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公開番号2025119679
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-08-15
出願番号2024014597
出願日2024-02-02
発明の名称半導体装置
出願人ミネベアパワーデバイス株式会社
代理人ポレール弁理士法人
主分類H01L 23/02 20060101AFI20250807BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】
半導体装置、特に高温での安定動作が求められるパワー半導体装置において、装置内部に浸入した水分の絶縁材への浸透、加熱された際の絶縁材中に発生するボイドやクラックの発生を抑制し、部分放電や絶縁破壊を防止する半導体装置を提供すること。
【解決手段】
半導体素子を搭載する半導体基板と、半導体基板を気密封止する筐体と、を備えた半導体装置であって、筐体は、筐体内部の圧力に応じて筐体内部の体積を変化させる圧力調整部を備えた半導体装置。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
半導体素子を搭載する半導体基板と、
前記半導体基板を気密封止する筐体と、
を備えた半導体装置であって、
前記筐体は、該筐体内部の圧力に応じて筐体内部の体積を変化させる圧力調整部、
を備えたことを特徴とする半導体装置。
続きを表示（約 620 文字）【請求項２】
請求項１記載の半導体装置において、
前記圧力調整部は、前記筐体内部の圧力に応じて伸縮する可動部を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項２記載の半導体装置において、
前記可動部は、少なくとも一部が弾性体部材からなることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項３記載の半導体装置において、
前記弾性体部材は、ゴム状の有機材料、またはバネからなることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項２～４のいずれか一項に記載の半導体装置において、
前記可動部の動作変化量に基づき半導体装置の健全性を評価する健全性評価部、
を備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項２～４のいずれか一項に記載の半導体装置において、
前記筐体の内部に前記半導体基板を絶縁封止するゲル状の絶縁材を備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項２～４のいずれか一項に記載の半導体装置において、
前記筐体の内部を一時的に外気に開放する外気開放部を備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項２～４のいずれか一項に記載の半導体装置において、
前記圧力調整部の可動部の動作範囲を制限するリミッターを備えたことを特徴とする半導体装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に係り、特に高温での安定動作が求められるパワー半導体装置に関する。
続きを表示（約 2,500 文字）【背景技術】
【０００２】
近年、地球規模での環境や資源の問題がクローズアップされており、資源の有効活用、省エネルギー化の推進、地球温暖化ガスの排出抑制のため、パワー半導体素子のスイッチングを利用したインバータ装置を代表とする高効率な電力変換装置が注目されている。こうした電力変換装置は、冷蔵庫やエアコンなどの家電製品をはじめ、産業機械、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ：ＨｙｂｒｉｄＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ）、電気自動車（ＥＶ：ＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ）、鉄道、電力および社会インフラ関連機器等に幅広く応用展開されている。
【０００３】
電力変換装置は、ＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のパワー半導体素子を内蔵したパワー半導体装置（パワーモジュール）、バスバー、コンデンサ、インダクター、各種センサおよび制御回路等の数多くの部品から構成されている。設置面積の小スペース化や安全性のため、小型で信頼性の高い電力変換装置が求められている。これには、電力変換装置の主要構成部品であるパワー半導体装置の小型化および高信頼化が重要である。
【０００４】
パワー半導体装置のパワー半導体素子には、現在、主としてＳｉを材料とするＩＧＢＴやダイオード等が使用されている。パワー半導体装置は、上述した通り小型化および大容量化が進んでおり、これに伴い高温での安定動作が求められている。また、パワー半導体素子には、「高耐圧」、「低オン抵抗」および「高速スイッチング」特性も求められている。絶縁破壊電界強度がＳｉの１０倍、バンドギャップがＳｉの３倍の特性を有するＳｉＣが次世代パワー半導体素子として適用され始め、普及が期待されている。この次世代パワー半導体素子では、Ｓｉデバイスよりもさらに高温での素子の使用が可能となるため、パワー半導体装置には高温動作での高い信頼性が必要である。
【０００５】
高温動作における高い信頼性を実現することを目的としたパワー半導体装置として、例えば特許文献１がある。特許文献１には、リードピンブロックは、多数のリードピンが起立した基台部と、蓋受け段差部と、額縁部の内側面の係合爪部に係合する係合爪部と、使用時にリードピンの雌型コネクタのガイド穴に挿し込まれるガイドピン部と、蓋受け段差部に凹所から係合爪部の段差部位にかけて基台部を厚さ方向に貫通したエア抜き孔とを有するパワー半導体装置が開示されている。特許文献１において、リードピンブロックを額縁部の内側面に落とし込み、係合爪部と係合爪部とを係合させると、ブロックは密着的に抜け止め状態になるが、ブロックと額縁部との隙間がシール部材を以て閉塞されている。そして半導体装置内部の空間と外気とはエア抜き孔を介して連通状態になっている。
【０００６】
特許文献１の構成によれば、リードピンブロックを額縁部に挿し込んで組み付けた状態で上記額縁部との嵌め合い隙間がシール部材を以て内部空間側で閉塞されているので、絶縁性蓋体を絶縁性ケース枠へ固着するための加熱や半導体素子の発熱により、ゲル状樹脂封止材の温度が上昇してゲル状樹脂封止材が熱膨張しても、この隙間から滲み出ることはない。また、ゲル状樹脂封止材が膨張すると内部空間の残留空気の空気圧が高まるが、エア抜き孔が形成されているので、内圧は上昇せず、ゲル状樹脂封止材の自由膨張を許すことができる。このため、過度な熱応力の発生を抑制でき、信頼性が向上するとされている。
【０００７】
また、特許文献２には、試験中や動作中の発熱で軟質封止部材の体積膨張が生じても破損しないパワー半導体装置として、底板として用いられる基板を取り付けたケースを有し、該基板のケースの内部に向かった側に半導体素子と電気接続部材が取り付けられ、該ケースの中に軟質封止部材が注入され、その上に硬質封止部材が注入されるパワー半導体装置において、軟質封止部材を注入したケース内部の空間に連結された保償空間を有するとともに、軟質封止部材が温度上昇をした時に保償空間の中に膨張するように形成し、また保償空間はケースに設けられた開口を介して、パワー半導体装置の周囲を取巻く大気と連通していることが開示されている。
【０００８】
特許文献２の構成によれば、内部に保償空間を設けることで、軟質封止部材は体積膨張を行うことができ、パワー半導体装置を破損するような高い圧力がパワー半導体装置の中に発生するのを防止できる。また保償空間を形成するケースの壁に開口を設けることで、保償空間内の空気と装置を取巻く外気を連通させることでパワー半導体装置が呼吸できるようにするのが好ましいとされている。
【０００９】
上述した特許文献１および特許文献２のパワー半導体装置は、いずれもケース内部に半導体素子を搭載した基板を有し、ゲル状樹脂封止材で半導体素子および基板を絶縁封止し、ケースの一部またはリードピンブロックの一部に通気孔（特許文献１は、「エア抜き孔」、特許文献２は、「開口」）を形成した構造を有している。半導体素子の動作発熱時、ゲル状樹脂封止材の体積膨張による隙間からの溢れ出しや内部圧力の上昇防止、過度な熱応力の発生を抑制するとされている。
【００１０】
一方、パワー半導体素子を搭載した基板を放熱ベース板上にはんだ等の接合部材で接合されたパワー半導体装置の出荷試験において、放熱ベース板と基板の接合状態を検査する工程がある。パワー半導体装置を水中に浸漬し、超音波で放熱ベース板と基板との接合界面にはんだのボイドやヒケが存在するか否かを検査する。パワー半導体素子のベース板への放熱性、パワー半導体装置の信頼性を確認するための重要な検査である。
【先行技術文献】
【特許文献】
（【００１１】以降は省略されています）

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