JP2021009869A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

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    • H01L2224/29338Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/29339Silver [Ag] as principal constituent
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    • H01L2224/293Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/29338Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/29347Copper [Cu] as principal constituent
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    • H01L2224/32221Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/32245Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic
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    • H01L2224/32245Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic
    • H01L2224/32258Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic the layer connector connecting to a bonding area protruding from the surface of the item
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    • H01L2224/40137Connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip the bodies being arranged next to each other, e.g. on a common substrate
    • H01L2224/40139Connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip the bodies being arranged next to each other, e.g. on a common substrate with an intermediate bond, e.g. continuous strap daisy chain
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    • H01L2224/39Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process
    • H01L2224/40Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process of an individual strap connector
    • H01L2224/401Disposition
    • H01L2224/40151Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/40221Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/40245Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic
    • H01L2224/40247Connecting the strap to a bond pad of the item
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    • H01L2224/40491Connecting portions connected to auxiliary connecting means on the bonding areas being an additional member attached to the bonding area through an adhesive or solder, e.g. buffer pad
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    • H01L2224/404Connecting portions
    • H01L2224/40475Connecting portions connected to auxiliary connecting means on the bonding areas
    • H01L2224/40499Material of the auxiliary connecting means
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    • H01L2224/47Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
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    • H01L2224/47Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/481Disposition
    • H01L2224/48151Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/48221Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/48225Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
    • H01L2224/48227Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation connecting the wire to a bond pad of the item
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    • H01L2224/732Location after the connecting process
    • H01L2224/73201Location after the connecting process on the same surface
    • H01L2224/73221Strap and wire connectors
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    • H01L2224/73Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L2224/10, H01L2224/18, H01L2224/26, H01L2224/34, H01L2224/42, H01L2224/50, H01L2224/63, H01L2224/71
    • H01L2224/732Location after the connecting process
    • H01L2224/73251Location after the connecting process on different surfaces
    • H01L2224/73263Layer and strap connectors
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    • H01L2224/732Location after the connecting process
    • H01L2224/73251Location after the connecting process on different surfaces
    • H01L2224/73265Layer and wire connectors
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    • H01L2224/80Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L2224/83Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • H01L2224/832Applying energy for connecting
    • H01L2224/83201Compression bonding
    • H01L2224/83203Thermocompression bonding, e.g. diffusion bonding, pressure joining, thermocompression welding or solid-state welding
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    • H01L2224/80Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L2224/83Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • H01L2224/8338Bonding interfaces outside the semiconductor or solid-state body
    • H01L2224/83399Material
    • H01L2224/834Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/83417Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 400°C and less than 950°C
    • H01L2224/83424Aluminium [Al] as principal constituent
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    • H01L2224/80Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L2224/83Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • H01L2224/8338Bonding interfaces outside the semiconductor or solid-state body
    • H01L2224/83399Material
    • H01L2224/834Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/83438Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/83447Copper [Cu] as principal constituent
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Abstract

【課題】ボイドが存在しても、部分放電の発生が抑制される半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置100は、開口部15aを有する第一絶縁層15および第一絶縁層15の開口部15aから露出するソース電極12を有する半導体素子10と、ソース電極12に接合された中継導体21と、ソース電極12と中継導体21とを接合する接合層41と、第一絶縁層15aの少なくとも一部を覆い、少なくとも接合層41の周囲に接して設けられた第二絶縁層31と、中継導体21に接続された表面側導体22と、表面側導体22と第二絶縁層31との間に充填された封止樹脂32と、を備える。【選択図】図1

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関する。
モータ等を駆動する電力変換部を有するパワー半導体装置として、パワー半導体素子を一対の金属板により挟んで、金属板間に樹脂を充填して半導体素子を封止する構造を有するものがある。より詳細には、半導体素子の一方の電極に金属ブロックを接合し、この金属ブロックを一方の金属板に接続し、半導体素子の他方の電極を他方の金属板に接続する。各金属板の面積は、半導体素子の表裏面の面積より大きく形成されており、この一対の金属板間に、トランスファーモールド法等のモールド法により、樹脂を充填して半導体素子を封止する(例えば、特許文献1参照)。
特開2011−114176号公報
モールド法により形成する封止樹脂には、ボイド(空隙)等の欠陥部が生じ易い。パワー半導体装置では、パワー半導体素子に高電圧が印加されるため、封止樹脂にボイド等の欠陥部が存在すると、その欠陥部に電界が集中し、部分放電が発生する可能性がある。部分放電が発生した状態が続くと、封止樹脂が劣化し、最終的に絶縁破壊してパワー半導体装置が故障する虞がある。
本発明の第一の態様によると、半導体装置は、開口部を有する第一絶縁層および前記第一絶縁層の前記開口部から露出する表面電極を有する半導体素子と、前記表面電極に接合された中継導体と、前記表面電極と前記中継導体とを接合する接合層と、前記第一絶縁層の少なくとも一部を覆い、少なくとも前記接合層の周囲に接して設けられた第二絶縁層と、前記中継導体に接続された導体と、前記導体と前記第二絶縁層との間に充填された封止樹脂と、を備える。
本発明の第二の態様によると、半導体装置は、開口部を有する第一絶縁層および前記第一絶縁層の前記開口部から露出する表面電極を有する複数の半導体素子と、前記各半導体素子の前記表面電極に接合された中継導体と、前記各表面電極と前記各中継導体を接合する接合層と、前記各第一絶縁層の少なくとも一部を覆い、少なくとも前記各接合層の周囲に接して設けられた第二絶縁層と、前記各中継導体を接続する導体と、を備える。
本発明の第三の態様によると、半導体装置の製造方法は、開口部を有する第一絶縁層および前記第一絶縁層の前記開口部から露出する表面電極を有する半導体素子を準備することと、前記表面電極と中継導体とを接合層により接合することと、前記第一絶縁層の少なくとも一部を覆い、少なくとも前記接合層の周囲に接する第二絶縁層を設けることと、前記中継導体に導体を接続することと、前記導体と前記第二絶縁層との間に封止樹脂を充填することと、を含む。
本発明によれば、ボイドが存在しても、部分放電の発生が抑制される。
本発明の半導体装置の第1の実施形態の断面図。 (A)、(B)は、図1に図示された半導体装置100の製造方法を説明するための各工程における半導体装置の断面図。 (A)、(B)は、図2に続く各工程における半導体装置の断面図。 本発明の半導体装置の第2の実施形態の断面図。 封止樹脂に存在するボイドに高電界が印加され、部分放電が発生する作用を説明するための断面図であり、(A)は、比較例の半導体装置100Rの断面図、(B)は、本実施形態の半導体装置の断面図。 本発明の半導体装置の第3の実施形態の分解斜視図。 図6に図示された半導体装置の拡大分解斜視図。 図6に図示された半導体装置の断面図であり、(A)は樹脂封止前の断面図、(B)は、樹脂封止後の断面図。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の記載および図面は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施する事が可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。
図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。
−第1の実施形態−
以下、図1〜図3を参照して、本発明の第1の実施形態を説明する。
図1は、本発明の半導体装置の第1の実施形態の断面図である。
半導体装置100は、半導体素子10を備えている。半導体素子10は、例えば、SiC(シリコンカーバイト)MOS FET(Metal-Oxide-Semiconductor Field effect
transistor)である。半導体素子10は、半導体基板11と、ソース電極12と、ドレイン電極13と、内部配線14と、第一絶縁層15を有する。なお、図1には、図示しないが、半導体素子10は、ゲート電極17(図7参照)を有する。半導体装置100は、半導体素子10と、中継導体21と、表面側導体22と、裏面側導体23と、第二絶縁層31と、封止樹脂32を有する。
第一絶縁層15は、半導体基板11内部に形成された半導体素子形成用の不純物領域および内部配線14を保護するために設けられた絶縁膜であり、酸化シリコンまたは窒化シリコン等の無機材料により形成されている。第一絶縁層15には、開口部15a(図2(B)も参照)が設けられている。ソース電極12は、第一絶縁層15の開口部15aより少し大きく形成されており、ソース電極12の周縁部の内側が第一絶縁層15の開口部15aから露出している。第一絶縁層15は、例えば、ポリイミドまたはポリベンゾオキサドール等の樹脂により形成される。第一絶縁層15は、半導体素子メーカーにより形成されており、その厚さは、一般的に、数μm程度とされている。
中継導体21は、第一絶縁層15の開口部15aより少し小さい面積を有し、接合層41により、ソース電極12の、第一絶縁層15の開口部15aから露出した部分の全面に接合されている。接合層41は、中継導体21とほぼ同じ面積を有する。従って、接合層41の周縁部と第一絶縁層15の開口部15aの周縁部との間には隙間G(図2(B)参照)が形成されている。中継導体21は、銅系金属により形成することができる。また、中継導体21は、CIC(Copper Invar Copper)等のクラッド材を用いて形成することができる。インバー(登録商標)は、鉄とニッケルの合金であり、低熱膨張率の材料であるので、インバーを含む材料により中継導体21を形成することにより、駆動時に半導体素子10が高温となっても、封止樹脂32との剥離を抑制することができる。
第二絶縁層31は、第一絶縁層15上に形成されている。第二絶縁層31は、第一絶縁層15の全面には形成されておらず、第一絶縁層15の周縁部側は、第二絶縁層31から露出している。第二絶縁層31は、接合層41の周縁部と第一絶縁層15の開口部15aの周縁部との間の隙間G内にも充填されており、接合層41の周縁部および中継導体21の接合層41側近傍領域の周縁部に接している。第二絶縁層31は、後述するように、ポッティング法または印刷法等を用いた塗布により形成される。第二絶縁層31は、例えば、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリエーテルアミドイミド、ポリエーテルアミド等の樹脂で形成される。第一絶縁層15と第二絶縁層31を、同じ樹脂により形成してもよい。第二絶縁層31は、数十μm程度であり、第一絶縁層15の厚さより厚くすることが好ましい。
表面側導体22は、半導体素子10の表面面積、すなわち、第一絶縁層15の平面視での面積よりも大きい面積を有する。表面側導体22は、接合層42により中継導体21に接合されている。接合層42は、中継導体21とほぼ同じ面積を有する。表面側導体22は、銅系金属またはアルミニウム系金属により形成することができる。
裏面側導体23は、接合層43により、半導体基板11のソース電極12と対向する裏面側に設けられたドレイン電極13に接合されている。裏面側導体23は、表面側導体22と同じ面積を有する。封止樹脂32は、表面側導体22と裏面側導体23との間に充填されている。つまり、半導体素子10の周側面、第二絶縁層31、中継導体21の周側面は、封止樹脂32により封止されている。裏面側導体23は、銅系金属またはアルミニウム系金属により形成することができる。
接合層41〜43として、はんだや焼結金属材料を用いることができる。
封止樹脂32としては、エポキシ樹脂等を用いることができる。封止樹脂32による封止は、トランスファーモールド等のモールド法等が適しているが、ポッティング法や、シルク印刷、シーリング印刷、インクジェット印刷、熱転写印刷等の印刷法を用いてもよい。
次に、上記実施形態の半導体装置100における、ボイドの存在に伴う封止樹脂の劣化抑制作用について説明する。
図5は、封止樹脂に存在するボイドに高電界が印加され、部分放電が発生する作用を説明するための断面図である。図5(A)は、比較例の半導体装置100Rの封止樹脂に発生するボイドを示す断面図であり、図5(B)は、本実施形態の半導体装置100の封止樹脂に発生するボイドを示す断面図である。
図5(A)に図示される比較例の半導体装置100Rは、本実施形態の半導体装置100の中継導体21を有していない。
半導体装置100Rでは、表面側導体22Rは、ソース電極12の、第一絶縁層15の開口部15aから露出した部分に対向する突出部25を有している。突出部25は、表面側導体22Rと一体成形されている。すなわち、突出部25とソース電極12とを接合層41により接合した後では、第一絶縁層15の開口部15aの内周縁部と接合層41との間の隙間Gの周辺領域は、封止樹脂32を介して表面側導体22Rにより覆われている。
このため、表面側導体22Rと裏面側導体23との間に封止樹脂32を充填する前に、第一絶縁層15上に第二絶縁層31Rを塗布する場合、表面側導体22Rが邪魔になり、第二絶縁層31Rを接合層41の周縁部や突出部25の周縁部に接するように形成することは困難である。つまり、第一絶縁層15の開口部15aの内周縁部と接合層41との間の隙間Gは、第一絶縁層15によっても、第二絶縁層31Rによっても覆われない状態となる。
なお、図5(A)において、表面側導体22Rをソース電極12に接合する前に第2絶縁層31Rを充填する場合、ソース電極12の表面側導体22Rを接合する領域(表面側導体接合領域に第2絶縁層31R)が侵入しないようにする工程が必要である。また、この工程では、ソース電極12の表面側導体接合領域と第1絶縁層15の開口15aの内周縁部との間に僅かな隙間Gを設ける必要があり、この僅かな隙間Gに絶縁材が十分に充填できず、ボイドAの高電界による封止樹脂劣化は避けられない。
MOS FET等では、ソース電極12周辺部には高電界が発生する。特に、SiC MOS FETでは、Si MOSFETの10倍程度の絶縁破壊電界強度の高電界が生じる。ソース電極12周辺の封止樹脂32にボイドAが存在すると、ボイドAに高電界が集中し、部分放電が発生する可能性がある。部分放電が発生した状態が続くと、封止樹脂32が劣化し、最終的に絶縁破壊して半導体素子10が故障する。
特に、突出部25がソース電極12に接合されているような狭い空間には、モールド法による封止樹脂は充填され難く、ボイドAが発生する確率が高い。
本実施形態の半導体装置100は、図5(B)に図示するように、ソース電極12と表面側導体22との間に設けられた中継導体21を有している。このため、接合層41により、ソース電極12に中継導体21を接合した状態で、表面側導体22を中継導体21に接合する前に、第二絶縁層31を、第一絶縁層15の周縁部と接合層41との間の隙間G内に充填することができる。第二絶縁層31により第一絶縁層15の周縁部と接合層41との間の隙間Gが覆われた状態で封止樹脂32にボイドAが存在すると、ソース電極12周辺部に発生する高電界は、ボイドAに印加される電圧と第二絶縁層31に印加される電圧とに分圧される。
空気層であるボイドAに加わる電圧は、空気層の誘電率に対する第二絶縁層31の比誘電率、およびボイドAの厚さと第二絶縁層31の厚さとの比に関連する。第二絶縁層31の厚さが大きくなり、ボイドAの厚さが小さくなると、ボイドAに集中する電圧が小さくなる。このため、第二絶縁層31の厚さを所定の厚さ以上とすることにより、ボイドAに加わる電圧を部分放電開始電圧より小さくすることができる。従って、第二絶縁層31を所定の厚さ以上とすれば、この後、接合層42により中継導体21に表面側導体22を接合し、表面側導体22と裏面側導体23間に封止樹脂32を充填した場合、封止樹脂32にボイドAが発生しても、部分放電が発生するのを抑制することができる。
次に、半導体装置100の製造方法を説明する。
図2(A)、図2(B)は、図1に図示された半導体装置100の製造方法を説明するための各工程における半導体装置の断面図であり、図3(A)、図3(B)は、図2に続く各工程における半導体装置の断面図である。
先ず、半導体素子10を準備する。 上述したように、半導体素子10は、半導体基板11と、ソース電極12と、ドレイン電極13と、内部配線14と、第一絶縁層15とを有する。
そして、図2(A)に図示するように、半導体素子10のドレイン電極13と裏面側導体23とを接合層43により接合する。接合層43として、上述したように、はんだ、または焼結金属材料を用いることができる。焼結金属材料は、粉末やペースト状を有しており、加熱により焼結金属となる。焼結金属材料としては、銅や銀を含む焼結金属接合ペーストを用いることが好ましい。半導体素子10のドレイン電極13と裏面側導体23との間に接合層43を介在させ、熱圧着することにより接合する。
次に、図2(B)に図示するように、半導体素子10のソース電極12と中継導体21とを接合層41により接合する。接合層41として、接合層43と同様なものを用いる。半導体素子10のソース電極12と中継導体21との間に接合層41を介在させ、熱圧着することにより接合する。半導体素子10のソース電極12と中継導体21とを接合する接合層41は、半導体素子10の第一絶縁層15の開口部15a内に設けられる。つまり、接合層41は、半導体素子10の第一絶縁層15の開口部15aより小さい。このため、第一絶縁層15の周縁部と接合層41との間には、隙間Gが形成される。
図2(A)の工程と、図2(B)の工程とは、逆の手順としてもよい。また、同一行程で行ってもよい。同一工程で行う場合は、半導体素子10のドレイン電極13と裏面側導体23とを接合層43を介在させるとともに、半導体素子10のソース電極12と中継導体21との間に接合層41を介在させ、この状態で、全体を熱圧着する。
次に、図3(A)に図示するように、第一絶縁層15上に、第二絶縁層31を塗布する。第二絶縁層31は、接合層41の周縁部と第一絶縁層15の開口部15aの周縁部との間の隙間G(図2(B)参照)内に、接合層41の周縁部に接するように充填される。第二絶縁層31は、中継導体21の下端部側、換言すれば、接合層41側の周縁部に接するように設けてもよい。第二絶縁層31の形成には、ディスペンサーを用いるポィッテング法、または印刷法を用いることができる。印刷法として、シルク印刷、シーリング印刷、インクジェット印刷、熱転写印刷等を適用することができる。
次に、図3(B)に図示するように、接合層42により、中継導体21に表面側導体22を接合する。接合層42として、接合層41、43と同様なものを用いる。中継導体21と表面側導体22との間に接合層42を介在させ、熱圧着することにより接合する。
この後、表面側導体22と裏面側導体23との間に封止樹脂32を充填する。これにより、半導体素子10の周側面、第二絶縁層31、中継導体21の周側面が、封止樹脂32により封止された図1に図示される半導体装置100が形成される。封止樹脂32の形成は、上述したように、トランスファーモールド法が適しているが、ポッティング法や印刷法を用いてもよい。
上記第1の実施形態によれば下記の効果を奏する。
(1)半導体装置100は、開口部15aを有する第一絶縁層15および第一絶縁層15の開口部15aから露出するソース電極(表面電極)12を有する半導体素子10と、ソース電極12に接合された中継導体21と、ソース電極12と中継導体21とを接合する接合層41と、第一絶縁層15の少なくとも一部を覆い、少なくとも接合層41の周囲に接して設けられた第二絶縁層31と、中継導体21に接続された表面側導体(導体)22と、表面側導体22と第二絶縁層31との間に充填された封止樹脂32と、を備える。このように、第一絶縁層15の開口部15aから露出するソース電極12は、接合層41の周囲に接して設けられた第二絶縁層31により覆われている。このため、封止樹脂32にボイドAが存在しても、部分放電の発生が抑制され、封止樹脂32の劣化を抑制することができる。
−第2の実施形態−
図4は、本発明の半導体装置の第2の実施形態の断面図である。
第2の実施形態の半導体装置100は、第二絶縁層31aが、半導体素子10の外周側面に延在され、裏面側導体23に接する構造を有する。
第1の実施形態では、第二絶縁層31は、半導体素子10の表面側にのみに形成されており、裏面側導体23に接するように延在されているものではなかった。このような構造では、接合層42により、中継導体21に表面側導体22を接合する際、熱圧着時の加熱により接合層41が溶融し、中継導体21が位置ずれを起こす可能性がある。第二の実施形態では、第二絶縁層31aが裏面側導体23に接する位置まで延在されている。第二絶縁層31aは中継導体21に接しているので、熱圧着時の加熱により接合層41が溶融しても、中継導体21の移動は、裏面側導体23に接する第二絶縁層31aにより規制される。
第2の実施形態の他の構成は、第1の実施形態と同様であり、対応する構成に同一の符号を付して説明を省略する。
第2の実施形態においても、第1の実施形態と同様な効果を奏する。
また、第2の実施形態によれば、中継導体21に表面側導体22を接合する際の中継導体21の位置ずれを抑制することができる。
−第3の実施形態−
図6〜図8を参照して、本発明の第3の実施形態を説明する。
図6は、本発明の半導体装置の第3の実施形態の分解斜視図である。
半導体装置200は、4つの半導体装置300と、外側表面側導体222と、外側裏面側導体223とを備える。4つの半導体装置300は、相互に離間して、左右方向に2行、上下方向に2列、マトリクス状に配列されている。外側表面側導体222と外側裏面側導体223は、それぞれ、マトリクス状に配列された4つの半導体装置300の全領域を覆う大きさを有する。4つの半導体装置300は、いずれも同一の構造を有する。
2つの半導体装置300は、それぞれ、上アーム回路を有し、残りの2つの半導体装置300は、それぞれ、下アーム回路を有する。また、上アーム回路を有する半導体装置300と下アーム回路を有する半導体装置300は、直列に接続され、上下アーム直列回路を構成する。上アーム回路と下アーム回路の接続部から、位相の異なる交流出力が得られる電力変換装置を構成することができる。
図7は、図6に図示された半導体装置の拡大分解斜視図であり、図8は、図6に図示された半導体装置の断面図であり、図8(A)は樹脂封止前の断面図、図8(B)は、樹脂封止後の断面図である。
半導体装置300は、4つの半導体素子10と、表面側導体122と、裏面側導体123とを備えている。4つの半導体素子10は、相互に離間して、左右方向に2行、上下方向に2列、マトリクス状に配列されている。すなわち、半導体装置300は、4in1パッケージとして構成されている。表面側導体122と裏面側導体123は、それぞれ、マトリクス状に配列された4つの半導体素子10の全領域を覆う大きさを有する。
4つの半導体素子10は、いずれも第1の実施形態の半導体素子と同一の構造を有する。すなわち、図8に図示されるように、半導体素子10は、半導体基板11と、ソース電極12と、ドレイン電極13と、内部配線14と、第一絶縁層15を有する。図8に図示されるように、各半導体素子10のソース電極12には接合層41を介して中継導体21が接合されている。また、各半導体素子10の第一絶縁層15上には、接合層41の周縁部および中継導体21の接合層41側近傍領域周縁部に接する第二絶縁層31が形成されている。
図7に図示されるように、表面側導体122は、4つの半導体素子10を覆う矩形形状の本体と、この矩形形状の本体の4つのコーナー部のそれぞれから延在された脚部の先端に、裏面側導体123側に向けて突出するセンス接続部131とを有する。センス接続部131は、四角柱形状を有し、ボンディングワイヤに比し、大きな断面積を有する。センス接続部131が大きな断面積を有する理由は、表面側導体122と裏面側導体123に作用する負荷に耐えられる強度を確保するためと、インダクタンスを小さくするためである。
裏面側導体123は、第1の実施形態の裏面側導体23に対応する部材であるが、第3の実施形態では、4つの半導体素子10が接合層43を介して接合されるサイズを有する。裏面側導体123には、4つの半導体素子10が接合される領域を除く全面に絶縁層151が設けられている。絶縁層151には、樹脂やセラミックを用いることができる。
裏面側導体123上に形成された絶縁層151上には、ゲート配線152およびセンス配線153が設けられている。ゲート配線152およびセンス配線153は、不図示の制御部に接続される。
不図示の制御部は、センス配線153を介した半導体素子10のソース電極12との接続をグランド、すなわち、基準電位として、ゲート配線152を介して半導体素子10のソース電極12に電圧を印加する。センス接続部131の断面積を大きくする理由としてインダクタンスを小さくすることを挙げたが、正確には、センス配線153を介した半導体素子10のソース電極12との接続におけるインダクタンスを小さくするためである。
図7を参照して、ゲート配線152は、裏面側導体123上に設けられた絶縁層151上を、左右に分離された二対の半導体素子10の間において、換言すれば、裏面側導体123の左辺と右辺の中央において、裏面側導体123の上下方向に延在して形成されている。各半導体素子10のゲート電極17は、ボンディングワイヤ161によりゲート配線152に接続されている。センス配線153は、ゲート配線152と僅かな隙間を開けてゲート配線152の外側を囲んで形成されている。センス配線153は、裏面側導体123の上下方向に延在された部分と、裏面側導体123の上辺側の側面および下辺側の側面に沿って裏面側導体123のコーナー部近傍まで延在された部分とを有する。
センス配線153は、各コーナー部の近傍に、表面側導体122のセンス接続部131の下端面が接合されるセンス接触領域153aを有する。センス接触領域153aは、センス配線153の一部であり、実際には、領域を示す仕切り線はないが、図7では、判り易くするためにセンス接触領域153aを矩形形状の実線により図示している。表面側導体122は、接合層42(図8(a)、(b)参照)により、各半導体素子10のソース電極12に接合される。従って、センス配線153は、表面側導体122を介して、各半導体素子10のソース電極12に接続される。
4つの半導体素子10を近接して配置すると、各半導体素子10から放出される熱が狭い領域に集中し、裏面側導体123が高温となってしまう。このため、図7に示すように、4つの半導体素子10を所定幅以上に離間して配置して、熱が集中しないようにしている。しかし、半導体素子10を所定幅以上に離間して配置すると裏面側導体123、換言すれば、半導体装置300の面積が大きくなる。そこで、半導体素子10が離間された中央のスペースにゲート配線152とセンス配線153とを引き回すことにより、スペースの有効活用を図り、裏面側導体123の面積の縮小化を図っている。
図7および図8に図示されるように、表面側導体122のセンス接続部131の下端面が接合されるセンス接触領域153aは、4つの半導体素子10が配列された、矩形の外周領域の外側に配置されている。このため、センス配線153を介した半導体素子10のソース電極12との接続におけるインダクタンスを小さくすることができる。
図6に図示される半導体装置200を構成する4つの半導体装置300は、図8(a)に図示されるように、外側表面側導体222と外側裏面側導体223の間に配置される。
各半導体装置300の表面側導体122は、接合層44により、外側表面側導体222に接合されている。各半導体装置300の裏面側導体123は、接合層45により、外側裏面側導体223に接合されている。接合層44、45は、接合層41〜43と同一の材料を用いて形成することができる。
図8(a)に図示された状態は、半導体装置200を構成する4つの半導体装置300に、封止樹脂32が充填されていない状態である。つまり、各半導体素子10および第二絶縁層31等は、封止樹脂32により封止されていない。しかし、各半導体素子10の第一絶縁層15上には、接合層41の周縁部および中継導体21の接合層41側近傍領域周縁部に接する第二絶縁層31が形成されている。このため、この状態で、ソース電極12に高電界を印加する高電界印加試験を行うことができる。ソース電極12に高電界を印加することで、部分放電が発生したり、半導体素子10が損傷したり、特性が劣化したりするか否かを検査し、不良品を除去したり、修理したりすることができる。これにより、樹脂封止後に検査を行うよりも、生産性を向上することができる。
高電界印加試験後、外側表面側導体222と外側裏面側導体223との間に、封止樹脂32を充填し、各半導体素子10の周側面、第二絶縁層31、中継導体21の周側面を、封止樹脂32により封止する。これにより、図8(b)に図示される半導体装置200を形成することができる。
高電界印加試験は、図8(b)の状態で行ってもよいし、図8(a)の状態で行って、再度、図8(b)の状態で行ってもよい。
第3の実施形態では、センス配線153とソース電極12とは、表面側導体122に一体的に設けたセンス接続部131により接続する構造として例示した。しかし、センス配線153とソース電極12とは、ボンディングワイヤにより接続するようにしてもよい。
第3の実施形態では、半導体装置300は、4つのアーム回路が一体化された4in1パッケージとして例示した。しかし、半導体装置300は、複数のアーム回路が一体化されたパッケージであればよく、N(N≧2)in1パッケージに幅広く適用することが可能である。
なお、上記各実施形態では、スイッチング用素子を、MOS FETとして例示した。しかし、MOS FETに替えて、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等の他の半導体素子を用いてもよい。
上記各実施形態では、スイッチング用素子としてSiC(炭化ケイ素)MOS FETが好ましいとした。しかし、本発明は、炭化ケイ素の他にも、窒化ガリウム、酸化ガリウム、ダイヤモンドを母材とする半導体素子に対しても適用することができる。また、本発明は、通常のSi MOS FETにも適用することができる。
上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。
10 半導体素子
12 ソース電極(表面電極)
13 ドレイン電極(裏面電極)
15 第一絶縁層
15a 開口部
21 中継導体
22 表面側導体(導体)
23 裏面側導体(対向導体)
31、31a 第二絶縁層
32 封止樹脂
41〜45 接合層
100 半導体装置
122 表面側導体(導体)
123 裏面側導体
200 半導体装置
222 外側表面側導体(外側導体)
223 外側裏面側導体
300 半導体装置
ボイド
G 隙間

Claims (14)

  1. 開口部を有する第一絶縁層および前記第一絶縁層の前記開口部から露出する表面電極を有する半導体素子と、
    前記表面電極に接合された中継導体と、
    前記表面電極と前記中継導体とを接合する接合層と、
    前記第一絶縁層の少なくとも一部を覆い、少なくとも前記接合層の周囲に接して設けられた第二絶縁層と、
    前記中継導体に接続された導体と、
    前記導体と前記第二絶縁層との間に充填された封止樹脂と、を備える半導体装置。
  2. 請求項1に記載の半導体装置において、
    前記開口部の周縁部と前記接合層の周囲との間に隙間が設けられ、
    前記第二絶縁層は、前記隙間内に充填されている半導体装置。
  3. 請求項1に記載の半導体装置において、
    前記第二絶縁層は、前記中継導体の少なくとも前記接合層側の周囲に接している半導体装置。
  4. 請求項1に記載の半導体装置において、
    前記導体と前記中継導体とを接合する接合層をさらに備える半導体装置。
  5. 請求項1に記載の半導体装置において、
    前記導体は、前記半導体素子の前記第一絶縁層全体を覆う面積を有し、
    前記封止樹脂は、前記半導体素子の周囲を封止する半導体装置。
  6. 請求項1に記載の半導体装置において、
    前記第二絶縁層は、前記第一絶縁層よりも厚く設けられている半導体装置。
  7. 請求項1に記載の半導体装置において、
    前記中継導体は、インバーを含む半導体装置。
  8. 請求項1に記載の半導体装置において、
    前記接合層は、金属接合ペーストが焼結された焼結金属である半導体装置。
  9. 請求項1に記載の半導体装置において、
    前記半導体素子は、前記表面電極の対向面側に裏面電極を有し、
    さらに、前記裏面電極に接続された対向導体を有し、
    前記第二絶縁層は、前記対向導体に接している半導体装置。
  10. 請求項1から請求項9までのいずれか一項に記載の半導体装置において、
    前記半導体素子は、炭化ケイ素、窒化ガリウム、酸化ガリウム、ダイヤモンドのいずれかを母材とする半導体装置。
  11. 開口部を有する第一絶縁層および前記第一絶縁層の前記開口部から露出する表面電極を有する複数の半導体素子と、
    前記各半導体素子の前記表面電極に接合された中継導体と、
    前記各表面電極と前記各中継導体とを接合する接合層と、
    前記各第一絶縁層の少なくとも一部を覆い、少なくとも前記各接合層の周囲に接して設けられた第二絶縁層と、
    前記各中継導体を接続する導体と、を備える半導体装置。
  12. 請求項11に記載の半導体装置において、
    前記導体と前記第二絶縁層との間に充填された封止樹脂と、を備える半導体装置。
  13. 請求項11に記載の半導体装置を複数有し、
    前記各半導体装置の前記導体を接続する外側導体を、さらに有する半導体装置。
  14. 開口部を有する第一絶縁層および前記第一絶縁層の前記開口部から露出する表面電極を有する半導体素子を準備することと、
    前記表面電極と中継導体とを接合層により接合することと、
    前記第一絶縁層の少なくとも一部を覆い、少なくとも前記接合層の周囲に接する第二絶縁層を設けることと、
    前記中継導体に導体を接続することと、
    前記導体と前記第二絶縁層との間に封止樹脂を充填することと、を含む半導体装置の製造方法。
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