JP5826443B1 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
本発明は、部分放電を抑制する構造を有する半導体装置において、従来に比べて絶縁信頼性がより高い半導体装置、及びその製造方法を提供する。本発明は、回路電極(2)を接合した絶縁基板(3)と、回路電極に隣接して形成したベース用絶縁物(10a)と、ベース用絶縁物上に形成され上記回路電極と同電位とした導電物(13)と、導電物における反回路電極側端部(35)を覆う放電防止用絶縁物(10b)と、を有する。The present invention provides a semiconductor device having a higher insulation reliability than a conventional semiconductor device having a structure for suppressing partial discharge, and a method for manufacturing the same. The present invention includes an insulating substrate (3) to which a circuit electrode (2) is bonded, a base insulator (10a) formed adjacent to the circuit electrode, and the same potential as the circuit electrode formed on the base insulator. A conductive material (13), and an anti-discharge insulator (10b) covering the opposite end (35) of the conductive material on the side opposite to the circuit electrode.
Description
本発明は、半導体モジュールを用いた半導体装置及びその製造方法に関し、詳しくは部分放電を抑制する構造を有する半導体装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device using a semiconductor module and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device having a structure for suppressing partial discharge and a manufacturing method thereof.
半導体素子を有する半導体モジュールは電力変換機器等に広く用いられている。また数kVもの高電圧を印加して運転される機種に使用される高電圧半導体モジュールでは、半導体素子を載置する絶縁回路基板における電極端部にて、電界集中による局所放電が発生しやすい。このような局所放電は、当該機器の故障あるいは破壊を引き起こす要因となる。したがって絶縁信頼性を確保するため放電発生を抑制する必要があり、その一例として絶縁物を電極端部に設ける構造が提案されている(例えば特許文献1)。 Semiconductor modules having semiconductor elements are widely used in power conversion equipment and the like. Further, in a high voltage semiconductor module used in a model operated by applying a high voltage of several kV, local discharge due to electric field concentration tends to occur at the electrode end portion of the insulating circuit board on which the semiconductor element is placed. Such a local discharge becomes a factor causing failure or destruction of the device. Therefore, it is necessary to suppress the occurrence of discharge in order to ensure insulation reliability. As an example, a structure in which an insulator is provided at the end of the electrode has been proposed (for example, Patent Document 1).
しかしながら電極端部に絶縁物を設ける場合、電極端部と絶縁物との間に隙間、いわゆるボイドが形成されてしまう可能性がある。このようなボイドの存在により、依然として放電発生は防ぎきれない。 However, when an insulator is provided at the electrode end, a gap, a so-called void, may be formed between the electrode end and the insulator. Due to the presence of such voids, the occurrence of discharge still cannot be prevented.
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、部分放電を抑制する構造を有する半導体装置において、従来に比べて絶縁信頼性がより高い半導体装置、及びその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a semiconductor device having a structure that suppresses partial discharge and has higher insulation reliability than conventional semiconductor devices and a method for manufacturing the same. For the purpose.
上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の一態様における半導体装置は、回路電極を主面に接合した絶縁基板と、上記回路電極に隣接して上記主面に形成したベース用絶縁物と、上記ベース用絶縁物上に形成され上記回路電極と同電位とした導電物と、上記導電物において上記回路電極とは反対側に位置する反回路電極側端部を覆う放電防止用絶縁物と、を備えたことを特徴とする。In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.
That is, a semiconductor device according to one embodiment of the present invention includes an insulating substrate having a circuit electrode bonded to a main surface, a base insulator formed on the main surface adjacent to the circuit electrode, and the base insulator. A conductive material formed at the same potential as the circuit electrode; and a discharge preventing insulator that covers the opposite end of the conductive material on the side opposite to the circuit electrode. To do.
本発明の一態様における半導体装置によれば、絶縁基板における回路電極と同電位とした導電物を備えたことで、回路電極端部における電界集中が緩和される。さらに放電防止用絶縁物を備えたことで、設置した導電物の端部からの電界集中による放電を抑制することができる。よって、従来に比べて絶縁信頼性がより高い半導体装置を提供することが可能となる。また、従来に比べて半導体装置の長寿命化を図ることも可能となる。 According to the semiconductor device of one embodiment of the present invention, the electric field concentration at the end of the circuit electrode is reduced by including the conductive material having the same potential as the circuit electrode in the insulating substrate. Furthermore, by providing the insulator for preventing discharge, discharge due to electric field concentration from the end of the installed conductor can be suppressed. Therefore, it is possible to provide a semiconductor device with higher insulation reliability than conventional. In addition, it is possible to extend the life of the semiconductor device as compared with the prior art.
本発明の実施形態である半導体装置について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。また、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け当業者の理解を容易にするため、既によく知られた事項の詳細説明及び実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。また、以下の説明及び添付図面の内容は、請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。 A semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In each figure, the same or similar components are denoted by the same reference numerals. In addition, in order to avoid the following description from becoming unnecessarily redundant and to facilitate understanding by those skilled in the art, a detailed description of already well-known matters and a duplicate description of substantially the same configuration may be omitted. . Also, the contents of the following description and the accompanying drawings are not intended to limit the subject matter described in the claims.
本発明の実施の形態における半導体装置を説明する前に、特にパワーモジュールと呼ばれる高電圧半導体モジュールにおいて部分放電を抑制するための構造について、まず説明を行う。
図17には、一般的な高電圧半導体モジュールの断面概略図を示す。この高電圧半導体モジュールは、半導体チップ1と、電極2と、絶縁基板3と、下部電極4と、はんだ5と、放熱板6と、絶縁封止材7と、ケース8とを備える。絶縁基板3の表、裏面には、それぞれ電極2及び下部電極4が接合されており、電極2には高電圧が印加される。電極2にはパワー半導体デバイスとしての半導体チップ1が接合されている。このような絶縁基板3は下部電極4が放熱板6にはんだ5で接合される。また、半導体チップ1が実装された絶縁基板3の周囲を含めてケース8内は、シリコーンゲルを代表とする絶縁封止材7によって封止され絶縁される。Before describing the semiconductor device according to the embodiment of the present invention, a structure for suppressing partial discharge in a high voltage semiconductor module called a power module will be described first.
FIG. 17 shows a schematic cross-sectional view of a general high-voltage semiconductor module. This high voltage semiconductor module includes a
図17において、電極2の端部に相当する、点線で示すA部の領域は、最も電界が集中しやすい部分であり、A部を拡大したものを図18に示す。
電極2と絶縁基板3と絶縁封止材7との接点(3重点)が電界集中部9aとなり、放電の起点となる。放電が発生する際には、起点となる電界集中部9aから絶縁基板3と絶縁封止材7との界面に沿うように放電17が発生する。放電17の発生は、当該高電圧半導体モジュールの絶縁信頼性を損なうと共に、上述したように機器の故障あるいは破壊を引き起こす要因となる。In FIG. 17, a region A indicated by a dotted line corresponding to the end of the
A contact point (three points) of the
放電17の起因となる電界集中を緩和するために、絶縁基板3の厚さを大きくする手法も取られているが、半導体チップ1からの放熱性が低下するという問題が生じる。よって絶縁基板3の厚さを大きくすることなく放電17を抑制する方法として、電界が集中する絶縁基板3上の電極2の端部へ、耐圧の高い絶縁物を充填、塗布する方法がある。この絶縁物としては、例えば無機系ガラス材あるいはエポキシ樹脂が用いられる。
A method of increasing the thickness of the
しかしながらこのような絶縁物の充填、塗布する方法は、既に説明したように、電極2の端部とこの絶縁物との間に隙間つまりボイドを形成する可能性がある。詳しく説明すると、図17に示すように、電極2の端部を含めて半導体モジュールは、シリコーンゲルからなる絶縁封止材7によって封止されるが、このシリコーンゲルは、性質上、他の絶縁樹脂に比べると気泡が抜けやすい特徴がある。一方、電極2の端部を被覆する絶縁物としてのエポキシ樹脂あるいはシリコン樹脂は、絶縁封止材7のシリコーンゲルに比べるとボイド(空隙)が残留しやすい。よってエポキシ樹脂等の絶縁物を電極2の端部に塗布する際に電極2の端部を完全に封止できずに隙間が生じた場合には、エポキシ樹脂等の絶縁物は、ボイドを含んだまま硬化してしまう可能性がある。
However, such a method of filling and applying the insulator may cause a gap, that is, a void, between the end portion of the
電極2の端部側面が絶縁基板3に対して垂直である場合、あるいは絶縁基板3に電極2を接合する接合材(図19に示す「12」)が電極2の端部側面30よりも外側へ突出している場合には、電極2の端部に絶縁物を塗布する際のボイド形成は発生し難い。一方、例えば製造時における電極2のエッチング量が大きくなり、図19に示すように、絶縁基板3に電極2を接合する接合材12が電極2の端部側面30よりも内側へ凹んだ状態において絶縁物10を塗布した場合には、この凹み部分にボイド11が形成され易い。
When the end side surface of the
このように、電極2の端部側面30も含めて単に絶縁封止材7によって封止する代わりに、高耐圧の絶縁物10を、電界集中部となる電極2の端部側面30に充填する場合には、電極の端部側面30の形状によっては、絶縁封止材7の封入に比べて逆に、ボイド11の残留可能性を高めてしまう。その結果、ボイド11部分で放電が発生する恐れがある。
In this way, instead of simply sealing with the insulating
また、上述の例では、電極2の端部側面30に塗布されるものは絶縁物10であるが、図20に示すように、電極2の端部側面30における電界集中部に対して導電物13を被覆することで、電界を緩和する構造もある。この導電物13は、金属または導電性樹脂、あるいはNiメッキ等が使用可能である。
In the above-described example, the
このような構造は、図20に示すように、電極端部のエッジを導電物13によって緩やかにすることで電界を緩和している。しかしながらこの構成においても、絶縁基板3と導電物13と絶縁封止材7との接点にて電界集中部9bが発生するため、放電の発生起点となり得る。
In such a structure, as shown in FIG. 20, the electric field is relaxed by making the edge of the electrode end gentle by the
したがって、以下に説明する本発明の実施形態である半導体装置は、半導体モジュールにおける上述したような問題点を解決するための構成を有し、その結果、従来に比べてより高い絶縁信頼性を有することができる。
また、具体的に以下で説明する各実施の形態における半導体装置は、特に高電圧が印加されるパワー半導体モジュールを例に採るが、これに限定されるものではない。つまり、パワー半導体モジュールよりも耐圧が低い通常の半導体素子を用いた半導体装置においても、以下に説明する構成を採ることができ、同様の効果を得ることができる。Therefore, the semiconductor device which is an embodiment of the present invention described below has a configuration for solving the above-described problems in the semiconductor module, and as a result, has higher insulation reliability than the conventional one. be able to.
Further, the semiconductor device in each of the embodiments specifically described below takes a power semiconductor module to which a high voltage is applied as an example, but is not limited thereto. That is, even in a semiconductor device using a normal semiconductor element having a withstand voltage lower than that of the power semiconductor module, the configuration described below can be adopted, and similar effects can be obtained.
実施の形態1.
図1から図3は、本発明の実施の形態1における半導体装置101の概略構造を示しており、上述した図17に示すA部に相当する部分を示している。
本実施の形態1における半導体装置101も、図17を参照して説明した半導体装置と同様に、半導体チップ1と、電極2と、絶縁基板3と、下部電極4と、はんだ5と、放熱板6と、絶縁封止材7と、ケース8とを備える。
1 to 3 show a schematic structure of the
Similarly to the semiconductor device described with reference to FIG. 17, the
絶縁基板3は、アルミナ(Al2O3)、窒化アルミニウム(AlN)、又は窒化珪素(Si3N4)といったセラミック板である。絶縁基板3の主面3aには、接合材(ロウ材)12を介して回路電極(以下、単に「電極」と記す場合もある)2が接合されている。ここで電極2はアルミニウムあるいは銅で作製される。絶縁基板3に回路電極2を接合した後、電極2をエッチングすることによって、任意の形状の電極パターンが形成される。このとき、エッチング液との反応速度が電極2に比べて接合材12の方が大きく、接合材12が余分に削られてしまう場合がある。この場合、電極2に対する接合材12の端部12aは、望む断面形状にはならずに、図3に示すように、電極2の端部側面30よりも内側へ凹みが起こり得る。つまり、通常、接合材12の端部12aは、絶縁基板3に対して垂直に近い状態か、電極2の端部側面30よりも僅かに外側へ突出するように調整される。しかしながら処理状態にはバラつきがあるため、接合材12の全体で一様にはなりにくく、内側へ凹み形状となることがあり得る。この場合、電極2及び接合材12と絶縁基板3との接点で電界集中部9aが存在する。よって、この凹み部分にボイドが残留すると放電の可能性が高くなる。The insulating
電界集中部9aの電界を緩和する構造として、図3に示すように、絶縁基板3の主面3aに、電極2に隣接して電極2と同電位となる導電物13を設置する方法がある。尚、導電物13は、電極2と導線18で接続して同電位を形成する。このように構成することで、導電物13の電界シールドによって接合材12部分における電界集中部9aの電界を緩和することができる。しかしながら、このようにして電界集中部9aの電界を緩和した場合でも、図3に示すように、導電物13の端部に新たに電界集中部9bが発生する。この場合、絶縁基板3と絶縁封止材7の界面14に沿う方向に放電が発生する。
As a structure for relaxing the electric field of the electric
そこで本発明の実施の形態1における半導体装置101の構造では、まず図2に示すように、絶縁基板3の主面3aに回路電極2に隣接して第1固体絶縁物であるベース用絶縁物10aを塗布する。ベース用絶縁物10aとして、エポキシ系の樹脂あるいはシリコン系の樹脂など、硬化後に絶縁基板3に充分に接着でき、耐圧の高い材料であればよく、特に限定するものはない。
Therefore, in the structure of the
このとき本実施の形態1では、ベース用絶縁物10aは、電極2及び接合材12に接触しないように隙間32を設けている。これは、ベース用絶縁物10aを電極2及び接合材12に接触させて形成する場合、接合材12の端部12aが上述のように電極2の端部側面30よりも凹んでいる状態では、図19に示すようにボイドが残留し、その部分での放電の可能性が高まるためである。
一方、隙間32を設けることで、隙間32には絶縁封止材7としてシリコーンゲルが充填されることになる。シリコーンゲルは、上述したように気泡が比較的抜けやすいため、エポキシ樹脂あるいはシリコン樹脂などを塗布する場合に比べて、ボイド残留の可能性が低くなる。但し、隙間32が非常に狭い場合には、シリコーンゲルが完全に充填するまでに要する時間が長くなるため、シリコーンゲルを加熱硬化させる前に十分に時間を置く必要がある。At this time, in the first embodiment, the
On the other hand, by providing the
次に、ベース用絶縁物10aの上に導電物13を形成する。導電物13は、電極2と同電位となるように、いずれかの位置で導線18を介して電極2と導通させる。これにより、電極2の端部付近における電界集中部9aの電界を緩和することができる。導電物13は、導電性の塗料を塗布し硬化させて形成してもよいし、金属ワイヤーなどの固形の導電物を設置してもよい。
Next, the
ここで、ベース用絶縁物10a及び導電物13の有無において、電界集中部9aの電界値の比較結果の一例を示す。
例えば、絶縁基板3の材質を窒化アルミニウム(比誘電率:9)で厚さを0.5mm、絶縁封止材7をシリコーンゲル(比誘電率:3)、ベース用絶縁物10aをエポキシ樹脂(比誘電率:4)とし、ベース用絶縁物10a及び導電物13と電極2との隙間を0.1mm、ベース用絶縁物10aの高さ(厚み)を30μm、導電物13の高さ(厚み)を30μm、接合材12を含めた電極2の厚さを0.4mm、電極2と接合材12の端部12aは、絶縁基板3に対して垂直であるとして、電界集中部9aの電界値を計算して比較を行う。
その結果、ベース用絶縁物10a及び導電物13を設けた場合は、設けない場合に比べて電界が約35%緩和された。ここでの電界緩和率は、導電物13の位置によって変わり、電界集中部9aに近いほど効果が高くなる。Here, an example of the comparison result of the electric field value of the electric
For example, the material of the insulating
As a result, when the
一方、導電物13を設けたままの構造では、図2に示すように、導電物13の端部に新たに電界集中部9bが発生する。この状態では、電界集中部9bを起点とし、ベース用絶縁物10aと絶縁封止材7の界面15で放電が発生しやすくなる。
On the other hand, in the structure in which the
そこで実施の形態1の半導体装置101ではさらに、図1に示すように、導電物13の端部、つまり導電物13において回路電極2から遠い方に位置する、換言すると回路電極2とは反対側に位置する反回路電極側端部35における電界集中部9bを覆うようにして、第2固体絶縁物である放電防止用絶縁物10bを導電物13の側面及び上面に塗布する。このとき、ベース用絶縁物10aが硬化する前に、放電防止用絶縁物10bを塗布すれば、ベース用絶縁物10aと放電防止用絶縁物10bとの間の接着界面16を強固にすることができる。ここでベース用絶縁物10aと放電防止用絶縁物10bとが同一材料であれば、硬化後、両者はほぼ一体化されて界面16を無くすことができる。よって界面絶縁を強くすることができる。
ベース用絶縁物10aと放電防止用絶縁物10bとが異なる材料の場合でも、硬化後の接着界面16の界面絶縁耐圧が十分に高い場合には適用可能である。Therefore, in the
Even in the case where the
放電は、材料を貫通する方向よりも、部材の界面に沿う方向の方が起こりやすい。そのため、図3及び図2の構造のように、電界集中部9bに対して絶縁基板3と絶縁封止材7との界面14、及びベース用絶縁物10aと絶縁封止材7との界面15が存在すると、図4に示すように界面15に沿って放電17が発生する。一方、図5に示すように電界集中部9bの周囲がベース用絶縁物10a及び放電防止用絶縁物10bで覆われていると、ベース用絶縁物10aと放電防止用絶縁物10bとの間の接着界面16の界面絶縁耐圧は大きい。よって、ベース用絶縁物10aを貫通する方向に放電17が発生しようとする。このような理由から、放電防止用絶縁物10bが存在しない場合に比べると、耐圧は高くなる。
Discharge is more likely to occur in the direction along the interface of the member than in the direction through the material. Therefore, as shown in FIGS. 3 and 2, the
以上説明した本実施の形態1における半導体装置101の構造を作製する手順について、図6を参照して説明する。尚、主面3aには接合材12を介して回路電極2が接合されている絶縁基板3を予め用意する。このとき接合材12の端部12aは、電極2の端部側面30よりも内側へ凹んでいるものとする。
A procedure for manufacturing the structure of the
図6の(a)に示すように、まず、電極2の端部側面30に対して、隙間32を形成するための、任意の厚さのスペーサ19を絶縁基板3の主面3aに設置する。スペーサ19は、後で取り外すことになるため、絶縁封止材7と接着しにくい例えばテフロン(登録商標)などの素材を用いる。
次に、(b)に示すように、絶縁基板3の主面3aに未硬化のベース用絶縁物10aをスペーサ19を介して塗布する。
次に、(c)に示すように、ベース用絶縁物10aが硬化する前に、ベース用絶縁物10aの上に導電物13を設置する。導電物13は、導電性塗料を塗布するのでも、細い線状の金属物を設置するのでもよい。また、後からでは導電物13へ導線18を接続しにくくなる恐れがあるため、導電物13を電極2と導通させるための導線18を導電物13に繋げておく。As shown in FIG. 6A, first, a
Next, as shown in (b), an
Next, as shown in (c), before the
次に、(d)に示すように、ベース用絶縁物10aが硬化する前に、導電物13においてスペーサ19とは反対側、言い換えると導電物13における反回路電極側端部35に対して導電物13の側面及び上面を覆うようにして、本実施の形態1ではベース用絶縁物10aと同じ材質の未硬化の放電防止用絶縁物10bを塗布する。
次に、(e)に示すように、スペーサ19を取り外し、導線18を電極2へと接続する。これにより、スペーサ19による隙間32がベース用絶縁物10a及び導電層13と電極2との間に形成される。Next, as shown in (d), before the
Next, as shown in (e), the
以上説明したように、本実施の形態1に示す半導体装置101における構造によれば、電極2の電界集中部9aの電界を緩和させることができ、かつ電界緩和のために設置した導電物13からの放電も抑制する構造を得ることができる。したがって、従来に比べて半導体装置の長寿命化を図ることができるとともに、絶縁信頼性がより高い半導体装置、及びその製造方法を提供することが可能である。
As described above, according to the structure of the
実施の形態2.
上述した実施の形態1では、ベース用絶縁物10a及び導電物13は、電極2との間に隙間32を設けている。これは、上述したように、隙間32を設けることで隙間32へ絶縁封止材7を流入させ、ベース用絶縁物10aによるボイド生成及び残留のリスクを下げることを目的としたためである。一方、接合材12の端部12aについて、電極2の下方側への凹みが存在しない、もしくは凹みが小さくボイド残留の可能性が高くないことが分かっている場合には、特に隙間32を設けることのメリットは小さいと言える。本実施の形態2における半導体装置は、このような場合における構成を有する。
In the first embodiment described above, the
図7に、本実施の形態2における半導体装置102の構造を示す。半導体装置102では、ベース用絶縁物10aは、電極2及び接合材12による電界集中部9aを覆うように、つまり隙間32を設けることなく、塗布されている。導電物13の周辺部については、実施の形態1と同様に、導電物13の反回路電極側端部35を覆うように放電防止用絶縁物10bが塗布される。
FIG. 7 shows the structure of the
電極端部における電界集中部9aは、上述のようにベース用絶縁物10aで覆われている。このベース用絶縁物10aの誘電率が絶縁封止材7の誘電率よりも高ければ、電界集中部9aの電界はそれだけで緩和される。例えば、絶縁封止材7をシリコーンゲルとして比誘電率を3とし、ベース用絶縁物10aを例えばポリイミドとして厚さを30μmで比誘電率を3.7とする。絶縁基板3を厚さ0.5mmの窒化アルミニウムで比誘電率を9、接合材12を含めた電極2の厚さを0.4mm、電極2及び接合材12の端部12aは、絶縁基板3に対して垂直であると仮定する。この条件でベース用絶縁物10aの有無に対して電界集中部9aの電界を計算して比較を行う。
その結果、ベース用絶縁物10aを設けた場合には、設けない場合に比べて電界は約5%低減された。加えて、ベース用絶縁物10aの材料自体における絶縁破壊電圧もゲルに比べて高くなるため、ベース用絶縁物10aの設置によって、電界集中部9aでの放電電圧を上げることができる。The electric
As a result, when the
また、図7に示す半導体装置102の構造では、導電物13は電極2に対して隙間を開けて配置しているが、直接接触させてもよい。
Further, in the structure of the
以上説明したように、本実施の形態2に示す半導体装置102における構造によれば、電極2の端部側面30付近へのボイド残留のリスクが小さい場合には、実施の形態1の場合と同様に導電物13を設けたことによる電界緩和効果に加えて、ベース用絶縁物10aの材料による放電抑制効果も得ることができる。さらにまた、隙間32を設ける工程が不要となることから、実施の形態1における構造よりも、半導体装置の製造が簡略化できるという効果も得られる。
As described above, according to the structure of the
実施の形態3.
実施の形態1及び実施の形態2では、電界集中部は、図17の「A」に示すように基板外周部に位置する場合を例にとっている。一方、実際の半導体モジュールで用いられる基板は、図8に示すように、絶縁基板3には複数の、電極2−半導体チップ1のセットがそれぞれ配置されており、複数の電極2a、電極2bが配置されている場合が多い。本実施の形態3における半導体装置103は、このような複数の電極2a、2bを有する構造である。以下には、図8において点線Bで示す電極2aと電極2bとの間の領域の構造について説明する。尚、半導体装置103においても図17に示され説明した各構成部分と同じ構成部分については、同じ符号を付している。
In the first embodiment and the second embodiment, the electric field concentration portion is taken as an example when it is located on the outer peripheral portion of the substrate as shown in “A” of FIG. 17. On the other hand, as shown in FIG. 8, the substrate used in the actual semiconductor module has a plurality of sets of electrode 2 -
図9は、図8に示す点線Bの領域を拡大した図である。構造としては、実施の形態1にて図1に示した構造を、電極2a、電極2bに対して、左右対称とした構造である。電極2a側に導電物13aを、電極2b側に導電物13bをそれぞれ配置している。但し、図1に示した構造がそれぞれ独立しているのではなく、ベース用絶縁物10a及び放電防止用絶縁物10bは両者に共通の構造を採る。ここで、導電物13aと導電物13bとは、互いに接近しすぎると、絶縁上の問題が発生する。導電物13a及び導電物13bについては、電極2a及び電極2bとの間隔が重要であり、その沿面方向の長さについては、特に重要ではない。したがって、導電物13a及び導電物13bの沿面方向の長さは、導線18の接続に支障がない程度の長さで十分である。導電物13a及び導電物13bの設置については、互いに接近しすぎないように、図10に示すように、スペーサ19cを間に置いて作製するとよい。
FIG. 9 is an enlarged view of a region indicated by a dotted line B shown in FIG. As the structure, the structure shown in FIG. 1 in the first embodiment is symmetrical with respect to the
尚、本実施の形態3では、電極2a、電極2bの2セットを設けた場合を例示したが、3セット以上を設けた場合も同様に適用可能である。
また、本実施の形態3における半導体装置103においても、実施の形態1の半導体装置101が奏する効果と同じ効果を得ることができる。In the third embodiment, the case where two sets of the
Also in the
実施の形態4.
図11に本実施の形態4における半導体装置104を示す。この半導体装置104に示す構造は、実施の形態3で示した電極間の構造において、実施の形態2で示した構造を適用するものである。即ち、実施の形態3で示した電極間の構造において、製造状態によっては実施の形態2の場合と同様に、接合材12の端部12aも含めて電極2a,2bの端部側面30付近におけるボイド残留のリスクが小さい場合には、半導体装置104に示す構造を適用することができる。
FIG. 11 shows a
本実施の形態4の構造を採ることで、実施の形態2にて得られる効果と同様の効果を得ることができる。つまり、実施の形態1の半導体装置101が奏する効果と同じ効果に加えて、各接合材12と、電極2a及び電極2bとの間に隙間を設ける工程が不要となるため、製造を簡略化することができるという効果が得られる。
ここで導電物13a及び導電物13bは、それぞれ電極2a及び電極2bと接触させてもよい。By adopting the structure of the fourth embodiment, the same effect as that obtained in the second embodiment can be obtained. In other words, in addition to the same effect as the
Here, the
実施の形態5.
図12に実施の形態5における半導体装置105の構造を示す。この半導体装置105は、実施の形態1における半導体装置101の変形例に相当する。
即ち、実施の形態1で示す構造では、導電物13の端部における電界集中部9bに最も高い電界が発生する。各実施の形態の構造では、電界集中部9bに対して材料界面を設けないことにより、界面方向の放電を発生させないことで、放電自体を発生しにくくしている。このような構成にあっても、ベース用絶縁物10aの貫通方向(絶縁基板3の厚み方向)、あるいはベース用絶縁物10aと放電防止用絶縁物10bの界面方向(界面に沿った方向)へ放電が生じる可能性はある。
FIG. 12 shows the structure of the
That is, in the structure shown in the first embodiment, the highest electric field is generated in the electric
そこで本実施の形態5で示す構造では、図12に示すように、導電物13の端部における電界集中部9bの電界を低減するために、導電物13の回路電極2に近い回路電極側端部37に対して、導電物13の回路電極2から遠い反回路電極側端部35は、絶縁基板3の厚み方向3bにおいて、絶縁基板3から離れて上側に位置して高くしている。但し、導電物13の回路電極側端部37の位置も共に高くした場合には、接合材12における電界集中部9aの電界緩和効果が低減するとともに、電極2との間の隙間32の深さが深くなり絶縁封止材7が充填しにくくなる。よって、回路電極側端部37の高さは、実施の形態1の半導体装置101と同様に低いままとし、図12に示すように全体的に導電物13が傾斜するように構成する。
Therefore, in the structure shown in the fifth embodiment, as shown in FIG. 12, in order to reduce the electric field of the electric
このように傾斜した導電物13を形成する方法としては、ベース用絶縁物10aを塗布する際、図12に示すように斜面となるよう塗布を行い、導電物13の反回路電極側端部35を規定の高さに位置させる。そしてベース用絶縁物10aが硬化する前に、電界集中部9bを覆って放電防止用絶縁物10bを塗布する。
As a method of forming the
以上のように構成した本実施の形態5における半導体装置105によれば、実施の形態1の半導体装置101が奏する効果を得ることができるのは勿論であるが、半導体装置101に比べてさらに導電物13からの放電を抑制でき、長寿命化及び絶縁信頼性の向上を図ることができる。
According to the
実施の形態6.
実施の形態1から実施の形態5までの構造では、説明したように、ベース用絶縁物10a、導電物13、放電防止用絶縁物10bをこの順に重ねていく製造方法を採っている。しかしながら、ベース用絶縁物10a及び放電防止用絶縁物10bの塗布及び硬化を考慮した製造プロセスでは、工程が増すとともに、製造のバラつきが生じる可能性もある。
そこで本実施の形態6では、ベース用絶縁物10a、放電防止用絶縁物10b、及び導電物13の役割を有し、これらを一体的に形成した電界緩和部材を、絶縁基板3とは別に予め作製しておき、絶縁基板3に対して電界緩和部材を接着するだけで済むようにしている。
In the structures from the first embodiment to the fifth embodiment, as described, a manufacturing method is employed in which the
Therefore, in the sixth embodiment, the electric field relaxation member having the role of the
図13には、そのような電界緩和部材25を用いて作製した、本実施の形態6における半導体装置106を示している。また、図14には、電界緩和部材25の拡大断面を示している。電界緩和部材25において、細長い金属導体20が実施の形態1〜5にて説明した導電物13に相当し、金属導体20の周囲の絶縁被膜21が実施の形態1〜5にて説明したベース用絶縁物10a及び放電防止用絶縁物10bに相当する。絶縁被膜21は、高電界が加わるため、絶縁耐圧の高いエポキシ系樹脂などを用いる。また、金属導体20に対しては、電極2との導通のための導線18が繋がっている。図14に示す形状では、設置の容易さを考慮して、絶縁被膜21の表面は、平らに形成しているが、例えば円形状等でもよい。
FIG. 13 shows a
上述のように別途作製された電界緩和部材25は、図13に示すように、回路電極2に隣接させて絶縁基板3の主面3aに、接着剤23により接着される。接着剤23には電界が加わるため、エポキシ系樹脂などの耐圧の高いものを用いる。接着後、あるいは接着と同時に、金属導体20から延びる導線18を回路電極2に接続する。その後、全体が絶縁封止材7にて封止される。
The electric
以上のように構成した本実施の形態6における半導体装置106によれば、実施の形態1の半導体装置101が奏する効果を得ることができるのは勿論であるが、電界緩和に必要な導電物を絶縁物で覆った電界緩和部材25を予め作製しておくことで、半導体装置の製造を簡易化し、かつ製造のバラツキを低減することが可能となる。
According to the
実施の形態7.
図15及び図16に実施の形態7における半導体装置107の構造を示す。この半導体装置107は、実施の形態1における半導体装置101の変形例に相当する。
本実施の形態における半導体装置107では、絶縁基板3の主面3aには電極2が接合されているが、主面3aに対向する裏面は電極を介さずに直接に放熱板6に接合される構造を有する。このような半導体装置107においてベース用絶縁物10aは、実施の形態1の場合と同様に絶縁基板3の主面3aに塗布され、さらに絶縁基板3の端部側面3cを覆い放熱板6の上面までも覆って塗布される。また、ベース用絶縁物10aには導電物13が形成され、さらに放電防止用絶縁物10bが導電物13の反回路電極側端部35を覆い塗布されている。
15 and 16 show the structure of the
In the
このように構成される本実施の形態の半導体装置107では、絶縁基板3と放熱板6との間には隙間がないため、ベース用絶縁物10aは、絶縁基板3から放熱板6に至るまで容易に塗布することが可能である。これにより導電物13と放熱板6との間における絶縁破壊経路40(図16)に対して、放電を遮るようにベース用絶縁物10aを設置できるため、絶縁耐圧を向上することができる。
In the
上述した各実施の形態を組み合わせた構成を採ることも可能であり、また、異なる実施の形態に示される構成部分同士を組み合わせることも可能である。 It is also possible to adopt a configuration in which the above-described embodiments are combined, and it is also possible to combine components shown in different embodiments.
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
又、2014年5月8日に出願された、日本国特許出願No.特願2014−96802号の明細書、図面、特許請求の範囲、及び要約書の開示内容の全ては、参考として本明細書中に編入されるものである。Although the present invention has been fully described in connection with preferred embodiments with reference to the accompanying drawings, various variations and modifications will be apparent to those skilled in the art. Such changes and modifications are to be understood as being included therein, so long as they do not depart from the scope of the present invention according to the appended claims.
In addition, Japanese Patent Application No. The entire contents of the specification, drawings, claims, and abstract of Japanese Patent Application No. 2014-96802 are incorporated herein by reference.
2 回路電極、3 絶縁基板、10a ベース用絶縁物、10b 放電防止用絶縁物、 13 導電物、17 放電、23 接着剤、25 電界緩和部材、 32 隙間、35 反回路電極側端部、37 回路電極側端部、40 絶縁破壊経路、 101〜106 半導体装置。 2 Circuit electrodes, 3 Insulating substrate, 10a Base insulator, 10b Discharge prevention insulator, 13 Conductor, 17 Discharge, 23 Adhesive, 25 Electric field relaxation member, 32 Gap, 35 Anti-circuit electrode side end, 37 Circuit Electrode side end, 40 dielectric breakdown path, 101-106 semiconductor device.
Claims (9)
上記回路電極に隣接して上記主面に形成したベース用絶縁物と、
ベース用絶縁物上に形成され上記回路電極と同電位とした導電物と、
上記導電物において上記回路電極とは反対側に位置する反回路電極側端部を覆う放電防止用絶縁物と、
を備え、
上記ベース用絶縁物及び上記導電物と、上記回路電極との間には隙間を有する、
ことを特徴とする半導体装置。 An insulating substrate having a circuit electrode bonded to the main surface;
A base insulator formed on the main surface adjacent to the circuit electrode;
A conductor formed on the base insulator and having the same potential as the circuit electrode;
An insulator for preventing discharge covering the opposite end of the circuit electrode on the side opposite to the circuit electrode in the conductive material;
Equipped with a,
There is a gap between the base insulator and the conductive material and the circuit electrode.
A semiconductor device.
ベース用絶縁物上に上記回路電極と同電位となる導電物を形成する工程と、
上記導電物において上記回路電極とは反対側に位置する反回路電極側端部を覆って放電防止用絶縁物を配置する工程と、
を備えた半導体装置の製造方法であって、
上記ベース用絶縁物及び上記導電物と、上記回路電極との間には隙間を有する、
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 A step of disposing a base insulator on the main surface adjacent to a circuit electrode formed on the main surface of the insulating substrate;
Forming a conductive material serving as the circuit electrodes at the same potential on the base insulating material,
A step of covering the opposite end of the circuit electrode on the side opposite to the circuit electrode in the conductive material and disposing an insulator for preventing discharge;
A method for manufacturing a semiconductor device comprising:
There is a gap between the base insulator and the conductive material and the circuit electrode.
A method for manufacturing a semiconductor device.
上記電界緩和部材を上記回路電極に隣接して上記絶縁基板に接着する、請求項8に記載の半導体装置の製造方法。 An electric field relaxation member formed integrally with the base insulator, the conductor, and the discharge preventing insulator is manufactured separately from the insulating substrate,
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 8 , wherein the electric field relaxation member is bonded to the insulating substrate adjacent to the circuit electrode.
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