JP5900620B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、モールド樹脂により封止した樹脂封止型の半導体装置に関する。
セラミック基板を用いた樹脂封止型の半導体装置では、モールド樹脂とセラミック基板の間で剥離が生じる。また、モールド樹脂からセラミック基板にかかる応力が大きいと長期的な信頼性に懸念がある。そこで、金属ベース板に溝又は突起を設けて樹脂との密着性を強化する手法や、モールド樹脂との界面の全領域にモールド樹脂よりも硬度が低いコーティング膜を設けて応力を緩和する手法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００７−１８４３１５号公報
しかし、金属ベース板に溝又は突起を設ける手法は、金属ベース板の形状が複雑になり、かつ金属ベース板を用いない構造には適用できない。また、全領域にコーティング膜を設ける手法では、全領域について不塗れ部分の発生の検査や不塗れ部分に対する再塗布等の手直しが必要となる。このため、製造が難しいという問題があった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は剥離を防止でき、信頼性を向上でき、かつ製造が容易な半導体装置を得るものである。
本発明に係る半導体装置は、互いに対向する第１及び第２の主面を持つ絶縁基板と、前記絶縁基板の前記第１の主面に接合された回路パターンと、前記絶縁基板の前記第２の主面に接合された冷却体と、前記回路パターン上に実装された半導体素子と、前記絶縁基板と前記回路パターンの接合部、及び前記絶縁基板と前記冷却体の接合部を覆うコーティング膜と、前記絶縁基板、前記回路パターン、前記半導体素子、前記冷却体、及び前記コーティング膜を封止する樹脂とを備え、前記絶縁基板は前記コーティング膜より熱伝導率が高く、前記コーティング膜は、前記樹脂よりも硬度が低く、前記樹脂から前記絶縁基板にかかる応力を緩和し、前記回路パターンと前記冷却体の少なくとも一方は、前記コーティング膜で覆われず前記樹脂に接する溝又は突起を有することを特徴とする。
本発明により、剥離を防止でき、信頼性を向上でき、かつ製造が容易な半導体装置を得ることができる。
本発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す断面図である。 図１の装置のセラミック基板上の構造を示す平面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体装置の変形例を示す断面図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体装置のセラミック基板上の構造を示す平面図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体装置を示す断面図である。 図５の装置のセラミック基板を示す平面図である。
本発明の実施の形態に係る半導体装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す断面図である。図２は、図１の装置のセラミック基板上の構造を示す平面図である。セラミック基板１は互いに対向する上面及び下面を持つ。回路パターン２がセラミック基板１の上面に接合されている。金属製の冷却体３がセラミック基板１の下面に接合されている。
ＩＧＢＴ４（Insulated Gate Bipolar Transistor）とＦＷＤ５（Free Wheeling Diode）が回路パターン２上に実装されている。ＩＧＢＴ４のコレクタ電極６とＦＷＤ５のカソード電極７は半田８により回路パターン２の上面に接合されている。ＩＧＢＴ４のエミッタ電極９とＦＷＤ５のアノード電極１０は半田１１により高圧電極１２に接合されている。ＩＧＢＴ４のゲート電極１３はアルミワイヤ１４により信号電極１５に電気的に接続されている。上位のシステム（不図示）から信号電極１５を介してＩＧＢＴ４に制御信号が入力される。
コーティング膜１６が、セラミック基板１と回路パターン２の接合部、及びセラミック基板１と冷却体３の接合部を覆っている。モールド樹脂１７が、セラミック基板１、回路パターン２、ＩＧＢＴ４、ＦＷＤ５、冷却体３、及びコーティング膜１６等を封止している。これによりＩＧＢＴ４等は外部から絶縁される。ただし、冷却体３の下面はモールド樹脂１７から露出している。その冷却体３の下面をヒートシンク（不図示）により冷却することでＩＧＢＴ４とＦＷＤ５が冷却される。
ここで、セラミック基板１は、例えばＡｌＮ、アルミナ、ＳｉＮ等である。コーティング膜１６は、例えばポリイミド樹脂（線膨張係数５０ｐｐｍ程度、弾性係数２．６ＧＰａ程度）である。モールド樹脂１７は、例えばエポキシ樹脂（線膨張係数１６ｐｐｍ程度、弾性係数１６ＧＰａ程度）である。回路パターン２、高圧電極１２、及び冷却体３は例えばＣｕである。
セラミック基板１はコーティング膜１６より熱伝導率が高い。コーティング膜１６は、モールド樹脂１７よりも硬度が低く、モールド樹脂１７からセラミック基板１にかかる応力を緩和する。回路パターン２と冷却体３は、コーティング膜１６で覆われずモールド樹脂１７に接する溝１８を有する。
続いて本実施の形態の効果を説明する。熱伝導率が高いセラミック基板１上にＩＧＢＴ４とＦＷＤ５を実装することにより放熱性を確保することができる。また、モールド樹脂１７よりも硬度が低いコーティング膜１６でセラミック基板１を覆うことにより、モールド樹脂１７からセラミック基板１にかかる応力を緩和できるため、信頼性を向上することができる。
また、コーティング膜１６とセラミック基板１やモールド樹脂１７との密着性は、セラミック基板１とモールド樹脂１７との密着性よりも高いため、セラミック基板１とモールド樹脂１７との間での剥離を防止することができる。
ここで、コーティング膜１６は全面に塗布する必要はなく、必要な部分さえ塗布されていればよい。従って、不必要な部分も含めて必要な部分が必ず塗布される加工が可能である。また、コーティング膜１６の不塗れ部分の発生の検査や手直しをする場合でもあっても、その対象領域が小さくなる。この結果、手間を省くことができ、製造が容易である。
また、回路パターン２と冷却体３に少なくとも１つの楔型の溝１８が設けられている。この溝１８にモールド樹脂１７が入り込むことで、モールド樹脂１７の剥離を防止することができる。ただし、溝１８の代わりに楔型の突起を設けてもよい。また、これに限らず、回路パターン２と冷却体３の少なくとも一方に溝又は突起が設けられていればよい。
図３は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置の変形例を示す断面図である。冷却体３の横幅はセラミック基板１の横幅以上である。従って、平面視において冷却体３の領域内にセラミック基板１が全て納まる。これにより、セラミック基板１に印加される応力を冷却体３に確実に逃がすことができるため、更に信頼性を向上することができる。
実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２に係る半導体装置のセラミック基板上の構造を示す平面図である。コーティング膜１６は、回路パターン２の上面においてＩＧＢＴ４とＦＷＤ５が実装される領域の周囲を囲っている。これにより、コーティング膜１６はＩＧＢＴ４とＦＷＤ５の半田付け時の位置決めのためのレジストの役割を持つ。このため、コーティング膜１６とは別個にレジストを形成する必要がないため、製造工程を削減することができる。
実施の形態３．
図５は、本発明の実施の形態３に係る半導体装置を示す断面図である。図６は、図５の装置のセラミック基板を示す平面図である。絶縁基板１９は、ＩＧＢＴ４とＦＷＤ５の直下及びその周辺領域に配置された絶縁板２０と、モールド樹脂１７と絶縁板２０の間に配置された絶縁樹脂２１とを有する。厳密に言うと、絶縁板２０は、ＩＧＢＴ４とＦＷＤ５の実装位置から４５度角で広がる熱伝導範囲に配置されている。
絶縁板２０は、例えばＡｌＮ、アルミナ、ＳｉＮ等である。絶縁樹脂２１は、例えばポリイミド樹脂（線膨張係数５０ｐｐｍ程度、弾性係数２．６ＧＰａ程度）である。従って、絶縁板２０は絶縁樹脂２１より熱伝導率が高い。また、絶縁樹脂２１は、モールド樹脂１７よりも硬度が低く、モールド樹脂１７から絶縁板２０にかかる応力を緩和する。
ＩＧＢＴ４とＦＷＤ５の直下及びその周辺領域に熱伝導率が高い絶縁板２０が配置されているため、放熱性を確保することができる。また、モールド樹脂１７と絶縁板２０の間に硬度が低い絶縁樹脂２１が配置されているため、モールド樹脂１７から絶縁板２０にかかる応力を緩和でき、信頼性を向上することができる。
なお、実施の形態３においても、冷却体３の横幅がセラミック基板１の横幅以上であることが好ましい。これにより、セラミック基板１に印加される応力を冷却体３に逃がすことができるため、更に信頼性を向上することができる。
なお、ＩＧＢＴ４とＦＷＤ５は、珪素によって形成されたものに限らず、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成されたものでもよい。ワイドバンドギャップ半導体は、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、又はダイヤモンドである。このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成されたパワー半導体素子は、耐電圧性や許容電流密度が高いため、小型化できる。この小型化された素子を用いることで、この素子を組み込んだ半導体装置も小型化できる。また、素子の耐熱性が高いため、ヒートシンクの放熱フィンを小型化でき、水冷部を空冷化できるので、半導体装置を更に小型化できる。また、素子の電力損失が低く高効率であるため、半導体装置を高効率化できる。
１ セラミック基板（絶縁基板）
２ 回路パターン
３ 冷却体
４ ＩＧＢＴ（半導体素子）
５ ＦＷＤ（半導体素子）
６ コレクタ電極（下面電極）
７ カソード電極（下面電極）
８ 半田
１６ コーティング膜
１７ モールド樹脂
１８ 溝
２０ 絶縁板（第１の部分）
２１ 絶縁樹脂（第２の部分）

Claims (4)

  1. 互いに対向する第１及び第２の主面を持つ絶縁基板と、
    前記絶縁基板の前記第１の主面に接合された回路パターンと、
    前記絶縁基板の前記第２の主面に接合された冷却体と、
    前記回路パターン上に実装された半導体素子と、
    前記絶縁基板と前記回路パターンの接合部、及び前記絶縁基板と前記冷却体の接合部を覆うコーティング膜と、
    前記絶縁基板、前記回路パターン、前記半導体素子、前記冷却体、及び前記コーティング膜を封止する樹脂とを備え、
    前記絶縁基板は前記コーティング膜より熱伝導率が高く、
    前記コーティング膜は、前記樹脂よりも硬度が低く、前記樹脂から前記絶縁基板にかかる応力を緩和し、
    前記回路パターンと前記冷却体の少なくとも一方は、前記コーティング膜で覆われず前記樹脂に接する溝又は突起を有することを特徴とする半導体装置。
  2. 前記半導体素子の下面電極は前記回路パターンの上面に半田により接合され、
    前記コーティング膜は、前記回路パターンの前記上面において前記半導体素子が実装される領域の周囲を囲うことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 互いに対向する第１及び第２の主面を持つ絶縁基板と、
    前記絶縁基板の前記第１の主面に接合された回路パターンと、
    前記絶縁基板の前記第２の主面に接合された冷却体と、
    前記回路パターン上に実装された半導体素子と、
    前記絶縁基板、前記回路パターン、前記半導体素子、及び前記冷却体を封止する樹脂とを備え、
    前記回路パターンと前記冷却体の少なくとも一方は、前記樹脂に接する溝又は突起を有し、
    前記絶縁基板は、前記半導体素子の直下及びその周辺領域に配置された絶縁板と、前記絶縁板の平面内において前記樹脂と前記絶縁板の間に配置され前記絶縁板と同じ厚みを持つ絶縁樹脂とを有し、
    前記絶縁板は前記絶縁樹脂より熱伝導率が高く、
    前記絶縁樹脂は、前記樹脂よりも硬度が低く、前記樹脂から前記絶縁板にかかる応力を緩和することを特徴とする半導体装置。
  4. 前記冷却体の横幅は前記絶縁基板の横幅以上であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体装置。
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