JP6167535B2

JP6167535B2 - 半導体装置および半導体装置の製造方法

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Publication number: JP6167535B2
Application number: JP2013016137A
Authority: JP
Inventors: 柳川　克彦; 克彦柳川; 池田　良成; 良成池田
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2013-01-30
Filing date: 2013-01-30
Publication date: 2017-07-26
Anticipated expiration: 2033-01-30
Also published as: JP2014146774A

Description

この発明は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。

従来、パワー半導体モジュールなどのパワー半導体装置では、インプラントピンなどの導電性ポストを有するインプラント方式のプリント基板を介して半導体チップの表面電極と外部電極用端子とを接続した構造が公知である。このような従来の半導体装置について、シリコン（Ｓｉ）からなるＳｉ半導体素子を備えたＳｉ半導体装置の例について説明する。図７は、従来のＳｉ半導体装置の構成を示す断面図である。図７に示すように、従来のＳｉ半導体装置１１０は、絶縁基板１０１、Ｓｉ半導体素子を有する半導体チップ１０６、インプラントピン１０８などの導電性ポストを有するプリント基板１０９、および外部電極用端子１１１，１１２を備える。

絶縁基板１０１は、絶縁層１０２の両面にそれぞれ第１，２銅（Ｃｕ）ブロック１０３，１０４が接合されてなる。半導体チップ１０６の裏面は、導電性材料からなる接合層（以下、導電接合層とする）１０５を介して絶縁基板１０１のおもて面側の第１銅ブロック１０３に接合されている。半導体チップ１０６のおもて面側には、プリント基板１０９が配置されている。プリント基板１０９の半導体チップ１０６側の面には、インプラントピン１０８が配置されている。半導体チップ１０６のおもて面電極（不図示）は、導電接合層１０７を介してインプラントピン１０８に接合されている。

外部電極用端子１１１は、絶縁基板１０１のおもて面側の第１銅ブロック１０３に接合されている。外部電極用端子１１２は、プリント基板１０９の回路パターン（不図示）に接合されている。これら絶縁基板１０１、半導体チップ１０６、インプラントピン１０８、プリント基板１０９および外部電極用端子１１１，１１２は、金型を用いて封入された封止材１１３によって封止されＳｉ半導体装置１１０が構成されている。絶縁基板１０１の裏面側の第２銅ブロック１０４は、熱伝導ペーストを介して冷却器（不図示）に接合されている。

封止材１１３の内部にはＳｉ半導体装置１１０を冷却器に固定するためのボルト（不図示）の挿入孔である取付け金具１１４が埋め込まれている。この取付け金具１１４に挿入されるボルトによってＳｉ半導体装置１１０が冷却器に固定される。Ｓｉ半導体装置１１０の動作時、半導体チップ１０６や回路パターンには大電流が流れる。このため、半導体チップ１０６やプリント基板１０９の回路パターンで発生した熱を絶縁基板１０１から冷却器へ伝導して放熱し、半導体チップ１０６やプリント基板１０９を冷却することが重要となる。

このような半導体装置として、次の装置が提案されている。絶縁板の第１の主面に金属箔が形成され、絶縁板の第２の主面に、少なくとも一つの別の金属箔が形成される。また、別の金属箔上に接合された少なくとも一つの半導体素子と、半導体素子が配置された絶縁板の主面に対向するようにプリント基板が配置される。そして、プリント基板の第１の主面に形成された金属箔またはプリント基板の第２の主面に形成された別の金属箔と、半導体素子の主電極とが複数のポスト電極により電気的に接続される（例えば、下記特許文献１参照。）。

また、別の装置として、封止材層が第１封止材層と第２封止材層をこの順に積層したものであり、半導体チップと、リードフレームと、半導体チップの周囲の銅ベース基板とが第１封止材層で覆われており、当該第１封止材層が第２封止材層で覆われており、第１封止材層の熱膨張係数が銅ベース基板の熱膨張係数付近の所定の値である装置が提案されている（例えば、下記特許文献２参照。）。また、別の装置として、半導体素体を電圧印加特性を向上させる樹脂で覆い、その上を耐湿性を向上させる樹脂で覆った装置が提案されている（例えば、下記特許文献３参照。）。

また、別の装置として、次の装置が提案されている。半導体素子を被覆する充填手段を複数層構造とする。半導体素子に直接接触する絶縁性の第１充填層部を、半導体素子の最高温度以上の耐熱温度の材料で形成する。その周囲の第２充填層部を、低耐熱性の安価な材料で構成する。第１充填層部の熱伝導性を低くし、裏面への放熱を増やし、第２充填層部の温度上昇を防止する（例えば、下記特許文献４参照。）。

また、別の装置として、次の装置が提案されている。半導体素子の回路形成面を封止する封止樹脂とを設けており、実装側面、背面および側面を有する半導体装置において、半導体装置の背面および側面に補強材として機能する有機材層が形成されている。有機材層はポリパラキシリレンからなる。（例えば、下記特許文献５参照。）。また、別の装置として、センサ素体を包囲して注型された透明樹脂の表面にポリパラキシリレンを蒸着してセンサ素体表面の凹凸を埋めて平坦にすることで光学特性を向上させた装置が提案されている（例えば、下記特許文献６参照。）。

また、別の装置として、次の装置が提案されている。集積回路の基板の上の半導体素子およびリード細線の端部を含むようにポリイミド樹脂からなる第１の保護樹脂層を設ける。この第１の保護樹脂層の表面上にリード細線を覆わないようにシリコーンラバーからなる第２の保護樹脂層を設ける。最後にエポキシ樹脂からなる樹脂封止体を設ける（例えば、下記特許文献７参照。）。

また、半導体装置を封止材によって封止する方法として、次の方法が提案されている。フリップチップと回路基板との隙間に、液状エポキシ樹脂を注入し、１５分以下の加熱によってエポキシ基が初期の３０％以上残っている半硬化状態にし、フリップチップ全体を覆うように液状エポキシ樹脂を配置し、２時間の加熱によって積層した両樹脂を完全硬化させる。その結果、フリップチップと回路基板との隙間に下層側封止樹脂が配置されるとともに、フリップチップ全体が上層側封止樹脂にて覆われる（例えば、下記特許文献８参照。）。

このような半導体装置に内蔵される半導体素子の構成材料は、将来的に、炭化珪素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）に置き換えられることが想定されている。その理由は、ＳｉＣやＧａＮがＳｉに比べて優れた電気的特性を有するため、ＳｉＣやＧａＮからなる半導体素子はＳｉ半導体素子に比べて高温環境下での動作特性が優れているからである。したがって、半導体素子を構成する材料にＳｉＣやＧａＮを用いた場合、半導体素子の電流密度を高めることができる。

特開２００９−０６４８５２号公報特開２０１０−２１９４２０号公報特開平５−１３６２３号公報特開２００６−３１３７７５号公報特開２００２−２７０７２１号公報特開平３−６８７５７号公報特開平８−８８２９８号公報特開平９−２４６３００号公報

しかしながら、半導体素子を高電流密度にするほど発熱量が増大して、半導体装置の内部の半導体素子付近の温度が高くなる。このため、半導体装置の信頼性を維持するために封止材の耐熱性を向上させる必要があるが、耐熱性の高い封止材は高価であるため、コストが増大するという問題がある。一方、半導体装置の外周部（半導体素子から離れた部分）では、半導体素子付近に比べて半導体素子の発熱による温度上昇は小さい。しかしながら、半導体装置の外周部では、封止材が外部に露出されており、この露出された部分で空気に接する。このため、空気中の酸素によって封止材が酸化して劣化し、封止材の材料物性に基づく性能が低下するという問題がある。

この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、信頼性が高くかつ安価な半導体装置および半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置は、半導体チップの裏面に接合された第１基板と、前記半導体チップのおもて面に接合された第２基板と、前記第１基板と前記第２基板との間に封入され前記半導体チップを封止する第１封止材と、第２封止材によって前記第１基板、前記第２基板および前記第１封止材を封止してなる成形体と、前記成形体の表面を覆う第３封止材と、を備え、前記第１封止材は、前記半導体チップの発熱に耐え得る耐熱性を有し、前記第２封止材は、前記第１封止材および前記第３封止材よりも耐熱性が低く、前記第３封止材は、耐酸化性を有することを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第１基板の前記半導体チップ側に対して反対側の面は前記成形体の表面に露出されており、前記第３封止材は、前記成形体の、前記第１基板の前記半導体チップ側に対して反対側の面以外の表面を覆うことを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第３封止材は、ポリパラキシリレンからなることを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記半導体チップに電気的に接続される外部電極用端子をさらに備え、前記外部電極用端子の外部接続される側の端部は露出されていることを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第１封止材の熱変形温度は２００℃以上であることを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第１封止材の前記第１基板に対する接着強さは１０ＭＰａ以上３０ＭＰａ以下であることを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第１封止材の熱膨張係数は１０×１０^-6／℃以上１８×１０^-6／℃以下であることを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第１封止材は、エポキシ樹脂系材料からなることを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第２封止材の熱変形温度が１００℃以上２００℃以下であることを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第２封止材の熱膨張係数が１０×１０^-6／℃以上１８×１０^-6／℃以下であることを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第２封止材の前記第１基板に対する接着強さは１０ＭＰａ以上３０ＭＰａ以下であることを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第２封止材は、エポキシ樹脂系材料からなることを特徴とする。

また、上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、半導体チップの裏面を第１基板に接合する第１接合工程と、前記第１基板の前記半導体チップ側の面に対向するように第２基板を配置し、前記第２基板に前記半導体チップのおもて面を接合する第２接合工程と、前記第１基板と前記第２基板との間に第１封止材を封入し、前記第１封止材によって前記半導体チップを封止する第１封止工程と、第２封止材によって前記第１基板、前記第２基板および前記第１封止材を封止してなる成形体を形成する第２封止工程と、第３封止材によって前記成形体を覆う第３封止工程と、を含み、前記第１封止材は、前記半導体チップの発熱に耐え得る耐熱性を有し、前記第２封止材は、前記第１封止材および前記第３封止材よりも耐熱性が低く、前記第３封止材は、耐酸化性を有することを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第３封止材は、ポリパラキシリレンからなることを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第１封止工程では、前記第１基板の前記半導体チップ側に対して反対側の面が露出されるように前記成形体を形成し、前記第３封止工程では、前記第１基板の前記半導体チップ側に対して反対側の面以外の前記成形体の表面を前記第３封止材によって覆うことを特徴とする。

上述した発明によれば、半導体チップの発熱に耐え得る耐熱性を有する第１封止材で半導体チップを封止して動作時に最も温度上昇が大きい半導体チップ付近の耐熱性能を確保しつつ、第１封止材の外周を第１封止材よりも安価な第２封止材で封止することにより、Ｓｉ半導体素子よりも電流密度の高いＳｉＣ半導体素子を搭載した場合でも高耐熱性能で安価な半導体装置を提供することができる。また、上述した発明によれば、第２封止材によって第１基板、第２基板および第１封止材を封止してなる成形体の表面を第３封止材で覆うことで、第２封止材が空気に接触しない。このため、第２封止材が酸化して劣化することを防止することができる。

また、上述した発明によれば、第１封止材および第２封止材の第１基板に対する接着強さを１０ＭＰａ〜３０ＭＰａ程度にすることにより、半導体チップの第１基板に対する接合強度、および第２封止材の第１基板や第１封止材に対する接合強度を向上させることができる。また、第１封止材の熱膨張係数を１０×１０^-6／℃〜１８×１０^-6／℃程度とすることにより、第１封止材と第１基板との熱膨張係数差を小さくすることができ、半導体装置にかかる熱応力を低減することができる。また、第２封止材の熱膨張係数を１０×１０^-6／℃〜１８×１０^-6／℃程度とすることにより、第１封止材と第２封止材との熱膨張係数差を小さくすることができ、半導体装置にかかる熱応力を低減することができる。これらの効果により、半導体装置全体の強度を向上させることができる。

また、上述した発明によれば、第１封止材によって半導体チップを封止した後に、一次硬化後の第１封止材を液状の第２封止材を用いて封止することにより、第１封止材の外周に容易に第２封止材を充填することができ、かつ第１封止材との高い接着性を保持した第２封止材によって半導体装置を短時間で成形することができる。

本発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法によれば、信頼性が高くかつ安価な半導体装置を提供することができるという効果を奏する。

実施の形態にかかる半導体装置の構成を示す断面図である。実施の形態にかかる半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。実施の形態にかかる半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。実施の形態にかかる半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。実施の形態にかかる半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。実施の形態にかかる半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。従来のＳｉ半導体装置の構成を示す断面図である。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（実施の形態）
実施の形態にかかる半導体装置の構成について、炭化珪素（ＳｉＣ）からなるＳｉＣ半導体素子を備えたＳｉＣ半導体装置を例に説明する。図１は、実施の形態にかかる半導体装置の構成を示す断面図である。図１に示すように、ＳｉＣ半導体装置１０は、絶縁基板（第１基板）１、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）やＭＯＳＦＥＴ（絶縁ゲート型電界効果トランジスタ）などのＳｉＣ半導体素子を有する半導体チップ６、インプラントピン８などの導電性ポストを有するインプラント方式のプリント基板（第２基板）９、および外部電極用端子１１，１２を備える。絶縁基板１は、絶縁層２の両面にそれぞれ例えば略直方体状の第１，２銅ブロック３，４が接合されてなる。

半導体チップ６の裏面は、導電性材料からなる接合層（導電接合層）５を介して絶縁基板１のおもて面側の第１銅ブロック３に接合されている。半導体チップ６は、例えば１つの絶縁基板１上に複数配置されていてもよい。また、このように１つ以上の半導体チップ６が接合された絶縁基板１がＳｉＣ半導体装置１０内に複数配置されていてもよい。半導体チップ６のおもて面側には、図示省略する外部回路と接続用のプリント基板９が配置されている。プリント基板９は、表面に回路パターン（不図示、図３〜６についても同様）が形成された絶縁基板である。プリント基板９の半導体チップ６側の面にはインプラントピン８が配置されている。インプラントピン８は、プリント基板９の回路パターンに接続されている。半導体チップ６のおもて面電極（不図示、図２〜６においても同様）は、導電接合層７を介してインプラントピン８に接合されている。

外部電極用端子１１は、導電接合層を介して絶縁基板１のおもて面側の第１銅ブロック３に接合されており、第１銅ブロック３を介して半導体チップ６の裏面電極（不図示、図２〜６においても同様）に電気的に接続されている。外部電極用端子１１は、プリント基板９に形成された貫通孔を貫通して、プリント基板９の半導体チップ６側に対して反対側に突出している。外部電極用端子１２は、導電接合層を介してプリント基板９の半導体チップ６側に対して反対側の面に接合される。外部電極用端子１２は、プリント基板９の回路パターンに接続されており、この回路パターンおよびインプラントピン８を介して半導体チップ６のおもて面電極に電気的に接続されている。絶縁基板１とプリント基板９との間には第１封止材２１が封入されており、第１封止材２１によって半導体チップ６、インプラントピン８、および外部電極用端子１１の第１銅ブロック３との接合端部が封止されている。

絶縁基板１のおもて面側全体は第２封止材２２によって封止され、第２封止材２２によって第１封止材２１、絶縁基板１、プリント基板９、および外部電極用端子１２のプリント基板９との接合端部が封止されてなる成形体が形成されている。絶縁基板１の裏面側の第２銅ブロック４の表面４ａは、第２封止材２２によって覆われておらず露出されている。第２封止材２２の外周、すなわち第２封止材２２によって封止されてなる成形体の、第２銅ブロック４の表面４ａを除く表面は、第３封止材２３で覆われている。図１では図示を省略するが、第２封止材２２の、絶縁基板１の裏面側の当該裏面（第２銅ブロック４の表面）に平行な部分も第３封止材２３によって覆われている。第２封止材２２は、第３封止材２３によって覆われることで空気に接触しない構成となっている。このように、ＳｉＣ半導体装置１０は、第１〜３封止材２１〜２３による３層構造の封止材によって封止されてなる。第１〜３封止材２１〜２３について詳細な説明は後述する。

第２封止材２２の内部には、後述する冷却器（不図示）にＳｉＣ半導体装置１０を固定するためのボルト（不図示）の挿入孔である取付け金具２４が埋め込まれている。取付け金具２４の開口部は第３封止材２３によって覆われていない。取付け金具２４の、絶縁基板１おもて面側の開口部から挿入されるボルトによってＳｉＣ半導体装置１０が冷却器に固定される。取付け金具２４の配置は、絶縁基板１やプリント基板９の配置によって種々変更可能である。図１では、例えば第２封止材２２の外周部付近に配置され、絶縁基板１の主面に垂直な方向に第２封止材２２を貫通する取付け金具２４を図示している。

外部電極用端子１１の第１銅ブロック３との接合端部に対して反対側の端部１１ａ、および外部電極用端子１２のプリント基板９との接合端部に対して反対側の端部１２ａは、第２，３封止材２２，２３に覆われておらず、外部に露出している。具体的には、外部電極用端子１１は、第１銅ブロック３との接合端部に対して反対側の端部１１ａが第１〜３封止材２１〜２３の外部に露出されており、半導体チップ６の裏面電極を外部へ引き出している。外部電極用端子１２は、プリント基板９との接合端部に対して反対側の端部１２ａが第２，３封止材２２，２３の外部に露出されており、半導体チップ６のおもて面電極を外部へ引き出している。

絶縁基板１の裏面側の第２銅ブロック４は、熱伝導ペーストを介して冷却器（不図示）に接合されている。冷却器は、冷却ベース部と、放熱フィン部とを有する。冷却ベース部には、熱伝導ペーストを介して絶縁基板１の裏面側の第２銅ブロック４が接合される。冷却ベース部は、半導体チップ６やプリント基板９の回路パターン（不図示）で発生し、絶縁基板１から熱伝導ペーストを介して伝わる熱を放熱フィン部へ伝導する。放熱フィン部は、複数の放熱フィンを有し、冷却ベース部から伝導された熱を放散する。

次に、第１〜３封止材２１〜２３について詳細に説明する。第１封止材２１は、半導体チップ６の発熱に耐え得る耐熱性を有し、半導体チップ６付近の高い耐熱性を実現する機能を有する。具体的には、第１封止材２１は、例えばエポキシ樹脂系封止材である。より具体的には、第１封止材２１は、例えば、環状脂肪族系エポキシ樹脂と酸無水物硬化剤との混合組成物であり、シリカ充填材を８０ｗｔ％の割合で含む耐熱封止材であってもよい。硬化後の第１封止材２１は、例えば、熱変形温度が２００℃以上であり、熱膨張係数が１０×１０^-6／℃〜１８×１０^-6／℃程度であり、絶縁基板１に対する接着強さが１０ＭＰａ〜３０ＭＰａ程度の材料物性を有する。

第２封止材２２は、第１封止材２１よりも成形しやすい成形封止材料を用いるのが好ましい。その理由は、第１封止材２１よりも広範囲の領域を第２封止材２２によって封止するからである。第２封止材２２は、第１封止材２１や後述する第３封止材２３よりも安価で耐熱性が低くてもよい。その理由は、第２封止材２２が第１封止材２１よりも半導体チップ６の発熱による悪影響を受けにくいからである。具体的には、第２封止材２２として、例えば液状のエポキシ樹脂系封止材を用いる。より具体的には、第２封止材２２は、例えば、環状脂肪族系エポキシ樹脂と酸無水物硬化剤との混合組成物であり、シリカ充填材を８５ｗｔ％の割合で含む液状の成形封止材であってもよい。

硬化後の第２封止材２２は、例えば、熱変形温度が１００℃〜２００℃程度であり、熱膨張係数が１０×１０^-6／℃〜１８×１０^-6／℃程度であり、絶縁基板１に対する接着強さが１０ＭＰａ〜３０ＭＰａ程度の材料物性を有する。硬化後の第２封止材２２の熱膨張係数は、硬化後の第１封止材２１の熱膨張係数と等しいのがよい。その理由は、第１封止材２１と第２封止材２２との接着強度を高くすることで、ＳｉＣ半導体装置１０全体の補強効果を向上させることができるからである。第３封止材２３は、第２封止材２２の外周部の酸化劣化を防止する機能を有する。具体的には、第３封止材２３は、第２封止材２２の外周に例えばポリパラキシリレンが蒸着されてなる蒸着膜である。第３封止材２３は、例えば３００℃程度の耐熱性を有する。

次に、実施の形態にかかる半導体装置の製造方法について説明する。図２〜６は、実施の形態にかかる半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。まず、図２に示すように、絶縁層２の両面にそれぞれ第１，２銅ブロック３，４を接合して絶縁基板１を形成する。このとき、絶縁層２に第１，２銅ブロック３，４を順に接合してもよいし、第２銅ブロック４、絶縁層２および銅ブロックを順に積層した後にこれらを一括して接合してもよい。

次に、絶縁基板１のおもて面側の第１銅ブロック３上に、導電接合層５によって半導体チップ６の裏面を接合する。半導体チップ６の個数は、設計条件に合わせて種々変更可能である。さらに、絶縁基板１のおもて面側の第１銅ブロック３上の所定の位置に導電接合層を介して外部電極用端子１１を接合する。半導体チップ６および外部電極用端子１１の絶縁基板１のおもて面側の第１銅ブロック３上への接合は、それぞれ行ってもよいし、同時に行ってもよい。このように１つ以上の半導体チップ６が配置された１つ以上の絶縁基板１を用意する。

次に、図３に示すように、プリント基板９の回路パターンに複数のインプラントピン８を接合し、一方の面にインプラントピン８が配置されたプリント基板９を用意する。次に、半導体チップ６のおもて面側に接合材７ａを塗布したのち、インプラントピン８側を下にして、プリント基板９の貫通孔に外部電極用端子１１を通してプリント基板９を配置する。そして、図４に示すように、加熱等により接合材７ａを硬化させて導電接合層７を形成し、半導体チップ６のおもて面電極とインプラントピン８とを接合する。これにより、すべての半導体チップ６に対向するようにプリント基板９が配置される。なお、プリント基板９の半導体チップ６側に対して反対側の面の所定の位置に外部電極用端子１２をあとから接合してもよいし、予め外部電極用端子１２を実装済みのプリント基板９を用いてもよい。

次に、図５に示すように、ディスペンサー（不図示）によって絶縁基板１とプリント基板９との間に第１封止材２１を注入し、第１封止材２１によってすべての半導体チップ６およびインプラントピン８を覆う。次に、例えば１２０℃の温度で１時間の熱処理により第１封止材２１を一次硬化する。これにより、すべての半導体チップ６およびインプラントピン８が第１封止材２１によって封止される。その後、第１封止材２１は、第２封止材２２が成型された後に、２次硬化条件として例えば２００℃の温度で２時間熱処理される。第１封止材２１として上述した環状脂肪族系エポキシ樹脂と酸無水物硬化剤との混合組成物（シリカ充填材を８０ｗｔ％の割合で含む）を用いた場合、硬化後の第１封止材２１は、例えば、熱変形温度が２２５℃程度で、熱膨張係数が１８×１０^-6／℃程度で、絶縁基板１に対する接着強さが２３ＭＰａ程度となる。

次に、図６に示すように、例えばトランスファー成形法を用いて、第１封止材２１の外周を第２封止材２２によって封止する。このとき、外部電極用端子１１の第１銅ブロック３との接合端部に対して反対側の端部１１ａ、外部電極用端子１２のプリント基板９との接合端部に対して反対側の端部１２ａ、および絶縁基板１の裏面側の第２銅ブロック４の表面４ａが露出するように樹脂封止を行う。具体的には、トランスファー成形用の上下金型（不図示）によって所定形状の空間を形成するキャビティー内に、絶縁基板１、第１封止材２１に封止された半導体チップ６およびプリント基板９が接合されてなる部材を載置する。そして、キャビティー内の温度を所定の成形温度（例えば１６０℃程度）に上昇させた状態で保温する。

トランスファー成形用の上下金型には、第２封止材２２が収納されるポット部と、ポット部の第２封止材２２をキャビティーに注入する際の第２封止材２２の流動経路となるランナー部とが設けられている。第２封止材２２には液状の成形封止材料を用い、第２封止材２２は例えば予め０．１Ｔｏｒｒ程度の真空内での１０分間の１次脱泡を行った後にシリンダー容器（不図示）に注入される。シリンダー容器内の第２封止材２２が、上下金型のポット部に所定量注入される。キャビティーには、上下金型の型締めにより例えば１５０ｋｇ／ｃｍ²の圧力がかけられる。この状態で、ランナー部を介してポット部の第２封止材２２をキャビティー内に注入し、加熱しながら圧力をかけることで第２封止材２２を硬化させる。

例えば、第２封止材２２として上述した環状脂肪族系エポキシ樹脂と酸無水物硬化剤との混合組成物（シリカ充填材を８５ｗｔ％の割合で含む）を用い、１６０℃の温度で加熱しながら第２封止材２２に１５０ｋｇ／ｃｍ²の圧力をかけた場合、第２封止材２２は１分間でゲル化し、３分間で一次硬化する。その後、第２封止材２２は、２次硬化条件として例えば２００℃の温度で２時間熱処理される。硬化後の第２封止材２２は、例えば、熱変形温度が１７５℃程度で、熱膨張係数が１６×１０^-6／℃程度で、絶縁基板１に対する接着強さが２５ＭＰａ程度となる。また、例えば、上下金型による第２封止材２２の成形時に取付け金具２４を挿入するための孔を第２封止材２２に形成し、第２封止材２２の硬化後に当該孔に取付け金具２４を挿入することで、第２封止材２２の内部に取付け金具２４が配置される。

次に、例えばパラキシリレン気相蒸着装置（不図示）を用いて、第２封止材２２によって封止されてなる成形体（第２封止材２２によって絶縁基板１、プリント基板９および第１封止材２１を封止してなる成形体、以下単に成形体とする）の表面を覆う第３封止材２３を形成する。具体的には、パラキシリレン気相蒸着装置は、気化槽、分解槽および蒸着槽の３槽が連結されてなる。まず、室温（例えば２５℃程度）で０．１Ｔｏｒｒ程度に減圧された蒸着槽に成形体を挿入する。次に、気化槽に固体状のジパラキシリレンを投入し、例えば１Ｔｏｒｒ程度の減圧雰囲気において１５０℃の温度で加熱して気化させる。

次に、気化させたジパラキシリレンを分解槽に導入し、例えば０．５Ｔｏｒｒ程度の減圧雰囲気において１５０℃〜６８０℃程度の温度で熱分解してポリパラキシリレンのモノマーガスを生成する。次に、減圧雰囲気（例えば０．５Ｔｏｒｒ程度）で室温の蒸着槽に導入したモノマーガスを成形体の表面に接触させて反応重合させることで、成形体の表面にポリパラキシリレンを蒸着する。これよって、ポリパラキシリレン膜からなる第３封止材２３が形成される。ポリパラキシリレン膜の膜厚は蒸着時間によって制御し、例えば数μｍ〜数１０μｍ程度にする。また、成形体表面のポリパラキシリレンを蒸着しない部分には、成形体を蒸着槽に収納する前にマスキングテープ（不図示）を貼り付ければよい。

ポリパラキシリレンを蒸着しない部分とは、外部電極用端子１１の第１銅ブロック３との接合端部に対して反対側の端部１１ａ、外部電極用端子１２のプリント基板９との接合端部に対して反対側の端部１２ａ、および絶縁基板１の裏面側の第２銅ブロック４の表面４ａである。外部電極用端子１１，１２の端部１１ａ，１２ａには、例えば外部電極用端子１１，１２の端部１１ａ，１２ａの径よりも若干広い内径を有するチューブ状のマスキングテープを被せればよい。このようにマスキングテープを用いることにより、ポリパラキシリレンの蒸着後にマスキングテープを剥離するだけで、ポリパラキシリレンを蒸着しない部分におけるポリパラキシリレン膜を容易に除去することができる。これによって、図１に示す半導体装置が完成する。

以上、説明したように、実施の形態によれば、２００℃以上の耐熱性を有する第１封止材で半導体チップを封止して動作時に最も温度上昇が大きい半導体チップ付近の耐熱性能を確保しつつ、第１封止材の外周を第１封止材よりも安価な第２封止材で封止することにより、Ｓｉ半導体素子よりも電流密度の高いＳｉＣ半導体素子を搭載した場合でも高耐熱性能で安価な半導体装置を提供することができる。また、実施の形態によれば、第２封止材によって絶縁基板、プリント基板および第１封止材を封止してなる成形体の表面を第３封止材で覆うことで、第２封止材が空気に接触しない。このため、第２封止材が酸化して劣化することを防止することができる。

また、実施の形態によれば、第１封止材の絶縁基板に対する接着強さを１０ＭＰａ〜３０ＭＰａ程度にすることにより、半導体チップの絶縁基板に対する接合強度を向上させることができ、半導体チップと絶縁基板とを強固に接着することができる。これにより、半導体装置全体の強度を向上させることができる。また、第２封止材の絶縁基板に対する接着強さを１０ＭＰａ〜３０ＭＰａ程度にすることで、第２封止材の絶縁基板や第１封止材に対する接合強度を向上させることができる。これにより、さらに半導体装置全体の強度を向上させることができる。

また、実施の形態によれば、第１封止材の熱膨張係数を１０×１０^-6／℃〜１８×１０^-6／℃程度とすることにより、第１封止材と絶縁基板との熱膨張係数差を小さくすることができ、半導体装置にかかる熱応力を低減することができる。また、第２封止材の熱膨張係数を１０×１０^-6／℃〜１８×１０^-6／℃程度とすることにより、第１封止材と第２封止材との熱膨張係数差を小さくすることができ、半導体装置にかかる熱応力を低減することができる。これらの効果により、半導体装置全体の強度を向上させることができる。このため、半導体チップのおもて面および裏面にそれぞれ接合される導電接合層の熱疲労による熱抵抗が増大することを防止し、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。

また、実施の形態によれば、第１封止材によって半導体チップを封止した後に、乾燥・硬化後の第１封止材を液状の第２封止材を用いて封止することにより、第１封止材の外周に容易に第２封止材を充填することができ、かつ第１封止材との高い接着性を保持した第２封止材によって半導体装置を短時間で成形することができる。これにより、製造コストを低減することができる。また、生産性および信頼性の高い半導体装置を提供することができる。

以上において本発明は、上述した実施の形態に限らず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、上述した実施の形態では、ＳｉＣ半導体装置を例に説明しているが、本発明はＧａＮからなるＧａＮ半導体素子を備えたＧａＮ半導体装置や、ＳｉからなるＳｉ半導体素子を備えたＳｉ半導体装置に適用可能である。

以上のように、本発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法は、Ｓｉよりも電気的特性の優れたＳｉＣやＣａＮなどの半導体材料を用いて構成された高電流密度のパワー半導体装置に有用である。

１絶縁基板
２絶縁層
３第１銅ブロック
４第２銅ブロック
４ａ第２銅ブロックの表面
５，７導電接合層
６半導体チップ
８インプラントピン
９プリント基板
１０ＳｉＣ半導体装置
１１，１２外部電極用端子
１１ａ外部電極用端子の第１銅ブロックとの接合端部に対して反対側の端部
１２ａ外部電極用端子のプリント基板との接合端部に対して反対側の端部
２１第１封止材
２２第２封止材
２３第３封止材
２４取付け金具

Claims

半導体チップの裏面に接合された第１基板と、
前記半導体チップのおもて面に接合された第２基板と、
前記第１基板と前記第２基板との間に封入され前記半導体チップを封止する第１封止材と、
第２封止材によって前記第１基板、前記第２基板および前記第１封止材を封止してなる成形体と、
前記成形体の表面を覆う第３封止材と、
を備え、
前記第１封止材は、前記半導体チップの発熱に耐え得る耐熱性を有し、
前記第２封止材は、前記第１封止材および前記第３封止材よりも耐熱性が低く、
前記第３封止材は、耐酸化性を有し、３００℃以上の耐熱性を有し、ポリパラキシリレンからなることを特徴とする半導体装置。
前記第１基板の前記半導体チップ側に対して反対側の面は前記成形体の表面に露出されており、
前記第３封止材は、前記成形体の、前記第１基板の前記半導体チップ側に対して反対側の面以外の表面を覆うことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記半導体チップに電気的に接続される外部電極用端子をさらに備え、
前記外部電極用端子の外部接続される側の端部は露出さ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。
前記第１封止材の熱変形温度は２００℃以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の半導体装置。
前記第１封止材の前記第１基板に対する接着強さは１０ＭＰａ以上３０ＭＰａ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の半導体装置。
前記第１封止材の熱膨張係数は１０×１０ ^-6 ／℃以上１８×１０ ^-6 ／℃以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の半導体装置。
前記第１封止材は、エポキシ樹脂系材料からなることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の半導体装置。
前記第２封止材の熱変形温度が１００℃以上２００℃以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の半導体装置。
前記第２封止材の熱膨張係数が１０×１０ ^-6 ／℃以上１８×１０ ^-6 ／℃以下であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の半導体装置。
前記第２封止材の前記第１基板に対する接着強さは１０ＭＰａ以上３０ＭＰａ以下であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載の半導体装置。
前記第２封止材は、エポキシ樹脂系材料からなることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一つに記載の半導体装置。
半導体チップの裏面を第１基板に接合する第１接合工程と、
前記第１基板の前記半導体チップ側の面に対向するように第２基板を配置し、前記第２基板に前記半導体チップのおもて面を接合する第２接合工程と、
前記第１基板と前記第２基板との間に第１封止材を封入し、前記第１封止材によって前記半導体チップを封止する第１封止工程と、
第２封止材によって前記第１基板、前記第２基板および前記第１封止材を封止してなる成形体を形成する第２封止工程と、
第３封止材によって前記成形体を覆う第３封止工程と、
を含み、
前記第１封止材は、前記半導体チップの発熱に耐え得る耐熱性を有し、
前記第２封止材は、前記第１封止材および前記第３封止材よりも耐熱性が低く、
前記第３封止材は、耐酸化性を有し、３００℃以上の耐熱性を有し、ポリパラキシリレンからなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記第２封止工程では、前記第１基板の前記半導体チップ側に対して反対側の面が露出されるように前記成形体を形成し、
前記第３封止工程では、前記第１基板の前記半導体チップ側に対して反対側の面以外の前記成形体の表面を前記第３封止材によって覆うことを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置の製造方法。