JP2006313775A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子において内部の温度の分布を考慮した適正な耐熱温度を安価に実現する。
【解決手段】半導体素子１３を被覆する充填手段を複数層構造とする。半導体素子１３に直接接触する絶縁性の第１充填層部１７を、半導体素子１３の最高温度以上の耐熱温度の材料で形成する。その周囲の第２充填層部１９を、低耐熱性の安価な材料で構成する。周囲部分まで全てを高価な第１充填層部１７で形成する場合に比べて、全体として安価な半導体装置を提供できる。第１充填層部１７の熱伝導性を低くし、裏面への放熱を増やし、第２充填層部１９の温度上昇を防止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体チップを備えた半導体装置及びその製造方法に関する。

ハイブリッド自動車や燃料電池自動車等の電気自動車では、動力源用のモータを駆動制御および回生制御するための電力変換装置を備えている。この種の電力変換装置では、通常はＩＧＢＴ等の半導体装置（半導体モジュール）が使用される。

従来の半導体装置は、図５の如く、パワー半導体チップ１を基板２上に搭載し、ボンディングワイヤ３によりリードフレーム等の回路パターン５に接続した後、充填材７や成形樹脂で封止して構成されている。

この種の従来の半導体装置に関する先行技術文献として例えば特許文献１〜３がある。

特開平０６−３４２８６０号公報 特開平０８−１６２５７３号公報 特開２００５−００５６３８号公報

近年、電気自動車のバッテリの大容量化や半導体装置の高速スイッチング化が検討されており、その様なバッテリの大容量化や半導体装置の高速スイッチング化に伴って、半導体装置の最高温度を高温（例えばＳｉデバイスを使用している場合は１５０℃〜１７５℃の温度）にコントロールすることが増えている。また、近年開発されているワイドバンドギャップ半導体では、理論的には６００℃でも動作されることから、実施態様を改善して１５０℃から４５０℃の実使用が目指されている。一般的に温度はパワー半導体チップ１のジャンクション部（ＰＮ接合部）の温度で示すことが多い。

図５に示した従来例では、動作中のパワー半導体チップ１の温度の最高値（最高温度）を予め設定しておき、その最高温度に対して耐熱温度を有する充填材７を適用していた。

ところで、図５に示したような半導体装置において、パワー半導体チップ１のジャンクション部等で発生した熱の放熱パスは、パワー半導体チップ１から基板２の裏面方向がメインとなっている場合が多い。即ち、基板２として良熱伝導体である金属を使用したり、基板２にヒートスプレッダー（図示省略）を装着したりすることが多い。また、特に高温化しがちなパワーモジュール（パワー半導体チップ１）では、基板２の裏面方向に水冷機構（図示省略）を配置していることもある。

このように、基板２側での放熱性を確保できる場合、コスト低減を目的として、逆に充填材７は熱伝導率の比較的低い材料を用いる傾向がある。

この場合、充填材７の内部では温度の分布が大きくなる。例えば図５中においてパワー半導体チップ１のジャンクション部に近い点Ａが最高温度に曝されるときに、外部への放熱状況によっては、このジャンクション部から最も遠い隅部の点Ｂの温度は外気温近くまで低下することもある。

このように、充填材７の内部で温度の分布が大きくなると、その充填材７の材料として何を選択するかが問題となる。例えば、充填材７の材料として耐熱性の低いものを適用すると、充填材７の一部がジャンクション温度に局部的に耐え難い状況となり、充填材７の劣化が早く進行してしまうことになる。一方、充填材７の一部がジャンクション温度に晒されることを考慮して、パワー半導体チップ１の最高温度に対して耐熱を有する高価な充填材７を適用する場合、図５中の点Ｂが相当低温であることから、充填材７の全部分に亘って使用される高価な材料が、その周辺部でオーバースペックとなってしまい、コストの上昇をもたらす結果となっていた。

そこで、本発明の課題は、安価で、且つ内部の温度の分布を考慮した適正な耐熱温度を有する半導体装置及びその製造方法を提供することにある。

上記課題を解決すべく、請求項１に記載の発明は、基板と、前記基板上に搭載された半導体素子と、前記半導体素子の前記基板に接触する面を除く表面を被覆する絶縁性の充填手段とを備え、前記充填手段が、外層から内層に向けてそれらの耐熱温度が順次高く設定された複数の充填層部により形成されたものである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の半導体装置であって、前記充填手段が、前記半導体素子に接触する第１充填層部と、当該第１充填層部の周囲に形成される第２充填層部とを少なくとも含み、前記第１充填層部の耐熱温度が、前記半導体素子の最高温度以上に設定され、前記第２充填層部の耐熱温度が、前記第１充填層部の耐熱温度に比べて低く設定されたものである。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の半導体装置であって、前記第１充填層部の熱伝導性が、前記第２充填層部の熱伝導性より低く設定されたものである。

請求項４に記載の発明は、ａ）半導体素子が基板に接触する所定面と当該半導体素子の電極の略直上部分とを除いた表面に直接接するように、前記半導体素子の最高温度以上の耐熱温度を有する絶縁性の第１充填層部で被覆する工程と、ｂ）前記ａ）の工程の後または前に、前記半導体素子の前記所定面を前記基板上に接触させるように実装する工程と、ｃ）前記電極に対する電気的接続を行った後に、前記電極の略直上部分を絶縁性材料で充填する工程と、ｄ）前記ｃ）の工程の後または同時に、前記第１充填層部の周囲を、当該第１充填層部よりも耐熱温度が低い第２充填層部で少なくとも被覆する工程とを備えるものである。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の半導体装置の製造方法であって、前記第１充填層部の熱伝導性が、前記第２充填層部の熱伝導性より低く設定されたものである。

請求項６に記載の発明は、請求項４または請求項５に記載の半導体装置の製造方法であって、前記ｄ）の工程が、前記ｃ）の工程の後に実行され、前記ｃ）の工程における前記絶縁性材料が、前記第１充填層部と同じ耐熱温度及び／または熱伝導性を有する材料である。

請求項７に記載の発明は、請求項４または請求項５に記載の半導体装置の製造方法であって、前記ｃ）の工程における前記絶縁性材料が、前記第２充填層部と同じ材料であり、前記ｄ）の工程が前記ｃ）の工程と同時に実行されるものである。

請求項１及び請求項２に記載の発明では、特に高温となる半導体素子の直近部分を、高耐熱の充填層部で封止することにより、特に半導体素子の表面付近で発生するジャンクション温度等の最高温度にも局部的に耐え得るようになる。そして、比較的低温となる周囲部分については、低耐熱の安価な充填層部を適用しているので、周囲部分まで全てを高価な充填層部で形成する場合に比べて、全体として安価な半導体装置を提供できる。

請求項３及び請求項５に記載の発明では、第１充填層部として低熱伝導性を有する材料を使用しているので、裏面への放熱を増やし、第２充填層部の温度上昇を防止できる。

請求項４に記載の発明では、半導体素子の電極の略直上部分を回避するように第１充填層部を形成してから、その電極にボンディングワイヤ等を結線し、その後にその結線された電極の略直上部分を絶縁性材料で充填しているので、例えばボンディングワイヤを使用する場合、第１充填層部を薄く形成しつつ、ボンディングワイヤの引きちぎれを容易に防止することができる。

請求項６に記載の発明では、充填手段において、熱伝導性の高い電極部分に対する適切な耐熱性及び／または熱伝導性を容易に確保できる。

請求項７に記載の発明では、ｄ）の工程がｃ）の工程と同時に実行されるので、電極の略直上部分をポッティング処理等で閉塞する工程を他工程と別に実行する必要が無く、製造工程を簡略化できる。

＜構成＞
図１は本発明の一の実施の形態に係る半導体装置（半導体モジュール）を示す図である。この半導体装置は、例えば、ハイブリッド自動車や燃料電池自動車等の電気自動車における動力源用のモータを駆動制御および回生制御する目的で搭載される電力変換装置等に使用されるもので、図１の如く、基板１１上に搭載された発熱部品である半導体素子１３を保護するために、当該半導体素子１３を被覆する充填手段１５を備えており、この充填手段１５として、半導体素子１３に接する内層として形成された高耐熱の絶縁性を有する第１充填層部１７と、半導体素子１３から第１充填層部１７を隔てた外層として形成された低耐熱の安価な絶縁性を有する第２充填層部１９との複数層構造を適用したものである。

具体的に、この半導体装置は、基板１１と、この基板１１上に搭載された半導体素子１３と、基板１１上に形成されたリードフレーム等の回路パターン２１，２２と、半導体素子１３と回路パターン２１，２２とを結線するボンディングワイヤ２３，２４と、上述の高耐熱の第１充填層部１７及び低耐熱の第２充填層部１９とを備える。

半導体素子１３は、炭化珪素や窒化ガリウム等が使用されたパワー半導体素子（ダイ）であって、実動温度の高いもの、例えば高速駆動することによりジャンクション部等において高熱を発する特性を有している。半導体素子１３の上面には、ボンディングワイヤ２３，２４を接続するためのボンディングパッド２５，２６が形成されている。

充填手段１５における内層としての第１充填層部１７は、その耐熱温度が、半導体素子１３の最高温度以上、即ち、当該最高温度と同等またはこれよりも高く設定されている。尚、この第１充填層部１７の熱伝導性は、第２充填層部１９よりも低く設定されており、これにより、裏面への放熱を増やし、第２充填層部１９の温度上昇を低減することができる。かかる第１充填層部１７の材料として、例えばフィラー入りエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂またはフィラー入りシリコーン樹脂等が適用される。

当該第１充填層部１７の層厚は、当該第１充填層部１７の体積を決定することから、基板１１の裏面方向の熱流速と、第１充填層部１７の外面方向への熱流速の比率から生まれる温度差と、外層となる第２充填層部１９の耐熱性とを考慮して決定される。

また、当該第１充填層部１７は、半導体素子１３の全表面のうち、基板１１上に形成された回路パターンとしてのランド部２７に接触する裏面（所定面）を除く全ての表面に形成されている。第１充填層部１７の外形は、当該第１充填層部１７と第２充填層部１９との境界を規定するものであるが、第１充填層部１７と第２充填層部１９との境界は、例えばボンディングワイヤー２３，２４への影響や各充填層部１７，１９を構成する充填材の収縮率、ヤング率、熱膨張係数等の種々の条件に合わせて決定される。また、第１充填層部１７は、半導体素子１３をダイボンドするように基板１１上に形成された回路パターンとしてのランド部２７に接触するように形成される。

第２充填層部１９は、上述のように、第１充填層部１７及び半導体素子１３の最高温度に比べて耐熱温度が低くて安価な材料が適用され、例えばシリコーンゲル等が適用される。

＜製造方法＞
上記構成の半導体装置の製造方法を説明する。

まず、半導体素子１３を基板１１上にダイ・アタッチ（実装）する以前の段階で、半導体素子１３の上面部及び全側面部を覆うようにして、既述の高耐熱性を有する材料を用いて、第１充填層部１７を充填形成する（図２参照）。この場合、半導体素子１３の裏面（所定面）には第１充填層部１７の充填を行わないでおく。また、半導体素子１３の上面に形成されているボンディングパッド２５，２６の略直上部分は、マスク処理を行うなどして、第１充填層部１７にホール３１，３２を形成しておく。

次に、この第１充填層部１７が上面部及び全側面部を覆うようにして充填された半導体素子１３を、導電性接着剤、ダイ・アタッチ用フィルムまたはハンダ等を用いて、図２の如く、基板１１のランド部２７上にダイボンド（実装）する。

そして、図３の如く、半導体素子１３の上面において第１充填層部１７のホール３１，３２を通じて露出されたボンディングパッド２５，２６と、基板１１上に形成されたリードフレーム等の回路パターン２１，２２との間をボンディングワイヤ２３，２４で結線する。

続いて、図４の如く、第１充填層部１７と同じ耐熱温度及び同じ熱伝導性を有する材料をホール３１，３２にポッティング処理して当該ホール３１，３２を埋める。この場合、ポッティング処理を行う材料としては、第１充填層部１７と全く同じ材料でもよいが、その流動性がポッティング処理に適合するように調整された材料が使用されることが望ましい。

しかる後、既述の低耐熱であり且つ安価な材料を用いて、第２充填層部１９を、図１のように第１充填層部１７の全周囲に充填する。この際、ボンディングワイヤ２３，２４及び回路パターン２１，２２が第２充填層部１９に被覆されるようにする。

このように、特に高温となる半導体素子１３の直近部分を、既述の高耐熱材料からなる第１充填層部１７で封止することにより、特に半導体素子１３の表面付近で発生するジャンクション温度等の最高温度にも局部的に耐え得るようになる。また、第１充填層部１７が基板１１上の回路パターンとしてのランド部２７に接触するようになっているので、半導体素子１３で発生した熱を、熱伝導性に優れた回路パターンとしてのランド部２７に効率的に放熱することが可能となる。特に、基板１１の裏面方向に放熱板（ヒートシンク）を設ける場合など、基板１１の裏面側への放熱を行うことが容易となる。この際、第１充填層部１７として低熱伝導性を有する材料を使用しているので、裏面への放熱を増やし、第２充填層部１９の温度上昇を低減することができる。

そして、比較的低温となる外層については、既述の低耐熱性の安価な第２充填層部１９を適用しているので、外層まで全てを高価な第１充填層部１７で形成する場合に比べて、全体として安価な半導体装置を提供できる。

尚、第１充填層部１７は高価であるため、コストを低減しようとする場合は、第１充填層部１７を可及的に薄く形成することが望ましい。しかしながら、ボンディングワイヤ２３，２４を半導体素子１３のボンディングパッド２５，２６に接続した後に、そのボンディングワイヤ２３，２４の引きちぎれを防止しながら第１充填層部１７を薄く形成することは、第１充填層部１７を形成するための装置として複雑な構成を必要とする。しかしながら、この実施の形態では、ボンディングパッド２５，２６に対応する位置にホール３１，３２が形成された第１充填層部１７を半導体素子１３に予め形成しておき、そのホール３１，３２を通じてボンディングパッド２５，２６にボンディングワイヤ２３，２４を接続した後、ホール３１，３２をポッティング処理して閉塞するようにしているので、ボンディングワイヤ２３，２４の引きちぎれを容易に防止することが可能となる。

尚、上記実施の形態においては、第１充填層部１７のホール３１，３２をポッティング処理にて閉塞する材料として第１充填層部１７と同じ耐熱温度及び同じ熱伝導性を有する材料を使用していた。この場合、熱伝導性の高いボンディングパッド部分に対して、充填手段１５における適切な耐熱性及び熱伝導性を容易に確保できるという利点がある。ただし、ホール３１，３２をポッティング処理にて閉塞する材料としては、外層としての第２充填層部１９と同じ耐熱温度及び同じ熱伝導性を有する材料を使用することも不可能ではない。これは、ボンディングワイヤ２３，２４とボンディングパッド２５，２６とがいずれも高熱伝導性の金属であることにより、ボンディングワイヤ２３，２４とボンディングパッド２５，２６の温度自体が低減するからである。この場合、ポッティング処理によりホール３１，３２を埋めても良いが、第２充填層部１９で第１充填層部１７の周囲を被覆する際に、同時に当該第２充填層部１９でホール３１，３２をそのまま充填することで、ポッティング処理工程を削減することが可能となる。

また、上記した一の実施の形態において、充填手段１５を第１充填層部１７と第２充填層部１９の二層構造としていたが、例えば第１充填層部１７と第２充填層部１９の性質が大きく異なる場合等において、一層以上の中間層を設けて充填手段１５を外層から内層に向けて耐熱温度が順次高く設定された３層以上とすることも可能である。

さらに、上記実施の形態においては、第１充填層部１７の半導体素子１３に対する形成後に、半導体素子１３を基板１１上に実装していたが、半導体素子１３を基板１１上に実装した後に第１充填層部１７を形成しても差し支えない。

本発明の一の実施の形態に係る半導体装置を示す模式図である。 本発明の一の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す模式図である。 本発明の一の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す模式図である。 本発明の一の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す模式図である。 従来の半導体装置を示す模式図である。

符号の説明

１１ 基板
１３ 半導体素子
１３ 当該半導体素子
１５ 充填手段
１７ 充填層部
１９ 充填層部
２１，２２ 回路パターン
２３，２４ ボンディングワイヤ
２５，２６ ボンディングパッド
２７ ランド部
３１，３２ ホール

Claims (7)

1. 基板と、
   前記基板上に搭載された半導体素子と、
   前記半導体素子の前記基板に接触する面を除く表面を被覆する絶縁性の充填手段と
   を備え、
   前記充填手段が、外層から内層に向けてそれらの耐熱温度が順次高く設定された複数の充填層部により形成されたことを特徴とする半導体装置。
2. 請求項１に記載の半導体装置であって、
   前記充填手段が、前記半導体素子に接触する第１充填層部と、当該第１充填層部の周囲に形成される第２充填層部とを少なくとも含み、
   前記第１充填層部の耐熱温度が、前記半導体素子の最高温度以上に設定され、
   前記第２充填層部の耐熱温度が、前記第１充填層部の耐熱温度に比べて低く設定されたことを特徴とする半導体装置。
3. 請求項１に記載の半導体装置であって、
   前記第１充填層部の熱伝導性が、前記第２充填層部の熱伝導性より低く設定されたことを特徴とする半導体装置。
4. ａ）半導体素子が基板に接触する所定面と当該半導体素子の電極の略直上部分とを除いた表面に直接接するように、前記半導体素子の最高温度以上の耐熱温度を有する絶縁性の第１充填層部で被覆する工程と、
   ｂ）前記ａ）の工程の後または前に、前記半導体素子の前記所定面を前記基板上に接触させるように実装する工程と、
   ｃ）前記電極に対する電気的接続を行った後に、前記電極の略直上部分を絶縁性材料で充填する工程と、
   ｄ）前記ｃ）の工程の後または同時に、前記第１充填層部の周囲を、当該第１充填層部よりも耐熱温度が低い第２充填層部で少なくとも被覆する工程と
   を備える半導体装置の製造方法。
5. 請求項４に記載の半導体装置の製造方法であって、
   前記第１充填層部の熱伝導性が、前記第２充填層部の熱伝導性より低く設定されたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
6. 請求項４または請求項５に記載の半導体装置の製造方法であって、
   前記ｄ）の工程が、前記ｃ）の工程の後に実行され、
   前記ｃ）の工程における前記絶縁性材料が、前記第１充填層部と同じ耐熱温度及び／または熱伝導性を有する材料であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
7. 請求項４または請求項５に記載の半導体装置の製造方法であって、
   前記ｃ）の工程における前記絶縁性材料が、前記第２充填層部と同じ材料であり、
   前記ｄ）の工程が前記ｃ）の工程と同時に実行されることを特徴とする半導体装置の製造方法。

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