JP2007200982A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】絶縁基板に半導体素子を半田マウントした構造になる半導体装置において、ヒートサイクルに伴い半田接合層に発生する歪みを低減して接合部の長期信頼性向上が図れるように改良した半導体装置を提供する。
【解決手段】放熱用金属ベース１に半田接合した絶縁基板２の導体パターンにパワー半導体素子３を半田マウントした構成になる半導体装置において、半導体素子３および半導体素子／絶縁基板，絶縁基板／金属ベース間の半田接合層４を包含して半導体素子の表面，および絶縁基板の外周面を、ポリシザランをコーティング剤として室温放置によりガラス転化させたガラスコート９，１０で覆い、このガラスコートにより各部品の熱サイクルに伴う自由な熱変形を拘束して半田接合層４に発生する歪みを低減させるようにする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電力用インバータ装置などに適用するパワー半導体モジュールを対象とした半導体装置の組立構造およびその製造方法に関する。
まず、ＩＧＢＴモジュールを例に、頭記半導体装置の従来例の組立構造を図４に示す。図において、１はヒートシンクを兼ねた放熱用の金属ベース（銅ベース）、２はセラミック板の両面に導体パターン（銅箔）を形成して金属ベース１の上に搭載した絶縁基板（例えば、Direct Bonding Copper基板）、３は絶縁基板２の上面側導体パターンに半田マウントしたパワー半導体素子（ＩＧＢＴ）、４は金属ベース１／絶縁基板２，絶縁基板２／半導体素子３の間を接合した半田接合層、５はボンディングワイヤ、６は外囲樹脂ケース、７は外部導出端子、８は外囲樹脂ケース６の内方に充填した封止樹脂（シリコーンゲル）であり、金属ベース１／絶縁基板２，絶縁基板２／半導体素子３間の接合には板半田，クリーム半田を使用し、リフロー法により半田接合している。なお、昨今では環境問題保全の問題から、前記の半田としてＳｎ−Ｐｂ系の共晶半田をＳｎ−Ａｇ系などの鉛フリー半田に転換することが進められている。
一方、前記のモジュール組立構造について、半導体素子３の通電に伴う過渡な温度上昇を抑制するために、半導体素子３の上面に金属製（銅）のヒートスプレッダを積層して半田接合する、またボンディングワイヤ５の代わりにリードフレームを採用して半田接合した構成が従来知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−１１６７０２号公報（第４−６頁、図１，図５）
ところで、前記のように半導体素子／絶縁基板，絶縁基板／金属ベース，半導体素子／ヒートスプレッダ(ないしはリードフレーム)間を鉛フリー半田で接合した半導体装置の組立構造では、信頼性の面で次記のような問題点がある。
すなわち、半導体装置の長期信頼性を確認するために、温度サイクル試験，パワーサイクル試験を行うと、モジュールを構成する各部品の材料が熱膨張，収縮を繰り返すことになるが、この場合に半導体素子３(シリコン)，絶縁基板２(セラミック)，金属ベース１，ヒートスプレッダ，リードフレーム(銅)の間の線膨張係数差から、半田接合層４（他の部材に比べて軟質）に熱応力が集中して半田層に歪み，亀裂が発生し、この亀裂の進展に伴い半導体素子の接合温度が上昇して破壊に至るといった問題があり、特に鉛フリー半田では熱劣化（組織変化）も加わって半田層の亀裂進行が大きくなることが知られている。このために、従来構造のままでは長期信頼性を確保することが難しい。
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は前記課題を解決して接合部の長期信頼性の向上化が図れるように半導体素子に対する半田接合部の組立構造を改良した半導体装置，およびその製造方法を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明によれば、絶縁基板の表面に形成した導体パターンにパワー半導体素子を半田マウントした構成になる半導体装置において、
半導体素子およびその半田接合層を包含して半導体素子／絶縁基板間の接合部表面に硬質なガラスコートを施し、部品間の半田接合部周域をガラスコートで封止するものとする（請求項１）。
また、その実施には次記のような具体的態様で構成することができる。
（１）前記の半導体装置において、半導体素子の上面に金属製のヒートスプレッダ，ないしは該ヒートスプレッダを介して配線用のリードフレームを積層してその相互間を半田接合した上で、半導体素子と前記ヒートスプレッダ，リードフレームの一部およびその半田接合層を一括包含して、その接合部にガラスコートを施す（請求項２）。
（２）前記の半導体装置において、絶縁基板を放熱用金属ベース上に搭載して半田接合した上で、その半田接合層を包含して絶縁基板／金属ベースの接合部周面にガラスコートを施す（請求項３）。
（３）前記ガラスコートのコーティング剤がポリシザランで、そのガラスコート膜厚さを５〜２０μｍ以下とする（請求項４）。
また、本発明では前記ガラスコートを次記方法で形成するようにする。すなわち、ガラスコートのコーティング剤であるポリシザランをスプレー法，ポッティング法，ディッピング法のいずれかの方法で半田接合部にコーティングした上で、室温放置によりガラス質に転化させるようにし（請求項５）、特にディッピング法によるポリシザランのコーティング工程では、コーティング剤の原液に超音波振動を加えてガラスコートの膜厚が過剰な厚さになるのを防ぐようにする（請求項６）。
上記のように半田接合部にポリシザラン（ＳｉＨ２ＮＨ）（例えば、ＡＺエレクトロニックマテリアルズ社製品「アクアミカ」（商品名））をコーティング剤として接合部表面に塗布した後に室温放置すると、ポリシザランが大気中の水分と反応してシリカガラスに転化し（ＳｉＨ２ＮＨ＋Ｈ２Ｏ→ＳｉＯ２＋ＮＨ３＋２Ｈ２）、高硬度なコート膜を形成する。
このガラスコートの線膨張係数（９ｐｍｍ／℃）は、半導体素子（Ｓｉ）の線膨張係数（３ｐｍｍ／℃）と絶縁基板の導体パターン，ヒートスプレッダ，リードフレーム（Ｃｕ）の線膨張係数（１６ｐｍｍ／℃）の中間であり、このガラスコートで前記接合部品の周面を覆うことにより、ガラスコートがシェルとしてヒートサイクルに伴う半導体素子およびこれに半田接合した接合相手部材の自由な熱変形を拘束し、これにより半田接合層に発生する歪みを低減させてモジュールの長期信頼性が向上する。
また、ポリシザランを接合部にコーティングするにはスプレー法，ポッティング法，ディッピング法が採用できるが、この場合にガラスコートの膜厚が必要以上に厚いと室温放置でガラス転化させる際に塗布面の表面部分のみがガラス転化してその内方に未硬化部分が残るおそれがあり、また膜厚が薄すぎると必要な強度が得られず、剥離，割れが発生する。これに対して、コート膜の厚さを５〜２０μｍの一様な厚さに設定することにより、室温放置によるガラス転化，および半田接合層に対する熱応力低減効果に良好な結果の得られることが確認されている。また、ポリシザランのコーティング方法としては、小形サイズな半導体モジュールの生産性を考慮してディッピング法が好適であり、この場合にコートの不要部分をマスキングした上で、ポリシザランのコーティング剤原液に超音波振動を加ながら前記接合部材の組立体をディッピングすることにより接合部に塗布される膜厚が過渡に厚くなるのを抑えて一様な所望厚さにコーティングできる。
以下、本発明の実施の形態を図１〜図３に示す実施例に基づいて説明する。なお、各実施例の図中で図４に対応する部材には同じ符号を付してその説明は省略する。
図１は図４に示したモジュール組立構造に対応する実施例を示すものであり、この実施例ではパワー半導体素子（ＩＧＢＴ）３，半導体素子３／絶縁基板２および絶縁基板２／金属ベース１間の半田接合層４を包含して、図示のように絶縁基板２にマウントした半導体素子３の表面、および絶縁基板２の外周面が、ポリシザランをコーティング剤としてガラス転化させたガラスコート９，１０（膜厚５〜２０μｍ）で覆われている。
上記の構成により、ガラスコート９，１０がシェルとして半導体モジュールのヒートサイクルに伴う被接合部材（半導体素子３，絶縁基板２の導体パターン）の自由な熱変形を拘束し、これにより絶縁基板２と半導体素子３の間，および絶縁基板２と金属ベース１との間に挟まれた半田接合層４に発生する歪を低減して当該接合部の長期信頼性が向上する。
また、前記の接合部にポリシザランをコーティングするには、モジュール組立体に対してガラスコートの不要な部分をマスキングした上で、スプレー法，ポッティング法，ディッピング法などにより一様な厚さにコーティングし、その後にマスキングを剥がし、室温放置してガラス質に転化させるようにする。
ここで、前記のマスキングは、例えば図1に示したモジュール組立体に対し、金属ベース１の外周領域Ａ（Ａ領域には図４で示すように後工程で外囲樹脂ケース６を接合するために、コーティング剤が付着するのを避ける必要がある）をマスキングテープで覆うなどして行うものとする。なお、ポリシラザンのコーティング時には、半導体素子３／絶縁基板２，絶縁基板２／金属ベース１間の半田接合、並びに半導体素子３と絶縁基板２上の導体パターンとの間を接続するワイヤ５のボンディングが既に完了しているので、この部分にコーティング剤が付着しても何ら問題はない。
また、前記のコーティング工程では、ディッピング法を採用し、浸漬槽内に収容したポリシザランのコーティング剤原液に超音波振動を加えながらモジュール組立体をディッピングを行うことにより、コーティング剤が過剰に塗布されるのを防いで一様な膜厚を形成できることが確認されている。
図２は前記実施例１の応用実施例を示すものであり、この実施例では半導体素子３の上面に金属（Ｃｕ）製のヒートスプレッダ１１を積層してその相互間を半田接合した上で、このヒートスプレッダ１１および半導体素子３との間の半田接合層４も含めて、半導体素子２，ヒートスプレッダ１１の周面をガラスコート９で覆うようにしている。
これにより、実施例１で述べたと同様に、ガラスコート９が半導体素子３，ヒートスプレッダ１１の自由な熱変形を拘束して半導体素子３／ヒートスプレッダ１１間の半田接合層に発生する歪みを低減して接合部の長期信頼性を向上できる。
図３は実施例２とさらに異なる応用実施例を示すものであり、この実施例では図２におけるボンディングワイヤ５に代えて、通電容量，伝熱性の高いリードフレーム１２を配線材としてヒートスプレッダ１１の上面に半田接合しており、この組立構造に対して図示のように半導体素子３，ヒートスプレッダ１１，およびリードフレーム１２の一部を一括包含して各接合部材の周面をガラスコート９で覆うようにしている。これにより、前記実施例１，２と同様に各部品間の半田接合層４に発生する歪みを低減して接合部の長期信頼性が向上する。
本発明の実施例１に係わる半導体装置の組立構造図 本発明の実施例２に係わる半導体装置の組立構造図 本発明の実施例３に係わる半導体装置の組立構造図 ＩＧＢＴモジュールを対象とした従来例の半導体装置の組立構造図
符号の説明
１ 金属ベース
２ 絶縁基板
３ パワー半導体素子
４ 半田接合層
５ ボンディングワイヤ
９，１０ ガラスコート
１１ ヒートスプレッダ
１２ リードフレーム

Claims (6)

  1. 絶縁基板の表面に形成した導体パターンにパワー半導体素子を半田マウントした半導体装置において、
    前記半導体素子およびその半田接合層を包含して半導体素子／絶縁基板の接合部表面にガラスコートを施し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において、半導体素子の上面に金属製のヒートスプレッダ，ないしは該ヒートスプレッダを介して配線用のリードフレームを積層してその相互間を半田接合した上で、半導体素子と前記ヒートスプレッダ，リードフレームの一部およびその半田接合層を一括包含して、その接合部にガラスコートを施したことを特徴とする半導体装置。
  3. 請求項１または２に記載の半導体装置において、絶縁基板を放熱用金属ベース上に搭載して半田接合した上で、その半田接合層を包含して絶縁基板／金属ベースの接合部周面にガラスコートを施したことを特徴とする半導体装置。
  4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の半導体装置において、ガラスコートのコーティング剤がポリシザランで、そのガラスコート膜厚を５〜２０μｍとしたことを特徴とする半導体装置。
  5. 請求項４に記載の半導体装置において、ポリシザランをスプレー法，ポッティング法，ディッピング法のいずれかの方法で半田接合部にコーティングした上で、室温放置によりガラス質に転化させることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  6. 請求項５に記載の製造方法において、ディッピング法によるポリシザランのコーティング工程でコーティング剤原液に超音波振動を加えてコーティングを行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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