(57)【要約】【課題】電荷発生源からの電荷注入を抑制することで、リーク電流の増大を抑制し、高絶縁信頼性を有する半導体装置を提供する。【解決手段】ベース板４上に配設され上部電極５を有する絶縁基板６と、絶縁基板６上に配設された半導体チップ８と、外部と電気的に接続するための外部端子１と、外部端子１および上部電極５および半導体チップ８間を電気的に接続するワイヤ３とがケース２に収納され、ケース２内に各部品を封止するための封止材１２が充填され、封止材１２の上部を保護する蓋１０を備えた半導体装置において、ワイヤ３の周囲に、封止材１２より低帯電にて成る絶縁性の低帯電材９を配設するものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース板上に配設され電極を有する絶縁基板と、上記絶縁基板上に配設された半導体チップと、外部と電気的に接続するための外部端子と、上記外部端子および上記電極および上記半導体チップ間を電気的に接続する電気接続手段とがケースに収納され、上記ケース内に上記各部品を封止するための封止材が充填され、上記封止材の上部を保護する蓋を備えた半導体装置において、上記電気接続手段の周囲に、上記封止材より低帯電にて成る絶縁性の低帯電材を配設したことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
上記半導体チップのガードリングに近接する位置に配設されている上記電気接続手段のみに、上記低帯電材を配設した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】
上記電気接続手段が複数存在する半導体装置において、テープ状にて成る上記低帯電材を、複数の上記電気接続手段を纏めて取り囲むように配設したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
ベース板上に配設され電極を有する絶縁基板と、上記絶縁基板上に配設された半導体チップと、外部と電気的に接続するための外部端子と、上記外部端子および上記電極および上記半導体チップ間を電気的に接続する電気接続手段とがケースに収納され、上記ケース内に上記各部品を封止するための封止材が充填され、上記封止材の上部を保護する蓋を備えた半導体装置において、上記電気接続手段の仕事関数より大きい仕事関数を有する金属材を配設したことを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
上記半導体チップのガードリングに近接する位置に配設されている上記電気接続手段のみに、上記仕事関数の大きい金属材を配設することを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
【請求項６】
上記電気接続手段が複数存在する半導体装置において、テープ状にて成る上記仕事関数の大きい金属材を、複数の上記電気接続手段を纏めて取り囲むように配設したことを特徴とする請求項４または請求項５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、電荷発生源からの電荷注入を抑制することで、高絶縁信頼性を有する半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、モータやヒータなどの電子機器に流れる大電流を信頼性よく制御するためのパワーモジュールに対する需要がますます増大している。こうしたパワーモジュールは、例えば絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）などの電力用半導体チップと、これを封止する絶縁性封止樹脂とを有し、極めて高い電圧が印加されるコレクタ電極（正極）およびエミッタ電極（負極）の間で、通常の電流路を介さないリーク電流が生じないように、高い耐圧保持構造を有するように設計することが求められている。従来式の高耐圧保持構造の一例として、ガードリングが提案されている。このガードリングは、半導体チップの上面の周縁領域を周回するように形成された複数の離間した導電性リングと、隣接する導電性リングの間に充填された封止樹脂などの絶縁物により構成された複数の容量性素子からなり、半導体チップの沿面方向の電界を緩和することにより、リーク電流を抑制する。こうして、ガードリングを周縁領域に配置することにより、上面の中央領域に配置されたエミッタ電極と下面に配置されたコレクタ電極との間の沿面方向における絶縁耐圧が確保される。
【０００３】
また、高温高湿度の環境中におけるリーク電流については、１０６ｄｙｎ／ｃｍ２以上の弾性率を有する第１の絶縁物で各半導体素子の側面および上面の周縁部を被膜するとともに、１０６ｄｙｎ／ｃｍ２以下の弾性率を有する第２の絶縁物を絶縁容器内に充填することが開示されている。こうして構成された半導体装置において、第２の絶縁物にクラックが入り、そこに絶縁容器の外部から侵入した水分が滞留したとしても、第１の絶縁物により、水分が各半導体素子の側面および上面の周縁部に達することを防止され、リーク電流の発生が抑制される。そして、高温高湿度の環境下において、各半導体素子の側面および上面の周縁部に滞留する水分に起因した絶縁耐圧の低下を防止することができる（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平７−３００１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の半導体装置は、エミッタ電極とコレクタ電極との間に高電圧を印加したとき、常温動作状態でもリーク電流が増大し、ＩＧＢＴチップやＤiチップなどの半導体チップのスイッチング誤作動または過電流破壊といった不具合が発生する可能性が有る問題点をあった。このリーク電流は、エミッタ電極に電気的に接続される導電性ワイヤとガードリングとの間に生じる強い電界に起因して、ガードリング上に負電荷が蓄積し、これにより半導体積層構造内部に空乏層が過剰に形成され、空乏層を介して電流が流れるために増大するものと考えられる。また、電界が最も高くなるガードリング直上にワイヤが位置した場合、電荷の発生源であるワイヤ側からは継続的に電荷が発生するため、長期的には封止材中へ注入される電荷量が増大し、リーク電流が増大し、半導体チップを誤動作させる可能性が有る問題点があった。また、Ｓｉに変わりＳｉＣ等のチップを使用した場合、チップ動作温度が上昇することでワイヤから封止材中に電荷が注入されやすくなり、リーク電流が増大し、半導体チップを誤動作させる可能性が有る問題点があった。
【０００６】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、リーク電流増大の元となる電荷発生源からの電荷注入を抑制することで高絶縁信頼性を有する半導体装置を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明は、ベース板上に配設され電極を有する絶縁基板と、絶縁基板上に配設された半導体チップと、外部と電気的に接続するための外部端子と、外部端子および電極および半導体チップ間を電気的に接続する電気接続手段とがケースに収納され、ケース内に各部品を封止するための封止材が充填され、封止材の上部を保護する蓋を備えた半導体装置において、電気接続手段の周囲に、封止材より低帯電にて成る絶縁性の低帯電材を配設するものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明の半導体装置は、ベース板上に配設され電極を有する絶縁基板と、絶縁基板上に配設された半導体チップと、外部と電気的に接続するための外部端子と、外部端子および電極および半導体チップ間を電気的に接続する電気接続手段とがケースに収納され、ケース内に各部品を封止するための封止材が充填され、封止材の上部を保護する蓋を備えた半導体装置において、電気接続手段の周囲に、封止材より低帯電にて成る絶縁性の低帯電材を配設するので、低帯電材または仕事関数の大きな金属材により電気接続手段からの封止材への抜本的な電荷注入抑制が可能となり、これが起因となり発生するリーク電流を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
以下、本願発明の実施の形態について説明する。図１はこの発明の実施の形態１による半導体装置の構成を示す断面図、図２は図１に示した半導体装置の半導体チップのガードリング近傍の構成を示す断面図、図３は従来の半導体装置の半導体チップのガードリング近傍の構成を示す断面図、図４は図１に示した実施の形態１による半導体装置の要部の構成を示す断面図、図５は本発明の半導体装置と従来の半導体装置とのリーク電流の発生時間を比較するための図、図６は封止材と低帯電材との空間電荷の発生のし易さを示した相対図、図７はこの発明の実施の形態１と従来品とのリーク電流（平均値）比を示した相対図である。
【００１０】
図１において、半導体装置は、ベース板４上に配設され例えば半田により接合されている上部電極５および下部電極７を有する絶縁基板６と、絶縁基板６上に配設され例えば半田により接合されている例えばＩＧＢＴ、ダイオード等にて成る複数の半導体チップ８と、外部と電気的に接続するための複数の外部端子１と、半導体チップ８と外部電極１の間、半導体チップ８同士、外部電極１と上部電極５の間を電気的に接続する電気接続手段としてのワイヤ３とがケース２に収納されている。そして、ケース２内に各部品（ここで言う各部品とは、外部端子１、上部電極５、下部電極６、ベース板４、半導体チップ８およびワイヤ３などを指す）を封止するために例えばシリコンゲルにて成る封止材１２が充填され、封止材１２の上部を保護する例えばエポキシ樹脂にて成る保護樹脂１１と蓋１０を備えている。そして、ワイヤ９の周囲に、封止材１２より低帯電にて成る絶縁性の低帯電材９が配設されている。
【００１１】
次に、低帯電材９の配設位置の詳細について説明する。半導体チップ８には電界緩和のためにガードリング１４が設けられている。そして、図２に示すようにガードリング１４（ガードリング１４は図２においては４本の例にて示しているが、ガードリング１４の本数は半導体チップ種類により適宜設定される。）の直上に位置するワイヤ３のみにシリコーンゴム、高硬ゲル、ポリイミド樹脂等のようにイオン性物質（Ｎａ＋、Ｋ＋、Ｃｌ−等）濃度が少ない（望むべきは１ｐｐｍ以下）低帯電材９を設けた構造になっている。尚、ガードリング１４の直上に位置するワイヤ３は数本ある場合が多く、実際には図４に示すように、低帯電材９は各ワイヤ３の周囲を覆って形成されている。低帯電材９のワイヤ３への被覆は、直接ワイヤ３に塗布して構成してもよいし、または、ワイヤ３の表面に熱収縮性チューブにて成る低帯電材９をワイヤ３に巻きつけ、熱により収縮させることで低帯電材９をワイヤ３に被服させてもよい。
【００１２】
上記のように構成された実施の形態１の半導体装置によれば、高耐圧化により高電界部となるガードリング１４部表面での電荷発生や、図３に示すような従来発生していたワイヤ３からの封止材１２を通しての電荷１７が注入される現象を、図２に示すように低帯電材９により抑制することができる。一例として図６に封止材１２（ゲル）、低帯電材９（ゴム）の電荷発生の度合いを示している。図６に示すように、低帯電材９が封止材１２より高い電界でも電荷が発生しないことは明らかであり、この効果を明確にしている。また、図７に示すように、ワイヤ３表面に何も無い被覆していない図３の場合（従来品または従来の半導体装置とする）に比較して図２の場合（実施の形態１または本発明の半導体装置）は、リーク電流を約１／１００（実測値）に抑制することでき半導体装置の絶縁信頼性の向上が可能となる。またこのことは、図５に示すように、従来の半導体装置と本発明の半導体装置とのリーク電流増大の発生時間を比較すると、従来の半導体装置の方が本発明の半導体装置よりも短い時間で発生しており、絶縁信頼性が向上していることは明らかである。
【００１３】
また、ここでは図２に示すように、ガードリング１４部直上のワイヤ３のみに低帯電材９を設けており、半導体チップ８上面のワイヤ３とエミッタ電極１５とが接続する部分Ａのワイヤ３には低帯電材９が存在しない。このため、高温度サイクルにおける低帯電材９（封止材１２であるゲルより固い材質を使用した場合）の熱収縮により、ワイヤ３のこの接続する部分Ａが切断されるという現象を防止することができ、半導体装置の機械的信頼性の向上が可能となる。
また、半導体チップ８とワイヤ３の接合部を除いた半導体チップ８のガードリング内側の表面部に低帯電材９を設ければ、半導体チップ８側からの電荷放出を抑えることができ、機械的信頼性も向上し、かつリーク電流抑制も可能となる。
【００１４】
上記のように構成された実施の形態１の半導体装置によれば、ガードリング部近傍のワイヤ部に設けた低帯電材により、ワイヤから封止材への抜本的な電荷注入抑制が可能となり、これが起因となり発生するリーク電流増大を抑制し、半導体チップのスイッチング誤作動または過電流破壊といった不具合を防止できる高い耐圧性および高い信頼性を有する半導体装置を実現することができる。また、低帯電材を電気接続手段全域に設ける必要が無くなり、低帯電材の部材使用量が減り、かつ作業時間が短縮されるため、低コストで効率よく信頼性の高い半導体装置を製作することができる。
【００１５】
また、シリコーンゴム、高硬ゲル、またはポリイミド樹脂を主成分とする材料からなる低帯電材をガードリング上部に配設することによりワイヤから封止材を通過して注入された電荷が低帯電材で止まり、ガードリングに影響を与えず、リーク電流を抑制し、高信頼性および高耐圧性を有するパワーモジュールを実現する方法も考えられるが、本願発明では、リーク電流発生の原因となるワイヤから封止材への抜本的な電荷注入抑制が可能となり、リーク電流を効率的に抑制できることは言うまでもない。
【００１６】
尚、上記実施の形態１においては、低帯電材はガードリング直上のワイヤ（ガードリング近傍のワイヤ）部分に設置している例を示しているが、その設置範囲についてはガードリング直上部を被覆していれば同様の効果が得られるためにガードリング幅を超えても同様の効果を奏することが可能である。また、リーク電流の増大にはワイヤからガードリング上部方向への電荷の注入が問題となる。このため、ワイヤのガードリング側の半円程度のみを低帯電材で覆ってもリーク電流抑制効果が得られる。また、半導体チップの温度上昇を考慮し、低帯電材に封止材より低帯電にて成る絶縁性の耐熱シリコーンゴムや耐熱樹脂を使用すれば高温動作領域での信頼性も向上する。
【００１７】
実施の形態２．
一般的に半導体装置のワイヤ３の材質としてはコストおよび製造方法の簡便さなどの様々な要因からＡｌが使用されている。本実施の形態２においては図１に示した半導体装置おいて低帯電材９に代えて、ワイヤ３を図８に示すようなワイヤ３の材質であるＡｌに対して仕事関数の大きな金属材（Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ等）を例えばめっきしてワイヤ３の周囲に配設（被覆）したものを使用する。仕事関数は電荷（電子）が固体表面の電位障壁を超えて外部に飛び出すエネルギーの大きさを示しており、仕事関数が大きい金属材ほど電荷の放出が抑制される。
【００１８】
上記のように構成された実施の形態２の半導体装置によれば、ワイヤが仕事関数の大きな金属にて被覆されているため、コレクタ電極側であるワイヤは負電極となり、仕事関数の大きな金属材は負電荷の注入を抑制するため、ワイヤに仕事関数の大きな金属材をメッキすることにより、負電荷の封止材への注入を抑制でき、これが起因となり発生するリーク電流増大を抑制し、半導体チップのスイッチング誤作動または過電流破壊といった不具合を防止できる高い耐圧性および高い信頼性を有する半導体装置を実現することができる。さらに、仕事関数の大きな金属材をガードリング部直上のみ設けることで、ワイヤと電極部との接合部の機械的信頼性を向上させる。また、仕事関数の大きな金属材は全領域に設ける必要が無いため低コスト化できるなどという上記実施の形態１と同様の効果を奏することができる。
【００１９】
尚、上記実施の形態２においては、ワイヤ自体をＡｌで形成する例を示したがこれに限られることはなく、ワイヤ自体を、Ａｌより仕事関数の大きな金属材（Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ等）にて形成しても本実施の形態２と同様の効果を奏することが可能である。この場合、ワイヤにめっきをする等の工程が必要なくなり、作業時間が短縮されるため、効率よく信頼性の高い半導体装置を製作することができる。さらに、半導体チップ８に形成されているエミッタ電極１５の表面をＡｌより仕事関数の大きな金属材（Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ等）にてめっきすれば、半導体チップ８側からの電荷放出を抑えることができ、リーク電流抑制が可能となるため、より信頼性の高い半導体装置を製作することができる。
【００２０】
尚、上記各実施の形態においてはワイヤのガードリングの近傍する位置に、低帯電材、または、仕事関数の大きな金属材を配設する例を示したが、これに限られることはなく、低帯電材と仕事関数の大きな金属材と両方を配設する場合も考えられる。また、上記各実施の形態においては電気接続手段をガードリングの近傍する位置のみに、低帯電材、または、仕事関数の大きな金属材を配設する例を示したが、これに限られることは、低コスト化等を考慮に入れる必要がない場合には、電気接続手段の全てに、低帯電材、または、仕事関数の大きな金属材の少なくともいずれか一方を配設しても、リーク電流の抑制に関しては同様の効果を奏することは言うまでもない。
【００２１】
実施の形態３．
上記各実施の形態においてはワイヤ３を一本づつ低帯電材または仕事関数の大きな金属材の少なくともいずれか一方を配設する例を示したが、これに限られることはなく、例えば、図９に示すように低帯電材または仕事関数の大きな金属材の少なくもといずれか一方を使用したテープ材１８を使用し、数本のワイヤ３を一度に被覆してもよい。このように構成すれば、上記各実施の形態と同様の効果を奏するのはもちろんのこと、ワイヤを１本１本処理する手間が省けるため、上記各実施の形態と同様にワイヤからの電荷注入抑制効果を奏するのはもちろんのこと、効率よく信頼性の高い高耐圧モジュールを製作することができる。
【００２２】
尚、上記各実施の形態においては、理解を容易にするために電気接続手段としてワイヤを用いた例を示しているが、電気接続手段としては、球電極（球電極表面に低帯電材を配設したり仕事関数の大きな金属材をめっきする、または、仕事関数の大きな金属材にて成る球電極を使用する）やインターポーザやプリント配線基板を使用していても同様の効果が得られることは言うまでもない。また、ケース型の半導体装置の例にて説明しているが、トランスファーモールド型の半導体装置などの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本願発明は同様に構成することが可能であり同様の効果を奏することが可能である。また、半導体チップはＳｉチップだけで無くＳｉＣチップでも同様の効果が得られるし、ＤｉやＩＧＢＴ以外のトランジスタやＩＣ等でも同様の効果が得られることは言うまでもない。さらに、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同様に構成することが可能であり同様の効果を奏することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】この発明の実施の形態１による半導体装置の構成を示す断面図である。
【図２】図１に示したる半導体装置のチップ近傍部の構成を示す断面図である。
【図３】従来の半導体装置のチップ近傍部の構成を示す断面図である。
【図４】図１に示した実施の形態１による半導体装置の要部の構成を示す断面図である。
【図５】この発明の半導体装置と従来の半導体装置とのリーク電流の発生時間を比較するための図である。
【図６】封止材と低帯電材との空間電荷の発生のし易さを示した相対図である。
【図７】この発明の実施の形態１と従来構造とのリーク電流（平均値）比を示した相対図である。
【図８】この発明の実施の形態２における半導体装置を説明するためのＡｌに対する仕事関数の大きさを示した相対図である。
【図９】この発明の実施の形態３における実施の形態１による半導体装置の要部の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２４】
１  外部端子、２  絶縁ケース、３  ワイヤ、４  ベース板、５  上部電極、
６  絶縁基板、７  下部電極、８  半導体チップ、９  低帯電材、１０  蓋、
１２  封止材、１３  チップ近傍部、１４  ガードリング、１５  エミッタ電極、
１７  ワイヤから封止材に注入された電荷、１８  テープ材。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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