JP6045749B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

この発明は、半導体装置に関し、特に、半導体装置に使用されているボンディング配線の信頼性を向上させる技術に関するものである。

産業機器、電機鉄道、自動車などの発達に伴い、これらに使用される半導体素子の使用温度が高くなっている。高温でも安定して動作する半導体素子の開発は近年精力的に行われており、半導体素子における小型化、高耐圧化および高電流密度化が進展している。特に、SiC、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いため、半導体装置における高耐圧化、小型化、高電流密度化、高動作温度化などに貢献すると期待されている。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、封止樹脂の剥離、配線の劣化、接合材のクラック発生などを抑え、半導体素子が１５０℃以上の高温で動作する場合にも、半導体装置の安定な動作を確保する必要がある（例えば特許文献１〜４）。

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、ケース端子台および電極端子（電極端子）を高弾性なエポキシ樹脂で部分的に封止し、配線の信頼性を向上させる提案がなされている。エポキシ樹脂で封止された電極端子を含む回路面は全面がさらにゲル化物であるシリコーン樹脂で封止される（例えば特許文献１）。また、アルミワイヤの線径と封止するエポキシ樹脂の平均線膨張係数を調整することにより、半導体素子に接合されたアルミワイヤの接続寿命を向上させる提案もなされている（例えば特許文献２）。

特開平10-50897号公報 特開2008-270455号公報 特開2011-14739号公報 特開2003-142635号公報

封止樹脂とケース端子台（および電極端子）が、樹脂の硬化収縮に伴う応力や部材間の線膨張率の差に起因する応力により剥離すると、電極端子の部位にまで剥離が伸展する。この状態で半導体素子に振動やヒートサイクルが加わると、配線に断線が生じることが懸念される。このように、封止樹脂の剥離は半導体装置の信頼性を著しく低下させる。

本発明は上記のような課題を鑑みてなされたものである。封止樹脂と電極端子との間に発生する樹脂の剥離を抑制することで、ヒートサイクルで生じる封止樹脂の膨張と収縮に伴う配線の断線を阻止し、信頼性の高い半導体装置を得ることを目的とする。

本発明に係る半導体装置は、第一主面には第一電極パターンが形成されており、第二主面には第二電極パターンが形成されている絶縁性基板と、絶縁性基板の第一電極パターンに接合されているベース板と、表側電極と裏側電極を有し、絶縁性基板の第二電極パターンに裏側電極が接合されている半導体素子と、窪みが形成されている端子部を有する樹脂製のケース部材と、ケース部材に固定されていて、配線接続部が窪みの底面から露呈している電極端子と、電極端子の配線接続部と半導体素子の表側電極を接続するボンディング配線と、ケース部材の内側に充填され、絶縁性基板と半導体素子とボンディング配線を封止する封止樹脂部材と、を備え、端子部に形成されている窪みにはボンディング配線の入り口が設けられていて、入り口は装置内側を向きかつ開放されていて、端子部に形成されている窪みは、入り口から奥面に向かうほど、幅が広くなっていることを特徴とするものである。

本発明の半導体装置によれば、封止樹脂部材の電極端子からの剥離を抑制することができるとともに、ボンディング配線の接続寿命を延ばすことができ、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。

本発明の実施の形態に係る半導体装置の構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の構造を示す平面図である。 半導体素子基板に半導体素子が接合された状態を表す側面図である。 図４Ａは本発明の実施の形態１に係る端子部の第１の構造を示す正面図である。図４Ｂは本発明の実施の形態１に係る端子部の第１の構造を示す側面図である。 本発明の実施の形態１に係る端子部の第１の構造を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る端子部の第２の構造を示す説明図である。 本発明の実施の形態２に係る端子部の構造を示す側面図である。 本発明の実施の形態２に係る端子部の構造を示す斜視図である。 本発明の実施の形態３に係る端子部の構造を示す説明図である。 本発明の実施の形態３に係る端子部の構造を示す斜視図である。 本発明の実施の形態４に係る半導体装置の構造を示す断面図である。 比較例に係る端子部の構造を示す説明図である。 比較例に係る端子部の構造を示す斜視図である。 ヒートサイクル試験の結果を表す図である。

以下に本発明にかかる半導体装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。図において、同一符号が付与されている構成要素は、同一の、または、相当する構成要素を表している。本実施の形態の半導体装置は、家電用、産業用、自動車用、電車用などに広く用いられる半導体パワーモジュールである。

実施の形態１．
最初に本発明の実施の形態に係る半導体装置の全体構成について説明する。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である。半導体装置１００は、封止樹脂部材１、半導体素子２ａ、半導体素子２ｂ、電極端子４、ボンディング配線６、ケース部材７、半導体素子基板１１、接合材１２、ベース板１３、接着剤１４などから構成されている。半導体素子２ａおよび半導体素子２ｂは、半導体素子基板１１にはんだなどの接合材１２で固着されている。ベース板１３は半導体素子基板１１にはんだなどの接合材１２で固着されている。ケース部材７はベース板１３とシリコーン製の接着剤１４によって固定されている。ベース板１３が底板となり、ベース板１３とケース部材７とで筐体を成している。ケース部材７は、使用温度領域内で熱変形を起こさず、しかも、絶縁性を維持することが求められている。このため、ケース部材７には、ＰＰＳ（Poly Phenylene Sulfide）樹脂などの、軟化点が高い樹脂が使用されている。

ケース部材７は電極端子４が固定される端子部３を有する。半導体素子２ａおよび半導体素子２ｂは、ボンディング配線６によって端子部３の電極端子４と接続されている。電極端子４はケース部材７にインサートモールドされていて、外部機器と接続される。電極端子４は、通常銅を用いる。封止樹脂部材１としては、エポキシ樹脂を用いているが、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好適に用いることが出来る。例えば、封止樹脂部材１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。

図２は、本発明の実施の形態１による半導体装置１００の構造を示す上面図である。ここで、半導体素子２ａは大電流を制御するMOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）に代表される電力用半導体素子である。半導体素子２ｂは電力用半導体素子に並列に設けられた還流用のダイオードである。半導体素子２ａと半導体素子２ｂには電極端子４と電気接続するためのボンディング配線６が接続されている。ボンディング配線６の一端は端子部３に接続されている。図では、半導体素子２ａに２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。ボンディング配線６の接合には、銅や錫などの金属片に対する、溶融接合あるいは超音波接合を用いることができるが、必要な電流と電圧を半導体素子に供給できる方法であれば特に限定されない。電極端子４は、ボンディング配線６を介して、第二電極パターン９と接続されていてもよい。

半導体素子２ａと半導体素子２ｂは、珪素（Si）によって形成したものの他、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成したものも好適に使用することができる。ワイドバンドギャップ半導体としては、炭化珪素（SiC）、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドなどがある。ワイドバンドギャップ半導体を用いた場合、許容電流密度が高く、電力損失も低いため、電力半導体素子を用いた装置の小型化が可能となる。

図３は半導体素子基板１１に半導体素子２ａと半導体素子２ｂが接合された状態を表す側面図である。半導体素子２ａは、表側電極２ｏと裏側電極２ｕが、それぞれ、表面と裏面に、形成されている。同様に、半導体素子２ｂは、表側電極２ｏと裏側電極２ｕが、それぞれ、表面と裏面に、形成されている。半導体素子基板１１は、第一電極パターン８と第二電極パターン９と絶縁性基板１０からなる。半導体素子２ａの裏側電極２ｕは、半導体素子基板１１の第二電極パターン９にはんだ等の接合材１２で接合されている（図１参照）。同様に、半導体素子２ｂの裏側電極２ｕは、半導体素子基板１１の第二電極パターン９にはんだ等の接合材１２で接合されている（図１参照）。半導体素子基板１１の第一電極パターン８にはベース板１３がはんだ等の接合材１２で接合される（図１参照）。絶縁性基板１０の下側の第一主面１０ａには外周に第一余白部１１ａを残して第一電極パターン８が形成されている。絶縁性基板１０の上側の第二主面１０ｂには外周に第二余白部１１ｂを残して第二電極パターン９が形成されている。

半導体素子基板１１は、セラミック（Al２O３、SiO２、AlN、BN、Si３N４など）からなる絶縁性基板１０に第一電極パターン８および第二電極パターン９を設けてあるものを指す。第一電極パターン８および第二電極パターン９には銅、アルミなどが用いられる。絶縁性基板１０は、放熱性と絶縁性を備えていることが必要であり、セラミックに限らず、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性基板でも良い。第一電極パターン８は絶縁性基板１０（または半導体素子基板１１）の裏面に形成されている。第二電極パターン９は絶縁性基板１０（または半導体素子基板１１）の表面に形成されている。

絶縁性基板１０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、ダイヤモンド、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、凝集体形状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。絶縁性基板１０に使用する樹脂は、通常、エポキシ樹脂が用いられる。絶縁性基板１０に用いる樹脂は、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。

電極端子４、第一電極パターン８、第二電極パターン９およびベース板１３は、通常銅を用いるが、これに限定するものではなく、必要な放熱特性を有するものであれば特に限定はされない。例えば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、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。表面には、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。電極端子４、第一電極パターン８、第二電極パターン９の少なくとも一部は、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、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、シランカップリング剤、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂等が用いられるが、半導体素子基板の電極部材と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。

図４Ａはケース部材７の端子部３を表す正面図、図４Ｂはケース部材７の端子部３を表す側面図である。端子部３はケース部材７と同じ材料で形成されていて、ケース部材７と一体化している。端子部３の窪み３ａは入り口３ｂ、奥面３ｏ、天面３ｔ、底面３ｌ、側面３ｐおよび側面３ｑを有する。窪み３ａの天面３ｔまたは端子部３の上面３ｕは開放されている。窪み３ａの底面３ｌからは電極端子４の配線接続部４ａが露呈している。実施の形態１の半導体装置１００では、窪み３ａの天面３ｔ（または端子部３の上面３ｕ）よりも電極端子４の接合点（配線接続部４ａ）が低い位置に配置されている。配線接続部４ａは奥面３ｏ、側面３ｐおよび側面３ｑに取り囲まれた構造を有している。ボンディング配線６は電極端子４の配線接続部４ａと半導体素子（２ａ、２ｂ）の表側電極２ｏを接続している。窪み３ａは、入り口３ｂから奥面３ｏまで、幅が同じである。ボンディング配線６の入り口３ｂは端子部３の窪み３ａに設けられている。

図５は端子部の斜視図である。端子部３の窪み３ａに設けられている入り口３ｂは、半導体装置１００の装置内側を向いている。窪み３ａは、入り口３ｂが開放されていて、奥は閉じている。ボンディング配線６は配線接続部４ａの上面（または露出面）にボンディング装置により接合される。ワイヤボンディングを行う際、ボンディング配線６は入り口３ｂから窪み３ａに進入する。ボンディング配線６は、アルミまたは金でできた断面が円形の線体を用いているが、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。端子部３の窪み３ａは、ボンディング配線６を接合するに足る空間を有すれば特に限定するものではないが、ボンディング装置に付属のワイヤ切断ツールを用い、ボンディング配線６を切断できる大きさを有することが好ましい。電極端子４の配線接続部４ａは、ボンディング配線６が接合された後、エポキシ樹脂などで封止される。

端子部３の窪み３ａがワイヤ切断ツールによりボンディング配線６を切断できる大きさを有さない場合には、ボンディング配線６のファーストボンドを電極端子４の配線接続部４ａで実施する。セカンドボンドを第二電極パターン９の上面及び半導体素子２の上面で実施することにより、ボンディング配線６を接続することできる。ただし、セカンドボンドを半導体素子２の上面で実施し、ワイヤ切断ツールによりボンディング配線６を切断する際には半導体素子２の損傷が懸念される。半導体素子２と配線接続部４ａとをボンディング配線６により接合する場合、セカンドボンドを半導体素子２に実施した後、さらに半導体素子２から第二電極パターン９へサードボンドを実施する。この後、第二電極パターン９でボンディング配線６を切断することで信頼性の高い半導体装置１００を得ることができる。なお、図では電極端子４はケース部材７にインサート成形されているが、窪み３ａに接着材等で固定することも出来る。

なお、実施の形態１に係る端子部３の構造はこれに限定されるものではない。図６に示すように窪み３ａが、テーパー形状（半導体素子２に向かって断面積が小さくなる形状）の構造を有していてもよい。すなわち窪み３ａの入り口から奥面に向かうほど、幅が広くなっていてもよい。ケース部材７からなる端子部３がテーパー形状を有することで、ヒートサイクル時またはパワーサイクル時に熱応力が発生する封止樹脂部材１は、端子部３に３辺を囲まれた配線接続部４ａの上部との界面にかかる熱応力が低減される。電極端子４と封止樹脂部材１との剥離が抑制されるので、信頼性の高い半導体装置１００を得ることができる。

本実施の形態による端子部は窪みが三辺を取り囲まれた開口構造を有している。開口部のケース部材は鋭角形状であるが、鋭角形状に限定するものではなく、裾野のようなフィレット形状すなわち丸みを有した形状であることが好ましい。開口構造が丸みを有した形状を持つことで、封止樹脂部材１が剥離した際においても、開口部が封止樹脂部材１のクラックの起点となることを抑制でき、より信頼性の高い半導体装置１００を得ることができる。

次に本実施の形態の効果について説明する。端子部３と封止樹脂部材１との界面にはせん断応力が発生する。端子部３と封止樹脂部材１との界面に発生するせん断応力は、上面３ｕと封止樹脂部材１との接触界面の直線的な連続距離に依存するため、この接触界面の直線的な連続距離を小さくすることでせん断応力を低減することができる。本実施の形態の半導体装置１００によれば、電極端子４の配線接続部４ａはケース部材７と一体化された端子部３の上面３ｕより低い位置に配置されている。配線接続部４ａと端子部３は同一平面状に存在しないため、上面３ｕと封止樹脂部材１との直線的な連続距離を断ち切ることができる。これにより、端子部３と封止樹脂部材１との接触界面に生じる封止樹脂の硬化収縮起因のせん断応力は低減し、配線接続部４ａと封止樹脂部材１との剥離を抑制することができる。

ケース部材７と同一材料からなる端子部３は空洞構造（窪み３ａ）を有する。電極端子４の配線接続部４ａに接合されたボンディング配線の近傍において封止樹脂部材１と端子部３との接着面積が増加している。端子部３と封止樹脂部材１が剥離した際に端子部３までの剥離の伸展距離を伸ばすことで、ボンディング配線６の接続寿命を延ばすことができ、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。端子部３の窪み３ａを囲む三辺は表面粗化、コーティング、カップリングなどの封止樹脂部材１との接着性を向上させるための処理が施されていてもよい。電極端子４の配線接続部４ａから端子部３の上面３ｕまでの段差（端子部３の高さ）としては、１ｍｍ以上あれば良い。端子部３の段差が１ｍｍ以下では、封止樹脂部材１と端子部３との接着面積が十分でないため剥離抑制効果は十分でない。

以上のように、本実施の形態の半導体装置１００によれば、ケース部材７と同一材料からなる端子部３の上面３ｕよりも、ボンディング配線が接合された電極端子４の配線接続部４ａは低い位置に埋設されている。ボンディング配線６はケース部材７と同一材料からなる端子部３の窪み３ａに三辺を取り囲まれた構造を有しており、封止樹脂部材１の硬化収縮により生じるせん断応力が低減する。配線接続部４ａの近傍における端子部３と封止樹脂部材１との接着面積を増加させることで、電極端子４および端子部３と封止樹脂部材１との接着性が向上する。

ボンディング配線６は電極端子４から半導体素子２および半導体素子基板１１へ電気接続する。ボンディング配線６の近傍の電極端子４と封止樹脂部材１とが剥離すると、ヒートサイクルにともなう封止樹脂部材１の膨張と収縮や振動により、ボンディング配線の接合部への負荷が高くなり断線にいたる。上述のように電極端子４と封止樹脂部材１との剥離を抑制することで、ボンディング配線６の断線を抑制し、信頼性の高い半導体装置１００を得ることができる。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、１５０℃以上で動作する半導体素子に適用すると顕著な効果が得られる。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２では、本発明の実施の形態１と比較して、ケース部材７と一体化している端子部の構造が異なっている。実施の形態１は電極端子４の配線接続部４ａが窪み３ａに三辺を取り囲まれた構造であるが、実施の形態２では電極端子４の配線接続部４ａが端子部３の窪み３ａに四辺を囲まれた構造を有している。図７は、本発明の実施の形態２に係る端子部を示す側面図である。図８は、本発明の実施の形態２に係る端子部を示す斜視図である。

実施の形態２に係る端子部３では、窪み３ａには入り口に敷居３ｃが設けられている。このため、本実施の形態では、電極端子４の配線接続部４ａは、四辺をケース部材７に囲まれた構造を持つ。封止樹脂部材１は、絶縁性基板１０（あるいは半導体素子基板１１）との剥離を避けるために、これら部材の線膨張率と弾性率にあわせた樹脂が選択されている。ケース部材７との接着性が低くなることが多く、封止樹脂部材１の剥離にともないボンディング配線６の断線が生じる。本実施の形態では、窪み３ａに、端子部３およびケース部材７と接着強度が高い樹脂材料が充填されている。

本実施の形態では、四辺をケース部材７に囲まれた構造を持つ配線接続部４ａの上に、ケース部材７との接着性が高く、ケース部材７の線膨張率と近い線膨張率をもつ封止樹脂部材１５（第２の封止樹脂部材）が封止されている。封止樹脂部材１は、半導体素子２および半導体素子基板１１とボンディング配線６との接着性を確保する。封止樹脂部材１５は、電極端子４の配線接続部４ａを被覆しており、ケース部材７との接着性を確保する。その結果、さらに信頼性の高い半導体装置１００を得ることができる。

封止樹脂部材１５としては、エポキシ樹脂を用いているが、これに限定するものではなく、所望の線膨張率と弾性率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。

端子部３の窪み３ａは、ボンディング配線６を接合するに足る空間を有すれば特に限定するものではないが、ボンディング装置に付属のワイヤ切断ツールを用い、ボンディング配線６を切断できる大きさを有することが好ましい。端子部３の窪み３ａがワイヤ切断ツールによりボンディング配線６を切断できる大きさを有さない場合には、ボンディング配線６のファーストボンドを電極端子４の配線接続部４ａで実施する。セカンドボンドを第二電極パターン９及び半導体素子２の上面で実施することにより、ボンディング配線６を接続することできる。ただし、セカンドボンドを半導体素子２の上面で実施し、ワイヤ切断ツールによりボンディング配線６を切断する際には半導体素子２の損傷が懸念される。半導体素子２と配線接続部４ａとをボンディング配線により接合する場合、セカンドボンドを半導体素子２に実施するとよい。その後、さらに半導体素子２から第二電極パターン９へサードボンドを実施し、第二電極パターン９でボンディング配線を切断することで信頼性の高い半導体装置１００を得ることができる。

次に本実施の形態の端子部３と封止樹脂部材１との界面に発生するせん断応力について説明する。端子部３と封止樹脂部材１との界面に発生するせん断応力は、上面３ｕと封止樹脂部材１との接触界面の直線的な連続距離に依存する。この接触界面の直線的な連続距離を小さくすることでせん断応力は低減する。本実施の形態の半導体装置によれば、配線接続部４ａがケース部材７で構成された端子部３の上面３ｕより低い位置に配置されていて、電極端子４の配線接続部４ａが窪み３ａに埋設されている。配線接続部４ａと端子部３は同一平面状に存在しないため、上面３ｕと封止樹脂部材１との直線的な連続距離を断ち切ることができる。これにより、端子部３と封止樹脂部材１との接触界面に生じる封止樹脂の硬化収縮起因のせん断応力は低減し、配線接続部４ａと封止樹脂部材１との剥離を抑制することができる。

本実施の形態では電極端子４の四辺をケース部材で囲むことによって、封止樹脂部材１と配線接続部４ａの近傍のケース部材７との接着面積が増加している。電極端子４の配線接続部４ａの近傍においては封止樹脂部材１の剥離が抑制され、電極端子４の配線接続部４ａまでの伸展距離を伸ばすことができる。封止樹脂部材１との接着強度が低いケース部材７からなる端子部３が封止樹脂部材１と剥離した際には、ボンディング配線６の接続寿命が延び、信頼性の高い半導体装置１００を得ることができる。また、ケース部材７に囲まれた四辺は表面粗化、コーティング、カップリングなどの封止樹脂部材１との接着性を向上させるための処理が施されていてもよい。

以上のように、本実施の形態の半導体装置１００によれば、ケース部材７と一体化された端子部３の上面３ｕより、ボンディング配線が接合された配線接続部４ａが低い位置に配置されている。電極端子４の配線接続部４ａはケース部材７からなる端子部３の窪み３ａに四辺を取り囲まれた構造を有している。このことにより、封止樹脂部材１の硬化収縮により生じるせん断応力が低減する。電極端子４の配線接続部４ａの近傍における端子部３と封止樹脂部材１との接着面積が増加していることで、配線接続部４ａおよび端子部３と封止樹脂部材１との接着性が向上する。

本実施の形態によれば、封止樹脂が端子部３に四辺を取り囲まれた構造を有することで、ケース部材７との接着性が高い第２の封止樹脂を部分的に封止することができ、ケース部材７との接着性を高めることができる。電極端子４から半導体素子２および半導体素子基板１１への電気接続はボンディング配線６が担っている。近傍の配線接続部４ａと封止樹脂部材１とが剥離すると、ボンディング配線６は、ヒートサイクルにともなう封止樹脂部材１の膨張と収縮や振動により、接合部への負荷が高くなり断線にいたる。上述のように端子部３と封止樹脂部材１との剥離を抑制することで、ボンディング配線６の断線を抑制し、信頼性の高い半導体装置１００を得ることができる。

実施の形態３．
本発明の実施の形態３では、本発明の実施の形態１と比較して、ケース部材７と一体化している端子部の構造が異なっている。実施の形態１は、電極端子４の配線接続部４ａがケース部材７から成る端子部３に三辺を取り囲まれた構造である。実施の形態３では図９と図１０に示すような、電極端子４の配線接続部４ａがケース部材７から成る端子部３から突出した構造を有している。端子部３には周囲から突出した段３ｄが形成されている。ボンディング配線６が接合される電極端子４の配線接続部４ａは、端子部３の上面３ｕより高い位置に配置されている。

次に本実施の形態の端子部３と封止樹脂部材１との界面に発生するせん断応力について説明する。端子部３と封止樹脂部材１との界面に発生するせん断応力は、上面３ｕと封止樹脂部材１との接触界面の直線的な連続距離に依存するため、この接触界面の直線的な連続距離を小さくすることでせん断応力を低減することができる。本実施の形態の半導体装置１００によれば、電極端子４の配線接続部４ａはケース部材７で構成された端子部３の上面３ｕより高い位置に配置されていて、電極端子４の配線接続部４ａが端子部３に形成された段３ｄより突出している。配線接続部４ａが端子部３と同一平面上を避けて配置されているため、電極端子４と封止樹脂部材１との界面距離を区切ることができ、電極端子４と封止樹脂部材１との界面に生じる封止樹脂部材１の硬化収縮起因のせん断応力が減少する。電極端子４と封止樹脂部材１との剥離を抑制することで、ボンディング配線６の断線を抑制し、信頼性の高い半導体装置１００を得ることができる。

以上のように、本実施の形態の半導体装置１００によれば、ボンディング配線６が接合された配線接続部４ａは、ケース部材７で構成された端子部３の上面３ｕより高い位置に配置されている。その結果、封止樹脂部材１の硬化収縮により生じるせん断応力が減少する。端子部３に突出した段３ｄを形成し、ケース部材７からなる端子部３と封止樹脂部材１との接着面積が増加していることで、電極端子４およびケース部材７からなる端子部３と封止樹脂部材１との接着性を向上させることができる。電極端子４から半導体素子２および半導体素子基板１１への電気接続はボンディング配線が担っている。ボンディング配線６の近傍の配線接続部４ａと封止樹脂部材１とが剥離すると、ヒートサイクルにともなう封止樹脂部材１の膨張と収縮や振動により、ボンディング配線６の接合部への負荷が高くなり断線にいたる。上述のように端子部３と封止樹脂部材１との剥離を抑制することで、ボンディング配線の断線を抑制し、信頼性の高い半導体装置１００を得ることができる。

実施の形態４．
本発明の実施の形態４に係る半導体装置の構造を図１１に示す。実施の形態１および２における、電極端子４および配線接続部４ａは、ケース部材７の内部に含まれる半導体素子２ａ、半導体素子２ｂ、電極端子４、ボンディング配線６、半導体素子基板１１を覆う封止樹脂部材１により、封止されている。本実施の形態では、封止樹脂部材１を、半導体素子２ａ、半導体素子２ｂ、電極端子４、ボンディング配線６、半導体素子基板１１を覆う第１の封止樹脂部材１ａと、ケース部材７から成る端子部３に三辺を取り囲まれた電極端子４および配線接続部４ａを覆う第２の封止樹脂部材１ｂとで構成している。第２の封止樹脂部材１ｂには、第１の封止樹脂部材１ａよりも低弾性率のものを使用する。

次に本実施の形態のケース部材７から成る端子部３に三辺を取り囲まれた電極端子４および配線接続部４ａを、第２の封止樹脂部材が覆う際に発生する応力について説明する。半導体装置が高温になると、半導体装置を構成する各種部材には、線膨張率の違いにより反りが生じるとともに、配線接続部４ａと封止樹脂との界面にせん断応力が生じる。半導体装置の高温動作化に伴い、半導体素子基板１１および半導体素子２との剥離を抑制するためには、第１の封止樹脂部材の線膨張率をなるべく低くし、半導体素子基板１１および半導体素子２の線膨張率に近づけることが有効である。しかし、金属部材で構成される電極端子４は、樹脂材料で構成されるケース部材７および封止樹脂部材と、線膨張率が離れているため、端子部３と封止樹脂部材１との界面に発生するせん断応力が増加し、電極端子４と封止樹脂部材１との剥離が進行し、ボンディング配線６の断線を促すこととなる。

電極端子４と封止樹脂部材界面に生じるせん断応力は、封止樹脂の線膨張率および弾性率に依存するため、ケース部材７から成る端子部３に三辺を取り囲まれた電極端子４および配線接続部４ａを覆う第２の封止樹脂部材の弾性率を低下させることにより、配線接続部４ａと封止樹脂との界面に生じるせん断応力を低減させ、配線接続部４ａと封止樹脂との剥離を抑制することができる。また、第２の封止樹脂部材と第１の封止樹脂部材との接着力が低い場合、半導体装置に大きな反りが生じたとしても、一定の応力を越えた場合に第１の封止樹脂部材１ａと第２の封止樹脂部材１ｂとの界面で剥離が生じるため、端子部と封止樹脂とのせん断応力を低減することができる。このとき、第２の封止樹脂部材と絶縁性基板を封止する第１の封止樹脂部材との接着強度が５Ｍｐａ以下となるようにする。さらに、接着力の低減には、例えば、第２の封止樹脂部材が露呈している面へシリコーン系離型材を塗布し、第１の封止樹脂部材で全面を封止すればよい。このように端子部３と封止樹脂部材１との剥離を抑制することで、ボンディング配線の断線を抑制し、信頼性の高い半導体装置１００を得ることができる。

実施例１〜４と比較例との対比．
以下、本発明の効果を実施例１〜４と比較例とを対比させて説明する。先ず、比較例に関わる端子部の構造を図１２と図１３に基づいて説明する。比較例では配線接続部４ａと端子部３に高低差が設けられていない。すなわちこの電極端子構造では電極端子４の配線接続部４ａと端子部３の上面３ｕが同一平面上に存在している。電極端子４は端子部３にインサートモールドされている。

評価試験用の半導体装置（モジュール）は、種々の材料と封止樹脂を用いて作製した。銅の金属板には、半導体素子２と半導体素子基板（セラミックス製）１１をはんだ接合材を介して取り付けた。この金属板に、インサート成型により作製されたケース部材を接着剤により取り付けた。端子部はケース部材の上側に形成した。この仕掛品を線膨張係数が２０であるエポキシ樹脂からなる液状封止樹脂を用いて封止し、１５０℃で２時間加熱をすることで評価用サンプルを作製した。この評価用サンプルに対し、各種のヒートサイクル試験を実行した。

実施例１〜４および比較例に対応する評価用サンプルは複数個試作した。実施の形態１〜４に対応する評価用サンプルでは、配線接続部４ａと端子部３との高低差は３ｍｍに設定してある。試作した半導体装置は全体を温度制御が可能な恒温曹に入れ、ヒートサイクル試験に供した。恒温曹の温度を調整し、複数の評価用サンプルのそれぞれを評価した。ヒートサイクル試験は高温時の恒温曹の温度を変えて２種類の条件で実施した。ヒートサイクル試験の第一条件は、評価用サンプルを−４０℃で３０分間保持し、その後１２５℃で３０分間保持することを１サイクルとし、このサイクルを５００回繰り返す。ヒートサイクル試験の第二条件は、評価用サンプルを−４０で３０分間保持し、その後１５０℃で３０分間保持することを１サイクルとし、このサイクルを５００回繰り返す。

ヒートサイクル試験では、５０サイクル毎に導通試験を実施した。故障が発見された場合には、超音波探傷装置による非破壊での剥離観察と、樹脂溶解剤にて封止樹脂を溶解した後の目視観察により、不具合の主原因を調査した。図１４に、実施の形態１〜４と比較例に対応する評価用サンプルにヒートサイクル試験を行った結果を示す。各種評価では３台の半導体装置を評価した。図では、ヒートサイクル試験の５００サイクル後に行った導通試験において、３台全て合格した項目を○と記載し、１台もしくは２台合格した項目を△とし、合格にいたるものがなかった項目を×と記載している。

先ず、比較例に対応する評価用サンプルの評価結果から説明する。ここでは配線接続部４ａと端子部３とに高低差を設けない電極端子構造の半導体装置でヒートサイクル試験を実施した。第一条件（−４０℃〜１２５℃）の試験評価では、５０サイクル後に導通不良が生じた。また、第二条件（−４０℃〜１５０℃）の試験評価では、１００サイクル後に導通不良が生じた。すなわち、比較例に対応する評価用サンプルでは、第一条件および第二条件において、半導体装置が動作しなくなった。

次に、実施の形態１に対応する評価用サンプルの評価結果について説明する。ここでは電極端子４の配線接続部４ａが端子部よりも低い電極端子構造の半導体装置でヒートサイクル試験を実施した。第一条件（−４０℃〜１２５℃）の試験評価では、５００サイクル後にも導通不良が生じず、半導体装置が正常に動作することがわかった。また、第二条件（−４０℃〜１５０℃）の試験評価においても、５００サイクル後には導通不良が生じず、半導体装置が正常に動作することがわかった。

次に、実施の形態２に対応する評価用サンプルの評価結果について説明する。ここでは、電極端子４の配線接続部４ａが端子部よりも低い電極端子構造を持ち、半導体素子基板を封止する樹脂とは異なる封止樹脂を電極端子上に部分的に封止した半導体装置でヒートサイクル試験を実施した。第一条件（−４０℃〜１２５℃）の試験評価でも、５００サイクル後で導通不良が生じず、半導体装置が正常に動作することがわかった。また、第二条件（−４０℃〜１５０℃）の試験評価においても、５００サイクル後には導通不良が生じず、半導体装置が正常に動作することがわかった。

さらに、実施の形態３に対応する評価用サンプルの評価結果について説明する。ここでは電極端子４の配線接続部４ａが端子部よりも高い電極端子構造の半導体装置でヒートサイクル試験を実施した。第一条件（−４０℃〜１２５℃）の試験評価では、５００サイクル後にも導通不良が生じず、半導体装置が正常に動作することがわかった。しかし、第二条件（−４０℃〜１５０℃）の試験評価においては、一部の半導体装置で４００サイクル後に導通不良が生じており、半導体装置が動作しなくなることがわかった。

さらに、実施の形態４に対応する評価用サンプルの評価結果について説明する。ここでは電極端子４の配線接続部４ａが端子部よりも低い電極端子構造を持つ半導体装置を用いた。第２の封止樹脂部材には、半導体素子基板を封止する第１の封止樹脂部材よりも弾性率の低い封止樹脂を用いる。先ず、ゴム材料を編成することで弾性率を低下させた第２の封止樹脂を電極端子上に部分的に封止し、100℃/1hrで半硬化させた。その後、第２の封止樹脂が露呈している面へシリコーン系離型材を塗布し、第１の封止樹脂で全面を封止した。以上の条件で作成した半導体装置でヒートサイクル試験を実施した。第一条件（−４０℃〜１２５℃）の試験評価でも、５００サイクル後で導通不良が生じず、半導体装置が正常に動作することがわかった。また、第二条件（−４０℃〜１５０℃）の試験評価においても、５００サイクル後には導通不良が生じず、半導体装置が正常に動作することがわかった。

これらの結果より、配線接続部４ａと端子部に高低差を設けることによって、ヒートサイクルによる封止樹脂の膨張と収縮においても断線を生じない信頼性の高い半導体装置を作製できることが示された。また、電極端子の配線接続部４ａは端子部よりも高く設定するよりも低く設定するほうが、より信頼性の高い半導体装置を作製できることが判明した。

半導体素子にＳｉＣを用いた場合、電力半導体素子はその特徴を生かすべくＳｉの時と比較してより高温で動作させることになる。ＳｉＣデバイスを搭載するパワーモジュールにおいては、半導体素子としてより高い信頼性が求められるため、高信頼のパワーモジュールを実現するという本発明のメリットはより効果的なものとなる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、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、省略することが可能である。

１ 封止樹脂部材、２ 半導体素子、２ａ 半導体素子、２ｂ 半導体素子、２ｏ 表側電極、２ｕ 裏側電極、３ 端子部、３ａ 窪み、３ｂ 入り口、３ｃ 敷居、３ｄ 段、３ｌ 底面、３ｏ 奥面、３ｐ 側面、３ｑ 側面、３ｔ 天面、３ｕ 上面、４ 電極端子、４ａ 配線接続部、６ ボンディング配線、７ ケース部材、８ 第一電極パターン、９ 第二電極パターン、１０ 絶縁性基板、１０ａ 第一主面、１０ｂ 第二主面、１１ 半導体素子基板、１１ａ 第一余白部、１１ｂ 第二余白部、１２ 接合材、１３ ベース板、１４ 接着剤、１５ 封止樹脂部材、１００ 半導体装置。

Claims (8)

1. 第一主面には第一電極パターンが形成されており、第二主面には第二電極パターンが形成されている絶縁性基板と、
   前記絶縁性基板の第一電極パターンに接合されているベース板と、
   表側電極と裏側電極を有し、前記絶縁性基板の第二電極パターンに前記裏側電極が接合されている半導体素子と、
   窪みが形成されている端子部を有する樹脂製のケース部材と、
   前記ケース部材に固定されていて、配線接続部が前記窪みの底面から露呈している電極端子と、
   前記電極端子の配線接続部と前記半導体素子の表側電極を接続するボンディング配線と、前記ケース部材の内側に充填され、前記絶縁性基板と前記半導体素子と前記ボンディング配線を封止する封止樹脂部材と、を備え、
   前記端子部に形成されている窪みには前記ボンディング配線の入り口が設けられていて、前記入り口は装置内側を向きかつ開放されていて、
   前記端子部に形成されている窪みは、前記入り口から奥面に向かうほど、幅が広くなっていることを特徴とする半導体装置。
2. 前記端子部に形成されている窪みは、前記入り口に敷居が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記端子部に形成されている窪みは、前記電極端子の配線接続部を被覆する樹脂が充填されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記封止樹脂部材は、前記絶縁性基板を封止する第１の封止樹脂部材と、前記電極端子の配線接続部を被覆する第２の封止樹脂部材を含み、
   前記第１の封止樹脂部材と前記第２の封止樹脂部材は、異なる材料からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
5. 前記第２の封止樹脂部材は、前記第1の封止樹脂部材よりも弾性率が低いことを特徴と
   する請求項４に記載の半導体装置。
6. 前記第２の封止樹脂部材と前記第１の封止樹脂部材との接着強度は、５Ｍｐａ以下であることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
7. 前記半導体素子の少なくとも一部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６のいずれか１項に記載の半導体装置。
8. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素，窒化ガリウム系材料，ダイヤモンドのいずれかの半導体であることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。

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