JP5812712B2 - Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Description
この発明は、半導体装置、特に高温で動作する半導体装置の実装構造に関するものである。 The present invention relates to a mounting structure of a semiconductor device, particularly a semiconductor device that operates at a high temperature.
産業機器や電鉄、自動車の進展に伴い、それらに使用される半導体素子の使用温度も向上している。近年、高温でも動作する半導体素子の開発が精力的に行われ、半導体素子の小型化や高耐圧化、高電流密度化が進んでいる。特に、SiCやGaNなどのワイドバンドギャップ半導体は、Si半導体よりもバンドギャップが大きく、半導体装置の高耐圧化、小型化、高電流密度化、高温動作が期待されている。このような特徴を持つ半導体素子を装置化するためには、半導体素子が150℃以上の高温で動作する場合も、接合材のクラックや配線の劣化を抑えて半導体装置の安定な動作を確保する必要がある。 With the progress of industrial equipment, electric railways, and automobiles, the operating temperature of semiconductor elements used for them has also increased. In recent years, semiconductor devices that operate even at high temperatures have been energetically developed, and miniaturization, high breakdown voltage, and high current density of semiconductor devices have been advanced. In particular, wide bandgap semiconductors such as SiC and GaN have a larger bandgap than Si semiconductors, and semiconductor devices are expected to have higher breakdown voltage, smaller size, higher current density, and higher temperature operation. In order to implement a semiconductor element having such characteristics as an apparatus, even when the semiconductor element operates at a high temperature of 150 ° C. or higher, a stable operation of the semiconductor device is ensured by suppressing the crack of the bonding material and the deterioration of the wiring. There is a need.
一方、半導体装置において半導体素子を樹脂で封止する方法として、特許文献1には、ダム材を用いて半導体素子の周囲を囲い、その内側を部分的に樹脂封止する方法が提案されている。また、特許文献2には、半導体素子を覆う樹脂が流れ広がるのを防止するために、半導体素子の周囲にダムを設ける方法が提案されている。
On the other hand, as a method of sealing a semiconductor element with a resin in a semiconductor device,
しかしながら、特許文献1および特許文献2に開示されている方法では、半導体素子がSiCなどワイドバンドギャップ半導体素子になって、これまで以上に高温で動作したり、これに対応してヒートサイクル試験の温度が高温になったりすると、ダム構造へのボイドの混入や、ダムと封止樹脂および絶縁基板の剥離により、半導体装置の絶縁耐性が低下し、破壊や誤動作など半導体装置の信頼性を損ねる課題があった。
However, in the methods disclosed in
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、半導体素子が繰り返し高温で動作してヒートサイクルを受ける場合も、封止樹脂に亀裂が生じたり、基板から剥離を起こしたりし難い信頼性の高い半導体装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and even when the semiconductor element repeatedly operates at a high temperature and undergoes a heat cycle, the sealing resin is cracked or peeled off from the substrate. An object is to obtain a highly reliable semiconductor device that is difficult to cause.
この発明の半導体装置は、絶縁基板の片面に表面電極パターンが、および絶縁基板の他の面に裏面電極パターンが、それぞれ形成された半導体素子基板と、表面電極パターンの、絶縁基板とは反対側の面に接合材を介して固着された半導体素子と、この半導体素子および表面電極パターンを覆う第一の封止樹脂と、絶縁基板の表面で、少なくとも表面電極パターンまたは裏面電極パターンが形成されていない部分と第一の封止樹脂とを覆う、弾性率が第一の封止樹脂よりも小さい第二の封止樹脂と、を備え、表面電極パターンには半導体素子が複数固着されており、この複数の半導体素子は第一の封止樹脂により一体で覆われているとともに、第一の封止樹脂の外形の側面の形状が、絶縁基板に対して垂直な面での断面において直線となる形状であり、第二の封止樹脂が第一の封止樹脂の外形の側面と直接接して第一の封止樹脂を覆っているものである。
The semiconductor device according to the present invention includes a semiconductor element substrate having a surface electrode pattern formed on one surface of an insulating substrate and a back electrode pattern formed on the other surface of the insulating substrate, and the surface electrode pattern opposite to the insulating substrate. At least a surface electrode pattern or a back electrode pattern is formed on the surface of the semiconductor element, the first sealing resin that covers the semiconductor element and the surface electrode pattern, and the surface of the insulating substrate. A second sealing resin that covers a portion that is not present and the first sealing resin and has a smaller elastic modulus than the first sealing resin, and a plurality of semiconductor elements are fixed to the surface electrode pattern, The plurality of semiconductor elements are integrally covered with the first sealing resin, and the shape of the side surface of the outer shape of the first sealing resin is a straight line in a cross section perpendicular to the insulating substrate. form , And the one in which the second sealing resin covers the first sealing resin in direct contact with the side surface of the outer shape of the first sealing resin.
また、この発明の半導体装置の製造方法は、少なくとも、絶縁基板の表面電極パターンおよび裏面電極パターンが形成されていない面を、絶縁基板の周辺部分には絶縁基板に垂直な面を有する仮設壁を形成するようマスキング樹脂で覆うマスキング樹脂被覆工程と、
表面電極パターンの、絶縁基板とは反対側の面に接合材を介して半導体素子を固着する半導体素子固着工程と、仮設壁の内部を第一の封止樹脂で満たした後、第一の封止樹脂を硬化させる第一の封止樹脂形成工程と、マスキング樹脂を除去するマスキング樹脂除去工程と、少なくとも第一の封止樹脂と、マスキング樹脂を除去して絶縁基板の表面が露出した部分を第二の封止樹脂で覆う第二の封止樹脂形成工程と、を備えたものである。
The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes at least a temporary wall having a surface perpendicular to the insulating substrate in a peripheral portion of the insulating substrate on the surface of the insulating substrate where the front electrode pattern and the back electrode pattern are not formed. A masking resin coating step of covering with a masking resin to form,
A semiconductor element fixing step for fixing the semiconductor element to the surface of the surface electrode pattern opposite to the insulating substrate via a bonding material, and filling the interior of the temporary wall with the first sealing resin; A first sealing resin forming step for curing the stop resin, a masking resin removing step for removing the masking resin, at least the first sealing resin, and a portion where the surface of the insulating substrate is exposed by removing the masking resin. And a second sealing resin forming step of covering with the second sealing resin.
この発明に係る半導体装置、および半導体装置の製造方法によれば、半導体素子基板の絶縁基板の表面が露出する部分が弾性率の小さい第二の封止樹脂で覆われるため、半導体素子が繰り返し高温で動作してヒートサイクルを受ける場合も、封止樹脂に亀裂が生じたり、基板から剥離を起こしたりし難い信頼性の高い半導体装置を得ることができる。 According to the semiconductor device and the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, since the portion of the semiconductor element substrate where the surface of the insulating substrate is exposed is covered with the second sealing resin having a low elastic modulus, the semiconductor element is repeatedly heated. Even in the case of operating in a heat cycle, it is possible to obtain a highly reliable semiconductor device in which cracking is not generated in the sealing resin or peeling from the substrate is difficult.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1による半導体装置の基本構造を示す断面図、図2は封止樹脂、配線、および端子を取り除いて示す本発明の実施の形態1による半導体装置の基本構造の上面図である。図1は図2のA−A位置に相当する位置で切断した断面図であり、封止樹脂、配線および端子を含めて示している。絶縁基板1の上面に表面電極パターン2、裏面に裏面電極パターン3が貼られた半導体素子基板4の表面電極パターン2の表面に半導体素子5、6がはんだなどの接合材7で固着されている。ここで、例えば半導体素子5は大電流を制御するMOSFETのような電力用半導体素子であり、半導体素子6は例えば電力用半導体素子5に並列に設けられる還流用のダイオードである。半導体素子基板4は裏面電極パターン3側がベース板10にはんだなどの接合材70で固着されており、このベース板10が底板となり、ベース板10とケース側板11とでケースが形成される。第一の封止樹脂12が、半導体素子5、6と表面電極パターン2を覆うように設けられている。また第一の封止樹脂12を含めて、ケース内のものを覆うように第二の封止樹脂120が設けられている。また、表面電極パターン2が無い部分(図1、図2において符号20で示す部分)も第二の封止樹脂120が注入され絶縁基板1の表面を覆っている。各半導体素子には各半導体素子の電極などを外部に電気接続するための配線13が接続され、配線13が端子14に接続されている。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the basic structure of a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a basic structure of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention with the sealing resin, wiring, and terminals removed. FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view taken at a position corresponding to the position AA in FIG. 2 and includes a sealing resin, wiring, and terminals. The
半導体素子基板4は、絶縁基板1の上面に表面電極パターン2、裏面に裏面電極パターン3が貼られたものであるが、絶縁基板1は、これら表面電極パターン2と裏面電極パターン3で完全に覆われておらず、半導体素子基板4単体では絶縁基板1が露出している部分がある。本実施の形態1では、この半導体素子基板4において、絶縁基板1が露出している部分(図1、図2において符号20で示す部分や絶縁基板1の周辺部分)も、第二の封止樹脂120で覆われている。ここで、第二の封止樹脂120は第一の封止樹脂12よりも弾性率が低い低弾性の樹脂である。
The
第一の封止樹脂としては、例えばエポキシ樹脂を用いるが、これに限定するものではなく、所望の弾性率と耐熱性を有している樹脂であれば用いることが出来る。例えばエポキシ樹脂の他に、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、アクリル樹脂、等が好適に用いられる。また、第一の封止樹脂12は、半導体素子5や6が動作中に高温となった場合でも、熱応力により表面電極パターン2との間の接合材7が剥がれないように半導体素子5や6を押さえつける機能を持たせている。このため、ある程度固い、すなわち弾性率が高い樹脂を用いる必要がある。
As the first sealing resin, for example, an epoxy resin is used. However, the resin is not limited to this, and any resin having a desired elastic modulus and heat resistance can be used. For example, in addition to an epoxy resin, a silicone resin, a urethane resin, a polyimide resin, a polyamide resin, a polyamideimide resin, an acrylic resin, or the like is preferably used. Further, the
第二の封止樹脂120には、例えばシリコーン樹脂を用いるが、これに限定するものではなく、ウレタン樹脂やアクリル樹脂なども用いる事ができる。また、Al2O3、SiO2など
のセラミック粉を添加して用いることもできるが、これに限定するものではなく、AlN、BN、Si3N4、ダイアモンド、SiC、B2O3などを添加しても良く、シリコーン樹脂やアクリル
樹脂などの樹脂製の粉を添加しても良い。粉形状は、球状を用いることが多いが、これに限定するものではなく、破砕状、粒状、リン片状、凝集体などを用いても良い。粉体の充填量は、必要な流動性や絶縁性や接着性が得られる量であれば良い。ただし、第二の封止樹脂120の弾性率は、第一の封止樹脂12の弾性率よりも小さくなければならない。
For example, a silicone resin is used as the
本発明は、本実施の形態1のみならず他の実施の形態においても、電力用半導体素子として、150℃以上で動作する半導体素子に適用すると効果が大きい。特に、炭化珪素(SiC)、窒化ガリウム(GaN)系材料またはダイアモンドといった材料で形成された、珪素(Si)に比べてバンドギャップが大きい、いわゆるワイドバンドギャップ半導体に適用すると効果が大きい。また、図2では、一つのモールドされた半導体装置に半導体素子が4個しか搭載されていないが、これに限定するものではなく、使用される用途に応じて必要な個数の半導体素子を搭載することができる。 The present invention is effective not only in the first embodiment but also in other embodiments when applied to a semiconductor element operating at 150 ° C. or more as a power semiconductor element. In particular, the present invention is more effective when applied to a so-called wide band gap semiconductor, which is formed of a material such as silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN) -based material, or diamond and has a larger band gap than silicon (Si). Further, in FIG. 2, only four semiconductor elements are mounted on one molded semiconductor device, but the present invention is not limited to this, and a necessary number of semiconductor elements are mounted according to the intended use. be able to.
表面電極パターン2、裏面電極パターン3、ベース板10および端子14は、通常銅を用いるが、これに限定するものではなく、アルミや鉄を用いても良く、これらを複合した材料を用いても良い。また表面は、通常、ニッケルメッキを行うが、これに限定するものではなく、金や錫メッキを行っても良く、必要な電流と電圧を半導体素子に供給できる構造であれば構わない。また、銅/インバー/銅などの複合材料を用いても良く、SiCAl、CuMoなどの合金を用いても良い。また、端子14及び表面電極パターン2は、第一の封止樹脂12に埋設されるため、樹脂との密着性を向上させるため表面に微小な凹凸を設けても良く、化学的に結合するようにシランカップリング剤などで接着補助層を設けても良い。
The
半導体素子基板4は、Al2O3、SiO2、AlN、BN、Si3N4などのセラミックの絶縁基板1に
銅やアルミの表面電極パターン2および裏面電極パターン3を設けてあるものを指す。半導体素子基板4は、放熱性と絶縁性を備えることが必要であり、上記に限らず、セラミック粉を分散させた樹脂硬化物、あるいはセラミック板を埋め込んだ樹脂硬化物のような絶縁基板1に表面電極パターン2および裏面電極パターン3を設けたものでも良い。また、絶縁基板1に使用するセラミック粉は、Al2O3、SiO2、AlN、BN、Si3N4などが用いられる
が、これに限定するものではなく、ダイアモンド、SiC、B2O3、などを用いても良い。ま
た、シリコーン樹脂やアクリル樹脂などの樹脂製の粉を用いても良い。粉形状は、球状を用いることが多いが、これに限定するものではなく、破砕状、粒状、リン片状、凝集体などを用いても良い。粉体の充填量は、必要な放熱性と絶縁性が得られる量が充填されていれば良い。絶縁基板1に用いる樹脂は、通常エポキシ樹脂が用いられるが、これに限定するものではなく、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂、アクリル樹脂などを用いても良く、絶縁性と接着性を兼ね備えた材料であれば構わない。
The
配線13は、アルミまたは金でできた断面が円形の線体を用いるが、これに限定するものではなく、例えば断面が方形の銅板を帯状にしたものを用いても良い。また図1では、半導体素子に3本の配線しか施されていないが、これに限定するものではなく、半導体素子の電流密度などにより、必要な本数を設けることができる。また、配線13は、銅や錫などの金属片を溶融金属で接合しても良く、必要な電流と電圧を半導体素子に供給できる構造であれば構わない。
The
さらに、配線に銅板配線130を用いた例を図3に示す。図3において、図1と同一符号は同一または相当する部分を示す。銅板配線130の表面は、防錆のためにニッケル鍍金を用いてもよく、防錆剤などの化学的処理を行っても良い。また、各封止樹脂との密着性を高めるために、表面に凹凸を設けても良く、またプライマー処理等の密着性向上剤を設けても良い。密着性向上剤は、例えばシランカップリング剤やポリイミド、エポキシ樹脂等が用いられるが、用いる配線部材と、第一の封止樹脂との密着性を向上させるものであれば特に限定されない。ここでは、配線として銅板を用いた例を示したが、端子と電気的に接続することができ、半導体素子とも電気的に接続することができ、必要な電流容量を確保できる材料であれば、銅以外の金属を用いても良い事は言うまでも無い。
Further, an example in which the
本発明の実施の形態1による半導体装置の動作は以下のようである。半導体素子が高温で動作すると、半導体素子の周囲にある第一の封止樹脂12や半導体素子基板4が熱膨張し、半導体素子が動作を止めると、熱収縮が起こる。すなわちヒートサイクルが生じる。第一の封止樹脂12は、半導体素子基板4の材料のうち表面電極パターン2や裏面電極パターン3の材料(例えば銅)の線膨張係数に近い線膨張係数となるように調整されているため、絶縁基板1とは線膨張係数が異なる。従来の半導体装置では、半導体素子基板の表面電極パターン2や裏面電極パターン3が形成されていない部分は、第一の封止樹脂12と絶縁基板1が直接接しているため、ヒートサイクルを繰り返すうちに、両者の線膨張係数の違いにより、第一の封止樹脂12と絶縁基板1との接触部分で、第一の封止樹脂12の剥離や亀裂が発生し、半導体装置の信頼性を著しく低下させていた。しかしながら、図1に示す本発明の実施の形態1による半導体装置では、半導体素子基板4単体において絶縁基板1が露出している部分は、第一の封止樹脂12よりも弾性率が低い樹脂材料で形成された第二の封止樹脂120で覆われている。このため、ヒートサイクルが生じた場合、第一の封止樹脂12よりも低弾性、すなわち軟らかい第二の封止樹脂120の部分で、膨張係数の違いにより発生する応力が緩和され、第一の封止樹脂12の剥離や亀裂が生じ難く、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
The operation of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention is as follows. When the semiconductor element operates at a high temperature, the first sealing
さらに、図1や図3に示すように、第一の封止樹脂12の側面121の形状が、絶縁基板1に対して垂直な面で切り取った断面において直線となる形状である。この形状は、以下の実施の形態2で説明する製造方法によって実現されるものであり、従来行われていたように、材料となる樹脂を半導体素子の上に、いわゆるポッティングにより形成したものでは実現できない形状である。この形状により、従来のポッティングによって形成される樹脂の形状に比較して、第一の封止樹脂の底面積が小さくても絶縁距離を確保できる半導体装置が得られる。
Furthermore, as shown in FIG. 1 and FIG. 3, the shape of the
実施の形態2.
図4、図5は、本発明の実施の形態2による半導体装置の製造方法を示す模式図である。図4、図5において、図1、図2と同一符号は同一または相当する部分を示す。本製造方法の概要は、以下のようである。まず、半導体素子基板4における絶縁基板1の表面電極パターン2または裏面電極パターン3が形成されていない面を、絶縁基板1の周辺部分においては半導体素子の厚みよりも高さが高い仮設壁9を形成するようマスキング樹脂で覆う(マスキング樹脂被覆工程)。次に、表面電極パターン2に半導体素子を固着して、仮設壁9の内部を第一の封止樹脂12で覆い(第一の封止樹脂形成工程)、マスキング樹脂を除去する(マスキング樹脂除去工程)。その後、絶縁基板1の表面電極パターン2または裏面電極パターン3が形成されていない面、および第一の封止樹脂12を覆うように第二の封止樹脂120を設ける(第二の封止樹脂形成工程)。マスキング樹脂は、注射器に未硬化の樹脂を入れて、必要な箇所に押し出しながら描画したり、スクリーンマスクを用いて印刷を行ったりして作製できる。しかし、これらの方法では作製に時間がかかる。半導体素子基板4の表面電極パターン2と裏面電極パターン3を、溝を設けた治具で挟み、その後に未硬化のマスキング樹脂を注入硬化すれば、溝の位置や形状を変えることで多様な仮設壁9を設けることができ、また絶縁基板1の表面電極パターンまたは裏面電極パターンが形成されていない面がマスキング樹脂で覆われた基板を作製できる。
4 and 5 are schematic views showing a method of manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. 4 and 5, the same reference numerals as those in FIGS. 1 and 2 denote the same or corresponding parts. The outline of this manufacturing method is as follows. First, a surface of the
図4は、マスキング樹脂被覆工程を説明する模式図である。まず、絶縁基板1の片面に表面電極パターン2、他方の面に裏面電極パターン3、が貼りつけられた半導体素子基板4を準備する(図4(A))。また、テフロン(登録商標)で作製された上治具21と下治具22で構成される分割式の治具を準備する(図4(B))。上治具21にはマスキング樹脂を注入するための樹脂注入穴23が設けられている。下治具22の所定の位置に半導体素子基板4を置き、位置がずれない様に上治具21を用いて蓋をし、ねじ留めや油圧プレス等の方法を用いて、後にマスキング樹脂が注入された際に上下の治具からマスキング樹脂が漏れないよう十分締め付ける。上治具21および下治具22は、表面電極パターン2および裏面電極パターン3の表面にマスキング樹脂が流れないよう、十分な平面度をもって作製しておく。次に半導体素子基板4を内包した治具の内部を減圧チャンバー31等を用いて10torrまで減圧する(図4(C))。その後、図4(C)の矢印で示すように未硬化のマスキング樹脂41を上治具21の樹脂注入穴23から約1MPaの押圧力で注入
する。治具の空間部分の全部にマスキング樹脂が注入されたら、760torr(大気)に戻し
、マスキング樹脂を熱硬化させる。例えば、マスキング樹脂としてシリコーン樹脂である信越化学工業社製KE-1833を用いる場合は、120℃で1時間の硬化を行う。熱硬化後は、治
具を室温まで冷却してから、上下の治具を分割して基板を取り出せば、マスキング樹脂で形成された仮設壁9が成型され、また図4(C)に示す表面電極パターン2が存在しない部分20もマスキング樹脂90で満たされた基板が作製できる(図4(D))。
FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the masking resin coating step. First, a
この時、一か所の樹脂注入穴23から全ての空間部分に樹脂が注入されるよう、表面電極パターン2および裏面電極パターン3以外の表面、例えば図4(C)に示す表面電極パターン2がない部分20と、仮設壁9を設ける箇所は、治具内部の空間で繋がっていなければならない。ここで、治具には、脱気用の穴を設けても良い。また、治具の壁面に、脱型性を向上させるために、離型剤を塗布しても良いことは言うまでもなく、治具の材質もテフロン(登録商標)以外の材料を用いて良い事はいうまでもない。
At this time, the surface other than the front
なお、実施の形態1および実施の形態2では、表面電極パターン2が、例えば図2で示すように分離されて、間に絶縁基板が露出している部分20があるものを例として説明したが、表面電極パターン2が分離せず1枚で、絶縁基板が露出している部分は周辺部分のみのものにも、本発明を適用できるのは言うまでもない。
In the first and second embodiments, the
次に、仮設壁9が設けられた半導体素子基板4を用いて半導体装置を製造する製造方法を、図5を参照して説明する。端子14が取り付けられたケース側板11とベース板10とで形成されるケースを、仮設壁9が設けられた半導体素子基板4とは別に準備する。このケースの底板となったベース板に仮設壁9が設けられた半導体素子基板4を、はんだなどの接合材70により固着する。同時に半導体素子基板4の表面電極パターンに半導体素子5や6をはんだなどの接合材7により固着する(半導体素子固着工程)。その後、半導体素子5、6、表面電極パターン2、端子14の間を配線13で接続する(図5(A))。
Next, a manufacturing method for manufacturing a semiconductor device using the
次に、仮設壁9内部を第一の封止樹脂12で満たして硬化させた(第一の封止樹脂形成工程、図5(B))後、マスキング樹脂で形成されている仮設壁9および表面電極パターン2が無い部分20のマスキング樹脂90を溶剤により除去する(マスキング樹脂除去工程、図5(C))。この時、マスキング樹脂を完全に除去するために、必要に応じて加温や、複数回の洗浄処理を行う。ここで、マスキング樹脂が除去された後、第一の封止樹脂12が仮設壁9と接していた面、すなわち第一の封止樹脂の側面121の形状は、絶縁基板1に垂直な断面である図5(C)において、直線となる形状になる。マスキング樹脂が完全に除去された後、ケース内に第二の封止樹脂を注入して全体をモールドする(第二の封止樹脂形成工程、図5(D))。この注入に際し、表面電極パターン2が無い部分20にも第二の封止樹脂120が完全に注入されるように、必要に応じて脱泡処理を行う。
Next, after the inside of the
マスキング樹脂には、熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂を用いることができる。マスキング樹脂材料は、半導体素子を覆う第一の封止樹脂が流れ広がるのを防止するダム壁として機能し、第一の封止樹脂の硬化温度領域において形状を維持できて、しかも第一の封止樹脂が硬化後に溶剤処理および熱処理等の方法で除去することが可能であれば特に限定されない。 As the masking resin, a thermoplastic resin and a thermosetting resin can be used. The masking resin material functions as a dam wall that prevents the first sealing resin covering the semiconductor element from flowing and spreading, and can maintain its shape in the curing temperature region of the first sealing resin, and also the first sealing resin. There is no particular limitation as long as the stop resin can be removed by a method such as solvent treatment and heat treatment after curing.
例えば、マスキング樹脂には、シリコーン樹脂を用いることができる。シリコーン樹脂で作製されたマスキング樹脂は、シリコーン溶解液により室温で除去が可能であることがわかった。また、マスキング樹脂には、熱可塑性のワックスを用いてもよい。熱可塑性のワックスを用いて、仮設壁を作製した場合は、ワックス溶解液もしくは、炭化水素系溶剤により除去が可能であることがわかった。熱可塑性ワックスをマスキング樹脂として仮設壁に用いる際は、第一の封止樹脂の硬化温度より熱可塑性ワックスの軟化温度が高ければ、第一の封止樹脂が半導体素子上を覆う際に、仮設壁としての役割を果たせることができた。また、熱可塑性ワックスの軟化温度が第一の封止樹脂の硬化温度より低い場合は、第一の封止樹脂の1段階目の硬化温度を熱可塑性ワックスの軟化温度より低い温度に設定し、第一の封止樹脂を半硬化させ、ワックス溶解液により熱可塑性ワックスを除去した後、第一の封止樹脂を所定の硬化温度でさらに硬化させることで、絶縁信頼性の高い半導体装置を作製できることがわかった。 For example, a silicone resin can be used as the masking resin. It was found that the masking resin made of silicone resin can be removed at room temperature with a silicone solution. A thermoplastic wax may be used as the masking resin. It has been found that when a temporary wall is made using a thermoplastic wax, it can be removed with a wax solution or a hydrocarbon solvent. When the thermoplastic wax is used as a masking resin for the temporary wall, if the softening temperature of the thermoplastic wax is higher than the curing temperature of the first sealing resin, the temporary sealing is performed when the first sealing resin covers the semiconductor element. I was able to play the role of a wall. Further, when the softening temperature of the thermoplastic wax is lower than the curing temperature of the first sealing resin, the first stage curing temperature of the first sealing resin is set to a temperature lower than the softening temperature of the thermoplastic wax, After semi-curing the first sealing resin and removing the thermoplastic wax with a wax solution, the first sealing resin is further cured at a predetermined curing temperature, thereby producing a semiconductor device with high insulation reliability. I knew it was possible.
仮設壁9の高さは、第一の封止樹脂12が半導体素子5、6を覆うように、半導体素子5、6の高さ以上であれば、特に限定するものではないが、半導体装置のケース側板11の高さを超えない高さ程度が好ましい。また、仮設壁9の幅は、絶縁基板1の大きさが100mm×100mm以下のサイズが多い事から、1〜2mm程度が良いが、これに限定するものではなく、第一の封止樹脂を変形しないように区画するのに必要な幅であれば構わない。
The height of the
以上のように、本発明の実施の形態2による半導体装置の製造方法においては、仮設壁を用いて第一の封止樹脂を形成するため、仮設壁の高さを変更することにより容易に、第一の封止樹脂の封止量を変更することができ、絶縁距離を調整することができる。また、仮設壁9を残したまま、第二の封止樹脂で覆うことも考えられるが、仮設壁9にボイドが発生していたり、仮設壁9と絶縁基板1の接触部の密着性が悪かったりすると、耐絶縁性が低下する恐れがある。これに対し本発明では、仮設壁を除去し、絶縁基板が露出する部分を弾性率が小さい第二の封止樹脂で覆うため、耐絶縁性が低下する恐れが小さい。したがって、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
As described above, in the method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, since the first sealing resin is formed using the temporary wall, it is easy to change the height of the temporary wall. The sealing amount of the first sealing resin can be changed, and the insulation distance can be adjusted. Further, it is conceivable to cover the
実施の形態3.
図6は、本発明の実施の形態3による半導体装置の構造を示す断面図である。図6において、図1、図3と同一符号は、同一または相当する部分を示す。本実施の形態3では、半導体素子5や6に配線を接続するためのソケット131を設けた。第一の封止樹脂12
で覆った後に外部からソケット131に配線を差し込むことができるよう、ソケット131は、第一の封止樹脂12の表面に露出するように設けられている。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing the structure of the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. 6, the same reference numerals as those in FIGS. 1 and 3 denote the same or corresponding parts. In the third embodiment, the
The
通常、ソケットは、パイプ上の金属に金属状のピンを挿入することで両者の電気的な接続を行うが、この方法に限定するものではなく、第一の封止樹脂12に埋め込まれた半導体素子5や6と配線を電気的に繋げる構造であれば構わない。また、ソケット131の表面は、第一の封止樹脂12や第二の封止樹脂120との密着性を向上させるために表面に凹凸を設けても良く、シランカップリング剤などの化学的な処理を行っても良い。半導体素子5や6とソケット131の電気的な接続は、通常、はんだ材を用いて接続するがこれに限定するものではなく、銀ペーストや焼結により金属結合する材料を用いても良い。図6では、ソケット131への配線は銅板配線130を用いているが、通常の線状の配線を用いても良いのは言うまでもない。
Normally, the socket is electrically connected to each other by inserting a metal pin into the metal on the pipe, but the method is not limited to this method, and the semiconductor embedded in the first sealing
図6の破線で囲んだ部分、すなわち第一の封止樹脂12で半導体素子5、6を封止したものをモジュール100として、このモジュール100をケース側板11内に複数個配置して一つの半導体装置とした構成の概念図を図7に示す。図7において、図6と同一符号は同一または相当する部分を示す。図7は、第二の封止樹脂120、端子14および銅板配線130を取り除き、さらに一部は第一の封止樹脂12も取り除き半導体素子が見える状態を示す斜視図である。図7において、各モジュールの間に設けられているバー110は、各モジュールからの配線を橋渡しするための端子(図7では取り除いて示している。)を取り付けるための部材である。
A portion surrounded by a broken line in FIG. 6, that is, the
この構造では、第一の封止樹脂12で半導体素子5、6を封止した後、第二の封止樹脂120でモジュールを封止する前に、ソケット131から通電することにより各モジュール100の動作試験を行うことができる。動作試験において不良モジュールが判明した場合、不良モジュールについては、半導体素子基板4とベース板10の間の接合を取り除き、良品モジュールと置き換えることができるため、半導体装置の歩留まりの向上が図れる。
In this structure, the
実施の形態4.
本実施の形態4では、試験用の半導体装置モジュールを、種々の材料を用いた封止樹脂により作製し、パワーサイクル試験およびヒートサイクル試験を行った結果を実施例として示す。パワーサイクル試験は、半導体素子の温度が200℃になるまで通電し、その温度に達したら通電を止め、半導体素子の温度が120℃になるまで冷却し、冷却された後に再び通電した。またヒートサイクル試験は、半導体装置全体を、温度制御が可能な恒温曹に入れ、恒温曹の温度を−40℃〜150℃の間で繰り返し変化させて実施した。
In the fourth embodiment, a test semiconductor device module is manufactured using a sealing resin using various materials, and the results of a power cycle test and a heat cycle test are shown as examples. In the power cycle test, energization was performed until the temperature of the semiconductor element reached 200 ° C., and when the temperature reached that temperature, the energization was stopped, the temperature of the semiconductor element was cooled to 120 ° C., and the current was again energized. In addition, the heat cycle test was performed by putting the entire semiconductor device in a thermostat capable of temperature control, and repeatedly changing the temperature of the thermostat so as to be between −40 ° C. and 150 ° C.
実施例1.
表1には、図2に示した構造、すなわち半導体素子基板を封止する第一の封止樹脂の弾性率を変化させた時のパワーサイクル試験およびヒートサイクル試験の結果を示す。
Example 1.
Table 1 shows the structure shown in FIG. 2, that is, the results of the power cycle test and the heat cycle test when the elastic modulus of the first sealing resin for sealing the semiconductor element substrate is changed.
表1の例1−1について説明する。信越化学工業社製KER-4000-UVにガラスフィラーを
約50wt%添加し、弾性率を900MPaに調整した封止樹脂で封止した結果、パワーサイクル試
験では、90000サイクル後に封止樹脂に剥離が発生し、ヒートサイクル試験でも50サイク
ル後に封止樹脂の剥離と亀裂が発生して半導体装置が動作しなくなることがわかった。
Example 1-1 in Table 1 will be described. As a result of adding about 50 wt% glass filler to KER-4000-UV manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. In the heat cycle test, it was found that after 50 cycles, peeling and cracking of the sealing resin occurred and the semiconductor device stopped operating.
例1−2では、信越化学工業社製KER-4000-UVにガラスフィラーを約58wt%添加し、弾性率を1GPaに調整した封止樹脂で封止した結果、パワーサイクル試験では、160000サイクル、ヒートサイクル試験では、300サイクルまで改善することがわかった。 In Example 1-2, as a result of adding about 58 wt% of a glass filler to KER-4000-UV manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. and sealing with a sealing resin with an elastic modulus adjusted to 1 GPa, in the power cycle test, 160,000 cycles, In the heat cycle test, it was found to improve up to 300 cycles.
例1−3では、サンユレック社製EX-550(弾性率7.0GPa)を第一の封止樹脂に用いた結果、パワーサイクル試験では、180000サイクル、ヒートサイクル試験では、800サイクル
まで改善することがわかった。
In Example 1-3, as a result of using EX-550 (elastic modulus: 7.0 GPa) manufactured by San Yulec Co., Ltd. as the first sealing resin, it can be improved to 180,000 cycles in the power cycle test and 800 cycles in the heat cycle test. all right.
例1−4では、サンユレック社製EX-550にシリカフィラーを15wt%添加し、弾性率を12GPaに調整した封止樹脂を使用した結果、パワーサイクル試験では、160000サイクル、ヒートサイクル試験では、600サイクルになることがわかった。 In Example 1-4, 15% by weight of silica filler was added to EX-550 manufactured by San Yulec Co., Ltd., and a sealing resin having an elastic modulus adjusted to 12 GPa was used. As a result, 160,000 cycles were used in the power cycle test and 600 samples were used in the heat cycle test. It turned out to be a cycle.
例1−5では、サンユレック社製EX-550にシリカフィラーを20wt%添加し、弾性率を14GPaに調整した封止樹脂を使用した結果、パワーサイクル試験では、140000サイクル、ヒートサイクル試験では、500サイクルになることがわかった。 In Example 1-5, as a result of using a sealing resin in which 20 wt% of silica filler was added to EX-550 manufactured by San Yulec Co., Ltd. and the elastic modulus was adjusted to 14 GPa, it was 14,000 cycles in the power cycle test, and 500 in the heat cycle test. It turned out to be a cycle.
例1−6では、サンユレック社製EX-550にシリカフィラーを36wt%添加し、弾性率を20GPaに調整した封止樹脂を使用した結果、パワーサイクル試験では、110000サイクル、ヒートサイクル試験では、450サイクルになることがわかった。 In Example 1-6, 36 wt% of silica filler was added to EX-550 manufactured by Sanyu Rec Co., Ltd., and a sealing resin having an elastic modulus adjusted to 20 GPa was used. As a result, 110000 cycles in the power cycle test and 450 cycles in the heat cycle test. It turned out to be a cycle.
例1−7では、サンユレック社製EX-550にシリカフィラーを40wt%添加し、弾性率を22 GPaに調整した封止樹脂を使用した結果、パワーサイクル試験では、100000サイクル、ヒ
ートサイクル試験では、200サイクルになることがわかった。
In Example 1-7, 40 wt% of silica filler was added to EX-550 manufactured by Sanyu Rec Co., Ltd., and a sealing resin with an elastic modulus adjusted to 22 GPa was used. As a result, in the power cycle test, 100,000 cycles, It turned out to be 200 cycles.
以上の結果より、第一の封止樹脂の弾性率Mは、1GPa以上20GPa以下の範囲が適切であ
ることが判明した。
From the above results, it has been found that the elastic modulus M of the first sealing resin is appropriately in the range of 1 GPa to 20 GPa.
実施例2.
次に、第二の封止樹脂を種々の弾性率の樹脂により作製し、絶縁特性を評価した実施例について説明する。半導体装置には、ベース板のサイズが50×92×3mm、AlNを用いた絶縁基板のサイズが23.2×23.4×1.12mm、SiCを用いた半導体素子のサイズが5×5×0.35mm、
接合材には千住金属製M731、ポリフェニレンサルファイド(PPS)を用いたケース、直径
が0.4mmのアルミを用いた配線を使用した。また、本試験では、モジュール内部にSiC半導体素子を1個のみ搭載し、ヒートサイクル試験およびコロナ開始電圧測定を行った。
Example 2
Next, examples in which the second sealing resin is made of various elastic modulus resins and the insulating properties are evaluated will be described. In the semiconductor device, the size of the base plate is 50 × 92 × 3 mm, the size of the insulating substrate using AlN is 23.2 × 23.4 × 1.12 mm, the size of the semiconductor element using SiC is 5 × 5 × 0.35 mm,
We used Senju Metal M731, a case using polyphenylene sulfide (PPS), and wiring using aluminum with a diameter of 0.4 mm. In this test, only one SiC semiconductor element was mounted inside the module, and a heat cycle test and a corona start voltage measurement were performed.
表2に、実施の形態2に示したプロセスにより作製した半導体装置、すなわち半導体素子基板外周に仮設壁を設け、第一の封止樹脂に弾性率が7.0GPaのサンユレック製EX-550を封止し、仮説壁を所定の溶剤により除去した後に、封止する第二の封止樹脂の弾性率を変化させたときのヒートサイクル試験および部分放電開始電圧(コロナ開始電圧)の結果を示す。 Table 2 shows a semiconductor device manufactured by the process shown in the second embodiment, that is, a temporary wall is provided on the outer periphery of the semiconductor element substrate, and the first sealing resin is sealed with EX-550 made by Sanyu Rec with an elastic modulus of 7.0 GPa Then, after removing the hypothetical wall with a predetermined solvent, the results of a heat cycle test and a partial discharge start voltage (corona start voltage) when the elastic modulus of the second sealing resin to be sealed is changed are shown.
例2−1について説明する。第二の封止樹脂として、東レダウコーニング製SE1886(弾性率30kPa)を用いて、半導体素子基板および第一の封止樹脂を封止し、半導体装置を作
製した場合、ヒートサイクル試験において、800サイクルまで半導体装置の特性が維持し
、コロナ開始電圧は6.0kV以上であることが判明した。
Example 2-1 will be described. When SE1886 (elastic modulus 30 kPa) manufactured by Toray Dow Corning is used as the second sealing resin, the semiconductor element substrate and the first sealing resin are sealed, and a semiconductor device is manufactured. It was found that the characteristics of the semiconductor device were maintained until the cycle, and the corona onset voltage was 6.0 kV or higher.
例2−2では、第二の封止樹脂として信越化学製KE1833(弾性率3.5MPa)を用いて、半導体装置を作製した結果、ヒートサイクル試験において1200サイクル以上半導体装置の特性を維持し、コロナ開始電圧は6.0kV以上であることが判明した。 In Example 2-2, as a result of manufacturing a semiconductor device using KE1833 (elastic modulus: 3.5 MPa) manufactured by Shin-Etsu Chemical as the second sealing resin, the characteristics of the semiconductor device were maintained for 1200 cycles or more in the heat cycle test. The starting voltage was found to be over 6.0 kV.
例2−3では、第二の封止樹脂として信越化学製KER-4000-UVにガラスフィラーを約50wt%添加し、弾性率を900MPaに調整し、半導体装置を作製した結果、ヒートサイクル試験では1200サイクル以上半導体装置の特性が維持し、コロナ開始電圧は6.0kVであることが判明した。 In Example 2-3, as a second sealing resin, about 50 wt% of glass filler was added to Shin-Etsu Chemical KER-4000-UV, the elastic modulus was adjusted to 900 MPa, and a semiconductor device was manufactured. It was found that the semiconductor device characteristics were maintained for 1200 cycles or more, and the corona onset voltage was 6.0 kV.
例2−4では、第二の封止樹脂として信越化学製SCR-1016(弾性率1.4GPa)を用いて、半導体装置を作製した結果、ヒートサイクル試験寿命は800サイクルに低下し、コロナ開始
電圧は4.5kVであることがわかった。
In Example 2-4, a semiconductor device was fabricated using SCR-1016 (elastic modulus 1.4 GPa) manufactured by Shin-Etsu Chemical as the second sealing resin. As a result, the heat cycle test life decreased to 800 cycles, and the corona start voltage Was found to be 4.5 kV.
例2−5では、第二の封止樹脂として信越化学製SCR-1016にガラスフィラーを約54wt%
添加し、弾性率を3GPaに調整し、半導体装置を作製した結果、ヒートサイクル試験寿命は200サイクルに低下し、コロナ開始電圧は2.5kVに低下することがわかった。
In Example 2-5, about 54 wt% of glass filler is added to Shin-Etsu Chemical SCR-1016 as the second sealing resin.
As a result of adding and adjusting the elastic modulus to 3 GPa to fabricate a semiconductor device, it was found that the heat cycle test life decreased to 200 cycles and the corona onset voltage decreased to 2.5 kV.
以上のヒートサイクル試験寿命およびコロナ開始電圧の試験結果を総合的に判断することにより、第二の封止樹脂の弾性率Nは、30kPa以上1GPa以下の範囲が適切であることが
わかった。
1:絶縁基板 2:表面電極パターン
3:裏面電極パターン 4:半導体素子基板
5、6:半導体素子 7、70:接合材
9:仮設壁 10:ベース板
11:ケース側板 12:第一の封止樹脂
13、130:配線 14:端子
21:上治具 22:下治具
23:樹脂注入穴 120:第二の封止樹脂
121:第一の封止樹脂の側面 131:ソケット
1: Insulating substrate 2: Surface electrode pattern
3: Back electrode pattern 4:
Claims (11)
上記表面電極パターンの、上記絶縁基板とは反対側の面に接合材を介して固着された半導体素子と、
この半導体素子および上記表面電極パターンを覆う第一の封止樹脂と、
上記絶縁基板の表面で、少なくとも上記表面電極パターンまたは上記裏面電極パターンが形成されていない部分と、上記第一の封止樹脂とを覆う、弾性率が上記第一の封止樹脂よりも小さい第二の封止樹脂と、を備え、
上記表面電極パターンには上記半導体素子が複数固着されており、この複数の上記半導体素子は上記第一の封止樹脂により一体で覆われているとともに、
上記第一の封止樹脂の外形の側面の形状が、上記絶縁基板に対して垂直な面での断面において直線となる形状であり、上記第二の封止樹脂が上記第一の封止樹脂の外形の側面と直接接して上記第一の封止樹脂を覆っていることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor element substrate having a surface electrode pattern formed on one side of the insulating substrate and a back electrode pattern formed on the other side of the insulating substrate;
A semiconductor element fixed to the surface of the surface electrode pattern opposite to the insulating substrate via a bonding material;
A first sealing resin covering the semiconductor element and the surface electrode pattern;
The surface of the insulating substrate covers at least a portion where the surface electrode pattern or the back electrode pattern is not formed and the first sealing resin, and has a smaller elastic modulus than the first sealing resin. Two sealing resins,
A plurality of the semiconductor elements are fixed to the surface electrode pattern, and the plurality of semiconductor elements are integrally covered with the first sealing resin ,
The shape of the side surface of the outer shape of the first sealing resin is a shape that is a straight line in a cross section in a plane perpendicular to the insulating substrate, and the second sealing resin is the first sealing resin. A semiconductor device characterized in that the first sealing resin is covered in direct contact with a side surface of the outer shape .
上記表面電極パターンの、上記絶縁基板とは反対側の面に接合材を介して固着された半導体素子と、
この半導体素子および上記表面電極パターンを覆う第一の封止樹脂と、
上記絶縁基板の表面で、少なくとも上記表面電極パターンまたは上記裏面電極パターンが形成されていない部分と、上記第一の封止樹脂とを覆う、弾性率が上記第一の封止樹脂よりも小さい第二の封止樹脂と、を備え、
上記表面電極パターンには上記半導体素子が複数固着されており、この複数の上記半導体素子は上記第一の封止樹脂により一体で覆われているとともに、
上記表面電極パターンは複数に分離されて間に上記絶縁基板が露出する部分を有し、当該絶縁基板が間に露出する部分は上記第二の封止樹脂により覆われており、この上記絶縁基板が間に露出する部分を覆う上記第二の封止樹脂は上記第一の封止樹脂により覆われていることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor element substrate having a surface electrode pattern formed on one side of the insulating substrate and a back electrode pattern formed on the other side of the insulating substrate;
A semiconductor element fixed to the surface of the surface electrode pattern opposite to the insulating substrate via a bonding material;
A first sealing resin covering the semiconductor element and the surface electrode pattern;
The surface of the insulating substrate covers at least a portion where the surface electrode pattern or the back electrode pattern is not formed and the first sealing resin, and has a smaller elastic modulus than the first sealing resin. Two sealing resins,
A plurality of the semiconductor elements are fixed to the surface electrode pattern, and the plurality of semiconductor elements are integrally covered with the first sealing resin,
The surface electrode pattern has a portion where the insulating substrate is exposed while being separated into a plurality of portions, and the portion where the insulating substrate is exposed is covered with the second sealing resin. semi conductor arrangement but the above second sealing resin covering the portion exposed between you and being covered by the first sealing resin.
少なくとも、上記絶縁基板の表面電極パターンおよび裏面電極パターンが形成されていない面を、上記絶縁基板の周辺部分においては上記半導体素子の厚みよりも高さが高い仮設壁を形成するようマスキング樹脂で覆うマスキング樹脂被覆工程と、
上記表面電極パターンの、上記絶縁基板とは反対側の面に接合材を介して上記半導体素子を固着する半導体素子固着工程と、
上記仮設壁の内部を第一の封止樹脂で満たした後、上記第一の封止樹脂を硬化させる第一の封止樹脂形成工程と、
上記マスキング樹脂を除去するマスキング樹脂除去工程と、
少なくとも上記第一の封止樹脂と、上記マスキング樹脂を除去して上記絶縁基板の表面が露出した部分を第二の封止樹脂で覆う第二の封止樹脂形成工程と、
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1 ,
At least the surface of the insulating substrate on which the front electrode pattern and the back electrode pattern are not formed is covered with a masking resin so as to form a temporary wall having a height higher than the thickness of the semiconductor element in the peripheral portion of the insulating substrate. Masking resin coating process;
A semiconductor element fixing step of fixing the semiconductor element to a surface of the surface electrode pattern opposite to the insulating substrate via a bonding material;
A first sealing resin forming step of curing the first sealing resin after filling the inside of the temporary wall with the first sealing resin;
A masking resin removal step of removing the masking resin;
A second sealing resin forming step of covering at least the first sealing resin and the portion where the surface of the insulating substrate is exposed by removing the masking resin with a second sealing resin;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
半導体素子基板を、樹脂注入穴を有する上治具と下治具で挟む工程と、
上記上治具と上記下治具とで上記半導体素子基板を挟んだ状態で減圧環境に設置する工程と、
この減圧環境で上記樹脂注入穴から未硬化のマスキング樹脂を注入する工程と、
上記未硬化のマスキング樹脂を注入した後大気圧環境下に取り出し、注入した上記未硬化のマスキング樹脂を硬化させた後、上記上治具と上記下治具を取り外して脱型する工程と、
を備えることを特徴とする請求項7に記載の半導体装置の製造方法。 The masking resin coating step
Sandwiching the semiconductor element substrate with an upper jig and a lower jig having resin injection holes;
Installing in a reduced pressure environment with the semiconductor element substrate sandwiched between the upper jig and the lower jig;
Injecting uncured masking resin from the resin injection hole in this reduced pressure environment;
After injecting the uncured masking resin, taking it out in an atmospheric pressure environment, curing the injected uncured masking resin, removing the upper jig and the lower jig, and demolding;
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 7 , comprising:
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