(57)【要約】【課題】ヒートサイクルに対する信頼性が高い半導体装置を提供する。【解決手段】樹脂系材料から成る絶縁層５と、絶縁層５の表面に形成され、孔部４１を有する金属製の配線パターン４と、樹脂系導電性接着剤７によって配線パターン４と電気的に接続された裏面が、孔部４１に充填された樹脂系導電性接着剤７によって絶縁層５の表面に接着された半導体素子２と、を備える。樹脂系材料から成る絶縁層５と樹脂系導電性接着剤７との線膨張係数の温度依存性を近くできるため、ヒートサイクル時に接着界面に発生する応力が低くなり、半導体素子２が剥がれにくく、ヒートサイクルに対する信頼性の高い半導体装置が得られる。【選択図】      図１
2015053442.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂系材料から成る絶縁層と、
前記絶縁層の表面に形成され、孔部を有する金属製の配線パターンと、
樹脂系導電性接着剤によって前記配線パターンと電気的に接続された裏面が、前記孔部に充填された前記樹脂系導電性接着剤によって前記絶縁層の表面に接着された半導体素子と、
を備えた半導体装置。
【請求項２】
前記半導体素子は、前記裏面の一部が前記配線パターンの表面に配置され、かつ、前記裏面の一部が前記樹脂系導電性接着剤によって前記配線パターンの表面に接着されたこと
を特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記配線パターンは、前記半導体素子の角部と対向する位置に前記孔部が設けられたこと
を特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記配線パターンは、前記半導体素子の外周と対向する位置に前記半導体素子を取り囲むように前記孔部が設けられたこと
を特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記配線パターンは、前記半導体素子が配置される領域において、前記孔部との境界線が円弧状であること
を特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記配線パターンは、上面視において前記半導体素子の面積より大きい面積の前記孔部を有し、
前記半導体素子は、前記孔部内に配置されたこと
を特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記絶縁層は、前記樹脂系導電性接着剤によって前記半導体素子が接着される表面が凹凸形状であること
を特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記半導体素子は、側面に前記樹脂系導電性接着剤のフィレットが形成されること
を特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記樹脂系導電性接着剤が、Ａｇペーストであること
を特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体装置に関するものであり、特に半導体素子を搭載したモジュールの構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的な半導体装置は、放熱板上に、表面に金属製の配線パターンを有する絶縁層を接合し、配線パターン上に半導体素子の裏面をはんだ付け搭載した構造となっている。
【０００３】
近年、半導体装置の高温動作が望まれる一方で、はんだの融点は２００℃〜３００℃であり、半導体素子を搭載する際の接着剤にはんだを用いた場合は２００℃以上の高温動作が難しいため、接着剤の高温耐熱性が要求されていた。
【０００４】
そこで、耐熱性が３００℃以上と高温であるＡｇペーストなどの熱硬化性樹脂を用いた樹脂系導電性接着剤を、配線パターン上に設けられた合金材からなるダイパッドに半導体素子を搭載する際の接着剤として用いる方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１８１７８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
半導体装置では、半導体素子の裏面側の電位を制御するため、従来、半導体素子の裏面全面が樹脂系導電性接着剤などの接着剤によって配線パターンに接着される。しかしながら、樹脂系導電性接着剤と合金材など金属とは、使用温度範囲において線膨張係数が異なる。そのため、高温状態と低温状態とが繰り返されるヒートサイクル時に、樹脂系導電性接着剤と金属との界面に発生する応力が大きくなる。その結果、樹脂系導電性接着剤が金属から剥がれやすくなるなど、ヒートサイクルに対する信頼性が低いという問題があった。
【０００７】
この発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、ヒートサイクルに対する信頼性が高い半導体装置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】
【０００８】
この発明に係る半導体装置は、樹脂系材料から成る絶縁層と、絶縁層の表面に形成され、孔部を有する金属製の配線パターンと、樹脂系導電性接着剤によって配線パターンと電気的に接続された裏面が、孔部に充填された樹脂系導電性接着剤によって絶縁層の表面に接着された半導体素子と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
この発明に係る半導体装置によれば、樹脂系材料から成る絶縁層と、絶縁層の表面に形成され、孔部を有する金属製の配線パターンと、樹脂系導電性接着剤によって配線パターンと電気的に接続された裏面が、孔部に充填された樹脂系導電性接着剤によって絶縁層の表面に接着された半導体素子と、を備えたため、樹脂系材料から成る絶縁層と樹脂系導電性接着剤との線膨張係数を使用温度範囲において近くできるので、ヒートサイクル時に孔部底面の接着界面に発生する応力が低くなり、樹脂系導電性接着剤と絶縁層との接着部が剥がれにくく、ヒートサイクルに対する信頼性を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す上面図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る半導体装置の一部を示す上面図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係る半導体装置の変形例を示す上面図である。
【図５】この発明の実施の形態１に係る半導体装置の変形例の一部を示す上面図である。
【図６】この発明の実施の形態１に係る半導体装置の配線パターンが形成された絶縁層と樹脂系導電性接着剤との界面付近の拡大断面図である。
【図７】この発明の実施の形態２に係る半導体装置を示す上面図である。
【図８】この発明の実施の形態２に係る半導体装置の一部を示す上面図である。
【図９】この発明の実施の形態２に係る半導体装置の変形例の一部を示す上面図である。
【図１０】この発明の実施の形態３に係る半導体装置を示す断面図である。
【図１１】この発明の実施の形態３に係る半導体装置を示す上面図である。
【図１２】この発明の実施の形態３に係る半導体装置の一部を示す上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
まず、この発明の実施の形態１における半導体装置の構成を説明する。図１は、この発明の実施の形態１における半導体装置を示す断面図である。図１に示すように、本実施の形態に係る半導体装置は、放熱板６の表面に設けられた絶縁層５と、絶縁層５の表面に設けられた配線パターン４と、配線パターン４と絶縁層５との表面に樹脂系導電性接着剤７を介して裏面が接着されることによって搭載された半導体素子２と、を備える。さらに、パワーリード９と制御用リード１０を備えたインサートケース８が半導体素子２を取り囲み、半導体素子２の表面側に設けられた表面電極と制御用リード１０とが、また、配線パターン４とパワーリード９とが、ボンディングワイヤ１１によってそれぞれ電気的に接続されている。尚、配線パターン４は樹脂系導電性接着剤７によって半導体素子２の裏面側に設けられた裏面電極と電気的に接続されている。つまり、半導体素子２の裏面は樹脂系導電性接着剤７によって配線パターン４と電気的に接続されている。
【００１２】
図１で示される半導体装置は、放熱板６が露出し、インサートケース８によって囲まれた内部はポッティング樹脂などの封止用樹脂１２によって封止されている。本実施の形態では、放熱板６はアルミからなるとするが、銅等その他の金属であっても良い。
【００１３】
本実施の形態における半導体装置の半導体素子２は、裏面が配線パターン４と絶縁層５との双方に接着される。つまり、半導体素子２の裏面の面積は、配線パターン４との接着面積より大きく、樹脂間接着領域４０に設けられた樹脂系導電性接着剤７によって直接絶縁層５と接着される。図１において、樹脂間接着領域４０は点線で囲まれた領域である。図１のように、樹脂間接着領域４０は、断面視において半導体素子２の裏面の両端部に設けられる。
【００１４】
本実施の形態では、絶縁層５は樹脂系材料からなり、樹脂成分はエポキシを主成分とする。樹脂成分としては、エポキシ以外にもポリイミド、ポリウレタン、シリコーン、フェノール等を用いても良い。また、フィラーとして、例えばＳｉＯ２（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｄｉｏｘｉｄｅ）、ＢＮ（Ｂｏｒｏｎ  Ｎｉｔｒｉｄｅ）、ＡｌＮ（Ａｌｕｍｉｎｕｍ  Ｎｉｔｒｉｄｅ）などの化合物フィラーを含有してもよい。このような、化合物フィラーが充填された絶縁層５は高い放熱特性を示す。
【００１５】
また、本実施の形態では、樹脂系導電性接着剤７として、エポキシなどの樹脂成分と、銀フィラーなどの導電性成分とが一体となったＡｇペーストが用いられる。樹脂成分としては、エポキシ以外にもポリイミド、ポリウレタン、シリコーン、フェノール等が挙げられる。導電性成分としては、銀成分の他に、銅、カーボン、金等の成分が挙げられる。導電性成分としてＡｇを用いると、熱伝導性が優れ、低コストである樹脂系導電性接着剤７が得られる。
【００１６】
樹脂系導電性接着剤７は、半導体素子２の裏面に接着されるだけでなく、図１のように、半導体素子２の側面に回り込んでフィレット（裾拡がり部）を形成している。このように、樹脂系導電性接着剤７が半導体素子２の側面にフィレットを形成することによって樹脂系導電性接着剤７と半導体素子２との接着面積が大きくなるので、半導体素子２の密着性が向上される。
【００１７】
図２に、本実施の形態に係る半導体装置の上面図を示す。また、図３に、本実施の形態に係る半導体装置の、半導体素子２を搭載する前段階における上面図を示す。
【００１８】
図２のように、２つの半導体素子２が搭載されるとする。図３の上面視において、半導体素子２が搭載される前段階で、配線パターン４に、半導体素子２が配置される領域の一部を含めるように孔部４１が形成されている。孔部４１は配線パターン４が形成される際に、パターニング及びエッチングによって形成される。配線パターン４は、例えば銅などの金属で構成される。
【００１９】
図３において、孔部４１のうち、半導体素子２が搭載される樹脂間接着領域４０は点線で囲まれる領域となる。このように、孔部４１は半導体素子２が搭載される樹脂間接着領域４０よりも外側に大きく形成されている。
【００２０】
また、孔部４１は、搭載される半導体素子２の角部と対向する位置に、Ｌ字型の形状で４箇所設けられている。
【００２１】
図３の上面視において、孔部４１は配線パターン４を貫通して設けられるため、孔部４１の内部には絶縁層５が露出しており、孔部４１に樹脂系導電性接着剤７を充填して半導体素子２を搭載すると、樹脂間接着領域４０内の樹脂系導電性接着剤７によって半導体素子２の裏面と絶縁層５の表面とが接着される。つまり、半導体素子２は配線パターン４の表面上と、配線パターン４の孔部４１を介して絶縁層５の表面上と、に配置されて、樹脂系導電性接着剤７によって接着される。
【００２２】
図３の配線パターン４上の半導体素子２の搭載位置と孔部４１とに樹脂系導電性接着剤７を塗布し、半導体素子２が接着され、アルミワイヤなどのボンディングワイヤ１１によって各電気的接続が施された構成が、図２で示される本実施の形態に係る半導体装置の上面視に相当する。
【００２３】
次に、本実施の形態における半導体装置の製造方法について説明する。
【００２４】
放熱板６と接合した配線パターン４上と配線パターン４の孔部４１内の絶縁層５上とに、樹脂系導電性接着剤７であるＡｇペーストをディスペンサ（液体定量吐出装置）やスタンプ方式により塗布する。次に、半導体素子２を、塗布したＡｇペースト上に載せ（マウント工程）、一定荷重をかけてＡｇペーストを広げる。その後、１００℃以上の温度でＡｇペーストを熱硬化させて半導体素子２を接着する。さらに、インサートケース８を接着剤で取り付け、各ボンディングワイヤ１１をワイヤボンドする。最後に、インサートケース８内にポッティング樹脂である封止樹脂１２を塗布し、熱硬化させることで封止が完了し、図１及び図２に示す本実施の形態に係る半導体装置が得られる。
【００２５】
本実施の形態に係る半導体装置によれば、半導体素子２が樹脂系導電性接着剤７によって樹脂系材料からなる絶縁層５と接着されるため、ヒートサイクルに対する信頼性を向上することが出来る。
【００２６】
ヒートサイクルに対する信頼性に関係する特性は線膨張係数であるが、導電性成分であるフィラーを含有する樹脂系導電性接着剤７と、化合物フィラーなどのフィラーが充填された樹脂系材料からなる絶縁層５とは、それぞれのフィラーの充填量によって線膨張係数を調整することができる。
【００２７】
樹脂系導電性接着剤７と配線パターン４との線膨張係数を室温で同じにしたとしても、それぞれの線膨張係数の温度依存性が異なるため、室温以外の線膨張係数が異なる。そのため、ヒートサイクル時には樹脂系導電性接着剤７と配線パターン４との線膨張係数の異なる温度領域において、樹脂系導電性接着剤７と配線パターン４との接着界面に応力が発生し、樹脂系導電性接着剤７と配線パターン４との接着部が剥がれやすい。
【００２８】
つまり、従来のように半導体素子２の裏面全面が配線パターン４上に配置され、樹脂系導電性接着剤７によって、配線パターン４のみに接着されていた場合、ガラス転移点温度などの影響により樹脂系導電性接着剤７と配線パターン４の線膨張係数の温度依存性の差が大きく異なるので、ヒートサイクル時に発生する部材同士の歪が大きくなる。その結果、樹脂系導電性接着剤７に発生する応力が大きくなるため、樹脂系導電性接着剤７が配線パターン４から剥がれやすく、ヒートサイクルに対する信頼性が低い。
【００２９】
一方、本実施の形態によれば、半導体素子２は、樹脂系導電性接着剤７によって樹脂系材料からなる絶縁層５と接着される。樹脂系導電性接着剤７であるＡｇペーストと、樹脂系の絶縁層５は、いずれも樹脂成分からなるために異なる温度においても同等の線膨張係数を得ることが出来る。そのため、樹脂系導電性接着剤７と絶縁層５とが接着された部分ではヒートサイクル時に発生する部材同士の歪が小さくなるので、ヒートサイクルに対する信頼性が向上するという効果が得られる。尚、樹脂系導電性接着剤７と絶縁層５の樹脂成分が近いと、効果はより大きくなる。
【００３０】
ヒートサイクルに対する信頼性に関係する特性は、上述した線膨張係数以外にも、弾性率が関係する。
【００３１】
例えば、フィラーの充填量によって樹脂系導電性接着剤７の室温における線膨張係数を１６ｐｐｍ／℃と、配線パターン４の銅の線膨張係数と同じにしたとしても、ヒートサイクル時に温度を変化させると、室温以外の温度においては線膨張係数が異なる。そのため、ヒートサイクル時に樹脂系導電性接着剤７と配線パターン４との接着界面に応力が発生する。
【００３２】
銅の弾性率が１２０ＧＰａであるのに対し、樹脂系導電性接着剤７の弾性率は１０〜５０ＧＰａと大きく異なる。ヒートサイクル時に発生した界面の応力を緩和するために、弾性率の小さい樹脂系導電性接着剤７は、変形することによって界面の応力を緩和しようとするが、弾性率の大きい銅は変形しにくいので、接着している樹脂系導電性接着剤７の変形を妨げる。その結果、応力が緩和されずに、配線パターン４と樹脂系導電性接着剤７との界面において剥離などが生じやすい。
【００３３】
ヒートサイクル時以外にも、樹脂系導電性接着剤７を熱硬化する際に、樹脂系導電性接着剤７と配線パターン４との界面に応力が発生し、残応力として存在する。この残応力についても、樹脂系導電性接着剤７が樹脂系導電性接着剤７の弾性率より高い弾性率を有する配線パターン４と接着している場合には、樹脂系導電性接着剤７に存在する残応力は解消することができず、ヒートサイクル負荷によって剥離が進行する要因となり得る。一方、本実施の形態に係る半導体装置において、樹脂系導電性接着剤７は配線パターン４よりも弾性率の小さい絶縁層５と接着しているので、絶縁層５と接着している界面で残応力を解消するための変形が生じやすいため、残応力を緩和することができ、ヒートサイクル負荷に対する耐性を向上できる。
【００３４】
本実施の形態に係る半導体装置において、樹脂系導電性接着剤７と絶縁層５とが接着されるのは、図１で示されるように半導体素子２の角部に対向する位置である。半導体素子２の接着部分において、ヒートサイクル時に発生する応力が最も高くなるのは、半導体素子２の角部である。本実施の形態では、最も応力の高くなる半導体素子２の角部に対向する位置に合わせて孔部４１を設け、半導体素子２の角部を、樹脂系導電性接着剤７を介して絶縁層５に接着させる。その結果、最も密着性の低い、剥がれやすい部分の密着性を高めてヒートサイクルにおける信頼性を向上させる事ができる。
【００３５】
また、従来の半導体装置の製造方法において、半導体素子２を配線パターン４に接着する際に一般的に行われるマウント工程では、半導体素子２に荷重を加えることで、半導体素子２の裏面に対して樹脂系導電性接着剤７の濡れ拡がりを進める。
【００３６】
このとき、半導体素子２のピックアップ位置が重心とずれていたり、半導体素子２と配線パターン４の接着面に角度が付いていたりした場合には、半導体素子２の上面全体に均等に荷重が加わらず偏りが生じる結果、半導体素子２と配線パターン４との接着面に角度が付くことがあった。
【００３７】
このような場合、マウント工程後における半導体素子２と配線パターン４との間の樹脂系導電性接着剤７の厚みが不均一となり、一部薄くなる場合が生じる。従来、樹脂系導電性接着剤７は半導体素子２の裏面全体と配線パターン４とを接着しているが、これらとの線膨張係数の温度依存性が異なるという特性ミスマッチにより、ヒートサイクル負荷時に樹脂系導電性接着剤７に応力が発生する。特に、樹脂系導電性接着剤７の厚みが薄い部分では、特性ミスマッチによる応力を緩和しきれずにクラックや剥離が生じる場合があった。
【００３８】
従来のように、樹脂系導電性接着剤７が半導体素子２の裏面全体と配線パターン４とを接着している場合、半導体素子２の傾きによって樹脂系導電性接着剤７の厚みが最も薄くなる部分は、ヒートサイクル時に応力が特に高くなる半導体素子２の角部に対向する位置であり、当該部分で樹脂系導電性接着剤７が配線パターン４から剥がれやすかった。
【００３９】
一方、本実施の形態に係る半導体装置は、図１及び図３に示すように、半導体素子２の中央部の裏面は樹脂系導電性接着剤７を介して配線パターン４と接着され、半導体素子２の角部の裏面は、配線パターン４に設けられた孔部４１に充填された樹脂系導電性接着剤７を介して絶縁層５と接着されている。
【００４０】
そのため、マウント時に半導体素子２と配線パターン４との接着面に角度が付くことがあっても、半導体素子２の裏面の角部は絶縁層５上に配置され、樹脂系導電性接着剤７によって絶縁層５と接着される。すなわち、従来、最も剥がれやすい部分であった半導体素子２の角部は、本実施の形態においては、樹脂系導電性接着剤７によって絶縁層５と接着されているので、密着性が高く、樹脂系導電性接着剤７の剥がれを抑制することができる。
【００４１】
さらに、半導体素子２の角部に対向する位置に配線パターン４の孔部４１が設けられ、半導体素子２の中央部は配線パターン４上に配置され、接着されているので、半導体素子２の角部と絶縁層５とを接着する樹脂系導電性接着剤７の厚みは、少なくとも配線パターン４の厚み以上を確保することができる。そのため、最も応力が高い半導体素子２の角部における樹脂系導電性接着剤７を厚くすることができるので、半導体素子２と絶縁層５との間でより一層強固な接着性を実現することが可能となる。その結果、ヒートサイクル負荷時でも、特に応力が高くなる半導体素子２の角部の樹脂系導電性接着剤７への応力を緩和することができる。
【００４２】
従来、半導体素子２が樹脂系導電性接着剤７を介して配線パターン４とのみ接着していた場合、接着後の樹脂系導電性接着剤７の厚みは約５〜５０μｍであった。一方、配線パターンの厚みは、例えば１８〜２００μｍが用いられるが、電力用など大電流を要する用途で用いられる場合、１０５μｍが主として用いられている。この場合、本実施の形態によれば、従来５〜５０μｍであった半導体素子２の角部を接着する樹脂系導電性接着剤７の厚みを、１１０〜１５５μｍと２倍以上に厚膜化でき、ヒートサイクルに対する樹脂系導電性接着剤７への応力を大幅に緩和することが可能である。
【００４３】
尚、図１では半導体素子２の角部のみを、樹脂系導電性接着剤７によって絶縁層５と接着させたが、半導体素子２の外周辺全部を接着させても良い。図４に、半導体素子２の外周の位置に沿って、孔部４１を設けた場合の半導体装置の上面図を示す。また、図５に、半導体素子２の周辺部を孔部４１とした場合の、半導体素子２を搭載する前の半導体装置の上面図を示す。
【００４４】
図３で示す４箇所の孔部４１が、図５では、半導体素子２の外周に沿って連続しており、半導体素子２が接着される部分の配線パターン４と、半導体素子２が接着されない部分の配線パターン４とが孔部４１によって分離される。つまり、図４のように、半導体素子２は孔部４１によって取り囲まれ、半導体素子２の裏面における外周の部分は、樹脂系導電性接着剤７によって絶縁層５と接着されている。図４において、半導体素子２が接着される部分の配線パターン４と、半導体素子２が接着されない部分の配線パターン４とは、樹脂系導電性接着剤７によって電気的に接続されている。
【００４５】
ヒートサイクル時に発生する応力は、半導体素子２の角部の頂点が最も高いが、半導体素子２の外周辺にはその次に高い応力が発生する。そのため、角部に加えて、半導体素子２の中央部よりも高い応力が発生する外周辺についても、絶縁層５の表面上に配置され、樹脂系導電性接着剤７を介して絶縁層５と接着されることによって半導体素子２が絶縁層５に強固に密着されるので、本実施の形態の効果がより大きく得られる。また、半導体素子２が樹脂系導電性接着剤７を介して絶縁層５と接着される面積が増えることも、密着性の一層の向上につながる。
【００４６】
尚、図５の場合、孔部４１の体積が図３に比べて大きくなるので、孔部４１に樹脂系導電性接着剤７を充填し、半導体素子２の側面にフィレットを形成して安定的に搭載するためには、図３よりも多くの樹脂系導電性接着剤７を塗布する必要がある。そこで、半導体素子２を搭載する前に、樹脂系導電性接着剤７を半導体素子２の搭載領域に十分に広げておくと、半導体素子２の側面にフィレットを安定して形成することが出来る。例えば、樹脂系導電性接着剤７を塗布する際にスタンプ方式を用いると、広い領域に樹脂系導電性接着剤７を塗布することが出来る。フィレットを形成するためには、予め、半導体素子２が配置されない部分の配線パターン４にまではみ出して樹脂系導電性接着剤７を塗布しておくことが望ましい。
【００４７】
図３や図５で説明したように、半導体素子２の裏面の角部や、角部を含む外周辺を樹脂系導電性接着剤７によって絶縁層５と接着させることが最も効果的であるが、半導体素子２の角部や外周辺に孔部４１がない場合、例えば半導体素子２の中央部のみに孔部４１が形成された場合であっても、半導体素子２の裏面の一部が樹脂系導電性接着剤７を介して絶縁層５と接着されたことによって密着性が向上し、ヒートサイクルに対する信頼性が高くなる効果は得られる。
【００４８】
次に、配線パターン４の酸化に対する効果について説明する。アルミや銅からなる熱伝導率が高い金属である放熱板６に、配線パターン４となる金属箔付の絶縁層５を接着する際、熱圧着が実施される。
【００４９】
配線パターン４となる金属箔は、一方の片面が凹凸形状で、他方の片面が鏡面形状の電界銅箔などを用いる。金属箔付の絶縁層５は、例えば電解銅の凹凸面に、絶縁層５の材料である樹脂系の液体を塗り広げた後、樹脂を半硬化することで形成する。その後、放熱板６に金属箔付の絶縁層５を熱圧着によって貼付け、一体化する。最後に金属箔をパターニングし、部分的にエッチングすることで配線パターン４を形成する。
【００５０】
絶縁層５と放熱板６とを熱圧着する際、配線パターン４が高温に晒されて酸化してしまう場合がある。このとき、厚い銅酸化膜が形成され、樹脂系導電性接着剤７を酸化した配線パターン４に接着すると、銅酸化膜と銅との界面で剥離が生じ、半導体素子２が剥がれてしまう場合がある。
【００５１】
本実施の形態を用いれば、半導体素子２の裏面の一部を、樹脂系導電性接着剤７を介して絶縁層５に接着させることで配線パターン４が酸化した場合にも、樹脂系導電性接着剤７と絶縁層５との密着性が高いため、樹脂系導電性接着剤７が剥がれにくくなる効果が得られる。
【００５２】
また、配線パターン４が酸化した場合、ヒートサイクル時などに発生する応力が最も高くなる部分から剥離しやすい。半導体素子２の裏面において、最も応力が高くなるのは角部である。本実施の形態では、最も応力の高くなる半導体素子２の角部に合わせて孔部４１を設け、半導体素子２の角部の裏面を、樹脂系導電性接着剤７を介して絶縁層５に接着させることで、銅酸化膜と銅との界面に発生する応力を低減できるので、配線パターン４が酸化した場合も安定した接合品質が得られ、ヒートサイクルに対する信頼性を高くすることができる。
【００５３】
さらに、配線パターン４の保管に設備投資が必要なく、また、管理コストが削減できる。例えば、配線パターン４の酸化を防ぐために防錆処理等が行われることがあるが、本実施の形態では不要となり、コスト削減の効果が得られる。
【００５４】
本実施の形態に係る半導体装置では、アンカー効果による密着性向上の効果も得られる。金属箔付の絶縁層５を形成する過程において、絶縁層５と接着する側の金属箔の表面は凹凸形状である。そのため、金属箔と絶縁層５を接着した後、パターニングにより配線パターン４を形成すると、金属箔がエッチングされた絶縁層５の表面にも金属箔の凹凸形状が転写される。
【００５５】
図６に、配線パターン４が形成された絶縁層５と樹脂系導電性接着剤７との界面付近の拡大断面図を示す。半導体素子２が接着される領域の、絶縁層５の表面と樹脂系導電性接着剤７との界面は、図６で示されるような凹凸形状となる。このため、凹凸によって接着面積が増大する効果や、アンカー効果により、絶縁層５と樹脂系導電性接着剤７との間で非常に高い接着強度が得られる。
【００５６】
本実施の形態に係る半導体装置では、半導体素子２の裏面の一部を配線パターン４条に配置し、樹脂系導電性接着剤７によって電気的に接続しているため、半導体素子２が裏面に裏面電極を備え、縦方向に電流を通電する縦型の半導体素子にも用いることが出来る。
【００５７】
特に、電力用途で使用される縦型の半導体装置の場合は大電流を流す必要があるので、導体発熱による損失の観点から、半導体素子２の裏面には比較的厚膜の配線パターン４が設けられていることが望ましい。半導体素子２の裏面の一部が配線パターン４と接着されていれば、樹脂系導電性接着剤７の厚みも厚くなるので、半導体素子２の裏面から流れてくる電流が、厚い配線パターン４又は樹脂系導電性接着剤７を通ってパワーリード９まで流れる電流経路において、導体発熱による損失が小さくなる効果が得られる。
【００５８】
縦型の半導体素子２でない場合、すなわち横型の半導体素子２であったとしても、半導体素子２の裏面を配線パターン４と電気的に接続することで半導体素子２の裏面の電位を、たとえば接地など、配線パターン４と同電位にすることができ、裏面の電位が浮遊することを抑制できる。
【００５９】
また、本実施の形態では、半導体素子２を搭載する際の接着剤として、Ａｇペーストなどの放熱性の高い樹脂系導電性接着剤７を用いたので、接着剤として非導電性の樹脂材料を用いる場合に比較して、放熱性を損なうこともない。
【００６０】
さらに、ヒートサイクル時における界面の応力を低減できる範囲、つまり、樹脂系導電性接着剤７と絶縁層５のフィラーの充填量を同程度にしながら充填量を増加することができるが、フィラーの充填量を増加すると熱伝導率が向上するので、熱抵抗が低減され、放熱性が高まるのでより信頼性が高くなり、半導体装置の動作寿命をのばすことが可能になる。さらに、冷却系統の簡素化などにより、半導体装置の小型化が可能となる。
【００６１】
尚、本実施の形態では半導体素子２を搭載する際に樹脂系導電性接着剤７を用いているが、非樹脂成分であるはんだなどを接着剤として用いる場合に比べて耐熱性が高く、はんだに比べて高温で動作可能である。
【００６２】
高温動作を必要としない半導体装置においても、従来、半導体素子２をはんだで接着した後の工程において、パワーリード９や制御用リード１０と外部機器とを接続する際には通常、はんだが用いられる。このとき、半導体装置の温度がはんだの融点まで高温化されるので、半導体素子２を接着していたはんだが溶け、半導体素子２の搭載位置がずれたり、接着が不安定となって剥がれやすくなったりするなどの問題があった。
【００６３】
本実施の形態では、樹脂系導電性接着剤７は半導体素子２を接着するために１００℃以上の温度で熱硬化した後は、後工程ではんだの融点まで高温化されても溶けないので、安定した密着性が得られる。
【００６４】
また、本実施の形態では、半導体素子２としてＳｉ（シリコン）を主成分とするものや、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）やＧａＮ（ガリウムナイトライド）などの化合物を主成分とするものを用いても良い。ワイドバンドギャップ半導体であるＳｉＣやＧａＮは、高温動作が期待されているため、高温ヒートサイクルに対する信頼性の高い半導体装置が得られる本実施の形態を採用する効果が大きい。本実施の形態を、ワイドバンドギャップ半導体を用いた半導体装置に適用すると、高温動作を行うヒートサイクル負荷の大きい場合にも、信頼性の高い特性を実現することが出来る。
【００６５】
また、半導体素子２としてはＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＪＦＥＴ（Ｊｕｎｃｔｉｏｎ−Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ−Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やダイオードなどを用いることが出来る。
【００６６】
実施の形態２．
図７は、本実施の形態２に係る半導体装置を示す上面図である。また、図８は、本実施の形態２に係る半導体装置の半導体素子２を搭載する前を示す上面図である。本実施の形態における半導体装置においては、半導体素子２の裏面と接着される領域において、配線パターン４と孔部４１との境界線が円弧状であることを特徴とする。それ以外については、実施の形態１と同様である。本実施の形態によれば、ヒートサイクル時に樹脂系導電性接着剤７に発生する応力がより緩和され、半導体装置の信頼性がより向上する。
【００６７】
本実施の形態では、図８に示すように上面視において、半導体素子２の角部が搭載される部分の配線パターン４と孔部４１との境界線が円弧状となっている。図８のような形状により、孔部４１は半導体素子２が接着される辺が湾曲形状となる。つまり、半導体素子２が配置され、接着される領域において、配線パターン４と孔部４１との境界線が頂点のない曲線形状となっている。
【００６８】
実施の形態１で説明した図３のように、配線パターン４が半導体素子２と接着される領域において、孔部４１と配線パターン４との境界が頂点を有する形状である場合、当該頂点に接する樹脂系導電性接着剤７に発生する応力は、その他の部分に比べて局所的に高くなり、ヒートサイクル時にクラックや剥離が生じやすくなる。
【００６９】
本実施の形態では、半導体素子２と接着される配線パターン４と孔部４１との境界は頂点を有さず、円弧状となっているので、樹脂系導電性接着剤７に局所的に応力が発生することを抑制することができ、ヒートサイクルに対する信頼性をより向上することが可能となる。
【００７０】
本実施の形態では、配線パターン４の４箇所に孔部４１を設ける構造としたが、図８で示される孔部４１が、搭載される半導体素子２の外周辺に沿って連続していても良い。図９に、本実施の形態に係る半導体装置の変形例において、半導体素子２が搭載される前の上面図を示す。図９では、半導体素子２と接着される配線パターン４と孔部４１との境界線が円形状となっている。
【００７１】
図９の場合、樹脂系導電性接着剤７への局所的な応力の発生が抑制される効果に加え、半導体素子２が樹脂系導電性接着剤７を介して絶縁層５と接着される面積も増え、ヒートサイクルに対する密着性をより高くすることが出来る。
【００７２】
尚、本発明の実施の形態２では本発明の実施の形態１と相違する部分について説明し、同一または対応する部分についての説明は省略した。
【００７３】
実施の形態３．
図１０は、本実施の形態３に係る半導体装置を示す断面図である。本実施の形態における半導体装置においては、半導体素子２の裏面全面が、樹脂系導電性接着剤７によって絶縁層５の表面上に配置されている。それ以外については、実施の形態１と同様である。本実施の形態によれば、半導体素子２が絶縁層５と直接接着される面積が増加するので、強固な接着が得られ、ヒートサイクルに対してより高い信頼性を確保できる。
【００７４】
図１１に、本実施の形態に係る半導体装置の上面図を示す。また、図１２に、本実施の形態に係る半導体装置において、半導体素子２を搭載する前の上面図を示す。
【００７５】
図１２の上面視において、配線パターン４には、半導体素子２の搭載位置に半導体素子２より面積の大きい孔部４１が設けられる。つまり、図１２のように、半導体素子２が搭載される領域及びその周辺部の配線パターン４をパターニングによりすべて取り除いて、絶縁層５が露出した孔部４１を設ける。次に、孔部４１に樹脂系導電性接着剤７が充填された後、図１１のように、孔部４１内に入るように半導体素子２が搭載される。つまり、半導体素子２は孔部４１内に配置される。樹脂系導電性接着剤７は配線パターン４の孔部４１内に充填され、配線パターン４にも接合されるので、配線パターン４と半導体素子２の裏面とは、樹脂系導電性接着剤７を介して互いに電気的に接続される。
【００７６】
本実施の形態では、実施の形態１のように半導体素子２の裏面は配線パターン４の上には配置されないので、樹脂系導電性接着剤７の厚みが、配線パターン４の厚み以上となる効果は得られない。しかしながら、半導体素子２が樹脂系導電性接着剤７を介して絶縁層５と接着される面積が増加する分、ヒートサイクルに対する密着性が向上する効果が得られる。
【００７７】
さらに、孔部４１に樹脂系導電性接着剤７を充填し、孔部４１の内部に半導体素子２を埋め込むような形で配置するので、半導体素子２の側面にフィレットを容易に形成することができる。形成された十分なフィレットにより、半導体素子２の密着性がより強固となる。
【００７８】
固体中の熱伝導には、部材自身の熱抵抗と、部材間の界面の熱抵抗が影響する。実施の形態１において半導体素子２から放熱板６までの放熱経路では、半導体素子２から放熱板６までの間に、樹脂系導電性接着剤７、配線パターン４、絶縁層５が存在する領域があり、さらに、それぞれの界面熱抵抗が発生する。配線パターン４は銅で形成されているので熱抵抗は小さいが、樹脂系導電性接着剤７と配線パターン４との界面、及び配線パターン４と絶縁層５との界面に界面熱抵抗が生じる。
【００７９】
一方、本実施の形態では、半導体素子２から放熱板６までの間に、樹脂系導電性接着剤７、絶縁層５のみが存在するので、界面熱抵抗が発生するのは樹脂系導電性接着剤７と絶縁層５との界面のみとなるので、界面熱抵抗が減少し、熱抵抗を低減することができる。すなわち、放熱経路における界面熱抵抗を低減することができるため、全体の熱抵抗を低減でき、半導体素子２の動作寿命をのばすことが出来る。また、放熱特性が向上するので、発熱密度の高い小面積の半導体素子２を搭載することができ、半導体装置の小型化が可能となる。
【００８０】
尚、本発明の実施の形態３では本発明の実施の形態１と相違する部分について説明し、同一または対応する部分についての説明は省略した。
【符号の説明】
【００８１】
２  半導体素子、４  配線パターン、５  絶縁層、６  放熱板、７  樹脂系導電性接着剤、８  インサートケース、９  パワーリード、１０  制御用リード、１１  ボンディングワイヤ、１２  封止用樹脂、４０  樹脂間接着領域、４１  孔部。
【図１】
2015053442.tif 000003
【図２】
2015053442.tif 000004
【図３】
2015053442.tif 000005
【図４】
2015053442.tif 000006
【図５】
2015053442.tif 000007
【図６】
2015053442.tif 000008
【図７】
2015053442.tif 000009
【図８】
2015053442.tif 000010
【図９】
2015053442.tif 000011
【図１０】
2015053442.tif 000012
【図１１】
2015053442.tif 000013
【図１２】
2015053442.tif 000014