JP2019041013A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 パワー半導体モジュールの裏面導電性板と冷却器間の電位差を抑え、信頼性の高い半導体装置を提供する。【解決手段】 半導体素子１を実装した積層基板２と、封止材８とを備える半導体モジュール１０と、比誘電率が１０以上の高誘電率粒子を含む充填材と、基油とを含むサーマルコンパウンド１１を介して、前記半導体モジュール１０に配設された冷却器１２とを含む半導体装置【選択図】 図１

Description

本発明は半導体装置に関する。本発明は、特には耐放電特性に優れ、信頼性の高い半導体装置に関する。

パワー半導体モジュールは、効率的な電力変換が求められる分野で広く適用されている。例えば、近年注目を浴びている太陽光発電や風力発電などの再生可能エネルギー分野、ハイブリッド自動車や電気自動車などの車載分野、車両などの鉄道分野が挙げられる。これらのパワー半導体モジュールには、スイッチング素子とダイオードが内蔵されており、従来、素子にはＳｉ(シリコン)半導体が用いられてきた。

近年は、ＳｉＣ(シリコンカーバード)半導体などのワイドバンドギャップ半導体が用いられ始めている。ＳｉＣ半導体は、Ｓｉ半導体に比べ高耐圧、高耐熱、低損失といった特徴があり、パワー半導体モジュールに用いることにより、装置の小型化や低損失化が可能となる。その際に、パワー半導体素子は、耐湿性、耐熱性、機械特性に優れたエポキシ樹脂を含む封止材で封止される。

Ｓｉ半導体が用いられたパワー半導体モジュールは、シリコーンゲルで封止していたため、シリコーンゲルを保持するためのケース及び放熱ベース（ベース）が必要であった。一方、エポキシ樹脂封止のパワー半導体モジュールでは、絶縁性であり、形状が担保できるため、ケースレス・ベースレス構造とすることができる。その際に、どちらのパワー半導体モジュールもサーマルコンパウンドを介して冷却器に設置され、パワー半導体装置として用いられる。

金属製の放熱ベース上に、半導体チップ設けた積層基板を備え、かつ放熱ベースの裏面にサーマルコンパウンドを介して冷却器を設けた半導体装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。放熱ベースとしては、通常、銅板等の金属板が用いられ、サーマルコンパウンドとしては、シリカなどのフィラーを含有した有機油が用いられている。サーマルコンパウンド層は、半導体チップで発生する熱を冷却器等に逃がすために、放熱ベース板またはパワー半導体モジュール裏面の導電性板と冷却器の間に形成される接合層で、熱伝導性と絶縁性が求められる。また、パワー半導体モジュールは熱応力による反りなどの形状変化を伴うことから、それに追従できるように、サーマルコンパウンド層ははんだ等の高剛性材料ではなく、有機油等の高粘性材料が求められる。

特開2017-59677号公報

金属製の放熱ベースを備えるパワー半導体モジュールを冷却器に設置する場合では、サーマルコンパウンドを介しながら、放熱ベースと冷却器とを金属製のナットなどで固定する。そのため、冷却器とパワー半導体モジュール裏面の導電性板（積層基板を構成する導電性板のうち、半導体素子と接していない導電性板）は同電位となっていた。しかしながら、放熱ベースを用いることなくエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂で封止したパワー半導体モジュールを、サーマルコンパウンドを介して冷却器上に設置する場合、パワー半導体モジュール裏面の導電性板と冷却器が同電位とならず、サーマルコンパウンドを挟んで電位差が生じてしまう。このような電位差が生じると、特に高耐圧（３．３ｋＶ以上）パワー半導体装置では、定格電圧のおよそ半分程度電圧で使用することもあるため、部分放電が発生しやすくなる。部分放電はノイズの発生源となるため、駆動回路に誤動作を起こす場合があり、半導体装置の信頼性を損ねる原因となりうる。

このような半導体モジュール裏面の導電性板と冷却器が電気的に絶縁されているモジュールにおいて、裏面導電性板と冷却器間の電位差を抑え、信頼性の高い半導体装置を提供することが求められる。

本発明者らは、鋭意検討の結果、モジュールと冷却器との接着層として機能するサーマルコンパウンドの比誘電率を高くすることを考えた。特には、サーマルコンパウンドの比誘電率を、積層基板中の絶縁基板の比誘電率より大きくすることにより、サーマルコンパウンドにかかる電圧負担を小さくすることを考えた。そして、サーマルコンパウンドに高誘電率粒子を含有させることで、サーマルコンパウンドの比誘電率を高くするができることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、一実施形態によれば、半導体装置であって、半導体素子を実装した積層基板と、封止材とを備える半導体モジュールと、比誘電率が１０以上の高誘電率粒子を含む充填材と、基油とを含むサーマルコンパウンドを介して、前記半導体モジュールに配設された冷却器とを含む。

前記半導体装置において、前記高誘電率粒子が粉末状ポリフッ化ビニリデンを含むことが好ましい。

前記半導体装置において、前記高誘電率粒子が、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、酸化ハフニウム（ＩＶ）、五酸化タンタル、酸化銅（ＣｕＯ）から選択される１以上の無機粒子を含むことが好ましい。

前記半導体装置において、前記充填材の含有量が、サーマルコンパウンドの総質量に対し、７０質量％以上であって９５質量％以下であり、前記充填材が高誘電率粒子からなることが好ましい。

前記半導体装置において、前記充填材の含有量が、サーマルコンパウンドの総質量に対し、７０質量％以上であって９５質量％以下であり、前記高誘電率粒子が、前記充填材の総質量に対し、５０質量％以上であって１００％未満の量で含まれることが好ましい。

前記充填材の総質量に対し、５０質量％以上であって１００％未満の量で高誘電率粒子を含む半導体装置において、前記高誘電率粒子が、チタン酸バリウム、酸化チタン（ＩＶ）、ジルコニア、五酸化タンタルから選択される１つ以上の無機粒子であることが好ましい。

前記半導体装置において、前記高誘電率粒子の平均粒子径が、１μｍ以上であって５０μｍ以下であることが好ましい。

前記半導体装置において、前記サーマルコンパウンドが、５０μｍ以上であって３００μｍ以下の厚みで形成されることが好ましい。

前記半導体装置において、前記封止材が、エポキシ樹脂を含むことが好ましい。

前記半導体装置において、前記サーマルコンパウンドが、前記積層基板に接して設けられることが好ましい。

本発明に係る半導体装置によれば、サーマルコンパウンドからなる接着層を高誘電率とすることで、半導体モジュール裏面の導電性板と冷却器間の電位差を抑え、放電による駆動回路の誤作動をなくして、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。

図１は、本発明に係る半導体装置の断面構造を示す概念図である。

以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施の形態によって限定されるものではない。

本発明は一実施形態によれば、半導体装置であって、半導体素子を実装した積層基板と、封止材とを備える半導体モジュールと、比誘電率が１０以上の高誘電率粒子を含む充填材と、基油とを含むサーマルコンパウンドを介して、前記半導体モジュールに配設された冷却器とを含む。

図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の一例を示す概念図である。図１において、半導体素子１は、はんだ等の接合層３を介して、積層基板２上に実装される。半導体素子１の上面には、はんだ等の接合層３を介して、インプラントピン６を備えたインプラント方式プリント基板７が取り付けられている。これらの部材は、封止材８で封止されている。このような、少なくとも半導体素子１が実装された積層基板２を含む被封止部材を封止材８で封止して得られる部材を、半導体モジュール１０と指称する。図示する実施形態においては、半導体モジュール１０の積層基板２の裏面、すなわち半導体素子１が実装されているのとは反対側の面には、放熱ベースが設けられていない。また、封止材８を保持し、収容するためのケースも設けられていない。半導体モジュール１０と冷却器１２は、接着層としてのサーマルコンパウンド１１を介して配置され、ねじ１３で取り付けられる。なお、本明細書において、上面、下面とは、説明の目的で、図中の上下を指す相対的な用語であって、半導体装置の使用態様等との関係で上下を限定するものではない。また、以下の本明細書において、半導体素子１、積層基板２を含み、通常の封止態様により封止樹脂により絶縁封止される部材を、被封止部材と指称する。図示する実施形態においては、被封止部材は、半導体素子１、積層基板２、接合層３、インプラントピン６、プリント基板７を含む。

半導体素子１は、ＩＧＢＴあるいはダイオードチップ等のパワーチップであり、種々のＳｉデバイス、ＳｉＣデバイス、ＧａＮデバイスなどを用いることができる。また、これらのデバイスを組み合わせて用いても良い。例えば、Ｓｉ−ＩＧＢＴとＳｉＣ−ＳＢＤを用いたハイブリッドモジュールなどを用いることができる。半導体素子１の搭載数は、図示する形態に限定されるものではなく、複数搭載することもできる。

積層基板２は、絶縁基板２２とその一方の面に形成される第２導電性板２１と、他方の面に形成される第１導電性板２３とから構成される。絶縁基板２２としては、電気絶縁性、熱伝導性に優れた材料を用いることができる。絶縁基板２２の材料としては、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮ、ＳｉＮなどが挙げられる。特に高耐圧用途では、電気絶縁性と熱伝導率を両立した材料が好ましく、ＡｌＮ、ＳｉＮを用いることができるが、これらには限定されない。第２導電性板２１、第１導電性板２３としては、加工性の優れているＣｕ、Ａｌなどの金属材料を用いることができる。本明細書において、Ｃｕからなる第１導電性板２３を、裏面銅箔と指称することもある。また、防錆などの目的で、Ｎｉメッキなどの処理を行ったＣｕ、Ａｌであっても良い。絶縁基板２２上に導電性板２１、２３を配設する方法としては、直接接合法（Direct Copper Bonding法）もしくは、ろう材接合法（Active Metal Brazing法）が挙げられる。

接合層３は、鉛フリーはんだを用いて形成することができる。例えば、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｓｂ系、Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉ系、Ｓｎ−Ａｇ系などを用いることができるが、これらには限定されない。

プリント基板７としては、ポリイミドフィルム基板やエポキシフィルム基板にＣｕ、Ａｌなどの導電層が形成されているものを用いることができる。インプラントピン６としては、銅を用いた銅ピンを用いることができる。プリント基板７の導電層も、インプラントピン６も、ＣｕやＡｌに、防錆などの目的でＮｉメッキなどの処理を施したものであってもよい。このプリント基板７とインプラントピン６は、半導体素子１どうし、もしくは、半導体素子１と積層基板２の間を電気的に接続する。インプラントピン６と積層基板２もしくは半導体素子１とは、上述のはんだ接合層３により接合することができる。また、図示はしないが、積層基板２上からインプラントピン６を封止材８の外部にまで引き出すことにより、インプラントピン６を外部接続端子とすることができる。

本実施形態においては、半導体素子１、積層基板２、インプラントピン６、プリント基板７を含み、図示しないその他の端子等を含んでもよい被封止部材が、封止材８で絶縁封止されている。封止材８は、熱硬化性樹脂を含み、例えば、エポキシ樹脂、マレイミド樹脂、シアネート樹脂、あるいはそれらの混合物であることが好ましく、特には、エポキシ樹脂を含むことが好ましい。封止材８は、最も好ましい態様においては、エポキシ樹脂主剤と、硬化剤とを含み、任意選択的に無機充填材やその他の添加剤を含んでもよいエポキシ樹脂組成物により形成することができる。エポキシ樹脂主剤としては、脂肪族エポキシ、または脂環式エポキシを用いることができる。

脂肪族エポキシとは、エポキシ基が直接結合する炭素が、脂肪族炭化水素を構成する炭素であるエポキシ化合物をいうものとする。したがって、主骨格に芳香環が含まれている化合物であっても、上記条件をみたすものは、脂肪族エポキシに分類される。脂肪族エポキシ樹脂としては、ビスフェノールＡ型エポキシ、ビスフェノールＦ型エポキシ、ビスフェノールＡＤ型エポキシ、ビフェニル型エポキシ、クレゾールノボラック型エポキシ、３官能以上の多官能型エポキシ等が挙げられるが、これらには限定されない。これらを単独で、または二種類以上混合して使用することができる。

脂環式エポキシ樹脂とは、エポキシ基を構成する２つの炭素原子が、脂環式化合物を構成するエポキシ化合物をいうものとする。脂環式エポキシ樹脂としては、単官能型エポキシ、２官能型エポキシ、３官能以上の多官能型エポキシ等が挙げられるが、これらには限定されない。脂環式エポキシ樹脂も、単独で、または異なる二種以上の脂環式エポキシ樹脂を混合して用いることができる。

硬化剤としては、エポキシ樹脂主剤と反応し、硬化しうるものであれば特に限定されないが、酸無水物系硬化剤を用いることが好ましい。酸無水物系硬化剤としては、例えば芳香族酸無水物、具体的には無水フタル酸、無水ピロメリット酸、無水トリメリット酸等が挙げられる。あるいは、環状脂肪族酸無水物、具体的にはテトラヒドロ無水フタル酸、メチルテトラヒドロ無水フタル酸、ヘキサヒドロ無水フタル酸、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸、無水メチルナジック酸等、もしくは脂肪族酸無水物、具体的には無水コハク酸、ポリアジピン酸無水物、ポリセバシン酸無水物、ポリアゼライン酸無水物等を挙げることができる。硬化剤の配合量は、エポキシ樹脂主剤１００質量部に対し、５０質量部以上であって１７０質量部以下程度とすることが好ましく、８０質量部以上であって１５０質量部以下程度とすることがより好ましい。硬化剤の配合量が５０質量部未満であると架橋不足からガラス転移温度が低下する場合があり、１７０質量部より多くなると耐湿性、高熱変形温度、耐熱安定性の低下を伴う場合がある。

エポキシ樹脂組成物には、さらに、任意選択的な成分として、硬化促進剤を添加することができる。硬化促進剤としては、イミダゾールもしくはその誘導体、三級アミン、ホウ酸エステル、ルイス酸、有機金属化合物、有機酸金属塩等を適宜配合することができる。硬化促進剤の添加量は、エポキシ樹脂主剤１００質量部に対して、０．０１質量部以上であって５０質量部以下とすることが好ましく、０．１質量部以上であって２０質量部以下とすることがより好ましい。

また、エポキシ樹脂組成物が任意選択的な成分として含んでもよい無機充填材としては、例えば、溶融シリカ、シリカ、アルミナ、水酸化アルミニウム、チタニア、ジルコニア、窒化アルミニウム、タルク、クレー、マイカ、ガラス繊維等が挙げられるが、これらには限定されない。これらの無機充填材により、硬化物の熱伝導率を高め、熱膨張率を低減することができる。これらの無機充填材は、単独で用いてもよいが、２種以上を混合して用いてもよい。また、これらの無機充填材は、マイクロフィラーであってもよく、ナノフィラーであってもよく、粒径及びまたは種類が異なる２種以上の無機充填材を混合して用いることもできる。特には、平均粒径が、０．２μｍ以上であって２０μｍ以下程度の無機充填材を用いることが好ましい。無機充填材の添加量は、エポキシ樹脂主剤と硬化剤との総質量を１００質量部としたとき、１００質量部以上であって６００質量部以下であることが好ましく、２００質量部以上であって４００質量部以下であることがさらに好ましい。無機充填材の配合量が１００質量部未満であると封止材の熱膨張係数が高くなって剥離やクラックが生じ易くなる場合がある。配合量が６００質量部よりも多いと組成物の粘度が増加して押出し成形性が悪くなる場合がある。

エポキシ樹脂組成物には、また、その特性を阻害しない範囲で、任意選択的な添加剤を含んでいてもよい。添加剤としては、例えば、難燃剤、樹脂を着色するための顔料、耐クラック性を向上するための可塑剤やシリコンエラストマーが挙げられるが、これらには限定されない。これらの任意成分、およびその添加量は、半導体装置及び／または封止材に要求される仕様に応じて、当業者が適宜決定することができる。

図示するようなケース、放熱ベースを含まない半導体モジュール１０の製造は、被封止部材を適切な金型に載置し、封止材８を金型に充填して加熱硬化することにより実施することができる。このような封止体の成形法としては、真空注型、トランスファー成形、液状トランスファー成形が挙げられるが、所定の成形法には限定されない。このような成形法を用いることで、被封止部材のうち、第１導電性板２３（裏面銅箔）の一方の面および必要な外部端子が露出し、他の部材は封止材８により絶縁封止された半導体モジュール１０を製造することができる。

ねじ１３は、半導体モジュール１０と、冷却器１２とを固定できるものであれば特に制限はなく、金属、樹脂、セラミック材料を用いることができる。ただし、図示していないが、通常、ねじを取り付けるために金属製の端子リングを封止材８に設けるため、冷却器１２と封止材８とを同電位とするためには、金属製のねじを用いることが好ましい。

サーマルコンパウンド１１は、比誘電率が１０以上の高誘電率粒子を含む充填材と、基油とを含む組成物から構成され、半導体モジュール１０と冷却器１２との接着層として、並びに半導体モジュール１０が生成する熱の放熱層として機能する。したがって、放熱性の観点からサーマルコンパウンド１１は、熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であって１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下程度となることが好ましい。サーマルコンパウンド１１は、封止材８から露出した第１導電性板２３を含む半導体モジュール１０の裏面に、例えば、厚さ５０μｍ以上であって３００μｍ以下程度に塗布することができる。サーマルコンパウンド層の厚さは、さらに好ましくは、５０μｍ以上であって１５０μｍ以下であり、この範囲の厚さにすることで、静電容量の観点から好ましい。例えば、５０μｍ以上であって９０μｍ以下程度とすることもできるが、特定の厚さには限定されない。サーマルコンパウンドには、絶縁性も求められる。導電性であると、離散した場合にショートの原因になるからである。さらに、パワー半導体モジュールは熱応力による反りなどの形状変化を伴うことから、それに追従できるように、高剛性材料ではなく、有機油等の高粘性、低弾性が求められる。従って、本実施形態による半導体モジュール１０においては、絶縁基板の裏面側導電性板である、積層基板の第１導電性板２３は、周囲を絶縁材料に囲まれており、電気的に絶縁されている。

次に、サーマルコンパウンド１１を構成する組成物について説明する。基油としては、絶縁性のノンシリコーン系の有機油あるいはシリコーン系の有機油を用いることができる。ノンシリコーン系の有機油としては、例えば、鉱油、合成炭化水素油などの炭化水素油、エステル油、エーテル油、フッ素油等を主成分として含む組成物が挙げられるが、これらには限定されない。シリコーン系の有機油としては、オルガノポリシロキサンを主成分とする組成物が挙げられ、特には、１分子中に少なくとも２個の脂肪族不飽和炭化水素基を有するオルガノポリシロキサンを主成分とする組成物が好ましいが、これらには限定されない。本実施形態における基油は、絶縁性及び、１５０℃程度の耐熱性を持つ一般的な半導体装置用サーマルコンパウンドの基油として用いられるものであればよく、特定の組成を備えるものには限定されない。

本実施形態においては、サーマルコンパウンド１１を構成する組成物に含まれる充填材が、高誘電率粒子を含むことを特徴とする。本発明において、高誘電率粒子とは、比誘電率ε_ｒが、１０以上、好ましくは１５以上の粒子状化合物をいうものとする。高誘電率粒子として用いることができる有機粒子としては、例えば、粉末状ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ粒子、比誘電率ε_ｒ＝１３）などが挙げられるが、これらには限定されない。ＰＶＤＦ粒子は、比誘電率が高く、耐熱性も高いため、サーマルコンパウンド１１使用温度範囲で溶解したり、基油と反応したりすることはなく、実質的に添加前の粒子形態のまま基油中に分散させる充填材として好適である。

高誘電率粒子として用いることができる無機粒子としては、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３、比誘電率ε_ｒ＝１４５０）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３、比誘電率ε_ｒ＝３３０）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３、比誘電率ε_ｒ＝２５０）などが挙げられる。これらは、組成式がＡＢＯ_３で表記されるペロブスカイト型結晶構造を有しており、Ａ元素としては、Ｂａ、Ｐｂ，Ｌａなど、Ｂ元素としてはＴｉ，Ｚｒなどが該当するが、これらには限定されない。また、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ、比誘電率ε_ｒ＝１３００〜２１００）、ニオブ酸鉛（ＰｂＮｂ２Ｏ６、ε_ｒ＝３７０）、酸化ハフニウム（ＩＶ）（ＨｆＯ_２、比誘電率ε_ｒ＝１５）、五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５、比誘電率ε_ｒ＝２２）、酸化チタン（ＩＶ）（ＴｉＯ_２、アナターゼ型ＴｉＯ_２の比誘電率ε_ｒ＝４８）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２、比誘電率ε_ｒ＝３３）、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３、比誘電率ε_ｒ＝１１）、酸化クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３、比誘電率ε_ｒ＝１３．３）、酸化銅（ＣｕＯ、比誘電率ε_ｒ＝１８．１）、酸化ニッケル（ＮｉＯ、比誘電率ε_ｒ＝１１．９）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３、比誘電率ε_ｒ＝２９）、シリコン（Ｓｉ、比誘電率ε_ｒ＝１２）、ダイヤモンド（比誘電率ε_ｒ＝２６）などがある。これらから選択される１以上の無機粒子を本実施形態による充填材に含めることができるが、これらには限定されない。

高誘電率粒子の形状は特には限定されず、球状、針状、箔状、繊維状などであってよいが、特には球状粒子であることが好ましい。また、高誘電率粒子の平均粒径は、例えば、約１μｍ以上であって５０μｍ以下程度であり、約１μｍ以上であって１０μｍ以下程度であることが好ましく、約５μｍ以上であって１０μｍ以下程度であることがより好ましい。高誘電率粒子の粒径は、サーマルコンパウンド１１の層厚みとの関係でも決定され、サーマルコンパウンド１１の厚みよりも小さい粒径であることが好ましい。

本実施形態においては、充填材が高誘電率粒子のみからなる態様であってもよく、高誘電率粒子と従来から用いられている比誘電率の比較的小さい無機粒子との混合物であってもよい。いずれの場合であっても、基油と充填材を混合して得られるサーマルコンパウンド１１用の組成物の比誘電率の値ε_ｒが、１０以上、特には１５以上であることが好ましい。組成物の比誘電率は、組成物の静電容量を測定することで求めることができる。サーマルコンパウンド１１用の組成物の比誘電率の値ε_ｒが上記範囲になるように、高誘電率粒子の種類及び含有量を選定することができる。

基油に含まれる高誘電率粒子の含有量は、サーマルコンパウンド用の組成物が所望の比誘電率及び放熱性（熱伝導性）を付与できる程度に含まれていればよく、特には限定されない。例えば、充填材が高誘電率粒子のみからなる場合は、サーマルコンパウンドの総質量に対して、７０質量％以上であって９５質量％以下程度で含まれることが好ましい。上記の高誘電率粒子の充填率であれば、サーマルコンパウンドの比誘電率を十分に高めることができる。さらに、放熱性も満足することができる。また、充填材が多くなりすぎると粘性が増加し、作業性が悪くなるが、上記の範囲であれば問題ない。絶縁基板２２として用いられうるＳｉＮ、ＡｌＮの比誘電率の値ε_ｒが８程度であるため、絶縁基板２２と、サーマルコンパウンド１１の比誘電率との間に差があると、サーマルコンパウンド１１に大きな電位差が発生し、部分放電が発生する場合があった。本発明においては高誘電率粒子を充填材としてサーマルコンパウンド１１に含めることで、サーマルコンパウンド１１の比誘電率を絶縁基板のセラミック材に近づけることができ、電位差を小さく抑えることができる。また、これらの高誘電率粒子は熱伝導率も高いことから、放熱性能も満足することができる。

基油に含まれる充填材が、高誘電率粒子と、従来から一般的に使用されているシリカ、アルミナなどの比誘電率が比較的小さい、例えば、比誘電率の値ε_ｒが１０未満の無機粒子との混合物である場合、高誘電率粒子としては、特に比誘電率が１００以上と高い、チタン酸バリウム、酸化チタン（ＩＶ）、ジルコニア、五酸化タンタルなどの高誘電率材料を用いることが好ましい。またこの場合も、所定の比誘電率及び放熱性を付与できる程度であれば、充填材の含有量は限定されないが、サーマルコンパウンドの総質量に対して、７０質量％以上であって９５質量％以下程度であることが好ましい。そして、充填材の総質量に対し、５０質量％以上であって１００％未満の量の高誘電率粒子を含むことが好ましい。これらの高誘電率粒子を所定量で用いることで、比誘電率ε_ｒが比較的小さい充填材を併用した場合であっても、サーマルコンパウンド全体としては高い比誘電率を確保することができる。

サーマルコンパウンド１１を構成する組成物には、基油と充填材の他に、その特性を阻害しない範囲で、任意選択的な添加剤を含んでいてもよい。添加剤としては、例えば、酸化防止剤や改質剤が挙げられるが、これらには限定されない。サーマルコンパウンド１１は絶縁性であることが好ましく、金属粒子などの導電性材料を含まないことが好ましい。サーマルコンパウンド１１が飛散した場合に、半導体装置の配線などをショートさせるおそれがあるためである。サーマルコンパウンド１１として用いる組成物は、高誘電率粒子を含む充填材を、基油に混合し、好ましくは均一に分散することで得ることができる。

冷却器１２としては、熱伝導性能が優れ、導電性を有している部材が用いられる。例えば、Ｃｕ、Ａｌなどの金属部材が用いられ、より軽量性も求められる場合は、Ａｌが好ましい。また、Ａｌ部材の冷却器１２には必要に応じＮｉ，Ｃｒ等のめっき処理などをして、少なくともサーマルコンパウンドと接する個所においては導電性を有する構成とすることができる。冷却器１２の形状や仕様は、半導体モジュールの使用目的等に適合するように任意に選択することができ、特定のものには限定されない。つまり、冷却器は、板状でもよく、またフィンなどの空冷機構や水冷機構を有してもよい。

本実施形態に係る半導体装置によれば、高誘電率粒子を含み、比誘電率の高いサーマルコンパウンド１１からなる接着層を設けることにより、冷却器１２と、半導体モジュール１０の導電性板２３との間の電位差を小さくし、部分放電の発生を抑制して、半導体装置の駆動回路の誤動作をなくし、信頼性の高い高耐圧の半導体装置を提供することができる。つまり、電気的に絶縁された導電性板と冷却器等の導電性材料が比誘電率の高いサーマルコンパウンドによって接合されることにより部分放電を抑制することができる。

なお、本発明は、図示する形態の半導体モジュールに限定されず、半導体モジュールの導電性板と冷却器が絶縁された構成をもつ任意の半導体装置を含む。例えば、図１の銅ピンに代えて、ワイヤボンディングや、リードフレームなどの導電性接続部材を用いた態様の半導体モジュールや、プリント基板を封止材の内部に設けない態様の半導体モジュールに対しても、同様に、封止材から露出した第１導電性板の表面にサーマルコンパウンドを塗布し、冷却器を配設して本発明に係る半導体装置とすることができる。

以下に、本発明の実施例を挙げて、本発明をより詳細に説明する。しかし、本発明は、以下の実施例の範囲に限定されるものではない。

＜実施例１＞
部分放電評価用に、３．３ｋＶ用のパワー半導体装置を作製した。積層基板としては、Ｃｕ導電性板厚さ０．３ｍｍ、絶縁基板厚さ０．６２５ｍｍのデンカＳＩＮプレート（電気化学工業製、額縁長１．０ｍｍ）を用いた。積層基板上に、はんだ及びＳｉパワー半導体素子、はんだ及び銅ピン、プリント基板を、Ｎ_２リフロー炉ではんだ接合することにより配設して、被封止部材を得た。次に被封止部材を金型にセットした。封止材としては、脂肪族エポキシ樹脂主剤：ｊＥＲ６３０（三菱化学製）、硬化剤：ｊＥＲキュア１１３（三菱化学製）、無機充填剤（シリカ）：エクセリカ 平均粒径数μｍ〜数十μｍ（トクヤマ）を、質量比１０：５：３で混合したものを用いた。この封止材を真空脱泡し、金型に注入した。これを、１００℃、１時間で一次硬化後、１５０℃、３時間で二次硬化して、パワー半導体モジュールを得た。

次に、ノンシリコーン系の基油（主成分：合成炭化水素油）に、高誘電率粒子として粉末状ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ粒子、比誘電率ε_ｒ＝１３、平均粒子径１０μｍ）を混合し、均一に分散して、サーマルコンパウンドを得た。粉末状ポリフッ化ビニリデンの含有量は、サーマルコンパウンドの総質量を１００％とした場合に、９０質量％とした。パワー半導体モジュールの積層基板の露出した導電性板及びこれと同平面をなす封止材の表面に、厚さ約１００μｍのサーマルコンパウンド層を形成した。次いで、サーマルコンパウンド層を介して、パワー半導体モジュールに、アルミニウム製冷却器を、ねじで配設し、実施例１のパワー半導体装置を得た。

＜実施例２＞
高誘電率粒子として酸化銅（ＣｕＯ）粒子（比誘電率ε_ｒ＝１８、平均粒子径１μｍ）を用いたこと以外は実施例１と同様にして、実施例２のパワー半導体装置を得た。

＜実施例３＞
高誘電率粒子としてチタン酸バリウム（ＴｉＢａＯ_３）粒子（比誘電率ε_ｒ＝１４５０、平均粒子径５μｍ）を用いたこと以外は実施例３と同様にして、実施例２のパワー半導体装置を得た。

＜比較例１＞
サーマルコンパウンドの調製において、高誘電率粒子としてアルミナフィラー（Ａｌ_２Ｏ_３粒子、比誘電率ε_ｒ＝８．３、平均粒子径１０μｍ）を混合したこと以外は実施例１と同様にして、比較例のパワー半導体装置を得た。

［評価］
実施例１〜３、比較例１のパワー半導体装置について、部分放電評価を実施した。部分放電評価は、ＡＣ３．３ｋＶまで徐々に印加し、１分後の放電電荷量が１０ｐＣ以下の場合に、部分放電が見られなかったものとした。評価結果を表１に示す。部分放電が見られなかった場合、評価は「良好」とし、部分放電が見られた場合は、その場合の電圧を表示した。

粉末状ポリフッ化ビニリデン、粉末状ポリフッ化ビニル、チタン酸バリウムといった高誘電率粒子を用いた実施例１〜３では、ＡＣ３．３ｋＶの電圧印加では、部分放電が発生しなかった。理論に拘束される意図はないが、実施例の結果は、絶縁基板のセラミックとの比誘電率とサーマルコンパウンドとの比誘電率が近くなったため、サーマルコンパウンドにかかる電圧分担が低減し、放電が発生しなかったと考えられる。比較例１では、絶縁基板のセラミックと、サーマルコンパウンドとの比誘電率差が大きいために、１．２ｋＶから１０ｐＣ以上の放電が発生したと考えられる。

本発明の実施例により、高誘電率粒子を混合したサーマルコンパウンドを用いることで、半導体装置の部分放電を抑えることができることがわかった。本発明は、信頼性の高いパワー半導体装置を提供することができる。

１ 半導体素子、２ 積層基板、２１ 第２導電性板、２２ 絶縁基板、２３ 第１導電性板、３ 接合層、６ インプラントピン、７ プリント基板、８ 封止材、１０ 半導体モジュール、１１ サーマルコンパウンド、１２ 冷却器、１３ ねじ

Claims (10)

1. 半導体素子を実装した積層基板と、封止材とを備える半導体モジュールと、
   比誘電率が１０以上の高誘電率粒子を含む充填材と、基油とを含むサーマルコンパウンドを介して、前記半導体モジュールに配設された冷却器と
   を含む半導体装置。
2. 前記高誘電率粒子が、粉末状ポリフッ化ビニリデンを含む、請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記高誘電率粒子が、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、酸化ハフニウム（ＩＶ）、五酸化タンタル、酸化銅（ＣｕＯ）から選択される１以上の無機粒子を含む、請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 前記充填材の含有量が、サーマルコンパウンドの総質量に対し、７０質量％以上であって９５質量％以下であり、前記充填材が高誘電率粒子からなる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 前記充填材の含有量が、サーマルコンパウンドの総質量に対し、７０質量％以上であって９５質量％以下であり、前記高誘電率粒子が、前記充填材の総質量に対し、５０質量％以上であって１００％未満の量で含まれる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
6. 前記高誘電率粒子が、チタン酸バリウム、酸化チタン（ＩＶ）、ジルコニア、五酸化タンタルから選択される１つ以上の無機粒子である、請求項５に記載の半導体装置。
7. 前記高誘電率粒子の平均粒子径が、１μｍ以上であって５０μｍ以下である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体装置。
8. 前記サーマルコンパウンドが、５０μｍ以上であって３００μｍ以下の厚みで形成される、請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体装置。
9. 前記封止材が、エポキシ樹脂を含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体装置。
10. 前記サーマルコンパウンドが、前記積層基板に接して設けられる、請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体装置。

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