JP2021184449A - 半導体装置 - Google Patents

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connection terminal
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展弘 東
Nobuhiro Azuma
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    • H01L2224/32221—Disposition 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
    • H01L2224/32225—Disposition 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 non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
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    • H01L2224/44—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/45—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process of an individual wire connector
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    • H01L2224/451—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
    • H01L2224/45117—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 400°C and less than 950°C
    • H01L2224/45124—Aluminium (Al) as principal constituent
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    • H01L2224/44—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/45—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/45001—Core members of the connector
    • H01L2224/45099—Material
    • H01L2224/451—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
    • H01L2224/45138—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
    • H01L2224/45139—Silver (Ag) as principal constituent
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    • H01L2224/44—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process
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    • H01L2224/45001—Core members of the connector
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    • H01L2224/451—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
    • H01L2224/45138—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
    • H01L2224/45144—Gold (Au) as principal constituent
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    • H01L2224/44—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/45—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process of an individual wire connector
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    • H01L2224/45138—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
    • H01L2224/45147—Copper (Cu) as principal constituent
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    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
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    • H01L2224/481—Disposition
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    • H01L2224/48137—Connecting 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
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    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
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    • H01L2224/48153—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 arranged next to each other, e.g. on a common substrate
    • H01L2224/48175—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 arranged next to each other, e.g. on a common substrate the item being metallic
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    • H01L2224/73—Means 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
    • H01L2224/732—Location after the connecting process
    • H01L2224/73251—Location after the connecting process on different surfaces
    • H01L2224/73265—Layer and wire connectors
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    • H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L2224/83—Methods 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
    • H01L2224/8338—Bonding interfaces outside the semiconductor or solid-state body
    • H01L2224/83399—Material
    • H01L2224/834—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
    • H01L2224/83417—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 400°C and less than 950°C
    • H01L2224/83424—Aluminium [Al] as principal constituent
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    • H01L2224/83—Methods 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
    • H01L2224/8338—Bonding interfaces outside the semiconductor or solid-state body
    • H01L2224/83399—Material
    • H01L2224/834—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
    • H01L2224/83438—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
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    • H01L2224/83—Methods 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
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    • H01L2224/85439—Silver (Ag) as principal constituent
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    • H01L2224/85444—Gold (Au) as principal constituent
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    • H01L2224/85447—Copper (Cu) as principal constituent
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    • H01L2224/85455—Nickel (Ni) as principal constituent
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    • H01L2224/85463—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 1550°C
    • H01L2224/85464—Palladium (Pd) as principal constituent
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    • H01L2224/85463—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 1550°C
    • H01L2224/85466—Titanium (Ti) as principal constituent
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    • H01L2224/85463—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 1550°C
    • H01L2224/85469—Platinum (Pt) as principal constituent
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    • H01L2224/854—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
    • H01L2224/85463—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 1550°C
    • H01L2224/8547—Zirconium (Zr) as principal constituent
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    • H01L2224/85—Methods 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 wire connector
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    • H01L2224/854—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
    • H01L2224/85463—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 1550°C
    • H01L2224/85471—Chromium (Cr) as principal constituent
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    • H01L2224/85463—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 1550°C
    • H01L2224/85472—Vanadium (V) as principal constituent
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    • H01L2224/85479—Niobium (Nb) as principal constituent
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    • H01L2224/8548—Molybdenum (Mo) as principal constituent
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    • H01L2224/85481—Tantalum (Ta) as principal constituent
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Abstract

【課題】温度変化に伴う内部応力を緩衝することができる。【解決手段】半導体装置１０は、半導体チップ１３ａ，１３ｂと、おもて面に収納領域１６ｈが開口され、収納領域１６ｈに半導体チップ１３ａ，１３ｂを収納するケース１５と、収納領域１６ｈの内壁部に設けられた緩衝部材１９と、緩衝部材１９を介して内壁部に設けられた低膨張部材１８と、低膨張部材１８が内壁部に設けられた収納領域１６ｈの内部を封止する封止部材２１と、を有する。この際、緩衝部材１９は、ケース１５及び封止部材２１よりも弾性率が小さく、低膨張部材１８は、ケース１５及び封止部材２１よりも線膨張係数が小さい。温度変化に伴って半導体装置１０に内部応力が発生し、この内部応力を受けた低膨張部材１８がケース１５（枠部１６）の内壁部を押圧しても、低膨張部材１８と枠部１６の内壁部との間の緩衝部材１９が低膨張部材１８からの押圧を緩衝する。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置に関する。
半導体装置は、パワーデバイスを含み、電力変換装置として利用されている。パワーデバイスは、半導体チップを含む。半導体チップは、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）である。このような半導体装置は、少なくとも、半導体チップと当該半導体チップが配置されるセラミック回路基板とセラミック回路基板が配置される放熱板とを含んでいる。なお、セラミック回路基板は、絶縁板と絶縁板上に配置された回路パターンとを含む。さらに、半導体装置は、半導体チップを収納するケースとケース内を封止する封止部材とを含む。ケースは、放熱板上に配置されて、半導体チップが配置されたセラミック回路基板の周囲を囲む。また、ケースは、外部接続端子が一体成形されている。外部接続端子は、ケース内でセラミック回路基板及び半導体チップに電気的に接続する。
特開２０１７−１７１０９号公報
上記の半導体装置に含まれるケースと封止部材とでは異なる樹脂が用いられ、ケースと封止部材とでは線膨張係数が異なる。このため、半導体装置は温度変化に伴って内部応力が発生してしまう。すると、半導体装置の内部の部品間で剥離が発生してしまうことから、半導体装置のパワーサイクル耐量が低下してしまう。したがって、半導体装置の温度変化に対する信頼性の低下を招いてしまう。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、温度変化に伴う内部応力を緩衝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。
本発明の一観点によれば、半導体チップと、内壁部が収納領域を取り囲む枠部を備え、前記収納領域に前記半導体チップを収納するケースと、前記内壁部の収納領域側に設けられた緩衝部材と、前記緩衝部材を介して前記内壁部の収納領域側に設けられた低膨張部材と、前記収納領域の内部を封止する封止部材と、を有し、前記緩衝部材は、前記ケース及び前記封止部材よりも弾性率が小さく、前記低膨張部材は、前記ケース及び前記封止部材よりも線膨張係数が小さい、半導体装置を提供する。
上記構成の半導体装置は、温度変化に伴う内部応力を緩衝し、温度変化に対する信頼性の低下を防止する。
第１の実施の形態の半導体装置の側断面図である。 第１の実施の形態の半導体装置の要部平面図である。 第１の実施の形態の半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。 第１の実施の形態の半導体装置の製造方法に含まれるケース取り付け工程後を説明するための図（その１）である。 第１の実施の形態の半導体装置の製造方法に含まれるケース取り付け工程後を説明するための図（その２）である。 第１の実施の形態の半導体装置の製造方法に含まれる外部接続端子取り付け工程後を説明するための断面図（その１）である。 第１の実施の形態の半導体装置の製造方法に含まれる外部接続端子取り付け工程後を説明するための断面図（その２）である。 第１の実施の形態の半導体装置に含まれる低膨張部材を説明するための図である。 第１の実施の形態の半導体装置の製造方法に含まれる低膨張部材取り付け工程後を説明するための図である。 第２の実施の形態の半導体装置に含まれる低膨張部材を説明するための図である。 第２の実施の形態の半導体装置に含まれる外部接続端子取り付け工程を説明するための図である。 第２の実施の形態の半導体装置の要部平面図である。 第３の実施の形態の半導体装置の要部平面図である。
以下、実施の形態について図面を用いて説明する。なお、本実施の形態において、おもて面（上方）とは、図１の半導体装置１０が上側を向いた面（方向）を表す。例えば、絶縁回路基板１２において半導体チップ１３ａ，１３ｂが搭載された面（搭載された側）がおもて面（上方）である。裏面（下方）とは、図１の半導体装置１０において、下側を向いた面（方向）を表す。例えば、絶縁回路基板１２において放熱板１４が接合された面（搭載された側）が裏面（下方）である。図１以外でもおもて面（上方）及び裏面（下方）は同様の方向性を意味する。
［第１の実施の形態］
第１の実施の形態の半導体装置について、図１及び図２を用いて説明する。図１は、第１の実施の形態の半導体装置の側断面図である。図２は、第１の実施の形態の半導体装置の要部平面図である。なお、図１は、図２の一点鎖線Ｘ−Ｘに対応する箇所における断面図である。図２は、図１の半導体装置１０の右側の要部の平面図である。また、図２では、封止部材２１の記載を省略している。
半導体装置１０は、図１及び図２に示されるように、半導体ユニット１１と、半導体ユニット１１がおもて面に配置されて、平面視矩形状の放熱板１４と、放熱板１４の外周縁に設けられて、半導体ユニット１１を収納するケース１５とケース１５内を封止する封止部材２１とを含んでいる。半導体ユニット１１は、さらに、絶縁回路基板１２と絶縁回路基板１２のおもて面に接合部材を介して配置された半導体チップ１３ａ，１３ｂとを含んでいる。
絶縁回路基板１２は、絶縁板１２ａと絶縁板１２ａのおもて面に設けられた複数の回路パターン１２ｂと絶縁板１２ａの裏面に設けられた金属板１２ｃとを含んでいる。絶縁板１２ａ及び金属板１２ｃは、平面視で矩形状である。また、絶縁板１２ａ及び金属板１２ｃは、角部がＲ形状や、Ｃ形状に面取りされていてもよい。金属板１２ｃのサイズは、平面視で、絶縁板１２ａのサイズより小さく、絶縁板１２ａの内側に形成されている。絶縁板１２ａは、絶縁性を備え、熱抵抗が低く、熱伝導性に優れた材質により構成されている。このような絶縁板１２ａは、セラミックスまたは絶縁樹脂により構成されている。セラミックスは、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化珪素等である。絶縁樹脂は、紙フェノール基板、紙エポキシ基板、ガラスコンポジット基板、ガラスエポキシ基板等である。このような絶縁板１２ａの厚さは、０．２ｍｍ以上、２．５ｍｍ以下である。
複数の回路パターン１２ｂは、導電性に優れた材質により構成されている。このような材質として、例えば、銅、アルミニウム、または、少なくともこれらの１種を含む合金等により構成されている。回路パターン１２ｂの厚さは、好ましくは、０．１０ｍｍ以上、２．００ｍｍ以下であり、より好ましくは、０．２０ｍｍ以上、１．００ｍｍ以下である。回路パターン１２ｂに対して、耐食性に優れた材質によりめっき処理を行うことも可能である。このような材質は、例えば、ニッケル、または、ニッケルを含む合金等である。具体的には、ニッケルの他に、ニッケル−リン合金、ニッケル−ボロン合金等がある。めっき膜の厚さは、１μｍ以上が好ましく、５μｍ以上がより好ましい。なお、図１及び図２に示す回路パターン１２ｂの個数、配置位置並びに形状は一例であって、この場合に限らずに、適宜設計により個数、配置位置並びに形状を選択することができる。
金属板１２ｃは、熱伝導性に優れた金属により構成されている。このような材質として、例えば、銅、アルミニウム、または、少なくともこれらの１種を含む合金等により構成されている。金属板１２ｃの厚さは、好ましくは、０．１０ｍｍ以上、２．００ｍｍ以下であり、より好ましくは、０．２０ｍｍ以上、１．００ｍｍ以下である。また、耐食性を向上させるために、例えば、ニッケル等の材料をめっき処理等により金属板１２ｃの表面に形成してもよい。具体的には、ニッケルの他に、ニッケル−リン合金、ニッケル−ボロン合金等がある。めっき膜の厚さは、１μｍ以上が好ましく、５μｍ以上がより好ましい。
このような絶縁回路基板１２は、例えば、次のようにして形成される。まず、金属板１２ｃと絶縁板１２ａと複数の回路パターン１２ｂを含む導電板とを順に積層して、加熱及び積層方向に加圧することでそれぞれを圧着させる。このような圧着は、活性化ガス雰囲気中または真空中で行われる。その後、導電板を所定のパターンに合わせて、感光性レジストマスクでマスキングを行い、エッチングによりパターンを形成して、感光性レジストマスクを除去することで、複数の回路パターン１２ｂが形成される。
半導体チップ１３ａ，１３ｂは、シリコン、炭化シリコンまたは窒化ガリウムから構成されるパワーデバイスである。半導体チップ１３ａは、スイッチング素子を含む。スイッチング素子は、パワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等である。このような半導体チップ１３ａは、例えば、裏面に主電極としてドレイン電極（正極電極、ＩＧＢＴではコレクタ電極）を、おもて面に、主電極としてゲート電極（制御電極）及びソース電極（負極電極、ＩＧＢＴではエミッタ電極）をそれぞれ備えている。また、半導体チップ１３ｂは、ダイオード素子を含む。ダイオード素子は、ＳＢＤ（Schottky Barrier Diode）、ＰｉＮ（Ｐ-intrinsic-Ｎ）ダイオード等のＦＷＤ（Free Wheeling Diode）である。このような半導体チップ１３ｂは、裏面に主電極としてカソード電極を、おもて面に主電極としてアノード電極をそれぞれ備えている。半導体チップ１３ａ，１３ｂは、その裏面側が所定の回路パターン１２ｂ上に接合部材により接合されている。なお、接合部材は、はんだまたは焼結体である。はんだは、所定の合金を主成分とする鉛フリーはんだにより構成される。所定の合金とは、例えば、錫−銀−銅からなる合金、錫−亜鉛−ビスマスからなる合金、錫−銅からなる合金、錫−銀−インジウム−ビスマスからなる合金のうち少なくともいずれかの合金である。はんだには、ニッケル、ゲルマニウム、コバルトまたはシリコン等の添加物が含まれてもよい。また、焼結により接合させる場合の焼結材は、例えば、銀、鉄、銅、アルミニウム、チタン、ニッケル、タングステン、モリブデンの粉末である。半導体チップ１３ａ，１３ｂの厚さは、例えば、８０μｍ以上、５００μｍ以下であって、平均は、２００μｍ程度である。なお、複数の回路パターン１２ｂには、必要に応じて、電子部品を配置することもできる。電子部品は、例えば、コンデンサ、抵抗、サーミスタ、電流センサ、制御ＩＣ（Integrated Circuit）である。また、半導体チップ１３ａ，１３ｂに代わり、ＩＧＢＴ及びＦＷＤが１チップ内に構成されたＲＣ−ＩＧＢＴのスイッチング素子を含む半導体チップを配置してもよい。なお、図１に示す絶縁回路基板１２上に一組の半導体チップ１３ａ，１３ｂを配置した場合を例示している。この一例の場合に限らずに、適宜設計により複数組を配置してもよい。
放熱板１４は、平板状であり平面視で長方形状を成している。また、放熱板１４は、平面視でケース１５よりも広い矩形状であってもよい。このような放熱板１４は、熱伝導性に優れた金属により構成されている。このような材質として、例えば、アルミニウム、鉄、銀、銅、または、少なくともこれらの１種を含む合金である。このような合金の例として、アルミニウム−窒化珪素（Ａｌ−ＳｉＣ）またはマグネシウム−窒化珪素（Ｍｇ−ＳｉＣ）等の金属複合材でもよい。放熱板１４の表面に、耐食性を向上させるために、例えば、ニッケル等の材料をめっき処理等により形成してもよい。ニッケルの他の材料として、ニッケル−リン合金、ニッケル−ボロン合金等がある。また、放熱板１４を含むケース１５の裏面に冷却ユニット（図示を省略）を熱伝導性部材を介して取り付けることができる。熱伝導性部材は、サーマルインターフェースマテリアル（ＴＩＭ：Thermal Interface Material）である。ＴＩＭは、熱伝導性のグリス、エラストマーシート、ＲＴＶ（Room Temperature Vulcanization）ゴム、ゲル、フェイズチェンジ材、はんだ、銀ろう等の様々な材料の総称を含む。これにより、半導体装置１０の放熱性を向上させることができる。この場合の冷却ユニットは、例えば、熱伝導性に優れた金属により構成される。金属は、アルミニウム、鉄、銀、銅、または、少なくともこれらの１種を含む合金等である。また、冷却ユニットは、１以上のフィンを備えるヒートシンクまたは水冷による冷却装置等である。また、放熱板１４は、このような冷却ユニットと一体化されてもよい。
ケース１５は、枠部１６と枠部１６に取り付けられた外部接続端子１７とを含んでいる。枠部１６は、平面視で長方形状の収納領域１６ｈを取り囲む枠型を成している。収納領域１６ｈは、ケース１５のおもて面の上部開口部１６ａから裏面の下部開口部１６ｂが開口された領域である。
さらに、上部開口部１６ａの面積は、下部開口部１６ｂの面積よりも大きくてよい。この場合、枠部１６は、平面視で短辺側に上部開口部１６ａから下部開口部１６ｂの間に段差部１６ｄが形成されている。このような枠部１６の平面視で短辺側の内壁部１６ｆ１は、上部内壁部１６ｃと段差部１６ｄと下部内壁部１６ｅとで階段状に構成されている（後述する図４及び図５を参照）。すなわち、上部内壁部１６ｃは、枠部１６のおもて面に対して鉛直下方に配置され、段差部１６ｄは上部内壁部１６ｃに対して垂直（水平）に配置され、下部内壁部１６ｅは段差部１６ｄに対して鉛直下方に配置されている。言い換えると、平面視で、下部内壁部１６ｅは上部内壁部１６ｃよりも開口側に段差部１６ｄの分だけ収納領域１６ｈ側に突出している。また、枠部１６の平面視で長辺側には、内壁部１６ｆ２が、枠部１６のおもて面から鉛直下向きに配置されている。したがって、上部開口部１６ａ及び下部開口部１６ｂは、それぞれ、短辺側の内壁部１６ｆ１と長辺側の内壁部１６ｆ２とで囲まれている。なお、短辺側の内壁部１６ｆ１は、半導体装置１０の設計に応じて、階段状ではなく、枠部１６のおもて面から鉛直下向きに配置されてもよい。
また、枠部１６は、短辺側の内壁部１６ｆ１に端子溝１６ｇが形成されている（後述する図４及び図５を参照。枠部１６の内壁部１６ｆ１が階段状である場合、端子溝１６ｇは、溝内壁部１６ｇ１と溝段差部１６ｇ２とを含む。溝内壁部１６ｇ１は、内壁部１６ｆ１の上部内壁部１６ｃに対して枠部１６のおもて面から段差部１６ｄにかけて凹状に形成されている。溝段差部１６ｇ２は、内壁部１６ｆ１の段差部１６ｄに上部内壁部１６ｃから下部内壁部１６ｅにかけて凹状に形成されて、溝内壁部１６ｇ１と直交している（後述する図６を参照）。また、平面視で長辺側の内壁部１６ｆ２は、枠部１６のおもて面に対して鉛直下方に配置されている。したがって、上部開口部１６ａは、短辺側の上部内壁部１６ｃと長辺側の内壁部１６ｆ２とで囲まれている。下部開口部１６ｂは、短辺側の下部内壁部１６ｅと長辺側の内壁部１６ｆ２とで囲まれている。さらに、収納領域１６ｈは、上部内壁部１６ｃと下部内壁部１６ｅと長辺側の内壁部１６ｆ２とで囲まれている。
このような枠部１６は、フィラーが含まれた熱可塑性樹脂を用いた射出成形により成形される。このような材質の弾性率は、３ＧＰａ以上、２５ＧＰａ以下である。また、線膨張係数は、７×１０−６／Ｋ以上、１００×１０−６／Ｋ以下である。なお、このような樹脂として、ポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）樹脂、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）樹脂、または、ポリアミド（ＰＡ）樹脂等がある。フィラーとして、ガラス繊維、ガラスビーズ、炭化カルシウム、タルク、酸化マグネシウム、水酸化アルミニウム等がある。特に、枠部１６は、いずれかのフィラーを含むＰＰＳ樹脂が用いられている。
外部接続端子１７は、平板状であって、Ｌ字形を成し、枠部１６の端子溝１６ｇに配置されている。外部接続端子１７は、内部配線部１７ａと当該内部配線部１７ａに対して鉛直に設けられた外部配線部１７ｂとを含んでいる。すなわち、内部配線部１７ａは、ケース１５のおもて面と平行に配置され、外部配線部１７ｂは、ケース１５の側面と平行に配置されている。内部配線部１７ａは、端子溝１６ｇの溝段差部１６ｇ２に設けられている。内部配線部１７ａは、一端部が下部内壁部１６ｅから収納領域１６ｈ側に延出している。また、内部配線部１７ａの一端部側には、配線部材が接合される接合領域が設けられている。外部配線部１７ｂは、端子溝１６ｇの溝内壁部１６ｇ１に設けられている。外部配線部１７ｂの他端部は枠部１６のおもて面から上方に延出している。このようにして枠部１６の端子溝１６ｇに配置された外部接続端子１７の内部配線部１７ａのおもて面は、段差部１６ｄよりも上方であるか、または、段差部１６ｄと同一平面を成す。また、外部配線部１７ｂのおもて面は、上部内壁部１６ｃよりも収納領域１６ｈ側に突出し、または、上部内壁部１６ｃと同一平面を成す。このような外部接続端子１７は、導電性に優れた材質により構成されている。このような材質として、例えば、銅、アルミニウム、または、少なくともこれらの１種を含む合金等により構成されている。外部接続端子１７は全体に渡って厚さが均等である。外部接続端子１７に対して、耐食性に優れた材質によりめっき処理を行うことも可能である。このような材質は、例えば、アルミニウム、ニッケル、チタン、クロム、モリブデン、タンタル、ニオブ、タングステン、バナジウム、ビスマス、ジルコニウム、ハフニウム、金、銀、白金、パラジウム、または、少なくともこれらの１種を含む合金等である。
このようなケース１５の枠部１６は、その下部開口部１６ｂ側の裏面と放熱板１４のおもて面の外周縁部とを接着剤１４ａにより接合して、枠部１６の収納領域１６ｈ内に半導体ユニット１１及び後述する封止部材２１を収納する。さらに、枠部１６の上部開口部１６ａ側のおもて面と蓋（図示しない）とを接着剤により接合してもよい。接着剤１４ａは、例えば、熱硬化性樹脂系接着剤または有機系接着剤が用いられる。熱硬化性樹脂系接着剤は、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂を主成分とする。有機系接着剤は、例えば、シリコーンゴム、クロロプレンゴムを主成分とするエラストマー系接着剤である。
そして、ケース１５の外部接続端子１７の内部配線部１７ａの接合領域と絶縁回路基板１２の回路パターン１２ｂ及び半導体チップ１３ａ，１３ｂとがボンディングワイヤ２０等の配線部材により電気的に接続されている。ボンディングワイヤ２０は、導電性に優れた材質により構成されている。当該材質として、例えば、金、銀、銅、アルミニウム、または、少なくともこれらの１種を含む合金により構成されている。また、ボンディングワイヤ２０の径は、例えば、１１０μｍ以上、５００μｍ以下である。なお、このような配線部材は、ボンディングワイヤ２０に限らず、リードフレームを用いてもよい。
封止部材２１は、収納領域１６ｈ内に配置された半導体ユニット１１を封止する。封止部材２１は、後述する緩衝部材１９を介して設けられた低膨張部材１８及び枠部１６の内側（収納領域１６ｈ）を封止する。このような封止部材２１は、フィラーを混合した熱硬化性樹脂である。このような材質の弾性率は、３ＧＰａ以上、２５ＧＰａ以下である。また、線膨張係数は、７×１０−６／Ｋ以上、３０×１０−６／Ｋ以下である。熱硬化性樹脂は、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、マレイミド樹脂、ポリエステル樹脂である。フィラーは、絶縁性で高熱伝導を有するセラミックスである。このようなフィラーは、例えば、酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化ホウ素または窒化アルミニウムである。フィラー含有量は、封止部材２１の全体に対して１０体積％以上、７０体積％以下である。
さらに、ケース１５の内壁部に緩衝部材１９を介して低膨張部材１８が設けられている。第１の実施の形態では、緩衝部材１９及び低膨張部材１８は、短辺側の内壁部１６ｆ１に設けられている。または、緩衝部材１９及び低膨張部材１８は、外部接続端子１７が配置される辺の内壁部に設けられている。また、第１の実施の形態では、短辺側の内壁部１６ｆ１に段差部１６ｄがある場合を示している。このような場合、緩衝部材１９及び低膨張部材１８は、少なくとも、枠部１６のおもて面に対して鉛直方向に配置されている内壁部に設けられている。したがって、上部内壁部１６ｃと下部内壁部１６ｅとに設けられていればよい。
緩衝部材１９は、ケース１５の内壁部１６ｆ１と低膨張部材１８との間に配置される。緩衝部材１９は、ケース１５の内壁部１６ｆ１と低膨張部材１８との間に配置されていればよく、内壁部１６ｆ１と低膨張部材１８との間に外部接続端子１７がある場合は、外部接続端子１７と低膨張部材１８との間に配置されてもよい。緩衝部材１９は、例えば、板状であってよい。緩衝部材１９は、好ましくは、直接接する内壁部１６ｆ１、外部接続端子１７及び低膨張部材１８に対応して、隙間なく配置されている。緩衝部材１９の厚さは、０．０１ｍｍ以上、５ｍｍ以下である。緩衝部材１９は、ケース１５（枠部１６）及び封止部材２１よりも弾性率が小さい。すなわち、緩衝部材１９は、枠部１６及び封止部材２１よりも柔らかい材質が用いられる。緩衝部材１９の弾性率は、０．１ＭＰａ以上、１ＧＰａ以下である。好ましくは、弾性率は、０．１ＭＰａ以上、１００ＭＰａ以下である。緩衝部材１９は、電気絶縁性を有する材料からなる。このような材料として、ゴムであってよく、例えば、シリコーンゴムがある。緩衝部材１９は、さらに、接着性を備えた接着剤であってもよい。本実施の形態での緩衝部材１９は接着性も備えるものである。
低膨張部材１８は、緩衝部材１９と収納領域１６ｈとの間に配置される。低膨張部材１８は、例えば、板状であってよい。低膨張部材１８は、好ましくは、直接接する緩衝部材１９及び収納領域１６ｈに対応して、隙間なく形成されている。低膨張部材１８の厚さは、０．０１ｍｍ以上、５ｍｍ以下である。このような低膨張部材１８は、ケース１５（枠部１６）及び封止部材２１よりも線膨張係数が小さい。すなわち、低膨張部材１８は、枠部１６及び封止部材２１よりも熱変化に対して伸びにくい材質のものが用いられる。低膨張部材１８の線膨張係数は、５×１０−６／Ｋ以上、２５×１０−６／Ｋ未満である。好ましくは、線膨張係数は、５×１０−６／Ｋ以上、１５×１０−６／Ｋ以下である。さらに、低膨張部材１８は、ケース１５（枠部１６）よりもガラス転移温度が高い。好ましくは、低膨張部材１８のガラス転移温度は１７５℃よりも高い。また、低膨張部材１８の弾性率は、５ＧＰａ以上、３０ＧＰａ以下である。低膨張部材１８は、電気絶縁性を有する材料からなる。このような低膨張部材１８の材料は、フィラーを混合した熱硬化性樹脂である。熱可塑性樹脂は、例えば、エポキシ樹脂やポリイミド樹脂である。好ましくは、低膨張部材１８は、封止部材２１と同じ種類の熱硬化性樹脂であり、例えば、低膨張部材１８と封止部材２１は共に、エポキシ樹脂である。こうすることで、低膨張部材１８と封止部材２１との間の剥離やクラックが生じ難くなる。また、フィラーは、絶縁性で高熱伝導を有するセラミックスであってよく、例えば、酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化ホウ素または窒化アルミニウムである。また、フィラー含有量は、低膨張部材１８の全体に対して５０体積％以上、９０体積％以下である。好ましくは、低膨張部材１８のフィラー含有量は、封止部材２１のフィラー含有量より多い。こうすることで、低膨張部材１８の線膨張係数を簡便に封止部材２１よりも小さくすることができる。
内壁部１６ｆ１と収納領域１６ｈとの間に外部接続端子１７がある場合は、低膨張部材１８は、少なくとも、外部接続端子１７の内部配線部１７ａの接合領域を表出して、外部接続端子１７を被覆している。第１の実施の形態の場合は、低膨張部材１８は、上部内壁部１６ｃと下部内壁部１６ｅと外部接続端子１７の内部配線部１７ａを除いた段差部１６ｄとを被覆している。すなわち、低膨張部材１８は、枠部１６に対して外部接続端子１７を固定する。さらに、外部接続端子１７の外部配線部１７ｂは低膨張部材１８と端子溝１６ｇの溝内壁部１６ｇ１とに挟持されている。なお、第１の実施の形態では、外部接続端子１７の配置場所として枠部１６に端子溝１６ｇを形成する場合を例に挙げて説明している。外部接続端子１７が枠部１６と低膨張部材１８とにより固定されれば、端子溝１６ｇは枠部１６に限らない。例えば、枠部１６には端子溝１６ｇを形成せずに、低膨張部材１８の裏面の外部接続端子１７に対応する領域に溝を形成してもよい。または、枠部１６に対して溝段差部１６ｇ２のみを形成し、低膨張部材１８の裏面の上部内壁部１６ｃと外部接続端子１７を挟持する領域に溝を形成してもよい。なお、低膨張部材１８の詳細については後述する。
封止部材２１は、収納領域１６ｈ内に配置された半導体ユニット１１を封止する。封止部材２１は、緩衝部材１９を介して設けられた低膨張部材１８及び枠部１６の内側（収納領域１６ｈ）を封止する。このような封止部材２１は、フィラーを混合した熱硬化性樹脂である。熱硬化性樹脂は、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、マレイミド樹脂、ポリエステル樹脂である。好ましくは、低膨張部材１８及び封止部材２１は、同じ種類の熱硬化性樹脂である。低膨張部材１８及び封止部材２１は、例えば、エポキシ樹脂である。また、フィラーは、絶縁性で高熱伝導を有するセラミックスであってよい。このようなフィラーは、例えば、酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化ホウ素または窒化アルミニウムである。フィラー含有量は、封止部材２１の全体に対して５０体積％以上、９０体積％以下である。また、低膨張部材１８のフィラー含有量は、封止部材２１のフィラー含有量より多い。
ケース１５の内壁部１６ｆ１に緩衝部材１９を介して低膨張部材１８が設けられていない半導体装置１０では、温度変化に伴って、構成部品の線膨張係数の差により内部応力が発生してしまう。具体的には、他の構成部材より熱膨張係数が大きいケース１５の枠部１６の膨張・収縮により、封止部材２１は押圧・引っ張りを受ける。そのため、封止部材２１には内部応力による歪や半導体装置１０の反り変形が発生してしまう。したがって、ボンディングワイヤ２０の断線、半導体チップ１３ａ，１３ｂの破損や、部材間の界面剥離による絶縁性の低下が発生する場合があった。
一方、このような構成を有する半導体装置１０では、ケース１５の枠部１６と封止部材２１との間に、緩衝部材１９及び低膨張部材１８が設けられている。低膨張部材１８の線膨張係数は、ケース１５の枠部１６及び封止部材２１より小さい。つまり、低膨張部材１８は、温度変化に伴う膨張・収縮が小さい。そのため、枠部１６の膨張・収縮を封止部材２１までの間で緩和させ、封止部材２１への押圧・引っ張りを抑制することができる。また、緩衝部材１９は、ケース１５の枠部１６及び封止部材２１よりも弾性率が小さい。そのため、温度変化に伴う枠部１６の膨張・収縮を緩衝部材１９が変形することで抑制し、封止部材２１への押圧・引っ張りを抑制する。したがって、このような構成を有する半導体装置１０では、温度変化に対する信頼性を向上させることができる。さらに、低膨張部材１８と封止部材２１とは同一の材質により構成されているため密着性がよい。このため、封止部材２１の低膨張部材１８に対する剥離が抑制される。また、低膨張部材１８はケース１５よりもガラス転移温度が高く、また、既述の通り、封止部材２１と同一の材質であるために封止部材２１とガラス転移温度が等しい。このため、低膨張部材１８及び封止部材２１は、急激な温度上昇が生じても、体積熱膨張の変化点に殆ど差が生じない。このため、瞬時の熱衝撃が起きても、封止部材２１と低膨張部材１８との間に剥離が生じにくく、また、剥離が伸展しにくい。したがって、半導体装置１０は、温度変化に対する信頼性の低下を防止する。
また、半導体装置１０では、緩衝部材１９及び低膨張部材１８は、ケース１５の短辺側の内壁部１６ｆ１に設けられている。長辺と平行に生じる応力の方が短辺と平行に生じる応力よりも大きい。そのため、緩衝部材１９及び低膨張部材１８が、ケース１５の短辺側の内壁部１６ｆ１に設けられていることで、少ない面積で効果的に温度変化に対する信頼性を向上させることができる。
また、半導体装置１０では、緩衝部材１９及び低膨張部材１８は、ケース１５の外部接続端子１７が配置される辺の内壁部（本実施の形態では、内壁部１６ｆ１）に設けられている。こうすることで、簡便に、枠部１６の成形後に外部接続端子１７を挿入するアウトサート成形を行うことができる。このため、半導体装置１０の製造の工数を削減でき、製造コストを抑制することができる。また、外部接続端子１７をインサート成形する場合に対して、枠部１６の内部応力を軽減でき、枠部１６の内部のボイドを削減することができる。
次に、このような半導体装置１０の製造方法について、図３並びに図４〜図９を用いて説明する。図３は、第１の実施の形態の半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。図４及び図５は、第１の実施の形態の半導体装置の製造方法に含まれるケース取り付け工程後を説明するための図である。図６及び図７は、第１の実施の形態の半導体装置の製造方法に含まれる外部接続端子取り付け工程後を説明するための断面図である。なお、図４及び図６は、図１に対応する箇所での断面図である。図５及び図７は、図４中及び図６中の右側の斜視図である。図８は、第１の実施の形態の半導体装置に含まれる低膨張部材を説明するための図である。図９は、第１の実施の形態の半導体装置の製造方法に含まれる低膨張部材取り付け工程後を説明するための図である。なお、図４及び図６では接着剤の記載を、図５、図７及び図９では、半導体チップの図示をそれぞれ省略している。
まず、半導体ユニット１１を用意する半導体ユニット用意工程を行う（図３のステップＳ１）。ここでは、絶縁回路基板１２の所定の回路パターン１２ｂ上に半導体チップ１３ａ，１３ｂを接合する。さらに、半導体ユニット１１を放熱板１４のおもて面に同様に接合する。次いで、半導体ユニット１１が接合された放熱板１４にケース１５（枠部１６）を取り付けるケース取り付け工程を行う（図３のステップＳ２）。ここでは、ケース１５の枠部１６を取り付ける。図４及び図５に示されるように、半導体ユニット１１が接合された放熱板１４のおもて面に枠部１６の下部開口部１６ｂ側を接合する。ここでは、枠部１６を、接着剤１４ａを介して放熱板１４に配置して硬化させる。例えば、後に所定の温度で所定の時間加熱して接着剤１４ａを硬化させる。これにより、枠部１６は放熱板１４に接着剤１４ａを介して接合される。
次いで、外部接続端子１７を枠部１６に取り付ける外部接続端子取り付け工程を行う（図３のステップＳ３）。外部接続端子１７を枠部１６の端子溝１６ｇに配置する。この際、外部接続端子１７は枠部１６の端子溝１６ｇに圧入または単に配置されるに過ぎず、接合部材等は用いられていない。これにより、図６及び図７に示されるように、外部接続端子１７の内部配線部１７ａは端子溝１６ｇの溝段差部１６ｇ２に配置され、外部配線部１７ｂは溝内壁部１６ｇ１に配置される。このように配置された外部接続端子１７では、内部配線部１７ａの先端面は下部内壁部１６ｅよりも収納領域１６ｈ側に突出し、内部配線部１７ａのおもて面は段差部１６ｄよりも上方に突出している。外部配線部１７ｂのおもて面（収納領域１６ｈ側）は上部内壁部１６ｃと同一平面を成して、外部配線部１７ｂの先端面は枠部１６のおもて面から上方に突出している。
次いで、低膨張部材１８をケース１５に取り付ける低膨張部材取り付け工程を行う（図３のステップＳ４）。第１の実施の形態で用いられる低膨張部材１８は、図８に示されるように、上部枠部１８ａと中間枠部１８ｂと下部枠部１８ｃとを一体的に含んでいる。上部枠部１８ａは上部内壁部１６ｃに対応した角柱状を成し、おもて側に上部主面１８ａ１を備える。中間枠部１８ｂは段差部１６ｄに対応した平板状を成し、おもて側に中間主面１８ｂ１を備える。下部枠部１８ｃは下部内壁部１６ｅに対応した角柱状を成し、おもて側に下部主面１８ｃ１を備える。なお、低膨張部材１８（上部枠部１８ａ、中間枠部１８ｂ、下部枠部１８ｃ）の厚さは、図８のように、それぞれ異ならせてもよく、また、均等であってもよい。したがって、低膨張部材１８もまた、枠部１６の上部内壁部１６ｃと段差部１６ｄと下部内壁部１６ｅとで構成される内壁部１６ｆ１に沿った階段状を成している。さらに、低膨張部材１８の中間枠部１８ｂには、外部接続端子１７に対応する端子開口部１８ｄが形成されている。このような低膨張部材１８もまた、フィラーを含むエポキシ樹脂を用いて、射出成形により成形される。
低膨張部材１８を取り付ける前に、枠部１６及び外部接続端子１７に緩衝部材１９を取り付ける。緩衝部材１９は、枠部１６及び外部接続端子１７の低膨張部材１８で覆われる領域に対して配置される。緩衝部材１９は、液状の接着剤を用いて配置することができる。この場合、まず、緩衝部材１９を枠部１６の上部内壁部１６ｃに外部接続端子１７の外部配線部１７ｂのおもて面（収納領域１６ｈ側）も含めて配置する。また、緩衝部材１９を枠部１６の段差部１６ｄの上部内壁部１６ｃ側に外部接続端子１７の内部配線部１７ａのおもて面も含めて配置する。緩衝部材１９を段差部１６ｄの残りの部分に端子開口部１８ｄを避けて配置する。そして、緩衝部材１９を枠部１６の下部枠部１８ｃに端子開口部１８ｄを避けて配置する。または、端子開口部１８ｄに対応する箇所を開口したシート状の緩衝部材１９を、枠部１６の上部内壁部１６ｃ、開口した段差部１６ｄ、開口した内部配線部１７ａに取り付けてもよい。
そして、低膨張部材１８の上部枠部１８ａを上部内壁部１６ｃ及び外部接続端子１７の外部配線部１７ｂのおもて面（収納領域１６ｈ側）に接触させる。低膨張部材１８の中間枠部１８ｂ及び下部枠部１８ｃの端子開口部１８ｄから外部接続端子１７の内部配線部１７ａを表出して、中間枠部１８ｂ及び下部枠部１８ｃを段差部１６ｄ及び下部内壁部１６ｅに当接させる。これにより、図９に示されるように、低膨張部材１８を枠部１６に取り付けることができる。また、緩衝部材１９が接着性を有すると、低膨張部材１８を枠部１６に確実に固定することができる。これにより、外部接続端子１７を枠部１６の端子溝１６ｇに固定することができる。
なお、緩衝部材１９は、枠部１６側ではなく、低膨張部材１８の枠部１６側の面（裏面）に取り付けてもよい。この場合も、緩衝部材１９は、液状またはシート状の接着剤を使うことができる。なお、本実施の形態では、外部接続端子１７を枠部１６に取り付けた後、低膨張部材１８を取り付けた場合を例に挙げている。この場合に限らず、外部接続端子１７を低膨張部材１８側に先に取り付けて、緩衝部材１９が取り付けられた枠部１６に取り付けてもよい。但し、この場合は、緩衝部材１９を介して外部接続端子１７を低膨張部材１８側に取り付けることが望ましい。また、低膨張部材１８の裏面の外部接続端子１７が取り付けられる領域に外部接続端子１７が嵌る溝部が形成されていることが望ましい。
また、本実施の形態では、ケース取り付け工程（図３のステップＳ２）の後に、外部接続端子取り付け工程（図３のステップＳ３）及び低膨張部材取り付け工程（図３のステップＳ４）を行った場合を例に挙げている。この場合に限らず、先に、外部接続端子取り付け工程（図３のステップＳ３）及び低膨張部材取り付け工程（図３のステップＳ４）を行い、その後に、ケース取り付け工程（図３のステップＳ２）を行ってもよい。また、ケース取り付け工程（図３のステップＳ２）の接着剤１４ａと緩衝部材１９とを硬化するための加熱をまとめて行ってもよい。
次いで、外部接続端子１７の内部配線部１７ａと半導体チップ１３ａ，１３ｂと絶縁回路基板１２の回路パターン１２ｂとの間を適宜、ボンディングワイヤ２０により接続するボンディング工程を行う（図３のステップＳ５）。最後に、ケース１５の低膨張部材１８が取り付けられた収納領域１６ｈを封止部材２１で充填して、半導体ユニット１１等を封止する封止工程を行う（図３のステップＳ６）。以上により、図１及び図２に示した半導体装置１０が得られる。
上記半導体装置１０は、半導体チップ１３ａ，１３ｂと、内壁部１６ｆ１が収納領域１６ｈを取り囲む枠部１６を備え、収納領域１６ｈに半導体チップ１３ａ，１３ｂを収納するケース１５と、内壁部１６ｆ１の収納領域１６ｈ側に設けられた緩衝部材１９と、緩衝部材１９を介して内壁部１６ｆ１の収納領域１６ｈ側に設けられた低膨張部材１８と、収納領域１６ｈの内部を封止する封止部材２１と、を有する。この際、緩衝部材１９は、ケース１５及び封止部材２１よりも弾性率が小さく、低膨張部材１８は、ケース１５及び封止部材２１よりも線膨張係数が小さい。そのため、温度変化に伴う枠部１６の膨張・収縮による封止部材２１への押圧・引っ張りを抑制することができる。したがって、このような構成を有する半導体装置１０では、温度変化に対する信頼性を向上させることができる。
［第２の実施の形態］
第２の実施の形態では、別の低膨張部材について、図１０を用いて説明する。図１０は、第２の実施の形態の半導体装置に含まれる低膨張部材を説明するための図である。なお、図１０（Ａ）は、低膨張部材２８のおもて側の斜視図、図１０（Ｂ）は、低膨張部材２８の裏面側の斜視図をそれぞれ表している。また、第２の実施の形態の半導体装置は、低膨張部材２８を除いて、第１の実施の形態の半導体装置１０と同様の構成を成している。なお、低膨張部材２８は、低膨張部材１８と同様の材質、同様の方法により成形される。
低膨張部材２８は、枠部１６の上部内壁部１６ｃと段差部１６ｄと下部内壁部１６ｅとに構成される短辺側の内壁部１６ｆ１に取り付けられる。この際、低膨張部材２８は、外部接続端子１７の内部配線部１７ａの接合領域に対応する箇所のみが開口されている。このような低膨張部材２８は、図１０（Ａ）に示されるように、上部枠部２８ａと中間枠部２８ｂと下部枠部２８ｃとを一体的に含んでいる。枠部１６に対して、上部枠部２８ａは上部内壁部１６ｃに対応した角柱状を成し、おもて側に上部主面２８ａ１を備える。中間枠部２８ｂは段差部１６ｄに対応した平板状を成し、おもて側に中間主面２８ｂ１を備える。下部枠部２８ｃは下部内壁部１６ｅに対応した角柱状を成し、おもて側に下部主面２８ｃ１を備える。なお、低膨張部材２８（上部枠部２８ａ、中間枠部２８ｂ、下部枠部２８ｃ）の厚さは、図１０のように、それぞれ異ならせてもよく、また、均等であってもよい。したがって、低膨張部材２８もまた、枠部１６の上部内壁部１６ｃと段差部１６ｄと下部内壁部１６ｅと沿った階段状を成している。さらに、低膨張部材２８の中間枠部２８ｂには、外部接続端子１７の内部配線部１７ａの接合領域に対応する端子開口部２８ｄが形成されている。また、低膨張部材２８は、外部接続端子１７を取り付けるための溝が裏面に形成されている。すなわち、低膨張部材２８は、上部溝２８ａ３と中間溝２８ｂ３と下部溝２８ｃ３とが裏面に連続して形成されている。図１０（Ｂ）に示されるように、上部溝２８ａ３は上部枠部２８ａの上部裏面２８ａ２に、中間溝２８ｂ３は中間枠部２８ｂの中間裏面２８ｂ２に、下部溝２８ｃ３は下部枠部２８ｃの下部裏面２８ｃ２にそれぞれ形成されている。さらに、下部枠部２８ｃの下部裏面２８ｃ２の中間枠部２８ｂ側には先端収納溝２８ｃ４が形成されている。先端収納溝２８ｃ４は下部溝２８ｃ３よりも深く形成されている。なお、上部溝２８ａ３と中間溝２８ｂ３と下部溝２８ｃ３と先端収納溝２８ｃ４との角部はＲ形状に面取りされてもよい。
次に、このような低膨張部材２８を用いた場合の半導体装置１０の製造方法について、図３を参照しつつ、図１１及び図１２を用いて説明する。図１１は、第２の実施の形態の半導体装置に含まれる外部接続端子取り付け工程を説明するための図である。なお、図１１（Ａ）は、外部接続端子１７を低膨張部材２８に取り付けた場合のおもて面側の斜視図を、図１１（Ｂ）は、外部接続端子１７を低膨張部材２８に取り付けた場合の裏面側の斜視図をそれぞれ表している。また、図１２は、第２の実施の形態の半導体装置の要部平面図である。なお、図１２は、図２において低膨張部材２８を適用した場合に対応するものである。したがって、図１２でも封止部材２１の記載を省略している。
まず、第１の実施の形態と同様に、半導体ユニット１１を用意する半導体ユニット用意工程（図３のステップＳ１）、半導体ユニット１１にケース１５（枠部１６）を取り付けるケース取り付け工程（図３のステップＳ２）をそれぞれ行う。
次に行われる外部接続端子取り付け工程（図３のステップＳ３）では、外部接続端子１７をケース１５（枠部１６）側ではなく、低膨張部材２８に取り付ける。この場合、外部接続端子１７を低膨張部材２８の裏面に取り付ける。すなわち、図１１（Ｂ）に示されるように、外部接続端子１７の外部配線部１７ｂを上部枠部２８ａの上部溝２８ａ３に嵌めこむ。さらに、図１１（Ｂ）に示されるように、外部接続端子１７の内部配線部１７ａを中間枠部２８ｂの中間溝２８ｂ３に嵌めこむと共に、内部配線部１７ａの先端部を下部枠部２８ｃの先端収納溝２８ｃ４に嵌めこむ。これにより、図１１（Ａ）に示されるように、外部接続端子１７が低膨張部材２８に取り付けられて、外部接続端子１７の内部配線部１７ａの接合領域が低膨張部材２８の中間枠部２８ｂの端子開口部２８ｄから表出される。他方の外部接続端子１７も低膨張部材２８の他方に取り付けられる。
次いで、低膨張部材２８をケース１５（枠部１６）に取り付ける低膨張部材取り付け工程を行う（図３のステップＳ４）。外部接続端子１７が裏面側から取り付けられた低膨張部材２８を枠部１６に取り付ける。この低膨張部材２８を取り付ける前に、枠部１６に緩衝部材１９を取り付ける。まず、緩衝部材１９を枠部１６の上部内壁部１６ｃに溝内壁部１６ｇ１を避けて取り付ける。また、緩衝部材１９を枠部１６の段差部１６ｄの溝段差部１６ｇ２を避けて取り付ける。そして、緩衝部材１９を下部内壁部１６ｅの溝段差部１６ｇ２を避けて取り付ける。または、第１の実施の形態と同様に、シリコーンゴムのシートを端子溝１６ｇに対応する箇所を開口したシート状の緩衝部材１９を、枠部１６の上部内壁部１６ｃ、開口した段差部１６ｄ、開口した内部配線部１７ａに取り付けてもよい。または、液状の緩衝部材１９を開口部分を避けて塗布してもよい。
また、低膨張部材２８の外部接続端子１７が裏面側から取り付けられた領域を除いた裏面に緩衝部材１９を取り付けてもよい。具体的には、低膨張部材２８の上部溝２８ａ３を除いた上部裏面２８ａ２と中間溝２８ｂ３を除いた中間裏面２８ｂ２と下部溝２８ｃ３を除いた下部裏面２８ｃ２に緩衝部材１９を取り付けてもよい。そして、低膨張部材２８の上部枠部２８ａを上部内壁部１６ｃに当接すると共に、低膨張部材２８に取り付けられた外部接続端子１７の外部配線部１７ｂを端子溝１６ｇの溝内壁部１６ｇ１に嵌めこむ。低膨張部材２８の中間枠部２８ｂを段差部１６ｄに当接すると共に、低膨張部材２８に取り付けられた外部接続端子１７の内部配線部１７ａを端子溝１６ｇの溝段差部１６ｇ２に嵌めこむ。低膨張部材２８の下部枠部２８ｃを下部内壁部１６ｅに当接させる。これにより、外部接続端子１７が取り付けられた低膨張部材２８を枠部１６に取り付けることができる。また、緩衝部材１９が接着性を有すると、低膨張部材２８を枠部１６に確実に固定することができる。これにより、外部接続端子１７を枠部１６の端子溝１６ｇに固定することができる。なお、本実施の形態では、外部接続端子１７を低膨張部材２８に取り付けた後、枠部１６を取り付けた場合を例に挙げている。この場合に限らず、外部接続端子１７を枠部１６側に先に取り付けて、緩衝部材１９が取り付けられた低膨張部材２８を取り付けてもよい。
また、本実施の形態でも、ケース取り付け工程（図３のステップＳ２）の後に、外部接続端子取り付け工程（図３のステップＳ３）及び低膨張部材取り付け工程（図３のステップＳ４）を行った場合を例に挙げている。この場合に限らず、先に、外部接続端子取り付け工程（図３のステップＳ３）及び低膨張部材取り付け工程（図３のステップＳ４）を行い、その後に、ケース取り付け工程（図３のステップＳ２）を行ってもよい。また、ケース取り付け工程（図３のステップＳ２）の接着剤１４ａと緩衝部材１９とを硬化するための加熱をまとめて行ってもよい。
次いで、低膨張部材２８の端子開口部２８ｄから表出されている外部接続端子１７の内部配線部１７ａの接合領域と半導体チップ１３ａ，１３ｂと絶縁回路基板１２の回路パターン１２ｂとの間を適宜、ボンディングワイヤ２０により接続するボンディング工程を行う（図３のステップＳ５）。図１２に示されるように、低膨張部材２８の端子開口部２８ｄから表出されている外部接続端子１７の内部配線部１７ａの接合領域と回路パターン１２ｂとの間がボンディングワイヤ２０により接続される。最後に、ケース１５の低膨張部材１８が取り付けられた収納領域１６ｈを封止部材２１で充填して、半導体ユニット１１等を封止する封止工程を行う（図３のステップＳ６）。以上により、半導体装置１０が得られる。
このように低膨張部材１８に代わり低膨張部材２８を備える半導体装置１０でも、第１の実施の形態と同様の効果が得られる。他方、低膨張部材２８は低膨張部材１８よりも枠部１６を被覆する領域が広い。このため、低膨張部材１８を用いた場合よりも、低膨張部材２８を用いた半導体装置１０は、温度変化に伴う枠部１６の膨張・収縮による封止部材２１への押圧・引っ張りをより確実に抑制することができる。したがって、低膨張部材２８を備える半導体装置１０では、低膨張部材１８を備える場合よりも、温度変化に対する信頼性を向上させることができる。
［第３の実施の形態］
第３の実施の形態の半導体装置について、図１３を用いて説明する。図１３は、第３の実施の形態の半導体装置の要部平面図である。なお、第３の実施の形態の半導体装置１０は、低膨張部材３８を除いて、第１の実施の形態の半導体装置１０と同様の構成を成している。なお、低膨張部材３８もまた、低膨張部材１８と同様の材質、同様の方法により成形される。
第３の実施の形態の半導体装置１０では、第１の実施の形態の半導体装置１０のケース１５（枠部１６）の長辺側の内壁部１６ｆ２に対して、さらに、緩衝部材３９を介して低膨張部材３８が設けられている。低膨張部材３８は、平板状であって、枠部１６のおもて面（上部開口部１６ａ）から鉛直下向きに（放熱板１４のおもて面まで）配置されている。すなわち、低膨張部材３８は、図８に示される長辺側の内壁部１６ｆ２の全面を覆っている。なお、このようにケース１５（枠部１６）の内壁部１６ｆ１，１６ｆ２に設けられる低膨張部材１８，３８は、図１３のように分離していてもよく、または、一体的に成形されていてもよい。
低膨張部材３８を備える半導体装置１０でも、第１の実施の形態と同様の製造方法によって製造することができる。なお、図３のステップＳ４において、低膨張部材１８，３８を内壁部１６ｆ１，１６ｆ２に取り付ける際には、緩衝部材１９，３９を先に内壁部１６ｆ１，１６ｆ２（並びに外部接続端子１７）に配置してよい。また、緩衝部材１９，３９を低膨張部材１８，３８の内壁部１６ｆ１，１６ｆ２側に配置してもよい。
なお、第３の実施の形態の半導体装置１０は、第１の実施の形態の半導体装置１０のケース１５（枠部１６）の長辺側の内壁部１６ｆ２に対して、低膨張部材３８を設ける場合について説明している。この場合に限らず、低膨張部材３８は、第２の実施の形態の半導体装置１０のケース１５（枠部１６）の長辺側の内壁部１６ｆ２に対して緩衝部材３９を介して設けてもよい。
このように半導体装置１０のケース１５（枠部１６）の短辺側及び長辺側の内壁部１６ｆ１，１６ｆ２に対して低膨張部材１８，３８を設けることで、温度変化に伴う枠部１６の膨張・収縮による封止部材２１への押圧・引っ張りをより確実に抑制することができる。したがって、低膨張部材１８，３８を備える半導体装置１０では、低膨張部材１８だけを備える場合よりも、温度変化に対する信頼性を向上させることができる。
１０ 半導体装置
１１ 半導体ユニット
１２ 絶縁回路基板
１２ａ 絶縁板
１２ｂ 回路パターン
１２ｃ 金属板
１３ａ，１３ｂ 半導体チップ
１４ 放熱板
１４ａ 接着剤
１５ ケース
１６ 枠部
１６ａ 上部開口部
１６ｂ 下部開口部
１６ｃ 上部内壁部
１６ｄ 段差部
１６ｅ 下部内壁部
１６ｆ１，１６ｆ２ 内壁部
１６ｇ 端子溝
１６ｇ１ 溝内壁部
１６ｇ２ 溝段差部
１６ｈ 収納領域
１７ 外部接続端子
１７ａ 内部配線部
１７ｂ 外部配線部
１８，２８，３８ 低膨張部材
１８ａ，２８ａ 上部枠部
１８ａ１，２８ａ１ 上部主面
１８ｂ，２８ｂ 中間枠部
１８ｂ１，２８ｂ１ 中間主面
１８ｃ，２８ｃ 下部枠部
１８ｃ１，２８ｃ１ 下部主面
１８ｄ，２８ｄ 端子開口部
１９，３９ 緩衝部材
２０ ボンディングワイヤ
２１ 封止部材
２８ａ２ 上部裏面
２８ａ３ 上部溝
２８ｂ２ 中間裏面
２８ｂ３ 中間溝
２８ｃ２ 下部裏面
２８ｃ３ 下部溝
２８ｃ４ 先端収納溝

Claims (16)

  1. 半導体チップと、
    内壁部が収納領域を取り囲む枠部を備え、前記収納領域に前記半導体チップを収納するケースと、
    前記内壁部の収納領域側に設けられた緩衝部材と、
    前記緩衝部材を介して前記内壁部の収納領域側に設けられた低膨張部材と、
    前記収納領域の内部を封止する封止部材と、
    を有し、
    前記緩衝部材は、前記ケース及び前記封止部材よりも弾性率が小さく、
    前記低膨張部材は、前記ケース及び前記封止部材よりも線膨張係数が小さい、
    半導体装置。
  2. 前記緩衝部材は前記内壁部と前記低膨張部材とを接合する、
    請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記低膨張部材の線膨張係数は、５×１０−６／Ｋ以上、２５×１０−６／Ｋ未満である、
    請求項１または２に記載の半導体装置。
  4. 前記緩衝部材の弾性率は、０．１ＭＰａ以上、１ＧＰａ以下である、
    請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体装置。
  5. 前記低膨張部材及び前記封止部材は、フィラーを含むエポキシ樹脂である、
    請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体装置。
  6. 前記緩衝部材は、シリコーンゴムを主成分とする、
    請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体装置。
  7. 前記ケースは、フィラーを含むポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）樹脂を主成分とする、
    請求項１乃至６のいずれかに記載の半導体装置。
  8. 前記収納領域は、平面視で、長方形状であって、
    前記低膨張部材は、前記緩衝部材を介して、前記収納領域の短辺側の前記内壁部に設けられている、
    請求項１乃至７のいずれかに記載の半導体装置。
  9. 前記低膨張部材は、さらに、前記緩衝部材を介して、前記収納領域の長辺側の前記内壁部に設けられている、
    請求項８に記載の半導体装置。
  10. 前記半導体チップと電気的に接続される一端部と、前記ケースの外側に位置する他端部とを備え、前記内壁部に沿って前記ケースに設けられている外部接続端子をさらに有する、
    請求項１乃至９のいずれかに記載の半導体装置。
  11. 前記外部接続端子が設けられる前記内壁部に、前記外部接続端子に対応する第１溝部が形成されている、
    請求項１０に記載の半導体装置。
  12. 前記外部接続端子は、前記外部接続端子の一端部を含む水平部と前記水平部から垂直に延伸し、前記外部接続端子の他端部を含む垂直部とを備え、側断面がＬ字形を成している、
    請求項１０または１１に記載の半導体装置。
  13. 前記低膨張部材は、前記外部接続端子の前記垂直部を被覆して前記内壁部に設けられている、
    請求項１２に記載の半導体装置。
  14. 前記外部接続端子の一端部は、前記半導体チップと電気的に接続される配線部材が接合される接合領域を備え、
    前記低膨張部材は、少なくとも、前記接合領域を表出させて前記外部接続端子の前記水平部を被覆して前記内壁部に設けられている、
    請求項１３に記載の半導体装置。
  15. 前記低膨張部材は、前記接合領域を表出する端子開口部を備える、
    請求項１４に記載の半導体装置。
  16. 前記低膨張部材は、前記外部接続端子に対応する第２溝部が裏面に形成されて、前記第２溝部に前記外部接続端子を嵌合させて前記内壁部に設けられる、
    請求項１１乃至１５のいずれかに記載の半導体装置。
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