JP2013125825A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体装置が熱膨張・収縮する際に、モールド樹脂と枠体を形成する樹脂との間が剥離して、バスバーと、半導体素子面と同電位の部材との間の絶縁信頼性が低下する可能性がある。
【解決手段】半導体装置は、電源に接続されたバスバー３と、バスバー３の表面に載置され、表裏面の電極面のうちの少なくとも一方の電極面が前記バスバーに電気的に接続された半導体素子１と、第１の樹脂材で形成され、枠状の形状でバスバー３の外周を覆ってバスバー３と接合する第１の樹脂部５と、第２の樹脂材で形成され、枠状の第１の樹脂部５の内部に充填されて半導体素子１をモールドするとともに、第１の樹脂部５およびバスバー３と接合する第２の樹脂部６とを備える。第１の樹脂部５と第２の樹脂部６との接合面の接合強度は、第１の樹脂部５とバスバー３との接合面の接合強度よりも大きい。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体装置に関する。
例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等の駆動モータ制御用のインバータ等に用いられる半導体装置として、特許文献１に開示されている半導体装置が知られている。特許文献１に開示されている半導体装置は、半導体素子の両主面を、外周に樹脂製の枠体を設けた二つのバスバーで挟んだ状態で、はんだ等の接合材料を用いて半導体素子とバスバーとを接合し、枠体内部のバスバーの露出面を含む部位をモールド樹脂で封止して形成している。これにより、枠体内部のバスバーと半導体素子との接合面がモールド樹脂と枠体を形成する樹脂で覆われ、半導体素子両面に配置されているバスバー間の絶縁が確保されている。
特開２００８−１４１０５３号公報
しかしながら、バスバーとモールド樹脂の線膨張係数は異なるため、半導体装置が熱によって膨張収縮すると、モールド樹脂と枠体を形成する樹脂との間が剥離して、バスバーと、半導体素子面と同電位の部材との間（例えば、上下のバスバー間）の絶縁信頼性が低下する可能性がある。
本発明は、バスバーと、半導体素子面と同電位の部材との間の絶縁信頼性が高い半導体装置を提供することを目的とする。
本発明による半導体装置は、電源に接続されたバスバーと、バスバーの表面に載置され、表裏面の電極面のうちの少なくとも一方の電極面が前記バスバーに電気的に接続された半導体素子と、第１の樹脂材で形成され、枠状の形状で前記バスバーの外周を覆ってバスバーと接合する第１の樹脂部と、第２の樹脂材で形成され、枠状の第１の樹脂部の内部に充填されて半導体素子をモールドするとともに、第１の樹脂部およびバスバーと接合する第２の樹脂部とを備える。そして、第１の樹脂部と第２の樹脂部との接合面の接合強度は、第１の樹脂部とバスバーとの接合面の接合強度よりも大きい。
本発明によれば、半導体装置が熱膨張・収縮する際に、相対的に接合強度が小さい第１の樹脂部とバスバーとの接合面が先に剥離するので、第１の樹脂部と第２の樹脂部との接合面が剥離して、バスバーと、半導体素子面と同電位の部材との間の絶縁信頼性が低下するのを防ぐことができる。
図１は、第１の実施形態における半導体装置の上面図である。 図２は、図１に示す第１の実施形態における半導体装置をＡ−Ａ平面で切断した場合の断面図である。 図３は、高温環境下に置かれた半導体装置の第１のバスバーが膨張した状態を示す図である。 図４は、低温環境下に置かれた半導体装置の第１のバスバーが収縮した状態を示す図である。 図５は、第３の実施形態における半導体装置の上面図である。 図６は、図５に示す第３の実施形態における半導体装置をＢ−Ｂ平面で切断した場合の断面図である。
＜第１の実施形態＞
図１は、第１の実施形態における半導体装置の上面図である。また、図２は、図１に示す第１の実施形態における半導体装置をＡ−Ａ平面で切断した場合の断面図である。
半導体素子１の下面は、はんだ等の接合部材２によって、通電および放電機能を有する第１のバスバー３に接合されている。第１のバスバー３は、第１の樹脂部５と一体成形されており、枠状の形状をしている。より具体的には、枠状の形状である第１の樹脂部５が第１のバスバー３の外周を覆って第１のバスバー３と一体成形されている。なお、第１のバスバー３と第１の樹脂部５とが一体成形されている必要はない。
第１の樹脂部５は、第１の樹脂材で形成されている。第１の樹脂材は、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）やＰＢＴ（ポリブチレンテレフタート）である。
半導体素子１の上面は、アルミからなるボンディングワイヤ７によって、第２のバスバー４に接続されている。半導体素子１は、ＩＧＢＴやダイオードである。半導体素子１がＩＧＢＴの場合、半導体素子の上面側はエミッタ電極、下面側はコレクタ電極である。
第１のバスバー３および第２のバスバー４は、電源に接続されている。
なお、半導体素子１は、複数並列に接続されていてもよい。
ワイヤボンディングされた半導体装置は、第２の樹脂材であるエポキシ樹脂からなる第２の樹脂部６によって封止される。ただし、第２の樹脂材がエポキシ樹脂に限定されることはない。
第２の樹脂部６の封止工法としては、第１の樹脂部５からなるケースに大気圧もしくは減圧下で第２の樹脂材を流し込んだ後、高温下で樹脂を硬化させる工法や、キャビティを有する金型内に半導体装置をセットし、圧力をかけながら樹脂をケース内に注入するトランスファーモールド工法を用いることができる。ただし、第２の樹脂部６の封止工法が上述した工法に限定されることはない。
なお、内部構造を分かりやすくするため、図１では、第２の樹脂部６を図示していないが、第１の樹脂部５の上面の高さ以下、もしくは同じ高さまで第２の樹脂部６が充填されている。
第１のバスバー３は、例えば銅からなり、その線膨張係数は１７ｐｐｍ／℃である。また、第２の樹脂部６は、線膨張係数が第１のバスバー３よりも小さく、例えば１３ｐｐｍ／℃程度に調整されたエポキシ樹脂である。
第１のバスバー３は、図２に示すように、第１の樹脂部５側に延伸した凸部３ａを有している。凸部３ａの上面および下面はそれぞれ、第１の樹脂部５に接している。第１のバスバー３の凸部３ａの上面と第１の樹脂部５との接合面は、第１の樹脂部５と第２の樹脂部６との接合面と略平行である。
第１のバスバー３の凸部３ａの上部において、第２の樹脂部６と接する第１の樹脂部５の接合面は、その表面が粗い粗化面５ａを有する。粗化面５ａは、例えば、ショットブラストで製作したり、樹脂材の成型金型を粗くすることによって製作することができる。このような構成とすることにより、第１の樹脂部５の粗化面５ａと第２の樹脂部６との接合面の接合強度は、第１のバスバー３の凸部３ａの上面と第１の樹脂部５との接合面の接合強度よりも大きくなる。
ここで、第１の実施形態における半導体装置が高温環境下に置かれると、第１のバスバー３と第２の樹脂部６の線膨張係数の違いから、第１のバスバー３が第２の樹脂部６よりも半導体素子１の外周方向に伸びようとする。
図３は、高温環境下に置かれた半導体装置の第１のバスバー３が膨張した状態を示す図である。図３では、膨張する前の第１のバスバー３の大きさを波線３ｂで示している。また、以下の説明のため、第１のバスバー３の凸部３ａと第２の樹脂部６との間にある第１の樹脂部５の部分を薄肉部５ｂと呼ぶ。
上述したように、第１のバスバー３の凸部３ａの上面と第１の樹脂部５の接合面は、第１の樹脂部５と第２の樹脂部６との接合面と略平行であるため、第１のバスバー３の外周方向の変位に対して、両接合面には、同じ方向の応力が発生する。また、第１の樹脂部５の粗化面５ａと第２の樹脂部６との接合面の接合強度は、第１のバスバー３の凸部３ａの上面と第１の樹脂部５との接合面の接合強度よりも大きい。従って、第１のバスバー３の外周方向の変位に対して、第１の樹脂部５の薄肉部５ｂと、第１のバスバー３の凸部３ａの接合面が剥離して、薄肉部５ｂが変形する。これにより、第１の樹脂部５の粗化面５ａと第２の樹脂部６との接合面に加わるせん断応力を低下させることができ、この接合面が剥離することを防止して、第１のバスバー３と第２のバスバー４間での絶縁信頼性が低下することを防ぐことができる。
また、第１の樹脂部５の粗化面５ａと第２の樹脂部６との接合面が剥離することなく、第１のバスバー３と第２のバスバー４との間の絶縁性を確保することができるので、第１のバスバー３と第２のバスバー４間の絶縁距離を小さくすることができる。これにより、絶縁信頼性を確保したまま、半導体装置のサイズを小さくすることができる。
以上、第１の実施形態における半導体装置は、電源に接続されたバスバー３と、バスバー３の表面に載置され、表裏面の電極面のうちの少なくとも一方の電極面がバスバー３に電気的に接続された半導体素子１と、第１の樹脂材で形成され、枠状の形状でバスバー３の外周を覆ってバスバー３と接合する第１の樹脂部５と、第２の樹脂材で形成され、枠状の第１の樹脂部の内部に充填されて半導体素子１をモールドするとともに、第１の樹脂部５およびバスバー３と接合する第２の樹脂部６とを備える。そして、第１の樹脂部５と第２の樹脂部６との接合面の接合強度は、第１の樹脂部５とバスバー３との接合面の接合強度よりも大きい。このような構成としたことにより、半導体装置が熱膨張する際に、相対的に接合強度が小さい第１の樹脂部５とバスバー３との接合面が先に剥離して変形することで、バスバー３と第２の樹脂部６の接合面が剥離するのを防いで、バスバー３と、半導体素子面と同電位の部材との間の絶縁信頼性が低下するのを防ぐことができる。また、第１の樹脂部５と第２の樹脂部６の接合面が剥離した場合を考慮してバスバー３と、半導体素子面と同電位の部材との間の絶縁距離を大きくする必要が無いので、半導体装置を小型化することができる。
第１の樹脂部５と第２の樹脂部６との接合面は、第１の樹脂部５とバスバー３との接合面と略平行であるので、半導体装置が熱膨張すると、第１の樹脂部５と第２の樹脂部６との接合面には、第１の樹脂部５とバスバー３との接合面と同じ方向の力が加わる。これにより、相対的に強度が小さい第１の樹脂部５とバスバー３との接合面が確実に先に剥離して変形するので、バスバー３と第２の樹脂部６の接合面が剥離して、バスバーと、半導体素子面と同電位の部材との間の絶縁信頼性が低下するのを防ぐことができる。
また、第１の樹脂部５と第２の樹脂部６との接合面における第１の樹脂部５の少なくとも一部の表面は、第１の樹脂部５とバスバー３との接合面における第１の樹脂部５の表面に比べて粗い。これにより、複雑な工程を追加することなく、第１の樹脂部５と第２の樹脂部６との接合面の接合強度を、第１の樹脂部５とバスバー３との接合面の接合強度よりも大きくすることができる。
さらに、バスバー３は、第１の樹脂部５側に突出した凸部３ａを有し、凸部３ａの上面および下面は、それぞれ第１の樹脂部５と接合している、すなわち、凸部３ａは、第１の樹脂部５によって挟み込まれているので、第１の樹脂部５がバスバー３から外れるのを防ぐことができる。
＜第２の実施形態＞
第２の実施形態における半導体装置の構成は、第１の実施形態における半導体装置の構成と同じである。第２の実施形態における半導体装置が第１の実施形態における半導体装置と異なるのは、第１のバスバー３と第２の樹脂部６の線膨張係数の大小関係である。すなわち、第２の実施形態における半導体装置では、第１のバスバー３の線膨張係数よりも、第２の樹脂部６の線膨張係数の方が大きい。ここでは、第１のバスバー３の線膨張係数は、第１の実施形態と同じ（１７ｐｐｍ／℃）とし、第２の樹脂部６の線膨張係数を、２０ｐｐｍ／℃とする。
第２の実施形態における半導体装置が低温環境下に置かれると、半導体装置全体が熱収縮する。その際に、第１のバスバー３の線膨張係数と第２の樹脂部６の線膨張係数の大小関係から、第１のバスバー３が第２の樹脂部６よりも半導体素子１の内周方向に縮もうとする。
図４は、低温環境下に置かれた半導体装置の第１のバスバー３が収縮した状態を示す図である。図４では、収縮する前の第１のバスバー３の大きさを波線３ｃで示している。
第１の実施形態における半導体装置と同様に、第１のバスバー３の凸部３ａの上面と第１の樹脂部５の接合面は、第１の樹脂部５と第２の樹脂部６との接合面と略平行である。また、第１の樹脂部５の粗化面５ａと第２の樹脂部６との接合面の接合強度は、第１のバスバー３の凸部３ａの上面と第１の樹脂部５との接合面の接合強度よりも大きい。従って、第１のバスバー３の内周方向への変位に対して、第１の樹脂部５の薄肉部５ｂと、第１のバスバー３の凸部３ａの接合面が剥離して、薄肉部５ｂが変形する。これにより、第１の樹脂部５の粗化面５ａと第２の樹脂部６との接合面に加わるせん断応力を低下させることができ、この接合面が剥離することを防止することにより、第１のバスバー３と第２のバスバー４間で絶縁信頼性が低下することを防ぐことができる。
また、第１の樹脂部５の粗化面５ａと第２の樹脂部６との接合面が剥離することなく、第１のバスバー３と第２のバスバー４との間の絶縁性を確保することができるので、第１のバスバー３と第２のバスバー４間の絶縁距離を小さくすることができる。これにより、絶縁信頼性を確保したまま、半導体装置のサイズを小さくすることができる。
以上、第２の実施形態における半導体装置によれば、半導体装置が熱収縮する場合でも、相対的に強度が小さい第１の樹脂部５とバスバー３との接合面が先に剥離して変形することで、第１の樹脂部５と第２の樹脂部６の接合面が剥離するのを防いで、バスバー３と、半導体素子面と同電位の部材との間の絶縁信頼性が低下するのを防ぐことができる。また、第１の樹脂部５と第２の樹脂部６の接合面が剥離した場合を考慮してバスバー３と、半導体素子面と同電位の部材との間の絶縁距離を大きくする必要が無いので、半導体装置を小型化することができる。
＜第３の実施形態＞
図５は、第３の実施形態における半導体装置の上面図である。また、図６は、図５に示す第３の実施形態における半導体装置をＢ−Ｂ平面で切断した場合の断面図である。
第１および第２の実施形態における半導体装置では、半導体素子１の上面は、ボンディングワイヤ７によって、第２のバスバー４に接続される構成となっていた。第３の実施形態における半導体装置では、半導体素子１の上面は、はんだ等の接合部材８によって、第２のバスバー４に接合されている。すなわち、第３の実施形態における半導体装置は、半導体素子１の両面にバスバー３、４が接続され、半導体素子１によって発生した熱を半導体素子１の両面のバスバー３、４を介して放熱することができる、放熱性の良い両面放熱型半導体装置である。
第３の実施形態における半導体装置において、第１のバスバー３は、第１の樹脂部５側であって、図６の左右方向に延伸した凸部３ａを有している。２つの凸部３ａの上面および下面はそれぞれ、第１の樹脂部５に接している。第１のバスバー３の凸部３ａのそれぞれの上面と第１の樹脂部５との接合面は、第１の樹脂部５と第２の樹脂部６との接合面と略平行である。
また、２つの凸部３ａの上部において、第２の樹脂部６と接する第１の樹脂部５の接合面は、その表面が粗い粗化面５ａを有する。このような構成とすることにより、第１の樹脂部５の粗化面５ａと第２の樹脂部６との接合面の接合強度は、第１のバスバー３の凸部３ａの上面と第１の樹脂部５との接合面の接合強度よりも大きくなる。
なお、第１のバスバー３と第２の樹脂部６の線膨張係数の大小関係は、第１の実施形態と同じとする。すなわち、第１のバスバー３の線膨張係数よりも、第２の樹脂部６の線膨張係数の方が小さい。
第３の実施形態における半導体装置が高温環境下に置かれると、第１の実施形態における半導体装置と同様に、第１の樹脂部５の薄肉部５ｂと、第１のバスバー３の凸部３ａの接合面が剥離して、薄肉部５ｂが変形する。これにより、第１の樹脂部５の粗化面５ａと第２の樹脂部６との接合面に加わるせん断応力を低下させることができ、この接合面が剥離することを防止して第１のバスバー３と第２のバスバー４間で絶縁信頼性が低下することを防ぐことができる。
また、第１の樹脂部５の粗化面５ａと第２の樹脂部６との接合面が剥離することなく、第１のバスバー３と第２のバスバー４との間の絶縁性を確保することができるので、第１のバスバー３と第２のバスバー４間の絶縁距離を小さくすることができる。これにより、絶縁信頼性を確保したまま、半導体装置のサイズを小さくすることができる。
以上、第３の実施形態における半導体装置によれば、半導体素子１の両面にバスバー３、４を接続する構成であっても、第１の実施形態における半導体装置と同様に、半導体装置が熱膨張する際に、相対的に接合強度が小さい第１の樹脂部５とバスバー３との接合面が先に剥離して変形することで、第１の樹脂部５と第２の樹脂部６の接合面が剥離するのを防いで、バスバー３と、半導体素子面と同電位の部材との間の絶縁信頼性が低下するのを防ぐことができる。また、第１の樹脂部５と第２の樹脂部６の接合面が剥離した場合を考慮してバスバー３と、半導体素子面と同電位の部材との間の絶縁距離を大きくする必要が無いので、半導体装置を小型化することができる。
＜第４の実施形態＞
第４の実施形態における半導体装置の構成は、第３の実施形態における半導体装置の構成と同じである。第４の実施形態における半導体装置が第３の実施形態における半導体装置と異なるのは、第１のバスバー３と第２の樹脂部６の線膨張係数の大小関係である。すなわち、第４の実施形態における半導体装置では、第１のバスバー３の線膨張係数よりも、第２の樹脂部６の線膨張係数の方が大きい。ここでは、第１のバスバー３の線膨張係数は、第１の実施形態と同じ（１７ｐｐｍ／℃）とし、第２の樹脂部６の線膨張係数を、２０ｐｐｍ／℃とする。
第４の実施形態における半導体装置が低温環境下に置かれると、半導体装置全体が熱収縮する。その際に、第１のバスバー３の線膨張係数と第２の樹脂部６の線膨張係数の大小関係から、第１のバスバー３が第２の樹脂部６よりも半導体素子１の外周方向に縮もうとする。
第３の実施形態における半導体装置と同様に、第１のバスバー３の凸部３ａの上面と第１の樹脂部５の接合面は、第１の樹脂部５と第２の樹脂部６との接合面と略平行である。また、第１の樹脂部５の粗化面５ａと第２の樹脂部６との接合面の接合強度は、第１のバスバー３の凸部３ａの上面と第１の樹脂部５との接合面の接合強度よりも大きい。従って、第１のバスバー３の外周方向の変位に対して、第１の樹脂部５の薄肉部５ｂと、第１のバスバー３の凸部３ａの接合面が剥離して、薄肉部５ｂが変形する。これにより、第１の樹脂部５の粗化面５ａと第２の樹脂部６との接合面に加わるせん断応力を低下させることができ、この接合面が剥離することを防止して第１のバスバー３と第２のバスバー４間で絶縁信頼性が低下することを防ぐことができる。
以上、第４の実施形態における半導体装置によれば、半導体素子１の両面にバスバー３、４を接続する構成であっても、第２の実施形態における半導体装置と同様、半導体装置が熱収縮する際に、相対的に接合強度が小さい第１の樹脂部５とバスバー３との接合面が先に剥離して変形することで、第１の樹脂部５と第２の樹脂部６の接合面が剥離するのを防いで、バスバー３と、半導体素子面と同電位の部材との間の絶縁信頼性が低下するのを防ぐことができる。また、第１の樹脂部５と第２の樹脂部６の接合面が剥離した場合を考慮してバスバー３と、半導体素子面と同電位の部材との間の絶縁距離を大きくする必要が無いので、半導体装置を小型化することができる。
本発明は、上述した第１〜第４の実施形態に限定されることはない。例えば、上述した各実施形態では、第２の樹脂部６と接する第１の樹脂部５の接合面は、その表面が粗い粗化面５ａを有する構成とすることにより、第１の樹脂部５と第２の樹脂部６との接合面の接合強度を、第１の樹脂部５とバスバー３との接合面の接合強度よりも大きくした。しかしながら、第１の樹脂部５と第２の樹脂部６との接合強度を向上させるような中間材を、第１の樹脂部５と第２の樹脂部６との間に介在させることによって、第１の樹脂部５と第２の樹脂部６との接合面の接合強度を、第１の樹脂部５とバスバー３との接合面の接合強度よりも大きくすることもできる。このような中間材としては、例えば、ポリイミドやポリアミドの樹脂からなる薄膜層がある。
１…半導体素子
２…接合部材
３…第１のバスバー
４…第２のバスバー
５…第１の樹脂部
６…第２の樹脂部
８…接合部材

Claims (5)

  1. 電源に接続されたバスバーと、
    前記バスバーの表面に載置され、表裏面の電極面のうちの少なくとも一方の電極面が前記バスバーに電気的に接続された半導体素子と、
    第１の樹脂材で形成され、枠状の形状で前記バスバーの外周を覆って前記バスバーと接合する第１の樹脂部と、
    第２の樹脂材で形成され、前記枠状の第１の樹脂部の内部に充填されて前記半導体素子をモールドするとともに、前記第１の樹脂部および前記バスバーと接合する第２の樹脂部と、
    を備え、
    前記第１の樹脂部と前記第２の樹脂部との接合面の接合強度は、前記第１の樹脂部と前記バスバーとの接合面の接合強度よりも大きい、
    ことを特徴とする半導体装置。
  2. 前記第１の樹脂部と前記第２の樹脂部との接合面は、前記第１の樹脂部と前記バスバーとの接合面と略平行である、
    ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記第１の樹脂部と前記第２の樹脂部との接合面における前記第１の樹脂部の少なくとも一部の表面は、前記第１の樹脂部と前記バスバーとの接合面における前記第１の樹脂部の表面に比べて粗い、
    ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
  4. 前記バスバーは、前記第１の樹脂部側に突出した凸部を有し、
    前記凸部の上面および下面は、前記第１の樹脂部と接合している、
    ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の半導体装置。
  5. 前記半導体素子の表裏面の電極面は、それぞれ異なるバスバーに電気的に接続されている、
    ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の半導体装置。
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