JP5127632B2

JP5127632B2 - 半導体装置

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Publication number: JP5127632B2
Application number: JP2008213716A
Authority: JP
Inventors: 淳一中尾
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2007-08-24
Filing date: 2008-08-22
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2028-08-22
Also published as: JP2009076887A; US7768109B2; US20090050957A1

Description

本発明は、電力用の半導体素子を備えた半導体装置に関する。

例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Filed Effect Transistor）などの電力用の半導体素子を用いた半導体装置では、半導体素子を実装した配線基板を放熱用の金属ベース基板に固定し、半導体素子の周囲を枠体で覆った構造が知られている。枠体内の下部域には、ゲル状樹脂層が形成され、このゲル状樹脂層の上に封止樹脂層が形成される。配線基板には、外部導出端子の一端が接続され、ゲル状樹脂層と封止樹脂層とを通って、該端子の他端が外部に突出している。

しかし、このような半導体装置では、半導体素子から発生した熱によって、枠体内に充填したゲル状樹脂層が膨張しやすい。このゲル状樹脂層の膨張にともなって、外部導出端子には上方に引き上げられる力が加わり、配線基板と外部導出端子とを接合する接合部にクラックが生じやすい。

そこで、ゲル状樹脂層の上に空隙を形成した構造が提案されている（例えば特許文献１参照）。この構造によれば、ゲル状樹脂層が熱膨張した際に、その膨張を空隙で吸収することができ、外部導出端子に対する引っ張り応力を緩和することができる。

しかしながら、外部導出端子の外部に突出した端部にブスバーを接続して、装置を使用した場合に、ブスバーから外部導出端子に伝達された振動により、配線基板と外部導出端子とを接合する接合部にき裂が生じたり、接合部の接合強度が低下しやすくなる。その結果、外部導出端子が配線基板から剥がれやすくなり、外部導出端子と配線基板との電気的な接続が阻害され、半導体装置の誤作動を招きやすい。
特開平６−８９９４６号公報

本発明の目的は、外部導出端子と配線基板とを接合する接合部の損傷を防止可能な高信頼性の半導体装置を提供することにある。

本発明の一態様に係る半導体装置は、金属ベース基板と、前記金属ベース基板上に配置された配線基板と、前記配線基板上に配置された半導体素子と、前記配線基板上に配置され前記半導体素子と電気的に接続された第１の端部と、前記配線基板外に配置された第２の端部と、前記第１の端部と前記第２の端部とを連結・接続する本体部を有する外部導出端子と、前記外部導出端子の本体部が挿通された挿通部を備え、前記外部導出端子の第１の端部と前記半導体素子を囲むように前記金属ベース基板上に配置された筐体と、前記外部導出端子の本体部を前記筐体の挿通部に固定する固定用樹脂と、前記外部導出端子の第１の端部と前記半導体素子を覆い、前記筐体との間に空隙を有するように前記筐体内に形成されたゲル状樹脂層と、を具備し、前記筐体の挿通部は、下方に向けて開放された筒状の突出部を有し、前記金属ベース基板に垂直な断面であって、前記突出部における前記金属ベース基板に平行な方向の寸法が、前記挿通部における前記金属ベース基板に平行な方向の寸法より大きい断面を有することを特徴としている。

上記構成により、外部導出端子と配線基板とを接合する接合部の損傷を防止でき、高信頼性の半導体装置及びその製造方法を提供することができる。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。なお、以下では本発明の実施形態を図面に基づいて述べるが、それらの図面は図解のために提供されるものであり、本発明はそれらの図面に限定されるものではない。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の構成を模式的に示す断面図である。図２は、図１に示す半導体装置において、ゲル状樹脂層を除いた構成を示す分解斜視図である。図３は、図１に示す半導体装置の外部導出端子にブスバーを接続した構成を示す断面図であり、図４は、図１に示す半導体装置の外部導出端子にブスバーを接続した別の構成を示す断面図である。

第１の実施形態の半導体装置１は、放熱用の金属ベース基板２と、配線基板３と、半導体素子としてＭＯＳＦＥＴ４と、外部導出端子５Ａ，５Ｂ，５Ｃと、合成樹脂製のケース６と、固定用樹脂７と、ゲル状樹脂層８とをそれぞれ備えている。本実施形態では、半導体素子の一例として電力用縦型ＭＯＳＦＥＴを用いた半導体装置について説明する。ＭＯＳＦＥＴ４においては、表面にゲート電極４Ａとソース電極４Ｃがそれぞれ形成され、裏面にドレイン電極４Ｂが形成されている。

金属ベース基板２は、熱伝導性の良好な金属材料（例えば、Ａｌ、Ｃｕ等）から構成され、ＭＯＳＦＥＴ４から発生した熱を放熱する放熱板として使用される。金属ベース基板２には、導電性接合材１０を介して配線基板３が接合されている。導電性接合材１０としては、本実施形態でははんだが使用されるが、それ以外に、銀粉末を配合した熱硬化性樹脂（例えば、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂）を使用することもできる。金属ベース基板２と配線基板３との間に介在される導電性接合材１０の厚さは、１０〜１００μｍの範囲であることが好ましい。

配線基板３は、セラミック基板３１のような絶縁基板の第１の主面（図１、図３では上面）にＣｕ等から成る配線パターン３２が形成された構造となっている。また、配線基板３の第２の主面（図１、図３では下面）には、ＭＯＳＦＥＴ４から発生した熱を金属ベース基板２側へ効率よく伝導させるために、金属膜３３（例えばＣｕなど）が形成されている。

配線パターン３２は、図２に示すように、ＭＯＳＦＥＴ４のゲート電極４Ａに対応するゲート配線パターン３２Ａと、ドレイン電極４Ｂに対応するドレイン配線パターン３２Ｂ、およびソース電極４Ｃに対応するソース配線パターン３２Ｃから構成される。配線基板３のドレイン配線パターン３２Ｂ上にＭＯＳＦＥＴ４のドレイン電極４Ｂが配置され、ドレイン電極４Ｂとドレイン配線パターン３２Ｂとは導電性接合材１０を介して接合されている。ＭＯＳＦＥＴ４の表面に形成されたゲート電極４Ａはゲート配線パターン３２Ａとボンディングワイヤを介して接続（ワイヤボンディング）され、ＭＯＳＦＥＴ４のソース電極４Ｃはソース配線パターン３２Ｃとワイヤボンディングされている。

また、配線パターン３２上には、ゲート用、ドレイン用およびソース用の外部導出端子５Ａ，５Ｂ，５Ｃの一端（第１の端部）が配置され、それぞれ導電性接合材（本実施形態でははんだ）を介して接合されている。導電性接合材から構成されるこれらの接合部（配線パターン３２と外部導出端子５Ａ，５Ｂ，５Ｃの第１の端部との接合部）を、符号１１で示す。すなわち、ゲート用外部導出端子５Ａの第１の端部は、ゲート配線パターン３２Ａ上に配置され、導電性接合材から成る接合部１１を介して接合されており、ドレイン用外部導出端子５Ｂの第１の端部は、ドレイン配線パターン３２Ｂ上に配置され、導電性接合材から成る接合部１１を介して接合されている。また、ソース用外部導出端子５Ｃの第１の端部は、ソース配線パターン３２Ｃ上に配置され、導電性接合材から成る接合部１１を介して接合されている。こうして、ゲート用外部導出端子５Ａの第１の端部はＭＯＳＦＥＴ４のゲート電極４Ａと電気的に接続され、ドレイン用外部導出端子５Ｂの第１の端部はＭＯＳＦＥＴ４のドレイン電極４Ｂと電気的に接続されている。また、ソース用外部導出端子５Ｃの第１の端部はＭＯＳＦＥＴ４のソース電極４Ｃと電気的に接続されている。

ゲート用、ドレイン用およびソース用の外部導出端子５Ａ，５Ｂ，５Ｃの他端（第２の端部）は、配線基板３外に位置しさらにケース６の外部に突出するように配置されている。そして、第１の端部と第２の端部とを連結する端子本体部５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃが、ケース６に形成されたゲート用、ドレイン用およびソース用の挿通孔部６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃをそれぞれ挿通して配置されている。なお、ソース用外部導出端子５Ｃの端子本体部５１Ｃについて、図１および図３では図示しないが、ゲート用外部導出端子５Ａの端子本体部５１Ａおよびドレイン用外部導出端子５Ｂの端子本体部５１Ｂと同様の構成を有する。ゲート用、ドレイン用およびソース用外部導出端子５Ａ，５Ｂ，５Ｃのケース６外に突出した第２の端部は、半導体装置１の使用時に、ブスバー１３にそれぞれ接続される。ケース６に形成されたゲート用、ドレイン用およびソース用の挿通孔部６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃと、ゲート用、ドレイン用およびソース用の外部導出端子５Ａ，５Ｂ，５Ｃの端子本体部５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃとの間には、それぞれ固定用樹脂７が配置されている。

固定用樹脂７は、ゲート用、ドレイン用およびソース用外部導出端子５Ａ，５Ｂ，５Ｃの端子本体部５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃとケース６のゲート用、ドレイン用およびソース用の挿通孔部６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃとを強固に固定する。それにより、図３に示すように、半導体装置１の使用時に、ゲート用、ドレイン用およびソース用の外部導出端子５Ａ，５Ｂ，５Ｃの第２の端部にブスバー１３を接続した場合、ゲート用、ドレイン用およびソース用の外部導出端子５Ａ，５Ｂ，５Ｃが振動しても、これらの外部導出端子５Ａ，５Ｂ，５Ｃの第１の端部と配線基板３との接合部１１に亀裂が生じたりすることがなく、接合強度の低下等を防止することができる。固定用樹脂７としては、外部導出端子５Ａ，５Ｂ，５Ｃの端子本体部５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃをケース６の挿通孔部６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃに強固に固定することが可能な合成樹脂であれば、種類は限定されない。例えば、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂などの熱硬化性樹脂を用いることができ、エポキシ樹脂の使用がより好ましい。

ケース６は、底面をもたない筐体であり、配線基板３と外部導出端子５Ａ，５Ｂ，５Ｃの第１の端部との接合部１１、およびＭＯＳＦＥＴ４を取り囲むように配置されている。ケース６の下端部は金属ベース基板２上に配置され、例えば固着されている。ケース６の形状は、本実施形態では四角柱状であるが、特に限定されるものではなく、円柱状、ドーム状であってもよい。ケース６は、例えば合成樹脂を射出成形することで、所望の形状に形成されたものである。ケース６の上面には、ゲート用、ドレイン用およびソース用の外部導出端子５Ａ，５Ｂ，５Ｃの端子本体部５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃがそれぞれ挿通され保持される挿通孔部６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃが設けられている。各挿通孔部６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃは、下方に向けて開放された筒状の突出部６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃをそれぞれ有する。図１および図３において、筒状の突出部６２Ｃについては図示していないが、突出部６２Ａ，６２Ｂと同様のものである。

このケース６内の下部には、配線基板３とゲート用、ドレイン用およびソース用の外部導出端子５Ａ，５Ｂ，５Ｃの第１の端部との接合部１１、およびＭＯＳＦＥＴ４を覆うように、ゲル状樹脂層８（例えばゲル状のシリコーン樹脂層）が形成されている。本実施形態では、ゲル状樹脂層８の上面が固定用樹脂７と接触している場合を示したが、図４に示すように、必ずしも接触していなくともよい。また、ゲル状樹脂層８とケース６の上面との間には、空隙９が形成されている。このように空隙９を設けることで、ＭＯＳＦＥＴ４から発生した熱によってゲル状樹脂層８が熱膨張した際に、その膨張を空隙９により吸収することができ、外部導出端子５Ａ，５Ｂ，５Ｃに対して働く引っ張り応力を緩和することができる。

上述した第１の実施形態の半導体装置１は、例えば以下に示すようにして製造することができる。図５は、第１の実施形態に係る半導体装置１の製造プロセスを示すフローチャートである。

まず、セラミック基板３１の表面に、ゲート配線パターン３２Ａ、ドレイン配線パターン３２Ｂおよびソース配線パターン３２Ｃから成る配線パターン３２が形成され、裏面に金属膜３３が形成された配線基板３を用意する。次に、この配線基板３上にＭＯＳＦＥＴ４を配置し、ＭＯＳＦＥＴ４のドレイン電極４Ｂをドレイン配線パターン３２Ｂに導電性接合材１０を介して接合する（ステップ１）。また、ゲート配線パターン３２Ａに導電性接合材を介してゲート用外部導出端子５Ａの第１の端部を接合する。同様に、ドレイン配線パターン３２Ｂにドレイン用外部導出端子５Ｂの第１の端部を、導電性接合材を介して接合し、ソース配線パターン３２Ｃにソース用外部導出端子５Ｃの第１の端部を、導電性接合材を介して接合する。こうして、ゲート用、ドレイン用およびソース用の外部導出端子５Ａ，５Ｂ，５Ｃの第１の端部と、ゲート、ドレインおよびソースの各配線パターン３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃとを接合する、導電性接合材から成る接合部１１をそれぞれ形成する。

次に、熱伝導性の良好な金属材料から構成された金属ベース基板２を、配線基板３の裏面に形成された金属膜３３に導電性接合材１０（例えばはんだ）を介して配置する。そして、リフロー炉で加熱して導電性接合材１０を溶融させ、金属ベース基板２と配線基板３の金属膜３３とを固着する（ステップ２）。

次いで、配線基板３のゲート配線パターン３２ＡとＭＯＳＦＥＴ４のゲート電極４Ａとを、ボンディングワイヤを介して接続（ワイヤボンディング）する。また、配線基板３のソース配線パターン３２ＣとＭＯＳＦＥＴ４のソース電極４Ｃとを、同様にワイヤボンディングする（ステップ３）。

次に、配線基板３の上方からケース６を被せ、ゲート用、ドレイン用およびソース用の外部導出端子５Ａ，５Ｂ，５Ｃの端子本体部５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃをケース６の対応する挿通孔部６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃにそれぞれ挿通する。そして、ケース６の下端部を金属ベース基板２に接着剤により固定する（ステップ４）。

次に、ケース６に形成された充填孔（図示を省略。）から、ゲル状樹脂（例えば、ゲル状シリコーン樹脂）をディスペンサでケース６内に注入し充填する（ステップ５）。このとき、ゲル状樹脂の硬さ（針入度）を注入しやすい範囲に適宜調整しておくことが好ましい。充填孔は、ケース６内にゲル状樹脂を注入するために設けられたものであり、その配置位置や孔の数、大きさは限定されない。

ゲル状樹脂の充填量は、ゲート用、ドレイン用およびソース用の外部導出端子５Ａ，５Ｂ，５Ｃの第１の端部と配線基板３との接合部１１、およびＭＯＳＦＥＴ４を覆い、かつケース６の上面との間に空隙９が形成されるような量であればよい。好ましくは、図１および図３に示すように、ケース６の挿通孔部６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃに形成された筒状の突出部６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃの開放された下端部に、ゲル状樹脂が接触するような量であればよい。このような充填量とした場合には、ケース６の筒状の突出部６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃの開放端がゲル状樹脂層８の上面により閉塞される。そのため、ゲル状樹脂を加熱硬化した後、ケース６の挿通孔部６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃに固定用樹脂７を注入する工程（後述する）で、固定用樹脂７がゲル状樹脂層８の上面に接し、筒状の突出部６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃ内に貯留される。こうして、固定用樹脂７の液垂れが防止されるので、作業性が良好になる。さらに、固定用樹脂７とゲル状樹脂層８とが接触することで、半導体装置１の使用時にゲート用、ドレイン用およびソース用の外部導出端子５Ａ，５Ｂ，５Ｃの第２の端部にブスバー１３を接続した場合に、ブスバー１３から外部導出端子５Ａ，５Ｂ，５Ｃに伝達される振動を有効に抑制することができる。したがって、ゲート用、ドレイン用およびソース用の外部導出端子５Ａ，５Ｂ，５Ｃの第１の端部と配線基板３との接合部１１における亀裂の発生を、より確実に防止することができる。

ゲル状樹脂を注入・充填した後、加熱して（例えば１５０℃で１時間）ゲル状樹脂を硬化させ、ゲル状樹脂層８を形成する。

次に、ケース６のゲート用、ドレイン用およびソース用の挿通孔部６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃに固定用樹脂７（例えば、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂などの熱硬化性樹脂）をそれぞれ注入し、加熱して樹脂を硬化させる。なお、樹脂の温度が常温に戻った際に、固定用樹脂７とゲル状樹脂層８との間に隙間ができることもある。こうして、ゲート用、ドレイン用およびソース用の外部導出端子５Ａ，５Ｂ，５Ｃの端子本体部５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃをケース６の対応する挿通孔部６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃにそれぞれ固定する（ステップ６）。このようにして、第１の実施形態の半導体装置１が得られる。

以上説明したように、本実施形態では、ケース６のゲート用、ドレイン用およびソース用の挿通孔部６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃとゲート用、ドレイン用およびソース用の外部導出端子５Ａ，５Ｂ，５Ｃの端子本体部５１Ａ、５１Ｂ，５１Ｃとが固定用樹脂７によりそれぞれ固定されている。このような構成によれば、半導体装置１の使用時に、ゲート用、ドレイン用およびソース用の外部導出端子５Ａ，５Ｂ，５Ｃのケース６外に突出した第２の端部にブスバー１３を接続した場合に、ブスバー１３から各外部導出端子５Ａ，５Ｂ，５Ｃに伝達された振動により、外部導出端子５Ａ，５Ｂ，５Ｃの第１の端部と配線基板３との接合部１１に亀裂が発生しにくい。具体的には、前記したように固定用樹脂７を用いて外部導出端子５Ａ，５Ｂ，５Ｃとケース６の挿通孔部６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃとを固定した構成とすることで、半導体装置１の使用寿命を約３倍の１０〜１５年程度まで延ばすことができる。そして、外部導出端子５Ａ，５Ｂ，５Ｃと配線基板３との電気的接続を阻害することがなく、信頼性の高い半導体装置１を提供することができる。

さらに、ゲル状樹脂層８を、その上面がケース６の挿通孔部６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃの筒状突出部６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃの下端部に接触するように形成することで、固定用樹脂７を所定の部位に作業性良く形成することができる。すなわち、液状の固定用樹脂７をケース６の挿通孔部６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃから注入した場合に、固定用樹脂７の流下がゲル状樹脂層８の上面に接することで停止し、液垂れが防止されるため、良好な作業性が得られる。

なお、本実施形態では、配線基板３と金属ベース基板２とが導電性接合材１０を介して接合されているが、ねじ止めにより結合されていてもよい。この場合、金属ベース基板２に結合するためのねじ孔を配線基板３に設け、金属ベース基板２にねじを切り、これらを結合する構成とすることができる。

また、本実施形態では、半導体素子の一例として、電力用の縦型ＭＯＳＦＥＴを使用した構成について説明したが、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、ダイオード、あるいはこれらの素子を組み合わせた複合素子を用いることもできる。また、実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については、概略的に示したものにすぎず、また数値および各構成の組成（材質）については例示にすぎない。したがって、本発明は以上の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り、さまざまな形態に変更することができる。

本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の構成を模式的に示す断面図である。第１の実施形態に係る半導体装置の分解斜視図である。第１の実施形態に係る半導体装置にブスバーを接続した構成を示す断面図である。第１の実施形態に係る半導体装置にブスバーを接続した別の構成を示す断面図である。本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造工程を示すフローチャートである。

符号の説明

１…半導体装置、２…金属ベース基板、３…配線基板、４…ＭＯＳＦＥＴ、５Ａ，５Ｂ，５Ｃ…外部導出端子、５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ…端子本体部、６…ケース、６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃ…挿通孔部、６２Ａ，６２Ｂ…突出部、７…固定用樹脂、８…ゲル状樹脂層、９…空隙、１１…接合部、１３…ブスバー。

Claims

金属ベース基板と、
前記金属ベース基板上に配置された配線基板と、
前記配線基板上に配置された半導体素子と、
前記配線基板上に配置され前記半導体素子と電気的に接続された第１の端部と、前記配線基板外に配置された第２の端部と、前記第１の端部と前記第２の端部とを連結・接続する本体部を有する外部導出端子と、
前記外部導出端子の本体部が挿通された挿通部を備え、前記外部導出端子の第１の端部と前記半導体素子を囲むように前記金属ベース基板上に配置された筐体と、
前記外部導出端子の本体部を前記筐体の挿通部に固定する固定用樹脂と、
前記外部導出端子の第１の端部と前記半導体素子を覆い、前記筐体との間に空隙を有するように前記筐体内に形成されたゲル状樹脂層と、を具備し、
前記筐体の挿通部は、下方に向けて開放された筒状の突出部を有し、
前記金属ベース基板に垂直な断面であって、前記突出部における前記金属ベース基板に平行な方向の寸法が、前記挿通部における前記金属ベース基板に平行な方向の寸法より大きい断面を有することを特徴とする半導体装置。
前記固定用樹脂が、熱硬化性樹脂であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
前記外部導出端子の第１の端部と前記配線基板とが、導電性接合材を介して電気的に接続されていることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置。
前記突出部内に前記固定用樹脂が配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか1項記載の半導体装置。
前記ゲル状樹脂層の上面と前記固定用樹脂との間に隙間を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか1項記載の半導体装置。