(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、前記半導体素子を搭載した積層基板と、前記積層基板を搭載した金属基板と、を有する積層組立体に樹脂ケースを組み合せた半導体装置において、
前記樹脂ケースのコーナー部に切り欠き溝が設けられており、
前記切り欠き溝は、前記金属基板と接着される前記樹脂ケースの底部から、前記金属基板と反対方向の前記樹脂ケースの上部まで貫通していることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記切り欠き溝の幅および長さの少なくともいずれかは、前記樹脂ケースの内寸の長辺の長さの４％以上２０％以下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】
前記切り欠き溝の幅および長さの少なくともいずれかは、２ｍｍ以上１０ｍｍ以下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４】
前記切り欠き溝の内面と前記樹脂ケースの内面とがなす角度は、９０度〜１５０度であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の半導体装置。
【請求項５】
積層基板に半導体素子を搭載し、前記積層基板を金属基板に搭載した積層組立体を組み立てる工程と、
前記積層組立体に、コーナー部に切り欠き溝が設けられている樹脂ケースを組み合わせる工程と、
を含み、
前記切り欠き溝は、前記金属基板と接着される前記樹脂ケースの底部から、前記金属基板と反対方向の前記樹脂ケースの上部まで貫通していることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのパワー半導体素子を搭載したパワー半導体モジュールは、半導体素子にシリコン（Ｓｉ）を用いた場合、実用化されている最大定格電圧は６．５ｋＶ程度までであり、半導体素子を絶縁保護するための封止樹脂としてシリコンゲルが用いられている。
【０００３】
一方、近年開発が進んでいる炭化珪素（ＳｉＣ）などの、シリコンよりもバンドギャップが広い半導体を用いたワイドバンドギャップ半導体素子は、さらなる高耐圧化が可能となる。そのため、封止樹脂としても、耐熱性および耐圧性がシリコンゲルよりも高いエポキシなどの硬質樹脂を用いた方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
従来のパワー半導体モジュールの構造を、一般的なＩＧＢＴパワー半導体モジュールの構造を例にとって説明する。
【０００５】
図７は、従来構造のパワー半導体モジュールの構成を示す断面図である。また、図８は、従来構造のパワー半導体モジュールの構成を示す上面図である。図７および図８に示すように、パワー半導体モジュールは、パワー半導体チップ１と、接合材２と、積層基板３と、金属基板４と、封止樹脂５と、樹脂ケース６と、端子７と、ボンディングワイヤー８と、蓋９と、を備える。
【０００６】
樹脂ケース６は、パワー半導体チップ１が接合された積層基板３を搭載した金属基板４上にシリコンなどの接着剤を介して接着されている。樹脂ケース６内部では、積層基板３が配置されることから、積層基板３と樹脂ケース６との間に一定の距離を保ち、封止樹脂５を充填することで、積層基板３と樹脂ケース６との間の絶縁性を確保している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１３−１６６８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
パワー半導体モジュールでは、半導体素子１の動作発熱に伴う温度上昇や、使用環境の温度変化が生じると、各材料間の熱膨張率の差による熱変形が生じる。特に、樹脂ケース６は、樹脂でできているため、金属基板４に比べて熱膨張率が大きい。このため、高温時において金属基板４には凸状の熱変形が生じる。また、高温時に、樹脂ケース６と封止樹脂５との熱膨張率の差により、樹脂ケース６に充填された封止樹脂５が膨張して、樹脂ケース６に圧力をかける。このため、樹脂ケース６内面コーナー部近傍には応力が集中し、樹脂ケース６に割れが生じる問題がある。樹脂ケース６に割れが生じると、この部位に部分放電が生じ、絶縁性が低下する。
【０００９】
また、樹脂ケース６内面のコーナー部近傍の応力緩和構造として、コーナー部をＲ形状に加工することがある。このＲ形状サイズを大きくすることでコーナー部の応力を緩和することができる。しかし、Ｒ形状サイズが大きくなることで、積層基板３と樹脂ケース６との距離が近くなる。このため、パワー半導体モジュールの絶縁性を確保するために必要な封止樹脂５の層が薄くなり、積層基板３と樹脂ケース６との間の放電距離が短くなるため、絶縁性が低下する。また、この距離を保持した場合、パワー半導体モジュール自体のサイズが大きくなるため、コストアップになる。
【００１０】
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、熱膨張率の差による樹脂ケース内面のコーナー部近傍に集中する応力を緩和し、積層基板と樹脂ケースとの絶縁性を満たす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を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置は、次の特徴を有する。半導体素子と、前記半導体素子を搭載した積層基板と、前記積層基板を搭載した金属基板と、を有する積層組立体に樹脂ケースを組み合せた半導体装置において、前記樹脂ケースのコーナー部に切り欠き溝が設けられており、前記切り欠き溝は、前記金属基板と接着される前記樹脂ケースの底部から、前記金属基板と反対方向の前記樹脂ケースの上部まで貫通している。
【００１２】
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記切り欠き溝の幅および長さの少なくともいずれかは、前記樹脂ケースの内寸の長辺の長さの４％以上２０％以下であることを特徴とする。
【００１３】
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記切り欠き溝の幅および長さの少なくともいずれかは、２ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることを特徴とする。
【００１４】
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記切り欠き溝の内面と前記樹脂ケースの内面とがなす角度は、９０度〜１５０度であることを特徴とする。
【００１５】
上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、次の特徴を有する。まず、積層基板に半導体素子を搭載し、前記積層基板を金属基板に搭載した積層組立体を組み立てる。次に、前記積層組立体に、コーナー部に切り欠き溝が設けられている樹脂ケースを組み合わせる。前記切り欠き溝は、前記金属基板と接着される前記樹脂ケースの底部から、前記金属基板と反対方向の前記樹脂ケースの上部まで貫通している。
【００１６】
上述した発明によれば、樹脂ケースの内面コーナー部に切り欠き溝を設けることで、樹脂ケースと金属基板、樹脂ケースと封止樹脂の熱膨張率の差による樹脂ケースの内面コーナー部への応力集中を緩和することができる。このため、樹脂ケースにかかる応力を樹脂ケースの破壊強度以下に低減することができ、樹脂ケースの割れを防止できる。これにより、内面コーナー部での部分放電をなくせるため、絶縁性を確保することが可能になる。また、本発明により、新たな材料開発や高強度な樹脂材料を用いずに従来の汎用樹脂材料をそのまま活用できることから、パワー半導体モジュールのコストを抑えることができる。
【００１７】
また、切り欠き溝の内面と樹脂ケースの内面とがなす角度を、９０度〜１５０度とすることで、樹脂ケース内に鋭角の部分を無くすことができる。このため、鋭角の部分に応力が集中することを防止でき、樹脂ケースにかかる応力を樹脂ケースの破壊強度以下に低減することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法によれば、熱膨張率の差による樹脂ケース内面のコーナー部近傍に集中する応力を緩和し、積層基板と樹脂ケースとの絶縁性を満たすことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの構成を示す上面図である。
【図２】実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの切り欠き溝の他の形状を示す上面図である。
【図３】実施例にかかるパワー半導体モジュールの内面のコーナー部の応力分布を示す図である。
【図４】従来例のパワー半導体モジュールの内面のコーナー部の応力分布を示す図である。
【図５】応力振幅とパワー半導体モジュールのパッケージの寿命を示すグラフである。
【図６】切り欠き溝の幅および長さとコーナー部の応力の低減効果を示す表である。
【図７】従来構造のパワー半導体モジュールの構成を示す断面図である。
【図８】従来構造のパワー半導体モジュールの構成を示す上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
（実施の形態）
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。図１は、実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの構成を示す上面図である。断面図は、図７の従来構造のパワー半導体モジュールと同様であるために省略する。
【００２１】
図１および図７に示すように、パワー半導体モジュールは、パワー半導体チップ１と、接合材２と、積層基板３と、金属基板４と、封止樹脂５と、樹脂ケース６と、端子７と、ボンディングワイヤー８と、蓋９と、を備える。
【００２２】
パワー半導体チップ１は、ＩＧＢＴまたはダイオード等のパワー半導体チップであり、はんだなどの接合材２にて接合され、積層基板３上に搭載される。積層基板３は、セラミック基板等の絶縁基板３ｂのおもて面および裏面に銅などの導電性板３ａが備えられたものである。積層基板３は、金属基板４にはんだなどの接合材２にて接合され搭載される。図１において、点線は、金属基板４の位置を示す。
【００２３】
樹脂ケース６は、パワー半導体チップ１と積層基板３と金属基板４とが積層された積層組立体に組み合わされる。例えば、樹脂ケース６は、積層組立体とシリコンなどの接着剤を介して接着されている。樹脂ケース６内部では、積層基板３が配置されることから、積層基板３と樹脂ケース６との間に一定の距離が保たれている。また、樹脂ケース６内部には、積層基板３上のパワー半導体チップ１を絶縁保護するため、低弾性率のシリコンゲルやエポキシなどの硬質樹脂等の封止樹脂５が充填され、蓋９にてパッケージされている。封止樹脂５としてエポキシなどの硬質樹脂を用いる場合は、蓋９を使用しなくても良い。
【００２４】
端子７は、はんだなどの接合材２にて接合され導電性板３ａに固定され、蓋９を貫通して外部に突き出ている。ボンディングワイヤー８は、パワー半導体チップ１と導電性板３ａとを電気的に接続している。
【００２５】
実施の形態のパワー半導体モジュールでは、樹脂ケース６内面のコーナー部のそれぞれに、樹脂ケース６の外側方向に延びる切り欠き溝６ａが設けられている。なお、前記樹脂ケース６内面のコーナー部とは、樹脂ケース６内面において隅、つまり内寸の辺の交点にあたる部分である。また、これ以降、前記樹脂ケース６内面のコーナー部を単にコーナー部と略する場合がある。切り欠き溝６ａは、金属基板４と接着される樹脂ケース６の底部から、金属基板４と反対方向の樹脂ケース６の上部まで貫通している。なお、前記樹脂ケース６内面とは封止樹脂と接する面である。例えば、樹脂ケース６内面は、図１において、符号６ｂで示される面である。
【００２６】
この切り欠き溝６ａの幅Ｗおよび長さＬは、それぞれ樹脂ケース６の内寸の長辺Ｔの４％以上が好ましく、さらに好ましくは８％以上あることが好ましい。この理由は、以下の実施例で詳細に説明する。なお、前記切り欠き溝６ａの幅とは、切り欠き溝６ａにおける樹脂ケース６内面間の距離であり、切り欠き溝６ａの長さとは樹脂ケース外面への奥行方向の長さを示す。具体的には、樹脂ケース６の内寸の長辺Ｔは５０ｍｍ程度であり、切り欠き溝６ａの幅Ｗおよび長さＬは、それぞれ４ｍｍ以上あることが好ましい。なお、コーナー部に働く応力は、樹脂ケース６の内寸の長辺Ｔと切り欠き溝６ａの幅および奥行の比によって影響を受ける。なお、前記樹脂ケース６の内寸の長辺Ｔとは、前記樹脂ケース６の内寸の辺の内、長い方の辺である。
【００２７】
なお、図１において、切り欠き溝６ａの奥部の形状は、円弧で形成されているが、特に円弧である必要はない、例えば、直線であってもかまわない。また、切り欠き溝６ａの形状は、図１に記載された形状に限定されない。図２は、実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの切り欠き溝の他の形状を示す上面図である。図２（ａ）に示すように、切り欠き溝６ａは奥の方が広い形状であっても良いし、逆に、図２（ｂ）に示すように、切り欠き溝６ａは奥の方が狭い形状であっても良い。このため、樹脂ケース６内面と切り欠き溝６ａの内面がなす角θは、９０度から１５０度にすることができる。図１は角θが１３５度の場合であり、図２（ａ）は角θが１３５度より小さい場合であり、図２（ｂ）は角θが１３５度より大きい場合である。また、切り欠き溝６ａは、線対称である必要はないし、樹脂ケース６における切り欠き溝６ａが、すべて同じ形状である必要もない。なお、この場合の切り欠き溝６ａの幅とは、切り欠き溝６ａの入り口、つまり樹脂ケース６の内寸の辺と切り欠き溝６ａとの交点の部分における距離である。例えば、図２においてＷ１で図示される長さである。
【００２８】
実施の形態では、樹脂ケース６内面のコーナー部に設けられた切り欠き溝６ａにより、樹脂ケース６内面のコーナー部に集中した応力を、切り欠き溝６ａの内面に分散することで、緩和することができる。このため、樹脂ケース６と金属基板４との熱膨張率の差により、樹脂ケース６内面のコーナー部に応力が集中しても、切り欠き溝６ａが応力を緩和することができる。
【００２９】
このようなパワー半導体モジュールの製造方法は、従来技術によるパワー半導体モジュールと同様である。パワー半導体モジュールの製造方法では、まず、積層基板３にパワー半導体チップ１を実装し、ボンディングワイヤー８、端子７を取り付ける。また、ボンディングワイヤー８の代わりに、金属端子を接合しても良い。次に、これらを金属基板４に接合して、パワー半導体チップ１、積層基板３および金属基板４からなる積層組立体を組み立てる。この積層組立体のコーナー部に切り欠き溝６ａが設けられている樹脂ケース６をシリコンなどの接着剤で接着する。次に、樹脂ケース６内に封止樹脂５を充填し、蓋９を取り付ける。これにより、図１に示す実施の形態にかかるパワー半導体モジュールが完成する。なお、封止樹脂５がエポキシ樹脂等の硬質樹脂である場合、封止樹脂５が外に漏れることがないため、蓋９を取り付けなくても良い。
【００３０】
（実施例）
以下、実施例について説明する。ここでは、樹脂ケース６内面のコーナー部に切り欠き溝６ａを設けた実施例と、樹脂ケース６内面のコーナー部にＲ形状を設けた従来例とを比較した。図３は、実施例にかかるパワー半導体モジュールの内面のコーナー部の応力分布を示す図である。図４は、従来例のパワー半導体モジュールの内面のコーナー部の応力分布を示す図である。従来例のコーナー部の曲率半径は２ｍｍで、実施例の切欠き部の外側の曲率半径も２ｍｍとした。また、図３、図４とも、１７５℃における応力分布である。
【００３１】
図３および図４は、樹脂ケース６内面のコーナー部近傍を底面の右側から見た斜視図であり、パワー半導体モジュールを室温から高温、高温から低温へ温度変化させた時に、樹脂ケース６内面のコーナー部近傍に生じる応力をシミュレーションにより算出したものである。
【００３２】
図３および図４は、応力が等しい点を線で結んだコンタ（ｃｏｎｔｏｕｒ）図である。ここでは、黒く塗りつぶされた箇所は最も応力が高く、ハッシュが薄くなるほど応力が低くなることを示す。図３と図４とを比較すると、図４のコーナー部に存在する黒く塗りつぶされた箇所が、図３ではハッシュの薄い領域となっており、実施例は、従来例に比べて、コーナー部に集中する応力を低減できていることが分かる。
【００３３】
次に、実施例の樹脂ケース６では、コーナー部に集中する応力を低減できるため、温度変化が発生した時でも樹脂ケース６の割れを防止できることを確認した。図５は、応力振幅とパワー半導体モジュールのパッケージの寿命を示すグラフである。このグラフは、パワー半導体モジュールの樹脂ケース６の材料の疲労寿命曲線から繰り返し温度サイクルを受けた場合の熱疲労寿命を求めた結果である。
【００３４】
図５において、縦軸は、温度サイクルによる応力振幅を示し、単位はＭＰａである。ここで、応力振幅は、高温での応力と低温での応力との差のことである。横軸は、パッケージの寿命であり、単位は回数である。パッケージの寿命とは、例えば、パッケージに割れ等が生じるまでの高温、低温への温度変化の回数（サイクル）である。図５から、応力振幅が大きいほど、パッケージの寿命が短くなることが分かる。
【００３５】
図５において、目標耐量はパワー半導体モジュールのパッケージにおいて必要とされる寿命である。図５より、応力振幅がＣで示される値より大きい場合、目標耐量を満たすことができず、応力振幅がＣで示される値より小さい場合、目標耐量を満たすことができる。
【００３６】
従来例の場合、図４で算出したコーナー部の応力の中で、最も高い応力に対応する応力振幅は、図５においてＡで示される。このＡで示される値はＣで示される値より大きいため、このＡに対応する寿命は、目標耐量より低い値となる。このため、従来例では、目標の寿命を満たすことができない。実際の温度サイクル試験においても、従来例ではコーナー部に応力が集中し、数サイクル程度で樹脂ケースにクラックが発生していることが確認された。
【００３７】
一方、実施例の場合、図３で算出したコーナー部の応力の中で、最も高い応力に対応する応力振幅は、図５においてＢで示される。このＢで示される値はＣで示される値より小さいため、このＢに対応する寿命は、目標耐量より高い値となる。このため、実施例では、目標の寿命を満たすことができる。
【００３８】
次に、切り欠き溝６ａの幅Ｗおよび長さＬの好ましい幅および長さをシミュレーションにより検証した。図６は、切り欠き溝の幅および長さとコーナー部の応力の低減効果を示す表である。コーナー部に最も応力が加わるのは高温時であるため、シミュレーションは、高温時（１７５℃）の最大応力（ＭＰａ）（引っ張り）を評価した。図６において、Ｔは、樹脂ケース６の内寸の長辺Ｔであり、シミュレーションではＴを５０ｍｍにした。また、幅Ｗは、切り欠き溝６ａの幅Ｗであり、単位はｍｍである。Ｗ／Ｔは、樹脂ケース６の内寸の長辺Ｔに対する切り欠き溝６ａの幅Ｗの比率であり、単位は％である。長さＬは、切り欠き溝６ａの長さＬであり、単位はｍｍである。Ｌ／Ｔは、樹脂ケース６の内寸の長辺Ｔに対する切り欠き溝６ａの長さＬの比率であり、単位は％である。また、効果値は、切り欠き溝６ａが形成されていない比較例に対するコーナー部の応力の低減率を示す。つまり、比較例における１７５℃時の最大応力を１００とした時の、幅Ｗと長さＬを変化させた実施例１〜９における１７５℃時の最大応力を効果値とする。このため、効果値が小さいほどコーナー部の応力の低減の効果が高い。
【００３９】
図６の実施例１、２、３によると、幅Ｗが大きくなるにつれて、つまり、Ｗ／Ｔが大きくなるにつれて、効果値が小さくなり、コーナー部の応力の低減の効果が高くなることがわかる。実施例４、５、６および実施例７、８、９においても同様である。また、図６の実施例１、４、７によると、長さＬが大きくなるにつれて、つまり、Ｌ／Ｔが大きくなるにつれて、効果値が小さくなり、コーナー部の応力の低減の効果が高くなることがわかる。実施例２、５、８および実施例３、６、９においても同様である。
【００４０】
また、パワー半導体モジュールのパッケージにおいて、目標耐量を満たすためには、従来構造の応力振幅より、１０％低減することが好ましい。応力振幅は、高温での応力と低温での応力との差であり、低温での応力も高温での応力と同様な比率で低減されると仮定すると、パッケージの寿命の目標耐量を満たすためには、従来例のコーナー部の応力より少なくとも１０％低減することが好ましい。図６の実施例１では、効果値が９０％であり、コーナー部の応力を１０％低減できる。このため、Ｗ／ＴとＬ／Ｔのいずれかが４％以上、つまり、樹脂ケース６の内寸の長辺Ｔが５０ｍｍの場合、切り欠き溝６ａの幅Ｗおよび長さＬのいずれか２ｍｍ以上必要であることが分かる。
【００４１】
また、パワー半導体モジュールの実際の使用における、温度や使用回数等のマージンを考えると従来例のコーナー部の応力より４０％低減することが好ましい。図６の実施例５では、効果値が５９％であり、コーナー部の応力を４１％低減できる。このため、Ｗ／ＴとＬ／Ｔのいずれかが８％以上、つまり、樹脂ケース６の内寸の長辺Ｔが５０ｍｍの場合、切り欠き溝６ａの幅Ｗおよび長さＬのいずれかが４ｍｍ以上であることが好ましい。なお、樹脂ケース６の内寸の長辺Ｔは５０ｍｍに限定されない。長辺Ｔが５０ｍｍでなくとも、応力低減の効果は同様に得ることができる。長辺Ｔは、特に好ましくは、２０ｍｍから２００ｍｍの範囲である。
【００４２】
以上、説明したように、実施の形態によれば、樹脂ケースの内面コーナー部に切り欠き溝を設けることで、樹脂ケースと金属基板、樹脂ケースと封止樹脂の熱膨張率の差による樹脂ケースの内面コーナー部への応力集中を緩和することができる。このため、樹脂ケースにかかる応力を樹脂ケースの破壊強度以下に低減することができ、樹脂ケースの割れを防止できる。これにより、内面コーナー部での部分放電をなくせるため、絶縁性を確保することが可能になる。また、本発明により、新たな材料開発や高強度な樹脂材料を用いずに従来の汎用樹脂材料をそのまま活用できることから、パワー半導体モジュールのコストを抑えることができる。
【００４３】
また、切り欠き溝の内面と樹脂ケースの内面とがなす角度を、９０度〜１５０度とすることで、樹脂ケースの内に鋭角の部分を無くすことができる。このため、鋭角の部分に応力が集中することを防止でき、樹脂ケースにかかる応力を樹脂ケースの破壊強度以下に低減することができる。
【００４４】
以上において本発明は、上述した実施の形態に限らず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、本発明は、金属ワイヤーが半導体チップと金属端子とを電気的に接続し、熱硬化性樹脂がケース内に充填される半導体装置のパッケージを例に説明したが、ケースの内側に互いに離して配置される半導体チップおよび回路基板の導体層同士を端子ピンにより電気的に接続したピン構造の半導体装置のパッケージにも適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
以上のように、本発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法は、インバータなどの電力変換装置や種々の産業用機械などの電源装置や自動車のイグナイタなどに使用されるパワー半導体装置に有用である。
【符号の説明】
【００４６】
１  パワー半導体チップ
２  接合材
３  積層基板
３ａ  導電性板
３ｂ  絶縁基板
４  金属基板
５  封止樹脂
６  樹脂ケース
６ａ  切り欠き溝
６ｂ  樹脂ケース内面
７  端子
８  ボンディングワイヤー
９  蓋
【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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