JP2022165251A - 電力半導体装置、電力半導体装置の製造方法及び電力変換装置 - Google Patents

電力半導体装置、電力半導体装置の製造方法及び電力変換装置 Download PDF

Info

Publication number
JP2022165251A
JP2022165251A JP2021070532A JP2021070532A JP2022165251A JP 2022165251 A JP2022165251 A JP 2022165251A JP 2021070532 A JP2021070532 A JP 2021070532A JP 2021070532 A JP2021070532 A JP 2021070532A JP 2022165251 A JP2022165251 A JP 2022165251A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
semiconductor element
circuit pattern
bonding
internal electrode
semiconductor device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2021070532A
Other languages
English (en)
Inventor
兼士 田上
Kenji Tagami
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
Priority to JP2021070532A priority Critical patent/JP2022165251A/ja
Priority to US17/683,002 priority patent/US11887903B2/en
Priority to DE102022108858.8A priority patent/DE102022108858A1/de
Priority to CN202210390217.2A priority patent/CN115223977A/zh
Publication of JP2022165251A publication Critical patent/JP2022165251A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/02—Containers; Seals
    • H01L23/04—Containers; Seals characterised by the shape of the container or parts, e.g. caps, walls
    • H01L23/053—Containers; Seals characterised by the shape of the container or parts, e.g. caps, walls the container being a hollow construction and having an insulating or insulated base as a mounting for the semiconductor body
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/48—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor
    • H01L23/488—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor consisting of soldered or bonded constructions
    • H01L23/492—Bases or plates or solder therefor
    • H01L23/4922—Bases or plates or solder therefor having a heterogeneous or anisotropic structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/50—Assembly of semiconductor devices using processes or apparatus not provided for in a single one of the subgroups H01L21/06 - H01L21/326, e.g. sealing of a cap to a base of a container
    • H01L21/56—Encapsulations, e.g. encapsulation layers, coatings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/12—Mountings, e.g. non-detachable insulating substrates
    • H01L23/14—Mountings, e.g. non-detachable insulating substrates characterised by the material or its electrical properties
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/28—Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection
    • H01L23/31—Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection characterised by the arrangement or shape
    • H01L23/3107—Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection characterised by the arrangement or shape the device being completely enclosed
    • H01L23/3114—Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection characterised by the arrangement or shape the device being completely enclosed the device being a chip scale package, e.g. CSP
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/367—Cooling facilitated by shape of device
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/367—Cooling facilitated by shape of device
    • H01L23/3672—Foil-like cooling fins or heat sinks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3735—Laminates or multilayers, e.g. direct bond copper ceramic substrates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/48—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor
    • H01L23/488—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor consisting of soldered or bonded constructions
    • H01L23/498—Leads, i.e. metallisations or lead-frames on insulating substrates, e.g. chip carriers
    • H01L23/49838—Geometry or layout
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/34—Strap connectors, e.g. copper straps for grounding power devices; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/36—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors prior to the connecting process
    • H01L24/37—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors prior to the connecting process of an individual strap connector
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/34—Strap connectors, e.g. copper straps for grounding power devices; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/39—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process
    • H01L24/40—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process of an individual strap connector
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L24/84—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a strap connector
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
    • H01L25/03—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes
    • H01L25/04—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers
    • H01L25/07—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00
    • H01L25/072—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00 the devices being arranged next to each other
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/34—Strap connectors, e.g. copper straps for grounding power devices; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/36—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/37—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors prior to the connecting process of an individual strap connector
    • H01L2224/37001—Core members of the connector
    • H01L2224/3701—Shape
    • H01L2224/37011—Shape comprising apertures or cavities
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/34—Strap connectors, e.g. copper straps for grounding power devices; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/36—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/37—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors prior to the connecting process of an individual strap connector
    • H01L2224/37001—Core members of the connector
    • H01L2224/3701—Shape
    • H01L2224/37012—Cross-sectional shape
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/34—Strap connectors, e.g. copper straps for grounding power devices; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/39—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process
    • H01L2224/40—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process of an individual strap connector
    • H01L2224/401—Disposition
    • H01L2224/40135—Connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip
    • H01L2224/40137—Connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip the bodies being arranged next to each other, e.g. on a common substrate
    • H01L2224/40139—Connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip the bodies being arranged next to each other, e.g. on a common substrate with an intermediate bond, e.g. continuous strap daisy chain
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/44—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/45—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/45001—Core members of the connector
    • H01L2224/4501—Shape
    • H01L2224/45012—Cross-sectional shape
    • H01L2224/45015—Cross-sectional shape being circular
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/44—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/45—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/45001—Core members of the connector
    • H01L2224/45099—Material
    • H01L2224/451—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/45117—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 400°C and less than 950°C
    • H01L2224/45124—Aluminium (Al) as principal constituent
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/44—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/45—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/45001—Core members of the connector
    • H01L2224/45099—Material
    • H01L2224/451—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/45138—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/45147—Copper (Cu) as principal constituent
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/73—Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L2224/10, H01L2224/18, H01L2224/26, H01L2224/34, H01L2224/42, H01L2224/50, H01L2224/63, H01L2224/71
    • H01L2224/732—Location after the connecting process
    • H01L2224/73201—Location after the connecting process on the same surface
    • H01L2224/73221—Strap and wire connectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/73—Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L2224/10, H01L2224/18, H01L2224/26, H01L2224/34, H01L2224/42, H01L2224/50, H01L2224/63, H01L2224/71
    • H01L2224/732—Location after the connecting process
    • H01L2224/73251—Location after the connecting process on different surfaces
    • H01L2224/73265—Layer and wire connectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • H01L2224/831—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector the layer connector being supplied to the parts to be connected in the bonding apparatus
    • H01L2224/83101—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector the layer connector being supplied to the parts to be connected in the bonding apparatus as prepeg comprising a layer connector, e.g. provided in an insulating plate member
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • H01L2224/838—Bonding techniques
    • H01L2224/83801—Soldering or alloying
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • H01L2224/838—Bonding techniques
    • H01L2224/8384—Sintering
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L2224/84—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a strap connector
    • H01L2224/848—Bonding techniques
    • H01L2224/84801—Soldering or alloying
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/91—Methods for connecting semiconductor or solid state bodies including different methods provided for in two or more of groups H01L2224/80 - H01L2224/90
    • H01L2224/92—Specific sequence of method steps
    • H01L2224/922—Connecting different surfaces of the semiconductor or solid-state body with connectors of different types
    • H01L2224/9222—Sequential connecting processes
    • H01L2224/92242—Sequential connecting processes the first connecting process involving a layer connector
    • H01L2224/92247—Sequential connecting processes the first connecting process involving a layer connector the second connecting process involving a wire connector
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
    • H01L24/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/44—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process
    • H01L24/45—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process of an individual wire connector
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L24/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/73—Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L24/10, H01L24/18, H01L24/26, H01L24/34, H01L24/42, H01L24/50, H01L24/63, H01L24/71
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L24/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L24/85—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a wire connector
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/91—Methods for connecting semiconductor or solid state bodies including different methods provided for in two or more of groups H01L24/80 - H01L24/90
    • H01L24/92—Specific sequence of method steps
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/15—Details of package parts other than the semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/181—Encapsulation

Abstract

【課題】接合厚が確保され、高品質で高信頼性の接合部を有する電力半導体装置及び電力半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】半導体素子１が絶縁層３ｂ及び放熱フィン３ｃと一体化された回路パターン３ａに接合され、ケース８が半導体素子１、回路パターン３ａ及び絶縁層３ｂを囲むように放熱フィン３ｃの周縁に接着され、絶縁層３ｂと回路パターン３ａとケース８とに囲まれた領域に封止樹脂１０が封止されている。内部電極４には、平板形状部４ａを含み、貫通孔６及び一対の屈曲し傾斜形状を有した支持部４ｂが設けられており、支持部４ｂが回路パターン３ａに接合され、半導体素子１の上面と貫通孔６と貫通孔６の周辺に設けられたエンボス部１１とが接合されている。内部電極４とケース８と一体成型されている外部電極７とが接合されている。【選択図】図２

Description

本開示は、電力半導体装置、電力半導体装置の製造方法及び電力変換装置に関するものである。
従来の電力半導体装置は、アルミフィンの上に設けられた絶縁基板の回路パターンに半導体チップが搭載され、絶縁基板及び半導体チップをケースで囲み、ケースの内側が封止樹脂にて封止されている。ケースと一体化された第１リードフレームが、半導体チップの上にはんだを介して接合され、絶縁性を有した樹脂から形成された第１スペーサが、絶縁基板の回路パターンと第１リードフレームに挟まれ、接着剤を介して設けられている。（例えば、特許文献１参照）
特開２０１９－１２５６７８号公報（段落００１３～００２２、図１）
しかしながら、第１スペーサを回路パターン及び第１リードフレームに接着するため、新たに接着剤の準備及び接着工程が必要となる。また、半導体チップと第１リードフレームとをはんだを介して接合するとき、はんだを溶融させるため、リフローなどにて、はんだ、半導体チップ及び第１リードフレームを加熱し昇温させる必要がある。特に、構造上、第１リードフレームに対して、所望の温度まで昇温させることが難しく、さらに、第１スペーサが絶縁性を有した樹脂であり、熱伝導率が小さいため、昇温が不十分となり、はんだ厚が確保され、良好なはんだ接合部を得ることが難しい場合があった。
本開示は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、接合厚が確保され、高品質で高信頼性の接合部を有する電力半導体装置を提供することを目的とする。
また、本開示は、生産性向上を図った容易な製造方法で、接合厚を確保し、高品質で高信頼性な接合部を有する電力半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
本開示に係る電力半導体装置は、半導体素子と、半導体素子を搭載している回路パターンと、回路パターンを搭載している絶縁層と、絶縁層を搭載している放熱フィンと、放熱フィンの周縁に接着され、半導体素子、回路パターン及び絶縁層を囲んでいるケースと、絶縁層と回路パターンとケースとに囲まれた領域に封止されている封止樹脂と、半導体素子及び回路パターンに接合され、平板形状部を含み、一対の支持部を有する内部電極と、内部電極に接合され、ケースと一体成型されている外部電極を備えた電力半導体装置である。
また、本開示に係る電力半導体装置の製造方法は、半導体素子と放熱フィンに絶縁層を介して搭載された回路パターンとを接合する工程と、半導体素子と内部電極とを接合し、内部電極と回路パターンとを接合する工程と、放熱フィンとケースとを接着する工程と、内部電極とケースに一体成型された外部電極とを接合する工程と、半導体素子とケースに一体成型された制御端子とを金属ワイヤにてワイヤボンドし配線接続する工程と、絶縁層と回路パターンとケースとに囲まれた領域に樹脂封止する工程と、を備えた電力半導体装置の製造方法。
本開示に係る電力半導体装置によれば、接合厚が確保され、高品質及び高信頼性の接合部を得ることができる。
本開示に係る電力半導体装置の製造方法によれば、生産性向上を図った容易な製造方法で、接合厚が確保され、高品質及び高信頼性の接合部を得ることができる
実施の形態１に係る電力半導体装置の外観を示す平面図である。 実施の形態１に係る電力半導体装置の構成を示す断面図である。 実施の形態１に係る電力半導体装置の構成を示す封止樹脂を封止する前の平面図である。 実施の形態１に係る電力半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。 実施の形態１に係る電力半導体装置の製造方法の変形例を示すフローチャートである。 実施の形態２に係る電力半導体装置の外観を示す平面図である。 実施の形態２に係る電力半導体装置の構成を示す断面図である。 実施の形態２に係る電力半導体装置の構成を示す封止樹脂を封止する前の平面図である。 実施の形態２に係る電力半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。 実施の形態３に係る電力変換装置を含む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に係る電力半導体装置１００ａの構成について、図面を用いながら説明する。図１は、電力半導体装置１００ａの外観を示す平面図である。図２は、図１のＡ－Ａ線における断面図である。図３は、封止樹脂１０にて封止する前の電力半導体装置１００ａの構成を示す平面図である。なお、図１のＡ－Ａ線に該当する位置を図3にも記している。
平面視にて電力半導体装置１００ａの上面の外観を図１に示す通り、電力半導体装置１００ａの周縁はケース８により囲まれており、ケース８の内側は封止樹脂１０に覆われ、ケース８と一体成型された外部電極７及び制御端子１２が外部と電気的に入出力するため、外部と接続できるよう延在し露出している。
図２に示すように、電力半導体装置１００ａは、半導体素子１、放熱フィン３ｃ、内部電極４、外部電極７、ケース８及び封止樹脂１０を含む。
放熱フィン３ｃとケース８は、放熱フィン３ｃの周縁部にて接着剤９により接着され、固定されている。また、半導体素子１の下面は、半導体素子１と平行に配置され、接合材２ａを介して放熱フィン３ｃに設けられた回路パターン３ａと接合されている。半導体素子１の上面は、半導体素子１と平行に配置され、接合材２ｃを介して内部電極４と接合されている。内部電極４と外部電極７とは、接合材２ｄを介して接合されている。ここで、半導体素子１の下面とは、放熱フィン３ｃに設けられた回路パターン３ａ側の面であり、また、半導体素子１の上面とは、半導体素子１の内部電極４側の面を示している。
図２に示すように、放熱フィン３ｃには絶縁層３ｂが設けられ、絶縁層３ｂの放熱フィン３ｃと反対側の面には回路パターン３ａが設けられ、放熱フィン３ｃ、絶縁層３ｂ及び回路パターン３ａが平行に配置され一体化されており、発熱した半導体素子１を放熱するための冷却器としての機能を有している。
放熱フィン３ｃは、ＣｕまたはＡｌのいずれかを含む熱伝導率に優れた金属であり、突起状のフィンを含めた厚さは、８～１５ｍｍである。絶縁層３ｂは、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）または窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）のいずれかを含む厚さ０．１～０．８ｍｍである。回路パターン３ａは、ＣｕまたはＡｌのいずれかを含む導電性材料で、厚さ０．２～１．５ｍｍである。
また、絶縁層３ｂは、ＢＮまたはＡｌ２Ｏ３のいずれかを含むフィラーが入ったエポキシ樹脂であってもよい。熱伝導率は、６～１８Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、電力半導体装置１００ａに必要な放熱仕様に応じることができる。
半導体素子１は、電力を制御するいわゆる電力半導体素子である。例えば、ＳｉまたはＳｉと比べて大きなバンドギャップを有するワイドバンドギャップ半導体を材料として含む。ワイドバンドギャップ半導体とは、例えば、ＳｉＣ、ＧａＮ、ダイヤモンド等である。半導体素子１は、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ショットキーバリアダイオード等である。また、例えば、半導体素子１は、ＩＧＢＴおよび還流ダイオードが１つの半導体チップに集積されたＲＣ－ＩＧＢＴ（Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ＩＧＢＴ）であってもよい。
図２及び図３に示す通り、半導体素子１は、少なくとも１つ搭載されている。電力半導体装置１００ａの仕様に応じて必要な個数の半導体素子１を搭載することができる。
また、半導体素子１を回路パターン３ａに接合している接合材２ａは、Ｓｎを含む導電性金属であり、所謂はんだである。なお、半導体素子１は発熱するため、接合材２ａは、はんだに限定するものではなく、はんだより熱伝導率が大きく、放熱性を有するＡｇまたはＣｕを含む金属の微粒子を用いた焼結材であってもよい。
なお、接合材２ａが、特にはんだの場合、はんだとの濡れ性を確保するため、回路パターン３ａにおいて、接合材２ａと接合される少なくとも一部の面に、Ｎｉめっきを施してもよい。
ケース８は、ＰＰＳ（Ｐｏｌｙ Ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ Ｓｕｌｆｉｄｅ）樹脂またはＰＢＴ（Ｐｏｌｙ Ｂｕｔｙｌｅｎｅ Ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）樹脂のいずれかを含むものである。
図２及び図３に示すように、外部電極７は、ＣｕまたはＣｕを含む材料であり、ケース８とともにインサート成型され一体化されており、外部電極７の一部はケース８内に埋め込められている。図２に示すように、外部電極７は、屈曲しており、外部電極７の一方の先端部は、外部と電気的に入出力するため、ケース８から露出している。外部電極７の他方の先端部は、平面視にてケース８の内側の方向に向かって、内部電極４の平板形状部４ａと平行に配置され、平坦面状に突出し露出している。
図２及び図３に示すように、内部電極４は、ＣｕまたはＣｕを含む材料であり、半導体素子１と平行になるように配置される平板形状部４ａを含む。内部電極４の厚さは、大電流が流れるように、０．５～１．２ｍｍの均一厚さである。内部電極４は、半導体素子１、回路パターン３ａ及び外部電極７に対し平行に配置され、半導体素子１の上面、回路パターン３ａ及び外部電極７と接合されている。
また、内部電極４には、内部電極４の平板形状部４ａの厚み方向に貫通孔６が形成されている。貫通孔６の周囲には、プレス等により、半導体素子１側に向かって突起状に０．５ｍｍ程の段差が設けられたエンボス部１１が形成されている。
半導体素子１の上面には電極が備えられており（図示省略）、半導体素子１の上面と、内部電極４の貫通孔６と、貫通孔６の周辺に設けられたエンボス部１１とが、接合材２ｃを介して接合されている。エンボス部１１により、接合材２ｃが、特にはんだの場合、内部電極４に対し十分にはんだが濡れ広がるため、はんだ濡れ性を確保することができる。接合材２ｃの接合厚は、０．２～１．０ｍｍである。
また、図２及び図３に示す通り、内部電極４において、一方の先端部及び他方の先端部には、回路パターン３ａに向かって一対の屈曲し傾斜形状を有した支持部４ｂが形成されており、内部電極４の一方の先端部及び他方の先端部が接合材２ｂを介して回路パターン３ａと接合されている。
これにより、内部電極４は、内部電極４の一方の先端部及び他方の先端部に設けられた一対の支持部４ｂにより、回路パターン３ａに対し安定して支持され、固定することができる。従って、半導体素子１の上面と内部電極４との間にある接合材２ｃの厚さを確保することができる。図２及び図３に示すように、複数の半導体素子１の上面に対し接合された同一の内部電極４が、各半導体素子１の上面において接合材２ｃの接合厚を容易に確保し良好な接合を得るとともに、電力半導体装置１００ａが使用される環境下にて生じる接合材２ｃの熱応力及び熱ひずみを抑制することができる。従って、高品質な接合を得るとともに、接合材２ｃの信頼性を向上させることができる。
なお、接合材２ｃは、半導体素子１の上面から貫通孔６に充填され、エンボス部１１の上側の面にも接合され、覆われて、例えば凸状となりドーム形状に盛り上がっていてもよい。エンボス部１１の上側とは、エンボス部１１の半導体素子１と反対側の面である。これにより、さらに接合材２ｃに生じる熱応力及び熱ひずみを緩和させることができる。
また、内部電極４において、一方の先端部及び他方の先端部には、一対の屈曲し傾斜形状を有した支持部４ｂが形成されている。内部電極４の一方の先端部及び他方の先端部が接合材２ｂを介して回路パターン３ａと接合されているため、発熱する半導体素子１に対し、半導体素子１の下面への放熱に加えて、半導体素子１の上面から内部電極４を介して回路パターン３ａ、絶縁層３ｂ、放熱フィン３ｃへと、熱を集中させることなく、全体的にバランスよく効率的に放熱を図ることができる。なお、回路パターン３ａとは、半導体素子１が搭載されていない回路パターン３ａを含む。これにより、発熱する半導体素子１の放熱性向上を図ることができる。
さらに、内部電極４に流れる大電流による発熱に対しても、同様に、内部電極４から回路パターン３ａを介して絶縁層３ｂ、放熱フィン３ｃへと、熱を集中させることなく、全体的にバランスよく効率的に放熱を図ることができる。なお、回路パターン３ａとは、半導体素子１が搭載されていない回路パターン３ａを含む。これにより、発熱する内部電極４の放熱性向上を図ることができる。従って、半導体素子１は、高温になることを抑制されるため、安定した動作をすることができる。
図２及び図３に示すように、内部電極４は、接合材２ｄを介して外部電極７に接合されている。これにより、特許文献１と異なり、内部電極４は、ケース８とインサート成型にて一体化されていないため、半導体素子１の上面の接合材２ｃの接合厚を確保することができ、接合材２ｃに対して熱応力及び熱ひずみを緩和させることができる。また、半導体素子１及び内部電極４の発熱に対し外部電極７に接続された外部へと放熱することができる。
なお、接合材２ｂ、接合材２ｃ及び接合材２ｄは、Ｓｎを含む導電性金属であり、所謂はんだである。なお、半導体素子１は発熱するため、接合材２ｂ、接合材２ｃ及び接合材２ｄは、はんだに限定するものではなく、はんだより熱伝導率が大きく、放熱性を有するＡｇまたはＣｕを含む金属の微粒子を用いた焼結材であってもよい。
なお、接合材２ｂ、接合材２ｃ及び接合材２ｄが、特にはんだの場合、はんだとの濡れ性を確保するため、回路パターン３ａ、内部電極４及び外部電極７において、接合材２ｂ、接合材２ｃ及び接合材２ｄと接合される少なくとも一部の面に、Ｎｉめっきを施してもよい。
図３に示すように、制御端子１２は、ＣｕまたはＣｕを含む材料であり、ケース８とともにインサート成型され一体化されており、制御端子１２の一部はケース８内に埋め込められている。制御端子１２の一方の先端部は、外部と電気的に入出力するため、ケース８から露出し延在している。制御端子１２の他方の先端部は、図３に示すように、ケース８から露出し、金属ワイヤ１３により、半導体素子１と電気的に接続されている。金属ワイヤ１３は、ＡｌまたはＣｕのいずれかを含む材料である。金属ワイヤ１３の直径は、０．１～０．５ｍｍである。
図２に示すように、ケース８にて囲まれた領域である、絶縁層３ｂ及び回路パターン３ａの半導体素子１が搭載されている側の面であって、半導体素子１、内部電極４及びケース８の内側にある外部電極７の周囲を、封止樹脂１０が充填され封止されている。封止樹脂１０は、熱硬化性を有し、ＳｉＯ２を含むフィラーが入ったエポキシ樹脂であるが、これに限定するものでなく、必要な弾性率、熱伝導率、耐熱性、絶縁性及び接着性を有した樹脂であればよい。例えば、エポキシ樹脂の他に、シリコーン樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂等であってもよい。
接着剤９により、放熱フィン３ｃとケース８が接着され、固定されているので、封止樹脂１０がケース８に囲まれた領域に充填されるとき、封止樹脂１０が外部に漏れるのを防ぐことができ、電力半導体装置１００ａの内部にて絶縁性を確保することができる。接着剤９は、シリコーン樹脂である。または、封止樹脂１０と同一材料であってもよい。
このように、内部電極４に貫通孔６及び一対の屈曲し傾斜形状を有した支持部４ｂを設け、放熱フィン３ｃ及び絶縁層３ｂと一体化された回路パターン３ａに、接合材２ｂを介して内部電極４の支持部４ｂが接合されることにより、回路パターン３ａに対し内部電極４が安定して支持され、固定することができる。これにより、複数の半導体素子１の上面に対し接合された同一の内部電極４が、各半導体素子１の上面において接合材２ｃの接合厚を容易に確保し良好な接合を得るとともに、電力半導体装置１００ａが使用される環境下にて生じる接合材２ｃの熱応力及び熱ひずみを抑制することができる。従って、高品質な接合を得るとともに、接合材２ｃの信頼性を向上させることができる。
また、発熱する半導体素子１に対し、半導体素子１の下面への放熱に加えて、半導体素子１の上面から内部電極４を介して回路パターン３ａ、絶縁層３ｂ、放熱フィン３ｃへと、放熱経路を拡大し、熱を集中させることなく、全体的にバランスよく効率的に放熱を図ることができる。なお、回路パターン３ａとは、半導体素子１が搭載されていない回路パターン３ａを含む。これにより、発熱する半導体素子１の放熱性向上を図ることができる。
さらに、内部電極４に流れる大電流による発熱に対しても、同様に、内部電極４から回路パターン３ａを介して絶縁層３ｂ、放熱フィン３ｃへと、放熱経路を拡大し、熱を集中させることなく、全体的にバランスよく効率的に放熱を図ることができる。なお、回路パターン３ａとは、半導体素子１が搭載されていない回路パターン３ａを含む。これにより、発熱する内部電極４の放熱性向上を図ることができる。従って、半導体素子１は、高温になることを抑制されるため、安定した動作をすることができる。
次に、電力半導体装置１００ａの製造方法について説明する。
図４は、実施の形態１における電力半導体装置１００ａの製造方法を示すフローチャートである。ここでは、はんだによって接合される例、すなわち、接合材２ａ、接合材２ｂ、接合材２ｃ及び接合材２ｄが、はんだである例を示す。各工程であるステップＳ１０１～Ｓ１０６について詳細に述べる。
ステップＳ１０１にて、半導体素子１の下面を回路パターン３ａに、接合材２ａによって接合する。接合材２ａは、ペースト状はんだもしくは板状はんだである。この際、接合は、放熱フィン３ｃからの熱伝導及びリフロー内の熱風によって加熱され、その後の冷却を経て接合が完了する。加熱温度は、Ｓｎを含むはんだの融点に対応するよう２３０～３００℃である。なお、図示は省略するが、回路パターン３ａに対して半導体素子１の搭載位置を固定するため、専用治具を用いている。
ステップＳ１０２にて、貫通孔６及びエンボス部１１を有した内部電極４を半導体素子１の上面に、接合材２ｃによって接合し、内部電極４の支持部４ｂを回路パターン３ａに、接合材２ｂによって接合する。接合材２ｂ及び接合材２ｃは、ペースト状はんだもしくは板状はんだである。接合材２ｂ及び接合材２ｃは、接合材２ａと同一材料、または接合材２ａより融点が低い温度となる組成を有したＳｎを含むはんだである。ステップＳ１０１同様、接合は、放熱フィン３ｃからの熱伝導及びリフロー内の熱風によって加熱され、その後の冷却を経て接合が完了する。なお、図示は省略するが、内部電極４の搭載位置を固定するため、専用治具を用いている。
接合は、放熱フィン３ｃからの熱伝導及びリフロー内の熱風によって加熱されるため、半導体素子１だけでなく、接合材２ｂを介して伝熱され、内部電極４及び接合材２ｃを所望の温度まで昇温させることができる。これにより、半導体素子１の上面において接合材２ｃの接合厚を容易に確保でき、良好な接合を得ることができる。
ステップＳ１０３にて、放熱フィン３ｃの周縁に接着剤９を塗布し、ケース８を放熱フィン３ｃに接着する。シリコーンを含む接着剤９、または封止樹脂１０と同一材料の接着剤９が塗布される。塗布後、接着面を加熱することにより、接着剤９が硬化し、放熱フィン３ｃ及びケース８は接着剤９を介して接着することができる。これにより、後述する封止樹脂１０を注入し充填して樹脂封止する工程にて、封止樹脂１０を外部に漏らすことはない。
ステップＳ１０４にて、外部電極７を内部電極４に、接合材２ｄによって接合する。ステップＳ１０１同様、接合は、放熱フィン３ｃからの熱伝導及びリフロー内の熱風によって加熱され、その後の冷却を経て接合が完了する。半導体素子１だけでなく、接合材２ｂを介して伝熱され、内部電極４、外部電極７及び接合材２ｄを所望の温度まで昇温させることができ、良好な接合を得ることができる。なお、ステップＳ１０３の接着剤９を硬化させ接着する工程を、外部電極７を内部電極４に接合材２ｄによって接合するために加熱する工程にて一括して同時に行ってもよい。これにより、外部電極７を内部電極４に接合材２ｄによって接合するとともに、放熱フィン３ｃ及びケース８を接着することができる。従って、加熱する工程回数を抑制することができ、生産性を向上させることができる
ステップＳ１０５にて、半導体素子１と制御端子１２とを、ＡｌまたはＣｕのいずれかを含む材料から形成される金属ワイヤ１３にてワイヤボンドし配線接続する。金属ワイヤ１３に対し超音波ツール（図示省略）が加圧しながら超音波振動を印可することにより、半導体素子１及び制御端子１２に金属ワイヤ１３が超音波接合され、配線接続する。
ステップＳ１０６にて、ケース８に囲まれた、絶縁層３ｂ及び回路パターン３ａの上側に、半導体素子１、内部電極４及びケース８の内側にある外部電極７を埋めるように、封止樹脂１０を注入し充填して樹脂封止する。樹脂封止後、加熱により封止樹脂１０を硬化させる。これにより、接合材２ａ、接合材２ｂ、接合材２ｃ、接合材２ｄ及び金属ワイヤ１３の接合箇所に対し、周囲を封止樹脂にて覆われて固定されるため、絶縁性が確保されるとともに、信頼性を向上させることができる。
このように、内部電極４に貫通孔６及び一対の屈曲し傾斜形状を有した支持部４ｂを設け、放熱フィン３ｃ及び絶縁層３ｂと一体化された回路パターン３ａに、接合材２ｂを介して内部電極４の支持部４ｂが接合されることにより、回路パターン３ａに対し内部電極４が安定して支持され、固定することができる。これにより、複数の半導体素子１の上面に接合された同一の内部電極４が、各半導体素子１の上面において接合材２ｃの接合厚を容易に確保でき、良好な接合を得ることができるとともに、電力半導体装置１００ａが使用される環境下にて生じる接合材２ｃの熱応力及び熱ひずみを抑制することができる。従って、高品質な接合を得るとともに、接合材２ｃの信頼性を向上させることができる。
また、発熱する半導体素子１対し、半導体素子１の下面への放熱に加えて、半導体素子１の上面から内部電極４を介して回路パターン３ａ、絶縁層３ｂ、放熱フィン３ｃへと、放熱経路を拡大し、熱を集中させることなく、全体的にバランスよく効率的に放熱を図ることができる。なお、回路パターン３ａとは、半導体素子１が搭載されていない回路パターン３ａを含む。これにより、発熱する半導体素子１の放熱性向上を図ることができる。
さらに、内部電極４に流れる大電流による発熱に対しても、同様に、内部電極４から回路パターン３ａを介して絶縁層３ｂ、放熱フィン３ｃへと、放熱経路を拡大し、熱を集中させることなく、全体的にバランスよく効率的に放熱を図ることができる。なお、回路パターン３ａとは、半導体素子１が搭載されていない回路パターン３ａを含む。これにより、発熱する内部電極４の放熱性向上を図ることができる。従って、半導体素子１は、高温になることを抑制されるため、安定した動作をすることができる。
実施の形態１における電力半導体装置１００ａの製造方法の変形例として、図５にフローチャートを示す。図４同様、ここでは、はんだによって接合される例、すなわち、接合材２ａ、接合材２ｂ、接合材２ｃ及び接合材２ｄが、はんだである例を示す。各工程であるステップＳ２０１～Ｓ２０５について詳細に述べる。
ステップＳ２０１にて、半導体素子１の下面を回路パターン３ａに、接合材２ａによって接合する接合工程と、貫通孔６及びエンボス部１１を有した内部電極４を半導体素子１の上面に、接合材２ｃによって接合する接合工程と、内部電極４の支持部４ｂを回路パターン３ａに、接合材２ｂによって接合する接合工程を、一括して同時に接合する。この際、接合は、放熱フィン３ｃからの熱伝導及びリフロー内の熱風によって加熱され、その後の冷却を経て接合が完了する。なお、図示は省略するが、半導体素子１及び内部電極４の搭載位置を固定するため、専用治具を用いている。従って、加熱する工程回数を抑制することができ、生産性を向上させることができる。
ステップＳ２０２にて、放熱フィン３ｃの周縁に接着剤９を塗布し、ケース８を放熱フィン３ｃに接着する。シリコーンを含む接着剤９、または封止樹脂１０と同一材料の接着剤９が塗布される。塗布後、接着面を加熱することにより、接着剤９が硬化し、放熱フィン３ｃ及びケース８は接着剤９を介して接着することができる。これにより、後述する封止樹脂１０を注入し充填して樹脂封止する工程にて、封止樹脂１０を外部に漏らすことはない。
ステップＳ２０３にて、外部電極７を内部電極４に、接合材２ｄによって接合する。ステップＳ２０１同様、接合は、放熱フィン３ｃからの熱伝導及びリフロー内の熱風によって加熱され、その後の冷却を経て接合が完了する。なお、ステップＳ２０２の接着剤９を硬化させ接着する工程を、外部電極７を内部電極４に接合材２ｄによって接合するために加熱する工程にて一括して同時に行ってもよい。これにより、外部電極７を内部電極４に接合材２ｄによって接合するとともに、放熱フィン３ｃ及びケース８を接着することができる。従って、加熱する工程回数を抑制することができ、生産性を向上させることができる。
ステップＳ２０４にて、半導体素子１と制御端子１２とを、ＡｌまたはＣｕのいずれかを含む材料から形成される金属ワイヤ１３にてワイヤボンドし配線接続する。金属ワイヤ１３に対し超音波ツール（図示省略）が加圧しながら超音波振動を印可することにより、半導体素子１及び制御端子１２に金属ワイヤ１３が超音波接合され、配線接続する。
ステップＳ２０５にて、ケース８に囲まれた、半導体素子１、絶縁層３ｂ及び回路パターン３ａの上側に、半導体素子１、内部電極４及びケース８の内側にある外部電極７を埋めるように、封止樹脂１０を注入し充填して樹脂封止する。樹脂封止後、加熱により封止樹脂１０を硬化させる。これにより、接合材２ａ、接合材２ｂ、接合材２ｃ、接合材２ｄ及び金属ワイヤ１３の接合箇所に対し、周囲を封止樹脂にて覆われて固定されるため、絶縁性が確保されるとともに、信頼性を向上させることができる。
これにより、リフローへの投入回数削減、加熱時間を抑制することができ、生産性向上とともに、放熱フィン３ｃ、絶縁層３ｂ、回路パターン３ａ、半導体素子１、内部電極４及びケース８と一体化された外部電極７といった各構成部材の反りの影響を最小限に抑制することができる。
なお、図４及び図５に示したフローチャートにおいて、接合材２ａ、接合材２ｂ、接合材２ｃ及び接合材２ｄが、はんだである例を示したが、はんだに限定するものではなく、はんだより熱伝導率が大きく、放熱性を有するＡｇまたはＣｕを含む金属の微粒子を用いた焼結材であってもよい。
実施の形態１では、半導体素子１が絶縁層３ｂ及び放熱フィン３ｃと一体化された回路パターン３ａに接合され、ケース８が半導体素子１、回路パターン３ａ及び絶縁層３ｂを囲むように放熱フィン３ｃの周縁に接着され、半導体素子１、内部電極４及びケース８の内側にある外部電極７の周辺を覆うように、絶縁層３ｂと回路パターン３ａとケース８とに囲まれた領域に封止樹脂１０が封止されている。内部電極４に接合材２ｄを介して接合され、ケース８と一体成型されている外部電極７を備えている。
内部電極４は、平板形状部４ａを含み、貫通孔６及び一対の屈曲し傾斜形状を有した支持部４ｂが設けられ、接合材２ｂを介して内部電極４の支持部４ｂが接合されることにより、回路パターン３ａに対し内部電極４が安定して支持され、固定することができる。これにより、複数の半導体素子１の上面に対し接合された同一の内部電極４が、各半導体素子１の上面において接合材２ｃの接合厚を容易に確保し良好な接合を得るとともに、電力半導体装置１００ａが使用される環境下にて生じる接合材２ｃの熱応力及び熱ひずみを抑制することができる。以上のような構成としたことにより、接合厚を確保し、高品質な接合を得るとともに、接合材２ｃの信頼性を向上させることができる。
また、発熱する半導体素子１に対し、半導体素子１の下面への放熱に加えて、半導体素子１の上面から内部電極４を介して回路パターン３ａ、絶縁層３ｂ、放熱フィン３ｃへと、放熱経路を拡大し、熱を集中させることなく、全体的にバランスよく効率的に放熱を図ることができる。なお、回路パターン３ａとは、半導体素子１が搭載されていない回路パターン３ａを含む。これにより、発熱する半導体素子１の放熱性向上を図ることができる。
さらに、内部電極４に流れる大電流による発熱に対しても、同様に、内部電極４から回路パターン３ａを介して絶縁層３ｂ、放熱フィン３ｃへと、放熱経路を拡大し、熱を集中させることなく、全体的にバランスよく効率的に放熱を図ることができる。なお、回路パターン３ａとは、半導体素子１が搭載されていない回路パターン３ａを含む。これにより、発熱する内部電極４の放熱性向上を図ることができる。従って、半導体素子１は、高温になることを抑制されるため、安定した動作をすることができる。
内部電極４において、一方の先端部及び他方の先端部には、一対の屈曲し傾斜形状を有した支持部４ｂが形成され、接合材２ｂを介して、回路パターン３ａと接合されているが、支持部４ｂは一対であることに限定せず、同一の内部電極４に対し３つ以上の支持部４ｂを備えていてもよい。これにより、回路パターン３ａに対し内部電極４がさらに安定して支持され、固定することができる。
なお、放熱フィン３ｃ、絶縁層３ｂ及び回路パターン３ａが一体化された冷却器に限定することなく、放熱フィン３ｃと、絶縁層３ｂの厚さ方向に対し絶縁層３ｂの上面及び下面に各々回路パターン３ａが設けられた絶縁層３ｂとが、別部材であってもよい。この場合、放熱フィン３ｃに絶縁層３ｂに設けられた回路パターン３ａが接合されている。
内部電極４と外部電極７とは別部材である。接合材２ｄを介して、別部材から構成された内部電極４と外部電極７とを接合するため、リフローへの複数回投入による加熱の繰り返しにより、放熱フィン３ｃ、絶縁層３ｂ、回路パターン３ａ、半導体素子１、内部電極４、ケース８及び外部電極７といった各構成部材の反りが発生しても、半導体素子１の上面の接合材２ｃに生じる熱応力及び熱ひずみを緩和させることができる。
実施の形態２．
図６は、実施の形態２に係る電力半導体装置１００ｂの外観を示す平面図である。図７は、図６のＢ－Ｂ線における断面図である。図８は、封止樹脂１０にて封止する前の電力半導体装置１００ｂの構成を示す平面図である。なお、図６のＢ－Ｂ線に該当する位置を図８にも記している。なお、本実施の形態における電力半導体装置１００ｂは、多くの構成が実施の形態１と共通する。このため、実施の形態１と異なる点について説明するとともに、同一または対応する構成については同じ符号を付けて示し、その説明を省略する。実施の形態１とは、図７及び図８に示すように、支持部４ｂにかわって、内部電極５の全体が平板形状であり、熱伝導率が高い金属から形成された支持部材１４を備え、半導体素子１と内部電極５とが平行配置になるように、支持部材１４の一端部は接合材２ｂを介して回路パターン３ａに接合され、支持部材１４の他端部は接合材２ｅを介して内部電極５と接合されている構成が相違している。
内部電極５は、平板形状であり、ＣｕまたはＣｕを含む材料である。内部電極５の厚さは、大電流が流れるように、０．５～１．２ｍｍの均一厚さである。内部電極５は、半導体素子１、回路パターン３ａ及び外部電極７に対し平行に配置され、半導体素子１の上面、支持部材１４及び外部電極７と接合されている。
また、内部電極５には、内部電極５の厚み方向に貫通孔６が形成されている。貫通孔６の周囲には、プレス等により、半導体素子１側に向かって突起状に０．５ｍｍ程の段差が設けられたエンボス部１１が形成されている。
半導体素子１の上面には電極が備えられており（図示省略）、半導体素子１の上面と、内部電極５の貫通孔６と、貫通孔６の周辺に設けられたエンボス部１１とが、接合材２ｃを介して接合されている。エンボス部１１により、接合材２ｃが、特にはんだの場合、内部電極５に対し十分にはんだが濡れ広がるため、はんだ濡れ性を確保することができる。接合材２ｃの接合厚は、０．２～１．０ｍｍである。
支持部材１４は、高熱伝導率を有した金属である。例えば、ＣｕまたはＡｌのいずれかを含む金属材料である。図７及び図８に示すように、支持部材１４は、内部電極５の一方の先端部及び他方の先端部に、一対の支持部材１４が設けられている。接合材２ｂを介して回路パターン３ａと接合された一対の支持部材１４が、接合材２ｅを介して内部電極５の一方の先端部及び他方の先端部とそれぞれ接合されている。
また、支持部材１４は、内部電極５の回路パターン３ａ及び内部電極５のサイズに応じて可能な限り最大サイズで直方体の形状をしている。なお、支持部材１４は、直方体に限定されず、内部電極５と回路パターン３ａとの間における方向に対し、Ｓ字状のように曲線部を有する形状、支持部材１４の両端部の幅と中央部の幅が異なった形状であってもよい。これにより、回路パターン３ａに対して、内部電極５が安定し支持され、固定することができる、また、熱容量大となり放熱性向上を図ることができる。
また、支持部材１４を回路パターン３ａに接合している接合材２ｂ及び支持部材１４を内部電極５に接合している接合材２ｅは、Ｓｎを含む導電性金属であり、所謂はんだである。なお、内部電極５は流れる大電流により発熱するため、接合材２ａは、はんだに限定するものではなく、はんだより熱伝導率が大きく、放熱性を有するＡｇまたはＣｕを含む金属の微粒子を用いた焼結材であってもよい。
接合材２ｂ及び接合材２ｅが、特にはんだの場合、はんだとの濡れ性を確保するため、回路パターン３ａ及び内部電極５において、接合材２ｂ及び接合材２ｅと接合される少なくとも一部の面に、Ｎｉめっきを施してもよい。
次に、電力半導体装置１００ｂの製造方法について説明する。
図９は、実施の形態２における電力半導体装置１００ｂの製造方法を示すフローチャートである。ここでは、はんだによって接合される例、すなわち、接合材２ａ、接合材２ｂ、接合材２ｃ、接合材２ｄ及び接合材２ｅが、はんだである例を示す。各工程であるステップＳ３０１～Ｓ３０５について詳細に述べる。
ステップＳ３０１にて、半導体素子１の下面を回路パターン３ａに、接合材２ａによって接合し、支持部材１４の一端部を回路パターン３ａに、接合材２ｂによって接合する。接合材２ａ及び接合材２ｂは、ペースト状はんだもしくは板状はんだである。この際、接合は、放熱フィン３ｃからの熱伝導及びリフロー内の熱風によって加熱され、その後の冷却を経て接合が完了する。加熱温度は、Ｓｎを含むはんだの融点に対応するよう２３０～３００℃である。なお、図示は省略するが、回路パターン３ａに対して半導体素子１及び支持部材１４の搭載位置を固定するため、専用治具を用いている。
ステップＳ３０２にて、貫通孔６及びエンボス部１１を有した内部電極５を半導体素子１の上面に、接合材２ｃによって接合し、支持部材１４の他端部を内部電極５に、接合材２ｅによって接合する。接合材２ｃ及び接合材２ｅは、ペースト状はんだもしくは板状はんだである。接合材２ｃ及び接合材２ｅは、接合材２ａと同一材料、または接合材２ａより融点が低い温度となる組成を有したＳｎを含むはんだである。ステップＳ３０１同様、接合は、放熱フィン３ｃからの熱伝導及びリフロー内の熱風によって加熱され、その後の冷却を経て接合が完了する。なお、図示は省略するが、内部電極５の搭載位置を固定するため、専用治具を用いている。
接合は、放熱フィン３ｃからの熱伝導及びリフロー内の熱風によって加熱されるため、半導体素子１だけでなく、接合材２ｂを介して伝熱され、内部電極５及び接合材２ｃを所望の温度まで昇温させることができる。これにより、半導体素子１の上面において接合材２ｃの接合厚を容易に確保でき、良好な接合を得ることができる。
ステップＳ３０３にて、放熱フィン３ｃの周縁に接着剤９を塗布し、ケース８を放熱フィン３ｃに接着する。シリコーンを含む接着剤９、または封止樹脂１０と同一材料の接着剤９が塗布される。塗布後、接着面を加熱することにより、接着剤９が硬化し、放熱フィン３ｃ及びケース８は接着剤９を介して接着することができる。これにより、後述する封止樹脂１０を注入し充填して樹脂封止する工程にて、封止樹脂１０を外部に漏らすことはない。
ステップＳ３０４にて、外部電極７を内部電極５に、接合材２ｄによって接合する。ステップＳ３０１同様、接合は、放熱フィン３ｃからの熱伝導及びリフロー内の熱風によって加熱され、その後の冷却を経て接合が完了する。半導体素子１だけでなく、接合材２ｂを介して伝熱され、内部電極５、外部電極７及び接合材２ｄを所望の温度まで昇温させることができ、良好な接合を得ることができる。なお、ステップＳ３０３の接着剤９を硬化させ接着する工程を、外部電極７を内部電極５に接合材２ｄによって接合するために加熱する工程にて一括して同時に行ってもよい。これにより、外部電極７を内部電極５に接合材２ｄによって接合するとともに、放熱フィン３ｃ及びケース８を接着することができる。従って、加熱する工程回数を抑制することができ、生産性を向上させることができる。
ステップＳ３０５にて、半導体素子１と制御端子１２とを、ＡｌまたはＣｕのいずれかを含む材料から形成される金属ワイヤ１３にてワイヤボンドし配線接続する。金属ワイヤ１３に対し超音波ツール（図示省略）が加圧しながら超音波振動を印可することにより、半導体素子１及び制御端子１２に金属ワイヤ１３が超音波接合され、配線接続する。
ステップＳ３０６にて、ケース８に囲まれた、絶縁層３ｂ及び回路パターン３ａの上側に、半導体素子１、内部電極５及びケース８の内側にある外部電極７を埋めるように、封止樹脂１０を注入し充填して樹脂封止する。樹脂封止後、加熱により封止樹脂１０を硬化させる。これにより、接合材２ａ、接合材２ｂ、接合材２ｃ、接合材２ｄ、接合材２ｅ及び金属ワイヤ１３の接合箇所に対し、周囲を封止樹脂にて覆われて固定されるため、絶縁性が確保されるとともに、信頼性を向上させることができる。
実施の形態２では、半導体素子１が絶縁層３ｂ及び放熱フィン３ｃと一体化された回路パターン３ａに接合され、ケース８が半導体素子１、回路パターン３ａ及び絶縁層３ｂを囲むように放熱フィン３ｃの周縁に接着され、半導体素子１、内部電極５及びケース８の内側にある外部電極７の周辺を覆うように、絶縁層３ｂと回路パターン３ａとケース８とに囲まれた領域に封止樹脂１０が封止されている。内部電極５に接合材２ｄを介して接合され、ケース８と一体成型されている外部電極７を備えている。
内部電極５は、平板形状であり、貫通孔６が設けられている。支持部材１４の一端部が接合材２ｂを介して回路パターン３ａに接合され、支持部材１４の他端部が接合材２ｅを介して内部電極５に接合されることにより、回路パターン３ａに対し内部電極５が安定して支持され、固定することができる。これにより、複数の半導体素子１の上面に対し接合された同一の内部電極５が、各半導体素子１の上面において接合材２ｃの接合厚を容易に確保し良好な接合を得るとともに、電力半導体装置１００ｂが使用される環境下にて生じる接合材２ｃの熱応力及び熱ひずみを抑制することができる。以上のような構成としたことにより、接合厚を確保し、高品質な接合を得るとともに、接合材２ｃの信頼性を向上させることができる。
また、発熱する半導体素子１に対し、半導体素子１の下面への放熱に加えて、半導体素子１の上面から内部電極５及び支持部材１４を介して回路パターン３ａ、絶縁層３ｂ、放熱フィン３ｃへと、放熱経路を拡大し、熱を集中させることなく、全体的にバランスよく効率的に放熱を図ることができる。なお、回路パターン３ａとは、半導体素子１が搭載されていない回路パターン３ａを含む。これにより、発熱する半導体素子１の放熱性向上を図ることができる。
さらに、内部電極５に流れる大電流による発熱に対しても、同様に、内部電極５から支持部材１４及び回路パターン３ａを介して絶縁層３ｂ、放熱フィン３ｃへと、放熱経路を拡大し、熱を集中させることなく、全体的にバランスよく効率的に放熱を図ることができる。なお、回路パターン３ａとは、半導体素子１が搭載されていない回路パターン３ａを含む。これにより、発熱する内部電極５の放熱性向上を図ることができる。従って、半導体素子１は、高温になることを抑制されるため、安定した動作をすることができる。
なお、図７及び図８に示すように、内部電極５の一方の先端部及び他方の先端部に、接合材２ｅを介して一対の支持部材１４が接合されているが、支持部材１４は一対であることに限定せず、同一の内部電極５に対し３つ以上の支持部材１４が、同一の内部電極５に接合され、回路パターン３ａに接合されてもよい。これにより、回路パターン３ａに対し内部電極５がさらに安定して支持され、固定することができる。
なお、支持部材１４は、接合材２ｃ、内部電極５及び外部電極７がリフローにて所望の温度に昇温できる熱伝導率を有していればよく、弾性率を下げた材料、もしくはばね性を有していてもよい。
また、リフローは、加熱により、回路パターン３ａ、内部電極５及び外部電極７の酸化防止を図るため、還元雰囲気でもよい。
実施の形態３．
本実施の形態は、上述した実施の形態１～２に係る電力半導体装置１００ａまたは１００ｂを電力変換装置に適用したものである。本実施の形態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適用した場合について説明する。
図１０は、本実施の形態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１０に示す電力変換システムは、電源１０１、電力変換装置２００、負荷３００から構成される。電源１０１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１０１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１０１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１０１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１０１から供給され、入力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１０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の各スイッチング素子を駆動する駆動信号を出力する駆動回路２０２と、駆動回路２０２を制御する制御信号を駆動回路２０２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１０１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には、上述した実施の形態１～２のいずれかに係る電力半導体装置を適用する。なお、ここでは実施の形態１に係る電力半導体装置１００ａによって構成した場合について説明する。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。
駆動回路２０２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、駆動回路２０２に制御指令（制御信号）を出力する。駆動回路２０２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して実施の形態１に係る電力半導体装置を適用するため、信頼性向上を実現することができる。
本実施の形態では、２レベルの電力変換装置２００を説明したが、本実施の形態は、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２００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本実施の形態１～２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コンバータに本実施の形態１～２を適用することも可能である。
また、本実施の形態１～２を適用した電力変換装置２００は、上述した負荷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器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 半導体素子
３ａ 回路パターン
３ｂ 絶縁層
３ｃ 放熱フィン
４、５ 内部電極
４ａ 平板形状部
４ｂ 支持部
６ 貫通孔
７ 外部電極
８ ケース
１０ 封止樹脂
１１ エンボス部
１２ 制御端子
１３ 金属ワイヤ
１４ 支持部材
１００ａ、１００ｂ 電力半導体装置
２００ 電力変換装置
２０１ 主変換回路
２０２ 駆動回路
２０３ 制御回路

Claims (11)

  1. 半導体素子と、
    前記半導体素子を搭載している回路パターンと、
    前記回路パターンを搭載している絶縁層と、
    前記絶縁層を搭載している放熱フィンと、
    前記放熱フィンの周縁に接着され、前記半導体素子、前記回路パターン及び前記絶縁層を囲んでいるケースと、
    前記絶縁層と前記回路パターンと前記ケースとに囲まれた領域に、封止されている封止樹脂と、
    前記半導体素子及び前記回路パターンに接合され、平板形状部を含み、一対の支持部を有する内部電極と、
    前記内部電極に接合され、前記ケースと一体成型されている外部電極と、
    を備えた電力半導体装置。
  2. 前記内部電極は、少なくとも１つの前記半導体素子と接合されている請求項１記載の電力半導体装置。
  3. 前記支持部は、前記半導体素子が搭載されていない前記回路パターンに接合されている請求項１または請求項２に記載の電力半導体装置。
  4. 前記支持部は、前記内部電極と同一部材であり、一対の先端部が屈曲している請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力半導体装置。
  5. 前記支持部は、金属から形成され、前記半導体素子と前記内部電極の前記平板形状部とが平行配置になるように、前記支持部の一端部が前記回路パターンと接合され、前記支持部の他端部が前記内部電極に接合されている請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力半導体装置。
  6. 前記内部電極の前記平板形状部に、貫通孔と前記貫通孔の周辺にエンボス部が設けられ、前記貫通孔と前記エンボス部と前記半導体素子とが接合されている請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電力半導体装置。
  7. 前記貫通孔と前記エンボス部と前記半導体素子との接合は、前記エンボス部の前記半導体素子と反対側の面にも接合され、凸状に覆われている請求項６記載の電力半導体装置。
  8. 前記半導体素子と前記回路パターンとの接合、前記支持部と前記回路パターンとの接合、前記貫通孔と前記エンボス部と前記半導体素子との接合、前記内部電極と前記外部電極との接合のいずれかは、Ｓｎを含むはんだ、または金属の微粒子にて形成された焼結材のいずれかである請求項６または請求項７に記載の電力半導体装置。
  9. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の電力半導体装置を有し、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
    前記電力半導体装置を駆動する駆動信号を前記電力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制御信号を前記駆動回路に出力する制御回路と、
    を備えた電力変換装置。
  10. 半導体素子と放熱フィンに絶縁層を介して搭載された回路パターンとを接合する工程と、
    前記半導体素子と内部電極とを接合し、前記内部電極の支持部と前記回路パターンとを接合する工程と、
    前記放熱フィンとケースとを接着する工程と、
    前記内部電極と前記ケースに一体成型された外部電極とを接合する工程と、
    前記半導体素子と前記ケースに一体成型された制御端子とを金属ワイヤにてワイヤボンドし配線接続する工程と、
    前記絶縁層と前記回路パターンと前記ケースとに囲まれた領域に樹脂封止する工程と、を備えた電力半導体装置の製造方法。
  11. 半導体素子と放熱フィンに絶縁層を介して搭載された回路パターンとを接合し、支持部材と前記回路パターンとを接合する工程と、
    前記半導体素子と内部電極とを接合し、前記支持部材と前記内部電極とを接合する工程と、
    前記放熱フィンとケースとを接着する工程と、
    前記内部電極と前記ケースに一体成型された外部電極とを接合する工程と、
    前記半導体素子と前記ケースに一体成型された制御端子とを金属ワイヤにてワイヤボンドし配線接続する工程と、
    前記絶縁層と前記回路パターンと前記ケースに囲まれた領域に樹脂封止する工程と、
    を備えた電力半導体装置の製造方法。
JP2021070532A 2021-04-19 2021-04-19 電力半導体装置、電力半導体装置の製造方法及び電力変換装置 Pending JP2022165251A (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021070532A JP2022165251A (ja) 2021-04-19 2021-04-19 電力半導体装置、電力半導体装置の製造方法及び電力変換装置
US17/683,002 US11887903B2 (en) 2021-04-19 2022-02-28 Power semiconductor device, method for manufacturing power semiconductor device, and power conversion apparatus
DE102022108858.8A DE102022108858A1 (de) 2021-04-19 2022-04-12 Leistungs-Halbleitervorrichtung, Verfahren zum Herstellen einer Leistungs-Halbleitervorrichtung und Leistungsumwandlungseinrichtung
CN202210390217.2A CN115223977A (zh) 2021-04-19 2022-04-14 电力半导体装置、电力半导体装置的制造方法及电力变换装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021070532A JP2022165251A (ja) 2021-04-19 2021-04-19 電力半導体装置、電力半導体装置の製造方法及び電力変換装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2022165251A true JP2022165251A (ja) 2022-10-31

Family

ID=83447019

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2021070532A Pending JP2022165251A (ja) 2021-04-19 2021-04-19 電力半導体装置、電力半導体装置の製造方法及び電力変換装置

Country Status (4)

Country Link
US (1) US11887903B2 (ja)
JP (1) JP2022165251A (ja)
CN (1) CN115223977A (ja)
DE (1) DE102022108858A1 (ja)

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW408453B (en) * 1997-12-08 2000-10-11 Toshiba Kk Package for semiconductor power device and method for assembling the same
JP2005302951A (ja) * 2004-04-09 2005-10-27 Toshiba Corp 電力用半導体装置パッケージ
JP2019057576A (ja) * 2017-09-20 2019-04-11 ルネサスエレクトロニクス株式会社 半導体装置
JP7000871B2 (ja) 2018-01-16 2022-01-19 三菱電機株式会社 半導体装置および電力変換装置
US11373939B2 (en) * 2018-09-26 2022-06-28 Semiconductor Components Industries, Llc Quad leadframe packages and related methods

Also Published As

Publication number Publication date
DE102022108858A1 (de) 2022-10-20
US20220336301A1 (en) 2022-10-20
CN115223977A (zh) 2022-10-21
US11887903B2 (en) 2024-01-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10546800B2 (en) Semiconductor module, method for manufacturing the same and electric power conversion device
WO2014097798A1 (ja) 半導体装置
JP7196815B2 (ja) 半導体モジュール及び電力変換装置
JP7014012B2 (ja) 半導体装置、半導体装置の製造方法および電力変換装置
CN109698179B (zh) 半导体装置及半导体装置的制造方法
CN111052325B (zh) 半导体模块以及电力转换装置
CN113316844A (zh) 半导体装置、半导体装置的制造方法以及电力变换装置
JP6575739B1 (ja) 半導体装置、半導体装置の製造方法および電力変換装置
CN111293087B (zh) 半导体装置以及电力变换装置
JP7109347B2 (ja) 半導体装置および電力変換装置
JP7091878B2 (ja) パワーモジュール、電力変換装置、及びパワーモジュールの製造方法
JP6825408B2 (ja) 電力用半導体装置、電力変換装置および電力用半導体装置の製造方法
JP7053897B2 (ja) 半導体装置、半導体装置の製造方法及び電力変換装置
JP2022165251A (ja) 電力半導体装置、電力半導体装置の製造方法及び電力変換装置
JP2018073923A (ja) 電力用半導体装置、電力用半導体装置の製造方法および電力変換装置
JP7237192B2 (ja) 半導体装置およびその製造方法ならびに電力変換装置
WO2023022001A1 (ja) パワーモジュールおよび電力変換装置
US20230307326A1 (en) Semiconductor device, method for producing semiconductor device, and power conversion apparatus
US20240030087A1 (en) Semiconductor device, method of manufacturing semiconductor device, and power conversion device
WO2022049660A1 (ja) 半導体装置、電力変換装置、および移動体
JP2023110389A (ja) 半導体装置、電力変換装置、および、半導体装置の製造方法
JP2024013570A (ja) 半導体装置、半導体装置の製造方法および電力変換装置
JP2024010348A (ja) 半導体モジュールおよび電力変換装置
JP2023058783A (ja) 半導体装置、半導体装置の製造方法および電力変換装置
JP2023162108A (ja) 樹脂封止型半導体装置及び電力変換装置

Legal Events

Date Code Title Description
RD01 Notification of change of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7421

Effective date: 20220427

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20230419

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20240215

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20240409