JP7224545B1

JP7224545B1 - パワー半導体装置及びその製造方法

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Publication number: JP7224545B1
Application number: JP2022521970A
Authority: JP
Inventors: 麻緒澤川; 仁崇宮路; 裕基塩田; 厚山竹
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2021-06-07
Filing date: 2021-06-07
Publication date: 2023-02-17
Anticipated expiration: 2041-06-07
Also published as: WO2022259289A1; JPWO2022259289A1

Abstract

パワー半導体装置の半導体チップ（１）の周辺は高電界になるため、電界を緩和するための絶縁樹脂層（１４）を設けて、全体を封止材（１０）によって封止しているが、絶縁樹脂層（１４）と封止材（１０）との間が剥離するという問題があった。そのため、半導体チップ（１）の表面から絶縁樹脂層（１４）の表面と半導体チップ（１）の端面とにかけて覆う応力緩和樹脂層（１５）と、半導体チップ（１）の表面から応力緩和樹脂層（１５）の表面全体を覆う接着樹脂層（１６）とを、絶縁樹脂層（１４）と封止材（１０）との間に設け、絶縁樹脂層（１４）と封止材（１０）との間の応力緩和を行うようにしたことを特徴とするものである。

Description

本願は、パワー半導体装置及びその製造方法に関するものである。

パワー半導体装置として、半導体チップを樹脂によって封止する構造が採用されている。ここで使用されている封止材には、耐熱性、耐圧性が求められている。
特に、半導体チップの周辺は、パワー半導体装置の内部において最も高電界となる所である。そのため、耐圧を確保するために半導体チップの端面側のターミネーション領域（半導体チップの外周に形成された電界を緩和するための領域）に電界緩和構造を持っている。

電解緩和構造を備えたパワー半導体装置において、樹脂封止の信頼性を向上させるため、様々な取り組みが行われている。例えば、特許文献１においては、半導体チップの端部における樹脂の剥離を防止するために、シリコーンゲルによって封止される半導体チップのターミネーション領域を耐高電界樹脂層で覆い、更に耐高電界樹脂層の表面から半導体チップの端面の表面にかけて密着樹脂層によって覆う構造が提案されている。

この特許文献１において提案されている構成によれば、シリコーンゲルにかかる電界が耐高電界樹脂層によって有効に緩和されると共に、密着樹脂層によって耐高電界樹脂層の剥離が防止されるので、半導体チップの高電圧阻止特性の信頼性が向上する。

特開２０１７－１４３１８５号公報

しかしながら、特許文献１に示された構成においては、耐高電界樹脂層の材料として、ポリアミドイミド、ポリエーテルアミドイミド、ポリエーテルアミドの内の一種、あるいは複数種の複合体などを適用することが示され、また、密着樹脂層の材料としては、密着性を向上するために、ポリイミド、ポリアミドイミドの内の一種、あるいは両方の複合体などを適用することが示され、線膨張係数が半導体チップの線膨張係数に近い硬質な材質の絶縁性樹脂を使用することが提案されている。

パワー半導体装置においては、特に構成部材の接合界面の応力緩和が重要である。構成部材の接合界面の応力を緩和しないと、パワー半導体装置の動作時のパワーサイクル（通電加熱から冷却の繰り返し）の過程によって封止材が剥離する可能性があるという問題が生じる。

本願は、上述の問題を解決するためになされたもので、封止材の剥離を防ぐことのできるパワー半導体装置を提供することを目的とするものである。

本願に開示されるパワー半導体装置は、配線基板に搭載された半導体チップ、前記半導体チップのターミネーション領域を覆う絶縁樹脂層、および前記半導体チップと前記絶縁樹脂層とを封止する封止材を備えたパワー半導体装置において、前記半導体チップの表面から前記絶縁樹脂層の表面と前記半導体チップの端面とにかけて覆う応力緩和樹脂層と、前記半導体チップの表面から前記応力緩和樹脂層の表面全体を覆う接着樹脂層とを前記絶縁樹脂層と前記封止材との間に設けたことを特徴とするものである。

本願のパワー半導体装置においては、応力緩和樹脂層と接着樹脂層とを絶縁樹脂層と封止材との間に設けることによって応力緩和を行い、封止材の剥離を防ぐことができるという効果がある。

実施の形態１のパワー半導体装置の構成を示す平面図である。実施の形態１のパワー半導体装置の構成を示す断面図である。実施の形態１のパワー半導体装置の部分断面図である。実施の形態２の製作工程を示すフローチャートである。実施の形態３のパワー半導体装置の部分断面図である。

実施の形態１
図１は、実施の形態１のパワー半導体装置の構成を示す平面図である。図２は、図１のＡ－Ａ線における断面図である。また、図３は、図２の領域Ｂの部分の拡大図である。なお、以後の図中の同一符号は、各々同一または相当部分を示している。

図１および図２に示すように、パワー半導体装置における半導体チップ１は、配線基板１００の上に実装されている。配線基板１００は、第１の電極２と、主絶縁３と、第２の電極４とによって構成されている。配線基板１００における第２の電極４は、はんだ５によって放熱ベース板６に接続されている。半導体チップ１への電力の供給は第１のバスバー７によって行われる。そのため、第１のバスバー７は、第１の電極２に接続されている。

半導体チップ１に供給される制御信号は、第２のバスバー８を通じて供給される。そのため、第２のバスバー８は、ワイヤ９によって半導体チップ１に接続されている。半導体チップ１には、第１の電極２に接続される下部電極１２と、この下部電極１２の反対の表面に上部電極１３が設けられ、第１のバスバー７は、第１の電極２を通じて下部電極１２に接続され、ワイヤ９は上部電極１３に接続されている。なお、下部電極１２と上部電極１３との双方は、アルミニュームなどの金属材料が使用されている。

第１の電極２は、熱伝導率の高い金属（例えば、銅）によって板状に形成されている。主絶縁３は、絶縁材料によって形成された板状部材である。第２の電極４は、熱伝導率の高い金属（例えば、銅）によって形成されている。放熱ベース板６は、熱伝導率の高い金属（例えば、銅）によって形成されている。

ケース１１の材料としては、ＰＰＳ、ＬＣＰ、エポキシ樹脂など半導体装置の駆動温度範囲内で体積抵抗率１０^１０Ω・ｃｍ以上、かつ、比誘電率１０以下の絶縁性樹脂で形成される。半導体装置を設置する外部環境の塵あるいは汚水などが付着しケース１１の外部で放電する可能性があるため、表面状態はより滑らかであることが好ましい。

封止材１０はシリコーンゲル、エポキシ樹脂といった半導体装置の駆動温度範囲内で体積抵抗率１０^１０Ω・ｃｍ以上、かつ、比誘電率１０以下となる材料で形成される。それ以外の材料として、絶縁性樹脂に絶縁性フィラー（窒化ホウ素、シリカ等）を混入したコンパウンド樹脂が使用される。

また、ケース１１と封止材１０は、金型などを用いて注型することでケース１１と封止材１０の双方の役割を果たす樹脂層を形成した構造、および第２の電極４と放熱ベース板６を一体化させた構造も一般的な構造のバリエーションである。

配線基板１００に搭載された半導体チップ１は、図３に示すように、端部のターミネーション領域を耐高電界樹脂層に相当する絶縁樹脂層１４によって覆われ、半導体チップ１の表面から絶縁樹脂層１４を経て半導体チップ１の端面にかけて応力緩和樹脂層１５によって覆われ、更に半導体チップ１の表面から応力緩和樹脂層１５の全体の表面を接着樹脂層１６によって覆われている。

ここで、応力緩和樹脂層１５は、接合界面の応力緩和するもので、接合界面に生じる応力は、各構成部材の有する線膨張率と弾性率に依存することから、ここでは、半導体チップ１および絶縁樹脂層１４の変形に追従して変形できる材料が選定されている。すなわち、応力緩和樹脂層１５は、伸び率の高い絶縁性樹脂で形成され、半導体チップ１の駆動温度範囲内で体積抵抗率が１×１０^１０Ω・ｃｍ以上、比誘電率が１０以下であって、且つ少なくとも伸び率が１０％以上、望ましくは伸び率が１００％以上の樹脂から選定される。

応力緩和樹脂層１５の材料としては、例えば、シリコーンゴム、ウレタンゴムなど熱硬化性エラストマーが挙げられる。それ以外の材料として、絶縁性樹脂に絶縁性フィラー（窒化ホウ素、シリカ等）が混入されたコンパウンド樹脂が挙げられる。一般に、パワー半導体装置は、装置駆動中の熱サイクルによる部材の変形量の違いにより、半導体チップ１の上面に配置する絶縁樹脂層１４と封止材１０との間に剥離が発生する。

この時の各部材の熱による変形量ΔＸ［ｍ］は線膨張係数α［１０^－６／℃］と温度変化ΔＴ［℃］と元の大きさＸ［ｍ］との積によって計算できるので、封止材１０の変形量を計算し、その変形量により破断しない伸び率を有し、且つ十分な厚みで成型できる絶縁性樹脂材料より選定し、望ましい厚みを設計する。
例えば、応力緩和樹脂層１５の材料としては、線膨張係数が１０［１０^-６／℃］以上で、且つヤング率が３０ＧＰａ以下の樹脂であることが望ましい。特に、ヤング率が１５ＧＰａ以下の樹脂が好ましい。

接着樹脂層１６は、封止材１０に対して接着性の高い絶縁性樹脂によって形成される。接着樹脂層は、半導体チップ１の駆動温度範囲内で体積抵抗率が１×１０^１０Ω・ｃｍ以上で、比誘電率が１０以下で、かつ、封止材１０に対して接着性が高い材料から選定される。さらに、線膨張係数が封止材１０に近い材料を選定すると封止材１０との剥離を防止することができ、より高い効果を発揮する。例えば、封止材１０がエポキシ樹脂である場合には、接着樹脂層１６の材料として、エポキシ、ポリイミド、ポリアミドなどが挙げられる。接着樹脂層１６に用いる樹脂を選定する場合の条件としては、線膨張係数が１０［１０^－６／℃］もしくはそれ以上となる。

この実施の形態１では、絶縁樹脂層１４には半導体チップ１と線膨張率の近いポリイミドなどの硬質の絶縁性樹脂を使用している。応力緩和樹脂層１５には半導体チップ１と絶縁樹脂層１４の変形に追従できるシリコーンゴムを使用している。また、接着樹脂層１６にはポリイミドを使用している。そして、接着樹脂層１６に覆われた半導体チップ１はケース１１内に収容され、シリコーンゲルの封止材１０によって封止されている。

この構成によれば、応力緩和樹脂層１５によって半導体チップ１の外周部の応力が緩和され、接着樹脂層１６によって封止材１０と応力緩和樹脂層１５との剥離を防ぐことができ、絶縁信頼性の高いパワー半導体装置を提供することができる。

実施の形態２
次にパワー半導体装置の製造方法について、図４のフローチャートを用いて説明する。
まず、図４に示すように、ウエハ上に形成した複数の半導体チップ１のそれぞれに絶縁樹脂層１４を形成し（ステップＳ１）、ウエハ状態でそれぞれの半導体チップ１の特性検査を行う（ステップＳ２）。

次に、ウエハをダイシングして個別の半導体チップ１に切り分け（ステップＳ３）、チップ状態で特性検査を行い（ステップＳ４）、良い特性の半導体チップ１を第１の電極２の上にはんだあるいは銀ロウを用いてマウントする（ステップＳ５）。次に、応力緩和樹脂層１５を半導体チップ１および絶縁樹脂層１４の上に塗布し、硬化させ、表面処理を行う（ステップＳ６）。次に、接着樹脂層１６を、半導体チップ１および応力緩和樹脂層１５の上に塗布し、硬化させ、表面処理を行う（ステップＳ７）。

次に、第２の電極４を放熱ベース板６にはんだ５によって接合する（ステップＳ８）。半導体チップ１の上部電極１３にワイヤ９または第２のバスバー８を接合し（ステップＳ９）、放熱ベース板６にケース１１を接着剤によって固定し（ステップＳ１０）、その後、ケース１１内を封止材１０によって封止する（ステップＳ１１）。

ステップＳ６とステップＳ７とによって、絶縁樹脂層１４と封止材１０との間に、応力緩和樹脂層１５と接着樹脂層１６との二重の層を設けることになる。絶縁樹脂層１４に接して応力緩和樹脂層１５を配置し、応力緩和樹脂層１５と封止材１０との間に接着樹脂層１６を設けることによって、絶縁樹脂層１４と封止材１０との間の接合界面の応力が緩和され、剥離を防ぐことができる。

なお、第２の電極４と放熱ベース板６とが予め一体として構成されている構造体を使用する場合には、ステップＳ８を省略することができる。また、ケース１１と封止材１０とが一体化されている構造においては、ケース１１の接合（ステップＳ１０）および封止材１０による封止（ステップＳ１１）に代わり、金型を用いた注型の工程が行われる。
以上の工程により、本願による半導体装置が完成する。

また、ステップＳ６およびステップＳ７の樹脂層形成については、半導体チップ１を第１の電極２の上にマウントするステップＳ５以降で、封止を行うステップＳ１１以前であって、ステップＳ６とステップＳ７の前後関係に変化がない範囲であれば、工程順序を変更することが可能である。

実施の形態３
応力緩和樹脂層１５と接着樹脂層１６との接着性を向上させるための構成について説明する。図５に示すように、応力緩和樹脂層１５の断面形状に凹凸を設け、この表面に予め定めた厚さの接着樹脂層１６を設けている。この構造を製作するには、半導体チップ１の上部電極１３の一部から絶縁樹脂層１４の表面および半導体チップ１の外周端部を含んで、第１の電極２の表面までの領域に、凹凸形状の応力緩和樹脂層１５を作成し、この応力緩和樹脂層１５の表面に接着樹脂層１６を塗布、硬化させる。この時、応力緩和樹脂層１５と接着樹脂層１６とが剥離し難いようにアンカー効果を得るための形状を設定する。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１半導体チップ、２第１の電極、３主絶縁、４第２の電極、５はんだ、６放熱ベース板、７第１のバスバー、８第２のバスバー、９ワイヤ、１０封止材、１１ケース、１２下部電極、１３上部電極、１４絶縁樹脂層、１５応力緩和樹脂層、１６接着樹脂層、１００配線基板

Claims

配線基板に搭載された半導体チップ、前記半導体チップのターミネーション領域を覆う絶縁樹脂層、および前記半導体チップと前記絶縁樹脂層とを封止する封止材を備えたパワー半導体装置において、前記半導体チップの表面から前記絶縁樹脂層の表面と前記半導体チップの端面とにかけて覆う応力緩和樹脂層と、前記半導体チップの表面から前記応力緩和樹脂層の表面全体を覆う接着樹脂層とを、前記絶縁樹脂層と前記封止材との間に設けたことを特徴とするパワー半導体装置。
前記応力緩和樹脂層の樹脂は、伸び率１０％以上の伸び率の絶縁性樹脂であることを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体装置。
前記応力緩和樹脂層の樹脂は、線膨張係数が１０［１０^－６／℃］以上で、且つヤング率が３０ＧＰａ以下の樹脂であることを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体装置。
前記応力緩和樹脂層の樹脂は、線膨張係数が１０［１０^－６／℃］以上で、且つヤング率が１５ＧＰａ以下の樹脂であることを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体装置。
前記応力緩和樹脂層および前記接着樹脂層の樹脂は、体積抵抗率が１×１０^１０ [Ω・ｃｍ]以上で、且つ比誘電率が１０以下の樹脂であることを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体装置。
前記応力緩和樹脂層の材料が熱硬化性エラストマーまたはコンパウンド樹脂であって、前記封止材の材料がシリコーンゲル、エポキシ樹脂、コンパウンド樹脂のいずれかであって、前記接着樹脂層の材料がエポキシ、ポリイミド、ポリアミドのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体装置。
前記応力緩和樹脂層が表面に凹凸構造を有していることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のパワー半導体装置。
ターミネーション領域が絶縁樹脂層によって覆われた半導体チップを配線基板上にマウントし、前記半導体チップおよび前記絶縁樹脂層を封止材によって封止されるパワー半導体装置の製造方法であって、前記半導体チップおよび前記絶縁樹脂層の表面に応力緩和樹脂層を形成し、前記応力緩和樹脂層の表面に接着樹脂層を形成した後に前記封止材によって封止するようにしたことを特徴とするパワー半導体装置の製造方法。
前記応力緩和樹脂層を形成し、前記応力緩和樹脂層の表面を凹凸形状に加工した後に、前記接着樹脂層を形成したことを特徴とする請求項８に記載のパワー半導体装置の製造方法。