JP2019201113A - 半導体装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置及び半導体装置の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】導体ベース上に全体が樹脂封止された半導体ユニットを複数並列接続させた半導体装置であって、絶縁破壊耐性を従来よりも高めた半導体装置を提供する。【解決手段】金属ベース（導体ベース）１上の複数の半導体モジュールと、半導体モジュール間を接続する第１絶縁ブスバー１２ａ及び第２絶縁ブスバー１２ｂと、半導体モジュールの周囲の箱型の絶縁樹脂枠９と、絶縁樹脂枠９の内側の半導体モジュールの絶縁回路基板（２，３，４）から延びる端子６ａ〜６ｆの上端よりも低い位置に上面を有して半導体モジュールを封止する第１の絶縁層１０と、絶縁樹脂枠９の内側で第１の絶縁層１０の上に、端子６ａ〜６ｆの上端が埋め込まれる第２の絶縁層１３ａ〜１３ｃとを備え、端子６ａ〜６ｆと、接地位置をなす側壁部の下端との間に、第１の絶縁層１０、第２の絶縁層１３ａ〜１３ｃ及び絶縁樹脂枠９の側壁部（第３の絶縁層）によって形成された界面が配置される。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体装置、特にシリコン（Ｓｉ）、炭化珪素（ＳｉＣ）及び窒化ガリウム（ＧａＮ）等のワイドバンドギャップ半導体を用いたワイドバンドギャップパワー半導体素子を複数搭載するパワー半導体装置及びこの半導体装置の製造方法に関する。
大容量の電力用半導体装置では、絶縁回路基板上に半導体チップを搭載した半導体モジュールを１ユニットとし、複数のユニットを並列接続することで大容量化を図ることが行われている。このようにすれば、サイズが小さく１モジュールあたりの電流容量が小さい半導体モジュールを用意しておけば、顧客の要望に応じて所望の容量に見合った数を並列接続することで大容量の半導体装置を製造することができるので、容量の異なる半導体装置をそれぞれ製造して在庫を保有することによるコストを削減できる。各半導体モジュールを並列接続する上で、それぞれの半導体モジュールの絶縁回路基板から延びるエミッタ側端子、コレクタ側端子及び出力端子等の端子同士は、例えば絶縁ブスバー電極等により電気的に並列に接続される。
複数の半導体モジュールを並列接続して半導体装置を構成する方法の一つとして、銅（Ｃｕ）や炭化珪素アルミニウム（ＡｌＳｉＣ）等の導体ベースの上に、複数の半導体モジュールを搭載して接続する方法がある。絶縁回路基板としては、例えば両面上にＣｕやアルミニウム（Ａｌ）等の導体箔が形成されたセラミクス絶縁基板等が用いられる。
この導体ベースを用いる方法では、セラミクス絶縁基板の導体ベースと反対側の面上の導体箔には回路パターンが形成され、回路パターンが形成された導体箔上に、複数個のパワー半導体素子が搭載される。パワー半導体素子としては、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor，ＩＧＢＴ）や、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor，ＭＯＳＦＥＴ）やダイオード等がある。
具体的にはまず、導体ベースに半導体モジュールを搭載する前に、パワー半導体素子間、或いはパワー半導体素子と導体箔との間が、ＡｌやＣｕなどの材料を用いて作製されたボンディングワイヤー等により電気的に接続される。その後、電極端子がインサートされた樹脂ケース枠を半導体モジュールの周囲に配置して、パワー半導体素子と導体箔とを接続して、外部への配線が取出されることになる。樹脂ケース枠の内側では、パワー半導体素子やボンディングワイヤーはシリコーンゲル等の軟質な絶縁樹脂により保護され、樹脂ケース枠の上には樹脂蓋が被せられる。
そして大きな導体ベースの上に、セラミクス絶縁基板の下面を接合して半導体モジュールを複数搭載することで、１個の半導体装置内のパワー半導体素子の数が増やされ、定格電流の大容量化が図られる。複数の半導体モジュールの間は、シリコーンゲル等の軟質な絶縁樹脂により一括封止が行われる。
しかしこの導体ベースを用いる方法の場合、耐熱性が低いシリコーンゲル等の軟質な絶縁樹脂により封止が行われ、かつ、定格電圧が高い半導体装置では、内部で部分放電が発生すると、シリコーンゲル内に「トリー」と呼ばれる放電亀裂が進展し易く、容易に絶縁破壊に至るという問題がある。
一方、導体ベースを用いないで大容量の半導体装置を実現する方法としては、両面にＣｕやＡｌ等の導体箔が形成されたセラミクス絶縁基板の回路パターンが形成された導体箔上に、複数個のパワー半導体素子を搭載する方法がある。複数個のパワー半導体素子の表面と回路パターンが形成された導体箔とは、例えばピン端子等を挿入した回路基板を用いて電気的に接続することができる。また導体箔と電気的に接続されたリード端子は外部への電極端子とされ、半導体モジュールはセラミクス絶縁基板のパワー半導体素子が接合されていない面の導体表面とリード端子とが露出するように、エポキシ樹脂等の硬質な絶縁樹脂でモールドされる。
この導体ベースを用いない方法において、エポキシ樹脂等の硬質な絶縁樹脂によりモールドされた半導体装置（半導体モジュール）の場合には、硬質な絶縁樹脂が用いられることによって、耐熱性や耐絶縁性に関する問題は小さくなる。しかし定格電流の大容量化に対応させて、半導体装置（半導体モジュール）のサイズを大きくすると、硬質樹脂材料の使用量が増えてしまう。そのため熱硬化時の収縮や他の部材との線膨張係数の差に起因する残留応力の問題、及び内部樹脂未充填による絶縁性能低下の問題が大きくなる。
ここで、通常、半導体モジュールをモールドする樹脂は、半導体装置の定格電圧に応じて必要とされる、ユニット内の端子間或いは端子及び接地間の絶縁距離を無視できるように、材質、形状、寸法等が設定されている。しかし１ユニットの半導体モジュールのサイズが小さい場合には、定格電圧を高くしようとすると、同一ユニットの半導体モジュール内における端子間の絶縁距離（沿面距離及び空間距離）、或いは端子及び接地間の絶縁距離を確保することが困難になる。
特に、高耐圧のワイドバンドギャップパワー半導体素子を用いたパワー半導体装置の場合には、半導体素子以外の構成部材にも、より高い耐電圧用の絶縁特性が求められる。そしてヒートサイクル等によって封止樹脂の内部にひび割れや剥離等の欠陥が生じた際、端子間或いは端子及び接地間の絶縁距離が、半導体装置の定格電圧に応じた絶縁距離に足りない場合にはショートが発生し、容易に絶縁破壊が生じてしまう。
そこで樹脂封止された半導体装置において、絶縁破壊耐性を高める目的で適用可能な技術を検討すると、例えば特許文献１には、直方体状の絶縁ケースの長手方向に直交する一対の対向する壁を備えた半導体装置が開示されている。この半導体装置では、壁に挟まれた中空部には樹脂が充填されず、この中空部の左右において樹脂が充填されたそれぞれの領域の上部から外部導出端子の上端が突出する。中空部に樹脂が充填されないことにより、膨張、収縮する寸法変化量が半分になり、内部構造物への機械的ストレスが小さくなるとされている。
また特許文献２には、半導体モジュールの封止樹脂を、硬質樹脂と軟質樹脂のそれぞれを両方用いて２階層で構成することにより、パワー半導体モジュールに高い耐圧特性と高い信頼性を備えさせることが図られている。
また特許文献３には、樹脂封止体の上部の表面の一部に、上側に開口する凹部が設けられ、この凹部に差し込まれて上端が露出した端子を有する半導体装置が開示されている。特許文献３では、端子が凹部から露出することにより、樹脂封止体の表面近傍に発生する引張応力の、樹脂封止体と端子との境目への集中が低減され、機械的な信頼性が向上するとされている。また特許文献３では、端子の樹脂封止体から露出する部分と樹脂封止体との境目を、回路面側である下側に後退させて形成し、封止樹脂の表面上における沿面距離が確保され絶縁性が高まるとされている。その理由としては、封止樹脂の水平な表面に凹部の傾斜面が連続するように設けられているため、水平な表面だけで界面を構成した場合よりも沿面距離が長くなることと考えられる。
また、特許文献４には、それぞれが半導体素子、半導体素子を封止するユニット筐体、およびユニット筐体の上面に設けられた第１凹部内に露出する第１ユニット端子を有する複数の半導体ユニット、複数の半導体ユニットのそれぞれに対応して第１ユニット端子に接続される第１接続端子、複数の第１接続端子間を接続する第１接続導体、および、第１接続導体を封止し複数の第１接続端子を露出させる第１接続導体封止部を有する第１ユニット接続部、及び複数の半導体ユニットのそれぞれに対応して、第１凹部の凹み内において、第１ユニット端子および第１接続端子の間の接続部をそれぞれ封止する複数の第１凹み封止部を有する半導体装置が開示されている。
しかし特許文献１の場合、機械的ストレスを小さくすることは考慮されているが、上記したようなヒートサイクル等によって封止樹脂の内部に一旦生じたひび等に起因する絶縁破壊を抑制することは、一切考慮されていない。
また特許文献２の場合も特許文献１と同様、一旦、封止樹脂の内部にひび等が生じたことに起因する絶縁破壊を抑制することは考慮されていない。また特許文献２では、同じユニット内で互いに離間して設けられ、ケースの蓋からそれぞれ突出する３本の端子が開示されているが、それぞれの端子の上端間には空隙が存在するだけであって、端子間の絶縁距離に関する考察は一切なされていない。
また特許文献３のように、封止樹脂の水平な表面に傾斜面を連続させて界面を形成する場合、沿面距離を多少伸ばすことは可能ではあるが、実際に伸ばされた長さは、端子間の距離に比較すると非常に短い。そのため端子間の絶縁距離が十分に確保されているとはいえず、実用上で必要な絶縁性が確実に担保されているかどうか懸念がある。
特開平０９−０２７５９０号公報 特開２０１５−１９８２２７号公報 特開２０１１−０７７２８０号公報 特開２０１８−２９１１４１号公報
本発明は上記した問題に着目して為されたものであって、導体ベース上に全体が樹脂封止された半導体ユニットを複数並列接続させた半導体装置であって、絶縁破壊耐性を従来よりも高めた半導体装置及びこの半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明に係る半導体装置のある態様は、導体ベースと、導体ベース上に設けられ、絶縁回路基板、絶縁回路基板上に搭載された半導体チップ及び絶縁回路基板の上に半導体チップに接続して設けられ絶縁回路基板の導体ベースと反対側に延びる棒状の端子を備える複数の半導体モジュールと、複数の半導体モジュール間で対応する端子同士を接続するブスバーと、導体ベース上で、半導体モジュールの周囲に設けられた箱型の絶縁樹脂枠と、絶縁樹脂枠の内側に設けられ、端子の上端よりも低い位置に上面を有して半導体モジュールを封止する第１の絶縁層と、絶縁樹脂枠の内側で第１の絶縁層の上に、端子の上端が埋め込まれるように設けられた第２の絶縁層と、を備え、絶縁樹脂枠の側壁部を第３の絶縁層とし、端子と、接地位置をなす側壁部の下端との間に、第１の絶縁層、第２の絶縁層及び第３の絶縁層によって形成された界面が配置されることを要旨とする。
また本発明に係る半導体装置の製造方法のある態様は、導体ベース上に、絶縁回路基板、絶縁回路基板上に搭載された半導体チップ及び絶縁回路基板の上に半導体チップに接続して設けられ絶縁回路基板の導体ベースと反対側に延びる棒状の端子を備える複数の半導体モジュールを接合する工程と、導体ベース上で、半導体モジュールの周囲に箱型の絶縁樹脂枠を配置し、絶縁樹脂枠を導体ベースに接合する工程と、絶縁樹脂枠の内側に、端子の上端よりも低い位置に上面を有するように半導体モジュールを封止する第１の絶縁層を形成する工程と、複数の半導体モジュール間で対応し、第１の絶縁層の上に露出する端子の上部同士を接続する工程と、絶縁樹脂枠の内側で第１の絶縁層の上に、端子の上端が埋め込まれるように第２の絶縁層を形成する工程と、を含み、絶縁樹脂枠の側壁部を第３の絶縁層とし、端子と、接地位置をなす側壁部の下端との間に、第１の絶縁層、第２の絶縁層及び第３の絶縁層によって形成された界面を配置することを要旨とする。
本発明によれば、導体ベース上に全体が樹脂封止された半導体ユニットを複数並列接続させた半導体装置であって、絶縁破壊耐性を従来よりも高めた半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供できる。
図１は、第１の実施の形態に係る半導体装置の構成の概略を模式的に説明する斜視図（鳥瞰図）である。 図２は、第１の実施の形態に係る半導体装置の半導体ユニットを、金属ベースの主面に垂直な平面であって、図１中のＡ−Ａ線を含む平面で断面した場合の断面図である。 図３は、図２中の左側上部を部分的に拡大した断面図である。 図４は、第１の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の工程斜視図である（その１）。 図５は、第１の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の工程断面図である。 図６は、第１の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の工程断面図である（その２）。 図７は、第１の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の工程平面図である。 図８は、第１の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の工程断面図である（その３）。 図９は、第１の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の工程平面図である（その４）。 図１０は、図９中のＣ−Ｃ線方向から見た断面図である。 図１１は、第１の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の工程断面図である（その５）。 図１２は、第１の実施の形態の第１変形例に係る半導体装置で用いられる絶縁樹脂枠を説明する平面図である。 図１３は、図１２中のＤ−Ｄ線方向から見た断面図である。 図１４は、第１の実施の形態の第２変形例に係る半導体装置で用いられる絶縁樹脂枠を説明する平面図である。 図１５は、第１の実施の形態の第３変形例に係る半導体装置で用いられる絶縁樹脂枠及び金属ベースを説明する断面図である。 図１６は、第１の実施の形態の第４変形例に係る半導体装置で用いられる絶縁樹脂枠を説明する断面図である。 図１７は、第１の実施の形態の第５変形例に係る半導体装置で用いられる絶縁樹脂枠を説明する分解斜視図である。 図１８は、図１９中のＦ−Ｆ線方向から見た断面図である。 図１９は、第２の実施の形態に係る半導体装置の構成の概略を模式的に説明する断面図である。
以下に本発明の第１及び第２の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各装置や各部材の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判定すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
また、以下の説明における「左右」や「上下」の方向は、単に説明の便宜上の定義であって、本発明の技術的思想を限定するものではない。よって、例えば、紙面を９０度回転すれば「左右」と「上下」とは交換して読まれ、紙面を１８０度回転すれば「左」が「右」に、「右」が「左」になることは勿論である。
＜第１の実施の形態＞
−半導体装置−
第１の実施の形態に係る半導体装置は、図１に示すように、例えば導体ベースをなす金属ベース１と、金属ベース１上に接合された４個の半導体ユニット１０１，１０２，１０３，１０４と、を備える。４個の半導体ユニット１０１，１０２，１０３，１０４は、いずれも直方体状であり、短辺方向に沿って等間隔で配置され、第１絶縁ブスバー１２ａ及び第２絶縁ブスバー１２ｂによって並列接続されている。第１絶縁ブスバー１２ａ及び第２絶縁ブスバー１２ｂの上部には、外部電極用の板状の導体部２２が上方に突出するように設けられている。４個の半導体ユニット１０１，１０２，１０３，１０４は互いに等価な構成であるため、図１中で左奥側の半導体ユニット１０１を代表例として、以下、４個の半導体ユニット１０１，１０２，１０３，１０４の構成を説明する。
半導体ユニット１０１は、図２に示すように、絶縁回路基板（２，３，４）と、絶縁回路基板（２，３，４）上に搭載された半導体チップ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄと、を備える。半導体チップ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄは、絶縁回路基板（２，３，４）の上方に設けられた上部回路基板（７，８）の下面から、絶縁回路基板（２，３，４）に向かって下側に延びるピン端子によって上部回路基板（７，８）と電気的に接続されている。
絶縁回路基板（２，３，４）としては、絶縁基板２の上面及び下面のそれぞれに、ＣｕやＡｌ等の導体箔を表面導電箔３及び裏面導電箔４として設けた銅接合基板等の構造を採用できる。銅接合基板の代表例としてはＤＣＢ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｏｐｐｅｒ Ｂｏｎｄｉｎｇ）基板やＡＭＢ(Ａｃｔｉｖｅ Ｍｅｔａｌ Ｂｒａｚｉｎｇ)基板が知られている。
絶縁基板２としては、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）セラミクス、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）セラミクス、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）セラミクス等を主材として作製できる。表面導電箔３は所望のパターンに形成され、表面導電箔３上には、Ｓｉ，ＳｉＣ或いはＧａＮ等の半導体材料からなるパワー半導体素子が半導体チップ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄとして接合されている。半導体チップ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの内部の半導体領域の積層構造や配置状態の図示は省略する。
上部回路基板（７，８）は、絶縁板７と、この絶縁板７の下面に設けられた金属膜である回路パターン８とを有する。上部回路基板（７，８）は、１枚の絶縁回路基板（２，３，４）上に搭載された４枚の半導体チップ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄのそれぞれ対応する電極を互いに接続する。また上部回路基板（７，８）は、半導体チップ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの電極を外部端子である第１ユニット端子６ａ，６ｂ、第２ユニット端子６ｃ，６ｄ及び第３ユニット端子６ｅ，６ｆのうちそれぞれ対応する外部端子に接続する。後出する図４に示すように、半導体ユニット１０１には実際には４本の第１ユニット端子６ａ，６ｂ，６ｇ，６ｈ、４本の第２ユニット端子６ｃ，６ｄ，６ｉ，６ｊ及び４本の第３ユニット端子６ｅ，６ｆ，６ｋ，６ｌが設けられている。
図２に示すように、第１ユニット端子６ａ，６ｂ，６ｇ，６ｈ、第２ユニット端子６ｃ，６ｄ，６ｉ，６ｊ及び第３ユニット端子６ｅ，６ｆ，６ｋ，６ｌは棒状であり、絶縁回路基板（２，３，４）の上で、いずれも半導体チップ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄに電気的に接続され、金属ベース１と反対側の上側に延びている。第１ユニット端子６ａ，６ｂ，６ｇ，６ｈ、第２ユニット端子６ｃ，６ｄ，６ｉ，６ｊ及び第３ユニット端子６ｅ，６ｆ，６ｋ，６ｌの下端は、いずれもはんだ接合或いは超音波接合等により、絶縁回路基板（２，３，４）の表面導電箔３及び上部回路基板（７，８）の回路パターン８に接続されている。
図４に示すように、４本の第１ユニット端子６ａ，６ｂ，６ｇ，６ｈは、それぞれの上端面によって矩形の４隅が形成されるように配置され、いずれも例えばソース端子をなして互いに同電位である。４本の第１ユニット端子６ａ，６ｂ，６ｇ，６ｈにより、半導体チップ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄと半導体ユニット１０１の外部との間でソース電流が導通される。
また４本の第２ユニット端子６ｃ，６ｄ，６ｉ，６ｊも、それぞれの上端面によって矩形の４隅が形成されるように配置され、いずれも例えばドレイン端子をなして互いに同電位である。４本の第２ユニット端子６ｃ，６ｄ，６ｉ，６ｊにより、半導体チップ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄと半導体ユニット１０１の外部との間でドレイン電流が導通される。
同様に４本の第３ユニット端子６ｅ，６ｆ，６ｋ，６ｌも、それぞれの上端面によって矩形の４隅が形成されるように配置されている。４本の第３ユニット端子６ｅ，６ｆ，６ｋ，６ｌにより、半導体ユニット１０１の制御信号が半導体ユニット１０１の外部との間で導通される。例えば、図２中の右端の第３ユニット端子６ｆと、図４中でこの第３ユニット端子６ｆとの間で矩形の長辺をなすように対向して配置されている第３ユニット端子６ｌとは、ゲート信号を導通するゲート端子をなす。また図２中の第３ユニット端子６ｆの左側の第３ユニット端子６ｅと、図４中でこの第３ユニット端子６ｅとの間で矩形の長辺をなすように対向して配置されている第３ユニット端子６ｋは、例えば半導体チップ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄのソース電極に接続されソース信号を検知するソースセンス端子をなす。
図１及び図２に示すように、絶縁回路基板（２，３，４）及び上部回路基板（７，８）の周囲は、例えばエポキシ樹脂等の硬質の絶縁樹脂で作製された、直方体状で箱型の絶縁樹脂枠９で覆われている。第１の実施の形態に係る半導体装置の絶縁樹脂枠９は、絶縁回路基板（２，３，４）の４辺に沿ってそれぞれ設けられた４枚の側壁部と、４枚の側壁部の上に設けられた天井部とを有する。図２に示すように、天井部には長手方向に沿っていずれも貫通孔である第１貫通孔９ａ、第２貫通孔９ｂ及び第３貫通孔９ｃが等間隔で設けられている。
図２中の絶縁樹脂枠９の天井部における左側の第１貫通孔９ａの中には第１ユニット端子６ａ及び第１ユニット端子６ｂが、それぞれ上端面が天井部の上面と下面の間のほぼ中央に位置するように設けられている。また天井部における中央の第２貫通孔９ｂの中には、第２ユニット端子６ｃ及び第２ユニット端子６ｄが、第１貫通孔９ａの内側と同様に、それぞれ上端面が天井部の上面と下面の間のほぼ中央に位置するように設けられている。また天井部における右側の第３貫通孔９ｃの中には第３ユニット端子６ｅ及び第３ユニット端子６ｆが、第１貫通孔９ａ及び第２貫通孔９ｂの内側と同様に、それぞれ上端面が天井部の上面と下面の間のほぼ中央に位置するように設けられている。
第１貫通孔９ａ中の右側の第１ユニット端子６ｂ及び第２貫通孔９ｂ中の左側の第２ユニット端子６ｃは、端子間の絶縁破壊耐性が考慮される本発明の「一組の端子」に相当する。また第２貫通孔９ｂ中の右側の第２ユニット端子６ｄ及び第３貫通孔９ｃ中の左側の第３ユニット端子６ｅも同様に、端子間の絶縁破壊耐性が考慮される「一組の端子」に相当する。
図２に示すように、絶縁樹脂枠９の内側には第１の絶縁層１０が、絶縁回路基板（２，３，４）及び上部回路基板（７，８）を含んで封止するように設けられている。第１の絶縁層１０の上面は、第１ユニット端子６ａ，６ｂ、第２ユニット端子６ｃ，６ｄ及び第３ユニット端子６ｅ，６ｆの上端よりも低い位置であり、第１の絶縁層１０の内側には、第１ユニット端子６ａ，６ｂ、第２ユニット端子６ｃ，６ｄ及び第３ユニット端子６ｅ，６ｆの下部の領域が含まれている。
第１の絶縁層１０の上面上には、第２の絶縁層１３ａ，１３ｂ，１３ｃが第１ユニット端子６ａ，６ｂ、第２ユニット端子６ｃ，６ｄ及び第３ユニット端子６ｅ，６ｆのそれぞれの上部の領域を含むように封止して設けられている。第２の絶縁層１３ａ，１３ｂ，１３ｃの上面は第１ユニット端子６ａ，６ｂ、第２ユニット端子６ｃ，６ｄ及び第３ユニット端子６ｅ，６ｆの上端よりも高く、かつ、絶縁樹脂枠９の上面より低い位置である。
第１貫通孔９ａ内の第２の絶縁層１３ａ上と第２貫通孔９ｂ内の第２の絶縁層１３ｂ上には、第１貫通孔９ａ及び第２貫通孔９ｂ間の絶縁樹脂枠９の梁部分の上に架け渡されるように、第１絶縁ブスバー１２ａが、両端を差し込むように設けられている。第１絶縁ブスバー１２ａは、後出する図９に示すように、部材単体としては外部に露出した導体部分である連結部１１ａ及び連結部１１ｂを有する。連結部１１ａは第１ユニット端子６ａ，６ｂ，６ｇ，６ｈに接合する貫通穴を、また連結部１１ｂは第２ユニット端子６ｃ，６ｄ，６ｉ，６ｊに接合する貫通穴をそれぞれ有する。図２中でのこれらの貫通孔の符号は省略するが、貫通孔を介して第１絶縁ブスバー１２ａは第１ユニット端子６ａ，６ｂ及び第２ユニット端子６ｃ，６ｄに取り付けられている。第１ユニット端子６ａ，６ｂ，６ｇ，６ｈは、連結部１１ａの各貫通穴に圧入されている。第２ユニット端子６ｃ，６ｄ，６ｉ，６ｊは、連結部１１ｂの各貫通穴に圧入されている。
また第３貫通孔９ｃ内の第２の絶縁層１３ｂ上には、第２絶縁ブスバー１２ｂが、下部を差し込むように設けられている。第２絶縁ブスバー１２ｂは第１絶縁ブスバー１２ａと同様に、部材単体としては外部に露出した導体部分である連結部１１ｃ及び連結部１１ｄを有する。図９に示したように、連結部１１ｃは第３ユニット端子６ｅ，６ｋに接合する貫通穴を、また連結部１１ｂは第３ユニット端子６ｆ，６ｌに接合する貫通穴をそれぞれ有する。第３ユニット端子６ｅ，６ｋは、連結部１１ｃの各貫通穴に圧入されている。第３ユニット端子６ｆ，６ｌは、連結部１１ｂの各貫通穴に圧入されている。
ここで第１の実施の形態における絶縁樹脂枠９の側壁部は、本発明の「第３の絶縁層」に相当し、絶縁樹脂枠９の梁部分は、本発明の「第４の絶縁層」に相当する。絶縁樹脂枠９の側壁部及び梁部分は、第１ユニット端子６ａ，６ｂ、第２ユニット端子６ｃ，６ｄ及び第３ユニット端子６ｅ，６ｆのうち「一組の端子」をなすそれぞれのユニット端子から離間して設けられる。また絶縁樹脂枠９の側壁部及び梁部分は、図２に示すように、第１の絶縁層１０及び第２の絶縁層１３ａ，１３ｂ，１３ｃの間にそれぞれ界面を有する。
図２中の第１貫通孔９ａ内の左端の第１ユニット端子６ａの左側には、第１ユニット端子６ａに近接する絶縁樹脂枠９の左側の側壁部が、第１の絶縁層１０及び第２の絶縁層１３ａ，１３ｂ，１３ｃと組み合わせられることにより、それぞれとの間で界面が形成されている。絶縁樹脂枠９の側壁部の下端の金属ベース１との接合部は接地位置をなす。図２中のＢ部分に示すように、第１の絶縁層１０及び第３の絶縁層としての絶縁樹脂枠９の側壁部との間には鉛直な界面が形成される。
また図２中のＢ部分の内側には、この鉛直な界面の上端位置から右側に向かって水平に延びる、絶縁樹脂枠９の天井部の下面と第１の絶縁層１０との間の界面が形成されている。更にこの水平な界面の右端から上側に向かって鉛直に延びる、絶縁樹脂枠９の天井部の内壁の端面と第１の絶縁層１０との間の界面が形成されている。この鉛直な界面は、上方に延びる途中で第１の絶縁層１０及び第２の絶縁層１３ａ間に形成される。水平な界面と直交する。すなわち第１ユニット端子６ａ及び接地間では、約９０度ずつ屈曲した３箇所の領域を有するように界面が形成されている。このように第１の絶縁層１０、第２の絶縁層１３ａ，１３ｂ，１３ｃ及び第３の絶縁層としての絶縁樹脂枠９の側壁部が組み合わせられた複合的な界面が配置されることにより、第１ユニット端子６ａ及び接地間の絶縁距離が大きく伸ばされている。
図２中の左側の第１貫通孔９ａ中で右側の第１ユニット端子６ｂと第２貫通孔９ｂ中で左側の第２ユニット端子６ｃとの間に挟まれた絶縁樹脂枠９の梁部分に注目してみる。この梁部分が拡大された図３に示すように、第１の絶縁層１０と、第１貫通孔９ａ内に埋め込まれた第２の絶縁層１３ａと、第２貫通孔９ｂ内に埋め込まれた第２の絶縁層１３ｂと、第４の絶縁層となる絶縁樹脂枠９の梁部分との組み合わせにより、第１界面ＢＦ１、第２界面ＢＦ２及び第３界面ＢＦ３が形成される。第１界面ＢＦ１は第１の絶縁層１０と絶縁樹脂枠９の梁部分の下部との間に形成される。また第２界面ＢＦ２は第１貫通孔９ａ側の第２の絶縁層１３ａと絶縁樹脂枠９の梁部分の図３中の左側面との間に、第３界面ＢＦ３は第２貫通孔９ｂ側の第２の絶縁層１３ｂと絶縁樹脂枠９の梁部分の図３中の右側面との間に、それぞれ形成される。
図３中の中央の矩形状の梁部分の上側及び下側には、それぞれ梁部分の外縁に沿って延びる２本の双方向矢印が示されている。２本の双方向矢印は、第１界面ＢＦ１、第２界面ＢＦ２及び第３界面ＢＦ３により、図３中の梁部分の左側の第１ユニット端子６ｂと右側の第２ユニット端子６ｃとの間に形成される２種類の沿面距離を模式的に示す。２本の双方向矢印の長さの違いから分かるように、第４の絶縁層として梁部分が介在することにより、第１ユニット端子６ｂと第２ユニット端子６ｃとの間の沿面距離は、両端子間を最短で測った場合の直線距離より遥かに長くなる。
図３に示した半導体ユニット１０１において、例えば第１ユニット端子６ｂと第２ユニット端子６ｃとの間における第２の絶縁層１３ａ，１３ｂ，１３ｃの内部でひび割れや剥離が生じた場合を考える。第１ユニット端子６ｂと第２ユニット端子６ｃとの間では、第１の絶縁層１０、第２の絶縁層１３ａ〜１３ｃ及び第４の絶縁層の梁部分の組み合わせによって複合的に形成された界面が配置されている。そのため、仮に直線距離が、定格電圧に対する所定の絶縁距離より短い場合でも、両端子間の沿面距離が大きく稼がれている。また第１ユニット端子６ｂ及び第２ユニット端子６ｃ間の場合と同様に、第１ユニット端子６ａ，６ｂ、第２ユニット端子６ｃ，６ｄ及び第３ユニット端子６ｅ，６ｆの中で「一組の端子」をなす端子間では、それぞれ沿面距離が大きく稼がれている。
このように第１の実施の形態に係る半導体装置では、第１の絶縁層１０、第２の絶縁層１３ａ〜１３ｃ、第３の絶縁層としての側壁部及び第４の絶縁層としての梁部分の組み合わせにより、端子間及び端子及び接地間の絶縁距離が伸長されている。そのため、例えば定格電圧３．３ｋＶ以上のパワー半導体装置であっても、この定格電圧に適応する必要な絶縁耐圧を備えることができる。
第１の実施の形態に係る半導体装置によれば、第１の絶縁層１０、第２の絶縁層１３ａ、並びに第３の絶縁層としての側壁部及び第４の絶縁層としての梁部分の組み合わせにより、端子間の沿面距離が大きく確保され、半導体ユニット１０１の絶縁破壊に対する耐性を大きく高めることができる。そして、絶縁破壊耐性を高めた半導体ユニット１０１を金属ベース１上に複数搭載して並列接続することにより、耐熱性や絶縁性を高く維持した高耐圧かつ大容量の半導体装置を実現できる。
−半導体装置の製造方法−
次に、第１の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を、図４〜図１１を用いて例示的に説明する。まず図４に示すように、半導体チップ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄが搭載された絶縁回路基板（２，３，４）及び絶縁回路基板（２，３，４）と接続された上部回路基板（７，８）をそれぞれ備える４個の半導体モジュール１０１ａ，１０２ａ，１０３ａ，１０４ａを用意する。絶縁回路基板（２，３，４）のセラミクス製の絶縁基板２上の表面導電箔３には導体回路パターンが形成されている。
次に表面導電箔３上の素子搭載位置に、例えばペースト状のはんだを用いて、印刷或いはディスペンサー等で塗布を行い、半導体素子である半導体チップ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄを搭載する。そして半導体素子上のピン配線を行う面と、絶縁基板２の導体回路パターンから電気的信号を取り出すピン状のユニット端子の電極接合位置とに、ディスペンサーを用いてペースト状のはんだを塗布する。
そして半導体チップ５ａ〜５ｄを搭載した絶縁回路基板（２，３，４）、ピン端子を挿入した上部回路基板（７，８）及び電気的信号を取り出すピン状のリード端子を、カーボンなどの冶具を用いて重ね合わせる。そしてリフロー等を用いて加熱を行い、図５中に例示した半導体モジュール１０１ａのように、金属ベース１上に４個の半導体モジュール１０１ａ，１０２ａ，１０３ａ，１０４ａをはんだ接合する。この際、セラミクス製の絶縁基板２において、導体回路パターンの半導体素子（半導体チップ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ）が搭載されていない裏面導電箔４の下面と、ＣｕやＡｌＳｉＣ製の金属からなる金属ベース１の上面とを、はんだにより同時に接合する。必要に応じ、金属ベース１の上面には、はんだとの接合性の良いニッケル（Ｎｉ）−リン（Ｐ）めっき等を施すことができる。
次に、図２を用いて説明した絶縁樹脂枠９を、金型等を用いて、半導体モジュール１０１ａ，１０２ａ，１０３ａ，１０４ａ毎に作製して用意する。そして用意した絶縁樹脂枠９を、図６に示すように、絶縁回路基板（２，３，４）に被せ、接着剤等を用いて金属ベース１に接合する。絶縁樹脂枠９の貫通孔の内側には、半導体モジュール１０１ａの第１ユニット端子６ａ，６ｂ，６ｇ，６ｈ、第２ユニット端子６ｃ，６ｄ，６ｉ，６ｊ及び第３ユニット端子６ｅ，６ｆ，６ｋ，６ｌの上端が露出して突出する。絶縁樹脂枠９の一対の貫通孔間に設けられた梁部分により、第１ユニット端子６ａ，６ｂ，６ｇ，６ｈ、第２ユニット端子６ｃ，６ｄ，６ｉ，６ｊ及び第３ユニット端子６ｅ，６ｆ，６ｋ，６ｌに含まれる「一組の端子」間に、それぞれの端子から離間した第４の絶縁層が配置されることになる。
図７中には、第１貫通孔９ａの内側に４本の第１ユニット端子６ａ，６ｂ，６ｇ，６ｈの上端面が露出した状態が示されている。また第２貫通孔９ｂの内側には４本の第２ユニット端子６ｃ，６ｄ，６ｉ，６ｊの上端面が、第３貫通孔９ｃの内側には４本の第３ユニット端子６ｅ，６ｆ，６ｋ，６ｌの上端面が、第１貫通孔９ａの内側の場合と同様に、それぞれ露出している。また第１ユニット端子６ａ，６ｂ，６ｇ，６ｈ、第２ユニット端子６ｃ，６ｄ，６ｉ，６ｊ及び第３ユニット端子６ｅ，６ｆ，６ｋ，６ｌのそれぞれに隣接する絶縁樹脂枠９の側壁部も、第３の絶縁層として配置される。
次に、それぞれの半導体モジュール１０１ａ，１０２ａ，１０３ａ，１０４ａにおいて、絶縁樹脂枠９の第１貫通孔９ａ及び第２貫通孔９ｂのそれぞれの開口部から、上面が一組の端子の上端よりも低く位置するように第１の絶縁樹脂を絶縁樹脂枠９の内側に注入する。第１の絶縁樹脂としては、エポキシ樹脂等の硬質な熱硬化性の絶縁樹脂を採用できる。第１の絶縁樹脂は、「一組の端子」間で、両端子のそれぞれの上端が第１の絶縁樹脂の上面から露出するように注入される。
すなわち第１の絶縁樹脂は第１ユニット端子６ａ，６ｂ，６ｇ，６ｈ、第２ユニット端子６ｃ，６ｄ，６ｉ，６ｊ及び第３ユニット端子６ｅ，６ｆ，６ｋ，６ｌの上端が埋まらない高さまで注入され、それぞれの端子の上部は第１の絶縁樹脂の上に露出する。尚、真空中で第１の絶縁樹脂を注入することで、絶縁不良の原因となるボイドが抑制できる。
次に、オーブン等により加熱を行い、第１の絶縁樹脂を硬化させることにより、図８に示すように、第１の絶縁層１０を形成する。絶縁樹脂枠９の第１貫通孔９ａ，第２貫通孔９ｂ，第３貫通孔９ｃの内側で第１の絶縁層１０の上には、第１ユニット端子６ａ，６ｂ，６ｇ，６ｈ、第２ユニット端子６ｃ，６ｄ，６ｉ，６ｊ及び第３ユニット端子６ｅ，６ｆ，６ｋ，６ｌの上部が露出して突出している。
次に、半導体装置の大容量化を行うため、金属ベース１上に並設された４個の半導体ユニット１０１，１０２，１０３，１０４間で、対応する端子の露出した上部同士を電気的に並列接続する。具体的には、例えば絶縁ブスバーを第１ユニット端子６ａ，６ｂ，６ｇ，６ｈ、第２ユニット端子６ｃ，６ｄ，６ｉ，６ｊ及び第３ユニット端子６ｅ，６ｆ，６ｋ，６ｌのそれぞれ対応する端子間に、レーザー溶接やレーザーはんだ付け等により架け渡して接合する。絶縁ブスバーとしては、例えば表面上に選択的に絶縁樹脂がモールドされたブスバーを採用できる。図９及び図１０中には、第１貫通孔９ａ及び第２貫通孔９ｂのそれぞれの内側に挿し込まれた第１絶縁ブスバー１２ａが、また第３貫通孔９ｃの内側に挿し込まれた第２絶縁ブスバー１２ｂがそれぞれ例示されている。
第１絶縁ブスバー１２ａは、４本の第１ユニット端子６ａ，６ｂ，６ｇ，６ｈを一体的に接続する導電性の連結部１１ａと、４本の第２ユニット端子６ｃ，６ｄ，６ｉ，６ｊを一体的に接続する導電性の連結部１１ｂとを有する。第２絶縁ブスバー１２ｂは、２本の第３ユニット端子６ｅ，６ｋを一体的に接続する導電性の連結部１１ｃと、２本の第３ユニット端子６ｆ，６ｋを一体的に接続する導電性の連結部１１ｄとを有する。図９及び図１０中には、第１絶縁ブスバー１２ａの連結部１１ａ及び連結部１１ｂの周囲にモールドされた絶縁樹脂の外縁が１点鎖線で模式的に示されている。また図９中に、第２絶縁ブスバー１２ｂの連結部１１ｃ及び連結部１１ｄの周囲にモールドされた絶縁樹脂の外縁が１点鎖線で模式的に示されている。
次に、４個の半導体ユニット１０１，１０２，１０３，１０４のそれぞれの絶縁樹脂枠９の内側に第２の絶縁樹脂を、上面が第１ユニット端子６ａ，６ｂ，６ｇ，６ｈ、第２ユニット端子６ｃ，６ｄ，６ｉ，６ｊ及び第３ユニット端子６ｅ，６ｆ，６ｋ，６ｌの上端よりも高く位置するように注入する。第２の絶縁樹脂としては、エポキシ樹脂等の硬質な熱硬化性の絶縁樹脂を採用できる。第２の絶縁樹脂は、第１ユニット端子６ａ，６ｂ，６ｇ，６ｈ、第２ユニット端子６ｃ，６ｄ，６ｉ，６ｊ及び第３ユニット端子６ｅ，６ｆ，６ｋ，６ｌのそれぞれの上端を第２の絶縁樹脂の中に埋めるように注入される。そして図１１に示すように、第２の絶縁樹脂を加熱等により硬化させて第１貫通孔９ａ内に第２の絶縁層１３ａを形成する。同時に、図２に示した第２の絶縁層１３ｂも第２貫通孔９ｂ内に、また第２の絶縁層１３ｃも第３貫通孔９ｃ内にそれぞれ形成される。第２の絶縁層１３ａ，１３ｂ，１３ｃにより、第１ユニット端子６ａ，６ｂ，６ｇ，６ｈ、第２ユニット端子６ｃ，６ｄ，６ｉ，６ｊ及び第３ユニット端子６ｅ，６ｆ，６ｋ，６ｌ、第１絶縁ブスバー１２ａが樹脂封止される。また第２絶縁ブスバー１２ｂの絶縁樹脂のモールド部分以外の導体部分が完全に覆われる。そして４個の半導体ユニット１０１，１０２，１０３，１０４のそれぞれの絶縁樹脂枠の内側では、半導体モジュール１０１ａ，１０２ａ，１０３ａ，１０４ａの周囲がいずれも樹脂封止され、図１に示した半導体装置が得られる。
そして必要に応じ、第１絶縁ブスバー１２ａ及び第２絶縁ブスバー１２ｂの導体部２２のみが外側に突出するような孔部を有する外装ケースをユニット筐体として、絶縁材料を用いて作製して用意する。最後に、用意した外装ケースを金属ベース１に接着することで、外部装置との接続が可能な、第１の実施の形態に係る半導体装置の製造方法が終了する。
尚、絶縁樹脂枠９の材質は、半導体ユニット１０１内部を封止する第１の絶縁樹脂と同じ材料であることが、一体性向上の観点から好ましい。しかし熱膨張係数が近く、絶縁樹脂同士の密着強度が高ければ、同じ材料に限定されなくてもよい。また第２の絶縁樹脂の材質は、半導体ユニット１０１内部を封止する第１の絶縁樹脂に熱膨張係数が近く、絶縁樹脂枠９及び第２の絶縁樹脂との密着強度が高ければ、同じ材料に限定されなくてもよい。またシリコーンゲル等の軟質な封止樹脂であれば、熱膨張係数を合わせることも必要なくなるため、絶縁樹脂間の密着強度が十分に確保されていれば、軟質な封止樹脂も適宜選択可能である。
上記した第１の実施の形態に係る半導体装置の製造方法によれば、まず、モールド樹脂を有さない状態の半導体モジュール１０１ａ，１０２ａ，１０３ａ，１０４ａを、高温の接合処理で金属ベース１上に接合する。高温の接合処理が終了した後、半導体モジュール１０１ａ，１０２ａ，１０３ａ，１０４ａの周囲に絶縁樹脂枠９を、接着剤を介して設けるので、熱によって絶縁樹脂枠９が劣化することがない。
そして絶縁樹脂枠９の内部に第１貫通孔９ａ、第２貫通孔９ｂまたは第３貫通孔９ｃを介して第１の絶縁樹脂を注入し、固化させることにより、図２中に示した第１の絶縁層１０を積層する。そして４個の半導体ユニット１０１，１０２，１０３，１０４間の対応する端子同士を接続した後、更に第１の絶縁層１０の上に第２の絶縁樹脂を注入して第１貫通孔９ａ，第２貫通孔９ｂ，第３貫通孔９ｃを絶縁材料で埋め、固化させることにより第２の絶縁層１３ａ，１３ｂ，１３ｃを積層する。絶縁樹脂枠９の側壁部が第３の絶縁層をなし、梁部分が第４の絶縁層をなすことにより、半導体ユニット１０１の内部では、第１の絶縁層１０、第２の絶縁層１３ａ，１３ｂ，１３ｃ、第３の絶縁層及び第４の絶縁層が組み合わせられた界面が複合的に形成される。形成された界面により、端子間或いは端子及び接地間の沿面距離を大きく確保することができる。
こうした、金属ベース１上へ半導体モジュール１０１ａ，１０２ａ，１０３ａ，１０４ａを接合した後、絶縁樹脂枠９を用いて樹脂封止するという手順によれば、予め樹脂封止された半導体ユニットを金属ベース１へ高温の熱処理で接合する場合のような、熱の影響による封止樹脂の劣化が一切発生しない。そして、最終的に全体が一体的に樹脂封止され絶縁破壊耐性を高めた半導体ユニット１０１を、金属ベース１上に複数並列接続できる。
−第１変形例−
図１２に示すように、第１の実施の形態の第１変形例に係る半導体装置では、半導体ユニット１０１の矩形状の絶縁樹脂枠９ｘの天井部の第１貫通孔９ａ及び第２貫通孔９ｂ間に、更に２個の追加貫通孔９ｄ，９ｅが設けられる。また絶縁樹脂枠９ｘの第２貫通孔９ｂ及び第３貫通孔９ｃ間にも更に２個の追加貫通孔９ｆ，９ｇが設けられる。すなわち第１変形例に係る半導体装置の絶縁樹脂枠９ｘの天井部には、大小合わせて７個の貫通孔（９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，９ｅ，９ｆ，９ｇ）が設けられている。
追加貫通孔９ｄ，９ｅ，９ｆ，９ｇはいずれも平面パターンで矩形状であり、絶縁樹脂枠９ｘの短辺方向に沿って、第１貫通孔９ａ，第２貫通孔９ｂ，第３貫通孔９ｃと同じ幅を有して延びている。追加貫通孔９ｄ，９ｅ、追加貫通孔９ｆ，９ｇはそれぞれ等間隔で設けられている。
図１３に示すように、追加貫通孔９ｄ，９ｅ，９ｆ，９ｇのそれぞれの内側にも、第１貫通孔９ａ，第２貫通孔９ｂ，第３貫通孔９ｃのそれぞれの内側と同様に、絶縁樹脂枠９ｘの天井部の下面の高さよりも高い位置まで、第１の絶縁層１０が積層される。図示を省略するが、追加貫通孔９ｄ，９ｅ，９ｆ，９ｇのそれぞれの内側の第１の絶縁層１０の上には、第２の絶縁層が更に設けられる。また図２で示した場合と同様に、図１３中の第１貫通孔９ａ内の右側の第１ユニット端子６ｂ及び第２貫通孔９ｂ内の左側の第２ユニット端子６ｃは、端子間の絶縁破壊耐性が考慮される「一組の端子」をなす。第１変形例に係る半導体装置の他の構造については、図１〜図１１に示した半導体装置の場合と等価であるため、重複説明を省略する。
第１変形例に係る半導体装置においても、第１の絶縁層１０、第２の絶縁層及び絶縁樹脂枠９ｘ側壁部からなる第３の絶縁層及び梁部分からなる第４の絶縁層が設けられる。第４の絶縁層としての絶縁樹脂枠９ｘの梁部分が第１の絶縁層１０及び第２の絶縁層と組み合わされることにより、「一組の端子」間の沿面距離を、図３に示した半導体装置の半導体ユニット１０１の場合より更に伸ばすことができる。特に第１変形例に係る半導体装置においては、絶縁樹脂枠９ｘの天井部の貫通孔の数が７個に増加されることにより、天井部の貫通孔間及び梁部分からなる平面パターンがより微細化されている。そのため、「一組の端子」間の沿面距離を一層伸ばすことができる。第１変形例に係る半導体装置の他の効果については、図１〜図１１に示した半導体装置の場合と同様である。
尚、第１変形例に係る半導体装置の絶縁樹脂枠９ｘの天井部の貫通孔の数は７個として説明したが、天井部の貫通孔の数は、絶縁樹脂枠の所定の強度が保持される限り、７個以上に増やすこともできる。貫通孔の数を増やして天井部の平面パターンをより微細化すれば、「一組の端子」間の沿面距離を一層伸ばすことが可能になる。
−第２変形例−
図１４に示すように、第１の実施の形態の第２変形例に係る半導体装置の半導体ユニット１０１の矩形状の絶縁樹脂枠１９には、天井部において、第１貫通孔９ａ及び第２貫通孔９ｂ間に、平面パターンで楕円状の追加貫通孔１９ａ，１９ｂ，１９ｅ，１９ｆが設けられる。また第２貫通孔９ｂ及び第３貫通孔９ｃ間にも、楕円状の追加貫通孔１９ｃ，１９ｄ，１９ｇ，１９ｈがそれぞれ設けられる。第２変形例に係る半導体装置の絶縁樹脂枠１９の天井部には、１１個の貫通孔９ａ，９ｂ，９ｃ，１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄ，１９ｅ，１９ｆ，１９ｇ，１９ｈが設けられている。
追加貫通孔１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄは、図１４中の矩形状の絶縁樹脂枠１９の上側の長辺寄りには、この長辺に沿って、第１ユニット端子６ａ，６ｂ、第２ユニット端子６ｃ，６ｄ及び第３ユニット端子６ｅ，６ｆと同一直線上に並んで設けられている。また追加貫通孔１９ｅ，１９ｆ，１９ｇ，１９ｈは、絶縁樹脂枠１９の下側の長辺寄りに、この長辺に沿って、第１ユニット端子６ｇ，６ｈ、第２ユニット端子６ｉ，６ｊ及び第３ユニット端子６ｋ，６ｌと同一直線上に並んで設けられている。
図１４中の説明用の水平な４本の破線から分かるように、追加貫通孔１９ａ〜１９ｈの幅はそれぞれ、第１ユニット端子６ａ，６ｂ，６ｇ，６ｈ、第２ユニット端子６ｃ，６ｄ，６ｉ，６ｊ及び第３ユニット端子６ｅ，６ｆ，６ｋ，６ｌの幅（上面の円の直径）より長い。すなわち絶縁樹脂枠１９の天井部の平面パターンを微細化する場合、追加貫通孔１９ａ〜１９ｈの幅は、第１貫通孔９ａ、第２貫通孔９ｂ及び第３貫通孔９ｃの幅より短くてもよい。追加貫通孔１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄ，１９ｅ，１９ｆ，１９ｇ，１９ｈの幅が、第１ユニット端子６ａ，６ｂ，６ｇ，６ｈ、第２ユニット端子６ｃ，６ｄ，６ｉ，６ｊ及び第３ユニット端子６ｅ，６ｆ，６ｋ，６ｌの幅に重畳すれば、「一組の端子」間の沿面距離を伸ばすことができる。
図示を省略するが、楕円状の追加貫通孔１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄのそれぞれの内側にも、図１３に示した第１変形例に係る半導体装置の場合と同様に、絶縁樹脂枠１９の天井部の下面より高い位置まで、第１の絶縁層１０が積層される。そして楕円状の追加貫通孔１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄのそれぞれの内側の第１の絶縁層１０の上には、第２の絶縁層が更に設けられる。第２変形例に係る半導体装置の他の構造については、図１〜図１１に示した半導体装置の場合と等価であるため、重複説明を省略する。
第２変形例に係る半導体装置においても、第１変形例に係る半導体装置の場合と同様に絶縁樹脂枠１９の天井部の平面パターンが微細化されるので、一組の端子間の沿面距離を更に伸ばすことができる。第２変形例に係る半導体装置の他の効果については、図１〜図１１に示した半導体装置の場合と同様である。尚、絶縁距離を確実に稼ぐために、追加貫通孔の幅が第１ユニット端子６ａ，６ｂ，６ｇ，６ｈ、第２ユニット端子６ｃ，６ｄ，６ｉ，６ｊ及び第３ユニット端子６ｅ，６ｆ，６ｋ，６ｌの幅に重畳する幅であれば、追加貫通孔の形状は、矩形状、円形状、楕円形状等、適宜変更できる。
−第３変形例−
図１５に示すように、第１の実施の形態の第３変形例に係る半導体装置の半導体ユニット１０１が接合される金属ベース１の上面には、絶縁樹脂枠２９の側壁部の下端が嵌合する溝２９ａが設けられている。また金属ベース１の上面上の溝２９ａの、絶縁樹脂枠２９の側壁部の厚み方向の両側には、絶縁樹脂枠２９の側壁部の下端を挟み込むように盛り上がった凸部１５，１６，１７，１８が設けられている。
金属ベース１の上面上の溝２９ａの内側には例えば接着剤が塗布され、この接着剤を介して絶縁樹脂枠２９と金属ベース１とが接合されている。凸部１５，１６，１７，１８はいずれも上側の絶縁樹脂枠に向かって突出し、絶縁樹脂枠２９の側壁部の内壁面又は外側面の下部にそれぞれ接して側壁部を支持する。第３変形例に係る半導体装置の他の構造については、図１〜図１１に示した半導体装置の場合と等価であるため、重複説明を省略する。
第３変形例に係る半導体装置においても、図１〜１１に示した半導体装置の場合と同様に、絶縁破壊耐性を高めた半導体ユニット１０１を複数並列接続して構成することにより、耐熱性や絶縁性を高く維持した高耐圧かつ大容量の半導体装置を実現できる。更に第３変形例に係る半導体装置によれば、金属ベース１の上面に設けられた溝２９ａ及び凸部１５，１６，１７，１８を用いることにより、金属ベース１上での絶縁樹脂枠２９の位置決め作業が容易になる。また金属ベース１と絶縁樹脂枠２９との一体性を高めることができる。第３変形例に係る半導体装置の他の効果については、図１〜図１１に示した半導体装置の場合と同様である。
尚、溝２９ａ及び凸部１５，１６，１７，１８は、いずれか一方のみで使用されてもよいし、凸部１５，１６，１７，１８が設けられる位置も絶縁樹脂枠２９の４個すべての側壁部の下部に限らず、いずれか１個の側壁部の下部でもよく、適宜選択できる。また凸部１５，１６，１７，１８の材料は金属ベース１と同じ金属材料であってもよいし、或いは別の材料であってもよい。
−第４変形例−
図１６に示すように、第１の実施の形態の第４変形例に係る半導体装置の半導体ユニット１０１の絶縁樹脂枠３９の側壁部の下部には、下側の厚みが上側の厚みより薄い段差部３９ａが設けられている。段差部３９ａの形状は、例えば絶縁樹脂枠３９を金型で成形して作製する場合に、金型から製品を抜き易いように、内側から外側に向かって薄くなるように考慮され、下側には上側より厚い箇所が設けられていない。第４変形例に係る半導体装置の他の構造については、図１〜図１１に示した半導体装置の場合と等価であるため、重複説明を省略する。
第４変形例に係る半導体装置においても、図１〜１１に示した半導体装置の場合と同様に、絶縁破壊耐性を高めた半導体ユニット１０１を複数並列接続して構成することにより、耐熱性や絶縁性を高く維持した高耐圧かつ大容量の半導体装置を実現できる。更に第４変形例に係る半導体装置によれば、絶縁樹脂枠３９の側壁部の下部に設けられた段差部３９ａを用いて、端子及び接地間の絶縁距離としての沿面距離が伸ばされているので、絶縁破壊耐性を更に高めることができる。第４変形例に係る半導体装置の他の効果については、図１〜図１１に示した半導体装置の場合と同様である。尚、図１６中では１個の段差部３９ａが設けられた場合を例示したが、段差部３９ａの数は２個以上であってもよい。
−第５変形例−
図１７に示すように、第１の実施の形態の第５変形例に係る半導体装置の半導体ユニットの絶縁樹脂枠（９１，９２，９３，９４，９５）は、４枚の側壁部９２，９３，９４，９５と、４枚の側壁部９２，９３，９４，９５の上に被せて設けられる天井部９１とが別部材である。天井部９１には、図１〜１１に示した半導体装置の場合と同様に、第１貫通孔９ａ，第２貫通孔９ｂ，第３貫通孔９ｃが設けられる。
図１７に示すように、４枚の側壁部９２，９３，９４，９５と天井部９１とを、例えば接着剤を用いて、内部の樹脂が漏れないように密に接合して一体化することで、本発明の半導体装置で用いる絶縁樹脂枠を実現できる。図１７中に例示した４枚の側壁部９２，９３，９４，９５と天井部９１のように、一体化の際には直方体状で箱型となる絶縁樹脂枠を、単純な板状構造の部材に予め分割して用意しておくことにより、部材の汎用性が高まり、製造上有利である。例えば側壁部のみ高さを変更して、寸法を変更する必要がない天井部の部材は在庫品を用いたり、或いは、長辺方向の側壁部及び天井部は長さを変更して、寸法を変更する必要がない短辺方向の側壁部の部材は在庫品を用いたりすれば、余分な部材の在庫を抑えることができる。第５変形例に係る半導体装置の他の効果については、図１〜図１１に示した半導体装置の場合と同様である。
＜第２の実施の形態＞
−半導体装置−
第２の実施の形態に係る半導体装置は、図１に示した半導体ユニット１０１，１０２，１０３，１０４と同様に、金属ベース１と、金属ベース１上に接合された４個の半導体ユニットと、を備える。図１８中には、４個の半導体ユニットのうちの１個の半導体ユニットの内部構造が例示されている。半導体ユニットはそれぞれ、絶縁回路基板（２，３，４）と、絶縁回路基板（２，３，４）上に搭載された半導体チップ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄと、を備える。半導体チップ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄは、上部回路基板（７，８）の下面から延びるピン端子によって上部回路基板（７，８）と電気的に接続されている。
絶縁回路基板（２，３，４）の上には、半導体チップ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄに接続して上側に延びる棒状の第１ユニット端子６ａ，６ｂ，６ｇ，６ｈ、第２ユニット端子６ｃ，６ｄ，６ｉ，６ｊ及び第３ユニット端子６ｅ，６ｆ，６ｋ，６ｌが設けられている。絶縁回路基板（２，３，４）の周囲には、直方体上で箱型の絶縁樹脂枠９ｙが設けられる。
絶縁樹脂枠９ｙは、図１８及び図１９に示すように、平面パターンで外縁が矩形の額縁状であり、天井部に相当する領域は存在せず、絶縁樹脂枠９ｙの上部は全面が開口している。すなわち第２の実施の形態に係る半導体装置は、第４の絶縁層としての天井部の梁部分が設けられておらず、第３の絶縁層としての絶縁樹脂枠９ｙの側壁部のみを有する点が第１の実施の形態に係る半導体装置と異なる。尚、図１９中では、説明の便宜のため、上部回路基板（７，８）より上の第１の絶縁層１０等の部材の図示を省略し、第１ユニット端子６ａ，６ｂ，６ｇ，６ｈ、第２ユニット端子６ｃ，６ｄ，６ｉ，６ｊ及び第３ユニット端子６ｅ，６ｆ，６ｋ，６ｌの上端面が例示されている。図１８に示すように、絶縁樹脂枠９ｙの開口部には第１絶縁ブスバー１２ａ及び第２絶縁ブスバー１２ｂが設けられている。
図１８に示したように、絶縁樹脂枠９ｙの内側には第１の絶縁層１０が、絶縁回路基板（２，３，４）及び上部回路基板（７，８）を含んで封止するように設けられている。第１の絶縁層１０には、第１ユニット端子６ａ，６ｂ，６ｇ，６ｈ、第２ユニット端子６ｃ，６ｄ，６ｉ，６ｊ及び第３ユニット端子６ｅ，６ｆ，６ｋ，６ｌの下部の領域が含まれ、それぞれの上部は第１の絶縁層１０の上面より上に突出している。第１の絶縁層１０の上面上には、第２の絶縁層１３が、第１ユニット端子６ａ，６ｂ，６ｇ，６ｈ、第２ユニット端子６ｃ，６ｄ，６ｉ，６ｊ及び第３ユニット端子６ｅ，６ｆ，６ｋ，６ｌのそれぞれの上部の領域を含むように封止して設けられている。第１の絶縁層、第２の絶縁層１３及び絶縁樹脂枠９ｙの側壁部は互いに密着して、十分な強度で接合されている。
第２の実施の形態に係る半導体装置の他の構造については、第１の実施の形態に係る半導体装置における同名の部材と等価であるため、重複説明を省略する。第２の実施の形態に係る半導体装置のように第４の絶縁層としての梁部分が無い場合であっても、図１８中のＥ部分に示すように、第３の絶縁層としての絶縁樹脂枠９ｙの側壁部と第１の絶縁層及び第２の絶縁層１３との間で界面が形成される。そして形成された界面を用いて、端子及び接地間の沿面距離を伸ばすことができる。
−半導体装置の製造方法−
第２の実施の形態に係る半導体装置の製造方法では、第１の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の場合と同様に、まず、モールド樹脂を有さない状態の半導体モジュールを、高温の接合処理で金属ベース１上に接合する。その後、半導体モジュールの周囲に絶縁樹脂枠９ｙを、接着剤を介して設ける。そして絶縁樹脂枠９ｙの内部に、上側の開口部を介して第１の絶縁樹脂を、第１ユニット端子６ａ，６ｂ，６ｇ，６ｈ、第２ユニット端子６ｃ，６ｄ，６ｉ，６ｊ及び第３ユニット端子６ｅ，６ｆ，６ｋ，６ｌの上端より低い位置まで注入する。そして注入した第１の絶縁樹脂を固化することにより、図１８中に示した第１の絶縁層１０を積層する。
そして金属ベース１上で、４個の半導体ユニット間の対応する端子同士を第１絶縁ブスバー１２ａ及び第２絶縁ブスバー１２ｂを用いて並列接続した後、更に第１の絶縁層１０の上に第２の絶縁樹脂を注入する。第２の絶縁樹脂は、第１ユニット端子６ａ，６ｂ，６ｇ，６ｈ、第２ユニット端子６ｃ，６ｄ，６ｉ，６ｊ及び第３ユニット端子６ｅ，６ｆ，６ｋ，６ｌの上端が覆われるように注入される。第２の絶縁樹脂の注入及び固化により、絶縁樹脂枠９ｙの内部に第２の絶縁層１３を積層する。半導体ユニットの内部では、第３の絶縁層をなす絶縁樹脂枠９ｙの側壁部と、第１の絶縁層１０及び第２の絶縁層１３とが組み合わせられ、界面が形成される。形成された界面により、第１ユニット端子６ａ，６ｂ，６ｇ，６ｈ、第２ユニット端子６ｃ，６ｄ，６ｉ，６ｊ及び第３ユニット端子６ｅ，６ｆ，６ｋ，６ｌのそれぞれと接地との間の沿面距離が大きく確保される。
第２の実施の形態に係る半導体装置の製造方法においても、第１の実施の形態の場合と同様に、金属ベース１への高温接合時に生じる封止樹脂の劣化を引き起こすことなく、最終的に、全体が一体的に樹脂封止され絶縁破壊耐性を高めた半導体ユニットを、金属ベース１上に複数並列接続できる。また第２の実施の形態に係る半導体装置の製造方法においては、第１貫通孔９ａ，第２貫通孔９ｂ，第３貫通孔９ｃが形成される絶縁樹脂枠９ｙの天井部が不要であるため、材料コストを抑えると共に製造プロセスを簡略化できる。
−その他の実施の形態−
本発明は上記の開示した実施の形態によって説明したが、この開示の一部をなす論述及び図面は、本発明を限定するものであると理解すべきではない。本開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになると考えられるべきである。
例えば図３中に例示した第１の絶縁層１０、第２の絶縁層１３ａ，１３ｂ及び第４の絶縁層としての絶縁樹脂枠９の梁部分の組み合わせパターンの場合を考える。図３に示した半導体装置の場合、梁部分の上側及び下側に形成される２つの沿面距離のうち、下側の沿面距離の方が上側の沿面距離より短かった。しかし本発明に係る半導体装置では、第１の絶縁層１０、第２の絶縁層１３ａ，１３ｂ及び第４の絶縁層となる絶縁樹脂枠９の梁部分の組み合わせパターンは、図３中の組み合わせパターンに限定されない。
例えば第１の絶縁層１０の上面を図３で示した上面位置よりも高く配置すると共に、絶縁樹脂枠９の天井部の梁部分の厚みを図３で示した厚みより薄くすることにより、梁部分の下側の沿面距離を、上側の沿面距離より長くすることもできる。梁部分の下側の沿面距離が上側の沿面距離より長くなることにより、第１の絶縁層１０の内部の梁部分の下側の位置で、ひび割れや剥離が生じた場合の絶縁破壊耐性を高めることができる。
また図１〜図１９で示した半導体装置の構造を部分的に組み合わせても本発明に係る半導体装置を実現できる。以上のとおり本発明は、上記に記載していない様々な実施の形態等を含むとともに、本発明の技術的範囲は、上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
１ 金属ベース（導体ベース）
２ 絶縁基板
３ 表面導電箔
４ 裏面導電箔
５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ 半導体チップ
６ａ，６ｂ，６ｇ，６ｈ 第１ユニット端子
６ｃ，６ｄ，６ｉ，６ｊ 第２ユニット端子
６ｅ，６ｆ，６ｋ，６ｌ 第３ユニット端子
７ 絶縁板
８ 回路パターン
９ 絶縁樹脂枠
９ａ 第１貫通孔
９ｂ 第２貫通孔
９ｃ 第３貫通孔
９ｄ，９ｅ，９ｆ，９ｇ 追加貫通孔
９ｘ 絶縁樹脂枠
９ｙ 絶縁樹脂枠
１０ 第１の絶縁層
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ 連結部
１２ａ 第１絶縁ブスバー
１２ｂ 第２絶縁ブスバー
１３，１３ａ，１３ｂ，１３ｃ 第２の絶縁層
１５，１６，１７，１８ 凸部
１９ 絶縁樹脂枠
１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄ，１９ｅ，１９ｆ，１９ｇ，１９ｈ 追加貫通孔
２２ 導体部
２９ 絶縁樹脂枠
２９ａ 溝
３９ 絶縁樹脂枠
３９ａ 段差部
９１ 天井部
９２，９３，９４，９５ 側壁部
１０１ 半導体ユニット
１０１ａ 半導体モジュール
１０１，１０２，１０３，１０４ 半導体ユニット
１０１ａ，１０２ａ，１０３ａ，１０４ａ 半導体モジュール
ＢＦ１ 第１界面
ＢＦ２ 第２界面
ＢＦ３ 第３界面

Claims (8)

  1. 導体ベースと、
    前記導体ベース上に設けられ、絶縁回路基板、前記絶縁回路基板上に搭載された半導体チップ及び前記絶縁回路基板の上に前記半導体チップに接続して設けられ前記絶縁回路基板の前記導体ベースと反対側に延びる棒状の端子を備える複数の半導体モジュールと、
    複数の前記半導体モジュール間で対応する前記端子同士を接続するブスバーと、
    前記導体ベース上で、前記半導体モジュールの周囲に設けられた箱型の絶縁樹脂枠と、
    前記絶縁樹脂枠の内側に設けられ、前記端子の上端よりも低い位置に上面を有して前記半導体モジュールを封止する第１の絶縁層と、
    前記絶縁樹脂枠の内側で前記第１の絶縁層の上に、前記端子の前記上端が埋め込まれるように設けられた第２の絶縁層と、を備え、
    前記絶縁樹脂枠の側壁部を第３の絶縁層とし、
    前記端子と、接地位置をなす前記側壁部の下端との間に、前記第１の絶縁層、前記第２の絶縁層及び前記第３の絶縁層によって形成された界面が配置されることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記絶縁樹脂枠は、梁部分及び前記梁部分の両側に形成された一対の貫通孔を有する天井部を更に備え、
    前記一対の貫通孔のそれぞれの内側には前記端子が前記梁部分から離間し、一組の端子をなして配置され、
    前記梁部分を第４の絶縁層とし、
    前記一組の端子間に、前記第１の絶縁層、前記第２の絶縁層及び前記第４の絶縁層によって形成された界面が配置されることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記導体ベースの上面には、前記絶縁樹脂枠の前記側壁部の下端が嵌合する溝、又は、前記側壁部の下端の壁面に接して前記絶縁樹脂枠を支持する凸部が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
  4. 前記絶縁樹脂枠の前記側壁部の下部は、下側の厚みが上側の厚みより薄い段差部を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置。
  5. 前記半導体装置の定格電圧は、３．３ｋＶ以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体装置。
  6. 導体ベース上に、絶縁回路基板、前記絶縁回路基板上に搭載された半導体チップ及び前記絶縁回路基板の上に前記半導体チップに接続して設けられ前記絶縁回路基板の前記導体ベースと反対側に延びる棒状の端子を備える複数の半導体モジュールを接合する工程と、
    前記導体ベース上で、前記半導体モジュールの周囲に箱型の絶縁樹脂枠を配置し、前記絶縁樹脂枠を前記導体ベースに接合する工程と、
    前記絶縁樹脂枠の内側に、前記端子の上端よりも低い位置に上面を有するように前記半導体モジュールを封止する第１の絶縁層を形成する工程と、
    前記複数の半導体モジュール間で対応し、前記第１の絶縁層の上に露出する前記端子の上部同士を接続する工程と、
    前記絶縁樹脂枠の内側で前記第１の絶縁層の上に、前記端子の前記上端が埋め込まれるように第２の絶縁層を形成する工程と、
    を含み、
    前記絶縁樹脂枠の側壁部を第３の絶縁層とし、
    前記端子と、接地位置をなす前記側壁部の下端との間に、前記第１の絶縁層、前記第２の絶縁層及び前記第３の絶縁層によって形成された界面を配置することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  7. 前記絶縁樹脂枠は、梁部分及び前記梁部分の両側に形成された一対の貫通孔を有する天井部を更に備え、
    前記一対の貫通孔のそれぞれの内側には前記端子が前記梁部分から離間し、一組の端子をなして配置され、
    前記梁部分を第４の絶縁層とし、
    前記一組の端子間に、前記第１の絶縁層、前記第２の絶縁層及び前記第４の絶縁層によって形成された界面を配置することを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
  8. 前記第１の絶縁層を形成する工程の後で、前記第２の絶縁層を形成する工程の前に、前記端子の上部同士を接続する工程を行うことを特徴とする請求項６又は７に記載の半導体装置の製造方法。
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