(57)【要約】  本発明は、半導体基板の表面側に形成された表面第１電極と、前記半導体基板の裏面側に形成された裏面電極とを備える１又は２以上の半導体チップが、前記裏面電極で放熱基板と金属接合されている半導体装置であって、前記半導体チップの表面部を封止する第１絶縁樹脂層と、前記半導体チップの側面部及び放熱基板表面を封止する第２絶縁樹脂層と、少なくとも前記第１絶縁樹脂層上に形成された表面第２電極と、及び前記第１絶縁樹脂層内を貫通し、前記表面第１電極と前記表面第２電極とを接続する１又は２以上の第１貫通ビアとを有することを特徴とする半導体装置、並びに、その製造方法である。本発明によれば、小型、薄型で、耐熱性及び放熱性に優れる半導体装置、並びに、この半導体装置を効率よく製造することができる半導体装置の製造方法が提供される。
2012133098.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の表面側に形成された表面第１電極と、前記半導体基板の裏面側に形成された裏面電極とを備える１又は２以上の半導体チップが、前記裏面電極で放熱基板と金属接合されている半導体装置であって、
前記半導体チップの表面部を封止する第１絶縁樹脂層と、
前記半導体チップの側面部及び放熱基板表面を封止する第２絶縁樹脂層と、
少なくとも前記第１絶縁樹脂層上に形成された表面第２電極と、及び
前記第１絶縁樹脂層内を貫通し、前記表面第１電極と前記表面第２電極とを接続する１又は２以上の第１貫通ビアと、
を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記放熱基板の表面積が前記半導体基板の表面積と等しいか、又はそれより大きいものであり、前記放熱基板が、前記半導体基板の裏面全体を覆うように前記裏面電極と金属接合されてなる請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記半導体チップを構成する半導体基板の厚みが４００μｍ以下である請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第２絶縁樹脂層内を貫通する１又は２以上の第２貫通ビアをさらに有する請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項５】
前記裏面電極と接続されている放熱基板上電極を前記放熱基板表面に有し、前記放熱基板上電極と前記表面第２電極が、前記第２貫通ビアにより接続されていることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第１絶縁樹脂層が、熱膨張率が２〜２１ｐｐｍ／℃の樹脂層を形成する絶縁性樹脂から構成され、前記第２絶縁樹脂層が、熱膨脹率が２〜５０ｐｐｍ／℃の樹脂層を形成する絶縁性樹脂から構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項７】
前記第１絶縁樹脂層が、ガラス転移温度３００℃以上である絶縁性樹脂から構成され、第２絶縁層樹脂が、ガラス転移温度が２４０℃以上である絶縁性樹脂から構成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項８】
前記第１絶縁樹脂層及び前記第２絶縁樹脂層が、ポリイミド樹脂、ポリベンズイミダゾール樹脂及びポリベンズオキサゾール樹脂からなる群から選ばれる一種又は二種以上の絶縁性樹脂から構成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項９】
前記第１貫通ビア及び／又は第２貫通ビアが、めっき法又は金属ポスト材を用いる金属接合法により形成されたものである、請求項１〜８のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項１０】
配線を有する絶縁性放熱シートを有し、その配線部が前記表面第２電極と金属接合されている請求項１〜９のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項１１】
リード電極を有し、そのリード電極が前記表面第２電極と金属接合されている請求項１〜１０のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項１２】
以下の工程１〜４をこの順で有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
（工程１）半導体基板の表面側に形成された表面第１電極と、前記半導体基板の裏面側に形成された裏面電極とを備える半導体チップと、
前記表面第１電極上に形成された１又は２以上の第１貫通ビア形成用金属ポストと、前記半導体チップの表面部及び前記第１貫通ビア形成用金属ポストを封止する第１絶縁樹脂層とを有する、１又は２以上の半導体チップ封止体を、
その裏面電極で放熱基板と金属接合する工程
（工程２）放熱基板と金属接合された前記半導体チップ封止体全体を覆うように、前記放熱基板表面に第２絶縁樹脂層形成用樹脂を塗布し、３００〜４５０℃で加熱して第２絶縁樹脂層を形成する工程
（工程３）前記第１絶縁樹脂層及び第２絶縁樹脂層表面を薄化処理して、第１絶縁樹脂層と第２絶縁樹脂層を平坦化し、貫通ビア形成用金属ポストの上面を露出させる工程
（工程４）少なくとも第１絶縁樹脂層表面上に、表面第２電極を形成する工程
【請求項１３】
前記半導体基板の厚みが４００μｍ以下である請求項１２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
工程４の後に、前記表面第２電極に、配線を有する絶縁性放熱シート、配線を有する絶縁性放熱基板および放熱機能を有するリード電極から選ばれる放熱用部品を、該放熱用部品の配線部又はリード電極部で金属接合する工程をさらに有する、請求項１２又は１３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
少なくとも工程２の前に、以下の工程ａ〜ｃを有する請求項１２〜１４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
（工程ａ）放熱基板表面にめっきレジスト膜を成膜し、前記放熱基板の所定部が露出するように、めっきレジスト膜に開口部を設ける工程
（工程ｂ）前記開口部内に金属を充填し、第２貫通ビア形成用金属ポストを形成する工程
（工程ｃ）めっきレジスト膜を除去する工程
【請求項１６】
少なくとも工程２の前に、放熱基板表面の所定位置に、第２貫通ビア形成用金属ポストを金属接合法により形成する工程を有する、請求項１２〜１４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
前記半導体チップ封止体が、以下の工程１．１〜１．５、１．７及び１．８をこの順で有する製造工程により得られたものである、請求項１２〜１６のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
（工程１．１）表面第１電極が形成された半導体基板の表面にめっきレジスト膜を成膜する工程
（工程１．２）前記表面第１電極の所定部が露出するように、めっきレジスト膜に開口部を設ける工程
（工程１．３）前記開口部に金属を充填し、第１貫通ビア形成用金属ポストを形成する工程
（工程１．４）めっきレジスト膜を除去する工程
（工程１．５）前記第１貫通ビア形成用金属ポストを覆うように、前記半導体基板表面に第１絶縁樹脂層形成用樹脂を塗布し、３００〜４５０℃で加熱して第１絶縁樹脂層を形成し、同時に前記金属ポストのアニール処理を行う工程
（工程１．７）前記半導体基板の裏面に裏面電極を形成する工程
（工程１．８）前記半導体基板をダイシングにより個片化する工程
【請求項１８】
前記（工程１．５）の後、（工程１．７）の前に、（工程１．６）前記半導体基板の裏面の薄板化処理により、半導体基板の厚みを４００μｍ以下にする工程を有する請求項１７に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１９】
前記半導体チップ封止体が、以下の工程１．９、１．１０、１．１２及び１．１３をこの順で有する製造工程により得られたものである、請求項１２〜１５のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
（工程１．９）表面第１電極が形成された半導体基板の前記表面第１電極上に、第１貫通ビア形成用金属ポストを金属接合法により形成する工程
（工程１．１０）前記第１貫通ビア形成用金属ポストを覆うように、前記半導体基板表面に第１絶縁樹脂層形成用樹脂を塗布し、３００〜４５０℃で加熱して第１絶縁樹脂層を形成する工程
（工程１．１２）前記半導体基板の裏面に裏面電極を形成する工程
（工程１．１３）前記半導体基板をダイシングにより個片化する工程
【請求項２０】
前記（工程１．１０）の後、工程（１．１２）の前に、（工程１．１１）前記半導体基板の裏面の薄板化処理により、半導体基板の厚みを４００μｍ以下にする工程を有する請求項１９に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、小型、薄型で、耐熱性及び放熱性に優れる半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＦＷＤ（Ｆｒｅｅ  Ｗｈｅｅｌ  Ｄｉｏｄｅ）等の半導体素子の複数個を同一のパッケージに収納してなるパワー半導体モジュールは、家電製品、産業用機器、自動車用機器、電鉄用機器等の種々の製品において電力を制御するために用いられる半導体装置である。
従来、パワー半導体モジュールにおいては、樹脂ケースを用いるパッケージ構造が主に採用されていた（特許文献１参照）。【０００３】
従来のパワー半導体モジュールの一例を示す模式図を図８に示す。
図８において、セラミックス基板の表面に銅パターンを接合してなるＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｂｏｎｄｅｄ  Ｃｏｐｐｅｒ）絶縁基板６０の一方の面上に、半導体素子６１がハンダ（図示を省略）で接合されている。半導体素子６１と外部導出端子６２は、ボンディングワイヤ６３又は銅パターン（図示を省略）で接続されている。ＤＢＣ絶縁基板６０のもう一方の面は、銅パターン（図示を省略）で放熱ベース６４に接合されている。ＤＢＣ絶縁基板６０やパワー半導体素子６１などは、樹脂ケース６５に収納され、必要に応じて内部に樹脂等（図示を省略）が充填され、樹脂製の蓋６６で覆われる。【０００４】
このようなパワー半導体モジュールには、大電流通電性、高放熱特性、耐熱性等の特性が要求される。また、近年においては、パワー半導体モジュールに対する要求性能は更に高まってきている。例えば、ハイブリッド自動車、太陽光発電システム、産業用モーター回路システム等に使用されるパワー半導体モジュールに関しては、高出力化が求められている。また、自動車のように部品の設置スペースに制約がある製品に使用されるパワー半導体モジュールに関しては、小型化、薄型化が求められている。【０００５】
パワー半導体モジュールの高出力化や小型化、薄型化を図るには、半導体素子（以下、「半導体チップ」ということがある。）から発生する熱の対策がこれまで以上に重要であり、パワー半導体モジュールの耐熱性や放熱特性をさらに高めることが求められている。  【０００６】
パワー半導体モジュールの耐熱性を高める方法としては、半導体チップの材料である半導体基板として、Ｓｉ基板に代えて、より耐熱性に優れ、高温作動が可能であるＳｉＣ（シリコンカーバイド）基板やＧａＮ（ガリウムナイトライド）基板を用いる方法が注目されてきている。また、これらの半導体基板の特性を生かすためには、パワー半導体モジュールに用いる樹脂材料は耐熱性に優れることが好ましい。
しかしながら、樹脂材料として、従来パワー半導体モジュールに広く使用されているシリコンゲル封止材は耐熱性が低く、酸素存在下、２００℃付近で分解するおそれがあった。また、無機フィラーを添加した高耐熱性エポキシ樹脂が耐熱性に優れる樹脂として知られているが、無機フィラーを添加して用いると、樹脂溶融粘度が高くなるため樹脂流動性が低下し、ボイド、配線断絶等を発生させるおそれがあった。【０００７】
一方、パワー半導体モジュールの放熱特性の向上や小型化・薄型化を図る方策として、近年、新たな構造の半導体モジュールが提案されている。
例えば、特許文献２には、半導体チップの上下に、裏面金属層を有する絶縁基板をそれぞれ有し、さらに、それぞれの絶縁基板の裏面には放熱板、ヒートシンク及びヒートパイプ等の放熱構造体を有するパワー半導体モジュールが開示されている。この構造を有するパワー半導体モジュールにおいては、上下から半導体チップを冷却することができる。
しかしながら、この文献に記載のパワー半導体モジュールにおいては、２枚の放熱板の間を封止する樹脂として硬いエポキシ系樹脂が用いられるため、樹脂流動性が低下して、ボイドや配線断絶等を発生させるおそれがあった。【０００８】
また、特許文献２には、配線やチップにかかる応力を緩和するために、ポリイミド系樹脂、ポリアミドイミド系樹脂等の柔軟な樹脂でこれらの部品の表面にパッシベーション膜を形成してもよいことも記載されているが、この場合には次のような問題があった。
すなわち、溶剤可溶性のポリイミド樹脂やポリアミドイミド樹脂を使用する場合、樹脂の熱膨脹率が大きく、樹脂と半導体チップ表面との間に熱応力差が生じ、界面の剥離、封止体内部のクラックや劣化を生じさせるおそれがあった。
また、パワー半導体モジュールの小型化という観点からは、特許文献２に記載のパワー半導体モジュールは十分とはいえなかった。【０００９】
一方、熱硬化型のポリイミド樹脂やポリアミドイミド樹脂を使用する場合、これらの樹脂の硬化温度が高いため、部品の表面にパッシベーション膜を形成するためには、対象物には耐熱性が求められていた。また、樹脂硬化時に残留応力が発生するという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平８−２１３５４７号公報
【特許文献２】特開２００８−１２４４３０号公報（ＵＳ２００８／０２２４３０３Ａ１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述のように、次世代パワー半導体モジュールとして、耐熱性に優れる半導体基板を用いる半導体チップを使用し、両面放熱構造を有するパワー半導体モジュールが注目されているが、小型、薄型で、耐熱性及び放熱性に優れるパワー半導体モジュールを得るためにはさらなる検討が必要な状況にあった。【００１２】
本発明は、上述した実情に鑑みてなされたものであって、小型、薄型で、耐熱性及び放熱性に優れる半導体装置、並びに、この半導体装置を効率よく製造することができる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意研究した結果、半導体基板の表面側に形成された表面第１電極と、前記半導体基板の裏面側に形成された裏面電極とを備える１又は２以上の半導体チップが、前記裏面電極で放熱基板と金属接合されている半導体装置であって、前記半導体チップの表面部を封止する第１絶縁樹脂層と、前記半導体チップの側面部及び放熱基板表面を封止する第２絶縁樹脂層と、少なくとも前記第１絶縁樹脂層上に形成された表面第２電極と、及び前記第１絶縁樹脂層内を貫通し、前記表面第１電極と前記表面第２電極とを接続する１又は２以上の第１貫通ビアとを有する半導体装置は、小型、薄型で、耐熱性及び放熱性に優れることを見出し、本発明を完成するに至った。【００１４】
かくして本発明の第１によれば、下記（１）〜（１１）の半導体装置が提供される。
（１）半導体基板の表面側に形成された表面第１電極と、前記半導体基板の裏面側に形成された裏面電極とを備える１又は２以上の半導体チップが、前記裏面電極で放熱基板と金属接合されている半導体装置であって、
前記半導体チップの表面部を封止する第１絶縁樹脂層と、
前記半導体チップの側面部及び放熱基板表面を封止する第２絶縁樹脂層と、
少なくとも前記第１絶縁樹脂層上に形成された表面第２電極と、及び
前記第１絶縁樹脂層内を貫通し、前記表面第１電極と前記表面第２電極とを接続する１又は２以上の第１貫通ビアと、
を有することを特徴とする半導体装置。
（２）前記放熱基板の表面積が前記半導体基板の表面積と等しいか、又はそれより大きいものであり、前記放熱基板が、前記半導体基板の裏面全体を覆うように前記裏面電極と金属接合されてなる（１）に記載の半導体装置。
（３）前記半導体チップを構成する半導体基板の厚みが４００μｍ以下である（１）又は（２）に記載の半導体装置。【００１５】
（４）前記第２絶縁樹脂層内を貫通する１又は２以上の第２貫通ビアをさらに有する（１）〜（３）のいずれかに記載の半導体装置。
（５）前記裏面電極と接続されている放熱基板上電極を前記放熱基板表面に有し、前記放熱基板上電極と前記表面第２電極が、前記第２貫通ビアにより接続されていることを特徴とする（４）に記載の半導体装置。
（６）前記第１絶縁樹脂層が、熱膨張率が２〜２１ｐｐｍ／℃の樹脂層を形成する絶縁性樹脂から構成され、第２絶縁樹脂層が、熱膨脹率が２〜５０ｐｐｍ／℃の樹脂層を形成する絶縁性樹脂から構成されていることを特徴とする（１）〜（５）のいずれかに記載の半導体装置。【００１６】
（７）前記第１絶縁樹脂層が、ガラス転移温度が３００℃以上である絶縁性樹脂から構成され、前記第２絶縁樹脂層が、ガラス転移温度が２４０℃以上である絶縁性樹脂から構成されていることを特徴とする（１）〜（６）のいずれかに記載の半導体装置。
（８）前記第１絶縁樹脂層及び前記第２絶縁樹脂層が、ポリイミド樹脂、ポリベンズイミダゾール樹脂及びポリベンズオキサゾール樹脂からなる群から選ばれる一種又は二種以上の絶縁性樹脂から構成されていることを特徴とする（１）〜（７）のいずれかに記載の半導体装置。
（９）前記第１貫通ビア及び／又は第２貫通ビアが、めっき法又は金属ポスト材を用いる金属接合法により形成されたものである、（１）〜（８）のいずれかに記載の半導体装置。【００１７】
（１０）配線を有する絶縁性放熱シートを有し、その配線部が前記表面第２電極と金属接合されている（１）〜（９）のいずれかに記載の半導体装置。
（１１）リード電極を有し、そのリード電極が前記表面第２電極と金属接合されている（１）〜（１０）のいずれかに記載の半導体装置。【００１８】
本発明の第２によれば、下記（１２）〜（２０）の半導体装置の製造方法が提供される。
（１２）以下の工程１〜４をこの順で有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
（工程１）半導体基板の表面側に形成された表面第１電極と、前記半導体基板の裏面側に形成された裏面電極とを備える半導体チップと、
前記表面第１電極上に形成された１又は２以上の第１貫通ビア形成用金属ポストと、前記半導体チップの表面部及び前記第１貫通ビア形成用金属ポストを封止する第１絶縁樹脂層とを有する、１又は２以上の半導体チップ封止体を、
その裏面電極で放熱基板と金属接合する工程
（工程２）放熱基板と金属接合された前記半導体チップ封止体全体を覆うように、前記放熱基板表面に第２絶縁樹脂層形成用樹脂を塗布し、３００〜４５０℃で加熱して第２絶縁樹脂層を形成する工程
（工程３）前記第１絶縁樹脂層及び第２絶縁樹脂層表面を薄化処理して、第１絶縁樹脂層と第２絶縁樹脂層を平坦化し、貫通ビア形成用金属ポストの上面を露出させる工程
（工程４）少なくとも第１絶縁樹脂層表面上に、表面第２電極を形成する工程
（１３）前記半導体基板の厚みが４００μｍ以下である（１２）に記載の半導体装置の製造方法。
（１４）工程４の後に、前記表面第２電極に、配線を有する絶縁性放熱シート、配線を有する絶縁性放熱基板および放熱機能を有するリード電極から選ばれる放熱用部品を、該放熱用部品の配線部又はリード電極部で金属接合する工程をさらに有する、（１２）又は（１３）に記載の半導体装置の製造方法。【００１９】
（１５）少なくとも工程２の前に、以下の工程ａ〜ｃを有する（１２）〜（１４）のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
（工程ａ）放熱基板表面にめっきレジスト膜を成膜し、前記放熱基板の所定部が露出するように、めっきレジスト膜に開口部を設ける工程
（工程ｂ）前記開口部内に金属を充填し、第２貫通ビア形成用金属ポストを形成する工程
（工程ｃ）めっきレジスト膜を除去する工程
（１６）少なくとも工程２の前に、放熱基板表面の所定位置に、第２貫通ビア形成用金属ポストを金属接合法により形成する工程を有する、（１２）〜（１４）のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。【００２０】
（１７）前記半導体チップ封止体が、以下の工程１．１〜１．５、１．７及び１．８をこの順で有する製造工程により得られたものである、（１２）〜（１６）のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
（工程１．１）表面第１電極が形成された半導体基板の表面にめっきレジスト膜を成膜する工程
（工程１．２）前記表面第１電極の所定部が露出するように、めっきレジスト膜に開口部を設ける工程
（工程１．３）前記開口部に金属を充填し、第１貫通ビア形成用金属ポストを形成する工程
（工程１．４）めっきレジスト膜を除去する工程
（工程１．５）前記第１貫通ビア形成用金属ポストを覆うように、前記半導体基板表面に第１絶縁樹脂層形成用樹脂を塗布し、３００〜４５０℃で加熱して第１絶縁樹脂層を形成し、同時に前記金属ポストのアニール処理を行う工程
（工程１．７）前記半導体基板の裏面に裏面電極を形成する工程
（工程１．８）前記半導体基板をダイシングにより個片化する工程
（１８）前記（工程１．５）の後、（工程１．７）の前に、（工程１．６）前記半導体基板の裏面の薄板化処理により、半導体基板の厚みを４００μｍ以下にする工程を有する（１７）に記載の半導体装置の製造方法。【００２１】
（１９）前記半導体チップ封止体が、以下の工程１．９、１．１０、１．１２及び１．１３をこの順で有する製造工程により得られたものである、（１２）〜（１５）のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
（工程１．９）表面第１電極が形成された半導体基板の前記表面第１電極上に、第１貫通ビア形成用金属ポストを金属接合法により形成する工程
（工程１．１０）前記第１貫通ビア形成用金属ポストを覆うように、前記半導体基板表面に第１絶縁樹脂層形成用樹脂を塗布し、３００〜４５０℃で加熱して第１絶縁樹脂層を形成する工程
（工程１．１２）前記半導体基板の裏面に裏面電極を形成する工程
（工程１．１３）前記半導体基板をダイシングにより個片化する工程
（２０）前記（工程１．１０）の後、（工程１．１２）の前に、（工程１．１１）前記半導体基板の裏面の薄板化処理により、半導体基板の厚みを４００μｍ以下にする工程を有する（１９）に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の半導体装置は、小型、薄型で、耐熱性及び放熱性に優れる。
本発明の製造方法によれば、小型、薄型で、耐熱性及び放熱性に優れる半導体装置を効率よく製造することができる。本発明の製造方法は、本発明の半導体装置の製造方法として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明のパワー半導体モジュール１００Ａの模式的な断面図である。
【図２】本発明のパワー半導体モジュール１００Ｂの模式的な断面図である。
【図３】本発明のパワー半導体モジュール１００Ｃの模式的な断面図である。
【図４】本発明のパワー半導体モジュール１００Ｄの模式的な断面図である。
【図５】本発明のパワー半導体モジュール１００Ｅの模式的な断面図である。
【図６】本発明のパワー半導体モジュール１００Ｅの製造工程図である。
【図７】半導体チップの製造工程図である。
【図８】従来のパワー半導体モジュールの模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明を、１）半導体装置、及び、２）半導体装置の製造方法に項分けして説明する。
１）半導体装置
本発明の半導体装置は、半導体基板の表面側に形成された表面第１電極と、前記半導体基板の裏面側に形成された裏面電極とを備える１又は２以上の半導体チップが、前記裏面電極で放熱基板と金属接合されている半導体装置であって、前記半導体チップの表面部を封止する第１絶縁樹脂層と、前記半導体チップの側面部及び放熱基板表面を封止する第２絶縁樹脂層と、少なくとも前記第１絶縁樹脂層上に形成された表面第２電極と、及び前記第１絶縁樹脂層内を貫通し、前記表面第１電極と前記表面第２電極とを接続する１又は２以上の第１貫通ビアとを有することを特徴とする。
【００２５】
なお、本明細書において、「金属接合」とは、高温（通常３００℃以上、好ましくは４００℃以上）条件下においても接合部位の溶融破断が起きない耐熱金属接合をいう。金属接合の方法としては、ナノ金粒子、ナノ銀粒子、ナノ銅粒子等のナノ金属粒子により直接接合する方法、耐熱温度３００℃以上の高耐熱ハンダにより接合する方法、高周波接合により金属同士を接合する方法等が挙げられる。
【００２６】
以下、本発明の半導体装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。
本発明の半導体装置（パワー半導体モジュール）の模式的な断面図を図１〜図５に示す。
図１に示すパワー半導体モジュール１００Ａは、半導体基板２００と、該半導体基板２００の表面側に形成された表面第１電極３５と、及び、前記半導体基板２００の裏面側に裏面電極３２とを備える半導体チップが、裏面電極３２で放熱基板１４に金属接合された構造を有する。
また、前記半導体チップの表面部は第１絶縁樹脂層２０で封止され、半導体チップの側面部及び放熱基板１４は第２絶縁樹脂層２１で封止されている。
【００２７】
半導体チップとしては、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ＦＷＤ等のパワー半導体チップが挙げられる。半導体チップの裏面電極３２としては、例えば、半導体チップがＩＧＢＴである場合、ＩＧＢＴのコレクタ電極等が挙げられ、表面第１電極３５としては、ＩＧＢＴのエミッタ電極等が挙げられる。
【００２８】
半導体基板２００としては、Ｓｉ（シリコン）基板、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）基板、ＧａＮ（ガリウムナイトライド）基板等が挙げられ、耐熱性の観点からは、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）基板、ＧａＮ（ガリウムナイトライド）基板が好ましい。半導体基板２００の厚みは、通常６００μｍ以下、好ましくは４００μｍ以下、より好ましくは３０μｍ〜４００μｍである。厚みが４００μｍ以下であることで、変換効率に優れた薄型の半導体装置が得られる。
【００２９】
表面第２電極３６は、第１絶縁樹脂層２０の表面に形成され、第１貫通ビア３４を介して表面第１電極３５と接続されている。表面第２電極３６は放熱機能も兼ね備えており、その面積は、最大で放熱基板１４の面積と同等の大きさまで拡大することができる。したがって、本発明の半導体装置は設計の自由度が高い。このように、表面第２電極３６と第１貫通ビア３４を利用する構造を採用することで薄型化が達成され、また、放熱基板１４と表面第２電極３６とからなる両面放熱構造を有することで、高い放熱性が達成される。
【００３０】
放熱基板１４としては、ＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｂｏｎｄｅｄ  Ｃｏｐｐｅｒ）基板、ＡＭＣ（Ａｃｔｉｖｅ  Ｍｅｔａｌ  Ｂｒａｚｅｄ  Ｃｏｐｐｅｒ）基板等の銅貼り基板が挙げられる。図１に示すパワー半導体モジュール１００Ａは、放熱基板として、セラミックス基板１４ｂの両面に銅パターン１４ａが接合された構造のＤＢＣ基板１４を使用した例である。
【００３１】
放熱基板１４の表面積は、放熱性の観点から、半導体チップを構成する半層体基板２００の表面積と等しいか、これよりも大きいことが好ましい。
また、同様の理由から、放熱基板１４は半導体基板２００の裏面全体を覆うように前記半導体チップの裏面電極３２で金属接合されることが好ましい。
【００３２】
パワー半導体モジュール１００Ａにおいて、第１貫通ビア３４の設置断面積の合計は、表面第１電極３５の断面積に対して、２０％以上が好ましく、２０〜５０％がより好ましく、２５〜３５％がさらに好ましい。第１貫通ビア３４の設置断面積の合計が表面第１電極３５の断面積に対して２０％以上であることで、十分な導電性を得ることができる。また、表面第１電極表面で発生する熱を表面第２電極面に効率よく伝達することができ、デバイス表面の温度上昇による変換効率の低下や、熱応力発生による半導体チップの劣化を抑制することができる。一方、第１貫通ビア３４の設置断面積の合計が５０％以下であることで、貫通ビアの形成にかかるコストを抑えることができる。
第１貫通ビア３４は、例えば、めっき法又は金属ポスト材を用いる金属接合法により形成することができる。
【００３３】
パワー半導体モジュール１００Ａにおいて、半導体チップの表面部は第１絶縁樹脂層２０により封止され、半導体チップの側面部及び放熱基板１４の表面は、第２絶縁樹脂層２１により封止されている。
【００３４】
第１絶縁樹脂層２０及び第２絶縁樹脂層２１を構成する絶縁性樹脂の弾性率は２〜８ＧＰａが好ましい。後述するように、これらの絶縁樹脂層に対して、薄化処理が行われるが、このとき、弾性率が８ＧＰａを越えると樹脂が硬く脆くなり、切削時に表面荒れを起こすおそれがある。一方、弾性率が２ＧＰａを下回ると切削時に樹脂が伸びやすくなり、加工速度が低下するおそれや、綺麗な加工がしにくくなるおそれがある。
【００３５】
また、第１絶縁樹脂層２０及び第２絶縁樹脂層２１を構成する絶縁性樹脂は、前者で熱膨張率が２〜２１ｐｐｍ／℃の樹脂層を形成する絶縁性樹脂であることが、後者で熱膨脹率が２〜５０ｐｐｍ／℃の樹脂層を形成する絶縁性樹脂であることが、好ましい。第１絶縁樹脂層２０及び第２絶縁樹脂層２１を構成する絶縁性樹脂はいずれも、熱膨張率が２〜２１ｐｐｍ／℃の樹脂層を形成する絶縁性樹脂であるのが、より好ましい。
すなわち、第１絶縁樹脂層２０は半導体チップの上部を封止するものであることから、第１絶縁樹脂層２０の熱膨張率は、半導体チップを構成する半導体基板２００の熱膨張率に近い値であることが好ましい。例えば、半導体基板としてＳｉＣ基板を用いる場合は、第１絶縁樹脂層２０の熱膨脹率は、２〜８ｐｐｍ／℃が好ましく、４〜６ｐｐｍ／℃がより好ましい。
第１絶縁樹脂層２０の熱膨張率を半導体基板材料の熱膨脹率に合わせることで、第１絶縁樹脂層２０が設けられた半導体チップを放熱基板１４に金属接合する際に、前記半導体チップの反りを抑制することができる。また、半導体装置の使用時に半導体チップが発熱しても、半導体チップと第１絶縁樹脂層２０間の熱応力差が低減され、接合面、封止面での剥離等の問題が解消される。
【００３６】
第２絶縁樹脂層２１は放熱基板１４の上部を封止するものであることから、第２絶縁樹脂層２１の熱膨張率は、放熱基板１４の熱膨脹率に近い値であることが好ましい。例えば、放熱基板１４の主骨格セラミックス部位の熱膨脹率は通常８ｐｐｍ／℃程度であることから、このような放熱基板を用いる場合は、第２絶縁樹脂層２１は、熱膨脹率が８〜１７ｐｐｍ／℃の樹脂層を形成する絶縁性樹脂から構成されることが好ましい。
第２絶縁樹脂層２１の熱膨張率を放熱基板１４の熱膨張率に合わせることで、第２絶縁樹脂層２１と放熱基板１４間の熱応力差が低減される。
【００３７】
また、第２絶縁樹脂層２１に上部放熱シートや放熱機能を有するリード電極を接合する場合、これらの材料の熱膨張率に合わせて第２絶縁樹脂層２１の熱膨張率を調節することが好ましい。より具体的には、前記放熱機構の材料が銅やアルミニウムの場合は、第２絶縁樹脂層２１の熱膨張率を、それぞれ１６．３ｐｐｍ／℃付近、２１ｐｐｍ／℃付近に合わせることが好ましい。
【００３８】
第１絶縁樹脂層２０と第２絶縁樹脂層２１を同一の樹脂で形成してもよい。このようにすることで、樹脂界面剥離を大幅に抑制することができる。
【００３９】
第１絶縁樹脂層２０や第２絶縁樹脂層２１を構成する絶縁性樹脂としては、例えば、ポリイミド樹脂、ポリベンズイミダゾール樹脂及びポリベンズオキサゾール樹脂等が挙げられる。これらの樹脂は一種単独で、あるいは二種以上を組み合わせて用いることができる。これらの中でもポリイミド樹脂が好ましい。
【００４０】
上記の熱膨張率を有するポリイミドを合成する方法としては、剛直構造の芳香族テトラカルボン酸又はその酸無水物と剛直構造芳香族ジアミンとを重縮合させることによってポリアミド酸を合成し、次いで熱イミド化、化学イミド化等の手法でポリイミド樹脂に変換する方法が挙げられる。また、熱膨脹率の制御は、柔軟構造の芳香族テトラカルボン酸又はその酸無水物、柔軟構造の芳香族ジアミンを必要に応じで共重合することで達成できる。
ここで、「剛直構造」とは、運動性が低く、自身では湾曲できない、棒状の剛直鎖を形成していることを意味し、柔軟構造とは、前記剛直構造ではないことを意味する。
【００４１】
剛直構造の芳香族テトラカルボン酸等としては、例えば、ピロメリット酸二無水物、３，３’，４，４’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、ベンゼン−１，２，３，４−テトラカルボン酸二無水物、２，２’，３，３’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、２，３，３’，４’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、ナフタレン−２，３，６，７−テトラカルボン酸二無水物、ナフタレン−１，２，５，６−テトラカルボン酸二無水物、ナフタレン−１，２，４，５−テトラカルボン酸二無水物、ナフタレン−１，２，５，８−テトラカルボン酸二無水物、ナフタレン−１，２，６，７−テトラカルボン酸二無水物、４，８−ジメチル−１，２，３，５，６，７−ヘキサヒドロナフタレン−１，２，５，６−テトラカルボン酸二無水物、４，８−ジメチル−１，２，３，５，６，７−ヘキサヒドロナフタレン−２，３，６，７−テトラカルボン酸二無水物、２，６−ジクロロナフタレン−１，４，５，８−テトラカルボン酸二無水物、２，７−ジクロロナフタレン−１，４，５，８−テトラカルボン酸二無水物、２，３，６，７−テトラクロロナフタレン−１，４，５，８−テトラカルボン酸二無水物、１，４，５，８−テトラクロロナフタレン−２，３，６，７−テトラカルボン酸二無水物、３，３’，４，４’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、２，２’，３，３’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、２，３，３’，４’−ジフェニルテトラカルボン酸二無水物、２，３”，４，４”−ｐ−テルフェニルテトラカルボン酸二無水物、２，２”，３，３”−ｐ−テルフェニルテトラカルボン酸二無水物、２，３，３”，４”−ｐ−テルフェニルテトラカルボン酸二無水物、２，２−ビス（２，３−ジカルボキシフェニル）−プロパン二無水物、２，２−ビス（３，４−ジカルボキシフェニル）−プロパン二無水物、ビス（２，３−ジカルボキシフェニル）エーテル二無水物、ビス（３，４−ジカルボキシフェニル）エーテル二無水物、ビス（２，３−ジカルボキシフェニル）メタン二無水物、ビス（３，４−ジカルボキシフェニル）メタン二無水物、ビス（２，３−ジカルボキシフェニル）スルホン二無水物、ビス（３，４−ジカルボキシフェニル）スルホン二無水物、１，１−ビス（２，３−ジカルボキシフェニル）エタン二無水物、１，１−ビス（３，４−ジカルボキシフェニル）エタン二無水物、ペリレン−２，３，８，９−テトラカルボン酸二無水物、ペリレン−３，４，９，１０−テトラカルボン酸二無水物、ペリレン−４，５，１０，１１−テトラカルボン酸二無水物、ペリレン−５，６，１１，１２−テトラカルボン酸二無水物、フェナンスレン−１，２，７，８−テトラカルボン酸二無水物、フェナンスレン−１，２，６，７−テトラカルボン酸二無水物、フェナンスレン−１，２，９，１０−テトラカルボン酸二無水物等の芳香族テトラカルボン酸二無水物及びその水添加物；シクロペンタン−１，２，３，４−テトラカルボン酸二無水物、シクロブタンテトラカルボン酸二無水物、ビシクロ［２，２，２］オクタ−７−エン−２−エキソ，３−エキソ，５−エキソ，６−エキソテトラカルボン酸２，３：５，６−二無水物、ビシクロ［２，２，１］ヘプタン−２−エキソ，３−エキソ，５−エキソ，６−エキソテトラカルボン酸２，３：５，６−二無水物等の脂環式酸二無水物；ピラジン−２，３，５，６−テトラカルボン酸二無水物、ピロリジン−２，３，４，５−テトラカルボン酸二無水物、チオフェン−２，３，４，５−テトラカルボン酸二無水物等の複素環誘導体酸二無水物；これらに対応するテトラカルボン酸等が挙げられる。
【００４２】
これらの中でも、熱膨張率と残留応力が小さく、銅基板等との密着性に優れる膜をより簡便に得られることから、本発明においては、剛直構造の芳香族テトラカルボン酸等として、ピロメリット酸、ピロメリット酸二無水物（ＰＭＤＡ）、ビフェニルテトラカルボン酸、及びビフェニルテトラカルボン酸二無水物（ｓ−ＢＰＤＡ）からなる群より選ばれる少なくとも１種を使用することが好ましい。
【００４３】
剛直構造の芳香族ジアミンとしては、例えば、４，４′−ジアミノベンズアニリド、４，４’−ジアミノ−２，２’−ジトリフルオロメチルビフェニル、２，２’−ジ（ｐ−アミノフェニル）−５，５’−ビスベンゾオキサゾール、２，２’−ジ（ｐ−アミノフェニル）−６，６’−ビスベンゾオキサゾール、２，２’−ジ（ｐ−アミノフェニル）−５，５’−ビスベンズイミダゾール、３，６−（４−アミノフェニル）ピリダジン、４，４’−ジアミノベンズアニリド、ｐ−フェニレンジアミン（ＰＰＤＡ）、４，４’−ジアミノビフェニル、ｍ−フェニレンジアミン、１−イソプロピル−２，４−フェニレンジアミン、ｐ−フェニレンジアミン、４，４’−ジアミノジフェニルスルフィド、３，３’−ジアミノジフェニルスルフィド、４，４’−ジアミノジフェニルスルホン、３，３’−ジアミノジフェニルスルホン、４，４’−ジアミノジフェニルエーテル、３，３’−ジアミノジフェニルエーテル、１，４−ビス（４−アミノフェノキシ）ベンゼン、ベンジジン、４，４”−ジアミノ−ｐ−テルフェニル、３，３”−ジアミノ−ｐ−テルフェニル、ビス（ｐ−アミノシクロヘキシル）メテン、ビス（ｐ−β−アミノ−ｔ−ブチルフェニル）エーテル、ビス（ｐ−β−メチル−δ−アミノペンチル）ベンゼン、ｐ−ビス（２−メチル−４−アミノペンチル）ベンゼン、ｐ−ビス（１，１−ジメチル−５−アミノペンチル）ベンゼン、１，５−ジアミノナフタレン、２，６−ジアミノナフタレン、２，４−ビス（β−アミノ−ｔ−ブチル）トルエン、２，４−ジアミノトルエン、ｍ−キシレン−２，５−ジアミン、ｐ−キシレン−２，５−ジアミン、ｍ−キシリレンジアミン、ｐ−キシリレンジアミン等が挙げられる。
【００４４】
これらの中でも、２，２’−ジ（ｐ−アミノフェニル）−５，５’−ビスベンゾオキサゾール（略称＝ＮＰＮ）、２，２’−ジ（ｐ−アミノフェニル）−６，６’−ビスベンゾオキサゾール（略称＝ＯＰＯ）、２，２’−ジ（ｐ−アミノフェニル）−５，５’−ビスベンズイミダゾール、３，６−（ｐ−アミノフェニル）ピリダジン（略称＝ＤＡＰＰＺ）、４，４’−ジアミノベンズアニリド（略称＝ＤＡＢＡ）が好ましい。
【００４５】
熱膨脹率を制御するために用いられる、柔軟構造の芳香族テトラカルボン酸又はその酸無水物としては、例えば、３，３’，４，４’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物（ＢＴＤＡ）等の２つ以上の芳香族環が、カルボニル基（＞Ｃ＝Ｏ）や酸素原子（−Ｏ−）により結合した構造を有する芳香族テトラカルボン酸等が挙げられる。
【００４６】
柔軟構造ジアミンとしては、例えば、２，５−ビス（ｐ−アミノベンゾイル）チオフェン）等の主鎖のヘテロ環に結合する置換基の結合位置がオルト位やメタ位となる構造を含有するジアミン；オキシジアニリン等の主鎖にエーテル構造を含有するジアミン；１，３−ジアミノプロピル−１，１，３，３−テトラメチルジシロキサン等の主鎖にシロキサン構造を有するジアミン等が挙げられる。
そのほかの柔軟構造ジアミンの具体例としては、４，４’−ジアミノジフェニルプロパン、３，３’−ジアミノジフェニルプロパン、４，４’−ジアミノジフェニルエタン、３，３’−ジアミノジフェニルエタン、４，４’−ジアミノジフェニルメタン、及び３，３’−ジアミノジフェニルメタンなどが挙げられる。
【００４７】
また、第１絶縁樹脂層２０を構成する絶縁性樹脂のガラス転移温度が３００℃以上であり、第２絶縁樹脂層２１を構成する絶縁性樹脂のガラス転移温度が２４０℃以上である樹脂であることが好ましい。このような絶縁性樹脂を使用することで、耐熱性に優れる半導体装置を得ることができる。
【００４８】
第１絶縁樹脂層や第２絶縁樹脂層を形成する際に用いられるポリイミド樹脂の製造例を示す。
１．シリコン上の熱膨脹率に合わせたポリイミド樹脂の合成
反応器に、２，２’−ジ（ｐ−アミノフェニル）−６，６’−ビスベンゾオキサゾール２７．２８ｇ（０．０６５２モル）、１，３−ジアミノプロピル−１，１，３，３−テトラメチルジシロキサン０．５ｇ（０．００２モル）、並びに溶剤として、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド１００ｇ、及びＮ−メチル−２−ピロリドン１００ｇを投入し、混合溶液とした。この溶液に、氷冷攪拌下、３，３’−４，４’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物２０．６ｇ（０．０７モル）を粉体のまま加え、氷冷下で２時間攪拌した。さらに室温で２時間攪拌した後、５−アミノテトラゾール（０．００５６モル）を加え、室温で２４時間攪拌してポリアミド酸ワニスを得た。このワニスをシリコン基板上に塗工後、最終キュア温度４００℃、１時間で製膜した膜の熱膨脹率は４．５ｐｐｍ／℃、ガラス転移温度（Ｔｇ）は４００℃以上であった。
この膜はシリコン基板と強い密着性を示すことから、シリコン半導体基板を用いる場合、この樹脂は第１絶縁樹脂層の形成用樹脂として特に有用である。
【００４９】
２．放熱基板（銅基板）と熱膨脹率を合わせたポリイミド樹脂の合成
反応器に、２，２’−ジ（ｐ−アミノフェニル）−６，６’−ビスベンゾオキサゾール２０．２５ｇ（０．０４８モル）、２，５−ビス（４−アミノベンゾイル）チオフェン６．０６ｇ（０．０１８８モル）、並びに溶剤として、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド１００ｇ、及びＮ−メチル−２−ピロリドン１００ｇを投入し、混合溶液とした。この溶液に、氷冷攪拌下、３，３’−４，４’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物２０．６ｇ（０．０７モル）を粉体のまま加え、氷冷下で２時間攪拌した。さらに室温で２時間攪拌した後、５−アミノテトラゾール０．４７６ｇ（０．００５６モル）を加え、室温で２４時間攪拌してポリアミド酸ワニスを得た。このワニスを銅基板上に塗工後、最終キュア温度３５０℃、１時間で製膜した膜の熱膨脹率は１４．７ｐｐｍ／℃、ガラス転移温度（Ｔｇ）は３５０℃以上であった。この膜は放熱基板（銅基板）と強い密着性を示すことから、後述するパワー半導体モジュール１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｅ等において、この樹脂は第２絶縁樹脂層の形成用樹脂として有用である。
【００５０】
３．放熱基板（銅基板）と熱膨脹率を合わせたポリイミド樹脂の合成
反応器に、２，２’−ジ（ｐ−アミノフェニル）−６，６’−ビスベンゾオキサゾール２５．８７ｇ（０．０６１８モル）、２，５−ビス（４−アミノベンゾイル）チオフェン０．８６６ｇ（０．００２７モル）、並びに溶剤として、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド１００ｇ、及びＮ−メチル−２−ピロリドン１００ｇを投入し、混合溶液とした。この溶液に、氷冷攪拌下、ピロメリット酸二無水物１５．３ｇ（０．０７モル）を粉体のまま加え、氷冷下で２時間攪拌した。さらに室温で２時間攪拌した後、５−アミノテトラゾール０．４７６（０．００５６モル）を加え、室温下２４時間攪拌してポリアミド酸ワニスを得た。このワニスを銅基板上に塗工後、最終キュア温度３５０℃、１時間で製膜した膜の熱膨脹率は８．２ｐｐｍ／℃、ガラス転移温度（Ｔｇ）は３５０℃以上であった。この膜は銅基板と強い密着性を示すことから、後述するパワー半導体モジュール１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｅ等において、この樹脂は第２絶縁樹脂層の形成用樹脂として有用である。
【００５１】
上記パワー半導体１００Ａで説明した、半導体チップ、半導体基板、第１絶縁樹脂層、第２絶縁樹脂層等については、後述するパワー半導体モジュール１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ、及び１００Ｅについても同様である。
【００５２】
本発明の半導体装置のうち、半導体チップが２個以上実装されたパワー半導体モジュールの一例を図２に示す。図２中、（ａ）はパワー半導体モジュール１００Ｂを上から見た模式図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるＸ−Ｙの断面を横から見た模式図である。
【００５３】
図２に示すパワー半導体モジュール１００Ｂは、放熱基板１４に、３つのパワー半導体チップが、それぞれの裏面電極３２で放熱基板１４の配線メタル部位（図示を省略）と金属接合された構造を有している。また、パワー半導体チップは、半導体基板２００、表面第１電極３５、裏面電極３２を有し、それらが第１絶縁樹脂層により封止されており、表面第１電極３５が、第１絶縁樹脂層中に形成された第１貫通ビア３４を介して、表面第２電極３６と接続されている。
【００５４】
このパワー半導体モジュール１００Ｂにおいては、放熱基板１４の面に対して３つの素子を封止した第２絶縁樹脂層２１上部までの厚みが均一になることが好ましい。この結果、表面第１電極と表面第２電極は平行になる。この形状を達成する方法としては、後述するように切削法が優れている。
【００５５】
下部熱拡散伝導基板等の放熱機構を有するパワー半導体モジュールの一例を示す模式図を図３に示す。
図３に示すパワー半導体モジュール１００Ｃは、放熱基板１４が下部熱拡散伝導基板１５に接合された構造を有している。従って、半導体チップで発生した熱は、放熱基板１４の下部から効率よく放熱される。
【００５６】
下部熱拡散伝導基板及び上部放熱シート等の放熱機構を有するパワー半導体モジュールの一例の模式図を図４に示す。
図４に示すパワー半導体モジュール１００Ｄは、放熱基板１４が下部熱拡散伝導基板１５に接合され、表面第２電極引き出し配線３８と接合され、該表面第２電極引き出し配線３８と表面第２電極とが金属接合された構造を有している。
図４に示すパワー半導体モジュール１００Ｄにおいては、半導体チップで発生した熱は、放熱基板１４の下部から効率よく放熱される。加えて、半導体チップで発生した熱が、パワー半導体モジュール１００Ｄの上部からも効率よく放熱される。
【００５７】
下部熱拡散伝導基板及び上部放熱シート等の放熱機構を有するパワー半導体モジュールの別の例の模式図を図５に示す。
図５に示すパワー半導体モジュール１００Ｅは、（ｉ）放熱基板１４が下部熱拡散伝導基板１５に接合され、さらに、上部放熱シート１６が表面第２電極引き出し配線３８と接合され、（ｉｉ）該表面第２電極引き出し配線３８は表面第２電極と金属接合され、さらに、（ｉｉｉ）裏面電極３２と接続されている放熱基板上電極１７を放熱基板１４の表面に設け、この放熱基板上電極１７と表面第２電極３７とは第２貫通ビア３９によって接続され、放熱機能を有するリード電極１８が表面第２電極３７と金属接合された構造を有している。
【００５８】
従って、図５に示すパワー半導体モジュール１００Ｅにおいては、半導体チップで発生した熱は、放熱基板１４の下部から効率よく放熱され、上部からも効率よく放熱され、かつ、第２貫通ビア３９を用いる放熱機構が設けられているため、半導体チップから発生する熱をさらに効率よく放熱することができる。
また、配線を集約することが可能となり、半導体装置の薄型化、小型化が達成され、上部放熱シート１６の取り付けも有利になる。
【００５９】
なお、図４、５に示すパワー半導体モジュールにおいては、放熱シート１６の代わりに、上部放熱基板を用いてもよく、放熱フィンを有する放熱部材を直結することもできる。
また、図４、５に記載されるように上部放熱基板１６に配線を集約する方法に限定されず、例えば、下部熱拡散伝導基板１５側に配線を集約することもできる。
【００６０】
本発明の半導体装置は、図１〜５に示す半導体装置に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲で、半導体基板の種類、表面第１電極、裏面電極、絶縁樹脂層、表面第２電極、貫通ビアの形状や配置などを自由に変更することができる。
【００６１】
本発明の半導体装置は、半導体チップ全体が絶縁性及び耐熱性に優れる第１絶縁樹脂及び第２絶縁樹脂で封止されてなる。したがって、本発明の半導体装置は水分等から半導体チップが保護され、素子劣化が生じにくい。
また、本発明の半導体装置は、半導体基板や放熱基板と封止樹脂の熱膨脹率を制御することができる。従って、半導体装置の製造時や使用時において、封止界面の熱応力差による界面応力を低減でき、半導体装置製造歩留まり、製品信頼性が大幅に向上する。
【００６２】
２）半導体装置の製造方法
本発明の半導体装置の製造方法は、以下の工程１〜４をこの順で有することを特徴とする。
（工程１）半導体基板の表面側に形成された表面第１電極と、前記半導体基板の裏面側に形成された裏面電極とを備える半導体チップと、前記表面第１電極上に形成された１又は２以上の第１貫通ビア形成用金属ポストと、前記半導体チップの表面部及び前記第１貫通ビア形成用金属ポストを封止する第１絶縁樹脂層とを有する、１又は２以上の半導体チップ封止体を、その裏面電極で放熱基板と金属接合する工程
（工程２）放熱基板と金属接合された前記半導体チップ封止体全体を覆うように、前記放熱基板表面に第２絶縁樹脂層形成用樹脂を塗布し、３００〜４５０℃で加熱して第２絶縁樹脂層を形成する工程
（工程３）前記第１絶縁樹脂層及び前記第２絶縁樹脂層表面を薄化処理して、第１絶縁樹脂層と第２絶縁樹脂層を平坦化し、貫通ビア形成用金属ポストの上面を露出させる工程
（工程４）前記第１絶縁樹脂層と前記第２絶縁樹脂層の表面上の少なくとも第１絶縁樹脂部に表面第２電極を形成する工程
【００６３】
工程１で用いる半導体チップ封止体の製造方法の具体例については後述する。
工程２において用いる第２絶縁樹脂層形成用樹脂としては、先に半導体装置の説明中で挙げたものと同様のものを使用することができる。
工程３における薄化処理としては、例えば、切削法や研磨法が挙げられ、これらを組み合わせてもよい。
工程４における表面第２電極を形成する方法としては、例えば、スパッタ蒸着法によって、金属膜を全面に形成した後、パターン化する方法や、あらかじめ、所定のパターンになるように金属膜を形成する方法が挙げられる。
本発明の半導体装置の製造方法は、上述した本発明の半導体装置を製造するのに特に適している。
【００６４】
以下、本発明の製造方法を、図５に示すパワー半導体モジュール１００Ｅを製造する場合を例にとり、図６により具体的に説明する。
図６中、図６（ａ）〜図６（ｄ）が上記工程１（工程１ａ〜工程１ｄ）、図６（ｅ）が工程２（工程２ａ）、図６（ｆ）が工程３(工程３ａ)、図６（ｇ）が工程４（工程４ａ）のそれぞれを説明する図である。また、図６（ｈ）は、図６（ｇ）に示す状態のものに、さらに、下部熱拡散伝導基板１５及び上部放熱シート１６を接合する工程を説明する図である。
【００６５】
本発明の半導体装置の製造方法は、この工程に記載のものに限定されない。また、目的の半導体装置の構造に合わせて、図６に記載の工程の中から必要な工程のみを行うことで、図１〜４に記載の半導体装置を製造することもできる。
【００６６】
工程１ａ：図６（ａ）に示すように、放熱基板１４上にめっきレジスト２３を成膜し、パターニングすることにより、貫通ビアホール３９ａを開口する。このとき、裏面電極と接続される放熱基板上電極１７上に開口部を設けることが好ましい。
【００６７】
工程１ｂ：図６（ｂ）に示すように、前記貫通ビアホール３９ａ内をめっきにより金属を充填し、第２貫通ビア用金属ポスト３９ｂを形成する。めっきの方法は特に制限されないが、電解めっき法を用いることが好ましい。
【００６８】
工程１ｃ：図６（ｃ）に示すように、めっき終了後、常法によりめっきレジストを除去する。なお、工程１ａ〜１ｃの代わりに、金属ポスト材を放熱基板１４に金属接合することで、同様の第２貫通ビア用金属ポストを形成してもよい。
【００６９】
工程１ｄ：図６（ｄ）に示すように、半導体チップ封止体を、その裏面電極で放熱基板１４と金属接合する。
【００７０】
なお、工程１ｄは、後述する工程１ｅの前であれば、工程１ｄを実施する順番は特に制限されない。例えば、工程１ａの前に、半導体チップ封止体を放熱基板に金属接合してもよい。
【００７１】
工程２ａ：図６（ｅ）に示すように、半導体チップ封止体及び第２貫通ビア用金属ポスト３９ｂが埋め込まれるように第２絶縁樹脂層形成用樹脂を塗布し、３００〜４５０℃で加熱して第２絶縁樹脂層２１を形成する。
【００７２】
この場合、第２絶縁樹脂層形成用樹脂を塗布し、乾燥して得られた塗膜（以下、「塗膜Ａ１」ということがある。）を３００〜４５０℃に加熱する前に、前記塗膜Ａ１を、第２絶縁樹脂層形成用樹脂（第２絶縁樹脂層形成用樹脂の有機溶媒溶液）に用いられている有機溶媒（以下、「溶媒Ａ１」ということがある。」と親和性のある溶媒（以下、「溶媒Ｂ１」ということがある。）中に、１０〜４０℃で１〜６０分間浸漬させる工程をさらに設けることも好ましい。
【００７３】
より具体的には、第２絶縁樹脂層形成用樹脂を塗布し、得られた塗膜を、溶媒の残留量が、塗膜全体に対し、通常１〜４５重量％、好ましくは３〜４０重量％、より好ましくは５〜３５重量％となるまで、乾燥温度５０〜１３０℃で１〜６０分間乾燥して塗膜Ａ１を得た後、得られた塗膜Ａ１を、溶媒Ｂ１中に、１０〜４０℃で１〜６０分間浸漬させる工程をさらに設ける。これにより、前記塗膜Ａ１から溶媒Ａ１を効率よく除去することができ、結果として、放熱基板１４との密着性に優れる第２絶縁樹脂層２１を形成することができる。
【００７４】
溶媒Ａ１としては、第２絶縁樹脂層形成用樹脂がポリイミド前駆体である場合、通常、Ｎ−メチルピロリドン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、テトラメチル尿素、ヘキサメチルリン酸トリアミド等のアミド系溶媒；又は、ジメチルスルホキシド、スルホラン等の含硫黄系溶媒；が用いられる。従って、用いる溶媒Ｂ１としては、アミド系溶媒及び含硫黄系溶媒以外の極性溶媒が好ましい。例えば、水；メタノール、エタノール、プロパノール等のアルコール系溶媒；アセトン、メチルエチルケトン、ジエチルケトン等のケトン系溶媒；及びこれらの溶媒の二種以上からなる混合溶媒；等が挙げられる。
【００７５】
また、第２絶縁樹脂層形成用樹脂を塗布し、３００〜４５０℃に１〜１２０分間加熱して第２絶縁樹脂層２１を形成する場合、前記塗膜Ａ１を１３０〜２５０℃に加熱した後、一端、０〜１２０℃、好ましくは１０〜１００℃、より好ましくは２０〜１００℃に冷却し、再度２５０〜４５０℃に加熱して、第２絶縁樹脂層２１を形成することも、放熱基板１４との密着性に優れる第２絶縁樹脂層を形成する上で好ましい。この場合、冷却する方法は、所定温度まで下げることができる方法であればよく、冷却時間は適宜決定することができる。例えば、放冷によって冷却することができる。
【００７６】
第２絶縁樹脂層形成用樹脂を塗布し、３００〜４５０℃に加熱して第２絶縁樹脂層２１を形成する場合、このキュア温度でめっき充填物も同時にアニールされる。従って、第２貫通ビア用金属ポスト３９ｂと表面第１電極との密着性向上、第２貫通ビアの強度向上、第２貫通ビアの電気伝導性向上、第２貫通ビアと第１絶縁樹脂層との密着性向上等が達成される。
【００７７】
工程３ａ：図６（ｆ）に示すように、放熱基板１４を台座(図示を省略)に固定して、表面の樹脂封止部分を切削し、第１貫通ビア用金属ポスト３９ｂ及び第２貫通ビア用金属ポスト３９ｂの上面を露出させる。切削は、公知の切削加工機（例えば、ＤｉＳＣＯ社製、サーフェイスブレーナーＤＦＳ８９２０等）を用いて行うことができる。
【００７８】
工程４ａ：図６（ｇ）に示すように、切削面に金属膜を形成し、パターン化することで表面第２電極３６、３７を形成する。金属膜の形成方法は特に制限されない。例えば、スパッタ蒸着法によって、金属膜を形成することができる。
【００７９】
また、図６（ｈ）に示すように、工程４ａに引き続いて、得られた半導体装置において、その上下両面にそれぞれ熱拡散基板１５、放熱シート１６を接合することができる。
この場合、図示を省略しているが、上部放熱シート１６は表面第２電極引き出し配線と接合され、該表面第２電極引き出し配線は表面第２電極と金属接合される。この様な構造とすることにより、半導体チップで発生した熱はパワー半導体モジュールの上部からも効率よく放熱される。
以上のようにして、図５に示すパワー半導体モジュール１００Ｅを製造することができる。
【００８０】
次に、本発明に好ましく用いられる半導体チップの製造工程の一例を図７（ａ）〜（ｉ）に示す。以下、順に説明する。
図７（ａ）：半導体基板２００上に、表面第１電極（図示を省略）を有する半導体素子１１を作製する。半導体基板としては、シリコン基板の他に、シリコンカーバイド基板やガリウムナイトライド基板を使用することができる。
【００８１】
図７（ｂ）：半導体素子１１上にめっきレジスト２３を成膜する。塗工膜厚はめっき厚みを考慮して決定できる。通常はめっき厚みが３０〜６０μｍになるようにすると良い。また、めっきレジスト２３を成膜する代わりに、めっき対応感光性シートを用いてもよい。
【００８２】
図７（ｃ）：めっきレジスト２３をパターニングすることにより必要な部位に貫通ビアホール３４ａを開口する。このとき、表面第１電極上を開口することが好ましい。
図７（ｄ）：次いで、得られた貫通ビアホール３４ａ内をめっき法により金属で充填して、第１貫通ビア用金属ポスト３４ｂを形成する。
めっき方法は特に制限されないが、電解めっき法を用いることが好ましい。
図７（ｅ）：めっき終了後、常法によりめっきレジストを剥離する。
【００８３】
図７（ｆ）：半導体基板２００上全体に第１貫通ビア用金属ポスト３４ｂが埋め込まれるように第１絶縁樹脂層形成用樹脂を塗布し、３００〜４５０℃で加熱して第１絶縁樹脂層２０を形成し、半導体素子１１と前記金属ポスト３４ｂを封止する。
【００８４】
この場合、第１絶縁樹脂層形成用樹脂を塗布し、乾燥して得られた塗膜（以下、「塗膜Ａ２」ということがある。）を３００〜４５０℃に加熱する前に、前記塗膜Ａ２を、第１絶縁樹脂層形成用樹脂（第１絶縁樹脂層形成用樹脂の有機溶媒溶液）に用いられている有機溶媒（以下、「溶媒Ａ２」ということがある。」と親和性のある溶媒（以下、「溶媒Ｂ２」ということがある。）中に、１０〜４０℃で、１〜６０分間浸漬させる工程をさらに設けることも好ましい。
【００８５】
より具体的には、第１絶縁樹脂層形成用樹脂を塗布し、得られた塗膜を、溶媒の残留量が、塗膜全体に対し、通常１〜４５重量％、好ましくは３〜４０重量％、より好ましくは５〜３５重量％となるまで、乾燥温度５０〜１３０℃で１〜６０分間乾燥して塗膜Ａ２を得た後、得られた塗膜Ａ２を、溶媒Ｂ２中に、１０〜４０℃で１〜６０分間浸漬させる。この工程を設ける。これにより、前記塗膜Ａ２から有機溶媒を効率よく除去することができ、結果として、半導体基板２００との密着性に優れる第１絶縁樹脂層２１を形成することができる。
【００８６】
溶媒Ａ２としては、第１絶縁樹脂層形成用樹脂がポリイミド前駆体である場合、通常、Ｎ−メチルピロリドン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、テトラメチル尿素、ヘキサメチルリン酸トリアミド等のアミド系溶媒；又は、ジメチルスルホキシド、スルホラン等の含硫黄系溶媒；が用いられる。従って、用いる溶媒Ｂ２としては、アミド系溶媒及び含硫黄系溶媒以外の極性溶媒が好ましい。例えば、水；メタノール、エタノール、プロパノール等のアルコール系溶媒；アセトン、メチルエチルケトン、ジエチルケトン等のケトン系溶媒；及びこれらの溶媒の二種以上からなる混合溶媒；等が挙げられる。
【００８７】
また、第１絶縁樹脂層形成用樹脂を塗布し、３００〜４５０℃に１〜１２０分間加熱して第１絶縁樹脂層２０を形成する場合、前記塗膜Ａ２を１３０〜２５０℃に加熱した後、一端、０〜１２０℃、好ましくは１０〜１００℃、より好ましくは２０〜１００℃に冷却し、再度２５０〜４５０℃に加熱して第１絶縁樹脂層２０を形成することも、半導体基板２００との密着性に優れる第１絶縁樹脂層を形成する上で好ましい。この場合、冷却する方法は、所定温度まで下げることができる方法であればよく、冷却時間は適宜決定することができる。例えば、放冷によって冷却することができる。
【００８８】
第１絶縁樹脂層２０を塗布し、３００〜４５０℃に加熱して第１絶縁樹脂層を形成するとき、このキュア温度でめっき充填物も同時にアニールされる。従って、第１貫通ビア用金属ポスト３４ｂと表面第１電極との密着性向上、第１貫通ビアの強度向上、第１貫通ビアの電気伝導性向上、第１貫通ビアと第１絶縁樹脂層との密着性向上等が達成される。
【００８９】
また、所望により、半導体基板２００側を台座(図示を省略)に固定して第１絶縁樹脂層２０の表面を薄化加工し、厚みを均一にする（図示を省略）。この工程は次の裏面加工を精度よく行うためのものであり、必須の工程ではない。また、この工程を行う場合であっても、本発明の半導体装置を製造するのであれば、この工程において、第１貫通ビア用金属ポスト３４ｂの上面を露出させるため、この工程においては第１貫通ビア用金属ポスト３４ｂの上面の露出までは必要とはされない。
【００９０】
薄化加工の加工法については特に制限されない。例えば、切削法や研磨法が挙げられ、これらを組み合わせてもよい。なかでも、切削法は加工速度に優れるため好ましい。切削法においては、公知の切削加工機（例えば、ＤｉＳＣＯ社製、サーフェイスブレーナーＤＦＳ８９２０等）を用いることができる。
【００９１】
図７（ｇ）：上記のように第１絶縁樹脂層２０の表面処理の後、必要に応じてその表面に金属膜を全面形成する。次いで金属膜面を固定して半導体基板２００の裏面を切削、研磨して薄板化する。この工程は必須の工程ではないが、半導体基板の厚みを、好ましくは４００μｍ以下、より好ましくは３０μｍ〜２００μｍに薄板化することにより、変換効率に優れた薄型の半導体装置が得ることができる。
【００９２】
図７（ｈ）：所望により裏面研磨後、裏面電極３２を作製する。表面第２電極と裏面電極の金属膜は残留応力が均等になるように膜組成、膜厚を調整して製膜する。両面金属箔の残留応力を調製することで、半導体基板２００を薄板化した後であっても、該半導体基板２００が反ることはない。
【００９３】
図７（ｉ）：ダイシングにより、半導体チップを個別化する。個別化しても半導体基板２００に対して上限の残留応力が均等化しているので半導体チップの平坦化が維持されている。
以上の工程で得られた半導体チップは、図２〜５に記載のパワー半導体モジュールを製造するための半導体チップ封止体として好ましく用いられる。
【００９４】
本発明に用いられる半導体チップの製造工程は上記のものに限定されない。例えば、図７（ａ）〜（ｄ）に示す工程の代わりに、金属ポスト材をシリコン基板に金属接合することで、同様の貫通ビア用第１金属ポストを形成してもよい。
また、図７（ｆ）に示す工程において平坦化した第１絶縁樹脂面に金属膜を形成せずに、仮固定基板等に固定することで基板の反りを抑制し、裏面基板研磨、裏面電極作製工程を行うこともできる。
【００９５】
また、工程７（ｅ）において用いる第１絶縁樹脂として、感光性ポリイミドを用いることもできる。感光性ポリイミドとしては、例えば、特開２００４−２８５１２９号公報記載の低熱膨張型感光性ポリイミド等が利用できる。工程７（ｅ）において、感光性ポリイミドを用いることで、図７（ａ）〜（ｃ）の方法によって貫通ビア用金属ポストを形成する代わりに、貫通ビアホールを空けた後めっき充填して、貫通ビア用金属ポストを形成することができる。
この他に、感光性ポリイミドは図７（ｅ）の封止工程において、ダイシングラインの開口を目的として利用することができるため好ましい。
さらに、第２表面電極が形成された後に、この電極に配線を有する絶縁性放熱シート、配線を有する絶縁性放熱基板および放熱機能を有するリード電極から選ばれる放熱用部品を金属接合する工程を設けてもよい。
【符号の説明】
【００９６】
１１・・・半導体素子
１２・・・半導体チップ
１４・・・放熱基板
１４ａ・・・銅パターン
１４ｂ・・・セラミックス基板
１５・・・下部熱拡散伝導基板
１６・・・上部放熱シート
１７・・・放熱基板上電極
２０・・・第１絶縁樹脂層
２１・・・第２絶縁樹脂層
２３・・・めっきレジスト
３２・・・裏面電極
３４・・・第１貫通ビア
３４ａ・・・貫通ビア
３４ｂ・・・第１貫通ビア用金属ポスト
３５・・・表面第１電極
３６、３７・・・表面第２電極
３８・・・表面第２電極引き出し配線
３９・・・第２貫通ビア
３９ａ・・・貫通ビアホール
３９ｂ・・・第２貫通ビア用金属ポスト
６０・・・ＤＢＣ絶縁基板
６１・・・パワー半導体素子
６２・・・外部導出端子
６３・・・ボンディングワイヤ
６４・・・放熱ベース
６５・・・樹脂ケース
６６・・・蓋
６２・・・エミッタ電極
６３・・・ゲート電極
６４・・・コレクタ電極
１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ、１００Ｅ・・・パワー半導体モジュール
２００・・・半導体基板
【図１】
2012133098.tif 000003
【図２】
2012133098.tif 000004
【図３】
2012133098.tif 000005
【図４】
2012133098.tif 000006
【図５】
2012133098.tif 000007
【図６】
2012133098.tif 000008
【図７】
2012133098.tif 000009
【図８】
2012133098.tif 000010
【国際調査報告】
2012133098.tif 000011
2012133098.tif 000012
2012133098.tif 000013
2012133098.tif 000014