(57)【要約】【課題】温度サイクル試験に対する信頼性の高い半導体装置を提供する。【解決手段】一の実施形態による半導体装置は、絶縁基板と、前記絶縁基板に設けられた少なくとも１つの半導体チップとを備える。さらに、前記装置は、前記半導体チップに電気的に接続された接続部を有する配線ターミナルと、前記半導体チップと前記接続部とを包囲する包囲枠とを備える。さらに、前記装置は、前記半導体チップと前記接続部とを覆うように前記包囲枠内に設けられた埋込材と、前記埋込材の表面に設けられた押圧部とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板と、
前記絶縁基板に設けられた少なくとも１つの半導体チップと、
前記半導体チップに電気的に接続された接続部を有する配線ターミナルと、
前記半導体チップと前記接続部とを包囲する包囲枠と、
前記半導体チップと前記接続部とを覆うように前記包囲枠内に設けられた埋込材と、
前記埋込材の表面に設けられた押圧部と、
前記半導体チップに電気的に接続され、前記埋込材内に部分的に設けられたボンディングワイヤとを備え、
前記接続部は、前記半導体チップに対し接合材により接続されており、
前記埋込材は、樹脂で形成されており、
前記押圧部は、前記絶縁基板を覆う筐体の一部である、
半導体装置。
【請求項２】
絶縁基板と、
前記絶縁基板に設けられた少なくとも１つの半導体チップと、
前記半導体チップに電気的に接続された接続部を有する配線ターミナルと、
前記半導体チップと前記接続部とを包囲する包囲枠と、
前記半導体チップと前記接続部とを覆うように前記包囲枠内に設けられた埋込材と、
前記埋込材の表面に設けられた押圧部と、
を備える半導体装置。
【請求項３】
前記接続部は、前記半導体チップに対し接合材により接続されている、請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記埋込材は、樹脂で形成されている、請求項２または３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記押圧部は、前記絶縁基板を覆う筐体の一部である、請求項２から４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
さらに、前記半導体チップに電気的に接続され、前記埋込材内に部分的に設けられたボンディングワイヤを備える、請求項２から５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電力用半導体装置は、例えば、少なくとも１つの半導体チップと、半導体チップに電気的に接続された接続部が設けられた配線ターミナルとを備えている。このような半導体装置は、熱疲労試験（ＴＦＴ：Thermal Fatigue Test）などの温度サイクル試験の際に、接続部に反りが生じたり、半導体チップと接続部とを接続する接合材（例えば、はんだ）にクラックが発生するなど、接続部に不具合が発生する可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１９９２０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
温度サイクル試験に対する信頼性の高い半導体装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一の実施形態による半導体装置は、絶縁基板と、前記絶縁基板に設けられた少なくとも１つの半導体チップとを備える。さらに、前記装置は、前記半導体チップに電気的に接続された接続部を有する配線ターミナルと、前記半導体チップと前記接続部とを包囲する包囲枠とを備える。さらに、前記装置は、前記半導体チップと前記接続部とを覆うように前記包囲枠内に設けられた埋込材と、前記埋込材の表面に設けられた押圧部とを備える。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１実施形態の半導体装置の構造を示す平面図である。
【図２】第１実施形態の半導体装置の構造を示すＡ−Ａ断面図である。
【図３】第１実施形態の半導体装置の構造を示す断面図である。
【図４】第１実施形態の半導体装置の構造を示すＢ−Ｂ断面図である。
【図５】第１実施形態の効果について説明するための断面図である。
【図６】第１実施形態と従来例における熱疲労試験の結果を示した表である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
【０００８】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の半導体装置の構造を示す平面図である。図２は、図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【０００９】
以下、本実施形態の半導体装置の構造を、主に図１を参照しつつ、必要に応じて図２も参照して説明する。
【００１０】
図１に示すように、本実施形態の半導体装置は、放熱板１と、絶縁基板２と、表面導電膜３ａ〜３ｅと、裏面導電膜４（図２参照）と、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）チップ１１ａ、１１ｂと、ＦＲＤ（Fast Recovery Diode）チップ１２ａ〜１２ｄと、配線ターミナル１３ａ、１３ｂと、ボンディングワイヤ１４ａ、１４ｂと、包囲枠２１ａ、２１ｂと、埋込材２２ａ、２２ｂとを備えている。
【００１１】
表面導電膜３ａ〜３ｅは、絶縁基板２の表面側に形成され、裏面導電膜４は、絶縁基板２の裏面側に形成されている。絶縁基板２は、例えばセラミックス基板である。表面導電膜３ａ〜３ｅと裏面導電膜４は例えば、金属で形成された金属板である。
【００１２】
絶縁基板２は、裏面導電膜４を介して放熱板１上に配置されている。絶縁基板２は、接合材６（図２参照）により放熱板１に接合されている。放熱板１は例えば、熱伝導率の高い金属で形成されている。接合材６は例えば、はんだや、熱伝導性の良好な金属材（例えば、Ａｇ（銀）ペーストやＣｕ（銅）ペースト）である。符号Ｈ1〜Ｈ8は、放熱板１に設けられたネジ穴を示す。
【００１３】
図１は、放熱板１や絶縁基板２の主面に平行で、互いに垂直なＸ方向およびＹ方向と、放熱板１や絶縁基板２の主面に垂直なＺ方向とを示している。本明細書は、＋Ｚ方向を上方向として取り扱い、−Ｚ方向を下方向として取り扱う。例えば、放熱板１と絶縁基板２との位置関係は、放熱板１が絶縁基板２の下方に位置していると表現される。
【００１４】
ＩＧＢＴチップ１１ａとＦＲＤチップ１２ａ、１２ｂは、表面導電膜３ａを介して絶縁基板２上に配置されている。また、ＩＧＢＴチップ１１ｂとＦＲＤチップ１２ｃ、１２ｄは、表面導電膜３ｃを介して絶縁基板２上に配置されている。
【００１５】
ＩＧＢＴチップ１１ａ、１１ｂは、ＩＧＢＴと呼ばれるトランジスタを備える半導体チップである。ＦＲＤチップ１２ａ〜１２ｄは、ＦＲＤと呼ばれるダイオードを備える半導体チップである。ＩＧＢＴチップ１１ａ、１１ｂとＦＲＤチップ１２ａ〜１２ｄは、接合材５（図２参照）により表面導電膜３ａ、３ｃに電気的に接続されている。接合材５は例えば、はんだや、導電性の金属材（例えば、ＡｇペーストやＣｕペースト）である。
【００１６】
配線ターミナル１３ａは、ＩＧＢＴチップ１１ａに電気的に接続された接続部Ｐ1と、ＦＲＤチップ１２ａに電気的に接続された接続部Ｐ2と、ＦＲＤチップ１２ｂに電気的に接続された接続部Ｐ3とを有している。配線ターミナル１３ａはさらに、表面導電膜３ｃに電気的に接続されている。
【００１７】
配線ターミナル１３ｂは、ＩＧＢＴチップ１１ｂに電気的に接続された接続部Ｐ4と、ＦＲＤチップ１２ｃに電気的に接続された接続部Ｐ5と、ＦＲＤチップ１２ｄに電気的に接続された接続部Ｐ6とを有している。配線ターミナル１３ｂはさらに、表面導電膜３ｅに電気的に接続されている。
【００１８】
配線ターミナル１３ａ、１３ｂは、例えば金属で形成されている。配線ターミナル１３ａ、１３ｂの接続部Ｐ1〜Ｐ6は、接合材５（図２参照）によりＩＧＢＴチップ１１ａ、１１ｂやＦＲＤチップ１２ａ〜１２ｄに電気的に接続されている。
【００１９】
ＩＧＢＴチップ１１ａとＦＲＤチップ１２ａ、１２ｂは、表面導電膜３ａと配線ターミナル１３ａにより並列接続されている。また、ＩＧＢＴチップ１１ｂとＦＲＤチップ１２ｃ、１２ｄは、表面導電膜３ｃと配線ターミナル１３ｂにより並列接続されている。
【００２０】
ボンディングワイヤ１４ａは、ＩＧＢＴチップ１１ａと表面導電膜３ｂとを電気的に接続している。また、ボンディングワイヤ１４ｂは、ＩＧＢＴチップ１１ｂと表面導電膜３ｄとを電気的に接続している。ボンディングワイヤ１４ａ、１４ｂはそれぞれ、ＩＧＢＴチップ１１ａ、１１ｂのゲートに接続されている。ボンディングワイヤ１４ａ、１４ｂは例えば、直径３５０μｍのアルミニウム製のボンディングワイヤである。
【００２１】
なお、ボンディングワイヤ１４ａは、正確には図２の断面図には現れないが、説明の便宜のため図２に図示されている。これは、後述する図３でも同様である。
【００２２】
包囲枠２１ａ、２１ｂは、環状の形状を有している。包囲枠２１ａは、表面導電膜３ａを介して絶縁基板２上に配置されており、ＩＧＢＴチップ１１ａ、ＦＲＤチップ１２ａ、１２ｂ、および接続部Ｐ1〜Ｐ3を包囲している。また、包囲枠２１ｂは、表面導電膜３ｃを介して絶縁基板２上に配置されており、ＩＧＢＴチップ１１ｂ、ＦＲＤチップ１２ｃ、１２ｄ、および接続部Ｐ4〜Ｐ6を包囲している。
【００２３】
本実施形態の包囲枠２１ａ、２１ｂは、絶縁材料で形成されている。この絶縁材料の例は、樹脂またはセラミックスである。包囲枠２１ａ、２１ｂは例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、はんだ、Ａｇペースト、Ｃｕペースト等の接合材により表面導電膜３ａ、３ｃに接合されている。
【００２４】
なお、包囲枠２１ａ、２１ｂは、金属材料等の導電材料で形成してもよい。この場合、包囲枠２１ａ、２１ｂとボンディングワイヤ１４ａ、１４ｂとの距離を広くとることなどにより、包囲枠２１ａ、２１ｂとボンディングワイヤ１４ａ、１４ｂとの間の絶縁性を確保することが望ましい。
【００２５】
埋込材２２ａは、ＩＧＢＴチップ１１ａ、ＦＲＤチップ１２ａ、１２ｂ、および接続部Ｐ1〜Ｐ3を覆うように包囲枠２１ａ内に埋め込まれている。また、埋込材２２ｂは、ＩＧＢＴチップ１１ｂ、ＦＲＤチップ１２ｃ、１２ｄ、および接続部Ｐ4〜Ｐ6を覆うように包囲枠２１ｂ内に埋め込まれている。
【００２６】
本実施形態の埋込材２２ａ、２２ｂは、樹脂で形成されている。この樹脂の例は、エポキシ樹脂である。埋込材２２ａ、２２ｂは例えば、包囲枠２１ａ、２１ｂ内に液体エポキシ樹脂を注入し、液体エポキシ樹脂を固化させることにより形成される。埋込材２２ａ、２２ｂは例えば、荷重を伝達可能な硬さを有する絶縁材料であれば、エポキシ樹脂以外の絶縁材料で形成してもよい。
【００２７】
埋込材２２ａ、２２ｂはそれぞれ、ボンディングワイヤ１４ａ、１４ｂの接続後に埋め込まれる。理由は、ボンディングワイヤ１４ａ、１４ｂの接続前に埋込材２２ａ、２２ｂを埋め込むと、ボンディングワイヤ１４ａ、１４ｂをＩＧＢＴチップ１１ａ、１１ｂに接続できなくなるからである。その結果、ボンディングワイヤ１４ａ、１４ｂはそれぞれ、埋込材２２ａ、２２ｂ内に部分的に埋め込まれる（図２参照）。
【００２８】
図１と図２は、埋込材２２ａ、２２ｂが存在する領域を、ドットで示している。なお、図１は、説明の便宜上、埋込材２１ａ、２２ｂにより覆われたＩＧＢＴチップ１１ａ、１１ｂ、ＦＲＤチップ１２ａ〜１２ｄ、および接続部Ｐ1〜Ｐ6の輪郭線を、削除せずに図示している。
【００２９】
図３は、第１実施形態の半導体装置の構造を示す断面図である。図４は、図３のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。図３や図４は、図１や図２の放熱板１に筐体（ケース）３１を取り付けた後の半導体装置を示す。
【００３０】
以下、本実施形態の半導体装置の構造を、主に図３を参照しつつ、必要に応じて図４も参照して説明する。
【００３１】
図３に示すように、本実施形態の半導体装置はさらに、筐体３１と、タッピングネジ３２と、六角ナット３３と、外部電力端子３４と、外部信号端子３５とを備えている。
【００３２】
筐体３１は、放熱板１や絶縁基板２を覆うように放熱板１に取り付けられている。放熱板１と筐体３１は、タッピングネジ３２により締結されている。放熱板１と筐体３１は、タッピングネジ３２以外の締結具により締結されていてもよい。例えば、放熱板１と筐体３１は、筐体３１にネジ穴を設けて通常のネジで締結してもよい。六角ナット３３、外部電力端子３４、および外部信号端子３５は、筐体３１に取り付けられている。本実施形態の筐体３１は、絶縁材料（例えば樹脂）で形成されている。
【００３３】
本実施形態の筐体３１は、埋込材２２ａ、２２ｂと対向する位置に押圧部３１ａ、３１ｂを有している。押圧部３１ａ、３１ｂの長さは、放熱板１と筐体３１がタッピングネジ３２により十分に締結される前に押圧部３１ａ、３１ｂと埋込材２２ａ、２２ｂとが接触するように設定されている。すなわち、押圧部３１ａ、３１ｂは、埋込材２２ａ、２２ｂの方向に突出している。よって、放熱板１と筐体３１がタッピングネジ３２により十分に締結されると、押圧部３１ａ、３１ｂが埋込材２２ａ、２２ｂの表面（上面）を押圧することとなる。埋込材２２ａ、２２ｂの表面に対する押圧部３１ａ、３１ｂの突出量は、例えば０．１〜０．２ｍｍである。
【００３４】
なお、押圧部３１ａ、３１ｂは、本実施形態では筐体３１の一部であるが、埋込材２２ａ、２２ｂの表面を押圧可能な部材であれば、筐体３１以外の部材でもよい。ただし、筐体３１の一部が押圧部３１ａ、３１ｂであると、例えば、筐体３１と別に押圧部３１ａ、３１ｂを用意する必要がなくなり、半導体装置の製造コストを低減することができる。
【００３５】
本実施形態の半導体装置は、放熱板１と筐体３１をタッピングネジ３２により締結した後に、筐体３１内にシリコーンゲルを注入することにより完成する。
【００３６】
次に、図５と図６を参照して、本実施形態の効果について説明する。
【００３７】
図５は、第１実施形態の効果について説明するための断面図である。
【００３８】
図５は、埋込材２２ａで埋め込まれ、押圧部３１ａで押圧される前の接続部Ｐ1を示している。この状態で半導体装置の温度サイクル試験を行うと、図５に示すように接続部Ｐ1に反りが生じ、接続部Ｐ1とＩＧＢＴチップ１１ａとの間の接合材５をはがすような応力が発生する。その結果、この接合材５にクラックが発生すると、通電不良などの不具合が発生する可能性がある。
【００３９】
そこで、本実施形態の半導体装置は、接続部Ｐ1〜Ｐ6等を包囲する包囲枠２１ａ、２１ｂと、包囲枠２１ａ、２１ｂ内に埋め込まれた埋込材２２ａ、２２ｂと、埋込材２２ａ、２２ｂの表面を押圧する押圧部３１ａ、３１ｂとを備えている（図１〜図４参照）。
【００４０】
よって、本実施形態の埋込材２２ａ、２２ｂは、押圧部３１ａ、３１ｂにより押圧されることで、表面に圧縮応力が掛かっている。そのため、この圧縮応力が接続部Ｐ1〜Ｐ6や接合材５に作用している。
【００４１】
よって、本実施形態の半導体装置の温度サイクル試験を行うときには、接続部Ｐ1〜Ｐ6に反りが生じさせる力や、接合材５をはがすような応力が、上記の圧縮応力により打ち消される。そのため、接続部Ｐ1〜Ｐ6の反りの発生や、接合材５のクラックの発生が抑制される。よって、本実施形態によれば、温度サイクル試験の際の接続部Ｐ1〜Ｐ6の不具合の発生を抑制することが可能となる。
【００４２】
図６は、第１実施形態と従来例における熱疲労試験の結果を示した表である。
【００４３】
図６の熱疲労試験は、２５℃〜１１５℃（ΔＴＣ＝９０℃）の条件の下で行った。図６は、１００００〜７００００サイクルにおける累積不良数を示している。半導体装置が不良であるか否かの判定は、半導体装置を分解して、接合材５のクラックによる電気特性不良が生じているか否かを確認することで行った。
【００４４】
図６に示すように、包囲枠２１ａ、２１ｂ、埋込材２２ａ、２２ｂ、押圧部３１ａ、３１ｂを備えていない従来例の半導体装置は、３００００サイクルで不良が発生した。よって、従来例の半導体装置の熱疲労試験は、目標とする６００００サイクルをクリアすることができなかった。
【００４５】
一方、包囲枠２１ａ、２１ｂ、埋込材２２ａ、２２ｂ、押圧部３１ａ、３１ｂを備える本実施形態の半導体装置は、７００００サイクルまで不良が発生しなかった。よって、本実施形態の半導体装置の熱疲労試験は、目標とする６００００サイクルをクリアすることができた。
【００４６】
以上のように、本実施形態の半導体装置は、半導体チップ１１ａ〜１２ｄや接続部Ｐ1〜Ｐ6を包囲する包囲枠２１ａ、２１ｂと、包囲枠２１ａ、２１ｂ内に埋め込まれた埋込材２２ａ、２２ｂと、埋込材２２ａ、２２ｂの表面を押圧する押圧部３１ａ、３１ｂとを備えている。
【００４７】
よって、本実施形態によれば、温度サイクル試験に対する信頼性の高い半導体装置を提供することが可能となる。
【００４８】
以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規な装置は、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明した装置の形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要旨に含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。
【符号の説明】
【００４９】
１：放熱板、２：絶縁基板、３ａ〜３ｅ：表面導電膜、
４：裏面導電膜、５：接合材、６：接合材、
１１ａ、１１ｂ：ＩＧＢＴチップ、１２ａ〜１２ｄ：ＦＲＤチップ、
１３ａ、１３ｂ：配線ターミナル、１４ａ、１４ｂ：ボンディングワイヤ、
２１ａ、２１ｂ：包囲枠、２２ａ、２２ｂ：埋込材、
３１：筐体、３１ａ、３１ｂ：押圧部、３２：タッピングネジ、
３３：六角ナット、３４：外部電力端子、３５：外部信号端子
【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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