JP7004138B2

JP7004138B2 - 半導体装置及び半導体装置の製造方法

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Publication number: JP7004138B2
Application number: JP2017155310A
Authority: JP
Inventors: 真寛川口; 薫島野
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2017-08-10
Filing date: 2017-08-10
Publication date: 2022-01-21
Anticipated expiration: 2037-08-10
Also published as: JP2019036575A

Description

本発明は、流体に浸漬されて冷却される半導体装置及びその製造方法に関する。

例えば、下記特許文献１には、流体（例えば、車両のトランスミッションの潤滑油）に浸漬されて冷却される半導体装置が記載されている。

特開２０１３－２５６９８３号公報

特許文献１の半導体装置が浸漬されるトランスミッションの潤滑油には、金属イオンが含まれる。すなわち、トランスミッションを構成する部材の表面から金属が金属イオンとして潤滑油中に溶出する。また、部材の磨耗に由来する金属微粒子が潤滑油中に浮遊している。このような金属微粒子のうちの大部分はオイルフィルターで除去されるが、オイルフィルターで除去できないほど微細なものも存在する。そのため、半導体素子の表面にてイオンマイグレーション及びエレクトロマイクレーションが生じて半導体素子の電極同士（例えば、ドレイン電極とソース電極）が短絡し、半導体装置、電源装置などが破損する虞があり、半導体装置としての信頼性が低い。

本発明は上記問題に対処するためになされたもので、その目的は、信頼性を向上させた半導体装置を提供することにある。なお、下記本発明の各構成要件の記載においては、本発明の理解を容易にするために、実施形態の対応箇所の符号を括弧内に記載しているが、本発明の各構成要件は、実施形態の符号によって示された対応箇所の構成に限定解釈されるべきものではない。

上記目的を達成するために、本発明の特徴は、流体に浸漬されて冷却される半導体装置（１Ａ、１Ｂ）であって、板状に形成され、その表面及び裏面が電極としてそれぞれ機能する半導体素子（１０）と、前記半導体素子の表面に電気的に接続された導電線（３０）と、板状に形成され、前記半導体素子の裏面に電気的に接続された電極板（２０）と、を備え、前記半導体素子の稜線部（Ｐ_１０）、及び前記導電線と前記半導体素子との接合部における稜線部（Ｐ_３０）が電気絶縁材で皮膜されていて、前記電気絶縁材からなる皮膜は、単体又は３層以下の積層体であり、且つ当該皮膜の膜厚が２０μｍ以上、８０μｍ以下である、半導体装置としたことにある。

また、本発明の特徴は、流体に浸漬されて冷却される半導体装置の製造方法であって、板状に形成され、その表面及び裏面が電極としてそれぞれ機能する半導体素子と、前記半導体素子の表面に電気的に接続された導電線と、板状に形成され、前記半導体素子の裏面に電気的に接続された電極板と、を備えた半導体装置における前記半導体素子の表面に、電気絶縁材を滴下する第１工程と、前記半導体素子の稜線部、及び前記導電線と前記半導体素子との接合部における稜線部が、前記電気絶縁材によって皮膜されるように、前記滴下した電気絶縁材を流動させる第２工程と、前記電気絶縁材を硬化させる第３工程と、を含む皮膜形成工程を、前記稜線部の膜厚が所定の膜厚に達するまで所定回数繰り返し実施する工程を含み、前記所定の膜厚が２０μｍ以上、８０μｍ以下であり、且つ前記所定回数が３回以下である、半導体装置の製造方法としたことにある。

一般に、物体の稜線部（尖鋭部）には、電界が集中し易いことが知られている。上記のように、本発明に係る半導体装置においては、半導体素子の稜線部、及び導電線と半導体素子との接合部における稜線部に電気絶縁材からなる皮膜が形成されている。よって、イオンマイグレーション及びエレクトロマイグレーションに起因する半導体素子の電極間の短絡が生じ難い。よって、本発明によれば、半導体装置の信頼性が向上する。

本発明に係る半導体装置の内部構造を示す斜視図である。図１の半導体装置の外観を示す斜視図である。半導体装置の前後方向に垂直な断面図である。稜線部に皮膜を形成する工程を示す斜視図である。本発明の変形例に係る半導体装置の前後方向に垂直な断面図である。本発明に係る半導体装置が適用されたインバーター装置の回路図である。潤滑油に浸漬されたアーム回路の前後方向に垂直な断面図である。

本発明の一実施形態に係る半導体装置１Ａの構成について説明する。半導体装置１Ａは、パワートランジスタである。半導体装置１Ａは、図１に示すように、半導体素子１０、電極板２０及びボンディングワイヤ３０を備える。そして、図２に示すように、半導体素子１０の表面及びボンディングワイヤ３０の一部（先端部）に電気絶縁材からなる皮膜Ｆが形成されている。

半導体素子１０は、縦型のパワートランジスタ素子である。すなわち、半導体素子１０は、図１及び図３に示すように、薄板状に形成されており、一方の面（裏面）がドレイン電極Ｄとして機能し、ドレイン電極Ｄとは反対側の面（表面）がソース電極Ｓとして機能する。なお、半導体素子１０は、ドレイン電極Ｄ及びソース電極Ｓに加え、図示しないゲート電極を有する。半導体素子１０は、平面視において略正方形を呈する。半導体素子１０の１辺の寸法は、例えば１０ｍｍである。半導体素子１０の厚さは、例えば、１ｍｍである。以下の説明において、半導体素子１０の厚さ方向を上下方向と呼ぶ。また、半導体素子１０の一方の辺に沿う方向を左右方向と呼び、他方の辺に沿う方向（すなわち、上下方向及び左右方向に垂直な方向）を前後方向と呼ぶ。

半導体装置１Ａにおいては、半導体素子１０のドレイン電極Ｄが下方へ向けられ、ソース電極Ｓが上方へ向けられている。

電極板２０は、前後方向に延びる長方形の金属板（例えば、アルミニウム製の板材、銅製の板材など）である。電極板２０の上面が、接合材Ｃ（例えば、はんだ）を介して、半導体素子１０のドレイン電極Ｄに接合されている（図３参照）。

ボンディングワイヤ３０は、金属製（例えば、アルミニウム製）の導電線である。ボンディングワイヤ３０の一端部の側周面のうちの一部分が半導体素子１０のソース電極Ｓに電気的に接続されている。なお、ボンディングワイヤ３０の先端面は、半導体素子１０の上面に対して略垂直である（図３参照）。

同図に示すように、半導体素子１０の上面から電極板２０の上面に亘る部分に電気絶縁材（例えば、熱硬化性樹脂材（例えば、ポリアミドイミド材））からなる皮膜Ｆが形成されている。皮膜Ｆは、次のようにして形成される。図４に示すように、半導体素子１０を枠部材ＦＲで取り囲んでおき、半導体素子１０の上方から電気絶縁材を滴下する（第１工程）。つぎに、枠部材ＦＲ内にて電気絶縁材を流動（粘性流動）させて広がらせる（第２工程）。そして、半導体装置１Ａを加熱して、電気絶縁材を硬化させる（第３工程）。半導体素子１０の稜線部Ｐ_１０（上面と側周面とが交差する部分）及びボンディングワイヤ３０と半導体素子１０との接合部における稜線部Ｐ_３０（ボンディングワイヤ３０の先端面と側周面とが交差する部分）に形成される皮膜Ｆの膜厚が所定の膜厚に達するまで、上記の第１工程乃至第３工程からなる一連の工程（皮膜形成工程）を繰り返す。例えば、上記の皮膜形成工程を３回繰り返して、前記稜線部の皮膜Ｆの膜厚を６０μｍ程度に設定する。なお、各皮膜形成工程における電気絶縁材の滴下量は、ディスペンサーを用いて一定に保たれている。また、次に説明するように、ボンディングワイヤ３０の他端部は、他の半導体装置、電極板（バスバー）などに接合される。

また、半導体装置１Ａにおける半導体素子１０のドレイン電極Ｄとソース電極Ｓとを逆に配置した半導体装置１Ｂとしてもよい。つまり、図５に示すように、半導体装置１Ｂにおいては、ドレイン電極Ｄが上方へ向けられ、ソース電極Ｓが下方へ向けられている。そして、電極板２０とソース電極Ｓとが接続され、ドレイン電極Ｄにボンディングワイヤ３０が接続されている。

上記のように構成された半導体装置１Ａ及び半導体装置１Ｂは、例えば、図６に示すような、ハイブリッド車の走行用の電動モータＭＴ（三相交流モータ）を駆動するインバータ装置ＩＮＶに適用することができる。

インバータ装置ＩＮＶは、スイッチング回路部ＳＷＣと制御部ＣＴＬとを備える。スイッチング回路部ＳＷＣは、電動モータＭＴのＵ相、Ｖ相及びＷ相にそれぞれ対応したアーム回路ＡＭ_ｎ＝Ｕ，ＡＭ_ｎ＝Ｖ，ＡＭ_ｎ＝Ｗを有する。アーム回路ＡＭ_ｎは、半導体装置１Ａと半導体装置１Ｂを直列に接続して形成されている。すなわち、図７に示すように、アーム回路ＡＭ_ｎの一方の半導体装置１Ａ（以下、半導体装置１Ａ_ｎと呼ぶ）のボンディングワイヤ３０の他端部がバスバーＢＯ_ｎに電気的に接続され、アーム回路ＡＭ_ｎの他方の半導体装置１Ｂ（以下、半導体装置１Ｂ_ｎと呼ぶ）のボンディングワイヤ３０の他端部がバスバーＢＯ_ｎに電気的に接続されている。各アーム回路ＡＭ_ｎは、オートマチックトランスミッションの潤滑油ＡＴＦに浸漬されている。

図７において、潤滑油ＡＴＦが流れる方向は、紙面に直交する方向である。各アーム回路ＡＭ_ｎは、それが備える半導体装置１Ａ_ｎと半導体装置１Ｂ_ｎとを結ぶ方向が、潤滑油の流れ方向と直交する方向であるように、潤滑油ＡＴＦ内に浸漬される。また、各アーム回路ＡＭ_ｎが備える半導体装置１Ａ_ｎの電極板２０が、バスバーＢＰに接続され、各アーム回路ＡＭ_ｎが備える半導体装置１Ｂ_ｎの電極板２０がバスバーＢＮに接続されている。これらのバスバーＢＰ，ＢＮ，ＢＯ_ｎは、潤滑油ＡＴＦの循環経路を構成するパイプＡＴＰの内壁面に、非導電性のスペーサＳＰを介して接続される。従って、各アーム回路ＡＭ_ｎは、バスバーＢＰ，ＢＮ及びスペーサＳＰを介して、パイプＡＴＰの内壁面に固定されることになる。

バスバーＢＰ及びバスバーＢＮは、パイプＡＴＰを流れる潤滑油ＡＴＦの流れ方向（つまり、図７において紙面に垂直な方向）に延在している。また、各アーム回路ＡＭ_ｎは、パイプＡＴＰを流れる潤滑油ＡＴＦの流れ方向に沿って整列配置されている。

パイプＡＴＰには、図示しない開口部が設けられており、バスバーＢＰ、バスバーＢＮ及びバスバーＢＯ_ｎは、前記開口部を通ってパイプＡＴＰの外側（つまり潤滑油の循環経路の外部）へ延びている。なお、潤滑油ＡＴＦが漏れ出ないように、前記開口部が電気絶縁材で封止されている。

バスバーＢＰ及びバスバーＢＮは、直流電源装置のプラス電極及びマイナス電極にそれぞれ電気的に接続されている。バスバーＢＯ_ｎ＝Ｕ，ＢＯ_ｎ＝Ｖ，ＢＯ_ｎ＝Ｗは、電動モータＭＴのＵ相、Ｖ相及びＷ相の端子にそれぞれ電気的に接続されている。また、半導体装置１Ａ_ｎ及び半導体装置１Ｂ_ｎの各ゲート電極は、図示しない電線又はバスバーを介して、制御部ＣＴＬに電気的に接続されている。これらの電線又はバスバーも前記開口部を通ってパイプＡＴＰの外側（つまり潤滑油の循環経路の外部）へ引き出されている。制御部ＣＴＬは、半導体装置１Ａ_ｎ及び半導体装置１Ｂ_ｎのゲート電極に、制御信号（ＰＷＭ信号）をそれぞれ供給して、電動モータＭＴに三相交流電力を供給する。

上記のように、半導体装置１Ａ，１Ｂにおいては、半導体素子１０の上面から電極板２０の上面に亘る部分に電気絶縁材からなる皮膜Ｆが形成されている。一般に、物体の稜線部（尖鋭部）には、電界が集中し易いことが知られている。本実施形態では、半導体素子１０の稜線部Ｐ_１０及びボンディングワイヤ３０の接合部の稜線部Ｐ_３０に皮膜Ｆが形成されている。よって、イオンマイグレーション及びエレクトロマイグレーションに起因するドレイン電極Ｄとソース電極Ｓとの短絡が生じ難い。よって、本実施形態によれば、半導体装置１Ａ，１Ｂの信頼性が向上する。なお、ボンディングワイヤ３０の中間部は露出しているが、当該部分には稜線部（尖鋭部）が存在しないので、電界が集中し難く、イオンマイグレーション及びエレクトロマイグレーションは生じ難い。

なお、スピンコート法を用いて皮膜Ｆを形成した場合には、稜線部Ｐ_１０，Ｐ_３０の膜厚が他の部分に比べて薄くなり易い。そして、稜線部Ｐ_１０，Ｐ_３０の皮膜Ｆの一部に亀裂が生じ、この亀裂部にイオンマイグレーション及びエレクトロマイグレーションが生じた。これに対し、上記実施形態では、皮膜形成工程（第１工程乃至第３工程からなる一連の工程）を繰り返し実施して、皮膜Ｆを層状に重ねることにより膜厚を徐々に大きくしている。この場合、第３工程において電気絶縁材が硬化する際に皮膜Ｆが少し収縮する。そのため、皮膜Ｆの層間に応力が生じ、前記応力に起因して皮膜Ｆに亀裂が生じる。これに鑑み、皮膜形成工程の繰り返し回数を３回程度に設定し、皮膜Ｆの膜厚を２０μｍ～８０μｍに設定するとよいことが実験的に確かめられた。

さらに、本発明の実施にあたっては、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

上記実施形態では、半導体装置１Ａ，１Ｂをオートマチックトランスミッションの潤滑油ＡＴＦに浸漬させているが、これに代えて、半導体装置１Ａ，１Ｂを他の流体（例えば、エンジンオイル）に浸漬させてもよい。

また、本発明は、上記のようなパワートランジスタのみならず、他の半導体装置（例えば、ダイオード）にも適用可能である。

１Ａ，１Ｂ・・・半導体装置、１０・・・半導体素子、２０・・・電極板、３０・・・ボンディングワイヤ、ＡＭ_ｎ・・・アーム回路、ＡＴＦ・・・潤滑油、ＡＴＰ・・・パイプ、Ｃ・・・接合材、ＣＴＬ・・・制御部、Ｄ・・・ドレイン電極、Ｆ・・・皮膜、ＦＲ・・・枠部材、ＩＮＶ・・・インバータ装置、ＭＴ・・・電動モータ、Ｐ_１０，Ｐ_３０・・・稜線部
Ｓ・・・ソース電極、ＳＰ・・・スペーサ、ＳＷＣ・・・スイッチング回路部

Claims

流体に浸漬されて冷却される半導体装置であって、
板状に形成され、その表面及び裏面が電極としてそれぞれ機能する半導体素子と、
前記半導体素子の表面に電気的に接続された導電線と、
板状に形成され、前記半導体素子の裏面に電気的に接続された電極板と、
を備え、
前記半導体素子の稜線部、及び前記導電線と前記半導体素子との接合部における稜線部が電気絶縁材で皮膜されていて、
前記電気絶縁材からなる皮膜は、単体又は３層以下の積層体であり、且つ当該皮膜の膜厚が２０μｍ以上、８０μｍ以下である、半導体装置。
流体に浸漬されて冷却される半導体装置の製造方法であって、
板状に形成され、その表面及び裏面が電極としてそれぞれ機能する半導体素子と、前記半導体素子の表面に電気的に接続された導電線と、板状に形成され、前記半導体素子の裏面に電気的に接続された電極板と、を備えた半導体装置における前記半導体素子の表面に、電気絶縁材を滴下する第１工程と、
前記半導体素子の稜線部、及び前記導電線と前記半導体素子との接合部における稜線部が、前記電気絶縁材によって皮膜されるように、前記滴下した電気絶縁材を流動させる第２工程と、
前記電気絶縁材を硬化させる第３工程と、
を含む皮膜形成工程を、前記稜線部の膜厚が所定の膜厚に達するまで所定回数繰り返し実施する工程を含み、
前記所定の膜厚が２０μｍ以上、８０μｍ以下であり、且つ前記所定回数が３回以下である、半導体装置の製造方法。