(57)【要約】【課題】  簡単な構成で、少なくともクラックの進展を遅らせることのできる半導体装置および半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】  半導体装置１８は、ケース１０の内側に銅複合材放熱板３０（放熱板）を配置し、当該銅複合材放熱板３０上にセラミックス絶縁基板２６（絶縁基板）を接合しかつ当該基板２６の周縁の一部に対応した位置でエポキシ樹脂２２（接着剤）を用いて接着し、セラミックス絶縁基板２６上の配線層２７に半導体チップ１６を搭載し、半導体チップ１６やセラミックス絶縁基板２６等の間で所要の結線を行い、ケース１０の内側をシリコンゲル２０（ゲル材）で封止する。このようにセラミックス絶縁基板２６の周縁の一部に対応した位置でも接着を行うので、簡単な構成で少なくともクラックの進展を遅らせることができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケースに放熱板が装着され、当該放熱板上に絶縁基板が面で接合され、当該絶縁基板上に接合された配線層に半導体チップが搭載され、当該半導体チップと絶縁基板上の当該配線層および外部接続端子の間で所要の結線が行われることで、当該絶縁基板と配線層と半導体チップがケースの内側に配置される構成とした半導体装置であって、
絶縁基板の周縁の少なくとも一部に対応する位置で接着剤を用いて放熱板と絶縁基板が接着され、
放熱板，絶縁基板，半導体チップおよび外部接続端子を覆うようにケースの内側がゲル材で封止されている構成とした半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載した半導体装置であって、
放熱板と絶縁基板との間は、少なくとも絶縁基板の四隅に対応する位置で接着剤を用いて接着されている構成とした半導体装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載した半導体装置であって、
接着剤は、ケースの内壁面から突出させた部材に達するまで注入されている構成とした半導体装置。
【請求項４】
ケースに放熱板を装着する工程と、当該放熱板上に絶縁基板を面で接合する工程と、当該絶縁基板上に接合された配線層に半導体チップを搭載する工程と、当該半導体チップと絶縁基板上の当該配線層および外部接続端子の間で所要の結線を行う工程とからなる半導体装置の製造方法であって、
放熱板上に絶縁基板を面で接合した後に、当該絶縁基板の周縁の少なくとも一部に対応した位置で接着剤を用いて放熱板と絶縁基板との間を接着する工程と、
接着および結線を終えた後に、放熱板，絶縁基板，半導体チップおよび外部接続端子を覆うようにケースの内側をゲル材で封止する工程とを有する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、ケース，放熱板，絶縁基板，半導体チップなどを有する半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電源装置などで半導体素子のスイッチングにより電力変換する場合、その半導体素子は発熱する。半導体を効率的に冷却するため、半導体素子をセラミックス絶縁基板上の配線層に接合し、さらに銅、アルミニウムを主成分とする放熱板に接合する構成が知られている。従来では、半導体装置を製造するにあたって、銅複合材の放熱板上にセラミックスの絶縁基板を金属板およびろう材を介して接合に関する技術の一例が開示されている（例えば特許文献１を参照）。この製造方法は、あらかじめ反りを施した放熱板に絶縁基板を接合する。セラミックスと銅複合材の熱膨張係数の差により、接合時の高温状態から、常温に戻る際に放熱板の反りが減少して平坦に近付く。
【０００３】
また、このように製造された半導体装置をケースに収納する場合に、ボンディングワイヤや半導体チップを保護する為、接着剤で封止（固定）する方法がある。この方法を実現する例としては、半導体チップやボンディングワイヤなどを気密封止用絶縁ケースで覆うとともに、ケースの内側をエポキシ樹脂で封止する技術が開示されている（例えば特許文献２を参照）。
【特許文献１】特開２００３−４６０３２号公報（第４頁，図６）
【特許文献２】特開平５−１３６１８号公報（第２頁，図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１では放熱板と絶縁基板との熱膨張係数の差について、製造時の反りについて考慮されている。しかし、半導体装置はその使用環境によって製造後、冷熱サイクル試験等が行なわれる。この場合、温度変化の繰り返しで熱膨張係数の差に起因する反りの繰り返しが発生し、セラミックス絶縁基板又はセラミックス絶縁基板に接合された金属板と、放熱板との間のろう材にクラックが発生するおそれがある。また、いったんクラックが発生してしまうと、急激に進展する。
特許文献２では絶縁基板の端部で、封止するエポキシ樹脂によって絶縁基板と放熱板とが接合されており、クラックの発生の抑制や発生したクラックの進展を遅らせることが期待できる。しかし半導体チップ表面に直接エポキシ樹脂を設けていると、エポキシ樹脂の熱膨張によりチップ表面を傷つけるおそれがあるため、気密封止用絶縁ケースによって半導体チップおよびボンディングワイヤなどを覆う必要が生じ、部品が増えるため構成が複雑となりコストがかかる。
【０００５】
本発明はこのような点に鑑みてなしたものであり、簡単な構成で少なくとも上述したクラックの進展を遅らせることができる半導体装置および半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）課題を解決するための手段（以下では単に「解決手段」と呼ぶ。）１は、ケースに放熱板が装着され、当該放熱板上に絶縁基板が面で接合され、当該絶縁基板上に接合された配線層に半導体チップが搭載され、当該半導体チップと絶縁基板上の当該配線層および外部接続端子の間で所要の結線が行われることで、当該絶縁基板と配線層と半導体チップがケースの内側に配置される構成とした半導体装置であって、
絶縁基板の周縁の少なくとも一部に対応する位置で接着剤を用いて放熱板と絶縁基板が接着され、放熱板，絶縁基板，半導体チップおよび外部接続端子を覆うようにケースの内側がゲル材で封止されている構成としたことを要旨とする。
【０００７】
解決手段１によれば、絶縁基板の周縁の少なくとも一部に対応する位置（この位置を以下では単に「周縁接着位置」と呼ぶ。）で放熱板と絶縁基板との間を接着剤を用いて接着する。周縁接着位置で接着剤を用いて接着されているので、放熱板と絶縁基板との間の熱膨張係数差による反りが発生し難く、クラックの発生が抑制される。仮にクラックが発生したとしても、当該接着による放熱板と絶縁基板との固定がクラックの進展を遅らせる。
【０００８】
なお、放熱板のうちで接着剤が接着する部位には切り込みを入れるのが望ましい。切り込みの形態（幅，長さ，深さ，本数等）は、放熱板や接着剤の材質や、変化する温度範囲に応じて適宜に設定する。温度が高くなったときは、切り込んだ部位の空間が放熱板の延伸を吸収する役割を果たす。特に放熱板と接着剤とで線膨張係数に差があるときに、放熱板と接着剤を接着する面でのずれが減る。また、接着剤が切り込みに充填されることでアンカー効果により接着剤の剥がれを防止できる。
【０００９】
（２）解決手段２は、解決手段１に記載した半導体装置であって、放熱板と絶縁基板との間は、少なくとも絶縁基板の四隅に対応する位置で接着剤を用いて接着されている構成としたことを要旨とする。
【００１０】
解決手段２によれば、四隅に対応する位置だけの接着でも放熱板と絶縁基板を十分に固定できるので、少なくともクラックの進展を遅らせることができる。また、使用する接着剤の量が少なくて済むのでコストが安く抑えられ、かつ、接着箇所が少ない分だけ製造スピードを向上させることができる。
【００１１】
（３）解決手段３は、解決手段１または２に記載した半導体装置であって、接着剤は、ケースの内壁面から突出させた部材に達するまで注入されている構成としたことを要旨とする。
【００１２】
解決手段３によれば、接着で固定するだけでなく、突出させた部材が接着剤を介して絶縁基板を放熱板に対して押え付けるように固定する。したがって、クラックの進展をより確実に遅らせることができる。
【００１３】
（４）解決手段４は、ケースに放熱板を装着する工程と、当該放熱板上に絶縁基板を面で接合する工程と、当該絶縁基板上に接合された配線層に半導体チップを搭載する工程と、当該半導体チップと絶縁基板上の当該配線層および外部接続端子の間で所要の結線を行う工程とからなる半導体装置の製造方法であって、
放熱板上に絶縁基板を面で接合した後に、当該絶縁基板の周縁の少なくとも一部に対応した位置で接着剤を用いて放熱板と絶縁基板との間を接着する工程と、接着および結線を終えた後に、放熱板，絶縁基板，半導体チップおよび外部接続端子を覆うようにケースの内側をゲル材で封止する工程とを有することを要旨とする。
【００１４】
解決手段４によれば、上述した解決手段１と同様の作用効果が得られる。
なお、ケースに放熱板を装着する工程（放熱板装着工程）と、放熱板上に絶縁基板を面で接合する工程（面接合工程）と、絶縁基板上に半導体チップを搭載する工程（チップ搭載工程）とは順不同であって、どの順序でも製造可能である。ただし、これらの工程は、少なくとも封止工程よりは先に行う必要がある。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、簡単な構成で少なくともクラックの進展を遅らせることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。なお単に「接続」という場合には、特に明示しない限り、電気的な接続を意味する。
【００１７】
まず、図１，図２には本発明にかかる半導体装置の構成例を模式的に表す。図１には図２のＩ−Ｉ線の縦断面図を表し、図２には平面図を表す。これらの図に表した半導体装置１８は、ケース１０，半導体チップ１６，セラミックス絶縁基板２６，銅複合材放熱板３０などを有する。
【００１８】
ケース１０は、例えば樹脂成形品で、内壁面から突出させた所要個数（図２の例では６個）の外部接続端子１２を備え、内側に銅複合材放熱板３０を装着可能な形状に形成されている。外部接続端子１２は、半導体装置１８と外部の処理装置との間で信号や電力を伝達を可能にするための端子である。また外部接続端子１２は、ケース１０の内壁面から突出させた部材に相当する。
セラミックス絶縁基板２６は、図１の上側の面に配線層２７が接合され、下側の面に金属層２５が接合された構成となっている。配線層２７と金属層２５はアルミニウムであり、セラミックス絶縁基板２６に対してハンダ付けが可能としている。配線層２７や金属層２５に用いる素材は、アルミニウムのほかにも銅でもよい。
銅複合材放熱板３０上には、ハンダ２４を用いて金属層２５を介してセラミックス絶縁基板２６が面で接合している。つまり、セラミックス絶縁基板２６の下面のほぼ全体が銅複合材放熱板３０に接合されることになる。
【００１９】
セラミックス絶縁基板２６上の配線層２７には、所要個数（図２の例では４個）の半導体チップ１６を搭載している。これらの半導体チップ１６はハンダ２８を用いて配線層２７に接続している。上述した半導体チップ１６，配線層２７および外部接続端子１２などの間では、ボンディングワイヤ１４によって所要の結線が行われている。なお、図２はボンディングワイヤ１４の図示を省略している。
【００２０】
ここで、銅複合材放熱板３０とセラミックス絶縁基板２６との間は、上述したようなハンダ２４による面の接合だけでなく、エポキシ樹脂２２を用いて周縁接着位置（すなわちセラミックス絶縁基板２６の周縁の一部）を接着している。本例では、図２に表すようにセラミックス絶縁基板２６の四隅でエポキシ樹脂２２を用いて接着している。しかも図１に表すように、ケース１０と銅複合材放熱板３０とセラミックス絶縁基板２６とで囲まれる凹状部位について、ケース１０の内壁面から突出させた外部接続端子１２に達するまでエポキシ樹脂２２を注入して接着している。
その後、ケース１０の内側をシリコンゲル２０で封止している。このシリコンゲル２０はゲル材に相当する。なお図２はシリコンゲル２０の図示を省略している。
【００２１】
なお、上述した各要素における線膨張係数［１／℃］は例えば次のようになる。
（ａ）銅複合材放熱板３０については、Ｃｕ…１．７８×１０−５，Ｃｕ−Ｍｏ系…７×１０−６〜１３×１０−６である。
（ｂ）セラミックス絶縁基板２６については、ＡＬＮ…４．５０×１０−６，Ａｌ２Ｏ３…７．３０×１０−６である。
（ｃ）半導体チップ１６については、４．２０×１０−６である。
（ｄ）ハンダ２４，２８については、２．３０×１０−５である。
【００２２】
上述した半導体装置１８を製造するための工程例について、図３と図４を参照しながら説明する。図３と図４には、それぞれ製造工程の一例を表す。
【００２３】
まず図３に表した製造工程では、次のような工程を経て半導体装置１８を製造する。すなわち、配線層２７と金属層２５が接合されたセラミックス絶縁基板２６の配線層２７上に半導体チップ１６を搭載するために、各々の半導体チップ１６をハンダ２８で接続する（チップ搭載工程に相当；図３（Ａ）を参照）。続いて、銅複合材放熱板３０とセラミックス絶縁基板２６の金属層２５をハンダ２４を用いて面で接合した後（面接合工程に相当；図３（Ｂ）を参照）、セラミックス絶縁基板２６の四隅に対応する位置で銅複合材放熱板３０とセラミックス絶縁基板２６をエポキシ樹脂２２を用いて接着する（周縁接着工程に相当；図３（Ｃ）を参照）。
【００２４】
そして、半導体チップ１６やセラミックス絶縁基板２６を備えた銅複合材放熱板３０をケース１０に装着し（放熱板装着工程に相当；図３（Ｄ）を参照）、半導体チップ１６，セラミックス絶縁基板２６上の配線層２７および外部接続端子１２などの間でボンディングワイヤ１４によって所要の結線を行う（図３（Ｅ）を参照）。最後に、半導体チップ１６，セラミックス絶縁基板２６，銅複合材放熱板３０および外部接続端子１２などを覆うようにケース１０の内側をシリコンゲル２０で封止すると（封止工程に相当）、図１に表す半導体装置１８が完成する。
【００２５】
次に図４に表した製造工程について、図３に表した製造工程と異なる工程を説明する。図４（Ａ）はチップ搭載工程に相当する図３（Ａ）と同じ工程であり、図４（Ｂ）は面接着工程に相当する図３（Ｂ）と同じ工程であり、図４（Ｅ）は所要の結線を行う図３（Ｅ）と同じ工程である。
【００２６】
工程が異なるのは、図４（Ｂ）に示す銅複合材放熱板３０とセラミックス絶縁基板２６の金属層２５をハンダ２４を用いて面で接合した後、先に半導体チップ１６やセラミックス絶縁基板２６を備えた銅複合材放熱板３０をケース１０に装着する（放熱板装着工程に相当；図４（Ｃ）を参照）。それからセラミックス絶縁基板２６の四隅に対応する位置で、銅複合材放熱板３０とセラミックス絶縁基板２６をエポキシ樹脂２２を用いて接着を行う（図４（Ｄ）を参照）。
【００２７】
銅複合材放熱板３０をケース１０に装着してからエポキシ樹脂２２を用いて接着を行えば、図４（Ｃ）では丸枠内に表すように断面がケース１０とセラミックス絶縁基板２６と銅複合材放熱板３０とで囲まれる部位Ｆについて、ケース１０の内壁面から突出している外部接続端子１２に達するまでエポキシ樹脂２２を注入ことができる。すなわち、エポキシ樹脂２２の注入量を少なく抑えるとともに、当該エポキシ樹脂２２が硬化した後は外部接続端子１２が確実にエポキシ樹脂２２を押え付ける。なお、外部接続端子１２を超えてエポキシ樹脂２２を注入して接着を行ってもよく、この場合には外部接続端子１２がエポキシ樹脂２２の剥がれや抜けを防止できる。
【００２８】
上述した実施の形態によれば、以下に表す各効果を得ることができる。
（１）銅複合材放熱板３０とセラミックス絶縁基板２６との間は、面で接合するだけでなく、周縁接着位置（本例ではセラミックス絶縁基板２６の四隅に対応する位置）でエポキシ樹脂２２（接着剤に相当）を用いて接着した（図１，図３（Ｃ），図４（Ｄ）を参照）。このようにセラミックス絶縁基板２６の四隅に対応する位置でエポキシ樹脂２２を用いて接着したので、銅複合材放熱板３０とセラミックス絶縁基板２６との間の反りが抑制され、ハンダ２４にクラックが発生することを抑制できる。仮にクラックが発生したとしても、当該接着による銅複合材放熱板３０とセラミックス絶縁基板２６との固定によりクラックの進展を遅くできる。
【００２９】
また、エポキシ樹脂よりも熱伝導性が高いシリコンゲル２０（ゲル材に相当）でケース１０の内側を封止したので、放熱性が向上する。
また、エポキシ樹脂ではなくシリコンゲル２０（ゲル材に相当）でケース１０の内側を封止したので、気密封止用絶縁ケースのような部品は不要であり、構成が簡単になる。
【００３０】
（２）セラミックス絶縁基板２６の四隅に対応する位置でのみエポキシ樹脂２２を用いて接着したので（図２を参照）、銅複合材放熱板３０とセラミックス絶縁基板２６を十分に固定し、少なくともクラックの進展を遅くできる。また、接着に使用するエポキシ樹脂２２の量が少なくて済むのでコストが安く抑えられ、かつ、接着箇所が少ない分だけ製造スピードを向上させることができる。
【００３１】
（３）外部接続端子１２に達するまでエポキシ樹脂２２を注入して接着した（図１，図３（Ｃ），図４（Ｄ）を参照）。この接着はセラミックス絶縁基板２６と銅複合材放熱板３０を固定するだけでなく、外部接続端子１２がエポキシ樹脂２２を介してセラミックス絶縁基板２６を銅複合材放熱板３０に対して押え付ける。したがって、クラックの進展をより遅くすることができる。
【００３２】
〔他の実施の形態〕
以上では本発明を実施するための最良の形態について説明したが、本発明は当該形態に何ら限定されるものではない。言い換えれば、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施することができる。例えば、次に示す各形態を実現してもよい。
【００３３】
（１）上述した実施の形態では、周縁接着位置として、セラミックス絶縁基板２６の四隅に対応する位置を適用した（図２を参照）。この形態に代えて、他の周縁接着位置を適用してもよい。例えば図５（Ａ）に表した例では、平面形状が四角形からなるセラミックス絶縁基板２６について短辺に対応する位置でエポキシ樹脂２２を用いて接着している。同様にして例えば図５（Ｂ）に表した例では、平面形状が六角形からなるセラミックス絶縁基板２６について六つの頂点に対応する位置でエポキシ樹脂２２を用いて接着している。これらの形態のように、セラミックス絶縁基板２６の周縁の一部に対応する位置であれば、任意の位置，箇所でエポキシ樹脂２２を用いて接着してもよい。このような位置でも銅複合材放熱板３０とセラミックス絶縁基板２６を十分に固定し、少なくともクラックの進展を遅らせることができる。また、セラミックス絶縁基板２６の周縁全部を接着する形態に比べると、接着に使用するエポキシ樹脂２２の量が少なくて済むのでコストが安く抑えられ、かつ、接着箇所が少ない分だけ製造スピードを向上させることができる。また、もちろんセラミックス絶縁基板２６の周縁の全部でエポキシ樹脂２２を用いて接着してもよい。
【００３４】
（２）上述した実施の形態では、銅複合材放熱板３０をそのまま用いて半導体装置１８を完成させた（図１等を参照）。この形態に代えて、銅複合材放熱板３０のうちで少なくともエポキシ樹脂２２を注入し接着する部位について切り込みを入れたうえで、半導体装置１８を完成させてもよい。例えば図６（Ａ）に表した例では、複数本の縦線と複数本の横線で表したスリット３２を銅複合材放熱板３０に、セラミックス絶縁基板２６の周縁に対応するように設ける。スリット３２の形態（すなわち図６（Ｂ）に表す幅Ｗ，ピッチＰ，長さＬ，深さＤ等）や、スリット３２を設ける位置，形状，本数などについては、銅複合材放熱板３０やエポキシ樹脂２２の材質や、変化する温度範囲に応じて適宜に設定する。スリット３２で設けた空間がエポキシ樹脂２２に対して銅複合材放熱板３０の延伸を吸収する役割を果たす。したがって、接着する面でのずれが減る。また、エポキシ樹脂２２が切り込み（すなわち上記スリット３２の一部）に充填されることでアンカー効果によりエポキシ樹脂２２の剥がれを防止できる。
【００３５】
（３）上述した実施の形態では、銅複合材放熱板３０とセラミックス絶縁基板２６を周縁接着位置でエポキシ樹脂２２を用いて接着した（図１，図２を参照）。すなわち、周縁の接着はエポキシ樹脂２２を用いた。この形態に代えて、上述した接着剤以外の他の接着剤を用いてもよい。半導体チップ１６で発生した熱は接着剤にも伝わるが、この熱に対抗して接着効果を維持でき、絶縁性のある接着剤であればよい。いずれの接着剤を用いた場合でも、半導体装置１８を製造することが可能であるので、上述した実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００３６】
（４）上述した実施の形態では、ケース１０の内壁面から突出させた部材として、外部接続端子１２を適用した（図１，図２を参照）。この形態に代えて、ケース１０の一部を突出させた部位を適用してもよい。例えば図７に表す例では、ケース１０の内壁面に突出部３４を設けている。この突出部３４は、上述した実施の形態における外部接続端子１２と同様に、エポキシ樹脂２２を介してセラミックス絶縁基板２６を銅複合材放熱板３０に対して押え付ける機能を果たすので、クラックの進展をより確実に遅らせることができる。また突出部３４は、突出量や材質等によって外部接続端子１２よりも高い剛性を持たせることができるので、セラミックス絶縁基板２６を押え付ける機能を高められる。
【００３７】
（５）放熱板、絶縁基板、配線層、金属層などの材質は適宜変更可能である。例えば、放熱板として銅複合材を用いたが、銅やアルミニウム、及び銅合金やアルミニウム合金でもよいし、その他複合材でもよい。セラミックス絶縁基板もＡＬＮ、ＳｉＮ、Ａｌ２Ｏ３でもよい。
【００３８】
（６）上述した実施の形態はセラミックス絶縁基板２６に金属層２５を設けたが、この構成に限らない。放熱板と絶縁基板との間で熱伝導の効率がよく、接合可能であれば金属層２５はなくても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】半導体装置の構成例を模式的に表す断面図である。
【図２】半導体装置の構成例を模式的に表す平面図である。
【図３】半導体装置の製造工程を表す図である。
【図４】半導体装置の製造工程を表す図である。
【図５】エポキシ樹脂で接着する部位の一例を表す図である。
【図６】銅複合材放熱板に備えたスリットの一例を表す図である。
【図７】半導体装置の他の構成例を模式的に表す断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０  ケース
１２  外部接続端子
１４  ボンディングワイヤ（結線部材）
１６  半導体チップ
１８  半導体装置
２０  シリコンゲル（ゲル材）
２２  エポキシ樹脂（接着剤）
２４，２８  ハンダ
２５  金属層
２６  セラミックス絶縁基板（絶縁基板）
２７  配線層
３０  銅複合材放熱板（放熱板）
３２  スリット（切り込み）
３４  突出部
【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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