JP2015130456A - 半導体装置 - Google Patents

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和弘 多田
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和弘 多田
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Abstract

【課題】ヒートサイクル信頼性が高い半導体装置を得ることを目的とする。
【解決手段】絶縁基板の片面に表面電極が、および絶縁基板の他の面に裏面電極が、それぞれ形成された半導体素子基板と、表面電極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、表面電極に接合された第１の主端子および半導体素子の表面電極とは反対側の面に接合された第２の主端子と、少なくとも半導体素子を内側に含むように設けられ、電気信号の入出力を行うための信号端子が一体成型されたケースと、ケースの内部を、少なくとも半導体素子を覆うように封止する封止樹脂とを備えた半導体装置において、第１の主端子および第２の主端子は封止樹脂を貫通して封止樹脂の外部に露出するとともに、信号端子の材料が第１の主端子および第２の主端子の材料と異なるようにした。
【選択図】図１

Description

この発明は、電力用半導体素子を実装した半導体装置、特に大容量で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。
従来のケース型の半導体装置は、一般にシリコーンゲルにてケース内の半導体素子周辺が封止されている。一方、エポキシ封止はチップ周辺を硬い樹脂で拘束することからヒートサイクルやパワーサイクル信頼性が高い。しかし、エポキシ樹脂は硬いことから界面に発生する応力が高く、剥離やクラックという問題が発生するため、構造の制約が非常に多い。
特許文献１に記載されている半導体装置は、半導体素子と外部との電気接続は、半導体素子の主電極への接続のための主端子、および半導体素子の制御電極や半導体装置内部に設けられたセンサ類への接続のための信号端子ともケース材を介するインサートケースを用いている。このインサートケースを作製する際には、高温の溶融した熱可塑性樹脂を、端子をセットした金型内に注入して、冷却することで作製している。主端子は大電流を流す必要があることから、体積抵抗の小さい銅が一般的に用いられている。しかし、電力用の半導体装置に用いるようなケース材は耐熱性の高い材料が用いられており、３００℃前後の高温の樹脂が金型内に注入して成型されている。銅は高温下では酸化しやすいため、このような高温での成型を行うと表面が酸化するため、ニッケルメッキを施した銅材を用いることが多い。
また、特許文献２に記載されている半導体装置は、半導体素子が接合された半導体素子基板の絶縁基板が露出する部分を、半導体素子を覆う封止樹脂よりも弾性率の小さい応力緩和接着層で覆うことで、封止樹脂の剥離を抑えるようにしている。また、特許文献１と同様、半導体素子と外部との電気接続は、主端子、信号端子ともにケースに設けた端子を介して行っている。
特開２００８−２５８５４７号公報 国際公開ＷＯ２０１２／０７０２６１号
しかしながら、エポキシ樹脂で封止する場合、ニッケルメッキを施した銅材に対してエポキシ樹脂は接着性が低いという問題がある。接着性が低いとヒートサイクルの際に剥離が発生しやすく、剥離がワイヤボンド接続部の寿命を短くすることに課題がある。
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、ケース内部を封止樹脂で覆う構造の半導体装置において、ヒートサイクル信頼性が高い装置を得ることを目的としている。
この発明は、絶縁基板の片面に表面電極が、および絶縁基板の他の面に裏面電極が、それぞれ形成された半導体素子基板と、表面電極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、表面電極に接合された第１の主端子および半導体素子の表面
電極とは反対側の面に接合された第２の主端子と、少なくとも半導体素子を内側に含むように設けられ、電気信号の入出力を行うための信号端子が一体成型されたケースと、ケースの内部を、少なくとも半導体素子を覆うように封止する封止樹脂とを備えた半導体装置において、第１の主端子および第２の主端子は封止樹脂を貫通して封止樹脂の外部に露出するとともに、信号端子の材料が第１の主端子および第２の主端子の材料と異なるようにしたものである。
この発明によれば、主端子をケースに設けず、信号端子の材料を主端子の材料と異なる材料としたため、信号端子の材料の選択範囲が広がって、封止樹脂との接着性が高く、ヒートサイクル寿命を支配するワイヤボンドの接続部となる信号端子と封止樹脂界面の剥離を抑制できる材料の選択が可能となる。したがって、ヒートサイクル信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
この発明の実施の形態１による半導体装置の構成を示す側面断面図である。 この発明の実施の形態１による半導体装置の半導体素子基板の上面図である。 この発明の実施の形態１による半導体装置の封止樹脂を取り除いた状態の上面図である。 この発明の実施の形態２による半導体装置の構成を示す側面断面図である。 この発明の実施の形態３による半導体装置の構成を示す側面断面図である。 この発明の実施の形態４による半導体装置の構成を示す側面断面図である。 この発明の実施の形態５による半導体装置の構成を示す側面断面図である。 この発明の半導体装置の実施例によるヒートサイクル試験結果の表を示す図である。
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構成を示す側面断面図である。図１において、セラミックスなどの絶縁基板３ａの片面には、パターンを有さない単一の表面電極３ｂが形成され、他の面には、やはりパターンを有さない単一の裏面電極３ｃが形成されている。表面電極３ｂおよび裏面電極３ｃは銅などの導電性材料の薄板である。表面電極３ｂおよび裏面電極３ｃが形成された絶縁基板３ａを、ここでは半導体素子基板３と称する。半導体素子基板３の表面電極３ｂの絶縁基板３ａとは反対側の所定の位置に、半導体素子１ａ、１ｂが導電性の接合材２を用いて固定され、半導体素子１ａの一方の主電極と半導体素子１ｂの一方の主電極が電気的に接続される。ここで、半導体素子１ａは例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect-Transistor）のようなスイッチング素子である。半導体素子１ｂは例えばスイッチング素子と並列に接続される還流ダイオードである。
スイッチング素子である半導体素子１ａのゲート電極や、電流センサあるいは温度センサといったセンサ類などの電気信号の入出力を行う信号端子６がケース４と一体成型されて設けられている。信号端子６と半導体素子１ａのゲート電極やセンサ類との信号伝送のための電気的な接続はボンディングワイヤ７により行われる。また、半導体素子１ａ、１ｂの表面電極３ｂとの接合面との反対側の面に形成された主電極（他方の主電極）には、第２の主端子５ｂとなる金属板が導電性の接合材８を用いて固定されるとともに電気的に接続される。一方、表面電極３ｂには第１の主端子５ａが接合材を用いて電気的に接続される。第１の主端子５ａと第２の主端子５ｂをまとめて主端子５と称することもある。第１の主端子５ａと第２の主端子５ｂは、外部からこれらの端子を通じて半導体素子１ａや
１ｂが制御する電力用の電流を、半導体素子１ａや１ｂに流すための端子である。
ケース４は、接着剤を介して表面電極３ｂの周辺部上に固定されている。半導体素子１ａ、１ｂや配線部材であるボンディングワイヤ７や主端子５を含めて、ケース４の内部が封止樹脂９で封止されている。ただし、配線部材のうち第１の主端子５ａおよび第２の主端子５ｂは、外部との電気的接続を行うために封止樹脂９を貫通して上部が封止樹脂９から露出している。
つぎに、各部材の詳細について説明する。半導体素子１ａ、１ｂは、シリコーン（Ｓｉ）を基材とした一般的な素子でも良いが、本発明は、より高温で動作する半導体素子に適用したときに好適な構造を目指している。半導体素子１ａ、１ｂが、例えば炭化ケイ素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料、またはダイヤモンドといったシリコーンと較べてバンドギャップが広い、いわゆるワイドバンドギャップ半導体材料の半導体素子、特に炭化ケイ素を用いた半導体素子に本発明は好適である。デバイス種類としては、特に限定しないが、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect-Transistor）のようなスイッチング素子、またはダイオードのような整流素子が考えられる。
例えば半導体素子１ａがＭＯＳＦＥＴの場合、半導体素子１ａの表面電極３ｂ側の面にはドレイン電極が形成されている。ドレイン電極と反対側（図１では上側）の面には、ゲート電極やソース電極が、領域を分けて形成されている。なお、ドレイン電極の表面には接合材との接合を良好とするための複合金属膜が形成されている。ソース電極の表面にも、厚さ数μｍの薄いアルミニウムなどの電極膜やチタン、モリブデン、ニッケル、金などの薄膜層が形成されている。
半導体素子基板３の表面電極３ｂおよび裏面電極３ｃとも、パターンが形成されていないべた状の導電性材料である。図２に、半導体素子基板３の上面図、すなわち表面電極３ｂ側から見た図を示す。図２に示すように、表面電極３ｂにはパターンが形成されておらず、周辺部以外は絶縁基板３ａが露出していない。半導体素子基板３のコア材となる絶縁基板３ａとしては、伝熱性に優れた窒化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素、酸化アルミニウム（アルミナ）などのセラミックス材料を用いることができる。表面電極３ｂおよび裏面電極３ｃは、銅、アルミニウムなどの導電性材料またはそれらを主成分とする合金材料からなり、ろう材などで絶縁基板３ａに対して接合されている。そして表面電極３ｂおよび裏面電極３ｃの表面には、酸化防止や接合材料の濡れ性を考慮して、ニッケルなどのめっき被膜が形成されている場合がある。表面電極３ｂと裏面電極３ｃとを絶縁基板３ａに対して対称に形成することで、半導体素子基板３の反りを抑制することができ、半導体素子１ａおよび１ｂの接合材２を用いての実装が容易となる。
図３に、図１に示した半導体装置のうち、封止樹脂９を取り除いた上面図を示す。ケース４が表面電極３ｂ上に形成されているため、ケース４内の半導体素子基板３には、絶縁基板３ａが露出している部分が無い。従って、ケース４内を封止樹脂９で封止したとき、封止樹脂９が絶縁基板３ａと接触する部分が無い。このため、封止樹脂９を、半導体素子基板３全体としての熱膨張係数に近い熱膨張係数としておくことで、ヒートサイクルによる剥離が生じ難くなる。本発明の半導体装置に対し、例えば特許文献１の半導体装置では、表面電極にパターンが形成されており、封止樹脂と絶縁基板であるセラミックスが直接接する部分が存在するため、ヒートサイクルによりこの部分に剥離が生じる恐れがあった。
また、例えば、特許文献１など従来の半導体装置では、半導体素子の大電流が流れる主電極と半導体装置外部との接続のための端子を、ケースに設け、この端子と主電極との間をパターンが形成された表面電極を介してボンディングワイヤなどにより接続していた。一方、図１の半導体装置では、表面電極３ｂにパターンを形成していないため、半導体素子１ａや１ｂの大電流が流れる主電極と半導体装置外部との接続のための端子を、表面電極のパターンを介さず、またケース４に設けた端子とせず、表面電極３ｂから封止樹脂９を貫通して直接引き出す第１の主端子５ａとして設けた。また、半導体素子１ａや１ｂの他方の主電極から外部に引き出すための端子も、表面電極を介さず、またケース４に設けた端子とせず、封止樹脂９を貫通して直接引き出す第２の主端子５ｂとして設けた。
接合材２や接合材８としては、はんだや、例えば銀を主成分とする焼結性フィラーやろう材、錫中に銅を分散した材料といった、熱伝導性が良く導電性の接合材料が適用できる。配線部材としてのボンディングワイヤ７の材質として、アルミニウム、銅、金などがあげられる。配線部材としての主端子５は、大電流が流れることから導電性のよい金属が用いられる。中でも、銅材が電気抵抗、加工性やコストの点から最適である。銅材は酸化防止の点から、ニッケルメッキを施していてもよいが、ニッケルメッキは封止樹脂９との接着性に劣ることから、酸化しないように扱いメッキを施さないことが好ましい。
例えば特許文献１や特許文献２に記載されているように、ケース内を封止樹脂でモールドする構成の半導体装置にあっては、従来は半導体素子の主電極に接続する配線は、ケースに主端子を設けて外部と接続する構成になっていた。一方、信号端子も従来からケースに設けられていた。主端子は大電流が流れるため導電率が高い銅を用いる必要がある。このため、端子としては信号端子を含めて銅を用いることが当然のように行われていた。本発明では、主端子をケースに設けず、表面電極３ｂや半導体素子１ａ、１ｂの主電極に電気接続した主端子の部材が直接封止樹脂９を貫通して封止樹脂９から露出する構成にした。これにより、ケースに設ける端子が信号端子のみとなり、信号端子の材料として大電流を考慮する必要がなく、耐酸化性や樹脂との間の耐剥離性などに基づいて主端子とは別の材料を選択できる状況を作り出すことができた。
以上のように、配線部材としての信号端子６は、主端子５のように大電流が流れることはない。一方、信号端子６はケース４と一体成型するため、ケース４成型時の３００℃前後の高温下で表面状態が変化しないことが必要である。そのため、銅材を使用する場合は、３００℃の高温下では表面の酸化が激しく、酸化防止として表面にニッケルメッキを施す必要がある。しかし、ニッケルメッキとエポキシ樹脂との相性は悪く、ヒートサイクル時に剥離が発生してボンディングワイヤ７接合部に剥離が進展してボンディングワイヤ７の切断を引き起こし、モジュールの寿命が短くなるという問題がある。そこで、３００℃での高温下でも酸化しない銅以外の材料、具体的には鉄ニッケル合金や鉄ニッケルコバルト合金のように鉄とニッケルを含む合金を用いる。鉄ニッケル合金としては、ニッケルの含有率が４２重量％の４２アロイやニッケルの含有率が５０重量％の材料があげられる。鉄ニッケルコバルト合金としては、ニッケル２９重量％コバルト１６％のコバールがあげられる。中でも鉄ニッケル合金としてニッケルの含有率が４２重量％である４２アロイはＩＣのリードフレーム材として用いられており封止樹脂９との接着強度も高いので、本発明の信号端子６の材料として好適である。
ケース４は信号端子６と一体成型され、封止樹脂９を注入する際に樹脂漏れを防止するために設ける。ケース４の材料としては、少なくとも封止樹脂９の硬化温度や、半導体素子１ａ、１ｂが動作する際の半導体装置の温度以上の融点を有する樹脂材であれば良い。この条件を満足する材料として、通常ケースとして良く用いられるポリｐ−フェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）やポリブチレンテレフタレート樹脂（ＰＢＴ）、ナイロン樹脂、液晶ポリマー（ＬＣＰ）などがある。
封止樹脂９の材料は、室温で液体の性状を示すエポキシ系などの熱硬化性樹脂に、溶融シリカなどのセラミックス粒子・繊維等のフィラーを混入し、硬化後の熱膨張係数や弾性率を調整した材料である。注入の際は、硬化反応が起こらない温度範囲で、加温して流動性を良くして注入することができる。封止樹脂９の硬化後の熱膨張係数を、半導体素子基板３の熱膨張係数に近い熱膨張係数とすることで、界面に発生する応力を低減でき界面剥離や樹脂破断を防止でき、モジュールの信頼性を向上させることができる。絶縁基板３ａの熱膨張係数は、窒化アルミニウムが４．５ｐｐｍ／Ｋ、窒化ケイ素が３ｐｐｍ／Ｋ、酸化アルミニウムが７．３ｐｐｍ／Ｋであり、表面電極３ｂや裏面電極３ｃの熱膨張係数は、銅が１７ｐｐｍ／Ｋ、アルミニウムが２４ｐｐｍ／Ｋである。したがって、絶縁基板３ａと表面電極３ｂおよび裏面電極３ｃの厚み構成にもよるが、絶縁基板３ａに表面電極３ｂおよび裏面電極３ｃが接合された半導体素子基板３全体としての熱膨張係数は、７〜１５ｐｐｍ／Ｋとなる。したがって、封止樹脂９のガラス転移温度以下の熱膨張係数も７〜１５ｐｐｍ／Ｋであることが望ましい。
以上説明したように、本発明の実施の形態１による半導体装置は、ケース４に設けた、電気信号のみを伝え、大電流を流す必要が無い信号端子６の材料を、ケースに設けない主端子５の材料である銅以外の材料とした。特に、信号端子６の材料を鉄ニッケル合金や鉄ニッケルコバルト合金のように鉄とニッケルを含む合金とすれば、ケース材、封止樹脂それぞれとの密着性を両立することが可能となり、信号端子とケース材、封止樹脂との剥離を防止でき、耐ヒートサイクル性や耐パワーサイクル性が高く、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。また、表面電極３ｂにパターンを形成せず、封止樹脂９と半導体素子基板３の絶縁基板３ａとが直接接する部分が無ため、封止樹脂９が半導体素子基板３から剥離し難い。また、表面電極３ｂにパターンを形成せずに、表面電極３ｂに電気的に接続された第１の主端子５ａを、封止樹脂９を貫通させて封止樹脂９の外部に露出させる構成にした。また、半導体素子１ａや１ｂの、表面電極３ｂに接合された側と反対側に形成された主電流を流すための主電極に電気的に接続された第２の主端子５ｂも封止樹脂９を貫通して封止樹脂９の外部に露出させる構成にした。従来は主端子がケースと一体成型されていたのに対し、本発明の実施の形態１による半導体装置では、主端子をケースに設けず封止樹脂９から直接露出する構成としたので、配置の自由度が増し、ケース成型時の高温による主端子の酸化を考慮しなくてもよいというメリットがある。
実施の形態２．
図４に、本発明の実施の形態２による半導体装置の構成を示す。図４に示す半導体装置の構成は、図１の半導体装置と概ね同じであるが、表面電極３１ｂにパターンが形成されており、半導体素子１ａ、1ｂの上面の主電極は、ボンディングワイヤ７０を介して第２の主端子５ｃが固定された表面電極３１ｂに形成されたパターン３２と電気的に接続している。これ以外の構成は、図１の構成と同じである。
図４の構成の半導体装置においても実施の形態１と同様、主端子５はケース４に設けず、封止樹脂９を貫通して直接引き出す第１の主端子５ａ、および第２の主端子５ｃとして設けた。一方、信号端子６はケース４と一体成型され、半導体素子１ａのゲート電極やセンサ類と信号端子６との電気的な接続はボンディングワイヤ７により行われる。この構成においても、実施の形態１と同様、信号端子６は、主端子５と同じ銅ではなく、銅以外の材料、具体的には鉄およびニッケルを含む合金としたため、ケース材、封止樹脂それぞれとの密着性を両立することが可能となり、信号端子６とケース材、封止樹脂との剥離を防止でき、耐ヒートサイクル性や耐パワーサイクル性が高く、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
実施の形態３．
図５は、この発明の実施の形態３による半導体装置の構成を示す側面断面図である、本実施の形態３による半導体装置は、図１に示した半導体装置を内部モジュール２０として、内部モジュール２０を複数放熱板１０の一面に配置したものである。放熱板１０の周辺部に設けた第２のケース１２の内部を第２の封止樹脂１３で封止する構造になっている。また、封止樹脂９を貫通して封止樹脂９の外部に取り出された主端子５は、第２の封止樹脂１３も貫通して第２の封止樹脂１３の外部に露出させる構成となっている。なお、図５では、図１に示した半導体装置を内部モジュールとして複数放熱板の一面に配置したものを示したが、実施の形態２の図４に示した半導体装置を内部モジュールとして複数放熱板の一面に配置しても良い。
図５において、金属製の放熱板１０は、熱伝導性の良い金属材料、例えば銅の板材で構成されている。銅が主成分であれば良く、銅以外の金属を含有していても構わない。また、軽量で熱伝導性の高いアルミニウムまたはその合金でもよい。放熱板１０は接合材１１を介して半導体素子基板３の裏面電極３ｃと接合している。放熱板１０と裏面電極３ｃとの接合材１１は、半導体素子１と表面電極３ｂとの接合材と同様に熱伝導性の良いはんだや、例えば銀を主成分とする焼結性フィラーやろう材を用いることもできる。さらに、熱伝導性の良い絶縁性の接着剤でも構わない。
第２のケース１２は、放熱板１０と接着剤等で固定されている。第２のケース１２は硬化前の第２の封止樹脂１３を注入する際に樹脂漏れを防止するために設けている。第２のケース１２の材料としては実施の形態１においてケース４で説明した材料と同じものを用いることができる。第２の封止樹脂１３は、硬化前に室温で流動性を示す樹脂であれば良いが、大型のモジュール全体を封止するとともに、硬化後、発生応力が大きくならないよう、封止樹脂９よりも弾性率が小さいシリコーン系やウレタン系の軟らかい樹脂が良い。
半導体素子基板３の沿面の絶縁性の確保は、軟らかい第２の封止樹脂１３で行う。もし、エポキシ系の封止樹脂で覆った場合、半導体素子基板と銅やアルミニウムからなる放熱板１０とは熱膨張係数が異なることから、発生応力をエポキシ系の封止樹脂吸収できなく、剥離や樹脂クラックなどの問題を引き起こす。そこで、封止樹脂の弾性率よりも小さい弾性率、すなわち軟らかい第２の封止樹脂１３で応力低減を図っている。
以上の半導体装置の動作について説明する。半導体装置を駆動させると、半導体素子１ａ、１ｂをはじめとする半導体装置内の様々な素子に電流が流れ、その際に電気抵抗成分やスイッチングによる電力ロスが熱に変換され発熱する。このとき半導体素子１ａ、１ｂとして、ＳｉＣのような高温動作が可能な半導体材料の半導体素子を用いると、電流が大きく、動作時の半導体素子１ａ、１ｂ周辺の温度は３００℃にまで達する。半導体素子周辺の温度上昇に伴い半導体装置全体の温度も上昇する。この温度上昇により信号端子６とボンディングワイヤ７が接続される部分が剥離してしまうと、電気信号が途絶え、半導体装置として機能しなくなってしまう。しかし、本発明による半導体装置では、信号端子６が主端子５の材料である銅とは異なる材料、具体的には鉄およびニッケルを含む材料で作製されているため、ケース材、封止樹脂それぞれとの密着性を両立することが可能となる。特に信号端子６とボンディングワイヤ７が接続される部分であり封止樹脂９と接する部分での剥離が抑制される。また、半導体素子１ａ、１ｂ、配線部材であるボンディングワイヤ７や主端子５等の回路部材を含む半導体素子基板の回路面側をエポキシ系からなる封止樹脂９により拘束し、しかも、封止樹脂９の熱膨張係数を半導体素子基板の熱膨張係数に近くなるように調整しているので、半導体素子基板や回路部材に対する熱応力の発生を抑えることができる。したがって、放熱特性に優れ、信頼性の高い半導体装置を得ることが可能となる。
実施の形態４．
図６は、本発明の実施の形態４による半導体装置の構成を示す側面断面図である。実施の形態４による半導体装置は、４２アロイなど鉄およびニッケルを含む合金を用いた信号端子６と一体成型されたケース４が接着剤を介して放熱板１０と接合されている。放熱板１０は接合材１１を介して半導体素子基板３の裏面電極３ｃと接合している。また、ケース４の内部は封止樹脂９で封止されている。さらに、実施の形態１と同様、表面電極３ｂにはパターンが形成されておらず、表面電極３ｂと裏面電極３ｃとは絶縁基板３ａに対して対称に設けられている。表面電極３ｂに接続された第１の主端子５ａは封止樹脂９を貫通して封止樹脂９の外部に露出している。また、半導体素子１ａ、１ｂの表面電極３ｂと反対側の面の主電極に接続された第２の主端子５ｂも封止樹脂９を貫通して封止樹脂９の外部に露出している。
放熱板１０は、実施の形態３と同様に、熱伝導性の良い金属材料、例えば銅の板材で構成されている。また、軽量で熱伝導性の高いアルミニウムまたはその合金でもよい。ただし、本実施の形態４の構造では、絶縁基板、封止樹脂、接合材、放熱板の熱膨張係数の違いから、ヒートサイクル時に樹脂割れが発生しないよう、例えば放熱板を比較的熱膨張係数の小さいＡｌ−ＳｉＣ（熱膨張係数≒１０〜１６ｐｐｍ / Ｋ）などのアルミニウム合金を用いるのがよい。封止樹脂９は、実施の形態１と同様エポキシ樹脂を用いればよい。
実施の形態４の半導体装置は、信号端子６を通常銅製である主端子５とは別の材料、特に鉄ニッケル合金や鉄ニッケルコバルト合金などの鉄およびニッケルを含む合金を用いることで、ケース材、封止樹脂それぞれとの密着性を両立することが可能となる。よって、信号端子とケース材、封止樹脂との剥離を防止でき、ヒートサイクル性やパワーサイクル性の信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
実施の形態５．
図７は、本発明の実施の形態５による半導体装置の構成を示す側面断面図である。実施の形態５による半導体装置は、表面電極３３ｂと放熱板１０とが絶縁シート１４を介して接合されている。
絶縁シート１４は、例えば、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂の中に熱伝導性の良い無機粉末充填材が充填されたものを用いることができる。この絶縁シート１４は放熱性が重要となり、放熱性を高めるためには熱伝導性の高い無機粉末充填材を用いることが有効である。例えば、結晶シリカ、アルミナ、窒化ホウ素、窒化アルミニウムなどの熱伝導性の高い充填材を使用することができる。
本実施の形態５による半導体装置は、放熱板１０上に絶縁シート１４、表面電極３３ｂが一体となった金属基板の絶縁シート上にケース４を接着させ、接合材を介し半導体素子１ａ、１ｂ、および第１の主端子５ａ、第２の主端子５ｂを接合する。その後、ケース４の内部を封止樹脂９で封止する。第１の主端子５ａ、および第２の主端子５ｂは、外部との電気的接続を行うために封止樹脂９を貫通し、封止樹脂９から露出している。
実施の形態５の半導体装置は、実施の形態１〜４と同様、信号端子６を主端子５とは別の材料である鉄およびニッケルを含む合金を用いることで、ケース材、封止樹脂それぞれとの密着性を両立することが可能となり、信号端子とケース材、封止樹脂との剥離を防止でき、ヒートサイクル性やパワーサイクル性の信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
また、実施の形態５の半導体装置は、樹脂ベースである絶縁シートを使用しているため、線膨張係数が絶縁基板よりも封止樹脂や放熱板と近く、セラミックスを使用する時に比べ、ヒートサイクルによる樹脂割れを防ぐことができる。
実施例．
図６に示した実施の形態４の構造の半導体装置を作製し、ヒートサイクル信頼性試験に投入した。信号端子６に本発明の材料の一例として４２アロイを用いたものと、比較例として銅にニッケルメッキを施したものを、放熱板１０の材料として、銅、アルミニウム、Ａｌ−ＳｉＣを用いたものを作製し試験対象とした。
まず、半導体装置の具体的な構成について説明する。窒化ケイ素からなる絶縁基板３ａ（４０ｍｍ×２０ｍｍ、厚み０．３２ｍｍ）表面に０．５ｍｍ厚のべた状の銅製の表面電極３ｂおよび裏面電極３ｃを形成して半導体素子基板３とする。半導体素子１として、１５ｍｍ×１５ｍｍ、厚み０．２５ｍｍのＩＧＢＴチップと１５ｍｍ×１０ｍｍ、厚み０．２５ｍｍのダイオードチップ各１個を、半田接合材２を用いて、半導体素子基板３に接合する。銅製（ニッケルメッキなし）の第１の主端子５ａおよび第２の主端子５ｂも半田接合材を用いて接合する。
比較例としては銅にニッケルメッキを施した信号端子６を、本発明の実施例としては４２アロイ製の信号端子６を一体成型したＰＰＳ製のケース４をシリコーン系の接着剤を用いて半導体素子基板３の表面電極３ｂ上に接合する。次に、０．１５ｍｍ径のアルミニウムからなるボンディングワイヤ７で電気配線を行う。
その後、半導体素子基板３を放熱板１０の所定位置に半田接合材１１を用いて接合する。次に、室温で液状である硬化前のエポキシ系の封止樹脂９をケース４内に注入する。封止樹脂９の硬化を行う。
この半導体装置を−４０℃から１２５℃（各３０分間保持）のヒートサイクル信頼性試験に投入し、５００サイクル毎に取り出し、外観上の損傷、半導体素子１ａ、１ｂの動作、半導体素子基板３の絶縁試験（２．５ｋＶ、１分間印加）を実施して問題ないかを確認した。
上述のように、信号端子６に本発明の材料の一例として４２アロイを用いたものと、比較例として銅にニッケルメッキを施したものを、また、放熱板１０の材料として、銅、アルミニウム、Ａｌ−ＳｉＣを用いたものを作製した。図８に、５００サイクル毎のヒートサイクル信頼性試験の結果を示す。信号端子６として、４２アロイを用いた方が、銅を用いたものより信頼性結果が良好である。信頼性試験の目標として１５００サイクルとした場合、信号端子６として４２アロイを用いたものは放熱板の種類に関わらず全て目標を満足することになる。鉄およびニッケルを含む他の合金も、ケース成型時の高温による耐酸化性、およびケース材、封止樹脂それぞれとの密着性において４２アロイと同じような性質を示すため、銅と比較して良好な特性を示すものと考えられる。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、あるいはその構成要件を省略したりすることが可能である。
１ａ、１ｂ 半導体素子、２、接合材、３ 半導体素子基板、３ａ 絶縁基板、３ｂ 表面電極、３ｃ 裏面電極、４ ケース、５ 主端子、５ａ 第１の主端子、５ｂ 第２の主端子、６ 信号端子、８ 接合材、９ 封止樹脂、１０ 放熱板、１１ 接合材、１２ 第２のケース、１３ 第２の封止樹脂

Claims (6)

  1. 絶縁基板の片面に表面電極が、および前記絶縁基板の他の面に裏面電極が、それぞれ形成された半導体素子基板と、
    前記表面電極の、前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、
    前記表面電極に接合された第１の主端子および前記半導体素子の前記表面電極とは反対側の面に接合された第２の主端子と、
    少なくとも前記半導体素子を内側に含むように設けられ、電気信号の入出力を行うための信号端子が一体成型されたケースと、
    前記ケースの内部を、少なくとも前記半導体素子を覆うように封止する封止樹脂とを備えた半導体装置において、
    前記第１の主端子および前記第２の主端子は前記封止樹脂を貫通して前記封止樹脂の外部に露出するとともに、
    前記信号端子の材料が前記第１の主端子および前記第２の主端子の材料と異なる材料であることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記信号端子の材料は、鉄およびニッケルを含む合金であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記信号端子の材料は、４２アロイであることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
  4. 前記ケースは前記表面電極の周辺部に設けられ、少なくとも前記ケース内部の前記表面電極は、前記絶縁基板全体を被覆し、かつ前記表面電極と前記裏面電極は、前記絶縁基板に対して対称に形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置。
  5. 前記半導体素子がワイドバンドギャップ半導体により形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体装置。
  6. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドの半導体であることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
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