JP2020035946A - Semiconductor device for electric power, power conversion device, manufacturing method for semiconductor device for electric power and manufacturing method for power conversion device - Google Patents

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Abstract

To provide a semiconductor device capable of suppressing degradation in the insulation reliability of a semiconductor device by improving heat radiation performance in an ineffective region of a semiconductor element.SOLUTION: The semiconductor device for electric power includes: a semiconductor element (2) disposed on a top face of an insulation substrate (5) through a junction layer (3); a first top face heat dissipation member (4a) partially formed on the top face of the semiconductor element. The semiconductor element has a cell region (101) and an ineffective region (102) surrounding the cell region in plan view. The first top face heat dissipation member is formed on the top face corresponding to the ineffective region of the semiconductor element.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本願明細書に開示される技術は、電力用半導体装置、電力変換装置、電力用半導体装置の製造方法、および、電力変換装置の製造方法に関するものである。   The technology disclosed in the present specification relates to a power semiconductor device, a power converter, a method for manufacturing a power semiconductor device, and a method for manufacturing a power converter.

電力用半導体装置に用いられる高耐圧の半導体素子は、電力用半導体装置の動作時に大電流が流れるセル領域と、平面視においてセル領域を囲む無効領域とに分けられる。   High-breakdown-voltage semiconductor elements used in power semiconductor devices are classified into a cell region through which a large current flows during operation of the power semiconductor device, and an ineffective region surrounding the cell region in plan view.

ここで、無効領域は、電力用半導体装置の非動作時に半導体素子の表面電極と裏面電極との間に定格耐電圧が印加された場合であっても、半導体素子において絶縁破壊を生じさせないための構造、すなわち、ガードリング、フィールドリミッティングリング(field limiting ring、すなわち、FLR)、または、variation of lateral doping(VLD)などの耐圧構造が形成される領域である。   Here, the ineffective region is used to prevent dielectric breakdown in the semiconductor element even when the rated withstand voltage is applied between the front electrode and the back electrode of the semiconductor element when the power semiconductor device is not operating. This is a region where a structure, that is, a withstand voltage structure such as a guard ring, a field limiting ring (FLR), or a variation of lateral doping (VLD) is formed.

従来の電力用半導体装置においては、窒化珪素などからなる放熱性および絶縁性を有するセラミック板の上面および下面に、金属配線が形成される。そして、セラミック板の上面には半導体素子の下面が接合され、また、セラミック板の下面には放熱板が接合される。このような構成であることによって、半導体素子で生じる熱を放熱板を介して放熱することができる。   In a conventional power semiconductor device, metal wiring is formed on the upper and lower surfaces of a ceramic plate made of silicon nitride or the like and having heat dissipation and insulation properties. The lower surface of the semiconductor element is joined to the upper surface of the ceramic plate, and the heat sink is joined to the lower surface of the ceramic plate. With such a configuration, heat generated in the semiconductor element can be dissipated through the heat sink.

また、半導体素子において一部でも発熱量が放熱量を上回る箇所が存在してしまうと、半導体素子の温度上昇を抑制することができなくなる。   In addition, if there is a portion of the semiconductor element where the amount of heat generation exceeds the amount of heat radiation, the temperature rise of the semiconductor element cannot be suppressed.

そのため、たとえば、特許文献1に例が示されるように、半導体素子と基板の上面における金属配線との間に形成される接合層が、平面視において半導体素子の周辺部に位置する部分と平面視において半導体素子の中央部に位置する部分とで引っ張り強度が異なる材料組成となっていることによって、半導体素子がオン状態となった場合に、電気抵抗率が低い部分に電流が集中し、局所的に温度上昇が起こることを抑制することができる。   Therefore, for example, as shown in Patent Document 1, the bonding layer formed between the semiconductor element and the metal wiring on the upper surface of the substrate is different from the portion located in the peripheral portion of the semiconductor element in plan view. In the case where the semiconductor element is turned on, the current concentrates on a portion having a low electric resistivity, and the current is locally concentrated. Temperature can be suppressed from occurring.

特開2007−201314号公報JP-A-2007-201314

半導体素子の製造過程で生ずる寸法公差などによって無効領域の寸法がばらつくと、電力用半導体装置の非動作時に、半導体素子の表面と裏面との間に裏面側が高電圧となるように印加されている電圧によって、無効領域の中でリーク電流が大きくなる局所が発生する。   When the size of the ineffective area varies due to dimensional tolerances or the like generated in the manufacturing process of the semiconductor element, when the power semiconductor device is not operating, a voltage is applied between the front surface and the back surface of the semiconductor device so that the back surface has a high voltage. The voltage causes a local area where the leak current increases in the invalid area.

その結果、半導体素子の表面電極と裏面電極との間に高電圧が印加される非動作時において、リーク電流に起因する半導体素子の無効領域における局所的な発熱量が放熱量を上回る。そして、半導体素子において局所的に温度上昇が起こる場合がある。   As a result, during a non-operation time when a high voltage is applied between the front surface electrode and the back surface electrode of the semiconductor element, a local heat generation amount in an ineffective region of the semiconductor element due to a leak current exceeds a heat radiation amount. Then, the temperature may locally increase in the semiconductor element.

そうすると、半導体素子の絶縁耐圧が低下する、すなわち、半導体素子の絶縁信頼性が低下するという問題があった。   Then, there is a problem that the withstand voltage of the semiconductor element decreases, that is, the insulation reliability of the semiconductor element decreases.

特許文献1に例が示された半導体装置では、半導体素子がオン状態となった場合に、セル領域に流れる電流が電気抵抗率に低い部分に集中するため、セル領域においては局所的な温度上昇が抑制される。しかしながら、無効領域においては、そのような効果を期待することができない。   In the semiconductor device disclosed in Patent Document 1, when a semiconductor element is turned on, a current flowing in a cell region is concentrated on a portion having a low electric resistivity, so that a local temperature rise occurs in the cell region. Is suppressed. However, such an effect cannot be expected in the invalid area.

したがって、無効領域における局所的な温度上昇を抑制することができないため、半導体素子の個体差に起因して、半導体装置の絶縁信頼性が低下してしまうという問題があった。   Therefore, since a local temperature rise in the ineffective region cannot be suppressed, there has been a problem that the insulation reliability of the semiconductor device is reduced due to individual differences between semiconductor elements.

本願明細書に開示される技術は、以上に記載されたような問題を解決するためになされたものであり、半導体素子の無効領域における放熱性を向上させることによって、半導体装置の絶縁信頼性の低下を抑制することができる技術を提供することを目的とするものである。   The technology disclosed in the specification of the present application has been made in order to solve the problems described above, and by improving heat dissipation in an ineffective region of a semiconductor element, the insulation reliability of a semiconductor device has been improved. It is an object of the present invention to provide a technique capable of suppressing the reduction.

本願明細書に開示される技術の第1の態様は、絶縁基板の上面に接合層を介して配置される半導体素子と、前記半導体素子の上面に部分的に形成される第1の上面放熱部材とを備え、前記半導体素子は、セル領域と、平面視において前記セル領域を囲む無効領域とを有し、前記第1の上面放熱部材は、前記半導体素子の前記無効領域に対応する上面に形成される。   A first aspect of the technology disclosed in the specification of the present application is a semiconductor element disposed on an upper surface of an insulating substrate via a bonding layer, and a first upper surface heat radiation member partially formed on the upper surface of the semiconductor element. Wherein the semiconductor element has a cell area and an ineffective area surrounding the cell area in plan view, and the first upper surface heat dissipation member is formed on an upper surface corresponding to the ineffective area of the semiconductor element. Is done.

また、本願明細書に開示される技術の第2の態様は、上記の電力用半導体装置を有し、かつ、入力される電力を変換して出力する変換回路と、前記電力用半導体装置を駆動するための駆動信号を前記電力用半導体装置に出力する駆動回路と、前記駆動回路を制御するための制御信号を前記駆動回路に出力する制御回路とを備える。   According to a second aspect of the technology disclosed in the specification of the present application, there is provided a conversion circuit that includes the power semiconductor device described above, converts an input power and outputs the power, and drives the power semiconductor device. A driving circuit for outputting a driving signal to the power semiconductor device, and a control circuit for outputting a control signal for controlling the driving circuit to the driving circuit.

また、本願明細書に開示される技術の第3の態様は、絶縁基板の上面に、接合層を介して半導体素子を配置し、前記半導体素子の上面に、第1の上面放熱部材を部分的に形成し、前記半導体素子は、セル領域と、平面視において前記セル領域を囲む無効領域とを有し、前記第1の上面放熱部材は、前記半導体素子の前記無効領域に対応する上面に形成される。   According to a third aspect of the technology disclosed in the specification of the present application, a semiconductor element is disposed on an upper surface of an insulating substrate via a bonding layer, and a first upper surface heat radiation member is partially disposed on the upper surface of the semiconductor element. Wherein the semiconductor element has a cell region and an ineffective region surrounding the cell region in plan view, and the first upper surface heat radiation member is formed on an upper surface corresponding to the ineffective region of the semiconductor element. Is done.

また、本願明細書に開示される技術の第4の態様は、上記の製造方法で製造される電力用半導体装置を有し、かつ、入力される電力を変換して出力する変換回路を設け、前記電力用半導体装置を駆動するための駆動信号を前記電力用半導体装置に出力する駆動回路を設け、前記駆動回路を制御するための制御信号を前記駆動回路に出力する制御回路を設ける。   A fourth aspect of the technology disclosed in the specification of the present application includes a power semiconductor device manufactured by the above manufacturing method, and further includes a conversion circuit that converts input power and outputs the converted power. A drive circuit for outputting a drive signal for driving the power semiconductor device to the power semiconductor device is provided, and a control circuit for outputting a control signal for controlling the drive circuit to the drive circuit is provided.

本願明細書に開示される技術の第1の態様は、絶縁基板の上面に接合層を介して配置される半導体素子と、前記半導体素子の上面に部分的に形成される第1の上面放熱部材とを備え、前記半導体素子は、セル領域と、平面視において前記セル領域を囲む無効領域とを有し、前記第1の上面放熱部材は、前記半導体素子の前記無効領域に対応する上面に形成されるものである。このような構成によれば、放熱部材によって半導体素子の無効領域における放熱性を向上させることができる。そのため、電力用半導体装置の絶縁信頼性の低下を抑制することができる。   A first aspect of the technology disclosed in the specification of the present application is a semiconductor element disposed on an upper surface of an insulating substrate via a bonding layer, and a first upper surface heat radiation member partially formed on the upper surface of the semiconductor element. Wherein the semiconductor element has a cell area and an ineffective area surrounding the cell area in plan view, and the first upper surface heat dissipation member is formed on an upper surface corresponding to the ineffective area of the semiconductor element. Is what is done. According to such a configuration, heat dissipation in the ineffective region of the semiconductor element can be improved by the heat dissipation member. Therefore, a decrease in insulation reliability of the power semiconductor device can be suppressed.

また、本願明細書に開示される技術の第2の態様は、上記の電力用半導体装置を有し、かつ、入力される電力を変換して出力する変換回路と、前記電力用半導体装置を駆動するための駆動信号を前記電力用半導体装置に出力する駆動回路と、前記駆動回路を制御するための制御信号を前記駆動回路に出力する制御回路とを備える。このような構成によれば、放熱部材によって半導体素子の無効領域における放熱性を向上させることができる。   According to a second aspect of the technology disclosed in the specification of the present application, there is provided a conversion circuit that includes the power semiconductor device described above, converts an input power and outputs the power, and drives the power semiconductor device. A driving circuit for outputting a driving signal to the power semiconductor device, and a control circuit for outputting a control signal for controlling the driving circuit to the driving circuit. According to such a configuration, heat dissipation in the ineffective region of the semiconductor element can be improved by the heat dissipation member.

また、本願明細書に開示される技術の第3の態様は、絶縁基板の上面に、接合層を介して半導体素子を配置し、前記半導体素子の上面に、第1の上面放熱部材を部分的に形成し、前記半導体素子は、セル領域と、平面視において前記セル領域を囲む無効領域とを有し、前記第1の上面放熱部材は、前記半導体素子の前記無効領域に対応する上面に形成される。このような構成によれば、放熱部材によって半導体素子の無効領域における放熱性を向上させることができる。そのため、電力用半導体装置の絶縁信頼性の低下を抑制することができる。   According to a third aspect of the technology disclosed in the specification of the present application, a semiconductor element is disposed on an upper surface of an insulating substrate via a bonding layer, and a first upper surface heat radiation member is partially disposed on the upper surface of the semiconductor element. Wherein the semiconductor element has a cell region and an ineffective region surrounding the cell region in plan view, and the first upper surface heat radiation member is formed on an upper surface corresponding to the ineffective region of the semiconductor element. Is done. According to such a configuration, heat dissipation in the ineffective region of the semiconductor element can be improved by the heat dissipation member. Therefore, a decrease in insulation reliability of the power semiconductor device can be suppressed.

また、本願明細書に開示される技術の第4の態様は、上記の製造方法で製造される電力用半導体装置を有し、かつ、入力される電力を変換して出力する変換回路を設け、前記電力用半導体装置を駆動するための駆動信号を前記電力用半導体装置に出力する駆動回路を設け、前記駆動回路を制御するための制御信号を前記駆動回路に出力する制御回路を設ける。このような構成によれば、放熱部材によって半導体素子の無効領域における放熱性を向上させることができる。   A fourth aspect of the technology disclosed in the specification of the present application includes a power semiconductor device manufactured by the above manufacturing method, and further includes a conversion circuit that converts input power and outputs the converted power. A drive circuit for outputting a drive signal for driving the power semiconductor device to the power semiconductor device is provided, and a control circuit for outputting a control signal for controlling the drive circuit to the drive circuit is provided. According to such a configuration, heat dissipation in the ineffective region of the semiconductor element can be improved by the heat dissipation member.

また、本願明細書に開示される技術に関する目的と、特徴と、局面と、利点とは、以下に示される詳細な説明と添付図面とによって、さらに明白となる。   Further, objects, features, aspects, and advantages of the technology disclosed in the present specification will become more apparent from the detailed description given below and the accompanying drawings.

実施の形態に関する、電力用半導体装置に用いられる半導体素子の構造の例を概略的に示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view schematically illustrating an example of a structure of a semiconductor element used in a power semiconductor device according to the embodiment; 実施の形態に関する、電力用半導体装置の構造の例を概略的に示す平面図である。FIG. 1 is a plan view schematically showing an example of a structure of a power semiconductor device according to an embodiment. 図2のA−A’における断面図である。It is sectional drawing in A-A 'of FIG. 実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a method of manufacturing the power semiconductor device according to the embodiment. 実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a method of manufacturing the power semiconductor device according to the embodiment. 実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a method of manufacturing the power semiconductor device according to the embodiment. 実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a method of manufacturing the power semiconductor device according to the embodiment. 実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a method of manufacturing the power semiconductor device according to the embodiment. 実施の形態に関する、電力用半導体装置の構造の例を概略的に示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view schematically illustrating an example of a structure of a power semiconductor device according to an embodiment. 実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a method of manufacturing the power semiconductor device according to the embodiment. 実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a method of manufacturing the power semiconductor device according to the embodiment. 実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a method of manufacturing the power semiconductor device according to the embodiment. 実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a method of manufacturing the power semiconductor device according to the embodiment. 実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a method of manufacturing the power semiconductor device according to the embodiment. 実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a method of manufacturing the power semiconductor device according to the embodiment. 実施の形態に関する、電力用半導体装置の構造の例を概略的に示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view schematically illustrating an example of a structure of a power semiconductor device according to an embodiment. 実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a method of manufacturing the power semiconductor device according to the embodiment. 実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a method of manufacturing the power semiconductor device according to the embodiment. 実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a method of manufacturing the power semiconductor device according to the embodiment. 実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a method of manufacturing the power semiconductor device according to the embodiment. 実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a method of manufacturing the power semiconductor device according to the embodiment. 実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a method of manufacturing the power semiconductor device according to the embodiment. 実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a method of manufacturing the power semiconductor device according to the embodiment. 半導体素子の下面における、放熱部材の配置位置の例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the example of the arrangement | positioning position of the heat radiation member in the lower surface of a semiconductor element. 実施の形態に関する電力用半導体装置の構造の例を概略的に示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing an example of the structure of the power semiconductor device according to the embodiment. 実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a method of manufacturing the power semiconductor device according to the embodiment. 実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a method of manufacturing the power semiconductor device according to the embodiment. 実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a method of manufacturing the power semiconductor device according to the embodiment. 実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a method of manufacturing the power semiconductor device according to the embodiment. 実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a method of manufacturing the power semiconductor device according to the embodiment. 実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a method of manufacturing the power semiconductor device according to the embodiment. 実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a method of manufacturing the power semiconductor device according to the embodiment. 実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a method of manufacturing the power semiconductor device according to the embodiment. 実施の形態に関する、電力用半導体装置の構造の例を概略的に示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view schematically illustrating an example of a structure of a power semiconductor device according to an embodiment. 実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a method of manufacturing the power semiconductor device according to the embodiment. 実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a method of manufacturing the power semiconductor device according to the embodiment. 実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a method of manufacturing the power semiconductor device according to the embodiment. 実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a method of manufacturing the power semiconductor device according to the embodiment. 実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a method of manufacturing the power semiconductor device according to the embodiment. 実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a method of manufacturing the power semiconductor device according to the embodiment. 実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a method of manufacturing the power semiconductor device according to the embodiment. 実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a method of manufacturing the power semiconductor device according to the embodiment. 実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a method of manufacturing the power semiconductor device according to the embodiment. 実施の形態に関する、電力変換装置を含む電力変換システムの構成の例を概念的に示す図である。1 is a diagram conceptually illustrating an example of a configuration of a power conversion system including a power conversion device according to an embodiment.

以下、添付される図面を参照しながら実施の形態について説明する。   Hereinafter, embodiments will be described with reference to the accompanying drawings.

なお、図面は概略的に示されるものであり、説明の便宜のため、適宜、構成の省略、または、構成の簡略化がなされるものである。また、異なる図面にそれぞれ示される構成などの大きさおよび位置の相互関係は、必ずしも正確に記載されるものではなく、適宜変更され得るものである。また、断面図ではない平面図などの図面においても、実施の形態の内容を理解することを容易にするために、ハッチングが付される場合がある。   The drawings are schematically shown, and for convenience of explanation, the configuration is omitted or simplified as appropriate. Further, the relationship between the size and the position of the configuration and the like shown in the different drawings is not necessarily accurately described, and can be appropriately changed. Further, hatching may be applied to drawings such as plan views which are not cross-sectional views so as to facilitate understanding of the contents of the embodiments.

また、以下に示される説明では、同様の構成要素には同じ符号を付して図示し、それらの名称と機能とについても同様のものとする。したがって、それらについての詳細な説明を、重複を避けるために省略する場合がある。   In the following description, the same components are denoted by the same reference numerals, and their names and functions are the same. Therefore, a detailed description thereof may be omitted to avoid duplication.

また、以下に記載される説明において、「上」、「下」、「左」、「右」、「側」、「底」、「表」または「裏」などの特定の位置と方向とを意味する用語が用いられる場合があっても、これらの用語は、実施の形態の内容を理解することを容易にするために便宜上用いられるものであり、実際に実施される際の方向とは関係しないものである。   Further, in the following description, a specific position and direction such as “up”, “down”, “left”, “right”, “side”, “bottom”, “front” or “back” are referred to. Even when terms that mean are sometimes used, these terms are used for the sake of convenience to facilitate understanding of the contents of the embodiments, and are not related to the direction in which the terms are actually implemented. It does not.

また、以下に記載される説明において、「第1の」、または、「第2の」などの序数が用いられる場合があっても、これらの用語は、実施の形態の内容を理解することを容易にするために便宜上用いられるものであり、これらの序数によって生じ得る順序などに限定されるものではない。   Further, in the following description, even when an ordinal number such as “first” or “second” may be used, these terms are used to understand the contents of the embodiments. It is used for convenience for the sake of simplicity, and is not limited to the order that can be generated by these ordinal numbers.

<第1の実施の形態>
以下、本実施の形態に関する電力用半導体装置、および、電力用半導体装置の製造方法について説明する。
<First embodiment>
Hereinafter, a power semiconductor device and a method of manufacturing the power semiconductor device according to the present embodiment will be described.

<電力用半導体装置の構成について>
絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(insulated gate bipolar transistor、すなわち、IGBT)、金属−酸化膜−半導体電界効果トランジスタ(metal−oxide−semiconductor field−effect transistor、すなわち、MOSFET)、または、ダイオードなどのパワーデバイスを半導体素子として搭載している電力用半導体装置では、動作時に当該半導体素子に大電流が流れる。そのため、半導体素子が発熱する。
<About the configuration of the power semiconductor device>
Insulated gate bipolar transistor (i.e., IGBT), metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (i.e., MOSFET), or the power of a semiconductor device such as a diode. In a power semiconductor device mounted as an element, a large current flows through the semiconductor element during operation. Therefore, the semiconductor element generates heat.

発熱によって半導体素子の温度が上昇し続けると、半導体素子が有する整流性が失われる。そうすると、電力用半導体装置を制御することが難しくなる。   If the temperature of the semiconductor element continues to rise due to heat generation, the rectifying property of the semiconductor element is lost. Then, it becomes difficult to control the power semiconductor device.

従来の電力用半導体装置では、窒化珪素などからなる放熱性および絶縁性を有するセラミック板の上面および下面に、銅パターンなどの金属配線を形成された絶縁基板が用いられている。   2. Description of the Related Art In a conventional power semiconductor device, an insulating substrate is used in which metal wiring such as a copper pattern is formed on the upper and lower surfaces of a ceramic plate made of silicon nitride or the like and having heat dissipation and insulation properties.

そして、半導体素子の温度上昇を抑制するために、はんだなどで構成される接合層を介して、上記の絶縁基板の上面に半導体素子の下面を接合し、半導体素子の放熱性を確保していた(たとえば、特許文献1を参照)。   Then, in order to suppress a rise in temperature of the semiconductor element, the lower surface of the semiconductor element was bonded to the upper surface of the insulating substrate via a bonding layer made of solder or the like, thereby ensuring heat dissipation of the semiconductor element. (See, for example, Patent Document 1).

ここで、図1は、本実施の形態に関する電力用半導体装置に用いられる半導体素子の構造の例を概略的に示す断面図である。   Here, FIG. 1 is a sectional view schematically showing an example of the structure of a semiconductor element used in the power semiconductor device according to the present embodiment.

図1に例が示されるように、半導体素子2は、半導体素子2の動作時に電流が流れるセル領域101と、平面視においてセル領域101を囲む無効領域102とに分けられる。   As illustrated in FIG. 1, the semiconductor element 2 is divided into a cell region 101 through which a current flows when the semiconductor element 2 operates, and an invalid region 102 surrounding the cell region 101 in plan view.

セル領域101においては、n−型の半導体層110と、n−型の半導体層110の表層において部分的に形成されるp−型の半導体層111と、p−型の半導体層111の表層において部分的に形成されるn+型の半導体層112と、n+型の半導体層112を貫通して形成されるp+型の半導体層113と、n−型の半導体層110の上面においてn+型の半導体層112とn−型の半導体層110とに挟まれるp−型の半導体層111を覆って形成されるゲート酸化膜114と、ゲート酸化膜114の上面に形成されるゲート電極115と、ゲート酸化膜114およびゲート電極115を覆って形成される絶縁膜116と、絶縁膜116、露出しているn+型の半導体層112および露出しているp+型の半導体層113を覆って形成されるエミッタ電極117とが備えられる。   In the cell region 101, the n− type semiconductor layer 110, the p− type semiconductor layer 111 partially formed in the surface layer of the n− type semiconductor layer 110, and the p− type semiconductor layer 111 A partially formed n + -type semiconductor layer 112, a p + -type semiconductor layer 113 formed through the n + -type semiconductor layer 112, and an n + -type semiconductor layer on the upper surface of the n − -type semiconductor layer 110 A gate oxide film 114 formed so as to cover the p − type semiconductor layer 111 sandwiched between the n − type semiconductor layer 110 and the n − type semiconductor layer 110; a gate electrode 115 formed on the upper surface of the gate oxide film 114; An insulating film 116 formed over the gate electrode 115 and the gate electrode 115; an insulating film 116, the exposed n + type semiconductor layer 112 and the exposed p + type semiconductor layer 113; And the emitter electrode 117 is provided.

また、無効領域102においては、n−型の半導体層110と、p−型の半導体層111と、p−型の半導体層111よりも外周側において、n−型の半導体層110の表層に部分的に形成されるp−型の半導体層121と、p−型の半導体層121よりも外周側において、n−型の半導体層110の表層に部分的に形成されるn+型の半導体層122と、p−型の半導体層111、p−型の半導体層121およびn+型の半導体層122を覆って形成される絶縁膜116と、絶縁膜116の上面に形成される絶縁性の保護膜123とが備えられる。   Further, in the invalid region 102, the n − type semiconductor layer 110, the p − type semiconductor layer 111, and a part of the surface layer of the n − type semiconductor layer 110 on the outer peripheral side of the p − type semiconductor layer 111. A p- type semiconductor layer 121 formed on the outer surface and an n + type semiconductor layer 122 partially formed on the surface layer of the n- type semiconductor layer 110 on the outer peripheral side of the p- type semiconductor layer 121. An insulating film 116 formed to cover the p − type semiconductor layer 111, the p − type semiconductor layer 121 and the n + type semiconductor layer 122, and an insulating protective film 123 formed on the upper surface of the insulating film 116. Is provided.

ここで、無効領域102は、半導体素子2の非動作時に半導体素子2の表面電極と裏面電極との間に定格耐電圧が印加された場合であっても、半導体素子2において絶縁破壊を生じさせないための構造、すなわち、ガードリング、FLR、または、VLDなどの耐圧構造が形成される領域である。   Here, the ineffective region 102 does not cause dielectric breakdown in the semiconductor element 2 even when the rated withstand voltage is applied between the front surface electrode and the back surface electrode of the semiconductor element 2 when the semiconductor element 2 is not operating. , That is, a region where a breakdown voltage structure such as a guard ring, FLR, or VLD is formed.

一方で、半導体素子2において一部でも発熱量が放熱量を上回る箇所が存在してしまうと、半導体素子2の温度上昇を抑制することができなくなる。   On the other hand, if there is a portion in the semiconductor element 2 where the amount of heat generation exceeds the amount of heat radiation, the temperature rise of the semiconductor element 2 cannot be suppressed.

たとえば、特許文献1に例が示されるように、半導体素子と基板の上面における金属配線との間に形成される接合層が、平面視において半導体素子の周辺部に位置する部分と平面視において半導体素子の中央部に位置する部分とで引っ張り強度が異なる材料組成となっていることによって、半導体素子がオン状態となった場合に、電気抵抗率が低い部分に電流が集中し、局所的に温度上昇が起こることを抑制することができる。   For example, as shown in Patent Document 1, a bonding layer formed between a semiconductor element and a metal wiring on an upper surface of a substrate has a semiconductor layer in a plan view and a portion located in a peripheral portion of the semiconductor element. Due to the material composition having a different tensile strength from the portion located at the center of the device, when the semiconductor device is turned on, current concentrates on the portion with low electrical resistivity, and the temperature locally increases. The rise can be suppressed.

ここで、半導体素子の製造過程で生ずる寸法公差などによって無効領域の寸法がばらつくと、電力用半導体装置の非動作時(たとえば、MOSFETであれば、ゲート電極に印加される電圧がしきい値よりも低い状態)に、半導体素子の表面と裏面との間に裏面側が高電圧となるように印加されている電圧によって、無効領域の中でリーク電流が大きくなる局所(たとえば、1μm以上、かつ、50μm以下の範囲の領域)が発生する。 Here, if the size of the ineffective area varies due to a dimensional tolerance or the like generated during the manufacturing process of the semiconductor element, when the power semiconductor device is not operated (for example, in the case of a MOSFET, the voltage applied to the gate electrode is lower than the threshold value). At a low level), a voltage applied between the front surface and the back surface of the semiconductor element so that the back surface side has a high voltage causes a local area (for example, 1 μm 2 or more, where the leakage current is large in the invalid region, and , 50 μm 2 or less).

これは、無効領域において、寸法の小さい領域における電界強度は、寸法が大きい領域における電界強度よりも高くなるためである。   This is because, in the invalid area, the electric field strength in the small-sized area is higher than the electric field strength in the large-sized area.

その結果、半導体素子の表面電極と裏面電極との間に高電圧が印加される非動作時において、リーク電流に起因する半導体素子の無効領域における局所的な発熱量が放熱量を上回る。そして、半導体素子において局所的に温度上昇が起こる場合がある。   As a result, during a non-operation time when a high voltage is applied between the front surface electrode and the back surface electrode of the semiconductor element, a local heat generation amount in an ineffective region of the semiconductor element due to a leak current exceeds a heat radiation amount. Then, the temperature may locally increase in the semiconductor element.

半導体素子の無効領域における温度上昇が進むと、さらにリーク電流が増大する。そうすると、電力用半導体装置の絶縁信頼性が低下する。   As the temperature in the invalid region of the semiconductor element increases, the leakage current further increases. Then, the insulation reliability of the power semiconductor device decreases.

特許文献1に例が示された半導体装置では、半導体素子がオン状態となった場合に、セル領域に流れる電流が電気抵抗率に低い部分に集中するため、セル領域においては局所的な温度上昇が抑制される。しかしながら、特許文献1に例が示された材料の熱伝導率は、たとえば、半導体素子の中央部を接合しているはんだと同程度であり、半導体素子の周辺部(すなわち、無効領域)における熱伝導率を上昇させるほどの効果はない。そのため、半導体素子の無効領域における温度上昇を抑制する効果を期待することはできず、半導体装置の絶縁信頼性が低下してしまう。   In the semiconductor device disclosed in Patent Document 1, when a semiconductor element is turned on, a current flowing in a cell region is concentrated on a portion having a low electric resistivity, so that a local temperature rise occurs in the cell region. Is suppressed. However, the thermal conductivity of the material exemplified in Patent Literature 1 is, for example, about the same as that of the solder joining the central part of the semiconductor element, and the thermal conductivity in the peripheral part of the semiconductor element (that is, the ineffective area). It is not as effective as increasing the conductivity. Therefore, the effect of suppressing the temperature rise in the ineffective region of the semiconductor element cannot be expected, and the insulation reliability of the semiconductor device decreases.

そこで、本実施の形態においては、上記のような問題を解決するため、半導体素子の無効領域における放熱性を高めることによって、半導体素子の無効領域の寸法のばらつきに起因する電力用半導体装置の絶縁信頼性の低下を抑制することができる電力用半導体装置について説明する。   Therefore, in the present embodiment, in order to solve the above-described problem, the heat dissipation in the ineffective region of the semiconductor element is increased, so that the insulation of the power semiconductor device due to the variation in the size of the ineffective region of the semiconductor element is improved. A power semiconductor device capable of suppressing a decrease in reliability will be described.

図2は、本実施の形態に関する電力用半導体装置の構造の例を概略的に示す平面図である。また、図3は、図2のA−A’における断面図である。   FIG. 2 is a plan view schematically showing an example of the structure of the power semiconductor device according to the present embodiment. FIG. 3 is a sectional view taken along line A-A 'in FIG.

図2および図3に例が示されるように、電力用半導体装置1は、金属膜7aと、金属膜7aの上面に形成されるセラミック板8と、セラミック板8の上面に部分的に形成される金属膜7bと、金属膜7bの上面に部分的に形成される接合層3と、接合層3の上面に配置される半導体素子2と、半導体素子2の上面のうち、無効領域に対応する箇所に形成される放熱部材4aと、半導体素子2の上面に接続される金属ワイヤー9と、これらの構成を封止する封止材6(図2においては、図示が省略されている)とを備える。ここで、金属膜7a、セラミック板8および金属膜7bは、絶縁基板5を形成する。   As shown in FIGS. 2 and 3, the power semiconductor device 1 includes a metal film 7 a, a ceramic plate 8 formed on the upper surface of the metal film 7 a, and a ceramic plate 8 partially formed on the upper surface of the ceramic plate 8. Metal film 7b, a bonding layer 3 partially formed on the upper surface of the metal film 7b, the semiconductor element 2 disposed on the upper surface of the bonding layer 3, and the inactive region of the upper surface of the semiconductor element 2 The heat radiating member 4 a formed at the location, the metal wire 9 connected to the upper surface of the semiconductor element 2, and the sealing material 6 (not shown in FIG. 2) for sealing these components are provided. Prepare. Here, the metal film 7a, the ceramic plate 8 and the metal film 7b form the insulating substrate 5.

また、放熱部材4aは、半導体素子2の無効領域における放熱性を向上させる。また、半導体素子2は、たとえば、IGBTである。また、半導体素子2の無効領域には、たとえば、ポリイミド系の樹脂材料からなる絶縁性の保護膜123(図1を参照)が形成されている。また、接合層3は、たとえば、はんだである。また、封止材6は、たとえば、絶縁性を有するシリコーンゲルである。   Further, the heat radiating member 4 a improves heat radiating property in an ineffective area of the semiconductor element 2. The semiconductor element 2 is, for example, an IGBT. In addition, an insulative protective film 123 (see FIG. 1) made of, for example, a polyimide resin material is formed in the invalid region of the semiconductor element 2. The bonding layer 3 is, for example, solder. The sealing material 6 is, for example, an insulating silicone gel.

<電力用半導体装置の製造方法について>
次に、本実施の形態に関する電力用半導体装置の製造方法について、以下説明する。ここで、図4から図8は、本実施の形態に関する電力用半導体装置の製造方法を示す図である。
<About the manufacturing method of the power semiconductor device>
Next, a method for manufacturing the power semiconductor device according to the present embodiment will be described below. Here, FIGS. 4 to 8 are diagrams showing a method of manufacturing the power semiconductor device according to the present embodiment.

まず、図4に例が示されるように、金属膜7aの上面に、セラミック板8を形成する。さらに、セラミック板8の上面に、金属膜7bを部分的に形成する。   First, as shown in FIG. 4, a ceramic plate 8 is formed on the upper surface of the metal film 7a. Further, the metal film 7b is partially formed on the upper surface of the ceramic plate 8.

次に、図4に例が示されるように、金属膜7bの上面に、接合層3を部分的に形成する。ここで、接合層3は、たとえば、板はんだである。さらに、図5に例が示されるように、接合層3の上面に、半導体素子2を配置する。   Next, as shown in FIG. 4, the bonding layer 3 is partially formed on the upper surface of the metal film 7b. Here, the bonding layer 3 is, for example, a plate solder. Further, as shown in FIG. 5, the semiconductor element 2 is arranged on the upper surface of the bonding layer 3.

次に、図5に例が示されるように、半導体素子2と接合層3とを加熱することによって、半導体素子2と金属膜7bとを接合する。ここで、半導体素子2は、セル領域と、平面視においてセル領域を囲む無効領域とを有する。   Next, as illustrated in FIG. 5, the semiconductor element 2 and the metal film 7b are joined by heating the semiconductor element 2 and the bonding layer 3. Here, the semiconductor element 2 has a cell region and an invalid region surrounding the cell region in plan view.

次に、図6に例が示されるように、半導体素子2の無効領域に、放熱部材4aを配置する。そして、図7に例が示されるように、半導体素子2と、半導体素子2に大電流を流すための主回路との間で電気的導通を得るために、半導体素子2に接続される金属ワイヤー9を形成する。   Next, as shown in an example in FIG. 6, the heat radiating member 4 a is arranged in an invalid area of the semiconductor element 2. Then, as shown in FIG. 7, a metal wire connected to the semiconductor element 2 in order to obtain electrical continuity between the semiconductor element 2 and a main circuit for flowing a large current through the semiconductor element 2 9 is formed.

次に、図8に例が示されるように、形成された上記の構造を覆う絶縁性の封止材6を形成することによって、本実施の形態に関する電力用半導体装置を製造する。   Next, as shown in FIG. 8, a power semiconductor device according to the present embodiment is manufactured by forming an insulating sealing material 6 covering the formed structure.

ここで、絶縁性の封止材6としては、たとえば、シリコーンゲルまたはエラストマーが用いられる。また、封止材6の熱伝導率は、たとえば、0.15W/m・Kである。   Here, as the insulating sealing material 6, for example, silicone gel or elastomer is used. The thermal conductivity of the sealing material 6 is, for example, 0.15 W / m · K.

本実施の形態においては、半導体素子2の無効領域と封止材6との間に放熱部材4aが介在している。そのため、半導体素子2の無効領域の放熱性を向上させることができる。そうすると、半導体素子2の無効領域が発熱することに起因して電力用半導体装置の絶縁信頼性が低下してしまうことを、抑制することができる。   In the present embodiment, a heat radiating member 4 a is interposed between the ineffective region of the semiconductor element 2 and the sealing material 6. Therefore, the heat dissipation of the ineffective region of the semiconductor element 2 can be improved. Then, it is possible to prevent the insulation reliability of the power semiconductor device from being lowered due to the generation of heat in the ineffective region of the semiconductor element 2.

なお、上記の放熱部材4aは、半導体素子2の上面に形成されるエミッタ電極117(図1を参照)と半導体素子2の下面に形成されるコレクタ電極との間に印加される高電圧に対して絶縁耐圧を有するもの、すなわち、たとえば、1kV/mm以上、かつ、15kV/mm以下の絶縁耐圧を有する絶縁体であればよく、熱伝導率が高いものほど望ましい。特に、熱伝導率が10W/m・K以上であるものが好ましい。   The heat dissipation member 4a is capable of withstanding a high voltage applied between the emitter electrode 117 (see FIG. 1) formed on the upper surface of the semiconductor element 2 and the collector electrode formed on the lower surface of the semiconductor element 2. Any insulator having a withstand voltage of, for example, 1 kV / mm or more and 15 kV / mm or less may be used, and an insulator having a higher thermal conductivity is more desirable. In particular, those having a thermal conductivity of 10 W / m · K or more are preferable.

また、上記の放熱部材4aの、半導体素子2の上面に配置される際の状態が液相である場合には、半導体素子2の無効領域のみに限定して放熱部材4aを配置することが困難である。   Further, when the state of the heat radiating member 4a when it is arranged on the upper surface of the semiconductor element 2 is a liquid phase, it is difficult to arrange the heat radiating member 4a only in the ineffective area of the semiconductor element 2. It is.

放熱部材4aが液相である場合、半導体素子2のセル領域へ液相である放熱部材4aが流れてしまう場合があり、その場合、半導体素子2のエミッタ電極117(図1を参照)へ金属ワイヤー9を接合するための領域が失われる可能性がある。   When the heat radiating member 4a is in the liquid phase, the liquid heat radiating member 4a may flow into the cell region of the semiconductor element 2, and in this case, the metal is transferred to the emitter electrode 117 (see FIG. 1) of the semiconductor element 2. The area for joining the wires 9 may be lost.

このため、上記の放熱部材4aは、半導体素子2の上面に配置される際の状態が固体であることが望ましい。   Therefore, it is desirable that the heat radiating member 4a be in a solid state when disposed on the upper surface of the semiconductor element 2.

一方で、上記の放熱部材4aは、半導体素子2の上面に配置される際の状態が液状のものであっても、150Pa・s以上の粘度を有する材料であればよい。このような条件を満たす放熱部材4aとしては、たとえば、日本旭立科技株式会社製の放熱シートPK−95、または、T−GlOBAL社製の熱伝導シートTG−Xなどがある。   On the other hand, the heat dissipating member 4a may be a material having a viscosity of 150 Pa · s or more, even if the heat dissipating member 4a is in a liquid state when disposed on the upper surface of the semiconductor element 2. The heat dissipating member 4a satisfying such conditions includes, for example, a heat dissipating sheet PK-95 manufactured by Asahi Rika Kagaku Corporation or a heat conductive sheet TG-X manufactured by T-GLOBAL.

また、放熱部材4aが半導体素子2に接触する面積は、無効領域において発熱が生じると想定される局所の面積である、たとえば、1μm以上、かつ、50μm以下の範囲に対して、10倍程度の、たとえば、10μm以上、かつ、500μm以下の範囲であることが望ましい。 The area where the heat radiating member 4a contacts the semiconductor element 2 is a local area where heat generation is assumed to occur in the ineffective region, for example, 10 times as large as a range of 1 μm 2 or more and 50 μm 2 or less. It is desirable that the range be, for example, 10 μm 2 or more and 500 μm 2 or less.

<第2の実施の形態>
本実施の形態に関する電力用半導体装置、および、電力用半導体装置の製造方法について説明する。なお、以下の説明においては、以上に記載された実施の形態で説明された構成要素と同様の構成要素については同じ符号を付して図示し、その詳細な説明については適宜省略するものとする。
<Second embodiment>
A power semiconductor device according to the present embodiment and a method for manufacturing the power semiconductor device will be described. In the following description, the same components as those described in the above-described embodiment will be denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted as appropriate. .

<電力用半導体装置の構成について>
図9は、本実施の形態に関する電力用半導体装置の構造の例を概略的に示す断面図である。
<About the configuration of the power semiconductor device>
FIG. 9 is a sectional view schematically showing an example of the structure of the power semiconductor device according to the present embodiment.

図9に例が示されるように、電力用半導体装置1aは、金属膜7aと、セラミック板8と、金属膜7bと、接合層3と、半導体素子2と、放熱部材4aと、金属ワイヤー9と、放熱部材4aの上面に形成される、放熱部材4aよりも熱伝導率が高い材料からなる放熱部材4bと、これらの構成を封止する封止材6とを備える。   As shown in FIG. 9, the power semiconductor device 1a includes a metal film 7a, a ceramic plate 8, a metal film 7b, a bonding layer 3, a semiconductor element 2, a heat radiating member 4a, and a metal wire 9a. A heat dissipating member 4b formed on the upper surface of the heat dissipating member 4a and made of a material having a higher thermal conductivity than the heat dissipating member 4a; and a sealing material 6 for sealing these components.

ここで、半導体素子2は、たとえば、MOSFETである。また、半導体素子2の無効領域には、たとえば、ポリイミド系の樹脂材料からなる絶縁性の保護膜123(図1を参照)が形成されている。また、接合層3は、たとえば、はんだである。また、封止材6は、たとえば、絶縁性を有するシリコーンゲルである。   Here, the semiconductor element 2 is, for example, a MOSFET. In addition, an insulative protective film 123 (see FIG. 1) made of, for example, a polyimide resin material is formed in the invalid region of the semiconductor element 2. The bonding layer 3 is, for example, solder. The sealing material 6 is, for example, an insulating silicone gel.

<電力用半導体装置の製造方法について>
次に、本実施の形態に関する電力用半導体装置の製造方法について、以下説明する。ここで、図10から図15は、本実施の形態に関する電力用半導体装置の製造方法を示す図である。
<About the manufacturing method of the power semiconductor device>
Next, a method for manufacturing the power semiconductor device according to the present embodiment will be described below. Here, FIGS. 10 to 15 are views showing a method of manufacturing the power semiconductor device according to the present embodiment.

まず、図10に例が示されるように、金属膜7aの上面に、セラミック板8を形成する。さらに、セラミック板8の上面に、金属膜7bを部分的に形成する。   First, as shown in FIG. 10, a ceramic plate 8 is formed on the upper surface of the metal film 7a. Further, the metal film 7b is partially formed on the upper surface of the ceramic plate 8.

次に、図10に例が示されるように、金属膜7bの上面に、接合層3を部分的に形成する。ここで、接合層3は、たとえば、板はんだである。さらに、図11に例が示されるように、接合層3の上面に、半導体素子2を配置する。   Next, as shown in FIG. 10, the bonding layer 3 is partially formed on the upper surface of the metal film 7b. Here, the bonding layer 3 is, for example, a plate solder. Further, as shown in FIG. 11, the semiconductor element 2 is disposed on the upper surface of the bonding layer 3.

次に、図11に例が示されるように、半導体素子2と接合層3とを加熱することによって、半導体素子2と金属膜7bとを接合する。   Next, as shown in FIG. 11, the semiconductor element 2 and the metal film 7b are joined by heating the semiconductor element 2 and the bonding layer 3.

次に、図12に例が示されるように、半導体素子2の無効領域に、放熱部材4aを配置する。そして、図13に例が示されるように、放熱部材4aの上面に、放熱部材4bを配置する。ここで、放熱部材4bは、半導体素子2とは離間して配置される。   Next, as shown in an example in FIG. 12, the heat radiating member 4 a is arranged in the invalid area of the semiconductor element 2. Then, as shown in FIG. 13, the heat radiating member 4b is arranged on the upper surface of the heat radiating member 4a. Here, the heat dissipating member 4 b is arranged apart from the semiconductor element 2.

次に、図14に例が示されるように、半導体素子2と、半導体素子2に大電流を流すための主回路との間で電気的導通を得るために、半導体素子2に接続される金属ワイヤー9を形成する。   Next, as shown in FIG. 14, in order to obtain electrical conduction between the semiconductor element 2 and a main circuit for flowing a large current through the semiconductor element 2, a metal connected to the semiconductor element 2 is used. The wire 9 is formed.

次に、図15に例が示されるように、形成された上記の構造を覆う絶縁性の封止材6を形成することによって、本実施の形態に関する電力用半導体装置を製造する。   Next, as shown in an example in FIG. 15, a power semiconductor device according to the present embodiment is manufactured by forming an insulating sealing material 6 covering the formed structure.

本実施の形態においては、半導体素子2の無効領域と封止材6との間に放熱部材4aおよび放熱部材4aよりも熱伝導率の高い放熱部材4bが介在している。そのため、半導体素子2の無効領域の放熱性を向上させることができる。そうすると、半導体素子2の無効領域が発熱することに起因して電力用半導体装置の絶縁信頼性が低下してしまうことを、抑制することができる。   In the present embodiment, a heat dissipating member 4a and a heat dissipating member 4b having higher thermal conductivity than the heat dissipating member 4a are interposed between the ineffective region of the semiconductor element 2 and the sealing material 6. Therefore, the heat dissipation of the ineffective region of the semiconductor element 2 can be improved. Then, it is possible to prevent the insulation reliability of the power semiconductor device from being lowered due to the generation of heat in the ineffective region of the semiconductor element 2.

なお、上記の放熱部材4bとしては、熱伝導率が100W/m・Kよりも高い、たとえば、銀、銅、金、チタン、鉄、ニッケルまたはアルミニウムなどの金属材料、窒化アルミニウム、窒化珪素などのセラミック材料、ダイヤモンド、または、グラファイトなどが望ましい。   The heat dissipating member 4b has a thermal conductivity higher than 100 W / m · K, for example, a metal material such as silver, copper, gold, titanium, iron, nickel or aluminum, aluminum nitride, silicon nitride, or the like. A ceramic material, diamond, or graphite is desirable.

なお、放熱部材4aの厚さが薄い場合には、半導体素子2のドレイン電極側にソース電極に対して高電圧が印加された際に、導電性の放熱部材4bを経由して、放電などの電気的短絡が生じる場合がある。   When the thickness of the heat radiating member 4a is small, when a high voltage is applied to the source electrode on the drain electrode side of the semiconductor element 2, the heat radiating member 4a passes through the conductive heat radiating member 4b and discharges. An electrical short may occur.

したがって、半導体素子2の定格耐電圧にあわせて、上記の電気的短絡が起こらない程度の厚さを放熱部材4aが有していることが望ましい。   Therefore, it is preferable that the heat radiating member 4 a has a thickness that does not cause the above-described electrical short circuit in accordance with the rated withstand voltage of the semiconductor element 2.

たとえば、半導体素子2の耐電圧が3kVである場合、放熱部材4aの厚みは1mm以上であることが望ましい。このような構成によれば、半導体素子2の無効領域における発熱を確実に抑制することができる。   For example, when the withstand voltage of the semiconductor element 2 is 3 kV, it is desirable that the thickness of the heat radiation member 4 a is 1 mm or more. According to such a configuration, heat generation in the invalid region of the semiconductor element 2 can be reliably suppressed.

<第3の実施の形態>
本実施の形態に関する電力用半導体装置、および、電力用半導体装置の製造方法について説明する。なお、以下の説明においては、以上に記載された実施の形態で説明された構成要素と同様の構成要素については同じ符号を付して図示し、その詳細な説明については適宜省略するものとする。
<Third embodiment>
A power semiconductor device according to the present embodiment and a method for manufacturing the power semiconductor device will be described. In the following description, the same components as those described in the above-described embodiment will be denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted as appropriate. .

<電力用半導体装置の構成について>
図16は、本実施の形態に関する電力用半導体装置の構造の例を概略的に示す断面図である。
<About the configuration of the power semiconductor device>
FIG. 16 is a sectional view schematically showing an example of the structure of the power semiconductor device according to the present embodiment.

図16に例が示されるように、電力用半導体装置1bは、金属膜7aと、セラミック板8と、金属膜7bと、接合層3と、半導体素子2と、放熱部材4aと、金属ワイヤー9と、放熱部材4bと、半導体素子2の下面に形成される、接合層3よりも熱伝導率が高い材料からなる放熱部材4cと、これらの構成を封止する封止材6とを備える。   As illustrated in FIG. 16, the power semiconductor device 1b includes a metal film 7a, a ceramic plate 8, a metal film 7b, a bonding layer 3, a semiconductor element 2, a heat dissipation member 4a, and a metal wire 9a. And a heat radiating member 4b, a heat radiating member 4c formed on the lower surface of the semiconductor element 2 and made of a material having a higher thermal conductivity than the bonding layer 3, and a sealing material 6 for sealing these components.

ここで、放熱部材4cは、平面視において、半導体素子2の無効領域に重なる位置に形成される。一方で、半導体素子2のセル領域に重なる位置には、接合層3が形成される。   Here, the heat dissipating member 4c is formed at a position overlapping the invalid area of the semiconductor element 2 in a plan view. On the other hand, the bonding layer 3 is formed at a position overlapping the cell region of the semiconductor element 2.

また、半導体素子2は、たとえば、ダイオードである。また、半導体素子2の無効領域には、たとえば、ポリイミド系の樹脂材料からなる絶縁性の保護膜123(図1を参照)が形成されている。また、接合層3は、たとえば、はんだである。また、封止材6は、たとえば、絶縁性を有するシリコーンゲルである。   The semiconductor element 2 is, for example, a diode. In addition, an insulative protective film 123 (see FIG. 1) made of, for example, a polyimide resin material is formed in the invalid region of the semiconductor element 2. The bonding layer 3 is, for example, solder. The sealing material 6 is, for example, an insulating silicone gel.

<電力用半導体装置の製造方法について>
次に、本実施の形態に関する電力用半導体装置の製造方法について、以下説明する。ここで、図17から図23は、本実施の形態に関する電力用半導体装置の製造方法を示す図である。
<About the manufacturing method of the power semiconductor device>
Next, a method for manufacturing the power semiconductor device according to the present embodiment will be described below. Here, FIGS. 17 to 23 are views showing a method of manufacturing the power semiconductor device according to the present embodiment.

まず、図17に例が示されるように、金属膜7aの上面に、セラミック板8を形成する。さらに、セラミック板8の上面に、金属膜7bを部分的に形成する。   First, as shown in FIG. 17, a ceramic plate 8 is formed on the upper surface of the metal film 7a. Further, the metal film 7b is partially formed on the upper surface of the ceramic plate 8.

次に、図17に例が示されるように、金属膜7bの上面に、放熱部材4cを部分的に形成する。ここで、放熱部材4cは、後の工程で配置される半導体素子2の無効領域と平面視において重なる位置に形成される。また、放熱部材4cは、図17に例が示されるように、周方向において間欠的に形成される。なお、図17における放熱部材4cは、それぞれの辺で2箇所ずつ欠如部分があるが、欠如部分の数および位置は、図26に示される場合に限られるものではない。   Next, as illustrated in FIG. 17, the heat radiation member 4c is partially formed on the upper surface of the metal film 7b. Here, the heat radiating member 4c is formed at a position overlapping with an ineffective area of the semiconductor element 2 to be arranged in a later step in plan view. The heat radiation member 4c is formed intermittently in the circumferential direction, as shown in an example in FIG. Note that the heat dissipation member 4c in FIG. 17 has two missing portions on each side, but the number and positions of the missing portions are not limited to those shown in FIG.

次に、図18に例が示されるように、金属膜7bの上面の、平面視において放熱部材4cに囲まれる領域において、接合層3を形成する。ここで、接合層3は、たとえば、板はんだである。さらに、図19に例が示されるように、接合層3の上面および放熱部材4cの上面に、半導体素子2を配置する。   Next, as shown in FIG. 18, the bonding layer 3 is formed on the upper surface of the metal film 7b in a region surrounded by the heat radiating member 4c in plan view. Here, the bonding layer 3 is, for example, a plate solder. Further, as shown in FIG. 19, the semiconductor element 2 is arranged on the upper surface of the bonding layer 3 and the upper surface of the heat radiating member 4c.

次に、図19に例が示されるように、半導体素子2と接合層3とを加熱することによって、半導体素子2と金属膜7bとを接合する。   Next, as shown in an example in FIG. 19, the semiconductor element 2 and the metal film 7b are joined by heating the semiconductor element 2 and the bonding layer 3.

次に、図20に例が示されるように、半導体素子2の無効領域に、放熱部材4aを配置する。そして、図21に例が示されるように、放熱部材4aの上面に、放熱部材4bを配置する。ここで、放熱部材4bは、半導体素子2とは離間して配置される。   Next, as shown in an example in FIG. 20, the heat radiating member 4a is arranged in the invalid area of the semiconductor element 2. Then, as shown in an example in FIG. 21, the heat radiating member 4b is arranged on the upper surface of the heat radiating member 4a. Here, the heat dissipating member 4 b is arranged apart from the semiconductor element 2.

次に、図22に例が示されるように、半導体素子2と、半導体素子2に大電流を流すための主回路との間で電気的導通を得るために、半導体素子2に接続される金属ワイヤー9を形成する。   Next, as shown in FIG. 22, a metal connected to the semiconductor element 2 in order to obtain electrical continuity between the semiconductor element 2 and a main circuit for flowing a large current through the semiconductor element 2. The wire 9 is formed.

次に、図23に例が示されるように、形成された上記の構造を覆う絶縁性の封止材6を形成することによって、本実施の形態に関する電力用半導体装置を製造する。   Next, as shown in an example in FIG. 23, a power semiconductor device according to the present embodiment is manufactured by forming an insulating sealing material 6 covering the formed structure.

なお、半導体素子2と金属膜7bとを接合する際に、加熱に伴って接合層3(すなわち、はんだ)が膨張する。そして、接合層3(すなわち、はんだ)の膨張によって半導体素子2が垂直方向に押し上げられると、半導体素子2の下面と放熱部材4cとが離間してしまう場合がある。そこで、これを防ぐために、放熱部材4cを周方向において間欠的に形成している。   When bonding the semiconductor element 2 and the metal film 7b, the bonding layer 3 (that is, solder) expands with heating. When the semiconductor element 2 is pushed up in the vertical direction by the expansion of the bonding layer 3 (that is, the solder), the lower surface of the semiconductor element 2 may be separated from the heat radiation member 4c. Therefore, in order to prevent this, the heat radiation member 4c is formed intermittently in the circumferential direction.

本実施の形態においては、半導体素子2の無効領域と封止材6との間に放熱部材4aおよび放熱部材4aよりも熱伝導率の高い放熱部材4bが介在している。そのため、半導体素子2の無効領域の放熱性を向上させることができる。そうすると、半導体素子2の無効領域が発熱することに起因して電力用半導体装置の絶縁信頼性が低下してしまうことを、抑制することができる。   In the present embodiment, a heat dissipating member 4a and a heat dissipating member 4b having higher thermal conductivity than the heat dissipating member 4a are interposed between the ineffective region of the semiconductor element 2 and the sealing material 6. Therefore, the heat dissipation of the ineffective region of the semiconductor element 2 can be improved. Then, it is possible to prevent the insulation reliability of the power semiconductor device from being lowered due to the generation of heat in the ineffective region of the semiconductor element 2.

接合層3よりも熱伝導率が高い材料からなる放熱部材4cを、半導体素子2の下面の、平面視において半導体素子2の無効領域に重なる位置に接触させて形成することによって、半導体素子2の無効領域の放熱性をさらに向上させることができる。そうすると、半導体素子2の個体差による寸法のばらつきがあっても、電力用半導体装置の絶縁信頼性が低下することを抑制することができる。   The heat dissipating member 4c made of a material having a higher thermal conductivity than the bonding layer 3 is formed in contact with the lower surface of the semiconductor element 2 at a position overlapping the ineffective area of the semiconductor element 2 in a plan view, so that the semiconductor element 2 The heat radiation of the ineffective region can be further improved. Then, even if there are variations in dimensions due to individual differences of the semiconductor elements 2, it is possible to suppress a decrease in insulation reliability of the power semiconductor device.

なお、接合層3の熱伝導率は、たとえば、40W/m・K以上、かつ、60W/m・K以下である。そして、放熱部材4cは、当該接合層3の熱伝導率よりも高い材料からなることが好ましい。放熱部材4cは、たとえば、金、銀または銅などの金属材料、窒化アルミニウムまたは窒化珪素などのセラミック材料、または、グラファイトシートなどで構成されることが好ましい。   Note that the thermal conductivity of the bonding layer 3 is, for example, 40 W / m · K or more and 60 W / m · K or less. It is preferable that the heat radiating member 4 c be made of a material having a higher thermal conductivity than the bonding layer 3. The heat dissipation member 4c is preferably made of, for example, a metal material such as gold, silver or copper, a ceramic material such as aluminum nitride or silicon nitride, or a graphite sheet.

なお、放熱部材4cが、半導体素子2の下面の、平面視において半導体素子2のセル領域に重なる位置にまで達して形成されると、半導体素子2の動作時の接触抵抗が増大してしまう。そうすると、半導体素子2のオン抵抗が上昇することとなるため、放熱部材4cが半導体素子2の下面の、平面視において半導体素子2のセル領域に重なる位置にまで達して形成されることは好ましくない。   If the heat radiating member 4c is formed to reach a position on the lower surface of the semiconductor element 2 that overlaps the cell region of the semiconductor element 2 in plan view, contact resistance during operation of the semiconductor element 2 increases. Then, the on-resistance of the semiconductor element 2 increases, so that it is not preferable that the heat radiation member 4c is formed to reach a position on the lower surface of the semiconductor element 2 that overlaps the cell region of the semiconductor element 2 in plan view. .

図24は、半導体素子の下面における、放熱部材の配置位置の例を示す断面図である。図24に例が示されるように、半導体素子2の無効領域102の、平面視における径方向の幅Dに対し、放熱部材4cは、半導体素子2の外周端面から径方向の幅dの範囲に形成されることが望ましい。ここで、幅Dは幅dよりも大きいものとし、かつ、幅Dと幅dとの差は小さいほどよい。   FIG. 24 is a cross-sectional view illustrating an example of an arrangement position of the heat radiation member on the lower surface of the semiconductor element. As shown in FIG. 24, the heat dissipating member 4 c has a width d in the radial direction from the outer peripheral end face of the semiconductor element 2 with respect to the radial width D of the ineffective region 102 of the semiconductor element 2 in plan view. Preferably, it is formed. Here, the width D is larger than the width d, and the smaller the difference between the width D and the width d, the better.

なお、本実施の形態においては、放熱部材4a、放熱部材4bおよび放熱部材4cが全て備えられた構成が示されたが、たとえば、放熱部材4bが備えられていなくてもよい。   In the present embodiment, a configuration in which all of the heat radiating members 4a, 4b, and 4c are provided is shown. However, for example, the heat radiating member 4b may not be provided.

<第4の実施の形態>
本実施の形態に関する電力用半導体装置、および、電力用半導体装置の製造方法について説明する。なお、以下の説明においては、以上に記載された実施の形態で説明された構成要素と同様の構成要素については同じ符号を付して図示し、その詳細な説明については適宜省略するものとする。
<Fourth embodiment>
A power semiconductor device according to the present embodiment and a method for manufacturing the power semiconductor device will be described. In the following description, the same components as those described in the above-described embodiment will be denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted as appropriate. .

<電力用半導体装置の構成について>
図25は、本実施の形態に関する電力用半導体装置の構造の例を概略的に示す断面図である。
<About the configuration of the power semiconductor device>
FIG. 25 is a sectional view schematically showing an example of the structure of the power semiconductor device according to the present embodiment.

図25に例が示されるように、電力用半導体装置1cは、金属膜7aと、セラミック板8と、金属膜7bと、接合層3と、半導体素子2と、放熱部材4aと、金属ワイヤー9と、放熱部材4bと、半導体素子2の下面に形成される、柔軟性を有する放熱部材4dと、放熱部材4dの下面に形成される、接合層3よりも熱伝導率が高い材料からなる放熱部材4cと、これらの構成を封止する封止材6とを備える。   As shown in FIG. 25, the power semiconductor device 1c includes a metal film 7a, a ceramic plate 8, a metal film 7b, a bonding layer 3, a semiconductor element 2, a heat radiating member 4a, and a metal wire 9a. , A heat radiating member 4b, a flexible heat radiating member 4d formed on the lower surface of the semiconductor element 2, and a heat radiating member formed on the lower surface of the heat radiating member 4d and having a higher thermal conductivity than the bonding layer 3. A member 4c and a sealing material 6 for sealing these components are provided.

ここで、放熱部材4dの熱伝導率は、放熱部材4cの熱伝導率よりも高い。半導体素子2の下面に接触する放熱部材4dが柔軟性を有することによって、半導体素子2と金属膜7bとを接合する際に生じる熱応力によってクラックが生じることを抑制することができる。   Here, the heat conductivity of the heat dissipation member 4d is higher than the heat conductivity of the heat dissipation member 4c. Since the heat dissipating member 4d in contact with the lower surface of the semiconductor element 2 has flexibility, it is possible to suppress the occurrence of cracks due to thermal stress generated when joining the semiconductor element 2 and the metal film 7b.

また、半導体素子2の無効領域には、たとえば、ポリイミド系の樹脂材料からなる絶縁性の保護膜123(図1を参照)が形成されている。また、接合層3は、たとえば、はんだである。また、封止材6は、たとえば、絶縁性を有するシリコーンゲルである。   In addition, an insulative protective film 123 (see FIG. 1) made of, for example, a polyimide resin material is formed in the invalid region of the semiconductor element 2. The bonding layer 3 is, for example, solder. The sealing material 6 is, for example, an insulating silicone gel.

ここで、放熱部材4dは、たとえば、厚さが30μmのグラファイトシートである。グラファイトシートは、400W/m・K以上の熱伝導率を有する材料であり、半導体素子2との間、および、放熱部材4cとの間の密着性を向上させつつ、当該箇所における熱抵抗を低減することができる。そのため、半導体素子2の無効領域における放熱性を向上させることができる。   Here, the heat radiation member 4d is, for example, a graphite sheet having a thickness of 30 μm. The graphite sheet is a material having a thermal conductivity of 400 W / m · K or more, and reduces the thermal resistance at the location while improving the adhesion between the semiconductor element 2 and the heat radiating member 4 c. can do. Therefore, heat dissipation in the ineffective region of the semiconductor element 2 can be improved.

なお、放熱部材4cの厚みと放熱部材4dの厚みとを合わせた厚みが接合層3の厚みよりも厚いと、半導体素子2と金属膜7bとの間の接合性が低下してしまう。そのため、放熱部材4cの厚みと放熱部材4dの厚みとを合わせた厚みは、接合層3の厚みよりも薄いことが望ましい。   If the combined thickness of the heat dissipating member 4c and the heat dissipating member 4d is greater than the thickness of the bonding layer 3, the bondability between the semiconductor element 2 and the metal film 7b is reduced. Therefore, it is desirable that the combined thickness of the heat radiating member 4 c and the heat radiating member 4 d be smaller than the thickness of the bonding layer 3.

また、放熱部材4dの柔軟性は、放熱部材4dの厚みが増加するに伴って低下する。そのため、本実施の形態において示されたように、放熱部材4cと、放熱部材4cよりも厚みが薄い放熱部材4dとを積層する構成とすることが望ましい。このように構成することによって、放熱部材4dの柔軟性を保ちつつ、放熱部材4cを合わせた放熱部材全体としては、接合層3の厚みに合わせて厚みを増加させることができる。   Further, the flexibility of the heat radiation member 4d decreases as the thickness of the heat radiation member 4d increases. Therefore, as shown in the present embodiment, it is desirable that the heat radiating member 4c and the heat radiating member 4d having a smaller thickness than the heat radiating member 4c be stacked. With this configuration, the overall thickness of the heat dissipating member including the heat dissipating member 4c can be increased in accordance with the thickness of the bonding layer 3 while maintaining the flexibility of the heat dissipating member 4d.

なお、放熱部材4cの厚みと放熱部材4dの厚みとを合わせた厚みは、たとえば、接合層の厚み±20μmとなるように構成することが望ましく、放熱部材4cの厚みと、放熱部材4dの厚みとを合わせた厚みは、たとえば、70μm以下である。   It is desirable that the combined thickness of the heat radiating member 4c and the heat radiating member 4d be, for example, the thickness of the joining layer ± 20 μm. The thickness of the heat radiating member 4c and the thickness of the heat radiating member 4d Is 70 μm or less, for example.

<電力用半導体装置の製造方法について>
次に、本実施の形態に関する電力用半導体装置の製造方法について、以下説明する。ここで、図26から図33は、本実施の形態に関する電力用半導体装置の製造方法を示す図である。
<About the manufacturing method of the power semiconductor device>
Next, a method for manufacturing the power semiconductor device according to the present embodiment will be described below. Here, FIGS. 26 to 33 are diagrams showing a method of manufacturing the power semiconductor device according to the present embodiment.

まず、図26に例が示されるように、金属膜7aの上面に、セラミック板8を形成する。さらに、セラミック板8の上面に、金属膜7bを部分的に形成する。   First, as shown in FIG. 26, the ceramic plate 8 is formed on the upper surface of the metal film 7a. Further, the metal film 7b is partially formed on the upper surface of the ceramic plate 8.

次に、図26に例が示されるように、金属膜7bの上面に、放熱部材4cを部分的に形成する。ここで、放熱部材4cは、後の工程で配置される半導体素子2の無効領域と平面視において重なる位置に形成される。また、放熱部材4cは、図26に例が示されるように、周方向において間欠的に形成される。なお、図26における放熱部材4cは、それぞれの辺で1箇所ずつ欠如部分があるが、欠如部分の数および位置は、図26に示される場合に限られるものではない。   Next, as shown in FIG. 26, the heat radiating member 4c is partially formed on the upper surface of the metal film 7b. Here, the heat radiating member 4c is formed at a position overlapping with an ineffective area of the semiconductor element 2 to be arranged in a later step in plan view. The heat radiation member 4c is formed intermittently in the circumferential direction, as shown in an example in FIG. The heat radiation member 4c in FIG. 26 has one missing portion on each side, but the number and position of the missing portions are not limited to the case shown in FIG.

次に、図27に例が示されるように、放熱部材4cの上面に、放熱部材4dを形成する。ここで、放熱部材4dは、周方向において連続して形成される。   Next, as shown in FIG. 27, a heat radiating member 4d is formed on the upper surface of the heat radiating member 4c. Here, the heat radiation member 4d is formed continuously in the circumferential direction.

次に、図28に例が示されるように、金属膜7bの上面の、平面視において放熱部材4cおよび放熱部材4dに囲まれる領域において、接合層3を形成する。ここで、接合層3は、たとえば、板はんだである。さらに、図29に例が示されるように、接合層3の上面および放熱部材4dの上面に、半導体素子2を配置する。   Next, as shown in FIG. 28, the bonding layer 3 is formed on the upper surface of the metal film 7b in a region surrounded by the heat radiating members 4c and 4d in plan view. Here, the bonding layer 3 is, for example, a plate solder. Further, as shown in FIG. 29, the semiconductor element 2 is arranged on the upper surface of the bonding layer 3 and the upper surface of the heat radiating member 4d.

次に、図29に例が示されるように、半導体素子2と接合層3とを加熱することによって、半導体素子2と金属膜7bとを接合する。   Next, as shown in FIG. 29, the semiconductor element 2 and the metal film 7b are joined by heating the semiconductor element 2 and the bonding layer 3.

次に、図30に例が示されるように、半導体素子2の無効領域に、放熱部材4aを配置する。そして、図31に例が示されるように、放熱部材4aの上面に、放熱部材4bを配置する。ここで、放熱部材4bは、半導体素子2とは離間して配置される。   Next, as shown in an example in FIG. 30, the heat radiating member 4 a is arranged in an invalid area of the semiconductor element 2. Then, as shown in FIG. 31, the heat radiating member 4b is arranged on the upper surface of the heat radiating member 4a. Here, the heat dissipating member 4 b is arranged apart from the semiconductor element 2.

次に、図32に例が示されるように、半導体素子2と、半導体素子2に大電流を流すための主回路との間で電気的導通を得るために、半導体素子2に接続される金属ワイヤー9を形成する。   Next, as shown in FIG. 32, in order to obtain electrical conduction between the semiconductor element 2 and a main circuit for flowing a large current through the semiconductor element 2, a metal connected to the semiconductor element 2 is used. The wire 9 is formed.

次に、図33に例が示されるように、形成された上記の構造を覆う絶縁性の封止材6を形成することによって、本実施の形態に関する電力用半導体装置を製造する。   Next, as shown in an example in FIG. 33, a power semiconductor device according to the present embodiment is manufactured by forming an insulating sealing material 6 covering the formed structure.

なお、放熱部材4aを半導体素子2の無効領域に配置する工程、および、放熱部材4bを放熱部材4aの上面に配置する工程は、必ずしも、半導体素子2を接合層3の上面および放熱部材4dの上面に配置する工程の後でなくてもよい。すなわち、半導体素子2の無効領域に放熱部材4aおよび放熱部材4bが配置された後で、半導体素子2が、接合層3の上面および放熱部材4dの上面に配置されてもよい。   In addition, the step of arranging the heat radiating member 4a in the ineffective region of the semiconductor element 2 and the step of arranging the heat radiating member 4b on the upper surface of the heat radiating member 4a are not necessarily limited to the step of arranging the semiconductor element 2 on the upper surface of the bonding layer 3 and the heat radiating member 4d. It does not have to be after the step of arranging on the upper surface. That is, the semiconductor element 2 may be arranged on the upper surface of the bonding layer 3 and the upper surface of the heat dissipation member 4d after the heat radiating members 4a and 4b are arranged in the ineffective area of the semiconductor element 2.

<第5の実施の形態>
本実施の形態に関する電力用半導体装置、および、電力用半導体装置の製造方法について説明する。なお、以下の説明においては、以上に記載された実施の形態で説明された構成要素と同様の構成要素については同じ符号を付して図示し、その詳細な説明については適宜省略するものとする。
<Fifth embodiment>
A power semiconductor device according to the present embodiment and a method for manufacturing the power semiconductor device will be described. In the following description, the same components as those described in the above-described embodiment will be denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted as appropriate. .

<電力用半導体装置の構成について>
図34は、本実施の形態に関する電力用半導体装置の構造の例を概略的に示す断面図である。
<About the configuration of the power semiconductor device>
FIG. 34 is a cross-sectional view schematically showing an example of the structure of the power semiconductor device according to the present embodiment.

図34に例が示されるように、電力用半導体装置1cは、金属膜7aと、セラミック板8と、金属膜7bと、接合層3と、半導体素子2と、放熱部材4aと、金属ワイヤー9と、放熱部材4bと、放熱部材4dと、放熱部材4cと、接着剤10と、これらの構成を封止する封止材6とを備える。   As shown in FIG. 34, the power semiconductor device 1c includes a metal film 7a, a ceramic plate 8, a metal film 7b, a bonding layer 3, a semiconductor element 2, a heat dissipation member 4a, and a metal wire 9a. And a heat dissipating member 4b, a heat dissipating member 4d, a heat dissipating member 4c, an adhesive 10, and a sealing material 6 for sealing these components.

ここで、接着剤10は、放熱部材4a、放熱部材4b、放熱部材4c、放熱部材4d、半導体素子2、および、金属膜7bに跨って形成され、かつ、これらの構成間の密着性を高める。接着剤10は、たとえば、加熱硬化型のシリコーン接着剤である。   Here, the adhesive 10 is formed across the heat radiating member 4a, the heat radiating member 4b, the heat radiating member 4c, the heat radiating member 4d, the semiconductor element 2, and the metal film 7b, and increases the adhesion between these components. . The adhesive 10 is, for example, a heat-curable silicone adhesive.

接着剤10は、放熱部材4bの上面、放熱部材4bの外周側の側面、放熱部材4aの外周側の側面、半導体素子2の側面、放熱部材4dの外周側の側面、放熱部材4cの外周側の側面、および、金属膜7bの上面に接触して形成されている。   The adhesive 10 is provided on the upper surface of the heat dissipating member 4b, the outer peripheral side surface of the heat dissipating member 4b, the outer peripheral side surface of the heat dissipating member 4a, the side surface of the semiconductor element 2, the outer peripheral side surface of the heat dissipating member 4d, and the outer peripheral side of the heat dissipating member 4c. And the upper surface of the metal film 7b.

このように、接着剤10によって放熱部材4a、放熱部材4b、放熱部材4c、放熱部材4d、半導体素子2、および、金属膜7bの間の密着性を向上させることによって、半導体素子2の無効領域における放熱性を、確実に向上させることができる。   As described above, by improving the adhesion between the heat radiating members 4a, 4b, 4c, 4d, the semiconductor element 2, and the metal film 7b by the adhesive 10, the ineffective area of the semiconductor element 2 is improved. Can reliably improve the heat radiation.

なお、接着剤10を有する構成は本実施の形態に限らず、第1の実施の形態、第2の実施の形態、第3の実施の形態、および、第4の実施の形態のうちのいずれかにおいて示された構成に適用されてもよい。   The configuration having the adhesive 10 is not limited to the present embodiment, and may be any one of the first embodiment, the second embodiment, the third embodiment, and the fourth embodiment. It may be applied to the configuration shown in FIG.

<電力用半導体装置の製造方法について>
次に、本実施の形態に関する電力用半導体装置の製造方法について、以下説明する。ここで、図35から図43は、本実施の形態に関する電力用半導体装置の製造方法を示す図である。
<About the manufacturing method of the power semiconductor device>
Next, a method for manufacturing the power semiconductor device according to the present embodiment will be described below. Here, FIGS. 35 to 43 are views showing a method for manufacturing the power semiconductor device according to the present embodiment.

まず、図35に例が示されるように、金属膜7aの上面に、セラミック板8を形成する。さらに、セラミック板8の上面に、金属膜7bを部分的に形成する。   First, as shown in FIG. 35, a ceramic plate 8 is formed on the upper surface of the metal film 7a. Further, the metal film 7b is partially formed on the upper surface of the ceramic plate 8.

次に、図35に例が示されるように、金属膜7bの上面に、放熱部材4cを部分的に形成する。ここで、放熱部材4cは、後の工程で配置される半導体素子2の無効領域と平面視において重なる位置に形成される。また、放熱部材4cは、図35に例が示されるように、周方向において間欠的に形成される。なお、図35における放熱部材4cは、それぞれの辺で1箇所ずつ欠如部分があるが、欠如部分の数および位置は、図35に示される場合に限られるものではない。   Next, as shown in FIG. 35, the heat radiation member 4c is partially formed on the upper surface of the metal film 7b. Here, the heat radiating member 4c is formed at a position overlapping with an ineffective area of the semiconductor element 2 to be arranged in a later step in plan view. The heat radiation member 4c is formed intermittently in the circumferential direction, as shown in an example in FIG. Although the heat radiating member 4c in FIG. 35 has one missing portion on each side, the number and positions of the missing portions are not limited to those shown in FIG.

次に、図36に例が示されるように、放熱部材4cの上面に、放熱部材4dを形成する。ここで、放熱部材4dは、周方向において連続して形成される。   Next, as shown in FIG. 36, a heat radiation member 4d is formed on the upper surface of the heat radiation member 4c. Here, the heat radiation member 4d is formed continuously in the circumferential direction.

次に、図37に例が示されるように、金属膜7bの上面の、平面視において放熱部材4cおよび放熱部材4dに囲まれる領域において、接合層3を形成する。ここで、接合層3は、たとえば、板はんだである。さらに、図38に例が示されるように、接合層3の上面および放熱部材4dの上面に、半導体素子2を配置する。   Next, as shown in FIG. 37, the bonding layer 3 is formed on the upper surface of the metal film 7b in a region surrounded by the heat radiating members 4c and 4d in plan view. Here, the bonding layer 3 is, for example, a plate solder. Further, as illustrated in FIG. 38, the semiconductor element 2 is disposed on the upper surface of the bonding layer 3 and the upper surface of the heat radiation member 4d.

次に、図38に例が示されるように、半導体素子2と接合層3とを加熱することによって、半導体素子2と金属膜7bとを接合する。   Next, as shown in FIG. 38, the semiconductor element 2 and the metal film 7b are joined by heating the semiconductor element 2 and the bonding layer 3.

次に、図39に例が示されるように、半導体素子2の無効領域に、放熱部材4aを配置する。そして、図40に例が示されるように、放熱部材4aの上面に、放熱部材4bを配置する。ここで、放熱部材4bは、半導体素子2とは離間して配置される。   Next, as shown in an example in FIG. 39, the heat radiating member 4a is arranged in the invalid area of the semiconductor element 2. Then, as shown in FIG. 40, the heat radiating member 4b is arranged on the upper surface of the heat radiating member 4a. Here, the heat dissipating member 4 b is arranged apart from the semiconductor element 2.

次に、図41に例が示されるように、放熱部材4bの上面、放熱部材4bの外周側の側面、放熱部材4aの外周側の側面、半導体素子2の側面、放熱部材4dの外周側の側面、放熱部材4cの外周側の側面、および、金属膜7bの上面に、接着剤10を塗布する。そして、接着剤10を加熱することによって、接着剤10を硬化させる。   Next, as shown in FIG. 41, the upper surface of the heat radiating member 4b, the outer side surface of the heat radiating member 4b, the outer side surface of the heat radiating member 4a, the side surface of the semiconductor element 2, and the outer surface of the heat radiating member 4d. The adhesive 10 is applied to the side surface, the outer peripheral side surface of the heat radiating member 4c, and the upper surface of the metal film 7b. Then, the adhesive 10 is cured by heating the adhesive 10.

次に、図42に例が示されるように、半導体素子2と、半導体素子2に大電流を流すための主回路との間で電気的導通を得るために、半導体素子2に接続される金属ワイヤー9を形成する。   Next, as shown in FIG. 42, in order to obtain electrical continuity between the semiconductor element 2 and a main circuit for flowing a large current through the semiconductor element 2, a metal connected to the semiconductor element 2 is used. The wire 9 is formed.

次に、図43に例が示されるように、形成された上記の構造を覆う絶縁性の封止材6を形成することによって、本実施の形態に関する電力用半導体装置を製造する。   Next, as shown in FIG. 43, the power semiconductor device according to the present embodiment is manufactured by forming an insulating sealing material 6 covering the formed structure.

このように、接着剤10によって放熱部材4a、放熱部材4b、放熱部材4c、放熱部材4d、半導体素子2、および、金属膜7bの間の密着性を向上させることによって、半導体素子2の無効領域における放熱性を、確実に向上させることができる。   As described above, by improving the adhesiveness between the heat radiating members 4a, 4b, 4c, 4d, the semiconductor element 2, and the metal film 7b by the adhesive 10, the ineffective area of the semiconductor element 2 is improved. Can reliably improve the heat radiation.

<第6の実施の形態>
本実施の形態に関する電力変換装置、および、電力変換装置の製造方法について説明する。以下の説明においては、以上に記載された実施の形態で説明された構成要素と同様の構成要素については同じ符号を付して図示し、その詳細な説明については適宜省略するものとする。
<Sixth Embodiment>
A power converter according to the present embodiment and a method for manufacturing the power converter will be described. In the following description, the same components as those described in the above-described embodiment will be denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be appropriately omitted.

<電力変換装置の構成について>
本実施の形態は、以上に記載された実施の形態に関する電力用半導体装置を電力変換装置に適用するものである。適用する電力変換装置は特定の用途のものに限定されるものではないが、以下では、三相のインバータに適用する場合について説明する。
<About the configuration of the power converter>
In the present embodiment, the power semiconductor device according to the embodiment described above is applied to a power converter. The power converter to be applied is not limited to a specific application, but a case where the power converter is applied to a three-phase inverter will be described below.

図44は、本実施の形態に関する電力変換装置を含む電力変換システムの構成の例を概念的に示す図である。   FIG. 44 is a diagram conceptually illustrating an example of the configuration of a power conversion system including the power conversion device according to the present embodiment.

図44に例が示されるように、電力変換システムは、電源100と、電力変換装置200と、負荷300とを備える。電源100は、直流電源であり、かつ、電力変換装置200に直流電力を供給する。電源100は種々のもので構成することが可能であり、たとえば、直流系統、太陽電池または蓄電池などで構成することができる。また、電源100は、交流系統に接続された整流回路またはAC−DCコンバータなどで構成することができる。また、電源100を、直流系統から出力される直流電力を所定の電力に変換するDC−DCコンバータによって構成することもできる。   As illustrated in FIG. 44, the power conversion system includes a power supply 100, a power conversion device 200, and a load 300. Power supply 100 is a DC power supply and supplies DC power to power conversion device 200. The power supply 100 can be composed of various types, and for example, can be composed of a DC system, a solar cell, a storage battery, or the like. Further, the power supply 100 can be configured by a rectifier circuit or an AC-DC converter connected to an AC system. Further, the power supply 100 may be configured by a DC-DC converter that converts DC power output from a DC system into predetermined power.

電力変換装置200は、電源100と負荷300との間に接続される三相のインバータである。電力変換装置200は、電源100から供給された直流電力を交流電力に変換し、さらに、負荷300に当該交流電力を供給する。   Power conversion device 200 is a three-phase inverter connected between power supply 100 and load 300. The power conversion device 200 converts the DC power supplied from the power supply 100 into AC power, and further supplies the AC power to the load 300.

また、電力変換装置200は、図44に例が示されるように、直流電力を交流電力に変換して出力する変換回路201と、変換回路201のそれぞれのスイッチング素子を駆動するための駆動信号を出力する駆動回路202と、駆動回路202を制御するための制御信号を駆動回路202に出力する制御回路203とを備える。   In addition, as shown in an example in FIG. 44, the power conversion device 200 converts a DC power into an AC power and outputs the converted power, and a driving signal for driving each switching element of the conversion circuit 201. The driving circuit 202 includes an output driving circuit 202 and a control circuit 203 that outputs a control signal for controlling the driving circuit 202 to the driving circuit 202.

負荷300は、電力変換装置200から供給された交流電力によって駆動される三相の電動機である。なお、負荷300は特定の用途に限られるものではなく、各種電気機器に搭載される電動機であり、たとえば、ハイブリッド自動車、電気自動車、鉄道車両、エレベーター、または、空調機器向けの電動機として用いられるものである。   Load 300 is a three-phase electric motor driven by AC power supplied from power conversion device 200. The load 300 is not limited to a specific application, but is a motor mounted on various electric devices, for example, a motor used for a hybrid vehicle, an electric vehicle, a railway vehicle, an elevator, or an air conditioner. It is.

以下、電力変換装置200の詳細を説明する。変換回路201は、スイッチング素子と還流ダイオードとを備える(ここでは、図示せず)。そして、スイッチング素子がスイッチング動作をすることによって、電源100から供給される直流電力を交流電力に変換し、さらに、負荷300に供給する。   Hereinafter, the details of the power conversion device 200 will be described. The conversion circuit 201 includes a switching element and a free wheel diode (not shown here). When the switching element performs a switching operation, the DC power supplied from the power supply 100 is converted into AC power, and is further supplied to the load 300.

変換回路201の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態に関する変換回路201は、2レベルの三相フルブリッジ回路であり、かつ、6つのスイッチング素子とそれぞれのスイッチング素子に逆並列に接続される6つの還流ダイオードとを備えるものである。   Although there are various specific circuit configurations of the conversion circuit 201, the conversion circuit 201 according to the present embodiment is a two-level three-phase full-bridge circuit, and includes six switching elements and each switching element. And six freewheel diodes connected in anti-parallel.

変換回路201におけるそれぞれのスイッチング素子とそれぞれの還流ダイオードの少なくとも一方には、以上に記載された実施の形態のいずれかにおける電力用半導体装置を適用する。6つのスイッチング素子は2つのスイッチング素子ごとに直列接続されて上下アームを構成し、それぞれの上下アームは、フルブリッジ回路の各相(すなわち、U相、V相およびW相)を構成する。そして、それぞれの上下アームの出力端子(すなわち、変換回路201の3つの出力端子)は、負荷300に接続される。   The power semiconductor device according to any of the embodiments described above is applied to at least one of each switching element and each freewheel diode in the conversion circuit 201. The six switching elements are connected in series every two switching elements to form upper and lower arms, and each upper and lower arm forms each phase (ie, U phase, V phase, and W phase) of the full bridge circuit. The output terminals of the upper and lower arms (that is, the three output terminals of the conversion circuit 201) are connected to the load 300.

駆動回路202は、変換回路201のスイッチング素子を駆動するための駆動信号を生成し、さらに、変換回路201のスイッチング素子の制御電極に当該駆動信号を供給する。具体的には、後述する制御回路203から出力される制御信号に基づいて、スイッチング素子をオン状態にする駆動信号とスイッチング素子をオフ状態にする駆動信号とをそれぞれのスイッチング素子の制御電極に出力する。   The drive circuit 202 generates a drive signal for driving a switching element of the conversion circuit 201, and supplies the drive signal to a control electrode of the switching element of the conversion circuit 201. Specifically, a drive signal for turning on the switching element and a drive signal for turning off the switching element are output to control electrodes of the respective switching elements based on a control signal output from a control circuit 203 described later. I do.

スイッチング素子をオン状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以上の電圧信号(すなわち、オン信号)であり、スイッチング素子をオフ状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以下の電圧信号(すなわち、オフ信号)となる。   When the switching element is maintained in the ON state, the drive signal is a voltage signal higher than the threshold voltage of the switching element (that is, ON signal). When the switching element is maintained in the OFF state, the drive signal is lower than the threshold voltage of the switching element. (That is, an off signal).

制御回路203は、負荷300に所望の電力が供給されるよう変換回路201のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷300に供給すべき電力に基づいて変換回路201のそれぞれのスイッチング素子がオン状態となるべき時間(すなわち、オン時間)を算出する。たとえば、出力すべき電圧に応じてスイッチング素子のオン時間を変調するPWM制御によって、変換回路201を制御することができる。   The control circuit 203 controls the switching elements of the conversion circuit 201 so that desired power is supplied to the load 300. Specifically, based on the power to be supplied to the load 300, the time during which each switching element of the conversion circuit 201 should be in the ON state (ie, the ON time) is calculated. For example, the conversion circuit 201 can be controlled by PWM control that modulates the on time of the switching element according to the voltage to be output.

そして、制御回路203は、それぞれの時点においてオン状態となるべきスイッチング素子にはオン信号が、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号がそれぞれ出力されるように、駆動回路202に制御指令(すなわち、制御信号)を出力する。駆動回路202は、当該制御信号に基づいて、それぞれのスイッチング素子の制御電極にオン信号またはオフ信号を駆動信号として出力する。   Then, the control circuit 203 issues a control command (to the drive circuit 202) such that an ON signal is output to the switching element to be turned on at each time and an OFF signal is output to the switching element to be turned off at each time. That is, a control signal is output. The drive circuit 202 outputs an ON signal or an OFF signal as a drive signal to a control electrode of each switching element based on the control signal.

本実施の形態に関する電力変換装置200では、変換回路201のスイッチング素子として以上に記載された実施の形態のいずれかにおける電力用半導体装置を適用するため、通電サイクルを経た後のオン抵抗を安定させることができる。   In the power conversion device 200 according to the present embodiment, since the power semiconductor device according to any of the above-described embodiments is applied as a switching element of the conversion circuit 201, the on-resistance after an energization cycle is stabilized. be able to.

なお、本実施の形態では、2レベルの三相インバータに以上に記載された実施の形態のいずれかにおける電力用半導体装置を適用する例が説明されたが、適用例はこれに限られるものではなく、種々の電力変換装置に以上に記載された実施の形態のいずれかにおける電力用半導体装置を適用することができる。   In this embodiment, an example is described in which the power semiconductor device according to any of the above-described embodiments is applied to a two-level three-phase inverter, but the application example is not limited to this. Instead, the power semiconductor device according to any of the embodiments described above can be applied to various power converters.

また、本実施の形態では、2レベルの電力変換装置について説明されたが、3レベルまたはマルチレベルの電力変換装置に以上に記載された実施の形態のいずれかにおける電力用半導体装置が適用されてもよい。また、単相負荷に電力を供給する場合には、単相のインバータに以上に記載された実施の形態のいずれかにおける電力用半導体装置が適用されてもよい。   Further, in the present embodiment, a two-level power converter has been described, but the power semiconductor device in any of the embodiments described above is applied to a three-level or multi-level power converter. Is also good. When power is supplied to a single-phase load, the power semiconductor device according to any of the above-described embodiments may be applied to a single-phase inverter.

また、直流負荷などに電力を供給する場合には、DC−DCコンバータまたはAC−DCコンバータに、以上に記載された実施の形態のいずれかにおける電力用半導体装置を適用することもできる。   When power is supplied to a DC load or the like, the power semiconductor device according to any of the above-described embodiments can be applied to a DC-DC converter or an AC-DC converter.

また、以上に記載された実施の形態のいずれかにおける電力用半導体装置が適用された電力変換装置は、上述された負荷が電動機である場合に限定されるものではなく、たとえば、放電加工機、レーザー加工機、誘導加熱調理器または非接触器給電システムの電源装置として用いることもできる。また、以上に記載された実施の形態のいずれかにおける電力用半導体装置が適用された電力変換装置は、太陽光発電システムまたは蓄電システムなどにおけるパワーコンディショナーとして用いることもできる。   Further, the power converter to which the power semiconductor device according to any of the embodiments described above is applied is not limited to the case where the load described above is an electric motor, for example, an electric discharge machine, It can also be used as a power supply for a laser processing machine, induction heating cooker or non-contact power supply system. A power converter to which the power semiconductor device according to any of the above-described embodiments is applied can also be used as a power conditioner in a solar power generation system, a power storage system, or the like.

<以上に記載された実施の形態によって生じる効果について>
次に、以上に記載された実施の形態によって生じる効果の例を示す。なお、以下の説明においては、以上に記載された実施の形態に例が示された具体的な構成に基づいて当該効果が記載されるが、同様の効果が生じる範囲で、本願明細書に例が示される他の具体的な構成と置き換えられてもよい。
<About the effect produced by the embodiment described above>
Next, examples of effects produced by the above-described embodiment will be described. In the following description, the effect is described based on the specific configuration whose example is shown in the above-described embodiment. May be replaced with another specific configuration shown.

また、当該置き換えは、複数の実施の形態に跨ってなされてもよい。すなわち、異なる実施の形態において例が示されたそれぞれの構成が組み合わされて、同様の効果が生じる場合であってもよい。   Further, the replacement may be performed over a plurality of embodiments. That is, a configuration in which the same effects are obtained by combining the respective configurations illustrated in the different embodiments may be employed.

以上に記載された実施の形態によれば、電力用半導体装置は、半導体素子2と、第1の上面放熱部材とを備える。ここで、第1の上面放熱部材は、たとえば、放熱部材4aに対応するものである。半導体素子2は、絶縁基板5の上面に接合層3を介して配置される。放熱部材4aは、半導体素子2の上面に部分的に形成される。そして、半導体素子2は、セル領域101と、平面視においてセル領域101を囲む無効領域102とを有する。また、放熱部材4aは、半導体素子2の無効領域102に対応する上面に形成される。   According to the embodiment described above, the power semiconductor device includes the semiconductor element 2 and the first upper surface heat radiation member. Here, the first upper surface heat dissipation member corresponds to, for example, the heat dissipation member 4a. The semiconductor element 2 is arranged on the upper surface of the insulating substrate 5 via the bonding layer 3. The heat radiating member 4 a is partially formed on the upper surface of the semiconductor element 2. The semiconductor element 2 has a cell region 101 and an invalid region 102 surrounding the cell region 101 in plan view. Further, the heat radiating member 4 a is formed on the upper surface corresponding to the invalid area 102 of the semiconductor element 2.

このような構成によれば、放熱部材によって半導体素子の無効領域における放熱性を向上させることができる。そのため、電力用半導体装置の絶縁信頼性の低下を抑制することができる。   According to such a configuration, heat dissipation in the ineffective region of the semiconductor element can be improved by the heat dissipation member. Therefore, a decrease in insulation reliability of the power semiconductor device can be suppressed.

なお、これらの構成以外の本願明細書に例が示される他の構成については適宜省略することができる。すなわち、少なくともこれらの構成を備えていれば、以上に記載された効果を生じさせることができる。   It should be noted that other configurations whose examples are described in the specification of the present application other than these configurations can be omitted as appropriate. That is, if at least these configurations are provided, the effects described above can be produced.

しかしながら、本願明細書に例が示される他の構成のうちの少なくとも1つを、以上に記載された構成に適宜追加した場合、すなわち、以上に記載された構成としては言及されなかった本願明細書に例が示される他の構成が適宜追加された場合であっても、同様の効果を生じさせることができる。   However, when at least one of the other configurations exemplified in the specification of the present application is appropriately added to the above-described configuration, that is, in the specification of the present application which is not mentioned as the above-described configuration. The same effects can be obtained even when other configurations as shown in FIG.

また、以上に記載された実施の形態によれば、放熱部材4aは、絶縁体である。このような構成によれば、放熱部材によって半導体素子の無効領域における放熱性を向上させることができる。そのため、電力用半導体装置の絶縁信頼性の低下を抑制することができる。   Further, according to the embodiment described above, the heat radiation member 4a is an insulator. According to such a configuration, heat dissipation in the ineffective region of the semiconductor element can be improved by the heat dissipation member. Therefore, a decrease in insulation reliability of the power semiconductor device can be suppressed.

また、以上に記載された実施の形態によれば、電力用半導体装置は、放熱部材4aの上面に形成される、導電性の第2の上面放熱部材を備える。ここで、第2の上面放熱部材は、たとえば、放熱部材4bに対応するものである。このような構成によれば、絶縁性の放熱部材4aを介して導電性の放熱部材4bが備えられることによって、半導体素子2のドレイン電極側にソース電極に対して高電圧が印加された場合であっても放電などの電気的短絡を生じさせずに、熱伝導率の高い放熱部材4bによって、半導体素子2の無効領域における放熱性が向上させることができる。よって、半導体素子2の個体差による寸法のばらつきがあっても、電力用半導体装置の絶縁信頼性が低下することを抑制することができる。   Further, according to the embodiment described above, the power semiconductor device includes the conductive second upper surface heat radiating member formed on the upper surface of heat radiating member 4a. Here, the second upper surface heat dissipation member corresponds to, for example, the heat dissipation member 4b. According to such a configuration, the conductive heat dissipating member 4b is provided via the insulating heat dissipating member 4a, so that when a high voltage is applied to the source electrode on the drain electrode side of the semiconductor element 2, Even if there is an electrical short circuit such as electric discharge, the heat dissipating member 4b having a high thermal conductivity can improve the heat dissipating property in the ineffective region of the semiconductor element 2. Therefore, even if there is a variation in dimensions due to individual differences of the semiconductor elements 2, it is possible to suppress a decrease in insulation reliability of the power semiconductor device.

また、以上に記載された実施の形態によれば、電力用半導体装置は、半導体素子2の下面に部分的に形成される第1の下面放熱部材を備える。ここで、第1の下面放熱部材は、たとえば、放熱部材4cに対応するものである。そして、半導体素子2のセル領域101に対応する下面は、接合層3を介して絶縁基板5の上面に接続される。また、半導体素子2の無効領域102に対応する下面は、放熱部材4cを介して絶縁基板5の上面に接続される。また、放熱部材4cの熱伝導率は、接合層3の熱伝導率よりも高い。このような構成によれば、接合層3よりも熱伝導率が高い材料からなる放熱部材4cを、半導体素子2の下面の、平面視において半導体素子2の無効領域に重なる位置に接触させて形成することによって、半導体素子2の無効領域の放熱性をさらに向上させることができる。そうすると、半導体素子2の個体差による寸法のばらつきがあっても、電力用半導体装置の絶縁信頼性が低下することを抑制することができる。   Further, according to the embodiment described above, the power semiconductor device includes the first lower surface heat radiation member partially formed on the lower surface of the semiconductor element 2. Here, the first lower surface heat radiating member corresponds to, for example, the heat radiating member 4c. The lower surface corresponding to the cell region 101 of the semiconductor element 2 is connected to the upper surface of the insulating substrate 5 via the bonding layer 3. The lower surface corresponding to the invalid region 102 of the semiconductor element 2 is connected to the upper surface of the insulating substrate 5 via the heat radiating member 4c. The heat conductivity of the heat radiating member 4 c is higher than the heat conductivity of the bonding layer 3. According to such a configuration, the heat radiating member 4c made of a material having a higher thermal conductivity than the bonding layer 3 is formed in contact with the lower surface of the semiconductor element 2 at a position overlapping the ineffective area of the semiconductor element 2 in plan view. By doing so, the heat dissipation of the ineffective region of the semiconductor element 2 can be further improved. Then, even if there are variations in dimensions due to individual differences of the semiconductor elements 2, it is possible to suppress a decrease in insulation reliability of the power semiconductor device.

また、以上に記載された実施の形態によれば、放熱部材4cは、周方向において間欠的に形成される。このような構成によれば、半導体素子2と金属膜7bとを接合する際に、加熱に伴って接合層3(すなわち、はんだ)が膨張した場合であっても、半導体素子2の下面と放熱部材4cとが離間することを防ぐことができる。   Further, according to the embodiment described above, the heat radiation member 4c is formed intermittently in the circumferential direction. According to such a configuration, when the semiconductor element 2 is bonded to the metal film 7b, even if the bonding layer 3 (that is, the solder) expands due to heating, the lower surface of the semiconductor element 2 and the heat radiation Separation from the member 4c can be prevented.

また、以上に記載された実施の形態によれば、平面視における放熱部材4cの径方向の幅dは、平面視における無効領域102の径方向の幅Dよりも小さい。このような構成によれば、放熱部材4cが、半導体素子2の下面の、平面視において半導体素子2のセル領域に重なる位置にまで達して形成されることが防がれるため、半導体素子2の動作時の接触抵抗が増大することを防ぐことができる。   Further, according to the embodiment described above, the radial width d of the heat radiation member 4c in plan view is smaller than the radial width D of the invalid region 102 in plan view. According to such a configuration, the heat radiation member 4c is prevented from reaching the position on the lower surface of the semiconductor element 2 that overlaps the cell region of the semiconductor element 2 in plan view. An increase in contact resistance during operation can be prevented.

また、以上に記載された実施の形態によれば、電力用半導体装置は、第2の下面放熱部材を備える。ここで、第2の下面放熱部材は、たとえば、放熱部材4dに対応するものである。放熱部材4dは、半導体素子2の下面に部分的に形成され、かつ、柔軟性を有する。また、放熱部材4cは、放熱部材4dを介して半導体素子2の下面に形成される。このような構成によれば、放熱部材4dと半導体素子2との間、および、放熱部材4dと放熱部材4cとの間の密着性を向上させつつ、当該箇所における熱抵抗を低減することができる。そのため、半導体素子2の無効領域における放熱性を向上させることができる。また、放熱部材4dの柔軟性を保ちつつ、放熱部材4cを合わせた放熱部材全体としては、接合層3の厚みに合わせて厚みを増加させることができる。   Further, according to the embodiment described above, the power semiconductor device includes the second lower surface heat radiation member. Here, the second lower surface heat radiating member corresponds to, for example, the heat radiating member 4d. The heat radiation member 4d is partially formed on the lower surface of the semiconductor element 2 and has flexibility. The heat radiating member 4c is formed on the lower surface of the semiconductor element 2 via the heat radiating member 4d. According to such a configuration, it is possible to improve the adhesion between the heat radiating member 4d and the semiconductor element 2 and between the heat radiating member 4d and the heat radiating member 4c, and to reduce the thermal resistance at the relevant portion. . Therefore, heat dissipation in the ineffective region of the semiconductor element 2 can be improved. Moreover, the thickness of the entire heat dissipating member including the heat dissipating member 4c can be increased in accordance with the thickness of the bonding layer 3 while maintaining the flexibility of the heat dissipating member 4d.

また、以上に記載された実施の形態によれば、放熱部材4cの厚みと、放熱部材4dの厚みとを合わせた厚みが、70μm以下である。このような構成によれば、放熱部材4dの柔軟性を保ちつつ、放熱部材4cを合わせた放熱部材全体としては、接合層3の厚みに合わせて厚みを増加させることができる。   According to the above-described embodiment, the total thickness of the heat radiating member 4c and the heat radiating member 4d is 70 μm or less. According to such a configuration, the thickness of the entire heat dissipating member including the heat dissipating member 4c can be increased in accordance with the thickness of the bonding layer 3 while maintaining the flexibility of the heat dissipating member 4d.

また、以上に記載された実施の形態によれば、電力用半導体装置は、少なくとも、半導体素子2と、放熱部材4aとに跨って形成される接着剤10を備える。このような構成によれば、接着剤10によって半導体素子2、放熱部材4a、さらには、放熱部材4b、放熱部材4c、放熱部材4d、および、金属膜7bの間の密着性を向上させることによって、半導体素子2の無効領域における放熱性を、確実に向上させることができる。   Further, according to the embodiment described above, the power semiconductor device includes at least the adhesive 10 formed over the semiconductor element 2 and the heat dissipation member 4a. According to such a configuration, by improving the adhesiveness between the semiconductor element 2, the heat radiating member 4a, the heat radiating member 4b, the heat radiating member 4c, the heat radiating member 4d, and the metal film 7b by the adhesive 10, In addition, heat dissipation in the ineffective region of the semiconductor element 2 can be reliably improved.

また、以上に記載された実施の形態によれば、電力変換装置は、上記の電力用半導体装置を有し、かつ、入力される電力を変換して出力する変換回路201と、電力用半導体装置を駆動するための駆動信号を電力用半導体装置に出力する駆動回路202と、駆動回路202を制御するための制御信号を駆動回路202に出力する制御回路203とを備える。このような構成によれば、放熱部材によって半導体素子の無効領域における放熱性を向上させることができる。   Further, according to the embodiment described above, a power converter includes the power semiconductor device described above, and further includes a conversion circuit 201 that converts input power and outputs the power, and a power semiconductor device. A driving circuit 202 for outputting a driving signal for driving the driving circuit 202 to the power semiconductor device, and a control circuit 203 for outputting a control signal for controlling the driving circuit 202 to the driving circuit 202. According to such a configuration, heat dissipation in the ineffective region of the semiconductor element can be improved by the heat dissipation member.

以上に記載された実施の形態によれば、電力用半導体装置の製造方法において、絶縁基板5の上面に、接合層3を介して半導体素子2を配置する。そして、半導体素子2の上面に、放熱部材4aを部分的に形成する。そして、半導体素子2は、セル領域101と、平面視においてセル領域101を囲む無効領域102とを有する。そして、放熱部材4aは、半導体素子2の無効領域102に対応する上面に形成される。   According to the embodiment described above, in the method for manufacturing a power semiconductor device, the semiconductor element 2 is disposed on the upper surface of the insulating substrate 5 with the bonding layer 3 interposed therebetween. Then, the heat radiation member 4 a is partially formed on the upper surface of the semiconductor element 2. The semiconductor element 2 has a cell region 101 and an invalid region 102 surrounding the cell region 101 in plan view. Then, the heat radiating member 4 a is formed on the upper surface corresponding to the invalid area 102 of the semiconductor element 2.

このような構成によれば、放熱部材によって半導体素子の無効領域における放熱性を向上させることができる。そのため、電力用半導体装置の絶縁信頼性の低下を抑制することができる。   According to such a configuration, heat dissipation in the ineffective region of the semiconductor element can be improved by the heat dissipation member. Therefore, a decrease in insulation reliability of the power semiconductor device can be suppressed.

なお、これらの構成以外の本願明細書に例が示される他の構成については適宜省略することができる。すなわち、少なくともこれらの構成を備えていれば、以上に記載された効果を生じさせることができる。   It should be noted that other configurations whose examples are described in the specification of the present application other than these configurations can be omitted as appropriate. That is, if at least these configurations are provided, the effects described above can be produced.

しかしながら、本願明細書に例が示される他の構成のうちの少なくとも1つを、以上に記載された構成に適宜追加した場合、すなわち、以上に記載された構成としては言及されなかった本願明細書に例が示される他の構成が適宜追加された場合であっても、同様の効果を生じさせることができる。   However, when at least one of the other configurations exemplified in the specification of the present application is appropriately added to the above-described configuration, that is, in the specification of the present application which is not mentioned as the above-described configuration. The same effects can be obtained even when other configurations as shown in FIG.

また、特段の制限がない場合には、それぞれの処理が行われる順序は変更することができる。   If there is no particular limitation, the order in which the processes are performed can be changed.

また、以上に記載された実施の形態によれば、電力用半導体装置の製造方法における、半導体素子2の、絶縁基板5の上面における配置として、絶縁基板5の無効領域102に対応する上面に、接合層3よりも熱伝導率が高い放熱部材4cを形成する。そして、絶縁基板5の上面における放熱部材4cに囲まれた領域に、接合層3を形成する。そして、半導体素子2のセル領域101を接合層3の上面に配置し、かつ、半導体素子2の無効領域102を放熱部材4cの上面に配置する。このような構成によれば、接合層3よりも熱伝導率が高い材料からなる放熱部材4cを、半導体素子2の下面の、平面視において半導体素子2の無効領域に重なる位置に接触させて形成することによって、半導体素子2の無効領域の放熱性をさらに向上させることができる。   Further, according to the embodiment described above, in the method of manufacturing the power semiconductor device, the semiconductor element 2 is disposed on the upper surface of the insulating substrate 5 so as to be disposed on the upper surface corresponding to the invalid region 102 of the insulating substrate 5. The heat radiating member 4c having a higher thermal conductivity than the bonding layer 3 is formed. Then, the bonding layer 3 is formed in a region surrounded by the heat radiation member 4c on the upper surface of the insulating substrate 5. Then, the cell region 101 of the semiconductor element 2 is disposed on the upper surface of the bonding layer 3, and the invalid region 102 of the semiconductor element 2 is disposed on the upper surface of the heat radiation member 4c. According to such a configuration, the heat radiating member 4c made of a material having a higher thermal conductivity than the bonding layer 3 is formed in contact with the lower surface of the semiconductor element 2 at a position overlapping the ineffective area of the semiconductor element 2 in plan view. By doing so, the heat dissipation of the ineffective region of the semiconductor element 2 can be further improved.

また、以上に記載された実施の形態によれば、電力変換装置の製造方法において、上記の製造方法で製造される電力用半導体装置を有し、かつ、入力される電力を変換して出力する変換回路201を設ける。そして、電力用半導体装置を駆動するための駆動信号を電力用半導体装置に出力する駆動回路202を設ける。そして、駆動回路202を制御するための制御信号を駆動回路202に出力する制御回路203を設ける。このような構成によれば、放熱部材によって半導体素子の無効領域における放熱性を向上させることができる。   According to the above-described embodiment, in a method for manufacturing a power converter, the method includes a power semiconductor device manufactured by the above manufacturing method, and converts input power and outputs the converted power. A conversion circuit 201 is provided. Then, a driving circuit 202 for outputting a driving signal for driving the power semiconductor device to the power semiconductor device is provided. Further, a control circuit 203 for outputting a control signal for controlling the driving circuit 202 to the driving circuit 202 is provided. According to such a configuration, heat dissipation in the ineffective region of the semiconductor element can be improved by the heat dissipation member.

<以上に記載された実施の形態における変形例について>
以上に記載された実施の形態では、それぞれの構成要素の材質、材料、寸法、形状、相対的配置関係または実施の条件などについても記載する場合があるが、これらはすべての局面においてひとつの例であって、本願明細書に記載されたものに限られることはないものとする。
<Modifications of the above-described embodiment>
In the embodiments described above, the materials, materials, dimensions, shapes, relative arrangement relations, or implementation conditions of the respective constituent elements may be described. However, these are one example in all aspects. , And is not limited to those described in the specification of the present application.

したがって、例が示されていない無数の変形例、および、均等物が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。たとえば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも1つの実施の形態における少なくとも1つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。   Thus, innumerable variations and equivalents, not shown, are envisioned within the scope of the techniques disclosed herein. For example, when modifying, adding, or omitting at least one component, further extracting at least one component in at least one embodiment, and combining it with components in other embodiments. Shall be included.

また、矛盾が生じない限り、以上に記載された実施の形態において「1つ」備えられるものとして記載された構成要素は、「1つ以上」備えられていてもよいものとする。   Unless inconsistency arises, "one or more" of the components described as "one" provided in the above-described embodiment may be provided.

さらに、以上に記載された実施の形態におけるそれぞれの構成要素は概念的な単位であって、本願明細書に開示される技術の範囲内には、1つの構成要素が複数の構造物から成る場合と、1つの構成要素がある構造物の一部に対応する場合と、さらには、複数の構成要素が1つの構造物に備えられる場合とを含むものとする。   Further, each component in the above-described embodiment is a conceptual unit, and one component includes a plurality of structures within the scope of the technology disclosed in this specification. And a case where one component corresponds to a part of a structure, and a case where a plurality of components are provided in one structure.

また、以上に記載された実施の形態におけるそれぞれの構成要素には、同一の機能を発揮する限り、他の構造または形状を有する構造物が含まれるものとする。   In addition, each component in the above-described embodiments includes a structure having another structure or shape as long as the same function is exhibited.

また、本願明細書における説明は、本技術に関するすべての目的のために参照され、いずれも、従来技術であると認めるものではない。   Further, the description in the specification of the present application is referred to for all purposes related to the present technology, and none of them is admitted to be prior art.

また、以上に記載された実施の形態において、特に指定されずに材料名などが記載された場合は、矛盾が生じない限り、当該材料に他の添加物が含まれた、たとえば、合金などが含まれるものとする。   In addition, in the embodiments described above, when a material name or the like is described without particular designation, unless there is a contradiction, the material includes other additives, such as an alloy. Shall be included.

1,1a,1b,1c 電力用半導体装置、2 半導体素子、3 接合層、4a,4b,4c,4d 放熱部材、5 絶縁基板、6 封止材、7a,7b 金属膜、8 セラミック板、9 金属ワイヤー、10 接着剤、100 電源、101 セル領域、102 無効領域、110 n−型の半導体層、111,121 p−型の半導体層、112,122 n+型の半導体層、113 p+型の半導体層、114 ゲート酸化膜、115 ゲート電極、116 絶縁膜、117 エミッタ電極、123 保護膜、200 電力変換装置、201 変換回路、202 駆動回路、203 制御回路、300 負荷。   1, 1a, 1b, 1c Power semiconductor device, 2 semiconductor element, 3 bonding layer, 4a, 4b, 4c, 4d Heat radiating member, 5 insulating substrate, 6 sealing material, 7a, 7b metal film, 8 ceramic plate, 9 Metal wire, 10 adhesive, 100 power supply, 101 cell region, 102 invalid region, 110 n− type semiconductor layer, 111, 121 p− type semiconductor layer, 112, 122 n + type semiconductor layer, 113 p + type semiconductor Layers, 114 gate oxide film, 115 gate electrode, 116 insulating film, 117 emitter electrode, 123 protective film, 200 power conversion device, 201 conversion circuit, 202 drive circuit, 203 control circuit, 300 load.

Claims (13)

絶縁基板の上面に接合層を介して配置される半導体素子と、
前記半導体素子の上面に部分的に形成される第1の上面放熱部材とを備え、
前記半導体素子は、セル領域と、平面視において前記セル領域を囲む無効領域とを有し、
前記第1の上面放熱部材は、前記半導体素子の前記無効領域に対応する上面に形成される、
電力用半導体装置。
A semiconductor element arranged on the upper surface of the insulating substrate via a bonding layer,
A first upper surface heat radiation member partially formed on the upper surface of the semiconductor element,
The semiconductor element has a cell region and an ineffective region surrounding the cell region in plan view,
The first upper surface heat radiation member is formed on an upper surface corresponding to the invalid region of the semiconductor element.
Power semiconductor device.
前記第1の上面放熱部材は、絶縁体である、
請求項1に記載の電力用半導体装置。
The first upper surface heat dissipation member is an insulator.
The power semiconductor device according to claim 1.
前記第1の上面放熱部材の上面に形成される、導電性の第2の上面放熱部材をさらに備える、
請求項2に記載の電力用半導体装置。
Further comprising a conductive second upper surface heat radiating member formed on the upper surface of the first upper surface heat radiating member;
The power semiconductor device according to claim 2.
前記半導体素子の下面に部分的に形成される第1の下面放熱部材をさらに備え、
前記半導体素子の前記セル領域に対応する下面は、前記接合層を介して前記絶縁基板の上面に接続され、
前記半導体素子の前記無効領域に対応する下面は、前記第1の下面放熱部材を介して前記絶縁基板の上面に接続され、
前記第1の下面放熱部材の熱伝導率は、前記接合層の熱伝導率よりも高い、
請求項1から請求項3のうちのいずれか1項に記載の電力用半導体装置。
A first lower surface heat radiation member partially formed on a lower surface of the semiconductor element;
A lower surface corresponding to the cell region of the semiconductor element is connected to an upper surface of the insulating substrate via the bonding layer,
A lower surface corresponding to the invalid region of the semiconductor element is connected to an upper surface of the insulating substrate via the first lower surface heat radiation member,
The thermal conductivity of the first lower surface heat dissipation member is higher than the thermal conductivity of the bonding layer.
The power semiconductor device according to any one of claims 1 to 3.
前記第1の下面放熱部材は、周方向において間欠的に形成される、
請求項4に記載の電力用半導体装置。
The first lower surface heat dissipation member is formed intermittently in a circumferential direction.
The power semiconductor device according to claim 4.
平面視における前記第1の下面放熱部材の径方向の幅は、平面視における前記無効領域の径方向の幅よりも小さい、
請求項4または請求項5に記載の電力用半導体装置。
The radial width of the first lower surface heat dissipation member in plan view is smaller than the radial width of the ineffective area in plan view.
The power semiconductor device according to claim 4.
前記半導体素子の下面に部分的に形成され、かつ、柔軟性を有する第2の下面放熱部材をさらに備え、
前記第1の下面放熱部材は、前記第2の下面放熱部材を介して前記半導体素子の下面に形成される、
請求項4から請求項6のうちのいずれか1項に記載の電力用半導体装置。
A second lower surface heat radiation member partially formed on the lower surface of the semiconductor element and having flexibility;
The first lower surface heat dissipation member is formed on the lower surface of the semiconductor element via the second lower surface heat dissipation member.
The power semiconductor device according to any one of claims 4 to 6.
前記第1の下面放熱部材の厚みと、前記第2の下面放熱部材の厚みとを合わせた厚みが、70μm以下である、
請求項7に記載の電力用半導体装置。
The total thickness of the thickness of the first lower surface heat dissipation member and the thickness of the second lower surface heat dissipation member is 70 μm or less.
A power semiconductor device according to claim 7.
少なくとも、前記半導体素子と、前記第1の上面放熱部材とに跨って形成される接着剤をさらに備える、
請求項1から請求項8のうちのいずれか1項に記載の電力用半導体装置。
At least, further comprising an adhesive formed over the semiconductor element and the first upper surface heat dissipation member,
The power semiconductor device according to any one of claims 1 to 8.
請求項1から請求項9のうちのいずれか1項に記載の電力用半導体装置を有し、かつ、入力される電力を変換して出力する変換回路と、
前記電力用半導体装置を駆動するための駆動信号を前記電力用半導体装置に出力する駆動回路と、
前記駆動回路を制御するための制御信号を前記駆動回路に出力する制御回路とを備える、
電力変換装置。
A conversion circuit, comprising: the power semiconductor device according to claim 1, wherein the conversion circuit converts input power and outputs the power.
A drive circuit that outputs a drive signal for driving the power semiconductor device to the power semiconductor device;
A control circuit for outputting a control signal for controlling the drive circuit to the drive circuit,
Power converter.
絶縁基板の上面に、接合層を介して半導体素子を配置し、
前記半導体素子の上面に、第1の上面放熱部材を部分的に形成し、
前記半導体素子は、セル領域と、平面視において前記セル領域を囲む無効領域とを有し、
前記第1の上面放熱部材は、前記半導体素子の前記無効領域に対応する上面に形成される、
電力用半導体装置の製造方法。
A semiconductor element is arranged on the upper surface of the insulating substrate via a bonding layer,
Forming a first upper surface heat radiation member partially on the upper surface of the semiconductor element;
The semiconductor element has a cell region and an ineffective region surrounding the cell region in plan view,
The first upper surface heat radiation member is formed on an upper surface corresponding to the invalid region of the semiconductor element.
A method for manufacturing a power semiconductor device.
前記半導体素子の、前記絶縁基板の上面における配置として、
前記絶縁基板の前記無効領域に対応する上面に、前記接合層よりも熱伝導率が高い第1の下面放熱部材を形成し、
前記絶縁基板の上面における前記第1の下面放熱部材に囲まれた領域に、前記接合層を形成し、
前記半導体素子の前記セル領域を前記接合層の上面に配置し、かつ、前記半導体素子の前記無効領域を前記第1の下面放熱部材の上面に配置する、
請求項11に記載の電力用半導体装置の製造方法。
As the arrangement of the semiconductor element on the upper surface of the insulating substrate,
Forming a first lower surface heat radiation member having a higher thermal conductivity than the bonding layer on an upper surface corresponding to the ineffective region of the insulating substrate;
Forming the bonding layer in a region of the upper surface of the insulating substrate surrounded by the first lower surface heat dissipation member;
Arranging the cell region of the semiconductor element on an upper surface of the bonding layer, and arranging the invalid region of the semiconductor element on an upper surface of the first lower surface heat dissipation member;
A method for manufacturing a power semiconductor device according to claim 11.
請求項11または請求項12に記載の製造方法で製造される電力用半導体装置を有し、かつ、入力される電力を変換して出力する変換回路を設け、
前記電力用半導体装置を駆動するための駆動信号を前記電力用半導体装置に出力する駆動回路を設け、
前記駆動回路を制御するための制御信号を前記駆動回路に出力する制御回路を設ける、
電力変換装置の製造方法。
A power supply semiconductor device manufactured by the manufacturing method according to claim 11 or 12, and a conversion circuit that converts input power and outputs the converted power,
Providing a drive circuit that outputs a drive signal for driving the power semiconductor device to the power semiconductor device,
Providing a control circuit for outputting a control signal for controlling the drive circuit to the drive circuit,
A method for manufacturing a power converter.
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