JP6369228B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は半導体装置に関する。

特許文献１には、パワーモジュールに関連して、ベース板を備えた半導体装置が開示されている。同文献によれば、ベース板に生じたクラックによる外観の変化を観測することにより、はんだの脆化の進行状況に起因する半導体装置の製品寿命を予測することができるとされている。

特開２０１２−１９０８９７号公報

半導体装置において、半導体素子を封止する封止部を構成する封止材は、熱により劣化する。本発明の目的は、封止材の劣化の程度を封止部の外観から判断可能とすることにある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。すなわち、本発明の一実施形態によれば、絶縁基板と、前記絶縁基板上に搭載された半導体素子と、前記半導体素子上に配置された内部プリント基板と、前記絶縁基板の少なくとも一部と前記半導体素子と前記内部プリント基板とを封止する封止部であって、樹脂と顔料とを含み、有彩色を呈する封止材からなる封止部とを備え、前記顔料が青色を呈する顔料及び黄色を呈する顔料である、半導体装置が提供される。

前記青色を呈する顔料が銅フタロシアニンであることが好ましい。

前記黄色を呈する顔料がビスマスイエローであることが好ましい。

前記封止部の表面の、Ｌ^＊ａ^＊ｂ^＊色空間におけるａ^＊値が−３０以上かつ−１５以下であることが好ましい。

前記封止材の劣化により、前記封止部の表面の少なくとも一部のａ^＊値が−５以上に変化することが好ましい。また、前記半導体素子がＳｉＣ半導体素子であることが好ましい。

別の実施形態によれば、前記半導体装置を複数搭載した外部プリント基板が提供される。

本発明によれば、半導体素子を封止する封止部を構成する封止材の劣化の程度を該封止部の外観から判断することができる。

半導体装置の断面構造を示す説明図である。 半導体装置の動作時間と、ｂ^＊値との関係を示す説明図である。 半導体装置の封止部の表面の温度と、該半導体装置の動作時間との関係を示す説明図である。 半導体装置の封止部の表面の熱力学温度の逆数と、該半導体装置の動作時間との関係を示す説明図である。 他の実施形態の説明図である。

以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施の形態によって限定されるものではない。また、本明細書において、上面、下面とは、説明の目的で、図中の上下を指す相対的な用語であって、半導体装置の使用態様における上下を指す用語ではない。

［第１実施形態］
図１に示しているように、半導体装置１は絶縁基板２を備えている。絶縁基板２は、絶縁層２１と、この絶縁層２１の下面に該絶縁層２１と平行に取り付けられた第１銅板２２と、絶縁層２１の上面に該絶縁層２１と平行に取り付けられた第２銅板２３とを備えている。

半導体装置１は、板状のＳｉＣ（炭化シリコン）半導体素子４をも備えている。このＳｉＣ半導体素子４は、絶縁基板２を構成する第２銅板２３の上面に、導電性を有する第１接合層３を介して絶縁基板２と平行に搭載されている。ＳｉＣ半導体素子４の上面には、導電性を有する第２接合層５を介して、半導体装置１の内部プリント基板であるインプラント方式プリント基板６が取り付けられている。このインプラント方式プリント基板６は、下面にインプラントピン６１を備えており、このインプラントピン６１を介して第２接合層５に取り付けられている。

さらに、半導体装置１は、インプラント方式プリント基板６の上面に取り付けられた端子７と、第２銅板２３の上面に取り付けられた端子８とを備えている。半導体装置１は、端子７及び８を介して、半導体装置１の外部と電気的に接続することができる。

半導体装置１は、絶縁基板２の少なくとも一部と、ＳｉＣ半導体素子４と、インプラント方式プリント基板６とを封止する封止部９をさらに備えている。半導体装置１が全体として略直方体形状となるように封止部９は成形されている。絶縁基板２を構成する第１銅板２２の下面は、封止部９の裏面９ａにおいて半導体装置１の外部に露出している。端子７及び８の先端部は、封止部９の表面９ｂから半導体装置１の外方に突出している。

封止部９の外周縁部９ｃには、略円筒状の取付け金具９１が埋め込まれている。この取付け金具９１には、裏面９ａを取付面として半導体装置１を別の部材に取り付けるためのボルト（不図示）が挿入される。

封止部９は、主剤であるエポキシ樹脂に顔料及び硬化剤を加えることにより作られる封止材から構成されている。封止材が、黒色以外の色、すなわち有彩色と白色と灰色とのいずれかの色を呈するものとなるように、単一の顔料を使用することができるか、又は複数の顔料を組み合わせて使用することができる。

半導体装置１を動作させると、封止部９を構成する封止材は熱による影響を受けて劣化していく。この劣化に伴って、当初は有彩色又は白色若しくは灰色を呈していた封止部９のうちの少なくとも表面９ｂの色が、時間とともにくすみ、黒色へと変化する。具体的には、ＳｉＣ半導体素子４から生じる熱の影響を受けた場合は、表面９ｂのうち、ＳｉＣ半導体素子４に近い部位ほど変色が進む。この場合、表面９ｂにおいて変色が部分的に観察される。あるいは、半導体装置１の外部からの熱の影響を受けた場合は、表面９ｂの全体がほぼ一様に変色する。

以上のような半導体装置１によれば、封止部９を構成する封止材の劣化の程度を、該封止部９の表面９ｂの目視により判断することができる。表面９ｂの色が黒色へ近いほど封止材の劣化が進んでいると判断することができる。また、変色が部分的であれば、ＳｉＣ半導体素子４から生じる熱の影響を受けて、封止部９が劣化していると判断することができる。あるいは、封止部９の表面９ｂの全体がほぼ一様に変色している場合は、半導体装置１の外部からの熱の影響を受けて、封止部９が劣化していると判断することができる。

さらに、半導体装置１と同じ構造の第１の半導体装置及び第２の半導体装置を用意し、第１の半導体装置について熱劣化試験を行った結果から、第２の半導体装置を実際にパワーコンディショナーなどに組み込んで動作させた場合の、ある時点における余寿命を推定することができる。詳細は以下の通りである。
ステップ１： 第１の半導体装置について熱劣化試験を行い、該第１の半導体装置の封止部９の表面９ｂの色を表す数値と、該第１の半導体装置の動作時間との関係を得る。
ステップ２： 第２の半導体装置を実際に使用し、該第２の半導体装置の、ある時点における封止部９の表面の色を数値化する。この数値化は、例えば、色差計を用いて行うことができる。
ステップ３： 第２の半導体装置の封止部９の表面９ｂの色を表す数値を、前記熱劣化試験により得られた前記関係と照らし合わせ、前記第２の半導体装置の余寿命を推定する。

［例１］
本例では、青色を呈する銅フタロシアニンを単一の顔料として含んだ封止材により、第１の半導体装置及び第２の半導体装置の封止部９を構成する。すなわち、封止部９も青色を呈する。

この青色を定量化するために、色空間の一つであるＬ^＊ａ^＊ｂ^＊色空間を用いる。このＬ^＊ａ^＊ｂ^＊色空間は、国際照明委員会 (ＣＩＥ) によって定められており、日本工業規格（ＪＩＳ）においても採用されている。Ｌ^＊ａ^＊ｂ^＊色空間におけるｂ^＊の値は、負数に限って言えば、小さいほど青色が鮮やかであることを示し、０に近づくほど青色がくすんでいることを示す。封止部９の表面９ｂの当初のｂ^＊の値は−４０以上かつ−２０以下である。

このような封止部９を備えた第１の半導体装置について熱劣化試験を行った結果を図２に示している。同図は、第１の半導体装置１の動作時間と、ｂ^＊の値との関係を示している。図示しているように、封止部９の表面９ｂの当初のｂ^＊の値は、−３３である。熱劣化試験開始後のｂ^＊の値は、封止部９の表面９ｂのうち、最も変色が進んでいる部位を対象としている。

同図の曲線Ｇ１は、表面９ｂの温度が１６０℃となるように継続して動作させた場合の結果を示している。また、曲線Ｇ２は、表面９ｂの温度が１７５℃となるように継続して動作させた場合の結果を示している。曲線Ｇ３は、表面９ｂの温度が１９０℃となるように継続して動作させた場合の結果を示している。

曲線Ｇ１〜Ｇ３が示しているように、ｂ^＊の値は、初期値である−３３から−５以上にまで時間とともに増加する。また、表面９ｂの温度が高いほどｂ^＊の値の増加するスピードは大きくなる。同図の曲線Ｇ１〜Ｇ３において、ｂ^＊の値が−１５である点をそれぞれ点Ｐ１〜Ｐ３として示している。

図３には、封止部９の表面９ｂの温度と、ｂ^＊の値が−３３から−１５に変化するまでの第１の半導体装置の動作時間との関係を示している。同図の点Ｐ４〜Ｐ６は、図２の点Ｐ１〜Ｐ３にそれぞれ対応している。つまり、点Ｐ４〜Ｐ６は熱劣化試験により得られた実測に基づく点である。これらの３つの点Ｐ４〜Ｐ６から直線Ｇ４が推定される。この直線Ｇ４上の、推定に基づく点Ｐ７によれば、第２の半導体装置の封止部９の表面９ｂの温度が８０℃となるように継続して該第２の半導体装置を動作させた場合、４４０００時間後にｂ^＊の値が−１５となることが推定される。この４４０００時間という動作時間を封止部９の「寿命」と考えることができる。この４４０００時間という動作時間は、１年あたり２２００時間動作させた場合の２０年分に相当する。

そして、図２の曲線Ｇ１〜Ｇ３と、図３の直線Ｇ４と基づいて、第２の半導体装置１の封止部９の表面９ｂの温度が８０℃となるように継続して動作させた場合の、動作時間とｂ^＊の値との関係（不図示）を推定することができる。動作時間とｂ^＊の値との、推定される関係と、第２の半導体装置の封止部９の表面９ｂの温度が８０℃となるように継続して動作させた場合の、ある時点における封止部９の表面のｂ^＊の値とを照らし合わせる。これにより、第２の半導体装置の封止部９の劣化状況、すなわち、それまでの動作時間と第２の半導体装置の余寿命とを推定することができる。

なお、図４の直線Ｇ５は、封止部９の表面９ｂの熱力学温度の逆数と、ｂ^＊の値が初期値−３３から−１５に変化するまでの動作時間との関係を示している。直線Ｇ５上の点Ｐ８は、図３の点Ｐ７に対応している。

［例２］
第１の半導体装置及び第２の半導体装置の封止部９を構成するにあたり、青色を呈する銅フタロシアニン及び黄色を呈するビスマスイエローという２つの顔料を組み合わせて使用する。この場合、封止部９は緑色を呈する。この緑色を定量化するために、Ｌ^＊ａ^＊ｂ^＊色空間におけるａ^＊の値を用いる。ａ^＊の値は、負数に限って言えば、小さいほど緑色が鮮やかであることを示し、０に近づくほど緑色がくすんでいることを示す。熱劣化が生じる前のａ^＊の値は、−３０以上かつ−１５以下である。そして、劣化により、ａ^＊の値は−５以上にまで増加する。

なお、図４の直線Ｇ６は、封止部９の表面９ｂの熱力学温度の逆数と、ａ^＊の値が初期値−２１から−１０に増加するまでの動作時間との関係を示している。この直線Ｇ６上の点Ｐ９によれば、９０℃で４４０００時間動作させた場合に、ａ^＊の値が初期値−２１から−１０に増加することがわかる。

［その他の形態］
複数の半導体装置１を、これら複数の半導体装置１の外部に配置した外部プリント基板に搭載することができる。一例として、図５は、４つの半導体装置１が搭載された外部プリント基板１００を示している。４つの半導体装置１を互いに区別するために、符号１−１〜１−４を付している。そして、これら４つの半導体装置１の各封止部９の変色の程度を比較する。この比較の結果、４つの半導体装置１の負荷状況を評価することが出来る。また、ある一つの半導体装置の変色が、その他の３つの半導体装置の変色に比べて進んでいる場合は、当該一つの半導体装置そのものに何らかの異常があると推測することができる。これらの比較基準としては、前述のＬ^＊ａ^＊ｂ^＊色空間における値や、色見本などを用いることが出来る。また、複数の半導体装置１間で変色が明らかに異なる場合は、単純目視による比較から判断を行ってもよい。

半導体装置の余寿命推定を行うにあたり、前記ステップ１の熱劣化試験は必須ではなく、封止部の素材である封止材の温度と時間と該封止材の色との３要素間の関係を得ることができれば足りる。すなわち、前記ステップ１〜３に代えて以下のステップを行ってもよい。
ステップ１ａ： 封止部の素材である封止材を加熱し、加熱温度と加熱時間と該封止材の色との３要素間の関係を得る。この関係において、封止材の色は数値で表されている必要はなく、目視にて確認可能な色見本により表されていてもよい。
ステップ２ａ： 前記封止材と同じ組成の封止材からなる封止部を備えた半導体装置を動作させる。そして、ある時点における封止部表面の色を、前記関係と照らし合わせ、該半導体装置の余寿命を推定する。

図１のＳｉＣ半導体素子４を、ＧａＮ（窒化ガリウム）半導体素子などの別のタイプの半導体素子に置き換えてもよい。また、封止部９を構成する封止材の主剤はエポキシ樹脂に限られず、ポリエステル樹脂などの別の樹脂を用いることもできる。必要に応じて、封止部９を構成する封止材を作るに際し、無機充填剤を加えてもよい。また、第１銅板２２の下面の全体が封止部９により封止されていてもよい。封止部９の色を定量化するにあたっては、Ｌ^＊ａ^＊ｂ^＊色空間に限らず、ＲＧＢ色空間などの別の色空間あるいは表色系を用いてもよい。

以上、本発明の実施の形態につき述べたが、本発明は既述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。

１ 半導体装置

２ 絶縁基板
２１ 絶縁層
２２ 第１銅板
２３ 第２銅板

３ 第１接合層
４ ＳｉＣ半導体素子
５ 第２接合層


６ インプラント方式プリント基板（内部プリント基板）
６１ インプラントピン

７，８ 端子

９ 封止部
９ａ 裏面
９ｂ 表面
９ｃ 外周縁部

９１ 取付け金具

１−１〜１−４ 半導体装置
１００ 外部プリント基板

Ｇ１〜Ｇ３ 曲線
Ｇ４〜Ｇ６ 直線
Ｐ１〜Ｐ９ 点

Claims (7)

1. 絶縁基板と、
   前記絶縁基板上に搭載された半導体素子と、
   前記半導体素子上に配置された内部プリント基板と、
   前記絶縁基板の少なくとも一部と前記半導体素子と前記内部プリント基板とを封止する封止部であって、樹脂と顔料とを含み、有彩色を呈する封止材からなる封止部と
   を備え、
   前記顔料が青色を呈する顔料及び黄色を呈する顔料である、半導体装置。
2. 前記青色を呈する顔料が銅フタロシアニンである、請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記黄色を呈する顔料がビスマスイエローである、請求項１又は２に記載の半導体装置。
4. 前記封止部の表面の、Ｌ^＊ａ^＊ｂ^＊色空間におけるａ^＊値が−３０以上かつ−１５以下である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置。
5. 前記封止材の劣化により、前記封止部の表面の少なくとも一部のａ^＊値が−５以上に変化する、請求項４に記載の半導体装置。
6. 前記半導体素子がＳｉＣ半導体素子である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体装置。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体装置を複数搭載した外部プリント基板。

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