JP4526125B2

JP4526125B2 - 大電力用半導体装置

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Publication number: JP4526125B2
Application number: JP2005260034A
Authority: JP
Inventors: 彦文稲毛
Original assignee: 日本インター株式会社
Priority date: 2005-09-08
Filing date: 2005-09-08
Publication date: 2010-08-18
Anticipated expiration: 2025-09-08
Also published as: JP2007073782A

Description

本発明は、半導体素子の下面に電気的に接続された第１外部導出端子および半導体素子の上面に電気的に接続された第２外部導出端子がゲル状充填材およびエポキシ樹脂によって封止された大電力用半導体装置に関し、特には、第１外部導出端子とエポキシ樹脂層との密着性および第２外部導出端子とエポキシ樹脂層との密着性を向上させることができる大電力用半導体装置に関する。

詳細には、本発明は、ＤＢＣ基板および外囲ケースを具備する絶縁型の大電力用半導体装置に関する。

従来から、種々のタイプの半導体装置、半導体パワーモジュールが知られている。図１５は従来の半導体パワーモジュールを示した図である。詳細には、図１５は特開平１１−３０７７２１号公報の図３に相当する図である。図１５において、１０１はパワートランジスタチップを示しており、１０３はリード（リードフレームの一部）を示しており、１０４はパワートランジスタマウント部（リードフレームの一部）を示している。１０５はボンディングワイヤを示しており、１０５Ｂは金属ジャンパー線を示しており、１０６は封止樹脂を示しており、１０８は制御基板を示しており、１０８Ａは回路部品を示しており、１０９はポッティング樹脂を示している。

図１５に示す従来の半導体パワーモジュールでは、下側のパワートランジスタチップ１０１と上側の制御基板１０８とが１つのパッケージ内に収容されている。また、この半導体パワーモジュールでは、パワートランジスタマウント部１０４の下面が露出せしめられているため、この半導体パワーモジュールは非絶縁型となっている。

図１６は他の従来の半導体パワーモジュールを示した図である。詳細には、図１６は特開２００３−１２４４００号公報の図１に相当する図である。図１６において、２０１は金属のヒートシンクを示しており、２０２は絶縁樹脂層を示しており、２０３は接着樹脂層を示しており、２０４はリードフレームを示している。２０５は半田を示しており、２０６は半導体素子を示しており、２０７はボンディングワイヤを示しており、２０８はモールド樹脂を示している。

図１６に示す従来の半導体パワーモジュールでは、下面が露出せしめられているヒートシンク２０１と、リードフレーム２０４との間に、絶縁樹脂層２０２が配置されているため、この半導体パワーモジュールは絶縁型となっている。

図１５および図１６に示す従来の半導体パワーモジュールは、外囲ケースによって包囲されておらず、比較的小電力用であると考えられる。外囲ケースによって包囲されているような大電流・高耐圧型の半導体パワーモジュールは、ユーザーの使い易さの観点から、一般的に絶縁型に構成されている。

図１７は従来の電力用半導体モジュールを示した図である。詳細には、図１７は特開平１１−２５１５１４号公報の図１に相当する図である。図１７において、３０１は電力用半導体モジュールを示しており、３０２は金属ベースを示しており、３０４は絶縁板を示しており、３０６は電力用半導体素子（ダイオードチップ）を示している。３０８はヒートスプレッダを示しており、３１０ａは半田を示しており、３１２は第１外部導出端子を示しており、３１４は第２外部導出端子を示している。３１６は樹脂ケースを示しており、３１８は天板を示しており、３１８ａは穴を示しており、３２０は封止剤を示している。

図１７に示す従来の電力用半導体モジュールでは、金属ベース３０２上に絶縁板３０４が配置され、第１外部導出端子３１２の水平部分上にヒートスプレッダ３０８および電力用半導体素子３０６が載置されている。更に、電力用半導体素子３０６の上面に第２外部導出端子３１４が接続され、これらが樹脂ケース３１６によって包囲されている。

また、図１７に示す従来の電力用半導体モジュールでは、金属ベース３０２、第１外部導出端子３１２、第２外部導出端子３１４、絶縁板３０４およびヒートスプレッダ３０８の厚さを比較的厚く設定することにより、電力用半導体素子３０６からの放熱性を改善することができる。

詳細には、図１７に示す従来の電力用半導体モジュールでは、電力用半導体素子３０６の熱が、金属ベース３０２を介して下側から放熱されるだけではなく、第１外部導出端子３１２および第２外部導出端子３１４を介して上側からも放熱される。

更に、図１７に示す従来の電力用半導体モジュールでは、第１外部導出端子３１２、第２外部導出端子３１４およびヒートスプレッダ３０８の厚さを比較的厚く設定することにより、それらを含む回路のＬ成分を低減することができる。

図１８は従来の半導体装置を示した図である。詳細には、図１８は特開平７−３８０１４号公報の図１に相当する図である。図１８において、４０１は放熱金属ベースを示しており、４０２はＤＢＣ基板を示しており、４０２ａはセラミックス基板を示しており、４０２ｂは銅板を示しており、４０２ｃは銅板を示している。４０３は半導体チップを示しており、４０４は外部導出端子を示しており、４０５はボンディングワイヤを示しており、４０６は樹脂ケースを示しており、４０７は端子ブロックを示しており、４０８は封止樹脂を示しており、４０９はゲル状充填材を示している。

図１８に示すようなＤＢＣ基板４０２は優れた熱伝導性および熱膨張係数特性を備えた絶縁板である。このようなＤＢＣ基板４０２を用いることにより、半導体チップ４０３が発生した熱のうち、放熱金属ベース４０１を介して下側から放熱される熱の割合を多くすることができる。換言すれば、外部導出端子４０４を介して上側から放熱される熱の割合を少なくすることができるため、外部導出端子４０４の厚さを薄くすることができる。

つまり、図１８に示すような従来の半導体装置では、ＤＢＣ基板４０２を用いることにより、外部導出端子４０４の厚さが比較的薄く設定されている。

ところが、外部導出端子４０４の厚さを薄くすると、外部導出端子４０４と封止樹脂４０８との接触面積および外部導出端子４０４とゲル状充填材４０９との接触面積が小さくなってしまう。そのため、外部導出端子４０４から封止樹脂４０８が剥離しやすくなってしまい、外部導出端子４０４からゲル状充填材４０９が剥離しやすくなってしまう。

特に、外部導出端子４０４から封止樹脂４０８が剥離し、外部導出端子４０４と封止樹脂４０８との間に隙間が生じてしまうと、半導体装置の外側の水分が、その隙間を介して半導体装置の内部に浸入するおそれが生じてしまう。

図１９は従来のトランジスタモジュールを示した図である。詳細には、図１９は特開平６−１５１７００号公報の図１に相当する図である。図１９において、５１０は枠を示しており、５１１はゲル状樹脂を示しており、５１２はエポキシ樹脂を示しており、５２０はヒートシンクを示しており、５２１は絶縁基板を示している。５２２は半田層を示しており、５２３は回路パターンを示しており、５２４はヒートスプレッダを示しており、５２５は半導体素子を示しており、５２６はボンディングワイヤを示している。５２７は表面保護樹脂を示しており、５２８は外部導出端子を示しており、５２９は樹脂ケースを示している。

図１９に示す従来のトランジスタモジュールでは、絶縁基板５２１上の電気素子搭載領域が、絶縁材で形成された枠５１０によって囲まれている。また、ゲル状樹脂５１１は、枠５１０の内側に流し込まれており、枠５１０の外側には存在しない。そのため、図１９に示す従来のトランジスタモジュールでは、ゲル状樹脂５１１が熱膨張しても、その熱膨張に伴う熱応力が外部導出端子５２８と回路パターン５２３との接続部に加わらないようになっている。

ところが、図１９に示す従来のトランジスタモジュールにおいても、外部導出端子５２８の厚さを薄くすると、外部導出端子５２８からエポキシ樹脂５１２が剥離しやすくなってしまい、外部導出端子５２８とエポキシ樹脂５１２との間に隙間が生じてしまうと、トランジスタモジュールの外側の水分が、その隙間を介してトランジスタモジュールの内部に浸入するおそれが生じてしまう。

図２０は従来の大電力用半導体装置を示した図である。詳細には、図２０は特開平７−２４９７３４号公報の図１に相当する図である。図２０において、６０１はＤＢＣ基板を示しており、６０１ａはセラミック板を示しており、６０１ｂは銅板を示しており、６０２は高融点半田を示しており、６０３はパワー素子を示している。６０４はボンディングワイヤを示しており、６０５は低融点半田を示しており、６０６は外部電極端子（外部導出端子）内蔵の端子ホルダを示しており、６０７は樹脂ケース（外囲器）を示しており、６０８は基板装着溝を示しており、６０９は押さえ金具を示している。６１０は接着剤を示しており、６１１は樹脂ゲル剤を示しており、６１２はエポキシ樹脂キャスティング剤を示しており、６１３はねじ孔を示している。

図２０に示す従来の大電力用半導体装置では、外付け放熱板が、ねじ孔６１３を介して取り付けられる。つまり、図２０に示す従来の大電力用半導体装置では、放熱板とＤＢＣ基板６０１とが低融点半田によって固着される構成になっていないため、放熱板とＤＢＣ基板６０１とを固着する低融点半田が疲労してクラックするおそれを回避することができる。

ところが、図２０に示す従来の大電力用半導体装置においても、外部電極端子（外部導出端子）の厚さを薄くすると、外部電極端子（外部導出端子）からエポキシ樹脂キャスティング剤６１２が剥離しやすくなってしまい、外部電極端子（外部導出端子）とエポキシ樹脂キャスティング剤６１２との間に隙間が生じてしまうと、大電力用半導体装置の外側の水分が、その隙間を介して大電力用半導体装置の内部に浸入するおそれが生じてしまう。

特開平１１−３０７７２１号公報特開２００３−１２４４００号公報特開平１１−２５１５１４号公報特開平７−３８０１４号公報特開平６−１５１７００号公報特開平７−２４９７３４号公報

前記問題点に鑑み、第１外部導出端子とエポキシ樹脂層との密着性および第２外部導出端子とエポキシ樹脂層との密着性を向上させることができる大電力用半導体装置を提供することを目的とする。

詳細には、本発明は、大電力用半導体装置の外側の水分が第１外部導出端子とエポキシ樹脂層との隙間あるいは第２外部導出端子とエポキシ樹脂層との隙間を介して大電力用半導体装置の内部に浸入してしまうおそれを低減することができる大電力用半導体装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明によれば、半導体素子と、
ＤＢＣ基板の上面の第１領域を介して前記半導体素子の下面に電気的に接続された第１外部導出端子と、
前記ＤＢＣ基板の上面の第２領域と接続部材とを介して前記半導体素子の上面に電気的に接続された第２外部導出端子と、
前記ＤＢＣ基板を支持する放熱板と、
外囲ケースと、
蓋と、
前記外囲ケースの内側の下側部分に配置されたゲル状充填材層と、
前記外囲ケースの内側の上側部分に配置されたエポキシ樹脂層とを具備する大電力用半導体装置において、
前記第１外部導出端子および前記第２外部導出端子のそれぞれに凸部を形成し、
前記凸部を前記エポキシ樹脂層内に配置し、
前記蓋を前記凸部の上面に突き当てることにより、前記蓋を位置決めすることを特徴とする大電力用半導体装置が提供される。

請求項２に記載の発明によれば、前記第１外部導出端子の一部および前記第２外部導出端子の一部を折り曲げることにより前記凸部を形成したことを特徴とする請求項１に記載の大電力用半導体装置が提供される。

請求項３に記載の発明によれば、前記第１外部導出端子および前記第２外部導出端子の前記凸部以外の部分の外縁よりも外側に突出するように前記凸部を形成したことを特徴とする請求項１に記載の大電力用半導体装置が提供される。

請求項４に記載の発明によれば、前記第１外部導出端子の上端および前記第２外部導出端子の上端を折り曲げることにより、前記蓋を前記凸部の上面に突き当てることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の大電力用半導体装置が提供される。

請求項５に記載の発明によれば、前記外囲ケース上に前記蓋を載置する前にエポキシ樹脂を注入し、エポキシ樹脂が硬化する前に前記蓋を前記凸部の上面に突き当てることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の大電力用半導体装置が提供される。

請求項６に記載の発明によれば、前記蓋の下面と前記エポキシ樹脂層の上面との間に空気層を配置したことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の大電力用半導体装置が提供される。

請求項７に記載の発明によれば、前記蓋の下面のうち、前記凸部の上面に突き当てられる部分のみを前記エポキシ樹脂層と接触させたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の大電力用半導体装置が提供される。

請求項１に記載の大電力用半導体装置では、第１外部導出端子および第２外部導出端子のそれぞれに形成された凸部がエポキシ樹脂層内に配置されている。そのため、第１外部導出端子および第２外部導出端子に凸部が形成されていない場合よりも、第１外部導出端子とエポキシ樹脂層との密着性および第２外部導出端子とエポキシ樹脂層との密着性を向上させることができる。それにより、大電力用半導体装置の外側の水分が、第１外部導出端子とエポキシ樹脂層との隙間あるいは第２外部導出端子とエポキシ樹脂層との隙間を介して大電力用半導体装置の内部に浸入してしまうおそれを低減することができる。

請求項２に記載の大電力用半導体装置では、第１外部導出端子の一部および第２外部導出端子の一部を折り曲げることにより凸部が形成されている。そのため、第１外部導出端子および第２外部導出端子が折り曲げられることなく凸部が形成されている場合よりも、第１外部導出端子とエポキシ樹脂層との密着性および第２外部導出端子とエポキシ樹脂層との密着性を向上させることができる。

請求項３に記載の大電力用半導体装置では、第１外部導出端子および第２外部導出端子の凸部以外の部分の外縁よりも外側に突出するように凸部が形成されている。そのため、第１外部導出端子および第２外部導出端子の凸部以外の部分の外縁よりも内側に凸部が形成されている場合よりも、第１外部導出端子とエポキシ樹脂層との密着性および第２外部導出端子とエポキシ樹脂層との密着性を向上させることができる。

蓋が外囲ケースに突き当てられて位置決めされる場合には、寸法公差の比較的大きい樹脂製部品である蓋および外囲ケースの寸法公差が積み上げられ、その結果、蓋の上面の高さのばらつきが比較的大きくなってしまうおそれがある。

この点に鑑み、請求項１に記載の大電力用半導体装置では、蓋が凸部の上面に突き当てられて位置決めされる。つまり、寸法公差の比較的小さい金属製部品である第１外部導出端子および第２外部導出端子の一部である凸部に、蓋が突き当てられて位置決めされる。そのため、蓋が外囲ケースに突き当てられて位置決めされる場合よりも、蓋の上面の高さのばらつきを低減することができる。

請求項４に記載の大電力用半導体装置では、第１外部導出端子の上端および第２外部導出端子の上端が折り曲げられると、第１外部導出端子および第２外部導出端子によって蓋が下側に押動され、それにより、蓋が凸部の上面に突き当てられる。そのため、第１外部導出端子の上端および第２外部導出端子の上端を折り曲げるための冶具の他に、蓋を凸部の上面に突き当てるための冶具を設ける必要性を排除することができる。

請求項５に記載の大電力用半導体装置では、蓋が外囲ケース上に載置される前にエポキシ樹脂が注入される。そのため、蓋が外囲ケース上に載置された後にエポキシ樹脂が注入される場合よりも、エポキシ樹脂の注入を容易に行うことができる。

更に、請求項５に記載の大電力用半導体装置では、エポキシ樹脂が硬化する前に蓋が凸部の上面に突き当てられ、硬化したエポキシ樹脂によって、蓋が、凸部の上面に突き当てられた状態で固定される。そのため、凸部の上面に突き当てられた状態で蓋を固定するための接着剤をエポキシ樹脂とは別個に用意する必要性を排除することができる。

請求項６に記載の大電力用半導体装置では、蓋の下面とエポキシ樹脂層の上面との間に空気層が配置されている。そのため、エポキシ樹脂層およびその下側に配置されたゲル状充填材層の熱膨張または熱収縮に伴う体積変動分を、蓋の下面とエポキシ樹脂層の上面との間に配置された空気層によって吸収し、熱応力の発生を抑制することができる。

請求項７に記載の大電力用半導体装置では、蓋の下面のうち、凸部の上面に突き当てられる部分のみがエポキシ樹脂層と接触せしめられ、その他の部分はエポキシ樹脂層と接触せしめられていない。そのため、蓋の下面の全面がエポキシ樹脂層と接触せしめられ、エポキシ樹脂層が蓋の下面によって拘束されている場合よりも、第１外部導出端子とＤＢＣ基板との接合部および第２外部導出端子とＤＢＣ基板との接合部に熱応力がかかってしまうおそれを低減することができる。

以下、本発明の大電力用半導体装置の第１の実施形態について説明する。第１の実施形態の大電力用半導体装置は、例えば４００Ａ／１２００Ｖ型の大容量・高電圧型の大電力用半導体装置である。図１は第１の実施形態の大電力用半導体装置の断面図である。図１において、１は例えばサイリスタのような半導体素子を示しており、２はセラミックス基板の両面に銅板が接合されたＤＢＣ基板を示している。３は第１外部導出端子を示しており、３ａは第１外部導出端子３に形成された凸部を示している。４は接続部材としてのジャンパープレートを示しており、５は第２外部導出端子を示しており、５ａは第２外部導出端子に形成された凸部を示している。６は放熱板を示しており、７は外囲ケースを示しており、８は蓋を示しており、９は例えばシリコーン樹脂層のようなゲル状充填材層を示しており、１０はエポキシ樹脂層を示している。１１は蓋８の下面とエポキシ樹脂層１０の上面との間に配置された空気層を示しており、１２はバルフロン線を示している。

図２および図３は第１の実施形態の大電力用半導体装置の第１外部導出端子３および第２外部導出端子５の部品図である。詳細には、図２（Ａ）は図１に示した第１外部導出端子３および第２外部導出端子５を上側から見た図、図２（Ｂ）は図１に示した第１外部導出端子３を右側から見た図あるいは図１に示した第２外部導出端子５を左側から見た図、図２（Ｃ）は図１に示した第１外部導出端子３を後側から見た図あるいは図１に示した第２外部導出端子５を前側から見た図、図３は図１に示した第１外部導出端子３および第２外部導出端子５の斜視図である。第１の実施形態の大電力用半導体装置では、第１外部導出端子３および第２外部導出端子５が同一形状に形成されている。

図２および図３において、３ｂは図１に破線で示すように第１外部導出端子３が折り曲げられる時に折り曲げ線となる位置に形成された切り欠き部を示している。３ｃは第１外部導出端子３とゲル状充填材層９との密着性を向上させるために形成された切り欠き部を示している。３ｄは第１外部導出端子３とＤＢＣ基板２とを接合する例えば半田のような接合材に熱応力が集中するのを緩和するための屈曲部を示している。同様に、５ｂは図１に破線で示すように第２外部導出端子５が折り曲げられる時に折り曲げ線となる位置に形成された切り欠き部を示している。５ｃは第２外部導出端子５とゲル状充填材層９との密着性を向上させるために形成された切り欠き部を示している。５ｄは第２外部導出端子５とＤＢＣ基板２とを接合する例えば半田のような接合材に熱応力が集中するのを緩和するための屈曲部を示している。

第１の実施形態の大電力用半導体装置では、図１〜図３に示すように、第１外部導出端子３に形成された凸部３ａおよび第２外部導出端子５に形成された凸部５ａが、エポキシ樹脂層１０内に配置されている。そのため、第１の実施形態の大電力用半導体装置によれば、第１外部導出端子３および第２外部導出端子５に凸部３ａ，５ａが形成されていない場合よりも、第１外部導出端子３とエポキシ樹脂層１０との密着性および第２外部導出端子５とエポキシ樹脂層１０との密着性を向上させることができる。それにより、大電力用半導体装置の外側の水分が、第１外部導出端子３とエポキシ樹脂層１０との隙間あるいは第２外部導出端子５とエポキシ樹脂層１０との隙間を介して大電力用半導体装置の内部に浸入してしまうおそれを低減することができる。

また、第１の実施形態の大電力用半導体装置では、図１〜図３に示すように、第１外部導出端子３の一部を折り曲げることにより凸部３ａが形成され、第２外部導出端子５の一部を折り曲げることにより凸部５ａが形成されている。そのため、第１の実施形態の大電力用半導体装置によれば、第１外部導出端子３および第２外部導出端子５が折り曲げられることなく凸部３ａ，５ａが形成されている場合よりも、第１外部導出端子３とエポキシ樹脂層１０との密着性および第２外部導出端子５とエポキシ樹脂層１０との密着性を向上させることができる。

第１の実施形態の大電力用半導体装置では、図１〜図３に示すように、第１外部導出端子３の一部を折り曲げることにより凸部３ａが形成され、第２外部導出端子５の一部を折り曲げることにより凸部５ａが形成されているが、第２の実施形態の大電力用半導体装置では、代わりに、第１外部導出端子および第２外部導出端子の凸部以外の部分の外縁よりも外側に突出するように凸部を形成することも可能である。

図４および図５は第２の実施形態の大電力用半導体装置の第１外部導出端子３’および第２外部導出端子５’の部品図である。詳細には、図４（Ａ）は第２の実施形態の大電力用半導体装置の第１外部導出端子３’および第２外部導出端子５’の平面図、図４（Ｂ）は第２の実施形態の大電力用半導体装置の第１外部導出端子３’の右側面図あるいは第２の実施形態の大電力用半導体装置の第２外部導出端子５’の左側面図、図４（Ｃ）は第２の実施形態の大電力用半導体装置の第１外部導出端子３’の後側面図あるいは第２の実施形態の大電力用半導体装置の第２外部導出端子５’の正面図、図５は第２の実施形態の大電力用半導体装置の第１外部導出端子３’および第２外部導出端子５’の斜視図である。第２の実施形態の大電力用半導体装置では、第１外部導出端子３’および第２外部導出端子５’が同一形状に形成されている。

上述したように、第１の実施形態の大電力用半導体装置では、図１〜図３に示すように、第１外部導出端子３の一部を折り曲げることにより凸部３ａが形成され、第２外部導出端子５の一部を折り曲げることにより凸部５ａが形成されているが、第２の実施形態の大電力用半導体装置では、図４および図５に示すように、第１外部導出端子３’および第２外部導出端子５’の凸部以外の部分の外縁（図４（Ｂ）中の破線）よりも外側に突出するように凸部３ａ’，５ａ’が形成されている。そのため、第２の実施形態の大電力用半導体装置によれば、第１外部導出端子３’および第２外部導出端子５’の凸部以外の部分の外縁（図４（Ｂ）中の破線）よりも内側に凸部３ａ’，５ａ’が形成されている場合よりも、第１外部導出端子３’とエポキシ樹脂層１０との密着性および第２外部導出端子５’とエポキシ樹脂層１０との密着性を向上させることができる。

図示しないが、第２の実施形態の大電力用半導体装置においても、第１外部導出端子３’および第２外部導出端子５’のそれぞれに形成された凸部３ａ’，５ａ’がエポキシ樹脂層１０内に配置されている。そのため、第２の実施形態の大電力用半導体装置によれば、第１外部導出端子３’および第２外部導出端子５’に凸部３ａ’，５ａ’が形成されていない場合よりも、第１外部導出端子３’とエポキシ樹脂層１０との密着性および第２外部導出端子５’とエポキシ樹脂層１０との密着性を向上させることができる。それにより、大電力用半導体装置の外側の水分が、第１外部導出端子３’とエポキシ樹脂層１０との隙間あるいは第２外部導出端子５’とエポキシ樹脂層１０との隙間を介して大電力用半導体装置の内部に浸入してしまうおそれを低減することができる。

第１の実施形態の大電力用半導体装置の説明に戻り、図６は図１に示したジャンパープレート４の斜視図である。図６において、４ａはジャンパープレート４とゲル状充填材層９（図１参照）との密着性を向上させるために形成された溝部を示しており、４ｂはジャンパープレート４とゲル状充填材層９（図１参照）との密着性を向上させるために形成された切り欠き部を示している。

図７は図１に示したＤＢＣ基板２の部品図である。詳細には、図７は図１に示したＤＢＣ基板２を上側から見た図である。図７に示すように、第１の実施形態の大電力用半導体装置では、セラミックス基板の上側に配置された銅板によって第１領域２ａと第２領域２ｂとが形成されている。詳細には、第１領域２ａと第２領域２ｂとの間には、銅板が存在しない部分が配置されており、それにより、第１領域２ａと第２領域２ｂとが絶縁されている。

第１の実施形態の大電力用半導体装置では、図１および図７に示すように、ＤＢＣ基板２の第１領域２ａと半導体素子１の下面とが電気的に接続され、ＤＢＣ基板２の第１領域２ａと第１外部導出端子３の下面とが電気的に接続されている。それにより、半導体素子１の下面と第１外部導出端子３とが電気的に接続されている。また、ＤＢＣ基板２の第２領域２ｂと第２外部導出端子５の下面とが電気的に接続され、ＤＢＣ基板２の第２領域２ｂとジャンパープレート４の右端（図６の左端）の下面とが電気的に接続され、ジャンパープレート４の左端（図６の右端）の下面と半導体素子１の上面とが電気的に接合されている。それにより、半導体素子１の上面と第２外部導出端子５とが電気的に接続されている。

第１の実施形態の大電力用半導体装置では、下面が露出せしめられている放熱板６と、半導体素子１との間に、絶縁層としてのセラミックス基板を備えたＤＢＣ基板２が配置されているため、第１の実施形態の大電力用半導体装置は絶縁型となっている。

図８は図１に示した外囲ケース７の部品図である。詳細には、図８は図１に示した外囲ケース７を下側から見た図である。図８において、７ａはゲル状充填材層９（図１参照）を構成するゲル状充填材およびエポキシ樹脂層１０（図１参照）を構成するエポキシ樹脂を注入するための開口を示している。７ｂはゲル状充填材から発生するガスを排出するため、および、ゲル状充填材層９（図１参照）の熱膨張時にゲル状充填材層９（図１参照）の上側の空気を排出するためのガス抜き穴を示している。７ｃはねじ穴を示している。７ｄはエポキシ樹脂層１０（図１参照）を介することなくゲル状充填材層９（図１参照）の上面とガス抜き穴７ｂとを直接連通させるためのガス抜き用空間を示している。

図９は図１に示した蓋８の部品図である。詳細には、図９は図１に示した蓋８を上側から見た図である。図９において、８ａは第１外部導出端子３を収容するための穴を示しており、８ｂは第２外部導出端子５を収容するための穴を示している。８ｃはボルト収容穴を示しており、８ｄはゲル状充填材およびエポキシ樹脂から発生するガスを排出するためのガス抜き穴を示している。８ｅは折り曲げられた第１外部導出端子３の上端と折り曲げられた第２外部導出端子５の上端との間の沿面距離を確保するための溝を示している。

次に、第１の実施形態の大電力用半導体装置の製造方法について説明する。図１０は第１の実施形態の大電力用半導体装置の製造工程のうち、半導体素子１およびＤＢＣ基板２の組立体を製造する工程を示した図である。詳細には、図１０（Ａ）は組立体を構成する部品を分解して示した図、図１０（Ｂ）は組立体が組み立てられた状態を示した図である。図１１は組立体が組み立てられた状態を図１０の上側から見た図である。図１０および図１１に示すように、半導体素子１およびＤＢＣ基板２を組み立てる工程では、チップマウント下冶具１７上に、ＤＢＣ基板２、アノードモリブデン板１５、半導体素子１、カソードモリブデン板１４およびゲートスリーブ１３が積層して載置される。詳細には、例えば半田のような接合材１６によって、ＤＢＣ基板２とアノードモリブデン板１５とが接合され、アノードモリブデン板１５と半導体素子１とが接合され、半導体素子１とカソードモリブデン板１４とが接合される。図１０に示す工程では、例えば半田のような接合材１６として、比較的高融点のものが用いられる。

図１２は図１０に示した工程において組み立てられた組立体２２に対して第１外部導出端子３、ジャンパープレート４および第２外部導出端子５などを接合する工程を示した図である。図１３は図１２に示した工程において組み立てられた組立体などを示した図、図１４は図１３に示した組立体などを上側から見た図である。

図１２〜図１４において、１８は第１外部導出端子３をガイドするための端子ガイドを示しており、１９は第２外部導出端子５をガイドするための端子ガイドを示している。２０は上冶具を示しており、２１は下冶具を示している。図１２〜図１４に示すように、例えば半田のような接合材１６によって、放熱板６と組立体２２の下面とが接合され、組立体２２の上面とジャンパープレート４の左端の下面とが接合され、ジャンパープレート４の右端の下面とＤＢＣ基板２の第２領域２ｂとが接合される。また、例えば半田のような接合材１６によって、第１外部導出端子３の下面とＤＢＣ基板２の第１領域２ａとが接合され、第２外部導出端子５の下面とＤＢＣ基板２の第２領域２ｂとが接合される。更に、例えば半田のような接合材（図示せず）によって、バルフロン線１２の下端が組立体２２に接合される。図１２に示す工程では、例えば半田のような接合材１６として、比較的低融点のものが用いられる。

次いで、図１に示すように、外囲ケース７と放熱板６とがシール材（図示せず）を介して接合される。次いで、ゲル状充填材が、開口７ａ（図８参照）を介して外囲ケース７内に注入され、例えば１５０℃、１．５〜２Ｈの条件で硬化せしめられる。それにより、外囲ケース７の内側の下側半分にゲル状充填材層９が形成される。ゲル状充填材の注入時には、ゲル状充填材層９の上面が凸部３ａ，５ａの下面よりも下側に位置するように、ゲル状充填材の注入量が制御される。

詳細には、第１の実施形態の大電力用半導体装置では、ゲル状充填材が硬化せしめられる高温時に、第１外部導出端子３とＤＢＣ基板２との接合部および第２外部導出端子５とＤＢＣ基板２との接合部にかかる熱応力がほぼゼロになるように、外囲ケース７に開口７ａおよびガス抜き穴７ｂが形成されている。そのため、第１の実施形態の大電力用半導体装置によれば、例えば半田のような接合材１６（図１２参照）が比較的軟らかくなる高温時に第１外部導出端子３とＤＢＣ基板２との接合部および第２外部導出端子５とＤＢＣ基板２との接合部に熱応力がかかるように構成されている場合よりも、第１外部導出端子３とＤＢＣ基板２との接合部および第２外部導出端子５とＤＢＣ基板２との接合部にかかる負担を軽減することができる。

次いで、外囲ケース７に形成された端子に、バルフロン線１２の自由端が接続される。次いで、エポキシ樹脂が開口７ａ（図８参照）を介して外囲ケース７内に注入され、それにより、外囲ケース７の内側の上側半分にエポキシ樹脂層１０が形成される。尚、エポキシ樹脂は、ガス抜き用空間７ｄ（図８参照）内には配置されない。そのため、上述したように、ガス抜き用空間７ｄ（図８参照）内のゲル状充填材層１０（図１参照）の上面は、エポキシ樹脂層１０（図１参照）を介することなくガス抜き穴７ｂと直接連通せしめられている。

次いで、図１に示すように、蓋８が外囲ケース７上に載置される。つまり、第１の実施形態の大電力用半導体装置では、蓋８が外囲ケース７上に載置される前にエポキシ樹脂が注入される。そのため、第１の実施形態の大電力用半導体装置によれば、蓋８が外囲ケース７上に載置された後にエポキシ樹脂が注入される場合よりも、比較的広い開口７ａ（図８参照）を介してエポキシ樹脂を容易に注入することができる。

詳細には、第１の実施形態の大電力用半導体装置では、注入されたエポキシ樹脂が硬化する前に蓋８が凸部３ａ，５ａの上面に突き当てられ、硬化したエポキシ樹脂によって、蓋８が、凸部３ａ，５ａの上面に突き当てられた状態で固定される。そのため、第１の実施形態の大電力用半導体装置によれば、凸部３ａ，５ａの上面に突き当てられた状態で蓋８を固定するための接着剤をエポキシ樹脂とは別個に用意する必要性を排除することができる。

第１の実施形態の大電力用半導体装置では、エポキシ樹脂が、例えば１５０℃、８〜１２Ｈの条件で硬化せしめられる。詳細には、第１の実施形態の大電力用半導体装置では、エポキシ樹脂が硬化せしめられる高温時に、第１外部導出端子３とＤＢＣ基板２との接合部および第２外部導出端子５とＤＢＣ基板２との接合部にかかる熱応力がほぼゼロになるように、蓋８にガス抜き穴８ｄ（図９参照）が形成されている。そのため、第１の実施形態の大電力用半導体装置によれば、例えば半田のような接合材１６（図１２参照）が比較的軟らかくなる高温時に第１外部導出端子３とＤＢＣ基板２との接合部および第２外部導出端子５とＤＢＣ基板２との接合部に熱応力がかかるように構成されている場合よりも、第１外部導出端子３とＤＢＣ基板２との接合部および第２外部導出端子５とＤＢＣ基板２との接合部にかかる負担を軽減することができる。

また、第１の実施形態の大電力用半導体装置では、蓋８の下面のうち、凸部３ａ，５ａの上面に突き当てられる部分のみがエポキシ樹脂層１０と接触せしめられ、その他の部分はエポキシ樹脂層１０と接触せしめられていない。そのため、蓋８の下面の全面がエポキシ樹脂層１０と接触せしめられ、エポキシ樹脂層１０が蓋８の下面によって拘束されている場合よりも、第１外部導出端子３とＤＢＣ基板２との接合部および第２外部導出端子５とＤＢＣ基板２との接合部に熱応力がかかってしまうおそれを低減することができる。

詳細には、第１の実施形態の大電力用半導体装置では、蓋８が外囲ケース７に突き当てられて位置決めされるのではなく、蓋８が凸部３ａ，５ａの上面に突き当てられて位置決めされる。つまり、寸法公差の比較的小さい金属製部品である第１外部導出端子３の凸部３ａおよび第２外部導出端子５の凸部５ａに、蓋８が突き当てられて位置決めされる。そのため、第１の実施形態の大電力用半導体装置によれば、蓋８が樹脂製部品である外囲ケース７に突き当てられて位置決めされる場合よりも、蓋８の上面の高さのばらつきを低減することができる。

具体的には、第１の実施形態の大電力用半導体装置では、図１に破線で示すように、第１外部導出端子３の上端および第２外部導出端子５の上端が折り曲げられ、第１外部導出端子３および第２外部導出端子５によって蓋８が下側に押動され、それにより、蓋８が凸部３ａ，５ａの上面に突き当てられる。そのため、第１の実施形態の大電力用半導体装置によれば、第１外部導出端子３の上端および第２外部導出端子５の上端を折り曲げるための冶具の他に、蓋８を凸部３ａ，５ａの上面に突き当てるための冶具を設ける必要性を排除することができる。

更に、第１の実施形態の大電力用半導体装置では、蓋８の下面とエポキシ樹脂層１０の上面との間に空気層１１が配置されるように、エポキシ樹脂の注入量が制御されている。そのため、第１の実施形態の大電力用半導体装置によれば、エポキシ樹脂層１０およびその下側に配置されたゲル状充填材層９の熱膨張または熱収縮に伴う体積変動分を、蓋８の下面とエポキシ樹脂層１０の上面との間に配置された空気層１１によって吸収し、熱応力の発生を抑制することができる。

第１の実施形態の大電力用半導体装置では、図１に示すように、ＤＢＣ基板２、第１外部導出端子３、ジャンパープレート４、第２外部導出端子５および放熱板６として板厚の薄い材料が用いられ、下側への放熱性の向上が図られており、大電力用半導体装置全体の薄型化が図られている。

上述したように、第１の実施形態の大電力用半導体装置では、半導体素子１としてサイリスタが用いられているが、第３の実施形態の大電力用半導体装置では、半導体素子１として例えばダイオードのような任意の半導体素子を用いることが可能である。

第１の実施形態の大電力用半導体装置の断面図である。第１の実施形態の大電力用半導体装置の第１外部導出端子３および第２外部導出端子５の部品図である。第１の実施形態の大電力用半導体装置の第１外部導出端子３および第２外部導出端子５の部品図である。第２の実施形態の大電力用半導体装置の第１外部導出端子３’および第２外部導出端子５’の部品図である。第２の実施形態の大電力用半導体装置の第１外部導出端子３’および第２外部導出端子５’の部品図である。図１に示したジャンパープレート４の斜視図である。図１に示したＤＢＣ基板２の部品図である。詳細には、図７は図１に示したＤＢＣ基板２を上側から見た図である。図１に示した外囲ケース７の部品図である。図１に示した蓋８の部品図である。第１の実施形態の大電力用半導体装置の製造工程のうち、半導体素子１およびＤＢＣ基板２の組立体を製造する工程を示した図である。組立体が組み立てられた状態を図１０の上側から見た図である。図１０に示した工程において組み立てられた組立体２２に対して第１外部導出端子３、ジャンパープレート４および第２外部導出端子５などを接合する工程を示した図である。図１２に示した工程において組み立てられた組立体などを示した図である。図１３に示した組立体などを上側から見た図である。従来の半導体パワーモジュールを示した図である。他の従来の半導体パワーモジュールを示した図である。従来の電力用半導体モジュールを示した図である。従来の半導体装置を示した図である。従来のトランジスタモジュールを示した図である。従来の大電力用半導体装置を示した図である。

符号の説明

１半導体素子
２ＤＢＣ基板
２ａ第１領域
２ｂ第２領域
３第１外部導出端子
３ａ凸部
４ジャンパープレート
５第２外部導出端子
５ａ凸部
６放熱板
７外囲ケース
８蓋
９ゲル状充填材層
１０エポキシ樹脂層
１１空気層
１２バルフロン線

Claims

半導体素子と、
ＤＢＣ基板の上面の第１領域を介して前記半導体素子の下面に電気的に接続された第１外部導出端子と、
前記ＤＢＣ基板の上面の第２領域と接続部材とを介して前記半導体素子の上面に電気的に接続された第２外部導出端子と、
前記ＤＢＣ基板を支持する放熱板と、
外囲ケースと、
蓋と、
前記外囲ケースの内側の下側部分に配置されたゲル状充填材層と、
前記外囲ケースの内側の上側部分に配置されたエポキシ樹脂層とを具備する大電力用半導体装置において、
前記第１外部導出端子および前記第２外部導出端子のそれぞれに凸部を形成し、
前記凸部を前記エポキシ樹脂層内に配置し、
前記蓋を前記凸部の上面に突き当てることにより、前記蓋を位置決めすることを特徴とする大電力用半導体装置。
前記第１外部導出端子の一部および前記第２外部導出端子の一部を折り曲げることにより前記凸部を形成したことを特徴とする請求項１に記載の大電力用半導体装置。
前記第１外部導出端子および前記第２外部導出端子の前記凸部以外の部分の外縁よりも外側に突出するように前記凸部を形成したことを特徴とする請求項１に記載の大電力用半導体装置。
前記第１外部導出端子の上端および前記第２外部導出端子の上端を折り曲げることにより、前記蓋を前記凸部の上面に突き当てることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の大電力用半導体装置。
前記外囲ケース上に前記蓋を載置する前にエポキシ樹脂を注入し、エポキシ樹脂が硬化する前に前記蓋を前記凸部の上面に突き当てることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の大電力用半導体装置。
前記蓋の下面と前記エポキシ樹脂層の上面との間に空気層を配置したことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の大電力用半導体装置。
前記蓋の下面のうち、前記凸部の上面に突き当てられる部分のみを前記エポキシ樹脂層と接触させたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の大電力用半導体装置。