JP2014082233A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】信頼性が向上され得る半導体装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】一実施形態に係る半導体装置10は、半導体素子12と、基板20と、ケース40と、封止剤注入路50とを備える。基板20には、半導体素子12が搭載される。ケース40は、基板20を収容し、内側に半導体素子12を封止する封止剤が注入される。封止剤注入路50は、ケース40に形成されており、封止剤をケース40内側に注入するためのものである。封止剤注入路50においてケース40内側に位置する封止剤の注入口は、ケース40内側の封止剤の注入領域44において基板20側に位置する。
【選択図】図1
【解決手段】一実施形態に係る半導体装置10は、半導体素子12と、基板20と、ケース40と、封止剤注入路50とを備える。基板20には、半導体素子12が搭載される。ケース40は、基板20を収容し、内側に半導体素子12を封止する封止剤が注入される。封止剤注入路50は、ケース40に形成されており、封止剤をケース40内側に注入するためのものである。封止剤注入路50においてケース40内側に位置する封止剤の注入口は、ケース40内側の封止剤の注入領域44において基板20側に位置する。
【選択図】図1
Description
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関する。
半導体装置の例として、ケース型の半導体装置が知られている(非特許文献1参照)。このような半導体装置では、素子搭載基板に搭載されてケースに収容された半導体素子が、ワイヤを介して電極端子に接続される。半導体素子及びワイヤは、ケース内部に注入されるゲル状の封止剤で絶縁封止される。
「Cuワイヤを中心としたワイヤボンディングの不良原因と信頼性向上・評価技術」株式会社技術情報協会出版、2011年7月29日、p.163
ケースに封止剤が注入される際に、封止剤からなる封止部の内部に気泡が発生することがある。気泡が封止部の内部に残存している場合には、半導体装置の動作時に、半導体素子において発生する熱が、封止部を構成する封止剤を介して気泡に伝わる。したがって、半導体素子のオン・オフ動作に応じて気泡における気体の温度が変動する。このため、気泡が熱膨張及び熱収縮することにより、電流漏れが生じる場合があり、半導体装置の信頼性が低減する可能性がある。
そこで、本発明は、信頼性を向上し得る半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の一側面に係る半導体装置は、半導体素子と、前記半導体素子が搭載される基板と、前記半導体素子が搭載された前記基板を収容するケースであって、内側に前記半導体素子を封止する封止剤が注入される前記ケースと、前記ケースに形成されており、前記封止剤を前記ケース内側に注入するための封止剤注入路と、を備え、前記封止剤注入路において前記ケース内側への前記封止剤の注入口が前記ケース内側の前記封止剤の注入領域のうち前記基板側に位置する。
この構成では、ケース内側の封止剤の注入領域において基板側に位置する封止剤の注入口から封止剤が注入される。そのため、ケースの基板側から空気が基板と反対側に向かって押し出される。したがって、注入領域において注入された封止剤からなる封止部の内部に気泡が含まれることがなく、又はその影響が低減され、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
一実施形態において、前記封止剤注入路への前記封止剤の投入口が前記ケースのうち、前記基板の厚み方向において前記基板と反対側に位置してもよい。
この場合、封止剤の投入口がケースにおいて基板と反対側に位置する。半導体装置の製造時は、一般的には、鉛直方向において基板側が下に位置する状態で封止剤が注入される。このため、封止剤の注入時には、封止剤の投入口が上に位置するので、投入口への封止剤の投入が容易である。
一実施形態において、前記投入口が、前記基板の厚み方向において、前記注入領域の外側に位置してもよい。
この場合、投入口が、基板の厚み方向において、注入領域の外側に位置する。このため、封止剤の注入時には、封止剤の投入口が注入領域よりも上側に位置し、投入口を塞がなくても、投入口から封止剤が流出しにくくなる。
一実施形態において、前記注入口が複数設けられてもよい。
この場合、注入口が複数設けられているため、短時間でケースに封止剤を注入することができる。
一実施形態において、前記ケースの平面視形状が四角形であり、前記注入口が前記ケースの4つの角部の少なくとも1つに位置してもよい。
この場合、角部から封止剤を注入できるため、封止剤からなる封止部において上記角部に気泡が含まれにくいと共に、その影響が低減される。
一実施形態において、前記注入口の形状が、一方向に延びるスリット状であってもよい。
この場合、スリット状に延びる注入口から封止剤を一様に注入することができるため、ケース内側において気泡が含まれないようにすること、又はその影響を低減することができる。
一実施形態において、半導体素子の材料が、ワイドバンドギャップ半導体を含んでいてもよい。
ワイドバンドギャップ半導体を用いた半導体素子においては、シリコン(Si)を用いた半導体素子に比べて大きな電流を半導体素子に流すことができる。また、ワイドバンドギャップ半導体を用いた半導体素子は、シリコンを用いた半導体素子に比べて高温の環境の下で使用されることがある。このため、封止剤からなる封止部の内部において気泡が含まれていると、その影響は、シリコンを用いた半導体素子と比べて大きくなる傾向にある。このため、半導体素子の材料がワイドバンドギャップ半導体を含む場合には、ケース内側において気泡が含まれないようにすること、又はその影響を低減することができるという本発明の効果がより好適に発揮される。
本発明の一側面に係る半導体装置の製造方法は、半導体素子を基板に搭載する工程と、前記基板をケースに収容する工程と、前記半導体が搭載された前記基板を収容した前記ケース内側に封止剤を注入する工程と、を備え、前記ケースには、前記封止剤を前記ケース内側に注入する封止剤注入路が形成されており、前記封止剤注入路において前記ケース内側への前記封止剤の注入口が、前記ケース内側の前記封止剤の注入領域のうち前記基板側に位置しており、前記封止剤を注入する工程では、前記封止剤注入路を通じて前記ケース内側の前記注入領域に前記封止剤を注入する。
この構成では、ケース内側において基板側に位置する封止剤の注入口から、封止剤が注入される。そのため、空気がケースの基板側からその反対側に向かって押し出される。したがって、ケース内側において気泡が含まれないようにすること、又はその影響を低減することができる。
一実施形態において、前記封止剤を注入する工程が、真空中において実行されてもよい。
この場合、封止剤を注入する工程において、半導体装置の周囲が真空であるため、ケース内側における気泡の発生をより確実に防止することができる。
本発明によれば、半導体装置の信頼性を向上し得る。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図面の説明において、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。説明中、「上」、「下」等の方向を示す語は、図面に示された状態に基づいた便宜的な語である。
図1は、本実施形態に係る半導体装置を模式的に示す断面図である。図2は、本実施形態に係る半導体装置が備えるケースの平面図である。図1及び図2に示される半導体装置10は、ケース型の半導体装置である。半導体装置10は、半導体素子12と、基板20と、ケース40と、を備える。
基板20は、絶縁性基板20aの上に配線層20bが設けられた配線基板である。基板20には、半導体素子12が搭載されている。絶縁性基板20aの材料の例は、セラミックを含む。配線層20bの材料の例は、銅及び銅合金等の金属を含む。配線層20bは、所定の配線パターンを有し得る。半導体素子12の例は、MOS−FET、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)等のトランジスタを含む。半導体素子12の材料の例は、ワイドバンドギャップ半導体、シリコンその他の半導体を含む。ワイドバンドギャップ半導体は、シリコンのバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する。ワイドバンドギャップ半導体の例は、シリコンカーバイド(SiC)、窒化ガリウム(GaN)、ダイヤモンドを含む。半導体素子12の材料がSiCである場合には、半導体装置10は、半導体素子12が高温(例えば200℃以上)となる状態で使用される傾向にある。
基板20の裏面(半導体素子12が搭載される側と反対側の面)には、放熱層22が設けられてもよい。放熱層22の材料の例は、銅及び銅合金等の金属を含む。放熱層22は、例えば半田等からなる接着層24を介してヒートシンク26に接着される。ヒートシンク26の材料の例は、放熱層22の材料と同様であり、銅及び銅合金等の金属を含む。
半導体素子12は、上部電極として、電極パッドP1,P2を備える。半導体素子12がMOS−FETである場合、電極パッドP1はソース電極であり、電極パッドP2はゲート電極である。半導体素子12がIGBTである場合、電極パッドP1はエミッタ電極であり、電極パッドP2はゲート電極である。電極パッドP1は、配線32を介して、外部接続用の電極端子28に接続される。電極パッドP2は、配線34を介して、外部接続用の電極端子30に接続される。半導体素子12は、電極パッドP1,P2と逆の面に、下部電極を備える。半導体素子12がMOS−FETである場合、下部電極はドレイン電極である。半導体素子12がIGBTである場合、下部電極はコレクタ電極である。半導体素子12の下部電極は、接着層36を介して配線層20bの上面である素子実装面20ba上に実装される。接着層36の材料の例は、鉛入り金属半田、鉛を含まない金属半田又は導電性樹脂等を含む材料である。下部電極は、配線層20bを介して、不図示の外部接続用の電極端子に接続される。
配線32,34は、ワイヤ又はリボンであってもよい。配線32,34の材料の例は、アルミニウム、金、銅等の金属を含む。配線32,34は、例えば超音波や加圧等を用いたワイヤボンディングにより電極端子28,30及び半導体素子12に接続される。
半導体装置10が備える電極端子28,30は、例えばケース40の内壁に取り付けられる。電極端子28,30は、ケース40の内壁に沿って上方に延びている。半導体素子12がMOS−FETである場合、電極端子28はソース電極端子に対応し、電極端子30はゲート電極端子に対応する。ドレイン電極端子に対応する電極端子は、図示を省略されている。半導体素子12がIGBTである場合、電極端子28はエミッタ電極端子に対応し、電極端子30はゲート電極端子に対応する。コレクタ電極端子に対応する電極端子は、図示を省略されている。なお、図1では、半導体素子12がMOS−FETである場合を例示している。
半導体素子12及び基板20は、ケース40に収容される。ケース40は、例えば筒状である。ケース40の平面視形状は、四角形である。なお、図2では、ケース40の平面視形状が長方形である場合を示している。ケース40の一方の開口は、ヒートシンク26によって封止され得る。ケース40の他方の開口は、蓋42によって封止され得る。電極端子28,30は、例えば、蓋42に形成された開口を通って外部に突出する。ケース40の材料の例は、ポリブチレンテレフタレート(PBT)やポリフェニレンサルファイド樹脂(PPS)といったエンジニヤリングプラスチック等の樹脂を含む。蓋42の材料の例は、熱可塑性樹脂を含む。ケース40の内側には、応力緩和のため、例えばシリコーンゲル等のゲル(封止剤)が注入され得る。このゲルが注入されるべきケース40内側の領域を注入領域44と称する。ゲルが注入領域44に注入されることにより、ゲルからなる封止部46が構成される。
ケース40には、封止剤注入路50が形成されている。封止剤注入路50は、ケース40内側の注入領域44にゲルを注入するための経路である。封止剤注入路50は、投入口52及び注入口54を有する。投入口52は、封止剤注入路50にゲルを注入するために設けられた、封止剤注入路50の一方の開口である。投入口52は、封止剤注入路50にゲルを注入できる位置に形成されていればよい。投入口52は、ケース40の外面に形成されている。一例として図1に示されるように、本実施形態では、投入口52は、ケース40の外面の一部である上端面に形成されている。ここで、ケース40において、基板20は、下側に配置されている。そのため、投入口52は、ケース40において基板20と反対側に位置する。
注入口54は、封止剤注入路50の他方の開口である。注入口54は、注入領域44に面したケース40の内面に形成されている。封止剤注入路50は、投入口52と注入口54とを繋ぐように、ケース40を構成する壁部内に延在している。一例として図1に示されるように、封止剤注入路50は、投入口52からケース40を構成する壁部内を下方に向かって延び、ケース40の底部側で、注入領域44に向かうように水平方向に折れ曲がり、注入口54に至る。封止剤注入路50は、少なくとも1つ設けられていればよい。本実施形態では、封止剤注入路50は、複数設けられている。封止剤注入路50は、例えば、平面視においてケース40の4つの角部にそれぞれ1本ずつ位置する。また、投入口52は、注入領域44よりも、鉛直方向(図1において基板20の厚さ方向)において外側に位置する。言い換えれば、投入口52は、ケース40に注入されたゲルからなる封止部46の表面よりも上側に位置する。
次に、図1に模式的に示した本実施形態の半導体装置10の製造方法について、図3及び図4を参照して説明する。図3は、半導体装置10の製造方法を示すフローチャートであり、図4は、半導体装置10の製造方法を示す模式図である。
まず、ケース40を用意する(ステップS11)。ここで用意されるケース40は、半導体素子12が搭載された基板20を収容するためのケースである。ケース40には、半導体素子12をケース40内側に封止するゲルを注入する封止剤注入路50が形成されている。ケース40は、例えばモールド成形等によって製造されてもよい。
次に、半導体素子12を基板20に搭載する。そして、半導体素子12が搭載された基板20をケース40に収容する(ステップS13)。半導体装置10がヒートシンク26を備える場合には、基板20をヒートシンク26の上面に固定した後、ヒートシンク26をケース40に固定することにより、基板20をケース40に収容する。その後、ケース40に電極端子28,30を取り付ける。ただし、電極端子28,30は、ステップS11においてケース40を用意した段階で、予めケース40に取り付けられていてもよい。そして、半導体素子12の電極パッドP1と電極端子28との間を配線32で接続し、基板20の配線層20bと電極端子30との間を配線34で接続する。なお、図4においては、半導体素子12、基板20、電極パッドP1、電極端子28,30、配線32,34を省略している。
次に、ケース40にゲルを注入する(ステップS15)。ゲルの注入方法の一例を説明する。例えば、図4に示すように、投入口52に管56を接続し、不図示のシリンジを用いて、ゲルを矢印A1で示すように注入する。注入されたゲルは、封止剤注入路50を通過して、矢印A2で示すように注入口54から注入領域44に進入する。そして、ゲルの注入が進むにつれて、ゲルの液面は矢印A3で示すように上昇する。ゲルの液面が所定の高さ、即ち注入領域44の上面の位置に到達すると、ゲルの注入を終了する。ゲルの注入を終了した後、ケース40に蓋42を取り付ける。これにより、半導体装置10が得られる。なお、ステップS15は、真空中において実行されてもよい。ステップS15が真空中において実行される場合には、半導体装置10の周囲が真空であるため、ケース40内側における気泡の発生をより確実に防止することができる。
なお、以上で説明した半導体装置の製造方法は、一つの例であり、半導体装置の構成に応じて適宜変更可能である。
以上説明したように、本実施形態の半導体装置10では、ケース40に封止剤注入路50が形成されており、封止剤注入路50の注入口54が基板20側に位置するため、ゲルをケース40の基板20側から注入することができる。そのため、ケース40の基板20側から空気が基板20と反対側に向かって押し出される。したがって、ゲルからなる封止部46の内側に気泡が含まれることがない。あるいは、仮に気泡が封止部46内に残存しても、ケース40の上部の開口からケース40の内側に直接ゲルを注入する場合に比べて、気泡の影響が低減される。具体的には、気泡の数が低減され、又は残存する気泡の大きさがより小さくなる。その結果、例えば、半導体装置10の駆動に伴う半導体素子12の発熱によって気泡が熱収縮等をしても、気泡が残存している箇所での電流漏れや、ケース40の内壁からのゲルのはがれ等が生じにくい。このように気泡が封止部46内に残存しないため、あるいは、仮に残存していても気泡の影響が低減されるため、半導体装置10の信頼性が向上する。
ゲルの投入口52がケース40において基板20と反対側に位置する場合、半導体装置10の製造時には、一般的には、鉛直方向において基板20側が下に位置する状態でゲルが注入されるため、ゲルの注入時には、ゲルの投入口52が注入口54よりも上に位置する。したがって、投入口52へのゲルの投入が容易であると共に、封止剤注入路50を通してゲルを注入しやすい。
投入口52が、基板20の厚み方向において、注入領域44の外側に位置する場合には、ゲルの注入時には、ゲルの投入口52が注入領域44よりも上側に位置し、例えばゲルを注入し終わった直後に管56(図4参照)を投入口52から取り外した際に、投入口52を塞がなくても、投入口52からゲルが流出しにくくなる。
注入口54が複数設けられている場合には、短時間でケース40にゲルを注入することができる。
ケース40の平面視形状が四角形であり、注入口54がケース40の角部に位置している場合には、角部からゲルを注入できるため、気泡が含まれやすく、また気泡が残存しやすい角部にゲルが確実に注入され、角部に気泡が含まれにくいと共に、その影響が低減される。
半導体素子12をワイドバンドギャップ半導体を用いた半導体素子とした場合、シリコン(Si)を用いた半導体素子12に比べて大きな電流を半導体素子12に流し得る。そのため、半導体素子12は、電力用の装置などに用いられる。ワイドバンドギャップ半導体を用いた半導体素子12は、シリコンを用いた半導体素子12に比べて高温の環境の下で使用されることがある。このため、ゲルからなる封止部46の内部に気泡が存在すると、その影響が、シリコンを用いた半導体素子に比べて大きくなる傾向にある。例えば、気泡が移動しやすく、特に半導体素子12と接続される部分などに気泡が移動した場合に電流漏れが生じる場合がある。このため、半導体素子12の材料がワイドバンドギャップ半導体を含む場合には、ケース40内側において気泡が含まれないようにすること、又はその影響を低減することができるという本実施形態の効果がより好適に発揮される。
以上で説明した実施形態において、ケース40には種々の変更を行うことができる。図5は、第1の変形例のケース40Bを示す断面図である。図6は、第1の変形例のケース40Bを示す平面図である。
ケース40Bは、半導体装置10のケース40とは、次の点で異なっている。半導体装置10では、ケース40が下側に開口を有しており、ヒートシンク26がケース40の下側の開口を塞いでいる。これに対し、ケース40Bは、枠体40Fと、枠体40Fの下側の開口を塞ぐヒートシンク26Bとを合わせることにより構成されている。
枠体40Fでは、孔50Vが鉛直方向に直線状に延びている。ヒートシンク26Bにおいて、孔50Vに対向する位置に凹部26Baが設けられている。この孔50Vと、孔50Vに連続する凹部26Baとが、封止剤注入路50Bを形成している。封止剤注入路50Bの上部に投入口52Bが設けられ、凹部26Baのうち枠体40Fの内側に面した位置に注入口54Bが設けられている。
次に、ケース40Bを備えた半導体装置10の製造方法の一例について説明する。ケースを用意する工程では、枠体40Fと、ヒートシンク26Bとを、それぞれ別々に用意すればよい。ケースに基板を収容する工程では、例えば、ヒートシンク26Bの上面に基板20を固定した後、ヒートシンク26Bの上面に枠体40Fを固定する。このように、基板20が固定されたヒートシンク26Bに枠体40Fを固定することにより、ケース40Bが形成されるとともに、基板20がケース40B内側に収容される。基板20がケース40B内側に収容された後の工程は、ケース40を備えた半導体装置10の場合と同様である。
ケース40Bを用いた半導体装置によれば、少なくとも半導体装置10と同様の作用効果が得られる。加えて、ケース40Bを用いた場合には、封止剤注入路50Bのうち枠体40Fに形成される孔50Vを、鉛直方向に直線状に延びる形状とすることができるため、封止剤注入路50Bの形成を一層容易に行い得る。
図7は、第2の変形例のケース40Cを示す断面図である。図8は、第2の変形例のケース40Cを示す平面図である。
ケース40Cは、図1に例示したケース40とは、封止剤注入路50の形状が異なっている。図1に示したケース40では、封止剤注入路50Cは、平面視においてケース40の4つの角部に配置されており、その断面形状は円形である。これに対し、ケース40Cでは、投入口52Cが、ケース40Cの底部の周縁の短辺に沿って一方向に延びるスリット状となっており、封止剤注入路50Cが投入口52Cからケース40Cを構成する壁部内を下方に延びている。そして、封止剤注入路50Cは、ケース40Cの底部側で、注入領域44に向かうように水平方向に折れ曲がり、注入口54Cに至る。注入口54Cの形状は、ケース40Cの底部の周縁の短辺に沿って延びるスリット状となっている。
ケース40Cを用いた半導体装置によれば、少なくとも半導体装置10と同様の作用効果が得られる。加えて、ケース40Cを用いた半導体装置によれば、スリット状に延びる注入口54Cからゲルを一様に注入することができるため、封止部46内において気泡が含まれないようにすること、又はその影響を低減することができる。
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。
例えば、半導体装置10は、1つの半導体素子12を備えているが、2つ以上の半導体素子を備えてもよい。半導体素子として、トランジスタに代えてダイオード等を使用してもよい。半導体装置が複数の半導体素子を備える場合には、複数の半導体素子が、トランジスタやダイオードなどの複数の種類の半導体素子の組み合わせであってもよい。半導体装置10が備える半導体素子の電気的な接続構成も、半導体素子の種類に応じて、適宜定めることができる。
また、投入口52と注入口54の形状が異なっていてもよい。例えば、投入口52の形状を、上側が広くなった漏斗のような形状とした場合には、漏斗状の投入口52にゲルを流し込むことにより、ケース40内へのゲルの注入を行うことができるため、より早く、かつ容易にゲルの注入を行うことができる。注入口54を複数形成する形態では、封止剤注入路を複数形成しなくてもよい。例えば、一つの封止剤注入路が、一つの投入口と複数の注入口を有し、封止剤注入路が投入口から注入口への経路内で分岐して、複数の注入口のそれぞれに向かっていてもよい。
ケース40の形状が筒状であるとして説明したが、例えば、ケース40が、第1の変形例のケース40Bと同様に、筒状の枠体と、底板としてのヒートシンクとから構成されていてもよい。第2の変形例のケース40Cについても同様である。また、半導体装置10が、蓋42を備えていなくてもよい。
また、封止剤として、シリコーンゲル等のゲルを例示したが、封止剤はゲルに限られず、熱硬化性材料であればよい。
10…半導体装置、12…半導体素子、20…基板、40,40B,40C…ケース、44…注入領域、50…封止剤注入路、52,52B,52C…投入口、54,54B,54C…注入口。
Claims (9)
- 半導体素子と、
前記半導体素子が搭載される基板と、
前記半導体素子が搭載された前記基板を収容するケースであって、内側に前記半導体素子を封止する封止剤が注入される前記ケースと、
前記ケースに形成されており、前記封止剤を前記ケース内側に注入するための封止剤注入路と、
を備え、
前記封止剤注入路において前記ケース内側への前記封止剤の注入口が前記ケース内側の前記封止剤の注入領域のうち前記基板側に位置する、
半導体装置。 - 前記封止剤注入路への前記封止剤の投入口が、前記ケースのうち、前記基板の厚み方向において前記基板と反対側に位置する、
請求項1記載の半導体装置。 - 前記投入口が、前記基板の厚み方向において、前記注入領域の外側に位置する、請求項2記載の半導体装置。
- 前記注入口が複数設けられている、
請求項1〜3の何れか一項記載の半導体装置。 - 前記ケースの平面視形状が四角形であり、前記注入口が前記ケースの4つの角部の少なくとも1つに位置する、
請求項1〜4の何れか一項記載の半導体装置。 - 前記注入口の形状が、一方向に延びるスリット状である、
請求項1〜4の何れか一項記載の半導体装置。 - 前記半導体素子の材料が、ワイドバンドギャップ半導体を含む、
請求項1〜6の何れか一項記載の半導体装置。 - 半導体素子を基板に搭載する工程と、
前記基板をケースに収容する工程と、
前記半導体素子が搭載された前記基板を収容した前記ケース内側に封止剤を注入する工程と、を備え、
前記ケースには、前記封止剤を前記ケース内側に注入する封止剤注入路が形成されており、
前記封止剤注入路において前記ケース内側への前記封止剤の注入口が、前記ケース内側の前記封止剤の注入領域のうち前記基板側に位置しており、
前記封止剤を注入する工程では、前記封止剤注入路を通じて前記ケース内側の前記注入領域に前記封止剤を注入する、
半導体装置の製造方法。 - 前記封止剤を注入する工程が、真空中において実行される、
請求項8記載の半導体装置の製造方法。
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