JP2012204366A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体装置を高温で動作させても封止樹脂の剥離を抑制することができる半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体装置１００は、半導体素子１と、半導体素子１が実装された回路基板２と、回路基板２が実装された放熱性を有するベース板３と、ベース板３に設置され、かつ回路基板２を囲む空間４を有するケース材５と、ベース板３に設置され、空間４を回路基板２の配置された第１の領域Ｒ１とその他の第２の領域とを有するように区画する仕切り板６と、第１の領域Ｒ１においては半導体素子１を覆うように、仕切り板６で区画された第１および第２の領域の各々を封止する封止樹脂７とを備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は半導体装置に関し、特に、封止樹脂で封止される半導体装置に関するものである。

パワーモジュール半導体装置では、回路基板の回路面にＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)などのスイッチング素子または整流素子として機能する半導体素子が実装されている。この実装された半導体素子が外部端子リード、ワイヤなどの配線部材と接合された後、回路面全体が絶縁性の封止材で封止されている。

近年、インバータなどの電力用半導体装置に使用される半導体素子では、電力損失を低減する必要があることから、たとえば、炭化ケイ素(ＳｉＣ)、窒化ガリウムのようなワイドバンドギャップ半導体の電力用半導体装置が開発されている。ワイドバンドギャップ半導体では、素子自体の耐熱性が高いので大電流による高温動作が可能である。しかし、封止体内の半導体素子および配線部材に熱応力がかかるため、従来の半導体素子に比べて接合部分の耐熱性および信頼性を向上させる必要がある。

そこで、動作時に半導体素子に生じる熱応力を低減するため、回路面全面にシリコーンゲルなどのゲル状物をバッファーコート材として封入し、さらにその上からエポキシ樹脂を注入する半導体装置が提案されている。また、たとえば、特開２００４−９５９７４号公報（特許文献１）には、封止樹脂の線膨張係数を所定範囲に調整する半導体装置の構成が提案されている。さらに、たとえば、特開２００１−１５６８２号公報（特許文献２）および特開２００６−３５１７３７号公報（特許文献３）には、封止体と半導体素子との間に被覆膜を介在させる半導体装置も提案されている。

特開２００４−９５９７４号公報 特開２００１−１５６８２号公報 特開２００６−３５１７３７号公報

しかしながら、バッファーコートに用いるシリコーンゲルは高温にさらされると溶解することから、高温動作させる半導体装置には適さない。また、上記の特開２００４−９５９７４号公報に記載されたように線膨張係数を調整した樹脂で電子部品が直接封止されるだけでは、樹脂硬化時点から樹脂と半導体装置を構成する部材との間で熱応力が発生する。そのため、樹脂と半導体装置を構成する部材との界面で剥離が発生する。そしてこの剥離から進展する樹脂クラックが生じる。

また、上記の特開２００１−１５６８２号公報および特開２００６−３５１７３７号公報に記載されたように半導体素子の表面に封止体と異なる樹脂が被覆された場合は、被覆膜と封止体との界面で亀裂（クラック）および剥離が生じるおそれがある。このため、信頼性の高い半導体装置が得られない。

また、ケース型で、液状のポッティング樹脂（封止樹脂）で封止するパワーモジュール半導体装置の信頼性において、ポッティング樹脂とベース板、ケース材、はんだ接合材、回路基板、回路パターン、半導体素子、ワイヤなどとの接着が重要である。熱硬化性のポッティング樹脂は、硬化時に収縮して、各部材との間で引っ張り、圧縮、せん断などの応力を発生している。さらに、ヒートサイクル、パワーサイクルなどの信頼性評価での加熱および冷却時には、封止樹脂と各部材との熱膨張係数差に起因する熱応力が加わる。

特に、封止樹脂とケース材との界面および封止樹脂とベース板との界面は、引っ張りおよびせん断の熱応力がかかる。そのため接着強度が低いとこれらの界面で封止樹脂の剥離が発生し、この剥離が進展して他の部材との界面での剥離および樹脂クラックに至る。そこで、この熱応力を低減し、封止樹脂の剥離を抑制することは、パワーモジュールの信頼性向上に必要である。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体装置を高温で動作させても封止樹脂の剥離を抑制することができる半導体装置を提供することである。

本発明の半導体装置は、半導体素子と、半導体素子が実装された回路基板と、回路基板が実装された放熱性を有するベース板と、ベース板に設置され、かつ回路基板を囲む空間を有するケース材と、ベース板に設置され、空間を回路基板の配置された第１の領域とその他の第２の領域とを有するように区画する仕切り板と、第１の領域においては半導体素子を覆うように、仕切り板で区画された第１および第２の領域の各々を封止する封止樹脂とを備えている。

本発明の半導体装置によれば、ベース板に設置された仕切り板によってケース材の空間が第１および第２の領域に区画されているため、第１および第２の領域の各々を封止する封止樹脂も区画されている。そのため、ベース板と封止樹脂との界面の距離を小さくすることができる。

ベース板と封止樹脂との界面に発生するせん断応力は、この界面の距離に依存し、一定の距離で飽和する。そこで、この一定の距離よりもこの界面の距離を小さくすることでせん断応力を低減することができる。

本発明の半導体装置では、上述のようにベース板と封止樹脂との界面の距離を小さくすることができるため、ベース板と封止樹脂との界面に発生するせん断応力を低減することができる。このせん断応力を低減することにより、半導体装置を高温で動作させても封止樹脂の剥離を抑制することができる。これにより、半導体装置の信頼性を向上することができる。

本発明の実施の形態１における半導体装置の概略斜視図である。 本発明の実施の形態１における半導体装置の概略断面図である。 本発明の実施の形態１における半導体装置の概略平面図である。 接合半長と端部せん断応力比率を示す図である。 本発明の実施の形態１における比較例の半導体装置の概略平面図である。 本発明の実施の形態２における半導体装置の概略断面図である。 本発明の実施の形態２における半導体装置の概略平面図である。 本発明の実施の形態２における半導体装置の仕切り板のテーパ形状を示す概略部分断面図である。 本発明の実施の形態２における半導体装置の仕切り板のテーパ形状の変形例を示す概略部分断面図である。 本発明の実施の形態３における半導体装置の概略断面図である。 本発明の実施の形態３における変形例の半導体装置の概略断面図である。 本発明の実施の形態４における半導体装置の概略断面図である。 本発明の実施の形態４における変形例の半導体装置の概略断面図である。 本発明の実施の形態５における半導体装置の概略断面図である。 本発明の実施の形態６における半導体装置の概略断面図である。 本発明の実施の形態７における半導体装置の概略断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
（実施の形態１）
最初に本発明の実施の形態１の半導体装置の構成について説明する。なお、図１〜図３ではそれぞれ半導体装置の構成が適宜省略されており、半導体装置が簡略化されて図示されている。

図１を参照して、本実施の形態の半導体装置１００は、たとえば家電用、産業用、自動車用、電車用などに広く用いられる半導体パワーモジュールである。本実施の形態の半導体装置１００では、ケース材５で取り囲まれた空間４は、回路基板２（図２参照）が配置された第１の領域Ｒ１とその他の領域Ｒ２とに仕切り板６で区画されている。なお、その他の領域Ｒ２は、第１の領域Ｒ１と仕切り板６で区画された領域であって、回路基板２が配置されていてもよく、また回路基板が配置されていなくてもよい。ケース材５が開口する方向から見て、仕切り板６は格子状に設けられている。第１の領域Ｒ１とその他の領域Ｒ２とが封止樹脂７で封止されている。

図２を参照して、半導体装置１００は、半導体素子１と、回路基板２と、ベース板３と、ケース材５と、仕切り板６と、封止樹脂７と、接合材８と、配線部材９と、外部端子１０と、接着剤１１と、端子１２とを主に有している。

半導体装置１００は、仕切り板６で区画された第１の領域Ｒ１を複数有している。それぞれの第１の領域Ｒ１には、半導体素子１が実装された回路基板２が配置されている。半導体素子１は、たとえばＳｉＣにより構成されている。回路基板２には、絶縁性の基板の両面に複数の回路２ａが形成されている。半導体素子１は、回路基板２の回路２ａ上に、接合材８により接合されている。半導体素子１はフェイスアップでドレイン電極側が接合材８により接合されている。

半導体素子１が接合材８により接合された回路基板２がベース板３に実装されている。回路基板２の回路２ａがベース板３に接合材８により接合されている。回路基板２は、たとえばアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（ＳｉＮ）などの絶縁性のセラミックスなどで構成されており、表面に所定の導通の回路２ａがたとえばろう付けなどで配置されている。回路基板２の裏面にも回路２ａが施されている。

接合材８は、たとえばはんだである。このはんだは、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕなどのいわゆる鉛フリーはんだが使用され得る。還元雰囲気下で回路基板２の所定の回路２ａと半導体素子１、回路基板２の裏面の回路２ａとベース板３とが接合される。また、接合材８ははんだに限定されず、銀焼結材などの高い導電性と耐熱性とを兼ね備えた接合材８などであってもよい。

ベース板３は放熱性を有している。ベース板３の厚みは、たとえば１ｍｍ以上５ｍｍ以下に形成されている。ベース板３は、たとえば、銅、アルミニウムなどの金属、アルミニウムシリコンカーバイト（ＡｌＳｉＣ）などの高熱伝導性のセラミックなどが用いられ得る。また、ベース板３の回路基板２を搭載する面以外は、ディンプル、コーティング、カップリングなどの封止樹脂との接着性を強化するための処理が施されていてもよい。

ケース材５は、ベース板３に設置されている。ケース材５の一方端部が接着剤１１によりベース板３に固定されている。ケース材５は、回路基板２を囲む空間４をケース材５の内周側に有している。

仕切り板６は、仕切り板６は、ベース板３に設置されている。ケース材５の一方端部が接着剤１１によりベース板３に固定されている。仕切り板６は、回路基板２を囲む空間４を回路基板２が配置された第１の領域Ｒ１とその他の領域Ｒ２とを有するように区画している。仕切り板６は半導体素子１、回路基板２および接合材８のいずれにも接触しないように設けられている。本実施の形態では、仕切り板６の他方端部は封止樹脂７の上面より突出している。

ケース材５または仕切り板６の材料は、たとえばポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）などの熱可塑性樹脂が用いられるが、これに限定されず、封止樹脂７よりも弾性率が低く、封止樹脂７と接着性が良好な材料であればよい。具体的にはケース材および仕切り板の材料は、たとえば、シリコーン変性エポキシ樹脂またはシリコーン樹脂でもよい。ケース材５の材料と仕切り板６の材料とは同じ材料でもよく、また異なる材料でもよい。ケース材５および仕切り板６は、エポキシ樹脂またはシリコーン樹脂などの接着剤によりベース板３に接着されている。また、ケース材５および仕切り板６は、必要に応じて、ベース板３にねじ止めされていてもよい。

封止樹脂７は、回路基板２が配置された第１の領域Ｒ１とその他の領域Ｒ２とを封止している。封止樹脂７は、第１の領域Ｒ１においては半導体素子１を覆うように封止している。封止樹脂７は、ベース板３と接触する部分を有している。封止樹脂７のベース板３と接触する部分と、ベース板３とによって、ベース板３と封止樹脂７との界面が形成されている。

封止樹脂７は、液状のエポキシ樹脂、フェノール樹脂などの熱硬化性樹脂が用いられる。封止樹脂７には、エポキシ主剤および酸無水物系、アミン系、フェノール系などの硬化剤の他、必要に応じて、硬化触媒、カップリング剤、低応力化剤、レベリング剤などが添加されていてもよい。

封止樹脂７の線膨張係数は、配線部材９であるアルミニウム、銅、金などの金属、回路基板２、ベース板３などにあわせるため、それに応じた量のフィラが充填されている。フィラとして球状シリカが通常よく用いられる。粘度調整などの必要に応じて、フィラ粒径分布、フィラ粒形などが調整される。封止樹脂７の量は、半導体素子１と配線部材９との接合部分を十分覆う量が必要である。接合材８、回路基板２、半導体素子１の厚みを含んで、ほぼ２〜３ｍｍ程度の厚みとなる封止樹脂７の量が必要である。

また、半導体素子１の電極と回路基板２の回路２ａとがワイヤボンディングにより配線部材９で電気的に接続されている。配線部材９はたとえばアルミニウム製のワイヤである。回路基板２の回路２ａが配線部材９によりケース材５に設けられた端子１２に電気的に接続されている。外部端子１０が端子１２に電気的に接続されている。外部端子１０を介して回路基板２から外部への給電経路が形成されている。

ワイヤは、アルミニウム、銅、金などの金属が用いられ得る。ワイヤは、超音波ボールボンド、熱圧着方式、あるいは両方式を併用するなどして、半導体素子１の電極から回路基板２の回路２ａ、または図示しないインナーリードへとボンディングされている。これによりワイヤは、図示しない外部回路に電気的に接続されている。ワイヤの代替として、リボンボンディング用のリボン、ＤＬＢ(Direct Lead Bonding)などの接合が用いられてもよい。半導体素子１、回路２ａ、端子１２などのワイヤによる接合は、仕切り板６に設けられた図示しない電極を介さずに直接行われていてもよく、また仕切り板６に設けられた図示しない電極を介して行われていてもよい。

なお、半導体素子１の上面には厳密には、ゲートパッドやソース電極などが区分けされて形成されているが、図２では簡略化して上面全体に電極が形成されているものとして半導体素子１が記載されている。また、半導体素子１の電極の表面には、接続性を良くするための図示しない厚さ数μｍの薄いアルミニウムの下地（電極）が形成されている。そして、半導体素子１の電極面は、ボンディングなどの配線工程の後、モジュール全体を覆うようにたとえばエポキシ系の封止樹脂で封止されている。

なお、半導体素子１のドレイン電極側（回路基板２側）の接合面にも、図示しない金属層が設けられている。金属層として、たとえばニッケル（Ｎｉ）（７μｍ厚）／金（Ａｕ）（０．０２μｍ厚）が施されている。半導体素子１は、上述した炭化ケイ素以外にも、シリコン、またはいわゆるワイドバンドギャップ半導体である窒化ガリウム、ダイヤモンドなどが用いられ得る。また、半導体素子１と対向する回路２ａはたとえば銅からなる。回路２ａの接合面には１μｍ厚程度の金、銀、パラジウム、白金などの貴金属めっき層が形成されている。

図３を参照して、仕切り板６により空間４が区画された第１の領域Ｒ１および第２の領域Ｒ２の一辺は、回路基板２の長辺よりも長くなるように形成されている。第１の領域Ｒ１では、回路基板２が第１の領域Ｒ１の内側に収まるように配置されている。本実施の形態では、第１の領域Ｒ１および第２の領域Ｒ２の対角線長さＤは４０ｍｍ以下に設定されている。このため、本実施の形態では、ベース板３と封止樹脂７とが接触する最大距離は、図中矢印で示される第２の領域Ｒ２の対角線長さＤとなる。したがって、ベース板３と封止樹脂７とが接触する最大距離は４０ｍｍ以下となる。

次に、本実施の形態のベース板と封止樹脂との界面に発生するせん断応力について説明する。

ベース板３と封止樹脂７との界面に発生するせん断応力は、その界面の距離に依存する。そして、ベース板３と封止樹脂７との物性および寸法で決まる一定の距離で、せん断応力は飽和する。そこで、この一定の距離（せん断応力の最大を示す距離）よりも、ベース板３と封止樹脂７との界面の距離が小さくなると、ベース板３と封止樹脂７との界面に発生するせん断応力は低減される。

図４および表１には、界面の中心からの距離と、封止樹脂７の端部に発生するせん断応力との関係を、樹脂種を振って計算した結果が示されている。材料端部の界面に発生するせん断応力は、材料の中心の応力をゼロとして、材料間の熱膨張係数差、弾性率差、温度差と、材料の中心からの距離を要因として計算されている。

図４では、ベース板３の厚みを３ｍｍ、樹脂厚みを２ｍｍとして計算した封止樹脂の接合半長Ｌと封止樹脂端部せん断応力比率との関係が示されている。図４では、ベース板３として銅（Ｃｕ）が適用されている。図４では、銅に樹脂が接触する場合と、銅にシリコン（Ｓｉ）が接触する場合とが示されている。縦軸は各々の材料での接合半長Ｌ＝２０ｍｍにおける最大値で正規化している。

封止各樹脂種では、熱応力に関連する物性であるガラス転移温度Ｔｇ（℃）、熱膨張係数α（ｐｐｍ／Ｋ）、弾性率Ｅ（ＧＰａ）がそれぞれ振られている。ガラス転移温度Ｔｇ（℃）はＴＭＡ法およびＤＳＣ法で求められた。ガラス転移温度Ｔｇは室温付近〜１８５℃の範囲で設定され、熱膨張係数αは１４〜５５ｐｐｍ／Ｋの範囲で設定され、弾性率Ｅは２．５〜１１ＧＰａの範囲で設定された。樹脂種のガラス転移温度Ｔｇは、例えばエポキシ樹脂組成物の主剤、硬化剤の選択、軟化化剤の配合比により調整できる。熱膨張係数α、弾性率Ｅは例えば無機充填剤を含有させ、この含有量により調整できる。

端部せん断応力比率と接合半長Ｌとの関係は、樹脂種の特性を適当な範囲で振っても、同様の傾向となる。図４に示すとおり、ベース板３と封止樹脂７との界面に発生するせん断応力は、ある一定の距離までは比例的に増加している。また、ベース板３と封止樹脂７との界面に発生するせん断応力界面の中心からの距離（接合半長）が２０ｍｍでほぼ飽和している。すなわち、ベース板３と封止樹脂７との界面の距離は全体で４０ｍｍの場合に封止樹脂７の端部に発生するせん断応力が最大となり飽和する。したがって、ベース板３と封止樹脂７との界面の距離が４０ｍｍ以下で短くなるほど、封止樹脂７の端部に発生するせん断応力が低下する。

樹脂厚みが計算に用いた２ｍｍを超えると、接合半長Ｌは短い側にシフトする。したがって、樹脂厚みを変えた場合にもベース板３と封止樹脂７との界面の距離が４０ｍｍ以下で封止樹脂７の端部に発生するせん断応力が低下する。

次に、本実施の形態の半導体装置の製造方法について説明する。
まず、ベース板３の所定に位置に回路基板２が搭載される。続いて、回路基板２の回路２ａの所定の位置に半導体素子１が搭載される。続いて、ベース板３にケース材５および仕切り板６が搭載される。半導体素子１間および半導体素子１と回路基板２、ケース材５、仕切り板６の所定の位置とが配線部材９で接合される。続いて、ケース材５内の仕切り区分内ごとに封止樹脂７が封止される。これにより、本実施の形態の半導体装置１００が製造される。

次に、本実施の形態の半導体装置の作用効果について比較例と比較して説明する。
図５を参照して、本実施の形態の比較例の半導体装置１００では、図中矢印で示されるケース材５で取り囲まれた空間４の対角線長さＤがベース板３と封止樹脂７との界面の最大距離となる。比較例の半導体装置１００は仕切り板６を有していないため、仕切り板６によって空間４が区画されていない。そのため、ベース板３と封止樹脂７との界面の距離を小さくすることはできない。

それに対して、本実施の形態の半導体装置１００によれば、ベース板３に設置された仕切り板６によってケース材５の空間４が第１の領域Ｒ１および第２の領域Ｒ２に区画されているため、第１の領域Ｒ１および第２の領域Ｒ２の各々を封止する封止樹脂７も区画されている。そのため、ベース板３と封止樹脂７との界面の距離を小さくすることができる。

ベース板３と封止樹脂７との界面に発生するせん断応力は、この界面の距離に依存し、一定の距離で飽和する。そこで、この一定の距離よりもこの界面の距離を小さくすることでせん断応力を低減することができる。

本実施の形態の半導体装置１００では、上述のようにベース板３と封止樹脂７との界面の距離を小さくすることができるため、ベース板３と封止樹脂７との界面に発生するせん断応力を低減することができる。このせん断応力を低減することにより、半導体装置１００を高温で動作させても封止樹脂７の剥離を抑制することができる。これにより、半導体装置１００の信頼性を向上することができる。

また、本実施の形態の半導体装置１００によれば、ベース板３と封止樹脂７とが接触する最大距離が４０ｍｍ以下であるため、封止樹脂７の端部に発生するせん断応力が飽和する界面の距離より、ベース板３と封止樹脂７との界面の距離を小さくすることができる。そのため、ベース板３と封止樹脂７との界面に発生するせん断応力を低下させることができる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２では、本発明の実施の形態１と比較して、ケース材および仕切り板の形状が主に異なっている。

最初に本発明の実施の形態１の半導体装置の構成について説明する。なお、図６および図７ではそれぞれ半導体装置の構成が適宜省略されており、半導体装置が簡略化されて図示されている。

図６および図７を参照して、本実施の形態の半導体装置１００では、ケース材５が開口する方向から見て、ケース材５で取り囲まれた空間４は仕切り板６で格子状に区画されている。図６は図７のＶＩ−ＶＩ線に沿う概略断面図である。本実施の形態の仕切り板６の他方端部は、封止樹脂７の上面より突出している部分と、封止樹脂７の上面より突出していない部分を有している。

ケース材５のベース板３と接着する部分にはテーパのついた凹部が設けられている。つまり、ケース材５のベース板３側の先端部５ａは、ベース板に向かって断面積が小さくなるテーパ形状を有している。仕切り板６のベース板３と接着する部分にはテーパのついた凹部が設けられている。つまり、仕切り板６のベース板３側の先端部６ａは、ベース板３に向かって断面積が小さくなるテーパ形状を有している。

ケース材５のテーパ形状に封止樹脂７が入り込むことによって、ケース材５のテーパ形状に沿って封止樹脂７のベース板３と接着する端部がフィレットの形状に形成されている。また仕切り板６のテーパ形状に封止樹脂７が入り込むことによって、仕切り板６のテーパ形状に沿って封止樹脂７のベース板３と接着する端部がフィレットの形状に形成されている。封止樹脂７のベース板３と接着する端部が裾野のような形状のフィレットを有していることにより、ヒートサイクルまたはパワーサイクル時の端部にかかる熱応力が低減され、ベース板３と封止樹脂７との剥離が抑制される。

図８を参照して、テーパ形状では軸方向の長さａが径方向の長さｂより小さいことが望ましい。また、図９を参照して、仕切り板６のテーパ形状の変形例に示すように、外形の斜面Ｃが曲線に形成されて裾が長くひくようにテーパ形状が形成されていることがさらに望ましい。

なお、本実施の形態のこれ以外の構成および製造方法は上述した実施の形態１と同様であるため、同一の要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。

本実施の形態の半導体装置１００によれば、ケース材５のベース板３側の先端部５ａは、ベース板３に向かって断面積が小さくなるテーパ形状を有しているため、ケース材５のテーパ形状に沿って封止樹脂７のベース板３と接着する端部がフィレットの形状に形成されている。これにより、ヒートサイクルまたはパワーサイクル時の熱応力を低減することができる。このため、ベース板３と封止樹脂７との剥離を抑制することができる。

本実施の形態の半導体装置１００によれば、仕切り板６のベース板３側の先端部６ａは、ベース板３に向かって断面積が小さくなるテーパ形状を有しているため、封止樹脂７のベース板３と接着する端部がフィレットの形状に形成されている。これにより、ヒートサイクルまたはパワーサイクル時の封止樹脂７の端部での熱応力を低減することができる。このため、ベース板３と封止樹脂７との剥離を抑制することができる。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３では、本発明の実施の形態１と比較して、ベース板の形状が主に異なっている。

図１０を参照して、本実施の形態の半導体装置１００では、ベース板３は仕切り板用凹部３ａを有している。仕切り板用凹部３ａは、回路基板２が実装されたベース板３の面と異なる高さに窪むように形成されている。仕切り板用凹部３ａに仕切り板６のベース板３側の先端部６ａが挿入されている。仕切り板６のベース板３側の先端部６ａは、仕切り板用凹部３ａの底部３ｂに接着剤１１で固定されている。仕切り板６のベース板３側の先端部６ａが挿入された状態で仕切り板用凹部３ａが封止樹脂７で封止されることで、仕切り板６のベース板３側の先端部６ａが仕切り板用凹部３ａに埋め込まれている。

仕切り板用凹部３ａでの封止樹脂７とベース板３との接着面が、回路基板２とベース板３との接着面と同一面にならないことにより、仕切り板用凹部３ａでベース板３と封止樹脂７との界面に剥離が生じても、その剥離が進展して回路基板２と接合材８との界面および封止樹脂７と回路基板２との界面に進展することが抑制される。

ケース材５のベース板３側の先端部５ａは、ベース板３に向かって断面積が小さくなるテーパ形状を有している。ケース材５のテーパ形状に封止樹脂７が入り込むことによって、ケース材のテーパ形状に沿って封止樹脂７のベース板３と接着する端部がフィレットの形状に形成されている。封止樹脂７のベース板３と接着する端部が裾野のような形状のフィレットを有していることにより、ヒートサイクルまたはパワーサイクル時の端部にかかる熱応力が低減され、ベース板３と封止樹脂７との剥離が抑制される。

また、図１１を参照して、本実施の形態の半導体装置１００の変形例に示すように、仕切り板６のベース板３側の先端部６ａは、ベース板３に向かって断面積が小さくなるテーパ形状を有していてもよい。仕切り板６のテーパ形状に沿って封止樹脂７のベース板３と接着する端部がフィレットの形状に形成されている。封止樹脂７のベース板３と接着する端部が裾野のような形状のフィレットを有していることにより、ヒートサイクルまたはパワーサイクル時の端部にかかる熱応力が低減され、ベース板３と封止樹脂７との剥離がさらに抑制される。

なお、本実施の形態のこれ以外の構成および製造方法は上述した実施の形態１と同様であるため、同一の要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。

本実施の形態の半導体装置１００によれば、仕切り板用凹部３ａに仕切り板６のベース板３側の先端部６ａが挿入されているため、仕切り板用凹部３ａでの封止樹脂７とベース板３との接着面が回路基板２とベース板３との接着面と同一面にならない。これにより、仕切り板用凹部３ａでベース板３と封止樹脂７との界面に剥離が生じても、その剥離が進展して回路基板２と接合材８との界面および封止樹脂７と回路基板２との界面に進展することを抑制することができる。このため、半導体装置１００の信頼性を向上することができる。

（実施の形態４）
本発明の実施の形態４では、本発明の実施の形態１と比較して、ベース板の形状が主に異なっている。

図１２を参照して、本実施の形態の半導体装置１００では、仕切り板用凹部３ａは、仕切り板用凹部３ａの底部３ｂに向かって開口面積が大きくなる逆テーパ形状を有している。仕切り板用凹部３ａの逆テーパ形状に封止樹脂７が入り込むことによって、仕切り板用凹部３ａの逆テーパ形状に沿って封止樹脂７のベース板３と接着する端部がフィレットの形状に形成されている。これにより、ヒートサイクルまたはパワーサイクル時の仕切り板用凹部３ａの逆テーパ形状に沿って封止樹脂７のベース板３と接着する端部にかかる熱応力が低減され、ベース板３と封止樹脂７との剥離が抑制される。

また、ベース板３はケース材用凹部３ｃを有している。ケース材用凹部３ｃは、回路基板２が実装されたベース板３の面と異なる高さに窪むように形成されている。ケース材用凹部３ｃにケース材５のベース板３側の先端部５ａが挿入されている。ケース材５のベース板３側の先端部５ａは、ケース材用凹部３ｃの底部３ｄに接着剤１１で固定されている。ケース材５のベース板３側の先端部５ａが挿入された状態でケース材用凹部３ｃが封止樹脂７で封止されることで、ケース材５のベース板３側の先端部５ａがケース材用凹部３ｃに埋め込まれている。

ケース材用凹部３ｃでの封止樹脂７とベース板３との接着面が、回路基板２とベース板３との接着面と同一面にならないことにより、ケース材用凹部３ｃでベース板３と封止樹脂７との界面に剥離が生じても、その剥離が進展して回路基板２と接合材８との界面および封止樹脂７と回路基板２との界面に進展することが抑制される。

ケース材用凹部３ｃは、ケース材用凹部３ｃの底部３ｄに向かって開口面積が大きくなる逆テーパ形状を有している。ケース材用凹部３ｃの逆テーパ形状に封止樹脂７が入り込むことによって、ケース材用凹部３ｃの逆テーパ形状に沿って封止樹脂７のベース板３と接着する端部がフィレットの形状に形成されている。これにより、ケース材用凹部３ｃの逆テーパ形状に沿って封止樹脂７のベース板３と接着する端部にかかる熱応力が低減され、ベース板３と封止樹脂７との剥離が抑制される。

また、図１３を参照して、本実施の形態の半導体装置１００の変形例に示すように、ケース材５のベース板３側の先端部５ａおよび仕切り板６のベース板３側の先端部６ａは、それぞれベース板３に向かって断面積が小さくなるテーパ形状を有していてもよい。これらのテーパ形状に沿って封止樹脂７のベース板３と接着する端部がフィレットの形状に形成されているため、ヒートサイクルまたはパワーサイクル時の端部にかかる熱応力が低減され、ベース板３と封止樹脂７との剥離がさらに抑制される。

なお、本実施の形態のこれ以外の構成および製造方法は上述した実施の形態１と同様であるため、同一の要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。

本実施の形態の半導体装置１００によれば、仕切り板用凹部３ａは、仕切り板用凹部３ａの底部３ｂに向かって開口面積が大きくなる逆テーパ形状を有しているため、仕切り板用凹部３ａの逆テーパ形状に沿って封止樹脂７のベース板３と接着する端部がフィレットの形状に形成されている。これにより、ヒートサイクルまたはパワーサイクル時の熱応力を低減することができる。このため、ベース板３と封止樹脂７との剥離を抑制することができる。

また、本実施の形態の半導体装置１００によれば、ケース材用凹部３ｃにケース材５のベース板３側の先端部５ａが挿入されているため、ケース材用凹部３ｃでの封止樹脂７とベース板３との接着面が回路基板２とベース板３との接着面と同一面にならない。これにより、ケース材用凹部３ｃでベース板３と封止樹脂７との界面に剥離が生じても、その剥離が進展して回路基板２と接合材８との界面および封止樹脂７と回路基板２との界面に進展することを抑制することができる。このため、半導体装置１００の信頼性を向上することができる。

また、本実施の形態の半導体装置１００によれば、ケース材用凹部３ｃは、ケース材用凹部３ｃの底部３ｄに向かって開口面積が大きくなる逆テーパ形状を有しているため、ケース材用凹部３ｃの逆テーパ形状に沿って封止樹脂７のベース板３と接着する端部がフィレットの形状に形成されている。これにより、ヒートサイクルまたはパワーサイクル時の熱応力を低減することができる。このため、ベース板３と封止樹脂７との剥離を抑制することができる。

（実施の形態５）
本発明の実施の形態５では、本発明の実施の形態１と比較して、ベース板の形状が主に異なっている。

図１４を参照して、本実施の形態の半導体装置１００では、ベース板３において、回路基板２、ケース材５および仕切り板６が取り付けられる位置に、それらの底面と同じ形状の凸部が形成されている。回路基板２、ケース材５および仕切り板６は、それぞれ凸部に取り付けられている。

この凸部の他の部分において、ベース板３はベース板凹部３ｅを有している。つまり、ベース板凹部３ｅは、ベース板３において回路基板２が実装された部分およびケース材５、仕切り板６が設置された部分とは異なる部分に設けられている。ベース板凹部３ｅは、回路基板２、ケース材５および仕切り板６が実装されたベース板３の面と異なる高さに窪むように形成されている。ベース板凹部３ｅは、ベース板凹部３ｅの底部３ｆに向かって開口面積が大きくなる逆テーパ形状を有している。

ベース板凹部３ｅには封止樹脂７が注入されている。ベース板凹部３ｅの逆テーパ形状に封止樹脂７が入り込むことによって、ケース材用凹部３ｃの逆テーパ形状に沿って封止樹脂７のベース板３と接着するすべての端部がフィレットの形状に形成され得る。これにより、ベース板凹部３ｅの逆テーパ形状に沿って封止樹脂７のベース板３と接着するすべての端部にかかる熱応力が低減される。さらに封止樹脂７とベース板３との応力集中部がなくなる。よって、ベース板３と封止樹脂７との剥離が抑制され得る。

なお、本実施の形態のこれ以外の構成および製造方法は上述した実施の形態１と同様であるため、同一の要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。

本実施の形態の半導体装置１００によれば、ベース板凹部３ｅは、ベース板３において回路基板２が実装された部分およびケース材５、仕切り板６が設置された部分とは異なる部分に設けられており、かつベース板凹部３ｅは、ベース板凹部３ｅの底部３ｆに向かって開口面積が大きくなる逆テーパ形状を有している。そのためベース板凹部３ｅの逆テーパ形状に封止樹脂７が入り込むことによって、ケース材用凹部３ｃの逆テーパ形状に沿って封止樹脂７のベース板３と接着するすべての端部をフィレットの形状に形成することができる。これにより、ベース板凹部３ｅの逆テーパ形状に沿って封止樹脂７のベース板３と接着するすべての端部にかかる熱応力を低減することができる。さらに封止樹脂７とベース板３との応力集中部をなくすことができる。よって、ベース板３と封止樹脂７との剥離を抑制することができる。このため、半導体装置１００の信頼性を向上することができる。

（実施の形態６）
本発明の実施の形態６では、本発明の実施の形態１と比較して、封止樹脂が主に異なっている。

図１５を参照して、本実施の形態の半導体装置１００では、ベース板３において、回路基板２、ケース材５および仕切り板６が取り付けられる位置に、それらの底面と同じ形状の凸部が形成されている。回路基板２、ケース材５および仕切り板６は、それぞれ凸部に取り付けられている。この凸部の他の部分において、ベース板３はベース板凹部３ｅを有している。つまり、ベース板凹部３ｅは、ベース板３において回路基板２が実装された部分およびケース材５、仕切り板６が設置された部分とは異なる部分に設けられている。ベース板凹部３ｅは、ベース板凹部３ｅの底部３ｆに向かって開口面積が大きくなる逆テーパ形状を有している。

封止樹脂７は、第１の封止樹脂７ａと、第２の封止樹脂７ｂとを含んでいる。第１の封止樹脂７ａは、ガラス転移温度以下の線膨張係数がベース板３と近い値を有している。第１の封止樹脂７ａにより回路基板２の下面までが封止されている。回路基板２の下面から下をベース板３と近い熱膨張係数を有する第１の封止樹脂７ａで封止することにより、ベース板３と第１の封止樹脂７ａとの間の熱応力が低減される。これにより、回路基板２とベース板３とを接合する接合材８にかかるせん断応力による接合材８のクラックが抑制される。

第２の封止樹脂７ｂは第１の封止樹脂７ａより低い弾性率を有している。第２の封止樹脂７ｂにより回路基板２の下面より上方が封止されている。ガラス転移温度以下の弾性率が第１の封止樹脂７ａよりも低い第２の封止樹脂７ｂで回路基板２の下面から上を封止することにより、半導体素子１と回路基板２とを接合している接合材８のクラックと、半導体素子１と配線部材９とのせん断クラックとが抑制される。

なお、本実施の形態のこれ以外の構成および製造方法は上述した実施の形態１と同様であるため、同一の要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。

本実施の形態の半導体装置１００によれば、第１の封止樹脂７ａにより回路基板２の下面までが封止されており、第１の封止樹脂７ａより低い弾性率を有する第２の封止樹脂７ｂにより回路基板２の下面より上方が封止されている。これにより、回路基板２とベース板３とを接合する接合材８にかかるせん断応力による接合材８のクラックを抑制することができる。また、半導体素子１と回路基板２とを接合している接合材８のクラックと、半導体素子１と配線部材９とのせん断クラックとを抑制することができる。

（実施の形態７）
本発明の実施の形態７では、本発明の実施の形態１と比較して、封止樹脂が主に異なっている。

図１および図１６を参照して、本実施の形態の半導体装置１００では、封止樹脂７は、異なる材質よりなる第１および第２の封止樹脂を含んでいる。第１の領域Ｒ１が第１の封止樹脂で封止され、第２の領域Ｒ２が第２の封止樹脂で封止されている。第１の領域Ｒ１では、仕切り板６で仕切られた第１の領域Ｒ１の面積、封止樹脂７の深さ、実装部品の特性によって、第１の領域Ｒ１毎に少なくとも一部が異なる物性の封止樹脂７で封止されている。

図１６において左端に位置する第１の領域Ｒ１では、回路基板２の下面までが封止樹脂７１で封止されている。封止樹脂７１に積層するように半導体素子１と配線部材９との接合部分までが封止樹脂７１で封止されている。つまり、封止樹脂７１および半導体素子１と配線部材９との接合部分は封止樹脂７２により覆われている。封止樹脂７２に封止樹脂７４が積層されている。これにより、この第１の領域Ｒ１が封止樹脂７により封止されている。

図１６において左端に位置する第１の領域Ｒ１に隣接する第１の領域Ｒ１では、回路基板２の下面までが封止樹脂７１で封止されている。封止樹脂７１に積層するように半導体素子１と配線部材９との接合部分までが封止樹脂７３で封止されている。つまり、封止樹脂７１および半導体素子１と配線部材９との接合部分は封止樹脂７３により覆われている。封止樹脂７３に封止樹脂７４が積層されている。これにより、この第１の領域Ｒ１が封止樹脂７により封止されている。

図１６において右端に位置する第１の領域Ｒ１では、回路基板２の下面までが封止樹脂７１で封止されている。封止樹脂７１に封止樹脂７４が積層されている。これにより、この第１の領域Ｒ１が封止樹脂７により封止されている。

仕切り板６で仕切られた第１の領域Ｒ１に搭載されている半導体素子１の大きさ、実装部品、その実装形態などによって、最適な特性の封止樹脂７が適用され得る。たとえば、高耐熱性、低吸湿性、低弾性などの封止樹脂７がそれぞれ使い分けられる。

本実施の形態の半導体装置１００によれば、封止樹脂７は、異なる材質よりなる第１および第２の封止樹脂を含み、第１の領域Ｒ１が第１の封止樹脂で封止され、第２の領域Ｒ２が第２の封止樹脂で封止されているため、第１の領域Ｒ１および第２の領域Ｒ２を異なる材質の封止樹脂７で封止することができる。そのため、第１の領域Ｒ１および第２の領域Ｒ２をそれぞれ最適な封止樹脂７で封止することができる。そして、第１の領域Ｒ１に搭載されている半導体素子１の大きさ、実装されている部品、その実装形態などによって、最適な特性の封止樹脂７を適用することができる。

以下、本発明の実施例について説明する。なお、上記と同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰り返さない場合がある。

実施の形態１〜６に対応する実施例１〜６毎に複数のサンプルを試作した。また仕切り板を有していない比較例を試作した。実施例１〜６および比較例毎に複数のサンプルを試作した。複数のサンプルのそれぞれについて、ヒートサイクル評価、パワーサイクル評価を実施した。

ヒートサイクル試験では、−４０℃で３０分間保持し、１２５℃で３０分間保持することを１サイクルとして３００サイクル繰り返す試験をヒートサイクルＡとした。同様に−４０℃で３０分間保持し、１５０℃で３０分間保持することを１サイクルとして３００サイクル繰り返す試験をヒートサイクルＢとした。また同様に、−４０℃で３０分間保持し、１７５℃で３０分間保持することを１サイクルとして３００サイクル繰り返す試験をヒートサイクルＣとした。ヒートサイクルＡ〜Ｃのそれぞれについて、１００サイクル後に導通試験を行った。導通試験では、電気的にオープンとなるか、または封止樹脂のクラックが発生するか否かで評価した。

パワーサイクル試験では、モジュールの発熱によって最高温度で１７５℃になるように設定し、１０００サイクル毎に導通試験を行った。パワーサイクル試験では、半導体素子への電圧の印加と解除が１度ずつ行われることを１サイクルとした。パワーサイクル試験では、電気的にオープンとなるまでのサイクル数を評価した。

評価結果を表２に示す。ヒートサイクル試験については、３００サイクル後の導通試験での良または不良を示している。ヒートサイクル試験では、実施例および比較例毎に複数サンプルを評価して、全サンプルが、ヒートサイクルＡ〜Ｃをクリアしたか否かを示している。表２のＡは導通試験での良を示し、Ｂは導通試験での不良を示している。

パワーサイクル試験については、実施例および比較例毎の複数のサンプルの評価結果の平均値を示している。表２の数値は、導通オープン発生サイクル数（ｋサイクル）を示している。

不具合モードについては、不具合の主原因を示している。

表２に示すように、実施例１では、ベース板と封止樹脂とが接触する最大距離が４０ｍｍ以下になるように仕切り板によって仕切られている。これにより、封止するエリアを制限してベース板と封止樹脂との界面に発生する熱応力を低減することで、ヒートサイクルＢで３００サイクルまでクリアすることができた。そのため、寿命を延ばすことができた。

また、実施例２では、封止するエリアを小さくするだけでなく、ケース材および仕切り板にテーパ形状を設けて、封止樹脂の端部にフィレット形状を形成した。これにより、ベース板と封止樹脂との界面の端部における熱応力が低減でき、ヒートサイクル試験における封止樹脂とベース板との剥離が抑制できた。そのため、ヒートサイクル寿命を延ばすことができた。また、パワーサイクル試験において、半導体素子からの発熱による封止樹脂と半導体素子との剥離がなくなり、樹脂クラックに至るまで寿命が延ばすことができた。

実施例３では、ベース板に凹部を設けることにより、実施例２と同様の効果が得られ、寿命を延ばすことができた。

実施例４では、ベース板にテーパのついた凹部を設け、その中にケース材および仕切り板を設置することにより、ベース板と封止樹脂との熱応力による剥離が発生しても、ベース板と回路基板との間のはんだの接合面、半導体素子とはんだとの接合面への進展を抑制することができた。

実施例５では、封止樹脂とベース板との接着端部をすべてフィレット形状にすることにより、封止樹脂端部の応力が低減でき、封止樹脂とベース板との剥離が抑制できた。

実施例６では、ベース板に熱膨張係数を近づけた第１の封止樹脂で回路基板の下面までを封止し、弾性率が第１の封止樹脂よりも低い第２の封止樹脂で回路基板の下面から上を封止することにより、それぞれの封止樹脂層での硬化収縮量や熱膨張係数差による応力を低減することができた。これにより、より信頼性の高い半導体装置を得ることができた。

本発明は、家電用、産業用、自動車用、電車用等に広く用いられる半導体パワーモジュールの実装構造に好適に適用され得る。

上記の各実施の形態は適宜組み合わせることができる。
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 半導体素子、２ 回路基板、２ａ 回路、３ ベース板、３ａ ケース材用凹部、３ｂ，３ｄ，３ｆ 底部、３ｃ ケース材用凹部、３ｅ ベース板凹部、４ 空間、５ ケース材、５ａ，６ａ 先端部、６ 仕切り板、７ 封止樹脂、７ａ 第１の封止樹脂、７ｂ 第２の封止樹脂、８ 接合材、９ 配線部材、１０ 外部端子、１１ 接着剤、１２ 端子、７１〜７４ 封止樹脂、１００ 半導体装置、Ｒ１ 第１の領域、Ｒ２ 第２の領域。

Claims (11)

1. 半導体素子と、
   前記半導体素子が実装された回路基板と、
   前記回路基板が実装された放熱性を有するベース板と、
   前記ベース板に設置され、かつ前記回路基板を囲む空間を有するケース材と、
   前記ベース板に設置され、前記空間を前記回路基板の配置された第１の領域とその他の第２の領域とを有するように区画する仕切り板と、
   前記第１の領域においては前記半導体素子を覆うように、前記仕切り板で区画された前記第１および第２の領域の各々を封止する封止樹脂とを備えた、半導体装置。
2. 前記ベース板と前記封止樹脂とが接触する最大距離が４０ｍｍ以下である、請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記ケース材の前記ベース板側の先端部は、前記ベース板に向かって断面積が小さくなるテーパ形状を有している、請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 前記仕切り板の前記ベース板側の先端部は、前記ベース板に向かって断面積が小さくなるテーパ形状を有している、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置。
5. 前記ベース板は仕切り板用凹部を含み、
   前記仕切り板用凹部に前記仕切り板の前記ベース板側の前記先端部が挿入されている、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体装置。
6. 前記仕切り板用凹部は、前記仕切り板用凹部の底部に向かって開口面積が大きくなる逆テーパ形状を有している、請求項５に記載の半導体装置。
7. 前記ベース板はケース材用凹部を含み、
   前記ケース材用凹部に前記ケース材の前記ベース板側の前記先端部が挿入されている、請求項１〜６のいずれかに記載の半導体装置。
8. 前記ケース材用凹部は、前記ケース材用凹部の底部に向かって開口面積が大きくなる逆テーパ形状を有している、請求項７に記載の半導体装置。
9. 前記ベース板はベース板凹部を含み、
   前記ベース板凹部は、前記ベース板において前記回路基板が実装された部分および前記ケース材、前記仕切り板が設置された部分とは異なる部分に設けられており、かつ
   前記ベース板凹部は、前記ベース板凹部の底部に向かって開口面積が大きくなる逆テーパ形状を有している、請求項１に記載の半導体装置。
10. 前記封止樹脂は、第１の封止樹脂と、前記第１の封止樹脂より低い弾性率を有する第２の封止樹脂とを含み、
    前記第１の封止樹脂により前記回路基板の下面までが封止されており、かつ
    前記第２の封止樹脂により前記回路基板の下面より上方が封止されている、請求項１〜９のいずれかに記載の半導体装置。
11. 前記封止樹脂は、異なる材質よりなる第１および第２の封止樹脂を含み、
    前記第１の領域が前記第１の封止樹脂で封止され、前記第２の領域が前記第２の封止樹脂で封止されている、請求項１〜９のいずれかに記載の半導体装置。

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