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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024132736
(43)【公開日】2024-10-01
(54)【発明の名称】半導体装置
(51)【国際特許分類】
H01L 21/60 20060101AFI20240920BHJP
H01L 23/29 20060101ALI20240920BHJP
H01L 21/56 20060101ALI20240920BHJP
【ＦＩ】
H01L21/60 301B
H01L23/30 R
H01L21/56 E
【審査請求】未請求
【請求項の数】10
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023043638
(22)【出願日】2023-03-17
(71)【出願人】
【識別番号】000003078
【氏名又は名称】株式会社東芝
(71)【出願人】
【識別番号】317011920
【氏名又は名称】東芝デバイス＆ストレージ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100119035
【弁理士】
【氏名又は名称】池上 徹真
(74)【代理人】
【識別番号】100141036
【弁理士】
【氏名又は名称】須藤 章
(74)【代理人】
【識別番号】100178984
【弁理士】
【氏名又は名称】高下 雅弘
(72)【発明者】
【氏名】井口 知洋
(72)【発明者】
【氏名】平川 達也
(72)【発明者】
【氏名】南 尚吾
(72)【発明者】
【氏名】松尾 浩幸
(72)【発明者】
【氏名】小松 出
【テーマコード（参考）】
4M109
5F044
5F061
【Ｆターム（参考）】
4M109AA01
4M109DB09
5F044AA15
5F061AA02
5F061BA03
5F061CA02
(57)【要約】
【課題】配線の接続不良を抑制可能な半導体装置を提供する。
【解決手段】実施形態の半導体装置は、ベース板と、ベース板の上に設けられ、第１の金属層と第２の金属層とを有する絶縁基板と、第１の金属層の上に設けられ、上部電極と、第１の金属層に接続された下部電極と、上部電極と下部電極との間の半導体層を含む半導体チップと、第１の端部と第２の端部を有し、第１の端部が上部電極に接続され、第２の端部が第２の金属層に接続されたボンディングワイヤと、絶縁基板、半導体チップ、及びボンディングワイヤを覆い、第１の樹脂を含む第１の樹脂層と、第１の端部と上部電極との接合部の少なくとも一部を覆い、第１の樹脂のよりも高いヤング率を有する第２の樹脂を含む第２の樹脂層と、第１の樹脂層の上に第１の樹脂層に接して設けられ、第１の樹脂よりも透湿度の低い第３の樹脂を含む第３の樹脂層と、絶縁基板、第１の樹脂層、及び第３の樹脂層を囲む枠体と、を備える。
【選択図】図１
【解決手段】実施形態の半導体装置は、ベース板と、ベース板の上に設けられ、第１の金属層と第２の金属層とを有する絶縁基板と、第１の金属層の上に設けられ、上部電極と、第１の金属層に接続された下部電極と、上部電極と下部電極との間の半導体層を含む半導体チップと、第１の端部と第２の端部を有し、第１の端部が上部電極に接続され、第２の端部が第２の金属層に接続されたボンディングワイヤと、絶縁基板、半導体チップ、及びボンディングワイヤを覆い、第１の樹脂を含む第１の樹脂層と、第１の端部と上部電極との接合部の少なくとも一部を覆い、第１の樹脂のよりも高いヤング率を有する第２の樹脂を含む第２の樹脂層と、第１の樹脂層の上に第１の樹脂層に接して設けられ、第１の樹脂よりも透湿度の低い第３の樹脂を含む第３の樹脂層と、絶縁基板、第１の樹脂層、及び第３の樹脂層を囲む枠体と、を備える。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ベース板と、
前記ベース板の上に設けられ、表面に第１の金属層と第２の金属層とを有する絶縁基板と、
前記第１の金属層の上に設けられ、上部電極と、前記第１の金属層に接続された下部電極と、前記上部電極と前記下部電極との間に設けられた半導体層を含む半導体チップと、
第１の端部と第２の端部を有し、前記第１の端部が前記上部電極に接続され、前記第２の端部が前記第２の金属層に接続されたボンディングワイヤと、
前記絶縁基板、前記半導体チップ、及び前記ボンディングワイヤを覆い、第１の樹脂を含む第１の樹脂層と、
前記第１の端部と前記上部電極との接合部の少なくとも一部を覆い、前記第１の樹脂のヤング率よりも高いヤング率を有する第２の樹脂を含む第２の樹脂層と、
前記第１の樹脂層の上に前記第１の樹脂層に接して設けられ、前記第１の樹脂の透湿度よりも透湿度の低い第３の樹脂を含む第３の樹脂層と、
前記絶縁基板、前記第１の樹脂層、及び前記第３の樹脂層を囲む枠体と、
を備える半導体装置。
前記ベース板の上に設けられ、表面に第１の金属層と第２の金属層とを有する絶縁基板と、
前記第１の金属層の上に設けられ、上部電極と、前記第１の金属層に接続された下部電極と、前記上部電極と前記下部電極との間に設けられた半導体層を含む半導体チップと、
第１の端部と第２の端部を有し、前記第１の端部が前記上部電極に接続され、前記第２の端部が前記第２の金属層に接続されたボンディングワイヤと、
前記絶縁基板、前記半導体チップ、及び前記ボンディングワイヤを覆い、第１の樹脂を含む第１の樹脂層と、
前記第１の端部と前記上部電極との接合部の少なくとも一部を覆い、前記第１の樹脂のヤング率よりも高いヤング率を有する第２の樹脂を含む第２の樹脂層と、
前記第１の樹脂層の上に前記第１の樹脂層に接して設けられ、前記第１の樹脂の透湿度よりも透湿度の低い第３の樹脂を含む第３の樹脂層と、
前記絶縁基板、前記第１の樹脂層、及び前記第３の樹脂層を囲む枠体と、
を備える半導体装置。
【請求項2】
前記第２の樹脂のヤング率は１０００ＭＰａ以上である、請求項１記載の半導体装置。
【請求項3】
前記第２の樹脂のガラス転移温度は２５０℃以上である、請求項１記載の半導体装置。
【請求項4】
前記第３の樹脂の伸び率は、前記第１の樹脂の伸び率以上である、請求項１記載の半導体装置。
【請求項5】
前記ベース板と前記枠体との間に設けられ、前記ベース板と前記枠体とを接着し、第４の樹脂を含む第４の樹脂層と、
前記第１の樹脂層と前記第４の樹脂層との間に設けられ、前記第１の樹脂の透湿度及び前記第４の樹脂の透湿度よりも透湿度の低い第５の樹脂を含む第５の樹脂層と、
を更に備える、請求項１記載の半導体装置。
前記第１の樹脂層と前記第４の樹脂層との間に設けられ、前記第１の樹脂の透湿度及び前記第４の樹脂の透湿度よりも透湿度の低い第５の樹脂を含む第５の樹脂層と、
を更に備える、請求項１記載の半導体装置。
【請求項6】
前記第５の樹脂層は、前記第１の樹脂層及び前記第４の樹脂層に接する、請求項５記載の半導体装置。
【請求項7】
前記第５の樹脂層は、前記枠体と前記第１の樹脂層との間に設けられ、
前記第５の樹脂層は、前記絶縁基板の少なくとも一部を覆う、請求項６記載の半導体装置。
前記第５の樹脂層は、前記絶縁基板の少なくとも一部を覆う、請求項６記載の半導体装置。
【請求項8】
前記第５の樹脂層は、前記半導体チップの少なくとも一部を覆う、請求項７記載の半導体装置。
【請求項9】
前記ベース板と前記枠体との間に設けられ、前記ベース板と前記枠体とを接着し、第４の樹脂を含む第４の樹脂層と、
前記枠体及び前記ベース板に接し、前記第１の樹脂の透湿度及び前記第４の樹脂の透湿度よりも透湿度の低い第５の樹脂を含む第５の樹脂層と、
を更に備え、
前記第１の樹脂層と前記第５の樹脂層との間に、前記第４の樹脂層が設けられる、請求項１記載の半導体装置。
前記枠体及び前記ベース板に接し、前記第１の樹脂の透湿度及び前記第４の樹脂の透湿度よりも透湿度の低い第５の樹脂を含む第５の樹脂層と、
を更に備え、
前記第１の樹脂層と前記第５の樹脂層との間に、前記第４の樹脂層が設けられる、請求項１記載の半導体装置。
【請求項10】
前記第４の樹脂層は、前記第１の樹脂層と前記第５の樹脂層に接する、請求項９記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【0002】
パワー半導体モジュールでは、例えば、ベース板の上に、絶縁基板を間に挟んでパワー半導体チップが実装される。パワー半導体チップは、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、又は、ダイオードである。
【0003】
例えば、パワー半導体モジュールのオン動作とオフ動作の繰り返しにより、パワー半導体チップの温度変化が繰り返される。温度変化が繰り返されることにより、例えば、半導体チップとボンディングワイヤの接合部（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）が熱応力によって剥離し、接続不良となる場合がある。したがって、パワー半導体チップの温度変化が繰り返される場合であっても、半導体チップとボンディングワイヤの接合部の剥離を抑制し、パワー半導体モジュールの高い信頼性を実現することが要求される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】国際公開第２０１７／１４５６６７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明が解決しようとする課題は、配線の接続不良を抑制可能な半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の一態様の半導体装置は、前記ベース板の上に設けられ、表面に第１の金属層と第２の金属層とを有する絶縁基板と、前記第１の金属層の上に設けられ、上部電極と、前記第１の金属層に接続された下部電極と、前記上部電極と前記下部電極との間に設けられた半導体層を含む半導体チップと、第１の端部と第２の端部を有し、前記第１の端部が前記上部電極に接続され、前記第２の端部が前記第２の金属層に接続されたボンディングワイヤと、前記絶縁基板、前記半導体チップ、及び前記ボンディングワイヤを覆い、第１の樹脂を含む第１の樹脂層と、前記第１の端部と前記上部電極との接合部の少なくとも一部を覆い、前記第１の樹脂のヤング率よりも高いヤング率を有する第２の樹脂を含む第２の樹脂層と、前記第１の樹脂層の上に前記第１の樹脂層に接して設けられ、前記第１の樹脂の透湿度よりも透湿度の低い第３の樹脂を含む第３の樹脂層と、前記絶縁基板、前記第１の樹脂層、及び前記第３の樹脂層を囲む枠体と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【図1】第１の実施形態の半導体装置の模式図。
【図2】第１の実施形態の半導体装置の拡大模式断面図。
【図3】第１の実施形態の変形例の半導体装置の拡大模式断面図。
【図4】第２の実施形態の半導体装置の模式断面図。
【図5】第２の実施形態の半導体装置の拡大模式断面図。
【図6】第２の実施形態の変形例の半導体装置の模式断面図。
【図7】第３の実施形態の半導体装置の模式断面図。
【図8】第３の実施形態の半導体装置の拡大模式断面図。
【図9】第３の実施形態の変形例の半導体装置の模式断面図。
【図10】第３の実施形態の変形例の半導体装置の拡大模式断面図。
【発明を実施するための形態】
【0008】
本明細書中、同一又は類似する部材については、同一の符号を付し、重複する説明を省略する場合がある。
【0009】
本明細書中、部品等の位置関係を示すために、図面の上方向を「上」、図面の下方向を「下」と記述する場合がある。本明細書中、「上」、「下」の概念は、必ずしも重力の向きとの関係を示す用語ではない。
【0010】
実施形態の半導体装置を構成する樹脂の種類は、例えば、フーリエ変換赤外分光法（Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ法：ＦＴ－ＩＲ法）又は熱分解ガスクロマトグラフィー質量分析法（Ｐｙｒｏｌｙｓｉｓ－Ｇａｓ Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ／Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ法）により特定することが可能である。また、実施形態の半導体装置を構成する樹脂の「ヤング率」、「透湿度」、「伸び率」などの物性値は、樹脂の種類を特定することで、特定できる。
【0011】
（第１の実施形態）
第１の実施形態の半導体装置は、ベース板と、ベース板の上に設けられ、表面に第１の金属層と第２の金属層とを有する絶縁基板と、第１の金属層の上に設けられ、上部電極と、第１の金属層に接続された下部電極と、上部電極と下部電極との間に設けられた半導体層を含む半導体チップと、第１の端部と第２の端部を有し、第１の端部が上部電極に接続され、第２の端部が第２の金属層に接続されたボンディングワイヤと、絶縁基板、半導体チップ、及びボンディングワイヤを覆い、第１の樹脂を含む第１の樹脂層と、第１の端部と上部電極との接合部の少なくとも一部を覆い、第１の樹脂のヤング率よりも高いヤング率を有する第２の樹脂を含む第２の樹脂層と、第１の樹脂層の上に第１の樹脂層に接して設けられ、第１の樹脂の透湿度よりも透湿度の低い第３の樹脂を含む第３の樹脂層と、絶縁基板、第１の樹脂層、及び第３の樹脂層を囲む枠体と、を備える。
第１の実施形態の半導体装置は、ベース板と、ベース板の上に設けられ、表面に第１の金属層と第２の金属層とを有する絶縁基板と、第１の金属層の上に設けられ、上部電極と、第１の金属層に接続された下部電極と、上部電極と下部電極との間に設けられた半導体層を含む半導体チップと、第１の端部と第２の端部を有し、第１の端部が上部電極に接続され、第２の端部が第２の金属層に接続されたボンディングワイヤと、絶縁基板、半導体チップ、及びボンディングワイヤを覆い、第１の樹脂を含む第１の樹脂層と、第１の端部と上部電極との接合部の少なくとも一部を覆い、第１の樹脂のヤング率よりも高いヤング率を有する第２の樹脂を含む第２の樹脂層と、第１の樹脂層の上に第１の樹脂層に接して設けられ、第１の樹脂の透湿度よりも透湿度の低い第３の樹脂を含む第３の樹脂層と、絶縁基板、第１の樹脂層、及び第３の樹脂層を囲む枠体と、を備える。
【0012】
【0013】
第１の実施形態の半導体装置は、パワー半導体モジュール１００である。図１（ａ）に示すように、第１の実施形態のパワー半導体モジュール１００は、２個のＭＯＳＦＥＴが直列に接続されている。第１の実施形態のパワー半導体モジュール１００は、１モジュールでハーフブリッジ回路を構成できる、いわゆる「２ｉｎ１」タイプのモジュールである。例えば、第１の実施形態のパワー半導体モジュール１００を３個用いることにより３相インバータ回路を構成できる。
【0014】
パワー半導体モジュール１００は、ベース板１０、絶縁基板１２、第１のＭＯＳＦＥＴ１４、第２のＭＯＳＦＥＴ１６、ボンディングワイヤ１８、封止層２０、ワイヤ固定層２２、第１の防湿層２４、樹脂ケース２６、接着層２８、第１の電力端子３０、及び、第２の電力端子３２を備える。絶縁基板１２は、セラミック層１２ａ、第１の表面金属層１２ｂ、第２の表面金属層１２ｃ、及び、裏面金属層１２ｄを有する。第１のＭＯＳＦＥＴ１４は、上部電極１４ａ、下部電極１４ｂ、及び、半導体層１４ｃを含む。ボンディングワイヤ１８は、第１の端部１８ａと第２の端部１８ｂを有する。
【0015】
第１の表面金属層１２ｂは第１の金属層の一例である。第２の表面金属層１２ｃは、第２の金属層の一例である。第１のＭＯＳＦＥＴ１４は半導体チップの一例である。封止層２０は、第１の樹脂層の一例である。ワイヤ固定層２２は、第２の樹脂層の一例である。第１の防湿層２４は、第３の樹脂層の一例である。樹脂ケース２６は枠体の一例である。接着層２８は、第４の樹脂層の一例である。
【0016】
なお、パワー半導体モジュール１００は、図示しないＡＣ端子及びゲート端子を備える。また、パワー半導体モジュール１００は、図示しない樹脂蓋を、第１の防湿層２４の上に備えても構わない。
【0017】
【0018】
ベース板１０は、パワー半導体モジュール１００の下部に設けられる。
【0019】
ベース板１０は、例えば、金属である。ベース板１０は、例えば、銅である。例えば、パワー半導体モジュール１００を製品に実装する際、ベース板１０の裏面には、図示しない放熱板が接続される。
【0020】
絶縁基板１２は、ベース板１０の上に設けられる。絶縁基板１２は、ベース板１０と第１のＭＯＳＦＥＴ１４との間、及び、ベース板１０と第２のＭＯＳＦＥＴ１６との間に設けられる。絶縁基板１２は、ベース板１０と、第１のＭＯＳＦＥＴ１４及び第２のＭＯＳＦＥＴ１６を電気的に分離する機能を有する。
【0021】
絶縁基板１２は、セラミック層１２ａ、第１の表面金属層１２ｂ、第２の表面金属層１２ｃ、及び、裏面金属層１２ｄを有する。セラミック層１２ａは、第１の表面金属層１２ｂと裏面金属層１２ｄとの間、及び、第２の表面金属層１２ｃと裏面金属層１２ｄとの間に設けられる。
【0022】
セラミック層１２ａは、例えば、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、又は、窒化シリコンである。第１の表面金属層１２ｂ、第２の表面金属層１２ｃ、及び、裏面金属層１２ｄは、例えば、銅である。
【0023】
第１のＭＯＳＦＥＴ１４は、第１の表面金属層１２ｂの上に設けられる。第１のＭＯＳＦＥＴ１４は、半導体チップの一例である。
【0024】
第１のＭＯＳＦＥＴ１４は、上部電極１４ａ、下部電極１４ｂ、及び、半導体層１４ｃを含む。半導体層１４ｃは、上部電極１４ａと下部電極１４ｂの間に設けられる。
【0025】
上部電極１４ａは、例えば、ソース電極として機能する。下部電極１４ｂは、例えば、ドレイン電極として機能する。第１のＭＯＳＦＥＴ１４は、例えば、図示しないゲート電極を備える。
【0026】
上部電極１４ａ及び下部電極１４ｂは、金属である。上部電極１４ａ及び下部電極１４ｂは、例えば、アルミニウムである。
【0027】
半導体層１４ｃは、例えば、炭化珪素又はシリコンである。
【0028】
第１のＭＯＳＦＥＴ１４の下部電極１４ｂは、第１の表面金属層１２ｂに接続される。第１のＭＯＳＦＥＴ１４の下部電極１４ｂは、第１の表面金属層１２ｂに電気的に接続される。
【0029】
第２のＭＯＳＦＥＴ１６は、第２の表面金属層１２ｃの上に設けられる。第２のＭＯＳＦＥＴ１６は、上部電極、下部電極、及び、半導体層を含む。
【0030】
第２のＭＯＳＦＥＴ１６の下部電極は、第２の表面金属層１２ｃに接続される。第２のＭＯＳＦＥＴ１６の下部電極は、第２の表面金属層１２ｃに電気的に接続される。
【0031】
ボンディングワイヤ１８は、パワー半導体モジュール１００内の導電体を電気的に接続する機能を有する。ボンディングワイヤ１８の材質は、例えば、アルミニウム、銅、又は金である。
【0032】
ボンディングワイヤ１８は、例えば、第１のＭＯＳＦＥＴ１４の上部電極１４ａと第２の表面金属層１２ｃとの間を電気的に接続する。ボンディングワイヤ１８は、例えば、第１の端部１８ａと第２の端部１８ｂを有する。第１の端部１８ａは、第１のＭＯＳＦＥＴ１４の上部電極１４ａに接続される。第２の端部１８ｂは、第２の表面金属層１２ｃに接続される。
【0033】
第１の端部１８ａは、第１のＭＯＳＦＥＴ１４の上部電極１４ａと接合部３５で接続される。第１の端部１８ａは上部電極１４ａと接合部３５で接する。
【0034】
ボンディングワイヤ１８は、例えば、第１の電力端子３０と第２のＭＯＳＦＥＴ１６の上部電極との間を電気的に接続する。また、ボンディングワイヤ１８は、例えば、第１の表面金属層１２ｂと第２の電力端子３２との間を電気的に接続する。
【0035】
封止層２０は、絶縁基板１２、第１のＭＯＳＦＥＴ１４、第２のＭＯＳＦＥＴ１６、及びボンディングワイヤ１８を覆う。封止層２０は、第１の樹脂層の一例である。封止層２０は、樹脂ケース２６に囲まれる。
【0036】
封止層２０は、絶縁基板１２、第１のＭＯＳＦＥＴ１４、第２のＭＯＳＦＥＴ１６、及びボンディングワイヤ１８を保護する機能を有する。また、封止層２０は、絶縁基板１２、第１のＭＯＳＦＥＴ１４、第２のＭＯＳＦＥＴ１６、及びボンディングワイヤ１８を電気的に絶縁する機能を有する。
【0037】
封止層２０は、封止樹脂を含む。封止樹脂は、第１の樹脂の一例である。封止層２０は、例えば、封止樹脂で形成される。封止樹脂は、例えば、シリコーンゲルである。
【0038】
ワイヤ固定層２２は、図２に示すように、ボンディングワイヤ１８の第１の端部１８ａと第１のＭＯＳＦＥＴ１４の上部電極１４ａとの接合部３５の少なくとも一部を覆う。ワイヤ固定層２２は、第２の樹脂層の一例である。図２の場合、ワイヤ固定層２２は、第１の端部１８ａの全体を覆っている。
【0039】
ワイヤ固定層２２は、封止層２０に覆われる。ワイヤ固定層２２は、上部電極１４ａ、ボンディングワイヤ１８、及び封止層２０に接する。
【0040】
ワイヤ固定層２２は、例えば、接合部３５の外縁部の全周を覆う。ワイヤ固定層２２は、例えば、接合部３５の外縁部の一部だけを覆っていても構わない。
【0041】
ワイヤ固定層２２は、熱応力による接合部３５の剥離を抑制する機能を有する。
【0042】
ワイヤ固定層２２は、高ヤング率樹脂を含む。高ヤング率樹脂は、第２の樹脂の一例である。ワイヤ固定層２２は、例えば、高ヤング率樹脂で形成される。高ヤング率樹脂は、封止層２０に含まれる封止樹脂のヤング率よりも高いヤング率を有する。高ヤング率樹脂のヤング率は、例えば、１０００ＭＰａ以上１００ＧＰａ以下である。
【0043】
高ヤング率樹脂のガラス転移温度は、例えば、２５０℃以上４００℃以下である。高ヤング率樹脂の線膨張係数は、例えば、１０×１０―６／℃以上５０×１０―６／℃以下である。
【0044】
高ヤング率樹脂は、例えば、ポリアミドイミド、ポリイミド、又は、ポリイミドシリコーンである。
【0045】
高ヤング率樹脂は、例えば、ジェットディスペンサ法、エアディスペンサ法、又はスプレーコート法を用いて形成することが可能である。
【0046】
第１の防湿層２４は、封止層２０の上に設けられる。第１の防湿層２４は、封止層２０に接して設けられる。第１の防湿層２４は、第３の樹脂層の一例である。
【0047】
図１（ｂ）に示すように、第１の防湿層２４は、樹脂ケース２６に囲まれる。第１の防湿層２４の外周部は、例えば、樹脂ケース２６に接する。
【0048】
第１の防湿層２４は、パワー半導体モジュール１００の外部からの水分の侵入を抑制する機能を有する。
【0049】
第１の防湿層２４は、第１の低透湿性樹脂を含む。第１の低透湿性樹脂は、第３の樹脂の一例である。第１の防湿層２４は、例えば、第１の低透湿性樹脂で形成される。第１の低透湿性樹脂は、封止層２０に含まれる封止樹脂の透湿度よりも低い透湿度を有する。
【0050】
第１の低透湿性樹脂は、例えば、封止層２０が含む封止樹脂の伸び率以上の伸び率を有する。伸び率とは、材料が破断する直前における最大の変形量であり、変形前の材料の長さに対する比率であらわされる。
【0051】
第１の低透湿性樹脂は、例えば、合成ゴム、ポリオフィレン樹脂、パラキシレン、又は、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）である。
【0052】
樹脂ケース２６は、絶縁基板１２、封止層２０、及び、第１の防湿層２４を囲む。樹脂ケース２６は、枠体の一例である。樹脂ケース２６は、ベース板１０の上に設けられる。
【0053】
樹脂ケース２６は、第１のＭＯＳＦＥＴ１４、第２のＭＯＳＦＥＴ１６、及び絶縁基板１２を保護する機能を有する。
【0054】
接着層２８は、ベース板１０と樹脂ケース２６との間に設けられる。接着層２８は、第４の樹脂層の一例である。接着層２８は、ベース板１０と樹脂ケース２６を接着し、固定する機能を有する。
【0055】
接着層２８は、例えば、ベース板１０の上に、絶縁基板１２を囲むように設けられる。
【0056】
接着層２８は、接着樹脂を含む。接着樹脂は第４の樹脂の一例である。接着層２８は、例えば、接着樹脂で形成される。接着樹脂は、例えば、シリコーン樹脂である。
【0057】
第１の電力端子３０、及び、第２の電力端子３２は、樹脂ケース２６の上部に設けられる。第１の電力端子３０には、例えば、負電圧が印加される。第２の電力端子３２には、例えば、正電圧が印加される。
【0058】
次に、第１の実施形態の半導体装置の作用及び効果について説明する。
【0059】
例えば、パワー半導体モジュールのオン動作とオフ動作の繰り返しにより、パワー半導体チップの温度変化が繰り返される。温度変化が繰り返されることにより、例えば、半導体チップとボンディングワイヤの接合部（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）が熱応力によって剥離し、オープン不良（接続不良）となる場合がある。したがって、パワー半導体チップの温度変化が繰り返される場合であっても、半導体チップとボンディングワイヤの接合部の剥離を抑制し、パワー半導体モジュールの高い信頼性を実現することが要求される。いいかえれば、パワー半導体チップの温度変化が繰り返される場合であっても、配線の接続不良を抑制し、パワー半導体モジュールの高い信頼性を実現することが要求される。
【0060】
第１の実施形態のパワー半導体モジュール１００は、ボンディングワイヤ１８の第１の端部１８ａと第１のＭＯＳＦＥＴ１４の上部電極１４ａとの接合部３５の少なくとも一部を覆うワイヤ固定層２２を備える。ワイヤ固定層２２に含まれる高ヤング率樹脂は、封止層２０に含まれる封止樹脂のヤング率よりも高いヤング率を有する。
【0061】
ヤング率の高いワイヤ固定層２２を備えることで、接合部３５に熱応力が加わった場合でも、第１の端部１８ａと上部電極１４ａの相対的な動きが抑制される。したがって、第１の端部１８ａと上部電極１４ａの接合部３５の剥離が抑制される。よって、接合部３５におけるオープン不良が抑制され、高い信頼性を備えたパワー半導体モジュール１００が実現できる。
【0062】
ワイヤ固定層２２に含まれる高ヤング率樹脂のヤング率は、１０００ＭＰａ以上であることが好ましい。ヤング率が１０００ＭＰａ以上であることで、接合部３５の剥離が更に抑制される。
【0063】
ワイヤ固定層２２に含まれる高ヤング率樹脂のガラス転移温度は、例えば、２５０℃以上であることが好ましい。ガラス転移温度が２５０℃以上であることで、高温下での接合部３５の剥離が更に抑制される。
【0064】
ワイヤ固定層２２に含まれる高ヤング率樹脂の線膨張係数は、１０×１０―６／℃以上５０×１０―６／℃以下であることが好ましい。線膨張係数が１０×１０―６／℃以上５０×１０―６／℃以下であることで、例えば、ボンディングワイヤ１８の材質がアルミニウムの場合に、高ヤング率樹脂の線膨張係数がアルミニウムの線膨張係数と同等になる。したがって、熱応力が抑制され接合部３５の剥離が更に抑制される。
【0065】
上述のように、第１の実施形態のパワー半導体モジュール１００は、ワイヤ固定層２２を備えることで、接合部３５の剥離を抑制することができる。一方、ワイヤ固定層２２と封止層２０との界面に水分が侵入しやすくなるという懸念がある。
【0066】
ワイヤ固定層２２と封止層２０との界面に水分が侵入すると、例えば、第１のＭＯＳＦＥＴ１４の上部電極１４ａと下部電極１４ｂのショート不良が生じるおそれがある。ショート不良が生じると、パワー半導体モジュール１００の信頼性が低下する。
【0067】
第１の実施形態のパワー半導体モジュール１００は、封止層２０の上に第１の防湿層２４を備える。第１の防湿層２４に含まれる第１の低透湿性樹脂は、封止層２０に含まれる封止樹脂の透湿度よりも低い透湿度を有する。
【0068】
封止層２０の上に、透湿度の低い第１の防湿層２４を備えることで、ワイヤ固定層２２と封止層２０との界面への水分の侵入を抑制できる。したがって、例えば、第１のＭＯＳＦＥＴ１４のショート不良が生じることが抑制される。
【0069】
第１の防湿層２４が含む第１の低透湿性樹脂は、封止層２０が含む封止樹脂の伸び率以上の伸び率を有することが好ましい。第１の防湿層２４が高い伸び率を有することで、封止層２０の変形に第１の防湿層２４が追従できる。したがって、例えば、第１の防湿層２４に封止層２０の変形に伴ってクラックが入ることが抑制される。
【0070】
（変形例）
第１の実施形態の変形例の半導体装置は、第２の樹脂層は、ボンディングワイヤの第１の端部と、半導体チップの上部電極との間の空間のみを埋める点で、第１の実施形態の半導体装置と異なる。
第１の実施形態の変形例の半導体装置は、第２の樹脂層は、ボンディングワイヤの第１の端部と、半導体チップの上部電極との間の空間のみを埋める点で、第１の実施形態の半導体装置と異なる。
【0071】
【0072】
第１の実施形態の変形例の半導体モジュールのワイヤ固定層２２は、図３に示すように、ボンディングワイヤ１８の第１の端部１８ａと第１のＭＯＳＦＥＴ１４の上部電極１４ａとの間の空間を埋めるように設けられる。ワイヤ固定層２２は、第１の端部１８ａの上部には設けられない。
【0073】
第１の実施形態の変形例の半導体モジュールにおいても、ワイヤ固定層２２が接合部３５の少なくとも一部を覆うことで、第１の実施形態のパワー半導体モジュール１００と同様の作用及び効果が実現される。
【0074】
以上、第１の実施形態及び変形例によれば、配線の接続不良を抑制可能で、高い信頼性を備えた半導体装置が実現できる。
【0075】
（第２の実施形態）
第２の実施形態の半導体装置は、第１の樹脂層と第４の樹脂層との間に設けられ、第１の樹脂の透湿度及び第４の樹脂の透湿度よりも透湿度の低い第５の樹脂を含む第５の樹脂層と、を更に備える点で、第１の実施形態の半導体装置と異なる。以下、第１の実施形態と重複する内容については、一部、記述を省略する場合がある。
第２の実施形態の半導体装置は、第１の樹脂層と第４の樹脂層との間に設けられ、第１の樹脂の透湿度及び第４の樹脂の透湿度よりも透湿度の低い第５の樹脂を含む第５の樹脂層と、を更に備える点で、第１の実施形態の半導体装置と異なる。以下、第１の実施形態と重複する内容については、一部、記述を省略する場合がある。
【0076】
【0077】
第２の実施形態の半導体装置は、パワー半導体モジュール２００である。
【0078】
パワー半導体モジュール２００は、ベース板１０、絶縁基板１２、第１のＭＯＳＦＥＴ１４、第２のＭＯＳＦＥＴ１６、ボンディングワイヤ１８、封止層２０、ワイヤ固定層２２、第１の防湿層２４、樹脂ケース２６、接着層２８、第１の電力端子３０、第２の電力端子３２、及び、第２の防湿層３４を備える。絶縁基板１２は、セラミック層１２ａ、第１の表面金属層１２ｂ、第２の表面金属層１２ｃ、及び、裏面金属層１２ｄを有する。第１のＭＯＳＦＥＴ１４は、上部電極１４ａ、下部電極１４ｂ、及び、半導体層１４ｃを含む。ボンディングワイヤ１８は、第１の端部１８ａと第２の端部１８ｂを有する。
【0079】
第１の表面金属層１２ｂは第１の金属層の一例である。第２の表面金属層１２ｃは、第２の金属層の一例である。第１のＭＯＳＦＥＴ１４は半導体チップの一例である。封止層２０は、第１の樹脂層の一例である。ワイヤ固定層２２は、第２の樹脂層の一例である。第１の防湿層２４は、第３の樹脂層の一例である。樹脂ケース２６は枠体の一例である。接着層２８は、第４の樹脂層の一例である。第２の防湿層３４は、第５の樹脂層の一例である。
【0080】
【0081】
第２の防湿層３４は、封止層２０と接着層２８との間に設けられる。第２の防湿層３４は、第５の樹脂層の一例である。
【0082】
第２の防湿層３４は、封止層２０及び接着層２８に接する。第２の防湿層３４は、例えば、ベース板１０及び樹脂ケース２６に接する。
【0083】
第２の防湿層３４は、例えば、ベース板１０と樹脂ケース２６の角部に沿って設けられる。第２の防湿層３４は、例えば、環状である。
【0084】
第２の防湿層３４は、パワー半導体モジュール２００の外部からの水分の侵入を抑制する機能を有する。第２の防湿層３４は、ベース板１０と樹脂ケース２６の間の接着層２８を通る水分の侵入を抑制する機能を有する。
【0085】
第２の防湿層３４は、第２の低透湿性樹脂を含む。第２の低透湿性樹脂は、第５の樹脂の一例である。第２の防湿層３４は、例えば、第２の低透湿性樹脂で形成される。第２の低透湿性樹脂は、封止層２０に含まれる封止樹脂の透湿度、及び、接着層２８に含まれる接着樹脂の透湿度よりも低い透湿度を有する。
【0086】
第２の低透湿性樹脂は、例えば、合成ゴム、ポリオフィレン樹脂、パラキシレン、又は、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）である。
【0087】
第２の低透湿性樹脂は、第１の低透湿性樹脂と同一の材料であっても、異なる材料であっても構わない。
【0088】
第２の実施形態のパワー半導体モジュール２００によれば、ワイヤ固定層２２と封止層２０との界面への水分の侵入を更に抑制できる。したがって、例えば、第１のＭＯＳＦＥＴ１４のショート不良が生じることが更に抑制される。
【0089】
（変形例）
第２の実施形態の変形例の半導体装置は、第５の樹脂層は、枠体と第１の樹脂層との間に設けられ、第５の樹脂層は、絶縁基板の少なくとも一部を覆う点で、第２の実施形態の半導体装置と異なる。
第２の実施形態の変形例の半導体装置は、第５の樹脂層は、枠体と第１の樹脂層との間に設けられ、第５の樹脂層は、絶縁基板の少なくとも一部を覆う点で、第２の実施形態の半導体装置と異なる。
【0090】
第２の実施形態の変形例の半導体装置は、パワー半導体モジュール２０１である。
【0091】
【0092】
パワー半導体モジュール２０１の第２の防湿層３４は、封止層２０と接着層２８との間に設けられる。第２の防湿層３４は、封止層２０及び接着層２８に接する。
【0093】
第２の防湿層３４は、封止層２０と樹脂ケース２６との間に設けられる。第２の防湿層３４は、樹脂ケース２６の内壁面に沿って設けられる。第２の防湿層３４は、樹脂ケース２６の内壁面に接する。
【0094】
第２の防湿層３４は、封止層２０とベース板１０との間に設けられる。第２の防湿層３４は、ベース板１０及び樹脂ケース２６に接する。
【0095】
第２の防湿層３４は、絶縁基板１２を覆う。また、第２の防湿層３４は、第１のＭＯＳＦＥＴ１４及び第２のＭＯＳＦＥＴ１６を覆う。また、第２の防湿層３４は、ワイヤ固定層２２を覆う。第２の防湿層３４は、例えば、第１の防湿層２４と接する。
【0096】
第２の実施形態の変形例のパワー半導体モジュール２０１によれば、ワイヤ固定層２２と封止層２０との界面への水分の侵入を更に抑制できる。したがって、例えば、第１のＭＯＳＦＥＴ１４のショート不良が生じることが更に抑制される。
【0097】
以上、第２の実施形態及び変形例によれば、配線の接続不良を抑制可能で、高い信頼性を備えた半導体装置が実現できる。
【0098】
（第３の実施形態）
第３の実施形態の半導体装置は、枠体及びベース板に接し、第１の樹脂の透湿度及び第４の樹脂の透湿度よりも透湿度の低い第５の樹脂を含む第５の樹脂層と、を更に備え、第１の樹脂層と第５の樹脂層との間に、第４の樹脂層が設けられる点で、第１の実施形態の半導体装置と異なる。以下、第１の実施形態と重複する内容については、一部、記述を省略する場合がある。
第３の実施形態の半導体装置は、枠体及びベース板に接し、第１の樹脂の透湿度及び第４の樹脂の透湿度よりも透湿度の低い第５の樹脂を含む第５の樹脂層と、を更に備え、第１の樹脂層と第５の樹脂層との間に、第４の樹脂層が設けられる点で、第１の実施形態の半導体装置と異なる。以下、第１の実施形態と重複する内容については、一部、記述を省略する場合がある。
【0099】
【0100】
第３の実施形態の半導体装置は、パワー半導体モジュール３００である。
【0101】
パワー半導体モジュール３００は、ベース板１０、絶縁基板１２、第１のＭＯＳＦＥＴ１４、第２のＭＯＳＦＥＴ１６、ボンディングワイヤ１８、封止層２０、ワイヤ固定層２２、第１の防湿層２４、樹脂ケース２６、接着層２８、第１の電力端子３０、第２の電力端子３２、及び、第２の防湿層３４を備える。絶縁基板１２は、セラミック層１２ａ、第１の表面金属層１２ｂ、第２の表面金属層１２ｃ、及び、裏面金属層１２ｄを有する。第１のＭＯＳＦＥＴ１４は、上部電極１４ａ、下部電極１４ｂ、及び、半導体層１４ｃを含む。ボンディングワイヤ１８は、第１の端部１８ａと第２の端部１８ｂを有する。
【0102】
第１の表面金属層１２ｂは第１の金属層の一例である。第２の表面金属層１２ｃは、第２の金属層の一例である。第１のＭＯＳＦＥＴ１４は半導体チップの一例である。封止層２０は、第１の樹脂層の一例である。ワイヤ固定層２２は、第２の樹脂層の一例である。第１の防湿層２４は、第３の樹脂層の一例である。樹脂ケース２６は枠体の一例である。接着層２８は、第４の樹脂層の一例である。第２の防湿層３４は、第５の樹脂層の一例である。
【0103】
【0104】
第２の防湿層３４は、樹脂ケース２６及びベース板１０に接する。第２の防湿層３４は、樹脂ケース２６の外壁面に接する。第２の防湿層３４は、樹脂ケース２６の外壁面を環状に囲む。
【0105】
封止層２０と第２の防湿層３４との間に、接着層２８が設けられる。接着層２８は、封止層２０及び第２の防湿層３４に接する。第２の防湿層３４は、接着層２８を環状に囲む。
【0106】
第２の防湿層３４は、パワー半導体モジュール２００の外部からの水分の侵入を抑制する機能を有する。第２の防湿層３４は、ベース板１０と樹脂ケース２６の間の接着層２８を通る水分の侵入を抑制する機能を有する。
【0107】
第２の防湿層３４は、第２の低透湿性樹脂を含む。第２の低透湿性樹脂は、第５の樹脂の一例である。第２の防湿層３４は、例えば、第２の低透湿性樹脂で形成される。第２の低透湿性樹脂は、封止層２０に含まれる封止樹脂の透湿度、及び、接着層２８に含まれる接着樹脂の透湿度よりも低い透湿度を有する。
【0108】
第２の低透湿性樹脂は、例えば、合成ゴム、ポリオフィレン樹脂、パラキシレン、又は、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）である。
【0109】
第２の低透湿性樹脂は、第１の低透湿性樹脂と同一の材料であっても、異なる材料であっても構わない。
【0110】
第３の実施形態のパワー半導体モジュール３００によれば、ワイヤ固定層２２と封止層２０との界面への水分の侵入を更に抑制できる。したがって、例えば、第１のＭＯＳＦＥＴ１４のショート不良が生じることが更に抑制される。
【0111】
（変形例）
第３の実施形態の変形例の半導体装置は、第５の樹脂層は、枠体とベース板との間に設けられる点で、第３の実施形態の半導体装置と異なる。
第３の実施形態の変形例の半導体装置は、第５の樹脂層は、枠体とベース板との間に設けられる点で、第３の実施形態の半導体装置と異なる。
【0112】
第３の実施形態の変形例の半導体装置は、パワー半導体モジュール３０１である。
【0113】
【0114】
【0115】
パワー半導体モジュール３０１の第２の防湿層３４は、樹脂ケース２６とベース板１０との間に設けられる。第２の防湿層３４は、樹脂ケース２６及びベース板１０に接する。
【0116】
封止層２０と第２の防湿層３４との間に、接着層２８が設けられる。接着層２８は、封止層２０及び第２の防湿層３４に接する。第２の防湿層３４は、接着層２８を環状に囲む。
【0117】
第２の防湿層３４は、ベース板１０を環状に囲む。樹脂ケース２６は、第２の防湿層３４を環状に囲む。
【0118】
第３の実施形態の変形例のパワー半導体モジュール３０１によれば、第３の実施形態のパワー半導体モジュール３００と同様、ワイヤ固定層２２と封止層２０との界面への水分の侵入を更に抑制できる。したがって、例えば、第１のＭＯＳＦＥＴ１４のショート不良が生じることが更に抑制される。
【0119】
第３の実施形態の変形例のパワー半導体モジュール３０１によれば、第２の防湿層３４は樹脂ケース２６の外周には設けられない。したがって、例えば、第２の防湿層３４を設けることに伴う外観不良の発生が抑制される。
【0120】
以上、第３の実施形態及び変形例によれば、接続不良を抑制可能で、高い信頼性を備えた半導体装置が実現できる。
【0121】
第１ないし第３の実施形態では、半導体チップとしてＭＯＳＦＥＴを用いる場合を例に説明したが、半導体チップはこれらに限定されるものではない。例えば、ＩＧＢＴ、ＳＢＤ（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｄｉｏｄｅ）、ＰＩＮダイオードなど、その他のトランジスタやダイオードを適用することも可能である。また、トランジスタとダイオードの組み合わせを適用することも可能である。
【0122】
第１ないし第３の実施形態では、半導体チップの数が２個の場合を例に説明したが、半導体チップは、１個であっても、３個以上であっても構わない。
【0123】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。例えば、一実施形態の構成要素を他の実施形態の構成要素と置き換え又は変更してもよい。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【0124】
１０ ベース板
１２ 絶縁基板
１２ｂ 第１の表面金属層（第１の金属層）
１２ｃ 第２の表面金属層（第２の金属層）
１４ 第１のＭＯＳＦＥＴ（半導体チップ）
１４ａ 上部電極
１４ｂ 下部電極
１４ｃ 半導体層
１８ ボンディングワイヤ
１８ａ 第１の端部
１８ｂ 第２の端部
２０ 封止層（第１の樹脂層）
２２ ワイヤ固定層（第２の樹脂層）
２４ 第１の防湿層（第３の樹脂層）
２６ 樹脂ケース（枠体）
２８ 接着層（第４の樹脂層）
３４ 第２の防湿層（第５の樹脂層）
３５ 接合部
１００ パワー半導体モジュール（半導体装置）
１２ 絶縁基板
１２ｂ 第１の表面金属層（第１の金属層）
１２ｃ 第２の表面金属層（第２の金属層）
１４ 第１のＭＯＳＦＥＴ（半導体チップ）
１４ａ 上部電極
１４ｂ 下部電極
１４ｃ 半導体層
１８ ボンディングワイヤ
１８ａ 第１の端部
１８ｂ 第２の端部
２０ 封止層（第１の樹脂層）
２２ ワイヤ固定層（第２の樹脂層）
２４ 第１の防湿層（第３の樹脂層）
２６ 樹脂ケース（枠体）
２８ 接着層（第４の樹脂層）
３４ 第２の防湿層（第５の樹脂層）
３５ 接合部
１００ パワー半導体モジュール（半導体装置）
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】