPaに調整した樹脂を用いた結果、パワーサイクル試験では、170000サイクル、ヒートサイクル試験では、350サイクルまで改善することがわかった。
【００６０】
例３−３では、サンユレック製EX-550（弾性率7.0GPa）を第一の封止樹脂に用いた結果、パワーサイクル試験では、210000サイクル、ヒートサイクル試験では、1200サイクル以上まで改善することがわかった。
【００６１】
例３−４では、サンユレック製EX-550にシリカフィラーを15wt%添加し、弾性率を12GPaに調整した封止樹脂を使用した結果、パワーサイクル試験では、170000サイクル、ヒートサイクル試験では、700サイクルになることがわかった。
【００６２】
例３−５では、サンユレック製EX-550にシリカフィラーを20wt%添加し、弾性率を14ＧＰに調整した封止樹脂を使用した結果、パワーサイクル試験では、140000サイクル、ヒートサイクル試験では、500サイクルになることがわかった。
【００６３】
例３−６では、サンユレック製EX-550にシリカフィラーを36wt%添加し、弾性率を20GPaに調整した封止樹脂を使用した結果、パワーサイクル試験では、110000サイクル、ヒートサイクル試験では、450サイクルになることがわかった。
【００６４】
例３−７では、サンユレック製EX-550にシリカフィラーを40wt%添加し、弾性率を22GPaに調整した封止樹脂を使用した結果、パワーサイクル試験では、100000サイクル、ヒートサイクル試験では、200サイクルになることがわかった。
【００６５】
この結果より、第一の封止樹脂の弾性率Ｍは、1GPa以上20GPa以下の範囲が適切であることが判明した。
【００６６】
実施例４．
本実施例４では、図７の構造、すなわち区画壁９を設け、絶縁端子台８の中継端子として銅ブロックを所定のサイズに加工し、サンユレック製ＥＸ-550を用いて半導体素子基板へ固定した構造におけるパワーサイクル試験およびヒートサイクル試験を実施した。図１５に、区画壁９に信越化学製KE1833（弾性率3.5MPa）を用い、第二の封止樹脂１２１として東レダウコーニング製SE1885（弾性率15kPa）を用いて、第一の封止樹脂１２０の弾性率を変えたときのパワーサイクル試験およびヒートサイクル試験の結果を示す。
【００６７】
例４−１〜例４−７で用いた第一の封止樹脂は、それぞれ例３−１〜例３−７と同様である。表３の例４−１〜例４−７に示す試験結果からわかるように、この構造では、実施例３に比較して、高弾性率側のサイクル数に変化がみられるが、第一の封止樹脂の弾性率の範囲については実施例３と同様の結果が得られた。すなわち、実施例４においても、第一の封止樹脂の弾性率Ｍは、1GPa以上20GPa以下の範囲が適切であることが判明した。
【００６８】
実施例５．
図１６には、ベース板のサイズが85×120×3mm、Si3N4を用いた絶縁基板のサイズが23.2×23.4×1.12mm、SiCを用いた半導体素子のイズが5×5×0.35mm、接合材には千住金属製M731、ポリフェニレンサルファイド（PPS）を用いたケース側板、直径が0.4mmのアルミを用いた配線を部材に使用した、図５の構造の半導体装置の試験モジュールによるパワーサイクル試験およびヒートサイクル試験の結果を示す。本実施例５は、実施例３と絶縁基板の材料が異なり、ベース板のサイズが実施例３のものより大きい試験モジュールによる、第一の封止樹脂１２０の弾性率を変化させた試験である。区画壁９には信越化学製KE1833（弾性率3.5MPa）を、第二の封止樹脂１２１には、東レダウコーニング製SE1886を用いた。例５−１〜例５−７の第一の封止樹脂は、それぞれ実施例３の例３−１〜例３−７と同じである。図１５の試験結果を図１３の試験結果と比較してわかるように、本実施例においても実施例３とほぼ同様の結果が得られた。
【００６９】
以上の、実施例２〜５の試験結果より、第一の封止樹脂には、1GPa以上20GPa以下の範囲の弾性率の樹脂を用い、区画壁には、30kPa以上3GPa以下の範囲の弾性率の樹脂を用いることで、より剥離や亀裂が発生し難く、信頼性の高い半導体装置が得られることがわかった。
【符号の説明】
【００７０】
１：絶縁基板                          ２：表面電極パターン 
３：裏面電極パターン                  ４：半導体素子基板
５、６：半導体素子                    ７、７０：接合材
８：絶縁端子台                        ９：区画壁
１０：ベース板                          １１：ケース側板
１２、１２０：第一の封止樹脂            １３、１５：配線
１４：端子                              １２１：第二の封止樹脂
８１、８５：絶縁部材                    ８２、８４：中継端子
【図１】
2012144070.tif 000003
【図２】
2012144070.tif 000004
【図３】
2012144070.tif 000005
【図４】
2012144070.tif 000006
【図５】
2012144070.tif 000007
【図６】
2012144070.tif 000008
【図７】
2012144070.tif 000009
【図８】
2012144070.tif 000010
【図９】
2012144070.tif 000011
【図１０】
2012144070.tif 000012
【図１１】
2012144070.tif 000013
【図１２】
2012144070.tif 000014
【図１３】
2012144070.tif 000015
【図１４】
2012144070.tif 000016
【図１５】
2012144070.tif 000017
【図１６】
2012144070.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成25年6月13日(2013.6.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
実施の形態３．
図４は、本発明の実施の形態３による半導体装置の基本構造を示す断面図、図５は封止樹脂、配線、および端子を取り除いて示す本発明の実施の形態３による半導体装置の基本構造の上面図である。図４および図５において、図１および図２と同一符号は、同一または相当する部分を示す。図４は図５のＡ−Ａ位置に相当する位置で切断した断面図であり、封止樹脂、配線および端子を含めて示している。図４および図５に示すように、本実施の形態３では、半導体素子基板４の周辺を囲むように、樹脂製の区画壁９を設けた。この区画壁９で区切られた内部を第一の封止樹脂１２０で覆っている。また第一の封止樹脂１２０および区画壁９の外部は、第二の封止樹脂１２１で覆っている。
【国際調査報告】
2012144070.tif 000019
2012144070.tif 000020
2012144070.tif 000021
2012144070.tif 000022