JP2007329387A

JP2007329387A - 半導体装置

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Publication number: JP2007329387A
Application number: JP2006160913A
Authority: JP
Inventors: Masuo Koga; 万寿夫古賀; Tetsuo Mizojiri; 徹夫溝尻; Yukimasa Hayashida; 幸昌林田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-06-09
Filing date: 2006-06-09
Publication date: 2007-12-20
Also published as: US7405448B2; CN101086984A; DE102007001191A1; DE102007001191B4; CN100514634C; US20070284745A1

Abstract

【課題】半導体素子の動作時に発生するゲートバランス抵抗部のオープン不良を防止し、高信頼性を確保する。
【解決手段】放熱板６の上に第１絶縁基板１が設けられ、その上に半導体素子２が設けられている。第１絶縁基板１および半導体素子２を覆うように、絶縁性樹脂ケース８が設けられている。第２絶縁基板３が第１絶縁基板１と離間して、絶縁性樹脂ケース８の内側に取り付けられている。第２絶縁基板３の上には、ゲートバランス抵抗として機能する抵抗素子４が、半田付けにより固定されている。このように抵抗素子４を搭載した第２絶縁基板３を、半導体素子２を搭載した第１絶縁基板１と離間させ、絶縁性樹脂ケース８側に取り付けるようにした。上記構成により、半導体素子２の動作時に、半導体素子２で発生する熱が抵抗素子４に伝わることを抑制し、抵抗素子４の半田剥がれを防止できる。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体装置に関し、特に、半導体素子への電流分布を均等にするための抵抗を搭載した半導体装置に関するものである。

電鉄のインバータ／コンバータ等に使用される半導体装置では、数百〜数千アンペアの定格電流が必要とされる。このため、通常は数個〜数十個の半導体素子が半導体装置内で並列に接続されている。

上記半導体装置では、絶縁基板上に複数の半導体素子が設けられている。上記絶縁基板上で、各半導体素子の近傍には、ゲートバランス抵抗と呼ばれる抵抗が配置されている。この抵抗は、個々の半導体素子への電流分布を均一化するためのものであり、半導体素子と同様に、絶縁基板上に半田付けにより固定されている。さらにこの絶縁基板は、放熱板に半田付けにより固定されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−１８５６７９号公報

上記半導体素子の動作時には、熱サイクルが生じる。このため、半田付けを行った部分には、各構成部材の線膨張率の差に起因する熱応力が発生し、徐々に半田に亀裂が入る。上記ゲートバランス抵抗が半田付けされている部分に亀裂が入ると、抵抗値が上昇し、最後にはオープン不良となって耐圧不良が発生するという問題があった。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、半導体素子の動作時に発生するゲートバランス抵抗部のオープン不良を防止し、高信頼性を確保できる半導体装置を提供することを目的とする。

本発明に係る半導体装置は、放熱板と、前記放熱板上で、前記放熱板と接触して設けられた第１絶縁基板と、前記第１絶縁基板上に設けられた半導体素子と、前記放熱板上に設けられ、前記第１絶縁基板および前記半導体素子を囲む絶縁性樹脂ケースと、前記放熱板上方で、前記放熱板および前記第１絶縁基板と離間して前記絶縁性樹脂ケースの内側に取り付けられた第２絶縁基板と、前記第２絶縁基板上に半田付けにより固定された抵抗素子と、前記半導体素子と前記抵抗素子とを電気的に接続するワイヤと、を備えたことを特徴とする。本発明のその他の特徴については、以下において詳細に説明する。

本発明によれば、半導体素子の動作時に発生するゲートバランス抵抗部のオープン不良を防止し、高信頼性を確保できる半導体装置を得ることができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において同一または相当する部分には同一符号を付して、その説明を簡略化ないし省略する。

実施の形態１．
本実施の形態１に係る半導体装置について説明する。図１（ａ）は、本実施の形態１に係る半導体装置９の平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ方向から見た半導体装置９の側面図である。この半導体装置９は、銅やアルミニウムなどの金属からなる放熱板６を備え、放熱板６上には第１絶縁基板１が設けられている。第１絶縁基板１は、第１絶縁層１ａ、第１導電パターン１ｂおよび第１裏面パターン１ｃを有している。第１絶縁層１ａの上面に第１導電パターン１ｂが設けられ、下面に第１裏面パターン１ｃが設けられている。そして第１絶縁層１ａは、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）などのセラミックからなり、これに接合される第１導電パターン１ｂと第１裏面パターン１ｃは銅や銅合金により形成されている。

第１裏面パターン１ｃは、半田７ａを介して、放熱板６の上面に固定されている。このようにして、第１絶縁基板１が放熱板６の上に設けられている。第１導電パターン１ｂの上には、例えばＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴなどの半導体素子２が設けられている。第１導電パターン１ｂと半導体素子２とは、半田７ｂを介して電気的に接続されている。このようにして、第１絶縁基板１上に、半導体素子２が設けられている。

そして、放熱板６に固定され、放熱板６および半導体素子２が搭載された第１絶縁基板１を囲む（囲繞する）ようにして絶縁性樹脂ケース８が設けられている。またこの絶縁性樹脂ケース８には、インサート形成（成形）された主端子１０や制御端子１１を有し、主端子１０や制御端子１１からケース内に伸びるリード部（図示なし）を介して、絶縁基板上の導電パターンなどと電気的な接続を構成している。

更に、絶縁性樹脂ケース８の内部の側面には、突出部８ａが設けられ、その上に、第２絶縁基板３が取り付けられている。すなわち放熱板６上方で、第２絶縁基板３が、放熱板６および第１絶縁基板１と離間して、絶縁性樹脂ケース８の内側に取り付けられている。

第２絶縁基板３は、第２絶縁層３ａ、第２導電パターン３ｂ、および第２裏面パターン３ｃを有している。第２絶縁層３ａの上面に第２導電パターン３ｂが設けられ、下面に第２裏面パターン３ｃが設けられている。第１絶縁基板１と同様に、第２絶縁基板３における第２絶縁層３ａは例えばＡｌＮなどのセラミックからなり、これに接合される第２導電パターン３ｂと第２裏面パターン３ｃは銅や銅合金により形成されている。

第２導電パターン３ｂは複数設けられ、これらの隣接するパターン間の上を跨ぐように、抵抗素子４が設けられている。第２導電パターン３ｂと抵抗素子４とは、半田７ｃにより接続されている。すなわち第２導電パターン３ｂは、抵抗素子４と半田付けにより電気的に接続されている。このようにして、所定の抵抗値を有する抵抗素子４が、第２絶縁基板３の上に、半田付けにより固定されている。

また、第２裏面パターン３ｃは、突出部８ａの上面に接着剤などにより固定されている。このようにして、第２絶縁基板３が、絶縁性樹脂ケース８の内側に取り付けられている。さらに、半導体素子２と第２導電パターン３ｂとが、ワイヤ５により接続されている。これにより、半導体素子２は、ワイヤ５、第２導電パターン３ｂを介して抵抗素子４と接続されている。なお、第２絶縁基板３の絶縁性ケース８への取り付け（固定）方法については、第２裏面パターン３ｃと突出部８ａとを接着剤を使って行うものとしたが、絶縁性樹脂ケース８の突出部８ａに第２絶縁基板３と係合して固定されるような（嵌め合い）構造を設けるようにして行っても良い。このような構造は、絶縁性樹脂ケース８成形段階で形成され、接着剤の使用も不要とできるので、より製品を安価にすることが可能となる。

各半導体素子２の動作、すなわちＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴなどの各スイッチング素子のスイッチング動作は、それぞれのゲート電極にオン／オフの制御（スイッチング）信号が印加されることにより行われる。このとき、各半導体素子２に接続された抵抗素子４の抵抗値を所定の値とすることにより、各半導体素子に流れるゲート電流を調整することができる。すなわち抵抗素子４は、ゲート電流のバランスを取るためのゲートバランス抵抗として機能する。

なお、詳細な説明は省略するが、半導体装置９はその絶縁基板や半導体素子を保護するため、絶縁性樹脂ケース８で囲まれた内部に、第１絶縁基板１と第２絶縁基板３が半導体素子２およびワイヤ５などを含め覆われるように、シリコンゲルが充填され、さらにその上部をエポキシ樹脂で充填、あるいは蓋をすることなどにより封止されている。また、本発明についての理解を容易なものとするため、本発明の実施の形態における半導体装置９の回路図を図２に示しておく。

以上説明したように、本実施の形態１の半導体装置９は、第２絶縁基板３、すなわちゲートバランス抵抗を搭載した絶縁基板を、絶縁性樹脂ケース側に固定するようにしたものである。上記構造とすることにより、半導体素子２を動作させる際に生じる熱は、抵抗素子４に殆んど伝わらない。これにより、従来技術と比較して、第２絶縁基板３と抵抗素子４とを接続する半田７ｃに亀裂が発生するのを抑えることができる。従って、半導体素子の動作時に発生するゲートバランス抵抗部のオープン不良を防止し、高信頼性を確保することができる。

また、上述したように、抵抗素子４は、半田付けにより第２絶縁基板３に固定されている。この半田付けは、ホットプレートによるリフロー半田付けにより実現できる。つまり、半田ごてによる作業を必要としないため、半田付けの作業性を向上させることができる。さらに、半導体装置の品質の安定化を図ることも可能である。

本実施の形態１に係る半導体装置によれば、半導体素子の動作時に発生するゲートバランス抵抗部のオープン不良を防止し、高信頼性を確保することができる。

実施の形態２．
本実施の形態２に係る半導体装置について説明する。ここでは、実施の形態１と異なる点を中心に説明する。

従来技術においては、半導体素子２と抵抗素子４が同一の絶縁基板上に設けられていた。そのため、絶縁基板には、数１０００Ｖの絶縁耐性が必要であった。しかし、実施の形態１では、ゲートバランス抵抗を搭載した絶縁基板を、絶縁性樹脂ケース側に固定するようにした。このため、この絶縁基板は、数１０Ｖの絶縁耐性があれば十分であると考えられる。そこで本実施の形態２では、ゲートバランス抵抗を搭載した絶縁基板の絶縁層の厚さを、半導体素子を搭載した絶縁基板の絶縁層の厚さよりも薄くした構造とする。

図３は、本実施の形態２に係る半導体装置の第２絶縁基板３および抵抗素子４の側面図である。本実施の形態２では、第２絶縁基板３の第２絶縁層３ａの厚さｔを、第１絶縁基板１の第１絶縁層１ａの厚さよりも薄くする。

例えば、第１絶縁層１ａの厚さが約０．６４ｍｍであるとき、第２絶縁層３ａの厚さを約０．３２ｍｍとしても、絶縁耐圧は確保されており問題が生じることはない。つまり、第２絶縁層３ａの厚さは、第１絶縁層１ａの厚さよりも約０．３２ｍｍ薄くでき、これは第１絶縁層１ａの半分の厚さということになる。

このようにして、第２絶縁基板３の第２絶縁層３ａの厚さを、第１絶縁基板１の第１絶縁層１ａの厚さよりも薄くする。その他の構成については、実施の形態１と同様である。上記構成により、抵抗素子４を搭載する第２絶縁基板３を安価に製作することができる。

本実施の形態２に係る半導体装置によれば、実施の形態１の効果に加えて、抵抗素子を搭載する絶縁基板を安価に製作することができ、コスト削減を図ることができる。

実施の形態３．
本実施の形態３に係る半導体装置について説明する。ここでは、実施の形態１、２と異なる点を中心に説明する。

本実施の形態３に係る半導体装置の第１絶縁基板１、第２絶縁基板３の平面図をそれぞれ図４（ａ）、（ｂ）に示す。図４（ａ）において、第１導電パターン１ｂの外周から第１絶縁層１ａの外周に至るまでの第１絶縁層１ａの表面に沿った最短距離、すなわち第１導電パターン１ｂから第１絶縁層１ａの外周に至る沿面距離をＤ_１とする。また、図４（ｂ）において、第２導電パターン３ｂの外周から第２絶縁層３ａの外周に至るまでの第２絶縁層３ａの表面に沿った最短距離、すなわち第２導電パターン３ｂから第２絶縁層３ａの外周に至る沿面距離をＤ_２とする。

このとき、本実施の形態３では、上記沿面距離Ｄ_２が、上記沿面距離Ｄ_１よりも短くなるようにする。例えば、Ｄ_１を２ｍｍとし、Ｄ_２を０．５ｍｍとする。その他の構成については、実施の形態１、２と同様である。

本実施の形態３においても、実施の形態１、２と同様に、ゲートバランス抵抗を搭載した絶縁基板を、絶縁性樹脂ケース側に固定するようにした。このため、この絶縁基板は、数１０Ｖの絶縁耐性があれば十分であると考えられる。従って、上記沿面距離Ｄ_２を、沿面距離Ｄ_１よりも短くすることができる。これにより、抵抗素子４を搭載する第２絶縁基板３をさらに安価に製作することができ、コスト削減を図ることができる。

本実施の形態３に係る半導体装置によれば、実施の形態１、２の効果に加えて、抵抗素子を搭載する絶縁基板をさらに安価に製作することができ、コスト削減を図ることができる。

実施の形態４．
本実施の形態４に係る半導体装置について説明する。ここでは、実施の形態１〜３と異なる点を中心に説明する。

本実施の形態４に係る半導体装置の第２絶縁基板３の断面図を図５に示す。実施の形態１〜３では、第２絶縁層３ａの下面に第２裏面パターン３ｃが設けられ、これが突出部８ａに固定された構造とした（図１（ｂ）参照）。これに対して本実施の形態４では、図５に示すように、第２絶縁層３ａの下面に第２裏面パターン３ｃが設けられていない構造とする。

このような第２絶縁基板を用いた半導体装置を図６に示す。すなわち、本実施の形態４では、第２絶縁層３ａが直接絶縁性樹脂ケース８（突出部８ａの上面）に接着剤などで固定されることにより、第２絶縁基板３が、絶縁性樹脂ケース８の内側に取り付けられた構造とする。

上記構造とすることにより、第２絶縁基板３の裏面パターンが不要となり、抵抗素子４を搭載する第２絶縁基板３をさらに安価に製作することができ、コスト削減を図ることができる。

本実施の形態４に係る半導体装置によれば、実施の形態１〜３に示した効果に加えて、抵抗素子を搭載する絶縁基板をさらに安価に製作することができ、コスト削減を図ることができる。なお、第２絶縁基板３について第２裏面パターン３ｃが設けられているものにおいては、半導体素子２のスイッチング動作に伴って発生するノイズが、第２絶縁基板３の第２導電パターン３ｂに重畳するような現象を抑制できるので、動作が安定し半導体装置の信頼性を向上させる効果がある。

実施の形態５．
本実施の形態４に係る半導体装置について説明する。ここでは、実施の形態１〜４と異なる点を中心に説明する。

実施の形態１〜４では、第２絶縁基板３の第２絶縁層３ａの材料として、ＡｌＮなどからなるセラミックを用いた例を示した。本実施の形態５では、上記材料として、ガラスエポキシ樹脂を用いるようにした。その他の構成については、実施の形態１〜４と同様である。

本実施の形態５においても、実施の形態１〜４と同様に、ゲートバランス抵抗を搭載した絶縁基板を、絶縁性樹脂ケース側に固定するようにした。このため、第２絶縁基板３の絶縁層の材料として、第１絶縁基板１の絶縁層の材料よりも、絶縁耐性や耐熱性が小さい材料を用いることができる。

上記構造とすることにより、抵抗素子４を搭載する第２絶縁基板３をさらに安価に製作することができ、コスト削減を図ることができる。

本実施の形態５に係る半導体装置によれば、実施の形態１〜４の効果に加えて、抵抗素子を搭載する絶縁基板をさらに安価に製作することができ、コスト削減を図ることができる。

実施の形態１に係る半導体装置の平面図および断面図である。実施の形態１に係る半導体装置の回路図である。実施の形態２に係る半導体装置の断面図である。実施の形態３に係る半導体装置の平面図である。実施の形態４に係る半導体装置の断面図である。実施の形態４に係る半導体装置の断面図である。

符号の説明

１第１絶縁基板、１ａ第１絶縁層、１ｂ第１導電パターン、１ｃ第１裏面パターン、２半導体素子、３第２絶縁基板、３ａ第２絶縁層、３ｂ第２導電パターン、３ｃ第２裏面パターン、４抵抗素子、５ワイヤ、６放熱板、７ａ〜７ｃ半田、８絶縁性樹脂ケース。

Claims

放熱板と、
前記放熱板上で、前記放熱板と接触して設けられた第１絶縁基板と、
前記第１絶縁基板上に設けられた半導体素子と、
前記放熱板上に設けられ、前記第１絶縁基板および前記半導体素子を囲む絶縁性樹脂ケースと、
前記放熱板上方で、前記放熱板および前記第１絶縁基板と離間して前記絶縁性樹脂ケースの内側に取り付けられた第２絶縁基板と、
前記第２絶縁基板上に半田付けにより固定された抵抗素子と、
前記半導体素子と前記抵抗素子とを電気的に接続するワイヤと、
を備えたことを特徴とする半導体装置。
前記第１絶縁基板は、第１絶縁層と、前記第１絶縁層の上面に設けられた第１導電パターンとを有し、
前記第１導電パターンは前記半導体素子と電気的に接続され、
前記第２絶縁基板は、第２絶縁層と、前記第２絶縁層の上面に設けられた第２導電パターンとを有し、
前記第２導電パターンは前記抵抗素子と前記半田付けにより電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記第２絶縁基板の前記第２絶縁層の厚さは、前記第１絶縁基板の前記第１絶縁層の厚さよりも薄いことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
前記第１導電パターンから前記第１絶縁層の外周に至る最短距離が第１沿面距離であり、
前記第２導電パターンから前記第２絶縁層の外周に至る最短距離が第２沿面距離であるとき、
前記第２沿面距離は、前記第１沿面距離よりも短いことを特徴とする請求項２又は３に記載の半導体装置。
前記第２絶縁基板は、更に前記第２絶縁層の下面に設けられた裏面パターンを有することを特徴とする請求項２〜４の何れかに記載の半導体装置。
前記第２絶縁基板の前記第２絶縁層は、ガラスエポキシ樹脂からなることを特徴とする請求項２〜５の何れかに記載の半導体装置。