JP5098951B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は半導体装置に関し、特にパワー半導体素子を搭載した半導体装置に関する。
インバータ装置、無停電電源装置、工作機械、産業用ロボット等では、その本体装置とは独立して、パワー半導体素子を搭載した半導体装置(汎用モジュール)が使用されている。
このような半導体装置は、複数のパワー半導体素子を樹脂ケース内に収納した構造をしている。そして、半導体装置の内部配線には、リードフレーム(配線用端子)が用いられている。特に、最近では、リードフレームに印加される応力を吸収するために、カタカナの「コ」の字の形状をした端子を半導体装置内に配設する構造が開示されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2005−183455号公報(図2)
しかし、上記の半導体装置の構造では、上記「コ」の字状の端子の配置向きが考慮されておらず、リードフレームに印加される応力、或いはリードフレームに接合している半導体素子に印加される応力及びリードフレームの電気抵抗が充分に低減しないという問題があった。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、リードフレームに印加される応力、リードフレームに接合している半導体素子に印加される応力及びリードフレームの電気抵抗が効率よく低減する半導体装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、樹脂ケースと、前記樹脂ケース内に収納された絶縁基板と、前記絶縁基板の電極パターン上に搭載された第1の半導体素子及び第2の半導体素子と、前記樹脂ケースに一部が固定され、前記第1の半導体素子及び前記第2の半導体素子上に延出された外部接続用端子と、前記第1の半導体素子の電極と前記外部接続用端子とを電気的に接続する第1の端子台と、前記第2の半導体素子の電極と前記外部接続用端子とを電気的に接続する第2の端子台と、を備え、前記樹脂ケースの内壁から延出された前記外部接続用端子の根本部分から前記外部接続用端子の先端の方向に、前記第1の半導体素子、前記第2の半導体素子の順で配置され、前記第1の端子台の開口部分が前記根本部分に向いて配置され、前記第2の端子台の開口部分が前記根本部分とは逆方向に向いて配置されていることを特徴とする半導体装置が提供される。
上記手段によれば、半導体装置において、リードフレームに印加される応力、リードフレームに接合している半導体素子に印加される応力及びリードフレームの電気抵抗が効率よく低減する。
以下、本実施の形態に係る半導体装置を、図面を参照しながら詳細に説明する。
最初に、半導体装置の構造について説明する。
図1は本実施の形態に係る半導体装置の要部模式図である。ここで、図1(a)には、半導体装置の平面模式図が例示され、図1(b)には図1(a)の破線X−X’の位置に沿う断面を矢印の方向に矢視した図が表示されている。尚、図1では、インバータ回路一相分の半導体モジュール(パワーモジュール)が例示されている。
図示する半導体装置1は、板厚が数ミリの金属ベース板10を基体とし、当該金属ベース板10上に、錫(Sn)−銀(Ag)系の鉛フリー半田層(図示しない)を介して絶縁基板20が接合・搭載されている。そして、絶縁基板20の上層に、パワー半導体素子であるIGBT素子30a,30b、並びにFWD素子31a,31bを複数個、実装している。また、半導体装置1では、上記半導体素子、絶縁基板20等を樹脂ケース40により収納(パッケージング)して、汎用IGBTモジュールを構成している。
絶縁基板20は、絶縁板20aと、絶縁板20aの下面にDCB(Direct Copper Bonding)法で形成された金属箔20bと、絶縁板20aの上面に同じくDCB法で形成された金属箔20c,20dを備えている。
絶縁基板20の金属箔20c上には、半田層(図示しない)を介して、IGBT素子30aが搭載されている。即ち、IGBT素子30aの裏面側(例えば、コレクタ電極側)は、金属箔20cに接合している。
また、絶縁基板20の金属箔20d上には、半田層(図示しない)を介して、IGBT素子30bが搭載されている。即ち、IGBT素子30bの裏面側(例えば、コレクタ電極側)は、金属箔20dに接合している。
また、当該IGBT素子30a,30bのコレクタ電極とは反対側の主面、即ち、IGBT素子30a,30bの上面側には、エミッタ電極が配設されている。
更に、IGBT素子30a,30bの上面には、制御電極30gが配設されている。そして、制御電極30gは、金属ワイヤ21を介して、樹脂ケース40にインサート成形されたピン端子(制御用端子)22の一端に導通している。そして、ピン端子22のもう一方の端は、半導体装置1の上方へ延出され、樹脂ケース40の上面より高い位置にまで引き出されている。
また、金属箔20c上に搭載したFWD素子31aにおいては、半田層(図示しない)を介して、そのカソード側が金属箔20cに接合している。また、金属箔20d上に搭載したFWD素子31bにおいては、半田層(図示しない)を介して、そのカソード側が金属箔20dに接合している。そして、FWD素子31a,31bのカソード側とは反対側の主面(上面)は、アノード側となっている。
また、IGBT素子30aのコレクタ電極とFWD素子31aのカソード側は、金属箔20cを通じて導通している。
また、IGBT素子30bのコレクタ電極とFWD素子31bのカソード側は、金属箔20dを通じて導通している。
尚、絶縁板20aの材質は、例えば、アルミナ(Al23)焼結体のセラミックが適用される。また、金属箔20b,20c,20dの材質は、銅(Cu)を主成分とする金属が適用される。
また、本実施の形態においては、上述したIGBT素子30a,30bに代えて、パワーMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)を用いてもよい。
また、半導体装置1にあっては、金属ベース板10の上端縁に、例えば、PPS(ポリ・フェニレン・サルファイド)製の樹脂ケース40が固設されている。そして、樹脂ケース40の一部には、上記半導体素子の主電極に導通する外部接続用端子(リードフレーム)50,51,52がインサート成形されている。即ち、それぞれの外部接続用端子50,51,52の一部が樹脂ケース40内に固定・支持されている。
ここで、外部接続用端子50は、インバータ回路の正極入力端子(P端子)となり、外部接続用端子51は、インバータ回路の負極入力端子(N端子)となる。そして、これらの外部接続用端子50,51は、半導体装置1の外部に設置された直流電源の正極、負極にそれぞれ電気的に接続される。
また、外部接続用端子52は、インバータ回路の交流出力端子(U,V,W相)となる。そして、当該外部接続用端子52においては、樹脂ケース40内で2股に分岐する構成としている。尚、図中では、2股に分岐する外部接続用端子52の先端を符号52a及び52bで表示している。
また、半導体装置1にあっては、IGBT素子30aのエミッタ電極(上面側)に、断面がカタカナの「コ」の字状の端子台60aを接合させている。
また、FWD素子31aのアノード(上面側)には、断面がカタカナの「コ」の字状の端子台61aを接合させている。
また、IGBT素子30bのエミッタ電極(上面側)には、断面がカタカナの「コ」の字状の端子台60bを接合させている。
また、FWD素子31bのアノード(上面側)には、断面がカタカナの「コ」の字状の端子台61bを接合させている。
また、絶縁基板20の金属箔20cには、断面がカタカナの「コ」の字状の端子台62aを直接接合させている。
また、絶縁基板20の金属箔20dには、断面がカタカナの「コ」の字状の端子台62bを直接接合させている。
これらの端子台は、半導体素子のヒートシンクとしても機能する。また、これらの端子台はそれぞれ上面部分、下面部分及び上面部分の端と下面部分の端とを連結する略垂直部分(連結部)を有する。
尚、端子台の断面においては、カタカナの「コ」の字の他、アルファベットの「U」の字を90度回転させた形状でもよい。本実施の形態では、当該断面が「コ」の字である形態を一例に説明する。
そして、半導体装置1においては、外部接続用端子50が金属箔20d上にまで延出している。また、外部接続用端子50の一端は端子台62bに接合され、当該端子台62bを介して、外部接続用端子50と絶縁基板20の金属箔20dとが導通している。
また、半導体装置1においては、外部接続用端子51の一端がIGBT素子30aのエミッタ電極及びFWD素子31aのアノード上に延出している。また、外部接続用端子51の一端は端子台60aに接合され、当該端子台60aを介して、外部接続用端子51とIGBT素子30aのエミッタ電極とが導通している。更に、外部接続用端子51の一端は端子台61aに接合され、当該端子台61aを介して、外部接続用端子51とFWD素子31aのアノードとが導通している。これにより、IGBT素子30aのエミッタ電極とFWD素子31aのアノードとが外部接続用端子51を介して導通することになる。
また、半導体装置1においては、外部接続用端子52の一部である外部接続用端子52aが金属箔20c上に延出している。また、外部接続用端子52の一部である外部接続用端子52aの一端は端子台62aに接合され、当該端子台62aを介して、外部接続用端子52と絶縁基板20の金属箔20cとが導通している。
また、半導体装置1においては、外部接続用端子52の一部である外部接続用端子52bがIGBT素子30bのエミッタ電極及びFWD素子31bのアノード上に延出している。また、外部接続用端子52の一部である外部接続用端子52bの一端は端子台60bに接合され、当該端子台60bを介して、外部接続用端子52bとIGBT素子30bのエミッタ電極とが導通している。更に、外部接続用端子52bの一端は端子台61bに接合され、当該端子台61bを介して、外部接続用端子52bとFWD素子31bのアノードとが導通している。これにより、IGBT素子30bのエミッタ電極とFWD素子31bのアノードとが外部接続用端子52を介して導通することになる。
このように半導体装置1では、IGBT素子30a,30b、FWD素子31a,31bを配置して、インバータ回路一相分を構成している。具体的には、外部接続用端子50がインバータ回路一相分の正極入力端子、外部接続用端子51がインバータ回路一相分の負極入力端子、外部接続用端子52がインバータ回路一相分の交流出力端子となっている。
尚、前記端子台とそれぞれの被接合部との接合は、例えば、上記半田材による半田付け、レーザ溶接、或いは超音波接合による。
また、前記端子台及び外部接続用端子50,51,52は、例えば、銅(Cu)またはアルミニウム(Al)またはこれらの合金を主成分とした材質により構成されている。
そして、半導体装置1では、樹脂ケース40及び金属ベース板10で取り囲まれた空間には、半導体素子、金属ワイヤ21、前記端子台及び外部接続用端子50,51,52等の保護を目的として、封止用樹脂41が充填されている。
封止用樹脂41の材質は、例えば、ゲルまたはエポキシ樹脂を主成分とする樹脂が適用される。尚、図1(a)では、半導体装置1の内部の構造を表示するために、封止用樹脂41が表示されていない。
次に、半導体素子と外部接続用端子との間に、上述した形状の端子台を介設させた半導体装置1の特徴的な作用及び有利な効果について説明する。以下では、一例として、図1(a)の破線X−X’の断面矢視図を用いてその作用効果を説明する。
尚、以下に示す全ての図では、図1と同一の部材には同一の符号を付し、一度説明した部材の説明の詳細については省略する。
図2は本実施の形態に係る半導体装置の要部模式図である。
上述したように、半導体装置1においては、外部接続用端子52bとIGBT素子30bとの間に、「コ」の字状の端子台60bを配置し、外部接続用端子52bとFWD素子31bとの間に、「コ」の字状の端子台61bを配置している。また、外部接続用端子50と金属箔20dとの間に、「コ」の字状の端子台62bを配置している。
ここで、樹脂ケース40の側壁(内壁)から延出する外部接続用端子52bの根本部分を部分aとする。また、樹脂ケース40の側壁(内壁)から延出する外部接続用端子50の根本部分を部分bとする。
半導体装置1においては、端子台60b,61b,62bの配置の向きに特徴がある。
例えば、半導体装置1においては、端子台61bの開口部分61baが部分aに向いている。即ち、端子台61bの垂直部分61bbの内壁面が部分aに向いて開放されている。ここで、“開放”とは、封止用樹脂41が存在しない場合、端子台61bの垂直部分61bbの内壁面が部分aに向いて露出していることをいう。
これにより、外部接続用端子52bは、端子台61bの垂直部分61bbから部分aまでの長さ間(距離d1)で撓むことができる。
また、半導体装置1においては、端子台62bの開口部分62baが部分bに向いている。即ち、端子台62bbの垂直部分62bbの内壁面が部分bに向いて開放されている。
これにより、外部接続用端子50は、端子台62bの垂直部分62bbから部分bまでの長さ間(距離d2)で撓むことができる。
また、半導体装置1においては、端子台60bの開口部分60baが部分aの逆方向に向いている。即ち、端子台60bの垂直部分60bbの内壁面が部分aとは逆方向に向いて開放されている。
これにより、IGBT素子30bのエミッタ電極から部分aまでの通電経路の長さは、端子台60bの垂直部分60bbに距離d3を足し合わせた距離になる。
尚、外部接続用端子52bの根本部分aから外部接続用端子52bの先端の方向において、端子台60bの上面部分60buの長さは、端子台60bの下面部分60bdの長さよりも短い構成になっている。
これに対し、半導体装置1とは異なる端子台の配置をした半導体装置を、図3に示す。
図3は別の半導体装置の要部断面模式図である。
図3に示す半導体装置100においては、端子台61bの開口部分61baを部分aの逆方向に対向させている。
これにより、外部接続用端子52bは、端子台61bの垂直部分61bbから部分aまでの長さ間(距離d1’)で撓むことができる。
また、当該半導体装置100においては、端子台62bの開口部分62baを部分bの逆方向に対向させている。
これにより、外部接続用端子50は、端子台62bの垂直部分62bbから部分bまでの長さ間(距離d2’)で撓むことができる。
また、当該半導体装置100においては、端子台60bの開口部分60baを部分aの方向に対向させている。
これにより、IGBT素子30bのエミッタ電極から部分aまでの通電経路の長さは、端子台60bの垂直部分60bbに距離d3’を足し合わせた距離になる。
ここで、図2に示す半導体装置1と図3に示す半導体装置100とを対比すると、d1>d1’であり、d2>d2’となっている。
従って、半導体装置1は、半導体装置100に比べ、外部接続用端子52b,50が撓む長さ(撓みが可能な長さ)がより長くなっている。その結果、半導体装置1においては、外部接続用端子52b,50にかかる応力が半導体装置100よりも効率よく分散される。これにより、FWD素子31bにかかる応力が半導体装置100よりもより低減する。
尚、このような応力は、例えば、半導体装置1を作動させた際の熱膨張によって発生する。
また、図2に示す半導体装置1と図3に示す半導体装置100とを対比すると、d3<d3’となっている。
従って、半導体装置1は、半導体装置100に比べ、IGBT素子30bのエミッタ電極から部分aまでの通電経路の長さがより短くなっている。その結果、半導体装置1においては、半導体装置100よりも上記通電経路のL成分、R成分がより低減する。
更に、半導体装置1においては、図2に示す如く、部分aから部分bの方向(部分aから樹脂ケース40内の外部接続用端子52bの先端の方向)に向かい、FWD素子31b、IGBT素子30bの順に配置している。即ち、IGBT素子30bは、外部接続用端子52bの自由端の下方に配置されている。また、端子台60bの上面部分60buの長さを、下面部分60bdの長さよりも短い構成としている。
これにより、制御電極30gの周辺には、自由空間が形成する。従って、ボンダーの自由度が確保され、金属ワイヤ21のボンディング工程が容易になる。
これに対し、IGBT素子30b、FWD素子31bの順序を逆に配置した半導体装置を、図4に示す。
図4は更に別の半導体装置の要部断面模式図である。
上述した如く、図4に示す半導体装置101では、部分aから部分bに向かい、IGBT素子30b、FWD素子31bの順に配置している。
このような構造では、制御電極30gの上方に、外部接続用端子52bが位置するので、ボンダーの配置、移動が外部接続用端子52bによって阻害される。従って、半導体装置101では、ボンディング工程が容易ではなくなる。
このように、半導体装置1では、主電極の他、制御電極30gを備えた半導体素子については、外部接続用端子52bの自由端の下方に配置している。これにより、金属ワイヤ21のボンディング工程が容易になる。
更に、半導体装置1では、樹脂ケース40及び外部接続用端子50,51,52を取り付ける前の半導体装置1において、前記端子台が露出した状態になる(図5参照)。
このような端子台に、プローバの検出針を直接接触させることにより、樹脂ケース40及び外部接続用端子50,51,52を取り付ける前の半導体装置1の電気的特性を容易に試験することができる。
なお、以上では、外部接続用端子50,51,52がそれぞれ樹脂ケース40からストレートに延出する半導体装置について説明したが、本実施の形態では、外部接続用端子50,51,52の一部が屈曲し延出する半導体装置をも含む。外部接続用端子50,51,52の一部が屈曲し延出する場合は、前記端子台の開口部分は外部接続用端子50,51,52に沿うよう、同様に配置される。
次に、半導体装置1の形態を変形させた半導体装置について説明する。
図6は半導体装置の変形例を説明するための要部模式図である。
図示する半導体装置2においては、端子台63b,64b,65bの断面形状をアルファベットの「Z」状としている。これらの端子台はそれぞれ上面部分、下面部分及び上面部分の端と下面部分の端とを連結する傾斜部分(連結部)を有する。
そして、FWD素子31bのアノードに接合させた端子台64bの上側の鋭角64baが部分aとは逆方向に向けられている。
また、IGBT素子30bのエミッタ電極に接合させた端子台63bの上側の鋭角63baが部分aに向けられている。
また、金属箔20dに接合させた端子台65bの上側の鋭角65baが部分bとは逆方向に向けられている。
このような構成によっても、外部接続用端子52bは、端子台64bの鋭角64baから部分aまでの長さ間(距離d1)で撓むことができる。
また、外部接続用端子50は、端子台65bの鋭角65baから部分bまでの長さ間(距離d2)で撓むことができる。
また、IGBT素子30bのエミッタ電極から部分aまでの通電経路の長さは、端子台63bの傾斜部分63bbに距離d3を足し合わせた距離になる。
また、端子台63bの上側の鋭角63baが部分aに向けられていることから、制御電極30gの周辺には、自由空間が形成し、金属ワイヤ21のボンディング工程が容易になる。
このように、半導体装置2においても、半導体装置1と同様の効果が得られる。
図7は半導体装置の別の変形例を説明するための要部模式図である。ここで、図7(a)には、半導体装置の平面模式図が例示され、図7(b)には図7(a)の破線X−X’の位置に沿う断面を矢印の方向に矢視した図が表示されている。
図示する半導体装置3においては、端子台62b上の外部接続用端子50に円形状の貫通孔50hが設けられている。
また、端子台60a,61a上の外部接続用端子51には、円形状の貫通孔51hが設けられている。
また、端子台62a上の外部接続用端子52aには、円形状の貫通孔52hが設けられている。
また、端子台60b,61b上の外部接続用端子52bには、円形状の貫通孔52hが設けられている。
また、外部接続用端子52bと接合する端子台60b,61bにおいても、それぞれ貫通孔60bh,61bhが設けられている。
また、外部接続用端子50と接合する端子台62bにおいても、貫通孔62bhが設けられている。
また、外部接続用端子51,52aと接合する端子台60a,61a,62aにおいても、貫通孔51h,52hの下方に貫通孔(図示しない)が設けられている。
このような貫通孔50h,51h,52hと、前記端子台に設けられた貫通孔とは、位置合わせ用のマークとして用いられ、それらが連通している。即ち、貫通孔50h,51h,52hと前記端子台に設けられた貫通孔の中心が合致するように外部接続用端子50,51,52a,52bと前記端子台とが接合している。
このように、半導体装置3では、半導体装置1と同様の効果の他に、以下のような効果を奏する。
半導体装置3では、前記貫通孔を設けることにより、外部接続用端子50,51,52a,52bと前記端子台との位置合わせが容易になる。
また、封止用樹脂41が前記貫通孔内に回り込むことにより、外部接続用端子50,51,52a,52bと前記端子台との接合強度が増加する。
本実施の形態に係る半導体装置の要部模式図である(その1)。 本実施の形態に係る半導体装置の要部模式図である(その2)。 別の半導体装置の要部断面模式図である。 更に別の半導体装置の要部断面模式図である。 本実施の形態に係る半導体装置の要部模式図である(その3)。 半導体装置の変形例を説明するための要部模式図である。 半導体装置の別の変形例を説明するための要部模式図である。
符号の説明
1,2,3,100,101 半導体装置
10 金属ベース板
20 絶縁基板
20a 絶縁板
20b,20c,20d 金属箔
21 金属ワイヤ
22 ピン端子
30a,30b IGBT素子
30g 制御電極
31a,31b FWD素子
40 樹脂ケース
41 封止用樹脂
50,51,52,52a,52b 外部接続用端子
50h,51h,52h,60bh,61bh,62bh 貫通孔
60a,60b,61a,61b,62a,62b,63b,64b,65b 端子台
60ba,61ba,62ba 開口部分
60bb,61bb,62bb 垂直部分
60bd 下面部分
60bu 上面部分
63ba,64ba,65ba 鋭角
63bb 傾斜部分
a,b 部分
d1,d2,d3,d1’,d2’,d3’ 距離

Claims (10)

  1. 樹脂ケースと、
    前記樹脂ケース内に収納された絶縁基板と、
    前記絶縁基板の電極パターン上に搭載された第1の半導体素子及び第2の半導体素子と、
    前記樹脂ケースに一部が固定され、前記第1の半導体素子及び前記第2の半導体素子上に延出された外部接続用端子と、
    前記第1の半導体素子の電極と前記外部接続用端子とを電気的に接続する第1の端子台と、
    前記第2の半導体素子の電極と前記外部接続用端子とを電気的に接続する第2の端子台と、
    を備え、
    前記樹脂ケースの内壁から延出された前記外部接続用端子の根本部分から前記外部接続用端子の先端の方向に、前記第1の半導体素子、前記第2の半導体素子の順で配置され、前記第1の端子台の開口部分が前記根本部分に向いて配置され、前記第2の端子台の開口部分が前記根本部分とは逆方向に向いて配置されていることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記外部接続用端子の前記根本部分から前記外部接続用端子の前記先端の方向において、前記第2の端子台の上面部の長さが下面部の長さよりも短いことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  3. 前記絶縁基板の別の電極パターン上に、前記樹脂ケースに一部が固定された別の外部接続用端子が延出され、前記別の電極パターンと前記別の外部接続用端子とが第3の端子台を通じて導通していることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  4. 前記樹脂ケースの内壁から延出された前記別の外部接続用端子の根本部分に、前記第3の端子台の開口部分が向いて配置されていることを特徴とする請求項3記載の半導体装置。
  5. 前記第1の端子台、前記第2の端子台及び前記第3の端子台が上面部と、下面部と、前記上面部の端と前記下面部の端とを連結する連結部からなることを特徴とする請求項3記載の半導体装置。
  6. 前記第1の端子台の前記連結部の内壁面が前記外部接続用端子の前記根本部分に向いて開放され、前記第2の端子台の前記連結部の内壁面が前記外部接続用端子の前記根本部分とは逆方向に向いて開放されていることを特徴とする請求項5記載の半導体装置。
  7. 前記第3の端子台の前記連結部の内壁面が前記別の外部接続用端子の前記根本部分に向いて開放されていることを特徴とする請求項5記載の半導体装置。
  8. 前記外部接続用端子と、前記外部接続用端子と接合する前記第1の端子台及び前記第2の端子台とに連通する貫通孔がそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  9. 前記別の外部接続用端子と、前記別の外部接続用端子と接合する前記第3の端子台とに連通する貫通孔が設けられていることを特徴とする請求項3記載の半導体装置。
  10. 前記第2の半導体素子が制御用電極を備えていることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
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