(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
放熱ベース上に接合された導電パターン付絶縁基板と、該導電パターン付絶縁基板上に接合した半導体チップと、前記導電パターン付絶縁基板および前記半導体チップを収納し前記放熱ベースに接着された樹脂ケースと、該樹脂ケース内に充填された保護材とを備えるパワー半導体装置の製造方法において、
導電パターン付絶縁基板上に半導体チップを接合する工程と、
放熱ベースに前記導電パターン付絶縁基板を接合する工程と、
前記放熱ベースに樹脂ケースを接着する工程と、
前記導電パターン付絶縁基板の表面および前記半導体チップの表面に酸素プラズマ表面処理を施し、プラズマ酸化膜を成長する工程と、
前記の酸素プラズマ表面処理をした後で、前記導電パターン付絶縁基板および前記半導体チップを高温加熱し、湿気を除去する工程と、
樹脂ケース内に保護材を充填する工程と、
を含み、
前記酸素プラズマ表面処理条件において、プラズマのパワーが２００Ｗ〜６００Ｗであり、プラズマ処理時間が３０秒〜７００秒であり、酸素（Ｏ２）の流量が３０ｍｌ／分〜１００ｍｌ／分であることを特徴とするパワー半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記の高温加熱の条件は、温度は１００℃以上で２００℃以下、加熱時間は３０分以上で２時間以下であることを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記保護材がシリコーンゲルもしくはエポキシ樹脂であることを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記導電パターン付絶縁基板を構成する絶縁基板の材質が、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４もしくはＡｌＮであり、導電パターンの材質が銅であることを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、パワー半導体装置の製造方法に係り、特に、シリコーンゲルなどが封入されたパワー半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワー半導体モジュールなどのパワー半導体装置では、樹脂ケース内に配置される導電パターン付絶縁基板の導電パターンやこの導電パターン上に半田などで接合されるパワー半導体チップを保護するために樹脂ケース内にシリコーンゲルを充填し封止する。このシリコーンゲルによって樹脂ケース内での絶縁性能（絶縁耐圧）が確保されている。
【０００３】
図１１は、従来のパワー半導体装置の概略の製造工程図である。この工程図はシリコーンゲルが注入されるまでの概略の工程を示している。この各工程の詳細説明を以下の図１２〜図１６で示す。
【０００４】
図１２〜図１６は、従来のパワー半導体装置の製造方法を工程順に示した要部製造工程断面図である。パワー半導体装置とは、ここではＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴなどのパワー半導体チップを収納したパワー半導体モジュールなどである。
【０００５】
まず、図１２（工程１）において、導電パターン付絶縁基板１上にパワー半導体チップ２を接合し、パワー半導体チップ２と導電パターン付絶縁基板１の図示しない導電パターンをボンディングワイヤ３で接続する。導電パターン付絶縁基板１とは、図示しないセラミックなどの絶縁基板上に回路配線パターンとなる導電パターンを接合し、裏面には裏面導電層を接合したものである。この導電パターンは通常は銅箔などで形成される。
【０００６】
つぎに、図１３（工程２）において、導電パターン付絶縁基板１の図示しない裏面導電層を放熱ベース４に半田などで接合する。
つぎに、図１４（工程３）において、樹脂ケース５の底部を放熱ベース４の側面に接着剤で固定する。接着剤はエポキシ樹脂系の接着剤であり、接着条件としては温度が１５０℃程度で処理時間が３分程度である。
【０００７】
つぎに、図１５（工程４）において、パワー半導体チップ２および導電パターンと樹脂ケース５に固定されている外部導出端子６をボンディングワイヤ３などで接続する。
つぎに、図１６（工程５）において、シリコーンゲル９を樹脂ケース５内に注入する。
【０００８】
また、特許文献１では、半導体素子とリードを、この半導体素子およびリードの外表面の少なくとも一部がポリイミドに被覆された状態で電気接続を行い、ついで上記リード付半導体素子を封止樹脂によって封止する半導体装置に製法であって、上記リード付半導体素子の樹脂封止に先立って、少なくともポリイミド部分をプラズマ処理するようにした。
【０００９】
このプラズマ処理によって、封止樹脂に接するポリイミド表面が改質されて樹脂とのなじみ性が向上する。したがって、この方法によれば、ポリイミドと封止樹脂の境界面における両者の耐湿密着性に優れ、半田リフロー工程においてパッケージクラックを発生しにくい半導体装置を得ることができることが記載されている。
【００１０】
また、特許文献２では、基板３１上に半導体素子を搭載し、この半導体素子と基板の電極をワイヤボンディングにより接続してなる電子部品の製造方法において、銅電極上のニッケル膜上に形成された金膜の表面に、半導体素子接着時の熱処理によって生成する接合阻害物を、アルゴンガスによる第１のプラズマ処理により除去してワイヤボンディング性を向上させる。その後、第１のプラズマ処理によって樹脂モールドとの密着性が低下したレジストの表面を、酸素ガスプラズマを用いる第２のプラズマ処理によって改質し、封止樹脂の樹脂モールドとの密着性を向上させることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平５−１５２３６２号公報
【特許文献２】特開平１１−１４５１２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
前記の図１１の従来の工程および図１２〜図１６の従来の製造方法では、
(１)パワー半導体装置の耐絶縁特性として、常温環境と比較して高温環境下（例えば１５０℃雰囲気）においては、図１７に示すように、絶縁破壊電圧（絶縁耐圧）が低下する。
（２）通常、パワー半導体装置はパワー半導体チップ２の発熱により、高温状態で使用されるため、高温下での絶縁耐圧の低下は信頼性の低下を招く。
【００１３】
これらは、導電パターン付絶縁基板１およびパワー半導体チップ２とシリコーンゲル９との密着性が低下したために起こる現象である。
これを防ぐために、前記の特許文献１，２のようなＯ２プラズマによる表面処理を施す方法がある。
【００１４】
しかし、特許文献１，２に示されているプラズマ表面処理では、高温環境下で用いられるパワー半導体モジュールなどのパワー半導体装置に対しては不十分であり、絶縁破壊電圧の低下と絶縁耐量の低下による信頼性の低下が懸念される。
【００１５】
図１７は、従来のＩＧＢＴモジュール温度と絶縁破壊耐圧の関係を示す図である。
常温での絶縁破壊電圧が７．０ｋＶ〜８．０ｋＶである場合、１５０℃の高温になると５．０ｋＶ〜６．０ｋＶに低下する。
【００１６】
また、前記の特許文献１，２では、ＩＣが対象の半導体装置であり、印加される電圧も数十Ｖ程度で低い。それに対して、パワー半導体装置では、数１０００Ｖと高く、ＩＣよりも絶縁破壊を起こし易い。
【００１７】
また、前記の特許文献１，２では、プラズマ表面処理を施す対象がエポキシ樹脂であり、シリコーンゲルを対象とした記述はされていない。また、プラズマ表面処理した後、保護材で表面を被覆する前に予備加熱することについては記載されていない。
【００１８】
パワー半導体装置において、特に大きい樹脂ケース５が使用される場合には、シリコーンゲルの代わりにエポキシ樹脂を用いると、エポキシ樹脂は柔軟性が乏しく熱応力が大きいので樹脂ケースや導電パターン付絶縁基板にクラックが入ったり割れたりするため使用することが出来ない。
【００１９】
また、前記の特許文献２では、基板のレジストと樹脂モールドとの密着性の向上については記載されているが、導電パターン付絶縁基板（セラミック基板と回路配線パターン）とシリコーンゲルとの密着性については記載されていない。
【００２０】
また、前記の特許文献では、外力によるダメージや異物の侵入を防止するために密着性の向上を図るということについては記載されているが、本発明のように半導体装置の絶縁耐圧が向上するということについては記載されていない。
【００２１】
この発明の目的は、前記の課題を解決して、高温環境下での絶縁耐圧と信頼性の向上を図ることができるパワー半導体装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
前記の目的を達成するために、特許請求の範囲の請求項１に記載の発明によれば、放熱ベース上に接合された導電パターン付絶縁基板と、該導電パターン付絶縁基板上に接合した半導体チップと、前記導電パターン付絶縁基板および前記半導体チップを収納し前記放熱ベースに接着された樹脂ケースと、該樹脂ケース内に充填された保護材とを備えるパワー半導体装置の製造方法において、導電パターン付絶縁基板上に半導体チップを接合する工程と、放熱ベースに前記導電パターン付絶縁基板を接合する工程と、前記放熱ベースに樹脂ケースを接着する工程と、前記導電パターン付絶縁基板の表面および前記半導体チップの表面に酸素プラズマ表面処理を施し、プラズマ酸化膜を成長する工程と、前記の酸素プラズマ表面処理をした後で、前記導電パターン付絶縁基板および前記半導体チップを高温加熱し、湿気を除去する工程と、樹脂ケース内に保護材を充填する工程と、を含み、前記酸素プラズマ表面処理条件において、プラズマのパワーが２００Ｗ〜６００Ｗであり、プラズマ処理時間が３０秒〜７００秒であり、酸素（Ｏ２）の流量が３０ｍｌ／分〜１００ｍｌ／分であることを特徴とする製造方法とする。
【００２４】
また、特許請求の範囲の請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明において、前記の高温加熱の条件は、温度は１００℃以上で２００℃以下、加熱時間は３０分以上で２時間以下であるとよい。
【００２５】
また、特許請求の範囲の請求項３記載の発明によれば、請求項１に記載の発明において、前記保護材がシリコーンゲルもしくはエポキシ樹脂であるとよい。  また、特許請求の範囲の請求項４に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明において、前記導電パターン付絶縁基板を構成する絶縁基板の材質が、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４もしくはＡｌＮであり、導電パターンの材質が銅であるとよい。
【００２６】
なお、本願発明における酸素プラズマ表面処理とは、酸素等の酸化性ガスを用いて発生させたプラズマ中のイオンまたは活性種により、処理対象の表面をクリーニングもしくは親水化処理することをいう。
【発明の効果】
【００２７】
この発明では、酸素プラズマ表面処理工程と、シリコーンゲル注入前の予備加熱工程を組み合わせることで、シリコーンゲル（保護材）と導電パターン付絶縁基板および半導体チップとの密着性を向上させ、高温環境下でのパワー半導体装置の絶縁耐圧と信頼性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】この発明の第１実施例のパワー半導体装置の製造工程図である。
【図２】この発明の第１実施例のパワー半導体装置の要部製造工程断面図である。
【図３】図２に続く、この発明の第１実施例のパワー半導体装置の要部製造工程断面図である。
【図４】図３に続く、この発明の第１実施例のパワー半導体装置の要部製造工程断面図である。
【図５】図４に続く、この発明の第１実施例のパワー半導体装置の要部製造工程断面図である。
【図６】図５に続く、この発明の第１実施例のパワー半導体装置の要部製造工程断面図である。
【図７】図６に続く、この発明の第１実施例のパワー半導体装置の要部製造工程断面図である。
【図８】図７に続く、この発明の第１実施例のパワー半導体装置の要部製造工程断面図である。
【図９】酸素プラズマ処理条件と絶縁耐圧の関係を示す図である。
【図１０】本発明の製造方法を適用したときのＩＧＢＴモジュール温度と絶縁破壊耐圧の関係を示す図である。
【図１１】従来のパワー半導体装置の概略の製造工程図である。
【図１２】従来のパワー半導体装置の要部製造工程断面図である。
【図１３】図１２に続く、従来のパワー半導体装置の要部製造工程断面図である。
【図１４】図１３に続く、従来のパワー半導体装置の要部製造工程断面図である。
【図１５】図１４に続く、従来のパワー半導体装置の要部製造工程断面図である。
【図１６】図１５に続く、従来のパワー半導体装置の要部製造工程断面図である。
【図１７】従来のＩＧＢＴモジュール温度と絶縁破壊耐圧の関係を示す図である。
【図１８】酸素プラズマ表面処理条件の好適範囲を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
実施の形態を以下の実施例で説明する。従来と同一部位には同一符号を付した。
＜実施例１＞
図１は、この発明の第１実施例のパワー半導体装置の製造工程図である。この工程図はシリコーンゲルが注入されるまでを示している。この各工程の詳細説明を以下の図２〜図８で示す。
【００３０】
図２〜図８は、この発明の第１実施例のパワー半導体装置の製造方法を工程順に示した要部製造工程断面図である。また、パワー半導体装置とは、ここではＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴなどのパワー半導体チップを収納したパワー半導体モジュールなどである。
【００３１】
まず、図２（工程１）において、導電パターン付絶縁基板１上にパワー半導体チップ２を接合し、パワー半導体チップ２と導電パターン付絶縁基板１の図示しない導電パターンをボンディングワイヤ３などの接続導体で接続する。導電パターン付絶縁基板１とは、図示しないが、セラミックなどの絶縁基板上に回路配線パターンとなる導電パターンが接合し、裏面には裏面導電層が接合したものである。この導電パターンは通常、銅箔などで形成される。
【００３２】
つぎに、図３（工程２）において、導電パターン付絶縁基板１の図示しない裏面導電層を放熱ベース４に図示しない半田などで接合する。
つぎに、図４（工程３）において、樹脂ケース５の底部を放熱ベース４の側面に接着剤で固定する。接着剤はエポキシ樹脂系の接着剤であり、接着条件としては処理温度が１５０℃程度で処理時間が３分程度である。
【００３３】
つぎに、図５（工程４）において、パワー半導体チップ２および導電パターンと樹脂ケース５に固定されている外部導出端子６をボンディングワイヤ３などの接続導体で接続する。
【００３４】
つぎに、図６（工程５）において、プラズマ処理装置５０内で、導電パターン付絶縁基板１の表面およびパワー半導体チップ２の表面に酸素プラズマ表面処理を行う。前記したように導電パターン付絶縁基板１の導電パターンは銅箔であり、絶縁基板の材質は、Ａｌ２Ｏ３，Ｓｉ３Ｎ４，ＡｌＮなどのセラミックである。
【００３５】
つぎに、図７（工程６）において、シリコーンゲル９を注入する前に、予備加熱を行なうこの予備加熱の条件は、加熱温度が１５０℃程度、加熱時間は１時間程度である。この予備加熱は恒温槽８や熱板を用いて行なう。
【００３６】
つぎに、図８（工程７）において、シリコーンゲル９を樹脂ケース５内に注入する。
前記の図６（工程５）において、プラズマ処理装置５０内に設けられた、酸素プラズマを発生させる平行平板型の電極７の大きさは、例えばＬ（縦）×Ｗ（横）＝約２５０ｍｍ×１５０ｍｍ程度である。電極間距離Ｄは、例えば５０ｍｍ〜１００ｍｍ程度である。プラズマ発生の発振周波数ｆは１３．５６ＭＨｚである。また、プラズマ処理装置内に導入される酸素（Ｏ２）１０の流量Ｑは５０ｍｌ／分程度が好適である。この流量Ｑは３０ｍｌ以上で１００ｍｌ以下がよい。流量Ｑが１００ｍｌ超ではプラズマ酸化膜の膜質が変質して絶縁耐圧の低下を招く。一方、３０ｍｌ未満ではプラズマ酸化膜が薄すぎて、密着性が低下し絶縁耐圧の低下を招く。プラズマ処理に用いる酸化性ガスとしては、酸素のほか、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）等を用いてもよい。
【００３７】
また、前記の図６（工程５）において、酸素プラズマ処理条件と絶縁耐圧について実験した結果について説明する。
図９は、酸素プラズマ処理条件と絶縁耐圧の関係を示す図である。図中の○は絶縁耐圧向上、△は絶縁耐圧変化なし、×は絶縁耐圧低下を示す。
【００３８】
酸素プラズマ表面処理条件として、プラズマのパワーＰは２００Ｗ〜６００Ｗ、プラズマ処理時間ｔは３０秒７００秒である。プラズマのパワーＰやプラズマの処理時間ｔがこの範囲を超えると、熱酸化膜が成長してプラズマ酸化膜から膜質が変質する。そのため、密着性が低下して絶縁耐量が低下する。一方、この範囲より小さい場合は、プラズマ酸化膜の厚みが薄くなり、やはり密着性が低下して絶縁耐量が低下する。また、プラズマのパワーＰが２５０Ｗ〜６００Ｗ、プラズマ処理時間ｔが３０秒〜６００秒の範囲が絶縁耐圧向上の面からさらに好ましい。
【００３９】
また、図９から分かるように、好ましい酸素プラズマ表面処理条件には、プラズマのパワーＰとプラズマ処理時間ｔの関係には逆比例の関係がある。図１８はこの関係を示したものであり、斜線部が好ましい条件の範囲を示している。従って、図９、１８の範囲内で、プラズマのパワーＰを増大させたときは、プラズマ処理時間ｔを減少させると、絶縁耐量を向上させることができる。なお、絶縁耐量が向上する理由は不明であるが、上記の条件においてプラズマ酸化膜の膜厚が数ｎｍ以上になるとシリコーンゲル９の密着性が向上する。
【００４０】
本実施例では前記の工程５の酸素プラズマ表面処理をした後で、前記の工程６の予備加熱することで、シリコーンゲル９が密着する相手側の導電パターン付絶縁基板１およびパワー半導体チップ２の表面が乾燥し、湿気が除去される。そのため、予備加熱しない場合に比べて、シリコーンゲル９と導電パターン付絶縁基板１やパワー半導体チップ２との密着性を向上させることができる。
【００４１】
前記の図７（工程６）において、予備加熱条件としては、加熱温度は１００℃以上で２００℃以下、加熱時間は３０分以上で２時間以下がよい。この範囲から外れると酸化や不十分な湿気除去などの不具合が生じる。
【００４２】
前記のように、酸素プラズマ表面処理工程と、シリコーンゲルを注入する前の予備加熱工程の組み合わせにより、シリコーンゲル９と導電パターン付絶縁基板１間での密着性、シリコーンゲル９とパワー半導体チップ１間での密着性を改善できる。
【００４３】
密着性が改善することで、高温環境（例えば、１５０℃程度）下でのパワー半導体装置の絶縁耐圧の低下が防止され、パワー半導体装置の信頼性を向上させることができる。
図１０は、本発明の製造方法を適用したときのＩＧＢＴモジュール温度と絶縁破壊耐圧の関係を示す図である。
【００４４】
常温での絶縁破壊電圧が７．０ｋＶ〜８．０ｋＶ程度である場合、１５０℃の高温では７．０ｋＶ〜９．５ｋＶ程度の絶縁破壊電圧となる。従来の製造方法での高温での絶縁破壊電圧と本発明の高温での絶縁破壊電圧を比べると確実に本発明の製造方法を適用したＩＧＢＴモジュールの高温での絶縁破壊電圧は高くなっている。
【００４５】
つまり、本実施例では、半導体装置の製造方法において、酸素プラズマ表面処理工程と、シリコーンゲル注入前の予備加熱工程を組み合わせることにより、シリコーンゲル（保護材）と導電パターン付絶縁基板および半導体チップとの密着性を向上させることができるので、パワー半導体装置の絶縁耐圧を向上させることができる。
【００４６】
なお、前記の工程６は、前記工程７の直前に入れた場合について説明した。これは、前記工程７の直前に入れると前記工程７までの放置時間が短くなり好ましいからである。しかし、前記工程７の直前に入れずに、前記工程２と前記工程７の間の工程に入れても絶縁耐圧の向上は見られた。
【００４７】
このパワー半導体装置の絶縁性能を確保する保護材として、シリコーンゲル９について説明したが、絶縁性と弾力性が高い保護材であればこれに限るものではない。また、パワー半導体装置の樹脂ケースが比較的小さい場合には、エポキシ樹脂を用いることもある。
【００４８】
特に、ＳｉＣやＧａＮで製造されるパワー半導体装置では、樹脂ケース５の大きさが比較的小さく、また高温動作のために、保護材としてエポキシ樹脂を用いる。この場合も本発明の製造方法を用いることで同様の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００４９】
１    導電パターン付絶縁基板
２    パワー半導体チップ
３    ボンディングワイヤ
４    放熱ベース
５    樹脂ケース
６    外部導出端子
７    電極
８    恒温槽
９    シリコーンゲル
１０    酸素
【図１】
0005987297.tif 000002
【図２】
0005987297.tif 000003
【図３】
0005987297.tif 000004
【図４】
0005987297.tif 000005
【図５】
0005987297.tif 000006
【図６】
0005987297.tif 000007
【図７】
0005987297.tif 000008
【図８】
0005987297.tif 000009
【図９】
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【図１０】
0005987297.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
0005987297.tif 000014
【図１４】
0005987297.tif 000015
【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
0005987297.tif 000018
【図１８】
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