JP7482833B2

JP7482833B2 - 半導体装置および半導体装置の製造方法

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Publication number: JP7482833B2
Application number: JP2021088937A
Authority: JP
Inventors: 崇之大仲; 佑樹矢野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2021-05-27
Filing date: 2021-05-27
Publication date: 2024-05-14
Anticipated expiration: 2041-05-27
Also published as: CN115411002A; US20220384283A1; JP2022181779A; DE102022109028A1; US12107024B2

Description

本開示は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関するものである。

従来、高電流密度および高信頼性を実現するために、ケースに設けられたリード電極が、金属ベース上の絶縁基板に搭載された半導体素子にはんだなどの接合材により接合された構造を有する半導体装置がある。このような半導体装置では、湿度などの外部環境から内部を保護することで、高い絶縁耐圧を確保して高信頼性を得るために封止樹脂がケースの内部に充填される。

また、特許文献１には、放熱板（金属ベースに相当）に接着剤たまり部となる溝を形成し、封止ケース（ケースに相当）と放熱板を接着する際に接着剤層を部分的に厚くすることで、半導体装置の気密性を向上させる技術が開示されている。

特開２０００－３２３５９３号公報

従来の半導体装置では、ケースと金属ベースとの接着工程において、接着剤の塗布後に接着剤を介して金属ベースにケースを密着させるまでの時間が長くなると接着剤が濡れ広がる。接着剤が濡れ広がった状態で、接着剤を介して金属ベースにケースを接着させると、接着剤が金属ベースの下面まで回り込むため、接着剤の高さ位置が低くなる。その結果、金属ベースのうねりまたはケースと金属ベースとの形状差異により生じるケースと金属ベースとの間の隙間を埋めるために必要な接着剤の高さ位置を確保することができなかった。

特許文献１に記載の技術においても、放熱板に接着剤たまり部となる溝を設けたことで接着剤層を部分的に厚くしているものの、接着剤の高さ位置を確保することはできなかった。

そこで、本開示は、ケースと金属ベースとの接着に用いられる接着剤の濡れ広がりを抑制し、ケースと金属ベースとの間に生じる隙間を埋めるために必要な接着剤の高さ位置を確保することが可能な技術を提供することを目的とする。

本開示に係る半導体装置は、金属ベースと、前記金属ベース上に配置された絶縁基板と、前記絶縁基板上に搭載された半導体素子と、前記絶縁基板および前記半導体素子の側面を囲むように前記金属ベース上に接着されたケースとを備え、前記金属ベース上の周縁部には、突起状の第１の金属酸化膜の対が設けられ、前記ケースは、前記第１の金属酸化膜の対の間の領域に配置された接着剤により前記金属ベースに接着されたものである。

本開示によれば、ケースと金属ベースとの接着に用いられる接着剤は、突起状の第１の金属酸化膜の対により堰き止められるため、接着剤の濡れ広がりが抑制される。これにより、ケースと金属ベースとの間に生じる隙間を埋めるために必要な接着剤の高さ位置を確保することができる。

実施の形態１に係る半導体装置の断面図である。実施の形態１に係る半導体装置におけるケース接着前の状態を示す上面図である。実施の形態１に係る半導体装置の組み立て手順を説明するための断面図である。実施の形態１に係る半導体装置の組み立て手順を説明するための断面図である。実施の形態１に係る半導体装置の組み立て手順を説明するための断面図である。実施の形態２に係る半導体装置におけるケース装着前の状態を示す上面図である。実施の形態２に係る半導体装置におけるケース装着前の状態を示す断面図である。実施の形態３に係る半導体装置におけるケース装着前の状態を示す上面図である。

＜実施の形態１＞
実施の形態１について、図面を用いて以下に説明する。図１は、実施の形態１に係る半導体装置の断面図である。図２は、実施の形態１に係る半導体装置におけるケース７ａ接着前の状態を示す上面図である。

図１に示すように、半導体装置は、金属ベース１と、絶縁基板２と、複数の半導体素子４と、ケース７ａと、リード電極７ｂと、金属酸化膜８（第１の金属酸化膜に相当）の対と、接着剤５と、封止樹脂６とを備えている。

図２に示すように、金属ベース１は、アルミニウムなどの金属により上面視にて矩形状に形成されている。図１と図２に示すように、絶縁基板２は、上面視にて矩形状に形成され、金属ベース１上に配置されている。具体的には、絶縁基板２は、金属ベース１の上面における周縁部を除く領域に配置されている。

絶縁基板２は、絶縁層２ａと、絶縁層２ａの下面に設けられた回路パターン２ｂと、絶縁層２ａの上面に設けられた回路パターン２ｃとを備えている。絶縁層２ａは、窒化アルミニウムおよび窒化ケイ素などのセラミック、または樹脂などで構成されている。回路パターン２ｂ，２ｃは、銅などの金属で構成されている。

半導体素子４は、絶縁基板２上に搭載されている。具体的には、半導体素子４は、はんだなどの接合材３ｂにより回路パターン２ｃの上面に接合されている。半導体素子４として、Ｓｉ素材のＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ダイオード、または逆導通ＩＧＢＴ（ＲＣ－ＩＧＢＴ：Reverse-Conducting Insulated Gate Bipolar Transistor）が用いられることが多い。また、半導体素子４として、ＳｉＣ素材のＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、またはショットキーバリアダイオードが用いられてもよい。

なお、図２では、６つの半導体素子４が示されているが、半導体素子４の個数は限定されず、半導体装置の用途に応じて必要な個数の半導体素子４が搭載可能である。また、複数種類の半導体素子４が搭載可能である。

図１に示すように、ケース７ａは、樹脂により構成され、上面視にて矩形枠状に形成されている。ケース７ａは、接着剤５により金属ベース１の上面における周縁部に接着されている。リード電極７ｂは、インサート成形によりケース７ａと一体に形成されている。リード電極７ｂの一端側は、ケース７ａの上面に設けられ、図示しない外部機器と接続される。リード電極７ｂの他端側は、ケース７ａの内部に延びており、はんだなどの接合材３ａにより複数の半導体素子４と接合されている。

封止樹脂６は、絶縁基板２および複数の半導体素子４を湿度などの外部環境から保護するためにケース７ａの内部を封止している。なお、図１では、半導体装置は簡略化されて図示されており、複数の半導体素子４と接続される金属ワイヤおよび信号端子は図示していない。また、金属ベース１の下面に放熱フィンなどが取り付けられていてもよい。

次に、実施の形態１の特徴である金属酸化膜８の対について説明を行う。図１と図２に示すように、金属酸化膜８の対は、上方に突出する突起状に形成され、金属ベース１の上面における周縁部に設けられている。具体的には、金属酸化膜８の対は、金属ベース１の上面における周縁部に沿ってライン状に連続的に形成されている。また、金属酸化膜８の対は同じ幅である。

ケース７ａと金属ベース１との接着に用いられる接着剤５もまた、金属ベース１の上面における周縁部に沿ってライン状に連続的に塗布されており、金属酸化膜８の対の間の領域に配置されている。接着剤５は、シリコーン系またはエポキシ系の接着剤である。接着剤５は、金属酸化膜８の対により囲まれているため、金属酸化膜８の対の間の領域の外側へ濡れ広がることが抑制される。

金属酸化膜８の対は、接着剤５の塗布前に、ファイバーレーザーなどのレーザー加工装置により形成される。この場合、レーザー加工装置における波長および周波数などの条件は、金属ベース１上の金属を融解または蒸発させる条件ではなく、金属ベース１上に金属酸化物を生成させる条件である。この条件でレーザー加工装置を用いて加工を行うことで、突起状の金属酸化膜８の対が形成される。なお、金属酸化膜８の対は、レーザー加工以外の方法で形成することも可能である。

接着剤５が例えば粘度１５０Ｐａ・ｓ程度のシリコーン系接着剤であり、かつ、接着剤５の幅を１ｍｍ、高さ位置を１ｍｍ程度に制御したい場合、金属酸化膜８の対の高さ位置が０．０２ｍｍ以上であれば、接着剤５の塗布後、時間経過による接着剤５の濡れ広がりを抑制できることが発明者による実験で明らかになっている。なお、上記では、金属酸化膜８の対は、金属ベース１の上面における周縁部に沿ってライン状に連続的に形成されていると説明を行ったが、これに限定されることなく、金属ベース１の上面における周縁部に沿って断続的に形成されていてもよい。

次に、図３～図５を用いて、実施の形態１に係る半導体装置の組み立て手順について説明を行う。図３～図５は、実施の形態１に係る半導体装置の組み立て手順を説明するための断面図である。

図３に示すように、絶縁基板２が金属ベース１の上面に接合され、複数の半導体素子４が接合材３ｂにより絶縁基板２の上面に接合される。接合材３ｂとしてはんだが用いられている。はんだ付けは、はんだの融点を超える温度にはんだを加熱して行われる。

なお、接合材３ｂとしてペーストはんだが用いられる場合は、絶縁基板２の上面にペーストはんだが印刷される。また、接合材３ｂとして板はんだが用いられる場合は、絶縁基板２の上面に板はんだが配置される。

次に、金属ベース１の上面における周縁部に、レーザー加工装置により金属酸化膜８の対が形成される。なお、金属酸化膜８の対の形成と共に、製品を個体識別管理するための管理番号を金属ベース１の上面にレーザー印字してもよい。

次に、リード電極７ｂが一体に設けられたケース７ａを金属ベース１に接着するために、接着剤５が金属酸化膜８の対の間の領域に塗布される。接着剤５の塗布後に、接着剤５を介して金属ベース１にケース７ａを密着させるまでの時間が長くなると接着剤５が濡れ広がろうとするが、接着剤５は金属酸化膜８の対により堰き止められるため、当該領域の外側へ濡れ広がることが抑制される。

図４と図５に示すように、ケース７ａは、金属ベース１の上面に塗布された接着剤５に密着させた状態で金属ベース１の上面に接着される。図４に示すように、接着剤５の高さ位置が金属酸化膜８の対の高さ位置よりも高い場合、ケース７ａが接着剤５を介して金属ベース１に密着したときに接着剤５が押しつぶされて広がるものの、接着剤５は金属酸化膜８の対の周囲に留まり、金属ベース１の下面に回り込むことを抑制できる。

なお、ケース７ａについて、治具等により圧力を適切に印加して金属ベース１の上面に密着させてもよい。また、ケース７ａを金属ベース１に密着させた後、接着剤５を硬化させるためにキュア加熱を必要に応じて実施してもよい。

図５に示すように、リード電極７ｂの他端側は、接合材３ａにより複数の半導体素子４の上面に接合される。接合材３ａは、半導体装置の動作温度を考慮して決定されるが、一般的には、接合材３ａとしてはんだが用いられる。なお、はんだである接合材３ａを加熱する際に、上記の接着剤５を硬化させるためのキュア加熱を実施してもよい。

次に、ケース７ａの内部に封止樹脂６（図１参照）が充填され、封止樹脂６により、絶縁基板２、複数の半導体素子４、およびリード電極７ｂの他端側が封止される。封止樹脂６として、シリコーンゲルまたはエポキシ樹脂が用いられるが、これに限定するものではなく、所望の弾性率、耐熱性、接着性、および線膨張係数などの物性を有している樹脂であればよい。所望の弾性率は、例えば、シリコーンゲルでは０．１ＭＰａ以上１０ＭＰａ以下程度、エポキシ樹脂では９ＧＰａ以上１３ＧＰａ以下程度であり、所望の耐熱性は、最大２００℃程度である。

封止樹脂６の充填後、封止樹脂６を硬化させるために半導体装置の組み立て体をキュア炉などに入れ、必要な硬化を行うことで半導体装置が完成する。その後、半導体装置に対して必要な電気的特性などの検査が行われる。

以上のように、実施の形態１に係る半導体装置は、金属ベース１と、金属ベース１上に配置された絶縁基板２と、絶縁基板２上に搭載された半導体素子４と、絶縁基板２および半導体素子４の側面を囲むように金属ベース１上に接着されたケース７ａとを備え、金属ベース１上の周縁部には、突起状の金属酸化膜８の対が設けられ、ケース７ａは、金属酸化膜８の対の間の領域に配置された接着剤５により金属ベース１に接着されている。

また、実施の形態１に係る半導体装置の製造方法は、金属ベース１上に絶縁基板２を接合し、絶縁基板２上に半導体素子４を搭載する工程（ａ）と、金属ベース１上の周縁部に、突起状の金属酸化膜８の対を形成する工程（ｂ）と、金属酸化膜８の対の間の領域に接着剤５を塗布する工程（ｃ）と、金属ベース１上にケース７ａを接着剤５により接着する工程（ｄ）と、ケース７ａに設けられたリード電極７ｂを半導体素子４に接合する工程（ｅ）と、ケース７ａの内部に封止樹脂６を充填する工程（ｆ）とを備えている。

したがって、接着剤５の塗布後に接着剤５を介して金属ベース１にケース７ａを密着させるまでの時間が長くなると接着剤５が濡れ広がろうとするが、接着剤５は金属酸化膜８の対により堰き止められるため、接着剤５の濡れ広がりが抑制される。これにより、金属ベース１のうねりまたはケース７ａと金属ベース１との形状差異により生じるケース７ａと金属ベース１との間の隙間を埋めるために必要な接着剤５の高さ位置を確保することができる。

その結果、ケース７ａと金属ベース１との間の隙間が大きい場合においてもケース７ａと金属ベース１とを隙間なく接着することで、封止樹脂６の漏れを抑制できるため、漏れた封止樹脂６が金属ベース１に付着して半導体装置の放熱性が低下することを抑制できる。さらに、封止樹脂６の漏れを抑制することでケース７ａの内部に必要な封止樹脂６の量を充填できるため、必要不可欠な絶縁性についても確保することができる。これにより、信頼性の高い半導体装置の製造が可能になる。

また、金属酸化膜８の対が設けられたことで、少量の接着剤５であってもある程度の接着剤５の高さ位置を確保することができるため、半導体装置の生産性向上が可能となる。

また、金属酸化膜８の対は、金属ベース１上の周縁部に沿ってライン状に形成されている。したがって、ケース７ａと金属ベース１とを接着する際に、接着剤５が押しつぶされて広がり過ぎることを抑制することができる。これにより、応力を低減するために必要な接着剤５の厚みを確保することができるため、接着剤５に印加される応力を低減できる。

また、工程（ｂ）において、金属酸化膜８の対は、金属ベース１上の周縁部にレーザーエネルギーを与えることにより形成されているため、容易に短時間で局所的に金属酸化膜８の対を形成することができる。また、金属ベース１のように熱容量が大きな部材であっても、エネルギー密度の高いレーザーであれば、金属酸化膜８の対を容易に形成することができる。

＜実施の形態２＞
次に、実施の形態２に係る半導体装置について説明する。図６は、実施の形態２に係る半導体装置におけるケース７ａ装着前の状態を示す上面図である。図７は、実施の形態２に係る半導体装置におけるケース７ａ装着前の状態を示す断面図である。なお、実施の形態２において、実施の形態１で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。

図６と図７に示すように、実施の形態２では、金属酸化膜８の対の側面を囲むように突起状の金属酸化膜９（第２の金属酸化膜に相当）の対がさらに設けられている。すなわち、接着剤５に近い方から金属酸化膜８の対、金属酸化膜９の対の順に配置されている。

金属酸化膜９の対は、金属ベース１の上面における周縁部に沿ってライン状に連続的に形成されている。また、金属酸化膜９の対は同じ幅である。ケース７ａと金属ベース１とを接着する際に、接着剤５が押しつぶされて濡れ広がった場合に金属酸化膜８の対からはみ出した接着剤５を堰き止めるために、金属酸化膜９の対の上端の高さ位置は、金属酸化膜８の対の上端の高さ位置よりも高く形成されている。

金属酸化膜９の対の形成方法については、金属酸化膜８の対の形成方法と同様であるため、その説明を省略する。

なお、金属酸化膜９の対は、金属酸化膜８の対の側面を必ずしも全周に渡って囲む必要はなく、金属ベース１の上面における周縁部に沿って断続的に設けられていてもよいし、必要な箇所に局所的に設けられていてもよい。

以上のように、実施の形態２に係る半導体装置では、金属ベース１上の周縁部には、金属酸化膜８の対の側面を囲むように突起状の金属酸化膜９の対が設けられている。したがって、接着剤５が濡れ広がって金属酸化膜８の対を乗り越えた場合に、金属酸化膜９の対は接着剤５を堰き止めることができる。これにより、実施の形態１に対して必要な接着剤５の高さ位置の確保についての確実性が向上する。

また、金属酸化膜９の対の上端の高さ位置は、金属酸化膜８の対の上端の高さ位置よりも高いため、ケース７ａと金属ベース１とを接着する際に、接着剤５が押しつぶされて広がり過ぎることをさらに抑制することができる。これにより、応力を低減するために必要な接着剤５の厚みを確保することができるため、接着剤５に印加される応力を低減できる。

＜実施の形態３＞
次に、実施の形態３に係る半導体装置について説明する。図８は、実施の形態３に係る半導体装置におけるケース７ａ装着前の状態を示す上面図である。なお、実施の形態３において、実施の形態１，２で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。

図８に示すように、実施の形態３では、ケース７ａと金属ベース１とを接着する際にねじ締結が併用されている。

金属ベース１の４つの角部には、ねじ締結用の貫通穴１ａが設けられている。ケース７ａにおける金属ベース１の貫通穴１ａに対向する位置には、ねじ締結用の穴部（図示省略）が設けられている。ケース７ａと金属ベース１は、穴部と貫通穴１ａを介して金属ベース１の下面からねじ締結される。

なお、ねじ締結に用いられるねじとして、通常の雄ねじの他にタッピングねじが用いられてもよい。また、ねじ締結において、治具などを介して間接的にねじの締結量を調整する方法が用いられてもよい。

ねじ締結を併用してケース７ａと金属ベース１とを接着する場合、金属ベース１の４つの角部については、ねじ締結によりケース７ａとの密着性が確保できるため、接着剤５は塗布されない。すなわち、接着剤５は、金属ベース１の上面における周縁部において４つの角部を除く領域にライン状に連続的に配置されている。金属酸化膜８の対は、接着剤５を囲むように、金属ベース１の上面における周縁部において４つの角部を除く領域にライン状に連続的に設けられている。

それ以外の基本的な構成は実施の形態1の場合と同様であるが、実施の形態２の場合と同様に金属酸化膜９の対をさらに設けてもよい。

以上のように、実施の形態３に係る半導体装置では、金属ベース１の角部には、ねじ締結用の貫通穴１ａが設けられ、ケース７ａにおける金属ベース１の貫通穴１ａに対向する位置には、ねじ締結用の穴部が設けられ、ケース７ａと金属ベース１は、穴部と貫通穴１ａを介してねじ締結されている。

したがって、ケース７ａと金属ベース１とをねじ締結した状態で接着剤５により接着することができるため、実施の形態１，２に対してケース７ａと金属ベース１とを精度良く強固に接着することができる。また、ねじ締結が併用されることで接着剤５の塗布量を抑制することができる。

なお、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１金属ベース、１ａ貫通穴、２絶縁基板、４半導体素子、５接着剤、６封止樹脂、７ａケース、７ｂリード電極、８，９金属酸化膜。

Claims

金属ベースと、
前記金属ベース上に配置された絶縁基板と、
前記絶縁基板上に搭載された半導体素子と、
前記絶縁基板および前記半導体素子の側面を囲むように前記金属ベース上に接着されたケースと、を備え、
前記金属ベース上の周縁部には、突起状の第１の金属酸化膜の対が設けられ、
前記ケースは、前記第１の金属酸化膜の対の間の領域に配置された接着剤により前記金属ベースに接着された、半導体装置。
前記第１の金属酸化膜の対は、前記金属ベース上の周縁部に沿ってライン状に形成された、請求項１に記載の半導体装置。
前記金属ベース上の周縁部には、前記第１の金属酸化膜の対の側面を囲むように突起状の第２の金属酸化膜の対が設けられた、請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
前記第２の金属酸化膜の対の上端の高さ位置は、前記第１の金属酸化膜の対の上端の高さ位置よりも高い、請求項３に記載の半導体装置。
前記金属ベースの角部には、ねじ締結用の貫通穴が設けられ、
前記ケースにおける前記金属ベースの前記貫通穴に対向する位置には、ねじ締結用の穴部が設けられ、
前記ケースと前記金属ベースは、前記穴部と前記貫通穴を介してねじ締結された、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置。
（ａ）金属ベース上に絶縁基板を接合し、前記絶縁基板上に半導体素子を搭載する工程と、
（ｂ）前記金属ベース上の周縁部に、突起状の第１の金属酸化膜の対を形成する工程と、
（ｃ）前記第１の金属酸化膜の対の間の領域に接着剤を塗布する工程と、
（ｄ）前記金属ベース上にケースを前記接着剤により接着する工程と、
（ｅ）前記ケースに設けられたリード電極を前記半導体素子に接合する工程と、
（ｆ）前記ケースの内部に封止樹脂を充填する工程と、
を備えた、半導体装置の製造方法。
前記工程（ｂ）において、前記第１の金属酸化膜の対は、前記金属ベース上の周縁部にレーザーエネルギーを与えることにより形成される、請求項６に記載の半導体装置の製造方法。