(57)【要約】【課題】  低コストで高信頼性の半導体パワーモジュールを提供するために、パワーサイクル、ＴＦＴ試験に対する長寿命化を図る。【解決手段】  半導体チップ１上のＡｌ線８のワイヤボンド部（接合面９）に、線膨張係数が（１０〜１５）×１０−６／℃のエポキシ系の被覆樹脂１０を薄く塗って硬化させ、その後、線膨張係数を半田３，７に合せ（１７〜２４）×１０−６／℃のエポキシ系の充填樹脂１７で全体を封止する。これにより、Ａｌ線やチップへの密着性に優れた被覆樹脂１０でワイヤボンド部を補強する一方、半田３，７や基板４に対し密着力のある充填樹脂１７で封止したことにより、半田の寿命も向上させ、チップの素子部を保護し、かつ、モジュールの反りを低減する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、この基板上に固着された半導体チップと、この半導体チップ表面にワイヤボンディングで接続されたワイヤと、このワイヤボンディング部を薄く覆う１５×１０−６／℃以下の線膨張係数を持つ被覆樹脂と、これら部品を収容するケースと、このケース内部の前記被覆樹脂の上からケース内部品全体を覆うように充填された充填樹脂を備えた半導体パワーモジュールにおいて、前記被覆樹脂は、前記半導体チップの上面の少なくとも端部を残して前記ワイヤボンディング部を覆うように形成し、前記充填樹脂は、（１７〜２４）×１０−６／℃の線膨張係数を持つ樹脂としたことを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項２】
請求項１において、前記半導体チップと前記基板との間に、半田で固着された熱拡散板を備え、前記充填樹脂の線膨張係数は、前記半田の線膨張係数±４×１０−６／℃であることを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項３】
請求項１において、前記半導体チップと前記基板との間に熱拡散板を備え、この熱拡散板は、その線膨張係数が（４．５〜７）×１０−６／℃であることを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項４】
請求項１において、前記半導体チップと前記基板との間に熱拡散板を備え、この熱拡散板は、Ａｌ２Ｏ３絶縁基板、ＡｌＮ絶縁基板、Ｃｕ又はＡｌ製、あるいはＣｕ又はＡｌを含む複合材で形成したことを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項５】
請求項１において、前記充填樹脂は、エポキシ系又はポリイミド系の樹脂であることを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項６】
請求項１において、フェライト層を前記半導体チップの上方及び／又はその周囲を覆うように前記充填樹脂中又はその上部に配置したことを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項７】
請求項１において、前記被覆樹脂のガラス転移温度（Ｔｇ）を、１５０℃以上としたことを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項８】
請求項１において、前記充填樹脂に、シリコーン系ゲルを１０±５mass％細かく均一に分散させたことを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項９】
基板と、この基板上に固着された半導体チップと、この半導体チップ表面にワイヤボンディングで接続されたワイヤと、このワイヤボンディング部を覆う１５×１０−６／℃以下の線膨張係数を持つ被覆樹脂と、これら部品を収容するケースと、このケース内部の前記被覆樹脂の上からケース内部品全体を覆うように充填された充填樹脂を備えた半導体パワーモジュールにおいて、前記半導体チップと前記基板との間に、半田で固着された熱拡散板を備え、前記充填樹脂は、前記半田の線膨張係数±４×１０−６／℃以内の線膨張係数を持つことを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項１０】
請求項９において、前記被覆樹脂は、前記半導体チップの上面の少なくとも端部を残して前記ワイヤボンディング部を覆うように形成したことを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項１１】
請求項９において、前記半田及び前記充填樹脂の線膨張係数は、（１７〜２４）×１０−６／℃であることを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項１２】
請求項９において、前記基板の線膨張係数は、前記半田の線膨張係数±４×１０−６／℃以内であることを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項１３】
請求項９において、前記半導体チップと前記基板との間に熱拡散板を備え、この熱拡散板は、Ａｌ２Ｏ３絶縁基板、ＡｌＮ絶縁基板、Ｃｕ又はＡｌ製、あるいはＣｕ又はＡｌを含む複合材で形成したことを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項１４】
請求項９において、前記充填樹脂は、エポキシ系又はポリイミド系の樹脂であることを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項１５】
請求項９において、前記半導体チップと前記基板との間に熱拡散板を備え、この熱拡散板は、線膨張係数が（４．５〜７）×１０−６／℃であることを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項１６】
請求項９において、フェライト層を前記半導体チップの上方及び／又はその周囲を覆うように前記充填樹脂中又はその上部に配置したことを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項１７】
請求項９において、前記被覆樹脂のガラス転移温度（Ｔｇ）を、１５０℃以上としたことを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項１８】
請求項９において、前記充填樹脂に、シリコーン系ゲルを１０±５mass％細かく均一に分散させたことを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項１９】
基板と、この基板上に固着された半導体チップと、この半導体チップ表面にワイヤボンディングで接続されたワイヤと、このワイヤボンディング部を覆う１５×１０−６／℃以下の線膨張係数を持つ被覆樹脂と、これら部品を収容するケースと、このケース内部の前記被覆樹脂の上からケース内部品全体を覆うように充填された充填樹脂を備えた半導体パワーモジュールにおいて、前記ワイヤボンディング部は、前記半導体チップの表面との接触面がほぼ円形となるボールボンド方式で接合され、前記被覆樹脂は、前記半導体チップの上面の少なくとも端部を残して前記ワイヤボンディング部を覆うように構成したことを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項２０】
請求項１９において、前記充填樹脂は、（１７〜２４）×１０−６／℃の線膨張係数を持つことを特徴とする半導体パワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、家電用あるいは産業用に広く用いられる半導体パワーモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体スイッチング素子を内蔵した半導体パワーモジュールは、スイッチング素子の発熱量の大きさを考慮し、高熱伝導性の金属基板と、高熱伝導性でかつ高電気絶縁性の材料からなる絶縁基板と、パターンが形成された電気回路とで構成されるのが一般的である。発熱量の大きな中容量から大容量の製品では、絶縁基板として、高価ではあるが、熱伝導率の高いセラミックが主として用いられている。比較的、小容量の製品では熱伝導率は小さいが安価な絶縁樹脂が用いられている。
【０００３】
特許文献１には、比較的小容量の半導体パワーモジュールの構造が開示されている。すなわち、基板上に搭載されたチップ状の回路素子の表面には、ワイヤ線が接続される。この素子の表面に、素子の熱膨張係数と近似させた低熱膨張係数の樹脂薄膜を被覆している。これらは、その後、シリコン樹脂層で封止される。これにより、冷熱サイクル時に発生する応力による、ワイヤ線の断線を防止するものである。
【０００４】
【特許文献１】特開平５−８２６７６号公報（図１、図６、全体）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、半導体チップは益々大型化し、高出力化している中で、高信頼性が要求されている。前記従来技術を比較的大型の半導体パワーモジュールに適用した場合、高い信頼性を得ることは難しい。すなわち、半導体チップの表面に接続される金属ワイヤを、約１０×１０−６／℃の低線膨張係数を持つエポキシ系被覆樹脂で補強できるものの、チップ端部及びこの端部と充填樹脂との界面の熱サイクル応力が大きく、樹脂の剥れ、ひいてはチップ破壊を招く。
【０００６】
本発明の目的は、高信頼性の半導体パワーモジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の望ましい実施形態においては、半導体チップの表面のワイヤボンディング部を１５×１０−６／℃以下の線膨張係数を持つ被覆樹脂で覆い、その上からケース内部品全体を覆うように充填樹脂で封止した半導体パワーモジュールにおいて、被覆樹脂は、半導体チップの上面の少なくとも端部を残してワイヤボンディング部を覆うように形成するとともに、充填樹脂の線膨張係数を、（１７〜２４）×１０−６／℃とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の望ましい実施形態によれば、次のいずれかを達成する半導体パワーモジュールを提供する。すなわち、（１）パワーサイクルとＴＦＴ、温度サイクルの寿命を向上し、（２）素子部を保護し、（３）モジュールの反りを抑えることができる。
【０００９】
本発明のその他の目的と特徴は、以下に述べる実施形態の説明で明らかにする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
まず、本発明の第１の実施形態は、半導体チップ上面の少なくとも端部を除いて、低熱膨張係数のエポキシ系樹脂でワイヤボンド部を被覆補強し、その上から半田に近い線膨張係数を持つエポキシ系充填樹脂で封止した構造である。これにより、（１）応力が集中するチップ上面のワイヤボンド部周辺を補強することにより、パワーサイクルとＴＦＴ、温度サイクルの寿命を向上できる。また、（２）樹脂とチップ間の界面剥離が起き易いチップ端部では、半田の線膨張係数に近く、チップや基板にも密着性に優れた充填樹脂によりチップを保護でき、かつ（３）基板モジュールの反りを抑えることができる。
【００１１】
本発明を適用する半導体パワーモジュールとして、熱拡散板の種類により、（１）比較的高価なセラミック絶縁基板方式と、（２）比較的経済的なＣｕ、Ａｌ等の熱拡散板方式とがある。
【００１２】
図１は、本発明の第１の実施形態による半導体パワーモジュールの断面図であり、上記（１）のセラミック絶縁基板方式を示す。ＭＯＳＦＥＴなどのパワー半導体チップ１を、熱拡散板としてのＡｌ２Ｏ３絶縁基板２に半田３で半田付けする。この半田付けは、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕの鉛フリー半田で、水素炉、窒素雰囲気炉又は真空炉において行う。なお、２１は、Ｃｕ／Ｎｉメッキ電極である。次に、Ｃｕ製の放熱基板であるベース基板４上に、上記半導体チップ１を半田付けしたＡｌ２Ｏ３絶縁基板２を位置決め搭載し、最高２４０℃のリフロー炉において半田７で固着する。
【００１３】
この状態で、Ａｌ線８を、超音波ボールボンド又は熱圧着を併用した超音波ボールボンド方式でボンディングする。この接続部がワイヤボンド（ＷＢ）部（接合面９）であり、電気回路６、外部接続端子１１に対する配線が行われる。
【００１４】
次に、Ｓｉ、Ａｌに対して密着力のある低線膨張係数を持つエポキシ系被覆樹脂１０を、Ａｌ線８のワイヤボンド（ＷＢ）部の個々の端子ごとにポッテイングする。このとき、接続部は隠れ、Ａｌ線８だけが現れる程度に塗布した後に硬化させる。図１において、１３は外部接続端子（信号用）、１４は制御基板、１５は半田、１６はＩＣ、１１０はケース、１１５は半田レジストである。
【００１５】
その後、ケース１１０内の部品を、半田３，７の線膨張係数に近い物性を持つエポキシ系の充填樹脂１７で封止する。
【００１６】
図２は、ワイヤボンディング部の詳細を示す断面図（Ａ）と平面図（Ｂ）である。図示するように、低線膨張係数の被覆樹脂１０を、チップ１上のＡｌ線８の接合部を覆うような厚さで、かつチップ１の端部に流れないように塗布する。これにより、ワイヤ接続界面９は、Ｓｉ、Ａｌに密着力のある被覆樹脂１０で補強される。
【００１７】
図３は、他の例のワイヤボンディング部の詳細を示す断面図（Ａ）と平面図（Ｂ）である。図示するように、チップ１の端部を除いて、塗布領域を広げたものである。すなわち、被覆樹脂１０との応力集中が起きて、界面剥離が起り易いチップ最外周領域への塗布を避け、チップ内側の素子部を包むように、複数のワイヤボンディング部に一括して、低線膨張係数の被覆樹脂１０を塗布したものである。
【００１８】
これらの実施形態においては、ワイヤボンド部を包み込むように被覆樹脂１０を塗布することで、ワイヤ接続界面９でのせん断方向の応力を小さく保つことができる。これらの被覆樹脂１０の硬化は、一時的にレーザ照射、紫外線等で瞬時にセミキュア（後処理で完全硬化しても良い）もしくはキュアして行う。この後、半田３，７に近い（２１±４）×１０−６／℃以内の線膨張係数を持ち、かつ低ヤング率で、チップ周辺部に応力負担の少ないエポキシ系充填樹脂１７で封止し、モジュールの反りをも防止した構造とする。
【００１９】
これらの被覆樹脂１０と充填樹脂１７の組合せにより、ＷＢ部の補強とともに、チップ１や基板４に対する密着性に優れ、チップ端部での被覆樹脂との応力集中による界面剥離を防止し、チップを保護することができ、十分な信頼性と寿命を確保できる。また、充填樹脂１７の線膨張係数を半田３，７の線膨張係数に近づけることが、結果的に基板４の線膨張係数にも近づけることとなる場合が多く、モジュールの反り防止にも繋がる。
【００２０】
ここで、使用する樹脂の物性について、まず、被覆樹脂１０から説明する。
【００２１】
被覆樹脂１０は、フィラーを十分入れて低膨張化し、１５×１０−６／℃以下とし、チップ１との線膨張係数を近づけ、その分、熱応力を下げることが望ましい。すなわち、被覆樹脂１０の線膨張係数を、ＡｌとＳｉとの中間の線膨張係数に選び、Ｓｉの剛性はＡｌより高いので、物性の製造限界を考慮して、１０×１０−６／℃程度にできれば理想的である。しかし、ヤング率を下げることも重要である。石英等のフィラーを入れることで、線膨張係数とヤング率を変えることができる。この場合のフィラーの形状として、Ｓｉへの応力集中が作用しないように、球状で微細とする必要がある。大きくても３０μｍ以下で、望ましくは１０μｍ以下、ベストは１μｍ以下である。
【００２２】
次に、充填樹脂１７の物性について説明する。
【００２３】
第１の実施形態は、熱拡散板として、Ａｌ２Ｏ３基板等のセラミック絶縁基板２を用いた例であるが、この方式において、半田３，７の寿命を延ばす充填樹脂１７の物性について説明する。従来のシリコーンゲル封止構造にした場合、温度サイクル、ＴＦＴ試験に対する熱疲労寿命のマージンは十分あるとは言えなかった。特に、チップの高出力、大型化に対してＡｌ２Ｏ３基板を用いた場合のＴＦＴ，温度サイクル寿命に対する限界が見えている。
【００２４】
これに対して、全体を封止する充填樹脂１７の物性として、その線膨張係数を半田３、７に合わせることによって、チップの保護を図ることができる。チップ下の半田３と、基板下の半田７のＴＦＴ、温度サイクルにおける半田の寿命向上とチップへの応力負担を考慮すると、樹脂物性を半田３、７に合わすことが望ましい。Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系半田の線膨張係数は、２１×１０−６／℃前後であり、充填樹脂１７の線膨張係数を半田３、７に合わせることは、結果的に、ベース基板４のそれに近づけることにもなる。ベース基板４の主材料となるＣｕの線膨張係数は１７×１０−６／℃程度、Ａｌは２４×１０−６／℃程度である。したがって、モジュールの反りを防止でき、かつ低ヤング率化することで寿命も確保できる。
【００２５】
充填樹脂１７の線膨張係数は、厳密に、半田３，７に合せる必要はなく、半田の線膨張係数±４×１０−６／℃以内、例えば（２１±４）×１０−６／℃以内であれば、十分な効果が期待できる。
【００２６】
次に、充填樹脂１７のフィラーとゴムの配合率について説明する。ゴムを分散する配合率が２０重量部（１６，７％に相当）以上では分散が不均一になると共に、それ自体の線膨張係数が大きく、混入後の線膨張係数が大となり、耐熱疲労性を低下させる原因となる。ゴム配合量としては、均一分散性を考慮し、１０±５mass％（５〜１５mass％）が望ましいことが判った。ゴムは、熱衝撃時の急激な温度変化に対し衝撃緩和作用がある。この作用は、パワーサイクル、ＴＦＴ、温度サイクル等の疲労劣化に最も影響のある温度が切替る瞬間に、エネルギーを局所的に吸収するものと考えられる。このように、充填樹脂１７に、シリコーン系ゲルを１０±５mass％細かく均一に分散させることが望ましい。
【００２７】
なお、熱拡散板２として、ＡｌＮ基板を用いた場合においても、特に問題となるＡｌＮ基板２とベース基板４間の半田７の寿命に関して、充填樹脂１７の選定によりＡｌ２Ｏ３基板と同様な効果が期待できる。
【００２８】
図４は、本発明の他の実施形態によるワイヤボンディング部の詳細を示す断面図（Ａ）と平面図（Ｂ）であり、個々のＡｌボールボンドのワイヤ接続界面１２ごとに被覆樹脂１０でポッテイングしたものである。
【００２９】
図５は、同じく、本発明の更に他の実施形態によるワイヤボンディング部の詳細を示す断面図（Ａ）と平面図（Ｂ）であり、Ｓｉチップ１の端部を除いて、複数のＡｌボールボンド部のワイヤ接続界面１２を一括してエポキシ系被覆樹脂１０で被覆補強したものである。
【００３０】
ボールボンドは、熱圧着と超音波を併用することで、接合強度を向上させることができる。高温でボールを形成した直後、キャピラリー先端でボールを押し当て熱圧着すれば、Ａｌ電極とＡｌ線８間の新生面が接触し、超音波により周囲の酸化膜を破壊させ、Ａｌ同志の接合を容易にさせる。ボール形成は、不活性雰囲気中で、レーザ、アーク、放電、水素炎等で瞬時に溶融させれば、切断と同時にボールを形成できる。Ａｌボールによる接合長はほぼ円形のため短く、図４に示す千鳥配置が可能であるため、高密度での配線が可能である。すなわち、接合長の短いＡｌワイヤボールボンディングにすることで、Ａｌ線とＳｉチップ間の線膨張係数の差からくるパワーサイクル試験で発生する熱応力を小さくすることができ、ワイヤ接続界面１２の面積を広くすることで接合強度を維持し、より長寿命化を可能にする。
【００３１】
以上は、（１）比較的高価なセラミック絶縁基板方式について述べたが、次に、（２）比較的経済的なＣｕ、Ａｌ等の熱拡散板方式について説明する。
【００３２】
図６は、本発明の第２の実施形態による低コストの樹脂絶縁金属基板方式を示す断面モデルである。図中、図１と等価な構成物には同一符号を付けて重複説明は避ける。Ｃｕ又はＡｌ製のベース基板４の上面に樹脂絶縁層５が接着されている。チップ下にＣｕ製の熱拡散板２２を用いた場合、適正な物性を有するエポキシ系充填樹脂１７を用いて封止することで、半田３，７の寿命を大幅に延ばすことができる。ＣｕとＳｉとは線膨張係数の差が大きいため、Ｓｉチップへの応力的負担は大である。このため、樹脂構造での大型チップでは樹脂とチップ間で大きな応力が発生し、厳しい条件での使用に限界がある。
【００３３】
そこで、熱伝導率はＡｌと同等以上で、線膨張係数がＡｌ２Ｏ３基板並みの金属熱拡散板２２を用い、チップ１と熱拡散板２２間の半田３のせん断歪み及び熱拡散板２２とベース基板４間の半田７のせん断歪みを小さくし、Ｓｉチップへの応力的負担を軽減する。熱拡散板２２の厚さは、熱拡散効果を考慮して１〜２ｍｍ程度である。このため、充填樹脂１７で全体を封止しても、各部への応力的負担が小さい、理想的な構造となる。
【００３４】
Ｃｕの熱拡散板での応力的な弱点をカバーするため、Ａｌ２Ｏ３基板レベルまでは線膨張係数を下げられないが、線膨張係数が９〜１２×１０−６／℃程度であれば、熱伝導率を下げない低コスト材料として、Ｃｕ−Ｃｕ２ＯのＬ−ＣＯＰ（日立電線）、Ｃｕ−Ｍｏ(アライドマテリアル）等も可能である。
【００３５】
半田３，７の寿命を向上させるには、熱拡散板２２の線張係数を６×10-6/℃位にするのが良く、その下限として、４.５×１０−６／℃以上が必要である。従って、応力的に理想的な熱拡散板の線膨張係数としては（４.５〜７）×１０−６／℃である。
【００３６】
更に、樹脂特有の問題として、ガラス転移温度Ｔｇがあり、信頼性に大きく影響を及ぼす。一般に、Ｔｇの低い樹脂は作業性に優れることから、使い勝手性に優れるが、Ｔｇ温度以上では線膨張係数が約３倍に急上昇するので、信頼性試験結果で裏切られるケースが多い。したがって、使用環境条件、加速試験等はＴｇ温度以下であることが高信頼性確保の必要条件である。厳しいパワーサイクル試験を考慮すると、最低でもＴｇは１５０℃以上が必要で、１７０℃位のＴｇであることが望ましい。これにより厳しい環境条件、熱処理等の高温での熱影響によるダメージを最小限に抑え、高信頼性を確保できる。
【００３７】
図７は、樹脂構造パワーモジュールの設計指針を得るための封止用樹脂物性と信頼性を示す線膨張係数対チップ応力と半田歪のグラフである。図７（Ａ）のグラフ中に示す断面モデル構造で、パワーサイクル試験における半導体チップ端部Ｂの相当応力、半田のクラック起点ａの相当歪の有限要素法による３次元弾塑性解析を行った。温度プロファイルは、実績のある１２０℃→２０℃→１２０℃→２０℃の変化で、１．５サイクルの温度変化で発生した半導体チップ端部ｂの相当応力振幅及び半田のクラック起点Ａでの相当歪振幅を求めた。なお、半導体チップ表面に作用する応力として、相当応力の他に主応力、σｘ、σｙ、σｚ等での評価も行ったが、ほぼ相当応力に比例していることから、ここでは相当応力で評価した。
【００３８】
図７（Ａ）から、同一ヤング率の場合、ヤング率が低い１５ＧＰａ以下では、樹脂の線膨張係数が（１０〜３０）×１０−６／℃の広い範囲で、樹脂の線膨張係数がＡｌ線（２４×１０−６／℃）より若干高いレベル（２８×１０−６／℃）で最小になる傾向がある。ヤング率が約２０ＧＰａを超える(ここでは曲線は省略)とチップ表面部にかかる相当応力は急激に上昇する傾向がある。しかし、相当応力の最小値は樹脂の線膨張係数が低い方向にシフトし、樹脂の線膨張係数が低いほど相当応力は下がる傾向を示すが、その変化は小さく余り変わらない。すなわち、ヤング率が約２０ＧＰａを超えると、樹脂の線膨張係数が（１０〜３０）×１０−６／℃の範囲ではチップにかかる相当応力は余り変わらないことを意味する。他方、モジュールの反りを考慮する必要がある。従って、バランスから最適な樹脂設計として以下の見方ができる。
【００３９】
（１）低熱膨張エポキシ被覆樹脂１０でワイヤボンド部及びその周囲を補強することによるパワーサイクル寿命の向上。
【００４０】
（２）Ａｌベース基板４の場合、充填樹脂１７をＡｌの線膨張係数２４×１０−６／℃に近づけ、ヤング率を１５ＧＰa以下とする。これにより、モジュールの反りを防止し、チップ下半田３及び熱拡散板下半田７のＴＦＴ、温度サイクル寿命を向上させる。
【００４１】
（３）Ｃｕベース基板４の場合、充填樹脂１７をＣｕの線膨張係数１７×１０−６／℃に近づけ、ヤング率を１５ＧＰa以下とする。これにより、モジュールの反りを防止し、チップ下半田３及び熱拡散板下半田７の寿命を向上させることができる。
【００４２】
充填樹脂１７の室温におけるヤング率を低く抑え、チップ端部、表面部にかかる相当応力を下げることがポイントになる。ヤング率の低い樹脂を用いることは、チップ端部、Ａｌ導体部、Ｓｉ界面等の破壊を防止する上での効果は大きい。図７（Ｂ）から、同一ヤング率の場合、充填樹脂１７のヤング率が高い程、半田のクラック起点ａの相当歪は小さくなり、かつ充填樹脂１７の線膨張係数が下がる程、相当歪は小さくなることが判る。しかも、破線のシリコーンゲル封止構造と比べると、樹脂の線膨張係数が（１０〜３０）×１０−６／℃の広い範囲で、半田の相当歪は低い値を示し、半田の寿命はシリコーンゲル封止構造より長いことを意味している。実際のパワーサイクル加速試験でも、この樹脂構造では、Ａｌ線のワイヤボンド部が剥離しても、半田に起因する寿命低下は生じていないことを確認した。これは、充填樹脂１７により半田３の応力集中を緩和する作用と考えられ、有限要素法解析でも確認できた。
【００４３】
図８は、樹脂物性と信頼性を示す線膨張係数に対するチップ応力と半田歪の関係である。横軸に樹脂の線膨張係数をとり、縦軸に半田のクラック起点ａの相当歪(左)と半導体チップ表面素子端部Ｂに作用する相当応力(右)をプロットしたものである。破線はシリコーンゲルで全体を被覆した場合の半田のクラック起点の相当歪である。充填樹脂１７の線膨張係数が（１０〜３０）×１０−６／℃の範囲（窓枠部）で、本実施形態の樹脂被覆構造は、シリコーンゲルで全体を被覆した構造よりも、半田３のクラック起点Ａでの相当歪は小さい。従って、本実施形態の物性を有する充填樹脂１７を用いると、シリコーンゲル封止構造に比べ、半田の歪は小さいことから、半田による断線はより少なくなる。また、半導体チップ端部Ｂの相当応力σも領域（窓枠部）にあり、素子部の破壊、界面での剥離等が起こり難いことから、良好な結果が得られた。
【００４４】
図９は、樹脂のヤング率と樹脂による拘束の関係を示す解析結果のグラフである。樹脂のヤング率を変えた場合に、半導体チップ１（１０×０．５ｍｍ厚さ）とＡｌ２Ｏ３基板２（１０×１ｍｍ厚さ）間に充填樹脂１７を入れ、１５０℃から−５５℃変化させた。このとき、最外周部の両者の相対変位（ΔＬ）を２次元熱弾塑性解析で求め縦軸に示した。充填樹脂１７の線膨張係数は２５×１０−６／℃として計算した。図９より、変位を拘束する充填樹脂１７のヤング率は少なくとも１ＧＰａ以上であることが分かる。更に、チップを拘束する効果が確実に現われる充填樹脂１７のヤング率は３ＧＰａ以上である。１５ＧＰａ以上では変位は余り変わらないが、Ｓｉチップ１の界面に作用する応力が大きくなり、チップ素子部への影響、チップ界面剥離、素子部の破壊、チップ割れ等を起こしやすくなる。このため、弱い半導体チップ表面を保護する意味からも、ヤング率の高い樹脂は問題である。また、製品のばらつきにより、弱い強度を有する場合もあり、それでも高歩留まりで高信頼性を確保するにはヤング率を下げることが重要である。有限要素法による３次元弾塑性解析でも物性による違いを確認できた。
【００４５】
以上の検討をまとめ、半導体パワーモジュールの反りを押さえ、素子への影響を考慮し、高信頼性を得るための充填樹脂１７の物性を整理すると次の通りである。
【００４６】
（１）線膨張係数：（１７〜２４）×１０−６／℃。
【００４７】
（２）ヤング率：１〜１５ＧＰａ（望ましくは３〜１２ＧＰａ）。
【００４８】
（３）ガラス転移温度Ｔｇ：１５０℃以上。望ましくは１７０℃以上。
【００４９】
（４）半導体チップ、基板に対する密着性に優れること。
【００５０】
（５）シリコーンゲル等の高温で安定な微粒子ゴムを分散させて熱衝撃を緩和する。
【００５１】
（６）不純物濃度：Ｎａ＋，Ｋ＋≦１ｐｐｍ、Ｃｌ−≦５ｐｐｍ。
【００５２】
これらを管理することで、半導体パワーモジュールにおける高信頼実装を実現することが可能である。
【００５３】
次に、本モジュールにおける高周波ノイズ対策、電磁遮蔽機能を付加した構造について説明する。
【００５４】
図１０は、本発明の第３の実施形態による半導体パワーモジュールの断面図であり、フェライト層（板）１１６を取り付けた例を示す。図中、図１，６と等価な構成物には同一符号を付けて重複説明は避ける。チップ上部及びその周辺をフェライト層(板)取り付けることで、高周波ノイズ対策として効果があり、かつ応力的負担のない位置に電磁的遮断効果を持たせた構造とした。エポキシ系充填樹脂１７の上面にフェライト板又はフェライト層１１６を設けたものである。
【００５５】
図１１は、本発明の第４の実施形態による半導体パワーモジュールの断面図であり、フェライト層（板）１１６を取り付けた他の例を示す。図中、図１，６と等価な構成物には同一符号を付けて重複説明は避ける。エポキシ系充填樹脂１７の内部にチップ１を囲うようにフェライト遮蔽板１１６を設けたものである。このフェライト板又はフェライト層１１６は、応力的には影響のない場所にあるので、フェライト粉末を耐熱性のある接着剤で固着した板でも良く、あるいは封止用樹脂のフィラー材として混合しても可能である。この場合、低熱膨張の石英フィラーとは異なるので、強度面、低膨張化で劣るフェライトフィラーは密着力、強度には影響しない場所での使用が可能である。フェライト粉末として一例として、ＮｉＦｅ２Ｏ４・ＺｎＦｅ２Ｏ４があるが、これに限定されるものではない。
【００５６】
図１２は、本発明の第５の実施形態による半導体パワーモジュールの作製工程を示す断面図である。同図（Ａ）はトランスファモールド方式で作製する工程を示し、この場合はフェライト板１１６を上面の金型１１７の離型剤が施された裏面に固定して作製した場合の断面を示す一例である。上下の金型１１７、１１８は、ヒータを埋め込んだ上下のプラテンで固定され、充填樹脂１７は、樹脂注入口１１９から注入される。１２０は樹脂流出口である。
【００５７】
図１２（Ｂ）は、金型１１７、１１８を取り外した半導体パワーモジュールの断面を示す。モールドした充填樹脂１７は、ベース基板４から剥がれ難いように、Ｃｕ製ベース基板４の端部を加工している。その外は、図１０と同一の構造である。
【００５８】
以下、これまで述べた各実施形態の各要素について機能面を中心に、性能、生産性、コスト等からの制約条件下での検討結果を説明する。
【００５９】
まず、ベース基板４は、内部の熱の拡がりによる熱抵抗の低減が十分に得られるように、１〜３ｍｍの厚さにする。また、Ｃｕに微量元素添加したものを使用することで、高温での変形が少なく反り低減化が可能である。半導体電力変換装置内において、ベース基板４は比較的大きな体積を有するので、軽量のＡｌを選択する利点は大きい。
【００６０】
次に、熱拡散板２，２２は、軽量化を重視する場合はＡｌもしくはＡｌ合金もしくはＡｌ−カーボン複合材を選択し、放熱性、小型高性能を考慮する場合はＣｕもしくはＣｕ合金もしくはＣｕ−カーボン複合材を選択する。
【００６１】
ワイヤボンド部を補強する低熱膨張係数の被覆樹脂１０は、線膨張係数が１０×１０−６／℃レベルで、半導体チップ１の端部を除いて、局所的にワイヤボンド部を包み込み、そのクラック進展を阻止する。
【００６２】
また、封止用の充填樹脂１７は、半田の線膨張係数、例えば、２１×１０−６／℃に対して、±４×１０−６／℃以内に近づけた値とし、言い換えれば、（１７〜２４）×１０−６／℃で、ＣｕとＡｌの線膨張係数値の範囲とする。
【００６３】
これらの組合せによって、ＴＦＴ，温度サイクルでの半田の熱疲労寿命向上を可能にした。すなわち、低線膨張係数を持つ被覆樹脂１０で、チップ１の端面を除いて局所的にワイヤボンド部のクラック進展を阻止しパワーサイクル寿命向上を可能にするとともに、半田３，７に近い線膨張係数を持つ（望ましくは低ヤング率の）充填樹脂１７で全体を封止する。
【００６４】
以上の構造でパワーサイクル試験を行った結果、ジャンクション温度Ｔｊ：５０〜１５０℃では、１００００サイクルでも破壊せず、半田のクラック進展は殆ど認められなかった。
【００６５】
このように、ＡｌやＣｕ製のベース基板と組合せた実施形態によれば、低コストで、信頼性に富み、長寿命の半導体パワーモジュールを提供することができる。
【００６６】
以上の実施形態によれば、汎用のＡｌ２Ｏ３基板、ＡｌＮ基板に対して、また低コストのＣｕやＡｌ製の熱拡散板方式に対して、パワーサイクルとＴＦＴ、温度サイクルの寿命を同時に向上させ、かつ素子部の保護とモジュールの反りを抑えた半導体パワーモジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の第１の実施形態による半導体パワーモジュールの断面図。
【図２】図１の要部のワイヤボンディング部の拡大断面図（Ａ）と平面図（Ｂ）。
【図３】図２の他の例を示すワイヤボンディング部の拡大断面図（Ａ）と平面図（Ｂ）。
【図４】本発明の他の実施形態によるワイヤボンディング部の詳細を示す断面図（Ａ）と平面図（Ｂ）。
【図５】本発明の更に他の実施形態によるワイヤボンディング部の詳細を示す断面図（Ａ）と平面図（Ｂ）。
【図６】本発明の第２の実施形態による半導体パワーモジュールの断面図。
【図７】樹脂の線膨張係数に対するチップ応力及び半田歪の関係グラフ。
【図８】同一樹脂系での線膨張係数と半田歪の関係グラフ。
【図９】充填樹脂のヤング率と端部の変位の関係グラフ。
【図１０】本発明の第３の実施形態による半導体パワーモジュールの断面図。
【図１１】本発明の第４の実施形態による半導体パワーモジュールの断面図。
【図１２】本発明の第５の実施形態による半導体パワーモジュールとその製法を示す断面図。
【符号の説明】
【００６８】
１…半導体チップ、２，２２…熱拡散板（セラミック絶縁基板又はＣｕ等の熱拡散板）、３…チップ下の半田、４…ベース基板（Ｃｕ，Ａｌ等の放熱基板）、５…樹脂絶縁層、６…電気回路（Ｃｕ箔導体）、７…基板下の半田、８…金属細線（Ａｌ線）、９…ワイヤボンド部のＡｌ線接合界面、１０…局所ポッテイング用のエポキシ系の被覆樹脂、１１…外部接続端子、１２…ボールボンド部のワイヤ接続界面、１３…外部接続端子（信号用）、１４…制御基板、１５…半田、１６…ＩＣ、１７…エポキシ系の充填樹脂、１１０…ケース、１１６…フェライト、１１７，１１８…金型、１１９…樹脂注入口、１２０…樹脂流出口。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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