JP5693427B2 - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関し、特に、ケースとベース板とがねじで固定された半導体装置およびその製造方法に関するものである。

半導体装置の一例として、電鉄などに使用される半導体パワーモジュールがある。半導体パワーモジュールでは電力を制御するＩＧＢＴ（Insulated Bipolar Transistor）などの半導体チップが絶縁基板を介して放熱性を有するベース板に搭載されている。ベース板は半導体チップを内部空間に収容するケースに固定されている。従来、組立の容易さ、固定の強固さ、製造コストの安さなどから、主に金属で形成されたねじによってベース板はケースに固定されている。

ケースは主に樹脂で形成されている。ケースにはねじの長さよりもやや深いねじ穴があらかじめ形成されている。つまり、ねじの締め込み時にねじの先端とねじ穴の底面とが干渉しないようにねじ穴は形成されている。したがって、半導体パワーモジュールが組立てられた状態において、ねじの先端とねじ穴の底面との間には空間が存在している。

半導体パワーモジュールでは、高電圧部である半導体チップのコレクタ、エミッタおよびゲートなどと低電圧部であるベース板などとの絶縁を確保することが重要である。しかし、高電圧部と低電圧部との間に電圧が印加されると部分放電と呼ばれる放電が発生することがある。具体的には、ベース板に固定されたねじの先端はベース板と同電位の低電圧部となり、エミッタに接続されたエミッタワイヤはエミッタと同電位の高電圧部となる。そして、電圧が印加されることによってねじの先端とねじの近くに位置するエミッタワイヤとの間の電界が強くなると、ねじの先端とねじ穴の底面との間の空間で部分放電が発生することがあった。部分放電の発生によって絶縁耐圧が低下するという問題があった。

この問題を改善するために、たとえば特開２００６−３２３９２号公報（特許文献１）には、金属製タッピングねじの先端と樹脂ケースのねじ孔の底との間に形成された空隙に高耐電圧樹脂が充填された半導体装置が提案されている。この半導体装置では、空隙に高耐電圧樹脂が充填されることによって絶縁耐性が向上する。この半導体装置では、空隙に液状の高耐電圧樹脂が注入された状態で、金属製タッピングねじがねじ孔に締め付けられた後、高耐電圧樹脂が硬化するような処理が施される。

特開２００６−３２３９２号公報

上記の公報に記載された半導体装置では、充填材である高耐電圧樹脂が硬化する前に金属製タッピングねじが締め付けられるため、高耐電圧樹脂が未硬化の状態で金属製タッピングねじのねじ山とねじ孔との間に侵入することがある。この高耐電圧樹脂の侵入する量は各金属製タッピングねじおよびねじ孔でそれぞれ異なるため、高耐電圧樹脂の形状が不安定となる。そのため、部分放電特性がばらつくという問題がある。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、絶縁耐性を向上させることができ、かつ部分放電特性のばらつきを抑制することができる半導体装置および半導体装置の製造方法を提供することである。

本発明の半導体装置は、半導体チップと、半導体チップが実装された絶縁基板と、絶縁基板が実装され、貫通孔を有するベース板と、ベース板に設置された状態で、貫通孔と連通するねじ穴を有し、絶縁基板を囲む空間を有するケースと、貫通孔とねじ穴とに挿入されてケースとベース板とを固定するねじと、ねじ穴に設けられ、空気より大きい比誘電率を有する充填材とを備えている。ケースとベース板とがねじで固定された状態で、充填材は、ねじ穴の底面から所定高さで、ねじの軸の先端より底面側を埋め込み、かつねじの軸の側面を覆わないように設けられている。充填材は、ねじのねじ山とケースのねじ穴との間には侵入しないように設けられている。

本発明の半導体装置の製造方法は、半導体チップと、半導体チップが実装された絶縁基板と、絶縁基板が実装され、貫通孔を有するベース板と、ベース板に設置された状態で、貫通孔と連通するねじ穴を有し、絶縁基板を囲む空間を有するケースと、貫通孔とねじ穴とに挿入されてケースとベース板とを固定するねじと、ねじ穴に設けられ、空気より大きい比誘電率を有する充填材とを有する半導体装置の製造方法である。本発明の半導体装置の製造方法は、ねじ穴の底面に硬化した充填材を設ける工程と、ねじ穴の底面に充填材が設けられた状態で、ねじを締めこむ工程とを備えている。

本発明の半導体装置によれば、空気より大きい比誘電率を有する充填材がねじ穴に設けられているため、ねじの軸の先端とねじ穴の底面との間の空間に空気が充たされている場合に比べて電界を弱くすることができる。これにより、部分放電の発生を抑制することによって絶縁耐性を向上させることができる。また、ケースとベース板とがねじで固定された状態で、充填材は、ねじ穴の底面から所定高さで、ねじの軸の先端より底面側を埋め込み、かつねじの軸の側面を覆わないように設けられているため、充填材の形状が安定する。これにより、部分放電特性のばらつきを抑制することができる。

本発明の半導体装置の製造方法によれば、空気より大きい比誘電率を有する充填材がねじ穴に設けられているため、ねじの軸の先端とねじ穴の底面との間の空間に空気が充たされている場合に比べて電界を弱くすることができる。これにより、部分放電の発生を抑制することによって絶縁耐性を向上させることができる。また、ねじ穴の底面に硬化した充填材が設けられた状態で、ねじを締めこむため、ねじ穴とねじとの間に充填材が侵入することを抑制することができる。したがって、充填材の形状が安定する。これにより、部分放電特性のばらつきを抑制することができる。

本発明の実施の形態１における半導体装置の概略平面図である。 図１のＰ部の拡大図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。 本発明の実施の形態１における半導体装置の製造方法を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態１における半導体装置の製造方法の一工程を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態１における半導体装置の製造方法の変形例の一工程を示す概略断面図である。 比較例の半導体装置の概略断面図である。 比較例の放電電荷、印加電圧と時間との関係を示す図である。 比較例の放電電荷と電圧との関係を示す図である。 実施例の放電電荷、印加電圧と時間との関係を示す図である。 実施例の放電電荷と電圧との関係を示す図である。

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。
最初に本発明の一実施の形態の半導体装置の構成について説明する。

本実施の形態では、半導体装置について、半導体パワーモジュールを一例として説明する。図１〜図３を参照して、本実施の形態の半導体装置は、半導体チップ１と、絶縁基板２と、ベース板３と、ケース４と、ねじ５と、充填材６と、ワイヤ７とを主に有している。なお、図１では見やすくするためケース４の蓋部分は図示されておらず、側壁部分は簡略化して図示されている。半導体チップ１は、たとえばＩＧＢＴなどを搭載したパワーチップである。絶縁基板２は、上面および下面に電極パターンを有している。電極パターンはたとえば銅、アルミニウムなどの金属で形成されている。絶縁基板２の上面の電極パターン上に半田を介して半導体チップ１が実装されている。

ベース板３には半田を介して絶縁基板２が実装されている。ベース板３は、たとえば良好な熱伝導性を有する銅などの金属で形成されている。ベース板３は、上面及び下面を貫通する貫通孔３ａを有している。貫通孔３ａは上面側から下面側に向かって径が大きくなるように形成されていてもよい。ケース４はベース板３に取り付けられている。ケース４は、たとえば樹脂などの絶縁材料で形成されている。ケース４は絶縁基板２を囲む空間を有している。この空間内に半導体チップ１、絶縁基板２およびワイヤ７が配置されている。ケース４は、ベース板３に設置された状態で、貫通孔３ａと連通するねじ穴４ａを有している。ねじ５は、貫通孔３ａとねじ穴４ａとに挿入されている。ねじ５はベース板３の下面から上面に向かって締めこまれている。これにより、ねじ５は、ケース４とベース板３とを固定している。

充填材６は、ねじ穴４ａに設けられている。充填材６は、空気より大きい比誘電率を有している。ケース４とベース板３とがねじ５で固定された状態で、充填材６は、ねじ穴４ａの底面４ｂから所定高さで、ねじ５の軸５ａの先端５ｂより底面４ｂ側を埋め込んでいる。充填材６は、ねじ５の軸５ａの先端５ｂに接するまで底面４ｂ側から埋め込まれていることが好ましい。充填材６は、ねじ５の軸５ａの側面５ｃを覆わないように設けられている。充填材６は、ねじ５のねじ山とケース４のねじ穴４ａとの間には侵入しないように設けられている。ただし、寸法公差は製造上不可避であるため、寸法公差の範囲ではねじ５の軸５ａの側面５ｃが充填材６で覆われていてもよい。たとえば、ねじ５の軸５ａの先端５ｂから０．５ｍｍ程度の範囲で側面５ｃが充填材６によって覆われていてもよい。

充填材６はたとえばシリコーンゲルである。シリコーンゲルは硬化した状態でも弾力性に富むため、シリコーンゲルがねじ５の軸５ａの先端５ｂに接した状態で弾性変形することでシリコーンゲルとねじ５の軸５ａの先端５ｂとを密着させることができる。充填材６の材質は、加熱硬化型シリコーンを含んでいることが好ましい。

ワイヤ７は、半導体チップ１および絶縁基板２などを電気的に接続している。ワイヤ７は、たとえば半導体チップ１の上面に形成されたエミッタ端子と絶縁基板２の上面の電極パターンとを電気的に接続している。ワイヤ７はたとえばアルミニウムで形成されている。ケース４の空間内において、ワイヤ７、半導体チップ１および絶縁基板２は、図示しないシリコーンなどの絶縁性を有する封止材によって覆われている。

半導体装置の動作時には、半導体チップ１、絶縁基板２およびワイヤ７が高電圧部となり、ベース板３およびねじ５が低電圧部となる。ねじ５の軸５ａの先端５ｂに、空気より大きい比誘電率を有する充填材６が設けられることで、ねじ５の軸５ａの先端５ｂの電界が弱くなる。これにより、ねじ５とワイヤ７との間で部分放電が発生しにくくなるため、絶縁耐性を高くすることができる。

次に本発明の一実施の形態の半導体装置の製造方法について説明する。
図４を参照して、上記の半導体装置の製造方法では、半導体チップ１が実装された絶縁基板２がベース板３に実装される。ベース板３にケース４の側壁部分が載置される。ねじ穴４ａの底面４ｂに硬化した充填材６が設けられる。続いて、ねじ穴４ａの底面４ｂに硬化した充填材６が設けられた状態で、ねじ穴４ａにねじ５が締めこまれる。ケース４の空間に半導体チップ１、絶縁基板２およびワイヤ７を覆うように図示しない封止材が充填される。ケース４の側壁部分にケース４の蓋部分が取り付けられる。

図５を参照して、充填材６は、ねじ穴４ａの底面４ｂに設けられた後に硬化する。また、硬化した状態の充填材６がねじ穴４ａに挿入されてもよい。図６を参照して、本発明の一実施の形態の半導体装置の製造方法の変形例では、充填材６は硬化した状態でねじ穴４ａの底面４ｂに設けられる。これにより、あらかじめ必要な大きさに作った充填材６をねじ穴４ａの底面４ｂに設けることができるので、作業性を向上することができる。したがって、作業時間を短縮することができる。

充填材６の材質は、加熱硬化型シリコーンを含んでいることが好ましい。加熱硬化型シリコーンは加熱時に一旦粘度が下がって流動性が良くなるため、充填材６に気泡が残留しにくい。これにより、充填材６の内部の隙間を少なくすることで充填材６の良好な充填を実現することができる。

次に本発明の一実施の形態の作用効果について比較例と対比して説明する。
図７を参照して、比較例の半導体装置では、ねじ穴４ａの底面４ｂに充填材６が設けられていない。そのため、ねじ５の軸５ａの先端５ｂとねじ穴４ａの底面４ｂとの間の空間には空気が充たされている。このため、半導体装置の動作時に高電圧部であるワイヤ７と低電圧部であるねじ５の軸５ａの先端５ｂとの間の電界が強くなる。したがって、ねじ５の軸５ａの先端５ｂとねじ穴４ａの底面４ｂとの間の空間で部分放電が発生しやすい。

本発明の一実施の形態の半導体装置によれば、空気より大きい比誘電率を有する充填材６がねじ穴４ａに設けられているため、ねじ５の軸５ａの先端５ｂとねじ穴４ａの底面４ｂとの間の空間に空気が充たされている場合に比べて電界を弱くすることができる。これにより、部分放電の発生を抑制することによって絶縁耐性を向上させることができる。また、ケース４とベース板３とがねじ５で固定された状態で、充填材６は、ねじ穴４ａの底面４ｂから所定高さで、ねじ５の軸５ａの先端５ｂより底面４ｂ側を埋め込み、かつねじ５の軸５ａの側面５ｃを覆わないように設けられているため、充填材６の形状が安定する。これにより、部分放電特性のばらつきを抑制することができる。

本発明の一実施の形態の半導体装置によれば、充填材６の材質は、加熱硬化型シリコーンを含んでいる。これにより、充填材６に気泡が残留することを抑制することができるので、気泡に起因する部分放電の発生を抑制することができる。したがって、部分放電の発生を抑制することによって絶縁耐性を向上させることができる。

本発明の一実施の形態の半導体装置の製造方法によれば、空気より大きい比誘電率を有する充填材６がねじ穴４ａに設けられているため、ねじ５の軸５ａの先端５ｂとねじ穴４ａの底面４ｂとの間の空間に空気が充たされている場合に比べて電界を弱くすることができる。これにより、部分放電の発生を抑制することによって絶縁耐性を向上させることができる。また、ねじ穴４ａの底面４ｂに硬化した充填材６が設けられた状態で、ねじ５を締めこむため、ねじ穴４ａとねじ５との間に充填材６が侵入することを抑制することができる。したがって、充填材６の形状が安定する。これにより、部分放電特性のばらつきを抑制することができる。

本発明の一実施の形態の半導体装置の製造方法によれば、充填材６は、ねじ穴４ａの底面４ｂに設けられた後に硬化する。これにより、容易に充填材６をねじ穴４ａの底面４ｂに隙間なく充填することができる。

本発明の一実施の形態の半導体装置の製造方法によれば、充填材６は硬化した状態でねじ穴４ａの底面４ｂに設けられる。これにより、あらかじめ必要な大きさに作った充填材６をねじ穴４ａの底面４ｂに設けることができるので、作業性を向上することができる。したがって、作業時間を短縮することができる。

以下、本発明の実施例について説明する。
本発明の実施例として図３に示す構成を備えた半導体装置を準備した。また比較例として図７に示す構成を備えた半導体装置を準備した。実施例は、比較例と対比してねじ穴に充填材が設けられている点で異なっている。空気の比誘電率は１．００である。充填材の材料は１成分加熱硬化型シリコーンであり、充填材の比誘電率は３．１である。また、ケースの材料はＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）およびＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）であり、ケースの比誘電率は４．０である。封止材の材料は二液型シリコーンゲルであり、比誘電率は３．０である。

図８および図９を参照して、比較例では、部分放電開始電圧は５．２ｋＶとなった。一方、図１０および図１１を参照して、実施例では、部分放電開始電圧は１１．８ｋＶとなった。なお、部分放電開始電圧は放電電荷閾値が１０ｐＣとなる電圧である。実施例では、比較例と対比して部分放電開始電圧が高くなった。したがって、ねじ穴に充填材が設けられていることによって部分放電開始電圧が高くなることがわかった。部分放電開始電圧が高いほど部分放電の発生が抑制されるため、実施例では比較例と対比して部分放電の発生が抑制されることがわかった。

今回開示された実施の形態および実施例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。

１ 半導体チップ、２ 絶縁基板、３ ベース板、３ａ 貫通孔、４ ケース、４ａ ねじ穴、４ｂ 底面、５ ねじ、５ａ 軸、５ｂ 先端、５ｃ 側面、６ 充填材、７ ワイヤ。

Claims (6)

1. 半導体チップと、
   前記半導体チップが実装された絶縁基板と、
   前記絶縁基板が実装され、貫通孔を有するベース板と、
   前記ベース板に設置された状態で、前記貫通孔と連通するねじ穴を有し、前記絶縁基板を囲む空間を有するケースと、
   前記貫通孔と前記ねじ穴とに挿入されて前記ケースと前記ベース板とを固定するねじと、
   前記ねじ穴に設けられ、空気より大きい比誘電率を有する充填材とを備え、
   前記ケースと前記ベース板とが前記ねじで固定された状態で、前記充填材は、前記ねじ穴の底面から所定高さで、前記ねじの軸の先端より前記底面側を埋め込み、かつ前記ねじの前記軸の側面を覆わないように設けられており、
   前記充填材は、前記ねじのねじ山と前記ケースの前記ねじ穴との間には侵入しないように設けられている、半導体装置。
2. 前記充填材の材質は、加熱硬化型シリコーンを含む、請求項１に記載の半導体装置。
3. 半導体チップと、
   前記半導体チップが実装された絶縁基板と、
   前記絶縁基板が実装され、貫通孔を有するベース板と、
   前記ベース板に設置された状態で、前記貫通孔と連通するねじ穴を有し、前記絶縁基板を囲む空間を有するケースと、
   前記貫通孔と前記ねじ穴とに挿入されて前記ケースと前記ベース板とを固定するねじと、
   前記ねじ穴に設けられ、空気より大きい比誘電率を有する充填材とを有する半導体装置の製造方法であって、
   前記ねじ穴の底面に硬化した前記充填材を設ける工程と、
   前記ねじ穴の底面に硬化した前記充填材が設けられた状態で、前記ねじを締めこむ工程とを備えた、半導体装置の製造方法。
4. 前記充填材は、前記ねじ穴の底面に設けられた後に硬化する、請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記充填材は、硬化した状態で前記ねじ穴の底面に設けられる、請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
6. 前記充填材の材質は、加熱硬化型シリコーンを含む、請求項３〜５のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。

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