(57)【要約】【課題】  パワー半導体装置において振動や強制的な熱サイクルが加わるようなことがあっても、ワイヤーボンドが接続部で容易に破断してしまうことが無く、接続部での信頼性を向上させる。【解決手段】  パワー半導体装置において、配線用の金属導体として、ボンディングワイヤ６により銅配線回路２とパワー半導体素子３間、銅配線回路２とケース端子部７間がそれぞれ接続されており、銅配線回路２、パワー半導体素子３のＡｌ電極表面、ケース端子部７、ボンディングワイヤ６の露出導体部分には、電着法により、エポキシ系樹脂絶縁皮膜９が形成されている。【選択図】  図１
2006060065.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁配線基板と、
前記絶縁配線基板上に固着された半導体素子と、
前記半導体素子間、前記絶縁配線基板の電極と前記半導体素子間、および前記絶縁配線基板の電極間の所定部位間を接続するための金属導体と、
前記半導体素子、前記絶縁配線基板の電極、及び前記金属導体の金属表面に形成された絶縁性材料の皮膜と、を備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
絶縁性材料の皮膜は、溶液中で電圧を印加する電着法により形成された皮膜であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
絶縁性材料の皮膜は、エポキシ系樹脂であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
絶縁性材料の皮膜は、ポリイミド系樹脂であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項５】
半導体素子は、パワー半導体素子であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項６】
絶縁配線基板上に半導体素子を固着する工程と、
前記半導体素子間、前記絶縁配線基板の電極と前記半導体素子間、および前記絶縁配線基板の電極間の所定部位間に金属導体により接続する工程と、
前記半導体素子、前記絶縁配線基板の電極、及び前記金属導体の金属表面にプラスの直流電圧を印可し、露出された金属表面の酸化膜を除去する工程と、
前記半導体素子、前記絶縁配線基板の電極、及び前記金属導体の金属表面にマイナスの直流電圧の印可による電着法により、前記露出された金属表面に絶縁性材料の皮膜を形成する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記絶縁性材料の皮膜を形成する工程が、パルス電圧を印可する電着による方法であることを特徴とする請求項６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、パワー半導体素子等を絶縁配線基板に搭載して、ケースに収納し、金属導体により配線接続し、モジュール化した半導体装置およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体装置においては、ケース側の端子部と絶縁配線基板側の電極間は金属導体としてのボンディングワイヤにより電気的に接続されている。この接合部でのボンディングワイヤの破断を防止するため、ケース側の端子とボンディングワイヤとの接合部は、エポキシ樹脂にて被着硬化する対策が採られており、これによりボンディングワイヤのネック部を固定し、強い振動や強制的な熱サイクルが加わっても、動かないようにしている（例えば特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−５０８９７号公報（第３−４頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の半導体装置にあっては、エポキシ樹脂でネック部を固定されたケース側端子とボンディングワイヤとの接合部の振動や熱サイクルに対する信頼性は向上するが、それ以外のパワートランジスター等の半導体素子とボンディングワイヤとの接合部、さらには絶縁配線基板の電極とボンディングワイヤとの接合部においては、強い振動や強制的熱サイクルが加わると、ボンディングワイヤのネック部分に応力が集中し、破断するなどの問題があった。
【０００５】
本発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、半導体装置に強い振動や強制的な熱サイクルが加わっても、ケース端子部と絶縁配線基板間、絶縁配線基板と半導体素子間のボンディングワイヤ等の金属導体接合部においてボンディングワイヤや接合部の破断が生じない信頼性の高い半導体装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の半導体装置においては、ケース端子部と半導体素子間、絶縁配線基板と半導体素子間、および半導体素子間の所定部位間を金属導体により接続するとともに、上記金属導体と、上記ケース端子部、上記絶縁配線基板および前記絶縁配線基板上に固着された半導体素子のそれぞれの露出された金属表面に絶縁性材料による皮膜を形成したものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明は、ボンディングワイヤ等の金属導体と、ケース端子部、絶縁配線基板および絶縁配線基板上に固着された半導体素子のそれぞれの露出された金属表面に絶縁性材料の皮膜を形成することにより、接続強度が増すとともに応力が緩和され、強い振動や強制的な熱サイクルが加わっても、金属導体や接合部の破断が発生し難くなるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１は、本発明を実施するための実施の形態１における半導体装置の部分断面図である。
図１において、絶縁配線基板である窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板１の表面には銅配線回路２が形成され、この絶縁配線基板１上に半導体素子であるパワー半導体素子３が半田により接合搭載されている。上記絶縁配線基板１は、アルミ炭化珪素（ＡｌＳｉＣ）からなるベース放熱板４に半田を用いて接合搭載されている。このベース放熱板４は、ケース５に入れられ、配線用の金属導体であるボンディングワイヤ６により銅配線回路２とパワー半導体素子３間、銅配線回路２とケース端子部７間がそれぞれ接続されている。ケース端子部７は、外部引出し端子８に繋がっている。銅配線回路２、パワー半導体素子３のＡｌ電極表面、ケース端子部７、ボンディングワイヤ６の露出導体部分の表面には、電着法により、絶縁性材料の皮膜としてエポキシ系樹脂絶縁皮膜９が形成されており、これら回路全体は、絶縁性シリコーンゲル１０で充填されている。上記構成要素により半導体装置１１は構成されている。
【０００９】
次に、エポキシ系樹脂絶縁皮膜９の電着法による形成方法について説明する。Ａｌ線のボンディングワイヤ６により、パワー半導体素子３と銅配線回路２、銅配線回路２とケース端子部７との配線接続が完了した段階で、半導体装置１１をエポキシ系樹脂を含む溶液の入った電着槽内（図示せず）に固定する。まず前処理として、プラスの直流電圧３００Ｖを２秒間、印可し、銅配線回路２、パワー半導体素子３の表面、ケース端子部７、ボンディングワイヤ６部の露出部で絶縁被覆の形成が必要な導体部分の表面の酸化層を除去する。次に、マイナスの直流電圧３００Ｖを５秒間、１０秒間隔のパルスで３分間印可し、前記絶縁被覆の形成が必要な導体部分にエポキシ系樹脂絶縁皮膜９を電着により形成する。この電着条件により、ボンディングワイヤ６のＡｌ表面で８０μｍ、パワー半導体素子３のＡｌ電極表面で７５μｍ、銅配線回路２の銅表面で９５μｍ、銅配線回路エッジ部で６５μｍの厚さのエポキシ系樹脂絶縁皮膜９が形成される。その後、半導体装置１１を水洗し、エポキシ系樹脂絶縁皮膜９を１７０℃で加熱硬化し、絶縁性シリコーンゲル１０を半導体装置１１に注型して、１２０℃で加熱硬化する。
【００１０】
本実施の形態１で作製した半導体装置１１と従来法により作製された半導体装置を、−４０℃／１２５℃の条件で各３０分間保持するヒートサイクル試験により、ボンディングワイヤの破断までのヒートサイクル回数で比較評価した。その結果、従来構造の半導体装置では、２０個の試料に対して、パワー半導体素子上のボンディングワイヤの破断までの平均ヒートサイクル回数が２５００回であるのに対し、本実施の形態１による半導体装置１１では、２０個の試料に対して、パワー半導体素子３上のボンディングワイヤ６の破断までの平均ヒートサイクル回数は６０００回と大幅に向上した。この評価結果から、電着法によりエポキシ系樹脂絶縁皮膜９を形成することにより、接着強度が向上すると同時に応力が緩和され、ボンディングワイヤが破断し難くなるという効果が確認された。
【００１１】
上記実施の形態１では、電着の前に前処理を実施する場合について述べたが、前処理なしであっても、本発明によるエポキシ系樹脂絶縁膜９を形成することにより、従来構造の半導体装置に比べ、前述のヒートサイクル試験の結果、パワー半導体素子３上のボンディングワイヤ６の破断までの平均ヒートサイクル回数が、２５００回から３０００回に向上することから、効果が認められることは明らかである。さらに、エポキシ系樹脂絶縁皮膜９を形成する前に、前処理を行い、エポキシ系樹脂絶縁皮膜９を電着で形成した場合、ヒートサイクル試験結果は前述したように、６０００回と飛躍的にボンディングワイヤの破断までの回数が伸び、破断耐性が向上することが確認され、前処理の効果が大きいことが分かる。
【００１２】
ここで、前処理の効果について補足説明すると、逆バイアスの前処理がないと、同じ電着条件でも、エポキシ系樹脂絶縁皮膜９の厚さは、ボンディングワイヤ６のＡｌ表面で２０μｍ、パワー半導体素子３のＡｌ電極表面で２５μｍ、銅配線回路２の銅表面で９０μｍ、銅配線回路エッジ部で６５μｍとなり、前述の前処理がある場合の電着に比べて、ボンディングワイヤ６のＡｌ表面とパワー半導体素子３のＡｌ電極表面でエポキシ系樹脂絶縁皮膜９の厚さは大幅に薄くなり、厚さが材質に大きく依存する。また、絶縁皮膜の膜厚の均一性も劣る。これらのことが、ヒートサイクル試験でのボンディングワイヤ６の破断までのヒートサイクル回数が少ないことを反映しており、充分な強度が得られていないことが分かる。
エポキシ系樹脂絶縁皮膜９を電着により形成する前に、前処理としてプラスの直流電圧を印可し、ボンディングワイヤ６のＡｌ表面や半導体素子３のＡｌ電極表面、銅配線回路２の銅表面に形成されている自然酸化膜を除去することにより、厚い絶縁皮膜の形成が可能となると同時に、絶縁皮膜の厚みが材質に依らず、ほぼ同じにすることができる。
これにより、本実施の形態１では、ボンディングワイヤ６とパワー半導体素子３や、ボンディングワイヤ６とケース端子７等との接合部の強度が向上し、信頼性が向上する。
【００１３】
実施の形態２．
図２は、本発明を実施するための実施の形態２による半導体装置の部分断面図を示すものである。実施の形態２では、実施の形態１で使用した絶縁性材料の皮膜としてエポキシ系樹脂絶縁皮膜９の替わりにポリイミド系樹脂絶縁皮膜１２を使用したものである。
半導体装置１１の構成は、実施の形態１と同じであるので、説明は省略する。
次に、ポリイミド系樹脂絶縁皮膜１２の電着法による形成方法について説明する。
Ａｌ線のボンディングワイヤ６により、パワー半導体素子３と銅配線回路２、銅配線回路２とケース端子部７との配線接続が完了した段階で、半導体装置１１をポリイミド系樹脂を含む溶液の入った電着槽内（図示せず）に固定し、まず前処理として、絶縁被覆が必要な導体部分にプラスの直流電圧３００Ｖを２秒間、印可し、導体表面の酸化膜を除去する。次に、マイナスの直流電圧４００Ｖを５秒間、１０秒間隔のパルスで５分間通電する電着により、絶縁被覆の形成が必要な導体部分にポリイミド系樹脂絶縁皮膜１２が形成される。この電着条件により、ボンディングワイヤ６のＡｌ表面で４５μｍ、パワー半導体素子３のＡｌ電極表面で４０μｍ、銅配線回路２の銅表面で４５μｍ、銅配線回路エッジ部で４２μｍの厚さのポリイミド系樹脂絶縁皮膜１３が形成される。その後、半導体装置１１を水洗し、エポキシ系樹脂絶縁皮膜９を１８０℃で１時間加熱硬化し、さらに、絶縁性シリコーンゲル１０を半導体装置１１に注型して、１２０℃で加熱硬化する。
【００１４】
本実施の形態２で作製した半導体装置１１を、−４０℃／１２５℃の条件で各３０分間保持するヒートサイクル試験により、ボンディングワイヤの破断までのヒートサイクル回数を測定した。その結果、本実施の形態２による半導体装置１１では、２０個の試料に対して、パワー半導体素子３上のボンディングワイヤ６の破断までの平均ヒートサイクル回数は、４５００回であり、従来方法により製造された半導体装置が２５００回であるのに比較して、大幅に向上した。この実験結果から、実施の形態１で示した、エポキシ系樹脂絶縁皮膜９の場合と同様、電着法によりポリイミド系樹脂絶縁皮膜１２をボンディングワイヤ６の他、露出導体部分に形成することにより、接着強度が向上すると同時に応力が緩和され、ボンディングワイヤ６が破断し難くなるという効果が確認された。実施の形態１に比較して、ボンディングワイヤ６の破断までのヒートサイクル回数が少ないのは、ここでの、ポリイミド系絶縁皮膜１２がエポキシ系樹脂絶縁皮膜９よりも薄いためと考えられる。
【００１５】
上記実施の形態１、２では、電着法による絶縁皮膜形成を行う電圧印可方法として、新たにパルス的に電圧を印可する方法を用いたが、その効果を本実施の形態２での、パルス電圧印加法によるポリイミド系樹脂絶縁皮膜１２の電着による実験データにて示す。
パルス電圧印加法と従来法である昇圧電圧印加法によるポリイミド系樹脂絶縁皮膜１２の形成結果を比較する。前処理はプラスの直流電圧３００Ｖを２秒間、いずれの方法でも実施した。パルス電圧印加法では、マイナスの直流電圧４００Ｖを５秒間、１０秒間隔でパルス的に５分間通電した。昇圧電圧印加法では、マイナスの直流電圧４００Ｖを５分間通電した。その結果、パルス電圧印加法では、ポリイミド系樹脂絶縁皮膜１２の厚さが、ボンディングワイヤ６のＡｌ表面で４３μｍ、パワー半導体素子３のＡｌ電極表面で４０μｍ、銅配線回路２の銅表面で４５μｍ、銅配線回路部のエッジ部で４２μｍと差がないのに対して、昇圧電圧印加法では、ボンディングワイヤ６のＡｌ表面で２８μｍ、パワー半導体素子３のＡｌ電極表面で２５μｍ、銅配線回路２の銅表面で４２μｍ、銅配線回路エッジ部で２１μｍと、銅配線回路２の銅表面を除いて、ポリイミド系樹脂絶縁皮膜１２の厚さが約半分と薄い。
パルス電圧印加法では、ポリイミド系樹脂絶縁皮膜１２の厚さは、材質、形状に拠らず変わらないが、昇圧電圧印加法では、ポリイミド系樹脂絶縁皮膜１２の厚さは、材質、形状に依存し、銅配線回路上を除いて薄くなる。パルス電圧印加を用いることにより、材質、形状に拠らず厚さが同じ絶縁皮膜を形成できる効果がある。
【００１６】
このように、同じ電着法でも、従来法による昇圧電圧法より、パルス電圧印可法による方が銅配線回路エッジ部において、絶縁皮膜の膜厚が大きくなり、絶縁破壊耐性に優れた絶縁皮膜が得られる。しかし、従来の半導体装置に比べ、一般的な電着プロセスで使用される昇圧電圧法による電着を用いる半導体装置おいても、ボンディングワイヤや銅配線回路、半導体素子の表面に絶縁皮膜を形成することによる効果があることはいうまでもないが、パルス電圧印加法による電着を用いた絶縁皮膜の形成方法を利用する方がより効果的である。
【００１７】
上記実施の形態１，２では、電着による絶縁材料による皮膜を形成する効果として、ボンディングワイヤの破断耐性の向上について述べたが、沿面絶縁破壊電圧の向上の効果も期待できる。実際、絶縁皮膜がない場合の沿面絶縁破壊電圧が、８ｋＶｒｍｓであるのに対し、電着によるポリイミド系樹脂絶縁皮膜１２が形成されている場合の沿面絶縁破壊電圧は、１６ｋＶｒｍｓと、大きく改善されている。ここでは、０．３５ｍｍの厚さの窒化アルミニウム基板の沿面距離２ｍｍとした場合における値である（図２のＡで示す部分）。このように、銅配線回路２のエッジ部をポリイミド系樹脂絶縁皮膜１２で覆うことにより、沿面絶縁破壊電圧性能を向上させる効果がある。
【００１８】
また、電着によるポリイミド系樹脂皮膜１２の絶縁耐圧は５０ｋＶｒｍｓ／ｍｍで、絶縁性シリコーンゲル１０の絶縁耐圧である１４ｋＶｒｍｓ／ｍｍよりも大きい。従って、ポリイミド系樹脂皮膜１２を電着によりボンディングワイヤ６や接合部等の表面に形成することは、接合部の接着強度の向上や応力緩和による信頼性向上のみならず、絶縁耐圧性能の向上に対しても有効である。
【００１９】
上記の実施の形態１，２では、電着法による絶縁皮膜材料としてエポキシ系樹脂とポリイミド系樹脂を用いた例を示したが、ボンディングワイヤ６およびパワー半導体素子３に対して被着力があり、絶縁性シリコーンゲル１０の絶縁耐圧よりも大きく、少なくとも２０ｋＶｒｍｓ／ｍｍ以上の絶縁耐圧を有するように、絶縁材料の皮膜の厚さが形成できる材料であれば、上記実施の形態と同様な効果がある。さらに、上記実施の形態１、２では、金属配線導体としてボンディングワイヤ６による接合の場合に適用する例を挙げたが、断面が円形に拘わらず、矩形であってもよく、可とう性がなくてもよい。また、金属ボール接合、金属ポスト接合等のボンディングワイヤ以外の金属導体による接続法に適用しても、同様な効果が期待できる。
【００２０】
なお、上記実施の形態では、回路部全体を絶縁性シリコーンゲル、エポキシ樹脂で注型、加熱硬化処理し、保護する場合について述べたが、接合部が電着の絶縁樹脂皮膜により被覆されていることにより、接着強度が向上すると同時に応力緩和され、破断し難くなることについて説明したが、全ての金属表面が高耐電圧性の絶縁被覆をすることが可能であるため、適用機種によっては、絶縁性シリコーンゲルやエポキシ樹脂等の封止が不要にできる効果もある。
【００２１】
前記各実施の形態では、電着による絶縁皮膜をパワー半導体モジュールに適用する場合について述べたが、通常の半導体モジュールにも適用できることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】実施の形態１を示す半導体装置の部分断面図である。
【図２】実施の形態２を示す半導体装置の部分断面図である。
【符号の説明】
【００２３】
１  窒化アルミニウム基板
２  銅配線回路
３  パワー半導体素子
６  ボンディングワイヤ
９  エポキシ系樹脂絶縁皮膜
１２  ポリイミド系樹脂絶縁皮膜
【図１】
2006060065.tif 000003
【図２】
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