WO2017138402A1 - 半導体装置、パワーモジュール、およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
半導体装置(200)は、基板(80)と、基板(80)上に配置された少なくとも1つの半導体チップ(40)と、半導体チップ(40)および基板(80)上に配置され、半導体チップ(40)を覆うように形成される第1の樹脂層(14)と、第1の樹脂層(14)上に配置され、第1の樹脂層(14)の熱膨張率よりも小さい熱膨張率を有するとともに、第1の樹脂層(14)の弾性率よりも大きい弾性率を有する第2の樹脂層(15)とを備え、第2の樹脂層(15)は、第1の樹脂層(14)の少なくとも上面を覆うように形成される。半導体装置の反りを低減することで、熱抵抗を低減して電流密度を向上し、チップ数を削減して、低コスト化、小型化可能な半導体装置、パワーモジュール、およびその製造方法を提供する。
Description
本実施形態は、半導体装置、パワーモジュール、およびその製造方法に関する。
現在多くの研究機関において、シリコンカーバイド(SiC:Silicon Carbide)デバイスの研究開発が行われている。SiCパワーデバイスは、Siパワーデバイスよりも優れた低オン抵抗、高速スイッチングおよび高温動作特性を有する。
SiCパワーモジュールでは、SiCデバイスのロスが相対的に小さいため、大電流を導通可能であり、かつ高温動作が容易となったが、それを許容するためのパワーモジュールの設計は必須である。
SiCパワーデバイスのパッケージには、ケース型が採用されている。
一方、トランスファーモールドによって樹脂封止された半導体装置についても開示されている(例えば、特許文献1参照。)。
また、従来のパワーモジュールにおいて、半導体デバイスを封止するために、2種類の樹脂を適用する例も開示されている(例えば、特許文献2~6参照。)。
これまでのパワーモジュールでは、小型化の点で薄型パワーモジュールが求められ、実装プロセスにおいて、DBC(Direct Bonding Copper)基板、DBA(Direct Brazed Aluminum)基板、AMB(Active Metal Brazed, Active Metal Bond)基板、若しくはセラミックス基板などが使われている。
本実施形態は、半導体装置の反りを低減することで、熱抵抗を低減して電流密度を向上し、チップ数を削減して、低コスト化、小型化可能な半導体装置、パワーモジュール、およびその製造方法を提供する。
本実施形態の一態様によれば、基板と、前記基板上に配置された少なくとも1つの半導体チップと、前記半導体チップおよび前記基板上に配置され、前記半導体チップを覆うように形成される第1の樹脂層と、前記第1の樹脂層上に配置され、前記第1の樹脂層の熱膨張率よりも小さい熱膨張率を有するとともに、前記第1の樹脂層の弾性率よりも大きい弾性率を有する第2の樹脂層とを備え、前記第2の樹脂層は、前記第1の樹脂層の少なくとも上面を覆うように形成される半導体装置が提供される。
本実施形態の他の態様によれば、基板と、前記基板上に配置された少なくとも1つの半導体チップと、前記半導体チップおよび前記基板上に配置され、前記半導体チップを覆うように形成される第1の樹脂層と、前記第1の樹脂層上に配置され、前記第1の樹脂層の熱膨張率よりも小さい熱膨張率を有するとともに、前記第1の樹脂層の弾性率よりも大きい弾性率を有する第2の樹脂層とを備え、前記第2の樹脂層は、前記第1の樹脂層の少なくとも上面を覆うように形成される半導体装置を複数個備えるパワーモジュールが提供される。
本実施形態の他の態様によれば、基板と、前記基板上に配置された少なくとも1つの半導体チップと、前記半導体チップおよび前記基板上に配置され、前記半導体チップを覆うように形成される第1の樹脂層と、前記第1の樹脂層上に配置され、前記第1の樹脂層の熱膨張率よりも小さい熱膨張率を有するとともに、前記第1の樹脂層の弾性率よりも大きい弾性率を有する第2の樹脂層とを備え、前記第2の樹脂層は、前記第1の樹脂層の少なくとも上面を覆うように形成される半導体装置と、冷却器接着層を介して前記半導体装置の下面に接着された冷却器とを備えるパワーモジュールが提供される。
本実施形態の他の態様によれば、基板と、前記基板上に配置された少なくとも1つの半導体チップと、前記半導体チップおよび前記基板上に配置され、前記半導体チップを覆うように形成される第1の樹脂層と、前記第1の樹脂層上に配置され、前記第1の樹脂層の熱膨張率よりも小さい熱膨張率を有するとともに、前記第1の樹脂層の弾性率よりも大きい弾性率を有する第2の樹脂層とを備え、前記第2の樹脂層は、前記第1の樹脂層の少なくとも上面を覆うように形成される複数個の半導体装置と、冷却器接着層を介して前記複数の半導体装置の下面に接着された冷却器とを備えるパワーモジュールが提供される。
本実施形態の他の態様によれば、金型内に基板を設置するステップと、前記金型内に入れ子を挿入するステップと、前記入れ子を挿入した状態の前記金型に対して第1の樹脂を投入して、前記半導体チップを覆うように第1の樹脂層を形成するステップと、前記金型から前記入れ子を取り除くステップと、前記入れ子が取り除かれた状態の前記金型に対して第2の樹脂を投入して、前記第1の樹脂層の少なくとも上面を覆うように前記第1の樹脂層上に第2の樹脂層を形成するステップと、前記金型を取り外すステップとを有し、第2の樹脂層は、前記第1の樹脂層の熱膨張率よりも小さい熱膨張率を有するとともに、前記第1の樹脂層の弾性率よりも大きい弾性率を有する半導体装置の製造方法が提供される。
本実施形態の他の態様によれば、金型内に基板を設置するステップと、前記金型内に入れ子を挿入するステップと、前記入れ子を挿入した状態の前記金型に対して第1の樹脂を投入して、前記半導体チップを覆うように第1の樹脂層を形成するステップと、前記金型から前記入れ子を取り除くステップと、前記入れ子が取り除かれた状態の前記金型に対して第2の樹脂を投入して、前記第1の樹脂層の少なくとも上面を覆うように前記第1の樹脂層上に第2の樹脂層を形成するステップと、前記金型を取り外すステップと、前記基板の下面に冷却器接着層を介して冷却器を接着させるステップとを有し、第2の樹脂層は、前記第1の樹脂層の熱膨張率よりも小さい熱膨張率を有するとともに、前記第1の樹脂層の弾性率よりも大きい弾性率を有するパワーモジュールの製造方法が提供される。
本実施形態によれば、半導体装置の反りを低減することで、熱抵抗を低減して電流密度を向上し、チップ数を削減して、低コスト化、小型化可能な半導体装置、パワーモジュール、およびその製造方法を提供することができる。
次に、図面を参照して、実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
又、以下に示す実施の形態は、技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
[実施の形態]
(単一モールド構造を有するパワーモジュール)
単一モールド構造を有するパワーモジュール300の模式的断面構造は、図1(a)~(b)に示すように、半導体装置200と、冷却器接着層16を介して半導体装置200の下面に接着された冷却器100とを備える。半導体装置200は、セラミックス基板8と、基板8上に配置された銅箔(金属フレーム)3と、銅箔3上にチップ下接合層421、422、423を介してそれぞれ配置された半導体デバイス(半導体チップ)40(401、402、403)と、半導体チップ40(401、402、403)および銅箔3上に配置され、半導体チップ40(401、402、403)を封止する樹脂層14(汎用樹脂)と、基板8の裏面上に配置された銅箔9とを備える。図1に例示する冷却器100は、1つ以上の空洞部115を備える水冷式の冷却手段である。尚、以降、図1(b)に示すように、セラミックス基板8と、基板8の上下にそれぞれ配置された銅箔3、9とを含めて総称的にセラミックス基板80とも称する。
(単一モールド構造を有するパワーモジュール)
単一モールド構造を有するパワーモジュール300の模式的断面構造は、図1(a)~(b)に示すように、半導体装置200と、冷却器接着層16を介して半導体装置200の下面に接着された冷却器100とを備える。半導体装置200は、セラミックス基板8と、基板8上に配置された銅箔(金属フレーム)3と、銅箔3上にチップ下接合層421、422、423を介してそれぞれ配置された半導体デバイス(半導体チップ)40(401、402、403)と、半導体チップ40(401、402、403)および銅箔3上に配置され、半導体チップ40(401、402、403)を封止する樹脂層14(汎用樹脂)と、基板8の裏面上に配置された銅箔9とを備える。図1に例示する冷却器100は、1つ以上の空洞部115を備える水冷式の冷却手段である。尚、以降、図1(b)に示すように、セラミックス基板8と、基板8の上下にそれぞれ配置された銅箔3、9とを含めて総称的にセラミックス基板80とも称する。
図1(a)~図1(b)に示すようなパワーモジュール300では、半導体装置200と冷却器100とが一体化された一体型モジュールとして形成されており、半導体装置200と冷却器100との間に形成される冷却器接着層16の厚みが設計的課題となる。冷却器接着層16は、例えば、60W/mKの熱伝導シートや60W/mKのSnAg半田などから形成されており、冷却器接着層16の厚みは、半導体装置200の反りを十分に吸収するために必要な厚みに設計される。
図1(c)は、半導体装置200の反りを吸収するために150umの厚みに形成された冷却器接着層16を用いた場合の、単一モールド構造を有するパワーモジュール300を構成する各部材の熱抵抗の一例を模式的に示す。図1(c)に例示されるように、半導体チップ40(401、402、403)から冷却器100までのパワーモジュール300の全体の熱抵抗のうち、冷却器接着層16の熱抵抗が占める割合は、20%程度にもなっている。
そこで、半導体装置200の反りを低減しながら、冷却器接着層16の熱抵抗を低減する(ひいては半導体チップ40(401、402、403)から冷却器100までのパワーモジュール300全体の熱抵抗を低減する)ことが求められる。
図2~図3は、単一モールド構造を有するパワーモジュール300の製造工程を概略的に例示する。
単一モールド構造を有するパワーモジュール300の製造工程においては、まず、図2(a)~(b)に例示するように、セラミックス基板80上に半導体チップ40(401、402、403)をダイレクトボンディングし、その後、半導体チップを封止するために、樹脂層14で半導体チップをモールドする。すると、図3(a)に例示するように、半導体装置200に反りが発生する。
半導体装置200に生じる反りの要因としては、樹脂層14やセラミックス基板80の熱膨張率(CTE)、すなわち、温度変化により生じる収縮率が挙げられる。樹脂層14は、例えば約200℃といった高温で成型されるため、その後、常温に戻す際に、温度変化により生じる収縮率により、半導体装置200を構成する部材が収縮する。このとき、樹脂層14のように熱膨張率が比較的大きいと収縮率(CTF1)が大きくなり、セラミックス基板80のように熱膨張率(CTE)が比較的小さいと収縮率(CTF2)も小さくなる。そのため、樹脂層14やセラミックス基板80のように熱膨張率の異なるもの同士が密着していると反りが発生する。
その後、図4に例示するように、冷却器接着層16を介して、比較的フラットな形状の冷却器100を半導体装置200に接合することになる。そのため、図5(a)に例示するように、半導体装置200に生じている反りを吸収するために十分な厚さ(図5(a)の例では、反り量W1に応じた厚さ)を有する冷却器接着層16が必要になる。
そこで、冷却器接着層16の厚みをより薄くするために、半導体装置200の反りを低減することが求められる。
(パワーモジュール)
実施の形態に係るパワーモジュール300の主要部は、図5(b)に例示するように、半導体装置200と、冷却器接着層16を介して半導体装置200の下面に接着された冷却器100とを備える。図5(b)に例示する冷却器100は、1つ以上の空洞部115を備える水冷式の冷却手段である。
実施の形態に係るパワーモジュール300の主要部は、図5(b)に例示するように、半導体装置200と、冷却器接着層16を介して半導体装置200の下面に接着された冷却器100とを備える。図5(b)に例示する冷却器100は、1つ以上の空洞部115を備える水冷式の冷却手段である。
半導体装置200は、セラミックス基板80と、セラミックス基板80上に配置されたシリコンカーバイドデバイスやワイドバンドギャップ型のデバイス等からなるパワー回路用の半導体デバイス(半導体チップ)40(401、402、403)と、半導体チップ40(401、402、403)およびセラミックス基板80上に配置され、半導体チップ40(401、402、403)を覆うように形成される第1の樹脂層14(例えば汎用樹脂)と、第1の樹脂層14上に配置され、第1の樹脂層14の熱膨張率(CTE)よりも小さい熱膨張率(CTE)を有するとともに、第1の樹脂層14の弾性率よりも大きい弾性率を有する第2の樹脂層15(例えば多フィラー樹脂)とを備え、第2の樹脂層15は、第1の樹脂層14の少なくとも上面を覆うように形成される。
セラミックス基板80は、図1(b)の例を用いて説明したように、セラミックスの基板8と、基板8の上下に配置された銅箔3、9とを備えてもよい。また、セラミックス基板80の代わりに銅基板80Dを用いてもよい。
また、第1の樹脂層14および第2の樹脂層15は、ハードレジンである。
また、第1の樹脂層14の熱膨張率と第2の樹脂層15の熱膨張率は、ぞれぞれ、セラミックス基板80(或いは銅箔3)の熱膨張率よりも大きい。
また、第1の樹脂層14と第2の樹脂層15に含有されるフィラー13は、50容量パーセント濃度(vol%)のフィラー13を用いてもよい。
また、半導体チップ40は、単一のチップでもよいし、図5(b)に例示するように複数個の半導体チップ401、402、403でもよい。
このような、第1の樹脂層14と第2の樹脂層15とを組み合わせた二重モールド構造を用いることで、単一モールド構造を有するパワーモジュールにおける反り量W1に比べて、実施の形態に係る半導体装置200の反り量(図5(b)の例では、反り量W2)を大幅に低減することができる(詳細は後述する)。
また、半導体装置200の反り量が低減されることで、冷却器接着層16の熱抵抗を大幅に(最大15%)低減することが可能となる(詳細は後述する)。
また、第1の樹脂層14と第2の樹脂層15とを組み合わせた二重モールド構造を用いることで、モールド成型の温度を(例えば、約200℃から約180℃に)低減することができ、信頼性の向上や高効率化を図ることができる。
その結果、電流密度を上げることができるため、チップ数を削減して、低コスト化、小型化可能な半導体装置200およびパワーモジュール300を実現することができる。
(樹脂の構成とフィラーの役割)
まず、第1の樹脂層14に用いられる樹脂の観点から、一般的な樹脂(汎用樹脂)の構成を説明する。
まず、第1の樹脂層14に用いられる樹脂の観点から、一般的な樹脂(汎用樹脂)の構成を説明する。
図6(a)に例示するように、半導体チップ40を封止する樹脂の主材料は、エポキシ樹脂と反応に必要な硬化剤であるが、それ以外に主材料の半分以上をSiO2のフィラー13が占めている。フィラー13は、樹脂の熱膨張率(CTE)よりも小さい熱膨張率(CTE)を有するため、このようなフィラー13を樹脂に含有させることで、樹脂の実効熱膨張率を下げることができる。
例えば、一般的な樹脂は、約30以上と非常に高い熱膨張率を有するが、図6(b)に例示するように熱膨張率が比較的低いフィラー13を例えば56vol%入れることで、第1の樹脂層14の実効熱膨張率を約16に下げることができ、図6(c)に例示するように銅基板80Dの熱膨張率(CTE=16)に近づけることができる。
その結果、第1の樹脂層14の収縮率(CTF1)と銅基板80Dの収縮率(CTF2)とが同程度となるため、反りを抑制することができる。
(セラミックス基板における反りと密着力)
実施の形態に係るパワーモジュール300では、絶縁性を確保するため、セラミックス基板80のようなセラミックスの基板を用いる。セラミックス基板80の熱膨張率(CTE=3)は、銅基板80Dの熱膨張率(CTE=16)と比べても非常に低い。そのため、図7(a)に例示するように、セラミックス基板80の熱膨張率(CTE=3)と、汎用樹脂を用いる第1の樹脂層14の熱膨張率(CTE=16)とのCTE差(=約13)が大きく、その結果、半導体装置200の反り量が増大する(例えば56μm程度)。
実施の形態に係るパワーモジュール300では、絶縁性を確保するため、セラミックス基板80のようなセラミックスの基板を用いる。セラミックス基板80の熱膨張率(CTE=3)は、銅基板80Dの熱膨張率(CTE=16)と比べても非常に低い。そのため、図7(a)に例示するように、セラミックス基板80の熱膨張率(CTE=3)と、汎用樹脂を用いる第1の樹脂層14の熱膨張率(CTE=16)とのCTE差(=約13)が大きく、その結果、半導体装置200の反り量が増大する(例えば56μm程度)。
それに対して、図8(a)に例示するように、多フィラー樹脂を用いる第2の樹脂層15の熱膨張率は、最大量のフィラー13を入れても、CTE=9程度であるものの、第1の樹脂層14と比べると、セラミックス基板80の熱膨張率(CTE=3)とのCTE差(=約6)が小さくなり、その結果、半導体装置200の反り量は、第1の樹脂層14の場合と比べて、低減される(例えば15μm程度)。
その一方で、封止樹脂に用いられるフィラー13は、結合手を有していないため、図8(b)に例示するように、フィラー13が多いとセラミックス基板80と第2の樹脂層15との密着面積81が少なくなり、その結果、第2の樹脂層15とセラミックス基板80との密着力が低下し、信頼性も低下する。
それに対して、図7(b)に例示するように、汎用樹脂を用いる第1の樹脂層14の場合、第2の樹脂層15に比べると、含有するフィラー13が少なく、セラミックス基板80と第1の樹脂層14との密着面積81が多くなり、その結果、第1の樹脂層14とセラミックス基板80との密着力が増加し、信頼性も向上する。
(二重モールド構造)
実施の形態に係る半導体装置200およびパワーモジュール300に適用する封止樹脂として、図9(a)に示すような第2の樹脂層15(熱膨張率が比較的低く、反り量が比較的小さい多フィラー樹脂)と、図9(b)に示すような第1の樹脂層14(密着力が比較的高い汎用樹脂)とを用いる。
実施の形態に係る半導体装置200およびパワーモジュール300に適用する封止樹脂として、図9(a)に示すような第2の樹脂層15(熱膨張率が比較的低く、反り量が比較的小さい多フィラー樹脂)と、図9(b)に示すような第1の樹脂層14(密着力が比較的高い汎用樹脂)とを用いる。
より具体的には、図9(c)に例示するように、密着力の高い第1の樹脂層14を基板80側に成型し、反りを抑制する効果のある第2の樹脂層15を第1の樹脂層14の上面に付加することで、反り量と密着度のトレードオフを解消する。
多フィラー樹脂の単一モールド構造、汎用樹脂の単一モールド構造例、および多フィラー樹脂と汎用樹脂との二重モールド構造において、それぞれの反りと密着力の関係を模式的に、図10に例示する。
図11は、樹脂の厚みと反り量との関係(樹脂をどの程度の厚みにすれば、反りが抑制できるのか)を検証するためのシミュレーションに用いた二重モールド構造の例を模式的示す。シミュレーションに用いた二重モールド構造は、図11に例示するように、セラミックス基板80(CTE=3)の上に汎用樹脂を用いた第1の樹脂層14(CTE=16)を形成し、第1の樹脂層14の上面に多フィラー樹脂を用いた第2の樹脂層15(CTE=9)を形成した二重モールド構造である。
図12は、樹脂の厚みと反り量との関係を検証するためのシミュレーションの結果を模式的に示す。このシミュレーションにおいては、例えば、約50mm×約40mmの大きさの基板上に全樹脂厚t0=7.6mmに対し第1の樹脂層14の厚みt(mm)を横軸とし、反り量を縦軸としている。図12において、t=0mm(符号15)は、多フィラー樹脂(第2の樹脂層15)による単一モールド構造でのシミュレーション結果に対応し、t=7.6mm(符号14)は、汎用樹脂(第1の樹脂層14)による単一モールド構造でのシミュレーション結果に対応する。
図12において、反り量をプロットした結果、二重モールド構造の反り量は、第1の樹脂層14の厚みtが1~3mmの範囲において極小値が得られ、これは、多フィラー樹脂(第2の樹脂層15)による単一モールド構造でのシミュレーション結果の反り量(単一モールド構造での最小値)よりも優れた値(反りがさらに抑制された値)になっている。
単一モールド構造の場合は、第1の樹脂層14と第2の樹脂層15のそれぞれの熱膨張率と基板80の熱膨張率の差によって、反り量が決まる。この場合、図13に例示するように、第1の樹脂層14と第2の樹脂層15のそれぞれの熱膨張率(CTE=9、CTE=16)の方が基板80(CTE=3)の熱膨張率よりも大きいので、必ず下方向に反ることになる。
一方で、二重モールド構造の場合、図14に例示するように、基板80と第1の樹脂層14との間の境界(下境界)と、第1の樹脂層14と第2の樹脂層15との間の境界(上境界)の2つの境界がある。ここで、下境界と上境界においてそれぞれ反りが発生すると考えると、図14(a)に例示するように、基板80(CTE=3)と第1の樹脂層14(CTE=16)との間の下境界では下反りが生じ、図14(b)に例示するように、第1の樹脂層14(CTE=16)と第2の樹脂層15(CTE=9)との間の上境界では、CTE値の関係が下境界とは逆転しており、上反りが生じる。
このように、上境界における上反りの効果が高まることにより、下境界における下反りを抑制できる(図14(c))。
上境界における上反りの効果を高めるためには、(1)式に例示するように曲げ剛性を考慮する必要がある(互いの曲げ剛性のバランスで反り量が決まる(反りを0にすることも可能))。
剛性kB=EI/L、Ix=∫Ay2dA=at3/12 (1)
ここで、Eはヤング率、Lは長さ、aは幅、Iは断面二次モーメント、Aは断面積である(図15参照)。特に、剛性kBは、厚みtの3乗に比例するため、厚みtのバランスを調整することで、単一モールド構造よりもさらに反り量を低減させることができる。
剛性kB=EI/L、Ix=∫Ay2dA=at3/12 (1)
ここで、Eはヤング率、Lは長さ、aは幅、Iは断面二次モーメント、Aは断面積である(図15参照)。特に、剛性kBは、厚みtの3乗に比例するため、厚みtのバランスを調整することで、単一モールド構造よりもさらに反り量を低減させることができる。
(二重モールド構造の製造方法)
実施の形態に係る半導体装置200およびパワーモジュール300に適用する二重モールド構造の製造方法の一例は、図16~17に示すように表される。
実施の形態に係る半導体装置200およびパワーモジュール300に適用する二重モールド構造の製造方法の一例は、図16~17に示すように表される。
まず、図16(a)に例示するように、金型の厚さを可変できる入れ子金型350を用意し、金型350内に基板80を設置する。
次に、入れ子310を挿入した状態の金型350(小金型)に対して(図16(b))、汎用樹脂を投入して第1の樹脂層14(例えば樹脂厚2.5mm)を成型する(図16(c))。尚、図16(d)は、図16(c)に例示した工程後のモールド構造のイメージ図である。
次に、入れ子310を抜いた状態の金型350(大金型)に対して(図17(a))、多フィラー樹脂を投入して第2の樹脂層15(例えば樹脂厚7.6mm)を成型する(図17(b))。
次に、金型350を取り外すと、第1の樹脂層14と第2の樹脂層15とからなる二重モールド構造が得られる(図17(c))。尚、図17(d)は、図17(c)の工程後のモールド構造のイメージ図である。
その後、二重モールド構造により封止された半導体装置200の下面に、冷却器接着層16を介して冷却器100を接着させて、本実施の形態に係るパワーモジュール300が得られる。
(樹脂層の厚みと反り量との関係の検証)
図18(a)は、樹脂厚みと反り量との関係を検証するための実測試験に用いた単一モールド構造の例を模式的に示しており、例えば、約40mm×約30mmの大きさのセラミックス基板80上に汎用樹脂を用いた第1の樹脂層14を厚みt=7.6mmで形成している。
図18(a)は、樹脂厚みと反り量との関係を検証するための実測試験に用いた単一モールド構造の例を模式的に示しており、例えば、約40mm×約30mmの大きさのセラミックス基板80上に汎用樹脂を用いた第1の樹脂層14を厚みt=7.6mmで形成している。
また、図19(a)は、実測試験に用いた二重モールド構造の例を模式的に示しており、セラミックス基板80上に汎用樹脂を用いた第1の樹脂層14を厚みt=2.5mmで形成し、さらに第1の樹脂層14の上面に多フィラー樹脂を用いた第2の樹脂層15を形成している。
図18(a)の単一モールド構造を用いた場合の実測値(モジュール高さ分布)では、図18(b)に示すように、56μm程度の反りが生じている。その一方で、図19(a)の二重モールド構造を用いた場合の実測値(モジュール高さ分布)では、図19(b)に示すように12μm程度の反りに抑えられており、単一モールド構造を用いた実測値よりも低い値が得られている。
図22(a)は、先に図12に示したシミュレーション結果(折線)の模式的グラフ上に、この実測試験による反り量の実測値M1~M4をプロットした図である。実測値M1は、多フィラー樹脂を用いた第2の樹脂層15の単一モールド構造による反り量の実測値であり、実測値M2は、汎用樹脂を用いた第1の樹脂層14の単一モールド構造(図18(a))による反り量の実測値であり、実測値M3は、第1の樹脂層14と第2の樹脂層15との二重モールド構造(図19(a))による反り量の実測値である。それぞれの実測値S1、S2、S3は、図12に示したシミュレーション結果(折線)のデータと略一致している。尚、第2の樹脂層15の単一モールド構造による実測試験の結果、第2の樹脂層15と基板80との密着性が弱いことがわかった。
尚、図22(b)は、この実測試験において反り量を実際に測定したパワーモジュール300上の測定エリアMAを示しており、この測定エリアMAの縦横の寸法は、約40mm×50mm程度である。
また、図20は、樹脂厚みと反り量との関係を検証するための別のシミュレーションに用いたモールド構造であって、図20(a)単一モールド構造(多フィラー樹脂)の例を模式的に示し、図20(b)は、単一モールド構造(汎用樹脂)の例を模式的示し、図20(c)は、二重モールド構造(第1の樹脂層14+第2の樹脂層15)の例を模式的示している。また、図21は、図20に示した各モールド構造を用いたシミュレーションの結果を模式的に示す。
このシミュレーションにおいては、全樹脂厚t0=7mmに対し第1の樹脂層14の厚みt(mm)を横軸とし、反り量を縦軸としている。図21において、ポイントS1(t=0)は、多フィラー樹脂(第2の樹脂層15)の単一モールド構造でのシミュレーション結果に対応し、ポイントS2(t=7)は、汎用樹脂(第1の樹脂層14)による単一モールド構造でのシミュレーション結果に対応し、ポイントS3は、二重モールド構造(第1の樹脂層14+第2の樹脂層15)によるシミュレーション結果に対応する。図21から明らかなように、二重モールド構造の反り量は、第1の樹脂層14の厚みtが2.5mm付近において極小値(約37μm)が得られ、これも、多フィラー樹脂(第2の樹脂層15)の単一モールド構造での反り量(約42μm:単一モールド構造での最小値)よりも優れた値になっている。汎用樹脂(第1の樹脂層14)による単一モールド構造での反り量は、約121μmであった。
(パワーモジュールの熱抵抗)
以上説明したように、二重モールド構造を用いることにより反り量が低減したことで、実施の形態に係るパワーモジュール300に用いられる冷却器接着層16の厚みを削減することができるため、その結果、冷却器接着層16の熱抵抗も低下させることができる。
以上説明したように、二重モールド構造を用いることにより反り量が低減したことで、実施の形態に係るパワーモジュール300に用いられる冷却器接着層16の厚みを削減することができるため、その結果、冷却器接着層16の熱抵抗も低下させることができる。
図23(a)は、単一モールド構造を有するパワーモジュール300における熱抵抗を説明するための模式的断面構造図であり、図23(b)は、図23(a)のパワーモジュール300を構成する各部材の熱抵抗を例示する模式的グラフである。また、図24(a)は、二重モールド構造を有するパワーモジュール300における熱抵抗を説明するための模式的断面構造図であり、図24(b)は、図24(a)のパワーモジュール300を構成する各部材の熱抵抗を例示する模式的グラフである。
図23(a)に示す単一モールド構造を有するパワーモジュール300に用いられる冷却器接着層16の厚みを例えば150μmとすると、図24(a)に示す二重モールド構造を有するパワーモジュール300に用いられる冷却器接着層16の厚みは、約50μmまで削減できる。その結果、二重モールド構造を有するパワーモジュール300に用いられる冷却器接着層16の熱抵抗TR2を、単一モールド構造を有するパワーモジュール300に用いられる冷却器接着層16の熱抵抗TR1の約1/3程度まで低減させることが可能となる。そのため、二重モールド構造を有するパワーモジュール300全体の熱抵抗としても、約15%程度改善することができる。
このように、冷却器接着層16の熱抵抗TR2が約1/3程度まで低減すると、例えば、6枚の並列チップを搭載しているパワーモジュールなどにおいて、6枚のうちの1枚を削減することができるというインパクトに相当し、パワーモジュール等の低コスト・小型化に貢献することができる。
また、熱抵抗を低減することにより、安定した動作が可能となり、高効率化や高信頼性化にも貢献することができる。
(反りの温度特性)
図25は、図22に示した実測試験にそれぞれ用いた単一モールド構造と二重モールド構造のそれぞれの反りと温度との関係を例示する模式的グラフである。図25において、ポイントM13は、樹脂モールドの成型温度(175℃:反り量=0μm)であり、ポイントM11は、単一モールド構造を用いた場合の反り量(約56μm)であり、ポイントM12は、二重モールド構造を用いた場合の反り量(約12μm)である。
図25は、図22に示した実測試験にそれぞれ用いた単一モールド構造と二重モールド構造のそれぞれの反りと温度との関係を例示する模式的グラフである。図25において、ポイントM13は、樹脂モールドの成型温度(175℃:反り量=0μm)であり、ポイントM11は、単一モールド構造を用いた場合の反り量(約56μm)であり、ポイントM12は、二重モールド構造を用いた場合の反り量(約12μm)である。
図25から明らかなように、反りは、温度によって変化し、単一モールド構造を用いた場合の反り量は、成型温度(175℃)ではゼロであり、常温で約56μmとなる。一般的なパワーモジュール等の場合、信頼性の面から-50℃程度までの動作補償が求められており、単一モールド構造を用いた場合の反りは、-50℃では常温のときの約2倍の100μm程度も反ることになる。そうすると、1.5倍程度の設計マージンを考慮すると、単一モールド構造を用いた場合の冷却器接着層16の厚みは、150μm程度の反りを吸収するために、150μm程度必要になる。
その一方で、二重モールド構造を用いた場合の反り量は、常温で約12μmであり、-50℃においても約20μm程度であると考えられる。したがって、1.5倍程度の設計マージンを考慮しても、二重モールド構造を用いた場合の冷却器接着層16の厚みは、50μm弱の反りを吸収できる、約50μm程度に設定される。
(半導体装置の構成例)
実施の形態に係る半導体装置200の構成例(その1)は、図26(a)に例示するように、セラミックス基板80と、セラミックス基板80上に配置された単一の半導体チップ40と、半導体チップ40およびセラミックス基板80上に配置され、半導体チップ40を覆うように形成される第1の樹脂層14(例えば汎用樹脂)と、第1の樹脂層14上に配置され、第1の樹脂層14の熱膨張率(CTE)よりも小さい熱膨張率(CTE)を有するとともに、第1の樹脂層14の弾性率よりも大きい弾性率を有する第2の樹脂層15(例えば多フィラー樹脂)とを備え、第2の樹脂層15は、第1の樹脂層14の少なくとも上面を覆うように形成される。
実施の形態に係る半導体装置200の構成例(その1)は、図26(a)に例示するように、セラミックス基板80と、セラミックス基板80上に配置された単一の半導体チップ40と、半導体チップ40およびセラミックス基板80上に配置され、半導体チップ40を覆うように形成される第1の樹脂層14(例えば汎用樹脂)と、第1の樹脂層14上に配置され、第1の樹脂層14の熱膨張率(CTE)よりも小さい熱膨張率(CTE)を有するとともに、第1の樹脂層14の弾性率よりも大きい弾性率を有する第2の樹脂層15(例えば多フィラー樹脂)とを備え、第2の樹脂層15は、第1の樹脂層14の少なくとも上面を覆うように形成される。
実施の形態に係る半導体装置200の構成例(その2)では、図26(b)に例示するように、図26(a)の構成例(その1)に比べて、第1の樹脂層14の厚みを薄く形成している。図26(b)の例では、第1の樹脂層14の厚みは、半導体チップ40の高さよりも低く設定されている。また、第1の樹脂層14の厚みを薄くした分、第2の樹脂層15の厚みを増加させて、二重モールド構造全体の厚みを、構成例(その1)のものと同程度に形成している。
実施の形態に係る半導体装置200の構成例(その3)では、図26(c)に例示するように、第1の樹脂層14と第2の樹脂層15との間に第3の樹脂層17aを挿入している。第3の樹脂層17aの熱膨張率は、第1の樹脂層14の熱膨張率よりも小さく、且つ第2の樹脂層15の熱膨張率よりも大きい。また、第3の樹脂層17aの弾性率は、第1の樹脂層14の弾性率よりも大きく、且つ第2の樹脂層15の弾性率よりも小さい。
実施の形態に係る半導体装置200の構成例(その4)では、図26(d)に例示するように、第1の樹脂層14と第2の樹脂層15との間に第4の樹脂層17bを挿入している。第4の樹脂層17bは、比較的高い熱膨張率を有する樹脂(例えば第1の樹脂層14に用いられる樹脂)と比較的低い熱膨張率を有する樹脂(例えば第2の樹脂層15に用いられる樹脂)とが混合された樹脂を含有する。第4の樹脂層17bの熱膨張率は、第1の樹脂層14の熱膨張率よりも小さく、且つ第2の樹脂層15の熱膨張率よりも大きい。また、第4の樹脂層17bの弾性率は、第1の樹脂層14の弾性率よりも大きく、且つ第2の樹脂層15の弾性率よりも小さい。
尚、実施の形態に係る半導体装置200の構成例(その1~その4)においては、単一の半導体チップ40を搭載する例を示したが、搭載する半導体チップ40の数はこれに限定されず、必要に応じて、2以上の半導体チップ40を搭載しても良い。
(パワーモジュールの構成例)
実施の形態に係るパワーモジュール300の構成例(その1)は、図27(a)に例示するように、複数の半導体装置200を備えるパワーモジュール300である。より具体的には、セラミックス基板80と、セラミックス基板80上に配置された少なくとも1つの半導体チップ40(401、402、403、…、40n)と、半導体チップ40(401、402、403、…、40n)およびセラミックス基板80上に配置され、半導体チップ40(401、402、403、…、40n)を覆うように形成される第1の樹脂層14(例えば汎用樹脂)と、第1の樹脂層14上に配置され、第1の樹脂層14の熱膨張率(CTE)よりも小さい熱膨張率(CTE)を有するとともに、第1の樹脂層14の弾性率よりも大きい弾性率を有する第2の樹脂層15(例えば多フィラー樹脂)とを備え、第2の樹脂層15は、第1の樹脂層14の少なくとも上面を覆うように形成される半導体装置200を複数個(図27(a)の例ではn個)備える。各半導体装置200は、図示しないケース等に一体的に収容される。
実施の形態に係るパワーモジュール300の構成例(その1)は、図27(a)に例示するように、複数の半導体装置200を備えるパワーモジュール300である。より具体的には、セラミックス基板80と、セラミックス基板80上に配置された少なくとも1つの半導体チップ40(401、402、403、…、40n)と、半導体チップ40(401、402、403、…、40n)およびセラミックス基板80上に配置され、半導体チップ40(401、402、403、…、40n)を覆うように形成される第1の樹脂層14(例えば汎用樹脂)と、第1の樹脂層14上に配置され、第1の樹脂層14の熱膨張率(CTE)よりも小さい熱膨張率(CTE)を有するとともに、第1の樹脂層14の弾性率よりも大きい弾性率を有する第2の樹脂層15(例えば多フィラー樹脂)とを備え、第2の樹脂層15は、第1の樹脂層14の少なくとも上面を覆うように形成される半導体装置200を複数個(図27(a)の例ではn個)備える。各半導体装置200は、図示しないケース等に一体的に収容される。
図27(a)に示すパワーモジュール300の例では、単一の半導体チップ40を備える半導体装置200と、3つの半導体チップ401、402、403を備える半導体装置200と、n個の半導体チップ401、402、403、…、40nを備える半導体装置200とが備えられる。ただし、各半導体装置200が搭載する半導体チップ40の数は、図27(a)の例に限定されず、それぞれの半導体装置200が、それぞれ必要に応じた数の半導体チップ40を搭載しても良い。
実施の形態に係るパワーモジュール300の構成例(その2)では、図27(b)に例示するように、図27(a)の構成例(その1)に比べて、各半導体装置200の第1の樹脂層14の厚みを薄く形成している。図27(b)の例では、第1の樹脂層14の厚みは、半導体チップ40の高さよりも低く設定されている。また、第1の樹脂層14の厚みを薄くした分、第2の樹脂層15の厚みを増加させて、二重モールド構造全体の厚みを、図27(a)の構成例(その1)のものと同程度に形成している。
尚、図27(b)に示すパワーモジュール300の例では、第1の樹脂層14の厚みおよび第2の樹脂層15の厚みをそれぞれ一律にしているが、必要に応じて、半導体装置200毎に厚みを変更しても良い。
実施の形態に係るパワーモジュール300の構成例(その3)では、図27(c)に例示するように、各半導体装置200の第1の樹脂層14と第2の樹脂層15との間に第3の樹脂層17aを挿入している。第3の樹脂層17aの熱膨張率は、第1の樹脂層14の熱膨張率よりも小さく、且つ第2の樹脂層15の熱膨張率よりも大きい。また、第3の樹脂層17aの弾性率は、第1の樹脂層14の弾性率よりも大きく、且つ第2の樹脂層15の弾性率よりも小さい。
尚、図27(c)に示すパワーモジュール300の例では、第1の樹脂層14の厚み、第2の樹脂層15の厚み、第3の樹脂層17aの厚みをそれぞれ一律にしているが、必要に応じて、半導体装置200毎に厚みを変更しても良い。また、各層の熱膨張率や弾性率も、必要に応じて、半導体装置200毎に変更しても良い。また、第3の樹脂層17aを含まない半導体装置200がパワーモジュール300内に備えられても良い。
実施の形態に係るパワーモジュール300の構成例(その4)では、図27(d)に例示するように、各半導体装置200の第1の樹脂層14と第2の樹脂層15との間に第4の樹脂層17bを挿入している。第4の樹脂層17bは、比較的高い熱膨張率を有する樹脂(例えば第1の樹脂層14に用いられる樹脂)と比較的低い熱膨張率を有する樹脂(例えば第2の樹脂層15に用いられる樹脂)とが混合された樹脂を含有する。第4の樹脂層17bの熱膨張率は、第1の樹脂層14の熱膨張率よりも小さく、且つ第2の樹脂層15の熱膨張率よりも大きい。また、第4の樹脂層17bの弾性率は、第1の樹脂層14の弾性率よりも大きく、且つ第2の樹脂層15の弾性率よりも小さい。
尚、図27(d)に示すパワーモジュール300の例では、第1の樹脂層14の厚み、第2の樹脂層15の厚み、第4の樹脂層17bの厚みをそれぞれ一律にしているが、必要に応じて、半導体装置200毎に厚みを変更しても良い。また、各層の熱膨張率や弾性率も、必要に応じて、半導体装置200毎に変更しても良い。また、第4の樹脂層17bを含まない半導体装置200がパワーモジュール300内に備えられても良い。
(冷却器を備えるパワーモジュールの構成例)
冷却器100を備えた実施の形態に係るパワーモジュール300の構成例(その1)は、図28に例示するように、半導体装置200と、冷却器接着層16を介して半導体装置200の下面に接着された冷却器100とを備える。図28に例示する冷却器100は、1つ以上の空洞部115を備える水冷式の冷却手段である。また、半導体装置200の構成は、図26(a)に示した半導体装置200の構成例(その1)と同様であるので、詳細な説明は省く。
冷却器100を備えた実施の形態に係るパワーモジュール300の構成例(その1)は、図28に例示するように、半導体装置200と、冷却器接着層16を介して半導体装置200の下面に接着された冷却器100とを備える。図28に例示する冷却器100は、1つ以上の空洞部115を備える水冷式の冷却手段である。また、半導体装置200の構成は、図26(a)に示した半導体装置200の構成例(その1)と同様であるので、詳細な説明は省く。
尚、実施の形態に係るパワーモジュール300の構成例(その1)においては、図26(b)~(d)に示した半導体装置200と同様の構成を有する半導体装置200を備えても良い。
冷却器100を備えた実施の形態に係るパワーモジュール300の構成例(その2)は、図29に例示するように、複数の半導体装置200と、冷却器接着層16を介して複数の半導体装置200の下面に接着された冷却器100とを備える。図29に例示する冷却器100は、図28に示した冷却器100と同様であり、複数の半導体装置200の構成は、図27(a)に示したパワーモジュール300の構成例(その1)に備えられる複数の半導体装置200と同様であるので、詳細な説明は省く。
尚、パワーモジュール300の構成例(その2)においても、図27(b)~(d)に示した各パワーモジュール300が備える複数の半導体装置200と同様の構成を有する半導体装置200群を備えても良い。
冷却器100を備えた実施の形態に係るパワーモジュール300の構成例(その3)は、図30に例示するように、半導体装置200と、冷却器接着層16を介して半導体装置200の下面に接着された冷却器105とを備える。図30に例示する冷却器105は、1つ以上の冷却フィンを備える空冷式の冷却手段である。また、半導体装置200の構成は、図26(a)に示した半導体装置200の構成例(その1)と同様であるので、詳細な説明は省く。
尚、パワーモジュール300の構成例(その3)においても、図26(b)~(d)に示した半導体装置200と同様の構成を有する半導体装置200を備えても良い。
冷却器100を備えた実施の形態に係るパワーモジュール300の構成例(その4)は、図31に例示するように、複数の半導体装置200と、冷却器接着層16を介して複数の半導体装置200の下面に接着された冷却器105とを備える。図31に例示する冷却器105は、図30に示した冷却器105と同様であり、複数の半導体装置200の構成は、図27(a)に示したパワーモジュール300の構成例(その1)に備えられる複数の半導体装置200と同様である。
尚、パワーモジュール300の構成例(その4)においても、図27(b)~(d)に示した各パワーモジュール300が備える複数の半導体装置200と同様の構成を有する半導体装置200群を備えていても良い。
(半導体装置および半導体チップの詳細構成例)
実施の形態に係る半導体装置200であって、ツーインワンモジュール(2 in 1 Module:ハーフブリッジ内蔵モジュール)において、第2樹脂層15を形成前の模式的平面パターン構成は図32に示すように表され、第2樹脂層15を形成後の模式的鳥瞰構成は図34に示すように表される。また、実施の形態に係る半導体装置であって、半導体デバイス(チップ)としてSiC MISFETを適用した図32に対応したツーインワンモジュール(ハーフブリッジ内蔵モジュール)の回路構成は、図33に示すように表される。
実施の形態に係る半導体装置200であって、ツーインワンモジュール(2 in 1 Module:ハーフブリッジ内蔵モジュール)において、第2樹脂層15を形成前の模式的平面パターン構成は図32に示すように表され、第2樹脂層15を形成後の模式的鳥瞰構成は図34に示すように表される。また、実施の形態に係る半導体装置であって、半導体デバイス(チップ)としてSiC MISFETを適用した図32に対応したツーインワンモジュール(ハーフブリッジ内蔵モジュール)の回路構成は、図33に示すように表される。
実施の形態に係る半導体装置200は、2個のMISFETQ1・Q4が1つのモジュールに内蔵されたハーフブリッジ内蔵モジュールの構成を備える。
図32においては、MISFETQ1・Q4は、それぞれ4チップ並列に配置されている例が示されている。
実施の形態に係る半導体装置200は、図34に示すように、第2樹脂層15に被覆されたセラミックス基板8の第1の辺に配置された正側電力端子Pおよび負側電力端子Nと、第1の辺に隣接する第2の辺に配置されたゲート端子GT1・ソースセンス端子SST1と、第1の辺に対向する第3の辺に配置された出力端子Oと、第2の辺に対向する第4の辺に配置されたゲート端子GT4・ソースセンス端子SST4とを備える。ここで、図32に示すように、ゲート端子GT1・ソースセンス端子SST1は、MISFETQ1のゲート用信号配線パターンGL1・ソース用信号配線パターンSL1に接続され、ゲート端子GT4・ソースセンス端子SST4は、MISFETQ4のゲート用信号配線パターンGL4・ソース用信号配線パターンSL4に接続される。
図32に示すように、MISFETQ1・Q4から信号基板241・244上に配置されたゲート用信号配線パターンGL1・GL4およびソースセンス用信号配線パターンSL1・SL4に向けてゲート用ワイヤGW1・GW4およびソースセンス用ワイヤSSW1・SSW4が接続される。また、ゲート用信号配線パターンGL1・GL4およびソースセンス用信号配線パターンSL1・SL4には、外部取り出し用のゲート端子GT1・GT4およびソースセンス端子SST1・SST4が半田付けなどによって接続される。
図32に示すように、信号基板241・244は、セラミックス基板8上に、半田付けなどによって接続される。
また、実施の形態に係る半導体装置200であって、ハーフブリッジ内蔵モジュールにおいて、上面板電極221・224を形成後で第2樹脂層15を形成前の模式的鳥瞰構成は、図35に示すように表される。4チップ並列に配置されたMISFETQ1・Q4のソースS1・S4は、上面板電極221・224によって共通に接続される。尚、図35においては、ゲート用ワイヤGW1・GW4およびソースセンス用ワイヤSSW1・SSW4は図示を省略している。
また、図32~図35においては、図示は省略されているが、MISFETQ1・Q4のD1・S1間およびD4・S4間に逆並列にダイオードが接続されていても良い。
図32~図35に示された例では、4チップ並列に配置されたMISFETQ1・Q4のソースS1・S4は、上面板電極221・224によって共通に接続されているが、上面板電極221・224の代わりにソース同士がワイヤで導通されていても良い。
正側電力端子P・負側電力端子N、外部取り出し用のゲート端子GT1・GT4およびソースセンス端子SST1・SST4は、例えば、Cuで形成可能である。
信号基板241・244は、セラミックス基板で形成可能である。セラミックス基板は、例えば、Al2O3、AlN、SiN、AlSiC、若しくは少なくとも表面が絶縁性のSiCなどで形成されていても良い。
主配線導体(電極パターン)321・324・22nは、例えば、Cu、Alなどで形成可能である。
MISFETQ1・Q4のソースS1・S4と上面板電極221・224を接続する柱状電極251・254および上面板電極221・224部分は、例えば、Cu、CuMoなどで形成されていても良い。CTEの値が同等である同じ大きさの材料を比較すると、発生応力は、ヤング率の値が大きい材料の方が大きくなる。このため、ヤング率×CTEの数値が、より小さい材料を選定することによって、発生応力の値の小さな部材を達成することができる。CuMoは、このような利点を有している。また、CuMoは、Cuには劣るが、電気抵抗率も相対的に低い。また、上面板電極221・224間の表面に沿った離隔距離は、沿面距離と呼ばれる。沿面距離の値は、例えば、約2mmである。
ゲート用ワイヤGW1・GW4およびソースセンス用ワイヤSSW1・SSW4は、例えば、Al、AlCuなどで形成可能である。
MISFETQ1・Q4としては、SiC DIMISFET、SiC TMISFETなどのSiC系パワーデバイス、或いはGaN系高電子移動度トランジスタ(HEMT: High Electron Mobility Transistor)などのGaN系パワーデバイスを適用可能である。また、場合によっては、Si系MISFETやIGBTなどのパワーデバイスも適用可能である。
実施の形態に係る半導体装置200においては、4チップ構成のMISFETQ1は、主配線導体(電極パターン)321上に半田層などを介して配置された第1器部材101内の主配線導体(電極パターン)321上にチップ下接合層2を介して配置されている。さらに、第1器部材101内には、第1樹脂層141が充填され、4チップ構成のMISFETQ1を樹脂封止している。同様に、4チップ構成のMISFETQ4は、主配線導体(電極パターン)324上に半田層などを介して配置された第2器部材104内の主配線導体(電極パターン)324上にチップ下接合層2を介して配置されている。さらに、第2器部材104内には、第1樹脂層144が充填され、4チップ構成のMISFETQ4を樹脂封止している。第1樹脂層141と第1樹脂層144は同一材料で形成される。尚、器部材101・104は、図32および図35に示す例では複数のMISFETQ1・Q4を内包しているが、複数のMISFETQ1・Q4をそれぞれ内包するように配置しても良い。
実施の形態に係る半導体装置200の主要部は、セラミックス基板8と、セラミックス基板8上に配置された半導体デバイスQ1・Q4と、セラミックス基板8上に配置され、半導体デバイスQ1・Q4を囲む器部材101・104と、器部材101・104の内側に配置され、半導体デバイスQ1・Q4を封止する第1樹脂層141・144と、器部材101・104の外側および第1樹脂層141・144上に配置され、第1樹脂層141・144およびセラミックス基板8を封止する第2樹脂層15とを備える。
(半導体装置の具体例)
実施の形態に係る半導体装置20であって、ワンインワンモジュールのSiC MISFETの模式的回路表現は、図36(a)に示すように表され、ワンインワンモジュールのIGBTの模式的回路表現は、図36(b)に示すように表される。
実施の形態に係る半導体装置20であって、ワンインワンモジュールのSiC MISFETの模式的回路表現は、図36(a)に示すように表され、ワンインワンモジュールのIGBTの模式的回路表現は、図36(b)に示すように表される。
図36(a)には、MISFETQに逆並列接続されるダイオードDIが示されている。MISFETQの主電極は、ドレイン端子DTおよびソース端子STで表される。同様に、図36(b)には、IGBTQに逆並列接続されるダイオードDIが示されている。IGBTQの主電極は、コレクタ端子CTおよびエミッタ端子ETで表される。
また、実施の形態に係る半導体装置20であって、ワンインワンモジュールのSiC MISFETの詳細回路表現は、図37に示すように表される。
また、実施の形態に係る半導体装置20であって、ワンインワンモジュールのSiC MISFETの詳細回路表現は、図37に示すように表される。
実施の形態に係る半導体装置20は、例えば、ワンインワンモジュールの構成を備える。すなわち、1個のMISFETQが1つのモジュールに内蔵されている。一例として5チップ(MISFET×5)搭載可能であり、それぞれのMISFETQは、5個まで並列接続可能である。尚、5チップの内、一部をダイオードDI用として搭載することも可能である。
さらに詳細には、図37に示すように、MISFETQに並列にセンス用MISFETQsが接続される。センス用MISFETQsは、MISFETQと同一チップ内に、微細トランジスタとして形成されている。図37において、SSは、ソースセンス端子、CSは、電流センス端子であり、Gは、ゲート信号端子である。尚、実施の形態においても半導体デバイスQには、センス用MISFETQsが同一チップ内に、微細トランジスタとして形成されている。
また、実施の形態に係る半導体装置20Tであって、ツーインワンモジュールのSiC MISFETの模式的回路表現は、図38(a)に示すように表される。
図38(a)に示すように、2個のMISFETQ1・Q4と、MISFETQ1・Q4に逆並列接続されるダイオードD1・D4が1つのモジュールに内蔵されている。G1は、MISFETQ1のゲート信号端子であり、S1は、MISFETQ1のソース端子である。G4は、MISFETQ4のゲート信号端子であり、S4は、MISFETQ4のソース端子である。Pは、正側電源入力端子であり、Nは、負側電源入力端子であり、Oは、出力端子である。
また、実施の形態に係る半導体装置20Tであって、ツーインワンモジュールのIGBTの模式的回路表現は、図38(b)に示すように表される。図38(b)に示すように、2個のIGBTQ1・Q4と、IGBTQ1・Q4に逆並列接続されるダイオードD1・D4が1つのモジュールに内蔵されている。G1は、IGBTQ1のゲート信号端子であり、E1は、IGBTQ1のエミッタ端子である。G4は、IGBTQ4のゲート信号端子であり、E4は、IGBTQ4のエミッタ端子である。Pは、正側電源入力端子であり、Nは、負側電源入力端子であり、Oは、出力端子である。
(半導体デバイスの構成例)
実施の形態に適用可能な半導体デバイスの例であって、SiC MISFETの模式的断面構造は、図39(a)に示すように表され、IGBTの模式的断面構造は、図39(b)に示すように表される。
実施の形態に適用可能な半導体デバイスの例であって、SiC MISFETの模式的断面構造は、図39(a)に示すように表され、IGBTの模式的断面構造は、図39(b)に示すように表される。
実施の形態に適用可能な半導体デバイス110(Q)の例として、SiC MISFETの模式的断面構造は、図39(a)に示すように、n-高抵抗層からなる半導体基板126と、半導体基板126の表面側に形成されたpボディ領域128と、pボディ領域128の表面に形成されたソース領域130と、pボディ領域128間の半導体基板126の表面上に配置されたゲート絶縁膜132と、ゲート絶縁膜132上に配置されたゲート電極138と、ソース領域130およびpボディ領域128に接続されたソース電極134と、半導体基板126の表面と反対側の裏面に配置されたn+ドレイン領域124と、n+ドレイン領域124に接続されたドレイン電極136とを備える。
図39(a)では、半導体デバイス110は、プレーナゲート型nチャネル縦型SiC MISFETで構成されているが、後述する図43に示すように、nチャネル縦型SiC TMISFETなどで構成されていても良い。
また、実施の形態に適用可能な半導体デバイス110(Q)には、SiC MISFETの代わりに、GaN系FETなどを採用することもできる。
実施の形態に適用可能な半導体デバイス110には、SiC系、GaN系のいずれかのパワーデバイスを採用可能である。
さらには、実施の形態に適用可能な半導体デバイス110には、バンドギャップエネルギーが、例えば、1.1eV~8eVの半導体を用いることができる。
同様に、実施の形態に適用可能な半導体デバイス110A(Q)の例として、IGBTは、図39(b)に示すように、n-高抵抗層からなる半導体基板126と、半導体基板126の表面側に形成されたpボディ領域128と、pボディ領域128の表面に形成されたエミッタ領域130Eと、pボディ領域128間の半導体基板126の表面上に配置されたゲート絶縁膜132と、ゲート絶縁膜132上に配置されたゲート電極138と、エミッタ領域130Eおよびpボディ領域128に接続されたエミッタ電極134Eと、半導体基板126の表面と反対側の裏面に配置されたp+コレクタ領域124Pと、p+コレクタ領域124Pに接続されたコレクタ電極136Cとを備える。
図39(b)では、半導体デバイス110Aは、プレーナゲート型のnチャネル縦型IGBTで構成されているが、トレンチゲート型nチャネル縦型IGBTなどで構成されていても良い。
実施の形態に適用可能な半導体デバイス110の例であって、ソースパッド電極SP、ゲートパッド電極GPを含むSiC MISFETの模式的断面構造は、図40に示すように表される。ゲートパッド電極GPは、ゲート絶縁膜132上に配置されたゲート電極138に接続され、ソースパッド電極SPは、ソース領域130およびpボディ領域128に接続されたソース電極134に接続される。
また、ゲートパッド電極GPおよびソースパッド電極SPは、図40に示すように、半導体デバイス110の表面を覆うパッシベーション用の層間絶縁膜144上に配置される。尚、ゲートパッド電極GPおよびソースパッド電極SPの下方の半導体基板126内には、図39(a)或いは、図40の中央部と同様に、微細構造のトランジスタ構造が形成されていても良い。
さらに、図40に示すように、中央部のトランジスタ構造においても、パッシベーション用の層間絶縁膜144上にソースパッド電極SPが延在して配置されていても良い。
実施の形態に適用する半導体デバイス110Aの例であって、エミッタパッド電極EP、ゲートパッド電極GPを含むIGBTの模式的断面構造は、図41に示すように表される。ゲートパッド電極GPは、ゲート絶縁膜132上に配置されたゲート電極138に接続され、エミッタパッド電極EPは、エミッタ領域130Eおよびpボディ領域128に接続されたエミッタ電極134Eに接続される。
また、ゲートパッド電極GPおよびエミッタパッド電極EPは、図41に示すように、半導体デバイス110Aの表面を覆うパッシベーション用の層間絶縁膜144上に配置される。尚、ゲートパッド電極GPおよびエミッタパッド電極EPの下方の半導体基板126内には、図39(b)或いは、図41の中央部と同様に、微細構造のIGBT構造が形成されていても良い。
さらに、図41に示すように、中央部のIGBT構造においても、パッシベーション用の層間絶縁膜144上にエミッタパッド電極EPが延在して配置されていても良い。
―SiC DIMISFET―
実施の形態に適用可能な半導体デバイス110の例であって、SiC DIMISFETの模式的断面構造は、図42に示すように表される。
実施の形態に適用可能な半導体デバイス110の例であって、SiC DIMISFETの模式的断面構造は、図42に示すように表される。
実施の形態に適用可能なSiC DIMISFETは、図42に示すように、n-高抵抗層からなる半導体基板126と、半導体基板126の表面側に形成されたpボディ領域128と、pボディ領域128の表面に形成されたn+ソース領域130と、pボディ領域128間の半導体基板126の表面上に配置されたゲート絶縁膜132と、ゲート絶縁膜132上に配置されたゲート電極138と、ソース領域130およびpボディ領域128に接続されたソース電極134と、半導体基板126の表面と反対側の裏面に配置されたn+ドレイン領域124と、n+ドレイン領域124に接続されたドレイン電極136とを備える。
図42では、半導体デバイス110は、pボディ領域128と、pボディ領域128の表面に形成されたn+ソース領域130が、ダブルイオン注入(DI)で形成され、ソースパッド電極SPは、ソース領域130およびpボディ領域128に接続されたソース電極134に接続される。ゲートパッド電極GP(図示省略)は、ゲート絶縁膜132上に配置されたゲート電極138に接続される。また、ソースパッド電極SPおよびゲートパッド電極GP(図示省略)は、図42に示すように、半導体デバイス110の表面を覆うパッシベーション用の層間絶縁膜144上に配置される。
SiC DIMISFETは、図42に示すように、pボディ領域128に挟まれたn-高抵抗層からなる半導体基板126内に、破線で示されるような空乏層が形成されるため、接合型FET(JFET)効果に伴うチャネル抵抗RJFETが形成される。また、pボディ領域128/半導体基板126間には、図42に示すように、ボディダイオードBDが形成される。
―SiC TMISFET―
実施の形態に適用可能な半導体デバイス110の例であって、SiC TMISFETの模式的断面構造は、図43に示すように表される。
実施の形態に適用可能な半導体デバイス110の例であって、SiC TMISFETの模式的断面構造は、図43に示すように表される。
実施の形態に適用可能なSiC TMISFETは、図43に示すように、n層からなる半導体基板126Nと、半導体基板126Nの表面側に形成されたpボディ領域128と、pボディ領域128の表面に形成されたn+ソース領域130と、pボディ領域128を貫通し、半導体基板126Nまで形成されたトレンチの内にゲート絶縁層132および層間絶縁膜144U・144Bを介して形成されたトレンチゲート電極138TGと、ソース領域130およびpボディ領域128に接続されたソース電極134と、半導体基板126Nの表面と反対側の裏面に配置されたn+ドレイン領域124と、n+ドレイン領域124に接続されたドレイン電極136とを備える。
図43では、半導体デバイス110は、pボディ領域128を貫通し、半導体基板126Nまで形成されたトレンチ内にゲート絶縁層132および層間絶縁膜144U・144Bを介して形成されたトレンチゲート電極138TGが形成され、ソースパッド電極SPは、ソース領域130およびpボディ領域128に接続されたソース電極134に接続される。ゲートパッド電極GP(図示省略)は、ゲート絶縁膜132上に配置されたトレンチゲート電極138TGに接続される。また、ソースパッド電極SPおよびゲートパッド電極GP(図示省略)は、図43に示すように、半導体デバイス110の表面を覆うパッシベーション用の層間絶縁膜144U上に配置される。
SiC TMISFETでは、SiC DIMISFETのような接合型FET(JFET)効果に伴うチャネル抵抗RJFETは形成されない。また、pボディ領域128/半導体基板126N間には、ボディダイオードBDが形成される。
実施の形態に係る半導体装置を用いて構成した3相交流インバータ140の模式的回路構成において、半導体デバイスとしてSiC MISFETを適用し、電源端子PL、接地端子NL間にスナバコンデンサCを接続した回路構成例は、図44(a)に示すように表される。同様に、実施の形態に係る半導体装置を用いて構成した3相交流インバータ140Aの模式的回路構成において、半導体デバイスとしてIGBTを適用し、電源端子PL、接地端子NL間にスナバコンデンサCを接続した回路構成例は、図44(b)に示すように表される。
実施の形態に係る半導体装置を電源Eと接続する際、接続ラインの有するインダクタンスLによって、SiC MISFETやIGBTのスイッチング速度が速いため、大きなサージ電圧Ldi/dtを生ずる。例えば、電流変化di=300A、スイッチングに伴う時間変化dt=100nsecとすると、di/dt=3×109(A/s)となる。インダクタンスLの値により、サージ電圧Ldi/dtの値は変化するが、電源Vにこのサージ電圧Ldi/dtが重畳される。電源端子PLと接地端子NL間に接続されるスナバコンデンサCによって、このサージ電圧Ldi/dtを吸収することができる。
(半導体装置を適用した応用例)
次に、図45を参照して、半導体デバイスとしてSiC MISFETを適用した実施の形態に係る半導体装置20Tを用いて構成した3相交流インバータ140について説明する。
次に、図45を参照して、半導体デバイスとしてSiC MISFETを適用した実施の形態に係る半導体装置20Tを用いて構成した3相交流インバータ140について説明する。
図45に示すように、3相交流インバータ140は、ゲートドライブ部150と、ゲートドライブ部150に接続された半導体装置部152と、3相交流モータ部154とを備える。半導体装置部152は、3相交流モータ部154のU相、V相、W相に対応して、U相、V相、W相のインバータが接続されている。ここで、ゲートドライブ部150は、SiC MISFETQ1・Q4、SiC MISFETQ2・Q5、およびSiC MISFETQ3・Q6に接続されている。
半導体装置部152は、蓄電池(E)146が接続されたコンバータ148のプラス端子(+)とマイナス端子(-)間に接続され、インバータ構成のSiC MISFETQ1・Q4、Q2・Q5、およびQ3・Q6を備える。また、SiC MISFETQ1~Q6のソース・ドレイン間には、フリーホイールダイオードD1~D6がそれぞれ逆並列に接続されている。
次に、図46を参照して、半導体デバイスとしてIGBTを適用した実施の形態に係る半導体装置20Tを用いて構成した3相交流インバータ140Aについて説明する。
図46に示すように、3相交流インバータ140Aは、ゲートドライブ部150Aと、ゲートドライブ部150Aに接続された半導体装置部152Aと、3相交流モータ部154Aとを備える。半導体装置部152Aは、3相交流モータ部154AのU相、V相、W相に対応して、U相、V相、W相のインバータが接続されている。ここで、ゲートドライブ部150Aは、IGBTQ1・Q4、IGBTQ2・Q5、およびIGBTQ3・Q6に接続されている。
半導体装置部152Aは、蓄電池(E)146Aが接続されたコンバータ148Aのプラス端子(+)とマイナス端子(-)間に接続され、インバータ構成のIGBTQ1・Q4、Q2・Q5、およびQ3・Q6を備える。さらに、IGBTQ1~Q6のエミッタ・コレクタ間には、フリーホイールダイオードD1~D6がそれぞれ逆並列に接続されている。
本実施の形態に係る半導体装置或いはパワーモジュールは、ワンインワン、ツーインワン、フォーインワン、シックスインワン若しくはセブンインワン型のいずれにも形成可能である。
尚、本実施の形態に係る半導体装置或いはパワーモジュールにおいて、1次モールドの後、シールド板をかぶせ、更に2次モールドを行う構造を適用しても良い。このような構成により、電磁ノイズを低減することができる。
以上説明したように、本実施形態によれば、半導体装置の反りを低減することで、熱抵抗を低減して電流密度を向上し、チップ数を削減して、低コスト化、小型化可能な半導体装置、パワーモジュール、およびその製造方法を提供することができる。
[その他の実施の形態]
上記のように、実施の形態について記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
上記のように、実施の形態について記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
このように、ここでは記載していない様々な実施の形態などを含む。
本実施の形態の半導体装置およびパワーモジュールは、IGBTモジュール、ダイオードモジュール、MOSモジュール(Si、SiC、GaN)等の半導体モジュール作製技術に利用することができ、HEV/EV向けのインバータ、産業機器向けのインバータ、コンバータなど幅広い応用分野に適用可能である。
110、110A、Q、Q1~Q6、40、401、402、403、40n…半導体デバイス(半導体チップ)(MISFET、IGBT)
2、421、422、423…チップ下接合層
3、5、7、9、18b、18c…銅箔(金属フレーム)
8、80…セラミックス基板
10、101、104…器部材
13…フィラー
14、141、144…第1樹脂層(第1の樹脂層、汎用樹脂)
15…第2樹脂層(第2の樹脂層、多フィラー樹脂)
16…冷却器接着層
17a…第3の樹脂層
17b…第4の樹脂層
20、20T、200…半導体装置
221、224…上面板電極
241、244…信号基板
251、254…柱状電極
32、321、324、32n…主配線導体(電極パターン)
80D…銅基板
81…密着面積
100、105…冷却器
115…空洞部
300…パワーモジュール
310…入れ子
350…金型
a…幅
A…断面積
CTE、CTE1、CTE2…熱膨張率
CTF1、CTF2…収縮率
E…ヤング率
L…長さ
I…断面二次モーメント
M1、M2、M3、M4、M11、M12、M13…反り量の実測値
MA…測定エリア
S1、S2、S3…ポイント
t、t0…樹脂厚(厚み)
TR1、TR2…熱抵抗
W1、W2…反り量
2、421、422、423…チップ下接合層
3、5、7、9、18b、18c…銅箔(金属フレーム)
8、80…セラミックス基板
10、101、104…器部材
13…フィラー
14、141、144…第1樹脂層(第1の樹脂層、汎用樹脂)
15…第2樹脂層(第2の樹脂層、多フィラー樹脂)
16…冷却器接着層
17a…第3の樹脂層
17b…第4の樹脂層
20、20T、200…半導体装置
221、224…上面板電極
241、244…信号基板
251、254…柱状電極
32、321、324、32n…主配線導体(電極パターン)
80D…銅基板
81…密着面積
100、105…冷却器
115…空洞部
300…パワーモジュール
310…入れ子
350…金型
a…幅
A…断面積
CTE、CTE1、CTE2…熱膨張率
CTF1、CTF2…収縮率
E…ヤング率
L…長さ
I…断面二次モーメント
M1、M2、M3、M4、M11、M12、M13…反り量の実測値
MA…測定エリア
S1、S2、S3…ポイント
t、t0…樹脂厚(厚み)
TR1、TR2…熱抵抗
W1、W2…反り量
Claims (23)
- 基板と、
前記基板上に配置された少なくとも1つの半導体チップと、
前記半導体チップおよび前記基板上に配置され、前記半導体チップを覆うように形成される第1の樹脂層と、
前記第1の樹脂層上に配置され、前記第1の樹脂層の熱膨張率よりも小さい熱膨張率を有するとともに、前記第1の樹脂層の弾性率よりも大きい弾性率を有する第2の樹脂層と
を備え、前記第2の樹脂層は、前記第1の樹脂層の少なくとも上面を覆うように形成されることを特徴とする半導体装置。 - 前記第1の樹脂層および前記第2の樹脂層は、ハードレジンであることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記基板は、銅基板または表面に銅箔を有するセラミックス基板であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記第1の樹脂層の熱膨張率と前記第2の樹脂層の熱膨張率は、ぞれぞれ、前記基板の熱膨張率よりも大きいことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記第1の樹脂層の厚みは、前記半導体チップの高さよりも低くなるように形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。
- 前記第1の樹脂層と前記第2の樹脂層との間に挿入される第3の樹脂層をさらに備え、
前記第3の樹脂層の熱膨張率は、前記第1の樹脂層の前記熱膨張率よりも小さく、且つ前記第2の樹脂層の前記熱膨張率よりも大きく、
前記第3の樹脂層の弾性率は、前記第1の樹脂層の前記弾性率よりも大きく、且つ前記第2の樹脂層の前記弾性率よりも小さいことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 - 前記第1の樹脂層と前記第2の樹脂層との間に挿入される第4の樹脂層をさらに備え、
前記第4の樹脂層は、前記第1の樹脂層に用いられる樹脂と前記第2の樹脂層に用いられる樹脂とが混合された樹脂を含有し、
前記第4の樹脂層の熱膨張率は、前記第1の樹脂層の前記熱膨張率よりも小さく、且つ前記第2の樹脂層の前記熱膨張率よりも大きく、
前記第4の樹脂層の弾性率は、前記第1の樹脂層の前記弾性率よりも大きく、且つ前記第2の樹脂層の前記弾性率よりも小さいことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 - 前記第1の樹脂層と前記第2の樹脂層に含有されるフィラーは、それぞれ50容量パーセント濃度(vol%)以上であることを特徴とする請求項1~7のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記第1の樹脂層の厚さは、前記第2の樹脂層の厚さよりも薄いことを特徴とする請求項1~8のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 基板と、
前記基板上に配置された少なくとも1つの半導体チップと、
前記半導体チップおよび前記基板上に配置され、前記半導体チップを覆うように形成される第1の樹脂層と、
前記第1の樹脂層上に配置され、前記第1の樹脂層の熱膨張率よりも小さい熱膨張率を有するとともに、前記第1の樹脂層の弾性率よりも大きい弾性率を有する第2の樹脂層とを備え、前記第2の樹脂層は、前記第1の樹脂層の少なくとも上面を覆うように形成される半導体装置
を複数個備えることを特徴とするパワーモジュール。 - 基板と、前記基板上に配置された少なくとも1つの半導体チップと、前記半導体チップおよび前記基板上に配置され、前記半導体チップを覆うように形成される第1の樹脂層と、前記第1の樹脂層上に配置され、前記第1の樹脂層の熱膨張率よりも小さい熱膨張率を有するとともに、前記第1の樹脂層の弾性率よりも大きい弾性率を有する第2の樹脂層とを備え、前記第2の樹脂層は、前記第1の樹脂層の少なくとも上面を覆うように形成される半導体装置と、
冷却器接着層を介して前記半導体装置の下面に接着された冷却器と
を備えることを特徴とするパワーモジュール。 - 基板と、前記基板上に配置された少なくとも1つの半導体チップと、前記半導体チップおよび前記基板上に配置され、前記半導体チップを覆うように形成される第1の樹脂層と、前記第1の樹脂層上に配置され、前記第1の樹脂層の熱膨張率よりも小さい熱膨張率を有するとともに、前記第1の樹脂層の弾性率よりも大きい弾性率を有する第2の樹脂層とを備え、前記第2の樹脂層は、前記第1の樹脂層の少なくとも上面を覆うように形成される複数個の半導体装置と、
冷却器接着層を介して前記複数の半導体装置の下面に接着された冷却器と
を備えることを特徴とするパワーモジュール。 - 前記第1の樹脂層および前記第2の樹脂層は、ハードレジンであることを特徴とする請求項10~12のいずれか1項に記載のパワーモジュール。
- 前記基板は、銅基板または表面に銅箔を有するセラミックス基板であることを特徴とする請求項10~12のいずれか1項に記載のパワーモジュール。
- 前記第1の樹脂層の熱膨張率と前記第2の樹脂層の熱膨張率は、ぞれぞれ、前記基板の熱膨張率よりも大きいことを特徴とする請求項10~12のいずれか1項に記載のパワーモジュール。
- 前記第1の樹脂層の厚みは、前記半導体チップの高さよりも低くなるように形成されることを特徴とする請求項10~12のいずれか1項に記載のパワーモジュール。
- 前記第1の樹脂層と前記第2の樹脂層との間に挿入される第3の樹脂層をさらに備え、
前記第3の樹脂層の熱膨張率は、前記第1の樹脂層の前記熱膨張率よりも小さく、且つ前記第2の樹脂層の前記熱膨張率よりも大きく、
前記第3の樹脂層の弾性率は、前記第1の樹脂層の前記弾性率よりも大きく、且つ前記第2の樹脂層の前記弾性率よりも小さいことを特徴とする請求項10~12のいずれか1項に記載のパワーモジュール。 - 前記第1の樹脂層と前記第2の樹脂層との間に挿入される第4の樹脂層をさらに備え、
前記第4の樹脂層は、前記第1の樹脂層に用いられる樹脂と前記第2の樹脂層に用いられる樹脂とが混合された樹脂を含有し、
前記第4の樹脂層の熱膨張率は、前記第1の樹脂層の前記熱膨張率よりも小さく、且つ前記第2の樹脂層の前記熱膨張率よりも大きく、
前記第4の樹脂層の弾性率は、前記第1の樹脂層の前記弾性率よりも大きく、且つ前記第2の樹脂層の前記弾性率よりも小さいことを特徴とする請求項10~12のいずれか1項に記載のパワーモジュール。 - 前記第1の樹脂層と前記第2の樹脂層に含有されるフィラーは、それぞれ50容量パーセント濃度(vol%)以上であることを特徴とする請求項10~12のいずれか1項のいずれか1項に記載のパワーモジュール。
- 前記冷却器は、水冷式または空冷式の冷却器であることを特徴とする請求項11または12に記載のパワーモジュール。
- 前記第1の樹脂層の厚さは、前記第2の樹脂層の厚さよりも薄いことを特徴とする請求項10~12のいずれか1項に記載のパワーモジュール。
- 金型内に半導体チップが表面に搭載された基板を設置するステップと、
前記金型内に入れ子を挿入するステップと、
前記入れ子を挿入した状態の前記金型に対して第1の樹脂を投入して、前記基板の表面を覆うように第1の樹脂層を形成するステップと、
前記金型から前記入れ子を取り除くステップと、
前記入れ子が取り除かれた状態の前記金型に対して第2の樹脂を投入して、前記第1の樹脂層の少なくとも上面を覆うように前記第1の樹脂層上に第2の樹脂層を形成するステップと、
前記金型を取り外すステップと
を有し、
第2の樹脂層は、前記第1の樹脂層の熱膨張率よりも小さい熱膨張率を有するとともに、前記第1の樹脂層の弾性率よりも大きい弾性率を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 金型内にパワー回路が表面に搭載された基板を設置するステップと、
前記金型内に入れ子を挿入するステップと、
前記入れ子を挿入した状態の前記金型に対して第1の樹脂を投入して、前記基板の表面を覆うように第1の樹脂層を形成するステップと、
前記金型から前記入れ子を取り除くステップと、
前記入れ子が取り除かれた状態の前記金型に対して第2の樹脂を投入して、前記第1の樹脂層の少なくとも上面を覆うように前記第1の樹脂層上に第2の樹脂層を形成するステップと、
前記金型を取り外すステップと、
前記基板の下面に冷却器接着層を介して冷却器を接着させるステップと
を有し、
第2の樹脂層は、前記第1の樹脂層の熱膨張率よりも小さい熱膨張率を有するとともに、前記第1の樹脂層の弾性率よりも大きい弾性率を有することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
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