(57)【要約】【課題】パワーモジュールを構成する部材と封止樹脂との接合界面の剥離を抑制することができ、かつ仮に剥離が起こってもパワーモジュールの電気的特性の劣化を抑制することが可能な、半導体装置およびその製造方法を提供する。【解決手段】放熱部材１と、モジュール構成部材ＭＪ１と、封止樹脂９Ａとを備えている。封止樹脂９Ａはモジュール構成部材ＭＪ１を被覆する。モジュール構成部材ＭＪ１は、放熱部材１上の絶縁部材３Ａと、回路パターン５と、パワー半導体素子７とを含む。封止樹脂９Ａは、モジュール構成部材ＭＪ１と接触する封止樹脂接合層３１を含む。封止樹脂接合層３１内には複数の気泡３３を含む。【選択図】図１
2017092059.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放熱部材と、
モジュール構成部材と、
前記モジュール構成部材を被覆する封止樹脂とを備え、
前記モジュール構成部材は、
前記放熱部材上に設けられた絶縁部材と、
前記絶縁部材上に形成された回路パターンと、
前記回路パターン上に配置されたパワー半導体素子とを含み、
前記封止樹脂は、前記モジュール構成部材と接触する封止樹脂接合層を含み、
前記封止樹脂接合層内には複数の気泡を含む、半導体装置。
【請求項２】
前記モジュール構成部材、封止樹脂接合層および封止樹脂を収納するケースをさらに備える、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記モジュール構成部材と前記封止樹脂接合層との接合強度は、前記封止樹脂接合層の破壊強度よりも高い、請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
放熱部材上にモジュール構成部材を載置する工程を備え、
前記モジュール構成部材は、絶縁部材と、前記絶縁部材上に形成された回路パターンと、前記回路パターン上に配置されたパワー半導体素子とを含み、さらに、
前記放熱部材上に、前記モジュール構成部材を収納するようにケースを設置する工程と、
前記モジュール構成部材および前記ケースを前記放熱部材に接合させる工程と、
前記ケースおよび前記放熱部材により収納された前記モジュール構成部材を封止するように封止樹脂を供給し、硬化させる工程と、
前記モジュール構成部材に隣接する領域に配置される硬化された前記封止樹脂を再溶融させる工程とを備え、
前記封止樹脂を再溶融させる工程において、前記封止樹脂のうち前記モジュール構成部材の表面に隣接する領域には複数の気泡を含む封止樹脂接合層が形成される、半導体装置の製造方法。
【請求項５】
放熱部材上にモジュール構成部材を載置する工程を備え、
前記モジュール構成部材は、絶縁部材と、前記絶縁部材上に配置された回路パターンと、前記回路パターン上に配置されたパワー半導体素子とを含み、さらに、
金型内に前記放熱部材および前記モジュール構成部材が設置された状態で前記金型内を封止するように封止樹脂を供給し、硬化させる工程と、
前記モジュール構成部材に隣接する領域に配置される硬化された前記封止樹脂を再溶融させる工程とを備え、
前記封止樹脂を再溶融させる工程において、前記封止樹脂のうち前記モジュール構成部材の表面に隣接する領域には複数の気泡を含む封止樹脂接合層が形成される、半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記封止樹脂を再溶融させる工程は、レーザービーム照射法、マイクロ波照射法または通電加熱法によりなされる、請求項４または５に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置およびその製造方法に関し、特にパワーモジュールおよびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のパワーモジュールにおいて、パワー半導体素子および回路パターンなどからなる部材が絶縁性の樹脂により封止される。当該パワーモジュールの動作時には、パワー半導体素子の発熱とパワーモジュールを構成する部材間の線膨張係数差に起因する熱応力が生じる。特に、従来のパワーモジュールを構成する部材と封止樹脂との接合界面においては、接合界面に生じる熱応力によって、パワーモジュールを構成する主要部材と封止樹脂との接合界面が剥離し、パワーモジュールの機械的および電気的特性が劣化する可能性がある。
【０００３】
そこで、パワーモジュールを構成する主要部材がこれと接触する表面と接触する部分に突起部を設け、当該接触する部分がパワーモジュールの主要部材に対して剥離する不具合を抑制する構成が考案されている。たとえば特開２００６−２２２４０６号公報（特許文献１）においては、放熱板のパワー半導体素子と接続される面に突起部が形成されており、放熱板の突起部が形成された面の突起部が形成されない面に対する比表面積が１．３５以上である構成が開示されている。またたとえば特開２００９−１８２１５９号公報（特許文献２）においては、パワーモジュールの主要部材の封止樹脂に覆われる表面に、微細凹凸を有する金属の酸化物層を形成することにより、パワーモジュールを構成する主要部材と封止樹脂との密着力を向上させた構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２２２４０６号公報
【特許文献２】特開２００９−１８２１５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、パワーモジュールの使用温度域は広がっており、パワーモジュールを構成する部材に生じる熱応力はより大きくなっている。それに伴い、パワーモジュールを構成する部材と封止樹脂との接合界面が剥離し易くなる可能性がある。特開２００６−２２２４０６号公報および特開２００９−１８２１５９号公報のようなパワーモジュールにおいては、パワーモジュールを構成する部材と封止樹脂との剥離が発生すれば、たちまち剥離がパワーモジュールを構成する部材と封止樹脂との接合界面を辿って進行し、パワーモジュールの電気的特性が劣化する可能性が高い。
【０００６】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、パワーモジュールを構成する部材と封止樹脂との接合界面の剥離を抑制することができ、かつ仮に剥離が起こってもパワーモジュールの電気的特性の劣化を抑制することが可能な、パワーモジュールなどの半導体装置およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の半導体装置は、放熱部材と、モジュール構成部材と、封止樹脂とを備えている。封止樹脂はモジュール構成部材を被覆する。モジュール構成部材は、放熱部材上の絶縁部材と、回路パターンと、パワー半導体素子とを含む。封止樹脂は、モジュール構成部材と接触する封止樹脂接合層を含む。封止樹脂接合層内には複数の気泡を含む。
【０００８】
本発明の半導体装置の製造方法は、放熱部材上にモジュール構成部材が載置される。放熱部材上に、モジュール構成部材を収納するようにケースが設置される。モジュール構成部材およびケースが放熱部材に接合される。ケースおよび放熱部材により収納されたモジュール構成部材を封止するように封止樹脂が供給され硬化される。モジュール構成部材に隣接する領域に配置される硬化された封止樹脂が再溶融される。モジュール構成部材は、絶縁部材と、回路パターンと、パワー半導体素子とを含む。上記再溶融される際に、封止樹脂のうちモジュール構成部材の表面に隣接する領域には複数の気泡を含む封止樹脂接合層が形成される。
【０００９】
本発明の半導体装置の他の製造方法は、放熱部材上にモジュール構成部材が載置される。金型内に放熱部材およびモジュール構成部材が設置された状態で金型内を封止するように封止樹脂が供給され、硬化される。モジュール構成部材に隣接する領域に配置される硬化された封止樹脂が再溶融される。モジュール構成部材は、絶縁部材と、回路パターンと、パワー半導体素子とを含む。上記再溶融される際に、封止樹脂のうちモジュール構成部材の表面に隣接する領域には複数の気泡を含む封止樹脂接合層が形成される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、複数の気泡を含む封止樹脂接合層により、パワーモジュールを構成する部材であるモジュール構成部材と封止樹脂との接合界面の剥離を抑制することができ、かつ仮に剥離が起こってもパワーモジュールの電気的特性の劣化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態１の第１例におけるパワーモジュールの構成の概略断面図である。
【図２】実施の形態１の第２例におけるパワーモジュールの構成の概略断面図である。
【図３】実施の形態１の第１例におけるパワーモジュールの製造方法の第１工程を示す概略断面図である。
【図４】実施の形態１の第１例におけるパワーモジュールの製造方法の第２工程を示す概略断面図である。
【図５】実施の形態１の第１例におけるパワーモジュールの製造方法の第３工程を示す概略断面図である。
【図６】実施の形態１の第１例におけるパワーモジュールの製造方法の第４工程を示す概略断面図である。
【図７】実施の形態１の第１例におけるパワーモジュールの製造方法の第５工程を示す概略断面図である。
【図８】実施の形態１の第１例におけるパワーモジュールの製造方法の第６工程を示す概略断面図である。
【図９】実施の形態１の第２例におけるパワーモジュールの製造方法の第１工程を示す概略断面図である。
【図１０】実施の形態１の第２例におけるパワーモジュールの製造方法の第２工程を示す概略断面図である。
【図１１】実施の形態１の第２例におけるパワーモジュールの製造方法の第３工程を示す概略断面図である。
【図１２】実施の形態１の第２例におけるパワーモジュールの製造方法の第４工程を示す概略断面図である。
【図１３】実施の形態１の第２例におけるパワーモジュールの製造方法の第５工程を示す概略断面図である。
【図１４】実施の形態１の第２例におけるパワーモジュールの製造方法の第６工程を示す概略断面図である。
【図１５】実施の形態１の図７および図１３とは異なる封止樹脂の再溶融方法を示す概略断面図である。
【図１６】封止樹脂接合層の破壊強度を測定する試験方法の第１例を示す概略断面図（Ａ）と、封止樹脂接合層の破壊強度を測定する試験方法の第２例を示す概略断面図（Ｂ）とである。
【図１７】実施の形態２におけるパワーモジュールの構成の概略断面図である。
【図１８】実施の形態２におけるパワーモジュールの製造方法の第１工程を示す概略断面図である。
【図１９】実施の形態２におけるパワーモジュールの製造方法の第２工程を示す概略断面図である。
【図２０】実施の形態２におけるパワーモジュールの製造方法の第３工程を示す概略断面図である。
【図２１】実施の形態２におけるパワーモジュールの製造方法の第４工程を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
（実施の形態１）
まず本実施の形態の半導体装置の構成としてパワーモジュールの構成について図１および図２を用いて説明する。図１を参照して、本実施の形態の第１例におけるパワーモジュール１００は、放熱部材としての放熱板１と、パワーモジュール１００を構成する主要な部材の構造体としてのモジュール構成部材ＭＪ１と、封止樹脂９Ａとを主に有している。モジュール構成部材ＭＪ１は、絶縁部材３Ａと、回路パターン５と、パワー半導体素子７と、金属パターン１１と、素子接合材１３と、絶縁部材接合材１５と、電極１７とを有している。モジュール構成部材ＭＪ１はケース２１に収納されており、ケース２１はケース接着剤２３により放熱板１に固定されている。ケース２１上には主端子２５が形成され、これとたとえば回路パターン５とがボンディングワイヤ２７により電気的に接続されている。
【００１３】
以下、パワーモジュール１００に含まれる各部材の構成および配置等について詳細に説明する。
【００１４】
放熱板１は、たとえば平面視において矩形状を有し、図１の上下方向に示す厚みを有する平板状の部材である。放熱板１は、熱伝導性が良好な材料により形成されることが好ましく、たとえば銅、または炭化珪素とアルミニウムとの複合材（Ａｌ−ＳｉＣ）により形成されることが好ましい。放熱板１は、パワーモジュール１００の稼動時にその内部に発生する熱を放熱板１の外部すなわち図１の放熱板１の下方へ放熱する機能と、パワーモジュール１００を構成する筐体の一部としての機能とを併せ持つ。
【００１５】
図１においてはケース２１の下側に放熱板１が配置されており、放熱板１とケース２１とは少なくとも一部において平面的に重なり合っている。しかしたとえば放熱板１の平面視における外縁部を取り囲むように、平面視において放熱板１の外側にケース２１が配置されていてもよい。少なくとも放熱板１は、その真上の絶縁部材３Ａと対向する面と反対側（図１の下側）の面である放熱板主表面１ａがパワーモジュール１００の外部に向けて露出し、パワーモジュール１００の稼動時にその内部に発生する熱は放熱板主表面１ａから外部に放出可能となっている。
【００１６】
モジュール構成部材ＭＪ１に含まれる絶縁部材３Ａは、たとえば平面視において矩形状を有し、図１の上下方向に示す厚みを有する平板状の部材である。絶縁部材３Ａは、図１における放熱板１の上方に、絶縁部材３Ａの主表面と放熱板１の主表面とが互いに対向する（ほぼ平行になる）ように配置されている。絶縁部材３Ａは、無機材料であるセラミックスにより形成されることが好ましい。具体的には、絶縁部材３Ａは、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素からなる群から選択されるいずれかにより形成されることが好ましい。
【００１７】
モジュール構成部材ＭＪ１に含まれる回路パターン５は、絶縁部材３Ａの一方（図１においては上側）の主表面上に、当該絶縁部材３Ａの主表面の少なくとも一部を覆うように形成される。回路パターン５は、絶縁部材３Ａの主表面上に、直接接合法または活性金属接合法により形成（接合）することが可能な、高い電気伝導性を有する材料により形成されることが好ましい。具体的には、回路パターン５はたとえば銅により形成されるが、これに限定されるものではない。
【００１８】
ここで直接接合法とは、回路パターン５を構成する材料と、絶縁部材３Ａを構成する材料とを直接反応させることにより、絶縁部材３Ａの主表面上に回路パターン５の薄膜が接合するように、回路パターン５を形成させる方法である。また活性金属接合法とは、チタンまたはジルコニウムなどの活性金属が添加されたろう材を介して、回路パターン５を構成する材料と、絶縁部材３Ａを構成する材料とを接合するように、回路パターン５を形成させる方法である。回路パターン５は、パワーモジュール１００が構成する回路設計に応じてその形状等が決定され、絶縁部材３Ａの主表面上のうち回路パターン５に覆われる領域が選択されることによりその形状が形成される。
【００１９】
図１における回路パターン５の上方に、パワー半導体素子７が配置されている。パワー半導体素子７は、たとえば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）またはフリーホイールダイオード（ＦＷＤ：Free Wheel Diode）などの大電力制御用のデバイスにより構成される。ただしパワー半導体素子７はＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）により構成されてもよい。なお図１中には単一のパワー半導体素子７のみが配置されているが、パワーモジュール１００中にパワー半導体素子７が複数配置されてもよい。パワー半導体素子７は、パワーモジュール１００が構成する回路設計に応じてその配置および個数等が選択決定される。
【００２０】
パワー半導体素子７の上側の主表面の少なくとも一部には、パワー半導体素子７の外部との電気的接続を得るための電極１７が形成されている。電極１７は、上記電気的接続を得るための電気的特性、およびパワーモジュール１００の製造時の機械的特性を高くする観点から、アルミニウム、銅、銀、ニッケル、金からなる群から選択されるいずれかにより形成されることが好ましい。あるいは電極１７は、上記群から選択される２つ以上の金属材料を主材料とする合金により形成されていてもよい。
【００２１】
絶縁部材３Ａの上側の主表面上には回路パターン５およびパワー半導体素子７が配置されるのに対し、絶縁部材３Ａの下側の主表面上には、当該絶縁部材３Ａの主表面の少なくとも一部を覆うように、金属パターン１１が配置されている。金属パターン１１は、絶縁部材３Ａの主表面上に、直接接合法または活性金属接合法により形成（接合）することが可能な、高い電気伝導性を有する材料により形成されることが好ましい。また金属パターン１１は、高い熱伝導性を有する材料により形成されることがより好ましい。具体的には、金属パターン１１はたとえば銅により形成されるが、これに限定されるものではない。
【００２２】
回路パターン５の上側の主表面とパワー半導体素子７の下側の主表面との接続は、素子接合材１３によりなされている。また、金属パターン１１の下側の主表面と放熱板１の上側の主表面との接続は、絶縁部材接合材１５によりなされている。素子接合材１３および絶縁部材接合材１５は、たとえばはんだであることが好ましいが、これらはたとえば銀ナノ粒子ペーストまたはエポキシ樹脂を含む銀ペーストであってもよい。
【００２３】
上記のように、絶縁部材３Ａと、回路パターン５と、パワー半導体素子７と、金属パターン１１と、素子接合材１３と、絶縁部材接合材１５と、電極１７とにより、モジュール構成部材ＭＪ１が構成されている。モジュール構成部材ＭＪ１を収納するケース２１は、たとえば図のように断面図において段差を形成しており、その段差の部分の表面上に主端子２５が露出した態様となっていることが好ましい。ケース２１は、耐熱性の高い絶縁性の材料、特に耐熱性の高い熱可塑性樹脂により形成されることが好ましい。具体的には、ケース２１は、たとえばポリフェニレンサルファイドまたはポリブチレンテレフタラートにより形成されることが好ましい。
【００２４】
主端子２５は、パワーモジュール１００の内部と外部との電気的接続を可能とするための端子である。すなわち主端子２５は、ボンディングワイヤ２７を介してパワー半導体素子７（の電極１７）および回路パターン５と電気的に接続されるとともに、図示されないがパワーモジュール１００の外部の回路等と電気的に接続される。
【００２５】
ボンディングワイヤ２７は、たとえばアルミニウムおよび銅などを主成分とした合金材料により構成されることが好ましいが、これに限定されるものではない。なお主端子２５とパワーモジュール１００の内部の電極１７などとの電気的接続は、ボンディングワイヤ２７に限らず、これと同等の機能を有するたとえば銅を主成分とする合金材料製の板状の配線部材によりなされてもよい。具体的には、たとえば主端子２５と一体となるように構成された板状の配線部材が、はんだなどによりたとえばパワー半導体素子７（電極１７）の表面上に接合されてもよい。
【００２６】
パワーモジュール１００のケース２１内においては、封止樹脂９Ａが充填されている。つまりこの封止樹脂９Ａは、上記の絶縁部材３Ａ，回路パターン５およびパワー半導体素子７などを含むモジュール構成部材ＭＪ１の外側を向いた表面と、ケース２１の内壁面と、放熱板１の上側の主表面とを被覆するように配置されている。また封止樹脂９Ａは、ボンディングワイヤ２７の表面をも覆っている。封止樹脂９Ａは、モジュール構成部材ＭＪ１の（絶縁部材接合材１５が放熱板１に接する面を除く）外側を向いた表面の全体を被覆するように配置されることが好ましい。
【００２７】
封止樹脂９Ａは熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂のいずれが用いられてもよい。具体的には、封止樹脂９Ａは、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、アクリル樹脂、ゴム材からなる群から選択されるいずれかにより構成されることが好ましい。またたとえばゲル状のシリコン樹脂の上にエポキシ樹脂が重ねられた構成の封止樹脂９Ａが用いられてもよい。
【００２８】
本実施の形態においては、特にモジュール構成部材ＭＪ１に隣接する（近い）領域における封止樹脂９Ａは、変質して封止樹脂接合層３１となっている。具体的には、封止樹脂接合層３１は、モジュール構成部材ＭＪ１を構成する絶縁部材３Ａ、回路パターン５、パワー半導体素子７、金属パターン１１、素子接合材１３、絶縁部材接合材１５、電極１７の表面の少なくとも一部（上面または側面など）と、放熱板１の主表面（上面）の一部と、ケース２１の側面の一部を覆うように形成されている。言い換えれば、封止樹脂接合層３１は、封止樹脂９Ａ内のうちモジュール構成部材ＭＪ１と接触するように配置されており、さらに言い換えれば、封止樹脂９Ａはそのうち最もモジュール構成部材ＭＪ１側に、モジュール構成部材ＭＪ１と接触する封止樹脂接合層３１を含んでいる。封止樹脂接合層３１は、パワーモジュール１００のケース２１内の領域のうち比較的図１の下方（放熱板１側）の領域に形成されている。そして封止樹脂接合層３１の図１の上方の表面に接するように、上記の封止樹脂９Ａ（のうち封止樹脂接合層３１以外の領域）が充填されている。
【００２９】
したがって封止樹脂接合層３１は、図１において、モジュール構成部材ＭＪ１と、封止樹脂９Ａ（のうち封止樹脂接合層３１以外の領域）との間に配置されている。上記のように封止樹脂接合層３１は封止樹脂９Ａが部分的に変質した領域であるため、封止樹脂接合層３１と封止樹脂９Ａとは互いに界面を共有するように接している。
【００３０】
封止樹脂接合層３１内には複数の気泡３３が含まれている。気泡３３は空気により構成されており、これを球形と仮定した場合の径が約５０μｍ以上２００μｍ以下である。また封止樹脂接合層３１全体の体積に対する気泡３３の占有する体積の割合（密度）はたとえば５％以上２０％以下程度である。
【００３１】
以上により、封止樹脂接合層３１とは、封止樹脂９Ａのうち、モジュール構成部材ＭＪ１に近い（隣接する）領域において、封止樹脂９Ａが気泡３３を多く含むように変質して形成された、複数の気泡３３を含む領域を意味している。また以上の構成を有することにより、本実施の形態のパワーモジュール１００は、ケース２１が、モジュール構成部材ＭＪ１、封止樹脂接合層３１および封止樹脂９Ａを収納しているということもできる。
【００３２】
本実施の形態のパワーモジュール１００においては、モジュール構成部材ＭＪ１とこれに接する封止樹脂接合層３１との接合強度が、封止樹脂接合層３１の破壊強度よりも高い。ここでモジュール構成部材ＭＪ１と封止樹脂接合層３１との接合強度とは、封止樹脂接合層３１とモジュール構成部材ＭＪ１に含まれる絶縁部材３Ｂなどの各種部材との接合する界面における引張強度を意味する。また封止樹脂接合層３１の破壊強度とは、封止樹脂接合層３１の内部における引張強度を意味する。
【００３３】
次に図２を参照して、本実施の形態の第２例におけるパワーモジュール１０１は、基本的には図１のパワーモジュール１００と同様の構成を有するため、同一の構成については同一の番号を付し、その説明を省略している。ただしパワーモジュール１０１は、パワーモジュール１００に対して、モジュール構成部材において若干の相違がある。
【００３４】
具体的には、パワーモジュール１０１は、放熱部材としての放熱板１と、パワーモジュール１０１を構成する主要な部材の構造体としてのモジュール構成部材ＭＪ２と、封止樹脂９Ａとを主に有している。モジュール構成部材ＭＪ２は、絶縁部材３Ｂと、回路パターン５と、パワー半導体素子７と、素子接合材１３と、電極１７とを有している。封止樹脂９Ａは、図１と同様に、モジュール構成部材ＭＪ２と接触する封止樹脂接合層３１を含んでいる。
【００３５】
このようにパワーモジュール１０１のモジュール構成部材ＭＪ２は、絶縁部材３Ｂの図２における下側に、放熱板１との間に挟まれる金属パターン１１および絶縁部材接合材１５が含まれない点において、パワーモジュール１００と構成上異なっている。絶縁部材３Ｂは放熱板１の上側の主表面上に直接接合されており、回路パターン５が絶縁部材３Ｂの上側の主表面上に直接接合されている。このように絶縁部材３Ｂは、他の部材と接合可能な接着性を有している。これは後述するように、絶縁部材３Ｂは放熱板１の上側の主表面上にこれを構成する材料を塗布して硬化させることにより形成され、絶縁部材３Ｂは放熱板１に接合できるためである。このため図２においては絶縁部材３Ｂがモジュール構成部材ＭＪ２の真下の領域からケース２１の真下にまで延び、ケース２１の最下面であるケース最下面２１ａが絶縁部材３Ｂにより放熱板１に接合されている。しかしこのような態様に限らず、パワーモジュール１０１においてもパワーモジュール１００と同様に、ケース２１がケース接着剤２３により放熱板１に固定されてもよい。
【００３６】
絶縁部材３Ｂは上記の放熱板１との接合が可能な接着性を有する点以外は、基本的に図１の絶縁部材３Ａと同様の機能を有している。絶縁部材３Ｂは、有機材料であるたとえばエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、シアネート系樹脂からなる群から選択されるいずれかに、セラミックスフィラーであるたとえばアルミナ、窒化アルミニウム、窒化ホウ素などからなる群から選択されるいずれか１種以上が充填されたものにより形成されることが好ましい。
【００３７】
次に図３〜図８を用いて、図１のパワーモジュール１００の製造方法について説明する。
【００３８】
図３を参照して、まず、上記の構成を有する放熱板１と、絶縁部材３Ａとが準備される。そして絶縁部材３Ａの一方（図３における上側）の主表面上に回路パターン５が、また絶縁部材３Ａの他方（図３における下側）の主表面上に金属パターン１１が、いずれも直接接合法または活性金属接合法により接合される。このようにして絶縁部材３Ａの主表面上に回路パターン５および金属パターン１１が形成されたものが、絶縁部材接合材１５を挟むように、放熱板１の一方の主表面上に載置される。ここでは絶縁部材接合材１５と金属パターン１１とが互いに接するように載置される。なお放熱板１の、上記絶縁部材３Ａなどが載置される側と反対側の主表面（下側の主表面）は放熱のために外部に露出された放熱板主表面１ａとなる。また図示されないが、パワー半導体素子７の上側の主表面の少なくとも一部にはあらかじめ電極１７が形成される。
【００３９】
図４を参照して、次に、図３に示す回路パターン５上に、素子接合材１３を挟むように、電極１７が形成されたパワー半導体素子７が載置される。ここでは電極１７が載置された側（上側）と反対側（下側）の主表面が回路パターン５に対向する態様とされる。以上により、モジュール構成部材の各構成要素が、放熱板１上に載置される。
【００４０】
この状態で全体がリフロー炉に投入され加熱される。これにより素子接合材１３および絶縁部材接合材１５が融解し、モジュール構成部材ＭＪ１が放熱板１上に接合される。
【００４１】
図５を参照して、次に、放熱板１上に接合されたモジュール構成部材ＭＪ１を収納可能となるように（モジュール構成部材ＭＪ１を平面視において取り囲むように）たとえば平面視において矩形の枠形状を有するケース２１が放熱板１上に設置される。このケース２１のたとえば内壁面の一部には、あらかじめ主端子２５が形成されることが好ましい。ケース２１は放熱板１のモジュール構成部材ＭＪ１が接合された側（上側）の主表面上に、ケース接着剤２３により接合される。つまりケース２１は、モジュール構成部材ＭＪ１とは別の工程により放熱板１に接合される。これによりモジュール構成部材ＭＪ１は、放熱板１とケース２１とにより構成されるキャビティの内部に収納された態様となる。
【００４２】
次に、たとえば一般公知のワイヤボンディング法を用いて、主端子２５と回路パターン５、および回路パターン５と電極１７とを接続するように、ボンディングワイヤ２７が形成される。ワイヤボンディング法とは、ボンディングワイヤ２７などの配線部材に荷重と超音波振動とを印加することにより、ボンディングワイヤ２７などの配線部材を回路パターン５上などの被接合部に接合する方法である。なおボンディングワイヤ２７に限らず、たとえば主端子２５と一体となるように構成された板状の配線部材が、はんだなどによりたとえばパワー半導体素子７（電極１７）の表面上に接合されることにより、主端子２５と電極１７とが電気的に接合されてもよい。
【００４３】
図６を参照して、図５の工程により形成される、モジュール構成部材ＭＪ１が収納されるキャビティの内部に封止樹脂９Ａが（充填されるように）供給される。言い換えれば、ケース２１および放熱板１により収納されたモジュール構成部材ＭＪ１を封止するように封止樹脂９Ａが供給される。その後、キャビティの内部を加熱（および特に封止樹脂９Ａが熱可塑性樹脂の場合は冷却）することにより、供給された封止樹脂９Ａが硬化される。
【００４４】
図７を参照して、図６の工程により加熱硬化された封止樹脂９Ａと、モジュール構成部材ＭＪ１を構成する各部材のうち少なくとも１つとの接合界面に隣接する領域の硬化された封止樹脂９Ａが再度加熱される。これにより当該隣接する領域に配置される硬化された封止樹脂９Ａが再溶融される。
【００４５】
具体的には、図６の工程により上記キャビティ内に封止され硬化された封止樹脂９Ａのうち、特にモジュール構成部材ＭＪ１を構成する各部材の表面に近い（隣接する）領域に対して、たとえばレーザービーム５１が照射される。このレーザービーム５１により、モジュール構成部材ＭＪ１を構成する各部材の表面に近い（隣接する）領域の封止樹脂９Ａが急速に加熱され再溶融し気化する。これによりモジュール構成部材ＭＪ１と封止樹脂９Ａとの間（特に封止樹脂９Ａのうちモジュール構成部材ＭＪ１の表面に隣接する領域）には、気泡３３を複数含む封止樹脂接合層３１が形成される。
【００４６】
図８を参照して、レーザービーム５１が照射される領域が、モジュール構成部材ＭＪ１と封止樹脂９Ａとの接合界面に沿うように走査される。これにより、封止樹脂９Ａの溶融された領域が、モジュール構成部材ＭＪ１に隣接する領域の封止樹脂９Ａのほぼ全体にまで広げられる。以上により、モジュール構成部材ＭＪ１に隣接する領域の封止樹脂９Ａのほぼ全体に、封止樹脂接合層３１が形成されたパワーモジュール１００が形成される。
【００４７】
次に図９〜図１４を用いて、図２のパワーモジュール１０１の製造方法について説明する。なお上記のパワーモジュール１００の製造方法と重複する部分については同一の番号を付し、その説明を省略している。
【００４８】
図９を参照して、まず、上記の構成を有する放熱板１と、絶縁部材３Ｂと、パワー半導体素子７とが準備される。そして放熱板１の一方（図１における上側）の主表面上に絶縁部材３Ｂが形成される。
【００４９】
具体的には、放熱板１上に絶縁部材３Ｂを形成するための塗布材が塗布され、これが硬化されることにより絶縁部材３Ｂとして形成される。絶縁部材３Ｂを形成するための塗布材は、放熱板１の一方の主表面上の全面に塗布されてもよいが、たとえば後工程においてケース２１を載置する領域以外の領域のみに塗布されてもよい。そして絶縁部材３Ｂの一方（図９における上側）の主表面上には回路パターン５が、直接接合法または活性金属接合法により接合される。これにより放熱板１の、上記絶縁部材３Ｂなどが載置される側と反対側の主表面（下側の主表面）は放熱のために外部に露出された放熱板主表面１ａとなる。
【００５０】
図１０を参照して、次に図４の工程と同様に、回路パターン５上に、素子接合材１３を挟むように、あらかじめ電極１７が形成されたパワー半導体素子７が載置される。以上により、モジュール構成部材の各構成要素が、放熱板１上に載置される。
【００５１】
図１１を参照して、次に図５の工程と同様に、放熱板１上に接合されたモジュール構成部材ＭＪ２を収納可能となるように、たとえば平面視において矩形の枠形状を有するケース２１が放熱板１上に設置される。
【００５２】
この状態で全体がリフロー炉に投入され加熱される。これにより素子接合材１３および絶縁部材３Ｂなどが融解および固化することにより、モジュール構成部材ＭＪ２およびケース２１が放熱板１上に接合される。
【００５３】
なお上記においては図２のように絶縁部材３Ｂ上にケース２１が接合される場合を示しているが、これに限られず、図１と同様にケース接着剤２３により放熱板１上にケース２１が接合されてもよい。この場合は、図１１においてケース２１がケース接着剤２３を介して放熱板１上に接合される前に、先に（図３〜図４と同様に）全体がリフロー炉に投入され加熱されることにより、モジュール構成部材ＭＪ２が放熱板１上に接合される。
【００５４】
図１２を参照して、次に図６の工程と同様に、ケース２１および放熱板１により収納されたモジュール構成部材ＭＪ２を封止するように封止樹脂９Ａが供給され、加熱（および特に封止樹脂９Ａが熱可塑性樹脂の場合は冷却）によりこれが硬化される。
【００５５】
図１３〜図１４を参照して、次に図７〜図８の工程と同様に、加熱硬化された封止樹脂９Ａと、モジュール構成部材ＭＪ２を構成する各部材のうち少なくとも１つとの接合界面に隣接する領域の硬化された封止樹脂９Ａが、たとえばレーザービーム５１の照射により再度加熱され再溶融される。これによりモジュール構成部材ＭＪ２と封止樹脂９Ａとの間（特に封止樹脂９Ａのうちモジュール構成部材ＭＪ１の表面に隣接する領域）には、気泡３３を複数含む封止樹脂接合層３１が形成される。以上により、モジュール構成部材ＭＪ２に隣接する領域の封止樹脂９Ａのほぼ全体に、封止樹脂接合層３１が形成されたパワーモジュール１０１が形成される。
【００５６】
図７〜図８、および図１３〜図１４の工程においては、レーザービーム５１が各図の上側（封止樹脂９Ａ側）からモジュール構成部材ＭＪ１に向けて照射されている。しかしこれに限らず、レーザービーム５１はたとえば各図の下側（放熱板１側）からモジュール構成部材ＭＪ１に向けて照射されてもよい。
【００５７】
また上記においては、気泡３３を含む封止樹脂接合層３１が、レーザービーム５１の照射（レーザービーム照射法）により形成されている。しかし図１５を参照して、これに限らず、マイクロ波を用いたマイクロ波照射法、または通電加熱により封止樹脂９Ａの一部を再溶融させる通電加熱法により、封止樹脂９Ａの再溶融および封止樹脂接合層３１の形成がなされてもよい。マイクロ波照射法または通電加熱法を用いた場合においても、レーザービーム照射法を用いた場合と同様に複数の気泡３３を有する封止樹脂接合層３１を容易に形成することができる。
【００５８】
図１５は通電加熱法による封止樹脂９Ａの再加熱および再溶融の工程を示している。ここでは回路パターン５の一方（図１５の左方）の端部と他方（図１５の右方）の端部との表面上に通電電極５３が設置され、双方の通電電極５３間に高電圧を印加し、回路パターン５を加熱させている。この熱により、回路パターン５に隣接する領域（つまりモジュール構成部材ＭＪ１に隣接し接触する領域）における封止樹脂９Ａが加熱および再溶融され、複数の気泡３３を含む封止樹脂接合層３１が形成される。
【００５９】
なお上記のマイクロ波照射法による再加熱および再溶融の工程は、図７〜図８および図１３〜図１４と同様の図面を用いて説明することができる。すなわち、図７〜図８および図１３〜図１４に示すレーザービーム５１をマイクロ波照射ビームに置き換えて考えることにより、マイクロ波照射法をレーザービーム照射法と同様に説明することができる。
【００６０】
次に、本実施の形態の作用効果について説明する。
本実施の形態のパワーモジュール１００，１０１は、上記のように、封止樹脂９Ａのうちモジュール構成部材ＭＪ１，ＭＪ２に最も近い領域に、モジュール構成部材ＭＪ１，ＭＪ２に接触するように、複数の気泡３３を含む封止樹脂接合層３１が形成される。これにより、封止樹脂９Ａの一部である封止樹脂接合層３１とモジュール構成部材ＭＪ１，ＭＪ２との接合界面における、封止樹脂９Ａのモジュール構成部材ＭＪ１，ＭＪ２表面からの剥離を抑制することができる。これは以下の理由に基づく。
【００６１】
いったん加熱により硬化された封止樹脂９Ａが、レーザービーム５１などにより、モジュール構成部材ＭＪ１，ＭＪ２に隣接する領域において再加熱および再溶融され封止樹脂接合層３１が形成される。これにより、モジュール構成部材ＭＪ１，ＭＪ２と封止樹脂９Ａ（封止樹脂接合層３１）との接合界面における機械的接合、化学結合および分子間結合が、再加熱および再溶融がされることなく加熱硬化のみされた封止樹脂９Ａとモジュール構成部材ＭＪ１，ＭＪ２との接合界面に比べて強くなるためである。
【００６２】
つまり上記の封止樹脂９Ａの再加熱および再溶融により、モジュール構成部材ＭＪ１，ＭＪ２と封止樹脂９Ａ（封止樹脂接合層３１）との接合界面の接合強度が、封止樹脂接合層３１の破壊強度（引張強度）よりも高くなっている。このため当該接合界面における封止樹脂９Ａ（封止樹脂接合層３１）のモジュール構成部材ＭＪ１，ＭＪ２に対する剥離が起こりにくくなる。
【００６３】
また上記のようにモジュール構成部材ＭＪ１，ＭＪ２に近い領域の封止樹脂９Ａが複数の気泡３３を有する（封止樹脂接合層３１となる）。これにより、仮に封止樹脂接合層３１とモジュール構成部材ＭＪ１，ＭＪ２との接合界面において熱応力などに起因する剥離が発生したとしても、その剥離が接合界面において、その接合界面の延びる方向に沿って伸展する可能性を低減することができる。
【００６４】
これは、モジュール構成部材ＭＪ１，ＭＪ２との接合界面に隣接する領域の封止樹脂９Ａ（封止樹脂接合層３１）は気泡３３を複数含んでおり、上記の剥離は、モジュール構成部材ＭＪ１，ＭＪ２と封止樹脂９Ａとの接合界面よりも、封止樹脂接合層３１内の複数の気泡３３同士を繋ぐように伸展するためである。複数の気泡３３の存在により、封止樹脂接合層３１は、たとえば気泡３３の存在しない封止樹脂９Ａに比べて破壊強度が弱くなっている。さらに上記のように封止樹脂接合層３１とモジュール構成部材ＭＪ１，ＭＪ２との接合界面の接合強度は、再加熱および再溶融によりいっそう強められている。これらにより、上記の接合界面での剥離は、接合界面ではなく、複数の気泡３３を含む封止樹脂接合層３１内を伸展しやすくなる。
【００６５】
このように剥離が伸展すれば、モジュール構成部材ＭＪ１，ＭＪ２の表面は、剥離により薄くなってはいるものの、少なくとも封止樹脂接合層３１に覆われた状態を維持することができる。このためモジュール構成部材ＭＪ１，ＭＪ２の外部に対する電気絶縁性は維持されたままとなり、剥離によりモジュール構成部材ＭＪ１，ＭＪ２の電気的特性が直ちに劣化する可能性を低減することができる。
【００６６】
モジュール構成部材ＭＪ１，ＭＪ２の電気絶縁性を確保するために、気泡３３は好ましくは、モジュール構成部材ＭＪ１，ＭＪ２に含まれる各部材の最外部の表面から５０μｍ以上離れた位置に形成されることが好ましい。
【００６７】
なお本実施の形態においては、モジュール構成部材ＭＪ１，ＭＪ２、封止樹脂接合層３１および封止樹脂９Ａがケース２１内に収納されているが、このことによっても、モジュール構成部材ＭＪ１，ＭＪ２の電気的特性を維持すべく保護する機能を確保することができる。
【００６８】
ここで図１６を用いて、封止樹脂接合層３１の破壊強度（引張強度）の測定方法、およびそのモジュール構成部材ＭＪ１，ＭＪ２との接合界面の接合強度の測定方法について説明する。
【００６９】
図１６（Ａ）を参照して、封止樹脂接合層３１の破壊強度（引張強度）を測定する際には、モジュール構成部材ＭＪ１の表面上に、当該モジュール構成部材ＭＪ１との接合界面に隣接する領域に封止樹脂接合層３１が形成された封止樹脂９Ａが形成されたサンプルが準備される。そしてこのサンプルを用いて、モジュール構成部材ＭＪ１の左側、および封止樹脂９Ａの右側から、図中の矢印に示すように、封止樹脂接合層３１に対して互いに反対方向の引張力Ｆを加える。引張力Ｆを漸次大きくし封止樹脂接合層３１が破壊する際の引張力Ｆを測定する試験を行なうことにより、封止樹脂接合層３１の破壊強度（引張強度）を測定することができる。以上のサンプルを用いることにより、封止樹脂接合層３１とモジュール構成部材ＭＪ１，ＭＪ２との接合界面の接合強度を測定することもできる。
【００７０】
図１６（Ｂ）を参照して、封止樹脂接合層３１とモジュール構成部材ＭＪ１，ＭＪ２との接合界面の接合強度の測定方法としては、たとえば図に示すせん断引張試験が実施されてもよい。すなわち、まずモジュール構成部材ＭＪ１の表面上に、封止樹脂接合層３１を介して封止樹脂９Ａが接合されたサンプルが準備される。このサンプルは、図に示すように適宜各部材間の位置ずれが形成されており、かつ封止樹脂９Ａと封止樹脂接合層３１とにスペーサＳＰが接合された構成を有していてもよい。このサンプルに対して、図中の矢印に示すように、互いに反対方向のせん断力Ｆを加える。せん断力Ｆを漸次大きくし封止樹脂接合層３１がモジュール構成部材ＭＪ１から図の左右方向に位置ずれする際のせん断力Ｆを測定する試験を行なうことにより、封止樹脂接合層３１とモジュール構成部材ＭＪ１，ＭＪ２との接合界面の接合強度を測定することができる。以上のサンプルを用いることにより、封止樹脂接合層３１の破壊強度（引張強度）を測定することもできる。
【００７１】
たとえば図１６（Ａ），（Ｂ）の試験において、封止樹脂接合層３１または封止樹脂９Ａが破断すれば、封止樹脂接合層３１とモジュール構成部材ＭＪ１との接合界面における接合強度が、封止樹脂接合層３１または封止樹脂９Ａの破壊強度（引張強度）よりも大きいといえる。
【００７２】
（実施の形態２）
まず本実施の形態の半導体装置の構成としてパワーモジュールの構成について図１７を用いて説明する。図１７を参照して、本実施の形態におけるパワーモジュール２００は、基本的には図２のパワーモジュール１０１と同様の構成を有するため、同一の構成については同一の番号を付し、その説明を省略している。ただしパワーモジュール２００は、パワーモジュール１０１に対して、モジュール構成部材の収納態様において若干の相違がある。
【００７３】
具体的には、パワーモジュール２００は、絶縁部材３Ｂと、回路パターン５と、パワー半導体素子７と、素子接合材１３と、電極１７とにより、パワーモジュール２００を構成する主要な部材の構造体としてのモジュール構成部材ＭＪ３を構成している。パワーモジュール２００のモジュール構成部材ＭＪ３は封止樹脂９Ｂに収納されており、ケース２１内に収納されてはいない。このため主端子２５は、回路パターン５に直接接続されたものと、ボンディングワイヤ２７を介して電極１７に接続されたものとの２種類が配置されている。これらのいずれの主端子２５も、パワーモジュール２００の内部と外部との電気的接続を可能とするための端子である点については共通している。
【００７４】
すなわち本実施の形態のパワーモジュール２００は、封止樹脂９Ｂ内に収納されたいわゆるモールド型パワーモジュールである。この点においてパワーモジュール２００は、ケース２１内に収納されたいわゆるケース型パワーモジュールである実施の形態１のパワーモジュール１００，１０１と構成上異なっている。
【００７５】
なお図１７においては、図２のパワーモジュール１０１と同様に、放熱板１の上側の主表面上の全面に接着性を有する絶縁部材３Ｂが塗布および硬化された構成を有している。しかし本実施の形態においても、図１のパワーモジュール１００と同様に絶縁部材３Ａが配置され、これが金属パターン１１および絶縁部材接合材１５を介して放熱板１と接続された構成が採用されてもよい。
【００７６】
本実施の形態のモジュール構成部材ＭＪ３を封止する封止樹脂９Ｂは、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂のいずれが用いられてもよい。具体的には、封止樹脂９Ｂは、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、アクリル樹脂、ゴム材からなる群から選択されるいずれかにより構成されることが好ましい。
【００７７】
次に図１８〜図２１を用いて、図１７のパワーモジュール２００の製造方法について説明する。なお上記の実施の形態１におけるパワーモジュール１００，１０１の製造方法と重複する部分については同一の番号を付し、その説明を省略している。
【００７８】
図１８を参照して、まず、放熱板１上に絶縁部材３Ｂが塗布材の塗布および硬化により形成され、絶縁部材３Ｂ上に回路パターン５が載置される。また回路パターン５上にはあらかじめ電極１７が形成されたパワー半導体素子７が、素子接合材１３を挟むように載置される。主端子２５が図１８中に示す態様となるように配置され、ボンディングワイヤ２７が図１８中に示すように形成される。これにより、モジュール構成部材の各構成要素が、放熱板１上に載置される。
【００７９】
この状態で全体がリフロー炉に投入され加熱される。これにより素子接合材１３および絶縁部材３Ｂなどが融解し、モジュール構成部材ＭＪ３が放熱板１上に接合される。
【００８０】
図１９を参照して、次に、たとえばトランスファーモールド法用の金型６１が準備される。金型６１はたとえば互いに嵌合される上側の金型と下側の金型とにより構成される。当該金型６１のキャビティ６１ａ内に、図１８の工程において準備された放熱板１およびその上に接合されたモジュール構成部材ＭＪ３が設置される。その状態で、金型６１のキャビティ６１ａ内を封止するように封止樹脂９Ｂが供給される。
【００８１】
キャビティ６１ａ内への封止樹脂９Ｂの供給は、以下の手順によりなされる。トランスファーモールド法用の金型６１の上記キャビティ６１ａ内に通じるシリンダ内にはプランジャ６３が挿入される。シリンダ内のうち、プランジャ６３とキャビティ６１ａとに挟まれた領域には、封止材タブレット６５が挿入される。封止材タブレット６５は封止用の樹脂が固形状となったものである。
【００８２】
図２０を参照して、図中の矢印に示すようにプランジャ６３がシリンダ内の上方に移動するように徐々に押し込まれる。これによりプランジャ６３の真上の封止材タブレット６５は加圧され、流動性を増しながら徐々に、シリンダ内と連続するキャビティ６１ａ内に導かれる。このようにしてトランスファーモールド法により、キャビティ６１ａ内に封止樹脂９Ｂが供給される。金型６１の加熱（および特に封止樹脂９Ａが熱可塑性樹脂の場合は冷却）により、キャビティ６１ａ内の封止樹脂９Ｂは硬化され、モジュール構成部材ＭＪ３などはこの封止樹脂９Ｂに封止される。
【００８３】
図２１を参照して、金型６１から封止後のモジュール構成部材ＭＪ３が取り出された後、図７〜図８などの工程と同様に、たとえばレーザービーム照射法により、モジュール構成部材ＭＪ３に隣接する領域に配置される硬化された封止樹脂９Ｂが再溶融される。この過程で、封止樹脂９Ｂのうちモジュール構成部材ＭＪ３の表面に隣接する領域においては、複数の気泡３３が形成された封止樹脂接合層３１が形成される。
【００８４】
次に、本実施の形態の作用効果について説明する。
本実施の形態のパワーモジュール２００はモールド型パワーモジュールである。このためパワーモジュール２００の封止樹脂９Ｂは、実施の形態１のケース型パワーモジュール１００，１０１に含まれる封止樹脂９Ａに比べて、より強固にモジュール構成部材ＭＪ３を封止することができる。またこれにより、パワー半導体素子７とボンディングワイヤ２７との接合信頼性を実施の形態１よりもいっそう向上させることができる。
【００８５】
以上に述べた各実施の形態（に含まれる各例）に記載した特徴を、技術的に矛盾のない範囲で適宜組み合わせるように適用してもよい。
【００８６】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００８７】
１  放熱板、１ａ  放熱板主表面、３Ａ，３Ｂ  絶縁部材、５  回路パターン、７  パワー半導体素子、９Ａ，９Ｂ  封止樹脂、１１  金属パターン、１３  素子接合材、１５  絶縁部材接合材、１７  電極、２１  ケース、２１ａ  ケース最下面、２３  ケース接着剤、２５  主端子、２７  ボンディングワイヤ、３１  封止樹脂接合層、３３  気泡、５１  レーザービーム、６１  金型、６１ａ  キャビティ、６３  プランジャ、６５  封止材タブレット、１００，１０１，２００  パワーモジュール、ＭＪ１，ＭＪ２，ＭＪ３  モジュール構成部材、ＳＰ  スペーサ。 
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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