JP2015015412A

JP2015015412A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2015015412A
Application number: JP2013142368A
Authority: JP
Inventors: 逸人仲野; Hayato Nakano
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2013-07-08
Filing date: 2013-07-08
Publication date: 2015-01-22

Abstract

【課題】半導体装置に対する温度変化に基づく故障の発生を抑制する
【解決手段】半導体装置１は、半導体素子２０，２１が１００ＭＰａ以上、１０００ＭＰａ以下、好ましくは、４００ＭＰａ以上、８００ＭＰａ以下の曲げ強度を有するようにした。これにより、半導体素子２０，２１の動作時の発熱等による温度変化、並びに半導体装置１の外部環境の温度変化により半導体装置１を封止するアンダーフィル材４０が変形しても、半導体素子２０，２１の電極に配置されたポスト電極３０ｅの下部領域に対する応力が緩和される。
【選択図】図１

Description

半導体装置に関する。

インバータ装置、無停電電源装置、工作機械、産業用ロボット等では、その本体装置とは独立して半導体装置（汎用モジュール）が使用されている。
このような半導体装置は、例えば、絶縁基板上に半田材を介してパワー半導体素子が配置されており、当該パワー半導体素子上に、ポスト電極が形成されたフレキシブルプリント基板が配置されて、パワー半導体素子の所定の電極に各ポスト電極を半田（接合材）により電気的に接合されている。半導体装置は、さらに、パワー半導体素子が配置された絶縁基板と、フレキシブルプリント基板とが樹脂で封止されて構成される（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−６４８５２号公報

しかし、このような半導体装置では、半導体素子の動作時の発熱等による温度変化、並びに、外部環境の温度変化が生じて半導体装置を封止する樹脂が変形すると、半導体装置の内部に応力が発生する。具体的には、半導体装置の内部の半導体素子の表面に過度な圧縮応力が発生すると、半導体素子の電極、並びに半導体素子の表面が損傷を受けて、半導体装置が故障してしまうことがある。

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、半導体装置に対する温度変化に基づく故障の発生を抑制することができる半導体装置を提供することを目的とする。

本発明では、上記問題を解決するために、絶縁基板と、前記絶縁基板の主面に配置された、１００ＭＰａ以上、１０００ＭＰａ以下の曲げ強度を有する半導体素子と、前記絶縁基板の前記主面に対向するように配置されたプリント基板と、前記プリント基板の主面に形成された金属箔の少なくとも一つと前記半導体素子の電極の少なくとも一つとを電気的に接続する複数のポスト電極と、前記絶縁基板と前記プリント基板との間隙を封止する封止樹脂と、を備えること半導体装置を提供することを目的とする。

このような半導体装置によれば、半導体装置に対する温度変化が生じても信頼性の低下を抑制することができる。

実施の形態における半導体装置の一例を示す図である。実施の形態における半導体装置のポスト電極と半導体素子との接続構造の一例を示す図である。実施の形態における半導体装置が備えるプリント基板の一例を示す図である。実施の形態における半導体素子の三点曲げ試験の試験結果を示す図である。実施の形態における半導体素子の厚さに対する三点曲げ試験の試験結果を示す図である。故障が発生した半導体装置の要部の一例を示す図である。

以下、図面を参照して実施の形態について説明する。
実施の形態における半導体装置は、半導体素子が主面に配置された絶縁基板と、絶縁基板の半導体素子が配置された主面に対向するように配置されたプリント基板と、プリント基板の主面に形成された金属箔の少なくとも一つと半導体素子の電極の少なくとも一つとを電気的に接続する複数のポスト電極と、絶縁基板とプリント基板との隙間を封止する封止樹脂とを備える。

半導体装置では、さらに、半導体素子が１００ＭＰａ以上、１０００ＭＰａ以下の曲げ強度を有するようにした。このため、半導体装置の半導体素子は、外部環境温度並びに半導体素子の動作時の発熱による温度変化により封止樹脂の変形に応じて半導体装置の内部に生じる圧縮応力を緩和して、半導体素子に生じる損傷を抑えることができるようになる。

以下、このような半導体装置について図１を用いて具体的に説明する。
図１は実施の形態における半導体装置の一例を示す図である。
なお、図１（Ａ）は半導体装置の要部上面を、図１（Ｂ）は図１（Ａ）の一点鎖線Ａ−Ｂにおける半導体装置の要部断面をそれぞれ示している。

図示する半導体装置１は、絶縁基板１０と、絶縁基板１０に対向させたプリント基板３０とがアンダーフィル材４０（封止樹脂）の封止により、一体的になった構造をなし、絶縁基板１０上に、複数の半導体素子２０，２１が実装されている。さらに、この半導体装置１は、樹脂ケースによりパッケージングされ（不図示）、汎用モジュールとして機能する。

絶縁基板１０は、絶縁板１０ａと、絶縁板１０ａの下面にＤＣＢ（Direct Copper Bonding）法で形成された金属箔１０ｂと、絶縁板１０ａの上面に同じくＤＣＢ法で形成された、複数の金属箔１０ｃ，１０ｄを備えている。これらの金属箔１０ｃ，１０ｄは、絶縁板１０ａの上面に選択的にパターン形成されている。

さらに、金属箔１０ｃ，１０ｄ上には、錫（Ｓｎ）−銀（Ａｇ）系等の鉛（Ｐｂ）フリーの半田層１１を介して、少なくとも一つの半導体素子２０の主電極側（例えば、コレクタ電極）、または、半導体素子２１のカソード電極が接合されている。

ここで、半導体素子２０は、例えば、ＩＧＢＴ素子、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等の縦型のパワー半導体素子を適用することができる。また、半導体素子２１は、例えば、ＳＢＤ（Schottky Barrier Diode）、ＦＷＤ（Free Wheeling Diode）素子等のパワーダイオード素子を適用することができる。

さらに、半導体素子２０は、その曲げ強度は、１００ＭＰａ以上、１０００ＭＰａ以下、好ましくは、４００ＭＰａ以上、８００ＭＰａ以下であり、例えば、シリコン（Ｓｉ）または炭化シリコン（ＳｉＣ）が用いられている。

なお、絶縁板１０ａは、例えば、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）焼結体、窒化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ₄）等のセラミックで構成され、金属箔１０ｂ，１０ｃ，１０ｄは、銅（Ｃｕ）を主成分とする金属で構成されている。

また、半導体装置１においては、半導体素子２０，２１の上方に、インプラントプリント基板（プリント基板）３０が絶縁基板１０と対向するように配置されている。
このプリント基板３０は、多層構造をなし、例えば、樹脂層３０ａを中心部に配置し、その上面に、少なくとも一つの金属箔３０ｂが選択的にパターン形成されている。また、その下面においても、少なくとも一つの金属箔３０ｃが選択的にパターン形成されている。

ここで、樹脂層３０ａの材質は、例えば、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂等である。また、必要に応じて、ガラス繊維で構成されたガラスクロスを樹脂層３０ａ内部に含浸させたものを適用することもできる。また、金属箔３０ｂ，３０ｃは、例えば、銅を主たる成分として構成されている。

また、プリント基板３０の剛性については、所定の剛性を備えた硬いタイプのものでもよく、プリント基板３０全体が歪曲可能になるフレキシブルなものであってもよい。
また、プリント基板３０の最表面には、樹脂製の保護層３１が形成されている。

また、半導体装置１においては、半導体素子２０の主電極（例えば、エミッタ電極）が位置する領域直上のプリント基板３０に、およそ線対称となるように、複数のスルーホール３０ｄが設けられている。そして、このスルーホール３０ｄ内に、薄厚の筒状めっき層（図示しない）が設けられ、スルーホール３０ｄ内に、円筒状のポスト電極３０ｅが筒状めっき層を介し、注入（インプラント）されている。

また、各々のポスト電極３０ｅは、スルーホール３０ｄ内で半田付けされ、プリント基板３０の主面に配設された金属箔３０ｂ，３０ｃと導通された状態にある。プリント基板３０の両面に金属箔３０ｂ，３０ｃを配設する場合には、このように筒状めっき層を介してポスト電極３０ｅを注入し、半田付けしておくことで、良好な電気的接続と機械的強度を確保することができる。なお、プリント基板３０の片面に比較的肉厚の金属箔３０ｃを形成しポスト電極３０ｅを注入する場合は、筒状めっき層や半田付けを省略してもよい。

ここで、ポスト電極３０ｅの配置においては、例えば、半導体素子２０のエミッタ電極（図示しない、金属めっき）の領域直上には、５個を組としたポスト電極３０ｅが列を構成し、それらが線対称となるように、２列に配置されている。そして、このようなポスト電極３０ｅのピッチは、均一に構成されている。また、夫々のポスト電極３０ｅの下端は、半導体素子２０のエミッタ電極に、半田層１２を介して電気的に接続されている。

また、半導体素子２１のアノード側領域直上には、４個を組としたポスト電極３０ｅが列を構成し、それらが線対称となるように、２列に配置されている。そして、このようなポスト電極３０ｅのピッチは、均一に構成されている。また、夫々のポスト電極３０ｅの下端が半導体素子２１のアノード側に、半田層を介して電気的に接続されている。

これにより、半導体装置１においては、半導体素子２０のエミッタ電極と、半導体素子２１のアノード側との電気的な接続が、ポスト電極３０ｅ並びに金属箔３０ｂを経由して確保されている。

なお、半導体素子２０のコレクタ電極と、半導体素子２１のカソード側との電気的な接続については、金属箔１０ｃ，１０ｄを経由して確保されている。
また、ポスト電極３０ｅの材質は、線膨張係数が１４×１０^-6／Ｋ以上、１７×１０^-6／Ｋ以下である、例えば、金（Ａｕ）、銅、または、これらの金属からなる合金を主たる成分として構成されている。各々のポスト電極３０ｅの長さは、均一である。

また、上記の例では、半導体素子２０のエミッタ電極に接合させたポスト電極３０ｅの個数を１０個に限定して例示したが、１個の半導体素子２０に接合させるポスト電極３０ｅは、この数に限るものではない。例えば、ポスト電極３０ｅの径を０．３〜０．６ｍｍとした場合、１個のポスト電極３０ｅに、８〜２０Ａの電流が通電可能である。従って、この電流値から半導体素子２０の容量に応じて、半導体素子２０に接合させるポスト電極３０ｅの本数を割り出し、その数において配置すればよい。

このような複数のポスト電極３０ｅの配置により、例えば、半導体素子２０においては、主電極間に大電流を通電させても、当該大電流が夫々のポスト電極３０ｅを経由して、主電極に分散・通電することになる。

また、プリント基板３０においては、半導体素子２０のエミッタ電極領域外の上方に、別途、スルーホール３０ｆが設けられ、当該スルーホール３０ｆ内にも、円筒状のポスト電極３０ｇが注入・接合されている。そして、このポスト電極３０ｇは、半導体素子２０の制御電極（例えば、ゲート電極）に、半田層を介して、電気的に接続されている。

このように、半導体素子２０の主面に配置された主電極または制御電極、半導体素子２１のアノード側がポスト電極３０ｅ，３０ｇに接合されている。
なお、上述したポスト電極３０ｅ，３０ｇの構造については、棒状とは限らず、その内部を中空にさせたパイプ状にしてもよい。

さらに、半導体装置１においては、絶縁基板１０とプリント基板３０の間隙に、アンダーフィル材４０を充填している。これにより、半導体装置１は、絶縁基板１０とプリント基板３０により一体化されている。なお、アンダーフィル材４０の詳細については図２で説明する。

また、半導体装置１には、アンダーフィル材４０で封止された絶縁基板１０とプリント基板３０等を取り囲むように、例えば、ＰＰＳ（ポリ・フェニレン・サルファイド）製の樹脂ケース（図示しない）が備えられている。

あるいは、樹脂ケース（図示なし）を使用しないで、金属金型（図示なし）を用いて、半導体装置１を取り囲むようにエポキシ樹脂をポッティングあるいはトランスファーモールドして構成してもよい。

さらに、図１においては、特に、図示されていないが、プリント基板３０には、外部接続用端子としてのリードフレームが複数個、垂直に貫通し、それらと半導体素子２０，２１の各電極との電気的な接続が確保されている。また、図１においては、特に、図示されていないが、絶縁基板１０より広面積の金属ベース板を、この半導体装置１の基体としてもよい。例えば、金属箔１０ｂの下に半田層を介して、数ミリ厚の金属ベース板を接合させてもよい。また、半導体素子２０，２１上に、放熱体として知られるヒートスプレッダを設置してもよい。

次に、半導体装置１のポスト電極３０ｅと半導体素子２０，２１との接続構造の詳細について図２を用いて説明する。
図２は実施の形態における半導体装置のポスト電極と半導体素子との接続構造の一例を示す図である。

なお、図２では、図１の半導体装置１に配設したポスト電極３０ｅと、ポスト電極３０ｅに接合された半導体素子２０の周辺の拡大図が示されている。
上述したように、半導体装置１は、金属箔１０ｄ上に、半田層１１を介して半導体素子２０の主電極（コレクタ電極）が接合されている。

また、半導体素子２０の上方には、プリント基板３０が配置され、プリント基板３０内に、複数のスルーホール３０ｄが形成されている。そして、スルーホール３０ｄの内壁には、例えば、銅で構成された筒状めっき層３０ｈが配置されている。

また、プリント基板３０の上下の主面には、パターン形成された金属箔３０ｂ，３０ｃが配設される。これらの金属箔３０ｂ，３０ｃは、筒状めっき層３０ｈで覆われ、筒状めっき層３０ｈと電気的に接続されている。

また、上述したポスト電極３０ｅは、筒状めっき層３０ｈ内部の中途まで注入され、半田層３０ｉによって、筒状めっき層３０ｈに固設されている。これにより、ポスト電極３０ｅと、金属箔３０ｂ，３０ｃとの電気的接続並びに接合部における機械的強度が確保される。

また、複数配置されたポスト電極３０ｅの下端は、半導体素子２０のもう一つの主電極（エミッタ電極）に、半田層１２を介して電気的に接続されている。これにより、例えば、半導体素子２０の制御電極がオン状態で、半導体素子２０のエミッタ−コレクタ電極間が通電状態になると、金属箔３０ｂ，３０ｃと金属箔１０ｄ間に、ポスト電極３０ｅをそれぞれ介して大電流が通電する。

なお、半田層１２の側面は、フィレット構造を形成し、ポスト電極３０ｅの下端と、半導体素子２０の主電極との接合を強固なものにしている。
さらに、半導体装置１においては、プリント基板３０と絶縁基板１０との間隙に、アンダーフィル材４０が充填されている。このアンダーフィル材４０は、その線膨張係数が、１０×１０^-6／Ｋ以上、８０×１０^-6／Ｋ以下である、例えば、エポキシ系樹脂を主たる成分とし、その硬化温度がおよそ１８０度であり、無機材料で構成されるフィラー材を含有している。フィラー材としては、例えば、窒化ボロン（ＢＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ₄）等の高熱伝導率を備えた無機材料を用いる。

次に、半導体素子２０，２１の上方に配置したプリント基板３０の詳細に説明する。
図３は実施の形態における半導体装置が備えるプリント基板の一例を示す図である。
なお、図３（Ａ）は、プリント基板の要部裏面図（図１に示す絶縁基板１０側から眺めたプリント基板の主面）を、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のＡ−Ｂにおけるプリント基板の要部断面図をそれぞれ示している。

プリント基板３０は、一例として、インバータ回路を構成する６組のＩＧＢＴとＦＷＤの並列接続回路を１パッケージに格納する半導体装置（６ｉｎ１構造）に対応した構造のものが示されている。

上述したように、プリント基板３０を構成する樹脂層３０ａのいずれかの主面には、複数の金属箔３０ｃ，３０ｊがパターン形成されている。さらに、樹脂層３０ａ並びに金属箔３０ｃ，３０ｊ上には、保護層３１が形成されている。なお、図３（Ａ）では、金属箔３０ｃ，３０ｊのパターン形状を明確に示すために、プリント基板３０の最表面に形成させた保護層３１は図示していない。

このような金属箔３０ｃ，３０ｊは、その一部が半導体素子２０のエミッタ電極並びに半導体素子２１のアノード側の領域上に位置するように配設されている。そして、当該プリント基板３０に、ポスト電極３０ｅを複数配置する。

例えば、半導体素子２０のエミッタ電極並びに半導体素子２１のアノード側の領域直上に位置する金属箔３０ｃ，３０ｊ内には、複数のポスト電極３０ｅが線対称となるように配置されている。

具体的には、半導体素子２０のエミッタ電極領域上の金属箔３０ｃ，３０ｊには、５個を組とし、２組のポスト電極３０ｅが線対称に２列になって配置している。従って、半導体素子２０のエミッタ電極領域上の金属箔３０ｃ，３０ｊには、合計１０個のポスト電極３０ｅが配置されている。

また、半導体素子２１のアノード側領域上の金属箔３０ｃ，３０ｊには、４個を組とし、２組のポスト電極が線対称に２列になって配置している。従って、半導体素子２１のアノード側領域上の金属箔３０ｃ，３０ｊには、合計８個のポスト電極３０ｅが配置されている。

なお、同じ列内に配置されたポスト電極３０ｅのピッチは、均一である。
また、上記の例では、ポスト電極３０ｅの配置数について、特定の数値を例示したが半導体素子２０，２１それぞれ１個あたりに接合されるポスト電極３０ｅの個数は、上述の如く、この数に限定されるものではない。

さらに、プリント基板３０には、上記の金属箔３０ｃ，３０ｊの他、線幅の狭い金属箔３０ｋ，３０ｌがパターン形成され、その一部が半導体素子２０の制御電極（例えば、ゲート電極）の領域上に位置するように配設されている。また、半導体素子２０の制御電極の領域上に位置する金属箔３０ｋ，３０ｌ内には、ポスト電極３０ｇが配置されている。

また、この図に示すように、半導体素子２０，２１搭載領域直上以外のプリント基板３０の広い領域に、金属箔３０ｊから、金属箔３０ｊａ，３０ｊｂ，３０ｊｃを延出させている。上述したように、金属箔３０ｊは、半導体素子２０，２１のエミッタ電極またはアノード側に導通している。

プリント基板３０内に、このような金属箔３０ｊａ，３０ｊｂ，３０ｊｃが存在すると、電磁シールドが促進され、半導体装置１の動作時におけるノイズ（例えば、半導体素子２０のスイッチングにより発せられる放射ノイズ等）を低減させることができる。即ち、金属箔３０ｊａ，３０ｊｂ，３０ｊｃは、電磁シールド用金属箔として機能する。

例えば、金属箔３０ｊａ，３０ｊｂ，３０ｊｃの部分が存在しないプリント基板に比べ、金属箔３０ｊａ，３０ｊｂ，３０ｊｃをパターン形成させたプリント基板３０を半導体装置１に搭載した場合、当該放射ノイズが所定の周波数帯域内で５ｄＢ低減している。

なお、金属箔３０ｊａ，３０ｊｂ，３０ｊｃについては、プリント基板３０の裏面だけではなく、主面側に選択的に配置させてもよい。
また、金属箔３０ｃ，３０ｊａ，３０ｊｂ，３０ｊｃ，３０ｋ，３０ｌを形成させた領域以外においては、複数の貫通孔３２が形成されている。これらの貫通孔３２は、図２に示すアンダーフィル材４０を、絶縁基板１０とプリント基板３０の間隙に流入させるための注入口である。このような注入口をプリント基板３０に複数個設けることにより、プリント基板３０と絶縁基板１０との間隙に、ペースト状のアンダーフィル材を円滑に流入させることができる。これにより、当該間隙に、流入させたアンダーフィル材を硬化させた後、アンダーフィル材４０の内部にボイド等が残存することなく、アンダーフィル材４０を絶縁基板１０とプリント基板３０との間隙に密に充填させることができる。

このような構成を有する半導体装置１の半導体素子２０（並びに半導体素子２１）の曲げ強度について説明する。
まず、半導体装置１に対して行った応力分布シミュレーションについて説明する。

このシミュレーションでは、有限要素法により、半導体装置１の外部環境温度を１８０度から−（マイナス）４０度を経て２００度まで変化させる温度サイクルを、２サイクル行った際の半導体装置１内の半導体素子２０における応力分布の結果を得ることができる。

なお、半導体素子２０，２１として、シリコンが用いられたＭＯＳＦＥＴ、シリコンが用いられたＦＷＤ、炭化シリコンが用いられたＭＯＳＦＥＴ、炭化シリコンが用いられたＳＢＤがシミュレーション対象の半導体装置１にそれぞれ備えられているものとする。

その結果、半導体素子２０，２１の素子強度を示すヤング率は、シリコンを用いた場合はいずれも１１２７００ＭＰａであり、炭化シリコンを用いた場合はいずれも４４１０００ＭＰａであった。応力分布のシミュレーション結果によれば、各半導体素子２０，２１に対する応力は、シリコンを用いたＭＯＳＦＥＴ及びＦＷＤの場合が、炭化シリコンを用いたＭＯＳＦＥＴ及びＳＢＤの場合よりも低いことが分かった。これらの結果を踏まえると、半導体素子２０，２１は素子強度が低い（または、高い）ほど、応力が低く（または、高く）なることが考えられる。

次いで、半導体装置１に備えられた半導体素子２０，２１に三点曲げ強度試験を行った結果について図４を用いて説明する。
図４は実施の形態における半導体素子の三点曲げ試験の試験結果を示す図である。

なお、図４に示す三点曲げ強度試験では、半導体素子２０，２１として、シリコンが用いられたＭＯＳＦＥＴ（Ａ）、炭化シリコンが用いられたＭＯＳＦＥＴ（Ｂ〜Ｄ）、炭化シリコンが用いられたＳＢＤ（Ｅ）を試験対象とした。また、図４は、縦軸は試験対象とした半導体素子２０の種類を対応付けて、横軸は三点曲げ試験で得られる曲げ強度（ＭＰａ）を表しており、各種類について複数個試験した結果が含まれる曲げ強度の範囲を示している。

図４に示す試験結果によれば、（Ｂ）の半導体素子２０（炭化シリコンが利用されたＭＯＳＦＥＴ）がその曲げ強度がおよそ１９００ＭＰａ以上、およそ２８００ＭＰａ以下の範囲内である。また、（Ａ），（Ｃ）〜（Ｅ）の半導体素子２０，２１の曲げ強度は、１０００ＭＰａ以下であって、特に、炭化シリコンに関する（Ｃ）〜（Ｅ）の半導体素子２０，２１の曲げ強度は、４００ＭＰａ以上、８００ＭＰａ以下である。なお、シリコンに関する（Ａ）の半導体素子については後述する。

このような半導体素子２０，２１の曲げ強度は、製造過程における半導体素子２０，２１の基板の結晶成長の成長面の材質並びに方向、または、半導体素子２０，２１の厚さ等に応じて変化させることができる。

そこで、一例として、（Ａ）の半導体素子２０（シリコンが利用されたＭＯＳＦＥＴ）について、その厚さに対する曲げ強度について図５を用いて説明する。
図５は実施の形態における半導体素子の厚さに対する三点曲げ試験の試験結果を示す図である。

なお、図５では横軸は素子厚さ（μｍ）を、縦軸は曲げ強度（ＭＰａ）をそれぞれ示している。
（Ａ）の半導体素子２０の曲げ強度は、図５に示すように、その厚さに比例して増加することが分かる。図５によれば、素子厚さを５００μｍにすることで、曲げ強度をおよそ９００ＭＰａとすることができる。

また、素子厚さは、半導体素子２０の製造上の限界、並びに半導体素子２０の取り扱い易さ等を鑑みると、およそ１００μｍ程度まで薄くすることができる。このような素子厚さを１００μｍ程度にすることで、曲げ強度をおよそ１００ＭＰａとすることができる。即ち、（Ａ）の半導体素子２０の曲げ強度は、１００ＭＰａ以上、９００ＭＰａとすることが考えられる。

上記の図４及び図５の記載並びにそれらの説明を鑑みると、半導体素子２０，２１の曲げ強度は、１００ＭＰａ以上、１０００ＭＰａ以下であって、好ましくは、４００ＭＰａ以上、８００ＭＰａ以下であることが考えられる。

次いで、このような（Ａ）〜（Ｅ）の半導体素子２０，２１に対して行うヒートサイクル試験について説明する。
ヒートサイクル試験は、半導体装置１の外部環境温度を−（マイナス）４０度から１５０度を経て再び−（マイナス）４０度に変化させる温度サイクルごとに、半導体装置１に所定の電圧を印加した際のリーク電流を計測するものであり、これを５００サイクル行う。

この試験結果によれば、図４に示した（Ａ），（Ｃ）〜（Ｅ）の半導体素子２０，２１、即ち、曲げ強度が１００ＭＰａ以上、１０００ＭＰａ以下の半導体素子２０，２１は、半導体素子２０の特性に大きな変動が生じることは無かった。このことから（Ａ），（Ｃ）〜（Ｅ）の半導体素子２０，２１に不良の発生が認められず、（Ａ），（Ｃ）〜（Ｅ）の半導体素子２０，２１を含む半導体装置１には故障が発生しなかったことが考えられる。

一方、図４に示した（Ｂ）の半導体素子２０は、５０サイクル程度でリーク電流が増加してしまい、（Ｂ）の半導体素子２０を含む半導体装置１に故障が発生してしまったことが考えられる。

以下に、ヒートサイクル試験で生じた、（Ｂ）の半導体素子２０を含む半導体装置１の故障について図６を用いて説明する。
図６は故障が発生した半導体装置の要部の一例を示す図である。

なお、図６では、図２の半導体装置１に配設したポスト電極３０ｅと、ポスト電極３０ｅに接合された半導体素子２０の周辺の更なる拡大図が示されている。
半導体装置１では、曲げ強度が１０００ＭＰａを超える（Ｂ）の半導体素子２０のアルミニウム（Ａｌ）等を主成分とするエミッタ電極２０ａに、ニッケル（Ｎｉ）等を主成分とする金属めっき２０ｂが形成されている。

ポスト電極３０ｅは、半導体素子２０のエミッタ電極２０ａ及び金属めっき２０ｂの領域直上に配置されて、エミッタ電極２０ａに半田層１２を介して電気的に接続されている。図６では図示を省略するプリント基板３０と絶縁基板１０との間隙に、アンダーフィル材４０が充填されることで、半導体素子２０と、ポスト電極３０ｅ、半田層１２が封止される。

このような半導体装置１では、外部環境温度が上昇すると、アンダーフィル材４０が変形して、半導体装置１の内部に応力が発生する。特に、ポスト電極３０ｅは、アンダーフィル材４０と線膨張係数差もあり、その下部（図６中の範囲Ｘ近傍）に応力が集中してエミッタ電極２０ａ及び金属めっき２０ｂが損傷を受けてしまう。このため、半導体素子２０はエミッタ電極２０ａ及び金属めっき２０ｂを介して、ポスト電極３０ｅから適切に電圧が印加されなくなり、半導体素子２０の機能が低下してしまう。ポスト電極３０ｅの下部に更に応力が集中すると、半導体素子２０に亀裂Ｙが発生してしまい、半導体装置１が故障してしまう。

一方、（Ａ），（Ｃ）〜（Ｅ）の半導体素子２０，２１は、その曲げ強度が１０００ＭＰａ以下であって、（Ｂ）の半導体素子２０よりも小さいために、ポスト電極３０ｅの下部に応力が集中しても、その応力を緩和することができる。このため、ポスト電極３０ｅの下部（図６中の範囲Ｘ近傍）における損傷の発生を抑止し、半導体装置１の故障の発生を抑制することができるようになる。

このように、半導体装置１は、半導体素子２０，２１が主面に配置された絶縁基板１０と、絶縁基板１０の半導体素子２０，２１が配置された主面に対向するように配置されたプリント基板３０と、プリント基板３０の主面に形成された金属箔の少なくとも一つと半導体素子２０，２１の電極の少なくとも一つとを電気的に接続する複数のポスト電極３０ｅと、絶縁基板１０とプリント基板３０との隙間を封止するアンダーフィル材４０とを備え、さらに、半導体素子２０，２１が１００ＭＰａ以上、１０００ＭＰａ以下、好ましくは、４００ＭＰａ以上、８００ＭＰａ以下の曲げ強度を有するようにした。

これにより、半導体素子２０，２１の動作時の発熱等による温度変化、並びに半導体装置１の外部環境の温度変化により半導体装置１を封止するアンダーフィル材４０が変形しても、半導体素子２０，２１の電極に配置されたポスト電極３０ｅの下部領域に対する応力が緩和される。このため、半導体装置１では、ポスト電極３０ｅの下部領域に対する損傷の発生が抑制されて、半導体装置１の故障の発生を抑制することができるようになる。

以上の結果から、半導体装置１の信頼性は高く、良好な動作特性を有する。また、半導体装置１のパワーサイクル耐量がより向上する。

１半導体装置
１０絶縁基板
１０ａ絶縁板
１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｊ，３０ｊａ，３０ｊｂ，３０ｊｃ，３０ｋ，３０ｌ金属箔
３０ｅ，３０ｇポスト電極
１１，１２，３０ｉ半田層
２０ａエミッタ電極
２０，２１半導体素子
３０プリント基板
３０ａ樹脂層
３０ｄ，３０ｆスルーホール
３０ｈ筒状めっき層
３１保護層
３２貫通孔
４０アンダーフィル材

Claims

絶縁基板と、
前記絶縁基板の主面に配置された、１００ＭＰａ以上、１０００ＭＰａ以下の曲げ強度を有する半導体素子と、
前記絶縁基板の前記主面に対向するように配置されたプリント基板と、
前記プリント基板の主面に形成された金属箔の少なくとも一つと前記半導体素子の電極の少なくとも一つとを電気的に接続する複数のポスト電極と、
前記絶縁基板と前記プリント基板との間隙を封止する封止樹脂と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
前記半導体素子の曲げ強度は、４００ＭＰａ以上、８００ＭＰａ以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
前記半導体素子は、炭化シリコンまたはシリコンが用いられていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
前記ポスト電極は、銅により構成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
前記封止樹脂は、１０×１０−６／Ｋ以上、８０×１０−６／Ｋ以下の線膨張係数を有することを特徴とする請求項１記載の半導体装置。