(57)【要約】【課題】平行平板電極の上に搭載した半導体素子と平行平板電極との接合の信頼性の高い半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置は、所定の隙間を形成するよう平行に離間する２枚の平板からなる平行平板電極と、上記隙間に配置されるとともに上記２枚の平板に実装される半導体素子と、上記隙間を埋めるとともに第１の硬化温度で硬化される第１の絶縁性樹脂と、上記平行平板電極の外周を包むとともに上記第１の硬化温度未満の第２の硬化温度で硬化される第２の絶縁性樹脂と、を有し、使用温度範囲において上記隙間が狭くなるよう上記２枚の平板に上記第１の絶縁性樹脂に発生する熱応力と上記第２の絶縁性樹脂に発生する熱応力との和が加わる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の隙間を形成するよう平行に離間する２枚の平板からなる平行平板電極と、
上記隙間に配置されるとともに上記２枚の平板に実装される半導体素子と、
上記隙間を埋めるとともに第１の硬化温度で硬化される第１の絶縁性樹脂と、
上記平行平板電極の外周を包むとともに上記第１の硬化温度未満の第２の硬化温度で硬化される第２の絶縁性樹脂と、
を有し、
使用温度範囲において上記隙間が狭くなるよう上記２枚の平板に上記第１の絶縁性樹脂に発生する熱応力と上記第２の絶縁性樹脂に発生する熱応力との和が加わることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
上記第１の硬化温度が上記使用温度範囲以上且つ上記第２の硬化温度が上記使用温度範囲以下である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】
上記第１の硬化温度が上記使用温度範囲以下または上記第１の硬化温度が上記使用温度範囲内且つ上記第２の硬化温度が上記使用温度範囲以下のとき、上記第１の絶縁性樹脂に外力が加わっていない場合に上記第１の絶縁性樹脂が熱膨張することにより上記隙間が拡がる分を元に戻せる力を超える力で上記第２の絶縁性樹脂が熱膨張することにより上記隙間を狭め、
上記第２の硬化温度が上記使用温度範囲内且つ上記第１の硬化温度が上記使用温度範囲以上または上記第２の硬化温度が上記使用温度範囲以上のとき、上記第２の絶縁性樹脂に外力が加わっていない場合に上記第２の絶縁性樹脂が熱収縮することにより上記隙間が拡がる分を元に戻せる力を超える力で上記第１の絶縁性樹脂が熱収縮することにより上記隙間を狭め、
上記第１の硬化温度が上記使用温度範囲の上限未満且つ上記第２の硬化温度が上記使用温度範囲の下限を超えるとき、上記第１の絶縁性樹脂に外力が加わっていない場合に上記第１の絶縁性樹脂が熱膨張することにより上記隙間が拡がる分を元に戻せる力を超える力で上記第２の絶縁性樹脂が熱膨張することにより上記隙間を狭め、また、上記第２の絶縁性樹脂に外力が加わっていない場合に上記第２の絶縁性樹脂が熱収縮することにより上記隙間が拡がる分を元に戻せる力を超える力で上記第１の絶縁性樹脂が熱収縮することにより上記隙間を狭めることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
上記隙間の外縁部に設けられた壁を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
上記平行平板電極の外周部に設けられた補強板を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項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、互いに平行な２枚の平板電極を含む半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子の高性能化に伴い、半導体装置は高速化の一途を辿っている。また、半導体素子は、小型化、高集積化の傾向にあるため、半導体装置内の配線密度は急速に増えている。この結果、半導体装置内のインダクタンスが大きくなったり、放熱性能が低下したり、十分な絶縁信頼性を得ることができなかったり、半導体装置を組み込んだ電気システム装置の高機能化、高性能化を妨げる要因のひとつになっている。
そのような半導体装置の問題を解決するひとつの手段として、互いに平行な２枚の平板で構成された平行平板電極を設置し、半導体素子から平行平板電極に配線し回路のインダクタンスを低減したり、平行平板電極間に半導体素子を搭載して放熱性を向上させたりする方法が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平０５−２１６７４号公報
【特許文献２】特開２００４−１９３４７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の方法では、半導体装置のヒートサイクル試験時に、内部を封止する樹脂の膨張により平行平板電極の間が開いてしまい、半導体素子との接合が破断したり、半導体素子に亀裂が入ったりして半導体装置が動作しなくなるという問題や、電極と絶縁性樹脂の界面が剥離したり、絶縁性樹脂に亀裂が入ったりして半導体装置の絶縁性が損なわれたりする問題がある。
【０００５】
この発明の目的は、平行平板電極の上に搭載した半導体素子と平行平板電極との接合の信頼性の高い半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る半導体装置は、所定の隙間を形成するよう平行に離間する２枚の平板からなる平行平板電極と、上記隙間に配置されるとともに上記２枚の平板に実装される半導体素子と、上記隙間を埋めるとともに第１の硬化温度で硬化される第１の絶縁性樹脂と、上記平行平板電極の外周を包むとともに上記第１の硬化温度未満の第２の硬化温度で硬化される第２の絶縁性樹脂と、を有し、使用温度範囲において上記隙間が狭くなるよう上記２枚の平板に上記第１の絶縁性樹脂に発生する熱応力と上記第２の絶縁性樹脂に発生する熱応力との和が加わる。
【発明の効果】
【０００７】
この発明に係る半導体装置の効果は、使用温度範囲において隙間が狭くなるよう２枚の平板に第１の絶縁性樹脂および第２の絶縁性樹脂の熱応力の和が加わるので、半導体素子が平板電極に押し付けられる力が加わり接続の信頼性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る半導体装置の断面図である。
この発明の実施の形態１に係る半導体装置は、互いに平行で所定の隙間だけ離間し平行平板電極１を構成する第１の平板電極１ａおよび第２の平板電極１ｂ、第１の平板電極１ａと第２の平板電極１ｂとの間の中間に配置される中間電極２、および、第１の平板電極１ａと中間電極２との間および第２の平板電極１ｂと中間電極２との間に配設される半導体素子３を有する。
【０００９】
また、この発明の実施の形態１に係る半導体装置は、半導体素子３を第１の平板電極、第２の平板電極および中間電極２に接合する接合材４、外部端子５、半導体素子３の図示しない電極と外部端子５とを接続する配線６、および、平行平板電極１を囲むケース７を有する。
また、この発明の実施の形態１に係る半導体装置は、第１の平板電極１ａと第２の平板電極１ｂとの間に充填される第１の絶縁性樹脂８、および、第１の絶縁性樹脂８が充填された平行平板電極１の内側を除くケース７内に充填される第２の絶縁性樹脂９を有する。
なお、外部端子５および配線６は、一般的なものなので説明は省略する。
【００１０】
第１の平板電極１ａ、第２の平板電極１ｂおよび中間電極２は、半導体素子３に電力を供給したり、半導体素子３からの電気信号を伝達したりする配線路である。
また、第１の平板電極１ａ、第２の平板電極１ｂおよび中間電極２は、銅が用いられているが、第１の平板電極１ａ、第２の平板電極１ｂおよび中間電極２は、銅に限定するものではなく、銀、アルミニウム、金など導電性を有する金属であれば良い。
なお、第１の平板電極１ａ、第２の平板電極１ｂおよび中間電極２の表面に防錆のため金、ニッケルなどのめっきを施しても良いし、第１の絶縁性樹脂８および第２の絶縁性樹脂９と接する部分の表面に凹凸を設けて接着性を向上させても良い。
また、第１の平板電極１ａ、第２の平板電極１ｂおよび中間電極２は、エッチングにより作製するが、この方法に限定されるものではなく、打ち抜き加工で作製しても良く、所定の形状に加工できる方法であればいずれの方法でも良い。
【００１１】
半導体素子３は、電気信号の切換、増幅などを行うシリコンからなる半導体素子であるが、半導体素子３としては、半導体特性を示すものであればシリコンに限定するものではなく、例えばガリウム砒素、インジウム燐、炭化シリコンなどの化合物半導体を用いた素子でも良い。なお、図１中では半導体素子３が４個しか搭載されていないが、半導体素子３の数は４個に限るものではない。
【００１２】
接合材４は、はんだであるが、接合材４としてははんだに限るものではなく、ボール状の金属を使用しても良く、金属の柱をはんだで固定しても良い。
また、銀や銅などの導電性の微粒子を樹脂中に分散させた導電性ペーストを使用しても良く、半導体素子３に必要な電流密度が得られる接続方法ならば構わない。
また、図２に示すように、バネ１１を利用して押圧力で第１の平板電極１ａ、第２の平板電極１ｂおよび中間電極２に電気的に接続し固定しても良い。
【００１３】
ケース７は、第１の平板電極１ａ、第２の平板電極１ｂ、中間電極２、および、外部端子５を固定し、半導体装置の外形を形成する絶縁性の樹脂であり、エポキシ樹脂中にアルミナ、シリカ、ボロンナイトライド（以下、「ＢＮ」と称す）、アルミニウムナイトライド（以下、「ＡｌＮ」と称す）などのセラミック微粒子を充填させたものを用いるが、ケース７の材質はこれに限定するものではない。微粒子は、ダイヤモンドや樹脂でも良く、絶縁性の樹脂は、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂（以下、「ＰＰＳ樹脂」と称す）、ポリエステル樹脂など整形できる樹脂であれば良い。微粒子の粒子形状は通常球状粒子を用いるがこれに限定するものではなく、破砕状、りん片状などを用いても良い。
【００１４】
第１の絶縁性樹脂８は、シリコーン樹脂にアルミナの絶縁性の粒子を充填した樹脂が用いられるがこれに限定するものではなく、絶縁性の樹脂としてはアクリル樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂やＰＰＳ樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂（以下、「ＰＥＴ樹脂」と称す）などの熱可塑性樹脂でも良く、絶縁性で成形できるものであれば構わない。
また、絶縁性の粒子もアルミナに限定するものではなく、シリカ、ＢＮ、ダイヤモンド、シリコーンゴムなどの粒子を用いても良い。
粒子形状は通常球状粒子を用いるがこれに限定するものではなく、破砕状、りん片状などを用いても良い。
【００１５】
第２の絶縁性樹脂９は、シリコーン樹脂にアルミナの絶縁性の粒子を充填した樹脂が用いられるがこれに限定するものではなく、絶縁性の樹脂としてはアクリル樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂やＰＰＳ樹脂、ポリエチレン樹脂、ＰＥＴ樹脂などの熱可塑性樹脂でも良く、絶縁性で成形できるものであれば構わない。
また、絶縁性の粒子もアルミナに限定するものではなく、シリカ、ＢＮ、ダイヤモンド、シリコーンゴムなどの粒子を用いても良い。
粒子形状は通常球状粒子を用いるがこれに限定するものではなく、破砕状、りん片状などを用いても良い。
【００１６】
次に、この発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明する。
第１の平板電極１ａ、第２の平板電極１ｂおよび中間電極２に銅、ケース７にＰＰＳ樹脂、接合材４にはんだ、半導体素子３にＳｉＣを使用した半導体装置で、図３に示すように、半導体素子３を平行平板電極１に実装する。
次に、第１の絶縁性樹脂８として信越化学工業製一液型シリコーンゴムコンパウンドＫＥ１８３３を、平行平板電極１の内側に注入し、硬化温度１２０℃で６０分間硬化する。
次に、第２の絶縁性樹脂９として信越化学工業製二液付加型シリコーンゴムコンパウンドＫＥ１０３をケース７内に充填し、硬化温度２３℃で７２時間硬化する。
【００１７】
次に、第１の平板電極１ａと第２の平板電極１ｂとに加わる力について説明する。
第１の平板電極１ａ、第２の平板電極１ｂおよび中間電極２は銅、接合材４ははんだ、半導体素子３はＳｉＣからできているので、熱膨張係数が樹脂に比べて一桁小さく周囲温度の変化による熱膨張収縮を無視できる。そこで、第１の平板電極１ａと第２の平板電極１ｂとに加わる熱応力は、第１の絶縁性樹脂８および第２の絶縁性樹脂９に発生する熱応力である。
【００１８】
熱硬化性樹脂に発生する熱応力は、樹脂の硬化温度で最小になり、硬化温度を超えると樹脂の膨張方向に、硬化温度未満だと樹脂の収縮方向に発生する。図４に示すように、内部に充填された第１の絶縁性樹脂８は硬化温度１２０℃で硬化されているので、第１の絶縁性樹脂８が１２０℃で熱応力は最小になり、１２０℃未満で第１の絶縁性樹脂８を収縮するように熱応力が働き、１２０℃を超えると第１の絶縁性樹脂８を膨張するように熱応力が働く。一方、平行平板電極１の外部を封止する第２の絶縁性樹脂９は硬化温度２３℃で硬化されているので、第２の絶縁性樹脂９が２３℃で熱応力は最小になり、２３℃未満で第２の絶縁性樹脂９を収縮するように熱応力が働き、２３℃を超えると第２の絶縁性樹脂９を膨張するように熱応力が働く。
【００１９】
平行平板電極１の外部に何もない状態を想定すると外からは力が作用しないので、第１の絶縁性樹脂８が収縮すると、第１の平板電極１ａと第２の平板電極１ｂとに応力が加わり、第１の平板電極１ａと第２の平板電極１ｂとの隙間が狭められる。逆に、第１の絶縁性樹脂８が膨張すると、第１の平板電極１ａと第２の平板電極１ｂとに応力が加わり、第１の平板電極１ａと第２の平板電極１ｂとの隙間が拡げられる。
【００２０】
一方、内側に平行平板電極１がない状態を想定すると内側から力が作用しないので、第２の絶縁性樹脂９が収縮すると、内側に存在する空間の容積が膨張する。そして、第２の絶縁性樹脂９の内周面に第１の平板電極１ａと第２の平板電極１ｂとが固定されると、第１の平板電極１ａと第２の平板電極１ｂとの隙間が拡げられる。逆に、第２の絶縁性樹脂９が膨張すると、内側に存在する空間の容積が収縮する。そして、第２の絶縁性樹脂９の内周面に第１の平板電極１ａと第２の平板電極１ｂとが固定されると、第１の平板電極１ａと第２の平板電極１ｂとの隙間が狭められる。
【００２１】
そこで、使用温度範囲の下限を第２の硬化温度、上限を第１の硬化温度とすれば、使用温度範囲内において第１の絶縁性樹脂８が収縮し、第２の絶縁性樹脂９が膨張しているので、第１の平板電極１ａと第２の平板電極１ｂとの隙間が狭められる。
【００２２】
このように平行平板電極１の内側が硬化温度１２０℃で硬化する第１の絶縁性樹脂８で充填され、平行平板電極１の外側が硬化温度２３℃で硬化する第２の絶縁性樹脂９で充填されているので、半導体装置が周囲温度２３℃から１２０℃の間に置かれていると、第１の絶縁性樹脂８に収縮方向の応力が働き、第２の絶縁性樹脂９に膨張方向の熱応力が働く。その結果、平行平板電極１は半導体素子３の接合に押圧力を加えることが出来るため、接合部分の破壊やクラックを防ぐ事ができ、半導体素子３の信頼性が向上する。
【００２３】
実施の形態２．
この発明の実施の形態１に係る半導体装置では使用温度範囲の下限を第２の硬化温度、上限を第１の硬化温度としているが、この発明の実施の形態２に係る半導体装置では使用温度範囲の下限または上限が第１の硬化温度または第２の硬化温度と異なっている。すなわち、この発明の実施の形態２に係る半導体装置の構成は第１の絶縁性樹脂または第２の絶縁性樹脂の特性を除けば図１に示す半導体装置の構成と同様である。
【００２４】
以下の説明において用いる第１の絶縁性樹脂８および第２の絶縁性樹脂９の特性を以下のように定義する。
第１の絶縁性樹脂８の第１の硬化温度Ｔ１未満での線膨張率をα１１、第１の硬化温度Ｔ１以上での線膨張率をα１２、第１の硬化温度Ｔ１未満での弾性率をＥ１１、第１の硬化温度Ｔ１以上での弾性率をＥ１２とする。
第２の絶縁性樹脂９の第２の硬化温度Ｔ２未満での線膨張率をα２１、第２の硬化温度Ｔ２以上での線膨張率をα２２、第２の硬化温度Ｔ２未満での弾性率をＥ２１、第２の硬化温度Ｔ２以上での弾性率をＥ２２とする。
また、使用温度範囲の下限をＴ３、上限をＴ４とする。
【００２５】
熱硬化性樹脂に発生する熱応力は、樹脂の硬化温度で最小になり、硬化温度を超えると樹脂の膨張方向に、硬化温度未満だと樹脂の収縮方向に発生する。
そして、第１の絶縁性樹脂８および第２の絶縁性樹脂９の硬化温度と半導体装置の使用温度範囲により、５つの条件に分類される。
（１）第１の硬化温度Ｔ１が使用温度範囲以下、（２）第１の硬化温度Ｔ１が使用温度範囲内且つ第２の硬化温度Ｔ２が使用温度範囲以下、（３）第１の硬化温度Ｔ１が使用温度範囲の上限Ｔ４未満且つ第２の硬化温度Ｔ２が使用温度範囲の下限Ｔ３を超える、（４）第２の硬化温度Ｔ２が使用温度範囲内且つ第１の硬化温度Ｔ１が使用温度範囲以上、（５）第２の硬化温度Ｔ２が使用温度範囲以上のときの５つの条件である。
【００２６】
（１）第１の硬化温度Ｔ１が使用温度範囲以下のときについて説明する。第１の硬化温度Ｔ１が使用温度範囲以下であるので、第２の硬化温度Ｔ２も使用温度範囲未満であり、図５に示すように、使用温度範囲内においては第１の絶縁性樹脂８および第２の絶縁性樹脂９の膨張方向に熱応力が発生する。そして、第１の平板電極１ａと第２の平板電極１ｂとに対して、第１の絶縁性樹脂８で発生する熱応力は隙間を拡げるように作用し、第２の絶縁性樹脂９で発生する熱応力は隙間を狭めるように作用する。このとき使用温度範囲内で第１の絶縁性樹脂８で発生する熱応力σ１３４は線膨張率α１２と弾性率Ｅ１２とを用いて式（１）から求められる。また、使用温度範囲内で第２の絶縁性樹脂９で発生する熱応力σ２３４は線膨張率α２２と弾性率Ｅ２２とを用いて式（２）から求められる。
【００２７】
【数１】
2009026960.tif 000003
【００２８】
そして、第１の絶縁性樹脂８で発生する熱応力σ１３４と第２の絶縁性樹脂９で発生する熱応力σ２３４は逆方向に働くので、第１の平板電極１ａと第２の平板電極１ｂとに応力が加わって第１の平板電極１ａと第２の平板電極１ｂとの隙間が狭まるときは、第２の絶縁性樹脂９で発生する熱応力σ２３４が第１の絶縁性樹脂８で発生する熱応力σ１３４を超えているときである。
【００２９】
（２）第１の硬化温度Ｔ１が使用温度範囲内且つ第２の硬化温度Ｔ２が使用温度範囲以下のときについて説明する。第１の硬化温度Ｔ１が使用温度範囲内であるので、図６に示すように、使用温度範囲の温度Ｔ３〜温度Ｔ１で第１の絶縁性樹脂８の収縮方向、温度Ｔ１〜Ｔ４で第１の絶縁性樹脂８の膨張方向に熱応力が発生する。また、使用温度範囲においては第２の絶縁性樹脂９の膨張方向に熱応力が発生する。
【００３０】
そして、使用温度範囲の温度Ｔ３〜温度Ｔ１で第１の平板電極１ａと第２の平板電極１ｂとに対して、第１の絶縁性樹脂および第２の絶縁性樹脂９で発生する熱応力はともに隙間を狭めるように作用する。ゆえに、第１の平板電極１ａと第２の平板電極１ｂとの隙間が狭まり、第１の平板電極１ａと第２の平板電極１ｂとは半導体素子３を押圧する。このように第１の絶縁性樹脂および第２の絶縁性樹脂９で発生する熱応力はともに隙間を狭めるように作用するときは、絶縁特性も向上する。
【００３１】
一方、使用温度範囲の温度Ｔ１〜温度Ｔ４で第１の平板電極１ａと第２の平板電極１ｂとに対して、第１の絶縁性樹脂８で発生する熱応力σ１１４は隙間を拡げるように作用し、第２の絶縁性樹脂９で発生する熱応力σ２１４は隙間を狭めるように作用する。このとき使用温度範囲内で第１の絶縁性樹脂８で発生する熱応力σ１１４は線膨張率α１２と弾性率Ｅ１２とを用いて式（３）から求められる。また、使用温度範囲内で第２の絶縁性樹脂９で発生する熱応力σ２１４は線膨張率α２２と弾性率Ｅ２２とを用いて式（４）から求められる。
【００３２】
【数２】
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【００３３】
そして、第１の絶縁性樹脂８で発生する熱応力σ１１４と第２の絶縁性樹脂９で発生する熱応力σ２１４は逆方向に働くので、第１の平板電極１ａと第２の平板電極１ｂとに応力が加わって第１の平板電極１ａと第２の平板電極１ｂとの隙間が狭まるときは、第２の絶縁性樹脂９で発生する熱応力σ２１４が第１の絶縁性樹脂８で発生する熱応力σ１１４を超えているときである。
【００３４】
（３）第１の硬化温度Ｔ１が使用温度範囲の上限Ｔ４未満且つ第２の硬化温度Ｔ２が使用温度範囲の下限Ｔ３を超えるときについて説明する。第１の硬化温度Ｔ１が使用温度範囲内であるので、図７に示すように、使用温度範囲の温度Ｔ３〜温度Ｔ１で第１の絶縁性樹脂８の収縮方向、温度Ｔ１〜Ｔ４で第１の絶縁性樹脂８の膨張方向に熱応力が発生する。また、第２の硬化温度Ｔ２が使用温度範囲内であるので、図７に示すように、使用温度範囲の温度Ｔ３〜温度Ｔ２で第２の絶縁性樹脂９の収縮方向、温度Ｔ２〜Ｔ４で第２の絶縁性樹脂９の膨張方向に熱応力が発生する。
【００３５】
そして、使用温度範囲の温度Ｔ２〜温度Ｔ１で第１の平板電極１ａと第２の平板電極１ｂとに対して、第１の絶縁性樹脂８および第２の絶縁性樹脂９で発生する熱応力はともに隙間を狭めるように作用する。ゆえに、第１の平板電極１ａと第２の平板電極１ｂとの隙間が狭まり、第１の平板電極１ａと第２の平板電極１ｂとは半導体素子３を押圧する。このように第１の絶縁性樹脂８および第２の絶縁性樹脂９で発生する熱応力はともに隙間を狭めるように作用するときは、絶縁特性も向上する。
【００３６】
一方、使用温度範囲の温度Ｔ３〜温度Ｔ２で第１の平板電極１ａと第２の平板電極１ｂとに対して、第１の絶縁性樹脂８で発生する熱応力は隙間を狭めるように作用し、第２の絶縁性樹脂９で発生する熱応力は隙間を拡げるように作用する。このとき温度Ｔ３〜Ｔ２で第１の絶縁性樹脂８で発生する熱応力σ１３２は線膨張率α１１と弾性率Ｅ１１とを用いて式（５）から求められる。また、温度Ｔ３〜温度Ｔ２で第２の絶縁性樹脂９で発生する熱応力σ２３２は線膨張率α２１と弾性率Ｅ２１とを用いて式（６）から求められる。
【００３７】
【数３】
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【００３８】
そして、第１の絶縁性樹脂８で発生する熱応力σ１３２と第２の絶縁性樹脂９で発生する熱応力σ２３２は逆方向に働くので、第１の平板電極１ａと第２の平板電極１ｂとに応力が加わって第１の平板電極１ａと第２の平板電極１ｂとの隙間が狭まるときは、第１の絶縁性樹脂８で発生する熱応力σ１３１が第２の絶縁性樹脂９で発生する熱応力σ２３２を超えているときである。
【００３９】
他方、使用温度範囲の温度Ｔ１〜温度Ｔ４で第１の平板電極１ａと第２の平板電極１ｂとに対して、第１の絶縁性樹脂８で発生する熱応力σ１１４は隙間を拡げるように作用し、第２の絶縁性樹脂９で発生する熱応力σ２１４は隙間を狭めるように作用する。このとき温度Ｔ１〜温度Ｔ４で第１の絶縁性樹脂８で発生する熱応力σ１１４は線膨張率α１２と弾性率Ｅ１２とを用いて式（３）から求められる。また、温度Ｔ１〜温度Ｔ４で第２の絶縁性樹脂９で発生する熱応力σ２１４は線膨張率α２２と弾性率Ｅ２２とを用いて式（４）から求められる。
【００４０】
そして、第１の絶縁性樹脂８で発生する熱応力σ１１４と第２の絶縁性樹脂９で発生する熱応力σ２１４は逆方向に働くので、第１の平板電極１ａと第２の平板電極１ｂとに応力が加わって第１の平板電極１ａと第２の平板電極１ｂとの隙間が狭まるときは、第２の絶縁性樹脂９で発生する熱応力σ２１４が第１の絶縁性樹脂８で発生する熱応力σ１１４を超えているときである。
【００４１】
（４）第２の硬化温度Ｔ２が使用温度範囲内且つ第１の硬化温度Ｔ１が使用温度範囲以上のときについて説明する。第２の硬化温度Ｔ２が使用温度範囲内であるので、図８に示すように、使用温度範囲の温度Ｔ３〜Ｔ２で第２の絶縁性樹脂９の収縮方向、温度Ｔ２〜Ｔ４で第２の絶縁性樹脂９の膨張方向に熱応力が発生する。また、使用温度範囲においては第１の絶縁性樹脂８の収縮方向に熱応力が発生する。
【００４２】
使用温度範囲の温度Ｔ３〜温度Ｔ２で第１の平板電極１ａと第２の平板電極１ｂとに対して、第１の絶縁性樹脂８で発生する熱応力σ１３２は隙間を狭めるように作用し、第２の絶縁性樹脂９で発生する熱応力σ２３２は隙間を拡げるように作用する。このとき使用温度範囲内で第１の絶縁性樹脂８で発生する熱応力σ１３２は線膨張率α１１と弾性率Ｅ１１とを用いて式（５）から求められる。また、使用温度範囲内で第２の絶縁性樹脂９で発生する熱応力σ２３２は線膨張率α２１と弾性率Ｅ２１とを用いて式（６）から求められる。
【００４３】
そして、第１の絶縁性樹脂８で発生する熱応力σ１３２と第２の絶縁性樹脂９で発生する熱応力σ２３２は逆方向に働くので、第１の平板電極１ａと第２の平板電極１ｂとに応力が加わって第１の平板電極１ａと第２の平板電極１ｂとの隙間が狭まるときは、第１の絶縁性樹脂８で発生する熱応力σ１３２が第２の絶縁性樹脂９で発生する熱応力σ２３２を超えているときである。
【００４４】
一方、使用温度範囲の温度Ｔ２〜温度Ｔ４で第１の平板電極１ａと第２の平板電極１ｂとに対して、第１の絶縁性樹脂８および第２の絶縁性樹脂９で発生する熱応力はともに隙間を狭めるように作用する。ゆえに、第１の平板電極１ａと第２の平板電極１ｂとの隙間が狭まり、第１の平板電極１ａと第２の平板電極１ｂとは半導体素子３を押圧する。このように第１の絶縁性樹脂および第２の絶縁性樹脂９で発生する熱応力はともに隙間を狭めるように作用するときは、絶縁特性も向上する。
【００４５】
（５）第２の硬化温度Ｔ２が使用温度範囲以上のときについて説明する。第２の硬化温度Ｔ２が使用温度範囲以上であるので、第１の硬化温度Ｔ１も使用温度範囲を超えていて、図９に示すように、使用温度範囲内においては第１の絶縁性樹脂８および第２の絶縁性樹脂９の収縮方向に熱応力が発生する。そして、第１の平板電極１ａと第２の平板電極１ｂとに対して、第１の絶縁性樹脂８で発生する熱応力σ’１３４は隙間を狭めるように作用し、第２の絶縁性樹脂９で発生する熱応力σ’２３４は隙間を拡げるように作用する。このとき使用温度範囲内で第１の絶縁性樹脂８で発生する熱応力σ’１３４は線膨張率α１１と弾性率Ｅ１１とを用いて式（７）から求められる。また、使用温度範囲内で第２の絶縁性樹脂９で発生する熱応力σ’２３４は線膨張率α２１と弾性率Ｅ２１とを用いて式（８）から求められる。
【００４６】
【数４】
2009026960.tif 000006
【００４７】
そして、第１の絶縁性樹脂８で発生する熱応力σ’１３２と第２の絶縁性樹脂９で発生する熱応力σ’２３２は逆方向に働くので、第１の平板電極１ａと第２の平板電極１ｂとに応力が加わって第１の平板電極１ａと第２の平板電極１ｂとの隙間が狭まるときは、第１の絶縁性樹脂８で発生する熱応力σ’１３４が第２の絶縁性樹脂９で発生する熱応力σ’２３４を超えているときである。
【００４８】
次に、この発明の実施の形態２に係る半導体装置の実施例を５つの条件毎に１つ示す。
図１０は、実施例の半導体装置の第１の絶縁性樹脂８および第２の絶縁性樹脂９に使用する樹脂の一覧表である。
【実施例１】
【００４９】
第１の硬化温度Ｔ１が図１１に示すように使用温度範囲以下のときの具体例を示す。
使用温度範囲の下限Ｔ３を１００℃、上限Ｔ４を１４０℃とし、第１の硬化温度Ｔ１が１００℃の第１の絶縁性樹脂８としてのＳＥ１８８６と第２の硬化温度Ｔ２が８０℃の第２の絶縁性樹脂９としてのＥＣＲ−９９００Ｋを用いて半導体装置を封止する。使用温度範囲１００℃〜１４０℃の間で発生する応力は、ＳＥ１８８６のとき７５Ｐａ・℃、ＥＣＲ−９９００Ｋのとき０．６２ＭＰａ・℃であることから、第１の絶縁性樹脂８に発生する熱応力より第２の絶縁性樹脂９に発生する熱応力が大きいので、平行平板電極１の内側方向に押す圧力を加えることができる。
【実施例２】
【００５０】
第１の硬化温度Ｔ１が図１２に示すように使用温度範囲内且つ第２の硬化温度Ｔ２が使用温度範囲以下のときの具体的な例を示す。
使用温度範囲の下限Ｔ３を１００℃、上限Ｔ４を１４０℃とし、第１の硬化温度Ｔ１が１２０℃の第１の絶縁性樹脂８としてのＫＥ１８３３と第２の硬化温度Ｔ２が８０℃の第２の絶縁性樹脂９としてのＥＣＲ−９９００Ｋを用いて半導体装置を封止する。温度１００℃〜１２０℃の間で発生する熱応力はともに平行平板電極１の内側方向に押す熱応力なので半導体素子３を押圧する力が働き接続の信頼性が向上するとともに、部分放電開始電圧が４．０ｋＶに向上する。
温度１２０℃〜１４０℃の間で発生する応力は、ＫＥ１８３３のとき８．９ＫＰａ・℃、ＥＣＲ−９９００Ｋのとき９３．９ＫＰａ・℃であることから、第１の絶縁性樹脂８に発生する熱応力より第２の絶縁性樹脂９に発生する熱応力が大きいので、平行平板電極１の内側方向に押す圧力を加えることができる。このときの部分放電開始電圧が３．５ｋＶである。
【実施例３】
【００５１】
第１の硬化温度Ｔ１が図１３に示すように使用温度範囲の上限Ｔ４未満且つ第２の硬化温度Ｔ２が使用温度範囲の下限Ｔ３を超えるときの具体的な例を示す。
使用温度範囲の下限Ｔ３を−４０℃、上限Ｔ４を１２５℃とし、第１の硬化温度Ｔ１が１２０℃の第１の絶縁性樹脂８としてのＫＥ１８３３と第２の硬化温度Ｔ２が２３℃の第２の絶縁性樹脂９としてのＫＥ１０３を用いて半導体装置を封止する。
温度−４０℃〜２３℃の間で発生する応力は、ＫＥ１８３３のとき８７ＫＰａ・℃、ＫＥ１０３のとき７２ＫＰａ・℃であることから、第２の絶縁性樹脂９に発生する熱応力より第１の絶縁性樹脂８に発生する熱応力が大きいので、平行平板電極１の内側方向に押す圧力を加えることができる。このときの部分放電開始電圧が３．５ｋＶである。
温度２３℃〜１２０℃の間で発生する熱応力はともに平行平板電極１の内側方向に押すので半導体素子３を押圧する力が働き接続の信頼性が向上するとともに、部分放電開始電圧が４．０ｋＶに向上する。
温度１２０℃〜１２５℃の間で発生する応力は、ＫＥ１８３３のとき２．３ＫＰａ・℃、ＫＥ１０３のとき１２ＫＰａ・℃であることから、第１の絶縁性樹脂８に発生する熱応力より第２の絶縁性樹脂９に発生する熱応力が大きいので、平行平板電極１の内側方向に押す圧力を加えることができる。このときの部分放電開始電圧が３．５ｋＶである。
【実施例４】
【００５２】
第２の硬化温度Ｔ２が図１４に示すように使用温度範囲内且つ第１の硬化温度Ｔ１が使用温度範囲以上のときの具体的な例を示す。
使用温度範囲の下限Ｔ３を１００℃、上限Ｔ４を１４０℃とし、第１の硬化温度Ｔ１が１５０℃の第１の絶縁性樹脂８としてのＥＸ５５０／Ｈ５５０と第２の硬化温度Ｔ２が１２０℃の第２の絶縁性樹脂９としてのＫＥ１８３３を用いて半導体装置を封止する。
温度１００℃〜１２０℃の間で発生する応力は、ＥＸ５５０／Ｈ５５０のとき３．９ＭＰａ・℃、ＫＥ１８３３のとき９．５ＫＰａ・℃であることから、第２の絶縁性樹脂９に発生する熱応力より第１の絶縁性樹脂８に発生する熱応力が大きいので、平行平板電極１の内側方向に押す圧力を加えることができる。このときの部分放電開始電圧が３．５ｋＶである。
温度１２０℃〜１４０℃の間で発生する熱応力はともに平行平板電極１の内側方向に押す熱応力なので半導体素子３を押圧する力が働き接続の信頼性が向上するとともに、部分放電開始電圧が４．０ｋＶに向上する。
【実施例５】
【００５３】
第２の硬化温度Ｔ２が図１５に示すように使用温度範囲以上のときの具体的な例を示す。
使用温度範囲の下限Ｔ３を１００℃、上限Ｔ４を１４０℃とし、第１の硬化温度Ｔ１が１５０℃の第１の絶縁性樹脂８としてのＥＸ５５０／Ｈ５５０と第２の硬化温度Ｔ２が１４０℃の第２の絶縁性樹脂９としてのＲＣ６２９５／ＲＨ６２９６を用いて半導体装置を封止する。
使用温度範囲１００℃〜１４０℃の間で発生する応力は、ＥＸ５５０／Ｈ５５０のとき７．４ＭＰａ・℃、ＲＣ６２９５／ＲＨ６２９６のとき５．２ＭＰａ・℃であることから、第２の絶縁性樹脂９に発生する熱応力より第１の絶縁性樹脂８に発生する熱応力が大きいので、平行平板電極１の内側方向に押す圧力を加えることができる。
【００５４】
実施の形態３．
図１６は、この発明の実施の形態３に係る半導体装置の断面図である。
この発明の実施の形態３に係る半導体装置は、この発明の実施の形態１に係る半導体装置に平行平板電極１の間に設けられる壁１２を追加したことが異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明は省略する。
【００５５】
壁１２は、平行平板電極１の一側端部に設けられ、第１の平板電極１ａ、第２の平板電極１ｂおよび中間電極２と密着する絶縁性のシリコーン樹脂からできている。
なお、壁１２の材質は、シリコーン樹脂に限るものではなく、密着性と絶縁性とを有する樹脂であれば良く、例えば、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂などの熱硬化性樹脂、ＰＰＳ、ポリエチレン、ＰＥＴなどの熱可塑性樹脂を用いても良い。
また、シリカ、アルミナなどのセラミック粒子を充填して、線膨張率や弾性率を調節しても良い。
【００５６】
また、この発明の実施の形態３に係る半導体装置では、平行平板電極１の間に２箇所の壁１２を設けているが、これに限定するものではなく、平行平板電極１の間であれば幾つ設けても良い。
また、この発明の実施の形態３に係る半導体装置では、平行平板電極１の一側端部に壁１２を設けているが、複数の壁を設けるときには、平行平板電極１の内側と外側とを隔てる箇所に設けていれば、何処に壁１２を設けても構わない。
図１６では、壁の断面形状は矩形の形状をしているが、この形状に限定するものではなく、断面形状が円形、楕円形、多曲線から成る形状でもよく、平行平板電極の内部と外部を隔てる構造であれば構わない。
【００５７】
次に、この発明の実施の形態３に係る半導体装置の製造方法を説明する。
第１の平板電極１ａ、第２の平板電極１ｂおよび中間電極２に銅、ケース７にＰＰＳ、接合材４にはんだ、半導体素子３にＳｉＣを使用した半導体装置で、図１６に示すように、半導体素子３を平行平板電極１に実装を行った後に、信越化学工業製一液型シリコーンゴムコンパウンドＫＥ１８３３を注射器より塗出して、平行平板電極１の一側端部に壁状に形成し、硬化温度１２０℃で６０分間硬化して平行平板電極１の一側端部に壁１２を設ける。
このとき、壁１２の断面形状は、多曲線から囲まれた形状で形成されるが、平行平板電極の内部と外部を隔てる形状であれば構わない。壁１２を設けた後に、平行平板電極１の内側に第１の絶縁性樹脂８となる信越化学工業製一液型シリコーンゴムコンパウンドＫＥ１８３３を注入、脱泡し、硬化温度１２０℃で６０分間硬化し、その後、平行平板電極１の外側でケース７により囲まれた空間に第２の絶縁性樹脂９となる信越化学工業製二液付加型シリコーンゴムコンパウンドＫＥ１０３を注入、脱泡し、硬化温度２３℃で７２時間硬化して半導体装置を作成する。
【００５８】
この発明の実施の形態３に係る半導体装置では、平行平板電極１の間に所定の高さの壁１２を設けているために、平行平板電極１の外部を封止する第２の絶縁性樹脂９に亀裂が入っても、内部を封止する第１の絶縁性樹脂８に影響を及ぼすことがないため、半導体装置の信頼性が向上する。
また、壁１２により第１の絶縁性樹脂８と第２の絶縁性樹脂９を隔離することで、第２の絶縁性樹脂９が吸湿してもその水分が第１の絶縁性樹脂８に拡散することを防げるため、半導体装置の絶縁信頼性が向上する。
また、平行平板電極１の間に所定の高さの壁１２を設けることで、封止を行う際も容易に別々の樹脂を注入することができ、半導体装置を製造する工程を減らすことができる。
【００５９】
実施の形態４．
図１７は、この発明の実施の形態４に係る半導体装置の断面図である。
この発明の実施の形態４に係る半導体装置は、この発明の実施の形態１に係る半導体装置に平行平板電極１の外周に設けられる補強板１３を追加したことが異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明は省略する。
【００６０】
平行平板電極の外周部に設ける補強板１３は、電極と密着する絶縁性の樹脂でできており、エポキシ樹脂を用いるが、これに限定するものではなく、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂など熱硬化性樹脂を用いても良く、ＰＰＳ、ポリエチレン、ＰＥＴなどの熱可塑性樹脂を用いても良く、絶縁性を持つ樹脂であれば構わない。
また、ポリイミドテープなどテープによって補強板１３を構成しても良い。
また、絶縁性の樹脂には、シリカ、アルミナなどのセラミック粒子を充填して、線膨張率や弾性率を調節しても良く、密着性と絶縁性が確保できる樹脂であれば構わない。
【００６１】
なお、この発明の実施の形態４に係る半導体装置では、平行平板電極１の外周に１箇所の補強板１３を設けているが、これに限定するものではなく、平行平板電極１の外周であれば、いくつ補強板１３を設けても良い。
また、図１７では、補強板１３の断面形状は矩形の形状をしているが、この形状に限定するものではなく、断面形状が円形、楕円形、多曲線から成る形状でもよく、電極外周部と密着できる構造であれば構わない。
【００６２】
次に、この発明の実施の形態４に係る半導体装置の製造方法を説明する。
第１の平板電極１ａ、第２の平板電極１ｂおよび中間電極２に銅、ケース７にＰＰＳ、接合材４にはんだ、半導体素子３にＳｉＣを使用した半導体装置で、図１７に示すように、半導体素子３を平行平板電極１に実装を行った後に、厚さ０．０７ｍｍのポリイミドテープ（３Ｍ社製５４１９）を使用して電極外周部を補強して補強板１３とする。このように補強板１３で平行平板電極１の一端部を固定することにより第１の絶縁性樹脂８を内側に注入しても平行平板電極１が拡がらずに固定される。
次に、平行平板電極１の内側に第１の絶縁性樹脂８となる信越化学工業製一液型シリコーンゴムコンパウンドＫＥ１８３３を注入、脱泡し、硬化温度１２０℃で６０分間硬化し、その後、平行平板電極１の外側でケース７により囲まれた空間に第２の絶縁性樹脂９となる信越化学工業製二液付加型シリコーンゴムコンパウンドＫＥ１０３を注入、脱泡し、硬化温度２３℃で７２時間硬化して半導体装置を作成する。
【００６３】
この発明の実施の形態４に係る半導体装置では、平行平板電極１の外周部分を補強板１３で囲うことで、ヒートサイクル試験などの環境下でも平行平板電極１の間隔が広がることが無く、半導体装置の信頼性がさらに向上する。
また、補強板１３を設けているので、平行平板電極１の外部を封止する樹脂に亀裂が入っても、内部を封止する樹脂に影響を及ぼすことがないため、半導体装置の信頼性が向上する。
また、平行平板電極１の内部を封止する第１の絶縁性樹脂８と外部を封止する絶縁性樹脂９を隔離することで、第２の絶縁性樹脂９の水分吸湿が、第１の絶縁性樹脂に拡散することを防げるため、半導体装置の絶縁信頼性が向上する。
また、平行平板電極１の外周部に補強板１３が設けられているので、封止を行う際も容易に別々の樹脂を注入することができ、半導体装置を製造する工程を減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】この発明の実施の形態１に係る半導体装置の一例の断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る半導体装置の他の例の断面図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る平行平板電極に加わる応力の様子を示す断面図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係る第１の絶縁性樹脂および第２の絶縁性樹脂に発生する熱応力の向きを周囲温度をパラメータとして表した線図である。
【図５】この発明の実施の形態２に係る半導体装置の条件１での第１の絶縁性樹脂および第２の絶縁性樹脂に発生する熱応力の向きを周囲温度をパラメータとして表した線図である。
【図６】この発明の実施の形態２に係る半導体装置の条件２での第１の絶縁性樹脂および第２の絶縁性樹脂に発生する熱応力の向きを周囲温度をパラメータとして表した線図である。
【図７】この発明の実施の形態２に係る半導体装置の条件３での第１の絶縁性樹脂および第２の絶縁性樹脂に発生する熱応力の向きを周囲温度をパラメータとして表した線図である。
【図８】この発明の実施の形態２に係る半導体装置の条件４での第１の絶縁性樹脂および第２の絶縁性樹脂に発生する熱応力の向きを周囲温度をパラメータとして表した線図である。
【図９】この発明の実施の形態２に係る半導体装置の条件５での第１の絶縁性樹脂および第２の絶縁性樹脂に発生する熱応力の向きを周囲温度をパラメータとして表した線図である。
【図１０】この発明の実施の形態２に係る半導体装置の実施例で第１の絶縁性樹脂および第２の絶縁性樹脂に使用する樹脂の一覧表である。
【図１１】この発明の実施の形態２に係る半導体装置の実施例１で平行平板電極に加わる力の向きと熱応力とを表した線図である。
【図１２】この発明の実施の形態２に係る半導体装置の実施例２で平行平板電極に加わる力の向きと熱応力とを表した線図である。
【図１３】この発明の実施の形態２に係る半導体装置の実施例３で平行平板電極に加わる力の向きと熱応力とを表した線図である。
【図１４】この発明の実施の形態２に係る半導体装置の実施例４で平行平板電極に加わる力の向きと熱応力とを表した線図である。
【図１５】この発明の実施の形態２に係る半導体装置の実施例５で平行平板電極に加わる力の向きと熱応力とを表した線図である。
【図１６】この発明の実施の形態３に係る半導体装置の一例の断面図である。
【図１７】この発明の実施の形態４に係る半導体装置の一例の断面図である。
【符号の説明】
【００６５】
１  平行平板電極、１ａ  第１の平板電極、１ｂ  第２の平板電極、２  中間電極、３  半導体素子、４  接合材、５  外部端子、６  配線、７  ケース、８  第１の絶縁性樹脂、９  第２の絶縁性樹脂、１１  バネ、１２  壁、１３  補強板。
【図１】
2009026960.tif 000007
【図２】
2009026960.tif 000008
【図３】
2009026960.tif 000009
【図４】
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【図５】
2009026960.tif 000011
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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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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