JP5832557B2 - 電力用半導体装置 - Google Patents

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Description

この発明は、半導体装置、特に高温で動作する電力用半導体装置の実装構造に関するものである。
産業機器や電鉄、自動車の進展に伴い、それらに使用される電力用半導体素子の使用温度も向上している。近年、高温でも動作する電力用半導体素子の開発が精力的に行われ、電力用半導体素子の小型化や高耐圧化、高電流密度化が進んでいる。特に、SiCやGaNなどのワイドバンドギャップ半導体は、Si半導体よりもバンドギャップが大きく、電力用半導体装置の高耐圧化、小型化、高電流密度化、高温動作が期待されている。このような特徴を持つ電力用半導体素子を装置化するためには、電力用半導体素子が１５０℃以上の高温で動作する場合も、接合材のクラックや配線の劣化を抑えて電力用半導体装置の安定な動作を確保する必要がある。
一方、半導体装置において半導体素子を樹脂で封止する方法として、特許文献１には、ダム材を用いて半導体素子の周囲を囲い、その内側を部分的に樹脂封止する方法が提案されている。また、特許文献２には、半導体素子を覆う樹脂が流れ広がるのを防止するために、半導体素子の周囲にダムを設ける方法が提案されている。
特開２００３−１２４４０１号公報 特開昭５８−１７６４６号公報
しかしながら、特許文献１および特許文献２に開示されている方法では、半導体素子がＳｉＣなどワイドバンドギャップ半導体素子になって、これまで以上に高温で動作したり、これに対応してヒートサイクル試験の温度が高温になったりすると、封止樹脂に亀裂が生じたり、基板から剥離を起こしたりして、電力用半導体装置の信頼性を著しく損ねる課題があった。
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、電力用半導体素子が繰り返し高温で動作してヒートサイクルを受ける場合も、封止樹脂に亀裂が生じたり、基板から剥離を起こしたりし難い信頼性の高い電力用半導体装置を得ることを目的とする。
この発明は、絶縁基板の片面に表面電極パターンが、および絶縁基板の他の面に裏面電極パターンが、それぞれ形成された半導体素子基板と、表面電極パターンの、絶縁基板とは反対側の面に接合材を介して固着された電力用半導体素子と、電力用半導体素子を囲むように、表面電極パターン上に接合されて設けられた区画壁と、この区画壁の内側に満たされ、電力用半導体素子および区画壁内の表面電極パターンを覆う第一の封止樹脂と、区画壁と、第一の封止樹脂と、区画壁から外に露出した半導体素子基板とを覆う第二の封止樹脂と、を備えた電力半導体装置において、第二の封止樹脂の弾性率は、第一の封止樹脂の弾性率よりも小さく設定され、区画壁の、表面電極パターンに接触していない面に中継端子用電極を備え、区画壁内から区画壁外への配線を、中継端子用電極を介して引き出すようにしたものである。
この発明に係る電力用半導体装置は上記のように構成されているため、高温動作に際して、封止樹脂と表面電極パターンや絶縁基板の間に剥離が発生したり、封止樹脂に亀裂が生じたりし難く、高温動作による動作不良を起こし難い信頼性の高い電力用半導体装置を得ることができる。
本発明の実施の形態１による電力用半導体装置の基本構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態１による電力用半導体装置の基本構造を、ケース側板、ベース板などを省略し、封止樹脂を取り除いて示す斜視図である。 本発明の実施の形態２による電力用半導体装置の基本構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態２による電力用半導体装置の基本構造別の例を示す断面図である。 本発明の実施の形態２による電力用半導体装置の基本構造別のさらに別の例を示す断面図である。 本発明の実施の形態２による電力用半導体装置の基本構造別のさらに別の例を示す断面図である。 本発明の実施の形態２による電力用半導体装置の一例の区画壁の作成方法の例を説明する斜視図である。 比較例の電力用半導体装置の基本構造を、部品の一部を取り除いて示す斜視図である。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による電力用半導体装置の基本構造を示す断面図、図２はケース側板、ベース板などを省略し、封止樹脂を取り除いて示す斜視図である。絶縁基板１の上面に表面電極パターン２、裏面に裏面電極パターン３が貼られた半導体素子基板４の表面電極パターン２の表面に電力用半導体素子５および電力用半導体素子６がはんだなどの接合材７で固着されている。ここで、例えば電力用半導体素子５は大電流を制御するＭＯＳＦＥＴのような電力用半導体素子であり、電力用半導体素子６は例えば電力用半導体素子５に並列に設けられる還流用のダイオードである。この電力用半導体素子５および電力用半導体素子６を囲むように、表面電極パターン２上に区画壁９が備えられ、この区画壁９の表面電極パターン２に接合されていない面の少なくとも一箇所に中継端子用電極８が形成されている。半導体素子基板４は裏面電極パターン３側がベース板１０にはんだなどの接合材７０で固着されており、このベース板１０が底板となり、ベース板１０にケース側板１１を設置することでケースが形成される。このケース内の区画壁９内に第一の封止樹脂１２０を注入してモールドされ、その後さらに、ケース内に第二の封止樹脂１２を注入してモールドされる。各電力用半導体素子には各電力用半導体素子の電極などを外部に電気接続するための太ワイヤの配線１３や細ワイヤの配線１３０が接続されている。この外部への接続は、表面電極パターン２や区画壁９上に設けられた中継端子用電極８を中継し、端子１４を介して行われる。
パワー半導体は、大電流・大電圧に対応するため及び機械的強度が必要なため断面積の大きい太ワイヤを用いる必要があり、電力用半導体素子を制御する信号線の接続は、電力用半導体素子のチップ上スペースの関係から強度の低い細ワイヤにより配線する必要がある。このため、細ワイヤの配線長を短くして強度を確保する必要があり、配線を中継する中継端子が必要となる。本発明では、中継端子用電極８を区画壁９上に設けている。
第一の封止樹脂１２０の材料としては、例えばエポキシ樹脂を用いるが、これに限定するものではなく、所望の耐熱性とチップや電極、ワイヤ等への接着性、ワイヤの断線保護性を有している樹脂であれば用いることが出来る。例えばエポキシ樹脂の他に、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、アクリル樹脂、等が好適に用いられる。また、耐熱性・熱膨張率の調整のために、セラミック粉を分散させた樹脂硬化物なども用いることが出来る。使用するセラミック粉は、Al2O3、SiO2、AlN、BN、Si3N4などが用いられるが、これに限定するものではなく、ダイアモンド、SiC、B2O3、などを用いても良い。粉形状は、球状を用いることが多いが、これに限定するものではなく、破砕状、粒状、リン片状、凝集体などを用いても良い。粉体の充填量は、必要な流動性や絶縁性や接着性が得られる量であれば良い。第一の封止樹脂の線膨張率は、以上のような材料により、半導体素子基板４の材料のうち表面電極パターン２や裏面電極パターン３の材料（例えば銅）の線膨張係数に近い線膨張係数となるように、１０ｐｐｍ以上３０ｐｐｍ以下の値に調整する。実施の形態３で説明するように、第一の封止樹脂の弾性率は、１ＧＰａ以上２０ＧＰａ以下の値に調整するのが好ましい。
中継端子用電極８は、必要な電気特性を満たしていれば良く、例えば銅やアルミ、鉄等を用いることが出来る。また、区画壁９の材料としては、第一の封止樹脂と同様、例えばエポキシ樹脂を用いるが、これに限定するものではなく、所望の耐熱性と接着性、ワイヤボンディング性を有している樹脂であれば用いることが出来る。例えばエポキシ樹脂の他に、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、アクリル樹脂、等が好適に用いられる。また、耐熱性・熱膨張率の調整のために、セラミック粉を分散させた樹脂硬化物なども用いることが出来る。使用するセラミック粉は、Al2O3、SiO2、AlN、BN、Si3N4などが用いられるが、これに限定するものではなく、ダイアモンド、SiC、B2O3、などを用いても良い。粉形状は、球状を用いることが多いが、これに限定するものではなく、破砕状、粒状、リン片状、凝集体などを用いても良い。粉体の充填量は、必要な流動性や絶縁性や接着性が得られる量であれば良い。
また、区画壁９の線膨張率は、第一の封止樹脂１２０との線膨張率差が５０ｐｐｍ以下、好ましくは１５ｐｐｍ以下に調整する。線膨張率差が５０ｐｐｍより大きくなると区画壁９と第一の封止樹脂１２０の界面ではく離が生じる場合がある。また、区画壁９上の中継端子用電極８は、区画壁９上に島状に設けることもできる。それぞれの島が別々の端子となり、別々の配線を中継することができる。
さらに、区画壁９および第一の封止樹脂１２０を覆う第二の封止樹脂１２には、例えばシリコーン樹脂を用いるが、これに限定するものではなく、ウレタン樹脂やアクリル樹脂なども用いる事ができる。また、Al2O3、SiO2などのセラミック粉を添加して用いることもできるが、これに限定するものではなく、AlN、BN、Si3N4、ダイアモンド、SiC、B2O3などを添加しても良く、シリコーン樹脂やアクリル樹脂などの樹脂製の粉を添加しても良い。粉形状は、球状を用いることが多いが、これに限定するものではなく、破砕状、粒状、リン片状、凝集体などを用いても良い。粉体の充填量は、必要な流動性や絶縁性や接着性が得られる量であれば良い。
また、第二の封止樹脂１２の弾性率は、少なくとも第一の封止樹脂１２０よりも小さく調整されている。実施の形態３で説明するように、第二の封止樹脂１２の弾性率は３０ｋＰａ以上３ＧＰａ以下の値に調整するのが好ましい。第二の封止樹脂１２は、区画壁９および第一の封止樹脂１２０以外に、半導体素子基板４の区画壁９から外に露出した部分も覆っている。この半導体素子基板４の区画壁９から外に露出した部分には、絶縁基板１が露出している部分がある。半導体素子基板４に接する封止樹脂は、封止樹脂が硬化収縮やヒートサイクル時の熱応力を発生する際に応力負荷が発生する。第一の封止樹脂１２０は、半導体素子基板４の材料のうち表面電極パターン２や裏面電極パターン３の材料の線膨張係数に近い線膨張係数となるように調整されているため、絶縁基板１とは線膨張係数が異なる。ここでは、区画壁９の外部に露出した半導体素子基板４を弾性率の小さい第二の封止樹脂１２で封止しており、絶縁基板１と接触する部分が応力緩和され、封止樹脂の剥離などが防止できる。この結果、第一の封止樹脂１２０が半導体素子基板４から剥離したり亀裂が生じたりするのを防止することができ、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
本発明は、本実施の形態１のみならず他の実施の形態においても、電力用半導体素子として、１５０℃以上の高温で動作する電力用半導体素子に適用すると効果が大きい。特に、炭化珪素（SiC）、窒化ガリウム（GaN）系材料またはダイアモンドといった材料で形成された、珪素（Si）に比べてバンドギャップが大きい、いわゆるワイドバンドギャップ半導体に適用すると効果が大きい。また、図２では、一つのモールドされた電力用半導体装置に電力用半導体素子が２個しか搭載されていないが、これに限定するものではなく、使用される用途に応じて必要な個数の電力用半導体素子を搭載することができる。
表面電極パターン２、裏面電極パターン３、中継端子用電極８、ベース板１０および端子１４は、通常銅を用いるが、これに限定するものではなく、アルミや鉄を用いても良く、これらを複合した材料を用いても良い。また表面は、通常、ニッケルメッキを行う場合が多いが、これに限定するものではなく、金や錫メッキを行っても良く、必要な電流と電圧を電力用半導体素子に供給できる構造であれば構わない。また、銅/インバー/銅などの複合材料を用いても良く、SiCAl、CuMoなどの合金を用いても良い。また、表面電極パターン２は、第一の封止樹脂１２０に埋設されるので、樹脂との密着性を向上させるために表面に微小な凹凸を設けても良く、化学的に結合するようにシランカップリング剤などで接着補助層を設けても良い。
半導体素子基板４は、Al2O3、SiO2、AlN、BN、Si3N4などのセラミックの絶縁基板１に銅やアルミの表面電極パターン２および裏面電極パターン３を設けてあるものを指す。半導体素子基板４は、放熱性と絶縁性を備えることが必要であり、上記に限らず、セラミック粉を分散させた樹脂硬化物、あるいはセラミック板を埋め込んだ樹脂硬化物のような絶縁基板１に表面電極パターン２および裏面電極パターン３を設けたものでも良い。また、絶縁基板１に使用するセラミック粉は、Al2O3、SiO2、AlN、BN、Si3N4などが用いられるが、これに限定するものではなく、ダイアモンド、SiC、B2O3、などを用いても良い。また、シリコーン樹脂やアクリル樹脂などの樹脂製の粉を用いても良い。粉形状は、球状を用いることが多いが、これに限定するものではなく、破砕状、粒状、リン片状、凝集体などを用いても良い。粉体の充填量は、必要な放熱性と絶縁性が得られる量が充填されていれば良い。絶縁基板１に用いる樹脂は、通常エポキシ樹脂が用いられるが、これに限定するものではなく、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂、アクリル樹脂などを用いても良く、絶縁性と接着性を兼ね備えた材料であれば構わない。
配線は、アルミまたは金でできた断面が円形の線体（以下、ワイヤと称する）を用いるが、これに限定するものではなく、例えば断面が方形の銅板を帯状にしたもの（以下、リボンボンドと称する）を用いても良い。また電力用半導体素子の電流密度などにより、必要な本数を設けることができる。あるいは、配線は、銅や錫などの金属片を溶融金属で接合しても良く、必要な電流と電圧を電力用半導体素子に供給できる構造であれば構わない。
配線の配線形状や配線径は、電流量・配線長・電極パッド面積により適宜自由に選択して用いることができる。例えば電流量が大きい場合や配線長が長い場合は径の太い配線、例えば直径400μｍのワイヤやリボンボンド等を用いることができる。また、SiC半導体素子はコスト面で小面積化が図られており、電極パッド面積が小さい場合が多く、この場合は断面積が０．０１８ｍｍ2以下の細ワイヤの配線１３０、例えば直径150μｍのワイヤ等を用いることができる。
また、断面積が０．０１８ｍｍ2以下の細ワイヤの配線１３０は、少なくとも第一の封止樹脂で５０％以上が被覆される。被覆率が５０％未満の場合、樹脂封止時およびヒートサイクル試験時、動作時に断線が生じる場合がある。被覆率が５０％以上あれば、断線を回避することができ、信頼性の高い電力用半導体装置が提供できる。
従来の半導体装置では、例えば特許文献１の図１に示されているように、本願の表面電極パターン２に相当する導電パターンを、半導体素子を固定するダイパッドと、配線を中継するためのセカンドパッドに分けて形成する。ダイパッドとセカンドパッドは絶縁されており、ダイパッドとセカンドパッドとの間は、回路用基板が露出している。これら回路用基板、導電パターンや半導体素子を封止樹脂で封止しているが、封止樹脂材料と回路用基板材料の熱膨張率に大きな差があるため、高温動作が繰り返されると、この回路用基板が露出している部分で封止樹脂と回路用基板の間にクラックが入ったり、剥離が生じたりすることがあった。この部分でクラックや剥離が発生すると、ダイパッドとセカンドパッドの間に高電圧が印加されるため、絶縁破壊が生じることがあった。一方、本発明の実施の形態１による電力用半導体装置では、表面電極パターン２は少なくとも電力用半導体素子が接合されている部分では同電位となっており、第一の封止樹脂１２０と触れる部分に絶縁基板１が露出していないため、クラックや剥離が発生する恐れがなく、絶縁破壊が生じ難い。よって、信頼性の高い電力用半導体装置が提供できる。
実施の形態２．
実施の形態２では、区画壁９上の中継端子用電極８の位置について記述する。中継端子用電極８は、区画壁９の表面電極パターン２と導通が無く、必要な絶縁距離を確保できる部位に設けることができる。図３は本発明の実施の形態２による電力用半導体装置の基本構造の一例を示す断面図であり、図１、図２と同一符号は同一または相当する部分を示す。図３の電力用半導体装置は、区画壁９の上面の内側を一部低くし、その部分に中継端子用電極８を設けて、中継端子用電極８を第一の封止樹脂１２０中に埋没させた構造である。この場合、細ワイヤの配線１３０の長さを短くすることができ、さらに細ワイヤの配線１３０を第一の封止樹脂１２０で全て被覆できるため、断線に対する耐性が向上し、信頼性の高い電力用半導体装置が提供できる。また、絶縁基板１上には電極で回路パターンを形成せず、区画壁９上に中継端子用電極８を設けることで縦方向に回路形成する構造をとるため、絶縁基板１が横方向に広がらずモジュールサイズの小型化が図れる。さらに、区画壁９は絶縁物で形成されているため十分に電極間距離が確保できるため高耐圧化が図れる。
図４は本発明の実施の形態２による電力用半導体装置の基本構造の別の例を示す断面図であり、図１、図２と同一符号は同一または相当する部分を示す。図４の電力用半導体装置では、中継端子用電極８が区画壁９を貫通して設置されている。この場合も、細ワイヤの配線１３０の長さを短くすることができ、さらに細ワイヤの配線１３０を第一の封止樹脂１２０で全て被覆できるため、断線に対する耐性が向上する。また、配線接続の自由度が増し、モジュール設計の容易性が向上する。
図５は本発明の実施の形態２による電力用半導体装置の基本構造のさらに別の例を示す断面図であり、図１、図２と同一符号は同一または相当する部分を示す。図５の電力用半導体装置では、区画壁９の形状は図３の電力用半導体装置と同様であるが、電力用半導体素子同士、及び外部との接続配線として太ワイヤの配線１３及び金属製のリード１３１を用いている。この場合、電力用半導体素子５から中継端子用電極８への細ワイヤの配線１３０の長さを短くすることができ、細ワイヤの配線１３０を第一の封止樹脂１２０で全て被覆できるため、断線に対する耐性が向上する。また、リード１３１により大きな接合面積が得られるため、内部接合寿命の長寿命化が可能になる。さらに、チップ内の電流分布が抑えられ、チップ温度が平準化しチップ温度上昇が抑えられることで、熱抵抗が低減できる。
なお、図５の断面では、表面電極パターン２から直接外部へ引き出されている配線が無いが、図３や図４に示した構造と同様に、別の断面では、表面電極パターン２から直接外部へ引き出される配線も存在する。
金属製のリード１３１は通常銅を用いるが、これに限定するものではなく、アルミや鉄を用いても良く、これらを複合した材料を用いても良い。また表面はメッキ等を行っても良く、例えばニッケルや金、錫メッキを用いることが多いが、必要な電流と電圧を電力用半導体素子に供給できる構造であれば構わない。また、銅/インバー/銅などの複合材料を用いても良く、SiCAl、CuMoなどの合金を用いても良い。また、金属製のリード１３１は、第一の封止樹脂１２０に埋設されるため、樹脂との密着性を向上させるため表面に微小な凹凸を設けても良く、化学的に結合するようにシランカップリング剤などで接着補助層を設けても良い。
図６は本発明の実施の形態２による電力用半導体装置の基本構造のさらに別の例を示す断面図であり、図１、図２と同一符号は同一または相当する部分を示す。図６の電力用半導体装置は、電力用半導体素子５や電力用半導体素子６を設置した半導体素子基板４の周囲に設けた区画壁９内部が第一の封止樹脂１２０で封止された封止モジュールを複数、ケース側板１１とベース板１０で構成されるケース内に配置し、ケース内の複数の封止モジュールを第二の封止樹脂１２で覆った構成となっている。また、表面電極パターン２の一部は区画壁９の外側に露出しており、この表面電極パターン２が区画壁９の外側に露出した部分にリード１３２などの配線部材を接続して、他の封止モジュールや外部との接続を行うように構成されている。
図６のように、電力用半導体素子５から細ワイヤの配線１３０を用いた配線を中継端子用電極８を通じて行うようにすれば、表面電極パターン２は、区画壁９の外側に露出していても良い。この構成においては、表面電極パターン２から区画壁９の外部への太ワイヤあるいはリードによる配線を、表面電極パターン２が区画壁９の外側に露出している部分を接続部として使用することができる。この場合、電力用半導体素子５から中継端子用電極８への細ワイヤの配線１３０の長さを短くすることができ、細ワイヤの配線１３０を第一の封止樹脂１２０で全て被覆できるため、断線に対する耐性が向上する。また、ケース内に複数の封止モジュールを配置し、その複数の封止モジュールを第一の封止樹脂１２０の弾性率よりも小さい弾性率を有する第二の封止樹脂１２で覆うようにしている。この構成においても、実施の形態１と同様、区画壁９の外部に露出した半導体素子基板４を弾性率の小さい第二の封止樹脂１２で封止しており、絶縁基板１と接触する部分が応力緩和され、封止樹脂の剥離などが防止できる。この結果、第一の封止樹脂１２０が半導体素子基板４から剥離したり亀裂が生じたりするのを防止することができ、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
なお、図６の断面図では、表面電極パターン２から直接外部へ引き出されている配線が無いが、図６の構造においても、図３や図４に示した構造と同様に、別の断面では、表面電極パターン２から直接外部へ引き出される配線も存在する。
実施の形態３．
本実施の形態３では、実施の形態２における図５に示す電力用半導体装置における区画壁９の作製方法について記述する。ここで、区画壁９は本発明の範囲に於いて任意の形状をとることができ、図５の構造に限定されるものではない。すなわち、基本的な製造方法は本実施の形態３のとおりであるが、中継端子用電極８の位置、数、面積等は用いる区画壁９に最適な条件で作成することができる。
区画壁９の詳細構造を図７に示す。図７（Ａ）は区画壁９の下部部品９１、図７（Ｂ）は上部部品９２、図７（Ｃ）は最終的な区画壁９を示す斜視図である。下部部品９１の上面には導電体が形成されている。導電体のうち、一部の導電体８１は、区画壁９の完成後に中継端子用電極となる。また、上部部品９２の上面にも、区画壁９の完成後に中継端子用電極となる導電体８２が形成されていても良い。図７（Ａ）、及び図７（Ｂ）は、絶縁部材で構成される絶縁性樹脂の片面若しくは両面に導電体が形成されたシート状部材を形成し、このシート状部材の導電体に写真製版を用いて、中継端子用電極８となる導電体などの必要なパターンを形成する。その後、所望のサイズで切り出して区画壁９の上部部品９２、下部部品９１とすることができる。その後、区画壁９の上部部品９２、下部部品９１をエポキシ樹脂にて貼り合せ、硬化することで区画壁９を得ることができる。また、上部部品９２、下部部品９１それぞれに必要なパターンを形成後に、両者をエポキシ樹脂で貼り合せ、その後所望のサイズで切り出して区画壁９として用いることもできる。あるいは、図７（Ａ）に示すように、下部部品９１の上面周囲に導電体８３を形成し、下部部品９１の導電体８３に対応する上部部品９２の下面の位置にも導電体を形成しておき、下部部品９１と上部部品９２をはんだにより貼り合わせても良い。
また、図１、図２に示すように区画壁に段差が無い構造の場合は、上部部品と下部部品に分割する必要がなく、一枚のシート状部材により簡便に区画壁を作成することができる。
シート状部材は、例えば絶縁性樹脂として半硬化エポキシシートを用い、この片面若しくは両面に銅箔をプレス成形にて張り合わせ、銅貼りシートを作製することが出来る。また、シート状部材は一般的なガラスエポキシ基板を流用することもできる。
銅箔の厚さは、必要な電気特性が得られれば特に限定はされないが、好ましくは１〜２０００μｍ、さらに好ましくは２０〜４００μｍのものが用いられる。銅箔が薄すぎると配線を接合するためのワイヤボンド時に、銅箔とワイヤの接合部で銅箔が裂損することがあり、厚すぎると中継端子用電極のパターン形成時のエッチングに時間が掛かり、著しく生産性が低下する。絶縁部材の厚さは、必要な絶縁特性が得られれば特に限定されないが、好ましくは１〜５０００μｍ、さらに好ましくは５０〜２０００μｍで調整される。樹脂厚が薄いと必要な絶縁特性を得ることが出来ず、樹脂厚が厚いとワイヤボンド時の取り回しに難が生じたり、所望サイズでの切り出しが困難になったりする。
また、区画壁９の下部に例えば銅等の導電体が取り付けられた場合、半導体素子基板４上の表面電極パターン２への区画壁９の取り付けには、はんだを用いた接合方法を用いることができる。区画壁９の下部に導電体がない場合には、例えばエポキシ樹脂等で接合する方法を用いることができる。
区画壁９に設ける導電体のパターンは、感光性の組成物（フォトレジスト）を塗布して、パターン露光、現像により、中継端子用電極８となる導電体の必要な部分のみを残すことで形成される。なお、例えば図７（Ｂ）に示す区画壁の下部部品の下面など、区画壁に導電体のパターンが必要ない場合、はこの工程は省略できる。
区画壁９の切り出しは、レーザカットやルータ加工等の一般的な個片化の手法を用いて行うことが出来る。区画壁９のサイズは搭載する半導体素子基板４のサイズによって適宜選択することができる。また、ワイヤボンドで配線接続する場合、用いるワイヤ径、ワイヤボンダーの打ち下ろし位置精度等の制約によっても形状が規定される。区画壁９の寸法は、例えば、タテ２０ｍｍ、ヨコ２５ｍｍ、区画壁９の幅１．５ｍｍ、高さ(銅箔と樹脂の総厚)３．５ｍｍといった寸法のものが用いられる。
絶縁性樹脂の片面に銅箔を張り合わせ、所望の導電体のパターンをエッチングにて形成した区画壁９の場合、区画壁９の半導体素子基板４への固定方法は、エポキシ樹脂等の絶縁性接着剤によって半導体素子基板４の任意の位置に固着する方法、絶縁性樹脂の軟化点以上に加熱して任意の位置に押し付け、その後冷却することで固着させる方法、などが好適である。
なお、区画壁９に用いられる絶縁部材は、第一の封止樹脂１２０と、線膨張率を合わせることが望ましい。区画壁９と第一の封止樹脂１２０の線膨張率が大きく異なると、電力用半導体素子の動作の繰り返し、すなわちヒートサイクルが生じた場合に、区画壁９と第一の封止樹脂１２０の界面で剥離が生じる恐れがある。このため、区画壁９の絶縁部材の線膨張率と第一の封止樹脂１２０の線膨張率との差が５０ｐｐｍ以下とし、好ましくは１５ｐｐｍ以下に調整するのが良い。
実施の形態３．
本実施の形態３では、試験用の半導体装置モジュールを、種々の材料を用いた区画壁や封止樹脂により作製し、パワーサイクル試験やヒートサイクル試験を行った結果を実施例として示す。
実施例１．
まず、本発明による図５の構造の電力用半導体装置、および図８に示す比較例の電力用半導体装置を作製し、ヒートサイクル試験を実施した。ヒートサイクル試験の評価は、ヒートサイクル試験の実施前後でＰＤＩＶ（PD Inception Voltage：部分放電開始電圧）測定を実施することにより行った。比較例の電力用半導体装置は、図８に示すような、従来技術に相当する構造の電力用半導体装置である。図８は、図２と同様、ケース側板、ベース板などを省略し、封止樹脂を取り除いて示しているが、比較例の電力用半導体装置はケース側板とベース板に囲まれたケース内を、封止樹脂で封止した構造となっている。比較例の電力用半導体装置は、図８に示されるように、区画壁を用いず、表面電極パターン２とは電気的に絶縁され、絶縁基板１上に表面電極パターン２と同様に形成された中継端子用電極パターン２１により配線１３と配線１５とを中継する構造となっている。また封止樹脂の材料は、比較対象である本発明による図５の構造の電力用半導体装置の第一の封止樹脂と同じ材料を用いた。
ヒートサイクル試験は、電力用半導体装置全体を、温度制御が可能な恒温曹に入れ、恒温曹の温度を−４０℃〜１５０℃の間で繰り返し変化させて実施した。ＰＤＩＶは、部分放電試験機を使用して測定した。半導体素子基板４の表面電極パターン２と裏面電極パターン３間に電極を繋ぎ、不活性液体中２５℃にて、交流周波数６０Ｈｚで昇圧し、１０ｐＣ以上の部分放電が発生した時の電圧を読み取った。試験数ｎ＝５で実施し、その平均値で評価した。結果を表１に示す。本発明の図５の構造の電力用半導体装置、および比較例の半導体装置共に初期状態では優れた絶縁特性を有しているが、ヒートサイクル実施後は比較例に比べ、図５の構造の半導体装置の部分放電電圧は十分に優れていることがわかった。
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以下の実施例２〜実施例５では、区画壁と電力用半導体素子を図５に示す構成で半導体素子基板に設置し、配線にて各実装品を接続した電力用半導体装置を作製し、パワーサイクル試験およびヒートサイクル試験を実施した結果を説明する。パワーサイクル試験は、半導体素子の温度が２００℃になるまで通電し、その温度に達したら通電を止め、半導体素子の温度が１２０℃になるまで冷却し、冷却された後に再び通電した。またヒートサイクル試験は、電力用半導体装置全体を、温度制御が可能な恒温曹に入れ、恒温曹の温度を−４０℃〜１５０℃の間で繰り返し変化させて実施した。
実施例２．
本実施例２では、図５の構造で、種々の弾性率の第二の封止樹脂の半導体装置を作製し、パワーサイクル試験およびヒートサイクル試験を実施した。表２には、第一の封止樹脂１２０に弾性率が7.0GPaのサンユレック製ＥＸ-550を用い、第二の封止樹脂１２の弾性率を変えたときのパワーサイクル試験およびヒートサイクル試験の結果を示す。
区画壁９には、絶縁部材として日立ケミカル製MCL-E-700Gを用い、所望のサイズに加工し、中継端子用電極８のパターンをエッチングにより形成したものを用い、サンユレック製ＥＸ-550を用いて半導体素子基板４へ固定した。半導体装置には、ベース板１０のサイズが50×92×3mm、AlNを用いた絶縁基板１のサイズが23.2×23.4×1.12mm、SiCを用いた半導体素子のサイズが5×5×0.35mm、接合材７には千住金属製M731、ポリフェニレンサルファイド（PPS）を用いたケース側板１１、直径が0.4mmのアルミを用いた配線を使用し、半導体素子と区画壁９上の中継端子用電極８を接続する配線のみ直径0.15mmのアルミ配線を使用した。また、本試験では、モジュール内部にSiC半導体素子を１個のみ搭載し、パワーサイクル試験およびヒートサイクル試験を行った。
表２の例２−１について説明する。東レダウコーニング製SE1885（弾性率15kPa）を第二の封止樹脂に用いてモジュールを作製した場合、パワーサイクル試験では、110000サイクル後に第一の封止樹脂１２０に剥離が発生し、ヒートサイクル試験でも200サイクル後に第一の封止樹脂１２０の剥離と亀裂が発生して電力用半導体装置が動作しなくなることがわかった。
例２−２では、東レダウコーニング製SE1886（弾性率30kPa）を第二の封止樹脂に用いてモジュールを作製した結果、パワーサイクル試験は200000サイクルまで改善され、ヒートサイクル試験でも800サイクルまで改善することが判明した。
例２−３では、信越化学製KE1833（弾性率3.5MPa）を第二の封止樹脂に用いてモジュールを作製した結果、パワーサイクル試験は210000サイクルまで改善され、ヒートサイクル試験でも1200サイクル以上半導体装置の特性が維持されることが判明した。
例２−４では、信越化学製KER-4000にガラスフィラーを約50wt%添加し、弾性率を900MPaに調整したものを第二の封止樹脂に用いてモジュールを作製した結果、パワーサイクル試験は210000サイクル、ヒートサイクル試験でも1200サイクル以上半導体装置の特性が維持されることがわかった。
例２−５では、信越化学製SCR-1016(弾性率1400MPa)を第二の封止樹脂に用いてモジュールを作製した結果、パワーサイクル試験は180000サイクルに低下し、ヒートサイクル試験も500サイクルに低下することが判明した。
例２−６では、信越化学製SCR-1016にガラスフィラーを約54wt%添加し、弾性率を3000MPaに調整したものを第二の封止樹脂に用いてモジュールを作製した結果、パワーサイクル試験は120000サイクルに低下し、ヒートサイクル試験も250サイクルに低下することがわかった。
以上の結果より、第二の封止樹脂の弾性率Ｎは、３０ｋＰａ以上３ＧＰａ未満の範囲が適切であることがわかった。
Figure 0005832557
実施例３．
本実施例３では、図５の構造で、種々の弾性率の第一の封止樹脂１２０の半導体装置を作製し、パワーサイクル試験およびヒートサイクル試験を実施した。表３に、区画壁９に信越化学製KE1833（弾性率3.5MPa）を用い、第二の封止樹脂１２として、東レダウコーニング製SE1886（弾性率30kPa）を用いて、第一の封止樹脂１２０の弾性率を変えたときの
パワーサイクル試験およびヒートサイクル試験の結果を示す。
表３の例３−１について説明する。第一の封止樹脂１２０として、信越化学製KER-4000にガラスフィラーを約50wt%添加し、弾性率を0.9GPaに調整した樹脂を用いた結果、パワーサイクル試験では、100000サイクル後に封止樹脂に剥離が発生し、ヒートサイクル試験でも100サイクル後に封止樹脂の剥離と亀裂が発生して電力用半導体装置が動作しなくなることがわかった。
例３−２では、第一の封止樹脂１２０として、信越化学製KER-4000にガラスフィラーを約58wt%添加し、弾性率を1GPaに調整した樹脂を用いた結果、パワーサイクル試験では、170000サイクル、ヒートサイクル試験では、350サイクルまで改善することがわかった。
例３−３では、サンユレック製EX-550（弾性率7.0GPa）を第一の封止樹脂１２０に用いた結果、パワーサイクル試験では、210000サイクル、ヒートサイクル試験では、1200サイクル以上まで改善することがわかった。
例３−４では、第一の封止樹脂１２０としてサンユレック製EX-550にシリカフィラーを15wt%添加し、弾性率を12GPaに調整した封止樹脂を使用した結果、パワーサイクル試験では、170000サイクル、ヒートサイクル試験では、700サイクルになることがわかった。
例３−５では、第一の封止樹脂１２０としてサンユレック製EX-550にシリカフィラーを20wt%添加し、弾性率を14ＧＰに調整した封止樹脂を使用した結果、パワーサイクル試験では、140000サイクル、ヒートサイクル試験では、500サイクルになることがわかった。
例３−６では、第一の封止樹脂１２０としてサンユレック製EX-550にシリカフィラーを36wt%添加し、弾性率を20GPaに調整した封止樹脂を使用した結果、パワーサイクル試験では、110000サイクル、ヒートサイクル試験では、450サイクルになることがわかった。
例３−７では、第一の封止樹脂１２０としてサンユレック製EX-550にシリカフィラーを40wt%添加し、弾性率を22GPaに調整した封止樹脂を使用した結果、パワーサイクル試験では、100000サイクル、ヒートサイクル試験では、200サイクルになることがわかった。
この結果より、第一の封止樹脂の弾性率Ｍは、１ＧＰａ以上２０ＧＰａ以下の範囲が適切であることが判明した。
Figure 0005832557
実施例４．
本実施例４では、図５の構造で、樹脂の封止高さを振ることで半導体素子と区画壁９上の中継端子用電極８を接続する配線の被覆率を変えた電力用半導体装置を作製し、ヒートサイクル試験を実施した。試験の評価は、ワイヤの断線が発生するまでのヒートサイクル回数で評価した。第一の封止樹脂１２０として、サンユレック製EX-550にシリカフィラーを15wt%添加し、弾性率を12GPaに調整した封止樹脂を使用し、第二の封止樹脂１２として、東レダウコーニング製SE1886（弾性率30kPa）を用いた以外は、実施例２と同様のものを用いた。
表４の例３−４は、実施例３の例３−４の構造を示す。表４の例４−１〜例４−４、及び例３−４に示す試験結果からわかるように、この構造では、半導体素子と区画壁９上の中継端子用電極８を接続する配線の被覆率が５０％を超えると良好なヒートサイクル特性を示すが、５０％を切る被覆率の場合、ワイヤ断線が発生するまでのヒートサイクル回数が低下する。この結果より、半導体素子と区画壁９上の中継端子用電極８を接続する配線の被覆率は５０％以上の範囲が適切であることが判明した。
Figure 0005832557
１：絶縁基板 ２：表面電極パターン
３：裏面電極パターン ４；半導体素子基板
５、６：電力用半導体素子 ７、７０：接合材
８：中継端子用電極 ９：区画壁
１０：ベース板 １１：ケース側板
１２：第二の封止樹脂 １３：太ワイヤの配線
１２０：第一の封止樹脂 １３０：細ワイヤの配線

Claims (8)

  1. 絶縁基板の片面に表面電極パターンが、および前記絶縁基板の他の面に裏面電極パターンが、それぞれ形成された半導体素子基板と、
    前記表面電極パターンの、前記絶縁基板とは反対側の面に接合材を介して固着された電力用半導体素子と、
    前記電力用半導体素子を囲むように、前記表面電極パターン上に接合されて設けられた区画壁と、
    この区画壁の内側に満たされ、前記電力用半導体素子および前記区画壁内の前記表面電極パターンを覆う第一の封止樹脂と、
    前記区画壁と、前記第一の封止樹脂と、前記区画壁から外に露出した前記半導体素子基板とを覆う第二の封止樹脂と、を備え、
    前記第二の封止樹脂の弾性率は、前記第一の封止樹脂の弾性率よりも小さく設定され、
    前記区画壁に、前記表面電極パターンと導通が無いように中継端子用電極を備え、
    前記区画壁内から前記区画壁外への配線を、前記中継端子用電極を介して引き出したことを特徴とする電力用半導体装置。
  2. 前記第一の封止樹脂の弾性率は１ＧＰａ以上２０ＧＰａ以下、線膨張率は１０ｐｐｍ以上３０ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
  3. 前記区画壁と前記第一の封止樹脂の線膨張率の差が５０ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
  4. 前記第二の封止樹脂の弾性率は３０ｋＰａ以上３ＧＰａ以下であることを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
  5. 前記電力用半導体素子と前記中継端子用電極を接続する配線のうち少なくとも一部の配線が、その他の配線よりも細いことを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
  6. 前記その他の配線よりも細い配線の断面積は０．０１８ｍｍ2以下であり、この配線の前記第一の封止樹脂による被覆率は少なくとも５０％であることを特徴とする請求項５に記載の電力用半導体装置。
  7. 前記電力用半導体素子がワイドバンドギャップ半導体により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
  8. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、ダイアモンドのうちのいずれかの半導体であることを特徴とする請求項７に記載の電力用半導体装置。
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