JP7619723B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置とその製造方法に関する。
本技術分野の背景技術として、特開２００７－１２８３１号公報（特許文献１）がある。特許文献１には、絶縁基板で金属回路を接合していない沿面部分と半導体素子と金属ワイヤとの接合界面部分に、モジュール全体の絶縁を確保するために充填した樹脂とに比べ、熱膨張係数が小さく、ヤング率が大きく、絶縁耐量が高い電気絶縁性樹脂をコーティングし、コーティングした樹脂の厚さを、ワイヤの断面方向でコーティング樹脂の変曲点が、ワイヤの断面高さに対して１／４以下になる形状にしたパワー半導体装置が記載されている。
特開２００７－１２８３１号公報
パワー半導体素子を備えた半導体装置では、ワイヤと半導体素子の熱膨張差に起因し、半導体装置の動作中に、半導体素子の電極とワイヤの接合部に応力が繰り返し印加される。この熱応力により、半導体素子の電極またはワイヤにクラックが発生することにより、半導体装置が破壊に至る課題がある。
この課題に対して、前記特許文献１には、液体状の樹脂をワイヤの接合部に塗布することで接合部の補強を行い、信頼性が向上した半導体装置が記載されている。しかし、更なる信頼性向上のために、樹脂やワイヤの機械的強度を向上させたときの製造上の課題やその効果について記載はなく、機械的強度の高い樹脂とワイヤを適用ができない課題があった。
本発明の目的は、半導体素子の電極とワイヤの接合信頼性が向上した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、前記半導体素子に形成された表面電極と、前記表面電極に接合されたワイヤと、前記表面電極と前記ワイヤの接合部を被覆する第１樹脂とを有し、前記表面電極の表面はＮｉ層とし、前記第１樹脂の弾性率よりも低い第２樹脂を有し、前記第１樹脂は、前記第２樹脂により被覆され、前記半導体素子を支持する配線基板と、前記配線基板の上面に形成された配線パターンと、前記配線基板と前記半導体素子を接合する接合材と、前記表面電極と前記ワイヤの接合部、前記半導体素子、前記接合材、前記配線パターン、前記配線基板の少なくとも一つを被覆する第３樹脂と、を備えた半導体装置であって、前記第３樹脂の弾性率は、前記第１樹脂の弾性率よりも低く構成し、前記半導体装置は、前記配線基板が取り付けられたベース板と、前記ベース板に取り付けられ、前記半導体素子、前記ワイヤ及び前記配線基板を覆うケースと、前記ベース板の上面及び前記ケースに囲まれた領域を封止する封止用の樹脂とを備えたことを特徴とする。
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体素子の表面電極もしくは前記表面電極とワイヤの接合箇所の少なくとも一方にプラズマを照射する工程と、前記半導体素子の表面電極とワイヤを接合する工程と、前記ワイヤと前記表面電極の接合部に第１樹脂が溶解した溶液を塗布する工程を備え、前記第１樹脂が溶解した溶液を塗布する工程の前に、前記プラズマを照射する工程とを含み、前記第１樹脂が溶解した溶液を塗布する工程において、前記溶液の固形分比率が０．７０ｗｔ％以下であることを特徴とする。
本発明によれば、半導体素子の電極とワイヤの接合信頼性が向上した半導体装置を提供することができる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
実施例１における半導体装置の構造を示す断面模式図である。 実施例１における半導体装置の構造を示す断面模式図である。 実施例１における半導体装置の構造を示す平面模式図である。 実施例１における半導体素子の表面電極とワイヤの接合部のワイヤ長さ方向における断面模式図である。 実施例１における半導体素子の表面電極とワイヤの接合部のワイヤ直径方向における断面模式図である。 実施例１における半導体素子の表面電極とワイヤの接合部の平面模式図である。 実施例１における第２樹脂を被覆したときのワイヤ長さ方向における断面模式図である。 実施例１における第２樹脂を被覆したときのワイヤ直径方向における断面模式図である。 検討例１における半導体素子の表面電極とワイヤの接合部の断面模式図である。 検討例１において、ワイヤ接合部の第１樹脂に存在するボイドの模式図である。 実施例２における半導体装置の構造を示す断面模式図である。 実施例２における半導体装置において、第３樹脂の被覆箇所を変えたときの構造を示す断面模式図である。 プラズマ処理工程の有無、及び第１樹脂塗布工程における第１樹脂溶液の固形分濃度とワイヤ接合部のボイド有無の関係を示す表１の図である。 表面電極、ワイヤの引張強度、第１樹脂の弾性率を変えたときのパワーサイクル寿命を示す表２の図である。 第１樹脂層の厚みを変えたときのパワーサイクル寿命を示す表３の図である。 実施例１に係る半導体装置の代表的な製造方法を示すフロー図である。 変形例に係る実施例１の半導体装置の製造方法を説明する図である。 実施例２に係る半導体装置の代表的な製造方法を示すフロー図である。 変形例に係る実施例２の半導体装置の製造方法を説明する図である。
以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。
また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。
さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。
同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
また、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。
本発明の実施例１について図１から図８を用いて説明する。
図１および図２は本実施例における半導体装置の構造を示す断面模式図、図３は本実施例における半導体装置の構造を示す平面図模式図である。なお、図１は図３中Ａ方向から見た断面模式図であり、図２は、図３中Ｂ方向から見た断面模式図である。
半導体装置１０は、複数の半導体素子１と半導体素子１を支持する配線基板３と、配線基板３を支持するベース板４と、半導体素子１及び配線基板３を電気的に接続するワイヤ６と、配線基板３及び外部装置（図示せず）を電気的に接続する端子７とを有している。半導体素子１と配線基板３は、接合材２を介して接合されている。配線基板３とベース板４は接合材５を介して接合されている。
半導体素子１は、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｌｅｄ－Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＦＷＤ（Ｆｒｅｅ Ｗｈｅｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）、ＳＢＤ（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｄｉｏｄｅ）等を含むがこれに限定されるものではない。また、半導体素子１は、シリコン（Ｓｉ）や炭化シリコン（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、酸化ガリウム、ダイヤモンドなどにより構成される。半導体素子１は表面電極１ａ（図１、図２には図示せず）を含む。
配線基板３は、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）等のセラミック板により構成されている。配線基板３の上面３ａには複数の配線パターン３ａａ、３ａｂ、３ａｃが、配線基板３の下面３ｂには配線パターン３ｂａが、それぞれ形成されている。配線パターン３ａａ、３ａｂ、３ｂａは、例えば銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）を主成分とする材料により構成されている。
ワイヤ６は、例えば、アルミニウム、銅を含む金属線であり、図３に示すように、半導体素子１の表面電極１ａと配線基板３の上面３ａの配線パターン３ａｂ、３ａｃを電気的に接続している。半導体素子１の表面電極１ａとワイヤ６の接合部（以下、ワイヤ接合部と記す。）には、第１樹脂３１が被覆されている(図１、図３）。
接合材２は、例えば、はんだや焼結金属を用いることができる。はんだとして、例えば、スズ（Ｓｎ）を主成分とするはんだ、鉛（Ｐｂ）を主成分とするはんだがある。焼結金属として、例えば、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）がある。
ベース板４は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、Ａｌ－Ｃ、アルミニウム合金、Ｃｕ－Ｃ、Ｃｕ－Ｍｏ、銅合金、アルミニウムとＳｉＣの複合材、またはマグネシウムとＳｉＣの複合材により構成されており、表面にニッケル、金、銀などのめっきが施されていてもよい。ベース板４は、接合材５を介して、配線基板３が取り付けられている。接合材５は、例えばはんだを用いることができる。半導体素子１から発生した熱は、ベース板４から半導体装置１０の外部へ伝達される。
ベース板４には、複数の半導体素子１、複数のワイヤ６及び配線基板３を覆うケース８が取り付けられている。ベース板４の上面及びケース８に囲まれた領域には、例えば封止用の樹脂９が充填されている。樹脂９は、例えばゲル状の樹脂材を用いることができる。
以下、本実施例における半導体装置の特徴の詳細を記す。
図４および図５は本実施例における半導体素子１の表面電極１ａとワイヤ６の接合部の断面模式図、図６は本実施例における半導体素子１の表面電極１ａとワイヤ６の接合部の平面模式図である。なお、図４は図６中Ｃ方向から見た断面模式図であり、図５は、図６中Ｄ方向から見た断面模式図である。
本実施例における半導体装置では、ワイヤ６の引張強度は、好ましくは、８０ＭＰa以上である。ワイヤ６の強度が高いほど、熱応力が繰り返しかかっても、ワイヤ６にクラックが入りにくいため、ワイヤ接合部の信頼性は向上する。
ワイヤ接合部には、第１樹脂３１が被覆されている。本実施例における半導体装置では、第１樹脂３１の弾性率は、好ましくは、５ＧＰa以上である。第１樹脂３１に用いる樹脂として、例えば、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂を用いることができる。半導体素子１の絶縁耐圧を担保するため、第１樹脂３１に含まれる金属イオン等の不純物含有量は、１ｐｐｍ以下が望ましい。また、第１樹脂の線膨張係数は、１５～６０ｐｐｍ／℃の範囲が望ましい。
ワイヤ接合部のワイヤ長さ方向における第１樹脂３１の厚みは、１０μｍ以上、特に２０μｍ以上であることが望ましい。なお、ワイヤ接合部のワイヤ長さ方向における第１樹脂３１の厚みとは、図４においてｔ１で表した、第１樹脂３１の表面と接するワイヤ６の表面と半導体素子１の表面電極１ａの距離である。
ワイヤ接合部のワイヤ直径方向における第１樹脂３１の厚みは、１０μｍ以上が望ましい。なお、ワイヤ接合部のワイヤ直径方向における第１樹脂３１の厚みとは、図５においてｔ２で表した、第１樹脂３１の表面と接するワイヤ６の表面と半導体素子１の表面電極１ａの距離である。
図７は、ワイヤ接合部に第１樹脂３１に加え第２樹脂３２を被覆したときのワイヤ長さ方向における断面模式図である。図８は、ワイヤ接合部に第１樹脂３１に加え第２樹脂３２を被覆したときのワイヤ長さ方向における断面模式図である。ワイヤ接合部には、第１樹脂３１に加え、第１樹脂３１よりも弾性率が低い、第２樹脂３２を被覆しても良い。弾性率５ＧＰaを超える第１樹脂３１の樹脂溶液は、粘度が高く、塗布するために希釈するコストがかかる。第１樹脂３１よりも弾性率が低い、第２樹脂３２の樹脂溶液は、第１樹脂の樹脂溶液より粘度が低く、希釈するコストを抑えることができる。例えば、膜厚１０μｍの第１樹脂に加え、膜厚１０～５０μｍの第２樹脂を被覆することで、コストを抑えたまま、接合部の信頼性を更に向上できる。第２樹脂層３２に用いる樹脂として、例えば、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂を用いることができる。
半導体素子１には表面電極１ａが形成されている。本実施例における半導体装置では、表面電極１ａは、Ａｌ合金層とＮｉ層の積層体であり、Ｎｉ層が表面電極１ａの最表面に存在する。表面電極１ａの最表面をＮｉ層とすることにより、表面電極１ａの強度を高めることができ、熱応力が繰り返しかかっても、表面電極１ａにクラックが入りにくいため、ワイヤ接合部の信頼性は向上する。Ｎｉ層の厚みは、Ｎｉ層の強度に応じて適宜設定することができるが、例えば、１～２０μｍとすることで、ワイヤ接合部の信頼性が向上する。Ｎｉ層とはＮｉを主成分として含む金属層のことであり、添加元素が含有していても問題ない。
本実施例における半導体装置は、以下の課題を解決するものである。ここで課題を説明するために、本発明者が検討した検討例１の半導体装置９０について説明する。検討例１の半導体装置９０は、本実施例における半導体装置１０と同様に、複数の半導体素子１と半導体素子１の表面電極１ａ、ワイヤ６、第１樹脂３１を有している。
図９は、検討例１における半導体素子１の表面電極１ａとワイヤ６の接合部の模式図である。一つ目の課題は、ワイヤ６の強度が高いことに起因する。ワイヤ６の強度が高い（例えば引張強度が８０ＭＰａを超える）と、例えば超音波ボンディングでワイヤ６を接合する際、ワイヤ６は変形しにくくなる。このとき、表面電極１ａに損傷を与えない接合強度でワイヤ６を接合するためには、例えば図９に示すように、ワイヤ接合部の長さＬ２は、ワイヤ６の直径比Ｌ１の８５％より小さくする必要がある。このとき、図９に示すように、ワイヤ接合部には、接合部上面からは確認できない、ワイヤ６と表面電極１ａに囲まれる空間（以下、ワイヤ接合部の空間９１と記す）が存在する。このワイヤ接合部の空間９１は、ワイヤ接合部に第１樹脂３１を被覆する際、第１樹脂を含有する樹脂溶剤が十分に流れ込まないため、第１樹脂３１にボイド９２が発生する課題がある。図１０は、検討例１において、ワイヤ接合部の第１樹脂３１に存在するボイド９２の模式図である。
二つ目の課題は、第１樹脂３１の弾性率が高いことに起因する。第１樹脂３１の弾性率が高い場合、第１樹脂を含む樹脂溶液の粘度も高い場合が多く、前述のワイヤ接合部の空間９１に、樹脂溶液が流れ込みにくくなるため、ワイヤ接合部を被覆する第１樹脂３１にボイドが発生しやすくなる課題もある。
本発明は、ワイヤ６の引張強度が８０ＭＰa以上、第１樹脂層３１の弾性率が５ＧＰａ以上の場合であっても、半導体素子１の表面電極１ａの最表面をＮｉにすること、さらに、後述する製造方法で、ワイヤ接合部の空間にボイドなく第１樹脂３１を被覆することにより、従来よりもワイヤ接合部の信頼性を向上させることができることを見出したことに基づくものである。
＜実施例１の半導体装置の製造方法＞
本実施例の半導体装置の製造方法について図を用いて説明する。図１６は、実施例１に係る半導体装置の代表的な製造方法を示すフロー図である。図１６に示すように、本実施例の半導体装置の製造方法は、半導体素子搭載工程Ｓ１、ワイヤ接合工程Ｓ２、プラズマ処理工程Ｓ３、第１樹脂塗布工程Ｓ４、第１樹脂硬化工程Ｓ５を含んでいる。本実施例の半導体装置の製造方法は、また、第２樹脂塗布工程Ｓ６、第２樹脂硬化工程Ｓ７を含んでもよい。
＜半導体素子搭載工程Ｓ１＞
半導体素子搭載工程Ｓ１は、半導体素子１を配線基板３に、接合材２を用いて接合する工程である。半導体素子１の表面電極１ａの最表面はＮｉであり、Ｎｉは、例えば電解めっき、無電解めっき、蒸着等の手法で形成することができる。接合材２は、例えば、はんだや焼結金属を用いることができる。
＜ワイヤ接合工程Ｓ２＞
ワイヤ接合工程Ｓ２は、半導体素子搭載工程Ｓ１の後に実施される。ワイヤ接合工程Ｓ２は、半導体素子１の表面電極１ａと配線基板３の上面３ａの配線パターン３ａａ、３ａｃをワイヤ６で接合する工程である。接合方法として、例えば、超音波ボンディングを利用できる。
＜プラズマ処理工程Ｓ３＞
プラズマ処理工程Ｓ３は、ワイヤ接合工程Ｓ２の後に実施される。プラズマ処理工程Ｓ３は、対象物にプラズマ処理を施し、対象物表面の汚染や酸化を除去することで、対象物に対する樹脂溶剤の濡れ性を高める工程である。プラズマ処理には、例えば、真空プラズマ、大気圧プラズマ等、各種プラズマ処理を利用できる。処理に用いるガスとして、例えば、窒素、アルゴン、酸素、水素、またこれらの混合ガスを利用することができる。プラズマ出力、処理時間は、対象物表面の汚染や酸化等の存在に合わせ、適宜設定することができる。
プラズマ処理工程Ｓ３は、後述する第１樹脂塗布工程Ｓ４とワイヤ接合工程Ｓ２の間に実施することができる。ワイヤ接合部にプラズマを照射することで、表面電極１ａ、ワイヤ６に対する樹脂溶剤の濡れ性を高めることができるため、ワイヤ接合部にボイドなく第１樹脂３１を塗布することができる。
ワイヤ６がプラズマを遮蔽し、ワイヤ接合部にプラズマを十分照射できない場合、対象物をプラズマ照射方向に対し、適宜傾斜して設置してもよい。プラズマ照射方向に対し対象物を傾斜させることで、プラズマ照射方向に対し、ワイヤ６が遮蔽されることを防ぎ、ワイヤ接合部にプラズマを照射することができる。
プラズマ処理の効果を高めるため、プラズマ処理をワイヤ接合工程Ｓ２の前に、半導体素子１の表面電極１ａに追加して施してもよい。つまり、ワイヤ接合工程Ｓ２の前、半導体素子搭載工程Ｓ１の後にプラズマ処理を追加して施してもよい。ワイヤ接合工程Ｓ２の前に、プラズマ処理を追加することで、プラズマがワイヤ６に遮蔽されることなく、半導体素子１の表面電極１ａに照射されるため、樹脂溶液の濡れ性をより高めることができる。
＜第１樹脂塗布工程Ｓ４＞
第１樹脂塗布工程Ｓ４は、プラズマ処理工程Ｓ３の後に実施される。第１樹脂塗布工程Ｓ４は、第１樹脂３１が溶解した樹脂溶液をワイヤ接合部に塗布する工程である。樹脂溶液は、例えばディスペンサ等を用いて、ワイヤ接合部に塗布することができる。このとき、第１樹脂３１の固形分濃度が高いと、樹脂溶液の粘度が高いため、ワイヤ接合部の空間に樹脂溶液が流れ込まず、第１樹脂３１にボイドが発生する。ワイヤ接合部のボイド発生を防ぐためには、前述のプラズマ処理工程Ｓ３を経たうえで、樹脂溶液の固形分濃度を０．７０ｗｔ％以下にする必要がある。
樹脂溶剤の固形分濃度が低い場合、ワイヤ接合部の第１樹脂３１の膜厚を担保するためには、樹脂溶液の塗布量を増やす必要がある。一方、樹脂溶液の塗布量が多いと、半導体素子１からあふれる、もしくは、ワイヤ６のループ箇所（図示せず）に樹脂溶剤が吸い上げられるため、ワイヤ接合部に所望の量の第１樹脂３１を塗布できないことが起こる。このように、１回の塗布で必要な膜厚の第１樹脂３１を形成できない場合は、塗布回数を適宜増やすことができる。また塗布回数を複数設けるとき、その塗布間に溶剤の乾燥を設けることで、より短時間で塗布工程を完了することができる。溶剤の乾燥条件は、特に限定されるものではなく、例えば乾燥温度については、室温から１００℃程度の温度域で適宜設定することができる。溶剤を乾燥させることにより、塗布を繰り返しても、樹脂溶液が半導体素子１からあふれる、もしくは、ワイヤ６のループ箇所に吸い上げられ、ワイヤ接合部に所望の樹脂量を塗布できないことを防ぐことができる。
樹脂溶液を複数回塗布する場合、２回目以降の樹脂溶液の固形分濃度は、１回目の固形分濃度より高めることができる。１回目の塗布では、ワイヤ接合部の空間に樹脂溶液を流れ込ませるため、固形分比率を、例えば、０．７０ｗｔ％まで下げる必要があるが、２回目以降の塗布では、１回目に塗布した樹脂溶液が、ワイヤ接合部を被覆しており、樹脂溶剤の濡れが良いため、１回目に比べ固形分比率が高くても、第１樹脂３１はボイドなくワイヤ接合簿を被覆することができる。２回目以降の塗布に使用する樹脂溶液の固形分濃度は、１回目の塗布に使用する樹脂溶剤の固形分濃度より高ければ良く、例えば、１回目で０．７０ｗｔ％、２回目で７．０ｗｔ％とすることができる。これにより、より短時間で所望の厚みをもつ第１樹脂３１をワイヤ接合部に被覆することができる。
２回目以降に塗布する樹脂溶液中の樹脂の弾性率は、１回目の塗布に使用する樹脂溶液中の樹脂の弾性率より低くても良い。１回目の塗布に使用する高弾性５ＧＰaを超える樹脂の樹脂溶液は、粘度が高く、希釈するためのコストがかかる。１回目の塗布で、高弾性５ＧＰaを超える樹脂を、例えば、１０μｍ被覆した後、２回目以降の塗布で、弾性率２ＧＰaの樹脂を、例えば、追加で被覆することができる。これにより、コストを抑えたまま、接合部の信頼性を更に向上できる。
またこのとき、２回目以降に塗布する樹脂の金属イオン不純物量は、１回目に塗布する金属イオン不純物量より高くても良い。２回目以降に塗布する樹脂は、半導体素子の電極に直接接しないため、金属イオンを含むことによる耐圧低下が生じにくくなる。金属イオン不純物の精製が不要、もしくは簡素化できるため、コストを抑えることができる。
＜第１樹脂硬化工程Ｓ５＞
第１樹脂硬化工程Ｓ５は、第１樹脂塗布工程Ｓ４の後に実施される。第１樹脂硬化工程Ｓ５は、ワイヤ接合部に塗布した第１樹脂溶液の溶媒を気化させ、樹脂を硬化させる工程である。硬化温度、硬化時間は、樹脂溶液の溶媒に応じて適宜設定することができる。溶媒にＮＭＰ（Ｎ－メチル－２－ピロリドン）を使用した場合、例えば、硬化温度を２００℃とすることができる。
第２樹脂３２を利用しない場合は、実施例の半導体装置の代表的な製造方法は、第１樹脂硬化工程Ｓ５で終了する。一方、第２樹脂３２を用いる場合は、第１樹脂硬化工程Ｓ５の後に、第２樹脂塗布工程Ｓ６および第２樹脂硬化工程Ｓ７が追加して実施される。
＜第２樹脂塗布工程Ｓ６＞
第２樹脂塗布工程Ｓ６は、第１樹脂硬化工程Ｓ５の後に実施される。第２樹脂塗布工程Ｓ６は、第２樹脂３２が溶解した樹脂溶液をワイヤ接合部に塗布する工程である。樹脂溶液は、例えばディスペンサ等を用いて、ワイヤ接合部に塗布することができる。第２樹脂塗布工程Ｓ６は、第１樹脂塗布工程Ｓ４の後であればよく、第１樹脂硬化工程Ｓ５の前に実施しても、第１樹脂硬化工程Ｓ５の後に実施してもよい。第２樹脂塗布工程Ｓ６を、第１樹脂硬化工程Ｓ５の前に実施することで、第１樹脂硬化工程Ｓ５を第２樹脂硬化工程Ｓ７と兼ねることができ、製造プロセスが短縮することから、コストを低減することができる。
＜第２樹脂硬化工程Ｓ７＞
第２樹脂硬化工程Ｓ７は、第２樹脂塗布工程Ｓ６の後に実施される。第２樹脂硬化工程Ｓ７は、ワイヤ接合部に塗布した第２樹脂溶液の溶媒を気化させ、樹脂を硬化させる工程である。硬化温度、硬化時間は、樹脂溶液の溶媒に応じて適宜設定することができる。溶媒にＮＭＰを使用した場合、例えば、硬化温度を２００℃とすることができる。第２樹脂塗布工程Ｓ６が、第１樹脂硬化工程Ｓ５よりも前にある場合、第１樹脂硬化工程Ｓ５を第２樹脂硬化工程Ｓ７と兼ねることができる。これにより、製造プロセスが短縮することから、コストを低減することができる。
＜実施例１の製造方法の変形例＞
図１７は、変形例に係る実施例１の半導体装置の製造方法を説明する図である。図１７の製造方法は、第２樹脂塗布工程Ｓ６が第１樹脂硬化工程Ｓ５の前に実施され、第１樹脂硬化工程Ｓ５が第２樹脂硬化工程Ｓ７を兼ねるように構成される製造方法を示している。第２樹脂塗布工程Ｓ６を、第１樹脂硬化工程Ｓ５の前に実施することで、第１樹脂硬化工程Ｓ５を第２樹脂硬化工程Ｓ７と兼ねることができ、半導体装置の製造プロセスが短縮できるので、半導体装置の製造コストを低減することができる。なお、プラズマ処理工程Ｓ３は、半導体素子搭載工程Ｓ１とワイヤ接合工程Ｓ２との間に実施されても良い。
＜本発明の効果＞
本実施例における半導体装置の製造方法の効果を以下に記す。図１３は、プラズマ処理工程の有無、及び第１樹脂塗布工程における第１樹脂溶液の固形分濃度とワイヤ接合部のボイド有無の関係を示す表１の図である。図１４は、表面電極、ワイヤの引張強度、第１樹脂の弾性率を変えたときのパワーサイクル寿命を示す表２の図である。図１５は、第１樹脂層の厚みを変えたときのパワーサイクル寿命を示す表３の図である。
図１３に示す表１は、プラズマ処理工程Ｓ３の有無、及び第１樹脂塗布工程Ｓ４における第１樹脂溶液の固形分濃度とワイヤ接合部のボイド有無の関係を示す表である。樹脂溶液に含まれる樹脂は、平均分子量３００００、弾性率５ＧＰａのポリアミドイミド樹脂、溶媒はＮＭＰである。表１に示す通り、ワイヤ接合部のボイド発生を防ぐためには、前述のプラズマ処理工程Ｓ３を経たうえで、樹脂溶液の固形分濃度を０．７０ｗｔ％以下にする必要がある。このときの樹脂溶液の粘度は、０．０１３Ｐａ・ｓ以下である。
本実施例における半導体装置の効果を以下に記す。
図１４に示す表２は、表面電極１ａ、ワイヤ６の引張強度、第１樹脂３１の弾性率を変えたときのパワーサイクル寿命を示す表である。パワーサイクル寿命は、半導体素子１の温度が５０℃から１７５℃に上昇し、再び５０℃に降下することを繰り返す温度負荷を与えたときの、半導体装置の寿命である。表２において、表面電極をＮｉと記す条件は、Ａｌ合金の電極層に、３μｍの無電解Ｎｉめっきを積層した条件である。第１樹脂層の厚みｔ１、ｔ２はともに２０μｍである。構成３と構成６を比較すると、ワイヤ６の引張強度が８０ＭＰａ、第１樹脂３１の弾性率が５ＧＰａのとき、表面電極１ａをＮｉ層とすることで、表面電極がＡｌ合金のときと比べ、寿命が約４倍に増加していることが分かる。
図１５に示す表３は、第１樹脂層３１の厚みｔ１、ｔ２を変えたときのパワーサイクル寿命を示す表である。パワーサイクル寿命は、半導体素子１の温度が５０℃から１７５℃に上昇し、再び５０℃に降下することを繰り返す温度負荷を与えたときの、半導体装置の寿命である。また、半導体素子１の表面電極１ａはＮｉ、ワイヤ引張強度は８０ＭＰａである。第１樹脂層の厚みｔ１、ｔ２がともに１０μｍのとき、樹脂の弾性率が低い（３ＧＰａ）従来構造よりも、寿命が１．１２倍に増加していることが分かる。さらに、ｔ１が２０μｍ、ｔ２が１０μｍのとき、寿命は１．３７倍、ｔ１、ｔ２ともに２０μｍのとき、寿命は１．４３倍に増加した。なお、ｔ１が２０μｍを超えていても、ｔ１の膜厚がゼロ、すなわちボイドが存在する場合、その寿命は従来構造比０．５６にとどまり、信頼性が低下する。
次に、図１１、図１２を用いて本発明による第２の実施例を説明する。
図１１は本実施例における半導体装置２０の構造を示す断面模式図である。本実施例では、第１樹脂層３１、半導体素子１、接合材２、配線基板３、及び配線基板３の上面３ａの配線パターン３ａａ、３ａｂ、３ａｃを第３樹脂層３３が被覆していることが、実施例１との変更点である。その他の構成は、既に説明した図１から図８に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有するので、それらの説明は省力する。
半導体装置には、数１００～１０ｋＶの高電圧が印加されるため、半導体素子１の端部や配線パターン３ａａ、３ａｂ、３ａｃの端部など電界集中する箇所を起点に放電が起こることがある。放電を抑止するため、半導体素子１の端部や配線パターン３ａａ、３ａｂ、３ａｃの端部など電界集中する箇所に、誘電率の高い樹脂層を被覆し、電界を緩和することがある。一方、被覆箇所に対する樹脂溶液の濡れ性が悪いと、樹脂が被覆されない箇所や、樹脂のボイドが生じ、放電抑止効果が十分に得られない課題がある。
本実施例では、第３樹脂３３を塗布する前に、プラズマ処理工程を経ることで、半導体素子１、配線基板３、配線パターン３ａａ、３ａｂ、３ａｃの汚染や酸化を除去し、樹脂溶剤の濡れ性を高めることができる。第３樹脂３３に用いる樹脂として、例えば、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂を用いることができる。第３樹脂３３の厚みは、半導体装置の定格電圧に応じて適宜設定することができるが、例えば、５～１００μｍとすることで、絶縁信頼性が向上する。これにより、第１樹脂３１が被覆するワイヤ接合部の信頼性向上だけでなく、第３樹脂層３３が半導体素子１の端部や配線パターン３ａａ、３ａｂ、３ａｃの端部などを被覆することで、絶縁信頼性も向上させることができる。また第３樹脂３３の効果は、電界緩和であるため、樹脂の弾性率は特に制限されるものではなく、例えば、１～３ＧＰａのような、第１樹脂層の弾性率よりも低い弾性率の樹脂を使用することができる。
図１２は、本実施例における半導体装置において、第３樹脂の被覆箇所を変えたときの構造を示す断面模式図である。第３樹脂溶液の塗布箇所は、ワイヤ接合部を被覆する第１樹脂３１を除いた、または、第２樹脂３２を除いた、半導体素子１、接合材２、配線基板３、及び配線基板３の上面３ａの配線パターン３ａａ、３ａｂ、３ａｃとすることができる。ワイヤ接合部の信頼性を第１樹脂３１で担保できる場合、ワイヤ接合部に第３樹脂３３を被覆することを省略することで、第３樹脂層の使用量を抑え、コストを低減することができる。
第３樹脂層の被覆領域は、半導体素子１、接合材２、配線基板３、及び配線基板３の上面３ａの配線パターン３ａａ、３ａｂ、３ａｃの少なくとも１箇所を含んでいればよい。電解集中する箇所に応じて、適宜塗布領域を選択することで、樹脂の使用量を抑えながら、絶縁信頼性も担保することができる。
＜実施例２の半導体装置の製造方法＞
本実施例の半導体装置の製造方法について図を用いて説明する。図１８は、実施例２に係る半導体装置の代表的な製造方法を示すフロー図である。図１８に示す本実施例における半導体装置の製造方法では、図１６の実施例１に記載の製造工程（Ｓ１～Ｓ７）に加え、第３樹脂塗布工程Ｓ８、及び第３樹脂硬化工程Ｓ９を有する。その他の工程（Ｓ１～Ｓ７）、及び工程の順番は、実施例１に記載しているものと同様なので、それらの説明は省略する。
＜第３樹脂塗布工程Ｓ８＞
第２樹脂３２を利用しない場合は、本実施例の半導体装置の代表的な製造方法は、第１樹脂硬化工程Ｓ５の後に、第３樹脂塗布工程Ｓ８が実施される。一方、第２樹脂３２を用いる場合は、図１８に示すように、第２樹脂硬化工程Ｓ７の後に、第３樹脂塗布工程Ｓ８が実施される。
第３樹脂塗布工程Ｓ８は、第３樹脂３３が溶解した樹脂溶液をワイヤ接合部に塗布する工程である。例えばディスペンサ等を用いて、第１樹脂層３１、半導体素子１、接合材２、配線基板３、及び配線基板３の上面３ａの配線パターン３ａａ、３ａｂ、３ａｃに塗布することができる。
第３樹脂溶液の固形分濃度、粘度は特に制限されるものではないが、意図しない領域への樹脂溶液の濡れ広がりを抑制するため、例えば、固形分濃度は３．０～１４．０ｗｔ％、粘度は０．１～３．０Ｐａ・ｓ程度に設定すると良い。
第３樹脂塗布工程Ｓ８は、プラズマ処理工程Ｓ３の後であればよく、第１樹脂塗布工程Ｓ４の前に実施しても、第１樹脂塗布工程Ｓ４の後に実施してもよい。第３樹脂塗布工程Ｓ８を、第１樹脂硬化工程Ｓ５の前に実施することで、第１樹脂硬化工程Ｓ５を後述する第３樹脂硬化工程Ｓ９と兼ねることができ、製造プロセスが短縮することから、コストを低減することができる。
＜第３樹脂硬化工程Ｓ９＞
第３樹脂硬化工程Ｓ９は、ワイヤ接合部に塗布した第３樹脂溶液の溶媒を気化させ、樹脂を硬化させる工程である。硬化温度、硬化時間は、樹脂溶液の溶媒に応じて適宜設定することができる。溶媒にＮＭＰを使用した場合、例えば、硬化温度を２００℃とすることができる。第３樹脂塗布工程Ｓ８が、第１樹脂硬化工程Ｓ５よりも前にある場合、第１樹脂硬化工程Ｓ５を第３樹脂硬化工程Ｓ９と兼ねることができる。これにより、製造プロセスが短縮することから、コストを低減することができる。
＜実施例２の製造方法の変形例＞
図１９は、変形例に係る実施例２の半導体装置の製造方法を説明する図である。図１９の製造方法は、第３樹脂塗布工程Ｓ８が、第１樹脂塗布工程Ｓ４と第２樹脂塗布工程Ｓ６の後であり、第１樹脂硬化工程Ｓ５の前に実施され、第１樹脂硬化工程Ｓ５が第２樹脂硬化工程Ｓ７と第３樹脂硬化工程Ｓ９を兼ねるように構成される製造方法を示している。第３樹脂塗布工程Ｓ８を、第１樹脂硬化工程Ｓ５の前に実施することで、第１樹脂硬化工程Ｓ５を第２樹脂硬化工程Ｓ７と第３樹脂硬化工程Ｓ９とに兼ねることができ、半導体装置の製造プロセスが短縮できるので、半導体装置の製造コストを低減することができる。なお、プラズマ処理工程Ｓ３は、半導体素子搭載工程Ｓ１とワイヤ接合工程Ｓ２との間に実施されても良い。
以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
１：半導体素子
１ａ：表面電極
２：接合材
３：配線基板
３ａ：配線基板の上面
３ｂ：配線基板の下面
３ａａ、３ａｂ、３ａｃ、３ｂａ：配線パターン
４：ベース板
５：接合材
６：ワイヤ
７：端子
８：ケース
９：封止用の樹脂
１０：実施例１の半導体装置
２０：実施例２の半導体装置
３１：第１樹脂
３２：第２樹脂
３３：第３樹脂
９０：検討例１の半導体装置
９１：ワイヤ接合部の空間
９２：ボイド

Claims (6)

  1. 半導体素子と、
    前記半導体素子に形成された表面電極と、
    前記表面電極に接合されたワイヤと、
    前記表面電極と前記ワイヤの接合部を被覆する第１樹脂とを有し、
    前記表面電極の表面はＮｉ層とし、
    前記第１樹脂の弾性率よりも低い第２樹脂を有し、
    前記第１樹脂は、前記第２樹脂により被覆され、
    前記半導体素子を支持する配線基板と、
    前記配線基板の上面に形成された配線パターンと、
    前記配線基板と前記半導体素子を接合する接合材と、
    前記表面電極と前記ワイヤの接合部、前記半導体素子、前記接合材、前記配線パターン、前記配線基板の少なくとも一つを被覆する第３樹脂と、を備えた半導体装置であって、
    前記第３樹脂の弾性率は、前記第１樹脂の弾性率よりも低く構成し、
    前記半導体装置は、
    前記配線基板が取り付けられたベース板と、
    前記ベース板に取り付けられ、前記半導体素子、前記ワイヤ及び前記配線基板を覆うケースと、
    前記ベース板の上面及び前記ケースに囲まれた領域を封止する封止用の樹脂とを備えたことを特徴とする半導体装置。
  2. 請求項１に記載の半導体装置において、
    前記ワイヤは、引張強度が８０ＭＰａ以上であり、
    前記第１樹脂は、弾性率が５ＧＰａ以上である、半導体装置。
  3. 請求項１に記載の半導体装置において、
    前記表面電極と前記ワイヤの接合部において、前記ワイヤの長さ方向を被覆する前記第１樹脂の厚みが１０μｍ以上である、半導体装置。
  4. 請求項１に記載の半導体装置において、
    前記表面電極と前記ワイヤの接合部において、前記ワイヤの直径方向を被覆する前記第１樹脂の厚みが１０μｍ以上である、半導体装置。
  5. 半導体素子の表面電極もしくは前記表面電極とワイヤの接合箇所の少なくとも一方にプラズマを照射する工程と、
    前記半導体素子の表面電極とワイヤを接合する工程と、
    前記ワイヤと前記表面電極の接合部に第１樹脂が溶解した溶液を塗布する工程を備え、
    前記第１樹脂が溶解した溶液を塗布する工程の前に、
    前記プラズマを照射する工程とを含み、
    前記第１樹脂が溶解した溶液を塗布する工程において、前記溶液の固形分比率が０．７０ｗｔ％以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  6. 請求項５に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記半導体素子、前記半導体素子を支持する配線基板、前記配線基板の上面に形成された配線パターン、前記配線基板と前記半導体素子を接合する接合材の少なくとも一つに、第３樹脂が溶解した溶液を塗布する工程を備え、
    前記第３樹脂が溶解した溶液を塗布する工程を、前記プラズマを照射する工程の後に実施する、ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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