(57)【要約】【課題】半導体装置において、タッピンネジが原因となり部分放電が起こり高耐圧を維持できないという問題があった。【解決手段】この発明にかかる半導体装置の製造方法は、（ａ）ベース板１上に半導体素子である半導体チップ８を配設する工程と、（ｂ）半導体チップ８を格納する空間を有する樹脂ケース２とベース板１とを接着させる接着剤を塗布する工程と、（ｃ）樹脂ケース２が備えるネジ穴２０に、ベース板１の挿通穴２１を介してタッピンネジ３を螺合させ、樹脂ケース２とベース板１とを固定する工程と、（ｄ）工程（ｃ）後、接着剤を硬化させベース板１と樹脂ケース２とを固着する工程と、（ｅ）工程（ｄ）後、タッピンネジ３を取り外す工程とを備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）ベース板上に半導体素子を配設する工程と、
（ｂ）前記半導体素子を格納する空間を有する樹脂ケースと前記ベース板とを接着させる接着剤を塗布する工程と、
（ｃ）前記樹脂ケースが備えるネジ穴に、前記ベース板の挿通穴を介してタッピンネジを螺合させ、前記樹脂ケースと前記ベース板とを固定する工程と、
（ｄ）前記工程（ｃ）後、前記接着剤を硬化させ前記ベース板と前記樹脂ケースとを固着する工程と、
（ｅ）前記工程（ｄ）後、前記タッピンネジを取り外す工程とを備える、
半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記樹脂ケースには、外部電極端子が備えられ、
（ｆ）前記工程（ｄ）後、前記工程（ｅ）前に、前記半導体素子と前記外部電極端子との間に配置したはんだを加熱により融解させ、前記半導体素子と前記外部電極端子とを接合する工程をさらに備える、
請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
（ｇ）前記工程（ｆ）後、前記工程（ｅ）前に、前記半導体素子を覆う封止材を前記樹脂ケース内に充填し、前記樹脂ケース内の上部に空間を残す工程をさらに備える、
請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
（ｈ）前記工程（ｇ）後、前記工程（ｅ）前に、樹脂カバーを前記樹脂ケース上面に装着する工程をさらに備える、
請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の工程により製造される半導体装置であって、
前記タッピンネジが螺合されていない前記ネジ穴を備える、
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およびその製造方法に関し、特にベース板に樹脂ケースを接合した構造のパッケージが採用される高耐電圧の半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業、電鉄等に使用される半導体装置である高耐電圧半導体パワーモジュール（装置）では、ベース板（放熱板等）上に絶縁基板、半導体素子（半導体チップ等）を搭載して、金属のワイヤで配線し、これを樹脂製のケースと締結してシリコーンゲル等で封止する構造が取られているものがある。この締結に関しては、締結の強固さ、組立作業の容易さ、価格の安さ等から、従来の製品では金属のタッピンネジを使用していることが多い（特許文献１参照）。
【０００３】
近年、高耐電圧半導体パワーモジュール（装置）の特性試験の１つとして、主に絶縁基板における絶縁性の経年劣化を防止するという観点から、グランド（ベース板）と高電圧部（コレクタ、ゲート、エミッタ）との間に規定の電圧を印加して、その際に発生する部分放電を測定、管理する方法（部分放電試験）がある。このような方法について、電鉄向装置に対する規格の例としては、国際電気標準会議におけるＩＥＣ６１２８７−１等があり、定格電圧が６５００Ｖの装置の場合、ベース板と電極端子（コレクタ、ゲート、エミッタ）間に高電圧Ｖ１＝６９００Ｖを１分印加、続いて高電圧Ｖ２＝５１００Ｖを３０秒印加してＶ２印加後２５〜３０秒の間で部分放電量が１０ｐＣを超えないことが必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平４−１９９５４８号公報
【特許文献２】特開２００６−３２３９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の製品では、例えば前記の部分放電試験を行った場合、規格値を満足できないものがあり、結果歩留まりに影響を及ぼしていた。そこで、その原因を調査したところ、絶縁基板部分における耐圧よりも低い電圧で、金属のタッピンネジとその近傍にある金属のワイヤ（ゲートワイヤ）との間で部分放電が発生することが明らかになった。
【０００６】
この際の部分放電発生電圧や放電電荷量はタッピンネジとゲートワイヤとの距離に関係しているため、タッピンネジの長さを短くしたりゲートワイヤを遠ざけたりしたが、装置の小型化・高耐圧化が要求される中にあっては、配置の制約等もあり、組立作業の容易さ、価格を維持しながらでは規格値を満足できないものが出てきてしまい完全に部分放電をなくすことはできなかった。
【０００７】
また関連して、高耐電圧半導体パワーモジュール（装置）における主電極端子とタッピンネジ間に生じる部分放電の課題が認識されており、その対策としては、特許文献２に示すような高耐電圧樹脂を充填するなどの方法があるが、コストアップにより価格の安さ維持の面で課題があった。
【０００８】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、樹脂製ケースにおけるタッピンネジが原因となる部分放電の発生を抑制し、部分放電特性の改善をコストアップを伴うことなく行い、かつベース板と樹脂製ケースとの十分な接着が確保できる半導体装置およびその製法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明にかかる半導体装置の製造方法は、（ａ）ベース板上に半導体素子を配設する工程と、（ｂ）前記半導体素子を格納する空間を有する樹脂ケースと前記ベース板とを接着させる接着剤を塗布する工程と、（ｃ）前記樹脂ケースが備えるネジ穴に、前記ベース板の挿通穴を介してタッピンネジを螺合させ、前記樹脂ケースと前記ベース板とを固定する工程と、（ｄ）前記工程（ｃ）後、前記接着剤を硬化させ前記ベース板と前記樹脂ケースとを固着する工程と、（ｅ）前記工程（ｄ）後、前記タッピンネジを取り外す工程とを備える。
【発明の効果】
【００１０】
この発明にかかる半導体装置の製造方法によれば、（ａ）ベース板上に半導体素子を配設する工程と、（ｂ）前記半導体素子を格納する空間を有する樹脂ケースと前記ベース板とを接着させる接着剤を塗布する工程と、（ｃ）前記樹脂ケースが備えるネジ穴に、前記ベース板の挿通穴を介してタッピンネジを螺合させ、前記樹脂ケースと前記ベース板とを固定する工程と、（ｄ）前記工程（ｃ）後、前記接着剤を硬化させ前記ベース板と前記樹脂ケースとを固着する工程と、（ｅ）前記工程（ｄ）後、前記タッピンネジを取り外す工程とを備えることにより、製造工程におけるベース板と樹脂ケースとの十分な接着を確保しつつ、タッピンネジを起点とする部分放電の発生を防ぎ半導体装置の高耐圧を保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態１にかかる本発明の構造全体（上面）を示す図である。
【図２】実施の形態１にかかる本発明の構造（上面）を示す図である。
【図３】実施の形態１にかかる本発明の構造（断面）を示す図である。
【図４】実施の形態１にかかる本発明の製造工程を示す図である。
【図５】従来の半導体装置の構造（上面）を示す図である。
【図６】従来の半導体装置の構造（断面）を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図５（上面）、図６（断面）に従来の構造例（部分）を示す。図５に示すように半導体装置には、銅等の金属製のベース板１（放熱板）と、ベース板１上に配設され、後述する半導体チップ等を格納する空間を有する、ＰＢＴやＰＰＳ等の樹脂ケース２と、ベース板１と樹脂ケース２とを接合する金属製のタッピンネジ３と、図６に図示するはんだ７および導電パターン４を介してベース板１上に配設される、窒化アルミ等のセラミックからなる絶縁基板５と、絶縁基板５上の導電パターン６と、図６に図示するはんだ９を介して導電パターン６上に配設されるＩＧＢＴやダイオード等の半導体チップ（素子）８と、導電パターン６および半導体チップ８を接続するアルミニウム等の金属ワイヤ１０とを備える。
【００１３】
また、図６の断面図に図示するように、前述の金属ワイヤ１０が配設される高さまでの領域が、耐電圧性を向上させる封止材１１（シリコーンゲル等）が充填されており、さらに封止材１１上に半導体装置の主に耐湿性向上をねらったエポキシ樹脂１２が充填されている。封止材１１およびエポキシ樹脂１２は、図６の開口部から充填される。タッピンネジ３は、ベース板１と樹脂ケース２との接合のため、挿通穴２１を介してネジ穴２０に螺合される。
【００１４】
なお、図示してはいないが、ベース板１と樹脂ケース２との接合部分には接着剤が存在し両者を接合しており、また、所定の絶縁基板上の導電パターン６と電気的に接続され樹脂ケース２の内外に延びる複数の金属製の例えばコレクタ、ゲート、エミッタの各外部電極端子（図示せず）を備えている。
【００１５】
部分放電試験時には、ベース板１と、タッピンネジ３と、絶縁基板５下の導電パターン４と、絶縁基板５下のはんだ７とがグランド（基準電圧部）となり、絶縁基板５上の導電パターン６と、半導体チップ８と、半導体チップ８下のはんだ９と、金属ワイヤ１０とが高電圧部となり、この間に規定の電圧を印加すると、各部品自体やその組立てにおける精度のばらつき等からタッピンネジ３と金属ワイヤ１０の間で部分放電が発生してしまう場合があった。
【００１６】
これを防ぐために金属ワイヤ１０とタッピンネジ３との間隔（距離）を確保すべく、金属ワイヤ１０をタッピンネジ３から遠い方（図の左側または下側）に配置することが必要となるが、他の金属ワイヤ１０との干渉等により装置の拡大等なくしては困難なものであった。
【００１７】
＜Ａ．実施の形態１＞
＜Ａ−１．製造方法＞
図１（上面全体）、図２（上面）、図３（断面）に本発明の実施の形態１にかかる半導体装置１００を示す。タッピンネジ３とエポキシ樹脂１２、樹脂カバー（フタ）１５の有無を除けば、基本構造は図５、図６に示す従来例と同様である。図２においては、図５におけるタッピンネジ３が配置されていた位置にはネジ穴２０のみが備えられている。図３の断面図においては、タッピンネジ３は備えられておらず、樹脂ケース２にはタッピンネジ３が螺合されていないネジ穴２０が、ベース板１にはタッピンネジ３が貫通していない挿通穴２１がそれぞれ備えられている。
【００１８】
この半導体装置１００の製造（組立て）方法について図３および図４を用いて説明する。
【００１９】
半導体素子（半導体チップ８）等がはんだ付けされたものを含む絶縁基板５（導電パターン４，６を含む）をベース板１上の所定位置にはんだ付けする（ステップＳ１）。半導体チップ８および絶縁基板５上の導電パターン６に、必要なワイヤボンディングを行う（ステップＳ２）。
【００２０】
半導体チップ８および絶縁基板５が載置されたベース板１と、半導体チップ８等を格納する空間を有する樹脂ケース２とを接合するため、ベース板１上の接合部分、または樹脂ケース２側の接合部分に接着剤を塗布する。なお、このとき樹脂ケース２の接合とあわせて樹脂ケース２に取り付けられた外部電極端子（図示せず）を絶縁基板５上の導電パターン６と電気的に接合させるため、絶縁基板５上の導電パターン６の所定位置、或いは外部電極端子側にはんだを塗布する（ステップＳ３）。
【００２１】
ベース板１に外部電極端子が取り付けられた樹脂ケース２を係合するように重ね、その状態で上下（表裏）反転させる（ステップＳ４）。
【００２２】
樹脂ケース２のネジ穴２０に対して、ベース板１に設けられている挿通穴２１を介してタッピンネジ３を螺合させ、樹脂ケース２とベース板１とを接合する（ステップＳ５）。
【００２３】
再度上下（表裏）反転させてホットプレート上におき、まずはホットプレート温度を約１５０℃として接着剤を硬化させてベース板１と樹脂ケース２との接合を行い、続いて約１８０〜２００℃に温度を上げて絶縁基板５上の導電パターン６と外部電極端子との間に配置したはんだを融解させた後、冷却することで絶縁基板５上の導電パターン６と外部電極端子との接合を行う（ステップＳ６）。
【００２４】
封止材１１としてのシリコーンゲルを樹脂ケース２内の所定の高さ（少なくとも半導体素子としての半導体チップ８上の金属ワイヤ１０が覆われる程度とする。樹脂ケース２上部との間にはシリコーンゲルが充填されない空間を確保する）まで、上面開口部から充填し、再び加熱することで充填したシリコーンゲルを硬化する（ステップＳ７）。冷却後、開口部を塞ぐために樹脂ケース２上面に樹脂カバー（フタ）１５を装着する（ステップＳ８）。この場合、例えば開口部に接着剤等により樹脂カバー１５を固定する。そして最後に、タッピンネジ３を外す（ステップＳ９）。以上の工程を経ることで本発明の製品の組立てが完了する。
【００２５】
＜Ａ−２．動作＞
一旦タッピンネジ３でベース板１と樹脂ケース２とを締結し、接着剤によりベース板１と樹脂ケース２が固く接合された後、このタッピンネジ３を外す。タッピンネジ３を外すことにより、金属ワイヤ１０との部分放電の発生をなくすようにしたものである。なお、外すタッピンネジ３については、図１に示す半導体装置１００全体のタッピンネジ３（この例では４箇所）を必ずしも全て取り外す必要はなく、半導体装置１００の種類（機種）ごとにその評価試験等をとおして部分放電が生じる可能性のないところのタッピンネジ３はそのまま残すようにしてもよい。
【００２６】
そして、このタッピンネジ３を外しても、シリコーンゲル上に空間を設けることで内部圧力の上昇を抑えられるので、樹脂ケース２とベース板１との締結は接着剤（図示しない）によって十分に保たれる。
【００２７】
従来、エポキシ樹脂１２は一般に耐湿性向上のために用いられていたが、本発明ではこれを使用しない代わりに、たとえばＰＢＴやＰＰＳ等の樹脂カバー１５を、接着剤を用いて固定・封止することによって、耐湿性も従来どおり確保されることが確認できている。一方で、樹脂ケース２とベース板１との接着過程におけるタッピンネジ３による締め付けがない場合には接着剤の硬化過程でのズレや浮き上がりが生じ、密着性が減じることで、より高い信頼性を得るためには好ましくない面がある。そして、このようなズレや浮き上がり防止のため、タッピンネジ３を用いずに新たな治具を用いる方法も考えられるが、量産化するに当たっては生産能力や規模に応じて治具は複数個用意する必要があり、コスト面を考慮した場合、接着過程においては本発明のようにタッピンネジ３での締結が新たな治具の必要もなくもっとも優れているといえる。
【００２８】
本発明は、半導体パワーモジュール（装置）における絶縁耐圧の向上に関して、従来の基本構造を変更することなく、タッピンネジ３を取り外すだけでその向上を実現するものなので、従来からのコストアップを伴うことなく絶縁基板５および金属ワイヤ１０の配置に対して、後で取り除く締め付けねじ（仮止め）としてのタッピンネジ３の配置を最適な位置に自由に設計することを可能としている。言うまでもなく、タッピンネジが取り外されていれば主電極端子（外部電極端子）との間でも部分放電が生じることはない。
【００２９】
ベース板１と樹脂ケース２との接着過程でタッピンネジ３による締め付けを行うことにより、樹脂ケース２とベース板１との間におけるズレや浮き上がりが生じることがなくなるので強度・信頼性が維持でき、従来と比較して、タッピンネジ３を外す工程は増えるものの、装置個々のタッピンネジ３の費用が減じられ、かつ専用の治具を装置（品種）ごとに用意して使用する必要もないので、実質、製品コストが高くなることは避けられる。
【００３０】
＜Ａ−３．効果＞
この発明にかかる実施の形態１によれば、半導体装置の製造方法において、（ａ）ベース板１上に半導体素子である半導体チップ８を配設する工程と、（ｂ）半導体チップ８を格納する空間を有する樹脂ケース２とベース板１とを接着させる接着剤を塗布する工程と、（ｃ）樹脂ケース２が備えるネジ穴２０に、ベース板１の挿通穴２１を介してタッピンネジ３を螺合させ、樹脂ケース２とベース板１とを固定する工程と、（ｄ）工程（ｃ）後、接着剤を硬化させベース板１と樹脂ケース２とを固着する工程と、（ｅ）工程（ｄ）後、タッピンネジ３を取り外す工程とを備えることで、ベース板１と樹脂ケース２との十分な接着を確保しつつ、タッピンネジ３を起点とする部分放電の発生を防ぎ半導体装置１００の高耐圧を保つことができる。
【００３１】
また、この発明にかかる実施の形態１によれば、半導体装置の製造方法において、樹脂ケース２には、外部電極端子が備えられ、（ｆ）工程（ｄ）後、工程（ｅ）前に、半導体素子である半導体チップ８と外部電極端子との間に配置したはんだを加熱により融解させ、半導体チップ８と外部電極端子とを接合する工程をさらに備えることで、タッピンネジ３により接合した状態で加熱ができ、ベース板１と樹脂ケース２との十分な接着を確保しつつ、その後タッピンネジ３を取り除くことによりタッピンネジ３を起点とする部分放電の発生を防ぐことができる。
【００３２】
また、この発明にかかる実施の形態１によれば、半導体装置の製造方法において、（ｇ）工程（ｆ）後、工程（ｅ）前に、半導体素子である半導体チップ８を覆う封止材１１を樹脂ケース２内に充填し、樹脂ケース２内の上部に空間を残す工程をさらに備えることで、樹脂ケース２における温度変化による内圧の上昇を緩和し、接着剤のみの接合による十分な接着を確保することができる。
【００３３】
また、この発明にかかる実施の形態１によれば、半導体装置の製造方法において、（ｈ）工程（ｇ）後、工程（ｅ）前に、樹脂カバー１５を樹脂ケース２上面に装着する工程をさらに備えることで、従来のようなエポキシ樹脂１２を充填しなくとも、樹脂ケース２上面に装着した樹脂カバー１５により耐湿性を確保することができる。
【００３４】
また、この発明にかかる実施の形態１によれば、前述の製造方法によって製造される半導体装置であって、タッピンネジ３が螺合されていないネジ穴２０を備えることで、ベース板１と樹脂ケース２との十分な接着を確保しつつ、タッピンネジ３を起点とする部分放電の発生を防ぐことができる。
【符号の説明】
【００３５】
１  ベース板、２  樹脂ケース、３  タッピンネジ、４，６  導電パターン、５  絶縁基板、７，９  はんだ、８  半導体チップ、１０  金属ワイヤ、１１  封止材、１５  樹脂カバー、２０  ネジ穴、２１  挿通穴、１００  半導体装置。
【図１】
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【図２】
2011035183.tif 000004
【図３】
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【図４】
2011035183.tif 000006
【図５】
2011035183.tif 000007
【図６】
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