用樹脂覆蓋的耐高壓半導體器件及其製造方法
2023-12-09 03:21:21 2
專利名稱：用樹脂覆蓋的耐高壓半導體器件及其製造方法
技術領域：
本發明涉及用樹脂覆蓋耐高壓半導體元件而獲得耐高壓的半導體器件。
背景技術：
碳化矽(以後記為SiC)等的寬帶隙半導體材料與矽(以後記為Si)相比，具有禁帶寬度大和絕緣破壞電場強度大約大一位數等優良的物理特性，因此作為適用於耐高溫且耐高壓的半導體器件的半導體材料引人注目。
在使用SiC的現有技術的耐高壓半導體器件中，將具有反向高耐壓的SiC半導體元件容納在金屬制的封裝(package)內。為了提高用於施加SiC半導體元件的高電壓的電極之間的周圍空間中的耐絕緣性，在封裝內充填六氟化硫氣體等絕緣用氣體。
儘管六氟化硫氣體作為絕緣用氣體目前具有最優良的絕緣性，但是由於包含了破壞臭氧層的原因物質的氟，因此從防止地球變暖的觀點看，需要避免使用它。
除了充填六氟化硫氣體之外，作為保持優良絕緣性的方法，有用包含具有矽氧烷(Si-O-Si鍵合體)線狀結構的聚甲基苯基矽氧烷的合成高分子化合物(一般稱為矽橡膠)和包含具有矽氧烷交鏈結構的聚甲基苯基矽氧烷的合成高分子化合物來覆蓋半導體元件的方法。在高粘度的液體狀態下塗敷這些合成高分子化合物，以覆蓋整個半導體元件(半導體晶片)，並且在常溫或者100℃到200℃左右的溫度上通過加熱而使其固化。由此能夠保持比較好的絕緣性。
專利文獻1特開2002-356617號公報專利文獻2特開2000-198930號公報發明內容本發明要解決的課題在具有塗敷上述矽橡膠等液態高分子化合物並被固化的覆蓋層的額定5kV的半導體器件例如二極體中，當在陽極電極和陰極電極之間施加了3kV到5kV的反向電壓時，如圖10所示，2μA到8μA大小的漏電流在兩個電極之間流動。當施加的反向電壓為3kV時，對於在室溫下如用曲線a所示的1μA的漏電流，在半導體器件的溫度為200℃下就增加到如用曲線b所示的2μA。而且，在室溫下施加3.5kV以上、在200℃下施加2.5kV以上的反向電壓時，如曲線a和b的凹凸所示，由施加的反向電壓導致漏電流變動，從而使絕緣性變得不穩定。為此，存在不能獲得在設計時假定的規定的反向耐壓特性的情況。對於其原因，本發明人進行了各種實驗、分析、研究。結果判定，當液態高分子化合物固化時，分子取向方向變得不規則，為此，存在固化後的高分子化合物的組織中產生局部不均勻的可能性。可以認為，當這種組織不均勻存在時，通過在施加反向電壓時產生的電場而使電阻降低，有漏電流流動。
本發明的目的是提供一種耐高壓的半導體器件，其將構成半導體器件的半導體元件用具有耐高壓的物質來覆蓋。
解決課題的手段本發明的耐高壓半導體器件，具有耐高壓半導體元件，其包括至少兩個相互間需要高耐壓的電極；第一引線，其連接到所述至少兩個電極的一個上；第二引線，其連接到所述至少兩個電極的另一個上；以及樹脂覆蓋材料，將其以覆蓋所述耐高壓半導體元件、所述電極以及所述第一和第二引線的所述電極之間的連接部分附近而進行塗敷，並且將規定的直流電壓施加在所述第一和第二引線上，同時使其固化。
根據本發明，通過將直流電壓施加在由未固化樹脂覆蓋的至少兩個電極之間，使電場施加在未固化的樹脂上。儘管本發明人推測為，通過該電場，未固化樹脂的分子取向向著電場方向，從而取向方向一致，通過在取向方向一致的狀態下進行固化，使樹脂的介電常數變高，同時直流電阻變大，但是目前理論性的解釋未完成。總之，在實測結果中，漏電流減少了。
本發明的耐高壓半導體器件的製造方法，用於製造所述耐高壓半導體器件，該耐高壓半導體器件具有耐高壓半導體元件，其包括至少兩個相互間需要高耐壓的電極；第一引線，被連接到所述至少兩個電極的一個上；以及第二引線，被連接到所述至少兩個電極的另一個上，包括塗敷樹脂使得覆蓋所述耐高壓半導體元件、所述電極以及所述第一和第二引線的所述電極之間的連接部分附近的步驟；將規定的直流電壓施加在所述第一和第二引線上並同時使所述樹脂固化的步驟。
根據本發明，固化後的高分子化合物加熱時軟化。通過將電場施加到軟化後的高分子化合物上，則高分子化合物的分子取向朝向一定的方向而一致。在該狀態下返回到常溫時，分子取向方向被固定到一定方向。其結果，高分子化合物的電阻保持在極大值。
本發明另一個耐高壓半導體器件的製造方法，用於製造所述耐高壓半導體器件，該耐高壓半導體器件具有耐高壓半導體元件，其包括至少兩個相互間需要高耐壓的電極；第一引線，其連接到所述至少兩個電極的一個上；以及第二引線，其連接到所述至少兩個電極的另一個上，所述耐高壓半導體器件的製造方法包括塗敷樹脂並使其固化，以覆蓋所述耐高壓半導體元件、所述電極以及所述第一和第二引線的所述電極之間的連接部分附近的步驟；將規定的直流電壓施加在所述第一和第二引線上並同時將所述樹脂加熱到規定的溫度的步驟。
發明效果根據本發明，通過塗敷樹脂以覆蓋半導體元件，並將規定的反向電壓施加在半導體元件的需要耐高壓的至少兩個電極之間，同時使所述樹脂固化，從而可以提高所述至少兩個電極間的耐反向電壓。而且，在所述樹脂的固化之後，通過一邊將規定的反向電壓施加在所述兩個電極之間一邊進行加熱，能夠獲得與上述同樣的效果。
圖1是本發明第一實施例的耐高壓SiC二極體器件的剖面圖。
圖2是本發明第一實施例的耐高壓SiC二極體器件的製造方法中的電路圖。
圖3是通過與現有技術例子的比較來表示本發明第一實施例的耐高壓SiC二極體器件的測定結果的曲線。
圖4是表示通過改變本發明第一實施例的SiC二極體器件的溫度而測定的施加反向電壓和漏電流之間的關係的曲線。
圖5是本發明第一實施例的其他例子的耐高壓SiC二極體器件的剖面圖。
圖6是本發明第一實施例的另一個其他例子的耐高壓SiC二極體器件的剖面圖。
圖7是本發明第一實施例的另一個其他例子的耐高壓SiC二極體器件的剖面圖。
圖8是表示本發明第二實施例的耐高壓SiC二極體器件的高溫帶電時間和漏電流的關係的曲線。
圖9是表示本發明第二實施例的高溫帶電前後的漏電流的比較的曲線。
圖10是表示現有技術的SiC二極體器件的施加反向電壓和漏電流之間的關係的曲線。
標號說明1 襯底2 SiC二極體元件4 陽極電極5 陽極端子6 陰極電極7 陰極端子8 絕緣材料9、16、18 樹脂10 加熱爐11 直流電源12、13、14SiC 二極體器件20 印刷電路板21、22 電路導體具體實施方式
下面參考圖1到圖9來說明本發明優選實施例的耐高壓半導體器件及其製造方法。
《第一實施例》參考圖1到圖7來說明本發明第一實施例的耐高壓半導體器件及其製造方法。
圖1是本發明第一實施例的耐高壓半導體器件，是耐壓5kV的耐高壓SiC二極體器件的剖面圖。圖1中，SiC二極體元件(晶片)2用高溫焊料等焊接到構成封裝的金屬襯底1的中央部分。SiC二極體元件2的陽極電極4用引線4a連接到陽極端子5。SiC二極體元件2的陰極電極6用引線6a連接到陰極端子7。陽極端子5和陰極端子7通過玻璃等絕緣材料8與金屬襯底1絕緣隔開。
根據上述，塗敷熱固化性的用於密封的樹脂9，以覆蓋在金屬襯底1上所構成的SiC半導體元件2、引線4a，6a以及從陽極端子5和陰極端子7的金屬襯底1的上面突出的部分。將樹脂9的粘度選定為合適的值，以如圖1所示那樣塗敷層隆起為山狀並且在內部不產生氣泡。當粘度過低時，塗敷層不隆起為山狀，引線4a，6a露出到塗敷層的外部，並且用於覆蓋SiC二極體元件2表面的樹脂9的厚度變薄。當粘度過高時，有時可在內部產生氣泡。
作為樹脂9，一般能夠使用熱固化樹脂。作為熱固化樹脂的例子，有環氧樹脂。作為更優選的樹脂，有以下三種樹脂。
1.稱為Si橡膠的由具有矽氧烷(Si-O-Si鍵合體)線狀結構的聚甲基苯基矽氧烷構成的合成高分子化合物2.由具有矽氧烷交鏈結構的梯形聚苯基倍半矽氧烷構成的合成高分子化合物3.將具有由矽氧烷產生的交鏈結構的有機矽聚合物A和具有由矽氧烷(Si-O-Si鍵合體)產生的線狀連結結構的有機矽聚合物B交替由矽氧烷鍵合而連結成線狀來構成有機矽聚合物C，並且用通過附加反應所生成的共價鍵而在上述有機矽聚合物C之間進行三維連結的合成高分子化合物。
這些合成高分子化合物都具有良好的耐熱性，能夠將它們的任何一個或者多個進行組合來使用。
如圖2中的略圖所示，將塗敷了樹脂9的襯底1放入電爐等加熱爐10中。將陽極端子5和陰極端子7分別連接到直流電源11(電壓1kV)的負端子和正端子，並且將1kV的反向電壓施加在SiC二極體2上。該反向電壓為100V到5kV的範圍，可以根據樹脂的種類、陽極端子5與陰極端子7之間的距離等通過實驗來確定合適的值。在該狀態將加熱爐10的溫度上升到200℃並加熱約5小時(固化時間)。固化時間經過後漸漸冷卻到室溫。漸漸冷卻時間設為大約3小時。加熱爐10的溫度是從30℃到300℃左右之間，根據樹脂的種類來選定。
通過在這樣獲得的SiC二極體器件12的陽極端子5和陰極端子7上在室溫下施加從0V到5kV的反向電壓來測定在陽極端子5和陰極端子7之間的漏電流。其結果示於圖3中。在圖3中，橫軸表示施加的反向電壓(kV)，縱軸表示漏電流(μA)。圖3的曲線c與在前述背景技術部分中說明的圖10的曲線a幾乎是相同的曲線。該曲線用於與本實施例的SiC半導體器件12進行比較，是在SiC半導體器件12的陽極端子5和陰極端子7之間不施加反向電壓的被固化的樣本的測量數據。
圖3的曲線d是本實施例的SiC半導體器件12在室溫下的測定結果。如果將曲線c和曲線d比較，當施加的反向電壓是3kV時，對於在曲線c上，漏電流是1μA，而在曲線d上為0.3μA即大約降低到三分之一。當施加的反向電壓是5kV時，對於在曲線c上，漏電流大幅增加如約6μA，而在曲線d上為約1μA的低值。曲線d沒有如曲線c那樣的凹凸，是極其平滑的。根據這點可以判定，在本實施例的SiC二極體器件12中，漏電流的值對於施加的反向電壓值穩定變化。
在本實施例的SiC二極體器件12中，即使當施加了高的反向電壓時，漏電流也幾乎不增加。因此，能夠維持高的耐電壓性。
圖4表示通過提高本實施例的SiC二極體器件12的溫度來測定漏電流的結果。圖4中，曲線d是室溫中的測定結果，與圖3的曲線d相同。圖4的曲線e是在200℃的溫度中的測定結果，曲線f是300℃的溫度中的測定結果。在各個測定中，通過將本實施例的SiC二極體器件12放入加熱爐中而保持到規定的溫度。
從圖4可知，當施加的反向電壓是3kV時，在室溫的漏電流是大約0.3μA，在200℃的漏電流是大約0.6μA，在300℃的漏電流是大約1.0μA。如果將圖4的曲線e和在相同溫度200℃中的現有技術SiC二極體器件的圖10的曲線b進行比較，可知對於現有技術例子的SiC二極體器件在反向電壓5kV下的漏電流是8μA來說，本實施例的SiC二極體器件12在反向電壓5kV下的漏電流是2μA，大幅度降低。
在本實施例的SiC二極體器件中，如圖1所示，優選用樹脂9覆蓋從SiC二極體元件2、引線4a，6a和陽極端子5及陰極端子7的襯底1向上方的突出部分的全部。但是，為了使構成簡單，如圖5所示，即使用樹脂15覆蓋SiC二極體元件2和引線4a、6a的一部分，也能夠在某種程度上獲得本發明的效果。
圖6是本實施例另外例子的SiC二極體器件的剖面圖。在圖6所示的SiC二極體器件13中，在襯底1上設置了用於包圍SiC二極體元件2周圍的十分大的金屬制或者耐熱樹脂制的框架17。將SiC二極體元件2定位在框架17的中央部分，並且用高溫焊錫等粘結到襯底1。將SiC二極體元件2的陽極電極4用引線4a連接到陽極端子5，將陰極電極6用引線6a連接到陰極端子7。將樹脂16流入到框架17內，並且如圖2所示一邊將反向電壓施加在陽極端子5和陽極端子7之間，一邊加熱而使其固化。
在圖6所示的例子中，由於有框架17，因此能夠在樹脂16中使用粘度低的樹脂。使用粘度低的樹脂時，氣泡等難以進入到樹脂16的內部。由於氣泡進入時，會使絕緣性降低，因此優選盡力不進入氣泡。
圖7是本實施例其他例子的SiC二極體器件14的剖面圖。圖7所示的例子表示將SiC二極體元件2安裝在印刷電路板20上的情況。圖中，通過耐熱粘結劑將SiC二極體元件2粘結到絕緣物的電路板20上。SiC二極體2的陽極電極4通過引線4a被連接到規定的布線圖案的電路導體21上，陰極電極6通過引線6a被連接到電路導體22上。塗敷樹脂18，以覆蓋包含SiC二極體元件2、引線4a和6a、以及引線4a，6a和各自的電路導體21、22之間的連接部分的區域。接著，與圖2所示的情況同樣，通過將電路導體21和22連接到直流電源11來將反向電壓施加到SiC二極體元件2，同時在常溫或者規定的高溫下加熱並固化樹脂18。其他的構成和作用效果與圖1所示的情況相同。
在本實施例的從圖1到圖7的半導體器件中，儘管說明了使用SiC二極體元件2作為半導體元件的例子，但是本發明並不被限定於SiC二極體元件2，能夠適用於IGBT、GTO等雙極元件、除雙極元件以外的FET等所有半導體元件。在雙極電晶體和FET、具有3端子或者3端子以上端子的半導體元件中，通過將具有施加最高反向電壓的可能性的2個端子連接到如圖2所示那樣的直流電源11來施加反向電壓，並且同時加熱到規定的高溫來使樹脂固化。
在本實施例中，儘管說明了加熱到使樹脂9、15、16、18固化時的200℃左右的方法，但是也可以根據樹脂的種類，在200℃以下的溫度或者常溫下進行固化。
《第二實施例》參考圖8和圖9說明本發明第二實施例的耐高壓半導體器件及其製造方法。在第二實施例的製造方法中，可以在用前述第一實施例說明的用於密封的樹脂9的固化過程中，不將高電壓施加到電極之間。
在本實施例中，當例如參考圖1進行說明時，通過塗敷用於密封的樹脂9並按原樣進行固化，使得覆蓋金屬襯底1上的半導體元件2、引線4a，6a以及陽極端子5和陰極端子7的金屬襯底1上面的突出部分。作為樹脂9，使用環氧系列樹脂、或者將具有由矽氧烷產生的交鏈結構的有機矽聚合物A和具有由矽氧烷(Si-O-Si鍵合體)產生的線狀連結結構的有機矽聚合物B交替地由矽氧烷鍵合而連結成線狀來構成有機矽聚合物C並且用通過附加反應所生成的共價鍵來在該有機矽聚合物C之間進行三維連結的合成高分子化合物。作為半導體元件2，使用耐高壓的SiC二極體2。樹脂9固化後，通過圖2所示的構成，在陽極端子5和陰極端子7之間施加例如1kV的反向電壓，同時將SiC二極體器件12加熱到例如大約200℃。下面，將上述處理稱為「高溫帶電」。高溫帶電的時間是從10分鐘到2小時左右的範圍，可以根據半導體元件2和密封用樹脂9的種類來決定。施加的反向電壓也可以在100V到5kV範圍內進行合適選定。
圖8是表示在本實施例的SiC二極體器件12的製造方法中在高溫帶電的處理時間和施加處理後的漏電流之間的關係的曲線。為了測定漏電流，在圖2的直流電源11和陽極端子5之間連接省略了圖示的電流計。在陽極端子5和陰極端子7之間施加1kV的反向電壓，同時將SiC二極體器件12放入加熱爐中加熱到200℃。高溫帶電開始時的漏電流是大約0.4μA，當高溫帶電的時間變長時，如曲線g所示，判斷漏電流漸漸減少。當經過30分鐘時，漏電流是大約0.15μA，此後幾乎不減少。
圖9是表示在SiC二極體器件12上進行高溫帶電處理之前和進行處理之後向陽極端子5和陰極端子7之間施加反向電壓時的特性的曲線。在高溫帶電處理之前，如曲線h所示，當施加的反向電壓為3kV時的漏電流是大約1μA，當施加的反向電壓變為3.5kV以上時，漏電流根據施加的反向電壓而變動，變成不穩定的狀態。曲線j表示在進行了30分鐘的高溫帶電之後施加反向電壓時的特性。施加的反向電壓為3kV時的漏電流是0.3μA以下，變成了十分小的值。在施加的反向電壓變化時的漏電流的變動也幾乎沒有，由此獲得了良好的反向電壓施加特性。根據發明者的實驗，判斷在高溫帶電處理中，施加的反向電壓及溫度高，則漏電流的降低效果高。認為由高溫帶電引起的漏電流減少由以下的作用產生。在高溫帶電處理前固化的樹脂中包含了微量離子，由此當在陽極和陰極之間施加電壓時，流過漏電流。通過使固化的樹脂經過高溫，使樹脂的粘度降低，當在該狀態下進行帶電時，樹脂中的離子匯集到與各自所帶電的符號相反的電極上，當冷卻樹脂時，按原樣被固定。其結果，在樹脂中能夠移動的離子幾乎不變，漏電流減少。
工業實用性本發明能夠用於樹脂密封型的耐高壓半導體器件。
權利要求
1.一種耐高壓半導體器件，具有耐高壓半導體元件，其包括至少兩個相互間需要高耐壓的電極；第一引線，其連接到所述至少兩個電極的一個上；第二引線，其連接到所述至少兩個電極的另一個上；以及樹脂覆蓋材料，將其以覆蓋所述耐高壓半導體元件、所述電極以及所述第一和第二引線的所述各個電極之間的連接部分附近而進行塗敷，並且將規定的直流電壓施加在所述第一和第二引線上，同時使其固化。
2.如權利要求1所述的耐高壓半導體器件，特徵在於，所述樹脂包括從下述合成高分子化合物中選擇的至少一個稱為Si橡膠的由具有矽氧烷(Si-O-Si鍵合體)線狀結構的聚甲基苯基矽氧烷構成的合成高分子化合物；由具有矽氧烷交鏈結構的梯形聚苯基倍半矽氧烷構成的合成高分子化合物；以及將具有由矽氧烷產生的交鏈結構的有機矽聚合物A和具有由矽氧烷(Si-O-Si鍵合體)產生的線狀連結結構的有機矽聚合物B交替地由矽氧烷鍵合而連結成線狀來構成有機矽聚合物C，並且用通過附加反應所生成的共價鍵而在上述有機矽聚合物C之間進行三維連結的合成高分子化合物。
3.如權利要求1所述的耐高壓半導體器件，特徵在於，所述直流電壓在100V到5kV的範圍。
4.一種耐高壓半導體器件的製造方法，所述半導體器件具有耐高壓半導體元件，其包括至少兩個相互間需要高耐壓的電極；第一引線，其連接到所述至少兩個電極的一個上；以及第二引線，其連接到所述至少兩個電極的另一個上，所述耐高壓半導體器件的製造方法包括塗敷樹脂，以覆蓋所述耐高壓半導體元件、所述電極以及所述第一和第二引線的所述各個電極之間的連接部分附近的步驟；將規定的直流電壓施加在所述第一和第二引線上，同時使所述樹脂固化的步驟。
5.一種耐高壓半導體器件的製造方法，該耐高壓半導體器件具有耐高壓半導體元件，其包括至少兩個相互間需要高耐壓的電極；第一引線，其連接到所述至少兩個電極的一個上；以及第二引線，其連接到所述至少兩個電極的另一個上，所述耐高壓半導體器件的製造方法包括塗敷樹脂並使其固化，以覆蓋所述耐高壓半導體元件、所述電極以及所述第一和第二引線的所述各個電極之間的連接部分附近的步驟；將規定的直流電壓施加在所述第一和第二引線上，同時將所述樹脂加熱到規定的溫度的步驟。
6.如權利要求4或者5所述的耐高壓半導體器件的製造方法，特徵在於，所述樹脂包括從下述合成高分子化合物中選擇的至少一個稱為Si橡膠的由具有矽氧烷(Si-O-Si鍵合體)線狀結構的聚甲基苯基矽氧烷構成的合成高分子化合物；由具有矽氧烷交鏈結構的梯形聚苯基倍半矽氧烷構成的合成高分子化合物；以及將具有由矽氧烷產生的交鏈結構的有機矽聚合物A和具有由矽氧烷(Si-O-Si鍵合體)產生的線狀連結結構的有機矽聚合物B交替地由矽氧烷鍵合而連結成線狀來構成有機矽聚合物C，並且用通過附加反應所生成的共價鍵來在上述有機矽聚合物C之間進行三維連結的合成高分子化合物。
7.如權利要求4到6任何一項所述的耐高壓半導體器件的製造方法，特徵在於，所述直流電壓為100V到5kV。
8.如權利要求5所述的耐高壓半導體器件的製造方法，特徵在於，所述加熱溫度是從30℃到300℃。
全文摘要
在將密封用樹脂塗敷在封裝或者襯底上所安裝的耐高壓半導體晶片上，並使其固化時，在晶片電極或者晶片通過引線等布線所連接的電極端子的至少一個和與該電極端子之間需要絕緣耐壓的另一個電極之間，一邊施加高電壓一邊使樹脂固化。密封用樹脂使用合成高分子化合物，該化合物將具有由矽氧烷產生的交鏈結構的有機矽聚合物A和具有由矽氧烷(Si－O－Si鍵合體)產生的線狀連結結構的有機矽聚合物B交替地通過矽氧烷鍵合而被線狀地連結，從而構成有機矽聚合物C，並以共價鍵進行三維連結。由此，即使在安裝於襯底或者封裝上並且用樹脂密封的耐高壓半導體晶片上施加了高反向電壓時，也能夠抑制漏電流的增大和獲得設計值那樣的電絕緣耐久性。
文檔編號H01L21/56GK101053078SQ200580033930
公開日2007年10月10日 申請日期2005年10月5日 優先權日2004年10月6日
發明者岡田真一, 菅原良孝, 淺野勝則, 高山大輔, 東海林義和, 謝名堂正, 末吉孝, 日渡謙一郎 申請人:關西電力株式會社, 株式會社艾迪科