JP2009252838A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低コスト化および信頼性の向上が図られた半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体装置は、金属ベース板１と、金属ベース板１上に形成された熱伝導性絶縁層２と、熱伝導性絶縁層２上に形成された回路パターン３と、回路パターン３上に実装された複数の半導体素子４Ａ，４Ｂと、複数の半導体素子４Ａ，４Ｂどうしを接続するワイヤ５と、回路パターン３に対して電気的に接続された主電極６と、熱硬化性樹脂からなり、少なくとも回路パターン３を封止するポッティング樹脂７と、熱可塑性樹脂からなり、金属ベース板１およびポッティング樹脂７を封止するモールド樹脂８とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置に関し、特に、基板上に絶縁層を介して形成された回路パターン上に半導体素子を搭載した半導体装置に関する。

従来のパワー半導体装置は、一般に、ポリフェニレンサルファイド樹脂（PPS樹脂）などの熱可塑性樹脂からなるケース内に設けられた絶縁基板上に半導体チップを実装した後、ゲルや液状エポキシ樹脂で封止するケースタイプのものと、絶縁基板上に実装された半導体チップを樹脂でモールド成形するモールドタイプのものとに大別される。

また、モールドタイプの半導体装置には、熱硬化性樹脂をトランスファモールド成形して構成されるものと、固化時間が比較的短い熱可塑性樹脂をインジェクションモールド成形して実現しているもの（たとえば、特許文献１）とがある。
特開平１１−３３０３１７号公報

上記のようなパワー半導体装置にあっては、電気特性などの信頼性を確保するために、回路基板を樹脂で封止する必要がある。ケースタイプの半導体装置では、PPS樹脂などの熱可塑性樹脂からなるケース内に設けられた絶縁基板上に半導体チップを実装した後、ゲルによる封止や液状のエポキシ樹脂などによる封止が行なわれるが、ゲルによる封止は、ゲルが低弾性であることから、封止後の反りが発生しないというメリットがある一方で、ゲルが透湿性を有することから、絶縁層としてエポキシ樹脂などに熱伝導性の無機粉末を充填した絶縁シートを用いた場合には、絶縁層の吸湿による信頼性低下が懸念される。

また、モールドタイプの半導体装置では、特許文献１のように、PPS樹脂などの熱可塑性樹脂によるインジェクションモールド成形を行なうことで全体を封止する方法が一般的である。熱可塑性樹脂によるインジェクションモールド成形を行なうことで、熱硬化性樹脂によるトランスファモールド成形に比べて固化時間を短くすることができ、生産性を向上させて低コスト化を図ることができるというメリットがある。しかしながら、この場合、成形時の樹脂粘度が非常に高いことから、熱可塑性樹脂を射出成形する際に金型内で回路パターンに接合された主電極や信号端子などにかかる圧力が大きくなり、この結果、クラックが発生して半導体装置の信頼性に影響するという問題があった。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、低コスト化および信頼性の向上が図られた半導体装置を提供することにある。

本発明に係る半導体装置は、基板と、基板上に形成された絶縁層と、絶縁層上に形成された回路パターンと、回路パターン上に実装された複数の半導体素子と、複数の半導体素子どうしを接続する接続部と、回路パターンに対して電気的に接続された電極端子と、熱硬化性樹脂からなり、少なくとも回路パターンを封止する第１樹脂部と、熱可塑性樹脂からなり、基板および第１の樹脂部を封止する第２樹脂部とを備える。

本発明によれば、半導体素子などが実装された基板を熱可塑樹脂によって封止しても、半導体素子などは熱硬化性樹脂によって強固に固定されていることから、絶縁層にクラックが入ることはなく、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。

以下に、本発明の実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。

なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本発明にとって必ずしも必須のものではない。また、以下に複数の実施の形態が存在する場合、特に記載がある場合を除き、各々の実施の形態の構成を適宜組合わせることは、当初から予定されている。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る半導体装置を示した断面図である。図１を参照して、本実施の形態に係るパワー半導体装置１００は、金属ベース板１と、金属ベース板１の上面に設けられた熱伝導性絶縁層２と、熱伝導性絶縁層２の上面に設けられた回路パターン３と、回路パターン３上に設けられた半導体素子４Ａ，４Ｂと、半導体素子４Ａ，４Ｂを電気的に接続するワイヤ５と、回路パターン３上にはんだ層（図示せず）によって固着された主電極６と、半導体素子４Ａ，４Ｂ、ワイヤ５、主電極６などを封止する熱硬化性のポッティング樹脂７と、ポッティング樹脂７の外側から全体を封止するモールド樹脂８とを含む。

金属ベース板１は、たとえば、銅やアルミニウムなどの熱伝導性の優れた金属材料で作られた板状の部材である。必要に応じて、パワー半導体装置をフィンにねじ止めするためのねじ穴を金属ベース板１に設けてもよい。

熱伝導性絶縁層２は、エポキシ樹脂などの樹脂材料に、放熱性を高めるために、たとえばシリカやアルミナ、窒化ホウ素、窒化アルミニウムなどの熱伝導性に優れる無機粉末フィラーを約５０〜８５体積％充填したものである。熱伝導性絶縁層２は、金属ベース板１および回路パターン３に接着され、金属ベース板１と回路パターン３との間の絶縁性を確保している。熱伝導性絶縁層２を構成する樹脂材料は、たとえば、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂および液状フェノール樹脂からなる群から選択した少なくともひとつを用いればよい。また、熱伝導性絶縁層２に含まれる無機粉末フィラーは、２種以上の素材を混合したものであってもよい。後述するが、充填するフィラーに窒化ホウ素を含めた場合、絶縁層のピール強度が非常に低くなり、電極パターンとの接着強度が弱くなる傾向がある。（窒化ホウ素を含むフィラーをたとえば５０体積％程度充填した場合、アルミナやシリカを充填した場合に比べ、ピール強度が１／２〜１／１０程度にまで低下する。）本実施の形態の思想は、このようなピール強度が低い熱伝導性絶縁層２を用いた基板を熱可塑性樹脂によってインジェクション成形を行なう場合に、特に有効なものである。

回路パターン３は、金属ベース板１と熱伝導性絶縁層２との積層板作製後、エッチング処理によって形成する方法や、パターン形状にあらかじめ形成した銅などの金属板を熱伝導性絶縁層２上にプレス加圧などによって設ける方法などがあり、どちらの方法を選択してもよい。回路パターン３の形成方法は、その厚さによって選択することもできる。たとえば、銅箔や０．５ｍｍ厚以下の銅板で回路パターン３を形成するのであれば、エッチング処理による方法を選択することが好ましい。この理由としては、エッチング処理を行なうことで、パターン形状の銅板をプレス加圧によって設ける方法に比べて、基板作製プロセスが簡便になることや、パターン位置精度が向上することが挙げられる。

ポッティング樹脂７としては、たとえば、酸無水物硬化の液状エポキシ樹脂などにシリカやアルミナ、水酸化アルミニウムなどの無機粉末フィラーが充填された液状封止樹脂を用いることができる。ポッティング樹脂７におけるフィラー充填量は、金属ベース板１の材料の熱膨張係数によって変えることが望ましく、たとえば、金属ベース板１に銅を用いた場合は、ポッティング樹脂７の熱膨張係数が２５ｐｐｍ以下、好ましくは２０ｐｐｍ以下となるように無機粉末フィラーを充填するとよい。また、ポッティング樹脂７の粘度は、図１に示したように、半導体素子４Ａ，４Ｂおよび主電極６と回路パターン３との接合部分の全体をポッティング樹脂７で封止し、かつ、金属ベース板１の外周へのポッティング樹脂７の漏れを防止するために、ポッティング時の混合状態で５００００ｍＰａ・ｓ以上程度であることが好ましい。

ポッティング樹脂７の硬化後の弾性率は、インジェクションモールド成形を行う温度において、１ＧＰａ以上程度であることが好ましい。また、ポッティング樹脂７は、インジェクションモールド成形時に成形樹脂から圧力を受ける主電極６などの接合面（回路パターン３の上面）から少なくとも０．５ｍｍ以上程度の高さまでを覆うように形成することが好ましい。たとえば、１８０℃の金型内においてPPS樹脂などの熱可塑性樹脂を用いてインジェクションモールド成形を行なう場合、１８０℃での弾性率が１ＧＰａ以上のポッティング樹脂７によって、接合面（回路パターン３の上面）から少なくとも０．５ｍｍ以上の高さを覆うことが好ましい。

図５は、比較例に係る半導体装置を示した断面図である。図５の例では、熱伝導性絶縁層２を介して金属ベース板１に固着された回路パターン３を持つ回路基板に、金型１０を用いたインジェクションモールド成形を行なう場合、矢印ＤＲ８方向に流入するモールド樹脂８から主電極６や信号端子（図示せず）などにかかる圧力によって、回路パターン３の端に応力が集中し（図５中のＡ部）、熱伝導性絶縁層２にクラックが入りやすくなる。熱伝導性絶縁層２にクラックが入ることで、回路基板の電気特性（部分放電開始電圧、絶縁破壊電圧など）が低下し、半導体装置の信頼性低下に繋がる。

これに対し、本実施の形態に係る半導体装置では、上述のように、接合面（回路パターン３の上面）の上部を所定の弾性率を有する熱硬化性樹脂（ポッティング樹脂７）で覆った上でインジェクションモールド成形を行なうことにより、主電極６などが接合されている回路パターン３の端にかかる応力が低減され、熱伝導性絶縁層２にクラックが入ることを防ぐことができる。これによりパワー半導体装置の電気特性などの信頼性を確保することができる。熱伝導性絶縁層２は、近年、熱伝導性を向上させるために無機粉末フィラーをより高充填する傾向にあり、回路パターン３に発生する応力によってクラックが入りやすい状態となっている。特に、無機粉末フィラーの中でも、窒化ホウ素を充填した場合、放熱性向上は期待できるものの、ピール強度が非常に低くなる。本実施の形態の思想は、この窒化ホウ素を少なくとも含んだ熱伝導性絶縁層２を用いた場合に特に有効であり、パワー半導体の信頼性が飛躍的に向上する。さらに好ましくは、インジェクションモールド成形時の温度におけるポッティング樹脂７の弾性率がたとえば５ＧＰａ以上程度であれば、ポッティング樹脂７のポッティング量を、たとえば回路パターン３の上面から０．３ｍｍ程度の高さにまで減らすことも可能であり、半導体装置全体の低コスト化につながる。このような条件を満たすポッティング樹脂７としては、たとえば、液状エポキシ樹脂の場合にはガラス転移点がたとえば１５０℃程度の比較的高い樹脂を選択することが考えられる。ポッティング樹脂の厚みの上限は、特に限定されることはないが、高くすることでポッティング樹脂７の使用量が増えることから、全体のコストが高くなること、また、パワー半導体装置そのもののサイズが大きくなってしまうというデメリットに加え、インジェクションモールド成形時の金型サイズを考え、高さ方向で、金型との隙間が０．１ｍｍよりも狭くなってしまうと、熱可塑性樹脂（モールド樹脂８）の回り込みがうまくいかなくなり、熱可塑性樹脂による封止が良好に行なえないというデメリットがあるため、ポッティング樹脂７の厚みは２ｍｍ以下にしておくことが好ましい。

本実施の形態によれば、低コスト化が可能な熱可塑性樹脂でのインジェクション成形を行なう半導体装置において、回路パターン３および該回路パターン３に実装された主電極６などを、弾性率の高い熱硬化性樹脂からなるポッティング樹脂７で封止することにより、モールド樹脂８の成形時の圧力による熱伝導性絶縁層２におけるクラックの発生を抑制することができる。この結果、半導体装置の電気特性（部分放電開始電圧や絶縁破壊電圧など）が安定する。

また、ポッティング樹脂７の厚みを、回路パターン３の上面からみて０．５ｍｍ以上確保することにより、モールド樹脂８をインジェクション成形する際に発生する熱伝導性絶縁層２への応力を低減することができ、クラックの発生をさらに確実に防止することができる。

また、ポッティング樹脂７の弾性率を、モールド樹脂８のインジェクション成形時の金型温度において１ＧＰａ以上程度とすることにより、モールド樹脂８をインジェクション成形する際に発生する熱伝導性絶縁層２への応力をさらに低減することができる。

また、熱伝導性絶縁層２が、熱硬化性樹脂だけでなく、そこに、シリカ、アルミナ、窒化ホウ素などの熱伝導性無機粉末フィラーを含むことにより、放熱性の高い半導体装置が得られる。

上述した内容について要約すると、以下のようになる。すなわち、本実施の形態に係る半導体装置は、「基板」としての金属ベース板１と、金属ベース板１上に形成された熱伝導性絶縁層２と、熱伝導性絶縁層２上に形成された回路パターン３と、回路パターン３上に実装された複数の半導体素子４Ａ，４Ｂと、複数の半導体素子４Ａ，４Ｂどうしを接続する「接続部」としてのワイヤ５と、回路パターン３に対して電気的に接続された「電極端子」としての主電極６と、熱硬化性樹脂からなり、少なくとも回路パターン３を封止する「第１樹脂部」としてのポッティング樹脂７と、熱可塑性樹脂からなり、金属ベース板１およびポッティング樹脂７を封止する「第２樹脂部」としてのモールド樹脂８とを備える。

（実施の形態２）
図２は、実施の形態２に係る半導体装置を示す断面図である。図２を参照して、本実施の形態に係る半導体装置は、実施の形態１に係る半導体装置の変形例であって、回路パターン３が形成された基板（金属ベース板１および熱伝導性絶縁層２）にエポキシ樹脂（ポッティング樹脂７）のポッティングを行なう前に、基板外周を囲むようにケース９を設けることを特徴とする。

このように、基板の外周を囲むケース９を設けることにより、ポッティング樹脂７の粘度を低くする（数千ｍＰａ・ｓ）ことが可能となる。ポッティング樹脂７の粘度を低下させることにより、封止時間を短縮することが可能となる。

ケース９は、PPS樹脂などの熱可塑性樹脂であらかじめ成形した成形品を用いることができ、基板からポッティング樹脂７が垂れるのを防ぐことができる。ポッティング樹脂７の粘度が低い場合や、ポッティング樹脂７の高さを厳密に限定したい場合は、本実施の形態のようなケース９を用いることにより、基板外周へ樹脂の漏れを抑制して所定量のポッティングを行なうことが有効である。また、回路パターン３からの沿面距離が短い基板を用いる場合は、熱伝導性絶縁層２を保護する観点から、回路パターン３の沿面部を確実にポッティング樹脂７で封止することが必須となるが、上記のようなケース９を用いることで、沿面部の隅々までポッティング樹脂７を回り込ませることができる。

なお、上記以外の点については、実施の形態１と同様であるので、詳細な説明は繰り返さない。

（実施の形態３）
図３は、実施の形態３に係る半導体装置を示す断面図である。図３を参照して、本実施の形態に係る半導体装置は、実施の形態１，２に係る半導体装置の変形例であって、回路パターン３に実装された複数の半導体素子４Ａ，４Ｂを、ワイヤ５に代えて導電性リード板５Ａにより電気的に接続することを特徴とする。

導電性リード５Ａは、たとえば銅などから構成される。ワイヤ５に代えて導電性リード板５Ａを用いることにより、アルミニウムなどのワイヤボンドに比べて動作時の電流密度を上げることが可能となる。

なお、上記以外の点については、実施の形態１，２と同様であるので、詳細な説明は繰り返さない。

以下に、本発明の実施例について説明する。表１に示す実施例１〜６は、実施の形態１に係る半導体装置において、ポッティング樹脂としてエポキシ樹脂を用い、エポキシ樹脂の弾性率とそのポッティング量に対して、基板の部分放電開始電圧を大気中にてインジェクション成形の前後にそれぞれ測定した結果である。

表１を参照して、実施例１は、熱伝導性絶縁層２から回路パターン３の高さまでポッティング樹脂７で封止した場合（熱伝導性絶縁層２の露出部分をポッティング樹脂７で覆った状態）を示す。実施例１の結果から明らかなように、ポッティング樹脂７の弾性率が室温（２５℃）で７ＧＰａである場合、ポッティング量が回路パターン３の上面から０．５ｍｍに満たない場合は、インジェクション後の部分放電開始電圧が０．５ｋＶと非常に低い。インジェクションモールド後における部分放電開始電圧が２ｋＶ以上必要な場合、実施例２〜４のように、ポッティング樹脂７のポッティング量を、回路パターン３の上面から０．５ｍｍ以上確保する必要がある。他方、エポキシ樹脂（ポッティング樹脂７）の弾性率が高くなった場合、たとえば、実施例５〜６のように室温（２５℃）で１３ＧＰａである場合、ポッティング量を減らすことも可能となり、インジェクションモールド後に２ｋＶ以上必要な場合は、回路パターンから０．３ｍｍのポッティング量でよいことがわかる。

他方、比較例１のように、ポッティング樹脂７をなくした場合は、インジェクションモールド成形前の基板の状態では、部分放電開始電圧が１ｋＶ確保されているが、インジェクションモールド成形を行なった後は、電極端子にかかる圧力によって熱伝導性絶縁層２にクラックが発生し、０．１ｋＶ程度に急激に低下する。また、比較例２のように、ポッティング樹脂７に弾性率の低いシリコン樹脂を用いた場合には、回路パターン３や主電極６などが封止されることから、インジェクションモールド成形前の基板の状態では、部分放電開始電圧は４ｋＶ確保されているが、ポッティング樹脂７の弾性率が低いことから、インジェクションモールド成形時の応力に耐えることができず、インジェクションモールド成形後は急激に部分放電開始電圧が低下する。

図４は、実施の形態１に係る半導体装置において、ポッティング樹脂のポッティング量（回路パターン３の上面からの高さ）を変化させながら、インジェクション成形後の部分開始電圧を評価した結果である。ポッティング樹脂としてシリコン樹脂を用いた場合では、ポッティングを行なった効果がほとんど見られないのに対し、ポッティング樹脂としてエポキシ樹脂を用いた場合では、ポッティング量を増やすことで、インジェクション成形後の部分放電開始電圧が高くなっていることがわかる。目標スペック（使用環境）にもよるが、部分放電開始電圧として２ｋＶ以上必要であるとすると、ポッティング量は、回路パターンから０．５ｍｍ以上程度必要である。また、各ポッティング量ごとに１０台でのばらつき評価を行なったところ、ポッティング量を０．５ｍｍ以上とすることにより評価値の下限が高くなっており、ばらつきが抑えられていることがわかる。

以上、本発明の実施の形態および実施例について説明したが、今回開示された実施の形態および実施例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。

本発明の実施の形態１に係る半導体装置を示した断面図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体装置を示した断面図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体装置を示した断面図である。 図１に示された半導体装置におけるポッティング樹脂部の材質および厚みについて検討した結果を示す図である。 比較例に係る半導体装置の製造工程を説明する断面図である。

符号の説明

１ 金属ベース板、２ 絶縁層、３ 回路パターン、４Ａ，４Ｂ 半導体素子、５ ワイヤ、５Ａ 導電性リード板、６ 主電極、７ ポッティング樹脂、８ モールド樹脂、９ ケース、１０ 金型、１００ パワー半導体装置。

Claims (4)

1. 基板と、
   前記基板上に形成された絶縁層と、
   前記絶縁層上に形成された回路パターンと、
   前記回路パターン上に実装された複数の半導体素子と、
   前記複数の半導体素子どうしを接続する接続部と、
   前記回路パターンに対して電気的に接続された電極端子と、
   熱硬化性樹脂からなり、少なくとも前記回路パターンを封止する第１樹脂部と、
   熱可塑性樹脂からなり、前記基板および前記第１の樹脂部を封止する第２樹脂部とを備えた、半導体装置。
2. 前記第１樹脂部の厚みは、前記回路パターンの上面からみて０．５ｍｍ以上確保されている、請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記第２樹脂部はインジェクション成形により形成され、
   前記第１樹脂部の弾性率は、前記第２樹脂部のインジェクション成形時の金型温度において１ＧＰａ以上である、請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記絶縁層は、熱硬化性樹脂からなる第１の素材と、無機粉末からなり、前記第１の素材よりも熱伝導率が高い第２の素材とを含む、請求項１から請求項３のいずれかに記載の半導体装置。

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