特開 2024-156552 半導体装置、半導体モジュールおよび半導体モジュールの製造方法

(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】P2024156552

(43)【公開日】2024-11-06

(54)【発明の名称】半導体装置、半導体モジュールおよび半導体モジュールの製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/29 20060101AFI20241029BHJP

   H01L 23/28 20060101ALI20241029BHJP

   H01L 25/07 20060101ALI20241029BHJP

【ＦＩ】

H01L23/30 B

H01L23/28 K

H01L25/04 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023071123

(22)【出願日】2023-04-24

(71)【出願人】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(74)【代理人】

【識別番号】100111121

【弁理士】

【氏名又は名称】原 拓実

(72)【発明者】

【氏名】南 尚吾

(72)【発明者】

【氏名】井口 知洋

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 克哉

(72)【発明者】

【氏名】松尾 圭一郎

【テーマコード（参考）】

4M109

【Ｆターム（参考）】

4M109AA02

4M109BA03

4M109CA02

4M109DB09

4M109EA10

4M109EC04

(57)【要約】

【課題】半導体素子の耐湿性および、半導体素子に設けられたボンディングワイヤと、表面電極と、の接合部の信頼性が高い半導体モジュールを提供することである。
【解決手段】実施形態の半導体モジュールは半導体素子と前記半導体素子上に設けられた表面電極と前記表面電極上に接続されたボンディングワイヤとを含む半導体装置において、前記表面電極と前記ボンディングワイヤとの接合部を覆うように設けられた第１の封止部材と、前記表面電極のうち前記第１の封止部材が封止していない部分を覆うように設けられた第２の封止部材と、前記第１の封止部材および前記第２の封止部材を覆うように設けられた第３の封止部材と、を備えた半導体装置を提供する。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体素子と前記半導体素子上に設けられた表面電極と前記表面電極上に接続されたボンディングワイヤとを含む半導体装置において、
前記表面電極と前記ボンディングワイヤとの接合部を覆うように設けられた第１の封止部材と、
前記表面電極の表面のうち前記第１の封止部材が封止していない部分を覆うように設けられた第２の封止部材と、
前記第１の封止部材および前記第２の封止部材を覆うように設けられた第３の封止部材と、
を備えた半導体装置。

【請求項2】

封止部材の弾性率は、前記第１の封止部材が最も高く、前記第２の封止部材、前記第３の封止部材の順に高い値を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。

【請求項3】

前記第２の封止部材は、前記第３の封止部材よりも耐湿性を有する請求項２に記載の半導体装置。

【請求項4】

前記第１の封止部材の鉛直方向の厚みが、前記ボンディングワイヤの直径よりも薄い請求項３に記載の半導体装置。

【請求項5】

前記第２の封止部材は前記第１の封止部材全体を覆い、前記第３の封止部材は前記第１の封止部材とは接さず、前記第２の封止部材とのみ接する請求項３に記載の半導体装置。

【請求項6】

筐体と、
前記筐体内に設けられた請求項３に記載の半導体装置と、
を有する半導体モジュール。

【請求項7】

半導体素子上に設けられた表面電極へ、ボンディングワイヤを接合する工程と、
第１の封止部材を、前記表面電極と前記ボンディングワイヤの接合部に供給する工程と、
第２の封止部材を、前記表面電極の表面および前記第１の封止部材の少なくとも一部と接するように供給する工程と、
第３の封止部材を前記第２の封止部材を覆うように供給する工程と、
を含む半導体モジュールの製造方法。

【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、半導体モジュールおよび半導体モジュールの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体モジュールは、通常、導体パターンを有する基板と、基板上に実装され、一方の面（裏面）に導体パターンと接合される裏面電極を有し、他方の面（表面）に表面電極が設けられている半導体素子と、表面電極と導体パターンなどとを電気的に接合するボンディングワイヤを有している。半導体素子は、高温高湿の環境下において安定した性能を発揮するために、耐湿性を有する熱硬化性樹脂などの封止材料により封止されている。しかし、半導体素子へ通電を繰り返すと、半導体素子の発熱に伴い封止材料が熱膨張・収縮をくり返すことにより、封止材料が表面電極から剥離するという課題や、ボンディングワイヤと電極等の接合が破壊され接続不良を発生してしまうといった課題がある。

【0003】

そこで、半導体素子の耐湿性を十分に確保しつつ、半導体素子とボンディングワイヤ、あるいはボンディングワイヤと導体パターンとの接合部の信頼性が高い半導体モジュールの提供が求められている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１８－１８２３３０号公報

【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、半導体装置の耐湿性および、半導体素子に設けられたボンディングワイヤと、表面電極との接合部の信頼性が高い半導体モジュールを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

半導体素子と前記半導体素子上に設けられた表面電極と前記表面電極上に接続されたボンディングワイヤとを含む半導体装置において、前記表面電極と前記ボンディングワイヤとの接合部を覆うように設けられた第１の封止部材と、前記表面電極のうち前記第１の封止部材が封止していない部分を覆うように設けられた第２の封止部材と、前記第１の封止部材および前記第２の封止部材を覆うように設けられた第３の封止部材と、を備えた半導体装置を提供する。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】第１の実施形態に係る半導体モジュールの断面図。

【図2】第１の実施形態に係る半導体モジュールの製造方法。

【図3】第１の実施形態に係る半導体モジュール製造方法のステップＳ３における半導体モジュールの断面の概略図。

【図4】第１の実施形態に係る半導体モジュール製造方法のステップＳ４における半導体モジュールの断面の概略図。

【図5】第１の実施形態に係る一般的な半導体モジュールの断面図。

【図6】第１の実施形態に係るボンディングワイヤ接合部にかかる累積非弾性ひずみと第２の封止部材５にかかる垂直応力の比較を示す図。

【図7】第２の実施形態に係る半導体モジュールの断面図。

【図8】第２の実施形態に係る半導体モジュールの製造方法。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、実施形態の半導体モジュールおよび半導体モジュール製造方法について図面を参照して説明する。本明細書においては各部分の配置および構成について表面、裏面を用いて説明する場合、表面の反対側の面が裏面とする。

【0009】

第１の実施形態の半導体モジュールおよび半導体モジュール製造方法を図１から図５を参照して説明する。まず、第１の実施形態に係る半導体モジュールの構造について説明する。図１に、第１の実施形態に係る半導体モジュールの断面図を示す。図１に示すように半導体装置１００は、絶縁基板１と、絶縁基板１に設けられた、表面電極２ａ及び裏面電極（不図示）を有する半導体素子２と、半導体素子２に設けられた表面電極２ａに接続されたボンディングワイヤ３と、表面電極２ａとボンディングワイヤ３との接合部を覆うように設けられた第１の封止部材４と、第１の封止部材４の周囲に第１の封止部材４と接するように設けられた第２の封止部材５と、を備える。また、半導体モジュール１０１は、半導体モジュール１０１は、半導体装置１００が載置され、半導体素子２の熱を放熱するためのベース板７と、ベース板７の外周に設けられ、ベース板７に載置された半導体装置１００全体を第３の封止部材６により封止できるように周囲を囲うケース８を備える。

【0010】

絶縁基板１は、絶縁層１１と、導体パターン１２とを有し、これらが積層した構造をしている。絶縁層１１には、複数の導体パターン１２が設けられており、それぞれの導体パターン１２どうしは、空間を介することや絶縁層１１により電気的に絶縁されている。絶縁層１１としては、例えば窒化ケイ素（ＳｉＮ）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウ ム（ＡｌＮ）を用いることができる。絶縁層１１は、表面１１ａと、裏面１１ｂとを有している。導体パターン１２は、絶縁層１１の表面１１ａおよび裏面１１ｂにそれぞれ設けられている。導体パターン１２には、例えば、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）を用いることができる。

【0011】

半導体素子２は、絶縁基板１と反対の面に表面電極２ａを有している。半導体素子２としては、例えばシリコン、炭化シリコン、窒化ガリウムを用いることができる。

【0012】

表面電極２ａには、例えばＳｉを含有するアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）の合金等を用いることができる。表面電極２ａは、半導体素子２の活性領域に電気的に接続される。
表面電極２ａには後述するようにボンディングワイヤ３を接続することができる。また、表面電極２ａは、被覆層を有していてもよい。例えば、被覆層はめっきである。被覆層で表面電極２ａを覆うことで表面電極２ａを酸化から保護することができる。さらに、被覆層はボンディングワイヤ３の接合時に半導体素子２にかかる衝撃を和らげる。被覆層は、例えばニッケル（Ｎｉ）からなる層や金（Ａｕ）からなる層、或いは合金層、さらにはこれらを積層した層構造であってもよい。半導体素子２は、表面電極２ａが設けられた面と反対側の面である裏面側が絶縁基板１の表面１１ａ側の導体パターン１２に、第１の接合部材９を介して接合される。第１の接合部材９として、例えば、はんだ、焼結性銀粒子を含むペーストなどを用いることができる。

【0013】

半導体素子２は、例えば、表面電極２ａ側から半導体素子２の裏面側に向かって電流が流れる縦型構造を有している。具体的に半導体素子２は、ＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、縦型ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）のようなスイッチング素子、又はショットキーバリアダイオードのような整流素子とすることできる。半導体素子２としては、例えば、シリコン（Ｓｉ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いることができる。

【0014】

ボンディングワイヤ３は、接合部３１において、表面電極２ａと接合している。接合部３１は、ボンディングワイヤ３と表面電極２ａが接する部分をさす。ボンディングワイヤ３を介して表面電極２ａへ電流が流れる。ボンディングワイヤ３には、アルミニウムや銅を用いることができる。

【0015】

第１の封止部材４は、表面電極２ａ上に設けられた接合部３１周辺を覆う。第１の封止部材４は、接合部３１に接していればよく、覆い方は問わない。第１の封止部材４の鉛直方向の厚みは、ボンディングワイヤ３の直径の長さよりも厚くても、薄くてもどちらでも良い。第１の封止部材４の鉛直方向の厚みが厚くなるほど、ボンディングワイヤ３が第１の封止部材４に及ぼす熱応力の影響が大きくなり、第１の封止部材４にかかる力が大きくなる。ボンディングワイヤ３から第１の封止部材４へかかる熱応力が増大すると、第１の封止部材４は表面電極２ａから剥離しやすくなる。そのため、例えば第１の封止部材４の鉛直方向の厚みは、ボンディングワイヤ３の直径の長さより薄い厚みとすることができる。
一般的に、半導体モジュールでは、半導体素子２と導体パターン１２などとの不必要な部分が電気的に導通しないように絶縁性を有する部材で封止したりする。しかし、後述する第２の封止部材５が第１の封止部材４の外周部を覆うため、第１の封止部材４が導電性を有していても半導体素子２以外に電流が流れない。そのため、第１の封止部材４としては、絶縁性材料であることは必須ではなく、導電性材料を用いることもできる。第１の封止部材４としては、例えば絶縁性材料である、ポリイミド樹脂、ポリイミドおよびシリコーンゲルを含んだ樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などや、導電性材料であるフィラーを含有する樹脂を用いることができる。フィラーとしては、例えば、金属またはセラミックスを用いることができる。フィラーを入れることにより、熱伝導性や電気伝導性を向上させることができる。一方で、第１の封止部材４の硬さや線形膨張率といった物性値は、フィラーを含有しなかった場合に比べて容易に変更することが可能となる。第１の封止部材４としては、半導体モジュール１０１の最高使用温度よりも高いガラス転移温度を有していることが好ましい。半導体素子２として、例えば、炭化シリコン（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）などを用いた場合、シリコンなどを用いた場合に比べてより高温で動作することができるため、接合部３１に加わる温度も高くなる。そこで、半導体素子２にＳｉＣやＧａＮなどを用いた場合は、例えば、１５０度以上のガラス転移温度を有していることが好ましい。

【0016】

第２の封止部材５は、表面電極２ａの表面を封止する。第２の封止部材５の一部は、第１の封止部材４と接している。また、第２の封止部材５は、第１の封止部材４全体を被覆していなくても良い。ただし、第２の封止部材５とボンディングワイヤ３は接触しない。第２の封止部材としては、絶縁性および耐湿性を有した部材を用いることが好ましく、例えば、ポリイミドやシリコーンゲルを含んだ樹脂、エポキシ樹脂、ポリオレフィン系樹脂、フッ素系樹脂を用いることができる。また、第２の封止部材５は、表面電極２ａの耐湿性を確保するために十分な厚みが必要である。例えば、第２の封止部材５の厚みを５０μｍ以上とすることができる。ここで、耐湿性とは高湿環境下において、外部からの水分の侵入に対する耐性を言い、耐湿性が高いほど高湿環境下においても外部から水分が侵入し難い。例えば、第２の封止部材５の耐湿性が低いと、高湿環境下で半導体モジュール１０１内部に水分が侵入し、第２の封止部材５の絶縁耐圧が低下する。第２の封止部材５の絶縁耐圧が低下すると、半導体素子２にリーク電流が発生し破壊にいたる。

【0017】

第３の封止部材６は、半導体モジュール１０１内部に充填され半導体素子２全体を封止する。第３の封止部材６は、具体的には、後述するベース板７とケース８により画される領域の内部に充填され、第３の封止部材６は、絶縁基板１と、半導体素子２と、ボンディングワイヤ３と、を封止する。第３の封止部材６は、少なくとも第２の封止部材５と第１の封止部材４を覆っていればよく、第３の封止部材６は、絶縁基板１、半導体素子２、ボンディングワイヤ３の全てを封止しなくても良い。第３の封止部材６としては、絶縁性を有した材料を用いることができ、例えばシリコーンゲルを用いることができる。

【0018】

続いて、第１の封止部材４、第２の封止部材５および第３の封止部材６の弾性率および絶縁性破壊強さの関係について説明する。一般的に、半導体素子は通電に伴い、加熱と冷却が繰り返される。ボンディングワイヤの熱膨張率と、ボンディングワイヤが接合する表面電極との熱膨張率が異なるため、加熱と冷却が繰り返されると熱膨張率の差による熱応力が発生し、表面電極からボンディングワイヤが剥離することがある。ボンディングワイヤの剥離に伴い、表面電極および表面電極とボンディングワイヤとの接合部を覆う耐湿性樹脂も剥離する。ボンディングワイヤが表面電極から剥離すると、半導体モジュールの信頼性が低下する。また、耐湿性樹脂が剥離すると、半導体素子全体を覆うＳｉゲルが吸湿した水分が表面電極に達し、表面電極にリーク電流が流れるおそれがあり、半導体モジュールの信頼性が低下する。ボンディングワイヤが表面電極から剥離しなくとも、耐湿性樹脂自体も、半導体素子の発熱に伴い熱収縮するため、表面電極から耐湿性樹脂が剥離することがある。

【0019】

そこで、本実施形態では、表面電極２ａと、ボンディングワイヤ３の接合部３１を補強するため、弾性率の異なる第１の封止部材４、第２の封止部材５および第３の封止部材６を用いる。第１の封止部材４は、第２の封止部材５および第３の封止部材６よりも弾性率が高い部材を用いる。第１の封止部材４の弾性率は、１０００ＭＰａ以上であることが望ましい。第２の封止部材５の弾性率は、第１の封止部材４の弾性率より低く、第３の封止部材６の弾性率より高い。第３の封止部材６の弾性率は、第２の封止部材５の弾性率よりも低い。例えば、１ＭＰａ以下とすることができる。つまり、第１の封止部材４、第２の封止部材５、第３の封止部材６の順に弾性率の大きい部材を用いれば良く、言い換えると、ボンディングワイヤ３と、表面電極２ａとの接合部３１に最も近い封止部材の弾性率が最も大きく、接合部３１から離れた位置を封止する封止部材の弾性率が最も小さければよいので、封止部材の種類は３つに限られない。

【0020】

第１の封止部材４が第２の封止部材５に比べて高い弾性率を有している場合、第１の封止部材４の方が第２の封止部材５に比べて、熱収縮に対する耐性が強い。そのため、接合部３１を第１の封止部材４を用いずに封止した場合に比べて、接合部３１を第１の封止部材４で封止した場合の方が第２の封止部材５にかかる応力が低減するため、表面電極２ａにおいて、第２の封止部材５の剥離を防止することができる。また、同様に第２の封止部材５の弾性率が、第３の封止部材６の弾性率に比べて高い弾性率を有している場合、第２の封止部材５の方が第３の封止部材６に比べて、熱収縮に対する耐性が強い。そのため、第３の封止部材６が第２の封止部材５の表面において、熱膨張率の違いに起因する熱応力による剥離を防止することができる。つまり異なる弾性率を有する３種類の封止部材で半導体素子２を封止することで、半導体モジュール１０１の信頼性および耐湿性を保つことができる。

【0021】

第２の封止部材５および、第３の封止部材６は、第１の封止部材４に比べて絶縁性破壊強さが強いことが望ましい。絶縁性破壊強さとは、絶縁体にどの程度の電圧がかかったら、絶縁体が破壊されて絶縁性を失い、電流が流れるようになるかを表す指標である。電流が半導体素子２およびボンディングワイヤ３外に流れにくくするため、第２の封止部材５および、第３の封止部材６は、第１の封止部材４に比べて絶縁性破壊強さが強いことが望ましい。例えば、第２の封止部材５と第３の封止部材６は、１０ｋＶ（１ｍｍ）の絶縁性破壊強さを有していることが好ましい。

【0022】

ベース板７は、半導体素子２から発生した熱をヒートシンク（図示しない）へ運び放熱する役割を有する。ヒートシンクに運ばれた熱は、ヒートシンクの裏面を介して、第１の実施形態に係る半導体モジュール１０１の外部に放熱される。ベース板７は、表面７ａと裏面７ｂとを有している。ベース板７には、熱伝導性の高い材料を用いることができる。
例えば、ベース板７として、アルミニウムや銅を用いることができる。ベース板７の表面７ａは、絶縁基板１の裏面１１ｂ側に設けられた導体パターン１２に接合している。ベース板７は、第２の接合部材１０を介して導体パターン１２に接合される。第２の接合部材１０としては、例えば、はんだ、焼結性銀粒子などが用いられる。

【0023】

ケース８は、側壁８１と、内壁８２とを有している。ケース８は、内壁８２において、ベース板７の側面７１に接合されている。ケース８には、例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）などを用いることができる。また、ベース板７と、ケース８は、半導体モジュール１０１の筐体を構成する。

【0024】

つづいて、半導体モジュール１０１の製造方法について説明する。図２に、第１の実施形態に係る半導体モジュール１０１の製造方法を示すフローチャートを示す。

【0025】

ステップＳ１として、絶縁基板１に半導体素子２を接合する。具体的には、半導体素子２の裏面を第１の接合部材９を介して、絶縁基板１の表面１１ａ側の導体パターン１２に接合する。次にステップＳ２に進む。

【0026】

ステップＳ２として、ボンディングワイヤ３を半導体素子２の表面電極２ａに超音波接合などにより接合する。ボンディングワイヤ３を表面電極２ａに接合後、ステップＳ３に進む。

【0027】

ステップＳ３として、第１の封止部材４を接合部３１を覆うように供給し、第１の封止部材４で接合部３１を封止する。図３に第１の実施形態に係る半導体モジュール１０１の製造方法のステップＳ３における半導体モジュール１０１の一部拡大断面の概略図を示す。
図３ａに示すように、例えば、液状の第１の封止部材４を、ボンディングワイヤ３と半導体素子２の表面電極２ａの接合部３１近傍に供給する。ここで、接合部３１近傍とは、ワイヤの高さ（直径）と表面電極２ａの平面方向のどちらの方向も含む。第１の封止部材４は、滴下した勢いや、表面張力などで接合部３１に到達し、接合部３１を覆うことができれば任意の位置から滴下することができる。第１の封止部材４が、樹脂である場合は、主剤と硬化剤の混合物や主剤と溶剤の混合物を、エアーディスペンスやジェットディスペンスを用いて滴下することで、接合部３１に第１の封止部材４を供給することができる。第１の封止部材４が、はんだ合金を含んでいる場合は、溶融したはんだをはんだごてなどを用いて、接合部３１に供給することができる。

【0028】

接合部３１に第１の封止部材４を供給した後、供給した第１の封止部材４を硬化する。第１の封止部材４が、樹脂である場合は、例えば供給された液状の第１の封止部材４を常温下で保持することや、第１の接合部材９の融点以下の温度で加熱することで、第１の封止部材４を硬化することができる。第１の封止部材４が、はんだ合金を含んでいる場合は、供給された液状の第１の封止部材４を冷却することで、第１の封止部材４を硬化することができる。図３ｂに示すように、供給された第１の封止部材４を硬化することで、接合部３１が、第１の封止部材４により封止される。第１の封止部材４で、接合部３１を封止した後、ステップＳ４に進む。

【0029】

ステップＳ４として、第２の封止部材５を第１の封止部材４と接するように表面電極２ａ上に供給し、表面電極２ａの表面および側面を封止する。

【0030】

図４に第１の実施形態に係る半導体モジュール１０１の製造方法のステップＳ３における半導体モジュールの一部拡大断面の概略図を示す。図４ａに示すように、例えば、液状の第２の封止部材５を、ステップＳ３で封止した第１の封止部材４に接するように、半導体素子２の表面電極２ａに供給する。このとき、第２の封止部材５の塗布開始位置は、ボンディングワイヤ３の端部付近に限らず、表面電極２ａのうち接合部３１を除いた鉛直方向上方から塗布することができる。接合部３１の鉛直方向上方から、第２の樹脂を塗布した場合、第２の封止部材５とボンディングワイヤ３と、が接する部分が生じ、ボンディングワイヤ３に第２の封止部材５の熱収縮による熱応力がかかってしまう。これを防ぐために、第２の封止部材５は、表面電極２ａのうち接合部３１を除いた鉛直方向上方から塗布することが好ましい。第２の封止部材５が、樹脂である場合は、第１の封止部材４を供給する場合と同様に主剤と硬化剤の混合物や主剤と溶剤の混合物を、エアーディスペンスやジェットディスペンスを用いて滴下することで、表面電極２ａ上に供給することができる。
表面電極２ａに第２の封止部材５を供給した後、供給した第２の封止部材５を硬化する。
第２の封止部材５が樹脂である場合は、例えば供給された液状の第２の封止部材５を常温下で保持することや、第１の接合部材９の融点以下の温度で加熱することで、第２の封止部材５を硬化することができる。図４ｂに示すように、第２の封止部材５で、表面電極２ａを封止した後、ステップＳ５に進む。

【0031】

ステップＳ５として、ベース板７に絶縁基板１およびケース８を接合する。ベース板７を、絶縁基板１の導体パターン１２に第２の接合部材１０を介して接合する。ケース８は、ケース８の内壁８２と、ベース板７の側面７１と、が接するように接合する。ベース板７およびケース８により、半導体モジュール１０１の筐体が形成される。ベース板７に、絶縁基板１およびケース８を接合した後、ステップＳ６に進む。

【0032】

ステップＳ６として、第３の封止部材６をベース板７およびケース８を含む半導体モジュール１０１の筐体内に供給する。第２の封止部材５と同様に、液状の第３の封止部材６を半導体モジュール１０１の筐体内に供給し、この供給した第３の封止部材６を硬化する。

【0033】

つづいて、第１の実施形態に係る半導体モジュールの効果を説明する。前述したように、表面電極２ａと、ボンディングワイヤ３と、の接合部３１には、表面電極２ａが設けられた半導体素子２とボンディングワイヤ３との熱膨張係数の差により、通電に伴い、繰り返し熱応力が発生する。図５に第１の実施形態に係る一般的な半導体モジュールの断面図を示す。図５に示した半導体モジュール２０１の接合部３１は、第２の封止部材５で封止されている。一方、図１に示した半導体モジュール１０１の接合部３１は、第１の封止部材４により封止されている。この、第１の封止部材４は第２の封止部材５に比べて高い弾性率を有する。そのため、第２の封止部材５で接合部３１を封止した場合に比べて、第１の封止部材４を用いて接合部３１を封止した場合の方が、接合部３１にかかるボンディングワイヤ３からの応力を低減することができる。接合部３１にかかる応力が低減することで、表面電極２ａに接合されたボンディングワイヤ３の表面電極２ａからの剥離を抑制することができる。つまり、本実施形態に係る半導体モジュール１０１によれば、ボンディングワイヤ３が表面電極２ａから剥離することを抑制でき、より信頼性が高い半導体モジュールを提供することができる。

【0034】

また、第１の封止部材４、第２の封止部材５および第３の封止部材６も、半導体素子２の発熱と放熱に伴い熱膨張・熱収縮をくり返し、熱応力が発生する。耐湿性を有する、第２の封止部材５は、鉛直方向の厚みが大きいほど第３の封止部材６から侵入する水分が内部を拡散し難く、接合部３１まで水分が到達し難い。しかし、第２の封止部材５の鉛直方向の厚みが厚くなるほど、第２の封止部材５がボンディングワイヤ３に及ぼす熱応力の影響が大きくなり、ボンディングワイヤ３の接合部３１にかかる力が大きくなる。本実施形態に係る半導体モジュールにおいては、第１の封止部材４が接合部３１を覆っているため、第２の封止部材５にかかる熱応力を緩和することができる。図６に第１の実施形態に係るボンディングワイヤ接合部にかかる累積非弾性ひずみの比較を示す図を示す。有限要素法を用いて、図１に示した半導体モジュール１０１の接合部３１付近にかかる累積非弾性ひずみと、図５に示した半導体モジュール２０１の接合部３１付近にかかる累積非弾性ひずみと、の比較を行った。具体的には、電流を２秒オンして８秒オフした場合のパワーサイクル試験を模擬した際の接合部３１にかかる１サイクル分の累積非弾性ひずみ（ｍｍ／ｍｍ）の比較を行った。このとき、半導体モジュール１０１、半導体モジュール２０１の第２の封止部材５の厚みはともに１００μｍとした。また、半導体モジュール１０１、半導体モジュール２０１のどちらの場合もボンディングワイヤ３の径はΦ４００μｍとした。
図５に示したように、接合部３１を第１の封止部材４で封止した半導体モジュール１０１の方が、接合部３１を第２の封止部材５で封止した半導体モジュール２０１に比べて接合部３１にかかる累積非弾性ひずみが小さく、約３５％低減したことが分かる。すなわち、第１の実施形態に係る半導体モジュールによれば、第２の封止部材５を厚くしても、非弾性ひずみに起因する、ボンディングワイヤ３の接合部３１の表面電極２ａからの剥離や第２の封止部材５の表面電極２ａからの剥離を抑制することができる。つまり、半導体素子２の耐湿信頼性を確保しつつ、接合部３１が補強された半導体モジュールを提供することができる。

【0035】

また、第１の封止部材４の鉛直方向の厚みが薄いほど、ボンディングワイヤ３において、第１の封止部材４の熱収縮による応力がかかる部分が小さくなるため、一層、ボンディングワイヤ３が表面電極２ａから剥離し難い半導体モジュールを提供することができる。

【0036】

（第２の実施形態）
次に第２の実施形態にかかる、半導体モジュールおよび半導体モジュールの製造方法を図７から図８を用いて説明する。本実施形態では、第１の実施形態に対して第２の封止部材５の構造が異なる。上記の異なる点について、具体的に説明する。

【0037】

第１の実施形態における半導体モジュールでは、第２の封止部材５は、表面電極２ａおよび第１の封止部材４と接している。しかし、本実施形態にかかる半導体モジュールでは、第２の封止部材５は、表面電極２ａおよび第１の封止部材４以外とも接する。図７に第２の実施形態に係る半導体モジュールの断面図を示す。図７に示すように、第２の実施形態に係る第２の封止部材５は、半導体素子２の表面電極２ａ以外にも例えば絶縁基板１やベース板７などと接する。第２の封止部材５は、表面電極２ａ外に濡れ広がることができるため、表面電極２ａ上のみに塗布する場合に比べて、鉛直方向上方の厚みが大きい。

【0038】

図８に第２の実施形態に係る半導体モジュールの製造方法のフローチャートを示す。ステップＳ７からステップＳ９は、図２に示したステップＳ１からステップＳ３と同様の工程で行うことがでる。ステップＳ９として、第１の封止部材４で接合部３１を封止した後、ステップＳ１０に進む。

【0039】

ステップＳ１０として、第２の封止部材５を表面電極２ａを覆うように、例えば表面電極２ａ上に供給し、封止する。このとき、第２の封止部材５は、表面電極２ａ外にも供給するため第２の封止部材５の塗布開始位置は、表面電極２ａのうちの接合部３１を除いた鉛直方向上方に限らず、表面電極２ａ外の鉛直方向上方から塗布することができる。第２の封止部材５で、表面電極２ａを封止した後、ステップＳ１１に進む。

【0040】

ステップＳ１１からステップＳ１２は、図２に示したステップＳ５からステップＳ６と同様の工程で行うことができる。

【0041】

第２の封止部材５の厚みが厚いほど、接合部３１および接合部３１付近の第２の封止部材にかかる熱応力が大きくなる。しかし、接合部３１を第１の封止部材４が封止しているため、接合部３１および接合部３１付近の第２の封止部材にかかる熱応力を低減することができる。そのため、本実施形態の半導体モジュールによれば、半導体モジュール内に供給する第２の封止部材の量を増やすことができ、耐湿性樹脂である第２の封止部材の厚みを厚くすることができる。つまり、本実施形態の半導体モジュールによれば接合部の信頼性を確保しつつ半導体素子への水分の侵入を防ぎ、半導体素子の耐湿信頼性が高い半導体モジュールを提供することができる。

【0042】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これら新規な実施形態は、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。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】

【0043】

１…絶縁基板
１１…絶縁層
１１ａ…表面
１１ｂ…裏面
１２…導体パターン
２…半導体素子
２ａ…表面電極
３…ボンディングワイヤ
３１…接合部
４…第１の封止部材
５…第２の封止部材
６…第３の封止部材
７…ベース板
７１…側面
７ａ…表面
７ｂ…裏面
８…ケース
８１…側壁
８２…内壁
９…第１の接合部材
１０…第２の接合部材
１００…半導体装置
１０１…半導体モジュール

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】