JP5398429B2

JP5398429B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP5398429B2
Application number: JP2009202589A
Authority: JP
Inventors: 信近藤; 規由新井; ジョズ・セーズ; ピエール・ソロマララ; エマニュエル・デュタルド; ブノワ・ブルサ; フィリップ・ラセール
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-09-02
Filing date: 2009-09-02
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2025-03-15
Also published as: JP2009302557A

Description

本発明は、ＩＧＢＴ／ＭＯＳＦＥＴ／ダイオードなどの電力用半導体素子を内蔵した電力用半導体装置に関するものである。

従来のこの種の電力用半導体装置において、例えばＩＧＢＴのエミッタ等主電極の接続は、通常アルミワイヤのワイヤボンディングを用いて行われる。このことから以下のような問題点が生じている。

第一に、上記ワイヤは細いため流すことのできる電流に限界があることが挙げられる。従来の技術では、ワイヤを太くすることやワイヤの本数を増やすことで電流の容量を確保しているが、そうするとワイヤボンドのためのスペースが増えてしまう。装置全体の小型化が要請されている現在の状況では、この対処法には限度がある。第二に、上記ワイヤを細くするために回路抵抗が大きくなることが挙げられる。このことに対してもワイヤを太くすることやワイヤの本数を増やすことで或る程度対処できるが、上記と同様な限度がある。

第三に、電力用スイッチング半導体素子上のワイヤ接合面に電流が集中し、熱が局在化することが挙げられる。従来の技術では素子上のワイヤ接合面を分散させることで熱の集中を軽減しようとするが、分散を完全に行うことは困難である。第四に、電力用半導体装置の短絡時のゲート発振が生じ得ることが挙げられる。電力用半導体装置では、電力用スイッチング半導体素子のエミッタセル毎にワイヤを接合し、各セル同士はワイヤの接合先の絶縁基板上の回路パターンを介して接続されている。このことによりセル相互間でアンバランスが生じて、半導体装置の短絡時にゲート発振が起こり装置の破壊若しくは誤動作が起きることがある。各セル同士を直接ワイヤでステッチ接続することでこの問題は解決できる、と言えそうであるが、ワイヤボンドの数とそのための面積が増えるため、やはり上記の第一の問題点と同様の限界がある。第五に、ワイヤの接合のための空間が必要となることが挙げられる。

以上がワイヤに関する主な問題点である。更に、放熱の問題もある。従来の電力用半導体装置ではベース板裏にグリースを塗布し放熱フィンにネジ止めして放熱を行っている。この場合、片側のみしか放熱に利用できないという問題がある。

なお、特許文献１には、シグナル系基板とパワー系基板とが別個に形成され、制御用ＩＣチップとパワーＩＣチップとが上下に配置された立体的構造を有する半導体装置が示される。特許文献２には、ヒートシンク機能を兼ねた補助基板が半導体素子に接続された半導体装置が示される。特許文献３には、半導体チップ上のエミッタ電極に大きな面積を有する金属板が接合され、半導体チップで発生した熱を効果的に放熱することができるパワーモジュールが示される。特許文献４には、半導体チップの２つの主面から速やかに放熱が為される半導体装置が示される。特許文献５には、外部電力端子をＩＧＢＴチップの上面電極および下面電極へ直接接続するＩＧＢＴモジュールが示される。当該ＩＧＢＴモジュール内部には、絶縁効果向上ための絶縁体層が配置されている。特許文献６には、導電性樹脂を圧して樹脂内の導電性粒子同士の接触をよくするためのばねを備えるパワー半導体モジュールが示される。

特開平０６−１８１２８６号公報特開２０００−３０３６３０公報特開２０００−６８４４７公報特開平１０−５６１３１号公報特開２００２−２６２５１号公報特開２０００−１２４３９８公報

本発明は、電力用半導体装置において、主回路の電流容量を向上させ回路抵抗を低下し、また、素子上で熱分散させ電力用スイッチング半導体素子のエミッタセル分割起因のゲート発振を抑制することを目的とする。

本発明は上記の目的を達成するためになされたものである。本発明の好適な実施の形態に係る電力用半導体装置は、
電力用半導体素子を備えた電力用半導体装置であって、
第１の基板の表主面に配置された第１の回路パターン上に前記電力用半導体素子の裏面電極を接続し前記電力用半導体素子を搭載すると共に、
前記電力用半導体素子の表面電極と対向するように配設された第２の基板の対向主面に形成された第２の回路パターンの電極を、前記電力用半導体素子の表面電極と前記第１の回路パターンの少なくともいずれかに接続する電力用半導体装置において、
前記電力用半導体素子の表面電極のメタライズ部と、前記第２の基板の電極のメタライズ部が、直接に半田により接合して接続部を形成し、
電力用半導体素子表面上のメタライズ部以外の部分は、耐熱性樹脂で覆われていることを特徴とする。

本発明を利用することにより、電力用半導体装置において、主回路の電流容量を大幅に向上でき回路抵抗を低下できる。また、電力用スイッチング半導体素子上での熱分散、エミッタセル分割起因のゲート発振の抑制に効果があり、装置全体を小型化できる。さらに、電力用半導体装置の上下両方の面から放熱できる。

本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置の第１の基板の上面図（図１（１））、及び第２の基板の上面図（一部透視図）（図１（２））である。棒形状の接続導体を利用する本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置の第１の基板の上面図（図２（１））、及び第２の基板の上面図（一部透視図）（図２（２））と、棒状の接続導体の斜視図（図２（３））である。本発明の実施の形態２に係る電力用半導体装置の第１の基板の上面図（図３（１））、及び第２の基板の上面図（一部透視図）（図３（２））である。本発明の実施の形態２に係る電力用半導体装置の変形例に関する第１の基板の上面図（図４（１））、及び第２の基板の上面図（一部透視図）（図４（２））である。第１の基板が分割されている。本発明の実施の形態３に係る電力用半導体装置の第１の基板の上面図（図５（１））、及び第２の基板の上面図（一部透視図）（図５（２））である。本発明の実施の形態３に係る電力用半導体装置の変形例に関する第１の基板の上面図（図６（１））、及び第２の基板の上面図（一部透視図）（図６（２））である。本発明の実施の形態４に係る電力用半導体装置の第１の基板の上面図（図７（１））、第２の基板の上面図（一部透視図）（図７（２））、及び側断面図（図７（３））である。側断面図（図７（３））は、断面ＡＡによる側断面図である。本発明の実施の形態４に係る電力用半導体装置の変形例に関する第１の基板の上面図（図８（１））、及び第２の基板の上面図（一部透視図）（図８（２））である。本発明の実施の形態５に係る電力用半導体装置の第１の基板の上面図（図９（１））、第２の基板の上面図（一部透視図）（図９（２））、及び側断面図（図９（３））である。側断面図（図９（３））は、断面ＡＡによる側断面図である。本発明に係る電力用半導体装置の、電力用半導体素子のメタライズ部の拡大側断面図である。本発明の実施の形態６に係る電力用半導体装置におけるメタライズ部の概略の斜視図である。それぞれ各金属層の大きさに差異が設けてある。本発明の実施の形態７に係る電力用半導体装置の第１の基板の上面図（図１２（１））、第２の基板の上面図（一部透視図）（図１２（２））、及び側断面図（図１２（３））である。側断面図（図１２（３））は、断面ＡＡによる側断面図である。本発明の実施の形態７に係る電力用半導体装置の変形例に関する第１の基板の上面図（図１３（１））、第２の基板の上面図（一部透視図）（図１３（２））、及び側断面図（図１３（３））である。側断面図（図１３（３））は、断面ＡＡによる側断面図である。本発明の実施の形態８に係る電力用半導体装置の側断面図である。ワイヤの代わりに接続導体を利用して装置内の接続を行う電力用半導体装置の第１の基板の上面図（図１５（１））、第２の基板の上面図（一部透視図）（図１５（２））、側断面図（図１５（３））、及び第２の基板の下面図（図１５（４））である。側断面図（図１５（３））は、断面ＡＡによる側断面図である。

まず、本発明の基礎となるワイヤの代わりに接続導体を利用して装置内の接続を行う電力用半導体装置の概略を説明する。図１５は、接続導体を利用して装置内部の回路の接続を行う電力用半導体装置の第１の基板２４の上面図（図１５（１））、第２の基板２６の上面図（一部透視図）（図１５（２））、側断面図（図１５（３））、及び第２の基板２６の下面図（図１５（４））である。側断面図（図１５（３））は、断面ＡＡによる側断面図である。

図１５（３）に示すように、金属製のベース板２の上に、セラミック板などの表主面に第１の回路パターン４４が形成された第１の基板２４が接合され、その上にＩＧＢＴ／ＭＯＳＦＥＴ等の電力用スイッチング半導体素子６及びフリーホイルダイオード８が搭載される。前記電力用スイッチング半導体素子６及びフリーホイルダイオード８の裏面の電極は第１の回路パターンに接続される。ＩＧＢＴなどの電力用スイッチング半導体素子６は、上（表）がエミッタ面、下（裏）がコレクタ面になるように配置され、フリーホイルダイオード８は上（表）がアノード面、下（裏）がカソード面となるように配置されている。

ここで、電力用スイッチング半導体素子６のエミッタ面の表面電極及びフリーホイルダイオード８のアノード面の表面電極の夫々は、接続導体２２を介して、対向して配設された回路パターン（第２の回路パターン４５）付絶縁基板である第２の基板２６の、対向主面に形成された第２の回路パターン４５と接続する。図１５では接続導体２２は金属の球体である。更に、第１の基板２４上面の第１の回路パターンの夫々と第２の基板２６下面の第２の回路パターン４５も、複数の接続導体２２により接続する。

第１の基板２４及びベース板２の下方に放熱部としてのヒートシンク３２が接着される。このヒートシンク３２は、第２の基板２６の上方に接着させることもできる。

接続導体２２と第１及び第２の回路パターン４４、４５の電極との接続、更に接続導体２２と電力用半導体素子（電力用スイッチング半導体素子６並びにフリーホイルダイオード８）の電極との接続は、半田により行われる。ここでの接続は、超音波接合、若しくは圧接などで行ってもよい。

電力用半導体装置の側面は、仕切り部材３４により密閉して囲まれる。第１の基板２４、第２の基板２６、及び仕切り部材３４により形成される装置内部の空間には、ゲル状の絶縁耐熱性充填剤３６（わかりやすさのため、図ではハッチングを施していない）が充填される。また、第２の基板２６の外面にも金属製のベース板３が接合する。

図１５に示す電力用半導体装置は、装置内の回路接続の面積を有効に利用できるという利点を有する。また、第１の基板２４及び電力用半導体素子と第２の基板２６とは、短距離で接続しているため装置全体の電気抵抗及び熱抵抗が小さくなる。また、従来技術における接続のためのワイヤには、通常、加工上の便宜からＡｌ（アルミニウム）が材料として用いられているが、接続導体２２では、そのような加工上の便宜を考慮する必要が無いから、Ａｌよりも電気伝導率及び熱伝導率がよいＣｕを材料として用いることができる。更に、電力用半導体素子が電力用スイッチング半導体素子６である場合、エミッタ面を構成するエミッタセルと接続導体２２とが接合する実質的な面積が大きく、然も回路パターンに短距離で接続するから、半導体素子上での熱分散の向上や、エミッタセル分割起因のゲート発振の抑制を実現できる。

続いて以下に、図面を参照して本発明に係る好適な実施の形態を説明する。なお、以下の説明では、特定の方向を示す用語「上」、「下」、「表」、「裏」及びそれらの用語を含む別の用語（例えば「上面」、「下面」、「表面」、「裏面」）を適宜使用するが、それらの使用は図面を参照した発明の理解を容易にするためであって、それらの用語によって発明の技術的範囲が限定されるものではない。したがって、以下に説明する具体的な発明の実施形態を上下反転して、または任意の方向（例えば、時計回り方向又は反時計回り方向）に９０°回転した形態も当然本発明の技術的範囲に含まれるものである。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置の第１の基板２４の上面図（図１（１））、及び第２の基板２６の上面図（一部透視図）（図１（２））である。実施の形態１に係る電力用半導体装置は、本発明の基礎となる図１５に示す電力用半導体装置と略同様のものである。従って、同一部分には同一符号を付して説明を省略し、差異を中心に説明する。

実施の形態１に係る電力用半導体装置では、接続導体２２が第１の基板２４において、図１（１）に示される平面の左右及び上下に関して対称的に配置されている。このように接続導体２２を配置することにより、装置利用時に発生する熱膨張による応力を適切に分散させることができる。従って、装置の強度上の弱点を減らすことができ長期信頼性を向上させることができる。なお、図１の構成とは異なるが、電力用スイッチング半導体素子６のゲート部分であるゲートパット４０位置を例えば第１の基板２４の上面の中心に持ってくることによって、接続導体２２の配置全体をより対称性の高い状態にすることも可能となる。

また、接続導体２２は球体のものに限定されない。図２（１）（２）及び（３）に示すように、棒形状のもの（棒形状導体２２’）や平板形状のものであってもよい。接続導体を棒形状のような比較的大きい一体のものにすると、導体２２’そのものに掛かる応力は増加するが、接続強度を高めることができ、更に接続面積が多くなることで放熱効率を向上させることができる。

また、第１の基板２４の材質と、第２の基板２６の材質とを異なるものにしてもよい。例えば、第１の基板２４は電力用半導体素子（電力用スイッチング半導体素子６、フリーホイルダイオード８）を搭載しているため高温になり易いことを考慮して、第１の基板２４の材質を放熱能力の高いものにして第１の基板２４と第２の基板２６との温度差を小さくするようにしてもよい。第１の基板２４の材質の例としてＡｌＮを焼結したものを、第２の基板２６の材質の例としてＡｌ_２Ｏ_３を焼結したものを、夫々挙げることができる。このようにすることにより熱膨張による第１の基板２４と第２の基板２６とのズレ発生を少なくすることができ、装置全体の信頼性を高くすることができる。

［実施の形態２］
図３は、本発明の実施の形態２に係る電力用半導体装置の第１の基板２４の上面図（図３（１））、及び第２の基板２６の上面図（一部透視図）（図３（２））である。実施の形態２に係る電力用半導体装置は、実施の形態１に係る電力用半導体装置と略同様のものである。従って、同一部分には同一符号を付して説明を省略し、差異を中心に説明する。

実施の形態２に係る電力用半導体装置では、電力用スイッチング半導体素子６並びにフリーホイルダイオード８が第１の基板２４に２対搭載されているが、接続導体２２は、各々の電力用半導体素子（電力用スイッチング半導体素子６、フリーホイルダイオード８）の周辺を囲うように配置されている。

通常、電力用半導体装置では、利用時に発生する熱膨張による絶縁基板の反り等により、半導体素子に応力が掛かるが、実施の形態２の電力用半導体装置では熱を伝える接続導体２２が基板の周縁に配置されているため、この応力による影響を軽減できる。従って、半導体素子への応力の影響が減少することで装置の長期信頼性が向上する。更に、発熱する半導体素子の間に接続導体２２が設置されていることにより第２の基板２６に多くの熱を逃がすことができる。

また、図４に示される電力用半導体装置は、図３に示される電力用半導体装置と同様に、電力用スイッチング半導体素子６並びにフリーホイルダイオード８が２対搭載されているが、それらを搭載する第１の基板２４が２つに分割されている。このように、基板を適宜分割することにより、回路構造が複雑であっても装置全体を組み立てることが容易となる。また、基板簿分割により装置全体の放熱効率の調整もできる。更に、基板（第１の基板２４、第２の基板２６）が大きい場合には基板の反り等の影響でひびが入り易いが、基板の分割によりこれを防ぐこともできる。

なお、回路の構成によっては、第２の基板２６が分割されてもよく、第１の基板２４と第２の基板２６が夫々３つ以上に分割されてもよい。

［実施の形態３］
図５は、本発明の実施の形態３に係る電力用半導体装置の第１の基板２４の上面図（図５（１））、及び第２の基板２６の上面図（一部透視図）（図５（２））である。実施の形態３に係る電力用半導体装置は、実施の形態１に係る電力用半導体装置と略同様のものである。従って、同一部分には同一符号を付して説明を省略し、差異を中心に説明する。

実施の形態３に係る電力用半導体装置では、エミッタ信号端子１６が複数設けられている。エミッタ信号端子１６はゲートリターンを示すものであるが、その設置位置により電力用半導体装置の電気的特性に差異が生じる。従って、予め複数のエミッタ信号端子１６を設けておけば、使用時に使用条件に相応しい信号端子を選択することができる。

更に、エミッタ信号端子１６が接続する第１の基板２４上の第１の回路パターン４４の部分を予め幅広いものにしておけば、エミッタ信号端子１６が設けられる可能性のある位置も多様なものにすることができる。

電力用半導体装置には、図５のようにゲート信号端子１４とエミッタ信号端子１６だけでなく、温度センサ端子３８等も備わることがある。この場合、図６に示すように、外部導出リード端子［ゲート信号端子１４、エミッタ信号端子１６、温度センサ端子３８など］が、第１の基板２４及び第２の基板２６の一辺に集められて設けられてもよい。このようにすると、アセンブリ上の作業が容易になり生産性を向上でき、また製品使用の際の端子接続が簡易になる。

［実施の形態４］
図７は、本発明の実施の形態４に係る電力用半導体装置の第１の基板２４の上面図（図７（１））、第２の基板２６の上面図（一部透視図）（図７（２））、及び側断面図（図７（３））である。側断面図（図７（３））は、断面ＡＡによる側断面図である。実施の形態４に係る電力用半導体装置は、実施の形態１に係る電力用半導体装置と略同様のものである。従って、同一部分には同一符号を付して説明を省略し、差異を中心に説明する。

実施の形態４に係る電力用半導体装置では、基板の回路パターン（第１の回路パターン４４、第２の回路パターン４５）が平面状ではない。まず、第１の回路パターン４４のうち電力用半導体素子（電力用スイッチング半導体素子６、フリーホイルダイオード８）と接続導体２２を支持する部位が、第１の基板２４上面から離れて突出し第１の突出部を形成している。次に、第２の回路パターン４５のうち接続導体２２を支持する部位が、第２の基板２６下面から離れて突出し第２の突出部を形成している。そして、第１の回路パターン４４のうち第１の突出部以外の部位の一部が第１の基板２４と接続する。同様に、第２の回路パターン４５のうち第２の突出部以外の部位の一部が第２の基板２６と接続する。

このように基板の回路パターンを構成することにより、第１の基板２４及び第２の基板２６と基板の回路パターンとの接続する部位４６に掛かるストレスを、基板の回路パターンの他の部位で吸収できる。従って、装置全体の長期信頼性を向上できる。

また、基板の回路パターンは通常、基板の矩形面領域内に配置されるが、基板の回路パターンの一部が拡張されその拡張部分が外部との端子とされるようにしてもよい。図８は、そのように基板の回路パターン（第１の回路パターン４４、第２の回路パターン４５）の一部が拡張されその拡張部分が外部との端子とされた電力用半導体装置である。このように基板の回路パターンを構成することにより装置全体の部品点数を減らすことができる。

［実施の形態５］
図９は、本発明の実施の形態５に係る電力用半導体装置の第１の基板２４の上面図（図９（１））、第２の基板２６の上面図（一部透視図）（図９（２））、及び側断面図（図９（３））である。側断面図（図９（３））は、断面ＡＡによる側断面図である。実施の形態５に係る電力用半導体装置は、実施の形態１に係る電力用半導体装置と略同様のものである。従って、同一部分には同一符号を付して説明を省略し、差異を中心に説明する。

図１に示す実施の形態１に係る電力用半導体装置では第１の基板２４の下方のベース板２に放熱部としてのヒートシンク３２が接着されているが、実施の形態５に係る電力用半導体装置では、第１の基板２４の下方のベース板２（即ち、第１の基板２４の外面）及び第２の基板２６の上方のベース板３（即ち、第２の基板２６の外面）に複数のバネ４６が装着されている。

複数のバネ４６が装着された実施の形態５に係る電力用半導体装置は、例えば、適切な概略中空の直方体形状のハウジング（図示せず。）の内壁に挟まれて、即ち該ハウジングの内壁とバネとの相互の押し合いで生じる押力で支持されて、設置される。

従って、実施の形態５に係る電力用半導体装置は、設置時に上下の複数のバネ４６で押さえ付けられることになる。そうすると、半田が融解するような高温となっても半田付け部分が液体電極状態となるため、電力用半導体装置は電気的接続を保つことができる。このとき、その融解により半田付け部分に発生しているクラックを無くすことができる、という副次的効果も生じる。また、電力用半導体装置にて仮に破壊状況が生じてもバネの作用によりＣＥ間（コレクタ−エミッタ間）を短絡することができる。従って、実施の形態５に係る電力用半導体装置を直列使用時に破壊状況が発生したとしても、全体の電流を止めてしまう、ということが生じない。

更に、バネ４６を例えば適切な金属材料で形成し、第１の基板２４及び第２の基板２６と直接的に若しくは間接的に接合すれば、電力用半導体装置の放熱器としても作用する。従って、電力用半導体素子に生じる熱を複数のバネ４６から放出できる。

［実施の形態６］
図１０は、本発明に係る電力用半導体装置の、電力用半導体素子のメタライズ部４８の拡大側断面図である。ここで「メタライズ部」とは、電力用半導体素子表面上の、若しくは回路パターン表面上の、半田接合のための薄く且つ微小な円柱形状の金属層（図１１参照）である。該金属層は適切な蒸着作用等により形成される。実施の形態１〜実施の形態５に係る電力用半導体装置では、接続導体２２はメタライズ部４８を介して電力用半導体素子（電力用スイッチング素子６、フリーホイルダイオード８）に接続されている。

メタライズ部４８は通常３〜５層の金属層で構成される。図１０に示されるメタライズ部４８では、下からＡｌ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ａｕで構成されている。これら複数の金属層の平面方向の大きさ（即ち面積）は従来略同一のものとされてきたが、実施の形態６に係る電力用半導体装置では各金属層の大きさを変える。図１１はその例である。Ａｌ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ａｕで構成されるメタライズ部４８において、Ｎｉ、Ａｕで構成される上二層（即ち、電力用半導体素子表面から遠い二層）を下二層（即ち、電力用半導体素子表面に近い二層）より小さくしてもよい（図１１（２））。また、下層（電力用半導体素子表面に近い層）から上層（電力用半導体素子表面から遠い層）に進むにつれて大きさを小さくするようにしてもよい（図１１（３））。

半田により接続導体２２などの導体を上記メタライズ部４８に接合するときには、Ａｕ層とＮｉ層とが一部溶融された上で導体がＮｉ層にまで入り込んで接着することになる。ここで図１１（２）（３）のように、Ａｕ層とＮｉ層とが、Ｍｏ層やＡｌ層より小さくされていると、一部溶融したＡｕ層やＮｉ層が平面方向にはみ出ることやずれることが無い。そうすると、Ａｕ層やＮｉ層のずれやにじみによる不良接続の発生を回避できる。また、導体をメタライズ部４８に確実に接合することができ結果として装置全体の長期信頼性を向上させることができる。

メタライズ部４８の周辺縁５０が、耐熱性の樹脂で、例えばポリイミドで覆われていてもよい（図１０）。このようにすると、導体を接合してもメタライズ部４８の上層（Ａｕ層とＮｉ層）にてずれやにじみの発生をよりよく抑制できる。

［実施の形態７］
図１２は、本発明の実施の形態７に係る電力用半導体装置の第１の基板２４の上面図（図１２（１））、第２の基板２６の上面図（一部透視図）（図１２（２））、及び側断面図（図１２（３））である。側断面図（図１２（３））は、断面ＡＡによる側断面図である。実施の形態７に係る電力用半導体装置は、実施の形態１に係る電力用半導体装置と略同様のものである。従って、同一部分には同一符号を付して説明を省略し、差異を中心に説明する。

実施の形態７に係る電力用半導体装置では、電力用半導体素子表面上のメタライズ部４８は、接続導体２２を介することなく、第２の基板２６の第２の回路パターン４５上のメタライズ部４８と直接に半田により接合して接続部５４を形成する。更に、電力用半導体素子表面において、メタライズ部４８以外の部分は、耐熱性樹脂５２で例えばポリイミドで覆われている。一方、電力用半導体素子表面以外の第１の基板２４のメタライズ部４８は、実施の形態１と同様に接続導体２２を介して第２の基板２６の第２の回路パターン４５上のメタライズ部４８と接合する。

上記のように接続導体２２を介さずに電力用半導体素子６、８と第２の基板２６とを接続部５４により接続すると、半導体素子が動作しているときに生じる熱により、接続導体２２の熱膨張係数とその接続される箇所（この場合、半導体素子とパターン）の熱膨張係数との差による熱応力の発生がないことになる。また、接続導体２２自身の電気抵抗及び熱抵抗がなくなるため上下基板の温度差が小さくなることで、装置全体の熱応力も低減される。これらのことから、装置全体としての長期信頼性を向上できる。更に、接続導体２２を用いないのであるから全体の部品点数を減らすことができる。また、電力用半導体素子がＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴである場合、耐熱用樹脂（ポリイミド）はＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴの周辺部分であるガードリング部を覆うことになるが、該ガードリング部が耐熱用樹脂（ポリイミド）で覆われると、絶縁耐量の向上及び漏れ電流低減という効果も得られる。

なお、図１２において電力用半導体素子は、例えばＩＧＢＴなどの電力用スイッチング半導体素子６と、フリーホイルダイオード８とである。これら電力用スイッチング半導体素子６とフリーホイルダイオード８は逆導通ＩＧＢＴ（ＲｅｖｅｒｓｅＣｏｎｄｕｃｔｉｎｇＩＧＢＴ）を形成することができる。かように形成される逆導通ＩＧＢＴは、ダイオードを別途設ける必要もなく然もインダクタンスバランスに優れる。

更に、実施の形態７に係る電力用半導体装置においても、実施の形態５に係る電力用半導体装置と同様にヒートシンク３２の代わりに複数のバネ４６が設けられてもよい。バネ４６を設けた例を図１３に示す。

［実施の形態８］
図１４は、本発明の実施の形態８に係る電力用半導体装置の側断面図である。実施の形態８に係る電力用半導体装置は、実施の形態７に係る電力用半導体装置と略同様のものである。従って、同一部分には同一符号を付して説明を省略し、差異を中心に説明する。

実施の形態８に係る電力用半導体装置でも実施の形態７と同様に、電力用半導体素子（６、８）表面上のメタライズ部４８は、接続導体２２を介することなく第２の基板２６の第２の回路パターン４５上のメタライズ部４８と直接に接合して接続部５４を形成する。更に、電力用半導体素子表面において、メタライズ部４８以外の部分は、耐熱性樹脂５２で例えばポリイミドで覆われている。一方、電力用半導体素子表面以外の第１の基板２４のメタライズ部４８は、実施の形態７と同様に接続導体２２を介して第２の基板２６の第２の回路パターン４５上のメタライズ部４８と接合する。

上記のことに加えて実施の形態８に係る電力用半導体装置においては、電力用半導体素子（６、８）の裏面と第１の基板２４との間に、ボイド部５６、即ち半田が無い領域が意図的に形成される。つまり、電力用半導体素子６、８の裏面と第１の基板２４との間は、半田により接合される部位５８とボイド部５６とによって構成される。ここでボイド部５６は例えばソルダーレジストが塗布されて形成される。

電力用半導体素子６、８の裏面と第１の基板２４との間にボイド部５６を形成することによって、電力用半導体素子６、８から上下の基板（第２の基板２６、第１の基板２４）のそれぞれへ逃げる放熱量のバランスをとることを図れる。このことにより、熱膨張による反り量の差による上下基板のずれの発生を減らし、結果として信頼性を向上できる。

更に、実施の形態８に係る電力用半導体装置の電力用半導体素子（６、８）において、表面（上面）のメタライズ部４８による接続部５４の位置と、裏面（下面）の接続のための半田の位置５８とを、電力用半導体素子（６、８）を挟んで表裏面で合わせてもよい。両者の位置を合わせることにより放熱の効率を上げることができる。

２ベース板、６電力用スイッチング半導体素子、８フリーホイルダイオード、１０主電流端子（コレクタ）、１２主電流端子（エミッタ）、１４ゲート信号端子、１６エミッタ信号端子、２２接続導体、２４第１の基板、２６第２の基板、３４仕切り部材、３６絶縁充填剤、４０ゲートパット、４４第１の回路パターン、４５第２の回路パターン、４６バネ、４８メタライズ部、５２耐熱性樹脂、５４接続部。

Claims

電力用半導体素子を備えた電力用半導体装置であって、
第１の基板の表主面に配置された第１の回路パターン上に前記電力用半導体素子の裏面電極を接続し前記電力用半導体素子を搭載すると共に、
前記電力用半導体素子の表面電極と対向するように配設された第２の基板の対向主面に形成された第２の回路パターンの電極を、前記電力用半導体素子の表面電極と前記第１の回路パターンの少なくともいずれかに接続する電力用半導体装置において、
前記電力用半導体素子の表面電極のメタライズ部と、前記第２の基板の電極のメタライズ部が、直接に半田により接合して接続部を形成し、
電力用半導体素子表面上のメタライズ部以外の部分は、耐熱性樹脂で覆われており、
前記メタライズ部は複数の金属層で構成され、前記メタライズ部を構成する各金属層は、電力用半導体素子の表面又は第２の基板の表面から離れるにつれて、大きさが小さくなっており、
前記電力用半導体素子の裏面と前記第１の基板との間に、半田を含まずソルダーレジストを含む領域が形成され、
前記電力用半導体素子表面上の前記メタライズ部による前記接続部の位置と、裏面の接続のための半田の位置とが、前記電力用半導体素子を挟んで表裏面で合わせられていることを特徴とする
電力用半導体装置。
前記電力用半導体素子が、電力用スイッチング半導体素子とフリーホイルダイオードであり、これら電力用スイッチング半導体素子とフリーホイルダイオードが逆導通ＩＧＢＴを構成することを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。