(57)【要約】      （修正有）【課題】半導体装置の耐湿性の低下を抑えつつ、耐熱性の向上を図る構造体を提供する。【解決手段】半導体装置は、ヒートスプレッダ３上に搭載された半導体素子１ａ，１ｂと、当該半導体素子１ａ，１ｂに接続するリードフレーム５ａ，５ｂと、それらを保持して筐体を形成するモールド樹脂６とを備える。半導体素子１ａ，１ｂの上方および側面は、当該半導体素子１ａ，１ｂとモールド樹脂６との間に形成された有機薄膜８によって覆われる。【選択図】図１
2012004282.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒートスプレッダ上に搭載された半導体素子と、
前記半導体素子に電気的に接続されたリードフレームと、
前記半導体素子、前記ヒートスプレッダおよび前記リードフレームを保持して筐体を形成するモールド樹脂と、
前記半導体素子と前記モールド樹脂との間に介在する有機薄膜とを備え、
前記半導体素子の上方および側面が前記有機薄膜によって覆われている
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記ヒートスプレッダの下面は、前記モールド樹脂から露出し、絶縁シートが貼り付けられている
請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記ヒートスプレッダの下面は、前記モールド樹脂から露出し、
前記有機薄膜は、前記ヒートスプレッダの下面をも覆っている
請求項１記載の半導体装置。
【請求項４】
上側の第１ヒートスプレッダと下側の第２ヒートスプレッダとの間に配設された半導体素子と、
前記半導体素子に電気的に接続されたリードフレームと、
前記半導体素子、前記第１および第２ヒートスプレッダ並びに前記リードフレームを保持して筐体を形成するモールド樹脂と、
前記半導体素子と前記モールド樹脂との間に介在する有機薄膜とを備え、
前記半導体素子の側面が前記有機薄膜によって覆われている
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
前記第１ヒートスプレッダの上面および前記第２ヒートスプレッダの下面は、前記モールド樹脂から露出し、絶縁シートが貼り付けられている
の下面をも覆っている
請求項４記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第１ヒートスプレッダの上面および前記第２ヒートスプレッダの下面は、前記モールド樹脂から露出し、
前記有機薄膜は、前記第１ヒートスプレッダの上面および前記第２ヒートスプレッダの下面をも覆っている
請求項４記載の半導体装置。
【請求項７】
半導体素子と、
前記半導体素子を搭載した支持基板と、
前記半導体素子に配線を介して電気的に接続された端子部を有し、前記半導体装置および前記支持基板を収納する樹脂ケースと、
前記半導体素子の表面に形成された有機薄膜とを備え、
前記支持基板は、前記樹脂ケースの底に設けられた放熱板の上に載置され、
前記半導体素子の上方および側面が前記有機薄膜によって覆われている
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
前記樹脂ケース内には樹脂が充填されていない
請求項７記載の半導体装置。
【請求項９】
前記半導体素子は、炭化珪素半導体素子である
請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の半導体装置。
【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ものであり、特に、高温下での動作が想定される電力用の半導体装置の構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電力用半導体装置（パワー半導体装置）のパッケージ構造としては、パワー半導体素子および接続部材（リードフレームやワイヤ等）をモールド樹脂で封止した構造（モールド型）や、パワー半導体素子および接続部材を樹脂が充填された樹脂ケース内に収納した構造（ケース型）が、多く採用されている（例えば下記の特許文献１〜３）。
【０００３】
また半導体素子の表面にポリイミドやパリレン（パラキシレン）等のコーティングを施す技術も知られている（例えば下記の特許文献４〜８）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−２１３８７８号公報
【特許文献２】特開２００４−１６５２８１号公報
【特許文献３】特開２００２−３２４８１６号公報
【特許文献４】特開昭５９−７６４５１号公報
【特許文献５】特開平６−２１６１８３号公報
【特許文献６】特開平９−２４６３０７号公報
【特許文献７】特開昭６１−１１１５６９号公報
【特許文献８】特開２００８−１４１０５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般に、半導体素子および接続部材を封止する樹脂は、絶縁性・耐圧性・放熱性・耐熱性・耐湿性・熱応力（熱に起因して生じる応力の大きさ）・機械物性（機械的強度）・接着性・流動性（気泡の発生し難さ）などの特性に優れていることが望ましい。しかしそれらの特性は相反するものもあるため、実際には、製品の仕様に合わせて採用する樹脂の種類や物性が調整されている。
【０００６】
例えば自動車において、車の室内空間を広くするためにエンジンルームを小さくしたい要求があるため、エンジンルームに設置するパワー半導体装置には、小型、高出力、高効率（低ロス）が求められる。一方、エンジンルームが小さくなると、パワー半導体装置の排熱の問題が生じる。そのため車載のパワー半導体装置では、さらに、高い耐熱性の要求もある。
【０００７】
よって、例えば炭化珪素（ＳｉＣ）半導体素子など、高温動作が可能な半導体素子の活用が期待されるが、そのためには封止樹脂の耐熱性（一般的なモールド樹脂であるエポキシ樹脂の場合、ガラス転移温度は約１８０℃）を上げる必要がある。しかしモールド型の半導体装置では、モールド樹脂の耐熱性を上げると、耐湿性の低下やモールド成形性の低下等の問題が生じる。またケース型の半導体装置を高温下で使用する場合、樹脂ケース内に充填された樹脂に生じた応力によって、樹脂ケース内の部材（ワイヤ等）が破壊する可能性がある。これらの問題は、半導体装置の耐熱性向上の妨げとなっている。
【０００８】
本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、耐湿性の低下を抑えつつ耐熱性を向上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】
【０００９】
本発明に係る半導体装置は、ヒートスプレッダ上に搭載された半導体素子と、前記半導体素子に電気的に接続されたリードフレームと、前記半導体素子、前記ヒートスプレッダおよび前記リードフレームを保持して筐体を形成するモールド樹脂と、前記半導体素子と前記モールド樹脂との間に介在する有機薄膜とを備え、前記半導体素子の上方および側面が前記有機薄膜によって覆われているものである。
【発明の効果】
【００１０】
一般に、モールド樹脂の耐熱性を向上させるとその耐湿性が低下する傾向にある。本発明の半導体装置では、半導体素子とモールド樹脂との間に耐湿性に優れた有機薄膜が形成されており、モールド樹脂にはそれほど高い耐湿性は要求されないので、耐熱性の高いモールド樹脂を使用できる。また半導体素子の上方および側面が有機薄膜によって覆われているので、半導体素子で発生した熱は下方のヒートスプレッダへと効率よく放熱される。よって半導体装置の体質性を確保しつつ、耐熱性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態１に係る半導体装置の構成を示す断面図である。
【図２】本発明に係る半導体装置の有機薄膜の形成方法を示す図である。
【図３】実施の形態２に係る半導体装置の構成を示す断面図である。
【図４】実施の形態３に係る半導体装置の構成を示す断面図である。
【図５】実施の形態４に係る半導体装置の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
＜実施の形態１＞
図１は、実施の形態１に係る半導体装置の構成を示す断面図である。同図の如く、当該半導体装置は、パワー半導体素子である半導体素子１ａ，１ｂと、当該半導体素子１ａ，１ｂが搭載されるヒートスプレッダ３と、半導体素子１ａ，１ｂに電気的に接続するリードフレーム５ａ，５ｂとが、筐体となるモールド樹脂６に保持されて成るモールド型のモジュールである。
【００１３】
図１においては、２つの半導体素子１ａ，１ｂと２つのリードフレーム５ａ，５ｂとが示されているが、リードフレーム５ａはワイヤ４を介して半導体素子１ａに接続されており、リードフレーム５ｂは半田２を用いて半導体素子１ａ，１ｂの両方に接合されている。ヒートスプレッダ３は熱導電率の高い金属等で形成されており、半導体素子１ａ，１ｂは半田２を用いてヒートスプレッダ３の上面に接合されている。ヒートスプレッダ３の下面は、モールド樹脂６から露出しており、絶縁樹脂層７１と熱伝導率の高い金属層７２とから成る絶縁シート７が貼り付けられている。
【００１４】
また、モールド樹脂６が保持する各部材（半導体素子１ａ，１ｂ、半田２、ヒートスプレッダ３、ワイヤ４、リードフレーム５ａ，５ｂ）と当該モールド樹脂６との間に、有機薄膜８が形成されている。半導体素子１ａ，１ｂの上方と側面は有機薄膜８によって完全に覆われている。一方、半導体素子１ａ，１ｂの下方（ヒートスプレッダ３側）には、有機薄膜８は形成されていない。
【００１５】
本実施の形態では、有機薄膜８としてパラキシレン系ポリマーを用い、モールド樹脂６としては一般的なエポキシ樹脂を用いている。パラキシレン系ポリマー（パリレン）は、耐熱性が２５０℃〜３５０℃と高い上、熱伝導率はエポキシ樹脂（代表値０．２Ｗ／ｍ／ｋ）の５０％以下であり高い断熱性を有している。さらにポリマー状態では、多数のベンゼン環と架橋構造を有するため、耐湿性にも優れている。一方、エポキシ樹脂は、耐熱性および機械的強度を高くすると耐湿性が低下する傾向にある。
【００１６】
図１の構造によれば、半導体素子１ａ，１ｂ、半田２、ヒートスプレッダ３、ワイヤ４、リードフレーム５ａ，５ｂの表面が耐湿性に優れた有機薄膜８で覆われているため、モールド樹脂６にはそれほど高い耐湿性は要求されない。従ってモールド樹脂６として、耐熱性および機械的強度を高くした（耐湿性は低い）エポキシ樹脂を採用することが可能になる。
【００１７】
さらに、半導体素子１ａ，１ｂの上方および側方は、モールド樹脂６との間に断熱性の高い有機薄膜８が介在しているため、半導体素子１ａ，１ｂで発生した熱は、モールド樹脂６へ伝わるのが抑えられ、効率良くヒートスプレッダ３へと放熱される。よって半導体装置全体としての耐熱性の向上にも寄与できる。
【００１８】
このように本発明によれば、半導体装置の耐湿性を確保しつつ耐熱性を向上できるので、半導体装置を使用可能な環境温度の上限を高くでき、高温環境（例えば１８０℃以上）においても高い信頼性が得られる半導体装置を実現できる。特に、半導体素子１ａ，１ｂとして、高温動作が可能な炭化珪素（ＳｉＣ）半導体素子を用いる場合に有効である。
【００１９】
また、半導体素子１ａ，１ｂがパワートランジスタの場合、その上面（能動面）にはエミッタ電極、下面にはコレクタ電極が配設され、その間に最も高い電圧が加わる。パラキシレン系ポリマーの有機薄膜８は絶縁性にも優れているため、有機薄膜８が半導体素子１ａ，１ｂの側面に均一に形成されることで、エミッタ電極とコレクタ電極との間の絶縁性が向上する効果も得られる。
【００２０】
図２は、有機薄膜８の形成方法を説明するための図である。半導体素子１ａ，１ｂ、ヒートスプレッダ３およびリードフレーム５ａ，５ｂを、半田２およびワイヤ４を用いて接合した後、それらを常温の状態で、上治具２１、下治具２２で構成される容器内に設置する。そして当該容器内に、ガス化したパラキシレン系モノマーを流し込む。
【００２１】
パラキシレン系モノマーのガスが常温物に接触すると、その表面でパラキシレン系モノマーの重合が進み、パラキシレン系ポリマーが均一に形成される。これにより、容器内の半導体素子１ａ，１ｂ、半田２、ヒートスプレッダ３、ワイヤ４およびリードフレーム５ａ，５ｂの表面に、パラキシレン系ポリマーの有機薄膜８が均一に形成される。
【００２２】
形成する有機薄膜８の厚さは、５〜１０μｍが適切である。厚くすると耐湿性および耐圧性を高くできるが、厚すぎると有機薄膜８と各部材との膨張係数の差によって生じる応力が大きくなる可能性があるからである。
【００２３】
なお、本実施の形態では、後の工程でヒートスプレッダ３の下面に絶縁シート７を貼り付けるので、ヒートスプレッダ３の下面は下治具２２に密着させ、その部分に有機薄膜８が形成されないようにする。
【００２４】
このように有機材料のガスを用いて有機薄膜８を形成する手法をとれば、物体が複雑な形状でもその表面に均一な有機薄膜８を形成できる。よって半導体素子１ａ，１ｂの上面とリードフレーム５ｂとの間や、細いワイヤ４の表面においても、均一な有機薄膜８を形成することができる。また、有機薄膜８の成長（堆積）厚さをミクロンオーダーで制御でき、有機薄膜８の厚さに起因する絶縁性と熱応力など、互いにトレードオフな特性の調整を容易かつ高精度に行うことができる。
【００２５】
＜実施の形態２＞
図３は、実施の形態２に係る半導体装置の構成を示す断面図である。当該半導体装置は、図１の構成に対し、半導体素子１ａ，１ｂの上面側にもヒートスプレッダを設けたものである。ここではリードフレーム５ｂの一部を厚くしてヒートスプレッダ９として機能させている。即ち半導体素子１ａ，１ｂは、上側のヒートスプレッダ９と下側のヒートスプレッダ３とに挟まれるように配設されている。リードフレーム５ｂの一部であるヒートスプレッダ９の上面は、モールド樹脂６から露出しており、絶縁シート７が貼り付けられている。
【００２６】
本実施の形態でも、モールド樹脂６が保持する各部材（半導体素子１ａ，１ｂ、半田２、ヒートスプレッダ３、ワイヤ４、リードフレーム５ａ，５ｂ）と当該モールド樹脂６との間に、有機薄膜８が形成されている。半導体素子１ａ，１ｂの側面は実施の形態１と同様に有機薄膜８で完全に覆われるが、半導体素子１ａ，１ｂの上方はヒートスプレッダ９が配設されているため、一部（モールド樹脂６に臨む部分）を除いて有機薄膜８には覆われない。また実施の形態１と同様に、半導体素子１ａ，１ｂの下方（ヒートスプレッダ３側）にも、有機薄膜８は形成されない。
【００２７】
本実施の形態では、半導体装置の上面側、下面側のそれぞれにヒートスプレッダ９，３が設けられるため、より高い放熱性を得ることができる。また半導体素子１ａ，１ｂの側方は、モールド樹脂６との間に断熱性の高い有機薄膜８が介在しているため、半導体素子１ａ，１ｂで発生した熱は、モールド樹脂６へ伝わるのが抑えられ、効率良くヒートスプレッダ３，９へと放熱される。
【００２８】
ところで、半導体素子１ａ，１ｂとヒートスプレッダ３との間隔、および半導体素子１ａ，１ｂとヒートスプレッダ９（リードフレーム５ｂ）との間隔（すなわちそれらの間の半田２の厚さ）は、それぞれ数百μｍ程度である。特に、図３の如く半導体素子１ａ，１ｂの上下にヒートスプレッダ９，３が設けられた構成では、冷却性の面では半田２の厚さは薄い方が有利である。しかしそれが薄くなると、リードフレーム５ｂとヒートスプレッダ３との間（エミッタ電極とコレクタ電極との間）の空間が狭くなり、その部分のモールド樹脂６にボイドが発生しやすくなるので、絶縁性の面で不利に働く。
【００２９】
実施の形態１と同様に、有機材料のガスを用いる手法で有機薄膜８を形成すれば、そのような狭い空間にも絶縁性の高い有機薄膜８を均一に形成することができるので、仮にボイドが発生してもリードフレーム５ｂとヒートスプレッダ３の間の絶縁性の劣化を抑えることができる。つまり有機材料のガスを用いる手法で有機薄膜８を形成することにより、半導体装置の絶縁性の劣化を防止しつつ、半田２を薄くして放熱性能を高めることができる。
【００３０】
＜実施の形態３＞
図４は、実施の形態３に係る半導体装置の構成を示す断面図である。本実施の形態では、モールド樹脂６から露出したヒートスプレッダ３の下面にも有機薄膜８を形成している。有機薄膜８は優れた絶縁性を有しているため、ヒートスプレッダ３の下面に絶縁シート７を貼り付ける必要がなくなり、製造コストを低減することができる。
【００３１】
なお、ヒートスプレッダ３の下面に有機薄膜８を形成するためには、図２で説明した有機薄膜８の形成手法において、ヒートスプレッダ３を下治具２２から浮かせた状態で有機材料のガスを容器内に流し込めばよい。
【００３２】
また本実施の形態は、実施の形態２に対しても適用可能である。即ち、図３の構成において、ヒートスプレッダ３の下面とヒートスプレッダ９の上面に有機薄膜８を形成してもよい。この場合、ヒートスプレッダ９の絶縁シート７も省略できる。
【００３３】
＜実施の形態４＞
実施の形態１〜３では、モールド型の半導体装置の例を示したが、本発明はケース型の半導体装置に対しても適用可能である。ここでは本発明をケース型の半導体装置に適用した例を示す。
【００３４】
図５は、実施の形態４に係る半導体装置の構成を示す断面図である。半導体素子１ａ，１ｂは、半田２を介してメタライズド絶縁基板１０（支持基板）上に固定される。これら半導体素子１ａ，１ｂおよびメタライズド絶縁基板１０は、樹脂ケース１２内に収納される。端子部１３ａ，１３ｂは、その底部に放熱板１１を有しており、メタライズド絶縁基板１０はその上に半田２を用いて固定される。
【００３５】
また樹脂ケース１２は、端子部１３ａ，１３ｂを有しており、図５の例では、半導体素子１ａは端子部１３ａにワイヤ４を介して接続され、半導体素子１ｂは端子部１３ｂにワイヤ４を介して接続されている。また半導体素子１ａ，１ｂ間もワイヤ４を介して接続されている。
【００３６】
本実施の形態では、半導体素子１ａ，１ｂを搭載したメタライズド絶縁基板１０を樹脂ケース１２内の放熱板１１上に固定し、ワイヤ４による配線を行った後、樹脂ケース１２の内部に有機薄膜８を形成する。有機薄膜８の形成手法は、実施の形態１と同様に、有機材料のガスを用いる方法（図２）でよい。
【００３７】
本実施の形態では、樹脂ケース１２内に収納される各部材（半導体素子１ａ，１ｂ、半田２、ワイヤ４、メタライズド絶縁基板１０）および樹脂ケース１２の内面（端子部１３ｂ並びに放熱板１１を含む）の表面に有機薄膜８を形成している。ここでも有機薄膜８の厚さは５〜１０μｍ程度が適切である。半導体素子１ａ，１ｂの周囲の有機薄膜８に注目すると、半導体素子１ａ，１ｂの上方と側面は有機薄膜８によって完全に覆われている。一方、半導体素子１ａ，１ｂの下方（メタライズド絶縁基板１０側）には形成されない。
【００３８】
耐湿性および耐圧性を向上させるため、有機薄膜８の形成後、樹脂ケース１２内に従来と同様にシリコンゲル等の樹脂を充填して蓋１４で封止してもよい。但し、本実施の形態では、樹脂ケース１２内に収納される各部材の表面に、耐熱性および耐湿性に優れた有機薄膜８が形成されているため、樹脂の充填を省略することもできる（樹脂ケース１２内には空気が封止される）。
【００３９】
本実施の形態では、樹脂ケース１２内に収納される各部材の表面を覆う有機薄膜８はごく薄い（５〜１０μｍ程度）ので、有機薄膜８と各部材の熱膨張係数の差によって生じる応力が大きくなることは防止されている。
【００４０】
さらに、半導体素子１ａ，１ｂの上方および側方は、側面に断熱性の高い有機薄膜８によって覆われているため、半導体素子１ａ，１ｂで発生した熱がモールド樹脂６へ伝わるのが抑えられ、効率良くヒートスプレッダ３へと放熱される。よって半導体装置全体としての耐熱性の向上にも寄与できる。
【００４１】
また従来のケース型の半導体装置では、樹脂ケース内部にシリコンゲルなどの樹脂を充填するのが通常であったが、本実施の形態ではそれを省略することができる。樹脂の充填を省略すれば、製造コストが低減されるのはもちろん、半導体装置を高温下で使用したときに樹脂で発生する応力によって樹脂ケース１２内の部材（ワイヤ４等）が破損するという問題も生じない。よって半導体装置の温度サイクル寿命の長期化にも寄与できる。
【符号の説明】
【００４２】
１ａ，１ｂ  半導体素子、２  半田、３  ヒートスプレッダ、４  ワイヤ、５ａ，５ｂ  リードフレーム、６  モールド樹脂、７  絶縁シート、７１  絶縁樹脂層、７２  金属層、８  有機薄膜、１０  メタライズド絶縁基板、９  ヒートスプレッダ、１１  放熱板、１２  樹脂ケース、１３ａ，１３ｂ  端子部、１４  蓋、２１  上治具、２２  下治具。
【図１】
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【図２】
2012004282.tif 000004
【図３】
2012004282.tif 000005
【図４】
2012004282.tif 000006
【図５】
2012004282.tif 000007