(57)【要約】【課題】回路基板における絶縁層に加わる応力を緩和す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。【解決手段】半導体素子２０，２１と、セラミック層４０，４１の一方の面に配線層３０，３１が形成されるとともにセラミック層４０，４１の他方の面に緩衝層５０，５１が形成され、配線層３０，３１に半導体素子２０，２１が接合される回路基板Ｂ１，Ｂ２と、回路基板Ｂ１，Ｂ２の緩衝層５０，５１に接合される放熱板６０と、を備える。回路基板Ｂ１，Ｂ２における緩衝層５０，５１の外周面を含めた回路基板Ｂ１，Ｂ２の表面全体および半導体素子２０，２１が樹脂７０，７１で封止されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
絶縁層の一方の面に配線層が形成されるとともに前記絶縁層の他方の面に緩衝層が形成され、前記配線層に前記半導体素子が接合される回路基板と、
前記回路基板の緩衝層に接合される放熱部材と、
を備えた半導体装置において、
前記回路基板における前記緩衝層の外周面を含めた前記回路基板の表面全体および前記半導体素子を樹脂で封止したことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記絶縁層は、セラミック層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】
半導体素子と、
絶縁層の一方の面に配線層が形成されるとともに前記絶縁層の他方の面に緩衝層が形成され、前記配線層に前記半導体素子が接合される回路基板と、
前記回路基板の緩衝層に接合される放熱部材と、
を備えた半導体装置の製造方法であって、
前記回路基板の緩衝層を前記放熱部材に接合するとともに前記回路基板の配線層に前記半導体素子を接合する第１工程と、
前記第１工程後において前記回路基板における前記緩衝層の外周面を含めた前記回路基板の表面全体および前記半導体素子を樹脂封止する第２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４】
前記絶縁層は、セラミック層であることを特徴とする請求項３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、半導体装置および半導体装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に開示の半導体装置においては、冷却器上に接合層、被接合層、有機樹脂を母材とする絶縁層、金属層、半導体素子が設けられ、被接合層、絶縁層、金属層を含む積層体が１又は複数の半導体素子毎に分割され、接合層を介して金属ベース上に固定されるとともに、被接合層、絶縁層、金属層、半導体素子は樹脂で封止されている（特許文献１の図４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１１９５９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、特許文献１の図４における絶縁層４ａ，４ｂと金属ベース１との線膨張係数の違いにより絶縁層４ａ，４ｂや接合層２ａ，２ｂにクラックや割れが生じたりすることがある。
【０００５】
本発明の目的は、回路基板における絶縁層に加わる応力を緩和す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にある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の発明では、半導体素子と、絶縁層の一方の面に配線層が形成されるとともに前記絶縁層の他方の面に緩衝層が形成され、前記配線層に前記半導体素子が接合される回路基板と、前記回路基板の緩衝層に接合される放熱部材と、を備えた半導体装置において、前記回路基板における前記緩衝層の外周面を含めた前記回路基板の表面全体および前記半導体素子を樹脂で封止したことを要旨とする。
【０００７】
請求項１に記載の発明によれば、回路基板における緩衝層の外周面を含めた回路基板の表面全体および半導体素子が樹脂封止されているので、回路基板における絶縁層に加わる応力を緩和することができる。
【０００８】
請求項２に記載のように、請求項１に記載の半導体装置において、前記絶縁層は、セラミック層であるとよい。
これによれば、有機樹脂を母材とする絶縁層を用いる場合に比べて放熱性が良いので放熱部材と接する面積（放熱面積）を少なくして小型化を図ることができるとともに樹脂の使用量を減らすことができる。
【０００９】
請求項３に記載の発明では、半導体素子と、絶縁層の一方の面に配線層が形成されるとともに前記絶縁層の他方の面に緩衝層が形成され、前記配線層に前記半導体素子が接合される回路基板と、前記回路基板の緩衝層に接合される放熱部材と、を備えた半導体装置の製造方法であって、前記回路基板の緩衝層に前記放熱部材を接合するとともに前記回路基板の配線層に前記半導体素子を接合する第１工程と、前記第１工程後において前記回路基板における前記緩衝層の外周面を含めた前記回路基板の表面全体および前記半導体素子を樹脂封止する第２工程と、を有することを要旨とする。
【００１０】
請求項３に記載の発明によれば、第１工程において、回路基板の緩衝層に放熱部材が接合されるとともに回路基板の配線層に半導体素子が接合される。第２工程において、第１工程後に回路基板における緩衝層の外周面を含めた回路基板の表面全体および半導体素子が樹脂封止される。これにより請求項１に記載の半導体装置が製造される。
【００１１】
請求項４に記載のように、請求項３に記載の半導体装置の製造において、絶縁層は、セラミック層であるとよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、回路基板における絶縁層に加わる応力を緩和することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態における半導体装置の概略平面図。
【図２】図１のＡ−Ａ線での概略縦断面図。
【図３】半導体装置の概略平面図。
【図４】図３のＡ−Ａ線での概略縦断面図。
【図５】半導体装置の電気的構成を示す電気回路図。
【図６】別例の半導体装置の概略縦断面図。
【図７】別例の半導体装置の概略縦断面図。
【図８】別例の半導体装置の概略平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
なお、図において、水平面を、直交するＸ，Ｙ方向で規定するとともに、上下方向をＺ方向で規定している。
【００１５】
図１，２に示すように、半導体装置１０は、半導体素子２０，２１と、回路基板Ｂ１，Ｂ２と、放熱部材としての放熱板６０と、を備える。回路基板Ｂ１は、絶縁層としてのセラミック層４０の一方の面に配線層３０が形成されるとともにセラミック層４０の他方の面に緩衝層５０が形成されている。配線層３０に半導体素子２０がはんだ層Ｓにより接合される。回路基板Ｂ２は、絶縁層としてのセラミック層４１の一方の面に配線層３１が形成されるとともにセラミック層４１の他方の面に緩衝層５１が形成されている。配線層３１に半導体素子２１がはんだ層Ｓにより接合される。
【００１６】
放熱板６０は、平面視において長方形の平板よりなり、例えばアルミ板よりなる。
緩衝層５０，５１は、アルミ板よりなり、より詳しくは、純度が高く柔らかい材料のアルミ板、もしくは、貫通孔を有するアルミ板等が用いられる。
【００１７】
放熱板６０の上面には回路基板Ｂ１の緩衝層５０が接合されている。また、放熱板６０の上面には、回路基板Ｂ２の緩衝層５１が、Ｘ方向に回路基板Ｂ１と離間して接合されている。
【００１８】
半導体素子２０の上面には電極２５の一端が接合され、電極２５の他端側は上方に延設されている。配線層３０の上面には電極２６の一端が接合され、電極２６の他端側は上方に延設されている。同様に、半導体素子２１の上面には電極２５の一端が接合され、電極２５の他端側は上方に延設されている。配線層３１の上面には電極２６の一端が接合され、電極２６の他端側は上方に延設されている。
【００１９】
半導体素子（チップ）２０，２１に、インバータの上下アームを構成する絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタおよびダイオードが作り込まれている。
図５に示すように、車両用インバータ装置（三相インバータ装置）は、インバータ回路１００を備えている。インバータ回路１００は、６個の絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタ（ＩＧＢＴ）Ｑ１〜Ｑ６が設けられている。なお、絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタに代わりパワーＭＯＳＦＥＴを使用してもよい。各絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタＱ１〜Ｑ６には、それぞれ帰還ダイオードＤ１〜Ｄ６が逆並列接続されている。
【００２０】
インバータ回路１００において、第１および第２の絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタＱ１，Ｑ２、第３および第４の絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタＱ３，Ｑ４、第５および第６の絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタＱ５，Ｑ６がそれぞれ直列に接続されている。第１、第３および第５の絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタＱ１，Ｑ３，Ｑ５が正極入力端子（Ｐ端子）と接続され、正極入力端子（Ｐ端子）が車載バッテリの正極と接続される。また、第２、第４および第６の絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタＱ２，Ｑ４，Ｑ６が負極入力端子（Ｎ端子）と接続され、負極入力端子（Ｎ端子）が車載バッテリの負極と接続される。
【００２１】
Ｕ相用の上下のアームを構成する絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタＱ１，Ｑ２の間の接続点はＵ相出力端子に接続されている。また、Ｖ相用の上下のアームを構成する絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタＱ３，Ｑ４の間の接続点はＶ相出力端子に接続されている。さらに、Ｗ相用の上下のアームを構成する絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタＱ５，Ｑ６の間の接続点はＷ相出力端子に接続されている。Ｕ相出力端子、Ｖ相出力端子およびＷ相出力端子は、車載モータとしての３相交流モータに接続される。
【００２２】
インバータ回路１００の各絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタＱ１〜Ｑ６のゲート端子と駆動回路１１０とが接続され、駆動回路１１０にはコントローラ１２０が接続されている。駆動回路１１０からゲート信号が絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタＱ１〜Ｑ６のゲート端子に送られる。コントローラ１２０は駆動回路１１０を介して各絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタＱ１〜Ｑ６をスイッングさせる。つまり、インバータ回路１００はバッテリから供給される直流を適宜の周波数の３相交流に変換してモータの各相の巻線に供給する。即ち、絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタＱ１〜Ｑ６のスイッチング動作によりモータの各相の巻線が通電されてモータを駆動することができる。
【００２３】
図５におけるＵ相の上アーム構成用の絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタＱ１およびダイオードＤ１が、図１，２の半導体素子（チップ）２０に作り込まれている。同様に、図５におけるＵ相の下アーム構成用の絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタＱ２およびダイオードＤ２が、図１，２の半導体素子（チップ）２１に作り込まれている。
【００２４】
なお、図５のＶ相の上アーム構成用の絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタＱ３およびダイオードＤ３、Ｖ相の下アーム構成用の絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタＱ４およびダイオードＤ４についても、図１，２に示した半導体装置と同様な構成となっている。即ち、トランジスタＱ３およびダイオードＤ３が作り込まれた半導体素子（２０）、トランジスタＱ４およびダイオードＤ４が作り込まれた導体素子（２１）が放熱板（６０）で放熱される。さらに、図５のＷ相の上アーム構成用の絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタＱ５およびダイオードＤ５、Ｗ相の下アーム構成用の絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタＱ６およびダイオードＤ６についても、図１，２に示した半導体装置と同様な構成となっている。即ち、トランジスタＱ５およびダイオードＤ５が作り込まれた半導体素子（２０）、トランジスタＱ６およびダイオードＤ６が作り込まれた半導体素子（２１）が放熱板（６０）で放熱される。
【００２５】
図１，２に示すように、樹脂７０により回路基板Ｂ１における緩衝層５０の外周面を含めた回路基板Ｂ１の表面全体および半導体素子２０が封止されている。同様に、樹脂７１により回路基板Ｂ２における緩衝層５１の外周面を含めた回路基板Ｂ２の表面全体および半導体素子２１が封止されている。また、電極２５，２６の上端部は樹脂７０，７１から露出している。
【００２６】
次に、半導体装置の製造方法について説明する。
回路基板Ｂ１，Ｂ２を用意する。つまり、セラミック層４０の一方の面に配線層３０が、他方の面に緩衝層５０が形成されているとともに、セラミック層４１の一方の面に配線層３１が、他方の面に緩衝層５１が形成されている。
【００２７】
図３，４に示すように、放熱板６０の上面に回路基板Ｂ１の緩衝層５０を接合する。同様に、放熱板６０の上面に回路基板Ｂ２の緩衝層５１を接合する。このように、放熱板６０に回路基板Ｂ１，Ｂ２を接合して回路基板Ｂ１，Ｂ２が放熱板６０と一体化される。
【００２８】
その後、回路基板Ｂ１の配線層３０に半導体素子２０をはんだ付けする。同様に、回路基板Ｂ２の配線層３１に半導体素子２１をはんだ付けする。
なおこのとき、半導体素子２０の上面には電極２５の一端が接合され、電極２５の他端側は上方に延設されている。また、配線層３０の上面に電極２６の一端が接合され、電極２６の他端側は上方に延設されている。同様に、半導体素子２１の上面には電極２５の一端が接合され、電極２５の他端側は上方に延設されている。また、配線層３１の上面には電極２６の一端が接合され、電極２６の他端側は上方に延設されている。
【００２９】
このように、回路基板Ｂ１に半導体素子２０を接合するとともに回路基板Ｂ２に半導体素子２１を接合する。
引き続き、図１，２に示すように、回路基板Ｂ１における緩衝層５０の外周面を含めた回路基板Ｂ１の表面全体および半導体素子２０を樹脂７０で封止する。同様に、回路基板Ｂ２における緩衝層５１の外周面を含めた回路基板Ｂ２の表面全体および半導体素子２１を樹脂７１で封止する。なお、電極２５，２６の上端部は樹脂７０，７１から露出させる。
【００３０】
次に、このように製造された半導体装置１０の作用を説明する。
発熱する半導体素子２０，２１、半導体素子２０，２１をはんだ付けする配線層３０，３１、放熱板６０と絶縁するセラミック層４０，４１、セラミック層４０，４１にかかる応力を低減する緩衝層５０，５１、および、放熱板６０が一体化され、モジュール化されている。よって、半導体素子２０，２１がはんだ付けされる配線層３０，３１から放熱板６０までが一体化されることで冷却性能が高い。つまり、発熱する半導体素子２０，２１がはんだ付けされる回路基板Ｂ１，Ｂ２が放熱板６０と一体化され、直冷方式構造となっているので、半導体素子２０，２１の冷却性に優れている。
【００３１】
また、回路基板Ｂ１，Ｂ２における緩衝層５０，５１の外周面を含めた回路基板Ｂ１，Ｂ２の表面全体および半導体素子２０，２１が樹脂７０，７１で封止されている。これにより、セラミック層４０，４１と放熱板６０との熱膨張係数の相違に起因して熱応力が発生したときに、セラミック層４０，４１にかかる応力が樹脂７０，７１により緩和される。つまり、樹脂７０，７１により、セラミック層４０，４１と放熱板６０との線熱膨張係数の違いによるセラミック層４０，４１にかかる応力が緩和され、セラミック層４０，４１にクラックや割れが発生するのが抑制される。
【００３２】
また、樹脂７０，７１は放熱板６０のエリア毎に分割されている。これにより、分割せずに放熱板６０の全てのエリアを樹脂で封止する場合に比べて、放熱板６０に熱変形等が生じたときに、樹脂７０，７１に加わる応力が低減される。詳しくは、一つの放熱板６０に搭載する半導体素子の数により樹脂封止するエリアを分割することで樹脂容積を小さくし、比較例として、複数の半導体素子の全体を一つの樹脂で封止する場合に比べ樹脂にかかる応力（例えば放熱板が反った時の応力）が低減される。
【００３３】
さらに、回路基板（Ｂ１，Ｂ２）毎および半導体素子（２０，２１）毎に樹脂封止されている。これにより、放熱板６０上に搭載される半導体素子の数が増えても、各樹脂の容積（サイズ）が増えないため樹脂にかかる応力が増加せず、また、半導体素子が増えた時に全体を封止する場合に比べ樹脂量が低減される。
【００３４】
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）半導体装置の構造として、樹脂７０，７１により回路基板Ｂ１，Ｂ２における緩衝層５０，５１の外周面を含めた回路基板Ｂ１，Ｂ２の表面全体および半導体素子２０，２１が封止されているので、回路基板Ｂ１，Ｂ２におけるセラミック層４０，４１に加わる応力を緩和することができる。これにより、セラミック層４０，４１でのクラックや割れの発生を抑制することができる。
【００３５】
（２）特に、特許文献１のごとく有機樹脂を母材とする絶縁層を用いると熱性能が悪く大型化を招いてしまい、また、樹脂封止した後に放熱部材に接合するので接合層が樹脂で覆われないためクラックが発生する懸念がある。本実施形態では、絶縁層はセラミック層であるので、有機樹脂を母材とする絶縁層を用いる場合に比べて放熱性が良いので放熱部材と接する面積（放熱面積）を少なくして小型化を図ることができるとともに樹脂の使用量を減らすことができる。
【００３６】
（３）半導体装置の製造方法として、第１工程と第２工程を有する。第１工程では、回路基板Ｂ１，Ｂ２の緩衝層５０，５１を放熱板６０に接合するとともに回路基板Ｂ１，Ｂ２の配線層３０，３１に半導体素子２０，２１を接合する。第２工程では、第１工程後において回路基板Ｂ１，Ｂ２における緩衝層５０，５１の外周面を含めた回路基板Ｂ１，Ｂ２の表面全体および半導体素子２０，２１を樹脂封止する。これにより上記（１）の半導体装置を製造することができる。
【００３７】
（４）半導体素子２０，２１がはんだ付けされる配線層３０，３１から放熱板６０までが一体化されているので、冷却性に優れている。
（５）半導体素子毎に樹脂封止されているので、放熱板６０上に搭載される半導体素子の数が増えても各樹脂のサイズが増えないため樹脂にかかる応力が増加しないようにすることができる。
【００３８】
（６）半導体素子毎に樹脂封止されているので、半導体素子が増えた時に全体を封止する場合に比べ樹脂量を低減することができる。
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
【００３９】
・図６に示すように、放熱部材として水冷式の放熱器６１を使用してもよい。つまり、内部に冷却液が通る流路６１ａが形成された水冷式の放熱器６１を用いて半導体素子２０，２１を冷却する構成としてもよい。
【００４０】
・図７に示すように、放熱板６２上において半導体素子２０と回路基板Ｂ１０、および、半導体素子２１と回路基板Ｂ１１を樹脂７２で封止する。また、半導体素子２２と回路基板Ｂ１２、および、半導体素子２３と回路基板Ｂ１３を樹脂７３で封止する。このように、複数の回路基板Ｂ１０，Ｂ１１や複数の回路基板Ｂ１２，Ｂ１３を１単位として樹脂封止してもよい。具体的には、図１，２では各アームを構成する素子毎に樹脂封止したが、図７では上下のアームを構成する素子毎に樹脂封止している。また、図７では封止樹脂７２の内部で半導体素子２０，２１間を電極２７で接続している。同様に、封止樹脂７３の内部で半導体素子２２，２３間を電極２７で接続している。
【００４１】
・図２においては電極２５，２６を上方に延設させて樹脂７０，７１の上面から電極２５，２６を突出させたが、これに代わり、電極２５，２６を水平方向に延設させて樹脂７０，７１の側面から電極２５，２６を突出させてもよい。
【００４２】
・図８に示すように、同一の放熱板６３に複数のインバータ回路１０１，１０２，１０３を搭載して、各インバータ回路１０１，１０２，１０３を各々樹脂で封止してもよい。つまり、異なる用途（インバータ回路１０１，１０２，１０３）をひとかたまりとして樹脂で封止してもよい。なお、各インバータ回路は複数のスイッチング素子（例えば６個の素子）により構成されている。
【００４３】
・インバータに適用したが、これに限ることなくインバータ以外にも適用してもよい。
【符号の説明】
【００４４】
２０…半導体素子、２１…半導体素子、３０…配線層、３１…配線層、４０…セラミック層、４１…セラミック層、５０…緩衝層、５１…緩衝層、６０…放熱板、７０…樹脂、７１…樹脂、Ｂ１…回路基板、Ｂ２…回路基板。
【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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【図８】
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