JP4911725B2

JP4911725B2 - 半導体装置

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Publication number: JP4911725B2
Application number: JP2008036339A
Authority: JP
Inventors: 幸昌林田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-02-18
Filing date: 2008-02-18
Publication date: 2012-04-04
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Description

本発明は、半導体装置に関するものであり、特に、半導体素子と電極とを有する半導体装置に関するものである。

半導体素子と電極とを有する半導体装置の中には、装置内部にシリコーンゲルなどの封止材を有するものがある。この封止材はシリコーンオイルが硬化されることにより形成される。シリコーンオイルは液体であるため、毛細管現象により、電極と電極に対向する部材との隙間を半導体装置の外部に向かってはい上がってしまうことがある。この結果、電極の表面が露出しているべき部分がシリコーンオイルに覆われてしまうことで、この電極を用いて電気的接続が行なわれる際に接続不良が生じてしまうことがある。

上記の問題を解決するために、たとえば特開２００５−１５０６２１号公報（第２図および第３図）によれば、第１の電極に対向する樹脂部材（電極に対向する部材）に窪み部が設けられる。この公報によれば、窪み部により第１の電極と樹脂部材との間の隙間が広くなるので毛細管現象を防止することができる、と記載されている。
特開２００５−１５０６２１号公報（第２図および第３図）

電極に対向する部材は、元来、半導体装置内部において、絶縁性などに関わる信頼性を確保するための機能を有している。しかしながら上記公報の技術においては、半導体装置外部へのシリコーンオイルのはい上がりを抑制するという観点以外の観点では、この部材の最適な形状が検討されていなかった。このため、この部材に設けられる窪み部の形状によっては、半導体装置内部における信頼性を低下させてしまうことがあった。

本発明は、上記の課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体装置内部の信頼性を維持しつつ、毛細管現象による封止材の半導体装置外部へのはい上がりを抑制することができる半導体装置を提供することである。

本発明の半導体装置は、半導体素子と、ベース板と、筐体と、第１の電極と、第２の電極と、封止材と、絶縁部とを備えている。ベース板は半導体素子を支持している。筐体は、ベース板の半導体素子を支持する側を囲っている。第１の電極は、筐体内において半導体素子に電気的に接続され、筐体を貫通している。第２の電極は、筐体内において半導体素子に電気的に接続され、筐体を貫通し、筐体内において空間を空けて第１の電極と対向する部分を有している。封止材は、空間内に液面が位置するように筐体内に注がれた液体材料が硬化されることで形成され、かつ半導体素子を封止している。絶縁部は、空間の液面より上の領域において第１の電極と第２の電極との間を遮り、液面より上の領域であって第１の電極と第２の電極との間において第１の電極と第２の電極とが対向する方向に沿った寸法が液面に向かって小さくなる端部を有している。

本発明によれば、絶縁部が、液面より上の領域において寸法が液面に向かって小さくなる端部を有しているため、液面上において絶縁部の周りに広い隙間が設けられることで毛細管現象が抑制される。また、この端部の形状により、液面よりも上の領域において液面から遠ざかるにつれて寸法が大きくなる部分が設けられるため、液面よりも上の領域において絶縁部の寸法を十分に確保することで半導体装置内部の信頼性を確保することができる。したがって、半導体装置内部の信頼性を維持しつつ、毛細管現象による封止材の半導体装置外部へのはい上がりを抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
（実施の形態１）
最初に本実施の形態の半導体装置の構成について説明する。図１は、本発明の実施の形態１における半導体装置の構成を概略的に示す部分断面図である。図２は、図１の概略的な部分上面図である。なお図２のＩ−Ｉ線に沿う断面が図１の断面に対応する。図３は、図２の半導体装置に用いられる筐体の概略的な部分上面図である。図４は、本発明の実施の形態１における半導体装置に封止材が充填される前の状態を、図１と同じ範囲について概略的に示す部分断面図である。図５は、図４のＶ−Ｖ線に沿う概略的な部分断面図である。

主に図１〜図５を参照して、本実施の形態の半導体装置１００ａは、２．５ｋＶ以上の高電圧および８００Ａ以上の大電流の少なくともいずれかを扱う必要のある場合に特に適しているパワー半導体モジュールである。半導体装置１００ａは、半導体素子４３と、ベース板４１と、筐体５２と、第１の電極１１と、第２の電極１２と、封止材３０と、絶縁部５１ａと、絶縁基板４２と、フランジナット６１と、アルミワイヤー４４とを有している。

半導体素子４３は、パワー半導体素子である。パワー半導体素子は、たとえば高速スイッチング素子またはダイオードである。高速スイッチング素子は、たとえばＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar transistor)である。半導体素子４３は絶縁基板４２上にハンダを介して設けられている。絶縁基板４２は、絶縁性のセラミック基板と、セラミック基板の上面側（半導体素子４３側）に設けられた配線パターンと、セラミック基板の下面側（ベース板４１側）に設けられた金属層とを有している。配線パターンおよび金属層の材質は、たとえば銅またはアルミニウムである。半導体素子４３と配線パターンとは、ハンダまたはアルミワイヤー４４により電気的に接合されている。

ベース板４１は絶縁基板４２の下面側にハンダを介して接合されている。これによりベース板４１は絶縁基板４２を介して半導体素子４３を支持している。ベース板４１の材質は、熱伝導率が良好な材質であり、たとえば銅、またはアルミニウム合金である。

筐体５２は、ベース板４１の半導体素子４３を支持する側を囲っている。筐体５２は一体成型された樹脂部材５０ａの一部である。樹脂部材５０ａは、ＰＰＳ：Polyphenylenesulfide（ポリフェニレンサルファイド）樹脂などの射出成形（インジェクションモールド）により形成されている。筐体５２は、上面（図３に示す面）に、スリット状の開口部Ｓ１、Ｓ２と、凹部ＮＲ、ＮＲとを有している。凹部ＮＲは、フランジナット６１が嵌め込まれる形状と、半導体装置の使用時にフランジナット６１に取り付けられるネジ（図示せず）の先端が筐体５２と衝突しないようにするためのネジ挿入部ＳＨとを有している。

第１の電極１１および第２の電極１２の各々は、ハンダを介して絶縁基板４２上の配線パターンに接続されている。この配線パターンを介して筐体５２内において第１の電極１１および第２の電極１２の各々は半導体素子４３に電気的に接続されている。第１の電極１１および第２の電極１２のそれぞれは、たとえば半導体装置１００ａのコレクタ電極およびエミッタ電極である。第１の電極１１および第２の電極１２のそれぞれは、絶縁基板４２上から筐体５２の開口部Ｓ１、Ｓ２を貫通して筐体５２の外部に引き出されている。

第２の電極１２は、筐体５２内において寸法Ｄｚ（図１）の空間を空けて第１の電極１１と対向する部分（図１において第１の電極１１と第２の電極１２とが上下方向に並走する部分）を有している。このように第１の電極１１と第２の電極１２とが対向する部分が設けられることにより、第１の電極１１および第２の電極１２を含む電流経路のインダクタンスが低減されている。第１の電極１１および第２の電極１２は、導電率が比較的高い銅にニッケルメッキが施されることにより形成されている。なお第１の電極１１および第２の電極１２のそれぞれは、樹脂部材５０ａが形成された後に樹脂部材５０ａに取り付けられている。

封止材３０は、シリコーンゲルからなり、上記の空間内に液面ＦＬが位置するように筐体５２内に注がれたシリコーンオイル（液体材料）が硬化されることで形成されている。封止材３０は半導体素子４３を封止している。

絶縁部５１ａは一体成型された樹脂部材５０ａの一部である。すなわち筐体５２と絶縁部５１ａとは一体成形されている。絶縁部５１ａは、第１の電極１１と第２の電極１２とが対向する空間の液面ＦＬより上の領域において、第１の電極１１と第２の電極１２との間を遮っている。絶縁部５１ａは、図１に示すように、液面ＦＬよりも上の領域において第１の電極１１と第２の電極１２とが対向する方向（図１における横方向）に沿った寸法が液面ＦＬに向かって徐々に小さくなるテーパ部を有している。この結果、液面ＦＬの高さにおいて、絶縁部５１ａと、第１の電極１１および第２の電極１２の各々との間に寸法Ｄａの隙間が形成されている。

寸法Ｄａは、硬化前の封止材３０、すなわちシリコーンオイルに、破線部Ｃ１ａ、Ｃ２ａにおける毛細管現象が生じることを抑制するのに十分な寸法である。毛細管現象の抑制作用を得るためには、寸法Ｄａは１ｍｍ以上であることが好ましく、より高い作用を得るためには２ｍｍ以上であることがより好ましい。一方、パワー半導体モジュールにおいて第１の電極１１および第２の電極１２を含む電流経路のインダクタンスが過度に大きくならないようにするためには、寸法Ｄｚを１０ｍｍ以下に抑えることが好ましい。定義上、寸法Ｄａの２倍の値は寸法Ｄｚを超えることができないことから、寸法Ｄｚが１０ｍｍ以下の場合、寸法Ｄａは１０ｍｍ／２＝５ｍｍよりも小さな寸法である。よって寸法Ｄａは、１ｍｍ以上５ｍｍ未満であることが好ましい。したがって毛細管現象を十分に抑制しつつインダクタンスをできるだけ抑えるためには、寸法Ｄａは２ｍｍが最も好ましい。

また絶縁部５１ａは、図１に示すように、液面ＦＬより下方において、第１の電極１１と第２の電極１２とが対向する方向が液面ＦＬから離れるにつれて小さくなるような形状を有している。また絶縁部５１ａは、図１に示すように、第１の電極１１および第２の電極１２の各々に接する部分を有している。また絶縁部５１ａは、図１および図２に示すように、第１の電極１１と第２の電極１２とが対向する空間を筐体５２の外部から封止している。また、図１に示すように、絶縁部５１ａは、第１の電極１１および第２の電極１２の各々よりも封止材３０に浅く埋め込まれている。

次に比較例の半導体装置について説明する。図６は、比較例の半導体装置の構成を概略的に示す部分断面図である。

図６を参照して、比較例の半導体装置１００ｚは、本実施の形態の半導体装置の絶縁部５１ａの代わりに、絶縁部５１ｚを有している。絶縁部５１ｚは、絶縁部５１ａと同様に筐体５２と一体成形されている。この一体成形の後に第１の電極１１および第２の電極１２が取り付けられるため、絶縁部５１ｚと、第１の電極１１および第２の電極１２の各々との界面にはわずかな隙間（図６において図示せず）が存在している。この隙間における毛細管現象により、硬化前の封止材３０であるシリコーンオイルが破線部Ｃ１ｚ、Ｃ２ｚから半導体装置１００ｚの外部へはい上がる。この結果、筐体５２の外部に引き出されている第１の電極１１および第２の電極１２の上面にシリコーンオイルが染み出す。

このようにシリコーンオイルの染み出しが生じる結果、第１の電極１１および第２の電極１２を用いて電気的接続が行なわれる際に、電気抵抗が高くなってしまうことがある。また染み出したオイルは半導体装置１００ｚの上面側から容易に視認されるため、半導体装置１００ｚの外観が損なわれることがある。

なお絶縁部５１ｚの先端（図中の下端）の角部は面取りがなされているが、この面取りされた部分は完全に液面ＦＬに没している。したがって、この面取りは毛細管現象の抑制には寄与しない。

本実施の形態によれば、図１に示すように、絶縁部５１ａが、液面ＦＬより上の領域において寸法が液面に向かって小さくなるテーパ部を有している。このため液面ＦＬの高さにおいて、絶縁部５１ａと、第１の電極１１および第２の電極１２の各々との間に寸法Ｄａの隙間が設けられる。これにより封止材３０を形成するための液体材料であるシリコーンオイルが毛細管現象により半導体装置１００ａの外部にはい上がることが抑制される。

また絶縁部５１ａは、液面ＦＬよりも上の領域において液面ＦＬから遠ざかるにつれて、第１の電極１１と第２の電極１２とが対向する方向に沿った寸法が大きくなる部分が設けられる。よって、封止材３０による信頼性の確保が行なわれない領域である液面ＦＬ上の領域において絶縁部５１ａの寸法が十分に確保された部分が設けられる。よって半導体装置１００ａ内部の信頼性を確保することができる。

また絶縁部５１ａは、液面ＦＬよりも上の領域、すなわち封止材３０が充填されていない領域において、第１の電極１１および第２の電極１２の各々に接する部分を有している。これにより第１の電極１１および第２の電極１２の封止材３０により支持されていない部分を絶縁部５１ａにより支持することができる。よって第１の電極１１と第２の電極１２との間隔寸法のズレを抑制することができる。この間隔寸法のズレの抑制のためには、好ましくは、図１に示すように、絶縁部５１ａは液面ＦＬ上において寸法Ｄｚを有する部分を含む。これにより確実に第１の電極１１および第２の電極１２の間隔を寸法Ｄｚに維持することができる。

また筐体５２および絶縁部５１ａは一体成形されている。これにより筐体５２および絶縁部５１ａを一括して成形できるので、成形のコストを抑制することができる。また筐体５２と絶縁部５１ａとを組合わせる工程が不要となる。また筐体５２と絶縁部５１ａとを組合わせることにより生じる寸法精度の低下を避けることができる。

また絶縁部５１ａは、図１に示すように、第１の電極１１および第２の電極１２の各々よりも封止材３０に浅く埋め込まれるような寸法を有している。このため絶縁部５１ａは、第１の電極１１および第２の電極１２の各々に比して、液面ＦＬに垂直な方向に沿って短い寸法を有している。よって第１の電極１１および第２の電極１２の障害にならないように絶縁部５１ａが複雑な形状を取りつつ延びる必要がない。したがって絶縁部５１ａの形状を単純化できるため、絶縁部５１ａの成形を簡易な金型により行なうことができる。また筐体５２に第１の電極１１および第２の電極１２が取り付けられる工程において、絶縁部５１ａが取り付け作業の障害になることを抑制することができる。なお絶縁部５１ａと樹脂部材５０ａとが一体成形されている場合、絶縁部５１ａを第１の電極１１および第２の電極１２よりも後に筐体５２に取り付けることができないので、上記の効果は特に大きくなる。

また絶縁部５１ａは、図１および図２に示すように、第１の電極１１および第２の電極１２とが対向して形成される空間を筐体５２の外部から封止している。これにより筐体５２の外部から内部へ異物が侵入することで半導体装置１００ａの信頼性が低下することを防止することができる。

また絶縁部５１ａは、図１に示すように、液面ＦＬより下方において、第１の電極１１および第２の電極１２が対向する方向に沿った寸法が液面ＦＬから離れるにつれて小さくなるような形状を有している。これにより絶縁部５１ａ全体の形状を一の方向（図１における下方向）に向かって上記寸法が小さくなるような形状とすることができる。よってこの一の方向を金型の抜き方向として絶縁部５１ａを形成することができる。また筐体５２の部分も上記一の方向を金型の抜き方向として形成することができるので、絶縁部５１ａと筐体５２とを１つの簡便な金型で一体成形することができる。

（実施の形態２）
図７は、本発明の実施の形態２における半導体装置の構成を概略的に示す部分断面図である。図７を参照して、本実施の形態の半導体装置１００ｂは、実施の形態１の絶縁部５１ａの代わりに、絶縁部５１ｂを有している。筐体５２と絶縁部５１ｂとは一体成形されている。絶縁部５１ｂは、第１の電極１１と第２の電極１２とが対向する空間の液面ＦＬより上の領域において、第１の電極１１と第２の電極１２との間を遮っている。

絶縁部５１ｂは、液面ＦＬよりも上の領域において第１の電極１１と第２の電極１２とが対向する方向（図７における横方向）に沿った寸法が液面ＦＬに向かってステップ状に小さくなるステップ部を端部として有している。この結果、液面ＦＬの高さにおいて、絶縁部５１ｂと、第１の電極１１および第２の電極１２の各々との間に、実施の形態１と同様の寸法Ｄａの隙間が形成されている。

また絶縁部５１ｂは、液面ＦＬより下方において、第１の電極１１と第２の電極１２とが対向する方向の寸法が一定となるような形状を有している。また絶縁部５１ｂは、第１の電極１１および第２の電極１２の各々に接する部分を有している。また絶縁部５１ｂは、第１の電極１１と第２の電極１２とが対向する空間を筐体５２の外部から封止している。また、絶縁部５１ｂは、第１の電極１１および第２の電極１２の各々よりも封止材３０に浅く埋め込まれている。

なお上記以外の構成については、上述した実施の形態１の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。

本実施の形態によれば、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。また実施の形態１に比して絶縁部５１ｂと第１の電極１１および第２の電極１２の各々との隙間が寸法Ｄａとなる部分が液面ＦＬ上により長く形成されるので、より確実に封止材３０の液体材料の毛細管現象を抑制することができる。

（実施の形態３）
図８は、本発明の実施の形態３における半導体装置の構成を概略的に示す部分断面図である。図８を参照して、本実施の形態の半導体装置１００ｃは、実施の形態１の構成に加えてさらに、樹脂部７１を有している。樹脂部７１は、液面ＦＬより上方において、第１の電極１１および第２の電極１２の各々と絶縁部５１ａとの隙間を封止している。樹脂部７１の材質はシリコーンゴムにより形成されている。

次に樹脂部７１の形成方法について説明する。図９は、本発明の実施の形態３における半導体装置の樹脂部の形成方法を説明するための概略的な部分断面図である。

図９を参照して、絶縁部５１ａの先端が重力方向の上方とされた状態で、樹脂部７１の原料となる流動性材料７２が塗布される。塗布された流動性材料７２は、図中矢印のように流れ落ちた後に、第１の電極１１および第２の電極１２の各々と、絶縁部５１ａとの隙間に沿った形状に硬化する。これにより図８に示す樹脂部７１が形成される。

本実施の形態によれば、図８に示すように、液面ＦＬより上方において、樹脂部７１により第１の電極１１および第２の電極１２の各々と絶縁部５１ａとの隙間が封止される。この樹脂部７１により、１０年程度の長い時間の経過にともなって硬化後の封止材３０から生じるオイル成分が絶縁部５１ａと第１の電極１１および第２の電極１２の各々との間を通って筐体５２の外部に染み出すことを抑制することができる。特に半導体装置１００ｃが上下逆様の状態（図８の上下逆様の状態）で用いられる場合、この染み出しが重力により促進されてしまうので、樹脂部７１はこの染み出しを抑制するために有用である。

また樹脂部７１は、第１の電極１１および第２の電極１２の各々と、絶縁部５１ａとの隙間に沿った形状を有するので、確実に上記の染み出しを抑制することができる。

なお樹脂部７１の材質はシリコーンゴムに限定されるものではなく、たとえばエポキシ樹脂またはポリアミド樹脂を用いることもできる。

（実施の形態４）
図１０は、本発明の実施の形態４における半導体装置の構成を概略的に示す部分断面図である。図１０を参照して、本実施の形態の半導体装置１００ｄは、実施の形態１の構成に加えてさらに、Ｏリング８０（樹脂部）を有している。Ｏリング８０は絶縁部５１ａの周りを囲むように取り付けられており、液面ＦＬより上方において第１の電極１１および第２の電極１２の各々と絶縁部５１ａとの隙間を封止している。Ｏリング８０は、弾性体からなり、かつ環状の形状を有している。

図１１は、本発明の実施の形態４の変形例における半導体装置の構成を概略的に示す部分断面図である。図１１を参照して、本変形例の半導体装置１００ｅは、本実施の形態の半導体装置１００ｄのＯリング８０に代わって、Ｏリング８０１、８０２を有している。Ｏリング８０１、８０２のそれぞれは、第１の電極１１および第２の電極１２の周りを囲むように取り付けられている。これによりＯリング８０１、８０２のそれぞれは、液面ＦＬより上方において第１の電極１１および第２の電極１２と絶縁部５１ａとの隙間を封止している。Ｏリング８０１、８０２の各々は、弾性体からなり、かつ環状の形状を有している。

本実施の形態およびその変形例によれば、実施の形態３と同様に、硬化後の封止材３０から生じるオイル成分の染み出しを抑制することができる。また実施の形態３における流動性材料７２の塗布の工程に代わってＯリング８０またはＯリング８０１、８０２を取り付ける工程を行なうことができるので、工程を簡略化することができる。

なお上記の各実施の形態においては、絶縁部５１ａ、５１ｂの各々は筐体５２と一体成形されていたが、本発明はこれに限定されるものではなく、絶縁部５１ａ、５１ｂの各々と筐体５２とが別途形成された後に組合わされてもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、半導体素子と電極とを有する半導体装置に特に有利に適用され得る。

本発明の実施の形態１における半導体装置の構成を概略的に示す部分断面図である。図１の概略的な部分上面図である。図２の半導体装置に用いられる筐体の概略的な部分上面図である。本発明の実施の形態１における半導体装置に封止材が充填される前の状態を、図１と同じ範囲について概略的に示す部分断面図である。図４のＶ−Ｖ線に沿う概略的な部分断面図である。比較例の半導体装置の構成を概略的に示す部分断面図である。本発明の実施の形態２における半導体装置の構成を概略的に示す部分断面図である。本発明の実施の形態３における半導体装置の構成を概略的に示す部分断面図である。図９は、本発明の実施の形態３における半導体装置の樹脂部の形成方法を説明するための概略的な部分断面図である。本発明の実施の形態４における半導体装置の構成を概略的に示す部分断面図である。本発明の実施の形態４の変形例における半導体装置の構成を概略的に示す部分断面図である。

符号の説明

ＦＬ液面、１１第１の電極、１２第２の電極、３０封止材、４１ベース板、４２絶縁基板、４３半導体素子、５０ａ樹脂部材、５１ａ絶縁部、５２筐体、１００ａ半導体装置。

Claims

半導体素子と、
前記半導体素子を支持するベース板と、
前記ベース板の前記半導体素子を支持する側を囲う筐体と、
前記筐体内において前記半導体素子に電気的に接続され、前記筐体を貫通する第１の電極と、
前記筐体内において前記半導体素子に電気的に接続され、前記筐体を貫通し、前記筐体内において空間を空けて前記第１の電極と対向する部分を有する第２の電極と、
前記空間内に液面が位置するように前記筐体内に注がれた液体材料が硬化されることで形成され、かつ前記半導体素子を封止する封止材と、
前記空間の前記液面より上の領域において前記第１の電極と前記第２の電極との間を遮り、前記液面より上の領域であって前記第１の電極と前記第２の電極との間において前記第１の電極と前記第２の電極とが対向する方向に沿った寸法が前記液面に向かって小さくなる端部を有する絶縁部とを備えた、半導体装置。
前記絶縁部は、前記第１の電極および前記第２の電極の各々に接する部分を有する、請求項１に記載の半導体装置。
前記筐体および前記絶縁部は一体成形されている、請求項１または２に記載の半導体装置。
前記絶縁部は、前記第１の電極および前記第２の電極の各々よりも前記封止材に浅く埋め込まれている、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置。
前記空間は、前記絶縁部により前記筐体の外部から封止されている、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体装置。
前記絶縁部の前記端部のうち前記液面より下方における部分は、前記方向に沿った寸法が前記液面から離れるにつれて小さくなるような形状、および前記方向に沿った寸法が一定となるような形状のいずれかの形状を有する、請求項１〜５のいずれかに記載の半導体装置。
前記液面より上方において、前記第１の電極および前記第２の電極の少なくとも一方と前記絶縁部との隙間を封止する樹脂部をさらに備えた、請求項１〜６のいずれかに記載の半導体装置。
前記樹脂部は、流動性材料が前記隙間に沿った形状に硬化されることで形成されている、請求項７に記載の半導体装置。
前記樹脂部は、弾性体からなり、かつ環状の形状を有する、請求項７に記載の半導体装置。