半导体装置

摘要

本发明提供一种即使在高的工作温度下工作也能够确保耐久性、在充分发挥半导体元件的性能方面有利的半导体装置。本发明的半导体装置包括将被基座(14)支撑的半导体元件(16)密封的密封层(20)而构成。密封层(20)由纳米复合物结构构成，所述纳米复合物结构由大量nm尺寸(1μm以下)的粒径的由SiO2构成的绝缘性纳米微粒(54)和将这些绝缘性纳米微粒(54)的周围没有间隙地填埋的非晶二氧化硅(56)构成。

权利要求

1.一种半导体装置，其特征在于，其具备：

半导体元件；

壳体，其收纳所述半导体元件；

基座，其在所述壳体的内部支撑所述半导体元件，发挥作为将所述半导体元件发出的热散热的散热部件的功能；

配线部件，其配设在所述壳体的内部，与所述半导体元件电连接；和密封层，其填充在所述壳体的内部，将所述半导体元件、所述配线部件密封，其中，所述密封层由纳米复合物结构构成，所述纳米复合物结构由1μm以下的粒径的由SiO2构成的绝缘性纳米微粒和将这些绝缘性纳米微粒的周围没有间隙地填埋的非晶二氧化硅构成。

2.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述半导体元件构成电力设备。

说明书

半导体装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种半导体装置。

背景技术

[0002] 近年来，进行着使用SiC(碳化硅)的SiC半导体元件的开发。

[0003] SiC半导体元件与Si半导体元件相比较，绝缘击穿电场强度高，带隙宽，因此作为控制大电力的电力设备倍受注目。SiC半导体元件即使在超过Si半导体元件的极限的150℃以上的高温下也能够工作，理论上即使在500℃以上也能够工作(参照专利文献1)。

[0004] 然而，半导体元件为了实现其的保护，以被收纳在壳体中并且被由填充在壳体的内部的树脂制密封材料构成的密封层密封的半导体装置的方式使用。

[0005] 现在，由树脂制密封材料构成的密封层的耐热温度限于150℃以下，如果达到超过SiC半导体元件的工作温度150℃的高温，则密封层发生劣化，在密封层中产生间隙，在确保半导体装置的耐久性方面不利。

[0006] 因此，现在不得不将SiC半导体元件在其工作温度不超过密封层的耐热温度的范围内使用，在充分发挥SiC半导体元件的性能上存在极限。

[0007] 这样的SiC半导体元件例如在将直流电压升压的升压电路、将直流电压变换成交流电压的逆变器(inverter)或变换成直流电压的顺变换器(converter)等的处理大电力的电力变换电路中作为电力设备使用。

[0008] 例如铁道车辆存在通过供给直流电力来行驶的种类和通过供给交流电力来行驶的种类，但任何一种铁道车辆为了控制供给到行驶用马达的交流电力都具备逆变器，该逆变器中使用电力设备。

[0009] 然而，如上所述，现在由于由树脂制密封材料构成的密封层的耐热温度限于150℃以下，所以伴随铁道车辆的行驶的逆变器的电力设备的工作温度超过150℃，会导致由密封层的劣化造成的电力设备的故障。

[0010] 近年的铁道车辆的事故的大部分是由伴随这样的工作温度的上升的密封层的劣化造成的电力设备的故障引起的，但修理需要耗费莫大的功夫和成本，因此希望有一些改善。

[0011] 在具备用于驱动行驶用马达的逆变器的电动汽车和具备将由太阳能电池发出的直流电力变换为商用的交流电力的逆变器的发电设施等中，也与上述同样地发生伴随这样的工作温度的上升的电力设备的故障，希望着改善。

[0012] 另一方面，本申请人提出并被授权了一种物理、化学强度优异的绝缘材料(参照专利文献2)。

[0013] 现有技术文献

[0014] 专利文献

[0015] 专利文献1：日本特开2011-80796号公报

[0016] 专利文献2：日本专利第5281188号公报

发明内容

[0017] 发明所要解决的问题

[0018] 本发明的发明人发现了：上述绝缘材料不仅具有优异的物理、化学强度，而且还具有超过250℃的耐热温度。

[0019] 本发明是着眼于上述绝缘材料的耐热性而完成的，其目的在于提供即使在高的工作温度下工作也能够确保耐久性、且在充分发挥半导体元件的性能方面有利的半导体装置。

[0020] 用于解决问题的手段

[0021] 为了解决上述课题，本发明的第一方面是一种半导体装置，其具备：半导体元件，收纳上述半导体元件的壳体，在上述壳体的内部支撑上述半导体元件且发挥作为将上述半导体元件发出的热散热的散热部件的功能的基座，配设在上述壳体的内部且与上述半导体元件电连接的配线部件，和填充在上述壳体的内部且将上述半导体元件、上述配线部件密封的密封层；其中，上述密封层由纳米复合物结构构成，该纳米复合物结构由1μm以下的粒径的由SiO2构成的绝缘性纳米微粒和将这些绝缘性纳米微粒的周围没有间隙地填埋的非晶二氧化硅构成。

[0022] 发明的效果

[0023] 根据本发明，如果半导体元件为例如作为电力设备使用的半导体装置，则即使在流过大电流或者进行高速的工作而工作温度超过150℃的情况下，密封层也不会发生热劣化，在充分发挥半导体元件的功能且确保耐久性方面有利。

[0024] 因此，在大幅削减由电力设备的故障造成的铁道车辆和电动汽车、发电设施等中的事故方面有利。

附图说明

[0025] 图1是表示本实施方式的半导体装置的剖面图。

[0026] 图2(A)是在绝缘性的部件50中设置凹部52、在该凹部52上形成密封层20的说明图，(B)是(A)的矩形框部分的放大图，(C)是(B)的矩形框部分的放大图。

[0027] 符号说明

[0028] 10   半导体装置

[0029] 12   壳体

[0030] 16   半导体元件

[0031] 1602  基板

[0032] 1604  接合电极

[0033] 18   配线部件

[0034] 20   密封层

[0035] 22   接合层

[0036] 50   绝缘性的部件

[0037] 52   凹部

[0038] 54   绝缘性纳米微粒

[0039] 56   非晶二氧化硅

具体实施方式

[0040] (半导体装置的结构)

[0041] 接下来，参照附图说明本实施方式的半导体装置。

[0042] 如图1所示，半导体装置10包括壳体12、基座14、半导体元件16、配线部件18、密封层20和接合层22而构成。

[0043] 在本实施方式中，接合层22除了包括将半导体元件16的接合电极1604与配线部件18接合的第三接合层22C以外、还包括第一接合层22A、第二接合层22B而构成。

[0044] 壳体12由上下开口的框状的侧壁1202构成，在侧壁1202的内侧上形成有收纳半导体元件16的收纳空间24。

[0045] 作为壳体12，能够采用非导电性的陶瓷材料等现有公知的各种材料。

[0046] 基座14支撑半导体元件16，由导热性优异的材料形成。

[0047] 在本实施方式中，基座14具备基座主体1402和中间板部1404。

[0048] 基座主体1402封闭框状的侧壁1202的下部的开口。

[0049] 作为基座主体1402，能够使用导热性优异的陶瓷材料、金属材料。

[0050] 中间板部1404以比基座14的上表面小一圈的轮廓形成。

[0051] 中间板部1404具有位于基座主体1402侧且介由第一接合层22A与基座主体1402的上表面接合的第一板部1404A、和在第一板部1404A之上与第一板部1404A一体地形成的第二板部1404B。

[0052] 第一板部1404A由导热性优异的陶瓷材料构成，第二板部1404B由导热性优异的金属材料构成。

[0053] 此外，基座14的结构不限于上述结构，只要是高效传导半导体元件16的热、作为半导体元件16的散热部件有效发挥功能的结构即可，也可以由单一的金属材料或者单一的陶瓷材料构成。

[0054] 半导体元件16构成在将直流电压升压的升压电路、将直流电压变换成交流电压的逆变器或变换成直流电压的顺变换器等电力变换电路中使用的电力设备，具备进行大电流的开关的开关元件，还可以具备为了驱动开关元件所需要的二极管或无源元件。

[0055] 在本实施方式中，半导体元件16由SiC半导体元件16构成，该半SiC导体元件16与Si半导体元件16相比，绝缘击穿电场强度高，带隙宽，即使在超过Si半导体元件16的极限的150℃以上的高温也能够工作，理论上即使在500℃以上也能够工作。

[0056] 半导体元件16在由SiC构成的基板1602上构成，在基板1602的上表面上形成有多个接合电极1604。

[0057] 多个接合电极1604包括：与半导体装置10的外部的电源和负载连接且流过大电流的电极、以及与半导体装置10的外部的控制电路连接且流过驱动开关元件的驱动信号的电极。

[0058] 这些接合电极1604例如由Al、Cu、Ni、Au、Ag、Ti或包含它们的合金构成。

[0059] 半导体元件16通过将与接合电极1604相反侧的面与中间板部1404的第二板部1404B重合，介由第二接合层22B接合，而支撑于基座14。

[0060] 配线部件18设置于每个半导体元件16的各个接合电极1604，配线部件18的一端相对于接合电极1604介由第三接合层22C电连接，配线部件18的另一端与贯通壳体12的侧壁1202且设置于壳体12的外部的连接端子26电连接。

[0061] 连接端子26与半导体装置10的外部的电源、负载、半导体装置10的外部的控制电路连接。

[0062] 此外，连接端子26的形状和配置位置是任意的。

[0063] 而且，在收纳空间24内、在用于密封半导体元件16、中间板部1404、配线部件18的密封空间24A中形成有密封层20。

[0064] 即密封层20由密封材料填充在壳体12的内部而形成，密封层20将配置在收纳空间24的内部、被基座14支撑的半导体元件16密封。

[0065] (密封层的结构)

[0066] 接下来，对于配置在密封空间24A内、将被基座14支撑的半导体元件16密封的密封层20，参照图2进行说明。

[0067] 图2(A)是表示在绝缘性的部件50内设置凹部52，在该凹部52上形成密封层20的图，(B)表示(A)的矩形框部分的放大图，(C)表示(B)的矩形框部分的放大图。

[0068] 如图2(C)所示，密封层20以由大量的nm尺寸(1μm以下)的粒径的由SiO2构成的绝缘性纳米微粒54和将这些绝缘性纳米微粒54的周围没有间隙地填埋的非晶二氧化硅56所构成的纳米复合物结构构成。

[0069] 即，密封层20由大量绝缘性纳米化微粒(SiO2)54和SiO2微粒的反应化合物(非晶二氧化硅56)构成。

[0070] 换而言之，密封层20由大量的绝缘性纳米微粒(SiO2微粒)54和将这些大量的绝缘性纳米微粒作为骨材并将它们的周围填埋的Si-O键(非晶二氧化硅56)的复合组织的纳米复合物结构构成。

[0071] 密封层20包含非晶二氧化硅56，即包含经玻璃化的SiO2，因此成为在内部没有间隙、孔穴、开裂等缺陷的密封层20，能够形成对壳体12、基座14、半导体元件16、配线部件18、第一接合层22A、第二接合层22B、第三接合层22C的密合强度高的高可靠度的密封层20。

[0072] (密封层的形成方法)

[0073] 密封层20例如通过将混合存在有大量的绝缘性纳米微粒54的液体玻璃(SiO2)填充在密封空间24A中并使液体玻璃固化而形成。

[0074] 或者，通过将日本专利第5281188号的绝缘糊料填充在密封空间24A中并使绝缘糊料固化而形成。在日本专利第5281188号所记载的绝缘糊料中，本发明中作为绝缘性纳米微粒使用由SiO2构成的绝缘性纳米微粒，在绝缘糊料中还包含Si微粒和液状的有机Si化合物。

[0075] 液体玻璃、绝缘性糊料的固化例如能够优选通过在真空气氛中、在130℃～150℃的温度范围内加热来进行。优选之后包括一边加压一边冷却的工序。通过该工序，将密封层20致密化，能够提高对壳体12、基座14、半导体元件16、配线部件18、第一接合层22A、第二接合层22B、第三接合层22C的密合力。

[0076] 因此，密封层20为液体玻璃、绝缘性糊料的烧成物。

[0077] 密封层20由绝缘性纳米微粒54和构成玻璃的非晶二氧化硅56的复合组织的复合物结构形成，因此成为体积增加、在壳体12的内部没有间隙、孔穴、开裂等缺陷的高可靠度的密封层20。而且，反应成形后体积增加数％左右，能够避免孔穴、间隙或开裂的发生等。

[0078] 根据本实施方式的密封层20，能够得到如下的效果。

[0079] (a)物理、化学强度优异，而且具有超过250℃的耐热温度的耐热性优异，具有直到600℃左右都不发生剥离或断线等的耐热性。

[0080] (b)能够简单且可靠地形成密封层20。

[0081] (c)在密封层20的内部没有间隙、孔穴、开裂等缺陷，具有高的可靠度。

[0082] 因此，根据本实施方式，密封层20为物理、化学强度优异的绝缘性材料，并且具有超过250℃的耐热性。

[0083] 因此，如果半导体元件16为例如作为电力设备使用的半导体装置10，则即使在流过大电流或者进行高速的工作而工作温度超过150℃的情况下，密封层20也不会发生热劣化，在充分发挥半导体元件16的功能且确保耐久性方面有利。

[0084] 因此，在使铁道车辆和电动汽车、发电设施等所使用的逆变器的性能提高且确保耐久性方面有利，在大幅减少由电力设备的故障造成的铁道车辆或电动汽车、发电设施等中的事故方面有利。