(57)【要約】【課題】放熱板に半導体素子が実装された半導体装置において、半導体素子と半導体素子及び放熱板を封止する封止樹脂との密着性を確保するとともに、封止樹脂により封止された半導体装置の逆反りを低減することを目的とする。【解決手段】銅を主成分とする金属または銅からなる放熱板３の一方の面に半導体素子１が実装され、半導体素子１が封止樹脂８で樹脂封止され、封止樹脂８は、第１の封止樹脂８ａと、第１の封止樹脂８ａよりも大きな熱膨張係数を有する第２の封止樹脂８ｂとを含み、第１の封止樹脂８ａは半導体素子１を覆うように形成され、第２の封止樹脂８ｂは第１の封止樹脂８ａの外側に形成された。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅を主成分とする金属または銅からなる放熱板の一方の面に半導体素子が実装され、前記半導体素子が封止樹脂で樹脂封止された半導体装置であって、
前記封止樹脂は、第１の封止樹脂と、前記第１の封止樹脂よりも大きな熱膨張係数を有する第２の封止樹脂とを含み、
前記第１の封止樹脂は前記半導体素子を覆うように形成され、前記第２の封止樹脂は前記第１の封止樹脂の外側に形成されたことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記放熱板は、前記半導体素子が実装された面の反対側に、金属箔上に形成された絶縁層が接着され、
前記放熱板、前記絶縁層、及び前記金属箔は、前記金属箔が露出するように前記封止樹脂で樹脂封止されたことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第１の封止樹脂及び前記第２の封止樹脂は、それぞれ同一の樹脂に混入された充填材の充填量が異なることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第１の封止樹脂及び前記第２の封止樹脂は、それぞれ同一の樹脂に混入された充填材の種類が異なることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体材料により形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記ワイドバンドギャップ半導体材料は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、またはダイヤモンドのうちのいずれかであることを特徴とする請求項５記載の半導体装置。
【請求項７】
半導体素子を備えた半導体装置が、放熱フィンに固定された半導体装置モジュールであって、
前記半導体装置は、露出した金属箔を有し、前記金属箔が露出した側を前記放熱フィンに向けて配置され、
前記半導体装置は、請求項２乃至６のいずれか１項に記載の半導体装置であることを特徴とする半導体装置モジュール。
【請求項８】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記半導体素子が実装された放熱板を金型に配置する配置手順と、
前記金型に前記封止樹脂を注入する樹脂注入手順と、を含み、
前記樹脂注入手順において、前記第２の封止樹脂は、前記第１の封止樹脂が注入される位置よりも上方から注入され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】
本発明は、放熱性と信頼性に優れた半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の中には、比較的大きな電力を扱う電力用の半導体装置がある。このような電力用に用いられる半導体装置では、鉄道車両、ハイブリッドカー、電気自動車等の車両、家電機器、産業用機械等において、比較的大きな電力を制御、整流するために利用されている。したがって電力用の半導体装置で使用される半導体素子は１００Ａ／ｃｍ２を超える高い電流密度で通電することが求められる。そのため、近年はシリコン（Ｓｉ）に代わる半導体材料としてワイドバンドギャップ半導体材料である炭化珪素（ＳｉＣ）が注目されており、ＳｉＣからなる半導体素子は５００Ａ／ｃｍ２を超える電流密度での動作が可能である。また、ＳｉＣは１５０℃〜３００℃の高温状態でも安定動作が可能であり、高電流密度動作と高温動作の両立が可能な半導体材料として期待されている。
【０００３】
このように大電流を扱う電力用の半導体装置においては、電気的な絶縁を確保しながら、半導体素子等から発生する熱をいかに放熱するかが重要である。そのため、半導体素子を熱伝導性の高い放熱板の一方の面に実装し、他方の面に高い絶縁性と放熱性を兼ね備えた絶縁層を形成し、半導体素子、放熱板及び絶縁層の全体を弾性率の高いエポキシ樹脂で覆う構造が用いられている。このように弾性率の高いエポキシ樹脂で全体を覆うことで、従来の非常に柔らかいシリコーンゲルにて封止する構造と比較して、ヒートサイクル性やパワーサイクル性のような信頼性が向上するようにしている。
【０００４】
ただ、上記に記載の通り、高温でも使用できるデバイスが開発され、このデバイスを電力用の半導体装置に適用することになると、要求される信頼性の温度範囲が広がる傾向にある。インバータ装置などの電力変換装置に組み込まれる半導体素子を収容する半導体装置において、半導体素子やアルミナセラミックス等からなる中継用回路基板が実装された放熱板を、銅／モリブデン／銅の積層構造にすることで、放熱板と樹脂との密着性の信頼を高め、さらに中継用回路基板にクラック等が発生することを抑制し、半導体装置の信頼性を高めようとした半導体装置が、特許文献１に記載されている。特許文献１の半導体装置は、上側主面に半導体素子が載置される載置部を有する金属製の基体（放熱板相当）と、前記載置部に載置された半導体素子と、前記基体の前記上側主面に下面が接合され、上面に前記半導体素子が一端部に電気的に接続される線路導体が形成された中継用回路基板と、前記線路導体の他端部に接合されたリード端子と、前記基体の前記上側主面、前記基体の側面、前記半導体素子、前記中継用回路基板および前記リード端子の一部を覆う樹脂とを具備した半導体装置において、前記基体は、側面が上端から下端にかけて下面の中心側に向かって傾斜した下側銅板と、モリブデン板と、上側銅板とがロウ材層を介して順次積層されていることを特徴とするものである。
【０００５】
特許文献１の半導体装置は、半導体素子からの熱を放熱する基体、すなわち放熱板として、一般的に用いられている銅放熱板ではなく、銅／モリブデン／銅の積層構造を有する放熱板を使用している。この積層構造により放熱板の平均熱膨張係数を下げて、熱膨張による形状変化が樹脂に追随できるとともに剛性を保持できるようにしていた。また、下側銅板の側面においてモールド樹脂の接触面積が増大するとともに側面の下側に向かうに伴ってモールド樹脂の体積を増大させることで、樹脂との密着性を高めるようにしていた。また、積層構造の放熱板として、アルミナセラミックスの熱膨張係数に近似させた放熱板を用いることで、この放熱板の上側主面に載置固定されるアルミナセラミックス等からなる中継用回路基板に、クラック等が発生することを抑制し、半導体装置の信頼性を高めようとしていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−９５７３５号公報（０００９段〜００１２段、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記のように銅／モリブデン／銅の積層構造を有する放熱板は、非常に高価であり、しかも銅放熱板よりも放熱性に劣るという問題がある。したがって、広い温度範囲で動作可能な半導体装置にも適用可能にするためには、放熱性の高い銅放熱板を用いる方が有利となる。特許文献１の放熱板は銅／モリブデン／銅の積層構造にすることで、銅放熱板よりも熱膨張係数を下げていた。放熱板を単に銅放熱板に変更すると、半導体素子と半導体素子及び放熱板を封止する封止樹脂との密着性が十分ではない場合があるので、半導体素子と半導体素子及び放熱板を封止する封止樹脂との密着性を確保する工夫が必要である。理由は以下の通りである。半導体素子と半導体素子及び銅放熱板を封止する封止樹脂の熱膨張係数は、銅放熱板の熱膨張係数とは異なる。このため、半導体素子と半導体素子及び放熱板を封止する封止樹脂との密着性を確保するために、半導体素子の熱膨張係数に近い方が良いので、銅放熱板よりも低い熱膨張係数の封止樹脂を用いることが必要となる。
【０００８】
半導体素子が放熱性の高い銅等の放熱板に実装された半導体装置は、半導体素子と半導体素子及び放熱板を封止する封止樹脂との密着性を確保することで、その信頼性を十分高くすることが可能になる。しかしながら、積層構造の放熱板よりも放熱性の高い銅放熱板を使用し、かつ半導体素子の熱膨張係数に近い熱膨張係数の封止樹脂を用いる場合には、封止樹脂を用いて半導体素子及び放熱板を封止した後の成型温度から室温まで冷却した際に、銅放熱板の熱収縮の方が樹脂の熱収縮より大きいことから、半導体装置は下層の銅放熱板が内側になるように湾曲する、いわゆる半導体装置の逆反り（凸反り）が生じてしまう。一般的に、電力用の半導体装置は、放熱フィン等に固定することが多いので、半導体装置が逆反りすると、放熱フィン等に固定した場合に、半導体装置と放熱フィン等との間に隙間が生じ、熱抵抗が上昇する問題が生じる。
【０００９】
本発明は、放熱板に半導体素子が実装された半導体装置において、半導体素子と半導体素子及び放熱板を封止する封止樹脂との密着性を確保するとともに、封止樹脂により封止された半導体装置の逆反りを低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
銅を主成分とする金属または銅からなる放熱板の一方の面に半導体素子が実装され、半導体素子が封止樹脂で樹脂封止された半導体装置であって、封止樹脂は、第１の封止樹脂と、第１の封止樹脂よりも大きな熱膨張係数を有する第２の封止樹脂とを含み、第１の封止樹脂は半導体素子を覆うように形成され、第２の封止樹脂は第１の封止樹脂の外側に形成された。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、第１の封止樹脂により半導体素子を覆い、第１の封止樹脂の外側に第２の封止樹脂が形成されるので、半導体素子と半導体素子及び放熱板を封止する封止樹脂との密着性を確保するとともに、封止樹脂により封止された半導体装置の逆反りを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１による半導体装置を示す図である。
【図２】図１のＡ−Ａにおける断面図である。
【図３】図１のＢ−Ｂにおける断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１による半導体装置の製造方法を説明する図である。
【図５】本発明の実施の形態１による半導体装置の樹脂封止方法を説明する図である。
【図６】図５のＣ−Ｃにおける断面図である。
【図７】図５のＤ−Ｄにおける断面図である。
【図８】本発明の実施の形態１による他の半導体装置を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態１による半導体装置モジュールを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１による半導体装置を示す図である。図１は、半導体装置を上面から見た透視図である。図２は図１のＡ−Ａにおける断面図であり、図３は図１のＢ−Ｂにおける断面図である。図１乃至図３を用いて、本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の全体構成について説明する。半導体装置２０は、トランスファーモールド型電力用半導体装置である。銅を主成分とする金属または銅からなる放熱板３上の所定位置に２つの半導体素子（パワー半導体チップ）１ａ、１ｂが、導電性の接合材２を用いて固定されるとともに電気的に接続される。半導体素子１（１ａ、１ｂ）における放熱板３と反対側の面である表面に、図示しない電極（表面電極）が形成されている。表面電極は、アルミワイヤ５等の配線部材を用いて、ワイヤボンディングによりリードフレーム４（４ａ）と電気的に接続される。アルミワイヤ５が接続されたリードフレーム４ａは、外部との電気的な接続を行う。放熱板３は、外部との電気的な接続を行うリードフレーム４（４ｂ）が接続される。放熱板３における半導体素子１が固定（実装）されていない面は、銅箔６とで２層構造になっている絶縁層７と接着している。放熱板３に実装された半導体素子１ａ、１ｂは、アルミワイヤ５やリードフレーム４を含めて封止樹脂８で銅箔６が露出するように封止されている。ただし、リードフレーム４（４ａ、４ｂ）は、外部との電気的接続を行うために一部が封止樹脂８から露出している。
【００１４】
封止樹脂８は、熱膨張係数が異なる２つの封止樹脂８ａ、８ｂにより構成されている。封止樹脂８の下層には熱膨張係数が小さい封止樹脂８ａが配置され、封止樹脂８の上層には封止樹脂８ａよりも熱膨張係数が大きな封止樹脂８ｂが配置される。なお、図２及び図３では明確に境界を示しているが、後述する樹脂注入手順（工程）において、封止樹脂８ａ及び封止樹脂８ｂは、同一の金型内に共に注入されるので、実際には明確な境界は存在しない。
【００１５】
半導体素子１は、シリコンウエハを基材とした一般的な素子でも良いが、本発明においては炭化珪素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料、またはダイヤモンドといったシリコン（Ｓｉ）と較べてバンドギャップが広い、いわゆるワイドバンドギャップ半導体材料を適用したときに好適な構造を目指しており、特に炭化珪素を用いた半導体素子に好適である。デバイス種類としては、特に限定する必要はないが、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect-Transistor）のようなスイッチング素子、またはダイオードのような整流素子が考えられる。
【００１６】
ＭＯＳＦＥＴの場合、半導体素子１の放熱板３側の面には裏面電極となるドレイン電極が形成されている。そして、ドレイン電極と反対側（図で上側）の面には、表面電極となるゲート電極やソース電極が、領域を分けて形成されている。説明を簡単にするため、上側の面には、例えば大電流が流れるソース電極のみが形成されているとして説明する。な
お、ドレイン電極の表面には接合材２との接合を良好とするための複合金属膜が形成されている。ソース電極の表面にも、図示しない厚さ数μｍの薄いアルミニウムなどの電極膜やチタン、モリブデン、ニッケル、金などの薄膜層が形成されている。
【００１７】
接合材２としては、はんだや、例えば銀を主成分とする焼結性フィラーやろう材といった、導電性の接合材料が適用できる。ボンディングにより配線される配線部材には、アルミワイヤ５の他に、銅ワイヤや金ワイヤを用いてもよい。さらに、銅やアルミニウムのリード、リボン等を用いてもよく、ワイヤボンディング以外の接合方法で接合しても構わない。
【００１８】
放熱板３は、例えば熱伝導率の高い銅の板材で構成されている。銅が主成分であればよく、銅以外の金属を含有していても構わない。封止樹脂８との密着性を上げるように表面に凹凸を設けてもよい。また、化学結合を強固にするためにプライマー等の表面処理を実施してもよい。リードフレーム４は、導電性を有する材料であればよいが、中でも導電性の高い銅材がよい。
【００１９】
絶縁層７は、銅箔６面上に配置され、放熱板３における半導体素子１を接合している面と反対側の面に接着している。絶縁層７は、エポキシ樹脂等からなる熱硬化性の樹脂に、高熱伝導性の絶縁性のセラミック粒子、例えば、結晶シリカ、アルミナ、窒化ケイ素、窒化ホウ素、窒化アルミニウム等を充填材として混入したものである。
【００２０】
封止樹脂８を構成するいわゆる封止樹脂としては、エポキシ樹脂のような熱硬化性樹脂に、溶融シリカ等のセラミック粒子を充填材として混入し、熱膨張係数や弾性率を調整した材料を用いる。封止樹脂８は、下層を構成する熱膨張係数が小さい封止樹脂８ａと、上層を構成する封止樹脂８ａよりも熱膨張係数が大きい封止樹脂８ｂの２つの樹脂で構成されている。この封止樹脂８ａと封止樹脂８ｂは、同一のエポキシ樹脂で構成されており、充填材の量の違いで熱膨張係数が異なるようにする。例えば、熱膨張係数の小さい封止樹脂８ａの熱膨張係数としては、放熱板３の熱膨張係数より半導体素子１の熱膨張係数に近い７〜１０ｐｐｍ／℃がよい。また、熱膨張係数の大きな封止樹脂８ｂの熱膨張係数としては、半導体素子１の熱膨張係数より放熱板３の熱膨張係数に近い１１〜２０ｐｐｍ／℃のものがよい。封止樹脂８は、銅箔（金属箔）６を露出するようにトランスファ成型にて形成される。
【００２１】
つぎに、本実施の形態１にかかる電力用の半導体装置２０の製造方法について説明する。図４は、本発明の実施の形態１による半導体装置の製造方法を説明する図である。図４は、図１のＡ−Ａにおける断面を工程毎に示したものである。図４（ａ）に示すように、放熱板３の所定位置に半導体素子１（１ａ、１ｂ）を導電性の接合材２を用いて固定する。図４（ｂ）に示すように、外部との接続のためと放熱板３の固定のためにリードフレーム４（４ｂ）と放熱板３とを導電性の接合材を用いて固定する。リードフレーム４ａ及び４ｂは製造中には分離されずに一体となっている。放熱板３とリードフレーム４（４ｂ）とは金属間の接合であるので、溶接や超音波接合で接合してもよい。図４（ｃ）に示すように、半導体素子１の表面に形成された電極と、リードフレーム４（４ａ）間をアルミワイヤ５により、電気的に接続する。
【００２２】
図４（ｃ）に示す中間構造体を、図５乃至図７に示す金型１５を用いて、トランスファ成型プロセスを行う。図４（ｄ）では金型１５は省略した。金型１５上に銅箔６を配置し、この銅箔６の上に絶縁層７を配置する。絶縁層７の上に前記中間構造体を配置し、絶縁層７と放熱板３とが接するように、前記中間構造体のリードフレーム４を金型１５に固定する（配置手順）。配置手順により前記中間構造体の配置が終了した後に、封止樹脂（８ａ、８ｂ）を金型１５に注入する樹脂注入手順を行う。トランスファ成型で放熱板３を覆うと共に、銅箔６が露出するように封止樹脂８を形成する。封止樹脂８は前述したように、熱膨張係数の小さな封止樹脂８ａを下側の金型樹脂注入口１０ａ（図６参照）から注入し、熱膨張係数の大きな封止樹脂８ｂを金型樹脂注入口１０ｂより上側の金型樹脂注入口１０ｂ（図７参照）から注入する。トランスファ成型前の絶縁層７は未硬化であり、トランスファ成型プロセスにて放熱板３との接着と硬化が同時に完了する。図４（ｅ）に示すように、２層構造の封止樹脂８により、放熱板３に実装された半導体素子１ａ、１ｂは、アルミワイヤ５やリードフレーム４を含めて、銅箔６が露出するように封止される。トランスファ成型プロセスが終了すると、リードフレーム４ａ及び４ｂを所定の形状に切断し、分離する。
【００２３】
トランスファ成型時の封止樹脂８の注入方法を図５乃至図７を用いて、詳しく説明する。図５は、本発明の実施の形態１による半導体装置の樹脂封止方法を説明する図である。図６は図５のＣ−Ｃにおける断面図であり、図７は図５のＤ−Ｄにおける断面図である。図５は、前記中間構造体のリードフレーム４が金型１５に固定された状態を上面から見た透視図である。なお、図６及び図７において、アルミワイヤ５は省略した。金型１５の内部には、金型キャビティ９が形成され、金型樹脂注入口１０ａ、１０ｂが金型キャビティ９に貫通するように形成されている。図５では、３つの金型樹脂注入口１０ｂと、２つの金型樹脂注入口１０ａが形成された例を示した。金型樹脂注入口１０ａは熱膨張係数の小さな封止樹脂８ａを金型キャビティ９に注入するものであり、金型樹脂注入口１０ｂは熱膨張係数の大きな封止樹脂８ｂを金型キャビティ９に注入するものである。金型樹脂注入口１０ｂは、半導体素子１（１ａ、１ｂ）が配置される位置よりも上側になる位置であって、金型樹脂注入口１０ａよりも上側に形成される。
【００２４】
１回のトランスファ成型プロセスにおける封止樹脂注入工程（手順）では、封止樹脂８を硬化させる前に、金型キャビティ９内に封止樹脂８ａ及び封止樹脂８ｂが共に注入される。封止樹脂８ａ及び封止樹脂８ｂを注入するタイミングや注入速度や注入量は、多くのバリエーションがある。少なくとも、放熱板３に実装された半導体素子１（１ａ、１ｂ）が熱膨張係数の小さな封止樹脂８ａで覆われるように、すなわち熱膨張係数の小さな封止樹脂８ａが半導体素子１（１ａ、１ｂ）の周辺に形成されるように、金型キャビティ９内に封止樹脂８ａ及び封止樹脂８ｂが注入される。
【００２５】
一例として、１回のトランスファ成型プロセス中で２種類の樹脂である封止樹脂８ａ及び封止樹脂８ｂを同時に注入する。２種類の樹脂を同時に注入することで、図４（ｅ）に示すように、半導体素子１（１ａ、１ｂ）の周辺を含む半導体装置２０の下層側、すなわち半導体装置２０の銅箔６側に、封止樹脂８ａが形成される。封止樹脂８ｂは封止樹脂８ａの上層側、すなわち封止樹脂８ａの外側（外方側）に形成される。封止樹脂８ａ及び封止樹脂８ｂは流動性があるので、図２、図３や図４（ｅ）に示すような水平面状の明確な封止樹脂８ａと８ｂの境界面は存在しない。また、封止樹脂８ａ及び封止樹脂８ｂの境界付近は、多少互いに混ざり合うので、明確な封止樹脂８ａと８ｂの界面は存在しない。
【００２６】
他の例として、封止樹脂８ａ及び封止樹脂８ｂの注入タイミングをずらしてもよい。封止樹脂８ａを封止樹脂８ｂよりも先に注入し、所定時間経過後に封止樹脂８ｂを注入する。封止樹脂８ａ及び封止樹脂８ｂの注入タイミングずらすことで、封止樹脂８ａ及び封止樹脂８ｂの境界面の形状制御を行うことができ、図２、図３や図４（ｅ）に示すような水平面状に近い境界面が形成できる。
【００２７】
また、封止樹脂８ａ及び封止樹脂８ｂの境界面の形状は、図２、図３や図４（ｅ）以外にも、図８（ａ）や図８（ｂ）のような半導体素子１（１ａ、１ｂ）や放熱板３を覆う台形形状でも構わない。図８は、本発明の実施の形態１による他の半導体装置を示す図である。
【００２８】
封止樹脂８のトランスファ成型プロセスに用いる金型１５には、封止樹脂８を注入する金型樹脂注入口１０ａ、１０ｂが段差を設けて配置される。すなわち、金型１５には、配置高さが互いに異なる位置に、封止樹脂８を注入する金型樹脂注入口１０ａ、１０ｂが設けられる。下側に位置する金型樹脂注入口１０ａからは放熱板３の熱膨張係数よりも半導体素子１（１ａ、１ｂ）の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する封止樹脂８ａを注入する。また、金型樹脂注入口１０ａよりも上側に位置する金型樹脂注入口１０ｂからは、封止樹脂８ａよりも大きな熱膨張係数を有する封止樹脂８ｂを注入する。これにより、確実に半導体素子１（１ａ、１ｂ）近傍を、封止樹脂８ｂよりも熱膨張係数が低い、半導体素子１（１ａ、１ｂ）の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する封止樹脂８ａで覆うことができる。
【００２９】
つぎに半導体装置２０の動作について説明する。電力用の半導体装置２０を駆動させると、半導体素子１をはじめとする半導体装置２０内に実装された様々な素子に電流が流れ、その際、電気抵抗分の電力ロスが熱へと変換され、発熱が生ずる。半導体素子１で発生した熱は放熱板３を経由し、絶縁層７、銅箔６を介して外部に放熱されることになるが、半導体装置２０の温度は上昇する。このとき半導体素子１に、ＳｉＣのような高性能の半導体材料を用いると電流が大きく、動作時の温度は３００℃にまで達する。しかし、本発明の実施の形態１にかかる半導体装置２０では、半導体素子１や放熱板３を封止樹脂８により拘束し、しかも、半導体素子１の周囲に存在する封止樹脂８ａの熱膨張係数を半導体素子１の熱膨張係数に近づけるよう小さくしているので、半導体素子１と封止樹脂８ａとの界面に発生する熱応力を小さくすることができる。そのため、温度変化に対するヒートサイクル信頼性試験において、半導体素子１と封止樹脂８ａとの界面での剥離が発生するようなことがなくなる。すなわち、半導体素子１と半導体素子１及び放熱板３を封止する封止樹脂８ａとの密着性を確保することができる。
【００３０】
半導体素子１と封止樹脂８ａとの界面の剥離が発生すると、剥離部分を通じて外部から水分等が侵入し、半導体素子１の絶縁性の低下を招く可能性がある。また、剥離部分を通じて外部から侵入する水分等により、半導体素子１とアルミワイヤ５との接合部に腐食が起こり、アルミワイヤ５との接合部の劣化破断の至る可能性がある。しかし、実施の形態１の半導体装置２０は、ヒートサイクル信頼性試験において、半導体素子１と封止樹脂８ａとの界面での剥離が発生しないので、半導体装置２０の長期間の動作によっても半導体素子１と半導体素子１及び放熱板３を封止する封止樹脂８ａとの密着性を確保することができる。実施の形態１の半導体装置２０は、長期間の動作によっても半導体素子１と半導体素子１及び放熱板３を封止する封止樹脂８ａとの密着性を確保されるので、半導体素子１の絶縁性の低下やアルミワイヤ５の接合部の劣化破断に至ることがなく、正常な動作を長く保つことができ、半導体装置２０の長寿命化を達成することができる。したがって、実施の形態１の半導体装置２０は、信頼性を高めることができる。
【００３１】
さて、熱膨張係数の小さな封止樹脂８ａのみで成型しても上記信頼性を確保することができる場合はある。しかし、図９に示すように電力用の半導体装置２０は、放熱フィン１１に固定して使用する。図９は、本発明の実施の形態１による半導体装置モジュールを示す図である。図９（ａ）は放熱フィン１１の垂直板がそれぞれ見える状態の側面図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）の左側から見た側面図である。ただし、図９（ａ）における半導体装置２０は、その内部構造として図２の断面構造を破線で示した。半導体装置モジュール３０は、電力用の半導体装置２０と、放熱フィン１１と、押さえ板１２と、固定ネジ１３を有する。半導体装置２０は、銅箔６面と放熱フィン１１との間は熱伝導性の良い放熱グリースや放熱シートを介して、放熱フィン１１に配置される。半導体装置２０は、押さえ板１２と固定ネジ１３を用いて、放熱フィン１１に固定されている。
【００３２】
半導体装置モジュール３０を組み立てる際に、放熱フィン１１に配置される半導体装置において逆反り（凸反り）がある場合には、最も放熱性が要求される中央部の放熱グリース厚が厚くなり、熱抵抗が上昇する問題がある。熱膨張係数の小さな封止樹脂８ａのみで封止して成型した半導体装置２１の場合、成型温度から室温まで冷却した際に、銅の熱収縮の方が封止樹脂の熱収縮（硬化収縮の含む）より大きいことから、半導体装置２１は逆反りになる。
【００３３】
一方、実施の形態１の半導体装置モジュール３０を構成する半導体装置２０は、封止樹脂８として熱膨張係数の異なる２種類の封止樹脂（８ａ、８ｂ）を使用している。封止樹脂８は、熱膨張係数の小さな封止樹脂８ａの上側に、封止樹脂８ａよりも大きな熱膨張係数の封止樹脂８ｂが配置されるので、封止樹脂８によって封止した後の冷却によっても、半導体装置２０は、下側の放熱板３、絶縁層７、銅箔６が内側になるように湾曲する、いわゆる半導体装置の逆反り（凸反り）が生じることを防ぐことが可能となる。したがって、実施の形態１の半導体装置モジュール３０は、半導体装置２０と放熱フィン１１との間の接合部、特に最も放熱性が要求される中央部の放熱グリース厚を薄くするこことができる。したがって、実施の形態１の半導体装置モジュール３０は、半導体装置２０と放熱フィン１１との間の接合による熱抵抗の上昇を最小限にとどめることが可能となり、優れた放熱特性が得られる。
【００３４】
以上のように、実施の形態１の半導体装置２０は、銅を主成分とする金属または銅からなる放熱板３に実装された半導体素子１を、放熱板３の熱膨張係数よりも半導体素子１の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する封止樹脂８ａで覆うように形成され、さらに封止樹脂８ａの上層部は、封止樹脂８ａより大きな熱膨張係数の封止樹脂８ｂで覆うように形成される。半導体素子１の近傍は、熱膨張係数が半導体素子１に近い封止樹脂８ａで覆われているため、半導体素子１と封止樹脂８ａの間に発生する応力は小さくなり、半導体装置２０の動作で発生する熱による熱応力のストレスが小さくなり信頼性が向上する。さらに、封止樹脂８ａの上層部を熱膨張係数の大きな封止樹脂８ｂで覆うことにより半導体装置２０が逆反りすることを最小限にとどめることができ、あるいは防止できる。このため、半導体装置２０の熱を放熱する放熱フィン１１との接続の際の熱抵抗上昇を最小限にとどめることができ、あるいは防止することができる。放熱フィン１１に固定した際の熱抵抗上昇を最小限にとどめ、あるいは防止するので、信頼性および放熱性に優れた電力用の半導体装置２０を得ることが可能となる。
【００３５】
また、封止樹脂８ａの熱膨張係数及び封止樹脂８ｂの熱膨張係数は、それぞれ７〜１０ｐｐｍ／℃及び１１〜２０ｐｐｍ／℃がよいことを一例として示したが、その理由を詳しく述べる。封止樹脂８ａの上層部を覆う封止樹脂８ｂの熱膨張係数を、封止樹脂８ａより大きくし、かつ放熱板３の熱膨張係数に近いものにすることにより、半導体装置２０が逆反りすることが防止できると共に、半導体装置２０の下面である銅箔６の水平度を向上させることができる。この場合、半導体装置２０の上層部となる封止樹脂８ｂの熱膨張や熱収縮は、半導体装置２０の内部の放熱板３の熱膨張や熱収縮と同等になるので、半導体装置２０の熱膨張や熱収縮による変形が小さくなる。したがって、半導体装置２０が放熱フィン１１に固定された半導体装置モジュール３０は、半導体装置２０の変形による固定ネジ１３の緩みを低減することができる。したがって、半導体装置モジュール３０を長期間動作させても、半導体装置２０は放熱フィン１１に強固に固定されるので、半導体装置モジュール３０の放熱特性を高いままに長期に渡って維持することができる。
【００３６】
また、封止樹脂８ａと封止樹脂８ｂは同じトランスファ成型プロセスにて成型させることから両樹脂は界面近傍では混じり合い明確な樹脂界面は存在しない。封止樹脂８ａと封止樹脂８ｂとの間に発生する応力は小さくなり、半導体装置２０の信頼性が向上する。
【００３７】
また、トランスファ成型の際に、下側の金型樹脂注入口１０ａから封止樹脂８ａを注入するタイミングに対して上側の金型樹脂注入口１０ｂから封止樹脂８ｂを注入するタイミングを遅らせることで、半導体素子１近傍に確実に熱膨張係数の小さな封止樹脂８ａを行き渡らすことが可能となる。
【００３８】
また、下側の金型樹脂注入口１０ａは、図５に示すように、金型樹脂注入口１０ｂよりも半導体素子１の中心に近い位置に配置することが好適である。これにより、半導体素子１近傍に確実に熱膨張係数の小さな封止樹脂８ａを行き渡らすことが可能となる。
【００３９】
半導体素子１が実装された放熱板３は、露出された銅箔６上に形成された絶縁層７であって、有機物に無機充填材を含有した絶縁層７に接着されるので、放熱板３は絶縁層７によって銅箔６から絶縁される。放熱板３には半導体装置２０に供給される電圧が印加されるが、実施の形態１の半導体装置２０は、半導体装置モジュール３０を構成した際の半導体装置２０と放熱フィン１１との絶縁を確保することができる。
【００４０】
前述したように、半導体素子１は、シリコンウエハを基材とした一般的な素子でもよいが、本発明においては炭化珪素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料、またはダイヤモンドといったシリコンと較べてバンドギャップが広い、いわゆるワイドバンドギャップ半導体材料を適用できる。たとえば、スイッチング素子や整流素子として機能する半導体素子１に、炭化珪素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料又はダイヤモンドを用いた場合、従来から用いられてきたシリコン（Ｓｉ）で形成された素子よりも電力損失が低いため、電力用半導体装置等の半導体装置の高効率化が可能となる。また、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、半導体装置の小型化が可能となる。さらにワイドバンドギャップ半導体素子は、耐熱性が高いので、高温動作が可能であり、放熱フィンの小型化や、水冷部の空冷化も可能となるので、半導体装置モジュールの一層の小型化が可能になる。
【００４１】
ワイドバンドギャップ半導体素子の性能を発揮するには、半導体素子１で発生した熱を効率よく放熱する必要がある。そのため、本発明の実施の形態に記載した半導体装置２０は、銅を主成分とする金属または銅からなる放熱板３を用いて従来よりも放熱特性が優れるとともに、封止樹脂により封止された半導体装置１の逆反りを低減することができるので、信頼性の高い半導体装置２０や半導体装置モジュール３０を得ることができる。
【００４２】
以上のように実施の形態１の半導体装置２０によれば、銅を主成分とする金属または銅からなる放熱板３の一方の面に半導体素子１が実装され、半導体素子１が封止樹脂８で樹脂封止され、封止樹脂８は、第１の封止樹脂８ａと、第１の封止樹脂８ａよりも大きな熱膨張係数を有する第２の封止樹脂８ｂとを含み、第１の封止樹脂８ａは半導体素子１を覆うように形成され、第２の封止樹脂８ｂは第１の封止樹脂８ａの外側に形成されたので、第１の封止樹脂により半導体素子を覆い、第１の封止樹脂の外側に第２の封止樹脂が形成でき、半導体素子と半導体素子及び放熱板を封止する封止樹脂との密着性を確保するとともに、封止樹脂により封止された半導体装置の逆反りを低減することができる。
【００４３】
実施の形態１の半導体装置モジュール３０によれば、半導体素子１を備えた半導体装置２０が、放熱フィン１１に固定され、半導体装置２０は、露出した金属箔６を有し、金属箔６が露出した側を放熱フィン１１に向けて配置され、半導体装置２０は、銅を主成分とする金属または銅からなる放熱板３の一方の面に半導体素子１が実装され、半導体素子１が封止樹脂８で樹脂封止され、封止樹脂８は、第１の封止樹脂８ａと、第１の封止樹脂８ａよりも大きな熱膨張係数を有する第２の封止樹脂８ｂと、を含み、第１の封止樹脂８ａは半導体素子１を覆うように形成され、第２の封止樹脂８ｂは第１の封止樹脂８ａの外側に形成されたので、半導体装置２０と放熱フィン１１との間の接合による熱抵抗の上昇を
最小限にとどめることが可能となり、優れた放熱特性が得られる。
【００４４】
実施の形態１の半導体装置の製造方法によれば、半導体素子１が実装された放熱板３を金型１５に配置する配置手順と、金型１５に封止樹脂８を注入する樹脂注入手順と、を含み、樹脂注入手順において、第２の封止樹脂８ｂは、第１の封止樹脂８ａが注入される位置よりも上方から注入されるので、確実に半導体素子１近傍を、封止樹脂８ｂよりも熱膨張係数が低く、半導体素子１の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する封止樹脂８ａで覆うことができる。
【００４５】
実施の形態２．
実施の形態２にかかる電力用の半導体装置２０は、実施の形態１にかかる電力用の半導体装置２０と異なる製造方法で製造したものである。最終的な構成については、実施の形態１とほぼ同様であるので、各部材の詳細については説明を省略する。
【００４６】
実施の形態２にかかる電力用の半導体装置２０の製造方法について説明する。実施の形態１における封止樹脂８の構成として、エポキシ樹脂のような熱硬化性樹脂に、溶融シリカ等のセラミック粒子を充填材として混入し、熱膨張係数や弾性率を調整した材料を用いる。この際、封止樹脂８の下層を構成する熱膨張係数が小さい封止樹脂８ａと上層を構成する熱膨張係数が大きい封止樹脂８ｂの２つの樹脂で構成されている点は同じである。この封止樹脂８ａと８ｂは、同一のエポキシ樹脂で構成されており、異なる充填材を用いることで熱膨張係数が異なるようにする。例えば、熱膨張係数が小さな封止樹脂８ａでは、充填材として溶融シリカと用い、熱膨張係数が大きな封止樹脂８ｂでは、結晶シリカまたは溶融シリカ／結晶シリカの混合物を用いることが可能である。
【００４７】
実施の形態２にかかる電力用の半導体装置２０は、実施の形態１の特性を維持しながら、封止樹脂８ｂとして結晶シリカを充填材として使用することができ、樹脂のコストダウンに寄与することができる。また、結晶シリカを添加することである一定の充填材量を樹脂に含有させることができ、樹脂の難燃性の向上に寄与することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１、１ａ、１ｂ…半導体素子、３…放熱板、６…銅箔、７…絶縁層、８、８ａ、８ｂ…封止樹脂、１１…放熱フィン、１５…金型、２０…半導体装置、３０…半導体装置モジュール。
【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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