(57)【要約】【課題】  回路電極板の側面と絶縁基板の上面との交差部における電界集中を緩和し、封止層の剥離を防止する。【解決手段】  絶縁基板２２の第１の主面に第１回路電極板２１を、第２の主面に第２回路電極板２３を備えた積層基板２と、前記第１回路電極板２１上に実装された半導体素子１と出力端子４とを導電性接続部材５にて接続し、封止材にて封止してなる半導体装置であって、前記絶縁基板２２の第１の主面と前記第１回路電極板２１の側面との交差部Ａに高誘電性封止材からなる封止層６が配置され、前記高誘電性封止材が、熱硬化性樹脂主剤と、硬化剤と、高誘電性樹脂粒子とを含み、前記高誘電性樹脂粒子が、前記熱硬化性樹脂よりも比誘電率が高く、引っ張り弾性率が低い樹脂粒子である、半導体装置。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板の第１の主面に第１回路電極板を、第２の主面に第２回路電極板を備えた積層基板と、前記第１回路電極板上に実装された半導体素子と出力端子とを導電性接続部材にて接続し、封止材にて封止してなる半導体装置であって、
前記絶縁基板の第１の主面と前記第１回路電極板の側面との交差部に高誘電性封止材からなる封止層が配置され、
前記高誘電性封止材が、熱硬化性樹脂主剤と、硬化剤と、高誘電性樹脂粒子とを含み、
前記高誘電性樹脂粒子が、前記熱硬化性樹脂よりも比誘電率が高く、引っ張り弾性率が低い樹脂粒子である、半導体装置。
【請求項２】
前記高誘電性封止材からなる封止層が、前記絶縁基板の第２の主面と前記第２回路電極板の側面との交差部、及び／または前記半導体素子の上面電極上にさらに配置される、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記高誘電性封止材からなる封止層が、２０μｍ〜５００μｍの厚さに配置される、請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記高誘電性樹脂粒子が、粉末状ポリフッ化ビニリデンまたは粉末状ポリフッ化ビニルから選択される一以上である、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項５】
前記高誘電性樹脂粒子が、前記熱硬化性樹脂主剤１００質量部に対し、５０〜２００質量部含まれる、請求項１〜４のいずれかに１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記高誘電性封止材が、さらに無機充填材を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記熱硬化性樹脂主剤が、エポキシ樹脂である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の樹脂組成物。
【請求項８】
前記硬化剤が、酸無水物系硬化剤である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の樹脂組成物。
【請求項９】
前記半導体素子が、Ｓｉ半導体素子、ＳｉＣ半導体素子、またはＧａＮ半導体素子のいずれかを含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関する。本発明は、特には、封止による絶縁耐圧が向上した半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)を中心として、パワーモジュールが電力変換装置に広く用いられるようになっている。パワーモジュールは１つまたは複数のパワー半導体デバイスを内蔵して、変換接続の一部または全体を構成する。そして、パワー半導体とベースプレートまたは冷却面との間が電気的に絶縁された構造を持つ。電気的な絶縁構造を実現するための封止材としては、一般的に、エポキシ樹脂が用いられている。エポキシ封止樹脂は、寸法安定性や、耐水性・耐薬品性および電気絶縁性が高く、封止材として適している。
【０００３】
炭化珪素（ＳｉＣ）などの次世代半導体が実用化されるに伴って、より高耐圧の半導体チップが出現している。例えば、従来のシリコン（Ｓｉ）では、耐電圧は１２００Ｖ程度であるが、ＳｉＣでは、耐電圧は３３００Ｖ、１３ｋＶに達する。ＳｉＣでは、耐電圧が高くなり、さらには使用環境温度も高温となり、絶縁基板周辺に加わる電界強度は、ますます上昇する傾向にある。特に、回路電極板、絶縁基板と、封止材層が交わる三重点は非常に高電界部位となるため、三重点を起点とし、界面に沿って部分放電や沿面放電が発生する場合があった。
【０００４】
絶縁基板の導体箔端部に固化したエポキシ樹脂部材を供え、樹脂部材に粉末状のアルミナＡｌ２Ｏ３または窒化アルミニウムＡｌＮを混合し、樹脂の比誘電率をＡｌＮとシリコーンゲルの中間の値とし、導体箔端部の電界緩和を行うことを特徴とする半導体装置が知られている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−１５０７２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来の技術では、電界緩和効果が充分であるとはいえず、電界集中領域における剥離の問題が生じていた。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明者らは、電界集中領域に、誘電率がさらに高く、熱応力による剥離に耐えうる封止領域を設けることを考えた。そして、エポキシなどの高耐熱性封止材に、高誘電率かつ低弾性率の樹脂を粉末状にした粒子を分散させることにより上記課題を解決することに想到した。すなわち、本発明は、一実施形態によれば、半導体装置であって、絶縁基板の第１の主面に第１回路電極板を、第２の主面に第２回路電極板を備えた積層基板と、前記第１回路電極板上に実装された半導体素子と出力端子とを導電性接続部材にて接続し、封止材にて封止してなる半導体装置であって、前記絶縁基板の第１の主面と前記第１回路電極板の側面との交差部に高誘電性封止材からなる封止層が配置され、前記高誘電性封止材が、熱硬化性樹脂主剤と、硬化剤と、高誘電性樹脂粒子とを含み、前記高誘電性樹脂粒子が、前記熱硬化性樹脂よりも比誘電率が高く、引っ張り弾性率が低い樹脂粒子である。
【０００８】
前記半導体装置において、前記高誘電性封止材からなる封止層が、前記絶縁基板の第２の主面と前記第２回路電極板の側面との交差部、及び／または前記半導体素子の上面電極上にさらに配置されることが好ましい。
【０００９】
前記半導体装置において、前記高誘電性封止材からなる封止層が、２０μｍ〜５００μｍの厚さに配置されることが好ましい。
【００１０】
前記半導体装置において、前記高誘電性樹脂粒子が、粉末状ポリフッ化ビニリデンまたは粉末状ポリフッ化ビニルから選択される一以上であることが好ましい。
【００１１】
前記半導体装置において、前記高誘電性樹脂粒子が、前記熱硬化性樹脂主剤１００質量部に対し、５０〜２００質量部含まれることが好ましい。
【００１２】
前記半導体装置において、前記高誘電性封止材が、さらに無機充填材を含むことが好ましい。
【００１３】
前記半導体装置において、前記熱硬化性樹脂主剤が、エポキシ樹脂であることが好ましい。
【００１４】
前記半導体装置において、前記硬化剤が、酸無水物系硬化剤であることが好ましい。
【００１５】
前記半導体装置において、前記半導体素子が、Ｓｉ半導体素子、ＳｉＣ半導体素子、またはＧａＮ半導体素子のいずれかを含むことが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、上記所定の特性を備える高誘電性封止材からなる封止層を、少なくとも回路電極板、絶縁基板、封止層が交わる三重点に配置することで、三重点が高誘電性領域となる。これにより、電気力線の集中を防止しすることができる。また、高誘電性封止材からなる封止層が配置された箇所は、弾性率の低い部材で形成された緩衝領域となり、熱応力を緩和することができる。そして、このような封止構成を備える半導体装置は、絶縁耐圧が向上し、信頼性の高いものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明に係る半導体装置の一例である、パワーモジュールの断面構造を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施の形態によって限定されるものではない。特に、図面に示す各部材の相対的な寸法や配置は、本発明を限定するものではない。
【００１９】
本発明は一実施形態によれば、半導体装置であって、絶縁基板の第１の主面に第１回路電極板を、第２の主面に第２回路電極板を備えた積層基板と、前記第１回路電極板上に実装された半導体素子と出力端子とを導電性接続部材にて接続し、封止材にて封止してなる。第１ないし第２回路基板は、前記絶縁基板に対向し、接する第１主面と、前記第１主面に対向する第２主面と側面とからなる。そして、少なくとも前記絶縁基板の第１の主面と前記回路電極板の側面との交差部に高誘電性封止材からなる封止層が配置されることを特徴とする。本明細書において、封止材とは、封止に用いられる材料を含む概念をいい、封止材からなる封止層とは、特に封止材が加熱硬化されて形成された層をいうものとする。
【００２０】
図１は、本発明に係る半導体装置の一例である、パワーモジュールの概念的な断面図である。図１において、半導体素子１は、ＩＧＢＴあるいはダイオードチップ等のパワーチップである。半導体素子１は、はんだ等の接合層（図示せず）を介して、積層基板２の上に実装される。この積層基板２は、ヒートスプレッダなどの金属基板３にはんだ等の接合層（図示せず）により接合されている。積層基板２の上には、はんだ接合層（図示せず）により固定された出力端子４が立ち上がっている。ここで、出力端子４とは、外部接続端子、中間端子、回路電極板を含む概念であり、図示する実施形態においては外部接続端子である。出力端子４と半導体素子１とは、導電性接合部材である金属ワイヤ５により電気的に接続されている。ケース８はポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）等の熱可塑性樹脂であってよく、金属基板３に接着されている。高誘電性封止材である第１封止材からなる封止層６は、積層基板２を形成する絶縁基板２２の第１の主面と、第１回路電極板２１の側面との交差部Ａを覆うように配置される。なお、ここで交差部の交差とは、十字に交わることをいうのではなく、Ｔ字状に交わることを指す。つまり、交差部とは、絶縁基板２２の第１の主面と、第１回路電極板２１の側面が接触する部分である。ここで、絶縁基板２２の第１の主面（上面ともいう）とは、絶縁基板２２の２つの主面のうち、第１回路電極板２１と接している面をいう。ケース８内には第２封止材が充填されて封止層７を形成し、蓋９が取り付けられている。また、任意選択的な構成として、高誘電性封止材である第１封止材からなる封止層１０が、絶縁基板２２の第２の主面（下面ともいう）と第２回路電極板２３の側面との交差部Ｂを覆うように配置され、かつ、半導体素子１の上面電極上にも配置される。
【００２１】
半導体素子１は、種々のＳｉデバイス、ＳｉＣデバイス、ＧａＮデバイスなどを用いることができる。また、これらのデバイスを組み合わせて用いても良い。例えば、Ｓｉ−ＩＧＢＴとＳｉＣ−ＳＢＤを用いたハイブリッドモジュールなどを用いることができる。半導体素子１の搭載数は、図示する形態に限定されるものではなく、複数搭載することもできる。半導体素子１の上面電極、すなわち、積層基板２と接触していない面に設けられる電極上には、任意選択的に、第１封止材からなる封止層１０を配置することができる。近傍の金属板等、例えば回路電極板との間に生じる電界が、前記電極および前記電極とワイヤ等との接続部に集中しないように緩和することができるためである。
【００２２】
積層基板２は、絶縁基板２２とその上面に形成される第１回路電極板２１と、下面に形成される第２回路電極板２３とから構成される。ここで、上面、下面とは、図１中の上下を表すものであり、上面は半導体素子１に対向する面、下面は金属基板３に対向する面ということもできる。詳細には、第１回路電極板２１は、絶縁基板２２上面の絶縁基板２２の外縁よりも内側に配置され、第２回路電極板２３は、絶縁基板２２下面の絶縁基板２２の外縁よりも内側に配置される。そして、第１回路電極板２１の側面と、絶縁基板２２上面との交差部Ａであって、封止前に外部に露出しており、封止後に封止材に接して三重点となる交差部Ａが、本発明の高誘電性封止材である第１封止材からなる封止層６で封止されている。この交差部Ａに電気力線が集中し、絶縁破壊が生じやすい箇所だからである。図１に示す断面図においては、交差部Ａは点で示されるが、交差部Ａは第１回路電極板２１の、絶縁基板２２と接触する面の周囲全体に形成される。第１回路電極板２１の側面とまた、任意選択的に、第２回路電極板２３の側面と、絶縁基板２２下面との交差部Ｂにも、高誘電性封止材である第１封止材からなる封止層１０が配置されていてもよい。図１に示す断面図においては、交差部Ｂも点で示されるが、交差部Ｂは第２回路電極板２３の、絶縁基板２２と接触する面の周囲全体に形成される。交差部を覆い、回路電極板の側面を被覆することにより、交差部に集中した電気力線を分散させることができる。封止層６による封止態様も、封止層１０による封止態様も、少なくとも交差部を覆っていればよく、回路電極板の側面全体を被覆してもよく、側面の一部を被覆していてもよい。絶縁基板２２としては、電気絶縁性、熱伝導性に優れた材料を用いることができる。絶縁基板２２の材料としては、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＳｉＮなどが挙げられる。特に高耐圧用途では、電気絶縁性と熱伝導率を両立した材料が好ましく、ＡｌＮ、ＳｉＮを用いることができるが、これらには限定されない。第１回路電極板２１、第２回路電極板２３としては、加工性の優れているＣｕ、Ａｌなどの金属材料を用いることができる。また、防錆などの目的で、Ｎｉメッキなどの処理を行ったＣｕ、Ａｌであっても良い。絶縁基板２２上に回路電極板２１、２３を配設する方法としては、直接接合法（Direct Copper Bonding法）もしくは、ろう材接合法（Active Metal Brazing法）が挙げられる。
【００２３】
導電性接続部材である金属ワイヤ５は、導電性を備えるものであればよく、典型的にはＡｌ、Ｃｕワイヤを用いることができる。金属基板３は放熱体として有利な、例えばＣｕ板やＡｌ板であってよい。金属基板３に替えてほかの放熱構造体を備えていてもよい。
【００２４】
封止層６、１０を構成する高誘電性封止材（第１封止材）は、熱硬化性樹脂主剤と、硬化剤と、高誘電性樹脂粒子とを含み、任意選択的に無機充填材を含んでもよい樹脂組成物である。そして、高誘電性樹脂粒子は、前記熱硬化性樹脂よりも比誘電率εが高く、引っ張り弾性率Ｅが低い樹脂粒子である。
【００２５】
熱硬化性樹脂主剤としては、特に限定されず、例えばエポキシ樹脂、フェノール樹脂、マレイミド樹脂等をあげることができる。電子部品の用途としては、１分子中に少なくとも２個以上のエポキシ基を有するエポキシ樹脂が、寸法安定性や耐水性・耐薬品性および電気絶縁性が高いことから、特に好ましい。具体的には、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＥ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＳ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＡＤ型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、マレイミドナフトール樹脂、マレイミドトリアジン樹脂、マレイミド樹脂、グリシジルエステル型エポキシ樹脂、グリシジルアミン型エポキシ樹脂等を挙げることができるが、これらには限定されない。これらの熱硬化性樹脂主剤は、単独で用いてもよいが、２種以上を混合してもよい。共重合させるモノマー分子の組み合わせにより、耐熱性、強靭性、難燃性等の物性を適宜調整することができる。エポキシ樹脂の比誘電率εは、４．０程度であり、引っ張り弾性率Ｅは、２〜４ＧＰａである。また、そのほかの樹脂の比誘電率εは概ね４未満、大きくとも５程度であり、引っ張り弾性率Ｅは、概ね２以上である。
【００２６】
また、熱硬化性樹脂主剤には、末端にエポキシ基などの架橋性官能基を有する反応性希釈剤を、任意選択的な成分として、適宜混合することができる。粘度および架橋密度を調整するためである。反応性希釈剤としては、例えば、フェニルグリシジルエーテル、２−エチルヘキシルグリシジルエーテル、ｎ−ブチルグリシジルエーテル、クレジルグリシジルエーテル、ｐ−ｓ−ブチルフェニルグリシジルエーテル、アリルグリシジルエーテル、α−ピネンオキシドスチレンオキシド、メタクリル酸グリシジル、１−ビニル−３，４−エポキシシクロヘキサンを挙げることができるが、これらには限定されない。反応性希釈剤の添加量は、熱硬化性樹脂主剤の性状などに合せて当業者が適宜決定することができる。
【００２７】
硬化剤としては、熱硬化性樹脂主剤と反応し、硬化しうるものであれば特に限定されないが、酸無水物系硬化剤を用いることが好ましい。酸無水物系硬化剤としては、例えば芳香族酸無水物、具体的には無水フタル酸、無水ピロメリット酸、無水トリメリット酸等が挙げられる。あるいは、環状脂肪族酸無水物、具体的にはテトラヒドロ無水フタル酸、メチルテトラヒドロ無水フタル酸、ヘキサヒドロ無水フタル酸、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸、無水メチルナジック酸等、もしくは脂肪族酸無水物、具体的には無水コハク酸、ポリアジピン酸無水物、ポリセバシン酸無水物、ポリアゼライン酸無水物等を挙げることができる。硬化剤の配合量は、熱硬化性樹脂主剤１００質量部に対し、５０〜１７０質量部とすることが好ましく、８０〜１５０質量部とすることがより好ましい。硬化剤の配合量が５０質量部未満であると架橋不足からガラス転移温度が低下する場合があり、１７０質量部より多くなると耐湿性、高熱変形温度、耐熱安定性の低下を伴う場合がある。
【００２８】
また、樹脂組成物には、さらに、任意選択的な成分として、硬化促進剤を添加することができる。硬化促進剤としては、イミダゾールもしくはその誘導体、三級アミン、ホウ酸エステル、ルイス酸、有機金属化合物、有機酸金属塩等を適宜配合することができる。硬化促進剤の添加量は、熱硬化性樹脂主剤１００質量部に対して、０．０１〜５０質量部とすることが好ましく、０．１〜２０質量部とすることがより好ましい。
【００２９】
高誘電性樹脂粒子は、上記熱硬化性樹脂主剤と硬化剤とが硬化して得られる熱硬化性樹脂よりも比誘電率εが高く、かつ、引っ張り弾性率Ｅ（GPa）が低い樹脂を主成分とする微粒子である。さらには、熱硬化性樹脂と線膨張率が近い樹脂であることが好ましい。熱硬化性樹脂と高誘電性樹脂粒子との間での熱応力による剥離を生じにくいためである。また、熱硬化性樹脂と比重が近い樹脂であることが好ましい。封止材の調製において、分散しやすいためである。高誘電性樹脂粒子の引っ張り弾性率が熱硬化性樹脂より小さいと、応力が生じた際に高誘電性樹脂粒子が弾性変形し、応力緩和の役割を果たす。そして、高誘電性樹脂粒子を含む高誘電性封止層自体も応力緩和作用を有する。なお、高誘電性樹脂粒子は、上記樹脂が主成分であれば、その特性を損なわない範囲でその他の成分が含まれていてもよい。熱硬化性樹脂がエポキシ樹脂の場合には、高誘電性樹脂粒子としては、粉末状ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ粒子）、粉末状ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ粒子）が挙げられる。ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニルとも、比誘電率εは８．６であり、引っ張り弾性率Ｅは、０．３７ＧＰａである。高誘電性樹脂粒子は、これらから選択される１種を用いてもよく、または２種以上を混合して用いてもよい。
【００３０】
高誘電性樹脂粒子の形状は特には限定されず、球状、針状、箔状、繊維状などであってよいが、特には球状粒子であることが好ましい。また、その平均粒径は、約１０〜２００μｍであることが好ましく、約１５〜５０μｍであることがより好ましいが、これらの範囲には限定されない。高誘電性樹脂粒子の粒径は、後に詳述する高誘電性封止層の厚みとの関係でも決定され、高誘電性封止層の厚みよりも小さい粒径であることが好ましい。上記平均粒径よりも小さいと飛散するなど取扱いが困難となる場合がある。また、平均粒径をこの範囲とすることで、良好な分散性を確保することができるためである。なお、本明細書において平均粒径は、レーザー回折法により測定した値をいうものとする。これらの高誘電性樹脂粒子は、常温で固体の市販の粉末状樹脂を用いることができる。あるいは、樹脂硬化物をミル等で粉末化し、所望の粒径の高誘電性樹脂粒子を分別して、用いることもできる。高誘電性樹脂粒子は、好ましくは、表面を粗面化したものである。表面の粗面化は、エッチングなどにより実施することができる。これにより、高誘電性樹脂粒子と熱硬化性樹脂の密着性を高め、全体として、分散性のよい封止材を得ることができる点で有利である。
【００３１】
高誘電性樹脂粒子の樹脂組成物への添加量は、熱硬化性樹脂主剤の質量を１００質量部とした場合に、５０〜２００質量部であることが好ましく、１００〜１７５質量部であることがより好ましい。５０質量部未満では、電界緩和並びに熱応力の効果が充分に得られない場合があり、また、２００質量部よりも多いと、線膨張係数や弾性率などの樹脂物性が変化する場合がある。
【００３２】
高誘電性封止材を構成する樹脂組成物に任意選択的に添加してもよい無機充填材としては、例えば、溶融シリカ、シリカ、アルミナ、水酸化アルミニウム、チタニア、ジルコニア、窒化アルミニウム、タルク、クレー、マイカ、ガラス繊維等が挙げられるが、これらには限定されない。これらの熱伝導性が高く、線膨張係数の小さな無機充填材により、封止樹脂自体と比較して、第１封止材の熱伝導率をより高め、熱膨張率をより低減することができる。これらの無機充填材は、単独で用いてもよいが、２種以上を混合して用いてもよい。また、これらの無機充填材は、マイクロフィラーであってもよく、ナノフィラーであってもよく、粒径及びまたは種類が異なる２種以上の無機充填材を混合して用いることもできる。特には、平均粒径が、０．２〜２０μｍ程度の無機充填材を用いることが好ましい。無機充填材の添加量は、熱硬化性樹脂主剤の質量を１００質量部としたとき、１００〜６００質量部であることが好ましく、２００〜４００質量部であることがさらに好ましい。無機充填材の配合量が１００質量部未満であると封止材の熱膨張係数が高くなって剥離やクラックが生じ易くなる場合がある。配合量が６００質量部よりも多いと組成物の粘度が増加して押出し成形性が悪くなる場合がある。高誘電性封止材に無機充填材を添加することが好ましい場合は、特には、ヒートサイクル試験における温度範囲が広く、大きな熱応力を生じやすい場合や、より高耐圧が求められる場合である。
【００３３】
高誘電性封止材には、その特性を阻害しない範囲で、任意選択的な添加剤を含んでいてもよい。添加剤としては、例えば、樹脂を着色するための顔料、難燃剤、耐クラック性を向上するための可塑剤やシリコンエラストマーが挙げられるが、これらには限定されない。これらの任意成分、およびその添加量は、半導体装置の仕様に応じて、当業者が適宜決定することができる。
【００３４】
高誘電性封止材を構成する樹脂組成物の調製方法は、上記構成成分を通常の方法で混合し、好ましくは、樹脂組成物中に高誘電性樹脂粒子を略均一に分散することにより調製することができる。任意選択的に、混合前に、高誘電性樹脂粒子を粗面化する工程を含んでもよい。粗面化する工程はエッチングなどにより実施することができる。
【００３５】
上記特性を備える高誘電性封止材である第１封止材からなる封止層６は、第１回路電極板２１の側面と、絶縁基板２２上面との、交差部Ａを少なくとも覆うように配置する。図示はしないが、第１回路電極板２１の周囲全体にわたって存在する交差部をすべて覆う。その際の第１封止材からなる封止層６の厚みは、例えば、２０μｍ以上であってよく、通常５００μｍ程度までである。なお、ここでいう厚みとは、交差部（三重点）から封止層の表面までの距離であり、尤も厚い個所をいうものとする。１枚の回路電極板につき、交差部は、回路電極板の形状にもよるが、４本の概ね直線からなる四角形状である。交差部から封止層の表面までの距離は、交差部を形成する各直線に垂直な断面において評価することができる。第１封止材からなる封止層６の好適な厚みは、第１封止材の組成によっても異なる。例えば、第１封止材が無機充填材を含む場合には、第１封止材からなる封止層の厚みの上限はなく、２０μｍ以上であれば、第１回路電極板２１の側面を覆う程度の厚みの封止層を形成してもよい。封止層６を構成する高誘電性封止材が無機充填材を含まない場合には、２０〜５００μｍ程度の厚みとすることが好ましい。上記範囲であれば、高誘電性封止層は、周囲の部材より低弾性であるため、応力を緩和することができる。しかし、無機充填材を含まず、厚みが大きい封止層を形成すると、熱応力が大きくなり、弾性変形領域を超えてしまうためである。第１回路電極板２１の側面と、絶縁基板２２上面との交差部Ｂにも、第１封止材からなる封止層１０を配置することができ、その配置態様や厚みは、交差部Ａへの配置と同様にすることができる。さらに、半導体素子１の上面電極上にも、第１封止材からなる封止層１０を配置することができる。その配置態様は、電極上面全体をワイヤの先端も含んで被覆するように、第１封止材を塗布することが好ましく、厚みは、２０〜５００μｍ程度とすることが好ましいが、これらの態様には限定されない。
【００３６】
第２封止材からなる封止層７は、第１封止材からなる封止層６及び半導体素子１、積層基板２、金属ワイヤ５含む部材を絶縁保護している。第２封止材としては、特には限定されない。第１封止材を構成する高誘電性封止材を用いてもよく、その他の半導体封止用の一般的な封止材を用いてもよい。例えば、硬化後の封止層のガラス転移温度（Ｔｇ）が、半導体素子１の接合部温度ジャンクション温度（Ｔｊ）よりも１０℃以上高い封止材を用いることが好ましく、硬化後の封止層のＴｇが２００℃以上の封止材であることがさらに好ましい。第２封止材は、高耐熱性の熱硬化性樹脂主剤と、硬化剤と、無機充填材とを含み、任意選択的に硬化促進剤や各種添加剤を含んでもよい。高耐熱性の熱硬化性樹脂主剤は、特には限定されないが、好ましくは、脂環式エポキシ樹脂やマレイミド樹脂を含む。さらに好ましくは、高耐熱性の熱硬化性樹脂主剤は、脂環式エポキシ樹脂とビスフェノールＡ型エポキシ樹脂との混合物であってもよい。この場合、脂環式エポキシ樹脂とビスフェノールＡ型エポキシ樹脂を、１：１〜４：１の質量比で混合したものであってもよい。第２封止材の各構成成分は、上に詳述した高誘電性封止材を構成する好ましい熱硬化性樹脂主剤、硬化剤、無機充填材、及び任意成分から選択することができる。また、第２封止材による封止態様は、図示する形態には限定されず、例えば、第２封止材からなる封止層７が二層以上の異なる組成の封止材層から構成されていてもよい。また、第１封止材からなる封止層と第２封止材からなる封止層を構成する主剤が同じである場合、両者間の密着性が良好であり、好ましい。
【００３７】
次に、本実施形態に係る半導体装置の製造方法について簡単に説明する。本実施形態に係る半導体装置の製造方法は、積層基板２上に半導体素子１を実装する工程と、前記半導体素子１と出力端子４とを導電性接続部材５にて接続する工程と、絶縁基板２２の上面と回路電極板２１の側面との交差部Ａを第１封止材で封止する工程と、第２封止材で封止する工程とを含む。また、任意選択的に絶縁基板２２の下面と回路電極板２３の側面との交差部Ｂ、及び／または半導体素子の上面電極上を第１封止材で封止する工程を含んでもよい。
【００３８】
積層基板２への半導体素子１の実装、半導体素子１と出力端子４との導電性接続部材５による接続は、半導体装置の分野で知られている通常の方法で実施することができる。また、これらの工程に加え、モジュールの態様により必要な部材を取り付ける工程を通常の方法で実施することができる。絶縁基板２２の上面と回路電極板２１の側面との交差部Ａを第１封止材で封止する工程は、ディスペンサにより、またはスプレー法により、所望の部分のみに第１封止材を配設することで実施することができる。絶縁基板の下面と回路電極板の側面との交差部Ｂ、及び／または半導体素子の上面電極上を第１封止材で封止する工程も、第２封止材で封止する工程の前に、同様にして実施することができる。
【００３９】
第２封止材で封止する工程は、第１封止材を好ましくは加熱硬化して、第１封止材からなる封止層６、１０を形成した後に、第２封止材をさらに充填することにより実施することができる。図示するケース８を備える実施形態においては、ポッティングにより第２封止材を適用し、半導体素子１、積層基板２、導電性接続部材５を含む導電性の部材を絶縁封止することができる。ケースを備えない実施形態においては、第１封止材で部分的に封止した部材を、トランスファー成型により、第２封止材で封止することができる。第１封止材と、第２封止材の組成が完全に同一の場合には、それぞれを別に適用して封止する必要はなく、一度のポッティングまたはトランスファー成型により、封止することができる。
【００４０】
第１封止材の加熱硬化、第２封止材の加熱硬化ともに、加熱硬化の工程は、例えば、１００〜１２０℃で１〜２時間、次いで、１７５〜１８５℃で１〜２時間にわたり実施することができるが、特定の温度、時間には限定されず、二段階硬化である必要もない場合がある。また、第１封止材を所定の箇所に配置した後、加熱なしまたは、１００〜１２０℃で１〜２時間の仮硬化後に第２封止材を適用し、最後に加熱硬化することもできる。いずれの場合であっても、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂主剤の硬化温度では、第１封止材中の高誘電性樹脂粒子が、熱硬化性樹脂主剤や硬化剤と反応することはない。また、第２封止材の硬化温度は、硬化した高誘電封止材からなる封止層７のＴｇより低いことが好ましい。
【００４１】
本発明に係る半導体装置の変形形態として、導電性接続部材が金属ワイヤの態様のみならず、例えば、リードフレームである態様であってもよい。リードフレーム構造を備える半導体装置においては、半導体素子上にリードフレームが接合される。リードフレームを備える半導体装置構成は、例えば、本出願人らによる特開2005-116702号公報に開示されているものが挙げられるが、特定の構成には限定されない。そして、リードフレーム構造を備える半導体装置においても、封止材の封止態様は、図１に示す態様と同様に、高誘電率の第１封止材からなる封止層が、積層基板の沿面を封止しており、かつ、第２封止材からなる封止層が全体を封止している。また、このとき、半導体素子上であって、リードフレーム近傍の電気力線が集中しやすい箇所、例えば、リードフレーム先端を含む電極表面や、電極面に対向するように接合されたリードフレームの周辺および上面にも、任意選択的に高誘電率の第１封止材からなる封止層を配置してもよい。
【００４２】
本発明に係る半導体装置の他の変形形態として、ピン構造を備える半導体装置であってもよい。ピン構造を備える半導体装置は、積層基板に接合層を介して半導体素子が実装され、半導体素子の積層基板と逆側の電極には、導電性接続部材である複数のインプラントピンが接合される。インプラントピンには、さらに、半導体素子に対向してプリント基板が固着される。半導体素子が実装される第１回路電極板には、主端子Ｎ、Ｐ、Ｕの一方の端部が取り付けられ、主端子の他方の端部はモジュールの外側に引き出される。また、第１回路電極板の上面には、制御端子が取り付けられ、半導体モジュールの外部との電気的接続が可能に構成されている。
【００４３】
本実施形態による回路電極板は、図１に示す回路電極板と比較して厚みの大きいブロック状であることが好ましく、半導体素子は、典型的にはワイドバンドギャップ半導体を用いた半導体素子である。インプラントピンは、半導体素子どうし、あるいは半導体素子とプリント基板とを電気的に接続する。インプラントピンは、Ｃｕからなるものであってよいが、防錆などの目的でＮｉメッキなどの処理を行ったＣｕ部材であってもよい。プリント基板としては、ポリイミドフィルム基板やエポキシフィルム基板にＣｕ、Ａｌなどの回路電極が形成されているものを用いることができる。
【００４４】
ピン構造を備える半導体装置においても、高誘電率の第１封止材は、電気力線が集中する積層基板の沿面に接触して設けられ、封止層を形成する。また、半導体素子上であって、インプラントピン近傍の電気力線が集中しやすい箇所、すなわち、インプラントピン先端を含む電極表面にも、任意選択的に高誘電率の第１封止材を配置して封止層を形成してもよい。ここで、インプラントピン先端とは、インプラントピンの半導体素子側の端部であって、上面電極と接触する端部をいうものとする。通常の封止材であってよい第２封止材による封止態様は、図示する形態と同様であってよい。
【実施例】
【００４５】
以下に、本発明の実施例を挙げて、本発明をより詳細に説明する。しかし、本発明は、以下の実施例の範囲に限定されるものではない。
【００４６】
（実施例）
実施例１〜４では、図１に示すパワーモジュールの試験用デバイスを作製し、特性を評価した。高誘電性封止材（第１封止材）は、第１回路電極板の側面と、絶縁基板の上面との交差部に、厚さ２００μｍ、または５００μｍで配置した。積層基板としては、厚さ約３ｍｍの窒化ケイ素からなる絶縁基板の両面に、厚さ約５００μｍの２枚のＣｕ回路電極板を熱圧着したものを用いた。
【００４７】
高誘電性封止材（第１封止材）の熱硬化性樹脂主剤のエポキシ樹脂として、ビスフェノールＡエポキシ樹脂と脂環式エポキシ樹脂の質量比３：２での混合物（ペルノックス社製ＭＥ２７２）を用いた。硬化剤として、シクロヘキサン−１，２ジカルボン酸無水物（ペルノックス社製ＨＶ１３６）を用いた。これらの主剤と硬化剤との組み合わせを樹脂の基本組成とした。なお、硬化剤は、熱硬化性樹脂主剤１００質量部に対して、酸無水物硬化剤が１００質量部となるように用いた。さらに、無機充填材としては、平均粒径５μｍの溶融シリカ粒子（瀧森社製、商品名「ZA−30」）を用いた。添加量は、熱硬化性樹脂主剤と硬化剤の総質量を１００質量部としたときに、前記無機充填剤の総質量が３５０質量部となるように調合した（実施例１は無機充填材の添加無し）。高誘電性樹脂粒子としては、平均粒径が２５μｍとなるように粉末化したポリフッ化ビニリデン樹脂からなる粒子（ＰＶＤＦ粒子）を用い、下記表に示す量で混合した。ＰＶＤＦ粒子の含有量は、熱硬化性樹脂主剤の質量を１００質量部とした場合のフッ素樹脂粉末の質量部で表した。第２封止材の組成は、上記と同様の熱硬化性樹脂主剤、硬化剤、無機充填材を同様の組成比で混合し、高誘電性樹脂粒子を添加しなかったものを用いた。
【００４８】
試験用デバイスは、図１に示す部材を組み立て、図中の符号６で示す箇所に、ディスペンサを用いて高誘電性封止材を配置し、加熱硬化して第１封止材からなる封止層を形成した。次いで、ＰＶＤＦ粒子を含まないこと以外は上記の第１封止材と同じ組成で調整した第２封止材により注型法で封止し、１００℃、１時間保持し、その後１８０℃で１時間保持して第２封止材からなる封止層を形成して、実施例の半導体装置を得た。
【００４９】
（比較例）
第１封止材からなる封止層を設けず、第２封止材からなる封止層のみで封止した試験デバイスを作製し、比較例１とした。
【００５０】
（絶縁耐圧評価）
絶縁基板の第１回路電極板と、第２回路電極板との間に、周波数５０Ｈｚ、振幅６ｋＶの交流電圧を１分間印加し、絶縁破壊しなかったものを合格、絶縁破壊したものを不合格とした。
【００５１】
（ヒートサイクル試験）
耐熱性および密着性の評価として、ヒートサイクル試験を行った。上記実施例及び比較例の試験用デバイスを、−４０℃で３０分間さらし、１７５℃で３０分間さらすことを１サイクルとして、試験用デバイスのチップと封止樹脂間が剥離するまでのヒートサイクルをヒートサイクル耐量として評価した。剥離の発生は、目視および超音波探査装置により確認した。
【００５２】
（評価結果）
表１に実施例１〜４及び比較例１の評価結果を示す。実施例の試験デバイスでは、高誘電性封止材（第１封止材）からなる封止層を設けなかった場合と比較して、絶縁耐圧、ヒートサイクル耐量ともに向上した。
【００５３】
【表１】
2018098442.tif 000003
【符号の説明】
【００５４】
１        半導体素子
２        積層基板
２１      第１回路電極板
２２      絶縁基板
２３      第２回路電極板
３        金属基板
４        出力端子
５        金属ワイヤ
６        第１封止材（高誘電性封止材）からなる封止層
７        第２封止材からなる封止層
８        ケース
９        蓋
１０      第１封止材（高誘電性封止材）からなる封止層
【図１】
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