JP5368492B2 - パワー半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、パワー半導体素子を実装したパワー半導体装置に関するものである。

パワー半導体装置は、電気的な絶縁を確保しながら、パワー半導体素子から発生した熱を効率よく放出することが必要である。従来、回路配線の形成されたセラミックス基板や金属芯基板上にパワー半導体素子を搭載したものを熱可塑性樹脂からなる枠ケースに固定し、シリコーンゲルまたはエポキシ樹脂を注入してそれを封止することが一般的であった。しかし、このパワー半導体装置は製造コストが高いことが課題であり、製造コストを下げるために、パワー半導体素子を接続するリードフレームを用い、高熱伝導性の封止樹脂でモールドするパワー半導体装置が開発されている（例えば特許文献１）。このような封止樹脂でモールドするトランスファーモールド型パワー半導体装置は、生産性に優れているため、製造コストを安くすることができる。また、シリコーンゲルとは異なり、弾性率の高い樹脂で全体を覆うことから、ヒートサイクル性やパワーサイクル性などの信頼性も高い。

特許文献１には、半導体素子を搭載した電子モジュールに関し、放熱性を向上するために、金属板上に、リードフレームを、絶縁層を介して設けたことを特徴とする樹脂モールド用回路基板と電子パッケージが提案されている。予めリードフレームを金属板上に絶縁層を介して配設して、一度の樹脂封止操作（トランスファー成形）することにより、半導体素子から金属板への熱放散性が優れた電子モジュールを安価に提供しようとしていた。

特開２００１−１９６４９５号公報（図１）

最近では、低消費電力化の視点から、パワー半導体装置の印加電圧及び動作温度は高くなりつつある。特許文献１に示された技術にあっては、一度のトランスファー成形によって樹脂封止されているので、パワー半導体素子から金属板への熱放散性が優れたパワー半導体装置を安価に提供することができるものの、印加電圧及び動作温度が高くなると上記絶縁層の耐電圧性をさらに向上させることが求められる。

絶縁層の放熱性と耐電圧性はトレードオフの関係にあり、必ずしも高放熱性と高耐電圧性が両立しない。例えば、高い耐電圧性を持たせるには絶縁層の厚さを厚くする必要があるが、高放熱性が得られなくなる恐れがある。逆の場合も言える。従って、パワー半導体装置の信頼性を確保するために、絶縁層の物性や構造の改良に留まらず、高い電界にも耐えられるようなパワー半導体装置の封止構造が求められる。

本発明は、十分な放熱性を維持するとともに、耐電圧性を向上させることのできるパワー半導体装置を得ることを目的としている。

本発明に係るパワー半導体装置は、半導体素子と、半導体素子が実装されたヒートスプレッダと、ヒートスプレッダに半導電層及び絶縁シートを介して配置された金属箔とが、封止樹脂で封止された。金属箔は露出しており、半導電層は、ヒートスプレッダにおける
半導体素子が実装された実装面の反対側と、絶縁シートとの間に配置された。

本発明によれば、半導電層がヒートスプレッダと、絶縁シートとの間に配置されたので、十分な放熱性を維持するとともに、耐電圧性を向上させることができる。

本発明の実施の形態１によるパワー半導体装置を示す断面図である。 図１のパワー半導体装置の要部を示す図である。 本発明の実施の形態１によるパワー半導体装置の電圧印加部を示す図である。 図３に対応した比較の形態によるパワー半導体装置の電圧印加部を示す図である。 本発明の実施の形態１によるパワー半導体装置の半導電層の他の例を示す図である。 本発明の実施の形態１による他のパワー半導体装置を示す断面図である。 本発明の実施例１及び比較例１の結果を示した図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１によるパワー半導体装置を示す断面図であり図２は、実施の形態１によるパワー半導体装置の要部を示す図である。図２（ａ）は側断面図であり、図２（ｂ）は半導体素子１側から見た上面図である。パワー半導体装置２０は、トランスファーモールド型パワー半導体装置である。半導体素子１は、例えば、ＩＧＢＴやダイオードなどのパワー半導体素子である。半導体素子１は、ヒートスプレッダ２に実装されている。ヒートスプレッダ２は、リードフレーム６ｂに接続されている。半導体素子１は、複数の電極を有する。例えば、半導体素子１の表面に形成された第１の電極はボンディングワイヤ７によりリードフレーム６ａに接続され、半導体素子１の裏面に形成された第２の電極はヒートスプレッダ２を介してリードフレーム６ｂに接続される。半導体素子１は、従来から用いられてきたケイ素（Ｓｉ）で形成された素子や、ケイ素（Ｓｉ）で形成された素子よりも高温動作が可能な炭化ケイ素（ＳｉＣ）で形成された素子を用いることができる。

ヒートスプレッダ２における半導体素子１が実装されている実装面と反対側の面には、外部と電気的に絶縁することを目的とした金属箔４付き絶縁シート３が半導電層８を介して配置される。絶縁シート３は、金属箔４と密着して配置されている。半導電層８は、ヒートスプレッダ２と絶縁シート３との間に密着して配置されている。

トランスファーモールド型のパワー半導体装置２０は、これらの半導体素子１やリードフレーム６ａ、６ｂ、ボンディングワイヤ７、ヒートスプレッダ２、半導電層８、絶縁シート３、金属箔４を封止するように封止樹脂５で封止された構造を有する。金属箔４は外部に露出している。パワー半導体装置２０において、半導体素子１からの熱は、ヒートスプレッダ２、絶縁性シート３と金属箔４を通じて外部に放出される。図１に示した例では、半導電層８は、半導体素子１が実装されない側の表面において、ヒートスプレッダ２との界面１２と、封止樹脂５との界面１３を有する。図２（ｂ）に示したように、半導電層８は、その周辺部がヒートスプレッダ２よりも外側に延伸しており、ヒートスプレッダ２よりも面積が広い。また、絶縁シート３は、その周辺部がヒートスプレッダ２よりも外側に延伸しており、ヒートスプレッダ２よりも面積が広い。ここで、半導電層の端部とヒートスプレッダ２の端部との長さを、半導電層端部長Ｍと呼び、絶縁シート３の端部とヒートスプレッダ２の端部との間の長さを、絶縁シート端部長Ｌと呼ぶことにする。図２の例
では、絶縁シート３の４つの端部において、半導電層端部長Ｍ及び絶縁シート端部長Ｌが異なる場合を示している。それぞれの半導電層端部長ＭはＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４であり、それぞれの絶縁シート端部長はＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４である。

絶縁シート３は、熱伝導フィラーがエポキシ樹脂に充填されたコンパウンド構造体である。熱伝導フィラーは、シリカ、アルミナなどの酸化物あるいは、最近ではより熱伝導率を向上させるため、窒化アルミニウムや窒化硼素等の窒化物が用いられる。半導電層８としては、導電性フィラーが絶縁性高分子に充填された複合体、またはπ電子系導電性高分子のいずれかを用いることができる。

半導電層８の役割について、図２乃至図４を参照しつつ説明する。図３は本発明の実施の形態１によるパワー半導体装置の電圧印加部を示す図であり、図４は図３に対応した比較の形態によるパワー半導体装置の電圧印加部を示す図である。図３は、高い電圧が印加される電圧印加部となるヒートスプレッダ２から金属箔４との間の構造を示している。図４は、図３において半導電層８のみを外した構造である。なお、いずれの場合においても、長期使用した際に微小な空隙９、１０（剥離、クラックなど）が発生した場合を示している。空隙９はヒートスプレッダ２と半導電層８との界面１２において発生したものであり、空隙１０はヒートスプレッダ２と絶縁シート３との界面１４において発生したものである。

図４に示した比較の形態の構造では、ヒートスプレッダ２は金属材料であり、絶縁シート３は熱伝導フィラーがエポキシ樹脂に充填されたコンパウンド構造体であることから、それぞれの熱膨張係数や、弾性率などの物性値が異なる。長期高温の環境下や、高温高湿環境下で使用する場合には、応力によって界面１４において微小の欠陥１０が生じる場合がある。ヒートスプレッダ２と金属箔４との間に高い電圧が印加した場合、すなわち絶縁シート３に印加する電界が高い場合、微小な空隙１０において部分放電が発生する恐れがある。部分放電が発生すると、絶縁シート３が劣化し、極端な場合には絶縁シート３が絶縁破壊することにより、パワー半導体装置２０が破壊されることが考えられる。

これに対して、図３に示した実施の形態１の構造では、ヒートスプレッダ２と金属箔４との間に半導電層８が介在することにより、半導電層８内部で電界が緩くなる電界緩和の作用が働く。ヒートスプレッダ２と金属箔４との間に高い電圧が印加した場合、長期使用により、ヒートスプレッダ２と半導電層８との界面１２において微小な空隙９が発生しても、この空隙９には半導電層８における電界緩和の作用によって、空隙９において高い電界が印加されることがない。これについて説明する。半導電層８の体積抵抗が絶縁シート３に比べてかなり低いので、金属箔４と絶縁シート３における半導体素子１側の面との電位差が、金属箔４とヒートスプレッダ２との電位差の大部分となり、ヒートスプレッダ２と半導電層８との電位差は非常に小さくなる。即ち、空隙９にかかる電界が低くなる。従って、空隙９においては、部分放電が殆ど発生しない。部分放電が殆ど発生しないことにより、絶縁シート３は、比較の形態とは異なり、放電によって劣化することがなく、パワー半導体装置２０の寿命を延ばすことができる。

半導電層８は、導電性フィラーが絶縁性高分子に充填された複合体、またはπ電子系導電性高分子を用いる場合は、ある程度薄くしても電界緩和の効果がある。したがって、半導電層８の厚さを極端に厚くすることなく、十分薄くできるので、ヒートスプレッダ２と金属箔４との間の放熱性を大きく損なうことがない。

以上のように、実施の形態１のパワー半導体装置２０は、十分な放熱性を維持するとともに、その耐電圧性を向上させることができる。また、実施の形態１のパワー半導体装置２０は、トランスファーモールド型パワー半導体装置なので、従来と同様に生産性に優れ
ているため、製造コストを安くすることができる。また、シリコーンゲルとは異なり、弾性率の高い樹脂で全体を覆うことから、ヒートサイクル性やパワーサイクル性などの信頼性も高い。

半導電層８として、第１の例である導電性フィラーが絶縁性高分子に充填された複合体を用いる場合、導電性フィラーとしては、カーボンブラック（炭素の微粒子）や金属粒子などが良い。絶縁性高分子としては、ポリイミドやエポキシ樹脂などを使用すると良い。一例として、絶縁高分子は絶縁シート３と同じ組成でも良い。半導電層８は、予め絶縁シート３の上に載せておいても良い。金属箔４、絶縁シート３及び半導電層８の積層体の上に、ヒートスプレッダ２に実装され、リードフレーム６ａにボンディングワイヤ７でワイヤリングされた半導体素子１を載せて、モールドする。

半導電層８として、第２の例である導電性高分子を用いる場合、例えばポリアニリン、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアルキルチオフェンなどが用いられる。これらの導電性高分子自体は体積抵抗率が高いが、ヨウ素などの電子受容体（アクセプタ）やアルカリ金属などの電子供与体（ドナー）等をドーピングによって、体積抵抗率が制御でき、電界緩和の効果を奏することができる。上記と同様に、導電性高分子層である半導電層８は、予め絶縁シート３の上に載せておいても良い。金属箔４、絶縁シート３及び半導電層８の積層体の上に、ヒートスプレッダ２に実装され、リードフレーム６ａにボンディングワイヤ７でワイヤリングされた半導体素子１を載せて、モールドする。

また、半導電層８としては、その体積抵抗率を１０^−１〜１０^１０Ω・ｃｍにすることが望ましい。体積抵抗率が大きすぎる場合、電界緩和効果が低減する。

半導電層８の厚さについては、以下の内容を考慮し決定した。電界緩和の観点から、厚さの影響は少ないが、放熱性の観点から薄いほうが好ましい。しかし、プレス時の変形はミクロてきに均一でないため、薄すぎると、ヒートスプレッダ２の表面粗さなどの状況や、モールド時の圧力などの状況から、ヒートスプレッダ２と絶縁シート３とが直接接触する場合が考えられる。ヒートスプレッダ２と絶縁シート３とが直接接触すると、半導電層８による電界緩和の効果がなくなる。従って、電界緩和と放熱性のバランスを考慮して、厚さを５〜３０μｍにすることが好ましい。

半導電層８の面積の大きさについては、以下の内容を考慮して決定した。半導電層８の面積がヒートスプレッダ２の面積より小さい場合、電界緩和の効果が殆どないので、半導電層８はヒートスプレッダ２から少しはみ出したほうが良い。しかし、半導電層８の面積が大き過ぎると、絶縁シート３の表面における半導電層８の端部から金属箔４まで距離が短くなり、絶縁性が低下する可能性がある。従って、界面１３の長さ、すなわち半導電層端部長Ｍ（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４）は、それぞれの端部において、５μｍ以上、図２に示した絶縁シート端部長Ｌ（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４）の半分以下であることが好ましい。

実施の形態１のパワー半導体装置２０によれば、半導体素子１と、半導体素子１が実装されたヒートスプレッダ２と、ヒートスプレッダ２に半導電層８及び絶縁シート３を介して配置された金属箔４とが、封止樹脂５で封止され、金属箔４は露出しており、半導電層８は、ヒートスプレッダ２における半導体素子１が実装された実装面の反対側と、絶縁シート３との間に配置されたので、十分な放熱性を維持するとともに、その耐電圧性を向上させることができる。

なお、パワー半導体装置２０（２０ａ）における半導電層８を絶縁シート３の上に平面的に形成する例で説明したが、図５及び図６に示すように、半導電層８をヒートスプレッ
ダ２に形成しても良い。図５は実施の形態１によるパワー半導体装置の半導電層の他の例を示す図であり、図６は実施の形態１による他のパワー半導体装置を示す断面図である。図６に示したパワー半導体装置２０（２０ｂ）の場合は、半導電層８においてヒートスプレッダ２の外周面（側面）に延伸した延伸部を有する。パワー半導体装置２０ｂは、半導電層８の延伸部により、空隙９ができやすいヒートスプレッダ２の角部（界面１２が存在するヒートスプレッダ２の下面の周辺部）を半導電層８で覆うので、パワー半導体装置２０ａよりも、空隙９の発生を抑えることができる。したがって、パワー半導体装置２０ｂは、パワー半導体装置２０ａよりも、部分放電の発生確率が小さくなり、さらに寿命を延ばすことができる。

また、半導体素子１は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）以外に、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドを用いることができる。たとえば、スイッチング素子や整流素子として機能する半導体素子１に、炭化ケイ素（ＳｉＣ）や、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドを用いた場合、従来から用いられてきたケイ素（Ｓｉ）で形成された素子よりも電力損失が低いため、電力用半導体装置等の半導体装置の高効率化が可能となる。また、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、パワー半導体装置の小型化が可能となる。さらにワイドバンドギャップ半導体素子は、耐熱性が高いので、高温動作が可能であり、ヒートシンクの放熱フィンの小型化や、水冷部の空冷化も可能となるので、パワー半導体装置の一層の小型化が可能になる。

ワイドバンドギャップ半導体素子の性能を発揮するには、半導体素子１で発生した熱を効率よく放熱する必要がある。そのため、本発明の実施の形態に記載した構造のパワー半導体装置２０は、放熱特性が優れるとともに、耐電圧性を向上させることができるので、信頼性の高いパワー半導体装置やパワー半導体モジュールを得ることができる。

以下、実施例により本発明の詳細を説明するが、これらによって本発明が限定されるものではない。図７は、本発明の実施例１及び比較例１の結果を示した図である。

［実施例１］
本実施例は実施の形態１に基づいて、実施している。サイズ２０ｍｍ×３０ｍｍ×３ｍｍの銅からなるヒートスプレッダ２の上に、チップ状にダイシングされた半導体素子１をはんだ材を用いて実装する。この際、リードフレーム６ｂとヒートスプレッダ２とも、はんだ材を用いて接合を行う。リードフレーム６ａと半導体素子１とを電気的に接続するために、ボンディングワイヤ７にて接続を行う。

銅の金属箔（銅箔）４（サイズ２５ｍｍ×３５ｍｍ×０．１ｍｍ）の上に、エポキシ樹脂に高熱伝導性無機充填材を含有した半硬化状態の絶縁シート３を形成した後、その上に半導電層８を載せる。半導電層８のサイズは２１ｍｍ×３１ｍｍ×０．０２ｍｍである。体積抵抗率は１０^４Ω・ｃｍである。半導電層８の材料はガラス転移温度が１６０℃のエポキシ樹脂にカーボンブラックを添加したものである。トランスファーモールド成型機において、半導電層８と絶縁シート３と金属箔４とを一体化した積層体を金型上に設置し、その上に半導体素子１を実装したヒートスプレッダ２及びリードフレーム６ａ、６ｂを設置し、封止樹脂５にて全体を覆うように封止を行う。その後、トランスファーモールド成型機において、封止樹脂５の後硬化を行う。

封止樹脂５はガラス転移温度１６０℃、熱膨張係数１４×１０^−６/Ｋの特性を有する
樹脂である。最終的なパワー半導体装置２０のパッケージサイズは、３０ｍｍ×４０ｍｍ×８ｍｍとなる。

［比較例１］
比較例１のパワー半導体装置として、実施例１のパワー半導体装置から半導電層８を設置せずに封止樹脂５により封止を行った状態のものを作成した。

実施例１および比較例１のパワー半導体装置を、それぞれ３個作成し、これらを高温バイアス試験に投入した。なお、高温バイアス試験は１５０℃で実施しており、絶縁シート３には１０００Ｖの直流電圧を印加し、具体的には、上述の電圧印加部となる金属箔４とリードフレーム６ｂとの間に１０００Ｖの直流電圧を印加し、破壊するまで評価を行った。図７に試験結果を示す。図７に示した数値は、絶縁破壊寿命比であり、比較例１の絶縁破壊寿命の平均値に対して、個々の絶縁破壊寿命の比率を示したものである。比較例１のパワー半導体装置の絶縁破壊寿命比は、１．１１、０．９４、０．８５であった。これに対して、実施例１のパワー半導体装置は、全ての絶縁破壊寿命比は５以上となり、比較例１のパワー半導体装置に比べて絶縁破壊寿命が長いことが検証された。

１…半導体素子、２…ヒートスプレッダ、３…絶縁シート、４…金属箔、５…封止樹脂、６a…リードフレーム、６ｂ…リードフレーム、7…ボンディングワイヤ、８…半導電層、９…ヒートスプレッダと半導電層との界面の空隙、１０…ヒートスプレッダと絶縁シートとの界面の空隙、１２…ヒートスプレッダと絶縁シートとの界面、１３…封止樹脂と半導電層との界面、１４…封止樹脂と絶縁シートとの界面、Ｌ、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４…絶縁シート端部長、Ｍ、Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４…半導電層端部長。

Claims (8)

1. 半導体素子と、前記半導体素子が実装されたヒートスプレッダと、前記ヒートスプレッダに半導電層及び絶縁シートを介して配置された金属箔とが、封止樹脂で封止されたパワー半導体装置であって、
   前記金属箔は露出しており、
   前記半導電層は、前記ヒートスプレッダにおける前記半導体素子が実装された実装面の反対側と、前記絶縁シートとの間に配置されたことを特徴とするパワー半導体装置。
2. 前記半導電層は、前記ヒートスプレッダの外周面に延伸した延伸部を有することを特徴とする請求項１記載のパワー半導体装置。
3. 前記半導電層は、導電性フィラーが絶縁性高分子に充填された複合体であることを特徴とする請求項１または２に記載のパワー半導体装置。
4. 前記半導電層は、π電子系導電性高分子であることを特徴とする請求項１または２に記載のパワー半導体装置。
5. 前記半導電層は、体積抵抗率が１０^−１〜１０^１０Ω・ｃｍであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のパワー半導体装置。
6. 前記半導電層は、その周辺部が前記ヒートスプレッダよりも外側に延伸しており、
   前記ヒートスプレッダの端部と前記半導電層の端部との長さである半導電層端部長は、５μｍ以上であり、かつ前記絶縁シートの端部と前記ヒートスプレッダの端部との長さである絶縁シート端部長の半分以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のパワー半導体装置。
7. 前記半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体材料により形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のパワー半導体装置。
8. 前記ワイドバンドギャップ半導体材料は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料、またはダイヤモンドのうちのいずれかであることを特徴とする請求項７記載の半導体装置。

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