(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
放熱板と、前記放熱板上に取付けられた絶縁基板と、前記絶縁基板の周囲部を露出させるように前記絶縁基板上に選択的に形成された導電体と、前記導電体上に配置された半導体素子と、前記絶縁基板を囲うように前記放熱板上に設けられた容器本体と、前記容器本体を貫通して保持され、前記半導体素子に電気的に接続された外部端子と、前記容器本体内に充填される充填部材とを備えた半導体装置において、
前記導電体の外周部上並びに前記絶縁基板の周囲部上に固化した樹脂部材を備えており、
前記樹脂部材は前記放熱板には塗られていないことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記樹脂部材の高さは、前記半導体素子の表面を越えることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の半導体装置において、
前記樹脂部材は、粉末状の酸化アルミニウム、エポキシ樹脂又はポリエステル樹脂を含有することを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の電力用スイッチング素子が搭載されたパワートランジスタモジュールなどの半導体装置に係り、特に、絶縁破壊を防止し、高耐圧化を図り得ると共に、信頼性を向上し得る半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor ）等の複数の電力用スイッチング素子が搭載されたモジュール構造を有する半導体装置では、高耐圧のモジュールが開発されているが、より一層の高耐圧化が強く望まれている。
【０００３】
この種の高耐圧化には、現状では放熱設計の優れたダイレクト接合構造を改良することが考えられる。なお、ダイレクト接合構造は、熱伝導性の良い窒化アルミニウム（以下、ＡｌＮという）基板上に銅箔を付けたＤＢＣ（direct bond copper）基板を用い、熱抵抗の低下と共に、構造の簡素化を図ったパッケージ技術である。
【０００４】
図６は係るダイレクト接合構造を有する半導体装置の構成を示す断面図である。この半導体装置は、周囲部を残して上面に銅箔１が付けられた絶縁性のＡｌＮ基板２における銅箔１上に複数の半導体素子（チップ）３が配置され、各半導体素子３が互いにリード線４を介して電気的に接続されている。
【０００５】
ＡｌＮ基板２の底面は金属製の放熱板５の中央部に取付けられ、放熱板５の周囲部上にはＡｌＮ基板２の周囲全体を囲うようにケース６が取付けられている。
また、ケース６の内側上部には、外部端子用リード線７及び開口部８ａを有するターミナルホルダ８がケース６に蓋をするように取付けられている。なお、外部端子用リード線７は、ケース６内の半導体素子３と外部との間で電気的に導通をとるための部材である。
【０００６】
ここで、放熱板５、ケース６、ターミナルホルダ８で囲まれたモジュール内部には、前述した開口部８ａを介して絶縁部材としてのシリコーンゲル９が流し込まれ、シリコーンゲル９の硬化の後、開口部８ａが封止部材１０にて密封されている。
【０００７】
このようなダイレクト接合構造は、熱伝導性の良いＡｌＮ基板を用いて放熱板との間の熱伝導性を向上させ、また、半導体素子を銅箔１付きのＡｌＮ基板２にダイレクトにボンディングすることでモリブデン板やはんだ部材を減らしている。すなわち、前述の如く、熱抵抗の低下と共に構造の簡素化が図られており、放熱設計の優れた技術となっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら以上のような半導体装置では、高耐圧化に際して、放熱設計は優れているものの、絶縁破壊に関する問題が残っている。
すなわち、上述した半導体装置は、絶縁部材としてシリコーンゲル９が使用されるが、シリコーンゲル９は通常の個体絶縁物に比べて破壊電圧が低いという性質をもっている。
【０００９】
このため、シリコーンゲル９とＡｌＮ基板との界面では、両者の沿面距離（半導体素子３端部からＡｌＮ基板２端部までの長さ）が短いことから沿面破壊に至る可能性がある。また、同界面では両者の接着性が悪いことから沿面放電が生じ易くなっている。
【００１０】
このような沿面破壊や沿面放電は、定格で駆動する際には発生しないので問題ないが、高耐圧モジュールの開発において、定格を越える電圧で駆動する際には発生することが考えられる。また一旦、沿面破壊や沿面放電が発生すると、絶縁破壊電圧を低下させて絶縁破壊に至りやすい。
【００１１】
従って、高耐圧化を図り、且つ信頼性を向上させる観点から、このような沿面破壊や沿面放電を阻止し、絶縁破壊を防止することが必要となっている。
本発明は上記実情を考慮してなされたもので、絶縁破壊を防止し、高耐圧化を図り得ると共に、信頼性を向上し得る半導体装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の骨子は、ＤＢＣ基板の周囲部と充填材のシリコーンゲルとの２種類の絶縁物界面における沿面破壊や沿面放電を阻止する構成により、高耐圧化を図るものである。
【００１３】
ここで、両絶縁物の界面で沿面破壊や沿面放電を阻止するには、両絶縁物の間に両者よりも高い破壊電圧をもつ絶縁物（エポキシ樹脂又はポリエステル樹脂等）を介在させる高耐圧化方式と、両絶縁物の界面の電界を緩和させる電界緩和方式とが考えられる。
【００１４】
高耐圧化方式は、電界緩和も兼用するが、特に、盛上げ又は固体接着により、介在させる絶縁物を厚く設けることが貫通破壊を阻止する観点から好ましい。
電界緩和方式には、両絶縁物の間に両者の中間の誘電率をもつ絶縁物を全体的さらには局所的にも介在させる材質的な方式と、両絶縁物の界面にて沿面放電し易い先鋭な形状（角部や荒れた表面など）を無くすための加工的な方式とがある。
【００１５】
材質的な方式には、両絶縁物の間に樹脂（エポキシ又はポリエステル等）を塗布する方式と、さらに樹脂中に粉末状のセラミック（酸化アルミニウム（以下、Ａｌ2 Ｏ3 という）又はＡｌＮ等）を充填する方式とが適用可能となっている。
【００１６】
加工的な方式には、銅箔の全ての端部又は角部などを樹脂で覆ってＡｌＮ基板に密着させる密着方式と、ＤＢＣ基板の周囲部表面を研磨して円滑にする研磨方式とが考えられる。
【００１７】
なお、以上の各方式は、本発明者により実験的に見出されている。例えば、研磨方式を考えるのに次のような実験が行われた。
ＡｌＮ単体を球対平板電極により、絶縁液体のパーフロロカーボン中（比誘電率１．８６）で絶縁破壊させたとき、破壊場所が球の接触部から少し離れた位置となる。
【００１８】
また、ＡｌＮ基板をパーフロロカーボン中で絶縁破壊させたとき、破壊場所が銅箔の端部となり、破壊電圧の値が１割位上昇する。
一方、ＡｌＮ基板をシリコーンゲル中（比誘電率約２．８）で破壊させたとき、破壊場所が銅箔の端部から離れた位置となり、さらに破壊電圧の値が１割位上昇する。
【００１９】
なお、パーフロロカーボン中の破壊では部分放電の痕が電極周辺に一様に見られる。一方、シリコーンゲル中の破壊では放電痕が部分的にツリー状に見られる。
【００２０】
ここで、銅箔の端部から外側のＡｌＮ基板表面を３μｍだけ研磨仕上げしてシリコーンゲル中で破壊すると、また、１割位の破壊電圧の値が１割位上昇する。
以上より、部分放電痕の数（又は面積）と、破壊電圧の値とが比例の関係にあり、表面の円滑さと、破壊電圧の値とが比例の関係にあると推測される。
すなわち、ＡｌＮ基板では、絶縁破壊が部分放電により生じ易く、部分放電が表面の不整により生じ易いことが分かる。これにより、上述した研磨方式が見出された。他の各方式も詳述はしないが、同様に実験的に見出されている。
【００２１】
なお、上述した各方式は独立して使用可能であり、また適宜、他の方式と組合せて使用してもよい。また、上述した骨子を満たすものであれば、ここに述べない絶縁物を用いても実施可能であり、本発明の範囲に包含される。
【００２２】
さて、以上のような本発明の骨子に基づき、具体的には以下のような手段が講じられる。
請求項１に対応する発明は、放熱板と、前記放熱板上に取付けられた絶縁基板と、前記絶縁基板の周囲部を露出させるように前記絶縁基板上に選択的に形成された導電体と、前記導電体上に配置された半導体素子と、前記絶縁基板を囲うように前記放熱板上に設けられた容器本体と、前記容器本体を貫通して保持され、前記半導体素子に電気的に接続された外部端子と、前記容器本体内に充填される充填部材とを備えた半導体装置において、前記導電体の外周部上並びに前記絶縁基板の周囲部上に固化した樹脂部材を備えており、前記樹脂部材が前記放熱板には塗られていない半導体装置である。
【００２３】
また、請求項２に対応する発明は、請求項１に対応する半導体装置において、前記樹脂部材の高さが前記半導体素子の表面を越える半導体装置である。
さらに、請求項３に対応する発明は、請求項１又は請求項２に対応する半導体装置において、前記樹脂部材が、粉末状の酸化アルミニウム、エポキシ樹脂又はポリエステル樹脂を含有する半導体装置である。
【００３１】
（作用）
従って、請求項１に対応する発明は以上のような手段を講じたことにより、導電体の外周部上並びに絶縁基板の周囲部上に固化した樹脂部材を備えたことにより、導電体の外周部と絶縁基板の周囲部とが密着すると共に、両者の界面に樹脂が存在することから、両者の界面での電界が緩和されて沿面放電が生じ難くなるので、絶縁破壊を防止し、高耐圧化を実現できると共に、信頼性を向上させることができる。
【００３２】
また、請求項２に対応する発明は、樹脂部材の高さが半導体素子の表面を越えるので、請求項１に対応する作用に加え、厚い樹脂部材により、導電体の外周部から樹脂部材を貫通する貫通破壊を阻止し、沿面破壊を完全に防止することができる。
【００３３】
さらに、請求項３に対応する発明は、樹脂部材が粉末状の酸化アルミニウム、エポキシ樹脂又はポリエステル樹脂を含有するので、請求項１又は請求項２に対応する作用に加え、より一層、電界を緩和し、沿面放電を生じ難くすることができる。
【００４１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施形態について図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図であり、図６と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。なお、以下の各実施形態も同様にして重複した説明を省略する。
【００４２】
すなわち、本実施形態は、絶縁性のＡｌＮ基板２とその周辺のシリコーンゲル９との間の沿面破壊や沿面放電を防止して信頼性の向上を図るものであり、具体的には、ＡｌＮ基板２の周囲部上と、周囲部に面した銅箔１の端部とを樹脂１１で固めた構成となっている。
【００４３】
ここで、樹脂１１としては、シリコーンゲル９よりも高い破壊電圧を有し、且つＡｌＮ基板２との良好な接着性をもつ樹脂が好ましく、ここではエポキシ樹脂が使用されている。他にはポリエステル樹脂が使用可能となっている。
【００４４】
樹脂１１の厚さは、半導体素子３からＡｌＮ基板２端部までの沿面距離に関係があり、沿面距離が長ければ薄くても絶縁破壊の防止効果がある。なお、沿面距離がＡｌＮ基板２の厚さと同程度の場合、樹脂１１を盛上げた構造により、さらに、防止効果を向上可能である。
【００４５】
なお、樹脂１１は、放熱板５には塗らないことが重要である。理由は、樹脂１１を放熱板５に塗り固めた場合、ＡｌＮ基板２と放熱板５の熱膨張率の違いにより、ヒートサイクルで樹脂１１が剥離し、沿面破壊を生じ易くするという逆効果をもたらすからである。
【００４６】
以上のような構成によれば、銅箔１の外周部上並びにＡｌＮ基板２の周囲部上に固化した樹脂１１を備えたことにより、銅箔１の外周部とＡｌＮ基板２の周囲部とが密着すると共に、両者の界面に樹脂１１が存在することから、両者の界面での電界が緩和されて沿面放電が生じ難くなるので、絶縁破壊を防止し、高耐圧化を実現できると共に、信頼性を向上させることができる。
【００４７】
また、銅箔１の外周部上並びにＡｌＮ基板２の周囲部上に固化した樹脂１１を備えたことにより、この樹脂１１が補強材としても作用することから、銅箔１とＡｌＮ基板２の接合の信頼性を向上でき、また、ＡｌＮ基板２の機械的強度を向上できるので、ＤＢＣ基板の小形化をも図ることができる。
【００４８】
なお、銅箔１の端部としては周囲部のみを全周にわたり樹脂で固めたが、ＡｌＮ基板２の周囲部に面した端部だけでなく、内部パターンの周囲部（図示せず）といった銅箔１の全ての端部を樹脂１１で固めると、より一層、絶縁破壊を抑制することができる。
【００４９】
あるいは、通常、四角形である銅箔１の角部のみを樹脂で固めた構成としても、ある程度は絶縁破壊を抑制することができる。
（第２の実施形態）
図２は本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。
【００５０】
本実施形態は、第１の実施形態の変形構成である。例えば、第１の実施形態では、ＡｌＮ基板２と樹脂１１との界面の沿面破壊電圧が高くなると、銅箔１の周囲部で樹脂１１が貫通破壊され、樹脂１１とシリコーンゲル９との界面で沿面放電が進展する場合がある。
【００５１】
そこで、本実施形態は、銅箔の外周部から樹脂を貫通する貫通破壊の阻止を図り、具体的には、樹脂１１に代えて、少なくとも半導体素子の表面を越える高さに盛上げた厚い樹脂１２を備えている。
【００５２】
このような構成によれば、厚い樹脂１２が、銅箔１の外周部から樹脂１２を貫通する貫通破壊を阻止するので、第１の実施形態の効果に加え、沿面破壊を完全に防止することができる。
（第３の実施形態）
図３は本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。
【００５３】
本実施形態は、第２の実施形態の変形形態である。例えば、第２の実施形態では、エポキシの樹脂１２が様々な粘度のものがあり、低粘度のものでは盛上げ部分を形成しにくい場合がある。
【００５４】
そこで、本実施形態は、盛上げ部分の形成の容易化を図り、具体的には、図１に示した樹脂１１上に、樹脂１１と同じ樹脂で予め固化された盛上げ部材１３を備えている。
【００５５】
このような構成によれば、盛上げ部材１３を予め作成し、後から樹脂１１で接着することにより、簡単に盛上げ形状を形成できるので、第２の実施形態の効果に加え、容易に樹脂１１を厚い形状に形成することができる。
【００５６】
なお、盛上げ部材１３は、樹脂に代えて、ＡｌＮ基板２と同じ材質のＡｌＮで作成してもよい。盛上げ部材１３がＡｌＮの場合、本実施形態の効果に加え、銅箔１の端部における電界強度の低減が図れ、絶縁破壊電圧を上昇できるので、より一層、絶縁破壊を防止し、高耐圧化を実現できると共に、信頼性を向上させることができる。
（第４の実施形態）
図４は本発明の第４の実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。
【００５７】
本実施形態は、第１〜第３の実施形態とは別の手法により沿面破壊や沿面放電を防止するものであり、具体的には、ＡｌＮ基板２の周囲部の露出表面が、研磨された平滑領域２ａとなっている。
【００５８】
ここで、ＡｌＮ基板２の平滑領域２ａは、銅箔１の端から外側である。なお、研磨は、銅箔１とＡｌＮ基板２の間に間隙を生じさせないように行われる。また、銅箔１の内側まで研磨しても、銅箔１をＡｌＮ基板２に隙間なく付けるならば、より大きな効果が得られる。
【００５９】
以上のような構成によれば、ＡｌＮ基板１の周囲部の露出表面が研磨により表面欠陥の無い平滑領域２ａであることにより、ＡｌＮ基板２の周囲部表面からの部分放電が生じ難くなるので、破壊電圧を上昇させることができる。よって、絶縁破壊を防止し、高耐圧化を実現できると共に、信頼性を向上させることができる。
【００６０】
なお、本実施形態は、図５に示すように、ＡｌＮ基板２の露出表面の平滑領域２ａに代えて、ＡｌＮ基板２の周囲部のうち、露出表面とは反対側の放熱板５との対向面を研磨によって平滑領域２ｂに形成してもよい。この場合、破壊電圧の上昇がわずかに見られる。但し、ＡｌＮ基板２の周囲部の露出表面を研磨したときよりも効果は少ないが、わずかでも効果が見られることと、ＡｌＮ基板２の表裏を区別する必要がない利点を有する。
【００６１】
また、ＡｌＮ基板２の周囲部としては、図４又は図５に示した構成に限る必要はなく、露出表面の平滑領域２ａと、その反対面の平滑領域２ｂとを同時に設けてもよいことは言うまでもない。
（第５の実施形態）
次に、本実施形態の第５の実施形態に係る半導体装置について図１〜図４を用いて説明する。すなわち、本実施形態は、第４の実施形態に対し、第１〜第３の実施形態のいずれかを組合せたものである。
【００６２】
具体的には、図４に示した平滑領域上に対し、図１に示した樹脂１１、図２に示した厚い樹脂１２、あるいは図３に示した盛上げ部材１３をもつ樹脂１１を形成した構成となっている。
【００６３】
以上のような構成としても、第４の実施形態と、第１〜第３のうちの適用された実施形態との効果を同時に得ることができる。また、平滑領域２ａ上に樹脂１１，１２を塗布することから、樹脂１１，１２とＡｌＮ基板２との接着性を高めることができるので、より一層、信頼性の向上を期待することができる。
【００６４】
なお、本実施形態は、図５に示した構造に対し、図１〜図３のいずれかに示した構造を組合せた構成としても、夫々の構造による効果を同時に得ることができる。また同様に、図４及び図５を同時に実現した構造に対し、図１〜図３のいずれかに示した構造を組合せた構成としても、夫々の構造による効果を同時に得ることができる。
（第６の実施形態）
次に、本発明の第６の実施形態に係る半導体装置について説明する。
本実施形態は、第１〜第５の実施形態の変形形態であり、より一層、電界緩和を図るものであり、具体的には、第１〜第５の実施形態において、半導体素子３の端部に固化したエポキシ樹脂を備えている。
【００６５】
なお、エポキシ樹脂の比誘電率は、３．５〜５．０の範囲内にある。また、ＡｌＮの比誘電率は約８．８であり、シリコーンゲル９の比誘電率は約２．８である。
【００６６】
従って、以上のような構成によれば、第１〜第５のうちの適用された実施形態の効果に加え、ＡｌＮ基板２とシリコーンゲル９の中間の比誘電率をもつエポキシ樹脂を半導体素子３の端部に塗布形成したので、銅箔１の端部の電界を緩和させることができる。
（第７の実施形態）
次に、本発明の第７の実施形態に係る半導体装置について説明する。
【００６７】
本実施形態は、第１〜第６の実施形態の変形形態であり、さらに一層、電界緩和を図るものであり、具体的には、第１〜第６の実施形態において、樹脂１１〜１３が粉末状のＡｌ2 Ｏ3 を含有した構成である。
【００６８】
なお、Ａｌ2 Ｏ3 の比誘電率は約８．３である。
従って、以上のような構成によれば、第１〜第６のうちの適用された実施形態の効果に加え、約８．３の比誘電率をもつＡｌ2 Ｏ3 の粉末を樹脂１１，１２及び樹脂の場合の盛上げ部材１３中に充填したので、より一層、電界を緩和し、沿面放電を生じ難くすることができる。
なお、本実施形態は、Ａｌ2 Ｏ3 に代えて、ＡｌＮの粉末を充填しても良い。また、Ａｌ2 Ｏ3 及びＡｌＮの両者の粉末を充填してもよい。
（他の実施形態）
また、上記第１乃至第７の実施形態では、樹脂１１，１２及び盛上げ部材１３としてエポキシ樹脂を用いた場合を説明したが、これに限らず、エポキシ樹脂に代えて、半導体素子３の温度上昇に耐える耐熱性をもつ樹脂（例えば、ポリエステル樹脂）を用いた構成としても、本発明を同様に実施して同様の効果を得ることができる。
【００６９】
また、上記第１乃至第７の実施形態では、銅箔１を付けたＡｌＮ基板２を用いた場合を説明したが、これに限らず、銅箔１に代えて、アルミ箔を付けたＡｌＮ基板２を用いた構成としても、本発明を同様に実施して同様の効果を得ることができる。
その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できる。
【００７０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、絶縁破壊を防止し、高耐圧化を図ることができると共に、信頼性を向上できる半導体装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図
【図２】本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図
【図３】本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図
【図４】本発明の第４の実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図
【図５】同実施形態における変形構成を示す断面図
【図６】従来の半導体装置の構成を示す断面図
【符号の説明】
１…銅箔
２…ＡｌＮ基板
２ａ，２ｂ…平滑領域
３…半導体素子
４…リード線
５…放熱板
６…ケース
７…外部端子用リード線
８…ターミナルホルダ
８ａ…開口部
９…シリコーンゲル
１０…封止部材
１１，１２…樹脂
１３…盛上げ部材
【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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