(57)【要約】【課題】Ｓｉ半導体素子を搭載し、小型化・大容量化したパワー半導体や、高温動作可能なＳｉＣ半導体素子を搭載したパワー半導体装置等の高温動作対応の半導体素子を用いたパワー半導体装置の厳しいヒートサイクル環境下における熱応力の発生を抑制した構造のパワー半導体装置を得ることを目的としている。【解決手段】半導体素子２と、半導体素子２が搭載されたリードフレーム３と、リードフレーム３に絶縁シート５を介して配置された金属材料６、９とが、封止樹脂７で封止さる。金属材料６、９は露出しており、半導体素子２に対して金属材料６、９の位置とは反対側である封止樹脂７の面に、樹脂組成物層８が設けられ、樹脂組成物層８の無機充填材の充填率が封止樹脂７の無機充填材の充填率以下である。【選択図】図１
2011199110.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、前記半導体素子が搭載されたリードフレームと、前記リードフレームに絶縁シートを介して配置された金属材料とが、無機充填材が充填された封止樹脂で封止されたパワー半導体装置であって、
前記金属材料は露出しており、前記半導体素子に対して前記金属材料の位置とは反対側である前記封止樹脂の面に、樹脂組成物層が設けられ、前記樹脂組成物層の無機充填材の充填率が封止樹脂の無機充填材の充填率以下であることを特徴とするパワー半導体装置。
【請求項２】
半導体素子と、前記半導体素子が搭載されたリードフレームと、前記リードフレームに絶縁シートを介して配置された金属材料とが、無機充填材が充填された封止樹脂で封止されたパワー半導体装置であって、
前記リードフレームに接合されたヒートシンクを有し、
前記半導体素子に対して前記金属材料の位置とは反対側である前記封止樹脂の面に、樹脂組成物層が設けられ、前記樹脂組成物層の無機充填材の充填率が封止樹脂の無機充填材の充填率以下であり、
前記樹脂組成物層は上面からみた場合、少なくとも１辺が前記ヒートシンクの１辺の長さ以上であることを特徴とするパワー半導体装置。
【請求項３】
前記樹脂組成物層の熱膨張率が、前記封止樹脂の熱膨張率以上、かつ前記ヒートシンクの金属材料の熱膨張率以下であることを特徴とする請求項２記載のパワー半導体装置。
【請求項４】
前記リードフレームに接合されたヒートシンクを有し、
前記樹脂組成物層の熱膨張率が、前記封止樹脂の熱膨張率以上、かつ前記ヒートシンクの金属材料の熱膨張率以下であることを特徴とする請求項１記載のパワー半導体装置。
【請求項５】
前記樹脂組成物層は上面からみた場合、少なくとも１辺が前記ヒートシンクの１辺の長さ以上であることを特徴とする請求項４記載のパワー半導体装置。
【請求項６】
前記ヒートシンクの縦横の比は上面からみた場合、３対１０以下であって、
前記ヒートシンクの長手方向の端部を覆うように前記樹脂組成物層が２つ配置されたことを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載のパワー半導体装置。
【請求項７】
前記金属材料は金属ベース板であり、
前記樹脂組成物層の熱膨張率が、前記封止樹脂の熱膨張率以上、かつ前記金属ベース板の金属材料の熱膨張率以下であることを特徴とする請求項１記載のパワー半導体装置。
【請求項８】
前記ヒートシンクは複数個有し、前記樹脂組成物層は前記複数個有することを特徴とした請求項２乃至５のいずれか１項に記載のパワー半導体装置。
【請求項９】
前記樹脂組成物層に充填する無機充填材としてシリカ、アルミナ、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、ガラス繊維の少なくともひとつを用いることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のパワー半導体装置。
【請求項１０】
前記樹脂組成物層に充填される前記樹脂組成物層の無機充填材の平均粒径が前記封止樹脂に充填される前記封止樹脂の無機充填材の平均粒径よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載のパワー半導体装置。
【請求項１１】
前記樹脂組成物層は、前記半導体素子に対して前記金属材料の位置とは反対側である前記封止樹脂の面に設けられた凹部に形成されたことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれ
か１項に記載のパワー半導体装置。
【請求項１２】
前記半導体素子がワイドバンドギャップ半導体材料により形成されていることを特徴とする請求項１１に記載のパワー半導体装置。
【請求項１３】
前記ワイドバンドギャップ半導体材料は、炭化ケイ素、窒化ガリウム、またはダイヤモンドのうちのいずれかであることを特徴とする請求項１２に記載のパワー半導体装置。
【請求項１４】
一方の面に金属材料が貼り付けられた絶縁シートを配置する下部層設置工程と、前記絶縁シートに半導体素子が搭載されたリードフレームを配置するリードフレーム設置工程と、前記半導体素子と前記リードフレームと前記絶縁シートを封止樹脂で封止する封止樹脂注入工程と、前記半導体素子に対して前記金属材料の位置とは反対側である前記封止樹脂の面に、硬化前の樹脂組成物をポッティングするポッティング工程と、前記封止樹脂とポッティングした前記樹脂組成物を同時に硬化する樹脂硬化工程と、を含む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】
本発明は、パワー半導体素子が搭載されたリードフレームや、放熱部材としてのヒートシンクなどをトランスファーモールドによって封止されたモールド型パワー半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
パワー半導体装置は、小型化・大容量化を達成する方法として放熱性を向上させるために半導体装置内部に、例えば銅などの熱伝導性に優れた金属からなるヒートシンクを設けている。
【０００３】
従来のパワー半導体装置では、一方の面側を露出させつつヒートシンク、回路基板、リードフレームを包み込むように封止する封止用樹脂を供える樹脂封止型半導体装置において、ヒートシンクの端部から所定の長さの周縁部を持ち、周縁部と回路基板との間に封止樹脂との剥離やクラックの広がりを防止する進展防止手段として、いわゆるディンプルと呼ばれる凹部を形成している。（例えば特許文献１）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−３１１３６６公報（図２、図３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ケイ素（Ｓｉ）半導体素子を搭載したパワー半導体装置は、小型化・大容量化が進むにつれ封止樹脂やヒートシンク等にかかる熱応力は増大する。また、炭化ケイ素（ＳｉＣ）半導体素子を搭載したパワー半導体装置となることで、Ｓｉ半導体素子を搭載したパワー半導体装置よりも高温動作が可能となる。このように、小型化・大容量化の進行や、ＳｉＣ半導体素子の搭載により、パワー半導体装置に求められる使用環境は厳しくなる。
【０００６】
特許文献１で示されるパワー半導体装置にあっては、実際に実施したヒートサイクル環境下（−４０℃から１５０℃の温度範囲）での熱応力による封止樹脂の剥離やクラックの進展を抑制する構造であり、その温度範囲を超えたヒートサイクル環境下における熱応力による封止樹脂の剥離やクラックの発生を抑制する構造ではない。このため、小型化・大容量化の進行による１５０℃を超えた高温環境下のパワー半導体装置や、高温動作を想定したＳｉＣ半導体素子を搭載したパワー半導体装置では、ヒートサイクル環境がより厳しくなり、熱応力によって発生した剥離の進展を、ヒートシンクへの凹部構造によって抑制することは困難であるという問題があった。封止樹脂の剥離進展によって、パワー半導体装置の電気特性の低下を招いたり、半導体素子の接合部分にクラックが入ることでパワー半導体装置の熱抵抗が増大したりする問題につながっていた。
【０００７】
本発明は、Ｓｉ半導体素子を搭載し、小型化・大容量化したパワー半導体や、高温動作可能なＳｉＣ半導体素子を搭載したパワー半導体装置等の高温動作対応の半導体素子を用いたパワー半導体装置の厳しいヒートサイクル環境下における熱応力の発生を抑制した構造のパワー半導体装置を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係るパワー半導体装置は、半導体素子と、半導体素子が搭載されたリードフレームと、リードフレームに絶縁シートを介して配置された金属材料とが、無機充填材が充填された封止樹脂で封止さる。金属材料は露出しており、半導体素子に対して金属材料の位置とは反対側である封止樹脂の面に、樹脂組成物層が設けられ、樹脂組成物層の無機充填材の充填率が封止樹脂の無機充填材の充填率以下である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、樹脂組成物層に用いられる無機充填材の量が、封止樹脂に充填されている量よりも少ないことによって、ヒートサイクル環境下の温度差による樹脂組成物層の変化量が封止樹脂の変化量より大きくなることで、より厳しいヒートサイクル環境下においても半導体装置全体の反りが低減され、発生する応力が小さくすることができる。これによって、封止樹脂とリードフレームとの界面剥離の発生が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１によるパワー半導体装置を示す断面図である。
【図２】図１のパワー半導体装置の要部を示す上面からの透視図である。
【図３】本発明の実施の形態１によるパワー半導体装置の製造方法例を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態２によるパワー半導体装置を示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態４によるパワー半導体装置の要部を示す上面からの透視図である。
【図６】本発明の実施の形態５によるパワー半導体装置の要部を示す上面からの透視図である。
【図７】従来構造のパワー半導体装置における剥離発生箇所を示す図である。
【図８】本発明の実施例１乃至４の作成条件及び結果を一覧にして示した図である。
【図９】比較例１乃至４の作成条件及び結果を一覧にして示した図である。
【図１０】本発明の実施例５乃至８の作成条件及び結果を一覧にして示した図である。
【図１１】比較例５乃至８の作成条件及び結果を一覧にして示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１によるパワー半導体装置を示す断面図であり、図２は、実施の形態１によるパワー半導体装置の要部を示す上面からの透視図である。パワー半導体装置１は、トランスファーモールド型パワー半導体装置である。半導体素子２がリードフレーム３と接合されたヒートシンク４に、例えば、はんだ付け（はんだは図示せず）によって搭載されており、半導体素子２が搭載されている面と反対側の面には、外部と電気的に絶縁することを目的とした片面金属箔６付き絶縁シート５が密着している。トランスファーモールド型のパワー半導体装置１は、これらの半導体素子２やリードフレーム３、ヒートシンク４全体を封止するように封止樹脂７で封止された構造を有する。パワー半導体装置１において、金属箔６が露出した面（図において下側、下面）とは反対側の封止樹脂７で封止している側の面（図において上側、上面）には、樹脂組成物の層（樹脂組成物層８）を設ける。
【００１２】
この樹脂組成物層８は、封止樹脂７に充填されている無機粉末充填材（例えばシリカ等）の充填量よりも少ない量の無機充填材が充填されている。これにより、樹脂組成物層８の熱膨張率αＡは、封止樹脂７の熱膨張率αＢに対してαＡ≧αＢという関係が成り立つ。また、放熱性を高めるためのヒートシンク４として銅やアルミなどの熱伝導率の高い金属材料を用いる場合、または、実施の形態２の図４に示した金属基板のように銅やアルミなどの金属ベース板９に絶縁シート５を貼りつけて用いる場合、その金属材料の熱膨張率αＣに対して、αＣ≧αＡ≧αＢという関係であることが望ましい。
【００１３】
ここで、ヒートサイクル環境下において、温度差ΔＴに対して樹脂や金属の伸び量はα×ΔＴとなる。パワー半導体装置１の各部材の熱膨張係数の関係をαＣ≧αＡ≧αＢにすることによって、ヒートサイクル環境下において、パワー半導体装置１の両面（上面、下面に対抗して位置する樹脂組成物層８とヒートシンク４などの金属材料の伸び量を近づけることが可能となり、半導体装置全体の反りを抑えることによって封止樹脂７とヒートシンク４界面に発生する応力を抑えることができる。また、この効果によって、特許文献１で用いられている剥離進展防止となるヒートシンクへの凹部加工構造を不要にでき、低コスト化にもつながる。
【００１４】
パワー半導体装置１の製造方法は、これから述べる方法に限られることはないが、例えば、トランスファーモールドによる樹脂封止を行う成形用の金型１０表面（内側）に凸部１２（図３参照）を作製しておくことによって、樹脂組成物層８を形成するための封止樹脂７の凹部１３が形成できる。成形後の封止樹脂７の凹部１３に無機充填材の充填量を制御した硬化前の液状樹脂組成物を、例えばポッティングによって流し込み、封止樹脂７のポストキュア工程と同時に硬化することが可能である。
【００１５】
図３は本発明の実施の形態１によるパワー半導体装置の製造方法例を示す図である。図３（ａ）に示すように、パワー半導体装置１を成形するための金型１０における下側金型１１ｂに絶縁シート５付きの銅箔６を設置する（下部層設置工程）。なお、金型１０における上側金型１１ａは、パワー半導体装置１が成形された後に、下側金型１１ｂとでパワー半導体装置１を挟み込み、図３（ｂ）に示すように、あらかじめ半導体素子２やワイヤ１４などを搭載したヒートシンク４と接合したリードフレーム３を絶縁シート５に接するように設置する（リードフレーム設置工程）。図３（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）に示すように、下側金型１１ｂとでパワー半導体装置１を挟み込んだ後に、封止樹脂７を流し込む（封止樹脂注入工程）。図３（ｆ）に示すように、パワー半導体装置１の凹部１３に、樹脂組成物層８を形成する樹脂組成物を、ポッティングで流し込む（ポッティング工程）。封止樹脂７とポッティングした樹脂組成物を同時に硬化する（樹脂硬化工程）。ポッティング工程と樹脂硬化工程は、樹脂組成物層形成工程である。これらの工程を経て、図３（ｇ）に示すように、トランスファーモールド型のパワー半導体装置１が得られる。
【００１６】
また、成形用の金型１０表面の凸部１２の形状を工夫しておくことによって、液状樹脂を流し込む空間の形状は平面に限らず自由に空間を設けることが可能となる。リードフレーム３やヒートシンク４、金属ベース板９の形状などによって発生応力が抑えられるように様々な形状で成形することが可能となる。
【００１７】
一般に、パワー半導体装置に用いられる絶縁シートは、無機充填材を高充填する。無機充填材を高充填した絶縁シートは脆くなるので、絶縁シート５に金属箔６を密着させることで、絶縁シート５を保護することができる。
【００１８】
実施の形態１のパワー半導体装置によれば、樹脂組成物層８に用いられる充填材の量が、封止樹脂７に充填されている量よりも少ないことによって、ヒートサイクル環境下の温度差ΔＴでの伸び量（変化量）が、樹脂組成物層８＞封止樹脂７となることで、パワー半導体装置全体１の反り変化量が抑制され、封止樹脂７とヒートシンク４やリードフレーム３などの界面に発生する応力が低減される。この結果、長期信頼性の向上したパワー半導体装置が得られる。
【００１９】
また、各部材の熱膨張係数αとして、ヒートシンク４や金属ベース板９などの金属材料４（αＣ）≧樹脂組成物層８（αＡ）≧封止樹脂７（αＢ）とすることによって、パワー半導体装置１のほぼ両面に位置する樹脂組成物層８とヒートシンク４や金属ベース板９などの金属材料の温度差ΔＴでの変化量が近く、封止樹脂７と金属材料の接着界面の応力発
生が抑えられる。
【００２０】
実施の形態１のパワー半導体装置の製造方法によれば、成形後の封止樹脂７の凹部１３に無機充填材の充填量を制御した硬化前の液状樹脂組成物を、ポッティングによって流し込んで樹脂組成物層８を形成する工程（樹脂組成物層形成工程）を有するパワー半導体装置１の製造方法は、一見プロセスが多いように見えるが、パワー半導体装置１の製造を容易にすることができ、歩留まりを高めることができる。硬化した樹脂組成物層をあらかじめ作製しておき、トランスファー成形により封止樹脂で封止する製造方法は、樹脂組成物層の硬化物の位置決めや設置が容易ではない。これに対して、ポッティングによって流し込んで樹脂組成物層８を形成する工程（樹脂組成物層形成工程）を有するパワー半導体装置１の製造方法は、硬化物の位置決めや設置は、封止樹脂７の凹部１３にポッティングによって流し込んで、硬化させればよいので、容易に、すなわち手間をかけずに、設計通りの位置に樹脂組成物層８を配置することができる。
【００２１】
なお、樹脂組成物層８に充填される無機充填材の平均粒径を、封止樹脂７に充填される無機充填材の平均粒径よりも大きくしてもよい。樹脂組成物８をポッティングによって形成する製造方法にて製造する際、ポッティングするためには低粘度であることが作業性を容易にする。この樹脂粘度を大きく決定する要因として樹脂に充填される充填材の形状や粒径であり、樹脂が低粘度になる条件は、球状がより好ましく、粒径はより大きいことが好ましい。これによって、樹脂が低粘度となり、製造プロセスにおける作業がより容易となる。
【００２２】
実施の形態２．
また、図４に示すように、ヒートシンク４を有するパワー半導体装置１ばかりではなく、絶縁層５の片面に設けられた金属箔６が厚い金属ベース板９となった金属基板を用いて全体を封止樹脂７によってトランスファーモールドされたパワー半導体装置１５にも適用できる。図４は本発明の実施の形態２によるパワー半導体装置を示す断面図である。金属箔６でなく、厚い金属ベース板９とすることによって放熱性をさらに高めることが可能となる。金属ベース板９は、銅やアルミニウムなど特に限定されることはないが、実施の形態１と同様に、封止樹脂７の片面（図において上側）に設ける無機充填材の充填量を少なくした樹脂組成物層８の熱膨張率αＡは金属ベース板９の熱膨張率αＣによって範囲を決める（αＣ≧αＡ≧αＢ）ことでヒートサイクル環境下での発生応力を抑えることができる。これにより、これまでモールド型で製造することが難しかった大容量タイプのケース型パワー半導体装置１５をトランスファーモールド型で製造することも可能となり、大容量のパワー半導体装置も安価に製造することが可能となる。
【００２３】
実施の形態３．
また、樹脂組成物層８に用いる無機充填材の材料は、シリカだけでなく、例えばアルミナや窒化ホウ素、ガラス繊維などを用いることも可能である。例えば、パワー半導体装置全体から放熱性を高めるために封止樹脂７に充填している溶融シリカの一部をアルミナなどに置き換えることで熱伝導率を向上させた場合、樹脂組成物層８の熱伝導率も高めることで、パワー半導体装置１、１５の放熱性が相乗効果となる。また、実施の形態５や実施の形態６に示すパワー半導体装置２０、２５にも適用できる。
【００２４】
樹脂組成物層８の熱伝導率を高めるための手段として、樹脂組成物層８に用いる無機充填材にアルミナ、窒化ホウ素や窒化アルミニウムの少なくともひとつを溶融シリカと混合して、または単独で用いることが可能である。このとき、樹脂組成物層８の熱膨張率は、用いた無機充填材の熱膨張係数と充填量によって決まるため、熱膨張係数を小さくするためには、非常に熱膨張係数の小さい溶融シリカを混ぜておくことが好ましい。
【００２５】
また、半導体装置の面内方向の強度を高めるための手段として、無機充填材の一部にガラス繊維を混合してもよい。パワー半導体装置１、１５、２０、２５の用いられ方として、部品に固定して使う場合など、パワー半導体表面が高強度であることが求められる場合にはガラス繊維を一部充填することが好ましい。また、内蔵する部材の形状やサイズなどによって、パワー半導体装置全体として熱膨張率に異方性がある場合は、充填材として用いるガラス繊維を面内の一定方向に配向させることで応力を抑制することが好ましい。ガラス繊維を配向させる方法は、例えば、ポッティングによってエポキシ樹脂を流し込む方向を一定とすることで可能となる。
【００２６】
実施の形態３のパワー半導体装置によれば、樹脂組成物層８に用いる無機充填材を選択することによって、熱膨張係数以外にも特性を付与できる。放熱性を付与するためにはアルミナや窒化ホウ素、窒化アルミニウムを充填材として用いることもでき、高弾性を求める場合には、アルミナや窒化アルミニウムを用いることもでき、高強度を求める場合には、ガラス繊維を用いることも可能である。
【００２７】
実施の形態４．
図５は、本発明の実施の形態４によるパワー半導体装置の要部を示す上面からの透視図である。放熱性を担う２つのヒートシンク４ａ、４ｂが図５のように半導体装置２０の内部に島状に配置されている場合、ヒートシンク４ａ、４ｂの形状に合わせて、無機充填材の充填量が少ない樹脂組成物層８ａ、８ｂの形状を決めることも可能である。ヒートシンク４ａ、４ｂのように厚い金属板がパワー半導体装置の内部で複数存在する場合や、ヒートシンク４が偏在する場合など、図２のようにパワー半導体装置１の表面に全体的に広く樹脂組成物層８を配置するのではなく、図５のように、ヒートシンク４ａ、４ｂが存在する部分の投影面を含むように樹脂組成物層８ａ、８ｂを配置することが好ましい。このように配置することによって実施の形態４のパワー半導体装置２０は、パワー半導体装置の表面に全体的に広く配置することに比べ、ヒートサイクル環境下でのヒートシンク４ａ、４ｂが存在する部分に発生する局所的な応力を緩和することが可能となる。
【００２８】
実施の形態５．
図６は、本発明の実施の形態５によるパワー半導体装置の要部を示す上面からの透視図である。縦横の比が大きくなったパワー半導体装置２５は、１つのヒートシンク４と、ヒートシンク４の長手方向の端部を覆うように２つの樹脂組成物層８ａ、８ｂを有する。パワー半導体装置の形状が図６に示すように、縦横の比が大きくなった場合は長手方向の反りが非常に大きくなる。この場合、図６示すように、無機充填材の充填量が少ない樹脂組成物層８ａ、８ｂを図６のように配置することで長手方向の反り低減・応力抑制効果を狙うことが可能である。実験で得られた結果から、ヒートシンクの縦横の比が３対１０以下であれば、パワー半導体装置全体１の反り変化量が抑制され、封止樹脂７とヒートシンク４やリードフレーム３などの界面に発生する応力が低減される。また、このような反りを制御したい方向性のあるパワー半導体装置２５の場合は、無機充填材としてガラス繊維を用いて樹脂組成物層８ａ、８ｂの熱膨張率に異方性を付与してもよい。
【００２９】
実施の形態５のパワー半導体装置２５によれば、上面から見たときに、樹脂組成物層８がヒートシンク４の長さよりも長い場合に、その方向の反りが抑えられる。縦横の比が大きく異なり、長手方向に反りやすい場合には、図６に示したような長方形の樹脂組成物を配置することも可能となる。
【００３０】
ここで、高温動作対応の半導体素子は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）以外に、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドを用いることができる。たとえば、スイッチング素子や整流素子として機能する半導体素子２に、炭化ケイ素（ＳｉＣ）や、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドを用いた場合、従来から用いられてきたケイ素（Ｓｉ）で形成された素子よりも電
力損失が低いため、電力用半導体装置の高効率化が可能となる。また、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、電力用半導体装置の小型化が可能となる。さらにワイドバンドギャップ半導体素子は、耐熱性が高いので、高温動作が可能であり、ヒートシンクの放熱フィンの小型化や、水冷部の空冷化も可能となるので、電力用半導体装置の一層の小型化が可能になる。
【００３１】
ワイドバンドギャップ半導体素子の性能を発揮するには、半導体素子２で発生した熱を効率よく放熱する必要がある。そのため、本発明の実施の形態に記載した構造のパワー半導体装置は、放熱特性が優れるとともに、製造時や駆動時の熱サイクル下でも封止樹脂とヒートシンクやリードフレームとの界面剥離の発生が抑制されるので、信頼性の高い半導体装置や半導体モジュールを得ることができる。
【実施例】
【００３２】
以下、実施例により本発明の詳細を説明するが、これらによって本発明が限定されるものではない。図７は樹脂組成物層８を有しない従来構造のパワー半導体装置５１における剥離発生箇所を示す図である。図８は、本発明の実施例１乃至４の作成条件及び結果を一覧にして示した図であり、図９は比較例１乃至４の作成条件及び結果を一覧にして示した図である。図１０は、本発明の実施例５乃至８の作成条件及び結果を一覧にして示した図であり、図１１は比較例５乃至８の作成条件及び結果を一覧にして示した図である。
【００３３】
［実施例１］
実施例を図３のプロセス図に沿って説明する。図３（ａ）に示すように、パワー半導体装置１を成形するための金型１０における下側金型１１ｂに絶縁シート５付きの銅箔６を設置する（下部層設置工程）。絶縁シート５は、例えば、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂に熱伝導性が良好な無機粉末充填材が充填されたものを用いることができる。半導体素子２の発熱をパワー半導体装置１外部に放熱するためには、この絶縁シート５の放熱性が重要となり、放熱性を高めるためには、例えば無機粉末充填材としては、シリカ、アルミナ、窒化ホウ素、窒化アルミニウムなどの熱伝導性の高い充填材を用いることができる。また、ここで設置する絶縁シート５は後のリードフレーム３やヒートシンク４と接着させるため、Ｂステージ状態と言われる半硬化状態であることが望ましい。絶縁シート５の厚さは、使用環境に必要な絶縁耐圧を確保できる厚さであればよいが、例えば２００μｍ、銅箔６は外装として絶縁シート５の保護ができれば特に厚さを限定することはないが、例えば１０５μｍの電解銅箔を用いることができる。なお、金型１０における上側金型１１ａは便宜上記載しているが、この金型１０における上側金型１１ａは、パワー半導体装置１が成形された後に、下側金型１１ｂとでパワー半導体装置１を挟み込み。
【００３４】
図３（ｂ）に示すように、あらかじめ半導体素子２やワイヤ１４などを搭載した厚さ３ｍｍのヒートシンク４と接合したリードフレーム３を絶縁シート５に接するように設置する（リードフレーム設置工程）。ヒートシンク４のサイズは、約１５ｍｍ×約４０ｍｍ×約３ｍｍ厚である。ヒートシンク４の熱膨張係数αは１７ｐｐｍであるのを用いた。金型１０を型締めし、トランスファーモールド用の封止樹脂７を用いて１８０℃でトランスファーモールド成形を実施する。トランスファーモールド用の封止樹脂７は、エポキシ樹脂に７９．８重量％の溶融シリカを充填したものであり、ガラス転移点（Ｔｇ）が１７０℃、ガラス転移点以下の温度の熱膨張係数α１が１４ｐｐｍであるものを用いた。
【００３５】
このとき、金型１０の構造を工夫しておくことによって、成形後のパワー半導体装置１に封止樹脂７を流し込む空間を設けることが可能となる。金型１０の形状によっては形状や深さなど様々に成形することが可能となるが、例えば、上側金型１１ａに凸部１２を設けることで、パワー半導体装置１の銅箔６と反対側の面に深さ１ｍｍ深さの凹部１３を持ったパワー半導体装置１を成形することができる。図３（ｃ）に示すように、金型１０の左側から、封止樹脂７を流し込む（封止樹脂注入工程）。封止樹脂７は、図３（ｄ）を経て、図３（ｅ）のように、金型１０の内部に充填される。
【００３６】
樹脂封止され、図３（ｆ）のように凹部成形後のパワー半導体装置１の１ｍｍ深さの凹部１３の部分に、エポキシ樹脂に溶融シリカが７３．４重量％充填され、熱膨張率α１が１７ｐｐｍであり、室温粘度が２０，０００ｍＰａ・ｓの液状エポキシ樹脂を約６０℃に加温して樹脂粘度を２，３００ｍＰａ・ｓとした状態でポッティング成形を実施する。凹部１３の部分にポッティングで流し込んだ後、１８０℃で７時間のポストキュアを実施する（樹脂組成物層形成工程）。図３（ｇ）のように、トランスファーモールド型のパワー半導体装置１が得られる。樹脂組成物層８のサイズは、約１８ｍｍ×約４３ｍｍ×約１ｍｍ厚である。上からの透視図において、樹脂組成物層８はヒートシンク４の外形から＋３ｍｍの外形とした。
【００３７】
これによって得られたパワー半導体装置１は、約４２ｍｍ×約５０ｍｍ×約９ｍｍ厚のサイズで、銅箔６側に凸となる方向をプラスとして、＋１０μｍの反りであった。また、このパワー半導体装置１を長期信頼性試験のひとつとして、ヒートサイクル試験に投入し、−４０℃〜１７５℃、１０００サイクル行った後に、封止樹脂７とヒートシンク４の剥離がないことを超音波探傷装置にて確認を行った。図８に作成条件及び結果を示した。図７に示すような剥離発生箇所５９にも他の部分においても剥離がなかった。図７において、５２は半導体素子、５３はリードフレーム、５４はヒートシンク、５５は絶縁シート、５６は金属箔、５７は封止樹脂、５８はワイヤである。なお、作成条件及び結果を示した図において、重量％をｗ％と記載した。
【００３８】
［実施例２］
凹部成形後のパワー半導体装置１の凹部１３にポッティングを行う液状エポキシ樹脂の無機充填材として溶融シリカの充填率を７７．７重量％にして、熱膨張係数α１を１５ｐｐｍとしたこと以外は実施例１と同様のプロセスにてパワー半導体装置１を製造した。
【００３９】
図８に示すように、これによって得られたパワー半導体装置１は、実施例１と同サイズで、＋７０μｍの反りであった。また、ヒートサイクル試験も同条件にて１０００サイクルで封止樹脂７とヒートシンク４の界面で剥離がないことを確認した。
【００４０】
［比較例１］
凹部成形後のパワー半導体装置１の凹部１３にポッティングを行う液状エポキシ樹脂の無機充填材として溶融シリカの充填率を８２．０重量％にして、熱膨張係数α１を１３ｐｐｍとしたこと以外は実施例１と同様のプロセスにてパワー半導体装置１を製造した。ここで、液状樹脂に無機充填材を高充填することで熱膨張係数は小さくすることが可能であるが、高充填とすることで樹脂の粘度も非常に高くなり、流動性が悪くなる。溶融シリカを充填材として用いた場合、８５重量％以上の液状エポキシ樹脂は、ポッティング用途としては適していない。
【００４１】
図９に示すように、これによって得られたパワー半導体装置１は、実施例１と同サイズで＋２３０μｍの反りであった。反りが１００μｍ以上であると、銅箔６にグリースを塗布してフィンを加圧で接触させた場合、グリースの厚さ分布が発生しやすく、半導体装置としての放熱性が損なわれる可能性がある。また、ヒートサイクル試験は、実施例１と同条件にて１００サイクルで封止樹脂７とヒートシンク４の界面で剥離が発生することを確認し、反りが大きいことからもこの構成では応力が大きく剥離に繋がったと考えられる。
【００４２】
［比較例２］
凹部成形後のパワー半導体装置１の凹部１３にポッティングを行う液状エポキシ樹脂の
無機充填材として溶融シリカの充填率を６９．１重量％にして、熱膨張係数α１を１９ｐｐｍとしたこと以外は実施例１と同様のプロセスにてパワー半導体装置１を製造した。
【００４３】
図９に示すように、これによって得られたパワー半導体装置１は、実施例１と同サイズで−１００μｍの反りであり、銅箔面側が凹状に反った形状となった。反りがマイナス側となった結果、銅箔６にグリースを塗布してフィンを加圧で接触させた場合、放熱性が一番重要である半導体装置の中央部でグリース厚が厚い状態となってしまい、半導体装置としての放熱性は好ましい状態ではない。また、ヒートサイクル試験は、実施例１と同条件にて５００サイクルで封止樹脂７とヒートシンク４の界面で剥離が発生することを確認した。
【００４４】
［実施例３］
半導体素子２やワイヤ１４などは厚さ０．７ｍｍ厚のリードフレーム３上に搭載し、ヒートシンク４を用いず、銅箔６の変わりに厚さ４ｍｍの金属アルミベース板を用いて実施例１と同様にパワー半導体装置１５を製造した。このとき、アルミニウムの熱膨張係数が２４ｐｐｍであることから、凹部成形後のパワー半導体装置１５の凹部１３にポッティングを行う液状エポキシ樹脂の無機充填材として溶融シリカの充填率を６０．４重量％にして、熱膨張係数α１を２３ｐｐｍとした。
【００４５】
これによって得られたパワー半導体装置１５は、約４２ｍｍ×約５０ｍｍ×約１０ｍｍ厚のサイズで＋５μｍの反りであった。また、このパワー半導体装置１５を長期信頼性試験のひとつとして、ヒートサイクル試験に投入し、−４０℃〜１７５℃、１０００サイクル行った後に、封止樹脂７とヒートシンク４の剥離がないことを超音波探傷装置にて確認を行った。図８に作成条件及び結果を示した。
【００４６】
［実施例４］
凹部成形後のパワー半導体装置１５の凹部１３にポッティングを行う液状エポキシ樹脂の無機充填材として溶融シリカの充填率を７７．７重量％にして、熱膨張係数α１を１５ｐｐｍとしたこと以外は実施例３と同様のプロセスにてパワー半導体装置１５を製造した。
【００４７】
図８に示すように、これによって得られたパワー半導体装置１５は、約４２ｍｍ×約５０ｍｍ×約１０ｍｍ厚のサイズで＋８０μｍの反りであった。また、このパワー半導体装置１５を長期信頼性試験のひとつとして、ヒートサイクル試験に投入し、−４０℃〜１７５℃、１０００サイクル行った後に、封止樹脂７とヒートシンク４の剥離がないことを超音波探傷装置にて確認を行った。
【００４８】
［比較例３］
凹部成形後のパワー半導体装置１５の凹部１３にポッティングを行う液状エポキシ樹脂の無機充填材として溶融シリカの充填率を８２．０重量％にして、熱膨張係数α１を１３ｐｐｍとしたこと以外は実施例３と同様のプロセスにてパワー半導体装置１５を製造した。
【００４９】
図９に示すように、これによって得られたパワー半導体装置１５は、実施例３と同サイズで＋１５０μｍの反りであった。また、ヒートサイクル試験は、同条件にて１００サイクルで封止樹脂７とヒートシンク４の界面で剥離が発生することを確認し、反りが大きいことからもこの構成では応力が大きく剥離に繋がったと考えられる。
【００５０】
［比較例４］
凹部成形後のパワー半導体装置１５の凹部１３にポッティングを行う液状エポキシ樹脂
の無機充填材として溶融シリカの充填率を４９．６重量％にして、熱膨張係数α１を２８ｐｐｍとしたこと以外は実施例３と同様のプロセスにてパワー半導体装置１を製造した。
【００５１】
図９に示すように、これによって得られたパワー半導体装置１５は、実施例３と同サイズで−９０μｍの反りであり、銅箔面側が凹状に反った形状となった。また、ヒートサイクル試験は、同条件にて５００サイクルで封止樹脂７とヒートシンク４の界面で剥離が発生することを確認した。
【００５２】
［実施例５］
図５に示すように、パワー半導体装置２０の外形が約４２ｍｍ×約５０ｍｍ×約９ｍｍ厚に対して、中に約１５ｍｍ×約４０ｍｍ×約３ｍｍ厚のヒートシンク４ａ、４ｂが２箇所に内蔵されており、樹脂組成物層８が熱膨張係数１７ｐｐｍで上からの透視図において、ヒートシンク４ａ、４ｂの外形から＋２ｍｍの外形となる約１７ｍｍ×約４２ｍｍで厚さが１ｍｍとしたパワー半導体装置１を製造した。その結果、パッケージの反りは約＋１５μｍであった。また、このパワー半導体装置１を長期信頼性試験のひとつとして、ヒートサイクル試験に投入し、−４０℃〜１７５℃、１０００サイクル行った後に、封止樹脂７とヒートシンク４の剥離がないことを超音波探傷装置にて確認を行った。図１０に作成条件及び結果を示した。
【００５３】
［実施例６］
樹脂組成物層８の外形をヒートシンク４ａ、４ｂの外形から＋４ｍｍとなる約１９ｍｍ×約４４としたこと以外は実施例５と同様である。このとき、図１０に示すように、パワー半導体装置２０の反りは約＋５μｍであり、ヒートサイクル試験では１０００サイクルまで剥離は発生しなかった。
【００５４】
［実施例７］
樹脂組成物層８の外形をヒートシンク４ａ、４ｂの外形と同等にしたこと以外は実施例５と同様である。このとき、図１０に示すように、パワー半導体装置２０の反りは＋３０μｍであり、ヒートサイクルでは１０００サイクルまで剥離は発生しなかった。
【００５５】
［比較例５］
樹脂組成物層８の外形をヒートシンク４ａ、４ｂの外形から−２ｍｍとなる約１３ｍｍ×約３８としたこと以外は実施例５と同様である。このとき、図１１に示すように、パワー半導体装置２０の反りは約＋１２０μｍであり、１００μｍ以上の反りは前述したように、パワー半導体装置とフィンをグリースにて接触させた場合、グリースの厚さムラが発生しやすく、好ましくない。また、ヒートサイクル試験では１００サイクルでは剥離が発生しなかったが、５００サイクルの時点で剥離が発生した。
【００５６】
［比較例６］
樹脂組成物層８の外形をヒートシンク４ａ、４ｂの外形から−６ｍｍとなる約９ｍｍ×約３４としたこと以外は実施例５と同様である。このとき、図１１に示すように、パワー半導体装置２０の反りは約＋１８０μｍであった。ヒートサイクル試験では１００サイクルの時点で剥離が発生した。
【００５７】
［比較例７］
樹脂組成物層８の外形をヒートシンク４ａ、４ｂの外形から−１０ｍｍとなる約５ｍｍ×約３０としたこと以外は実施例５と同様である。このとき、図１１に示すように、パワー半導体装置２０の反りは約＋２００μｍであった。ヒートサイクル試験では１００サイクルの時点で剥離が発生した。
【００５８】
［実施例８］
図６に示すように、長辺と短辺の比が大きいパワー半導体装置２５は、厳しいヒートサイクル環境下において、長辺方向での反りが大きくなり、長手方向の熱応力が大きくなる。パワー半導体装置２５の外形が約２０ｍｍ×約５０ｍｍ×約９ｍｍ厚に対して、中に約１２ｍｍ×４０ｍｍ×約３ｍｍ厚のヒートシンク４が中央に内蔵されており、樹脂組成物８ａ、８ｂが熱膨張係数１７ｐｐｍで外形が、上からの透視図において図５のように２本の細長い形状でそれぞれ約３ｍｍ×約４４ｍｍで厚さが１ｍｍとしたパワー半導体装置２５を製造した。ヒートシンクの縦横の比は３対１０である。なお、図１０の実施例の表の中には短辺が３ｍｍ×２と考え、−６ｍｍと記載している。その結果、パワー半導体装置２５の反りは約＋４０μｍであった。また、このパワー半導体装置２５を長期信頼性試験のひとつとして、ヒートサイクル試験に投入し、−４０℃〜１７５℃、１０００サイクル行った後に、封止樹脂７とヒートシンク４の剥離がないことを超音波探傷装置にて確認を行った。
【００５９】
［比較例８］
樹脂組成物層８ａ、８ｂの外形をヒートシンク４の外形から合計で−６ｍｍとなるように、約３ｍｍ×約３４を図６のように２本配置したこと以外は実施例８と同様である。このとき、図１０に示すように、パワー半導体装置２５の反りは約１８０μｍであった。ヒートサイクル試験では１００サイクルの時点で剥離が発生した。
【００６０】
［実施例９］
パワー半導体装置１の放熱性を高めるために、実施例１の構造をもつパワー半導体装置１において、トランスファーモールド用の封止樹脂７の充填材として溶融シリカの一部をアルミナに置き換えることで、封止樹脂７の熱伝導率が約０．６Ｗ／（ｍ・Ｋ）から約１．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）とし、パワー半導体装置１を図３のように作製した。これによって、半導体素子２からの放熱性が向上し、動作時の半導体素子２の接合温度（ジャンクション温度）が、１２０℃から１１３℃まで低減することを確認した。また、樹脂組成物層８の無機充填材を溶融シリカの一部をアルミナに置き換え、約１．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）とした結果、ジャンクション温度は、１１３℃から１１１℃に、約２．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）とした結果、ジャンクション温度は１１３℃から１１０℃まで低減することを確認した。
【符号の説明】
【００６１】
１、１５、２０、２５…パワー半導体装置、２…半導体素子、３…リードフレーム、４、４ａ、４ｂ…ヒートシンク、５…絶縁シート、６…金属箔、７…封止樹脂、８、８ａ、８ｂ…樹脂組成物層、９…金属ベース板、１３…凹部。
【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】
2011199110.tif 000009
【図８】
2011199110.tif 000010
【図９】
2011199110.tif 000011
【図１０】
2011199110.tif 000012
【図１１】
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