JP2014154770A - 半導体装置、及び、半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 大型化及び高コスト化を抑制可能であると共にインダクタンスを低減可能な半導体装置、及び半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】 半導体装置１においては、単一の平板状の出力バスバー４０の両端部４１，４３のそれぞれに接合されたスイッチング素子１０，２０同士が、出力バスバー４０を折り曲げることにより互いに積層するように配置される。また、出力バスバー４０の重複部分４５が、モジュール化の際のモールド樹脂Ａから突出して延在する。このため、出力バスバー４０に対して別部材をさらに接合する必要がない。よって、スイッチング素子１０，２０同士を近接して配置させることにより、大型化及び高コスト化を抑制可能である。さらに、正極バスバー１４及び負極バスバー２４を互いに近接して配置して寄生インダクタンスを低減することが可能となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、一対のスイッチング素子を備える半導体装置、及び、半導体装置の製造方法に関する。

特許文献１には、互いに対向して配置された一対のＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）素子を樹脂によりモールドしてなる半導体装置が記載されている。特許文献１に記載の半導体装置においては、一方のＩＧＢＴ素子のエミッタと他方のＩＧＢＴ素子のコレクタとを電気的に接続する金属配線板に対して、出力バスバーをネジ止めにより接合している。

特許第４８７８５２０号公報

特許文献１に記載の半導体装置においては、上述したように、ＩＧＢＴ素子同士を接続する金属配線板に対して出力バスバーをネジ止めして接合している。このため、それらの接合部分には、ネジ止めのための工具隙等を設ける必要がある。したがって、その工具隙の分だけＩＧＢＴ素子同士が離間するため、装置が大型化すると共にモールド樹脂の必要量が増加して材料費が高くなる。

また、金属配線板及び出力バスバーによって形成される電流経路が工具隙の分だけ冗長化するため、抵抗やインダクタンスが増加する。さらに、一方のＩＧＢＴ素子のコレクタに接続される高圧バスバーと、他方のＩＧＢＴ素子のエミッタに接続される低圧バスバーとが工具隙の分だけ離れて配置されるので、寄生インダクタンスが大きくなる。

本発明は、そのような事情に鑑みてなされたものであり、大型化及び高コスト化を抑制可能であると共にインダクタンスを低減可能な半導体装置、及び半導体装置の製造方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る半導体装置は、一対のスイッチング素子を備える半導体装置であって、一方のスイッチング素子の所定の端子と他方のスイッチング素子の所定の端子とを電気的に接続する単一の中間電極を備え、略平板状の中間電極の両端部のそれぞれに接合されたスイッチング素子同士を、中間電極を折り曲げることにより互いに積層するように配置した後に、モールド樹脂により封止してモジュール化されており、中間電極を折り曲げて生じる中間電極の重複部分は、モールド樹脂から突出して延在している、ことを特徴とする。

また、上記課題を解決するために、本発明に係る半導体装置の製造方法は、一対のスイッチング素子を備える半導体装置の製造方法であって、一方のスイッチング素子の所定の端子と他方のスイッチング素子の所定の端子とを電気的に接続するための単一の中間電極を用意する第１の工程と、第１の工程の後に、略平板状の中間電極の両端部のそれぞれにスイッチング素子を接合する第２の工程と、第２の工程の後に、中間電極を折り曲げることによって、スイッチング同士を互いに積層するように配置する第３の工程と、第３の工程の後に、スイッチング素子をモールド樹脂により封止してモジュール化する第４の工程と、を含み、中間電極を折り曲げて生じる中間電極の重複部分は、第４の工程においてスイッチング素子をモールド樹脂により封止したときにモールド樹脂から突出して延在する、ことを特徴とする。

この半導体装置、及び半導体装置の製造方法においては、単一の平板状の中間電極の両端部のそれぞれに接合されたスイッチング素子同士を、中間電極を折り曲げることにより互いに積層するように配置する。そして、中間電極の重複部分は、モジュール化の際のモールド樹脂から突出して延在している。したがって、中間電極に対して別部材からなる出力バスバー等をさらに接合する必要がない（すなわち、接合のための工具隙等が必要ない）。

よって、スイッチング素子同士を近接して配置させることが可能であるので、装置の大型化を抑制可能であると共に、モールド樹脂の必要量を低減して高コスト化を抑制可能である。さらに、一対のスイッチング素子を正極と負極との間に接続するための正極バスバー及び負極バスバーを互いに近接して配置可能であるので、寄生インダクタンスを低減することが可能となる。

本発明によれば、大型化及び高コスト化を抑制可能であると共にインダクタンスを低減可能な半導体装置、及び半導体装置の製造方法を提供することができる。

本発明に係る半導体装置の一実施形態の構成を示す図である。 図１の（ａ）に示された半導体装置の断面図である。 図１，２に示された半導体装置の製造方法の主要な工程を示す図である。 図１，２に示された半導体装置の製造方法の主要な工程を示す図である。 図１，２に示された半導体装置の製造方法の主要な工程を示す図である。

以下、本発明に係る半導体装置、及び半導体装置を製造する方法について、図面を参照して詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一の要素同士、或いは相当する要素同士には、互いに同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、各図面において、各部の寸法比率は、実際のものとは異なる場合がある。

図１の（ａ）は、本発明に係る半導体装置の一実施形態の平面図であり、図１の（ｂ）は、本発明に係る半導体装置の一実施形態を含むインバータの回路図である。図２の（ａ）は、図１の（ａ）のIIA−IIA線に沿っての断面図であり、図２の（ｂ）は、図１の（ａ）のIIB−IIB線に沿っての断面図である。

図１，２に示されるように、本実施形態に係る半導体装置１は、一対のスイッチング素子１０，２０を備えている。本実施形態においては、主に、スイッチング素子１０，２０をＩＧＢＴとして説明する。ただし、スイッチング素子１０，２０は、その他にも、例えば、ＩＧＢＴとダイオードとのペア、ＭＯＳとダイオードのペア、ＭＯＳのみ、及び、ＲＣ（Reverse Conducting）−ＩＧＢＴ等を用いることができる。

スイッチング素子１０，２０は、上下方向に互いに積層するように配置された状態において、モールド樹脂Ａによって封止されてモジュール化されている。モールド樹脂Ａは、例えば熱硬化性のエポキシ等である。なお、スイッチング素子１０，２０と共にダイオード等も一体にモジュール化することができるが、ここでは省略する。

スイッチング素子１０，２０は、それぞれに逆並列に接続されたダイオードＤ１，Ｄ２と共に、正極Ｐと負極Ｎとの間に直列に接続され、例えば、３相インバータＩのＵ相を構成している。スイッチング素子１０のコレクタＣ１は、正極Ｐに接続されている。スイッチング素子１０のエミッタ（所定の端子）Ｅ１は、スイッチング素子２０のコレクタ（所定の端子）Ｃ２に接続されている。

スイッチング素子２０のエミッタＥ２は、負極Ｎに接続されている。スイッチング素子１０のエミッタＥ１とスイッチング素子２０のコレクタＣ２との接続点には、Ｕ相出力端子Ｕが設けられている。スイッチング素子１０は、上アーム側のスイッチング素子であり、スイッチング素子２０は、下アーム側のスイッチング素子である。

スイッチング素子１０は、コレクタＣ１が形成された下面１０ａと、エミッタＥ１及びゲートＧ１が形成された上面１０ｂとを有している。スイッチング素子１０の下面１０ａには、半田等の導電性接着剤１２によって放熱板１１が接合されている。放熱板１１は、金属等の導電材料からなり、導電性接着剤１２を介してスイッチング素子１０のコレクタＣ１に電気的に接続されている。したがって、放熱板１１は、正電極として機能する。なお、放熱板１１の少なくとも一部分（ここでは下面）は、放熱のために、モールド樹脂Ａから露出している。

放熱板１１には、半田等の導電性接着剤１３によって、正極バスバー（リードフレーム）１４が接合されている。したがって、正極バスバー１４は、導電性接着剤１３、放熱板１１、及び、導電性接着剤１２を介してスイッチング素子１０のコレクタＣ１に電気的に接続されている。正極バスバー１４は、例えば薄い銅版等により構成されており、放熱板１１の一端部から延在してモールド樹脂Ａから突出している。なお、スイッチング素子１０の上面１０ｂに形成されたゲートＧ１は、例えば金や銅からなるワイヤＷ１によって、ゲート信号端子Ｂ１に電気的に接続されている。

スイッチング素子２０は、コレクタＣ２が形成された上面２０ａと、エミッタＥ２及びゲートＧ２が形成された下面２０ｂとを有している。スイッチング素子２０の上面２０ａには、半田等の導電性接着剤２２によって放熱板２１が接合されている。放熱板２１は、金属等の導電材料からなり、導電性接着剤２２を介してスイッチング素子２０のコレクタＣ２に電気的に接続されている。したがって、放熱板２１は、（例えばＵ相の）出力電極として機能する。なお、放熱板２１の少なくとも一部分（ここでは上面）は、放熱のために、モールド樹脂Ａから露出している。

スイッチング素子２０の下面２０ｂには、半田等の導電性接着剤２３によって、負極バスバー（リードフレーム）２４が接合されている。負極バスバー２４は、導電性接着剤２３を介してスイッチング素子２０のエミッタＥ２に電気的に接続されている。負極バスバー２４は、例えば薄い銅版等により構成されており、スイッチング素子２０の下面２０ｂから正極バスバー１４に沿って延在し、モールド樹脂Ａから突出している。なお、スイッチング素子２０の下面２０ｂに形成されたゲートＧ２は、例えば金や銅からなるワイヤＷ２によって、ゲート信号端子Ｂ２に電気的に接続されている。

正極バスバー１４と負極バスバー２４とは、その大部分において、互いに近接して対向するように（併走するように）配置されている。そして、正極バスバー１４と負極バスバー２４との間には、絶縁板３０が介在させられている。したがって、正極バスバー１４と負極バスバー２４とは、絶縁板３０によって互いに電気的に絶縁されている。絶縁板３０は、例えば、ガラスエポキシ等の樹脂やセラミック等によって、厚さ０．２ｍｍ程度の長尺板状に形成されている。

ここで、半導体装置１は、出力バスバー（リードフレーム：中間電極）４０をさらに備えている。出力バスバー４０は、単一の導電部材によって略Ｕ字板状に形成されている。出力バスバー４０の一端部４１は、半田等の導電性接着剤４２によってスイッチング素子１０の上面１０ｂに接合されている。出力バスバー４０の他端部４３は、半田等の導電性接着剤４４によって放熱板２１に接合されている。

したがって、スイッチング素子１０のエミッタＥ１と、スイッチング素子２０のコレクタＣ２とは、導電性接着剤４２、出力バスバー４０、導電性接着剤４４、及び、放熱板２１を介して電気的に接続されている。つまり、半導体装置１は、スイッチング素子１０の上面１０ｂに形成されたエミッタＥ１と、スイッチング素子２０の上面２０ａに形成されたコレクタＣ２とを電気的に接続する単一の出力バスバー４０を備えている。

スイッチング素子１０，２０は、後述するように、平板状の出力バスバー４０の両端部４１，４３のそれぞれに接合された後に、出力バスバー４０を略Ｕ字状に折り曲げることにより上下方向に積層するように配置され、モールド樹脂Ａにより封止してモジュール化されている。出力バスバー４０を略Ｕ字状に折り曲げた際に生じる重複部分４５は、正極バスバー１４及び負極バスバー２４に沿って延在し、正極バスバー１４及び負極バスバー２４と同様にしてモールド樹脂Ａから突出している。

引き続いて、半導体装置１の製造方法について説明する。図３、図４、及び図５は、図１，２に示された半導体装置の製造方法の主要な工程を説明するための図である。なお、図３〜５の各図は、図４の（ｂ）が平面図である他は側面図である。

本実施形態に係る半導体装置１の製造方法においては、まず、図３の（ａ）に示されるように、スイッチング素子１０を導電性接着剤１２によって放熱板１１に接合すると共に、スイッチング素子２０を導電性接着剤２２によって放熱板２１に接合する（工程Ｓ１０１）。このとき、スイッチング素子１０の下面１０ａに形成されたコレクタＣ１を放熱板１１に電気的に接続すると共に、スイッチング素子２０の上面（図３では下側の面）２０ａに形成されたコレクタＣ２に放熱板２１を電気的に接続する。

続いて、正極バスバー１４、負極バスバー２４、出力バスバー４０、及びゲート信号端子Ｂ１，Ｂ２を用意する（第１の工程）。このとき、出力バスバー４０は、略Ｕ字状に折り曲げられておらず、略平板状を呈している。また、正極バスバー１４、負極バスバー２４、出力バスバー４０、及びゲート信号端子Ｂ１，Ｂ２は、それぞれの一部分が所定のフレーム材に接合されることにより、互いに一体に構成されている。

続いて、図３の（ｂ）に示されるように、放熱板１１の一端部に導電性接着剤１３によって正極バスバー１４を接合すると共に、スイッチング素子２０の下面（図３では上側の面）２０ｂに導電性接着剤２３によって負極バスバー２４を接合する（工程Ｓ１０２）。また、この工程Ｓ１０２においては、平板状の出力バスバー４０の一端部４１を導電性接着剤４２によってスイッチング素子１０の上面１０ｂに接合する共に、その他端部４３を導電性接着剤４４によって放熱板２１に接合する（工程Ｓ１０２：第２の工程）。

つまり、この工程Ｓ１０２においては、正極バスバー１４，１５の接合と併せて、出力バスバー４０の両端部４１，４３のそれぞれにスイッチング素子１０，２０を接合する。これにより、スイッチング素子１０のエミッタＥ１とスイッチング素子２０のコレクタＣ２とが出力バスバー４０により電気的に接続される。

続いて、図４に示されるように、ゲート信号線Ｂ１をワイヤＷ１によってスイッチング素子１０のゲートＧ１に電気的に接続すると共に、ゲート信号線Ｂ２をワイヤＷ２によってスイッチング素子２０ゲートＧ２に電気的に接続する（工程Ｓ１０３）。

上述したように、正極バスバー１４、負極バスバー２４、出力バスバー４０、及びゲート信号端子Ｂ１，Ｂ２は、所定のフレーム材によって一体に構成されている。このため、この工程Ｓ１０２及び工程Ｓ１０３においては、正極バスバー１４、負極バスバー２４、出力バスバー４０、及びゲート信号端子Ｂ１，Ｂ２を、同時に所定の位置に配置し、同一面側から実装することができる。

続いて、図４に示される折り曲げ線（出力バスバー４０の長手方向における略中心位置）Ｌにおいて出力バスバー４０を略１８０°折り曲げることにより、出力バスバー４０を略Ｕ字状に形成し、スイッチング素子１０，２０を上下方向に積層するように配置する（工程Ｓ１０４：第３の工程）。これにより、正極バスバー１４と負極バスバー２４とが互いに近接して併走することとなる。

なお、出力バスバー４０によって形成される電流経路を短くするために、出力バスバー４０の重複部分４５において、出力バスバー４０を短絡させることが好ましい。そのためには、例えば、出力バスバー４０の重複部分４５が互いに接触するようクランプしたり、重複部分４５に溶接等を施すことにより互いに接合したりすることができる。

続いて、図２に示されるように、正極バスバー１４と負極バスバー２４との間に絶縁板３０を介在させた後に、スイッチング素子１０，２０をモールド樹脂Ａによって封止することによりモジュール化する（第４の工程）。このとき、出力バスバー４０の重複部分４５は、モールド樹脂Ａから突出している。

その後、正極バスバー１４、負極バスバー２４、出力バスバー４０、及びゲート信号端子Ｂ１，Ｂ２をフレーム材から切り離して互いに分離することにより、半導体装置１が得られる。なお、各部材をフレーム材から切り離したときに、その切断部分がモールド樹脂Ａから露出する場合がある。この製造方法においては、その切断部分の露出が問題にならないような配置としているが、場合によっては、ポッティング等によりその切断部分を封止してもよい。

以上説明したように、本実施形態に係る半導体装置１、及び半導体装置１の製造方法においては、単一の平板状の出力バスバー４０の両端部４１，４３のそれぞれに接合されたスイッチング素子１０，２０同士を、出力バスバー４０を折り曲げることにより互いに積層するように配置する。そして、出力バスバー４０の重複部分４５は、モジュール化の際のモールド樹脂Ａから突出して延在している。

したがって、出力バスバー４０に対して別部材等をさらに接合する必要がない（すなわち、接合のための工具隙等が必要ない）。よって、スイッチング素子１０，２０同士を近接して配置させることが可能であるので、装置の大型化を抑制可能であると共に、モールド樹脂Ａの必要量を低減して高コスト化を抑制可能である。さらに、スイッチング素子１０，２０を正極Ｐと負極Ｎとの間に接続するための正極バスバー１４及び負極バスバー２４を互いに近接して配置可能であるので、正極バスバー１４と負極バスバー２４との結合率を上げることにより、寄生インダクタンスを低減することが可能となる。

さらに、本実施形態に係る半導体装置１の製造方法においては、スイッチング素子１０（放熱板１１）及びスイッチング素子２０（放熱板２１）の一方の側から（図示上側から）、正極バスバー１４、負極バスバー２４、出力バスバー４０を接合することができ、作業性が良好である。また、同様の理由から、フレーム材によって互いに一体にされた正極バスバー１４、負極バスバー２４、及びバスバー４０を用いることができるので（すなわち、それらを同一のリードフレームで構成することが可能であるので）、作業性がさらに向上する。

以上の実施形態は、本発明に係る半導体装置、及び半導体装置の製造方法の一実施形態を説明したものである。したがって、本発明に係る半導体装置、及び半導体装置の製造方法は、上述した半導体装置１、及び半導体装置１の製造方法に限定されない。本発明に係る半導体装置、及び半導体装置の製造方法は、各請求項の要旨を変更しない範囲において、上述したものを任意に変更したものとすることができる。

例えば、上記実施形態は、本発明を３相インバータのＵ相を構成する場合に適用した例を説明したが、本発明の適用の態様はこれに限定されない。本発明は、互いに電気的に接続された一対のスイッチング素子を備える任意の半導体装置（例えばコンバータ等）に適用することができる。

１…半導体装置、１０，２０…スイッチング素子、４０…出力バスバー（中間電極）、４１…一端部、４３…他端部、４５…重複部分、Ａ…モールド樹脂。

Claims (2)

1. 一対のスイッチング素子を備える半導体装置であって、
   一方の前記スイッチング素子の所定の端子と他方の前記スイッチング素子の所定の端子とを電気的に接続する単一の中間電極を備え、
   略平板状の前記中間電極の両端部のそれぞれに接合された前記スイッチング素子同士を、前記中間電極を折り曲げることにより互いに積層するように配置した後に、モールド樹脂により封止してモジュール化されており、
   前記中間電極を折り曲げて生じる前記中間電極の重複部分は、前記モールド樹脂から突出して延在している、
   ことを特徴とする半導体装置。
2. 一対のスイッチング素子を備える半導体装置の製造方法であって、
   一方の前記スイッチング素子の所定の端子と他方の前記スイッチング素子の所定の端子とを電気的に接続するための単一の中間電極を用意する第１の工程と、
   前記第１の工程の後に、略平板状の前記中間電極の両端部のそれぞれに前記スイッチング素子を接合する第２の工程と、
   前記第２の工程の後に、前記中間電極を折り曲げることによって、前記スイッチング素子同士を互いに積層するように配置する第３の工程と、
   前記第３の工程の後に、前記スイッチング素子をモールド樹脂により封止してモジュール化する第４の工程と、を含み、
   前記中間電極を折り曲げて生じる前記中間電極の重複部分は、前記第４の工程において前記スイッチング素子を前記モールド樹脂により封止したときに前記モールド樹脂から突出して延在する、
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
   

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