(57)【要約】      （修正有）【課題】半導体素子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、半導体素子と、半導体素子を封止する封止体１４とを備える。半導体素子は、半導体基板１２ａと、半導体基板１２ａの表面上に半導体基板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。この半導体モジュールでは、保護膜３０と封止体１４との間の密着力が、保護膜３０の外周縁を含む範囲Ａにおいて、その他の範囲よりも小さい。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
前記半導体素子を封止する封止体と、
を備え、
前記半導体素子は、
半導体基板と、
前記半導体基板の表面上に、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、
前記保護膜と前記封止体との間の密着力は、前記保護膜の外周縁を含む一部の範囲において、その他の範囲よりも小さくなっている、
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、半導体素子が開示されている。この半導体素子では、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】
半導体素子は、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）を採用した半導体モジュール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、半導体素子と、半導体素子を封止する封止体とを備える。半導体素子は、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。この半導体モジュールでは、保護膜と封止体との間の密着力が、保護膜の外周縁を含む範囲において、その他の範囲よりも小さい。
【０００６】
通常、半導体基板と表面構造（保護膜や金属膜）との間の剥離は、半導体素子の外周縁で発生した剥離が起点となる。即ち、半導体素子の外周縁で発生した剥離は、半導体基板の表面に沿って内側へ進行していく。そして、その剥離が半導体基板と表面構造との間へ進行することで、半導体基板と表面構造（金属膜や保護膜）との間に剥離が生じてしまう。この知見に基づいて、上記した半導体モジュールでは、保護膜と封止体との間の密着力が、保護膜の外周縁を含む一部の範囲において、意図的に低められている。このような構成によると、半導体素子の外周縁で発生し、半導体基板の表面に沿って進行してきた剥離を、保護膜と封止体との間（即ち、保護膜の外側）へ誘導することができる。これにより、半導体基板と表面構造（金属膜や保護膜）との間の剥離が有意に抑制される。
【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】半導体素子１２の平面図。
【図５】半導体モジュール１０に生じる剥離Ｓの一例を示す図。
【図６】一変形例の半導体モジュール１０Ｘの要部（図３に対応）を示す断面図。
【図７】一変形例の半導体モジュール１０Ｙの要部（図３に対応）を示す断面図。
【図８】一変形例の半導体モジュール１０Ｚの要部（図３に対応）を示す断面図。
【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、半導体素子１２と、半導体素子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】
半導体素子１２は、パワー半導体素子であって、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素子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素子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、半導体素子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。半導体素子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、様々なに変更することができる。また、半導体モジュール１０は、例えばＭＯＳＦＥＴとダイオードとの組み合わせといった、二以上の半導体素子を有してもよい。
【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、半導体素子１２を挟んで互いに対向している。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、半導体素子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、半導体素子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、半導体素子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、半導体素子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、半導体素子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を介して半導体素子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、半導体素子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、半導体素子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、半導体素子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、半導体素子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、半導体素子１２の細部について説明する。図３、図４に示すように、半導体素子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３４（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】
半導体素子１２と封止体１４との間には、プライマ層３６が設けられている。プライマ層３６は、例えば樹脂材料で構成されており、半導体素子１２と封止体１４との間の密着力を増大させる。このプライマ層３６は、半導体モジュール１０の製造工程において、封止体１４をモールド成形するときに、半導体素子１２や導体板１６、１８の表面に設けられる。但し、本実施例の半導体モジュール１０では、半導体基板１２ａの外周縁１２ｅから、保護膜３０の一部に亘る範囲Ａにおいて、プライマ層３６の形成が省略されている。これにより、保護膜３０と封止体１４との間の密着力は、保護膜３０の外周縁３０ｅを含む一部の範囲Ａにおいて、その他の範囲よりも小さくなっている。
【００１８】
半導体モジュール１０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１２ａと表面構造（保護膜３０や金属膜３２）との間には、大きなせん断応力が生じ易く、上面電極１２ｂ及びゲート配線１２ｇといった金属膜３２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１２ａと表面構造との間で剥離が生じたり、複数の金属膜３２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）を採用した本実施例の半導体モジュール１０において顕著に現れる。
【００１９】
通常、半導体基板１２ａと表面構造（保護膜３０や金属膜３２）との間の剥離は、半導体素子１２の外周縁１２ｅで発生した剥離が起点となる。即ち、図５に示すように、半導体素子１２の外周縁１２ｅで発生した剥離Ｓは、半導体基板１２ａの表面１２ｆに沿って内側へ進行していく。そして、その剥離Ｓが仮に半導体基板１２ａと表面構造との間（即ち、半導体基板１２ａと保護膜３０との間）へ進行すれば、半導体基板１２ａと表面構造との間に剥離が生じることになる。
【００２０】
上記の知見に基づいて、本実施例の半導体モジュール１０では、保護膜３０と封止体１４との間の密着力が、保護膜３０の外周縁３０ｅを含む一部の範囲Ａにおいて、意図的に低められている。このような構成によると、半導体素子１２の外周縁１２ｅで発生し、半導体基板１２ａの表面１２ｆに沿って進行してきた剥離Ｓを、図５に示すように、保護膜３０と封止体１４との間（即ち、保護膜３０の外側）へ誘導することができる。これにより、剥離Ｓが表面構造の内部へ進行し難くなって、半導体基板１２ａと表面構造との間の剥離が有意に抑制される。
【００２１】
本実施例の半導体モジュール１０では、上述した範囲Ａにおける密着力を低下させるために、当該範囲Ａにおいてプライマ層３６の形成を省略している。しかしながら、図６に示すように、一変形例の半導体モジュール１０Ｘでは、当該範囲Ａにもプライマ層３６ａが設けられてもよい。この場合、当該範囲Ａのプライマ層３６ａには、他の範囲のプライマ層３６よりも、密着力の低いプライマ材料を採用するとよい。このような構成によっても、保護膜３０と封止体１４との間の密着力を、保護膜３０の外周縁３０ｅを含む一部の範囲Ａにおいて、その他の範囲よりも小さくすることができる。
【００２２】
図６に示す変形例の半導体モジュール１０Ｘでは、二種類のプライマ層３６、３６ａを、それぞれマスクなどを用いて選択的に形成する必要がある。この点に関して、図７に示すように、他の一変形例の半導体モジュール１０Ｙでは、一方のプライマ層３６が、半導体素子１２に対して全体的に設けられてもよい。そして、他方のプライマ層３６ａが、上述した範囲Ａにおいて重畳的に設けられてもよい。このような構成によると、一方のプライマ層３６を形成するときに、マスクなどを設ける必要がなくなるので、当該プライマ層３６の形成を容易に行うことができる。
【００２３】
あるいは、図８に示すように、他の一変形例の半導体モジュール１０Ｚでは、プライマ層３６を半導体素子１２に対して全体的に設けるとともに、上述した範囲Ａに対しては、例えばシロキサンといった異物３８を付着させることで、封止体１４との密着力を低下させてもよい。このような構成によっても、保護膜３０と封止体１４との間の密着力を、保護膜３０の外周縁３０ｅを含む一部の範囲Ａにおいて、その他の範囲よりも小さくすることができる。なお、上述したいくつかの半導体モジュール１０、１０Ｘ、１０Ｙ、１０Ｚの態様に限られず、保護膜３０と封止体１４との間の密着力を部分的に調整するために、他の様々な手法を採用することができる。
【００２４】
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。
【００２５】
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】
【００２６】
１０、１０Ｘ、１０Ｙ、１０Ｚ：半導体モジュール
１２：半導体素子
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
３２：金属膜
３６、３６ａ：プライマ層
３８：密着力を低下させる異物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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