JP2010232365A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】優れた放熱性と電気的信頼性を備える半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体装置1aは、表裏両面に金属板6,7,10,11を備え一方の金属板6,10を主電極とし、主電極に接続されたリード電極8,12を備える一対の絶縁基板3,4と、絶縁基板3,4の金属板6,10の間に挟持されて、主電極に圧接されている半導体素子2と、絶縁基板3,4と半導体素子2とリード電極8,12とを封止する樹脂層13とを備える。絶縁基板3上の主電極は、半導体素子2のアノード(またはエミッタ)電極2aに対する接続部として周囲の部分6bから隆起している隆起部6aを備える。主電極は、隆起部6aの周囲に溝部を備えるものでもよい。樹脂層13は、ポリフェニレンサルファイド系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリアミド系樹脂から選択される1種の樹脂からなる。
【選択図】図1

Description

本発明は、例えば、電気自動車や電動機を用いるハイブリッド車等の電動機の電力変換装置として用いられる半導体装置に関するものである。
電気自動車やハイブリッド車等の電動機の電力変換装置として、従来、半導体パワー素子等の半導体素子を主電極となる一対の金属板で挟持し、該半導体素子が該主電極に圧接されるようにした圧接型半導体装置が知られている。
前記圧接型半導体装置において、前記半導体素子は例えばpn接合を有するSiからなり、前記金属板は例えばCuにより構成される。このとき、前記半導体素子を前記金属板で直接挟持すると、該半導体素子の発熱により該金属板が熱膨張したときに、SiとCuとの熱膨張係数の相違から、該半導体素子が破壊されるおそれがある。そこで、前記半導体素子と前記金属板との間に、Moからなる熱緩衝板を介在させるようにした圧接型半導体装置が知られている(例えば特許文献1参照)。
前記圧接型半導体装置において、前記半導体素子はそのアノード(またはエミッタ)電極側の端面がカソード(またはコレクタ)電極と同電位になる。また、前記半導体素子は、アノード(またはエミッタ)電極側の端面と、該アノード(またはエミッタ)電極に接続される主電極との間の間隙が小さくなる。この結果、前記半導体装置に大電圧が印加された場合には、該半導体素子と、前記カソード(またはコレクタ)電極に接続される主電極との間で放電や絶縁破壊が生じることがある。
前記放電や絶縁破壊は、前記熱緩衝板の厚さを大きくすることにより防止することができる。しかし、前記半導体素子は、前記半導体装置に大電圧が印加されることに伴って発熱量も大になるので、前記熱緩衝板の厚さを大きくすると、放熱性が低下するという問題がある。
一方、前記SiとCu等の金属板との熱膨張係数の相違を低減するために、セラミックス基板等の絶縁基板の表裏両面にCu等の金属板を備える材料が知られている。このような材料によれば、前記セラミックス基板及び前記金属板の材質、厚さ等を適宜選択することにより、該金属板の熱膨張係数を調整することができ、前記Siからなる半導体素子と同等の熱膨張係数とすることができる。
そこで、前記圧接型半導体装置において、表裏両面に金属板を備える一対の絶縁基板の一方の金属板を主電極として、該主電極の間に前記半導体素子を挟持させることが考えられる。このようにするときには、前記半導体素子と前記主電極との間に、Moからなる熱緩衝板を介在させる必要がないので、優れた放熱性を得ることができると期待される。
しかしながら、前記構成の半導体装置では前記熱緩衝板を用いないため、前記半導体素子のアノード(またはエミッタ)電極側の端面と該アノード(またはエミッタ)電極に接続される主電極との間隙が小さくなり、該半導体素子と該主電極との間に放電や絶縁破壊が起きやすくなるという不都合がある。
特開平9−213880号公報
本発明は、かかる不都合を解消して、優れた放熱性を備えると共に、半導体素子のアノード(またはエミッタ)電極側の端面と該アノード(またはエミッタ)電極に接続される主電極との間の絶縁を確保し、優れた電気的信頼性を備える半導体装置を提供することを目的とする。
かかる目的を達成するために、本発明の半導体装置は、表裏両面に金属板を備え一方の金属板を主電極とすると共に、該主電極に接続されたリード電極を備える一対の絶縁基板と、各絶縁基板の該主電極とされる金属板の間に挟持されて、該主電極に圧接されている半導体素子と、各絶縁基板の該主電極とされる金属板と反対側の金属板表面と、各リード電極の一部とを露出して、各絶縁基板と該半導体素子と各リード電極とを封止する樹脂層とを備える半導体装置であって、一方の該絶縁基板の該主電極は、該半導体素子のアノード(またはエミッタ)電極に対する接続部として周囲の部分から隆起している隆起部を備えることを特徴とする。
本発明の半導体装置は、表裏両面に金属板を備える一対の絶縁基板の一方の金属板を主電極として、該主電極とされる金属板の間に挟持されて、該主電極に圧接されている半導体素子を備える。このような構成によれば、前記主電極とされる各金属板と前記半導体素子との間に熱緩衝板が介在しないので、前記半導体装置に大電圧が印加されたときにも優れた放熱性を得ることができる。
また、本発明の半導体装置は、前記各絶縁基板と前記半導体素子と前記各リード電極とを封止する樹脂層とを備えると共に、一方の該絶縁基板の前記主電極は、該半導体素子のアノード(またはエミッタ)電極に対する接続部として周囲の部分から隆起している隆起部を備える。そこで、本発明の半導体装置は、前記隆起部により該半導体素子のアノード(またはエミッタ)電極側の端面と該アノード(またはエミッタ)電極に前記主電極として接続される前記金属板との間に絶縁に十分な空間距離を確保することができる。
しかも、本発明の半導体装置は前記樹脂層により封止されているので、該半導体素子のアノード(またはエミッタ)電極側の端面と該アノード(またはエミッタ)電極に前記主電極として接続される前記金属板との間には、前記前記樹脂層が空隙なく充填されている。従って、本発明の半導体装置は、前記半導体素子のアノード(またはエミッタ)電極側の端面と該アノード(またはエミッタ)電極に接続される金属板との間の絶縁を確保し、優れた電気的信頼性を得ることができる。
本発明の半導体装置において、前記隆起部は、前記主電極となる金属板全体から隆起していてもよく、周囲に溝部を備え、該溝部に対して隆起する構成を備えているものであってもよい。また、前記隆起部の高さは、前記半導体素子のアノード(またはエミッタ)電極側の端面と、該隆起部の周囲の部分とで、十分な絶縁性が得られる高さであればよく、過剰な高さを備える必要はない。
また、本発明の半導体装置では、前記隆起部により、前記半導体素子のアノード(またはエミッタ)電極側の端面と該アノード(またはエミッタ)電極に前記主電極として接続される前記金属板との間に絶縁に十分な空間距離を確保することができる。従って、前記樹脂層を形成する樹脂としては、汎用の比較的安価な樹脂を用いても、前記半導体素子のアノード(またはエミッタ)電極側の端面と該アノード(またはエミッタ)電極に前記主電極として接続される前記金属板との間で、十分な絶縁性を得ることができる。
前記樹脂層を形成する樹脂として、例えば、ポリフェニレンサルファイド系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリアミド系樹脂からなる群から選択される1種の樹脂を挙げることができる。
本発明の半導体装置の一構成例を示す説明的断面図。 図1に示す半導体装置において、半導体素子のアノード(またはエミッタ)電極に接続される主電極の構成を示す斜視図。 本発明の半導体装置の他の構成例を示す説明的断面図。 図3に示す半導体装置において、半導体素子のアノード(またはエミッタ)電極に接続される主電極の構成を示す斜視図。
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
まず、本実施形態の第1の態様について説明する。図1に示すように、本実施形態の半導体装置1aは、半導体素子としての半導体パワー素子2が、一対の絶縁基板3,4により挟持されている。絶縁基板3は、セラミックス基板5の表裏両面に金属板6,7を備え、金属板6が主電極として半導体パワー素子2のアノード(またはエミッタ)電極2a(以下、アノード電極2aと略記する)に接続されると共に、金属板6に接続されたリード電極8を備えている。
一方、絶縁基板4は、セラミックス基板9の表裏両面に金属板10,11を備え、金属板10が主電極として半導体パワー素子2のカソード(またはコレクタ)電極2bに接続されると共に、金属板10に接続されたリード電極12を備えている。
そして、半導体装置1aは、主電極となる金属板6,10に半導体パワー素子2が圧接された状態で、樹脂層13により封止されている。ただし、絶縁基板3,4の金属板6,10と反対側に備えられた金属板7,11の表面と、各リード電極8,12の端部とは、樹脂層13から露出されている。
半導体装置1aにおいて、セラミックス基板5,9は、Si、AlN、Alからなる群から選択される1種のセラミックスからなるものを用いることができる。また、金属板5,6,10,11は、CuまたはAlのいずれか1種の金属からなるものを用いることができる。前記絶縁基板3,4において、金属板5,6,10,11がCuからなるものはDCB(Direct Copper Brazed)基板として公知である。
また、樹脂層13は、例えば、金属板6,10を介して絶縁基板3,4に挟持された状態の半導体パワー素子2をインサート成形金型(図示せず)のキャビティ内の所定の位置に装着し、該キャビティに溶融樹脂を射出することにより形成することができる。樹脂層13を形成する樹脂としては、例えば、ポリフェニレンサルファイド系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリアミド系樹脂からなる群から選択される1種の樹脂を挙げることができる。
半導体装置1aでは、金属板6は、図1,2に示すように隆起部6aを備えており、隆起部6aにより半導体パワー素子2のアノード電極2aに接続されている。隆起部6aは、周囲の部分6bに対して隆起して形成されている。部分6bはリード電極8と面一に形成されている。隆起部6aを備える金属板6は、エッチング、プレス加工、レーザー加工等のそれ自体公知の方法により形成することができる。
この結果、半導体装置1aでは、半導体パワー素子2のアノード電極2aが形成されている端面と、隆起部6aの周囲の部分6bの表面との間に、絶縁に十分な空間距離が確保される。また、半導体パワー素子2のアノード電極2aが形成されている端面と、隆起部6aの周囲の部分6bの表面との間には、樹脂層13を形成する前記樹脂が空隙無く充填されている。
従って、半導体装置1aでは、半導体パワー素子2のアノード電極2aが形成されている端面と、金属板6との間の絶縁を確保し、優れた電気的信頼性を得ることができる。
次に、本実施形態の第2の態様について説明する。図3に示すように、本実施形態の半導体装置1bは、金属板6が隆起部6aの周囲に溝部6cを備え、隆起部6aの表面がリード電極8の表面と面一になるように形成されている以外は、図1に示す半導体装置1aと全く同一の構成を備えている。隆起部6a及び溝部6cを備える金属板6は、エッチング、プレス加工、レーザー加工等のそれ自体公知の方法により形成することができる。
この結果、半導体装置1bでは、半導体パワー素子2のアノード電極2aが形成されている端面と、隆起部6aの周囲の溝部6cの底面との間に、絶縁に十分な空間距離が確保される。また、半導体パワー素子2のアノード電極2aが形成されている端面と、隆起部6aの周囲の溝部6cの底面との間には、樹脂層13を形成する前記樹脂が空隙無く充填されている。
従って、半導体装置1bでは、半導体パワー素子2のアノード電極2aが形成されている端面と、金属板6との間の絶縁を確保し、優れた電気的信頼性を得ることができる。
1a,1b…半導体装置、 2…半導体パワー素子、 2a…アノード(またはエミッタ)電極、3,4…絶縁基板、 5,6,10,11…金属板、 6a…隆起部、 6c…溝部、 8,12…リード電極、 13…樹脂層。

Claims (3)

  1. 表裏両面に金属板を備え一方の金属板を主電極とすると共に、該主電極に接続されたリード電極を備える一対の絶縁基板と、
    各絶縁基板の該主電極とされる金属板の間に挟持されて、該主電極に圧接されている半導体素子と、
    各絶縁基板の該主電極とされる金属板と反対側の金属板表面と、各リード電極の一部とを露出して、各絶縁基板と該半導体素子と各リード電極とを封止する樹脂層とを備える半導体装置であって、
    一方の該絶縁基板の該主電極は、該半導体素子のアノード(またはエミッタ)電極に対する接続部として周囲の部分から隆起している隆起部を備えることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記主電極は、前記隆起部の周囲に溝部を備えることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  3. 前記樹脂層は、ポリフェニレンサルファイド系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリアミド系樹脂からなる群から選択される1種の樹脂からなることを特徴とする請求項1または請求項2記載の半導体装置。
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