JP6794734B2 - 半導体装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。
半導体装置は、積層基板のおもて面に上部はんだを介して半導体素子を接合した後に、積層基板の裏面に下部はんだを介して冷却部を接合して、半導体素子及び積層基板を封止部材で封止することで得られる。この際、上部はんだには、錫（Ｓｎ）−ビスマス（Ｂｉ）系等の合金が用いられる。下部はんだには、共晶のパラジウム（Ｐｂ）−Ｓｎ系、Ｓｎ−アンチモン（Ｓｂ）系、Ｓｎ−Ｂｉ系等の合金が用いられる。
しかし、半導体装置は、上部はんだ及び下部はんだの組み合わせに応じて、積層基板の裏面に下部はんだを介して冷却部を接合する際に、上部はんだが溶融してしまい、半導体素子のショートが発生するおそれがあり、半導体装置の信頼性の低下につながってしまう。
そこで、下部はんだに上部はんだよりも融点が低い、例えば、Ｓｎ−Ｂｉ系の材料を適用することが考えられる。しかし、Ｓｎ−Ｂｉ系は、ヒートサイクル試験が行われると、熱応力によりクラックが発生する等の機械的強度が低下してしまうおそれがあり、半導体装置の信頼性の低下につながってしまう。したがって、下部はんだの材料が限定されてしまう。
また、下部はんだは、積層基板の裏面と冷却部と接合していると共に、封止部材にも囲まれている。そのため、はんだと封止部材の界面に、熱応力が生じ、亀裂や剥離等が生じる危険性がある。
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、信頼性の低下を防止することができる半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の一観点によれば、半導体素子と、絶縁板と、前記絶縁板のおもて面に配置され、前記半導体素子が第１接合材を介して設けられる回路板と、前記絶縁板の裏面に配置された金属板とを有する積層基板と、前記半導体素子と前記積層基板とを封止する封止部材と、を備え、前記封止部材の第１裏面から前記金属板の第２裏面が露出して前記第１裏面と前記第２裏面とが同一平面を成す半導体モジュールと、前記半導体モジュールの前記第１裏面及び前記第２裏面の全面に、前記第１接合材の融点より接合温度が低く、熱伝導率が４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であって、全体が均一の厚さである第２接合材を介して配置され、前記第２接合材が前記半導体モジュールとの隙間から露出されている冷却部と、を有する半導体装置が提供される。
また、上記半導体装置の製造方法が提供される。
開示の技術によれば、半導体装置の信頼性の低下を抑制することができる。
以下、実施の形態について図面を用いて説明する。
［第１の実施の形態］
第１の実施の形態の半導体装置について、図１及び図２を用いて説明する。
［第１の実施の形態］
第１の実施の形態の半導体装置について、図１及び図２を用いて説明する。
図１は、第１の実施の形態の半導体装置の側面図である。
図２は、第１の実施の形態の半導体モジュールの裏面図である。
なお、図２は、図１の一点鎖線Ｙ１−Ｙ１から見た半導体モジュールの裏面を表している。
図２は、第１の実施の形態の半導体モジュールの裏面図である。
なお、図２は、図１の一点鎖線Ｙ１−Ｙ１から見た半導体モジュールの裏面を表している。
半導体装置１は、半導体モジュール２と、冷却部３とを有しており、半導体モジュール２と冷却部３とは接合材４により接合されている。
半導体モジュール２は、積層基板２１と、パワー半導体素子２３ａ，２３ｂと、プリント基板２５とを有している。
半導体モジュール２は、積層基板２１と、パワー半導体素子２３ａ，２３ｂと、プリント基板２５とを有している。
積層基板２１は、絶縁板２１ａと、絶縁板２１ａの裏面に形成された金属板２１ｂと、絶縁板２１ａのおもて面に形成された回路板２１ｃとを有している。
絶縁板２１ａは、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素等のセラミックスの絶縁性の材質により構成されている。
絶縁板２１ａは、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素等のセラミックスの絶縁性の材質により構成されている。
金属板２１ｂは、熱伝導率が高いアルミニウム、鉄、銀、銅等により構成されている。このような金属板２１ｂは、後述する接合材４と接合する。
回路板２１ｃは、導電性に優れた銅等の金属等により構成されており、複数の回路パターン２１ｃ１〜２１ｃ４を含んでいる。
回路板２１ｃは、導電性に優れた銅等の金属等により構成されており、複数の回路パターン２１ｃ１〜２１ｃ４を含んでいる。
パワー半導体素子２３ａ，２３ｂは、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＦＷＤ（Free Wheeling Diode）等である。パワー半導体素子２３ａ，２３ｂは、２つに限らず、必要に応じた数が設けられる。また、パワー半導体素子２３ａ，２３ｂは、回路パターン２１ｃ２，２１ｃ３上に、はんだ２２ａ，２２ｂを介してそれぞれ配置されている。
プリント基板２５は、おもて面に回路パターン（図示を省略）が形成されており、回路パターンと電気的に接続されているピン型端子が形成されている。このようなプリント基板２５は、ピン型端子によりパワー半導体素子２３ａ，２３ｂの主電極等にはんだ２４ａ，２４ｂを介して電気的に配置されている。なお、プリント基板２５は、必ずしも半導体モジュール２内に配置されなくともよい。半導体モジュール２を形成後に、積層基板２１等に設けられた外部導出端子に、プリント基板２５を接続してもよい。
なお、図１等には、パワー半導体素子２３a，２３ｂとプリント基板２５がピン型端子で接続されている。しかし、パワー半導体素子２３a，２３ｂとプリント基板２５、回路板２１ｃと、外部導出端子（図示を省略）とは、リードフレームやワイヤーボンディングによって接続されていてもよい。
なお、はんだ２２ａ，２２ｂ，２４ａ，２４ｂは、その液相線の温度が、後述する接合材４の接合温度以上である。そのようなはんだ２２ａ，２２ｂ，２４ａ，２４ｂは、例えば、Ｓｎ−Ｐｄ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｓｂ系等の合金が用いられる。また、はんだ２４ａ，２４ｂは、はんだ２２ａ，２２ｂよりも柔らかく、例えば、２００Ｎ／（ｍｍ2）（ビッカース硬さ）以下である。なお、接合温度とは、接合材４を加熱して、接合するときの温度である。
封止部材２６は、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、マレイミド樹脂等の耐熱性の有機樹脂で構成されている。このような封止部材２６は、積層基板２１と、パワー半導体素子２３ａ，２３ｂと、プリント基板２５とを封止している。封止部材２６は、図１及び図２に示されるように、積層基板２１の絶縁板２１ａまでを封止して、金属板２１ｂは封止しておらず、少なくとも、金属板２１ｂの冷却部３と対向する面は露出されている。図１では、金属板２１ｂの周囲の封止部材２６の最下面と、金属板２１ｂの冷却部３と対向する面とが同一平面である場合を示している。
このような半導体モジュール２は、所定の金型内にパワー半導体素子２３ａ，２３ｂが設けられ、当該パワー半導体素子２３ａ，２３ｂにプリント基板２５が設けられた積層基板２１をセットして、当該金型内を樹脂で充填することにより得られる。
また、冷却部３は、熱伝導率が高いアルミニウム、鉄、銀、銅等により構成されている。さらに、冷却部３は、耐食性を向上させるために、例えば、ニッケル等のめっき材により表面がめっきされてもよい。しかし、接合材４は、はんだ２２ａ，２２ｂ，２４ａ，２４ｂの場合と違い、信頼性を損ねることなく、アルミニウム、鉄、銀、銅等の冷却部３と直に接合することができる。
なお、めっき材は、酸化を防止するものであり、めっきされた冷却部３は接合材４と接合するようになる。冷却部３は、半導体モジュール２から発生した熱が伝導されて、その熱を外部に放出する。このような冷却部３は、例えば、冷却フィン、または、内部に液体が流通して半導体モジュール２を冷却する冷却装置を適用することができる。また、冷却部３は、板状の形状であってもよい。
接合材４は、半導体モジュール２の裏面全面に塗布されている。すなわち、接合材４は、半導体モジュール２の裏面に露出されている金属板２１ｂの冷却部３に対向する全面と、金属板２１ｂの周りの封止部材２６とを覆うように塗布されている。このような接合材４は、有機樹脂と、有機樹脂に含有させた熱伝導材とにより構成されている。そして、接合材４は、はんだ２２ａ，２２ｂ，２４ａ，２４ｂの融点より低い温度（接合温度）で接合することができる。具体的には、接合温度は、１８０℃以上、２５０℃以下程度である。なお、この接合温度は、有機樹脂のガラス転移温度に依存する。有機樹脂は、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、マレイミド樹脂等であって、封止部材２６と同種のものが好ましい。封止部材２６と同種の有機樹脂であると、封止部材２６との密着強度が高くなるからである。熱伝導材は、例えば、銀、銅、金、ニッケル、クロム、アルミニウム等の金属の粒子、または、これらによる合金の粒子、また、窒化アルミニウム、炭化シリコン、アルミナ等のセラミックスの粒子といった比較的熱伝導性に優れたものである。
熱伝導材の熱伝導率は、１２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、４２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であることが好ましく、より好ましくは、１８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である。
接合材４における熱伝導材の含有量は、熱伝導性及び剛性の観点から、５０ｗｔ％以上、９９ｗｔ％以下が好ましく、より好ましくは８５ｗｔ％以上、９９ｗｔ％以下である。また、その直径は、数μｍ以上、数十μｍ以下が好ましく、より好ましくは５μｍ以上、５０μｍ以下程度である。直径が小さいと均一に分散しづらい。また、大きすぎると粒子間に有機樹脂が入り込みやすくなり、ち密な構造となりづらい。また、その形状は、球状または柱状でもよい。複数の粒径の熱伝導材が混合されていてもよい。
接合材４における熱伝導材の含有量は、熱伝導性及び剛性の観点から、５０ｗｔ％以上、９９ｗｔ％以下が好ましく、より好ましくは８５ｗｔ％以上、９９ｗｔ％以下である。また、その直径は、数μｍ以上、数十μｍ以下が好ましく、より好ましくは５μｍ以上、５０μｍ以下程度である。直径が小さいと均一に分散しづらい。また、大きすぎると粒子間に有機樹脂が入り込みやすくなり、ち密な構造となりづらい。また、その形状は、球状または柱状でもよい。複数の粒径の熱伝導材が混合されていてもよい。
接合材４は半導体モジュール２で発生した、金属板２１ｂから伝導される熱を冷却部３に伝導させるための熱伝導力を要するためにも、接合材４の熱伝導率は、４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが好ましく、より好ましくは、６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である。また、接合材４の熱伝導率は、４２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下が好ましい。
また、半導体モジュール２の裏面に塗布された接合材４の厚さは、接合強度及び熱伝導性の観点から２５μｍ以上、１５０μｍ以下が好ましく、より好ましくは３０μｍ以上、１００μｍ以下である。なお、接合材４の厚さとは、金属板２１ｂと冷却部３との間の接合材４の厚さである。
従来のはんだ接合の場合のはんだの厚さは１５０μｍ以上、５００μｍ以下程度であることから、接合材４の厚さを薄くすることができる。
次いで、このような半導体装置１の製造方法について、図３を用いて説明する。
次いで、このような半導体装置１の製造方法について、図３を用いて説明する。
図３は、第１の実施の形態の半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。
半導体装置１は、以下の工程にしたがって製造することができる。
［ステップＳ１］ 半導体モジュール２を組み立てる。
半導体装置１は、以下の工程にしたがって製造することができる。
［ステップＳ１］ 半導体モジュール２を組み立てる。
半導体モジュール２の組み立てはさらに以下の工程にしたがう。
［ステップＳ１ａ］ 半導体モジュール２の構成を用意する。構成とは、例えば、積層基板２１と、パワー半導体素子２３ａ，２３ｂと、プリント基板２５と、封止するための部材等とを用意しておく。
［ステップＳ１ａ］ 半導体モジュール２の構成を用意する。構成とは、例えば、積層基板２１と、パワー半導体素子２３ａ，２３ｂと、プリント基板２５と、封止するための部材等とを用意しておく。
また、冷却部３を予め用意しておく。
［ステップＳ１ｂ］ 積層基板２１の回路パターン２１ｃ２，２１ｃ３上に、はんだ２２ａ，２２ｂを介してパワー半導体素子２３ａ，２３ｂを設置する。
［ステップＳ１ｂ］ 積層基板２１の回路パターン２１ｃ２，２１ｃ３上に、はんだ２２ａ，２２ｂを介してパワー半導体素子２３ａ，２３ｂを設置する。
はんだ２２ａ，２２ｂは、Ｓｎ−Ｐｄ系合金（融点約２３０℃）を用いた。積層基板２１の回路パターン２１ｃ２，２１ｃ３とパワー半導体素子２３ａ，２３ｂとの間に設定されたはんだ２２ａ，２２ｂを溶融して、硬化することで、積層基板２１にパワー半導体素子２３ａ，２３ｂを設置することができる。
［ステップＳ１ｃ］ パワー半導体素子２３ａ，２３ｂのおもて面の主電極にはんだ２４ａ，２４ｂを介してプリント基板２５を設置する。
なお、この場合でも、ステップＳ１ｂと同様にして、パワー半導体素子２３ａ，２３ｂとプリント基板２５との間に設定されたはんだ２４ａ，２４ｂを溶融して、硬化することで、パワー半導体素子２３ａ，２３ｂとプリント基板２５とを接合することができる。
なお、この場合でも、ステップＳ１ｂと同様にして、パワー半導体素子２３ａ，２３ｂとプリント基板２５との間に設定されたはんだ２４ａ，２４ｂを溶融して、硬化することで、パワー半導体素子２３ａ，２３ｂとプリント基板２５とを接合することができる。
［ステップＳ１ｄ］ ステップＳ１ｂ，Ｓ１ｃで積層基板２１にパワー半導体素子２３ａ，２３ｂを設置して、パワー半導体素子２３ａ，２３ｂにプリント基板２５を設置した構造体を封止部材２６で封止する。
この際、封止部材２６は、積層基板２１に対して絶縁板２１ａまでを封止して、少なくとも、金属板２１ｂの冷却部３と対向する全面を封止せずに露出して、半導体モジュール２を構成する。
以上により、半導体モジュール２を得ることができる。
［ステップＳ２］ 半導体モジュール２の裏面全面に接合材４を塗布して、接合材４を介して半導体モジュール２に冷却部３を取り付ける。
［ステップＳ２］ 半導体モジュール２の裏面全面に接合材４を塗布して、接合材４を介して半導体モジュール２に冷却部３を取り付ける。
接合材４は、既述の通り、熱伝導材を含んだ有機樹脂であり、はんだ２２ａ，２２ｂ，２４ａ，２４ｂの融点よりも接合温度が低い。ステップＳ２では、ステップＳ１ｂ，Ｓ１ｃでのはんだ２２ａ，２２ｂ，２４ａ，２４ｂの溶融温度よりも低い接合温度（例えば、１９５℃以上、２３５℃以下）で接合材４を加温して、半導体モジュール２と冷却部３とを取り付けることができる。このため、ステップＳ２の工程により、半導体モジュール２内のはんだ２２ａ，２２ｂ，２４ａ，２４ｂが溶融せずに、パワー半導体素子２３ａ，２３ｂのショートの発生が抑制されるようになる。
以上の工程により、図１に示した半導体装置１を製造することができる。
ここで、参考例として、半導体装置１とは別の半導体装置について、図４を用いて説明する。
ここで、参考例として、半導体装置１とは別の半導体装置について、図４を用いて説明する。
図４は、参考例の半導体装置の側面図である。
なお、参考例の半導体装置１０は、半導体装置１と同様の構成には、同様の符号を付して、それらの詳細な説明については省略する。
なお、参考例の半導体装置１０は、半導体装置１と同様の構成には、同様の符号を付して、それらの詳細な説明については省略する。
半導体装置１０は、半導体モジュール２０と、冷却部３とを有している。
半導体モジュール２０は、積層基板２１と、パワー半導体素子２３ａ，２３ｂと、プリント基板２５とを有している。
半導体モジュール２０は、積層基板２１と、パワー半導体素子２３ａ，２３ｂと、プリント基板２５とを有している。
また、半導体モジュール２０では、まず、積層基板２１に、パワー半導体素子２３ａ，２３ｂがはんだ２２ａ，２２ｂを介してそれぞれ設置され、パワー半導体素子２３ａ，２３ｂにはんだ２４ａ，２４ｂを介してプリント基板２５が設置されている。このような積層基板２１の金属板２１ｂが、はんだに代わって設けられた接合材４０を介して冷却部３に設置されて、冷却部３上でパワー半導体素子２３ａ，２３ｂと、積層基板２１と、プリント基板２５とが封止部材２６で封止されて構成されている。
なお、接合材４０は、積層基板２１の金属板２１ｂの全面に塗布されている。また、接合材４０は、第１の実施の形態の接合材４と同様の材質、構成、性質、厚さを有している。
また、このような構成を有する半導体装置１０では、従来は、積層基板２１と冷却部３とがはんだによって接合されていた。ここでは、はんだに代わって、接合材４０が用いられている。
次いで、このような半導体装置１０の製造方法について、図５を用いて説明する。
図５は、参考例の半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。
なお、積層基板２１と、パワー半導体素子２３ａ，２３ｂと、プリント基板２５と、冷却部３とは事前に用意されている。
図５は、参考例の半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。
なお、積層基板２１と、パワー半導体素子２３ａ，２３ｂと、プリント基板２５と、冷却部３とは事前に用意されている。
［ステップＳ１１］ （ステップＳ１ｂと同様に）積層基板２１の回路パターン２１ｃ２，２１ｃ３上に、はんだ２２ａ，２２ｂを介してパワー半導体素子２３ａ，２３ｂを設置する。
［ステップＳ１２］ （ステップＳ１ｃと同様に）パワー半導体素子２３ａ，２３ｂのおもて面の主電極にはんだ２４ａ，２４ｂを介してプリント基板２５を設置する。
［ステップＳ１３］ ステップＳ１１，Ｓ１２で構成した積層基板２１の金属板２１ｂの全面に接合材４０を塗布する。このような積層基板２１を接合材４０を介して冷却部３に取り付ける。
［ステップＳ１３］ ステップＳ１１，Ｓ１２で構成した積層基板２１の金属板２１ｂの全面に接合材４０を塗布する。このような積層基板２１を接合材４０を介して冷却部３に取り付ける。
［ステップＳ１４］ 冷却部３上の、パワー半導体素子２３ａ，２３ｂとプリント基板２５と積層基板２１とを封止部材２６で封止する。
以上の工程により図４に示した半導体装置１０を製造することができる。
以上の工程により図４に示した半導体装置１０を製造することができる。
このような半導体装置１０では、接合材４０は、熱伝導材を含むために、封止部材２６と、線膨張係数（特に図４中縦方向）が異なる。
半導体装置１０において、パワー半導体素子２３ａ，２３ｂが動作して発熱するに伴って、半導体モジュール２０も発熱する。すると、接合材４０は、線膨張係数の差に基づき、封止部材２６との間に隙間が生じ、封止部材２６に対する密着性が低下して剥がれてしまうおそれがある。さらに、接合材４０は、当該隙間により、ひび割れ等が生じるおそれがある。これは、接合材等が封止部材に囲まれたように接しており、接合材と封止部材の界面に熱応力が集中しやすいからと推測される。つまり、積層基板２１と冷却器３とがはんだで接合された構造を有する半導体装置１０は、はんだの代わりに、単に接合材４０を適用したとしても、信頼性が低下してしまう。
半導体装置１０において、パワー半導体素子２３ａ，２３ｂが動作して発熱するに伴って、半導体モジュール２０も発熱する。すると、接合材４０は、線膨張係数の差に基づき、封止部材２６との間に隙間が生じ、封止部材２６に対する密着性が低下して剥がれてしまうおそれがある。さらに、接合材４０は、当該隙間により、ひび割れ等が生じるおそれがある。これは、接合材等が封止部材に囲まれたように接しており、接合材と封止部材の界面に熱応力が集中しやすいからと推測される。つまり、積層基板２１と冷却器３とがはんだで接合された構造を有する半導体装置１０は、はんだの代わりに、単に接合材４０を適用したとしても、信頼性が低下してしまう。
一方、図３に示されたように製造された、図１に示す半導体装置１は、半導体モジュール２と、半導体モジュール２に接合材４を介して取り付けられる冷却部３とを有している。
半導体モジュール２は、パワー半導体素子２３ａ，２３ｂを有しており、絶縁板２１ａと、絶縁板２１ａのおもて面上に配置され、パワー半導体素子２３ａ，２３ｂがはんだ２２ａ，２２ｂを介して設けられる回路板２１ｃと、絶縁板２１ａの裏面に配置された金属板２１ｂとを有する積層基板２１を有している。このような半導体モジュール２は、パワー半導体素子２３ａ，２３ｂと積層基板２１とを封止部材２６で金属板２１ｂの裏面を露出して封止されている。そして、接合材４は、半導体モジュール２の積層基板２１の金属板２１ｂの裏面及び、半導体モジュール２の裏面の金属板２１ｂの周囲の封止部材２６にも塗布されている。そのため、半導体装置１０のように、接合材４０と封止部材２６との間に隙間が生じることはない。封止部材２６と接合材４とは積層された構造であり、熱応力によっても、線膨張係数の差に基づいて、多少変形する程度である。
また、積層基板２１と冷却器３とが接合材４０で接合された半導体装置１０と比較すると、次のことが言える。接合材４は、半導体モジュール２の積層基板２１の裏面に塗布されており、はんだ２２ａ，２２ｂの融点よりも接合温度が低く、熱伝導率が４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが好ましく、より好ましくは、６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である。
したがって、半導体モジュール２と冷却部３とを接合材４を介して接合する際には、はんだ２２ａ，２２ｂ，２４ａ，２４ｂの融点よりも低い接合温度で接合材４を加温するために、はんだ２２ａ，２２ｂ，２４ａ，２４ｂが溶融することがない。これにより、パワー半導体素子２３ａ，２３ｂのショートの発生を防止することができる。
仮に、接合材４として、熱伝導材を含む有機樹脂に代わって、融点が約２６０℃のＳｎ−Ｓｂ系のはんだを用いると、半導体モジュール２と冷却部３との接合温度を２６０℃にした場合、半導体モジュール２内のはんだ２２ａ，２２ｂが溶融してしまう。この結果、パワー半導体素子２３ａ，２３ｂにショートが生じてしまい、半導体装置１の信頼性が低下してしまう。
また、仮に、半導体装置１において、接合材４に代わって、（はんだ２２ａ，２２ｂよりも融点が低い）はんだを用いる場合、はんだの厚さは２００μｍ以上、５００μｍ以下程度である。この場合、当該はんだを溶融するための加熱により、半導体モジュール２の封止部材２６が溶融してしまうおそれがある。たとえ、封止部材２６が溶けなくても、はんだは封止部材２６に対して接合力が低いために、半導体装置１を構成することができなくなるおそれがある。
また、第１の実施の形態の接合材４は、熱伝導率が４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが好ましく、より好ましくは、６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である。さらに、接合材４の厚さは、２５μｍ以上、１５０μｍ以下であって、はんだの場合に比べて薄くできる。このために、パワー半導体素子２３ａ，２３ｂで発生した熱が積層基板２１の金属板２１ｂ及び接合材４を経由して適切に冷却部３に伝導して放熱される。これにより、半導体装置１を適切に冷却することができる。
さらに、接合材４は、熱伝導材を含む有機樹脂により構成されている。このため、接合材４は、半導体モジュール２の裏面のうち、特に、金属板２１ｂの周囲の封止部材２６と適切に接合することができ、半導体モジュール２と接合材４との接合信頼性を確保することができる。さらに、接合力を向上させるためには、接合材４の有機樹脂が、封止部材２６と同種の材料であることが好ましい。
なお、半導体装置１の半導体モジュール２では、パワー半導体素子２３ａ，２３ｂとプリント基板２５とを接合するはんだ２４ａ，２４ｂは、硬さが２００Ｎ／（ｍｍ2）以下であり、はんだ２２ａ，２２ｂよりも柔らかいものを選択した。これにより、ヒートサイクル試験時における漏れ電流の発生を防止することができる。
次いで、積層基板２１に対して塗布した接合材４と積層基板２１とに段差が構成された別の形態について、図６を用いて説明する。
図６は、第１の実施の形態の半導体装置の要部拡大側面図である。
図６は、第１の実施の形態の半導体装置の要部拡大側面図である。
なお、図６は、半導体装置１の積層基板２１の左端部を拡大して表している。
半導体モジュール２では、封止部材２６は、積層基板２１の絶縁板２１ａまでを封止しており、金属板２１ｂは露出されている。
半導体モジュール２では、封止部材２６は、積層基板２１の絶縁板２１ａまでを封止しており、金属板２１ｂは露出されている。
半導体モジュール２と冷却部３との間に設けられた接合材４は、半導体モジュール２の裏面全面に塗布されている。また、接合材４は、金属板２１ｂの周囲の封止部材２６に、その最上面４ａで接していると共に、金属板２１ｂの冷却部３に対向する主面及び側面に接していることが好ましい。これにより、接合材４の最上面４ａと、金属板２１ｂの当該主面とに段差Ｈが構成されている。なお、この段差Ｈは、例えば、２０μｍ以上、２００μｍ以下が好ましく、より好ましくは、５０μｍ以上、１００μｍ以下である。なお、接合材４の最上面４ａとは、図６において、金属板２１ｂの周囲の封止部材２６と接する面である。
半導体装置１は、段差Ｈがある方が信頼性はより高いことがヒートサイクル試験等で確認された。これは、段差Ｈがあることで、接合材４と封止部材２６との密着性が向上したためであることが考えらえる。線膨張係数は、封止部材２６、接合材４、金属板２１ｂの順で大きい。つまり、封止部材２６と金属板２１ｂとの間で熱応力は最も大きくなる。しかし、段差Ｈがあることで、金属板２１ｂと封止部材２６との接合面積は減少するので、最大熱応力は減少し、密着性が向上すると推定される。なお、かかる説明は、図６に示す半導体装置１の理解のための考察に過ぎず、半導体装置１は上記の特定の理論に限定されるものではない。
［第２の実施の形態］
第２の実施の形態では、第１の実施の形態において封止部材の形状を異ならせた場合の半導体装置について、図７及び図８を用いて説明する。
第２の実施の形態では、第１の実施の形態において封止部材の形状を異ならせた場合の半導体装置について、図７及び図８を用いて説明する。
図７は、第２の実施の形態の半導体装置の側面図である。
図８は、第２の実施の形態の半導体モジュールの裏面図である。
なお、図８は、図７の一点鎖線Ｙ２−Ｙ２から見た半導体モジュールの裏面である。
図８は、第２の実施の形態の半導体モジュールの裏面図である。
なお、図８は、図７の一点鎖線Ｙ２−Ｙ２から見た半導体モジュールの裏面である。
図７及び図８に示される半導体装置１ａは、第１の実施の形態の半導体装置１と同様の構成には同様の符号を付している。
このような半導体装置１ａでは、半導体モジュール２ａと、冷却部３とを有しており、半導体モジュール２ａと冷却部３とは接合材４により接合されている。
このような半導体装置１ａでは、半導体モジュール２ａと、冷却部３とを有しており、半導体モジュール２ａと冷却部３とは接合材４により接合されている。
半導体モジュール２ａは、積層基板２１と、パワー半導体素子２３ａ，２３ｂと、プリント基板２５とを有している。さらに、半導体モジュール２ａは、積層基板２１と、パワー半導体素子２３ａ，２３ｂと、プリント基板２５とが封止部材１２６で封止されている。
封止部材１２６は、第１の実施の形態と同様に、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、マレイミド樹脂等の耐熱性の有機樹脂で構成されている。このような封止部材１２６は、積層基板２１と、パワー半導体素子２３ａ，２３ｂと、プリント基板２５とを封止している。但し、封止部材２６は、図７及び図８に示されるように、積層基板２１の絶縁板２１ａまでを封止して、金属板２１ｂは封止しておらず、金属板２１ｂの冷却部３と対向する面は露出されている。
封止部材１２６は、さらに、半導体モジュール２ａの裏面の金属板２１ｂの周囲の接合材４に密着する領域であって、半導体モジュール２ａの裏面側の外側に外周部に沿って凸部１２６ａが形成されている。また、このような凸部１２６ａは半導体モジュール２ａの裏面に対して、例えば、１００μｍ以上、２００μｍ以下の均一の高さである。また、凸部１２６ａの図７中の最下面は、金属板２１ｂの冷却部３に対向する主面と同一平面である。
なお、半導体モジュール２ａは、所定の金型内にパワー半導体素子２３ａ，２３ｂが設けられ、当該パワー半導体素子２３ａ，２３ｂにプリント基板２５が設けられた積層基板２１をセットして、当該金型内を樹脂で充填することにより得られる。半導体モジュール２ａの場合には、凸部１２６ａに対応する構成が金型内に予め形成されている。
このように半導体モジュール２ａは、封止部材１２６の裏面に凸部１２６ａが設けられているために、冷却部３に対して接合材４を介して平行に設置することができる。このため、接合材４の均一性が向上する。また、封止部材１２６の裏面に凸部１２６ａを設けることで、接合材４は、金属板２１ｂを埋めて、当該凸部１２６ａと金属板２１ｂとの間を埋め合わせる。これにより、接合材４の封止部材１２６に対する接合面積が増加するに伴って、接合力も増加する。
１，１ａ 半導体装置
２，２ａ 半導体モジュール
３ 冷却部
４ 接合材
４ａ 最上面
２１ 積層基板
２１ａ 絶縁板
２１ｂ 金属板
２１ｃ 回路板
２１ｃ１〜２１ｃ４ 回路パターン
２２ａ，２２ｂ，２４ａ，２４ｂ はんだ
２３ａ，２３ｂ パワー半導体素子
２５ プリント基板
２６，１２６ 封止部材
１２６ａ 凸部
２，２ａ 半導体モジュール
３ 冷却部
４ 接合材
４ａ 最上面
２１ 積層基板
２１ａ 絶縁板
２１ｂ 金属板
２１ｃ 回路板
２１ｃ１〜２１ｃ４ 回路パターン
２２ａ，２２ｂ，２４ａ，２４ｂ はんだ
２３ａ，２３ｂ パワー半導体素子
２５ プリント基板
２６，１２６ 封止部材
１２６ａ 凸部
Claims (20)
- 半導体素子と、
絶縁板と、前記絶縁板のおもて面に配置され、前記半導体素子が第１接合材を介して設けられる回路板と、前記絶縁板の裏面に配置された金属板とを有する積層基板と、
前記半導体素子と前記積層基板とを封止する封止部材と、
を備え、前記封止部材の第１裏面から前記金属板の第２裏面が露出して前記第１裏面と前記第２裏面とが同一平面を成す半導体モジュールと、
前記半導体モジュールの前記第１裏面及び前記第２裏面の全面に、前記第１接合材の融点より接合温度が低く、熱伝導率が４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であって、全体が均一の厚さである第２接合材を介して配置され、前記第２接合材が前記半導体モジュールとの隙間から露出されている冷却部と、
を有する半導体装置。 - 半導体素子と、
絶縁板と、前記絶縁板のおもて面に配置され、前記半導体素子が第１接合材を介して設けられる回路板と、前記絶縁板の裏面に配置された金属板とを有する積層基板と、
前記半導体素子と前記積層基板とを封止する封止部材と、
を備え、前記封止部材の第１裏面から前記金属板の第２裏面が露出して前記第２裏面が前記第１裏面よりも外側に突出した半導体モジュールと、
前記半導体モジュールの前記第１裏面及び前記第２裏面の全面に、前記第１接合材の融点より接合温度が低く、熱伝導率が４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の第２接合材を介して配置され、前記第２接合材が前記半導体モジュールとの隙間から露出されている冷却部と、
を有する半導体装置。 - 前記第２接合材は、熱伝導材を含む有機樹脂により構成されている、
請求項１または２に記載の半導体装置。 - 前記有機樹脂は、耐熱性を備える耐熱樹脂である、
請求項３に記載の半導体装置。 - 前記耐熱樹脂は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、マレイミド樹脂のいずれかである、
請求項４記載の半導体装置。 - 前記第２接合材は、前記熱伝導材を５０ｗｔ％以上、９９ｗｔ％以下含有している、
請求項３に記載の半導体装置。 - 前記封止部材は、有機樹脂により構成されている、
請求項３に記載の半導体装置。 - 前記熱伝導材は、金属粒子である、
請求項３に記載の半導体装置。 - 前記金属粒子は、銀、銅、金、ニッケル、クロム、アルミニウム、または、これらによる合金である、
請求項８に記載の半導体装置。 - 前記熱伝導材は、窒化アルミニウム、炭化シリコン、アルミナのいずれかである、
請求項３に記載の半導体装置。 - 前記熱伝導率は、１２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である、
請求項１または２に記載の半導体装置。 - 前記第２接合材の厚さは、２５μｍ以上、１５０μｍ以下である、
請求項１または２に記載の半導体装置。 - 前記第２接合材の厚さは、３０μｍ以上、１００μｍ以下である、
請求項１２に記載の半導体装置。 - 前記第２接合材は、前記封止部材から露出する前記金属板を埋設して、前記第２接合材の前記封止部材と接する最上面と、前記金属板の前記冷却部と対向する主面とに段差が構成されている、
請求項２に記載の半導体装置。 - 前記段差は、２０μｍ以上、２００μｍ以下である、
請求項１４に記載の半導体装置。 - 半導体素子と、
絶縁板と、前記絶縁板のおもて面に配置され、前記半導体素子が第１接合材を介して設けられる回路板と、前記絶縁板の裏面に配置された金属板とを有する積層基板と、
前記半導体素子と前記積層基板とを封止する封止部材と、
を備え、前記封止部材の第１裏面から前記金属板の第２裏面が露出して前記第１裏面の外周部に沿って凸部が形成されている半導体モジュールと、
前記半導体モジュールの前記第１裏面及び前記第２裏面の全面に、前記第１接合材の融点より接合温度が低く、熱伝導率が４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の第２接合材を介して、前記第２接合材が前記金属板と、前記凸部及び前記金属板の間とを埋設するように配置され、前記第２接合材が前記半導体モジュールとの隙間から露出されている冷却部と、
を有する半導体装置。 - 前記封止部材と前記第２接合材とはそれぞれ同種の材料である、
請求項１乃至１６のいずれかの半導体装置。 - 半導体素子及び、絶縁板と、前記絶縁板のおもて面に配置され、前記半導体素子が第１接合材を介して設けられる回路板と、前記絶縁板の裏面に配置された金属板とを有する積層基板を封止部材で封止して、前記金属板の第２裏面を前記封止部材の第１裏面と同一平面を成すように露出して半導体モジュールを形成する工程と、
前記半導体モジュールの前記第１裏面及び前記第２裏面の全面に、前記第１接合材よりも融点が低く、熱伝導率が４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であって、全体が均一の厚さである第２接合材を介して前記第２接合材が前記半導体モジュールとの隙間から露出されるように冷却部を配置する工程と、
を有する半導体装置の製造方法。 - 半導体素子及び、絶縁板と、前記絶縁板のおもて面に配置され、前記半導体素子が第１接合材を介して設けられる回路板と、前記絶縁板の裏面に配置された金属板とを有する積層基板を封止部材で封止して、前記金属板の第２裏面を前記封止部材の第１裏面よりも外側に突出させた半導体モジュールを形成する工程と、
前記半導体モジュールの前記第１裏面及び前記第２裏面の全面に、前記第１接合材よりも融点が低く、熱伝導率が４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の第２接合材を介して前記第２接合材が前記半導体モジュールとの隙間から露出されるように冷却部を配置する工程と、
を有する半導体装置の製造方法。 - 半導体素子及び、絶縁板と、前記絶縁板のおもて面に配置され、前記半導体素子が第１接合材を介して設けられる回路板と、前記絶縁板の裏面に配置された金属板とを有する積層基板を封止部材で封止して、前記金属板の第２裏面を露出して封止して、前記第２裏面が露出される前記封止部材の第１裏面の外周部に沿って凸部が形成されている半導体モジュールを形成する工程と、
前記半導体モジュールの前記第１裏面及び前記第２裏面の全面に、前記第１接合材よりも融点が低く、熱伝導率が４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の第２接合材を介して、前記第２接合材が前記金属板と、前記凸部及び前記金属板の間とを埋設し、前記第２接合材が前記半導体モジュールとの隙間から露出されるように冷却部を配置する工程と、
を有する半導体装置の製造方法。
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