JP5509461B2 - パワー半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、パワー半導体装置およびその製造方法に関するものであり、特に、電力制御用に使用されるパワー半導体装置の構造およびその製造方法に関するものである。

リードフレームの一方側にパワー半導体素子を熱拡散板を介して固着させ、かつ他方側に樹脂絶縁層を介してヒートシンクを固着させた半導体装置が、たとえば特開平１０−９３０１５号公報（特許文献１）に開示されている。

またリードフレームの一方側にパワートランジスタチップが搭載され、かつ他方側に、アルミニウム板と高熱伝導絶縁層と銅箔とからなる高熱伝導金属基板がはんだ付けされた半導体装置が、たとえば特開平１１−２０４７２４号公報（特許文献２）に開示されている。

これらの半導体装置は、放熱性を向上させるために、熱拡散板や金属基板を用いることで発熱体となる半導体素子から絶縁層を通して外部までの熱抵抗を低減するための構造となっている。
特開平１０−９３０１５号公報 特開平１１−２０４７２４号公報

半導体装置の放熱性を向上させるために、熱拡散板となるヒートスプレッダの導入、またはリードフレームを厚くする、金属基板のベース板を厚くするなどの手法がとられている。しかし、放熱性向上のために銅などの金属部材を厚くする手法は、半導体装置の小型化、低コスト化に貢献しない。

一方、樹脂系絶縁層部分の熱抵抗は、半導体装置全体の熱抵抗に対して高い割合を占めている。半導体装置の構造によるが、樹脂系絶縁層部分の熱抵抗が、半導体装置全体の熱抵抗の半分近くを占める場合もある。このことから、半導体装置の放熱性向上のためには、樹脂系絶縁層の高熱伝導化が重要となっている。

ここで、樹脂系絶縁層の高熱伝導化の手法として、一般的に熱伝導性のよい充填材を樹脂系絶縁層に充填する方法がある。熱伝導性のよい充填材を樹脂系絶縁層に充填すると、充填率とともに樹脂の熱伝導率は向上する。この樹脂系絶縁層の熱伝導性は、充填材を球状粒子とすると、以下の式１にしたがって充填率に対して指数関数的に向上することが知られている。

φ：充填材の体積充填率、λ_e：樹脂系絶縁層の熱伝導率、λ_c：エポキシ樹脂の熱伝導率、λ_d：充填材の熱伝導率
充填材を球状粒子ではなく、異形な形状とした場合、充填材同士の接触が点接触でなくなることから、樹脂系絶縁層の熱伝導性はこの式１から導き出される熱伝導率に必ずしも一致しない。ここで異形形状の充填材を用いて熱伝導性を追求した樹脂系絶縁層では、たとえば無機粉末が高充填されており、絶縁層としての熱特性、電気絶縁特性などを得るためには十分な加圧工程を経ることが必須となる。

しかし、放熱性を追及することで充填材を高充填した樹脂系絶縁層では、硬化前の樹脂の流動性が低くなる。このため、上記２つの公報に記載されたように厚い金属ベース板を用いて樹脂系絶縁層を加圧すると、流動性の低い樹脂系絶縁層への加圧が不均一となりやすく樹脂系絶縁層の熱伝導性、電気絶縁性などの特性にばらつきが発生する場合がある。

本発明は、上記の解題に鑑みてなされたものであり、その目的は、樹脂系絶縁層の特性のばらつきを抑制できるパワー半導体装置およびその製造方法を提供することである。

本発明のパワー半導体装置は、パワー半導体素子と、金属部材と、放熱部材とを備えている。金属部材は、パワー半導体素子を一方の面に搭載している。放熱部材は、金属部材の一方の面に対向する他方の面に接合されている。金属部材はリードフレームおよび熱拡散板を含んでいる。パワー半導体素子は熱拡散板に搭載されている。放熱部材は、樹脂系絶縁層と、その樹脂系絶縁層の両面に貼り合わされた１対の金属箔とを含んでいる。樹脂系絶縁層の下面に貼り合わされた金属箔が樹脂系絶縁層と略同一形状である。樹脂系絶縁層の上面の金属箔は、樹脂系絶縁層の上面の一部がその上面の金属箔から露出するように形成されている。１対の金属箔の各々の厚さは２０μｍ以上２００μｍ以下である。

本発明のパワー半導体装置の製造方法は、以下の工程を備えている。
まず硬化前の樹脂系絶縁層の両面が１対の金属箔で挟まれた後に、樹脂系絶縁層が加熱加圧硬化されて、樹脂系絶縁層と１対の金属箔とを有する放熱部材が形成される。硬化させた樹脂系絶縁層の少なくとも片面側の金属箔がエッチング処理によりパターニングされる。パワー半導体素子を一方の面に搭載した金属部材に、エッチング処理後の放熱部材が接合される。パワー半導体素子の周囲が樹脂によって封止される。１対の金属箔の各々の厚さは２０μｍ以上２００μｍ以下である。

本発明によれば、樹脂系絶縁層の両面に厚みの薄い１対の金属箔が貼り合わされている。このため、樹脂系絶縁層の加圧硬化時に樹脂系絶縁層に均一に圧力をかけることが可能となる。これにより、樹脂系絶縁層の熱伝導性、電気絶縁性などの特性を均一化することができ、信頼性を向上させることができる。

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）
図１は本発明の実施の形態１における半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。また図２は図１に示す半導体装置から封止樹脂を省略して示す概略平面図である。図２のＩ−Ｉ線に沿う断面が図１に示す構成に対応する。

図１および図２を参照して、本実施の形態のパワー半導体装置２０は、たとえば半導体パッケージであり、パワー半導体素子１と、はんだ２と、リードフレーム３と、ヒートスプレッダ４と、接合材５と、放熱部材８と、封止樹脂９とを主に有している。

パワー半導体素子１は、たとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＦＷＤ（Free Wheeling Diode）などを有する半導体チップよりなっている。ヒートスプレッダ４は、パワー半導体素子１が発する熱を拡散させるための熱拡散板である。このヒートスプレッダ４の一方の面には、はんだ２を介してパワー半導体素子１が搭載されている。リードフレーム３は、パワー半導体素子１とワイヤボンドで電気的に接続されており、かつヒートスプレッダ４に接合されている。

ヒートスプレッダ４のパワー半導体素子１が搭載された面と反対側の面には、接合材５を介して放熱部材８が接合されている。放熱部材８は、樹脂系絶縁層７と、その樹脂系絶縁層７の両面に貼り合わされた１対の金属箔６ａ、６ｂとを有している。金属箔６ａは樹脂系絶縁層７の一方表面に直接接しており、金属箔６ｂは樹脂系絶縁層７の他方表面に直接接している。１対の金属箔６ａ、６ｂの各々は、銅箔、アルミニウム箔などの金属箔であればよく、たとえば２０μｍ以上２００μｍ以下の薄い厚みを有している。金属箔６ａのヒートスプレッダ４側の表面は、ヒートスプレッダ４と接合できる形状にエッチング処理を施されている。

封止樹脂９は、パワー半導体素子１などを封止している。この封止樹脂９からはリードフレーム３の一部（アウターリード）と金属箔６ｂの一方表面とが露出している。

上記において、樹脂系絶縁層７は、たとえばエポキシ樹脂に熱伝導性の高い粉末材料が充填された材料よりなっており、熱伝導性の高い材料となっている。熱伝導性の高い粉末材料として、たとえばシリカ、アルミナ、窒化ホウ素、窒化珪素、窒化アルミニウムなどの無機粉末材料や、芳香族複素環繊維、全芳香族ポリアミド繊維、炭素繊維などの有機短繊維などがある。これらを単独または複合的にエポキシ樹脂に充填して使用することができる。

樹脂系絶縁層７は、たとえば５０μｍ以上５００μｍ以下の厚みを有している。また樹脂系絶縁層７は、窒化ホウ素などの鱗片（扁平）形状の充填材を４０体積％以上の充填率で充填されていてもよい。ここで鱗片形状とは、円盤状およびフレーク状を含み、かつ鱗片形状の充填材の長辺が２０μｍ以上１００μｍ以下で、短辺に対する長辺の比（長辺／短辺）が４以上のものを意味するものとする。

また接合材５は、たとえばエポキシ樹脂に銀などの金属粒子が充填されたペーストが加熱硬化されて形成されていてもよく、また銀などの金属微粒子（ナノ粒子）を含むペーストが焼結されて形成されていてもよい。接合材５は銀を含む材質よりなっていてもよい。

次に、本実施の形態のパワー半導体装置の製造方法について説明する。
図３は、本発明の実施の形態１におけるパワー半導体装置の製造方法について説明するためのフロー図である。図３を参照して、まず硬化前の樹脂系絶縁層７の両面が１対のたとえば銅箔よりなる金属箔６ａ、６ｂにより挟まれる（ステップＳ１）。この後、樹脂系絶縁層７を加熱加圧硬化させることにより、硬化後の樹脂系絶縁層７と１対の銅箔６ａ、６ｂとを有する放熱部材（両面銅箔付樹脂系絶縁層）８が形成される（ステップＳ２）。放熱部材８の一方の銅箔６ａがエッチング処理によりパターニングされる（ステップＳ３）。一方で、ヒートスプレッダ４の一方表面にはんだ２を介してパワー半導体素子１が搭載され、かつリードフレーム３が取り付けられる。このパワー半導体素子１を搭載し、かつリードフレーム３を取り付けられたヒートスプレッダ４に放熱部材８が接合材５を介して接合される（ステップＳ４）。封止樹脂９により、パワー半導体素子１などが封止される（ステップＳ５）。

次に、上記の製造方法について各工程ごとに詳細に説明する。
＜硬化前の樹脂系絶縁層の両面を１対の銅箔で挟む工程＞
たとえばエポキシ樹脂に熱伝導性の充填材としてたとえば窒化ホウ素が５０体積％の充填率で加えられる。このとき、硬化剤、硬化促進剤、カップリング剤などの添加剤が必要に応じて加えられることは言うまでもない。このようにしてできた樹脂系絶縁層７中において充填材を均一に分散させるために、樹脂系絶縁層７が分散装置で攪拌される。このとき、樹脂系絶縁層７の樹脂粘度が高くなることから必要に応じて、メチルエチルケトンなどの有機溶媒で希釈しながら攪拌することが好ましい。

十分に攪拌された樹脂系絶縁層７が銅箔の一方の面に、たとえばコンマコーターなどの塗工装置により塗工される。塗工された樹脂系絶縁層７の厚さは、この後の加熱プレス後に５０μｍ以上５００μｍ以下の厚さの範囲となることが望ましい。樹脂系絶縁層７が５００μｍを越えて厚くなるとスキージングを均一にスムーズに行なうことができなくなり、逆に５０μｍ未満と薄くなると充填材も含まれているためスキージングを行うこと自体ができなくなる。

充填材の粒径は熱伝導性や絶縁耐圧に影響する。たとえば最大粒径が１０μｍ以下の充填材が用いられると、樹脂粘度がさらに高くなるだけでなく、熱伝導性が悪くなる。また、最大粒径が樹脂系絶縁層７の厚さの半分を超えるような充填材が充填された場合は、充填材の粒子と樹脂との界面の影響から絶縁耐圧のばらつきが生じる。このため、最大粒径が硬化後の樹脂系絶縁層７の厚さの半分以下となるような充填材を選択することが望ましい。本実施の形態においては、たとえば樹脂系絶縁層７の厚みが２００μｍ程度であり、充填材の最大粒径が１００μｍ程度である。

一方の面に樹脂系絶縁層７が塗工された銅箔には、有機溶媒を除去するための乾燥が行なわれる。乾燥温度は６０℃以上１３０℃以下程度であることが好ましい。乾燥温度が６０℃未満の場合、樹脂系絶縁層７中に有機溶媒が残る可能性があり、１３０℃を超える場合、樹脂の硬化が進むことで接着性の低下や、後の加熱プレス時の流動性がさらに低下するなどの問題がある。乾燥後の樹脂系絶縁層７においては、樹脂の流動性が非常に悪いことから有機溶媒が揮発した部分は気泡、空洞となっている。この樹脂系絶縁層７の露出したもう一方の面が他の銅箔により覆われる。これにより、硬化前の樹脂系絶縁層７の両面が１対の銅箔６ａ、６ｂで挟まれる。

＜加熱加圧硬化の工程＞
硬化前の樹脂系絶縁層７の両面を１対の銅箔６ａ、６ｂで挟んだ後、平板プレスまたはロールプレスによって樹脂系絶縁層７が加熱プレスされる。このとき、樹脂系絶縁層７を挟んだ１対の銅箔６ａ、６ｂの各々を樹脂系絶縁層７に接着させる工程と、樹脂系絶縁層７内の気泡、空洞部分を埋める工程と、樹脂系絶縁層７を硬化させる工程とが同時に行なわれる。この加熱プレスは、気泡を埋めることから真空下で行なわれることが望ましい。しかし、加熱プレス時の条件などによっては空洞部分が埋まり、樹脂系絶縁層７の電気絶縁性および熱伝導性が十分確保できる場合があるため、必ずしも真空下で加熱プレスを行う必要はない。

＜銅箔のエッチング工程＞
上記の加熱プレス後、放熱部材８の銅箔６ａがエッチング処理によりパターニングされる。これにより、銅箔６ａの少なくともヒートスプレッダと接合する部分が残されて他の部分が除去される。このとき、ヒートスプレッダ４が複数ある場合は、ヒートスプレッダ４の個数に合わせてエッチング処理が行なわれる。エッチング処理を施された放熱部材８は、パワー半導体素子１のサイズに適合したサイズとなるように打ち抜き加工によって外形加工が行なわれる。

本実施の形態の樹脂系絶縁層７として用いられる樹脂としては、たとえば熱硬化性樹脂のエポキシ樹脂を用いることができる。具体的には、液状ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（商品名：エピコート８２８、ジャパンエポキシレジン（株）製）、液状ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂（商品名：エピコート８０７、ジャパンエポキシ（株）製）、固形ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（商品名：エピコート１００１、ジャパンエポキシ（株）製）、オルト−クレゾールノボラック型エポキシ樹脂（商品名：ＥＯＣＮ−１０２Ｓ、日本化薬（株）製）、フェノールノボラック型エポキシ樹脂（商品名：エピコート１５２、ジャパンエポキシレジン（株）製）、脂環脂肪族エポキシ樹脂（商品名：ＣＹ１７９、バンティコ（株）製）、グリシジル−アミノフェノール系エポキシ樹脂（商品名：ＥＬＭ１００、住友化学工業（株）製）、特殊多官能エポキシ樹脂（商品名：ＥＰＰＮ５０１、日本化薬（株）製）が挙げられ、これらが２種類以上併用されてもよい。

また、硬化剤として、たとえばメチルテトラヒドロ無水フタル酸、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸、無水ハイミック酸などの脂環式酸無水物、ドデセニル無水コハク酸などの脂肪族酸無水物、無水フタル酸、無水トリメリット酸などの芳香族酸無水物、ジシアンジアミド、アジピン酸ジヒドリラジドなどの有機ジヒドラジド、トリス（ジメチルアミノメチル）フェノール、ジメチルジンジルアミン、１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン、およびその誘導体、２−メチルイミダゾール、２−エチル−４−メチルイミダゾール、２−フェニルイミダゾールなどのイミダゾール類を用いて固形のシートにすることができ、これらが２種類以上併用されてもよい。

また粘度調整材として、たとえばメチルエチルケトン、アセトン、トルエンなどの有機溶媒が適宜用いられてもよい。

また必要に応じて硬化促進剤やカップリング剤が加えられてもよい。硬化促進剤としては、たとえば１−シアノエチル−２−メチルイミダゾール（商品名：キュアゾール２ＰＮ−ＣＮ、四国化成工業（株）製）、カップリング剤としては、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−フェニル−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、γ−メルカプトプロピルトリメトキシシランなどが用いられてもよく、２種類以上が併用されてもよい。

＜接合工程＞
リードフレーム３付の熱拡散板となるヒートスプレッダ４の一方の面にＩＧＢＴやＦＷＤなどのパワー半導体素子１がはんだ２によりはんだ付けされる。さらに、たとえばアルミニウムよりなるボンディングワイヤ１０によりワイヤボンドが施される。放熱部材８の銅箔６ａ、６ｂのうち、ヒートスプレッダ４との接合のためにエッチング処理を施された銅箔６ａとヒートスプレッダ４とが接合材５により接合される。この接合に用いられる接合材５には、たとえばエポキシ樹脂に銀粒子を充填した銀ペーストを用いることができる。

銅箔６ａの表面にたとえば厚さ１５μｍ以上の銀ペーストよりなる接合材５が塗布され、１５０℃以上２００℃以下の温度で硬化されることで、銅箔６ａとヒートスプレッダ４とを銀ペースト５を介して電気的に接合することが可能である。硬化時間は硬化温度によって変わるが３０分〜２時間程度でよい。金属箔６ａおよびヒートスプレッダ４がともに銅である場合、銀ペースト５の熱膨張率を銅の熱膨張率に合わせることによって信頼性の高い接合状態が得られる。

＜樹脂封止工程＞
パワー半導体素子１、リードフレーム３、ヒートスプレッダ４、放熱部材８などが一体となった状態で、パワー半導体素子１の周囲がたとえばトランスファーモールド装置で封止樹脂９により樹脂封止される。このときの成型温度・成型時間は、たとえば１８０℃、３分である。またこのときの成型圧力はたとえば１０ＭＰaでよいが、封止樹脂９が金型から取り出せる程度に硬化し、樹脂が全体にいきわたる条件であればこの限りではない。このトランスファーモールド後に封止樹脂９の硬化を完全に行うためにアフターキュア工程が３時間〜８時間程度加えられてもよい。

以上により、図１および図２に示す本実施の形態のパワー半導体装置２０が製造される。

次に、本実施の形態の作用効果について説明する。
アルミナなどの球状充填材を樹脂へ充填した場合には、硬化前の樹脂の流動性は比較的高く、加熱プレス時の圧力が低くても樹脂系絶縁層本来の熱伝導率や絶縁耐圧を達成することができる。しかし、アルミナ、シリカなどの充填材を用いた場合、充填材の形状にかかわらず、限界に近い充填を行ったとしても樹脂系絶縁層の熱伝導率としては、せいぜい５Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度となることが知られている。半導体装置の放熱性を高めるためには、この樹脂系絶縁層の熱伝導性を向上させることが必要となる。

アルミナ、シリカなどの充填では到達できなかった熱伝導性を達成するためには、鱗片形状の窒化ホウ素や、窒化アルミニウムといったさらに熱伝導性の高い充填材や異形形状の充填材が必要となってくる。

このように樹脂系絶縁層７の熱伝導性を追及する場合、熱伝導性充填材を高充填したり、球状ではない異形形状である充填材を２種類以上用いて充填したりすることがある。しかし、球状の充填材は通常７０体積％程度の充填率まで充填できるのに対して、鱗片形状の充填材では５０体積％程度の充填率での充填が現実的に使用できる範囲となる。

なおこのような鱗片形状のような異形形状（つまり球状でない）の充填材を充填された樹脂系絶縁層７の熱伝導率は、上記の式１から導き出される熱伝導率と必ずしも一致せず、たとえば図８に示すような熱伝導率となる。

鱗片形状の充填材が高充填された樹脂の粘度は高く、流動性は乏しい。これを改善するために、粒度分布の調整、異種形状材料との混合などもあるが、球状充填材単独の樹脂ほど取り扱いを容易にすることは非常に困難である。

粘度が高く、流動性が乏しい樹脂を樹脂系絶縁層７として用いるために、樹脂系絶縁層７を銅箔に塗工する場合は、粘度調整材として有機溶媒を用いて希釈し、塗工可能な粘度になるように調整して用いる必要がある。しかし、この結果、有機溶媒を乾燥させた後の樹脂系絶縁層７は、有機溶媒で希釈した分だけ気泡、空洞が残った未硬化の樹脂層となってしまう。絶縁層としての熱伝導性、電気絶縁性を確保するためには、この乾燥後の樹脂系絶縁層７内に残る気泡、空洞部分を硬化時に埋めることが必要となり、加熱プレス硬化工程が非常に重要となる。

またこの樹脂系絶縁層７は流動性が乏しい絶縁層であることから、加熱プレス時の圧力には非常に高い圧力が必要となり、鱗片形状の充填材を５０体積％の充填率で充填した樹脂であれば、たとえば１００ｋｇ／ｃｍ²〜２００ｋｇ／ｃｍ²程度の圧力が必要となる。さらに高充填した樹脂の場合、樹脂内の気泡、空洞を埋めるためには３００ｋｇ／ｃｍ²程度必要となる場合がある。

この加圧力は、封止樹脂９を成形する工程、たとえばトランスファーモールド時の加圧を考えた場合には成型機で加圧できる範囲を大きく超える場合がある。このため、封止樹脂９で成型する工程の前に、樹脂系絶縁層７を加熱プレスによって予め硬化させておく必要がある。

ここで、樹脂系絶縁層７が塗工された金属ベース板を持つ金属基板として平板プレスを適用した場合、金属ベース板が厚いことから、加熱プレス時に、金属ベース板の反り、うねりや、プレス熱板との当たり方により、金属ベース板の中央部の圧力が低めとなったり、ベース板の周囲部分の圧力が高くなったりする。

これに対して本実施の形態では、剛性の低い、２００μｍ以下の厚さの銅箔６ａ、６ｂが樹脂系絶縁層７の両面に貼り合わせられている。これにより、金属基板として加熱プレスする場合に比べて、プレス圧力の均一化が図りやすい。また両面が銅箔６ａ、６ｂとなることにより、部材の取り扱いも簡便となる。このように本実施の形態によれば、仮に流動性が乏しい樹脂を樹脂系絶縁層７として用いたとしても、プレス圧力の均一化を図ることが容易となる。

また、樹脂系絶縁層の加熱プレスに、より高い圧力が必要となる場合、加圧能力の高い大型のプレス装置が必要となったり、ワークサイズを小さくしてプレスが必要となったりという効率の悪さが発生する。

これに対して本実施の形態では樹脂系絶縁層７の両面に貼り合わせられているのが剛性の低い２００μｍ以下の厚さの銅箔６ａ、６ｂであるため、平板プレスでなく、ロールプレスも容易となり、連続性による効率化、簡素化などにより低コスト化を図ることもできる。また樹脂系絶縁層７の流動性が低いことから、ロールプレスで高い圧力をかけても樹脂が流れてしまい樹脂系絶縁層７の厚さを確保できなくなるという問題も発生しない。また、後の樹脂封止工程に使用するサイズに打ち抜きプレス加工などで樹脂系絶縁層７を外形加工する必要があるが、この場合においても、両面銅箔であることが加工を容易にするという利点がある。

次に、上記２つの公報に記載の技術と対比した本実施の形態の作用効果について説明する。

熱伝導性を追求した樹脂系絶縁層は、充填材が高充填されていることでハンドリング性が悪い。たとえば樹脂硬化前では流動性が極めて悪く、半導体装置に金属基板を用いた特開平１１−２０４７２４号公報（特許文献２）のような構造を達成しようとした場合、金属基板の製造工程の中で、絶縁層を加熱プレスする必要がある。これにより、絶縁層として設計した本来の熱伝導性や電気絶縁性を得るためには、非常に高圧で均一な加熱プレスをする必要がある。

この金属基板を、本実施の形態のように両面が金属箔６ａ、６ｂで挟まれた樹脂系絶縁層７とすることにより、金属箔６ａ、６ｂの剛性が金属ベース板に比べて小さいため、加熱プレス時に樹脂系絶縁層７に加えられる圧力の均一化が図りやすい。

また樹脂系絶縁層に充填材が高充填されている場合、この樹脂系絶縁層は硬化した後に脆くて割れやすくなる。このとき樹脂系絶縁層の片面側が金属基板のような厚い金属ベース板となる構造では、接着している金属ベース板などとの熱膨張差により、反りの発生と、それに伴う応力とで樹脂系絶縁層にクラックが発生しやすい。

これに対して本実施の形態のように樹脂系絶縁層７の両面に互いに同じ材質で同じ膜厚の１対の金属箔６ａ、６ｂが貼り合わされた構造であれば、樹脂系絶縁層７の両面が対称な構造となるため反りの発生もなくなる。

また熱拡散板となるヒートスプレッダなどに樹脂系絶縁層が直接接触する特開平１０−９３０１５号公報（特許文献１）のような構造では、樹脂系絶縁層に対して特性が得られるための十分な加圧がかけられないことがある。封止前に樹脂系絶縁層を加圧硬化させる工程を考えた場合、半導体素子などを実装する前にヒートスプレッダで絶縁層を加圧することになるが、ヒートスプレッダの接触する部分と接触しない部分での圧力の均一化は困難となる。

たとえ、ヒートスプレッダの接触しない部分に他の材料をあてることによって圧力がかかるような工夫を行ったとしても、その材料とヒートスプレッダとのクリアランスが必ず必要となり、その隙間部分には圧力が十分かからず、絶縁層の特性を十分出すことができない。また、これを避けるために、プレス時には全面に銅板を設け、加熱プレス後にエッチングなどでヒートスプレッダ形状にするという方法もある。しかし、熱拡散を目的としたヒートスプレッダは厚さが厚いことが特徴となっており、エッチング処理によるプロセスはコストの面から考えても現実的ではない。

一方、封止プロセスと同時に絶縁層に対して加熱加圧を行う場合には、ヒートスプレッダと接触する部分と接触しない部分にも均一な圧力をかけることができる。しかし、この場合、封止プロセスでの成形圧力が樹脂系絶縁層への加熱プレス圧力となる。このため、樹脂系絶縁層の加圧に必要な圧力が通常のトランスファーモールド成形圧力よりも大きい場合、成形圧力を上げる必要があり、成形装置の上限圧力の限界、または大規模な装置への変更が必要となり、コストの面からみても現実的ではない。

本実施の形態によれば、樹脂系絶縁層７の両面に１対の金属箔６ａ、６ｂを貼り合わせることで、ヒートスプレッダ４との接合前に樹脂系絶縁層７を十分加熱プレス硬化し、設計通りの十分な特性が得られる樹脂系絶縁層７を作製することが可能となる。これにより、トランスファー成形などの封止プロセスでの成形圧力や成形温度などの成形条件によることなく、信頼性の高いパワー半導体装置を得ることが可能となる。

樹脂系絶縁層７の両面の銅箔の各々は、互いに厚さが同じであることが望ましいが、２０μｍ〜２００μｍの厚さの範囲内で適宜組み合わせて使用することができる。使用する銅箔６ａ、６ｂが薄いほど、エッチング処理の所要時間が短縮できることや、使用する銅材料が少なくなり、低コスト化を図ることができる。しかしながら、銅箔６ａ、６ｂの厚さが２０μｍより薄いと、一方の面は樹脂封止後、半導体装置の外装となるため、傷がつきやすく、それに伴い、絶縁層が露出する危険がある。また銅箔６ａ、６ｂの厚さが２００μｍより厚いと、銅箔６ａのエッチング処理に時間がかかることによりコストアップが生じ、また加熱プレス後の樹脂系絶縁層７の特性のばらつきが大きくなる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２におけるパワー半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。図４を参照して、本実施の形態のパワー半導体装置の構成は、実施の形態１の構成と比較して、ボンディングワイヤ１０の代わりに、たとえば銅板からなる板状リード１１が用いられている点において異なっている。この板状リード１１によりパワー半導体素子１とリードフレームとが電気的に接続されている。板状リード１１とパワー半導体素子１との接合および板状リード１１とリードフレーム３との接合はたとえばはんだ（図示せず）によりなされている。

なお、これ以外の本実施の形態のパワー半導体装置の構成は、実施の形態１の構成とほぼ同じ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。

本実施の形態によれば、板状リード１１とパワー半導体素子１との接合および板状リード１１とリードフレーム３との接合がはんだによりなされているため、接合強度を高めることができる。これにより、信頼性向上につながるだけでなく、ボンディングワイヤに比べて放熱性が向上する。

また、板状リード１１は、パワー半導体素子１とはんだ付けすることから、パワー半導体素子１とヒートスプレッダ４とをはんだ付けする工程と同時に行うこともでき、ワイヤボンディング工程を省略することも可能となる。

（実施の形態３）
樹脂系絶縁層７の両面に貼り合わせる銅箔６ａ、６ｂの厚みは２０μｍ〜２００μｍと薄い。このため、ヒートスプレッダ４と放熱部材８とを接合する接合材５は銀ペーストであることが好ましいが、はんだであってもよい。はんだを用いて接合する場合、銅箔６ａの表面にそのままはんだ付けするとＣｕ−Ｓｎ合金ができ、いわゆる「銅食われ」の現象によって信頼性の低下を招くことがある。これを防止するために、銅箔６ａの表面にＮｉめっきが施されてもよい。このＮｉめっきを施した後にＮｉめっき上にはんだ付けすることで薄い銅箔６ａに「銅食われ」の現象が生じることを防止できる。Ｎｉめっきを施さない場合は、「銅食われ」による影響を考え、ヒートスプレッダ４と接合する銅箔６ａの厚さを１００μｍ以上２００μｍ以下とすることがさらに好ましい。

ヒートスプレッダ４と銅箔６ａとの接合およびパワー半導体素子１とヒートスプレッダ４との接合に用いるはんだ材料は融点の異なるものを使用することが望ましい。そうすることにより、パワー半導体素子１の実装工程と、放熱部材８の接合工程とを別々にすることも可能となる。また、それぞれの接合に同一のはんだ材料を用いることも可能であり、その場合は、パワー半導体素子１の実装工程と、放熱部材８の接合工程を、たとえばリフロー炉の中で同時に行うことができる。

１００μｍ以下の銅箔６ａにＮｉめっきを施した後に銅箔６ａとヒートスプレッダ４とをはんだによって接合したものと、１００μｍ〜２００μｍの厚さの銅箔とヒートスプレッダ４とを直接はんだによって接合したものとのそれぞれを用いたパワー半導体装置について、パワーサイクル試験を行ったところ、双方について不良は発生せず、信頼性の高い構造であることを確認した。

（実施の形態４）
ヒートスプレッダ４と銅箔６ａとの接合材５の材料として金属微粒子（ナノ粒子）を含むペーストを用いることもできる。このペースト内にはＳｎが含まれていないため、このペーストを用いても銅箔６ａに「銅食われ」の現象が生じることはない。このため、「銅食われ」による銅箔６ａの厚さの制限を緩和することができる。

金属微粒子は、たとえば金、銀、銅、アルミニウムなどの平均粒径が１ｎｍ〜２０ｎｍのきわめて微細な粒子であり、活性状態の表面を有している。したがって、その金属の融点まで金属微粒子を加熱しなくても、金属微粒子が互いに焼結することが知られている。金属微粒子は、微粒子の一つ一つが独立してペースト内に存在している。

このペーストを用いた接合では、ペーストが１５０℃〜３００℃の温度に加熱され、その加熱状態を１分〜１時間の所定時間保持される。これにより、ペースト内の有機分散材、有機バインダーが除去され、金属微粒子同士が互いに統合し始め、金属微粒子はその金属成分の単体膜となる。

上記ペーストの加熱時に、接合面に対して０．１ＭＰａ〜１０ＭＰａの荷重を印加することが好ましく、加熱雰囲気は、接合面の金属（銅）が酸化しない程度の酸素濃度が望ましい。加熱を中止して接合箇所が冷え始めると金属微粒子の金属成分の単体膜は、各接合面の金属材料と金属結合を起こし、強固な接合を得る。金属微粒子が一旦焼結し金属単体膜となると、その金属の融点まで加熱しないと溶融しないため、高融点（銅の場合９００℃、アルミニウムの場合６６０℃、銀の場合９６０℃）の接合材を得ることができる。

接合材として金属微粒子を含むペーストを用いることにより、放熱部材（両面銅箔付樹脂系絶縁層）８をヒートスプレッダ４に金属微粒子を含むペーストで接合した後、パワー半導体素子１をヒートスプレッダ４などにはんだ付けするという工程や、予めパワー半導体素子１をはんだ付けしたヒートスプレッダ４付きリードフレーム３をトランスファーモールドで樹脂封止する工程で成形温度の熱によって金属微粒子を焼結させて接合する工程とすることも可能となる。

（実施の形態５）
図５は、本発明の実施の形態５におけるパワー半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。図５を参照して、本実施の形態のパワー半導体装置の構成は、実施の形態１の構成と比較して、パワー半導体素子１などを実装したヒートスプレッダ４と放熱部材８とを接合したものを、ケース１２に入れた後、液状の樹脂９でポッティング封止した構成を有している点において異なっている。ケースは、たとえばポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂よりなっている。また樹脂９は、たとえばエポキシ樹脂である。またケース１２を用いているため、リードフレーム３は樹脂９の上面から外部に露出している。

なお、これ以外の本実施の形態のパワー半導体装置の構成は、実施の形態１の構成とほぼ同じ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。

本実施の形態は、パワー半導体装置２０が非常に大きなものになる場合、リードフレーム３の構造が金型による成型に対して複雑な形状となる場合、トランスファーモールド時の圧力に対して弱い部品が実装されている場合などに効果的である。

（実施の形態６）
樹脂系絶縁層７の塗工は、基材を銅箔とすることが好ましい。しかし、樹脂系絶縁層７は一旦、ＰＥＴ（Poly Ethylene Terephthalate）などの離型フィルムに塗工された後に、必要に応じて銅箔に転写されて使用されてもよい。銅箔をＰＥＴフィルムに変更したこと以外は実施の形態１と同様の工程を用いることができる。樹脂系絶縁層７をＰＥＴフィルムに塗工することにより、塗工時の巻き取り性、基材を軽くすることで塗工後のロール形状での管理が簡便となることから、基材は銅箔に限定されない。

本発明者らは、上記の実施の形態１の構成において樹脂系絶縁層７中の充填材（窒化ホウ素）の充填率を変更した場合の樹脂系絶縁層７への加熱プレス圧力による特性の違いについて調べた。

この実験においては、樹脂系絶縁層７の両面の各々に貼り付けた銅箔の厚さを１０５μｍ（０．１０５ｍｍ）とし、かつ樹脂系絶縁層７はエポキシ樹脂に窒化ホウ素を充填したものとした。また加熱硬化プレスは、１８０℃の温度で１時間の条件で実施した。加熱プレス圧力については、３〜３０ＭＰａの範囲で変更した。

この加熱プレスを２００ｍｍ×２００ｍｍのサイズで実施した。その後に、一方の面の銅箔をエッチング処理した後、放熱部材８を３５ｍｍ×４５ｍｍのサイズに打抜き加工によって外形加工を行なった。さらにその後、放熱部材８をヒートスプレッダ４に接合し、全体をトランスファーモールド成形した。

上記の打抜き加工を行った形状で樹脂系絶縁層７の絶縁破壊電圧（絶縁耐圧）を測定し、外形加工によって得られた２０個の測定値の内、３０ｋＶ／ｍｍを下回るものを不良として不良率を求めた。また樹脂系絶縁層７の絶縁耐圧については、その平均値と最大値と最小値とを調べた。その結果を以下の表１〜表４に示す。また表１〜表４の結果をグラフに表したものを図６に示す。

また充填材を球状のアルミナ粒子に変更した場合や、銅箔ではなく、０．５ｍｍ以上の銅板を用いた場合の樹脂系絶縁層７への加熱プレス圧力による特性の違いについても調べた。

この実験においては、樹脂系絶縁層７の一方表面には１０５μｍの厚さの銅箔を貼り付け、他方表面には１０５μｍ、２００μｍの銅箔や５００μｍ、２０００μｍの銅板を用いた。樹脂系絶縁層７はエポキシ樹脂に充填材を充填したものとし、充填材には窒化ホウ素やアルミナを用いた。加熱プレスの条件および加熱プレス後の処理については表１〜表４と同じとした。

上記によって得られた樹脂系絶縁層７の熱伝導率および絶縁耐圧について測定し、絶縁耐圧についてはその平均値と最大値と最小値とを調べた。その結果を以下の表５および表６に示す。また表３および表６の充填率を５０体積％とした結果をグラフに表したものを図７に示す。

なお表１〜表６における不良率とは、３５ｍｍ×４５ｍｍのサイズに外形加工を行なった後の樹脂系絶縁層７の絶縁耐圧が３０ｋＶ／ｍｍ以下の割合である。

表１〜表６の結果から、銅板の厚さが５００μｍや２０００μｍの比較例１〜３では絶縁耐圧のばらつき（最大値−最小値）が２０を越えるのに対して、銅箔の厚さが１０５μｍ、２００μｍとした本発明例１〜２９のすべてにおいて絶縁耐圧のばらつき（最大値−最小値）が２０以下と小さくできることが分かった。

また表６の結果から、樹脂系絶縁層７の両面の各々に２００μｍ以下の厚さの銅箔を貼り合わせた本発明例２９は、片方に厚い金属板を貼り付けた比較例１〜３よりも不良率が改善されていることが分かった。

このことから樹脂系絶縁層７の両面の各々に２００μｍ以下の厚さの銅箔を貼り合わせることにより、絶縁耐圧のばらつきを抑制できるとともに、不良率を改善できることが分かった。

また充填材の充填率が４０体積％以上になると、プレス圧力の変化により、特性の安定性が異なってくることが分かった。しかしながら、充填材の充填率が４０体積％の場合でもプレス圧力が３ＭＰａと低い場合だけ不良率が高くなり、不良が生じはじめるプレス圧力を低い値に抑えることができることが分かった。

このことから、樹脂系絶縁層７の両面の各々に２００μｍ以下の厚さの銅箔を貼り合わせることは、窒化ホウ素のような鱗片形状の充填材を４０体積％以上充填した場合でも、不良が生じはじめるプレス圧力を低く抑えられる点で特に有効であることが分かった。

なお上記の実施の形態および実施例では、金属箔６ａ、６ｂとして銅を用いた場合について説明したが、金属箔６ａ、６ｂには軽量化の目的でアルミニウムが用いられてもよく、金属箔６ａ、６ｂの材質は特に限定されない。

また上記の実施の形態および実施例では、パワー半導体素子１がヒートスプレッダ４上に搭載された構成について説明したが、パワー半導体素子１はリードフレーム３上に配置されていてもよく、ヒートスプレッダ４やリードフレーム３などの金属部材上に配置されていればよい。

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。

本発明の実施の形態１におけるパワー半導体装置の構成を概略的に示す断面図であり、図２のＩ−Ｉ線に沿う断面図である。 図１に示すパワー半導体装置から封止樹脂を省略して示す概略平面図である。 本発明の実施の形態１におけるパワー半導体装置の製造方法について説明するためのフロー図である。 本発明の実施の形態２におけるパワー半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態５におけるパワー半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。 表１〜表４の結果をグラフに表した図である。 表３および表６の充填率を５０体積％とした結果をグラフに表した図である。 異形形状の充填材が充填された樹脂系絶縁層の熱伝導率を示す図である。

符号の説明

１ パワー半導体素子、２ はんだ、３ リードフレーム、４ ヒートスプレッダ、５ 接合材、６ａ，６ｂ 金属箔、７ 樹脂系絶縁層、８ 放熱部材、９ 封止樹脂、１０ ボンディングワイヤ、１１ 板状リード、１２ ケース、２０ パワー半導体装置。

Claims (5)

1. パワー半導体素子と、
   前記パワー半導体素子を一方の面に搭載する金属部材と、
   前記金属部材の前記一方の面に対向する他方の面に接合された放熱部材とを備え、
   前記金属部材はリードフレームおよび熱拡散板を含み、
   前記パワー半導体素子は前記熱拡散板に搭載され、
   前記放熱部材は、樹脂系絶縁層と、前記樹脂系絶縁層の両面に貼り合わされた１対の金属箔とを含み、
   前記樹脂系絶縁層の下面に貼り合わされた前記金属箔が前記樹脂系絶縁層と略同一形状であり、
   前記樹脂系絶縁層の上面の前記金属箔は、前記樹脂系絶縁層の前記上面の一部が前記上面の前記金属箔から露出するように形成されており、
   前記１対の金属箔の各々の厚さが２０μｍ以上２００μｍ以下である、パワー半導体装置。
2. 前記樹脂系絶縁層は、円盤状およびフレーク状のいずれかの形状の充填材を少なくとも１種類含み、
   前記樹脂系絶縁層における前記充填材の充填率は４０体積％以上である、請求項１に記載のパワー半導体装置。
3. 前記樹脂系絶縁層の厚さが５０μｍ以上５００μｍ以下である、請求項１または２に記載のパワー半導体装置。
4. 前記金属部材と前記金属箔とを接合する接合材をさらに備え、
   前記接合材が銀を含んだ材質よりなっている、請求項１〜３のいずれかに記載のパワー半導体装置。
5. 硬化前の樹脂系絶縁層の両面を１対の金属箔で挟んだ後に、前記樹脂系絶縁層を加熱加圧硬化させて、前記樹脂系絶縁層と１対の前記金属箔とを有する放熱部材を形成する工程と、
   硬化させた前記樹脂系絶縁層の少なくとも片面側の前記金属箔をエッチング処理によりパターニングする工程と、
   パワー半導体素子を一方の面に搭載した金属部材に、前記エッチング処理後の前記放熱
   部材を接合する工程と、
   前記パワー半導体素子の周囲を樹脂によって封止する工程とを備え、
   前記１対の金属箔の各々の厚さが２０μｍ以上２００μｍ以下である、パワー半導体装置の製造方法。

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