JP6540326B2 - Semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents
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Description
本発明は半導体装置およびその製造方法に関し、特には、高電圧を扱う電力用のパワー半導体装置およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a method of manufacturing the same, and more particularly to a power semiconductor device for power handling high voltage and a method of manufacturing the same.
従来、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などのパワー半導体素子を搭載したパワー半導体モジュールにおいては、半導体素子材料として、主としてSiが用いられている。また、パワー半導体モジュールのパッケージ内で構成部材を封止する封止材としては、シリコーンゲルのような軟質樹脂が用いられている。 Conventionally, in a power semiconductor module on which a power semiconductor element such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) is mounted, Si is mainly used as a semiconductor element material. Moreover, as a sealing material which seals a structural member in the package of a power semiconductor module, soft resin like silicone gel is used.
また、SiCやGaN等を用いたワイドバンドギャップ(WBG)半導体素子は、Si半導体素子と比較して耐電圧特性が高い。そのため、WBG半導体素子を適用すれば、より高い耐電圧を有するパワー半導体モジュールの実現が可能である。一方で、WBG半導体素子を適用したパワー半導体モジュールでは、半導体素子以外の構成部材にも、高い耐電圧特性が必要となる。例えば、パワー半導体モジュールの定格電圧が10kVを超える場合、IEC規格に準拠すると定格の1.5倍程度の耐破壊電圧が必要となる。さらに、構成部材にも定格電圧と同程度の部分放電耐性が必要となる。 In addition, a wide band gap (WBG) semiconductor element using SiC, GaN or the like has high withstand voltage characteristics as compared to a Si semiconductor element. Therefore, if a WBG semiconductor element is applied, it is possible to realize a power semiconductor module having a higher withstand voltage. On the other hand, in a power semiconductor module to which a WBG semiconductor element is applied, high withstand voltage characteristics are also required for constituent members other than the semiconductor element. For example, when the rated voltage of the power semiconductor module exceeds 10 kV, a breakdown voltage of about 1.5 times the rating is required in accordance with the IEC standard. Furthermore, the component members also require partial discharge resistance equal to the rated voltage.
特に、積層基板における回路層の周縁部と絶縁層との界面には電界が集中しやすい。そのため、電界が集中した箇所から積層基板の表面に沿って部分放電や絶縁破壊を起こしやすい。これに対し、特許文献1には、積層基板の周縁部を無機粒子を含有させたコーティング膜で被覆したパワー半導体装置が開示されている。しかし、パワー半導体モジュールの定格電圧が高くなると、このようなコーティング膜では耐電圧特性を維持することは難しい。 In particular, the electric field is likely to be concentrated at the interface between the peripheral portion of the circuit layer in the laminated substrate and the insulating layer. Therefore, partial discharge and dielectric breakdown are likely to occur along the surface of the laminated substrate from the place where the electric field is concentrated. On the other hand, Patent Document 1 discloses a power semiconductor device in which the peripheral portion of a laminated substrate is covered with a coating film containing inorganic particles. However, when the rated voltage of the power semiconductor module is increased, it is difficult to maintain the withstand voltage characteristics with such a coating film.
また、封止材として軟質樹脂を用いたパワー半導体モジュールにWBG半導体素子を適用すると、構成部材である軟質樹脂にも高い電圧が印加される。このような高い電圧下において軟質樹脂中に一旦放電が起こると、その放電電荷量が微小であっても放電トリーと呼ばれる樹枝状の破壊痕跡が発生する。そして放電電荷量が大きくなり、さらに放電トリーが進展することで、パワー半導体モジュールは絶縁破壊を起こしてしまう。 In addition, when a WBG semiconductor element is applied to a power semiconductor module using a soft resin as a sealing material, a high voltage is also applied to the soft resin as a component. Once a discharge occurs in the soft resin under such a high voltage, even if the amount of discharge charge is minute, dendritic destruction marks called discharge trees are generated. Then, the discharge charge amount is increased, and the discharge tree is further developed to cause the dielectric breakdown of the power semiconductor module.
これに対し、耐熱性および耐圧性の高い熱硬化性エポキシ樹脂等の硬質樹脂よりなる封止材を用いる技術が知られている。この場合、微小放電が発生しても放電トリーの進展が抑制されるため、絶縁破壊に対し十分な寿命が得られる。しかし、硬質樹脂を用いた封止材の場合、樹脂自体の熱硬化時の硬化収縮応力や、他の構成部材との熱膨張係数の差異に起因する残留応力が大きい。このため、硬化収縮応力や残留応力により、積層基板等の構成部材の割れが生じるおそれがあった。特に、積層基板の絶縁層がセラミックで構成される場合は、硬化収縮応力や残留応力により積層基板に割れが生じるおそれがあった。 On the other hand, a technique using a sealing material made of a hard resin such as a thermosetting epoxy resin having high heat resistance and high pressure resistance is known. In this case, even if a microdischarge occurs, the progress of the discharge tree is suppressed, and a sufficient lifetime against dielectric breakdown can be obtained. However, in the case of a sealing material using a hard resin, residual stress is large due to a cure shrinkage stress at the time of heat curing of the resin itself and a difference in thermal expansion coefficient with other component members. For this reason, there existed a possibility that the crack of structural members, such as a lamination | stacking board | substrate, may arise by hardening shrinkage stress or a residual stress. In particular, when the insulating layer of the laminated substrate is made of ceramic, there is a possibility that the laminated substrate may be cracked due to curing shrinkage stress or residual stress.
本発明の目的は、積層基板の割れを抑制して、信頼性を向上した半導体装置およびその製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a semiconductor device with improved reliability by suppressing cracking of a laminated substrate and a method of manufacturing the same.
上記課題を解決するために、本発明の半導体装置は、絶縁層および回路層を含む積層基板と、前記回路層に接合された半導体素子と、前記積層基板の、前記半導体素子が接合された側とは反対側の面に接合されたベース板と、前記積層基板の周囲を囲んで前記ベース板の周縁部に配置されたケース枠と、を備え、前記ケース枠の内部が、硬質樹脂からなる封止材で封止されている半導体装置であって、
前記ベース板および前記ケース枠の、前記封止材と対向する面に、前記硬質樹脂と接着しないコーティング膜が設けられていることを特徴とするものである。
In order to solve the above-mentioned subject, the semiconductor device of the present invention is a side of the laminated substrate including an insulating layer and a circuit layer, a semiconductor element joined to the circuit layer, and a side of the laminated substrate to which the semiconductor element is joined. And a case frame disposed on the periphery of the base plate so as to surround the periphery of the laminated substrate, and the inside of the case frame is made of a hard resin. A semiconductor device sealed with a sealing material,
A coating film which does not adhere to the hard resin is provided on the surface of the base plate and the case frame facing the sealing material.
また、本発明の半導体装置の製造方法は、前記封止材と、前記コーティング膜との間に、ゲル状樹脂が充填されている上記本発明の半導体装置の製造方法であって、
前記ケース枠の内部を前記硬質樹脂からなる封止材で封止した後に、前記ゲル状樹脂を、前記ケース枠内に真空中で注型することを特徴とするものである。
A method of manufacturing a semiconductor device of the present invention is the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, wherein a gel-like resin is filled between the sealing material and the coating film,
The inside of the case frame is sealed with a sealing material made of the hard resin, and then the gel resin is cast in the vacuum in the case frame.
本発明によれば、積層基板の割れを抑制して、信頼性の高い半導体装置およびその製造方法を実現することが可能となった。 According to the present invention, it has become possible to realize a highly reliable semiconductor device and a method of manufacturing the same by suppressing cracking of a laminated substrate.
以下、本発明の半導体装置の実施形態について、図面を参照しつつ具体的に説明する。
なお、本出願の記載に用いられている「電気的かつ機械的に接続されている」という用語は、対象物同士が直接接合により接続されている場合に限られず、はんだや金属焼結材などの導電性の接合材を介して対象物同士が接続されている場合も含むものとする。
Hereinafter, embodiments of the semiconductor device of the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
In addition, the term "electrically and mechanically connected" used in the description of the present application is not limited to the case where the objects are directly connected to each other, and may be solder, sintered metal, or the like. This also includes the case where the objects are connected to each other via the conductive bonding material.
(実施形態1)
図1は、本発明の一実施形態に係るパワー半導体モジュールを示す模式的な断面図である。本実施形態のパワー半導体モジュール10は、積層基板11、半導体素子12,13、ベース板14およびケース枠15を備えており、ケース枠15の内部が硬質樹脂からなる封止材16で封止されている。また、図示するパワー半導体モジュール10は、さらに、ボンディングワイヤ17および外部端子18を備えている。パワー半導体モジュール10は、例えば、スイッチング素子と還流ダイオードが逆並列に接続された回路を有している。この場合、図1では半導体素子12としてスイッチング素子を、半導体素子13としてダイオードを示している。なお、半導体素子12および半導体素子13はそれぞれ、複数個よりなる場合もある。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a power semiconductor module according to an embodiment of the present invention. The
積層基板11は、絶縁層11aと、回路層11bと、を少なくとも含み、図示する例ではさらに、金属層11cを有している。回路層11bは、絶縁層11aのおもて面、換言すれば主面に配置されている。金属層11cは、絶縁層11aの裏面に配置されている。すなわち、図示する積層基板11は、回路層11b、絶縁層11aおよび金属層11cが順次積層されてなる。積層基板11は、例えば、DCB(Direct Copper Bonding)基板やAMB(Active Metal Blazing)基板等を用いることができる。
The laminated
絶縁層11aは、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等の絶縁性セラミックの他、樹脂材料よりなるものであってもよい。絶縁層が樹脂よりなる場合、高い耐電圧特性を実現するためには絶縁層の厚さを厚くする必要があり、その結果、半導体素子からベース板への放熱性が低くなる。そのため、絶縁層11aはセラミックが適している。
The
回路層11bおよび金属層11cは、例えば、銅(Cu)やアルミニウム(Al)等の導電性金属よりなる。回路層11bには、所定の回路パターンが形成されている。接合材との接合強度を高めるために、回路層11bおよび金属層11cの表面には、必要に応じてNi−Pめっき、Auめっき、Agめっき等のめっき膜を形成してもよい。
The
半導体素子12、半導体素子13は、おもて面に図示しない電極を有しており、裏面が回路層11bに、接合材19によって固定されている。接合材19としては、例えば、鉛を含まない錫系のはんだ材を用いることができる。本実施形態では、半導体素子12、半導体素子13は、おもて面と裏面のそれぞれに電極が配置された縦型の半導体素子であり、裏面の電極が回路層11bに電気的かつ機械的に接続されている。もっとも、半導体素子12、半導体素子13は、縦型のものに限られず、半導体素子12、半導体素子13のおもて面に複数種類の電極が配置された横型の半導体素子であってもよい。
The
半導体素子12は、例えば、パワーMOSFETやIGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)である。半導体素子13は、例えば、還流ダイオード(FWD)やショットキーバリアダイオード(SBD)である。半導体素子12および半導体素子13は、Si半導体よりなるものでもよいし、炭化ケイ素(SiC)等のWBG半導体よりなるものでもよい。特に、WBG半導体を適用することにより、定格電圧が10kV以上の高い耐電圧特性を備えたパワー半導体モジュールを実現できる。半導体素子12がIGBTの場合、裏面の電極はコレクタ電極であり、おもて面の電極はエミッタ電極およびゲート電極である。半導体素子12がパワーMOSFETである場合は、裏面の電極はドレイン電極であり、おもて面の電極はソース電極およびゲート電極である。半導体素子13では、裏面の電極はカソード電極であり、おもて面の電極はアノード電極である。
The
配線部材であるボンディングワイヤ17は、例えば、半導体素子12および半導体素子13のおもて面電極と、積層基板11の回路層11bとの間を、電気的に接続する。ボンディングワイヤ17は、AlやCu等の金属よりなる。なお、パワー半導体モジュール10の配線部材は、ボンディングワイヤ17に限られず、例えば、AlやCu等よりなるリードフレームを用いて、はんだ接合により接続してもよい。また、パワー半導体モジュール10の配線部材は、プリント基板と、複数の導電ポストとを組み合わせたものであってもよい。
The
外部への電極取出し用の外部端子18は、その一端が、積層基板11の回路層11bに、はんだ接合、超音波接合またはレーザー溶接等により、電気的かつ機械的に接続されている。外部端子18は、Cu等の金属よりなり、リード等の形状のものを用いることができる。この外部端子18の接合にはんだ接合を用いる場合、ベース板14と積層基板11との接合あるいは積層基板11と半導体素子12,13との接合の前、または、それらと同時に接合してもよい。また、外部端子18を超音波接合またはレーザー溶接により接合する場合、ベース板14と積層基板11との接合あるいは積層基板11と半導体素子12,13との接合の前に接合しておいてもよい。
One end of the
積層基板11の金属層11cには、ベース板14が、接合材19によって固定されている。接合材19としては、例えば、回路層11bと半導体素子12および半導体素子13との固定に用いられるのと同様の、鉛を含まない錫系のはんだ材を用いることができる。金属層11cとベース板14との接合は、回路層11bと半導体素子12および半導体素子13との接合と同じ工程で行ってもよいし、また、別の工程で行ってもよい。
A
ベース板14は、例えば、CuやAl等の熱伝導性の高い金属、または、Al−SiC等の金属−セラミック複合材よりなる。ベース板14は、例えば、矩形状である。金属層11cと接合するベース板14の接合面には、必要に応じてNi−Pめっき、Auめっき、Agめっき等のめっき膜を形成してもよい。これにより、接合材19の接合強度を高めることができる。特に、Al−SiC複合材は、はんだとの濡れ性が低いため、ベース板14と金属層11cとをはんだ接合する場合には、事前にめっき処理をすることが有効である。
The
枠形状であるケース枠15は、ベース板14の周縁部に、図示しない接着剤により接着固定されて、積層基板11の周囲を囲んでいる。ケース枠15は、例えば、PPS(ポリフェニレンサルファイド)樹脂等の耐熱性および耐トラッキング性が高い樹脂よりなる。また、ケース枠15は、酸化アルミニウムなどのセラミックからなるものとしてもよい。ケース枠15の外面には、ベース板14と外部端子18との間の沿面距離を確保して絶縁を図るために、ひだ状の凹凸を設けることができるが、図中ではこの凹凸を省略している。また、ケース枠15の上部には、樹脂で形成された蓋を設けることができるが、図中ではこの蓋も省略している。
The
パワー半導体モジュール10のケース枠15の内部には、硬質樹脂よりなる封止材16が注入されて、固化されている。この封止材16が、内部に収容された積層基板11、半導体素子12、半導体素子13、ボンディングワイヤ17および外部端子18と接して、これらを封止している。封止材16を硬質樹脂からなるものとしたことで、シリコーンゲルよりなる封止材に比べて、パワー半導体モジュール10の耐熱性、耐電圧特性を向上させることができる。
A sealing
ここで、硬質樹脂としては、例えば、絶縁性および耐熱性が高いエポキシ系の熱硬化性樹脂を用いることができる。もっとも、硬質樹脂は、エポキシ系樹脂に限定されるものではなく、絶縁性および耐熱性を有し、パワー半導体モジュール10における接合材19以外の部材との密着強度が高い硬質樹脂であればよい。硬質樹脂としては、例えば、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂、フェノール樹脂、アミノ樹脂、マレイミド樹脂、シアネート系樹脂(シアネートエステル樹脂)やこれらの混合樹脂を用いることもできる。また、封止材16の放熱性を高めるために、硬質樹脂中に熱伝導性の高い絶縁材料のフィラーを添加してもよい。フィラーとしては、例えば、アルミナや窒化ボロン等が適用できる。硬質樹脂としては、例えば、曲げ弾性率が1GPa以上の樹脂を用いることができる。
Here, as the hard resin, for example, an epoxy-based thermosetting resin having high insulation and heat resistance can be used. However, the hard resin is not limited to the epoxy resin, and may be a hard resin having insulation and heat resistance and having high adhesion strength with members other than the
ベース板14およびケース枠15の、封止材16と対向する面には、コーティング膜20が設けられている。すなわち、ベース板14の、積層基板11が接合される側のおもて面のうち、積層基板11が接合される領域およびケース枠15を接着する領域以外の領域と、ケース枠15の内周面のうち少なくとも封止材16により封止される領域に、コーティング膜20を設ける。このコーティング膜20としては、封止材16を構成する硬質樹脂と接着しないものを用いる。このようなコーティング膜20を設けることで、ケース枠15の内部を封止した際に、封止材16がコーティング膜20に接着しない。そのため、実質的に、封止材16とベース板14およびケース枠15とが、未接着の状態となる。これにより、封止材16を構成する硬質樹脂が熱硬化する際に、線膨張係数の異なるベース板14やケース枠15との接着による応力が発生せず、封止材16内部の残留応力が低減できる。そのため、封止材16の内部で封止されている積層基板11の割れを抑制することができる。ここで、未接着部分の隙間は、接着されないために生ずる微小な隙間である。未接着部分の隙間の間隔としては、例えば、100μm以下程度である。
A
コーティング膜20としては、封止材16を構成する硬質樹脂が接着しない材料であればよく、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素樹脂、ポリイミド樹脂などの有機材料でもよいし、セラミックや金属からなるものでもよい。コーティング膜20としては、ベース板14およびケース枠15に対し高い密着強度を有するものを用いることが好ましい。コーティング膜20は、例えば、ベース板14およびケース枠15の、封止材16と対向する面に、PTFEやポリイミド等からなるテープを貼付することにより形成することができる。コーティング膜20の厚みについては、特に制限されず、例えば、1μm〜100μm程度とすることができる。ベース板14へのコーティング膜20の形成は、積層基板11をベース板14に接合した後に行うことができる。また、コーティング膜20の材料が耐熱性を有する場合には、積層基板11をベース板14に接合する前にコーティング膜20を形成することも可能である。また、ケース枠15には、あらかじめコーティング膜20を形成しておく。そして、コーティング膜20を形成したベース板14に、このケース枠15を接着材を用いて接着することにより、ベース板14およびケース枠15の、封止材16と対向する面に、コーティング膜20を設けることができる。
The
(実施形態2)
図2は、実施形態2のパワー半導体モジュールを示す模式的な断面図である。本実施形態のパワー半導体モジュール30は、封止材16と、ベース板14およびケース枠15の表面のコーティング膜20との間に、ゲル状樹脂21が充填されている以外の点は、実施形態1のパワー半導体モジュール10と同様の構成を有する。よって、共通する点の説明は省略し、以下ではゲル状樹脂21に係る部分について重点的に説明する。
Second Embodiment
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the power semiconductor module of the second embodiment. The
実施形態1において説明したように、図示するパワー半導体モジュール30においては、ベース板14およびケース枠15の、封止材16と対向する面に、コーティング膜20が設けられている。そして、封止材16と、ベース板14およびケース枠15とが、未接着の状態となっている。本実施形態においては、封止材16とコーティング膜20との間の、この未接着部分に存在する微小な隙間に、ゲル状樹脂21が充填されている。未接着部分にゲル状樹脂21を充填することで、未接着部分における封止材16の酸化劣化を抑制することができる。この場合、ゲル状樹脂21は、図2に示すように、封止材16の表面全体を被覆していることが好ましい。これにより、封止材16の酸化劣化の抑制効果をより確実に得ることができる。
As described in the first embodiment, in the illustrated
ゲル状樹脂21としては、封止材16とベース板14およびケース枠15との間の未接着部分に充填可能な熱硬化性の絶縁樹脂であって、硬化後において、封止材16を構成する硬質樹脂よりも柔軟な材料であれば、いかなるものを用いてもよい。ゲル状樹脂21としては、例えば、シリコーン系樹脂などの軟質樹脂を用いることができる。ゲル状樹脂21としては、例えば、熱硬化によりゲル化させた際の貯蔵弾性率が1000Pa以下の樹脂を用いることができる。
The
本実施形態のパワー半導体モジュール30は、実施形態1のパワー半導体モジュール10を作製した後、封止材16とコーティング膜20との間の未接着部分にゲル状樹脂21を充填することにより、製造することができる。この際、ゲル状樹脂21の充填を真空中で行うと、未接着部分の空気が十分脱泡されるため、好ましい。具体的にはまず、作製された実施形態1のパワー半導体モジュール10を、液体状態のゲル状樹脂21とともに真空チャンバー内に載置する。次に、真空チャンバー内の真空度が好ましくは1000Pa以下、より好ましくは100Pa以下となるまで、真空引きを行う。次に、パワー半導体モジュールのケース枠15内の封止材16の表面に、液体状態のゲル状樹脂21を注型する。次に、パワー半導体モジュールを真空チャンバーから取り出すか、または真空チャンバー内の圧力を上げる。すると、生じた圧力差により未接着部分の空気が十分脱泡されると同時に、この未接着部分に液体状態のゲル状樹脂21が充填される。そして、パワー半導体モジュール全体を加熱することにより、液体状態のゲル状樹脂21を、熱硬化によりゲル化させる。
The
このように、ゲル状樹脂21の充填を真空中で行うことで、ゲル状樹脂21を大気中で注型した後に真空脱泡しただけでは十分に入り込まないような、未接着部分の微小な隙間に、液体状態のゲル状樹脂21が確実に充填される。これにより、硬化後のゲル状樹脂21内で微小ボイド等の空隙の発生が抑制されて、この空隙に起因する部分放電の発生を抑制することができる。
Thus, by filling the gel-
以上より、本発明の実施形態においては、封止材の硬質樹脂が硬化する際に、線膨張係数の異なるベース板やケース枠と接着されることによる応力が発生せず、封止材内部の残留応力等を低減できる。よって、本発明の実施形態は、特に、SiCなどのワイドバンドギャップ半導体素子を用いたパワー半導体装置において、定格電圧が10kVを超える場合でも信頼性の高い高耐圧なパワー半導体装置が実現できる点で有用である。 From the above, in the embodiment of the present invention, when the hard resin of the sealing material is cured, no stress is generated due to bonding with the base plate or case frame having different linear expansion coefficients, and the inside of the sealing material is Residual stress can be reduced. Therefore, the embodiment of the present invention can realize a highly reliable power semiconductor device with high withstand voltage even when the rated voltage exceeds 10 kV, particularly in a power semiconductor device using a wide band gap semiconductor element such as SiC. It is useful.
以下、実施例を用いて、本発明の実施形態をより具体的に説明する。 Hereinafter, the embodiments of the present invention will be more specifically described using examples.
(参考例1)
図3に、参考例であるパワー半導体モジュール110の模式的な断面図を示す。パワー半導体モジュール110は、積層基板111、半導体素子112,113、ベース板114、封止材117などから構成される。積層基板111は、セラミックからなる絶縁層111a、回路層111bおよび金属層111cよりなる。積層基板111の回路層111bには、半導体素子112,113および外部端子116が、導電性の接合材119により電気的かつ機械的に接続されている。また、金属板111cとベース板114とが、接合材119により接合されている。さらに、ベース板114にはケース枠118が接着固定され、この枠118内に封止材117が注入、固化されている。さらにまた、ボンディングワイヤ115により、半導体素子112,113のおもて面電極と回路層111bとの間が、電気的に接続されている。
絶縁層111aとしては、セラミックを用いた。ベース板114にはCuを用い、ケース枠118にはPPS樹脂を用いた。半導体素子112,113としては、SiCよりなるスイッチング素子およびダイオードを用いた。封止材117としては、熱硬化性のエポキシ樹脂を用いた。
(Reference Example 1)
FIG. 3 shows a schematic cross-sectional view of a
Ceramic was used as the insulating layer 111a. Cu was used for the
パワー半導体モジュール全体を180℃で120分間加熱することにより、エポキシ樹脂を熱硬化させた。得られたパワー半導体モジュール110においては、封止材117のエポキシ樹脂と、ベース板114およびケース枠118とが接着されていた。
The epoxy resin was thermally cured by heating the entire power semiconductor module at 180 ° C. for 120 minutes. In the obtained
(実施例1)
図1に示すような、実施形態1に記載のパワー半導体モジュール10を作製した。絶縁層11a、ベース板14、ケース枠15、半導体素子12,13および封止材16の条件については、参考例1と同様とした。
Example 1
The
また、ベース板14およびケース枠15の、封止材16と対向する面には、耐熱性のPTFEテープ(厚み100μm)を用いて、コーティング膜20を形成した。得られたパワー半導体モジュール全体を180℃で120分間加熱することにより、エポキシ樹脂を熱硬化させた。得られたパワー半導体モジュール10においては、封止材16のエポキシ樹脂と、ベース板14およびケース枠15の表面のコーティング膜20とが、未接着の状態となっていた。
Moreover, the
(実施例2)
図2に示すような、実施形態2に記載のパワー半導体モジュール30を作製した。絶縁層11a、ベース板14、ケース枠15、半導体素子12,13、封止材16およびコーティング膜20については、実施例1と同様とした。
(Example 2)
A
また、ケース枠15内の封止材16の表面に、真空中で、液体状態のゲル状樹脂(シリコーン樹脂)を注型した。具体的には、エポキシ樹脂である封止材16を熱硬化させたパワー半導体モジュール30を、液体状態のゲル状樹脂21とともに真空チャンバー内に載置し、真空チャンバー内を真空引きして、内部の真空度を50Paとした。その後、ケース枠15内の封止材16の表面に、液体状態のゲル状樹脂21を注型して、パワー半導体モジュール全体を真空チャンバーから取り出した。真空中から常圧下に戻されることで、液体状態のゲル状樹脂21は、封止材16の表面全体を被覆するとともに、封止材16と、ベース板14およびケース枠15の表面のコーティング膜20との間に浸入し、内部のエアが脱泡されるとともに、未接着部分に完全に充填された。その後、パワー半導体モジュール全体を150℃で30分間加熱することで、ゲル状樹脂21を、熱硬化によりゲル化させた。
In addition, a gel-like resin (silicone resin) in a liquid state was cast on the surface of the sealing
上記で得られた各実施例のパワー半導体モジュールにおいては、いずれも、封止材内部の残留応力は低く、これに起因する絶縁層の割れや、封止材と他構成部材との間における界面剥離の発生はなかった。 In each of the power semiconductor modules of the respective embodiments obtained above, the residual stress in the inside of the sealing material is low, and the crack of the insulating layer resulting from this, the interface between the sealing material and other component members There was no occurrence of peeling.
また、上記で得られた各パワー半導体モジュールを用いて、熱冷サイクル(−40℃〜175℃)前後で絶縁評価を行った。絶縁評価は、部分放電試験により行った。具体的には、ベース板を接地電位とし、外部端子間を短絡して、外部端子側に商用周波数60Hzの交流電圧を印加して実施した。交流電圧を0Vから徐々に15kVまで上昇させて、放電電荷量が1pC以上の部分放電の発生の有無により、評価を行った。 Moreover, insulation evaluation was performed before and behind a heat-cold cycle (-40 degreeC-175 degreeC) using each power semiconductor module obtained above. The insulation evaluation was performed by a partial discharge test. Specifically, the base plate was set to the ground potential, the external terminals were shorted, and an AC voltage of 60 Hz commercial frequency was applied to the external terminal side. The AC voltage was gradually raised from 0 V to 15 kV, and the evaluation was performed based on the presence or absence of the occurrence of partial discharge with a discharge charge amount of 1 pC or more.
結果は、印加電圧15kVで部分放電が生じない場合を○、放電電荷量1pC以上の部分放電が発生した場合を×で示し、部分放電が発生した段階で、熱冷サイクル試験を中止した。その結果を、下記の表1中に示す。 The results are shown by ○ when no partial discharge occurs at an applied voltage of 15 kV, and by × when a partial discharge occurs with a discharge charge of 1 pC or more, and the thermal cold cycle test was stopped when partial discharge occurred. The results are shown in Table 1 below.
参考例1の場合、1サイクル後に放電が発生した。調べたところ、ベース板114と硬質樹脂からなる封止材117とが剥離し、ベース板114と積層基板111とを接合しているはんだ材119および積層基板111の回路層111bの側面と、硬質樹脂からなる封止材117とが剥離していた。さらに、積層基板111における絶縁層111aの端部に応力が集中し、セラミックからなる絶縁層111aに割れが発生していた。
In the case of Reference Example 1, discharge occurred after one cycle. As a result of examination, the
これに対し、実施例1の構造では、100サイクルまで部分放電発生がなく、本実施例の効果が確認できた。実施例1では、200サイクルで部分放電が発生しているが、これは、硬質樹脂の表面で酸化劣化が進展し、ベース板14と積層基板11とを接合している接合材19および積層基板11の回路層11bの側面と、硬質樹脂からなる封止材16との間で、剥離が発生したことが原因と考えられる。
On the other hand, in the structure of Example 1, the partial discharge did not occur up to 100 cycles, and the effect of this example could be confirmed. In Example 1, the partial discharge occurs in 200 cycles, but the oxidative degradation progresses on the surface of the hard resin, and the
また、実施例2の構造では、300サイクルまで部分放電発生がなく、最も良好な効果が得られた。 Further, in the structure of Example 2, no partial discharge occurred up to 300 cycles, and the best effect was obtained.
10,30 パワー半導体モジュール
11 積層基板
11a 絶縁層
11b 回路層
11c 金属層
12,13 半導体素子
14 ベース板
15 ケース枠
16 封止材
17 ボンディングワイヤ
18 外部端子
19 接合材
20 コーティング膜
21 ゲル状樹脂
10, 30
Claims (8)
前記回路層に接合された半導体素子と、
前記積層基板の、前記半導体素子が接合された側とは反対側の面に接合されたベース板と、
前記積層基板の周囲を囲んで前記ベース板の周縁部に配置されたケース枠と、
を備え、
前記ケース枠の内部が、硬質樹脂からなる封止材で封止されている半導体装置であって、
前記ベース板および前記ケース枠の、前記封止材と対向する面に、前記硬質樹脂と接着しないコーティング膜が設けられていることを特徴とする半導体装置。 A laminated substrate including an insulating layer and a circuit layer;
A semiconductor element bonded to the circuit layer;
A base plate joined to the surface of the laminated substrate opposite to the side to which the semiconductor element is joined;
A case frame disposed around the periphery of the base plate, surrounding the periphery of the laminated substrate;
Equipped with
A semiconductor device in which the inside of the case frame is sealed with a sealing material made of hard resin,
A semiconductor device characterized in that a coating film which does not adhere to the hard resin is provided on the surface of the base plate and the case frame facing the sealing material.
前記ケース枠の内部を前記硬質樹脂からなる封止材で封止した後に、前記ゲル状樹脂を、前記ケース枠内に真空中で注型することを特徴とする半導体装置の製造方法。 Described in any one of claims 3-7, and the sealing member, between said coating film, a method of manufacturing a semiconductor device gel-like resin is filled,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the inside of the case frame is sealed with a sealing material made of the hard resin, and then the gel resin is cast in the vacuum in the case frame.
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