(57)【要約】      （修正有）【課題】半導体装置の表面構造における剥離、変形を抑制する。【解決手段】半導体モジュールは、半導体装置と、半導体装置を封止する封止体１４とを備える。半導体装置は、半導体基板１２ａと、半導体基板１２ａの外周縁に沿って枠状に設けられた保護膜３０と、半導体基板１２ａと保護膜３０との間に設けられた金属膜３２とを有する。保護膜３０の表面には、半導体基板１２ａに向けて延びる複数の溝３０ａ、３０ｂが、金属膜３２よりも外側に設けられており、各々の溝３０ａ、３０ｂの位置では、保護膜３０の厚みが金属膜３２の厚みよりも薄くなっている。封止体１４は、保護膜３０を構成する材料よりも、線膨張係数の低い材料で構成されており、保護膜３０の各々の溝３０ａ、３０ｂに入り込んでいる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置と、
前記半導体装置を封止する封止体と、
を備え、
前記半導体装置は、
半導体基板と、
前記半導体基板の外周縁に沿って枠状に設けられた保護膜と、
前記半導体基板と前記保護膜との間に設けられた金属膜と、
を有し、
前記保護膜の表面には、前記半導体基板に向けて延びる溝が、前記金属膜よりも外側に設けられており、前記溝の位置では、前記保護膜の厚みが前記金属膜の厚みよりも薄く、
前記封止体は、前記保護膜を構成する材料よりも線膨張係数の低い材料で構成されているとともに、前記保護膜の前記溝に入り込んでいる、
半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書が開示する技術は、半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に、半導体装置が開示されている。この半導体装置では、半導体基板上に、複数の金属膜やそれを覆う保護膜といった表面構造が設けられている。複数の金属膜には、例えば主電極や信号配線が含まれており、それらは互いに隣接して設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−１５２６５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
半導体装置は、半導体モジュールに組み込まれ、封止体の内部に封止される。半導体モジュールでは、温度に応じて各々の構成要素に熱変形が生じる。このとき、半導体基板と表面構造との間には、大きなせん断応力が生じ易く、電極及び信号配線といった金属膜には、弾性域を超える大きな変形（即ち、塑性変形）が生じ得る。このような変形が繰り返されると、半導体基板と表面構造との間で剥離が生じたり、複数の金属膜の間で短絡又は絶縁不良が生じたりするおそれがある。このような問題は、ヤング率が比較的に高い炭化シリコン（ＳｉＣ）の半導体装置において顕著であり、その対策が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書が開示する半導体モジュールは、半導体装置と、半導体装置を封止する封止体とを備える。半導体装置は、半導体基板と、半導体基板と、半導体基板の表面上に半導体基板の外周縁に沿って枠状に設けられた保護膜と、半導体基板と保護膜との間に設けられた金属膜とを有する。保護膜の表面には、半導体基板に向けて延びる溝が、金属膜よりも外側に設けられており、その溝の位置では、保護膜の厚みが金属膜の厚みよりも薄くなっている。封止体は、保護膜を構成する材料よりも、線膨張係数の低い材料で構成されており、保護膜の溝に入り込んでいる。
【０００６】
通常、保護膜を構成する材料（例えばポリイミド樹脂）は、半導体基板を構成する材料（例えば炭化シリコン）よりも線膨張係数が大きい。そのため、半導体モジュールに温度変動が生じたときに、半導体基板と保護膜との間に大きなせん断応力が生じることで、それらの間に位置する金属膜に変形が生じてしまう。この点に関して、上記した半導体モジュールでは、半導体装置を封止する封止体が、保護膜に設けられた溝へ入り込んでいる。通常、封止体を構成する材料は、シリカといった添加物を含有しており、保護膜を構成する材料よりも低い線膨張係数を有する。従って、封止体に生じる熱変形は、保護膜に生じる熱変形よりも小さく、保護膜に深く形成された溝へ入り込んだ封止体によって、保護膜の熱変形が有意に抑制される。これにより、半導体基板と保護膜との間で問題となる熱変形の差が低減されて、それらの間の剥離や金属膜の変形がといった不具合が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施例の半導体モジュール１０の外観を示す平面図。
【図２】図１中のＩＩ−ＩＩ線における断面図。
【図３】図２中のＩＩＩ部の拡大図。
【図４】半導体装置１２の平面図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図１−図４を参照して、実施例の半導体モジュール１０について説明する。本実施例の半導体モジュール１０は、例えば電気自動車の電力制御装置に採用され、コンバータやインバータといった電力変換回路の一部を構成することができる。なお、本明細書における電気自動車は、車輪を駆動するモータを有する自動車を広く意味し、例えば、外部の電力によって充電される電気自動車、モータに加えてエンジンを有するハイブリッド車、及び燃料電池を電源とする燃料電池車等を含む。
【０００９】
図１、図２に示すように、半導体モジュール１０は、半導体装置１２と、半導体装置１２を封止する封止体１４とを備える。封止体１４は、絶縁性の材料で構成されている。特に限定されないが、本実施例における封止体１４は、例えばエポキシ樹脂といった封止用材料で構成されており、その中にはシリカといった添加物が含有されている。封止体１４は、概して板形状を有しており、上面１４ａ、下面１４ｂ、第１端面１４ｃ、第２端面１４ｄ、第１側面１４ｅ及び第２側面１４ｆを有する。
【００１０】
半導体装置１２は、パワー半導体装置であって、半導体基板１２ａと上面電極１２ｂと下面電極１２ｃとを有する。上面電極１２ｂは、半導体基板１２ａの上面に位置しており、下面電極１２ｃは、半導体基板１２ａの下面に位置している。上面電極１２ｂと下面電極１２ｃは、半導体基板１２ａを介して互いに電気的に接続される。特に限定されないが、本実施例における半導体装置１２は、スイッチング素子であり、上面電極１２ｂと下面電極１２ｃとの間を、選択的に導通及び遮断することができる。半導体基板１２ａの種類については特に限定されない。半導体基板１２ａは、例えばシリコン基板、炭化シリコン基板又は窒化物半導体基板であってもよい。上面電極１２ｂ及び下面電極１２ｃについては、例えばアルミニウム、ニッケル又は金といった、一又は複数種類の金属を用いて構成されることができる。
【００１１】
一例ではあるが、本実施例における半導体装置１２は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）であり、その半導体基板１２ａには炭化シリコン（ＳｉＣ）の基板が採用されている。上面電極１２ｂは、半導体基板１２ａ内に構成されたＭＯＳＦＥＴ構造のソースに接続されており、下面電極１２ｃは、ＭＯＳＦＥＴ構造のドレインに接続されている。なお、半導体装置１２は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）又はＲＣ（Reverse Conducting）−ＩＧＢＴであってもよい。この場合、上面電極１２ｂは、半導体基板１２ａ内に構成されるＩＧＢＴのエミッタに接続され、下面電極１２ｃは、ＩＧＢＴ構造のコレクタに接続される。半導体装置１２の種類や具体的な構造については、ここで例示したものに限られず、様々に変更することができる。
【００１２】
半導体モジュール１０は、第１導体板１６と第２導体板１８とをさらに備える。第１導体板１６と第２導体板１８は、例えば金属といった導体で構成されている。第１導体板１６と第２導体板１８は、封止体１４によって保持されており、半導体装置１２を挟んで互いに対向している。第１導体板１６の上面１６ａは、封止体１４の内部に位置しており、半導体装置１２の下面電極１２ｃにはんだ層１３を介して接合されている。第１導体板１６の下面１６ｂは、封止体１４の下面１４ｂに露出している。これにより、第１導体板１６は、半導体装置１２と電気的に接続された回路の一部を構成するとともに、半導体装置１２の熱を外部へ放出する放熱板としても機能する。
【００１３】
第２導体板１８の下面１８ｂは、封止体１４の内部に位置しており、導体スペーサ２０を介して、半導体装置１２の上面電極１２ｂに接続されている。なお、第２導体板１８の下面１８ｂは、はんだ層１７を介して導体スペーサ２０に接合されており、導体スペーサ２０は、はんだ層１５を介して半導体装置１２の上面電極１２ｂに接合されている。第２導体板１８の上面１８ａは、封止体１４の上面１４ａに露出している。第１導体板１６と同様に、第２導体板１８は、半導体装置１２と電気的に接続された回路の一部を構成するとともに、半導体装置１２の熱を外部へ放出する放熱板としても機能する。
【００１４】
半導体モジュール１０は、第１電力端子２２と、第２電力端子２４と、複数の信号端子２６とを備える。第１電力端子２２及び第２電力端子２４は、封止体１４の第１端面１４ｃから突出している。第１電力端子２２は、封止体１４の内部において第１導体板１６と電気的に接続されており、第２電力端子２４は、封止体１４の内部において第２導体板１８と電気的に接続されている。これにより、第１電力端子２２と第２電力端子２４との間は、半導体装置１２を介して電気的に接続されている。複数の信号端子２６は、封止体１４の第２端面１４ｄから突出している。各々の信号端子２６は、例えばワイヤボンディングによって、半導体装置１２の信号パッド１２ｄ（図４参照）と電気的に接続されている。
【００１５】
次に、図３、図４を参照して、半導体装置１２の細部について説明する。図３、図４に示すように、半導体装置１２は、半導体基板１２ａ上に設けられた保護膜３０と、半導体基板１２ａと保護膜３０との間に設けられた複数の金属膜３２とを備える。保護膜３０は、絶縁体で構成されており、一例ではあるが、本実施例にはポリイミド樹脂が採用されている。保護膜３０は、半導体基板１２ａの外周縁に沿って、枠状に設けられており、上面電極１２ｂを露出させる開口３０ｗを画定している。
【００１６】
複数の金属膜３２には、前述の上面電極１２ｂの他、ゲート配線１２ｇなどが含まれる。ゲート配線１２ｇは、外部から入力されるゲート信号の伝送線であり、半導体基板１２ａに設けられたＭＯＳＦＥＴ構造のゲートに接続されている。ゲート配線１２ｇは、上面電極１２ｂの周縁に沿って設けられており、平面視において上面電極１２ｂを取り囲んでいる。各々の金属膜３２は、少なくとも部分的に、半導体基板１２ａと保護膜３０との間に位置している。これらの金属膜３２は、アルミニウムで構成されている。但し、金属膜３２を構成する材料は、アルミニウムに限定されない。金属膜３２は、アルミニウムに代えて、又は加えて、その他の金属で構成されてもよい。また、半導体基板１２ａと金属膜３２との間には、絶縁膜（例えば、酸化シリコン膜）が形成されており、金属膜３２（上面電極１２ｂを除く）は、半導体基板１２ａから電気的に絶縁されている。
【００１７】
保護膜３０の表面には、複数の溝３０ａ、３０ｂが設けられている。複数の溝３０ａ、３０ｂには、第１の溝３０ａ及び第２の溝３０ｂが含まれる。第１の溝３０ａは、上面電極１２ｂの外側（半導体基板１２ａの周縁側）に位置しており、半導体基板１２ａの周縁に沿って延びている。なお、第１の溝３０ａは、ゲート配線１２ｇよりは内側（半導体基板１２ａの中央側）に位置しており、上面電極１２ｂとゲート配線１２ｇとの間に位置している。第２の溝３０ｂは、ゲート配線１２ｇの外側に位置しており、半導体基板１２ａの周縁に沿って延びている。複数の溝３０ａ、３０ｂの各々は、半導体基板１２ａに向けて深く延びており、半導体基板１２ａと平行な方向に関して、上面電極１２ｂやゲート配線１２ｇといった金属膜３２と隣り合っている。言い換えると、各々の溝３０ａ、３０ｂの位置では、保護膜３０の厚み（例えば、Ｔ１）が、金属膜３２の厚み（例えばＴ２）よりも薄くなっている。そして、保護膜３０の各々の溝３０ａ、３０ｂには、封止体１４が入り込んでいる。なお、図示省略するが、保護膜３０と封止体１４との間には、プライマ層（例えば樹脂材料による下地層）が存在してもよい。
【００１８】
以上のように、本実施例の半導体装置１２では、半導体基板１２ａと保護膜３０との間に、いくつかの金属膜３２が設けられている。保護膜３０を構成する材料（ここでは、ポリイミド樹脂）は、半導体基板１２ａを構成する材料（ここでは、炭化シリコン）よりも線膨張係数が大きい。そのため、半導体モジュール１０に温度変動が生じたときに、半導体基板１２ａと保護膜３０には、程度が互いに異なる熱変形が生じる。その結果、半導体基板１２ａと保護膜３０との間に大きなせん断応力が生ることがあり、それらの間で剥離が生じたり、それらの間に位置する金属膜３２に変形が生じたりするおそれがある。
【００１９】
上記の問題に関して、本実施例の半導体モジュール１０では、半導体装置１２を封止する封止体１４が、保護膜３０に設けられた溝３０ａ、３０ｂへ入り込んでいる。封止体１４を構成する材料は、シリカといった添加物を含有しており、保護膜３０を構成する材料よりも低い線膨張係数を有する。また、封止体１４を構成する材料は、保護膜３０を構成する材料よりも高いヤング率を有する。一例ではあるが、本実施例の場合、封止体１４を構成する材料は、その線膨張係数が略１４×１０−６／Ｋであり、そのヤング率は略１２ＧＰａである。一方、保護膜３０を構成する材料は、その線膨張係数が略３５×１０−６／Ｋであり、そのヤング率は３．５ＧＰａである。従って、封止体１４に生じる熱変形は、保護膜３０に生じる熱変形よりも小さく、保護膜３０に深く形成された溝３０ａ、３０ｂへ入り込んだ封止体１４によって、保護膜３０の熱変形が有意に抑制される。これにより、半導体基板１２ａと保護膜３０との間で問題となる熱変形の差が低減されて、それらの間の剥離や金属膜３２の変形がといった不具合が抑制される。
【００２０】
一例ではあるが、本実施例の場合、封止体１４を構成する材料は、添加物としてシリカを含有するエポキシ樹脂であり、その線膨張係数は略１４×１０−６／Ｋであって、ヤング率は略１２ＧＰａである。一方、保護膜３０を構成する材料は、ポリイミド樹脂であって、その線膨張係数は略３５×１０−６／Ｋであり、そのヤング率は３．５ＧＰａである。
【００２１】
ここで、保護膜３０に形成される溝３０ａ、３０ｂの位置や数、及び、それぞれの断面形状については、ここで説明したものに限定されない。保護膜３０には、少なくとも一つの溝３０ａ、３０ｂが設けられていればよく、その溝３０ａ、３０ｂは、少なくとも一つの金属膜３２に対して外側に位置していればよい。但し、二つの金属膜３２（例えば、上面電極１２ｂとゲート配線１２ｇ）が隣り合っている場合、それら二つの金属膜３２の間に介在するように（即ち、第１の溝３０ａのように）、保護膜３０へ溝を形成するとよい。このような構成によると、それら二つの金属膜３２が塑性変形によって短絡するという事象（アルミスライドとも称される）を、効果的に抑制することができる。
【００２２】
図４に示すように、保護膜３０には、一又は複数の第３の溝３０ｃがさらに設けられてもよい。第３の溝３０ｃは、第１の溝３０ａ及び／又は第２の溝３０ｂから、保護膜３０の周縁まで延びている。第３の溝３０ｃは、半導体モジュール１０の製造工程において、例えばプライマといった液剤を、第１の溝３０ａ及び／又は第２の溝３０ｂから排出するために設けられている。この観点において、保護膜３０には、第３の溝３０ｃを複数設けるとよく、特に、枠状に延びる保護膜３０の角部には、第３の溝３０ｃを少なくとも一つ設けるとよい。
【００２３】
以上、本明細書が開示する技術の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書、又は、図面に説明した技術要素は、単独で、あるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。本明細書又は図面に例示した技術は、複数の目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００２４】
１０：半導体モジュール
１２：半導体装置
１４：封止体
１６：第１導体板
１８：第２導体板
２２：第１電力端子
２４：第２電力端子
２６：信号端子
３０：保護膜
３０ａ、３０ｂ：保護膜の溝
３２：金属膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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