JP2011018933A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】応力緩衝部と電極部（および導電部）との間の応力強度が改善された電極端子を用いて、信頼性の高いケースタイプの半導体装置を提供する。
【解決手段】絶縁基板が固定された金属ベース板１２と、前記金属ベース板の上に配設された絶縁材料からなるケース１０と、前記絶縁基板上に実装された半導体素子と、前記ケースの内部空間であって、前記半導体素子の上方に充填されたシリコンゲルと、折曲部およびその両端に一体に形成された一対の平坦部からなる板状の応力緩衝部、一方の前記平坦部に連結された電極部、および他方の前記平坦部に連結され、前記半導体素子に電気的に接続された導電部を有する電極端子２０とを備える。前記応力緩衝部は、その厚みが一定で、前記電極部および前記導電部よりも薄いことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、応力強度が改善された電極端子を用いた信頼性の高いケースタイプの半導体装置およびその製造方法に関する。

一般に、産業用および車載用のモータを駆動するためには大容量電流を必要とするが、これを制御するためにさまざまな電力用半導体装置が提案されている。中でも、絶縁基板上に絶縁ゲートバイポーラトランジスタなどの電力用半導体素子が実装された基板タイプの電力用半導体素子が数多く市販されている。

こうした基板タイプの電力用半導体装置によれば、電力用半導体素子を実装した絶縁基板がベース板上に取り付けられるとともに、樹脂ケースが電力用半導体素子を包囲するようにベース板に固定される。そして樹脂ケース中には、エポキシ樹脂などの絶縁充填剤を充填した後、絶縁材料からなる蓋が配設される。このとき、樹脂ケース内部の電力用半導体素子から延び、バスバーなどの外部端子に接続される電極端子は、極めて大きな電流が流れ、自らの抵抗成分により無視できない程度の熱量が発生する。

また、電極端子は、樹脂ケース内では電力用半導体素子から蓋の方へ垂直方向に延び、バスバーは蓋に対して平行に配設されるため、蓋に設けた開口部に貫通させた後に、ほぼ直角に折り曲げる必要がある。すなわち、電力用半導体装置のアセンブリ工程において折り曲げやすいように、作業性の高い電極端子を用いることが求められる。

このような作業性の高い電極端子が、例えば特許文献１に開示されている。特許文献１によれば、図８（ａ）〜（ｃ）に示すように、電極端子３は、外部接合端３ａとコイニング部１４とを有し、コイニング部１４の幅を狭め、または厚みを薄くすることにより、小さい力で容易に折り曲げられ、この部分を折り曲げ中心とすることが記載されている（例えば、

を参照されたい。）。

同様に、特許文献２の図４および図５に開示された外部電極３は、折り曲げ部分に凹溝および切り欠きが形成されており、外部電極３の外部接続部３ｂを直角に曲げることにより、パワーデバイスが組み立てられる。そして特許文献２において、レーザ光を用いて、折り曲げ部分をアニール処理することにより、精度よく確実に折り曲げ加工できる手法が記載されている。

さらに、特許文献３によれば、パワー半導体装置に用いられるＳ字型ベンド部６のリード幅を平板導電リード端子５より大きくし、その厚さを薄くすることにより、Ｓ字型ベンド部６の導電容量を平板導電リード端子５と実質的に同じにすることが開示されている。

特開平９−４５８３１号公報 特開平３−６０１４７号公報 特開平９−１２９７９７号公報

しかしながら、特許文献１においては、コイニング部１４はその長手方向の寸法が短く設計され、電極端子３はコイニング部１４を折り曲げ中心として折り曲げられるため、この折り曲げ中心に機械的応力が集中し、コイニング部１４の外側表面からクラックが生じやすい。しかも、コイニング部１４の断面積（幅と厚み）が外部接合端３ａより小さいので、折り曲げ中心部分における電気抵抗成分が大きくなり、発熱量も大きくなる。すなわち、狭小なコイニング部１４は、隣接する外部接合端３ａよりも熱くなり、両者の境界部における温度勾配が極めて大きくなる。したがって、コイニング部１４において、導通時に大きな熱応力がかかり、上述の機械的応力と相まってクラックの進行を促進する結果となり得る。

また特許文献２によれば、外部電極３は、特許文献１と同様に、折り曲げ部分に凹溝および切り欠きを有し、折り曲げ部分から破断されることがあった（例えば、２頁右上欄１８−１９行を参照されたい。）。

さらに、特許文献３のパワー半導体装置においても同様に、Ｓ字型ベンド部６と平板導電リード端子５の境界部に機械的応力が集中する。しかも、この境界部は、平板導電リード端子５より薄く形成されているので、応力に対して脆弱である。したがって、特許文献３のＳ字型ベンド部６と平板導電リード端子５の境界部は、特許文献１および２と同様、応力に弱く破断しやすい。

本発明に係る半導体装置は、絶縁基板が固定された金属ベース板と、前記金属ベース板の上に配設された絶縁材料からなるケースと、前記絶縁基板上に実装された半導体素子と、前記ケースの内部空間であって、前記半導体素子の上方に充填されたシリコンゲルと、折曲部およびその両端に一体に形成された一対の平坦部からなる板状の応力緩衝部、一方の前記平坦部に連結された電極部、および他方の前記平坦部に連結され、前記半導体素子に電気的に接続された導電部を有する電極端子とを備える。そして本発明に係る半導体装置は、前記応力緩衝部は、その厚みが一定で、前記電極部および前記導電部よりも薄いことを特徴とするものである。

本発明によれば、応力緩衝部と電極部（および導電部）との間の応力強度が改善された電極端子を用いて、信頼性の高い半導体装置を実現することができる。

本発明に係るパワーモジュールの斜視図である。 第１の実施の形態による電極端子の拡大斜視図である。 パワーモジュールに組み込まれる前の図２に示す電極端子の平面図および側面図である。 パワーモジュールに組み込まれた後の図２に示す電極端子の側面図である。 好適でない方向に折り曲げられた電極端子の図４と同様の側面図である。 第２の実施の形態による電極端子の拡大斜視図である。 パワーモジュールに組み込まれる前の図６に示す電極端子の平面図である。 パワーモジュールに組み込まれた後の図６に示す電極端子の側面図である。 第３の実施の形態による電極端子の拡大斜視図である。

以下、添付図面を参照して本発明に係る半導体装置の実施の形態を説明する。各実施の形態の説明において、理解を容易にするために方向を表す用語（例えば、「上方」および「下方」など）を適宜用いるが、これは説明のためのものであって、これらの用語は本発明を限定するものでない。

実施の形態１．
図１〜図５を参照しながら、本発明に係るパワーモジュール（半導体装置）の実施の形態１について以下に説明する。図１に示すパワーモジュールは、概略、樹脂などの絶縁材料からなるケース１０と、良好な熱伝導性を有する銅などの金属板からなる金属ベース板１２とを有する。ケース１０は、金属ベース板１２にねじ（図示せず）などを用いて固定され、金属ベース板１２は、その四隅に貫通孔１４を有し、ねじなどを用いて金属放熱フィン（ともに図示せず）に取り付けられる。さらに、パワーモジュールは、複数の制御端子１６を有する。

また詳細図示しないが、パワーモジュールは、ケース１０の内部において、絶縁基板が金属ベース板１２上に固定され、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）およびフリーホイールダイオード（ＦＷＤ）などの少なくとも１つの電力用半導体素子が、絶縁基板上に実装されている。また、電力用半導体素子の上方を含むケース１０の内部空間には、シリコンゲルが充填され、エポキシ樹脂を用いてその上方が封止され、さらにその上方に蓋１８が配置されている。

この実施の形態のパワーモジュールは、図１に示すように、電極端子２０を有し、外部の電気回路装置（図示せず）と電気的に接続されたバスバー４０を、ボルト４２と電極端子２０の一方の端部（「電極部２２」という。図２参照）の間で保持した状態で、ボルト４２を締め付けることにより、電極端子２０と外部の電気回路装置とを電気的に接続する。そして、電極端子２０は、他方の端部（「導電部２４」という。図２参照）がケース１０の内部において電力用半導体素子の電極と電気的に接続され、上方に（蓋１８に垂直に）延び、ケース１０の外側においては横方向に（蓋１８に平行に）延びている。こうして、外部電気回路装置と半導体素子が電気的に接続される。

ここで、この実施の形態に係る電極端子２０の詳細な構造およびパワーモジュールの組み立て方法について以下説明する。
上述のように、図１および図２に示す電極端子２０は、バスバー４０に接続される電極部２２と、半導体素子に接続される導通部２４とを有する。また電極端子２０は、パワーモジュールに組み込まれる前の状態を示す図３（ａ）のように、電極部２２と導通部２４の間に配設された長手方向に直線的に延びる応力緩衝部３０を有する。
さらに応力緩衝部３０は、折曲部３２およびその両端に一体に形成された一対の平坦部３４，３５からなり、この実施の形態に係る応力緩衝部３０（折曲部３２および平坦部３４，３５）は、図３（ｂ）に示すように、その厚みが一定で、電極部２２および導電部２４と比較すると薄くなるように設計されている。例えば、電極部２２および導通部２４の厚みを１．５ｍｍとし、応力緩衝部３０の厚みを１．２ｍｍとしてもよい。

こうして構成された電極端子２０の導電部２４が半導体素子に接続された後、電極部２２および応力緩衝部３０が蓋１８に事前に設けられた開口部１１を通って上方に突出するように、蓋１８がケース１０上に配置される。そして、蓋１８をケース１０上に配置した後に、応力緩衝部３０の折曲部３２において所定の曲率半径Ｒで所定の折曲方向に折れ曲がる（湾曲する）ように電極端子２０が折り曲げられる（図２および図４）。すなわち、折曲部３２が所定の曲率半径Ｒで湾曲するが、平坦部３４，３５が湾曲することなく平坦性を維持するように、電極端子２０は折り曲げられる。このとき、例えば、応力緩衝部３０の長手方向の長さが６．０ｍｍで、折曲部３２の曲率半径Ｒが１．５ｍｍとなるように設計することができる。

このように、折曲部３２とその両端にある平坦部３４，３５が一体に形成され、その厚みが一定であるので、折曲部３２と平坦部３４，３５の間において機械的応力が集中することを防止でき、折曲部３２が所定の曲率半径Ｒで折り曲げられているので、機械的応力を分散させることができる。また、折曲部３２と平坦部３４，３５の厚みが一定であるので、その電気抵抗成分（発熱量）が一定となり、両者間において生じ得る急峻な温度勾配（大きな熱応力）を回避することができる。
加えて、折曲部３２および平坦部３４，３５は、電極部２２および導電部２４よりも薄くなるように設計されているので、小さい力で折り曲げやすく、パワーモジュールの高いアセンブリ作業性が期待できる。しかも、平坦部３４，３５を電極部２２よりも薄くすると、図２および図４に示すように、電極部２２が平坦部３４，３５より上に凸となるように形成されるので、バスバー４０の取り付け作業が容易になる。
こうして、機械的応力および熱応力が局所的に集中することなく、破断しにくい電極端子２０を用いて、信頼性の高いパワーモジュールを容易に実現することができる。

なお、電極部、応力緩衝部３０（折曲部３２および平坦部３４，３５）および導電部２４のそれぞれが、折曲部３２の折れ曲がる側に面した面を内面３６、これに対向する面を外面３８とすると、図４に示すように外面３８が凹むように薄層化されることが、図５のように内面３６が凹むように薄層化される場合よりも好ましい。
換言すると、応力緩衝部３０の薄層化した側の面が外面３８となるように、電極端子２０は折り曲げられる。これにより、図５とは異なり図４に示すように折曲部３２を折り曲げる際、特別の寸法および形状を有する折り曲げ治具を用いる必要性を排除できる。

実施の形態２．
図６〜図８を参照しながら、本発明に係るパワーモジュール（半導体装置）の実施の形態２について以下に説明する。実施の形態２のパワーモジュールは、電極端子の形状が異なる点を除き、実施の形態１のパワーモジュールと同様の構成を有するので、重複する部分に関する詳細な説明を省略する。

実施の形態２の応力緩衝部３０は、その厚みが一定で、電極部２２および導電部２４よりも薄くなるように構成されていたのに対し、実施の形態２のパワーモジュールの応力緩衝部３０は、その幅が一定で、電極部および導電部よりも狭い点が異なる。
すなわち、実施の形態２の電極端子２０は、図６および図７に示すように、バスバー４０に接続される電極部２２と、半導体素子に接続される導通部２４と、電極部２２と導通部２４の間に一体に形成された長手方向に直線的に延びる応力緩衝部３０とを有し、この実施の形態２の応力緩衝部３０（折曲部３２および平坦部３４，３５）は、その幅が一定で、電極部２２および導電部２４と比較すると狭くなるように設計されている。例えば、電極部２２および導通部２４の幅２０ｍｍとし、応力緩衝部３０の厚みを１５ｍｍとしてもよい。また、パワーモジュールの電極部２２、応力緩衝部３０、および導電部２４の厚みは同じであってもよい。

パワーモジュールをアセンブリする際、実施の形態１と同様、電極端子２０は、応力緩衝部３０の折曲部３２において所定の曲率半径Ｒで湾曲するように折り曲げられ、平坦部３４，３５の平坦性は同様に維持される（図８）。

こうして組み立てられたパワーモジュールにおいて、折曲部３２とその両端にある平坦部３４，３５が一体に形成され、その幅が一定となるように構成されているので、折曲部３２と平坦部３４，３５の間における機械的な応力集中を回避することができるとともに、折曲部３２が所定の曲率半径Ｒで折り曲げられているので、機械的応力を分散させることができる。また、折曲部３２と平坦部３４，３５の幅が一定であるので、その電気抵抗成分（発熱量）が一定となり、通電時の両者間における温度勾配（大きな熱応力）を低減することができる。
加えて、応力緩衝部３０は、電極部２２および導電部２４よりも幅狭となるように設計されているので、小さい力で折り曲げやすく、パワーモジュールの組み立て作業性を改善することができる。
こうして、機械的応力および熱応力が局所的に集中することなく、破断しにくい電極端子２０を用いて、信頼性の高い半導体装置を容易に実現することができる。

実施の形態３．
図９を参照しながら、本発明に係るパワーモジュール（半導体装置）の実施の形態３について以下に説明する。図９に示す実施の形態３の電極端子２０によれば、応力緩衝部３０は、実施の形態１と同様、その厚みが一定で、電極部２２および導電部２４よりも薄く、かつ実施の形態２と同様、その幅が一定で、電極部および導電部よりも狭くなるように設計されている。

このように、実施の形態３の応力緩衝部３０の折曲部３２は、実施の形態１および２より折り曲げやすいので、さらにパワーモジュールの組み立て作業性を改善することができる。さらに、機械的応力および熱応力の局所的な集中を緩和することにより、破断しにくい電極端子２０を用いて、信頼性の高い半導体装置を容易に実現することができる。

１０：ケース、１２：金属ベース板、１４：貫通孔、１６：制御端子、１８：蓋、２０：電極端子、２２：電極部、２４：導電部、３０：応力緩衝部、３２：折曲部、３４，３５：平坦部、３６：内面、３８：外面、４０：バスバー、４２：ボルト。

Claims (5)

1. 絶縁基板が固定された金属ベース板と、
   前記金属ベース板の上に配設された絶縁材料からなるケースと、
   前記絶縁基板上に実装された半導体素子と、
   前記ケースの内部空間であって、前記半導体素子の上方に充填されたシリコンゲルと、
   折曲部およびその両端に一体に形成された一対の平坦部からなる板状の応力緩衝部、一方の前記平坦部に連結された電極部、および他方の前記平坦部に連結され、前記半導体素子に電気的に接続された導電部を有する電極端子とを備え、
   前記応力緩衝部は、その厚みが一定で、前記電極部および前記導電部よりも薄いことを特徴とする半導体装置。
2. 前記電極部、前記応力緩衝部、および前記導電部のそれぞれは、前記折曲部が折れ曲がる側に面した内面とこれに対向する外面とを有し、
   前記応力緩衝部が前記外面において凹となるように形成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。
3. 絶縁基板が固定された金属ベース板と、
   前記金属ベース板の上に配設された絶縁材料からなるケースと、
   前記絶縁基板上に実装された半導体素子と、
   前記ケースの内部空間であって、前記半導体素子の上方に充填されたシリコンゲルと、
   折曲部およびその両端に一体に形成された一対の平坦部からなる板状の応力緩衝部、一方の前記平坦部に連結された電極部、および他方の前記平坦部に連結され、前記半導体素子に電気的に接続された導電部を有する電極端子と、
   前記導電部に電気的に接続された半導体素子とを備え、
   前記応力緩衝部は、その幅が一定で、前記電極部および前記導電部よりも狭いことを特徴とする半導体装置。
4. 半導体装置の製造方法であって、
   金属ベース板に固定された絶縁基板の上に半導体素子を実装するステップと、
   電極部、導電部、およびこれらの間にあって、これらより厚みが薄い応力緩衝部を有する、一体にかつ平面的に形成された電極端子を形成するステップと、
   絶縁基板上に実装された半導体素子に電極端子の導電部を接続するステップと、
   絶縁材料からなるケースを前記金属ベース板の上に配設するステップと、
   前記ケースの内部空間であって、前記半導体素子の上方にシリコンゲルを充填するステップと、
   前記電極端子の前記電極部が蓋の開口部から突出するように、該蓋をケース上に配置するステップと、
   前記応力緩衝部が凹となる面を外向きにして、該応力緩衝部を折り曲げるステップとを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
5. 半導体装置の製造方法であって、
   金属ベース板に固定された絶縁基板の上に半導体素子を実装するステップと、
   電極部、導電部、およびこれらの間にあって、これらより幅が狭い応力緩衝部を有する、一体にかつ平面的に形成された電極端子を形成するステップと、
   絶縁基板上に実装された半導体素子に電極端子の導電部を接続するステップと、
   絶縁材料からなるケースを金属ベース板の上に配設するステップと、
   前記ケースの内部空間であって、前記半導体素子の上方にシリコンゲルを充填するステップと、
   前記電極端子の前記電極部が蓋の開口部から突出するように、該蓋をケース上に配置するステップと、
   前記応力緩衝部が凹となる面を外向きにして、該応力緩衝部を折り曲げるステップとを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。

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