JP2016225365A - パワー半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性が向上し、かつ、チップ型電子部品の実装面積を低下させることにより小型化したパワー半導体装置を提供する。【解決手段】パワー半導体装置１００は、互いに分離した第１電極１１および第２電極１２を含むリードフレームと、リードフレームの上に実装されたパワー半導体素子と、第１電極１１の上に配置され、両端に外部電極３２，３３が設けられた積層セラミックコンデンサ３０と、リードフレームの一部、パワー半導体素子およびコンデンサ３０を封止する電気絶縁体とを備える。コンデンサ３０の下側外部電極３２は第１電極１１に接合され、上側外部電極３３は、Ｌ字状部８１を有する導体部材８０を介して第２電極１２に接合される。導体部材８０はコンデンサ３０も剛性が低い。【選択図】図２

Description

本発明は、リードフレームの上にパワー半導体素子が実装されたパワー半導体装置に関し、特に車載機器に搭載されるパワー半導体装置に関するものである。

従来、車載機器に搭載されるパワー半導体装置としては、配線パターンが形成された電気絶縁基板の上にパワー半導体素子を半田付けし、これを配線部材で接続したものを樹脂封止したケース型のパワー半導体装置と、ダイオード、ＭＯＳＦＥＴなどのパワー半導体素子をトランスファ成型したディスクリート型のパワー半導体装置とを組み合わせたものが用いられてきた。

パワー半導体素子のうちＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのスイッチング素子では、スイッチングにより間欠的に電流が流れ、電圧変動が生じてしまう。この電圧変動を低減させるため、素子の近傍にコンデンサを設けるのが一般的である。しかし、コンデンサを設けると半導体装置が大型化するという問題があり、特に、配置スペースが限られた車載機器に搭載されるパワー半導体装置ではこの問題が顕著である。

特許文献１には、小電力を扱う集積回路（ＩＣチップ）がモールド成型された半導体装置であって、リードフレームにおいて、電源供給用の電極とＩＣチップ搭載ステージを支持するダイパッドとの間にチップ型コンデンサが設けられたものが開示されている。このチップ型コンデンサは、電源−接地間を接続するバイパスコンデンサとして機能する。この半導体装置によれば、全体をモールド成型することにより実装密度が向上する。

また、特許文献２には、互いに分離した電極が形成された基板の上に電子部品を実装する方法であって、基板の上に電気絶縁膜等のスペーサを一時的に配置して電子部品の高さを確保した状態で、電子部品の両側に設けられたリードを、半田を用いて基板の電極に接合する方法が開示されている。この方法によれば、半田の厚さを増加させることにより、温度サイクルを受けたときに基板と電子部品との熱膨張係数の差に起因した応力集中を緩和して、半田および電子部品の劣化を防止できる。

特開昭５９−０７２７５７号公報 特開２００４−３１７６８号公報

しかし、特許文献１に記載されているように、リードフレームのダイパッドの上に、コンデンサのようなチップ型電子部品を実装してモールド成型した場合、大電力を扱うパワー半導体素子が温度サイクルを受けると、装置を構成する金属部材とモールド樹脂との間の線膨張係数の差に起因してコンデンサに応力集中が生じる。これにより、コンデンサが劣化したり故障したりする可能性があり、信頼性の点で問題がある。

また、特許文献２に記載された方法では、電子部品の両側に設けられたリードが電極に接合されるので、電子部品の実装面積が大きくなり、パワー半導体装置の小型化が妨げられる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、信頼性が向上し、かつ、チップ型電子部品の実装面積を低下させることにより小型化したパワー半導体装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るパワー半導体装置は、互いに分離した第１電極および第２電極を含むリードフレームと、リードフレームの上に実装されたパワー半導体素子と、第１電極の上に配置され、両端に外部電極が設けられたチップ型電子部品と、リードフレームの一部、パワー半導体素子およびチップ型電子部品を封止する絶縁体とを備え、チップ型電子部品の一方の外部電極は、第１電極に接合され、チップ型電子部品の他方の外部電極は、Ｌ字状部を有する導体部材を介して第２電極に接合され、導体部材は、チップ型電子部品よりも剛性が低いことを特徴とする。

本発明によれば、チップ型電子部品よりも剛性が低いＬ字状部を有する導体部材を介してチップ型電子部品が第２電極の上に接合されていることにより、応力が作用すると導体部材のＬ字状部が優先的に変形するため、チップ型電子部品への応力集中を緩和できる。このようにして、パワー半導体装置の信頼性を向上させることができる。

また、チップ型電子部品の一方の外部電極のみが第１電極に接合されることにより、導体部材と第２電極との接合面積を小さくしてチップ型電子部品の実装面積を低下させ、パワー半導体装置を小型化できる。

本発明の実施の形態１に係るパワー半導体装置を上方から見た断面図である。 図１の積層セラミックコンデンサ部分を側方から見た断面図である。 本発明の実施の形態２に係るパワー半導体装置を示す、図２に対応する断面図である。 本発明の実施の形態２の第１変形例に係るパワー半導体装置の導体部材の一部を示す斜視図である。 本発明の実施の形態２の第２変形例に係るパワー半導体装置の導体部材の一部を示す、（ａ）図４に対応する斜視図、（ｂ）断面図である。 本発明の実施の形態３に係るパワー半導体装置の一部を示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態に係るパワー半導体装置について、図面を参照しながら説明する。各図において、同一または同様の構成部分には同一の符号を付している。また、方向を表す用語「上、下、右、左、水平、垂直」などは、図面中の方向を特定するための便宜的なものであり、装置の設置方向などを限定するものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るパワー半導体装置を上方から見た断面図であり、図２は図１の一部を側方から見た断面図である。図中、互いに垂直なｘ方向とｙ方向で規定されるｘｙ面内の方向を水平方向、水平面に垂直なｚ方向を垂直方向と称す。
図１に示すように、パワー半導体装置１００は、リードフレーム１０と、パワー半導体素子２１〜２３と、積層セラミックコンデンサ３０と、抵抗素子４０と、絶縁体（電気絶縁体）５０とを備える。パワー半導体素子２１〜２３、積層セラミックコンデンサ３０および抵抗素子４０は、チップ型の電子部品である。

パワー半導体装置１００は、電気絶縁性の接着剤、基板またはシートなどを介して被固定物、例えば車載機器に固定される。あるいは、パワー半導体装置１００は、当該被固定物に対向する面に絶縁層を有していて、半田、放熱グリースなどを用いて被固定物に対して加圧固定されてもよい。

リードフレーム１０は配線パターン状に形成されている。リードフレーム１０は、数Ａから数百Ａ程度の大電流が流れるパワー端子１１〜１５と、パワー半導体素子２１〜２３に制御信号（例えばゲート信号）を伝送する信号端子１６〜１８とを有する。端子１１〜１８は、互いに分離しており、絶縁体５０から外部に突出している。パワー端子１２，１４は、減衰器を構成する抵抗素子４０により接続されている。パワー端子１１〜１５は、電力供給装置および電源（バッテリなど）に中継部材を介して接続される。信号端子１６〜１８は制御基板に接続される。

リードフレーム１０の各端子１１〜１８は、プレス加工、エッチング加工などにより成型されている。この成型工程により、各端子１１〜１８の上面（主面）の間には、数μｍから数百μｍの段差（垂直方向の長さ（高さ）の差）が必然的に生じる。このように、各端子１１〜１８は略同一平面内に配置されている。リードフレーム１０は金属製であって、例えばコバール、銅板、銅合金板にニッケル（Ｎｉ）めっきしたものが用いられる。

パワー半導体素子２１〜２３は、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴなどのスイッチング素子である。パワー半導体素子２１，２２，２３は、半田、導電性ペースト（例えば銀ペースト）のような導電性接合材を用いて、それぞれパワー端子１１，１３，１４の上に実装されている。パワー半導体素子２１，２２，２３の主電極は、２本で対になった配線部材６１，６２，６３により、それぞれパワー端子１３，１４，１５に電気的に接続されている。パワー半導体素子２１，２２，２３の制御電極は、配線部材６４，６５，６６により、それぞれ信号端子１６，１７，１８に電気的に接続されている。配線部材６１〜６６は、例えば、超音波接合により設けられるアルミ製（または銅製）の円形断面（または矩形断面）のワイヤ状部材であってもよいし、半田付けされる金属ターミナルであってもよい。

パワー半導体素子２１〜２３は、珪素（Ｓｉ）により形成されてもよいし、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドギャップ半導体材料により形成されてもよい。ワイドギャップ半導体材料は、例えば炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料、ダイヤモンドである。ワイドギャップ半導体材料により形成されたパワー半導体素子２１〜２３は、耐電圧性が高く許容電流密度も高いために小型化できる。小型化したパワー半導体素子２１〜２３を用いることにより、これを組み込んだパワー半導体装置１００も小型化できる。

積層セラミックコンデンサ（以下、コンデンサと称す）３０は、パワー端子１１の上に配置されている。コンデンサ３０は、パワー半導体素子２１〜２３のスイッチングによる電圧変動を低減させる機能を有する。この機能を果たすために、コンデンサ３０は好ましくはパワー半導体素子２１の近傍に配置される。コンデンサ３０は、積層体３１と、積層体３１の両端に設けられた外部電極３２，３３とを有する。積層体３１の内部では、図２に示すようにセラミック誘電体３１ａと内部電極３１ｂとが交互に積層されている。コンデンサ３０は、セラミック誘電体３１ａと内部電極３１ｂの積層方向が水平方向に一致する（または略一致する）ように配置される。なお、図２では積層方向がｘ方向であるが、水平方向であればよい。これにより、外部電極３２，３３は上下に対向する。外部電極３２，３３は、積層体３１の内部電極３１ｂに交互に接続されている。

コンデンサ３０の一方（下側）の外部電極（下側外部電極）３２は、導電性接合材７１を用いてパワー端子１１に接合されている。コンデンサ３０の他方（上側）の外部電極（上側外部電極）３３は、導電性接合材７２を用いて導体部材８０に接合されている。導体部材８０は、導電性接合材７３を用いてパワー端子１２に接合されている。この導体部材８０の剛性は、コンデンサ３０および導電性接合材７１〜７３よりも低い。導電性接合材７１〜７３は、例えば半田、導電性ペースト（例えば銀ペースト）である。

使用時、パワー端子１１はパワー端子１２に比べて電位が高い。このように、コンデンサ３０は、使用時に互いに電位が異なる２つの隣接端子間に実装される。なお、パワー端子１１，１２は、それぞれ第１電極、第２電極の一例である。

導体部材８０は、Ｌ字状部８１と、Ｌ字状部８１の一端（下端）から水平方向（図中のｘ方向）に延びてパワー端子１２に接合される板状の被接合部８４とを有する。Ｌ字状部８１は、コンデンサ３０の上側外部電極３３に接合されて水平方向（図中のｘ方向）に沿って延びる第１板部８２と、一端で第１板部８２に接続されかつ他端で被接合部８４に接合されて垂直方向に沿って延びる第２板部８３とを有する。このように、導体部材８０は、２つのパワー端子１１，１２を三次元的に橋渡ししている。なお、第１板部８２と第２板部８３とが直交している必要はない。被接合部８４の面積は、下側外部電極３２の面積よりも小さい。

図２に示すように、被接合部８４は、第２板部８３の下端から水平方向（図中のｘ方向）に距離Ｄ延びている。また、第２板部８３の垂直方向の長さ（高さ）をＨとする。第２板部８３の高さ、すなわち導体部材８０の高さＨは、距離Ｄに対して２倍以上５倍以下の大きさであることが好ましい。導体部材８０の高さＨの大きさをこの範囲内とすることで、導体部材８０のＬ字状部８１の剛性を低下させてＬ字状部８１を優先的に変形させやすいことがわかっている。

導体部材８０は、一枚の導体板を折り曲げて成型されてもよいし、複数枚の導体板を接合して成型してもよい。一枚の導体板で導体部材８０を成型することにより、導体部材８０を容易に形成できる利点がある。

絶縁体５０は、例えばエポキシ樹脂であって、リードフレーム１０の一部、リードフレーム１０の上に設けられたパワー半導体素子２１〜２３、コンデンサ３０、抵抗素子４０などを封止する。

以上のような構成を有するパワー半導体装置１００は、例えば以下の工程Ｓ１〜Ｓ３により製造できる。
（Ｓ１）配線パターン状に配設されたリードフレーム１０の上に導電性接合材を用いて各チップ部品を接合する。
（Ｓ２）配線部材３をパワー半導体素子２１〜２３と端子１１〜１８に超音波接合し、中間構造体を製造する。
（Ｓ３）絶縁体５０を用いて中間構造体をトランスファ成型する。
工程Ｓ１で、コンデンサ３０は、導電性接合材７１を用いてパワー端子１１の上に下側外部電極３２を接合し、続いて導電性接合材７２，７３を用いて上側外部電極３３とパワー端子１２の上に導体部材８０を接合することにより実装される。

パワー半導体装置１００では、制御基板に接続された信号端子１６〜１８から伝送される制御信号によりパワー半導体素子２１〜２３がスイッチングを行い、出力を行うパワー端子１１〜１５に通電する電流量が制御される。

次に、本実施形態１により得られる効果について説明する。
この効果の説明において、本実施形態１と同様にリードフレームの２つの端子間にコンデンサの両端の外部電極がそれぞれ接合された構造を「比較例」と称す。比較例は、本実施形態１でいうと、外部電極３２，３３がそれぞれパワー端子１１，１２に接合される構成である。すなわち従来構造では、外部電極３２，３３が左右に対向することになる。

一般に、車載用のパワー半導体装置は、車載機器の動作、パワー半導体素子が設置される雰囲気の変動、パワー半導体素子の通電などにより、その温度が大きく変動する。したがって、リードフレームの上にコンデンサを実装してモールド成型する場合、比較例の構造では、装置を構成する金属部材とモールド樹脂との間の線膨張係数の差に起因してコンデンサに応力集中が生じるおそれがある。また、トランスファ成型前の中間構造体（本実施形態１では上記工程Ｓ２で製造される）を製造ライン上で搬送する際にも、搬送時の振動、または搬送時に作用する外力に起因して、コンデンサに応力集中が生じるおそれがある。さらに、上記の通り、リードフレームを構成する端子間には、数μｍから数百μｍ程度の段差が存在するところ、中間構造体をモールド成型すると、１００気圧程度にも達する成型圧、モールド成型時の型締めにより、この段差が小さくなるように応力が作用することがある。これらにより、コンデンサまたは半田にクラックが生じ、コンデンサとリードフレームとの接合部の破断、コンデンサの劣化、故障といった問題が発生しうる。

本実施形態１によれば、導体部材８０の剛性がコンデンサ３０よりも低いことにより、特に水平方向に応力が作用すると、導体部材８０のＬ字状部８１が優先的に変形するため、コンデンサ３０への応力集中が緩和される。また、外部電極３２，３３が上下に対向するようにコンデンサ３０を配置することにより、比較例に比べて、垂直方向に作用する応力に対してもコンデンサ３０の強度を向上させることができる。

このようにして、コンデンサ３０とリードフレーム１０との接合部の破断、コンデンサ３０の劣化、故障などが防止される。また、パワー半導体装置１００の中間構造体の搬送時の故障等を防止して歩留まりを向上させることができる。さらに、パワー半導体装置１００をモールド成型する際にコンデンサまたは半田におけるクラックの発生が抑制され、さらに歩留まりを向上させることができる。
これらの効果は、導体部材８０の剛性がコンデンサ３０よりも低いだけでなく導電性接合材７１〜７３よりも低いことにより、より顕著に得ることができる。

また、コンデンサ３０の実装面積は、コンデンサ３０の下側外部電極３２の接合面積と、導体部材８０の被接合部８４の接合面積の和であるところ、本実施形態１のように被接合部８４の面積を下側外部電極３２の面積より小さくすることにより、比較例に比べてコンデンサ３０の実装面積を低下させることができ、ひいてはパワー半導体装置１００を水平方向に小型化できる。

また、比較例において高い実装密度を得るために、リードフレームの端子間隔を小さくした場合には、半田がコンデンサの外部電極を這い上がって外部電極間が短絡し、歩留りが悪化するおそれがある。
本実施形態１では、パワー端子１１，１２の間隔を小さくした場合でも、これらの間を三次元的に橋渡しする導体部材８０が設けられていることにより、半田の這い上がりによる外部電極３２，３３の間の短絡が防止される。

なお、比較例でパワー半導体素子をワイドギャップ半導体材料で形成した場合、素子の耐電圧性、許容電流密度が高くなるため、使用の態様によっては雰囲気温度がより高くなり、コンデンサに応力集中が生じるおそれがある。したがって、パワー半導体装置において放熱面積を大きくする必要が生じ、その小型化が困難になる可能性がある。
一方、本実施形態１では、上記の通り導体部材８０を設けたことにより応力集中が緩和されるため、ワイドギャップ半導体材料を使用したパワー半導体素子２１〜２３を実装した場合であっても装置１００の小型化が可能となる。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２に係るパワー半導体装置を示す、図２に対応する断面図である。
実施形態２は、導体部材８０の被接合部８４が接合されるパワー端子１１２の構造が実施形態１（パワー端子１２）と異なる。具体的には、パワー端子１１２は、導体部材８０を受ける凹部１１２ａを有する。凹部１１２ａは、底面１１２ｂと側壁１１２ｃとで構成される。被接合部８４は、凹部１１２ａの底面１１２ｂの上に接合される。

本実施形態２によれば、導電性接合材７３を用いて導体部材８０をパワー端子１２に接合する際に、導体部材８０の水平方向の位置ずれを凹部１１２ａにより制御できる利点がある。また、導体部材８０をコンデンサ３０の上側外部電極３３とパワー端子１２とに接合する際に、図２の紙面奥側、手前側方向（図中のｙｚ面内）での傾きを制御できる利点がある。さらに、モールド成型後には、凹部１１２ａ内に絶縁体５０が充填され、被接合部８４が絶縁体５０に覆われて固定されるので、導体部材８０の固定強度を高めることができる。

図４は、実施形態２の第１変形例に係るパワー半導体装置の導体部材の一部を示す斜視図である。
この第１変形例は、導体部材１８０の被接合部１８４の構造が図３に示したもの（導体部材８０の被接合部８４）と異なる。具体的には、図３では、被接合部８４が、第２板部８３に対して水平方向片側（＋ｘ方向）にのみ突出してＬ字を形成しているところ、第１変形例では、被接合部１８４は第２板部１８３に対して水平方向両側に突出してＴ字を形成している。なお、第１変形例で、パワー端子１１２の形状は図３と同じであってよい。この第１変形例によれば、実施形態２により得られる効果を高めることができる。

図５は、実施形態２の第２変形例に係るパワー半導体装置の導体部材の一部を示す（ａ）斜視図と（ｂ）断面図である。
この第２変形例は、導体部材２８０の被接合部２８４およびパワー端子２１２の構造が、図３に示したもの（導体部材８０の被接合部８４およびパワー端子１１２）と異なる。具体的には、被接合部２８４は、第１変形例と同様に第２板部２８３に対して水平方向両側に突出してＴ字を形成する突出部２８５と、突出部２８５の水平方向（ｘ方向）両端部から垂直方向に延びる二股部２８６とを有する。次に、パワー端子２１２は、導体部材２８０の二股部２８６を受ける凹部２１２ａ，２１２ｂを有する。この第１変形例によれば、実施形態２により得られる効果を高めることができる。

実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３に係るパワー半導体装置の一部を示す斜視図である。
実施形態３は、パワー端子１１の上に２つ以上のコンデンサが実装され、当該コンデンサが並列接続される構成に適用されるものである。２つ以上のコンデンサの静電容量は、同じであってもよいし異なっていてもよい。

図６では、例として２つのコンデンサ３３１，３３２（実施形態１のコンデンサ３０に対応する）が設けられている。導体部材３８０（実施形態１の導体部材８０に対応する）は、実施形態１，２と同様に、Ｌ字状部３８１と被接合部３８４とを有する。導体部材３８０はさらに、コンデンサ３３１，３３２を並列接続する板状の接続端子部３８５を有する。接続端子部３８５は、第１水平方向（図中のｘ方向）に沿って延びるＬ字状部３８１の端部に接続され、かつ、第１水平方向に垂直な第２水平方向（ｙ方向）に沿って延びている。接続端子部３８５は、図示しない導電性接合材を用いてコンデンサ３３１，３３２の上側の外部電極に接合されている。

本実施形態３によれば、パワー端子１１の上に２つ以上のコンデンサを実装する構成において、実施形態１で説明した利点を得ることができる。

以上、実施形態１〜３を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されない。また、実施形態には、種々の変形、改良が加えられてよい。また、各実施形態に記載された特徴は、自由に組み合わせられてよい。

例えば、上記実施形態では、リードフレーム１０の端子１１，１２の間に積層セラミックコンデンサを接続したが、これに限定されず、端子１１，１２の間にチップ型電子部品を接合により設ける構成であれば本発明を適用できる。

また、上記実施形態では、コンデンサ３０の下側外部電極３２とパワー端子１１、上側外部電極３３と導体部材８０、および導体部材８０とパワー端子１２をそれぞれ導電性接合材７１〜７３を用いて接合したが、超音波接合され、または溶接された場合でも、上記実施形態の効果を得ることができる。

１０ リードフレーム、 １１〜１５ パワー端子、 １６〜１８ 信号端子、 ２１〜２３ パワー半導体素子、 ３０ 積層セラミックコンデンサ、 ３２，３３ 外部電極、 ５０ 絶縁体、 ６１〜６６ 配線部材、 ７１〜７３ 導電性接合材、 ８０ 導体部材、 ８１ Ｌ字状部、 ８４ 被接合部、 １００ パワー半導体装置

Claims (7)

1. 互いに分離した第１電極および第２電極を含むリードフレームと、
   前記リードフレームの上に実装されたパワー半導体素子と、
   前記第１電極の上に配置され、両端に外部電極が設けられたチップ型電子部品と、
   前記リードフレームの一部、前記パワー半導体素子および前記チップ型電子部品を封止する絶縁体とを備え、
   前記チップ型電子部品の一方の外部電極は、前記第１電極に接合され、
   前記チップ型電子部品の他方の外部電極は、Ｌ字状部を有する導体部材を介して前記第２電極に接合され、
   前記導体部材は、前記チップ型電子部品よりも剛性が低いことを特徴とする
   パワー半導体装置。
2. 前記第２電極は、前記導体部材を受ける凹部を有することを特徴とする、
   請求項１に記載のパワー半導体装置。
3. 前記チップ型電子部品を２つ以上備え、
   前記導体部材は、前記２つ以上のチップ型電子部品を並列接続する接続端子部を有することを特徴とする、
   請求項１または２に記載のパワー半導体装置。
4. 前記チップ型電子部品の一方の外部電極と前記第１電極、前記チップ型電子部品の他方の外部電極と前記導体部材、および前記導体部材と前記第２電極はそれぞれ、前記導体部材よりも剛性の高い導電性接合材を用いて接合され、超音波接合され、または溶接されて接合されたことを特徴とする、
   請求項１から３のいずれか１項に記載のパワー半導体装置。
5. 前記導体部材は、前記Ｌ字状部の一端から水平方向に所定距離Ｄ延びて前記第２電極に接合される被接合部を有し、
   前記導体部材の高さＨは、前記所定距離Ｄに対して２倍以上５倍以下の大きさを有することを特徴とする、
   請求項１から４のいずれか１項に記載のパワー半導体装置。
6. 前記導体部材は、一枚の導体板であることを特徴とする、
   請求項１から５のいずれか１項に記載のパワー半導体装置。
7. 前記チップ型電子部品は、積層セラミックコンデンサであることを特徴とする、
   請求項１から６のいずれか１項に記載のパワー半導体装置。

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