JP7483142B2 - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

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、ケースタイプ構造を有する半導体装置では、組立性および接合強度等の観点から、放熱性を有するベース板（放熱板に相当）と、半導体チップ（半導体素子に相当）を収容する樹脂等で成形されたケース（樹脂ケースに相当）とが金属製のネジにより接合されている（例えば、特許文献１参照）。

国際公開第２０１６／００６０６５号

しかしながら、従来のケースタイプ構造を有する半導体装置の製造では、樹脂ケース全体が一度に成形されるため、樹脂ケースの肉厚成形部に成形ボイドが発生しやすい。ここで、樹脂ケースの肉厚成形部とは、放熱板と接合するためのネジが螺合されるネジ穴の周囲である。そのため、樹脂ケースに形成されたネジ穴の周囲に発生する成形ボイドが要因となって様々な不良が誘発されるという問題があった。

そこで、本開示は、半導体装置において、樹脂ケース等の樹脂成形体に成形ボイドが発生することを抑制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、放熱板と、前記放熱板の上面に配置された絶縁基板と、前記絶縁基板の上面に搭載された半導体素子と、前記放熱板の上面における周縁部に配置され、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上下方向に延びる枠状の樹脂ケースと、前記樹脂ケースとは別体として前記樹脂ケースに着脱可能なように形成され、前記樹脂ケースに装着された状態で前記放熱板と接合された樹脂製の被接合部材とを備え、前記被接合部材には、前記放熱板と接合するためのネジが螺合されるネジ穴が形成されたものである。

本開示によれば、ネジ穴を有する被接合部材を樹脂ケースとは別体として成形することで、樹脂ケースにネジ穴が形成された場合の樹脂ケースの体積と比べて、被接合部材の体積は小さくなる。これにより、被接合部材は、樹脂が充填されやすくなることに加え、熱収縮の影響も少なくなるため、被接合部材に発生する成形ボイドが大幅に抑制される。

一方、樹脂ケースにおいては、肉厚成形部となるネジ穴が形成されないため、樹脂ケースに発生する成形ボイドも大幅に抑制される。以上より、樹脂成形体である樹脂ケースおよび被接合部材に成形ボイドが発生することを抑制できる。

この開示の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。

実施の形態１に係る半導体装置の分解斜視図である。 実施の形態１に係る半導体装置を底面側から視た分解斜視図である。 図２における放熱板と樹脂ケースとの接合箇所の拡大図である。 樹脂ケースに被接合部材が装着される工程を底面側から視た斜視図である。 被接合部材にネジ穴が形成される工程を底面側から視た斜視図である。 半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。 実施の形態２に係る半導体装置の分解斜視図である。 実施の形態２に係る半導体装置を底面側から視た分解斜視図である。 樹脂ケースに被接合部材が装着される前の状態について底面側から視た斜視図である。 樹脂ケースに被接合部材が装着された状態について底面側から視た斜視図と実線で囲んだ部分の拡大図である。

＜実施の形態１＞
＜半導体装置の構成＞
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分解斜視図である。図２は、実施の形態１に係る半導体装置を底面側から視た分解斜視図である。

図１において、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向は、互いに直交する。以下の図に示されるＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向も、互いに直交する。以下においては、Ｘ方向と、当該Ｘ方向の反対の方向である－Ｘ方向とを含む方向を「Ｘ軸方向」ともいう。また、以下においては、Ｙ方向と、当該Ｙ方向の反対の方向である－Ｙ方向とを含む方向を「Ｙ軸方向」ともいう。また、以下においては、Ｚ方向と、当該Ｚ方向の反対の方向である－Ｚ方向とを含む方向を「Ｚ軸方向」ともいう。

図１と図２に示すように、半導体装置は、放熱板１と、絶縁基板２と、複数の半導体素子３と、樹脂ケース４と、４つの被接合部材５とを備えている。

放熱板１は、熱伝導性の良い銅およびＡｌＳｉＣ等の金属板である。放熱板１は、上面視（Ｚ方向から視て）にて矩形状に形成され、放熱板１における４つの角部とＸ軸方向に延びる二辺の中央部には、半導体装置を外部機器（図示省略）に固定するためのネジ（図示省略）が挿通される貫通穴１ｂが形成されている。また、放熱板１の４つの角部に形成された貫通穴１ｂよりもＸ軸方向の中央側には、放熱板１と被接合部材５とを接合するためのネジ７が挿通される貫通穴１ａが形成されている。

絶縁基板２は、絶縁材料からなり、放熱板１の上面（Ｚ方向の面）における周縁部よりも内周側の領域に配置されている。複数の半導体素子３は、絶縁基板２の上面（Ｚ方向の面）に搭載されている。半導体素子３は、スイッチング素子およびダイオード素子であり、珪素を含んでいる。または、半導体素子３は、ワイドバンドギャップ半導体を含むものであってもよい。ワイドバンドギャップ半導体としては、炭化珪素、窒化ガリウム、およびダイヤモンドがある。なお、半導体素子３の個数は、複数に限定されることなく、１つであってもよい。

樹脂ケース４は、絶縁材料である樹脂からなる。樹脂ケース４は、放熱板１の上面（Ｚ方向の面）における周縁部に塗布された接着剤６上に配置され、絶縁基板２および半導体素子３の側面（Ｘ軸方向およびＹ軸方向の面）を囲むように上下方向（Ｚ軸方向）に延びる枠状に形成されている。樹脂ケース４の４つの角部には、それぞれ内周側に曲面状に凹む４つの湾曲部４ａが形成されている。また、樹脂ケース４におけるＸ軸方向に延びる二辺の中央部には、それぞれ内周側に曲面状に凹む２つの湾曲部４ｂが形成されている。

各被接合部材５は、絶縁材料である樹脂からなる。各被接合部材５は、樹脂ケース４とは別体として樹脂ケース４に着脱可能なように形成され、樹脂ケース４に装着された状態でネジ７により放熱板１と接合される。

次に、各被接合部材５が樹脂ケース４に着脱可能となる構造について説明する。図３は、図２における放熱板１と樹脂ケース４との接合箇所の拡大図である。図４（ａ），（ｂ）は、樹脂ケース４に被接合部材５が装着される工程を底面側（－Ｚ方向の面側）から視た斜視図である。具体的には、図４（ａ）は、樹脂ケース４に被接合部材５が装着される前の状態について底面側（－Ｚ方向の面側）から視た斜視図である。図４（ｂ）は、樹脂ケース４に被接合部材５が装着された状態について底面側（－Ｚ方向の面側）から視た斜視図である。

図３と図４（ａ），（ｂ）に示すように、樹脂ケース４における４つの角部の内周面には、内周側に突出する凸部４ｃの対が形成されている。具体的には、凸部４ｃの対は、樹脂ケース４の下端部（－Ｚ方向の端部）における湾曲部４ａとＸ軸方向に延びる二辺との境界線を挟む位置にそれぞれ形成されている。

被接合部材５は、上下方向（Ｚ軸方向）に延びる柱状に形成され、放熱板１の貫通穴１ａと連通するネジ穴５ａを有している。ネジ穴５ａは、底面（－Ｚ方向の面）から上方（Ｚ方向）の途中部まで延びている。被接合部材５における内周側の面は曲面であり、外周側の面は直交する２つの面からなる。被接合部材５の下端部（－Ｚ方向の端部）における外周部には、凸部４ｃの対と嵌合する凹部５ｂの対が形成されている。

具体的には、凹部５ｂの対は、被接合部材５における外周側の２つの面にそれぞれ形成されている。凹部５ｂの対が凸部４ｃの対にそれぞれ嵌合することで、被接合部材５が樹脂ケース４の角部の周辺部に装着される。樹脂ケース４に凸部４ｃの対が形成され、被接合部材５に凹部５ｂの対が形成されているため、凹部５ｂの対と凸部４ｃの対との嵌合時に、被接合部材５の一部が樹脂ケース４の外周側に突出しない構造となっている。

被接合部材５が樹脂ケース４に装着された状態で、ネジ７が放熱板１の底面側（－Ｚ方向の面側）から放熱板１の貫通穴１ａに挿通され、被接合部材５のネジ穴５ａに螺合されることで、放熱板１と被接合部材５が接合される。これにより、被接合部材５を介して放熱板１と樹脂ケース４が接合される。

被接合部材５は、樹脂ケース４とは別体として成形されることで、ネジ穴が形成された樹脂ケースの体積と比べて、被接合部材５の体積は小さくなる。これにより、被接合部材５は、樹脂が充填されやすくなることに加え、熱収縮の影響も少なくなるため、被接合部材５に発生する成形ボイドが大幅に抑制される。一方、樹脂ケース４においては、肉厚成形部となるネジ穴が形成されないため、樹脂ケース４に発生する成形ボイドも大幅に抑制される。

上記では、樹脂ケース４に凸部４ｃの対が形成され、被接合部材５に凹部５ｂの対が形成されているものと説明したが、樹脂ケース４に凹部の対が形成され、被接合部材５に凸部の対が形成されていてもよい。また、ネジ穴５ａは、被接合部材５の底面（－Ｚ方向の面）から上方（Ｚ方向）の途中部まで延びているものと説明したが、被接合部材５の底面（－Ｚ方向の面）から上面（Ｚ方向の面）まで延びるように被接合部材５を貫通していてもよい。

図５は、被接合部材５にネジ穴５ａが形成される工程を底面側（－Ｚ方向の面側）から視た斜視図である。具体的には、図５（ａ）は、被接合部材５にネジ穴５ａが形成される前の状態について底面側（－Ｚ方向の面側）から視た斜視図である。図５（ｂ）は、被接合部材５に形成されるネジ穴５ａを表した状態について底面側（－Ｚ方向の面側）から視た斜視図である。図５（ｃ）は、被接合部材５にネジ穴５ａが形成された状態について底面側（－Ｚ方向の面側）から視た斜視図である。

ネジ穴５ａは被接合部材５の成形時に形成されてもよいし、図５（ａ）～（ｃ）に示すように、被接合部材５の成形後に機械加工で形成されてもよい。

＜半導体装置の製造方法＞
次に、半導体装置の製造方法について説明する。図６は、半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。ここでは、被接合部材５の成形後にネジ穴５ａを形成する場合について説明する。

図６に示すように、最初に、樹脂ケース４が成形される（ステップＳ１）。次に、ネジ穴５ａがない状態の被接合部材５が成形される（ステップＳ２）。なお、樹脂ケース４の成形と被接合部材５の成形は互いに異なる金型を用いて行われるため、これらの工程は同時に行われてもよいし、被接合部材５の成形の後に樹脂ケース４の成形が行われてもよい。

次に、被接合部材５にネジ穴５ａが機械加工で形成される（ステップＳ３）。絶縁基板２上に半導体素子３が接合材（図示省略）により接合された後（ステップＳ４）、放熱板１の上面（Ｚ方向の面）に絶縁基板２が接合材（図示省略）により接合される（ステップＳ５）。そして、放熱板１の上面（Ｚ方向の面）における周縁部に接着剤６が塗布される（ステップＳ６）。

樹脂ケース４に被接合部材５が装着された後（ステップＳ７）、放熱板１上に塗布された接着剤６の上に樹脂ケース４が配置され、放熱板１と樹脂ケース４とが接着剤６で接合される（ステップＳ８）。

被接合部材５が樹脂ケース４に装着された状態で、ネジ７が放熱板１の底面側（－Ｚ方向の面側）から放熱板１の貫通穴１ａに挿通され、被接合部材５のネジ穴５ａに螺合することで、放熱板１と被接合部材５とがネジ７により接合される。これにより、被接合部材５を介して放熱板１と樹脂ケース４とが接合される（ステップＳ９）。

＜効果＞
以上のように、実施の形態１に係る半導体装置は、放熱板１と、放熱板１の上面（Ｚ方向の面）に配置された絶縁基板２と、絶縁基板２の上面（Ｚ方向の面）に搭載された半導体素子３と、放熱板１の上面（Ｚ方向の面）における周縁部に配置され、絶縁基板２および半導体素子３の側面（Ｘ方向およびＹ方向の面）を囲むように上下方向（Ｚ軸方向）に延びる枠状の樹脂ケース４と、樹脂ケース４とは別体として樹脂ケース４に着脱可能なように形成され、樹脂ケース４に装着された状態で放熱板１と接合された樹脂製の被接合部材５とを備え、被接合部材５には、放熱板１と接合するためのネジ７が螺合されるネジ穴５ａが形成されている。

したがって、ネジ穴５ａを有する被接合部材５を樹脂ケース４とは別体として成形することで、樹脂ケースにネジ穴が形成された場合の樹脂ケースの体積と比べて、被接合部材５の体積は小さくなる。これにより、被接合部材５は、樹脂が充填されやすくなることに加え、熱収縮の影響も少なくなるため、被接合部材５に発生する成形ボイドが大幅に抑制される。

一方、樹脂ケース４においては、肉厚成形部となるネジ穴が形成されないため、樹脂ケース４に発生する成形ボイドも大幅に抑制される。以上より、樹脂成形体である樹脂ケース４および被接合部材５に成形ボイドが発生することを抑制できる。

また、樹脂ケース４の内周面には、内周側に突出する凸部４ｃが形成され、被接合部材５の外周部には、凸部４ｃと嵌合する凹部５ｂが形成されている。したがって、凹部５ｂと凸部４ｃとの嵌合時に、被接合部材５の一部が樹脂ケース４の外周側に突出することを抑制できる。

また、半導体素子３は、ワイドバンドギャップ半導体を含むため、半導体装置の高温動作が可能となる。高温動作時に樹脂ケース４に成形ボイドがあると部分放電が発生し絶縁破壊に繋がるが、実施の形態１に係る半導体装置は、成形ボイドの発生を抑制できるため、高温動作時における成形ボイドの膨張による部分放電の発生が抑制され、絶縁性能が向上する。また、半導体素子３にワイドバンドギャップ半導体を採用することで、半導体素子３を小型化することができるため、省スペース化による半導体装置の小型化が可能となる。

また、実施の形態１に係る半導体装置の製造方法は、樹脂ケース４を成形する工程（ａ）と、被接合部材５を樹脂ケース４とは別体として成形する工程（ｂ）と、被接合部材５にネジ穴５ａを機械加工で形成する工程（ｃ）と、樹脂ケース４に被接合部材５を装着する工程（ｄ）と、放熱板１と被接合部材５とをネジ７により接合することで、放熱板１と樹脂ケース４とを接合する工程（ｅ）とを備えている。

ネジ穴５ａが形成されていない状態で被接合部材５を成形することで、ネジ穴５ａが形成された状態で成形した場合よりも樹脂成形体としての被接合部材５の構造が簡素化される。そのため、被接合部材５における樹脂の充填率が向上し、被接合部材５に発生する成形ボイドをさらに抑制することができる。

＜実施の形態２＞
＜半導体装置の構成＞
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７は、実施の形態２に係る半導体装置の分解斜視図である。図８は、実施の形態２に係る半導体装置を底面側（－Ｚ方向の面側）から視た分解斜視図である。図９は、樹脂ケース４に被接合部材５が装着される前の状態について底面側（－Ｚ方向の面側）から視た斜視図である。図１０は、樹脂ケース４に被接合部材５が装着された状態について底面側（－Ｚ方向の面側）から視た斜視図と実線で囲んだ部分の拡大図である。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７と図８に示すように、実施の形態２では、半導体装置は、放熱板１と、絶縁基板２と、複数の半導体素子３と、樹脂ケース４Ａと、４つの被接合部材５Ａとを備えている。

図９と図１０に示すように、樹脂ケース４Ａは、樹脂ケース４の構造に加えて、上下方向（Ｚ軸方向）に延びるガイド溝４ｄを備えている。ガイド溝４ｄは、樹脂ケース４Ａの内周面における凸部４ｃの対の周辺部に形成されている。より具体的には、ガイド溝４ｄは、樹脂ケース４Ａの内周面におけるＸ軸方向に延びる二辺側に形成された凸部４ｃと隣接する位置に形成されている。

一方、被接合部材５Ａは、被接合部材５の構造に加えて、ガイド溝４ｄの延在方向に沿って移動可能なように嵌まるガイド凸部５ｃを備えている。ガイド凸部５ｃは、被接合部材５Ａの外周部における凹部５ｂの周辺部に形成されている。より具体的には、ガイド凸部５ｃは、被接合部材５Ａの外周部におけるＸ軸方向に延びる二辺側の凸部４ｃと嵌合する凹部５ｂと隣接する位置に形成されている。

次に、樹脂ケース４Ａに対する被接合部材５Ａの装着方法について説明する。図９に示すように、樹脂ケース４Ａにおけるガイド溝４ｄの上端側（Ｚ方向の端側）に被接合部材５Ａのガイド凸部５ｃが嵌め込まれ、この状態で被接合部材５Ａがガイド溝４ｄの延在方向に沿って移動される。

図１０に示すように、ガイド凸部５ｃがガイド溝４ｄの下端（－Ｚ方向の端）に到達したとき、被接合部材５Ａの凹部５ｂの対が樹脂ケース４Ａの凸部４ｃの対に嵌合し、被接合部材５Ａが樹脂ケース４Ａに装着される。これにより、被接合部材５Ａが樹脂ケース４Ａに装着された状態では、ガイド溝４ｄとガイド凸部５ｃが嵌合すると共に、凹部５ｂの対が凸部４ｃの対に嵌合している。すなわち、樹脂ケース４Ａと被接合部材５Ａは３箇所で嵌合している。

なお、上記では、ガイド溝４ｄとガイド凸部５ｃは、樹脂ケース４Ａと被接合部材５Ａにそれぞれ１つずつ形成されているものと説明したが、それぞれ２つずつ形成されていてもよい。この場合、他方のガイド溝４ｄは、樹脂ケース４Ａの内周面における湾曲部４ａ側に形成された凸部４ｃと隣接する位置に形成される。また、他方のガイド凸部５ｃは、被接合部材５Ａの外周部における湾曲部４ａ側の凸部４ｃと嵌合する凹部５ｂと隣接する位置に形成される。

＜効果＞
以上のように、実施の形態２に係る半導体装置では、樹脂ケース４Ａの内周面における凸部４ｃの周辺部には、上下方向（Ｚ軸方向）に延びるガイド溝４ｄが形成され、被接合部材５Ａの外周部における凹部５ｂの周辺部には、ガイド溝４ｄの延在方向に沿って移動可能なように嵌まるガイド凸部５ｃが形成されている。

したがって、ガイド溝４ｄは、被接合部材５Ａを樹脂ケース４Ａに装着する際のガイドとして機能する。また、実施の形態１の場合よりも樹脂ケース４Ａと被接合部材５Ａとの嵌合箇所が増えているため、ネジ７を取り付ける際のねじりに対する強度が向上する。

この開示は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、限定的なものではない。例示されていない無数の変形例が、想定され得るものと解される。

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 放熱板、２ 絶縁基板、３ 半導体素子、４，４Ａ 樹脂ケース、４ｃ 凸部、４ｄ ガイド溝、５，５Ａ 被接合部材、５ａ ネジ穴、５ｂ 凹部、５ｃ ガイド凸部、７ ネジ。

Claims (5)

1. 放熱板と、
   前記放熱板の上面に配置された絶縁基板と、
   前記絶縁基板の上面に搭載された半導体素子と、
   前記放熱板の上面における周縁部に配置され、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上下方向に延びる枠状の樹脂ケースと、
   前記樹脂ケースとは別体として前記樹脂ケースに着脱可能なように形成され、前記樹脂ケースに装着された状態で前記放熱板と接合された樹脂製の被接合部材と、を備え、
   前記被接合部材には、前記放熱板と接合するためのネジが螺合されるネジ穴が形成された、半導体装置。
2. 前記樹脂ケースの内周面には、内周側に突出する凸部が形成され、
   前記被接合部材の外周部には、前記凸部と嵌合する凹部が形成された、請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記樹脂ケースの前記内周面における前記凸部の周辺部には、上下方向に延びるガイド溝が形成され、
   前記被接合部材の前記外周部における前記凹部の周辺部には、前記ガイド溝の延在方向に沿って移動可能なように嵌まるガイド凸部が形成された、請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体を含む、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 請求項１に記載の半導体装置を製造する半導体装置の製造方法であって、
   （ａ）前記樹脂ケースを成形する工程と、
   （ｂ）前記被接合部材を前記樹脂ケースとは別体として成形する工程と、
   （ｃ）前記被接合部材に前記ネジ穴を機械加工で形成する工程と、
   （ｄ）前記樹脂ケースに前記被接合部材を装着する工程と、
   （ｅ）前記放熱板と前記被接合部材とを前記ネジにより接合することで、前記放熱板と前記樹脂ケースとを接合する工程と、
   を備えた、半導体装置の製造方法。

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