(57)【要約】【課題】本発明は、半導体素子が高温動作する場合や、ヒートサイクル試験などの信頼性試験を行う場合であっても、ワイヤボンドの破断を防止することが可能な半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】本発明による半導体装置は、ベース板１と、ベース板１を底面とする封止空間を形成するケース７と、封止空間に配置された半導体素子５およびボンディングワイヤ６と、封止空間を封止する封止樹脂９と、封止樹脂９の上面を覆い、かつその端部がケース７に固定された封止樹脂膨張制御蓋１０とを備え、使用が許容される温度範囲において、封止樹脂９の上面の少なくとも８０％以上が封止樹脂膨張制御蓋１０に接することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース板と、
前記ベース板を底面とする封止空間を形成するケースと、
前記封止空間に配置された半導体素子およびボンディングワイヤと、
前記封止空間を封止する封止樹脂と、
前記封止樹脂の上面を覆い、かつその端部が前記ケースに固定された蓋部と、
を備え、
使用が許容される温度範囲において、前記封止樹脂の上面の少なくとも８０％以上が前記蓋部に接することを特徴とする、半導体装置。
【請求項２】
前記温度範囲において、前記封止樹脂の体積変化は５％以下であることを特徴とする、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記蓋部は、ハニカム構造を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記蓋部は、前記封止樹脂に接する面とは反対側の面上にリブを設けることを特徴とする、請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記蓋部は、当該蓋部に一体して形成される金属板を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項６】
（ａ）ベース板を準備する工程と、
（ｂ）前記ベース板を底面とし、当該ベース板上にケースを設けて封止空間を形成する工程と、
（ｃ）前記封止空間に半導体素子およびボンディングワイヤを配置する工程と、
（ｄ）前記封止空間を封止樹脂で封止する工程と、
（ｅ）前記封止樹脂の上面を蓋部で覆い、かつ当該蓋部の端部を前記ケースに固定する工程と、
を備え、
前記工程（ｅ）は、使用が許容される温度範囲において、前記封止樹脂の上面の少なくとも８０％以上が前記蓋部に接するように固定することを特徴とする、半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記工程（ｄ）において、
前記封止樹脂は、前記温度範囲において体積変化が５％以下であることを特徴とする、請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記工程（ｅ）において、
前記蓋部は、ハニカム構造を有することを特徴とする、請求項６または７に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記工程（ｅ）において、
前記蓋部は、前記封止樹脂に接する面とは反対側の面上にリブを設けることを特徴とする、請求項６または７に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記工程（ｅ）において、
前記蓋部は、当該蓋部に一体して形成される金属板を有することを特徴とする、請求項６または７に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子を樹脂で封止した半導体装置の封止構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業機器、電鉄、自動車などの進展に伴い、これらに使用される半導体素子の使用温度も上昇している。近年、高温で動作可能な半導体素子の開発が精力的に行われており、当該半導体素子を備える半導体装置の小型化、高耐圧化、高電流密度化が進んでいる。特に、ＳｉＣやＧａＮなどの化合物半導体は、Ｓｉ半導体よりもバンドギャップが大きいため、半導体装置の高耐圧化、小型化、高電流密度化、高温動作が期待されている。このような特徴を有する半導体素子を半導体装置に備えるためには、半導体素子が高温動作する場合や、ヒートサイクル試験などの信頼性試験の際にワイヤボンドの破断を防止し、半導体装置の安定した動作を確保する必要がある。
【０００３】
上記の概念に基づいて、従来では、例えばシリコーンゲルの上面に密着するように挿入される押さえ蓋を有し、押さえ蓋の側面には、外周ケースの内壁と上下動可能に係合する突起が設けられた構造を有する半導体装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。また、他に、シリコーンエラストマーの針入度を２５以上、３５以下にした構造を有する樹脂封止型パワーモジュールが開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−３１１９７０号公報（第１図）
【特許文献２】特開２００８−１６５６４号公報（第１図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１では、押さえ蓋を封止樹脂の上面に密着するように挿入しても、押さえ蓋が外周ケースの内壁に対して上下動が可能であるため、半導体素子が高温で動作する際には封止樹脂が膨張してボンディングワイヤを押し上げる応力を発生し、また、動作環境が低温になると封止樹脂が収縮してボンディングワイヤを押し下げる応力を発生してしまうため、ボンディングワイヤを疲労破壊させてしまうという問題があった。
【０００６】
また、特許文献２では、封止樹脂の針入度を規定しているが、動作環境の温度によってボンディングワイヤを押し上げたり押し下げたりする応力が発生してしまうため、低温および高温（例えば−４０℃から１７５℃）の温度サイクル試験でボンディングワイヤを疲労破壊させてしまうという問題があった。
【０００７】
また、封止樹脂としてシリコーンゲルを使用する場合は、蓋の代わりにエポキシ樹脂をシリコーンゲルの上面に注入して硬化させる場合もある。しかしながら、エポキシ樹脂は高温（例えば１５０℃）で硬化する樹脂であるため、高温によりシリコーンゲルが膨張している状態で上面のエポキシ樹脂が硬化する。その後、環境温度が使用温度範囲の低温時（例えば−４０℃）になると、シリコーンゲルは収縮してエポキシ樹脂との界面に隙間を作り、ボンディングワイヤに応力を発生するため、温度サイクルが生じるとボンディングワイヤを疲労破壊させてしまうという問題があった。
【０００８】
本発明は、これらの問題を解決するためになされたものであり、半導体素子が高温動作する場合や、ヒートサイクル試験などの信頼性試験を行う場合であっても、ワイヤボンドの破断を防止することが可能な半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するために、本発明による半導体装置は、ベース板と、ベース板を底面とする封止空間を形成するケースと、封止空間に配置された半導体素子およびボンディングワイヤと、封止空間を封止する封止樹脂と、封止樹脂の上面を覆い、かつその端部がケースに固定された蓋部とを備え、使用が許容される温度範囲において、封止樹脂の上面の少なくとも８０％以上が蓋部に接することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明による半導体装置の製造方法は、（ａ）ベース板を準備する工程と、（ｂ）ベース板を底面とし、当該ベース板上にケースを設けて封止空間を形成する工程と、（ｃ）封止空間に半導体素子およびボンディングワイヤを配置する工程と、（ｄ）封止空間を封止樹脂で封止する工程と、（ｅ）封止樹脂の上面を蓋部で覆い、かつ当該蓋部の端部をケースに固定する工程とを備え、工程（ｅ）は、使用が許容される温度範囲において、封止樹脂の上面の少なくとも８０％以上が蓋部に接するように固定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によると、ベース板と、ベース板を底面とする封止空間を形成するケースと、封止空間に配置された半導体素子およびボンディングワイヤと、封止空間を封止する封止樹脂と、封止樹脂の上面を覆い、かつその端部がケースに固定された蓋部とを備え、使用が許容される温度範囲において、封止樹脂の上面の少なくとも８０％以上が蓋部に接することを特徴とするため、半導体素子が高温動作する場合や、ヒートサイクル試験などの信頼性試験を行う場合であっても、ワイヤボンドの破断を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態による半導体装置の構成の一例を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態による封止樹脂膨張制御蓋の構成の一例を示す図である。
【図３】図２に示す封止樹脂膨張制御蓋の断面を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態による封止樹脂膨張制御蓋の構成の他の一例を示す図である。
【図５】図４に示す封止樹脂膨張制御蓋の断面を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態による封止樹脂膨張制御蓋の構成の他の一例を示す図である。
【図７】図６に示す封止樹脂膨張制御蓋の断面を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態による半導体装置の構成の他の一例を示す図である。
【図９】図８に示す半導体装置の断面を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態による半導体素子の回路の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の実施の形態について、図面に基づいて以下に説明する。
【００１４】
＜実施の形態＞
本発明の実施の形態による半導体装置は、半導体素子が高温動作する場合や、ヒートサイクル試験などの信頼性試験を行うときに、温度変化によって膨張収縮し変化する封止樹脂の体積を可及的に一定に保つように封止樹脂膨張制御蓋を設けることを特徴としている。ここで、半導体装置は使用が許容される温度範囲で動作に供されることを前提としており、使用が許容される温度範囲とは、例えば半導体装置の規格で定められる使用可能な温度範囲のことをいう。なお、以下では、使用が許容される温度範囲のことを、単に使用温度範囲という。
【００１５】
図１は、本実施の形態による半導体装置の構成の一例を示す図である。
【００１６】
図１に示すように、ベース板１上には、金属接合材４を介して、電極３とセラミック板２とからなる絶縁基板と半導体素子５とが設けられている。
【００１７】
ケース７は、ベース板１にネジ（図示せず）止めして固定されている。
【００１８】
電極３、半導体素子５、および端子８は、ボンディングワイヤ６を介して電気的に接続されている。
【００１９】
封止樹脂９は、半導体素子の絶縁性を確保するために、ケースで囲われた内側を封止している。すなわち、ベース板１を底面としてその上にケース７を設けており、ベース板１およびケース７によって封止空間が形成されている。また、封止空間には半導体素子５およびボンディングワイヤ６が配置され、封止空間を封止樹脂９によって封止している。
【００２０】
封止樹脂膨張制御蓋１０（蓋部）は、封止樹脂９の膨張収縮を抑えるためにケース７にネジ（図示せず）止めして固定されている。すなわち、封止樹脂膨張制御蓋１０は、封止樹脂９の上面を覆い、かつその端部がケース７に固定されている。このとき、封止樹脂膨張制御蓋１０は、半導体素子５の使用温度範囲の全範囲において、封止樹脂９の上面の少なくとも８０％以上が封止樹脂膨張制御蓋１０に接するように固定される。
【００２１】
次に、本実施の形態による半導体装置の製造方法について説明する。
【００２２】
本実施の形態による半導体装置の製造方法は、（ａ）ベース板１を準備する工程と、（ｂ）ベース板１を底面とし、当該ベース板１上にケース７を設けて封止空間を形成する工程と、（ｃ）封止空間に半導体素子５およびボンディングワイヤ６を配置する工程と、（ｄ）封止空間を封止樹脂９で封止する工程と、（ｅ）封止樹脂９の上面を封止樹脂膨張制御蓋１０（蓋部）で覆い、かつ当該封止樹脂膨張制御蓋１０の端部をケースに固定する工程とを備え、工程（ｅ）は、半導体素子５の使用温度範囲の全範囲において、封止樹脂９の上面の少なくとも８０％以上が封止樹脂膨張制御蓋１０に接するように固定することを特徴としている。
【００２３】
図１に示す半導体装置の構成とすることによって、半導体素子５が使用温度範囲の高温側になっても、封止樹脂９の熱膨張は封止樹脂膨張制御蓋１０によって封止樹脂９の体積変化が５％以下になるように制御される。
【００２４】
また、半導体素子５が使用温度範囲の低温側になっても、封止樹脂膨張制御蓋１０の封止樹脂９に接する面を、封止樹脂９が使用温度範囲の最低温度で形成される形状と同様の形状にし、半導体素子５の使用温度範囲の全範囲において封止樹脂９の上面の少なくとも８０％以上が封止樹脂膨張制御蓋１０に接するようにしているので、当該使用温度範囲の全範囲において封止樹脂９の体積変化が５％以下になるように制御される。
【００２５】
以上のことから、本実施の形態によれば、半導体素子５の使用温度範囲の全範囲において、封止樹脂９の体積変化に伴うボンディングワイヤ６への応力が軽減されて、ボンディングワイヤ６の破断を防止することができ、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
【００２６】
また、本実施の形態による半導体装置は、封止樹脂と接する蓋が可動である特許文献１に開示される半導体装置とは構成が異なる。従って、従来の問題点であった封止樹脂の膨張と収縮によるボンディングワイヤ６への応力によってボンディングワイヤ６が破断されることを防止することができる。
【００２７】
また、封止樹脂膨張制御蓋１０は固定されているため、特許文献１のような可動する蓋が傾斜した状態で封止樹脂が膨張収縮することによって蓋が破壊されたり、高温動作時にケースと端子との隙間等に含まれるボイドが封止樹脂中に押し出されたりして絶縁破壊を生じることがない。
【００２８】
また、特許文献２のように針入度を規定しても、封止樹脂の体積を一定に保つようにしなければ、半導体素子が高温で動作すると封止樹脂が膨張してボンディングワイヤに応力を付与してしまうため、ボンディングワイヤの破断が生じてしまう。一方、本実施の形態による封止樹脂膨張制御蓋１０を設けた半導体装置であれば、封止樹脂９が振動した場合であっても体積の変動が少なく、ボンディングワイヤ６への応力を軽減して破断を防止する効果がある。
【００２９】
なお、半導体素子５は、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＮなどで作製されているが、これに限定するものではなく、ＰＮ接合を利用した半導体素子であればよい。また、図１では、半導体素子５が２個しか搭載されていないが、これに限定するものではなく、使用される用途に応じて必要な個数の半導体素子５を搭載していてもよい。
【００３０】
ボンディングワイヤ６は、アルミまたは金からなる断面が円形の線体を用いているが、これに限定するものではなく、断面が方形の帯体を用いてもよい。また、図１では、ボンディングワイヤ６が４本示されているが、半導体素子５の電流密度などによって、必要な本数のボンディングワイヤ６を設けてもよい。また、ボンディングワイヤ６は、銅や錫などの金属片を金属接合材で接合してもよく、必要な電流と電圧を半導体素子５に供給することができればよい。
【００３１】
電極３および端子８は、銅を用いているが、これに限定するものではなく、アルミや鉄を用いてもよく、これらを複合した材料を用いてもよい。また、電極３および端子８の表面は、通常、ニッケルメッキを行うが、これに限定するものではなく、金や錫メッキを行ってもよく、必要な電流と電圧を半導体素子５に供給できればよい。また、電極３および端子８は、銅／インバー／銅などの複合材料を用いてもよく、ＳｉＣＡｌ、ＣｕＭｏなどの合金を用いてもよい。図１では、端子８が２本設けられているが、これに限定するものではなく、回路構成上必要な本数の端子８を設けてもよい。また、端子８は、ケース７に埋設して構成されるため、ケース７との密着性を向上させるために、端子８の表面に凹凸を設けてもよく、化学的に結合するようにシランカップリング剤などで接着補助層を設けてもよい。
【００３２】
絶縁基板は、放熱性と絶縁性とを有するために、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＡｌＮ、ＢＮ、Ｓｉ３Ｎ４などのセラミック板２に銅やアルミの電極３を設けたものとしているが、これに限定するものではなく、セラミック粉を混入させた樹脂硬化物、あるいはセラミック板を埋め込んだ樹脂硬化物に電極パターンを設けたものでもよい。また、使用するセラミック粉は、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＡｌＮ、ＢＮ、Ｓｉ３Ｎ４などが用いられるが、これに限定するものではなく、ダイアモンド、ＳｉＣ、Ｂ２Ｏ３などを用いてもよい。また、シリコーン樹脂やアクリル樹脂などの樹脂製の粉を用いてもよい。粉形状は、球状を用いることが多いが、これに限定するものではなく、破砕状、粒状、リン片状、凝集体などを用いてもよい。粉体の充填量は、必要な放熱性と絶縁性とが得られる量であればよい。基板に用いる樹脂は、通常、エポキシ樹脂が用いられるが、これに限定するものではなく、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂、アクリル樹脂などを用いてもよく、絶縁性と接着性とを兼ね備えた材料であればよい。
【００３３】
封止樹脂９は、通常、シリコーン樹脂を用いるが、これに限定するものではなく、エポキシ樹脂やポリイミド樹脂、アクリル樹脂などを用いてもよい。また、通常はＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２などのセラミック粉を添加して用いるが、これに限定するものではなく、ＡｌＮ、ＢＮ、Ｓｉ３Ｎ４、ダイアモンド、ＳｉＣ、Ｂ２Ｏ３などを添加してもよく、シリコーン樹脂やアクリル樹脂などの樹脂製の粉を添加してもよい。粉形状は、球状を用いることが多いが、これに限定するものではなく、破砕状、粒状、リン片状、凝集体などを用いてもよい。粉体の充填量は、必要な流動性、絶縁性、接着性が得られる量であればよい。
【００３４】
ここで、封止樹脂９の硬さは、ＪＩＳＫ６２４９で規定される針入度２００まで、あるいはＪＩＳＫ６２５３で規定されるタイプＡのゴム硬度が９０までがよく、好ましくは、針入度が６０まで、あるいはタイプＡのゴム硬度が６０までがよい。これは、針入度が２００を超えると封止樹脂９の硬化時に硬化不良を生じ易くなったり、不均一な硬化物を生成し易くなったり、ケース７と端子８との間にある隙間の空気（ボイド）が封止樹脂９中に押し出されて絶縁破壊を起こしたりするためである。また、タイプＡのゴム硬度が９０を超えると、作製した半導体装置が高温で動作する際に発生する応力によって、樹脂製のケース７にクラックが入ったり、封止樹脂膨張制御蓋１０にクラックが入ったりすることがあるためである。
【００３５】
ケース７および封止樹脂膨張制御蓋１０は、通常、熱可塑性樹脂、具体的には、非晶質ポリアリレート、ポリスルホン、ポリエーテルサルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、液晶ポリマーなどのスーパーエンジニアリングプラスチックや、ポリアセタール、ポリアミド、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ガラス繊維強化ポリエチレンテレフタレート、超高分子量ポリエチレン、シンジオタクティックポリエチレンなどのエンジニアリングプラスチックや、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、テフロン（登録商標）、アクリロニトリルブタジエンスチレン、アクリルなどがあるが、金型に樹脂を注入して成形可能な樹脂であればよい。しかしながら、耐熱性の観点からエポキシ樹脂やポリフェニレンサルファイドを用いるのが好ましい。
【００３６】
また、ケース７および封止樹脂膨張制御蓋１０は、熱硬化性樹脂を用いてもよい。具体的には、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アルキド樹脂などがあるが、これに限定するものではなく、セラミック、ガラスなどを用いてもよい。また、通常は、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２などのセラミック粉や繊維を添加して用いるが、これに限定するものではなく、ＡｌＮ、ＢＮ、Ｓｉ３Ｎ４、ダイアモンド、ＳｉＣ、Ｂ２Ｏ３などを添加してもよく、シリコーン樹脂やアクリル樹脂などの樹脂製の粉を添加してもよい。粉形状は、球状を用いることが多いが、これに限定するものではなく、破砕状、粒状、リン片状、凝集体などを用いてもよい。粉体の充填量は、ケース７や封止樹脂膨張制御蓋１０を成形するために必要な流動性が得られればよい。
【００３７】
また、封止樹脂膨張制御蓋１０は、通常、樹脂や金属の単体で作製するが、以下で説明するような、強度を補強して軽量化するために図２，３に示すようなハニカム構造１１にしてもよく、図４，５に示すようなリブ１３を設けてもよく、あるいは図６，７に示すような金属との複合体にしてもよく、半導体装置の使用温度範囲の全範囲で、封止樹脂９の体積変動を５％以下に制御することができる構造であればよい。
【００３８】
図２は、本実施の形態による封止樹脂膨張制御蓋１０の構成の一例を示す図であり、図３は、図２に示す封止樹脂膨張制御蓋１０の断面を示す図である。
【００３９】
図２，３に示すように、封止樹脂膨張制御蓋１０は、樹脂成形により作製されるハニカム構造１１を有している。ここで、ハニカム構造１１とは、一般的に蜂の巣のような正六角形の柱を並べたもののことをいうが、正六角形に限らず多角形の柱であってもよい。また、ハニカム構造１１を備えた封止樹脂膨張制御蓋１０は、樹脂の一体成形で作製するのが好ましいが、別々の部品を貼り合わせたり、ネジ止めしたりして作製してもよく、最終的に封止樹脂膨張制御蓋１０として一体化して構成されていればよい。また、封止樹脂膨張制御蓋１０をケース７に固定する際は、ネジ穴１２を介してネジによって固定することができる。
【００４０】
上記より、封止樹脂膨張制御蓋１０がハニカム構造１１を有することによって、封止樹脂９が熱の影響を受けて膨張する際に封止樹脂膨張制御蓋１０の変形を抑えることができる。また、ハニカム構造１１を採用することによって、封止樹脂膨張制御蓋１０を作成するために使用する樹脂量を少なくして軽量化することができ、例えばハニカム構造１１を有する封止樹脂膨張制御蓋１０を備える半導体装置を電気自動車に搭載した場合は、当該電気自動車の航続距離を延ばす効果も得られる。
【００４１】
図４は、本実施の形態による封止樹脂膨張制御蓋１０の構成の他の一例を示す図であり、図５は、図４に示す封止樹脂膨張制御蓋１０の断面を示す図である。
【００４２】
図４，５に示すように、封止樹脂膨張制御蓋１０は、封止樹脂９に接する面とは反対側の面上に、樹脂成形により作製されるリブ１３（リブ構造）を有している。ここで、リブ１３とは、封止樹脂膨張制御蓋１０に設ける梁のことをいい、図中では方形状のブロックで十字型に設けているが、方形状以外のブロックで複数の梁を設けてもよい。また、リブ１３を設けた封止樹脂膨張制御蓋は、樹脂の一体成形で作製するのが好ましいが、別々の部品を貼り合わせたり、ネジ止めしたりして作製してもよく、最終的に封止樹脂膨張制御蓋１０として一体化して構成されていればよい。また、封止樹脂膨張制御蓋１０をケース７に固定する際は、ネジ穴１４を介してネジによって固定することができる。
【００４３】
上記より、リブ１３を採用することによって、樹脂成形しやすいことから歩留まりを向上して製造コストを低減することができる。また、封止樹脂膨張制御蓋１０を作成するために使用する樹脂量を少なくして軽量化することができ、例えばリブ１３を設けた封止樹脂膨張制御蓋１０を備える半導体装置を電気自動車に搭載した場合は、当該電気自動車の航続距離を延ばす効果も得られる。
【００４４】
図６は、本実施の形態による封止樹脂膨張制御蓋１０の構成の他の一例を示す図であり、図７は、図６に示す封止樹脂膨張制御蓋１０の断面を示す図である。
【００４５】
図６，７に示すように、封止樹脂膨張制御蓋１０は、当該封止樹脂膨張制御蓋１０に一体して形成される金属板１５を有している。図中では、樹脂中（封止樹脂膨張制御蓋１０中）に金属板１５が埋設されているが、金属板１５の設置位置は封止樹脂膨張制御蓋１０の表面であってもよい。また、図中では、金属板１５は四角形の板状体で示されているが、多角形や円形であってもよく、一部を加工した３次元形状をしていてもよい。また、金属板１５は、封止樹脂膨張制御蓋１０の樹脂成形時に一体化するのが好ましいが、別々の部品を貼り合わせたり、ネジ止めしたりして作製してもよく、最終的に封止樹脂膨張制御蓋１０として一体化して構成されていればよい。また、封止樹脂膨張制御蓋１０をケース７に固定する際は、ネジ穴１６を介してネジによって固定することができる。
【００４６】
上記より、封止樹脂膨張制御蓋１０に金属板１５を採用することによって、樹脂よりも剛性の高い金属を用いているため、封止樹脂９の膨張収縮による封止樹脂膨張制御蓋１０の変形を抑制する効果が高くなる。また、樹脂よりも熱伝導性の高い金属を用いているため、放熱性が向上して封止樹脂９の膨張を抑える効果も得られる。
【００４７】
なお、図２〜７において、封止樹脂膨張制御蓋１０の封止樹脂９に接する面の形状は、半導体装置の使用温度範囲で最低温時の封止樹脂９の上面の形状に合った形状にするのが好ましいが、これに限定するものではなく、半導体装置の使用温度範囲の全範囲で、封止樹脂９の上面の８０％以上が封止樹脂膨張制御蓋１０に接する形状であればよい。また、半導体素子５の異常発熱によって封止樹脂９が膨張しすぎて封止樹脂膨張制御蓋１０を破壊しないように、封止樹脂膨張制御蓋１０の一部に開口部を設けてもよい。
【００４８】
また、図１では、封止樹脂膨張制御蓋１０が１つ設けられた例について説明したが、図８，９に示すように、複数の封止箇所を有する半導体装置については、必要に応じて複数の封止樹脂膨張制御蓋１０を設けてもよい。
【００４９】
図８は、複数の封止樹脂膨張制御蓋１０を備えた半導体装置の上面図であり、図９は、図８のＡ−Ａ断面を示す図である。
【００５０】
図８，９に示すように、半導体装置は、２箇所に樹脂封止を行い、封止樹脂膨張制御蓋１０を設けている。なお、図中では、同一のベース板１上に設けられた半導体素子５、絶縁基板（セラミック板２、電極３）、金属接合材４、ボンディングワイヤ６、ケース７、端子８などで構成される高電圧回路部分のみに樹脂封止を行って封止樹脂膨張制御蓋１０を設けており、プリント基板１７、実装部品１８などから構成される制御信号を送る低電圧回路部分には樹脂封止を行わず封止樹脂膨張制御蓋１０を設けていない。
【００５１】
上記より、封止樹脂膨張制御蓋１０の個数を少なくすることができ、半導体装置を軽量化することができる。また、複数の樹脂封止箇所を有する半導体装置に対して１つの封止樹脂膨張制御蓋１０を用いると、封止樹脂膨張制御蓋１０に局所的な応力が発生して使用温度の範囲で封止樹脂膨張制御蓋１０にクラックが生じてしまい、半導体装置の信頼性を低下させてしまうが、複数の樹脂封止箇所の各々に封止樹脂膨張制御蓋１０を設けることによって封止樹脂膨張制御蓋１０における局所的な応力の発生を抑制し、半導体装置の信頼性の低下を防止する効果もある。
【００５２】
封止樹脂膨張制御蓋１０の固定は、ベース板１、絶縁基板（セラミック板２、電極３）、金属接合材４、半導体素子５、ボンディングワイヤ６、ケース７、端子８からなる半導体装置の内部に封止樹脂９を注入して封止し、その後に封止樹脂９の上面から封止樹脂膨張制御蓋１０を押圧し、当該押圧した状態を維持するようにネジ止めするのが好ましいが、この方法に限定するものではない。例えば、ケース７に勘合するように封止樹脂膨張制御蓋１０に凹凸を設けてもよく、封止樹脂膨張制御蓋１０を固定するための補助具を設けてもよく、あるいは接着剤を使用してもよい。
【００５３】
＜実施例＞
以下の実施例では、本発明の実施の形態についてより具体的に説明する。
【００５４】
本実施例では、作製した半導体装置を、冷熱衝撃試験機（タバイエスペック製ＴＳＡ−７１Ｓ−Ａ）を用いて、−４０℃で３０分保持した後に１７５℃で３０分保持するヒートサイクル試験を１０００サイクル実施した後、半導体素子に通電してボンディングワイヤの破断状態を確認するとともに、半導体装置の絶縁破壊電圧を測定した。
【００５５】
なお、半導体素子に通電する際は、図１０に示すＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar transistor）１９とダイオード２０からなる回路のＧ−Ｅ端子に１５Ｖを印加し、Ｃ−Ｅ端子間に２００Ａを印加し、その時の電圧（Ｃ−Ｅ間電圧）を測定してボンディングワイヤの破断を評価した。
【００５６】
また、絶縁破壊電圧は、図１に示す端子８を全て短絡させ、端子８とベース板１との間で測定した。印加する電圧は、耐電圧・絶縁抵抗試験器（菊水電子工業株式会社製ＴＯＳＳ５３００）を用い、０．５ｋＶずつ印加電圧を増加させて各電圧で１分間保持し、半導体装置が絶縁破壊する電圧を求めた。
【００５７】
また、半導体装置のベース板１は、縦９４ｍｍ、横４８ｍｍ、厚さ３ｍｍの銅板にＮｉメッキを行った。
【００５８】
絶縁基板（セラミック板２、電極３）は、縦３２ｍｍ、横２８ｍｍ、厚さ０．６３５ｍｍの窒化アルミ板上に、縦３０ｍｍ、横２６ｍｍ、厚さ０．１ｍｍの銅にＮｉメッキを行った電極を設けた。
【００５９】
半導体素子５は、縦１２ｍｍ、横１１ｍｍ、厚さ０．２ｍｍのＩＧＢＴ１９と、縦７ｍｍ、横１１ｍｍ、厚さ０．２ｍｍのダイオード２０を使用した。
【００６０】
ボンディングワイヤ６は、径が０．４ｍｍのアルミを使用した。
【００６１】
ケース７はＰＰＳ樹脂（ＤＩＣ株式会社製、製品名Ｚ２４０）を使用して縦９２ｍｍ、横４６ｍｍ、厚さ１７ｍｍに成形した。
【００６２】
端子８は、厚さが１ｍｍの銅にＮｉメッキを行った。
【００６３】
封止樹脂膨張制御蓋１０は、ＰＰＳ樹脂（ＤＩＣ製、製品名Ｚ２４０）を使用して縦７３ｍｍ、横４３ｍｍに成形した。封止樹脂膨張制御蓋１０の封止樹脂９に接する面の形状は、評価する封止樹脂９の収縮時の上面形状をシミュレーションして求め、当該シミュレーションで得られた形状になるように成形した。また、封止樹脂膨張制御蓋１０は、図４，５に示すようなリブ１３を設けて強度の補強を行った（封止樹脂膨張制御蓋１０の厚さ２．０ｍｍ、リブ１３の厚さ２．０ｍｍ）。封止樹脂膨張制御蓋１０は、直径３ｍｍのネジを用いてネジ穴１４を介してケースに固定した。
【００６４】
表１は、実施例１〜６における評価結果を示しており、各実施例１〜６について、旭化成ワッカーシリコーン株式会社製のＳｉｌＧｅｌ６１２のＡ液とＢ液との混合比を変えて封止樹脂９の針入度の調整を行い、ヒートサイクル試験後に半導体素子に通電してＣ−Ｅ間電圧の変化と半導体装置の絶縁破壊電圧とを評価した結果を示している。
【００６５】
表１に示すように、針入度が２００を超えると、Ｃ−Ｅ間電圧には変化がないが、半導体装置の絶縁破壊電圧が低下することが分かった（実施例１参照）。そこで、実施例１の半導体装置に設けた封止樹脂膨張制御蓋１０を取り外して封止樹脂９の状態を観察した結果、ケース７と端子８との隙間付近から気泡が発生し、当該気泡が半導体素子５付近にまで達していることを確認した。また、硬化不良が原因と考えられる未硬化物が、封止樹脂膨張制御蓋１０に付着していることも確認した。
【００６６】
上記より、封止樹脂９の針入度が２００を越えると半導体装置の絶縁性が損なわれることが分かった。
【００６７】
【表１】
2014130875.tif 000003
【００６８】
表２は、実施例７〜１２における評価結果を示しており、各実施例７〜１２について、タイプＡの硬度が異なる封止樹脂９を用いて作製した半導体装置の評価結果を示している。なお、表２に示す製造メーカの「信越」は信越化学工業株式会社を示し、「東レ」は東レ・ダウコーニング株式会社を示している。
【００６９】
表２に示すように、タイプＡの硬度が９０を超えると、Ｃ−Ｅ間電圧が上昇することが分かった（実施例１２参照）。そこで、実施例１２の半導体装置に設けた封止樹脂膨張制御蓋１０を取り外して封止樹脂９の状態を観察した結果、ケース７および封止樹脂膨張制御蓋１０にクラックが発生していることを確認した。ケース７や封止樹脂膨張制御蓋１０にクラックが発生してしまうと封止樹脂９の線膨張を制御する効果がなくなる。従って、ボンディングワイヤ６に対して封止樹脂９の膨張収縮による応力が付与されて破断したためＣ−Ｅ間電圧が上昇したと考えられる。
【００７０】
【表２】
2014130875.tif 000004
【００７１】
表１，２に示すように、実施例５〜９における絶縁破壊電圧は８．５ｋＶであり、実施例２〜４，１０，１１における絶縁破壊電圧（８．０ｋＶ）よりも少し高い。これは、封止樹脂９と半導体装置を構成する他の部材との密着性が高いため気泡の発生が抑制されており、また、ケース７や封止樹脂膨張制御蓋１０に対する応力の付与が少ないため、これらの樹脂製部品へのダメージが少なくなるためと考えられる。
【００７２】
上記の結果より、封止樹脂９の硬さは、ＪＩＳＫ６２４９で規定される針入度２００まで、あるいはＪＩＳＫ６２５３で規定されるタイプＡのゴム硬度が９０までが良く、好ましくは、ＪＩＳＫ６２４９で規定される針入度が６０まで、あるいはＪＩＳＫ６２５３で規定されるタイプＡのゴム硬度で６０までが良いことが分かった。
【００７３】
表３は、実施例１３〜１８における評価結果を示しており、各実施例１３〜１８について、図４，５に示す封止樹脂膨張制御蓋１０の封止樹脂９に接する側の面の一部に切欠きを設けて、封止樹脂９と接触する面積を少なくした場合の結果を示している。
【００７４】
ここで、面積率は、図４，５に示す封止樹脂膨張制御蓋１０の封止樹脂に接する側の面に切欠きがない状態を１００％としており、切欠き後に残った封止樹脂膨張制御蓋１０の封止樹脂に接する側の面の面積を示している。
【００７５】
表３に示すように、面積率が７５％になるとＣ−Ｅ間電圧が上昇し、その時のボンディングワイヤ６が破断していることを確認した（実施例１６参照）。
【００７６】
上記の結果より、封止樹脂膨張制御蓋１０の封止樹脂に接する側の面の８０％以上が封止樹脂９に接すると良いことが分かった。
【００７７】
【表３】
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【００７８】
表４は、実施例１９〜２４における評価結果を示しており、各実施例１９〜２４について、図４，５に示す封止樹脂膨張制御蓋１０の封止樹脂９に接する面の厚さを１ｍｍとし、リブ１３の長さを変更して作製した半導体装置に対して、ヒートサイクル試験後に半導体素子５に通電したときのＣ−Ｅ間電圧の変化と、半導体装置の絶縁破壊電圧とを評価した結果を示している。
【００７９】
ここで、封止樹脂９は、タイプＡの硬度が３３の信越化学工業株式会社製のＫＥ１８３３を使用している。また、リブ１３の長さは、図４，５に示すように、リブ１３が封止樹脂膨張制御蓋１０の短手方向および長手方向の長さと同じ長さを１００％として示している。
【００８０】
表４に示すように、図４，５に示すリブ１３の長さが２０％以下になるとＣ−Ｅ間電圧が大きくなり（実施例２２参照）、ボンディングワイヤ６が破断していることを確認した。そこで、実施例２１と実施例２２とにおける封止樹脂９の体積変化をシミュレーション解析した結果、実施例２１では約４．２％、実施例２２では約５．８％の体積変化が生じていることが分かった。
【００８１】
上記の結果より、半導体装置を使用する温度範囲において、封止樹脂９の体積変化は５％以下が良いことが分かった。
【００８２】
【表４】
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【００８３】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００８４】
１  ベース板、２  セラミック板、３  電極、４  金属接合材、５  半導体素子、６  ボンディングワイヤ、７  ケース、８  端子、９  封止樹脂、１０  封止樹脂膨張制御蓋、１１  ハニカム構造、１２  ネジ穴、１３  リブ、１４  ネジ穴、１５  金属板、１６  ネジ穴、１７  プリント基板、１８  実装部品、１９  ＩＧＢＴ、２０  ダイオード。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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