JP2013229535A

JP2013229535A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2013229535A
Application number: JP2012102066A
Authority: JP
Inventors: Hironori Shioda; 裕基塩田; Atsushi Yamatake; 厚山竹; Tetsuya Ueda; 哲也上田; Yoshihiro Yamaguchi; 義弘山口; Yoshiko Taikai; 美子大開
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-04-27
Filing date: 2012-04-27
Publication date: 2013-11-07

Abstract

【課題】放熱性が向上し、かつ絶縁性が向上する半導体装置を得ることを目的とする。
【解決手段】半導体素子１ａ、１ｂと、半導体素子１ａ、１ｂが一方の面に接合されたリードフレーム４ａ、４ｂと、リードフレーム４ａ、４ｂの他方の面に配置された第１の絶縁層５と、リードフレーム４ａ、４ｂが第１の絶縁層５を介して一方の面に接続された金属ベース板６と、金属ベース板６の他方の面に配置された第２の絶縁層７と、を備え、第１の絶縁層５は、第２の絶縁層７より高い伝熱特性を有し、第２の絶縁層７は、第１の絶縁層５と同等以上の絶縁性を有し、第１の絶縁層５では、フィラー２１が殻状の集合体２１Ｇを形成するとともに、集合体２１Ｇの複数が互いに接触するように充填されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＩＧＢＴやダイオードなどの半導体素子を実装した半導体装置に関するものである。

半導体装置では、動作温度を所定範囲内に保つために、半導体素子で発生した熱を放熱する必要がある。そこで、例えば、特許文献１に開示されているように、半導体素子が接合されたセラミック基板の裏側に熱伝導性に優れた金属ベース板を配置した半導体装置が開示されている。

このような半導体装置では、半導体素子で発生した熱は、セラミック基板や有機絶縁シート等の絶縁材を介して金属ベース板に伝わり、金属ベース板に接続された冷却器から放熱することで、放熱性を向上させている。しかし、昨今の半導体素子の高密度集積化にともない、放熱特性のさらなる向上が必要とされている。

半導体素子と金属ベース間の絶縁材として有機絶縁シートを使用する場合には、その有機絶縁シートの熱伝導性を高めることが必要である。熱伝導性を高めるための高熱伝導性無機粉末（フィラー）が、例えば特許文献２に開示されている。この高熱伝導性無機粉末は、平均粒子径が１〜２０μｍ、最大粒径が４５μｍ以下の無機粉末からなる。そして、粒度域３〜４０μｍの構成粒子である無機粉末Ｘは、真円度が０．８０以上の球状で、１０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有し、粒度域０．１〜１．５μｍの構成粒子である無機粉末Ｙは、真円度が０．３０以上０．８０未満の球状又は非球状で、無機粉末Ｘと同等以下の熱伝導率を有し、Ｘ／Ｙの質量比が１〜３０になるように構成している。これにより、樹脂に高充填しても容易に高粘度化せず、しかも熱伝導性に優れた樹脂組成物を調製しようとしていた。

特開２００６−３０３０８６号公報（段落０００９〜００１０、図１）特開２００３−１３７６２７号公報（段落０００８〜００１３）

半導体装置に適用する有機絶縁シートやセラミック基板には熱伝導性とともに、半導体装置を安定に駆動するための絶縁性が求められる。特に昨今では、炭化ケイ素（ＳｉＣ）素子など大電流化、高周波動作可能な半導体素子が半導体装置に搭載されると、素子発熱が大きくなることや定格電圧の上昇化、半導体装置の小型化への対応が必要になる。したがって、有機絶縁シートやセラミック基板には絶縁信頼性を低下させることなく、半導体素子による発熱を金属ベース板に効率よく伝熱させることが求められる。

しかしながら、熱伝導性を向上させるために必要な熱伝導率と、絶縁性を向上させるために必要な耐電圧や耐部分放電電圧はトレードオフの関係にある。そのため、例えば特許文献２では無機粉末の粒径を規定することで高充填化と熱伝導性の向上をはかっているが、無機充填材による充填材近傍の電界集中を考慮しておらず、絶縁性能が低下するという問題があった。また、特許文献１などセラミック基板を適用した場合、セラミック基板の厚肉化により高耐圧化を満足させているが、絶縁層となるセラミック基板が厚くなることにより熱伝導性が悪化する問題がある。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、放熱性が向上し、かつ絶縁性が向上する半導体装置を得ることを目的とする。

本発明に係る半導体装置は、半導体素子と、前記半導体素子が一方の面に接合されたリードフレームと、前記リードフレームの他方の面に配置された第１の絶縁層と、前記リードフレームが前記第１の絶縁層を介して一方の面に接続された金属ベース板と、前記金属ベース板の他方の面に配置された第２の絶縁層と、を備え、前記第１の絶縁層は、前記第２の絶縁層より高い熱伝導性を有するとともに、前記第２の絶縁層は、前記第１の絶縁層と同等以上の絶縁性を有し、前記第１の絶縁層では、フィラーが殻状に集合した集合体を形成するとともに、前記集合体の複数が互いに接触するように充填されているように構成した。

本発明によれば、金属ベース板の両側に配置した２つの絶縁層の伝熱特性と絶縁特性の優位性が異なるようにするとともに、とくに、熱伝導性の高い絶縁層では、フィラーが殻状に集合して充填されるので、伝熱性を容易に向上させることができ、放熱性と絶縁性に優れた半導体装置を得ることができる。

本発明の実施の形態１による半導体装置を示す断面図である。本発明の実施の形態１による絶縁層の熱伝導特性と絶縁特性を示した相関図である。本発明の実施の形態１による絶縁層の電界増倍率を示した図である。絶縁層のボイド率と絶縁耐圧の関係を示した相関図である。本発明の実施の形態１による半導体装置を構成する高熱伝導性絶縁層の内部構造および製造過程での構成を示した断面模式図である。本発明の実施の形態１による半導体装置を構成する高絶縁性絶縁層の内部構造および製造過程での構成を示した断面模式図である。絶縁層を構成する樹脂単体の耐電圧性に対する本発明の実施の形態１による半導体装置を構成する高絶縁性絶縁層および従来の半導体装置を構成する絶縁層の耐電圧性を示す図である。比較例の半導体装置を示す断面図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による半導体装置を示す断面図である。図１に示した半導体装置３０は、２つの半導体素子１ａ、１ｂが実装された例である。半導体装置３０は、半導体素子１ａ、１ｂを搭載するリードフレーム（導電部材）４ａ、４ｂと、半導体素子１ａ、１ｂの発熱を放熱する冷却器９ａ、９ｂと、冷却器９ａ、９ｂに接続された金属ベース板６を備える。半導体素子１ａは裏面電極が半田３ａによりリードフレーム４ａに接合され、半導体素子１ｂは裏面電極が半田３ｂによりリードフレーム４ｂに接合されることにより、それぞれリードフレーム４ａ、４ｂに電気的に接続されている。半導体素子１ａ、１ｂの表面電極は、ワイヤ８により電気的に接続されている。また、半導体素子１ａ、１ｂの表面電極は、ワイヤ（図示せず）により、外部端子（図示せず）と電気的に接続されている。半導体素子１ａ、１ｂの発熱を放熱するための冷却器９ａ、９ｂに接続された金属ベース板６とリードフレーム４ａ、４ｂとの間に熱伝導性の高い絶縁層（以降、適宜、高熱伝導性絶縁層と呼ぶ）５を設置している。金属ベース板６における高熱伝導性絶縁層５の逆側には絶縁性の高い絶縁層（以降、適宜、高絶縁性絶縁層と呼ぶ）７を配置している。半導体装置３０は、必要に応じて、半導体素子１ａ、１ｂ及びリードフレーム４ａ、４ｂをエポキシ樹脂やシリコーンゲル、エラストマ等の封止材１０で封止される。

半導体装置３０に用いる絶縁層５、７について説明する前に、一般的な半導体装置における絶縁層について説明する。半導体装置の絶縁層には二つの機能、すなわち絶縁性及び熱伝導性が求められる。特許文献１の半導体装置では、セラミック絶縁基板が上記絶縁層に相当し、第一外部電極部が上記リードフレームに相当する。特許文献１に記載の半導体装置において、セラミック絶縁基板を上記絶縁層４０に置き換え、第一外部電極部を上記リードフレーム４に置き換えて、簡略化した半導体装置の構成を比較例として図８に示す。図８において、通常の配置位置である金属ベース板６の裏面側に、冷却器９が配置されている。図８に示すような絶縁層４０が一つしかない比較例の半導体装置の場合は、一つの絶縁層４０に上述した二つの機能を両立させる必要がある。

ここで、絶縁特性及び熱伝導特性について考える。図２は、本発明の実施の形態１による絶縁層５、７に適用可能な材料を含む絶縁層材料の熱伝導特性と絶縁特性を示した相関図である。横軸は熱伝導特性であり、縦軸は絶縁特性である。図２の相関特性２０に示すように、熱伝導特性と絶縁特性とは相関関係が存在する。すなわち、熱伝導特性と絶縁特性は、一方を高めると他方が低くなる関係となっている。半導体素子は他の素子等と絶縁され、かつ素子性能を発揮できる温度範囲で動作させなければならない。動作により熱を大量に発生する半導体素子や高温にて動作する半導体素子を実装した半導体装置は、半導体素子を所望の動作をさせるためには、絶縁性及び熱伝導性を両立させることが必要である。ひとつの絶縁層によって絶縁性及び熱伝導性の両立が必要である比較例の半導体装置は、絶縁層の特性として図２の破線円ｂに示すような範囲を選択しなければならない。

一般的に有機絶縁シートはエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（アルミナ：Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化ホウ素（ＢＮ）および炭化ケイ素（ＳｉＣ）などの無機物のフィラーを充填した構造となっている。熱伝導性を向上するためにはフィラー粒径の大径化、フィラーの高比誘電率化、フィラー充填量を多くすることで絶縁材料の熱伝導率を高めればよい。しかし、熱伝導性を向上するための第１の方法、すなわちフィラー粒径の大径化を行う場合には、図３に示すように粒径が大きいほど電界増倍率（無機充填材近傍部の局所電界を平均電界で割った指数）は高くなり、その結果、耐電圧特性や耐部分放電特性等の絶縁性が急激に低下してしまう。図３は、本発明の実施の形態１による絶縁層５、７に適用可能な材料を含む絶縁層材料の電界増倍率を示した図である。横軸は無機充填材の粒径であり、縦軸は電界増倍率である。特性１１は無機充填材が高比誘電率の場合の特性であり、特性１２は無機充填材が低比誘電率の場合の特性である。

また、熱伝導性を向上するための第２の方法、すなわちフィラーの高比誘電率化を行う場合には、無機充填材である無機フィラーの比誘電率を高めた場合である特性１１の方が特性１２よりも電界増倍率が高くなり、その結果、耐電圧特性や耐部分放電特性等の絶縁性が急激に低下してしまう。無機フィラーの比誘電率を高めた場合である特性１１の方が特性１２よりも電界増倍率が高くなるのは、エポキシ樹脂の比誘電率とフィラーの比誘電率との差が大きくなることで、フィラー先端部の電界が高くなるからである。

したがって、熱伝導性を向上するための第１の方法と第２の方法を併用してさらに熱伝導性を向上させると、図３における特性１１の右側のように急峻に電界増倍率が高くなり、絶縁性が急激に低下するので、半導体素子が動作するのに必要な絶縁性を維持することは困難である。よって、特性１２に示すように無機フィラーの比誘電率を低く（エポキシ樹脂の比誘電率に近づける）し、電界増倍率を下げることで、所定の絶縁性を確保する必要がある。

また、熱伝導性を向上するための第３の方法、すなわちエポキシ樹脂にフィラー充填量を多くする場合には、単位体積辺りのボイド含有率（ボイド率と呼ぶ）が大きくなる。図４は、エポキシ樹脂に無機フィラーを充填した場合の絶縁シート（絶縁層）中の単位体積あたりのボイド率と絶縁耐圧の関係を示した相関図である。横軸はボイド率であり、縦軸は規格化した耐圧である。規格化した耐圧は、例えば任意のボイド率における絶縁耐圧との比を用いて表わすことができる。図４の場合は、ボイド率０．４％の絶縁耐圧を基準に規格化したものである。フィラー充填量を多くするとボイド率が大きくなるので、この場合、図４の特性１４に示すように、耐電圧特性や耐部分放電特性等の絶縁性が急激に低下してしまう。

また、絶縁層を薄くして熱抵抗を下げることで熱伝導性を上げることも考えられる。しかし、絶縁層を薄くして熱抵抗を下げることで熱伝導性を上げると、絶縁層の表面と裏面との間における電界が高くなるために、熱伝導性を向上するための第１〜３の方法の場合と同様に、耐電圧特性や耐部分放電特性等の絶縁性が低下してしまう。

以上のように、絶縁層がひとつしかない比較例の半導体装置の場合は、フィラー形状や充填率、フィラー種類、絶縁層の厚さを厳密に決めねばならず適用可能な材料の使用裕度や構造設計裕度が狭められる。高温にて動作する半導体素子（高温動作対応の半導体素子）を搭載した場合であっても、これを搭載した半導体装置は、充分な絶縁性及び放熱性を達成できない可能性がある。したがって、絶縁層がひとつしかない比較例の半導体装置は、動作により熱を大量に発生する半導体素子や高温にて動作する半導体素子が搭載された場合に、絶縁性及び放熱性を充分に向上することはできない。

比較例の半導体装置とは異なり、実施の形態１による半導体装置３０は、ひとつの絶縁層ではなく、二つの絶縁層に分割したので、適用する場所に応じて絶縁層の特性を最適化することができる。半導体素子１ａ、１ｂの発熱を金属ベース板６に効率よく伝達することが必要な高熱伝導性絶縁層５には、図２の破線円ｃに示すように熱伝導性が高い材料を適用する。さらに、熱伝導特性が必要ない、または必要性が低いが、外部との絶縁が必要な高絶縁性絶縁層７には、図２の破線円ａに示すように絶縁性が高い材料を適用する。したがって、実施の形態１による半導体装置３０は、金属ベース板６とリードフレーム４ａ、４ｂとの間に高熱伝導性絶縁層５を配置し、金属ベース板６における高熱伝導性絶縁層５の逆側に高絶縁性絶縁層７を配置することで、半導体装置３０の放熱性が向上し、かつ半導体装置３０と外部との絶縁性が向上することができる。

高熱伝導性絶縁層５は、図３で示すようなフィラー形状（粒径）が大きく、比誘電率が高い材料が使用できるし、充填量を増やすことも可能である。また、高熱伝導性絶縁層５は、絶縁性が低くてもよいため薄肉化することができ、熱抵抗を下げることで熱伝達を良くすることも可能となる。但し、複数の半導体素子を配置した場合には、半導体素子の駆動電圧以上の耐電圧が必要であることは言うまでもない。

高絶縁性絶縁層７は、熱伝導性の重要性が低いので、エポキシ樹脂中にフィラーを充填する必要が無い。エポキシ樹脂中にフィラーを充填しない場合は、絶縁欠陥となるフィラーによる電界集中やボイドの発生がなくなり、図４に示したように絶縁耐圧が向上するので、高絶縁性絶縁層７の厚さは必要な絶縁耐圧を満足すればよい。つまり、高絶縁性絶縁層７の厚さを薄くすることができる。したがって、結果として高絶縁性絶縁層７の薄肉化も可能となる。

高熱伝導性絶縁層５と高絶縁性絶縁層７の特性を次のようにすることもできる。熱伝導特性は、高熱伝導性絶縁層５の方が高絶縁性絶縁層７より大きく、かつ絶縁特性は、高熱伝導性絶縁層５の方が高絶縁性絶縁層７より小さくする。記号「＞」，「＜」を用いて表わせば、（高熱伝導性絶縁層５の熱伝導特性）＞（高絶縁性絶縁層７の熱伝導特性）、かつ（高熱伝導性絶縁層５の絶縁特性）＜（高絶縁性絶縁層７の絶縁特性）（条件１）となる。ただし、「＞」，「＜」のうち、一方は「≦」，「≧」に置き換えることが可能である。条件１の関係にした構成によれば、フィラー形状や充填率、フィラー種類、絶縁層の厚さ等に幅を持たせることができ、適用可能な材料の使用裕度や構造設計裕度を広く取りつつ、高熱伝導性を有しつつ高絶縁信頼性を有した半導体装置を得られる。

つぎに、上述した高熱伝導性絶縁層５および高絶縁性絶縁層７としてさらに好適な形態について説明する。

図５は高熱伝導性絶縁層５の構成を説明するための模式的な断面図で、図５（ａ）は高熱伝導性絶縁層５の一部の断面模式図、図５（ｂ）は高熱伝導性絶縁層５を形成するための製造工程中の断面図である。

図５（ａ）に示すように、高熱伝導性絶縁層５は、樹脂２２中で、殻状に集合したセラミックスフィラー２１の集合体２１Ｇが互いに接触するように充填されている。なお、図５（ａ）は断面図なので、セラミックスフィラー２１がハニカム状に連結、あるいは円形状のものが連結しているように見えるが、実際には例えば粒子の表面を覆うような中空（実際には樹脂２２が充填されているが）で殻のような形態の集合体２１Ｇが積み重なった形態となっている。

このような構成の高熱伝導性絶縁層５を形成する具体的な方法について図５（ｂ）を用いて説明する。図５（ｂ）に示すように樹脂粒子２２Ｐの表面を、樹脂粒子２２Ｐの粒径よりも小さくなるように、例えばナノ形態にした高熱伝導のセラミックスフィラー２１が隙間なく覆ったフィラー被覆樹脂粒子２２Ｃを作成する。そして、作成したフィラー被覆樹脂粒子２２Ｃを分散させたペースト５Ｐを金属ベース板６に塗布し、乾燥後加熱して樹脂粒子２２Ｐを硬化させる。このときに樹脂粒子２２Ｐを構成する樹脂材料は、一度溶融するので、セラミックスフィラー２１間を充填するとともに、空隙が減少した分、セラミックスフィラー２１間の距離が縮まり、重なり（接触）密度も増加する。

これにより、セラミックスフィラー２１が互いに連なってバルク方向に熱の伝達路を形成し、高放熱化が得られる。この際、セラミックスフィラー２１としては、Ａｌ_２Ｏ_３（熱伝導率：２６Ｗ／ｍＫ）やＳｉ_３Ｎ_４（熱伝導率：３３Ｗ／ｍＫ）、ＡｌＮ（熱伝導率：１００〜２００Ｗ／ｍＫ）、ＢＮ（熱伝導率：４０〜８０Ｗ／ｍＫ）、ＳｉＣ（熱伝導率：６５〜１００Ｗ／ｍＫ）など高熱伝導のフィラーを適用することが望ましいことは言うまでもない。

なお、図５（ａ）では、樹脂２２が高熱伝導性絶縁層５内の隙間に全て充填されている形態を示しており、その形態は長期安定性にとって好ましいものであるが、必ずしも、隙間を全て埋める必要はない。例えば、パッシェンカーブから見て、部分放電を生じさせるほどの径に達していない隙間であれば、無理に埋めず、残すように構成してもよい。

また、図６は高絶縁性絶縁層７の構成を説明するための模式的な断面図で、図６（ａ）は高絶縁性絶縁層７の一部の断面模式図、図６（ｂ）は高絶縁性絶縁層７を形成するための製造工程中の断面図である。

図６（ａ）に示すように、高絶縁性絶縁層７は、セラミックスフィラー２１が互いに距離をあけて樹脂２２中に分散して配置されるように構成したものである。

このような構成の高絶縁性絶縁層７を形成する具体的な方法について図６（ｂ）を用いて説明する。図６（ｂ）に示すように樹脂２２をセラミックスフィラー２１の径よりも小さな、例えばナノ形態の樹脂粒子２２Ｐにし、セラミックスフィラー２１の表面を樹脂粒子２２Ｐが覆う樹脂被覆フィラー２１Ｃを作成する。そして、作成した樹脂被覆フィラー２１Ｃを分散させたペースト７Ｐを金属ベース板６に塗布し、乾燥後加熱して樹脂粒子２２Ｐを構成する樹脂を溶融させ硬化させる。これにより、樹脂粒子２２Ｐを構成する樹脂材料が、セラミックスフィラー２１とセラミックスフィラー２１との間に確実に介在する。つまり、確実にセラミックスフィラー２１間に樹脂２２が存在するような構成を実現できる。

これにより、セラミックスフィラー２１が樹脂２２中に均一に分散し、セラミックスフィラー２１界面の重なりによるバルク方向の破壊経路Ｐｆを無くし、高耐圧化が得られる。この際、セラミックスフィラー２１には機械的強度と耐熱性を担保するシリカフィラーを適用することが望ましいことは言うまでもない。

図７は絶縁性を重視した絶縁層を異なる構成で形成した場合の絶縁層単体の破壊耐圧を示す実験値である。図に示すように、従来のように単にフィラーと樹脂材料を混入して絶縁層を形成した場合（Ｃ）に対し、本実施の形態の高絶縁性絶縁層７のように、セラミックスフィラー２１が互いに距離をあけて樹脂２２中に分散するように形成した場合（Ｅ）の方が優れた破壊耐圧を得られることがわかる。そして、本実施の形態の高絶縁性絶縁層７の構成は、最も強固である樹脂（例としてエポキシの場合）単体で絶縁層を形成した場合（Ｒ）の破壊耐圧には及ばないものの、それに近い破壊耐圧を得られることもわかる。

なお、高熱伝導性絶縁層５における、樹脂粒子２２Ｐの表面へのナノ形態のセラミックスフィラー２１の配置、あるいは高絶縁性絶縁層７におけるセラミックスフィラー２１表面へのナノ粒子形態の樹脂粒子２２Ｐを配置する方法として、静電吸着法を適用すれば更なる高熱電導化、高耐圧化が得られることは言うまでもない。

また、高絶縁性絶縁層７は、熱伝導性を重視しないので、特許文献１の厚肉化したセラミック基板の様な高価な基板を使用せずに、例えば粉体塗装や電着塗装といった従来の半導体装置に適用していない安価で絶縁信頼性の高い膜形成手法を適用することができる。高絶縁性絶縁層７を粉体塗装や電着塗装等の膜形成手法を適用することで、金属ベース板６に直接ポリイミドやポリアミドイミド、エポキシ樹脂等の絶縁膜を形成することが可能となる。図１に示すように、金属ベース板６における高絶縁性絶縁層７が配置される面と同じ側の冷却器９ａ、９ｂの面に高絶縁性絶縁層７を有するように、金属ベース板６と冷却器９ａ、９ｂとに膜形成手法を適用して粉体塗装や電着塗装等を行うこともできる。実施の形態１の半導体装置３０は、特許文献１の半導体装置が厚肉化したセラミック基板を用いることで発生する高コスト化の問題を解決することができる。尚、金属ベース板６、冷却器９ａ、９ｂに形成される高絶縁性絶縁層７は、それぞれ絶縁したい一部にある場合でも構わない。

また、実施の形態１の半導体装置３０は、金属ベース板６を非接地電位にすることもできる。すなわち、半導体素子１ａ、１ｂに接地電位を供給する接地電位電極（図示せず）に接続されないようにすることができる。金属ベース板６を非接地電位にすることにより、半導体素子１ａ、１ｂに対するノイズを抑制することができる。したがって、半導体素子１ａ、１ｂの安定動作に富んだ半導体装置を得られる。

実施の形態１の半導体装置３０によれば、半導体素子１ａ、１ｂと、半導体素子１ａ、１ｂが一方の面に接合されたリードフレーム４ａ、４ｂと、リードフレーム４ａ、４ｂの他方の面に配置された第１の絶縁層である高熱伝導性絶縁層５と、リードフレーム４ａ、４ｂが高熱伝導性絶縁層５を介して一方の面に接続された金属ベース板６と、金属ベース板６の他方の面に配置された第２の絶縁層である高絶縁性絶縁層７と、を備え、高熱伝導性絶縁層５では、フィラーであるセラミックスフィラー２１が殻状に集合した集合体２１Ｇを形成するとともに、集合体２１Ｇの複数が互いに接触するように充填されている。そして、高熱伝導性絶縁層５と高絶縁性絶縁層７の特性の関係を以下（Ａ、Ｂ）の少なくともいずれかの条件を満たすように構成した。Ａ：高熱伝導性絶縁層５は、高絶縁性絶縁層７より高い熱伝導性を有するとともに、高絶縁性絶縁層７は、高熱伝導性絶縁層５と同等以上の絶縁性を有する。Ｂ：高絶縁性絶縁層７は、高熱伝導性絶縁層５より高い絶縁性を有するとともに、高熱伝導性絶縁層５は、高絶縁性絶縁層７と同等以上の熱伝導性を有する。

これにより、熱伝導性（伝熱性能）を重視した高熱伝導性絶縁層５の熱伝導性を容易に向上させるとともに、半導体装置としての放熱性を向上させ、かつ絶縁性も向上させることができる。

とくに、第２の絶縁層である高絶縁性絶縁層７では、フィラーであるセラミックスフィラー２１が互いに間隔をあけて分散するように、樹脂２２中に配置されているように構成すれば、絶縁性を重視した高絶縁性絶縁層７のセラミックスフィラー２１の重なりによる破壊経路Ｐｆをなくし、容易に高耐圧化（高絶縁性）を実現することができる。

尚、実施の形態１においては、理解を容易にするために半導体素子を２つ設けた例を示しているが、用途にあった個数にしてよい。また電気接続手段としてワイヤを用いた例を示しているが、電気接続手段としては、球電極やインターポーザやプリント配線基板やダイレクトリード方式を使用していても、実施の形態１と同様の効果が得られることは言うまでもない。また、トランスファーモールド型の半導体装置例にて説明しているが、例えば一例として特許文献１の半導体装置のようにケースに取り付けられたケース型の半導体装置など製法が異なる半導体装置についても同様に適用でき、同様の効果を奏することは言うまでもない。

また、ヒートシンク一体型および分離型いずれの半導体装置においても実施の形態１と同様に構成することが可能であり、実施の形態１と同様の効果を奏することが可能である。また、半導体素子はケイ素（Ｓｉ）に限らず炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム半導体などの化合物半導体などすべての半導体素子で同様の効果が得られるし、ダイオード（Ｄｉ）やＩＧＢＴ以外のトランジスタや集積回路（ＩＣ）等でも同様の効果が得られることは言うまでもない。

特に、高温動作対応の半導体素子は、炭化ケイ素以外に、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドを用いることができる。たとえば、スイッチング素子や整流素子として機能する半導体素子に、炭化ケイ素や、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドを用いた場合、従来から用いられてきたケイ素（Ｓｉ）で形成された素子よりも電力損失が低いため、電力用半導体装置等の高温動作対応の半導体装置の高効率化が可能となる。また、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、半導体装置の小型化が可能となる。さらにワイドバンドギャップ半導体素子は、耐熱性が高いので、高温動作が可能であり、ヒートシンクの放熱フィンの小型化や、水冷部の空冷化も可能となるので、半導体装置の一層の小型化が可能になる。

また、電極と半導体チップや絶縁基板等とを半田などで電気的に接続した接合型や、電極と半導体チップや絶縁基板等とを電極外側方向から内側方向に向けて弾性体やボルト締めなどにより加圧し、電気的に接続した圧接型やそれらの複合型のいずれの半導体装置においても、実施の形態１と同様に構成することが可能であり、実施の形態１と同様の効果を奏することが可能である。また、無機充填材の種類として上記にあげた窒化アルミ、酸化アルミニウム（アルミナ）、窒化ホウ素および炭化ケイ素以外でも、比誘電率の大小関係を満たしている物であれば、適用可能であることは言うまでもない。

１ａ、１ｂ：半導体素子４ａ、４ｂ：リードフレーム
５：高熱伝導性絶縁層（第１の絶縁層）６：金属ベース板
７：高絶縁性絶縁層（第２の絶縁層）９ａ、９ｂ：冷却器
２１：セラミックスフィラー（フィラー）２１Ｇ：集合体
２２：樹脂
３０：半導体装置

Claims

半導体素子と、
前記半導体素子が一方の面に接合されたリードフレームと、
前記リードフレームの他方の面に配置された第１の絶縁層と、
前記リードフレームが前記第１の絶縁層を介して一方の面に接続された金属ベース板と、
前記金属ベース板の他方の面に配置された第２の絶縁層と、を備え、
前記第１の絶縁層は、前記第２の絶縁層より高い熱伝導性を有するとともに、前記第２の絶縁層は、前記第１の絶縁層と同等以上の絶縁性を有し、
前記第１の絶縁層では、フィラーが殻状に集合した集合体を形成するとともに、前記集合体の複数が互いに接触するように充填されていることを特徴とする半導体装置。
半導体素子と、
前記半導体素子が一方の面に接合されたリードフレームと、
前記リードフレームの他方の面に配置された第１の絶縁層と、
前記リードフレームが前記第１の絶縁層を介して一方の面に接続された金属ベース板と、
前記金属ベース板の他方の面に配置された第２の絶縁層と、を備え、
前記第２の絶縁層は、前記第１の絶縁層より高い絶縁性を有するとともに、前記第１の絶縁層は、前記第２の絶縁層と同等以上の熱伝導性を有し、
前記第１の絶縁層では、フィラーが殻状に集合した集合体を形成するとともに、前記集合体の複数が互いに接触するように充填されていることを特徴とする半導体装置。
前記第１の絶縁層は、前記第２の絶縁層より高い熱伝導性を有し、かつ前記第２の絶縁層は、前記第１の絶縁層より高い絶縁性を有することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
前記第２の絶縁層では、フィラーが互いに間隔をあけて分散するように、樹脂中に配置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の半導体装置。
前記半導体素子がワイドバンドギャップ半導体材料により形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の半導体装置。
前記ワイドバンドギャップ半導体材料は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料、およびダイヤモンド、のうちのいずれかであることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。