(57)【要約】【課題】電気的な絶縁が必要な構成部材間の接合部分における、製造時やパワー半導体素子の作動時の熱負荷に起因するクラック発生を抑制し、放熱特性や絶縁特性に対する信頼性を向上させたパワー半導体装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】半導体チップ２と、半導体チップ２の下面に設けた金属電極３と、半導体チップ２から発生する熱を放熱するための金属ベース板４と、電気絶縁性を有すると共に、半導体チップ２から発生する熱によって上昇する温度範囲内に硬化温度を有するセラミック系熱硬化性材料からなり、金属電極３と金属ベース板４の間に設けられて両者と接合しながら電気的に絶縁する絶縁層５とを備える。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、上記半導体素子の下面に設けた電極と、
上記半導体素子から発生する熱を放熱するためのベース板と、上記半導体素子から発生する熱によって上昇する温度範囲内に硬化温度を有するセラミック系熱硬化性材料からなり、上記電極と上記ベース板の間に設けられて両者と接合しながら電気的に絶縁する絶縁層とを備えたパワー半導体装置。
【請求項２】
電極は、絶縁層と接合する部分における稜線の面取り及び／又は頂点部のアール加工を施したことを特徴とする請求項１記載のパワー半導体装置。
【請求項３】
絶縁層は、セラミック系熱硬化性材料よりも熱伝導率の高い電気絶縁性材料からなり、上記セラミック系熱硬化性材料の硬化時に電極及びベース板に接触する寸法で形成した充填材を内包することを特徴とする請求項１記載のパワー半導体装置。
【請求項４】
絶縁層は、熱硬化の際に水分の除去を伴わない非湿気硬化型のセラミック系熱硬化性材料で構成したことを特徴とする請求項１記載のパワー半導体装置。
【請求項５】
半導体素子と、上記半導体素子の下面に設けた電極と、上記半導体素子から発生する熱を放熱するためのベース板と、上記電極と上記ベース板の間に設けられて両者と接合しながら電気的に絶縁する絶縁層とを備えたパワー半導体装置の製造方法において、上下金型部を合わせてなる金型内に上記電極及び上記ベース板を配置し、上記半導体素子から発生する熱によって上昇する温度範囲内に硬化温度を有するセラミック系熱硬化性材料からなる封止材を上記金型内に注入して上記電極と上記ベース板の間に上記絶縁層を成形することを特徴とするパワー半導体装置の製造方法。
【請求項６】
下金型部は、封止材を溜めるための封止材用凹部と、当該封止材用凹部の底面部に設けた電極を設置するための電極用凹部と、上記封止材用凹部の上面に設置したベース板の位置を規定する位置決めピンとを備え、
上記下金型部に上記電極及び上記ベース板を設置してから上金型部を合わせ、当該金型内の上記封止材用凹部に上記封止材を注入して絶縁層を成形することを特徴とする請求項５記載のパワー半導体装置の製造方法。
【請求項７】
金型は、封止材を圧入して絶縁層を成形するトランスファー成形金型であることを特徴とする請求項５記載のパワー半導体装置の製造方法。
【請求項８】
金型の内表面に封止材の接着を防止するための表面加工を施したことを特徴とする請求項５記載のパワー半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はパワー半導体素子が収容されるパワー半導体装置及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のパワー半導体装置は、例えば特許文献１中の図５のように、銅などからなる金属ベース板、これに半田付けで接着されたセラミック板、その上面に形成された金属電極に半田付けで接着された半導体チップなどから構成される。半導体チップは、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのパワー半導体素子である。このようなパワー半導体素子は、その動作時に数ｋＶの高電圧、大電流が印加されるために高温になる。金属ベース板は、当該半導体チップの動作時に発生する熱を放熱するために設けられており、熱伝導の良好な銅などから成る厚さ４ｍｍ程度の金属板で構成される。
【０００３】
また、セラミック板は、半導体チップを金属ベース板から絶縁するための厚さ０．６ｍｍ程度の窒化アルミニウムなどからなり、その上下面に金属電極がそれぞれロウ付けされている。このセラミック板は、半導体チップからの熱を金属ベース板に効率的に放熱することができるように熱伝導率の高いセラミック材が使用される。半導体チップ及びセラミック板の上面に設けられた金属電極には、外部との導通をとるためのアルミニウムワイヤがそれぞれ接続されている。さらに、絶縁破壊電圧を確保するために、半導体チップ、セラミック板や金属電極などの金属ベース板上に設けられた構成要素は封止用のシリコンゲルで被覆される。
【０００４】
次に従来のパワー半導体装置の製造方法について説明する。
先ず、セラミック板の上下両面に数百μｍ程度の厚さでロウ付け用のロウペーストを印刷する。そして、２枚の金属電極をセラミック板の両面に印刷されたロウペースト上に載せ、約８５０℃で熱処理する。これにより、セラミック板の上下両面に金属電極を接着する。続いて、下面の金属電極を介して金属ベース板とセラミック板とを高温半田（融点：約２６０℃）で接着し、半導体チップを低温半田（融点：約１５０℃）でセラミック板の上面に形成された金属電極上に接着する。
【０００５】
次に、アルミニウムワイヤを、半導体チップにワイヤボンディングにより接続し、セラミック板の上面の金属電極にワイヤボンディングにより接続する。その後、半導体チップ、セラミック板、金属電極などが搭載された金属ベース板をパッケージ（図示せず）内に収納する。そして、シリコンゲルをパッケージ（図示せず）内に真空注入して加熱硬化し、上記構成要素をパッケージ内に封止する。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１―３０７６９６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来のパワー半導体装置では、半導体チップを金属ベース板から絶縁するセラミック基板に金属電極をロウ付け接合することから、ロウ付け時に約８００℃の高温まで加熱される。このため、冷却段階におけるセラミック基板の熱収縮によって大きな応力が残り、セラミック基板にクラックが入り易いという課題があった。また、金属電極を介して、ロウ付けによる大きな熱応力が蓄積したセラミック板を、金属ベース板に半田付けにより接合することから、パワー半導体装置の作動時の熱サイクルによって半田にクラックが発生し易く、放熱特性が悪くなる可能性があった。
【０００８】
具体的に説明すると、金属ベース板や金属電極を銅より構成した場合、その熱膨張係数αは、α＝１７×１０−６／℃であり、セラミック基板をアルミナで構成した場合の熱膨張係数α＝７×１０−６／℃との差が大きい。また、パワー半導体装置では、その作動時に半導体チップに印加される高電圧のために断続的に１００℃程度までの温度上昇と室温程度までの温度下降が繰り返される。さらに、パワー半導体装置の使用環境は、室温での環境に限らず、例えば−４０℃程度の低温で使用される場合もある。
【０００９】
このため、熱膨張係数が異なる材質が接合された接合部分では、パワー半導体装置の作動時における熱ストレスによって上記材質間で異なる体積変化が生じる、いわゆるバイメタルのように挙動する。このような挙動が繰り返されると、セラミック板には、ロウ付けによって熱応力が蓄積しているため、セラミック板自体にクラックが発生する他に、上記熱応力によって金属ベース板との接合部分の半田層にクラックが発生する。このクラックが進展すると、半田層での熱抵抗が増加して半導体チップからの熱を放散することができず、ひいてはパワー半導体装置自体の破壊につながる。
【００１０】
また、ロウ付け接合では、ロウペーストに含まれる有機バインダーが炭化又は気化してセラミック板と金属電極との接合部分に気泡が残り易いという課題があった。このような気泡による空隙部分は、半導体チップに印加される高電圧によって放電劣化し、最終的に接合部分全体の絶縁破壊に至る可能性もある。
【００１１】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、電気的な絶縁が必要な構成部材間の接合部分における、製造時やパワー半導体素子の作動時の熱負荷に起因するクラック発生を抑制し、放熱特性や絶縁特性に対する信頼性を向上させたパワー半導体装置及びその製造方法を得ることを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るパワー半導体装置は、半導体素子と、半導体素子の下面に設けた電極と、半導体素子から発生する熱を放熱するためのベース板と、半導体素子から発生する熱によって上昇する温度範囲内に硬化温度を有するセラミック系熱硬化性材料からなり、電極とベース板の間に設けられて両者と接合しながら電気的に絶縁する絶縁層とを備えるものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるパワー半導体装置の主要部の構成を示す断面図である。本実施の形態１によるパワー半導体装置１は、ＩＧＢＴなどの半導体チップ（半導体素子）２、半導体チップ２の下面に設けた金属電極（電極）３、半導体チップ２から発生した熱を放散させるための金属ベース板（ベース板）４、金属電極３と金属ベース板４とを電気的に絶縁しながら接合する絶縁層５、半導体チップ２と金属電極３を接続する半田６、半導体チップ２及び金属電極３にそれぞれ接続するアルミニウムなどからなる金属ワイヤ７ａ，７ｂによって構成される。
【００１４】
また、これらの構成要素は、不図示のパッケージ内に配置されて、シリコンゲルなどの封止材８によって被覆されている。なお、図示の例では、金属電極３を、厚さ１ｍｍ程度の板状の金属プレートから構成し、金属ベース板４を厚さ４ｍｍ程度の金属プレートから構成している。
【００１５】
パワー半導体素子のＩＧＢＴなどの半導体チップ２では、その作動時に百数十℃程度まで上昇する。このような温度上昇による熱サイクルは、熱膨張係数の大きさに差がある構成部材間の接合部分に深刻な影響を与える。特に、非金属の絶縁層５と金属電極３との接合部分は、上記熱サイクルの影響を最も受けやすい。
【００１６】
そこで、本発明では、半導体チップ２から発生する熱によって上昇する温度範囲内に硬化温度を有するセラミック系熱硬化性材料で絶縁層５を成形する。つまり、従来のような大きな熱応力の発生要因となるロウ付け加工（約８００℃）を実施せず、熱膨張係数の大きさに差がある構成部材間を接合するのに必要な熱負荷は、半導体チップ２の作動時に上昇する温度範囲（例えば、１００℃程度まで）に抑えられる。ここで、本発明における半導体チップの作動時に上昇する温度範囲とは、半導体チップ２の作動時に上昇するその周辺温度（８０℃〜１００℃程度）を主に指し、作動時における半導体チップ２自体の上昇温度（１００℃以上で約１３０℃程度）を上限温度とする。
【００１７】
セラミック基板に金属電極をロウ付け接続する際、セラミック基板内の熱応力σｓは、例えば下記式（１）で表すことができる。
σｓ＝Ｋ・（αＭ−αＳ）・（Ｔｏ−Ｔｒ）
・√（ＥＭ・ＥＳ・Ｌ／Ｘ）            ・・・（１）
但し、Ｋは形状等の定数、αＭは金属の熱膨張係数、αＳはセラミック基板の熱膨張係数、ＥＭは金属の弾性率、ＥＳはセラミック基板の弾性率、Ｌはセラミック基板の長さ、Ｘはロウ材の厚さである。
【００１８】
上記式（１）に示すように、セラミック基板内の熱応力σｓは、金属電極とセラミック基板との熱膨張係数の差（αＭ−αＳ）及び温度差（Ｔｏ−Ｔｒ）に比例する。ここで、温度差（Ｔｏ−Ｔｒ）は、ロウ付け温度Ｔｏから冷却した温度Ｔｒまでの差で表される。
【００１９】
ロウ付け加工では、銀、銅、チタン、有機バインダーからなるロウ材を用いて約８００℃程度の高温でセラミック基板と金属電極とを接合する。従って、パワー半導体装置の使用温度まで冷却すると、セラミック基板内に不可避的に大きな熱応力が発生し蓄積されてしまう。
【００２０】
これに対して、本発明では、ロウ付け加工を要さず、半導体チップ２から発生する熱によって上昇する温度範囲内に硬化温度を有するセラミック系熱硬化性材料で絶縁層５を成形する。この場合、セラミック基板の高温変形を考慮しなくて良いことから、絶縁層５内の熱応力σｐは、例えば下記式（２）で表すことができる。
σｐ＝Ｋ・（αＭ−αＰ）・（Ｔｏ−Ｔｒ）・Ｅ（Ｔ）・・・（２）
但し、Ｋは形状等の定数、αＭは金属の熱膨張係数、αＰは絶縁層５の熱膨張係数、Ｅ（Ｔ）はＴ℃での絶縁層５の弾性率である。
【００２１】
このように、絶縁層５内の熱応力σｐは、金属電極と絶縁層５との熱膨張係数の差（αＭ−αＰ）及び温度差（Ｔｏ−Ｔｒ）に比例する。ここで、温度差（Ｔｏ−Ｔｒ）は、硬化温度Ｔｏから冷却した温度Ｔｒまでの差で表される。従って、絶縁層５の形成に使用するセラミック系熱硬化性材料として、硬化温度が半導体チップ２の作動時に上昇する温度範囲内のものを選べば、絶縁層５内に蓄積される熱応力を小さくすることができ、作動時の熱サイクルによってもクラックなどが発生しにくい。
【００２２】
上述したようなセラミック系熱硬化性材料としては、セラミック粉末と水からなる水硬化型のセラミックポッティング材（封止材）や、セラミック粉末とケイ酸塩溶液からなる化学硬化型のセラミックポッティング材を使用することができる。これらに必須な条件として、半導体チップ２の作動時に上昇する温度範囲内の８０℃〜１３０℃程度で結合して熱伝導率がよく電気絶縁性も高いセラミックになることが必要である。
【００２３】
このようなセラミックポッティング材としては、例えばセラマキャスト（登録商標）などがある。このポッティング材は、数分から数時間（１５分程度から４時間程度までの間）で自然乾燥をした後、９０℃〜１３０℃程度の温度下で数時間（１〜４時間）おくことによって硬化する（好適には、９３℃程度で約１時間）。さらに、硬化物内に気泡が残りにくいという性質も有し、パワー半導体装置用の絶縁体を形成するのに適している。
【００２４】
このように、本発明のパワー半導体装置では、熱膨張係数の大きさに差がある構成部材間を接合する際の熱負荷を、半導体チップ２の作動により不可避的に装置１内にかかる熱負荷、つまり通常使用時における装置１内の温度範囲に抑えることができ、構成部材内に大きな熱応力が蓄積されることがない。
【００２５】
次に実施の形態１によるパワー半導体装置の製造方法について説明する。
図２は実施の形態１によるパワー半導体装置の製造に使用する金型の断面図である。当該金型は、下金型（下金型部）９と上金型（上金型部）１３の２つの金型を合わせて構成される。下金型９には、金属電極３の設置溝（電極用凹部）１０ａ、当該設置溝１０ａを底面部に設けたポッティング材用溝（封止材用凹部）１０ｂ、溝１０ｂの上面に金属ベース板４を配置したときの位置を決定する位置決めピン１１ａ，１１ｂ、ポッティング材を溝１０ｂまで導く注入口であるランナー１５、金型内にポッティング材を注入したときの空気の逃げ道となる深さ数百μｍ程度のエアーベント１６及び成形品を金型から取り出すためのφ６程度のノックアウトピン１７が備えられている。一方、上金型１３は、下金型９と貼り合わせた際に金属ベース板４が嵌め込まれる設置溝１４を備えている。
【００２６】
先ず、下金型９の設置溝１０ａに金属電極３を設置する。この金属電極３は、熱伝導率の高い銅などの金属製の板状部材から構成し、その厚さを約１ｍｍ程度とする。次に、下金型のポッティング材用溝１０ｂの上面に金属ベース板４を配置し、金属ベース板４に設けた位置決め穴１２に位置決めピン１１ａ，１１ｂを挿入して位置決めする。この金属ベース板４は、半導体チップ２から発生する熱を放散させるため、熱伝導率の高い銅などの金属製の板状部材から構成し、その厚さを約４ｍｍ程度とする。
【００２７】
続いて、上金型１３を閉じてその設置溝１４に金属ベース板４を嵌め込んで圧着固定する。この後、トランスファー成形機により、セラミックポッティング材を下金型９のランナー１５から注入し、数十ｋｇ／ｃｍ２（例えば、８０ｋｇ／ｃｍ２程度）の圧力で加圧する。このとき、セラミックポッティング材用溝１０ｂから構成されるキャビティー（空間）内の空気は、エアーベント（空気溝）１６を介して金型外に排出される。
【００２８】
ポッティング材の注入から所定の時間経過した後、金型を、半導体チップ２の作動時に上昇する温度範囲内まで昇温させた状態で所定の時間おいて、ポッティング材を硬化させる。例えば、セラマキャスト（登録商標）のようなポッティング材を使用した場合、約９３℃程度の温度下で約１時間おく。
【００２９】
硬化処理が完了すると、金型にかけられた圧力を除去して上金型１３を開け、下金型９に取り付けたノックアウトピン１７を突き出すことにより、金属電極３と金属ベース板４が接合した絶縁層５を脱型する。このとき、金型９，１３の内表面にポッティング材が接着しないように表面処理を施しておくことで、スムーズに脱型することができる。例えば、ニッケルリンとフッ素樹脂より成る被膜であるニダックス（登録商標）やニフグリップ（登録商標）などを形成する表面加工が考えられる。
【００３０】
また、絶縁層５を形成するセラミックポッティング材として、湿気硬化型や非湿気硬化型のものを使用できるが、湿気硬化型のものは、加熱硬化において脱水処理に時間を割かねばならず作業性が悪い上、水の蒸発の際に充填物に気泡が残り易いという短所がある。
【００３１】
さらに、図１、図２に示すように、金属電極３のセラミックポッティング材と接着する側、つまり、絶縁層５と接合する側の面に対して、その稜線を面取りしたり、頂点をアール加工しておくことで、当該部分に熱応力が集中することを抑制することができる。
【００３２】
上述では、金属電極３の厚さを約１ｍｍ程度としたが、これをさらに厚くすることで、セラミックポッティング材からなる絶縁層５の厚さを薄くすることができる。このようにすることで放熱特性を向上させることもできる。
【００３３】
また、セラミックポッティング材としては、半導体チップ２からの熱を効率よく放熱させるために、熱伝導率λが高いものが望ましく、さらに熱膨張係数αがパワー半導体装置の構成材料に近い程、応力を小さくすることができる。上述した例では、金属電極３及び金属ベース板４を熱伝導率が高い銅（λ＝３９０Ｗ／ｍ・Ｋ、α＝１７×１０−６／℃）にて構成し、半導体チップ２と金属電極３との接合に半田６（λ＝４７Ｗ／ｍ・Ｋ、α＝２４×１０−６／℃）を使用している。
【００３４】
そこで、セラミックポッティング材の主成分として、従来のセラミック基板に使用されているアルミナ（λ＝７Ｗ／ｍ・Ｋ、α＝２０×１０−６／℃）でなく、これより熱伝導率が高いシリコンカーバイド（λ＝８４Ｗ／ｍ・Ｋ、α＝４×１０−６／℃）やマグネシア（λ＝４９Ｗ／ｍ・Ｋ、α＝１２×１０−６／℃）を使用する。これにより、さらに放熱特性を向上させることができる。
また、上記セラミックポッティング材の他に、電気絶縁性があるポッティング材料として熱硬化性のエポキシ樹脂がある。しかしながら、主成分であるエポキシ樹脂の熱伝導率がλ＝０．０５Ｗ／ｍ・Ｋと低く、セラミック充填材を混合しても熱伝導率λ＝０．２Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。このため、本発明のパワー半導体装置には適用することができない。
【００３５】
上述のようにして絶縁層５の形成が完了すると、半田６となる低温半田によって金属電極３上に半導体チップ２を接着する。この後、ワイヤボンディングによって金属ワイヤ７ａを半導体チップ２に接続し、金属ワイヤ７ｂを金属電極３に接続する。
【００３６】
最後に、半導体チップ２、金属電極３及び絶縁層５などが搭載された金属ベース板４をパッケージ（図示せず）内に収納する。そして、シリコンゲル８をパッケージ（図示せず）内に真空注入し、加熱硬化する。これにより、半導体チップ２、金属電極３及び絶縁層５などをシリコンゲル８で覆い、封止する。このようにして実施の形態１によるパワー半導体装置１が製造される。
【００３７】
以上のように、この実施の形態１によれば、半導体チップ２と、半導体チップ２の下面に設けた金属電極３と、半導体チップ２から発生する熱を放熱するための金属ベース板４と、半導体チップ２から発生する熱によって上昇する温度範囲内に硬化温度を有するセラミック系熱硬化性材料からなり、金属電極３と金属ベース板４の間に設けられて両者と接合しながら電気的に絶縁する絶縁層５とを備えるので、電気的な絶縁が必要な構成部材間の接合部分における、製造時や半導体チップ２の作動時の熱負荷に起因するクラック発生を抑制し、放熱特性や絶縁特性に対する信頼性を向上させることができる。
【００３８】
なお、図３に示すような方法でパワー半導体装置１を製造しても良い。図３では、セラミックポッティング材にセラミック充填材１８を混合して、熱伝導率や熱膨張係数を可変したものである。セラミック充填材１８は、セラミックポッティング材の硬化時に金属電極３と金属ベース板４に接触する寸法で形成され、セラミックポッティング材よりも熱伝導率の高い電気絶縁性材料から構成する。
【００３９】
例えば、窒化アルミニウムなどの高熱伝導充填材を用いて直径が絶縁層５の厚さと同程度の球状充填材を用いる。これにより、金属電極３と金属ベース板４とを球状充填材１８が接続することとなり、放熱特性を向上させることができる。また、セラミックポッティング材にセラミック充填材１８を混合した混合材料を使用する場合、図３に示すように、金属電極３の厚さを金属電極の設置溝１０ａの深さと同程度に形成し、さらにランナー１５の口径を球状充填材１８の直径よりも大きくなるように構成する。このようにすることで、球状充填材１８を注入し易くすることができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、半導体素子と、半導体素子の下面に設けた電極と、半導体素子から発生する熱を放熱するためのベース板と、半導体素子から発生する熱によって上昇する温度範囲内に硬化温度を有するセラミック系熱硬化性材料からなり、電極とベース板の間に設けられて両者と接合しながら電気的に絶縁する絶縁層とを備えたので、電気的な絶縁が必要な構成部材間の接合部分における、製造時や半導体素子の作動時の熱負荷に起因するクラック発生を抑制し、放熱特性や絶縁特性に対する信頼性を向上させることができるという効果がある。また、絶縁層内に生じる熱応力が小さくなるので、絶縁層自体の面積を大きくすることができる。これにより、絶縁層に応じて面積を大きくした電極上に半導体素子を一括搭載することができ、構成要素が分散して配置されるパワー半導体装置と比較してより小型化することができるという効果がある。さらに、ベース板と絶縁層との間を半田付けする必要もないので、製造工程における作業性を向上させることができると共に、半田クラックを考慮する必要もないので放熱特性や電気絶縁特性に対する信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１によるパワー半導体装置の主要部の構成を示す断面図である。
【図２】実施の形態１によるパワー半導体装置の製造に使用する金型の断面図である。
【図３】実施の形態１によるパワー半導体装置の製造に使用する金型の他の例を示す断面図である。
【符号の説明】
１  パワー半導体装置、２  半導体チップ（半導体素子）、３  金属電極（電極）、４  金属ベース板（ベース板）、５  絶縁層、６  半田、７ａ，７ｂ  金属ワイヤ、８  封止材、９  下金型（下金型部）、１０ａ  設置溝（電極用凹部）、１０ｂ  ポッティング材用溝（封止材用凹部）、１１ａ，１１ｂ  位置決めピン、１２  位置決め穴、１３  上金型（上金型部）、１４  設置溝、１５  ランナー、１６  エアーベント、１７  ノックアウトピン、１８  充填材。
【図１】
2004319635.tif 000003
【図２】
2004319635.tif 000004
【図３】
2004319635.tif 000005