JP2009135515A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた経済性を確保したうえで、パワー半導体素子に生じる熱量を十分放散することができる、小型で大容量の半導体装置を提供する。
【解決手段】底面電極と上面電極を有する半導体素子２１と、半導体素子の底面側に位置する金属ブロック２６と、底面電極と金属ブロックとの間に接して配置された導電性を有する素子固着層２３と、底面電極と導通する底面電極側リード３０と、上面電極と導通する上面電極側リード２９と、封止樹脂２４とを備える。金属ブロック２６には突出部２７が形成され、底面電極側リード３０には、突出部２７が嵌め入れられる孔が形成されている。
【選択図】図１０

Description

本発明は、電力制御のために使用される半導体装置に関し、より具体的には、放熱特性に優れた半導体装置に関するものである。

図１７は、従来の電力制御用半導体装置を説明する図面である。同図によれば、パワー半導体素子１２１は、薄金属板からなるリードフレーム１３０のダイパッド部１３１にろう材１２３によって接合されている。パワー半導体素子１２１の電極と電極との間、およびパワー半導体素子の電極と内部リード部１３６との間は、金やアルミ等の金属細線１２２によって配線される。ダイパッド部１３１の下側には、封止樹脂１２４からなる絶縁層１２５を挟んでヒートシンクの役割を果たす金属ブロック１２６が配置される。この金属ブロック１２６の底面は封止樹脂１２４からなる絶縁層１２５から露出している。パワー半導体素子１２１以外に、制御回路を構成するための素子や回路が、リードフレーム１３０上に形成される場合もある。金属ブロック１２６とリードフレーム１３０のダイパッド部１３１との間には、封止樹脂１２４からなる絶縁層１２５が介在し、絶縁耐圧を確保している。

半導体装置１１１の稼動中、リードフレーム１３０から流入する電流がろう材１２３を介してパワー半導体素子１２１の底部の電極に流れ込み、パワー半導体素子によって増幅等の変調を受け、パワー半導体素子の上面の電極から金属細線１２２を経て、内部リード部１３６に流れ出てゆく。ろう材１２３は電流を流通させるので、良導体でなければならない。上記パワー半導体素子の稼動中に、パワー半導体素子１２１の上面に発熱が生じ、この熱はパワー半導体素子１２１と、ろう材１２３と、ダイパッド部１３１と、絶縁層１２５と、金属ブロック１２６の順に伝達し、半導体装置の外部に放散される。

リードフレーム上にパワー半導体素子と集積回路素子とをろう付けによって接合し、図１７と同様の配線系統を有し、かつ金属ブロックを有するその他の従来の類似の半導体装置として、特許文献１の従来の技術に示すものがある。

この半導体装置では、上記のリードフレームのパワー半導体素子と集積回路素子とが搭載された面を覆うように１次モールドを形成し、さらに１次モールドを形成したリードフレームとヒートシンクとを一体的に覆うように２次モールドを形成している。

特開２０００−１３８３４３号公報 特開平８−７８４６１号公報

上述の従来の半導体装置では、リードフレーム１３０と金属ブロック１２６との間に、封止樹脂１２４からなる絶縁層１２５が介在している。この絶縁層１２５は、金属と比較して熱伝導率が低い。このため、パワー半導体素子１２１が動作する際に生じる熱を外部に放散する量を抑止していた。

パワー半導体素子と相違するが、半導体回路素子の過熱を防止するための半導体装置として、図１８および図１９に示す半導体装置がある（特許文献２）。この半導体装置では、半導体回路素子１２１は導電性ペースト１６０により放熱板１２６に接着されている。この半導体装置の特徴は、リード１３５と放熱板１２６との電気的接続を遮断しながら所定値以上の熱伝導性を確保する接着剤１５０にある。この接着剤１５０によって、リード１３５は放熱板１２６に接着され固定されている。このような接着剤１５０を用いることにより、半導体回路素子１２１に発生した熱は、放熱板１２６を経由してリード１３５に伝わり、リード１３５から外部に放散される。

しかしながら、上記半導体素子と異なり、本発明が対象とするパワー半導体素子は、要求される絶縁耐圧が数百ボルトから数キロボルトと非常に高く、上記半導体装置のような絶縁層では必要な絶縁耐圧を確保することができない。また、絶縁層とモールド樹脂との間で剥離が起こる可能性があり、絶縁信頼性を確保することが困難である。

パワー半導体素子１２１に発生する熱の放散性を向上させるために、図１７において、絶縁層１２５を形成している封止樹脂１２４を熱伝導率の高い樹脂に変えることが考えられる。しかし、熱伝導率の高い樹脂は、一般の樹脂と比較して高価であり、半導体装置の低価格化と放熱性向上とを両立させることは困難であった。

図１７に示す従来の半導体装置においては、パワー半導体素子の上面で発生した熱は、上部から下部へと順に、パワー半導体素子１２１、ろう材１２３、ダイパッド部１３１、絶縁層１２５、金属ブロック１２６と伝わり、それら部材において（１）式で表わされる熱抵抗（熱の流れに対する抵抗）を発生させる。ただし、Ｒ(th)は熱抵抗、Ｌは伝熱距離、λは熱伝導率、Ａは伝熱面積である。

Ｒ(th)＝Ｌ/（λ・Ａ） ・・・・・・・・・・・・・・（１）
熱は、一般的に、発熱源からの距離が大きくなるにしたがって広がり、伝熱面積が大きくなる。図１７に示す従来の構造のように、熱伝導率の低い絶縁層１２５がパワー半導体素子１２１の近くにある場合、伝熱面積が小さい箇所に熱伝導率の低い部材があることになり、絶縁層の熱抵抗が高くなり、放熱性向上を大きく阻害していた。

さらに、従来の半導体装置において、熱抵抗の低減をはかるためには、絶縁層厚さを小さくする、つまり（１）式で表わされる伝熱距離Ｌを小さくすることが望ましい。しかし、樹脂の未充填を防止し、絶縁性能を確保するためには、絶縁層の厚さを極端に薄くすることはできない。このため、所望の放熱性能を得ることができなかった。

特許文献１の従来の技術に示す半導体装置では、１次モールドを形成したリードフレームとヒートシンクとを一体的に覆うように２次モールドを形成している。これは、１次モールドがないと、絶縁層１２５を形成するための空間が狭く、それ以外の空間が広くなり、封止樹脂１２４は広い空間から充填され、絶縁層１２５を形成するための空間に充填されるのでが最後になる。これによって、絶縁層１２５に気泡が混入したり、未充填が発生し、絶縁信頼性を確保することが困難になる。つまり、１次モールドは、絶縁層１２５を形成するための空間と、それ以外の空間への樹脂の充填のバランスをとるために不可欠のものである。しかし、これによって、１次モールド金型と２次モールド金型の２つの金型が必要となり、さらにモールド工程が２回必要となる。

熱抵抗の低減をはかるもう１つの手段としては、パワー半導体素子の面積を大きくする、すなわち、（１）式の伝熱面積Ａを大きくすることが考えられる。しかし、半導体装置１１１の大型化、パワー半導体素子１２１のコスト上昇という問題があった。

放熱性が十分でない場合に生じる性能上の問題は、パワー半導体素子に所望の大きさの電流を流すことができず、容量が制限されることにある。したがって、大きな容量を確保するために、放散性を向上させることが必要である。

そこで、本発明は、優れた経済性を確保したうえで、パワー半導体素子に生じる熱量を十分放散することができる、小型で大容量の半導体装置を提供することを目的とする。

本発明の半導体装置は、底面および上面のそれぞれに電極を有する半導体素子と、半導体素子の底面側に位置する金属ブロックと、半導体素子の底面電極と金属ブロックとの間に接して配置された、導電性を有する素子固着層と、半導体素子の底面電極と導通する底面電極側リードと、半導体素子の上面電極と導通する上面電極側リードと、金属ブロックと、半導体素子とを覆い、さらに底面電極側リードおよび上面電極側リードを突き出させて封止する封止樹脂とを備える。

この構成により、ヒートシンクの役割を果たす金属ブロックと半導体素子とが導電性接着剤またはろう材からなる素子固着層によって接着または接合される。したがって、半導体素子で発熱した熱は、リードフレームや熱伝導率の低い絶縁層を介することなく、熱容量の大きい金属ブロックに伝達されので、半導体素子から金属ブロックに至る経路の熱抵抗を低減できるとともに、金属ブロックの熱容量によって急激な温度上昇が抑制され、信頼性が向上する。このため、熱伝導率の高い高価な封止樹脂を用いることなく、半導体素子の昇温の程度が大幅に抑制される。この結果、良好な経済性を維持したまま、容量を拡大した小型の半導体装置を提供することが可能となる。上記の構成では、半導体素子は素子固着層によって金属ブロックに固定されるので、半導体素子の機械的な固定も強固に行なわれ、かつ底面電極側力リードの底面電極への導通も容易に実現することができる。素子固着層を構成する材料としては、はんだ等のろう材や、銀ペースト等の導電性接着剤が挙げられるが、とくにこれらに限定されるものではなく、導電性がよく、熱伝導率が高く、固着強度が強いものであればどのような材料でもよい。

なお、上面電極と上面電極側リードとの接続は、金属細線を超音波圧接によって固相接合する方法が一般的であるが、これに限定するものではなく、金属細線や金属板または金属板を所望の形状に加工したリードフレームを、導電性接着剤やろう材で固着する方法など、何によって接合されてもよい。以後の説明においても、上面電極と上面電極側リードとの接続についてとくに限定していない場合は、同様である。

上記本発明の半導体装置では、底面および上面のそれぞれに電極を有する複数の半導体素子と、半導体素子の底面側に位置する複数の金属ブロックと、半導体素子の底面電極と金属ブロックとの間に接して配置された、導電性を有する複数の素子固着層と、半導体素子の底面電極と導通する複数の底面電極側リードと、半導体素子の上面電極と導通する複数の上面電極側リードと、金属ブロックと半導体素子とを覆い、さらに底面電極側リードおよび上面電極側リードを突き出させて封止する封止樹脂とを備える半導体装置である。この半導体装置では、複数の底面電極側リードは、それぞれ少なくとも１つの半導体素子の底面電極と導通し、複数の上面電極側リードは、それぞれ少なくとも１つの半導体素子の上面電極と導通し、複数の金属ブロックは、それぞれ少なくとも１つの半導体素子の底面電極に素子固着層によって固着され、複数の金属ブロックが互いに、封止樹脂を間に挟んで離れている。

この構成により、複数のパワー半導体素子を組み合わせて、リードフレームと金属細線とで配線を形成することにより、所望の回路を構成して一括に樹脂封止することができる。この結果、経済性に優れ、小型で高機能の半導体装置を提供することが可能となる。

上記本発明の半導体装置では、たとえば、平面的に見て、金属ブロックの領域が半導体素子の領域より大きいことが望ましい。

この構成によれば、熱伝導率の高い素子固着層を経て半導体素子から金属ブロックに熱が伝達され、金属ブロックで熱の伝達経路が広がり、伝熱面積が拡大されて底部の絶縁層に伝わる。このため、従来と同じ熱伝導率を有する封止樹脂を使用し、従来と同じ絶縁層の厚さを用いても、絶縁層の熱抵抗は従来よりも低減されるので、熱の放散性能は大幅に向上する。

また、絶縁層を厚くしても、従来と同等またはそれ以上の放熱性能を維持でき、かつ絶縁層を形成する部分への封止樹脂の充填が容易になり、リードフレームに１次モールドを形成しなくても絶縁層の信頼性を確保することができる。

上記本発明の半導体装置では、たとえば、底面電極側リードが、金属ブロックと導通することにより、半導体素子の底面電極と導通することができる。

上記の構成により、底面電極側リードをパワー素子の直下に配置することなく底面電極と導通することができる。このため、パワー素子直下に配置される熱抵抗部材を減らすことができるので、放熱性を向上させることが可能となる。

上記本発明の半導体装置では、たとえば、底面電極側リードが、金属ブロックの表面で、素子固着層の近傍に配置された、導電性を有するリード固着部に接して金属ブロックに固着されることにより、金属ブロックと導通することができる。

この構成により、底面電極側リードと金属ブロックとを確実に接続し、固定することができる。

上記本発明の半導体装置では、たとえば、金属ブロックが、素子固着層とリード固着部との間に、溝および突起のうちの一方を有することができる。

この構成により、パワー素子と金属ブロックとを固着するろう材または導電性接着剤と、底面電極側リードと金属ブロックとを固着するろう材または導電性接着剤が、混合することを防止することができる。

上記本発明の半導体装置では、たとえば、素子固着層およびリード固着部のうち、一方に導電性接着剤を、他方にろう材を用いることができる。

この構成により、パワー素子と金属ブロックとを固着する工程と、底面電極側リードと金属ブロックとを固着する工程とを分けることができる。たとえば、パワー素子と金属ブロックとを融点の高いろう材で固着した後、底面電極側リードと金属ブロックとを融点の低いろう材または硬化温度の低い導電性接着剤で固着することができる。この結果、先に固着したパワー素子と金属ブロックとの固着部を再溶融させることなく底面電極側リードと金属ブロックとを固着することができ、固着工程を分けても固着部の信頼性を損なうことがない。

上記本発明の半導体装置では、たとえば、底面電極側リードが、金属ブロックに溶接または超音波圧接されることにより、金属ブロックと導通することができる。

この構成により、短時間の処理工程により、確実に導通を確保することができる。
上記本発明の半導体装置では、たとえば、底面電極側リードが、素子固着層に接して固着されることにより、半導体素子の底面電極と導通することができる。

この構成により、ろう材または導電性接着剤の供給を１回で完了することができ、かつ金属ブロックを介することなく、パワー素子の底面電極と底面電極側リードとを導通させることができる。

上記本発明の半導体装置では、たとえば、金属ブロックおよび底面電極側リードのうちの一方に突出部を、他方に突出部を嵌め入れる嵌入部を備え、前記突出部が前記嵌入部に嵌め入れることができる。

この構成により、金属ブロックと底面電極側リード部との接合が強固になり、この結果、接合部の破損を気にせずハンドリングすることができる。

上記本発明の半導体装置では、たとえば、嵌入部が底面電極側リードを貫通する孔からなる嵌入部であり、突出部が金属ブロックに設けられた突出部であることが望ましい。

この構成により、突出部の位置を貫通孔から見ながら位置合わせをして、簡便に本半導体装置を組み上げることができる。また、底面電極側リードの素子固着層との接触が確実に行なわれているか容易に確認することができる。

上記本発明の半導体装置では、たとえば、突出部を嵌入部に嵌め入れる前において、嵌入部の断面の内側の大きさが、突出部の断面外形の大きさよりも小さく、突出部を嵌入部に嵌め入れた後において、突出部と嵌入部との間に圧力を及ぼし合う圧入構造を形成することができる。

この構成により、ろう材の接合を用いなくても圧入構造での電気的な接続と機械的な固定とを実現することができる。このため、パワー半導体素子の底部側に突出部と嵌入部の接触部がない構造とすることができ、耐久性を向上させることができる。

上記本発明の半導体装置では、たとえば、突出部および嵌入部の少なくとも一方において、平面的に見て突出部と嵌入部との境界に、部分的に間隙を形成する間隙部を備え、間隙部に導電性固着部が配置されることができる。

この構成により伝熱面積を増大させ、放熱性を向上させることができる。
上記本発明の半導体装置では、たとえば、間隙部が、突出部の突出し方向に沿って設けられた溝であることとできる。

この構成により、簡単な構造により導電性接着剤またはろう材等からなる素子固着層の伝熱経路を拡大し、放熱性を向上させることができる。また、突出部と嵌入部との圧入や嵌め入れを容易化することができる。

上記本発明の半導体装置では、たとえば、突出部が平面的に見て多角形であり、間隙部が突出部のコーナー部を取り除いたことにより形成されることができる。

この構成によっても、さらに簡単な構造により、導電性接着剤またはろう材からなる素子固着層の伝熱経路を拡大し、放熱性を向上させることができる。また、突出部と嵌入部との圧入や嵌め入れを容易化することができる。

上記本発明の半導体装置では、たとえば、嵌入部の断面の内側の大きさが、突出部の断面外形の大きさよりも大きく、突出部と嵌入部との間隙に導電性固着部が配置されることができる。

この構成により、導電性接着剤またはろう材からなる素子固着層の伝熱面積が増大し、放熱特性を向上させることができるほかに、導電性接着剤またはろう材による接着面積または接合面積が大きいので、電気的接続を確実にすることができ、また機械的強度も向上する。

上記本発明の半導体装置では、たとえば、嵌入部の金属ブロック側の面と、金属ブロックとの間に、ろう材が充填されることができる。

この構成により、底面電極側リードと金属ブロックとの導通をより一層、確実にすることができる。

上記本発明の半導体装置では、たとえば、底面電極側リードがダイパッド部を備えることができる。

この構成により、嵌入構造等の圧入構造等を容易に形成することができる。またこれまで用いてきたリードフレームを用いて本発明の半導体装置を製造することが可能となる。

上記本発明の半導体装置では、たとえば、金属ブロックの底面を覆っている封止樹脂に代わって、別の種類の絶縁層が金属ブロックの底面を覆い露出することができる。

この構成により、金属ブロックの底面以外の部分は、熱伝導率を考慮せず安価な封止樹脂で構成し、放熱経路となる金属ブロックの底面側の絶縁層は、熱伝導率の高い絶縁性樹脂を用いて形成することができる。このため、熱伝導率の高い高価な樹脂の使用量を最小限に抑制したうえで放熱特性を向上させることができる。

上記本発明の半導体装置では、たとえば、底面電極側リードのうち、リード固着部と接する部分、素子固着部と接する部分および金属ブロックとの溶接部のうちのいずれかが金属ブロック側に突き出ることができる。

この構成により、金属ブロックと接触してはならない底面電極側リードを金属ブロックから離して間に封止樹脂を分布させて絶縁を確保することができる。この底面電極側リードは簡素な形状であり、安価に製造することができる。

本発明の実施の形態１における半導体装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態２における半導体装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態３における半導体装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態３における変形例を示す半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態４における半導体装置を示す図である。（ａ）は、本発明の実施の形態４における半導体装置の平面図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるＡ-Ａ断面図である。 本発明の実施の形態５における半導体装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態６における半導体装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態７における半導体装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態８における半導体装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態９における半導体装置を示す断面図である。 図１０の半導体装置の製造途中の主要部を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１０における半導体装置を示す断面図である。 図１２の半導体装置の製造途中の主要部を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１１における半導体装置を示す断面図である。 図１４の半導体装置の製造途中の主要部を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１２における半導体装置を示す断面図である。 従来の半導体装置を示す断面図である。 従来の他の半導体装置を示す平面図である。 図１８に示す半導体装置の断面図である。

次に、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における半導体装置を示す断面図である。図１において、パワー半導体素子２１は、導電性の素子固着層２３を介して金属ブロック２６によって支えられている。素子固着層２３を構成する材料としては、はんだ等のろう材や、銀ペースト等の導電性接着剤が挙げられるが、とくにこれらに限定されるものではなく、導電性がよく、熱伝導率が高く、固着強度が強いものであればどのような材料でもよい。薄金属板からなる底面電極側リード３０は、導電性のリード固着部３１によって金属ブロック２６に固着されている。このため、パワー半導体素子２１の底面電極を形成する底面と、底面電極側リード３０との導通が確保されている。金属ブロック２６も、とうぜん、導電性の素子固着層２３に接するので底面の電極と導通する。しかし、金属ブロック２６は、封止樹脂２４によって周りを取り囲まれ、上面電極側リード２９との間には絶縁層２８が、また金属ブロックの底部には絶縁層２５が配置されるので、他の部分と金属ブロックとが短絡することはない。これらの絶縁層２５，２８は、十分な絶縁耐圧が得られる厚さを保ちながら、なるべく薄い絶縁層となるように封止樹脂によって構成されている。パワー半導体素子２１の上面電極と上面電極側リード２９との間は、金属細線２２によって配線される。

本実施の形態によれば、発熱体であるパワー半導体素子２１は、金属ブロック２６に、導電性の素子固着層２３を介して固着されている。このため、従来のように熱伝導率の低い封止樹脂２４の層を通ることなく、パワー半導体素子から熱伝導率の高い素子固着層２３を経て金属ブロックへ熱が伝導する。したがって、単位時間あたり多くの熱量が金属ブロックに流入し、かつ金属ブロックで熱流が広がり、伝熱面積が拡大されて底部の絶縁層２５に伝熱される。このため、従来と同じ熱伝導率の封止樹脂を使用し、従来と同じ絶縁層厚さを設けても、絶縁層２５の熱抵抗は、パワー半導体素子の下に配置されていた従来の場合に比較して低減される。この結果、熱伝導率の高い高価な封止樹脂を使用することなく、優れた経済性を維持したまま放熱特性が向上した半導体装置を得ることが可能となる。

パワー半導体素子２１の発熱量は、通電電流の大きさに比例するので、定格容量を超える電流を流すとパワー半導体素子が許容温度範囲を超えて過熱し、最終的には破壊にいたる。しかし、本実施の形態の半導体装置では、放熱特性が向上するため、許容温度範囲でより大電流を流すことができる。この結果、上記の本発明の実施の形態により、小型で大容量の半導体装置を安価に得ることが可能になる。

また、本実施の形態では、パワー半導体素子と金属ブロックとの固着工程と、底面電極側リードと金属ブロックとの固着工程とを分けることができる。たとえば、パワー半導体素子と金属ブロックとを融点の高いろう材で固着したのち、底面電極側リードと金属ブロックとを融点の低いろう材または硬化温度の低い導電性接着剤で固着することができる。このため、先に固着したパワー半導体素子と金属ブロックとの固着部を再溶融させることなく底面電極側リードと金属ブロックとを固着することができる。したがって、固着工程を分けても高度の信頼性を有する固着部を得ることが可能になる。

（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２における半導体装置を示す断面図である。本実施の形態では、実施の形態１（図１）の半導体装置の金属ブロック２６に溝３２を設けた点に特徴がある。溝３２は、平面的に見て、底面電極側リード３０と、パワー半導体素子２１との間に、両者を分けるように配置される。その他の構造は、実施の形態１の半導体装置の構造と同じである。

本実施の形態によれば、パワー半導体素子２１と金属ブロック２６とを固着する素子固着層２３と、底面電極側リード３０と金属ブロック２６とを固着するリード固着部３１とが、混合することを防止することができる。素子固着層２３およびリード固着部３１は、ともにろう材または導電性接着剤等によって構成されるが、これら材料を、素子固着層とリード固着部とに応じて使い分ける場合がある。このような場合、両方の材料が混合することは好ましくないが、上記のように、溝３２を設けることにより、上記の混合は防止される。なお、素子固着層２３およびリード固着部３１の間に設ける溝の代わりに、山脈状の突起を設けてもよい。

（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３における半導体装置を示す断面図である。図３において、パワー半導体素子２１は、素子固着層２３を形成しているろう材や導電性接着剤などを介して金属ブロック２６に固着されている。薄金属板からなる底面電極側リード３０は、素子固着層２３と一体化しているリード固着部３１に挿入され固着されている。このため、金属ブロックを介さずにパワー半導体素子２１の底面電極と、底面側リード３０との導通が確保されている。金属ブロック２６も、素子固着層２３およびリード固着部３１と接するので底面電極と導通する。しかし、金属ブロック２６は、封止樹脂２４によって周りを取り囲まれ、上面電極側リード２９との間には絶縁層２８が、また金属ブロックの底部には絶縁層２５が配置される。このため、他の部分と金属ブロックとが短絡することはない。これらの絶縁層２５，２８は、十分な絶縁耐圧が得られる厚さを保ちながら、なるべく薄い絶縁層となるように構成する。パワー半導体素子２１の上面の電極の間、およびその電極と内部リード３６との間は、金属細線２２によって配線される。

本実施の形態によれば、優れた放熱特性を得たうえで、金属ブロックにパワー半導体素子および底面電極側リードを固着する固着層を同じ種類の材料で構成して、パワー半導体素子および底面電極側リードを同じタイミングで固着することができる。このため、より経済性に優れた半導体装置を提供することが可能となる。

本実施の形態の変形例として、図４に示す半導体装置をあげることができる。図４の半導体装置では、パワー半導体素子と、底面電極側リードとが固着層２３に同じ平面上で接して固着しているので、構造が簡明である。このため、図３の半導体装置と同じ利点を確保したうえで、製造工程を容易化できるので、さらに経済性に優れた半導体装置を提供することが可能となる。

（実施の形態４）
図５（ａ）は、本発明の実施の形態４における半導体装置の平面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）におけるＡ-Ａ断面図である。本実施の形態における半導体装置では、２つのパワー半導体素子が配置されている。パワー半導体素子のそれぞれの下方に配置された金属ブロック２６が互いに分れて、その間に絶縁材である封止樹脂が充填されている。本実施の形態におけるパワー半導体素子は、実施の形態１と同じような独立した内部構成が複数あり、それらが一体的に封止されている。

本実施の形態によれば、複数のパワー半導体素子を組み合わせて配線し、所望の回路を構成して一括に樹脂封止うることができる。このため、優れた経済性を維持し、小型で高性能の半導体装置を提供することができる。たとえば、６個のパワー半導体素子と制御用ＩＣとをリードフレームと金属細線とにより配線して、直流―交流変換回路を構成し、一括して樹脂封止することにより、経済性に優れた小型の電力変換装置を実現することができる。さらに、直流―交流変換回路に限定されず、さまざまな用途の半導体装置を提供することが可能になる。また、配置されるパワー半導体素子は２つに限定されず、２以上の複数のパワー半導体素子を配置することができる。

（実施の形態５）
図６は、本発明の実施の形態５における半導体装置の断面図である。本実施の形態における半導体装置では、２つのパワー半導体素子が多段に接続され、パワー半導体素子のそれぞれの下方に配置された金属ブロック２６が互いに分れて、その間に絶縁材である封止樹脂が充填されている。２つのパワー半導体素子の前段のパワー半導体素子の上面電極側リードに相当する箇所に、接続リード４０が配置され、その接続リード４０が、後段のパワー半導体素子の底面電極側リードとしてリード固着部３１に接続されている。多段接続されるパワー半導体素子の数は２個に限られず、より多くの数のパワー半導体素子を用い、より大きな増幅を行なうことができる。

本実施の形態によれば、複数のパワー半導体素子を組み合わせて配線し、所望の回路を構成して一括に樹脂封止うることができる。このため、優れた経済性を維持し、小型で高性能の半導体装置を提供することができる。たとえば、６個のパワー半導体素子と制御用ＩＣとをリードフレームと金属細線とにより配線して、直流―交流変換回路を構成し、一括して樹脂封止することにより、経済性に優れた小型の電力変換装置を実現することができる。さらに、直流―交流変換回路に限定されず、さまざまな用途の半導体装置を提供することが可能になる。

（実施の形態６）
図７は、本発明の実施の形態６における半導体装置の断面図である。本実施の形態の半導体装置では、底面電極側リード３０が下方に突出部３４を有し、その突出部３４が金属ブロック３６に固相接合または超音波圧接されている。したがって、底面電極側リードの突出部３４と金属ブロック３６との接合部３３は、超音波圧接部または溶接部によって構成される。この結果、短時間の処理工程によって、導通を確保でき、高い強度を有する接合部を確実に得ることが可能になる。

（実施の形態７）
図８は、本発明の実施の形態７における半導体装置の断面図である。本実施の形態における半導体装置１１では、金属ブロックの下側に位置する絶縁層２５が、封止樹脂とは異なる材料で形成されている。実施の形態３の半導体装置（図３）では、上述のように、従来と同じ熱伝導率を有する封止樹脂を使用し、従来と同じ厚さを設けても、絶縁層２５における熱抵抗は、従来の配置における絶縁層よりも低減され放熱特性が向上する。

しかし、この絶縁層を従来の封止樹脂よりも高い熱伝導率を有する絶縁層とするほうが放熱特性が向上することは、言うまでもない。本実施の形態では、金属ブロック２６の下面以外は、熱伝導率を考慮せず、安価な封止樹脂を用い、放熱経路となる金属ブロックの下側の部分は、熱伝導率の高い材料とする。

このため、本実施の形態では、熱伝導率の高い高価な樹脂の使用量を最小限に押さえたうえで、放熱特性をさらに向上させることができる。この結果、経済性と放熱特性に優れた小型で大容量の半導体装置を提供することが可能となる。

(実施の形態８）
図９は、本発明の実施の形態８における半導体装置を示す断面図である。本実施の形態では、金属ブロック２６は直方体または立方体である。底面電極側リード３０が沈め加工されることにより、沈め加工によって下方に突き出した突出部３４が形成されている。底面電極側リード３０はこの突出部３４において、リード固着部が一体化された素子固着層３１に接して固着されている。この突出部３４を設けることにより、金属ブロックが接触してはならない底面電極側リード３０との間の間隔を大きくとり、絶縁層２８の厚さを大きくすることができる。また、上面電極側リード２９も、底面電極側リードとは独立に、金属ブロックとの間の間隔を大きくとることができる。

金属ブロック２６は、鍛造加工または切削加工により形状を整える必要がある。しかし、鍛造加工は、形状について制約が多く、複雑な形状を加工するためには、複数の金型を必要とするなど、形状が複雑になると加工コストが増大する。一方、切削加工によっても、複雑な形状の金属ブロックを製造するには、長い加工時間を要するので、やはり加工コストが増大する。

一方、本実施の形態では、金属ブロック２６を単純な直方体とし、加工コストが安価な曲げ加工によってリードフレーム３０の接合部３１を下方に突き出るように曲げて沈め加工を施す。このため、接触してはならない底面電極側リード３０と金属ブロック２６との間に間隔をとり、この間隔に封止樹脂を充填して絶縁層２８を形成することができる。

本発明の実施の形態によれば、金属ブロックを簡単な形状にしたうえで、加工コストが安い曲げ加工により、底面電極側リード３０を下方に突き出るように曲げて、沈め加工を施すことにより、絶縁性を確保することができる。

（実施の形態９）
図１０は、本発明の実施の形態９における半導体装置の断面図であり、図１１は、その半導体装置の組み立て中の斜視図を示す。本実施の形態では、金属ブロック２６の上端部に設けられた突出部２７が、底面電極側リード３０に設けられた嵌入部の孔３６に嵌め入れられている。このため、パワー半導体素子２１は、底面電極側リード３０と金属ブロック２６とに、ろう材２３によって固着される。この構造により、パワー半導体素子の底面電極と、底面電極側リードと、金属ブロックの接合部とは、互いに電気的に導通され、かつ固定される。

上記の本実施の形態では、パワー半導体素子が、底面電極側リード３０および突出部２７の両方にろう材で接合される場合について説明した。このような場合と異なり、底面電極側リードの孔３６よりも突出部をわずかに大きくし、嵌入部を圧入構造とすることにより、ろう材２３をもちいることなく嵌入部の電気的な接続と機械的な固定とを実現することができる。この場合、パワー半導体素子２１が突出部２７にのみ接続されていても、上記の実施の形態と同様な効果を得られるほか、パワー半導体素子２１の下側に突出部と孔３６の接触部がないので、長期にわたって高い信頼度を得ることができる。

（実施の形態１０）
図１２は、本発明の実施の形態１０における半導体装置の断面図であり、図１３はその半導体装置の製造途中の主要部を示す斜視図である。本実施の形態では、突出部２７の側面に、凹部である突出方向に延びる溝４３を設ける。突出部２７と嵌入部の孔３６とを嵌め合わせたときに、溝４３が隙間となり、この隙間にろう材が充填され、さらにろう材は接合部３１の底面に回り込み、底面電極側リード３０と金属ブロック２６との間の充填層３７が形成される。

本実施の形態によれば、ろう材２３によってパワー半導体素子から金属ブロックにいたる伝熱経路の伝熱面積が大きくなり、放熱特性を向上させることができる。

（実施の形態１１）
図１４は、本発明の実施の形態１１における半導体装置の断面図であり、図１５は、製造途中の半導体装置の主要部の斜視図である。本実施の形態の半導体装置１１では、突出部２７の断面形状を略四角形とし、コーナー部に面取り３５を設けたことに特徴がある。突出部２７と孔３６とを嵌め合わせたとき、面取り部が隙間が生じる。ろう材を用いたとき、この隙間にろう材が流入し、さらに底面側に回り込み、底面電極側リード３０と金属ブロック２６との間の充填層３７を形成する。

本実施の形態によれば、ろう材の充填層３７により伝熱面積を大きく確保できるので、放熱特性を向上させることができる。また、突出部２７の断面が略４角形であり、孔３６よりも突出部２７の外形をわずかに大きくし、嵌入部の構成を圧入構造とすることにより、コーナー部が最も圧入しにくくなる。本実施の形態によれば、コーナー部が面取りされているので、圧入を容易に行なうことができる。

（実施の形態１２）
図１６は、本発明の実施の形態１３における半導体装置を示す断面図である。本実施の形態における半導体装置では、突出部２７を孔３６よりもわずかに小さくすることにより、嵌合部に隙間ができるように構成する。この隙間にパワー半導体素子２１を接合するためのろう材が流入し、さらに接合部３１の底面側に流出し、底面電極側リード３０と金属ブロック２６との間の充填層３７を形成する。

本実施の形態によれば、ろう材２３によって伝熱面積を確実に確保することができ、放熱特性を向上させることができる。また、突出部２７の周囲が連続して隙間を形成するので、ろう材２３が流入しやすく、底面電極側リード３０と金属ブロック２６との間に充填層３７を確実に形成することができる。また、ろう材による接合面積が大きいので、電気的接続が確実となり、かつ機械的な固定強度も向上する。

上記において、本発明の実施の形態について説明を行なったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載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。

以上説明したように、本発明の半導体装置によれば、熱伝導率の高い高価な封止樹脂を用いることなく、優れた経済性を維持したうえで、放熱性に優れた小型で大容量の半導体装置を得ることができる。また、複数のパワー半導体素子とそれぞれに付随する金属ブロックを配置することにより、直流-交流変換器など高機能の放熱性に優れた半導体装置を実現することができる。

１１ 半導体装置、２１ パワー半導体素子、２２ 金属細線、２３ 素子固着層（ろう材、導電性接着剤など）、２４ 封止樹脂、２５ 金属ブロック底面側の絶縁層、２６ 金属ブロック、２７ 金属ブロックの突出部、２８ 金属ブロック上面側の絶縁層、２９ 上面電極側リード、３０ 底面電極側リード、３１ リード固着部、３２ 溝、３３ 固相接合部（溶接部、超音波圧接部）、３４ 突出部、３５ 面取り部、３６ 孔（嵌入部）、３７ 底面電極側リードと金属ブロックとの間の充填層、４０ 接続リード、４３ 凹部（溝部）。

Claims (8)

1. 底面および上面のそれぞれに電極を有する半導体素子と、
   前記半導体素子の底面側に位置する金属ブロックと、
   前記半導体素子の底面電極と前記金属ブロックとの間に接して配置された、導電性を有する素子固着層と、
   前記半導体素子の底面電極と導通する底面電極側リードと、
   前記半導体素子の上面電極と導通する上面電極側リードと、
   前記金属ブロックと、前記半導体素子とを覆い、さらに前記底面電極側リードおよび前記上面電極側リードを突き出させて封止する封止樹脂とを備え、
   前記金属ブロックに突出部を、前記底面電極側リードに貫通孔からなる、前記突出部を嵌め入れる嵌入部をそれぞれ備え、前記突出部が前記嵌入部に嵌め入れられており、
   前記突出部を前記嵌入部に嵌め入れる前において、前記嵌入部の断面の内側の大きさが、前記突出部の断面外形の大きさよりも小さく、前記突出部を前記嵌入部に嵌め入れた後において、前記突出部と前記嵌入部との間に圧力を及ぼし合う圧入構造を形成している、半導体装置。
2. 底面および上面のそれぞれに電極を有する複数の半導体素子と、
   前記半導体素子の底面側に位置する複数の金属ブロックと、
   前記半導体素子の底面電極と前記金属ブロックとの間に接して配置された、導電性を有する複数の素子固着層と、
   前記半導体素子の底面電極と導通する複数の底面電極側リードと、
   前記半導体素子の上面電極と導通する複数の上面電極側リードと、
   前記金属ブロックと前記半導体素子とを覆い、さらに前記底面電極側リードおよび前記上面電極側リードを突き出させて封止する封止樹脂とを備える半導体装置であって、
   前記複数の底面電極側リードは、それぞれ少なくとも１つの半導体素子の底面電極と導通し、
   前記複数の上面電極側リードは、それぞれ少なくとも１つの半導体素子の上面電極と導通し、
   前記複数の金属ブロックは、それぞれ少なくとも１つの半導体素子の底面電極に前記素子固着層によって固着され、
   前記複数の金属ブロックが互いに、前記封止樹脂を間に挟んで離れており、
   前記金属ブロックに突出部を、前記底面電極側リードに前記突出部を嵌め入れる嵌入部をそれぞれ備え、前記突出部が前記嵌入部に嵌め入れられており、
   前記突出部を前記嵌入部に嵌め入れる前において、前記嵌入部の断面の内側の大きさが、前記突出部の断面外形の大きさよりも小さく、前記突出部を前記嵌入部に嵌め入れた後において、前記突出部と前記嵌入部との間に圧力を及ぼし合う圧入構造を形成している、半導体装置。
3. 前記突出部および前記嵌入部の少なくとも一方において、平面的に見て前記突出部と前記嵌入部との境界に、部分的に間隙を形成する間隙部を備え、前記間隙部に前記導電性固着部が配置されている、請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 前記間隙部が、前記突出部の突出し方向に沿って設けられた溝である、請求項３に記載の半導体装置。
5. 前記突出部が平面的に見て多角形であり、前記間隙部が前記突出部のコーナー部を取り除いたことにより形成されている、請求項３に記載の半導体装置。
6. 底面および上面のそれぞれに電極を有する半導体素子と、
   前記半導体素子の底面側に位置する金属ブロックと、
   前記半導体素子の底面電極と前記金属ブロックとの間に接して配置された、導電性を有する素子固着層と、
   前記半導体素子の底面電極と導通する底面電極側リードと、
   前記半導体素子の上面電極と導通する上面電極側リードと、
   前記金属ブロックと、前記半導体素子とを覆い、さらに前記底面電極側リードおよび前記上面電極側リードを突き出させて封止する封止樹脂とを備え、
   前記金属ブロックに突出部を、前記底面電極側リードに貫通孔からなる、前記突出部を嵌め入れる嵌入部をそれぞれ備え、前記突出部が前記嵌入部に嵌め入れられており、
   前記嵌入部の断面の内側の大きさが、前記突出部の断面外形の大きさよりも大きく、前記突出部と前記嵌入部との間隙に導電性固着部が配置されている、半導体装置。
7. 底面および上面のそれぞれに電極を有する複数の半導体素子と、
   前記半導体素子の底面側に位置する複数の金属ブロックと、
   前記半導体素子の底面電極と前記金属ブロックとの間に接して配置された、導電性を有する複数の素子固着層と、
   前記半導体素子の底面電極と導通する複数の底面電極側リードと、
   前記半導体素子の上面電極と導通する複数の上面電極側リードと、
   前記金属ブロックと前記半導体素子とを覆い、さらに前記底面電極側リードおよび前記上面電極側リードを突き出させて封止する封止樹脂とを備える半導体装置であって、
   前記複数の底面電極側リードは、それぞれ少なくとも１つの半導体素子の底面電極と導通し、
   前記複数の上面電極側リードは、それぞれ少なくとも１つの半導体素子の上面電極と導通し、
   前記複数の金属ブロックは、それぞれ少なくとも１つの半導体素子の底面電極に前記素子固着層によって固着され、
   前記複数の金属ブロックが互いに、前記封止樹脂を間に挟んで離れており、
   前記金属ブロックに突出部を、前記底面電極側リードに前記突出部を嵌め入れる嵌入部をそれぞれ備え、前記突出部が前記嵌入部に嵌め入れられており、
   前記嵌入部の断面の内側の大きさが、前記突出部の断面外形の大きさよりも大きく、前記突出部と前記嵌入部との間隙に導電性固着部が配置されている、半導体装置。
8. 前記嵌入部の前記金属ブロック側の面と、前記金属ブロックとの間に、ろう材が充填されている、請求項１〜７のいずれかに記載の半導体装置。

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