JP6381453B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は半導体装置に関し、特に、樹脂ケース内にパワー半導体素子を封止したパワー半導体装置に関するものである。

従来、たとえば特開２０１０−１３００１５号公報（特許文献１）に示すような、半導体素子をケースに収め、ケースにゲル状の合成樹脂を充填して封止した樹脂封止型のパワー半導体装置が知られている。この種のパワー半導体装置は、電車、ハイブリッドカー、または電気自動車などの電力変換を行なうインバータ装置に好適に用いられている。モータの相数に応じた数のパワー半導体装置を含むことにより、インバータ装置が構成されている。

また、たとえば特開２００８−９８５８４号公報（特許文献２）においては、半導体チップを収納したプラスチックケース内に、半導体チップの駆動時の発熱温度より高い温度において十分な耐熱性を有する液体の絶縁油を充填して封止することにより形成されたパワー半導体装置が開示されている。さらにここでは、当該絶縁油として、吸湿剤および、絶縁油より熱伝導率が高い伝熱粒子が混入されたものが用いられている。この構成により、当該パワー半導体装置は、熱衝撃に強くなり、良好な放熱特性が得られ、信頼性が向上されるとしている。

特開２０１０−１３００１５号公報 特開２００８−９８５８４号公報

たとえば特開２０１０−１３００１５号公報および特開２００８−９８５８４号公報に示す半導体装置においては、使用時の発熱により絶縁基板および電極などの各種部材とこれに触れる封止部材との界面の水分が気化してガスが発生しやすくなる。このガスは絶縁基板などの沿面絶縁耐圧を低下させ、半導体装置の信頼性を低下させる恐れがある。

このような不具合を抑制する観点から、特開２００８−９８５８４号公報においては半導体素子が吸湿剤および伝熱粒子を含む絶縁油に充填されるが、伝熱粒子が絶縁油内で沈降することにより放熱効果が弱まる可能性がある。なお特開２０１０−１３００１５号公報に示す構成においては、使用時の内部発熱によるガスの抑制に関する対策が何らなされていない。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、高温動作する半導体素子を用いたパワー半導体装置において、封止部材と、封止部材に触れる各種部材との界面で生じる気泡の発生を抑制することにより、その信頼性が向上された半導体装置を提供することである。

本発明の半導体装置は、基板と、半導体素子と、封止部材とを備える。基板はケース内に配置されている。半導体素子は基板の一方の主表面上に載置されている。封止部材はケース内を充填するものである。封止部材は、第１領域と、第１領域よりも厚みが薄い第２領域とを有する。第２領域は、基板に直接接し、第１領域よりも半導体素子の動作時に生じる熱による昇温が起こりにくい上記ケース内の縁部である。第２領域の上面は、第１領域の上面とは異なる高さである。ケース内における第２領域の真上には空隙が存在する。
本発明の半導体装置は、基板と、半導体素子と、封止部材とを備える。基板はケース内に配置されている。半導体素子は基板の一方の主表面上に載置されている。封止部材はケース内を充填するものである。封止部材は、第１領域と、第１領域よりも厚みが薄い第２領域とを有する。

本発明によれば、半導体素子の動作時に生じる熱が伝わりにくい領域の封止部材の厚みを他の領域よりも薄くし、その体積を縮小させている。封止部材を温めれば封止部材内のガスを封止部材外に排出させる効果が高められるため、このようにすれば封止部材全体を温めやすくし、封止部材と、封止部材に触れる各種部材との界面で生じる気泡に起因する信頼性の低下を抑制することができる。

実施の形態１のパワー半導体装置の構成を示す概略平面図（Ａ）と、図１（Ａ）の点線Ｌ１から見た透視図（Ｂ）と、図１（Ａ）の点線Ｌ２から見た透視図（Ｃ）とである。 実施の形態１のパワー半導体装置の製造方法の第１例における第１工程を示す概略図（Ａ）と、実施の形態１のパワー半導体装置の製造方法の第２例における第１工程を示す概略図（Ｂ）と、実施の形態１のパワー半導体装置の製造方法の第２例における第２工程を示す概略図（Ｃ）とである。 実施の形態１のパワー半導体装置の製造方法の、図２（Ａ）または（Ｃ）に続く工程を示す概略図（Ａ）と、図３（Ａ）に続く工程を示す概略図（Ｂ）と、図３（Ｂ）に続く工程を示す概略図（Ｃ）とである。 比較例のパワー半導体装置の構成を示す概略平面図（Ａ）と、図４（Ａ）の点線Ｌ１から見た透視図（Ｂ）とである。 比較例のパワー半導体装置を示す図４（Ａ）の点線Ｌ２から見た透視図上に表したガスの移動態様（Ａ）と、比較例のパワー半導体装置を示す図４（Ａ）の点線Ｌ２から見た透視図上に表した気泡の発生態様（Ｂ）とである。 実施の形態１のパワー半導体装置を示す図１（Ａ）の点線Ｌ２から見た透視図（Ａ）と、図６（Ａ）の透視図上に表したガスの移動態様（Ｂ）とである。 実施の形態２のパワー半導体装置の構成を示す概略平面図（Ａ）と、図７（Ａ）の点線Ｌ１から見た透視図（Ｂ）と、図７（Ａ）の点線Ｌ２から見た透視図（Ｃ）とである。 実施の形態２のパワー半導体装置の製造方法の第１工程を示す概略図（Ａ）と、実施の形態２のパワー半導体装置の製造方法の第２工程を示す概略図（Ｂ）と、実施の形態２のパワー半導体装置の製造方法の第３工程を示す概略図（Ｃ）と、実施の形態２のパワー半導体装置の製造方法の第４工程を示す概略図（Ｄ）とである。 実施の形態３のパワー半導体装置の構成を示す概略平面図（Ａ）と、図９（Ａ）の点線Ｌ３から見た透視図（Ｂ）と、図９（Ａ）の点線Ｌ４から見た透視図（Ｃ）と、図９（Ａ）の点線Ｌ５から見た透視図（Ｄ）とである。 実施例１のサンプル１のパワー半導体装置の構成を示す概略平面図および当該パワー半導体装置をＹ方向から見た概略透視図（Ａ）と、実施例１のサンプル２，３，４のパワー半導体装置の構成を示す概略平面図および当該パワー半導体装置をＹ方向から見た概略透視図（Ｂ）と、実施例１のサンプル５のパワー半導体装置の構成を示す概略平面図および当該パワー半導体装置をＹ方向から見た概略透視図（Ｃ）と、封止部材の最上面の温度を測定した点および各部の寸法を示す概略平面図（Ｄ）とである。 実施例２のサンプル６のパワー半導体装置の構成を示す概略平面図（Ａ）と、図１１（Ａ）の点線Ｌ３から見た透視図（Ｂ）と、図１１（Ａ）の点線Ｌ４から見た透視図（Ｃ）と、図１１（Ａ）の点線Ｌ５から見た透視図（Ｄ）とである。 実施例２のサンプル７のパワー半導体装置の構成を示す概略平面図（Ａ）と、図１２（Ａ）の点線Ｌ３から見た透視図（Ｂ）と、図１２（Ａ）の点線Ｌ４から見た透視図（Ｃ）と、図１２（Ａ）の点線Ｌ５から見た透視図（Ｄ）とである。

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。
（実施の形態１）
まず本実施の形態の半導体装置の構成としてパワー半導体装置の構成について図１を用いて説明する。なお、説明の便宜のため、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向が導入されている。Ｘ方向およびＹ方向はそれぞれ平面視における横方向および縦方向を意味し、Ｚ方向はＸ方向およびＹ方向に交差する、厚み（高さ）方向を意味するものとする。

図１（Ａ）は後述するフタ１３を含まない本実施の形態のパワー半導体装置の内部の構成を示す平面図であり、図１（Ｂ）は当該フタ１３を含めた本実施の形態のパワー半導体装置の内部の構成を、図１（Ａ）中の点線Ｌ１から図の上側向きに見た透視図（側面図）である。また図１（Ｃ）は当該フタ１３を含めた本実施の形態のパワー半導体装置の内部の構成を、図１（Ａ）中の点線Ｌ２から図の左側向きに見た透視図（側面図）である。なお各透視図においては、見える部材の一部を省略し主要な部材（要部）のみを抜きとって図示している場合があるとともに、図の理解を容易にするために一部において平面図と整合しない箇所が存在する場合がある（以下の各図においても同じ）。

図１（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）を参照して、本実施の形態のパワー半導体装置は、ケース１と、基板３と、半導体素子５と、電極部材７と、封止部材９と、ガイド部材１１とを主に有している。

ケース１は、パワー半導体装置を構成する基板３などの各種部材をその内部に収納可能な形状を有する、たとえば直方体状の部材である。ケース１は、たとえばポリ・フェニレン・スルファイドなどの樹脂材料により形成されている。

基板３は、パワー半導体装置の土台となる構成部材であり、ケース１内に配置されている。特に図１（Ｂ），（Ｃ）を参照して、基板３は、絶縁基板３ａと、裏面電極３ｂと、表面電極３ｃとを含んでいる。

絶縁基板３ａは、たとえばセラミックスなどの絶縁性の材料からなる平板形状の部材であり、たとえば平面視において矩形状を有しており、Ｚ方向に一定の厚みを有している。より具体的には、絶縁基板３ａを構成するセラミックス材料として、たとえば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、酸化珪素（ＳｉＯ₂）、ガラスセラミックスからなる群から選択されるいずれか１つが用いられることが好ましい。ただし絶縁基板３ａは、これを含むパワー半導体装置が求める絶縁特性、放熱性、線膨張率などの特性を満たす任意の材質およびＺ方向厚みとすることができる。

裏面電極３ｂは、絶縁基板３ａのＺ方向下側の主表面の少なくとも一部に、たとえばろう付けにより貼り合わせられるように形成されており、たとえば平面視において矩形状を有し、Ｚ方向に一定の厚みを有する薄膜のパターンである。同様に表面電極３ｃは、絶縁基板３ａのＺ方向上側の主表面の少なくとも一部に、たとえばろう付けにより貼り合わせられるように（絶縁基板３ａの上記上側の主表面を直接覆うように）形成されており、たとえば平面視において矩形状を有し、Ｚ方向に一定の厚みを有する薄膜のパターンである。裏面電極３ｂおよび表面電極３ｃは、一般公知のアルミニウム、銅、またはこれらを組み合わせた金属材料により形成される。なお裏面電極３ｂおよび表面電極３ｃを構成する金属材料は、酸化防止のためその表面にニッケルめっきなどの処理がなされてもよい。

半導体素子５を構成する材料は、シリコン、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイヤモンド、からなる群から選択されるいずれか１つであるが、あるいは炭化珪素と窒化ガリウムとダイヤモンドとの複合材料であってもよい。これにより半導体素子５を、高電圧を印加するパワー半導体素子として用いることができる。

半導体素子５は、上記の材料からなるチップ状（薄板形）を有しており、基板３の一方の主表面（Ｚ方向上側の主表面）上に、たとえば互いに間隔をあけて複数（図１（Ａ）においてはＸ方向およびＹ方向のそれぞれに関して２列ずつ、合計４つ）載置されている。すなわち半導体素子５は、そのＺ方向下側の主表面が基板３のＺ方向上側の主表面（表面電極３ｃの表面）と互いに接するように、図示されないはんだなどの接合材料により接合されるように搭載されている。

半導体素子５は、シリコンまたは炭化珪素（ＳｉＣ）からなる半導体チップの（図１のＺ方向上側の）表面上に微細な素子が複数形成されることにより集積回路を構成する部材である。ここでの微細な素子として、たとえばＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）およびＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの電力制御用半導体素子、または還流ダイオードなどのいわゆるパワー半導体素子が用いられる。しかしこれに限らず、微細な素子として、動作時の温度が１２５℃を超える数々の半導体素子のうちのいずれかが少なくとも１つ以上用いられればよい。

電極部材７は、当該パワー半導体装置（半導体素子５）とその外部の配線などとを電気的に接続（導電）するために配置されている。電極部材７は、ソース電極７ａと、ドレイン電極７ｂと、ゲート電極７ｃとを含んでいる。

ソース電極７ａは、半導体素子５に含まれる微細な素子を構成するソース電極と電気的に接続されており、かつ当該基板３を含む半導体素子５の外部と電気的に接続するためのものであり、当該パワー半導体装置の全体に対する１つの大きなソース電極に相当する。同様に、ドレイン電極７ｂ（ゲート電極７ｃ）は、半導体素子５に含まれる微細な素子を構成するドレイン電極（ゲート電極）と電気的に接続されており、かつ当該基板３を含む半導体素子５の外部と電気的に接続するためのものであり、当該パワー半導体装置の全体に対する１つの大きなドレイン電極（ゲート電極）に相当する。

図１においては基板３の表面電極３ｃは、Ｘ方向に関して互いに間隔をあけて複数（３つ）配置されている。そのうち最も左側の表面電極３ｃにソース電極７ａが、中央の表面電極３ｃにドレイン電極７ｂが、最も右側の表面電極３ｃにゲート電極７ｃが、それぞれ接続されている。したがって当該３つの表面電極３ｃのそれぞれは、電極部材７のそれぞれと同電位になっている。しかしここでは当該３つの表面電極３ｃのそれぞれは基板３を構成するものとし、電極部材７は基板３（３つの表面電極３ｃのそれぞれ）に接続された各電極７ａ，７ｂ，７ｃを意味するものとする。

図１に示すように、ソース電極７ａ、ドレイン電極７ｂおよびゲート電極７ｃのそれぞれは、表面電極３ｃと接続される領域（Ｚ方向最下部）において、基板３（表面電極３ｃ）上からＺ方向上側に延びるようにほぼ直角に屈曲した形状を有していてもよい。これにより、ソース電極７ａ、ドレイン電極７ｂおよびゲート電極７ｃのそれぞれは、その大半の領域がＺ方向上側に延びる構成を有している。

ソース電極７ａ、ドレイン電極７ｂおよびゲート電極７ｃは、たとえば銅の土台の表面にニッケルめっきなどの処理がなされた構成を有しており、たとえば超音波接合により基板３の表面電極３ｃと互いに接続される。ただしソース電極７ａ、ドレイン電極７ｂおよびゲート電極７ｃは電気伝導性が高い任意の材質により形成可能であり、また超音波接合の他、はんだまたはかしめ接合などにより基板３の表面電極３ｃと互いに接続されてもよい。

また各電極７ａ，７ｂ，７ｃのサイズおよび位置についても特に限定されるものではなく、所望の電流を流すことが出来るだけのサイズを有していればよい。なお、図１における電極７ａ〜７ｃの名称は装置構成の説明の便宜上名付けられたもので、用いる素子によってたとえばソース電極とドレイン電極の位置および機能などが図１の構成と入れ替わったり、たとえばソース電極とドレイン電極との双方の機能を有するように共用された電極が配置されたりしてもよい。

封止部材９は、特に図１（Ｂ），（Ｃ）に示すようにケース１内を充填するように配置されており、たとえば一般公知の封止用の樹脂材料が硬化したものであるが、必ずしも樹脂材料でなくてもよい。したがって封止部材９は、ケース１内に配置される基板３、半導体素子５、電極部材７などの各部材の表面の少なくとも一部と互いに接しながらこれらの各部材を覆うように配置されている。

封止部材９としての樹脂材料は、成形性、硬化性、貯蔵安定性、特に長期耐熱性に優れ、良好な耐クラック性を有する材料を用いることが好ましい。具体的には封止部材９として、たとえば熱硬化性オルガノポリシロキサンを主成分としたシリコーン系の樹脂（シリコーンゲルなどの２液混合型の反応材料）が一般的に用いられる。また封止部材９として、エポキシ系またはフッ素系などの樹脂材料が用いられてもよいし、上記の成形性などの特性を損なわない範囲で硬化促進剤や消泡剤、無機充填剤などを添加して用いることもできる。

封止部材９は、複数種類（２液）の所定量が計量されたものが混合され、それが約１３．３Ｐａの真空状態下で１０分間一次脱泡された後にケース１内に注型されることにより形成（ケース１内に供給）される。その後当該封止部材９は、１３．３Ｐａの真空状態下で１０分間二次脱泡され、７０℃で１時間加熱硬化される。

封止部材９のＺ方向の最上面は、互いに高さ（Ｚ方向の座標）が異なる第１封止部材最上面９ａと第２封止部材最上面９ｂとを有している。具体的には、第１封止部材最上面９ａは第２封止部材最上面９ｂよりもＺ方向の上方に配置されている。そして封止部材９は、第１封止部材最上面９ａを有する第１領域９ａａと、第２封止部材最上面９ｂを有する第２領域９ｂｂとを有している。第１領域９ａａ、第２領域９ｂｂともに、Ｚ方向最下面の高さ（Ｚ方向の座標）は等しく、その最下面は互いにほぼツライチとなっている。

したがって第２領域９ｂｂは第１領域９ａａよりも、Ｚ方向に関する厚みが薄くなっている。具体的には、第２領域９ｂｂは第１領域９ａａよりも少なくとも１ｍｍ以上、Ｚ方向に関して薄くなっている。ただし後述するように第２領域９ｂｂは第１領域９ａａよりも３ｍｍ以上（Ｚ方向に関して）薄くなっていることがより好ましい。

基本的に第２領域９ｂｂは、平面視におけるケース１内の領域の縁部の近くに配置されることが好ましく、図１（Ａ）におけるＹ方向下方（図１（Ｃ）におけるＹ方向左方）に配置されている。第２領域９ｂｂは、半導体素子５および電極部材７と平面視において重なる領域以外の領域に設けられている。図１（Ａ）においてはＹ方向に関する比較的上方に（第１領域９ａａとしての）半導体素子５および電極部材７の配置された領域が存在し、そのＹ方向下方に、ガイド部材１１を隔てて、第２領域９ｂｂが存在する。

第２封止部材最上面９ｂに接するように、当該表面上には透湿膜１０が配置されている。言い換えれば、第２領域９ｂｂの上側の表面である第２封止部材最上面９ｂ（基板３の一方の主表面と同じ側の表面）は透湿膜１０に覆われている。さらに言い換えれば、第２領域９ｂｂにおいて透湿膜１０を除いたときの封止部材９の最上面が第２封止部材最上面９ｂに相当する。したがって、透湿膜１０は第２領域９ｂｂと平面視において重なるように配置され、平面視においてたとえばＸ方向に延びる矩形状を有している。

透湿膜１０は耐熱性を有しており封止樹脂を通さないものであれば特に限定されないが、透湿膜１０としてたとえば透湿性を持たせたフィルムを用いることができる。具体的には、たとえばポリテトラフルオロエチレンを延伸加工して透湿性を持たせたフィルム、またはポリプロピレンに有機フィラーを混合させてシート化したのち有機フィラーを溶解除去して透湿性を持たせたフィルムなどが用いられる。なお透湿膜１０のＺ方向に関する厚みは、たとえば１０μｍ以上３ｍｍ以下とすることが好ましい。

ケース１内における封止部材９の第１領域９ａａと第２領域９ｂｂとの境界には、Ｙ方向に関して第１領域９ａａと第２領域９ｂｂとを区画するように、ガイド部材１１が配置されている。ガイド部材１１はＺ方向とＸ方向とのなす平面においてＸ方向に延びる矩形状を有し、Ｙ方向に厚みを、Ｚ方向に幅（高さ）を有する平板形状を有している。ガイド部材１１は、たとえばポリ・フェニレン・スルファイドなどの樹脂材料により形成されている。

また、ガイド部材１１と透湿膜１０とが同一の部材であってもよい。たとえば透湿膜１０の厚みが１０μｍの場合は透湿膜１０そのものに形状維持特性を有しないため、たとえばポリ・フェニレン・スルファイドなどの樹脂材料を用いて第２領域９ｂｂが形成される必要がある。しかし透湿膜１０の厚みが１ｍｍの場合は透湿膜１０そのものに形状維持特性があるため、透湿膜１０そのものだけが配置されてもそれがガイド部材１１としての機能を兼ねることができる。この場合、ガイド部材１１に接した封止部材９の部分においても透湿できるため、信頼性のさらなる向上が期待できる。

ガイド部材１１は、封止部材９の比較的薄い第２領域９ｂｂを形成しようとする領域に透湿膜１０を設置するために用いられる部材であり、たとえば透湿膜１０を設置する箇所と設置しない箇所との境界部に配置される。ガイド部材１１は、ケース１の形成時にこれと一体となるように形成されていてもよいし、ケース１の形成後に後付けとなるように形成されていてもよい。

本実施の形態のパワー半導体装置は、上記の各部材の他にも、たとえばフタ１３と、ベース板１５と、ワイヤ１７とを有している。

フタ１３は、ケース１の内部の、封止部材９により充填された領域がケース１の外側に露出しないようにするように、ケース１のＺ方向最上部の開口部を塞ぐように設置される。フタ１３は基本的にケース１と同様の樹脂材料により形成される平板形状の部材であることが好ましい。

ここで、特に図１（Ｂ），（Ｃ）に示すように、封止部材９はケース１内の全体を充填するわけではなく、ケース１内の最上部よりもＺ方向のやや下方にその最上面９ａを有するように供給されている。すなわちケース１内において、封止部材最上面９ａ，９ｂとフタ１３との間には空隙１４（空気などによる隙間）が存在している。空隙１４は、封止部材９の第１領域９ａａ（第１封止部材最上面９ａ）の真上よりも第２領域９ｂｂ（第２封止部材最上面９ｂ）の真上において、そのＺ方向の厚みが大きくなっている。

フタ１３によるケース１内の密閉は、封止部材９が加熱硬化された後に取り付けられ、それによりパワー半導体装置として完成する。

ベース板１５は、ケース１を構成する外枠およびその内部の、Ｚ方向下側を塞ぐように配置されることによりケース１の底部を構成する部材である。つまりベース板１５は、基板３の、上記一方の主表面とは反対側の他方の主表面（Ｚ方向下側の主表面）に接続されるように配置されている。より具体的にはベース板１５は、そのＺ方向上側の主表面が基板３のＺ方向下側の主表面（裏面電極３ｂの表面）と互いに接するように、図示されないはんだなどの接合材料により接合されるように搭載されている。ベース板１５はたとえば平面視において矩形状を有する平板形状の部材であり、ケース１の底部に、図示されない接着剤等で貼り付けられている。

ベース板１５は、半導体素子５の駆動時に発する熱をそのＺ方向下側からパワー半導体装置の外側へ放熱する機能を有している。ベース板１５は、これを含むパワー半導体装置が求める電気特性、放熱性、線膨張率などの特性を満たす任意のＺ方向厚み、および材質とすることができる。

たとえば、一般的にベース板１５は銅により形成されるが、たとえばモリブデンまたはタングステンにより形成されてもよいし、銅とタングステンとの合金、または銅とモリブデンとの合金（銅モリブデン：ＣｕＭｏ）により形成されてもよい。あるいはベース板１５はアルミニウムと炭化珪素（ＳｉＣ）との合成材料（アルミニウム炭化珪素：ＡｌＳｉＣ）、珪素と炭化珪素（ＳｉＣ）との合成材料などのセラミック金属系の材料により形成されてもよいし、さらに合成ダイヤモンド、あるいはダイヤモンドと銅との複合材料により形成されてもよい。またベース板１５は裏面電極３ｂと電気的に接続されることにより、半導体素子５などと電気的に接続されてもよい。このような材質により形成されたベース板１５は、放熱性などの特性を十分に満たすことができる。

以上により、当該パワー半導体装置におけるケース１内を充填する上記の封止部材９は、ケース１の側面と、フタ１３と、ベース板１５とで囲まれた空間内の一部を充填している。これにより封止部材９は、当該空間内に配置された半導体素子５などを外部の汚染等から保護する機密性を確保したり、パワー半導体装置全体の成型による形状精度を高めたりしている。また特にベース板１５により半導体素子５などの発生する熱が高効率に外部に放熱される。

ワイヤ１７は、たとえば複数の半導体素子５同士を電気的に接続したり、半導体素子５と、半導体素子５が載置される表面電極３ｃ以外の（たとえば当該表面電極３ｃに隣り合う）表面電極３ｃとを電気的に接続したりするために半導体素子５の表面などに接続された細い配線である。

ワイヤ１７は、これにより接続される２つの領域間を電気的に接続することが可能な任意の材質により形成され得る。具体的にはワイヤ１７は、通常はアルミニウム、銅、金などの金属材料の細線により形成されるが、たとえばアルミニウムによりその表面が被覆された銅からなるワイヤ１７が用いられてもよい。

ワイヤ１７の表面電極３ｃなどへの接続に用いる材料は、図示しないがたとえばはんだまたは銀などの熱溶融部材であることが好ましい。なおワイヤ１７の表面電極３ｃなどへの接続方法は、ワイヤ１７と表面電極３ｃなどとの電気的な接続を可能とする任意の方法によりなされる。たとえば表面電極３ｃとワイヤ１７とが超音波接合により互いに接続されてもよい。

以上の構成を有する本実施の形態のパワー半導体装置は冷却装置などに取り付けて用いられる場合がある。その場合、当該冷却装置などへの設置のために、たとえばケース１に取付ネジ穴１９が加工されてもよい。なお図１（Ａ）においてはＸ方向の一方および他方の端部に１つずつの取付ネジ穴１９が形成されているが、その形状および数には特に制限は無く、必要な取付け強度や製品規格などを考慮のうえ形状および数を適宜決定することができる。

より具体的には、パワー半導体装置は図示しない冷却フィンの上に載置され、取付ネジ穴１９内に挿入されるネジなどにより、冷却フィンの上に固定される。このとき、パワー半導体装置と冷却フィンとの間には図示しない放熱グリースなどの放熱部材が介在することが好ましい。

次に、図２および図３を用いて、本実施の形態のパワー半導体装置の製造方法について説明する。

図２（Ａ）Ｉ，ＩＩを参照して、製造方法の第１例として、ガイド部材１１とケース１との間の領域となるべき領域（透湿膜１０を設置すべき領域）にあらかじめ透湿膜１０が配置される。この状態で、上記の樹脂材料が注型されることにより、ケース１とガイド部材１１とが同時に形成される。ガイド部材１１はケース１の縁部とともに透湿膜１０を挟みながら固定することが可能な位置に形成される。

図２（Ｂ）Ｉ，ＩＩ，ＩＩＩ，ＩＶを参照して、製造方法の第２例として、上記第１例と同様の材料、位置および形状のケース１とガイド部材１１とが先に注型により形成された後に、これとは別の工程により透湿膜１０のみが形成されてもよい。この場合、後付けによりケース１（とガイド部材１１との間の領域）に容易に透湿膜１０が形成可能となるように、透湿膜１０には、平面視におけるその周囲に、たとえばケース１を構成する材料と同じ樹脂材料により透湿膜外枠１０ａが形成されることが好ましい。

図２（Ｃ）を参照して、ケース１の、半導体素子５などを収納する内側領域の壁面の一部に、透湿膜１０を設置するための溝部１ａが形成され、当該溝部１ａに嵌めるように、図２（Ｂ）にて形成された透湿膜１０（透湿膜外枠１０ａを含む）が設置される。

図３（Ａ）〜（Ｃ）の各工程は、上記の第１例、または第２例の双方に共通の工程である。図３（Ａ）を参照して、図２（Ａ）の第１例、または図２（Ｂ），（Ｃ）の第２例により形成された、透湿膜１０のセットされたケース１の底部にベース板１５が接着され、ベース板１５の上面上（ケース１内）に基板３、半導体素子５、電極部材７などの各部材が載置される。

図３（Ｂ）を参照して、上記の封止部材９が形成される。具体的には、上記のように複数種類（２液）の所定量が計量されたものが混合され、それが約１３．３Ｐａの真空状態下で１０分間一次脱泡されたゲル２０が、基板３、半導体素子５、電極部材７などの各部材が載置されたケース１内に注入される。ただしゲル２０は真空状態下でない状態で注入されてもよい。

このときゲル２０は、第２領域９ｂｂとなるべき領域においてはＺ方向に関して透湿膜１０の高さに達したところでその供給がストップする。これに対して第１領域９ａａとなるべき領域においては透湿膜１０が配置されないため、透湿膜１０よりもＺ方向上方にまで達するように高く供給される。このため透湿膜１０を所望の領域に形成すれば、透湿膜１０の配置される領域（第２領域９ｂｂとなるべき領域）において、透湿膜１０の配置されない領域（第１領域９ａａとなるべき領域）に比べてその最上面が低くなるように（段差ができるように）ゲル２０が供給される。その後当該ゲル２０は、１３．３Ｐａの真空状態下で１０分間二次脱泡され、７０℃で１時間加熱硬化される。

図３（Ｃ）を参照して、上記の加熱硬化により、第２領域９ｂｂの第２封止部材最上面９ｂは透湿膜１０に接し、かつそれは第１領域９ａａの第１封止部材最上面９ａよりも１ｍｍ以上Ｚ方向下方に配置されるように、封止部材９が形成される。

その後、図に示すようにフタ１３が取り付けられることにより、封止部材９がケース１内に密閉され、パワー半導体装置が完成する。なお封止部材９の最上面９ａ，９ｂとフタ１３との間に空隙１４（最上面９ｂ上において最上面９ａ上よりも広い）が形成されることが好ましい。

以上より、本実施の形態においては、図２（Ａ）に示す第１例、および図２（Ｂ），（Ｃ）に示す第２例のいずれが採用されてもよい。要は封止部材９の透湿性を維持したまま、第２領域９ｂｂを第１領域９ａａよりも１ｍｍ以上薄く形成することが可能な位置に透湿膜１０を配置することが可能であればどのような方法により形成されてもよい。

次に、図４〜図６の比較例の構成、動作および課題等を説明しながら、本実施の形態の作用効果、およびより好ましい構成等について説明する。

図４（Ａ）はフタ１３を含まない比較例のパワー半導体装置の内部の構成を示す平面図であり、図４（Ｂ）は当該フタ１３を含めた本実施の形態のパワー半導体装置の内部の構成を、図４（Ａ）中の点線Ｌ１から図の上側向きに見た透視図（側面図）である。

図４（Ａ），（Ｂ）を参照して、比較例のパワー半導体装置は、基本的に図１の本実施の形態のパワー半導体装置と同様の構成を有しているが、ガイド部材１１を有さず、封止部材９が厚みの異なる２つの領域９ａａ，９ｂｂを有さない点において図４は図１と異なっている。これ以外の比較例（図４）の構成は、実施の形態１（図１）の構成とほぼ同じであるため同一の要素については同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。

パワー半導体装置の動作時は、半導体素子５および基板３（表面電極３ｃ）で形成される回路パターンには高電圧が印加される。図４の比較例のパワー半導体装置においては、シリコーンゲルにより封止部材９が形成されるため、このような高電圧が印加されても、短い沿面長で基板３などの高い沿面絶縁耐圧を確保することができる。また当該封止部材９により、たとえば半導体素子５と電極部材７とワイヤ１７との間を互いに電気的に絶縁することができる。

図４に示す比較例のパワー半導体装置の半導体素子５などに高電圧が印加されて半導体素子５が高温になれば、基板３および電極部材７と、これらに接するように覆う封止部材９との界面にて気泡が発生し、その結果として基板３などの沿面絶縁耐圧が低下し、パワー半導体装置の信頼性が低下する不具合を起こす場合がある。これは、封止部材９の内部、および封止部材９とこれに接する基板３などの各部材との界面に存在する水分が、半導体素子５の動作時の熱で気化し、封止部材９内へのガス拡散速度よりも発生ガス量が増大した場合に生じるものと考えられる。このような現象は、特に炭化珪素からなる半導体素子５（チップ）を用いて、当該半導体素子５の最大接合温度（Ｔｊｍａｘ）が１５０℃を超える動作を行なった場合に顕著に生じる。

このような現象を抑制するために、たとえば半導体素子５を収納したケース１内に高耐熱性を有する液体の絶縁油を充填することが考えられるが、液体の絶縁油を用いるためケース１内の密封が難しく製品の歩留りが向上できないという不具合を来す可能性がある。

そこで、このような現象を抑制するために、本願発明の発明者は鋭意研究を行った結果、昇温による上記気泡の発生は封止部材９を構成するシリコーンゲルの透湿度がシリコーンゲルの温度によって変化することに着目した。

ここで図５（Ａ），（Ｂ）は図４（Ａ）中の点線Ｌ２から図の左側向きに見た透視図（側面図）である。図５（Ａ）を参照して、たとえば図の比較的右側の領域は、高温となる半導体素子５の真上に相当するため、封止部材９が比較的高温となる（このことを図中「Ｈ」で示している）。これに対して、たとえば図の比較的左側の領域には半導体素子５が配置されないため、封止部材９が比較的低温となる（このことを図中「Ｌ」で示している）。

封止部材９が十分温められている領域Ｈにおいては、封止部材９のガス拡散速度が大きいため、矢印で示すようにガスＧｓ（水蒸気）が盛んに半導体素子５上から封止部材９内をＺ方向上側へ移動する。つまり半導体素子５の高温動作により水分が気化して発生したガスＧｓは、盛んに封止部材９の上方へ移動して封止部材９の外部に排出される。

一方、封止部材９が冷えた領域Ｌにおいては、封止部材９のガス拡散速度が小さく、半導体素子５の高温動作により水分が気化して発生したガスＧｓは封止部材９内を移動してその外部に排出されにくい。このことから図５（Ｂ）に示すように、封止部材９の低温領域２１においては、特に封止部材９と基板３との界面などに気泡２５が発生しやすくなる。

そこで図５（Ａ），（Ｂ）と同様に図１（Ａ）中の点線Ｌ２から図の左側向きに見た透視図（側面図）である図６（Ａ），（Ｂ）を参照して、本実施の形態（図１）に示すように、ケース１内の封止部材９が、その一部の領域（具体的には低温領域２１：第２領域９ｂｂ）において、他の領域（第１領域９ａａ）よりもＺ方向の厚みが１ｍｍ以上薄くなるように形成される。

これにより、ケース１内の半導体素子５の動作時に生じる熱による昇温が起こりにくい低温領域２１においては、封止部材９が他の領域よりも薄いために、他の領域よりも気泡２５がＺ方向に移動すべき距離が短くなる。このため、図６（Ｂ）中に太い矢印で示すように、低温領域２１においても加熱による気泡２５は速やかに封止部材９の外部に排出される。したがって低温領域２１においても気泡２５が上記界面の近傍に滞留することによる基板３などの沿面絶縁耐圧の低下を抑制することができ、パワー半導体装置の信頼性を高めることができる。

一方、第１領域９ａａにおいては、第２領域９ｂｂよりも１ｍｍ以上厚い封止部材９が形成されることにより、半導体装置を外部から保護する機能などをより確実にすることができ、半導体素子５と電極部材７およびワイヤ１７などとの間の絶縁性を確実にすることができる。

第１領域９ａａと第２領域９ｂｂとの段差が大きいほど、第２領域９ｂｂは基本的により薄くなるため、上記の効果が大きくなる。

本実施の形態においては、半導体素子５の駆動により発生する熱を利用して封止部材９を温めるため、たとえば外部から封止部材９を加熱するための電力等を供給する必要がない。このため低コストで高効率に封止部材９を温め、気泡２５の滞留による不具合の発生を抑制することができる。

本実施の形態においては、封止部材９が薄い第２領域９ｂｂは、半導体素子５および電極部材７と平面視において重なる領域以外の領域に設けられている。半導体素子５および電極部材７と重なる領域は、これらの発熱により封止部材９が温まりやすいが、それ以外の領域においては半導体素子５などから発生する熱が伝わりにくい。このため、その熱が伝わりにくい領域の封止部材９を薄くすることにより、上記のように気泡２５を排出させる効果を高めることができる。

また第２領域９ｂｂを薄くすれば、当該領域を温めるのに必要な熱量が少なくなる分、当該領域が温まりやすくなる。このため、第２領域９ｂｂの形成により、ガスＧｓ（水蒸気）をより効率的に外部に排出させやすくすることができる。

また本実施の形態においては、透湿膜１０により封止部材９が２つの厚みの異なる領域９ａａ，９ｂｂに分かれるように形成される。これにより、たとえば後述する実施の形態２のように補助部材２７を用いて封止部材９に２つの厚みの異なる領域を形成する場合に比べて、封止部材９による封止工程が簡便になる。これは補助部材２７のように封止工程の完了後に除去する必要がなく、最終製品においても残存させ得るためである。

本実施の形態のパワー半導体装置において、表面電極３ｃの表面の（Ｚ方向に関する）高さと、第２領域９ｂｂにおける基板３の一方の主表面と同じ側（Ｚ方向上側）の表面（第２封止部材最上面９ｂであり透湿膜１０が載置される位置に相当）の（Ｚ方向に関する）高さとの差は２５ｍｍ以下であることが好ましい。これにより、第２領域９ｂｂにおける封止部材９のＺ方向の厚みが、ガスＧｓの排出効果を高めるために十分な薄さとなるため、ガスＧｓの排出効果がいっそう高められる。なおこのときの、表面電極３ｃの表面の（Ｚ方向に関する）高さと、第１封止部材最上面９ａとのＺ方向に関する高さの差は２５ｍｍを超えるものであるとし、通常は２８ｍｍ以上である。

さらに、本実施の形態のパワー半導体装置においては、その駆動時において、半導体素子５（チップ）の動作時における（Ｚ方向上側の）表面の温度と、封止部材９における基板３の一方の主表面と同じ側（Ｚ方向上側）の表面（すなわち第１封止部材最上面９ａまたは第２封止部材最上面９ｂ）の温度の最小値との差が１２０℃以下であることが好ましい。つまり図１（Ｂ）を再度参照して、半導体素子５の（微細な素子が多数実装された）Ｚ方向上側の表面の温度Ｔ１と、封止部材最上面９ａ，９ｂの温度の最小値Ｔ２（Ｔ１＞Ｔ２）との差が１２０℃以下である。このようにすれば、封止部材９の全体が比較的温まっていると言えるために気泡２５が排出しやすくなっており、パワー半導体装置の信頼性を高めることができる。なお、これらの特徴については後に実施例として詳述する。

なお上記のパワー半導体装置は、ベース板１５および、その上の絶縁基板３ａを含む基板３により形成された、いわゆるケース型パワー半導体装置である。しかしこれに限らず、たとえばベース板１５に有機絶縁膜を介在して金属性の基板が載置された構成のいわゆるケース型パワーモジュール構造についても、上記の本実施の形態と同様の効果を得ることができる。

（実施の形態２）
図７（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は本実施の形態２のパワー半導体装置を、それぞれ実施の形態１の図１（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）と同じように（同じ場所で、かつ同じ方向から）見た態様を示している。図７（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）を参照して、本実施の形態のパワー半導体装置は、基本的に図１の実施の形態１のパワー半導体装置と同様の構成を有しているが、透湿膜１０およびガイド部材１１が設置されることなく、互いに厚みが１ｍｍ以上異なる第１領域９ａａおよび第２領域９ｂｂが形成されている。この点において図７は図１と異なっているが、これ以外の本実施の形態（図７）の構成は、実施の形態１（図１）の構成とほぼ同じであるため同一の要素については同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。

次に、図８を用いて、本実施の形態のパワー半導体装置の製造方法について説明する。
図８（Ａ）を参照して、たとえば図３（Ａ）と同様に、底部にベース板１５が接着されたケース１が準備され、そのベース板１５の上面上（ケース１内）に基板３、半導体素子５、電極部材７などの各部材が載置される。

次に、たとえばケース１内のＹ方向に関する縁部の近くなど、封止部材９の薄い第２領域９ｂｂを形成したい領域に、補助部材２７が設置される。補助部材２７は、たとえばテフロンにより形成された直方体状の部材であることが好ましく、その表面に離型剤が塗布されていてもよい。補助部材２７は、第２領域９ｂｂを形成しようとする領域の、第２封止部材最上面９ｂとなる領域の真上の空隙１４が配置される領域に設置される。その状態で、図３（Ｂ）と同様に、封止部材９を形成するためのゲル２０が供給される。

このときゲル２０は、第２領域９ｂｂとなるべき領域においてはＺ方向に関して補助部材２７最下部の高さに達したところでその供給がストップする。これに対して第１領域９ａａとなるべき領域においては補助部材２７が配置されないため、補助部材２７のＺ方向最下部よりもＺ方向上方にまで達するように高く供給される。このため補助部材２７の配置される領域（第２領域９ｂｂとなるべき領域）において、補助部材２７の配置されない領域（第１領域９ａａとなるべき領域）に比べてその最上面が低くなるように（段差ができるように）ゲル２０が供給される。

図８（Ｂ）を参照して、その後、補助部材２７が設置されたままの状態で、当該ゲル２０は１３．３Ｐａの真空状態下で１０分間二次脱泡され、７０℃で１時間加熱硬化されることにより封止部材９となる。図８（Ｃ）を参照して、硬化後に補助部材２７が取り外される。図８（Ｄ）を参照して、図３（Ｃ）と同様にフタ１３が取り付けられることにより、封止部材９がケース１内に密閉され、パワー半導体装置が完成する。

なお、図７および図８の各図においては、封止部材最上面９ａ，９ｂが平面状に形成されているが、これに限らず、たとえば封止部材最上面９ａ，９ｂは曲面状であってもよい。また図７および図８の各図においては互いにＺ方向の高さが異なる２つの封止部材最上面９ａ，９ｂが形成されるが、これに限らず、たとえば３つ以上の互いにＺ方向の高さが異なる封止部材最上面（すなわち３つ以上の互いに厚みの異なる封止部材９の各領域）が形成されてもよい。要はパワー半導体装置の動作時に、封止部材９の温まりにくい領域を薄く形成するなどすることにより減らすことができれば、封止部材９の最上面の態様は不問である。

本実施の形態のように透湿膜１０およびガイド部材１１を用いることなく、最終の製品においては除去される補助部材２７を用いて第１および第２領域９ａａ，９ｂｂが形成される場合においても、実施の形態１の場合と同様に、第２領域９ｂｂにおいて気泡２５を速やかに封止部材９の外部に排出させることができる。したがって低温領域２１においても気泡２５が上記界面の近傍に滞留することによる基板３などの沿面絶縁耐圧の低下を抑制することができ、パワー半導体装置の信頼性を高めることができる。その他の本実施の形態の作用効果についても、基本的に実施の形態１と同様である。

（実施の形態３）
図９（Ａ）は図７（Ａ）と同様の平面図であり、図９（Ｂ）は図９（Ａ）中の点線Ｌ３から図の上側向きに見た透視図である。また図９（Ｃ）は図９（Ａ）中の点線Ｌ４から図の左側向きに、図９（Ｄ）は図９（Ａ）中の点線Ｌ５から図の右側向きに見た透視図である。

図９（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）を参照して、本実施の形態のパワー半導体装置の基本構成は図７の実施の形態２のパワー半導体装置と同様である。しかし本実施の形態においては、ケース１が大型になっており、ケース１内に収納される基板３および半導体素子５の数が実施の形態１に比べて増えている。

具体的には、図９においては１つの大きなケース１の内部の収納スペースに、互いに間隔をあけて複数（たとえばここでは合計８つ）の基板３が配置されている。つまりＸ方向に４列、Ｙ方向に２列の基板３が行列状に並んでおり、図９（Ａ）のＹ方向上段の４つの基板３は左側から順に基板３１、基板３２、基板３３、基板３４となっており、図９（Ａ）のＹ方向下段の４つの基板３は左側から順に基板３５、基板３６、基板３７、基板３８となっている。

図９（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）に示すように、基板３１〜３８は、基板３と同様に、絶縁基板３１ａ〜３８ａと、そのＺ方向下側の主表面上の裏面電極３１ｂ〜３８ｂと、絶縁基板３１ａ〜３８ａのＺ方向上側の主表面上の表面電極３１ｃ〜３８ｃとにより構成されている。

なお基板３１〜３８のそれぞれは、実施の形態１などの基板３と同様に、たとえば４つの半導体素子５が搭載され、ワイヤ１７を用いた電気的接続がなされている。これらの基板３１〜３８のすべての裏面電極３１ｂ〜３８ｂと互いに接するように、単一の大型のベース板１５が接合されることにより、大型のケース１を含むパワー半導体装置が構成されている。

図９（Ａ）などに示すように、ケース１内の領域の比較的外側の領域の一部に複数（ここでは６つ）のガイド部材１１が互いに間隔をあけて配置されている。これにより、ケース１の壁面とガイド部材１１とに囲まれた複数（ここでは６つ）の領域内は、他の領域９ａａに比べて封止部材９の最上面９ｂが（たとえば１ｍｍ以上）低い第２領域９ｂｂとなっている。

このような構成は、ガイド部材１１を有しているものの、実施の形態２の図８に示す工程と同様の工程により形成される。すなわち図８（Ａ）と同様に最終的に除去する補助部材２７が、ガイド部材１１とケース１とに囲まれた領域に宛がわれた状態で、封止部材９を形成するためのゲル２０が供給されることにより、ガイド部材１１とケース１とに囲まれた領域において、他の領域よりもＺ方向の厚みが薄い第２領域９ｂｂが形成される。

このようにガイド部材１１と補助部材２７（図８（Ａ）参照）とを併用すれば、補助部材２７を用いてガイド部材１１を形成すべき位置を高精度に合わせることができるため、封止部材９の第２領域９ｂｂの範囲の製造ばらつきを抑制することができる。しかし本実施の形態においても、たとえば実施の形態１と同様に、ガイド部材１１とケース１とに囲まれた領域に最終的に製品に残る透湿膜１０を設置した状態でゲル２０が供給されてもよいし、たとえば実施の形態２と同様に、ガイド部材１１および透湿膜１０を用いずに２つの領域９ａａ，９ｂｂが形成されてもよい。

図９においては、単一のソース電極７ａおよびドレイン電極７ｂが、各基板３１〜３８（の表面電極３ｃ）と接続されている。そしてソース電極７ａはそれに接続されるたとえば３つのソース端子７ａ１，７ａ２，７ａ３により、当該パワー半導体装置の外部と導電可能となっている。同様に、ドレイン電極７ｂはそれに接続されるたとえば３つのドレイン端子７ｂ１，７ｂ２，７ｂ３により、当該パワー半導体装置の外部と導電可能となっている。ソース端子７ａ１，７ａ２，７ａ３およびドレイン端子７ｂ１，７ｂ２，７ｂ３は、ケース１外に露出するように配置されている。一方、ゲート電極７ｃについては基板３１〜３８のそれぞれに対して１本ずつ、ケース１外に露出するようにＺ方向上部に延びるように接続、配置されている。

以上の点において図９は図７と異なっているが、これ以外の本実施の形態（図９）の構成は、実施の形態２（図７）の構成とほぼ同じであるため同一の要素については同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。

次に、本実施の形態の作用効果について説明する。
大電流が流れるインバータを駆動させるための、たとえば電車向けパワーモジュールにおいては、本実施の形態のように大きなパワー半導体装置（大きなケース１を有するパッケージ）を用いる場合がある。この場合、封止部材９内の温度分布のばらつきが、実施の形態１などよりもさらに大きくなり、図４および図５の低温領域２１のようなガスの拡散が困難な領域が拡大する可能性がある。このため、本実施の形態のように大型のパワー半導体装置に対して２つの厚みの異なる領域９ａａ，９ｂｂを有する封止部材９を形成すれば、２つの厚みの異なる領域９ａａ，９ｂｂが存在しない場合に比べていっそう大きな作用効果を得ることができる。

本実施の形態においても、他の実施の形態と同様に、表面電極３ｃの表面の（Ｚ方向に関する）高さと、第２封止部材最上面９ｂの高さとの差は２５ｍｍ以下であることが好ましい。また本実施の形態においても、半導体素子５の上側の表面の温度Ｔ１と、封止部材最上面９ａ，９ｂの最小温度Ｔ２との差が１２０℃以下であることが好ましい。

なお図９（Ｂ）においては、その左側の第２領域９ｂｂと右側の第２領域９ｂｂとの封止部材９の厚みが互いに異なっており、右側の第２領域９ｂｂの方が厚くなっている（右側の第２領域９ｂｂの最上面９ｂの方が、左側の第２領域９ｂｂの最上面９ｂよりもＺ方向上方に配置されている）。このように封止部材９は、互いに厚みの異なる複数の第２領域９ｂｂを有していてもよい。たとえば特に封止部材９の温度が上がりにくい領域において、他の第２領域９ｂｂよりも特に薄い第２領域９ｂｂを形成するなどすることにより、本実施の形態の作用効果をいっそう高めることができる。

本実施例においては、特に実施の形態２に示すような小型のパワー半導体装置であり、かつ補助部材２７を用いて（透湿膜１０およびガイド部材１１を用いずに）封止部材９に２つの領域９ａａ，９ｂｂが形成されている。このようなパワー半導体装置を駆動させたときの封止部材９内の熱拡散、および沿面絶縁耐性（パワー半導体装置の信頼性）を調べている。まず図１０（Ａ）〜（Ｃ）を用いて、本実施例の調査に用いたサンプルについて説明する。

図１０（Ａ）〜（Ｃ）を参照して、これらはそれぞれ調査用のパワー半導体装置のサンプル１，２〜４，５に相当する。具体的には、サンプル１は、図１０（Ａ）に示す図４（Ａ）の比較例のパワー半導体装置に相当し、封止部材９が厚みの異なる２つの領域９ａａ，９ｂｂを有さずその全体がほぼ均一な厚みを有する構成である。サンプル１の表面電極３ｃのＺ方向上側の表面と、封止部材９のＺ方向に関する最上面９ａとのＺ方向に関する高さの差Ｘが２８ｍｍとなっている。

サンプル２は、図１０（Ｂ）に示す図１（Ａ），（Ｃ）の実施の形態１のパワー半導体装置に相当し、透湿膜１０およびガイド部材１１を有することにより封止部材９に厚みの異なる２つの領域が形成されている。なお透湿膜１０はケース１の形成後に後付けで設置されており、そのＺ方向の厚みが１．７ｍｍである。そして表面電極３ｃのＺ方向上側の表面と、厚みの薄い第２領域９ｂｂの最上面９ｂとのＺ方向に関する高さの差Ｘが２７ｍｍとなっている。

またサンプル３は、サンプル２と同様に図１０（Ｂ）に示す図１（Ａ），（Ｃ）の実施の形態１のパワー半導体装置に相当するが、上記高さの差Ｘが２５ｍｍとなっている。またサンプル４は、サンプル２と同様に図１０（Ｂ）に示す図１（Ａ）の実施の形態１のパワー半導体装置に相当するが、上記高さの差Ｘが２０ｍｍとなっている。

サンプル５は、図１０（Ｃ）に示す図７（Ａ），（Ｃ）の実施の形態２のパワー半導体装置に相当し、透湿膜１０およびガイド部材１１を有さずに封止部材９に厚みの異なる２つの領域が形成されている。そして表面電極３ｃのＺ方向上側の表面と、厚みの薄い第２領域９ｂｂの最上面９ｂとのＺ方向に関する高さの差Ｘが２５ｍｍとなっている。

各サンプル１〜５の基板３は、絶縁基板３ａが窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）により、裏面および表面電極３ｂ，３ｃが銅のパターンとして形成された。表面電極３ｃに接するように接合される半導体素子５（チップ）は炭化珪素（ＳｉＣ）により形成されており、その表面上にはＭＯＳＦＥＴおよびショットキーバリアダイオードが多数実装された。また裏面電極３ｂに接するように接合されるベース板１５は、アルミニウム炭化珪素により形成された。また電極部材７は超音波接合により表面電極３ｃ上に接続された。ワイヤ１７は超音波接合により表面電極３ｃ上および半導体素子５上などに接続された。

ベース板１５の平面視における周囲を囲むように形成されたポリフェニレンサルファイド製のケース１が、ベース板１５に接着されることにより、基板３および半導体素子５などがケース１内に配置された態様となった。なおベース板１５とケース１との接着は、シリコーン系の接着剤によりなされた。ここへ上記の図３または図８に示す方法で、特にサンプル２〜５については厚みの異なる２つの領域が形成されるように、封止部材９が供給され、これにより基板３および半導体素子５などがケース１内にて封止された。

本実施例において封止部材９としての封止樹脂としてはベースポリマー（重量平均分子量３８７００）が用いられ、これに白金とジビニルテトラメチルジシロキサンとの錯体（本組成物中の白金金属が重量単位で５ｐｐｍとなる量）を均一に混合してシリコーンゲル組成物を調製したものが用いられた。このシリコーンゲル組成物が真空脱泡された後に、当該シリコーンゲル組成物を、上記のベース板１５とケース１とが接着された中間段階のパワー半導体装置に流し込み、７０℃で６０分間加熱した。

なお、このシリコーンゲルの針入度は４０、ｔａｎδ（０．１Ｈｚ）は０．３０であった。ここでのｔａｎδとは損失係数と呼ばれ、レオメータにより測定できる値である。この値が小さいほど衝撃吸収性に優れることを意味している。また封止部材９の厚みの異なる２つの領域のうち厚い方の領域の封止部材最上面９ａの、表面電極３ｃの最上面に対するＺ方向の高さは２８ｍｍとした。

以上の中間段階のパワー半導体装置にフタ１３を取り付けることにより、パワー半導体装置のサンプル１〜５が形成され、当該サンプル１〜５に対して信頼性試験がなされた。次に、当該信頼性試験の手法について説明する。

パワー半導体装置の信頼性試験は、サンプル１〜５を恒温恒湿槽に投入した後、パワーサイクル試験を実施し、その後のサンプル１〜５の絶縁耐性を評価することにより行なわれた。恒温恒湿槽内においては８５℃８５％の温湿度条件下に１６時間、パワー半導体装置を投入し、その後８５℃６０分で結露水を乾燥除去する。結露水を除去後、室温までパワー半導体装置を冷却し、パワーサイクル試験を実施した。パワーサイクル試験中の規定回数おきに基板３とベース板１５との間に８０００Ｖの高電圧を印加し、絶縁耐性を測定した。パワーサイクル試験は３００ｋサイクルまで実施し、上記の高電圧の印加時に絶縁耐性の劣化に起因する沿面の絶縁破壊の有無を確認することによって、サンプル１〜５の信頼性を確認した。

図１０（Ｄ）を参照して、封止部材９の温度は、図１０（Ｄ）に示すＸ座標が１〜４の４点のいずれかであり、かつＹ座標が１〜３の３点のいずれかである合計１２点（１２か所）における封止部材最上面９ａまたは封止部材最上面９ｂの温度として、熱電対を用いて測定した。互いに隣り合うＸ座標１，２，３，４の間隔、および互いに隣り合うＹ座標１，２，３の間隔は２５ｍｍとなっている。以下においては、封止部材９の最上面の温度を測定する点のうち、たとえばＸ座標が１、Ｙ座標が２の点を（１，２）と表記することにする。

また、連続動作時温度（Ｔｊ（ｏｐ））の測定は、ＭＯＳＦＥＴの温度センサを用いて実施した。定格の６５００Ｖでモジュールを動作させ、このときの半導体素子５の表面温度（チップ温度）を測定し、定格動作時のチップ温度（Ｔ_{ＯＰｍａｘ}）が１７５℃を超えないように動作制御した。またこのように高電圧の６５００Ｖでモジュールを動作させたときの封止部材９の各点の温度を調べた。したがって基本的に、封止部材最上面９ａ，９ｂの温度を測定する時点における半導体素子５の表面の温度は１７５℃であり、この温度と封止部材最上面９ａまたは封止部材最上面９ｂの各点（１２点）の温度との差を調べた。その結果を以下の表１に示す。

表１における「熱電対温度」は封止部材最上面９ａ（または封止部材最上面９ｂ）の各点（１２点）の温度を熱電対で測定した値を示しており、「チップとの温度差」は上記封止部材最上面９ａ，９ｂの各点（１２点）の温度と半導体素子５の表面（１７５℃）との温度差を示している。また表中の下線は、各サンプルにて計測された最低温度を示している。

表１を参照して、比較例（図４）に相当する、封止部材９に厚みの異なる２つの領域を設けず均一の厚みとするサンプル１においては（４，３）における温度が４７℃となり、チップとの温度差が１２８℃となった。またパワーサイクル試験を１２０ｋサイクル行なった時点で、ちょうど（４，３）の位置のＺ方向真下の基板３の部分に気泡の発生および絶縁破壊痕を確認した。

サンプル１のパワー半導体装置は、半導体素子５の加熱によりその周囲の水分が気化するが、封止部材９の温度が上がっていない（４，３）の位置においてこの気化速度よりも周囲のシリコーンゲルの拡散速度が小さいために気泡が発生していると考えられる。またその結果、その後の絶縁耐性評価の際に気泡の発生した部位において絶縁破壊を生じたものと考えられる。また、気泡の発生した部位はシリコーンゲルの表面温度が低いことから、この領域のシリコーンゲルの透湿度が他のエリアよりも特に低かったこともこの部分で気泡発生した要因であると思われる。

サンプル２は、透湿膜１０により第２領域９ｂｂが形成された例であるが、第２封止部材最上面９の表面電極３ｃからの高さＸが２７ｍｍであり、第１封止部材最上面９ａの表面電極３ｃからの高さが２８ｍｍであるため、これらの段差が１ｍｍとなっている。この場合、サンプル１のように段差が設けられない場合に比べて絶縁破壊までのパワーサイクルのサイクル数が２４０ｋにまで増加し、チップとの温度差が１２４℃にまで減少しているため、一定の効果を有しているといえる。しかしこの場合においても、Ｘの値が大きいため（第２封止部材最上面９ｂの表面電極３ｃからの距離が大きいため）、（４，３）の位置における第２封止部材最上面９ｂの温度が十分に上昇せず（５１℃）、当該位置の絶縁基板３ａの部分に気泡２５の発生および絶縁破壊痕を確認した。

一方、サンプル３，４については、サンプル２と同様に領域９ａａ，９ｂｂを形成しているが、第２封止部材最上面９ｂの表面電極３ｃからの高さＸをサンプル２（２７ｍｍ）よりも短く（２５ｍｍ以下）している。このようにすれば、所定のパワーサイクル回数を経た後でなお絶縁破壊が起きておらず、サンプル２よりも信頼性がいっそう向上している。またこのときのチップとの温度差はすべて１２０℃以下になっており、第２封止部材最上面９ｂの温度がサンプル２よりもさらに上昇したことから、低温領域２１（図４参照）においても封止部材９内での気泡の拡散がいっそう進み、絶縁破壊が抑制されたものと考えられる。

このようにＸを２５ｍｍ以下にし、２つの領域９ａａ，９ｂｂ間の封止部材９の段差を３ｍｍ以上にすることにより、パワー半導体装置の駆動時に昇温してもその信頼性を確保できることが明らかとなった。また、封止部材９を構成するシリコーンゲルの表面温度とチップ温度との差が１２０℃以下であればパワー半導体装置の信頼性を確保できることも明らかとなった。

なお表１中に示されないが、少なくともＸが２５ｍｍ以下の場合、２つの領域９ａａ，９ｂｂ間の封止部材９の段差が１ｍｍ以上あれば、領域９ｂｂを封止部材９の厚みが薄い領域としてその温度を高め、気泡の拡散を進めてパワー半導体装置の信頼性を高めることができる。

またサンプル５については、透湿膜１０およびガイド部材１１が設けられていないが、この場合においても、サンプル３と同様にＸを２５ｍｍに（封止部材９の段差を３ｍｍに）することにより、サンプル３と同様にその信頼性を確保できることが明らかとなった。またこの場合においても、封止部材９を構成するシリコーンゲルの表面温度とチップ温度との差が１２０℃以下であればパワー半導体装置の信頼性を確保できることも明らかとなった。

なお、サンプル４においてチップ温度との差が最も小さくなっているのは、Ｘが最も小さくなっているために、封止部材９の表面がより暖められやすかったためであると考えられる。

本実施の形態においては、特に実施の形態３に示すような１つのケース１内に複数（たとえば８つ）の基板３を有する大型のパワー半導体装置を駆動させた時の封止部材９内の熱拡散、および沿面絶縁耐性について調べている。まず図１１〜１２を用いて、本実施例の調査に用いたサンプルについて説明する。

図１１（Ａ）〜（Ｄ）を参照して、これは調査用のパワー半導体装置のサンプル６に相当する。図１１（Ａ）〜（Ｄ）は図９（Ａ）〜（Ｄ）に示す実施の形態３のパワー半導体装置と基本的に同様の構成を有しているが、封止部材９が厚みの異なる２つの領域９ａａ，９ｂｂを有さない点において図１１は図９と異なっている。この意味で図１１のサンプル６は実施の形態３に対する比較例のサンプルとなっている。これ以外の図１１（Ａ）〜（Ｄ）のサンプル６（比較例）の構成は、図９（Ａ）〜（Ｄ）の実施の形態３の構成とほぼ同じであるため同一の要素については同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。

図１２（Ａ）〜（Ｄ）を参照して、これは調査用のパワー半導体装置のサンプル７に相当する。図１２（Ａ）〜（Ｄ）は図９（Ａ）〜（Ｄ）に示す実施の形態３のパワー半導体装置と基本的に同様の構成を有しており、図９と同様にガイド部材１１を有し、かつ透湿膜１０を有さない第２領域９ｂｂが複数（ここでは６つ）配置されている。

ところで再度図１１（Ａ）および図１２（Ａ）を参照して、図１１（Ａ），図１２（Ａ）においては、電極部材７のソース電極７ａ、ドレイン電極７ｂ、ゲート電極７ｃのいずれからの最短距離もが２５ｍｍを超える領域を、領域５１として示している。

図１２（Ａ）において、ガイド部材１１とケース１とに囲まれた第２領域９ｂｂは、領域５１と概ね重なる領域に形成されており、少なくとも第２領域９ｂｂは領域５１の一部と重なるように形成されている。なお図１２（Ａ）においては第２領域９ｂｂは、その一部の領域が半導体素子５と平面視において重なっているが、（実施の形態１と異なり）このような構成となっていてもよい。

これらのサンプルを構成する各種部材の材質、各サンプルの製造方法、および信頼性試験の方法は、実施例１と同様であるため、その説明を繰り返さない。なお再度図１１（Ａ）を参照して、サンプル６，７のいずれについても、封止部材９の温度は、図１１（Ａ）に示すＡ，Ｂ，Ｃの３点における封止部材最上面９ａ，９ｂの温度として、熱電対を用いて測定した。

サンプル６，７に対してサンプル１〜５と同様の調査を行なった結果を以下の表２に示す。

表２を参照して、比較例（図１１）に相当するサンプル６のパワー半導体装置は、点Ｂにおける温度が４５℃となり、チップとの温度差が１３０℃となった。またパワーサイクル試験を６０ｋサイクル行なった時点で絶縁破壊痕が確認された。

これに対してサンプル７のように封止部材９に厚みの異なる２つの領域９ａａ，９ｂｂを設けることにより、チップとの温度差が小さくなり、かつ所定のパワーサイクル回数を経た後でなお絶縁破壊が起きなかった。本実施例においても、実施例１と同様の理論に基づき、封止部材９に厚みの異なる２つの領域９ａａ，９ｂｂを形成することによりパワー半導体装置の信頼性を向上させることができた。

領域５１はいずれの電極部材７からも離れた領域であり、封止部材９の低温領域２１（図４、図５参照）になりやすい領域である。そこでこの領域に封止部材９の厚みの薄い第２領域９ｂｂを設けることにより、領域５１における気泡の移動すべき距離を短くすることができ、気泡の滞留の抑制等の作用効果を奏することができる。

今回開示された実施の形態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 ケース、１ａ 溝部、３ 基板、３ａ 絶縁基板、３ｂ 裏面電極、３ｃ 表面電極、５ 半導体素子、７ 電極部材、９ 封止部材、９ａ 第１封止部材最上面、９ａａ 第１領域、９ｂ 第２封止部材最上面、９ｂｂ 第２領域、１０ 透湿膜、１０ａ 透湿膜外枠、１１ ガイド部材、１３ フタ、１４ 空隙、１５ ベース板、１７ ワイヤ、１９ 取付ネジ穴、２０ ゲル、２１ 低温領域、２５ 気泡、２７ 補助部材、Ｇｓ ガス。

Claims (11)

1. ケース内に配置された基板と、
   前記基板の一方の主表面上に載置された半導体素子と、
   前記ケース内を充填する封止部材とを備え、
   前記封止部材は、第１領域と、前記第１領域よりも厚みが薄い第２領域とを有し、
   前記第２領域は、前記基板に直接接し、前記第１領域よりも前記半導体素子の動作時に生じる熱による昇温が起こりにくい前記ケース内の縁部であり、
   前記第２領域の上面は、前記第１領域の上面とは異なる高さであり、
   前記ケース内における前記第２領域の真上には空隙が存在する、半導体装置。
2. 前記封止部材の前記第２領域は、前記第１領域よりも厚みが１ｍｍ以上薄い、請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記基板の、前記一方の主表面とは反対側の他方の主表面に、ベース板が接続される、請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 前記ベース板を構成する材料は、銅、アルミニウム炭化珪素および銅モリブデンからなる群から選択されるいずれか１つである、請求項３に記載の半導体装置。
5. 前記第２領域は、前記封止部材の厚みが互いに異なる複数の領域を有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
6. 前記封止部材はシリコーン樹脂である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。
7. 前記基板の前記一方の主表面の少なくとも一部を覆うように形成された表面電極をさらに備え、
   前記表面電極の表面の高さと、前記第２領域における前記封止部材における前記一方の主表面と同じ側の表面の高さとの差は２５ｍｍ以下である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体装置。
8. 前記半導体素子の駆動時における表面の温度と、前記封止部材における前記一方の主表面と同じ側の表面の温度の最小値との差が１２０℃以下である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体装置。
9. 前記半導体素子を構成する材料は、炭化珪素、窒化ガリウム、ダイヤモンド、炭化珪素と窒化ガリウムとダイヤモンドとの複合材料、からなる群から選択されるいずれか１つである、請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体装置。
10. 前記基板に接続される、前記半導体素子の外部と導電するための電極部材をさらに備え、
    前記第２領域は、前記半導体素子および前記電極部材と平面視において重なる領域以外の領域に設けられている、請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体装置。
11. 前記第２領域の前記一方の主表面と同じ側の表面は透湿膜に覆われる、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の半導体装置。

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