JP2011014863A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、150℃以上の高温でも動作できる半導体素子を搭載した半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device including a semiconductor element that can operate even at a high temperature of 150 ° C. or higher.
産業機器や電鉄、自動車の進展に伴い、それらに使用される半導体素子の使用温度も向上している。近年、150℃以上の温度でも動作する半導体素子の開発が精力的に行われ、半導体素子の小型化や高耐圧化、高電流密度化が進んでいる。特に、SiCやGaNなどの化合物半導体は、シリコン半導体よりもバンドギャップが大きく、半導体装置の高耐圧化、小型化、高電流密度化、高温動作が期待されている。
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、150℃以上の温度でも長時間絶縁性を確保できる材料で半導体素子を埋設する必要がある。このような概念に基づいて、半導体素子の周辺をポリイミド樹脂またはポリアミドイミド樹脂で被覆する方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
With the progress of industrial equipment, electric railways, and automobiles, the operating temperature of semiconductor elements used for them has also increased. In recent years, semiconductor devices that operate even at temperatures of 150 ° C. or higher have been energetically developed, and miniaturization, high breakdown voltage, and high current density of semiconductor devices have been advanced. In particular, compound semiconductors such as SiC and GaN have a larger band gap than silicon semiconductors, and semiconductor devices are expected to have higher breakdown voltage, smaller size, higher current density, and higher temperature operation.
In order to implement a semiconductor element having such characteristics, it is necessary to embed the semiconductor element with a material that can ensure long-term insulation even at a temperature of 150 ° C. or higher. Based on such a concept, a method of coating the periphery of a semiconductor element with a polyimide resin or a polyamideimide resin has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、特許文献1に示す方法では、半導体素子の周囲しか耐熱性の樹脂で被覆していないため、半導体素子の発熱により半導体装置の全体が高温に曝されると、封止樹脂が外気と触れている箇所から酸化分解が進み、封止樹脂や被覆樹脂に亀裂や剥離が起こり、半導体装置の信頼性を著しく低下させる課題があった。
また、封止樹脂や被覆樹脂に亀裂や剥離が発生すると、電気的に導通を必要とする金属接合材にも亀裂や剥離を生じて、半導体装置が動作しなくなる課題があった。
また、金型を必要とする金型成形半導体装置では、被覆を行った部材が金型内に収まるようにしなければならず、半導体装置設計の自由度に制限が生じる課題があった。
また、樹脂で被覆した部材を金型で成形すると、封止樹脂の流動性や密着性が変化してしまうため、成形条件や封止樹脂の特性を変更しなければいけない課題があった。
However, in the method shown in
Further, when a crack or peeling occurs in the sealing resin or the coating resin, there is a problem that the metal bonding material that requires electrical conduction also cracks or peels, and the semiconductor device does not operate.
Further, in a die-molded semiconductor device that requires a die, there is a problem in that the degree of freedom in designing the semiconductor device is limited because the coated member must be accommodated in the die.
In addition, when a resin-coated member is molded with a mold, the fluidity and adhesion of the sealing resin change, and there is a problem that the molding conditions and the characteristics of the sealing resin must be changed.
この発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、封止樹脂が外気に触れている部分の酸化劣化が半導体装置の信頼性を左右していることが分かったため、高温下においても封止樹脂の酸化劣化を抑制し、封止方法および封止樹脂は従来通りのものを使用することができ、ヒートサイクル試験や高温動作などの信頼性試験でも、絶縁破壊電圧が低下しない、信頼性の高い半導体装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and it has been found that the oxidative deterioration of the portion where the sealing resin is in contact with the outside air affects the reliability of the semiconductor device. The oxidative degradation of the sealing resin can be suppressed even underneath, and the conventional sealing method and sealing resin can be used, and the dielectric breakdown voltage is reduced even in reliability tests such as heat cycle tests and high-temperature operations. An object is to obtain a highly reliable semiconductor device.
この発明に係る半導体装置は、150℃以上でも動作する半導体素子、基板、端子、封止樹脂、配線、接合材、ケースを有する半導体装置において、上記封止樹脂よりも熱分解温度の高い被覆樹脂を用いて上記封止樹脂または上記ケースが外気に触れる箇所を被覆する。 The semiconductor device according to the present invention is a semiconductor resin having a semiconductor element, a substrate, a terminal, a sealing resin, a wiring, a bonding material, and a case that operates even at 150 ° C. or higher. The portion where the sealing resin or the case comes into contact with the outside air is covered with.
この発明に係る半導体装置は、封止樹脂またはケースの外側に絶縁性の被覆樹脂を被覆することにより、内部の封止樹脂に進入する酸素の量を低下するので、高温時でも封止樹脂の酸化劣化を防止し、絶縁特性を確保できるという効果を奏する。 The semiconductor device according to the present invention reduces the amount of oxygen that enters the sealing resin inside by covering the sealing resin or the outside of the case with an insulating coating resin. There is an effect that oxidation deterioration can be prevented and insulation characteristics can be secured.
以下、本発明の半導体装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
実施の形態1.
図1および図2は、この発明の実施の形態1に係る半導体装置の断面図である。
この発明に係る半導体素子2は、材質がシリコン(Si)、炭化シリコン(SiC)、窒化ガリウム(GaN)などの150℃以上で動作する半導体素子であり、これに限定するものではなく、150℃以上で動作するPN接合を利用した半導体素子であれば構わない。
また、図中では、半導体素子2が1個しか搭載されていないが、これに限定するものではなく、使用される用途に応じて必要な個数の半導体素子2を搭載していても良い。
Hereinafter, preferred embodiments of a semiconductor device of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 and 2 are cross-sectional views of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
The
In the figure, only one
配線3は、材質がアルミニウムまたは金からなり、断面が円形の線体を用いるが、これに限定するものではなく、断面が方形の帯体を用いても良い。また図中では、半導体素子2に2本の配線3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2の電流密度などにより、必要な本数を設けても良い。また、配線3は、銅や錫などの金属片を溶融金属で接合しても良く、必要な電流と電圧を半導体素子2に供給できる構造であれば構わない。
The
端子4、ベース板5及び電極6は、材質として銅を用いるが、これに限定するものではなく、アルミニウム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、端子4、ベース板5及び電極6の表面は、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、金メッキ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2に供給できる構造であれば構わない。
The terminal 4, the
The surfaces of the terminal 4, the
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。図中では、半導体装置1に端子4が2本しか設けられていないが、これに限定するものではなく、回路構成上必要な本数の端子4を取出しても良い。
また、端子4及び電極6は、封止樹脂7に埋設されるため、封止樹脂7との密着性を向上させるための表面凹凸を設けても良く、化学的に結合するようにシランカップリング剤などで接着補助層を設けても良い。
Further, a composite material such as copper / invar / copper may be used, and an alloy such as SiCAl or CuMo may be used. Although only two terminals 4 are provided in the
Further, since the terminals 4 and the
基板8は、放熱性と絶縁性を備えるために、セラミック粉を分散させた樹脂硬化物を用いるが、これに限定するものではなく、セラミック板を埋め込んだ樹脂硬化物または、セラミック板でも良い。
また、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、ダイアモンド、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。
The
Moreover, although ceramic powder to be used is Al 2 O 3 , SiO 2 , AlN, BN, Si 3 N 4 or the like, it is not limited to this, and diamond, SiC, B 2 O 3 or the like is used. Also good.
Further, resin powder such as silicone resin and acrylic resin may be used.
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。基板8に用いられる樹脂は、通常エポキシ樹脂が用いられるが、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、絶縁性と接着性の兼ね備えた材料であれば構わない。
The powder shape is often spherical, but is not limited thereto, and a crushed shape, a granular shape, a flake shape, an aggregate, or the like may be used.
The filling amount of the powder is not limited as long as the necessary heat dissipation and insulation are obtained. The resin used for the
封止樹脂7は、通常、エポキシ樹脂を用いるが、これに限定するものではなく、シリコーン樹脂やポリイミド樹脂、アクリル樹脂などを用いることもできる。
また、通常はAl2O3、SiO2などのセラミック粉を添加して用いるが、これに限定するものではなく、AlN、BN、Si3N4、ダイアモンド、SiC、B2O3などを添加しても良く、シリコーン樹脂やアクリル樹脂などの樹脂製の粉を添加しても良い。
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、凝集体などを用いても良い。粉体の充填量は、必要な流動性や絶縁性や接着性が得られる量が充填されていれば良い。
The sealing
Usually, ceramic powders such as Al 2 O 3 and SiO 2 are added for use, but the present invention is not limited thereto, and AlN, BN, Si 3 N 4 , diamond, SiC, B 2 O 3 and the like are added. Alternatively, resin powder such as silicone resin or acrylic resin may be added.
The powder shape is often spherical, but is not limited thereto, and a crushed shape, a granular shape, a flake shape, an aggregate, or the like may be used. The filling amount of the powder is not limited as long as necessary fluidity, insulation and adhesiveness are obtained.
封止樹脂7の外側を被覆する被覆樹脂9は、封止樹脂7の熱分解温度をTmoldとし、被覆樹脂9の熱分解温度をTcoatとすると、TcoatがTmold以上でなければならない。ここで、熱分解温度は、TGA(Thermogravimetry analysys)の5%重量減少時の温度として評価することができる。
また、熱分解温度は、電気規格調査会試験法(JEC−6151)を用いても良く、小沢法を用いた耐熱寿命を用いても良いが、同一の評価方法において封止樹脂よりも熱分解温度の高い樹脂で被覆しなければならない。
被覆樹脂9として封止樹脂7より耐熱性の低い樹脂を使用すると、半導体素子2が発熱した際に、外気に曝されている被覆樹脂9が酸化分解して剥離や亀裂を発生させ、内部の封止樹脂7にも同様の破壊を生じさせるため、半導体装置1の信頼性を低下させてしまう。
The
In addition, the thermal decomposition temperature may be determined by using the electrical standard investigation committee test method (JEC-6151) or the heat resistant life using the Ozawa method, but in the same evaluation method, the thermal decomposition temperature is higher than that of the sealing resin. Must be coated with high temperature resin.
When a resin having a lower heat resistance than the sealing
また、被覆樹脂9は、封止樹脂7と密着できる樹脂が良く、熱や光により硬化する樹脂が良い。好ましくは、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂、アミドイミド樹脂、マレイミド樹脂、エポキシ樹脂、およびそれらを使用した変性樹脂などが良いが、5%重量減少温度が、250℃以上の樹脂であれば良い。
The covering
また、被覆に使用する際、樹脂のみの硬化物を用いても良いが、Al2O3、SiO2、AlN、BN、Si3N4、ダイアモンド、SiC、B2O3などのセラミック粉を充填しても良く、樹脂製の粒子を充填しても良い。被覆に使用する樹脂に、これらの充填材を用いて、被覆樹脂9の弾性率と線膨張率を封止樹脂7の値に近づけると、更に好ましい。
Further, when used for coating, a cured product of only resin may be used, but ceramic powder such as Al 2 O 3 , SiO 2 , AlN, BN, Si 3 N 4 , diamond, SiC, B 2 O 3 is used. It may be filled, or resin particles may be filled. It is more preferable that these fillers are used for the resin used for coating, so that the modulus of elasticity and the linear expansion coefficient of the
また、被覆樹脂9には、カーボン、酸化鉄、ポリフェノールなど、還元作用を持つ充填材を添加しても良いが、これに限定するものではなく、被覆樹脂9および封止樹脂7の酸化劣化を軽減させるものであれば構わない。
また、充填材は、樹脂に相溶する方が好ましいが、これに限定するものではなく、非相溶の充填材を用いても構わない。
In addition, a filler having a reducing action such as carbon, iron oxide, polyphenol or the like may be added to the
The filler is preferably compatible with the resin, but is not limited thereto, and an incompatible filler may be used.
半導体装置1に被覆を行うには、硬化した封止樹脂7に未硬化の被覆樹脂9を塗布し、硬化させるのが良いが、この方法に限定するものではなく、スプレーコート、ディップコートやスクリーン印刷などの方法を用いても良い。
また、被覆樹脂9と封止樹脂7の密着性を向上させるために表面に凹凸を設けたり、シランカップリング剤処理などの化学的な処理を設けたりしても良い。
In order to coat the
Further, in order to improve the adhesion between the
また、未硬化の被覆樹脂9は、必要な膜厚を得るために多数回塗布を行っても良い。また、1回の塗布毎に被覆樹脂9を硬化させても良く、複数回塗布を行った後に被覆樹脂9を硬化させても良い。
The
図1では、金型成形した半導体装置1について示すが、図2では、ケース型の半導体装置1Bについて説明する。端子4、配線3、電極6、基板8については前述したものと同様であるので、説明は省略する。
ケース11は、PPS(ポリフェニレンサルファイド)を用いるのが良いが、これに限定するものではなく、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)、PBT(ポリブチレンテレフタレート)、PES(ポリエーテルサルフォン)、PI(ポリイミド)、PEI(ポリエーテルイミド)などを用いても良く、液状の封止樹脂7を封止するためのケース形状を作製できる材料であれば構わない。
Although FIG. 1 shows the
The
また、ケース11に使用する際、樹脂のみの硬化物を用いても良いが、Al2O3、SiO2、AlN、BN、Si3N4、ダイアモンド、SiC、B2O3などのセラミック粉を充填しても良く、樹脂製の粒子を充填しても良い。
また、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、凝集体などを用いても良い。
また、ケース11に使用する樹脂に、これらの充填材を用いて、ケース材料の弾性率と線膨張率を封止樹脂の値に近づけると、更に好ましい。
Further, when used in the
The powder shape is often spherical, but is not limited thereto, and a crushed shape, a granular shape, a flake shape, an aggregate, or the like may be used.
Further, it is more preferable to use these fillers for the resin used for the
ケース型の半導体装置1Bについても、金型成形を行う半導体装置1と同様に、硬化した封止樹脂7に未硬化の被覆樹脂9を塗布し、硬化させるのが良いが、この方法に限定するものではなく、スプレーコートやディップコート、転写などの方法を用いても良い。
また、被覆樹脂9と封止樹脂7の密着性を向上させるために表面に凹凸を設けたり、シランカップリング剤処理などの化学的な処理を設けたりしても良い。
また、未硬化の被覆樹脂9は、必要な膜厚を得るために多数回塗布を行っても良い。また、1回の塗布毎に被覆樹脂9を硬化させても良く、複数回塗布を行った後に被覆樹脂9を硬化させても良い。
As for the case type semiconductor device 1B, it is preferable to apply the
Further, in order to improve the adhesion between the
The
この発明の実施の形態1に係る半導体装置1では、封止樹脂7またはケース11の外側に絶縁性の被覆樹脂9を被覆することにより、内部の封止樹脂7に進入する酸素の量を低下するので、高温時でも封止樹脂の酸化劣化を防止し、絶縁特性を確保できる。
In the
実施の形態2.
図3および図4は、この発明の実施の形態2に係る半導体装置の断面図である。
この発明の実施の形態2に係る半導体装置1Cは、図3に示すように、この発明の実施の形態1に係る半導体装置1と被覆樹脂9を被覆する範囲が異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明は省略する。
金型成形した半導体装置1Cの外面に被覆樹脂9を被覆するとき、半導体素子2の裏面を基準面として、半導体素子2の裏面の各辺を中心軸として基準面を半導体素子2の厚み方向の両方向に0度から20度傾けた平面が交わる封止樹脂7の外壁には被覆樹脂9の被覆を行わず、外壁の残りには被覆樹脂9を被覆する。
3 and 4 are sectional views of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 3, the semiconductor device 1C according to the second embodiment of the present invention is different from the
When the outer surface of the die-molded semiconductor device 1C is coated with the
この発明の実施の形態2に係る他の半導体装置1Dは、図4に示すように、この発明の実施の形態1に係る半導体装置1Bと被覆樹脂9を被覆する範囲が異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明は省略する。
ケース型半導体装置1Dの外面に被覆樹脂9を被覆するとき、半導体素子2の裏面を基準面として、半導体素子2の裏面の各辺を中心軸として基準面を半導体素子2の厚み方向の裏面から表面に向かう方向に0度から20度の角度で傾いた平面が交わる封止樹脂7及びケース11の外壁には被覆樹脂9の被覆を行わず、外壁の残りには被覆樹脂9を被覆する。
As shown in FIG. 4, another
When the
なお、半導体素子2は通常、立方体であるため、裏面の形状は方形になる。従って、半導体素子2の裏面の交わる2つの辺を中心軸とした2つの平面と交わる封止樹脂7またはケース11の外壁は、二重に被覆することは無く一重に被覆する。
Since the
図5は、この発明の実施の形態2に係る他の半導体装置の透視斜視図である。
この発明の実施の形態2に係る他の半導体装置1Eは、図5に示すように、2個の半導体素子2が搭載されている。このように複数の半導体素子2が搭載されている場合、個々の半導体素子2による被覆領域が他の半導体素子2による被覆領域と重なるときがあるが、重なる被覆領域を2重に被覆樹脂9で被覆する必要は無く、複数の半導体素子2による全被覆領域が被覆されれば構わない。
FIG. 5 is a transparent perspective view of another semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 5, another
図6は、この発明の実施の形態2に係る他の半導体装置の断面図である。
この発明の実施の形態2に係る他の半導体装置1Fは、図6に示すように、この発明の実施の形態2に係る半導体装置1Cと被覆領域が異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明は省略する。
この発明の実施の形態2に係る他の半導体装置1Fは、半導体素子2のサイズが10×12×0.3mm、半導体装置1のサイズが59×70×15mm、電極6のサイズが40×30×2mm、封止樹脂7が日立化成製のCEL−1620HF17、被覆樹脂9が信越化学製KE1833であり、被覆樹脂9の膜厚が0.2mmである。
FIG. 6 is a cross-sectional view of another semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
Another
In another
そして、被覆樹脂9を被覆しない領域は、半導体素子2の裏面を基準面とし、半導体素子2の裏面の相対する2辺を中心軸として基準面を半導体素子2の厚み方向の両方向に0度からθA、θB、θD、θE度傾けた平面が交わる封止樹脂7の外壁である。なお、裏面の一辺を中心軸として傾けられた平面が交わる封止樹脂7の外壁だけ被覆樹脂9で被覆せずに、残りの外壁は全て被覆樹脂9で被覆する。
And the area | region which does not coat | cover the
図7、8、9は、それぞれ半導体素子の温度を180℃、200℃、250℃にして1000時間動作した後の、半導体装置の絶縁破壊電圧について測定した結果である。
この時に、θA、θB、θD、θEの箇所を半導体装置の断面によって、A領域、B領域、D領域、E領域の4箇所に区切り、それぞれの箇所について試験を行った。また、夫々の箇所についてθを検討する場合、他の3箇所にある封止樹脂が外気に触れるところは、全て被覆樹脂9で被覆を行った。
7, 8, and 9 show the results of measuring the breakdown voltage of the semiconductor device after operating for 1000 hours at temperatures of the semiconductor elements of 180 ° C., 200 ° C., and 250 ° C., respectively.
At this time, the locations of θ A , θ B , θ D , and θ E were divided into four locations of the A region, the B region, the D region, and the E region according to the cross section of the semiconductor device, and each portion was tested. Moreover, when examining (theta) about each location, all the places where sealing resin in other 3 locations touched external air were covered with
これらの結果より、4箇所のどの部分についても、樹脂被覆を行わない開口部が20度を超えると著しく半導体装置の絶縁特性が低下することがわかった。
しかしながら、図3に示すように、被覆樹脂9を被覆しない領域が中心軸を中心に基準面を0度から20度傾ける平面に交わる封止樹脂7の外壁であっても、その領域内に端子4がある場合は、図10に示すように、端子4の周囲の封止樹脂7を幅2mm以内で被覆樹脂9で被覆を行うと良く、0.05mm以上、1mm以下であれば更に良い。
From these results, it was found that the insulation characteristics of the semiconductor device deteriorated remarkably when the opening where resin coating is not performed exceeds 20 degrees in any of the four portions.
However, as shown in FIG. 3, even if the region where the
実施の形態3.
図11は、サイズが50×70×15mm、被覆樹脂9がTSE3331である半導体装置を半導体素子が180℃、200℃、250℃となるようにして1000時間動作した後の、絶縁破壊電圧について測定した結果である。
この発明の実施の形態3に係る半導体装置は、この発明の実施の形態2に係る半導体装置1Gと被覆樹脂9がモメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ・インク製RTVゴムTSE3331と被覆する被覆樹脂9の厚みが0.0005、0.001、0.0015、0.1、1、5、15、16mmと可変したことが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明を省略する。
FIG. 11 shows the measurement of breakdown voltage after operating a semiconductor device having a size of 50 × 70 × 15 mm and a
In the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention, the thickness of the
この結果より、被覆する被覆樹脂9の膜厚が、0.001mm以上、15mm以下の時に半導体装置の絶縁信頼性が高いことが明らかになった。被覆樹脂9の膜厚が15mmを超えると、被覆樹脂9と封止樹脂7の界面に剥離が発生するために絶縁信頼性が低下したものと考えられる。
From this result, it became clear that the insulation reliability of the semiconductor device is high when the
実施の形態4.
図12は、サイズが50×30×15mm、被覆樹脂9が信越化学製KE1833である半導体装置を半導体素子が180℃、200℃、250℃となるようにして1000時間動作した後の、絶縁破壊電圧について測定した結果である。
この発明の実施の形態4に係る半導体装置は、この発明の実施の形態2に係る半導体装置1Gと被覆樹脂9を被覆しない領域が0度から15度の範囲であることと端子4の周囲を幅1mmで被覆することと被覆する被覆樹脂9の厚みを0.0005、0.001、0.0015、0.1、1、5、15、16mmと可変したことが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明を省略する。
Embodiment 4 FIG.
FIG. 12 shows a dielectric breakdown after operating a semiconductor device having a size of 50 × 30 × 15 mm and a
In the semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention, the region that does not cover the
この結果より、被覆する被覆樹脂9の膜厚が、0.001mm以上、15mm以下の時に半導体装置の絶縁信頼性が高いことが明らかになった。
From this result, it became clear that the insulation reliability of the semiconductor device is high when the
実施の形態5.
図13は、サイズが50×45×12mm、被覆樹脂9が信越化学製KE1833である半導体装置を半導体素子が180℃、200℃、250℃となるようにして1000時間動作した後の、絶縁破壊電圧について測定した結果である。
この発明の実施の形態5に係る半導体装置は、この発明の実施の形態2に係る半導体装置1Gと被覆樹脂9を被覆しない領域が0度から10度の範囲であることと端子4の周囲を幅1mmで被覆することと被覆する被覆樹脂9の厚みを0.0005、0.001、0.0015、0.1、1、5、15、16mmと可変したことが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明を省略する。
FIG. 13 shows a dielectric breakdown after operating a semiconductor device having a size of 50 × 45 × 12 mm and a
In the semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention, the area that does not cover the
この結果より、被覆する被覆樹脂9の膜厚が、0.001mm以上、12mm以下の時に半導体装置の絶縁信頼性が高いことが明らかになった。
From this result, it became clear that the insulation reliability of the semiconductor device is high when the film thickness of the
実施の形態6.
図14は、サイズが50×70×30mm、被覆樹脂9が信越化学製KE1833である半導体装置を半導体素子が180℃、200℃、250℃となるようにして1000時間動作した後の、絶縁破壊電圧について測定した結果である。
この発明の実施の形態6に係る半導体装置は、この発明の実施の形態2に係る半導体装置1Gと被覆樹脂9を被覆しない領域が0度から10度の範囲であることと端子4の周囲を幅1mmで被覆することと被覆する被覆樹脂9の厚みを0.0005、0.001、0.0015、0.1、1、29、30、31mmと可変したことが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明を省略する。
FIG. 14 shows a dielectric breakdown after operating a semiconductor device having a size of 50 × 70 × 30 mm and a
In the semiconductor device according to the sixth embodiment of the present invention, the region that does not cover the
この結果より、被覆する被覆樹脂9の膜厚が、0.001mm以上、30mm以下の時に半導体装置の絶縁信頼性が高いことが明らかになった。
From this result, it became clear that the insulation reliability of the semiconductor device is high when the thickness of the
以上の結果より、半導体装置の厚さをH、幅をW、長さをLとすると、H、W、Lのうち最も小さい値をMとし、半導体装置に被覆する被覆樹脂9の膜厚が、0.001mm以上、M以下であれば、良好な半導体装置の絶縁破壊特性が得られることが明らかになった。
From the above results, when the thickness of the semiconductor device is H, the width is W, and the length is L, the smallest value of H, W, and L is M, and the film thickness of the
実施の形態7.
図15は、この発明の実施の形態7に係る半導体装置の透明斜視図である。図16は、この発明の実施の形態7に係る半導体装置の製造工程の一部である。
この発明の実施の形態7に係る半導体装置1Hは、予め作製した樹脂成形体14を半導体素子2、端子4、電極6および基板8を金型15内に配置し、封止樹脂7を注入することに、樹脂成形体14が被覆樹脂9の代りを果たすことが異なり、それ以外は実施の形態1と同様である。
FIG. 15 is a transparent perspective view of a semiconductor device according to
In a
樹脂成形体14は、ポリイミド樹脂(日立化成ディポン製PIX−8144)にシリカ充填材を0〜50wt%充填したワニスをガラスクロスに塗布し、溶剤を120℃で15分間、続いて150℃で15分間乾燥させ、続いて、面圧19.6×105Paで加圧成形しながら、150℃で1時間続いて200℃で1時間、続いて250℃で30分間加熱硬化して作製した。そして、樹脂成形体14は、封止樹脂7の線膨張率をαとした時に、封止樹脂7の外壁と平行な方向における樹脂成形体14の線膨張係数βが0.7α<β<3αとなるよう、シリカ充填材の量とガラスクロスにより調節した。
The resin molded
半導体装置1Hは、サイズが幅50mm、長さ70mm、厚さ15mmであり、樹脂成形体14と、5.0mm□のSiC素子からなる半導体素子2を搭載した電極6や基板8などを金型15内の所定の位置に設置した後、17774Paで金型15内を減圧し、175℃に加熱したエポキシ樹脂(日立化成製CEL−1620HF17)を9.8×106Paの圧力で注入し、5分以内の時間で樹脂硬化させてから、金型15より取出し、175℃で6時間オーブン中で後硬化させて作製した。
The
それから、半導体装置1を180℃、200℃、250℃の雰囲気下で1000時間動作した後に、半導体装置1の絶縁破壊電圧を測定した。絶縁破壊電圧は、30秒間試験電圧を保持しながら、0.5kVステップで昇圧し、短絡する電圧を求めた。
Then, after operating the
金型15の内側に樹脂成形体14を配置し、封止樹脂7を注入することで、樹脂成形体14に押圧力を加えながら、硬化させることができ、樹脂成形体14との密着性が向上する。
このとき、樹脂成形体14の表面には封止樹脂7との密着性を向上させるために、シランカップリング剤などの表面処理剤を表面に塗布しても良い。
また、樹脂成形体14の表面に凹凸を設けて、封止樹脂7との接着性を向上させても良い。
By placing the resin molded
At this time, a surface treatment agent such as a silane coupling agent may be applied to the surface of the resin molded
Further, unevenness may be provided on the surface of the resin molded
樹脂成形体14は、封止樹脂7の外壁を形成する金型の面に密着するよう設置されるが、封止樹脂7を注入し、硬化させた後は、金型15より離型されて半導体装置1Hと一体化する。
The resin molded
図17〜図21は、線膨張係数αが異なる封止樹脂7毎に厚さが100μmの樹脂成形体14の線膨張係数βを変えた半導体装置1Hの180℃の雰囲気下で1000時間動作させた後での絶縁破壊電圧の測定結果である。
この測定結果から分かるように、封止樹脂7の線膨張係数αが、8ppm未満になると、樹脂成形体14の線膨張係数βを変化させても絶縁破壊電圧は1kVしか無い。
また、封止樹脂7の線膨張係数が50ppmより大きくなっても、絶縁破壊電圧が低くなることが分かった。これは、電極材料に銅を用いているために、高温動作時に線膨張率差による熱応力が発生し、封止樹脂7と部材の間で剥離が発生するためと考えられる。
17 to 21 show an operation for 1000 hours in an atmosphere of 180 ° C. of the
As can be seen from this measurement result, when the linear expansion coefficient α of the sealing
It was also found that the dielectric breakdown voltage was lowered even when the linear expansion coefficient of the sealing
そして、線膨張係数αが8〜50ppmの間の封止樹脂7に対して樹脂成形体14の線膨張係数βを変化させたところ、封止樹脂7の線膨張係数αに対して、樹脂成形体14の線膨張係数βが0.7αを超え且つ3α未満であれば、高温動作後も7kVという高い絶縁破壊電圧を得られる。同様の試験を200℃と250℃で実施したが、封止樹脂7の線膨張係数αと樹脂成形体14の線膨張係数βとの関係は180℃のときと同様であった。
And when linear expansion coefficient (beta) of the
次に、同じサイズの半導体装置1Hについて、樹脂成形体14の膜厚を変化させた時の絶縁破壊電圧の測定結果を図22に示す。この測定結果より、樹脂成形体14の膜厚が、0.001mm以上、15mm以下の範囲に含まれているときには、半導体装置1Hの絶縁信頼性が高いことが明らかになった。樹脂成形体14の膜厚が15mmを超えると、樹脂成形体14と封止樹脂7の界面に剥離が発生するために絶縁信頼性が低下したものと考えられる。
Next, the measurement result of the dielectric breakdown voltage when the film thickness of the resin molded
図23は、サイズが幅50mm、長さ30mm、厚さ15mmの半導体装置で、ポリアミドイミド(東洋紡製バイロマックス)で作製した樹脂成形体14を使用し、180℃、200℃、250℃の雰囲気下で1000時間動作した後での絶縁破壊電圧の測定結果である。
この測定結果より、膜厚が0.001mm以上且つ15mm以下の樹脂成形体14を使用した半導体装置の絶縁信頼性が高いことが明らかになった。
FIG. 23 is a semiconductor device having a size of 50 mm in width, 30 mm in length, and 15 mm in thickness, using a resin molded
From this measurement result, it became clear that the insulation reliability of the semiconductor device using the resin molded
図24は、サイズが幅50mm、長さ30mm、厚さ15mmの半導体装置で、ポリイミド(日立化成デュポン製PIX−8144)で作製した樹脂成形体14を使用し、180℃、200℃、250℃の雰囲気下で1000時間動作した後での絶縁破壊電圧の測定結果である。
この測定結果より、膜厚が0.001mm以上且つ12mm以下の樹脂成形体14を使用した半導体装置の絶縁信頼性が高いことが明らかになった。
FIG. 24 shows a semiconductor device having a size of 50 mm in width, 30 mm in length, and 15 mm in thickness, using a resin molded
From this measurement result, it became clear that the insulation reliability of the semiconductor device using the resin molded
図25は、サイズが幅50mm、長さ70mm、厚さ30mmの半導体装置で、ポリイミド(日立化成デュポン製PIX−8144)で作製した樹脂成形体14を使用し、180℃、200℃、250℃の雰囲気下で1000時間動作した後での絶縁破壊電圧の測定結果である。
この測定結果より、膜厚が0.001mm以上且つ30mm以下の樹脂成形体14を使用した半導体装置の絶縁信頼性が高いことが明らかになった。
FIG. 25 shows a semiconductor device having a width of 50 mm, a length of 70 mm, and a thickness of 30 mm, using a resin molded
From this measurement result, it became clear that the insulation reliability of the semiconductor device using the resin molded
ゆえに、半導体装置の厚さをH、幅をW、長さをLとすると、H、W、Lのうち最も小さい値をMとし、半導体装置に使用する樹脂成形体14の膜厚が、0.001mm以上且つM以下であれば、良好な半導体装置の絶縁破壊特性が得られることが明らかになった。
Therefore, if the thickness of the semiconductor device is H, the width is W, and the length is L, the smallest value of H, W, and L is M, and the film thickness of the resin molded
実施の形態8.
図26は、この発明の実施の形態8に係る半導体装置の製造方法の一部を示す図である。図27は、金型に空けられた吸引孔の断面図である。
この発明の実施の形態8に係る半導体装置は、予め吸引孔21が空けられた金型15の吸引口23側に樹脂成形体14を配置し、金型15の吸引基22側から樹脂成形体14を吸引して、金型15の内側に樹脂成形体14が密着するように配置し、片方の金型15には5.0mm□のSiC素子からなる半導体素子2を搭載した電極6や基板8などを金型15内の所定の位置に設置する。その後、17774Paで金型15内を減圧し、175℃に加熱したエポキシ樹脂(日立化成製CEL−1620HF17)を9.8×106Paの圧力で注入し、5分以内の時間で樹脂硬化させてから、金型15より取出し、175℃で6時間オーブン中で後硬化させて作製した。
FIG. 26 is a diagram showing a part of the method of manufacturing a semiconductor device according to the eighth embodiment of the present invention. FIG. 27 is a cross-sectional view of the suction holes vacated in the mold.
In the semiconductor device according to the eighth embodiment of the present invention, the resin molded
なお、図27に示す金型15には、樹脂成形体14を脱着できる様に固定するための吸引孔21を4個設けた例を示しているが、これに限定するものではなく、吸引孔21は、樹脂成形体14を固定するのに必要な個数を設けて良い。
また、上述の例では吸引孔21が半導体装置1のひとつの外壁面にしか設けられていないが、これに限定するものではなく、樹脂成形体14を固定するのに必要な外壁面に設けて良い。
また、図29に示す様に、吸引孔21を複数の外壁面に跨っていても良い。
また、吸引孔21は、円形であるのが良いが、これに限定するものではなく、矩形、三角形、楕円形などを用いても良く、樹脂成形体14を固定するのに必要な形状であれば構わない。
また、吸引孔21は、吸引基22と同じサイズで形成されていてもよいが、拡幅して図28のように吸引口23を吸引基22より大きくしても良い。
また、図27に示す様に、拡幅されている部分を利用して、樹脂成形体の吸引面積を大きくすると、吸引固定の精度が高くなる。
なお、吸引孔21から減圧する圧力をAとし、金型15内を減圧する圧力をBとすると、B≦Aでなければならない。また、吸引孔21を使用する場合、樹脂成形体14の金型15と接触する面は、機密性を保つために平坦が好ましい。
また、樹脂成形体14の金型15への固定方法は、複数の手法を組み合わせても良い。 吸引孔を用いて吸着し、リブ材を用いて補強を行っても良い。
In addition, although the example which provided the four
In the above example, the
Moreover, as shown in FIG. 29, the
The
The
In addition, as shown in FIG. 27, if the suction area of the resin molded body is increased by using the widened portion, the accuracy of suction fixation is increased.
It should be noted that B ≦ A, where A is the pressure at which the pressure is reduced from the
Moreover, the method for fixing the resin molded
実施の形態9.
図30には、可動式の押さえピン26を用いて樹脂成形体14を金型15の内面に配置固定する方法を示す。なお、可動式の押さえピン26は、樹脂成形体14が金型15に密着する位置に設けられていれば良く、図31では2本の押さえピン26が記載されているが、これに限定するものではなく、必要な本数だけ設けても良い。
FIG. 30 shows a method of arranging and fixing the resin molded
可動式の押さえピン26は、ステンレスを用いるのが良いが、これに限定するものではなく、鉄、銅などでも良く、樹脂成形体14を効果的に金型15の内面に押圧できれば構わない。
The movable
封止樹脂7を注入した後は、封止樹脂7が硬化する前に押さえピン26を引き抜くことで、半導体装置の内部に押さえピン26を残すことなく、また、押さえピン26を抜いた後も封止樹脂7に空洞ができることがなく、半導体装置の絶縁性を確保することができる。
After the sealing
図31には、リブ材27を用いて樹脂成形体14を金型15の内面に配置固定する方法を示す。リブ材27の端面は、金型15の内面の壁面と平行になる様に形成されており、リブ材27の伸縮力を利用して、樹脂成形体14を配置固定することができる。
リブ材27は、封止樹脂7注入後も半導体装置の内部に残るため、絶縁性の材料が良く、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド、ポリフェニレンサルフェート(PPS)、ポリエチレンテレフタラート(PET)などを用いるのが良いが、これに限定するものではなく、伸縮力を利用して、樹脂成形体14を金型15に押圧できるものであれば構わない。
FIG. 31 shows a method of arranging and fixing the resin molded
Since the
なお、リブ材27の表面は、封止樹脂7との密着性を向上させるために、シランカップリング剤などの表面処理剤を表面に塗布しても良い。
また、樹脂成形体14の表面に凹凸を設けて、封止樹脂7との接着性を向上させても良い。
The surface of the
Further, unevenness may be provided on the surface of the resin molded
1、1B、1C、1D、1E、1F、1G、1H 半導体装置、2 半導体素子、3 配線、4 端子、5 ベース板、6 電極、7 封止樹脂、8 基板、9 被覆樹脂、11 ケース、14 樹脂成形体、15 金型、21 吸引孔、22 吸引基、23 吸引口、26 押さえピン、27 リブ材。 1, 1B, 1C, 1D, 1E, 1F, 1G, 1H semiconductor device, 2 semiconductor element, 3 wiring, 4 terminal, 5 base plate, 6 electrode, 7 sealing resin, 8 substrate, 9 coating resin, 11 case, 14 resin moldings, 15 molds, 21 suction holes, 22 suction bases, 23 suction ports, 26 pressing pins, 27 rib materials.
Claims (5)
上記封止樹脂よりも熱分解温度の高い被覆樹脂を用いて上記封止樹脂または上記ケースが外気に触れる箇所を被覆することを特徴とする半導体装置。 In a semiconductor device having a semiconductor element, a substrate, a terminal, a sealing resin, a wiring, a bonding material, and a case that operate even at 150 ° C. or higher,
A semiconductor device characterized in that a coating resin having a higher thermal decomposition temperature than that of the sealing resin is used to cover a portion where the sealing resin or the case comes into contact with outside air.
上記封止樹脂の外壁と平行な方向の上記樹脂成形体の線膨張係数βが、上記封止樹脂の線膨張係数をαとしたとき、0.7αを超え且つ3α未満であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 A resin molded body having a higher thermal decomposition temperature than the sealing resin is provided outside the sealing resin,
The linear expansion coefficient β of the resin molded body in a direction parallel to the outer wall of the sealing resin is more than 0.7α and less than 3α when the linear expansion coefficient of the sealing resin is α. The semiconductor device according to claim 1.
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