JP4130527B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、シリコーン樹脂で封止された半導体装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
シリコーン樹脂は有機基を持つケイ素が酸素と交互に結合した結合を骨格に持った樹脂で、密着性に優れ、硬化収縮が少ない絶縁材料であるため、電力用半導体装置等の半導体封止樹脂として一般的に使用されている。
【0003】
図10はシリコーン樹脂で封止された従来の電力用半導体装置の側面断面図を示している。エミッタ電極1とコレクタ電極2は絶縁板3を介して積層され、制御基板4とともに樹脂ケース5に収容されている。樹脂ケース5の内部は従来の半導体封止樹脂で形成された封止樹脂体6bで封止されている。電力用半導体装置の底面である金属ベース板7は樹脂ケース5に固定されている。セラミック基板8は放熱のために設けられており、両面には上基板電極9と、下基板電極10が接合されている。下基板電極10ははんだによって金属ベース板7と接合されている。上基板電極9の上面には電力用半導体素子11が接合されており、この電力用半導体素子11は制御基板4から制御信号を受けて動作する。
【0004】
アルミワイヤ12はエミッタ電極1、コレクタ電極2、上基板電極9および電力用半導体素子11をそれぞれ接続する。樹脂ケース5の上側開口部には蓋14が接着され、樹脂ケース5、金属ベース板7および蓋14で電力用半導体装置の筐体を構成している。制御基板4は、外部端子台15を通じて筐体の外部と接続されている。内部端子台13は接続端子16を介して制御基板4の荷重を支えている。絶縁板3を介して積層されたエミッタ電極1とコレクタ電極2は金属ベース板7に予備絶縁板17を介して接着されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
エミッタ電極1とコレクタ電極2を積層するために、エミッタ電極1、絶縁板3およびコレクタ電極2は、通常、接着シートによって互いに貼り合わされており、この貼り合わせ部分には多くの隙間が残存する。残存する隙間は、最初は減圧状態であるが、放置しておくとやがて常圧になる。常圧に戻った隙間がヒートサイクル試験やパワーサイクル試験で加熱されると、隙間中の空気が封止樹脂体6bに押し出され、気泡が発生する現象が生じる(図11(a)参照)。気泡はヒートサイクル試験で、セラミック基板8と上基板電極9または下基板電極10との間で、あるいは金属ベース板7と下基板電極10との間で発生することもある。
【0006】
ここで、パワーサイクル試験は電力用半導体素子11をオン・オフ駆動し、電力用半導体素子自信を発熱させるサイクル試験を指す。このとき電力用半導体素子11は例えば100℃程度温度が上昇する。これに対してヒートサイクル試験は電力用半導体装置をオーブンの中に入れて、電力用半導体装置全体を加熱冷却するサイクル試験を指す。
【0007】
振動試験においても、残存する隙間から気泡が発生し、封止樹脂体6bに亀裂(割れ)が生じることがある(図11(b)参照)。
封止樹脂体6bの線膨張係数(約1×10-3/℃)に比べると、セラミック基板8の線膨張係数(約5×10-6/℃)と電力用半導体素子11の線膨張係数(約4.5×10-6/℃)は約1/100以下であるため、ヒートサイクルやパワーサイクルが繰り返されると、絶縁板3と封止樹脂体6bの界面で剥離が生じることがある(図11(c)参照)。界面剥離は電力用半導体素子11やセラミック基板8でも起き、同時に封止樹脂体6bに亀裂破壊が生じることもある。
【0008】
さらに、制御基板4が電力用半導体素子11の上方に固定されているため、ヒートサイクルやパワーサイクルあるいは振動に伴って封止樹脂体6bが膨張または収縮する際に、制御基板4が封止樹脂体6bの変形の障害となり、制御基板4の端部から亀裂が進展したりアルミワイヤ12が断裂破壊することがある。
【0009】
以上説明した封止樹脂体6bの亀裂や界面剥離あるいはアルミワイヤ12の断裂破壊は、筐体の底面積が筐体の高さに比べて充分に大きい場合(例えば1×101以上)、または充分に小さい場合(例えば1×10-5以下)には、起こりにくい。通常の電力用半導体装置では、(高さ)/(底面積)は例えば2×10-3(1/mm)程度であるため、亀裂や界面剥離あるいはアルミワイヤ12の断裂破壊が起こりやすい構造になっている。
【0010】
気泡、亀裂および界面剥離が生じた部位に高電圧が印加されると、部分放電(微小放電)が生じ、放電に起因するノイズにより電力用半導体素子11が誤動作する不都合があった。また封止樹脂体6bに硬化収縮が起きて、アルミワイヤ12の断裂破壊を誘発すると、他のアルミワイヤ12にかかる電圧負荷が増大するので、アルミワイヤの接続信頼性が低下し、電力用半導体装置の動作不良に至る不都合もあった。
【0011】
本発明は以上に説明した課題を解決するためになされたもので、ヒートサイクルやパワーサイクルあるいは振動を加えても、封止樹脂体に気泡、亀裂または界面剥離などが生じることを防止でき、その結果、高い信頼性を保って動作可能な半導体装置を提供すること目的としている。
【0012】
本発明にかかる半導体装置は、金属ベース板の上部に固定された半導体素子と、所定温度で硬化させた硬化物の室温における破断伸び率が室温における針入度(単位:mm)の4%以上に調整され、かつ所定温度で硬化させた硬化物の室温での針入度が、10mm以上、80mm以下に調整され、かつ所定温度で硬化させた硬化物の室温での損失弾性率が、測定周波数0.1Hzから1Hzの範囲において、貯蔵弾性率の17%以上に調整されたシリコーン樹脂で形成され、半導体素子を被覆する封止樹脂体と、封止樹脂体を囲繞する筐体とを備えている。
【0013】
封止樹脂体は、所定温度で硬化させた硬化物の室温での針入度が、10mm以上、80mm以下に調整されたシリコーン樹脂で形成されていてもよい。また、封止樹脂体は、所定温度で硬化させた硬化物の−80℃での針入度が、室温での針入度の50%以上に調整されたシリコーン樹脂で形成されていてもよい。
【0014】
また、封止樹脂体は、硬化温度がヒートサイクル試験の上限温度以下に調整されたシリコーン樹脂で形成されていてもよい。
また、封止樹脂体は、難燃性評価基準であるV−1を満足するように調整されたシリコーン樹脂で形成されていてもよい。
【0015】
また、封止樹脂体は、シリコーン樹脂よりも線膨張率が低い充填剤を含んでいてもよい。
充填剤は、金属酸化物、金属窒化物、金属水酸化物、金属有機燐酸塩、金属無機酸塩または有機高分子量体からなるものである。
封止樹脂体は、充填剤をシリコーン樹脂に対し30〜80重量%含んでいてもよい。
【0016】
筐体は、外部から半導体素子に制御信号を供給可能な外部端子台を有していてもよい。
また、封止樹脂体の上面に熱硬化性樹脂で形成されかつ筐体に囲繞される構造樹脂体を備え、構造樹脂体は半導体素子に電力を供給するエミッタ電極とコレクタ電極を被覆していてもよい。
【0017】
【発明の実施の形態】
本発明にかかる半導体装置は、封止する半導体素子の種類、容量に制限を受けることはないが、特に、消費電力や印加電圧が大きい電力用半導体素子を内部に封止する場合にその特性を充分に発揮することができる。電力用半導体装置には、電力用半導体素子11のオン・オフ駆動に伴って大きな温度差が発生するので、気泡や亀裂の発生等に関して特に厳しい仕様が要求されている。
【0018】
実施の形態1.
図1は本発明にかかる半導体封止樹脂(以下、半導体封止樹脂Aと略す)で封止された電力用半導体装置の側面断面図を示している。エミッタ電極1とコレクタ電極2は絶縁板3を介して積層され、制御基板4とともに樹脂ケース5に収容されている。樹脂ケース5の内部は半導体封止樹脂Aで形成された封止樹脂体6aで封止されている。半導体封止樹脂Aの調整方法は後述する実施例1から7で、具体例に基づいて詳細に説明する。
【0019】
樹脂ケース5は放熱のために設けられている金属ベース板7に固定されている。電力用半導体素子11の発熱量は大きいので、金属ベース板7を熱伝導性の良い材質、例えば銅(表面はニッケルメッキされている)、モリブデンなどで作成する。冷却効果を高めるために金属ベース板7の内部に冷媒を流すこともある。セラミック基板8の両面には上基板電極9と下基板電極10が接合されている。放熱のために設けられているセラミック基板8にはAl2O3、SiN、AlN、SiO2、BNなどの材料が用いられる。寸法形状が異なるが、内部端子台13は上基板電極9と下基板電極10が接合されたセラミック基板8と同様な構造を有する。
【0020】
下基板電極10ははんだによって金属ベース板7と接合されている。上基板電極9の上面に接合された電力用半導体素子11は、金属ベース板7に固定されており、制御基板4から制御信号(ゲート信号)を受けて動作する。
電力用半導体素子11には例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、GTOサイリスタ(Gate Turn Off Thyristor)、ダイオードなどがあり、種類や型式を問わず適用可能である。
【0021】
図1には電力用半導体素子11が1個しか描かれていないが、複数個の電力用半導体素子11を並列または直列に接続して一枚の金属ベース板7に配置してもよい。接続する電力用半導体素子11の容量に特に制限はなく、ワンチップ当たり150kW以上の大容量電力半導体素子も使用することができる。例えば、330kW(3.3kV/0.1kA)のIGBTを12個並列に収容した電力用半導体装置HVIPM(High Voltage Integrated Power Module,3.3kV/1.2kA)も製作可能であった。
【0022】
エミッタ電極1、コレクタ電極2、上基板電極9、電力用半導体素子11および内部端子台13はアルミワイヤ12でそれぞれ接続されている。制御基板4は、内部端子台13が支えているので、電力半導体素子11に制御基板4の荷重が直接加わることを避けられる。樹脂ケース5の上側開口部には例えばガラスエポキシ樹脂で形成された蓋14が接着されており、樹脂ケース5、金属ベース板7および蓋14で電力用半導体装置の筐体を構成している。制御基板4は外部端子台15を通じて筐体の外部と接続されている。
【0023】
次に電力用半導体装置の製造方法について説明する。上基板電極9と下基板電極10を接合したセラミック基板8を金属ベース板7の上部に、はんだリフローで固定する。次に、電力用半導体素子11と上基板電極9をはんだ接合して、電力用半導体素子11を金属ベース板の上部に固定する。次に、予め絶縁板3を介して積層させておいたエミッタ電極1とコレクタ電極2を金属ベース板7に予備絶縁板17を介して接着させる。
【0024】
次に、エミッタ電極1、コレクタ電極2、上基板電極9、電力用半導体素子11および内部端子台13をアルミワイヤ12でそれぞれ接続する。次に、予め接続端子16を取り付けた制御基板4を内部端子台13に接続する。次に、樹脂ケース5を金属ベース板7に取り付ける。
【0025】
さらに、約13Pa(約0.1Torr)に減圧した状態で、半導体封止樹脂Aを制御基板4の上部まで注入し、そのまま約10分間脱泡する。半導体封止樹脂Aは粘性が適切であるため、注入すると樹脂ケース5の内部の隅々まで、浸入する。その後、所定の硬化時間、硬化温度にて半導体封止樹脂Aを硬化させると封止樹脂体6aが形成される。次に、樹脂ケース5の上側開口部に蓋14を接着剤で接着する。
半導体封止樹脂Aの注入方法は従来の半導体封止樹脂を注入する方法と同様であり、注入装置の新規投入による電力用半導体装置の高コスト化は起こらない。
【0026】
電力用半導体装置の作動中、電力用半導体素子11や上基板電極9には例えば3kV程度の高電圧が印加されるが、封止樹脂体6aで電力用半導体素子11やセラミック基板8を被覆し、封止することにより、短い沿面距離で沿面絶縁耐圧を確保できる。また、熱伝導性の高い窒化アルミニウムなどのセラミックをセラミック基板8の材料として使うことにより、電力用半導体素子11からの発熱は効果的に金属ベース板7へ放熱される。
【0027】
本発明にかかる電力用半導体装置は、封止樹脂体6aが半導体封止樹脂Aで形成されているため、ヒートサイクル試験やパワーサイクル試験または振動試験(例えば10〜500Hz、10G、XYZ各方向2時間)の際に、封止樹脂体6aに気泡が入ること(図11(a)参照)、亀裂が発生すること(図11(b)参照)、また界面剥離が生じること(図11(c)参照)などを防止できる。
【0028】
なお、制御基板は電力用半導体装置の筐体の外部に設けられていてもよい。電力用半導体素子11の制御信号は外部端子台15を介して筐体の内部に供給される。
制御基板を筐体の外部に設けることで、ヒートサイクル試験やパワーサイクル試験そして振動試験の際に、封止樹脂体6aの応力が集中する個所を減らすことができる。その結果、気泡や亀裂の発生、界面剥離およびアルミワイヤ12の断裂破壊が抑えられるので、電力用半導体装置の信頼性を向上できる。また、制御基板を外部に設けることで、制御基板の交換が容易になり、電力用半導体装置の多様な要求に対応しやすくなるので、低コスト化に対応できる。
【0029】
実施の形態2.
図2は本発明にかかる電力用半導体装置の別の形態を表す側面断面図である。この実施の形態2では電流を導入する構造が図1に示された実施の形態1とは大きく異なる。
【0030】
電力用半導体素子11の上方に設けられた制御基板4は中継電極20a、20bで保持されている。支柱電極21a(図1のエミッタ電極1に対応)および21b(図2のコレクタ電極2に対応)はケース22に取り付けられた電極取り出し用端子23aおよび電極取り出し用端子23bとそれぞれ接続されている。アルミワイヤ12が電力用半導体素子11および上基板電極9をそれぞれ結線するので、支柱電極21a、21bの荷重が電力用半導体素子11及び制御基板4に直接加わることを避けられる。
【0031】
封止樹脂体6aは電力用半導体素子11および制御基板4を覆って封止している。封止樹脂体6aの上面には、支柱電極21a、21bを被覆し、高強度の熱硬化性樹脂(例えばエポキシ樹脂)で形成された構造樹脂体24が封入されている。構造樹脂体24は、支柱電極21a、21bと電極取り出し用端子23a、23bを堅固に保持する。蓋14は金属ベース板7に固定されているケース22の上部に接着されている。ケース22と金属ベース板7で電力用半導体装置の筐体を構成している。
【0032】
図2に示された電力用半導体装置は、支柱電極21a、21bが絶縁板3を介して積層されていないため、図1に示された電力用半導体装置に比べて気泡の発生個所を減らすことが出来る。さらに半導体封止樹脂Aを用いているので、ヒートサイクル試験やパワーサイクル試験そして振動試験の際に、気泡や亀裂の発生、界面剥離、そしてアルミワイヤ12の断裂破壊を防止し、電力用半導体装置の信頼性を向上できる。
【0033】
なお、制御基板はケース22と金属ベース板7で構成される電力用半導体装置の筐体の外部に設けられていてもい。
制御基板を筐体の外部に設けることで、ヒートサイクル試験やパワーサイクル試験そして振動試験の際に、封止樹脂体6aの応力が集中する個所を減らすことができる。その結果、気泡や亀裂の発生、界面剥離およびアルミワイヤ12の断裂破壊が抑えられるので、電力用半導体装置の信頼性を向上できる。また、制御基板を外部に設けることで、制御基板の交換が容易になり、電力用半導体装置の多様な要求に対応しやすくなるので、低コスト化に対応できる。
【0034】
次に半導体封止樹脂Aの調整方法を実施例に基づいて説明する。半導体封止樹脂Aは所定温度、所定時間で硬化させた樹脂硬化物の針入度、破断伸び率、弾性率などの物性値に基づいて調整されたシリコーン樹脂である。図3は様々な条件で調整した31種類のシリコーン樹脂(東レ・ダウコーニング・シリコン社製)の特性を示している。
【0035】
物性値の測定は特に断りのない限り室温(25℃)で行った。シリコーン樹脂には1液性と2液性のものがあり、用途に応じて使い分けることが出来る。ヒートサイクル(HC)試験で使用した電力用半導体装置の構造は図1に示したものである。
【0036】
(実施例1:針入度と破断伸び率)
所定形状の円錐(102.5g)を試料の切断面に5秒間乗せ、円錐の試料への進入深さをmm単位で測定したものが針入度である。針入度はちょう度とも呼ばれている(JIS-K2220)。針入度の測定試料は樹脂硬化物を切断機で切って作成した。
【0037】
破断伸び率は、「接着された試験片を用いて接着剤−剛性被着材の引張りせん断接着強さ試験方法(JIS-K6850)」に準じて測定した。試験片は板状の樹脂硬化物(100mmx25mmx1.6mm)を2枚接着したもので、接着面の大きさは25mmx12.5mm、接着層の厚さは0.1mmである。試験片が接着部で破断するように引張試験機で試験片の長軸方向に荷重を加え、破断直前の試験片の長さを測定する。破断直前の試験片の長さと試験前の試験片の長さを比較すると破断伸び率が求められる。測定はAutograph AG-5000D(SHIMADZU製)を用いて、試験速度1mm/minで行った。
【0038】
樹脂10の針入度と破断伸び率は、それぞれ、55(mm)と6.5(%)であった。また、樹脂10で封止された電力用半導体装置にヒートサイクル試験を行ったところ、封止樹脂体6aに亀裂は生じなかった。ヒートサイクル試験では、電力用半導体装置を-40℃で30分間保持した後、125℃で30分間保持するというサイクルを1000回繰り返した。
【0039】
樹脂30の場合、針入度は55(mm)、破断伸び率は1.5(%)で、ヒートサイクル試験の結果、亀裂が発生した。同様にして31種類のシリコーン樹脂を評価した結果を図4に示す。同図では針入度の小さい順に測定結果が並べられている。図5は針入度と破断伸び率の測定結果を分析したもので、同図で「○」はヒートサイクル試験の結果、亀裂が生じなかったことを、「X」は亀裂が生じたことを表している。
【0040】
針入度をx(mm)、破断伸び率をy(%)とすると、ヒートサイクル試験の結果、亀裂が生じたシリコーン樹脂のxとyの間には、原点を通る直線関係(y=0.031x)が成立した。図5には傾きが0.04と0.1の直線を示してある。これに対して、亀裂が生じなかったシリコーン樹脂はすべてこれらの直線よりも上側に存在した。なお針入度がゼロの場合、破断伸び率はゼロである。
【0041】
図5から針入度に対する破断伸び率の比が大きいシリコーン樹脂ほど亀裂が生じにくいことがわかる。図5は針入度と破断伸び率という比較的簡便に測定できる物性値から、亀裂の生じやすさが評価できることを示していると考えられる。 針入度に対する破断伸び率の比は大きいほど望ましいが、その一つの目安は、0.04よりも大きいことである。針入度に対する破断伸び率の比が0.1以上であれば、亀裂が実質的に生じない上に、ゲル性が十分有り、取り扱いも簡単であるためさらに望ましい。
【0042】
(実施例2:針入度)
図4には、実施例1でヒートサイクル試験を行った電力用半導体装置に気泡が発生していたか否かを調べた結果も示されている。
針入度が80である樹脂29は、ヒートサイクル試験で亀裂と気泡が発生した。針入度が82である樹脂18は、ヒートサイクル試験で亀裂も気泡も発生しなかった。
【0043】
図4から針入度が小さいほど、気泡が発生しにくくなる傾向がみられることがわかる。気泡が発生すると絶縁耐圧が低下するので、針入度は小さいほど望ましいが、その一つの目安は、80よりも小さいことである。また70以下であればさらに気泡が発生しにくくなるのでさらに好ましい。ただし針入度が低くなりすぎるとゲル性が低くなり、取り扱いにくくなる上に、かえって亀裂が生じやすくなるので、針入度は10以上であることが好ましい。
【0044】
シリコーン樹脂の針入度を10〜80に、さらに好ましくは10〜70に調整することで、ヒートサイクル試験やパワーサイクル試験の際に電力用半導体装置内の隙間から気泡が発生することを、また振動試験の際にアルミワイヤ12が断裂破壊することを抑制できる。気泡の発生やアルミワイヤの断裂破壊が抑制できれば半導体装置の信頼性も向上する。
【0045】
(実施例3:針入度の温度依存性)
室温での針入度が60前後のシリコーン樹脂を4種類選択し、−80℃で測定した針入度とヒートサイクル試験の結果を比較した。ここでのヒートサイクル試験では、電力用半導体装置を-55℃で30分間保持した後、125℃で30分間保持するというサイクルを1000回繰り返した。
【0046】
先ず−80℃まで冷却した試料を用いて針入度を測定し、それから、徐々に温度をあげて行き、室温で再び針入度を測定した。図6は評価結果をまとめたものである。この図には25℃で測定した針入度に対する−80℃で測定した針入度の比率(%)が表示してある。
【0047】
針入度の比率が小さいシリコーン樹脂ほど亀裂が生じやすいことがわかる。すなわち室温と−80℃の針入度を比較することによって、例えば-55℃〜125℃という広い温度範囲のヒートサイクル試験の結果を予測できる。
針入度の比率は大きいほど望ましいが、その一つの目安は、50%よりも大きいことである。針入度の比率は、50%以上であれば例えば-55℃〜125℃の範囲で亀裂が生じないので望ましく、70%以上であればより低温度でのヒートサイクル試験でも亀裂が発生しにくくなるのでさらに望ましい。
【0048】
針入度の比率が望ましくは50%以上、より望ましくは70%以上に調整されたシリコーン樹脂は、寒冷温度でも比較的高い弾性率を有する。このため低温ヒートサイクル試験、パワーサイクル試験、または振動試験を行う際に、気泡、亀裂、界面剥離の発生、あるいはアルミワイヤの断裂破壊を防止することができ、半導体装置の信頼性も向上する。特に寒冷地仕様の自動車および電車向けの電力用半導体装置の封止樹脂として効果が大きい。
【0049】
ここで、シリコーン樹脂の針入度と温度の関係について補足しておく。図7は針入度の温度依存性を概念的に表した図である。シリコーン樹脂には結晶領域(領域 I)、結晶+ゲル体(領域 II)、ゲル体(領域 III)の3つの状態が存在し、個々の領域で特徴的な針入度を持っている。ゲル体は液体と呼ばれることもある。 領域 II と領域 IIIの境界は−45℃付近に存在し、融点と呼ばれている。この融点を境にして針入度および弾性率は大きく変化するのが通常である。実施例3では結晶+ゲル体(液体)からなる領域 IIを代表する温度として−80℃を選んだのであって、寒冷側の測定温度を−80℃に限定するものではない。
【0050】
(実施例4:剪断弾性率)
樹脂硬化物で円筒状の試験片(φ25mmx4mm)を作成し、動力学的試験の結果と、亀裂の発生状況の関係を調べた。動力学的試験は、正弦的な周期応力に対する材料の応答を測定する試験方法である。応力と歪みは一般に位相が等しくないので、弾性率と位相角(または減衰項)を決定できる。動力学的試験の結果は次式によって定義される複素剪断弾性率(G*)で表される(「高分子と複合材料の力学的性質」,L.E.Nielsen著,化学同人,1976)。
G*=G'+iG''
【0051】
ここで、複素剪断弾性率(G*)の実数部は貯蔵弾性率(G')と、また虚数部は損失弾性率(G'')と呼ばれ、ともに周期応力の周波数に依存する物性値である。貯蔵弾性率(G')は周波数が増加するほど徐々に増加してある値(剛性弾性率)に近づく傾向を示すのに対し、損失弾性率(G'')は周波数の増加に対して最初増加し、中央部でピークを示した後、また減少する。
【0052】
剪断弾性率は25℃で、DYNAMIC ANALYZERRDA(Rheometrics社製)を用いて測定した。周波数は10Hz、1Hz、0.1Hzの場合を検討した。樹脂29に対する貯蔵弾性率(G')と損失弾性率(G'')の測定結果を図8に示す。周波数が低いほど、貯蔵弾性率と損失弾性率の差がはっきり現れている。図中には損失弾性率(G'')の貯蔵弾性率(G')に対する割合(%)が示されている。周波数が1Hzでは、貯蔵弾性率(G')に対する損失弾性率(G'')の比は16%であるのに対し、0.1Hzでは5%である。樹脂29を使用して電力用半導体装置を作成し、ヒートサイクル試験を行ったところ、封止樹脂体に亀裂が生じた。
【0053】
同様にして5種類のシリコーン樹脂を評価した結果を図9に示した。この図は、剪断弾性率の測定結果において、貯蔵弾性率(G')に対する損失弾性率(G'')の比が大きいシリコーン樹脂ほど亀裂が生じにくいことを示していると考えられる。貯蔵弾性率(G')に対する損失弾性率(G'')の比は大きいほど望ましいが、その一つの目安は、17%よりも大きいことである。
【0054】
測定は周波数が0.1〜1Hzの範囲で行うとして、貯蔵弾性率(G')に対する損失弾性率(G'')の比が、17%以上に調整された半導体封止樹脂は、通常のヒートサイクル試験では亀裂が発生しないので好ましく、特にその比が20%以上であればさらに亀裂が発生しにくくなるのでさらに好ましい。
【0055】
(実施例5:硬化温度)
シリコーン樹脂は−5℃前後で保存することが望ましいとされ、この温度では実質的に硬化は起こらない。これより温度が高くなると、徐々に硬化が起こり始め、温度の上昇とともに硬化時間は短縮する。図3には「保存安定性」として、保存温度と保存期間の目安が示されている。
【0056】
半導体封止樹脂Aの硬化温度は、ヒートサイクル試験の上限温度以下であるように調整されている。具体的には、図4に示されているように、70℃から125℃の範囲にある。硬化温度は硬化時間に依存する値であるので、硬化時間は1〜2時間を標準とした。
【0057】
硬化温度がヒートサイクル試験の上限温度よりも低いので、ヒートサイクル試験で電力用半導体装置、特に封止樹脂体6aに発生する応力を小さくすることができる。例えば樹脂22の場合、硬化温度は80℃(硬化時間:2時間)で、アルミワイヤ12への影響は見られなかった。
封止樹脂体6aに発生する応力を小さくすることで、亀裂の発生や、界面剥離を防止する効果が高くなる。さらにアルミワイヤ12への応力負荷も軽減し、アルミワイヤ12の断裂破壊を防止することができる。
【0058】
アルミワイヤ12の断裂破壊を防止できるので、必要とされる絶縁耐圧特性や部分放電発生電圧特性を確保できる。例えば、電力用半導体装置の絶縁耐圧は6.0kV/mm、部分放電発生電圧は3.3kVであった。
【0059】
(実施例6:V−1評価)
図4は半導体封止樹脂の難燃性を評価した結果も示している。難燃性試験は VERTICAL BURNING TEST FOR CLASSIFYING MATERIALS (UL94-1980-1985) に基づいて行い、図中には判定基準V−1を満足した樹脂硬化物は「○」と、判定基準V−1を満足しなかった樹脂硬化物は「×」と表示してある。
判定基準V−1を満足する樹脂硬化物は接炎中止後30秒を超えて有炎燃焼しない。半導体封止樹脂にV−1相当の難燃性を付与することで、火災時に燃焼破壊を遅らせることができ、半導体装置の信頼性が向上する。
【0060】
実施例1から6で示した半導体封止樹脂の特性は互いに独立しているものではない。複数の特性を同時に満足するように半導体封止樹脂を調整することは可能で、例えば樹脂14は全ての条件を満足している。
複数の特性を同時に満足するようにシリコーン樹脂を調整することで、電力用半導体装置の性能を低下させる複数の原因に対して一度に対処することができる。
【0061】
(実施例7:充填剤)
半導体封止樹脂に線膨張係数の低い充填剤を混入させると、ヒートサイクル試験やパワーサイクル試験によってセラミック基板8や電力用半導体素子11との間で起こる封止樹脂体の界面剥離や亀裂の発生が抑えられることがわかった。
【0062】
充填剤には線膨張係数が低いだけではなく、電気絶縁性に優れ、絶縁耐圧が15kV/mm程度またはそれ以上であること、さらに母材であるシリコーン樹脂と反応を起こさないことなどの特性が要求される。充填剤の具体的な例としてはシリカ、アルミナなどの無機化合物をあげることができる。これらの無機化合物は部分放電に曝されても侵食されにくい。
【0063】
樹脂14に球状のシリカ(直径10μm)を50重量%添加したところ、混成物としての樹脂硬化物は、線膨張係数が1×10-3/℃から0.3×10-3/℃に低下した。
【0064】
同様の効果を得ることができる充填剤化合物として、金属酸化物(TiO2、LiO2、ZnO、CaO、MgO、FeO、SnO、Sb2O3)、金属窒化物(BN、AlN)、金属水酸化物(CaOH,、MgOH、Al(OH)3)、金属有機酸塩(CaSiO3、MgCO3、ZnCO3、BaCO3、CaSO4、BaSO4)、金属無機酸塩(CaSiO3、CaTiO3、MoS、Zn(BO3)2)、有機高分子量体(ポリスチレン、ポリアクリル、ポリフェノール、ポリブタジエン)などをあげることが出来る。
【0065】
上記の化合物は入手しやすく、容易に加工できるという利点が有る。中でも有機高分子量体は比重がシリコーン樹脂とほぼ同じであるため、シリコーン樹脂の中で均一に分散しやすく、取り扱い性に優れている。
充填剤の形状に特に制限はない。球状、粒状、板状、片状、不規則状、海綿状、針状、枝状、中空状のものを等しく用いることができるが、球状のものが手に入りやすいので望ましい。
【0066】
充填剤を母材であるシリコーン樹脂に対して10重量%程度添加すると線膨張係数が目立って低くなり始める。線膨張係数が低下する効果を充分に得るには、充填剤を30重量%以上添加する必要があるが、添加量が80%を超えると粘度が高くなり、かえって亀裂が生じやすくなる。このため充填剤の添加量は母材であるシリコーン樹脂に対して10重量%から80重量%であることが望ましく、30重量%から80重量%であればさらに望ましい。
【0067】
シリコーン樹脂にこれらの線膨張係数の小さな充填材を混入すると、封止樹脂体の線膨張係数が絶縁板3、電力用半導体素子11あるいは制御基板4のそれに近づくため、亀裂や界面剥離が防止され電力用半導体装置の信頼性が向上する。
【0068】
【発明の効果】
本発明にかかる半導体装置は、金属ベース板の上部に固定された半導体素子と、所定温度で硬化させた硬化物の室温における破断伸び率が室温における針入度(単位:mm)の4%以上に調整され、かつ所定温度で硬化させた硬化物の室温での針入度が、10mm以上、80mm以下に調整され、かつ所定温度で硬化させた硬化物の室温での損失弾性率が、測定周波数0.1Hzから1Hzの範囲において、貯蔵弾性率の17%以上に調整されたシリコーン樹脂で形成され、半導体素子を被覆する封止樹脂体と、封止樹脂体を囲繞する筐体とを備えているので、半導体装置の封止樹脂体に亀裂が発生することを防止できる。
【0069】
封止樹脂体を、所定温度で硬化させた硬化物の室温での針入度が、10mm以上、80mm以下に調整されたシリコーン樹脂で形成することにより、半導体装置の封止樹脂体に気泡が発生することを抑制できる。また、封止樹脂体を、所定温度で硬化させた硬化物の−80℃での針入度が、室温での針入度の50%以上に調整されたシリコーン樹脂で形成することにより、低温度でのヒートサイクル試験で亀裂が発生することを防止できる。
【0070】
また、封止樹脂体を、硬化温度がヒートサイクル試験の上限温度以下に調整されたシリコーン樹脂で形成することにより、電力用半導体装置の封止樹脂体に亀裂が発生することを防止できる。
また、封止樹脂体を、難燃性評価基準であるV−1を満足するように調整されたシリコーン樹脂で形成することにより、火災時に電力用半導体装置の燃焼破壊を遅らせることができる。
【0071】
また、封止樹脂体が、シリコーン樹脂よりも線膨張率が低い充填剤を含むことにより、電力用半導体装置の封止樹脂体に亀裂が発生することを防止できる。
充填剤は、金属酸化物、金属窒化物、金属水酸化物、金属有機燐酸塩、金属無機酸塩または有機高分子量体からなるので、電力用半導体装置の封止樹脂体に亀裂が発生することを防止できる。
封止樹脂体は、充填剤をシリコーン樹脂に対し30〜80重量%含むことにより、電力用半導体装置の封止樹脂体に亀裂が発生することを防止できる。
【0072】
筐体が、外部から電力用半導体素子に制御信号を供給可能な外部端子台を有することにより、制御基板を電力用半導体装置の外部に配置することが可能になる。
また、封止樹脂体の上面に熱硬化性樹脂で形成されかつ筐体に囲繞される構造樹脂体を備え、構造樹脂体が電力用半導体素子に電力を供給するエミッタ電極とコレクタ電極を被覆することにより、エミッタ電極とコレクタ電極を絶縁板を介して積層することが不要となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明にかかる電力用半導体装置の実施の形態1を示す側面断面図である。
【図2】 本発明にかかる電力用半導体装置の実施の形態2を示す側面断面図である。
【図3】 半導体封止樹脂の基礎特性を説明するための図である。
【図4】 半導体封止樹脂の物性値とヒートサイクル試験の測定結果を説明するための図である。
【図5】 半導体封止樹脂の針入度と破断伸び率を測定した結果を説明するための図である。
【図6】 針入度の温度依存性を調べた結果を説明するための図である。
【図7】 シリコーン樹脂が温度によって状態が変化することを説明するための図である。
【図8】 樹脂27の貯蔵弾性率と損失弾性率を測定した結果を説明するための図である。
【図9】 半導体封止樹脂の剪断弾性率を測定した結果をまとめた図である。
【図10】 従来の電力用半導体装置を示す側面断面図である。
【図11】 電力用半導体装置に充填された従来の封止樹脂体に発生する気泡(a)、亀裂(b)および界面剥離(c)を説明するための図である。
【符号の説明】
1 エミッタ電極 2 コレクタ電極
3 絶縁板 4 制御基板
5 樹脂ケース 6a 封止樹脂体
7 金属ベース板 8 セラミック基板
9 上基板電極 10 電力用半導体素子
11 下基板電極 12 アルミワイヤ
13 内部端子台 14 蓋
15 外部端子台 16 接続端子
17 予備絶縁板
Claims (10)
- 金属ベース板の上部に固定された半導体素子と、所定温度で硬化させた硬化物の室温における破断伸び率が室温における針入度(単位:mm)の4%以上に調整され、かつ所定温度で硬化させた硬化物の室温での損失弾性率が、測定周波数0.1Hzから1Hzの範囲において、貯蔵弾性率の17%以上に調整されたシリコーン樹脂で形成され、前記半導体素子を被覆する封止樹脂体と、前記封止樹脂体を囲繞する筐体とを備えてなる半導体装置。
- 封止樹脂体は、所定温度で硬化させた硬化物の室温での針入度が、10mm以上、80mm以下に調整されたシリコーン樹脂で形成されていることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 封止樹脂体は、所定温度で硬化させた硬化物の−80℃での針入度が、室温での針入度の50%以上に調整されたシリコーン樹脂で形成されていることを特徴とする請求項2記載の半導体装置。
- 封止樹脂体は、硬化温度がヒートサイクル試験の上限温度以下に調整されたシリコーン樹脂で形成されていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 封止樹脂体は、難燃性評価基準であるV−1を満足するように調整されたシリコーン樹脂で形成されていることを特徴とする請求項1または4のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 封止樹脂体は、シリコーン樹脂よりも線膨張率が低い充填剤を含んでなる請求項1ないし5のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 充填剤は、金属酸化物、金属窒化物、金属水酸化物、金属有機燐酸塩、金属無機酸塩または有機高分子量体からなる請求項6記載の半導体装置。
- 封止樹脂体は、充填剤をシリコーン樹脂に対し30〜80重量%含んでなる請求項7記載の半導体装置。
- 筐体は、外部から半導体素子に制御信号を供給可能な外部端子台を有していることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 封止樹脂体の上面に熱硬化性樹脂で形成されかつ筐体に囲繞される構造樹脂体を備え、前記構造樹脂体は半導体素子に電力を供給するエミッタ電極とコレクタ電極を被覆していることを特徴とする請求項1または9記載の半導体装置。
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