(57)【要約】【課題】半導体モジュールの放熱性向上のためには、Ｓｉチップをできるだけ放熱部に近いところに実装する必要があるが、高耐圧性の確保のためには、Ｓｉチップと放熱部の間には絶縁物が必要である。それらの接合にははんだを用いるが、使用時の温度変動によりはんだが熱疲労するため、はんだの熱疲労を防止することが必要である。【解決手段】Ｓｉチップ等の電気回路を実装した絶縁基板を放熱板の２面以上に実装して、全体をハードレジンでモールドすることにより、樹脂収縮や熱膨張係数による半導体モジュールの反りを軽減することができる。また、放熱板の内部には冷却液の流路を設けることにより、放熱性を向上できる。【選択図】図１
2008027935.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に冷却液を環流させる流路を有する金属製の放熱部と、
前記放熱部上に設けられ、回路層を備える第一の絶縁基板と、
前記第一の絶縁基板上に接合部材により接合された第一の半導体チップと、
前記第一の半導体チップ上に接合された第一の金属配線と、
前記放熱部の、前記第一の絶縁基板を設けた面と反対の面に設けられ、回路層を備える第二の絶縁基板と、
前記第二の絶縁基板上に接合部材により接合された第二の半導体チップと、
前記第二の半導体チップ上に接合された第二の金属配線と、
前記放熱板，前記第一の絶縁基板，第一の半導体チップ，第一の金属配線、第二の絶縁基板，第二の半導体チップ、及び第二の金属配線とを覆う封止樹脂とを備えたことを特徴とするパワー半導体装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記第一の絶縁基板，第一の半導体チップ，第一の金属配線、前記第二の絶縁基板，第二の半導体チップ，第二の金属配線及び前記封止樹脂は、略対称に備えられていることを特徴とするパワー半導体装置。
【請求項３】
内部に冷却液を環流させる流路を有する金属製の放熱部と、
前記放熱部上に設けられ、回路層を備える第一の絶縁基板と、
前記第一の絶縁基板上に第一の接合部材により接合された第一の半導体チップと、
前記第一の半導体チップ上に接合された第一の金属配線と、
前記第一の接合部材、前記第一の半導体チップ、及び前記第一の半導体チップと前記第一の金属配線との接合部とを覆う第一のボッティングレジンと、
前記放熱部の、前記第一の絶縁基板を設けた面と反対の面に設けられ、回路層を備える第二の絶縁基板と、
前記第二の絶縁基板上に第二の接合部材により接合された第二の半導体チップと、
前記第二の半導体チップ上に接合された第二の金属配線と、
前記第一の接合部材、前記第一の半導体チップ、及び前記第一の半導体チップと前記第一の金属配線との接合部とを覆う第一のボッティングレジンと、
前記第二の接合部材、前記第二の半導体チップ、及び前記第二の半導体チップと前記第二の金属配線との接合部とを覆う第二のボッティングレジンを備えたことを特徴とするパワー半導体装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記第一の絶縁基板，第一の半導体チップ，第一の金属配線、第一のボッティングレジン、前記第二の絶縁基板，第二の半導体チップ，第二の金属配線、及び第二のボッティングレジンは、略対称に備えられていることを特徴とするパワー半導体装置。
【請求項５】
回路を有する絶縁基板上に半導体チップを接合し、前記半導体チップ上に金属配線を接合する工程と、
前記半導体チップ及び前記金属配線を有する前記絶縁基板を、内部に冷却液の還流路を有する放熱板の両面のそれぞれに取り付ける工程と、
前記半導体チップ、前記金属配線、前記絶縁基板、前記放熱板を樹脂封止する工程とを有するパワー半導体装置の製造方法。
【請求項６】
請求項５において、
前記絶縁基板を前記放熱板にスペーサにより押圧した状態で樹脂封止を行うことを特徴とする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】
本特許は、半導体装置、特にモータ等の制御に用いられるパワー半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワー半導体装置は、モータなどの電気機器を制御するために用いられる半導体装置である。ハイブリッド自動車や燃料電池の市場の伸長により、パワー半導体装置の需要も伸長している。また、要求される通電電流や環境温度などのスペックも厳しくなりつつある。このような使用条件下でパワー半導体装置の信頼性が損なわれないことが重要である。特に、Ｓｉ（シリコン）チップの放熱性の確保が重要である。
【０００３】
このため、例えば特許文献１に示すような、Ｓｉチップを放熱器に直付けし、放熱器の内部に冷却液を充填して、沸騰冷却によりＳｉチップを冷却することにより、Ｓｉチップの放熱性を向上したパワー半導体装置が提案されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平８−２９４２６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
パワー半導体装置のＳｉチップには高電圧が付与されるため、Ｓｉチップ−放熱器間の絶縁を充分に確保しなければ、使用時に絶縁破壊が起きる恐れがあり大変危険である。このため、パワーモジュールの実装では、Ｓｉチップと放熱器の間に、金属回路層を表裏面に備えたセラミック絶縁基板や、樹脂の絶縁シートを介して表面に金属回路層を備えた金属絶縁基板などを使用することが多い。Ｓｉチップとセラミック絶縁基板間やＳｉチップと金属絶縁基板間の接合は、はんだを使用することが一般的である。しかし、Ｓｉチップには大電流が通電されるため、半導体装置の稼動時にはジュール発熱によりＳｉチップ温度が上昇する。Ｓｉチップの非通電時にはＳｉチップ温度が低下するため、繰返し使用によって半導体装置の温度は上昇と冷却を繰返し、全体が熱膨張と冷却収縮を繰返す。パワー半導体装置の部材のうち、Ｓｉチップの線膨張係数は３×１０-6／℃程度であり、一方、Ｓｉチップと接続される部材の材料として用いられるＣｕ（銅）の線膨張係数は１７×１０-6／℃、Ａｌ（アルミニウム）の線膨張係数は２４×１０-6／℃程度であるから、これらの部材を接合するはんだには、線膨張係数のミスマッチによるせん断変形が生じ、これが繰返されることによって疲労破壊する。パワー半導体装置の信頼性確保のためには、はんだの疲労破壊を防止することが重要である。
【０００６】
はんだの疲労破壊を防止し、熱疲労寿命を延ばすためには、はんだの周辺を硬質レジンで封止することが有効である。しかし、樹脂と基板やベースの線膨張係数差や、樹脂の硬化収縮により、半導体装置にそりが生じ、基板が破損する恐れがある。樹脂の線膨張係数を基板やベースの線膨張係数に近づけておくことでそりの低減は可能であるが、樹脂の硬化収縮のため、そりを完全に除去することはできない。
【０００７】
本発明は前記のような問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、パワー半導体装置において、使用時の熱サイクルによる疲労断線が起こりにくく、かつ、放熱性が良く、反り変形量が小さく、低コストで信頼性の高い半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、前記目的を達成するために、Ｓｉチップを搭載したセラミック基板あるいは金属絶縁基板を放熱部の両面に接合し、放熱部の内部には冷却液の流路を形成し、基板上のはんだ接合部を封止するエポキシ樹脂などのハードレジンによって放熱板の両側が封止されたパワー半導体装置を構成する。
【０００９】
さらに、本発明は、Ｓｉチップ上にリードフレームをはんだによって接合し、はんだ接続部の一部あるいは全部が硬質のポッティングレジンによって封止されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、セラミック基板あるいは金属絶縁基板を放熱部の２面以上に接合し、放熱部の内部に冷却液を流すことにより、放熱性の良い半導体装置を提供することができる。また、はんだの一部あるいは全部をハードレジンで封止することにより、使用時の温度サイクルによってはんだの疲労破壊を起こしにくく、かつ、リードフレームの疲労破壊を起こしにくい、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下本発明の実施例を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は本発明の実施例による半導体装置の断面を表す。本実施例では、セラミック基板４の表面に直接Ｃｕのリードフレーム７が設けられ、リードフレーム７の上にチップ下はんだ９を介してＳｉチップ１が接合され、Ｓｉチップ１の上にはアルミワイヤボンディング３が接合される。ワイヤボンディング３はＳｉチップ１とリードフレーム７を電気的に接合している。また、セラミック基板４の裏面にもリードフレーム７が設けられ、リードフレーム７と放熱部となる金属ベース板５は基板下はんだ８を介して接合されている。セラミック基板４がリードフレーム７，基板下はんだ８を介して、金属ベース板５の表裏面に接合されており、全体は上下にほぼ対称な構造となっている。金属ベース板５の一部、冷却液吸入口１０，冷却液吐出口及びリードフレーム７の一部を除くモジュール全体は、トランスファーモールドされたハードレジン２により封止されている。基板下はんだ８，チップ下はんだ９の表面をハードレジンでモールドすることにより、温度変化に伴うはんだの変形を抑制し、はんだの熱疲労寿命を長寿命化することが可能となる。Ｓｉチップ１，セラミック基板４等を金属ベース板５の両面に設けてハードレジン２で覆っているので、金属ベース板５の両面にハードレジン２による応力がかかるので、樹脂の硬化収縮や使用時の温度変化に伴う全体構造のそりや樹脂のはがれや割れを防止することができる。ハードレジン２を含む全体構造が上下対称であれば、そりがより小さくなるので望ましい。
【００１３】
はんだの変形を抑制するためには、ハードレジンのヤング率は５ＧＰａ以上であり、かつ、ハードレジンの線膨張係数がＳｉチップの線膨張係数である３×１０-6／℃以上、かつ、Ｃｕリードフレームの線膨張係数である１７×１０-6／℃以下であることが望ましい。リードフレームの材質がＡｌである場合は、ハードレジンの線膨張係数は、Ａｌの線膨張係数である２４×１０-6／℃以下であることが望ましい。
【００１４】
実施例１の半導体装置の製造工程を図５に示す。まず、(５ａ)に示すように、セラミック基板４の両面にリードフレーム７を接合する。接合には銀ロウを用いても良いし、直接接合を用いても良い。次に、(５ａ)に示すように、リードフレーム７にＳｉチップ１を、チップ下はんだ９を用いて接合する。ここでは、チップ下はんだ９は高融点の９５Ｐｂ−５Ｓｎはんだとし、（５ｄ）で実施する基板下はんだ付けに用いるはんだと融点に差をつけている。次に、（５ｃ）に示すように、Ｓｉチップ１にＡｌワイヤボンディング３を接合する。次に、（５ｄ）に示すように、セラミック基板４をＣｕ製の金属ベース板５の上下面に重ねてカーボン治具に配置する。セラミック基板４と金属ベース板５の間にははんだシート２２を配置する。ここでははんだシート２２は全て同一組成のＳｎ（すず）−
Ｐｂ（鉛）共晶はんだである。半導体装置の使用温度が高い場合などはＰｂ含有比率が
９０％以上の高融点はんだを使い、（５ｂ）のはんだ付け工程を省略して、（５ｄ）においてチップ下はんだ付けと基板下はんだ付けを一括して行うことも可能である。このときは（５ｃ）のＡｌワイヤボンディングは（５ｄ）の後に行う。また、Ｐｂの使用を避ける場合にはＳｎ−Ａｇ（銀）−Ｃｕ系等の鉛フリーはんだを使うことも可能である。次に
（５ｄ）に示すように全体を通炉し、全体を加熱することによってはんだを溶融させてリードフレーム７とＣｕ金属ベース板５を接合する。炉の温度は約２３０℃とし、基板下の基板下はんだ８のみ溶融し、チップ下はんだ９は溶融しないようにする。次に（５ｅ）に示すように、全体をトランスファーモールド金型１７に入れ、ハードレジン２によって封止する。（５ｅ）に示すように、トランスファーモールド金型を除去すれば半導体装置が完成する。
【実施例２】
【００１５】
図２は本発明のほかの実施例による半導体装置の断面を示す。本実施例では、Ｓｉチップ上面にワイヤボンディングではなくＣｕリード１３を、リード下はんだ１４を介して接合している。ここではリード下はんだ１４には高融点の９５Ｐｂ−５Ｓｎはんだを用い、チップ下はんだと一括してリフローによって接合している。また、構造全体はハードレジンによりトランスファーモールドされている。ワイヤボンディングを用いないことによりワイヤボンディング工程を省略でき、製造コストや製造時間の低減が可能となる。ここでも、ハードレジンの線膨張係数は、Ｓｉチップの線膨張係数より大きく、リードフレームの線膨張係数より小さいことが望ましい。
【実施例３】
【００１６】
図３は本発明の他の実施例による半導体装置の断面を示す。Ｓｉチップ上にリードを接合しているところは実施例２と同一であるが、ここでは全体をトランスファーモールドするのではなく、チップ下はんだ及びチップ，リード下はんだを覆うようにポッティングレジン１５によって封止している。トランスファーモールドを用いないことにより、モールド金型を用意する必要が無くなり、製造コスト及び製造時間の低減が可能となる。また、樹脂封止の部分が少ないことにより、樹脂収縮や使用時の温度変化による樹脂の影響が小さくなり、パワー半導体装置全体のそりが小さくなる。ここでも、ハードレジンの線膨張係数は、Ｓｉチップの線膨張係数より大きく、リードフレームの線膨張係数より小さいことが望ましい。
【００１７】
実施例３の半導体装置の製造工程を図６に示す。まず、（６ａ）に示すように、セラミック基板４の上下両面にリードフレーム７を接合する。次に、（６ｂ）に示すように、リードフレーム７にチップ下はんだ９を介してＳｉチップ１を接合し、同時にＳｉチップ１にリード下はんだ１４を介してリード１３を接合する。ここではチップ下はんだ９とリード下はんだ１４は全て同一の組成とし、一括リフローによって接合する。次に（６ｃ）に示すように、チップ下はんだ及びリード下はんだの表面が覆われるように硬質のポッティングレジン１５によって封止する。ここで用いるポッティングレジンは、はんだの熱変形を抑止するためにヤング率が５ＧＰａ以上の硬質のものであることが望ましい。また、線膨張係数はＳｉチップ以上、リードフレーム以下であることが好適である。次に、(６ｄ)に示すように、Ｃｕ金属ベース板５とセラミック基板をはんだ付け治具１６の中に設置する。金属ベース板とセラミック基板の間にははんだシート２２を設置する。ここでははんだシートはＰｂ−Ｓｎ共晶はんだを用いる。次に全体を通炉することで金属ベース板とセラミック基板をはんだ接合する。最後にはんだ付け治具をはずして、半導体装置が完成する。
【実施例４】
【００１８】
図４は本発明の他の実施例による半導体装置の断面を示す。ここではセラミック基板の代わりに金属基板１９を用い、この金属基板を、熱伝導シート１８を介してＣｕ金属ベース板に接合している。金属基板１９の表面には、樹脂絶縁層２０を介してリードフレーム７が接合され、リードフレーム７の上にはチップ下はんだ９を介してＳｉチップ１が接合されている。Ｓｉチップ１上面とリードフレーム７上面は、Ａｌワイヤボンディング３によって電気的に結合されている。全体はハードレジン２でモールドされており、ハードレジンの硬化収縮によって発生する残留応力によって金属ベース基板がＣｕ金属ベース板に押し当てられることにより、Ｓｉチップ１で発生させた熱を効率よく金属ベース板に伝えることが可能となる。
【００１９】
実施例４の半導体装置の製造工程を図７に示す。まず、（７ａ）に示すように、金属基板１９の上面に樹脂絶縁シート２０を介してリードフレーム７を接合する。ここでは接合には接着剤を用いている。次に、（７ｂ）に示すように、リードフレーム７にＳｉチップ１を、チップ下はんだ９を用いて接合する。ここでは、チップ下はんだ９はＰｂ−Ｓｎ共晶はんだを用いているが、使用温度が高い場合には高融点の９５Ｐｂ−５Ｓｎはんだを用いても良いし、Ｓｎ−Ａｇ−ＣｕなどのＰｂフリーはんだを用いることも可能である。次に、（７ｃ）に示すように、Ｓｉチップ１にＡｌワイヤボンディング３を接合する。次に、（７ｄ）に示すように、金属基板１９をＣｕ製の金属ベース板５の上下面に重ねてモールド金型１７に配置する。金属基板１９と金属ベース板５の間には樹脂製の熱伝導シート１８を配置する。モールド金型の内部にはカーボン製のスペーサ２１を設置し、あらかじめ金属基板１９を金属ベース板５に押し付けておく。この状態でトランスファーモールドにより液状のレジン１２を注入し、加熱硬化させてハードレジン２とする。ここで用いるハードレジン２は、ヤング率が５ＧＰａ以上の硬質樹脂であることが望ましい。ハードレジンの硬化収縮と、硬化後の熱収縮によって金属基板１９が金属ベース板５に押し付けられるため、樹脂製の熱伝導シート１８に対するリードフレーム７，金属ベース板５の密着性が向上し、Ｓｉチップ１で発生した熱を効率的に金属ベース板に逃がすことのできる、放熱性の高い半導体装置を構成することができる。最後に（７ｅ）に示すように、トランスファーモールド金型を除去すれば半導体装置が完成する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態になる半導体装置を示す断面図である。
【図２】本発明の他の実施形態になる半導体装置を示す断面図である。
【図３】本発明の他の実施形態になる半導体装置を示す断面図である。
【図４】本発明の他の実施形態になる半導体装置を示す断面図である。
【図５】本発明の一実施形態になる半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図６】本発明の他の実施形態になる半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図７】本発明の他の実施形態になる半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２１】
１…Ｓｉチップ、２…ハードレジン、３…ワイヤボンディング、４…セラミック基板、５…金属ベース板、６…冷却液、７…リードフレーム、８…基板下はんだ、９…チップ下はんだ、１０…冷却液吸入口、１１…冷却液吐出口、１２…液状レジン、１３…リード、１４…リード下はんだ、１５…ポッティングレジン、１６…はんだ付け治具、１７…トランスファーモールド金型、１８…熱伝導シート、１９…金属基板、２０…樹脂絶縁シート、２１…スペーサ、２２…はんだシート。
【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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