JP2016032071A - 半導体装置の製造方法、半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、半導体基板の側面に形成する絶縁部が剥がれたり、絶縁部の中に気泡が生じたりすることを防止できる半導体装置の製造方法、及び半導体装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本願の発明に係る半導体装置の製造方法は、第１主面に第１電極が形成され、該第１主面と反対側の第２主面に第２電極が形成され、側面が樹脂コーティングされた半導体基板を第１モールド金型の中に入れて、該樹脂コーティングに接する第１絶縁部を形成する工程と、該第１絶縁部が形成された該半導体基板を第２モールド金型の中に入れて、該第１絶縁部を覆う第２絶縁部を形成する工程と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば大電力の制御などに用いられる半導体装置の製造方法及びその方法で製造された半導体装置に関する。

特許文献１には、半導体基板の側面にシリコンゴムが形成された半導体装置が開示されている。

特開平８−２２２７２４号公報

例えば高耐圧の半導体装置においては、放電防止等のために半導体基板の側面に絶縁部を形成することがある。この絶縁部は半導体基板をモールド金型の中に入れて形成する。モールド金型を半導体基板から外す際に、絶縁部が半導体基板から剥がれる問題があった。また、絶縁部に気泡が生じる問題もあった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、半導体基板の側面に形成する絶縁部が剥がれたり、絶縁部の中に気泡が生じたりすることを防止できる半導体装置の製造方法、及び半導体装置を提供することを目的とする。

本願の発明に係る半導体装置の製造方法は、第１主面に第１電極が形成され、該第１主面と反対側の第２主面に第２電極が形成され、側面が樹脂コーティングされた半導体基板を第１モールド金型の中に入れて、該樹脂コーティングに接する第１絶縁部を形成する工程と、該第１絶縁部が形成された該半導体基板を第２モールド金型の中に入れて、該第１絶縁部を覆う第２絶縁部を形成する工程と、を備えたことを特徴とする。

本願の発明に係る半導体装置は、第１主面に第１電極が形成され、該第１主面と反対側の第２主面に第２電極が形成された半導体基板と、該半導体基板の側面に形成された樹脂コーティングと、該樹脂コーティングに接する第１絶縁部と、該第１絶縁部を覆う第２絶縁部と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、半導体基板の側面を保護する絶縁部を複数回のモールド成型で形成するので、絶縁部が剥がれたり、絶縁部の中に気泡が生じたりすることを防止できる。

実施の形態１に係る半導体装置の断面図である。 半導体基板の端部等の断面図である。 第１絶縁部を形成する工程を示す図である。 第１絶縁部を形成する工程を示す図である。 第２絶縁部を形成する工程を示す図である。 第２絶縁部を形成する工程を示す図である。 第２モールド金型から取り出された半導体基板の断面図である。 比較例のモールド金型等の断面図である。 比較例のモールド金型等の断面図である。 絶縁部の剥がれを示す図である。 絶縁部の気泡を示す図である。 変形例に係る半導体基板の一部断面図である。 実施の形態２に係る半導体装置の一部断面図である。

本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法と半導体装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置１０の断面図である。半導体装置１０は、半導体基板１２を備えた圧接型半導体装置である。半導体基板１２の上面側にはカソード電極１４とゲート電極１６が形成されている。半導体基板１２の下面側にはアノード電極１８が形成されている。

半導体基板１２の側面はベベル構造（傾斜した構造）となっている。半導体基板１２の側面、上面端部及び下面端部に樹脂コーティング２０が形成されている。樹脂コーティング２０は、半導体基板１２の側面及び半導体基板端部の安定化と、放電防止のために形成されている。樹脂コーティング２０の材料は例えばポリイミドシリコンである。なお、樹脂コーティング２０はジャンクションコーティングレジンと称されることもある。

樹脂コーティング２０に接する第１絶縁部２２が形成されている。そして、第１絶縁部２２に接する第２絶縁部２４が形成されている。第１絶縁部２２と第２絶縁部２４は、半導体基板１２の側面を保護し、放電を防止し、耐圧を向上させるために設けられている。第１絶縁部２２と第２絶縁部２４の材料は例えばシリコンゴムである。

アノード電極１８にはアノード歪緩衝板３０が接している。アノード歪緩衝板３０にはアノード主電極３２が接している。アノード歪緩衝板３０とアノード主電極３２の間に金属の位置決めピン３４を設けることで、アノード主電極３２のアノード歪緩衝板３０に対する位置が決められている。

カソード電極１４には、カソード歪緩衝板４０が接している。カソード歪緩衝板４０にはカソード主電極４２が接している。なお、アノード主電極３２とカソード主電極４２にはめっきで金属膜を形成することが望ましい。

ゲート電極１６には、センターゲート取り出し電極５０が接している。センターゲート取り出し電極５０はゲート電極１６を外部と電気的に接続するために設けられている。センターゲート取り出し電極５０は金属板５２と絶縁体５４を介して弾性体５６に接している。弾性体５６は例えば皿ばねなどの環状の弾性体である。センターゲート取り出し電極５０のゲート電極１６に接する部分は絶縁筒５８に保護され、外部に伸びる部分は絶縁筒６０に保護されている。

上述の構成は、アノード主電極３２とカソード主電極４２を外部に露出させるようにしてセラミックパッケージ７０とフランジ７２に覆われている。半導体装置１０の通電時には、カソード主電極４２を下方に押し付ける圧接電極と、アノード主電極３２を上方へ押し付ける圧接電極を用いて圧接型の半導体装置を構成する。また、センターゲート取り出し電極５０が弾性体５６によってゲート電極１６に押し付けられ、センターゲート取り出し電極５０とゲート電極１６の接触を確実にする。この様な状態でゲート電極１６−カソード電極１４間に電流を流す事でカソード電極１４−アノード電極１８間の主電流を制御する。

図２は、半導体基板１２の端部等の断面図である。半導体基板１２の側面１２ａ、上面端部１２ｂ及び下面端部１２ｃに樹脂コーティング２０が形成されている。図２においてＮＥ、ＰＢ、ＮＢ、ＰＥはそれぞれ、ｎエミッタ層、ｐベース層、ｎベース層、ｐエミッタ層を指す。

半導体装置１０の製造方法を説明する。まず、半導体基板１２に、カソード電極１４、ゲート電極１６及びアノード電極１８を形成する。次いで、砥石又はサンドブラスト等により半導体基板１２の側面にベベルを形成する。そして、例えば、回転塗布又は筆塗りにより、半導体基板１２の側面、上面端部及び下面端部に樹脂コーティング２０を形成する。

次いで、第１絶縁部２２を形成する。第１絶縁部を形成する工程は図３、４を参照して説明する。第１絶縁部２２を形成する際には、図３に示す第１モールド金型１００を用いる。第１モールド金型１００は下金型１０２と上金型１０４を備えている。半導体基板１２を下金型１０２の予め定められた場所にのせた後に、下金型１０２の上に上金型１０４をのせる。これにより、半導体基板１２を第１モールド金型１００の中に入れた状態とする。

下金型１０２と上金型１０４を重ね合わせた状態では、半導体基板１２の端部（樹脂コーティング２０）を囲むキャビティＣ１が形成される。このキャビティＣ１の大きさを小さくするために、半導体基板１２上面から上金型１０４までの距離ｙ１は２ｍｍ以下とし、半導体基板１２下面から下金型１０２までの距離ｙ２は２ｍｍ以下とすることが好ましい。そして、このキャビティＣ１は、第１絶縁部の材料をキャビティＣ１に注入する注入口１０６、及び余分な材料を排出する排出口１０８につながっている。

次に、図４に示すように、注入ノズル１１０を注入口１０６にあてて、キャビティＣ１の中に液状のシリコンゴムを注入する。余分なシリコンゴム１１２が排出口１０８から出る程度までシリコンゴムを十分に注入し、キャビティＣ１にシリコンゴムを充填する。このときの下金型１０２と上金型１０４の温度は例えば１５０℃程度とする。この状態を例えば２分程度保持し、液状のシリコンゴムを硬化させる。

シリコンゴム硬化後は、上下金型１０２、１０４を分離し第１絶縁部２２が形成された半導体基板１２を取り出す。取出し直後は第１絶縁部２２が仮硬化している状態であるため、第１絶縁部２２と樹脂コーティング２０との密着は不十分である。そこで、第１絶縁部２２を樹脂コーティング２０に密着させるために、２００℃程度に保たれた高温槽の中に半導体基板１２を５時間程度保管し、第１絶縁部２２を更に硬化させる。こうして、樹脂コーティング２０に接する第１絶縁部２２を形成する。

次いで、第２絶縁部２４を形成する。第２絶縁部を形成する工程は図５、６を参照して説明する。第２絶縁部２４を形成する際には、図５に示す第２モールド金型１２０を用いる。第２モールド金型１２０は、下金型１２２と上金型１２４を備えている。半導体基板１２を下金型１２２の予め定められた場所にのせた後に、下金型１２２の上に上金型１２４をのせる。これにより、半導体基板１２を第２モールド金型１２０の中に入れた状態とする。

下金型１２２と上金型１２４を重ね合わせた状態では、半導体基板１２の端部（樹脂コーティング２０と第１絶縁部２２）を囲むキャビティＣ２が形成される。キャビティＣ２は、第２絶縁部の材料をキャビティＣ２に注入する注入口１２６、及び余分な材料を排出する排出口１２８につながっている。

次に、図６に示すように、注入ノズル１３０を注入口１２６にあてて、キャビティＣ２の中に液状のシリコンゴムを注入する。余分なシリコンゴム１３２が排出口１２８から出る程度までシリコンゴムを十分に注入し、キャビティＣ２にシリコンゴムを充填する。このときの下金型１２２と上金型１２４の温度は例えば１５０℃程度とする。この状態を例えば２分程度保持し、液状のシリコンゴムを硬化させる。

その後、上下金型１２２、１２４を分離し第２絶縁部２４が形成された半導体基板１２を取り出す。そして、半導体基板１２を高温槽の中に入れるなどして第２絶縁部２４を更に硬化させる。こうして、第１絶縁部２２を覆う第２絶縁部２４を形成する。

図７は、第２モールド金型１２０から取り出された半導体基板の断面図である。半導体基板は例えば平面視で円形である。半導体基板の外周全体にわたって樹脂コーティング２０、第１絶縁部２２、及び第２絶縁部２４が形成される。なお、第１絶縁部２２を第１モールド金型から離しやすくし、第２絶縁部２４を第２モールド金型から離しやすくするために、第１絶縁部２２と第２絶縁部２４の側面はテーパ形状となっている。第１絶縁部２２と第２絶縁部２４の側面をテーパ形状にすると離型性が向上する。図７に示す半導体基板に対して、各部品を取り付けて図１に示す半導体装置１０を完成させる。

ここで、本発明の特徴の理解を容易にするために、比較例について説明する。図８は、比較例のモールド金型等の断面図である。モールド金型２００は下金型２０２と上金型２０４を備えている。このモールド金型２００は、前述の第２モールド金型１２０と同じ形状を有する。

樹脂コーティング２０が形成された半導体基板１２をモールド金型２００の中に入れた状態で、シリコンゴムを注入する。そしてこの状態を例えば２分程度保持し液状のシリコンゴムを硬化させる。これにより絶縁部２０６が形成される。シリコンゴム硬化後は、図９に示すように、上下金型２０２、２０４を分離しモールド金型２００から半導体基板１２を取り出す。その後、半導体基板１２を高温槽に保管し絶縁部２０６をさらに硬化させる。

図１０は、比較例に係る半導体装置の製造方法で製造された半導体基板等の断面図である。樹脂コーティング２０は１つの大きな絶縁部２０６で覆われている。モールド金型２００から半導体基板１２を取り出す際にモールド金型２００に絶縁部２０６が引っ張られて絶縁部２０６の剥がれ２２０が生じている。

図１１は、比較例に係る半導体装置の製造方法で製造された半導体基板等の、図１０とは別の部分の断面図である。絶縁部２０６の中に気泡２２２が発生している。モールド金型の注入口からモールド金型のキャビティ内に液状のシリコンゴムを注入すると、当該キャビティ内のエアーが押し出され当該キャビティが液状シリコンゴムで充填されていく。キャビティ内のエアーは全てモールド金型外に押し出されるのが理想的である。しかし、例えば、半導体基板の端部の下面側に大きなキャビティがあると、この部分に気泡が残りやすい。特に出口付近で気泡が残りやすい。

剥がれ２２０又は気泡２２２があると、半導体装置に電圧を印加した際に内部放電したり、経時的に耐圧が劣化したりするおそれがある。剥がれ２２０又は気泡２２２は絶縁部が大きいほど発生しやすいので、絶縁部を小さくすれば剥がれ２２０又は気泡２２２を抑制できる。しかし、高耐圧の半導体装置では、電圧に対する絶縁距離を大きく確保する必要があるため、絶縁部を大きくする必要がある。従って、比較例の方法では、耐圧を確保しつつ、剥がれ２２０又は気泡２２２の抑制することができない。

ところが、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法によれば、絶縁部を小さくすることなく、絶縁部が剥がれたり絶縁部の中に気泡が生じたりすることを防止できる。実施の形態１の半導体装置の製造方法では第１絶縁部２２と第２絶縁部２４を別の工程で形成する。つまり、まず、半導体基板１２の端部を囲む小さいキャビティＣ１を有する第１モールド金型１００を用いて第１絶縁部２２を形成する。キャビティＣ１は小さいのでそこに形成される第１絶縁部２２も小さい。小さい第１絶縁部２２とは、例えば図３の距離ｙ１、ｙ２をそれぞれ２ｍｍ以下とすることで得られる。よって、第１モールド金型１００から半導体基板１２を取り出すときに第１絶縁部２２が樹脂コーティング２０から剥がれることを防止できる。また、キャビティＣ１が小さいので、キャビティＣ１に液状のシリコンゴムを充填する際に気泡が生じることを防止できる。なお、図３に示した距離ｙ１、ｙ２をそれぞれ２ｍｍ以下にすることで確実に剥がれ及び気泡を防止できるが、剥がれ及び気泡を抑制できる限り距離ｙ１、ｙ２の寸法を変更してもよい。

第２モールド金型１２０のキャビティＣ２は、第１絶縁部２２がない比較例の場合と比較して、第１絶縁部２２がある分だけ狭くなる。従って、第２絶縁部２４の剥がれと気泡の発生を防止できる。このように、２つのモールド金型で順次に第１絶縁部２２と第２絶縁部２４を形成することで所望の耐圧を実現する絶縁部（第１絶縁部２２と第２絶縁部２４）を形成するので、絶縁部の剥がれ又は気泡を防止できる。

本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法と半導体装置は様々な変形が可能である。例えば、絶縁部は第１絶縁部２２と第２絶縁部２４の２つで構成したが、３つ以上の絶縁部を順次形成してもよい。耐圧特性を安定化させ、材料管理を容易化するためには、第１絶縁部２２と第２絶縁部２４は同じ材料で形成した方がよい。しかし、十分な耐圧が得られる限り、これらを別々の材料で形成してもよい。また、第１絶縁部２２と第２絶縁部２４をシリコンゴム以外の材料で形成してもよい。樹脂コーティング２０の材料は、半導体基板１２との接着性のよい材料であればよく、ポリイミドシリコンに限定されない。

半導体基板１２の端部（側面）の形状は特に限定されない。例えば、図１２に示す、メサ型ベベル構造を採用してもよい。半導体装置１０はセンターゲート構造を採用しているが必ずしもこれに限定されず、様々なタイプの半導体装置を採用してもよい。第１主面に第１電極が形成され、第１主面と反対側の第２主面に第２電極が形成された半導体基板であれば圧接型半導体装置を構成できる。つまり、第１電極に電気的に接続された第１主電極と、第２電極に電気的に接続された第２主電極とで半導体基板を挟んで圧接型半導体装置を形成する。例えば、BTB(Back to Back)、SVG(Static Var Generator)等の電力用の半導体装置、製鉄圧延機駆動用インバータ等の工業用の半導体装置、又はその他高電圧・大容量スイッチ等に、本発明の半導体基板を用いることができる。

これらの変形は以下の実施の形態に係る半導体装置の製造方法と半導体装置に適宜に応用できる。なお、以下の実施の形態については、実施の形態１との共通点が多いので、実施の形態１との相違点を中心に説明する。

実施の形態２．
図１３は、本発明の実施の形態２に係る半導体装置の一部断面図である。第２絶縁部３００は、半導体基板１２の外側を向く第１側面３００ａと、半導体基板１２の内側を向く第２側面３００ｂとを有している。第１側面３００ａと第２側面３００ｂは半導体基板１２の長手方向（ｘ方向）と直交している。第２絶縁部３００は第１絶縁部２２よりも硬い材料で形成されている。

半導体装置を組み立てる際には、半導体基板１２を正しい位置に位置決めする必要がある。この位置決めに第１側面３００ａ又は第２側面３００ｂを利用する。具体的には、第１側面３００ａ又は第２側面３００ｂに位置決め部材を押し当てて、半導体基板１２を予め定められた場所に位置させることができる。よって、第２絶縁部の側面がテーパを有し半導体基板の長手方向と直交しない場合と比べて、位置決め精度を向上させることができる。

第２絶縁部がやわらかい材料で形成されると、位置決め時に第２絶縁部が変形し位置決め精度が低化するおそれがある。そこで、本発明の実施の形態２では、第２絶縁部３００を第１絶縁部２２よりも硬い材料で形成することで、位置決め時の第２絶縁部３００の変形を防止することとした。第１絶縁部２２に耐圧維持に好適な材料を用いて、第２絶縁部３００に第１絶縁部２２より硬い材料を用いることで、耐圧を維持しつつ位置決め精度を高めることができる。

第１側面３００ａと第２側面３００ｂのうち少なくとも一方が半導体基板１２の長手方向と直交するようにすれば半導体基板１２の位置あわせが可能である。よって、第１側面と第２側面のいずれか一方だけを半導体基板１２の長手方向に直行させてもよい。

１０ 半導体装置、 １２ 半導体基板、 １２ａ 側面、 １２ｂ 上面端部、 １２ｃ 下面端部、 １４ カソード電極、 １６ ゲート電極、 １８ アノード電極、 ２０ 樹脂コーティング、 ２２ 第１絶縁部、 ２４ 第２絶縁部、 ３０ アノード歪緩衝板、 ３２ アノード主電極、 ４０ カソード歪緩衝板、 ４２ カソード主電極、 ５０ センターゲート取り出し電極、 １００ 第１モールド金型、 １２０ 第２モールド金型、 ２２０ 剥がれ、 ２２２ 気泡、 ３００ 第２絶縁部、 ３００ａ 第１側面、 ３００ｂ 第２側面

Claims (10)

1. 第１主面に第１電極が形成され、前記第１主面と反対側の第２主面に第２電極が形成され、側面が樹脂コーティングされた半導体基板を第１モールド金型の中に入れて、前記樹脂コーティングに接する第１絶縁部を形成する工程と、
   前記第１絶縁部が形成された前記半導体基板を第２モールド金型の中に入れて、前記第１絶縁部を覆う第２絶縁部を形成する工程と、を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記第１絶縁部と前記第２絶縁部は同じ材料で形成されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記第２絶縁部は、前記半導体基板の外側を向く第１側面と、前記半導体基板の内側を向く第２側面とを有し、
   前記第１側面と前記第２側面のうち少なくとも一方は、前記半導体基板の長手方向と直交することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記第２絶縁部は前記第１絶縁部よりも硬い材料で形成されたことを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記第１絶縁部はシリコンゴムで形成されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
6. 第１主面に第１電極が形成され、前記第１主面と反対側の第２主面に第２電極が形成された半導体基板と、
   前記半導体基板の側面に形成された樹脂コーティングと、
   前記樹脂コーティングに接する第１絶縁部と、
   前記第１絶縁部を覆う第２絶縁部と、を備えたことを特徴とする半導体装置。
7. 前記第１電極に電気的に接続された第１主電極と、
   前記第２電極に電気的に接続された第２主電極と、を備え、
   前記第１主電極と前記第２主電極で前記半導体基板を挟む、圧接型の半導体装置を構成することを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
8. 前記第２絶縁部は、前記半導体基板の外側を向く第１側面と、前記半導体基板の内側を向く第２側面とを有し、
   前記第１側面と前記第２側面のうち少なくとも一方は、前記半導体基板の長手方向と直交することを特徴とする請求項６又は７に記載の半導体装置。
9. 前記第２絶縁部は前記第１絶縁部よりも硬い材料で形成されたことを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
10. 前記第１絶縁部はシリコンゴムで形成されたことを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載の半導体装置。

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