JP2023124683A - 半導体装置及び電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁シートによる絶縁性に課題があった。【解決手段】複数の半導体素子と、前記複数の半導体素子が接合された導体板と、前記導体板における前記複数の半導体素子側とは反対の面に接着された絶縁シートと、前記複数の半導体素子と前記絶縁シートと前記導体板とを封止する樹脂部材と、を備え、前記導体板は、前記複数の半導体素子の各々が接合される複数の素子接合領域と、前記複数の素子接合領域の間に設けられた連結領域と、を有し、前記導体板の前記素子接合領域における前記絶縁シート側表面は、前記連結領域の前記絶縁シート側表面よりも突出して前記絶縁シートに接着され、前記導体板の前記連結領域における前記絶縁シート側表面と前記絶縁シートとの間には、前記樹脂部材が充填される半導体装置。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体装置及び電力変換装置に関する。

半導体素子のスイッチングによる電力変換装置は、変換効率が高いため、民生用、車載用、鉄道用、変電設備等に幅広く利用されている。この電力変換装置は、半導体装置により構成される。半導体装置は、半導体素子と、半導体素子が接合された導体板と、導体板の半導体素子側とは反対の面に接着される絶縁シートとを備え、これらは樹脂部材により封止される。特に、車載用途においては、半導体装置に高い信頼性が求められる。

特許文献１には、樹脂絶縁層を有するシート状部材（絶縁シート）と、導体板と、半導体素子とをトランスファーモールド成型により封止樹脂で被覆する電気回路体が開示されている。

特開２０２１－０４８２５５号公報

特許文献１に記載された半導体装置は、絶縁シートによる絶縁性に課題があった。

本発明による半導体装置は、複数の半導体素子と、前記複数の半導体素子が接合された導体板と、前記導体板における前記複数の半導体素子側とは反対の面に接着された絶縁シートと、前記複数の半導体素子と前記絶縁シートと前記導体板とを封止する樹脂部材と、を備え、前記導体板は、前記複数の半導体素子の各々が接合される複数の素子接合領域と、前記複数の素子接合領域の間に設けられた連結領域と、を有し、前記導体板の前記素子接合領域における前記絶縁シート側表面は、前記連結領域の前記絶縁シート側表面よりも突出して前記絶縁シートに接着され、前記導体板の前記連結領域における前記絶縁シート側表面と前記絶縁シートとの間には、前記樹脂部材が充填される。

本発明によれば、絶縁シートによる絶縁性を高めた高信頼性の半導体装置を提供できる。

電気回路体の一実施形態の平面図である。 電気回路体のＸ－Ｘ線の断面図である。 電気回路体のＹ－Ｙ線の断面図である。 半導体装置の断面斜視図である。 半導体装置の半透過平面図である。 半導体装置の回路図である。 （ａ）～（ｄ）半導体装置の製造工程を説明するための断面図である。 （ａ）～（ｃ）絶縁性が向上する原理を模式的に示した断面図である。 樹脂部材の注入過程で絶縁性が向上する原理を模式的に示した断面図である。 （ａ）～（ｃ）比較例を模式的に示した断面図である。 樹脂部材の注入過程で比較例を模式的に示した断面図である。 （ａ）（ｂ）変形例における半導体装置の半透過平面図、断面図である。 樹脂部材の収縮量と温度の関係を示す図である。 半導体装置を用いた電力変換装置の回路図である。 電力変換装置の外観斜視図である。 電力変換装置のＸＶ－ＸＶ線の断面斜視図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の記載および図面は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施する事が可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。

図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。

図１は、電気回路体４００の平面図である。
電気回路体４００は、３個の半導体装置３００と、半導体装置３００を冷却する冷却部材３４０からなる。

半導体装置３００は、その詳細は後述するが、半導体素子と、半導体素子が接合された導体板と、導体板の半導体素子側とは反対の面に接着される絶縁シートとを備え、これらは樹脂部材３６０により封止される。半導体装置３００は、半導体素子を用い直流電力と交流電力を相互に変換する。半導体装置３００は、半導体素子の通電により発熱するため、これを冷却部材３４０で冷却する。冷却部材３４０の内部には冷媒が流通し、冷媒には、水や水にエチレングリコールを混入した不凍液等を用いる。

半導体装置３００は、直流回路のコンデンサモジュール５００（図１４参照）に連結する正極側端子３１５Ｂおよび負極側端子３１９Ｂ、交流回路のモータジェネレータ１９２、１９４（図１４参照）に連結する交流側端子３２０Ｂ等の大電流が流れるパワー端子を備えている。また、下アームの半導体素子に対応して、下アームゲート端子３２５Ｌ，ミラーエミッタ信号端子３２５Ｍ、ケルビンエミッタ信号端子３２５Ｋを備えている。上アームの半導体素子に対応して、上アームゲート端子３２５Ｕ、ミラーエミッタ信号端子３２５Ｍ、ケルビンエミッタ信号端子３２５Ｋ等の半導体装置の制御に用いる信号端子を備えている。

図２は、図１に示す電気回路体４００のＸ－Ｘ線の断面図である。図３は、図１に示す電気回路体４００のＹ－Ｙ線の断面図である。
上アーム回路を形成する第１パワー半導体素子１５５、１５６として、能動素子１５５、ダイオード１５６を備える。能動素子１５５としては、Si、SiC、GaN、GaO、C等を用いることができる。能動素子１５５のボディダイオードを用いる場合は、別付けのダイオードを省略してもよい。第１パワー半導体素子１５５、１５６のコレクタ側は、第２導体板４３１に接合されている。この接合には、はんだを用いてもよいし、焼結金属を用いてもよい。第１パワー半導体素子１５５、１５６のエミッタ側には第１導体板４３０が接合されている。下アーム回路を形成する第２パワー半導体素子１５７、１５８として、能動素子１５７、ダイオード１５８を備える。第２パワー半導体素子１５７、１５８のコレクタ側は、第４導体板４３３に接合されている。第２パワー半導体素子１５７、１５８のエミッタ側には第３導体板４３２が接合されている。

導体板４３０、４３１、４３２、４３３は、電気伝導性と熱伝導率が高い材料であれば特に限定されないが、銅系又はアルミ系材料が望ましい。これらは、単独で用いてもよいが、はんだや、焼結金属との接合性を高めるためNiやAg等のめっきを施してもよい。

導体板４３０、４３１、４３２、４３３は、電流を通電する役割の他に、パワー半導体素子１５５、１５６、１５７、１５８が発する熱を冷却部材３４０に伝熱する伝熱部材としての役割をはたしている。導体板４３０、４３１、４３２、４３３と冷却部材３４０は電位が異なるため、この間に絶縁シート４４０、４４１を配置する。絶縁シート４４０、４４１と冷却部材３４０の間には、接触熱抵抗を低減するため熱伝導部材４５３を配置する。パワー半導体素子１５５、１５６、１５７、１５８、導体板４３０、４３１、４３２、４３３、絶縁シート４４０、４４１は、トランスファーモールド成型により樹脂部材３６０で封止される。

絶縁シート４４０は、樹脂絶縁層４４２と金属箔４４４との積層構造、絶縁シート４４１は、樹脂絶縁層４４３と金属箔４４４との積層構造の例で説明するが、絶縁シート４４０、４４１は、それぞれ樹脂絶縁層４４２、４４３単体でもよい。また、絶縁シート４４０、４４１が、樹脂絶縁層４４２、４４３と金属箔４４４との積層構造である場合、熱伝導部材４５３と接する側に金属箔４４４を配置する。絶縁シート４４０、４４１の樹脂絶縁層４４２、４４３は、導体板４３０、４３１、４３２、４３３と接着性を有するものであれば特に限定されないが、粉末状の無機充填剤を分散したエポキシ樹脂系の樹脂絶縁層４４２、４４３が望ましい。これは、接着性と放熱性のバランスが良いためである。トランスファーモールド成型工程において、絶縁シート４４０、４４１を金型に搭載する際、金型への接着を防ぐため、絶縁シート４４０、４４１と金型との接触面には金属箔４４４を設ける。金型への接着を防ぐために離型シートを用いた場合、離型シートは熱伝導率が悪いためトランスファーモールド後に剥離する工程が必要となるが、金属箔４４４の場合は、銅系や、アルミ系の熱伝導率の高い金属を選択することで、トランスファーモールド後に剥離する工程が不要になる。絶縁シート４４０、４４１を含めてトランスファーモールドする事で、絶縁シート４４０、４４１の端部が樹脂部材３６０で被覆されることで信頼性が向上する効果がある。

図２に示すように、導体板４３０、４３１、４３２、４３３は、パワー半導体素子１５５、１５６、１５７、１５８を接合している素子接合領域４６２と、素子接合領域４６２を連結する連結領域４６３を有し、また、素子接合領域４６２の直上に突出部４６１を有する。

突出部４６１は、密着領域４６４で絶縁シート４４０と接着している。また、連結領域４６３は、絶縁シート４４０と、第１導体板４３０との間に、樹脂充填空間４６０が形成される。樹脂充填空間４６０には後述するトランスファーモールド工程で樹脂部材３６０が充填され、パワー半導体素子１５５、１５６、１５７、１５８と絶縁シート４４０と導体板４３０、４３１、４３２、４３３とを封止している樹脂部材３６０と連結されている。絶縁シート４４０の樹脂絶縁層４４２と樹脂部材３６０とはトランスファーモールド工程で同時に硬化するため、樹脂絶縁層４４２と樹脂部材３６０との樹脂成分が相互に侵入し、硬化後に樹脂絶縁層４４２と樹脂部材３６０とを接着する場合に比べて高い密着性を有する。樹脂充填空間４６０は、樹脂部材３６０が十分充填できる３００μｍ以上の厚さがあることが望ましい。また、絶縁性の観点から、絶縁シート４４０の樹脂絶縁層４４２の厚さより厚いことが好ましい。

導体板４３０、４３１、４３２、４３３は、電気伝導性が高く、熱伝導率が高い材料が望ましく、銅やアルミ等の金属系材料や、金属系材料と高熱伝導率のダイヤモンド、カーボンやセラミック等の複合材料等を用いることもできる。導体板４３０、４３１、４３２、４３３の連結領域４６３は、プレス加工による凹みや、機械加工やレーザ加工による切削、低剛性部材の連結等で作製する。

冷却部材３４０は、熱伝導率が高く軽量なアルミ系が望ましい。押し出し成型や、鍛造、ろう付け等で作製する。
熱伝導部材４５３は、熱伝導率が高い材料であれば特に限定されないが、金属、セラミックス、炭素系材料等の高熱伝導材料を樹脂材料と組み合わせて用いることが好ましい。これは、高熱伝導材料と高熱伝導材料の間、高熱伝導材料と冷却部材３４０の間、高熱伝導部材と絶縁シート４４０、４４１の間を樹脂材料が補填し、接触熱抵抗が低減するためである。

図４は、半導体装置３００の断面斜視図である。
導体板４３０は、その突出部４６１が絶縁シート４４０と密着領域４６４で接着している。また、樹脂充填空間４６０が、絶縁シート４４０と第１導体板４３０との間に形成され、樹脂充填空間４６０には樹脂部材３６０が充填されている。

図５は、半導体装置３００の半透過平面図である。図６は、半導体装置３００の回路図である。
図５、図６に示すように、正極側端子３１５Ｂは、上アーム回路のコレクタ側から出力しており、バッテリ又はコンデンサの正極側に接続される。上アームゲート端子３２５Ｕは、上アーム回路の能動素子１５５のゲートから、上アームケルビンエミッタ信号端子３２５Ｋは、上アーム回路の能動素子１５５のエミッタセンスから出力している。負極側端子３１９Ｂは、下アーム回路のエミッタ側から出力しており、バッテリ若しくはコンデンサの負極側、又はＧＮＤに接続される。下アームゲート端子３２５Ｌは、下アーム回路の能動素子１５７のゲートから、下アームケルビンエミッタ信号端子３２５Ｋは、下アーム回路の能動素子１５７のエミッタセンスから出力している。交流側端子３２０Ｂは、下アーム回路のコレクタ側から出力しており、モータに接続される。中性点接地をする場合は、下アーム回路は、ＧＮＤでなくコンデンサの負極側に接続する。

また、パワー半導体素子（上アーム回路）の能動素子１５５およびダイオード１５６の上下に導体板（上アーム回路エミッタ側）４３０、導体板（上アーム回路コレクタ側）４３１が配置される。パワー半導体素子（下アーム回路）の能動素子１５７およびダイオード１５８の上下に導体板（下アーム回路エミッタ側）４３２、導体板（下アーム回路コレクタ側）４３３が配置される。

本実施形態の半導体装置３００は、上アーム回路及び下アーム回路の２つのアーム回路を、１つのモジュールに一体化した構造である２ｉｎ１構造である。この他に、複数の上アーム回路及び下アーム回路を、１つのモジュールに一体化した構造を用いてもよい。この場合は、半導体装置３００からの出力端子の数を低減し小型化することができる。

図７（ａ）～図７（ｄ）は、半導体装置３００の製造工程を説明するための断面図である。図２と同様に、１モジュール分のＸ-Ｘ線の断面図で示す。

図７（ａ）は、仮着け工程である。導体板４３０、４３１にパワー半導体素子１５５、１５６のコレクタ側を接続し、パワー半導体素子１５５、１５６のゲート電極をワイヤボンディングで接続する。さらに、パワー半導体素子１５５、１５６のエミッタ側を導体板４３０、４３１に接続して、回路体３１０を作製する。その後、導体板４３０、４３１に絶縁シート４４０、４４１を仮着けする。仮着けとは、この後のトランスファーモールド工程で絶縁シート４４０、４４１が硬化し接着する余地を残した条件で、絶縁シート４４０、４４１の密着力を使用して一時的に貼り付けることである。

図７（ｂ）～図７（ｄ）は、トランスファーモールド工程である。トランスファーモールド装置６０１は、スプリング６０２を金型６０３に備えている。このスプリング６０２により、回路体３１０の高さがばらついても、パワー半導体素子１５５、１５６に過度の圧力を加えることなく、スプリング６０２の力により所定の荷重を加えることができる。また、トランスファーモールド装置６０１は、図示していない真空脱気機構を備える。真空脱気することで、樹脂部材３６０等がボイドを巻き込んでもボイドを小さく圧縮し、絶縁性を向上できる。また、図示していない離型フィルムで回路体３１０を覆うことで、スプリング駆動部等に樹脂バリが侵入するのを保護できる。

図７（ｂ）に示すように、予め１７５℃の恒温状態に加熱した金型６０３内に、絶縁シート４４０、４４１を仮着した回路体３１０をセットする。次に、図７（ｃ）に示すように、上下の金型６０３をクランプする。このとき、スプリング６０２により、絶縁シート４４０、４４１と導体板４３０、４３１は加圧され密着する。コレクタ側に位置する導体板４３１は、導体板４３１外周の端子部を金型でクランプする際に下の金型６０３に向けて加圧され、スプリング６０２の力に上乗せされるため、エミッタ側に位置する導体板４３０より強い力で絶縁シート４４１に圧着される。エミッタ側に位置する導体板４３０は、スプリング６０２の力によって絶縁シート４４０に圧着されるが、このスプリング６０２の力はパワー半導体素子１５５、１５６にも加わる。このため、絶縁性を向上するため強い力で加圧すると、パワー半導体素子１５５、１５６に過度の圧力が加わることとなる。本実施形態では、詳細は後述するが、樹脂充填空間４６０を設けることで、パワー半導体素子１５５、１５６を過度に加圧すること無く、絶縁シート４４０、４４１による絶縁性を高める。

この後、図７（ｄ）に示すように、樹脂部材３６０を金型６０３内に注入する。その後、トランスファーモールド装置６０１から樹脂封止した半導体装置３００を取り出し、１７５℃にて２時間以上の後硬化を行う。次に、熱伝導部材４５２を介して冷却部材３４０を接合して電気回路体４００を作製する。

図８（ａ）～図８（ｃ）は、図７（ｂ）～図７（ｄ）で示したトランスファーモールド工程において絶縁性が向上する原理を模式的に示した断面図である。図８（ａ）～図８（ｃ）では、解りやすくするために、絶縁シート４４０の厚さを導体板４３０の厚さより拡大して、絶縁シート４４０と導体板４３０とを部分的に図示している。

絶縁シート４４０の樹脂絶縁層４４２には、高熱伝導化のためエポキシ樹脂等の樹脂成分の中に図示していない充填材が多数充填されている。このため、図８（ａ）に示すように、樹脂成分と充填材の界面近傍に微小なボイド４６５が存在する場合がある。このようなボイド４６５は絶縁シート４４０の絶縁性低下の原因となる。図８（ｂ）に示すように、トランスファーモールド装置６０１でクランプし、スプリング６０２の力Ｐが働くと、素子接合領域４６２から、導体板４３０の板厚方向に対しておよそ４５度の角度で荷重が広がる。この４５度の線Ｍの外側では、スプリング６０２の力Ｐによる荷重は大きく減衰する。導体板４３０と絶縁シート４４０との密着領域４６４を、素子接合領域４６２から、導体板４３０の板厚に対しおよそ４５度の角度で荷重が広がる線の内側にすることで、密着領域４６４に効率よくスプリング６０２の力Ｐによる荷重を加えることができる。密着領域４６４と接する樹脂絶縁層４４２にも同じ４５度の線Ｍの内側には、効率よく荷重が加わっている。この荷重により、絶縁シート４４０の樹脂絶縁層４４２の中のボイド４６５が圧縮され、ボイド４６５の大きさが縮小されることにより絶縁シート４４０の絶縁性が向上する。この４５度の線Ｍの外側では、樹脂絶縁層４４２の中のボイド４６５は圧縮されずに残るが、電界強度の高い密着領域４６４の直上のボイド４６５が圧縮されているため絶縁シート４４０の絶縁性が向上する。

また、図８（ｃ）に示すように、樹脂充填空間４６０の厚さＬ２を樹脂絶縁層４４２の厚さＬ１以上にすることで、樹脂充填空間４６０に充填された樹脂部材３６０が絶縁層として作用し、樹脂充填空間４６０と対向する樹脂絶縁層４４２にボイド４６５が圧縮されずに残存しても絶縁性を担保することができる。なお、図８（ｃ）では、絶縁シート４４０の厚さを導体板４３０の厚さより拡大して図示しているため、樹脂充填空間４６０の厚さＬ２が樹脂絶縁層４４２の厚さＬ１より薄く図示しているが、実際は、前述のとおり、樹脂充填空間４６０の厚さＬ２は樹脂絶縁層４４２の厚さＬ１以上である。また、絶縁シート４４０が、樹脂絶縁層４４２単体で構成される場合は、樹脂充填空間４６０の厚さＬ２は絶縁シート４４０の厚さＬ１以上である。

図９は、図７（ｄ）で示したトランスファーモールド工程における樹脂部材の注入過程で絶縁性が向上する原理を模式的に示した断面図である。図８（ａ）～図８（ｃ）と同様に、解りやすくするために、絶縁シート４４０の厚さを導体板４３０の厚さより拡大して、絶縁シート４４０と導体板４３０とを部分的に図示している。

トランスファーモールド工程で樹脂部材３６０を注入すると、樹脂部材３６０が液状である間は、成型圧力が静水圧として全方位に作用する。この静水圧の内、図９において上方に作用する力を成型圧力Ｐ１として黒矢印で示す。図９において下方に作用する力を成型圧力Ｐ２として白矢印で示す。樹脂充填空間４６０では、成型圧力Ｐ１は、絶縁シート４４０を圧縮する方向に作用している。また、導体板４３０に注目すると、導体板４３０に下側から上方に加わる成型圧力Ｐ１は、樹脂充填空間４６０に侵入した樹脂部材３６０による成型圧力Ｐ２により打ち消しあい、導体板４３０が押し上げられる力を減少している。パワー半導体素子１５５、１５６を接合している素子接合領域４６２に剥離方向の力が加わると、素子接合領域４６２を接合している、はんだ等の接合材が剥離する懸念が生じるため、導体板４３０に下側から上方に加わる成型圧力Ｐ１に対向するためスプリング６０２の力Ｐを強くする必要が生じる。このように、樹脂充填空間４６０を設けることで、成型圧力Ｐ１で導体板４３０が上方に押し上げられる力を減少するため、スプリング６０２の力Ｐを低減できる効果がある。スプリング６０２の力Ｐを低減することで、金型構造の簡略化によるトランスファーモールド装置６０１の低コスト化や、スプリング６０２のコストの低減効果がある。また、パワー半導体素子１５５、１５６を過度に加圧することが無いため、半導体装置３００の歩留まりに優れる効果がある。

図１０（ａ）～図１０（ｃ）は、トランスファーモールド工程において比較例を模式的に示した断面図である。この比較例では、樹脂充填空間４６０を設けず、本実施形態を適用しない場合の例を示す。図８（ａ）～図８（ｃ）と同様に、解りやすくするために、絶縁シート４４０の厚さを導体板４３０の厚さより拡大して、絶縁シート４４０と導体板４３０とを部分的に図示している。

絶縁シート４４０には、高熱伝導化のためエポキシ樹脂等の樹脂成分の中に図示していない充填材が多数充填されている。このため、図１０（ａ）に示すように、樹脂成分と充填材の界面近傍に微小なボイド４６５が存在する場合がある。このようなボイド４６５は絶縁性低下の原因となる。トランスファーモールド装置６０１でクランプし、スプリング６０２の力Ｐが働くと、図１０（ｂ）に示すように、素子接合領域４６２から、導体板４３０の板厚方向に対しておよそ４５度の角度で荷重が広がる。この４５度の線Ｍの外側では、スプリング６０２の力Ｐによる荷重は大きく減衰する。絶縁シート４４０の樹脂絶縁層４４２にも４５度の線Ｍの内側には、荷重が加わっている。この荷重により、樹脂絶縁層４４２の中のボイド４６５が圧縮される。

一方、この４５度の線Ｍの外側では、樹脂絶縁層４４２の中のボイド４６５は圧縮されずに残る。この比較例では、樹脂充填空間４６０を設けていないので、密着領域４６４は、素子接合領域４６２から４５度の線Ｍより外側にもある。このため、電界強度の高い密着領域４６４の直上にボイドが圧縮されていない領域があり絶縁性が低くなる。また、図１０（ｃ）に示すように、樹脂充填空間４６０は設けられていないので、樹脂絶縁層４４２の厚さＬ１のみが、絶縁層として機能するため、絶縁性を向上するために樹脂絶縁層４４２の厚さＬ１を厚くすると、導体板４３０から絶縁シート４４０を経て冷却部材３４０へ至る熱抵抗が増加するため半導体装置３００の放熱性が低下する。

図１１は、図７（ｄ）で示したトランスファーモールド工程における樹脂部材の注入過程で比較例における絶縁性の原理を模式的に示した断面図である。この比較例では、樹脂充填空間４６０を設けず、本実施形態を適用しない場合の例を示す。図８（ａ）～図８（ｃ）と同様に、解りやすくするために、絶縁シート４４０の厚さを導体板４３０の厚さより拡大して、絶縁シート４４０と導体板４３０とを部分的に図示している。

トランスファーモールド工程で樹脂部材３６０を注入すると、樹脂部材３６０が液状である間は、成型圧力が静水圧として全方位に作用する。この静水圧の内、図１１において上方に作用する力を成型圧力Ｐ１として黒矢印で示す。導体板４３０に注目すると、成型圧力Ｐ１で、導体板４３０が押し上げられている。パワー半導体素子１５５、１５６を接合している素子接合領域４６２に剥離方向の力が加わると、素子接合領域４６２を接合している、はんだ等の接合材が剥離する懸念が生じるため、この成型圧力Ｐ１に対向するためスプリング６０２の力Ｐを強くする必要が生じる。スプリング６０２の力Ｐを強くするとトランスファーモールド装置６０１のコストアップや、パワー半導体素子１５５、１５６を過度に加圧することとなるため半導体装置３００の歩留まりが悪化する。このため、成型圧力Ｐ１を低く抑える必要があるが、成型圧力Ｐ１の低下によりボイド４６５の圧縮が不十分になり、その結果、絶縁シート４４０の絶縁性が低くなる。

図１２（ａ）は、変形例における半導体装置３００’の半透過平面図である。この変形例は、図５に示した半導体装置３００の半透過平面図に対応する変形例である。
図１２（ａ）に示すように、上アーム回路を形成するパワー半導体素子１５５は、第２導体板４３１の上に、２列で各列に５個ずつ配置されている。下アーム回路を形成するパワー半導体素子１５７も同様に、第４導体板４３３の上に、２列で各列に５個ずつ配置されている。並列に配列されたパワー半導体素子１５５、１５７のそれぞれの配列の間には、導体板４３１、４３３の上に、配線基板３７２が設けられている。配線基板３７２上には、パワー半導体素子１５５、１５７と下アームゲート端子３２５Ｌ、下アームケルビンエミッタ信号端子３２５Ｋ、ミラーエミッタセンス信号端子３２５Ｍ、上アームゲート端子３２５Ｕ、等の信号端子とをつなぐ信号配線が設けられている。そして、パワー半導体素子１５５、１５７のゲートにつながる信号配線にはチップ抵抗が配置されている。

半導体装置３００’を用いて電力変換装置２００を構成した場合、電力変換装置２００には、大電流に対応した高出力化や、故障診断等の高機能化が求められる場合がある。しかし、パワー半導体素子１５５、１５７には、通電できる電流に限度があるため、出力をアップするには、パワー半導体素子１５５、１５７を、図１２（ａ）に示すように、多並列で用いることが有効である。多並列で用いる場合、パワー半導体素子１５５、１５７をスイッチングするためのゲート配線がチップの数だけ増えて、複雑な配線が必要となる。このため、リードフレームに比べ多層化が可能で、微細配線に対応した配線基板３７２を用いてレイアウトすることで、パワー半導体素子１５５、１５７を多並列する場合の配線の混雑を緩和することが可能となる。

また、ゲート配線には、パワー半導体素子１５５、１５７のゲートに駆動に必要な電荷を加えるためゲート抵抗が必要となる。このようなゲート駆動回路は、通常、半導体装置の外部に配線基板を設け、その配線基板に搭載するが、パワー半導体素子１５５、１５７を多並列化して用いる場合、誤作動を防止するため、素子毎にゲート抵抗を設けることが望ましく、このようなことから、ゲート抵抗をチップ抵抗として搭載した配線基板３７２を半導体装置３００’に内蔵する。このような配線基板３７２を搭載する場合、パワー半導体素子１５５、１５７の素子接合領域４６２の総面積に対し、導体板４３０、４３１と絶縁シート４４０、４４１の密着領域の総面積が大きくなり、導体板４３０、４３１と絶縁シート４４０、４４１との密着領域の加圧力が著しく下がるため、上述した樹脂充填空間４６０を設けることで、密着領域の総面積を低減して絶縁性向上に有効である。

図１２（ｂ）は、変形例における半導体装置３００の断面図である。この図１２（ｂ）は、図１２（ａ）に示すＢ－Ｂ線の断面図である。なお、図１２（ａ）では取り除いていた、第１導体板（上アーム回路エミッタ側）４３０、第１シート部材（エミッタ側）４４０、冷却部材３４０を設けた状態の断面図を示す。

図１２（ｂ）において、図２を参照して説明したと同様に、エミッタ側の導体板４３０は、パワー半導体素子１５５を接合している素子接合領域４６２と、素子接合領域４６２を連結する連結領域４６３を有し、また、素子接合領域４６２の直上に突出部４６１を有する。

突出部４６１は、密着領域４６４にて絶縁シート４４０と接着している。また、連結領域４６３は、絶縁シート４４０と、第１導体板４３０との間に、樹脂充填空間４６０が形成され、樹脂充填空間４６０にはトランスファーモールド工程で樹脂部材３６０が充填されている。

コレクタ側の導体板４４１もエミッタ側の導体板４３０と同様に、突出部４６１や樹脂充填空間４６０が形成されている。コレクタ側にも、樹脂充填空間４６０を設けることで、トランスファーモールド工程における金型クランプで、端子を金型でクランプすることで、コレクタ側の導体板を絶縁シート４４１に押し付け加圧する設計制約がなくなり、設計自由度が向上する。

図１３は、樹脂部材３６０の収縮量と温度の関係を示す図である。横軸に温度を、縦軸に収縮量を示す。
図１３に示す樹脂部材α、γは、夫々、ガラス転移温度αｔ、γｔがＴｍｏｌｄより低い場合は、ガラス転移温度αｔ、γｔまでは大きな収縮量で収縮し、ガラス転移温度αｔ、γｔより温度が低くなるとこれより小さい収縮量で収縮する。樹脂部材βは、ガラス転移温度がＴｍｏｌｄより低い場合は、一定の収縮量で収縮する。Ｔ１は半導体装置３００’の使用環境温度の最小値、Ｔ２は使用環境温度の最大値で、例えばＴ１は－４０℃、Ｔ２は１２５℃となる。Ｔｍｏｌｄは、例えば１７５℃である。この温度域において、収縮量が銅Ｃｕより大きい場合、つまり、樹脂部材３６０の収縮量が図１３に示すハッチング領域Ｈに入っている場合、使用温度域Ｔ１－Ｔ２で、以下に説明するように、絶縁シート４４０、４４１に樹脂充填空間４６０へ向けた凸部４６６を設けることができる。

図１３を用い、突出部４６１と樹脂充填空間４６０で絶縁シート４４０、４４１に凸部４６６を形成する原理を説明する。例えば１７５℃のＴｍｏｌｄ温度においてトランスファーモールド金型内に樹脂部材３６０を注入する。注入直後の寸法を基準に半導体装置３００’の構成部材のＺ軸方向の収縮に注目する。エミッタ側からコレクタ側に向かって構成部材を見ていくと、絶縁シート４４０、導体板４３０、はんだ、パワー半導体素子１５５、はんだ、導体板４３１、絶縁シート４４１となる。絶縁シート４４０、４４１は、厚さ１００μｍから５００μｍの樹脂絶縁層４４２、４４３と、厚さ３０μｍから２００μｍの金属箔４４４から構成される。導体板４３０、４３１は厚さ１ｍｍから５ｍｍの銅系材料から構成される。はんだは厚さ５０μｍから２００μｍのスズ系材料から構成される。パワー半導体素子１５５は厚さ８０μｍから２００μｍのシリコン系材料から構成される。様々な材料から構成されているが、本実施形態では、これらの各構成部材のＺ軸方向の収縮量を、最も厚い構成材料である銅系材料を代表し、純銅Ｃｕの熱収縮量で近似して説明する。

樹脂部材３６０は、トランスファーモールド金型内に樹脂部材３６０を注入された後、硬化反応の進行により硬化収縮する。硬化収縮量は、樹脂部材３６０の組成によって変化する。硬化反応するエポキシ樹脂成分の割合と、硬化反応しないその他の充填剤の割合により変化し、エポキシ樹脂成分の割合が多い程、硬化収縮量は大きくなる。エポキシ樹脂成分の割合が同じでも、エポキシ樹脂成分中に占める反応性成分であるエポキシ基の割合が大きい程硬化収縮量は大きくなる。トランスファーモールドの金型から取り出された半導体装置３００’は、常温に冷却される。ガラス転移温度がＴｍｏｌｄより低い場合は、ガラス転移温度までは大きな収縮率で収縮し、ガラス転移温度より低くなるとこれより小さい収縮率で収縮する。ガラス転移温度がＴｍｏｌｄより高い場合は、一定の収縮率で収縮する。Ｔ１は半導体装置３００’の使用環境温度の最小値、Ｔ２は使用環境温度の最大値で、例えばＴ１は－４０℃、Ｔ２は１２５℃となる。この温度域において、収縮量がＣｕより大きい場合、つまり、樹脂部材３６０の収縮量がハッチング領域Ｈに入っている場合、使用温度域で、樹脂部材３６０がＣｕよりより多く収縮し、このため絶縁シート４４０、４４１に凸部４６６が形成される。本実施形態の変形例において樹脂部材３６０として図１３に示した樹脂部材β、γを用いることにより絶縁シート４４０、４４１に凸部４６６を形成することができる。

絶縁シート４４０、４４１に凸部４６６を設けることにより、主な放熱部となる突出部４６１を熱伝導部材４５３及び絶縁シート４４０、４４１を介して冷却部材３４０に当接しやすくなり、冷却性能が向上できる。また、凸部４６６があることで、この凸部４６６が形成されている領域で局所的に熱伝導部材４５３を厚くでき、接着タイプの熱伝導部材４５３を用いる場合、低応力化し、長期間接着を維持できるため高信頼化の効果がある。また、非接着タイプの熱伝導部材４５３を用いる場合、凸部４６６があることで、熱伝導部材４５３を保持し、ポンプアウトによる熱抵抗の低下を抑制し、高信頼化の効果がある。

図１４は、半導体装置３００、３００’を用いた電力変換装置２００の回路図である。
電力変換装置２００は、インバータ回路１４０、１４２と、補機用のインバータ回路４３と、コンデンサモジュール５００とを備えている。インバータ回路１４０及び１４２は、半導体装置３００、３００’を複数個備えており、それらを接続することにより三相ブリッジ回路を構成している。電流容量が大きい場合には、更に半導体装置３００、３００’を並列接続し、これら並列接続を三相インバータ回路の各相に対応して行うことにより、電流容量の増大に対応できる。また、半導体装置３００、３００’に内蔵しているパワー半導体素子である能動素子１５５、１５７やダイオード１５６、１５８を並列接続することでも電流容量の増大に対応できる。

インバータ回路１４０とインバータ回路１４２とは、基本的な回路構成は同じであり、制御方法や動作も基本的には同じである。インバータ回路１４０等の回路的な動作の概要は周知であるため、ここでは詳細な説明を省略する。

インバータ回路１４０、１４２の上アーム回路は、スイッチング用のパワー半導体素子として上アーム用の能動素子１５５と上アーム用のダイオード１５６とを備えており、下アーム回路は、スイッチング用のパワー半導体素子として下アーム用の能動素子１５７と下アーム用のダイオード１５８とを備えている。能動素子１５５、１５７は、ドライバ回路１７４を構成する２つのドライバ回路の一方あるいは他方から出力された駆動信号を受けてスイッチング動作し、バッテリ１３６から供給された直流電力を三相交流電力に変換する。

上アーム回路の能動素子１５５および下アーム回路の能動素子１５７は、コレクタ電極、エミッタ電極、ゲート電極を備えている。上アーム回路のダイオード１５６および下アーム回路のダイオード１５８は、カソード電極およびアノード電極の２つの電極を備えている。図６に示すように、ダイオード１５６、１５８のカソード電極がＩＧＢＴ１５５、１５７のコレクタ電極に、アノード電極が能動素子１５５、１５７のエミッタ電極にそれぞれ電気的に接続されている。これにより、上アーム用の能動素子１５５および下アーム用の能動素子１５７のエミッタ電極からコレクタ電極に向かう電流の流れが順方向となっている。
なお、能動素子としてはＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ）を用いても良く、この場合は、上アーム用のダイオード１５６、下アーム用のダイオード１５８は不要となる。

各上・下アーム直列回路の正極側端子３１５Ｂと負極側端子３１９Ｂとはコンデンサモジュール５００のコンデンサ接続用の直流端子にそれぞれ接続されている。上アーム回路と下アーム回路の接続部にはそれぞれ交流電力が発生し、この接続部は半導体装置３００、３００’の交流側端子３２０Ｂに接続されている。各相の半導体装置３００、３００’の交流側端子３２０Ｂはそれぞれ電力変換装置２００の交流出力端子に接続され、発生した交流電力はモータジェネレータ１９２または１９４の固定子巻線に供給される。

制御回路１７２は、車両側の制御装置やセンサ（例えば、電流センサ１８０）などからの入力情報に基づいて、上アーム用の能動素子１５５、下アームの能動素子１５７のスイッチングタイミングを制御するためのタイミング信号を生成する。ドライバ回路１７４は、制御回路１７２から出力されたタイミング信号に基づいて、上アーム用の能動素子１５５、下アーム用の能動素子１５７をスイッチング動作させるための駆動信号を生成する。なお、１８１はコネクタである。

上・下アーム直列回路は、不図示の温度センサを含み、上・下アーム直列回路の温度情報が制御回路１７２に入力される。また、制御回路１７２には上・下アーム直列回路の直流正極側の電圧情報が入力される。制御回路１７２は、それらの情報に基づいて過温度検知および過電圧検知を行い、過温度或いは過電圧が検知された場合には全ての上アーム用の能動素子１５５、下アーム用の能動素子１５７のスイッチング動作を停止させ、上・下アーム直列回路を過温度或いは過電圧から保護する。

図１５は、図１４に示す電力変換装置２００の外観斜視図であり、図１６は、図１５に示す電力変換装置２００のＸＶ－ＸＶ線の断面図である。

電力変換装置２００は、下部ケース１１および上部ケース１０により構成され、ほぼ直方体形状に形成された筐体１２を備えている。筐体１２の内部には、電気回路体４００、コンデンサモジュール５００等が収容されている。電気回路体４００は冷却流路を有しており、筐体１２の一側面からは、冷却流路に連通する冷却水流入管１３および冷却水流出管１４が突出している。図１６に図示されるように、下部ケース１１は、上部側（Ｚ方向）が開口され、上部ケース１０は、下部ケース１１の開口を塞いで下部ケース１１に取り付けられている。上部ケース１０と下部ケース１１とは、アルミニウム合金等により形成され、外部に対して密封して固定される。上部ケース１０と下部ケース１１とを一体化して構成してもよい。筐体１２を、単純な直方体形状としたことで、車両等への取り付けが容易となり、また、生産もし易い。

筐体１２の長手方向の一側面に、コネクタ１７が取り付けられており、このコネクタ１７には、交流ターミナル１８が接続されている。また、冷却水流入管１３および冷却水流出管１４が導出された面には、コネクタ２１が設けられている。

図１６に図示されるように、筐体１２内には、電気回路体４００が収容されている。電気回路体４００の上方には、制御回路１７２およびドライバ回路１７４が配置され、電気回路体４００の直流端子側には、コンデンサモジュール５００が収容されている。コンデンサモジュール５００を電気回路体４００と同一高さに配置することで、電力変換装置２００を薄型化でき、車両への設置自由度が向上する。電気回路体４００の交流側端子３２０Ｂは、電流センサ１８０を貫通してバスバー３６１に接合されている。また、半導体装置３００、３００’の直流端子である、正極側端子３１５Ｂおよび負極側端子３１９Ｂは、それぞれ、コンデンサモジュール５００の正・負極端子３６２Ａ、３６２Ｂに接合される。

以上説明した実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）半導体装置３００、３００’は、複数のパワー半導体素子１５５、１５６、１５７、１５８と、複数のパワー半導体素子１５５、１５６、１５７、１５８が接合された導体板４３０、４３１、４３２、４３３と、導体板４３０、４３１、４３２、４３３における複数の半導体素子側とは反対の面に接着された絶縁シート４４０、４４１と、複数のパワー半導体素子１５５、１５６、１５７、１５８と絶縁シート４４０、４４１と導体板４３０、４３１、４３２、４３３とを封止する樹脂部材３６０と、を備え、導体板４３０、４３１、４３２、４３３は、複数のパワー半導体素子１５５、１５６、１５７、１５８の各々が接合される複数の素子接合領域４６２と、複数の素子接合領域４６２の間に設けられた連結領域４６３と、を有し、導体板４３０、４３１、４３２、４３３の素子接合領域４６２における絶縁シート側表面は、連結領域４６３の絶縁シート側表面よりも突出して絶縁シート４４０、４４１に接着され、導体板４３０、４３１、４３２、４３３の連結領域４６３における絶縁シート側表面と絶縁シート４４０、４４１との間には、樹脂部材３６０が充填される。これにより、絶縁シート４４０、４４１による絶縁性を高めた高信頼性の半導体装置３００、３００’を提供できる。

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の特徴を損なわない限り、本発明の技術思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。また、上述の実施形態とフ変形例を組み合わせた構成としてもよい。

１０・・・上部ケース、１１・・・下部ケース、１２・・・筐体、１３・・・冷却水流入管、１４・・・冷却水流出管、１７、２１・・・コネクタ、１８・・・交流ターミナル、 ４３、１４０、１４２・・・インバータ回路、１５５・・・第１パワー半導体素子（上アーム回路能動素子）、１５６・・・第１パワー半導体素子（上アーム回路ダイオード）、１５７・・・第２パワー半導体素子（下アーム回路能動素子）、１５８・・・第２パワー半導体素子（下アーム回路ダイオード）、１７２・・・制御回路、１７４・・・ドライバ回路、１８０・・・電流センサ、１８１・・・コネクタ、１９２、１９４・・・モータジェネレータ、２００・・・電力変換装置、３００、３００’・・・半導体装置、３１５Ｂ・・・正極側端子、３１９Ｂ・・・負極側端子、３２０Ｂ・・・交流側端子、３２５・・・信号端子、３２５Ｋ・・・ケルビンエミッタ信号端子、３２５Ｌ・・・下アームゲート端子、３２５Ｍ・・・ミラーエミッタ信号端子、３２５Ｕ・・・上アームゲート端子、３４０・・・冷却部材、３６０・・・樹脂部材、３７２・・・配線基板、４００・・・電気回路体、４３０・・・第１導体板（上アーム回路エミッタ側）、４３１・・・第２導体板（上アーム回路コレクタ側）、４３２・・・第３導体板（下アーム回路エミッタ側）、４３３・・・第４導体板（下アーム回路コレクタ側）、４４０・・・第１絶縁シート（エミッタ側）、４４１・・・第２絶縁シート（コレクタ側）、４４２・・・第１樹脂絶縁層（エミッタ側）、４４３・・・第２樹脂絶縁層（コレクタ側）、４４４・・・金属箔、４５３・・・熱伝導部材、４６０・・・樹脂充填空間、４６１・・・突出部、４６２・・・素子接合領域、４６３・・・連結領域、４６４・・・密着領域、４６５・・・ボイド、凸部・・・４６６、５００・・・コンデンサモジュール、６０１・・・トランスファーモールド装置、６０２・・・スプリング。

Claims (8)

1. 複数の半導体素子と、前記複数の半導体素子が接合された導体板と、前記導体板における前記複数の半導体素子側とは反対の面に接着された絶縁シートと、前記複数の半導体素子と前記絶縁シートと前記導体板とを封止する樹脂部材と、を備え、
   前記導体板は、前記複数の半導体素子の各々が接合される複数の素子接合領域と、前記複数の素子接合領域の間に設けられた連結領域と、を有し、前記導体板の前記素子接合領域における前記絶縁シート側表面は、前記連結領域の前記絶縁シート側表面よりも突出して前記絶縁シートに接着され、前記導体板の前記連結領域における前記絶縁シート側表面と前記絶縁シートとの間には、前記樹脂部材が充填される半導体装置。
2. 請求項１に記載の半導体装置において、
   前記絶縁シートは、樹脂絶縁層を含み、前記樹脂絶縁層と前記樹脂部材は相互に樹脂成分が侵入して密着する半導体装置。
3. 請求項１に記載の半導体装置において、
   前記連結領域の前記絶縁シート側表面と前記絶縁シートとの間は、前記樹脂部材が充填される樹脂充填空間が形成され、前記樹脂充填空間の前記樹脂部材は、前記複数の半導体素子と前記絶縁シートと前記導体板とを封止する樹脂部材と連結される半導体装置。
4. 請求項３に記載の半導体装置において、
   前記樹脂充填空間の厚さは前記絶縁シートの厚さ以上である半導体装置。
5. 請求項４に記載の半導体装置において、
   前記絶縁シートは、樹脂絶縁層と金属箔の積層構造であり、
   前記樹脂充填空間の厚さは前記樹脂絶縁層の厚さ以上である半導体装置。
6. 請求項１に記載の半導体装置において、
   前記導体板および前記絶縁シートは、前記複数の半導体素子の両面に配置され、
   両面に配置された前記導体板と前記絶縁シートとの間であって、前記連結領域の前記絶縁シート側表面と前記絶縁シートとの間には、前記樹脂部材が充填される樹脂充填空間がそれぞれ形成される半導体装置。
7. 請求項６に記載の半導体装置において、
   前記絶縁シートは、前記樹脂充填空間へ向けた凸部が形成される半導体装置。
8. 請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の半導体装置を備え、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置。