JP2011228336A - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高温動作しても信頼性の高い半導体装置を得ることを目的とする。
【解決手段】半導体素子１が実装された回路面４ｆを有する回路基板４と、半導体素子１に接合された配線部材６または９と、線膨張係数が半導体素子１よりも配線部材の線膨張係数に近い材料（エポキシ樹脂やフィラ等）により構成され、半導体素子１と少なくとも配線部材の一部とを含んで回路面４ｆを封止する封止体１２と、封止体１２を構成する材料の弾性率よりも低い弾性率を有する材料（ポリイミド樹脂等）で構成され、半導体素子１と封止体１２との間で、かつ、半導体素子１の少なくとも配線部材が接合された面１ｆを被覆する被覆膜１３と、被覆膜１３と封止体１２との界面Ｉｆ_Ｒをまたいで被覆膜１３と封止体１２との間に介在するフィラ１４と、を備えるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、家電用、産業用、自動車用、電車用等に広く用いられる半導体装置の構成とその製造方法に関する。

半導体装置は、回路基板の回路面にＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)やＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などのスイッチング素子や整流素子として機能する半導体素子を実装し、実装した半導体素子を外部端子リードやワイヤ等の配線部材を接合後、回路面全体を絶縁性の封止体で封止したものである。近年、インバーターなどの電力用半導体装置に使用される半導体素子では、電力損失を低減する必要があり、例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウムのようなワイドバンドギャップ半導体の電力用半導体装置が開発されている。ワイドギャップ半導体の場合、素子自身の耐熱性が高く、大電流による高温動作が可能であるが、封止体内の半導体素子や配線部材に熱応力がかかるため、従来の半導体素子を使用した時よりも、接合部分の耐熱性や信頼性を向上させる必要がある。

そこで、動作時に半導体素子に生じる熱応力を低減するため、回路面全面にシリコーンゲルなどのゲル状物をバッファーコート材として封入し、さらにその上からエポキシ樹脂を注入する半導体装置や、封止する樹脂の線膨張係数を所定範囲に調整する半導体装置の構成が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。さらに、封止体と半導体素子との間に、被覆膜を介在させる半導体装置も提案されている（例えば、特許文献２ないし４参照。）。

特開平６−５７４２号公報（段落０００６、００１２〜００１４、図１、図２） 特開平１１−１６３０２３号公報（段落００１７〜００１８、図１） 特開２００１−１５６８２号公報（段落００１６、図２） 特開２００６−３５１７３７号公報（段落００２０、図１）

しかしながら、バッファーコートに用いるシリコーンゲルは高温にさらされると溶解することから、高温動作させる半導体装置には適さない。また、線膨張係数を調整した樹脂で電子部品を直接封止すると、樹脂の硬化時点から電子部品に応力がかかり、半導体装置の反りや、ひどい場合はモジュール内部の剥離、クラックなども生じる。また、半導体素子の表面に封止体と異なる樹脂を被覆した場合は、被覆膜と封止体の界面で亀裂や剥離が生じる恐れがあり、信頼性の高い半導体装置を得ることができなかった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、高温動作しても信頼性の高い半導体装置を得ることを目的とする。

本発明にかかる半導体装置は、半導体素子が実装された回路面を有する回路基板と、前記半導体素子に接合された配線部材と、線膨張係数が前記半導体素子よりも前記配線部材の線膨張係数に近い材料により構成され、前記半導体素子と少なくとも前記配線部材の一部とを含んで前記回路面を封止する封止体と、前記封止体を構成する材料の弾性率よりも低い弾性率を有する材料で構成され、前記半導体素子と前記封止体との間で、かつ、前記半導体素子の少なくとも前記配線部材が接合された面を被覆する被覆膜と、前記被覆膜と前記封止体との界面をまたいで前記被覆膜と前記封止体との間に介在するフィラと、を備えたものである。

本発明にかかる半導体装置の製造方法は、所定領域をマスクで保護した半導体ウェハに樹脂材料とフィラとを分散させた溶液を塗布する工程と、塗布した膜中の溶媒を蒸発させて、前記フィラの一部が膜の表面から露出する被覆膜を形成する工程と、前記被覆膜が形成された半導体ウェハをダイシングして半導体素子を形成する工程と、形成した半導体素子を前記回路面上に実装する工程と、実装された半導体素子に前記配線部材を接合する工程と、線膨張係数が前記半導体素子よりも前記配線部材の線膨張係数に近い材料により、前記半導体素子と少なくとも前記配線部材の一部とを含んで前記回路面を封止する工程と、を含むものである。

この発明によれば、配線部材に線膨張係数が近い封止体と半導体素子との間の応力を被覆膜により緩和できるとともに、被覆膜と封止体との間に介在するフィラにより封止体と被覆膜との密着性が保たれるので、高温動作しても信頼性の高い半導体装置を得ることができる。

本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。 本発明の実施の形態１の製造工程における被覆膜を形成する樹脂材料中のフィラの状態を説明するための図である。 本発明の実施の形態１の実施例２で用いるフィラの構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態１の実施例３にかかる半導体装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１の実施例３にかかる半導体装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。 本発明の実施の形態１の実施例４にかかる半導体装置の構成を示す図である。

実施の形態１．
図１〜図３は、本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の構成および半導体装置の製造方法を説明するための図である。図１は半導体装置の構成を説明するための一部分を示すものであり、図１（ａ）は封止体を透過した場合の平面図、図１（ｂ）は封止体を含めた図１（ａ）におけるＢ−Ｂ線の断面図、図１（ｃ）は封止体と被覆膜の界面部分の状態を説明するための断面図である。また、図２は半導体装置の製造方法を説明するためのフローチャート、図３は製造工程における被覆膜を形成する樹脂材料中のフィラの状態を説明するための図である。以下、詳細に説明する。

図１に示すように、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置１００は、ヒートスプレッダ５にはんだ２ｄで接合された絶縁材料をベースとする回路基板４の回路面４上に複数の銅の回路パターン３ａ〜３ｃが形成され、そのうちのひとつの回路パターン３ｃにフェイスアップでドレイン電極側をはんだ２ｃにより接合したＳｉＣからなる半導体素子１が配置されている。そして、上記のように回路基板４に実装された半導体素子１に対して、例えば、半導体素子１の電極面１ｆに設けられた電極（図示せず）と回路パターン３ａ間をワイヤボンディングにより配線部材である銅のワイヤ６ａによって電気的に接続し、回路パターン３ａにはんだ２ａによって接続された外部端子７ａを介して外部への給電経路が形成される。同様にして、半導体素子１のもう一方の電極と回路パターン３ｂ間を銅のワイヤ６ｂによって電気的に接続し、回路パターン３ｂにはんだ２ｂによって接続された外部端子７ｂを介して外部への給電経路が形成される。こういった接続を繰り返し、電気接続された半導体モジュール（封止前の半導体装置）は、樹脂のケース１１の中にあり、ケース１１の中に液状のエポキシ樹脂を用いてポッティングで封止して半導体装置１００が形成される。

なお、半導体素子１の上面には厳密にはゲートパッドやソース電極等が区分けされて形成されているが、図では簡略化して上面全体に電極が形成されているものとして記載している。また、半導体素子１の電極の表面には、接続を良くするための図示しない厚さ数μｍの薄いアルミニウムの下地（電極）が形成されている。そして、半導体素子の電極面１ｆは、ワイヤボンドとの接続部１ｆ_Ｍをマスキングし、マスキングした部分１ｆ_Ｍ以外の表面をポリイミド系の被覆膜１３で被覆して硬化している。そして、ボンディング等の配線工程の後、モジュール全体をエポキシ系の封止体１２で封止している。なお、図ではマスキング部分の存在を明確にするためにワイヤボンドとの接続部１ｆ_Ｍを大きく描いており、接合部周りの隙間が大きくなっているが、実際には隙間が極めて小さくなるように形成している。

なお、半導体素子１のドレイン電極側（回路基板４側）の接合面にも図示しない金属層が設けられており、例えばＮｉ（７μｍ厚）／Ａｕ（０．０２μｍ厚）を施している。半導体素子１は、上述した炭化ケイ素以外にも、シリコンやいわゆるワイドバンドギャップ半導体である、窒化ガリウム、ダイヤモンドなどが用いられる。また、半導体素子１と対向する回路パターン３ｃは銅からなり、その接合面にも１μｍ厚程度の金、銀、パラジウム、白金などの貴金属めっき層を形成している。

金属製のヒートスプレッダ５は、銅やアルミなどの金属が用いられ、回路基板４を搭載する面以外は、封止体１２との接着性を強化するため、ディンプルが施されている。回路基板４はＡｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、ＳｉＮなどの絶縁性のセラミクス基板などで、所定の回路パターン３ａ〜３ｃ（まとめて３）が配置されている。裏面はＮｉメッキなど薄膜メタライズ８が施されており、金属製のヒートスプレッダ５にはんだ２ｄで接合される。はんだ２ａ〜２ｄ（まとめて２）には、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕなどのいわゆる鉛フリーはんだを使用し、還元雰囲気下で回路基板４上の所定の回路パターン３ａ〜３ｄ（まとめて３）と半導体素子１や外部端子７ａ，７ｂ（まとめて７）、薄膜メタライズ８とヒートスプレッダ５との接合が行われる。ワイヤ６ａ、６ｂ（まとめて６）はアルミ、銅、金などの金属が用いられ、超音波ボールボンドまたは熱圧着方式、あるいは両方式を併用するなどして、半導体素子１の電極部から回路基板４上の回路パターン３や図示しないインナーリードへとボンディングされ、図示しない外部回路に電気接続される。

ケース１１の材料はＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）などの熱可塑性樹脂が用いられているが、これに限るものではない。封止体１２は、液状のエポキシ樹脂やフェノール樹脂等の熱硬化性樹脂が用いられ、エポキシ主剤、酸無水物系やアミン系、フェノール系などの硬化剤の他、必要に応じて、硬化触媒、カップリング剤、低応力化剤、レベリング剤などを添加してもよい。封止体１２の線膨張係数は、配線部材であるアルミや銅、金などの金属に合わせるため、それに応じた量のフィラを充填する。通常よく用いられるのは球状シリカであるが、粘度調整など必要に応じて、フィラ粒径分布や粒形などを調整する。

被覆膜１３には、ポリイミド系やポリアミドイミド系の樹脂が適しているが、封止体１２よりも弾性率が低く（軟らかく）、半導体装置内で耐熱性を有する樹脂であれば熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂もしくはエラストマーも使用可能である。弾性率の範囲としては、５００ＭＰａ〜７ＧＰａの範囲が好適である。被覆厚みｔ_１３は後述するフィラ粒径Ｄ_１４にもよるが、１μｍ〜３００μｍの範囲が好適である。被覆膜１３には絶縁性の無機もしくは有機のフィラ１４が充填されており、その粒径分布は、被覆厚みｔ_１３よりも粒径Ｄ_１４が大きなフィラを含むように、１μｍ〜１ｍｍの範囲のものを用いた。有機フィラとしては、シリコーンゴム、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂などの粒子があり、無機フィラとしては溶融シリカ、結晶シリカ、ガラス、酸化アルミニウム、水酸化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、天然鉱物系などがある。着色用、粘度調整用、潤滑用など必要な用途により、粒径範囲、形状を選択でき、１種類だけでなく、複数の種類を組み合わせて使用してもよい。本実施の形態１の場合、フィラ１４は、被覆膜１３と封止体１２との界面ＩＦ_Ｒをまたいで被覆膜１３と封止体１２間に介在させ、両樹脂のアンカー効果の役割を果たすために用いている。そのため、少なくとも１種類は、球状、多角形状、あるいは微細な粒形の凝集体であり、両樹脂にまたがって存在する。また添加量は、樹脂に対して１〜７０ｖｏｌ％であり、また樹脂の粘度調整など必要に応じてナノフィラを加えてもよい。

このとき、被覆膜１３や封止体１２に対するフィラ１４の密着性を上げるため、あらかじめフィラ１４に直接カップリング処理する場合と、フィラ１４と一緒に樹脂にカップリング材を混合する場合とがある。カップリング剤は、通常シランカップリング剤が用いられるが、被着体に応じて種類が豊富にあり、シランカップリング剤に限るものではない。また複数のカップリング剤を組み合わせて使用してもよい。カップリング剤の配合量は、混合する樹脂の種類やフィラの形状、粒径範囲（分布）などに伴わせて適宜設定すればよく、一般的には、樹脂１００重量部に対して５重量％以下となる。

つぎに、本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の信頼性を評価するために、条件を変えた実施例により半導体装置を作成し、比較試験を実施した。

＜実施例１〜実施例２の製造方法＞
実施例１および２においては、被覆膜１３を半導体素子毎に被覆するようにしたので、その方法について説明する。
半導体素子１の表面への被覆膜１３の被覆は、大まかにはウェハ製造工程においてマスクを用いて１ｆ_Ｍ部分を除く領域に印刷された後、硬化し、ダイシングされる。このとき、被覆膜１３と封止体１２との界面Ｉｆ_Ｒにまたがってフィラ１４を介在する構造の半導体装置を得る方法を図２のフローチャートおよび図３の製造工程における被覆膜を形成する樹脂材料中のフィラの状態を説明するため模式図を用いて説明する。

製造工程を開始する（ステップＳ１０）と、ワイヤ接合する部分に被覆膜が付着しないようにウェハ１ｗの所定領域をマスクで保護する（ステップＳ２０）。例えばポリイミド樹脂溶液１３ｓ中に、平均粒径２０μｍ、最大粒径１００μｍの無機のシリカフィラ１４を５０ｗｔ％混合して均一分散したものを、ウェハ１ｗ上に塗布し、スピンコーターを用いてウェハ１ｗ上の膜厚が均一になるようにする（ステップＳ３０）。このときフィラ１４が遠心力でウェハ１ｗの外周方向に飛ばされないように、溶液の粘度は調整されているので、図３（ａ）に示すように、フィラ１４はポリイミド樹脂溶液１３ｓ中に均一に分散している。１００℃以下の低温で真空乾燥し（ステップＳ４０）、ポリイミドの流動がない程度に硬化したら（ステップＳ５０で「Ｙ」）、マスクをはずし（ステップＳ６０）、２５０℃に昇温して２時間加熱する（ステップＳ７０）。ポリイミドの硬化とともに溶液中の溶剤が完全に蒸発し、膜厚は塗布直後より薄く５〜１０μｍになり、図３（ｂ）に示すようにフィラ１４が膜面ｆ_１３から突出する構造の被覆膜１３になる（ステップＳ８０で「Ｙ」）。次にウェハ１ｗをダイシング（ステップＳ１００）し、回路基板４上にはんだ付けして実装し（ステップＳ２００）、さらにワイヤ６を接合（ステップＳ２１０）し、モジュールを組み立てた（ステップＳ２２０で「Ｙ」）後、封止体の材料として、例えば液状のエポキシ樹脂１２を注入して封止（ステップＳ４００）する。以上の工程を終了（ステップＳ４１０）すると、実施例１または２にかかる半導体装置１００、１００_Ｖ２が完成する。

このようにして製造した半導体装置１００では、半導体素子１の表面を封止体１２よりも弾性率の低い（軟らかい）被覆膜１３であらかじめ被覆し、その上から、ワイヤ６や外部端子７等の配線部材の熱膨張係数に合わせた封止体１２で封止している。被覆膜１３は弾性率が低いので、半導体素子１への応力集中を低減できるとともに、封止体１２の熱膨張係数を配線部材の線膨張係数に合わせたことから、封止体１２と配線部材の熱膨張係数差に起因する熱応力を低減できる。さらに、封止体１２との界面Ｉｆ_Ｒをまたぐように両樹脂間には、絶縁性の無機または有機フィラ１４が介在するので、両樹脂層に対してのアンカー効果により、接着性が向上して封止体１２と被覆膜１３が剥離を起こすこともない。つまり、半導体装置のヒートサイクル耐性、パワーサイクル耐性を向上させ、半導体装置の長寿命化を実現することができる。

＜実施例１＞
本実施例１では、半導体素子１の表面１ｆを被覆する被覆膜１３として、ポリイミドやポリアミドイミド系のほか、シリコン系のエラストマーを用い、材料種ごとに、安定した結果が得られる弾性率を５００ＭＰａ〜３ＧＰａの範囲に調整したものを用いた。そして、封止体１２として、エポキシ樹脂とフェノール樹脂の２種類の熱硬化樹脂を用い、材料種ごとに、安定した結果が得られる弾性率を４〜２０ＧＰａ、熱膨張係数を７〜４０ｐｐｍ／Ｋに調整したものを用い、被覆膜１３の方が封止体１２よりも弾性率が低くなるように組合せた。そして、図２、図３に示した製造方法により、半導体素子１のみを被覆膜１３で被覆して半導体装置１００_Ｖ１を製造した。なお、封止体１２や被覆膜１３の弾性率は、界面をまたぐためのフィラ１４とは別に、フィラの含有量を変化させて調整した。

半導体素子１の物性は、弾性率数１００〜１５００ＧＰａ、熱膨張係数３〜５ｐｐｍ／Ｋの範囲であるが、パワーサイクル、ヒートサイクルにおいて、被覆膜１３の弾性率が低いので、半導体素子１との界面における、熱膨張係数差に起因する熱応力は緩和・低減され、樹脂の剥離、クラックを抑制できる。また被覆膜１３と、封止体１２との界面Ｉｆ_Ｒ部分には、無機もしくは有機フィラ１４が両樹脂間に介在しているので、被覆膜１３と封止体１２との間でアンカー効果を持たせて密着性、接着性を向上させ、樹脂間の剥離、クラックを抑制することができると考えられる。

＜実施例２＞
本実施例２の半導体装置では、被覆膜１３と封止体１２の間に介在させるフィラの種類を変えた。他の構成については実施例１と同様である。図４は本実施例２で用いたフィラの形状を説明するためのもので、図４（ａ）は微粒子フィラの凝集体を、図４（ｂ）は多孔質フィラの断面構造を模式的に示す。本実施例２では、被覆膜１３と封止体１２との界面Ｉｆ_Ｒにまたがって存在するフィラ１４_Ｖ２が、図４（ａ）に示すような微粒子フィラの凝集体、または図４（ｂ）に示すように内部に空隙Ｓｐを有する多孔質体である。その１例は、ＢＮ（Boron Nitride）粉体の凝集体である。凝集体の場合、個々の微粒子は密であっても凝集体としては内部に空隙を有することになるので多孔質フィラということができる。このような微粒子の凝集体や多孔質体といった内部に空隙を有するフィラ１４_Ｖ２に用いることにより、被覆膜１３を形成する樹脂および封止体１２を形成する樹脂の液状のバインダー部が多孔質体の空隙Ｓｐ中または凝集体の隙間に含浸され、被覆膜１３と封止体１２とをより強固に接着することができる。つまり、フィラが多孔質体であると、被覆膜１３の樹脂および封止体１２の樹脂がフィラ中の空隙に含浸されることから、両方の樹脂に対してのアンカー効果による接着性を向上させることができる。

＜実施例３〜実施例７の製造方法＞
実施例３ないし実施例７においては、被覆膜１３を図５に示すように配線部材の接合が完了した半導体モジュールに対してまとめて被覆するようにしたので、その方法について図６のフローチャートを用いて説明する。

製造工程を開始する（ステップＳ１０）と、実施例１の説明で用いた図２の工程におけるステップＳ２０〜Ｓ１００を飛ばしてステップＳ２００から始め、回路基板４上に半導体素子１をはんだ付けして実装し（ステップＳ２００）、さらにワイヤ６等の配線部材を接合して（ステップＳ２１０）モジュールを組み立てる（ステップＳ２２０で「Ｙ」）。組みあがった半導体モジュール（封止前の半導体装置）に対して、樹脂溶液１３ｓ中に、平均粒径２０μｍ、最大粒径１００μｍの無機のシリカフィラ１４を５０ｗｔ％混合して均一分散したものを、ポッティングにより膜厚が均一になるように塗布する（ステップＳ３３０）。つぎに、１００℃以下の低温で真空乾燥し（ステップＳ３４０）、樹脂が流動せず、ワイヤ６の下部についた樹脂が垂れない程度に硬化したら（ステップＳ３５０で「Ｙ」）、２５０℃に昇温して２時間加熱する（ステップＳ３７０）。樹脂の硬化とともに溶液中の溶剤が完全に蒸発し、膜厚は塗布直後より薄く５〜１０μｍになり、フィラ１４が膜面ｆ_１３から突出する構造の被覆膜１３になる（ステップＳ３８０で「Ｙ」）。最後に、封止体を形成する樹脂として例えば液状のエポキシ樹脂１２を注入して封止（ステップＳ４００）する。以上の工程を終了（ステップＳ４１０）すると、実施例３ないし７にかかる半導体装置１００_Ｖ３〜１００_Ｖ７が完成する。

＜実施例３＞
本実施例３の半導体装置では、封止体および被覆膜の材料の組合せは実施例１と同じものを用いた。そして、図６のフローチャートで示したように、半導体素子１だけではなく、半導体モジュールを構成する接続部材も含めて被覆膜１３により被覆した。それ以外の構成については実施例１と同様である。図５は、本実施例３にかかる半導体装置の構成を示す断面図である。図において、半導体素子１本体や配線部材６、７等のモジュール構成は、実施例１と同様となっているが、被覆膜１３は半導体素子表面１ｆのみでなく、モジュールを構成する部材全てを被覆している。すなわち、半導体素子１を回路基板４の回路パターン上にはんだを用いて搭載し、回路基板４をヒートスプレッダ５上にはんだで接合し、ワイヤ６や配線部材７等により外部への給電経路を形成して半導体モジュールを形成した後、被覆膜１３でモジュールを構成する各部材の表面を被覆し、封止体１２により封止した。

このようにして製造した半導体装置１００では、半導体素子１の表面、回路基板４の実装面（回路面４ｆ）全体、ワイヤ６、接続部材７といった配線部材表面も封止体１２よりも弾性率の低い（軟らかい）被覆膜１３であらかじめ被覆し、その上から、ワイヤ６や外部端子７等の配線部材の熱膨張係数に合わせた封止体１２で封止している。被覆膜１３は弾性率が低いので、半導体素子１や回路基板４への応力集中を低減できるとともに、封止体１２の熱膨張係数を配線部材の線膨張係数に合わせたことから、封止体１２と配線部材の熱膨張係数差に起因する熱応力を低減できる。さらに、封止体１２との界面Ｉｆ_Ｒをまたぐように両樹脂間には、絶縁性の無機または有機フィラ１４が介在するので、両樹脂層に対してのアンカー効果により、接着性が向上して封止体１２と被覆膜１３が剥離を起こすこともない。つまり、半導体装置のヒートサイクル耐性、パワーサイクル耐性を向上させ、半導体装置の長寿命化を実現することができる。

＜実施例４＞
本実施例４の半導体装置では、実施例３で使用した半導体モジュールと構成の異なる半導体モジュールに対して被覆膜１３を被覆した。樹脂による被覆の方法については、実施例３と同様である。本実施例４では、図７に示すように、回路基板４_Ｖ４の回路面４ｆの全面にヒートスプレッダ５_Ｖ４を接合して回路パターン３ｃの代わりとし、さらに、半導体素子１からの給電経路を、ワイヤボンディングの代わりに、銅のリード９を直接半導体素子１の電極にはんだ２ｅで接合するＤＬＢ（Direct Lead Bonding）方式で形成したものである。この場合も、モジュール構成部材とともに、リード９の表面や実質的な回路面となるヒートスプレッダの表面５ｆを被覆膜１３で被覆し、その後、封止体１２をポッティングで封止した。

＜実施例５＞
以降の実施例５〜７では、被覆対象は実施例３と同様に、図５で示したように配線部材も含めた半導体モジュール全面とし、被覆膜や封止体の材料の種類や特性範囲を限定して製作した。本実施例５では、実施例１や実施例３、４における特性試験においてばらつきの少なかった樹脂種に限定してさらに性能評価をおこなうための試作を実施した。被覆膜１３にはポリイミド系樹脂またはポリアミドイミド系樹脂のみを用い、封止体１２にはエポキシ樹脂のみを用いた。ただし、ポリイミド系またはポリアミドイミド系樹脂の弾性率の範囲は、封止体１２よりも低いが、他の樹脂を用いた時より上限を引き上げて（範囲を広げて）５００ＭＰａ〜７ＧＰａとした。本実施例５で限定したポリイミド系やポリアミドイミド系の樹脂のＴｇは２６０℃以上と他の樹脂類よりも高い。従って、ヒートサイクル温度領域あるいはパワーサイクル温度領域においても、特性変化が少なく、モジュール構成部材に被覆すると、その端部および表面の熱応力を低減、緩和できる上、封止体１２を構成するエポキシ樹脂との密着性もよく、また封止体１２からの熱応力も低減、緩和するため、弾性率の範囲を広げても、モジュールの信頼性を向上させることができる。

＜実施例６＞
本実施例６では、実施例５の樹脂の組合せのうち、封止体１２の線膨張係数を１５〜３０ｐｐｍ／Ｋの範囲に調整した。その他の構成については実施例５と同様である。線膨張係数を調整するために、本実施例では、例えばシリカフィラをエポキシ樹脂に対して４０〜７０ｗｔ％充填した。線熱膨張係数を１５ｐｐｍ／Ｋ未満にすると、樹脂の弾性率が高くなるため、相対的に封止後のモジュールの反りが大きくなり、モジュール内に剥離、クラックが発生しやすくなり、信頼性が低下する。一方、線膨張係数が３０ｐｐｍ／Ｋを超える場合は、逆に弾性率が低くなりすぎ、はんだやワイヤの接合部などのクラック防止効果が低くなり、モジュールの信頼性と低下させる。そのため、線膨張係数を上記範囲内にすることで、信頼性をさらに高められると考えられる。

＜実施例７＞
本実施例７では、実施例５の樹脂の組合せのうち、封止体１２の室温での弾性率を１〜１５ＧＰａの範囲に調整した。その他の構成については実施例５と同様である。弾性率を調整するために、例えばシリカフィラをエポキシ樹脂に対して４０〜７０ｗｔ％充填した。弾性率を１ＧＰａより低くすると、モジュールの反りは低減するが、はんだやワイヤの接合部のクラック抑制効果が低くなり、モジュールの信頼性を低下させる。一方、弾性率を１５Ｇｐａより高くすると、モジュールの反りが大きくなると同時に、封止体とモジュール部材間の熱応力も高くなり、剥離、クラックが発生しやすくなり、モジュールの信頼性と低下させる。

＜比較例＞
なお、本実施の形態の各実施例に対する比較例として３種の構成を用意した。
３種の比較例とも、実施例１と同様に被覆対象は半導体素子１のみとし、被覆膜にはポリイミド系の樹脂、封止体にはエポキシ樹脂を用いた。比較例１は被覆膜を用いずに直接封止体により半導体素子を含むモジュール全体を封止した構成、比較例２は半導体素子１に被覆膜を被覆するが、封止体との界面にフィラを介在させない構成。比較例３は半導体素子１に被覆膜を被覆するが、封止体との界面に介在させるフィラの粒径Ｄ_１４を３μｍ以下にした構成である。

＜比較試験評価結果＞
上記実施例毎、比較例毎に複数のサンプルを試作し、ヒートサイクル評価、パワーサイクル評価を実施した。ヒートサイクル試験は、−４０℃で３０分保持／１２５℃で３０分保持を１サイクルとして３００サイクル繰返す試験をヒートサイクルＡ、同様に−４０℃で３０分保持／１５０℃で３０分保持を１サイクルとして３００サイクル繰返す試験をヒートサイクルＢ、また、同様に−４０℃で３０分保持／１７５℃で３０分保持を１サイクルとして３００サイクル繰返す試験をヒートサイクルＣとし、それぞれのサイクル後に導通試験を行い、オープンとなるか否かで信頼性を評価した。パワーサイクル試験は、モジュールの発熱による最高温度でそれぞれ１５０℃、１７５℃になるように設定し、１０００サイクル毎に導通試験を行い、オープンとなるまでのサイクル数を評価した。

評価結果を表１に示す。表中、実施例１〜７は、それぞれ実−１〜実−７、比較例１〜３は、比−１〜比−３として表記しており、評価結果はそれぞれの実施例や比較例毎の複数のサンプルの評価結果の平均値を示す。

表１に示すように、本発明の実施例の半導体装置のように少なくとも半導体素子上に封止体１２より弾性率の低い被覆膜１３を被覆し、被覆膜１３と封止体１２の両層にフィラ１４を介在させるようにする（実−１、２）ことで、ヒートサイクル試験Ｂまではクリヤできることがわかった。なお、ヒートサイクル試験において、比較例（比−１〜３）では、モジュール端からの全面剥離が起こっていた。一方、被覆膜１３と封止体１２の両層にフィラ１４を介在させるようにすると、素子のみに被覆した場合（実−１、２）でも、一部において最も過酷なヒートサイクルＣにおいてオープンとなるサンプルがあったが、その場合でも剥離はモジュール端部のみであり、剥離を抑制する効果が高いことが分かった。

パワーサイクル試験においても、フィラ１４がない構成と較べて数万回以上のサイクル寿命を延ばすことができている。この場合も、比較例（比−１〜３）においては、素子上剥離や素子下または基板下のはんだクラックが生じていたが、被覆膜１３と封止体１２の両層にフィラ１４を介在させるようにすると、素子のみに被覆した場合（実−１、２）でも、素子上剥離は生じなくなり、素子下または基板下のはんだクラックが生じるまで、あるいはワイヤ切れが生じるまで持ちこたえることができるようになった、さらに、全体を被覆した場合（実−４〜７）には、はんだクラックが生じることもなくなり、ワイヤ切れ（実−４の場合はＤＬＢ接合クラック）が生じるまで持ちこたえることができるようになった。なお、比較例３の結果から、フィラの最大粒径が小さいと、界面をまたぐことができないか、できたとしてもアンカー効果を発揮することができないと考えられ、３μｍより大きな粒径のフィラを含むように粒径範囲を調整する必要があることが分かる。

また、実施例１、２と実施例３、４を比較すると、同様の被覆膜と封止体の材料の組合せでも、半導体素子だけの被覆よりも配線部材を含めたモジュール全体を被覆すれば、ヒートサイクルにおける半導体素子と封止体の界面剥離がなくなり、ヒートサイクル、パワーサイクルともに明らかに寿命が延びていることが分かる。

さらに、被覆膜にはポリイミド系かポリイミドアミド系を、封止体にエポキシ樹脂の組合せで構成すれば、さらに寿命を延ばせることが分かった。また、エポキシ樹脂の物性を室温での弾性率の範囲か線膨張率の範囲で調整することでより寿命を延ばせることが明らかになった。

なお、実施例５〜７では、図５に示すようにモジュール全体に被覆膜を施した場合の結果を示したが、実施例５〜７のように限定した樹脂を図１に示すように半導体素子毎に被覆した場合でも、信頼性を向上させることができる。

ここで、たとえば、スイッチング素子や整流素子として機能する半導体素子１に、炭化ケイ素や、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドを用いた場合、従来から用いられてきたケイ素で形成された素子よりも電力損失が低いため、電力用半導体装置の高効率化が可能となる。また、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、電力用半導体装置の小型化が可能となる。さらにワイドバンドギャップ半導体素子は、耐熱性が高いので、高温動作が可能であり、ヒートシンクの放熱フィンの小型化や、水冷部の空冷化も可能となるので、電力用半導体装置の一層の小型化が可能になる。

一方、上記のように高温動作する場合は停止・駆動時の温度差が大きくなり、さらに、高効率・小型化によって、単位体積当たりに扱う電流量が大きくなる。そのため経時的な温度変化や空間的な温度勾配が大きくなり、半導体素子や端子間にかかる熱応力が大きくなる可能性がある。しかし、本発明のように、半導体素子１の表面、回路基板４、ヒートスプレッダ５の実装面全体、ワイヤ６、接続部材７といった電気接続部材表面を被覆した被覆膜１３は弾性率が封止体１２よりも低いので、半導体素子１や回路基板４への応力集中を低減できるとともに、封止体１２の熱膨張係数を配線部材の線膨張係数に合わせたことから、封止体１２と配線部材の熱膨張係数差に起因する熱応力を低減できる。さらに、封止体１２との界面Ｉｆ_Ｒをまたぐように両樹脂間には、絶縁性の無機または有機フィラ１４が介在するので、両樹脂層に対してのアンカー効果により、接着性が向上して封止体１２と被覆膜１３が剥離を起こすこともない。つまり、ワイドバンドギャップ半導体の特性を活かして、小型化や高効率化を進めても半導体装置のヒートサイクル耐性、パワーサイクル耐性を向上させ、半導体装置の長寿命化を実現することができる。つまり、本発明による効果を発揮することで、ワイドバンドギャップ半導体の特性を活かすことができるようになる。

なお、上記各実施例のサンプル作製において説明した製造方法（図２または図６）では、被覆膜１３の厚みｔ_１３よりも粒径Ｄ_１４の大きなフィラ１４を用いることで容易にフィラ１４が界面Ｉ_ｆＲをまたぐ構成を得ることができる。さらに、フィラ１４の粒径Ｄ_１４が膜厚Ｄ_１３よりも大きいと、膜自体の弾性率への影響が少なくなり、界面Ｉ_ｆＲをまたがせるために最適な充填量に調整することが可能となる。一方、上記のように容易に構成することはできないが、被覆膜１３の厚みｔ_１３よりも粒径Ｄ_１４の小さなフィラ１４を用いても、フィラ１４どうしが積み重なることで上層付近のフィラが界面Ｉ_ｆＲをまたぐように構成することもできる。あるいは、被覆膜より比重の軽いフィラを用い、フィラ１４の一部が被覆膜の表面から飛び出た状態で硬化させるようにしてもよい。また、被覆膜で被覆した後にフィラ１４のみ硬化前の被覆膜上に塗布して、その上から、封止体をポッティングで注入してもよい。

また、被覆膜を形成するための樹脂（溶液）の塗布方法としても、半導体素子ごとに被覆する場合でも、被覆前の半導体素子をダイシングして個片化し、回路基板上に搭載して、ワイヤ接合した後にポッティング等で半導体素子全面を被覆してもよい。また、モジュール全面に被覆する場合でも、ワイヤ接合等の組み立てを終えた後、フィラを混合したポリイミド溶液をモジュールの上から噴射して、チップ、ワイヤ、回路基板、ヒートスプレッダ等の部材に付着させ、低温硬化または真空乾燥により、ポリイミド溶液中の溶剤を蒸発させてフィラを突出させて被覆膜を形成した後、液状ポッティング樹脂で封止することもできる。

以上のように、本発明の実施の形態１にかかる半導体装置によれば、半導体素子１が実装された回路面４ｆを有する回路基板４と、半導体素子１に接合された配線部材６または９と、線膨張係数が半導体素子１よりも配線部材の線膨張係数に近い材料（エポキシ樹脂やフィラ等）により構成され、半導体素子１と少なくとも配線部材の一部とを含んで回路面４ｆを封止する封止体１２と、封止体１２を構成する材料の弾性率よりも低い弾性率を有する材料（ポリイミド樹脂等）で構成され、半導体素子１と封止体１２との間で、かつ、半導体素子１の少なくとも配線部材が接合された面１ｆを被覆する被覆膜１３と、被覆膜１３と封止体１２との界面Ｉｆ_Ｒをまたいで被覆膜１３と封止体１２との間に介在するフィラ１４と、を備えるように構成したので、配線部材への応力が緩和できるとともに、半導体素子１と封止体１２の界面剥離が抑えられ、寿命を大幅にのばすことができる。

さらに、フィラ１４には、被覆膜１３の膜厚みｔ_１３よりも大きな粒径Ｄ_１４を有するフィラが含まれているようにしたので、フィラ１４が被覆膜１３と封止体１２との界面Ｉｆ_Ｒをまたぐ構成を容易に得られる。

また、フィラ１４には、多孔質なフィラ１４_Ｖ２が含まれているようにしたので、被覆膜１３の樹脂材料や封止体１２の樹脂材料がフィラ１４_Ｖ２中の空隙Ｓｐに含浸され、アンカー効果が増大し、信頼性が向上する。

とくに、被覆膜１３がポリイミド系またはポリイミドアミド系樹脂材料を用いて形成され、封止体１２がエポキシ樹脂材料を用いて形成されるようにした材料を組み合わせたので、半導体素子１と被覆膜１３との密着性、被覆膜１３と封止体１２との密着性が良好で、半導体素子１からの被覆膜１３の剥離や、被覆膜１３と封止体１２との分離が抑えられ寿命を大幅にのばすことができる。

また、封止体１２の材料の線膨張係数を１０〜３０ｐｐｍ／Ｋにすれば、封止後のモジュールの反りの発生の抑制と、クラック防止を両立させることができ、信頼性を向上させることができる。

あるいは、封止体１２の材料の室温での弾性率を１〜１５ＧＰａにすれば、封止後のモジュールの反りの発生の抑制と、クラック防止を両立させることができ、信頼性を向上させることができる。

また、被覆膜１３が、回路面４ｆ（または５ｆ）と封止体１２との間にも形成されているように構成したので、半導体素子１だけでなく、回路面４ｆ（または５ｆ）と封止体１２との界面剥離も低減できる。

また、本発明の実施の形態１の実施例１、２にかかる半導体装置の製造方法によれば、所定領域をマスクで保護した半導体ウェハ１ｗに（被覆膜１３の）樹脂材料とフィラ１４を分散させた溶液１３ｓを塗布する工程（ステップＳ２０〜３０）、塗布した膜中の溶媒を蒸発させて、フィラ１４の一部が膜表面から露出する塗布厚みよりも厚みの薄い被覆膜１３を形成する工程（ステップＳ４０〜８０）、被覆膜１３が形成された半導体ウェハ１ｗをダイシングして半導体素子１を形成する工程（ステップＳ１００）、形成した半導体素子１を回路基板４の回路面４ｆ上に実装する工程（ステップＳ２００）、実装した半導体素子１に配線部材６、９を接合する工程（ステップＳ２１０〜２２０）、半導体素子１と少なくとも配線部材６、９の一部とを含んで封止体１２の樹脂材料で回路面４ｆを封止して封止体１２を形成する工程（ステップＳ４００）、を含むようにしたので、半導体素子１と封止体１２との間に被覆膜１３を介在させ、両樹脂間にフィラ１４を介在させた半導体装置を容易に製造できる。

また、本発明の実施の形態１の実施例３〜７にかかる半導体装置の製造方法によれば、回路基板４上の回路面４ｆ（または５ｆ）に半導体素子１を実装する工程（ステップＳ２００）、実装した半導体素子にワイヤ６等の配線部材を接合する工程（ステップＳ２１０）モジュールを組み立てる（ステップＳ２２０で「Ｙ」）。組みあがった半導体モジュール（封止前の半導体装置）に対して、つまり、半導体素子１と配線部材とを含んで回路面４ｆ（または５ｆ）に対して被覆膜１３の樹脂材料とフィラ１４を分散させた溶液１３ｓを塗布する工程（ステップＳ３３０）、塗布した膜中の溶媒を蒸発させて、フィラ１４の一部が膜表面から露出するように塗布厚みよりも厚みの薄い被覆膜１３を形成する工程（ステップＳ３４０〜Ｓ３８０）、被覆膜１３が形成された回路面に対して樹脂を注入して封止する工程（ステップＳ４００）、を含むようにしたので、半導体素子１や回路面４ｆ（または５ｆ）と封止体１２との間に被覆膜１３を介在させ、両樹脂間にフィラ１４を介在させた半導体装置を容易に製造できる。

１ 半導体素子（１Ｗ 半導体ウェハ）、 ２ 導電性接合材（はんだまたは導電性接着材）、 ３ 回路基板上の電極部、 ４ 回路基板、 ５ ヒートスプレッダ、 ６ ワイヤ、 ７ 外部端子、 ８ 回路基板裏面メタライズ層、 ９ ＤＬＢ、 １１ ケース、 １２ 封止体、 １３ 被覆膜、 １４フィラ、 １００ 半導体装置。
Ｄ_１４ フィラの粒径、 ｔ_１３ 被覆膜の膜厚み。
添え字 Ｖ：実施例ごとの違い、

Claims (11)

1. 半導体素子が実装された回路面を有する回路基板と、
   前記半導体素子に接合された配線部材と、
   線膨張係数が前記半導体素子よりも前記配線部材の線膨張係数に近い材料により構成され、前記半導体素子と少なくとも前記配線部材の一部とを含んで前記回路面を封止する封止体と、
   前記封止体を構成する材料の弾性率よりも低い弾性率を有する材料で構成され、前記半導体素子と前記封止体との間で、かつ、前記半導体素子の少なくとも前記配線部材が接合された面を被覆する被覆膜と、
   前記被覆膜と前記封止体との界面をまたいで前記被覆膜と前記封止体との間に介在するフィラと、
   を備えたことを特徴とする半導体装置。
2. 前記フィラには、前記被覆膜の膜厚みよりも大きな粒径を有するフィラが含まれていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記フィラには多孔質のフィラが含まれていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 前記被覆膜の材料には、ポリイミド系樹脂またはポリイミドアミド系樹脂が主材料として用いられ、
   前記封止体の材料には、エポキシ樹脂が主材料として用いられる、
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 前記封止体の材料の線膨張係数が１０〜３０ｐｐｍ／Ｋであることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
6. 前記封止体の材料の室温での弾性率が１〜１５ＧＰａであることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
7. 前記被覆膜が、前記回路面と前記封止体との間にも形成されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の半導体装置。
8. 前記半導体素子がワイドバンドギャップ半導体材料により形成されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の半導体装置。
9. 前記ワイドバンドギャップ半導体材料は、炭化ケイ素、窒化ガリウム、またはダイヤモンドのうちのいずれかであることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
10. 所定領域をマスクで保護した半導体ウェハに樹脂材料とフィラとを分散させた溶液を塗布する工程と、
    塗布した膜中の溶媒を蒸発させて、前記フィラの一部が膜の表面から露出する被覆膜を形成する工程と、
    前記被覆膜が形成された半導体ウェハをダイシングして半導体素子を形成する工程と、
    形成した半導体素子を前記回路面上に実装する工程と、
    実装された半導体素子に前記配線部材を接合する工程と、
    線膨張係数が前記半導体素子よりも前記配線部材の線膨張係数に近い材料により、前記半導体素子と少なくとも前記配線部材の一部とを含んで前記回路面を封止する工程と、を含む、
    ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
11. 回路基板上の回路面実装された半導体素子に接合部材を接合する工程と、
    前記半導体素子を含む前記回路面に対して樹脂材料とフィラとを分散させた溶液を塗布する工程と、
    塗布した膜中の溶媒を蒸発させて、前記フィラの一部が膜の表面から露出する被覆膜を形成する工程と、
    線膨張係数が前記半導体素子よりも前記配線部材の線膨張係数に近い材料により、前記半導体素子と少なくとも前記配線部材の一部とを含んで前記回路面を封止する工程と、を含む、
    ことを特徴とする半導体装置の製造方法。

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