高耐熱合成高分子化合物及びこれで被覆した高耐電圧半導体装置
【課題】１５０℃以上の高温で使用するＳｉＣなどのワイドギャップ半導体装置において、ワイドギャップ半導体素子の絶縁性を改善し、高耐電圧のワイドギャップ半導体装置を得る。
【解決手段】ワイドギャップ半導体素子の外面を、合成高分子化合物で被覆する。この合成高分子化合物は、シロキサン（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合体）による橋かけ構造を有する１種以上の有機珪素ポリマーＡとシロキサンによる線状連結構造を有する１種以上の有機珪素ポリマーＢとをシロキサン結合により連結させた有機珪素ポリマーＣ同士を、付加反応により生成される共有結合で連結させて三次元の立体構造に形成している。この合成高分子化合物に高い熱伝導性を有する絶縁性セラミックスの微粒子を混合し、熱伝導率を高くしている。
【解決手段】ワイドギャップ半導体素子の外面を、合成高分子化合物で被覆する。この合成高分子化合物は、シロキサン（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合体）による橋かけ構造を有する１種以上の有機珪素ポリマーＡとシロキサンによる線状連結構造を有する１種以上の有機珪素ポリマーＢとをシロキサン結合により連結させた有機珪素ポリマーＣ同士を、付加反応により生成される共有結合で連結させて三次元の立体構造に形成している。この合成高分子化合物に高い熱伝導性を有する絶縁性セラミックスの微粒子を混合し、熱伝導率を高くしている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐熱性が高い合成高分子化合物及びこれで被覆した耐熱性が高く熱放散性の良い高耐電圧パワー半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
比較的大きな電力を扱うパワー半導体装置では、大電力通電時に発生する熱により半導体装置が高温になるので、高い耐熱性が要求される。現状のパワー半導体装置ではほとんどがシリコン（Ｓｉ）パワー半導体装置を用いているが、その耐熱限界温度は通常１５０℃である。現在Ｓｉパワー半導体装置の耐熱限界温度を２００℃程度に高くする試みが進められている。
一方、炭化珪素（以下、ＳｉＣと記す）等のワイドギャップ半導体材料でパワー半導体装置を構成することが試みられている。ＳｉＣ等のワイドギャップ半導体材料はＳｉに比べてエネルギーギャップが大きく、絶縁破壊電界強度も約１桁大きい等の優れた物理特性を有しているため、高耐熱で高耐電圧のパワー半導体装置に用いるのに好適である。
【０００３】
ＳｉＣを用いた従来例の高耐熱・高耐電圧のパワー半導体装置の例としては、以下に示すＳｉＣダイオード素子が、２００１年の国際学会論文集「Proceedings of 2001 International Symposium on Power Semiconductor Devices & IC’s」の２７頁から３０頁（以下、先行技術１）に開示されている。このＳｉＣダイオード素子では、ＳｉＣ基板上に電荷を注入するｐｎ接合をエピタキシャル成長技術によるエピタキシャル膜で形成する。基板の端部領域のエピタキシャル膜をメサエッチングで除去した後、電界を緩和するターミネーション部をイオン打ち込みで形成する。具体的には、深さ約１μｍのメサエッチング処理で厚さ０．７μｍのｐ型エピタキシャル層を除去し、０．４μｍの二酸化シリコンなどの無機物膜でパッシベーション膜を形成している。これにより１２ｋＶ〜１９ｋＶの高耐電圧を有するＳｉＣダイオード素子が得られる。
【０００４】
図６は前記従来例のＳｉＣダイオード素子を用いて各種機器に組み込むのに便利なＳｉＣダイオード装置を構成した場合のパッケージの断面図である。図において、下面にカソード端子９２を有する金属製の支持体９３の上面にＳｉＣのダイオード素子９０がそのカソード電極９７を接して取付けられている。支持体９３にはさらに、絶縁物１２を介して絶縁を保ちつつ支持体９３を貫通するアノード端子９１が設けられている。アノード端子９１はリード線８で、ＳｉＣダイオード素子９０のアノード電極９６に接続されている。支持体９３の上面には、ダイオード素子９０を覆うように金属製のキャップ９４が設けられ、ダイオード素子９０を含む空間９５を密封している。この空間９５には六弗化硫黄ガスが充填されている。六弗化硫黄ガスを充填する理由は次の通りである。アノード電極９６と、パッシベーション膜９８で被覆されていない露出側面９０ａとの間は、沿面距離が短いので逆耐電圧を高くすることができない。この逆耐電圧を高くするために、パッケージ内に絶縁用ガスとして六弗化硫黄ガスを充填している。絶縁用ガスとして窒素ガスなどの不活性ガスやアルゴンなどの希ガスを用いたのでは、最大絶縁破壊電界が低いために、高電圧の印加時にガス中で放電を起こし、ＳｉＣダイオード素子９０そのものや、二酸化シリコンなどのパッシベーション膜９８が破壊されてしまう。そこで耐電圧を高くするために、現状では１５０〜２００℃程度の高温でも極めて安定な六弗化硫黄ガスを充填して放電による絶縁破壊を防ぐようにしている。
【特許文献１】特許第３３９５４５６号公報
【特許文献２】特許第３４０９５０７号公報
【非特許文献１】「Proceedings of 2001 International Symposium on Power Semiconductor Devices & IC’s」の２７頁から３０頁
【非特許文献２】「パワーデバイス・パワーＩＣハンドブック」第２８９頁及び図９．１０２：電気学会編．コロナ社発行（発行日１９９６年７月３０日）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
六弗化硫黄ガスは絶縁用ガスとしては現在のところ最も優れた絶縁性を持つが、弗素を含んでいるため、地球温暖化防止の観点から使用を避ける必要がある。特に高い絶縁性を得るためには半導体装置内に充填する六弗化硫黄ガスの圧力を常温で２気圧程度にする必要がある。半導体装置の使用中に温度が上昇すると、この圧力は２気圧以上に高くなるので、半導体装置のパッケージを相当堅牢にしないと爆発やガス漏れの危険性がある。ワイドギャップ半導体装置は５００℃近い高温で動作させる場合もあるが、その場合にはガスが熱膨張しガス圧は相当高くなり、爆発やガス漏れの危険性が更に増すとともに、六弗化硫黄ガスが熱分解し耐電圧が低下するなどの問題もある。
【０００６】
六弗化硫黄ガス以外の物質で半導体装置の高絶縁性を保つために、半導体素子を厚く覆う優れた絶縁性を有する従来の材料としてシリコンゴムやエポキシ樹脂が知られている（非特許文献２を参照）。シリコンゴムはシロキサン（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合体）の線状構造をもつポリメチルフェニルシロキサンを含む合成高分子化合物である。温度が１５０℃以下では、これらの合成高分子化合物の被覆体で半導体素子（半導体チップ）全体を覆うことで高い絶縁性を保ち耐電圧を高くすることができる。
【０００７】
上記のポリメチルフェニルシロキサンは耐熱性がそれほど高くないが、Ｓｉパワー半導体素子のように接合温度が１５０℃以下の範囲で使用する半導体装置の場合は高耐電圧を実現できる。しかしワイドギャップ半導体材料のＳｉＣを用いる半導体素子のように、２００℃以上の高温で使用する場合は耐熱性が十分とはいえない。使用中にＳｉＣ半導体素子の温度が２００℃以上になると、ポリメチルフェニルシロキサンの被覆体は柔軟性が乏しくなる。また空気中で２３０℃以上になるとガラス化して完全に堅くなってしまう。そのためＳｉＣ半導体素子の温度が室温に戻ると、ポリメチルフェニルシロキサンの被覆体の内部に多数のクラックが発生する。また、ポリメチルフェニルシロキサンで被覆した素子を高温で長時間六弗化硫黄ガスなどの不活性ガス中で動作させると、重量の減少が生じて素子表面近傍でボイドやクラックが発生する。これはポリメチルフェニルシロキサンの側鎖のメチル基やフェニル基が分解して蒸発するためと推察される。ボイドやクラックが発生すると素子の表面保護が不完全になりリーク電流が増大する。さらにクラック発生時に素子のパッシベーション膜を損傷することがあり、その結果としてリーク電流が大幅に増加して半導体素子の破壊に至る場合もある。以上のようにポリメチルフェニルシロキサンは耐熱性が低く高温では高電界に耐えることができず耐電圧性が良くないという欠点がある。
エポキシ樹脂も同様であり、高温では柔軟性が乏しくなり、２００℃以上になるとガラス化して堅くなってしまう。そのためＳｉＣ半導体素子の温度が通電時の高温状態からオフ時の室温状態に戻ると、エポキシ樹脂の内部に多数のクラックが発生し高電界には耐えることができず耐電圧性はよくない。
【０００８】
また、シリコンゴムやエポキシ樹脂は熱伝導率が低く、これらで被覆している半導体素子が発生する熱を十分に放散できない。熱はもっぱら支持体９３のみを経由して放散されることになり、半導体素子が高温になって場合によっては熱破壊してしまう。特に半導体素子の接合部と支持体９３との距離が、接合部と、樹脂やゴムに接触している素子表面との距離よりもかなり大きい場合は、半導体素子で発生する熱の放散が悪化し素子の温度が著しく上昇する。支持体の熱伝導率や熱容量が小さい場合は支持体を介する熱放散も悪化するので特に深刻になる。
【０００９】
本発明は、半導体装置を構成する半導体素子を覆う合成高分子化合物を高耐熱かつ熱伝導性の良い物質にすることにより、高耐熱・高耐電圧の半導体装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の合成高分子化合物は、付加反応により生成される共有結合で連結し、三次元の立体構造を形成しうる高分子組成物であり、シロキサン（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合体）による橋かけ構造を有する少なくとも１種の第１の有機珪素ポリマーと、シロキサンによる線状連結構造を有する少なくとも１種の第２の有機珪素ポリマーとを、シロキサン結合により連結させた、分子量が２万から８０万である第３の有機珪素ポリマーの１種以上と、熱伝導性を有する絶縁性セラミックスの微粒子の１種以上を含有することを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、耐熱性に優れているが硬化後の柔軟性が非常に乏しいため厚塗りが困難で耐電圧性が乏しいシロキサンの橋かけ構造を有する第１の有機珪素ポリマーを、耐熱性に乏しいが硬化後の柔軟性が高いため厚塗りが可能で耐電圧性が高いシロキサンの線状連結構造を有する第２の有機珪素ポリマーを介して三次元的に連結する。これにより、第２の有機珪素ポリマーが備えている柔軟性を失うことなく第１の有機珪素ポリマーの優れた耐熱性を保持できるので、高耐熱且つ高耐電圧という２つの特性が両立する合成高分子化合物を得ることができる。
本発明の他の観点の合成高分子化合物は、付加反応により生成される共有結合で連結し、三次元の立体構造を形成しうる高分子組成物であり、シロキサン（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合体）による橋かけ構造を有する少なくとも１種の第１の有機珪素ポリマーと、シロキサンによる線状連結構造を有する少なくとも１種の第２の有機珪素ポリマーとを、シロキサン結合により連結させた、分子量が２万から８０万である第３の有機珪素ポリマーの１種以上と、高い熱伝導性を有する絶縁性セラミックスの微粒子の１種以上を含有することを特徴とする。
この発明によれば、この合成高分子化合物には、熱伝導性の高い絶縁性セラミックスの微粒子が混合されているので、耐電圧性を損ねることなく高い熱伝導性を達成できる。ここで、熱伝導性が高いとは、少なくともエポキシ樹脂やシリコンゴムの熱伝導率よりも高い熱伝導率を有することを意味し、他の性能を損ねなければ熱伝導率は高ければ高いほど良い。
【００１２】
本発明の半導体装置は、半導体素子、及び半導体素子を外部の機器に電気的に接続するための電気接続手段の少なくとも一部分を被覆する合成高分子化合物を有する半導体装置において、前記合成高分子化合物が、付加反応により生成される共有結合で連結し、三次元の立体構造を形成しうる高分子組成物であり、シロキサン（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合体）による橋かけ構造を有する少なくとも１種の第１の有機珪素ポリマーと、シロキサンによる線状連結構造を有する少なくとも１種の第２の有機珪素ポリマーとを、シロキサン結合により連結させた、分子量が２万から８０万である第３の有機珪素ポリマーの１種以上を含有することを特徴とする。
【００１３】
この発明の半導体装置では、半導体素子及び電気接続手段を以下の合成高分子化合物で被覆する。すなわち、耐熱性に優れているが硬化後の柔軟性が非常に乏しいため厚塗りが困難で耐電圧性が乏しいシロキサンの橋かけ構造を有する第１の有機珪素ポリマーを、耐熱性に乏しいが硬化後の柔軟性が高いため厚塗りが可能で耐電圧性が高いシロキサンの線状連結構造を有する第２の有機珪素ポリマーを介して三次元的に連結することにより、第２の有機珪素ポリマーが備えている柔軟性を失うことなく第１の有機珪素ポリマーの優れた耐熱性を保持しながら、高耐熱且つ高耐電圧という２つの特性を両立させた合成高分子化合物で被覆する。
【００１４】
本発明の他の観点の半導体装置は、半導体素子、及び半導体素子を外部の機器に電気的に接続するための電気接続手段の少なくとも一部分を被覆する合成高分子化合物を有する半導体装置において、前記合成高分子化合物が、シロキサン（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合体）による橋かけ構造を有する少なくとも１種の第１の有機珪素ポリマーと、シロキサンによる線状連結構造を有する少なくとも１種の第２の有機珪素ポリマーとを、シロキサン結合により連結させた分子量が２万から８０万の第３の有機珪素ポリマーの１種以上を、付加反応により生成される共有結合で連結し、三次元の立体構造に形成した化合物、及び前記化合物に混合された高い熱伝導性を有する絶縁性のセラミックスの微粒子を、１５％以上の体積充填率で含有していることを特徴とする。
この発明によれば、この合成高分子化合物には高熱伝導性を有する絶縁性セラミックスの微粒子を混合しているので、熱伝導性が良く、半導体素子で生じる熱の放散効果が高い。また、絶縁性セラミックスの微粒子がフィラーとしても機能するので厚く盛り上がった形状を保つ形状保持性がよく耐電圧性の向上にも寄与できる。従って、この合成高分子化合物で半導体素子を被覆することにより、放熱性に優れており形状保持性もよいことから更に高い耐熱性と高い耐電圧を有する半導体装置を得ることができる。
【００１５】
本発明の他の観点の半導体装置は、熱伝導性の良い基板上に取付けられた少なくとも１つの半導体素子、前記半導体素子を外部の機器に電気的に接続するための電気接続部、前記半導体素子と前記電気接続部の少なくとも一部を被覆する、シロキサン（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合体）による橋かけ構造を有する少なくとも１種の第１の有機珪素ポリマーと、シロキサンによる線状連結構造を有する少なくとも１種の第２の有機珪素ポリマーとを、シロキサン結合により連結させた分子量が２万から８０万の第３の有機珪素ポリマーの１種以上を、付加反応により生成される共有結合で連結し三次元の立体構造に形成した化合物であり、且つ高い熱伝導性を有する絶縁性セラミックスの微粒子を含有する第１の合成高分子化合物、前記第１の合成高分子化合物で被覆した半導体素子及び電気接続部を収納するように前記基板に設けられた硬質樹脂製の容器、前記容器内の隙間に充填された、シロキサン（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合体）による橋かけ構造を有する少なくとも１種の第４の有機珪素ポリマーと、シロキサンによる線状連結構造を有する少なくとも１種の第５の有機珪素ポリマーとを、シロキサン結合により連結させた分子量が２万から８０万の第６の有機珪素ポリマーの１種以上を、付加反応により生成される共有結合で連結し三次元の立体構造に形成した化合物であり、且つ高い熱伝導性を有する絶縁性セラミックスの微粒子を含有する第２の合成高分子化合物上記、及び前記電気接続部につながり、前記容器の外へ導出された外部接続端子を有する。
【００１６】
この発明の半導体装置では、第１の合成高分子化合物で半導体素子及び電気接続部を被覆することにより、耐電圧を高くすることができる。さらに半導体素子及び電気接続部を収納する容器に第２の合成高分子化合物を充填することにより、外部から機械的な振動や衝撃が加わったとき、内部の半導体素子及び電気接続部が損傷を受けるのを防止できる。前記第１及び第２の合成高分子化合物は熱伝導率の高い絶縁性セラミックスの微粒子を含有しているので、熱伝導性が良く、半導体素子から発生する熱を容器に伝導して外部へ放散させる効果が高い。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、半導体装置を構成する半導体素子の上面と側面を合成高分子化合物で被覆する。この合成高分子化合物は、付加反応により生成される共有結合で連結し、三次元の立体構造を形成しうる高分子組成物であり、シロキサン（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合体）による橋かけ構造を有する少なくとも１種の第１の有機珪素ポリマーと、シロキサンによる線状連結構造を有する少なくとも１種の第２の有機珪素ポリマーとを、シロキサン結合により連結させた、分子量が２万から８０万である第３の有機珪素ポリマーの１種以上と、熱伝導性を有する絶縁性セラミックスの微粒子の１種以上を含有することを特徴とする第１の合成高分子化合物であり、第２の有機珪素ポリマーは第１の有機珪素ポリマーよりも分子量が大きい。
【００１８】
この合成高分子化合物は適度な粘性と硬化後の高い柔軟性を有するので、半導体素子の上にドーム状に厚く塗布することができる。その結果半導体装置は高い耐熱性と高い耐電圧性を有するものとなる。
合成高分子化合物には高い熱伝導率を有する絶縁性セラミックスの微粒子を混合しているので熱伝導性が良く、半導体素子で生じる熱の放散効果が高い。合成高分子化合物の熱放散性が良いので、半導体素子内で発生した熱を半導体素子の支持体側からだけでなく被覆物である合成高分子化合物側からも放散できる。そのため素子の過剰な温度上昇を抑制でき動作速度などの素子の性能の低下や素子の熱破壊を防止できる。また、絶縁性セラミックスの微粒子が合成高分子化合物のフィラーとしても機能するので更に厚く盛り上がったドーム状の形状を形成しその形状を保つ形状保持性がよく耐電圧性の向上にも寄与できる。従って、この絶縁性セラミックスの微粒子を充填した合成高分子化合物で半導体素子を被覆することにより放熱性に優れかつ形状保持性もよくなることから更に高い耐熱性と高い耐電圧性を有する半導体装置を得ることができる。
【００１９】
ＳｉＣなどのワイドギャップ半導体には内部に積層欠陥が存在すると通電時のオン電圧が増大するという劣化現象が発生し、素子の温度が高くなるほど増大するという問題がある。この発明の合成高分子化合物では、絶縁性セラミックスの微粒子を混合しているので半導体素子で生じる熱の放散効果が高いため素子の温度上昇を抑制でき、オン電圧の増大を抑制できるので高い信頼性を実現できる。
【００２０】
合成高分子化合物はワイドギャップ半導体およびそのパッシベーション膜として使用される二酸化シリコンや窒化シリコンなどの無機物膜との親和性が極めてよい。そのため合成高分子化合物が半導体素子の表面に強固に付着して半導体装置の高い耐湿性を維持できるとともに高い熱伝導性が保たれ、高い温度で動作させる場合に特に高い信頼性と高耐電圧性を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の合成高分子化合物及びこれで被覆した高耐電圧半導体装置の最良の実施の形態について以下に説明する。
本発明の新規な合成高分子化合物はシロキサン（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合体）による橋かけ構造を有する、ポリフェニルシルセスキオキサン、ポリメチルシルセスキオキサン、ポリメチルフェニルシルセスキオキサン、ポリエチルシルセスキオキサン及びポリプロピルシルセスキオキサンの群から選択した少なくとも１つを有する第１の有機珪素ポリマー（以下、有機珪素ポリマーＡという）、及びシロキサンによる線状連結構造を有する、ポリジメチルシロキサン、ポリジエチルシロキサン、ポリジフェニルシロキサン及びポリメチルフェニルシロキサンの群から選択した少なくとも１つを有する第２の有機珪素ポリマー（以下、有機珪素ポリマーＢという）を含有している。前記有機珪素ポリマーＡと前記有機珪素ポリマーＢはシロキサン結合により線状に連結されて大型の第３の有機珪素ポリマーを形成している。前記合成高分子化合物は、前記大型の第３の有機珪素ポリマーの複数のものが付加反応により生成される共有結合で立体的に連結されて三次元の立体構造を形成した化合物を形成している。
【００２２】
更に前記合成高分子化合物は高い熱伝導率を有する絶縁性セラミックス微粒子を含有している。この高熱伝導率を有する絶縁性セラミックス微粒子は窒化アルミニューム（ＡｌＮと記す）、酸化ベリリューム（ＢｅＯと記す）、アルミナ(Ａｌ2Ｏ3と記す)及び多結晶ＳｉＣの各微粒子の群から選択した少なくとも１種を含有している。
【００２３】
前記の合成高分子化合物は、例えば有機珪素ポリマーＡと有機珪素ポリマーＢとがシロキサン結合により線状に連結されて重量平均分子量（以下、単に分子量と記す。）が２万から８０万の大型の第３の有機珪素ポリマーを構成し、この第３の有機珪素ポリマーの複数のものがアルキレン基で連結されているのがより好ましい。
【００２４】
シロキサンの橋かけ構造を有する有機珪素ポリマーＡは耐熱性に優れているが粘度が大きく硬化後の柔軟性も非常に乏しいため厚塗りが困難で耐電圧性が乏しい。しかし、本発明によると、有機珪素ポリマーＡを、シロキサンの線状連結構造を有する有機珪素ポリマーＢを介して交互に線状に連結することにより、有機珪素ポリマーＢが備えている柔軟性を失うことなく有機珪素ポリマーＡの優れた耐熱性を保持しながら、高耐熱且つ高耐電圧という２つの特性が両立する合成高分子化合物を得ることができる。耐熱性をより高くするには有機珪素ポリマーＡの分子量を大きくすると良いが、その場合粘度が高くなり硬化後の柔軟性も低くなる。また、柔軟性を高くするには有機ポリマーＢの分子量を大きくすると良いが、その場合耐熱性が低くなる。有機珪素ポリマーＡの好ましい分子量は２００から２０万であり、より好ましくは２００から７万である。有機珪素ポリマーＢの好ましい分子量は５千から２０万である。有機珪素ポリマーＡの分子量は有機珪素ポリマーＢの分子量よりも小さくするのが好ましい。
【００２５】
更に前記合成高分子化合物が含有する高熱伝導率を有する絶縁性セラミックス微粒子は、局部的な電界集中を避け高耐電圧を実現するために、その形状は鋭くとがった先鋭部が少なく球形に近いほど好ましい。また、合成高分子化合物への絶縁性セラミックス微粒子の混合率（以下、充填率という）は所望の熱伝導率を考慮して設定するのが好ましい。充填率が小さいと熱伝導率の増大効果は乏しいので、合成高分子化合物に占める絶縁性セラミックス微粒子の体積充填率は１５％ｖｏｌから８０％ｖｏｌであるのが好ましい。粒径が大きすぎると体積充填率が低下する。一方、粒径が小さすぎても粒子同士がお互いに凝集しやすくなり、やはり体積充填率が低下する。このため粒径は０．０１μｍから５０μｍの範囲が好ましい。充填率を５０％以上に高くするには、粒径の異なる粒子をブレンドするのが良く、その場合の粒径比は１：１／１０〜１：１／２００の範囲が好ましい。これらの充填された絶縁性セラミックス微粒子は合成高分子化合物の結合には影響を及ぼさないので耐熱性を損ねることはない。一方、粘度には影響するが上記の充填率や粒径の範囲では実用上問題を生じない。
【００２６】
本発明における合成高分子化合物は、結合のほとんどがシロキサン結合を有していることから、前記のように高い絶縁性すなわち高耐電圧性能を有する。また合成高分子化合物は、ワイドギャップ半導体素子のパッシベーション膜として使用される二酸化シリコンや窒化シリコンなどの無機物膜との親和性が極めてよく、パッシベーション膜の表面に強固に付着する。さらにＳｉＣやＧａＮなどのワイドギャップ半導体そのものとも親和性が極めてよく、半導体素子の表面に強固に付着するすぐれた接着性を有することが見出されている。
【００２７】
このすぐれた接着性を有する合成高分子化合物で被覆したワイドギャップ半導体素子を有する半導体装置は高い耐湿性を有するので、信頼性の高い半導体装置を実現できる。この合成高分子化合物はＳｉＣやＧａＮなどのワイドギャップ半導体との親和性が極めてよい。従って、例えばパッシベーション膜にピンホール等の欠陥部が存在してワイドギャップ半導体が露出している場合でも、合成高分子化合物がワイドギャップ半導体素子の表面を直接保護するパッシベーション膜として働き高い信頼性を実現できる。
【００２８】
有機珪素ポリマーＢはＳｉゴムとほとんど同じ分子構造を有する。従ってＳｉゴムで従来から実証されているように、パッシベーション膜用の無機物、銅、アルミニューム及びステンレス等の各種金属、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、及びフェノール樹脂などの各種樹脂及び各種ガラス等との接着性が極めて良好でありこれらに強固に付着する。このため、この合成高分子化合物の表面保護膜は半導体素子の金属電極や電気接続手段、支持体等にも強固にかつすきまなく密着して付着するので高い耐湿性が得られる。そのため高い信頼性と高い耐電圧性能を有する半導体装置を実現できる。
【００２９】
本発明における合成高分子化合物は、大部分がシロキサン構造を有するため、紫外線および可視光線に対する透光性が高い。このため合成高分子化合物を半導体素子や電気接続手段へ塗布したときの状況を目視で観察することができる。例えば目視により気泡やボイド等が存在しないことを確かめながら効率的に塗布作業を進めることができる。
【００３０】
本発明における合成高分子化合物を用いたワイドギャップ発光パワー半導体装置やワイドギャップ光結合パワー半導体装置においては、高温においても半導体素子を保護できる高温高耐電圧性と、高温においても光をよく透過する高効率光結合性の両方を同時に満たすことができる。
充填された絶縁性セラミックス微粒子は、上記の透光性や半導体装置構成材料との接着性に若干影響を及ぼすが、上記の充填率や粒径の範囲では実用上問題を生じない。
【００３１】
以下、本発明の好適な実施例を図１から図５を参照して説明する。各図において、その構成の理解を容易にするために、図示された各要素の寸法は実際の寸法とは対応していない。各実施例において、「半導体装置」とは、半導体素子をパッケージ内に収納し、半導体素子の各電極を、外部へ導出するそれぞれの電極端子にリード線で接続したものをいう。
＜＜第１実施例＞＞
【００３２】
本発明の第１実施例の高耐熱半導体装置を図１の断面図を参照して説明する。
図において、本発明の第１実施例の半導体装置は、耐電圧８ｋＶの高耐電圧ＳｉＣ（炭化珪素）ｐｎダイオード素子１３をパッケージ１４に収納したものであり、高耐熱かつ高熱放散性の合成高分子化合物の被覆体１６でＳｉＣｐｎダイオード素子１３を被覆している。
ＳｉＣｐｎダイオード素子１３は以下の構成を有する。厚さ約３００μｍの高不純物濃度のｎ型のＳｉＣのカソード領域１の上面に厚さ約９０μｍの低不純物濃度のｎ型のＳｉＣのドリフト層２が形成されている。カソード領域１の下面にはカソード電極７が形成されている。ドリフト層２の中央領域に、主接合を形成するｐ型のＳｉＣのアノード領域３が形成されている。アノード領域３にはアノード電極６が形成されている。アノード領域３の周囲にはｐ型の電界緩和領域４が形成されている。アノード領域３及び電界緩和領域４を含むＳｉＣｐｎダイオード素子１３の上面には、二酸化シリコン層、窒化シリコン層、二酸化シリコン層の順で積層した３層構造の表面保護膜５が形成されている。アノード電極６は、電気接続手段である金のリード線８でアノード端子９の上端９ａに接続されている。図１ではリード線８は１本のみ図示されているが、リード線８は、リード線８を流れる電流値に応じて複数のものを並列に接続すればよい。
【００３３】
カソード電極７は金属の支持体１０に電気的接続を保って取り付けられている。支持体１０にはカソード端子１１が接続されている。アノード端子９とカソード端子１１は外部の装置等の配線に接続される。アノード端子９は支持体１０に高融点の絶縁ガラス１２を介して絶縁を保ちつつ固着されている。支持体１０の上にはＳｉＣｐｎダイオード素子１３を覆うように金属製のキャップ１４を設け、ＳｉＣｐｎダイオード素子１３を含む空間１５を密閉している。ＳｉＣｐｎダイオード素子１３及びリード線８の一部を覆うように合成高分子化合物の被覆体１６が設けられている。被覆体１６は、第１の有機珪素ポリマー（以下、有機珪素ポリマーＡという）としてポリフェニルシルセスキオキサンを含有し、第２の有機珪素ポリマー（以下、有機珪素ポリマーＢという）としてポリジメチルシロキサンを含有する透明な合成高分子化合物で形成され、この合成高分子化合物内には絶縁性セラミックスである窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の微粒子を混合している。空間１５内には窒素ガスが封入されている。
【００３４】
本実施例のＳｉＣｐｎダイオードの半導体装置の製作方法の一例を以下に説明する。図１において、あらかじめ製作したＳｉＣｐｎダイオード素子１３を、金シリコンを含む高温半田を用いて支持体１０の上面の所定位置に半田付けする。次にリードボンデング装置を用いて直径８０ミクロンメートルの金線（複数）のリード線８の両端をそれぞれアノード金属電極６と、アノード端子９の上端９ａとに接続する。
【００３５】
その後ＳｉＣｐｎダイオード素子１３の全面、及びリード線８のアノード金属電極６との接続部近傍を覆うように、前記のＡｌＮ微粒子を混合した合成高分子化合物を山状に塗布し被覆体１６を形成する。塗布方法としては、所定の直径の孔を有するノズルから所定量の合成高分子化合物を押し出す方法が適している。合成高分子化合物は塗布後２００℃程度の温度で所定時間保つと、ある程度の柔軟性を有する状態で硬化する。合成高分子化合物の分子量を前もって調整して粘度を適切に調節することにより、これを塗布したときに図１の被覆体１６に示すようにドーム状に盛り上がり、ＳｉＣｐｎダイオード素子１３の全体をすきまなく３００μｍ以上の厚さで覆うことができるようにする。本実施例の場合は最も厚い部分は約１．２ｍｍである。合成高分子化合物の粘度が高すぎると、図１に示すような所望のドーム状に整形することが難しく、且つ塗布したときＳｉＣｐｎダイオード素子１３と被覆体１６との間にすきまができることがある。逆に粘度が低すぎると、ドーム状に盛り上がらず被覆体１６の厚さを３００μｍ以上の所望の厚さにすることができない。
【００３６】
このような粘度にするために、本実施例では有機珪素ポリマーＡとして分子量が約１５０００のポリフェニルシルセスキオキサンを、有機珪素ポリマーＢとして分子量が約９００００のポリジメチルシロキサンとを交互にシロキサン結合により線状に連結して分子量が約３２万の大型の第３の有機珪素ポリマーを構成する。この第３の有機珪素ポリマーの複数のものを付加反応によりアルキレン基で連結させて三次元の立体構造を有する合成高分子化合物を形成している。また、この合成高分子化合物には、高い熱伝導性を有する、すなわち高い熱伝導率を有するように絶縁性セラミックスの、粒径が約２μｍのＡｌＮの微粒子を混合（充填ともいう）し約４５％ｖｏｌの体積充填率で含有させている。その結果、耐電圧性能を損ねることなく約４．７Ｗ／ｍＫの高熱伝導率を達成できた。体積充填率を高くすると粘度が高くなるので、体積充填率は２０％ｖｏｌから８０％ｖｏｌ範囲で、所望の熱伝導率と所望の粘度とを勘案して設定するのが望ましい。
ＳｉＣｐｎダイオード素子１３を合成高分子化合物で被覆しこれを熱硬化させた後、窒素雰囲気中で金属キャップ１４を支持体１０に取り付けて溶接し、内部空間１５に窒素ガスを充たしてＳｉＣｐｎダイオードが完成する。
【００３７】
本実施例のＳｉＣｐｎダイオードのアノード端子９とカソード端子１１間に、カソード端子１１の電位が高くなるように電圧（逆方向電圧）を印加して測定した逆耐電圧は約８．５ｋＶであった。Ｓｉの半導体装置では動作不能である、３５０℃の高温においても上記の逆耐電圧を維持できた。本実施例のＳｉＣｐｎダイオード素子１３に、２５０℃の高温雰囲気中で２５０Ａ／ｃｍ2の電流密度で電流を流したときの順方向電圧は４．３１Ｖであった。また逆方向の電圧８ｋＶを印加したときのリーク電流密度は３×１０-5Ａ／ｃｍ2以下であり、動作速度の目安となる逆回復時間は約４５ナノ秒であった。合成高分子化合物にＡｌＮ微粒子を混合しない場合に比べて順方向電圧は約４％増大し、リーク電流密度と逆回復時間は約１０％低減した。これは、合成高分子化合物に混合したＡｌＮ微粒子による合成高分子化合物の熱伝導率の増加により、これで被覆したＳｉＣｐｎダイオード素子１３の熱が合成高分子化合物を経て内部空間１５に放散され、ＳｉＣｐｎダイオード素子１３の温度上昇が抑制されたことによると推定される。ＳｉＣｐｎダイオード素子１３の温度を直接測定することは不可能であるが、前記のように順方向電圧の上昇と、リーク電流密度及び逆回復時間の減少からＳｉＣｐｎダイオード素子１３の温度の低下を推定することができる。
【００３８】
この条件で５００時間連続通電試験をしたが、素子の接合温度が３３０℃以上と推定されるにもかかわらず、試験終了後の被覆体１６にクラックや変形は生じなかった。また白濁などが生じて透明度が悪化することもなかった。この点からも合成高分子化合物に混合したＡｌＮ微粒子による熱放散性の向上により、素子の過度の温度上昇が抑制されたものと推測される。５００時間の連続通電試験の終了後、３００℃の高温雰囲気中で８ｋＶの逆方向電圧を印加してリーク電流を測定したところ、電流密度は４×１０-5Ａ／ｃｍ2であり、通電試験前との差は少なかった。通電時の順方向電圧も４．３３Ｖであり、通電試験前後でほとんど変化しなかった。前記の各試験後、半導体装置を分解して目視で観察した。その結果、有機珪素ポリマーＡとしてポリフェニルシルセスキオキサンを含有し有機珪素ポリマーＢとしてポリジメチルシロキサンを含有する合成高分子化合物の被覆体１６がＳｉＣｐｎダイオード素子１３の電界緩和領域４の表面保護膜５の上だけでなく、ＳｉＣｐｎダイオード素子１３の側面に露出したＳｉＣの層にも強固に付着していることが確認された。
【００３９】
本発明の第１実施例によれば、ＳｉＣｐｎダイオード素子１３の周囲を、前記有機ポリマーＡと前記有機ポリマーＢを所定の割合で含有しかつ絶縁性セラミックスの微粒子を混合した合成高分子化合物で被覆することにより、ＳｉＣｐｎダイオード素子１３を六弗化硫黄ガスの雰囲気中に置いた場合と同等の高い絶縁性を高温で得ることができる。すなわち地球温暖化に悪影響を与える有害な物質の六弗化硫黄ガスを使用することなく高い耐熱性と高い絶縁性を有するＳｉＣｐｎダイオードが実現できる。
＜＜第２実施例＞＞
【００４０】
本発明の第２実施例の半導体装置は、耐電圧５ｋＶのＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ（Gate Turn Off Thyristor）装置であり、図２にその断面図を示す。図３は図２におけるＧＴＯサイリスタ素子２０を紙面に垂直な面で切断したセルの一つの断面図であり、実際の素子では図３に示すセルが図の左右方向に複数個連結されている。図２及び図３において、厚さ約３２０μｍの高不純物濃度のｎ型ＳｉＣのカソード領域２１の上面に、厚さ約３μｍのｐ型ＳｉＣのバッファー層２２を設けている。カソード領域２１の下面にカソード電極３２が設けられている。バッファー層２２の上に厚さ約６０μｍの低不純物濃度のｐ型ＳｉＣのドリフト層２３を設けている。ドリフト層２３の中央部に厚さ約２μｍのｎ型のベ−ス領域２４とｐ型のアノード領域２５が順次形成されている。ｎ型のベース領域２４の周辺にはｎ型の電界緩和領域２６が形成されている。ＧＴＯサイリスタ素子２０の表面には二酸化シリコン層、窒化シリコン層、二酸化シリコン層の３層構造の表面保護膜２７が形成されている。ｐ型のアノード領域２５にはアノード電極２８が形成されている。このアノード電極２８上の左側の領域には２層目のアノード電極２９が形成され、右側の領域には絶縁膜３０を介してゲート電極３１が形成されている。図３に示すように、ｎ型のベース領域２４には１層目のゲート電極３３が形成され、ゲート電極３３は、図示していない接続部でゲート電極３１に接続されている。
【００４１】
アノード電極２９は金のリード線３４によりアノード端子３５の上端３５ａに接続されている。ゲート電極３１は金のリード線３６によりゲート端子３７の上端３７ａに接続されている。リード線３４、３６及びアノード端子３５及びゲート端子３７は電気接続手段である。カソード電極３２はカソード端子３９を有する金属の支持体３８に取り付けられている。アノード端子３５及びゲート端子３７は、それぞれの高融点絶縁ガラス４０及び４１で支持体３８との間の絶縁を保ちつつ支持体３８を貫通して固定されている。
【００４２】
ＧＴＯサイリスタ素子２０の全面、及びリード線３４及び３６のＧＴＯサイリスタ素子２０との接続部近傍を覆うように、合成高分子化合物を２５０μｍ以上の厚さで塗布し被覆体４２を形成する。合成高分子化合物の粘度が高すぎると、実施例のような所望のドーム状に形成することが難しく、且つ塗布したときＳｉＣＧＴＯサイリスタ素子２０と被覆体４２との間にすきまができることがある。逆に粘度が低すぎると、ドーム状に盛り上がらず被覆体４２の厚さを２５０μｍ以上の所望の厚さにすることができない。ドーム状になる適度の粘度にするために、本実施例では有機珪素ポリマーＡとして分子量が約３５００のポリメチルフニルシルセスキオキサンと、有機珪素ポリマーＢとして分子量が約１万のポリメチルフェニルシロキサンとを交互にシロキサン結合により線状に連結して分子量が約４万の大型の第３の有機珪素ポリマーを構成する。この第３の有機珪素ポリマーの複数のものを付加反応によりアルキレン基で連結させて三次元の立体構造を有する合成高分子化合物を形成している。また、この合成高分子化合物には所定の高い熱伝導率を実現するために絶縁性セラミックスの微粒子として粒径が約３μｍのＡｌＮ微粒子と粒径が約０．１μｍのＡｌＮ超微粒子とを６：４の体積比で約４９％ｖｏｌの体積充填率になるように混合している。このように構成した合成高分子化合物は、耐電圧性能を損ねることなく約１１Ｗ／ｍＫの高い熱伝導率を有する。
上記のようにＧＴＯサイリスタ素子２０を合成高分子化合物で被覆し硬化させた後、窒素雰囲気中で金属キャップ４３を支持体３８に取り付けて溶接する。これにより内部空間４４に窒素ガスが封入されたＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ装置が完成する。
【００４３】
なお、ＧＴＯサイリスタ素子２０は金シリコンの高温半田を用いて支持体３８に半田付けされる。リード線３４、３６は直径８０ミクロンメートルの金線であり、リードボンデング装置を用いてそれぞれアノード電極２９とアノード端子３５間及びゲート電極３１とゲート端子３７間に取り付けられる。図２では、リード線３４、３６はそれぞれ１本づつ図示されているが、リード線３４、３６は、リード線３４、３６を流れるそれぞれの電流値に応じて複数のものを並列に接続してもよい。
第２実施例のＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ装置において、アノード端子３５の電位がカソード端子３９よりも高電位になるように順方向に５ｋＶ電圧を印加し、ゲート端子３７の電位をアノード端子３５と同電位にすると、電流が流れないオフ状態が維持され、５ｋＶの耐電圧が得られた。
【００４４】
次にこのオフ状態でゲート端子３７の電位をアノード端子３５よりも低電位にし、アノード端子３５からゲート端子３７に向けてゲート電流を流すと、ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ装置はオン状態になり、アノード端子３５とカソード端子３９間に電流が流れる。さらにオン状態でゲート端子３７の電位をアノード端子３５よりも高電位にすると、アノード端子３５とカソード端子３９間に流れている電流がゲート端子３７からカソード端子３９間に転流し、オフ状態になる。このときのアノード端子３５とカソード端子３９間の電圧が逆耐電圧である。
【００４５】
具体的には、カソード端子３９に負の電圧を印加し、ゲート端子３７にアノード端子３５を基準にしてビルトイン電圧以上の高い電圧を印加すると、ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ素子２０はオンとなる。このときドリフト層２３内にカソード領域２２から電子が注入されるため伝導度変調が生じ、オン抵抗が大幅に低下する。ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ素子２０がオンした状態において、ゲート端子３７の電位をアノード端子３５の電位より高くすると、アノード端子３５とカソード端子３９間を流れる電流の一部がゲート端子３７から引き抜かれることになり、ＧＴＯサイリスタ素子２０をオフ状態にすることができる。
【００４６】
本第２実施例のＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ装置の逆耐電圧は約５．８ｋＶであり、２５０℃の高温雰囲気中でもこの逆耐電圧を維持でき、逆方向電圧が５ｋＶでのリーク電流密度は５×１０-4Ａ／ｃｍ2以下と良好であった。このように、本発明では、ＳｉのＧＴＯサイリスタでは困難な高い耐熱性と耐電圧性を確認できた。
また、本実施例のＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ装置について、以下の第１及び第２の動作試験を行い更なる本発明の効果を確認できた。
【００４７】
第１の動作試験では、本実施例のＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ素子２０に２１０Ａ／ｃｍ2の高い電流密度で電流を流し、この電流を２ｋＨｚの周波数でオン・オフ動作をさせつつ、１５０℃の高温雰囲気中で２５０時間の連続動作をさせたが実用上特に問題になるような事項は発生しなかった。この時のＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ素子２０の接合温度は約３０８℃と推定される、従来のシリコンのＧＴＯサイリスタでは接合温度が１５０℃以上では動作不可能である。また５ｋＶ級のシリコンのＧＴＯサイリスタでは電流密度が２１０Ａ／ｃｍ2のものを作ることも困難である。
【００４８】
第２の動作試験では、前記の電流密度で電流を流しつつ、気温８０℃、湿度８５％の高温高湿度の雰囲気中で５００時間の連続動作をさせた。前記第１及び第２の動作試験の終了後このＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ装置を分解して調べたが合成高分子化合物の被覆体４２が変形したりクラックや白濁が生じていなかった。
【００４９】
前記第１の動作試験開始直後のＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタの順方向電圧は４．２Ｖであった。一般に、ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタなどのワイドギャップバイポーラ半導体では内部に積層欠陥が存在する場合は通電時の順方向電圧が増大するという劣化現象が発生し、素子の温度が高くなるほど増大するという問題が生じる。しかし、本実施例では絶縁性セラミックスの微粒子を混合し半導体素子で生じる熱の放散効果を高くしたので、素子の温度上昇を抑制でき、その結果として上記の劣化現象を抑制できる。すなわち、第１及び第２の動作試験終了後、前記第１の動作試験と同じ条件で順方向電圧を測定したが、その増大分は０．３Ｖ以下であった。第１及び第２の動作試験終了後に逆方向の電圧５ｋＶを印加したときのリーク電流密度は温度２５０℃で６×１０-4Ａ／ｃｍ2以下であり、わずかな変化であった。室温においてターンオン時間は約０．４２マイクロ秒、ターンオフ時間は約１．１マイクロ秒であった。このスイッチング時間も前記第１及び第２の動作試験の前後で大きな変化はみられなかった。一方、合成高分子化合物にＡｌＮ微粒子を混合しない場合は１．５Ｖ以上の順方向電圧の増大が見られ、ターンオフ時間も約１２％低減した。
【００５０】
なお本実施例のＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ素子２０のターンオン時間及びターンオフ時間は、耐圧６ｋＶの従来のシリコンのＧＴＯサイリスタの約２０分の１である。
ＧＴＯサイリスタ素子２０に塗布した本実施例の合成高分子化合物の被覆体４２のＧＴＯサイリスタ素子２０等への付着状態について調べたところ、被覆体４２は、ＧＴＯサイリスタ素子２０の電界緩和領域２６上の保護膜２７及び側面のＳｉＣの露出面にも強固に付着していた。
＜＜第３実施例＞＞
【００５１】
本発明の第３実施例の半導体装置である光結合ワイドギャップパワー半導体装置を、図４の断面図を参照して説明する。図において、発光機能を有するパワー半導体素子としては、耐電圧３ｋＶ・電流容量２００ＡのＧａＮ（ガリウムナイトライド）−ｎｐｎバイポーラトランジスタ５１を用いている。受光素子としてはＳｉＣ−ホトダイオード５２を用いている。ＳｉＣホトダイオード５２はＧａＮ−ｎｐｎバイポーラトランジスタ５１に対向するように同一パッケージ内に設けられている。
【００５２】
図４に示すＧａＮ−ｎｐｎバイポーラトランジスタ５１においては、厚さ約３００μｍの高不純物濃度のｎ型のＧａＮコレクタ領域５３の上面に厚さ約１．７μｍのｐ型のＧａＮベース領域５４が形成され、その上に厚さ約３μｍの高不純物濃度のｎ型のエミッタ領域５５が順次形成されている。ＧａＮコレクタ領域５３の下面にはコレクタ電極６６が設けられている。ＧａＮベース領域５４の周辺のコレクタ領域５３内にはｎ型の電界緩和領域５６が形成されている。ＧａＮベース領域５４の右端部に金属のベース電極５８が設けられている。ｎ型エミッタ領域５５の上に、発光窓６０を有する金属のエミッタ電極５９が設けられている。ＧａＮコレクタ領域５３及び電界緩和領域５６の上には窒化シリコン層と二酸化シリコン層の２層構造の表面保護膜５７が形成されている。
【００５３】
ベース電極５８は、金のリード線６１によりベース端子６２に接続されている。エミッタ電極５９は、２本の金のリード線６３、６４によりエミッタ端子６５に接続されている。コレクタ電極６６はコレクタ端子６８を有する金属の支持体６７に取り付けられている。
【００５４】
ＳｉＣホトダイオード５２は、その受光部８０がＧａＮーｎｐｎバイポーラトランジスタ５１の発光窓６０に対向して光５０を受光するようにキャップ７０の内側面に窒化アルミニウムなどの絶縁板７１を介して接着されている。ＳｉＣホトダイオード５２のアノード電極７２は、金のリード線７３により金属のアノード端子７４に接続されている。カソード電極７５は金のリード線７６によりカソード端子７７に接続されている。アノード端子７４とカソード端子７７はそれぞれの外部配線に接続される。アノード端子７４及びカソード端子７７はキャップ７０の貫通孔に高融点絶縁ガラス７８、７９を介して固着されている。
【００５５】
ＧａＮーｎｐｎバイポーラトランジスタ５１、ＳｉＣホトダイオード５２、リード線６１、６３、６４、７３、７６及びベース端子６２の端部及びエミッタ端子６５の端部を覆うように、有機珪素ポリマーＡとしてポリエチルシルセスキオキサンを含有し、有機珪素ポリマーＢとしてポリジメチルシロキサンを含有する合成高分子化合物の被覆体８１が設けられている。リード線６１、６３、６４、７３、７６及びエミッタ端子６５、ベース端子６２、コレクタ端子６８、アノード端子７４及びカソード端子７７は電気接続手段である。リード線６１、６３、６４、７３、７６は、それぞれを流れる電流値に応じて、それぞれ複数の線を並列に接続したものを用いればよい。
【００５６】
合成高分子化合物の粘度が高すぎると、実施例のような所望の形成することが難しく、塗布したときＧａＮ−ｎｐｎバイポーラトランジスタ５１と被覆体８１との間にすきまができることがある。逆に粘度が低すぎると、ＳｉＣホトダイオードとＧａＮーｎｐｎバイポーラトランジスタ５１のリード線の露出部が多くなりリード線間で放電したりし耐電圧性能が低下する場合がある。合成高分子化合物を適切な粘度にするために、本実施例では有機珪素ポリマーＡとして分子量が約１５００のポリエチルシルセスキオキサンと、有機珪素ポリマーＢとして分子量が約５５０００のポリジメチルシロキサンとを、交互のシロキサン結合により線状に連結して分子量が約１７万の大型の第３の有機珪素ポリマーを構成している。この第３の有機珪素ポリマーの複数のものを付加反応によりアルキレン基で連結させて三次元の立体構造を有する合成高分子化合物を構成している。また、この合成高分子化合物には熱伝導率を高くするために絶縁性セラミックスの微粒子として粒径が約１．５μｍの酸化ベリリウム（ＢｅＯ）微粒子を約４７％ｖｏｌの体積充填率になるように含有させている。これにより、耐電圧性能を損ねることなく約６．５Ｗ／ｍＫの高熱伝導率を達成できた。ＢｅＯは透明に近く光の透過性がよいので、光５０の通過の障害にはならない。
【００５７】
第３実施例の光結合ワイドギャップパワー半導体装置の製作方法の一例を以下に説明する。あらかじめ製作したＧａＮ−ｎｐｎバイポーラトランジスタ５１を金シリコンの高融点半田を用いて支持体６７の所定位置に半田付けする。リードボンデング装置を用いて直径８０ミクロンメートルの金のリード線６３、６４でエミッタ電極５９とエミッタ端子６５を接続する。ベース電極５８とベース端子６２とを金のリード線６１で接続する。硬化前の合成高分子化合物の被覆体８１の素材をＧａＮ−ｎｐｎバイポーラトランジスタ素子５１を包み込むように厚く塗布する。
【００５８】
あらかじめ製作したＳｉＣホトダイオード５２を金シリコンの高融点半田を用いて、金属キャップ７０の内側面に窒化アルミニウム絶縁板７１を介して半田付けする。次にリードボンデング装置を用いて直径８０ミクロンメートルの金のリード線７３でアノード電極７２とアノード端子７４を接続する。またカソード電極７５を金のリード線７６でカソード端子７７に接続する。次に硬化前の合成高分子化合物の被覆体８１の素材を、ＳｉＣホトダイオード５２、リード線７３、７６のＳｉＣホトダイオード５２との接続部近傍を包み込むように厚く塗布する。最後に金属キャップ７０と支持体６７を、ＳｉＣホトダイオード５２の受光部８０がＧａＮ−ｎｐｎバイポーラトランジスタ５１の発光窓６０に対向し、且つ両者を包み込んでいる各々の合成高分子化合物の被覆体８１の素材が接するように組合わせて、窒素雰囲気中で溶接する。その後所定の温度に加熱して合成高分子化合物の被覆体８１をある程度の柔軟性を有する状態に硬化させて完成する。
【００５９】
第３実施例の光結合ワイドギャップパワー半導体装置の動作の一例を次に示す。まず、ＧａＮ−ｎｐｎバイポーラトランジスタ５１のコレクタ端子６８の電位をエミッタ端子６５よりも高電位にして順方向バイアス状態にする。そしてベース端子６２の電位をエミッタ端子６５と同電位にすると、電流が流れないオフ状態が維持される。耐電圧は３ｋＶであり高耐電圧を実現できた。ＳｉＣホトダイオード５２はアノード端子７４の電位をカソード端子７７よりも低電位にして逆方向バイアス状態しておく。
【００６０】
オンオフ駆動は次のようにする。ベース端子６２の電位をエミッタ端子６５の電位よりも高電位にし、ベース端子６２からエミッタ端子６５に向かうベース電流を流す。これにより、エミッタ電極５９から電子が注入されてＧａＮ−ｎｐｎバイポーラトランジスタ５１がオン状態になり、約３８７〜５６５ｎｍの間の波長の光５０が生じる。この光５０はＳｉＣホトダイオード５２で受光され、光量に対応する光電流がアノード端子７４とカソード端子７７間を流れる。
【００６１】
ＧａＮ−ｎｐｎバイポーラトランジスタ５１のオン状態のときに、ベース端子６２の電位をエミッタ端子６５と同電位か低電位にすると電子の注入が止まり、コレクタ電極６６とエミッタ電極５９間を流れる電流は遮断され、発光も停止する。ＳｉＣホトダイオード５２は、光がなくなるので光電流がなくなりオフ状態になる。
【００６２】
本実施例のＧａＮ−ｎｐｎバイポーラトランジスタ５１の耐電圧は約３．５ｋＶであり、２５０℃の高温においてもこの耐電圧を維持できた。３ｋＶでのリーク電流密度は２×１０-4Ａ／ｃｍ2以下と良好であった。また、ＧａＮ−ｎｐｎバイポーラトランジスタ５１とＳｉＣホトダイオード５２間の絶縁耐圧は５ｋＶ以上であり、５ｋＶでのリーク電流は１×１０-5Ａ／ｃｍ2以下であった。温度２５０℃で連続１０００時間の電圧印加試験をした後でも、リーク電流の増加は測定誤差の範囲内の微少な値であった。３ｋＶ以上の高耐電圧を有するにもかかわらず１５０Ａ／ｃｍ2の高電流密度の電流を流すことができた。また２００℃の高温雰囲気中で５００時間連続して通電した後でも合成高分子化合物の被覆体８１が変形したり、クラックや白濁が生じてはいなかった。また、温度８０℃湿度８５％の高温高湿度雰囲気中で２００時間通電した後でも合成高分子化合物の被覆体８１が変形したり、クラックや白濁が生じてはいなかった。
【００６３】
温度２００℃、電流密度１５０Ａ／ｃｍ2で通電時の順方向電圧は５．２Ｖであり試験前後の変化は測定誤差範囲の小さな値であった。前記の試験後に３ｋＶの導電圧を印加したときのリーク電流密度は２５０℃で２×１０-4Ａ／ｃｍ2以下であり試験前に比べてほとんど変化がなかった。ターンオン時間は０．１マイクロ秒、ターンオフ時間は０．１３マイクロ秒と高速であり、このスイッチング時間にも試験前後の変化はみられなかった。これは、合成高分子化合物に混合したＢｅＯ微粒子による熱放散性の向上により素子の温度上昇が抑制されたため劣化が少なかったことによると推定される。合成高分子化合物にＢｅＯの微粒子を混合しない場合は、順方向電圧、リーク電流密度、ターンオフ時間に変化が見られた。
【００６４】
なお、被覆体８１を破断して観察したところ、有機珪素ポリマーＡとしてポリエチルシルセスキオキサンを含有し、有機珪素ポリマーＢとしてポリジメチルシロキサンを含有する合成高分子化合物の被覆体８１は、ＧａＮ−ｎｐｎバイポーラトランジスタ５１の側面に露出したＧａＮにも強固に付着していることが確認できた。
＜＜第４実施例＞＞
【００６５】
本発明の第４実施例の高耐熱半導体装置は、モールド型のＳｉＣ−ＧＴＯモジュールであり、１つのパッケージ内に１アーム分のＳｉＣ−ＧＴＯ素子とＳｉＣダイオード素子が組込まれている。図５はその主要部の断面図である。ＳｉＣ−ＧＴＯ素子２０は第２実施例に記載の耐電圧５ｋＶの素子である。ＳｉＣｐｎダイオード素子１３は耐圧が５ｋＶに設計されている点を除けば第１実施例に記載の素子と同様の構造を有する。
図５において、ニッケルメッキを施した熱伝導性のよい銅基板１０１の面上に所定の距離を隔てて例えば窒化アルミニウム製の２つの絶縁基板１１６及び１１８がそれぞれ高温半田１１５、１１７により接着されている。
【００６６】
絶縁基板１１６には、ニッケルメッキを施した銅箔のパターンで内部配線１２０、１２１及び１２２が形成されている。内部配線１２１の上にＳｉＣ−ＧＴＯ素子２０のカソード電極３２が高温半田により接着されている。ＳｉＣ−ＧＴＯ素子２０のアノード電極２９は電気接続部であるリード線３４により、内部配線１２０に接続されている。またＳｉＣ−ＧＴＯ素子２０のゲート電極３１は電気接続部であるリード線３６により内部配線１２２に接続されている。
絶縁基板１１８には、銅箔のパターンで内部配線１２５及び１２６が形成されている。内部配線１２６にＳｉＣｐｎダイオード素子１３のカソード電極７が高温半田で接着されている。ＳｉＣｐｎダイオード素子１３のアノード電極６は電気接続部であるリード線８により内部配線１２５に接続されている。
【００６７】
ＳｉＣ−ＧＴＯ素子２０、リード線３４、３６及び内部配線１２０、１２２の大部分を覆うように、第１の合成高分子化合物の樹脂を塗布し被覆体１３０を形成する。同様にしてＳｉＣｐｎダイオード素子１３、リード線８及び内部配線１２５、１２６の大部分を覆うように、合成高分子化合物の樹脂を塗布し被覆体１３１を形成する。合成高分子化合物の被覆体１３０、１３１は第２実施例と同様のポリメチルフェニルシルセスキオキサンとポリメチルフェニルシロキサンを主成分として含有する合成高分子化合物であり、前者の分子量は約５０００、後者の分子量は約７万である。この被覆体１３０、１３１の硬化後、銅基板１０１を構成要素として含み、銅基板１０１に取付けてパッケージ（容器又は外囲器）を構成するためのエポキシ樹脂など硬質樹脂製の強固なフレーム１０２を取付ける。フレーム１０２の上部には、同じエポキシ樹脂製の強固なカバー１０５を取付けてパッケージを形成する。このエポキシ樹脂の硬化剤としてはポリイミダゾールを用いた耐熱性の高い樹脂としている。
【００６８】
銅基板１０１へのフレーム１０２及びカバー１０５の取付け方法は、ねじ等を用いて取付けるか、又は接着剤により接着する。フレーム１０２及びカバー１０５は例えば硬化剤としてイミダゾールを用いたエポキシ樹脂であり、ガラス転移温度は約３２５℃である。カバー１０５には端子板１０７が設けられている。端子板１０７は、めねじを有するアノード端子１１０、カソード端子１１１及びゲート端子１１２と予備端子１１３を備えている。ＳｉＣ−ＧＴＯ素子２０のアノード電極２９につながる内部配線１２０は、アルミニウム等の接続線１４１、及びカバー１０５と端子板１０７との間を通る図では見えない導体を経てアノード端子１１０に接続されている。ＳｉＣ−ＧＴＯ素子２０のカソード電極３２につながる内部配線１２１は、図示を省略した導体によりカソード端子１１１に接続されている。ＳｉＣ−ＧＴＯ素子２０のゲート電極３１がつながる内部配線１２２はアルミニウム等の接続線１４２及び図では見えない導体を経てゲート端子１１２に接続されている。
【００６９】
ＳｉＣｐｎダイオード素子１３のアノード電極６につながる内部配線１２５は、アルミニウムの接続線１４３及び図では見えない導体を経てカソード端子１１１に接続されている。ＳｉＣｐｎダイオード素子１３のカソード電極７につながる内部配線１２６は、アルミニウム等の接続線１４４及び図では見えない導体を経てアノード端子１１０に接続されている。
【００７０】
銅基板１０１、フレーム１０２及びカバー１０５で形成されるパッケージ内の隙間にはゲル状の第２の合成高分子化合物の充填材１６５が充填されている。充填材１６５は被覆体と同様にポリメチルフェニルシルセスキオキサンとポリメチルフェニルシロキサンを主成分として含有する合成高分子化合物であるが、前者の分子量は約１５００、後者の分子量は約５万５千とし、合成高分子化合物粘度を１５０００ｃｐ程度に低くしている。ちなみに、被覆体の粘度は４６０００ｃｐである。この結果、充填材は硬化後に高温でも極めて柔軟にできるので、モジュール１６０に外部から加わる機械的な振動や衝撃によって内部の素子が振動するのを防ぐ緩衝剤としての機能をこの充填材１６５に持たせることができる。また合成高分子化合物の外囲器のフレーム１０２及びカバー１０５、合成高分子化合物の被覆材１３０、１３１及び合成高分子化合物の充填材１６５には絶縁性セラミックスの微粒子として、それぞれ粒径が異なるＡｌＮ微粒子を含有させている。すなわち、フレーム１０２及びカバー１０５には粒径が約１μｍのＡｌＮ微粒子を約４６％ｖｏｌの体積充填率で充填している。また被覆材１３０、１３１及び充填材１６５には粒径が約０．５μｍのＡｌＮ超微粒子を約５８％ｖｏｌの体積充填率で充填している。これにより、耐電圧性を損ねることなく約１９．５Ｗ／ｍＫの高熱伝導率を達成でき、放熱性を大幅に向上できた。
【００７１】
上記の構成により、ＳｉＣ−ＧＴＯ素子２０とＳｉＣｐｎダイオード素子１３がパッケージ内で逆並列に接続され、外部に導出されたアノード端子１１０、カソード端子１１１及びゲート端子１１２を備えるモジュール１６０が得られる。
本実施例のＳｉＣ−ＧＴＯモジュール１６０の逆耐電圧は約５．７ｋＶであり、ＳｉのＧＴＯのモジュールでは動作不能の２５０℃の高温でも前記の逆耐電圧を維持できた。逆電圧５ｋＶでのリーク電流密度は２×１０-4Ａ／ｃｍ2以下であり良好であった。また、３ｋＶ以上の高耐圧のＳｉダイオードでは通電困難な２００Ａ／ｃｍ2の高電流密度の電流を、１８０℃の高温空気雰囲気中で本実施例のＳｉＣ−ＧＴＯモジュール１６０に通電し２００時間稼動させたが、被覆体１３０、１３１、１６５にクラックの発生や変形等の異常は生じなかった。温度２５０℃で電流密度２００Ａ／ｃｍ2での通電時の順方向電圧は４．３Ｖであり、２００時間稼働前後の変化は測定誤差範囲でありほとんど変化しなかった。
【００７２】
また稼働後の逆電圧５ｋＶでのリーク電流密度も温度２５０℃で３×１０-4Ａ／ｃｍ2以下であり、ほとんど変化がなかった。また２００時間稼働後の逆電圧５ｋＶでのリーク電流密度も温度２５０℃で３×１０-4Ａ／ｃｍ2以下であり、前後でほとんど変化がなかった。これは有機珪素ポリマーＡとしてポリメチルフェニルシセスキオキサンを含有し有機珪素ポリマーＢとしてポリメチルフェニルシロキサンを含有する合成高分子化合物の被覆体１３０、１３１が、ＳｉＣ−ＧＴＯ素子やダイオード素子各々のパッシベーション膜だけでなくＳｉＣが露出した素子側面にも強固に接着していることによる。ＳｉＣ−ＧＴＯ素子２０のターンオン時間は０．４マイクロ秒、ターンオフ時間は０．７マイクロ秒である。このターンオフ時間は耐電圧６ｋＶのシリコンＧＴＯ素子の１／２０以下であるので動作は高速である。このターンオン・ターンオフ時間にも経時変化はみられなかった。これは、合成高分子化合物に混合したＡｌＮ微粒子による熱放散性の向上により素子の温度上昇が抑制され且つ劣化も少なかったことによると推定される。合成高分子化合物にＡｌＮ微粒子を混合しない場合は、順方向電圧、リーク電流密度、ターンオフ時間に変化が見られた。
【００７３】
以上、第１から第４の４つの実施例を説明したが、本発明はさらに多くの適用範囲あるいは派生構造をカバーするものである。本発明は例えばワイドギャップ半導体素子の、ＭＯＳＦＥＴや接合ＦＥＴ、ＳＩＴやＩＧＢＴ、ＭＯＳサイリス等にも適用可能である。更に高周波高出力ＭＥＳＦＥＴやラテラルＭＯＳＦＥＴおよび接合ＦＥＴ、ＨＥＭＴのショットキーダイオード、ＪＢＳ（Junction Barrier controlled Schottky）ダイオードなどにも適用可能である。
前記各実施例では、ＳｉＣやＧａＮを用いた素子や受光素子の場合のみを述べたが、本発明は他のワイドギャップ半導体材料を用いた素子にも適用できる。特に、ダイヤモンド、ガリュームリンワイドギャップ半導体材料を用いた素子にも有効に適用できる。
また各々の半導体領域の極性のｎ型をｐ型に、ｐ型をｎ型に逆転させた構成の半導体装置にも当然ながら適用できる。
【００７４】
有機珪素ポリマーＡは、前記のポリフェニルシルセスキオキサン、ポリメチルシルセスキオキサン、ポリメチルフェニルシルセスキオキサン及びポリエチルシルセスキオキサン以外に、ポリプロピルシルセスキオキサンでもよくこれらポリキオキサンの２種類以上が含有されたものでもよい。更に、有機珪素ポリマーＢは前記のポリジメチルシロキサンやポリジフェニルシロキサンだけでなく、ポリジエチルシロキサン、ポリフェニルメチルシロキサンでもよく、これらポリシロキサンの２種類以上が含有されたものでもよい。
【００７５】
第１から第３実施例ではそれぞれ金属キャップ１４、４３、７０を用いたＴＯ型の半導体装置について説明したが、本発明は金属キャップでない高耐熱樹脂キャップの半導体装置にも適用できる。また半導体装置の構成はＴＯ型以外の、スタッド型や平型、高耐熱樹脂を用いたＳＩＰ型、Ｓｉのパワーモジュールで一般的なモールド型の構成でもよい。第３実施例では光結合半導体装置を例示したが、発光半導体素子のみを有する半導体装置、又は受光半導体素子のみを有する半導体装置にも同様に適用することができる。
【００７６】
第４実施例のモールド型のモジュールの合成高分子化合物外囲器は、耐熱性の高い他のエポキシ樹脂やケブラー樹脂（商標）などでもよい。また合成高分子化合物充填材に含有される有機珪素ポリマーＡのポリメチルフェニルシルセスキオキサンは、ポリメチルシルセスキオキサン、ポリエチルシルセスキオキサン及びポリプロピルシルセスキオキサンでもよく、有機珪素ポリマーＢのポリメチルフェニルシロキサンはポリジフェニルシロキサンやポリジエチルシロキサン、ポリジメチルシロキサンでもよく、これらポリシロキサンの２種類以上が含有されたものでもよい。更に合成高分子化合物充填材は有機珪素ポリマーＡを含有せず有機珪素ポリマーＢのみを含有するものでもよい。
また、絶縁性セラミックス微粒子としてはＡｌＮとＢｅＯを用いたが、Ａｌ2Ｏ3、多結晶ＳｉＣ、ダイヤモンド、窒化ほう素などの熱伝導率の高い他の絶縁性セラミックス微粒子を用いても同様の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明は、高耐電圧かつ高耐熱のワイドギャップ半導体装置に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】発明の第１実施例のＳｉＣｐｎダイオード装置の断面図である。
【図２】本発明の第２実施例のＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ装置の断面図である。
【図３】本発明の第２実施例のＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ素子の図２の紙面に垂直な面の断面図である。
【図４】本発明の第４実施例の光結合ワイドギャップパワー半導体装置の断面図である。
【図５】本発明の第５実施例のＳｉＣ−ＧＴＯモジュールの断面図である。
【図６】従来のＳｉＣダイオード装置の断面図である。
【符号の説明】
【００７９】
１ カソード領域
２ ドリフト層
３ アノード領域
４ 電界緩和ターミネーション領域
５ パッシベーション膜
６ アノード電極
７ カソード電極
８ リード線
９ アノード端子
１０ 支持体
１１ カソード端子
１２ 絶縁ガラス
１３ ＳｉＣｐｎダイオード素子
１４ 金属キャップ
１５ 窒素などの不活性ガス
１６、４２、８１ 被覆体
２０ ＧＴＯサイリスタ素子
２１ カソード領域
２２ ｐベース領域
２３ ｐドリフト層
２４ ｎベース領域
２５ アノード領域
２７ パッシベーション膜
２９ アノード電極
３１ ゲート電極
３２ カソード電極
３４、３６ 金のリード線
５１ ＧａＮｎｐｎバイポーラトランジスタ
５２ ＳｉＣホトダイオード
５３ コレクタ領域
５４ ベース領域
５５ エミッタ領域
５７ パッシベーション膜
６０ 発光窓
８０ 受光部
１０１ 銅基板
１０２ フレーム
１０５ カバー
１１６、１１８ 絶縁基板
１３０、１３１ 被覆体
１６５ 充填材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐熱性が高い合成高分子化合物及びこれで被覆した耐熱性が高く熱放散性の良い高耐電圧パワー半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
比較的大きな電力を扱うパワー半導体装置では、大電力通電時に発生する熱により半導体装置が高温になるので、高い耐熱性が要求される。現状のパワー半導体装置ではほとんどがシリコン（Ｓｉ）パワー半導体装置を用いているが、その耐熱限界温度は通常１５０℃である。現在Ｓｉパワー半導体装置の耐熱限界温度を２００℃程度に高くする試みが進められている。
一方、炭化珪素（以下、ＳｉＣと記す）等のワイドギャップ半導体材料でパワー半導体装置を構成することが試みられている。ＳｉＣ等のワイドギャップ半導体材料はＳｉに比べてエネルギーギャップが大きく、絶縁破壊電界強度も約１桁大きい等の優れた物理特性を有しているため、高耐熱で高耐電圧のパワー半導体装置に用いるのに好適である。
【０００３】
ＳｉＣを用いた従来例の高耐熱・高耐電圧のパワー半導体装置の例としては、以下に示すＳｉＣダイオード素子が、２００１年の国際学会論文集「Proceedings of 2001 International Symposium on Power Semiconductor Devices & IC’s」の２７頁から３０頁（以下、先行技術１）に開示されている。このＳｉＣダイオード素子では、ＳｉＣ基板上に電荷を注入するｐｎ接合をエピタキシャル成長技術によるエピタキシャル膜で形成する。基板の端部領域のエピタキシャル膜をメサエッチングで除去した後、電界を緩和するターミネーション部をイオン打ち込みで形成する。具体的には、深さ約１μｍのメサエッチング処理で厚さ０．７μｍのｐ型エピタキシャル層を除去し、０．４μｍの二酸化シリコンなどの無機物膜でパッシベーション膜を形成している。これにより１２ｋＶ〜１９ｋＶの高耐電圧を有するＳｉＣダイオード素子が得られる。
【０００４】
図６は前記従来例のＳｉＣダイオード素子を用いて各種機器に組み込むのに便利なＳｉＣダイオード装置を構成した場合のパッケージの断面図である。図において、下面にカソード端子９２を有する金属製の支持体９３の上面にＳｉＣのダイオード素子９０がそのカソード電極９７を接して取付けられている。支持体９３にはさらに、絶縁物１２を介して絶縁を保ちつつ支持体９３を貫通するアノード端子９１が設けられている。アノード端子９１はリード線８で、ＳｉＣダイオード素子９０のアノード電極９６に接続されている。支持体９３の上面には、ダイオード素子９０を覆うように金属製のキャップ９４が設けられ、ダイオード素子９０を含む空間９５を密封している。この空間９５には六弗化硫黄ガスが充填されている。六弗化硫黄ガスを充填する理由は次の通りである。アノード電極９６と、パッシベーション膜９８で被覆されていない露出側面９０ａとの間は、沿面距離が短いので逆耐電圧を高くすることができない。この逆耐電圧を高くするために、パッケージ内に絶縁用ガスとして六弗化硫黄ガスを充填している。絶縁用ガスとして窒素ガスなどの不活性ガスやアルゴンなどの希ガスを用いたのでは、最大絶縁破壊電界が低いために、高電圧の印加時にガス中で放電を起こし、ＳｉＣダイオード素子９０そのものや、二酸化シリコンなどのパッシベーション膜９８が破壊されてしまう。そこで耐電圧を高くするために、現状では１５０〜２００℃程度の高温でも極めて安定な六弗化硫黄ガスを充填して放電による絶縁破壊を防ぐようにしている。
【特許文献１】特許第３３９５４５６号公報
【特許文献２】特許第３４０９５０７号公報
【非特許文献１】「Proceedings of 2001 International Symposium on Power Semiconductor Devices & IC’s」の２７頁から３０頁
【非特許文献２】「パワーデバイス・パワーＩＣハンドブック」第２８９頁及び図９．１０２：電気学会編．コロナ社発行（発行日１９９６年７月３０日）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
六弗化硫黄ガスは絶縁用ガスとしては現在のところ最も優れた絶縁性を持つが、弗素を含んでいるため、地球温暖化防止の観点から使用を避ける必要がある。特に高い絶縁性を得るためには半導体装置内に充填する六弗化硫黄ガスの圧力を常温で２気圧程度にする必要がある。半導体装置の使用中に温度が上昇すると、この圧力は２気圧以上に高くなるので、半導体装置のパッケージを相当堅牢にしないと爆発やガス漏れの危険性がある。ワイドギャップ半導体装置は５００℃近い高温で動作させる場合もあるが、その場合にはガスが熱膨張しガス圧は相当高くなり、爆発やガス漏れの危険性が更に増すとともに、六弗化硫黄ガスが熱分解し耐電圧が低下するなどの問題もある。
【０００６】
六弗化硫黄ガス以外の物質で半導体装置の高絶縁性を保つために、半導体素子を厚く覆う優れた絶縁性を有する従来の材料としてシリコンゴムやエポキシ樹脂が知られている（非特許文献２を参照）。シリコンゴムはシロキサン（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合体）の線状構造をもつポリメチルフェニルシロキサンを含む合成高分子化合物である。温度が１５０℃以下では、これらの合成高分子化合物の被覆体で半導体素子（半導体チップ）全体を覆うことで高い絶縁性を保ち耐電圧を高くすることができる。
【０００７】
上記のポリメチルフェニルシロキサンは耐熱性がそれほど高くないが、Ｓｉパワー半導体素子のように接合温度が１５０℃以下の範囲で使用する半導体装置の場合は高耐電圧を実現できる。しかしワイドギャップ半導体材料のＳｉＣを用いる半導体素子のように、２００℃以上の高温で使用する場合は耐熱性が十分とはいえない。使用中にＳｉＣ半導体素子の温度が２００℃以上になると、ポリメチルフェニルシロキサンの被覆体は柔軟性が乏しくなる。また空気中で２３０℃以上になるとガラス化して完全に堅くなってしまう。そのためＳｉＣ半導体素子の温度が室温に戻ると、ポリメチルフェニルシロキサンの被覆体の内部に多数のクラックが発生する。また、ポリメチルフェニルシロキサンで被覆した素子を高温で長時間六弗化硫黄ガスなどの不活性ガス中で動作させると、重量の減少が生じて素子表面近傍でボイドやクラックが発生する。これはポリメチルフェニルシロキサンの側鎖のメチル基やフェニル基が分解して蒸発するためと推察される。ボイドやクラックが発生すると素子の表面保護が不完全になりリーク電流が増大する。さらにクラック発生時に素子のパッシベーション膜を損傷することがあり、その結果としてリーク電流が大幅に増加して半導体素子の破壊に至る場合もある。以上のようにポリメチルフェニルシロキサンは耐熱性が低く高温では高電界に耐えることができず耐電圧性が良くないという欠点がある。
エポキシ樹脂も同様であり、高温では柔軟性が乏しくなり、２００℃以上になるとガラス化して堅くなってしまう。そのためＳｉＣ半導体素子の温度が通電時の高温状態からオフ時の室温状態に戻ると、エポキシ樹脂の内部に多数のクラックが発生し高電界には耐えることができず耐電圧性はよくない。
【０００８】
また、シリコンゴムやエポキシ樹脂は熱伝導率が低く、これらで被覆している半導体素子が発生する熱を十分に放散できない。熱はもっぱら支持体９３のみを経由して放散されることになり、半導体素子が高温になって場合によっては熱破壊してしまう。特に半導体素子の接合部と支持体９３との距離が、接合部と、樹脂やゴムに接触している素子表面との距離よりもかなり大きい場合は、半導体素子で発生する熱の放散が悪化し素子の温度が著しく上昇する。支持体の熱伝導率や熱容量が小さい場合は支持体を介する熱放散も悪化するので特に深刻になる。
【０００９】
本発明は、半導体装置を構成する半導体素子を覆う合成高分子化合物を高耐熱かつ熱伝導性の良い物質にすることにより、高耐熱・高耐電圧の半導体装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の合成高分子化合物は、付加反応により生成される共有結合で連結し、三次元の立体構造を形成しうる高分子組成物であり、シロキサン（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合体）による橋かけ構造を有する少なくとも１種の第１の有機珪素ポリマーと、シロキサンによる線状連結構造を有する少なくとも１種の第２の有機珪素ポリマーとを、シロキサン結合により連結させた、分子量が２万から８０万である第３の有機珪素ポリマーの１種以上と、熱伝導性を有する絶縁性セラミックスの微粒子の１種以上を含有することを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、耐熱性に優れているが硬化後の柔軟性が非常に乏しいため厚塗りが困難で耐電圧性が乏しいシロキサンの橋かけ構造を有する第１の有機珪素ポリマーを、耐熱性に乏しいが硬化後の柔軟性が高いため厚塗りが可能で耐電圧性が高いシロキサンの線状連結構造を有する第２の有機珪素ポリマーを介して三次元的に連結する。これにより、第２の有機珪素ポリマーが備えている柔軟性を失うことなく第１の有機珪素ポリマーの優れた耐熱性を保持できるので、高耐熱且つ高耐電圧という２つの特性が両立する合成高分子化合物を得ることができる。
本発明の他の観点の合成高分子化合物は、付加反応により生成される共有結合で連結し、三次元の立体構造を形成しうる高分子組成物であり、シロキサン（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合体）による橋かけ構造を有する少なくとも１種の第１の有機珪素ポリマーと、シロキサンによる線状連結構造を有する少なくとも１種の第２の有機珪素ポリマーとを、シロキサン結合により連結させた、分子量が２万から８０万である第３の有機珪素ポリマーの１種以上と、高い熱伝導性を有する絶縁性セラミックスの微粒子の１種以上を含有することを特徴とする。
この発明によれば、この合成高分子化合物には、熱伝導性の高い絶縁性セラミックスの微粒子が混合されているので、耐電圧性を損ねることなく高い熱伝導性を達成できる。ここで、熱伝導性が高いとは、少なくともエポキシ樹脂やシリコンゴムの熱伝導率よりも高い熱伝導率を有することを意味し、他の性能を損ねなければ熱伝導率は高ければ高いほど良い。
【００１２】
本発明の半導体装置は、半導体素子、及び半導体素子を外部の機器に電気的に接続するための電気接続手段の少なくとも一部分を被覆する合成高分子化合物を有する半導体装置において、前記合成高分子化合物が、付加反応により生成される共有結合で連結し、三次元の立体構造を形成しうる高分子組成物であり、シロキサン（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合体）による橋かけ構造を有する少なくとも１種の第１の有機珪素ポリマーと、シロキサンによる線状連結構造を有する少なくとも１種の第２の有機珪素ポリマーとを、シロキサン結合により連結させた、分子量が２万から８０万である第３の有機珪素ポリマーの１種以上を含有することを特徴とする。
【００１３】
この発明の半導体装置では、半導体素子及び電気接続手段を以下の合成高分子化合物で被覆する。すなわち、耐熱性に優れているが硬化後の柔軟性が非常に乏しいため厚塗りが困難で耐電圧性が乏しいシロキサンの橋かけ構造を有する第１の有機珪素ポリマーを、耐熱性に乏しいが硬化後の柔軟性が高いため厚塗りが可能で耐電圧性が高いシロキサンの線状連結構造を有する第２の有機珪素ポリマーを介して三次元的に連結することにより、第２の有機珪素ポリマーが備えている柔軟性を失うことなく第１の有機珪素ポリマーの優れた耐熱性を保持しながら、高耐熱且つ高耐電圧という２つの特性を両立させた合成高分子化合物で被覆する。
【００１４】
本発明の他の観点の半導体装置は、半導体素子、及び半導体素子を外部の機器に電気的に接続するための電気接続手段の少なくとも一部分を被覆する合成高分子化合物を有する半導体装置において、前記合成高分子化合物が、シロキサン（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合体）による橋かけ構造を有する少なくとも１種の第１の有機珪素ポリマーと、シロキサンによる線状連結構造を有する少なくとも１種の第２の有機珪素ポリマーとを、シロキサン結合により連結させた分子量が２万から８０万の第３の有機珪素ポリマーの１種以上を、付加反応により生成される共有結合で連結し、三次元の立体構造に形成した化合物、及び前記化合物に混合された高い熱伝導性を有する絶縁性のセラミックスの微粒子を、１５％以上の体積充填率で含有していることを特徴とする。
この発明によれば、この合成高分子化合物には高熱伝導性を有する絶縁性セラミックスの微粒子を混合しているので、熱伝導性が良く、半導体素子で生じる熱の放散効果が高い。また、絶縁性セラミックスの微粒子がフィラーとしても機能するので厚く盛り上がった形状を保つ形状保持性がよく耐電圧性の向上にも寄与できる。従って、この合成高分子化合物で半導体素子を被覆することにより、放熱性に優れており形状保持性もよいことから更に高い耐熱性と高い耐電圧を有する半導体装置を得ることができる。
【００１５】
本発明の他の観点の半導体装置は、熱伝導性の良い基板上に取付けられた少なくとも１つの半導体素子、前記半導体素子を外部の機器に電気的に接続するための電気接続部、前記半導体素子と前記電気接続部の少なくとも一部を被覆する、シロキサン（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合体）による橋かけ構造を有する少なくとも１種の第１の有機珪素ポリマーと、シロキサンによる線状連結構造を有する少なくとも１種の第２の有機珪素ポリマーとを、シロキサン結合により連結させた分子量が２万から８０万の第３の有機珪素ポリマーの１種以上を、付加反応により生成される共有結合で連結し三次元の立体構造に形成した化合物であり、且つ高い熱伝導性を有する絶縁性セラミックスの微粒子を含有する第１の合成高分子化合物、前記第１の合成高分子化合物で被覆した半導体素子及び電気接続部を収納するように前記基板に設けられた硬質樹脂製の容器、前記容器内の隙間に充填された、シロキサン（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合体）による橋かけ構造を有する少なくとも１種の第４の有機珪素ポリマーと、シロキサンによる線状連結構造を有する少なくとも１種の第５の有機珪素ポリマーとを、シロキサン結合により連結させた分子量が２万から８０万の第６の有機珪素ポリマーの１種以上を、付加反応により生成される共有結合で連結し三次元の立体構造に形成した化合物であり、且つ高い熱伝導性を有する絶縁性セラミックスの微粒子を含有する第２の合成高分子化合物上記、及び前記電気接続部につながり、前記容器の外へ導出された外部接続端子を有する。
【００１６】
この発明の半導体装置では、第１の合成高分子化合物で半導体素子及び電気接続部を被覆することにより、耐電圧を高くすることができる。さらに半導体素子及び電気接続部を収納する容器に第２の合成高分子化合物を充填することにより、外部から機械的な振動や衝撃が加わったとき、内部の半導体素子及び電気接続部が損傷を受けるのを防止できる。前記第１及び第２の合成高分子化合物は熱伝導率の高い絶縁性セラミックスの微粒子を含有しているので、熱伝導性が良く、半導体素子から発生する熱を容器に伝導して外部へ放散させる効果が高い。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、半導体装置を構成する半導体素子の上面と側面を合成高分子化合物で被覆する。この合成高分子化合物は、付加反応により生成される共有結合で連結し、三次元の立体構造を形成しうる高分子組成物であり、シロキサン（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合体）による橋かけ構造を有する少なくとも１種の第１の有機珪素ポリマーと、シロキサンによる線状連結構造を有する少なくとも１種の第２の有機珪素ポリマーとを、シロキサン結合により連結させた、分子量が２万から８０万である第３の有機珪素ポリマーの１種以上と、熱伝導性を有する絶縁性セラミックスの微粒子の１種以上を含有することを特徴とする第１の合成高分子化合物であり、第２の有機珪素ポリマーは第１の有機珪素ポリマーよりも分子量が大きい。
【００１８】
この合成高分子化合物は適度な粘性と硬化後の高い柔軟性を有するので、半導体素子の上にドーム状に厚く塗布することができる。その結果半導体装置は高い耐熱性と高い耐電圧性を有するものとなる。
合成高分子化合物には高い熱伝導率を有する絶縁性セラミックスの微粒子を混合しているので熱伝導性が良く、半導体素子で生じる熱の放散効果が高い。合成高分子化合物の熱放散性が良いので、半導体素子内で発生した熱を半導体素子の支持体側からだけでなく被覆物である合成高分子化合物側からも放散できる。そのため素子の過剰な温度上昇を抑制でき動作速度などの素子の性能の低下や素子の熱破壊を防止できる。また、絶縁性セラミックスの微粒子が合成高分子化合物のフィラーとしても機能するので更に厚く盛り上がったドーム状の形状を形成しその形状を保つ形状保持性がよく耐電圧性の向上にも寄与できる。従って、この絶縁性セラミックスの微粒子を充填した合成高分子化合物で半導体素子を被覆することにより放熱性に優れかつ形状保持性もよくなることから更に高い耐熱性と高い耐電圧性を有する半導体装置を得ることができる。
【００１９】
ＳｉＣなどのワイドギャップ半導体には内部に積層欠陥が存在すると通電時のオン電圧が増大するという劣化現象が発生し、素子の温度が高くなるほど増大するという問題がある。この発明の合成高分子化合物では、絶縁性セラミックスの微粒子を混合しているので半導体素子で生じる熱の放散効果が高いため素子の温度上昇を抑制でき、オン電圧の増大を抑制できるので高い信頼性を実現できる。
【００２０】
合成高分子化合物はワイドギャップ半導体およびそのパッシベーション膜として使用される二酸化シリコンや窒化シリコンなどの無機物膜との親和性が極めてよい。そのため合成高分子化合物が半導体素子の表面に強固に付着して半導体装置の高い耐湿性を維持できるとともに高い熱伝導性が保たれ、高い温度で動作させる場合に特に高い信頼性と高耐電圧性を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の合成高分子化合物及びこれで被覆した高耐電圧半導体装置の最良の実施の形態について以下に説明する。
本発明の新規な合成高分子化合物はシロキサン（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合体）による橋かけ構造を有する、ポリフェニルシルセスキオキサン、ポリメチルシルセスキオキサン、ポリメチルフェニルシルセスキオキサン、ポリエチルシルセスキオキサン及びポリプロピルシルセスキオキサンの群から選択した少なくとも１つを有する第１の有機珪素ポリマー（以下、有機珪素ポリマーＡという）、及びシロキサンによる線状連結構造を有する、ポリジメチルシロキサン、ポリジエチルシロキサン、ポリジフェニルシロキサン及びポリメチルフェニルシロキサンの群から選択した少なくとも１つを有する第２の有機珪素ポリマー（以下、有機珪素ポリマーＢという）を含有している。前記有機珪素ポリマーＡと前記有機珪素ポリマーＢはシロキサン結合により線状に連結されて大型の第３の有機珪素ポリマーを形成している。前記合成高分子化合物は、前記大型の第３の有機珪素ポリマーの複数のものが付加反応により生成される共有結合で立体的に連結されて三次元の立体構造を形成した化合物を形成している。
【００２２】
更に前記合成高分子化合物は高い熱伝導率を有する絶縁性セラミックス微粒子を含有している。この高熱伝導率を有する絶縁性セラミックス微粒子は窒化アルミニューム（ＡｌＮと記す）、酸化ベリリューム（ＢｅＯと記す）、アルミナ(Ａｌ2Ｏ3と記す)及び多結晶ＳｉＣの各微粒子の群から選択した少なくとも１種を含有している。
【００２３】
前記の合成高分子化合物は、例えば有機珪素ポリマーＡと有機珪素ポリマーＢとがシロキサン結合により線状に連結されて重量平均分子量（以下、単に分子量と記す。）が２万から８０万の大型の第３の有機珪素ポリマーを構成し、この第３の有機珪素ポリマーの複数のものがアルキレン基で連結されているのがより好ましい。
【００２４】
シロキサンの橋かけ構造を有する有機珪素ポリマーＡは耐熱性に優れているが粘度が大きく硬化後の柔軟性も非常に乏しいため厚塗りが困難で耐電圧性が乏しい。しかし、本発明によると、有機珪素ポリマーＡを、シロキサンの線状連結構造を有する有機珪素ポリマーＢを介して交互に線状に連結することにより、有機珪素ポリマーＢが備えている柔軟性を失うことなく有機珪素ポリマーＡの優れた耐熱性を保持しながら、高耐熱且つ高耐電圧という２つの特性が両立する合成高分子化合物を得ることができる。耐熱性をより高くするには有機珪素ポリマーＡの分子量を大きくすると良いが、その場合粘度が高くなり硬化後の柔軟性も低くなる。また、柔軟性を高くするには有機ポリマーＢの分子量を大きくすると良いが、その場合耐熱性が低くなる。有機珪素ポリマーＡの好ましい分子量は２００から２０万であり、より好ましくは２００から７万である。有機珪素ポリマーＢの好ましい分子量は５千から２０万である。有機珪素ポリマーＡの分子量は有機珪素ポリマーＢの分子量よりも小さくするのが好ましい。
【００２５】
更に前記合成高分子化合物が含有する高熱伝導率を有する絶縁性セラミックス微粒子は、局部的な電界集中を避け高耐電圧を実現するために、その形状は鋭くとがった先鋭部が少なく球形に近いほど好ましい。また、合成高分子化合物への絶縁性セラミックス微粒子の混合率（以下、充填率という）は所望の熱伝導率を考慮して設定するのが好ましい。充填率が小さいと熱伝導率の増大効果は乏しいので、合成高分子化合物に占める絶縁性セラミックス微粒子の体積充填率は１５％ｖｏｌから８０％ｖｏｌであるのが好ましい。粒径が大きすぎると体積充填率が低下する。一方、粒径が小さすぎても粒子同士がお互いに凝集しやすくなり、やはり体積充填率が低下する。このため粒径は０．０１μｍから５０μｍの範囲が好ましい。充填率を５０％以上に高くするには、粒径の異なる粒子をブレンドするのが良く、その場合の粒径比は１：１／１０〜１：１／２００の範囲が好ましい。これらの充填された絶縁性セラミックス微粒子は合成高分子化合物の結合には影響を及ぼさないので耐熱性を損ねることはない。一方、粘度には影響するが上記の充填率や粒径の範囲では実用上問題を生じない。
【００２６】
本発明における合成高分子化合物は、結合のほとんどがシロキサン結合を有していることから、前記のように高い絶縁性すなわち高耐電圧性能を有する。また合成高分子化合物は、ワイドギャップ半導体素子のパッシベーション膜として使用される二酸化シリコンや窒化シリコンなどの無機物膜との親和性が極めてよく、パッシベーション膜の表面に強固に付着する。さらにＳｉＣやＧａＮなどのワイドギャップ半導体そのものとも親和性が極めてよく、半導体素子の表面に強固に付着するすぐれた接着性を有することが見出されている。
【００２７】
このすぐれた接着性を有する合成高分子化合物で被覆したワイドギャップ半導体素子を有する半導体装置は高い耐湿性を有するので、信頼性の高い半導体装置を実現できる。この合成高分子化合物はＳｉＣやＧａＮなどのワイドギャップ半導体との親和性が極めてよい。従って、例えばパッシベーション膜にピンホール等の欠陥部が存在してワイドギャップ半導体が露出している場合でも、合成高分子化合物がワイドギャップ半導体素子の表面を直接保護するパッシベーション膜として働き高い信頼性を実現できる。
【００２８】
有機珪素ポリマーＢはＳｉゴムとほとんど同じ分子構造を有する。従ってＳｉゴムで従来から実証されているように、パッシベーション膜用の無機物、銅、アルミニューム及びステンレス等の各種金属、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、及びフェノール樹脂などの各種樹脂及び各種ガラス等との接着性が極めて良好でありこれらに強固に付着する。このため、この合成高分子化合物の表面保護膜は半導体素子の金属電極や電気接続手段、支持体等にも強固にかつすきまなく密着して付着するので高い耐湿性が得られる。そのため高い信頼性と高い耐電圧性能を有する半導体装置を実現できる。
【００２９】
本発明における合成高分子化合物は、大部分がシロキサン構造を有するため、紫外線および可視光線に対する透光性が高い。このため合成高分子化合物を半導体素子や電気接続手段へ塗布したときの状況を目視で観察することができる。例えば目視により気泡やボイド等が存在しないことを確かめながら効率的に塗布作業を進めることができる。
【００３０】
本発明における合成高分子化合物を用いたワイドギャップ発光パワー半導体装置やワイドギャップ光結合パワー半導体装置においては、高温においても半導体素子を保護できる高温高耐電圧性と、高温においても光をよく透過する高効率光結合性の両方を同時に満たすことができる。
充填された絶縁性セラミックス微粒子は、上記の透光性や半導体装置構成材料との接着性に若干影響を及ぼすが、上記の充填率や粒径の範囲では実用上問題を生じない。
【００３１】
以下、本発明の好適な実施例を図１から図５を参照して説明する。各図において、その構成の理解を容易にするために、図示された各要素の寸法は実際の寸法とは対応していない。各実施例において、「半導体装置」とは、半導体素子をパッケージ内に収納し、半導体素子の各電極を、外部へ導出するそれぞれの電極端子にリード線で接続したものをいう。
＜＜第１実施例＞＞
【００３２】
本発明の第１実施例の高耐熱半導体装置を図１の断面図を参照して説明する。
図において、本発明の第１実施例の半導体装置は、耐電圧８ｋＶの高耐電圧ＳｉＣ（炭化珪素）ｐｎダイオード素子１３をパッケージ１４に収納したものであり、高耐熱かつ高熱放散性の合成高分子化合物の被覆体１６でＳｉＣｐｎダイオード素子１３を被覆している。
ＳｉＣｐｎダイオード素子１３は以下の構成を有する。厚さ約３００μｍの高不純物濃度のｎ型のＳｉＣのカソード領域１の上面に厚さ約９０μｍの低不純物濃度のｎ型のＳｉＣのドリフト層２が形成されている。カソード領域１の下面にはカソード電極７が形成されている。ドリフト層２の中央領域に、主接合を形成するｐ型のＳｉＣのアノード領域３が形成されている。アノード領域３にはアノード電極６が形成されている。アノード領域３の周囲にはｐ型の電界緩和領域４が形成されている。アノード領域３及び電界緩和領域４を含むＳｉＣｐｎダイオード素子１３の上面には、二酸化シリコン層、窒化シリコン層、二酸化シリコン層の順で積層した３層構造の表面保護膜５が形成されている。アノード電極６は、電気接続手段である金のリード線８でアノード端子９の上端９ａに接続されている。図１ではリード線８は１本のみ図示されているが、リード線８は、リード線８を流れる電流値に応じて複数のものを並列に接続すればよい。
【００３３】
カソード電極７は金属の支持体１０に電気的接続を保って取り付けられている。支持体１０にはカソード端子１１が接続されている。アノード端子９とカソード端子１１は外部の装置等の配線に接続される。アノード端子９は支持体１０に高融点の絶縁ガラス１２を介して絶縁を保ちつつ固着されている。支持体１０の上にはＳｉＣｐｎダイオード素子１３を覆うように金属製のキャップ１４を設け、ＳｉＣｐｎダイオード素子１３を含む空間１５を密閉している。ＳｉＣｐｎダイオード素子１３及びリード線８の一部を覆うように合成高分子化合物の被覆体１６が設けられている。被覆体１６は、第１の有機珪素ポリマー（以下、有機珪素ポリマーＡという）としてポリフェニルシルセスキオキサンを含有し、第２の有機珪素ポリマー（以下、有機珪素ポリマーＢという）としてポリジメチルシロキサンを含有する透明な合成高分子化合物で形成され、この合成高分子化合物内には絶縁性セラミックスである窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の微粒子を混合している。空間１５内には窒素ガスが封入されている。
【００３４】
本実施例のＳｉＣｐｎダイオードの半導体装置の製作方法の一例を以下に説明する。図１において、あらかじめ製作したＳｉＣｐｎダイオード素子１３を、金シリコンを含む高温半田を用いて支持体１０の上面の所定位置に半田付けする。次にリードボンデング装置を用いて直径８０ミクロンメートルの金線（複数）のリード線８の両端をそれぞれアノード金属電極６と、アノード端子９の上端９ａとに接続する。
【００３５】
その後ＳｉＣｐｎダイオード素子１３の全面、及びリード線８のアノード金属電極６との接続部近傍を覆うように、前記のＡｌＮ微粒子を混合した合成高分子化合物を山状に塗布し被覆体１６を形成する。塗布方法としては、所定の直径の孔を有するノズルから所定量の合成高分子化合物を押し出す方法が適している。合成高分子化合物は塗布後２００℃程度の温度で所定時間保つと、ある程度の柔軟性を有する状態で硬化する。合成高分子化合物の分子量を前もって調整して粘度を適切に調節することにより、これを塗布したときに図１の被覆体１６に示すようにドーム状に盛り上がり、ＳｉＣｐｎダイオード素子１３の全体をすきまなく３００μｍ以上の厚さで覆うことができるようにする。本実施例の場合は最も厚い部分は約１．２ｍｍである。合成高分子化合物の粘度が高すぎると、図１に示すような所望のドーム状に整形することが難しく、且つ塗布したときＳｉＣｐｎダイオード素子１３と被覆体１６との間にすきまができることがある。逆に粘度が低すぎると、ドーム状に盛り上がらず被覆体１６の厚さを３００μｍ以上の所望の厚さにすることができない。
【００３６】
このような粘度にするために、本実施例では有機珪素ポリマーＡとして分子量が約１５０００のポリフェニルシルセスキオキサンを、有機珪素ポリマーＢとして分子量が約９００００のポリジメチルシロキサンとを交互にシロキサン結合により線状に連結して分子量が約３２万の大型の第３の有機珪素ポリマーを構成する。この第３の有機珪素ポリマーの複数のものを付加反応によりアルキレン基で連結させて三次元の立体構造を有する合成高分子化合物を形成している。また、この合成高分子化合物には、高い熱伝導性を有する、すなわち高い熱伝導率を有するように絶縁性セラミックスの、粒径が約２μｍのＡｌＮの微粒子を混合（充填ともいう）し約４５％ｖｏｌの体積充填率で含有させている。その結果、耐電圧性能を損ねることなく約４．７Ｗ／ｍＫの高熱伝導率を達成できた。体積充填率を高くすると粘度が高くなるので、体積充填率は２０％ｖｏｌから８０％ｖｏｌ範囲で、所望の熱伝導率と所望の粘度とを勘案して設定するのが望ましい。
ＳｉＣｐｎダイオード素子１３を合成高分子化合物で被覆しこれを熱硬化させた後、窒素雰囲気中で金属キャップ１４を支持体１０に取り付けて溶接し、内部空間１５に窒素ガスを充たしてＳｉＣｐｎダイオードが完成する。
【００３７】
本実施例のＳｉＣｐｎダイオードのアノード端子９とカソード端子１１間に、カソード端子１１の電位が高くなるように電圧（逆方向電圧）を印加して測定した逆耐電圧は約８．５ｋＶであった。Ｓｉの半導体装置では動作不能である、３５０℃の高温においても上記の逆耐電圧を維持できた。本実施例のＳｉＣｐｎダイオード素子１３に、２５０℃の高温雰囲気中で２５０Ａ／ｃｍ2の電流密度で電流を流したときの順方向電圧は４．３１Ｖであった。また逆方向の電圧８ｋＶを印加したときのリーク電流密度は３×１０-5Ａ／ｃｍ2以下であり、動作速度の目安となる逆回復時間は約４５ナノ秒であった。合成高分子化合物にＡｌＮ微粒子を混合しない場合に比べて順方向電圧は約４％増大し、リーク電流密度と逆回復時間は約１０％低減した。これは、合成高分子化合物に混合したＡｌＮ微粒子による合成高分子化合物の熱伝導率の増加により、これで被覆したＳｉＣｐｎダイオード素子１３の熱が合成高分子化合物を経て内部空間１５に放散され、ＳｉＣｐｎダイオード素子１３の温度上昇が抑制されたことによると推定される。ＳｉＣｐｎダイオード素子１３の温度を直接測定することは不可能であるが、前記のように順方向電圧の上昇と、リーク電流密度及び逆回復時間の減少からＳｉＣｐｎダイオード素子１３の温度の低下を推定することができる。
【００３８】
この条件で５００時間連続通電試験をしたが、素子の接合温度が３３０℃以上と推定されるにもかかわらず、試験終了後の被覆体１６にクラックや変形は生じなかった。また白濁などが生じて透明度が悪化することもなかった。この点からも合成高分子化合物に混合したＡｌＮ微粒子による熱放散性の向上により、素子の過度の温度上昇が抑制されたものと推測される。５００時間の連続通電試験の終了後、３００℃の高温雰囲気中で８ｋＶの逆方向電圧を印加してリーク電流を測定したところ、電流密度は４×１０-5Ａ／ｃｍ2であり、通電試験前との差は少なかった。通電時の順方向電圧も４．３３Ｖであり、通電試験前後でほとんど変化しなかった。前記の各試験後、半導体装置を分解して目視で観察した。その結果、有機珪素ポリマーＡとしてポリフェニルシルセスキオキサンを含有し有機珪素ポリマーＢとしてポリジメチルシロキサンを含有する合成高分子化合物の被覆体１６がＳｉＣｐｎダイオード素子１３の電界緩和領域４の表面保護膜５の上だけでなく、ＳｉＣｐｎダイオード素子１３の側面に露出したＳｉＣの層にも強固に付着していることが確認された。
【００３９】
本発明の第１実施例によれば、ＳｉＣｐｎダイオード素子１３の周囲を、前記有機ポリマーＡと前記有機ポリマーＢを所定の割合で含有しかつ絶縁性セラミックスの微粒子を混合した合成高分子化合物で被覆することにより、ＳｉＣｐｎダイオード素子１３を六弗化硫黄ガスの雰囲気中に置いた場合と同等の高い絶縁性を高温で得ることができる。すなわち地球温暖化に悪影響を与える有害な物質の六弗化硫黄ガスを使用することなく高い耐熱性と高い絶縁性を有するＳｉＣｐｎダイオードが実現できる。
＜＜第２実施例＞＞
【００４０】
本発明の第２実施例の半導体装置は、耐電圧５ｋＶのＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ（Gate Turn Off Thyristor）装置であり、図２にその断面図を示す。図３は図２におけるＧＴＯサイリスタ素子２０を紙面に垂直な面で切断したセルの一つの断面図であり、実際の素子では図３に示すセルが図の左右方向に複数個連結されている。図２及び図３において、厚さ約３２０μｍの高不純物濃度のｎ型ＳｉＣのカソード領域２１の上面に、厚さ約３μｍのｐ型ＳｉＣのバッファー層２２を設けている。カソード領域２１の下面にカソード電極３２が設けられている。バッファー層２２の上に厚さ約６０μｍの低不純物濃度のｐ型ＳｉＣのドリフト層２３を設けている。ドリフト層２３の中央部に厚さ約２μｍのｎ型のベ−ス領域２４とｐ型のアノード領域２５が順次形成されている。ｎ型のベース領域２４の周辺にはｎ型の電界緩和領域２６が形成されている。ＧＴＯサイリスタ素子２０の表面には二酸化シリコン層、窒化シリコン層、二酸化シリコン層の３層構造の表面保護膜２７が形成されている。ｐ型のアノード領域２５にはアノード電極２８が形成されている。このアノード電極２８上の左側の領域には２層目のアノード電極２９が形成され、右側の領域には絶縁膜３０を介してゲート電極３１が形成されている。図３に示すように、ｎ型のベース領域２４には１層目のゲート電極３３が形成され、ゲート電極３３は、図示していない接続部でゲート電極３１に接続されている。
【００４１】
アノード電極２９は金のリード線３４によりアノード端子３５の上端３５ａに接続されている。ゲート電極３１は金のリード線３６によりゲート端子３７の上端３７ａに接続されている。リード線３４、３６及びアノード端子３５及びゲート端子３７は電気接続手段である。カソード電極３２はカソード端子３９を有する金属の支持体３８に取り付けられている。アノード端子３５及びゲート端子３７は、それぞれの高融点絶縁ガラス４０及び４１で支持体３８との間の絶縁を保ちつつ支持体３８を貫通して固定されている。
【００４２】
ＧＴＯサイリスタ素子２０の全面、及びリード線３４及び３６のＧＴＯサイリスタ素子２０との接続部近傍を覆うように、合成高分子化合物を２５０μｍ以上の厚さで塗布し被覆体４２を形成する。合成高分子化合物の粘度が高すぎると、実施例のような所望のドーム状に形成することが難しく、且つ塗布したときＳｉＣＧＴＯサイリスタ素子２０と被覆体４２との間にすきまができることがある。逆に粘度が低すぎると、ドーム状に盛り上がらず被覆体４２の厚さを２５０μｍ以上の所望の厚さにすることができない。ドーム状になる適度の粘度にするために、本実施例では有機珪素ポリマーＡとして分子量が約３５００のポリメチルフニルシルセスキオキサンと、有機珪素ポリマーＢとして分子量が約１万のポリメチルフェニルシロキサンとを交互にシロキサン結合により線状に連結して分子量が約４万の大型の第３の有機珪素ポリマーを構成する。この第３の有機珪素ポリマーの複数のものを付加反応によりアルキレン基で連結させて三次元の立体構造を有する合成高分子化合物を形成している。また、この合成高分子化合物には所定の高い熱伝導率を実現するために絶縁性セラミックスの微粒子として粒径が約３μｍのＡｌＮ微粒子と粒径が約０．１μｍのＡｌＮ超微粒子とを６：４の体積比で約４９％ｖｏｌの体積充填率になるように混合している。このように構成した合成高分子化合物は、耐電圧性能を損ねることなく約１１Ｗ／ｍＫの高い熱伝導率を有する。
上記のようにＧＴＯサイリスタ素子２０を合成高分子化合物で被覆し硬化させた後、窒素雰囲気中で金属キャップ４３を支持体３８に取り付けて溶接する。これにより内部空間４４に窒素ガスが封入されたＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ装置が完成する。
【００４３】
なお、ＧＴＯサイリスタ素子２０は金シリコンの高温半田を用いて支持体３８に半田付けされる。リード線３４、３６は直径８０ミクロンメートルの金線であり、リードボンデング装置を用いてそれぞれアノード電極２９とアノード端子３５間及びゲート電極３１とゲート端子３７間に取り付けられる。図２では、リード線３４、３６はそれぞれ１本づつ図示されているが、リード線３４、３６は、リード線３４、３６を流れるそれぞれの電流値に応じて複数のものを並列に接続してもよい。
第２実施例のＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ装置において、アノード端子３５の電位がカソード端子３９よりも高電位になるように順方向に５ｋＶ電圧を印加し、ゲート端子３７の電位をアノード端子３５と同電位にすると、電流が流れないオフ状態が維持され、５ｋＶの耐電圧が得られた。
【００４４】
次にこのオフ状態でゲート端子３７の電位をアノード端子３５よりも低電位にし、アノード端子３５からゲート端子３７に向けてゲート電流を流すと、ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ装置はオン状態になり、アノード端子３５とカソード端子３９間に電流が流れる。さらにオン状態でゲート端子３７の電位をアノード端子３５よりも高電位にすると、アノード端子３５とカソード端子３９間に流れている電流がゲート端子３７からカソード端子３９間に転流し、オフ状態になる。このときのアノード端子３５とカソード端子３９間の電圧が逆耐電圧である。
【００４５】
具体的には、カソード端子３９に負の電圧を印加し、ゲート端子３７にアノード端子３５を基準にしてビルトイン電圧以上の高い電圧を印加すると、ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ素子２０はオンとなる。このときドリフト層２３内にカソード領域２２から電子が注入されるため伝導度変調が生じ、オン抵抗が大幅に低下する。ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ素子２０がオンした状態において、ゲート端子３７の電位をアノード端子３５の電位より高くすると、アノード端子３５とカソード端子３９間を流れる電流の一部がゲート端子３７から引き抜かれることになり、ＧＴＯサイリスタ素子２０をオフ状態にすることができる。
【００４６】
本第２実施例のＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ装置の逆耐電圧は約５．８ｋＶであり、２５０℃の高温雰囲気中でもこの逆耐電圧を維持でき、逆方向電圧が５ｋＶでのリーク電流密度は５×１０-4Ａ／ｃｍ2以下と良好であった。このように、本発明では、ＳｉのＧＴＯサイリスタでは困難な高い耐熱性と耐電圧性を確認できた。
また、本実施例のＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ装置について、以下の第１及び第２の動作試験を行い更なる本発明の効果を確認できた。
【００４７】
第１の動作試験では、本実施例のＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ素子２０に２１０Ａ／ｃｍ2の高い電流密度で電流を流し、この電流を２ｋＨｚの周波数でオン・オフ動作をさせつつ、１５０℃の高温雰囲気中で２５０時間の連続動作をさせたが実用上特に問題になるような事項は発生しなかった。この時のＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ素子２０の接合温度は約３０８℃と推定される、従来のシリコンのＧＴＯサイリスタでは接合温度が１５０℃以上では動作不可能である。また５ｋＶ級のシリコンのＧＴＯサイリスタでは電流密度が２１０Ａ／ｃｍ2のものを作ることも困難である。
【００４８】
第２の動作試験では、前記の電流密度で電流を流しつつ、気温８０℃、湿度８５％の高温高湿度の雰囲気中で５００時間の連続動作をさせた。前記第１及び第２の動作試験の終了後このＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ装置を分解して調べたが合成高分子化合物の被覆体４２が変形したりクラックや白濁が生じていなかった。
【００４９】
前記第１の動作試験開始直後のＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタの順方向電圧は４．２Ｖであった。一般に、ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタなどのワイドギャップバイポーラ半導体では内部に積層欠陥が存在する場合は通電時の順方向電圧が増大するという劣化現象が発生し、素子の温度が高くなるほど増大するという問題が生じる。しかし、本実施例では絶縁性セラミックスの微粒子を混合し半導体素子で生じる熱の放散効果を高くしたので、素子の温度上昇を抑制でき、その結果として上記の劣化現象を抑制できる。すなわち、第１及び第２の動作試験終了後、前記第１の動作試験と同じ条件で順方向電圧を測定したが、その増大分は０．３Ｖ以下であった。第１及び第２の動作試験終了後に逆方向の電圧５ｋＶを印加したときのリーク電流密度は温度２５０℃で６×１０-4Ａ／ｃｍ2以下であり、わずかな変化であった。室温においてターンオン時間は約０．４２マイクロ秒、ターンオフ時間は約１．１マイクロ秒であった。このスイッチング時間も前記第１及び第２の動作試験の前後で大きな変化はみられなかった。一方、合成高分子化合物にＡｌＮ微粒子を混合しない場合は１．５Ｖ以上の順方向電圧の増大が見られ、ターンオフ時間も約１２％低減した。
【００５０】
なお本実施例のＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ素子２０のターンオン時間及びターンオフ時間は、耐圧６ｋＶの従来のシリコンのＧＴＯサイリスタの約２０分の１である。
ＧＴＯサイリスタ素子２０に塗布した本実施例の合成高分子化合物の被覆体４２のＧＴＯサイリスタ素子２０等への付着状態について調べたところ、被覆体４２は、ＧＴＯサイリスタ素子２０の電界緩和領域２６上の保護膜２７及び側面のＳｉＣの露出面にも強固に付着していた。
＜＜第３実施例＞＞
【００５１】
本発明の第３実施例の半導体装置である光結合ワイドギャップパワー半導体装置を、図４の断面図を参照して説明する。図において、発光機能を有するパワー半導体素子としては、耐電圧３ｋＶ・電流容量２００ＡのＧａＮ（ガリウムナイトライド）−ｎｐｎバイポーラトランジスタ５１を用いている。受光素子としてはＳｉＣ−ホトダイオード５２を用いている。ＳｉＣホトダイオード５２はＧａＮ−ｎｐｎバイポーラトランジスタ５１に対向するように同一パッケージ内に設けられている。
【００５２】
図４に示すＧａＮ−ｎｐｎバイポーラトランジスタ５１においては、厚さ約３００μｍの高不純物濃度のｎ型のＧａＮコレクタ領域５３の上面に厚さ約１．７μｍのｐ型のＧａＮベース領域５４が形成され、その上に厚さ約３μｍの高不純物濃度のｎ型のエミッタ領域５５が順次形成されている。ＧａＮコレクタ領域５３の下面にはコレクタ電極６６が設けられている。ＧａＮベース領域５４の周辺のコレクタ領域５３内にはｎ型の電界緩和領域５６が形成されている。ＧａＮベース領域５４の右端部に金属のベース電極５８が設けられている。ｎ型エミッタ領域５５の上に、発光窓６０を有する金属のエミッタ電極５９が設けられている。ＧａＮコレクタ領域５３及び電界緩和領域５６の上には窒化シリコン層と二酸化シリコン層の２層構造の表面保護膜５７が形成されている。
【００５３】
ベース電極５８は、金のリード線６１によりベース端子６２に接続されている。エミッタ電極５９は、２本の金のリード線６３、６４によりエミッタ端子６５に接続されている。コレクタ電極６６はコレクタ端子６８を有する金属の支持体６７に取り付けられている。
【００５４】
ＳｉＣホトダイオード５２は、その受光部８０がＧａＮーｎｐｎバイポーラトランジスタ５１の発光窓６０に対向して光５０を受光するようにキャップ７０の内側面に窒化アルミニウムなどの絶縁板７１を介して接着されている。ＳｉＣホトダイオード５２のアノード電極７２は、金のリード線７３により金属のアノード端子７４に接続されている。カソード電極７５は金のリード線７６によりカソード端子７７に接続されている。アノード端子７４とカソード端子７７はそれぞれの外部配線に接続される。アノード端子７４及びカソード端子７７はキャップ７０の貫通孔に高融点絶縁ガラス７８、７９を介して固着されている。
【００５５】
ＧａＮーｎｐｎバイポーラトランジスタ５１、ＳｉＣホトダイオード５２、リード線６１、６３、６４、７３、７６及びベース端子６２の端部及びエミッタ端子６５の端部を覆うように、有機珪素ポリマーＡとしてポリエチルシルセスキオキサンを含有し、有機珪素ポリマーＢとしてポリジメチルシロキサンを含有する合成高分子化合物の被覆体８１が設けられている。リード線６１、６３、６４、７３、７６及びエミッタ端子６５、ベース端子６２、コレクタ端子６８、アノード端子７４及びカソード端子７７は電気接続手段である。リード線６１、６３、６４、７３、７６は、それぞれを流れる電流値に応じて、それぞれ複数の線を並列に接続したものを用いればよい。
【００５６】
合成高分子化合物の粘度が高すぎると、実施例のような所望の形成することが難しく、塗布したときＧａＮ−ｎｐｎバイポーラトランジスタ５１と被覆体８１との間にすきまができることがある。逆に粘度が低すぎると、ＳｉＣホトダイオードとＧａＮーｎｐｎバイポーラトランジスタ５１のリード線の露出部が多くなりリード線間で放電したりし耐電圧性能が低下する場合がある。合成高分子化合物を適切な粘度にするために、本実施例では有機珪素ポリマーＡとして分子量が約１５００のポリエチルシルセスキオキサンと、有機珪素ポリマーＢとして分子量が約５５０００のポリジメチルシロキサンとを、交互のシロキサン結合により線状に連結して分子量が約１７万の大型の第３の有機珪素ポリマーを構成している。この第３の有機珪素ポリマーの複数のものを付加反応によりアルキレン基で連結させて三次元の立体構造を有する合成高分子化合物を構成している。また、この合成高分子化合物には熱伝導率を高くするために絶縁性セラミックスの微粒子として粒径が約１．５μｍの酸化ベリリウム（ＢｅＯ）微粒子を約４７％ｖｏｌの体積充填率になるように含有させている。これにより、耐電圧性能を損ねることなく約６．５Ｗ／ｍＫの高熱伝導率を達成できた。ＢｅＯは透明に近く光の透過性がよいので、光５０の通過の障害にはならない。
【００５７】
第３実施例の光結合ワイドギャップパワー半導体装置の製作方法の一例を以下に説明する。あらかじめ製作したＧａＮ−ｎｐｎバイポーラトランジスタ５１を金シリコンの高融点半田を用いて支持体６７の所定位置に半田付けする。リードボンデング装置を用いて直径８０ミクロンメートルの金のリード線６３、６４でエミッタ電極５９とエミッタ端子６５を接続する。ベース電極５８とベース端子６２とを金のリード線６１で接続する。硬化前の合成高分子化合物の被覆体８１の素材をＧａＮ−ｎｐｎバイポーラトランジスタ素子５１を包み込むように厚く塗布する。
【００５８】
あらかじめ製作したＳｉＣホトダイオード５２を金シリコンの高融点半田を用いて、金属キャップ７０の内側面に窒化アルミニウム絶縁板７１を介して半田付けする。次にリードボンデング装置を用いて直径８０ミクロンメートルの金のリード線７３でアノード電極７２とアノード端子７４を接続する。またカソード電極７５を金のリード線７６でカソード端子７７に接続する。次に硬化前の合成高分子化合物の被覆体８１の素材を、ＳｉＣホトダイオード５２、リード線７３、７６のＳｉＣホトダイオード５２との接続部近傍を包み込むように厚く塗布する。最後に金属キャップ７０と支持体６７を、ＳｉＣホトダイオード５２の受光部８０がＧａＮ−ｎｐｎバイポーラトランジスタ５１の発光窓６０に対向し、且つ両者を包み込んでいる各々の合成高分子化合物の被覆体８１の素材が接するように組合わせて、窒素雰囲気中で溶接する。その後所定の温度に加熱して合成高分子化合物の被覆体８１をある程度の柔軟性を有する状態に硬化させて完成する。
【００５９】
第３実施例の光結合ワイドギャップパワー半導体装置の動作の一例を次に示す。まず、ＧａＮ−ｎｐｎバイポーラトランジスタ５１のコレクタ端子６８の電位をエミッタ端子６５よりも高電位にして順方向バイアス状態にする。そしてベース端子６２の電位をエミッタ端子６５と同電位にすると、電流が流れないオフ状態が維持される。耐電圧は３ｋＶであり高耐電圧を実現できた。ＳｉＣホトダイオード５２はアノード端子７４の電位をカソード端子７７よりも低電位にして逆方向バイアス状態しておく。
【００６０】
オンオフ駆動は次のようにする。ベース端子６２の電位をエミッタ端子６５の電位よりも高電位にし、ベース端子６２からエミッタ端子６５に向かうベース電流を流す。これにより、エミッタ電極５９から電子が注入されてＧａＮ−ｎｐｎバイポーラトランジスタ５１がオン状態になり、約３８７〜５６５ｎｍの間の波長の光５０が生じる。この光５０はＳｉＣホトダイオード５２で受光され、光量に対応する光電流がアノード端子７４とカソード端子７７間を流れる。
【００６１】
ＧａＮ−ｎｐｎバイポーラトランジスタ５１のオン状態のときに、ベース端子６２の電位をエミッタ端子６５と同電位か低電位にすると電子の注入が止まり、コレクタ電極６６とエミッタ電極５９間を流れる電流は遮断され、発光も停止する。ＳｉＣホトダイオード５２は、光がなくなるので光電流がなくなりオフ状態になる。
【００６２】
本実施例のＧａＮ−ｎｐｎバイポーラトランジスタ５１の耐電圧は約３．５ｋＶであり、２５０℃の高温においてもこの耐電圧を維持できた。３ｋＶでのリーク電流密度は２×１０-4Ａ／ｃｍ2以下と良好であった。また、ＧａＮ−ｎｐｎバイポーラトランジスタ５１とＳｉＣホトダイオード５２間の絶縁耐圧は５ｋＶ以上であり、５ｋＶでのリーク電流は１×１０-5Ａ／ｃｍ2以下であった。温度２５０℃で連続１０００時間の電圧印加試験をした後でも、リーク電流の増加は測定誤差の範囲内の微少な値であった。３ｋＶ以上の高耐電圧を有するにもかかわらず１５０Ａ／ｃｍ2の高電流密度の電流を流すことができた。また２００℃の高温雰囲気中で５００時間連続して通電した後でも合成高分子化合物の被覆体８１が変形したり、クラックや白濁が生じてはいなかった。また、温度８０℃湿度８５％の高温高湿度雰囲気中で２００時間通電した後でも合成高分子化合物の被覆体８１が変形したり、クラックや白濁が生じてはいなかった。
【００６３】
温度２００℃、電流密度１５０Ａ／ｃｍ2で通電時の順方向電圧は５．２Ｖであり試験前後の変化は測定誤差範囲の小さな値であった。前記の試験後に３ｋＶの導電圧を印加したときのリーク電流密度は２５０℃で２×１０-4Ａ／ｃｍ2以下であり試験前に比べてほとんど変化がなかった。ターンオン時間は０．１マイクロ秒、ターンオフ時間は０．１３マイクロ秒と高速であり、このスイッチング時間にも試験前後の変化はみられなかった。これは、合成高分子化合物に混合したＢｅＯ微粒子による熱放散性の向上により素子の温度上昇が抑制されたため劣化が少なかったことによると推定される。合成高分子化合物にＢｅＯの微粒子を混合しない場合は、順方向電圧、リーク電流密度、ターンオフ時間に変化が見られた。
【００６４】
なお、被覆体８１を破断して観察したところ、有機珪素ポリマーＡとしてポリエチルシルセスキオキサンを含有し、有機珪素ポリマーＢとしてポリジメチルシロキサンを含有する合成高分子化合物の被覆体８１は、ＧａＮ−ｎｐｎバイポーラトランジスタ５１の側面に露出したＧａＮにも強固に付着していることが確認できた。
＜＜第４実施例＞＞
【００６５】
本発明の第４実施例の高耐熱半導体装置は、モールド型のＳｉＣ−ＧＴＯモジュールであり、１つのパッケージ内に１アーム分のＳｉＣ−ＧＴＯ素子とＳｉＣダイオード素子が組込まれている。図５はその主要部の断面図である。ＳｉＣ−ＧＴＯ素子２０は第２実施例に記載の耐電圧５ｋＶの素子である。ＳｉＣｐｎダイオード素子１３は耐圧が５ｋＶに設計されている点を除けば第１実施例に記載の素子と同様の構造を有する。
図５において、ニッケルメッキを施した熱伝導性のよい銅基板１０１の面上に所定の距離を隔てて例えば窒化アルミニウム製の２つの絶縁基板１１６及び１１８がそれぞれ高温半田１１５、１１７により接着されている。
【００６６】
絶縁基板１１６には、ニッケルメッキを施した銅箔のパターンで内部配線１２０、１２１及び１２２が形成されている。内部配線１２１の上にＳｉＣ−ＧＴＯ素子２０のカソード電極３２が高温半田により接着されている。ＳｉＣ−ＧＴＯ素子２０のアノード電極２９は電気接続部であるリード線３４により、内部配線１２０に接続されている。またＳｉＣ−ＧＴＯ素子２０のゲート電極３１は電気接続部であるリード線３６により内部配線１２２に接続されている。
絶縁基板１１８には、銅箔のパターンで内部配線１２５及び１２６が形成されている。内部配線１２６にＳｉＣｐｎダイオード素子１３のカソード電極７が高温半田で接着されている。ＳｉＣｐｎダイオード素子１３のアノード電極６は電気接続部であるリード線８により内部配線１２５に接続されている。
【００６７】
ＳｉＣ−ＧＴＯ素子２０、リード線３４、３６及び内部配線１２０、１２２の大部分を覆うように、第１の合成高分子化合物の樹脂を塗布し被覆体１３０を形成する。同様にしてＳｉＣｐｎダイオード素子１３、リード線８及び内部配線１２５、１２６の大部分を覆うように、合成高分子化合物の樹脂を塗布し被覆体１３１を形成する。合成高分子化合物の被覆体１３０、１３１は第２実施例と同様のポリメチルフェニルシルセスキオキサンとポリメチルフェニルシロキサンを主成分として含有する合成高分子化合物であり、前者の分子量は約５０００、後者の分子量は約７万である。この被覆体１３０、１３１の硬化後、銅基板１０１を構成要素として含み、銅基板１０１に取付けてパッケージ（容器又は外囲器）を構成するためのエポキシ樹脂など硬質樹脂製の強固なフレーム１０２を取付ける。フレーム１０２の上部には、同じエポキシ樹脂製の強固なカバー１０５を取付けてパッケージを形成する。このエポキシ樹脂の硬化剤としてはポリイミダゾールを用いた耐熱性の高い樹脂としている。
【００６８】
銅基板１０１へのフレーム１０２及びカバー１０５の取付け方法は、ねじ等を用いて取付けるか、又は接着剤により接着する。フレーム１０２及びカバー１０５は例えば硬化剤としてイミダゾールを用いたエポキシ樹脂であり、ガラス転移温度は約３２５℃である。カバー１０５には端子板１０７が設けられている。端子板１０７は、めねじを有するアノード端子１１０、カソード端子１１１及びゲート端子１１２と予備端子１１３を備えている。ＳｉＣ−ＧＴＯ素子２０のアノード電極２９につながる内部配線１２０は、アルミニウム等の接続線１４１、及びカバー１０５と端子板１０７との間を通る図では見えない導体を経てアノード端子１１０に接続されている。ＳｉＣ−ＧＴＯ素子２０のカソード電極３２につながる内部配線１２１は、図示を省略した導体によりカソード端子１１１に接続されている。ＳｉＣ−ＧＴＯ素子２０のゲート電極３１がつながる内部配線１２２はアルミニウム等の接続線１４２及び図では見えない導体を経てゲート端子１１２に接続されている。
【００６９】
ＳｉＣｐｎダイオード素子１３のアノード電極６につながる内部配線１２５は、アルミニウムの接続線１４３及び図では見えない導体を経てカソード端子１１１に接続されている。ＳｉＣｐｎダイオード素子１３のカソード電極７につながる内部配線１２６は、アルミニウム等の接続線１４４及び図では見えない導体を経てアノード端子１１０に接続されている。
【００７０】
銅基板１０１、フレーム１０２及びカバー１０５で形成されるパッケージ内の隙間にはゲル状の第２の合成高分子化合物の充填材１６５が充填されている。充填材１６５は被覆体と同様にポリメチルフェニルシルセスキオキサンとポリメチルフェニルシロキサンを主成分として含有する合成高分子化合物であるが、前者の分子量は約１５００、後者の分子量は約５万５千とし、合成高分子化合物粘度を１５０００ｃｐ程度に低くしている。ちなみに、被覆体の粘度は４６０００ｃｐである。この結果、充填材は硬化後に高温でも極めて柔軟にできるので、モジュール１６０に外部から加わる機械的な振動や衝撃によって内部の素子が振動するのを防ぐ緩衝剤としての機能をこの充填材１６５に持たせることができる。また合成高分子化合物の外囲器のフレーム１０２及びカバー１０５、合成高分子化合物の被覆材１３０、１３１及び合成高分子化合物の充填材１６５には絶縁性セラミックスの微粒子として、それぞれ粒径が異なるＡｌＮ微粒子を含有させている。すなわち、フレーム１０２及びカバー１０５には粒径が約１μｍのＡｌＮ微粒子を約４６％ｖｏｌの体積充填率で充填している。また被覆材１３０、１３１及び充填材１６５には粒径が約０．５μｍのＡｌＮ超微粒子を約５８％ｖｏｌの体積充填率で充填している。これにより、耐電圧性を損ねることなく約１９．５Ｗ／ｍＫの高熱伝導率を達成でき、放熱性を大幅に向上できた。
【００７１】
上記の構成により、ＳｉＣ−ＧＴＯ素子２０とＳｉＣｐｎダイオード素子１３がパッケージ内で逆並列に接続され、外部に導出されたアノード端子１１０、カソード端子１１１及びゲート端子１１２を備えるモジュール１６０が得られる。
本実施例のＳｉＣ−ＧＴＯモジュール１６０の逆耐電圧は約５．７ｋＶであり、ＳｉのＧＴＯのモジュールでは動作不能の２５０℃の高温でも前記の逆耐電圧を維持できた。逆電圧５ｋＶでのリーク電流密度は２×１０-4Ａ／ｃｍ2以下であり良好であった。また、３ｋＶ以上の高耐圧のＳｉダイオードでは通電困難な２００Ａ／ｃｍ2の高電流密度の電流を、１８０℃の高温空気雰囲気中で本実施例のＳｉＣ−ＧＴＯモジュール１６０に通電し２００時間稼動させたが、被覆体１３０、１３１、１６５にクラックの発生や変形等の異常は生じなかった。温度２５０℃で電流密度２００Ａ／ｃｍ2での通電時の順方向電圧は４．３Ｖであり、２００時間稼働前後の変化は測定誤差範囲でありほとんど変化しなかった。
【００７２】
また稼働後の逆電圧５ｋＶでのリーク電流密度も温度２５０℃で３×１０-4Ａ／ｃｍ2以下であり、ほとんど変化がなかった。また２００時間稼働後の逆電圧５ｋＶでのリーク電流密度も温度２５０℃で３×１０-4Ａ／ｃｍ2以下であり、前後でほとんど変化がなかった。これは有機珪素ポリマーＡとしてポリメチルフェニルシセスキオキサンを含有し有機珪素ポリマーＢとしてポリメチルフェニルシロキサンを含有する合成高分子化合物の被覆体１３０、１３１が、ＳｉＣ−ＧＴＯ素子やダイオード素子各々のパッシベーション膜だけでなくＳｉＣが露出した素子側面にも強固に接着していることによる。ＳｉＣ−ＧＴＯ素子２０のターンオン時間は０．４マイクロ秒、ターンオフ時間は０．７マイクロ秒である。このターンオフ時間は耐電圧６ｋＶのシリコンＧＴＯ素子の１／２０以下であるので動作は高速である。このターンオン・ターンオフ時間にも経時変化はみられなかった。これは、合成高分子化合物に混合したＡｌＮ微粒子による熱放散性の向上により素子の温度上昇が抑制され且つ劣化も少なかったことによると推定される。合成高分子化合物にＡｌＮ微粒子を混合しない場合は、順方向電圧、リーク電流密度、ターンオフ時間に変化が見られた。
【００７３】
以上、第１から第４の４つの実施例を説明したが、本発明はさらに多くの適用範囲あるいは派生構造をカバーするものである。本発明は例えばワイドギャップ半導体素子の、ＭＯＳＦＥＴや接合ＦＥＴ、ＳＩＴやＩＧＢＴ、ＭＯＳサイリス等にも適用可能である。更に高周波高出力ＭＥＳＦＥＴやラテラルＭＯＳＦＥＴおよび接合ＦＥＴ、ＨＥＭＴのショットキーダイオード、ＪＢＳ（Junction Barrier controlled Schottky）ダイオードなどにも適用可能である。
前記各実施例では、ＳｉＣやＧａＮを用いた素子や受光素子の場合のみを述べたが、本発明は他のワイドギャップ半導体材料を用いた素子にも適用できる。特に、ダイヤモンド、ガリュームリンワイドギャップ半導体材料を用いた素子にも有効に適用できる。
また各々の半導体領域の極性のｎ型をｐ型に、ｐ型をｎ型に逆転させた構成の半導体装置にも当然ながら適用できる。
【００７４】
有機珪素ポリマーＡは、前記のポリフェニルシルセスキオキサン、ポリメチルシルセスキオキサン、ポリメチルフェニルシルセスキオキサン及びポリエチルシルセスキオキサン以外に、ポリプロピルシルセスキオキサンでもよくこれらポリキオキサンの２種類以上が含有されたものでもよい。更に、有機珪素ポリマーＢは前記のポリジメチルシロキサンやポリジフェニルシロキサンだけでなく、ポリジエチルシロキサン、ポリフェニルメチルシロキサンでもよく、これらポリシロキサンの２種類以上が含有されたものでもよい。
【００７５】
第１から第３実施例ではそれぞれ金属キャップ１４、４３、７０を用いたＴＯ型の半導体装置について説明したが、本発明は金属キャップでない高耐熱樹脂キャップの半導体装置にも適用できる。また半導体装置の構成はＴＯ型以外の、スタッド型や平型、高耐熱樹脂を用いたＳＩＰ型、Ｓｉのパワーモジュールで一般的なモールド型の構成でもよい。第３実施例では光結合半導体装置を例示したが、発光半導体素子のみを有する半導体装置、又は受光半導体素子のみを有する半導体装置にも同様に適用することができる。
【００７６】
第４実施例のモールド型のモジュールの合成高分子化合物外囲器は、耐熱性の高い他のエポキシ樹脂やケブラー樹脂（商標）などでもよい。また合成高分子化合物充填材に含有される有機珪素ポリマーＡのポリメチルフェニルシルセスキオキサンは、ポリメチルシルセスキオキサン、ポリエチルシルセスキオキサン及びポリプロピルシルセスキオキサンでもよく、有機珪素ポリマーＢのポリメチルフェニルシロキサンはポリジフェニルシロキサンやポリジエチルシロキサン、ポリジメチルシロキサンでもよく、これらポリシロキサンの２種類以上が含有されたものでもよい。更に合成高分子化合物充填材は有機珪素ポリマーＡを含有せず有機珪素ポリマーＢのみを含有するものでもよい。
また、絶縁性セラミックス微粒子としてはＡｌＮとＢｅＯを用いたが、Ａｌ2Ｏ3、多結晶ＳｉＣ、ダイヤモンド、窒化ほう素などの熱伝導率の高い他の絶縁性セラミックス微粒子を用いても同様の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明は、高耐電圧かつ高耐熱のワイドギャップ半導体装置に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】発明の第１実施例のＳｉＣｐｎダイオード装置の断面図である。
【図２】本発明の第２実施例のＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ装置の断面図である。
【図３】本発明の第２実施例のＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ素子の図２の紙面に垂直な面の断面図である。
【図４】本発明の第４実施例の光結合ワイドギャップパワー半導体装置の断面図である。
【図５】本発明の第５実施例のＳｉＣ−ＧＴＯモジュールの断面図である。
【図６】従来のＳｉＣダイオード装置の断面図である。
【符号の説明】
【００７９】
１ カソード領域
２ ドリフト層
３ アノード領域
４ 電界緩和ターミネーション領域
５ パッシベーション膜
６ アノード電極
７ カソード電極
８ リード線
９ アノード端子
１０ 支持体
１１ カソード端子
１２ 絶縁ガラス
１３ ＳｉＣｐｎダイオード素子
１４ 金属キャップ
１５ 窒素などの不活性ガス
１６、４２、８１ 被覆体
２０ ＧＴＯサイリスタ素子
２１ カソード領域
２２ ｐベース領域
２３ ｐドリフト層
２４ ｎベース領域
２５ アノード領域
２７ パッシベーション膜
２９ アノード電極
３１ ゲート電極
３２ カソード電極
３４、３６ 金のリード線
５１ ＧａＮｎｐｎバイポーラトランジスタ
５２ ＳｉＣホトダイオード
５３ コレクタ領域
５４ ベース領域
５５ エミッタ領域
５７ パッシベーション膜
６０ 発光窓
８０ 受光部
１０１ 銅基板
１０２ フレーム
１０５ カバー
１１６、１１８ 絶縁基板
１３０、１３１ 被覆体
１６５ 充填材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
付加反応により生成される共有結合で連結し、三次元の立体構造を形成しうる高分子組成物であり、シロキサン（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合体）による橋かけ構造を有する少なくとも１種の第１の有機珪素ポリマーと、シロキサンによる線状連結構造を有する少なくとも１種の第２の有機珪素ポリマーとを、シロキサン結合により連結させた、分子量が２万から８０万である第３の有機珪素ポリマーの１種以上を含有することを特徴とする合成高分子化合物。
【請求項２】
付加反応により生成される共有結合で連結し、三次元の立体構造を形成しうる高分子組成物であり、シロキサン（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合体）による橋かけ構造を有する少なくとも１種の第１の有機珪素ポリマーと、シロキサンによる線状連結構造を有する少なくとも１種の第２の有機珪素ポリマーとを、シロキサン結合により連結させた、分子量が２万から８０万である第３の有機珪素ポリマーの１種以上と、高い熱伝導性を有する絶縁性セラミックスの微粒子の１種以上を含有することを特徴とする合成高分子化合物。
【請求項３】
付加反応により生成される共有結合で連結し、三次元の立体構造を形成するとともに、高い熱伝導性を有する絶縁性セラミックスの微粒子の１種以上を２０％〜８０％の体積充填率で含有していることを特徴とする請求項２記載の合成高分子化合物。
【請求項４】
前記第１の有機珪素ポリマーが、ポリフェニルシルセスキオキサン、ポリメチルシルセスキオキサン、ポリメチルフェニルシルセスキオキサン、ポリエチルシルセスキオキサン及びポリプロピルシルセスキオキサンの群から選択した少なくとも１つであり、
前記第２の有機珪素ポリマーが、ポリジメチルシロキサン、ポリジエチルシロキサン、ポリジフェニルシロキサン及びポリメチルフェニルシロキサンの群から選択した少なくとも１つであることを特徴とする請求項１又は２記載の合成高分子化合物。
【請求項５】
前記第１の有機珪素ポリマーの分子量が前記第２の有機珪素ポリマーの分子量よりも小さいことを特徴とする請求項１又は２記載の合成高分子化合物。
【請求項６】
前記高い熱伝導性を有する絶縁性セラミックスの微粒子は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の微粒子、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）の微粒子、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）の微粒子及び多結晶ＳｉＣの微粒子の少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項２記載の合成高分子化合物。
【請求項７】
前記合成高分子化合物は、シロキサンによる橋かけ構造を有する第１の有機珪素ポリマーの１種と、シロキサンによる線状連結構造を有する第２の有機珪素ポリマーの１種とをシロキサン結合により線状に連結させた、分子量が２万から８０万の第３の有機珪素ポリマーを１種以上構成し、この１種以上の第３の有機珪素ポリマーを付加反応により生成される共有結合で連結して三次元の立体構造に形成した化合物、及び
前記高い熱伝導性を有する絶縁性セラミックスの微粒子を２０％から８０％の体積充填率で含有していることを特徴とする請求項１又は２記載の合成高分子化合物。
【請求項８】
半導体素子、及び半導体素子を外部の機器に電気的に接続するための電気接続手段の少なくとも一部分を被覆する合成高分子化合物を有する半導体装置において、
前記合成高分子化合物が、シロキサン（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合体）による橋かけ構造を有する少なくとも１種の第１の有機珪素ポリマーと、シロキサンによる線状連結構造を有する少なくとも１種の第２の有機珪素ポリマーとを、シロキサン結合により連結させた分子量が２万から８０万の第３の有機珪素ポリマーの１種以上を、付加反応により生成される共有結合で連結し、三次元の立体構造に形成した化合物を含有していることを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
半導体素子、及び半導体素子を外部の機器に電気的に接続するための電気接続手段の少なくとも一部分を被覆する合成高分子化合物を有する半導体装置において、
前記合成高分子化合物が、シロキサン（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合体）による橋かけ構造を有する少なくとも１種の第１の有機珪素ポリマーと、シロキサンによる線状連結構造を有する少なくとも１種の第２の有機珪素ポリマーとを、シロキサン結合により連結させた分子量が２万から８０万の第３の有機珪素ポリマーの１種以上を、付加反応により生成される共有結合で連結し、三次元の立体構造に形成した化合物、及び
前記化合物に混合された高い熱伝導性を有する絶縁性のセラミックスの微粒子を、１５％以上の体積充填率で含有していることを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
前記合成高分子化合物は、シロキサンによる橋かけ構造を有する第１の有機珪素ポリマーの１種と、シロキサンによる線状連結構造を有する第２の有機珪素ポリマーの１種とをシロキサン結合により線状に連結させた、分子量が２万から８０万の第３の有機珪素ポリマーを１種以上構成し、この１種以上の第３の有機珪素ポリマーを付加反応により生成される共有結合で連結して三次元の立体構造に形成した化合物、及び
前記高い熱伝導性を有する絶縁性セラミックスの微粒子を２０％から８０%の体積充填率で含有していることを特徴とする請求項８記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記半導体素子がワイドギャップ半導体の、炭化珪素（ＳｉＣ）を用いたＳｉＣ半導体素子および窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いたＧａＮ半導体素子のいずれか一方であり、
前記第１の有機珪素ポリマーが、ポリフェニルシルセスキオキサン、ポリメチルシルセスキオキサン、ポリメチルフェニルシルセスキオキサン、ポリエチルシルセスキオキサン及びポリプロピルシルセスキオキサンの群から選択した少なくとも１つであり、
前記第２の有機珪素ポリマーが、ポリジメチルシロキサン、ポリジエチルシロキサン、ポリジフェニルシロキサン及びポリメチルフェニルシロキサンの群から選択した少なくとも１つであることを特徴とする請求項８記載の半導体装置。
【請求項１２】
前記半導体素子がワイドギャップ半導体受光素子とワイドギャップ半導体発光素子のいずれか一方または両方を組み合わせたものであり、
前記第１の有機珪素ポリマーが、ポリフェニルシルセスキオキサン、ポリメチルシルセスキオキサン、ポリメチルフェニルシルセスキオキサン、ポリエチルシルセスキオキサン及びポリプロピルシルセスキオキサンの群から選択した少なくとも１つであり、
前記第２の有機珪素ポリマーが、ポリジメチルシロキサン、ポリジエチルシロキサン、ポリジフェニルシロキサン及びポリメチルフェニルシロキサンの群から選択した少なくとも１つであることを特徴とする請求項８記載の半導体装置。
【請求項１３】
前記第１の有機珪素ポリマーの分子量が前記第２の有機珪素ポリマーの分子量よりも小さいことを特徴とする請求項８から請求項１２のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項１４】
前記高い熱伝導性を有する絶縁性セラミックスの微粒子は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の微粒子、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）の微粒子、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）の微粒子及び多結晶ＳｉＣの微粒子の少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項８から請求項１２のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項１５】
熱伝導性の良い基板上に取付けられた少なくとも１つの半導体素子、
前記半導体素子を外部の機器に電気的に接続するための電気接続部、
前記半導体素子と前記電気接続部の少なくとも一部を被覆する、シロキサン（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合体）による橋かけ構造を有する少なくとも１種の第１の有機珪素ポリマーと、シロキサンによる線状連結構造を有する少なくとも１種の第２の有機珪素ポリマーとを、シロキサン結合により連結させた分子量が２万から８０万の第３の有機珪素ポリマーの１種以上を、付加反応により生成される共有結合で連結し三次元の立体構造に形成した化合物であり、且つ高い熱伝導性を有する絶縁性セラミックスの微粒子を含有する第１の合成高分子化合物、
前記第１の合成高分子化合物で被覆した半導体素子及び電気接続部を収納するように前記基板に設けられた硬質樹脂製の容器、
前記容器内の隙間に充填された、シロキサン（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合体）による橋かけ構造を有する少なくとも１種の第４の有機珪素ポリマーと、シロキサンによる線状連結構造を有する少なくとも１種の第５の有機珪素ポリマーとを、シロキサン結合により連結させた分子量が２万から８０万の第６の有機珪素ポリマーの１種以上を、付加反応により生成される共有結合で連結し三次元の立体構造に形成した化合物であり、且つ高い熱伝導性を有する絶縁性セラミックスの微粒子を含有する第２の合成高分子化合物上記、及び
前記電気接続部につながり、前記容器の外へ導出された外部接続端子
を有する半導体装置。
【請求項１６】
前記第１および第２の合成高分子化合物は、シロキサンによる橋かけ構造を有する第１の有機珪素ポリマーと、シロキサンによる線状連結構造を有する第２の有機珪素ポリマーとを交互にシロキサン結合により線状に連結させて第３の有機珪素ポリマーを構成し、前記第３の有機珪素ポリマーの複数のものを、付加反応により生成される共有結合で連結して三次元の立体構造に形成した化合物を含有することを特徴とし、
第２の合成高分子化合物が第１の合成高分子化合物よりも高い柔軟性を有していることを特徴とする請求項１５記載の半導体装置。
【請求項１７】
前記半導体素子がワイドギャップ半導体を用いたＳｉＣ半導体素子およびＧａＮ半導体素子のいずれか一方であり、
前記第１と第４の有機珪素ポリマーが、ポリフェニルシルセスキオキサン、ポリメチルシルセスキオキサン、ポリメチルフェニルシルセスキオキサン、ポリエチルシルセスキオキサン及びポリプロピルシルセスキオキサンの群から選択した少なくとも１つであり、
前記第２と第５の有機珪素ポリマーが、ポリジメチルシロキサン、ポリジエチルシロキサン、ポリジフェニルシロキサン及びポリメチルフェニルシロキサンの群から選択した少なくとも１つであることを特徴とする請求項１５記載の半導体装置。
【請求項１８】
前記半導体素子が、ＳｉＣ−ＧＴＯ素子とＳｉＣダイオード素子であり、前記容器内で前記電気接続部により逆並列に接続されていることを特徴とする請求項１５記載の半導体装置。
【請求項１】
付加反応により生成される共有結合で連結し、三次元の立体構造を形成しうる高分子組成物であり、シロキサン（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合体）による橋かけ構造を有する少なくとも１種の第１の有機珪素ポリマーと、シロキサンによる線状連結構造を有する少なくとも１種の第２の有機珪素ポリマーとを、シロキサン結合により連結させた、分子量が２万から８０万である第３の有機珪素ポリマーの１種以上を含有することを特徴とする合成高分子化合物。
【請求項２】
付加反応により生成される共有結合で連結し、三次元の立体構造を形成しうる高分子組成物であり、シロキサン（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合体）による橋かけ構造を有する少なくとも１種の第１の有機珪素ポリマーと、シロキサンによる線状連結構造を有する少なくとも１種の第２の有機珪素ポリマーとを、シロキサン結合により連結させた、分子量が２万から８０万である第３の有機珪素ポリマーの１種以上と、高い熱伝導性を有する絶縁性セラミックスの微粒子の１種以上を含有することを特徴とする合成高分子化合物。
【請求項３】
付加反応により生成される共有結合で連結し、三次元の立体構造を形成するとともに、高い熱伝導性を有する絶縁性セラミックスの微粒子の１種以上を２０％〜８０％の体積充填率で含有していることを特徴とする請求項２記載の合成高分子化合物。
【請求項４】
前記第１の有機珪素ポリマーが、ポリフェニルシルセスキオキサン、ポリメチルシルセスキオキサン、ポリメチルフェニルシルセスキオキサン、ポリエチルシルセスキオキサン及びポリプロピルシルセスキオキサンの群から選択した少なくとも１つであり、
前記第２の有機珪素ポリマーが、ポリジメチルシロキサン、ポリジエチルシロキサン、ポリジフェニルシロキサン及びポリメチルフェニルシロキサンの群から選択した少なくとも１つであることを特徴とする請求項１又は２記載の合成高分子化合物。
【請求項５】
前記第１の有機珪素ポリマーの分子量が前記第２の有機珪素ポリマーの分子量よりも小さいことを特徴とする請求項１又は２記載の合成高分子化合物。
【請求項６】
前記高い熱伝導性を有する絶縁性セラミックスの微粒子は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の微粒子、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）の微粒子、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）の微粒子及び多結晶ＳｉＣの微粒子の少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項２記載の合成高分子化合物。
【請求項７】
前記合成高分子化合物は、シロキサンによる橋かけ構造を有する第１の有機珪素ポリマーの１種と、シロキサンによる線状連結構造を有する第２の有機珪素ポリマーの１種とをシロキサン結合により線状に連結させた、分子量が２万から８０万の第３の有機珪素ポリマーを１種以上構成し、この１種以上の第３の有機珪素ポリマーを付加反応により生成される共有結合で連結して三次元の立体構造に形成した化合物、及び
前記高い熱伝導性を有する絶縁性セラミックスの微粒子を２０％から８０％の体積充填率で含有していることを特徴とする請求項１又は２記載の合成高分子化合物。
【請求項８】
半導体素子、及び半導体素子を外部の機器に電気的に接続するための電気接続手段の少なくとも一部分を被覆する合成高分子化合物を有する半導体装置において、
前記合成高分子化合物が、シロキサン（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合体）による橋かけ構造を有する少なくとも１種の第１の有機珪素ポリマーと、シロキサンによる線状連結構造を有する少なくとも１種の第２の有機珪素ポリマーとを、シロキサン結合により連結させた分子量が２万から８０万の第３の有機珪素ポリマーの１種以上を、付加反応により生成される共有結合で連結し、三次元の立体構造に形成した化合物を含有していることを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
半導体素子、及び半導体素子を外部の機器に電気的に接続するための電気接続手段の少なくとも一部分を被覆する合成高分子化合物を有する半導体装置において、
前記合成高分子化合物が、シロキサン（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合体）による橋かけ構造を有する少なくとも１種の第１の有機珪素ポリマーと、シロキサンによる線状連結構造を有する少なくとも１種の第２の有機珪素ポリマーとを、シロキサン結合により連結させた分子量が２万から８０万の第３の有機珪素ポリマーの１種以上を、付加反応により生成される共有結合で連結し、三次元の立体構造に形成した化合物、及び
前記化合物に混合された高い熱伝導性を有する絶縁性のセラミックスの微粒子を、１５％以上の体積充填率で含有していることを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
前記合成高分子化合物は、シロキサンによる橋かけ構造を有する第１の有機珪素ポリマーの１種と、シロキサンによる線状連結構造を有する第２の有機珪素ポリマーの１種とをシロキサン結合により線状に連結させた、分子量が２万から８０万の第３の有機珪素ポリマーを１種以上構成し、この１種以上の第３の有機珪素ポリマーを付加反応により生成される共有結合で連結して三次元の立体構造に形成した化合物、及び
前記高い熱伝導性を有する絶縁性セラミックスの微粒子を２０％から８０%の体積充填率で含有していることを特徴とする請求項８記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記半導体素子がワイドギャップ半導体の、炭化珪素（ＳｉＣ）を用いたＳｉＣ半導体素子および窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いたＧａＮ半導体素子のいずれか一方であり、
前記第１の有機珪素ポリマーが、ポリフェニルシルセスキオキサン、ポリメチルシルセスキオキサン、ポリメチルフェニルシルセスキオキサン、ポリエチルシルセスキオキサン及びポリプロピルシルセスキオキサンの群から選択した少なくとも１つであり、
前記第２の有機珪素ポリマーが、ポリジメチルシロキサン、ポリジエチルシロキサン、ポリジフェニルシロキサン及びポリメチルフェニルシロキサンの群から選択した少なくとも１つであることを特徴とする請求項８記載の半導体装置。
【請求項１２】
前記半導体素子がワイドギャップ半導体受光素子とワイドギャップ半導体発光素子のいずれか一方または両方を組み合わせたものであり、
前記第１の有機珪素ポリマーが、ポリフェニルシルセスキオキサン、ポリメチルシルセスキオキサン、ポリメチルフェニルシルセスキオキサン、ポリエチルシルセスキオキサン及びポリプロピルシルセスキオキサンの群から選択した少なくとも１つであり、
前記第２の有機珪素ポリマーが、ポリジメチルシロキサン、ポリジエチルシロキサン、ポリジフェニルシロキサン及びポリメチルフェニルシロキサンの群から選択した少なくとも１つであることを特徴とする請求項８記載の半導体装置。
【請求項１３】
前記第１の有機珪素ポリマーの分子量が前記第２の有機珪素ポリマーの分子量よりも小さいことを特徴とする請求項８から請求項１２のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項１４】
前記高い熱伝導性を有する絶縁性セラミックスの微粒子は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の微粒子、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）の微粒子、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）の微粒子及び多結晶ＳｉＣの微粒子の少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項８から請求項１２のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項１５】
熱伝導性の良い基板上に取付けられた少なくとも１つの半導体素子、
前記半導体素子を外部の機器に電気的に接続するための電気接続部、
前記半導体素子と前記電気接続部の少なくとも一部を被覆する、シロキサン（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合体）による橋かけ構造を有する少なくとも１種の第１の有機珪素ポリマーと、シロキサンによる線状連結構造を有する少なくとも１種の第２の有機珪素ポリマーとを、シロキサン結合により連結させた分子量が２万から８０万の第３の有機珪素ポリマーの１種以上を、付加反応により生成される共有結合で連結し三次元の立体構造に形成した化合物であり、且つ高い熱伝導性を有する絶縁性セラミックスの微粒子を含有する第１の合成高分子化合物、
前記第１の合成高分子化合物で被覆した半導体素子及び電気接続部を収納するように前記基板に設けられた硬質樹脂製の容器、
前記容器内の隙間に充填された、シロキサン（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合体）による橋かけ構造を有する少なくとも１種の第４の有機珪素ポリマーと、シロキサンによる線状連結構造を有する少なくとも１種の第５の有機珪素ポリマーとを、シロキサン結合により連結させた分子量が２万から８０万の第６の有機珪素ポリマーの１種以上を、付加反応により生成される共有結合で連結し三次元の立体構造に形成した化合物であり、且つ高い熱伝導性を有する絶縁性セラミックスの微粒子を含有する第２の合成高分子化合物上記、及び
前記電気接続部につながり、前記容器の外へ導出された外部接続端子
を有する半導体装置。
【請求項１６】
前記第１および第２の合成高分子化合物は、シロキサンによる橋かけ構造を有する第１の有機珪素ポリマーと、シロキサンによる線状連結構造を有する第２の有機珪素ポリマーとを交互にシロキサン結合により線状に連結させて第３の有機珪素ポリマーを構成し、前記第３の有機珪素ポリマーの複数のものを、付加反応により生成される共有結合で連結して三次元の立体構造に形成した化合物を含有することを特徴とし、
第２の合成高分子化合物が第１の合成高分子化合物よりも高い柔軟性を有していることを特徴とする請求項１５記載の半導体装置。
【請求項１７】
前記半導体素子がワイドギャップ半導体を用いたＳｉＣ半導体素子およびＧａＮ半導体素子のいずれか一方であり、
前記第１と第４の有機珪素ポリマーが、ポリフェニルシルセスキオキサン、ポリメチルシルセスキオキサン、ポリメチルフェニルシルセスキオキサン、ポリエチルシルセスキオキサン及びポリプロピルシルセスキオキサンの群から選択した少なくとも１つであり、
前記第２と第５の有機珪素ポリマーが、ポリジメチルシロキサン、ポリジエチルシロキサン、ポリジフェニルシロキサン及びポリメチルフェニルシロキサンの群から選択した少なくとも１つであることを特徴とする請求項１５記載の半導体装置。
【請求項１８】
前記半導体素子が、ＳｉＣ−ＧＴＯ素子とＳｉＣダイオード素子であり、前記容器内で前記電気接続部により逆並列に接続されていることを特徴とする請求項１５記載の半導体装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００６−２０６７２１（Ｐ２００６−２０６７２１Ａ）
【公開日】平成１８年８月１０日（２００６．８．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１９８７７（Ｐ２００５−１９８７７）
【出願日】平成１７年１月２７日（２００５．１．２７）
【出願人】（０００１５６９３８）関西電力株式会社 (1,442)
【出願人】（００００００３８７）株式会社ＡＤＥＫＡ (987)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年８月１０日（２００６．８．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１月２７日（２００５．１．２７）
【出願人】（０００１５６９３８）関西電力株式会社 (1,442)
【出願人】（００００００３８７）株式会社ＡＤＥＫＡ (987)
【Ｆターム（参考）】
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