JP2013102242A

JP2013102242A - パワー半導体装置

Info

Publication number: JP2013102242A
Application number: JP2013042877A
Authority: JP
Inventors: Masao Kikuchi; 正雄菊池
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-03-05
Filing date: 2013-03-05
Publication date: 2013-05-23
Anticipated expiration: 2030-06-01
Also published as: JP5490276B2

Abstract

【課題】装置の大型化を抑制し、インダクタンスの増大を抑制できるパワー半導体装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明にかかるパワー半導体装置は、パワー半導体素子４と、パワー半導体素子４上面に選択的に形成された第１上面電極パターンとしての上面電極パターン１００を介してパワー半導体素子４と接続された、第１金属ブロックとしての金属ブロック７と、パワー半導体素子４と金属ブロック７とを覆って充填されたモールド樹脂９とを備え、金属ブロック７は、その上面がモールド樹脂９表面から露出する。
【選択図】図２

Description

本発明は、車載、ＦＡ機器、電鉄用途等に幅広く適用されるパワー半導体装置に関する。

パワー半導体装置は、パワー半導体素子を収納し、パワー半導体素子のスイッチング動作によって、電力を調整する機能を有する装置であり、当該装置には、収納されたパワー半導体素子と装置外部との配線が設けられている。

従来の当該装置に収納されたパワー半導体素子は、絶縁基板にパワー半導体素子がはんだ付けされ、絶縁基板あるいは素子本体からワイヤもしくは金属リードによって配線が形成され、外部に導出される金属ターミナルに接続される。

金属ターミナルは、装置の樹脂ケースに埋め込まれ、パワー半導体素子の周囲から装置外部に導出される。あるいは、パワー半導体素子の周囲にある絶縁基板上の配線に接続されて、装置外部に導出される。装置は、絶縁基板ならびにパワー半導体素子、金属配線、金属ターミナルを被覆するように樹脂によって充填され、外部から保護される。

これに対して、金属からなるリードフレームを用いてパワー半導体素子と装置外部との配線を形成し、硬質樹脂によってモールドして固めてパッケージにする、パワー半導体装置がある（例えば特許文献１）。配線は、モールドして固めた後に、リードフレームの必要箇所を切断加工、および曲げ加工を施して装置に仕上げられる。上記の樹脂充填タイプの装置に比べて、あらかじめ金属リードが連なったリードフレームで製造するため、大量に生産する場合には非常に生産性が高い構造として実用化されている。また、硬質樹脂によって固めるため、熱膨張が大きく異なるパワー半導体素子と他の金属部材との熱膨張ミスマッチによるストレスを分散することができるので、近年重要視されてきた長期信頼性を向上させる非常に有用な装置である。

特開２００４−１６５２８１号公報（図１〜３）

このパワー半導体装置では、リードフレームによる金属配線がパワー半導体素子の周囲に形成され、パワー半導体素子の搭載される上方もしくは下方以外の部分より装置外部に導出されるため、パワー半導体素子の搭載される上方もしくは下方がデッドスペースとなり、パワー半導体装置が大型化してしまうという問題があった。

また、パワー半導体素子の周囲に形成された金属配線が装置外部に導出した後に、金属ターミナルを折り曲げて装置上部に形成する構造も考えられるが、配線が長くなってインダクタンスが大きくなったり、リードフレームが大きくなって材料歩留まりが低下したりするという問題があった。

本発明は上記のような問題を解決するためになされたものであり、装置の大型化を抑制し、インダクタンスの増大を抑制できるパワー半導体装置を提供することを目的とする。

本発明にかかるパワー半導体装置は、パワー半導体素子と、一端側が前記パワー半導体素子に接続され、他端側が前記パワー半導体素子の上方に導出された第１金属リードと、前記パワー半導体素子と前記第１金属リードの前記一端側とを覆って充填され、前記パワー半導体素子の上方に凹部が形成されたモールド樹脂と、前記凹部に収容された第１金属ブロックとを備え、前記第１金属リードの前記他端側は、折り曲げて前記第１金属ブロック上面と接続される。

本発明にかかるパワー半導体装置によれば、パワー半導体素子と、一端側が前記パワー半導体素子に接続され、他端側が前記パワー半導体素子の上方に導出された第１金属リードと、前記パワー半導体素子と前記第１金属リードの前記一端側とを覆って充填され、前記パワー半導体素子の上方に凹部が形成されたモールド樹脂と、前記凹部に収容された第１金属ブロックとを備え、前記第１金属リードの前記他端側は、折り曲げて前記第１金属ブロック上面と接続されることにより、装置の大型化を抑制し、インダクタンスの増大を抑制できる。

実施の形態１にかかるパワー半導体装置の回路構成を示す図である。実施の形態１にかかるパワー半導体装置の断面模式図である。実施の形態１にかかるパワー半導体装置の断面模式図である。実施の形態１にかかるパワー半導体装置の断面模式図である。実施の形態１にかかるパワー半導体装置の断面模式図である。実施の形態１にかかるパワー半導体装置の金属ブロックの構造を示す図である。実施の形態１にかかるパワー半導体装置の金属ブロックの構造を示す図である。実施の形態２にかかるパワー半導体装置の断面模式図である。実施の形態２にかかるパワー半導体装置の断面模式図である。実施の形態２にかかるパワー半導体装置の金属リード先端の形状を示す図である。実施の形態３にかかるパワー半導体装置の断面模式図である。実施の形態４にかかるパワー半導体装置の突出部あるいは溝部を示す図である。実施の形態４にかかるパワー半導体装置の突出部あるいは溝部を示す図である。

＜Ａ．実施の形態１＞
＜Ａ−１．構成＞
図１は、パワー半導体装置の回路構成の一部抜粋であり、代表的かつ使用事例が多いパワー半導体装置である。パワー半導体装置は、ＩＧＢＴなどのトランジスタが電力のスイッチとなり、スイッチのオンオフ状態を制御することで、所望の電力を負荷へ供給し、負荷の運転状態をコントロールする。また、大きな電力を制御するトランジスタスイッチをオフ（遮断）しても、負荷や寄生のインダクタンス成分が存在するため、電流は瞬時には遮断できない。このため、トランジスタと並列にダイオードを設けて遮断時の電流をバイパスする。

すなわち、図１（ａ）の回路構成が基本であり、単相、あるいは３相といった制御する用途によって回路が増える。図１（ｂ）は、多用される３相ハーフブリッジのインバータ回路である。パワー半導体装置は、図１中の各点線に囲まれた回路構成を有することがあり、このため装置に組み込まれるトランジスタやダイオードといったパワー半導体素子の数が異なる。

例えば、ＩＧＢＴとフライホイールダイオードとの組み合わせでは、点線部の回路１の構成では各１素子、点線部の回路２では各２素子、点線部の回路３では各６素子となる。また、電流容量によっては、パワー半導体素子を並列に並べて組み込む場合も多く、並列数の掛け算で素子数が増える。一方ＭＯＳＦＥＴでは、内蔵する寄生ダイオードをフライホイールダイオードとして使う場合も多く、素子数が異なる。

本実施の形態１では、便宜上、図１の回路１の例に基づいて説明するが、他の素子数、回路構成によっても同様の効果があることは言うまでもなく、むしろ素子数が増えるほど、配線が集約されるため、コンパクト化、軽量化へのメリットがいっそう大きくなる。

図２は、本発明の実施の形態１を説明するためのパワー半導体装置の断面模式図である。パワー半導体素子４は、その下面側に下面電極パターン１０１が形成され、その下面電極パターン１０１に対し、第２金属ブロックとしてのヒートスプレッダ５の一部がはんだ層１００１を介してはんだ付けされ固定されている。パワー半導体素子４は、前述した通りＩＧＢＴとＦｗＤｉの組み合わせで構成され、ヒートスプレッダ５が導電路の働きも担う。

ヒートスプレッダ５の下方には、絶縁層が設けられている。絶縁層は、例えば、エポキシを主体とする樹脂にフィラーを混合した絶縁シート６であり、ヒートスプレッダ５とパワー半導体装置の外部との電気的絶縁を確保する。さらに下方には、プレート８が備えられている。

一方、パワー半導体素子４は、その上面にも第１上面電極パターンとしての上面電極パターン１００が選択的に形成され、その上面電極パターン１００に対し、第１金属ブロックとしての金属ブロック７がはんだ層１０００を介してはんだ付けされて固定されている。金属ブロック７はＩＧＢＴ、ＦｗＤｉ各々の上方に個別に固定されており、パワー半導体素子４の固定した面と反対側の表面から雌ネジ部１１が形成される。

また、一方のパワー半導体素子４の側方に、ヒートスプレッダ５の上面の他の一部とはんだ層１００１を介して接続された第３金属ブロックとしての金属ブロック１２が固定されている。金属ブロック１２も金属ブロック７と同様に、上面から雌ネジ部１１が形成され、その上面がモールド樹脂９から露出している。さらに、パワー半導体素子４の他の側方に、アウトサート固定ガイド１３が固定されている。アウトサート固定ガイド１３は樹脂で構成され、その上面には信号端子１０９が接続されている。

パワー半導体装置は、金属ブロック７、１２の雌ネジ部１１形成側表面、ならびに絶縁シート６あるいは絶縁シート６の下方に設けられたプレート８の表面が露出するように、内包する各部材をモールド樹脂９によって一体的にモールド支持される。

この時、金属ブロック７は、パワー半導体素子４の周辺を残して上面電極パターン１００に接合し、雌ネジ部１１は、パワー半導体素子４のほぼ上方に位置するように構成される。このように配置した雌ネジ部１１を用いることによって、パワー半導体素子４からパワー半導体装置の外部との接続を最も短い距離とすることができ、配線抵抗やインダクタンスの最小化が可能となり、損失低減ができる。

また、パワー半導体素子４の上下をサンドイッチするように、所定の厚さの金属ブロック７、ヒートスプレッダ５を設けるため、パワー半導体素子４に反りが発生せず、はんだに対するストレスを低減することができる。なお、金属ブロック７の厚さは、各々１〜５ｍｍ程度が好ましく、金属ブロック７とヒートスプレッダ５との厚さの差は、１〜２ｍｍ以下が好ましい。

本実施の形態１では、ＩＧＢＴとＦｗＤｉの二つのパワー半導体素子４に各々独立した金属ブロック７を搭載しており、パワー半導体装置の外側にバスバー（図示せず）を設けて、バスバーでＩＧＢＴとＦｗＤｉの上面電極パターン１００同士を電気的に接続すれば、装置内部で配線を形成するよりも単純な構造で配線できる。また、このパワー半導体装置を内蔵する機器の配線に組み込むことによって、上記ＩＧＢＴとＦｗＤｉとの間の配線が必要ではなくなり、部材点数も削減できる。

また、パワー半導体素子４の上部に金属ブロック７をはんだ層１０００を介してはんだ付けしたものを多く製造し、その後、ヒートスプレッダ５にはんだ層１００１を介してはんだ付けすると、パワー半導体素子４の扱いが容易となり、生産性上で都合がよい。

ＩＧＢＴの上面電極パターン１００と同一の表面には、ＩＧＢＴを駆動するための選択的に形成された第２上面電極パターン（図示せず）が設けられており、第２上面電極パターンは金属線（図示せず）に接合される。この金属線の、第２上面電極パターンと接続される端部とは異なる端部は、金属ブロック７の露出面があるパワー半導体装置の表面と同一面より装置外部に突出し、図示しない制御基板などに接続される。

第２上面電極パターンは１つのＩＧＢＴに複数個が形成されるため、複数の金属線を樹脂支持部材（図示せず）によって絶縁しつつ支持する。支持部材としての樹脂支持部材は、例えばヒートスプレッダ５に位置決め固定され、その位置決め固定のための位置決め手段（図示せず）が樹脂支持部材、ヒートスプレッダ５双方に設けられており、この位置決め手段によって、位置精度良く、金属線を固定することができる。このようにして、複数個の第２上面電極パターンと金属線とを接合するとともに、モールド樹脂９で他の部材とともに一体的に保持する。

また、図３に示すように、ＩＧＢＴ、ＦｗＤｉの上面電極パターン１００を同一の金属ブロック１４を接合することで配線する構造をとっても良い。この場合には、装置外部における機器での配線との接続箇所が減るために、作業性ならびに信頼性が向上する。

また、パワー半導体装置に収納される金属ブロック１４とパワー半導体素子４およびモールド樹脂９は、大きく線膨張係数が異なるため反りが発生する。図３に示す構造によれば、パワー半導体素子４を挟んで、上下に大きい面積を持つ金属ブロック１４、ヒートスプレッダ５を有するため、パッケージの反りの発生を低減することができる。上面電極パターン１００に設けた金属ブロック１４は、図３中点線部に示すように、はんだ付けする領域を除いて凹部を形成するようにして、はんだの濡れ広がりを制御することができる。

さらには、図４のように、雄ネジ部１６を有した金属ブロック７を、雄ネジ部１６がパワー半導体素子４の反対側にくるようにパワー半導体素子４の上面電極パターン１００に接合し、雄ネジ部１６をパワー半導体装置の外部に突出するようにモールド樹脂９でモールドしても良い。このとき、金属ブロック１２の、モールド樹脂９露出面にも、同様に雄ネジ部１６を形成する。この場合、図２と同様に装置外部にバスバー（リード片１０２）を設けて、ＩＧＢＴとＦｗＤｉの上面電極パターン１００を接続するが、機器の配線と兼ねてよいので合理化が可能である。

図５は、ＩＧＢＴ、ＦｗＤｉの上面電極パターン１００にはんだ付けされた金属ブロック７、１２とヒートスプレッダ５とに固着された、樹脂からなる絶縁部材としての金属ブロック固定ガイド１８によって連接するようにしたものである。金属ブロック固定ガイド１８は、ヒートスプレッダ５に載るように組みつけられる。金属ブロック固定ガイド１８と金属ブロック７、１２、ヒートスプレッダ５は組み立ててもよく、金属ブロック７、１２をあらかじめインサート成形して金属ブロック固定ガイド１８と一体化した後に、ヒートスプレッダと組み立ててもよく、さらには、金属ブロック７、１２、ヒートスプレッダ５を一体的にインサート成形しても良い。また図５においては、金属ブロック７、１２の上面に、雌ネジ部１１が形成された場合が示されているが、雄ネジ部１６が備えられる場合であってもよい。

この場合、金属ブロック固定ガイド１８のヒートスプレッダ５と接触する面に対して、複数の金属ブロック７、１２の露出面が同じ高さになるように成形することができる。したがって、樹脂箱体をモールド成形して製造する際に、金属ブロック７、１２の露出面が同一面になり、金型に当接して露出することができる。

なお、金属ブロック固定ガイド１８は、図５に示すように略完全にモールド樹脂９によって覆われるようにする。こうすることによって、樹脂間の界面が外部に表れることがないため、水分の浸入が抑制でき、信頼性が向上する。特に、金属ブロック同士は、高い電圧が加わるため、金属ブロック間の絶縁信頼性を確保するために、金属ブロック固定ガイド１８はモールド樹脂９中に内包することが好ましい。

金属ブロック７、１２は、図４では単純な直方体（断面）としているが、例えば図６に示すようにしてもよい。すなわち、図６（ａ）の構造に対して、図６（ｂ）の構造のようにＴ字型の形状をした段差を有する形状の金属ブロック１９にしてもよい。こうすることによって、上面電極パターン１００に接続された金属ブロック１９と、下面電極パターン１０１に接続されたヒートスプレッダ５との沿面距離を確保しながら、電流経路の断面積（上面電極に平行な金属ブロック１９の断面積）を大きくすることができ、抵抗損失を低減できる。また、金締結強度を向上することができる。

締結強度向上は、金属ブロック７中心から外側に、締結の回転方向と直角方向に金属ブロック７に溝あるいは線状突起を設けることでも実現可能であり、さらには、金属ブロック７表面を粗面化処理することによっても実現可能である。

また、金属ブロック７の裏面であって、上面電極パターン１００とのはんだ付け面は、図７に示すように形成してもよい。すなわち、図７（ａ）の構造に対して、図７（ｂ）の構造のように突起２０を形成することができる。突起２０は一周形成してもよいし、複数個所形成してもよい。

突起２０を形成することによって、金属ブロック７と上面電極パターン１００との間のはんだ層１０００の厚さを制御することができ、金属ブロック７の雌ネジ部１１を形成した表面の平行度が向上する。また、本実施の形態１では、突起２０は金属ブロック７と一体構造として形成しているが、別部材のスペーサを金属ブロック７と上面電極パターン１００との間に介在させても良い。このことは、パワー半導体素子４の下面電極パターン１０１とはんだ付けするヒートスプレッダ５表面においても同様である。

雌ネジ部１１を形成した表面の平行度が向上すると、モールド時に金型との密着性が向上し、雌ネジ部１１等の接続手段部へのモールド時のモールド樹脂９の進入が防止でき、パワー半導体装置の製造品位が向上する。

＜Ａ−２．効果＞
本発明にかかる実施の形態１によれば、パワー半導体装置において、パワー半導体素子４と、パワー半導体素子４上面に選択的に形成された第１上面電極パターンとしての上面電極パターン１００を介してパワー半導体素子４と接続された、第１金属ブロックとしての金属ブロック７と、パワー半導体素子４と金属ブロック７とを覆って充填されたモールド樹脂９とを備え、金属ブロック７は、その上面がモールド樹脂９表面から露出することで、パワー半導体装置の上面から配線を引き出すことができ、装置の大型化を抑制することができる。

また、装置外部への配線長を短くすることができるため、配線によるインダクタンスが小さくなるとともに、配線損失も最小にすることができるので、発熱が小さいパワー半導体装置を提供することができる。

また、パワー半導体装置内部は、完全にモールド樹脂９に充填される構造となっており、パワー半導体装置の剛性が向上する。

また、金属ブロック７からの配線と金属ブロック１２からの配線とを、パワー半導体装置の例えば上方に配置した同一の基板によって一体的に扱うことができる。

また、本発明にかかる実施の形態１によれば、パワー半導体装置において、パワー半導体素子４下面に形成された下面電極パターン１０１を介して上面の一部がパワー半導体素子４と接続され、かつ、モールド樹脂９に覆われた、第２金属ブロックとしてのヒートスプレッダ５と、ヒートスプレッダ５の上面の他の一部と接続された、第３金属ブロックとしての金属ブロック１２とをさらに備え、金属ブロック１２は、その上面がモールド樹脂９表面から露出することで、パワー半導体装置の放熱性を高めるとともに、パワー半導体素子４を上下からサンドイッチするような構造となるので、パワー半導体素子４の反りの発生を抑制し、はんだに対するストレスを減少させることができる。

また、本発明にかかる実施の形態１によれば、パワー半導体装置において、第１、第３金属ブロックとしての金属ブロック７、１２を一体的に連結するとともに、第２の金属ブロックとしてのヒートスプレッダ５に支持されるように配置された絶縁部材としての金属ブロック固定ガイド１８をさらに備えることで、ヒートスプレッダ５の表面に対して、金属ブロック７、１２の露出面を同じ高さに成形することができ、モールド時の金属ブロック７、１２表面への樹脂の流入を防止することができる。

また、パワー半導体装置の上面におけるスペースを有効に使い、装置の薄膜化が可能となる。

また、本発明にかかる実施の形態１によれば、パワー半導体装置において、第１金属ブロックとしての金属ブロック７、第３金属ブロックとしての金属ブロック１２は、その上面に雌ネジ部１１を備えることで、パワー半導体装置の外部との接続を最も短い距離で行うことができ、配線抵抗やインダクタンスの最小化が可能となる。

また、本発明にかかる実施の形態１によれば、パワー半導体装置において、第１金属ブロックとしての金属ブロック７、第３金属ブロックとしての金属ブロック１２は、その上面に雄ネジ部１６を備えることで、パワー半導体装置の外部との接続を最も短い距離で行うことができ、配線抵抗やインダクタンスの最小化が可能となる。

また、ボルト挿入のための厚さが不要となり、パワー半導体装置の低背化が可能となる。

＜Ｂ．実施の形態２＞
＜Ｂ−１．構成＞
図８は、本発明の実施の形態２を説明するためのパワー半導体装置を示した図である。パワー半導体素子４であるＩＧＢＴ、ＦｗＤｉの上面電極パターン１００、ヒートスプレッダ５に、第１金属リードとしての金属リード２１、第２金属リードとしての金属リード１０３それぞれの一方の端部がはんだ層１０００、１００１を介してはんだ付けされ、他方の端部がパワー半導体装置の上面から突出する（図８（ａ））。そして、パワー半導体素子４と金属リード２１、１０３それぞれの一方の端部とを覆って、モールド樹脂９が充填される。

モールド樹脂９の、金属リード２１、１０３それぞれの突出した部分よりも平面視内側のパワー半導体装置の上面の一部には、第１金属ブロックとしての金属ブロック２４（ナット）、第３金属ブロックとしての金属ブロック１０７（ナット）を挿入するための凹部としての挿入穴２２が形成され、挿入穴２２には金属ブロック２４、１０７が挿入される（図８（ｂ））。

なお、パワー半導体素子４の下面電極パターン１０１に対し、第２金属ブロックとしてのヒートスプレッダ５の一部がはんだ層１００１を介してはんだ付けされ固定され、金属ブロック１０７は、金属リード１０３を介してヒートスプレッダ５の上方に形成されている。

金属リード２１、１０３の他方の端部（突出した部分）には穴部２３が形成されており、樹脂箱体の上面とほぼ平行になるように、パワー半導体装置の内側、すなわち金属ブロック２４、１０７に向かう方向に折り曲げられ、金属ブロック２４、１０７上面に接触し、金属リード２１、１０３の穴部２３と金属ブロック２４、１０７の雌ネジ部１０８とが一致するように形成される（図８（ｃ））。なお、金属ブロック２４、１０７上面に到達するまでは、金属リード２１、１０３は、金属ブロック２４、１０７の側方を通る。

実施の形態１の図１の場合には、モールド成形時に金属ブロック７、１２の接続部をシールするために高精度に寸法精度を設計する必要があるが、図８に示すように本実施の形態２では、モールドした後に接続部を形成することになるため、高精度な寸法設計、金型設計が必要でなく、パワー半導体素子４の上方から装置外部に導出する構造を飛躍的に生産性を高めて製造することができるので、工業的に非常に有用である。

金属リード２１、１０３の突出した部分よりも、金属ブロック２４、１０７をパワー半導体装置表面における平面視内側に設けることによって、ＩＧＢＴ、ＦｗＤｉ上方のエリアを有効に用いることができ、コンパクト化を実現できる。また、パワー半導体装置上部を外部配線形成することができるので、装置全体のコンパクト化が可能となる。この際、金属ブロック２４、１０７を支えるように樹脂を密に充填した樹脂箱体とすることによって、締結時の剛性の確保が可能となる。なお、金属ブロック２４、１０７の雌ネジ部１０８は、締結時のボルトが挿入することができる深さで形成する。

金属リード２１を折り曲げる際の曲がり部２５は、モールド樹脂９側に形成された、金属リード２１、１０３の厚さ程度の溝１０４に金属リード２１、１０３が納まるように曲げられる。したがって、折り曲げた後に、金属リード２１、１０３は溝１０４によって位置決めされ、金属ブロック２４、１０７とのずれを防止することができる。

さらに、溝１０４は、曲がり部２５から金属ブロック２４、１０７の方に向かってやや深く傾斜するように形成することができ、モールド樹脂９の表面において、折り曲げた後のスプリングバックが生じても、ほぼパワー半導体装置の上面に平行に保持することができる。

図９に示すパワー半導体装置では、パワー半導体装置の上面の一部に形成された挿入穴２２に、金属ブロック２４、１０７およびボルト２６を挿入する（図９（ａ））。金属リード２７、２００の突出した部分は、ボルト２６側に樹脂箱体の上面とほぼ平行になるように、金属ブロック２４、１０７上面に接触するように折り曲げられる（図９（ｂ））。この際、図１０のように、金属リード２７、２００の突出した部分の先端には、カニの挟み状に二股に割れたカニ爪形状の開口部２９が形成されている。折り曲げられる際にその開口部２９にボルト２６が挿入されて、金属リード２７、２００表面がボルト２６座面にほぼ平行になるように折り曲げられる。

このように締結部をボルト２６座面とすることによって、挿入する挿入穴２２の深さを小さくすることができる。したがって、パワー半導体装置の薄型化に有効である。

＜Ｂ−２．効果＞
本発明にかかる実施の形態２によれば、パワー半導体装置において、パワー半導体素子４と、一端側がパワー半導体素子４に接続され、他端側がパワー半導体素子４の上方に導出された第１金属リードである金属リード２１、２７と、パワー半導体素子４と金属リード２１、２７の一端側とを覆って充填され、パワー半導体素子４の上方に凹部としての挿入穴２２が形成されたモールド樹脂９と、挿入穴２２に収容された第１金属ブロックとしての金属ブロック２４（ナット）とを備え、金属リード２１、２７の他端側は、折り曲げて金属ブロック２４上面と接続されることで、装置の大型化を抑制することができる。

また、モールドした後に金属リード２１、２７と金属ブロック２４との接続をすることになるため、金属リード２１、２７と金属ブロック２４との位置のずれを調整することができ、高精度な寸法設計、金型設計が不要となるので生産性を高めることができる。

モールド時に金属リード２１、２７と金属ブロック２４との接続を形成しようとする場合、金属ブロック２４の表面と、モールド樹脂９の表面との高さを一致させることが精度上困難であるため、接続部位にモールド樹脂９が流れ込む恐れがあったが、本発明では、その接続を、樹脂箱体の上面に沿わす形でモールド後に行うため、モールド樹脂９流入による接触不良、組立て不良の問題を解決しうる。

また、金属ブロック２４からの配線と金属ブロック１０７からの配線とを、パワー半導体装置の例えば上方に配置した同一の基板によって一体的に扱うことができる。

また、本発明にかかる実施の形態２によれば、パワー半導体装置において、第１金属リードとしての金属リード２１、２７は、第１金属ブロックとしての金属ブロック２４の側方を通り、モールド樹脂９表面において金属ブロック２４に向かう方向に折れ曲がって形成されることで、パワー半導体素子４の上方のスペースを有効に活用でき、装置のコンパクト化が可能となる。

また、本発明にかかる実施の形態２によれば、パワー半導体装置において、パワー半導体素子４下面に形成された下面電極パターン１０１を介して上面の一部がパワー半導体素子４と接続され、かつ、モールド樹脂９に覆われた、第２金属ブロックであるヒートスプレッダ５と、ヒートスプレッダ５の上方でモールド樹脂９に設けられた凹部に形成され、一端側がモールド樹脂９に覆われた第２金属リードである金属リード１０３、２００を介してヒートスプレッダ５の上面の他の一部と接続された、第３金属ブロックである金属ブロック１０７とをさらに備え、金属リード１０３、２００は、金属ブロック１０７上面と接続される他端側の端部が、モールド樹脂９表面から露出することで、パワー半導体装置の放熱性を高めるとともに、パワー半導体素子４を上下からサンドイッチするような構造となるので、パワー半導体素子４の反りの発生を抑制し、はんだに対するストレスを減少させることができる。

＜Ｃ．実施の形態３＞
＜Ｃ−１．構成＞
図１１は、図２のパワー半導体装置の上方に配線基板１０６を取り付けた状態を表す図である。配線基板１０６は、パワー半導体素子４からの電流を流す主配線３０が設けられている。配線基板１０６は、パワー半導体装置と機器の配線を形成するものであり、配線を多層に形成することもできる。また、配線基板１０６の基材は、例えばガラスエポキシ系、ＰＢＴ、ＰＰＳなどの樹脂により、配線間の絶縁を確保することができる。さらに、必要であれば、パワー半導体素子４からのノイズをシールドするための金属層としてのシールド層３１を内蔵するように設けてもよい。このシールド層３１は、金属ブロック７、１２を平面視上囲むように形成することができる。こうすることによって、別にシールド板を設ける必要がない。

金属ブロック７、１２の上部に配線基板１０６を搭載し接続している。配線基板１０６の主配線３０に金属ブロック７、１２をボルト、ネジ１０５で締結して電気接続をとる。配線基板１０６は、パワー半導体装置の上面に接触するように設けられることにより、薄型の配線接続構造を実現することができる。

一方、第２上面電極パターンに支持部材を介して接続された金属線（図示せず）は、金属ブロック７、１２の露出面と同じ面からパワー半導体装置から突出するようになるが、配線基板１０６よりも上方に図示しない制御回路を構成する制御基板に接続するようにしてもよい。あるいは、配線基板１０６に制御回路の一部または全てを構成する配線をあわせて設けてもよい。こうすることによって、制御回路の配線部分を合理化することができる。また、できるだけパワー半導体素子４に近いところに設けるほうがよいゲート抵抗配線などを配線基板１０６に設けることができる。

なお、図１１においては、金属ブロック７、１２を用いた実施の形態１の場合の構造について示しているが、実施の形態２に示すような金属ブロック２４、１０７（ナット）、金属リード２１、１０３、２７、２００を用いた構造においても、同様に配線基板１０６を備えることができ、その場合にも、同様の効果を奏する。

＜Ｃ−２．効果＞
本発明にかかる実施の形態３によれば、パワー半導体装置において、第１金属ブロックとしての金属ブロック７、金属ブロック２４、第３金属ブロックとしての金属ブロック１２、金属ブロック１０７の上方においてモールド樹脂９上に配設され、金属ブロック７、金属ブロック２４、第３金属ブロックとしての金属ブロック１２、金属ブロック１０７と接続された配線基板１０６をさらに備えることで、薄型の配線接続構造を実現することができる。

また、本発明にかかる実施の形態３によれば、パワー半導体装置において、配線基板１０６は、第１金属ブロックとしての金属ブロック７、金属ブロック２４、第３金属ブロックとしての金属ブロック１２、金属ブロック１０７を平面視上囲むように金属層としてのシールド層３１を備えることで、パワー半導体素子４をノイズから保護することができる。また、別途シールド板を設ける必要がない。

また、本発明にかかる実施の形態３によれば、パワー半導体装置において、パワー半導体素子４上面に形成された、第２上面電極パターンと、第２上面電極パターンに支持部材で支持されて接続される金属線とをさらに備え、支持部材は、第２金属ブロックであるヒートスプレッダ５に固定され、配線基板１０６は、金属線と接続されることで、装置の大型化を抑制することができる。

＜Ｄ．実施の形態４＞
＜Ｄ−１．構成＞
図１２は、図２で説明したパワー半導体装置のＡ部を拡大した図である。モールド樹脂９表面において、金属ブロック７上面の周辺に突出部３２（図１２（ａ））、あるいは溝部３３（図１２（ｂ））を形成する。これらの突出部３２および溝部３３は、金属ブロック７を取り囲むように形成されている。

パワー半導体素子４の上面電極パターン１００と同電位となる金属ブロック７は、パワー半導体装置あるいは機器の動作時に高い電圧がかかる。したがって、周辺の部材あるいは、異なる電位を持つ配線部材との間に絶縁を保つ距離が必要となり、距離を確保する分、大型化が必要となる。これに対して、金属ブロック７と他の配線部材、アースとの間に、突出部３２あるいは溝部３３を形成することによって、必要な沿面距離をとることができ、装置を大型化する必要がない。

また、図１３は、図２のパワー半導体装置のＢ部を拡大した図であり、金属ブロック７とアウトサート固定ガイド１３端部に接続される信号端子１０９との間に、突出部３４あるいは溝部３５を形成する。

信号端子１０９は、ゲートを駆動するためのゲート電極あるいは電流、温度検出用のセンス端子等があるが、これらはパワー半導体素子の上面電極パターン１００あるいは下面電極パターン１０１に比べて電圧が非常に小さい。一方、パワー半導体素子４の上面電極パターン１００あるいは下面電極パターン１０１の電圧が高いため、これらの間に、突出部３４あるいは溝部３５を形成することによって、パワー半導体装置の大型化を抑制し、絶縁距離を確保することができる。

なお、本発明は、特に、車載用途など、コンパクト化と軽量化が求められるパワー半導体装置において、ほぼモールド樹脂の投影面積にパワー半導体装置のサイズをおさめることができるので、非常に有用である。

なお、いずれの実施の形態においても、炭化珪素からなるパワー半導体素子を少なくとも一部に用いることによって、よりコンパクトで高出力のパワー半導体装置が実現できる。この場合、ＦｗＤｉとＭＯＳＦＥＴとの組み合わせとなるが、ＦｗＤｉのみ炭化珪素を用いてもよく、ＭＯＳＦＥＴも含めて全てを炭化珪素としても良い。

＜Ｄ−２．効果＞
本発明にかかる実施の形態４によれば、パワー半導体装置において、モールド樹脂９表面において、第１金属ブロックである金属ブロック７上面の周りに形成された突出部３２、３４または溝部３３、３５をさらに備えることで、金属ブロック７と周辺部材との絶縁を保つために必要な沿面距離を確保することができ、装置の大型化を抑制することができる。

１，２，３回路、４パワー半導体素子、５ヒートスプレッダ、６絶縁シート、７，１２，１４，１９，２４，１０７金属ブロック、８プレート、９モールド樹脂、１１，１０８雌ネジ部、１３アウトサート固定ガイド、１６雄ネジ部、１８金属ブロック固定ガイド、２０突起、２１，２７，１０３，２００金属リード、２２挿入穴、２３穴部、２５曲がり部、２６ボルト、２９開口部、３０主配線、３１シールド層、３２，３４突出部、３３，３５溝部、１００上面電極パターン、１０１下面電極パターン、１０２リード片、１０４溝、１０５ネジ、１０６配線基板、１０９信号端子、１０００，１００１はんだ層。

Claims

パワー半導体素子と、
一端側が前記パワー半導体素子に接続され、他端側が前記パワー半導体素子の上方に導出された第１金属リードと、
前記パワー半導体素子と前記第１金属リードの前記一端側とを覆って充填され、前記パワー半導体素子の上方に凹部が形成されたモールド樹脂と、
前記凹部に収容された第１金属ブロックとを備え、
前記第１金属リードの前記他端側は、折り曲げて前記第１金属ブロック上面と接続される、
パワー半導体装置。
前記第１金属リードは、前記第１金属ブロックの側方を通り、前記モールド樹脂表面において前記第１金属ブロックに向かう方向に折れ曲がって形成される、
請求項１に記載のパワー半導体装置。
前記パワー半導体素子下面に形成された下面電極パターンを介して上面の一部が前記パワー半導体素子と接続され、かつ、前記モールド樹脂に覆われた、第２金属ブロックと、
前記第２金属ブロックの上方で前記モールド樹脂に設けられた凹部に形成され、一端側が前記モールド樹脂に覆われた第２金属リードを介して前記第２金属ブロックの前記上面の他の一部と接続された、第３金属ブロックとをさらに備え、
前記第２金属リードは、前記第３金属ブロック上面と接続される他端側の端部が、前記モールド樹脂表面から露出する、
請求項１または２に記載のパワー半導体装置。
前記第１、第３金属ブロックは、その上面に雌ネジ部を備える、
請求項３に記載のパワー半導体装置。
前記第１、第３金属ブロックは、その上面に雄ネジ部を備える、
請求項３に記載のパワー半導体装置。
前記第１、第３金属ブロックの上方において前記モールド樹脂上に配設され、前記第１、第３金属ブロックと接続された配線基板をさらに備える、
請求項３〜５のいずれかに記載のパワー半導体装置。
前記配線基板は、前記第１、第３金属ブロックを平面視上囲むように金属層を備える、
請求項６に記載のパワー半導体装置。
前記パワー半導体素子上面に形成された、第２上面電極パターンと、
前記第２上面電極パターンに、支持部材で支持されて接続される金属線とをさらに備え、
前記支持部材は、前記第２金属ブロックに固定され、
前記配線基板は、前記金属線と接続される、
請求項６または７に記載のパワー半導体装置。
前記モールド樹脂表面において、前記第１金属ブロック上面の周りに形成された突出部または溝部をさらに備える、
請求項１〜８のいずれかに記載のパワー半導体装置。
前記パワー半導体素子の少なくとも一部は、炭化珪素よりなる、
請求項１〜９のいずれかに記載のパワー半導体装置。