WO2023136264A1

WO2023136264A1 - 樹脂封止型半導体装置

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Publication number: WO2023136264A1
Application number: PCT/JP2023/000462
Authority: WO
Inventors: 隆一石井
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Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2022-01-13
Filing date: 2023-01-11
Publication date: 2023-07-20
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Abstract

信頼性の向上と長寿命化を実現する樹脂封止型半導体装置を提供する。　第２の接合材（４１、４２）は、半田接合材からなる第１の接合材（１０）の融点よりも高い融点を有し、パワーモジュール（１０１）と冷却器（１１）とが第１の接合材（１０）により接合される接合面のうち、一方の接合面は銅板の他方の面部であり、他方の接合面は冷却器（１１）におけるパワーモジュール側の面部であり、冷却器（１１）におけるパワーモジュール側の面部は、銅、又は銅の半田濡れ性と同等以上の半田濡れ性を有する金属、により形成されるように構成された樹脂封止型半導体装置。

Description

樹脂封止型半導体装置

　本願は、樹脂封止型半導体装置に関するものである。

　電力用半導体素子を実装した半導体装置では、近年、大容量化が進んでいる。電力用半導体素子に大電流を流すためには、半導体素子に発生する熱を効率よく放散させる必要があり、そのため、半導体素子とヒートシンクなどの冷却器との間に存在する絶縁部材および接合部材の低熱抵抗化が図られている。

　たとえば、特許文献１に開示された樹脂封止型半導体装置は、半導体素子を含むパワーモジュールと冷却器とを接合するモジュール接合材として、銀、銅、ビスマスを含有した半田接合材を用い、パワーモジュールと冷却器との間の熱抵抗の低減を図るようにしている。また、特許文献１には、パワーモジュールにおける半導体素子とリードフレームとを接合するチップ上接合材にアンチモンを含有した半田接合材を用い、チップ上接合材の融点がモジュール接合材の融点よりも高くなるようにして、モジュール接合材によるパワーモジュールと冷却器との接合時に、チップ上接合材が再溶融するのを防止する技術が開示されている。

　さらに、前述のような従来の樹脂封止型半導体装置において、モジュール接合材としての半田接合材に対する半田濡れ性の向上を図るために、冷却器のパワーモジュールに接合される側の面部にニッケルメッキを施すようにした樹脂封止型半導体装置が提案されている。

特許第６８７７６００号公報

　モジュール接合材としての半田接合材に対する半田濡れ性を確保するために、冷却器におけるパワーモジュールに接合される側の面部にニッケルメッキを施すようにした樹脂封止型半導体装置の場合、ギ酸還元リフロー設備を用いて半田付け作業を行なうか、活性力が極めて高いフラックスを使用して半田付け作業を行なう必要があるが、これらの何れの半田付け作業を行なっても、個々の樹脂封止型半導体装置の間でモジュール接合材としての半田接合材に対する半田濡れ性にバラツキが生じる。そのため、半田接合材にボイドが発生して熱抵抗が増加し品質が低下する場合があり、樹脂封止型半導体装置に対する信頼性が低下するという課題があった。

　また、モジュール接合材として半田接合材を用いた場合には、半田接合材が脆弱であることから温度変化が繰り返されることにより半田接合材にクラックが発生し、樹脂封止型半導体装置の寿命が低下するという課題があった。

　本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、信頼性の向上と長寿命化を実現する樹脂封止型半導体装置を提供することを目的とする。

　本願に開示される樹脂封止型半導体装置は、
　パワーモジュールと、前記パワーモジュールに半田接合材からなる第１の接合材により接合された冷却器と、を備えた樹脂封止型半導体装置であって、
　前記パワーモジュールは、
　半導体素子と、
　前記半導体素子を一方の面部に搭載したヒートスプレッダーと、
　前記ヒートスプレッダーに接合された入出力端子となる第１のリードフレームと、
　前記半導体素子に第２の接合材を介して接合された主端子となる第２のリードフレームと、
　前記ヒートスプレッダーの前記一方の面部に対向する他方の面部に、樹脂絶縁層を介して一方の面部が接合された銅板と、
　前記半導体素子と、前記ヒートスプレッダーと、前記第１のリードフレームの一部分と、前記第２のリードフレームの一部と、前記樹脂絶縁層と、前記銅板の前記一方の面部に対向する他方の面部以外の部分と、を被覆するモールド樹脂と、
を備え、
　前記第２の接合材は、前記第１の接合材の融点よりも高い融点を有する接合材からなり、
　前記パワーモジュールと前記冷却器とが前記第１の接合材により接合される接合面のうち、一方の接合面は前記銅板の前記他方の面部であり、他方の接合面は前記冷却器におけるパワーモジュール側の面部であり、
　前記冷却器におけるパワーモジュール側の面部は、銅、又は銅の半田濡れ性と同等以上の半田濡れ性を有する金属、により形成されている、
ことを特徴とする。

　また、本願に開示される樹脂封止型半導体装置は、
　パワーモジュールと、前記パワーモジュールに半田接合材からなる第１の接合材により接合された冷却器と、を備えた樹脂封止型半導体装置であって、
　前記パワーモジュールは、
　半導体素子と、
　前記半導体素子を一方の面部に搭載した絶縁基板と、
　前記絶縁基板に接合された入出力端子となる第１のリードフレームと、
　前記半導体素子に第２の接合材を介して接合された主端子となる第２のリードフレームと、
　前記半導体素子と、前記絶縁基板の前記一方の面部に対向する他方の面部以外の部分と、前記第１のリードフレームの一部分と、前記第２のリードフレームの一部と、を被覆するモールド樹脂と、
を備え、
　前記絶縁基板は、絶縁層と、前記絶縁層の一方の面部に設けられ前記半導体素子を搭載した上回路と、前記絶縁層の前記一方の面部に対向する他方の面部に設けられた下回路と、により構成され、
　前記上回路と前記下回路とのうち、少なくとも前記下回路における前記絶縁層に対向する一方の面部に対して反対側に位置する他方の面部は、銅により構成され、
　前記絶縁基板の前記他方の面部は、前記下回路における前記他方の面部により構成され、
　前記第２の接合材は、前記第１の接合材の融点よりも高い融点を有する接合材からなり、
　前記パワーモジュールと前記冷却器とが前記第１の接合材により接合される接合面のうち、一方の接合面は前記絶縁基板における前記下回路の前記他方の面部であり、他方の接合面は前記冷却器におけるパワーモジュール側の面部であり、
　前記冷却器におけるパワーモジュール側の面部は、銅、又は銅の半田濡れ性と同等以上の半田濡れ性を有する金属、により形成されている、
ことを特徴とする。

　本願に開示される樹脂封止型半導体装置によれば、信頼性の向上と長寿命化を実現する樹脂封止型半導体装置が得られる。

実施の形態１による樹脂封止型半導体装置の断面図である。実施の形態２による樹脂封止型半導体装置の断面図である。実施の形態２による樹脂封止型半導体装置の平面図である。本願の基礎となる樹脂封止型半導体装置の断面図である。実施の形態３による樹脂封止型半導体装置の断面図である。

　以下、図に基づいて、実施の形態１、実施の形態２、および実施の形態３による樹脂封止型半導体装置について説明する。各図において、同一符号は同一又は相当部分を示す。

　まず、本願の基礎となる樹脂封止型半導体装置について説明する。図４は、本願の基礎となる樹脂封止型半導体装置の断面図である。図４において、樹脂封止型半導体装置１００は、パワーモジュール１０１と、冷却器１１を備えている。パワーモジュール１０１は、スイッチング素子としての半導体素子１と、整流素子としての半導体素子２と、銅製のヒートスプレッダー３と、入出力端子となる銅製の第１のリードフレーム６と、主端子となる銅製の第２のリードフレーム５と、樹脂絶縁層７と、銅板８と、モールド樹脂９と、を備えている。

　樹脂封止型半導体装置１００の製造において、ダイボンディング工程により、半導体素子１と半導体素子２とを、ヒートスプレッダー３の一方の面部の上にチップ下接合材（図示せず）を介して接合する。つぎに、第１のリフロー工程により、第１のリードフレーム６を、リード接合材（図示せず）を用いてヒートスプレッダー３の端部の面部に接合する。また、第２のリードフレーム５を、第２の接合材としてのチップ上接合材４１、４２を用いて半導体素子２と半導体素子１の能動面に接合する。

　つぎに、トランスファー成形工程にて、ヒートスプレッダー３の一方の面部に対向する他方の面部を、樹脂絶縁層７を介して銅板８の一方の面部に固定した状態で、半導体素子１および半導体素子２と、ヒートスプレッダー３と、第１のリードフレーム６の一部と、第２のリードフレーム５の一部と、樹脂絶縁層７と、銅板８と、を内包してこれらをモールド樹脂９により封止する。銅板８の一方の面部に対向する他方の面部は、パワーモジュール１０１のモールド樹脂９の下面部から露出している。

　さらに、第２のリフロー工程にて、第１の接合材としてのモジュール接合材１０により、銅板８の露出した面部と、冷却器１１の一方の面部に施されたニッケルメッキ層１４とを接合する。これにより、パワーモジュール１０１と冷却器１１とが一体に接合され、樹脂封止型半導体装置が構成される。モジュール接合材１０に対する半田濡れ性の向上と半田ボイドを抑えるために、パワーモジュール１０１と冷却器１１との接合面を、銅とニッケルメッキとの組合せとすることで、半田付けの品質向上が図られている。

　以上述べた樹脂封止型半導体装置によれば、冷却器１１におけるパワーモジュールに接合される側の面部に、ニッケルメッキ層１４を施すようにしているので、モジュール接合材１０による半田付け作業は、ギ酸還元リフロー設備を用いて行なうか、活性力が極めて高いフラックスを使用して行なうことが必要であるが、これらの何れの半田付け作業を行なっても、個々の樹脂封止型半導体装置１００の間でモジュール接合材１０に対する半田濡れ性にバラツキが生じる。そのため、モジュール接合材１０を構成する半田接合材にボイドが発生して熱抵抗が増加し、樹脂封止型半導体装置１００の品質が低下する場合があり、樹脂封止型半導体装置１００に対する信頼性が低下することがある。

　また、モジュール接合材１０を構成する半田接合材が脆弱であることから、温度変化が繰り返されることにより半田接合材にクラックが発生し、樹脂封止型半導体装置１００の寿命が低下することがある。

実施の形態１．
　つぎに、実施の形態１による樹脂封止型半導体装置について説明する。図１は、実施の形態１による樹脂封止型半導体装置の断面図である。図１において、樹脂封止型半導体装置１００は、パワーモジュール１０１と、冷却器１１を備えている。パワーモジュール１０１と冷却器１１とは、後述のように、第１の接合材としてのモジュール接合材１０により接合されている。

　パワーモジュール１０１は、スイッチング素子としての半導体素子１と、整流素子としての半導体素子２と、ヒートスプレッダー３と、第１のリードフレーム６と、第２のリードフレーム５と、樹脂に無機充填材を含有した樹脂絶縁層７と、銅板８と、モールド樹脂９と、を備えている。スイッチング素子としての半導体素子１は、チップ下接合材（図示せず）により、ヒートスプレッダー３の一方の面部に接合されている。整流素子としての半導体素子２は、チップ下接合材（図示せず）により、ヒートスプレッダー３の一方の面部に接合されている。ヒートスプレッダー３の一方の面部に対向する他方の面部は、樹脂絶縁層７を介して銅板８の一方の面部に固定されている。

　銅板８の一方の面部に対向する他方の面部は、パワーモジュール１０１のモールド樹脂９の下面部から露出しており、モジュール接合材１０により、冷却器１１の一方の面部に施された表面メッキ層としての銅メッキ層１２に接合されている。すなわち、パワーモジュール１０１と冷却器１１とが第１の接合材としてのモジュール接合材１０により接合される接合面のうち、一方の接合面は銅板８の他方の面部であり、他方の接合面は冷却器におけるパワーモジュール側の面部に施された表面メッキ層としての銅メッキ層１２である。このようにして、パワーモジュール１０１と冷却器１１とが一体に接合され、樹脂封止型半導体装置１００が構成されている。

　第１のリードフレーム６は、リード接合材（図示せず）によりヒートスプレッダー３の端部の面部に一体に接合されている。リード接合材は、ヒートスプレッダー３と第１のリードフレーム６との間の電気的導通を確保するために半田接合材により構成されている。なお、リード接合材による接合に代えて、超音波による金属接合などを用いてもよい。第２のリードフレーム５は、第２の接合材としてのチップ上接合材４１、４２により半導体素子２および半導体素子１の能動面に接合されている。

　モールド樹脂９は、前述の半導体素子１および半導体素子２と、ヒートスプレッダー３と、チップ下接合材と、第１のリードフレーム６の一部と、リード接合材と、第２のリードフレーム５の一部と、チップ上接合材４１およびチップ上接合材４２と、樹脂絶縁層７と、銅板８の一部分と、を内包してこれらを外部から封止するように構成されている。

　以上のように構成された実施の形態１による樹脂封止型半導体装置において、半導体素子１および半導体素子２が動作した際に発生する熱は、チップ下接合材（図示せず）、ヒートスプレッダー３、樹脂絶縁層７、銅板８、モジュール接合材１０、表面メッキ層としての銅メッキ層１２、下地メッキ層としてのニッケルメッキ層１３を介して、冷却器１１に放熱される。

　パワーモジュール１０１における半導体素子１は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、あるいは、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ　Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）のような半導体スイッチング素子により構成されている。ＩＧＢＴは、負荷に大電流を流して駆動させる素子である。半導体素子１および半導体素子２は、たとえば、シリコン（Ｓｉ）により形成されていることが好ましいが、シリコンに限定されるものではない。たとえば、半導体素子１および半導体素子２を構成する半導体チップが、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム系材料［たとえば窒化ガリウム（ＧａＮ）］、ダイヤモンド、からなる群から選択される何れかの材料により形成されていれば、より好ましい。

　半導体素子１および半導体素子２は、シリコンに比べてバンドギャップの広い、いわゆるワイドバンドギャップ半導体材料である。このようなワイドバンドギャップ半導体材料を用いて形成された半導体素子１および半導体素子２は、ＭＯＳＦＥＴなどのシリコン半導体材料を用いた半導体素子に比べて、高温での動作に適用することができる。ワイドバンドギャップ半導体材料は、大電流を流すことに適している半導体材料である。

　半導体素子１および半導体素子２の表面部としての能動面の電極には、前述のように主端子となる第２のリードフレーム５が、半田接合材からなる第２の接合材としてのチップ上接合材４１およびチップ上接合材４２を介して接合されている。ヒートスプレッダー３、第１のリードフレーム６および第２のリードフレーム５には、導電性のよい金属が用いられる。導電性の良い金属の中でも、銅材が電気抵抗、加工性、コストなどの点から最適である。ここで、銅材とは、純銅もしくは銅を主成分とする銅合金を指している。

　前述のように、パワーモジュール１０１の全体は、モールド樹脂９により封止されている。モールド樹脂９は、線膨張係数のアンマッチにより生じる熱変形力が大きくならないように、ヒートスプレッダー３、第１のリードフレーム６、および第２のリードフレーム５の線膨張係数に近い線膨張係数を備えた樹脂を用いるのが好ましい。したがって、純銅の線膨張係数が１６［ｐｐｍ／Ｋ］から１７［ｐｐｍ／Ｋ］であることから、モールド樹脂９の線膨張係数も１５［ｐｐｍ／Ｋ］から１８［ｐｐｍ／Ｋ］であるのが望ましい。

　樹脂絶縁層７には、電気的絶縁性を確保しつつ、半導体素子１および半導体素子２が動作した際に発生する熱を冷却器１１に伝達して放散させる熱放散性が求められる。樹脂絶縁層７は、熱硬化性樹脂に、高熱伝導性で絶縁性を有する無機充填材としての無機フィラーを充填したものであり、樹脂の熱硬化反応によりヒートスプレッダー３と銅板８とを接着する。

　パワーモジュール１０１は、半導体素子１および半導体素子２の動作時に発生する熱を散逸させるために、放熱フィン（図示せず）を備えた冷却器１１の表面メッキ層としての銅メッキ層１２に、第１の接合材としてのモジュール接合材１０により接合されている。より高い冷却性能が求められる冷却器１１としては、水冷式もしくは空冷式、の何れの冷却器であってもよい。冷却器１１は、銅、アルミニウム、銅又はアルミニウムの合金からなる群から選択された何れかの材質により形成されていることが好ましい。なかでも、冷却器１１の材質としては、軽量でかつ加工性に優れたアルミニウム又はアルミニウムを含む合金が好適である。

　また、パワーモジュール１０１をモジュール接合材１０により半田接合するために、冷却器１１の接合部には高い半田濡れ性が求められる。したがって、冷却器１１の本体の材質を銅とするのが望ましいが、冷却器１１の本体の材質をアルミニウム又はアルミニウムを含む合金とする場合は、表面メッキ層を銅メッキ層１２とするのが最適である。アルミニウム又はアルミニウムを含む合金に直接銅メッキを行なうのではなく、メッキ密着性と表面の半田濡れ性を向上させるため、下地メッキ層としてニッケルメッキ層１３を施すのが最適である。

　前述のように、冷却器１１の一方の面部には、下地メッキ層としてのニッケルメッキ層１３と、表面メッキ層としての銅メッキ層１２とが施されており、冷却器１１の反パワーモジュール側の面部である他方の面部には、複数の放熱フィン（図示せず）が設けられている。尚、冷却器１１は、実施の形態１では金属製の平板状のヒートシンクにより構成されているが、たとえば内部に冷却液を通流させる流路を備えた液冷式の冷却器であってもよい。

　次に、実施の形態１による樹脂封止型半導体装置の製造方法について説明する。まず、ダイボンディング工程において、スイッチング素子としての半導体素子１と、整流素子としての半導体素子２とを、ヒートスプレッダー３の一方の面部の上に、チップ下接合材（図示せず）を介してそれぞれ互いに間隔をあけて接合する。スイッチング素子としての半導体素子１は、たとえば、シリコンにより形成されており、ＩＧＢＴが搭載された半導体チップが用いられる。整流素子としての半導体素子２は、たとえば、シリコンにより形成され、ダイオードが搭載された半導体チップが用いられる。

　チップ下接合材は、半田接合材、銀を主成分とする焼結性フィラー、銀を主成分とするロウ材、スズ中に銅を分散した材料、金を主成分とする金スズ、金ゲルマニウム等の金系合金からなる群から選択された、何れかの接合材であることが好ましい。これらの接合材は、熱伝導性と導電性が高い接合材料である。

　次に、第１のリフロー工程にて、入出力端子となる第１のリードフレーム６を、リード接合材（図示せず）を用いてヒートスプレッダー３の端部の面部に接合する。また、主端子となる第２のリードフレーム５を、チップ上接合材４２を用いてスイッチング素子としての半導体素子１の能動面に接合し、かつ、チップ上接合材４１を用いて整流素子としての半導体素子２の能動面に接合する。

　ヒートスプレッダー３と第１のリードフレーム６との接続には、半田接合材からなるリード接合材（図示せず）を用いているが、それ以外の超音波接合、溶接などの接合方法を用いてもよい。半導体素子１および半導体素子２と第２のリードフレーム５との接合には、厚みが一定なリボン半田からなる半田接合材をチップ上接合材４１、４２として用いる。

　リード接合材（図示せず）とチップ上接合材４１及びチップ上接合材４２は、パワーモジュール１０１をモジュール接合材１０により半田接合する第２リフロー工程の温度でも再溶融しないように、モジュール接合材１０の融点よりも高い融点を有する半田接合材を用いる必要があり、アンチモンを含有した固相線が約２４０［℃］の融点を有する半田接合材が最適である。尚、チップ上接合材４１およびチップ上接合材４２は、第２のリフロー工程の温度でも再溶融しなければ、他の物性値を含有した半田接合材あるいは焼結銀等の接合材であっても良い。

　次に、トランスファー成形工程にて、半導体素子１および半導体素子２と、ヒートスプレッダー３と、チップ下接合材と、第１のリードフレーム６の一部と、リード接合材と、第２のリードフレーム５の一部と、第２の接合材としてのチップ上接合材４１およびチップ上接合材４２と、樹脂絶縁層７と、銅板８の一部分の周囲と、を熱硬化性樹脂からなるモールド樹脂９により封止する。このとき、銅板８は、樹脂絶縁層７と反対側の面部がモールド樹脂９から露出するように成型する。

　ここで、樹脂絶縁層７は、放熱性と、絶縁性と、接着性と、を兼ね備えた材料により構成されており、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂の中に熱伝導性の高いセラミック粒子などの無機粉末充填材が含有された構成を有している。熱伝導性の高い無機充填材としては、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素、酸化アルミニウム（アルミナ）、酸化ケイ素（シリカ）、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、酸化チタンなどのセラミック粒子が適している。なお、これら無機充填材の何れかを単独で用いてもよく、あるいは複数種を混合して用いてもよい。

　さらに、樹脂材料をベースとする樹脂絶縁層７は、接着材としての機能も有している。このため、モールド樹脂９の熱硬化時に、樹脂絶縁層７は、ヒートスプレッダー３と銅板８とが、互いに密着するようにこれらを接着させる。このため樹脂絶縁層７は、その一方の面部および他方の面部に、接着材を塗布する必要がない。接着材は熱抵抗上昇の原因となるため、この接着材を樹脂絶縁層７の一方の面部と他方の面部に塗布しないことにより、樹脂絶縁層７とヒートスプレッダー３、ひいては銅板８、およびモールド樹脂９との間の熱抵抗の増加を抑制することができ、放熱性能の高いパワーモジュールを得ることができる。

　モールド樹脂９には高熱伝導性であることが不要なため、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂の中に含有される無機充填材は、熱硬化性樹脂に含有させた際に流動性がよく、線膨張係数の調整が容易である酸化ケイ素（シリカ）のうち、溶融シリカが最適である。樹脂封止型半導体装置１００は、銅材を多く使用していることから、銅の線膨張係数にモールド樹脂９の線膨張係数を合わせる、つまりモールド樹脂９の線膨張係数を銅の線膨張係数と同一もしくは近似させることで、樹脂封止型半導体装置１００の内部の応力低減を図ることができることから、モールド樹脂９の線膨張係数を１５［ｐｐｍ／Ｋ］から１８［ｐｐｍ／Ｋ］とるように、無機充填材の量を調整する。このことにより、温度サイクルに対する信頼性が向上する効果がある。

　つぎに、第２リフロー工程にて、パワーモジュール１０１と冷却器１１との間を、第1の接合材としてのモジュール接合材１０を用いて接合する。半田リフローにおいて、モジュール接合材１０を溶融させる温度域までパワーモジュール１０１および冷却器１１を加熱する必要がある。この際、パワーモジュール１０１の中で使用している半田接合材も溶融する可能性があり、仮に、その半田接合材が溶融した際は、固体から液体に変化する体積膨張の影響でモールド樹脂９にクラックが発生する可能性がある。このため、パワーモジュール１０１の内部で使用する半田接合材などの接合材と、冷却器１１とパワーモジュールとを接合するために使用するモジュール接合材１０には融点差を設ける必要がある。

　パワーモジュール１０１の内部で使用するチップ上接合材４１及びチップ上接合材４２、およびリード接合材（図示せず）として、スズにアンチモンを含有させた高融点半田の液相線約２４０［℃］の半田接合材を用い、モジュール接合材１０として、スズに、銀、銅、ビスマス、インジウムを含有させた低融点半田の液相線２１０［℃］の半田接合材を用いた場合、チップ上接合材４１およびチップ上接合材４２、およびリード接合材（図示せず）と、モジュール接合材１０と、の融点差は約３０［℃］となる。したがって、チップ上接合材４１およびチップ上接合材４２とリード接合材と、モジュール接合材１０と、の間に融点差を十分設けることができ、パワーモジュール１０１の内部にある半田接合材の再溶融を防止することができる。

　スズに、銀、銅、ビスマスを含有させた低融点半田よりも、スズに、銀、銅、ビスマス、インジウムを含有させた低融点半田の方が液相線の温度が低く、かつ高強度となり、ビスマスとインジウムの含有率を調整することで、ボイドの発生率も減少させることができるので、温度サイクルに対する信頼性がさらに向上する効果がある。

　また、低融点半田は、一般的な半田よりも半田濡れ性が劣るので、接合面は半田濡れ性が良い金属同士とし、半田濡れ性を向上させるフラックスが必須となる。銅は半田濡れ性が極めて良好な金属であるので、パワーモジュール１０１と冷却器１１とが第１の接合材としてのモジュール接合材１０により接合される接合面のうち、一方の接合面は銅板８の他方の面部であり、他方の接合面は冷却器１１におけるパワーモジュール側の面部であり、冷却器１１におけるパワーモジュール側の面部は、銅、又は銅の半田濡れ性と同等以上の半田濡れ性を有する金属、により形成されている。これにより、半田濡れ性を向上させることができ、また、低熱抵抗で高品質で高信頼性の小型の樹脂封止型半導体装置を提供することができる。なお、銅メッキ層１２に代えて、例えばスズメッキ層のような、銅の半田濡れ性と同等以上の半田濡れ性を有する金属メッキ層を用いてもよい。

　表面メッキ層としての銅メッキ層１２および下地メッキ層としてのニッケルメッキ層１３は、冷却器１１のパワーモジュール側の面部に占めるパワーモジュール１０１の外径寸法以上の寸法の領域に施されている。したがって、パワーモジュール１０１は、表面メッキ層としての銅メッキ層１２および下地メッキ層としてのニッケルメッキ層１３が施された領域からはみ出すことなく、その領域内に接合される。

実施の形態２．
　つぎに、実施の形態２による樹脂封止型半導体装置について説明する。図２は、実施の形態２による樹脂封止型半導体装置の断面図、図３は、実施の形態２による樹脂封止型半導体装置の平面図である。図３には、三相電力変換装置に適用された三相の各相に対応する３個の樹脂封止型半導体装置１００が平面的に並置されている状態が示されている。
実施の形態１による樹脂封止型半導体装置との相違点は、表面メッキ層としての銅メッキ層１２と下地メッキ層としてのニッケルメッキ層１３とが施される領域の大きさのみである。

　図２および図３において、表面メッキ層としての銅メッキ層１２と、下地メッキ層としてのニッケルメッキ層１３は、同一寸法の平面外形に形成され、第１の接合材としてのモジュール接合材１０の平面外形よりも大きく形成されている。冷却器１１における銅メッキ層１２とニッケルメッキ層１３が施されていない領域は、冷却器１１を構成している材料であるアルミニウムが露出している。

　銅メッキ層１２とニッケルメッキ層１３は、矩形状、たとえば長方形状に形成されており、その相対向する二つの辺部１２１、１２２がモールド樹脂９の平面外形の内側に存在するように形成されている。また、冷却器１１の面部には平面的に並置された３個のパワーモジュール１０１が接合されており、銅メッキ層１２とニッケルメッキ層１３とは、３個のパワーモジュール１０１に跨って連続的に形成され、銅メッキ層１２は、前述の二つの辺部１２１、１２２に直交して相対向する別の二つの辺部１２３、１２４が、それぞれ対応するパワーモジュール１０１のモールド樹脂９の平面外形の内側に存在するように形成されている。

　モジュール接合材１０によりパワーモジュール１０１と冷却器１１とを接合する第２リフロー工程では、半田濡れ性を促進させるフラックスを使用するため、フラックスの活性剤あるいはガスに起因して半田ボールが発生する。この半田ボールは、冷却器１１の面部に飛散し、その飛散先が半田濡れ性を付与する箇所であれば、半田ボールが導電性異物として冷却器１１の面部に溶融付着することとなり、絶縁性が悪化する可能性があるが、アルミニウムは半田濡れ性がないので、半田ボールが付着したとしても洗浄することで簡単に半田ボールを除去することが可能となる。

　一般的な樹脂封止型半導体装置において、パワーモジュール１０１は、インバータとしてのレイアウト効率とインダクタンス低減のため、たとえば三相の各相に対応する３個のパワーモジュール１０１が、冷却器１１の面部に近接して平面的に並列配置されるので、表面メッキ層としての銅メッキ層１２の大きさを、パワーモジュール１０１毎に分けるよりも、隣接するパワーモジュール１０１を通して連結させる大きさとする方が、メッキコストを抑えることができる。

　隣接するパワーモジュール１０１の間に半田ボールが付着溶融する可能性があるが、第１のリードフレーム６が導出されるパワーモジュール１０１の側面部と、第２のリードフレーム５が導出されるパワーモジュール１０１の側面部と、は異なる側面部であるため、絶縁性に影響を及ぼすことはない。

　なお、冷却器１１の面部を部分的にメッキする方法としては、冷却器１１全体にメッキ層を施した後、表面メッキ層である銅メッキ層１２以外の領域を切削して除去するのが低コストとなるが、メッキ時にメッキ不要部分にマスキングを施し、部分的メッキを施す手法を用いても良い。

実施の形態３．
　つぎに、実施の形態３による樹脂封止型半導体装置について説明する。図５は、実施の形態３による樹脂封止型半導体装置の断面図である。実施の形態５による樹脂封止型半導体装置が前述の実施の形態１による樹脂封止型半導体装置と相違する点は、パワーモジュール１０１の内部の絶縁構造のみであり、実施の形態１における図１のヒートスプレッダー３、樹脂絶縁層７、銅板８に代えて、図５に示す実施の形態３においては、上回路１５，セラミック絶縁層１６、下回路１７を設けた構成となっている。

　図５において、樹脂封止型半導体装置１００は、パワーモジュール１０１と、冷却器１１を備えている。パワーモジュール１０１と冷却器１１とは、第１の接合材としてのモジュール接合材１０により接合されている。

　パワーモジュール１０１は、スイッチング素子としての半導体素子１と、整流素子としての半導体素子２と、上回路１５と，セラミック絶縁層１６と、下回路１７と、第１のリードフレーム６と、第２のリードフレーム５と、モールド樹脂９と、を備えている。上回路１５と，セラミック絶縁層１６と、下回路１７とは、絶縁基板５０を構成している。上回路１５と下回路１７とは、たとえば銅により構成されている。なお、上回路１５と下回路１７とのうち、少なくとも下回路１７におけるセラミック絶縁層１６に対向する一方の面部に対して反対側に位置する他方の面部が、銅により構成されていてもよい。

　一般的に、絶縁基板において、半導体素子を搭載する銅板などの導電体を上回路と称し、半導体素子を実装しない銅板などの導電体を下回路と称する。ここで、図５において、絶縁基板５０を構成する上回路１５は、スイッチング素子としての半導体素子１と、整流素子としての半導体素子２とを搭載し、たとえばパターン分割のない一枚の銅板により構成されている。また、絶縁基板５０を構成する下回路１７は、半導体素子を搭載しておらず、たとえばパターン分割のない一枚の銅板により構成されている。

　スイッチング素子としての半導体素子１は、チップ下接合材（図示せず）により、絶縁基板５０の一方の面部に接合されている。整流素子としての半導体素子２は、チップ下接合材（図示せず）により、絶縁基板５０の一方の面部に接合されている。

　モールド樹脂９は、前述の半導体素子１および半導体素子２と、上回路１５と、セラミック絶縁層１６と、チップ下接合材と、第１のリードフレーム６の一部と、リード接合材と、第２のリードフレーム５の一部と、チップ上接合材４１およびチップ上接合材４２と、下回路１７の一部分と、を内包してこれらを外部から封止するように構成されている。

　絶縁基板５０の下回路１７における、絶縁層としてのセラミック絶縁層１６に対向する一方の面部に対して反対側に位置する他方の面部は、パワーモジュール１０１のモールド樹脂９の下面部から露出しており、モジュール接合材１０により、冷却器１１の一方の面部に施された表面メッキ層としての銅メッキ層１２に接合されている。すなわち、パワーモジュール１０１と冷却器１１とが第１の接合材としてのモジュール接合材１０により接合される接合面のうち、一方の接合面は銅製の下回路１７の他方の面部であり、他方の接合面は冷却器におけるパワーモジュール側の面部に施された表面メッキ層としての銅メッキ層１２である。このようにして、パワーモジュール１０１と冷却器１１とが一体に接合され、樹脂封止型半導体装置１００が構成されている。

　第１のリードフレーム６は、リード接合材（図示せず）により絶縁基板５０の端部の面部に一体に接合されている。リード接合材は、絶縁基板５０と第１のリードフレーム６との間の電気的導通を確保するために半田接合材により構成されている。なお、リード接合材による接合に代えて、超音波による金属接合などを用いてもよい。第２のリードフレーム５は、第２の接合材としてのチップ上接合材４１、４２により半導体素子２および半導体素子１の能動面に接合されている。

　以上のように構成された実施の形態３による樹脂封止型半導体装置において、半導体素子１および半導体素子２が動作した際に発生する熱は、チップ下接合材（図示せず）、絶縁基板５０における上回路１５、絶縁基板におけるセラミック絶縁層１６、絶縁基板５０における下回路１７、モジュール接合材１０、表面メッキ層としての銅メッキ層１２、下地メッキ層としてのニッケルメッキ層１３を介して、冷却器１１に放熱される。

　樹脂封止型半導体装置１００の製造において、窒化珪素又は窒化アルミニウムのセラミック絶縁層１６の表面に厚み１［ｍｍ］程度の銅製の上回路１５がロウ付けされ、セラミック絶縁層１６の裏面に厚み１［ｍｍ］程度の銅製の下回路１７がロウ付けされて構成された絶縁基板５０一方の面部に、ダイボンディング工程により、半導体素子１と半導体素子２とを、チップ下接合材（図示せず）を介して接合する。

　つぎに、第１のリフロー工程により、第１のリードフレーム６を、リード接合材（図示せず）を用いて絶縁基板５０における上回路１５の端部の面部に接合する。また、第２のリードフレーム５を、第２の接合材としてのチップ上接合材４１、４２を用いて半導体素子２と半導体素子１の能動面に接合する。

　つぎに、トランスファー成形工程にて、半導体素子１および半導体素子２と、上回路１５と、セラミック絶縁層１６と、下回路１７の一部と、第１のリードフレーム６の一部と、第２のリードフレーム５の一部と、を内包してこれらをモールド樹脂９により封止する。絶縁基板５０の一方の面部に対向する他方の面部は、銅製の下回路１７の裏面により構成されている。絶縁基板５０の他方の面部を構成する下回路１７の裏面は、パワーモジュール１０１のモールド樹脂９の下面部から露出している。

　セラミック絶縁層１６は、実施の形態１における樹脂絶縁層７と同様に、電気的絶縁性を確保しつつ、半導体素子１および半導体素子２が動作した際に発生する熱を冷却器１１に伝達して放散させる熱放散性が求められる。セラミック絶縁層１６は、高熱伝導性で絶縁性を有する焼結体であり、実施の形態１における樹脂絶縁層７と比較すれば１０倍以上の熱伝導率を有しており、上回路１５と下回路１７の厚みを、実施の形態１における図１に示すヒートスプレッダー３の厚みよりも半分程度に低減した場合でも、半導体素子１および半導体素子２が動作した際に発生する熱の熱放散性能を向上させることができ、パワーモジュール１０１の低熱抵抗化と小型化が実現できる。

　前述のように、冷却器１１の一方の面部には、下地メッキ層としてのニッケルメッキ層１３と、表面メッキ層としての銅メッキ層１２とが施されており、冷却器１１の反パワーモジュール側の面部である他方の面部には、複数の放熱フィン（図示せず）が設けられている。尚、冷却器１１は、たとえば内部に冷却液を通流させる流路を備えた液冷式の冷却器であってもよい。

　尚、絶縁基板５０は、セラミック絶縁層１６の表面と裏面とに、上回路１５と下回路１７とがロウ付けされているが、これらが一体化される必要はなく、トランスファー成形工程で接合しても良い。また、セラミック絶縁層１６は、セラミックのみから構成されていてもよく、あるいは、電気的絶縁性と熱放散性が満足できる材料であれば、セラミックと樹脂との複合体等により構成されたでも良い。

　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、一つ、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、少なくとも一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、少なくとも一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。

１００　樹脂封止型半導体装置、１０１　パワーモジュール、１、２　半導体素子、
３　ヒートスプレッダー、４１、４２　チップ上接合材、５　第２のリードフレーム、
６　第１のリードフレーム、７　樹脂絶縁層、８　銅板、９　モールド樹脂、
１０　モジュール接合材、１１　冷却器、１２　銅メッキ層、１３、１４　ニッケルメッキ層、１５　上回路、１６　セラミック絶縁層、１７　下回路、５０　絶縁基板

Claims

　パワーモジュールと、前記パワーモジュールに半田接合材からなる第１の接合材により接合された冷却器と、を備えた樹脂封止型半導体装置であって、
　前記パワーモジュールは、
　半導体素子と、
　前記半導体素子を一方の面部に搭載したヒートスプレッダーと、
　前記ヒートスプレッダーに接合された入出力端子となる第１のリードフレームと、
　前記半導体素子に第２の接合材を介して接合された主端子となる第２のリードフレームと、
　前記ヒートスプレッダーの前記一方の面部に対向する他方の面部に、樹脂絶縁層を介して一方の面部が接合された銅板と、
　前記半導体素子と、前記ヒートスプレッダーと、前記第１のリードフレームの一部分と、前記第２のリードフレームの一部と、前記樹脂絶縁層と、前記銅板の前記一方の面部に対向する他方の面部以外の部分と、を被覆するモールド樹脂と、
を備え、
　前記第２の接合材は、前記第１の接合材の融点よりも高い融点を有する接合材からなり、
　前記パワーモジュールと前記冷却器とが前記第１の接合材により接合される接合面のうち、一方の接合面は前記銅板の前記他方の面部であり、他方の接合面は前記冷却器におけるパワーモジュール側の面部であり、
　前記冷却器におけるパワーモジュール側の面部は、銅、又は銅の半田濡れ性と同等以上の半田濡れ性を有する金属、により形成されている、
ことを特徴とする樹脂封止型半導体装置。
　パワーモジュールと、前記パワーモジュールに半田接合材からなる第１の接合材により接合された冷却器と、を備えた樹脂封止型半導体装置であって、
　前記パワーモジュールは、
　半導体素子と、
　前記半導体素子を一方の面部に搭載した絶縁基板と、
　前記絶縁基板に接合された入出力端子となる第１のリードフレームと、
　前記半導体素子に第２の接合材を介して接合された主端子となる第２のリードフレームと、
　前記半導体素子と、前記絶縁基板の前記一方の面部に対向する他方の面部以外の部分と、前記第１のリードフレームの一部分と、前記第２のリードフレームの一部と、を被覆するモールド樹脂と、
を備え、
　前記絶縁基板は、絶縁層と、前記絶縁層の一方の面部に設けられ前記半導体素子を搭載した上回路と、前記絶縁層の前記一方の面部に対向する他方の面部に設けられた下回路と、により構成され、
　前記上回路と前記下回路とのうち、少なくとも前記下回路における前記絶縁層に対向する一方の面部に対して反対側に位置する他方の面部は、銅により構成され、
　前記絶縁基板の前記他方の面部は、前記下回路における前記他方の面部により構成され、
　前記第２の接合材は、前記第１の接合材の融点よりも高い融点を有する接合材からなり、
　前記パワーモジュールと前記冷却器とが前記第１の接合材により接合される接合面のうち、一方の接合面は前記絶縁基板における前記下回路の前記他方の面部であり、他方の接合面は前記冷却器におけるパワーモジュール側の面部であり、
　前記冷却器におけるパワーモジュール側の面部は、銅、又は銅の半田濡れ性と同等以上の半田濡れ性を有する金属、により形成されている、
ことを特徴とする樹脂封止型半導体装置。
　前記冷却器は、銅により形成されており、
前記冷却器におけるパワーモジュール側の面部は、前記冷却器を形成する銅により形成されている、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の樹脂封止型半導体装置。
　前記冷却器は、アルミニウム又はアルミニウムを含む合金により形成されており、
前記冷却器のパワーモジュール側の面部は、前記冷却器のパワーモジュール側の面部に施された銅メッキ層、又は銅の半田濡れ性と同等以上の半田濡れ性を有する金属メッキ層により形成されている、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の樹脂封止型半導体装置。
　前記銅メッキ層、又は銅の半田濡れ性と同等以上の半田濡れ性を有する金属メッキ層は、ニッケルメッキ層を介して前記冷却器のパワーモジュール側の面部に施されている、
ことを特徴とする請求項４に記載の樹脂封止型半導体装置。
　前記銅メッキ層、又は銅の半田濡れ性と同等以上の半田濡れ性を有する金属メッキ層は、その相対向する二つの辺部が前記モールド樹脂の平面外形の内側に存在するように形成されている、
ことを特徴とする請求項４又は５に記載の樹脂封止型半導体装置。
　前記冷却器の面部に平面的に並置された複数個の前記パワーモジュールを備え、
前記銅メッキ層、又は銅の半田濡れ性と同等以上の半田濡れ性を有する金属メッキ層は、前記複数個のパワーモジュールに跨って連続的に形成され、
前記銅メッキ層、又は銅の半田濡れ性と同等以上の半田濡れ性を有する金属メッキ層は、前記二つの辺部に直交して相対向する別の二つの辺部が、それぞれ対応する前記パワーモジュールの前記モールド樹脂の平面外形の内側に存在するように形成されている、
ことを特徴とする請求項６に記載の樹脂封止型半導体装置。
　前記第２の接合材は、少なくともビスマスとインジウムとを含んでいる、
ことを特徴とする請求項１から７のうちの何れか一項に記載の樹脂封止型半導体装置。