(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板及び前記絶縁基板上の電極を介して搭載された半導体チップを有し、前記絶縁基板及び前記半導体チップが絶縁樹脂により封止された半導体装置であって、
前記半導体チップの端部に対向した上方の前記絶縁樹脂内で、前記半導体チップと離間し電気的に絶縁されて配置され、外部から電圧を印加可能な電極部を備えた半導体装置。
【請求項２】
前記電極部の少なくとも側面は、前記絶縁樹脂の体積抵抗率よりも高い体積抵抗率を有する絶縁膜で覆われており、前記電極部の前記半導体チップと対向する面のうち少なくとも一部は前記絶縁膜で覆われていない請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記電極部の前記半導体チップと対向する面のうち少なくとも一部は前記絶縁樹脂の体積抵抗率よりも低い体積抵抗率を有する絶縁膜で覆われている請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記絶縁樹脂は上方から開口された差込み穴を有し、前記電極部は前記差込み穴に着脱可能に設けられた請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記電極部は、前記半導体チップの端部の少なくとも一辺に沿って対向するように配置された請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記電極部は、前記半導体チップの端部に対向して複数配置された請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載の半導体装置の劣化診断を行う半導体装置の劣化診断装置であって、
前記電極部に電圧を印加する電源と、
前記半導体チップに電圧を印加する電源と、
前記半導体チップに流れる電流を計測する電流計と、を備えた半導体装置の劣化診断装置。
【請求項８】
請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体装置の劣化診断を行う半導体装置の劣化診断装置であって、
前記電極部に電圧を印加する電源と、
前記半導体チップに流れる電流を計測する電流計と、を備えた半導体装置の劣化診断装置。
【請求項９】
請求項６に記載の半導体装置と、
前記電極部に電圧を印加する電源と、
前記半導体チップに流れる電流を計測する電流計あるいは複数の前記電極部の１つに接続された電流計と、を備えた半導体装置の劣化診断装置。
【請求項１０】
請求項１から６のいずれか一項に記載の半導体装置を劣化診断する半導体装置の劣化診断方法であって、
前記電極部に電圧を印加する第一ステップと、
前記電極部に電圧を印加した状態で、前記半導体チップに逆方向電圧を印加する第二ステップと、
前記半導体チップに流れる電流を計測する第三ステップと、
計測された電流と予め取得された基準電流とを比較し、劣化診断を行う第四ステップと、を備えた半導体装置の劣化診断方法。
【請求項１１】
前記第一ステップの後で、前記半導体チップに電圧を印加していない状態において、前記絶縁樹脂を流れる電流を計測するステップと、
計測された前記絶縁樹脂を流れる電流と予め取得された絶縁樹脂を流れる基準電流とを比較し、前記絶縁樹脂の劣化診断を行うステップとを備えた、請求項１０に記載の半導体装置の劣化診断方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、半導体装置、半導体装置の劣化診断装置及び半導体装置の劣化診断方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体パワーモジュール等の半導体装置において、劣化診断あるいは寿命予測を行うことで、半導体装置の交換時期の目安を知ることができる。そのため、半導体装置の故障発生前に交換することで、半導体装置の組み込まれた機器において半導体装置の故障による事故の発生を防止することが可能となる。【０００３】
例えば、従来の半導体装置の劣化診断装置では、診断対象の半導体装置に逆方向電圧を印加した際のリーク電流を検出し、その結果から劣化度を評価している（例えば、特許文献１参照）。【０００４】
一方、半導体装置の外部から電界を印加して耐圧の変動を測定する試験装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２９４８０７号公報
【特許文献２】特開２０１０−６６２５０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、特許文献１の方法では、半導体装置に直接逆方向電圧を印加するので、劣化が進んだ状態でないとリーク電流の変動量が小さい。また測定時の温度等の環境変動を受けやすいため小さなリーク電流の変動が劣化に起因するものか判断が難しいという問題があった。【０００７】
そこで、特許文献２の耐圧検査の方法を用いれば、診断対象の半導体装置に外部から電界を印加し半導体装置の耐圧を下げることが可能となり、劣化診断を行えることが期待される。【０００８】
本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、診断対象の半導体装置に外部から電圧を印加することで、半導体装置の耐圧を下げて、リーク電流を検出し、半導体装置の劣化診断を行うことが可能な半導体装置、半導体装置の劣化診断装置及び劣化診断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】
本願に開示される半導体装置は、絶縁基板及び前記絶縁基板上の電極を介して搭載された半導体チップを有し、前記絶縁基板及び前記半導体チップが絶縁樹脂により封止された半導体装置であって、前記半導体チップの端部に対向した上方の前記絶縁樹脂内で、前記半導体チップと離間し電気的に絶縁されて配置され、外部から電圧を印加可能な電極部を備えたものである。
【００１０】
本願に開示される半導体装置の診断装置は、上述の電極部を備えた半導体装置の劣化診断を行う半導体装置の診断装置であって、前記電極部に電圧を印加する電源と、前記半導体チップに電圧を印加する電源と、前記半導体チップに流れる電流を計測する電流計と、を備えたものである。
【００１１】
本願に開示される半導体装置の診断方法は、上述の電極部を備えた半導体装置を劣化診断する半導体装置の劣化診断方法であって、前記電極部に電圧を印加する第一ステップと、前記電極部に電圧を印加した状態で、前記半導体チップに逆方向電圧を印加する第二ステップと、前記半導体チップに流れる電流を計測する第三ステップと、計測された電流と予め取得された基準電流とを比較し、劣化診断を行う第四ステップと、を備えたものである。
【発明の効果】
【００１２】
本願によれば、半導体装置内の半導体チップの端部に対向して電極部を設け、この電極部に外部から電圧を印加することで、半導体装置の耐圧を一時的に下げて、リーク電流を検出しやすくしたので、半導体装置の劣化診断の感度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施の形態１に係る半導体装置及び半導体装置の劣化診断装置の構成を示す図である。
【図２】実施の形態１に係る半導体装置の一部構成を示す斜視図である。
【図３】実施の形態１に係る半導体装置の劣化診断方法を示すフローチャートである。
【図４Ａ】半導体チップの電圧―電流特性における劣化変動を説明するための図である。
【図４Ｂ】半導体チップの電圧―電流特性における印加電界の影響を説明するための図である。
【図５】実施の形態２に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図６Ａ】実施の形態２に係る比較例としての半導体装置の電界解析モデルを示す図である。
【図６Ｂ】実施の形態２に係る半導体装置の電界解析モデルを示す図である。
【図７】実施の形態３に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図８】実施の形態３に係る半導体装置の電界解析モデルを示す図である。
【図９】実施の形態３に係る半導体装置の別の構成を示す図である。
【図１０Ａ】実施の形態４に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図１０Ｂ】実施の形態４に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図１１Ａ】実施の形態５に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図１１Ｂ】実施の形態５に係る半導体装置の一部構成を示す斜視図である。
【図１２Ａ】実施の形態５に係る半導体装置の別の一部構成を示す斜視図である。
【図１２Ｂ】実施の形態５に係る半導体装置の別の一部構成を示す上面図である。
【図１３Ａ】実施の形態６に係る半導体装置の一部構成を示す斜視図である。
【図１３Ｂ】実施の形態６に係る半導体装置の一部構成を示す上面図である。
【図１４】実施の形態７に係る半導体装置の劣化診断装置の構成を示す図である。
【図１５】実施の形態７に係る半導体装置の劣化診断装置の別の構成を示す図である。
【図１６】実施の形態７に係る半導体装置の劣化診断装置のさらに別の構成を示す図である。
【図１７】実施の形態７に係る半導体装置の劣化診断装置のさらに別の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、半導体装置、半導体装置の劣化診断装置及び劣化診断方法の実施の形態について図を参照して説明する。なお、各図中、同一符号は、同一または相当する部分を示すものとする。
【００１５】
実施の形態１．
以下、実施の形態１に係る半導体装置について説明する。図１は、本実施の形態１に係る半導体装置及び半導体装置の劣化診断装置の構成の一例を示す図である。図１において、半導体装置１は、窒化アルミニウムまたはアルミナ等のセラミックからなる絶縁基板３と、絶縁基板３の上部に設けられた基板上部電極４を介してはんだ接合された半導体チップ２と、絶縁基板３の下部に設けられた基板下部電極５を介してはんだ接合された放熱板６と、半導体チップの端部２ａの上方に外部電界を印加するための電極部１３と、を有し、これらがケース７内に収納され、絶縁樹脂８で封止されて構成されている。
【００１６】
半導体チップ２は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）あるいはＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等のパワー半導体素子からなるチップである。絶縁基板３は、セラミックに限ることなく、エポキシ樹脂等の絶縁性樹脂基板を用いてもよい。放熱板６は、半導体チップ２からの熱を外部に逃がすため熱伝導率の高い銅あるいはアルミニウム等の材料で構成されている。ケース７内を封止する絶縁樹脂８には、シリコーンゲルあるいはエポキシ樹脂等の絶縁樹脂が用いられる。半導体チップ２及び基板上部電極４には高電圧が印加されるため、その周囲を絶縁樹脂８により覆って絶縁性を保つ。半導体チップ２は、その上面および下面に電圧を印加する電極（エミッタ電極、コレクタ電極）を有する。基板上部電極４と半導体チップ２の上面電極９との間に電源１０から電圧を印加することで、半導体チップ２に電圧を印加し、動作させる。なお、半導体チップ２の下面電極は図示してない。また、外部電界を印加するための電極部１３は、半導体チップ２の端部２ａの上方の絶縁樹脂中に、半導体チップ２等の部品から離間されて、埋められて配置される。
【００１７】
次に、半導体装置１の劣化診断装置について説明する。半導体装置１内の電極部１３には配線１３１を介して直流電源１４が接続されている。劣化診断装置の動作時には、半導体装置１の内部の半導体チップ２に対し、逆方向電圧となるように、電源１０から半導体チップの定格電圧が印加され、半導体チップ２を流れるリーク電流を半導体チップ２に接続された配線に設けられた電流計１１により計測する。電極部１３に対して直流電源１４により電圧を印加することにより、半導体チップの端部２ａに対して電極部１３から電界が与えられる。この時の電極部１３に印加する電圧は、絶縁樹脂８の絶縁破壊電圧以下に収める。
【００１８】
ここで、半導体装置１内における電極部１３の位置を説明する。図２は、半導体装置１内の半導体チップ２と電極部１３との位置関係を示す斜視図である。図２に示すように、半導体チップ２の端部２ａの上方に電極部１３が設置されている。この電極部１３は、絶縁樹脂８の中に埋め込まれるように設置され、また、周囲の上面電極９等の電極とは電気的に絶縁され、半導体装置１の外側と電気的に接続するための配線１３１を備える。
【００１９】
次に、本実施の形態１に係る半導体装置１の劣化診断方法についてフローチャートを用いて説明する。図３は、半導体装置の劣化診断方法を示すフローチャートである。
まず、ステップＳ１において、半導体装置１内の電極部１３に直流電源１４より直流電圧を印加する。
次に、ステップＳ２において、半導体チップ２に劣化診断を行うための試験電圧を印加する。試験電圧は、半導体チップに対し逆方向電圧を印加する。
ステップＳ３において、半導体チップ２に流れるリーク電流を電流計１１により計測する。
リーク電流を計測した後、ステップＳ４において、電極部１３及び半導体チップ２への電圧の印加を停止する。
ステップＳ５において、予め計測し取得しておいた正常時のリーク電流と計測されたリーク電流を比較し、劣化診断を実施する。劣化診断においては、正常時からのリーク電流の増加量により劣化の度合いを診断する。
【００２０】
半導体チップ２の端部２ａへ電界を与える効果について説明する。
図４Ａ及び図４Ｂは、半導体チップの電圧―電流特性を示す図である。図４Ａにおいて、正常時では電圧に対してリーク電流は直線状に増加している。半導体チップが劣化すると、電圧の増加に伴い直線状からはずれ、リーク電流は急激に増加する。本実施の形態では、正常時からのリーク電流の差分で劣化診断を行うが、試験電圧が図中のＶ１の場合では劣化時と正常時とではリーク電流の差分すなわち、劣化時のリーク電流の増加分が小さく、劣化状態を判断することができない。試験電圧をＶ２まで上げると、両者のリーク電流の差分が大きくなり、劣化診断を行うことが可能となる。しかし、試験電圧の増大は半導体チップの破壊あるいは劣化の原因となり得る。さらに、試験電圧は半導体チップの定格電圧を超えることができず、試験電圧の設定には制約があった。
【００２１】
ところで、半導体チップは、内部の空乏層によって絶縁が保たれているが、外部からの電界を受け、内部の空乏層が縮まる等の現象により、耐圧が低下し、リーク電流の増加が引き起こされる。図４Ｂは、図４Ａに劣化時の半導体チップに対し、劣化診断時に外部電界を生じさせたものを重ね合わせた図である。外部電界が印加されると、一時的に耐圧低下が生じ、図中矢印で示すようにリーク電流が増加する。これにより、定格電圧以下の試験電圧がＶ１であっても、正常時からのリーク電流の増加量を検出することができ、劣化診断を実施することが可能となる。
【００２２】
なお、上述では正常時のリーク電流を基準電流としてその差分の増大量で劣化診断を行うようにしたが、半導体チップの初期状態を正常時と見做すことができる場合、この初期状態のリーク電流を基準電流としてリーク電流の差分で判断するようにしてもよい。この場合、定期的あるいは半導体装置１の所定の運転時間毎にリーク電流を計測して履歴を記録しておけば、劣化の経緯あるいは劣化の予測も可能となる。
【００２３】
以上のように、本実施の形態１によれば、半導体装置１の内部であって、半導体チップ２の端部２ａに対向した上方に電極部１３配置して半導体装置１を構成し、電極部１３に配線１３１を介して接続された直流電源１４により、電圧を印加するように劣化診断装置を構成したので、半導体装置１の劣化診断時に、半導体チップ２に外部から電界を与えて、耐圧を低下させ、リーク電流を増大させることができ、半導体チップ２に印加する試験電圧を高くしなくてもリーク電流を検出しやすくなる。これにより、劣化診断の感度を向上させることができるとともに、劣化が進んでいない半導体チップにおいてもリーク電流から劣化状況を判断できるようになる。
また、電極部１３は半導体装置１内で半導体チップ２の端部２ａの上方に、他の電極から離間され、絶縁されて絶縁樹脂８に埋め込まれているので、半導体チップ２の端部２ａ以外に外部電界の影響を及ぼすことはない。
【００２４】
実施の形態２．
以下に、実施の形態２に係る半導体装置の構成について説明する。
図５は、実施の形態２に係る半導体装置の構成を示す図である。電極部１３が半導体装置１の絶縁樹脂８中の半導体チップ２の端部２ａの上方に配置されている点は実施の形態１と同様であるが、電極部１３が絶縁膜１５で被覆されている点が、実施の形態１と相違する。実施の形態１では、電極部１３が半導体チップ２の端部２ａの上方に配置され、他の電極から離間されているが、他の電極及び配線部材（ワイヤ等）と近接する場合は、それら電極及び配線部材と電極部１３との絶縁を確保することが重要となる。そこで、本実施の形態２では、電極部１３を絶縁樹脂８よりも体積抵抗率の高い絶縁膜１５を被覆することで、周囲と絶縁を確保する例について説明する。
【００２５】
電極部１３を絶縁膜１５で被覆する場合、絶縁膜１５の体積抵抗率がその周囲の絶縁樹脂８の体積抵抗率よりも大きいと、電極部１３に直流電圧が印加された時、直列の電圧分担の関係により、高抵抗側に電位差が偏り、低抵抗側の電位差が小さくなる。その結果、低抵抗側の電界は低くなる。すなわち、絶縁樹脂８側の電界が弱まることになり、電極部１３へ電圧を印加することで、半導体チップ２の耐圧を下げる効果が低下してしまう。そのため、本実施の形態２では、図５に示すように、電極部１３の下部であって、半導体チップ２の端部２ａに対向する領域には絶縁膜１５は被覆しないものとする。このように構成することで、電極部１３への電圧印加時に、絶縁樹脂８側の電界の低下が抑制され、半導体チップ２の耐圧を下げる効果を奏することが可能となる。
【００２６】
次に、電極部１３を絶縁膜１５で被覆した場合の電界解析の結果について説明する。図６Ａ及び図６Ｂは実施の形態２に係る半導体装置の電界解析モデルを示す図である。図６Ａは電極部１３の半導体チップ２側を全面的に絶縁膜１５で被覆した比較例を、図６Ｂは半導体チップの端部２ａに対向する領域には絶縁膜１５は被覆しない電極部１３の電界解析モデルを示している。図６Ａ、６Ｂにおいて、電極部１３の近傍は中央の点線を軸に軸対称とし、電極部１３は直径ｄの円柱であり、電極部１３には電圧ＨＶが印加され、半導体チップの端部２ａの上面から電極部１３までの高さをｈ、絶縁膜１５の厚みをｔ、絶縁膜１５が被覆されていない領域を直径ａの領域で示している。また、半導体チップの端部２ａ上の電極部１３の直下の位置をＡとしている。
【００２７】
この電界解析モデルにおいて、封止材である絶縁樹脂８を例えばシリコーンゲルとして体積抵抗率を１×１０１３Ωｍとし、絶縁膜１５を例えばポリイミドとして体積抵抗率を１×１０１４Ωｍとし、電極部１３の直径ｄを３ｍｍ、高さｈを２ｍｍ、絶縁膜１５の厚みｔを０．１ｍｍ、電極部１３下部の絶縁膜の穴の直径ａを１ｍｍとし、直流電圧印加時のＡ点の電界を直流場により解析した。
その結果、図６ＢにおけるＡ点の電界は、図６ＡにおけるＡ点の電界よりも約１３％高い値となった。
また、図６Ｂにおいて電極部１３下部の絶縁膜の穴の直径ａを３ｍｍとすると、すなわち電極部１３下部には絶縁膜１５を被覆せず、電極部１３側面のみに絶縁膜１５を被覆させた場合、図６ＢにおけるＡ点の電界は、図６Ａの全面被覆状態と比較して約５５％高い電界となった。
【００２８】
絶縁樹脂８よりも体積抵抗率の高い絶縁膜１５を電極部１３に被覆する場合、絶縁膜１５側に電圧降下が偏るため、それ以外の箇所の電界が下がる傾向がある。このため、半導体チップの端部２ａに対向する領域には絶縁膜１５が被覆されない方が、半導体チップ２へ与えられる電界の低下は抑制できる。
電極部１３に絶縁樹脂８よりも体積抵抗率の高い絶縁膜１５を被覆することにより、半導体チップの端部２ａ周辺の電極及び配線部材への電界の影響を抑制することが可能である。さらに、電極部１３の半導体チップの端部２ａに対向する部位に絶縁膜１５を被覆すると半導体チップ２の耐圧を下げる効果も抑制されてしまうので、半導体チップの端部２ａ及びその周辺の電極及び配線部材との位置関係により、半導体チップの端部２ａに対向する領域への絶縁膜１５の被覆面積を変える等行い、半導体チップの端部２ａに対向する領域への絶縁膜１５の被覆を制限するのがよい。
【００２９】
以上のように、本実施の形態２によれば、半導体装置１の内部であって、半導体チップ２の端部２ａの上方に配置された電極部１３の少なくとも側面部に絶縁樹脂８よりも体積抵抗率の高い絶縁膜１５を被覆し、少なくとも半導体チップ２の端部２に対向する面の一部にはこの絶縁膜１５を被覆しないようにしたので、半導体チップ２に外部から電界を与えても、半導体チップの端部２ａ周辺あるいは電極部１３の周辺の電極及び配線部材への電界の影響は抑制され、絶縁が維持され、感度の高い劣化診断を行うことが可能となる。
【００３０】
実施の形態３．
以下に、実施の形態３に係る半導体装置の構成について説明する。
図７は、実施の形態３に係る半導体装置の構成を示す図である。電極部１３が半導体装置１の絶縁樹脂８中の半導体チップ２の端部２ａの上方に配置されている点は実施の形態１、２と同様であるが、電極部１３が絶縁膜１６で被覆されている点が、実施の形態１、２と相違する。
実施の形態２で述べたように、電極部１３より印加される電界は、周囲の絶縁材料の体積抵抗率に影響される。本実施の形態３に示す半導体装置１の構造では、図７のように、電極部１３の下部に絶縁膜１６を被覆し、且つ絶縁膜１６の体積抵抗率は、絶縁樹脂８の体積抵抗率よりも低いものとする。この構造により、絶縁膜１６の被覆された電極部１３の下部と対向する半導体チップの端部２ａとの間の電界が強調される。
【００３１】
次に、電極部１３の下部を絶縁膜１６で被覆した場合の電界解析の結果について説明する。図８は実施の形態３に係る半導体装置の電界解析モデルを示す図である。モデルの基本構成は実施の形態２の図６Ａ及び図６Ｂで説明したものと同様である。図８においては、絶縁膜１６の厚みをｔとする。
図８の電界解析モデルにおいて、絶縁樹脂８を例えばシリコーンゲルとして体積抵抗率を１×１０１３Ωｍ、絶縁膜１６を例えばエポキシ樹脂として体積抵抗率を１×１０１２Ωｍとし、電極部１３の直径ｄを３ｍｍ、高さｈを２ｍｍ、絶縁膜１６を電極下面のみに被覆し、その厚みｔを０．１ｍｍとする。この図８の場合のＡ点の電界と絶縁膜が図８において絶縁膜１６が被覆されていない場合のＡ点の電界を直流場の電界解析により比較した。その結果、絶縁膜１６が被覆された図８の場合の電界は絶縁膜が被覆されていない場合の電界と比較して約６％高い電界となった。
【００３２】
また、図７では、電極部１３の下部から側面の一部に亘って絶縁膜１６を設けた例を示したが、図９のように、絶縁膜１６を電極部１３の側面にのみ設けてもよい。図８で説明した電界解析モデルと同様の材料、パラメータ（物性値）を用い、図９で絶縁膜の厚みを０．１ｍｍとした場合と絶縁膜１６を被覆しない場合のＡ点の電界を比較した。その結果、０．１ｍｍの厚さの絶縁膜１６を側面に設けた電極部１３の方が約２％高い電界となった。
さらに、電極部１３の下面及び側面の両方に絶縁膜１６を設けてもよい。この電極部１３の下面および側面の両方に厚さが０．１ｍｍの絶縁膜１６を設けた場合のＡ点の電界は、絶縁膜を被覆しない場合のＡ点の電界に比べて約８％高くなった。
以上のことから、絶縁膜１６を電極部１３の表面全体に被覆してもよいが、絶縁膜１６は絶縁樹脂８の体積抵抗率よりも低く、電極部１３に印加された電圧からの電界の影響を強調するように作用するため、電極部１３の周辺及び半導体チップ２の端部２ａの周囲の電極及び配線部材等との絶縁性を考慮して設ける必要がある。
【００３３】
以上のように、実施の形態３によれば、半導体装置１の内部であって、半導体チップ２の端部２ａの上方に配置された電極部１３の少なくとも下部に絶縁樹脂８よりも体積抵抗率の低い絶縁膜１６を被覆したので、半導体チップ２に外部から電界を与えても、半導体チップの端部２ａ周辺あるいは電極部１３の周辺の電極及び配線部材への電界の影響は強調せず、半導体チップ２に与えた電界を強めることができ、感度の高い劣化診断を行うことが可能となる。
【００３４】
実施の形態４．
以下、実施の形態４に係る半導体装置の構成について説明する。上述の実施の形態１から３では、半導体装置１の内部、半導体チップの端部２ａの上方に電極部１３を配置しているので、この電極部１３が通常の半導体装置１の運転時にも存在することになる。半導体装置１の運転時には、基板上部電極４または半導体チップの上面電極９にかかる電圧によって、電極部１３の周囲にも多少の電界が発生する。そのため、電極部１３の周囲に発生する電界の大きさによっては電極部１３にも長期的に課電されることになり、この影響で半導体装置１が劣化することも考えられる。本実施の形態では、電極部１３を着脱可能な構成とし、劣化診断時に電極部１３を半導体装置１内に設置し、劣化診断時以外は半導体装置１から取り外すことが可能な半導体装置１の構造を提供する。
【００３５】
図１０Ａ及び図１０Ｂは、実施の形態４に係る半導体装置の構成を示す図である。図１０Ａは、半導体装置１が運転中であり、電極部１３が外部に取り外された状態、図１０Ｂは劣化診断時であり電極部１３が半導体装置１の内部に取り付けられた状態を示している。図１０Ａ及び図１０Ｂにおいて、絶縁樹脂８には上方から開口された、電極部１３を設置することが可能な差込み穴２０が設けられている。
【００３６】
半導体装置１の運転時である図１０Ａの状態では、その差込み穴２０は矢印で示されるように直脱可能な蓋２１により塞がれている。また、差込み穴２０に対向するケース７の蓋２２も矢印で示されるように着脱可能である。
劣化診断時には、着脱可能な蓋２２がケースから外され、蓋２１が絶縁樹脂８から外されて電極部１３が点線矢印で示されるように差込み穴２０に挿入される。劣化診断時は図１０Ｂで示される状態となる。
【００３７】
差込み穴２０の形状は、電極部１３を挿入できるクリアランスを持つ程度の電極部１３とほぼ同じ形状が望ましい。また差込み穴２０を設けることにより、差込み穴２０を通して絶縁樹脂８へ水分が浸入し、半導体チップに対する吸湿劣化が促進される可能性がある。そのため、診断時以外は、差込み穴２０は密着性の高い蓋２１を用いて密閉しておくことが望ましい。また、図で示した蓋２１でなく、差込み穴２０の形状と同じ、すなわち電極部１３と同じ形状で絶縁樹脂８と同材料の樹脂を着脱可能にすれば密閉性をより保つことが可能となる。
【００３８】
また、ケース７の着脱可能な蓋２２も同様の理由で密閉性を担保できるように構成することが望ましい。
【００３９】
以上のように、本実施の形態４によれば、実施の形態１から３と同様の効果に加え、電極部１３を半導体装置１から着脱可能な構成としたので、半導体装置１の運転時には電極部１３を取り外すことが可能となり、電極部１３が設置されて長期的に課電されることによる劣化促進を抑制することができる。
【００４０】
実施の形態５．
以下、実施の形態５に係る半導体装置の構成について説明する。上述の実施の形態１から４では、半導体チップの端部２ａの上方に配置された電極部１３は半導体チップの端部２ａの一部に対向するように配置されている。しかし、半導体チップの劣化発生について、全体が均一的に劣化するのではなく、半導体チップの端部の中でも部分的に劣化することもある。劣化発生部の直上に電極部１３が配置されていない場合は、劣化診断の感度が低下する虞がある。本実施の形態５では、半導体チップの端部２ａの領域に亘って、広く対向するように電極部１３を配置する。
【００４１】
図１１Ａ及び図１１Ｂは、実施の形態５に係る半導体装置の構成を示す図である。図１１Ａは側面図、図１１Ｂは、半導体チップ２の周辺と電極部１３の位置関係を示す斜視図である。電極部１３は半導体チップ２の周囲の半導体チップの端部２ａに対向するように配置される。電極部１３の中央部は半導体チップ２の上面電極９に対向する領域であり、開口されている。そして、開口部を介して配線が行われる。このように半導体チップの端部２ａの上部をカバーするように電極部１３を配置する。
【００４２】
図１１Ｂのように、半導体チップの端部２ａの上部をカバーするように電極部１３を配置できない場合は、半導体チップの端部２ａの一辺の上部をカバーするように配置すればよい。図１２Ａ及び図１２Ｂは、実施の形態５に係る半導体装置を示す別の一部構成図である。図１２Ａは半導体チップ２の周辺と電極部１３の位置関係を示す斜視図、図１２Ｂは、半導体チップ２の周辺と電極部１３の位置関係を示す上面図である。このように、半導体チップの端部２ａの一辺の上部をカバーするように電極部１３を配置すればよい。図１２Ａ及び図１２Ｂでは、半導体チップの端部２ａの一辺の上部をカバーするように電極部１３を配置したが、電極部１３を上面から見てＬ字状に配置して、隣り合う２辺をカバーするようにしてもよいし、矩形のＵ字状に配置して、隣り合う３辺をカバーするようにしてもよい。また、図１２Ａ及び図１２Ｂで示された一辺に対応する電極をそれぞれの辺に設けて、半導体チップの端部２ａの周辺をカバーするようにしてもよいし、Ｌ字状の電極部１３を２つ組み合わせてもよい。
【００４３】
以上のように、実施の形態５によれば、半導体チップの端部２ａの少なくとも一辺の領域に亘って対向するような電極部１３の形状で、半導体チップの端部２ａの上方に電極部１３を配置したので、実施の形態１から３と同様の効果を奏するとともに、さらに劣化診断の精度が向上する。
【００４４】
実施の形態６．
以下、実施の形態６に係る半導体装置の構成について説明する。上述の実施の形態５では、少なくとも一辺の領域に亘って対向するような電極部１３の形状で、半導体チップの端部２ａの上方に１つの電極部１３を配置したが、本実施の形態６では半導体チップの端部２ａの一辺に対向するように複数の電極部１３を配置する。
【００４５】
図１３Ａ及び図１３Ｂは、実施の形態６に係る半導体装置を示す一部構成図である。図１３Ａは半導体チップ２の周辺と電極部１３の位置関係を示す斜視図、図１３Ｂは、半導体チップ２の周辺と電極部１３の位置関係を示す上面図である。半導体チップの端部２ａの一辺の上部をカバーするように複数の電極部１３が配置されている。複数の電極部１３はそれぞれ配線１３１により直流電源１４に接続される。
【００４６】
このように配置された複数の電極部１３のすべてに電圧を印加すれば、実施の形態５の図１２Ａ、１２Ｂの例と同様に、半導体チップの端部２ａの一辺に亘って電界が発生し、劣化診断を行うことが可能となる。この場合、電極部１３間接続して電圧を印加するようにしてもよい。
また、複数の電極部１３に順次電圧を印加することよりそれぞれの電極部１３の対向する半導体チップの端部２ａ近傍の診断を行うことにより、劣化発生箇所の特定を行うことが可能となる。
【００４７】
上述の図１３Ａ及び図１３Ｂでは、半導体チップの端部２ａの一辺の上部をカバーするように複数の電極部１３が配置されているが、隣り合う二辺の上部をカバーするようにＬ字状に複数配置してもよい。また、半導体チップの端部２ａの隣り合う三辺の上部をカバーするように矩形のＵ字状に複数配置してもよいし、半導体チップの端部２ａの周囲に亘って額縁状に複数配置してもよい。
【００４８】
なお、上述の実施の形態５、６の構造を実施の形態４のように、着脱可能にするには、絶縁樹脂８に電極部１３の形状に対応する差込み穴を設ければよい。
【００４９】
以上のように、実施の形態６によれば、半導体チップの端部２ａの少なくとも一辺の領域に亘って対向するように複数の電極部１３を配置したので、実施の形態５と同様の効果を奏する。また、複数の電極部１３に順次電圧を印加することよりそれぞれの電極部１３の対向する半導体チップの端部２ａ近傍の診断を行うことにより、劣化発生箇所の特定を行うことが可能となり、さらに劣化診断の精度が向上する。
【００５０】
実施の形態７．
以下、実施の形態７に係る半導体装置の劣化診断装置の構成について説明する。
半導体装置の劣化発生要因の一つとして、半導体装置の外部からの水分の侵入が挙げられる。封止樹脂である絶縁樹脂の外側の空気中から徐々に水分が侵入し、やがて半導体チップに到達すると、半導体チップの劣化が促進される。したがって、半導体チップ近傍の絶縁樹脂の吸水状態を検知することは、半導体チップ自体の劣化診断における有用なデータとなる。絶縁樹脂が吸水すると、体積抵抗率が低下する。そのため、絶縁樹脂を流れる電流を計測することで、樹脂の劣化変動を検知することができる。
【００５１】
図１４は、実施の形態７に係る半導体装置の劣化診断装置の構成を示す図である。図において、半導体装置１の半導体チップの端部２ａの上方であって絶縁樹脂８中に電極部１３が配置されている構成は実施の形態１から６と同様である。また、半導体チップ２の上面電極９には電流計１１が接続されている。
【００５２】
図１４の構成において、まず電極部１３に高電圧を印加すると、図１４中矢印で示されるように、電極部１３から半導体チップ２の上面電極９へ向かう方向に微小な電流が流れる。電流計１１では、この絶縁樹脂８を介して上面電極９へ流れた電流を計測する。この電流値を計測することにより、半導体チップ２近傍の絶縁樹脂８の吸水状態を把握することができる。すなわち、半導体装置１の初期から、絶縁樹脂８が徐々に水分が侵入すると絶縁劣化が進み、絶縁樹脂８中を流れ、電流計１１で計測される電流が増加することになる。初期の電流を予め取得しておき、基準電流とし、計測された電流と比較することで劣化診断を行うことができる。なお、電極部１３に印加される電圧は実施の形態１と同様に絶縁樹脂８の絶縁破壊電圧以下である。
【００５３】
図１５は、実施の形態７に係る半導体装置の劣化診断装置の別の構成を示す図で、電流計１１を基板上部電極４に接続した例である。また、図１６は、実施の形態７に係る半導体装置の劣化診断装置のさらに別の構成を示す図で、電流計１１を半導体チップ２の上面電極９及び基板上部電極４の両方に接続した例である。
図１５の構成においては、図１５中矢印で示されるように、電極部１３から基板上部電極４へ向かう方向に流れる微小な電流を基板上部電極４に接続された電流計１１で計測する。このとき水分が外側からチップ方向へ向けて横から侵入してきた場合、図１５の構成は、図１４の構成よりもチップ外側領域を流れる電流を計測するため、図１４の構成よりも変動を早期に検知できる。図１６の構成においては、図１６中矢印で示されるように、電極部１３から半導体チップ２の上面電極９へ向かう方向及び基板上部電極４へ向かう方向に流れる微小な電流を電流計１１で計測する。電流の経路が広いため、図１６の構成は、図１４および図１５の構成よりも変動量を検知しやすくなる。ただし、図１５、図１６は図１４とは異なり、実施の形態６までに示した半導体チップの劣化診断時とは電流計の接続を変える必要がある。
【００５４】
なお、絶縁樹脂８の電流を計測するのに、電極部１３から半導体チップ２の周辺の電極に向かう電流を計測する例を示したが、これに限るものではない。例えば、実施の形態６で示した複数の電極部１３を配置する例においては、電極部１３間に流れる電流を計測してもよい。図１７は、実施の形態７に係る半導体装置の劣化診断装置のさらに別の構成を示す図で、電流計１１を電極部１３の１つに接続している。図１７に示されるように、一つの電極部１３に電圧を印加し、電流計１１の接続された別の電極部１３に向かう電流を計測してもよい。
【００５５】
以上のように、実施の形態７によれば、半導体装置１内の絶縁樹脂８中に配設された電極部１３を用い、電極部１３から半導体チップ２の上面電極９あるいは半導体チップの搭載された基板上部電極４等の半導体チップ２の周辺に向かう電流を計測することで、あるいは複数配設された電極部１３間に流れる電流を計測することで、絶縁樹脂８の劣化を診断が可能となる。また、実施の形態１から６と合わせて半導体装置１として総合的な劣化診断を行うことが可能となり、劣化診断の精度が向上する。実施の形態１の図３のフローチャートにおいて、ステップＳ１の後、半導体チップ２に電圧を印加する前に絶縁樹脂８の劣化診断を行えばよい。
【００５６】
上記実施の形態７では、半導体装置１内の絶縁樹脂８中に配設された電極部１３を用い、絶縁樹脂８を流れる電流を計測することで、絶縁樹脂８の劣化診断を行うようにしたが、絶縁樹脂８中の劣化診断はこの方法に限るものではない。予め決められた絶縁樹脂の間の静電容量の変化を計測する方法もある。そこで、図１７の構成において、電極部１３に電流計１１を接続するのではなく、電極部１３間の外部経路に静電容量計を接続して、電極部１３間の絶縁樹脂８の静電容量を計測する。上述した絶縁樹脂８の電流変化のように、半導体装置１の初期から、絶縁樹脂８が徐々に水分が侵入すると絶縁劣化が進み、絶縁樹脂８の静電容量が変動することになる。初期の状態を基準の静電容量とし、この静電容量の変動を評価することによって絶縁樹脂８の劣化状態を診断すればよい。
【００５７】
本開示は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
【符号の説明】
【００５８】
１：半導体装置、  ２：半導体チップ、  ２ａ：半導体チップの端部、  ３：絶縁基板、  ４：基板上部電極、  ５：基板下部電極、  ６：放熱板、  ７：ケース、  ８：絶縁樹脂、  ９：上面電極、  １０：電源、  １１：電流計、  １３：電極部、  １４：直流電源、  １５、１６：絶縁膜、  ２０：差込み穴、  ２１：蓋、  ２２：蓋
【要約】
絶縁基板（３）電極（４）を介して搭載された半導体チップ（２）が絶縁樹脂（８）により封止された半導体装置（１）であって、半導体チップの端部（２ａ）に対向した上方の絶縁樹脂（８）内で、半導体チップ（２）と離間して配置され、外部から電圧を印加可能な電極部（１３）を備え、劣化診断時に、電極部（１３）に電圧を印加した後に、半導体チップに対して逆方向電圧を印加し、半導体チップを流れるリーク電流を計測する。電極部（１３）からの電界の影響で、半導体チップ（２）の耐圧が低下し、リーク電流が増加するので、劣化診断の感度が向上する。【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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