半导体器件.pdf

得到散热性提高并且绝缘性提高的半导体器件。半导体器件具备：半导体元件(2)；引线框(4)，半导体元件(2)与该引线框的一个面接合；第1绝缘层(5)，配置于引线框(4)的另一个面；以及金属基体板(6)，隔着所述第1绝缘层(5)而与引线框(4)连接，其中，所述第1绝缘层的外周部比所述金属基体板的外周部靠内部，包括引线框(4)的外周部的电场集中部位的所述第1绝缘层(5)的外周部被具有比所述第1绝缘层(5)更高耐湿性和更高绝缘性的第2绝缘层(7)覆盖。

1.  一种半导体器件，具备：半导体元件；引线框，所述半导体元件与所述引线框的一个面接合；第1绝缘层，配置于所述引线框的另一个面；以及金属基体板，隔着所述第1绝缘层而与所述引线框连接，其特征在于，
所述第1绝缘层的外周部比所述金属基体板的外周部靠内部，
包括所述引线框的外周部的电场集中部位在内的所述第1绝缘层的外周部被具有比所述第1绝缘层更高耐湿性和更高绝缘性的第2绝缘层覆盖。

2.  根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，
所述引线框的外周部被所述第2绝缘层覆盖至比所述引线框的角R部被截断的位置更高的位置。

3.  根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，
在所述第2绝缘层中，在二氧化硅粒子的周围填充有环氧树脂。

4.  根据权利要求1至3中的任一项所述的半导体器件，其特征在于，
所述第2绝缘层的二氧化硅粒子相互隔开间隔而分散地配置于树脂中。

5.  根据权利要求1至4中的任一项所述的半导体器件，其特征在于，
所述半导体元件由宽带隙半导体材料形成。

6.  根据权利要求5所述的半导体器件，其特征在于，
所述宽带隙半导体材料是碳化硅、氮化镓系材料、以及金刚石中的某一个。

半导体器件
技术领域
本发明涉及半导体器件，更详细而言涉及隔着高散热绝缘层而在金属基体板上配置了IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极晶体管)、二极管等发生高热的半导体元件的半导体器件。
背景技术
在半导体器件中，为了将动作温度保持在预定范围内，需要对在半导体元件中发生了的热进行散热。因此，已知如下半导体器件：在接合了半导体元件的陶瓷基板的背侧配置了热传导性优良的金属基体板(例如参照专利文献1)。
在这样的半导体器件中，在半导体元件中发生了的热经由陶瓷基板、有机绝缘片等绝缘层传导到金属基体板，从与金属基体板连接了的冷却器散热，从而使散热性提高。但是，伴随最近的半导体元件的高密度集成化，需要使散热特性进一步提高。
另外，公开了作为半导体元件与金属基体之间的绝缘层而使用混入了用于提高热传导性的高热传导性无机粉末(填料)的有机绝缘片(例如参照专利文献2)。
专利文献1：日本特开2006-303086号公报
专利文献2：日本特开2003-137627号公报
发明内容
对于被用作作为半导体器件的构成零件的绝缘层的有机绝缘片或者陶瓷基板，要求散热性以及用于稳定地驱动半导体器件的绝缘性。
特别是最近，随着如SiC元件等那样与大电流化、高频动作相伴 的元件发热变大、半导体器件的小型化、额定电压的上升，对有机绝缘片、陶瓷基板要求如下特性：不使绝缘可靠性降低，而使半导体元件所致的发热高效地散热到金属基体板。
另外，在各种环境下使用半导体器件、特别是在高湿度环境下使用的情况下，在专利文献1、专利文献2所示的构造中，被用作绝缘层的有机绝缘片、陶瓷基板吸湿，绝缘特性大幅降低而绝缘寿命变短，所以可靠性降低。
为了避免该问题，通过被用作绝缘层的有机绝缘片、陶瓷基板的厚壁化来满足高耐湿化，但由于绝缘层变厚，存在高热电阻化所致的散热性变差以及高成本化的问题。
进而，还有通过在印刷基板上涂覆硅系材料来构成绝缘层而提高耐湿性的例子(日本特开2001-168501号)，但在硅系涂覆材料的情况下，存在分子量大而进行吸湿的可能性，以及存在如下可能性：在吸湿了时在印刷基板与涂覆材料之间发生剥离，同样地可靠性降低。
这样，在以往的绝缘层的结构中，难以使高散热化和高绝缘可靠性同时实现。
本发明是为了解决上述课题而完成的，其目的在于，得到一种使用了具有热传导性并且绝缘性优良的绝缘层的半导体器件。
本发明的半导体器件具备：半导体元件；引线框，所述半导体元件与所述引线框的一个面接合；第1绝缘层，配置在所述引线框的另一个面；以及金属基体板，隔着所述第1绝缘层而与所述引线框连接，其中，所述第1绝缘层的外周部比所述金属基体板的外周部靠内部，包括所述引线框的外周部的电场集中部位的所述第1绝缘层的外周部被具有比所述第1绝缘层更高耐湿性和更高绝缘性的第2绝缘层覆盖。
根据本发明，包括引线框的外周部的电场集中部位的第1绝缘层的外周部被具有比第1绝缘层更高耐湿性和更高绝缘性的第2绝缘层覆盖，所以能够保证即使在高湿环境下也有高可靠性的绝缘性，能够提供散热性和绝缘性优良的半导体器件。
本发明的上述以外的目的、特征、观点以及效果根据参照附图的以下的本发明的详细的说明将更加清楚。
附图说明
图1是示出本发明的实施方式1的半导体器件的剖面图。
图2是示出引线框端部的电场集中部位的电场分析影像图。
图3是示出构成本发明的实施方式2的半导体器件的第2绝缘层的内部构造以及制造过程中的结构的剖面示意图。
图4是示出干燥状态下的实施方式2的第2绝缘层和以往的绝缘层的耐电压试验结果的图。
图5是示出实施方式2中的第2绝缘层和以往的绝缘层的耐湿寿命比的图。
图6是示出比较例的半导体器件的结构的剖面图。
(符号说明)
1：半导体器件；2、2a、2b：半导体元件；3、3a、3b：焊锡；4、4a、4b：引线框；5：第1绝缘层；6：金属基体板；7：第2绝缘层；8：密封材料；9a、9b、9c：电场集中部位；10：二氧化硅粒子；11：树脂粒子；12：沿面破坏路径；13：树脂包覆粒子；14：膏。
具体实施方式
以下，根据附图来说明本发明。
另外，在各图中，同一符号表示同一部分或者相当的部分。
实施方式1.
图1是示出本发明的实施方式1的半导体器件的剖面图，并示出了安装有2个半导体元件2a、2b的例子。
在图1中，半导体器件1具备：半导体元件2a、2b；搭载半导体元件2a、2b的引线框(导电部件)4a、4b；以及与将半导体元件2a、2b的发热进行散热的冷却器(未图示)连接的金属基体板6。
此处，半导体元件2a的背面电极通过焊锡3a而与引线框4a接 合，半导体元件2b的背面电极通过焊锡3b而与引线框4b接合，分别与引线框4a、4b电连接。
另外，半导体元件2a、2b的表面电极通过导线(未图示)电连接，并且通过其他导线(未图示)而与外部连接用端子(未图示)电连接。
进而，在与用于将来自半导体元件2a、2b的发热进行散热的冷却器(未图示)连接的金属基体板6和引线框4a、4b之间设置了绝缘片、陶瓷基板等热传导性高的第1绝缘层5，在该第1绝缘层5的端部配置了第2绝缘层7。此时，第1绝缘层5的外周部比金属基体板6的外周部更靠内部。即，比金属基体板6的上表面的面积更窄地构成第1绝缘层5的面积。因此，第2绝缘层7将第1绝缘层5的外周部覆盖至其侧面。另外，第2绝缘层7具有比第1绝缘层5更高的耐湿性和更高的绝缘性。
在这样的半导体器件1中，根据需要，用环氧树脂、硅凝胶、弹性体等密封材料8密封半导体元件2a、2b以及引线框4a、4b。
另外，在图1中，示出了半导体器件1由2个半导体元件构成的情况，在本实施方式中，有时将半导体元件2a、2b的各个简称为半导体元件2，将焊锡3a、3b的各个简称为焊锡3，将引线框4a、4b的各个简称为引线框4。
一般，在半导体器件的绝缘层中，要求两个功能、即绝缘性以及热传导性。
半导体器件在各种环境下使用，但在专利文献1、专利文献2的构造中，特别是在高湿度环境下用作绝缘层的有机绝缘片、陶瓷基板吸湿了的情况下，绝缘特性大幅降低，所以难以同时实现绝缘特性和热传导性。
外部的水分扩散到密封树脂、被用作绝缘层的高散热绝缘片的衬底(不与界面相接的物质主体)内部，或者渗透到密封树脂和高散热绝缘片的界面部。其结果，存在如下可能性：电场高的引线框端部的绝缘性降低，产生绝缘破坏。
为了提高耐湿性，使水分在高散热绝缘片内的扩散变慢、或者切断水分的注入路径即可。
但是，一般用作绝缘层的高散热性有机绝缘片成为如下构造：在环氧树脂等热硬化性树脂中填充了氮化铝(AlN)、氧化铝(三氧化二铝：Al₂O₃)、氮化硼(BN)以及碳化硅(SiC)等无机物的粒子。
为了抑制水的扩散，减少粒子填充量、并去掉成为水的路径的粒子的壁面即可，但由于散热性降低，所以无法减少粒子填充量。
另外，为了切断水分的注入路径，需要提高密封树脂和绝缘层的粘结强度。但是，如果为了提高粘结性而实施密封树脂、绝缘层的表面改质，则由于成本变高所以优点少。
另外，在涂覆了硅系材料的情况下，存在分子量大而进行吸湿的可能性，以及存在如下可能性：在吸湿了时在印刷基板与涂覆材料之间发生剥离，同样地可靠性降低。
进而，如引线框端部的电场分析图(图2)所示，不仅在被引线框4和金属基体板6夹着的第1绝缘层5的附近产生电场集中部位9a，而且在被引线框4和第1绝缘层5夹着的密封材料8的附近也产生电场集中部位9b。
另外，通常引线框是通过冲孔成型来制作的，所以角部有时并非是完整的R(圆弧)。此时，在R被截断的附近的密封材料8的附近也产生电场集中部位9c。因此，如果上述部位的密封材料8吸湿，则绝缘特性降低。
在本发明中，在第1绝缘层5的外周，将以耐湿性高的环氧树脂(酚系)为基础的第2绝缘层7配置在图1所示那样的位置。即，以使第1绝缘层5的外周部覆盖至其侧面的方式构成第2绝缘层7。
作为具体的第2绝缘层，例如，可以使用在酚系的环氧树脂中以50～90vol％填充了熔融二氧化硅而得到的结构。
另外，应期望的是，第2绝缘层7覆盖至比引线框的角R部被截断的位置更高的位置，从而可以得到具有高耐压化并且耐湿性提高、且缘性优良的绝半导体器件1。
另外，根据水分的进入路径切断的观点，如果如图1所示，将第2绝缘层7配置成不仅覆盖电场集中部位9a、9b、9c附近，而且还覆盖密封材料8和第1绝缘层5的整个界面，则当然绝缘可靠性进一步提高。
但是，在半导体模块中，根据电力铁路(HV)、工业用(IPM)、面向汽车(T-PM)、分立元件(DIP、SIP)等设备种类，详细而言根据必要的耐湿性、耐电压，耐湿性的指标不同。
例如，关于耐湿性试验，作为面向电力铁路的HV设备种类(ICBT)的基准，示出了在温度60℃、湿度90％的环境下1000小时(hr)的耐电压试验(关联规格IEC68-2-3)。一般，在湿度85％的环境下，施加相对芯片额定电压而决定了的预定的比例的电压，要求1000小时的性能维持。通过使用本实施方式的高耐湿并且高耐压的第2绝缘层7，能够实现在这样的半导体模块中要求的产品性能。特别是，在额定电压高、例如6.5KV的半导体模块中，其效果显著。
如以上说明，本实施方式的半导体器件具备：引线框4(是指框4a、框4b)，半导体元件2(是指半导体元件2a、半导体元件2b)与该引线框4的一个面接合；第1绝缘层5，配置于引线框4的另一个面；以及金属基体板6，隔着第1绝缘层5而与引线框4连接，其中，包括引线框4的外周部的电场集中部位的第1绝缘层5的外周部被具有比第1绝缘层5更高耐湿性和更高绝缘性的第2绝缘层7覆盖。
因此，能够使用即使在高湿环境下也有高可靠性的第2绝缘层7来保证高耐湿性和高绝缘性，所以能够得到散热性和绝缘性优良的半导体器件。
详细而言，在第1绝缘层的外周配置以耐湿性高的环氧树脂(酚系)为基础的第2绝缘层，从而能够在具有高耐湿化的同时提高绝缘性。
另外，在本实施方式的半导体器件中，第1绝缘层5的外周部被第2绝缘层7覆盖至比引线框4(是指框4a、框4b)的角R部被截断的位置更高的位置，所以能够得到具有高耐湿化并且绝缘性优良的 半导体器件。
实施方式2.
图3是用于说明实施方式2中的第2绝缘层7的结构的示意性的剖面图，图3(a)是第2绝缘层7的一部分的剖面示意图，图3(b)是用于形成第2绝缘层7的制造工序中的剖面图。
为了抑制与热循环、模块制造工艺中的加热等所致的第1绝缘层5、引线框4的伸缩相伴的第2绝缘层7和第1绝缘层5、引线框4的剥离，在第2绝缘层7中，作为α调整必须混入二氧化硅粒子10。
另外，α是线膨胀系数，通常，在模块中使用的片、绝缘基板的α是约12～14程度。在本申请发明那样的第2绝缘层中，为了使线膨胀系数α成为与上述相同的程度，需要使二氧化硅填料填充量比以往更多。
如图3(a)所示，第2绝缘层7构成为使二氧化硅粒子10相互隔开距离而分散在作为酚系环氧树脂的树脂粒子11中而配置。使用图3(b)来说明形成这样的结构的第2绝缘层7的具体的方法。
如图3(b)所示，使树脂粒子11成为比二氧化硅粒子10的直径小的例如纳米形态的树脂粒子11，制作由树脂粒子11覆盖二氧化硅粒子10的表面的树脂包覆粒子13。然后，将使制作出的树脂包覆粒子13分散了的膏14涂到金属基体板6，干燥后进行加热而使构成树脂粒子11的树脂熔融并硬化。
由此，构成树脂粒子11的树脂材料确实地存在于二氧化硅粒子10与二氧化硅粒子10之间。即，能够实现在二氧化硅粒子10之间确实地存在树脂11那样的结构。由此，能够消除二氧化硅粒子10界面的重叠所致的沿着第1绝缘层5的沿面方向的沿面破坏路径12，从而可以得到高耐压化。
图4示出干燥状态下的耐电压试验结果。
相对于如以往那样仅混入二氧化硅粒子和树脂材料而形成了绝缘层的情况(图中C)，在如本实施方式的第2绝缘层7那样形成为使二氧化硅粒子11相互隔开距离而分散在树脂11中的情况(在图中 E)下能够得到更优良的破坏耐压，虽然达不到用最坚固的环氧树脂单体形成了绝缘层的情况(图中R)的破坏耐压，但也可知能够得到与其接近的破坏耐压。
另外，图5示出在吸湿状况下(温度85℃、湿度85％)施加了恒定电压的情况的直至破坏为止的时间比。
在不应用本发明的构造的情况下，在短时间内吸湿而饱和，但通过应用上述构造，吸湿的速度变慢，直至饱和为止的时间变长。
从图5可知，在应用了上述结构的情况下，相比于以往延长约8倍寿命。
如上所述应用本实施方式的第2绝缘层，从而能够制造兼具高耐湿和高绝缘的半导体器件。
另外，图6是示出作为比较例的以往的半导体器件的结构的剖面图。
如果进一步详细说明，那么通过使二氧化硅粒子分散，能够提高填充量，通过减小第1绝缘层(绝缘片、绝缘基板)以及其他构造材料的热膨胀系数的差，能够防止发生成为水分的浸入路径的剥离、应力集中所致的破裂，所以能够发挥无缺陷的情况的高树脂本来的高的耐湿性。
特别是，在本实施方式中，使用树脂自身的耐湿性高(吸湿性低)的酚系环氧树脂，所以可以显著地发现通过使上述二氧化硅粒子分散而引起的作用，从而得到具有高的耐湿性的第2绝缘层7。
另外，作为二氧化硅粒子的形状如果并非使用尖的破碎二氧化硅，而是使用球状的熔融二氧化硅，则当然能够降低电场集中，并得到更高的耐压化。
另外，作为在第2绝缘层中向二氧化硅粒子表面配置纳米粒子形态的树脂粒子的方法，如果应用静电吸附法，则当然可以得到更高热导电化、更高耐压化。
如以上说明那样，在本实施方式的半导体器件中，第2绝缘层7由在二氧化硅粒子的周围壳状地集合了环氧树脂而成的集合体形成， 并且以使集合体的多个相互接触的方式填充。
为了抑制与热循环、模块制造工艺中的加热等所致的第1绝缘层5、引线框4的伸缩相伴的第2绝缘层7和第1绝缘层5、引线框4的剥离，在第2绝缘层7中，作为α调整必须混入二氧化硅粒子10。
构成为形成在二氧化硅粒子的周围壳状地集合了作为绝缘材料的环氧树脂而成的集合体，并且以使所述集合体的多个相互接触的方式填充，从而使二氧化硅粒子10均匀地分散，并消除二氧化硅粒子10的重叠所致的衬底方向的破坏路径，从而可以得到高耐压化。
另外，第2绝缘层7的填料相互隔开间隔而分散地配置在树脂中，即使发生沿面破坏路径12，发生了的沿面破坏路径12也被切断。
沿面破坏路径12使填料界面发展。但是，通过隔开填料间隔而在树脂中分散填料，沿面破坏路径12被切断，所以绝缘寿命延长，能够与上述同样地调整应力，同时能够实现高耐压化。
进而，在本实施方式中，半导体元件2(是指半导体元件2a、半导体元件2b)由宽带隙(wide bandgap)半导体材料形成。
通过使绝缘构造成为高耐湿高绝缘化，能够设计利用作为宽带隙半导体的优点的高驱动电压的半导体系统。
另外，所述宽带隙半导体材料是碳化硅、氮化镓系材料、以及金刚石中的某一个。
通过使绝缘构造成为高耐压化，能够设计利用作为碳化硅、氮化镓系材料半导体的优点的高驱动电压的半导体系统。
另外，以上，以实施方式1所示那样的半导体器件的结构为前提进行了说明，但半导体元件不限于2个，而可以设为适合于用途的个数(例如1个或者3个以上)，并且，作为电连接单元，即使并非使用导线，而是使用球电极、插入物、印刷布线基板、直接引线方式，当然也可以得到同样的效果。
另外，虽然以传递模塑(transfer mold)型的半导体器件为例子进行了说明，但针对例如如专利文献1的半导体器件那样在壳体(case)上安装了的壳体型的半导体器件等制法不同的半导体器件当 然也能够同样地应用，并起到同样的效果。
进而，在散热器一体型以及分离型中的任意一个的半导体器件中，都能够与实施方式1同样地构成，并能够起到与实施方式1同样的效果。另外，半导体元件不限于硅(Si)，当然能够在碳化硅(SiC)、氮化镓半导体等化合物半导体等所有半导体元件中得到同样的效果，也能够在二极管(Di)、IGBT以外的晶体管、集成电路(IC)等中得到同样的效果。
特别是，在应对高温动作的半导体元件中，除了碳化硅以外，还可以使用氮化镓系材料或者金刚石。例如，在作为开关元件、整流元件发挥功能的半导体元件中使用了碳化硅、氮化镓系材料或者金刚石的情况下，相比于以往使用的用硅(Si)形成的元件，电力损失更低，所以能够实现电力用半导体器件等应对高温动作的半导体器件的高效化。另外，耐电压性高、且容许电流密度也高，所以能够实现半导体器件的小型化。
而且，宽带隙半导体元件的耐热性高，所以能够实现高温动作，也能够实现散热器的散热片的小型化、水冷部的气冷化，所以能够使半导体器件进一步小型化。
另外，在将电极和半导体芯片、绝缘基板等通过焊锡等电连接了的接合型、或通过弹性体、螺栓固定等将电极和半导体芯片、绝缘基板等从电极外侧方向朝向内侧方向加压并电连接的压接型、或它们的复合型中的任意一个的半导体器件中，都能够与实施方式1同样地构成，并能够起到与实施方式1同样的效果。
产业上的可利用性
本发明能够保证即使在高湿环境下也有高可靠性的绝缘性，对散热性和绝缘性优良的半导体器件的实现是有用的。
另外，本发明能够在该发明的范围内，自由地组合各实施方式，或者使各实施方式适宜地变形、省略。