(57)【要約】【課題】温度サイクル試験時の半導体素子と封止樹脂との間の剥離が発生しやすい半導体素子外周部における封止樹脂の剥離を抑制し、信頼性の高い半導体装置を得る。【解決手段】半導体素子１と、半導体素子１を搭載する搭載部と、半導体素子１と搭載部とを封止する封止樹脂６とを備え、封止樹脂６は、半導体素子１の搭載部と接する面の反対面の外周部と接する領域における封止樹脂６の実効の熱膨張係数が４〜１２ｘ１０−６（１／Ｋ）である。【選択図】図１
2016143846.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
前記半導体素子を搭載する搭載部と、
前記半導体素子と前記搭載部とを封止する封止樹脂とを備え、
前記封止樹脂は、前記半導体素子の前記搭載部と接する面の反対面の外周部と接する領域における実効の熱膨張係数が４〜１２ｘ１０−６（１／Ｋ）であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記搭載部は、絶縁基板であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記搭載部は、金属部材であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記絶縁基板は、窒化アルミニウムまたは窒化珪素を用いて形成されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記絶縁基板の前記半導体素子が搭載された反対面には、金属ベース板が接合されていることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記金属部材は、熱膨張係数が銅モリブデンより大きく銅より小さいヒートスプレッダであることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記ヒートスプレッダの前記半導体素子を搭載した面の反対面には、絶縁シートが設けられたことを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記半導体素子は、弾性率が１３０ＧＰａ以上７７５ＧＰａ以下であることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記半導体素子の材料は、炭化珪素であることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１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、パワー半導体素子を樹脂で封止した半導体装置に関するものであり、特に化合物半導体を用いたパワー半導体素子を搭載した半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
パワー半導体素子を用いた半導体装置は、パワー半導体素子をエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂で封止したモールド型と、ゲル状樹脂やエポキシ樹脂などで封止したケース型が使用されている。特にモールド型の半導体装置は小型で信頼性に優れており、取り扱いが容易であることから、空調機器の制御などに広く使用されている。
【０００３】
また、近年は、モーター制御を行う自動車の動力制御などにも使用されている。ケース型の半導体装置は、封止に成形金型を必要としないため、少量多品種の生産に向いており、産業用など幅広く用いられている。
【０００４】
さらに、半導体装置は、小型化・大容量化にともないパワー半導体素子の動作温度が高温となる。パワー半導体素子の材料がＳｉ（Ｓｉｌｉｃｏｎ）からＳｉＣ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｃａｒｂｉｄｅ）となることで高温動作も可能となり、ＳｉＣ半導体素子は、動作可能温度が２００℃とも３００℃以上とも言われている。
【０００５】
従来の半導体装置は、パワー半導体素子が搭載される絶縁基板の配線パターンが、銅と、銅より熱膨張係数が小さい金属とを含む銅含有材料を用いて構成されており、その熱膨張係数は、銅の熱膨張係数よりも小さいことを特徴とするものがある。これによりパワー半導体素子の接合部に発生する応力によるクラックなどを抑制でき高い信頼性を実現する半導体装置が提供されている。（例えば、特許文献１）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平２０１２−２５３１２５号公報（第４頁、第１図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の半導体装置では、半導体素子の材料がＳｉである場合には半導体素子接合部の応力抑制や接合材のクラック防止には有効であるが、搭載する半導体素子の材料がＳｉＣとなった場合では、半導体素子と封止樹脂との密着性においても厳しい環境となり、半導体装置の絶縁信頼性が損なわれる問題があった。
【０００８】
半導体装置に搭載する半導体素子の材料をＳｉからＳｉＣにすることにより絶縁信頼性が損なわれる理由は大きく以下の３つが挙げられる。
【０００９】
一つ目は、半導体素子の材料物性による違いである。Ｓｉの熱膨張係数は、２．５×１０−６（１／K）、弾性率は１３０ＧＰａに対して、ＳｉＣの熱膨張係数は、４．６×１０−６（１／K）、弾性率は４３０ＧＰａとなっており、半導体素子と封止樹脂の接着界面に発生する熱応力は、半導体装置の構造や半導体素子の厚さにも依存するが、ＳｉＣのほうがＳｉに比べて約３０〜７０％高くなる。熱応力の増大により、半導体素子と封止樹脂との接着界面での剥離や、樹脂クラックが発生し、絶縁性が低下する。
【００１０】
二つ目は、封止樹脂と半導体素子の密着性である。半導体素子の一方の面には、電界緩和などを目的とした保護膜ポリイミド層が設けられている場合がある。ただし、保護膜ポリイミド層のさらに外周となる、半導体素子の最外周部には、ＳｉやＳｉＣが露出している面が存在する。Ｓｉ表面は、自然酸化膜が形成されやすく、エポキシ樹脂などの樹脂に対する密着性は有利となるが、ＳｉＣ表面は、Ｓｉと比較して比較的安定な表面であるため、自然酸化膜が非常に生成しにくい。このため、この保護膜ポリイミドがない素子露出面と封止樹脂との接着は、Ｓｉに比べてＳｉＣは接着強度が低くなっており、温度サイクルなどでの熱応力に対して剥離しやすい。このため、ＳｉＣ半導体素子では、半導体装置の絶縁性低下を招く。
【００１１】
三つ目は、動作温度による発生する熱応力の違いである。ＳｉＣ半導体素子は、Ｓｉ半導体素子に比べて高温動作が可能であり、２００℃とも３００℃以上とも言われている。半導体素子に接触する封止樹脂などの耐熱性を考慮してもＳｉ半導体素子搭載時よりは、ＳｉＣ半導体素子搭載時の方が高温動作できる半導体装置となるため、半導体装置に求められる温度サイクルなどの信頼性評価の温度範囲がＳｉ半導体素子搭載時よりも広いものが求められる。例えば、Ｓｉ半導体素子搭載時には温度サイクル条件が−４０℃から１２５℃であったものが、例えばＳｉＣ半導体素子搭載時には、−４０℃から２００℃が求められる場合、評価温度幅ΔＴとして１６５℃から２４０℃に増加することとなる。これによりＳｉＣ半導体素子が搭載された半導体装置では、温度サイクルの要求が高くなることによって、発生する熱応力に対して剥離やクラックがない構造が求められる。
【００１２】
この発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、ＳｉＣ半導体素子の外周部近傍の封止樹脂の実効の熱膨張係数を設定することで、ＳｉＣ半導体素子表面における封止樹脂との剥離の抑制を可能とし、信頼性の向上した半導体装置を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この発明に係る半導体装置においては、半導体素子と、半導体素子を搭載する搭載部と、半導体素子と搭載部とを封止する封止樹脂とを備え、封止樹脂は、半導体素子の搭載部と接する面の反対面の外周部と接する領域における実効の熱膨張係数が４〜１２×１０−６（１／Ｋ）である。
【発明の効果】
【００１４】
この発明は、半導体素子と封止樹脂との剥離が発生しやすい半導体素子の外周部近傍における封止樹脂の実効の熱膨張係数を４〜１２×１０-６（１／Ｋ）としたので、温度サイクル時の半導体素子の外周部における封止樹脂との剥離が抑制でき、高い信頼性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】この発明の実施の形態１の半導体装置の断面構造模式図である。
【図２】この発明の実施の形態１の半導体装置の半導体素子端部近傍を拡大した断面構造模式図である。
【図３】この発明の実施の形態１の半導体装置の剥離防止対象箇所を示す断面構造模式図である。
【図４】この発明の実施の形態１の半導体装置の他の剥離防止対象箇所を示す断面構造模式図である。
【図５】この発明の実施の形態１の他の半導体装置の断面構造模式図である。
【図６】この発明の実施の形態２の半導体装置の断面構造模式図である。
【図７】この発明の実施の形態３の半導体装置の断面構造模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に本発明の半導体装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発
明は以下の既述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜
変更可能である。
【００１７】
実施の形態１．
本発明の実施の形態１について、図面を用いて以下に説明する。図１は、この発明の実施の形態１の半導体装置の断面構造模式図である。図１において、半導体装置１００は、半導体素子１、搭載部である絶縁基板４、金属ベース板５、封止樹脂６、ボンディングワイヤ７、リードフレーム８を備える。
【００１８】
半導体素子１は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの電力制御用半導体素子、還流ダイオードなどのパワー半導体素子である。本実施の形態１では、半導体装置１００は、複数（例えば２つ）の半導体素子１を備え、半導体素子１は、電力制御用半導体素子および還流ダイオードを含む２種以上（例えば２種）の半導体素子である。なお、半導体素子１は、バンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体材料によって形成されており、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドがある。また、ワイドバンドギャップ半導体材料のみで構成されている必要はなく、珪素（Ｓｉ）によって形成された半導体素子を混載したものでもよい。これらの材料の弾性率は、炭化珪素が４３０ＧＰａ、窒化ガリウムが２００ＧＰａ、ダイヤモンドが７７５ＧＰａである。
【００１９】
半導体素子１は、例えば、はんだ付けや銀接合（図示せず）によって絶縁基板４の一方の面に搭載されており、絶縁基板４の他方の面には、例えば、銅モリブデン（ＣｕＭｏ）のような金属ベース板５にはんだ付けや銀接合（図示せず）されている。
【００２０】
絶縁基板４は、配線パターン（電極）２とセラミックス基板３とを備える。絶縁基板４は、外部との絶縁だけでなく、半導体素子１からの発熱した熱を放熱する役割を担い、例えば、アルミナや窒化アルミニウム、窒化珪素などのセラミックスの両面に銅やアルミニウムなどの配線パターン２を備えたセラミックス基板３を用いることができる。配線パターン２の材料は銅やアルミニウムを単一で用いるだけでなく、積層した構造や、表裏面で異なる材料の配線パターン２を用いてもよい。また、それぞれの厚さも様々な組み合わせを選択することができる。選択したセラミックスの種類や両面の金属材料の種類、それぞれの厚さの組み合わせにより、絶縁基板４全体の面内方向の熱膨張係数が変化する。絶縁基板４の面内方向の熱膨張係数は、熱機械測定法などで測定が可能である。また、セラミックス基板３の両面に設けられた配線パターン２の表面の実効の熱膨張係数は、配線パターン２表面にひずみゲージを貼り付けて温度サイクル時のひずみ量を計測することで算出可能である。例えば、０．３２ｍｍ厚の窒化珪素の両面に０．４ｍｍの銅の配線パターン２が備えられた絶縁基板４では、銅の配線パターン２が窒化珪素に拘束されており、ひずみゲージを用いた実際の銅の配線パターン２表面の熱膨張係数は、−５０℃から１５０℃の測定範囲において平均７．６×１０−６（１／K）となる。銅本来の熱膨張係数が約１７×１０−６（１／K）であることを考えると、窒化珪素に張り合わされていることにより銅の配線パターン２の実効の熱膨張係数は小さくなっている。
【００２１】
また、絶縁基板４の半導体素子１を搭載する面側に設けられる配線パターン２の表面には、半導体素子１が搭載される部分以外の場所（領域）にディンプル１６（図４参照）を設けることにより、封止樹脂６と配線パターン２との密着性が向上でき、封止樹脂６と配線パターン２との剥離を抑制することが可能となる。
【００２２】
金属ベース板５は、一方の面が絶縁基板４に例えばはんだ材や銀接合材(図示せず)を介して接合されており、他方の面は封止樹脂６には覆われておらずに封止樹脂６の外部へ露出している。金属ベース板５の材料は、特に限定されることはなく、条件によっては、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）などを使うこともできる。ただし、絶縁基板４の構造や封止樹脂６の熱膨張係数によっては、金属ベース板５の熱膨張係数が小さい材料を選択する必要があり、熱膨張係数の小さい金属ベース板５としては、銅モリブデン（Ｃｕ―Ｍｏ）や銅と銅モリブデンのクラッド材料などを用いることができる。これらを選択することで金属ベース板５としての熱膨張係数は、例えば、Ｃｕ―Ｍｏの７×１０−６（１／K）からＡｌの２４×１０−６（１／K）あたりまでを選択することが可能となる。
【００２３】
封止樹脂６は、半導体素子１、リードフレーム８、絶縁基板４、金属ベース板５、ボンディングワイヤ７などを封止するようにトランスファーモールド成形により形成されている。封止樹脂６は、熱膨張係数の小さい溶融シリカ等の無機粉末、または熱伝導性が優れるアルミナなどが充填されたエポキシ樹脂により形成されている。エポキシ樹脂は、パワー半導体装置の放熱性、動作時の発熱量、および動作温度にもよるが、一般的なオルトクレゾールノボラック型またはジシクロペンタジエン型など特に限定されることはない。例えば、ＳｉＣなどを用いた半導体素子の動作温度の高温化によりナフタレン型または多官能型を用いた耐熱性の高い樹脂を用いることもできる。さらに、高温領域まで使用する半導体装置を想定した場合には、エポキシ樹脂以外の耐熱性の高いイミド系樹脂やイソシアネート系の樹脂などを単体もしくはエポキシ樹脂との混合系で用いてもよい。
【００２４】
また、温度サイクルなどの信頼性試験で発生する熱応力を想定した場合、封止樹脂６の熱膨張係数は、環境温度を想定した範囲内において、半導体素子１の熱膨張係数以上であり、かつ、リードフレーム８の熱膨張係数以下に収めておくことが望ましい。熱膨張係数の違いにより、温度差が生じた場合には接触面でのひずみの違いが生じ、応力が発生する。したがって、リードフレーム８や半導体素子１との応力を想定した場合には、両者の熱膨張係数の間の封止樹脂６を採用することが望ましい。
【００２５】
リードフレーム８と半導体素子１との電気的な接続は、ボンディングワイヤ７を用いてもよいし、半導体素子１が絶縁基板４と接合されている面とは反対側にはんだまたは銀によって接合してもよい。
【００２６】
絶縁基板４や金属ベース板５を備えた半導体装置１００に、このような熱膨張係数の範囲となる封止樹脂６を用いることにより、半導体素子１のゲート配線が存在する側の面の外周部に接触している封止樹脂６の実効の熱膨張係数が４〜１２×１０−６（１／Ｋ）となり、本効果が得られる。
【００２７】
ここで、実効の熱膨張係数とは、封止樹脂のバルクとしての熱膨張係数ではなく、封止樹脂が被着体と接着しており拘束されている状態での、実効の熱膨張係数を指す。封止樹脂は、半導体装置の様々な部材と接着することで拘束されており、例えば、封止樹脂の熱膨張係数よりも熱膨張係数の小さい部材との接着面近傍では、実際には、バルクの熱膨張係数よりも熱膨張係数が小さくなっていることとなる。接着界面近傍の封止樹脂の実効の熱膨張係数は、半導体装置の構造を模擬した構造シミュレーションで算出することや、半導体装置（モジュール）内部にひずみゲージを埋め込み、半導体装置に温度変化を与えたときの実際のひずみ測定することによって実効の熱膨張係数を測定することも可能である。
【００２８】
絶縁基板４および金属ベース板５の組み合わせの基準を以下に示す。各部材を弾性体と仮定し、半導体素子１、絶縁基板４および配線パターン２、金属ベース板５の弾性率をＥ、厚さをｔとして、全体の等価熱膨張係数（実効の熱膨張係数）をαeとしたときに、以下の式で表すことができる。
【００２９】
【数１】
2016143846.tif 000003
ここで、Ｅは各材料の弾性率、αは各材料の熱膨張係数、ｔは厚さ、ｋは各部材を示す。実際には、各部材では塑性変形する領域もあるため、上式から求められる等価熱膨張係数と、ひずみゲージによって測定される表面の熱膨張係数を比較すると、ひずみゲージによって測定される熱膨張係数の方が２０〜４０％程度小さくなることがあるが、絶縁基板４および金属ベース板５の組み合わせの基準は、上式で求められたαｅの値が４〜１２の範囲である。
【００３０】
図２は、この発明の実施の形態１の半導体装置の半導体素子端部近傍を拡大した断面構造模式図である。図２において、封止樹脂６で封止された半導体素子１の絶縁基板４と接する面の反対面にはポリイミド１５が配置されている。封止樹脂６中の点線で囲った領域１８近傍（絶縁基板４と接する面の反対面の外周部近傍）における封止樹脂６の実効の熱膨張係数が上述のような所定の値になるように構成部材を選定することで、温度サイクルに起因して発生する応力を低減することができ、温度サイクル時における半導体素子１と封止樹脂６との剥離を抑制することが可能となる。
【００３１】
図３は、この発明の実施の形態１の半導体装置の剥離防止対象箇所を示す断面構造模式図である。図３において、点線で囲った領域１９の半導体素子１と封止樹脂６との界面で温度サイクル時に剥離が発生する可能性がある。しかし、本発明のように封止樹脂６の実効の熱膨張係数を４〜１２×１０−６（１／Ｋ）とすることで、温度サイクルに起因して発生する応力を低減することができ、温度サイクル時における半導体素子１と封止樹脂６との剥離を抑制することが可能となる。
【００３２】
図４は、この発明の実施の形態１の半導体装置の他の剥離防止対象箇所を示す断面構造模式図である。図３に示した領域１９以外の剥離防止対象箇所として、図４に示した領域２０での剥離も考えられる。図４において、配線パターン２には、ディンプル１６が設けられている。この場合の温度サイクル時の封止樹脂６の剥離防止対象箇所は、図３の領域１９以外に、半導体素子１と配線パターン２との接合部分である領域２０が考えられる。図４に示したように、配線パターン２にディンプル１６を設けることで半導体素子１と配線パターン２との接合部分である領域２０での剥離を抑制することは可能である。さらに、図４に示すような配線パターン２にディンプル１６を設けた場合においても、温度サイクル時の条件により封止樹脂６の剥離は発生するが、封止樹脂６の実効の熱膨張係数を４〜１２×１０−６（１／Ｋ）とすることで、温度サイクルに起因して発生する応力を低減することができ、温度サイクル時における半導体素子１と封止樹脂６との剥離を抑制に加えて半導体素子１と配線パターン２との接合部分での剥離を抑制することが可能となる。
【００３３】
図５は、この発明の実施の形態１の他の半導体装置の断面構造模式図である。図５において、半導体装置２００は、半導体素子１、搭載部である絶縁基板４、封止樹脂６、ボンディングワイヤ７、ダイレクトリードボンディング（ＤＬＢ：Ｄｉｒｅｃｔ  Ｌｅａｄ  Ｂｏｎｄｉｎｇ）９を備える。図１に示した半導体装置１００から金属ベース板５をなくし、リードフレーム８をＤＬＢ９に変更した構成となっている。このような構成である半導体装置２００においても、封止樹脂６の実効の熱膨張係数を４〜１２×１０−６（１／Ｋ）とすることで、温度サイクルに起因して発生する応力を低減することができ、温度サイクル時の半導体素子１と封止樹脂６との剥離が抑制できる。なお、図５においては、金属ベース板５をなくし、リードフレーム８をＤＬＢ９に変更した構成を示したが、いずれか一方のみの構成を変更した場合においても、封止樹脂６の実効の熱膨張係数を４〜１２×１０−６（１／Ｋ）とすることで、温度サイクルに起因して発生する応力を低減することができ、温度サイクル時の半導体素子１と封止樹脂６との剥離が抑制できる。
【００３４】
また、ＤＬＢ９を用いることで、半導体装置２００内部における配線インダクタンスを低減することが可能となり、さらに、ＤＬＢ９を用いたことで配線に起因する信頼性が改善される。
【００３５】
以上のように構成された半導体装置においては、封止樹脂６の実効の熱膨張係数を
４〜１２×１０−６（１／Ｋ）としたので、温度サイクルに起因して発生する応力を低減することができる。その結果、半導体素子１と封止樹脂６との界面で生じる封止樹脂６の剥離を防止することができ、半導体装置の絶縁信頼性の向上が可能となる。
【００３６】
実施の形態２．
本実施の形態２においては、実施の形態１で用いた半導体素子１を搭載した絶縁基板４をヒートスプレッダ１０に変更した点が異なる。このように半導体素子１の搭載部として金属部材であるヒートスプレッダ１０を用いて構成した場合においても、封止樹脂６の実効の熱膨張係数を４〜１２×１０−６（１／Ｋ）とすることで、温度サイクルに起因して発生する応力を低減することができる。その結果、半導体素子１と封止樹脂６との界面で生じる封止樹脂６の剥離を防止することができ、半導体装置の絶縁信頼性の向上が可能となる。
【００３７】
本発明の実施の形態２について、図面を用いて以下に説明する。図６は、この発明の実施の形態２の半導体装置の断面構造模式図である。図６において、半導体装置３００は、半導体素子１、封止樹脂６、ボンディングワイヤ７、リードフレーム８、金属部材であるヒートスプレッダ１０、絶縁シート１１、金属箔１７を備える。
【００３８】
上述したように、実施の形態１と異なる部分は、絶縁構造である。実施の形態１では、半導体装置の絶縁を絶縁基板４で確保していたのに対して、実施の形態２では、半導体素子１は熱拡散を目的としたヒートスプレッダ１０に搭載されている。半導体装置に絶縁性が求められる場合は、図６に示すように絶縁シート１１を設けることで絶縁を確保している。ただし、半導体装置に絶縁構造が求められない場合は、絶縁シート１１（金属箔１７を含む）を必ずしも設ける必要はない。
【００３９】
半導体素子１が搭載されるヒートスプレッダ１０や絶縁シート１１などの組み合わせは、基本的に実施の形態１の中に記載している考え方に基づいて基材を選定すれば良い。
【００４０】
ヒートスプレッダ１０は、金属材料となるが、例えば、厚さ３ｍｍの銅材料では、式１のαｅが１７×１０−６（１／Ｋ）以上となるため、選択することができない。
【００４１】
半導体装置に絶縁が必要となる場合は、ヒートスプレッダ１０の半導体素子１が搭載された面の反対側の面（下面）には、金属箔１７である銅箔が貼り付けられた絶縁層として絶縁シート１１が設けられている。絶縁シート１１は、熱伝導性に優れるシリカ、アルミナ、窒化ホウ素、窒化アルミニウム等の無機粉末が少なくとも１種以上充填されたエポキシ樹脂により形成され、無機粉末は単独材料でも複数材料の組合せでもよい。また、銅箔の下面は露出しており、放熱性を確保するだけでなく、絶縁シート１１が外部からの接触により傷がつかないための保護層としての役目も果たしている。この目的を満たすものであれば、銅箔である必要もなく、アルミなどの金属箔でも、厚めの銅板でも構わない。
【００４２】
ヒートスプレッダ１０の材料としては、例えば銅よりも熱膨張係数の小さい合金材料を用いることが可能であり、例えば、銅モリブデン、銅と銅モリブデンのクラッド材料などの熱膨張係数の小さいものを用いることができる。
【００４３】
以上のように構成された半導体装置においては、封止樹脂６の実効の熱膨張係数を
４〜１２×１０−６（１／Ｋ）としたので、温度サイクルに起因して発生する応力を低減することができる。その結果、半導体素子１と封止樹脂６との界面で生じる封止樹脂６の剥離を防止することができ、半導体装置の絶縁信頼性の向上が可能となる。
【００４４】
実施の形態３．
本実施の形態３においては、実施の形態１で用いた半導体装置の形態をモールド型からケース型に変更した点が異なる。このように半導体装置の形態をケース型で構成した場合においても、封止樹脂６の実効の熱膨張係数を４〜１２×１０−６（１／Ｋ）とすることで、温度サイクルに起因して発生する応力を低減することができる。その結果、半導体素子１と封止樹脂６との界面で生じる封止樹脂６の剥離を防止することができ、半導体装置の絶縁信頼性の向上が可能となる。
【００４５】
本発明の実施の形態３について、図面を用いて以下に説明する。図７は、この発明の実施の形態３の半導体装置の断面構造模式図である。図７において、半導体装置４００は、半導体素子１、絶縁基板４、金属ベース板５、封止樹脂１４、ボンディングワイヤ７、端子１２、ケース部材１３を備える。
【００４６】
実施の形態１と異なる部分は、半導体装置の封止構造である。実施の形態１では、半導体装置１００はトランスファー成形機を使って封止する、いわゆるモールド型の半導体装置となる。本実施の形態３では、半導体素子１のまわりを封止する封止樹脂１４は、トランスファー成形による封止樹脂である必要はなく、いわゆるケース型と呼ばれる半導体装置でも構わない。ケース型半導体装置は、ＰＰＳなどのケース材料１３の中に絶縁基板４や半導体素子１などが備えられており、ケースの中に封止樹脂１４としてエポキシ樹脂などのポッティング樹脂で封止された構造となっている。
【００４７】
一般にトランスファー成形による封止樹脂よりもポッティングによる封止樹脂の方が、粘度の制約があり、樹脂の熱膨張係数を小さくする制御が難しいが、実施の形態１の中に記載の式（１）に則った考え方で示した条件を満たすことにより、ＳｉＣ半導体素子を搭載した半導体装置での厳しい信頼性試験においても、温度サイクルなどの熱応力に対して、封止樹脂／ＳｉＣ半導体素子の剥離や樹脂クラックの発生が抑制でき、高い信頼性を持つ半導体装置を得ることができる。
【００４８】
図７では、ケース材料１３を金属ベース板５の外周に設けているが、金属ベース板５は、平板であることに限ったものではなく、凹凸を有したフィン構造を有する金属ベース板でもよい。
【００４９】
以上のように構成された半導体装置においては、封止樹脂６の実効の熱膨張係数を
４〜１２×１０−６（１／Ｋ）としたので、温度サイクルに起因して発生する応力を低減することができる。その結果、半導体素子１と封止樹脂６との界面で生じる封止樹脂６の剥離を防止することができ、半導体装置の絶縁信頼性の向上が可能となる。
【００５０】
[実施例]
実施の形態１における実施例、比較例を以下に示す。実施の形態１における図１に示した半導体装置１００を用いて比較検討を行った。表１に試作・評価した各種半導体装置の信頼性試験結果を示す。
【００５１】
[実施例１]
絶縁基板４の構成は、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）の両面に銅の配線パターン２が設けられた窒化珪素基板３を用いた。厚さの構成は、窒化珪素が０．３２ｍｍに対して両面に銅の配線パターン２が０．３ｍｍとした。銅の配線パターン２が設けられた一方の面にＳｉＣ製半導体素子１を接合した。ＳｉＣ製半導体素子１を搭載しない銅の配線パターン２の部分（領域）には、封止樹脂６との密着性向上を目的としたディンプル１６をエッチング処理によって設けている。リードフレーム８と絶縁基板４や半導体素子１をボンディングワイヤ８やはんだや銀を用いて接合を行った後、トランスファーモールド装置により半導体素子１を覆うように全体を樹脂封止６した。このとき、絶縁基板４の半導体素子１が搭載されている面とは反対の面に設けられている銅の配線パターン２は露出するように成形を行った。封止樹脂６は、無機粉末が約８２重量％充填されているエポキシ樹脂を用いており、封止樹脂６の熱膨張係数は、室温で約１２×１０−６（１／Ｋ）であった。この構成で作製された半導体装置のＳｉＣ製半導体素子１のゲート配線が設けられている面（絶縁基板４と接する面の反対面）の外周部近傍（約０．１ｍｍ）での封止樹脂６の実効の熱膨張係数は、７．１×１０−６（１／Ｋ）となる。
【００５２】
この半導体装置を温度サイクル条件として−４０℃から２００℃まで１０００サイクルの試験を実施した。温度サイクル試験後に、超音波探傷装置により半導体素子１と封止樹脂６との界面、配線パターン２と封止樹脂６との界面を観察した結果、いずれも剥離は発生しておらず、半導体素子１の電気特性も初期とほぼ変化なく良好であることを確認した。
【００５３】
[実施例２]
本実施例２は、実施例１の内容に対して絶縁基板４の構成を変更したこと以外は同様の構造やプロセスで成り立った半導体装置である。
【００５４】
絶縁基板４の構成は、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）の両面に銅の配線パターン２が設けられた窒化珪素基板３を用いた。厚さの構成は、実施例１と比較してＳｉＣ製半導体素子１の外周部近傍の熱膨張係数を小さくすることを目的として、窒化珪素が０．６４ｍｍに対して両面に銅の配線パターン２が０．３ｍｍとした。この構成で作製された半導体装置のＳｉＣ製半導体素子１のゲート配線が設けられている面の外周部近傍（約０．１ｍｍ）での封止樹脂６の実効の熱膨張係数は、５．９×１０−６（１／Ｋ）となる。
【００５５】
この半導体装置を温度サイクル条件として−４０℃から２００℃まで１０００サイクルの試験を実施した。温度サイクル試験後に、超音波探傷装置により半導体素子１と封止樹脂６との界面、配線パターン２と封止樹脂６との界面を観察した結果、いずれも剥離は発生しておらず、半導体素子１の電気特性も初期とほぼ変化なく良好であることを確認した。
【００５６】
[実施例３]
本実施例３は、実施例１の内容に対して絶縁基板４の構成を変更したこと以外は同様の構造やプロセスで成り立った半導体装置である。
【００５７】
絶縁基板４の構成は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の両面に銅の配線パターン２が設けられた窒化珪素基板３を用いた。厚さの構成は、実施例１と比較して絶縁基板４の放熱性向上を目的として、窒化アルミニウムが０．６４ｍｍに対して両面に銅の配線パターン２が０．３ｍｍとした。この構成で作製された半導体装置のＳｉＣ製半導体素子１のゲート配線が設けられている面の外周部近傍（約０．１ｍｍ）での封止樹脂６の実効の熱膨張係数は、７．０×１０−６（１／Ｋ）となる。
【００５８】
この半導体装置を温度サイクル条件として−４０℃から２００℃まで１０００サイクルの試験を実施した。温度サイクル試験後に、超音波探傷装置により半導体素子１と封止樹脂６との界面、配線パターン２と封止樹脂６との界面を観察した結果、いずれも剥離は発生しておらず、半導体素子１の電気特性も初期とほぼ変化なく良好であることを確認した。
【００５９】
[実施例４]
本実施例４は、実施例１の内容に対して絶縁基板４の構成を変更したこと以外は同様の構造やプロセスで成り立った半導体装置である。
【００６０】
絶縁基板４の構成は、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）の両面に銅の配線パターン２が設けられた窒化珪素基板３を用いた。厚さの構成は、実施例１と比較して絶縁基板の放熱性向上を目的として、窒化珪素が０．３２ｍｍに対して両面に銅の配線パターン２が１．０ｍｍとした。この構成で作製された半導体装置のＳｉＣ製半導体素子１のゲート配線が設けられている面の外周部近傍（約０．１ｍｍ）での封止樹脂６の実効の熱膨張係数は、１０．７×１０−６（１／Ｋ）となる。
【００６１】
この半導体装置を温度サイクル条件として−４０℃から２００℃まで１０００サイクルの試験を実施した。温度サイクル試験後に、超音波探傷装置により半導体素子１と封止樹脂６との界面、配線パターン２と封止樹脂６との界面を観察した結果、いずれも剥離は発生しておらず、半導体素子１の電気特性も初期とほぼ変化なく良好であることを確認した。
【００６２】
[実施例５]
本実施例５は、実施例１の内容に対して絶縁基板４の構成を変更したこと以外は同様の構造やプロセスで成り立った半導体装置である。
【００６３】
絶縁基板４の構成は、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）の両面に銅とアルミとを積層した配線パターン２が設けられた窒化珪素基板３を用いた。厚さの構成は、実施例１と比較して窒化珪素板３への熱応力の低減を目的として、窒化珪素が０．６４ｍｍに対して両面にアルミの配線層が０．４ｍｍ設けられ、さらに両面に銅の配線層が０．８ｍｍ設けられているものとした。この構成で作製された半導体装置のＳｉＣ製半導体素子１のゲート配線が設けられている面の外周部近傍（約０．１ｍｍ）での封止樹脂６の実効の熱膨張係数は、９．９×１０−６（１／Ｋ）となる。
【００６４】
この半導体装置を温度サイクル条件として−４０℃から２００℃まで１０００サイクルの試験を実施した。温度サイクル試験後に、超音波探傷装置により半導体素子１と封止樹脂６との界面、配線パターン２と封止樹脂６との界面を観察した結果、いずれも剥離は発生しておらず、半導体素子１の電気特性も初期とほぼ変化なく良好であることを確認した。
【００６５】
[比較例１]
本比較例１は、実施例１の内容に対して絶縁基板４の構成を変更したこと以外は同様の構造やプロセスで成り立った半導体装置である。
【００６６】
絶縁基板４の構成は、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）の両面に銅の配線パターン２が設けられた窒化珪素基板４を用いた。厚さの構成は、実施例１と比較して絶縁基板４の窒化珪素板３にかかる応力低減を目的として、窒化珪素が１．０ｍｍに対して両面に銅の配線パターン２が０．１ｍｍとした。この構成で作製された半導体装置のＳｉＣ製半導体素子１のゲート配線が設けられている面の外周部近傍（約０．１ｍｍ）での封止樹脂６の実効の熱膨張係数は、３．９×１０−６（１／Ｋ）となる。
【００６７】
この半導体装置を温度サイクル条件として−４０℃から２００℃まで１０００サイクルの試験を実施した。温度サイクル試験後に、超音波探傷装置により各界面の剥離有無評価を実施した結果、半導体素子１と封止樹脂６との界面では剥離が発生していなかったが、配線パターン２と封止樹脂６との界面で剥離が発生していた。このため、該当部分の熱膨張係数が４×１０−６（１／Ｋ）より小さくなるような、熱膨張係数の小さな絶縁基板４を適用すると、信頼性試験をクリアしなかった。
【００６８】
[比較例２]
本比較例２は、実施例１の内容に対して絶縁基板４の構成を変更したこと以外は同様の構造やプロセスで成り立った半導体装置である。
【００６９】
絶縁基板４の構成は、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）の両面に銅とアルミとを積層した配線パターン２が設けられた窒化珪素基板３を用いた。厚さの構成は、実施例１と比較して窒化珪素板３への熱応力の低減と放熱性向上を目的として、窒化珪素が０．３２ｍｍに対して両面にアルミの配線層が０．５ｍｍ設けられ、さらに両面に銅の配線層が１．０ｍｍ設けられているものとした。この構成で作製された半導体装置のＳｉＣ製半導体素子１のゲート配線が設けられている面の外周部近傍（約０．１ｍｍ）での封止樹脂６の実効の熱膨張係数は、１２．４×１０−６（１／Ｋ）となる。
【００７０】
この半導体装置を温度サイクル条件として−４０℃から２００℃まで１０００サイクルの試験を実施した。温度サイクル試験後に、超音波探傷装置により各界面の剥離有無評価を実施した結果、銅の配線パターン２と封止樹脂６との界面では剥離が発生していなかったが、半導体素子１表面と封止樹脂６との界面で剥離が発生していた。このため、該当部分の熱膨張係数が１２×１０−６（１／Ｋ）より大きくなるような、熱膨張係数の大きな絶縁基板４を適用すると、信頼性試験をクリアしなかった。
【００７１】
[実施例６]
本実施例６は、比較例２の内容に対して、絶縁基板４の半導体素子１を搭載していない面にさらに金属ベース板５を接合し、金属ベース板５の何も接合していない面を半導体装置外部に露出させた構造に変更したこと以外は同様の構造やプロセスで成り立った半導体装置である。
【００７２】
追加した金属ベース板５は、銅モリブデン（ＣｕＭｏ）であり、組成割合として３０重量％の銅と７０重量％のモリブデンで構成されているものであり、金属ベース板５の熱膨張係数は、約７．０×１０−６（１／Ｋ）となるものである。この構成で作製された半導体装置のＳｉＣ製半導体素子１のゲート配線が設けられている面の外周部近傍（約０．１ｍｍ）での封止樹脂６の実効の熱膨張係数は、１０．８×１０−６（１／Ｋ）となる。この金属ベース板５を設けることにより、比較例２での適用目的とした熱応力低減と放熱性をある程度維持したまま、ＳｉＣ製半導体素子１近傍の封止樹脂６の熱膨張係数を小さくすることもでき、信頼性を確保することができる。
【００７３】
この半導体装置を温度サイクル条件として−４０℃から２００℃まで１０００サイクルの試験を実施した。温度サイクル試験後に、超音波探傷装置により半導体素子１と封止樹脂６との界面、配線パターン２と封止樹脂６との界面を観察した結果、いずれも剥離は発生しておらず、半導体素子１の電気特性も初期とほぼ変化なく良好であることを確認した。
【００７４】
[実施例７]
本実施例は、実施例２の内容に対して、絶縁基板４の半導体素子１を搭載していない面にさらに金属ベース板５を接合し、金属ベース板５の何も接合していない面を半導体装置外部に露出させた構造に変更したこと以外は同様の構造やプロセスで成り立った半導体装置である。
【００７５】
追加した金属ベース板５は、銅モリブデン（ＣｕＭｏ）であり、組成割合として３０重量％の銅と７０重量％のモリブデンで構成されているものであり、金属ベース板５の熱膨張係数は、約７．０×１０−６（１／Ｋ）となるものである。この構成で作製された半導体装置のＳｉＣ製半導体素子１のゲート配線が設けられている面の外周部近傍（約０．１ｍｍ）での封止樹脂６の実効の熱膨張係数は、６．３×１０−６（１／Ｋ）となる。この金属ベース板５設けることにより、実施例２での信頼性を確保したまま、半導体装置の反りを低減することも可能となる。
【００７６】
この半導体装置を温度サイクル条件として−４０℃から２００℃まで１０００サイクルの試験を実施した。温度サイクル試験後に、超音波探傷装置により半導体素子１と封止樹脂６との界面、配線パターン２と封止樹脂６との界面を観察した結果、いずれも剥離は発生しておらず、半導体素子１の電気特性も初期とほぼ変化なく良好であることを確認した。
【００７７】
実施例１から実施例７や比較例１から比較例２において、絶縁基板４および金属ベース板５の組み合わせにより、信頼性の結果が変わっている。実施例１から実施例７は、組み合わせ例であり、組み合わせにより、該当部の封止樹脂の熱膨張係数が４〜１２×１０−６（１／Ｋ）となるものであれば、組み合わせは限定されるものではない。
【００７８】
実施の形態２における実施例および比較例を以下に示す。表２に試作・評価した各種半導体装置の信頼性試験結果を示す。
【００７９】
[実施例８]
ヒートスプレッダ１０は、組成割合として３０重量％の銅と７０重量％のモリブデンで構成されている銅モリブデン（ＣｕＭｏ）を用いた。ヒートスプレッダ１０の熱膨張係数は、約７．０×１０−６（１／Ｋ）となるものである。このヒートスプレッダ１０の厚さを３ｍｍとし、これに、片面に約１００μｍの銅箔１７が設けられた厚さ２００μｍの絶縁シート１１を銅箔が設けられていない面と貼り合わせた構成とした。ヒートスプレッダ１０の絶縁シート１１が設けられていない側の面には、半導体素子１が搭載されており、これら全体を銅箔１７が露出するように、全体を封止樹脂６で覆うようにトランスファーモールド装置によって樹脂封止した。
【００８０】
絶縁シート１１は、エポキシ樹脂に窒化硼素が約５０〜６０体積％充填されているものを用い、熱伝導率は約１２Ｗ／（ｍ・Ｋ）、戦膨張係数は、約１４×１０−６（１／Ｋ）であるものを用いた。封止樹脂６は、実施例１と同様に、無機粉末が約８２重量％充填されているエポキシ樹脂を用いており、封止樹脂の熱膨張係数は、室温で約１２×１０−６（１／Ｋ）であった。この構成で作製された半導体装置のＳｉＣ製半導体素子１のゲート配線が設けられている面の外周部近傍（約０．１ｍｍ）での封止樹脂６の実効の熱膨張係数は、６．７×１０−６（１／Ｋ）となる。
【００８１】
この半導体装置を温度サイクル条件として−４０℃から２００℃まで１０００サイクルの試験を実施した。温度サイクル試験後に、超音波探傷装置により半導体素子１と封止樹脂６との界面、配線パターン２と封止樹脂６との界面を観察した結果、いずれも剥離は発生しておらず、半導体素子１の電気特性も初期とほぼ変化なく良好であることを確認した。
【００８２】
[比較例３]
本比較例３は、実施例８の内容に対してヒートスプレッダ１０の材料を変更したこと以外は同様の構造やプロセスで成り立った半導体装置である。
【００８３】
ヒートスプレッダ１０としては、銅を用いた。ヒートスプレッダ１０の熱膨張係数は、約１７．０×１０−６（１／Ｋ）となるものである。厚さは実施例８と同様に３ｍｍとした。
【００８４】
この構成で作製された半導体装置のＳｉＣ製半導体素子１のゲート配線が設けられている面の外周部近傍（約０．１ｍｍ）での封止樹脂６の実効の熱膨張係数は、１４．２×１０−６（１／Ｋ）となる。
【００８５】
この半導体装置を温度サイクル条件として−４０℃から２００℃まで１０００サイクルの試験を実施した。温度サイクル試験後に、超音波探傷装置により各界面の剥離有無評価を実施した結果、銅の配線パターン２と封止樹脂６との界面では剥離が発生していなかったが、半導体素子１表面と封止樹脂６との界面で剥離が発生していた。このため、該当部分の熱膨張係数が１２×１０−６（１／Ｋ）より大きくなるような、熱膨張係数の大きな材料でヒートスプレッダ１０として適用すると、信頼性試験をクリアしなかった。
【００８６】
【表１】
2016143846.tif 000004
【００８７】
【表２】
2016143846.tif 000005
【符号の説明】
【００８８】
１  半導体素子、２  配線パターン、３  セラミックス基板、４  絶縁基板、５  金属ベース板、６  封止樹脂、７  ボンディングワイヤ、８  リードフレーム、９  ＤＬＢ、１０  ヒートスプレッダ、１１  絶縁シート、１２  端子、１３  ケース材料、１４  封止樹脂（ゲル）、１５  ポリイミド、１６  ディンプル、１７  金属箔、１８  実効の熱膨張係数測定位置、１９，２０  剥離防止対象箇所、１００，２００，３００，４００  半導体装置。
【図１】
2016143846.tif 000006
【図２】
2016143846.tif 000007
【図３】
2016143846.tif 000008
【図４】
2016143846.tif 000009
【図５】
2016143846.tif 000010
【図６】
2016143846.tif 000011
【図７】
2016143846.tif 000012