JPWO2017119226A1 - パワー半導体装置 - Google Patents

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時人 諏訪
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誠司 船場
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Abstract

型締めの際に基板と入出力端子との接合部分に過大な応力が印加され、接合部分が剥がれたり、基板にクラックが生じたりする虞がある。
パワー半導体素子１１の下面電極は、パワー半導体素子１１の下面の第１配線層１２と接合材１３を介して接続され、パワー半導体素子１１の上面電極１４は上面の第２配線層１５と接合材１３を介して接続される。また、パワー半導体素子１１の上面電極１４と電気的に接続される第２主端子１６は第２配線層１５と接合材１３を介して接続されると共に、下面の第１配線層１２に並置された第３配線層２４（スペーサ）と接触して位置決めされている。第１配線層１２〜第３配線層２４のそれぞれの接合材１３とは反対面に絶縁層２６を積層し、絶縁層２６に放熱層２７を積層した。

Description

本発明はパワー半導体装置に関する。
パワー半導体装置は、直流電力を交流電力に、または交流電力を直流電力に変換するための電力変換機能を行う。そして、パワー半導体装置は、スイッチング動作を行うパワー半導体素子を有する。
このようなパワー半導体装置として、特許文献１には、パワー半導体素子の両面に接合した基板のそれぞれの放熱面から冷却器に放熱するパワー半導体装置が記載されている。ハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池車などの電動車両に搭載されるパワー半導体装置は、小型・軽量化が要求されており、内部の構成部品は高密度に実装される。特許文献１に記載のパワー半導体装置は放熱性に優れているが、上記絶縁性樹脂で封止する際、入出力端子を上下の金型で押さえて型締めを行い、金型空間内に樹脂を充填している。
特開２００３−３１７６５号公報
特許文献１に記載されるパワー半導体装置の複数の入出力端子は、それぞれの入出力端子に対応した基板に接合しているため、それぞれの入出力端子の相対的な位置がばらつきやすい。そのため、型締めの際に基板と入出力端子との接合部分に過大な応力が印加され、接合部分が剥がれたり、基板にクラックが生じたりする虞がある。
本発明の第１の態様によると、パワー半導体装置は、上面電極および下面電極を有する半導体素子と、前記半導体素子の前記下面電極に対向して配置され、前記半導体素子の前記下面電極と接合材を介して接続された第１配線層と、前記半導体素子の前記上面電極に対向して配置され、前記半導体素子の前記上面電極と接合材を介して接続された第２配線層と、前記第１配線層と接合材を介して接続された第１主端子と、前記第２配線層と接合材を介して接続された第２主端子と、スペーサとを備え、前記スペーサは、前記第１配線層または前記第２配線層と並置され、前記第１主端子または前記第２主端子が載置されている。
本発明によれば、生産工程におけるパワー半導体装置の破損を防ぐことができる。
第１の実施形態のパワー半導体装置を示す図であり、（Ａ）は、上面図であり、（Ｂ）は、Ｘ―Ｘ断面図であり、（Ｃ）は、Ｙ―Ｙ断面図である。 （Ａ）は、第１の実施形態のパワー半導体装置の部分拡大図であり、（Ｂ）は、Ｘ―Ｘ断面図である。 （Ａ）（Ｂ）第１の実施形態の部材の位置決めを示す図である。 （Ａ）（Ｂ）第１の実施形態のガイドピンによる位置決めを示す図である。 第１の実施形態の変形例１を示す図である。 （Ａ）〜（Ｃ）第１の実施形態の配線層の例を示す図である。 第１の実施形態の変形例２を示す図である。 （Ａ）（Ｂ）第２の実施形態のパワー半導体装置を示す図である。 第２の実施形態の変形例を示す図である。 （Ａ）（Ｂ）第３の実施形態のパワー半導体装置を示す図である （Ａ）（Ｂ）第３の実施形態の変形例を示す図である。 第４の実施形態に係るパワー半導体装置の回路構成図である。 第４の実施形態のパワー半導体装置を示す図であり、（Ａ）（Ｂ）は、上面図であり、（Ｃ）は、Ｘ―Ｘ断面図である。 （Ａ）（Ｂ）第４の実施形態の変形例１を示す図である。 （Ａ）（Ｂ）第４の実施形態の変形例２を示す図である。 （Ａ）（Ｂ）第４の実施形態のリードフレームを示す図である。 第４の実施形態の型締めを示す図である。 （Ａ）（Ｂ）第４の実施形態の変形例３を示す図である。 （Ａ）（Ｂ）第４の実施形態の変形例４を示す図である。 （Ａ）（Ｂ）第５の実施形態を示す図である。 （Ａ）〜（Ｅ）第６の実施形態を示す図である。 （Ａ）（Ｂ）第７の実施形態を示す図である。 （Ａ）〜（Ｃ）第７の実施形態の変形例を示す図である。 （Ａ）（Ｂ）第８の実施形態を示す図である。
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係るパワー半導体装置を示す図であり、図１（Ａ）は、判り易くするために、上面の第２配線層１５及び封止樹脂２２を除いた上面図である。図１（Ｂ）は、上面図Ｘ―Ｘの断面図であり、図１（Ｃ）は、上面図Ｙ―Ｙの断面図である。なお、これらの図面及び以下に示す各図面は、その構成部品の寸法を、判り易くするために誇張して記載しており、実際の縮尺寸法とは異なる。
図１（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、パワー半導体素子１１の下面電極は、パワー半導体素子１１の下側に下面電極と対向して配置された第１配線層１２と接合材１３を介して接続され、パワー半導体素子１１の上面電極１４は、パワー半導体素子１１の上側に上面電極１４と対向して配置された第２配線層１５と接合材１３を介して接続されている。また、パワー半導体素子１１の上面電極１４と電気的に接続される第２主端子１６は第２配線層１５と接合材１３を介して接続されると共に、下面の第１配線層１２に並置されたスペーサ１７に載置されて位置決めされている。なお、パワー半導体素子１１の下面電極と電気的に接続される第１主端子１８は第１配線層１２と接合材１３を介して接続される。制御端子１９は、ワイヤ配線２０を介してパワー半導体素子１１の制御電極２１に接続される。封止樹脂２２は、パワー半導体素子１１を含む各構成部品を封止する。
各配線及び各主端子は、金属、金属―無機物複合材及び金属―有機物複合材などを選択することができるが、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｌなどを主成分とする金属は電気伝導性や熱伝導性が高く、比較的入手が容易であるため好適である。各主端子の厚さは、０．５ｍｍから２ｍｍの間で設定できる。配線の厚さは、０．１ｍｍから３ｍｍの間で設定できる。
次に、本実施形態のパワー半導体装置の製造手順について説明する。
〔工程Ａ：第１配線層とスペーサの準備〕
まず、第１配線層１２とスペーサ１７を所定の位置に並置する。
この際、第１配線層１２とスペーサ１７は、治具、接着シート、減圧吸着テーブルなどの図示しない位置決め手段を用いて位置決めしておく。
〔工程Ｂ：第1主端子の接続と第２主端子の位置決め〕
次に、第１配線層１２上の第１主端子１８に対応した所定の位置に接合材１３及び第１主端子１８を配置し、スペーサ１７に対応した所定の位置に第２主端子１６を載置して、接合材１３で接続する。
ここで、接合材１３としては、金属やカーボンなどの粒子を含有する導電性ペースト、はんだ、ロウ材及び焼結材料などの周知の材料を用いることができ、それら材料に適した方法で接続する。さらに、接合材１３を用いないレーザ溶接や超音波溶接に加えてプラズマ活性化低温接合などの直接接合法を選択しても良く、接合材１３の寸法公差の影響を無くしたり、工程を簡略化できる。なお、直接接合法を採用した場合、他の実施形態を含めた各図面及びその説明の「接合材」を「接合層」として読み替える。
また、スペーサ１７は、第２主端子１６の位置決めとして機能するため、上記と同じ又は異なる接合材１３を介して接続しておくと、後に続く工程で位置ズレを防止できる。同じ接合材１３を用いれば、第１主端子１８の接続と同一の工程で接続できるので、工数を低減できる。
図２（Ａ）は、図１（Ｃ）の第２主端子１６とスペーサ１７を示す部分拡大図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＸ―Ｘ断面図である。図２に示すように、スペーサ１７に形成した凹部に第２主端子１６の側面の一部又は全部（図示省略）を挿入又は嵌合させて固定して、位置決め手段を簡略化する。更に、挿入又は嵌合と接合材又は直接金属接合とを併用してもよい。スペーサ１７の材料として、絶縁性又は導電性の材料を用いることができ、金属、樹脂、セラミック、ガラスなどから選択するか、これらの複合材を用いる。スペーサ１７を接合材１３で第２主端子１６と接続する場合は、接合材１３に適して材料を選択する。例えば、スペーサ１７にＣｕ、Ｎｉなどの金属を選択した場合は、接合材１３にはんだを選択できる。
また、第１主端子１８と第２主端子１６については、工程Ａと同様に、位置決め手段で位置決めでき、工程Ａの位置決め手段と組合せることができる。例えば、工程Ａでは減圧吸着テーブルを使用し、本工程では治具を使用する。工程Ａと本工程とも治具を使用する場合は、それぞれの治具の一部が一体化した治具を用いることで、各構成部品の位置精度をより一層向上できる。
図３（Ａ）、（Ｂ）は、第１の実施形態の部材の位置決めを示す図である。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のＹ−Ｙ断面図である。図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、第１配線１２、スペーサ１７、第１主端子１８及び第２主端子１６などの部材を下治具１０１の凹部１００で位置決めする。さらに、上治具１０２でそれぞれの部材を挟持することで上下方向の位置決めもできる。
図４（Ａ）、（Ｂ）は、第１の実施形態のガイドピンによる位置決めを示す図である。図４（Ａ）は上面図、（Ｂ）は、ガイドピン及び治具の側面図である。図４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、ガイドピン１０４を用いて第１配線層１２、第１主端子１８及び第２主端子１６を位置決めする。なお、第１主端子１８及び第２主端子１６は、同一のリードフレームから分離して形成してもよい。すなわち、図示省略したタイバーを介して第１主端子１８及び第２主端子１６を一体化したリードフレームを用いることで、位置決め手段を簡略化することができる。なお、タイバーは後に続く工程のいずれかで切除すればよい。
上記のように、第１主端子１８及び第２主端子１６は、位置決めされているため、第１主端子１８と第２主端子１６の相対的な位置精度が向上し、後述のトランスファーモールド法による封止工程の金型の型締めよる接合材１３への過大な応力が発生せず、パワー半導体装置の破損を防止することができる。
〔工程Ｃ：パワー半導体素子の接続〕
続いて、第１配線層１２上のパワー半導体素子１１に対応した所定の位置に接合材１３及びパワー半導体素子１１を配置し、接合材１３で接続する。
ここで、接合材１３については、工程Ｂと同様の材料を選択できる。なお、パワー半導体素子１１は、治具を用いて位置決めすることができるが、接合材１３にはんだペーストや導電性ペーストなど液状の材料を選択した場合は、接合材１３の粘性により位置決めすることができる。さらに、工程Ｂと同じ材料を選択した場合は、本工程と工程Ｂを同時に行うことができるため、工数を低減できる。
〔工程Ｄ：制御端子の接続〕
次に、制御端子１９を所定の位置に配置して、パワー半導体素子１１の制御電極２１と制御端子１９とをワイヤ配線２０を用いたワイヤボンディング法により接続する。
制御端子１９の位置は、工程Ａと同様に、位置決め手段で位置決めでき、工程Ａ及び/又は工程Ｂの位置決め手段と組合せることができる。
なお、本実施形態では３つの制御電極２１を例に挙げているが、これに限定されることはない。例えば、パワー半導体素子１１に集積又は近傍に配置された温度センサや電流センサなどの検出電極を適宜追加することができる。また、制御端子１９と、第１主端子１８及び/又は第２主端子１６とは、同一のリードフレームから分離して形成してもよい。すなわち、図示省略したタイバーを介してこれらを一体化したリードフレームとすることで、制御端子１９の位置決め手段を簡略化できる。
〔工程Ｅ：第２配線層の接続〕
続いて、パワー半導体素子１１及び第２主端子１６の上面の所定の位置に接合材１３及び第２配線層１５を配置し、接合材１３で接続する。この接合材１３も工程Ｂや工程Ｃと同様の材料を選択できる。すなわち、工程Ｂ、工程Ｃと同じ材料を選択した場合は、本工程、工程Ｂ及び工程Ｃを同時に行うことができるため、工数を低減できる。なお、工程Ｄは、本工程の後に入れ替えればよい。
なお、工程Ａ〜工程Ｅは適宜順番を入れ替えたり、同時に行っても良く、本実施形態の順番に限定されない。
〔工程Ｆ：樹脂封止〕
次に、パワー半導体素子１１、第１配線層１２、第２配線層１５、スペーサ１７、第２主端子１６、第１主端子１８、及び制御端子１９は、金型の上型と下型で形成されるキャビティの所定の位置に配置した状態で型締めして、トランスファーモールド法により封止樹脂によって封止する。
ここで、スペーサ１７を第２主端子１６に固定又は接合材１３で接続していない場合は、スペーサ１７が当接する金型の上型又は下型のいずれか一方にスペーサ１７を位置決めするために、接着シートを介在させたり、金型に吸引機構を設けて吸引したりする。
なお、第１配線層１２、第２配線層１５及びスペーサ１７の少なくとも一つは、パワー半導体素子１１とは反対面の1部又は全部を封止樹脂から露出させ、冷却器やヒートシンクなどの冷却部材と密着させて冷却する。なお、露出面と冷却部材の間には、必要に応じてセラミック、絶縁樹脂シートなどの絶縁材料を適宜介在させる。
図５は、第１の実施形態の変形例１を示す図であり、図１（Ｃ）に対応した断面図である。例えば、発熱量の少ないパワー半導体素子１１、すなわち、冷却性の要求が高くないパワー半導体装置の場合は、図５に示すように、第２配線層１５を封止樹脂２２に封止し、第１配線層１２を封止樹脂２２から露出すればよい。なお、この場合、第２配線層１５は、比較的薄い材料を用いることができるため、安価なプレス加工を採用して形成できる。
一方、第１配線層１２と第２配線層１５とを露出した場合は、パワー半導体装置を両面から冷却できるため、高い冷却性を得ることができ、パワー半導体装置を用いた電力変換装置の小型化・高密度化に有利である。また、スペーサ１７も露出させ冷却することで、第２主端子１６の自己発熱による熱、第２主端子１６に接続される配線や電気部品の発熱のよる熱をスペーサ１７を介して冷却することができるため、更に高い冷却性を得ることができる。すなわち、スペーサ１７は、Ｃｕ、Ａｌなどの熱伝導性が良好な金属に加えて、アルミナ、窒化けい素、窒化ほう素などの高熱伝導性セラミックを用いたり、エポキシやポリアミドなどの絶縁樹脂に熱伝導性フィラーや熱伝導性繊維を高充填させた高熱伝導性樹脂を用いたりすることで高い冷却性が得られる。
なお、本実施形態の第２配線層１５は、接合材１３との対向領域がその周縁より突出して形成されているが、これに限定されることはない。図６（Ａ）〜（Ｃ）は、配線層の例を示す図である。例えば、第２配線層１５の接合材１３との対向領域と周縁とが同一面でもよく、図６（Ａ）に示すように、第１配線層１２の接合材１３との対向領域を突出させてもよい。また、図６（Ｂ）に示すように、第１配線層１２及び第２配線層１５の両方の接合材との対向領域を突出させてよい。
また、後述の第４の実施例（図１３（Ｃ））のように、第１配線層１２、第２配線層１５の高さを変更してもよい。この場合、図６（Ｃ）に示すように、それぞれの突出する厚さ（高さ）を調整することで、パワー半導体素子１１、接合材１３、第２主端子１６、及び第１主端子１８のそれぞれの異なる厚さに対応できる。特に第１配線層１２、第２配線層１５に対して複数の異なるパワー半導体素子１１を並列及び／又は直列する場合、各パワー半導体素子１１の厚さを統一することが困難であり、０．０５ｍｍから０．２ｍｍの間で厚さが個別に設定されるため、この厚さの差異を吸収するのに好適である。また、第１配線層１２、第２配線層１５間や第１配線層１２、第２配線層１５と第２主端子１６、第１主端子１８との間の厚さ方向の絶縁距離を確保できる。
図７は、第１の実施形態の変形例２を示す図であり、図１（Ｃ）に対応した断面図である。この変形例２と第１の実施形態との違いは、スペーサ１７に替えて第３配線層２４を用いて、接合材１３を介して第２主端子１６と接続した点であり、その他の構成は第１の実施形態と同様であるので説明を省略する。
図７において、第３配線層２４は、第１配線層１２とは電気的に絶縁するように間隔を空けて並置されており、第２主端子１６と接続することでパワー半導体素子１１の電極と電気的に接続されている。なお、第１配線層１２と第３配線層２４とは、同一のリードフレームから分離して形成することが好ましい。すなわち、図示省略したタイバーを介して第１配線層１２と第３配線層２４を一体化したリードフレームを用いることで、位置決め手段を簡略化すると共に工数を飛躍的に低減することができる。なお、タイバーは第１配線層１２をパワー半導体素子１１に接続し、第３配線層２４を第２主端子１６と接続した後に、いずれかの工程で切除すればよい。
（第２の実施形態）
図８（Ａ）および（Ｂ）は、本発明によるパワー半導体装置の第２の実施形態を示す図である。図８（Ａ）は第１実施形態の図１（Ｂ）に、図８（Ｂ）は第１実施形態の図７に対応した断面図を示す。本実施形態と第１の実施形態との違いは、第１配線層１２〜第３配線層２４のそれぞれの接合材１３とは反対面に絶縁層２６を積層した点であり、その他の構成は第１の実施形態と同様であるので説明を省略する。
本実施形態は、第１の実施形態の作用効果に加えて以下の作用効果が得られる。
まず、第一の効果として、それぞれの配線層に積層した絶縁層２６が封止樹脂２２から露出しているため、第１の実施形態のように露出面と冷却部材の間に絶縁材料を介在させる必要がない。
また、第二の効果として、例えば、Ｃｕ、Ａｌなどの金属板と絶縁層とが積層・接着された積層板からエッチング法により金属板を加工して各配線を形成した配線板や、プレス加工により各配線を形成した金属板に絶縁層を積層・接着した配線板を用いることができるため、第１の実施形態のように第１配線層１２と第３配線層２４とを一体化したダイバーを切除する必要が無くなる。
ここで、絶縁層２６としては、アルミナ、窒化けい素、窒化ほう素などの高熱伝導性セラミックを用いたり、エポキシやポリアミドなどの絶縁樹脂にアルミナ、窒化けい素、窒化ほう素などの熱伝導性フィラーを高充填させた高熱伝導性樹脂を用いることができる。
さらに、高熱伝導性セラミックや高熱伝導性樹脂は、第１の実施形態の各配線を接続する工程（すなわち、第１の実施形態の工程Ｅに相当する）〜樹脂封止の工程（同工程Ｆに相当する）の間で積層してもよい。
図９は、第２の実施形態の変形例を示す図である。図９に示すように、第１の実施形態と同様、放熱性の要求が比較的低いパワー半導体装置の場合は、上面又は下面の一方の面だけに絶縁層２６を積層してもよい。
（第３の実施形態）
図１０（Ａ）（Ｂ）は、第３の実施形態のパワー半導体装置を示す図である。図１０（Ａ）は、第２の実施形態の図８（Ａ）に対応した断面図、図１０（Ｂ）は、第２の実施形態の図８（Ｂ）に対応した断面図である。本実施形態と第２の実施例との違いは、絶縁層２６に放熱層２７を積層した点であり、その他の構成は第２の実施形態と同様であるので説明を省略する。
放熱層２７の材料として、例えば、Ｃｕ、Ａｌなどの金属を用いることができ、放熱層２７の露出面に冷却器やヒートシンクを接合できるため、熱抵抗を低減し高い冷却性を得られる。また、本実施形態の放熱層２７は導電性が不要なため、ＳｉＣ、ＡｌＳｉＣなどの半導体や複合材を用いることができ、必要に応じてめっきで被覆してもよい。
さらに、配線層と絶縁層２６と放熱層２７とを予め積層・接着した絶縁基板を用いることができる。絶縁基板としては、セラミック板に配線層及び放熱層をロウ付又は直接接合したり、セラミック板に溶湯法で配線層及び放熱層を形成したりして製造できる。
図１１（Ａ）、（Ｂ）は、第３の実施形態の変形例を示す図である。図１１（Ａ）は、フィン２８を封止樹脂２２から突出させた例を、図１１（Ｂ）は、フィン２８を封止樹脂２２内に収めた例を示す。図１１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、プレート状やピン状（柱状）なフィン２８を放熱層２７と一体的に形成し、封止樹脂２２から露出することで、高い冷却性が得られる。一体的に形成する方法としては、放熱層２７にフィン２８をロウ付や直接接合したり、押出成形や鍛造によりフィン２８が一体化した放熱層２７をセラミック板にロウ付又は直接接合したりすればよい。溶湯法で絶縁基板を製造する場合は、鋳型にフィン２８を作り込めばよく、容易にフィン２８を一体的に形成でき、放熱層２７とフィン２８との接合界面がないため、パワー半導体装置の熱抵抗をより一層向上できる。なお、図１１（Ａ）、（Ｂ）は両面の放熱層にフィンを設けたが、上面又は下面だけに設けてもよい。
本実施形態は、第２の実施形態と比較して下記の作用効果を得られる。
すなわち、第２の実施形態の配線層は、配線層１２、１５と絶縁層２６の熱膨張係数の差によって反りが発生するため、配線層と絶縁層２６の熱膨張係数の差を低減するために、例えば、配線層がＣｕ、Ａｌなどの金属の場合は高熱伝導樹脂に低熱膨張な無機フィラーを高充填したり、絶縁層２６がセラミックの場合はＭｏ、Ｗなどの金属や４２アロイ、インバーなどの低熱膨張な合金を用いたりする必要があり、材料の制約や構造上の工夫が必要となる。また、熱膨張係数の差が比較的大きい材料を採用して工程管理で反りの影響を低減させることもできるが、工程が煩雑となる虞がある。
本実施形態によれば、絶縁層２６の両面に金属などの配線層１２、１５及び放熱層２７を積層・接着した場合、絶縁層２６を中心に厚さ方向に対称とすることができるため、材料の制約や工程の煩雑さを低減できる。なお、配線層１２、１５と放熱層２７とは面積が異なるため、それぞれの厚さを適宜調整することで反りを抑制できる。
以上、第１〜第３の実施形態は、一つのパワー半導体素子１１を例に挙げたが、これに限定されることはなく、同種及び／又は異種な複数のパワー半導体素子１１を並列及び／又は直列させてもよい。すなわち、パワー半導体素子１１にＭＯＳＦＥＴを用いて並列接続させたり、ＩＧＢＴやバイポーラトランジスタにダイオードを逆並列させたり、更にこれらを直列させてブリッジ構成としたり、適宜組合せることができる。
（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態について、図１２〜図２１を参照して説明する。この第４の実施形態では、作用効果が特に高いブリッジ構成のパワー半導体装置を例に説明する。なお、本実施形態は、第３の実施形態の構成を基本としているが、これに限定されることはなく、第１〜第３の実施形態を組み合わせて実施することができる。
図１２は、ブリッジ構成にしたパワー半導体装置の回路構成図である。図１２に示すように、上アーム３０と下アーム３１をそれぞれ構成するパワー半導体素子を正極側主端子３２と負極側主端子３３の間に直列し、上下アームの接続点から中間側主端子３４を接続しており、本実施形態では、パワー半導体素子として上アームＩＧＢＴ３５と上アームダイオード３６を並列に、また、下アームＩＧＢＴ３７と下アームダイオード３８を並列に接続している。このブリッジを一つ又は複数並列することで、直流―交流変換、交流―直流変換、直流電圧変換などの電力変換装置に利用される。
図１３は、パワー半導体装置の外観を示し、図１３（Ａ）は、封止樹脂２２、上面の絶縁層２６及び上面の接合材を取り除いた上面図であり、図１３（Ｂ）は図１３（Ａ）に対して上面の絶縁層２６の配線を接続した上面図であり、図１３（Ｃ）は図１３（Ｂ）のＸ―Ｘ断面を示す。
本実施形態では、下面の絶縁層２６の上アーム側第１配線４０に上アームＩＧＢＴ３５と上アームダイオード３６と接合材１３を介して接続し、下アーム側第１配線４３に下アームＩＧＢＴ３７と下アームダイオード３８と接合材１３を介して接続している。また、正極側主端子３２は上アーム側第１配線４０に接合材１３を介して接続し、負極側主端子３３は下アーム側第３配線４５に接合材１３を介して接続し、中間側主端子３４は下アーム側第１配線４３に接合材１３を介して接続している。さらに、上面の絶縁層２６の上アーム側第２配線４１は上アームＩＧＢＴ３５、上アームダイオード３６及び中間側主端子３４と接合材１３を介して接続し、下アーム側第２配線４４は下アームＩＧＢＴ３７、下アームダイオード３８及び負極側主端子３３と接合材１３を介して接続している。
このような構成とすることで、中間側主端子３４が、電流の入出力と上アーム及び下アームの電気的な接続とを兼ねることができる。従来は、金属ブロックを用いて、金属ブロックの上面及び下面に接合材を介して上アーム側第２配線４１と下アーム側第１配線４３と接続していたため、工程内の構成部品の管理が煩雑となっていたが、本実施形態ではその煩雑さが無くなる。
一方、下アームダイオード３８が順方向バイアス状態で導通している状態とする。この状態で、上アームＩＧＢＴ３５がオン状態になると、下アームダイオード３８が逆方向バイアスとなりキャリア移動に起因するリカバリ電流が上下アームを貫通する。この時、図１３の実線の矢印のように、リカバリ電流が流れる。すなわち、正極側主端子３２から上アーム側第１配線４０（矢印（１））、上アームＩＧＢＴ３５のコレクタ電極からエミッタ電極、上アーム側第２配線４１から中間側主端子３４（矢印（２））、中間側主端子３４から下アーム側第１配線４３（矢印（３））、下アームダイオード３８のカソード電極からアノード電極、下アーム側第２配線４４から負極側主端子３３（矢印（４））の順にループ状電流が流れる。このループ状電流によって、上面及び下面の絶縁層２６のそれぞれの放熱層に破線の矢印のような渦電流が流れ、その磁界相殺効果によってループ状電流の経路の配線インダクタンスが低減される。
図１４（Ａ）、（Ｂ）は、第４の実施形態の変形例１を、図１５（Ａ）、（Ｂ）は、第４の実施形態の変形例２を示す図である。
図１４に示すように、第２中間側主端子５０を正極側主端子３２の側面に近接して設ける。また、図１５に示すように、第２中間側主端子５１を負極側主端子３３の側面に近接して設ける。これにより、渦電流効果に加えて対向電流効果により配線インダタンスを低減できる。例えば、上アームＩＧＢＴ３５がオン状態で下アームＩＧＢＴ３７がオフ状態の場合、図１４（Ａ）、（Ｂ）の実線の矢印（１）、（２）に示すように電流方向が対向する電流が流れる。すなわち、正極側主端子３２の側面と第２中間側主端子５０の側面とが近接対向し、上アーム側第２配線４１の主面と上アーム側第１配線４０と主面とが近接対向しており、それぞれに流れる電流によって発生する磁界が相殺され配線インダクタンスを低減する。例えば、上アームＩＧＢＴ３５がオフ状態で下アームＩＧＢＴ３７がオン状態の場合、図１５（Ａ）、（Ｂ）の実線の矢印（１）、（２）に示すように電流方向が対向する方向に電流が流れ、図１４と同様の効果により、配線インダクンスを低減する。なお、中間側主端子３４は、上下アームの電気的な接続として機能させるため、配線や電気部品を接続しない。
以上のように、本実施形態は、配線インダクタンスを効果的に低減でき、その結果、リカバリサージを抑制でき、スナバ回路を小型化したり省略したりできるため、電力変換装置の小型化・高密度化が有利となる。また、電力変換装置内部のレイアウトに応じて図１３〜１５の主端子配列を任意に選択でき、設計裕度が向上する。
ここで、上面の絶縁層２６の正極側主端子３２の対応した位置に上アーム側第２配線４１と絶縁された第３配線（図示省略）を形成し、正極側主端子３２と接合材１３を介して接続することができ、正極側主端子３２の自己発熱による熱、正極側主端子３２に接続される配線や電気部品の発熱のよる熱を上面の絶縁層２６を介して冷却することができるため、更に高い冷却性を得ることができる。
なお、各アームのＩＧＢＴの制御電極は、ワイヤ配線を介したワイヤボンディング法により上アーム制御端子４２又は下アーム制御端子４６にそれぞれ接続される。
図１６は、（Ａ）（Ｂ）第４の実施形態のリードフレームを示す図であり、図１６（Ａ）は、上面図を、図１６（Ｂ）は、Ｘ―Ｘ断面図である。
各アームの制御端子は、図１６に示すように、各主端子と共にタイバー５２を介したリードフレーム５３を用いて、各主端子と各配線の接続と同一工程で、接合材（図示せず）を介して上アーム制御端子４２又は下アーム制御端子４６と接続できる。これにより、位置決め手段の簡略化と工程の短縮ができる。その後タイバー５２を切除することで、正極側主端子３２、負極側主端子３３、中間側主端子３４、上アーム制御端子４２及び下アーム制御端子４６をリードフレーム５３からそれぞれ分離して形成することができる。なお、リードフレーム５３の所定の位置にある複数の貫通孔５４は、各工程での位置決めや搬送のガイド穴として利用できる。
このように、各制御端子と各主端子とがリードフレーム５３により一体化されているため、それぞれの相対位置の精度がよく、トランスファーモールド時の型締めの際、各端子に過大な応力が発生せず、接合材の剥離や絶縁層２６のセラミックのクラックの発生が防止でき、高歩留りにパワー半導体装置を提供できる。
また、第１の実施形態で説明したように、各制御端子と各主端子は、それぞれに対応した配線と直接接合法により接合することで、接合材を介在させない分、下面の絶縁層２６との位置精度が向上し、図１６（Ｂ）に示す上型５５、下型５６による型締めの際、より一層歩留りが向上する。
図１７は、第４の実施形態の型締めを示す図である。図１７に示すように、上面の絶縁層２６の放熱層２７に上型５５を接触させないように隙間５７を設けて封止樹脂で封止した後、上面の放熱層２７が露出するように研摩・切削できる。この場合、一工程増えてしまうが、従来の方法よりも上面の絶縁層２６の位置精度が向上しているため、隙間を薄くでき、研摩・切削の時間が短縮される。
図１８（Ａ）、（Ｂ）は、第４の実施形態の変形例３を示す図である。図１８（Ｂ）は、図１８（Ａ）のＸ―Ｘ断面図である。
図１８（Ａ）、（Ｂ）に示すように、上面の絶縁層２６の各アームの制御端子の対応した位置に上アーム側第２配線４１及び／又は下アーム側第２配線４４と絶縁された制御用第３配線６０を形成し、各アームの少なくとも一つの制御端子と接合材を介して接続する。これにより、各アームの制御端子の自己発熱による熱、各アームの制御端子に接続される配線や電気部品の発熱のよる熱を上面の絶縁層２６を介して冷却することができるため、更に高い冷却性を得ることができる。
図１９（Ａ）、（Ｂ）は、第４の実施形態の変形例４を示す図である。図１９（Ｂ）は、図１９（Ａ）のＸ―Ｘ断面図である。
図１９（Ａ）、（Ｂ）に示すように、一部の制御用第３配線６０を上アーム側第２配線４１又は下アーム側第２配線４４と電気的に接続する。これにより、制御用エミッタ（ＭＯＳＦＥＴの場合は制御用ソース）として利用でき、パワー半導体素子の制御電極の数やワイヤ配線を削減できるため、低コストにパワー半導体装置を提供できる。また、上アーム側第２配線４１や下アーム側第２配線４４の面積を拡大することができるため、冷却性を飛躍的に向上させることができるため、電力変換装置の小型化・高密度化が有利となる。
また、上面の絶縁層２６の各配線は、パワー半導体素子との接続の他、その接続部周辺で主端子、制御端子とも接続するので接合箇所が増大するが、各端子の位置精度が良いので、上面の絶縁層２６の位置精度も向上し、特に傾き難くなる。すなわち、パワー半導体素子の主面と絶縁層２６の主面との平行度が確保されるため、パワー半導体素子の上面電極の接合材の厚さばらつきや流出（漏洩）などを抑制でき、歩留りが向上する。
以上、本実施形態によれば、第１の実施形態〜第３の実施形態と比較して、小型化、高放熱化に優れ、特に配線の低インダクタンス化に優れたパワー半導体装置を高歩留りに提供できる。
（第５の実施形態）
図２０（Ａ）、（Ｂ）は、第５の実施形態を示す図である。図２０（Ｂ）は、図２０（Ａ）のＸ―Ｘ断面図である。
本実施形態は、図２０に示すように、各配線及び／又は各端子６１の接合材１３が形成される所定の位置に規制部６２を形成したことで、接合材１３の流出を防止でき、接合材１３の厚さばらつきが低減できる。
規制部６２は、感光性ソルダーレジストや感光性ポリイミドなどの感光性樹脂を用い、フォトリソ法により形成したり、熱硬化性樹脂をスクリーン印刷やディスペンサを用いて塗布して硬化させたり、周知な方法で形成できる。また、接合材１３にはんだを用いる場合は、所定の位置にマスクを貼り付けてウェットエッチングやサンドブラストなどで粗面化することで規制部６２を形成できる。
なお、図２０に示す規制部６２は、接合材１３の外周近傍だけに形成しているが、これに限定されることはない。例えば、有機質又は無機質に関わらず絶縁材料を所定の位置に延在させて形成することで、電位の異なる配線や端子６１の絶縁性能を強化できる。また、規制部６２は、ポリアミド樹脂や粗面化した規制部６２を採用して、各配線や各端子６１の接合材と対向する以外の領域に形成することで、封止樹脂との密着性を向上できる。
なお、本実施形態は、他の実施形態と組み合わせて実施することができる。
（第６の実施形態）
図２１（Ａ）〜（Ｅ）は、第６の実施形態を示す図である。
本実施形態は、第４の実施形態の制御電極から制御端子までの接続方法を工夫したものである。なお、その他の構成は第４の実施形態と同様であるので説明を省略する。
図２１（Ａ）は、ワイヤ配線をフレキシブルプリント配線板（以下、ＦＰＣと称する）７０に変更し、パワー半導体素子の制御電極と制御配線７１とをＦＰＣ７０の配線及び接合材７２を介して接続した。接合材７２としては、例えば、バンプを用いることができ、バンプを制御電極及び制御配線７１とＦＰＣ７０の配線パッド（図示省略）のいずれか一方に予め形成しておき、超音波溶接で接続する。バンプの材質は、はんだ、Ｎｉ、Ａｕなどを主体とした金属を電気めっき又は無電解めっきで形成したり、導電性ペースト、はんだペーストなどを印刷で形成したりできる。
さらに、接合材７２は、パワー半導体素子の上面電極上の接合材１３や制御配線７１上の接合材１３と同一の材料を用いることができるため、接続工程を同一とすることができ、工数を低減できる。
次に、図２１（Ｂ）は、ワイヤ配線７３の接続される一端を制御配線から制御端子４２に変更したものである。このようにすることで、制御配線長が短縮できるため、パワー半導体装置を図２１（Ａ）と比較して破線で示すサイズから小型化できる。なお、図２１（Ａ）の制御配線に対応する下面の絶縁層２６上の配線は、制御用第３配線７４として機能する。
図２１（Ｃ）は、図２１（Ａ）と（Ｂ）とを組み合わせたものであり、ワイヤ配線をＦＰＣ７０に変更し、制御電極と制御配線とをＦＰＣ７０の配線及び接合材７２を介して接続した。これにより、図２１（Ａ）及び（Ｂ）で示した効果を奏する。
図２１（Ｄ）は、図２１（Ａ）と同様に、ＦＰＣ７０を用いており、ＦＰＣ７０は上面の絶縁層２６の配線に固着している。これにより、ＦＰＣ７０は配線に予め位置決めされているので、絶縁層２６の位置決めだけで済むと共に、図２１（Ｂ）と同様に、パワー半導体装置を小型化できる。
なお、ＦＰＣ７０に替えて、絶縁層２６の配線上にＦＰＣ７０の基材に相当する絶縁層を介在させてＦＰＣ７０の配線に相当する配線を形成してもよく、絶縁層２６当該ＦＰＣ７０の配線に相当する配線に第５の実施形態で示した規制部６２を用いることで、材料コストや工数を低減できる。
図２１（Ｅ）は、ワイヤ配線やＦＰＣに替えて、上面の絶縁層２６に制御配線７１を設けたものであり、ワイヤ配線やＦＰＣを削減し、更なる低コスト化が達成できる。すなわち、本実施形態は、上面の絶縁層２６の第２配線層１５と制御配線７１とを同時に形成でき、ワイヤ配線やＦＰＣが不要となる。また、パワー半導体素子の制御電極及び上面電極と第２配線層１５及び制御配線７１を同一の接合材を介して同一の工程で接続できため、工数を低減できる、さらに、制御配線７１と制御端子４２も同様に、同一の接合材を用いて同一工程で接続できるため、更なる工数低減が図れる。また、同一工程で配線を形成したり、接合材を介して接続したりできるので、位置決め手段が簡略化でき、各端子の位置精度が向上する。
なお、本実施形態は、他の実施形態と組合せて実施することができる。
（第７の実施形態）
図２２（Ａ）、（Ｂ）は、第７の実施形態を示す図である。
本実施形態は、制御端子と主端子の導出方向を変更したパワー半導体装置であり、図２２（Ａ）、（Ｂ）に具体的な実施形態を示す。なお、図２２（Ａ）、（Ｂ）は、第４の実施形態を基本としており、図１３（Ａ）と同様に、わかりやすくするために封止樹脂、上面の絶縁層２６及び上面の接合材を取り除いた上面図であり、変更しない構成については第４の実施形態と同様であるので説明を省略する。なお、本実施形態は、これに限定されることはなく、第１〜第３の実施形態を組み合わせて実施することができる。
図２２（Ａ）、（Ｂ）は、対向する一対の辺から正極側主端子３２、負極側主端子３３、中間側主端子３４を導出し、これら主端子の導出方向と直交する一対の辺からそれぞれ上アーム制御端子４２、下アーム制御端子４６を導出している。このように、パワー半導体素子の配置を変更したり、各端子の導出方向を変更したりすることで、パワー半導体装置の構成部品のレイアウトに応じて適宜各端子の導出方向を設定できる。図示しないが、本実施形態のように絶縁層２６を用いることで、制御配線を絶縁層２６内で自由に形成できるので、例えば、上下アームの各制御端子をパワー半導体装置の１辺に集約できる。
図２３（Ａ）〜（Ｃ）は、第７の実施形態の変形例を示す図である。
なお、図２３（Ａ）〜（Ｃ）は、第４の実施形態を基本としており、図１３（Ａ）と同様に、わかりやすくするために封止樹脂、上面の絶縁層２６及び上面の接合材を取り除いた上面図であり、変更しない構成については第４の実施形態と同様であるので説明を省略する。
図２３（Ｂ）は、図２３（Ａ）のＸ−Ｘ断面図であり、図２３（Ｃ）は、図２３（Ａ）のＹ−Ｙ断面図である。
図２３（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、例えば、中間側主端子３４と負極側主端子３３をその接合材との接続部から上面及び下面の絶縁層２６の間を延在することで、各主端子をパワー半導体装置の１辺に集約できる。このように、主端子の接続部から封止樹脂の導出部（金型で主端子が型締めされる部分）までの距離が長くなっても、本実施形態を採用することで、主端子の位置精度が従来よりも向上するため、型締めの際に各端子に過大な応力が発生せず、接合材の剥離や絶縁層２６のセラミックのクラックの発生が防止でき、高歩留りにパワー半導体装置を提供できると共に、パワー半導体装置の内部レイアウトの設計自由度が向上できる。
以上、パワー半導体装置の実施形態を説明したが、例えば、図１３に示す上下アームを構成した１相分の回路を複数用意して封止樹脂の内部で一体化することで、２相フルブリッジ（４ＩＮ１）や３相フルブリッジ（６ＩＮ１）を構成するパワー半導体装置にも適用でき、これら主端子や制御端子が増大するパワー本導体装置に本発明を適用することで、その効果が一層に高まる。
（第８の実施形態）
図２４（Ａ）（Ｂ）は、第８の実施形態を示す図である。本実施形態ではパワー半導体装置を組み込んだ電力変換装置を示す。
図２４（Ａ）は、電力変換装置８０の一側面の断面図であり、図２４（Ｂ）は一側面と直交方向となる他側面のパワー半導体装置８１の周辺を示す断面図である。
本実施形態では、第１の実施形態または第３の実施形態で例示したパワー半導体装置８１を用いた。すなわち、上面の配線を封止樹脂２２から露出させた、または、下面のフィン付放熱層２７を封止樹脂２２から露出させたパワー半導体装置である。
パワー半導体装置８１のフィン２８がケース８２の仕切板８３に一体成型された下水路８４に対向するようＯリングや液状ガスケットなどのシール部材（図示省略）を介して載置される。さらに、パワー半導体装置８１の上面の配線に放熱シートやセラミック板などの絶縁部材８５を介して上水路８６が密着している。上水路８６の給排水用ヘッダ８７は、下水路８４の上面に設けられた孔８８に挿入されＯリングや液状ガスケットなどのシール部材（図示省略）を介して水密される。また、上水路８６は螺合やバネクリップなどの締結部材（図示省略）により仕切板８３に固定される。このように、パワー半導体装置８１は、上面及び下面の両面から冷却される。
また、パワー半導体装置８１の主端子１６、１８は、仕切板８３の貫通孔を挿通するように下方へ屈曲し、下水路８４の下面に搭載された平滑用コンデンサ、リアクトルなどの他の電気部品８９の端子と螺合や溶接などの方法により接続される。さらに、パワー半導体装置の制御端子１９は、上方に屈曲し、シールド板や取付ボスなどの支持部材（図示省略）に固定された制御基板９０とプレスフィットやはんだ付けなどの方法により接続される。このように、他の電気部品８９は下水路８４で冷却されると共に発熱量が比較的大きいパワー半導体装置８１から熱干渉を下水路８４が間に介在することで抑制できる。同様に、制御基板９０も上水路８６で冷却すると共に熱干渉を抑制できる。図示省略するが、制御基板９０に実装されたＣＰＵ、ＤＳＰなどの演算装置も熱干渉を抑制すると共に放熱部材を介して上水路８６と熱結合して冷却できる。
さらに、図示省略する電流センサ、放電抵抗、フィルタなどの電力変換装置８０を構成する部品を収容し、ケース８２は上カバー９１及び下カバー９２とＯリングや液状ガスケットなどのシール部材（図示省略）を介して水密される。
なお、本実施形態のパワー半導体装置８１は、便宜上1つであるが、３相ブラシレスモータを駆動する電力変換装置８０の場合は、１アーム（１ＩＮ１）のパワー半導体装置８１を６つ並設したり、１相ブリッジ（２ＩＮ１）のパワー半導体装置８１を３つ並設したり、３相フルブリッジ（６ＩＮ１）のパワー半導体装置８１を１つ用いたりできる。また、直列共振フルブリッジ電圧変換装置では、１アーム（１ＩＮ１）のパワー半導体装置８１を４つ並設したり、２相フルブリッジ（４ＩＮ１）のパワー半導体装置８１を１つ用いたりでき、電力変換装置８０の主回路構成に応じてパワー半導体装置８１のアーム構成を自由に設定できる。
以上説明した実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）パワー半導体装置８１は、上面電極１４および下面電極を有する半導体素子１１と、半導体素子１１の下面電極に対向して配置され、半導体素子１１の下面電極と接合材１３を介して接続された第１配線層１２と、半導体素子１１の上面電極１４に対向して配置され、半導体素子１１の上面電極１４と接合材１３を介して接続された第２配線層１５と、第１配線層１２と接合材１３を介して接続された第１主端子１８と、第２配線層１５と接合材１３を介して接続された第２主端子１６と、スペーサ１７とを備え、スペーサ１７は、第１配線層１２または第２配線層１５と並置され、第１主端子１８または第２主端子１６が載置されている。これにより、生産工程におけるパワー半導体装置の破損を防ぐことができる。
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の特徴を損なわない限り、本発明の技術思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。また、上述の実施形態と複数の変形例を組み合わせた構成としてもよい。
１１ パワー半導体素子
１２ 第１配線層
１３ 接合材
１５ 第２配線層
１６ 第２主端子
１７ スペーサ
１８ 第１主端子
１９ 制御端子
２０ ワイヤ配線
２２ 封止樹脂
２４ 第３配線層
２６ 絶縁層
２７ 放熱層
２８ フィン
３０ 上アーム
３１ 下アーム
３５ 上アームＩＧＢＴ
３６ 上アームダイオード
３７ 下アームＩＧＢＴ
３８ 下アームダイオード
８０ 電力変換装置
８１ パワー半導体装置
８６ 上水路
８４ 下水路

Claims (4)

  1. 上面電極および下面電極を有する半導体素子と、
    前記半導体素子の前記下面電極に対向して配置され、前記半導体素子の前記下面電極と接合材を介して接続された第１配線層と、
    前記半導体素子の前記上面電極に対向して配置され、前記半導体素子の前記上面電極と接合材を介して接続された第２配線層と、
    前記第１配線層と接合材を介して接続された第１主端子と、
    前記第２配線層と接合材を介して接続された第２主端子と、
    スペーサとを備え、
    前記スペーサは、前記第１配線層または前記第２配線層と並置され、前記第１主端子または前記第２主端子が載置されているパワー半導体装置。
  2. 請求項１に記載のパワー半導体装置において、
    前記スペーサは、前記第１配線層または前記第２配線層と前記第１主端子または前記第２主端子との接合面の反対側の面に接合材を介して接続された第３配線層であるパワー半導体装置。
  3. 請求項２に記載のパワー半導体装置において、
    前記第１配線層および前記第３配線層は、同一のリードフレームから分離されてなるパワー半導体装置。
  4. 請求項２に記載のパワー半導体装置において、
    前記半導体素子の前記下面電極側には、接合材を介して前記第１配線層が、前記半導体素子の前記上面電極側には、接合材を介して前記第２配線層が接続され、
    前記第１配線層及び前記第２配線層の前記半導体素子との接合面の反対側には、絶縁層及び放熱層が積層され、
    前記第３配線層の前記第１主端子または前記第２主端子との接合面の反対側には、絶縁層及び放熱層が積層されているパワー半導体装置。
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