JPWO2014097798A1 - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

パワー半導体モジュール内に搭載されるパワー半導体チップの配線薄膜と対向しない面、及びボンディングワイヤの表面は、熱伝導性充填材を含まない封止樹脂Ａで封止されているとともに、封止樹脂Ａは熱伝導性充填材を含んだ封止樹脂Ｂで封止されていることにより、パワー半導体モジュールの冷却性能及び長期信頼性の両立が可能となる。

Description

この発明は、半導体装置に係り、特にパワー半導体チップを搭載したパワー半導体モジュールに関する。
ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）やパワーＭＯＳＦＥＴ、ＦＷＤ（フリーホイールダイオード）などのパワー半導体チップを複数個搭載し、インバータなどで電力制御用に用いられるパワー半導体モジュールと呼ばれる半導体装置が産業分野で広く用いられている。
パワー半導体モジュールでは、樹脂ケース内に配置される配線薄膜付き絶縁基板や、この配線薄膜上に半田などで接合されるパワー半導体チップを保護するために、樹脂ケース内にシリコーンゲルなどの封止樹脂を充填して封止する。このシリコーンゲルによって樹脂ケース内での絶縁性能（絶縁耐圧）が確保されている。
一方パワー半導体チップは動作時に高熱を発するため、パワー半導体チップからの冷却性能を高めることがパワー半導体モジュールの長期信頼性を確保するにあたって重要となる。そのため、既存のパワー半導体モジュールにおいては、パワー半導体チップを保持するための絶縁基板の裏側に、金属製のベース板を半田などで接合し、さらに冷却フィンを追加するなどして、冷却性能の向上を図っている。
図４は既存のパワー半導体モジュール１００の要部断面図である。パワー半導体チップ１は、アルミナなどの絶縁性材料で構成される絶縁基板３の表面に施された配線薄膜２上に、半田（図示せず）などを用いて接合される。なお配線薄膜２は銅や銅合金で構成されることが一般的である。
またパワー半導体チップ１は半導体チップの厚さ方向に電流を流すことにより電力を制御していることから、チップ両面で異なる機能を持つ電極が存在する。そこで半導体チップにおける配線薄膜に相対する面の反対側の面にも異なる配線を施す必要があり、この配線として一般には銅やアルミニウム、金などで構成されるボンディングワイヤ６が用いられている。
さらにパワー半導体チップ１からの発熱に対する冷却性能を確保するため、絶縁基板３と銅やアルミニウムなどで構成される金属ベース板５とを密着させている。なお密着手段として半田を用いる場合には図４に示す通り、絶縁基板の裏側にさらに銅や銅合金などで構成される金属薄膜４が必要となる。
上記構成及び各種配線（図示せず）をケース枠７の中に組み込んだ後、シリコーンゲルからなる封止樹脂Ａを充填し、さらにケース蓋８を取り付けてパワー半導体モジュール１００が完成する。
しかしながら既存のパワー半導体モジュール１００は、図５に示すように絶縁基板３や金属ベース板５は熱伝導率が高いことから放熱に寄与できる一方、封止用のシリコーンゲル（封止樹脂Ａ）は熱伝導率が低いことからほとんど放熱には寄与できない。そのためパワー半導体チップ１を高耐圧で使用する場合など、パワー半導体チップ１からの発熱が大きい場合では、十分な冷却性能が確保できず長期信頼性に問題がある場合が見られた。
そこで、特許文献１及び２に示されるように、封止用のシリコーンゲルに絶縁性でかつ高い熱伝導性を持つ充填材（フィラー）を加えることにより、冷却性能が改善することが知られている。充填材を加えたシリコーンゲルを有するパワー半導体モジュール１１０は図６に示すように、封止材のシリコーンゲルにシリカやアルミナ、ダイヤモンドなどの充填材を加え、絶縁性能を維持しながら熱伝導性を改善した封止樹脂Ｂを用いている。このことにより、パワー半導体モジュール１１０は、図７に示すようにパワー半導体チップ１の両面からの放熱が確保できるため、冷却性能が改善するものである。
一方、前記熱伝導性充填材を含んだシリコーンゲルでは従来のシリコーンゲルに比べて熱応力の影響が無視できなくなるため、基板や半導体チップに固定支持される突起電極では剥離の問題が起こり得る。そこで図８に示すパワー半導体モジュール１２０のように、突起電極１１の周辺では従来のシリコーンゲルで構成される封止樹脂Ａを用い、その上に充填材を含んだ封止樹脂Ｂを用いることも報告されている（特許文献２）。
特開平５−１２９４７４号公報 特開昭６２−２１２４９号公報
特許文献１及び２においては図６及び図８に示すように、パワー半導体チップの配線薄膜と対向しない面やボンディングワイヤの表面の封止には、熱伝導性充填材を含んだ封止樹脂Ｂが用いられている。
しかしながら本発明者の鋭意研究の結果、このような場合には長期信頼性に問題が起こることが明らかとなった。原因は以下の通りである。
パワー半導体モジュールを運転すると、発生損失に由来する温度サイクルが生じ、その結果、絶縁基板や金属ベース板の熱収縮によるパワー半導体チップの微振動や、ボンディングワイヤ自身の熱収縮による微振動が発生する。
一方で、前述の熱伝導性充填材は一般に硬度が高いため、温度サイクルによりパワー半導体チップやボンディングワイヤが微振動すると、硬度の高い充填材による摩耗が発生し、ボンディングワイヤの断線やパワー半導体チップの特性劣化などが起こるからである。
この発明の目的は、前記の課題を解決して、長期信頼性と冷却性能のいずれも優れている半導体装置を提供することにある。
前記の目的を達成するために、両面にチップ電極を有するパワー半導体チップと、主面に配線薄膜を有する絶縁基板と、ボンディングワイヤと、金属ベース板と、熱伝導性充填材を含まない樹脂Ａと、熱伝導性充填材を含む樹脂Ｂとを備え、前記パワー半導体チップは前記配線薄膜に載置され、前記ボンディングワイヤは前記チップ電極と、前記チップ電極以外の電極を電気的に接続し、前記絶縁基板は前記金属ベース板に載置され、前記パワー半導体チップの前記配線薄膜と対向しない面、および前記ボンディングワイヤの表面は前記樹脂Ａで封止されているとともに、該樹脂Ａは前記樹脂Ｂで封止されていることを特徴とする半導体装置とする。
この発明では、パワー半導体モジュールに搭載されるパワー半導体チップの配線薄膜と対向しない面、およびボンディングワイヤの表面は充填材を含まない封止樹脂Ａで封止されているとともに、封止樹脂Ａは熱伝導性充填材を含んだ封止樹脂Ｂで封止されている。
そのためパワー半導体チップから発生する熱を封止樹脂側へ放熱することが可能となるとともに、硬度の高い充填材による部材の摩耗を防止することができることから、長期信頼性と冷却性能の両立を図ることができる。
図１は、この発明の第１の実施例に係る半導体装置の断面図である。 図２は、この発明の第２の実施例に係る半導体装置の断面図である。 図３は、この発明の第３の実施例に係る半導体装置の断面図である。 図４は、この発明の第１の従来例に係る半導体装置の断面図である。 図５は、この発明の第１の従来例に係る半導体装置の放熱特性を示す模式図である。 図６は、この発明の第２の従来例に係る半導体装置の断面図である。 図７は、この発明の第２の従来例に係る半導体装置の放熱特性を示す模式図である。 図８は、この発明の第３の従来例に係る半導体装置の断面図である。
実施の形態を以下の実施例で説明する。
＜実施例１＞
図１はこの発明の第１の実施例に係る半導体装置の断面図である。
図１に示すパワー半導体モジュール１０において、ＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴ、ＦＷＤなどのパワー半導体チップ１は、アルミナや窒化アルミニウムなどで構成される絶縁基板３の表面にパターン形成された配線薄膜２上に、半田（図示せず）などを用いて接合されている。なお配線薄膜２は優れた電気伝導性を持つ銅や銅合金で構成され、いわゆるＤＣＢ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｏｐｐｅｒ Ｂｏｎｄｉｎｇ）法で形成可能である。
またパワー半導体チップ１の両面には、ＩＧＢＴではエミッタ、コレクタ及びゲート、ＦＷＤではカソード及びアノードといった異なる機能を持つチップ電極（図示せず）が配置されていることから、半田付け等で接合した配線薄膜２と対向する面に配置されたチップ電極の他に、その反対面に配置されたチップ電極にも配線が施されている必要がある。
そこで前記反対面に配置されたチップ電極からボンディングワイヤ６を用いて、チップ電極以外の電極へ配線が行われている。ここでボンディングワイヤ６は、電気伝導率やボンディング時の作業性などから、銅やアルミニウム、金などの金属もしくはその合金で構成されている。また、チップ電極以外の電極とは、例えば、次に説明する別パターン電極や、実施例３で説明する外部導出端子９のほか、半導体チップが複数ある場合の他の半導体チップの電極である。
ここでは一旦配線薄膜２の別パターン電極にボンディングワイヤ６で配線され、さらにこの配線薄膜パターンの他端から、改めて外部導出端子（図示せず）などに必要な配線が行われている。こうすることにより、ボンディングワイヤ６の長さを最小限にすることができるため、ボンディングワイヤの材料コストが無視できない場合（例えば金ワイヤを用いる場合）などには有益である。
また半導体チップ１からの発熱に対する冷却性能を確保するため、絶縁基板３を、金属薄膜４を介して銅やアルミニウムなどで構成される金属ベース板５と密着させている。半田（図示せず）を密着手段としている場合、絶縁基板３の表面に直接半田を密着させることは困難なため、絶縁基板３の表面に銅や銅合金で構成される金属薄膜４を追加している。金属薄膜４は配線薄膜２と同様、ＤＣＢ法で形成可能である。
なお絶縁基板３と金属ベース板５の密着手段として接着剤を用いる場合には、金属薄膜４は必ずしも必要ではない。
上記構成及び各種配線（図示せず）がケース枠７の中に組み込まれ、組み込まれたケース内部は局所的に熱伝導性充填材を含まない封止樹脂Ａで封止されている。これはパワー半導体チップ１の配線薄膜２と対向しない面及びボンディングワイヤ６の表面を、封止樹脂Ｂに含まれフィラーとして用いられる熱伝導性充填材などから保護するためである。封止樹脂Ａの封止材料としては特にシリコーンゲルを用いると有効であり、不可避的な不純物を除き熱伝導性充填材を含まないシリコーンゲルが好ましい。パワー半導体チップ１の配線薄膜２と対向しない面は、ボンディングワイヤ６が接続されたチップ電極の形成された面を少なくとも含む。
ここで封止材料としてシリコーンゲルを用いる理由は、高い耐久性や耐熱性を持つとともに、ゲル状のため図１に示すように充填範囲を制御することが可能だからである。
またケース内部は、封止樹脂Ａを覆って熱伝導性充填材を含む封止樹脂Ｂで封止されている。これは封止樹脂Ａ及びケース内部のその他の部材を異物や水分などから保護し、絶縁性を確保するとともに、パワー半導体チップ１からの発熱に対する冷却性能を改善するためである。封止樹脂Ｂの封止材料としては特にシリコーンゲルを用いると有効である。
封止樹脂Ｂの上記熱伝導性充填材には、アルミナ、シリカ、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化マグネシウム、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボンなどの無機材料で構成される粒状粉末を用いる。
なお製品コストを優先する場合にはアルミナやシリカ、ダイヤモンドライクカーボンなどの安価な材料を、冷却性能を優先する場合には炭化珪素や窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化マグネシウム、ダイヤモンドなどの熱伝導率の高い材料を選択すると有効である。
パワー半導体モジュール１０は、さらにケース蓋８が前記ケース枠７の開口面に載置されている。これはパワー半導体モジュール１０の内部に異物や水分が混入するのを防止し、絶縁性を確保するためである。
以上の説明からわかるように、本実施例では、パワー半導体チップ１の配線薄膜２と対向しない面、及びボンディングワイヤ６の表面は熱伝導性充填材を含まない封止樹脂Ａで局所的に封止され、それ以外の部分は熱伝導性充填材を含む封止樹脂Ｂで封止されている。
このことにより、熱伝導性充填材を最大限活用するとともに、パワー半導体チップ１の配線薄膜と対向しない面及びボンディングワイヤ６の表面を、熱伝導性充填材に起因する摩耗から保護することができる。そのため信頼性を確保しながら冷却性能をより良好にすることができることから、パワー半導体チップ１からの放熱を優先する場合に有効である。なお、さらに冷却性能を高めるために、金属ベース板５にフィンを追加することや、金属ベース板５や前記フィンを液体で冷却することも有効である。
＜実施例２＞
図２はこの発明の第２の実施例に係る半導体装置の断面図である。
この実施例のパワー半導体モジュール２０は、第１実施例に係るパワー半導体モジュール１０のケース内部に充填された封止樹脂に関し、熱伝導性充填材を含まない封止樹脂Ａを、局所的ではなくボンディングワイヤがすべて浸るまでケース内部に均等に充填して封止させている。
さらに、封止樹脂Ａの表面をすべて封止させるため、熱伝導性充填材を含む封止樹脂Ｂを互いに層状になるように充填して封止させている。
このようにすることにより、熱伝導性充填材を含まない封止樹脂Ａを局所的に充填する必要がなくなり、充填ノズルの位置を制御するための手段などが省けるため、パワー半導体モジュール２０の製造コストを優先する場合に有効である。
＜実施例３＞
図３はこの発明の第３の実施例に係る半導体装置の断面図である。
この実施例の半導体モジュール３０は、第２実施例に係るパワー半導体モジュール１００の配線に関し、ボンディングワイヤ６をチップ電極から直接、外部導出端子９に配線を施している。
このようにすることにより、ボンディングワイヤ６の長さは長くなる一方、外部導出端子９へのボンディングの工数は１回で済むため、ボンディングワイヤ６の材料コストより、ボンディング工数低減の方が有益な場合に有効である。
１ パワー半導体チップ
２ 配線薄膜
３ 絶縁基板
４ 金属薄膜
５ 金属ベース板
６ ボンディングワイヤ
７ ケース枠
８ ケース蓋
９ 外部導出端子
１１ 突起電極
１０、２０、３０、１００、１１０、１２０ パワー半導体モジュール
Ａ 熱伝導性充填材を含まない封止樹脂
Ｂ 熱伝導性充填材を含む封止樹脂
さらにパワー半導体チップ１からの発熱に対する冷却性能を確保するため、絶縁基板３と銅やアルミニウムなどで構成される金属ベース板５とを密着させている。なお密着手段として半田を用いる場合には図４に示す通り、絶縁基板３の裏側にさらに銅や銅合金などで構成される金属薄膜４が必要となる。
しかしながら既存のパワー半導体モジュール１００は、図５に示すように絶縁基板３や金属ベース板５は熱伝導率が高いことから放熱に寄与できる一方、封止用のシリコーンゲル（封止樹脂Ａ）は熱伝導率が低いことからほとんど放熱には寄与できない。そのためパワー半導体チップ１を高電流で使用する場合など、パワー半導体チップ１からの発熱が大きい場合では、十分な冷却性能が確保できず長期信頼性に問題がある場合が見られた。
図１は、この発明の第１の実施例に係る半導体装置の断面図である。 図２は、この発明の第２の実施例に係る半導体装置の断面図である。 図３は、この発明の第３の実施例に係る半導体装置の断面図である。 図４は、第１の従来例に係る半導体装置の断面図である。 図５は、第１の従来例に係る半導体装置の放熱特性を示す模式図である。 図６は、第２の従来例に係る半導体装置の断面図である。 図７は、第２の従来例に係る半導体装置の放熱特性を示す模式図である。 図８は、第３の従来例に係る半導体装置の断面図である。
この実施例のパワー半導体モジュール３０は、第２実施例に係るパワー半導体モジュール２０の配線に関し、ボンディングワイヤ６をチップ電極から直接、外部導出端子９に配線を施している。
このようにすることにより、ボンディングワイヤ６の長さは長くなる一方、外部導出端子９へのボンディングの工数は１回で済むため、ボンディングワイヤ６の材料コストより、ボンディング工数低減の方が有益な場合に有効である。

Claims (4)

  1. 両面にチップ電極を有するパワー半導体チップと、
    主面に配線薄膜を有する絶縁基板と、
    ボンディングワイヤと、
    金属ベース板と、
    熱伝導性充填材を含まない樹脂Ａと、
    熱伝導性充填材を含む樹脂Ｂと、
    を備え、
    前記パワー半導体チップは前記配線薄膜に載置され、
    前記ボンディングワイヤは前記チップ電極と、前記チップ電極以外の電極を電気的に接続し、
    前記絶縁基板は前記金属ベース板に載置され、
    前記パワー半導体チップの前記配線薄膜と対向しない面、および前記ボンディングワイヤの表面は前記樹脂Ａで封止されているとともに、
    該樹脂Ａは前記樹脂Ｂで封止されていることを特徴とする、
    半導体装置。
  2. 前記樹脂Ａと前記樹脂Ｂが互いに層状になっていることを特徴とする、
    請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記樹脂Ａ及び前記樹脂Ｂが、シリコーンゲルを主成分として構成されることを特徴とする、
    請求項１に記載の半導体装置。
  4. 前記熱伝導性充填材が、アルミナ、シリカ、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化マグネシウム、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボンの群から選ばれる１または２以上の物質で構成されることを特徴とする、
    請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置。
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