JP4640345B2 - 電力用半導体装置 - Google Patents
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Description
一般的に、電力用半導体装置では、大電流をスイッチング制御し、動作電流として大電流を流す必要から、半導体素子の電極と外部導体との接続は、アルミ等の太い線径の金属ワイヤを用いて複数本並列にワイヤボンディングし、固相接合されている。しかし、さらなる高電圧、大電流化の要求に対応する必要性に迫られており、ワイヤボンディング法による固相接合では、金属ワイヤの並列本数の増加や金属ワイヤの線径の増大化に繋がり、電力用半導体装置の小型化の要求に反し、逆に接合に必要な電極面積の増大を招き、構造的にも実装においても困難性が高くなり、限界に達しつつあった。これに対して、特許文献1に記載されている電力用半導体装置においては、銅製の導板である外部導体と半導体素子各電極との接続を、はんだを用いて直接接合している。これにより、大電流の通電に対応が可能となった。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る電力用半導体装置を示す略断面図である。図2は、半導体素子の表面電極と貫通孔の側壁との接続部を示す略断面図である。
図1に示すように、電力用半導体装置1の第1の半導体素子(IGBT)2は、裏面のコレクタ電極2cと、第2の半導体素子(ダイオード)3は、裏面のカソード電極3cとは、金属板4に、それぞれ、はんだ5により接合され、この金属板4の反対の面には絶縁層11aと保護金属層11bからなる複合絶縁シート11が固着されており、半導体素子2のエミッタ電極2eと第1の導体6に設けられた第1の貫通孔7の側壁とは、第1の導電性接合材9により接続され、第2の半導体素子3の表面のアノード電極3aと第1の導体6に設けられた第2の貫通孔8の側壁とは、第2の導電性接合材10により接続されている。第1の半導体素子2のゲート電極2gは、金属ワイヤ13により第2の導体12に接続されている。また、金属板4には第3の導体14がはんだ15により接合され、これら全体は樹脂16によって封止されている。
電力用半導体装置に使用される半導体素子の種類としては、表裏面に電極を備えた、例えば、表面電極として、ゲート電極とエミッタ電極、そして裏面電極として、コレクタ電極が配置されたトランジスタ機能を持った半導体素子と、ダイオード機能を持った半導体素子との2種類がある。本発明に係る電力用半導体装置1においては、この2種類の半導体素子すなわち第1の半導体素子2としてIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)と第2の半導体素子3としてダイオードとを一対で用いた場合について説明する。
半導体素子と導体の間隔を所定の値とするため、金属板4と導体6との間にはんだが凝固するまでの間、スペーサを配置することで、間隔を維持することができる。
図4の(a)は導体には貫通孔がなく、導体は半導体素子の電極表面全体に亙ってはんだで接続した場合の応力を示す。間隔が0.2mm以下では急激に応力が増加し、0.1mmでは60MPa以上にも達する。応力は間隔とともに低下するが、1.0mmでも40MPaと高い応力がかかる。
これに対して、図4の(b)は、導体に貫通孔を設けたもので、この貫通孔から半導体素子の表面電極にかけて、図2の(a)のようなフィレット形状を有する接続の場合の応力を示す。ここでは、貫通孔の径を2mmφとした。図4の(a)の場合と同様、間隔が0.2mm以下では急激に応力が増加するが、0.1mmでも40MPaに留まる。応力は間隔とともに低下し、1.0mmでは25MPaと図4の(a)に比べ、大幅に半減する。
半導体素子2および半導体素子3で発熱した熱は、金属板4、複合絶縁シート11を伝わって放熱される。さらには本実施の形態では、省略し図示されていないが、通常、複合絶縁シート11には放熱板や複数のフィンを備えたヒートシンクが接合されており、放熱、冷却性能を向上させることができ、半導体素子2および半導体素子3の温度上昇が抑制される。
図5は、本発明の実施の形態2に係る電力用半導体装置における半導体素子の表面電極と貫通孔の側壁との接続部を示す略断面図である。
本実施の形態2に係る電力半導体装置では、図5に示すように、導体6の貫通孔7の開口下部に突起高さtが0.5mm以下の突起20を設けたものである。この導体6の突起20の製造方法は、プレスにて押し込むことにより、図4に示すような貫通孔を形成すると同時に、突起20も作製することができる。その他の構成は実施の形態1と同様である。
図6は、本発明の実施の形態3に係る電力用半導体装置を示す略平面図とA−A部断面図である。図6(a)は、電力用半導体装置の平面図を示すものであり、図6(b)は、図6(a)のA−A部断面図を示す。
実施の形態3が実施の形態1と異なる点は、一つの表面電極に対して複数の貫通孔で導体と導電性接合材により電気的に接続されている点である。すなわち、半導体素子2の表面電極2eと接続する導体6には複数の貫通孔7が設けられ、また、半導体素子3の表面電極3aと接続する導体6には複数の貫通孔8が設けられており、それぞれ、はんだ9および10で表面電極と導体が接続されている。その他は、実施の形態1と同様であり、説明を省略する。
なお、貫通孔7、8の穴形状は、円形であっても楕円形であっても構わない。
図7は、本発明の実施の形態4に係る電力用半導体装置を示す略平面図である。
実施の形態4が実施の形態1と異なる点は、一つの表面電極に対して複数の貫通孔があり、導体には複数の貫通孔の間にスリットが入れられている点である。すなわち、半導体素子2のエミッタ電極2eと接続する導体6にある複数の貫通孔7の間にスリット21が設けられ、また、半導体素子3のアノード電極3aと接続する導体6にある複数の貫通孔8の間にスリット22が設けられており、それぞれ、導体6と表面電極2e、3aとの間隙において、はんだ9および10が、連接しないように、同一電極において複数箇所で、表面電極と導体とが接続されている。導体6にスリット21および22が設けられていることによって、それぞれの接続箇所において所定のフィレット形状が形成されている。その他の構成は、実施の形態1および3と同様であり、説明を省略する。
2 半導体素子(IGBT)
3 半導体素子(ダイオード)
5 はんだ
6、12、14 導体
8、9 貫通孔
9、10 導電性接合材
9a、10a テーパ部
17a、17b 開口周辺部
20 突起
21、22 スリット
Claims (1)
- 半導体素子と、
前記半導体素子の表面電極に対向して略平行に配設された貫通孔を有する導体と、
前記貫通孔の側壁と前記表面電極とを接続する導電性接合材と、
を備え、
前記導電性接合材が前記表面電極と反対面側の前記貫通孔の開口面より凸状に突出しており、
一つの前記表面電極と複数の前記貫通孔の側壁とが接続されており、
前記導体には前記貫通孔と前記貫通孔との中間部にスリットが設けられていることを特徴とする電力用半導体装置。
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