JP6006895B1 - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】高い動作温度で動作しても耐久性を確保でき半導体素子の性能を充分に発揮する上で有利な半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置は、ベース１４に支持された半導体素子１６を封止する封止層２０を含んで構成されている。封止層２０は、多数のｎｍサイズ（１μｍ以下）の粒径のＳｉＯ２からなる絶縁性ナノ微粒子５４と、それら絶縁性ナノ微粒子５４の周りを隙間なく埋める非晶シリカ５６とからなるナノコンポジット構造で構成されている。【選択図】図２

Description

本発明は半導体装置に関する。
近年、ＳｉＣ（炭化珪素）を用いたＳｉＣ半導体素子の開発が進められている。
ＳｉＣ半導体素子はＳｉ半導体素子に比較して絶縁破壊電界強度が高く、バンドギャップが広いため、大電力を制御するパワーデバイスとして注目されている。ＳｉＣ半導体素子は、Ｓｉ半導体素子の限界を超える１５０℃以上の高温においても動作が可能であり、理論的には５００℃以上でも動作が可能とされている（特許文献１参照）。
ところで、半導体素子は、その保護を図るため、ケースに収容されると共に、ケースの内部に充填された樹脂製封止材からなる封止層により封止された半導体装置の形態で使用される。
現在、樹脂製封止材からなる封止層の耐熱温度は１５０℃以下に留まっており、ＳｉＣ半導体素子の動作温度である１５０℃を超える高温になると、封止層が劣化して封止層に隙間が生じ、半導体装置の耐久性を確保する上で不利がある。
そのため、現状では、ＳｉＣ半導体素子を、その動作温度が封止層の耐熱温度を超えない範囲で使用せざるを得ず、ＳｉＣ半導体素子の性能を充分に発揮する上で限界がある。
このようなＳｉＣ半導体素子は、例えば、直流電圧を昇圧する昇圧回路や、直流電圧を交流電圧に変換するインバータや、直流電圧に変換するコンバータなどの大電力を扱う電力変換回路にパワーデバイスとして使用されている。
例えば、鉄道車両は、直流電力が給電されることで走行するものと、交流電力が給電されることで走行するものとがあるが、何れの鉄道車両も、走行用モータに供給する交流電力を制御するためにインバータを備えており、このインバータにパワーデバイスが用いられている。
しかしながら、上述のように、現在、樹脂製封止材からなる封止層の耐熱温度は１５０℃以下に留まっているため、鉄道車両の走行に伴いインバータのパワーデバイスはその動作温度が１５０℃を超え、封止層の劣化に起因したパワーデバイスの故障を招いている。
近年の鉄道車両の事故の大半はこのような動作温度の上昇に伴う封止層の劣化に起因したパワーデバイスの故障によるものであり、修理に多大な手間とコストがかかるため、何らかの改善が望まれている。
このような動作温度の上昇に伴うパワーデバイスの故障は、走行用モータを駆動させるためのインバータを備える電気自動車や、太陽電池で発電された直流電力を商用の交流電力に変換させるインバータを備える発電施設などにおいても、上記と同様に発生しており、改善が望まれている。
一方、本出願人は、物理的・化学的強度に優れた絶縁材料を提案し登録されている（特許文献２参照）。
特開２０１１−８０７９６号公報 特許第５２８１１８８号公報
本発明者は、上記絶縁材料が優れた物理的・化学的強度に加え、２５０℃を超える耐熱温度を有しているということを見出した。
本発明は、上記絶縁材料の耐熱性に着目してなされたものであって、高い動作温度で動作しても耐久性を確保でき半導体素子の性能を充分に発揮する上で有利な半導体装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、半導体素子と、前記半導体素子を収容するケースと、前記ケースの内部で前記半導体素子を支持し前記半導体素子で発せられる熱を放熱する放熱部材として機能するベースと、前記ケースの内部に配設され前記半導体素子に電気的に接続される配線部材と、前記ケースの内部に充填され前記半導体素子、前記配線部材を封止する封止層とを備える半導体装置であって、前記封止層は、１μｍ以下の粒径のＳｉＯ２からなる絶縁性ナノ微粒子と、それら絶縁性ナノ微粒子の周りを隙間なく埋める非晶シリカとからなるナノコンポジット構造で構成されていることを特徴とする。
本発明によれば、半導体素子が例えばパワーデバイスとして使用される半導体装置であるとすると、大電流が流れあるいは高速な動作がなされ動作温度が１５０℃を超えた場合であっても、封止層が熱劣化することがなく、半導体素子の機能を充分に発揮させつつ耐久性を確保する上で有利となる。
したがって、パワーデバイスの故障に起因した鉄道車両や電気自動車、発電施設などでの事故を大幅に削減する上で有利となる。
本実施の形態に係る半導体装置の断面図である。 （Ａ）は絶縁性の部材５０に凹部５２を設け、この凹部５２に封止層２０を形成した説明図、（Ｂ）は（Ａ）の矩形枠部分の拡大図、（Ｃ）は（Ｂ）の矩形枠部分の拡大図である。
（半導体装置の構造）
次に本実施の形態に係る半導体装置について図面を参照して説明する。
図１に示すように、半導体装置１０は、ケース１２と、ベース１４と、半導体素子１６と、配線部材１８と、封止層２０と、接合層２２とを含んで構成されている。
本実施の形態では、接合層２２は、半導体素子１６の接合電極１６０４と配線部材１８とを接合する第３接合層２２Ｃに加え、第１接合層２２Ａ、第２接合層２２Ｂとを含んで構成されている。
ケース１２は、上下が開口された枠状の側壁１２０２で構成され、側壁１２０２の内側に半導体素子１６を収容する収容空間２４が形成されている。
ケース１２として、非導電性のセラミック材料など従来公知の様々な材料が採用可能である。
ベース１４は、半導体素子１６を支持するものであり、熱伝導性に優れた材料で形成されている。
本実施の形態では、ベース１４は、ベース本体１４０２と、中間板部１４０４とを備えている。
ベース本体１４０２は、枠状の側壁１２０２の下部の開口を閉塞している。
ベース本体１４０２として、熱伝導性に優れたセラミック材料や金属材料が使用可能である。
中間板部１４０４は、ベース１４の上面よりも一回り小さい輪郭で形成されている。
中間板部１４０４は、ベース本体１４０２側に位置し第１接合層２２Ａを介してベース本体１４０２の上面に接合された第１板部１４０４Ａと、第１板部１４０４Ａの上に第１板部１４０４Ａと一体に形成された第２板部１４０４Ｂとを有している。
第１板部１４０４Ａは、熱伝導性に優れたセラミック材料で構成され、第２板部１４０４Ｂは、熱伝導性に優れた金属材料で構成されている。
なお、ベース１４の構造は、上記構造に限定されるものではなく、半導体素子１６の熱を効率よく伝導し、半導体素子１６の放熱部材としても有効に機能するものであればよく、単一の金属材料、あるいは、単一のセラミック材料で構成されたものであってもよい。
半導体素子１６は、直流電圧を昇圧する昇圧回路や、直流電圧を交流電圧に変換するインバータや、直流電圧に変換するコンバータなどの電力変換回路に使用されるパワーデバイスを構成するものであり、大電流のスイッチングを行なうスイッチング素子を備えており、スイッチング素子を駆動するために必要なダイオードや受動素子をさらに備えていてもよい。
本実施の形態では、半導体素子１６は、Ｓｉ半導体素子１６に比較して絶縁破壊電界強度が高く、バンドギャップが広く、Ｓｉ半導体素子１６の限界を超える１５０℃以上の高温においても動作が可能で理論的には５００℃以上でも動作が可能なＳｉＣ半導体素子１６で構成されている。
半導体素子１６は、ＳｉＣで構成された基板１６０２上に構成されており、基板１６０２の上面に複数の接合電極１６０４が形成されている。
複数の接合電極１６０４は、半導体装置１０の外部の電源および負荷に接続され大電流が流れる電極と、半導体装置１０の外部の制御回路に接続されスイッチング素子を駆動する駆動信号が流れる電極とを含んでいる。
それら接合電極１６０４は、例えば、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａu、Ａg、Ｔi又はこれらを含む合金で構成されている。
半導体素子１６は、接合電極１６０４と反対側の面を中間板部１４０４の第２板部１４０４Ｂに重ね合わせて第２接合層２２Ｂを介して接合されることでベース１４に支持されている。
配線部材１８は、半導体素子１６の各接合電極１６０４毎に設けられ、配線部材１８の一端は接合電極１６０４に対して第３接合層２２Ｃを介して電気的に接続され、配線部材１８の他端はケース１２の側壁１２０２を貫通してケース１２の外部に設けられた接続端子２６に電気的に接続されている。
接続端子２６は、半導体装置１０の外部の電源や負荷、半導体装置１０の外部の制御回路に接続される。
なお、接続端子２６の形状や配置位置は任意である。
そして、収容空間２４内で半導体素子１６、中間板部１４０４、配線部材１８を封止するための封止空間２４Ａに封止層２０が形成されている。
すなわち封止層２０は、封止材がケース１２の内部に充填されて形成され、封止層２０は収容空間２４の内部に配置されベース１４に支持された半導体素子１６を封止している。
（封止層の構造）
次に、封止空間２４Ａに配置され、ベース１４に支持された半導体素子１６を封止する封止層２０について、図２を参照して説明する。
図２（Ａ）は、絶縁性の部材５０に凹部５２を設け、この凹部５２に封止層２０を形成したものであり、（Ｂ）は（Ａ）の矩形枠部分の拡大図、（Ｃ）は（Ｂ）の矩形枠部分の拡大図を示している。
図２（Ｃ）に示すように、封止層２０は、多数のｎｍサイズ（１μｍ以下）の粒径のＳｉＯ２からなる絶縁性ナノ微粒子５４と、それら絶縁性ナノ微粒子５４の周りを隙間なく埋める非晶シリカ５６とからなるナノコンポジット構造で構成されている。
すなわち、封止層２０は、多数の絶縁性ナノ化微粒子(ＳｉＯ２)５４と、ＳｉＯ２微粒子の反応化合物（非晶シリカ５６）とで構成されている。
言い換えると、封止層２０は、多数の絶縁性ナノ微粒子(ＳｉＯ２微粒子)５４と、それら多数の絶縁性ナノ微粒子を骨材としてそれらの周りを埋めるＳｉ―Ｏ結合（非晶シリカ５６）との複合組織のナノコンポジット構造とで構成されている。
封止層２０は非晶シリカ５６を含み、すなわちＳｉＯ２のガラス化されたものを含むため、内部に隙間、空洞、クラック等の欠陥がない封止層２０となっており、ケース１２、ベース１４、半導体素子１６、配線部材１８、第１接合層２２Ａ、第２接合層２２Ｂ、第３接合層２２Ｃに対する密着強度の高い高信頼度の封止層２０を形成し得る。
（封止層の形成方法）
封止層２０は、例えば、多数の絶縁性ナノ微粒子５４が混在された液体ガラス（ＳｉＯ２）を、封止空間２４Ａに充填し、液体ガラスを硬化させることで形成される。
あるいは、特許第５２８１１８８号の絶縁ペーストを封止空間２４Ａに充填し、絶縁ペーストを硬化させることで形成される。特許第５２８１１８８号に記載された絶縁ペーストの中でも、本発明では絶縁性ナノ微粒子としてＳｉＯ２からなる絶縁性ナノ微粒子が使用され、絶縁ペーストではその他にＳｉ微粒子と、液状の有機Ｓｉ化合物とを含んでいる。
液体ガラス、絶縁性ペーストの硬化は、例えば、好ましくは真空雰囲気中で、１３０℃〜１５０℃の温度範囲で加熱することによって進行させることができる。その後、加圧しながら冷却する工程を含むことが好ましい。この工程により、封止層２０を緻密化し、ケース１２、ベース１４、半導体素子１６、配線部材１８、第１接合層２２Ａ、第２接合層２２Ｂ、第３接合層２２Ｃに対する密着力を高めることができる。
したがって、封止層２０は、液体ガラス、絶縁性ペーストの焼成物である。
封止層２０は、絶縁性ナノ微粒子５４と、ガラスを構成する非晶シリカ５６との複合組織のコンポジット構造で形成されるから、体積が増加し、ケース１２の内部に隙間、空洞、クラック等の欠陥のない高信頼度の封止層２０となる。ちなみに、反応成形後体積が数％程度増加し、空洞、隙間又はクラックの発生等を回避することができる。
本実施の形態の封止層２０では、次のような効果を得ることができる。
（ａ）物理的・化学的強度に優れ、さらには２５０℃を超える耐熱温度を持つ耐熱性に優れ、６００℃前後まで剥離や断線などが生じない耐熱性を有している。
（ｂ）封止層２０を簡単に、確実に形成できる。
（ｃ）封止層２０の内部に隙間、空洞、クラック等の欠陥はなく、高い信頼度を有している。
したがって、本実施の形態によれば、封止層２０は、物理的・化学的強度に優れる絶縁性材料であると共に、２５０℃を超える耐熱性を有している。
そのため、半導体素子１６が例えばパワーデバイスとして使用される半導体装置１０であるとすると、大電流が流れあるいは高速な動作がなされ動作温度が１５０℃を超えた場合であっても、封止層２０が熱劣化することがなく、半導体素子１６の機能を充分に発揮させつつ耐久性を確保する上で有利となる。
したがって、鉄道車両や電気自動車、発電施設などで使用されるインバータの性能を向上させつつ耐久性を確保する上で有利となり、パワーデバイスの故障に起因した鉄道車両や電気自動車、発電施設などでの事故を大幅に減少する上で有利となる。
１０ 半導体装置
１２ ケース
１６ 半導体素子
１６０２ 基板
１６０４ 接合電極
１８ 配線部材
２０ 封止層
２２ 接合層
５０ 絶縁性の部材
５２ 凹部
５４ 絶縁性ナノ微粒子
５６ 非晶シリカ

Claims (2)

  1. 半導体素子と、
    前記半導体素子を収容するケースと、
    前記ケースの内部で前記半導体素子を支持し前記半導体素子で発せられる熱を放熱する放熱部材として機能するベースと、
    前記ケースの内部に配設され前記半導体素子に電気的に接続される配線部材と、
    前記ケースの内部に充填され前記半導体素子、前記配線部材を封止する封止層と、
    を備える半導体装置であって、
    前記封止層は、１μｍ以下の粒径のＳｉＯ２からなる絶縁性ナノ微粒子と、それら絶縁性ナノ微粒子の周りを隙間なく埋める非晶シリカとからなるナノコンポジット構造で構成されている、
    ことを特徴とする半導体装置。
  2. 前記半導体素子は、パワーデバイスを構成している、
    ことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
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