JP7450740B2 - 半導体装置、半導体装置の製造方法および電力変換装置 - Google Patents

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Description

本開示は、半導体装置、半導体装置の製造方法および電力変換装置に関するものである。
電力用の半導体装置であるパワー半導体装置は、産業機器、家電製品および情報端末などの製品に広く用いられている。たとえば、特開２０１８－１２５４２３号公報（特許文献１）には、パワー半導体装置が記載されている。この公報に記載されたパワー半導体装置では、リードフレームおよび外部端子がモールドの側面から外側に突き出している。外部端子にはスルーホールが設けられている。スルーホールに相手方端子が挿入された状態で、外部端子に相手方端子がはんだ付けにより接続される。これにより、外部端子に相手方端子が電気的に接続される。
特開２０１８－１２５４２３号公報
上記公報に記載されたパワー半導体装置では、外部端子がモールドの側面から外側に突き出しているため、半導体装置を小型化することが困難である。また、スルーホールに相手方端子が挿入された状態で、外部端子に相手方端子がはんだ付けにより接続されるため、外部端子に相手方端子を簡易に接続することが困難である。
本開示は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、小型化することができ、かつ、簡易に接続することができる、半導体装置、半導体装置の製造方法および電力変換装置を提供することである。
本開示の半導体装置は、半導体素子と、金属部材と、ソケットと、封止樹脂とを備えている。金属部材には、半導体素子が搭載されている。ソケットは、金属部材に電気的に接続されている。封止樹脂は、半導体素子および金属部材を封止する。封止樹脂は、半導体素子と金属部材とが互いに重なる方向において、第１面と、半導体素子に対して第１面と反対側に位置する第２面とを含んでいる。ソケットは、封止樹脂の第２面から露出するように配置されている。半導体素子と金属部材とが互いに重なる方向において、ソケットは、封止樹脂の外縁よりも内側に配置されている。ソケットは、電極端子と、電極端子が取り付けられたケースとを含んでいる。ケースは、天面と、天面から凹むように構成された凹部と、天面に設けられた溝を含んでいる。溝は、天面において凹部を取り囲むように構成されている。
本開示の半導体装置によれば、半導体素子と金属部材とが互いに重なる方向において、ソケットは、封止樹脂の外縁よりも内側に配置されている。このため、半導体装置を小型化することができ、かつ簡易に接続することができる。
実施の形態１に係る半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の構成を概略的に示す斜視図である。 図１に示されるソケットの構成を示す拡大断面図である。 図３のＩＶ－ＩＶ線に沿う断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の変形例１の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の変形例２の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造方法における樹脂封止前の各部材が搭載されたフレームの構成を概略的に示す上面図である。 図７のＶＩＩＩ部の拡大上面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造方法における上金型および下金型の内部空間に金属部材が配置された工程を概略的に示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造方法における封止樹脂が封入される工程を概略的に示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の変形例３におけるソケットの構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の変形例３におけるソケットの構成を概略的に示す斜視図である。 実施の形態１に係る半導体装置の変形例４におけるソケットの構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置を電子部品に実装する方法を概略的に示す断面図である。 図１４に示されるソケットおよび相手型端子を示す拡大断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の変形例５の構成を概略的に示す断面図である。 比較例の半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態２に係る半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態３に係る半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態４に係る半導体装置の製造方法を概略的に示す断面図である。 実施の形態５に係る半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態５に係る半導体装置の製造方法を概略的に示す断面図である。 実施の形態５に係る半導体装置の変形例の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態６に係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。
以下、実施の形態について図に基づいて説明する。なお、以下においては、同一または相当する部分に同一の符号を付すものとし、重複する説明は繰り返さない。
実施の形態１．
図１および図２を参照して、実施の形態１に係る半導体装置ＳＤの構成について説明する。図１は、実施の形態１に係る半導体装置ＳＤのｘｚ方向の断面図である。図２は、実施の形態１に係る半導体装置ＳＤの斜視図である。半導体装置ＳＤは、電力用の半導体装置である。つまり、半導体装置ＳＤは、パワー半導体装置である。
半導体装置ＳＤは、金属部材１に搭載された半導体素子５が封止樹脂（モールド樹脂）１１によって封止されることにより構成されている。半導体素子５は、たとえば、電力用の半導体素子であるパワー半導体素子５ａと、ＩＣ（Integrated Circuit）素子５ｂとを含んでいる。パワー半導体素子は、たとえば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）またはＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）である。
半導体装置ＳＤは、金属部材１と、ワイヤ４と、半導体素子５と、導電性接着剤６と、封止樹脂１１と、めっき部１７と、ソケットＳＴとを主に備えている。
金属部材１に半導体素子５が搭載されている。金属部材１にソケットＳＴが電気的に接続されている。金属部材１は、リードフレームＬＦである。金属部材１は、主端子（パワーリード端子）１ａと、信号端子（ＩＣリード端子）１ｂとを含んでいる。金属部材１の材料は、たとえば、銅である。パワーリード端子１ａは、ダイパッド２と、屈曲部１９とを含んでいる。
導電性接着剤６は、たとえば、はんだ、銀ペーストなどである。導電性接着剤６は、導電性接着剤６ａ～６ｃを含んでいる。導電性接着剤６ａ～６ｃの種類は、同一であっても、異なっていてもよい。
パワー半導体素子５ａは、主端子（パワーリード端子）１ａに搭載されている。パワーリード端子１ａのダイパッド２に導電性接着剤６ａを介してパワー半導体素子５ａが搭載されている。ＩＣ素子５ｂは、信号端子（ＩＣリード端子）１ｂに搭載されている。ＩＣリード端子１ｂに導電性接着剤６ｂを介してＩＣ素子５ｂが搭載されている。ＩＣリード端子１ｂに導電性接着剤６ｃを介してソケットＳＴが搭載されている。
封止樹脂１１は、半導体素子５および金属部材１を封止している。封止樹脂１１は、半導体素子５と金属部材１とが互いに重なる方向において、第１面Ｓ１と、第２面Ｓ２とを含んでいる。本実施の形態では、第１面Ｓ１は封止樹脂１１の下面であり、第２面Ｓ２は封止樹脂１１の上面である。半導体素子５と金属部材１とが互いに重なる方向において、第２面Ｓ２は、半導体素子５に対して第１面Ｓ１と反対側に位置している。
また、封止樹脂１１は、ワイヤ４、めっき部１７を封止している。各部材はワイヤ４によって接続されている。これにより、電気回路が形成されている。ワイヤ４の材料は、たとえば、金、銀、銅、アルミニウムなどの金属である。ワイヤ４は、ワイヤ４ａ、４ｂを含んでいる。ワイヤ４ａは、パワー半導体素子５ａと、パワーリード端子１ａとを電気的に接続している。ワイヤ４ｂは、パワー半導体素子５ａと、ＩＣ素子５ｂとを電気的に接続している。ワイヤ４ａ、４ｂの材質およびワイヤ径は、同一であってもよく、異なっていてもよい。
また、ワイヤ４ａ、４ｂが接続されるパワーリード端子１ａ上およびＩＣリード端子１ｂ上において、めっき部１７が構成されている。めっき部１７によって、ワイヤ４ａ、４ｂと、パワーリード端子１ａおよびＩＣリード端子１ｂとの接合力を向上させることができる。めっき部１７の材料は、たとえば、銀などの金属である。電極端子３が接続されるＩＣリード端子１ｂ上においてめっき部１７が構成されている。めっき部１７によって、導電性接着剤６ｃとＩＣリード端子１ｂとの接合力を向上させることができる。
ソケットＳＴは、相手方端子に着脱可能に構成されている。ソケットＳＴは、はんだ付けを用いずに相手方端子に固定可能に構成されている。ソケットＳＴの周囲が封止樹脂１１で覆われている。ソケットＳＴは、封止樹脂１１の第２面Ｓ２から露出するように配置されている。ソケットＳＴは、電極端子３と、ケース７とを含んでいる。電極端子３は、ケース７に取り付けられている。電極端子３は、導電性接着剤６ｃを介してＩＣリード端子１ｂに接合されている。ソケットＳＴは、電極端子３が封止樹脂１１の第２面Ｓ２から露出するように構成されている。ＩＣリード端子１ｂのソケットＳＴと反対側の面は封止樹脂１１で覆われている。
半導体素子５と金属部材１とが互いに重なる方向において、ソケットＳＴは、封止樹脂１１の外縁１１ａよりも内側に配置されている。封止樹脂１１の外縁１１ａは、半導体素子５と金属部材１とが互いに重なる方向と交差する方向において、封止樹脂１１の外側の縁に位置する部分である。ソケットＳＴは、封止樹脂１１の側面よりも内側に配置されている。ソケットＳＴは、封止樹脂１１の第２面Ｓ２の面内に配置されている。
図１および図３を参照して、本実施の形態では、ソケットＳＴは、凹ソケットである。ケース７は凹部ＲＰを含んでいる。電極端子３は、凹部ＲＰの底を貫通するように構成されている。電極端子３の先端ＴＰは、ケース７の凹部ＲＰに配置されている。電極端子３の先端ＴＰは、ケース７から露出している。電極端子３の先端ＴＰは、封止樹脂１１の第２面Ｓ２よりも第１面Ｓ１側に位置している。つまり、半導体装置ＳＤの先端ＴＰは、封止樹脂１１の第２面Ｓ２から突出していない。
図３および図４を参照して、電極端子３は、ｘｚ平面で見たときに、Ｌ字型に屈曲していることが望ましい。電極端子３がＬ字形状に屈曲することで、ＩＣリード端子１ｂとの接合面積を大きくすることが可能となる。また、電極端子３のｘｖ方向の断面は長方形になっていることが望ましい。電極端子３の断面が円形ではなく長方形であることで、ＩＣリード端子１ｂとの接合部の面積が大きくなる。これにより、導電性接着剤６ｃの濡れ性が良好となるため、接合部の信頼性が増向上する。また、電極端子３のｙ方向の幅は、ＩＣリード端子１ｂの太さに近い寸法であることが望ましい。具体的には、電極端子３のｙ方向の幅は、０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下程度が望ましい。
図５を参照して、実施の形態１に係る半導体装置ＳＤの変形例１について説明する。実施の形態１に係る半導体装置ＳＤの変形例１では、半導体装置ＳＤは、絶縁部材１４ａと、金属部１５ａとを含んでいる。絶縁部材１４ａは、ダイパッド２に接している。絶縁部材１４ａの材料は、たとえば、エポキシ樹脂などである。金属部１５ａは、絶縁部材１４ａに接している。金属部１５ａは、封止樹脂１１の第１面Ｓ１から露出するように構成されている。金属部１５ａの材料は、たとえば、銅などの金属である。
図６を参照して、実施の形態２に係る半導体装置ＳＤの変形例２について説明する。実施の形態１に係る半導体装置ＳＤでは、半導体装置ＳＤは、ダイパッド２の代わりに、絶縁基板１８を含んでいる。絶縁基板１８は、絶縁部材１４ｂと、金属部１５ｂと、金属パターン１６とを含んでいる。絶縁部材１４ｂの封止樹脂１１の第１面Ｓ１側の面に、金属部１５ｂが設けられている。金属部１５ｂは、封止樹脂１１の第１面Ｓ１から露出するように構成されている。絶縁部材１４ｂの封止樹脂１１の第２面Ｓ２側の面に、金属パターン１６が設けられている。金属パターン１６に、パワー半導体素子５ａが導電性接着剤６ａおよびめっき部１７を介して接続されている。また、金属パターン１６にワイヤ４ａが接続されている。
次に、図７～図１１を参照して、実施の形態１に係る半導体装置ＳＤの製造方法について説明する。
図７を参照して、複数の半導体装置ＳＤのリードフレームＬＦが互いに連結されている。図７は、樹脂封止前の各部材が搭載されたリードフレームＬＦを示している。図７では、見やすくするため、ワイヤ４は図示されていない。図７および図８では、めっき部１７は、見やすくするため、ハッチングにより示されている。
図８を参照して、１つの半導体装置ＳＤのリードフレームＬＦが示されている。図８では、ソケットＳＴの外形が一点鎖線で示されている。金属板のエッチングまたは打ち抜きによって、パワーリード端子１ａと、ＩＣリード端子１ｂとが形成された後、曲げ金型を用いた曲げ加工によって屈曲部１９が形成される。続いて、ＩＣリード端子１ｂ上にＩＣ素子５ｂが導電性接着剤６ｂを介して接着される。ＩＣリード端子１ｂ上にソケットＳＴの電極端子３が導電性接着剤６ｃを介して接合される。
ソケットＳＴの下に配置されためっき部１７は、ｙ方向に２列に互い違いに配置されている。めっき部１７が１列に配置されるよりも２列に配置されることによって、ソケットＳＴを傾きが少ない状態で導電性接着剤６ｃによりめっき部１７に接合することが可能になる。ＩＣリード端子１ｂのパターンによっては、めっき部１７は３列以上でもよい。また、ソケットＳＴは複数に分割されてもよい。
ダイパッド２上にパワー半導体素子５ａが導電性接着剤６ａを介して接合される。続いて、ワイヤ４ａ、４ｂが接続される。
続いて、トランスファーモールド手法を用いた樹脂封止について説明する。
図９を参照して、下金型８と上金型９との間に設けられた内部空間ＩＳに、半導体素子５およびソケットＳＴが搭載された金属部材１が配置される。プランジャー１０上にタブレット樹脂２０が搭載される。リードフレームＬＦが下金型８および上金型９を用いて型閉めされる。
図１０を参照して、型閉めの後、プランジャー１０が上昇することで、タブレット樹脂２０を溶融させながら封止樹脂１１が注入される。このとき、ソケットＳＴの内側に樹脂が侵入しないように、ソケットＳＴの上面が隙間なく上金型９に接していることが望ましい。しかし、±数μｍの精度で導電性接着剤６ｃの厚さおよびＩＣリード端子１ｂの平行度を管理することは難しい。そこで、下金型８からｚ方向に摺動する可動ピン２１が用いられてもよい。
本実施の形態では、半導体素子５およびソケットＳＴが上金型９に向かい合い、金属部材１が可動ピン２１を挟んで下金型８に向かい合い、かつ可動ピン２１により金属部材１が上金型９に向けて押されることでソケットＳＴが上金型９に押し付けられた状態で、内部空間ＩＳに封止樹脂１１が封入される。
樹脂封止中にソケットＳＴが上金型９に押し付けられることでソケットＳＴの内側への封止樹脂１１の侵入を抑制することが可能になる。可動ピン２１は複数本用いられてもよい。封止樹脂１１が充填されるまで、可動ピン２１は、ソケットＳＴまたはソケットＳＴの下のＩＣリード端子１ｂを押さえる。封止樹脂１１の充填完了後、封止樹脂１１の硬化前に、可動ピン２１が引き抜かれ、下金型８内に収納されることが望ましい。
樹脂封止後に、パワーリード端子１ａおよびＩＣリード端子１ｂの余剰部分が切断される。また、パワーリード端子１ａに曲げ加工が施される。これにより、半導体装置ＳＤは、図２に示される外観形状となる。
図１１および図１２を参照して、実施の形態１に係る半導体装置ＳＤの変形例３について説明する。実施の形態１に係る半導体装置ＳＤの変形例３では、ケース７は、天面ＴＳと、凹部ＲＰと、溝２２とを含んでいる。天面ＴＳは、封止樹脂１１の第２面Ｓ２に沿うように構成されている。凹部ＲＰは、天面ＴＳから凹むように構成されている。溝２２は、天面ＴＳに設けられている。溝２２は、天面ＴＳにおいて凹部ＲＰを取り囲むように構成されている。
本実施の形態では、ケース７の天面ＴＳは、ケース７の上面である。溝２２は複数列でもよい。ソケットＳＴと上金型９との隙間から侵入する封止樹脂１１が溝２２に溜め込まれることによって、流動抵抗が上昇するため、ソケットＳＴの内側まで封止樹脂１１が侵入することが抑制される。また、ソケットＳＴと上金型９との接触する面積が小さくなることによって、可動ピン２１によりソケットＳＴが上金型９に押し付けられた際に面圧が上昇し、ソケットＳＴと上金型９との隙間をより小さくすることができる。
図１３を参照して、実施の形態１に係る半導体装置ＳＤの変形例４について説明する。実施の形態１に係る半導体装置ＳＤの変形例４では、ソケットＳＴのケース７の先端部２３は、熱可塑性樹脂により構成されている。ケース７の先端部２３は、上金型９に接する部分である。熱可塑性樹脂は、樹脂封止中の下金型８および上金型９の温度で軟化する材質が望ましい。この温度は、たとえば、１６０℃以上１８０℃以下である。ソケットＳＴが上金型９に接した際に熱可塑性樹脂が軟化してソケットＳＴと上金型９との隙間が無くなることによって、ソケットＳＴの内側への樹脂の侵入を抑制することができる。
次に、図１４および図１５を参照して、実施の形態１に係る半導体装置ＳＤを電子回路基板２４に実装する方法について説明する。
電子回路基板２４には、相手方端子２５が実装されている。相手方端子２５は、ソケットＳＴに対応する形状を有している。本実施の形態では、相手方端子２５は凸ソケットである。凸ソケットは、本体部ＭＰと、凸部ＰＰとを含んでいる。本体部ＭＰは、電子回路基板２４に取り付けられている。凸部ＰＰは、本体部ＭＰから電子回路基板２４とは反対側に突出している。凸部ＰＰは、ソケットＳＴの凹部ＲＰに挿入されるように構成されている。本体部ＭＰは、凸部ＰＰがソケットＳＴの凹部ＲＰに挿入された状態でケース７の上面に当たるように構成されている。ソケットＳＴの凹部ＲＰの深さＤは、凸部ＰＰの高さＨより大きい寸法を有している。
相手方端子２５内部で導電性の部材でコーティングされた端子挿入部２７ａに、ソケットＳＴの電極端子３が挿入される。同時に、電子回路基板２４内で導電性の部材でコーティングされた端子挿入部２７ｂに、パワーリード端子１ａが挿入される。パワーリード端子１ａは、挿入後にはんだ付けされることが望ましい。最後に、放熱部材２６が図示しない放熱性グリース等を介して半導体装置ＳＤに接着またはネジ止めされる。放熱部材２６の材料は、アルミニウム等である。
図１６を参照して、実施の形態１に係る半導体装置ＳＤの変形例５について説明する。実施の形態１に係る半導体装置ＳＤの変形例５では、パワーリード端子１ａは、電子回路基板２４に表面実装されている。パワーリード端子１ａは、屈曲している。パワーリード端子１ａは、電子回路基板２４の表面に沿うように構成されている。
次に、実施の形態１に係る半導体装置ＳＤの作用効果について比較例と対比して説明する。
図１７を参照して、比較例の半導体装置ＳＤは、ソケットＳＴを備えていない。比較例の半導体装置ＳＤにおいては、パワーリード端子１ａと同時に、電子回路基板２４内で導電性の部材でコーティングされた端子挿入部２７ｂに、ＩＣリード端子１ｂが挿入される。ＩＣリード端子１ｂが端子挿入部２７ｂに挿入された状態でＩＣリード端子１ｂは端子挿入部２７ｂにはんだ付けにより接続される。比較例の半導体装置ＳＤでは、ＩＣリード端子１ｂが封止樹脂１１の側面から外側に突き出している。
これに対して、実施の形態１に係る半導体装置ＳＤによれば、半導体素子５と金属部材１とが互いに重なる方向において、ソケットＳＴは、封止樹脂１１の外縁１１ａよりも内側に配置されている。したがって、ソケットＳＴが封止樹脂１１の側面から外側に突き出さないため、半導体装置ＳＤを小型化することができる。また、半導体装置ＳＤは、ソケットＳＴにより接続されるため、はんだ付けにより接続されない。このため、簡易に接続することができる。よって、半導体装置ＳＤを小型化することができ、かつ簡易に接続することができる。
また、実施の形態１に係る半導体装置ＳＤによれば、ＩＣリード端子１ｂが実装される面積の分、電子回路基板２４の面積を小さくすることが可能になる。このため、コストを低減することが可能になる。さらに、高密度化が可能になる。また、１つの半導体装置のリードフレームＬＦが複数列連結されて１つのリードフレームＬＦとなるため、ＩＣリード端子１ｂが短くなることによって、１つのリードフレームＬＦあたりの取れ数を増やすことができる。このため、生産性が向上する。
また、実施の形態１に係る半導体装置ＳＤでは、ソケットＳＴの周囲が封止樹脂１１で覆われていることによって、ソケットＳＴがＩＣリード端子１ｂからはがれにくくなる。これにより、信頼性が向上する。したがって、ソケットＳＴと相手方端子２５との挿抜が複数回可能である。
実施の形態１に係る半導体装置ＳＤによれば、半導体素子５は、パワー半導体素子５ａを含んでいる。このため、パワー半導体装置としての半導体装置ＳＤを小型化することができる。
実施の形態１に係る半導体装置ＳＤによれば、金属部材１は、リードフレームＬＦである。このため、リードフレームＬＦに大電流を流すことが可能である。
実施の形態１に係る半導体装置ＳＤによれば、ケース７の溝２２は、天面ＴＳにおいて凹部ＲＰを取り囲むように構成されている。このため、天面ＴＳと上金型９との隙間からソケットＳＴの内側に向けて侵入する封止樹脂１１が溝２２に溜め込まれる。これにより、樹脂封止時にソケットＳＴの内側に封止樹脂１１が侵入することを抑制することが可能になる。
実施の形態１に係る半導体装置ＳＤによれば、ケース７の先端部２３は、熱可塑性樹脂により構成されている。このため、ケース７の先端部２３が上金型９に接した際に、熱可塑性樹脂が軟化することにより先端部２３と上金型９との隙間が埋められる。これにより、樹脂封止時に先端部２３と上金型９との隙間からソケットＳＴの内側に封止樹脂１１が侵入することを抑制することが可能となる。
実施の形態１に係る半導体装置ＳＤの製造方法によれば、半導体素子５およびソケットＳＴが上金型９に向かい合い、金属部材１が可動ピン２１を挟んで下金型８に向かい合い、かつ可動ピン２１により金属部材１が上金型９に向けて押されることでソケットＳＴが上金型９に押し付けられた状態で、内部空間ＩＳに封止樹脂１１が封入される。このため、樹脂封止時にソケットＳＴと上金型９との隙間からソケットＳＴの内側に封止樹脂１１が侵入することを抑制することが可能になる。
実施の形態２．
実施の形態２は、特に説明しない限り、上記の実施の形態１と同一の構成、製造方法および効果を有している。したがって、上記の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
図１８を参照して、実施の形態２に係る半導体装置ＳＤの構成について説明する。図１８は、実施の形態２に係る半導体装置ＳＤのｘｚ方向の断面図である。
実施の形態２に係る半導体装置ＳＤは、ソケットＳＴは、第１ソケットＳＴ１と、第２ソケットＳＴ２とを含んでいる。本実施の形態では、第１ソケットＳＴ１および第２ソケットＳＴ２の各々は、凹ソケットである。第１ソケットＳＴ１は、信号端子（ＩＣリード端子１ｂ）に接続されている。第２ソケットＳＴ２は、主端子（パワーリード端子１ａ）に接続されている。第２ソケットＳＴ２内の電極端子３は、１列よりも複数列の方が望ましい。１本のパワーリード端子１ａに対して複数本の電極端子３を接続することによって、より大電流を流すことが可能になる。
次に、実施の形態２に係る半導体装置ＳＤの作用効果について説明する。
実施の形態２に係る半導体装置ＳＤによれば、第１ソケットＳＴ１は、ＩＣリード端子１ｂに接続されている。第２ソケットＳＴ２は、パワーリード端子１ａに接続されている。したがって、第１ソケットＳＴ１および第２ソケットＳＴ２の両方が封止樹脂１１の側面から外側に突き出さないため、半導体装置ＳＤをさらに小型化することができる。また、半導体装置ＳＤは、第１ソケットＳＴ１および第２ソケットＳＴ２により接続されるため、はんだ付けにより接続されない。このため、さらに簡易に接続することができる。
また、実施の形態２に係る半導体装置ＳＤによれば、ＩＣリード端子１ｂに加えてパワーリード端子１ａが実装される面積の分、電子回路基板２４の面積を小さくすることが可能になる。このため、コストを低減することが可能になる。また、パワーリード端子１ａが短くなることによって、１つのリードフレームＬＦあたりの取れ数を増やすことができる。このため、生産性が向上する。
また、電子回路基板２４に半導体装置ＳＤが実装される際に、はんだを使用する必要がなくなる。このため、凹ソケットと凸ソケットとが接着剤レスで接続される。このため、部材が少なくすることができるとともに、工数を削減して生産性を向上することができる。
また、従来、電子回路基板２４に全ての部材が搭載された後に、電子回路基板２４が検査工程で不良となると全て破棄されていた。実施の形態２に係る半導体装置ＳＤは、電子回路基板２４に接着剤レスで接続されているため、半導体装置ＳＤのみ外して別の電子回路基板２４に付け替えることが可能になる。このため、半導体装置ＳＤの廃棄量が低減する。
パワーリード端子１ａが切断されることで外部に露出する端子露出部２８は、液状封止材等で覆れてもよい。パワーリード端子１ａが露出している場合、放熱部材２６が接する封止樹脂１１の第１面Ｓ１とパワーリード端子１ａとの沿面距離２９が短いため、高電圧で短絡が発生する。このため、動作電圧に制約がある。パワーリード端子１ａが露出しないようにし、電極端子３が封止樹脂１１の第２面Ｓ２の方向に突出することによって、沿面距離２９が長くなる。これにより、高電圧で動作させることが可能になる。
実施の形態３．
実施の形態３は、特に説明しない限り、上記の実施の形態２と同一の構成、製造方法および効果を有している。したがって、上記の実施の形態２と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
図１９を参照して、実施の形態３に係る半導体装置ＳＤの構成について説明する。図１９は、実施の形態３に係る半導体装置ＳＤのｘｚ方向の断面図である。
実施の形態３に係る半導体装置ＳＤは、絶縁基板１８を含んでいる。絶縁基板１８は、絶縁部材１４ｃと、金属部１５ｃと、金属パターン１６とが一体となるように構成されている。本実施の形態では、金属部材は、絶縁部材１４上に接着された金属パターン１６である。ソケットＳＴは、金属パターン１６上の搭載されている。絶縁部材１４ｃの材料は、たとえば、セラミック、エポキシ樹脂等である。金属部１５ｃの材料は、たとえば、銅、アルミニウム等である。金属パターン１６の材料は、たとえば、銅である。
次に、実施の形態３に係る半導体装置ＳＤの製造方法について説明する。
金属パターン１６上に導電性接着剤６ａを介してパワー半導体素子５ａが接続される。金属パターン１６上に導電性接着剤６ｂを介してＩＣ素子５ｂが接続される。金属パターン１６上に電極端子３が取り付けられた第１ソケットＳＴ１が搭載され、導電性接着剤６ｃを介して、電極端子３と金属パターン１６とが接合される。金属パターン１６上に電極端子３が取り付けられた第２ソケットＳＴ２が搭載され、導電性接着剤６ｄを介して、電極端子３と金属パターン１６とが接合される。
導電性接着剤６ａ～６ｄは同一部材であっても異なる部材であってもよい。導電性接着剤６ａ～６ｄと、金属パターン１６の間には、導電性接着剤６ａから６ｄの密着性を高めるために、めっき部１７が配置されてもよい。金属パターン１６と、パワー半導体素子５ａおよびＩＣ素子５ｂとが、ワイヤ４ａ、４ｂを介して接合され、電気回路が形成される。
その後、トランスファーモールド手法を用いて、封止樹脂１１で全体が覆われる。上下の金型で型締めする際に金型同士の接触を低減するため、離型フィルム等を使用することが望ましい。
次に、実施の形態３に係る半導体装置ＳＤの作用効果について説明する。
実施の形態３に係る半導体装置ＳＤによれば、金属部材は、絶縁部材１４上に接着された金属パターン１６であり、ソケットＳＴは、金属パターン１６上の搭載されている。したがって、リードフレームを使用することなく、半導体装置ＳＤを作製することが可能になる。このため、部材の削減が可能になる。
さらに、パワーリード端子１ａおよびＩＣリード端子１ｂが実装される面積の分、電子回路基板２４の面積を小さくすることが可能になる。このため、コストを低減することが可能になる。
さらに、図１８に示したような沿面距離２９の制約が無いため、より大電圧を印加することが可能になる。
実施の形態４．
実施の形態４は、特に説明しない限り、上記の実施の形態１と同一の構成、製造方法および効果を有している。したがって、上記の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
図２０を参照して、実施の形態４に係る半導体装置ＳＤの製造方法について説明する。図２０は、実施の形態４に係る半導体装置ＳＤのｘｚ方向の断面図である。
実施の形態１に係る半導体装置ＳＤでは、ソケットＳＴは樹脂封止の際に一体で埋め込まれる。これに対して、実施の形態４に係る半導体装置ＳＤでは、樹脂封止の際に封止樹脂１１に窪み３０が形成される。窪み３０からＩＣリード端子１ｂの一部が露出する。樹脂封止時にパワーリード端子１ａおよびＩＣリード端子１ｂの表面に染み出したモールド樹脂バリを除去するために、樹脂封止後に水、研磨剤等を用いてバリ取りが実施されてもよい。バリ取りの際に、窪み３０の部分でのＩＣリード端子１ｂの表面に染み出したモールド樹脂バリを同時に除去することが望ましい。窪み３０にソケットＳＴがはめ込まれ、図示しない導電性接着剤を介して、電極端子３とＩＣリード端子１ｂとが接続される。
次に、実施の形態４に係る半導体装置ＳＤの作用効果について説明する。
実施の形態４に係る半導体装置ＳＤによれば、ソケットＳＴの内部に封止樹脂１１が侵入しない。このため、ソケットＳＴと電子回路基板側の相手方端子とを容易に接続することが可能となる。
実施の形態５．
実施の形態５は、特に説明しない限り、上記の実施の形態１と同一の構成、製造方法および効果を有している。したがって、上記の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
図２１を参照して、実施の形態５に係る半導体装置ＳＤの構成について説明する。図２１は、実施の形態５に係る半導体装置ＳＤのｘｚ方向の断面図である。
実施の形態５に係る半導体装置ＳＤは、回路基板３２を備えている。回路基板３２は、ＩＣリード端子１ｂ上に埋め込まれている。金属部材は、回路基板３２上に設けられた金属パターン３１を含んでいる。ソケットＳＴは、金属パターン３１上に搭載されている。具体的には、電極端子３が取り付けられたソケットＳＴが回路基板３２の金属パターン３１上に設置され、電極端子３と金属パターン３１とが導電性接着剤６ｃを介して接合されている。
次に、実施の形態５に係る半導体装置ＳＤの製造方法について説明する。
金属板のエッチングまたは打ち抜きによってパワーリード端子１ａと、ＩＣリード端子１ｂとが形成された後、曲げ金型を用いた曲げ加工によって屈曲部１９が形成される。続いて、ＩＣリード端子１ｂ上に金属パターン３１が形成された回路基板３２が固定される。固定には図示しない接着剤等が用いられることが望ましい。パワー半導体素子５ａ、ＩＣ素子５ｂ、金属パターン３１、ワイヤ４ａ、４ｂによって、電気回路が形成される。
図２２を参照して、トランスファーモールド手法を用いた樹脂封止について説明する。プランジャー１０上にタブレット樹脂２０が搭載され、パワーリード端子１ａおよび回路基板３２が下金型８および上金型９を用いて型閉めされる。型閉めの後、プランジャー１０が上昇することで、タブレット樹脂２０を溶融させながら封止樹脂１１が注入される。
樹脂封止後に、パワーリード端子１ａの余剰部分が切断されて曲げ加工が施される。その後、露出した回路基板３２上の金属パターン３１上に電極端子３が取り付けられたソケットＳＴが搭載され、導電性接着剤６ｃを介して、電極端子３と金属パターン３１とが接合される。
回路基板３２上の金属パターン３１はリードフレームに比べて、パターン間の距離を小さくすることが可能になる。一般的に、エッチングまたはパンチングで、リードフレームが形成されると、打ちぬくパンチの幅およびエッチング時の側面のえぐれを考慮して、パターン間の距離が大きくなる。
回路基板３２の－ｚ方向、特にソケットＳＴの下に位置する部分は、封止樹脂１１で覆われていることが望ましい。
図２３を参照して、実施の形態５に係る半導体装置ＳＤの変形例について説明する。時実施の形態５に係る半導体装置ＳＤの変形例では、図１４に示される電子回路基板２４に相手方端子２５として凹ソケットが搭載され、回路基板３２上にソケットＳＴとして凸ソケットが接続されている。
実施の形態５に係る半導体装置ＳＤによれば、回路基板３２を用いることで、ＩＣリード端子１ｂの部分の回路形成の自由度が向上する。また、ソケットＳＴを小さくすることが可能になる。ソケットＳＴの小型化によって、コストを低減することが可能になる。
実施の形態６．
本実施の形態は、上述した実施の形態１～５にかかる半導体装置を電力変換装置に適用したものである。本開示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６として、三相のインバータに本開示を適用した場合について説明する。
図２４は、本実施の形態にかか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２４に示す電力変換システムは、電源１００、電力変換装置２００、負荷３００から構成される。電源１００は、直流電源であり、電力変換装置２００に直流電力を供給する。電源１００は種々のもので構成することが可能であり、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やＡＣ／ＤＣコンバータで構成することとしてもよい。また、電源１００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２００は、電源１００と負荷３００の間に接続された三相のインバータであり、電源１００から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に交流電力を供給する。電力変換装置２００は、図２４に示すように、直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路２０１と、主変換回路２０１を制御する制御信号を主変換回路２０１に出力する制御回路２０３とを備えている。
負荷３００は、電力変換装置２００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３００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や電気自動車、鉄道車両、エレベーター、もしくは、空調機器向けの電動機として用いられる。
以下、電力変換装置２００の詳細を説明する。主変換回路２０１は、スイッチング素子と還流ダイオードを備えており（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１００から供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に供給する。主変換回路２０１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２０１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された６つの還流ダイオードから構成することができる。主変換回路２０１の各スイッチング素子および各還流ダイオードの少なくともいずれかは、上述した実施の形態１～５のいずれかの半導体装置に相当する半導体装置２０２が有するスイッチング素子又は還流ダイオードである。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。そして、各上下アームの出力端子、すなわち主変換回路２０１の３つの出力端子は、負荷３００に接続される。
また、主変換回路２０１は、各スイッチング素子を駆動する駆動回路（図示なし）を備えているが、駆動回路は半導体装置２０２に内蔵されていてもよいし、半導体装置２０２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２０１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２０１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２０３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２０３は、負荷３００に所望の電力が供給されるよう主変換回路２０１のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷３００に供給すべき電力に基づいて主変換回路２０１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２０１を制御することができる。そして、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、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号が出力されるよう、主変換回路２０１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。
本実施の形態に係る電力変換装置では、主変換回路２０１を構成する半導体装置２０２として実施の形態１～５にかかる半導体装置を適用するため、電力変換装置を小型化することができ、かつ簡易に接続すること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開示を適用する例を説明したが、本開示は、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レベルやマルチレベルの電力変換装置であっても構わないし、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開示を適用しても構わない。また、直流負荷等に電力を供給する場合にはＤＣ／ＤＣコンバータやＡＣ／ＤＣコンバータに本開示を適用することも可能である。
また、本開示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、放電加工機やレーザー加工機、又は誘導加熱調理器や非接触給電システムの電源装置として用いることもでき、さらには太陽光発電システムや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可能である。
今回開示され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考えられるべきである。本開示の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、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が含まれることが意図される。
１ 金属部材、１ａ パワーリード端子、１ｂ リード端子、２ ダイパッド、３ 電極端子、４ ワイヤ、５ 半導体素子、５ａ パワー半導体素子、５ｂ 素子、６ 導電性接着剤、７ ケース、８ 下金型、９ 上金型、１０ プランジャー、１１ 封止樹脂、１４ 絶縁部材、１６，３１ 金属パターン、１７ めっき部、１８ 絶縁基板、２１ 可動ピン、２２ 溝、２３ 先端部、２４ 電子回路基板、２５ 相手方端子、３２ 回路基板、１００ 電源、２００ 電力変換装置、２０１ 主変換回路、２０２ 半導体装置、２０３ 制御回路、３００ 負荷、ＬＦ リードフレーム、ＲＰ 凹部、Ｓ１ 第１面、Ｓ２ 第２面、ＳＴ ソケット、ＳＴ１ 第１ソケット、ＳＴ２ 第２ソケット、ＴＰ 先端、ＴＳ 天面。

Claims (10)

  1. 半導体素子と、
    前記半導体素子が搭載された金属部材と、
    前記金属部材に電気的に接続されたソケットと、
    前記半導体素子および前記金属部材を封止する封止樹脂とを備え、
    前記封止樹脂は、前記半導体素子と前記金属部材とが互いに重なる方向において、第１面と、前記半導体素子に対して前記第１面と反対側に位置する第２面とを含み、
    前記ソケットは、前記封止樹脂の前記第２面から露出するように配置されており、
    前記半導体素子と前記金属部材とが互いに重なる前記方向において、前記ソケットは、前記封止樹脂の外縁よりも内側に配置されており、
    前記ソケットは、電極端子と、前記電極端子が取り付けられたケースとを含み、
    前記ケースは、天面と、前記天面から凹むように構成された凹部と、前記天面に設けられた溝を含み、
    前記溝は、前記天面において前記凹部を取り囲むように構成されている、半導体装置。
  2. 前記半導体素子は、パワー半導体素子と、ＩＣ素子とを含み、
    前記金属部材は、主端子と、信号端子とを含み、
    前記パワー半導体素子は、前記主端子に搭載されており、
    前記ＩＣ素子は、前記信号端子に搭載されている、請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記金属部材は、リードフレームである、請求項２に記載の半導体装置。
  4. 前記ソケットは、第１ソケットと、第２ソケットとを含み、
    前記第１ソケットは、前記信号端子に電気的に接続されており、
    前記第２ソケットは、前記主端子に電気的に接続されている、請求項２または３に記載の半導体装置。
  5. 絶縁部材をさらに備え、
    前記金属部材は、前記絶縁部材上に接着された金属パターンであり、
    前記ソケットは、前記金属パターン上に搭載されている、請求項１に記載の半導体装置。
  6. 回路基板をさらに備え、
    前記金属部材は、前記回路基板上に設けられた金属パターンを含み、
    前記ソケットは、前記金属パターン上に搭載されている、請求項１に記載の半導体装置。
  7. 前記ソケットは、電極端子と、前記電極端子が取り付けられたケースとを含み、
    前記ケースの先端部は、熱可塑性樹脂により構成されている、請求項１～６のいずれか１項に記載の半導体装置。
  8. 前記ソケットは、複数の電極端子と、前記複数の電極端子が取り付けられたケースとを含み、
    前記ケースは、凹部を含み、
    前記複数の電極端子は、前記凹部の底を貫通するように構成されている、請求項１～６のいずれか１項に記載の半導体装置。
  9. 下金型と上金型との間に設けられた内部空間に、半導体素子およびソケットが搭載された金属部材が配置される工程と、
    前記半導体素子および前記ソケットが前記上金型に向かい合い、前記金属部材が可動ピンを挟んで前記下金型に向かい合い、かつ前記可動ピンにより前記金属部材が前記上金型に向けて押されることで前記ソケットが前記上金型に押し付けられた状態で、前記内部空間に封止樹脂が封入される工程とを備え、
    前記ソケットは、電極端子と、前記電極端子が取り付けられたケースとを含み、
    前記ケースは、天面と、前記天面から凹むように構成された凹部と、前記天面に設けられた溝を含み、
    前記溝は、前記天面において前記凹部を取り囲むように構成されている、半導体装置の製造方法。
  10. 請求項１～８のいずれか１項に記載の半導体装置を有し、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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