(57)【要約】【課題】優れた電気特性と熱特性、および高い信頼性の半導体装置を提供する。【解決手段】半導体素子１０６が配置されているマウント用導電体１３と、放熱体１０２との間を、シート状放熱絶縁体１２により接続し、樹脂封止手段１１によって絶縁封止体１５に一体化し、熱伝導体１４を介して冷却器１０３に搭載する。【選択図】図１
2006303226.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子が配置されるマウント手段と、
前記マウント手段と放熱手段を接続しているシート状放熱絶縁手段と、
前記半導体素子の熱を前記マウント手段から放熱するための放熱手段と、
前記マウント手段、シート状放熱絶縁手段、及び放熱手段を一体の絶縁封止体とする樹脂封止手段とを有し、
前記絶縁封止体を冷却器に搭載したことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記放熱手段上に複数の前記樹脂封止手段を有した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】
複数の前記絶縁封止体を冷却器に搭載したことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記樹脂封止手段は、エポキシ樹脂組成物であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記樹脂封止手段は熱可塑性樹脂組成物であることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の半導体装置。
【請求項６】
前記エポキシ樹脂組成物は、クレゾールノボラック形、フェノールノボラック形、ビフェニル形、ジシクロペンタジエン形、乃至ナフタレン形のうち少なくとも１種類のエポキシ樹脂に硬化剤を配合し、これに硬化促進剤、低応力化剤、充填材、難燃剤、カップリング剤、離型材、顔料のうち少なくとも１つ以上を加えた一液性樹脂であることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記熱可塑性樹脂組成物は、ポリオレフィン系樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリフェニレンサルファイド、熱可塑ポリイミド、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンエーテル、ポリアミド、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルエーテルケトン、液晶ポリマー、シンディオタクティックポリスチレン、またはこれらのうち２つ以上の組合せによるポリマーブレンド、ポリマーアロイであり、これに低応力化剤、充填材、難燃剤、カップリング剤、離型材、顔料のうち少なくとも１つ以上を加えた樹脂であることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力用半導体装置に係り、特にインバータなどに適用されるパワートランジスタ、サイリスタ、パワーモジュール、パワーＩＣなどを対象とした半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、家電機器、省エネダイレクトドライブあるいはインテリジェント・アクチュエータ、車両モータ駆動用など、各種インバータ制御電力機器などには、パワーＩＣ、パワーモジュールなどパワーデバイスと総称される各種電力用半導体装置が用いられている。
【０００３】
この種の半導体装置のうち、主として中〜大容量分野で適用されている半導体装置の構成は、通常ポリフェニレンサルファイドあるいはポリブチレンテレフタレートなどの絶縁樹脂が用いられた外装ケースと金属板の放熱体とが組み合わされ、各電子部品は外装ケース内部に納められている。放熱体は、さらに熱伝導性グリース等を介して冷却器に組み合わされている。
【０００４】
放熱体上には、絶縁基板がはんだ等で接合され、絶縁基板上に導電箔を介して、回路部品である半導体素子、ボンディングワイヤが配置されている。そして、外部接続端子を設置した上で、外装ケース内部にシリコーンゲル、エポキシ樹脂等の封止樹脂が充填されている。封止樹脂は、さらにエポキシ樹脂などの固形樹脂により封止され、この固形樹脂上に外装ケースと同種あるいは異なる材料からなる端子ホルダが固定されている。
【０００５】
ところで、半導体素子の動作温度が１００℃を越えるような高温かつ高電圧（ｋＶクラス）で使用される電力用半導体装置の場合には、半導体素子と放熱体の間に、半導体素子の発熱をすみやかに放熱体に逃がし、かつ高い絶縁性を有する材料が用いられている。
【０００６】
このため、従来の構成においては、絶縁基板として熱伝導性と絶縁特性に優れた窒化アルミニウムなどからなる材料を用いて、放熱体と冷却器の間に熱伝導性グリースを介在させることで、放熱体から冷却器へ効率よく熱を逃がすようにしている（非特許文献１参照）。
【特許文献１】インターネット<URL:http://www.fujielectric.co.jp/fdt/scd/pdf/Manual/IGBT-01.pdf>
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上述した従来の構成による半導体の構成では、以下のような課題がある。
【０００８】
半導体装置は、半導体素子の動作限界に近い動作温度で使用することを考慮して、中、大容量用の半導体装置においては、絶縁基板を可能な限り薄くすることが望まれている。しかし、従来の絶縁基板は脆性の大きな窒化アルミニウムなどセラミック系材料などを用いているために、これを薄くすると、少しの応力でも絶縁基板が破壊しやすくなるといった問題がある。
【０００９】
また、高電圧で使用するに当たっては導電箔端部から絶縁基板端部までの絶縁距離を長くする必要があるのに対し、窒化アルミニウムなどセラミック系材料による絶縁基板は、上述した応力による破壊のため、薄くなるほど基板として実用に耐えうる大きさは小さくなる。このため絶縁基板の厚さと面積の関係において高い放熱性と高電圧を絶縁可能な大きさの両立が困難であるという問題がある。
【００１０】
さらに、例えば高温高湿環境下で使用されるに当たっては、経年使用時における外装ケースと封止樹脂部分の密封性の低下からくる内部への水分侵入、それに伴う半導体素子の劣化が懸念される。
【００１１】
本発明は以上のような点に鑑みてなされたものであり、その目的は、高電圧と半導体素子の動作限界近い動作温度をともに可能にして、半導体素子の放熱不足に起因した半導体装置の特性劣化、誤作動や信頼性低下をなくし、優れた電気特性、耐久性、信頼性を持つ半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記課題を解決するため、半導体素子が配置されるマウント手段と、前記マウント手段と放熱手段を接続しているシート状放熱絶縁手段と、前記半導体素子の熱を前記マウント手段から放熱するための放熱手段と、これらを一体の絶縁封止体とする樹脂封止手段を有し、前記絶縁封止体を冷却器に搭載したことを要旨とする半導体装置によって達成される。
【００１３】
したがって、本発明は、半導体素子が配置されるマウント手段と、このマウント手段から半導体素子の熱を逃がすための放熱手段とを、シート状放熱絶縁手段を用いて接続し、さらにこれらを一体の絶縁封止体とする。このため、放熱性と絶縁性ならびに封止性を高め、耐久性、信頼性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、高い絶縁破壊強度と高放熱性を両立し、さらに耐久性および信頼性が向上させた半導体装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
（第１の実施形態）
以下図面を参照して、本発明の第１の実施形態について説明する。
【００１６】
なお、以下の図面の記載において、同じ機能を有する部材には同一の符号を付した。また、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、比率などは現実のものと異なることに留意すべきである。従って、具体的な厚みや寸法は以下の説明を斜酌して判断すべきものである。さらに、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００１７】
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の構成を示した断面図であり、図１（ｂ）は、当該半導体装置の上面図である。
【００１８】
半導体装置１は、冷却器１０３と放熱手段である放熱体１０２との間には、たとえばグリース等の熱伝導体１４が介在しており、放熱体１０２から冷却器１０３へ効率よく熱を逃がすようにしている。なお、放熱体１０２と冷却器１０３とは、ネジ１１５止めまたは熱伝導体１４による接着などの接合手段によって固定されている。
【００１９】
放熱体１０２の表面には、シート状放熱絶縁手段であるシート状放熱絶縁体１２によってマウント手段であるマウント用導電体１３が接続されている。マウント用導電体１３上には、回路部品である半導体素子１０６、ボンディングワイヤ１０７が配置されている。さらに、半導体装置１と図示しない外部の回路等との電気的な接続を行うための外部接続端子１０８が備えられている。これらのシート状放熱絶縁体１２、マウント用導電体１３、半導体素子１０６、及びボンディングワイヤ１０７と、外部接続端子１０８の一部が樹脂封止手段１１によって絶縁封止体１５として一体化されている。
【００２０】
ここで放熱体１０２としては、例えば、アルミニウム、銅、ＭＭＣ（Ｍｅｔａｌ  Ｍａｔｒｉｘ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ（金属基複合材料））等を用いることができる。また、冷却器１０３としてはアルミニウムなどの金属体で形成された空冷や水冷のヒートシンクが望ましい。さらに、シート状放熱絶縁体１２の基材としては、絶縁性、接着性に優れたエポキシ樹脂が望ましく、クレゾールノボラック形、フェノールノボラック形、ビフェニル形、ジシクロペンタジエン形、ナフタレン形などのグループから選択された少なくとも１種類のエポキシ樹脂を主剤として用い、例えば硬化剤として酸及び酸無水物類、フェノール類、アミン類、ポリアミノアミド類、ジシアンジアミド、イミダゾール類を用い、これに硬化促進剤としてイミダゾール化合物、３級アミン、リン化合物などを用いる。
【００２１】
さらにシート状放熱絶縁体１２の基材には、熱伝導性を持たせる充填材が含まれており、充填材としては、たとえば、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化ケイ素、アルミナなどが好適である。また、これらに加えて、溶融シリカ粉末、石英粉末、ガラス粉末、ガラス短繊維などを組み合わせても良い。さらに低応力化剤、難燃剤、カップリング剤、離型材、顔料のうち少なくとも１つ以上を加えることが可能であり、低応力化剤としてシリコーン、ゴム、ポリオレフィンなどの粒子あるいはオイルなどを加えても良い。難燃剤には臭素系、塩素系などのハロゲン系難燃剤、無機系難燃剤などが用いられる。シランなどのカップリング剤、離型材として各種ワックス類、カーボンブラックなどの顔料などを加えても良い。
【００２２】
また、マウント用導電体１３には、銅などの金属箔または金属板が好適である。そして、金属箔あるいは金属板は、ボンディングワイヤ１０７との接続のために表面にニッケルなどのメッキ処理が施されていることが好ましい。なお、マウント用導電体１３は、仕様によっては複数に分割され、それぞれ分割されたパターン上に電力用半導体素子や制御用半導体素子を配置する構成であっても良い。
【００２３】
また、半導体素子１０６は、たとえば、ＩＧＢＴ、パワーＭＯＳＦＥＴ、パワーＢＪＴ、サイリスタ、ＧＴＯサイリスタ、ＳＩサイリスタ、ダイオード等などの種々のパワーデバイスが使用可能である。
【００２４】
また、この半導体装置１内には、制御回路、たとえばｎＭＯＳ制御回路、ｐＭＯＳ制御回路、ＣＭＯＳ制御回路、バイポーラ制御回路、ＢｉＣＭＯＳ制御回路、ＳＩＴ制御回路などが使用できる。これらの制御回路には過電圧保護回路、過電流保護回路、過熱保護回路が含まれていてもよい。
【００２５】
さらに、半導体素子１０６以外にたとえば、抵抗、コンデンサやコイルなどの各種電子部品など、さらに電源などの回路が搭載されていてもよいし、電力半導体素子のみを搭載した単なるモジュール構成でもよい。
【００２６】
また、ボンディングワイヤ１０７は、たとえば、金、銅、アルミニウムなどの金属線が用いられる。また、ボンディングワイヤ１０７としては、ワイヤのかわりに金、銅、アルミニウムなどの金属リボンやこれに類似の帯状形状の材料からなるボンディング帯でもよい。
【００２７】
さらに、熱伝導体１４は、たとえば、熱伝導性グリース、シリコーン樹脂、ポリアミド樹脂、エポキシ樹脂、また表面に接着性を付与した金属ないし高熱伝導セラミックなど種々の材料が使用可能である。
【００２８】
次に、本発明の半導体装置の製造方法について図１〜図４を参照して説明する。なお、製造方法の順序は、適宜、必要に応じて前後できるものとし、以下の説明に限定されるものではない。
【００２９】
まず、図２に示すように、放熱体１０２の表面に、シート状放熱絶縁体１２によってマウント用導電体１３を接続する。
【００３０】
次に、図３に示すように、マウント用導電体１３上に、半導体素子１０６を配置し、所定の箇所をボンディングワイヤ１０７でワイヤボンディングを行う。
【００３１】
さらに、図４に示すように、所定の箇所に外部接続端子１０８を接続する。そして、シート状放熱絶縁体１２、マウント用導電体１３、半導体素子１０６、及びボンディングワイヤ１０７と、外部接続端子１０８の一部が樹脂封止手段１１によって絶縁封止体１５として一体化する。
【００３２】
そして、図１に示すように、冷却器１０３と放熱体１０２との間に熱伝導体１４を介在して、たとえばネジ１１５を用いて固定する。
【００３３】
なお、絶縁封止体１５を形成する樹脂封止手段１１の成形方法としては、たとえば、トランスファー成形、真空成形、射出成形などの成形方法が好適である。
【００３４】
次に、図５および図６は、従来技術を用いた半導体装置（比較例）と、本発明の第１の実施形態の半導体装置について、温度サイクル−４０℃〜１２５℃を繰り返し加えて、一定のサイクル毎に絶縁破壊強度を調べた結果、ならびに８５℃／８５％高温高湿環境下で一定時間経過した後、絶縁破壊強度を調べた結果、をそれぞれ示す図面である。
【００３５】
これらの図５および図６から明らかなように、比較例では、サイクル数が５００回を越えたあたりからいずれも絶縁破壊強度の低下が見られるのに対し、本第１の実施形態による半導体装置では、１０００回に達しても十分な絶縁破壊強度を保っている。これは、図５の比較例においては温度サイクルを繰り返すことによって絶縁基板にクラックなどが発生して絶縁性能が低下したものと見られる。また図６の比較例においては水分の侵入によって絶縁性能が低下したものと見られる。一方、本第１の実施形態による半導体装置ではこうした劣化がなく、温度サイクルが繰り返された場合でも十分な絶縁破壊強度を保つことが出来るものである。
【００３６】
（第２の実施形態）
以下図面を参照して、本発明の第２の実施形態について説明する。
【００３７】
なお、以下の図面の記載において、同じ機能を有する部材には同一の符号を付した。また、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、比率などは現実のものと異なることに留意すべきである。従って、具体的な厚みや寸法は以下の説明を斜酌して判断すべきものである。さらに、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００３８】
図７（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の構成を示した断面図であり、図７（ｂ）は、当該半導体装置の上面図である。
【００３９】
本発明の第２の実施形態の特徴に係わる半導体装置２は、放熱体１０２上に複数の樹脂封止手段１１を成形したものであり、点線の領域Ａが第１の実施形態と同様の構成となっている。その他構成は、第１の実施形態と同様であるので説明は省略する。
【００４０】
第２の実施形態における半導体装置２においては、複数の樹脂封止手段１１を成形したことにより、１つの樹脂封止手段１１を成形した場合に比べて、熱応力が分散され、低減されており、第１の実施形態の絶縁破壊強度や耐久性をさらに向上させることが可能である。
【００４１】
（第３の実施形態）
以下図面を参照して、本発明の第２の実施形態について説明する。
【００４２】
なお、以下の図面の記載において、同じ機能を有する部材には同一の符号を付した。また、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、比率などは現実のものと異なることに留意すべきである。従って、具体的な厚みや寸法は以下の説明を斜酌して判断すべきものである。さらに、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００４３】
図８（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の構成を示した断面図であり、図８（ｂ）は、当該半導体装置の上面図である。
【００４４】
本発明の第３の実施形態の特徴に係わる半導体装置３は、複数の絶縁封止体１５を冷却器１０３に搭載したものである。その他構成は、第１の実施形態と同様であるので説明は省略する。
【００４５】
本第３の実施形態における半導体装置３においては、第２の実施形態と同様の効果が得られているとともに、放熱体１０２を絶縁封止体１５ごとの小さな領域とすることにより、製造時の歩留まり向上を図ることができる。さらに、異常時の部品交換が絶縁封止体１５ごとに可能となるため、交換が容易に可能となる。
【００４６】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の第１の実施形態における半導体装置の断面構成図。
【図２】本発明の第１の実施形態における半導体装置の製造方法に係る断面図。
【図３】本発明の第１の実施形態における半導体装置の製造方法に係る断面図。
【図４】本発明の第１の実施形態における半導体装置の製造方法に係る断面図。
【図５】第１の実施形態による半導体装置と従来の半導体装置の耐熱サイクル性を示す図。
【図６】第１の実施形態による半導体装置と従来の半導体装置の耐湿性を示す図。
【図７】本発明の第２の実施形態における半導体装置の断面構成図。
【図８】本発明の第３の実施形態における半導体装置の断面構成図。
【符号の説明】
【００４８】
１，２，３…半導体装置、１１…樹脂封止手段、１２…シート状放熱絶縁体、１３…マウント用導電体、１４…熱伝導体、１５…絶縁封止体、１０２…放熱体、１０３…冷却器、１０６…半導体素子、１０７…ボンディングワイヤ、１０８…外部接続端子、１１５…ネジ
【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】
2006303226.tif 000009
【図８】
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