JP5821949B2 - 半導体装置及びこれを備えたインバータ装置、並びにこれらを備えた車両用回転電機 - Google Patents

半導体装置及びこれを備えたインバータ装置、並びにこれらを備えた車両用回転電機 Download PDF

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    • H01L2224/40245—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic
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    • H01L2224/40221—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/40245—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic
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    • H01L2224/40245—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic
    • H01L2224/40247—Connecting the strap to a bond pad of the item
    • H01L2224/40249—Connecting the strap to a bond pad of the item the bond pad protruding from the surface of the item
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    • H01L2224/45001—Core members of the connector
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    • H01L2224/451—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/45117—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 400°C and less than 950°C
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    • H01L2224/48245—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic
    • H01L2224/48247—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic connecting the wire to a bond pad of the item
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    • H01L2224/48463—Connecting portions the connecting portion on the bonding area of the semiconductor or solid-state body being a ball bond
    • H01L2224/48465—Connecting portions the connecting portion on the bonding area of the semiconductor or solid-state body being a ball bond the other connecting portion not on the bonding area being a wedge bond, i.e. ball-to-wedge, regular stitch
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    • H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • H01L2224/838—Bonding techniques
    • H01L2224/8385—Bonding techniques using a polymer adhesive, e.g. an adhesive based on silicone, epoxy, polyimide, polyester
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    • H01L2224/8438—Bonding interfaces outside the semiconductor or solid-state body
    • H01L2224/84385—Shape, e.g. interlocking features
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    • H01L2224/84—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a strap connector
    • H01L2224/848—Bonding techniques
    • H01L2224/84801—Soldering or alloying
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    • H01L2224/84—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a strap connector
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    • H01L2224/8485—Bonding techniques using a polymer adhesive, e.g. an adhesive based on silicone, epoxy, polyimide, polyester
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    • H01L24/02—Bonding areas ; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/04—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process
    • H01L24/05—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process of an individual bonding area
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    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/02—Bonding areas ; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/04—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process
    • H01L24/06—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process of a plurality of bonding areas
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    • H01L24/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
    • H01L24/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
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Description

この発明は、封止材により封止された半導体装置およびこれを備えたインバータ装置、並びにこれらを備えた車両用回転電機に関する。
近年半導体装置の高性能化に伴って、特に車載機器や車両用回転電機で半導体装置の需要が増大している。車載機器においては各部品の小型化が進められており、車両用回転電機においては回転電機本体と制御装置との一体化による配線の簡略化や装着性向上が進められている中で、それらに用いられている半導体装置についても小型化、軽量化が要求されているが、特に車載機器等では使用環境が過酷なため、上記に加えて高信頼性、高寿命化等がさらに要求されている。
従来から、半導体装置に搭載されているＭＯＳ−ＦＥＴには、それぞれが上アームと下アームを構成するように２個直列に接続されて用いられているものがあり、その構成として、それぞれのＭＯＳ−ＦＥＴのソース電極またはゲート電極と各外部端子との接合が半田を介して内部リードにてなされ、かつ上アームと下アームが電気的に導通するように、上アームを構成するＭＯＳ−ＦＥＴのソース電極に接合された内部リードに連結リード部を設け、この連結リード部が下アームを構成するＭＯＳ−ＦＥＴがマウントされるとともにドレイン電極が当接するベース板の一部に半田接合されている半導体装置が提案されている。
特許４１０２０１２号（図７） 特許４３４９３６４号（図１）
ここで、特許文献１、２に開示された構成では、上アームと下アームを構成する各ＭＯＳ−ＦＥＴが、間隙部を有するように隣接して対向し、上述の連結リード部は、上下アームを構成する各ＭＯＳ−ＦＥＴの間隙部を交差するように設けられており、特許文献２に開示された構成では、これら上下アームを構成する各ＭＯＳ−ＦＥＴと上述の連結リード部とを封止樹脂によりパッケージ化している。
このような構成を有する半導体装置の動作時において温度上昇が生じた場合、各ＭＯＳ−ＦＥＴがマウントされている例えば銅からなるベース板と、封止樹脂として用いられている例えばエポキシ樹脂の熱膨張係数に差があることから、半導体装置を横から見たときに全体としてＶ字状に変形しやすい。この変形は、上述のＭＯＳ−ＦＥＴの発熱の影響が大きいため各ＭＯＳ−ＦＥＴが隣接する間隙部を屈曲の境界線とする変形が最も大きくなり、この境界線上に連結リード部が配置されると、この連結リード部にも外力が加わり変形しやすい。このため連結リード部が変形することにより、連結リード部に接合された半田にも繰り返し応力が加わる結果、半田クラックが生じる恐れがあり、半導体装置の破損といった不具合に至ることが考えられる。
ここで、例えば上述の連結リードの板厚を上げたり、あるいは別部材を追加する等により剛性を上げることで、変形は小さくなり半田クラックを抑制できるが、連結リードのコストや重量が増加したり、また板厚の増加によって封止樹脂の使用量が増加したり、半導体装置が高さ方向に大きくなることで、半導体装置の大型化、重量増加にもつながることが懸念される。また、連結リードに屈曲部を設け当該部分で応力を吸収することで、半田に加わる応力を緩和することも考えられるが、これにも限界があり、加えて加工費の増加を招くこととなる。
本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、半導体装置の動作時における変形に起因した接合材のクラックの発生を抑制でき、信頼性および寿命を向上させることができる半導体装置及びこれを備えたインバータ装置、並びにこれらを備えた車両用回転電機を提供することを目的とする。
この発明に係る半導体装置は、導電体からなる第１ベース板と、前記第１ベース板上に第１電極面が接合材を介して電気的に接合される第１の半導体素子と、前記第１ベース板と離間し導電体からなる第２ベース板と、前記第１の半導体素子と隣接するとともに、前記第２ベース板上に第１電極面が接合材を介して電気的に接合される第２の半導体素子と、前記第１の半導体素子の第２電極面と前記第２ベース板とを接合材を介して電気的に接合する板状金属からなる第１のリードと、前記第１および第２ベース板のいずれとも離間し、前記両半導体素子の導通電流を外部に授受するための電流経路部材と、前記第２の半導体素子の第２電極面と前記電流経路部材とを接合材を介して電気的に接合する板状部材からなる第２のリードと、少なくとも前記各構成部材を封止する封止材と、を備え、前記第２ベース板は前記第１および第２のリードよりも剛性が高く、かつ前記第１および第２の半導体素子が対向する方向に間隙部を含むとともに、前記両半導体素子が対向していない方向へ延びる境界線が、前記第１および第２の半導体素子が点対称に配置され、前記第１のリードが前記第１の半導体素子との接合部から延在する方向が、前記境界線が延びる一方向であり、かつ、前記第２のリードが前記第２の半導体素子との接合部から延在する方向が、前記境界線の延びる他方向で、しかも前記互いの延在する方向が平行に配置され、前記第２ベース板における前記境界線と交差する部分の剛性を、他の部分よりも低くしたものである。
本発明によれば、変形の最も大きい半導体素子間の境界線上には板状金属からなる各リードよりも剛性の高い第２ベース板を交差させる構成としている。この境界線上での変形は各リードよりも第２ベース板の方が小さいため、第２ベース板に接合された接合材への応力を緩和することができる。一方、各リードはより変形の小さい箇所に配置することができるため、各リードに接合された接合材への応力を緩和することができる。その結果、接合材のクラックの発生を抑制でき、信頼性および寿命の向上が図れる半導体装置及びこれを備えたインバータ装置、並びにこれらを備えた車両用回転電機を提供することができる。
また、間隙部を中心として、第１および第２の半導体素子が点対称に配置され、第１のリードが第１の半導体素子との接合部から延在する方向が、前記境界線が延びる一方向であり、かつ、第２のリードが第２の半導体素子との接合部から延在する方向が、境界線の延びる他方向で、しかも前記互いの延在する方向が平行に配置されている。このように配置することによって、第１、第２の半導体素子および第１、第２のリードを平行かつ同方向に配置した場合と比較して、境界線と平行する方向の半導体素子の長さを短くすることができるので、効率よくスペースを活用でき全体として小型化することができ、加えて封止材の使用量を減らすことができるので重量低減・コスト低減にもなる。さらに、小型化することで半導体装置の変形を抑制できるので、結果として接合材の半田クラックの発生をより抑制でき、半導体装置の信頼性をさらに向上させ、高寿命化することができる。
さらに、第２ベース板における境界線と交差する部分の剛性を、他の部分よりも低くしているので、封止樹脂と第2ベース板との熱膨張係数の差に伴い生じる半導体装置の変形時に、第2ベース板における境界線と交差する部分の剛性の低い部分が応力吸収するため、各リード及び第2ベース板における各接合部の接合材のクラック発生をより抑制でき、半導体装置の信頼性をさらに向上させ、高寿命することができる。

この発明の実施の形態１による半導体装置を示す平面図である。 図１のＡ−Ａ矢視における半導体装置の断面図である。 図１のＢ−Ｂ矢視における半導体装置の断面図である。 図１のＣ−Ｃ矢視における半導体装置の変形時の断面図である。 この発明の実施の形態２による半導体装置を示す平面図である。 図５のＧ−Ｇ矢視における半導体装置の断面図である。 図５のＧ−Ｇ矢視における半導体装置の変形時の断面図である。 この発明の実施の形態１および２による半導体装置の電気回路図である。 この発明の実施の形態３によるインバータ装置を示す平面図である。 この発明の実施の形態３によるインバータ装置を含む回転電機の電気回路図である。 この発明の実施の形態４による半導体装置を示す平面図である。 この発明の実施の形態４による半導体装置の電気回路図である。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による半導体装置を示す平面図、図２は、図１のＡ−Ａ矢視における半導体装置の断面図、図３は、図１のＢ−Ｂ矢視における半導体装置の断面図、図４は、図１のＣ−Ｃ矢視における半導体装置の変形時の断面図、図８は図１の半導体装置の電気回路図である。以下、各図において同一または相当部分には同一符号を付して説明する。なお、各平面図においては便宜上封止樹脂を簡略化している。
図１において、半導体装置１は、第１、第２ベース板１１、１２および電流経路部材１３と、半導体素子である第１および第２のＭＯＳ−ＦＥＴ２１、２２と、第１および第２のリード３１、３２と、アルミワイヤ４１、４２及びゲート電極用リード１４、１５とを備えており、上記各部品が封止材である封止樹脂５１によりパッケージ化されている。
図１および図２に示すように、第１ベース板１１の上面には、第１のＭＯＳ−ＦＥＴ２１が配置され、第１のＭＯＳ−ＦＥＴ２１の下面に構成されるドレイン電極２１１が接合材６１である半田を介して第１ベース板１１の上面と電気的に接合されている。第１ベース板１１は、第１のＭＯＳ−ＦＥＴ２１が配置される部位と、正極端子７１（図示しない）に電気的に接合される正極端子接合部１１１とから構成されている。第１のＭＯＳ−ＦＥＴ２１は、その上面にソース電極２１２とゲート電極２１３を有している。この第１のＭＯＳ−ＦＥＴ２１の上面におけるソース電極２１２とゲート電極２１３が構成されている箇所以外は、前工程でつけられた保護膜２１４によりその表面が保護されている。
第１のＭＯＳ−ＦＥＴ２１の上面に配置されるソース電極２１２には、接合材６２である半田を介して、板状金属からなる第１のリード３１の一端が電気的に接合されており、第１のリード３１の他端は接合材６３である半田を介して第２ベース板１２と電気的に接合されている。ここで、第２ベース板１２はその一部において、第１のリード３１に近接するように突起部１２１が設けられており、この箇所において第１のリード３１と電気的に接合されている。また、第２ベース板１２は、その一端に配置される制御端子接合部１２２と、他端に配置される出力端子７２（図示しない）へ電気的に接合される出力端子接合部１２３と、これらの間に位置する第２のＭＯＳ−ＦＥＴ２２が配置される部位と、から構成されている。制御端子接合部１２２には、ソース信号を入力する制御端子７３（図示しない）が接続されている。
さらに、第１のＭＯＳ−ＦＥＴ２１のゲート電極２１３は、アルミワイヤ４１を介してゲート電極用リード１４に電気的に接合されている。ゲート電極用リード１４は、ゲート信号を入力する制御端子７４（図示しない）に接続されている。
次に、図３に示すように、第２のＭＯＳ−ＦＥＴ２２は第２ベース板１２の上面に配置され、第２のＭＯＳ−ＦＥＴ２２の下面に構成されるドレイン電極２２１が接合材６４である半田を介して第２ベース板１２の上面と電気的に接合されている。第１のＭＯＳ−ＦＥＴ２１と同様に、第２のＭＯＳ−ＦＥＴ２２は、その上面にソース電極２２２とゲート電極２２３を有しており、この第２のＭＯＳ−ＦＥＴ２２の上面におけるソース電極２２２とゲート電極２２３が構成されている箇所以外は、前工程でつけられた保護膜２２４によりその表面が保護されている。第２のＭＯＳ−ＦＥＴ２２の上面に配置されるソース電極２２２には、接合材６５である半田を介して板状金属からなる第２のリード３２の一端が電気的に接合されており、第２のリード３２の他端は接合材６６である半田を介して電流経路部材１３と電気的に接合されている。ここで、第２ベース板１２と同様に、電流経路部材１３はその一部において、第２のリード３２に近接するように突起部１３１が設けられており、この箇所において第２のリード３２と電気的に接合されている。電流経路部材１３は負極端子７５（図示しない）に電気的に接合される負極端子接合部１３２（図示しない）を備えている。
また、第２のＭＯＳ−ＦＥＴ２２のゲート電極２２３も第１のＭＯＳ−ＦＥＴ２１の場合と同様に、アルミワイヤ４２を介してゲート電極用リード１５に電気的に接合されている。ゲート電極用リード１５は、ゲート信号を入力する制御端子７６（図示しない）に接続されている。
第１および第２ベース板１１、１２は、それぞれの上面に各ＭＯＳ−ＦＥＴ２１、２２が配置されるので反りを抑制する必要があり、ある程度の剛性を有している（例えば、板厚０．８ｍｍの銅板または銅合金板）。一方の第１および第２のリード３１、３２は、各ＭＯＳ−ＦＥＴ２１、２２の導通電流によって必要な板幅、板厚が決まる。一般的に、第１および第２のリード３１、３２は、第１および第２ベース板１１、１２と比べて剛性が低いもので足りる（例えば、板厚０．４ｍｍの銅板または銅合金板）。
ここで、第１、第２のＭＯＳ−ＦＥＴ２１、２２は、図１に示すように各ＭＯＳ−ＦＥＴ２１、２２をそれぞれ構成する四辺のうち、長手方向の辺が相対向するように間隙部５２を有して隣接して配置されている。各ＭＯＳ−ＦＥＴ２１、２２は、この間隙部を中心として点対称となるように配置され、この間隙部５２を含みながら各ＭＯＳ−ＦＥＴ２１、２２の長手方向の辺と平行に延びた線を境界線Ｄ−Ｄと定義すると、第１、第２のＭＯＳ−ＦＥＴ２１、２２のソース電極２１２、２２２にそれぞれ半田接合されている第１および第２のリード３１、３２が延在する方向は、逆方向でかつ境界線Ｄ−Ｄと平行に設けられている。
さらに、第２ベース板１２には、第１のリード３１と半田接合される部位と第２のＭＯＳ−ＦＥＴ２２と半田接合される部位の間に応力吸収部１２４が設けられており、この部分において、第２ベース板１２と境界線Ｄ−Ｄとが交差する構成をとっている。この応力吸収部１２４は、第２ベース板１２における他の部分と比較して境界線Ｄ−Ｄと平行する方向の幅を短くすることで、境界線Ｄ−Ｄを屈曲線とする変形方向に対し剛性を小さくしている。
また、図１、図２および図３に示すように、外部環境から保護するための封止樹脂５１がトランスファーモールド等により、第１ベース板１１の正極端子接合部１１１と、第２ベース板１２の制御端子接合部１２２、出力端子接合部１２３と、電流経路部材１３の負極端子接合部１３２と、ゲート電極用リード１４、１５の一部が露出するように、第１および第２のＭＯＳ−ＦＥＴ２１、２２と、半田６１〜６６と、第１および第２のリード３１、３２と、アルミワイヤ４１、４２と、ゲート電極用リード１４、１５とを封着し、図１に示すように上方から見て四辺形のパッケージを構成している。さらに、第１ベース板１１における第１のＭＯＳ−ＦＥＴ２１が接合される箇所の下面側および第２ベース板１２における第２のＭＯＳ−ＦＥＴ２２が接合される箇所の下面側等は放熱面を形成するために封止樹脂５１から露出した構造としている。
上記の構成の半導体装置１の電気回路図を図８に示す。第１のＭＯＳ−ＦＥＴ２１は半導体装置１における上アーム８１を構成し、第２のＭＯＳ−ＦＥＴ２２は下アーム８２を構成している。
ここで、半導体装置１の動作時に各ＭＯＳ−ＦＥＴ２１,２２や第１、第２ベース板１１、１２を含む半導体装置１全体が温度上昇した場合には、材料が例えば銅または銅合金からなる第１、第２ベース板１１、１２と、材料が例えばエポキシ樹脂からなる封止樹脂５１との熱膨張係数に差があることから、半導体装置１の全体形状は図４に示すように、熱膨張係数が小さい封止樹脂５１に向かってＶ字状に変形しやすく、特に各ＭＯＳ−ＦＥＴ２１、２２が隣接して対向する境界線Ｄ−Ｄを屈曲線とした変形が最も大きい。
本実施の形態１では、この境界線Ｄ−Ｄと第１および第２のリード３１、３２が交差しないように配置し、かつ第２ベース板１２で交差するように構成している。このため、第１および第２のリード３１、３２は、変形の屈曲線となる境界線Ｄ−Ｄから離すことができ、加わる外力が小さくなり変形が抑制される。したがって、第１のリード３１に接合されている半田６２、６３へ加わる応力を緩和できる。一方で境界線Ｄ−Ｄとは第２ベース板１２が交差することになるが、第２ベース板１２は、第１および第２のリード３１、３２よりも剛性が高く、従って加わる外力に対して第１および第２のリード３１、３２よりも変形が抑制できる。このため、第２ベース板１２に接合されている半田６３、６４へ加わる応力も、第１および第２のリード３１、３２の各半田接合部と比較し緩和できる。この結果、いずれの半田接合箇所においても半田クラックの発生を抑制でき、半導体装置１の信頼性および寿命を向上させることができる。
加えて、本実施の形態１では、第２ベース板１２と境界線Ｄ−Ｄが交差する位置を、各ＭＯＳ−ＦＥＴ２１、２２が隣接して対向する間隙部５２以外となるように構成している。この間隙部５２を第２ベース板１２と境界線Ｄ−Ｄが交差する位置としても、上述の通り第２ベース板１２は第１および第２のリード３１、３２よりも剛性が高いため、半田クラックの発生を抑制し半導体装置１の信頼性および寿命を向上させる効果は奏するが、前述の間隙部５２は発熱の大きい各ＭＯＳ−ＦＥＴ２１、２２に最も近傍している位置で変形も大きい箇所のため、この間隙部以外で交差するように構成した場合の方が、より半導体装置１の変形を抑制できるため、効果が大きくなる。
さらに、本実施の形態１では、第２ベース板１２における境界線Ｄ−Ｄと交差する位置に応力吸収部１２４を設けてある。これにより、半導体装置１の変形時に、この応力吸収部１２４が吸収するため、第２ベース板１２における第１リード３１との半田接合部や第２のＭＯＳ−ＦＥＴ２２のドレイン電極２２１との半田接合部に加わる応力を緩和することができるので、これらの箇所で半田クラックの発生をより抑制でき、半導体装置１の信頼性をさらに向上させ、高寿命化することができる。
本実施の形態１では、応力吸収部１２４は境界線Ｄ−Ｄと平行する方向の幅を短くすることで、第２ベース板１２の他の部分と比べて剛性を下げた構成としているが、これに限られるものではなく、例えばプレス加工等により板厚を薄くしたり、あるいは貫通穴や凹部、切り欠き形状等により幅狭小部を設けることにより、応力吸収部１２４の剛性を第２ベース板１２における他の部分よりも小さくしたり、あるいは境界線Ｄ−Ｄと交差する方向に屈曲する屈曲部を設けることでも同様の効果が得られる。
加えて、従来は上下アーム８１、８２を構成する各ＭＯＳ−ＦＥＴ２１、２２を電気的に接合するための第１のリード３１は、境界線Ｄ−Ｄ上でかつ第１、第２のＭＯＳ−ＦＥＴ２１、２２が隣接する間隙部５２を交差して、第２ベース板１２に接合されていたため、この接合箇所を確保するために、この間隙部５２に所定のクリアランスが必要であったが、本実施の形態１では、この間隙部５２に接合箇所が不要となるため、間隙部５２を小さくすることができ、全体として半導体装置１を小型化できる可能性がある。
また、本実施の形態１では、同型の第１、第２のＭＯＳ−ＦＥＴ２１、２２を、この間隙部５２を中心として点対称に配置しており、さらに第１のリード３１が第１のＭＯＳ−ＦＥＴ２１との接合部から延在する方向と第２のリード３２が第２のＭＯＳ−ＦＥＴ２２との接合部から延在する方向を平行且つ逆向きに配置している。このように配置することによって、第１、第２のＭＯＳ−ＦＥＴ２１、２２および第１、第２のリード３１、３２を平行かつ同方向に配置した場合と比較して、境界線Ｄ−Ｄと平行する方向の半導体装置１の長さを短くすることができるので、効率よくスペースを活用でき全体として小型化することができ、加えて封止樹脂５１の使用量を減らすことができるので重量低減・コスト低減にもなる。さらに、小型化することで半導体装置１の変形を抑制できるので、結果として半田クラックの発生をより抑制でき、半導体装置１の信頼性をさらに向上させ、高寿命化することができる。
なお、本実施の形態１では、第１、第２のリード３１、３２を平行かつ逆向きに配置した場合を記載したが、これに限定されるものではなく、仮に第１、第２のリード３１、３２が境界線Ｄ−Ｄから離れるような方向に配置されていても、境界線Ｄ−Ｄと直交する方向の半導体装置１の寸法が大きくならなければ、全体として小型化することができる。
さらに、第２ベース板１２はその一部に突起部１２１を有し、この箇所において第１のリード３１と半田６３を介して接合されており、電流経路部材１３も同様に突起部１３１を有し、当該箇所と第２のリード３２とが半田６６を介して接合されている。これにより、半田６３、６６の塗布高さを確保することができるので、半田塗布作業性が向上するとともに、半田塗布量も増やせ、半田接合の信頼性が向上する。これにより、半田接合部での発熱を抑制できるので変形も抑制でき、半導体装置１全体の信頼性も向上し、高寿命化となる。なお、前述の接合を例えば溶接等により行う場合においても、突起部１２１、１３１を有していれば溶接面の面圧を上げることができるので、結果として半導体装置１の信頼性を向上させることができる。
本実施の形態１では、突起部１２１、１３１を第２ベース板１２と電流経路部材１３にそれぞれ設けたことで説明したが、これに限定されるものではなく、突起部は第２ベース板１２または電流経路部材１３のいずれか一方に設けてもよく、また突起部を第１または第２のリード３１、３２に設けても同様の効果を奏する。
実施の形態２．
図５はこの発明の実施の形態２による半導体装置を示す平面図、図６は図５のＧ−Ｇ矢視における半導体装置の断面図、図７は図５のＧ−Ｇ矢視における半導体装置の変形時の断面図、図８は図５の半導体装置の電気回路図である。実施の形態２における半導体装置２の構造は、第１および第２のリード３１、３２を除いては実施の形態１と同じ構造であるため、詳細説明は省略する。
図５および図６に示すように、第１のリード３１は第１のＭＯＳ−ＦＥＴ２１の上方から第２ベース板１２の突起部１２１に向かって延在しているが、第１のＭＯＳ−ＦＥＴ２１と第２ベース板１２の突起部１２１の間の部分において応力吸収部として屈曲部３１１を設けてある。屈曲部３１１は第１、第２ベース板１１、１２から離れるように、半導体装置２の上方に向かって屈曲している。ここで、図６に示すように、第１のリード３１における半田接合されている部位の間であって、第１のリード３１と交差する方向に延びた線を境界線Ｅ−Ｅと定義する。
半導体装置２の動作時に発熱する第２のＭＯＳ−ＦＥＴ２２から離れている境界線Ｅ−Ｅにおいては、境界線Ｄ−Ｄを屈曲線とする変形と比べて小さいとはいえ、当該箇所を屈曲線として半導体装置２がＶ字状に変形することも考えられる。
ここで、図７に示すように、本実施の形態２のような構成とすることで、半導体装置２に境界線Ｅ−Ｅを屈曲線とする変形が生じても、この屈曲部３１１が応力を吸収するため、第１のリード３１と第１のＭＯＳ−ＦＥＴ２１とを接合している半田部、あるいは第２ベース板１２とを接合している半田部に加わる応力を緩和することができる。したがって第２ベース板１２の剛性を上げることなく、当該箇所においても半田クラックの発生を抑制することができるので、半導体装置２の信頼性および寿命をさらに向上させることができる。
なお、第１のリード３１に設けられた屈曲部３１１は、第１ベース板１１および第２ベース板１２に近接するような方向に屈曲させても同様の効果が得られ、あるいは屈曲部３１１に限定されず、例えばプレス加工等により板厚を薄くしたり、あるいは貫通穴や凹部、切り欠き形状等により狭小部を設けることにより第１のリード３１における他の部分よりも剛性を小さくすることでも同様の効果が得られる。
また、上記に加えて、第２のリード３２の同箇所に屈曲部３２１等を設けた場合は、第２のリード３２と交差する境界線Ｆ−Ｆを屈曲線とする変形に対して、同様の効果を奏する。
本実施の形態２では、２つの半導体素子をＭＯＳ−ＦＥＴとして説明したが、これに限られるものではなく、例えばＩＧＢＴやその他の半導体素子であってもよいが、ＭＯＳ−ＦＥＴは動作時に発熱が大きいため半導体装置全体の変形も大きく、本発明を適用すると半導体装置の信頼性および寿命向上の効果が大きいものとなる。
実施の形態３．
図９は、本発明に係る半導体装置を用いたインバータ装置を示す平面図、図１０はこのインバータ装置を含む回転電機の電気回路図である。
図９において、６個の半導体装置１は同心円上に配置されることによりインバータ装置３を構成しており、半導体装置１の正極端子７１と負極端子７５は封止樹脂５１によって形成された四辺形のパッケージにおける相対向側面にそれぞれ配置されている。
また、半導体装置１はその半数が、同心円を構成している平面に垂直な面を対称面として面対称構造を有するように構成され、それぞれが半径方向に交互に配置されている。
ここで、半導体装置１の正極端子７１は、半導体装置１よりも内側（同心円の中心側）に正六角形状に配置され、電力を供給するための正電圧供給部材９１に電気的に接合されており、この正電圧供給部品９１は図示しない配線で蓄電手段４０１の正極（図示しない）に電気的に接合されている。同様に、半導体装置１の負極端子７５は、半導体装置１よりも外側（同心円の反中心側）に配置され、電力を供給するための負電圧供給部材９２に電気的に接合されており、この負電圧供給部品９２は図示しない配線で蓄電手段４０１の負極（図示しない）に電気的に接合されている。これらの箇所での電気的接合は、例えば溶接や半田付けなどで行われる。また、それぞれの半導体装置１からなる各相の出力端子７２は図示しない配線で後述する回転電機４のコイルに接続されている。
次に、このインバータ装置３を用いた回転電機４について説明する。図１０に示すように、回転電機４は制御手段４０２とインバータ装置３と固定コイル４０３と可動コイル４０４とから構成されており、モータと発電機とを兼用するものである。即ち、回転電機４は、制御手段４０２とインバータ装置３とを一体に装着している。２つの固定コイル４０３の各相は、半導体装置１の各出力端子７２を介して蓄電手段４０１と電気的に接合されており、それぞれの半導体装置１の各ＭＯＳ−ＦＥＴ２１、２２に対して制御手段４０２からゲート信号を送ることによって、各ＭＯＳ−ＦＥＴ２１、２２をＯＮ／ＯＦＦさせ固定コイル４０３の各相に流れる電流を切り替える。この回転電機４は、制御手段４０２からの信号により可動コイル４０４を駆動することも、可動コイル４０４の回転から発電することもできる。
半導体装置１は前述の通り、半田クラックの発生を抑制でき信頼性の向上および高寿命化となるため、これをインバータ装置３に適用すればインバータ装置３のみならず、これを用いた回転電機４の信頼性の向上および高寿命化となり、特に車両用等であってこれらの要求が厳しい場合には効果的である。加えて、上述のように半導体装置１が従来の構成に比べて第１、第２のＭＯＳ−ＦＥＴ２１、２２が対向して隣接する間隙部を小さくすることができる場合に、インバータ装置３に半導体装置１を図９のように配置すれば、同心円の半径方向の長さを小さくすることができ、これにより半導体装置１よりも内側および外側の空いたスペースに、正および負電圧供給部品９１、９２をそれぞれ配置することができる。従来、半導体装置１の同心円の内側または外側の一方のスペースしか確保することができない場合には、半導体装置１と正および負電圧供給部品９１、９２とを、半導体装置１が配置される同心円を構成している平面に対し平行な層を上方に配置し、これを積層して構成していたためインバータ装置３が大型化していたが、この構成とすることで半導体装置１、正電圧供給部品９１、負電圧供給部品９２とが同一平面上に配置できる可能性があり、インバータ装置３を薄肉化することで、インバータ装置３を小型化できる可能性がある。
また、本実施の形態３では半導体装置１の複数の正極端子７１と単一の正電圧供給部品９１が電気的に接合され、この正電圧供給部品９１は配線により蓄電手段４０１の正極に電気的に接合されている。このため、それぞれの正極端子７１と蓄電手段４０１の正極とを個別の配線で接合する必要がなく、各正極端子７１と電気的に接合された正電圧供給部品９１と蓄電手段４０１の正極とを単一の配線で接続するだけでよいので、配線をコンパクト化できるので結線部の信頼性および寿命が向上し、その結果インバータ装置３を小型化できるとともに、コスト低減することができる。
さらに、インバータ装置３を構成する半導体装置１は、その半数が同心円を構成する平面に垂直な面を対称面として、一部の半導体装置１が他の半導体装置１と面対称構造を有しており、それぞれが同心円の半径方向に交互に配置されている。半導体装置１の負極端子７５が、同心円の中心と半導体装置１の中心を結んだ線上に存在せず、ずれた位置に配置されている場合には、上述のように交互に配置することで、隣接する半導体装置１のそれぞれの負極端子７５の相対距離が近くなり、これらの負極端子７５を負電圧供給部品９２に接続する配線をコンパクト化できるので結線部の信頼性および寿命が向上し、その結果インバータ装置３を小型化、コスト低減することができる。
また、本発明に係る半導体装置やインバータ装置が上述のような小型化、コスト低減といった作用効果を奏するため、これらを一体に装着するモータ兼発電機である回転電機４についても同様効果が得られる。特に車両用回転電機は小型化等の要求が厳しいため、より効果的である。
加えて、本実施の形態３では半導体装置１の数を６個（６相）としたが、これに限定されず、正電圧供給部品９１も６角形に限られず、多角形や円形であってもよい。
さらに、この実施の形態３では正電圧供給部品９１を半導体装置１の内側に配置したが、負電圧供給部品９２を内側に配置してもよい。この場合、半導体装置１の負極端子７５が内側に位置するように、半導体装置１における正極端子７１と負極端子７５の位置を入れ替えて回路構成を変更することで対応することができる。
実施の形態４．
図１１は、この発明の実施の形態４による半導体装置を示す平面図、図１２は図１１の半導体装置の電気回路図である。実施の形態１で説明した半導体装置１は、１対の上下アーム８１、８２を有し、ＭＯＳ−ＦＥＴ２１、２２を各アームにそれぞれ１個ずつ有していたが、本発明による半導体装置はこれに限られず２対以上の上下アームを１つの半導体装置に内蔵してもよい。本実施の形態４では、図１１および図１２に示すように、２対の上下アーム８１〜８４を１つの半導体装置５が備えている場合について概略構成を説明する。
具体的には、第１ベース板１１には第１のＭＯＳ−ＦＥＴ２１に加えて第３のＭＯＳ−ＦＥＴ２３のドレイン電極（図示しない）が電気的に接合されており、第３のＭＯＳ−ＦＥＴ２３のソース電極（図示しない）は第３のリード３３を介して第３ベース板１６と電気的に接合されている。第３ベース板１６には第４のＭＯＳ−ＦＥＴ２４のドレイン電極（図示しない）が電気的に接合されるとともに、この第４のＭＯＳ−ＦＥＴ２４のソース電極（図示しない）は第２のリード３２を介して電流経路部材１３と電気的に接合されている。また、第３、第４のＭＯＳ−ＦＥＴ２３、２４のゲート電極２３３、２４３は、アルミワイヤ４３、４４を介して、それぞれゲート電極用リード１７、１８と電気的に接合されていることで、ゲート信号を入力する制御端子７４１、７６１（図示しない）に接続されている。第３ベース板１６には、第４のＭＯＳ−ＦＥＴ２４のソース電極からの信号を出力する制御端子接合部１６２と、出力端子７２１（図示しない）に電気的に接合される出力端子接合部１６３とを含むように構成されており、制御端子接合部１６２は制御端子７３１（図示しない）に電気的に接合されている。封止樹脂５１は、これらの第１〜第４のＭＯＳ−ＦＥＴ２１〜２４と、第１〜第３ベース板１１〜１２、１６と、電流経路部材１３と、第１〜第３のリード３１〜３３と、アルミワイヤ４１〜４４と、ゲート電極用リード１４、１５、１７、１８とを封着し、図１１に示すように上方から見て四辺形のパッケージを構成している。
このように構成した場合には、図１１に示すように正極端子７１（図示しない）および負極端子７５（図示しない）が電気的に接合される第１ベース板１１の正極端子接合部１１１と第３ベース板１３の負極端子接合部１３２を、図１１に向かって左右に配置された上下アーム８１〜８４で共用化することができるので、部品点数削減によるコスト低減、重量低減となるとともにスペース効率が向上し、さらに高集積された半導体装置が実現可能である。
また、これら実施の形態１〜４では、図２〜５に示すように第１ベース板１１における第１のＭＯＳ−ＦＥＴ２１が接合される箇所の下面側や、第２ベース板１２における第２のＭＯＳ−ＦＥＴ２２が接合される箇所の下面側等は放熱面を形成するために封止樹脂５１から露出した構造としているが、これに限られず、例えば封止樹脂５１で覆われていても、あるいは図示しない伝熱性絶縁部材で覆ってもよい。さらには、接合材６１〜６６は導電性接着剤であってもよいが、機械的強度の高い材料を用いることが望ましい。
また、封止樹脂５１はエポキシ樹脂の他にセラミック、ガラス等で気密封止するものであってもよい。
１、２ 半導体装置
３ インバータ装置
４ 回転電機
１１ 第１ベース板
１２ 第２ベース板
１２１ 突起部
１３ 電流経路部材
１３１ 突起部
２１ 第１のＭＯＳ−ＦＥＴ
２１１ ドレイン電極
２１２ ソース電極
２２ 第２のＭＯＳ−ＦＥＴ
２２１ ドレイン電極
２２２ ソース電極
３１ 第１のリード
３１１ 屈曲部
３２ 第２のリード
３２１ 屈曲部
５１ 封止樹脂
５２ 間隙部
６１〜６６ 半田
９１ 正電圧供給部材
９２ 負電圧供給部材

Claims (11)

  1. 導電体からなる第１ベース板と、
    前記第１ベース板上に第１電極面が接合材を介して電気的に接合される第１の半導体素子と、
    前記第１ベース板と離間し導電体からなる第２ベース板と、
    前記第１の半導体素子と隣接するとともに、前記第２ベース板上に第１電極面が接合材を介して電気的に接合される第２の半導体素子と、
    前記第１の半導体素子の第２電極面と前記第２ベース板とを接合材を介して電気的に接合する板状金属からなる第１のリードと、
    前記第１および第２ベース板のいずれとも離間し、前記両半導体素子の導通電流を外部に授受するための電流経路部材と、
    前記第２の半導体素子の第２電極面と前記電流経路部材とを接合材を介して電気的に接合する板状部材からなる第２のリードと、
    少なくとも前記各構成部材を封止する封止材と、を備え、
    前記第２ベース板は前記第１および第２のリードよりも剛性が高く、かつ前記第１および第２の半導体素子が対向する方向に間隙部を含むとともに、前記両半導体素子が対向していない方向へ延びる境界線が、前記第１および第２の半導体素子が点対称に配置され、
    前記第１のリードが前記第１の半導体素子との接合部から延在する方向が、前記境界線が延びる一方向であり、かつ、
    前記第２のリードが前記第２の半導体素子との接合部から延在する方向が、前記境界線の延びる他方向で、しかも前記互いの縁在する方向が平行に配置され、前記第２ベース板に
    おける前記境界線と交差する部分の剛性を、他の部分よりも低くしたことを特徴とする半導体装置。
  2. 前記第２ベース板は、前記境界線における間隙部以外の部分と交差することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記第２ベース板における前記境界線と交差する部分に、応力を吸収する屈曲部を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
  4. 前記第２ベース板における前記第１のリードとの接合部、または前記電流経路部材における前記第２のリードとの接合部の少なくともいずれか一方に突起部を設けたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の半導体装置。
  5. 前記第１または第２のリードにおいて、各々形成された前記両接合部の間の部分を、他の部分よりも剛性を低くしたことを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
  6. 前記第１または第２のリードにおいて、各々形成された前記接合部の間の部分に応力を吸収する屈曲部を設けたことを特徴とする請求項４または５に記載の半導体装置。
  7. 前記半導体素子は、ＭＯＳ−ＦＥＴであることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の半導体装置。
  8. 請求項１から７のいずれかに記載の半導体装置を備えたインバータ装置。
  9. 同一平面上かつ同心円状に複数配置された前記半導体装置と、
    前記半導体装置よりも同心円の内側に向かって前記封止材から露出した前記第１ベース板または前記電流経路部材の一部と、
    前記露出した一方の一部と対向するように前記平面上に設けられ、直流電源の一極に接続されるとともに、２以上の前記半導体装置における前記露出した一方の一部とも電気的に接合する一方の電力供給部材と、
    を備えたことを特徴とする請求項８に記載のインバータ装置。
  10. 前記平面に垂直な面を対称面として面対称構造を有し、隣接配置した一対の前記半導体装置と、
    前記平面上の前記半導体装置よりも同心円の外側に設けられ、前記直流電源の他極に接続されるとともに、前記露出した他方の一部とも電気的に接合する他方の電力供給部材と、
    を備え、
    前記露出した他方の一部が前記他方の電力供給部材と電気的に接合される接合部が、前記同心円の中心と前記半導体装置の中心とを結んだ線上からずれた位置で構成されていることを特徴とする請求項９に記載のインバータ装置。
  11. 請求項８から１０のいずれかに記載のインバータ装置を備えた車両用回転電機。
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