JPH08298299A - 半導体装置 - Google Patents
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- H01L2924/1305—Bipolar Junction Transistor [BJT]
- H01L2924/13055—Insulated gate bipolar transistor [IGBT]
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- Structures Or Materials For Encapsulating Or Coating Semiconductor Devices Or Solid State Devices (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【構成】パワー半導体素子を含む回路部を、熱膨張係数
を特定した材質の樹脂系モールドで一体的に補強する。 【効果】小型，高密度の半導体装置を低価格で提供する
ことができる。
を特定した材質の樹脂系モールドで一体的に補強する。 【効果】小型，高密度の半導体装置を低価格で提供する
ことができる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体素子を含むチッ
プ部品が基板上に搭載され、導体回路に電気的に接続さ
れた半導体装置に係り、特に、能動素子としてのパワー
半導体素子を固着する金属ベース基板上の絶縁層の信頼
性を向上させた混成集積回路系パワー半導体装置に関す
る。
プ部品が基板上に搭載され、導体回路に電気的に接続さ
れた半導体装置に係り、特に、能動素子としてのパワー
半導体素子を固着する金属ベース基板上の絶縁層の信頼
性を向上させた混成集積回路系パワー半導体装置に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】従来のこの種パワー半導体装置として次
の二つの構成がある。一つは特開昭62−2587号公報に開
示される。これは、金属板上に樹脂系絶縁層及び導体パ
ターンを形成した配線基板である。この導体パターン上
にパワー半導体素子などを固着することによって所定の
回路を構成し、ゲル状シリコン系樹脂で充填された構造
を有している。この構造を有する配線基板では、金属板
表面に均質で平坦な絶縁層を配置できるので、底部にコ
レクタ電極を有した非絶縁型パワー半導体素子を、ヒー
トスプレッダなどの導体層を介して直接固着することが
でき、導体配線を配置するときの設計自由度が高く、高
密度化もしくは小型化に有効である。しかし、次の欠点
を有している。パワー半導体素子と金属ベース基板との
間に樹脂層を介するため、この樹脂層が厚くなると熱抵
抗が大きくなってしまう。一方、通常使用される層厚１
００μｍ以下程度に薄くすると、半導体素子と金属ベー
ス基板との熱膨張係数の差に起因する温度変化時の内部
応力が、この樹脂層に集中し、クラックなどを発生して
絶縁特性が劣化しやすいという現象がある。
の二つの構成がある。一つは特開昭62−2587号公報に開
示される。これは、金属板上に樹脂系絶縁層及び導体パ
ターンを形成した配線基板である。この導体パターン上
にパワー半導体素子などを固着することによって所定の
回路を構成し、ゲル状シリコン系樹脂で充填された構造
を有している。この構造を有する配線基板では、金属板
表面に均質で平坦な絶縁層を配置できるので、底部にコ
レクタ電極を有した非絶縁型パワー半導体素子を、ヒー
トスプレッダなどの導体層を介して直接固着することが
でき、導体配線を配置するときの設計自由度が高く、高
密度化もしくは小型化に有効である。しかし、次の欠点
を有している。パワー半導体素子と金属ベース基板との
間に樹脂層を介するため、この樹脂層が厚くなると熱抵
抗が大きくなってしまう。一方、通常使用される層厚１
００μｍ以下程度に薄くすると、半導体素子と金属ベー
ス基板との熱膨張係数の差に起因する温度変化時の内部
応力が、この樹脂層に集中し、クラックなどを発生して
絶縁特性が劣化しやすいという現象がある。
【０００３】他の一つは、特開昭64−42160 号及び特許
開平6−80748号公報に開示される。すなわち、金属のベ
ース基板上に、予め所定間隔の隙間を設けてパワー半導
体素子をセットし、この隙間を含むモールド層として樹
脂を流し込んで半導体装置を構成するものである。この
構造によれば、半導体素子を取り巻く構造体としての樹
脂層が多く存在するので、応力集中によるクラックは発
生しにくく、絶縁層として高い信頼性が得られる。しか
し、前述したように予め素子をセットした空間に樹脂を
流し込む方法であり、樹脂層の厚さが不安定になりやす
い。通常、この種樹脂層の熱伝導率は極めて低く、若干
の層厚の誤差が熱抵抗として大きなばらつきとなり、量
産工場での安定した品質を得るのが難しい。
開平6−80748号公報に開示される。すなわち、金属のベ
ース基板上に、予め所定間隔の隙間を設けてパワー半導
体素子をセットし、この隙間を含むモールド層として樹
脂を流し込んで半導体装置を構成するものである。この
構造によれば、半導体素子を取り巻く構造体としての樹
脂層が多く存在するので、応力集中によるクラックは発
生しにくく、絶縁層として高い信頼性が得られる。しか
し、前述したように予め素子をセットした空間に樹脂を
流し込む方法であり、樹脂層の厚さが不安定になりやす
い。通常、この種樹脂層の熱伝導率は極めて低く、若干
の層厚の誤差が熱抵抗として大きなばらつきとなり、量
産工場での安定した品質を得るのが難しい。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、高信
頼性かつ小型のパワー半導体装置を実現することにあ
る。すなわち、予め絶縁層を形成したいわゆる絶縁金属
基板を適用することによって、パワー半導体素子の下部
に均質で安定した層厚を有する絶縁層が配置でき、かつ
半導体素子周辺に多量の樹脂層を配置して、前述した温
度変化時の絶縁層への応力集中を緩和し、結果的に高信
頼性かつ小型のパワー半導体装置を提供する。
頼性かつ小型のパワー半導体装置を実現することにあ
る。すなわち、予め絶縁層を形成したいわゆる絶縁金属
基板を適用することによって、パワー半導体素子の下部
に均質で安定した層厚を有する絶縁層が配置でき、かつ
半導体素子周辺に多量の樹脂層を配置して、前述した温
度変化時の絶縁層への応力集中を緩和し、結果的に高信
頼性かつ小型のパワー半導体装置を提供する。
【０００５】本発明の他の目的は、実用パワー半導体装
置に要求される、熱放散に好適で、かつ安定した熱抵抗
を有する構造を容易にかつ低価格で提供することにあ
る。
置に要求される、熱放散に好適で、かつ安定した熱抵抗
を有する構造を容易にかつ低価格で提供することにあ
る。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では次の手段をとる。
に、本発明では次の手段をとる。
【０００７】（１）金属基体表面の少なくとも一面が有
機絶縁層によって予め被覆された絶縁金属基板の前記絶
縁層上に固着された能動素子及びもしくは受動素子と、
それを電気的に接続する導体回路及び外部との入出力用
端子とを有し、これら回路系が樹脂系モールドによって
保護された構造のパワー半導体装置において、前記樹脂
系モールドが一体的に構成され、前記モールドが実質的
に単一の樹脂層からなる構成の半導体装置とする。
機絶縁層によって予め被覆された絶縁金属基板の前記絶
縁層上に固着された能動素子及びもしくは受動素子と、
それを電気的に接続する導体回路及び外部との入出力用
端子とを有し、これら回路系が樹脂系モールドによって
保護された構造のパワー半導体装置において、前記樹脂
系モールドが一体的に構成され、前記モールドが実質的
に単一の樹脂層からなる構成の半導体装置とする。
【０００８】（２）（１）において、前記能動素子が、
非絶縁型パワー半導体素子で構成した半導体装置とす
る。
非絶縁型パワー半導体素子で構成した半導体装置とす
る。
【０００９】（３）（１）または（２）において、通常
の使用環境温度における熱膨張係数の比が、前記金属基
体に対して、前記有機絶縁層が最大１.２，最小０.５の
範囲に調節された半導体装置とする。
の使用環境温度における熱膨張係数の比が、前記金属基
体に対して、前記有機絶縁層が最大１.２，最小０.５の
範囲に調節された半導体装置とする。
【００１０】（４）（１）または（２）において、通常
の使用環境温度における熱膨張係数の比が、有機絶縁層
に対して、前記樹脂系モールドが最大１.５，最小０.５
の範囲に調節された半導体装置とする。
の使用環境温度における熱膨張係数の比が、有機絶縁層
に対して、前記樹脂系モールドが最大１.５，最小０.５
の範囲に調節された半導体装置とする。
【００１１】（５）（１）または（２）において、通常
の使用環境温度における熱膨張係数の比が、金属基体に
対して、前記樹脂系モールドが最大１.２，最小０.５の
範囲に調節された半導体装置とする。
の使用環境温度における熱膨張係数の比が、金属基体に
対して、前記樹脂系モールドが最大１.２，最小０.５の
範囲に調節された半導体装置とする。
【００１２】（６）（１）または（２）において、通常
の使用環境温度における熱膨張係数の比が、金属基体に
対して、有機絶縁層が最大１.２，最小０.５の範囲に、
かつ前記樹脂系モールドが最大１.２，最小０.５の範囲
にそれぞれ調節された半導体装置とする。
の使用環境温度における熱膨張係数の比が、金属基体に
対して、有機絶縁層が最大１.２，最小０.５の範囲に、
かつ前記樹脂系モールドが最大１.２，最小０.５の範囲
にそれぞれ調節された半導体装置とする。
【００１３】（７）（１）または（６）において、前記
金属基体がアルミニウムもしくは銅を主成分として構成
された半導体装置とする。
金属基体がアルミニウムもしくは銅を主成分として構成
された半導体装置とする。
【００１４】（８）（１）または（７）において、前記
樹脂系モールドがエポキシ樹脂，フェノール樹脂，三酸
化アンチモン，エポキシシラン，エポキシ変性シロキサ
ン，酸化アルミニウム，酸化けい素のうちの少なくとも
二つを有効成分として含み、構成された半導体装置とす
る。
樹脂系モールドがエポキシ樹脂，フェノール樹脂，三酸
化アンチモン，エポキシシラン，エポキシ変性シロキサ
ン，酸化アルミニウム，酸化けい素のうちの少なくとも
二つを有効成分として含み、構成された半導体装置とす
る。
【００１５】（９）（１）または（８）において、前記
絶縁金属基板上に前記パワー半導体素子を駆動する制御
系回路用チップ部品及びもしくは過電流，過温度などを
監視する保護系回路用チップ部品を含んで構成された半
導体装置とする。
絶縁金属基板上に前記パワー半導体素子を駆動する制御
系回路用チップ部品及びもしくは過電流，過温度などを
監視する保護系回路用チップ部品を含んで構成された半
導体装置とする。
【００１６】
【作用】本発明の構成による作用は次のとおりである。
【００１７】（１）金属基体表面の少なくとも一面が有
機絶縁層によって予め被覆された絶縁金属基板の絶縁層
上に固着された能動素子及びもしくは受動素子と、それ
を電気的に接続する導体回路及び外部との入出力用端子
とを有し、これら回路系が樹脂系モールドによって保護
された構造のパワー半導体装置において、樹脂系モール
ドが一体的に構成され、モールドが実質的に単一の樹脂
層いわゆる硬質樹脂によって構成されるので、金属板表
面に均質で平坦な絶縁層を配置でき、底部にコレクタ電
極を有した非絶縁型パワー半導体素子を、ヒートスプレ
ッダなどの導体層を介して直接固着することができ、導
体配線を配置するときの設計自由度が高く、高密度化も
しくは小型化に有効である。さらに、パワー半導体素子
を含む回路全体が単一のモールド樹脂層によって覆われ
ているために、有機絶縁層が補強され、絶縁層への応力
集中を緩和できる。通常、この有機絶縁層に要求される
材料特性として、十分な電気絶縁性に加えて良好な熱伝
導性がある。これを実現するため、一般には内部に多量
のフィラを含有している。従って応力により、クラック
を発生しやすい構成といえる。一方、モールド用樹脂に
ついては、熱伝導性を特別配慮する必要は無く、材料選
定の自由度が高い。従って、耐応力性の材料を選定でき
る。この材料によって有機絶縁層を補強することで、シ
リコンとの熱膨張係数の差に起因するクラックの発生な
どを抑制できる。
機絶縁層によって予め被覆された絶縁金属基板の絶縁層
上に固着された能動素子及びもしくは受動素子と、それ
を電気的に接続する導体回路及び外部との入出力用端子
とを有し、これら回路系が樹脂系モールドによって保護
された構造のパワー半導体装置において、樹脂系モール
ドが一体的に構成され、モールドが実質的に単一の樹脂
層いわゆる硬質樹脂によって構成されるので、金属板表
面に均質で平坦な絶縁層を配置でき、底部にコレクタ電
極を有した非絶縁型パワー半導体素子を、ヒートスプレ
ッダなどの導体層を介して直接固着することができ、導
体配線を配置するときの設計自由度が高く、高密度化も
しくは小型化に有効である。さらに、パワー半導体素子
を含む回路全体が単一のモールド樹脂層によって覆われ
ているために、有機絶縁層が補強され、絶縁層への応力
集中を緩和できる。通常、この有機絶縁層に要求される
材料特性として、十分な電気絶縁性に加えて良好な熱伝
導性がある。これを実現するため、一般には内部に多量
のフィラを含有している。従って応力により、クラック
を発生しやすい構成といえる。一方、モールド用樹脂に
ついては、熱伝導性を特別配慮する必要は無く、材料選
定の自由度が高い。従って、耐応力性の材料を選定でき
る。この材料によって有機絶縁層を補強することで、シ
リコンとの熱膨張係数の差に起因するクラックの発生な
どを抑制できる。
【００１８】（２）（１）において、予め絶縁層を形成
した金属基板上に能動素子を直接固着することができ、
非絶縁型パワー半導体素子の適用が可能である。従っ
て、絶縁型のみに限定されること無く、例えばパワート
ランジスタ，ＩＧＢＴなど汎用パワー素子の搭載ができ
る。
した金属基板上に能動素子を直接固着することができ、
非絶縁型パワー半導体素子の適用が可能である。従っ
て、絶縁型のみに限定されること無く、例えばパワート
ランジスタ，ＩＧＢＴなど汎用パワー素子の搭載ができ
る。
【００１９】（３）（１）または（２）において、通常
の使用環境温度における熱膨張係数の比が、金属基体に
対して、有機絶縁層が最大１.２，最小０.５の範囲に調
節されるので、温度変化時の金属基体−有機絶縁層間の
熱膨張係数の差に起因する内部応力が緩和される。従っ
て、実使用環境を想定した熱サイクル試験などの繰り返
し熱負荷によっても、基板全体の反りもしくは局部的な
応力集中を抑制できる。
の使用環境温度における熱膨張係数の比が、金属基体に
対して、有機絶縁層が最大１.２，最小０.５の範囲に調
節されるので、温度変化時の金属基体−有機絶縁層間の
熱膨張係数の差に起因する内部応力が緩和される。従っ
て、実使用環境を想定した熱サイクル試験などの繰り返
し熱負荷によっても、基板全体の反りもしくは局部的な
応力集中を抑制できる。
【００２０】（４）（１）または（２）において、通常
の使用環境温度における熱膨張係数の比が、有機絶縁層
に対して、樹脂系モールドが最大１.５，最小０.５の範
囲に調節されるので、有機絶縁層−樹脂系モールド層間
の熱膨張係数の差に起因する内部応力が緩和される。従
って、実使用環境を想定した熱サイクル試験などの繰り
返し熱負荷によっても、基板全体の反りもしくは局部的
な応力集中を抑制できる。
の使用環境温度における熱膨張係数の比が、有機絶縁層
に対して、樹脂系モールドが最大１.５，最小０.５の範
囲に調節されるので、有機絶縁層−樹脂系モールド層間
の熱膨張係数の差に起因する内部応力が緩和される。従
って、実使用環境を想定した熱サイクル試験などの繰り
返し熱負荷によっても、基板全体の反りもしくは局部的
な応力集中を抑制できる。
【００２１】（５）（１）または（２）において、通常
の使用環境温度における熱膨張係数の比が、金属基体に
対して、樹脂系モールドが最大１.２，最小０.５の範囲
に調節されるので、金属基体−樹脂系モールド層間の熱
膨張係数の差に起因する内部応力が緩和される。従っ
て、実使用環境を想定した熱サイクル試験などの繰り返
し熱負荷によっても、基板全体の反りもしくは局部的な
応力集中を抑制できる。
の使用環境温度における熱膨張係数の比が、金属基体に
対して、樹脂系モールドが最大１.２，最小０.５の範囲
に調節されるので、金属基体−樹脂系モールド層間の熱
膨張係数の差に起因する内部応力が緩和される。従っ
て、実使用環境を想定した熱サイクル試験などの繰り返
し熱負荷によっても、基板全体の反りもしくは局部的な
応力集中を抑制できる。
【００２２】（６）（１）または（２）において、通常
の使用環境温度における熱膨張係数の比が、金属基体に
対して、有機絶縁層が最大１.２，最小０.５の範囲に、
かつ樹脂系モールドが最大１.２，最小０.５の範囲にそ
れぞれ調節されるので、金属基体−有機絶縁層−樹脂系
モールド層間の熱膨張係数の差に起因する内部応力が緩
和される。従って、実使用環境を想定した熱サイクル試
験などの繰り返し熱負荷によっても、基板全体の反りも
しくは局部的な応力集中を抑制できる。
の使用環境温度における熱膨張係数の比が、金属基体に
対して、有機絶縁層が最大１.２，最小０.５の範囲に、
かつ樹脂系モールドが最大１.２，最小０.５の範囲にそ
れぞれ調節されるので、金属基体−有機絶縁層−樹脂系
モールド層間の熱膨張係数の差に起因する内部応力が緩
和される。従って、実使用環境を想定した熱サイクル試
験などの繰り返し熱負荷によっても、基板全体の反りも
しくは局部的な応力集中を抑制できる。
【００２３】（７）（１）または（６）において、金属
基体がアルミニウムもしくは銅を主成分として構成され
る。これら材料は熱伝導性が良好で、熱放散性が良く、
材料価格も低い。
基体がアルミニウムもしくは銅を主成分として構成され
る。これら材料は熱伝導性が良好で、熱放散性が良く、
材料価格も低い。
【００２４】（８）（１）または（７）において、樹脂
系モールドがエポキシ樹脂，フェノール樹脂，三酸化ア
ンチモン，エポキシシラン，エポキシ変性シロキサン，
酸化アルミニウム，酸化けい素のうちの少なくとも二つ
を有効成分として含むことにより、上記熱膨張係数の好
ましい範囲に調節することができる。さらに、成形性及
び耐湿性など一般にモールド用樹脂に要求される基本的
特性を満足できる。
系モールドがエポキシ樹脂，フェノール樹脂，三酸化ア
ンチモン，エポキシシラン，エポキシ変性シロキサン，
酸化アルミニウム，酸化けい素のうちの少なくとも二つ
を有効成分として含むことにより、上記熱膨張係数の好
ましい範囲に調節することができる。さらに、成形性及
び耐湿性など一般にモールド用樹脂に要求される基本的
特性を満足できる。
【００２５】（９）（１）または（８）において、絶縁
金属基板上にパワー半導体素子を駆動する制御系回路用
チップ部品及びもしくは過電流，過温度などを監視する
保護系回路用チップ部品を含んで構成することにより、
インバータとしての機能が構造的に一体化できる。従っ
て、部品間の配線長を最小限に短縮でき、装置の小型化
及びノイズの低減ができる。
金属基板上にパワー半導体素子を駆動する制御系回路用
チップ部品及びもしくは過電流，過温度などを監視する
保護系回路用チップ部品を含んで構成することにより、
インバータとしての機能が構造的に一体化できる。従っ
て、部品間の配線長を最小限に短縮でき、装置の小型化
及びノイズの低減ができる。
【００２６】
【実施例】以下、本発明を実施例によってさらに詳細に
説明する。
説明する。
【００２７】（実施例１）図１に本発明の一実施例によ
る断面図を示す。例えば、ＩＧＢＴ(InsulatedGate Bip
olar Transistor)などのパワー半導体素子１１がヒート
スプレッダ１２を介して導体パターン１３上に固着され
る。本構造のパワー半導体装置は次の工程によって作製
される。アルミニウムを主成分とする厚さ２.５mm，幅
５５mm，長さ７２mmの金属ベース基板１５の片面に、厚
さ１００μｍのエポキシ系絶縁層１４を熱圧着して絶縁
基板を作製する。絶縁層１４の熱伝導性を改善する目的
から、少なくとも６０vol％ のアルミナもしくは酸化け
い素などのフィラを含有させる。この金属基板の絶縁層
上に、めっきもしくは熱圧着などの手段により銅導体層
を形成する。この銅導体層を選択的にエッチング除去
し、所定形状を有する導体パターン１３を形成する。
る断面図を示す。例えば、ＩＧＢＴ(InsulatedGate Bip
olar Transistor)などのパワー半導体素子１１がヒート
スプレッダ１２を介して導体パターン１３上に固着され
る。本構造のパワー半導体装置は次の工程によって作製
される。アルミニウムを主成分とする厚さ２.５mm，幅
５５mm，長さ７２mmの金属ベース基板１５の片面に、厚
さ１００μｍのエポキシ系絶縁層１４を熱圧着して絶縁
基板を作製する。絶縁層１４の熱伝導性を改善する目的
から、少なくとも６０vol％ のアルミナもしくは酸化け
い素などのフィラを含有させる。この金属基板の絶縁層
上に、めっきもしくは熱圧着などの手段により銅導体層
を形成する。この銅導体層を選択的にエッチング除去
し、所定形状を有する導体パターン１３を形成する。
【００２８】一方、銅のチップからなるヒートスプレッ
ダ１２上にパワー半導体素子１１を９５Ｐｂ−５Ｓｎな
どの高温半田２１で接合する。この接合部材を予め準備
した導体パターン上に、例えば６０Ｓｎ−４０Ｐｂなど
の低温半田２０で固着する。この時、回路形成に必要な
他のコンデンサ，抵抗体などの他のチップ部品及び出力
端子１６，入力端子１７などを同時に接合しても良い。
ダ１２上にパワー半導体素子１１を９５Ｐｂ−５Ｓｎな
どの高温半田２１で接合する。この接合部材を予め準備
した導体パターン上に、例えば６０Ｓｎ−４０Ｐｂなど
の低温半田２０で固着する。この時、回路形成に必要な
他のコンデンサ，抵抗体などの他のチップ部品及び出力
端子１６，入力端子１７などを同時に接合しても良い。
【００２９】この工程で準備された一連の回路を、所定
温度に設定した金型中にセットし、射出法によって樹脂
モールド１８を成形し、本発明によるパワー半導体装置
を得る。本実施例では、モールド１８材料として表１を
用いた。
温度に設定した金型中にセットし、射出法によって樹脂
モールド１８を成形し、本発明によるパワー半導体装置
を得る。本実施例では、モールド１８材料として表１を
用いた。
【００３０】
【表１】
【００３１】表１の配合割合は重量比で示す。
【００３２】比較のため、従来法によるパワー半導体装
置を図２に示す。従来法による構造では、モールドケー
ス２２，端子ブロック２３などを個別に作製する必要が
あり、加えてゲル２４充填−硬化など、本発明に比較し
て多くの工程が必要である。 （実施例２）実施例１と同様の条件で、絶縁層１４及び
樹脂モールド１８の材料を変えて、熱膨張係数の異なる
複数のサンプルを作製し、これらサンプルの初期状態に
おける、金属ベース基板１５の反り量を評価した。その
結果を表２に示す。
置を図２に示す。従来法による構造では、モールドケー
ス２２，端子ブロック２３などを個別に作製する必要が
あり、加えてゲル２４充填−硬化など、本発明に比較し
て多くの工程が必要である。 （実施例２）実施例１と同様の条件で、絶縁層１４及び
樹脂モールド１８の材料を変えて、熱膨張係数の異なる
複数のサンプルを作製し、これらサンプルの初期状態に
おける、金属ベース基板１５の反り量を評価した。その
結果を表２に示す。
【００３３】
【表２】
【００３４】反り量は三次元デジタル位置測定装置によ
って測定し、最も低い点と高い点との差の絶対値で表現
した。反りが大きいと、冷却フィン３５との熱抵抗が上
昇し、実用上問題となるため、反りの最大許容量は８０
μｍとした。表２の結果から、金属ベース基板１５に対
応する、絶縁層１４及び樹脂モールド１８の好ましい熱
膨張係数の範囲が得られた。
って測定し、最も低い点と高い点との差の絶対値で表現
した。反りが大きいと、冷却フィン３５との熱抵抗が上
昇し、実用上問題となるため、反りの最大許容量は８０
μｍとした。表２の結果から、金属ベース基板１５に対
応する、絶縁層１４及び樹脂モールド１８の好ましい熱
膨張係数の範囲が得られた。
【００３５】（実施例３）実施例１で作製した、本発明
による図１に示す構造のパワー半導体装置と、樹脂モー
ルド１８以外はほぼ同様の条件で作製した図２の構造の
もの両者を対象として、次の熱サイクル試験によって信
頼性の比較を試みた。条件は、１２５℃６０分−２５℃
３０分−零下４０℃６０分−２５℃３０分の繰り返しと
した。評価は金属ベース基板１５及び導体パターン１３
間の破壊限界電圧の経時変化を測定した。その結果を図
３に示す。従来法によるものは、繰り返し数３００サイ
クルを越えると破壊電圧が急峻に低下してしまう。一
方、本発明によるものは、２０００サイクルでも２ｋＶ
以上を維持しており、実用可能な領域にある。この原因
を知る目的で、両サンプルの断面をＳＥＭによって観察
した。その結果従来法によるものは、半導体チップ直下
部の絶縁層１４に微細なクラックの発生が観察された。
破壊電圧の低下はこのクラックが原因と考えられる。
による図１に示す構造のパワー半導体装置と、樹脂モー
ルド１８以外はほぼ同様の条件で作製した図２の構造の
もの両者を対象として、次の熱サイクル試験によって信
頼性の比較を試みた。条件は、１２５℃６０分−２５℃
３０分−零下４０℃６０分−２５℃３０分の繰り返しと
した。評価は金属ベース基板１５及び導体パターン１３
間の破壊限界電圧の経時変化を測定した。その結果を図
３に示す。従来法によるものは、繰り返し数３００サイ
クルを越えると破壊電圧が急峻に低下してしまう。一
方、本発明によるものは、２０００サイクルでも２ｋＶ
以上を維持しており、実用可能な領域にある。この原因
を知る目的で、両サンプルの断面をＳＥＭによって観察
した。その結果従来法によるものは、半導体チップ直下
部の絶縁層１４に微細なクラックの発生が観察された。
破壊電圧の低下はこのクラックが原因と考えられる。
【００３６】有限要素法による内部応力シミュレーショ
ンの結果次のことが分かった。従来法によるものには、
シリコンチップで構成する半導体素子１１と，金属ベー
ス基板１５との熱膨張係数の差によって、温度変化に伴
う寸法変化量に差を生じる。その結果、両材料の中間に
位置するに絶縁層１４に応力集中部が発生する。ところ
が、本発明による構造では、半導体素子１１の周辺が、
金属ベース基板１５と熱膨張係数の差が小さい樹脂モー
ルド１８で覆われているため、こうした応力集中部の発
生が大幅に抑制される。
ンの結果次のことが分かった。従来法によるものには、
シリコンチップで構成する半導体素子１１と，金属ベー
ス基板１５との熱膨張係数の差によって、温度変化に伴
う寸法変化量に差を生じる。その結果、両材料の中間に
位置するに絶縁層１４に応力集中部が発生する。ところ
が、本発明による構造では、半導体素子１１の周辺が、
金属ベース基板１５と熱膨張係数の差が小さい樹脂モー
ルド１８で覆われているため、こうした応力集中部の発
生が大幅に抑制される。
【００３７】（実施例４）図１に示す実施例１の本発明
によるパワー半導体装置を基礎として、インバータを試
作した。その断面図を図４に、回路ブロック図を図５に
それぞれ示す。本実施例では、図１の構成の他に、ゲー
ト駆動用ＩＣ３１，平滑コンデンサ３２、及び整流回路
用コンデンサブリッジ３３などを加え、制御用マイコ
ン，電源回路３４等を付加してインバータモジュールを
構成したものである。
によるパワー半導体装置を基礎として、インバータを試
作した。その断面図を図４に、回路ブロック図を図５に
それぞれ示す。本実施例では、図１の構成の他に、ゲー
ト駆動用ＩＣ３１，平滑コンデンサ３２、及び整流回路
用コンデンサブリッジ３３などを加え、制御用マイコ
ン，電源回路３４等を付加してインバータモジュールを
構成したものである。
【００３８】本試作インバータを三相インダクションモ
ータに接続し、良好な特性を得ることを確認した。温度
変化を伴う繰り返し使用による信頼性も高いことがわか
った。
ータに接続し、良好な特性を得ることを確認した。温度
変化を伴う繰り返し使用による信頼性も高いことがわか
った。
【００３９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば次
の効果がある。
の効果がある。
【００４０】（１）均質で層厚の薄い有機絶縁層１４上
に、パワー半導体装置１１を固着し、全体を樹脂モール
ド１８で補強する構造を有するため、低い熱抵抗と，高
い信頼性を同時に実現する。
に、パワー半導体装置１１を固着し、全体を樹脂モール
ド１８で補強する構造を有するため、低い熱抵抗と，高
い信頼性を同時に実現する。
【００４１】（２）パワー半導体素子１１として絶縁形
の他、非絶縁形のパワー素子を適用でき、回路構成上自
由度が高く、小型化及び高密度化しやすい。
の他、非絶縁形のパワー素子を適用でき、回路構成上自
由度が高く、小型化及び高密度化しやすい。
【００４２】（３）金属ベース基板１５の熱膨張係数１
に対して、有機絶縁層１４のそれが１.２〜０.５の範囲
にあるので、温度変化時の内部応力を抑制する。
に対して、有機絶縁層１４のそれが１.２〜０.５の範囲
にあるので、温度変化時の内部応力を抑制する。
【００４３】（４）有機絶縁層１４の熱膨張係数１に対
して、樹脂モールド層１８のそれが１.５〜０.５の範囲
にあるので、温度変化時の内部応力を抑制する。
して、樹脂モールド層１８のそれが１.５〜０.５の範囲
にあるので、温度変化時の内部応力を抑制する。
【００４４】（５）金属ベース基板１５の熱膨張係数１
に対して、樹脂モールド層１８のそれが１.２〜０.５の
範囲にあるので、温度変化時の内部応力を抑制する。
に対して、樹脂モールド層１８のそれが１.２〜０.５の
範囲にあるので、温度変化時の内部応力を抑制する。
【００４５】（６）金属ベース基板１５の熱膨張係数１
に対して、樹脂モールド層１８のそれが１.２〜０.５の
範囲にあるので、温度変化時の内部応力を抑制する。
に対して、樹脂モールド層１８のそれが１.２〜０.５の
範囲にあるので、温度変化時の内部応力を抑制する。
【００４６】（７）金属ベース基板１５用材料としてア
ルミニウムもしくは銅を主成分とするので、低熱抵抗か
つ低価格を実現する。
ルミニウムもしくは銅を主成分とするので、低熱抵抗か
つ低価格を実現する。
【００４７】（８）樹脂モールド材料としてエポキシ樹
脂，フェノール樹脂，三酸化アンチモン，エポキシシラ
ン，エポキシ変性シロキサン，酸化アルミニウム，酸化
けい素のうちの二つを含むので、熱膨張係数を上記本発
明の好ましい範囲に調整でき、かつ、成形性及び樹脂モ
ールドに要求される基本的特性を実現する。
脂，フェノール樹脂，三酸化アンチモン，エポキシシラ
ン，エポキシ変性シロキサン，酸化アルミニウム，酸化
けい素のうちの二つを含むので、熱膨張係数を上記本発
明の好ましい範囲に調整でき、かつ、成形性及び樹脂モ
ールドに要求される基本的特性を実現する。
【００４８】（９）小型，高密度インバータモジュール
を実現するという効果があり、例えばモータと一体化し
た構造のインバータが得られる。
を実現するという効果があり、例えばモータと一体化し
た構造のインバータが得られる。
【図１】本発明の一実施例によるパワー半導体装置の断
面図。
面図。
【図２】従来の構成によるパワー半導体装置の断面図。
【図３】破壊限界電圧の比較図。
【図４】本発明の一実施例によるインバータモジュール
の断面図。
の断面図。
【図５】本発明の一実施例によるインバータモジュール
の回路ブロック図。
の回路ブロック図。
１１…パワー半導体素子、１３…導体パターン、１４…
絶縁層、１５…金属ベース基板、１６…出力端子、１７
…入力端子、１８…樹脂モールド、１９…ボンデングワ
イヤ、２０…低温半田、２１…高温半田。
絶縁層、１５…金属ベース基板、１６…出力端子、１７
…入力端子、１８…樹脂モールド、１９…ボンデングワ
イヤ、２０…低温半田、２１…高温半田。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 合田 正広 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 江口 州志 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 鈴木 和弘 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 服部 元信 千葉県習志野市東習志野七丁目１番１号 株式会社日立製作所産業機器事業部内 (72)発明者 羽根井 博幸 千葉県習志野市東習志野七丁目１番１号 株式会社日立製作所産業機器事業部内
Claims (9)
- 【請求項１】金属基体表面の少なくとも一面が有機絶縁
層によって、予め被覆された絶縁金属基板の前記有機絶
縁層上に固着された能動素子及びもしくは受動素子と、
それを電気的に接続する導体回路及び外部との入出力用
端子とを有し、これら回路系が樹脂系モールドによって
保護された構造のパワー半導体装置において、前記樹脂
系モールドが一体的に構成され、前記モールドが実質的
に単一の樹脂層からなることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項２】請求項１において、前記能動素子が、非絶
縁型パワー半導体素子である半導体装置。 - 【請求項３】請求項１または請求項２において、通常の
使用環境温度における熱膨張係数の比が、前記金属基体
に対して、前記有機絶縁層が最大１.２，最小０.５の範
囲に調節された半導体装置。 - 【請求項４】請求項１または請求項２において、通常の
使用環境温度における熱膨張係数の比が、前記有機絶縁
層に対して、前記樹脂系モールドが最大１.５，最小０.
５の範囲に調節された半導体装置。 - 【請求項５】請求項１または請求項２において、通常の
使用環境温度における熱膨張係数の比が、前記金属基体
に対して、前記樹脂系モールドが最大１.２，最小０.５
の範囲に調節された半導体装置。 - 【請求項６】請求項１または請求項２において、通常の
使用環境温度における熱膨張係数の比が、前記金属基体
に対して、前記有機絶縁層が最大１.２，最小０.５の範
囲に、前記樹脂系モールドが最大１.２，最小０.５の範
囲にそれぞれ調節された半導体装置。 - 【請求項７】請求項１または請求項６において、前記金
属基体がアルミニウムもしくは銅を主成分として構成さ
れた半導体装置。 - 【請求項８】請求項１または請求項７において、前記樹
脂系モールドが、エポキシ樹脂，フェノール樹脂，三酸
化アンチモン，エポキシシラン，エポキシ変性シロキサ
ン，酸化アルミニウム，酸化けい素のうちの少なくとも
二つを有効成分として含む半導体装置。 - 【請求項９】請求項１または請求項８において、前記絶
縁金属基体上に前記パワー半導体素子を駆動する制御系
回路用チップ部品及びもしくは過電流，過温度などを監
視する保護系回路用チップ部品を含んで構成された半導
体装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7103404A JPH08298299A (ja) | 1995-04-27 | 1995-04-27 | 半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7103404A JPH08298299A (ja) | 1995-04-27 | 1995-04-27 | 半導体装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08298299A true JPH08298299A (ja) | 1996-11-12 |
Family
ID=14353122
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7103404A Pending JPH08298299A (ja) | 1995-04-27 | 1995-04-27 | 半導体装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08298299A (ja) |
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0936671A1 (en) * | 1998-02-12 | 1999-08-18 | Hitachi, Ltd. | Resin-moulded semiconductor hybrid module and manufacturing method thereof |
| EP1032042A2 (en) * | 1999-02-22 | 2000-08-30 | Hitachi, Ltd. | Semiconductor module, power converter using the same and manufacturing method thereof |
| JP2003017631A (ja) * | 2001-06-28 | 2003-01-17 | Sanyo Electric Co Ltd | 混成集積回路装置およびその製造方法 |
| JP2006100752A (ja) * | 2004-09-30 | 2006-04-13 | Sanyo Electric Co Ltd | 回路装置およびその製造方法 |
| JP2006100759A (ja) * | 2004-08-31 | 2006-04-13 | Sanyo Electric Co Ltd | 回路装置およびその製造方法 |
| JP2008118067A (ja) * | 2006-11-08 | 2008-05-22 | Hitachi Ltd | パワーモジュール及びモータ一体型コントロール装置 |
| CN100446246C (zh) * | 2003-09-30 | 2008-12-24 | 三菱电机株式会社 | 半导体器件及其制造方法 |
| JP2009033065A (ja) * | 2007-07-30 | 2009-02-12 | Mitsubishi Electric Corp | フィン一体型半導体モジュールおよびその製造方法 |
| JP2010034346A (ja) * | 2008-07-30 | 2010-02-12 | Sanyo Electric Co Ltd | 回路装置 |
| JP2011114176A (ja) * | 2009-11-27 | 2011-06-09 | Mitsubishi Electric Corp | パワー半導体装置 |
| JP2012009608A (ja) * | 2010-06-24 | 2012-01-12 | Jtekt Corp | 素子実装回路、および回路基板への半導体素子の実装方法 |
| WO2013125474A1 (ja) * | 2012-02-24 | 2013-08-29 | 三菱電機株式会社 | 半導体装置とその製造方法 |
| CN104160502A (zh) * | 2012-03-09 | 2014-11-19 | 三菱电机株式会社 | 半导体模块 |
-
1995
- 1995-04-27 JP JP7103404A patent/JPH08298299A/ja active Pending
Cited By (20)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| EP1032042A3 (en) * | 1999-02-22 | 2003-01-02 | Hitachi, Ltd. | Semiconductor module, power converter using the same and manufacturing method thereof |
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| JP2011114176A (ja) * | 2009-11-27 | 2011-06-09 | Mitsubishi Electric Corp | パワー半導体装置 |
| JP2012009608A (ja) * | 2010-06-24 | 2012-01-12 | Jtekt Corp | 素子実装回路、および回路基板への半導体素子の実装方法 |
| WO2013125474A1 (ja) * | 2012-02-24 | 2013-08-29 | 三菱電機株式会社 | 半導体装置とその製造方法 |
| CN104137253A (zh) * | 2012-02-24 | 2014-11-05 | 三菱电机株式会社 | 半导体装置及其制造方法 |
| JPWO2013125474A1 (ja) * | 2012-02-24 | 2015-07-30 | 三菱電機株式会社 | 半導体装置とその製造方法 |
| US9320173B2 (en) | 2012-02-24 | 2016-04-19 | Mitsubishi Electric Corporation | Semiconductor device having a bulge portion and manufacturing method therefor |
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