(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、前記半導体素子が一方の面に接合されたリードフレームと、前記リードフレームの他方の面に配置された第１の絶縁層と、前記リードフレームが前記第１の絶縁層を介して接続された金属ベース板とを備えた半導体装置であって、
前記第１の絶縁層の外周部は、前記金属ベース板の外周部より内部にあり、
前記リードフレームの外周部の電界集中箇所を含む前記第１の絶縁層の外周部は、前記第１の絶縁層より高耐湿性と高絶縁性とを有する第２の絶縁層で覆われており、
前記第２の絶縁層は、シリカ粒子の回りにエポキシ樹脂が充填されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記リードフレームの外周部は、前記リードフレームの角Ｒ部が途切れる位置より高い位置まで前記第２の絶縁層で覆われてい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】
前記第２の絶縁層のシリカ粒子は、互いに間隔をあけて分散して樹脂中に配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記半導体素子がワイドバンドギャップ半導体材料により形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記ワイドバンドギャップ半導体材料は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料、およびダイヤモンド、のうちのいずれかであることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体装置に係わり、さらに詳しくは、高放熱絶縁層を介してＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やダイオードなどの高熱を発生する半導体素子を金属ベース板の上に配置した半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置では、動作温度を所定範囲内に保つために、半導体素子で発生した熱を放熱する必要がある。そこで、半導体素子が接合されたセラミック基板の裏側に熱伝導性に優れた金属ベース板を配置した半導体装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
このような半導体装置では、半導体素子で発生した熱は、セラミック基板や有機絶縁シート等の絶縁層を介して金属ベース板に伝わり、金属ベース板に接続された冷却器から放熱することで、放熱性を向上させている。しかし、昨今の半導体素子の高密度集積化に伴い、放熱特性のさらなる向上が必要とされている。
また、半導体素子と金属ベース間の絶縁層として熱伝導性を高めるための高熱伝導性無機粉末（フィラー）を混入した有機絶縁シートを使用することが開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−３０３０８６号公報
【特許文献２】特開２００３−１３７６２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
半導体装置の構成部品である絶縁層として用いられる有機絶縁シートもしくはセラミック基板には放熱性とともに半導体装置を安定に駆動するための絶縁性が求められる。
特に昨今では、ＳｉＣ素子などのように大電流化、高周波動作に伴う素子発熱が大きくなることや、半導体装置の小型化、定格電圧の上昇に伴い、有機絶縁シートやセラミック基板には絶縁信頼性を低下させることなく、半導体素子による発熱を金属ベース板に効率よく放熱させる特性が要求されている。
また、半導体装置は様々な環境下で使用されており、特に高湿度環境下において使用された場合、特許文献１や特許文献２に示した構造では、絶縁層として用いられる有機絶縁シートやセラミック基板が吸湿し、絶縁特性が大きく低下して絶縁寿命が短くなるため、信頼性が低下することになる。
これを回避するために、絶縁層として用いられる有機絶縁シートやセラミック基板の厚肉化により高耐湿化を満足しているが、絶縁層が厚くなることにより高熱抵抗化による放熱性悪化および高コスト化する問題がある。【０００５】
さらに、シリコン系材料をプリント基板にコーティングして絶縁層を構成することにより耐湿性を向上している例（特開２００１−１６８５０１号）もあるが、シリコン系コーティング材の場合、分子量が大きく吸湿する可能性があることおよび吸湿した際にプリント基板とコーティング材との間に剥離が発生し、同様に信頼性が低下する可能性がある。
このように従来の絶縁層の構成では高放熱化と高絶縁信頼性とを両立させることが困難であった。
本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、熱伝導性を有しつつ、絶縁性に優れた絶縁層を用いた半導体装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る半導体装置は、半導体素子と、前記半導体素子が一方の面に接合されたリードフレームと、前記リードフレームの他方の面に配置された第１の絶縁層と、前記リードフレームが前記第１の絶縁層を介して接続された金属ベース板とを備えた半導体装置であって、前記第１の絶縁層の外周部は、前記金属ベース板の外周部より内部にあり、前記リードフレームの外周部の電界集中箇所を含む前記第１の絶縁層の外周部は、前記第１の絶縁層より高耐湿性と高絶縁性とを有する第２の絶縁層で覆われており、前記第２の絶縁層は、シリカ粒子の回りにエポキシ樹脂が充填されているものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、リードフレームの外周部の電界集中箇所を含む第１の絶縁層の外周部は、第１の絶縁層より高耐湿性と高絶縁性とを有する第２の絶縁層で覆われているので、高湿環境下でも高信頼性のある絶縁性を保証でき、放熱性と絶縁性とに優れた半導体装置を提供できる。
この発明の上記以外の目的、特徴、観点及び効果は、図面を参照する以下のこの発明の詳細な説明から、さらに明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施の形態１による半導体装置を示す断面図である。
【図２】リードフレーム端部の電界集中箇所を示す電界解析イメージ図である。
【図３】本発明の実施の形態２による半導体装置を構成する第２の絶縁層の内部構造および製造過程での構成を示した断面模式図である。
【図４】乾燥状態での実施の形態２による第２の絶縁層と従来の絶縁層の耐電圧試験結果を示す図である。
【図５】実施の形態２における第２の絶縁層と従来の絶縁層との耐湿寿命比を示す図である。
【図６】比較例の半導体装置の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明を図面に基づいて説明する。
なお、各図において、同一符号は、同一あるいは相当するものであることを表す。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による半導体装置を示す断面図で、２つの半導体素子２ａ、２ｂが実装されている例を示している。
図１において、半導体装置１は、半導体素子２ａ、２ｂと、半導体素子２ａ、２ｂを搭載するリードフレーム（導電部材）４ａ、４ｂと、半導体素子２ａ、２ｂの発熱を放熱する冷却器（図示なし）に接続される金属ベース板６とを備えている。
【００１０】
ここで、半導体素子２ａは、裏面電極が半田３ａでリードフレーム４ａに接合され、半導体素子２ｂは、裏面電極が半田３ｂでリードフレーム４ｂに接合されて、それぞれリードフレーム４ａ、４ｂに電気的に接続されている。
また、半導体素子２ａ、２ｂの表面電極は、ワイヤ（図示せず）で電気的に接続されるとともに、他のワイヤ（図示せず）で外部接続用端子（図示せず）に電気的に接続されている。
【００１１】
さらに、半導体素子２ａ、２ｂからの発熱を放熱するための冷却器（図示せず）に接続される金属ベース板６とリードフレーム４ａ、４ｂとの間に絶縁シートやセラミックス基板など熱伝導性の高い第１の絶縁層５を設置し、この第１の絶縁層５の端部には第２の絶縁層７を配置している。このとき、第１の絶縁層５の外周部は、金属ベース板６の外周部よりも内部にある。つまり、第１の絶縁層５の面積は、金属ベース板６の上面の面積より狭く構成されている。したがって、第２の絶縁層７は、第１の絶縁層５の外周部をその側面まで覆っている。また、第２の絶縁層７は、第１の絶縁層５よりも高耐湿性と高絶縁性とを有するものである。
このような半導体装置１は、必要に応じて、半導体素子２ａ、２ｂおよびリードフレーム４ａ、４ｂをエポキシ樹脂やシリコーンゲル、エラストマ等の封止材８で封止される。
なお、図１では、半導体装置１が２つの半導体素子で構成されている場合を示しており、本実施の形態では半導体素子２ａ、２ｂのそれぞれを半導体素子２と、半田３ａ、３ｂのそれぞれを半田３と、リードフレーム４ａ、４ｂのそれぞれをリードフレーム４と略称することがある。
【００１２】
一般的に、半導体装置の絶縁層には二つの機能、すなわち、絶縁性および熱伝導性が求められる。
半導体装置は様々な環境下で使用されるが、特許文献１や特許文献２の構造では、特に高湿度環境下において絶縁層として用いられる有機絶縁シートやセラミック基板が吸湿した場合、絶縁特性が大きく低下するため絶縁特性と熱伝導性の両立は困難となる。
外部の水分は、封止樹脂や絶縁層として用いられる高放熱絶縁シートのバルク（界面と接しない物質本体）内部を拡散したり、封止樹脂と高放熱絶縁シートとの界面部を浸透したりする。この結果、電界が高いリードフレーム端部の絶縁性が低下し、絶縁破壊が生じる可能性がある。
【００１３】
耐湿性を上げるには水分の高放熱絶縁シート内の拡散を遅くするか、水分の注入経路を遮断すれば良い。
しかし、一般的に絶縁層として用いられる高放熱性有機絶縁シートは、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（アルミナ：Ａｌ２Ｏ３）、窒化ホウ素（ＢＮ）および炭化ケイ素（ＳｉＣ）などの無機物の粒子を充填した構造となっている。
水の拡散を抑制するためには、粒子充填量を少なくし、水の経路となる粒子の壁面をなくせばよいが、放熱性が低下するため粒子充填量を減少させることはできない。
また、水分の注入経路を遮断するには、封止樹脂と絶縁層との接着強度を上げる必要がある。しかし、接着性を上げるために、封止樹脂や絶縁層の表面改質を実施すると高コスト化するためメリットが少ない。
【００１４】
また、シリコン系材料をコーティングした場合、分子量が大きく吸湿する可能性があることおよび吸湿した際にプリント基板とコーティング材との間に剥離が発生し、同様に信頼性が低下する可能性がある。
さらに、リードフレーム端部の電界解析図（図２）に示すように、リードフレーム４と金属ベース板６とに挟まれた第１の絶縁層５の近傍に電界集中箇所９ａが発生するだけではなく、リードフレーム４と第１の絶縁層５に挟まれた封止材８の近傍にも電界集中箇所９ｂが発生する。
また、通常リードフレームは打ち抜き成型により製作されるため、角部は完全なＲ（円弧）ではない場合が多い。その際にはＲの途切れる付近の封止材８の近傍にも電界集中箇所９ｃが発生する。したがって、前記箇所の封止材８が吸湿すれば絶縁特性が低下する。
【００１５】
本発明では、第１の絶縁層５の外周に耐湿性の高いエポキシ樹脂（フェノール系）を基とした第２の絶縁層７を図１に示すような位置に配置する。つまり、第２の絶縁層７を、第１の絶縁層５の外周部をその側面まで覆うように構成する。
具体的な第２の絶縁層としては、例えば、フェノール系のエポキシ樹脂に溶融シリカを５０〜９０ｖｏｌ％で充填したものを用いることができる。
また、望むべきは、第２の絶縁層７がリードフレームの角Ｒ部の途切れる位置より高い位置まで覆うことによって高耐圧化を有しつつ耐湿性の向上が得られ、絶縁性に優れた半導体装置１を得ることができる。
また、水分の進入経路遮断の観点から、図１に示すように第２の絶縁層７を電界集中箇所9ａ、9ｂ、9ｃ近傍だけではなく、封止材８と第１の絶縁層５との界面全てを覆うように配置すればより絶縁信頼性が向上することは言うまでもない。
【００１６】
ところで、半導体モジュールにおいては、電鉄（ＨＶ）、産業用（ＩＰＭ）、車向け（Ｔ−ＰＭ）、ディスクリート（ＤＩＰ、ＳＩＰ）等の機種により、詳細には必要な耐湿性、耐電圧により、耐湿性の指標が異なる。
例えば、耐湿性試験に関しては、電鉄向けＨＶ機種（ＩＣＢＴ）の基準として、温度６０℃、湿度９０％の環境下で１０００ｈｒの耐電圧試験（関連規格ＩＥＣ６８−２−３）が示されている。一般的には、湿度８５％の環境下で、チップ定格電圧に対して定められた所定の比率の電圧を印加して、１０００ｈｒの性能維持が求められる。本実施の形態の高耐湿かつ高耐圧の第２の絶縁層７を用いることで、このような半導体モジュールに求められる製品性能を実現できる。特に、定格電圧が高い、例えば、６．５ＫＶの半導体モジュールにおいて、その効果が顕著となる。
【００１７】
以上説明したように、本実施の形態による半導体装置は、半導体素子２（半導体素子２ａ、半導体素子２ｂを指す）が一方の面に接合されたリードフレーム４（フレーム４ａ、フレーム４ｂを指す）と、リードフレーム４の他方の面に配置された第１の絶縁層５と、リードフレーム４が第１の絶縁層５を介して接続された金属ベース板６とを備えた半導体装置であって、リードフレーム４の外周部の電界集中箇所を含む第１の絶縁層５の外周部は、第１の絶縁層５より高耐湿性と高絶縁性とを有する第２の絶縁層７で覆われている。
従って、高湿環境下でも高信頼性のある第２の絶縁層７を用いて高耐湿性と高絶縁性を保証できるため、放熱性と絶縁性に優れた半導体装置を得ることができる。
詳細には第１の絶縁層の外周に耐湿性の高いエポキシ樹脂（フェノール系）を元とした第２の絶縁層を配置することで、高耐湿化を有しつつ絶縁性の向上を図ることができる。
【００１８】
また、本実施の形態による半導体装置においては、第１の絶縁層５の外周部は、リードフレーム４（フレーム４ａ、フレーム４ｂを指す）の角Ｒ部が途切れる位置より高い位置まで第２の絶縁層７で覆われているため、高耐湿化を有しつつ絶縁性に優れた半導体装置を得ることができる。
【００１９】
実施の形態２．
図３は、実施の形態２における第２の絶縁層７の構成を説明するための模式的な断面図であり、図３（ａ）は第２の絶縁層７の一部の断面模式図、図３（ｂ）は第２の絶縁層７を形成するための製造工程中の断面図である。
熱サイクルやモジュール製造プロセスでの加熱等による第１の絶縁層５やリードフレーム４の伸縮に伴う第２の絶縁層７と第１の絶縁層５やリードフレーム４の剥離を抑制するため、第２の絶縁層７にはα調整としてシリカ粒子１０の混入が必須である。
なお、αは線膨張係数であり、通常、モジュールに使用しているシートや絶縁基板のαは、約１２〜１４程度である。本願発明のような第２の絶縁層において、線膨張係数αを前述と同程度にするにはシリカフィラー充填量を従来よりも多くする必要がある。
【００２０】
図３（ａ）に示すように、第２の絶縁層７は、シリカ粒子１０が互いに距離をあけてフェノール系エポキシ樹脂である樹脂粒子１１中に分散して配置されるように構成したものである。このような構成の第２の絶縁層７を形成する具体的な方法について図３（ｂ）を用いて説明する。
図３（ｂ）に示すように樹脂粒子１１をシリカ粒子１０の径よりも小さな、例えばナノ形態の樹脂粒子１１にし、シリカ粒子１０の表面を樹脂粒子１１が覆う樹脂被覆粒子１３を作成する。そして、作成した樹脂被覆粒子１３を分散させたペースト１４を金属ベース板６に塗布し、乾燥後加熱して樹脂粒子１１を構成する樹脂を溶融させ硬化させる。
これにより、樹脂粒子１１を構成する樹脂材料が、シリカ粒子１０とシリカ粒子１０との間に確実に介在する。つまり、確実にシリカ粒子１０間に樹脂１１が存在するような構成を実現できる。これにより、シリカ粒子１０界面の重なりによる第１の絶縁層５の沿面方向に沿った沿面破壊経路１２を無くし、高耐圧化が得られる。
【００２１】
図４に乾燥状態での耐電圧試験結果を示す。
従来のように単にシリカ粒子と樹脂材料を混入して絶縁層を形成した場合（図中Ｃ）に対し、本実施の形態の第２の絶縁層７のように、シリカ粒子１１が互いに距離をあけて樹脂１１中に分散するように形成した場合（図中Ｅ）の方が優れた破壊耐圧を得られ、最も強固であるエポキシ樹脂単体で絶縁層を形成した場合（図中Ｒ）の破壊耐圧には及ばないものの、それに近い破壊耐圧を得られることもわかる。
また、図５に吸湿状況下（温度８５℃、湿度８５％）において一定電圧を印加した場合の破壊までの時間比を表している。
この発明の構造を適用しない場合は、短時間で吸湿して飽和するが、前記構造を適用することで、吸湿する速度が遅くなり飽和までの時間が長くなる。
図５から分かるように、前記構成を適用した場合、従来に比較して約８倍寿命が延びている。
上記のように本実施の形態の第２の絶縁層を適用することで高耐湿と高絶縁を兼ね備えた半導体装置を製造することが可能である。
なお、図６は、比較例としての従来の半導体装置の構成を示す断面図である。
【００２２】
更に詳細に説明すると、シリカ粒子を分散させることで、充填量をあげることができ、第１の絶縁層（絶縁シート、絶縁基板）および他の構造材との熱膨張係数の差を小さくすることで水分の浸入路となる剥離や応力集中によるクラックの発生を防止できるため、欠陥のない場合の高樹脂本来の高い耐湿性を発揮することができる。
特に本実施の形態では、樹脂自体の耐湿性が高い（吸湿性が低い）フェノール系エポキシ樹脂を用いているので、上述のシリカ粒子を分散による作用が顕著に発現し、高い耐湿性を有した第２の絶縁層７を得ることができる。
【００２３】
なお、シリカ粒子の形状としては、尖っている破砕シリカではなく、球状の溶融シリカを適用すれば電界集中を低減でき、より高耐圧化が得られるのは言うまでもない。
なお、第２の絶縁層におけるシリカ粒子表面へのナノ粒子形態の樹脂粒子を配置する方法として、静電吸着法を適用すれば更なる高熱電導化、高耐圧化が得られることは言うまでもない。
【００２４】
以上説明したように、本実施の形態による半導体装置においては、第２の絶縁層７は、シリカ粒子の回りにエポキシ樹脂が殻状に集合した集合体で形成されているとともに、集合体の複数が互いに接触するように充填されている。
熱サイクルやモジュール製造プロセスでの加熱等による第１の絶縁層５やリードフレーム４の伸縮に伴う第２の絶縁層７と第１の絶縁層５やリードフレーム４の剥離を抑制するため、第２の絶縁層７にはα調整としてシリカ粒子１０の混入が必須である。
シリカ粒子の周囲に絶縁材であるエポキシ樹脂を殻状に集合した集合体を形成するとともに前記集合体の複数が互いに接触するように充填されているように構成したことで、シリカ粒子１０を均一に分散し、シリカ粒子１０の重なりによるバルク方向の破壊経路を無くすことで高耐圧化が得られる。
【００２５】
また、第２の絶縁層７のフィラーは、互いに間隔をあけて分散して樹脂中に配置されており、沿面破壊経路１２が発生しても、発生した沿面破壊経路１２は遮断される。
沿面破壊経路１２はフィラー界面を進展していく。しかし、フィラー間隔をあけて樹脂中にフィラーを分散することにより沿面破壊経路１２が遮断されるため、絶縁寿命が延び、上記と同様に応力調整が可能でありながら、高耐圧化が可能となる。
【００２６】
さらに、本実施の形態においては、半導体素子２（半導体素子２ａ、半導体素子２ｂを指す）がワイドバンドギャップ半導体材料により形成されている。
絶縁構造を高耐湿高絶縁化させることで、ワイドバンドギャップ半導体の利点である高駆動電圧を生かす半導体システム設計が可能となる。
【００２７】
また、前記ワイドバンドギャップ半導体材料は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料、およびダイヤモンドのうちのいずれかである。
絶縁構造を高耐圧化させることで、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材半導体の利点である高駆動電圧を生かす半導体システム設計が可能となる。
【００２８】
なお、以上では、実施の形態１に示すような半導体装置の構成を前提として説明しているが、半導体素子は２つでなく、用途にあった個数（例えば、１個または３個以上）とすることができ、また、電気的接続手段としてワイヤではなく、球電極やインターポーザやプリント配線基板やダイレクトリード方式を使用しても、同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００２９】
また、トランスファーモールド型の半導体装置を例として説明しているが、例えば特許文献１の半導体装置のようにケースに取り付けられたケース型の半導体装置など製法が異なる半導体装置についても同様に適用でき、同様の効果を奏することは言うまでもない。
さらに、ヒートシンク一体型および分離型いずれの半導体装置においても実施の形態１と同様に構成することが可能であり、実施の形態１と同様の効果を奏することが可能である。また、半導体素子はケイ素（Ｓｉ）に限らず炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム半導体などの化合物半導体などすべての半導体素子で同様の効果が得られ、ダイオード（Ｄｉ）やＩＧＢＴ以外のトランジスタや集積回路（ＩＣ）等でも同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００３０】
特に、高温動作対応の半導体素子は、炭化ケイ素以外に、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドを用いることができる。たとえば、スイッチング素子や整流素子として機能する半導体素子に、炭化ケイ素や、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドを用いた場合、従来から用いられてきたケイ素（Ｓｉ）で形成された素子よりも電力損失が低いため、電力用半導体装置等の高温動作対応の半導体装置の高効率化が可能となる。また、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、半導体装置の小型化が可能となる。
さらにワイドバンドギャップ半導体素子は、耐熱性が高いので、高温動作が可能であり、ヒートシンクの放熱フィンの小型化や、水冷部の空冷化も可能となるので、半導体装置の一層の小型化が可能になる。
【００３１】
また、電極と半導体チップや絶縁基板等とを半田などで電気的に接続した接合型や、電極と半導体チップや絶縁基板等とを電極外側方向から内側方向に向けて弾性体やボルト締めなどにより加圧し、電気的に接続した圧接型やそれらの複合型のいずれの半導体装置においても、実施の形態１と同様に構成することが可能であり、実施の形態１と同様の効果を奏することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明は、高湿環境下でも高信頼性のある絶縁性を保証でき、放熱性と絶縁性に優れた半導体装置の実現に有用である。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００３３】
１：半導体装置      ２、２ａ、２ｂ：半導体素子
３、３ａ、３ｂ：半田      ４、４ａ、４ｂ：リードフレーム
５：第１の絶縁層      ６：金属ベース板
７：第２の絶縁層      ８：封止材
９ａ、９ｂ、９ｃ：電界集中箇所      １０：シリカ粒子
１１：樹脂粒子      １２：沿面破壊経路
１３：樹脂被覆粒子      １４：ペースト
【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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