JP6323325B2 - 半導体装置、半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、大電流の制御などに用いられる半導体装置、及びその半導体装置の製造方法に関する。

特許文献１には、絶縁基板にケースが固定されたベースレス構造の半導体装置が開示されている。絶縁基板は、基板（セラミックス板）と、基板の上面に形成された金属パターンと、基板の下面に形成された金属膜を備えている。

特開平７−３２６７１１号公報

基板、基板の上面に形成された金属パターン、及び基板の下面に形成された金属膜を有する絶縁基板を、ケースに接着する際には接着剤を用いる。この接着は、金属膜にキュアベース板を密着させ、キュアベース板から金属膜を介して接着剤に熱供給することで行う。

絶縁基板とケースを接着剤で接着した半導体装置は、ヒートシンクに固定される。半導体装置の放熱性を高めるためには、金属膜とヒートシンクが密着していなければならない。

このように、接着剤を用いる際には金属膜をキュアベース板に密着させる必要があり、半導体装置をヒートシンクに固定する際には金属膜をヒートシンクに密着させる必要がある。そこで、ケースの一部に基板の上面に接する接触部を設けることがある。接触部は、基板をキュアベース板又はヒートシンクの方向に押し付けることで、金属膜と、キュアベース板又はヒートシンクとを密着させるものである。

接触部の直下に金属膜がなく接触部の直下で基板の下面が露出することがある。この場合、例えばケース又は絶縁基板の反りにより接触部が基板に予定より大きい力を及ぼすと、基板が割れる問題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、基板の割れを抑制できる半導体装置、及びその半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

本願の発明に係る半導体装置は、基板と、該基板の上面に形成された金属パターンと、該基板の下面に形成された金属膜と、を有する絶縁基板と、該金属パターンに固定された半導体素子と、該金属パターンを囲みつつ該基板の上面に接する接触部を有するケースと、該基板の上面のうち、該接触部に接する部分より外側の部分と、該ケースとだけを接着する接着剤と、を備え、該ケースの外周部分には、該ケースを縦方向に貫通する貫通孔が複数形成され、該接触部の直下の少なくとも一部には該金属膜があることを特徴とする。

本願の発明に係る半導体装置の製造方法は、基板の上面に金属パターンを形成し、該基板の下面に該金属パターンよりも厚い金属膜を形成することで、上に凸に反った絶縁基板を形成する準備工程と、該絶縁基板をキュアベース板にのせた状態で、ケースの押さえ部で該絶縁基板の中央部を下方に押し付け、該金属膜を該キュアベース板に面接触させ、かつ該ケースに該金属パターンを囲むように形成された接触部を該基板の上面に接触させる取り付け工程と、該基板の上面のうち該接触部に接する部分より外側の部分と、該ケースとの間の接着剤に対し、該キュアベース板から熱供給し、該接着剤を硬化させて該ケースと該基板を接着する接着工程と、を備えたことを特徴とする。
本願の発明に係る他の半導体装置は、基板と、該基板の上面に形成された金属パターンと、該基板の下面に形成された金属膜と、を有する絶縁基板と、該金属パターンに固定された半導体素子と、該金属パターンの上面に接する接触部を有し、該半導体素子を囲むケースと、該基板の上面のうち該接触部より外側の部分と、該ケースとを接着する接着剤と、を備え、該ケースの外周部分には、該ケースを縦方向に貫通する貫通孔が複数形成されたことを特徴とする。

本発明によれば、接触部の直下に金属膜を設けたので、基板の割れを抑制できる。

本発明の実施の形態１に係る半導体装置の断面図である。 図１の接触部及びその周辺の拡大図である。 ケースの底面図である。 ケースと絶縁基板を接着剤で接着することを示す断面図である。 半導体装置をヒートシンクに固定することを示す断面図である。 変形例に係る半導体装置の一部断面図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体装置の断面図である。 図７のケースの底面図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体装置の断面図である。 半導体装置の平面図である。 変形例に係る半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態４に係る半導体装置の断面図である。 図１２の半導体装置の平面図である。 本発明の実施の形態５に係る半導体装置の断面図である。 半導体装置をヒートシンクに取り付けることを示す半導体装置等の断面図である。 本発明の実施の形態６に係る半導体装置の底面図である。 本発明の実施の形態７のケース等の底面図である。 ケースの斜視図である。 本発明の実施の形態８の絶縁基板の断面図である。 上に凸に反った絶縁基板の断面図である。 ねじ締め中の半導体装置等の断面図である。 ねじ締め後の半導体装置等の断面図である。 取り外し工程後の半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態９に係る半導体装置の平面図である。 図２４のＸＸＶ−ＸＸＶ´破線における断面図である。 絶縁封止材等を示す断面図である。

本発明の実施の形態に係る半導体装置と半導体装置の製造方法について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置１０の断面図である。半導体装置１０は絶縁基板１２を備えている。絶縁基板１２は、基板１４と、基板１４の上面に形成された金属パターン１６と、基板１４の下面に形成された金属膜１８を有している。基板１４は例えばセラミックで形成されている。金属パターン１６と金属膜１８は例えばアルミで形成されている。

金属パターン１６には、はんだ２０によって半導体素子２２が固定されている。半導体素子２２は、ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)又はダイオードなどであるが、特にこれらに限定されない。半導体素子２２と金属パターン１６には適宜ワイヤ等が接続され、半導体素子２２と外部との電気的接続を可能としている。

半導体装置１０は、例えばＰＰＳ樹脂（ポリフェニレンサルファイド樹脂）で形成されたケース３０を備えている。ケース３０は、外壁部３０Ａ、凹部３０Ｂ、及び接触部３０Ｃを備えている。外壁部３０Ａはケース３０の最も外側の部分である。外壁部３０Ａは絶縁基板１２を取り囲む。接触部３０Ｃは金属パターン１６を囲みつつ基板１４の上面に接する。凹部３０Ｂは外壁部３０Ａと接触部３０Ｃの間に位置している。凹部３０Ｂには接着剤３２が設けられている。接着剤３２は、基板１４の上面のうち接触部３０Ｃに接する部分より外側の部分と、ケース３０とを接着する。

接触部３０Ｃの直下には金属膜１８がある。接触部３０Ｃの直下の金属膜１８は直下部分１８Ａと称する。半導体装置１０はベース板を有していないベースレス構造を採用している。

図２は、図１の接触部３０Ｃ及びその周辺の拡大図である。金属膜１８は、接触部３０Ｃの直下全体に形成されている。つまり、接触部３０Ｃの直下における基板１４の下面全体が金属膜１８に覆われている。また、接着剤３２の直下では、基板１４の下面の少なくとも一部が外部に露出している。

図３は、ケース３０の底面図である。凹部３０Ｂは外壁部３０Ａの内側に外壁部３０Ａに沿って設けられている。接触部３０Ｃは凹部３０Ｂの内側に凹部３０Ｂに沿って設けられている。凹部３０Ｂと接触部３０Ｃは平面視で４角形となっている。ケース３０の外周部分の四隅には貫通孔３０Ｄが形成されている。この貫通孔３０Ｄは、ケース３０を外部機器に取り付ける際にねじを通す孔である。なお、図１のケース３０は、図３のＩ−Ｉ´断面に相当する。

半導体装置１０の製造方法について説明する。図４は、ケース３０と絶縁基板１２を接着剤３２で接着する接着工程を示す断面図である。接着工程では、ねじ孔４０Ａが形成されたキュアベース板４０を利用する。ケースを縦方向に貫通する貫通孔３０Ｄは破線で示されている。まず、ねじ４２をケース３０の貫通孔３０Ｄに通し、ねじ孔４０Ａに締めることで、外壁部３０Ａがキュアベース板４０に接触する。このとき、接触部３０Ｃが基板１４の上面にあたり、基板１４を下方に押し付けることで、金属膜１８がキュアベース板４０に密着する。

次いで、キュアベース板４０から絶縁基板１２に熱供給して、接着剤３２を熱硬化させる。これにより絶縁基板１２とケース３０が接着する。次いで、ねじ４２を緩めて半導体装置１０をキュアベース板４０から取り出す。半導体装置１０はこのようにして製造される。

半導体装置１０の使用方法について説明する。半導体装置１０はヒートシンクに固定して使用する。図５は、半導体装置１０をヒートシンク４４に固定することを示す断面図である。ヒートシンク４４の上面には放熱グリス４６が塗布されている。ケース３０の貫通孔３０Ｄに通したねじ４２を、ヒートシンク４４のねじ孔４４Ａに締める。このとき、接触部３０Ｃが基板１４の上面にあたり、基板１４を下方に押し付ける。これにより、放熱グリス４６を介して金属膜１８とヒートシンク４４が密着する。半導体装置１０はこのようにヒートシンクに固定して使用する。

上記のように、半導体装置をキュアベース板４０又はヒートシンク４４に固定する際には、基板１４は接触部３０Ｃによって下方に押し付けられる。そのため、接触部３０Ｃの直下に基板１４だけがあり金属膜１８がない場合は、接触部３０Ｃから及ぼされる力で基板１４が割れる問題があった。この問題を解消するために、本発明の実施の形態１に係る半導体装置１０では接触部３０Ｃの直下に金属膜１８（直下部分１８Ａ）を形成した。そのため、接触部３０Ｃの直下に金属膜がない場合よりも、基板１４（絶縁基板１２）を割れづらくすることができる。

また、半導体装置１０をヒートシンク４４に固定した状態においては直下部分１８Ａが接触部３０Ｃから下方の力を受けるので、放熱グリス４６を介して金属膜１８をヒートシンク４４に密着させることができる。このように、本発明の実施の形態１に係る半導体装置１０によれば、半導体装置１０の破壊耐量を高めるとともに半導体装置１０の放熱性を向上させることができる。

本発明の実施の形態１に係る半導体装置１０では、図２に示すように、接着剤３２の直下に金属膜１８を形成したが、この部分は省略してもよい。

図６は、変形例に係る半導体装置の一部断面図である。図６には、接触部３０Ｃの直下において、金属膜１８が基板１４の下面の一部だけを覆うことが示されている。つまり、接触部３０Ｃの直下の基板１４の下面（破線部分）は、金属膜１８で覆われた部分と外部に露出する部分がある。このように、接触部３０Ｃの直下の少なくとも一部に金属膜１８があれば、接触部３０Ｃの直下に金属膜がない場合と比べて、絶縁基板１２の割れを抑制できる。

基板１４はＳｉＮで形成することが好ましい。基板をＳｉＮで形成することで、基板をアルミナ又はＡｌＮで形成した場合と比較して、基板１４の破壊耐量（割れにくさ）を２倍程度高めることできる。

放熱グリス４６は、他の放熱材に置き換えてもよい。また、金属膜１８の表面にＴＩＭ剤(Thermal Interface Material)を塗布してもよい。ＴＩＭ剤とは、放熱グリスよりも熱伝導度の高い、常温で固体の材料である。金属膜の表面にＴＩＭ剤を塗布しておくことで、ヒートシンクの表面の放熱グリスを省略できる。

半導体素子２２は珪素で形成されることが多いが、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よい。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、又はダイヤモンドがある。

なお、これらの変形は以下の実施の形態に係る半導体装置と半導体装置の製造方法にも応用できる。以下の実施の形態に係る半導体装置と半導体装置の製造方法については、実施の形態１との共通点が多いので、実施の形態１との相違点を中心に説明する。

実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２に係る半導体装置５０の断面図である。ケース３０は、延伸部３０Ｅと押さえ部３０Ｆを備えている。延伸部３０Ｅはケース３０の２つの内壁をつなぐように設けられている。押さえ部３０Ｆは、延伸部３０Ｅに接続され、下方に伸びる部分である。押さえ部３０Ｆは金属パターン１６の上面に接している。押さえ部３０Ｆは基板１４の上面に接してもよい。図８は、図７のケース３０の底面図である。押さえ部３０Ｆは、平面視で接触部３０Ｃに囲まれた部分に設けられている。

半導体装置５０をヒートシンク（あるいはキュアベース板）に固定すると、接触部３０Ｃと押さえ部３０Ｆの両方が絶縁基板１２に接し、絶縁基板１２を下方に押し付ける。そのため、接触部３０Ｃだけで絶縁基板１２を下方に押し付ける場合と比べて、絶縁基板１２に及ぼされる応力を分散することができる。よって、絶縁基板１２の割れを防止できる。

図７では、押さえ部３０Ｆと絶縁基板１２が接している。しかし、半導体装置５０をヒートシンクに固定する前の段階では、絶縁基板１２の反り等により、押さえ部３０Ｆが絶縁基板１２に接しないことがある。つまり、絶縁基板１２が下に凸に反ることがある。絶縁基板１２が下に凸に反った場合、絶縁基板がフラットな場合と比べて、絶縁基板の中央部がヒートシンクに密着するので好ましい。なお、押さえ部３０Ｆにより絶縁基板が上に凸に反ることはできないので、絶縁基板が上に凸に反って絶縁基板の中央部がヒートシンクと密着しない問題を回避できる。

ところで、半導体装置の使用中には、パワーサイクルなどによる絶縁基板の温度変化が絶縁基板を変位させる。絶縁基板の変位が大きいと放熱グリスが絶縁基板１２とヒートシンクの間から押し出されるポンピングアウトが起こりえる。しかしながら、本発明の実施の形態２に係る半導体装置５０によれば、絶縁基板１２の変位が押さえ部３０Ｆにより抑制されるので、ポンピングアウトを抑制できる。また、はんだ２０等の劣化を抑制できる。よって、半導体装置の信頼性を高めることができる。

実施の形態３．
図９は、本発明の実施の形態３に係る半導体装置１００の断面図である。半導体装置１００は絶縁基板を複数備えている。具体的には、横に並べて設けられた第１絶縁基板１０２と第２絶縁基板１１０を備えている。第１絶縁基板１０２は、基板１０４、金属パターン１０６、及び金属膜１０８を備えている。第２絶縁基板１１０は、基板１１２、金属パターン１１４、及び金属膜１１６を備えている。金属パターン１１４には、はんだ１２０により半導体素子１２２が固定されている。

ケース３０は、第１絶縁基板１０２と第２絶縁基板１１０の境界直上に境界直上部３０Ｇを備えている。境界直上部３０Ｇは、第１絶縁基板１０２の基板１０４に接する追加接触部３０Ｈと、第２絶縁基板１１０の基板１１２に接する追加接触部３０Ｉを有している。さらに、境界直上部３０Ｇには、接着剤１０９を収容する凹部が形成されている。接着剤１０９は、基板１０４と境界直上部３０Ｇを接着するとともに、基板１１２と境界直上部３０Ｇを接着している。

図１０は、半導体装置１００の平面図である。境界直上部３０Ｇは対向するケースの内壁をつなぐように設けられている。よって、接触部３０Ｃ（の左半分）と追加接触部３０Ｈで金属パターン１０６を囲み、接触部３０Ｃ（右半分）と追加接触部３０Ｉで金属パターン１１４を囲むようになっている。そのため、接触部３０Ｃ（の左半分）と追加接触部３０Ｈによって基板１０４の外周部分が下方へ押し付けられ、接触部３０Ｃ（の右半分）と追加接触部３０Ｉによって基板１１２の外周部分が下方へ押し付けられる。

このように、ケース３０に境界直上部３０Ｇを設けることで、複数の絶縁基板を搭載した半導体装置１００を提供できる。本発明の実施の形態３では、絶縁基板は２枚としたが、複数枚であれば特に限定されない。また、境界直上部３０Ｇは、半導体装置を横断するように配置したが、平面視で十字形状などの他の形状でもよい。

図１１は、変形例に係る半導体装置の断面図である。ケース３０は、第１絶縁基板１０２と第２絶縁基板１１０の間に位置する隔壁部３０Ｊを備えている。また、境界直上部３０Ｇには、接着剤１３０を収容する凹部と、接着剤１３２を収容する凹部が形成されている。この変形例に係る半導体装置によれば、隔壁部３０Ｊにより、絶縁基板同士が直接接触することによる基板割れを防止できる。

実施の形態４．
図１２は、本発明の実施の形態４に係る半導体装置１５０の断面図である。境界直上部３０Ｇの上には電極１５２が設けられている。電極１５２と半導体素子２２はワイヤ１５４によって接続されている。電極１５２と金属パターン１１４はワイヤ１５６によって接続されている。図１３は、図１２の半導体装置の平面図である。電極１５２は、対向するケースの内壁をつなぐように設けられている。このように、境界直上部３０Ｇの上に電極１５２を設けて境界直上部３０Ｇの上の空間を有効利用することで、半導体装置１５０は小型化に好適な構成となっている。

また、電極１５２が境界直上部３０Ｇに接することで、ケース３０の剛性が向上する。これにより、半導体装置１５０をヒートシンクに固定する際にケース３０から基板１０４、１１２に大きい力を加え放熱グリスを拡散させることができる。放熱グリスの拡散により、絶縁基板（第１絶縁基板１０２と第２絶縁基板１１０）とヒートシンクの接触熱抵抗が減少する。

実施の形態５．
図１４は、本発明の実施の形態５に係る半導体装置２００の断面図である。第１絶縁基板１０２の上面に接する追加接触部３０Ｈと、第２絶縁基板１１０の上面に接する追加接触部３０Ｉは、接触部３０Ｃよりも下方に伸びている。つまり、図１４に示す座標系で、追加接触部３０Ｈ、３０Ｉの下端のｙ座標は、接触部３０Ｃの下端のｙ座標よりも小さい値となっている。なお、第１絶縁基板１０２と第２絶縁基板１１０は横方向（ｘ軸方向）に並べて設けられている。

図１５は、半導体装置２００をヒートシンク４４に取り付ける際の、半導体装置等の断面図である。半導体装置２００をヒートシンク４４に近づけていくと、追加接触部３０Ｈ、３０Ｉの直下の金属膜１０８、１１６（以後、内側金属膜という）が最初に放熱グリス４６に接触し、その後接触部３０Ｃの直下の金属膜１０８、１１６（以後、外側金属膜という）が放熱グリス４６に接触する。この過程で、放熱グリス４６の一部は、内側金属膜の直下から外側金属膜の方向へ広がるので、放熱グリス４６の厚さが最適化され、接触熱抵抗が減少する。そして、ねじ４２のねじ締めを完了すると、金属膜１０８、１１６の全面が放熱グリス４６に密着する。

例えば、接触部の下端と追加接触部の下端が同じ高さ（ｙ座標）にある場合、ねじ締めを完了すると、内側金属膜よりもねじに近い外側金属膜が、内側金属膜よりも強く放熱グリスに押し付けられる。この場合、内側金属膜と放熱グリスの密着度が不十分になる可能性がある。

ところが、本発明の実施の形態５に係る半導体装置２００によれば、追加接触部３０Ｈ、３０Ｉが接触部３０Ｃより下方に伸びているので、内側金属膜は外側金属膜よりも強い力でヒートシンクに押し付けられる。よって、内側金属膜を放熱グリスに対して密着させることができる。

しかも、境界直上部３０Ｇは、前述のとおりケース３０の内壁間を結ぶ梁となっているので、ある程度柔軟性を有している。そのため、追加接触部３０Ｈ、３０Ｉが過大な力で基板１０４、１１２を押して基板１０４、１１２を割ってしまうことはない。

実施の形態６．
図１６は、本発明の実施の形態６に係る半導体装置２５０の底面図である。金属膜２５２は平面視で８角形となっている。金属パターン１６の輪郭は破線で示されている。金属パターン１６は平面視で４角形となっている。そして、金属膜２５２の角は、金属パターン１６の角の直下を避けて形成されている。従って、金属膜２５２と金属パターン１６は、金属膜２５２の角と金属パターン１６の角が平面視で重ならないように形成されている。

基板１４のうち金属膜の角に接する部分には、他の部分より大きい応力が生じる。また、基板１４のうち金属パターンの角に接する部分には、他の部分より大きい応力が生じる。つまり、金属膜及び金属パターンの角は基板に対して大きい力を及ぼす。そのため、金属膜の角の直下に金属パターンの角があると基板に応力が集中し、基板のクラック又は基板の割れの原因となる。

そこで、本発明の実施の形態６では、金属膜２５２の角が金属パターン１６の角の直下に形成されないようにした。よって、金属膜２５２によって基板１４に及ぼされる応力と金属パターン１６によって基板１４に及ぼされる応力を分散させることができる。

金属膜と金属パターンの形状は、金属膜の角が金属パターンの角の直下を避けて設けられる限り特に限定されない。例えば、金属パターンと金属膜は、平面視で多角形であればよい。

実施の形態７．
図１７は、本発明の実施の形態７のケース等の底面図である。実施の形態１では接触部を平面視で４角形に形成したが、実施の形態７の接触部３０２は平面視で４つの直線を形成している。この接触部３０２に、図１７の破線で外形を示す基板１４を接触させる。そうすると、接触部３０２は、基板１４の角部に接触しないように基板１４の上面に接する。図１８は、ケースの斜視図である。

接触部が基板の角部に接触すると、接触部が基板の角部に強い力を及ぼし基板のクラック又は基板の割れの原因となり得る。そこで、本発明の実施の形態７では、接触部３０２は基板１４の角部に接触しないようにした。具体的には、接触部３０２は、基板１４の外周部に基板１４の角部を避けて接触する。これにより、基板１４のクラック又は割れを抑制できる。

基板は平面視で多角形であれば特に限定されない。例えば、基板が平面視で５角形であれば、接触部は基板の５つの角部を避けて基板に接するようにする。このように、接触部が基板の外周部に基板の角部を避けて接触する構成を有する限り、様々な変形が可能である。

実施の形態８．
本発明の実施の形態８に係る半導体装置の製造方法を説明する。まず、絶縁基板を形成する。図１９は、絶縁基板４００の断面図である。基板４０２の上面に金属パターン４０４を形成し、基板４０２の下面に金属パターン４０４よりも厚い金属膜４０６を形成する。図１９には、金属膜４０６の厚さＴ２が、金属パターン４０４の厚さＴ１より大きいことが示されている。金属パターン４０４と金属膜４０６は、高温で形成され、常温に戻ると縮む。金属膜４０６は、金属パターン４０４よりも厚いので、金属パターン４０４よりも大きな圧縮応力を基板４０２に及ぼす。その結果、絶縁基板４００は、図２０に示すように上に凸に反る。図２０に示す絶縁基板４００を形成する工程を準備工程と称する。

次いで、絶縁基板４００をキュアベース板にのせた状態で、ケースの押さえ部で絶縁基板の中央部を下方に押し付ける。具体的には、図２１に示すように、ケース３０をキュアベース板４０の方向（矢印の方向）に移動させる。ここで、押さえ部３０Ｆの底面は距離Ｌ１だけ接触部３０Ｃの底面よりも下方に位置している。距離Ｌ１は、金属パターン４０４の厚さＴ１よりも２００μｍ程度大きい。押さえ部３０Ｆにより絶縁基板４００の中央部が下方に押し付けられて絶縁基板４００の反り量が徐々に減少する。そして、ねじ４２のねじ締めが終わると、図２２に示すように、金属膜４０６がキュアベース板４０に面接触し、かつケース３０に金属パターン４０４を囲むように形成された接触部３０Ｃが基板４０２の上面に接触する。また、延伸部３０Ｅが上に凸にたわむ。この工程を取り付け工程と称する。

次いで、接着剤３２に対し、キュアベース板４０から熱供給し、接着剤３２を硬化させてケース３０と基板４０２を接着する。接着剤３２は、基板４０２の上面のうち接触部３０Ｃに接する部分より外側の部分と、ケース３０との間にある。この工程を接着工程と称する。次いで、ケース３０と絶縁基板４００をキュアベース板４０から取り外す。この工程を取り外し工程と称する。図２３は、取り外し工程後の半導体装置の断面図である。ケース３０と絶縁基板４００をキュアベース板４０から取り外すと、絶縁基板４００は下に凸に反り、延伸部３０Ｅはわずかに上に凸にたわむ。

例えば、絶縁基板が下に凸に反った状態で取り付け工程を実施すると、絶縁基板の端部とケースが接触し、絶縁基板が割れることがある。ところが、本発明の実施の形態８に係る半導体装置の製造方法によれば、準備工程で、絶縁基板４００を上に凸に反るようにしたので、取り付け工程で絶縁基板の端部とケースが接触することを防止できる。

また、取り付け工程において、押さえ部３０Ｆが絶縁基板４００をキュアベース板４０に押さえつけるので、絶縁基板４００の反りが矯正される。接着工程後は、押さえ部３０Ｆにより、絶縁基板４００が上に凸に反ることはない。そのため、接着工程後の絶縁基板４００は、図２３に示すように下に凸に反るか、フラットとなる。絶縁基板が下に凸に反る場合は、金属膜４０６と放熱グリスを密着させやすいので、絶縁基板がフラットな場合よりも放熱グリスの量を減らすことができる。

上記の各実施の形態に係る半導体装置と半導体装置の製造方法の特徴は、適宜組み合わせることができる。

実施の形態９．
図２４は、本発明の実施の形態９に係る半導体装置の平面図である。半導体素子２２及び絶縁基板を囲むように設けられたケース３０には接触部３０Ｎが形成されている。接触部３０Ｎは金属パターン１６の上面に接する。金属パターン１６には半導体素子２２が固定されている。半導体素子２２と金属パターン１６はワイヤ５００で接続されている。半導体素子２２が固定された金属パターン１６には接触部３０Ｎが接しているので、半導体装置をキュアベース板又はヒートシンクに固定する際には、絶縁基板のうち半導体素子２２に近い部分が接触部３０Ｎによって下方に押し付けられる。

図２５は、図２４のＸＸＶ−ＸＸＶ´破線における断面図である。絶縁基板１２は、基板１４と、基板１４の上面に形成された金属パターン１６と、基板１４の下面に形成された金属膜１８とを有している。ケース３０は、絶縁基板１２を取り囲む外壁部３０Ａと、金属パターン１６に接する接触部３０Ｎと、外壁部３０Ａと接触部３０Ｎをつなぐ非接触部３０Ｋを有している。

非接触部３０Ｋは、接着部３０Ｌとブリッジ部３０Ｍを備えている。接着部３０Ｌと基板１４が接着剤３２で接着されている。非接触部３０Ｋは絶縁基板１２と直接接しない。ケース３０のうち絶縁基板１２と直接接触するのは、接触部３０Ｎだけである。

本発明の実施の形態９に係る半導体装置は上述の構成を備える。ケース３０の外周部分にケース３０を縦方向に貫通するように複数形成された貫通孔３０Ｄにねじを通して、当該ねじをキュアベース板又はヒートシンクのねじ孔に固定する。このとき、接触部３０Ｎが金属パターン１６に力を及ぼし絶縁基板１２を下方向に押し付ける。これにより、金属膜１８がキュアベース板、ヒートシンク又は放熱グリスに密着する。

半導体素子２２は発熱源であるので、その周辺の絶縁基板の変位が大きくなる懸念がある。しかし、本発明の実施の形態９に係る半導体装置によれば、接触部３０Ｎが金属パターン１６に接するので、接触部が基板に接する場合よりも、半導体素子２２の近くの絶縁基板を下方向に押し付けることができる。よって、基板の変位を抑制して信頼性を向上させることができる。また、接触部３０Ｎの直下の少なくとも一部に金属膜１８を設けることで、絶縁基板１２の剛性を向上させることができる。なお、特に剛性の向上が必要なければ金属膜を接触部３０Ｎの直下に設けなくてもよい。

ところで、実施の形態１の接触部３０Ｃは基板１４の外縁に近い部分に接する。そのため、反りなどにより絶縁基板１２が傾いている場合、基板１４の外縁に近い部分に応力が集中してしまう可能性がある。しかしながら、本発明の実施の形態９に係る半導体装置によれば、接触部３０Ｎは基板１４の外縁に近い部分ではなく、当該外縁と離れた金属パターン１６に接触するので、上記の問題を回避できる。

実施の形態９に係る半導体装置の特徴は、ケースの一部である接触部によって「金属パターン１６」を下方へ押し付ける点にある。この特徴を失わない範囲で様々な変形が可能である。半導体素子が形成された金属パターンに接触部３０Ｎが接することで半導体素子の近傍を押圧できる。しかし、半導体素子が形成されていない金属パターンに接触部を接触させても、基板１４の外縁に近い部分に応力が集中してしまう問題を解消できるので、有効である。また、接触部の数は特に限定されない。接着剤３２は、非接触部３０Ｋと絶縁基板１２を接着する目的で設けられるので、必ずしも非接触部３０Ｋの一番外側に形成する必要はない。つまり、基板１４の上面のうち接触部３０Ｎより外側の部分と、ケース３０とを接着できれば、接着剤３２の位置は特に限定されない。

図２５から分かるように、接触部３０Ｎを基板１４の外縁から離すためには非接触部３０Ｋを比較的長くしなければならない。長く形成された非接触部３０Ｋの全体に接着剤を塗布する必要はないので、非接触部３０Ｋの一部の直下は空隙となる。この空隙に絶縁封止材を設けてもよい。図２６は、絶縁封止材等を示す断面図である。非接触部３０Ｋと絶縁基板１２の間に絶縁封止材５０２が設けられている。絶縁封止材５０２により半導体装置の絶縁耐圧を向上させることができる。絶縁封止材は例えばゲル又は樹脂である。

実施の形態９で説明した半導体装置の特徴を上記の各実施形態に係る半導体装置の特徴と適宜組み合わせることができる。

１０ 半導体装置、 １２ 絶縁基板、 １４ 基板、 １６ 金属パターン、 １８ 金属膜、 １８Ａ 直下部分、 ２０ はんだ、 ２２ 半導体素子、 ３０ ケース、 ３０Ａ 外壁部、 ３０Ｂ 凹部、 ３０Ｃ 接触部、 ３０Ｄ 貫通孔、 ３０Ｅ 延伸部、 ３０Ｆ 押さえ部、 ３０Ｇ 境界直上部、 ３０Ｈ,３０Ｉ 追加接触部、 ３０Ｊ 隔壁部、 ３０Ｋ 非接触部、 ３０Ｌ 接着部、 ３０Ｍ ブリッジ部、 ３０Ｎ 接触部、 ３２,１０９,１３０,１３２ 接着剤、 ４０ キュアベース板、 ４４ ヒートシンク、 ４６ 放熱グリス、 １０２ 第１絶縁基板、 １１０ 第２絶縁基板、 １５２ 電極

Claims (21)

1. 基板と、前記基板の上面に形成された金属パターンと、前記基板の下面に形成された金属膜と、を有する絶縁基板と、
   前記金属パターンに固定された半導体素子と、
   前記金属パターンを囲みつつ前記基板の上面に接する接触部を有するケースと、
   前記基板の上面のうち、前記接触部に接する部分より外側の部分と、前記ケースとだけを接着する接着剤と、を備え、
   前記ケースの外周部分には、前記ケースを縦方向に貫通する貫通孔が複数形成され、
   前記接触部の直下の少なくとも一部には前記金属膜があることを特徴とする半導体装置。
2. 前記接着剤の直下では、前記基板の下面の少なくとも一部が外部に露出することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記ケースは、
   前記ケースの２つの内壁をつなぐように設けられた延伸部と、
   前記延伸部に接続され、下方に伸びる押さえ部と、を備え、
   前記押さえ部は平面視で前記接触部に囲まれた部分に設けられたことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
4. 前記絶縁基板を複数備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 基板と、前記基板の上面に形成された金属パターンと、前記基板の下面に形成された金属膜と、を有する絶縁基板と、
   前記金属パターンに固定された半導体素子と、
   前記金属パターンを囲みつつ前記基板の上面に接する接触部を有するケースと、
   前記基板の上面のうち、前記接触部に接する部分より外側の部分と、前記ケースとを接着する接着剤と、を備え、
   前記ケースの外周部分には、前記ケースを縦方向に貫通する貫通孔が複数形成され、
   前記接触部の直下の少なくとも一部には前記金属膜があり、
   前記絶縁基板を複数備え、
   複数の前記絶縁基板は、横に並べて設けられた第１絶縁基板と第２絶縁基板を有し、
   前記ケースは、前記第１絶縁基板と前記第２絶縁基板の境界直上の境界直上部を有し、
   前記境界直上部は、前記第１絶縁基板の上面と前記第２絶縁基板の上面に接する追加接触部を有し、
   前記境界直上部は接着剤により、前記第１絶縁基板及び前記第２絶縁基板と接着したことを特徴とする半導体装置。
6. 複数の前記絶縁基板は、横に並べて設けられた第１絶縁基板と第２絶縁基板を有し、
   前記ケースは、前記第１絶縁基板と前記第２絶縁基板の間に位置する隔壁部を備えたことを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
7. 基板と、前記基板の上面に形成された金属パターンと、前記基板の下面に形成された金属膜と、を有する絶縁基板と、
   前記金属パターンに固定された半導体素子と、
   前記金属パターンを囲みつつ前記基板の上面に接する接触部を有するケースと、
   前記基板の上面のうち、前記接触部に接する部分より外側の部分と、前記ケースとを接着する接着剤と、を備え、
   前記ケースの外周部分には、前記ケースを縦方向に貫通する貫通孔が複数形成され、
   前記接触部の直下の少なくとも一部には前記金属膜があり、
   前記絶縁基板を複数備え、
   複数の前記絶縁基板は、横に並べて設けられた第１絶縁基板と第２絶縁基板を有し、
   前記ケースは、前記第１絶縁基板と前記第２絶縁基板の境界直上の境界直上部を有し、
   前記境界直上部は、前記第１絶縁基板の上面と前記第２絶縁基板の上面に接する追加接触部を有し、
   前記境界直上部の上には電極が設けられたことを特徴とする半導体装置。
8. 前記追加接触部は、前記接触部よりも下方に伸びていることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
9. 前記金属パターンと前記金属膜は、平面視で多角形であり、
   前記金属膜の角は、前記金属パターンの角の直下を避けて形成されたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体装置。
10. 基板と、前記基板の上面に形成された金属パターンと、前記基板の下面に形成された金属膜と、を有する絶縁基板と、
    前記金属パターンに固定された半導体素子と、
    前記金属パターンを囲みつつ前記基板の上面に接する接触部を有するケースと、
    前記基板の上面のうち、前記接触部に接する部分より外側の部分と、前記ケースとを接着する接着剤と、を備え、
    前記ケースの外周部分には、前記ケースを縦方向に貫通する貫通孔が複数形成され、
    前記接触部の直下の少なくとも一部には前記金属膜があり、
    前記基板は平面視で多角形であり、
    前記接触部は、前記基板の角部に接触しないように直線的に複数形成され、前記基板の上面に接することを特徴とする半導体装置。
11. 前記基板はＳｉＮで形成されたことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の半導体装置。
12. 前記金属膜の表面に塗布されたＴＩＭ剤を備えたことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の半導体装置。
13. 前記金属膜は前記金属パターンよりも厚いことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の半導体装置。
14. 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たことを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の半導体装置。
15. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、又はダイヤモンドであることを特徴とする請求項１４に記載の半導体装置。
16. 基板の上面に金属パターンを形成し、前記基板の下面に前記金属パターンよりも厚い金属膜を形成することで、上に凸に反った絶縁基板を形成する準備工程と、
    前記絶縁基板をキュアベース板にのせた状態で、ケースの押さえ部で前記絶縁基板の中央部を下方に押し付け、前記金属膜を前記キュアベース板に面接触させ、かつ前記ケースに前記金属パターンを囲むように形成された接触部を前記基板の上面に接触させる取り付け工程と、
    前記基板の上面のうち前記接触部に接する部分より外側の部分と、前記ケースとの間の接着剤に対し、前記キュアベース板から熱供給し、前記接着剤を硬化させて前記ケースと前記基板を接着する接着工程と、を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
17. 基板と、前記基板の上面に形成された金属パターンと、前記基板の下面に形成された金属膜と、を有する絶縁基板と、
    前記金属パターンに固定された半導体素子と、
    前記金属パターンの上面に接する接触部を有し、前記半導体素子を囲むケースと、
    前記基板の上面のうち前記接触部より外側の部分と、前記ケースとを接着する接着剤と、を備え、
    前記ケースの外周部分には、前記ケースを縦方向に貫通する貫通孔が複数形成されたことを特徴とする半導体装置。
18. 前記ケースのうち前記絶縁基板と直接接触するのは、前記接触部だけであることを特徴とする請求項１７に記載の半導体装置。
19. 前記ケースは、
    前記絶縁基板を取り囲む外壁部と、
    前記外壁部と前記接触部をつなぎ、前記絶縁基板と直接接しない非接触部と、を備え、
    前記接着剤は前記非接触部に接着したことを特徴とする請求項１７又は１８に記載の半導体装置。
20. 前記非接触部と絶縁基板の間に設けられた絶縁封止材を備えたことを特徴とする請求項１９に記載の半導体装置。
21. 前記接触部の直下の少なくとも一部には前記金属膜があることを特徴とする請求項１７〜２０のいずれか１項に記載の半導体装置。

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