JP6440794B1 - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】配線部材の封止樹脂体からの剥離を防ぎ、半導体装置の信頼性を向上させる。
【解決手段】セラミックス層を有する絶縁性基板と、接合材を介して前記絶縁性基板に接合されている半導体素子と、第１の銅層とインバー層と第２の銅層とを有しており、接合材を介して前記第１の銅層が前記半導体素子に接合されている配線部材と、前記半導体素子および前記配線部材を囲んでおり、前記絶縁性基板に固定されているケースと、前記ケースの内側に充填されていて、前記半導体素子および前記配線部材を封止している封止樹脂体と、を備え、前記配線部材は、前記半導体素子との接合部で、前記第２の銅層が除去されており、前記封止樹脂体は、この第２の銅層の除去部で、前記インバー層に接触していることを特徴とする半導体装置。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体装置に関し、特に、電力用半導体素子が実装された、半導体装置に関するものである。

電力用半導体素子を実装した半導体装置では、近年、大容量化が進んでいる。電力用半導体素子に大電流を流すためには、装置内部の配線部材も、大電流化に対応していることが要求される。半導体素子の配線部材として、アルミワイヤボンドが、広く用いられてきた。アルミワイヤボンドに大電流を流すには、ワイヤボンドの径を大きくするか、ワイヤボンドの本数を多くする必要がある。半導体素子では、アルミワイヤボンドを接続できる領域に、限界が生じている。

配線部材は、半導体素子の上面に接合される。最近では、半導体素子のチップ上面に、板状の配線部材を、はんだを使用して接合させる方式が用いられるようになってきた（例えば、特許文献１を参照）。その板状の配線部材は、銅または銅系の材料で構成されている。そのことにより、電力用半導体素子が実装されたパワー半導体装置は、高温環境に対する長期信頼性を向上させることができるとされている。

特開２００８−４１８５１号公報

なお、上記特許文献では、封止樹脂に関して、詳細な記述は、見当たらない。シリコーンゲルは、発生する応力が低いことから、パワー半導体装置の封止樹脂として、よく用いられている。シリコーンゲルで半導体素子を封止する目的の１つは、半導体装置の絶縁性を確保することである。半導体素子をシリコーンゲルで封止した場合、銅材からなる配線材料は、高温環境で酸化しやすい。銅が酸化すると、配線材料とシリコーンゲルの間で、剥離が発生する。剥離した配線部材の周囲からは、ガスが浸入して、気泡が生じる。気泡が拡大すれば、半導体装置の絶縁性を確保することは、困難になる。

シリコーンゲルの剥離を抑制する対策の１つとして、配線部材の銅表面に、ニッケルメッキを施す方法が考案されている。この方法では、製造工程で、配線部材にメッキ処理を実施する必要が生じる。本発明は、上記のような半導体装置の課題に鑑みてなされたものである。すなわち、高温環境で使用しても、配線部材とシリコーンゲルが剥離することなく、絶縁性が確保できる、半導体装置を提供することを目的としている。

本発明に関わる半導体装置は、セラミックス層を有する絶縁性基板と、接合材を介して前記絶縁性基板に接合されている半導体素子と、第１の銅層とインバー層と第２の銅層とを有しており、接合材を介して前記第１の銅層が前記半導体素子に接合されている配線部材と、前記半導体素子および前記配線部材を囲んでおり、前記絶縁性基板に固定されているケースと、前記ケースの内側に充填されていて、前記半導体素子および前記配線部材を封止している封止樹脂体と、を備え、前記配線部材は、前記半導体素子との接合部で、前記第２の銅層が除去されており、前記封止樹脂体は、この第２の銅層の除去部で、前記インバー層に接触していることを特徴とするものである。

本発明に関わる半導体装置は、セラミックス層を有する絶縁性基板と、接合材を介して前記絶縁性基板に接合されている半導体素子と、第１の銅層とインバー層と第２の銅層とを有しており、接合材を介して前記第１の銅層が前記半導体素子に接合されている配線部材と、前記半導体素子および前記配線部材を囲んでおり、前記絶縁性基板に固定されているケースと、前記ケースの内側に充填されていて、前記半導体素子および前記配線部材を封止している封止樹脂体と、を備え、前記配線部材は、前記半導体素子との接合部で、前記第２の銅層が除去されており、前記封止樹脂体は、この第２の銅層の除去部で、前記インバー層に接触していることを特徴とするものである。このことにより、高温環境下で使用した際でも、半導体素子上の配線部材が封止樹脂体（シリコーンゲル）から剥離することが抑制され、絶縁信頼性に優れた半導体装置を提供することができるようになる。

実施の形態１に関わる半導体装置の断面構造を表している図である。 実施の形態１に関わる半導体装置の主要部を表している断面構成図である。 実施の形態１に関わる半導体装置の製造方法を表している、第１の図である。 実施の形態１に関わる半導体装置の製造方法を表している、第２の図である。 実施の形態１に関わる半導体装置の製造方法を表している、第３の図である。 実施の形態１に関わる半導体装置の製造方法を表している、第４の図である。 実施の形態１に関わる半導体装置の製造方法を表している、第５の図である。 比較例に関わる半導体装置の断面構造を表している図である。 実施の形態２に関わる半導体装置の断面構造を表している図である。 実施の形態２に関わる半導体装置の主要部を表している断面構成図である。 実施の形態３に関わる半導体装置の断面構造を表している図である。 実施の形態３に関わる半導体装置の主要部を表している断面構成図である。 実施の形態４に関わる半導体装置の断面構造を表している図である。 実際に作成した半導体装置に対して行われた、連続通電試験の結果を表している図である。

本発明の実施の形態に関わる半導体装置について、図を参照しながら以下に説明する。なお、各図において、同一または同様の構成部分については、同じ符号を付しており、対応する各構成部のサイズや縮尺は、それぞれ独立している。例えば、構成の一部を変更した断面図の間で、変更されていない同一構成部分を図示する際に、同一構成部分のサイズや縮尺が異なっている場合がある。また、半導体装置の構成は、実際には、さらに複数の部材を備えているが、説明を簡単にするため、説明に必要な部分のみを記載し、他の部分については、省略している。

実施の形態１．
以下、図を参照して、実施の形態１に関わる半導体装置ついて、説明する。まず、図１を参照して、実施の形態１に関わる電力用の半導体装置１００の主要な構成について、説明する。本実施の形態に関わる半導体装置１００は、パワーモジュール１０１、ヒートシンク１１などから構成されている。ヒートシンク１１とパワーモジュール１０１は、はんだ材などの接合材で、接合されている。パワーモジュール１０１は、半導体素子１、絶縁性基板３、樹脂ケース４、配線端子部材５ａ、配線端子部材５ｂ、ボンディングワイヤ６、封止樹脂体９、配線部材７１などから構成されている。絶縁性基板３は、配線パターン層/セラミックス層/配線パターン層からなる三層構造を有している。半導体素子１とヒートシンク１１との間の絶縁は、絶縁性基板３のセラミックス層によって確保されている。半導体素子１と配線部材７１は、はんだ材などの接合材で、接合されている。絶縁性基板３は、一方の面が露出している。

次に、パワーモジュール１０１と外部との電気的な接続に関して記載する。半導体素子１は、表面側に能動面と、その反対側に裏面を、備えている。半導体素子１の裏面は、はんだ材などの接合材で、絶縁性基板３の配線パターン層に接合されている。この絶縁性基板３の配線パターン層の上には、はんだ材などの接合材を介して、主端子となる配線端子部材５ａが接続されている。なお、配線端子部材５ａは、インサート成形した樹脂ケース４と一体となっている。樹脂ケース４から外に露出した配線端子部材５ａが、外部端子となる。

半導体素子１の能動面には、はんだ材などの接合材を介して、主端子となる配線部材７１が接合されている。この配線部材７１は、折り曲げられて、外部端子となる。本実施の形態に関わる配線部材７１は、銅層／インバー層／銅層からなる３層構造を有している。ボンディングワイヤ６の材質として、アルミニウム、銅、金などがあげられる。中でも、接合信頼性の高いアルミニウムがよい。半導体素子１は、スイッチングするための信号にかかわる配線（信号配線）、および、温度や電流をモニタする等の制御にかかわる配線（制御配線）も必要である。

これらの配線は、流れる電流量が大きくないことから、半導体素子１からボンディングワイヤ６を介して、配線端子部材５ｂと接続される。信号端子となる配線端子部材５ｂは、インサート成形した樹脂ケース４と一体となっている。配線端子部材５ｂは、樹脂ケース４から露出した部分が外部端子となる。樹脂ケース４は、絶縁性基板３の表面配線パターン層と接着剤等で接合されている。樹脂ケース４の内側には、封止樹脂体９が充填されている。半導体素子１、配線部材７１およびボンディングワイヤ６などは、覆うように、封止樹脂体９で封止されている。

次に、上記した各部材の材質ついて、詳細に説明する。半導体素子１は、たとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、あるいは、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）のようなスイッチング素子が、搭載された、チップ状の部材である。また、半導体素子１は、ダイオードのような整流素子が搭載された、チップ状の部材も含むものである。ＩＧＢＴは、負荷に大電流を流して、駆動させる素子である。ＩＧＢＴを搭載した半導体素子１は、電力用半導体素子として動作する。

電力用半導体素子を搭載する半導体装置１００は、いわゆるパワーモジュールとなる。半導体素子１を構成する半導体チップは、たとえば、シリコン（Ｓｉ）により形成されていることが好ましいが、シリコンに限定されるものではない。たとえば、半導体素子１の半導体チップが、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム系材料（たとえば窒化ガリウム（ＧａＮ））、ダイヤモンドからなる群から選択されるいずれかの材料により、形成されていれば、より好ましい。

これらの半導体チップは、シリコンに比べてバンドギャップが広い、いわゆるワイドバンドギャップ半導体材料である。このようなワイドバンドギャップ半導体材料を用いて形成された半導体素子１は、ＭＯＳＦＥＴなどの搭載されるシリコン素子に比べて、高温で
の動作に適用することができる。すなわち、ワイドバンドギャップ半導体材料は、大電流を流すことに適している半導体である。

樹脂ケース４は、主端子となる配線端子部材５ａ、および信号端子となる配線端子部材５ｂと一体成形されている。この樹脂ケース４は、シリコーンゲルなどの封止樹脂を注入する際に、樹脂漏れを防止するために設けられている。樹脂ケース４の融点は、半導体素子１が動作する際における、パワーモジュールの温度よりも、高いことが望まれる。この条件を満足する材料として、ポリｐ−フェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）やポリブチレンテレフタレート樹脂（ＰＢＴ）、ナイロン樹脂、液晶ポリマー（ＬＣＰ）などがある。これらの材料は、ケースとして、通常、良く用いられている。

配線端子部材５は、導電性のよい金属が用いられる。中でも、銅材が、電気抵抗、加工性やコストの点から、最適である。パワーモジュール１０１の内側全体は、封止樹脂体９で封止されている。封止樹脂体９には、樹脂硬化後、発生応力が大きくならないよう、シリコーン系の軟らかい樹脂が適している。シリコーン系の軟らかい樹脂としては、ＪＩＳ＿Ｋ＿６２４９規定の針入度で、３０〜８０を有するシリコーンゲルがよい。封止樹脂体９が、樹脂ケース４の内部に充填されていることにより、内部の絶縁性の確保と、外部からの異物の浸入を防ぐことが可能となっている。

パワーモジュール１０１は、半導体素子１が動作時に発生する熱を逃がすために、フィン１１ａを備えたヒートシンク１１と接合材を介して接合されている。高い熱伝導率が要求されるヒートシンク１１としては、水冷でも空冷でもよい。ヒートシンク１１は、銅、アルミニウム、銅またはアルミニウムの合金からなる群から選択されるいずれかにより形成されていることが好ましい。なかでも、ヒートシンク１１の材質としては、軽量でかつ加工性に優れたアルミニウムまたはその合金がよい。

パワーモジュール１０１と接合されるヒートシンク１１は、半導体装置１００の冷却性能を向上させるために、複数のフィン１１ａを設けていることが多い。ヒートシンク１１は、複雑な形状となることから、ダイカスト成形や押し出し成形で製造されることになる。ダイカスト成形や押し出し成形などに適したアルミニウム合金としては、Ａｌ-Ｓｉ-Ｃｕ系のＡＤＣ１０やＡＤＣ１２、Ａｌ-Ｍｇ-Ｓｉ系のＡ６０６１やＡ６０６３などがよい。

図２は、配線部材７１の構造を詳細に示している。半導体素子１は、表面側に能動面１ｘと、能動面１ｘの反対側に裏面１ｙとを、備えている。半導体素子１の裏面１ｙは、接合材２ａで、絶縁性基板３の表面配線パターン層３ａに接合されている。半導体素子１は、たとえば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、あるいは、ＭＯＳＦＥ
Ｔ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）のようなスイッチング素子
１ａ、および、ダイオードのような整流素子１ｂと、が搭載された、チップ状の部材である。ＩＧＢＴは、大電流を流して駆動させる素子であるため、半導体素子１は、電力用半導体素子として作動する。これを搭載する半導体装置１００は、いわゆるパワーモジュールである。

半導体素子１の能動面１ｘには、主端子となる配線部材７１が、はんだ材などの接合材８を介して接合されている。板状の配線部材７１は、主端子として、スイッチング素子１ａの上面（能動面１ｘ）と整流素子１ｂの上面（能動面１ｘ）を接続している。この配線部材７１は、折り曲げられて外部端子となる。配線部材７１は、銅系配線部材７１ａ（第１の銅層）、インバー配線部材７１ｂ（インバー層）、および、銅系配線部材７１ｃ（第２の銅層）からなる、３層構造となっている。銅系配線部材７１ａと銅系配線部材７１ｃは、電気伝導性の良好な、銅からなる合金で構成されている。インバー配線部材７１ｂは
、低熱膨張係数である鉄ニッケル（Ｎｉ３６重量％）からなる合金（インバー）で構成されている。

半導体素子１（スイッチング素子１ａおよび整流素子１ｂ）と配線部材７１は、接合材８で接合されている。スイッチング素子１ａおよび整流素子１ｂの上面を接続する配線部材７１は、ＣＩＣ（Ｃｕ／インバー／Ｃｕ）を用いている。配線部材７１の銅系配線部材７１ａが、半導体素子１と接続される。配線部材７１の最上層となる銅系配線部材７１ｃは、半導体素子１がある部分で、除去されている。すなわち、銅系配線部材７１ｃが、配線部材７１と半導体素子１との接合部で除去されている。この除去部では、配線部材７１はインバー面が露出していて、インバー配線部材７１ｂ（インバー層）が封止樹脂体９と接触している。銅層/インバー層/銅層の構成比としては、特に制約されるものではないが、絶縁性基板３との熱膨張係数差を小さくするために、１／１／１の厚み構成であることが好ましい

すなわち、配線部材７１は、半導体素子の上面（能動面１ｘ）で、半導体素子と接続される反対面のＣｕ（第２の銅層）を除去して、インバー面を露出させている。配線部材７１から銅層を除去する方法としては、特に制約されるものではないが、例えば、エッチングで除去する方法がある。接合材８は、半導体素子１と配線部材７１とを接続する。接合材８としては、接合材２ａと同じく、はんだ、銀を主成分とする焼結性フィラー、銀を主成分とするろう材、スズ中に銅を分散した材料からなる群から選択されるいずれかであることが好ましい。これらは導電性が高い接合材料である。

なお、図において、スイッチング素子１ａと整流素子１ｂは、互いに間隔をあけてひとつずつ配置されているが、これに限定することない。半導体素子１の配置される数は、任意である。すなわち、半導体素子１は、１つのみ、または、３つ以上配置されていてもよい。また、半導体素子１は、ＲＣ−ＩＧＢＴ（Reverse Conducting ＩＧＢＴ）を用いて
もよい。ＲＣ−ＩＧＢＴは、ＩＧＢＴとダイオードが１つの半導体チップにおさまっている。半導体素子１の絶縁性基板３と接合される側と反対側の能動面１ｘには、部分的にニッケル−金めっき１ｄが施されている。

絶縁性基板３は、表面配線パターン層３ａ、セラミックス層３ｂ、および裏面配線パターン層３ｃから構成されている。表面配線パターン層３ａおよび裏面配線パターン層３ｃは、銅、アルミニウムなどの導電性材料、または、それらを主成分とする合金材料からなる。絶縁性基板３のセラミックス層３ｂは、絶縁性を確保するためのコア材となる。セラミックス層３ｂとしては、熱伝導性に優れた窒化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素、酸化アルミニウム（アルミナ）などのセラミックス材料を用いることができる。表面配線パターン層３ａおよび裏面配線パターン層３ｃは、ろう材などで、セラミックス層３ｂと一体となっている。絶縁性基板３は、図に示すように平面形状である必要は無く、開口部があってもよい。また、接合材２ａの厚み調整としての突起を設けてもよい。

次に、半導体装置１００の製造方法の一例について、図３〜図７を、用いて説明する。まず、図３を参照して、半導体装置１００の製造方法の説明を進める。スイッチング素子１ａと整流素子１ｂは、絶縁性基板３（表面配線パターン層３ａ）の上に接合材２ａを介して、互いに間隔をあけて接合される。この工程を、ダイボンディングという。スイッチング素子１ａとしては、たとえば、シリコンよりなり、ＩＧＢＴが搭載された半導体チップを用いる。整流素子１ｂとしては、たとえば、シリコンよりなり、ダイオードが搭載された半導体チップを用いる。

同図には、これらの複数の半導体素子が、互いに間隔をあけて、絶縁性基板３の表面配線パターン層３ａに接合されている。ここで、たとえば、ＩＧＢＴ（定格１２００Ｖ、３
００Ａ）が搭載されたスイッチング素子１ａは、その平面視におけるサイズが、１３ｍｍ×１３ｍｍ×０．１２ｍｍである。たとえば、ダイオード（定格１２００Ｖ、３００Ａ）が搭載された整流素子１ｂは、その平面視におけるサイズが、１３ｍｍ×１０ｍｍ×０．１２ｍｍである。

絶縁性基板３（サイズ４０ｍｍ×２０ｍｍ）は、無酸素銅からなる表面配線パターン層３ａ、絶縁を確保するための窒化ケイ素からなるセラミックス層３ｂ、および、無酸素銅からなる裏面配線パターン層３ｃ、の３層で構成されている。表面配線パターン層３ａの厚み、セラミックス層３ｂの厚み、および、裏面配線パターン層３ｃの厚みは、それぞれ、０．８ｍｍ、０．３２ｍｍ、および、０．８ｍｍである。表面配線パターン層３ａとセラミックス層３ｂ、および、セラミックス層３ｂと裏面配線パターン層３ｃとの間は、Ａｇ系のロウ材で接合されている。

表面配線パターン層３ａ、および裏面配線パターン層３ｃは、回路が分割されていない１つのパターンで構成されている。絶縁性基板３の所望の位置に、半導体素子１（スイッチング素子１ａおよび整流素子１ｂ）が接合材２ａで固定される。接合材２ａとして、たとえば、鉛を含まないはんだ材（スズ９５重量％、ビスマス５重量％）を用いている。接合材２ａの厚みは、たとえば、０．２ｍｍとする。

次に、図４を参照して、半導体装置１００の製造方法の説明を、さらに進める。主端子となる配線端子部材５ａ、および信号端子となる配線端子部材５ｂは、樹脂ケース４と一体成形されている。絶縁性基板３の表面配線パターン層３ａの上に、この配線端子部材５ａ、および配線端子部材５ｂが一体成形された樹脂ケース４を、シリコーン系の接着剤を用いて接着する。樹脂ケース４の材質は、次のはんだ接合工程を考慮して、耐熱性の高い、ＬＣＰ（Liquid Crystal Polymer）を使うことが好ましい。配線端子部材５ａ、および配線端子部材５ｂとも無酸素銅である。

次に、図５を参照して、半導体装置１００の製造方法の説明を、さらに進める。配線端子部材５ａと表面配線パターン層３ａは、接合材２ｂを介して接合する。接合材２ｂとして、たとえば、鉛を含まないはんだ材（スズ９９．２５重量％、銅０．７５重量％）を用いる。信号端子となる配線端子部材５ｂは、樹脂ケース４と一体成形されている。その後、スイッチング素子１ａと配線端子部材５ｂは、ボンディングワイヤ６により電気的に接続される。ここで用いられているアルミニウム製のボンディングワイヤ６は、その延在する方向に交差する断面が、たとえば、直径０．２０ｍｍのほぼ円形であるものである。ボンディングワイヤ６の材質として、アルミニウム、銅、金などがあげられる。中でも、接合信頼性の高いアルミニウムがよい。

接合材２ａは、半導体素子１と絶縁性基板３（表面配線パターン層３ａ）とを接続している。接合材２ａは、はんだ、銀を主成分とする焼結性フィラー、銀を主成分とするろう材、スズ中に銅を分散した材料、金を主成分とする金スズ、金ゲルマニウム等の金系合金からなる群から選択されるいずれかであることが好ましい。これらは、熱伝導性と導電性が高い接合材料である。また、接合材２ｂは、配線端子部材５ａと表面配線パターン層３ａとを接続している。接合材２ｂは、はんだ、銀を主成分とする焼結性フィラー、銀を主成分とするろう材、スズ中に銅を分散した材料からなる群から選択されるいずれかであることが好ましい。これらは、導電性が高い接合材料である。

次に、図６を参照して、半導体装置１００の製造方法の説明を、さらに進める。配線部材７１は、銅系配線部材７１ａ（第１の銅層）、インバー配線部材７１ｂ（インバー層）、および、銅系配線部材７１ｃ（第２の銅層）からなる、３層構造を備えている。半導体素子１のニッケル−金めっきされた部分が、接合材８により、配線部材７１と電気的に接
続される。接合材８には、たとえば、鉛を含まないはんだ材（スズ９９．２５重量％、銅０．７５重量％）が用いられる。配線部材７１の厚みは、たとえば、１．０ｍｍである。配線部材７１には、銅層／インバー層／銅層が、１／１／１の厚さで構成されている３層構造材料を使用している。

これにより、スイッチング素子１ａと整流素子１ｂは、配線部材７１を介して、互いに電気的に接続される。この配線部材７１は、半導体素子１の上の部分は、銅系配線部材７１ｃが除去されている。同時に、ヒートシンク１１と絶縁性基板３（裏面配線パターン層３ｃ）とを、接合材１０を用いて、接合する。接合材１０の厚みは、たとえば、０．４ｍｍとする。ヒートシンク１１の材質は、アルミニウム合金、例えば、Ａｌ-Ｍｇ-Ｓｉ系のＡ６０６３とする。接合材１０には、たとえば、鉛を含まないはんだ材（スズ９２．５重量％、銀３．９重量％、銅０．６重量％、ビスマス３重量％）を用いている。ヒートシンク１１は、押し出し成形にて作製されている。

接合材１０は、はんだ、銀を主成分とする焼結性フィラー、銀を主成分とするろう材、スズ中に銅を分散した材料からなる群から選択される材料で、形成されていることが好ましい。半導体素子１とヒートシンク１１には、これらの材料で、きちんと接合する方法が望ましく適用されている。半導体素子１を熱伝導率が高い金属材料でヒートシンク１１と接合することから、半導体素子１とヒートシンク１１の間の熱抵抗を低減することができる。

次に、図７を参照して、半導体装置１００の製造方法の説明を、さらに進める。封止樹脂体９には、樹脂硬化後、発生応力が大きくならないよう、たとえばシリコーン系の軟らかい樹脂を用いている。封止樹脂を、樹脂ケース４の中に、充填するように、注型して、硬化を行っている。封止樹脂は、針入度６０の付加反応型シリコーンゲルを使用するのが好ましい。これにより、内部が絶縁されたパワーモジュール１０１が完成する。封止樹脂体９は、モジュールの全体を封止している。封止樹脂体９が樹脂ケース４の内部に充填されていることにより、内部の絶縁性の確保と、外部からの異物の浸入を防ぐことが可能となる。

次に、本実施の形態に関わる半導体装置の作用効果を、比較例を参照しながら、説明する。図８は、比較例に関わる半導体装置の断面構造を表している図である。比較例に関わる半導体装置１００は、パワーモジュール１０１、ヒートシンク１１などから構成されている。ヒートシンク１１は、パワーモジュール１０１との間を、はんだ材などの接合材で、接合されている。パワーモジュール１０１は、半導体素子１、絶縁性基板３、樹脂ケース４、配線端子部材５ａ、配線端子部材５ｂ、ボンディングワイヤ６、封止樹脂体９、配線部材７４などから構成されている。絶縁性基板３は、配線パターン層/セラミックス層/配線パターン層からなる三層構造を有している。半導体素子１とヒートシンク１１との間の絶縁は、絶縁性基板３のセラミックス層によって確保されている。

配線部材７４は、銅系配線部材７４ａ、インバー配線部材７４ｂ、および、銅系配線部材７４ｃからなる、３層構造となっている。比較例では、半導体素子１の上部の銅系配線部材７４ｃが除去されずにそのままの状態で残っている。パワーモジュール１０１の内部では、半導体素子1の表面で発生した熱は、接合材２ａ、絶縁性基板３、接合材１０を通
って、ヒートシンク１１に逃がすようになっている。ただし、半導体素子１で発生した熱は、接合材８を介して、配線部材７４にも広がる。

比較例の半導体装置の場合、配線部材７４が、１３０℃を超える温度になると、銅系配線部材７４ｃは、配線部材７４と半導体素子１との接合部で、銅表面が徐々に酸化する。銅系配線部材７４ｃの銅表面が酸化することで、封止樹脂体９のシリコーンゲルとの接着
界面の接着力が低下して、剥離が発生する。一旦、剥離が発生すると、その部分にシリコーンゲル中に存在する水や空気などがガスとなって浸入して、気泡となる。封止樹脂体９のシリコーンゲルは、配線部材と密着することで絶縁性を確保しており、本来の目的である絶縁を確保することが難しくなる。

一方、本実施の形態に関わる半導体装置では、半導体素子１の上にある、配線部材７１が封止樹脂体９（シリコーンゲル）と接する面は、インバー配線部材７１ｂとなっている。インバーは、１３０℃を超える高温でも、酸化しない。界面において、封止樹脂体９（シリコーンゲル）と剥離することがなくなり、絶縁性を確保することができる。配線部材７１は、電気伝導性のよい銅層と低熱膨張のインバー層とで構成されていることから、配線部材７１に大電流を流すことができる。さらに、半導体素子１や絶縁性基板３と熱膨張係数が近くなり、温度サイクルの信頼性が向上する効果もある。

本発明に関わる半導体装置は、半導体素子の上面の配線部材として、Ｃｕ系の材料である、Ｃｕ／インバー／Ｃｕ（ＣＩＣ）を用い、半導体素子上面の、半導体素子と接続される反対面のＣｕを除去して、インバー面を露出させている。本発明によれば、半導体素子や半導体素子が実装される配線基板の熱膨張係数との差が小さなＣＩＣ部材を用い、半導体素子の上面の、半導体素子と接続される反対面のＣｕを除去することで、温度サイクル信頼性に優れ、高温環境下で使用した際でも、半導体素子上の配線部材がシリコーンゲル（封止樹脂）と剥離することが抑制され、絶縁信頼性に優れた半導体装置を提供することができる。

本実施の形態に関わる半導体装置は、半導体素子の能動面と反対側の裏面に接合材を介して絶縁基板上に接合され、前記半導体素子全体を封止材で覆う半導体装置において、前記半導体素子の能動面側に接合材を介して配線部材を接合し、前記配線部材が銅層／インバー層／銅層の３層で構成されており、前記半導体素子が接合される部分は銅層／インバー層の２層となって、前記封止材と接する面は、インバーであることを特徴とする半導体装置である。

すなわち、本実施の形態に関わる半導体装置は、セラミックス層を有する絶縁性基板と、接合材を介して前記絶縁性基板に接合されている半導体素子と、第１の銅層とインバー層と第２の銅層とを有しており、接合材を介して前記第１の銅層が前記半導体素子に接合されている配線部材と、前記半導体素子および前記配線部材を囲んでおり、前記絶縁性基板に固定されているケースと、前記ケースの内側に充填されており、前記半導体素子と前記配線部材を封止している封止樹脂体と、を備え、前記配線部材は、前記半導体素子との接合部で、前記第２の銅層が除去されており、前記インバー層が前記封止樹脂体と接触していることを特徴とするものである。このことにより、温度サイクルの信頼性に優れ、高温環境下で使用した際でも、半導体素子上の配線部材が封止樹脂体（シリコーンゲル）から剥離することが抑制され、絶縁信頼性に優れた半導体装置を提供することができるようになる。

実施の形態２．
図９を参照して、実施の形態２における半導体装置１００を説明する。本実施の形態に関わる半導体装置１００は、パワーモジュール１０１、ヒートシンク１１などから構成されている。パワーモジュール１０１は、半導体素子１、絶縁性基板３、樹脂ケース４、配線端子部材５ａ、配線端子部材５ｂ、ボンディングワイヤ６、封止樹脂体９、配線部材７２などから構成されている。絶縁性基板３は、配線パターン層/セラミックス層/配線パターン層からなる三層構造を有している。半導体素子１とヒートシンク１１との間の絶縁は、絶縁性基板３のセラミックス層によって確保されている。ヒートシンク１１は、パワーモジュール１０１との間を、はんだ材などの接合材で、接合されている。

半導体素子１と配線部材７２は、はんだ材などの接合材で、接合されている。本実施の形態に関わる半導体装置１００は、実施の形態１に関わる半導体装置１００と比較して、配線部材の構成が異なっている。本実施の形態における半導体装置１００では、配線部材７２は、半導体素子１に接続される側が銅系配線部材７２ａ（銅層）、封止樹脂体９と接する側がインバー配線部材７２ｂ（インバー層）、の２層構造となっている。たとえば、銅層／インバー層の厚みは、全体で１ｍｍ、銅層／インバー層の厚み比は、２／１である。絶縁性基板３は、一方の面が露出している。

図１０は、本実施の形態に関わる配線部材７２の構造を詳細に示している。半導体素子1の裏面１ｙは、接合材２ａで、絶縁性基板３（表面配線パターン層３ａ）に接合されて
いる。本実施の形態に関わる配線部材７２は、半導体素子１の能動面１ｘに、接合材８を介して接合される。この配線部材７２は、折り曲げられて外部端子となる。配線部材７２は、銅系配線部材７２ａ（銅層）とインバー配線部材７２ｂ（インバー層）からなる、２層構造となっている。銅系配線部材７２ａは、電気伝導性の良好な、銅からなる合金で構成されている。インバー配線部材７２ｂは、低熱膨張係数である鉄ニッケル（Ｎｉ３６重量％）からなる合金（インバー）で構成されている。主端子となる配線部材７２は、スイッチング素子１ａの上面と整流素子１ｂの上面を接続している。

半導体素子１と配線部材７２は、接合材８で接合されている。封止樹脂体９は、針入度６０のシリコーンゲルを使用している。実施の形態１と同じく、半導体素子１の上にある配線部材７２は、封止樹脂体９と接触する部分が、インバー配線部材７２ｂとなっている。したがって、半導体素子１が動作時に発熱して、配線部材７２が高温になった場合でも、界面が剥離することなく、絶縁性を確保することができる。本実施の形態に関わる半導体装置は、前記半導体素子の能動面側に接合材を介して配線部材を接合し、前記配線部材が銅層／インバー層の２層で構成されており、前記封止樹脂と接する面はインバーであることを特徴とするものである。

すなわち、本実施の形態に関わる半導体装置は、セラミックス層を有する絶縁性基板と、接合材を介して前記絶縁性基板に接合されている半導体素子と、銅層とインバー層とを有しており、接合材を介して前記銅層が前記半導体素子に接合されている配線部材と、前記半導体素子および前記配線部材を囲んでおり、前記絶縁性基板に固定されているケースと、前記ケースの内側に充填されていて、前記半導体素子および前記配線部材を封止している封止樹脂体と、を備え、前記封止樹脂体は、前記配線部材が有するインバー層に接触していることを特徴とするものである。このことにより、温度サイクルの信頼性に優れ、高温環境下で使用した際でも、半導体素子上の配線部材が封止樹脂体（シリコーンゲル）から剥離することが抑制され、絶縁信頼性に優れた半導体装置を提供することができるようになる。

実施の形態３．
図１１を参照して、実施の形態３における半導体装置１００を説明する。本実施の形態に関わる半導体装置１００は、パワーモジュール１０１、ヒートシンク１１などから構成されている。ヒートシンク１１は、パワーモジュール１０１との間を、はんだ材などの接合材で、接合されている。パワーモジュール１０１は、半導体素子１、絶縁性基板３、樹脂ケース４、配線端子部材５ａ、配線端子部材５ｂ、ボンディングワイヤ６、封止樹脂体９、配線部材７３などから構成されている。絶縁性基板３は、配線パターン層/セラミックス層/配線パターン層からなる三層構造を有している。半導体素子１とヒートシンク１１との間の絶縁は、絶縁性基板３のセラミックス層によって確保されている。

半導体素子１と配線部材７３は、はんだ材などの接合材で、接合されている。本実施の
形態に関わる半導体装置１００は、実施の形態１よる半導体装置１００と比較して、配線部材の構成が異なっている。本実施の形態に関わる半導体装置では、配線部材７３は、単層の銅（または銅系合金）で構成されている。配線部材７３は、半導体素子１と接合材８を介して接合されている。配線部材７３の半導体素子１との反対側（上側）には、接合材を介して板状の金属板１３（インバー部材）が固定されている。絶縁性基板３は、一方の面が露出している。

図１２は、本実施の形態に関わる配線部材７３の構造を詳細に示している。半導体素子１の裏面１ｙは、接合材２ａで、絶縁性基板３（表面配線パターン層３ａ）に接合されている。主端子となる配線部材７３は、半導体素子１の能動面１ｘに、接合材８を介して接合される。この配線部材７３は、折り曲げられて外部端子となる。配線部材７３は、電気伝導性の良好な銅からなる合金で構成されている、単層構造となっている。配線部材７３は、スイッチング素子１ａの上面と整流素子１ｂの上面を接続している。接合材１２は、金属板１３と配線部材７３を接合している。金属板１３の材質は、インバーである。

実施の形態１および実施の形態２と同じく、半導体素子１の上には、配線部材７３が接合材８で固定されている。配線部材７３の上にあるインバーからなる金属板１３（インバー部材）が、封止樹脂体９のシリコーンゲルと接触するため、半導体素子１が動作時に発熱して高温になった場合でも、界面が剥離することなく、絶縁性を確保することができる。接合材１２は、はんだ、銀を主成分とする焼結性フィラー、銀を主成分とするろう材、スズ中に銅を分散した材料、金を主成分とする金スズ、金ゲルマニウム等の金系合金からなる群から選択されるいずれかであることが好ましい。

本実施の形態に関わる半導体装置は、前記半導体素子の能動面側に接合材を介して配線部材を接合し、前記配線部材が銅単層で構成されており、前記配線部材の前記半導体素子と接続される面と反対側にインバーからなる金属板が接合されていることを特徴とするものである。

すなわち、本実施の形態に関わる半導体装置は、セラミックス層を有する絶縁性基板と、接合材を介して前記絶縁性基板に接合されている半導体素子と、接合材を介して前記半導体素子に接合されている銅製の配線部材と、接合材を介して前記配線部材に接合されているインバー部材と、前記半導体素子および前記配線部材を囲んでおり、前記絶縁性基板に固定されているケースと、前記ケースの内側に充填されていて、前記半導体素子および前記配線部材を封止している封止樹脂体と、を備え、前記インバー部材は、前記配線部材と前記半導体素子との接合部に配置されていて、前記封止樹脂体は、この配線部材と半導体素子との接合部に配置されたインバー部材に接触していることを特徴とするものである。このことにより、温度サイクルの信頼性に優れ、高温環境下で使用した際でも、半導体素子上の配線部材が封止樹脂体（シリコーンゲル）から剥離することが抑制され、絶縁信頼性に優れた半導体装置を提供することができるようになる。

実施の形態４．
図１３を参照して、実施の形態４における半導体装置１００を説明する。本実施の形態に関わる半導体装置１００は、パワーモジュール１０１、ヒートシンク１１などから構成されている。ヒートシンク１１は、パワーモジュール１０１との間を、はんだ材などの接合材で、接合されている。パワーモジュール１０１は、半導体素子１、絶縁性基板３、樹脂ケース４、配線端子部材５ａ、配線端子部材５ｂ、ボンディングワイヤ６、封止樹脂体９、配線部材７１などから構成されている。

配線部材７１は、銅系配線部材７１ａ（第１の銅層）、インバー配線部材７１ｂ（インバー層）、および、銅系配線部材７１ｃ（第２の銅層）からなる、３層構造となっている
。銅系配線部材７１ａと銅系配線部材７１ｃは、電気伝導性の良好な、銅からなる合金で構成されている。インバー配線部材７１ｂは、低熱膨張係数である鉄ニッケル（Ｎｉ３６重量％）からなる合金（インバー）で構成されている。

絶縁性基板３は、配線パターン層/セラミックス層/配線パターン層からなる三層構造を有している。半導体素子１とヒートシンク１１との間の絶縁は、絶縁性基板３のセラミックス層によって確保されている。樹脂ケース４は、ヒートシンク１１の上に接着剤で固定されている。配線端子部材５ａは、接合材で、絶縁性基板３（表面配線パターン層３ａ）に接合されている。本実施の形態に関わる半導体装置１００は、実施の形態１よる半導体装置１００と比較して、樹脂ケース４の構成が異なっている。本実施の形態に関わる樹脂ケース４は、配線端子部材５ｂのみを一体成形している。

本実施の形態に関わる半導体装置においても、温度サイクル信頼性に優れ、高温環境下で使用した際でも、半導体素子上の配線部材が封止樹脂としてのシリコーンゲルと剥離することが抑制され、絶縁信頼性に優れた半導体装置を提供することができる。なお、今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなくて、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更、が含まれることが意図される。

次に、本実施の形態に関わる半導体装置１００を、実際に評価した結果について説明する。実施の形態１において作製した半導体装置１００を、実施例１とする。実施の形態２において作製した半導体装置１００を、実施例２とする。実施の形態３において作製した半導体装置１００を、実施例３とする。図８に記載した半導体装置を、比較例とする。比較例において、配線部材７４の厚みは、０．６４ｍｍとした。

連続通電試験では、スイッチング素子１ａ（ＩＧＢＴ）に、１５Ｖのゲート電圧を印加して、一定の電流値（ここでは２００Ａ）を流した。スイッチング素子１ａの温度は、１５０℃で、定常状態となった。この状態を、規定時間、維持する連続通電試験を実施した。連続通電試験は、３００時間まで実施して、その時点で、シリコーンゲルの封止樹脂体９に剥離が発生していないかどうかを確認した。

図１４は、連続通電試験の結果を示している。なお、今回実施した連続通電試験は、３００時間まで通電して、その時点で、シリコーンゲルからなる封止樹脂体９に剥離が発生していないかどうかを評価した。比較例の半導体装置では、１５０時間で封止樹脂体９が配線部材７４と剥離して、気泡が発生していた。それに対して、実施例１の半導体装置から実施例３の半導体装置においては、封止樹脂体９の剥離や気泡発生は確認されなかった。その結果、本実施の形態による半導体装置は、絶縁性が十分確保されることを検証することができた。

なお、以上の説明では、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、種々の処理変更を行うことが可能である。また、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 半導体素子、１ａ スイッチング素子、１ｂ 整流素子、１ｘ 能動面、１ｙ 裏面、２ａ 接合材、２ｂ 接合材、３ 絶縁性基板、３ａ 表面配線パターン層、３ｂ セラミックス層、３ｃ 裏面配線パターン層、４ 樹脂ケース、５ 配線端子部材、５ａ 配線端子部材、５ｂ 配線端子部材、６ ボンディングワイヤ、８ 接合材、９ 封止樹
脂体、１０ 接合材、１１ ヒートシンク、１１ａ フィン、１２ 接合材、１３ 金属板、７１ 配線部材、７１ａ 銅系配線部材、７１ｂ インバー配線部材、７１ｃ 銅系配線部材、７２ 配線部材、７２ａ 銅系配線部材、７２ｂ インバー配線部材、７３ 配線部材、７４ 配線部材、７４ａ 銅系配線部材、７４ｂ インバー配線部材、７４ｃ
銅系配線部材、１００ 半導体装置、１０１ パワーモジュール

Claims (6)

1. セラミックス層を有する絶縁性基板と、
   接合材を介して前記絶縁性基板に接合されている半導体素子と、
   第１の銅層とインバー層と第２の銅層とを有しており、接合材を介して前記第１の銅層が前記半導体素子に接合されている配線部材と、
   前記半導体素子および前記配線部材を囲んでおり、前記絶縁性基板に固定されているケースと、
   前記ケースの内側に充填されていて、前記半導体素子および前記配線部材を封止している封止樹脂体と、を備え、
   前記配線部材は、前記半導体素子との接合部で、前記第２の銅層が除去されており、
   前記封止樹脂体は、この第２の銅層の除去部で、前記インバー層に接触していることを特徴とする半導体装置。
2. セラミックス層を有する絶縁性基板と、
   接合材を介して前記絶縁性基板に接合されている半導体素子と、
   銅層とインバー層とを有しており、接合材を介して前記銅層が前記半導体素子に接合されている配線部材と、
   前記半導体素子および前記配線部材を囲んでおり、前記絶縁性基板に固定されているケースと、
   前記ケースの内側に充填されていて、前記半導体素子および前記配線部材を封止している封止樹脂体と、を備え、
   前記封止樹脂体は、前記配線部材が有するインバー層に接触していることを特徴とする半導体装置。
3. 前記封止樹脂体は、シリコーンゲルからなることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 前記半導体素子は、スイッチング素子と整流素子を含んでいることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
5. 前記スイッチング素子と前記整流素子は、前記配線部材によって接続されていることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
6. 前記絶縁性基板は、ヒートシンクと接合材を介して接合されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。

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