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JP7735966B2 - 半導体装置 - Google Patents
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JP7735966B2 - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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Description

本開示は、半導体装置に関するものである。
従来、半導体装置においては、半導体素子の保護及び耐湿性確保等を目的として、半導体装置のケース内に樹脂を充填し、半導体素子が樹脂封止されている。
このため、半導体装置を動作させると、半導体素子から発生した熱によって封止樹脂が変形し、半導体装置に反りが生じる場合がある。これに対し、特許文献1には、封止樹脂の線形膨張係数を半導体素子から封止樹脂の上面に向かって連続的に増加させることにより、半導体素子の発熱に伴う半導体装置の反りの発生を抑制する技術が開示されている。また、特許文献2には、各半導体素子単位もしくは近接している複数の半導体素子をまとめてエポキシ系樹脂で局所的に被覆し、さらにその上部にウレタン樹脂を充填して、モジュール全体を封止する技術が開示されている。
特開2020-107666号公報 特開2006-351737号公報
しかしながら、上記は、半導体装置の製造過程における封止樹脂の伸縮までは考慮されていないため、製造過程における封止樹脂の硬化に伴う伸縮が原因となって、基板及びケースが変形し得るという課題があった。基板及びケースが変形した場合、半導体装置とヒートシンクとの接触を十分に得られないことによる放熱性の低下、半導体装置とヒートシンクとの締付時に基板及びケースの割れ等が懸念される。
特許文献2では、半導体素子を局所的にエポキシ樹脂で封止し、その周囲をウレタン樹脂で封止することによってケース全体を樹脂封止するため、封止樹脂の硬化に伴う伸縮により基板及びケースの変形が生じ得る。仮に、ウレタン樹脂による封止をなくすと、従来よりも封止樹脂の厚みが薄くなるため、半導体素子の保護及び耐湿性の確保が困難になる。
本開示は、上記のような問題を解決するためになされたものであって、製造過程での硬化に伴う封止材の伸縮によって生じる基板及びケースの変形を抑制しつつ、耐湿性を向上した半導体装置を提供することを目的とする。
本開示の一態様に係る半導体装置は、絶縁基板と、絶縁基板の一方の面に形成された第1の回路パターンと、絶縁基板の一方の面に形成された第2の回路パターンと、第1の回路パターンと電気的に接続された第1の端子電極と、第1の回路パターン上に載置された第1の半導体素子と、第1の回路パターン上に載置され、第1の半導体素子とは別の第2の半導体素子と、第2の回路パターンを介して、第1の半導体素子及び第2の半導体素子に電気的に接続された第2の端子電極と、第1の半導体素子全体を被覆する第1の封止材と、第2の半導体素子全体を被覆する、第1の封止材と材質が異なる第2の封止材と、第1の半導体素子と第2の半導体素子とを囲い、第1の封止材及び第2の封止材と離隔して絶縁基板に接合されたケースと、を備え、ケースと第1の封止材との間に空隙が設けられることにより絶縁基板が露出し、ケースと第2の封止材との間に空隙が設けられることにより絶縁基板が露出しているものである。


本開示によれば、硬化に伴う封止材の伸縮によって生じる基板及びケースの変形を抑制しつつ、耐湿性を向上した半導体装置を得ることができる。
実施の形態1に係る半導体装置の断面模式図。 実施の形態2に係る半導体装置の断面模式図。 実施の形態1及び実施の形態2において、第1の封止材9及び第2の封止材10が形成される前の半導体装置の上面模式図。 実施の形態2において、第1の治具12をセットした状態の半導体装置の上面模式図。 実施の形態2において、第1の治具12に第1の封止材9を注入した状態の半導体装置の上面模式図。 実施の形態2において、第2の治具13をセットした状態の半導体装置の上面模式図。 実施の形態2において、第2の治具13に第2の封止材10を注入した状態の半導体装置の上面模式図。 実施の形態2において、第1の封止材9と第2の封止材10とを形成した後の半導体装置の上面模式図。 実施の形態3に係る半導体装置の断面模式図。 実施の形態4に係る半導体装置の断面模式図。 実施の形態5に係る半導体装置の断面模式図。 実施の形態6に係る半導体装置の断面模式図。 実施の形態7に係る半導体装置の断面模式図。
以下に、本開示に係る半導体装置の一例を示すが、以下に示す実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変形して実施することができる。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係る半導体装置の断面模式図である。図3は、実施の形態1及び実施の形態2において、第1の封止材9及び第2の封止材10が形成される前の半導体装置の上面模式図である。
実施の形態1に係る半導体装置は、図1及び図3に示す通り、絶縁基板1の一方の面に第1の回路パターン2aと第2の回路パターン2bとが形成され、絶縁基板1の他方の面にヒートスプレッダとしてベース板3が形成されている。第1の回路パターン2a上には、第1の半導体素子4と第1の半導体素子4とは別の第2の半導体素子5とが載置されており、第1の半導体素子4はリード線6aを介して、第2の半導体素子5はリード線6bを介して、第2の回路パターン2bと電気的に接続されている。また、第1の回路パターン2aは、制御配線7aを介して、端子電極8aと電気的に接続されている。第2の回路パターン2bは、制御配線7bを介して、端子電極8bと電気的に接続されている。第1の半導体素子4は、第1の封止材9で被覆され、第2の半導体素子5は、第1の封止材9とは異なる材質の第2の封止材10で被覆されている。さらに、第1の半導体素子4及び第2の半導体素子5を囲い、第1の封止材9と第2の封止材10とは離隔して、絶縁基板1に接合されたケース11を備える。
尚、第1の半導体素子4と第1の半導体素子4とは別の第2の半導体素子5とが載置されているということは、半導体素子の種類、構造、駆動電圧等にかかわらず、半導体素子が2つ載置されていることを意味している。例えば、半導体素子の種類が同一か同一でないかは問わず、第1の半導体素子4及び第2の半導体素子5のどちらもダイオードである場合も、一方がダイオードで他方がトランジスタである場合も含む。また、例としてディスクリート半導体を挙げたが、集積型半導体を適用する場合も含み、第1の半導体素子4と第2の半導体素子5との組み合わせとして、半導体素子の種類、構造、駆動電圧等を限定するものではない。
また、封止材の材質は、半導体素子の保護及び耐湿性の向上を目的として、被覆する対象の半導体素子毎に適当な材質を選択することができる。つまり、ケース11全体を樹脂封止する必要がないよう、半導体素子の保護及び耐湿性確保等が可能な材質を半導体素子毎に選択することができる。例えば、第1の半導体素子4ではより付着力が封止材に求められ、第2の半導体素子5にはより耐熱性が封止材に求められる場合、第1の封止材9としてエポキシ樹脂を適用し、第2の封止材10としてシリコーン樹脂を適用する、といった選択が可能である。ただし、ここで示した組み合わせは例示に過ぎず、半導体素子及び半導体装置に求められる仕様等に応じて、被覆する対象の半導体素子毎に封止材の材質を選択することができる。
その他の構成要素の材料の一例としては、ベース板3に銅合金、ケース11にエンジニアリングプラスチックを適用可能である。ただし、構成要素の材料は上記に限るものではなく、半導体装置の仕様及び求められる性能等に合わせて、任意に組み合わせ可能である。
さらに、第1の半導体素子4及び第2の半導体素子5のどちらか一方の表面に、第1の封止材9及び第2の封止材10とは異なる材質の高分子化合物層(図示せず)が形成されていても良い。例えば、第1の封止材9がエポキシ樹脂の場合、第1の半導体素子4の表面に高分子化合物層としてポリイミドを適用することによって、高分子化合物層を適用しない場合に比べて、さらに耐湿性を向上することができる。
このように構成された半導体装置を適用することにより、ケース全体を封止材で充填せずに半導体素子毎に封止材の材質を使い分けることができるため、硬化に伴う封止材の伸縮によって生じる基板及びケースの変形を抑制しつつ、耐湿性を向上した半導体装置を提供することができる。
したがって、実施の形態1に示した半導体装置を適用することにより、ケース内全体を封止材で充填せずに半導体素子毎に封止材の材質を使い分けることができるため、硬化に伴う封止材の伸縮によって生じる基板及びケースの変形を抑制しつつ、耐湿性を向上した半導体装置を得ることができる。
実施の形態2.
図2は、実施の形態2に係る半導体装置の断面模式図である。
実施の形態2に係る半導体装置において、実施の形態1と異なる点は、図2に示す通り、第1の封止材9と第2の封止材10とが互いに離隔している点であり、他の構成については実施の形態1と同様のため、詳細な説明は省略する。第1の封止材9と第2の封止材10とが互いに離隔することにより、製造過程において一方の封止材に硬化に伴う伸縮が生じた場合であっても、他方の封止材に干渉し、応力が加わることを防ぐことができる。つまり、硬化に伴う封止材の伸縮によって基板及びケースの形状が変形することを抑制することができる。
このように構成された半導体装置を適用することにより、ケース内全体を封止材で充填せずに半導体素子毎に封止材の材質を使い分けることができることに加え、半導体素子毎の封止材が互いに干渉することを防ぐことができるため、硬化に伴う封止材の伸縮によって生じる基板及びケースの変形をさらに抑制しつつ、耐湿性を向上した半導体装置を得ることができる。
ここで、実施の形態2に示した半導体装置について、第1の封止材9と第2の封止材10とを形成する工程を、実施例として模式的に示す。
図3は、実施の形態2において、第1の封止材9及び第2の封止材10が形成される前の半導体装置の上面模式図である。図4は、実施の形態2において、第1の治具12をセットした状態の半導体装置の上面模式図である。図5は、実施の形態2において、第1の治具12に第1の封止材9を注入した状態の半導体装置の上面模式図である。図6は、実施の形態2において、第2の治具13をセットした状態の半導体装置の上面模式図である。図7は、実施の形態2において、第2の治具13に第2の封止材10を注入した状態の半導体装置の上面模式図である。図8は、実施の形態2において、第1の封止材9と第2の封止材10とを形成した後の半導体装置の上面模式図である。
簡単のため、第1の封止材9と第2の封止材10とを形成する直前の状態から、順を追って示すと、図3に示す通り、第1の半導体素子4と第2の半導体素子5とが、露出した状態で第1の回路パターン2a上に載置されている。まず、第1の半導体素子4を樹脂封止するため、第1の封止材9を形成する領域が区切られた第1の治具12を図4に示す通りセットする。次に、図5に示す通り、第1の治具12によって囲われた領域に第1の封止材9を注入する。第1の封止材9に対する硬化処理を実施後、第1の治具12は取り外す。尚、第1の封止材9に対する硬化処理は特に限定されるものではなく、適用する封止材に合わせて、紫外線の照射、加熱処理等といった硬化処理方法が適用可能である。次に、第2の半導体素子5を樹脂封止するため、第2の封止材10を形成する領域が区切られた第2の治具13を図6に示す通りセットする。次に、図7に示す通り、第2の治具13によって囲われた領域に第2の封止材10を注入する。第2の封止材10に対する硬化処理を実施後、第2の治具13を取り外すと、図8に示す通り、第1の封止材9と第2の封止材10とが互いに離間して形成された、実施の形態2の半導体装置を得られる。
したがって、実施の形態2に示した半導体装置を適用することにより、実施の形態1と同様の効果に加え、半導体素子毎の封止材が互いに干渉することを防ぐことができるため、基板及びケースの変形をさらに抑制する効果が得られる。
実施の形態3.
図9は、実施の形態3に係る半導体装置の断面模式図である。
実施の形態3に係る半導体装置において、実施の形態1と異なる点は、図9に示す通り、第1の回路パターンは第1の半導体載置回路14と第2の半導体載置回路15とを有し、第1の半導体素子4が第1の半導体載置回路14上に載置され、第2の半導体素子5が第2の半導体載置回路15上に載置されている点であり、第1の半導体素子4と第2の半導体素子5とは、リード線6aにより電気的に接続され、第1の半導体素子4と第2の半導体素子5との間には端子電極16を備える。また、第2の半導体素子5と第2の回路パターン2bとは、リード線6bにより電気的に接続されている。他の構成については実施の形態1と同様のため、詳細な説明は省略する。
このように構成された半導体装置を適用することにより、三極での動作を想定した半導体装置であっても、ケース内全体を封止材で充填せずに半導体素子毎に封止材の材質を使い分けることができるため、硬化に伴う封止材の伸縮によって生じる基板及びケースの変形を抑制しつつ、耐湿性を向上した半導体装置を得ることができる。
例えば、図9で示すところの第1の半導体素子4をP側とし、第2の半導体素子5をN側とした電力用半導体装置を想定した場合、P側とN側とでは半導体素子の種類、動作、特性等が異なる場合があるので、それぞれに合った適切な封止材を使い分けられることにより、耐湿性向上に大きく貢献する。
したがって、実施の形態3に示した半導体装置を適用することにより、実施の形態1と同様の効果に加え、回路構成の違いにも対応して適切に封止材を使い分けることができるため、さらに耐湿性を向上した半導体装置を得ることができる。
実施の形態4.
図10は、実施の形態4に係る半導体装置の断面模式図である。
実施の形態4に係る半導体装置において、実施の形態1と異なる点は、図10に示す通り、半導体素子が載置されていない第3の回路パターン17を有しており、端子電極8aと第1の回路パターン2aとが、制御配線7a及び第3の回路パターン17を介して電気的に接続されている点である。他の構成については実施の形態1と同様のため、詳細な説明は省略する。
このように構成された半導体装置を適用することにより、半導体素子の配置及び回路パターンの設計自由度を向上させつつ、ケース内全体を封止材で充填せずに半導体素子毎に封止材の材質を使い分けることができるため、硬化に伴う封止材の伸縮によって生じる基板及びケースの変形を抑制しつつ、耐湿性を向上した半導体装置を得ることができる。
例えば、封止材による封止を避けたい回路パターンを有する場合、図10で示すところの第3の回路パターン17として構成することで、封止材で封止しない回路パターンを有する半導体装置を得ることができる。
したがって、実施の形態4に示した半導体装置を適用することにより、実施の形態1と同様の効果に加え、半導体素子の配置及び回路パターンの設計自由度を向上することができるため、さらに耐湿性を向上した半導体装置を得ることができる。
実施の形態5.
図11は、実施の形態5に係る半導体装置の断面模式図である。
実施の形態5に係る半導体装置において、実施の形態1と異なる点は、図11に示す通り、制御配線7a及び制御配線7bを第3の封止材18によって封止している点である。他の構成については実施の形態1と同様のため、詳細な説明は省略する。
尚、第3の封止材18の材質は、第1の封止材9又は第2の封止材10と同じ材質を使用しても良いが、第1の封止材9及び第2の封止材10とは異なる材質を適用することも可能であり、制御配線7a及び制御配線7bを被覆する目的に応じた任意の材質を適用可能である。
このように構成された半導体装置を適用することにより、制御配線を封止材で封止しつつ、ケース内全体を封止材で充填せずに半導体素子毎に封止材の材質を使い分けることができるため、硬化に伴う封止材の伸縮によって生じる基板及びケースの変形を抑制しつつ、耐湿性を向上した半導体装置を得ることができる。
したがって、実施の形態5に示した半導体装置を適用することにより、実施の形態1と同様の効果に加え、制御配線も封止材で被覆することができるため、さらに耐湿性を向上した半導体装置を得ることができる。
実施の形態6.
図12は、実施の形態6に係る半導体装置の断面模式図である。
実施の形態6に係る半導体装置において、実施の形態1と異なる点は、図12に示す通り、端子電極8aが第1の回路パターン2aに、端子電極8bが第2の回路パターン2bに直接接合されている点である。他の構成については実施の形態1と同様のため、詳細な説明は省略する。
尚、直接接合の方法としては、熱圧着、超音波、パルスヒーター、レーザー加熱等の任意の方法を適用可能であり、例えば、加熱を伴う接合方法を避けつつ、接触抵抗の低減と強固な直接接合を得たい場合は、超音波接合の適用が好適である。
このように構成された半導体装置を適用することにより、端子電極の接触抵抗の低減と接合安定性を向上しつつ、硬化に伴う封止材の伸縮によって生じる基板及びケースの変形を抑制し、耐湿性を向上した半導体装置を得ることができる。
したがって、実施の形態6に示した半導体装置を適用することにより、実施の形態1と同様の効果に加え、端子電極の接触抵抗の低減と接合安定性を向上することができるため、さらに信頼性が向上した半導体装置を得ることができる。
実施の形態7.
図13は、実施の形態7に係る半導体装置の断面模式図である。
実施の形態7に係る半導体装置において、実施の形態1と異なる点は、図13に示す通り、ケース11に蓋19を備えている点である。他の構成については実施の形態1と同様のため、詳細な説明は省略する。
このように構成された半導体装置を適用することにより、蓋を有することによるケース内の保護及び耐湿性を向上しつつ、ケース内全体を封止材で充填せずに半導体素子毎に封止材の材質を使い分けることができるため、硬化に伴う封止材の伸縮によって生じる基板及びケースの変形を抑制しつつ、耐湿性を向上した半導体装置を得ることができる。また、蓋を有することで半導体装置のデザイン性の幅を広げることもできる。
したがって、実施の形態7に示した半導体装置を適用することにより、実施の形態1と同様の効果に加え、蓋を有することによるケース内の保護及び耐湿性の向上と、デザイン性の幅を広げた半導体装置を得ることができる。
以下、本開示の諸態様を付記としてまとめて記載する。
(付記1)
絶縁基板と、
前記絶縁基板の一方の面に形成された第1の回路パターンと、
前記絶縁基板の一方の面に形成された第2の回路パターンと、
前記第1の回路パターンと電気的に接続された第1の端子電極と、
前記第1の回路パターン上に載置された第1の半導体素子と、
前記第1の回路パターン上に載置され、前記第1の半導体素子とは別の第2の半導体素子と、
前記第2の回路パターンを介して、前記第1の半導体素子及び前記第2の半導体素子に電気的に接続された第2の端子電極と、
前記第1の半導体素子を被覆する第1の封止材と、
前記第2の半導体素子を被覆する、前記第1の封止材と材質が異なる第2の封止材と、
前記第1の半導体素子と前記第2の半導体素子とを囲い、前記第1の封止材及び前記第2の封止材と離隔して前記絶縁基板に接合されたケースと、
を備えた半導体装置。
(付記2)
前記第1の半導体素子及び前記第2の半導体素子のどちらか一方の表面に、前記第1の封止材及び前記第2の封止材とは異なる材質の高分子化合物層が形成されていること、
を特徴とする付記1に記載の半導体装置。
(付記3)
前記第1の封止材と前記第2の封止材とが、互いに離隔していること、
を特徴とする付記1又は付記2に記載の半導体装置。
(付記4)
前記第1の回路パターンは第1の半導体載置回路と第2の半導体載置回路とを有し、前記第1の半導体載置回路に前記第1の半導体素子が載置され、前記第2の半導体載置回路に前記第2の半導体素子が載置されていること、
を特徴とする付記1から付記3のいずれか1項に記載の半導体装置。
(付記5)
前記半導体装置は、電力用半導体装置であって、
前記第1の半導体載置回路はP側であり、前記第2の半導体載置回路はN側であること、
を特徴とする付記4に記載の半導体装置。
(付記6)
前記第1の回路パターンと前記第1の端子電極とは、半導体素子が載置されていない第3の回路パターンを介して電気的に接続されていること、
を特徴とする付記1から付記5のいずれか1項に記載の半導体装置。
(付記7)
前記第3の回路パターンは、封止材に被覆されていないこと、
を特徴とする付記6に記載の半導体装置。
(付記8)
前記第1の端子電極と前記第1の回路パターンとが第1の制御配線によって電気的に接続有し、前記第2の端子電極と前記第2の回路パターンとが第2の制御配線によって電気的に接続され、
前記第1の制御配線及び前記第2の制御配線は、第3の封止材によって被覆されていること、
を特徴とする付記1から付記7のいずれか1項に記載の半導体装置。
(付記9)
前記第3の封止材の材質は、前記第1の封止材の材質及び前記第2の封止材の材質と異なること、
を特徴とする付記8に記載の半導体装置。
(付記10)
前記第1の端子電極と前記第1の回路パターンとの電気的接続と、前記第2の端子電極と前記第2の回路パターンとの電気的接続との少なくとも一方の電気的接続は、直接接合されていること、
を特徴とする付記1から付記9のうちいずれか1項に記載の半導体装置。
(付記11)
前記第1の端子電極と前記第1の回路パターンとの電気的接続と、前記第2の端子電極と前記第2の回路パターンとの電気的接続との少なくとも一方の電気的接続は、超音波接合によって直接接合されていること、
を特徴とする付記10に記載の半導体装置。
(付記12)
前記ケースは、蓋を有していること、
を特徴とする付記1から付記11のうちいずれか1項に記載の半導体装置。
1 絶縁基板
2a 第1の回路パターン
2b 第2の回路パターン
3 ベース板
4 第1の半導体素子
5 第2の半導体素子
6a リード線
6b リード線
7a 制御配線
7b 制御配線
8a 端子電極
8b 端子電極
9 第1の封止材
10 第2の封止材
11 ケース
12 第1の治具
13 第2の治具
14 第1の半導体載置回路
15 第2の半導体載置回路
16 端子電極
17 第3の回路パターン
18 第3の封止材
19 蓋

Claims (12)

  1. 絶縁基板と、
    前記絶縁基板の一方の面に形成された第1の回路パターンと、
    前記絶縁基板の一方の面に形成された第2の回路パターンと、
    前記第1の回路パターンと電気的に接続された第1の端子電極と、
    前記第1の回路パターン上に載置された第1の半導体素子と、
    前記第1の回路パターン上に載置され、前記第1の半導体素子とは別の第2の半導体素子と、
    前記第2の回路パターンを介して、前記第1の半導体素子及び前記第2の半導体素子に電気的に接続された第2の端子電極と、
    前記第1の半導体素子全体を被覆する第1の封止材と、
    前記第2の半導体素子全体を被覆する、前記第1の封止材と材質が異なる第2の封止材と、
    前記第1の半導体素子と前記第2の半導体素子とを囲い、前記第1の封止材及び前記第2の封止材と離隔して前記絶縁基板に接合されたケースと、
    を備え、
    前記ケースと前記第1の封止材との間に空隙が設けられることにより前記絶縁基板が露出し、
    前記ケースと前記第2の封止材との間に空隙が設けられることにより前記絶縁基板が露出している半導体装置。
  2. 前記第1の半導体素子及び前記第2の半導体素子のどちらか一方の表面に、前記第1の封止材及び前記第2の封止材とは異なる材質の高分子化合物層が形成されていること、
    を特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記第1の封止材と前記第2の封止材とが、互いに離隔していること、
    を特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  4. 前記第1の回路パターンは第1の半導体載置回路と第2の半導体載置回路とを有し、前記第1の半導体載置回路に前記第1の半導体素子が載置され、前記第2の半導体載置回路に前記第2の半導体素子が載置されていること、
    を特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  5. 前記半導体装置は、電力用半導体装置であって、
    前記第1の半導体載置回路はP側であり、前記第2の半導体載置回路はN側であること、
    を特徴とする請求項4に記載の半導体装置。
  6. 前記第1の回路パターンと前記第1の端子電極とは、半導体素子が載置されていない第3の回路パターン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に記載の半導体装置。
  7. 前記第3の回路パターンは、封止材に被覆されていないこと、
    を特徴とする請求項6に記載の半導体装置。
  8. 前記第1の端子電極と前記第1の回路パターンとが第1の制御配線によって電気的に接続され、前記第2の端子電極と前記第2の回路パターンとが第2の制御配線によって電気的に接続され、
    前記第1の制御配線及び前記第2の制御配線は、第3の封止材によって被覆されていること、
    を特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  9. 前記第3の封止材の材質は、前記第1の封止材の材質及び前記第2の封止材の材質と異なること、
    を特徴とする請求項8に記載の半導体装置。
  10. 前記第1の端子電極と前記第1の回路パターンとの電気的接続と、前記第2の端子電極と前記第2の回路パターンとの電気的接続との少なくとも一方の電気的接続は、直接接合されていること、
    を特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  11. 前記第1の端子電極と前記第1の回路パターンとの電気的接続と、前記第2の端子電極と前記第2の回路パターンとの電気的接続との少なくとも一方の電気的接続は、超音波接合によって直接接合されていること、
    を特徴とする請求項10に記載の半導体装置。
  12. 前記ケースは、蓋を有していること、
    を特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
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