(57)【要約】【課題】両面に導電パターンを有する絶縁基板の一方の面に半導体チップを搭載し、他方の面を放熱板に半田付けした半導体装置において、容易に低コストで良好な半田付け性が得られるとともに、密着性が強く、良好な封止性が得られ、信頼性が向上するようにする。【解決手段】両面に導電パターンを有する絶縁性の回路基板５の一方の面に半導体チップを半田付けしてセルユニットを形成し、その半導体チップで発生した熱を放熱させる金属ベース１の上記セルユニットを半田付けしない部分にメタルマスクにより絶縁性の無機質層４を結合させて形成する。そして、上記セルユニットを金属ベース１に半田付けし、絶縁樹脂７で封入する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
両面に導電パターンを有する絶縁基板の一方の面に半導体チップを搭載し、他方の面を放熱板に半田付けした半導体装置において、
前記放熱板は、前記絶縁基板を半田付けしない部分に、前記放熱板に結合された絶縁性の無機質層を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
両面に導電パターンを有する絶縁基板の一方の面に半導体チップを搭載し、他方の面を放熱板に半田付けし、前記半導体チップの搭載面を樹脂で封止した半導体装置において、
前記絶縁基板もしくは前記放熱板は、前記樹脂と接する部分に、前記絶縁基板もしくは前記放熱板にそれぞれ結合された絶縁性の無機質層を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
両面に導電パターンを有する絶縁基板の一方の面に半導体チップを搭載し、他方の面を放熱板に半田付けした半導体装置において、
前記半導体チップの上面に半田付けしたヒートスプレッダーと、
前記ヒートスプレッダーの上面に接合した導体板と、
前記半導体チップ、前記ヒートスプレッダー及び前記導体板を封止する樹脂を有し、
前記絶縁基板、前記放熱板もしくは前記導体板は、前記樹脂と接する部分に、前記絶縁基板、前記放熱板もしくは前記導体板にそれぞれ結合された絶縁性の無機質層を形成したことを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
前記無機質層は、酸素を含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記無機質層は、二酸化珪素からなることを特徴とする請求項４記載の半導体装置。
【請求項６】
両面に導電パターンを有する絶縁基板の一方の面に半導体チップを半田付けしてセルユニットを形成する工程と、
放熱板の前記セルユニットを半田付けしない部分に絶縁性の無機質層を結合させて形成する工程と、
前記セルユニットを前記放熱板に半田付けする工程と、
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７】
両面に導電パターンを有する絶縁基板の一方の面に半導体チップを半田付けしてセルユニットを形成する工程と、
放熱板の前記セルユニットを半田付けしない部分に絶縁性の無機質層を結合させて形成する工程と、
前記セルユニットを前記放熱板に半田付けする工程と、
前記半導体チップ、前記絶縁基板及び前記放熱板の所定部分を樹脂で封止する工程と、
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８】
両面に導電パターンを有する絶縁基板の一方の面に半導体チップを半田付けするとともに、前記半導体チップの上面にヒートスプレッダーを半田付けしてセルユニットを形成する工程と、
導体板の表面に絶縁性の無機質層を結合させて形成する工程と、
放熱板の前記セルユニットを半田付けしない部分に絶縁性の無機質層を結合させて形成する工程と、
前記セルユニットを前記放熱板に半田付けする工程と、
前記ヒートスプレッダーの上面に前記導体板を接合する工程と、
前記半導体チップ、前記絶縁基板及び前記放熱板の所定部分を樹脂で封止する工程と、
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９】
前記無機質層は、酸素を含むことを特徴とする請求項６ないし８のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記絶縁性の無機質層を形成する工程では、マスク処理を行い、そのマスク処理によって露出した部分に直接無機質の絶縁材料を積層することを特徴とする請求項６ないし８のいずれか１項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、半導体チップを絶縁基板に搭載した半導体装置及びその製造方法に関し、特に、両面に導電パターンを有する複数の絶縁基板を放熱板に半田付けした半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワーモジュールなど、駆動時に熱を発生する半導体チップを有する半導体装置は、製造時にその半導体チップを搭載した絶縁基板を半田付けにより金属ベースへ接合させている。その際、例えば市販のソルダレジストを金属ベースへ印刷して、乾燥させることにより、半田流れを防止することが行われている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
一方で、上記の半田流れを防止するために、レーザービームにより金属ベースへ酸化膜や凹みを形成する方法もあるが、この方法では半田の量が多くなると（厚さ０．０５ｍｍ以上）、ほとんど効果がない。
【０００４】
また、半田流れを防止する方法としては、ダム材を所定のパターンで描画して金属ベース上に配置することも提案されている（例えば、特許文献２参照）。さらに、アルミニウム基板の表面にメタライズ層を形成し、その表面にレジストパターンを形成することも提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００５】
従来では、モジュール全体を絶縁性のゲルで覆って耐圧を確保しているが、最近ではエポキシなどの絶縁樹脂によって封止する構造のモジュールが開発されてきている。この構造にすることで、半導体チップとＤＣＢ（Direct Copper Bonding）絶縁基板との半田付け部分やＤＣＢ絶縁基板と銅（Ｃｕ）ベースとの半田付け部分の応力が緩和され、信頼性が向上する。しかし、封止する絶縁樹脂と各部材との密着性が確保されずに隙間が発生すると、逆に絶縁構造が確保できず、性能が劣化してしまうことがある。
【特許文献１】特開平６−２４４２２４号公報（段落番号〔００１０〕）
【特許文献２】特開２００６−２１６７２９号公報
【特許文献３】特開２００４−２６６１０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記のような従来の半導体装置及びその製造方法において、ソルダレジストを使用する場合は、印刷用のスクリーンを製版製作することと、印刷から乾燥までの工程に時間と費用がかかるという問題点がある。また、ソルダレジストは一般にエポキシ樹脂などの有機物であるので、半田による耐熱がそれほど高くなく、例えば水素ガス雰囲気中のフラックスレス半田付けの際に、ソルダレジストからのアウトガスの発生により半田付け性が阻害され、装置が汚染されるなどの問題があり、使用が制限されている。
【０００７】
また、ダム材を所定のパターンで描画して金属ベース上に配置する場合、あるいはメタライズ層を形成して、その表面にレジストパターンを形成する場合には、密着性に問題がある。
【０００８】
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、容易に低コストで良好な半田付け性が得られるとともに、密着性が強く、良好な封止性が得られ、信頼性が向上する半導体装置及びその製造方法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】
【０００９】
本発明では上記課題を解決するために、両面に導電パターンを有する絶縁基板の一方の面に半導体チップを搭載し、他方の面を放熱板に半田付けした半導体装置において、前記放熱板は、前記絶縁基板を半田付けしない部分に、前記放熱板に結合された絶縁性の無機質層を有することを特徴とする半導体装置が提供される。
【００１０】
このような半導体装置によれば、放熱板の絶縁基板を半田付けしない部分に絶縁性の無機質層を形成しているので、容易に低コストで良好な半田付け性が得られるとともに、密着性が強く、良好な封止性が得られ、信頼性が向上する。
【００１１】
また、本発明では上記課題を解決するために、両面に導電パターンを有する絶縁基板の一方の面に半導体チップを半田付けしてセルユニットを形成する工程と、放熱板の前記セルユニットを半田付けしない部分に絶縁性の無機質層を結合させて形成する工程と、前記セルユニットを前記放熱板に半田付けする工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【００１２】
このような半導体装置の製造方法によれば、放熱板の絶縁基板を半田付けしない部分に絶縁性の無機質層が形成されるので、容易に低コストで良好な半田付け性が得られるとともに、密着性が強く、良好な封止性が得られ、信頼性が向上する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の半導体装置及びその製造方法は、放熱板の絶縁基板を半田付けしない部分に絶縁性の無機質層を形成するので、容易に低コストで良好な半田付け性が得られるとともに、密着性が強く、良好な封止性が得られ、信頼性が向上するという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態の半導体装置及びその製造方法を図面を参照して説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態の半導体装置の製造工程を示す図である。第１の実施の形態の半導体装置は、両面に導電パターンを有する複数の絶縁基板の一方の面に半導体チップを搭載し、他方の面を金属製の放熱板に半田付けしており、放熱板は、絶縁基板を半田付けしない部分に、放熱板に結合された絶縁性の無機質層を有している。
【００１５】
半導体チップとしては、例えば縦方向に電流が流れる縦型のスイッチング素子で構成されている。
第１の実施の形態の半導体装置の製造工程は、両面に導電パターンを有する絶縁基板の一方の面に半導体チップを半田付けしてセルユニットを形成する工程と、半導体チップで発生した熱を放熱させる放熱板の上記セルユニットを半田付けしない部分にメタルマスクにより絶縁性の無機質層を結合させて形成する工程と、上記セルユニットを放熱板に半田付けする工程と、半導体チップ、絶縁基板及び記放熱板の所定部分を樹脂で封入する工程とを有している。
【００１６】
具体的には、セルユニットを半田付けする前に未半田領域に無機質層を形成するが、まず図１の（ａ）に示すように、放熱板である金属ベース１上の無機質処理する部分に貫通穴を有するマスク材２などを用いて、燃焼化学気相蒸着により二酸化珪素（ＳｉＯ2）をコーティングする。このとき、有機珪素（Ｓｉ−Ｃ）化合物＋ＬＰＧ（液化石油ガス）３が金属ベース１上に供給され、次の反応によって無機質付着粒子（ＳｉＯ2＋ＳｉＯＨ基）のガラス材がコーティングされ、無機質層４が形成される。
【００１７】
有機珪素＋酸素（空気）＋ＬＰＧ⇒二酸化珪素＋水蒸気（Ｈ2Ｏ）＋二酸化炭素（ＣＯ2）
上記処理によってコーティング形成された無機質層４は、２つの機能を有している。１つの機能は、図１の（ｂ）に示すように、二酸化珪素膜がコーティングされて無機質層４が半田漏れ防止領域となるため、その部分に半田が漏れなくなる。つまり、半田の漏れ抑制が可能となり、このため、上記のセルユニットを構成する回路基板５と回路基板５との間などの半田ブリッジを抑制することができる。６は回路基板５を接合している半田である。もう１つの機能は、同図の（ｃ）に示すように、二酸化珪素膜の表面には多数のＳｉ−ＯＨ基が存在するため、表面を絶縁樹脂７で封止する場合、無機質層４が接着剤密着向上領域となり、絶縁樹脂７との酸素結合が強化され、密着性を向上させることができる。
【００１８】
ここで、回路基板５は、セラミックス基板の表裏両面に直接接合法（Direct Bonding）や活性金属接合法（Active Metal Bonding）などにより導体パターンを接合して形成された放熱絶縁基板であり、実施の形態では、銅をセラミックス基板の表裏両面に接合した前述のＤＣＢ基板を用いている。
【００１９】
また、半導体チップは、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのパワーモジュール用の素子であり、半田６により回路基板５に接合される。金属ベース１は、回路基板５に搭載されている上記の半導体チップで発生した熱を放熱させる機能を持つヒートシンクであり、例えばニッケル（Ｎｉ）めっきされた銅板が用いられる。
【００２０】
本実施の形態の無機質層４は、金属ベース１上に所定のパターンで形成されるが、上記の燃焼化学気相蒸着法の他に、プラズマ溶射法、エアロゾルデポジション法、コールドスプレー法などでも形成することができる。そして、このような無機質層４を金属ベース１上に形成することで、半田の流動を制限でき、エポキシ樹脂などの有機物からなるソルダレジストとして用いた場合のように、半田付け時のアウトガスの発生もなく、装置の汚染も回避することができる。
【００２１】
このように、本実施の形態では、放熱板である金属ベース１上の回路基板５を半田付けしない部分に絶縁性の無機質層４を形成するので、容易に低コストで良好な半田付け性が得られるとともに、密着性が強く、良好な封止性が得られ、信頼性が向上する。
【００２２】
ここで、実施の形態の酸素を含む無機質層４は、上記のソルダレジストとして機能するほか、金属ベース１に強固に結合していることと、半導体チップの封止樹脂との密着性が高いことから、樹脂封止の性能（密着性）が向上する。また、封止樹脂にエポキシ樹脂を選択した場合、無機質層４の酸素とエポキシ樹脂との結合により、他の樹脂と比べて密着性が向上する。
【００２３】
図２は本発明の第２の実施の形態の半導体装置の製造工程を示す図である。第２の実施の形態の半導体装置は、回路基板５に半田１１により接合されて搭載された半導体チップ１２と半導体チップ１２の間、及び半導体チップ１２と電極の間をアルミニウム（Ａｌ）の金属ワイヤ１３で電気的に接続している。そして、それらの上を絶縁樹脂７で覆って封止している。
【００２４】
本実施の形態においても、上述の第１の実施の形態と同様、図２の（ａ）に示すように、金属ベース１上に不図示のマスク材を用いて半田領域（未処理）Ａには二酸化珪素の膜がコーティングされないようにし、未半田領域（無機質処理）Ｂには二酸化珪素の膜がコーティングされるように燃焼化学気相蒸着処理を施す。この処理によって、回路基板５に半導体チップ１２を酸化還元炉で半田付けしても、隣接する回路基板５間に半田ブリッジが発生するのを防止することができる。
【００２５】
次に、同図の（ｂ）に示すように、金属ワイヤ１３によって電気的接続を行った後、同図の（ｃ）に示すように、絶縁樹脂７で封止する。これにより、容易に低コストで良好な半田付け性が得られる。
【００２６】
図３は本発明の第３の実施の形態の半導体装置の製造工程を示す図である。第３の実施の形態の半導体装置は、回路基板５に半田１１により接合されて搭載された半導体チップ１２の上面にヒートスプレッダー１５を半田１６により接合し、その上面に導体板であるリードフレーム１７を半田１８により接合している。そして、半導体チップ１２、ヒートスプレッダー１５及びリードフレーム１７を絶縁樹脂７で封止する。また、回路基板５、金属ベース１もしくはリードフレーム１７の絶縁樹脂７と接する部分にも燃焼化学気相蒸着処理により絶縁性の無機質層１９を形成する。
【００２７】
第３の実施の形態の製造工程は、半導体チップ１２を、両面に導電パターンを有する回路基板５に半田付けしてセルユニットを形成する工程と、半導体チップ１２で発生した熱を放熱させる金属ベース１の上記セルユニットを半田付けしない部分にメタルマスクにより絶縁性の無機質層４を形成する工程と、半導体チップ１２の上面にヒートスプレッダー１５を半田付けし、その上面にリードフレーム１７を接合する工程と、上記ヒートスプレッダー１５もしくはリードフレーム１７の表面に絶縁性の無機質層１９を形成する工程と、セルユニットを金属ベース１に半田付けする工程と、半導体チップ１２、回路基板５及び金属ベース１の所定部分を絶縁樹脂７で封入する工程とを有している。
【００２８】
本実施の形態においても、上述の第１、第２の実施の形態と同様、図３の（ａ）に示すように、金属ベース１上に不図示のマスク材を用いて半田領域（未処理）Ａには二酸化珪素の膜がコーティングされないようにし、未半田領域（無機質処理）Ｂには二酸化珪素の膜がコーティングされるように燃焼化学気相蒸着処理を施す。この処理によって、回路基板５に半導体チップ１２を酸化還元炉で半田付けしても、隣接する回路基板５間に半田ブリッジが発生するのを防止することができる。
【００２９】
次に、同図の（ｂ）に示すように、予め二酸化珪素膜を所定の箇所に被膜した金属製のリードフレーム１７を半田付けして電気的接続を行った後、同図の（ｃ）に示すように、絶縁樹脂７で封止する。これにより、容易に低コストで良好な半田付け性が得られるとともに、リードフレーム１７の表面、半導体チップ１２の表面などと絶縁樹脂７との密着性を確保することができる。
【００３０】
ここで、リードフレーム１７は、上記の半田１８による接続以外に、レーザー溶接あるいは超音波接続などが行われる場合もあるが、接続前にリードフレーム１７だけで表面に燃焼化学気相蒸着処理を施すと効率的である。また、レーザー溶接する箇所には、レーザー光の吸収を阻害しないように、その部分を避けて選択的に二酸化珪素膜を形成するとよい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の第１の実施の形態の半導体装置の製造工程を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態の半導体装置の製造工程を示す図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態の半導体装置の製造工程を示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  金属ベース
２  マスク材
３  有機珪素化合物＋ＬＰＧ
４，１４，１９  無機質層
５  回路基板
６，１１，１６，１８  半田
７  絶縁樹脂
１２  半導体チップ
１３  金属ワイヤ
１５  ヒートスプレッダー
１７  リードフレーム
【図１】
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【図２】
2008172066.tif 000004
【図３】
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