JP5373713B2 - 半導体装置 - Google Patents

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本発明は、放熱性と信頼性に優れた半導体装置の構造に関するものである。
半導体装置の中でも電力用に用いられる半導体装置では、鉄道車両、ハイブリッドカー、電気自動車等の車両、家電機器、産業用機械等において、比較的大きな電力を制御、整流するために利用されている。したがって電力用の半導体装置で使用される半導体素子は１００Ａ／ｃｍ２を超える高い電流密度で通電することが求められる。そのため、近年はシリコン（Ｓｉ）に代わる半導体材料としてワイドバンドギャップ半導体材料である炭化珪素（ＳｉＣ）が注目されており、ＳｉＣからなる半導体素子は５００Ａ／ｃｍ２を超える電流密度での動作が可能である。また、ＳｉＣは１５０℃〜３００℃の高温状態でも安定動作が可能であり、高電流密度動作と高温動作の両立が可能な半導体材料として期待されている。
このように大電流を扱う電力用の半導体装置においては、電気的な絶縁を確保しながら、半導体素子等から発生する熱をいかに放熱するかが重要である。そのため、半導体素子を含む電力回路を一方の面に形成し、他方の面に金属製の放熱板をはんだで固定した絶縁基板を枠ケースに固定し、配線部材とともに放熱板と一体化された絶縁基板をシリコンゲルにて封止することが一般的に行われてきた。ところが、運転温度域が高温化すると、シリコンゲルのような柔軟な材料では、半導体素子に接続されたワイヤ等の配線部材にかかる応力を抑えることができない。そのため、シリコンゲルに代わり、エポキシ樹脂のような弾性率の高い封止樹脂で封止する構成が用いられるようになってきた。
しかし、金属製の放熱板と絶縁基板の熱膨張係数が大きく異なることから、弾性率の高い封止樹脂を用いる場合には、封止樹脂の熱膨張係数の合わせ込みが難しく、ヒートサイクル試験時に絶縁基板または放熱板と封止樹脂界面の剥離が生じることがある。また、絶縁基板に伝熱性に優れたセラミック基板を用いる場合には、絶縁基板自身に割れが発生することがあった。そこで、絶縁基板に通常のセラミック基板よりも熱伝導性は劣るが、強度特性に優れた窒化ケイ素を用いた半導体装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００５−２６０１８１公報（段落００１９〜００２１、図１）
しかしながら、上記のように絶縁基板に強度の高い材料を選択した場合であっても、放熱板と絶縁基板との間の熱膨張係数の差が低減されるわけではなく、封止樹脂界面の剥離による信頼性の低下を防止することは困難であった。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、放熱特性を損なうことなく、温度変化に対して、信頼性の高い半導体装置を得ることを目的としている。
本発明の半導体装置は、一方の面に半導体素子が実装された絶縁基板と、板状をなし、一方の面が前記絶縁基板の他方の面に緩衝材を介して伝熱接合された放熱板と、前記放熱板の熱膨張係数よりも前記絶縁基板の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する樹脂で形成され、前記絶縁基板の半導体素子が実装された面と前記放熱板とをともに封止する封止体と、を備え、前記放熱板は、前記他方の面が前記封止体から露出しているとともに、前記封止体と接触する面において前記封止体と遊離している、ことを特徴とする。
本発明の電力用半導体装置によれば、封止体により、絶縁基板を安定に封止できるとともに、絶縁基板に密着させた放熱板と絶縁基板間の熱応力、および放熱板と封止体との熱応力を低減できるので、放熱性を維持し、温度変化に対し信頼性の高い半導体素子を得ることができる。
本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための放熱板と絶縁基板とを熱的に接合する緩衝材の断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の製造方法を説明するための工程ごとの断面図である。 本発明の実施の形態２にかかる電力用半導体装置の製造方法を説明するための工程ごとの断面図である。 本発明の実施の形態３にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態３の変形例にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態４にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための断面図である。
実施の形態１．
図１〜図３は、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置を説明するためのもので、図１は電力用半導体装置の断面図、図２は電力用半導体装置における絶縁基板と放熱板とを伝熱接合するための緩衝材の構成を説明するための緩衝材部分の断面図である。また、図３は本実施の形態１にかかる電力用半導体装置の製造方法を説明するためのもので、図３（ａ）〜図３（ｇ）は工程ごとの断面を示す図である。
はじめに、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の全体構成について説明する。実施の形態１にかかる電力用半導体装置１００は、図１に示すように、セラミック材料からなる絶縁基板３の回路面には、複数の配線パターン４ａが形成され、配線パターン４ａのうちの所定の配線パターンに半導体素子（パワー半導体チップ）１ａ、１ｂ（まとめて１）が導電性の接合材２を用いて固定されるとともに電気的に接続され、半導体素子１の配線パターン４ａとの接合面との反対側の面である表面に形成された図示しない電極は、アルミワイヤ５等のいわゆるワイヤボンディングによる配線部材により、他の配線パターン４ａと電気的に接続される。そして、アルミワイヤ５が接続された配線パターン４ａには、外部との電気的な接続を行うための配線部材である電極６が接合されている。そして、絶縁基板３の回路面側は上記のように半導体素子１や配線部材であるアルミワイヤ５や電極６を含めて封止樹脂による封止体９で封止されている。ただし、配線部材のうち、電極６は、外部との電気的接続を行うために上部が封止体９から露出している。
一方、絶縁基板３の上記回路面と反対側の面には、配線パターン４ｂがべた状に形成されており、伝熱性の緩衝材８を介して金属製の放熱板７が伝熱接合を形成するように張り合わせられている。放熱板７は、封止体９の上部から挿入したネジ１０により機械的に引っ張り上げられ、その引っ張り上げる力により絶縁基板３に対して緩衝材８を介して絶縁基板８と隙間なく密着するように押しつけられている。そして、放熱板７の絶縁基板３との接合面の反対側の面は封止体９から露出しており、露出部分に放熱フィンを接合したり、冷却媒体を流す経路を組付けたりすることで外部への放熱経路を形成する。
つぎに、各部材の詳細について説明する。
半導体素子１は、シリコンウエハを基材とした一般的な素子でも良いが、本発明においては炭化ケイ素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）、またはダイヤモンドといったシリコンと較べてバンドギャップが広い、いわゆるワイドバンドギャップ半導体材料を適用したときに好適な構造を目指しており、特に炭化ケイ素を用いた半導体素子に好適である。デバイス種類としては、特に限定する必要はないが、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect-Transistor）のようなスイッチング素子、またはダイオードのような整流素子が考えられる。ＭＯＳＦＥＴの場合、半導体素子１の配線パターン４ａ側の面にはドレイン電極が形成されている。そして、ドレイン電極と反対側（図で上側）の面には、ゲート電極やソース電極が、領域を分けて形成されているが、説明を簡単にするため、上側の面には、例えば大電流が流れるソース電極のみが形成されているとして説明する。なお、ドレイン電極の表面には接合材２との接合を良好とするための複合金属膜が形成されている。ソース電極の表面にも、図示しない厚さ数μｍの薄いアルミニウムなどの電極膜やチタン、モリブデン、ニッケル、金などの薄膜層が形成されている。
接合材２としては、はんだや、例えば銀を主成分とする焼結性フィラーやろう材といった、導電性の接合材料が適用できる。ボンディングによる配線部材には、アルミワイヤ５の他に、銅のリード等を用いてもよく、ワイヤボンディング以外の接合方法で接合しても構わない。電極６には、銅、鉄、アルミニウム等の金属からなる円柱、円筒状またはＬ字状の板材等が適用できる。
絶縁基板３は、伝熱性に優れた窒化アルミニウム、窒化ケイ素、アルミナなどのセラミックス材料を用いている。配線パターン４ａ、４ｂ（まとめて４）は、銅、アルミニウムなどの導電性材料またはそれらを主成分とする合金材料からなり、図示しないろう材などで絶縁基板３に対して接合されている。そして配線パターン４の表面には、酸化防止やはんだ材料の濡れ性を考慮して、ニッケルなどのめっき被膜が形成されている。
放熱板７は、熱伝導率の高い銅の板材で構成され、表面には、封止樹脂と化学結合して固着することがない、つまり封止体９との接触面において封止体９と遊離するために所定材料が被覆されている。被覆としては、最表面の酸化被膜が安定で封止樹脂との化学結合を抑制できるニッケルメッキ（酸化ニッケル膜）や銀メッキ（酸化銀膜）のほか、金属自体が安定で封止体９を構成する樹脂との化学結合を抑制できる金メッキ等の金属メッキが有効である。あるいは、シリコン系やフッ素系の離型材を塗布しておいてもよい。
封止体９を構成するいわゆる封止樹脂としては、エポキシ樹脂のような熱硬化性樹脂に、溶融シリカやセラミック粒子・繊維等のフィラーを混入し、熱膨張係数や弾性率を調整した材料を用い、トランスファ成型で絶縁基板の回路面側を覆うように封止体９を形成する。このとき、放熱板７を固定するためのねじを通すための馬鹿穴９ｈが形成されている。そのため、封止樹脂と放熱板７とは接着しておらず、ネジ締めのように封止体９に対して機械的に放熱板７を保持するようにしているだけなので、封止樹脂の材料調整においては、放熱板７の熱膨張係数を考慮する必要がなく、絶縁基板３や回路面に実装された半導体素子１や配線部材等との物性を考慮して調整すればよい。本実施の形態１における封止体９の材料には、溶融シリカの充填率を上げて、放熱板７よりも絶縁基板３の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有するように調整している。
緩衝材８は、絶縁基板３と放熱板７とを熱的に接合させるとともに、両者の変位を吸収るするための緩衝材料であり、図２の断面図に示すように、熱伝導性の高い骨材粒子８ａを、液状（流動体）または封止体９を構成する樹脂より弾性率の低い基材８ｂ中に分散させたものである。骨材粒子８ａには、金属粒子やセラミック粒子が用いられ、熱伝導性の良い金属粒子として、金、白金、銀、銅、アルミニウム、鉄、スズ、亜鉛、タングステン、モリブデン等の金属またはそれらの金属化合物の粒子が適している。また、熱伝導性の良いセラミック粒子として、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素、酸化アルミニウム（アルミナ）、酸化ケイ素（シリカ）、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、酸化チタン、炭化ケイ素、炭化ホウ素、炭化チタン等のセラミック粒子が適している。
基材８ｂとして、シリコン系や鉱物系の液状オイルといった液体を適用し、骨材粒子８ａを５０重量％以上混合すると、いわゆる放熱グリースとなり、流動性を有する緩衝材８となる。基材８ｂとして、シリコン樹脂または熱可塑性樹脂を適用し、骨材粒子８ａを５０重量％以上配合してシート状に整形すると、いわゆる放熱シートとなり、可撓性のシート状緩衝材となる。あるいは、基材８ｂとして、エポキシ樹脂等の硬化反応をともなう熱硬化性樹脂にシリコン樹脂（モノマーまたは粒状樹脂）を配合した材料を適用し、骨材粒子８ａを５０重量％以上配合すると、基材８ｂ自体の弾性率が封止体９の材料を構成するベース樹脂よりも低くなり、骨材８ａを混合して硬化させた後も、封止体９よりも弾性率が低くて容易に変形でき、応力緩和性に優れた放熱性接着材となる。したがって、緩衝材８として、放熱グリース、放熱シート、放熱性接着材、いずれの形態をとっても、温度変化時に放熱板７と絶縁基板３の熱膨張係数差によって膨張量や収縮量に差が生じても、緩衝材８が変形する。そのため、温度変化に伴う放熱板７と絶縁基板３間の変位を緩衝材８が吸収するので、伝熱性を維持したまま、放熱板７と絶縁基板３間の熱応力の発生を抑制することができる。
つぎに、本実施の形態１にかかる電力用半導体装置１００の製造方法について説明する。図３（ａ）に示すように、絶縁基板３の回路面となる上面に複数の配線パターンからなる配線パターン４ａを、下面にべた状の配線パターン４ｂを形成する。つぎに、図３（ｂ）に示すように、配線パターン４ａのうちの所定の配線パターンに半導体素子１を導電性の接合材２を用いて固定する。そして、図３（ｃ）に示すように、半導体素子１の表面に形成された電極と、他の配線パターン４ａ間をアルミワイヤ５により、電気的に接続する。さらに、図３（ｄ）に示すように、アルミワイヤ５を介して半導体素子１と電気接続された配線パターン４ａに、外部との電気的な接続を行うための電極６を接合する。こうして、半導体素子１や配線部材５、６等が実装された絶縁基板３の裏面側に、図３（ｅ）に示すように、緩衝材８を介して放熱板７を仮止めする。
そして、図３（ｆ）に示すように、絶縁基板３の回路面上を半導体素子や配線部材を含めて封止するようトランスファ成型により封止体９を形成する。この成型において、電極６の一部および放熱板７の放熱面が封止体９から露出するとともに、放熱板７をネジ固定するための馬鹿穴９ｈも形成される。このとき、図では、放熱板７の一部が封止体９を構成する樹脂と接触しているが、上述したように放熱板７に形成された被膜のために、放熱板７と封止体９とが化学結合することなく遊離している。最後に、図３（ｇ）に示すように、封止体９に設けた馬鹿穴９ｈからネジ１０を挿入し、放熱板７に形成されたネジ穴７ｈにねじ込むことにより、放熱板７が絶縁基板３に向かって押しつけられ、緩衝材８を介して密着して絶縁基板３と放熱板７との熱的接合が形成される。つまり、絶縁基板と放熱板７とが熱的に一体化する。このとき、絶縁基板３に対する放熱板７の押圧力を一定にするため、ネジ１０の頭と封止体９との間にスプリングワッシャ等の弾性部材を挿入してもよい。
なお、緩衝材８の基材８ｂが熱硬化性の材料の場合であって、トランスファ成型の際に同時に硬化する場合、放熱板７を絶縁基板３に対して所定力で押さえつけながら硬化させるようにすることが望ましい。また、上記のように、ネジ１０により放熱板７を絶縁基板３に対して押しつける力を発生させる場合、必ずしも封止体９と放熱板７とが直接接触する面を設ける必要はなく、両者間に隙間があってもよい。
つぎに動作について説明する。
電力用半導体装置１００を駆動させると、半導体素子１をはじめとする電力用半導体装置１００内の様々な素子に電流が流れ、その際、電気抵抗分の電力ロスが熱へと変換され、発熱が生ずる。半導体素子１で発生した熱は絶縁基板３を経由し、放熱板７を介して外部に放熱されることになるが、電力用半導体装置１００の温度は上昇する。このとき半導体素子１に、ＳｉＣのような高性能の半導体材料を用いると電流が大きく、動作時の温度は３００℃にまで達する。しかし、本実施の形態１にかかる半導体装置１００では、半導体素子１や配線部材５、６等の回路部材を含む絶縁基板３の回路面を封止体９により拘束し、しかも、封止体９の熱膨張係数を放熱板７の熱膨張係数よりも絶縁基板３の熱膨張係数に近くなるように調整しているので、絶縁基板３や回路部材に対する熱応力の発生を抑えることができる。そのため、温度変化に対するヒートサイクル信頼性試験において、絶縁基板３と封止体９との界面での剥離やセラミック材からなる絶縁基板３の割れが発生するようなことがなくなる。
一方、絶縁基板３と放熱板７の熱膨張係数が異なるので、絶縁基板３と放熱板７間、封止体９と放熱板７間に変位が生じる。しかし、放熱板７と封止体９を構成する樹脂との間を化学結合させていない、つまり接着していないので、両材料の界面が拘束されておらず、熱応力が発生することはない。さらに、絶縁基板３と放熱板７間も応力緩和機能を有する緩衝材８を介して熱的に接合しているだけなので、両材料間の熱応力の発生を防止することができる。したがって、絶縁基板３に、脆性のある材料を使用しても信頼性を低下させることがないので、脆性があるが、伝熱性に優れるセラミック材を絶縁基板３に用いることにより、放熱特性に優れ、信頼性の高い電力用半導体装置１００を得ることが可能となる。
以上のように、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置１００によれば、一方の面に半導体素子１が実装された絶縁基板３と、板状をなし、一方の面が絶縁基板３の他方の面に緩衝材８を介して伝熱接合された放熱板７と、放熱板７の熱膨張係数よりも絶縁基板３の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する樹脂で形成され、絶縁基板３の半導体素子１が実装された面と放熱板７とをともに封止する封止体９と、を備え、放熱板７は、他方の面が封止体９から露出しているとともに、封止体９と接触する面において封止体９と遊離している、ように構成したので、封止体９と絶縁基板３や回路部材５、６に対する熱応力の発生を抑え、絶縁基板３と封止体９との界面での剥離を防止できる。とくに、絶縁基板３に放熱性に優れたセラミック材を用いた場合でも割れが発生するようなことがなくなる。さらに、絶縁基板３と放熱板７間に変位が生じても、緩衝材が変形して変位を吸収するので、熱応力を抑えることができ、放熱板７の支持において封止体９を構成する樹脂との接着ではなく、機械的な支持機構を用いて支持するようにしているので、封止体９を構成する樹脂と放熱板７との界面が拘束されておらず、熱応力が発生することはない。したがって、絶縁基板３に、脆性のある材料を使用しても信頼性を低下させることがなく、放熱特性に優れ、信頼性の高い電力用半導体装置１００を得ることが可能となる。
とくに、緩衝材８が、流動性を有する部材または、封止体９の弾性率よりも低い弾性率を有する樹脂部材で構成される基材８ｂ中に、金属またはセラミックで構成される骨材粒子８ａを分散させて構成したので、骨材により熱伝導性が高く、さらに、柔軟な基材８ｂの変形により絶縁基板３と放熱板７間の変位を吸収して、熱応力を抑えることができる。
緩衝材８が、基材８ｂに液体を用いたグリース材である場合、緩衝材８の流動性が高く、絶縁基板３と放熱板７間の熱的一体性を維持し、熱応力を低く抑え込むことができる。
緩衝材８が、基材８ｂにシリコン樹脂または熱可塑性樹脂を用いたシート材である場合、適度に弾性を有し、絶縁基板３に対して放熱板７の押圧力を調整したりでき、熱的一体性を保って、熱応力を低く抑えることができる。
緩衝材８が、基材８ｂにシリコン樹脂を添加した熱硬化樹脂を用いた接着材である場合、絶縁基板３と放熱板７間の一体性を維持し、熱応力を抑えることができる。あるいは封止体９の形成と同時に熱硬化させることもできる。
放熱板７の封止体９と接触する面には、封止体９を構成する樹脂に対して離型性を有する被覆層が形成されているように構成すれば、放熱板７と封止体９とを確実に遊離させることができる。また、放熱板７を絶縁基板３に装着した後に封止しても放熱板７と封止体９とを確実に遊離させることができ、工程に自由度が得られる。
実施の形態２．
本実施の形態２にかかる電力用半導体装置においては、実施の形態１にかかる電力用半導体装置と異なる製造方法で製造したものである。最終的な構成については、実施の形態１とほぼ同様であるので、各部材の詳細については説明を省略する。
本実施の形態１にかかる電力用半導体装置１００Ｖ２の製造方法について図４を用いて説明する。図４は本実施の形態２にかかる電力用半導体装置の製造方法を説明するためのもので、図４（ａ）〜図４（ｇ）は工程ごとの断面を示す図である。図４（ａ）〜図４（ｄ）に示す工程については、実施の形態１で説明した図３（ａ）〜図３（ｄ）に示す工程と同様であるので、図４（ｅ）以降の工程について説明する。
図４（ｄ）に示す工程までで、回路面上に、半導体素子１をはじめとする回路部材が実装された絶縁基板３に対し、図４（ｅ）に示すように、絶縁基板３の回路面上を半導体素子１や配線部材５、６を含めて封止し、絶縁基板３の下側の配線パターン４ｂ側が露出するようにトランスファ成型により封止体９Ｖ２を形成する。この成型において、電極６の一部が封止体９Ｖ２から露出するとともに、放熱板７をネジ固定するための馬鹿穴９ｈと放熱板７を収容する空間９ｓも形成される。
つぎに、図４（ｆ）に示すように、封止体９Ｖ２から露出した絶縁基板３の配線パターン４ｂ部分に、緩衝材８を介して放熱板７を押しつけるようにして仮止めする。最後に、封止体９Ｖ２の上面から放熱板７に至るように設けられた馬鹿穴９ｈにネジ１０を挿入し、放熱板７のネジ穴７ｈに対してねじ込むことにより、放熱板７が絶縁基板３に向かって押しつけられ、緩衝材８を介して密着して絶縁基板３と放熱板７とが熱的に一体化する。このとき、絶縁基板３に対する放熱板７の押圧力を一定にするため、ネジ１０の頭と封止体９Ｖ２との間にスプリングワッシャ等の弾性部材を挿入してもよい。
なお、緩衝材８の基材８ｂが熱硬化性の材料の場合の場合、図４（ｆ）の状態で硬化させればよい。また、上記のように、ネジ１０により放熱板７を絶縁基板３に対して押しつける力を発生させる場合、空間９ｓには、緩衝材８の厚みが所定量になるように、絶縁基板３の下面に対して放熱板３が当たる面が所定厚みＤｆ（図４（ｅ））の段差を有するようにしてもよい。このとき、緩衝材８に、厚み寸法に応じて押圧力を発生するような弾性体のような機能を有する材料を選択した場合、Ｄｆを調整することによって、押圧力を調整する事ができる。
本実施の形態２にかかる電力用半導体装置１００Ｖ２のように、封止体９Ｖ２を形成してから放熱板７を組み込むように製造すれば、放熱板７に特別な被覆をしなくとも、放熱板７と封止体９Ｖ２とが化学結合することはない。したがって、電力用半導体装置１００Ｖ２を駆動させて、温度が上昇しても本実施の形態２にかかる半導体装置１００Ｖでは、半導体素子１や配線部材５、６等の回路部材を含む絶縁基板３の回路面を封止体９Ｖ２により拘束し、しかも、封止体９Ｖ２の熱膨張係数を放熱板７の熱膨張係数よりも絶縁基板３の熱膨張係数に近くなるように調整しているので、絶縁基板３や回路部材に対する熱応力の発生を抑えることができる。そのため、温度変化に対するヒートサイクル信頼性試験において、絶縁基板３と封止体９Ｖ２との界面での剥離やセラミック材からなる絶縁基板３の割れが発生するようなことがなくなる。
また、絶縁基板３と放熱板７の熱膨張係数が異なるので、絶縁基板３と放熱板７間、封止体９Ｖ２と放熱板７間に変位が生じる。しかし、放熱板７と封止体９Ｖ２を構成する樹脂との間が化学結合することがない、つまり封止体９Ｖ２を構成する樹脂が硬化した後に放熱板７を組み込んでいるので、両材料の界面が拘束されておらず、熱応力が発生することはない。さらに、絶縁基板３と放熱板７間も応力緩和機能を有する緩衝材８を介して密着しているだけなので、両材料間の熱応力の発生を防止することができる。したがって、絶縁基板３に、脆性のある材料を使用しても信頼性を低下させることがないので、脆性があるが、伝熱性に優れるセラミック材を絶縁基板３に用いることにより、放熱特性に優れ、信頼性の高い電力用半導体装置１００Ｖ２を得ることが可能となる。
以上のように、本発明の実施の形態２にかかる電力用半導体装置１００Ｖ２によれば、封止体９Ｖ２を形成してから、放熱板７を装着するようにしたので、放熱板７の表面に離型のための被覆層を形成しなくても、放熱板７と封止体９Ｖ２とを確実に遊離させることができる。
実施の形態３．
本実施の形態３にかかる電力用半導体装置においては、実施の形態１や２にかかる電力用半導体装置に対して、放熱板の保持構造を変更したものである。具体的には、放熱板の厚み方向の形状において、絶縁基板側の大きさによりも放熱面側の大きさが小さくなる内向き変位部分を形成し、その内向き変位部分を含めて封止体で封止するようにしたものである。その他の構成については、実施の形態１と同様であるので説明を省略する。
図５は本実施の形態３にかかる電力用半導体装置１００Ｖ３の断面を示すものである。図において、放熱板７Ｖ３の端面（側面）Ｆ７ｓには、厚み方向ｔにおいて、絶縁基板３との接合面Ｆ７ｂから放熱面Ｆ７ｒに向かうにつれ、厚み方向に垂直な断面積が小さくなるような、つまり、接合面Ｆ７ｂよりも放熱面Ｆ７ｒに向けて傾斜した傾斜部７ｓを設けている。そして、封止体９Ｖ３は、絶縁基板３の回路面側から傾斜部７ｓに回り込むように連なって形成されている。封止体９Ｖ３の形成においては、絶縁基板３に緩衝材８を介して放熱板７Ｖ３を所定圧で押圧しながら封止樹脂を硬化させるようにしている。実施の形態１で説明したように、封止体９Ｖ３の樹脂材料と放熱板７Ｖ３とは化学結合しておらず、両材料の界面は拘束されていないが、封止体９Ｖ３を形成する際に圧縮されていた緩衝材８の反発力により、放熱板７Ｖ３を外側に押しだす力が発生し、その力が傾斜部７ｓ部分で封止体９Ｖ３により支えられる。そのため、傾斜部７ｓを抱え込むように形成した封止体９Ｖ３が放熱板７Ｖ３を絶縁基板３に密着するように押しつけることができる。
そのため、締め付け用のネジや、ネジ留め工程なしでも、放熱板７Ｖ３を絶縁基板３に密着するように押しつけた状態で支持することができる。
つまり、本実施の形態３においても、放熱板７Ｖ３と封止体９Ｖ３を構成する樹脂との間を化学結合させていないので、両材料の界面が拘束されておらず、熱応力が発生することはない。さらに、絶縁基板３と放熱板７Ｖ３間も応力緩和機能を有する緩衝材８を介して密着し、伝熱接合しているだけなので、両材料間の熱応力の発生を防止することができる。したがって、絶縁基板３に、脆性のある材料を使用しても信頼性を低下させることがないので、脆性があるが、伝熱性に優れるセラミック材を絶縁基板３に用いることにより、放熱特性に優れ、信頼性の高い電力用半導体装置１００Ｖ３を得ることが可能となる。
実施の形態３の変形例．
なお、封止体が放熱板を抱え込む構造としては、上記のような傾斜部に限られることはない、例えば、図６に示すように、放熱板７Ｖ４の端面（側面）Ｆ７ｓに、厚み方向ｔにおいて、絶縁基板３との接合面Ｆ７ｂ側より放熱面Ｆ７ｒ側の方が、厚み方向に垂直な断面積が小さくなっている段差部７ｓＶを、つまり、側面Ｆ７ｓの厚み方向の中間部分において放熱面Ｆ７ｒ側に向かう面（厚み方向で放熱面に向かう途中に、内側に変位している内向き変位部分）を設けるようにしてもよい。この場合は、段差部７ｓＶ部分を封止体９Ｖ４が支えることによって、封止体９Ｖ４が放熱板７Ｖ４を絶縁基板３に密着するように押しつけることができる。その他、端面部分に封止体と嵌め合わせられるような突起部や凹部を設けるようにしてもよい。
以上のように、本発明の実施の形態３にかかる電力用半導体装置１００Ｖ３、１００Ｖ４によれば、放熱板７Ｖ３、７Ｖ４の端面Ｆ７ｓにおいて、絶縁基板３に伝熱接合させた一方の面Ｆ７ｂ側から放熱面である他方の面Ｆ７ｒ側に向かう途中の少なくとも一部には、一方の面Ｆ７ｂ側よりも他方の面Ｆ７ｒ側の方が、一方の面Ｆ７ｂの延在方向（あるいは厚み方向に垂直な面の方向）において内側に変位している内向き変位部分である傾斜部７ｓあるいは段差部７ｓＶが形成されているとともに、封止体９Ｖ３、９Ｖ４が、内向き変位部分７ｓまたは７ｓＶを含めて封止している、ように構成したので、封止体９Ｖ３、９Ｖ４が、内向き変位部分７ｓ、７ｓＶ部分で放熱板を支持し、放熱板７Ｖ３、７Ｖ４を絶縁基板３に密着した状態を容易に形成する事ができる。
実施の形態４．
本実施の形態４にかかる電力用半導体装置においては、実施の形態１や２にかかる電力用半導体装置に対して、放熱板の構成を変更したものである。具体的には、放熱板の絶縁基板側に対向する面に段差を設け、絶縁基板に対向する面の大きさを絶縁基板の下側の配線パターン部分とほぼ同じ大きさになるようにしたものである。その他の構成については、実施の形態１や２と同様であるので説明を省略する。
図７は本実施の形態４にかかる電力用半導体装置１００Ｖ４の断面を示すものである。図において、放熱板７Ｖ４の構造として、絶縁基板３側に所定深さＤ７ｂの段差７ｂを設け、絶縁基板３に対向する面Ｆ７ｂの大きさを絶縁基板３の下側の配線パターン部分４ｂとほぼ同じ大きさになるようにしたものである。図では、断面図のため、段差７ｂにより、面Ｆ７ｂの幅Ｗ７ｂを配線パターン４ｂの幅と同じにし、放熱面Ｆ７ｒの幅Ｗ７より小さくなっている状態を示しているが、奥行方向の大きさも配線パターン４ｂと同じにし、段差を有している。また、封止体９については、段差７ｂ部分に入り込んでも、空隙として開けておいてもよく、その場合、封止体９の形状は実施の形態１および２に対して変化する事になるが、基本的な構成は実施の形態１および２と同様である。
このような構成によれば、段差７ｂを設けないときと較べて、絶縁基板３の上側の配線パターン４ａと放熱板７Ｖ４の導電材料部分との距離を段差部分の深さＤ７ｂ分長くすることができ、回路が実装された配線パターン４ａと放熱板７Ｖ３との絶縁距離を確保することができ、絶縁信頼性が向上し、高電圧が印加されても高性能を維持する事ができる。なお、本実施の形態４においては、放熱面積を大きくするため、放熱面Ｆ７ｒよりも絶縁基板３に対向する面Ｆ７ｂを小さくすることにより、配線パターン４ｂの大きさに合うように調整したが、本実施の形態４にかかる技術思想に基づけば、絶縁基板３に対向する面Ｆ７ｂの大きさが配線パターン４ｂの大きさに合えばよいのであって、放熱面Ｆ７ｒの大きさを対向する面Ｆ７ｂより大きくしなければならないわけではなく、段差７ｂがなくてもよい。また、本実施の形態にかかる絶縁基板３に対向する面Ｆ７ｂの大きさを配線パターン４ｂの大きさに合わせる構成は、実施の形態３に示すように封止体が放熱板を抱きかかえ込むような構成にも適用できる。
なお、上記各実施の形態においては、スイッチング素子（トランジスタ）や整流素子（ダイオード）として機能する半導体素子１には、炭化ケイ素によって形成されたものを示したが、これに限られることはなく、一般的に用いられているケイ素（Ｓｉ）で形成されたものであってもよい。しかし、ケイ素よりもバンドギャップが大きい、いわゆるワイドギャップ半導体を形成できる炭化ケイ素や、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドを用いた時の方が、以下に述べるように本発明による効果をより一層発揮することができる。
ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子や整流素子（各実施の形態における半導体素子１）は、ケイ素で形成された素子よりも電力損失が低いため、スイッチング素子や整流素子における高効率化が可能であり、ひいては、電力用半導体装置１００の高効率化が可能となる。さらに、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、スイッチング素子や整流素子の小型化が可能であり、これら小型化されたスイッチング素子や整流素子を用いることにより、電力用半導体装置１００も小型化が可能となる。また耐熱性が高いので、高温動作が可能であり、ヒートシンクの放熱フィン７の小型化や、水冷部の空冷化も可能となるので、電力用半導体装置１００の一層の小型化が可能になる。
一方、上記のように高温動作する場合は停止・駆動時の温度差が大きくなり、さらに、高効率・小型化によって、単位体積当たりに扱う電流量が大きくなる。そのため経時的な温度変化や空間的な温度勾配が大きくなり、半導体素子と配線部材との熱応力も大きくなる可能性がある。しかし、本発明のように放熱板と絶縁基板とを緩衝材を介して密着させ、封止体と放熱板とを化学結合させないように構成すれば、封止体の物性を絶縁基板や配線部材に応じて最適化できるので、回路の実装部材への熱応力が緩和される。そして、絶縁基板と放熱板との熱応力や放熱板と封止体との熱応力も抑制されるので、ワイドバンドギャップ半導体の特性を活かして、小型化や高効率化を進めてもパワーサイクル寿命が長く、信頼性の高い電力用半導体装置１００を得ることが容易となる。つまり、本発明による効果を発揮することで、ワイドバンドギャップ半導体の特性を活かすことができるようになる。
なお、スイッチング素子及び整流素子の両方がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていても、いずれか一方の素子がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていてもよい。また、ワイヤやリードといった配線部材も異なる材料を使ってもよい。
１ 半導体素子（１ａ、１ｂ）、 ２ 接合材、 ３ 絶縁基板、 ４ 配線パターン（４ａ、４ｂ）、 ５ アルミワイヤ（配線部材）、 ６ 電極（配線部材）、 ７ 放熱板（７Ｖ２〜７Ｖ５）、 ７ｓＶ 段差部（内向き変位部分）、 ７ｈ ネジ穴、 ７ｓ 傾斜部（内向き変位部分）、 ８ 緩衝材、 ８ａ 骨材、 ８ｂ 基材、９ 封止体、 ９ｈ 馬鹿穴、 １０ ネジ、 １００ （電力用）半導体装置。
Ｆ７ｂ 絶縁基板との接合面、 Ｆ７ｒ 放熱面（外面）、 Ｆ７ｓ 端面。

Claims (9)

  1. 一方の面に半導体素子が実装された絶縁基板と、
    板状をなし、一方の面が前記絶縁基板の他方の面に緩衝材を介して伝熱接合された放熱板と、
    前記放熱板の熱膨張係数よりも前記絶縁基板の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する樹脂で形成され、前記絶縁基板の半導体素子が実装された面と前記放熱板とをともに封止する封止体と、を備え、
    前記放熱板は、前記他方の面が前記封止体から露出しているとともに、前記封止体と接触する面において前記封止体と遊離している、
    ことを特徴とする半導体装置。
  2. 前記緩衝材は、流動性を有する部材または、前記封止体の弾性率よりも低い弾性率を有する樹脂部材で構成される基材中に、金属またはセラミックで構成される骨材粒子を分散させたものであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記緩衝材は、前記基材に液体を用いたグリース材であることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
  4. 前記緩衝材は、前記基材にシリコン樹脂または熱可塑性樹脂を用いたシート材であることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
  5. 前記緩衝材は、前記基材にシリコン樹脂を添加した熱硬化性樹脂を用いた接着材であることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
  6. 前記放熱板の前記封止体と接触する面には、前記封止体を構成する樹脂に対して離型性を有する被覆層が形成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の半導体装置。
  7. 前記放熱板の端面において、前記一方の面側から前記他方の面側に向かう途中の少なくとも一部には、前記一方の面側よりも前記他方の面側の方が、前記一方の面の延在方向において内側に変位している内向き変位部分が形成されているとともに、
    前記封止体が、前記内向き変位部分を含めて封止している、
    ことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の半導体装置。
  8. 前記半導体素子がワイドバンドギャップ半導体材料により形成されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の半導体装置。
  9. 前記ワイドバンドギャップ半導体材料は、炭化ケイ素、窒化ガリウム、またはダイヤモンド、のうちのいずれかであることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
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