(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
放熱板、有機絶縁板及び回路板を順次に積層してなる絶縁基板と、
該絶縁基板の回路板に接合された半導体素子と、
該絶縁基板と該半導体素子とを収容する樹脂ケースと、
該樹脂ケースと一体的に成形され、一端が該樹脂ケースの内側に露出し他端が該樹脂ケースより外方に延出する外部端子と、
該半導体素子のおもて面に形成された電極及び該絶縁基板の回路板の少なくとも一つに電気的に接続し、かつ、該外部端子の一端に電気的に接続するボンディングワイヤと、
該樹脂ケースの内側に注入されて固化され、該半導体素子、該絶縁基板及び該ボンディングワイヤを封止する熱硬化性樹脂よりなる封止材と、
を備え、
該絶縁基板の放熱板に、該絶縁基板の長手方向の中央部において短手方向に沿って線状に溝が形成されていて、
前記樹脂ケースが、前記封止材の仕切り板を備え、前記仕切り板が、前記絶縁基板の放熱板に形成された溝から該放熱板の厚さ方向の延長線上に位置する
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記絶縁基板の放熱板に、更に前記絶縁基板の短手方向の中央部において長手方向に沿って線状に溝が形成されている請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記絶縁基板の放熱板の溝の深さが、該放熱板の厚さの２０〜５０％である請求項１又は２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記仕切り板の上端が、前記樹脂ケースの上端と同一平面に位置する請求項１記載の半導体装置。
【請求項５】
前記樹脂ケースが、該樹脂ケースの上面から部分的に突出する突起部を有する請求項１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】
ＤＣ−ＤＣコンバータにはダイオードチップを内蔵したパワー半導体モジュールが用いられているものがある。
図５は，かかるパワー半導体モジュールの一例の断面図である。また、図６は、図５に示したパワー半導体モジュールの平面図である。なお、図５は、図６のＶ−Ｖ矢視断面図である。図５及び図６に示したパワー半導体モジュール１０１は、絶縁基板１０２に半導体チップ１０６が搭載されている。絶縁基板１０２は、絶縁板１０３と、絶縁板１０３の一方の主面に形成された回路板１０４と、絶縁板１０３の他方の主面に形成された放熱板１０５とからなる。回路板１０４は、回路パターンを構成するように絶縁板１０３上に選択的に形成され、この回路板１０４に、半導体チップ１０６が、はんだ１０７により接合されている。
【０００３】
樹脂ケース１０９は絶縁基板１０２と接着剤１１０により接着されている。樹脂ケース１０９には、外部端子１１１ａ及び外部端子１１１ｂが一体的に設けられている。外部端子１１１ａの一端と、半導体チップ１０６とが、ボンディングワイヤ１１２ａにより、外部端子１１１ｂの一端と絶縁基板１０２の回路板１０４とが、１１２ｂによって電気的に接続されている。
【０００４】
また、ボンディングワイヤ１１２ａとボンディングワイヤ１１２ｂが配線された樹脂ケース１０９内に、エポキシ樹脂等の絶縁性熱硬化性樹脂からなる封止材１１３が注入、固化されて、樹脂ケース１０９内の回路板１０４や半導体チップ１０６や外部端子１１１ａ、１１１ｂやボンディングワイヤ１１２ａ、１１２ｂ等を保護している。なお、図６では理解を容易にするために封止材１１３の図示を省略している。
上記構成を具備する半導体装置は、特許文献１に記載がある。
【０００５】
近年、絶縁基板の熱伝導率を高めて放熱効果を高めるために、絶縁基板を構成する絶縁板に、熱伝導性フィラーを含む有機絶縁板を用いたものがある。このような熱伝導性フィラーを含む有機絶縁板の熱膨張係数は比較的小さく、そのために、放熱板との熱膨張係数差が相対的に大きくなり、よって絶縁基板の初期反り量が大きくなる。
【０００６】
また、パワー半導体モジュールの耐熱性、耐圧性を高めるために、封止材にエポキシ樹脂が用いられたものがある。エポキシ樹脂は硬化収縮率が大きいので、ケース内に封止材を注入し、固化した後は、封止材の収縮により樹脂ケースが中心に向けて引っ張られ、この樹脂ケースに接着している絶縁基板も同様に引っ張られて絶縁基板の反りが生じる。絶縁基板は、放熱板が冷却器に取り付けられるため、絶縁基板の反りを抑制することは、冷却器との密着性を向上させるために重要である。
【０００７】
反りを低減する基板に関し、パターン形成された金属板の一主面と反対面側に平坦に樹脂が形成され、この樹脂の表面に凹部を設けたものがある（特許文献２）。また、パワー半導体装置に関し、金属ベースを複数枚に分割し、この金属ベース間に仕切り板を設けたものがある（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】実用新案登録第３１９１１１２号
【特許文献２】特開平１０−２７０８３０号公報
【特許文献３】特開平１０−９３０１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、特許文献２、特許文献３は絶縁基板の反りの抑制について、なお改良の余地があった。
そこで、本発明は、絶縁基板の反りを適切な範囲に調整することのできる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】
【００１０】
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。
この半導体装置は、回路板、有機絶縁板及び放熱板を順次に積層してなる絶縁基板と、該絶縁基板の回路板に接合された半導体素子と、該絶縁基板と該半導体素子とを収容する樹脂ケースと、該樹脂ケースと一体的に成形され、一端が該樹脂ケースの内側に露出し他端が該樹脂ケースより外方に延出する外部端子と、該半導体素子のおもて面に形成された電極及び該絶縁基板の回路板の少なくとも一つに電気的に接続し、かつ、該外部端子の一端に電気的に接続するボンディングワイヤと、該樹脂ケースの内側に注入して固化され、該半導体素子、該絶縁基板及び該ボンディングワイヤを封止する熱硬化性樹脂よりなる封止材と、を備えている。該絶縁基板の放熱板に、該絶縁基板の長手方向の中央部において短手方向に沿って線状に溝が形成されていて、前記樹脂ケースが、前記封止材の仕切り板を備え、前記仕切り板が、前記絶縁基板の放熱板に形成された溝から該放熱板の厚さ方向の延長線上に位置する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、絶縁基板の反りを調整できるようにして、平坦又は所定の範囲の若干の反り量に収めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態１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説明図である。
【図３】本発明の実施形態２のパワー半導体モジュールの説明図である。
【図４】放熱板の厚さと絶縁基板の反りの目標値からの変位量との関係を示すグラフである。
【図５】従来のパワー半導体モジュールの一例の断面図である。
【図６】図５のパワー半導体モジュールの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（実施形態１）
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。
本発明の実施形態１の半導体装置を図１に断面図で示す。本実施形態の半導体装置は、パワー半導体モジュール１として構成されたものである。絶縁基板２に複数の半導体チップ６が搭載されている。
【００１４】
絶縁基板２は、有機絶縁板３と、有機絶縁板３の一方の主面に形成された回路板４と、有機絶縁板３の他方の主面に形成された放熱板５とからなる。換言すれば、絶縁基板２は回路板４、有機絶縁板３及び放熱板５を順次に積層してなる。絶縁基板２は、略長方形の平面形状を有している。
【００１５】
有機絶縁板３は、エポキシ樹脂等の絶縁性を有する樹脂よりなる。有機絶縁板３は、熱伝導率を向上させるために、フィラーを含むことが好ましい。フィラーの有無やフィラー量の多寡により絶縁基板２の反りの程度は異なる。したがって、反りの調整をフィラー量の調整によって行うことは可能である。しかし、有機絶縁板３に添加するフィラー量は熱伝導のために好ましい量とし、あわせて、後述するように放熱板５に溝５ａ、５ｂを形成することにより反りの調整を行う方が、高い放熱性を維持しながら反りを調整できるので好ましい。
回路板４は、一例では銅箔よりなり、回路パターンを構成するように有機絶縁板３上に選択的に形成されている。この回路板４に、半導体チップ６が、はんだ７により接合されて電気的かつ機械的に接続している。もっとも、回路板４と半導体チップ６との接合は、はんだ７にはんだに限られず、銀ペースト等の金属ペーストを用いた焼結材でもよい。回路板４には、半導体チップ６の他にコンデンサチップ８が取り付けられている。
【００１６】
放熱板５は、図示しない冷却板に接続して半導体チップ６からの熱を伝える。放熱板５は、アルミニウムや銅などの熱伝導性の良好な金属板よりなる。
半導体チップ６は、本実施形態ではダイオードである。半導体チップ６の個数や種類は問わない。また、半導体チップ６は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）等のワイドバンドギャップ半導体を用いることもできる。
【００１７】
樹脂ケース９は中空（枠形状）の略直方体の箱型形状を有し、絶縁基板２と半導体チップ６とを収容する空間が形成されている。樹脂ケース９の底面と絶縁基板２の有機絶縁板３の周縁とが接着剤１０により接着されて、樹脂ケース９と絶縁基板との隙間をなくし、隙間から封止材１３が外部に漏れ出るのを防止している。樹脂ケース９は、好適にはポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ樹脂）等の樹脂よりなる。樹脂ケース９には、リードよりなる外部端子１１ａおよび外部端子１１ｂが金型を用いたトランスファー成型によって一体的に設けられている。この外部端子１１ａおよび外部端子１１ｂの一端は、樹脂ケース９の内側で露出している。また、外部端子１１ａの一端と半導体チップ６とがボンディングワイヤ１２ａにより、外部端子１１ｂの一端と絶縁基板２の回路板４とが、ボンディングワイヤ１２ｂによって電気的に接続されている。
【００１８】
また、ボンディングワイヤ１２ａとボンディングワイヤ１２ｂが配線された後の樹脂ケース９の上端部の開口から、エポキシ樹脂やウレタン樹脂等の絶縁性熱硬化性樹脂からなる封止材１３が注入され、さらに固化されて、樹脂ケース９内の回路板４や半導体チップ６や外部端子１１ａ、１１ｂやボンディングワイヤ１２ａ、１２ｂ等を保護している。
【００１９】
図２（ａ）に図１のパワー半導体モジュール１の平面図を、図２（ｂ）に図２（ａ）のｂ−ｂ線で切断した断面図を、図２（ｃ）に図１のパワー半導体モジュール１の背面図をそれぞれ示す。なお、図１は、図２（ａ）のＩ−Ｉ矢視断面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のIIb−IIb矢視断面図である。また図２（ａ）及び図２（ｂ）では理解を容易にするために封止材１３の図示を省略している。本実施形態のパワー半導体モジュール１は、絶縁基板２の放熱板５に、その長手方向の中央部から短手方向に線状に延びる溝５ａを有している。また、短手方向の中央部から長手方向に線状に延びる溝５ｂを有している。
【００２０】
溝５ａ、溝５ｂの作用効果について説明する。パワー半導体モジュール１が組み立てられたときに、絶縁基板２は、ほぼ平坦又は外側に凸になるような若干の反りを有していることが好ましい。また、外側に向かって凸になるときの反り量は、所定の範囲の若干量に収まることが好ましい。かかる絶縁基板２の反りに関して、絶縁基板２の製造法について説明すると、パワー半導体モジュール１に組み立てられる前の絶縁基板２は、回路板４と、有機絶縁板３と、放熱板５とを順次に積層し、熱プレスにより圧着することにより製造される。製造された絶縁基板２は、有機絶縁板３の線膨張係数と放熱板５の線膨張係数とに相違があるため、望ましい形状の反りを有していない場合がある。例えば、有機絶縁板３に含まれ得るフィラーの有無（添加量）や、放熱板５の材質によっては、パワー半導体モジュール１が組み立てられたときに外側に凹になるような反り（これを「逆反り」という。）が生じることさえある。
【００２１】
この点、本実施形態のパワー半導体モジュール１は、絶縁基板２の放熱板５に溝５ａ、５ｂが形成されていることから、有機絶縁板３の線膨張係数と放熱板５の線膨張係数との相違による反り量を減少させることができる。また、放熱板５に溝５ａ、５ｂが形成されていることにより、放熱板５の曲げ剛性を下げ、これによりパワー半導体モジュール１の組み立て時において樹脂ケース９に注入した封止材１３が固化するときの収縮による反りを所定量の範囲に調整するのを容易にできる。
【００２２】
絶縁基板２の反りは、長手方向ばかりでなく短手方向においても生じる。したがって、本実施形態のパワー半導体モジュール１は、溝５ａばかりでなく、溝５ｂを有している。
溝５ａは、絶縁基板２の長手方向の中央部であることが好ましい。中央部は、必ずしも長手方向を二等分する真中の位置に限られない。長手方向を中央部と端部とに分類したときの中央部に溝５ａが位置していればよい。溝５ａは、絶縁基板２のサイズにもよるが、１本あれば十分であるが、中央部に２本以上を有していてもよい。
溝５ｂは、絶縁基板２の短手方向の中央部であることが好ましい。中央部は、必ずしも短手方向を二等分する真中の位置に限られない。短手方向を中央部と端部とに分類したときの中央部に溝５ｂが位置していればよい。溝５ｂは、絶縁基板２のサイズにもよるが、１本あれば十分であるが、中央部に２本以上を有していてもよい。
【００２３】
溝５ａ、溝５ｂの断面形状は、図２（ｂ）に示すようにＶ溝とすることができる。Ｖ溝に限られず、Ｕ溝でもよい。溝５ａ、溝５ｂを形成するための加工方法は特に問わないが、エンドミル等による切削加工を実施することができる。
溝５ａ、溝５ｂの幅、すなわち、放熱板５の表面における溝５ａ、溝５ｂの開口の幅は、加工工具によるが、例えば１ｍｍ以下とすることができる。
【００２４】
溝５ａ、溝５ｂの深さ、すなわち放熱板５の表面から溝５ａ、溝５ｂの最深部までの厚み方向の距離は、絶縁基板２の曲げ強度を考慮して放熱板５の厚さの２０〜５０％程度とすることが好ましい。
溝５ａ、溝５ｂは、有機絶縁板３に対向する側の放熱板５の表面に形成してもよい。この場合、熱プレスにより有機絶縁板３と圧着する前に、放熱板５の表面に溝５ａ、溝５ｂを形成しておく。
【００２５】
図１に示す本実施形態のパワー半導体モジュールは、樹脂ケース９に、封止材１３を仕切る仕切り板９ａ、９ｂを備えている。仕切り板９ａは、樹脂ケース９の長手方向の中央部において短手方向に沿って延びるものであり、仕切り板９ｂは、短手方向の中央部において長手方向に沿って延びるものである。
【００２６】
本実施形態のパワー半導体モジュール１は、仕切り板９ａ、９ｂにより、４つの仕切られた区画を備えている。仕切られた区画ごとに封止材１３が固化する。したがって、封止材１３が収縮するときのエリアが分割されているので、絶縁基板２に作用する圧縮力が、仕切り板を有しない場合に比べて小さくなる。したがって、絶縁基板２の反り量を減少させることができ、また、絶縁基板２が過度に反ることを抑制して、反りを所定量の範囲に調整するのを容易にできる。
【００２７】
仕切り板９ａ、９ｂは、樹脂ケース９と同じ材料により、トランスファー成型により樹脂ケース９と同時に成形される。仕切り板９ａ、９ｂの幅は、金型で成形可能なサイズとして１〜２ｍｍ幅程度でよい。
【００２８】
仕切り板９ａ、９ｂによる樹脂ケース内の封止材１３の区分けは、なるべく仕切り板９ａ、９ｂにより区分けされた各封止材１３の収縮が同程度になるようにするのがよい。図１及び図２に示すパワー半導体モジュール１は、封止材１３が仕切り板９ａ、９ｂにより四分割されるが、分割数は４個に限られない。
【００２９】
仕切り板９ａ、９ｂは、半導体チップ６やボンディングワイヤ１２ａの大きさや配置に応じて、半導体チップ６及びボンディングワイヤ１２ａを避けるように設けられている。図示した例では、４つの区画それぞれに、半導体チップ６およびボンディングワイヤ１２ａと、ボンディングワイヤ１２ｂのいずれかが収容されている。
また、仕切り板９ｂは、半導体チップ６とボンディングワイヤ１２ｂとの間において、半導体チップ６寄りに設けると、半導体チップ６を接合しているはんだ７のフィレット部を起点とした樹脂剥離の進展を抑制して信頼性を高めることができる。もっとも、半導体チップ６のおもて面に形成された電極にボンディングワイヤ１２ａを接続するワイヤボンダが、仕切り板９ｂに干渉するのは避けなければならない。したがって、仕切り板９ｂは、作製上の観点からワイヤボンダが仕切りに干渉しない限度で、半導体チップ６に近づけた位置に設けることが、信頼性を高めるために好ましい。
【００３０】
仕切り板９ａ、９ｂと絶縁基板２とは、接着剤により接着することが好ましい。もっとも、仕切り板９ａ、９ｂにより樹脂ケース９内の封止材１３がほぼ分離されていれば必ずしも接着されなくてもよい。
【００３１】
仕切り板９ａ、９ｂは、好適には絶縁基板２の放熱板５の溝５ａ、５ｂから放熱板５の厚さ方向の延長線上に位置するように設ける。換言すれば、パワー半導体モジュール１を上方からみて、仕切り板９ａ、９ｂの位置を、溝５ａ、５ｂの位置と一致させる。仕切り板９ａ、９ｂと溝５ａ、５ｂは有機絶縁板３を挟んで対向している。このことにより、封止材１３の収縮と絶縁基板２の反りとを調整して、絶縁板の反り量を適切な範囲に調整することができる。
【００３２】
仕切り板９ａ、９ｂの上端は、樹脂ケース９の上端と同一平面に位置することが好ましい、換言すれば仕切り板９ａ、９ｂの高さは、樹脂ケース９の側壁の高さと同じとすることである。このことにより、封止材１３を仕切り板９ａ、９ｂの上端近傍まで注入することができ、よって封止材１３によるボンディングワイヤ１２ａ、１２ｂの絶縁性能を高く維持することができる。また、仕切り板９ａ、９ｂの上端が、樹脂ケース９の上端と同一平面に位置することにより、パワー半導体モジュール１の上に、他の部品を載置することができる。
【００３３】
（実施形態２）
図３に本発明の実施形態２の半導体装置の平面図（図３（ａ））及び断面図（図３（ｂ））で示す。なお、図３（ｂ）は図３（ａ）のIIIb−IIIb矢視断面図である。また、図３（ｂ）では理解を容易にするために封止材１３の図示を省略している。また、図３において、図１及び図２に示したのと同じ部材については図１、図２と同一の符号を付している。したがって、本実施形態において、実施形態１のパワー半導体モジュール１と同一部材についての重複する説明は省略する。
【００３４】
本実施形態のパワー半導体モジュール２１は、樹脂ケース９が、当該樹脂ケース９の上面から部分的に突出する突起部９ｃを有している。突起部９ｃは、樹脂ケース９の上面の一つの角部において樹脂ケース９の長手方向及び短手方向に沿って当該角部に隣接する位置にそれぞれ一つずつと、長手方向の一辺に沿って二個が形成されている。
【００３５】
突起部９ｃを有することにより、封止材１３を樹脂ケース９の上面まで満たされるような量で注入することができる。これにより封止材１３による絶縁性を十分に確保することができる。また、封止材１３の注入時、又は封止材１３が注入された後であって固化前の搬送時に、樹脂ケース９の上面に封止材１３が乗り上げた場合であっても、封止材１３は、突起部９ｃの側面に回り込み上面には乗り上げない。したがって、本実施形態のパワー半導体モジュール２１は、外観不良にならない。また、封止材１３を注入するときの作業性を向上させることができる。更に、樹脂ケース９の上面の突起部９ｃの上面に封止材１３が乗り上げないことから、樹脂ケース９上に蓋や部品を載置するための平板を取り付けた場合であっても、これらとの接着性の低下を招くことはない。
【００３６】
突起部９ｃの数は、蓋を平坦に支持できるという観点から、最低３個があればよい。もっとも、樹脂ケース９の寸法精度や突起部９ｃの高さの精度を考慮すると、確実に支持できるように図３に示したように角部に隣接しケース９の長手方向及び短手方向に沿ったそれぞれに突起部９ｃを有することが好ましい。
【００３７】
また、突起部９ｃの位置は、ボンディングワイヤ１２ａおよびボンディングワイヤ１２ｂをワイヤボンディングする際に、押さえ治具と干渉しない位置とすることが望ましい。
【００３８】
樹脂ケース９の上面からの突起部９ｃの高さは、封止材１３が上面に乗り上げた場合であっても突起部９ｃには乗り上げない高さとして、０．１〜１ｍｍ程度あれば十分である。
【実施例】
【００３９】
実施形態１のパワー半導体モジュール１において、絶縁基板２の放熱板５にアルミニウム板を用い、この放熱板の厚さと絶縁基板の反りの目標値からの変位量との関係をグラフにした。その結果を図４に示す。
放熱板５の厚さが厚くなるほど、単位長当たりの反り量が小さくなる。そして、本実施形態１では、仕切り板９ａ、９ｂが設けられて封止材１３のエリアを分割するとともに、放熱板５には溝５ａ、５ｂが形成されているから、封止材１３の硬化収縮率を見掛け上小さくすることができていて、目標値からの変位量を小さく調整できる。図４では、目標値からの変位量を２〜２．５割低減することができた。
【符号の説明】
【００４０】
１  パワー半導体モジュール
２  絶縁基板
３  有機絶縁板
４  回路板
５  放熱板
５ａ、５ｂ  溝
６  半導体チップ
９  樹脂ケース
９ａ、９ｂ  仕切り板
９ｃ  突起部
１１ａ、１１ｂ  外部端子
１２ａ、１２ｂ  ボンディングワイヤ
１３  封止材
【図１】
0006435794.tif 000002
【図２】
0006435794.tif 000003
【図３】
0006435794.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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