JP2012119597A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】温度変化に対する信頼性が高い半導体装置及びその製造方法の提供を目的とする。
【解決手段】本発明に係る半導体装置は、金属ベース１で形成された主面を有する冷却器１０１と、金属ベース１上に接合層２ａ，２ｂを介して固定された被接合層３ａ，３ｂと、被接合層３ａ，３ｂ上に固定された有機樹脂を母材とする絶縁層４ａ，４ｂと、絶縁層４ａ，４ｂ上に設けられた金属層５ａ，５ｂと、金属層５ａ，５ｂ上に設けられた半導体素子７ａ，７ｂ，７ｃとを備える。被接合層３ａ，３ｂ、絶縁層４ａ，４ｂ、金属層５ａ，５ｂを含む積層体は、１又は複数の半導体素子７ａ，７ｂ，７ｃ毎に分割され接合層２ａ，２ｂを介して金属ベース１上に固定される。
【選択図】図１

Description

この発明は、半導体素子の冷却手段を備えた半導体装置に関する。

従来の半導体装置は、セラミックスからなる絶縁板の表裏に金属板を貼り付け、一方の金属板を金属ベース上に半田付けして固着し、他方の金属板上に素子を搭載した構造を有している（特許文献１参照）。さらに、金属ベースは冷却器の表面に固着されている。固着方法は、例えば、金属ベースと冷却器の間にグリースを挟みこみ、ネジを用いて締結固定する方法が主流である。

また、放熱性を向上する観点から、冷却器の表面に直接絶縁層を貼りつけ、熱伝導性の悪いグリースを削減した構造が考えられている。絶縁層を直接冷却器（ヒートシンク）に貼りつける方法には、セラミックスからなる絶縁板をろう付けする方法がある。

また、半導体素子を搭載した回路部と冷却器（放熱フィン）とが、絶縁樹脂シートで電気的に絶縁された半導体装置がある（特許文献２参照）。

特開２００３−２０４０２１号公報 特開平１１−２０４７００号公報

特許文献１の半導体装置では、絶縁層とそれを形成する冷却器の間の固着状態の信頼性の確保に限界があった。なぜなら、セラミックスからなる絶縁板は、金属からなる冷却器に比べて線膨張係数が小さくかつヤング率が大きいため、固着部位に高い応力が発生するからである。

半導体装置は、使用環境温度の変化や半導体素子自体の発熱に起因する温度サイクル変化に曝されるため、線膨張係数の大きく異なる絶縁板の固着部位には大きな振幅の熱応力が繰り返し加わり、熱応力に起因する亀裂の発生、進行による熱抵抗の上昇を招き、発熱素子の放熱性能が悪化する問題があった。また、冷却器に金属と炭素等の複合材を用いることによって、セラミックからなる絶縁板との線膨張差を小さくすることができるが、このような複合材は非常にコストが高い。

一方、特許文献２の半導体装置においては、冷却器の表面と回路部の間に絶縁シートを挟んで加圧加熱することにより接着し、両者を絶縁している。この場合、上記セラミックからなる絶縁板を用いることがなく、絶縁板と冷却器間の熱応力は軽減する。しかしながら、凹凸形状を有する冷却器の表面に絶縁シートを貼り付ける構造は、積み重ねて大量に加圧することが困難であり、加熱加圧する際の生産性が悪い。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、温度変化に対する信頼性が高く、かつ低コストで良好な生産性を得ることが可能な半導体装置及びその製造方法の提供を目的とする。

本発明の半導体装置は、金属ベースで形成された主面を有する冷却器と、前記金属ベース上に接合層を介して固定された被接合層と、前記被接合層上に固定された有機樹脂を母材とする絶縁層と、前記絶縁層上に設けられた金属層と、前記金属層上に設けられた半導体素子とを備え、前記被接合層、前記絶縁層、前記金属層を含む積層体は、１又は複数の前記半導体素子毎に分割され前記接合層を介して前記金属ベース上に固定される。

本発明の半導体装置の製造方法は、（ａ）金属ベースで形成された主面を有する冷却器を準備する工程と、（ｂ）有機樹脂を母材とする絶縁層の上面と下面のそれぞれに金属層、被接合層を形成する工程と、（ｃ）工程（ｂ）の後、前記被接合層の下面に接合層を介して前記金属ベースを接合する工程と、（ｄ）工程（ｂ）の後、前記接合層、前記被接合層、前記絶縁層、前記金属層を分割する工程と、（ｅ）工程（ｂ）の後、前記金属層上に半導体素子を接合する工程とを備える。

本発明の半導体装置は、金属ベースで形成された主面を有する冷却器と、前記金属ベース上に接合層を介して固定された被接合層と、前記被接合層上に固定された有機樹脂を母材とする絶縁層を備えるので、繰り返し温度変化が生じる使用状態であっても、接合層に発生する歪は小さく、信頼性の高い半導体装置となる。また、前記被接合層、前記絶縁層、前記金属層を含む積層体は、１又は複数の前記半導体素子毎に分割され前記接合層を介して前記金属ベース上に固定されることからも、接合層に発生する歪は抑制される。

本発明の半導体装置の製造方法は、（ｂ）有機樹脂を母材とする絶縁層の上面と下面のそれぞれに金属層、被接合層を形成する工程と、（ｃ）工程（ｂ）の後、前記被接合層の下面に接合層を介して前記金属ベースを接合する工程と、を備えるので、繰り返し温度変化が生じる使用状態であっても、接合層に発生する歪は小さく、信頼性の高い半導体装置を製造できる。また、（ｄ）工程（ｂ）の後、前記接合層、前記被接合層、前記絶縁層、前記金属層を分割する工程を備えるので、接合層に発生する歪はさらに抑制される。

本発明の半導体装置の構成を示す断面図である。 本発明の半導体装置と従来の半導体装置を比較する断面図である。 本発明の半導体装置の構成を示す断面図である。 本発明の半導体装置の構成を示す断面図である。 本発明の半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明の半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明の半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明の半導体装置の製造工程を示す断面図である。

（実施の形態１）
＜構成＞
図１は、本実施の形態の半導体装置の構成を示す断面図である。本実施の形態の半導体装置において、冷却器１０１の一主面に天板として形成された金属ベース１上には、接合層２ａを介して被接合層３ａが固着されている。被接合層３ａはその上の絶縁層４ａと例えば塗膜、プレス、接着などの方法で一体化されており、絶縁層４ａ上には金属層５ａが設けられ、金属層５ａには接合層６ａを介して半導体素子７ａが形成されている。

すなわち、金属ベース１上に、接合層２ａ、被接合層３ａ、絶縁層４ａ、金属層５ａ、接合層６ａ、半導体素子７ａの順に各層が形成されているが、この積層体は金属ベース１上に複数形成されている。図１では、他にも金属ベース１上に接合層２ｂ、被接合層３ｂ、絶縁層４ｂ、金属層５ｂが積層されており、金属層５ｂ上には接合層６ｂを介して半導体素子７ｂが、接合層６ｃを介して半導体素子７ｃが形成されている。このように、被接合層、絶縁層、金属層の積層体は、１又は複数の半導体素子毎に分割され、接合層を介して金属ベース１上に固定されている。

なお、上記積層体は金属ベース１上に形成されると説明したが、半導体装置において冷却器は必ずしも半導体素子の鉛直下方に設置されるのみならず、横向きや逆さ向きなど様々な方向に設置されるため、金属ベース１の上方というのは図１を説明するにあたっての便宜的な方向に過ぎない。

接合層６ａ，６ｂ，６ｃは、発熱する半導体素子７ａ，７ｂ，７ｃを良好に放熱するために、熱伝導性の高い半田などの金属材料や、熱伝導を良好にするフィラーを配合した樹脂材料からなる。あるいは、熱伝導性を比較的必要としない場合には、有機材料からなる接着材料を用いても良い。

また、本実施の形態における半導体装置では、凹凸形状を有する冷却器の表面に絶縁層を貼り付けるわけではなく、接合層２ａ、２ｂと絶縁層４ａ，４ｂを含む積層体を金属ベースに接合するため、加熱加圧する際の生産性を損なうことがない。

接合層２ａ，２ｂは、被接合層３ａ，３ｂを介して絶縁層４ａと金属ベース１を接合する。この際、接合層２ａ，２ｂには有機成分を母材とする接着材料や、半田を母材とする金属材料を用いると良いが、特に、素子の発熱を良好に放熱するため、熱伝導性に優れた金属材料を用いることが好ましい。例えば、Ｓｎを母材の一つとする半田材料を用いることが好ましい。

また、同様の観点から、被接合層３ａ，３ｂにも金属製材料を用いることが望ましい。

図２を用いて、絶縁層４ａ、４ｂに有機樹脂を用いる本実施の形態の半導体装置の効果を説明する。図２の左図は、金属ベース１上に接合層２ａ、被接合層３ａ、絶縁層４´、金属層５ａ、接合層６ａ、半導体素子７ａの積層体が形成された半導体装置の断面図を示している。ここで、絶縁層４´はセラミックスを母材としており、導電性のアルミニウムや銅を母材とする金属ベース１とは、ヤング率及び線膨張係数が異なる。そのため、繰り返し温度変化が生じる使用状態では、温度差に起因する収縮が絶縁層４´と金属ベース１で異なるため、中間に存在する接合層２ａに歪が発生してしまう。この歪が繰り返されると、接合層２ａに亀裂が発生、進展し、接合層２ａにおける熱伝導性を悪化させる恐れがある。

これに対して本実施の形態では、有機樹脂を母材とし熱伝導性を改善するためシリカ等のフィラーを添加した絶縁層を形成する。有機樹脂は、例えばエポキシ樹脂、シリコーン樹脂、アクリル樹脂などである。有機樹脂を母材とする絶縁層は、セラミックスを母材とする絶縁材料に比べて軟質であるため、繰り返し温度変化が生じるような使用状態であっても、図２の右図に示すように接合層２ａに発生する歪は小さい。すなわち、絶縁層４ａに有機樹脂を母材とする材料を用いることによって、高い信頼性を具備する冷却器を内蔵した半導体装置を製造することができる。

さらに、本実施の形態では図１に示すように、被接合層３ａ，３ｂ、絶縁層４ａ，４ｂおよび接合層２ａ，２ｂが１又は複数の半導体素子毎に分割されて、接合層２ａ，２ｂを介して金属ベース１に接合される。そのため、有機樹脂からなる絶縁層４ａ，４ｂと金属ベース１の収縮量の差によって発生する接合層２ａ，２ｂの歪はさらに抑制され、亀裂の進展を低減する。

ところで、本実施の形態の半導体装置の回路は、各々分割された絶縁層４ａ，４ｂごとに機能を集約させても良い。例えば、半導体素子７ａを内包する積層体（回路構造体）は主回路の３相ブリッジ回路を構成し、半導体素子７ｂを内包する積層体は昇圧コンバータを構成するのである。

このように回路構造体を機能ごとに分割することで、ブリッジ回路や昇圧回路といった回路構造体を数多く製造し、これら小単位で多数製造した回路構造体を複合的に組み付けることによって、高効率に半導体装置を製造することができる。また、動作良好な回路のみを選別して組み付けることができるという観点からも、高効率で工業的価値が高い。

回路構造体同士は、必要に応じて金属ワイヤや金属プレート、基板等（図示せず）を用いて配線される。

なお、図３に示すように、封止樹脂８１によって絶縁層４ａ，４ｂ、金属層５ａ，５ｂ、接合層６ａ，６ｂ，６ｃ、半導体素子７ａ，７ｂ，７ｃを封止しても良い。絶縁層９ａの端部から鉛直方向にケース９を設け、ケース９内に封止樹脂８１を充填することにより、適度な量を必要な部位に充填することが出来る。ただし、ケース９は任意の構成要素である。

素子間あるいは同一金属ベース１上で分割された金属層５ａ，５ｂは、回路形成上、異なる電位を有する場合があり、その場合には、回路仕様に応じた絶縁距離を確保する必要がある。図３に示すように封止樹脂８１を設けることによって、金属層５ａ，５ｂが露出する場合に比べて絶縁距離を稼ぐことができ、半導体装置の小型化が可能になる。

既に述べたとおり絶縁層４ａ、４ｂは有機樹脂を母材としているので、封止樹脂８１にもシリコーン系やエポキシ系などの有機樹脂を用いることにより、絶縁層４ａ，４ｂと封止樹脂８１との接着が強固になり、コンパクトで絶縁性に優れた半導体装置となる。

また、図４に示すように、分割された積層体ごとに樹脂で封止しても良い。すなわち、被接合層３ａ、絶縁層４ａ、金属層５ａ、接合層６ａ、半導体素子７ａの積層体を封止樹脂８２が封止し、被接合層３ｂ、絶縁層４ｂ、金属層５ｂ、接合層６ｂ，６ｃ、半導体素子７ｂ，７ｃの積層体（回路構造体）を封止樹脂８３が封止する。小さな回路単位で封止樹脂により封止し、封止樹脂単位で冷却器１０１のベース板１に搭載する。回路構造体同士の配線は、封止樹脂内部の半導体素子あるいは金属層と接続した配線部材が封止樹脂の所定の面から突出する端子を設け、当該端子同士を接合して形成する。ここで封止樹脂８２，８３に例えばエポキシを母材とする樹脂材量を用いれば、回路構造体を強固に保持することができ、ハンドリング性が極めて容易になり生産効率が高まる。

さらに、個々の回路構造体が封止樹脂８２，８３で強固に保持されるため、回路構造体の外側にこれらを収納するためのケース等の収納容器が必要でなく、必要に応じて半導体装置の外部と配線を接続するための端子台等の部材を設ければ良い。

本実施の形態の半導体装置は温度変化の振幅が大きいほど顕著な効果を奏するので、半導体素子７ａ，７ｂ，７ｃは、珪素だけでなく、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成しても良い。ワイドバンドギャップ半導体としては、例えば炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイアモンドがある。ワイドバンドギャップ半導体で形成した半導体素子７ａ，７ｂ，７ｃを通常の半導体素子に比べて高温で動作させても、接合層の亀裂進展が抑制されるため、より信頼性に優れた半導体装置となる。

＜製造工程＞
本実施の形態の半導体装置の製造工程を図５〜図８に沿って説明する。

まず、有機樹脂を母材とする絶縁層４の下面に被接合層３を、上面に金属層５をそれぞれ重ね合わせ、ホットプレスにより接合、絶縁層４を硬化させる（図５）。被接合層３は例えば金属で形成する。

この場合、プレート状の絶縁層４を被接合層３、金属層５と重ね合わせる方法と、予め金属層３の下面もしくは被接合層５の上面に絶縁層４を塗膜し、ホットプレスで固める方法のいずれでも良い。

なお、塗膜してホットプレスする場合には、被接合層３もしくは金属層５のいずれかの層に絶縁層４を塗膜して一旦ホットプレスし、その後残りの層を重ね合わせて再びホットプレスすることにより、被接合層３、絶縁層４、金属層５を強固に一体化し、かつ絶縁層４の厚さを所定の大きさに制御することができる。

次に、被接合層３の下面に接合層２を介して冷却器１０１の金属ベース１を接合する（図６）。このように、予め絶縁層４、被接合層３、金属層５を一体化した後に金属ベース１に組み付けることにより、軟質な反面、強度が小さく破損の恐れがあり取り扱いが難しい有機樹脂からなる絶縁層４を容易に取り扱うことが出来る。

また、本実施の形態における半導体装置では、凹凸形状を有する冷却器の表面に絶縁層を貼り付けるわけではなく、接合層２と絶縁層４を含む積層体を金属ベース１に接合するため、加熱加圧する際の生産性を損なうことがない。

次に、金属ベース１上の接合層２、被接合層３、絶縁層４、金属層５を所定の領域で分割する（図７）。例えば、エッチングといった化学的手段、あるいはブレードによる切断といった機械的手段により分割する。これにより、接合層２ａ、被接合層３ａ、絶縁層４ａ、金属層５ａからなる積層体と、接合層２ｂ、被接合層３ｂ、絶縁層４ｂ、金属層５ｂからなる積層体に分割される。

その後、金属層５ａ上に接合層６ａを介して半導体素子７ａを接合すると共に、金属層５ｂ上に接合層６ｂを介して半導体素子７ｂを、接合層６ｃを介して半導体素子７ｃをそれぞれ接合する（図８）。

なお、分割後に半導体素子７ａ，７ｂ，７ｃを金属層５ａ，５ｂへ搭載する例を説明したが、半導体素子７ａ，７ｂ，７ｃを金属層５ａ，５ｂへ搭載した後に分割しても良い。その他、ベース板１への固定（図６）、積層体の分割（図７）、ベース板１への固定（図６）、半導体素子の金属層への固定（図８）の各工程は、可能な範囲で順番を入れ替えても良い。

また、図３に示すように封止樹脂８１を設ける場合は、絶縁層４の上面と下面に金属層５と被接合層３をそれぞれ接合し、金属層５上に接合層６を介して半導体素子７を搭載した後に、封止樹脂８１の注入を行って、被接合層３ａ，３ｂ、絶縁層４ａ，４ｂ、金属層５ａ，５ｂ、半導体素子７ａ，７ｂ，７ｃを封止樹脂で封止する。その後、被接合層３の下面に接合層２を介して金属ベース１を接合する。この場合にも、積層体の分割は任意のタイミングで行えば良い。

封止樹脂８１に封止された各部材は金属ベース１との接合時に強固に保持されるため、金属ベース１に対して強固に接合することができる。

＜効果＞
本実施の形態の半導体装置は、金属ベース１で形成された主面を有する冷却器１０１と、金属ベース１上に接合層２ａ，２ｂを介して固定された被接合層３ａ，３ｂと、被接合層３ａ，３ｂ上に固定された有機樹脂を母材とする絶縁層４ａ，４ｂと、絶縁層４ａ，４ｂ上に設けられた金属層５ａ，５ｂと、金属層５ａ，５ｂ上に設けられた半導体素子７ａ，７ｂ，７ｃとを備え、被接合層３ａ，３ｂ、絶縁層４ａ，４ｂ、金属層５ａ，５ｂを含む積層体は、１又は複数の半導体素子７ａ，７ｂ，７ｃ毎に分割され接合層２ａ，２ｂを介して金属ベース１上に固定されるので、繰り返し温度変化が生じるような使用状態においても、接合層２ａに発生する歪を抑制し、高い信頼性を具備する半導体装置となる。

また、被接合層３ａ，３ｂを金属で構成することにより、金属ベース板１と絶縁層４ａ，４ｂは熱伝導性の高い材料で接合され、冷却器１０１による放熱性が高まる。

また、被接合層３ａ，３ｂ、絶縁層４ａ，４ｂ、金属層５ａ，５ｂ、半導体素子７ａ，７ｂ，７ｃを封止樹脂８１で封止することにより、金属層５ａ，５ｂ間の絶縁距離を稼ぐことによって半導体装置を小型化に貢献する。

また、半導体素子７ａ，７ｂ，７ｃをワイドバンドギャップ半導体によって形成する場合、半導体素子７ａ，７ｂ，７ｃを高温で動作させても本実施の形態の半導体装置は高い信頼性を得ることが出来る。

本実施の形態の半導体装置の製造方法は、（ａ）金属ベース１で形成された主面を有する冷却器１０１を準備する工程と、（ｂ）有機樹脂を母材とする絶縁層４の上面と下面のそれぞれに金属層５、被接合層３を形成する工程と、（ｃ）工程（ｂ）の後、被接合層３の下面に接合層２を介して金属ベース１を接合する工程と、（ｄ）工程（ｂ）の後、接合層２、被接合層３、絶縁層４、金属層５を分割する工程と、（ｅ）工程（ｂ）の後、金属層５上に半導体素子７ａ，７ｂ，７ｃを接合する工程とを備えるので、繰り返し温度変化が生じるような使用状態においても、接合層２ａに発生する歪を抑制し、高い信頼性を具備する半導体装置を製造できる。

また、工程（ｂ）において、金属で構成される被接合層を形成するので、金属ベース板１と絶縁層４ａ，４ｂは熱伝導性の高い材料で接合され、冷却器１０１による放熱性が高まる。

また、本実施の形態の半導体装置の製造方法は、（ｆ）工程（ｅ），（ｃ）の間に、被接合層３ａ，３ｂ、絶縁層４ａ，４ｂ、金属層５ａ，５ｂ、半導体素子７ａ，７ｂ，７ｃを封止樹脂で封止する工程をさらに備えるので、金属層５ａ，５ｂ間の絶縁距離を稼ぐことによって半導体装置を小型化に貢献する。

また、工程（ｅ）において、ワイドバンドギャップ半導体で形成された半導体素子７ａ，７ｂ，７ｃを各金属層５ａ，５ｂ上に接合する場合、半導体素子７ａ，７ｂ，７ｃを高温で動作させつつ高い信頼性を得ることが出来る。

１ 金属ベース、２ａ，２ｂ，６ａ，６ｂ 接合層、３ａ，３ｂ 被接合層、４ａ，４ｂ 絶縁層、５ａ，５ｂ 金属層、７ａ，７ｂ，７ｃ 半導体素子、９ ケース、８１，８２，８３ 封止樹脂。

Claims (8)

1. 金属ベースで形成された主面を有する冷却器と、
   前記金属ベース上に接合層を介して固定された被接合層と、
   前記被接合層上に固定された有機樹脂を母材とする絶縁層と、
   前記絶縁層上に設けられた金属層と、
   前記金属層上に設けられた半導体素子とを備え、
   前記被接合層、前記絶縁層、前記金属層を含む積層体は、１又は複数の前記半導体素子毎に分割され前記接合層を介して前記金属ベース上に固定される、半導体装置。
2. 前記被接合層は金属で構成される、
   請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記被接合層、前記絶縁層、前記金属層、前記半導体素子は封止樹脂で封止される、
   請求項１又は２に記載の半導体装置。
4. 前記半導体素子はワイドバンドギャップ半導体によって形成される、
   請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置。
5. （ａ）金属ベースで形成された主面を有する冷却器を準備する工程と、
   （ｂ）有機樹脂を母材とする絶縁層の上面と下面のそれぞれに金属層、被接合層を形成する工程と、
   （ｃ）前記工程（ｂ）の後、前記被接合層の下面に接合層を介して前記金属ベースを接合する工程と、
   （ｄ）前記工程（ｂ）の後、前記接合層、前記被接合層、前記絶縁層、前記金属層を分割する工程と、
   （ｅ）前記工程（ｂ）の後、前記金属層上に半導体素子を接合する工程とを備える、半導体装置の製造方法。
6. 前記工程（ｂ）は、金属で構成される被接合層を形成する工程である、
   請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
7. （ｆ）前記工程（ｅ），（ｃ）の間に、前記被接合層、前記絶縁層、前記金属層、前記半導体素子を封止樹脂で封止する工程をさらに備える、
   請求項５又は６に記載の半導体装置の製造方法。
8. 前記工程（ｅ）は、ワイドバンドギャップ半導体で形成された前記半導体素子を前記各金属層上に接合する工程である、
   請求項５〜７のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。

Images