JP4784150B2 - 半導体装置および、半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、放熱能力の向上を図る半導体半導体装置に関する。
また、これらのような半導体装置の製造方法に関する。

電力変換機能を有する半導体装置は、家庭用エアコン・冷蔵庫などの民生機器、サーボコントローラなどの産業機器または電気自動車などの輸送機器にわたり、広範囲に適用されている。
このような半導体装置の従来技術は、例えば、半導体素子、絶縁基板、金属板による積層体を樹脂ケースでパッケージジングした構造体とし、さらにこの構造体を冷却体へ取付けたものが知られている。構造体と冷却体との固着には、サーマルコンパウンドを使用している。
また、熱抵抗を小さくするため、サーマルコンパウンドに代えて高熱伝導率を有するとともに電気的絶縁を確保できる樹脂シートを用いて構造体を冷却体に取り付ける半導体装置も知られている。

これら従来技術のうち樹脂シートを用いる半導体装置について図を参照しつつ説明する。図１１は、従来技術の半導体装置を概念的に示した図である。
半導体装置１０００は、半導体素子１、半田２、金属板３、樹脂シート４、冷却体５を備えている。
発熱量が大きい半導体素子１が半田２を介して金属板３の上に機械的・熱的に接続されている。さらに、この金属板３は樹脂シート４を介して冷却体５の上に固着されている。この樹脂シート４は金属板３と冷却体５との電気的絶縁を確保する。また、樹脂シート４は熱抵抗が低く、熱伝導性に優れている。このような半導体装置１０００では、半導体素子１で発した熱が、半田２、金属板３、樹脂シート４を介して冷却体５へ伝わり、冷却体５が放熱する。これにより半導体装置１０００の温度上昇を抑えるものである。このような半導体装置１０００では熱抵抗が高いサーマルコンパウンドを使用しないため、放熱特性の向上を可能とする。

また、半導体装置によっては、特に放熱特性を高めた絶縁基板を用いることもある。このような絶縁基板について図を参照しつつ説明する。図１２は、従来技術の絶縁基板の構造図である。
絶縁基板２０００は、セラミクス基板６、下側回路パターン部７、上側回路パターン部８を備えている。
セラミクス基板６は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などを主材とする基板であり、厚さは０．２ｍｍ〜０．８ｍｍ程度である。 バルクの熱伝導率はアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）で約２０Ｗ／ｍ・Ｋ、窒化アルミ（ＡｌＮ）で約１６０〜１８０Ｗ／ｍ・Ｋ、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）で約８０Ｗ／ｍ・Ｋ程度ある。

下側回路パターン部７は、セラミクス基板６の下側に形成されるパターン部であり、銅やアルミニウムの金属箔で形成され、直接接合もしくはろう材によりセラミクス基板６に接合される。通常は、回路パターンが形成されずに単なる一面ベタのプレート体となる。この下側回路パターン部７はアースに接続される。また、図示しない放熱ベースに半田接合される。放熱ベースはさらに、図１１のように冷却体に固定される。
上側回路パターン部８は、セラミクス基板６の上側に形成されるパターン部であり、銅やアルミニウムの金属箔で形成され、直接接合もしくはろう材によりセラミクス基板６に接合される。上側は、通常の回路パターンである。上側を樹脂ケースにて囲み、樹脂ケースは外部導出端子を支持するとともに、樹脂ケース内にシリコーンゲルや無機充填剤を配合したエポキシ樹脂などを注入して封止している。

このような熱伝導率が高いセラミクス基板６を挟んで両側に回路パターン部が形成された絶縁基板２０００では、上側回路パターン部８に搭載した図示しないパワー半導体で発生した熱をセラミクス基板６→下側回路パターン部７と経由させて放熱させる。このような絶縁基板２０００では放熱特性を高めることができ、電流容量が大容量のパワー素子・パワー半導体を搭載した半導体装置とすることができる。
また、放熱特性の向上を図る半導体装置の他の従来技術として、例えば、特許文献１の発明が開示されている。この、特許文献１ではエアロゾルデポジション法により、導体基板の一方の面にセラミックス層を形成する技術が開示されている。
また、放熱特性の向上を図る半導体装置の他の従来技術として、例えば、特許文献２の発明が開示されている。この、特許文献２ではリードフレームとヒートシンクとの間に高熱伝導樹脂を充填する技術が開示されている。

特許文献２には、製造コストを低減するために、トランスファー成形によるフルモールド半導体モジュールが開示されている。
フルモールド半導体モジュールは、図１３に示すように、リードフレーム１３の上にパワー半導体１１、その制御ＩＣ１１’を実装し、ワイヤ（接続部）１６にて相互に接続されている。このように接続が完了した時点で、図示しない金型にセットし、封止樹脂１５を注入・硬化させて樹脂封止し、フルモールド半導体モジュールを構成する。図１４はフルモールド半導体モジュールの他の例で、ヒートシンク（冷却体）を備え、リードフレームをヒートシンク３３とともにモールドしたものである。また図１５には金属絶縁基板３０００上にパワー半導体，制御ＩＣを配置し、実装・接続した後、素子搭載面をモールドしたものである。金属絶縁基板は、金属ベース板上に絶縁層を介して回路パターンを形成したものであり、金属ベース板がヒートシンクの機能を備えるものである。
特開２００４−４７８６３号公報（段落番号００２６〜００３２、図１、図２、図３） 特開平９−１３９４６１号公報（段落番号００３８、図１、図２）

図１１で示した従来技術の半導体装置１０００では、半導体素子１が半田２を介して金属板３に固着され、さらにこの金属板３が樹脂シート４を介して冷却体５に取付けられる構成を採用している。しかしながら、金属板３の角部周辺の縁辺部に金属バリがある場合、または、冷却体５への取付時に偏荷重が加わる場合、樹脂シート４へは集中した力が加わって容易に破れて、電気的絶縁が確保できなくなるおそれがあった。パワーデバイス・パッケージを構成する半導体装置１０００では、金属板３と冷却体５とが短絡するような事態は回避したいという要請があった。
また、図１２で示す絶縁基板２０００では放熱特性を高めているが、構成が複雑になるだけでなく、金属絶縁基板やリードフレームを用いた構成に比べコストが増大するという課題があり、放熱特性を更に向上させたいという要請もあった。

また、製造コストを低減するためのフルモールド半導体モジュールでは、大容量化ができないという課題があった。すなわち、電流容量が５０Ａを超えると、パワー半導体での損失も大きくなるとともに、損失による発熱が大きくなってしまい、封止樹脂の冷却特性が不十分となってしまう。これに対し、図１３のような構成では、底部の封止樹脂の厚さを薄くすればよいのであるが、成形樹脂の充填性を確保（充填後の割れ・はがれ等を防ぐ）するには、３００μｍ程度の厚みが必要となり、放熱を妨げていた。
図１４のような構成とすれば、ヒートシンクとリードフレームとの封止樹脂の厚さを２００μｍ以下にすることができるが、このようなわずかな空間に封止樹脂を充填せねばならず、未充填部が生じて絶縁不良を引き起こし、未充填をなくすために樹脂注入圧力を高めるとワイヤの変形・断線の原因となってしまう。

図１５のように、金属絶縁基板を用いるとパワー半導体下部の熱抵抗を小さくすることができるが、金属絶縁基板を別途用意する必要があり、リードフレームを用いた構成に比べ工数が増えコストの増大を招いてしまうという問題があった。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、電気的な絶縁性能、および、熱伝導性能が良好であることに加え、機械的にも強固な構造の絶縁層を形成して大電力に適用可能とした半導体装置、および、これら機能を実現するような半導体装置の製造方法を提供することにある。
また、複数の半導体素子を搭載した半導体モジュールについても同様である。

上記の課題を解決するため、請求項１にかかる発明の電力用半導体装置は、電気回路となる回路パターン部と、前記回路パターン部に接合された電力用半導体素子と、前記回路パターン部の裏面に設けられ、熱伝導率が大きい絶縁層と、を備える電力用半導体装置であって、前記絶縁層は、複数のセラミクス微粒子を少なくとも前記回路パターン部に衝突させることにより接合されて形成され、熱伝導率が２０〜１８０Ｗ／ｍ・Ｋで、厚さが２５〜６３．５μｍの常温衝撃固化膜のセラミクス層であるものとする。
また、請求項２にかかる発明の電力用半導体装置は、請求項１に記載の電力用半導体装置において、前記絶縁層は、少なくとも前記回路パターン部の裏面を覆うものとする。
また、請求項３にかかる発明の電力用半導体装置は、請求項２に記載の電力用半導体装置において、前記絶縁層は、前記回路パターン部の裏面に連接する側面の一部または全部を覆うものとする。

請求項４にかかる発明の電力用半導体装置は、請求項１または請求項２に記載の電力用半導体装置において、前記回路パターン部は、複数の回路パターン部が組み合わされて形成され、複数の電力用半導体素子を搭載してなり、電力用半導体素子と回路パターン部との間に架設される接続部により配線されるものである。
請求項５にかかる発明の電力用半導体装置は、請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の電力用半導体装置において、回路パターン部に電気的に接続されるリード端子と、絶縁層が外部に露出し、リード端子が外部に引き出された状態で封止される樹脂パッケージと、を備えるものである。
請求項６にかかる発明の電力用半導体装置は、請求項５に記載の電力用半導体装置において、前記絶縁層は、前記回路パターンの裏面および該回路パターン裏面と略同一面にて連続する前記樹脂パッケージ面を覆うことものである。

請求項７にかかる発明の電力用半導体装置は、請求項１〜請求項６の何れか一項に記載の電力用半導体装置において、前記絶縁層は、酸化珪素，酸化アルミニウム，窒化珪素，窒化ホウ素，窒化アルミニウムの少なくとも１種によるセラミック粒子を少なくとも前記回路パターン部に衝突させることにより接合されて形成された常温衝撃固化膜のセラミクス層であるものとする。
請求項８にかかる発明の電力用半導体装置は、請求項７に記載の電力用半導体装置において、前記絶縁層は、酸化珪素，酸化アルミニウムからなる第１の群の少なくとも１種と、窒化珪素，窒化ホウ素，窒化アルミニウムからなる第２の群の少なくとも１種と、によるセラミック粒子を少なくとも前記回路パターン部に衝突させることにより接合されて形成された常温衝撃固化膜のセラミクス層であるものとする。

請求項９にかかる発明の電力用半導体装置は、請求項１〜請求項６の何れか一項に記載の電力用半導体装置において、前記絶縁層は、何れも表面に酸化アルミニウムの被膜が形成された窒化珪素，窒化ホウ素，窒化アルミニウムのうち少なくとも１種によるセラミック粒子を少なくとも前記回路パターン部に衝突させることにより接合されて形成された常温衝撃固化膜のセラミクス層であるものとする。
請求項１０にかかる発明の電力用半導体装置は、請求項１〜請求項６の何れか一項に記載の電力用半導体装置において、前記絶縁層は、何れも表面に酸化珪素の被膜が形成された窒化珪素，窒化ホウ素，窒化アルミニウムの少なくとも１種によるセラミック粒子を少なくとも前記回路パターン部に衝突させることにより接合されて形成された常温衝撃固化膜のセラミクス層であるものとする。

請求項１１にかかる発明の電力用半導体装置は、請求項１〜請求項１０の何れか一項に記載の電力用半導体装置において、冷却体と、前記絶縁層と冷却体との間に設けられる熱伝導部と、をさらに備え、熱伝導部は、樹脂により形成され、熱伝導率が少なくとも２．０Ｗ／ｍ・Ｋ以上とする。
請求項１２にかかる発明の電力用半導体装置の製造方法は、エアロゾルデポジション法により、多数のセラミクス微粒子をガス中に分散させたエアロゾルをノズルから噴出して少なくとも回路パターン部の裏面に衝突させることにより、熱伝導率が２０〜１８０Ｗ／ｍ・Ｋで、厚さが２５〜６３．５μｍの前記セラミクス微粒子を接合させた常温衝撃固化膜のセラミクス層による絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、電力用半導体素子を回路パターン部に電気的・機械的に接合する接合工程と、を備えるものとする。
請求項１３にかかる発明の電力用半導体装置の製造方法は、エアロゾルデポジション法により、多数のセラミクス微粒子をガス中に分散させたエアロゾルをノズルから噴出して少なくとも回路パターン部の裏面に衝突させることにより、熱伝導率が２０〜１８０Ｗ／ｍ・Ｋで、厚さが２５〜６３．５μｍの前記セラミクス粒子を接合させた常温衝撃固化膜のセラミクス層による絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、電力用半導体素子を回路パターン部に電気的・機械的に接合する接合工程と、前記絶縁層を外部に露出し、前記回路パターン部に接続されたリード端子を外部に引き出した状態で封止して樹脂パッケージを形成する封止工程と、を備えるものとする。

請求項１４にかかる発明の電力用半導体装置の製造方法は、電力用半導体素子および電子部品を回路パターン部に電気的・機械的に接合するする接合工程と、回路パターン部の裏面を外部に露出し、前記回路パターン部に接続されたリード端子を外部に引き出した状態で封止して樹脂パッケージを形成する封止工程と、エアロゾルデポジション法により、多数のセラミクス微粒子をガス中に分散させたエアロゾルをノズルから噴出して少なくとも回路パターン部の裏面に衝突させることにより、熱伝導率が２０〜１８０Ｗ／ｍ・Ｋで、厚さが２５〜６３．５μｍの前記セラミクス微粒子を接合させた常温衝撃固化膜のセラミクス層による絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、を備えるものとする。
請求項１５にかかる発明の電力用半導体装置の製造方法は、請求項１４に記載の電力用半導体装置の製造方法において、エアロゾルデポジション法により、多数のセラミクス微粒子をガス中に分散させたエアロゾルをノズルから噴出して、前記回路パターンの裏面および該回路パターン裏面と略同一面にて連続する前記樹脂パッケージ面に衝突させることにより、前記セラミクス微粒子を接合させた常温衝撃固化膜のセラミクス層による絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、を備えるものとする。

請求項１６にかかる発明の電力用半導体装置の製造方法は、請求項１２〜請求項１５の何れか一項に記載の電力用半導体装置の製造方法において、前記リード端子が回路パターン部と一体に繋がったリードフレームを用いるものとする。
請求項１７にかかる発明の電力用半導体装置の製造方法は、請求項１２〜請求項１６の何れか一項に記載の電力用半導体装置の製造工程と、前記絶縁層の露出面と、冷却体の取付け面と、を高熱伝導樹脂により接着する接着工程と、真空引きにより高熱伝導樹脂内のボイド（空孔）を除去するボイド除去工程と、高熱伝導樹脂を硬化させて熱伝導部を形成する熱伝導部形成工程と、を備えるものとする。

このような本発明によれば、電気的な絶縁性能、および、熱伝導性能が良好であることに加え、機械的にも強固な構造の電気絶縁部を形成して大電力に適用可能とした半導体モジュール、および、このような半導体モジュールを搭載した半導体装置を提供することができる。
また、これら機能を実現するような半導体モジュールの製造方法、および、半導体装置の製造方法を提供することができる。

続いて、本発明を実施するための最良の形態に係る半導体装置、および半導体装置の製造方法について、図を参照しつつ説明する。
図１は本形態の半導体装置の構成図である。この半導体装置は、詳しくはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor ）などのパワー半導体素子を搭載したパワー半導体装置であり、さらに複数のパワー半導体素子を搭載したパワーモジュールでの適用が好適である。以下において、複数のパワー半導体素子を搭載したものを半導体モジュールといい、半導体モジュールを例に説明する。
図１（ａ），（ｂ）において、１０は半導体モジュール、１１はＩＧＢＴなどの半導体素子、１２ははんだ、１３は回路パターン部、１４は絶縁層、１５は封止樹脂、１７はリード端子である。同図（ａ）では、少なくとも回路パターン部の裏面（図１では下面）に絶縁層１４が形成され、同図（ｂ）では、半導体モジュールの裏面全面に絶縁層が形成されている。 半導体素子１１は回路パターン部１３に電気的・機械的に接合されており、接合には半田１２が用いられている。接合に用いる部材としては他にろう材を用いたり、導電性の接着剤を用いることもできる。熱伝導性や導電性，製造コスト等を勘案すると、半田による接合が有利である。半導体素子１１と回路パターン部１３とを直接接合する場合はこれら接合のための層は不要となる。

半導体素子１１は、詳しくは下側の素子表面から上側の素子裏面まで電流が流れる縦型半導体素子である。半導体素子１１の素子裏面には図示しないが裏面電極が形成されている。縦型半導体素子とは、パワーデバイス・パワー半導体のように発熱が問題となる場合に採用されることが多い。半導体素子の上下方向に電流を流すことで電流経路を短くし、ジュール熱の発生の低減を図るものである。
回路パターン部１３は、電気回路のパターンである。また、裏面に熱伝導率が大きい絶縁層１４がそれぞれ形成される（絶縁層１４については後述する）。
半田１２は、半導体素子１１の裏面電極と、回路パターン部１３の電気回路とを電気的に接続する。これにより、回路パターン部１３による電気回路と半導体素子１１とによる電力変換回路が形成される。なお、ここでは図示しないが、上記の構成に加え、回路パターン部１３に前記半導体素子１１の駆動回路（ＩＣなど）を搭載し、ＩＰＭ（Intelligent Power Module）として構成することもできる。また、抵抗、コンデンサ、インダクタなどの機能を有した表面実装用のチップ・素子である電子部品も半田付けされて搭載することが可能である
また、半田１２は、半導体素子１１を回路パターン部１３に機械的に固着する機能も有している。

さらにまた、半田１２は、半導体素子１１と回路パターン部１３とを熱的に接続する経路の役割も果たしている。この機械的接続を強固にし、また、熱抵抗を小さくするため、半田１２は、可能な限り半導体素子１１の裏面の広い領域にわたり形成される。
回路パターン部１３に形成される絶縁層１４は、エアロゾルデポジション法によりセラミクスを堆積させて形成した常温衝撃固化層である。この常温衝撃固化層は、詳しくは径が５ｎｍ〜１μｍ程度である多数のセラミクス微粒子を高速で衝突させて堆積させたセラミクス層である。セラミクス微粒子に粒径が数１０ｎｍ程度までのものを用いた場合は、セラミクス微粒子が相互に（一部は後述のように破砕・変形して）結合し、緻密なセラミクス層を形成する。また、セラミクス微粒子に粒径が数１０ｎｍ〜１μｍ程度のものを用いた場合は、衝突の衝撃により、セラミクス微粒子が厚さ（大きさ）が０．５ｎｍ〜２０ｎｍ程度に破砕・変形され、破砕片同士が接合して緻密なセラミクス層を形成する。このセラミクス層では、粒界が判別できない程度にセラミクスが緻密に結合している。

このように形成された絶縁層１４は微細なセラミクス粒子が緻密に結合して形成されたセラミクス層であるため、厚さａ（回路パターン部１３の裏面からの厚さ）は数μｍ〜１００μｍ程度まで薄くできる。
なお、数１０ｎｍ〜１μｍ程度のセラミクス微粒子を用いた方が、絶縁層１４の製膜速度の観点では有利である。 このセラミクス微粒子として、酸化珪素，酸化アルミニウム，窒化珪素，窒化ホウ素，窒化アルミニウムの少なくとも１種によるセラミクス粒子を用いればよい。このように、少なくとも１種のセラミクス微粒子を用いることにより、粒界が判別できない程度の緻密な絶縁層を形成することができる。
あるいは、酸化珪素，酸化アルミニウムからなる第１の群の少なくとも１種と、窒化珪素，窒化ホウ素，窒化アルミニウムからなる第２の群の少なくとも１種と、によるセラミック粒子を用いてもよい。このように２つの群からそれぞれ少なくとも１種類のセラミクス微粒子を選択して用いることにより、第１の群のセラミクス微粒子と第２の群のセラミクス微粒子とが強固に結合し、粒界が判別できない程度の緻密な絶縁層を形成することができる。 あるいは、何れも表面に酸化アルミニウムの被膜が形成された窒化珪素，窒化ホウ素，窒化アルミニウムのうち少なくとも１種によるセラミック粒子や、何れも表面に酸化珪素の被膜が形成された窒化珪素，窒化ホウ素，窒化アルミニウムの少なくとも１種によるセラミック粒子を用いることもできる。このように表面に酸化アルミニウムもしくは酸化珪素の被膜が形成されたセラミクス微粒子を用いることにより、酸化アルミニウムもしくは酸化珪素と窒化珪素，窒化ホウ素，窒化アルミニウムの微粒子とが強固に結合し、粒界が判別できない程度の緻密な絶縁層を形成することができる。

図１６は、セラミクス微粒子の構成を示すものであり、６０は窒化珪素，窒化ホウ素，窒化アルミニウムのコアフィラーでありその粒径は５ｎｍ〜１μｍ、６１はコアフィラー６０の表面に厚さ１ｎｍ〜１００ｎｍでコートされた酸化アルミニウムあるいは酸化珪素の被膜である。
例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）が望ましく、特に熱伝導率が大きい窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を主剤とするのが望ましい。
このような回路パターン部１３に形成される絶縁層１４はエアロゾルデポジション法によるセラミクス層であり、通常のセラミクス基板（例えば図１０のセラミクス基板６参照）よりも約１０倍以上高い電気的絶縁性能を有するという特徴がある。

仮に酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）のセラミクス基板６では、破壊電圧を考慮して一般に２５０〜６３５μｍ厚さの基板が使用されるが、本発明の絶縁層１４では破壊電圧が１０倍以上あるため厚さが１／１０以下、つまり２５．０〜６３．５μｍの厚さがあれば、従来技術と同様の破壊電圧を確保できる。このため、回路パターン部１３および絶縁層１４を合わせた厚さを薄くできることとなり、回路パターン部１３および絶縁層１４の熱抵抗を大幅に低減できる。
続いて、この半導体モジュール１０の製造方法について図を参照しつつ説明する。図２は、半導体モジュール１０の製造方法を概念的に示した図である。
まず、図２（ａ）で示すように、エアロゾルデポジション法により、径が５ｎｍ〜１μｍ程度である多数のセラミクス微粒子をガス中に分散させたエアロゾルをノズルから噴出して回路パターン部１３の裏面に衝突させることにより、厚さが数μｍ〜５００μｍ程度の常温衝撃固化膜のであるセラミクス層を成長させる。図２（ｂ）で示すように、セラミクス微粒子の粒界が破壊されセラミクスが接合された構造物のセラミクス層である絶縁層１４を形成する（絶縁部形成工程）。この工程では回路パターン部１３の裏面のみ露出するように側面をマスキングした上でセラミクス微粒子を吹き付けることで、裏面にのみ絶縁層１４が形成される。

図１７（ａ）〜（ｃ）は回路パターン部１３と絶縁層１４の接合部を概念的に示した図である。図１７（ａ）は、セラミクス微粒子に１種類のセラミクス（例えば窒化アルミニウム）を用いたものである。回路パターン部１３への衝突で破砕・変形した微粒子の一部か回路パターン部１３の表面に食い込み、順次積層されていく。図中点線で囲った部分が破砕片であるが、粒界が破壊されているため、実際には明確な粒界は見られない。
図１７（ｂ）は、２種類のセラミクス微粒子（例えば酸化アルミニウムと窒化珪素）を用いた例である。図１７（ａ）と同様に、回路パターン部１３への衝突で破砕・変形した微粒子の一部か回路パターン部１３の表面に食い込み、順次積層されていく。図中点線で囲った部分が破砕片であり、２種類のセラミクス微粒子が緻密に結合している。粒界は破壊されているため、実際には明確な粒界は見られない。

図１７（ｃ）は、表面に被膜（例えば酸化アルミニウム）が形成された２種類のセラミクス微粒子（例えば窒化珪素，窒化アルミニウム）を用いた例である。図１７（ａ）と同様に、回路パターン部１３への衝突で破砕・変形した微粒子の一部か回路パターン部１３の表面に食い込み、順次積層されていく。図中点線で囲った部分が破砕片であり、実線部が被膜を形成していた酸化アルミニウムである。２種類のセラミクス微粒子と被膜とが緻密に結合している。粒界は破壊されているため、実際には明確な粒界は見られない。
図２に戻って説明する。図２（ｃ）で示すように、半導体素子１１の裏面電極と回路パターン部１３との間を半田１２によって電気的に接続するとともに、半導体素子１１を回路パターン部１３に機械的に固着する（固着工程）。
続いて、図２（ｄ）の如く、半導体素子搭載面の所望の部位を樹脂封止する（封止工程）。このようにして半導体モジュール１０を完成させる。

このように本形態の半導体モジュール１０は、エアロゾルデポジション法によるセラミクスの絶縁層１４を採用したため、以下のような利点がある。
（１）絶縁耐圧が向上する。
エアロゾルデポジション法では室温（常温）で成膜が可能であり、かつ音速レベルのスピードでサブミクロンオーダーのセラミクス微粒子を基板に衝突させるため、活性な新生面が露出したセラミクス微粒子が結合し、非常に緻密な電気絶縁膜であるセラミクス微粒子層を形成することが可能となり、膜内に空孔（ボイド）が含まれないため、従来の焼結法により形成されたセラミクス基板よりも単位長さ当たりの破壊電圧が１０倍程度向上する。
（２）熱抵抗を低くする。

熱伝導率はバルクと同等であり、熱伝導率はアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）で約２０Ｗ／ｍ・Ｋ、窒化アルミ（ＡｌＮ）で約１６０〜１８０Ｗ／ｍ・Ｋ、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）で約８０Ｗ／ｍ・Ｋ程度確保できる。これに加えて単位長さ当たりの破壊電圧が向上するため、絶縁層１４を薄く形成することができ、このため全体の熱抵抗が低くなる。
これら（１），（２）のように高絶縁と低熱抵抗とを共に確保することが可能となる。また、セラミクス微粒子を回路パターン部に堆積させるため、機械的に強固に固着させることができる。
例えば、半導体モジュール１０の具体例として１２００Ｖ耐圧系のＩＧＢＴモジュールについて検討する。このＩＧＢＴモジュールでは回路パターン部１３の裏面にエアロゾルデポジション法により絶縁層１４が形成される。

従来技術の図１０で示したセラミクス基板６と本形態の絶縁層１４とを比較すると、同程度の絶縁性、曲げ強度を確保する場合、従来技術のセラミクス基板６が２５０μｍ以上の厚さを必用とするのに対し、本形態の絶縁層１４では厚さを１／１０程度に薄くできる。したがって、本形態では回路パターン部１３と絶縁層１４とを合わせた厚さであっても、同程度の性能で従来技術よりも薄くすることができる。
このため本形態の構造によるＩＧＢＴモジュールは、絶縁性、曲げ強度、熱抵抗等を共に向上させた低熱抵抗絶縁型ＩＧＢＴモジュールとすることができる。

＜リードフレーム裏面に先に絶縁層を形成する例＞
続いて、半導体モジュール１０のさらに詳しい製造工程を説明する。図３Ａ〜図３Ｅは図１（ａ）に示した半導体モジュール１０の製造工程を示す図である。
図３Ａ（ａ）において、リード端子１７が回路パターン部１３と一体に構成されたリードフレーム状の部材１３０を用いている。
図３Ａ（ａ）はリードフレーム状部材１３０の上面図、（ｂ）は同じく正面図、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ線の矢視断面図である。図３Ａ（ａ）において、１３ａ〜１３ｅは回路パターン部であり、タイバー１３１により外枠１３２に保持されている。このような外枠付きの回路パターン部は、例えば銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）等の板をネスティングにより打抜き形成しても良い。または、例えば銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）等の板をプレス成形により多数回にわたりプレスし、半導体素子を搭載する箇所を厚めに、また、リード端子となる箇所を薄めに形成するようにしても良い。例えば、０．３ｍｍ〜１ｍｍ程度の銅板を所定のパターンに打ち抜いて形成する。

まず、図３Ｂ（ａ）の上面図で示すように、リードフレーム状部材１３０の裏面側（半導体素子を搭載しない側）に、少なくとも回路パターン部１３の裏面側を露出するように開口部５１が形成された金属マスク５０を配置する。図３Ｂ（ｂ）の断面図に示すように、金属マスク５０には開口部５１と遮蔽部５２とが形成されており、回路パターン部１３の裏面側にエアロゾルデポジション法によりセラミクス微粒子を吹き付ける。
すると、図３Ｃ（ａ）の上面図に示すように、金属マスク５０の開口部５１を経てセラミクス微粒子がリードフレーム状部材１３０の裏面の所望の箇所に堆積し、少なくとも回路パターン部１３の裏面側の領域に絶縁層１４を形成する。ここで、リード端子１７の裏面の一部にも絶縁層１４が形成されているが、この部分は後述の工程で表側（素子搭載側）が樹脂で覆われ、その先で屈曲するためである。リード端子１７裏面の絶縁層１４はリード端子の屈曲の形状に応じて形成すればよい。図３Ｃ（ａ）ならびに（ｂ）の断面図において、金属マスク５０の遮蔽部５２で遮蔽され、絶縁層が形成されなかった部分が、後の工程でリード端子１７に成形される。

図３Ｃ（ｃ）は、図３Ｃ（ｂ）のＢの四角で囲んだ部分の拡大図（変形例）である。エアロゾルデポジション法により堆積するセラミクス微粒子は、リードフレーム状部材１３０に対し、直角よりやや傾斜して衝突させることにより、図３（ｃ）の如く、回路パターン部１３の裏面に接する側面にも絶縁層１４を付着形成さることができる。
なお、図３Ｃ（ｃ）の例では側面のうち角部周辺の縁辺部のみに絶縁層１４を形成した形態を図示しているが、これに代えて側面の全面を覆うような絶縁層１４（図示せず）を形成しても良い。いずれの場合でも、沿面距離が長くなって、側面から短絡するおそれを低減し、絶縁信頼性を向上させることができる。
なお、図３Ｃ（ｃ）に示すように、回路パターン部の側面に絶縁層１４を形成するには次のように行えばよい。エアロゾルデポジション法による絶縁層形成工程において、リードフレーム状部材１３０に向けて噴射ノズル（図示せず）より噴射されるセラミック微粒子は、若干の角度をもって拡散しながら噴射される。すなわち、リードフレーム状部材１３０に略直角に衝突するセラミクス微粒子と直角よりやや傾斜して衝突するセラミクス微粒子が存在する。噴射ノズル（あるいはリードフレーム状部材１３０）を走査するように万遍なく噴射することにより、金属マスクで覆われていない回路パターン部１３裏面と、その側面にもセラミクス微粒子が堆積する。

さらに、回路パターン部１３のおもて面（素子搭載側）の表面を覆い、かつ回路パターン部１３の側面の一部または全部と裏面とが露出するように金属マスクでマスキングした状態でセラミクス微粒子を吹き付けたり、または、回路パターン部１３の表面のみ隠れるように下側に向け、かつ裏面を上側に向けた状態でセラミクス微粒子を吹き付ければ、裏面はもちろんのこと、側面１３１の角部周辺まで到達するため、側面１３１の一部または全部に緻密な絶縁層１４を形成することができる。
続いて図３Ｄ（ａ）の上面図に示すように、回路パターン部１３ｂ，１３ｄの所定位置に半導体素子１１を半田１２により接続固定する。図３Ｄの例では、半導体素子１１として、ＩＧＢＴ１１ａ，１１ｂとＦＷＤ（Free Wheeling Diode）１１ｃ，１１ｄを配置している。図３Ｄ（ａ）に示す配置では、ＩＧＢＴ１１ａ，１１ｂの裏面のコレクタ電極を回路パターン部１３ｂ，１３ｄに半田接合し、表（おもて）面にはエミッタ電極とゲート電極が形成されている。同じくダイオード１１ｃ，１１ｄの裏面のカソード電極を回路パターン部１３ｂ，１３ｄに半田接合している。

半田接合は、リードフレーム状部材１３０（回路パターン部）の表面酸化膜を除去し、半田の濡れ性を向上させるために、例えば、水素還元雰囲気において行えばよい。このときの半田には、例えば、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の鉛フリー半田を用いる。半導体素子と回路パターン部との間の半田の中にボイドが残留すると、熱抵抗が高くなってしまうので、これを防ぐために半田が溶融している状態で１０Ｔｏｒｒ以下まで減圧するとよい。
図３Ｄ（ａ）ではＩＧＢＴ１１ａのエミッタ電極とＦＷＤ１１ｃのアノード電極をアルミワイヤ１６で回路パターン部１３ｃにそれぞれワイヤボンディングで接続する。アルミワイヤには線径が１２５μｍ〜５００μｍ程度のものを超音波接合する。ＩＧＢＴの駆動ＩＣをさらに搭載してＩＰＭを構成する場合、駆動ＩＣには線径が１０μｍ程度の金ワイヤを用いる。同様に、ＩＧＢＴ１１ａとＦＷＤ１１ｃの並列回路（第１並列回路）を形成し、同様に、ＩＧＢＴ１１ｂのエミッタ電極とＦＷＤ１１ｄのアノード電極をアルミワイヤ１６で回路パターン部１３ｂにそれぞれワイヤボンディングで接続し、ＩＧＢＴ１１ａとＦＷＤ１１ｃの並列回路（第２並列回路）を形成する。また、ＩＧＢＴ１１ａ，１１ｂのゲート端子は同様にワイヤボンディングにて回路パターン部１３ａ，１３ｅにそれぞれ接続される。第１並列回路と第２並列回路は回路パターン部１３ｂにより直列に接続され、インバータなど電力変換装置に用いる１アームに相当する回路を構成する。ここで、リード端子１７ｂは、上記１アームの出力端子となる。等価回路を図３Ｄ（ｃ）に示す。なお、ボンディングワイヤはアルミワイヤに限るものではないし、ワイヤボンディングに代えて、金属板による接続としても良い。図３Ｄ（ｂ）はＡ−Ａの矢視断面図である。

上記のように、回路パターン部１３への半導体素子１１の接合・接続が完了した後、図示しない封止型にセットし、図３Ｅ（ａ）の上面図に点線で示す領域の裏面の絶縁層１４が露出するように、所望の部分を封止樹脂１５にて樹脂封止する。封止型内の平坦な面に絶縁層１４を密着させて封止樹脂を注型することにより、図３Ｅ（ｂ）の断面図に示すように、回路パターン部１３の側面にも封止樹脂が流入する。
樹脂封止は、例えば次のように行う。まず金型を１７０℃〜１８０℃程度に保温しておき、リードフレーム状部材を金型にセットする。そして溶融したエポキシ樹脂をプランジャーより型内に流入させる。エポキシ樹脂には、酸化珪素，酸化アルミニウム，窒化珪素，窒化アルミニウム，窒化ホウ素からなるフィラー群の１種類以上が含まれ、熱伝導率は２〜５Ｗ／ｍ・Ｋのものを用いる。エポキシ樹脂は注型後数十秒で硬化する。その後金型から取り出して、恒温槽内で後硬化を行って封止を完了する。

このようにして、半導体モジュール１０の裏面（底部）には、絶縁層１４と、封止樹脂１５一部が裏面に露出し、裏面は、回路パターン部１３がない隙間箇所へも樹脂が充填されて凹凸がない面となる。
そして、樹脂封止が完了した後、タイバー１３１を図３Ｅの一点差線で示す位置にて切断し、回路パターン部１３より外部へ導出されたリード端子１７を独立させる。そして、必用に応じて図３Ｅ（ｃ）に示すようにリード端子１７を折り曲げても良い。
なお、回路パターン部１３，リード端子１７の配置は図示の例に限るものではなく、適宜変更が可能である。以下の他の例についても同様である。

＜モールド後に絶縁層を形成する例＞
次に、半導体モジュールの製造方法の他の形態について説明する。図４は、半導体モジュール１０’の製造方法を概念的に示した図である。
まず、図４（ａ）で示すように、半導体素子１１の裏面電極と回路パターン部１３との間を半田１２によって電気的に接続するとともに、半導体素子１１を回路パターン部１３に機械的に固着する（固着工程）。
続いて、図４（ｂ）に示すように、半導体素子搭載面の所望の部位を樹脂封止する（封止工程）。そして、エアロゾルデポジション法により、径が５ｎｍ〜５００ｎｍ程度である多数のセラミクス微粒子をガス中に分散させたエアロゾルをノズルから噴出して回路パターン部１３の裏面に衝突させ、厚さが０．５ｎｍ〜５ｎｍ程度の粒界相を成長させ、図４（ｃ）に示すように、このような粒界相によりセラミクス微粒子を接合させた構造物のセラミクス微粒子層である絶縁層１４を形成する（絶縁部形成工程）。この工程では回路パターン部１３の裏面のみ露出するように側面をマスキングした上でセラミクス微粒子を吹き付けることで、裏面にのみ絶縁層１４が形成される。

このように本形態の半導体モジュール１０’は、エアロゾルデポジション法によるセラミクスの絶縁層１４を採用したため、前述の、半導体モジュール１０の場合と同様の利点がある。
続いて、半導体モジュール１０’のさらに詳しい製造工程を説明する。図５Ａ〜図５Ｃは図１（ｂ）に示した半導体モジュール１０’の製造工程を示す図である。図３と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。
図５Ａ（ａ）において、リード端子１７が回路パターン部１３と一体に構成されたリードフレーム状の部材１３０を用いている点では図３に示した半導体モジュール１０と同様である。
図５Ａ（ａ）はリードフレーム状部材１３０の上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線の矢視断面図である。

続いて図５Ａ（ａ）の上面図に示すように、回路パターン部１３ｂ，１３ｄの所定位置に半導体素子１１を半田１２により接続固定する。図５Ａの例では、半導体素子１１として、ＩＧＢＴ１１ａ，１１ｂとＦＷＤ１１ｃ，１１ｄを配置している。図５Ａ（ａ）に示す配置では、ＩＧＢＴ１１ａ，１１ｂの裏面のコレクタ電極を回路パターン部１３ｂ，１３ｄに半田接合し、表（おもて）面にはエミッタ電極とゲート電極が形成されている。同じくダイオード１１ｃ，１１ｄの裏面のカソード電極を回路パターン部１３ｂ，１３ｄに半田接合している。
図５Ａ（ａ）ではＩＧＢＴ１１ａのエミッタ電極とＦＷＤ１１ｃのアノード電極をアルミワイヤ１６で回路パターン部１３ｃにそれぞれワイヤボンディングで接続し、ＩＧＢＴ１１ａとＦＷＤ１１ｃの並列回路（第１並列回路）を形成し、同様に、ＩＧＢＴ１１ｂのエミッタ電極とＦＷＤ１１ｄのアノード電極をアルミワイヤ１６で回路パターン部１３ｂにそれぞれワイヤボンディングで接続し、ＩＧＢＴ１１ａとＦＷＤ１１ｃの並列回路（第２並列回路）を形成する。また、ＩＧＢＴ１１ａ，１１ｂのゲート電極は同様にワイヤボンディングにて回路パターン部１３ａ，１３ｅにそれぞれ接続される。第１並列回路と第２並列回路は回路パターン部１３ｂにより直列に接続され、インバータなど電力変換装置に用いる１アームに相当する回路を構成する。ここで、リード端子１７ｂは、上記１アームの出力端子となる。等価回路は図３Ｄ（ｃ）に示したものと同じである。なお、ボンディングワイヤはアルミワイヤに限るものではないし、ワイヤボンディングに代えて、金属板による接続としても良い。

上記のように、回路パターン部１３への半導体素子１１の接合・接続が完了した後、図示しない封止型にセットし、図５Ａ（ａ）の上面図に点線で示す領域をリードフレーム状部材１３０の裏面が露出するように、封止樹脂１５にて樹脂封止する。封止型内の平坦な面にリードフレーム状部材１３０の裏面を密着させて封止樹脂を注型することにより、図５Ａ（ｂ）の断面図に示すように、回路パターン部１３の側面にも封止樹脂が流入する。したがって、樹脂封止後の裏面には、リードフレーム状部材１３の裏面と、回路パターン部１３がない隙間箇所へも充填された樹脂が露出し、裏面は凹凸がない面となる。
続いて、図５Ｂ（ａ）の上面図で示すように、リードフレーム状部材１３０の裏面側（半導体素子を搭載しない側）に、少なくとも回路パターン部１３の裏面側を露出するように開口部５１が形成された金属マスク５０を配置する。図５Ｂ（ｂ）の断面図に示すように、金属マスク５０には開口部５１と遮蔽部５２とが形成されており、回路パターン部１３の裏面側にエアロゾルデポジション法によりセラミクス微粒子を吹き付ける。

すると、図５Ｂ（ａ）の上面図に示すように、金属マスク５０の開口部５１を経てセラミクス微粒子がリードフレーム状部材１３０の裏面および、裏面に露出している封止樹脂上に堆積する。図５Ｃ（ａ）の断面図に示すように、回路パターン部１３の裏面側の領域の金属マスク５０で遮蔽されなかった部分全面に絶縁層１４が形成される。ここで、リード端子１７の裏面の一部にも絶縁層１４が形成されているが、この部分は先の工程で表側（素子搭載側）が樹脂で覆われており、後の工程でその先端部を屈曲するためである。リード端子１７裏面の絶縁層１４はリード端子の屈曲の形状に応じて形成すればよい。図５Ｂ（ａ）ならびに（ｂ）の断面図において、金属マスク５０の遮蔽部５２で遮蔽され、絶縁層が形成されなかった部分が、後の工程でリード端子１７に成形される。
そして、絶縁層１４が形成された後、タイバー１３１を図５Ｃ（ａ）の一点差線で示す位置にて切断し、回路パターン部１３より外部へ導出されたリード端子１７を独立させる。そして、必用に応じて図５Ｃ（ｂ）に示すようにリード端子１７を折り曲げても良い。

ここで、リードフレーム状部材１３０において、回路パターン部１３の面積が大きくなると、回路パターン部から連続するリード端子１７の先端部のタイバー１３１のみでは、安定して回路パターン部を支持できない場合がある。あるいは、リード端子を持たない独立した回路パターン部を形成する場合これを支持するためのタイバーが必要となる。
このような場合に、図５Ａ（ａ）に一点鎖線で示すように、補助的なタイバー１３３を設けることがある。
図５Ｃ（ｃ）は、図５Ａ（ａ）においてＣの四角で囲んだ部分の変形例の拡大図であり、図５Ｃ（ｄ）はそのＤ−Ｄ断面図である。
補助タイバー１３３は回路パターン部１３ｄのコーナ部に設けられており、上記の樹脂封止工程により点線の部分で樹脂封止され、タイバーの切断工程において、同じく点線の箇所にて切断される。このような例では、タイバーの切断端部は封止樹脂の側面に露出することになる。

そこで、上記のエアロゾルデポジション法による絶縁層１４の形成工程を、タイバーの切断工程のあとに行い、セラミクス微粒子を、リードフレーム状部材１３０に対し、直角よりやや傾斜して衝突させることにより、図５Ｃ（ｄ）に示すように、補助タイバーの切断端部も覆うように封止樹脂の側面にも絶縁層１４を付着形成することが可能である。
なお、図５Ｃ（ｄ）に示すように、補助タイバーの切断端部に絶縁層１４を形成するには次のように行えばよい。エアロゾルデポジション法による絶縁層形成工程において、リードフレーム状部材１３０に向けて噴射ノズル（図示せず）より噴射されるセラミック微粒子は、若干の角度をもって拡散しながら噴射される。すなわち、リードフレーム状部材１３０に略直角に衝突するセラミクス微粒子と直角よりやや傾斜して衝突するセラミクス微粒子が存在する。噴射ノズル（あるいはリードフレーム状部材１３０）を走査するように万遍なく噴射することにより、金属マスクで覆われていない側面にもセラミクス微粒子が堆積する。噴射ノズルの噴射方向とリードフレーム状部材１３０とを直交するからば３０°程度の角度を与えてもよい。切断端部（側面）にも絶縁層を形成することができる。

＜ディスクリート型の例＞
続いて他の形態の半導体装置の製造方法について図を参照しつつ説明する。図６Ａ〜図６Ｆは半導体装置２０の製造方法の説明図である。本形態は図３を用いて説明した半導体モジュール１０の変形形態である。すなわち、図３に示した半導体モジュールでは、複数の半導体素子を封入しているのに対し、図６に示す例では、１つのＩＧＢＴ１１のみ封止したディスクリート型の半導体装置を形成している点が異なっている。図３と同様の構成については一部の説明を省略する。
図６Ａ（ａ）はリードフレーム状部材１３０の上面図、（ｂ）は同じく正面図、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ線の矢視断面図である。図６Ａ（ａ）において、回路パターン部１３は、タイバー１３１により外枠１３２に保持されている。このようなリードフレーム状部材１３０は、例えば銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）等の板をネスティングにより打抜き形成しても良い。または、例えば銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）等の板をプレス成形により多数回にわたりプレスし、半導体素子を搭載する箇所を厚めに、また、リード端子となる箇所を薄めに形成するようにしても良い。

続いて、図６Ｂで示すように、回路パターン部１３の裏面側に金属マスク５０を配置する。金属マスク５０には開口部５１と遮蔽部５２とが形成されており、回路パターン部１３の裏面側にエアロゾルデポジション法によりセラミクス微粒子を吹き付ける。
すると、図６Ｃで示すように、金属マスク５０の開口部を経由してセラミクス微粒子が堆積し、回路パターン部１３の裏面側の所望の領域に絶縁層１４を形成する。金属マスク５０の遮蔽部で遮蔽した回路パターン部１３の一部は、その後のリード端子１７となる。ここで、リード端子１７の裏面の一部にも絶縁層１４が形成されているが、この部分は後述の工程で表側（素子搭載側）が樹脂で覆われ、その先で屈曲するためである。リード端子１７裏面の絶縁層１４はリード端子の屈曲の形状に応じて形成すればよい。図３Ｃ（ａ）ならびに（ｂ）の断面図において、金属マスク５０の遮蔽部５２で遮蔽され、絶縁層が形成されなかった部分が、後の工程でリード端子１７に成形される。

なお、図示はしていないが、図３（ｃ）に示した例と同様に、回路パターン部１３の裏面に接する側面に絶縁層１４を付着形成する構成としてもよい。
続いて図６Ｄで示すように、回路パターン部１３の所定位置に半導体素子１１を半田１２により接続固定する。半導体素子１１がＩＧＢＴの場合、裏面にはコレクタ電極、表面にはエミッタ電極とゲート電極が形成されている。図６Ｄではエミッタ電極、ゲート電極をワイヤボンディングで接続してアルミワイヤによる接続部１６を形成する。なお、ワイヤボンディングに代えて、金属板による接続部１６としても良い。
続いて、図６Ｅで示すように、裏面の電気絶縁部１４を露出させた状態で、所望の部分を樹脂封止し、最終的に樹脂パッケージ１８が形成される。裏面は、回路パターン部１３がない隙間箇所へも樹脂が充填されて凹凸がない面となる。

そして、樹脂パッケージ１８が形成されてからタイバー１３１を切断し、回路パターン部１３の外部へ導出されたリード端子１７を形成する。必用時には図６Ｆで示すようにリード端子１７を折り曲げても良い。

＜モールド後に絶縁層を形成する例＞
さらに、他の形態の半導体装置の製造方法について図を参照しつつ説明する。図７は半導体装置２０’の製造方法の説明図である。本形態は図５を用いて説明した半導体モジュール１０’の変形形態である。すなわち、図５に示した半導体モジュールでは、複数の半導体素子を封入しているのに対し、図７に示す例では、１つのＩＧＢＴ１１のみ封止したディスクリート型の半導体装置を形成している点が異なっている。図５と同様の構成については一部の説明を省略する。
図７（ａ）はリードフレーム状部材１３０の上面図であり、図５Ａ（ａ）と同様に、回路パターン部１３の所定位置に半導体素子１１を半田１２により接続固定する。図５Ａの例では、半導体素子１１として、ＩＧＢＴ１１を配置している。

図７（ａ）ではＩＧＢＴ１１のエミッタ電極とゲート電極はワイヤボンディングにて回路パターン部１３それぞれ接続される。なお、ボンディングワイヤはアルミワイヤに限るものではないし、ワイヤボンディングに代えて、金属板による接続としても良い。
上記のように、回路パターン部１３への半導体素子１１の接合・接続が完了した後、図示しない封止型にセットし、図７（ａ）の上面図ならびに（ｂ）の断面図で示ようにリードフレーム状部材１３０の裏面が露出するように、封止樹脂１５にて樹脂封止する。封止型内の平坦な面にリードフレーム状部材１３０の裏面を密着させて封止樹脂を注型することにより、図７（ｂ）の断面図に示すように、回路パターン部１３の側面にも封止樹脂が流入する。したがって、樹脂封止後の裏面には、リードフレーム状部材１３の裏面と、回路パターン部１３がない隙間箇所へも充填された樹脂が露出し、裏面は凹凸がない面となる。

続いて、図７（ｂ）で示すように、リードフレーム状部材１３０の裏面側（半導体素子を搭載しない側）に、少なくとも回路パターン部１３の裏面側を露出するように開口部５１が形成された金属マスク５０を配置し、回路パターン部１３の裏面側にエアロゾルデポジション法によりセラミクス微粒子を吹き付ける。
すると、図７（ｂ）に示すように、回路パターン部１３の裏面側の領域の金属マスク５０で遮蔽されなかった部分全面に絶縁層１４が形成される。ここで、リード端子１７の裏面の一部にも絶縁層１４が形成されているが、この部分は先の工程で表側（素子搭載側）が樹脂で覆われており、後の工程でその先端部を屈曲するためである。リード端子１７裏面の絶縁層１４はリード端子の屈曲の形状に応じて形成すればよい。
そして、絶縁層１４が形成された後、タイバー１３１を図７（ｂ）の一点差線で示す位置にて切断し、回路パターン部１３より外部へ導出されたリード端子１７を独立させる。必用に応じて図７（ｃ）に示すようにリード端子１７を折り曲げても良い。

＜パワー半導体装置に適用した例＞
さらに別の形態の半導体装置について説明する。図８に示す半導体装置１００は、上述した半導体ジュール１０，１０’や半導体装置２０，２０’を搭載したパワー半導体装置で採用可能な構造である。以下において半導体モジュール１０に適用した場合を例として説明する。
図４で示す半導体装置１００は、半導体モジュール１０、熱伝導部３１、冷却体３２を備えている。この半導体モジュール１０または１０’は、先に図２〜図５を用いて説明した形態と同じであり、半導体素子１１、半田１２、回路パターン部１３、絶縁層１４を備えている。
熱伝導部３１０は、半導体モジュール１０から冷却体３２までの熱抵抗を低くするために用いる。半導体モジュール１０の底面には絶縁層１４と封止樹脂１５が露出している。絶縁層１４は、回路パターン部の裏面に緻密に形成されており、回路パターン部裏面の平坦度にほぼ等しい平坦度を持ち、封止樹脂においても、樹脂成形時の型の精度で平坦である（他の半導体モジュール１０’，半導体装置２０，２０’の場合も同様）。他方の冷却体の半導体モジュールとの接触面も、加工時の機械的な精度で平坦に形成されているが、両者とも厳密には完全な平坦ではなく、仮に半導体モジュール１０を冷却体３２に直接取付けると、両者の間は隙間だらけになる。つまり熱伝導率が低い空気が多く介在するため、このままでは熱抵抗が大きい。この対策として、流動性の高い樹脂でこのような隙間を埋めて、上記の熱伝導部３１を形成するものである。

この熱伝導部３１の熱伝導率は少なくとも２．０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが望ましい。熱伝導率の２．０Ｗ／ｍ・Ｋという値は、一般に使用されているサーマルコンパウンドの２倍以上となっており、十分に高い値である。一般的に樹脂の熱伝導率は金属のように高くなく、２．０Ｗ／ｍ・Ｋでも高熱伝導な樹脂になる。
このような熱伝導樹脂の一例として、例えば、酸化珪素（ＳｉＯ_２）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ホウ素（ＢＮ）からなるフィラー群の１種類以上を含むエポキシ樹脂を用いることができる。この場合、熱伝導率は２．０〜５．０Ｗ／ｍ・Ｋを確保できる。
冷却体３２は、通常の放熱フィンであれば良いが、他にも各種冷却体を採用することができる。

このように形成された半導体装置１００では、特に熱伝導部３１がボイド（空孔）による接触熱抵抗を排除しており、半導体モジュール１０で発生した熱は、半導体モジュール１０→熱伝導部３１→冷却体３２という経路で熱が流れて効率良く冷却体３２に伝導することが可能となり、放熱能力を高めている。
この半導体装置１００の製造方法であるが、まず、上記したような半導体モジュールの製造方法により半導体モジュール１０を形成する（半導体モジュール製造工程）。
次に、半導体モジュール１０の絶縁層１４の表面（図８では下側の面。以下露出面という。）と、冷却体３２の表面（図８では上側の面。以下取付面という。）とを、高熱伝導樹脂により接着する（接着工程）。
この接着工程の際、詳しくは半導体モジュール１０の絶縁層１４の露出面、または、冷却体３２の取付面の何れかに高熱伝導樹脂を塗布して、半導体モジュール１０と冷却体３２とを接着する。

次に、例えば真空チャンバ（図示せず）内に配置して、真空引きにより真空チャンバ内を真空状態にすることで、高熱伝導樹脂内のボイド（空孔）を抜き、ボイドがない高熱伝導樹脂を最終的に形成する（ボイド除去工程）。
最後に高熱伝導樹脂を硬化させて熱伝導部３１を形成する（熱伝導部形成工程）。例えば、樹脂に応じて熱硬化や紫外線硬化などを採用できる。
このようにして半導体装置１００を製造する。
このような半導体装置１００では、先に説明したように半導体モジュール１０の熱抵抗が低くなっていることに加え、さらに熱伝導部３１も十分低い熱抵抗となっており、半導体モジュール１０→熱伝導部３１→冷却体３２という経路で効率的に熱が伝導し、放熱特性を向上させることができる。

なお、上記の製造方法は他の半導体モジュール１０’，半導体装置２０，２０’さらにそれらの変形例についても同様に適用できることは言うまでもない。

＜パワー半導体装置に適用した例＞
続いて他の形態の半導体装置について説明する。図９は他の形態の半導体装置内の半導体モジュールの構成平面図、図１０図９に示す半導体装置のＡ−Ａ線断面図である。この半導体装置１００’は、詳しくは図３Ｄ（ｃ）の等価回路に示すように２個組のＩＧＢＴモジュールを搭載したパワー半導体装置などで採用可能な構造である。図９，図１０で示す半導体モジュール１０”は、半導体素子を多数（図９ではＩＧＢＴとＦＷＤを二組）搭載する複合形モジュールであり、半導体素子１１、半田１２、回路パターン部１３ワイヤ（接続部）１６、リード端子１７、樹脂パッケージ１８を備える。この回路パターン部１３の表面にはそれぞれ電気回路が形成され、また、裏面では絶縁層１４が設けられており、図の例では４枚にて回路パターンを構成する。そして、図７で示す半導体装置１００”は、半導体モジュール１０”、熱伝導部３１、冷却体３２を備えている。

半導体モジュール１０”では、回路パターン部１３に半導体素子１１を半田１２により接合し、さらにアルミワイヤやリードフレームなどの接続部１６により半導体素子１１と他の回路パターン部１３との間あるいは、回路パターン１３間を配線して電力変換回路を形成している。さらに、全体を樹脂パッケージ１８でパッケージングしている。この樹脂パッケージ１８は、絶縁層１４が外界へ露出している。このような形態としても先の形態の説明と同様に放熱特性を向上させることができる。
続いて、半導体モジュール１０”および半導体装置１００”の製造方法について説明する。半導体モジュール１０”の製造方法は２種類ある。
まず、第１の製造方法について説明する。エアロゾルデポジション法により、径が５ｎｍ〜５００ｎｍ程度である多数のセラミクス微粒子をガス中に分散させたエアロゾルをノズルから噴出して回路パターン部の裏面に衝突させ、厚さが０．５ｎｍ〜５ｎｍ程度の粒界相により前記セラミクス微粒子を接合させた構造物のセラミクス微粒子層である絶縁層１４を形成する（絶縁部形成工程）。

この絶縁部形成工程の段階において、回路パターン部１３やリード端子１７の全ては外枠（例えば図３Ａの外枠１３２のような外枠）と連結されて一体構成されている。このようなユニット回路パターン部１３およびリード端子１７にエアロゾルデポジション法によりセラミクス微粒子層を堆積していくと絶縁層１４が形成される。本形態での絶縁層１４は実際には図１０で示すような一枚板状ではなく、隙間部には絶縁層１４は形成されない。
そして、半田１２により半導体素子１１と回路パターン部１３とを電気的に接続するとともに、半導体素子１１を回路パターン部１３に機械的に固着する（固着工程）。なお、この固着工程の際に、半田１２によりリード端子１７および電子部品（図示せず）と回路パターン部１３とを電気的に接続するとともに、リード端子１７および電子部品を回路パターン部１３に機械的に固着する。

次に、絶縁層１４が外部に露出され、また、リード端子１７が外部に引き出された状態で封止して樹脂パッケージ１８を形成する（封止工程）。
そして、最後に外枠からユニット回路パターン部１３およびリード端子１７を切り離す。
これで半導体モジュール１０”が製造される。
続いて、半導体モジュール１０”の絶縁層１４の表面と、冷却体３２の取付け面とを、高熱伝導樹脂により接着する（接着工程）。
次に、真空チャンバ内に配置し、真空引きにより高熱伝導樹脂内のボイド（空孔）を除去する（ボイド除去工程）。
最後に高熱伝導樹脂を硬化させて熱伝導部３１を形成する（熱伝導部形成工程）。

これにより半導体装置１００”が製造される。
続いて半導体装置１００”の第２の製造方法について説明する。
ユニット回路パターン部１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄおよびリード端子１７はタイバーにより外枠に連結されているものとする。
まず、半田により半導体素子１１とユニット回路パターン部１３とを電気的に接続するとともに、半導体素子１１をユニット回路パターン部１３に機械的に固着する（固着工程）。なお、この固着工程の際に、半田１２によりリード端子１７および電子部品（図示せず）と回路パターン部１３とを電気的に接続するとともに、リード端子１７および電子部品を回路パターン部１３に機械的に固着する。
次に、ユニット回路パターン部１３の裏面が外部に露出され、また、リード端子１７が外部に引き出された状態で封止して樹脂パッケージ１８を形成する（封止工程）。この封止工程により回路パターン部１３およびリード端子１７が固定される。そして、回路パターン部１３およびリード端子１７と外枠をつなぐタイバーを切り離す。

次に、エアロゾルデポジション法により、径が５ｎｍ〜５００ｎｍ程度である多数のセラミクス微粒子をガス中に分散させたエアロゾルをノズルから噴出してユニット回路パターン部１３の裏面に衝突させ、厚さが０．５ｎｍ〜５ｎｍ程度の粒界相により前記セラミクス微粒子を接合させた構造物のセラミクス微粒子層である絶縁層１４を形成する（絶縁部形成工程）。この場合、金属マスクを用いてユニット回路パターン部１３のみ覆うように絶縁層１４を形成してもよいし、また、ユニット回路パターン部１３および樹脂パッケージ１８の裏面をともに覆うように絶縁層１４を形成しても良い。
このようにして半導体モジュール１０”を製造する。
続いて、半導体モジュール１０”の絶縁層１４および樹脂パッケージ１８の表面と、冷却体３２の取付け面とを、高熱伝導樹脂により接着する（接着工程）。

次に、図示しない真空チャンバ内に配置し真空引きにより高熱伝導樹脂内のボイド（空孔）を除去する（ボイド除去工程）。
次に、高熱伝導樹脂を硬化させて熱伝導部３１を形成する（熱伝導部形成工程）。
これにより半導体装置１００”が製造される。
ここで、上記の例では、リード端子１７を回路パターン部と一体に連続して形成した例で説明したが、回路パターン部とは別部品として、回路パターン部上に接合されたものでもよい。
以上、本形態の半導体モジュール１０，１０’１０”および半導体装置２０，２０'，１００，１００’，１００”について説明した。これらはさらに各種の変形形態が可能である。

本形態はＩＧＢＴモジュールで好適であると説明したが、ＩＧＢＴモジュールに限定したものでなく、変形形態としてＭＯＳＦＥＴなどの半導体装置やパワーモジュールで採用しても良く、放熱特性の向上が可能である。
また、パワーモジュール以外に、ＣＰＵ・ＣＣＤ・メモリなど信号を扱う半導体であっても、放熱特性が考慮される場合には適用しても良い。また、ＣＰＵ・ＣＣＤ・メモリの場合は横型半導体素子であることが一般的であるが、横型半導体素子であって例えば裏面電極が形成されてない場合でも、側面に突出して形成されている端子と電気回路とを半田で接続して熱経路・電気経路を形成すれば、本形態の効果を奏しうるものとなる。
また他の形態として、図示しないが、先に図２，４で示した半導体モジュール１０，１０’を図１０で示したように樹脂パッケージ１８で封止する構成を、半導体モジュールに含めても良い。

さらにまた他の形態として、図９，図１０で示したように回路パターン部１３が複数枚の回路パターン部から構成される半導体モジュール１０”および半導体装置１００”において、絶縁層１４に代えて、図３Ｃの変形例で示したような絶縁層１４（裏面に加え側面の一部または全部を覆うように形成される絶縁層）を採用しても良い。このようにしても側面からの短絡を防止し、絶縁信頼性を向上させることができる。
以上説明した本発明によれば、回路パターン部の半導体素子が接合される面とは反対の面に薄膜の絶縁層を形成することで、パッケージの絶縁と低熱抵抗との向上を実現する半導体モジュールの供給が可能となる。
また、半導体モジュールを高熱伝導樹脂を用い、冷却体に取付けることで、接触熱抵抗を排除でき、低Ｔｊを安定的に実現できる半導体装置の提供が可能となる。

本発明を実施するための最良の形態の半導体モジュールの構成図である。 半導体モジュールの製造方法を示す図である。 半導体モジュールの製造方法を示す図である。 半導体モジュールの製造方法を示す図である。 半導体モジュールの製造方法を示す図である。 半導体モジュールの製造方法を示す図である。 半導体モジュールの製造方法を示す図である。 半導体モジュールの製造方法を示す図である。 半導体モジュールの製造方法を示す図である。 半導体モジュールの製造方法を示す図である。 半導体モジュールの製造方法を示す図である。 半導体装置の製造方法を示す図である。 半導体装置の製造方法を示す図である。 半導体装置の製造方法を示す図である。 半導体装置の製造方法を示す図である。 半導体装置の製造方法を示す図である。 半導体装置の製造方法を示す図である。 半導体装置の構成を示す図である。 半導体モジュールの構成を示す図である。 半導体モジュールの構成を示す図である。 半導体モジュールの構成を示す図である。 従来の半導体装置を示す図である。 従来の絶縁基板の構成を示す図である。 従来の半導体モジュールを示す図である。。 従来の半導体モジュールを示す図である。 従来の半導体モジュールを示す図である。 セラミクス微粒子の構造を示す図である。 絶縁層の接合部を概念的に示した図である。

符号の説明

１０，１０’，１０”：半導体モジュール
１００，１００’，１００”：半導体装置
１１，１１ａ，１１ｂ：半導体素子
１２：半田
１３：回路パターン部
１３１：側面
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ：ユニット回路パターン部
１４，：絶縁層
１５：封止樹脂
１６：接続部
１７：リード端子
１８：樹脂パッケージ
３１：熱伝導部
３２：冷却体

Claims (17)

1. 電気回路となる回路パターン部と、
   前記回路パターン部に接合された電力用半導体素子と、
   前記回路パターン部の裏面に設けられ、熱伝導率が大きい絶縁層と、
   を備える電力用半導体装置であって、
   前記絶縁層は、複数のセラミクス微粒子を少なくとも前記回路パターン部に衝突させることにより接合されて形成され、熱伝導率が２０〜１８０Ｗ／ｍ・Ｋで、厚さが２５〜６３．５μｍの常温衝撃固化膜のセラミクス層であることを特徴とする電力用半導体装置。
2. 請求項１に記載の電力用半導体装置において、
   前記絶縁層は、少なくとも前記回路パターン部の裏面を覆うことを特徴とする電力用半導体装置。
3. 請求項２に記載の電力用半導体装置において、
   前記絶縁層は、前記回路パターン部の裏面に連接する側面の一部または全部を覆うことを特徴とする電力用半導体装置。
4. 請求項１または請求項２に記載の電力用半導体装置において、
   前記回路パターン部は、複数の回路パターン部が組み合わされて形成され、複数の電力用半導体素子を搭載してなり、電力用半導体素子と回路パターン部との間に架設される接続部により配線されることを特徴とする電力用半導体装置。
5. 請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の電力用半導体装置において、
   回路パターン部に電気的に接続されるリード端子と、
   絶縁層が外部に露出し、リード端子が外部に引き出された状態で封止される樹脂パッケージと、
   を備えることを特徴とする電力用半導体装置。
6. 請求項５に記載の電力用半導体装置において、
   前記絶縁層は、前記回路パターンの裏面および該回路パターン裏面と略同一面にて連続する前記樹脂パッケージ面を覆うことを特徴とする電力用半導体装置。
7. 請求項１〜請求項６の何れか一項に記載の電力用半導体装置において、
   前記絶縁層は、酸化珪素，酸化アルミニウム，窒化珪素，窒化ホウ素，窒化アルミニウムの少なくとも１種によるセラミック粒子を少なくとも前記回路パターン部に衝突させることにより接合されて形成された常温衝撃固化膜のセラミクス層であることを特徴とする電力用半導体装置。
8. 請求項７に記載の電力用半導体装置において、
   前記絶縁層は、酸化珪素，酸化アルミニウムからなる第１の群の少なくとも１種と、窒化珪素，窒化ホウ素，窒化アルミニウムからなる第２の群の少なくとも１種と、によるセラミック粒子を少なくとも前記回路パターン部に衝突させることにより接合されて形成された常温衝撃固化膜のセラミクス層であることを特徴とする電力用半導体装置。
9. 請求項１〜請求項６の何れか一項に記載の電力用半導体装置において、
   前記絶縁層は、何れも表面に酸化アルミニウムの被膜が形成された窒化珪素，窒化ホウ素，窒化アルミニウムのうち少なくとも１種によるセラミック粒子を少なくとも前記回路パターン部に衝突させることにより接合されて形成された常温衝撃固化膜のセラミクス層であることを特徴とする電力用半導体装置。
10. 請求項１〜請求項６の何れか一項に記載の電力用半導体装置において、
    前記絶縁層は、何れも表面に酸化珪素の被膜が形成された窒化珪素，窒化ホウ素，窒化アルミニウムの少なくとも１種によるセラミック粒子を少なくとも前記回路パターン部に衝突させることにより接合されて形成された常温衝撃固化膜のセラミクス層であることを特徴とする電力用半導体装置。
11. 請求項１〜請求項１０の何れか一項に記載の電力用半導体装置において、
    冷却体と、
    前記絶縁層と冷却体との間に設けられる熱伝導部と、
    をさらに備え、
    熱伝導部は、樹脂により形成され、熱伝導率が少なくとも２．０Ｗ／ｍ・Ｋ以上になされることを特徴とする電力用半導体装置。
12. エアロゾルデポジション法により、多数のセラミクス微粒子をガス中に分散させたエアロゾルをノズルから噴出して少なくとも回路パターン部の裏面に衝突させることにより、熱伝導率が２０〜１８０Ｗ／ｍ・Ｋで、厚さが２５〜６３．５μｍの前記セラミクス微粒子を接合させた常温衝撃固化膜のセラミクス層による絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、
    電力用半導体素子を回路パターン部に電気的・機械的に接合する接合工程と、
    を備えることを特徴とする電力用半導体装置の製造方法。
13. エアロゾルデポジション法により、多数のセラミクス微粒子をガス中に分散させたエアロゾルをノズルから噴出して少なくとも回路パターン部の裏面に衝突させることにより、熱伝導率が２０〜１８０Ｗ／ｍ・Ｋで、厚さが２５〜６３．５μｍの前記セラミクス微粒子を接合させた常温衝撃固化膜のセラミクス層による絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、
    電力用半導体素子を回路パターン部に電気的・機械的に接合する接合工程と、
    前記絶縁層を外部に露出し、前記回路パターン部に接続されたリード端子を外部に引き出した状態で封止して樹脂パッケージを形成する封止工程と、
    を備えることを特徴とする電力用半導体装置の製造方法。
14. 電力用半導体素子および電子部品を回路パターン部に電気的・機械的に接合するする接合工程と、
    回路パターン部の裏面を外部に露出し、前記回路パターン部に接続されたリード端子を外部に引き出した状態で封止して樹脂パッケージを形成する封止工程と、
    エアロゾルデポジション法により、多数のセラミクス微粒子をガス中に分散させたエアロゾルをノズルから噴出して少なくとも回路パターン部の裏面に衝突させることにより、熱伝導率が２０〜１８０Ｗ／ｍ・Ｋで、厚さが２５〜６３．５μｍの前記セラミクス微粒子を接合させた常温衝撃固化膜のセラミクス層による絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、
    を備えることを特徴とする電力用半導体装置の製造方法。
15. 請求項１４に記載の電力用半導体装置の製造方法において、
    エアロゾルデポジション法により、多数のセラミクス微粒子をガス中に分散させたエアロゾルをノズルから噴出して、前記回路パターンの裏面および該回路パターン裏面と略同一面にて連続する前記樹脂パッケージ面に衝突させることにより、前記セラミクス微粒子を接合させた常温衝撃固化膜のセラミクス層による絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、
    を備えることを特徴とする電力用半導体装置の製造方法。
16. 請求項１２〜請求項１５の何れか一項に記載の電力用半導体装置の製造方法において、
    前記リード端子が回路パターン部と一体に繋がったリードフレームを用いることを特徴とする電力用半導体装置の製造方法。
17. 請求項１２〜請求項１６の何れか一項に記載の電力用半導体装置の製造工程と、
    前記絶縁層の露出面と、冷却体の取付け面と、を高熱伝導樹脂により接着する接着工程と、
    真空引きにより高熱伝導樹脂内のボイドを除去するボイド除去工程と、
    高熱伝導樹脂を硬化させて熱伝導部を形成する熱伝導部形成工程と、
    を備えることを特徴とする電力用半導体装置の製造方法。
    

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