JP2017005259A - 電力用半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型で放熱性に優れた電力用半導体装置を提供することを目的とする。【解決手段】絶縁層８を介して放熱部材９が接合される伝熱板４と、伝熱板４に対して、所定の間隔をあけて配置され、外側面に形成された電極パターン３２の近傍に開口部３ａが設けられたプリント基板３と、伝熱板４とプリント基板３との聞に配置され、裏面が伝熱板４に接合された電力用半導体素子２と、電力用半導体素子２の表面に形成された主電力用電極２１Ｃの第1の接合部に一端が接合され、他端が第2の接合部３２ｐに接合された配線部材５と、を備え、主電力用電極２１Ｃからプリント基板３に向かつて垂直方向に延びる空間に、第2の接合部３２ｐの少なくとも一部が入るとともに、開口部３ａから垂直方向に延びる空間に、第1の接合部が包含されるように構成した。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置に関するもので、とくに、放熱性を必要とする電力用半導体装置に関するものである。

産業機器から家電・情報端末まであらゆる製品に電力用半導体装置が普及しつつあり、とくに家電用途では、小型化と高い信頼性が求められる。また、電力用半導体装置は高電圧・大電流を扱うため発熱が大きく、外部に効率的に放熱する必要がある。さらに、動作温度が高く、効率に優れている点で、今後の主流となる可能性の高いＳｉＣのようなワイドバンドギャップ半導体材料にも対応できることも同時に求められている。

一般的に、小型の電力用半導体装置は、電子回路が形成された基板上に電力用半導体素子が配置される場合が多いが、電力用半導体素子で発生した熱を基板を介して外部に放熱する場合、基板自体の熱伝導率が放熱性に大きく影響することになる。しかしながら、熱伝導性に優れるとされるＡｌＮ基板は入手性に乏しい。一方、入手の容易なアルミナ基板やガラスエポキシ（ガラエポ）基板は、銅などの熱伝導性に優れた金属に比べて、２０分の１〜千分の１程度の熱伝導率しか有しておらず、高い放熱性を望めない。

そこで、電力用半導体素子の裏面側を、熱伝導性に優れた絶縁層を介して直接放熱部材に接続することで、放熱性を確保することが考えられる。その場合、表面側は、インタポーザ基板にはんだ接合することで配線することが考えられる（例えば、特許文献１参照。）。しかし、ワイヤボンディングを前提として形成された一般的な電力用半導体素子の表面の電極は、はんだ接合に対応しておらず、はんだ接合するためには、特殊な加工が必要となる。そこで、電力用半導体素子をインタポーザ基板の開口内にはめ込み、一般的な電力用半導体素子とワイヤボンディングで配線できる技術（例えば、特許文献２または３参照。）を取り入れることも考えられる。

特開平１０−１２８１２号公報（段落００１２〜００２０、図４、図５） 特開平７−７０３３号公報（段落０００９〜００１２、図１、図２） 特開２００４−２１４５２２号公報（段落００２２〜００２７、図３）

しかしながら、上記のような構成では、電力用半導体素子とインタポーザ基板との間に面の延在方向において隙間を設ける必要があり、基板上に電力用半導体素子や電極パターンを配置する通常のベアチップ実装に比較すると実装面積が拡大してしまうという問題があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、小型で放熱性に優れた電力用半導体装置を容易に得ることを目的とする。

本発明にかかる電力用半導体装置は、実装面の反対側の面に、絶縁層を介して放熱部材が接合される伝熱板と、前記伝熱板の実装面に対して、所定の間隔をあけて対向するように配置され、前記伝熱板への対向面の反対側の面に電極パターンが形成されるとともに、前記電極パターンの近傍に開口部が設けられたプリント基板と、前記伝熱板と前記プリント基板との間に配置され、裏面が前記伝熱板の実装面に接合された電力用半導体素子と、前記電力用半導体素子の表面に形成された素子電極の第１の接合部に一端が接合され、他端が前記電極パターンの第２の接合部に接合された配線部材と、を備え、前記素子電極から前記プリント基板に向かって前記実装面の垂直方向に延びる空間に、前記第２の接合部の少なくとも一部が入るとともに、前記開口部から前記素子電極に向かって前記垂直方向に延びる空間に、前記第１の接合部が包含されるように、前記電極パターンと前記開口部が配置されていることを特徴とする。

この発明によれば、プリント基板の電極パターンを電力用半導体素子の電極面の領域内にまで近接させることができるので、小型で放熱性に優れた電力用半導体装置を容易に得ることができる。

本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための電力用半導体装置の部分平面図と、一部部材を透過させた部分平面図、および部分断面図である。 本発明の実施の形態２にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための部分断面図である。 本発明の実施の形態３にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための部分断面図である。 本発明の実施の形態４にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための部分断面図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の構成を説明するためのもので、図１（ａ）は電力用半導体装置の部分平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）と同じ部分を示す平面図であるが、封止樹脂およびインタポーザ基板の基材部分を透過させた場合の平面図、図１（ｃ）は封止樹脂部分を除いた状態での、図１（ｂ）のＣ１−Ｃ２線（平行線）による異なる切断位置を含む断面図である。

本実施の形態１にかかる電力用半導体装置１では、放熱部材が装着されたヒートスプレッダの反対側の面に、電力用半導体素子の裏面電極が接合されており、さらに電力用半導体素子の表面の主電力を流す表面電極が、インタポーザ基板上に形成された電極パターンのうち、表面電極の面に垂直な方向から見たときに、表面電極の一部とオーバーラップする部分とワイヤボンディングで電気接続するようにしたものである。以下、詳細に説明する。

図１（ｂ）、（ｃ）に示すように、銅製のヒートスプレッダ４（１５ｍｍ×２０ｍｍ×厚さ１ｍｍ）には、裏面側に絶縁層８を介して放熱部材９として機能するアルミニウム製のシャーシが装着されており、表面（実装面）側には、電力用半導体素子２である１０ｍｍ×１０ｍｍのＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）の裏面電極２１Ｅが、はんだ６（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ：融点２１７℃）によって接合されている。そして、ヒートスプレッダ４の電力用半導体素子２を接合した面側には、ヒートスプレッダ４と所定の間隔を開けて対向するように、ポッティング樹脂７１を介してインタポーザ基板３が配置されている。つまり、電力用半導体素子２は、裏面がヒートスプレッダ４に接合され、表面がインタポーザ基板３の裏面に対向するように、ヒートスプレッダ４とインタポーザ基板３間の間隙内に配置されることになる。

インタポーザ基板３は、ガラス繊維にエポキシ樹脂を含浸させて形成したガラスエポキシ（通称ガラエポ）製の基材３１に、銅の電極パターン３２が形成されたもので、開口部３ａ（幅２ｍｍ×長さ１５ｍｍ）から、電力用半導体素子２の表面側の電極である主電力用電極２１Ｃ、制御用電極２１Ｇの少なくとも一部が露出するように設置されている。そして、電極パターン３２のうち、少なくとも電力用半導体素子２の表側の主電力用電極２１Ｃ（例えば、コレクタ電極）と接続するためのボンディング電極３２ｐ（ワイヤボンドパッド）が、インタポーザ基板３の面に垂直な方向（ｚ）から見たときに、主電力用電極２１Ｃの少なくとも一部にオーバーラップする位置に配置されている。

そして、主電力用電極２１Ｃの開口部３ａから露出している部分には、ボンディング電極３２ｐと電気接続するためのボンディング位置及びボンディングに必要なスペースが含まれている。これにより、表面の主電力用電極２１Ｃとボンディング電極３２ｐは、インタポーザ基板の上方から太さ０．５ｍｍのアルミニウムのボンディングワイヤ５によってワイヤボンディングが可能となる。このとき、ボンディングワイヤ５の面（ｘｙ）の延在方向での行程長は、主電力用電極２１Ｃの中心から端までの距離（５ｍｍ）よりも短くなる。なお、本実施の形態では、制御用電極２１Ｇ（例えば、ゲート電極）と接続するためのボンディング電極３２ｐも、インタポーザ基板３の面に垂直な方向から見たときに、主電力用電極２１Ｃの少なくとも一部にオーバーラップする位置に配置されている。そして、主電力用電極２１Ｃと同様に、工程長の短いボンディングワイヤ５によって、ゲート電極用のボンディング電極３２ｐと電気接続されている。

また、開口部３ａは、電力用半導体素子２のｙ方向長さよりも長く開口している。そして、開口部３ａから露出するヒートスプレッダ４の所定位置と別のボンディング電極３２ｐとがボンディングワイヤ５により電気接続されている。

そして、電力用半導体素子２およびボンディングワイヤ５を包むように、ヒートスプレッダ４とインタポーザ基板３との間およびインタポーザ基板３の上面側の所定領域を樹脂で形成した封止体７で封止する。これにより図１（ａ）に示すような外観（一部）の電力用半導体装置１が形成できる。なお、電極パターン３２は、ボンディング電極３２ｐ部分からソルダレジスト３５で被覆される部分３２ｂを経由して外部端子部３２ｅ（図１（ａ）で露出している部分）に連なっている。これにより、電力用半導体素子２に形成された各電極２１Ｃ、２１Ｇ、２１Ｅは、封止体７から露出した外部端子部３２ｅによって外部と電気接続される。

このように構成した電力用半導体装置１は、インタポーザ基板３に設けた開口部３ａを、表側の主電力用電極２１Ｃと接続するためのボンディング電極３２ｐを主電力用電極２１Ｃの少なくとも一部にオーバーラップする位置に配置した。これにより、電極パターン３２を面の延在方向（ｘｙ）において電力用半導体素子２の領域内に食いこむように形成でき、実装面積を抑制することができる。また、ヒートスプレッダ４と放熱部材９とを接合するための絶縁層８には、回路基板のような剛性が求められないので、熱伝導性を容易に確保することができる。

このように構成した電力用半導体装置１を動作させると、電力用半導体素子２に電流が流れ、電力用半導体素子２が発熱する。電力用半導体素子２で発生した熱は、ヒートスプレッダ４を介して、放熱部材９に伝わる。このとき、電力用半導体素子２から放熱部材９にかけては、熱伝導性に優れた材料で連なっているので、発生した熱を効率よく放熱部材９から放熱することができる。つまり、電力用半導体素子２との位置関係を調整した開口部３ａを設けることにより、はんだ接合対応の処理をしておらず、ワイヤボンディングのような超音波接合のように所定方向からの操作が必要な配線を行う必要がある電力用半導体素子を用いても、小型で放熱性の高く、信頼性の高い電力用半導体装置を得ることができる。

なお、開口部３ａの幅（ワイヤボンディングの方向に平行な方向：図ではｘ方向）としては、ワイヤボンドの接合長さよりは大きくする必要があるが、ワイヤボンドのツールの挿入スペースも考慮すると、ワイヤ径の２００％以上は必要と考えられる。

なお、ボンディングワイヤ５の変形防止や高い絶縁性の確保のために、封止体７には、柔軟性に富む材料が用いられることが多い。スペーサとなるポッティング樹脂７１は、ヒートスプレッダ４とインタポーザ基板３との間に、所望の間隔を形成するために必要で、トレンチ構造など複雑な形状を有する電力用半導体素子２の表面がインタポーザ基板３に直接接触するのを防止する効果がある。また、放熱性を確保するために、ヒートスプレッダ４を放熱部材９に押し付ける目的で、インタポーザ基板３を放熱部材９に対してネジ止めする場合が多い。このときの応力をスペーサとなるポッティング樹脂７１が受けてヒートスプレッダ４に伝えることにより、柔軟な封止体が変形して電力用半導体素子２やボンディングワイヤ５に応力を伝えないようにする効果がある。そのため、ポッティング樹脂７１が、封止体７に比較して硬い（弾性率が高い）方が、効果が大きいと考えられる。

また、本実施の形態および以降の実施の形態では、プリント基板のひとつであるインタポーザ基板３を例に説明しているが、インタポーザ基板３に限らず、例えばマザー基板を含めた各種プリント基板に適用可能である。つまり、本実施の形態および以降の各実施の形態にかかる電力用半導体装置においては、インタポーザ基板３をプリント基板と読み替えて適用することができる。

以上のように、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置１によれば、実装面の反対側の面に、絶縁層８を介して放熱部材９が接合される伝熱板であるヒートスプレッダ４と、伝熱板（ヒートスプレッダ４）の実装面に対して、所定の間隔をあけて対向するように配置され、伝熱板（ヒートスプレッダ４）への対向面（内側）の反対側の面（外側）に電極パターン３２が形成されるとともに、電極パターン３２の近傍に開口部３ａが設けられたプリント基板（インタポーザ基板３）と、伝熱板（ヒートスプレッダ４）とプリント基板（インタポーザ基板３）との間に配置され、裏面が伝熱板（ヒートスプレッダ４）の実装面に接合された電力用半導体素子２と、電力用半導体素子２の表面に形成された素子電極である例えば、主電力用電極２１Ｃの第１の接合部に一端が接合され、他端が電極パターン３２の第２の接合部であるボンディング電極３２ｐに接合された配線部材であるボンディングワイヤ５と、を備え、素子電極（主電力用電極２１Ｃ）からプリント基板（インタポーザ基板３）に向かって実装面の垂直方向（ｚ）に延びる空間に、第２の接合部（ボンディング電極３２ｐ）の少なくとも一部が入るとともに、開口部３ａから素子電極（主電力用電極２１Ｃ）に向かって垂直方向（ｚ）に延びる空間に、第１の接合部が包含されるように、電極パターン３２と開口部３ａが配置されているように構成した。これにより、放熱性が確保でき、しかも、はんだ接合用に表面の電極を調整した電力用半導体素子を用いず表面側からの操作が必要な超音波接合で配線しても、電極パターン３２を表面の電極の領域に食い込ませて実装面積を縮小することができる。つまり、小型で放熱性に優れた電力用半導体装置を容易に得ることができる。

また、電力用半導体素子２の上面は、ほとんどすべてがワイヤボンディング用電極であり、この電極を全面露出させるには、電力用半導体素子２よりも大きなスリット（本実施の形態の開口部３ａに対応）を形成する必要があり、通常のベアチップ実装に比較すると実装面積が拡大してしまうという問題があった。しかし、本実施の形態１にかかる電力用半導体装置１では、電力用半導体素子２の上面電極に対して、接続するべきプリント基板（インタポーザ基板３）上の電極パターン３２の少なくとも一部が、上方（実装面に垂直な方向に離れた位置）から見たときに重なるように配置した。そのため、スリット（開口部３ａ）の縮小による、実装面積とプリント基板（インタポーザ基板３）の占有面積の小型化を実現することが可能となる。

とくに、配線部材は、ボンディング用のワイヤであるボンディングワイヤ５であり、開口部３ａは、ボンディングワイヤ５を素子電極（主電力用電極２１Ｃ）の第１の接合部にボンディングするために必要な領域を包含しているように構成したので、開口部３ａごしにボンディングでき、効率よく製造できる。さらに、ボンディングの行程が短くなるので電気抵抗も低減できる。

また、電力用半導体素子２は、裏面にも電極２１Ｅが形成されたＩＧＢＴ等の縦型半導体素子であり、電極２１Ｅが接合された伝熱板（ヒートスプレッダ４）と電極パターン３２の他の接合部（別のボンディング電極３２ｐ）とが、開口部３ａを介して配線部材であるボンディングワイヤ５によって電気接続されているので、小型で放熱性に優れた電力用半導体装置１を容易に製造することができる。

実施の形態２．
本実施の形態２では、実施の形態１と較べてインタポーザ基板の支持構造を変え、さらに支持構造を利用して電気接続経路も変更したものである。図２は本実施の形態２にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための部分断面図で、実施の形態１における図１（ｃ）に対応するものであるが、切断位置は図１（ｂ）のＣ２線延長した部分に対応する。図中、実施の形態１で説明したものと同様のものには同様の符号を付して説明を省略する。

図２に示すように、本実施の形態２においては、ヒートスプレッダ４の両端を実装面から立ち上げてトレイ形状とし、両端に形成した支持部４ｓでインタポーザ基板３を支えるようにしたものである。インタポーザ基板３の裏面には、支持部４ｓに対応した位置に裏側電極パターン３３が形成されており、裏側電極パターン３３と支持部４ｓとをはんだ接合することで、インタポーザ基板３のヒートスプレッダ４に対する位置を固定している。そのため、実施の形態１で示したポッティング樹脂７１を使用していない。

さらに、インタポーザ基板３の裏側電極パターン３３の一部は、封止体７の外側に延伸しており、その部分で外部と電気接続できるようになっている。これにより、電力用半導体素子２の裏面電極２１Ｅとの接続には、実施の形態１で示したように開口部３ａを介したワイヤボンディングを必要とせず、開口部３ａの長さを表面側の主電力用電極２１Ｃの長さより小さくすることができる。これにより、表面側の電極パターン３２の配置の制約も少なくなり、より実装面積を縮小することが可能になる。

以上のように、本発明の実施の形態２にかかる電力用半導体装置１によれば、伝熱板（ヒートスプレッダ４）の対向する端部に、それぞれ実装面からプリント基板（インタポーザ基板３）に向かって立ち上がり、プリント基板（インタポーザ基板３）を支える支持部４ｓが形成されているので、プリント基板（インタポーザ基板３）とのギャップを確保し、生産性を高め、封止体７による気密性を高めることが可能となる。

また、電力用半導体素子２は、裏面にも電極２１Ｅが形成されたＩＧＢＴ等の縦型半導体素子であり、プリント基板（インタポーザ基板３）に形成された電極部（裏側電極パターン３３）と支持部４ｓとが電気接続されているように構成したので、例えば、開口部３ａの長さを素子寸法よりも小さくでき、より一層、実装面積を縮小できる。

実施の形態３．
本実施の形態３では、上記実施の形態１および２と較べて、電力用半導体素子の表面電極とインタポーザ基板との電気接続部材を変更したものである。さらに、実施の形態２と較べてインタポーザ基板とヒートスプレッダの電気接続する部分の構造を変更したものである。図３は本実施の形態３にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための部分断面図で、実施の形態２における部分断面図に対応する部分である。図中、実施の形態２で説明したものと同様のものには同様の符号を付して説明を省略する。

図３に示すように、本実施の形態３においては、電力用半導体素子２の表面の主電力用電極２１Ｃとインタポーザ基板３の接合電極３２ｊ（実施の形態１、２で説明したボンディング電極３２ｐに相当）との接続に、ボンディングワイヤではなく、電極部材５１を用いた。電極部材５１は、銅製で、円筒形の一端に平坦な底部５１ｔが形成され、他端に外縁側に延伸するつば状の端子部５１ｊが形成された、いわゆるかんかん帽のような形状をなす。そして、底部５１ｔ側を開口部３ａから挿入し、底部５１ｔを主電力用電極２１Ｃと超音波接続し、端子部５１ｊを接合電極３２ｊとはんだ接合している。これにより、電力用半導体素子２の表面の主電力用電極２１Ｃの外部への電気接続経路が形成される。この場合、電気接合経路の断面積を容易に増加させることができ、電気抵抗の小さな信頼性の高い電気接続が可能になる。

さらに、ヒートスプレッダ４の両端は、一端は実施の形態２と同様の支持部４ｓが形成されているが、他端は、支持部４ｓと同様に、面の延在方向（ｘｙ）に延伸したのち、垂直方向（ｚ）に突出する突出部４ｐが形成されている。インタポーザ基板３の突出部４ｐに対応する位置には銅で被覆された貫通孔が形成されており、貫通孔を貫通した突出部４ｐが、貫通孔内の電極３４とはんだにより接合されている。これにより、インタポーザ基板３のヒートスプレッダ４に対する位置を固定するとともに、インタポーザ基板３の表面側に裏面電極２１Ｅとの電気接続経路が形成される。

これにより、ポッティング樹脂７１を用いなくとも、インタポーザ基板３とヒートスプレッダ４との間隔を固定できるとともに、面の延在方向（ｘｙ）での位置決めも可能になる。また、実施の形態２と同様に、開口部３ａを縮小して、表面側の電極パターン３２の配置の制約も少なくなり、より実装面積を縮小することが可能になる。

以上のように、本実施の形態３にかかる電力用半導体装置１によれば、主電力用電極２１Ｃと接合する配線部材は、第１の接合部と超音波接合するための平坦部である底部５１ｔと、第２の接合部である接合電極３２ｊとはんだ接合するための端子部５１ｊとが設けられた電極部材５１にしたので、例えば、はんだバンプとスルーホールを用いた場合と比較しても電気抵抗の小さな回路形成が可能となる。

また、伝熱板（ヒートスプレッダ４）の対向する端部に形成された支持部４ｓの内、少なくとも一方の支持部には、プリント基板（インタポーザ基板３）に設けられた貫通孔内を貫通して第２の面（外側）側に露出する突出部４ｐが設けられているようにしたので、プリント基板（インタポーザ基板３）の面の延在方向（ｘｙ）における位置決めも容易にできる。

さらに、電力用半導体素子２は、裏面にも電極２１Ｅが形成されたＩＧＢＴ等の縦型半導体素子であり、プリント基板（インタポーザ基板３）の電極部である貫通孔の電極３４と支持部４ｓの突出部４ｐとが電気接続されているように構成したので、プリント基板（インタポーザ基板３）の片方の面（外側）だけで配線できるので、効率よく配線できる。

実施の形態４．
本実施の形態４では、上記実施の形態１〜３と較べて、ヒートスプレッダが絶縁体によって複数の独立板に分割されており、それぞれの独立板に搭載された電力用半導体素子間の接続を、インタポーザ基板の配線を介さずに、直接ワイヤボンドで行うように変更したものである。さらにヒートスプレッダの突出部を電気的に絶縁して複数に分割することで、それぞれを外部電極として活用できるように変更したものである。図４は本実施の形態４にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための部分断面図で、実施の形態２における部分断面図に対応する部分である。図中、実施の形態１〜３で説明したものと同様のものには同様の符号を付して説明を省略する。

図４に示すように、ヒートスプレッダ４は、絶縁樹脂による分離部４ｉによって、独立板４ａ、４ｂおよび図示しない奥行き方向の独立板によって分けられている。独立板４ａには、電力用半導体素子２ａの裏面電極２１Ｅａが、はんだ６によって接合され、独立板４ｂには、電力用半導体素子２ｂの裏面電極２１Ｅｂが、はんだ６によって接合されている。独立板４ｂの一端側（図中右）には、実施の形態３で説明したのと同様に、インタポーザ基板３に形成された貫通孔を貫通し、貫通孔内の電極３４とはんだにより接合されている突出部４ｐが形成されている。一方、独立板４ａの一端側（図中左）には、インタポーザ基板３に向けて突出するが、インタポーザ基板３には達しない支持部４ｓが形成されている。

インタポーザ基板３とヒートスプレッダ４との間には、スペーサとなるポッティング樹脂７１として、７１ｓと７１ｒが形成されており、ポッティング樹脂７１ｒは実施の形態１と同様に、独立板４ｂとインタポーザ基板３との間に介在するように形成されている。一方、ポッティング樹脂７１ｓの一端は、インタポーザ基板３に正対しているが、他端は、支持部４ｓが食い込むように形成されている。

インタポーザ基板３に形成された開口部３ａからは、独立板４ａに接合された電力用半導体素子２ａの表面側の電極である主電力用電極２１Ｃａ、図示しない制御用電極２１Ｇａの少なくとも一部が露出するように設置されている。そして、電極パターン３２のうち、少なくとも電力用半導体素子２ａの表側の主電力用電極２１Ｃａと接続するためのボンディング電極３２ｐ部分が、インタポーザ基板３の面に垂直な方向（ｚ）から見たときに、主電力用電極２１Ｃａの少なくとも一部にオーバーラップする位置に配置されている。

そして、表面の主電力用電極２１Ｃａとボンディング電極３２ｐは、インタポーザ基板３の上方から太さ０．５ｍｍのアルミニウムのボンディングワイヤ５ａによってワイヤボンディングにより電気接続されている。なお、本実施の形態４でも、制御用電極２１Ｇａと接続するためのボンディング電極３２ｐも、インタポーザ基板３の面に垂直な方向から見たときに、主電力用電極２１Ｃａの少なくとも一部にオーバーラップする位置に配置されている。そして、主電力用電極２１Ｃａと同様に、工程長の短いボンディングワイヤによって、ゲート電極用のボンディング電極３２ｐと電気接続されている。

一方、インタポーザ基板３の独立板４ｂに接合された電力用半導体素子２ｂの直上には開口部は形成されておらず、電力用半導体素子２ｂの主電力用電極２１Ｃｂは、ボンディングワイヤ５ｂによって、独立板４ａに電気接続されている。電力用半導体素子２ｂの裏面電極２１Ｅｂが接合され独立板４ｂは、突出部４ｐにより、インタポーザ基板３の表側の電極３４に電気接続されている。つまり、２つの電力用半導体素子２ａ、２ｂが直列接続され、一端が開口部３ａを介して電極パターン３２に他端が突出部４ｐを経由して電極３４から接続できるように構成されている。

なお、電力用半導体素子２ｂの図示しないゲート電極２１Ｇｂは、図示しない（図中、独立板４ｂの後方に位置）独立板４ｃにボンディングワイヤ５で電気接続され、さらに図中の突出部４ｐと絶縁された別の図示しない突出部を介して、インタポーザ基板３の表側から接続できるように構成している。

電力用半導体装置において、複数の電力用半導体素子を用いる場合、複数の電力用半導体装置を相互に接続して用いる場合が多い。このとき、各電力用半導体素子のすべての電極をボンディングワイヤでインタポーザ基板に接続するよりも、直接素子間を接続することで外部に取り出すワイヤの本数を減らすことができる。このとき、ヒートスプレッダ４を電気的に絶縁した複数の独立板に分割しておき、電気的に端部となる位置の電力用半導体素子に対して開口部を設けるようにする。その際、両端の電力用半導体素子に対してそれぞれ開口部を設けるようにすることも可能であるが、本実施の形態のように、もう一方の端部となる電力用半導体素子に対しては、突出部４ｐを利用するようにしてもよい。

その際、複数の突出部が互いに絶縁されている場合は、各突出部を電気接続のための外部電極として利用することができる。また、ヒートスプレッダ４の支持部４ｓを絶縁樹脂（ポッティング樹脂７１ｓ）によって被覆することで、支持部４ｓを電気的に絶縁しつつ、補強することが可能となる。さらに、互いに絶縁された独立板４ａ、４ｂ、・・・が分離部４ｉによって機械的に連結されているので、電力用半導体素子間（一方の電力用半導体素子と隣の独立板間）の電気接続（ワイヤボンディング）を単独のヒートスプレッダ４上でも行うことができる。

以上のように、本実施の形態４にかかる電力用半導体装置１によれば、伝熱板（ヒートスプレッダ４）は、電気的に絶縁された複数の独立板４ａ、４ｂ、・・・からなり、複数の独立板４ａ、４ｂ、・・・には、それぞれ配線部材（ボンディングワイヤ５ａ）が接合された電力用半導体素子２ａを含めた複数の電力用半導体素子（２ａ、２ｂ）が分かれて実装されており、複数の電力用半導体素子のうち、異なる独立板に実装された電力用半導体素子同士が、当該伝熱板（ヒートスプレッダ４）とプリント基板（インタポーザ基板３）との間に配置された他の配線部材（ボンディングワイヤ５ｂ）で電気接続されているように構成したので、空間を有効利用してより小型化が可能になる。

なお、本実施の形態４に示したように、ヒートスプレッダ４に突出部４ｐが形成されている場合でも、ポッティング樹脂７１によって、突出部４ｐのはんだ接合部にかかる、基板ネジ止めの応力を低減できる。したがって、実施の形態２あるいは３にかかる電力用半導体装置１においても、実施の形態１のように、スペーサとなる絶縁体のポッティング樹脂７１を形成することで、支持部４ｓや突出部４ｐのはんだ接合部にかかる、基板ネジ止めの応力を低減できる。

なお、上記各実施の形態において、ヒートスプレッダ４の素材は銅のみならず、アルミニウムや鉄、銅―タングステンなどの金属でも同様の効果が得られる。また、ワイヤボンドの素材としてここではアルミニウムの例を示したが、銅や金ワイヤでも同様の効果が得られる。はんだ接合には、Ｓｎ―Ａｇ―Ｃｕ系の例を示したが、ＳｎＳｂやＳｎＢｉでも同様の効果が得られる。さらにはんだに替えて、導電性接着剤を用いても同様の効果が得られる。また、絶縁層８には、いわゆる絶縁シートに替えて、熱伝導グリスを用いることも可能である。封止体７を構成する樹脂については、シリコンゲルに置き換えることも可能であるし、耐候性の問題がなければ省略してもかまわない。

また、上記各実施の形態では、インタポーザ基板の材料として、熱伝導性を考慮せずに容易に入手できる材料として、ガラスエポキシ基板を例に挙げたが、紙フェノール基板やポリイミド基板、アルミナ基板やアルミベース金属基板などにおいても同様の効果が得られる。

また、上記各実施の形態においては、表面の電極の内、少なくとも主電力用電極に対して開口部３ａの位置を規定している。これは、制御用電極（２１Ｇ）と主電力用電極（２１Ｃ）が同じ面に形成されている場合、主電力用電極（コレクタ電極２１Ｃ）が面の大部分を占めるため、その面を占有する電極とオーバーラップさせる方が実装面積を減らす効果が高いからである。しかし、占有面積の小さな電極に対して合わせても、効果はあるので、必ずしも、主電力用電源に対してオーバーラップさせなければならないということはない。また、上述した各実施の形態１〜３の構成要素は、適宜増減させたり組み合わせたりできることはいうまでもない。

なお、電力用半導体装置１として、上記説明で用いた図に示す構成は、主要部材のみを示した簡略図であって、実際の電力用半導体装置では様々な構成がなされることは言うまでもない。また、図において、電力用半導体装置１内での主な発熱源となる電力用半導体素子２は、ＩＧＢＴに限ることなく、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などの他のスイッチング素子、あるいは整流素子として、電力を制御する素子である。なお、本発明の効果としては、表面の電極がはんだ接合に対応していない素子を用いても放熱性と小型化できることを示したが、これにより、はんだ接合に対応した例えば、表面に銅や金の層を形成させた表面電極を有する素子を排除するものではない。

そして、本発明の電力用半導体装置の効果を顕著に発揮できるための好適な半導体材料としては、炭化ケイ素（ＳｉＣ）を基材とするいわゆるワイドバンドギャップ半導体が挙げられる。ワイドバンドギャップ半導体材料としては、炭化ケイ素以外にも、窒化ガリウム系材料、ダイヤモンドなどが用いられる。

これは、たとえば、スイッチング素子や整流素子として機能する電力用半導体素子２に、ワイドバンドギャップ半導体素子を用いた場合、従来から用いられてきたケイ素で形成された素子よりも電力損失が低いため、電力用半導体装置の高効率化が可能となる。また、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、電力用半導体装置の小型化が可能となる。さらにワイドバンドギャップ半導体素子は、耐熱性が高いので、高温動作が可能であり、放熱部材９の小型化や、水冷部の空冷化も可能となるので、電力用半導体装置の一層の小型化が可能になる。

しかし、ＳｉＣ素子は従来のＳｉ素子よりも高温の温度に耐え得るという特徴があることから、このような電力用半導体素子２を実装した電力用半導体装置の使用温度環境は、従来よりも更に高温の温度領域に達する可能性がある。したがって、放熱性の重要度がますます増大し、本発明による放熱性が高く、小型化できる効果がより顕著に表れる。

つまり、ワイドバンドギャップ半導体の特性を活かして、小型化や高効率化を進めても電力用半導体装置のヒートサイクル耐性、パワーサイクル耐性を向上させ、電力用半導体装置の長寿命化を実現することができる。つまり、本発明による効果を発揮することで、ワイドバンドギャップ半導体の特性を活かすことができるようになる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１：電力用半導体装置、 ２：電力用半導体素子、
２１Ｃ：主電力用電極（素子電極）、 ２１Ｅ：裏面電極、
３：インタポーザ基板（プリント基板）、 ３ａ：開口部、
３１：基材、 ３２：電極パターン、
３２ｐ：ボンディング電極（第２の接合部）、
３２ｊ：接合電極（第２の接合部）、
３３：裏側電極パターン（電極部）、
３４：貫通孔の電極（電極部）、 ３５：ソルダレジスト、
４：ヒートスプレッダ（伝熱板）、 ４ｓ：支持部、
４ｐ：突出部、 ５：ボンディングワイヤ（配線部材）、
８：絶縁層、 ９：放熱部材、 ５１：電極部材（配線部材）、
５１ｔ：底部（平坦部）、 ５１ｊ：端子部。

Claims (9)

1. 放熱部材と、
   一方の面に、絶縁層を介して前記放熱部材が接合された伝熱板と、
   前記伝熱板の他方の実装面に接合された電力用半導体素子と、
   前記実装面上に配置されたスペーサを介し、前記実装面に対し、所定の間隔をあけて前記伝熱板と対向するように配置され、前記伝熱板への対向面の反対側の面に電極パターンが形成されるとともに、前記電極パターンの近傍に開口部が設けられたプリント基板と、
   前記電力用半導体素子の表面に形成された主電力用電極上の第１の接合部に一端が接合され、他端が前記電極パターンのうち主電力用電極パターン上の第２の接合部に接合された第１配線部材と、
   前記電力用半導体素子の表面に形成された制御用電極上の第３の接合部に一端が接合され、他端が前記電極パターンのうち制御用電極パターン上の第４の接合部に接合された第２配線部材と、
   を備え、
   前記主電力用電極から前記プリント基板に向かって前記実装面の垂直方向に延びる空間に、前記第２の接合部及び第４の接合部の少なくとも一部が入るとともに、前記開口部から前記主電力用電極に向かって前記垂直方向に延びる空間に、前記第１の接合部及び第３の接合部が包含されるように、前記主電力用電極パターン及び制御用電極パターンと前記開口部が配置されていることを特徴とする電力用半導体装置。
2. 放熱部材と、
   一方の面に、絶縁層を介して前記放熱部材が接合された伝熱板と、
   前記伝熱板の他方の実装面に接合された電力用半導体素子と、
   前記伝熱板の端部が前記実装面から立ちあげられ、前記端部を被覆するように形成さた絶縁性のスペーサを介して、所定の間隔をあけて前記伝熱板と対向するように配置され、前記伝熱板への対向面の反対側の面に電極パターンが形成されるとともに、前記電極パターンの近傍に開口部が設けられたプリント基板と、
   前記電力用半導体素子の表面に形成された主電力用電極の第１の接合部に一端が接合され、他端が前記電極パターンのうち主電力用電極パターンの第２の接合部に接合された第１配線部材と、
   前記電力用半導体素子の表面に形成された制御用電極の第３の接合部に一端が接合され、他端が前記電極パターンのうち制御用電極パターンの第４の接合部に接合された第２配線部材と、
   を備え、
   前記主電力用電極から前記プリント基板に向かって前記実装面の垂直方向に延びる空間に、前記第２の接合部及び第４の接合部の少なくとも一部が入るとともに、前記開口部から前記主電力用電極に向かって前記垂直方向に延びる空間に、前記第１の接合部及び第３の接合部が包含されるように、前記主電力用電極パターン及び制御用電極パターンと前記開口部が配置されていることを特徴とする電力用半導体装置。
3. 前記第１及び第２配線部材を含むように、前記伝熱板と前記プリント基板との間から前記開口部を介して前記主電力用電極パターンの第２の接合部及び前記制御用電極パターンの第４の接合部までが樹脂の封止体で封止されており、前記樹脂の弾性率に比べて前記スペーサの弾性率が高いことを特徴とする請求項１または２に記載の電力用半導体装置。
4. 前記プリント基板と前記放熱部材とが止め部材により固定されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
5. 前記第１配線部材と前記第２配線部材の行程長のうち、前記電力用半導体素子表面上の面内の延在方向の長さが、前記主力用電極パターンの中心から、前記延在方向の前記主力用電極パターン端までの長さよりも短いことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
6. 前記第１配線部材および前記第２配線部材は、アルミニウムのボンディングワイヤであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
7. 前記開口部は縦長形状であり、前記縦長方向に配列する前記第１の接合部と前記第３の少なくとも一部が前記開口部から露出するように設置されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
8. 前記電力用半導体素子がワイドバンドギャップ半導体材料により形成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
9. 前記ワイドバンドギャップ半導体材料は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料、およびダイヤモンドのうちのいずれかであることを特徴とする請求項８に記載の電力用半導体装置。

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