JP2021111669A

JP2021111669A - 半導体装置および電力変換装置

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Publication number: JP2021111669A
Application number: JP2020001356A
Authority: JP
Inventors: 貢田中; Mitsugu Tanaka
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-01-08
Filing date: 2020-01-08
Publication date: 2021-08-02

Abstract

【課題】樹脂ケースの厚みが薄い場合にも、封止樹脂の漏れと絶縁不良の発生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。【解決手段】半導体装置２０２は、金属ベース７と、金属ベース７の上面における周縁部を除く領域に配置された絶縁基板４と、絶縁基板４の上面に搭載された半導体素子５と、金属ベース７の上面における周縁部に接着剤２により接着され、半導体素子５の側面を囲繞する樹脂ケース１と、樹脂ケース１内に充填され、半導体素子５を封止する封止樹脂６とを備えている。金属ベース７の上面における周縁部に接着剤２が充填される溝部１１が形成されている。【選択図】図１

Description

本開示は、半導体装置およびこれを備えた電力変換装置に関するものである。

半導体装置では、金属ベースの上面における周縁部を除く領域に絶縁基板が配置され、絶縁基板の上面にＩＧＢＴなどの半導体素子が搭載されている。金属ベースの上面における周縁部に樹脂ケースが接着剤により接着された後、樹脂ケース内に封止樹脂が充填されている。

接着剤による樹脂ケースの金属ベースへの接着時にフィレットを形成することで、金属ベースと樹脂ケースとを強固に接着し、金属ベースと樹脂ケースとの間から封止樹脂が漏れることを抑制している。

しかし、接着剤の塗布量がばらつくとフィレットサイズが異なる。例えば、フィレットサイズが大きい場合、接着剤と封止樹脂との界面が剥離しやすくなり、この部分が起点となり封止樹脂にクラックが生じる。クラックが絶縁基板に到達すると絶縁基板の表面と封止樹脂との密着が剥がれて空間を生じるため絶縁耐量が低下し、絶縁不良が発生するという問題があった。

例えば特許文献１には、金属ベースに対向する樹脂ケースの接合面に接着剤塗布溝とこれに隣接する流出接着剤収容溝が形成された半導体装置が開示されている。流出接着剤収容溝に余剰分の接着剤を収容することで、樹脂ケースと金属ベースとの十分な接合強度を確保しつつ、接合部からの接着剤のはみ出しを抑制している。

特開２０１２−１５３４９号公報

しかしながら、樹脂ケースの厚みが薄い場合は、余剰分の接着剤を収容するための溝部を形成するスペースがないため、上記の問題を解消することはできなかった。

そこで、本開示は、樹脂ケースの厚みが薄い場合にも、封止樹脂の漏れと絶縁不良の発生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。

本開示に係る半導体装置は、金属ベースと、前記金属ベースの上面における周縁部を除く領域に配置された絶縁基板と、前記絶縁基板の上面に搭載された半導体素子と、前記金属ベースの上面における前記周縁部に接着剤により接着され、前記半導体素子の側面を囲繞する樹脂ケースと、前記樹脂ケース内に充填され、前記半導体素子を封止する封止樹脂とを備え、前記金属ベースの上面における前記周縁部に前記接着剤が充填される溝部が形成されたものである。

本開示によれば、溝部に接着剤が留まることで、フィレットが形成されず接着剤が封止樹脂に接触しないため、接着剤と封止樹脂との界面で剥離が発生し封止樹脂にクラックが発生することを抑制できる。これにより、封止樹脂の漏れと絶縁不良の発生を抑制することができる。さらに、樹脂ケースに溝部を形成する必要がないため、樹脂ケースの厚みが薄い場合にも、上記の効果が得られる。

実施の形態１に係る半導体装置の断面図である。実施の形態２に係る半導体装置の断面図である。実施の形態３に係る電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。

＜実施の形態１＞
実施の形態１について、図面を用いて以下に説明する。図１は、実施の形態１に係る半導体装置２０２の断面図である。

図１に示すように、半導体装置２０２は、金属ベース７、絶縁基板４、半導体素子５、樹脂ケース１、および封止樹脂６を備えている。

金属ベース７は、アルミニウムなどの金属材料を用いて形成された放熱部材であり、板状部８、側壁部９、および複数のフィン１０を備えている。

板状部８は平面視にて矩形状の平板である。側壁部９は、板状部８の上面における周縁部の全周に渡って立設されている。側壁部９の上端部には、側壁部９と樹脂ケース１とを接着するための接着剤２が充填される溝部１１が形成されている。側壁部９の上面に溝部１１が形成可能なように、例えば側壁部９の厚みは７ｍｍ以上である。なお、溝部１１の詳細については後述する。複数のフィン１０は、上下方向に延びる形状であり、板状部８の下面に所定の間隔をあけて設けられている。

絶縁基板４は、セラミックを用いて形成され、金属ベース７の上面における周縁部を除く領域に固定されている。具体的には、絶縁基板４は金属ベース７の板状部８の上面に固定されている。

半導体素子５はＩＧＢＴなどであり、絶縁基板４の上面に搭載されている。具体的には、半導体素子５は、絶縁基板４の上面に形成された回路パターン４ａの上面にはんだ５ａを介して接合されている。なお、図１では半導体素子５は３つ搭載されているが、半導体素子５の個数はこれに限定されない。

樹脂ケース１は、平面視にて矩形枠状であり、金属ベース７の上面における周縁部に接着剤２にて接着されている。具体的には、樹脂ケース１は、金属ベース７における側壁部９の上面の全周に渡って接着剤２にて接着されている。また、樹脂ケース１の厚みは５ｍｍ以下であり側壁部９の厚みよりも薄くなっている。このように樹脂ケース１の厚みが薄いため、樹脂ケース１に溝部を形成することは難しい。そのため、実施の形態１では、溝部１１は金属ベース７の側壁部９に形成されている。

封止樹脂６は、金属ベース７の側壁部９と樹脂ケース１とで規定される空間に充填されており、絶縁基板４および半導体素子５を封止している。

次に、金属ベース７の側壁部９に形成された溝部１１について説明する。溝部１１は、側壁部９の上面の全周に渡って形成されている。具体的には、溝部１１は、樹脂ケース１の下面における幅方向中央部に対向する箇所に形成されている。溝部１１には、側壁部９と樹脂ケース１とを接着するための接着剤２が充填されている。例えば、溝部１１の幅は２ｍｍ以上３ｍｍ以下であり、深さは１ｍｍ以上２ｍｍ以下である。溝部１１に充填される接着剤２は、側壁部９と樹脂ケース１とを接着するために必要な量であり、かつ、溝部１１に収容可能な量だけ供給されており、溝部１１からはみ出さないようになっている。

以上のように、実施の形態１に係る半導体装置２０２は、金属ベース７と、金属ベース７の上面における周縁部を除く領域に配置された絶縁基板４と、絶縁基板４の上面に搭載された半導体素子５と、金属ベース７の上面における周縁部に接着剤２により接着され、半導体素子５の側面を囲繞する樹脂ケース１と、樹脂ケース１内に充填され、半導体素子５を封止する封止樹脂６とを備え、金属ベース７の上面における周縁部に接着剤２が充填される溝部１１が形成されている。

したがって、溝部１１に接着剤２が留まることで、フィレットが形成されず接着剤２が封止樹脂６に接触しないため、接着剤２と封止樹脂６との界面で剥離が発生し封止樹脂６にクラックが発生することを抑制できる。これにより、封止樹脂６の漏れと絶縁不良の発生を抑制することができる。さらに、樹脂ケース１に溝部１１を形成する必要がないため、樹脂ケース１の厚みが薄い場合にも、上記の効果が得られる。

＜実施の形態２＞
次に、実施の形態２に係る半導体装置２０２Ａについて説明する。図２は、実施の形態２に係る半導体装置２０２Ａの断面図である。なお、実施の形態２において、実施の形態１で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。

図２に示すように、実施の形態２では、樹脂ケース１はアンダーカット部１２を備えている。

アンダーカット部１２は、樹脂ケースの下面から下方に突出しており、樹脂ケース１の下面の全周に渡って形成されている。アンダーカット部１２は、断面視にて上端よりも下端が幅広の台形状であり、金属ベース７の側壁部９に形成された溝部１１の底面にアンダーカット部１２の下端が接触した状態で溝部１１に収容されている。これにより、樹脂ケース１と金属ベース７との接合部において接着剤２との接触面積が増加する。

以上のように、実施の形態２に係る半導体装置２０２Ａでは、樹脂ケース１の下面から下方に突出し、金属ベース７の溝部１１に収容されるアンダーカット部１２が形成されている。

したがって、樹脂ケース１と金属ベース７との接合部において接着剤２との接触面積が増加するため、樹脂ケース１と金属ベース７との接着力が向上する。

＜実施の形態３＞
本実施の形態は、上述した実施の形態１に係る半導体装置２０２を電力変換装置に適用したものである。実施の形態１に係る半導体装置２０２の適用は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、実施の形態３として、三相のインバータに実施の形態１に係る半導体装置２０２を適用した場合について説明する。

図３は、実施の形態３に係る電力変換装置２００を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。

図３に示す電力変換システムは、電源１００、電力変換装置２００、負荷３００から構成される。電源１００は、直流電源であり、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、例えば、直流系統、太陽電池、蓄電池で構成することができるし、交流系統に接続された整流回路やＡＣ／ＤＣコンバータで構成することとしてもよい。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としてもよい。

電力変換装置２００は、電源１００と負荷３００の間に接続された三相のインバータであり、電源１００から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に交流電力を供給する。電力変換装置２００は、図３に示すように、直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路２０１と、主変換回路２０１を制御する制御信号を主変換回路２０１に出力する制御回路２０３とを備えている。

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た電動機であり、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車、鉄道車両、エレベーター、もしくは、空調機器向けの電動機として用いられる。

以下、電力変換装置２００の詳細を説明する。主変換回路２０１は、スイッチング素子と還流ダイオードを備えており（図示せず）、スイッチング素子がスイッチングすることによって、電源１００から供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に供給する。主変換回路２０１の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態に係る主変換回路２０１は２レベルの三相フルブリッジ回路であり、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された６つの還流ダイオードから構成することができる。主変換回路２０１の各スイッチング素子や各還流ダイオードは、上述した実施の形態１，２のいずれかに相当する半導体装置２０２，２０２Ａによって構成する。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上下アームを構成し、各上下アームはフルブリッジ回路の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を構成する。そして、各上下アームの出力端子、すなわち主変換回路２０１の３つの出力端子は、負荷３００に接続される。

また、主変換回路２０１は、各スイッチング素子を駆動する駆動回路（図示なし）を備えているが、駆動回路は半導体装置２０２に内蔵されていてもよいし、半導体装置２０２とは別に駆動回路を備える構成であってもよい。駆動回路は、主変換回路２０１のスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成し、主変換回路２０１のスイッチング素子の制御電極に供給する。具体的には、後述する制御回路２０３からの制御信号に従い、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各スイッチング素子の制御電極に出力する。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（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（オフ信号）となる。

制御回路２０３は、負荷３００に所望の電力が供給されるよう主変換回路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主変換回路２０１の各スイッチング素子がオン状態となるべき時間（オン時間）を算出する。例えば、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制御によって主変換回路２０１を制御することができる。そして、各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を、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号が出力されるよう、主変換回路２０１が備える駆動回路に制御指令（制御信号）を出力する。駆動回路は、この制御信号に従い、各スイッチング素子の制御電極にオン信号又はオフ信号を駆動信号として出力する。

本実施の形態に係る電力変換装置２００では、主変換回路２０１のスイッチング素子と還流ダイオードとして実施の形態１に係る半導体装置２０２を適用するため、樹脂ケース１の厚みが薄い場合にも、封止樹脂６の漏れと絶縁不良発生の抑制を実現することができる。

本実施の形態では、２レベルの三相インバータに実施の形態１に係る半導体装置２０２を適用する例を説明したが、実施の形態１に係る半導体装置２０２の適用は、これに限られるものではなく、種々の電力変換装置に適用することができる。本実施の形態では、２レベルの電力変換装置としたが３レベルやマルチレベルの電力変換装置であっても構わないし、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実施の形態１に係る半導体装置２０２を適用しても構わない。また、直流負荷等に電力を供給する場合にはＤＣ／ＤＣコンバータやＡＣ／ＤＣコンバータに実施の形態１に係る半導体装置２０２を適用することも可能である。

また、実施の形態１に係る半導体装置２０２を適用した電力変換装置２００は、上述した負荷３００が電動機の場合に限定されるものではなく、例えば、放電加工機やレーザー加工機、又は誘導加熱調理器や非接触給電システムの電源装置として用いることもでき、さらには太陽光発電システムや蓄電システム等のパワーコンディショナーとして用いることも可能である。

なお、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１樹脂ケース、４絶縁基板、５半導体素子、６封止樹脂、７金属ベース、１１溝部、１２アンダーカット部、２００電力変換装置、２０１主変換回路、２０２，２０２Ａ半導体装置、２０３制御回路。

Claims

金属ベースと、
前記金属ベースの上面における周縁部を除く領域に配置された絶縁基板と、
前記絶縁基板の上面に搭載された半導体素子と、
前記金属ベースの上面における前記周縁部に接着剤により接着され、前記半導体素子の側面を囲繞する樹脂ケースと、
前記樹脂ケース内に充填され、前記半導体素子を封止する封止樹脂と、を備え、
前記金属ベースの上面における前記周縁部に前記接着剤が充填される溝部が形成された、半導体装置。
前記樹脂ケースの下面から下方に突出し、前記金属ベースの前記溝部に収容されるアンダーカット部が形成された、請求項１に記載の半導体装置。
請求項１または請求項２に記載の半導体装置を有し、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
前記主変換回路を制御する制御信号を前記主変換回路に出力する制御回路と、
を備えた、電力変換装置。