JP7154422B2 - 電力用半導体装置、電力用半導体装置の製造方法および電力変換装置 - Google Patents

電力用半導体装置、電力用半導体装置の製造方法および電力変換装置 Download PDF

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Description

本発明は、パワー半導体素子を封止したパワーモジュールと放熱部材とを熱伝導性樹脂絶縁層を介して形成された電力用半導体装置、電力用半導体装置の製造方法および電力変換装置に関する。
パワーモジュールにおいては、放熱性が重要な課題の一つである。その解決策の一つとして、放熱部材であるヒートシンクとパワーモジュールの間に、接着機能、電気的絶縁機能、および熱伝導機能を併せ持った熱伝導性樹脂絶縁層を配する電力用半導体装置が実用化されている。この熱伝導性樹脂絶縁層には、無機充填材を含有した熱硬化性樹脂シート、熱硬化性樹脂が含侵された無機成形体シート、および塗布膜などが用いられている。このような熱伝導性樹脂絶縁層は、加熱加圧処理が行われることにより、パワーモジュールとヒートシンクとの間に接着機能を発現させている。
熱伝導性樹脂絶縁層は、加熱によって樹脂が硬化する前に軟化状態となり、加圧によって樹脂が流動することで、元々有していたボイドが小さくなることで所望の電気的絶縁性能を得ている。ところが、熱伝導性樹脂絶縁層の端部では、加圧によって、樹脂が端辺より漏れ出そうとする力が働き、樹脂流れが発生する。このとき、熱伝導性樹脂絶縁層の端部周辺では、樹脂流れが発生するため、ボイドを埋めるべき樹脂が不足し、ボイドが十分には小さくならない、あるいは複数のボイドが連結して大きく成長するなどにより、所望の電気的絶縁性能が得られない場合があった。
そこで、この課題を解決するために、熱伝導性樹脂絶縁シートの厚み規定部材を設けて、熱伝導性樹脂絶縁シートの厚みを規定することで、加圧による熱伝導性絶縁樹脂シートからの樹脂の漏れ出し量を規制している（例えば、特許文献１）。
特開２０１２－１７４９６５号公報
しかしながら、特許文献１に記載の電力用半導体装置においては、熱伝導性絶縁樹脂シートの厚み規定部材を設けて、加圧時の熱伝導性絶縁樹脂シートの厚みを所望の厚みに規定しているが、加圧による熱伝導性絶縁樹脂シートからの樹脂の流れ出しを抑制することができず、熱伝導性絶縁樹脂シートの端部周辺ではボイドが発生し、電気的絶縁性が十分に得られず、電力用半導体装置の信頼性が劣化する場合があった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、加圧時の熱伝導性絶縁樹脂シートからの樹脂の流れ出しを抑制し、電気的絶縁性を得て、信頼性を向上させた電力用半導体装置を得ることを目的としている。
本発明に係る電力用半導体装置は、モジュール部と、モジュール部と接着された樹脂絶縁部材と、樹脂絶縁部材を介してモジュール部と接続された冷却部と、モジュール部と冷却部とに挟まれ、樹脂絶縁部材の周囲に配置され、樹脂絶縁部材よりも圧縮変形し易い流れ防止部材と、を備えた電力用半導体装置である。
本発明によれば、樹脂絶縁部材の外周部に流れ防止部材を設けたので、樹脂絶縁部材の端部周辺でのボイドの発生の抑制が可能となり、電力用半導体装置の信頼性を向上させることができる。
本発明の実施の形態１における電力用半導体装置を示す平面構造模式図である。 本発明の実施の形態１における電力用半導体装置を示す断面構造模式図である。 本発明の実施の形態１における電力用半導体装置の加圧前を示す断面構造模式図である。 本発明の実施の形態１における電力用半導体装置の加圧後を示す断面構造模式図である。 本発明の実施の形態１における電力用半導体装置の他の流れ防止部材の加圧前を示す断面構造模式図である。 本発明の実施の形態１における電力用半導体装置の他の流れ防止部材の加圧後を示す断面構造模式図である。 本発明の実施の形態１における電力用半導体装置の側面外観を示す外面構造模式図である。 本発明の実施の形態１における電力用半導体装置を示す平面構造模式図である。 本発明の実施の形態１における他の電力用半導体装置の側面外観を示す外面構造模式図である。 本発明の実施の形態１における他の電力用半導体装置を示す平面構造模式図である。 比較例における電力用半導体装置を示す断面構造模式図である。 比較例における電力用半導体装置を示す平面構造模式図である。 本発明の実施の形態１における流れ防止部材を示す平面構造模式図である。 本発明の実施の形態１における他の流れ防止部材を示す平面構造模式図である。 本発明の実施の形態１における他の流れ防止部材を示す平面構造模式図である。 本発明の実施の形態１における他の流れ防止部材を示す平面構造模式図である。 本発明の実施の形態１における他の流れ防止材を示す平面構造模式図である。 本発明の実施の形態１における電力用半導体装置の製造工程を示す平面構造模式図である。 本発明の実施の形態１における電力用半導体装置の製造工程を示す平面構造模式図である。 本発明の実施の形態１における電力用半導体装置の製造工程を示す平面構造模式図である。 本発明の実施の形態１における他の電力用半導体装置の製造工程を示す平面構造模式図である。 本発明の実施の形態１における他の電力用半導体装置の製造工程を示す平面構造模式図である。 本発明の実施の形態１における他の電力用半導体装置の製造工程を示す平面構造模式図である。 本発明の実施の形態２における電力用半導体装置を示す断面構造模式図である。 本発明の実施の形態２における他の電力用半導体装置を示す断面構造模式図である。 本発明の実施の形態３における電力用半導体装置を示す断面構造模式図である。 本発明の実施の形態３における電力用半導体装置の製造工程を示す断面構造模式図である。 本発明の実施の形態３における電力用半導体装置の製造工程を示す断面構造模式図である。 本発明の実施の形態３における他の電力用半導体装置を示す断面構造模式図である。 本発明の実施の形態３における他の電力用半導体装置を示す断面構造模式図である。 本発明の実施の形態４における電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。
はじめに、本発明の電力用半導体装置の全体構成について、図面を参照しながら説明する。なお、図は模式的なものであり、示された構成要素の正確な大きさなどを反映するものではない。また、同一の符号を付したものは、同一又はこれに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通することである。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における電力用半導体装置を示す平面構造模式図である。図２は、本発明の実施の形態１における電力用半導体装置を示す断面構造模式図である。図１は、封止部材５を透過して、電力用半導体装置１００を上面から見た平面構造模式図である。図２は、図１の一点鎖線ＡＡにおける断面構造模式図である。
図において、電力用半導体装置１００は、モジュール部２と、冷却部１３と、樹脂絶縁部材１２と、流れ防止部材１１と、を備えている。また、モジュール部２は、パワー半導体素子３と、板状の導電性部材４と、入出力端子６ａ，６ｂと、接合材７，８ａ，８ｂと、封止部材５と、を備えている。さらに、冷却部１３は、ヒートシンク１０と、フィン１５と、ウォータージャケット１４と、を備えている。
図において、電力用半導体装置１００は、モジュール部２と冷却部１３とを樹脂絶縁部材１２を介して接続している。流れ防止部材１１は、樹脂絶縁部材１２の外周部に樹脂絶縁部材１２を囲んで配置され、モジュール部２と冷却部１３とで挟持されている。
図１において、封止部材５は、点線にて表示し、封止部材５に封止されている部材の位置関係がわかるようにしている。電力用半導体装置１００の最外周は、冷却部１３の周縁部である。冷却部１３の周縁部よりも内側に封止部材５（モジュール部２）が配置されている。また、封止部材５の外縁よりも内側で、樹脂絶縁部材１２の外縁よりも外側に、流れ防止部材１１が配置されている。さらに、樹脂絶縁部材１２は、導電性部材４よりも外形が大きく、樹脂絶縁部材１２の外縁よりも内側に、導電性部材４が配置されている。導電性部材４の上面には、パワー半導体素子３と入出力端子６ｂとが配置されている。入出力端子６ａは、パワー半導体素子３の上面の上電極上に配置されている。
図２において、パワー半導体素子３の下面側の下電極（図示せず）は、接合材７を介して（用いて）板状の導電性部材４の上面と電気的に接合されている。また、入出力端子６ｂは、接合材８ｂを介して板状の導電性部材４の上面と電気的に接合されている。さらに、パワー半導体素子３の上面側の上電極（図示せず）は、接合材８ａを介して入出力端子６ａと電気的に接合されている。封止部材５は、板状の導電性部材４の下面である放熱面を露出して、入出力端子６ａ，６ｂの一端を封止部材５から露出し、他端を封止部材５に内包して、パワー半導体素子３と導電性部材４と入出力端子６ａ，６ｂとを封止する。封止部材５から露出した導電性部材４の下面は、樹脂絶縁部材１２を介して冷却部１３の上面（ヒートシンク１０の上面）に配置（接続）されている。
流れ防止部材１１と樹脂絶縁部材１２とは、流れ防止部材１１の圧縮に対する抵抗をＥｓｅａｌ、樹脂絶縁部材１２の圧縮に対する抵抗Ｅｓｅａｔとした時、Ｅｓｅａｌ＜Ｅｓｅａｔの関係を満たしている。言い換えると、流れ防止部材１１の圧縮抵抗は、樹脂絶縁部材１２の圧縮抵抗よりも小さく設定される。なお、ここで、圧縮に対する抵抗Ｅは、圧縮応力をσｃ、圧縮ひずみをεとした時、Ｅ＝σｃ／εで表される。その圧縮変形の形態は、弾性変形、塑性変形、ゴム弾性、あるいはその合成を含んでいる。
次に、各々の構成、材料、および材質について説明する。
まず、モジュール部２を構成する部材について説明する。
パワー半導体素子３は、上面と下面とを有している。パワー半導体素子３の上面には、上電極が形成され、下面には、下電極が形成されている。パワー半導体素子３の上電極には、接合材８ａを介して入出力端子６ａが接合されている。パワー半導体素子３は、デバイス構造としては、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、バイポーラトランジスタ、ダイオードなどが挙げられ、基板材料としては、シリコン（Ｓｉ）や炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、酸化ガリウム（ＧａＯ）などのワイドギャップ半導体が挙げられる。
導電性部材４は、板状の部材である。導電性部材４は、上面と下面とを有している。導電性部材４の上面には、パワー半導体素子３と入出力端子６ｂとが接合材７，８ｂを用いて接合されている。導電性部材４の材料としては、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、これらを主成分とする合金、カーボンナノチューブまたはグラファイトなどの炭素系材料など、優れた導電性と熱伝導性を兼ね備えた材料で構成される。また、導電性部材４の表面には、Ｎｉ－Ｐめっきなどの表面処理を行ってもよい。
封止部材５は、板状の導電性部材４の下面である放熱面を露出して、入出力端子６ａ，６ｂの一端を封止部材５の側面から露出し、他端を封止部材５に内包して、パワー半導体素子３と導電性部材４と入出力端子６ａ，６ｂとを封止する。封止部材５は、シリカなどのフィラを含むエポキシ樹脂をトランスファーモールド成形によって形成している。
入出力端子６ａ，６ｂは、モジュール部２の内部と外部とを電気的に接続する。入出力端子６ａ，６ｂは、銅などの高電導の材料で形成されている。入出力端子６ａ，６ｂは、モジュール部２の回路構成に合わせて、２本以上の複数本備えていてもよい。
接合材７は、パワー半導体素子３と導電性部材４とを接合する。接合材７は、ダイボンド材、ダイアタッチ材またはチップ下接合材とも呼ばれ、導電性と熱伝導性、更に熱負荷や衝撃に対する機械的信頼性に優れていることが重要である。接合材７の材料としては、Ｓｎ系のはんだが一般的であるが、近年では、ナノ粒子を用いた焼結Ａｇ、焼結Ｃｕ、または液相拡散（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ：ＴＬＰ）接合なども用いられており、性能とコストとのバランスの観点で適宜選択することができる。また、パワー半導体素子３と板状の導電性部材４と接合は、接合材７が明示的には存在しない、例えば、パワー半導体素子３と板状の導電性部材４との直接接合であってもよい。
接合材８ａ，８ｂは、入出力端子６ａ，６ｂとパワー半導体素子３または導電性部材４とを接合する。接合材８ａ,８ｂは、熱伝導性の重要度が接合材７ほどではないが、接合材７と同様の構成を用いることができる。また、接合材８ａ，８ｂで接合している箇所において、接合材８ａ，８ｂが明示的には存在しない、例えば、超音波接合や溶接などの直接接合を用いてしてもよい。
上記においては、モジュール部２の主配線接合として、ダイレクトリード接合（Ｄｉｒｅｃｔ Ｌｅａｄ Ｂｏｎｄｉｎｇ：ＤＬＢ）型で説明したが、一般的に用いられているアルミ（Ａｌ）または銅（Ｃｕ）ワイヤでの接合を用いることもでき、その他の接合方法であってもよい。また、モジュール部２は、トランスファーモールドタイプに限定されるものではなく、樹脂絶縁部材１２を加熱加圧できる構造であればよい。
次に、冷却部１３を構成する部材について説明する。
冷却部１３は、ヒートシンク１０とウォータージャケット１４とを備えている。ヒートシンク１０の上面が、冷却部１３の上面である。ヒートシンク１０およびフィン１５は、熱伝導性に優れた銅、アルミニウム、またはこれらの材料を主成分とする合金が一般的に用いられている。また、ヒートシンク１０およびフィン１５は、超高熱伝導性を有し、軽量であるカーボンナノチューブまたはグラファイトなどの炭素系材料であってもよく、熱伝導性に優れた他の材料であってもよい。さらに、耐腐食性または接合性の改善のために、ヒートシンク１０およびフィン１５の表面にめっき処理を施こしてもよい。ヒートシンク１０およびフィン１５の形状の形成は、機械加工で行ってもよく、鋳造または金型成形であってもよい。
ウォータージャケット１４は、ヒートシンク１０と組み合わせることで、冷却部１３を構成する。ヒートシンク１０にウォータージャケット１４を組み合わせることで、内部にフィン１５を備えた流路を形成する。ウォータージャケット１４は、軽量かつ成形性の優れた、アルミダイキャストが一般的であるが、他の材料であってもよい。
以上のように、例えば、車載用の電力用半導体装置で良く用いられているヒートシンク１０が冷却部１３の一部である構造で説明したが、冷却方式が水冷に限定されるものではない。また、ヒートシンク１０とフィン１５とが一体成型されたものに限定されるものではなく、冷却部１３として、用途に適した構造・材料を用いて構成されればよい。
次に、本発明の中核を成す樹脂絶縁部材１２および流れ防止部材１１について説明する。
樹脂絶縁部材１２は、モジュール部２の下面と冷却部１３の上面とを接続する。樹脂絶縁部材１２は、モジュール部２の導電性部材４よりも、外形が大きく設定されている。このため、樹脂絶縁部材１２の上面は、導電性部材４の下面と封止部材５の下面とに接している。樹脂絶縁部材１２は、熱伝導性および電気絶縁性に優れるだけでなく、モジュール部２と冷却部１３との接着材（接合材）として機能し、熱負荷および衝撃に対する機械的信頼性に優れているものである。このような要求を満たすための樹脂絶縁部材１２の部材としては、無機充填材を熱硬化性樹脂の硬化物中に分散させた熱伝導性シートが広く用いられている。無機充填材としては、窒化ホウ素、窒化ケイ素、またはアルミナなどが用いられている。また、熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、またはポリアミド樹脂などが用いられている。無機充填材として窒化ホウ素は、熱伝導性および電気絶縁性に加えて化学的安定性にも優れており、しかも無毒性かつ比較的安価でもあるため、特に高熱伝導性、高絶縁性が要求されるものには多く用いられる。
また、予め粒子状に形成された窒化ホウ素のような高熱伝導部材である高熱伝導無機材を加圧焼結させることにより、等方的に配向され、かつ高熱伝導無機材同士の接触面積が大きい骨材を作成し、その後、高熱伝導無機材の隙間に熱硬化性樹脂を含侵することにより、従来の熱伝導性シートより優れた樹脂絶縁部材もある。さらに、樹脂絶縁部材１２の高さ（厚み）としては、例えば、０．２ｍｍから０．４ｍｍ程度である。
流れ防止部材１１は、樹脂絶縁部材１２の外周部に樹脂絶縁部材１２を囲んで全周に亘って配置されている。流れ防止部材１１は、モジュール部２（封止部材５）の外周よりも内側に配置されている。流れ防止部材１１の上面は、封止部材５の下面と接している。流れ防止部材１１は、樹脂絶縁部材１２よりも圧縮変形し易い特性を有している。流れ防止部材１１は、モジュール部２と冷却部１３との接着時に加熱加圧される樹脂絶縁部材１２内の樹脂が樹脂絶縁部材１２の端辺（外周部）よりモジュール部２の外周側へ漏れ出そう（流れ出そう）とする力に抗して防壁となる機能を有する。流れ防止部材１１は、すなわち、樹脂絶縁部材１２に対するシール材である。
熱硬化型樹脂は、加熱時に一旦樹脂の粘度が非常に小さくなる状態がある。モジュール部２と冷却部１３とを樹脂絶縁部材１２を用いた場合の接着時、樹脂絶縁部材１２の端辺より樹脂が漏れ出そう（流れ出そう）とする最大の圧力は、静水圧的になるため、モジュール部２の上面を押す加圧条件と同程度となる。実際のモジュール部２と冷却部１３との接着時の加圧値は、樹脂絶縁部材１２の材質により異なるが、例えば、１０ＭＰａに達する場合もあり、樹脂の漏れ出し（流れ出し）圧力は、ＭＰａ台の非常に大きな値となることがある。この値の圧力に抗して樹脂をシールするためには、流れ防止部材１１の上下（モジュール部２またはヒートシンク１０の界面）に隙間が無いのは当然であるが、流れ防止部材１１の上下位置から樹脂が漏れ出さないようにするためには、流れ防止部材１１を挟持するモジュール部２およびヒートシンク１０から、流れ防止部材１１に十分な圧力がかかる状態を作る必要がある。
図３は、本発明の実施の形態１における電力用半導体装置の加圧前を示す断面構造模式図である。図４は、本発明の実施の形態１における電力用半導体装置の加圧後を示す断面構造模式図である。図３は、モジュール部２とヒートシンク１０との接着前である。図４は、モジュール部２とヒートシンク１０との接着後である。
図において、流れ防止部材１１ｂは、モジュール部２とヒートシンク１０との加圧（接着）前の樹脂流れ防止部材である。また、樹脂絶縁部材１２ｂは、モジュール部２とヒートシンク１０との加圧（接着）前の樹脂絶縁部材である。図３に示すように、加圧前の状態では、樹脂絶縁部材１２ｂの外周部（周縁部）と間隔を空けて、流れ防止部材１１ｂは配置されている。このとき、流れ防止部材１１ｂの高さは、樹脂絶縁部材１２の高さ（厚さ）よりも高く（厚く）設定されている。図４に示すように、加圧処理後、流れ防止部材１１ｂは、加圧されて、潰れることで樹脂絶縁部材１２ｂがモジュール部２の外周側へ流れることを抑制して、樹脂流れ（樹脂漏れ）を防止する。このとき、流れ防止部材１１の高さは、加圧時に圧縮され潰れることで、樹脂絶縁部材１２と、同じ高さとなる。これにより、樹脂絶縁部材１２からの樹脂流れを抑制することができる。
モジュール部２とヒートシンク１０との接着時の加熱加圧工程において、樹脂絶縁部材１２を十分に加圧しながら、流れ防止部材１１へも十分な圧力がかかる状態とするためには、流れ防止部材１１は、樹脂絶縁部材１２よりも加圧前（接着前）の高さ寸法が高く（大きく）、かつモジュール部２とヒートシンク１０との接着時の圧縮応力に対して容易に変形する材料であって、樹脂絶縁部材１２への加圧を大きくは減少させないことが重要である。
すなわち、接着前の流れ防止部材１１ｂの高さをｔ１１ｂ、接着前の樹脂絶縁部材１２ｂの高さをｔ１２ｂ、接着後の樹脂絶縁部材１２の高さをｔ１２とすると、ｔ１１ｂ＞ｔ１２ｂ＞ｔ１２かつ流れ防止部材１１の圧縮に対する抵抗をＥｓｅａｌ、樹脂絶縁部材１２の圧縮に対する抵抗Ｅｓｅａｔとした時、Ｅｓｅａｌ＜Ｅｓｅａｔの関係が成り立つ必要がある。言い換えると、接着前の流れ防止部材１１ｂの高さは、接着前の樹脂絶縁部材１２ｂの高さよりも高く設定され、かつ流れ防止部材１１の圧縮抵抗は、樹脂絶縁部材１２の圧縮抵抗よりも小さく設定される。
また、流れ防止部材１１には、モジュール部２とヒートシンク１０との接着時の加熱温度に対する耐熱性が必要である。通常、接着温度は１８０から２５０℃程度であるので、流れ防止部材１１には、少なくとも、２００℃、望ましくは２５０℃以上の耐熱性が必要である。
このような条件を満たす流れ防止部材１１の材料としては、例えば、フッ素系またはシリコーン系などのゴム材、あるいは、アルミニウム、インジウムまたは錫などの低硬度金属に代表される低圧縮抵抗材、これらの主成分とするアルミニウム合金、インジウム合金、または錫合金が考えられる。また、流れ防止部材１１の高さ（厚さ）は、流れ防止部材１１の材料に応じて適宜選択可能で、例えば、樹脂絶縁部材１２の高さの１．０５倍から２倍程度に設定することができる。さらに、流れ防止部材１１の幅は、流れ防止部材１１の厚さとのアスペクト比として、１/２から２程度の範囲で適宜選択可能である。
なお、モジュール部２とヒートシンク１０との接着前の流れ防止部材１１の断面形状は、図３に示した四角形以外にも、円、楕円や三角形、六角形など、様々な形状が考えられる。
図５は、本発明の実施の形態１における電力用半導体装置の他の流れ防止部材の加圧前を示す断面構造模式図である。図６は、本発明の実施の形態１における電力用半導体装置の他の流れ防止部材の加圧後を示す断面構造模式図である。図５は、モジュール部２とヒートシンク１０と接着前、図６は、モジュール部２とヒートシンク１０との接着後である。図５においては、流れ防止部材１１の断面形状は、円である。流れ防止部材１１の形状としては、形状の作り易さの観点からは、四角形もしくは円が望ましい。図５に示すように、流れ防止部材１１ｂの形状が円である場合においても、加圧前の状態では、樹脂絶縁部材１２と隙間を設けて、流れ防止部材１１ｂが配置されている。このとき、流れ防止部材１１ｂの高さは、樹脂絶縁部材１２の高さよりも高い。図６に示すように、加圧処理後、流れ防止部材１１ｂは、加圧されて、潰れることで樹脂絶縁部材１２がモジュール部２の外周側へ流れることを抑制して、樹脂流れを防止する。このとき、流れ防止部材１１の高さは、加圧時に圧縮され潰れることで、樹脂絶縁部材１２と、同じ高さとなる。
次に、流れ防止部材１１の平面上の（平面視における）形状について説明する。
図７は、本発明の実施の形態１における電力用半導体装置の側面外観を示す外面構造模式図である。図８は、本発明の実施の形態１における電力用半導体装置を示す平面構造模式図である。図８は、図７の一点鎖線ＢＢにおける平面構造模式図である。
図に示すように、モジュール部２とヒートシンク１０との接着前に、流れ防止部材１１ｂは、樹脂絶縁部材１２ｂの外周部の全部（全周）に近接するように（隙間を空けて）配置される。このように、流れ防止部材１１ｂを配置することで、モジュール部２とヒートシンク１０との接着時の加熱加圧による樹脂絶縁部材１２からの樹脂の流れ出しを全周にわたって防ぐことができる。樹脂の流れ出し防止のシール目的としては、樹脂絶縁部材１２ｂの周りを周回する流れ防止部材１１ｂには、機械的な弱点になりやすい繋ぎ目が無いことが望ましい。
流れ防止部材１１ｂの繋ぎ目無しの枠形状は、板状の材料から打ち抜き加工で作製することができる。流れ防止部材１１ｂの作製において、金型を用いた成形や鋳造で作製するほうが材料歩留まりの観点からは望ましい。
次に樹脂流れ防止材１１の位置決め方法について説明する。
図９は、本発明の実施の形態１における他の電力用半導体装置の外観側面を示す外面構造模式図である。図１０は、本発明の実施の形態１における他の電力用半導体装置を示す平面構造模式図である。図１０は、図９の一点鎖線ＣＣにおける断面構造模式図である。
図９、図１０には、モジュール部２と流れ防止部材１１との位置決め方法の一例を示している。図において、モジュール部２の位置決め用ピン３２は、トランスファーモールド成形によって、モジュール部２を封止部材５で封止する時に、モジュール部２の外周から突出して一体で形成される。ヒートシンク１０の上面側には、モジュール部２の位置決め用ピン３２に対応する位置に、位置決め穴が形成されており、モジュール部２の位置決め用ピン３２が位置決め穴に挿入されることで、モジュール部２のヒートシンク１０上での位置決めが行われる。流れ防止部材１１においても、ヒートシンク１０の外周側へ向かって突出した流れ防止部材１１の位置決め用突起部３１に、モジュール部２の位置決め用ピン３２に対応する位置に貫通穴を形成することにより、モジュール部２との位置決めが行われる。
上記においては、モジュール部２側にモジュール部２の位置決め用ピン３２を配置しているが、ヒートシンク１０側にモジュール部２との位置決め用ピンあるいは位置決め枠を配置することも可能である。特に、ヒートシンク１０が金型成形や鋳造で作られる場合は、位置決め用ピンあるいは位置決め枠を容易に形成することができる。
また、その他の位置決め方法として、流れ防止部材１１内に樹脂絶縁部材１２を圧入あるいは仮接着することにより、流れ防止部材１１と樹脂絶縁部材１２とを予め一体的に形成にすることも考えられる。樹脂絶縁部材１２が、例えば、窒化ホウ素の骨材に樹脂を含侵したような機械的強度がある程度ある材料の場合に好適である。
上述のように、樹脂絶縁部材１２の外周部に樹脂絶縁部材１２よりも圧縮変形し易い流れ防止部材１１を配置したので、モジュール部２と冷却部１３とを加圧して接着した場合においても、樹脂絶縁部材１２の外周部でボイドの発生が抑制される。その結果、モジュール部２と冷却部１３との接着において、絶縁性、放熱性を向上することができ、電力用半導体装置１００の信頼性を向上することができる。
次に、上述のように構成された本実施の形態１の電力用半導体装置１００の製造方法について説明する。
はじめに、電力用半導体装置１００のモジュール部２から作製する。導電性部材４の上面側に、接合材７を介してパワー半導体素子３の下電極を接合する。パワー半導体素子３の上電極と接合材８ａを介して入出力端子６ａを接合する。また、導電性部材４の上面側所定の位置に、接合材８ｂを介して入出力端子６ｂを接合する。導電性部材４の上面側にパワー半導体素子３および入出力端子６ａ，６ｂを接合後、導電性部材４の下面を露出してパワー半導体素子３および入出力端子６ａ，６ｂを封止部材５で一体的に封止することで、モジュール部２が形成される（モジュール部形成工程）。
次に、下面側にフィン１５が配置されたヒートシンク１０とフィン１５を囲んで、ヒートシンク１０の下面とウォータージャケット１４とが接合されることで冷却部１３が形成される（冷却部準備工程）。
次に、冷却部１３（ヒートシンク１０）の上面側に樹脂絶縁部材１２（１２ｂ）を配置する（樹脂絶縁部材配置工程）。樹脂絶縁部材１２を配置後、樹脂絶縁部材１２の外周部に樹脂絶縁部材１２の周縁から離間して、流れ防止部材１１（１１ｂ）を配置する（樹脂絶縁部材および流れ防止部材配置工程）。
冷却部１３の上面に、配置された樹脂絶縁部材１２の上面とモジュール部２の導電性部材４の下面とが接するように、モジュール部２を配置する（モジュール部配置工程）。
冷却部１３の上面にモジュール部２を配置後、モジュール部２と冷却部１３とを加熱加圧することでモジュール部２と冷却部１３とを接着する（モジュール部接着工程）。このとき、流れ防止部材１１は、樹脂絶縁部材１２よりも圧縮変形に対する抵抗が小さく（圧縮変形し易く）設定しているので、モジュール部２側から加圧することで、流れ防止部材１１ｂがつぶれて、樹脂絶縁部材１２ｂがモジュール部２の外周外へ漏れ出すことを防止する。
以上の主要な製造工程を経ることで、図１、図２に示す電力用半導体装置１００が製造できる。
流れ防止部材１１の平面上の形状について鋭意研究の結果、樹脂絶縁部材１２の外周領域に配置される流れ防止部材１１の一部に繋ぎ目を設けても、モジュール部２とヒートシンク１０（冷却部１３）との間の電気的絶縁性が確保できる場合があることが分かった。
図１１は、比較例における電力用半導体装置を示す断面構造模式図である。図１２は、比較例における電力用半導体装置を示す平面構造模式図である。図１１は、図１２の一点鎖線ＤＤにおける断面構造模式図である。図１２において、樹脂絶縁部材１２から流れ出した樹脂４１の状態がわかりやすくするために、入出力端子６ａ，６ｂを点線で表示している。図１１、図１２に示すように、流れ防止部材１１を設けていない場合、樹脂絶縁部材１２から樹脂４１が流れ出し、樹脂絶縁部材１２から流れ出した樹脂４１の流れ出
し量は、樹脂絶縁部材１２の四辺の各々の中央部が多く、辺の角部では、流れ出し量は、ほぼ無い。すなわち、モジュール部２と冷却部１３との接着前に、樹脂絶縁部材１２の辺の角部にあった樹脂が、モジュール部２と冷却部１３との接着（加圧）によって、辺の中央部に引き寄せられ、辺の角部では樹脂が不足状態になっている。このため、電力用半導体装置の絶縁破壊は、樹脂絶縁部材１２の辺の角部で発生するのが一般的である。
すなわち、流れ防止部材１１の繋ぎ目を樹脂絶縁部材１２の辺の角部周囲に配置することで、流れ防止部材１１の繋ぎ目より樹脂が流れ出しても、樹脂絶縁部材の辺の角部の樹脂不足が起こらず、良好な絶縁耐圧が得られることがわかった。
ここで、上記知見を踏まえた流れ防止部材１１の平面上の（平面視における）形状の変形例について説明する。
図１３から図１７は、本発明の実施の形態１における流れ防止部材を示す平面構造模式図である。
図において、流れ防止部材１１ｂと合わせて、樹脂絶縁部材１２ｂも図示している。図１３は、図８に示した構造と同様の繋ぎ目なしの流れ防止部材１１ｂである。図１３では、流れ防止部材１１ｂは、繋ぎ目なく、樹脂絶縁部材１２ｂの外周部に配置されている。図１４から図１６においては、流れ防止部材１１ｂの繋ぎ目が、樹脂絶縁部材１２ｂの辺の角部領域に一箇所設けた構造例である。図１４では、流れ防止部材１１ｂの繋ぎ目部は、樹脂絶縁部材１２ｂの辺の角部で接触（接続）している構造である。図１５では、流れ防止部材１１ｂの繋ぎ目部で、流れ防止部材１１が二重になった構造である。図１６では、流れ防止部材１１ｂが樹脂絶縁部材１２ｂの辺の角部で交差して繋ぎ目部がおよそ平面に沿った構造である。また、図１７では、複数の流れ防止部材１１ｂを用いており、流れ防止部材１１ｂの繋ぎ目部が辺の角部の四箇所にあるもので、繋ぎ目が複数あるものの一例である。
流れ防止部材１１ｂの各々の繋ぎ目部は、図１５または図１６の繋ぎ目のようであってもよい。図１４から図１６に示した流れ防止部材１１ｂの繋ぎ目が、一箇所のものであれば、一本の線材によって、流れ防止部材１１ｂが形成可能であり、また、図１７に示したような流れ防止部材１１辺の角部における繋ぎ目が複数箇所の場合は、複数の線材によって流れ防止部材１１ｂを構成することが可能である。このように、流れ防止部材１１ｂは、線材であり、樹脂絶縁部材１２ｂの外周部における流れ防止部材１１ｂの交差部または接続部が、樹脂絶縁部材１２ｂの角部にある。
次に、上記の流れ防止部材１１を含む流れ防止部材１１の位置決め方法の変形例について説明する。
上述のように、流れ防止部材１１として、線材を用いている場合には、図９、図１０に示したような流れ防止部材１１の位置決め用突起部３１を形成するよりも、モジュール部２またはヒートシンク１０の少なくとも一方に流れ防止部材１１の位置決め用の溝３３，３４を形成し、この流れ防止部材１１の位置決め用の溝３３，３４に線材をはめ込む方が容易である。
図１８から図２３は、本発明の実施の形態１における電力用半導体装置の製造工程を示す平面構造模式図である。図１８から図２０は、ヒートシンク１０の上面に流れ防止部材１１の位置決め用の溝３３を形成した場合である。図２１から図２３は、モジュール部２の下面に流れ防止部材１１の位置決め用の溝３４を形成した場合である。モジュール部２と冷却部１３との接着前の流れ防止部材１１ｂの断面形状は、図１８から図２０の場合は、円である。図２１から図２３の場合は、四角である。いずれの場合においても、流れ防止部材１１の位置決め用の溝３３，３４の形成箇所によらず、流れ防止部材１１の断面形状は、円、四角あるいは他の断面形状であっても適用可能である。
ヒートシンク１０の上面に位置決め用の溝３３を形成した場合において、図１８に示すように、切削などの機械加工、望ましくは、鋳造もしくは金型成形によりヒートシンク１０の上面に位置決め用の溝３３を設ける。次に、図１９に示すように、位置決め用の溝３３にはめ込むように接着前の流れ防止部材１１ｂを配置する。その後、接着前の樹脂絶縁部材１２ｂを流れ防止部材１１ｂを利用して、流れ防止部材１１ｂで囲まれた領域内に配置し、モジュール部２をヒートシンク１０の上面側に配置して、加熱加圧することで、図２０に示す形態が得られる。なお、上述したように、流れ防止部材１１ｂを配置した後に、樹脂絶縁部材１２ｂを配置する方が、樹脂絶縁部材１２ｂの位置決めが容易であるが、流れ防止部材１１ｂと樹脂絶縁部材１２ｂとの配置の順が逆であっても構わない。
モジュール部２の下面に流れ防止部材１１の位置決め用の溝３４を形成した場合において、図２１に示すように、モジュール部２のトランスファーモールド成形時に、モジュール部２の下面に流れ防止部材１１の位置決め用の溝３４を金型形状によって同時に形成する。次に、図２２に示すように、流れ防止部材１１の位置決め用の溝３４に、はめ込むように接着前の流れ防止部材１１ｂを配置する。その後、接着前の樹脂絶縁部材１２ｂを流れ防止部材１１ｂを利用して流れ防止部材１１ｂで囲まれた領域内に配置し、ヒートシンク１０をモジュール部２の下面側に配置して、加熱加圧することで、図２３に示す形態が得られる。なお、上述したように流れ防止部材１１ｂを配した後に、樹脂絶縁部材１２ｂを配置する方が、樹脂絶縁部材１２ｂの位置決めが容易であるが、流れ防止部材１１ｂと樹脂絶縁部材１２ｂとの配置の順が逆であっても構わない
さらに、流れ防止部材１１の位置決め方法のその他の例について説明する。流れ防止部材１１とヒートシンク１０とが、例えば、アルミニウムのような金属である場合、流れ防止部材１１は、ヒートシンク１０の上面に直接接着（接合）することが可能である。図１８に示したような位置決め用の溝３３を形成せずに、例えば、ワイヤボンダーのような設備を用いて、ワイヤボンディングすることで、ボンディングワイヤを用いた流れ防止部材１１をヒートシンク１０の上面上に配置することができる。この場合、直接接着の手段としては、超音波接合のような固相接合以外にもレーザー溶接を用いたスポット溶接なども適用可能である。
以上のように構成された電力用半導体装置１００においては、樹脂絶縁部材１２の外周部に樹脂絶縁部材１２よりも圧縮変形し易い流れ防止部材１１を配置したので、モジュール部２と冷却部１３とを加圧して接着した場合においても、樹脂絶縁部材１２の外周部でボイドの発生が抑制される。この結果、モジュール部２と冷却部１３との接着において、絶縁性、放熱性を向上することができ、電力用半導体装置１００の信頼性を向上することができる。
実施の形態２．
本実施の形態２においては、実施の形態１で用いた樹脂絶縁部材１２の外周部にモジュール部２の下面または冷却部１３の上面（ヒートシンク１０の上面）から突出した突起部２２，２３を設けたことが異なる。このように、樹脂絶縁部材１２の外周部にモジュール部２の下面または冷却部１３の上面（ヒートシンク１０の上面）から突出した突起部２２，２３を形成したので、流れ防止部材１１は、突起部２２，２３と突起部２２，２３と対向する面とによって加圧圧縮され、樹脂絶縁部材１２の外周部でボイドの発生が抑制される。この結果、モジュール部２と冷却部１３との接着において、絶縁性、放熱性を向上することができ、電力用半導体装置１００の信頼性を向上することができる。なお、その他の点については、実施の形態１と同様であるので、詳しい説明は省略する。
図２４は本発明の実施の形態２における電力用半導体装置を示す断面構造模式図である。図において、電力用半導体装置２００は、モジュール部２と、冷却部１３と、樹脂絶縁部材１２と、流れ防止部材１１と、を備えている。また、モジュール部２は、パワー半導体素子３と、板状の導電性部材４と、入出力端子６ａ，６ｂと、接合材７，８ａ，８ｂと、封止部材５と、第一突起部である突起部２２と、を備えている。さらに、冷却部１３は、ヒートシンク１０と、フィン１５と、ウォータージャケット１４と、を備えている。
図において、電力用半導体装置２００は、モジュール部２と冷却部１３とを樹脂絶縁部材１２を介して接続している。流れ防止部材１１は、樹脂絶縁部材１２の外周部に配置され、モジュール部２の下面から突出した突起部２２と冷却部１３（ヒートシンク１０）とで挟持されている。すなわち、流れ防止部材１１は、突起部２２のヒートシンク１０と対向する面上に配置される。樹脂絶縁部材１２の外周部には、モジュール部２の下面から突出した突起部２２が配置されており、突起部２２によって、樹脂絶縁部材１２の位置決めが可能となる。突起部２２と流れ防止部材１１の接触面の平面形状は、流れ防止部材１１の平面形状と同様であることが望ましい。
このように、樹脂絶縁部材１２の外周部に突起部２２と流れ防止部材１１とを形成したので、加熱加圧処理によりモジュール部２と冷却部１３との接着時に、樹脂絶縁部材１２のボイド発生を抑制しながら、樹脂絶縁部材１２の流れ出しを防止することができる。
次に、本発明の実施の形態２における製造工程の一例について説明する。モジュール部２の下面に形成される突起部２２は、モジュール部形成工程において、トランスファーモールド成形などで、封止部材（モールド樹脂）５が形成されるときに同時に形成することができる。その後、樹脂絶縁部材および流れ防止部材配置工程において、突起部２２の流れ防止部材１１との接触面となる部分に、シリコーンゴムなどの塗布可能な材料で、流れ防止部材１１となる材料を塗布し、熱処理等で硬化させることにより、流れ防止部材１１を形成する。このような製造工程を経ることよって安価に樹脂流れ防止構造を作製することができる。そして、突起部２２によって、流れ防止部材１１は、樹脂絶縁部材１２よりも薄い厚みで、樹脂絶縁部材１２からの樹脂の流れ出し抑制効果を得ることができる。
図２５は、本発明の実施の形態２における他の電力用半導体装置を示す断面構造模式図である。図において、電力用半導体装置２０１は、モジュール部２と、冷却部１３と、樹脂絶縁部材１２と、流れ防止部材１１と、を備えている。また、モジュール部２は、パワー半導体素子３と、板状の導電性部材４と、入出力端子６ａ，６ｂと、接合材７，８ａ，８ｂと、封止部材５と、を備えている。さらに、冷却部１３は、ヒートシンク１０と、フィン１５と、ウォータージャケット１４と、を備えている。ヒートシンク１０は、上面に第二突起部である突起部２３を備えている。
図において、電力用半導体装置２０１は、モジュール部２と冷却部１３とを樹脂絶縁部材１２を介して接続している。流れ防止部材１１は、樹脂絶縁部材１２の外周部に配置され、ヒートシンク１０の上面から突出した突起部２３とモジュール部２とで挟持されている。すなわち、流れ防止部材１１は、突起部２３のモジュール部２と対向する面上に配置される。樹脂絶縁部材１２の外周部には、ヒートシンク１０の上面から突出した突起部２３が配置されており、突起部２３によって、樹脂絶縁部材１２の位置決めが可能となる。突起部２３と流れ防止部材１１の接触面の平面形状は、流れ防止部材１１の平面形状と同様であることが望ましい。
このように、樹脂絶縁部材１２の外周部に突起部２３と流れ防止部材１１とを形成したので、加熱加圧処理によりモジュール部２と冷却部１３との接着時に、樹脂絶縁部材１２のボイド発生を抑制しながら、樹脂絶縁部材１２の流れ出しを防止することができる。
次に、本発明の実施の形態２における製造工程の一例について説明する。ヒートシンク１０の上面に形成される突起部２３は、ヒートシンク１０と一体であり、ヒートシンク１０の作製時に、切削などの機械加工、望ましくは、鋳造もしくは金型成形で形成される。その後、樹脂絶縁部材および流れ防止部材配置工程において、突起部２３の流れ防止部材１１との接触面となる部分に、シリコーンゴムなどの塗布可能な材料で、流れ防止部材１１となる材料を塗布し、熱処理等で硬化させることにより、流れ防止部材１１を形成する。このような製造工程を経ることよって安価に樹脂流れ防止構造を作製することができる。そして、突起部２３によって、流れ防止部材１１は、樹脂絶縁部材１２よりも薄い厚みで、樹脂絶縁部材１２からの樹脂の流れ出し抑制効果を得ることができる。
本実施の形態２では、流れ防止部材１１は、必ずしも塗布材である必要はなく、実施の形態１で記載した各種の材料、形態を用いることができる。この場合、流れ防止部材１１の厚さが図３のｔ１１ｂと異なる厚み、例えば、標準部材（一般的な厚みのシール部材）を用いた場合であっても、突起部２２，２３の高さを調整することで、標準部材でも、樹脂絶縁部材１２からの樹脂の流れ出しを抑制する効果を得ることができる。つまり、突起部２２，２３は、流れ防止部材１１に対する補助部材として機能する。また、モジュール部２の下面側からの突起部２２とヒートシンク１０の上面側からの突起部２３の両方を設けることも可能である。この場合、流れ防止部材１１は、突起部２２と突起部２３とで挟持される。なお、本実施の形態２においては、突起部２２および突起部２３の少なくともいずれか一方と流れ防止部材１１とを用いた場合の厚み（高さ）は、最終形状として、図４等に示したｔ１２となるように設定される。
以上のように構成された電力用半導体装置２００においては、樹脂絶縁部材１２の外周部に樹脂絶縁部材１２よりも圧縮変形し易い流れ防止部材１１を配置したので、モジュール部２と冷却部１３とを加圧して接着した場合においても、樹脂絶縁部材１２の外周部でボイドの発生が抑制される。この結果、モジュール部２と冷却部１３との接着において、絶縁性、放熱性を向上することができ、電力用半導体装置２００の信頼性を向上することができる。
また、流れ防止部材１１は、突起部２２，２３に形成されるので、突起部２２，２３と流れ防止部材１１との位置決めが不要となる。
さらに、突起部２２，２３を用いることで、流れ防止部材１１に対する樹脂絶縁部材１２の位置決めが容易にできる。
実施の形態３．
本実施の形態３においては、実施の形態１で用いた流れ防止部材１１の外周部に、モジュール部２の下面または冷却部１３の上面（ヒートシンク１０の上面）から突出した流れ防止補強壁２４，２５，２６を形成したことが異なる。このように、流れ防止部材１１の外周部にモジュール部２の下面または冷却部１３の上面（ヒートシンク１０の上面）から突出した流れ防止補強壁２４，２５，２６を形成したので、樹脂絶縁部材１２からの樹脂の流れ出し圧力が高い場合でも、流れ防止補強壁２４，２５，２６を設けたことで樹脂の流れ出しを抑制でき、樹脂絶縁部材１２の外周部でボイドの発生が抑制される。この結果、モジュール部２と冷却部１３との接着において、絶縁性、放熱性を向上することができ、電力用半導体装置３００の信頼性を向上することができる。なお、その他の点については、実施の形態１と同様であるので、詳しい説明は省略する。
図２６は本発明の実施の形態３における電力用半導体装置を示す断面構造模式図である。図において、電力用半導体装置３００は、モジュール部２と、冷却部１３と、樹脂絶縁部材１２と、流れ防止部材１１と、を備えている。また、モジュール部２は、パワー半導体素子３と、板状の導電性部材４と、入出力端子６ａ，６ｂと、接合材７，８ａ，８ｂと、封止部材５と、流れ防止補強壁２４と、を備えている。さらに、冷却部１３は、ヒートシンク１０と、フィン１５と、ウォータージャケット１４と、を備えている。
図において、電力用半導体装置３００は、モジュール部２と冷却部１３とを樹脂絶縁部材１２を介して接続している。流れ防止部材１１は、樹脂絶縁部材１２の外周部に配置され、モジュール部２と冷却部１３（ヒートシンク１０）とで挟持されている。また、流れ防止部材１１の外周部には、モジュール部２の下面からヒートシンク１０の上面へ向かって突出した流れ防止補強壁２４が配置されている。モジュール部２と冷却部１３との接着後において、流れ防止補強壁２４は、冷却部１３の上面（ヒートシンク１０の上面）とに隙間を有している。
このように、流れ防止部材１１の外周部にモジュール部２の下面から突出した流れ防止補強壁２４を形成したので、加熱加圧処理によりモジュール部２と冷却部１３との接着時に、樹脂絶縁部材１２からの樹脂の流れ出し圧力が高い場合でも、樹脂絶縁部材１２のボイド発生を抑制しながら、樹脂絶縁部材１２の流れ出しを防止することができる。
流れ防止補強壁２４は、モジュール部形成工程において、トランスファーモールド成形などで、封止部材（モールド樹脂）５が形成されるときに同時に形成するのが望ましい。
次に、樹脂流れ防止補強壁２４の効果について説明する。
図２７は、本発明の実施の形態３における電力用半導体装置の製造工程を示す断面構造模式図である。図２８は、本発明の実施の形態３における電力用半導体装置の製造工程を示す断面構造模式図である。図２７は、モジュール部２と冷却部１３との接着前の状態を示している。図２８は、モジュール部２と冷却部１３との接着後の状態を示している。図において、流れ防止部材１１ｂは、モジュール部２と冷却部１３との接着前の流れ防止材で、樹脂絶縁部材１２ｂは、モジュール部２と冷却部１３との接着前の樹脂絶縁部材である。流れ防止部材１１（１１ｂ）の外周側に、流れ防止補強壁２４が配置され、流れ防止部材１１（１１ｂ）の内周側に、樹脂絶縁部材１２（１２ｂ）が配置されている。
本発明の実施の形態１でも述べたように、樹脂絶縁部材１２から流れ出す樹脂の流れ出し圧力はＭＰａ台の非常に大きな値の場合がある。このとき、流れ防止部材１１が、ゴムのように圧縮に対する抵抗Ｅｓｅａｌが非常に小さい場合、樹脂絶縁部材１２からの樹脂の流れ出し圧力に対して、流れ防止部材１１を挟持するモジュール部２およびヒートシンク１０からの圧力のみでは支えきれないことがある。このため、モジュール部２と冷却部１３との接着時の加熱加圧工程において、樹脂絶縁部材１２は、十分に加圧されて圧縮される必要がある。もし、流れ防止部材１１と樹脂絶縁部材１２とが十分に加圧されて圧縮される前に、流れ防止補強壁２４がヒートシンク１０の上面に接触すると、流れ防止補強壁２４が、モジュール部２の上面からの加圧力を支えるようになる。これ以降は、加圧力が流れ防止部材１１と樹脂絶縁部材１２に十分には加わらなくなり、樹脂絶縁部材１２に内在するボイドが縮小せず、耐圧不良を起こす可能性がある。
すなわち、図２８に示すように、流れ防止部材１１の高さをｔｓｅａｌ、流れ防止補強壁２４の高さをｔｗ、とした時ｔｓｅａｌ＞ｔｗの関係を満たすことが望ましい。言い換えると、流れ防止部材１１の高さは、流れ防止補強壁２４の高さよりも高く設定される。ここで、流れ防止部材１１の高さと樹脂絶縁部材１２の高さは、概略同じであるが、流れ防止補強壁２４の高さとの比較容易性から、隣接する流れ防止部材１１の高さで規定している。
他方、流れ防止補強壁２４とヒートシンク１０との隙間は、少なければ少ないほど樹脂絶縁部材１２からの樹脂に対するシール性が高まるため、寸法公差の許す範囲で隙間ゼロに近づけるのが望ましい。流れ防止補強壁２４の高さ（突出量）としては、例えば、樹脂絶縁部材１２の高さ（厚み）の０．５倍から０．９５倍の範囲で設定することができる。なお、流れ防止補強壁２４とヒートシンク１０の上面との間に隙間がある場合、流れ防止部材１１の一部が、流れ防止補強壁２４側へ流れ出していてもよい。
このように、流れ防止部材１１の外周部で、モジュール部２の下面に流れ防止補強壁２４を形成したので、加熱加圧処理によりモジュール部２と冷却部１３との接着時に、樹脂絶縁部材１２から漏れ出す樹脂の流れ出し圧力が非常に大きな場合においても、樹脂絶縁部材１２のボイド発生を抑制しながら、樹脂絶縁部材１２の流れ出しを防止することができる。
図２９は、本発明の実施の形態３における他の電力用半導体装置を示す断面構造模式図である。図３０は、本発明の実施の形態３における他の電力用半導体装置を示す断面構造模式図である。
図２９において、電力用半導体装置４００は、モジュール部２と、冷却部１３と、樹脂絶縁部材１２と、流れ防止部材１１と、を備えている。また、モジュール部２は、パワー半導体素子３と、板状の導電性部材４と、入出力端子６ａ，６ｂと、接合材７，８ａ，８ｂと、封止部材５と、を備えている。さらに、冷却部１３は、ヒートシンク１０と、フィン１５と、ウォータージャケット１４と、を備えている。ヒートシンク１０は、流れ防止部材１１の外周部に、ヒートシンク１０の上面からモジュール部２の下面へ向けて突出した流れ防止補強壁２５を備えている。
図において、電力用半導体装置４００は、モジュール部２と冷却部１３とを樹脂絶縁部材１２を介して接続している。流れ防止部材１１は、樹脂絶縁部材１２の外周部に配置され、モジュール部２と冷却部１３（ヒートシンク１０）とで挟持されている。また、流れ防止部材１１の外周部には、ヒートシンク１０の上面からモジュール部２の下面へ向けて突出した流れ防止補強壁２５が配置されている。流れ防止補強壁２５は、ヒートシンク１０と一体で形成されており、切削などの機械加工、望ましくは、鋳造もしくは金型成形で形成することができる。なお、流れ防止補強壁２５とモジュール部２の下面との間に隙間がある場合、流れ防止部材１１の一部が、流れ防止補強壁２５側へ流れ出していてもよい。
また、図３０に示すように、ヒートシンク１０の上面の中央領域を掘り込み形状とし、掘り込んだ領域の外周部を流れ防止補強壁２６としてもよい。流れ防止補強壁２６の形状は、上記の流れ防止補強壁２５の場合と同様に、ヒートシンク１０の作製時に、切削などの機械加工、望ましくは、鋳造もしくは金型成形で形成することができる。
このように、流れ防止部材１１の外周部で、ヒートシンク１０の上面に流れ防止補強壁２５，２６を形成したので、加熱加圧処理によりモジュール部２と冷却部１３との接着時に、樹脂絶縁部材１２から漏れ出す樹脂の流れ出し圧力が非常に大きな場合においても、樹脂絶縁部材１２のボイド発生を抑制しながら、樹脂絶縁部材１２の流れ出しを防止することができる。また、流れ防止補強壁２５，２６と流れ防止部材１１（１１ｂ）と樹脂絶縁部材１２（１２ｂ）との関係は、上述の流れ防止補強壁２４と流れ防止部材１１（１１ｂ）と樹脂絶縁部材１２（１２ｂ）と同じである。
モジュール部２において、主配線接合としてダイレクトリード接合（Ｄｉｒｅｃｔ Ｌｅａｄ Ｂｏｎｄｉｎｇ）型で説明したが、一般的に用いられているアルミ（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）ワイヤ接合を用いることもできるし、他の接合方法であっても良い。また、モジュール部２は、トランスファーモールドタイプに限定されるものではなく、樹脂絶縁部材１２を加熱加圧できる構造であればよい。
このように、流れ防止部材１１の外周部にヒートシンク１０の上面から突出した流れ防止補強壁２５，２６を形成したので、加熱加圧処理によりモジュール部２と冷却部１３との接着時に、樹脂絶縁部材１２からの樹脂の流れ出し圧力が高い場合でも、樹脂絶縁部材１２のボイド発生を抑制しながら、樹脂絶縁部材１２の流れ出しを防止することができる。
また、冷却部１３に関しては、車載用の電力用半導体装置で、一般的に良く用いられているヒートシンク１０が水冷の冷却部１３の一部をなす構造で説明したが、冷却方式としては、水冷に限定されるものではない。さらに、ヒートシンク１０とフィン１５とが一体的に形成されたものに限定されるのでなく、用途に適した構造・材料を適用することができる。
以上のように構成された電力用半導体装置３００，４００，５００においては、樹脂絶縁部材１２の外周部に樹脂絶縁部材１２よりも圧縮変形し易い流れ防止部材１１を配置したので、モジュール部２と冷却部１３とを加圧して接着した場合においても、樹脂絶縁部材１２の外周部でボイドの発生が抑制される。この結果、モジュール部２と冷却部１３との接着において、絶縁性、放熱性を向上することができ、電力用半導体装置３００，４００，５００の信頼性を向上することができる。
また、流れ防止部材１１の外周部に流れ防止補強壁２４，２５，２６を形成したので、加熱加圧処理によりモジュール部２と冷却部１３との接着時に、樹脂絶縁部材１２から漏れ出す樹脂の流れ出し圧力が非常に大きな場合においても、樹脂絶縁部材１２のボイド発生を抑制しながら、樹脂絶縁部材１２の流れ出しを防止することができる。
実施の形態４．
本実施の形態４は、上述した実施の形態１から３のいずれかに係る電力用半導体装置を電力変換装置に適用したものである。本発明は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、実施の形態４として、三相のインバータに本発明を適用した場合について説明する。
図３１は、本発明の実施の形態４における電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。
図３１に示す電力変換システムは、電源１０００、電力変換装置２０００、負荷３０００を備えている。電源１０００は、直流電源であり、電力変換装置２０００に直流電力を供給する。電源１０００は種々のもので構成することができ、例えば、直流系統、太陽電池、蓄電池で構成することができるし、交流系統に接続された整流回路、ＡＣ／ＤＣコンバータなどで構成することとしてもよい。また、電源１０００を、直流系統から出力される直流電力を所定の電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータによって構成することとしてもよい。
電力変換装置２０００は、電源１０００と負荷３０００との間に接続された三相のインバータであり、電源１０００から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷３０００に交流電力を供給する。電力変換装置２０００は、図３１に示すように、電源１０００から入力される直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路２００１と、主変換回路２００１を制御する制御信号を主変換回路２００１に出力する制御回路２００３とを備えている。
負荷３０００は、電力変換装置２０００から供給された交流電力によって駆動される三相の電動機である。なお、負荷３０００は特定の用途に限られるものではなく、各種電気機器に搭載された電動機であり、例えば、ハイブリッド自動車、電気自動車、鉄道車両、エレベーター、空調機器向けの電動機等として用いられる。
以下、電力変換装置２０００の詳細を説明する。主変換回路２００１は、電力用半導体装置２００２に内蔵されたスイッチング素子と還流ダイオードとを備えており（図示せず）、スイッチング素子がスイッチングすることによって、電源１０００から供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷３０００に供給する。主変換回路２００１の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態にかかる主変換回路２００１は２レベルの三相フルブリッジ回路であり、６つのスイッチング素子とそれぞれのスイッチング素子に逆並列に接続された６つの還流ダイオードとから構成することができる。主変換回路２００１は、各スイッチング素子、各還流ダイオードなどを内蔵する上述した実施の形態１から５のいずれかに相当する電力用半導体装置２００２によって構成される。６つのスイッチング素子は２つのスイッチング素子ごとに直列接続され上下アームを構成し、各上下アームはフルブリッジ回路の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を構成する。各上下アームの出力端子、すなわち主変換回路２００１の３つの出力端子は、負荷３０００に接続される。
また、主変換回路２００１は、各スイッチング素子を駆動する駆動回路（図示なし）を備えている。駆動回路は電力用半導体装置２００２に内蔵されていてもよいし、電力用半導体装置２００２とは別に駆動回路を備える構成であってもよい。駆動回路は、主変換回路２００１のスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成し、主変換回路２００１のスイッチング素子の制御電極に供給する。具体的には、後述する制御回路２００３からの制御信号に従い、スイッチング素子をオン状態にする駆動信号とスイッチング素子をオフ状態にする駆動信号とを各スイッチング素子の制御電極に出力する。スイッチング素子をオン状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以上の電圧信号（オン信号）であり、スイッチング素子をオフ状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以下の電圧信号（オフ信号）となる。
制御回路２００３は、負荷３０００に所望の電力が供給されるよう主変換回路２００１のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷３０００に供給すべき電力に基づいて主変換回路２００１の各スイッチング素子がオン状態となるべき時間（オン時間）を算出する。例えば、出力すべき電圧に応じてスイッチング素子のオン時間を変調するＰＷＭ制御によって主変換回路２００１を制御することができる。また、各時点においてオン状態となるべきスイッチング素子にはオン信号を出力し、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号を出力されるように、主変換回路２００１が備える駆動回路に制御指令（制御信号）を出力する。駆動回路は、この制御信号に従い、各スイッチング素子の制御電極にオン信号又はオフ信号を駆動信号として出力する。
以上のように構成された本実施の形態４に係る電力変換装置においては、主変換回路２００１の電力用半導体装置２００２として実施の形態１から３にかかる電力用半導体装置を適用するため、信頼性向上を実現することができる。
本実施の形態では、２レベルの三相インバータに本発明を適用する例を説明したが、本発明は、これに限られるものではなく、種々の電力変換装置に適用することができる。本実施の形態では、２レベルの電力変換装置としたが３レベル、マルチレベルの電力変換装置であってもよいし、単相負荷に電力を供給する場合には単相のインバータに本発明を適用してもよい。また、直流負荷等に電力を供給する場合にはＤＣ／ＤＣコンバータ、ＡＣ／ＤＣコンバータなどに本発明を適用することもできる。
また、本発明を適用した電力変換装置は、上述した負荷が電動機の場合に限定されるものではなく、例えば、放電加工機、レーザー加工機、誘導加熱調理器、非接触器給電システムの電源装置等として用いることもでき、さらには、太陽光発電システム、蓄電システム等のパワーコンディショナーとして用いることもできる。
特に、パワー半導体素子３として、ＳｉＣを用いた場合、電力用半導体素子はその特徴を生かすために、Ｓｉの時と比較してより高温で動作させることになる。ＳｉＣデバイスを搭載する電力用半導体装置においては、より高い信頼性が求められるため、高信頼の電力用半導体装置を実現するという本発明のメリットはより効果的なものとなる。
上述した実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと解されるべきである。本発明の範囲は、上述した実施形態の範囲ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。また、上記の実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより発明を形成してもよい。
２ モジュール部、３ パワー半導体素子、４ 導電性部材、５ 封止部材、６ａ，６ｂ 入出力端子、７，８ａ，８ｂ 接合材、１０ ヒートシンク、１１，１１ｂ 流れ防止部材、１２，１２ｂ 樹脂絶縁部材、１３ 冷却部、１４ ウォータージャケット、１５ フィン、２２，２３ 突起部、２４，２５，２６ 流れ防止補強壁、３１ 位置決め用突起部、３２ 位置決め用ピン、３３，３４ 位置決め用溝、４１ 樹脂、１００，２００，２０１，３００，４００，５００，２００２ 電力用半導体装置、１０００ 電源、２０００ 電力変換装置、２００１ 主変換回路、２００３ 制御回路、３０００ 負荷。

Claims (14)

  1. モジュール部と、
    前記モジュール部と接着された樹脂絶縁部材と、
    前記樹脂絶縁部材を介して前記モジュール部と接続された冷却部と、
    前記モジュール部と前記冷却部とに挟まれ、前記樹脂絶縁部材の周囲に配置され、前記樹脂絶縁部材よりも圧縮変形し易い流れ防止部材と、
    を備えた電力用半導体装置。
  2. 前記モジュール部には、前記樹脂絶縁部材よりも外周側に第一突起部が設けられ、前記流れ防止部材は、前記第一突起部と前記冷却部とに挟まれた、請求項１に記載の電力用半導体装置。
  3. 前記冷却部には、前記樹脂絶縁部材よりも外周側に第二突起部が設けられ、前記流れ防止部材は、前記第二突起部と前記モジュール部とに挟まれた、請求項１または請求項２に記載の電力用半導体装置。
  4. 前記流れ防止部材は、線材であり、前記樹脂絶縁部材の外周部における前記線材の交差部または接続部が、前記樹脂絶縁部材の角部にある、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
  5. 前記線材は、複数ある、請求項４に記載の電力用半導体装置。
  6. 前記モジュール部および前記冷却部のいずれか一方に、前記流れ防止部材の位置決め用の溝を設けた、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
  7. 前記流れ防止部材の外周側で、前記モジュール部および前記冷却部のいずれか一方に、流れ防止補強壁を設けた、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
  8. 前記流れ防止部材の高さは、前記流れ防止補強壁の高さよりも高い、請求項７に記載の電力用半導体装置。
  9. 前記樹脂絶縁部材は、高熱伝導部材に樹脂を含侵させた、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
  10. 前記流れ防止部材の材料は、アルミニウム、インジウム、錫、アルミニウム合金、インジウム合金、錫合金またはゴムのいずれかである、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
  11. モジュール部を形成するモジュール部形成工程と、
    冷却部を形成する冷却部形成工程と、
    前記冷却部上に、樹脂絶縁部材と、前記樹脂絶縁部材の周囲に前記樹脂絶縁部材よりも圧縮変形し易い流れ防止部材とを配置する樹脂絶縁部材および流れ防止部材配置工程と、
    前記樹脂絶縁部材と前記流れ防止部材とを圧縮して、前記冷却部と前記モジュール部とを接着する冷却部およびモジュール部接着工程と、
    を備えた電力用半導体装置の製造方法。
  12. 前記樹脂絶縁部材および流れ防止部材配置工程は、前記流れ防止部材を前記冷却部に直接接合する、請求項１１に記載の電力用半導体装置の製造方法。
  13. 前記樹脂絶縁部材および流れ防止部材配置工程は、前記流れ防止部材を前記冷却部または前記樹脂絶縁部材のいずれかに塗布する、請求項１１に記載の電力用半導体装置の製造方法。
  14. 請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の電力用半導体装置を有し、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
    前記主変換回路を制御する制御信号を前記主変換回路に出力する制御回路と、
    を備えた電力変換装置。
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