(57)【要約】  金属製のベース板（１）は貫通孔（２）を有する。絶縁基板（３）がベース板（１）上に設けられている。半導体チップ（４）が絶縁基板（３）上に設けられている。ケース（８）は、貫通孔（２）と連通するねじ孔（９）を有し、絶縁基板（３）と半導体チップ（４）を覆い、ベース板（１）上に設けられている。金属製のねじ（１１）は、貫通孔（２）とねじ孔（９）に挿入されてケース（８）をベース板（１）に固定する。柔軟性を有する軟質材料（１２）がケース（８）のねじ孔（９）の底面とねじ（１１）の先端との間の空隙に充填されている。
2016006065.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
貫通孔を有する金属製のベース板と、
前記ベース板上に設けられた絶縁基板と、
前記絶縁基板上に設けられた半導体チップと、
前記貫通孔と連通するねじ孔を有し、前記絶縁基板と前記半導体チップを覆い、前記ベース板上に設けられたケースと、
前記貫通孔と前記ねじ孔に挿入されて前記ケースを前記ベース板に固定する金属製のねじと、
前記ケースの前記ねじ孔の底面と前記ねじの先端との間の空隙に充填された柔軟性を有する軟質材料とを備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記軟質材料は前記空隙に圧縮充填され、
圧縮されていない状態の前記軟質材料の体積は前記空隙の体積より大きい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】
前記軟質材料は前記半導体装置の最大動作温度よりも高い耐熱性を持つことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記軟質材料は空気よりも高い絶縁性を有することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記ケースの前記ねじ孔の側面及び前記底面に設けられた導電皮膜を更に備えることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記軟質材料は導電性を有する材料であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
半導体チップはワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることを特徴とする請求項１〜６の何れか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、ベース板とケースとがねじにより固定された半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電鉄向け半導体パワーモジュール等の半導体装置では、放熱性を有するベース板と、半導体チップを収容する樹脂等で成形されたケースとが、組立性や固定強度等の観点から主に金属タッピングねじにより固定されている。【０００３】
ケースのねじ孔の底面がねじに干渉しないよう、ねじ孔をねじの長さに対し深く形成している。このため、ねじの締結時にねじ先端とねじ孔の底面との間に空隙が存在する。この空隙は、タッピングねじがケースのねじ孔に穿孔した際に発生するケースのくずを吸収する役割も有している。【０００４】
一般に電鉄向け半導体パワーモジュールは大電力を扱う。このため、高電位部（半導体チップのコレクタやエミッタ及びそれらに接続された電極や金属ワイヤ等）と、低電位部（ベース板や金属タッピングねじ等）との間に電圧を印加した際、絶縁物中の電界集中部において部分放電が発生することがある。【０００５】
部分放電は絶縁劣化の指標となる。このため、電鉄向け半導体パワーモジュールでは、所定電圧（例えば定格電圧が６．５ｋＶの場合、５．１ｋＶ）印加時に部分放電耐圧に関する条件を満足させなければならない。【０００６】
しかし、低電位部である金属タッピングねじの先端と、最も空間距離が近い高電位部（例えば電極や金属ワイヤ）との間の電界が強くなることで、ねじ先端とねじ孔底面の間の空隙で部分放電が発生し、部分放電耐圧が不足するという問題があった。【０００７】
近年、開発と生産が進んできたＳｉＣやＧａＮ等のワイドギャップ半導体チップを用いた次世代パワーモジュールにおいては、チップの特性を生かしたモジュールの高耐圧化が進んでいる（例えば定格電圧１３ｋＶ，１６ｋＶ）。モジュールの高耐圧化に伴い、部分放電耐圧に関する要求は更に厳しくなっている。従って、部分放電耐圧の向上は次世代パワーモジュールの高耐圧化に必須の技術課題である。【０００８】
この課題を解決するために、金属製タッピングねじの先端と樹脂ケースのねじ孔の底面との間の空隙に高耐電圧樹脂からなる充填材を充填して加熱硬化させた半導体装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このように空隙に充填材を充填することにより絶縁耐性が向上する。また、充填材を予め硬化させた半導体装置及びその製造方法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。予め充填材を硬化させてねじを締めこむことによって、部分放電特性のばらつきを抑えることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】日本特開２００６−３２３９２号公報
【特許文献２】日本特開２０１３−７４２８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、従来技術では、硬化させた充填材を空隙と同じ高さに制御する必要があるが、充填材の注入量のばらつきや、加熱硬化時における充填材の熱収縮率のばらつき等により、充填材の高さの制御が困難である。充填材が空隙よりも低いと、空隙が残存するため部分放電耐圧が向上しない。充填材が空隙よりも高いと、部分放電耐圧がばらつくとともに、充填材の反発弾性によりねじの固定強度低下、ねじ浮き等につながる。【００１１】
また、特許文献１ではねじ孔内に液状の高耐電圧樹脂を注入した状態で金属製タッピングねじを締め付け、その後に高耐電圧樹脂を硬化させる。しかし、高耐電圧樹脂がねじ孔から外に流れ出さないように、放熱板側を上に向けて硬化まで放置させなければならない。また、熱硬化工程が新たに追加されるため、工程数が増加して加工時間が長くなる。この結果、製造上のスループットが低下するという問題があった。【００１２】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は部分放電耐圧を向上させ、製造ばらつきによる部分放電耐圧のばらつきを抑制し、製造上のスループットの低下を防ぐことができる半導体装置を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る半導体装置は、貫通孔を有する金属製のベース板と、前記ベース板上に設けられた絶縁基板と、前記絶縁基板上に設けられた半導体チップと、前記貫通孔と連通するねじ孔を有し、前記絶縁基板と前記半導体チップを覆い、前記ベース板上に設けられたケースと、前記貫通孔と前記ねじ孔に挿入されて前記ケースを前記ベース板に固定する金属製のねじと、前記ケースの前記ねじ孔の底面と前記ねじの先端との間の空隙に充填された柔軟性を有する軟質材料とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明では、ケースのねじ孔の底面とねじの先端との間の空隙に軟質材料を充填することにより、ねじの先端の電界強度を緩和して半導体装置の部分放電耐圧を向上させることができる。また、柔軟性を有する軟質材料は空隙に圧縮充填できるため、空隙と同じ高さに制御する必要が無く、軟質材料の製造ばらつきによる部分放電耐圧のばらつきや、ケースとベース板の固定強度低下を抑制することができる。また、ねじ孔への軟質材料の挿入の追加工程のみでよく、熱硬化工程が必要ないため、製造上のスループットの低下を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す上面図である。
【図２】図１のＩ−ＩＩに沿った断面図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＶに沿った断面図である。
【図４】図２の破線で囲んだ部分を拡大した断面図である。
【図５】軟質材料の充填方法を説明するための断面図である。
【図６】比較例の部分放電特性を示す図である。
【図７】実施の形態１の部分放電特性を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態２に係る半導体装置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の実施の形態に係る半導体装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
【００１７】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す上面図である。図２は図１のＩ−ＩＩに沿った断面図であり、図３は図１のＩＩＩ−ＩＶに沿った断面図である。図４は図２の破線で囲んだ部分を拡大した断面図である。この半導体装置は電鉄向け半導体パワーモジュールである。
【００１８】
ベース板１は熱伝導性の良い銅、ＡｌＳｉＣ等の金属製であり、四隅に貫通孔２を有する。絶縁基板３がベース板１上に設けられている。絶縁基板３の上面と下面には銅やアルミ等からなる電極パターンが設けられている。半導体チップ４が絶縁基板３上に設けられている。
【００１９】
銅等からなるコレクタ主電極５及びエミッタ主電極６が絶縁基板３の上面電極パターンに電気的に接続されている。アルミ又は銅からなる金属ワイヤ７が半導体チップ４のエミッタ端子と絶縁基板３の上面電極パターン及びエミッタ主電極６を電気的に接続している。
【００２０】
ケース８は、主に樹脂等の絶縁材料からなり、貫通孔２と連通するねじ孔９を有し、絶縁基板３と半導体チップ４を覆い、ベース板１上に設けられている。シリコーンゲル等の絶縁材料からなる封止材１０がケース８内の空間で半導体チップ４と絶縁基板３と金属ワイヤ７を覆う。鉄等の金属製のねじ１１が貫通孔２とねじ孔９に挿入されてケース８をベース板１に固定する。
【００２１】
柔軟性を有する軟質材料１２がケース８のねじ孔９の底面とねじ１１の先端との間の空隙に圧縮充填されている。圧縮されていない状態の軟質材料１２の体積は空隙の体積より大きい。即ち、軟質材料１２の製造上不可避である寸法ばらつきによる最小許容体積が空隙の体積以上となるようにしている。ここでは、軟質材料１２は円柱型に加工した絶縁性シリコーンゴムスポンジである。その体積はφ約３×高さ３ｍｍ＝約２１ｍｍ３であり、空隙の設計体積（中心値）φ約２．８×高さ０．８ｍｍ＝約５ｍｍ３に大して十分大きい体積となっている。なお、軟質材料１２の形状は例えば円柱や直方体等であるが、上記の体積条件を満たし、ねじ孔９への挿入の作業性が良好であれば、どのような形状でもよい。例えば表面に溝を有する形状やテーパ形状等、ねじ孔９から抜けにくい形状であることが好ましい。
【００２２】
また、軟質材料１２は半導体装置の最大動作温度よりも高い耐熱性を持つ。軟質材料１２の体積抵抗率は２．８×１０１５［Ωｃｍ］であり、空気よりも高い絶縁性を有する。このような条件を満たす軟質材料１２は例えばシリコーンゴムスポンジ、フッ素ゴムスポンジ等である。
【００２３】
図５は、軟質材料の充填方法を説明するための断面図である。まず、図５に示すように軟質材料１２をねじ孔９に挿入する。次に、ねじ１１を締結することにより、図４に示すように、軟質材料１２はケース８のねじ孔９の底面とねじ１１の先端との間の空隙の体積まで圧縮充填される。
【００２４】
続いて、本実施の形態の効果を比較例と比較して説明する。比較例は軟質材料１２が存在しない点が実施の形態１とは異なる。図６は比較例の部分放電特性を示す図である。図７は実施の形態１の部分放電特性を示す図である。比較例では、電圧印加中の部分放電開始電圧（放電電荷が１０ｐＣを上回った時の電圧）が４．９ｋＶ、部分放電消滅電圧（放電電荷が１０ｐＣを下回った時の電圧）が５．１ｋＶであった。一方、実施の形態１では印加中に部分放電が生じなかった。従って、実施の形態１では比較例に比べて部分放電耐圧が向上していることが分かった。
【００２５】
このように本実施の形態では、ケース８のねじ孔９の底面とねじ１１の先端との間の空隙に軟質材料１２を充填することにより、ねじ１１の先端の電界強度を緩和して半導体装置の部分放電耐圧を向上させることができる。
【００２６】
また、柔軟性を有する軟質材料１２は空隙に圧縮充填できるため、空隙と同じ高さに制御する必要が無く、軟質材料１２の製造ばらつきによる部分放電耐圧のばらつきや、ケース８とベース板１の固定強度低下を抑制することができる。また、ねじ孔９への軟質材料１２の挿入の追加工程のみでよく、熱硬化工程が必要ないため、製造上のスループットの低下を防ぐことができる。
【００２７】
また、圧縮されていない状態の軟質材料１２の体積を空隙の体積より大きくすることにより、充填する軟質材料１２の製造ばらつきに伴う部分放電耐圧のばらつきを抑制することができる。
【００２８】
また、軟質材料１２は半導体装置の最大動作温度よりも高い耐熱性を持つため、高温動作環境下においても空隙の充填機能を維持することができる。また、軟質材料１２が空気よりも高い絶縁性を有することにより充填箇所の耐電圧性が向上するため、半導体装置の部分放電耐圧と絶縁破壊耐量を更に向上させることができる。なお、ねじ１１として絶縁性ねじを用いてもよい。この絶縁性ねじはベース板１から絶縁されるため、部分放電耐圧は更に向上する。
【００２９】
実施の形態２．
図８は本発明の実施の形態２に係る半導体装置を示す断面図である。ケース８のねじ孔９の側面及び底面に金属めっき膜等の導電皮膜１３が設けられている。その他の構成は実施の形態１と同様である。
【００３０】
導電皮膜１３によって、ベース板１を通じて接地されているねじ１１とねじ孔９の底面を同電位にすることができる。一般に同電位間の電界強度は異電位間の電界強度よりも低いことから、実施の形態１に比べ更にねじ１１の先端の電界強度を緩和して半導体装置の部分放電耐圧を向上させることができる。
【００３１】
実施の形態３．
実施の形態３では軟質材料１２は、半導体装置の最大動作温度よりも高い耐熱性と導電性を有する材料である。例えば、軟質材料１２は、立方体に加工した導電性シリコーンゴムスポンジ又は導電性フッ素ゴムスポンジである。導電性シリコーンゴムスポンジの体積は長さ３×幅３×高さ３ｍｍ＝約２７ｍｍ３であり、空隙の設計体積（中心値）φ約２．８×０．８ｍｍ＝約５ｍｍ３に対し、十分大きい体積となっている。また、体積抵抗率は３．０×１０４［Ωｃｍ］であり、完全導体ではないが導電性を有している。その他の構成は実施の形態１と同様である。
【００３２】
導電性の導電皮膜１３によってベース板１を通じて接地されているねじ１１とねじ孔９の底面を同電位にすることができるため、実施の形態２と同様の効果を得ることができる。さらに、軟質材料１２の挿入のみによりねじ１１とねじ孔９の底面を同電位にすることできるため、実施の形態２に比べ製造コストを低減でき、組立作業性が向上する。また、実施の形態１とは軟質材料１２の形状が異なるが、どちらにおいても部分放電耐圧の向上が確認できた。従って、体積条件を満たし、ねじ孔９への挿入作業性が良好であれば、部分放電耐圧向上効果は軟質材料１２の形状によらない。
【００３３】
なお、半導体チップ４は、珪素によって形成されたものに限らず、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成されたものでもよい。ワイドバンドギャップ半導体は、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、又はダイヤモンドである。これにより、半導体装置の高耐圧化と部分放電耐圧の向上によって更なる超高耐圧デバイスを実現できる。また、ワイドバンドギャップ半導体によって形成された半導体チップ４は、耐電圧性や許容電流密度が高いため、小型化できる。この小型化された半導体チップ４を用いることで、この半導体チップ４を組み込んだ半導体装置も小型化できる。また、半導体チップ４の耐熱性が高いため、ヒートシンクの放熱フィンを小型化でき、水冷部を空冷化できるので、半導体装置を更に小型化できる。また、半導体チップ４の電力損失が低く高効率であるため、半導体装置を高効率化できる。
【符号の説明】
【００３４】
１  ベース板、２  貫通孔、３  絶縁基板、４  半導体チップ、８  ケース、９  ねじ孔、１１  ねじ、１２  軟質材料、１３  導電皮膜
【図１】
2016006065.tif 000003
【図２】
2016006065.tif 000004
【図３】
2016006065.tif 000005
【図４】
2016006065.tif 000006
【図５】
2016006065.tif 000007
【図６】
2016006065.tif 000008
【図７】
2016006065.tif 000009
【図８】
2016006065.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成28年7月8日(2016.7.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
貫通孔を有する金属製のベース板と、
前記ベース板上に設けられた絶縁基板と、
前記絶縁基板上に設けられた半導体チップと、
前記貫通孔と連通するねじ孔を有し、前記絶縁基板と前記半導体チップを覆い、前記ベース板上に設けられたケースと、
前記貫通孔と前記ねじ孔に挿入されて前記ケースを前記ベース板に固定する金属製のねじと、
前記ケースの前記ねじ孔の底面と前記ねじの先端との間の空隙に圧縮充填された柔軟性を有する軟質材料とを備え、
圧縮されていない状態の前記軟質材料の体積は前記空隙の体積より大きいことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記軟質材料は前記半導体装置の最大動作温度よりも高い耐熱性を持つ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】
前記軟質材料は空気よりも高い絶縁性を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記ケースの前記ねじ孔の側面及び前記底面に設けられた導電皮膜を更に備えることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記軟質材料は導電性を有する材料であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項６】
半導体チップはワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の半導体装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
本発明に係る半導体装置は、貫通孔を有する金属製のベース板と、前記ベース板上に設けられた絶縁基板と、前記絶縁基板上に設けられた半導体チップと、前記貫通孔と連通するねじ孔を有し、前記絶縁基板と前記半導体チップを覆い、前記ベース板上に設けられたケースと、前記貫通孔と前記ねじ孔に挿入されて前記ケースを前記ベース板に固定する金属製のねじと、前記ケースの前記ねじ孔の底面と前記ねじの先端との間の空隙に圧縮充填された柔軟性を有する軟質材料とを備え、圧縮されていない状態の前記軟質材料の体積は前記空隙の体積より大きいことを特徴とする。
【国際調査報告】
2016006065.tif 000011
2016006065.tif 000012
2016006065.tif 000013
2016006065.tif 000014