(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属板、絶縁板、回路板を順次に積層して構成された絶縁基板と、
該回路板に固定された半導体素子と、
該半導体素子の表面に設けられた電極、該回路板のいずれかまたは両方に接続する配線部材と、
該絶縁基板、半導体素子及び配線部材を収容する中空形状のプラスチック筐体と、
該プラスチック筐体内の該絶縁基板、半導体素子及び配線部材を封止する、熱硬化性樹脂よりなる封止材と、
前記プラスチック筐体の内側から外側に延出する複数の導電部材と、
を備え、
該プラスチック筐体が内面に内枠を有し、前記導電部材の一端が、前記内枠に配置され、該内枠の上面の先端かつ隣り合う前記導電部材に対して略等距離となる位置に段差が形成された半導体装置。
【請求項２】
前記プラスチック筐体がポリフェニレンサルファイド樹脂からなり、前記封止材がエポキシ樹脂からなる請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記内枠の上面が、算術平均粗さＲａで１．０μｍ以上に粗面化された請求項１又は２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記段差が、前記内枠の上面の角部に形成されている請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記段差の幅が、隣り合う前記導電部材間の幅の５０〜８０％である請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記段差の長さが、前記内枠が前記プラスチック筐体の内面から突出する長さの２５〜５０％である請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記段差の高さが、前記導電部材の厚さ以下である請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記内枠の上面かつ前記導電部材の側縁に、前記導電部材の押さえが設けられている請求項１〜７のいずれか一項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、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）や電気自動車（ＥＶ）に代表されるように、自動車の電子化が進んでいる。これらのハイブリッド自動車や電気自動車の電力変換にはパワー半導体モジュールが用いられている。
パワー半導体モジュールの一つに、１又は２以上のパワー半導体素子（半導体チップ）が、絶縁基板の回路板に固定されてプラスチック筐体内に内蔵されたパワー半導体モジュールが知られている。プラスチック筐体は、例えばＰＰＳ樹脂（ポリフェニレンサルファイド樹脂）よりなる。プラスチック筐体の一例は、中空形状を有し、外部と接続する導電部材がインサート成形により一体的に設けられている。導電部材は、プラスチック筐体内にて、半導体チップ上の電極又は絶縁基板の回路板と、ボンディングワイヤ等の配線部材により電気的に接続される。プラスチック筐体内の絶縁基板、半導体チップ及び配線部材は、熱硬化性樹脂よりなる封止材により封止される。封止材は、エポキシ樹脂等からなり、プラスチック筐体内に収容された半導体チップやボンディングワイヤ等を保護し、かつ、絶縁するためのものである。
【０００３】
しかしながら、熱硬化性樹脂よりなる封止材は、プラスチック筐体の樹脂の種類によってはプラスチック筐体の樹脂部分との密着性が悪く、また、樹脂部分との線膨張係数差が大きい。したがって、半導体チップを動作させたときの発熱の繰り返しや、周囲温度の変化によりプラスチック筐体と封止材との間で熱応力が発生し、その結果、封止材とプラスチック筐体の樹脂部分との界面が剥離するおそれがあった。封止材とプラスチック筐体の樹脂部分との剥離の進展は、ボンディングワイヤの接合状態に影響を及ぼしたり、内部回路の絶縁性に影響を及ぼしたりするおそれがあった。
【０００４】
絶縁基板の金属板とモールド用の樹脂との密着力を向上させるために、該金属板の周縁の角を湾曲状にした半導体モジュールがある（特許文献１）。また、封止樹脂とリードとの密着性を改善するために、リードフレームの少なくとも一部に複数の四角円錐台形状の突起体を形成した半導体パッケージがある（特許文献２）。更に、パッケージ用の樹脂成形体と封止材との剥離を抑制するために、樹脂成形体の傷つき指数を所定の数値以下にした半導体発光装置用パッケージがある（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−６４８０６号公報
【特許文献３】特開２０１３−１６５１２５号公報
【特許文献２】特開２０１１−２４９７８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１及び特許文献２は、封止材とプラスチック筐体との剥離の改善には有効ではなかった。特許文献３は、パッケージ用の樹脂成形体が、フィラーにより樹脂を硬化させているので、フィラーを有しない一般的なプラスチック筐体には適用できなかった。
【０００７】
本発明は、上記した従来の半導体装置の問題を有利に解決するものであり、封止材とプラスチック筐体の樹脂部分との剥離を抑制して、長期信頼性の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】
上記目的を達成するために以下のような半導体装置が提供される。
本発明の半導体装置は、金属板、絶縁板、回路板を順次に積層して構成された絶縁基板と、
該回路板に固定された半導体素子と、
該半導体素子の表面に設けられた電極、該回路板のいずれかまたは両方に接続する配線部材と、
該絶縁基板、半導体素子及び配線部材を収容する中空形状のプラスチック筐体と、
該プラスチック筐体内の該絶縁基板、半導体素子及び配線部材を封止する、熱硬化性樹脂よりなる封止材と、
前記プラスチック筐体の内側から外側に延出する複数の導電部材と、
を備え、
該プラスチック筐体が内面に内枠を有し、前記導電部材の一端が、前記内枠に配置され、該内枠の上面の先端かつ隣り合う前記導電部材に対して略等間隔となる位置に段差が形成されたものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の半導体装置は、内枠を有するプラスチック筐体の当該内枠の先端に段差が形成されているから、この段差により封止材とプラスチック筐体の樹脂部分との剥離を抑制して、長期信頼性の高い半導体装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態のパワー半導体モジュールの断面図である。
【図２】図１のパワー半導体モジュールの平面図である。
【図３】図２の部分拡大図である。
【図４】変形例の部分拡大平面図である。
【図５】段差近傍の拡大断面図である。
【図６】ブラスト圧の異なる試料についてのケースの表面の算術平均粗さを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の半導体装置の実施形態を、図面を用いて具体的に説明する。
図１に本発明の実施形態１の半導体装置としてのパワー半導体モジュールの断面図を示す。図１に示されたパワー半導体モジュール１は、絶縁基板２と、半導体チップ６と、ボンディングワイヤ８と、プラスチック筐体１０と、封止材１３と、を備えている。なお、以下の説明において、「上」や「下」という記載は説明の便宜上、図面に表されているときの上下の位置を意味している。
【００１２】
絶縁基板２は、金属板３と、金属板３の一表面上に積層された絶縁板４と、絶縁板４上に積層された回路板５とにより構成されている。この金属板３は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅や銅合金等の、熱伝導性が良好な金属材料よりなる。また、絶縁板４は、例えば絶縁樹脂よりなる。この場合、絶縁板４は、絶縁性を有する樹脂であれば、特に材料を問わないが、半導体チップ６の放熱のためには熱伝導性のよい樹脂が好ましい。絶縁基板２の絶縁板４は具体的には、熱伝導性のよい材料である液晶ポリマーや、後述する封止材１３と同じ材料であるエポキシ樹脂等を用いることができる。これらの樹脂を金属板３上にコーティングすることにより絶縁板４を形成することができる。
【００１３】
絶縁基板２の回路板５は、銅、銅合金等の電気伝導性の良い金属材料からなり、所定の回路を構成するように絶縁板４の一表面上に選択的に形成されている。回路板５の一表面には、半導体チップ６が接合材としての例えばはんだ７を介して接合されている。また、配線部材であるボンディングワイヤ８の一端が接合されている。また、回路板５の一表面には、他の電気部品、例えばコンデンサチップ等が接合されることもある。
【００１４】
半導体チップ６は、例えばダイオードチップやパワーＭＯＳＦＥＴチップやＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）チップである。特に半導体チップの種類は問わない。また、半導体チップ６の基板として単結晶シリコンの他、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）やガリウムナイトライド（ＧａＮ）を用いることもできる。絶縁基板２の回路板５上に複数個の半導体チップ６を有する場合には、同一種類の半導体チップでもよく、異なる種類の半導体チップの組み合わせでもよい。半導体チップ６は、縦型の半導体素子である場合には、対向する二つの主面のそれぞれに電極が設けられている。一主面の電極は、はんだ７を介して回路板５と電気的および機械的に接続されている。他方の主面の電極にはボンディングワイヤ８の一端が接合されている。なお、半導体チップ６は、縦型の半導体素子に限られず、横型の半導体素子でもよい。
【００１５】
ボンディングワイヤ８はアルミニウムやアルミニウム合金等の導電性細線よりなる。もっとも配線部材は、ボンディングワイヤ８に限られず、例えばバスバーでもよく、また、導電ポストと配線基板との組み合わせであってもよい。
【００１６】
絶縁基板２、半導体チップ６及びボンディングワイヤ８は、プラスチック筐体としてのケース１０に収容されている。ケース１０は、中空の概略直方体の形状（枠体）を有していて、上端部が開口となり、ケース１０内の中空空間に上端部から封止材１３を注入可能になっている。また、ケース１０は、外部と電気的に接続するための導電部材としてのリード１１を備えている。本実施形態のパワー半導体モジュール１では、リード１１は、ケース１０の内面側から外面よりも外方に延びて一端がケース１０の外面よりも外方に現れるように設けられている。ケース１０の内面側においてリード１１の他端は、半導体チップ６又は絶縁基板２の回路板５と接合するボンディングワイヤ８の他端と接合される。
【００１７】
ケース１０は、絶縁性樹脂等からなる。例えばポリフェニレンサルファイド樹脂が挙げられる。ケース１０の下端部が例えば絶縁性接着剤等の接着剤１２により絶縁基板２の金属板３及び絶縁板４の周縁部と接合されている。これにより、絶縁基板２とケース１０との絶縁性を確保するとともに、絶縁基板２とケース１０との隙間をなくし、隙間から封止材１３が外部に漏れ出るのを防止している。
【００１８】
ケース１０の上端から中空空間に封止材１３が充填されることにより、絶縁基板２の回路板５、半導体チップ６、ボンディングワイヤ８が封止されている。封止材１３は、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂よりなるものが、絶縁性が高いために好ましい。
【００１９】
ケース１０は、内面側において、上端と下端との間に、より内側に突出するような内枠１０ａを有している。内枠１０ａはケース１０の開口の内側へ張り出している。この内枠１０ａにおける当該ケース１０の厚さ、すなわちケース１０の内面と外面との間の距離は、ケース１０の上端における当該ケース１０の厚さよりも、厚くなっている。
【００２０】
ケース１０にリード１１が、インサート成形により一体的に成形されている。リード１１のケース１０内面側の一端部は、内枠１０ａがケース１０の内面から突出する長さと同じ長さでケース１０の内側に延び、かつ、内枠１０ａの上面で露出するように固定されている。内枠１０ａの上面で露出する部分のリード１１の一端部にボンディングワイヤが接続される。
【００２１】
図２に、図１に示したパワー半導体モジュール１の平面図を示す。図１は、図２のＩ−Ｉ矢視断面図である。本発明は内枠１０ａの形状に特徴がある。本発明の理解を容易にするために、図２においては、絶縁基板２の回路板５、半導体チップ６、ボンディングワイヤ８の図示を省略している。
図２において、内枠１０ａは、ケース１０の四つの内側面のそれぞれに形成されている。もっとも内枠１０ａは、相対する長辺側の二つの内側面に形成される構成であってもよい。
【００２２】
本実施形態のパワー半導体モジュールの特徴的な構成として、ケース１０の内面から内方に突出する内枠１０ａの先端に、段差１０ｂが形成されている。本実施形態において、段差１０ｂは、内枠１０ａの上面の角部に形成されている、また、内枠１０ａに取り付けられたリード１１を避けるように、隣り合うリード１１の間に形成されている。
【００２３】
内枠１０ａの先端に段差１０ｂが形成されることにより、この段差１０ｂの箇所におけるケース１０の樹脂と封止材１３との変形が抑制される。また、段差１０ｂは、ケース１０の樹脂に対して封止材１３を拘束するアンカー効果を生じさせる。これらのことから、ケース１０と封止材１３との剥離が抑制されると考えられる。
【００２４】
剥離は、例えばケース１０の樹脂がポリフェニレンサルファイド樹脂であり、封止材１３がエポキシ樹脂よりなる組み合わせの場合に生じ易い。したがって、この樹脂の組み合わせの場合に段差１０ｂを形成することは、剥離抑制に有効である。
【００２５】
ケース１０と封止材１３との剥離は、内枠１０ａの先端から発生する。したがって、剥離が発生する内枠１０ａの先端に段差１０ｂを形成することにより、ケース１０と封止材１３との剥離が効果的に抑制される。
【００２６】
封止材１３の樹脂がケース１０内に注入されて硬化した後にパワー半導体モジュール１にヒートサイクルが加わった場合に、内枠１０ａの上面における先端部を起点として剥離が伝播する。したがって、段差１０ｂは、内枠１０ａにおいてリード１１が取り付けられるのと同じ面、すなわち、内枠１０ａの上面の先端に形成することが好ましい。本発明者の研究により、段差１０ｂを内枠１０ａの下面の先端に形成した場合には、内枠１０ａの上面の先端に形成した場合に比べて剥離の抑制効果が十分でないことが確認された。
【００２７】
また、ケース１０の内枠１０ａに取り付けられたリード１１は、封止材１３との密着性が、ケース１０の樹脂よりも優れている。よって、剥離は、リード１１と封止材１３との界面よりも、隣り合うリード１１間の中央付近で生じ易い。したがって、内枠１０ａの上面において、リード１１の間に段差１０ｂを形成することにより、剥離を効果的に抑制することができる。
【００２８】
図３はケース１０の内枠１０ａの上面の部分拡大図である。段差１０ｂは、隣り合うリード１１間で各リード１１に対し略等距離となるように内枠１０ａの先端に形成されている。段差１０ｂの幅Ｗは、隣り合うリード１１間における樹脂領域の幅の５０〜８０％程度であることが好ましい。段差１０ｂの幅Ｗが、隣り合うリード１１間における樹脂領域の幅の５０〜８０％程度の範囲において、剥離を効果的に抑制することができる。
【００２９】
内枠１０ａの突出方向に沿った方向における段差１０ｂの長さＬは、内枠１０ａがケース１０の内面から突出する長さの２５〜５０％程度であることが好ましい。段差１０ｂの長さＬは、内枠１０ａがケース１０の内面から突出する長さの２５〜５０％程度であることにより、剥離を効果的に抑制することができる。
段差１０ｂの高さは、リード１１の厚さと同程度以下とすることができる。例えば０．５ｍｍ以下である。
【００３０】
図４は本実施形態のパワー半導体モジュール１の変形例であり、図３に示した部分拡大図と対応する、ケース１０の内枠１０ａの上面の部分拡大図である。図４に示した例では、リード１１の側縁に、リード押さえ１０ｃが設けられている。リード押さえ１０ｃは、ケース１０と同一の樹脂により、ケース１０とリード１１とをインサート成形するときに同時に成形される。リード押さえ１０ｃが形成されることによりリード１１を内枠１０ａに強固に固定している。
【００３１】
リード押さえ１０ｃが設けられている図４に示した例においては、段差１０ｂは、リード押さえ１０ｃに干渉しないように形成される。そのために、上述した段差１０ｂの幅Ｗ、段差１０ｂの長さＬは、その好適範囲内で、リード押さえ１０ｃに干渉しないサイズに設定される。リード押さえ１０ｃは、段差１０ｂと干渉しないように、隣のリード押さえ１０ｃと連結されてもよい。
【００３２】
図５（ａ）〜（ｄ）は、段差１０ｂ近傍の拡大断面図である。図５（ａ）は図１に示した実施形態の段差１０ｂの断面であり、図５（ｂ）〜（ｄ）は段差１０ｂの変形例である。
なお、図５（ａ）〜（ｄ）においては、本発明の理解を容易にするために、内枠の高さに対する段差１０ｂの高さを実際よりも大きい比率で描いている。
【００３３】
図５（ａ）の段差１０ｂは、互いに直交する二つの平面で構成されている。段差１０ｂが互いに直交するに二つの平面で構成されることにより、その交線近傍では、ケース１０の樹脂に対する封止材１３を拘束するアンカー効果が大きく、よって剥離の抑制効果が大きい。したがって、図５（ａ）に示した断面形状の段差１０ｂは好ましい形状である。
【００３４】
図５（ｂ）に示す段差１０ｂ１は、段差を構成する二つの平面が鋭角で交差している変形例１である。段差１０ｂ１における二つの平面の交線近傍では、ケース１０の樹脂に対する封止材１３とのアンカー効果が大きく、よって剥離の抑制効果が大きい。
図５（ｂ）に示した変形例１の他に、段差１０ｂを構成する二つの平面が、鈍角で交差している段差の構成とすることもできる。この構成の段差も剥離を抑制することができる。もっとも、二平面が鈍角で交差しているために、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示した段差のほうが、アンカー効果に優れていて、剥離抑制効果も優れている。段差１０ｂ及び段差１０ｂ１の断面は波型である。隣り合うリード１１間に、断面が波型の段差を設けることにより曲げに対する強度が高められる。段差１０ｂ及び段差１０ｂ１のように、断面が角を３つ有するＷ形状の段差が好ましい。
【００３５】
図５（ｃ）に示す段差１０ｂ２は、段差が湾曲した曲面により構成されている変形例２である。図５（ｃ）に示した段差１０ｂ２もまた、剥離を抑制することができる。
図５（ｄ）に示す段差１０ｂ３は、段差が傾斜面により構成されている例である。図５（ｄ）に示した段差１０ｂ３もまた、剥離を抑制することができる。
【００３６】
（実施形態２）
次に本発明に係るパワー半導体モジュールの実施形態２について説明する。本実施形態のパワー半導体モジュールは、前述した実施形態１のパワー半導体モジュール１と同様に、内枠１０ａの先端に段差１０ｂを有している。それに加えて、本実施形態のパワー半導体モジュールは、内枠１０ａの表面が粗面化されている。
【００３７】
内枠１０ａの表面が粗面化されることにより、封止材１３に対するアンカー効果を有し、よって内枠１０ａの樹脂と封止材１３との剥離抑制効果が、より向上する。粗面化の程度は、具体的には、算術平均粗さＲａにて１．０μｍ以上である。１．０μｍ以上の場合に、粗面化による剥離抑制効果の向上が大きい。
内枠１０ａの表面のなかで、内枠１０ａの上面を粗面化するとよい。内枠１０ａの上面の先端部には、段差１０ｂが形成されているので、この段差１０ｂと上面の粗面化とによって、剥離をより抑制することができる。
なお、内枠１０ａの上面ばかりでなく、内枠の他の面を粗面化することもできる。
【００３８】
粗面化する手段は、例えばショットブラストを用いることができる。
図６に、内枠１０ａの先端に段差１０ｂが形成されたケース１０の内枠１０ａの上面を、種々のブラスト圧でショットブラストにより粗化させた試料１〜試料４について、ケース１０の表面の算術平均粗さを測定した結果をグラフで示す。試料２は試料１よりもブラスト圧が高く、試料３は、試料２よりもブラスト圧が高く、試料４は試料３よりもブラスト圧が高かった。図６から分かるように、ブラスト圧を増加することにより表面をより粗くすることができた。
【００３９】
そして、試料１〜試料４のケース１０を備えるパワー半導体モジュールにおいて、ケース１０と封止材１３との剥離の発生について調べたところ、算術平均粗さＲａにて１．０μｍ以上である試料３及び試料４は、剥離の抑制効果が大きかった。
したがって、ショットブラスト処理時のブラスト圧を選択して算術平均粗さＲａが１．０μｍ以上にしたケース１０を備えるパワー半導体モジュールは、より効果的に剥離を抑制することができる。
【００４０】
ショットブラスト処理時の投射材は、例えば粒径５０μｍ程度のジルコニアを用いることができる。ショットブラスト処理は、インサート成形後のケース１０の内面に向けて、内枠を対象に行ってもよいし、インサート成形を行うための金型における内枠に対応する部分に行ってもよい。
また、粗面化は、ショットブラストに限られず、成形金型を放電加工や化学的加工により粗化してもよい。
【００４１】
以上、本発明の半導体装置を、実施形態及び図面を用いて説明したが、本発明の半導体装置は、実施形態の記載及び図面に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で幾多の変形が可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１  パワー半導体モジュール
２  絶縁基板
３  金属板
４  絶縁板
５  回路板
６  半導体チップ
７  はんだ
８  ボンディングワイヤ
１０  ケース
１０ａ  内枠
１０ｂ  段差
１３  封止材
【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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