JP5975866B2 - 電力用半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力用半導体素子がヒートスプレッダに接合されている電力用半導体装置に関する。

産業機器から家電・情報端末まであらゆる製品に電力用半導体装置が普及しつつあり、家電に搭載される電力用半導体装置については、とくに小型化と高機能化が求められる。また、とくに大電流を流すことができ、高温動作も可能なワイドバンドギャップ半導体材料である炭化珪素（ＳｉＣ）が、シリコン（Ｓｉ）に代わる半導体材料として開発が進められている。

一方、電力用半導体装置としては、放熱性と絶縁性を両立させるため、セラミック基材の回路基板を用いた構造が一般的に採用されているが、セラミック基板は加工が容易ではない。そこで、容易に加工できる絶縁シートを用いてヒートスプレッダと金属ベース板を伝熱接合し、金属ベース板から絶縁されたヒートスプレッダに、電力用半導体素子を直接搭載する構造が検討されている。

特開平５−１６０３０５号公報（段落０００９、００１１、図１、図３）

しかしながら、絶縁シートは、熱伝導率の高いフィラーを熱硬化性樹脂のバインダーに分散させたものであり、所望の性能（放熱性・絶縁性・接着強度）を発揮させるためには、接合工程において所定の荷重をかけた状態で加熱をする必要がある。そのため、ヒートスプレッダと金属ベース板からはみ出た部分には荷重がかからないため、必要とされる絶縁性を得ることが困難となる。つまり、絶縁シートでも、荷重をかける際にはみ出た部分は障壁として機能させることができず、ヒートスプレッダと金属ベース板の実質的な絶縁距離（空間距離）は、絶縁シートの厚さ分しか得られないことになる。この場合、例えば、絶縁シートのはみ出し部分を樹脂によって被覆する手法（例えば、特許文献１参照。）を取り入れることも考えられる。しかし、所定の荷重をかけて得られた絶縁シートに匹敵する絶縁性能を、単に被覆した樹脂で得ることは困難であった。

そのため、空間距離を延ばすためには、絶縁シートを厚く形成する必要があり、熱抵抗が大きくなって、放熱性が阻害される。つまり、絶縁性と放熱性を両立させた信頼性の高い電力用半導体装置を容易に製造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、容易に製造できるとともに、信頼性の高い電力用半導体装置を得ることを目的としている。

本発明の電力用半導体装置は、一方の面に電力用半導体素子が導電接合された第１の金属板と、絶縁シートを介して、前記第１の金属板の他方の面に伝熱接合された第２の金属板と、前記第１の金属板の外周を囲むように設けられ、前記伝熱接合における接合領域に連なり、前記接合領域を囲むように配置された絶縁枠と、を備え、前記絶縁シートは、前記絶縁枠よりも外形が大きく、前記第２の金属板よりも前記外形が小さく、前記絶縁枠の周辺部に前記絶縁シートのはみ出し部が形成され、前記接合領域から前記絶縁枠にかかる所定幅の領域まで延長配置され、前記伝熱接合の際に、前記一方の金属板に加えた力が、前記絶縁シートの前記所定幅の領域の部分にも伝わるように、前記絶縁枠が前記第１の金属板に支持され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、所望の絶縁性能を有する絶縁シートの領域を絶縁枠の部分まで延長させることができるので、絶縁シートの厚みを増大させることなく、絶縁距離を延ばし、絶縁性と放熱性を両立させた信頼性の高い電力用半導体装置を容易に得ることができる。

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製造中の工程ごとの状態を示す断面図である。 比較例として、従来の電力用半導体装置の製造中の工程ごとの状態を示す断面図である。 本発明の実施の形態２にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための製造中の工程ごとの状態を示す断面図である。 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製造中の工程ごとの状態を示す断面図である。

実施の形態１．
図１（ａ）〜（ｃ）は、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製造中の主要な工程ごとの断面を示す模式図であり、図１（ａ）は金属ベース板に絶縁シートを形成するための塗膜が配置されている状態、図１（ｂ）は絶縁枠が設けられたヒートスプレッダを金属ベース板に接合した状態、図１（ｃ）は配線と樹脂による封止を行った状態をそれぞれ示す。また、図２（ａ）と（ｂ）は、比較例にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための製造工程ごとの断面を示す模式図であり、図２（ａ）は金属ベース板に絶縁シートを形成するための塗膜が配置されている状態、図２（ｂ）はヒートスプレッダを金属ベース板に接合した状態をそれぞれ示す。

本実施の形態１にかかる電力用半導体装置１０は、図１（ｂ）に示すように、冷却器に固定するための金属ベース板３と、金属ベース板３に絶縁シート４を介して伝熱接合されたヒートスプレッダ２と、ヒートスプレッダ２に裏面電極を接合された縦型の電力用半導体素子１と、を備えたもので、特徴的な構成としては、ヒートスプレッダ２の外周を囲むように絶縁枠５が設けられており、絶縁シート４による接合時に、絶縁枠５の部分でも金属ベース板３との間で荷重がかけられていることである。以下、詳細に説明する。

図１（ａ）に示すように、金属ベース板３は、厚さ２ｍｍで２０ｍｍ角の銅板製で、図における下側が、図示しない冷却器を取り付けるための面である。その反対側の面である図中上側の面３ｆには、絶縁シート４を形成するための厚さ０．２ｍｍ、１６ｍｍ角の塗膜４Ｂ（絶縁シート４の硬化前の状態）が設置されている。塗膜４Ｂは、エポキシ樹脂のような熱硬化性樹脂を主成分とするバインダーに、熱伝導性のフィラーを分散させたものである。一方、ヒートスプレッダ２は、厚さ２ｍｍで１２ｍｍ角の銅板で形成され、ヒートスプレッダ２の外周（側部２ｓ）を囲むようにエポキシ樹脂で形成された外形が１５ｍｍ角の絶縁枠５が設けられている。これにより、ヒートスプレッダ２は、絶縁枠５を含めると１５ｍｍ×１５ｍｍ×厚さ２ｍｍの平坦な板状に形成され、板状部分のうち、ヒートスプレッダ２部分の中央に、縦型の電力用半導体素子１（シリコン製、厚さ０．２ｍｍ、１０ｍｍ角）の裏面電極が導電接合されている。

上記のように金属ベース板３上の塗膜４Ｂに対して、図１（ｂ）に示すように、電力用半導体素子１を搭載したヒートスプレッダ２を、接合領域２ｊ（＝面２ｆ）を対向させるように位置を合わせて載置する。そして、ヒートスプレッダ２、およびヒートスプレッダ２と一体化した絶縁枠５（と金属ベース板３間）に所定の荷重をかけながら１５０℃まで加熱することで、塗膜４Ｂを構成するエポキシ樹脂に硬化反応が生じ、ヒートスプレッダ２と金属ベース板３間が絶縁シート４を介して伝熱接合される。

つぎに、図１（ｃ）に示すように、電力用半導体素子１の主電極、制御電極、および電力用半導体素子１の裏面電極と導電接合されたヒートスプレッダ２と外部端子７（銅リードフレーム、厚さ０．６ｍｍ）との間をそれぞれワイヤボンド８（アルミニウム製、主電極のような電力系統には直径０．４ｍｍ、制御電極のような制御系統には０．２ｍｍのものを使用）によって配線を行う。最後に、樹脂（エポキシ樹脂、例えば、菱電化成Ｒ４１１）を用いた封止体６により、電力用半導体素子１等の回路部材を含む金属ベース板３の回路面側を封止して電力用半導体装置１０となる。

上記のような絶縁枠５を設けたヒートスプレッダ２と金属ベース板３との組合せを用いた場合、図１（ｂ）に示すように、接合時に金属ベース板３とヒートスプレッダ２との間で所定の荷重がかけられる圧着部４ｐは、絶縁枠５を含めた部分にまでおよぶ。そのため、絶縁シート４のうち、絶縁枠５を含めたヒートスプレッダ２と金属ベース板３との間に位置する圧着部４ｐは、絶縁性、絶縁性、熱伝導性、接着性等において所望の性能を実現させることができる。

一方、このような組合せを用いても、絶縁シート４には、ヒートスプレッダ２からはみ出したはみ出し部４ｍが生じる。このはみ出し部４ｍは、圧力がかけられない状態でバインダーである熱硬化性樹脂の硬化が生じる。そのため、内部に空孔（ポア）が残り、圧着部４ｐ比較すると、絶縁性能が劣り、絶縁距離を計算する上での障壁としては期待できない。さらに、内包する熱伝導性のフィラー間の接触度合も低下するので、放熱性能も劣るようになる。

しかし、本実施の形態のように、ヒートスプレッダ２に、絶縁枠５を設けることにより、障壁（絶縁物）として機能する圧着部４ｐが、面２ｆの延在方向（面方向）において導体部分であるヒートスプレッダ２よりも外側まで延長される。そのため、ヒートスプレッダ２と金属ベース板３との絶縁距離（空間距離：Clearance）において、ヒートスプレッダ２（ポイントＰ２）に対する、金属ベース板３の最接近部は、ヒートスプレッダ２の外周（側部２ｓ）よりも外側に位置する絶縁枠５の最外縁部（側部５ｓ）の直下まで延びた圧着部４ｐの端部（ポイントＰ３）になる。

つまり、ヒートスプレッダ２と金属ベース板３との空間距離は、絶縁シート４の厚さＤｔに、圧着部４ｐのうち、絶縁枠５の下で十分な荷重を受けて硬化した部分の面方向における距離Ｄｐ（＝絶縁枠５の幅）を合わせたものとなる。そのため、絶縁シート４の厚さをシート自体の絶縁に必要な最低限の厚みまで薄くしても、距離Ｄｐを稼ぐことにより、十分な絶縁距離（空間距離）を得ることが可能となる。つまり、取扱いの容易な絶縁シート４を用いても、放熱性と絶縁性を両立させることができる。なお、このような効果を得るためには、絶縁枠５には接合時の加圧に必要とされる機械的な強度があればよく、圧着部４ｐに要求されるような高性能の絶縁性は必要されない。そのため、特別な加工を用いなくとも、ヒートスプレッダ２に容易に絶縁枠５を設けることができる。

一方、従来のように絶縁枠を用いず、ヒートスプレッダ２Ｃ側の金属ベース板３に対向する面２Ｃｆのみで絶縁シート４を金属ベース板３との間に挟む場合の、ヒートスプレッダ２Ｃと金属ベース板３との空間距離について説明する。この場合、図２に示すように、ヒートスプレッダ２Ｃ（ポイントＰ２Ｃ）に対する、金属ベース板３の最接近部は、ともに圧着部４ｐの端部である、面方向におけるポイントＰ２Ｃと同じ位置（ポイントＰ３Ｃ）になる。そのため、ヒートスプレッダ２Ｃと金属ベース板３との空間距離は、絶縁シート４の厚さＤｔ分しかなく、十分な絶縁距離（空間距離）を得るためには、絶縁シート４の厚みを増大させる必要が生じ、放熱性が犠牲となる。

ここで、例えば、塗膜４Ｂをヒートスプレッダ２Ｃよりも小さくし、ヒートスプレッダ２Ｃと金属ベース板３間に絶縁シート４の存在しない隙間を生じさせ、生じた隙間に後から封止体６を構成する樹脂を流し込むことも考えられる。しかし、一般的に封止体６を構成する樹脂は絶縁シート４に比較すると絶縁性が低いため、絶縁シート４の厚さＤｔ分のみが空間距離となる。したがって、この場合にも空間距離を大きくするためには、絶縁シート４を厚く形成する必要があり、熱抵抗が大きくなって放熱性能が低下する。

なお、本実施の形態１にかかる電力用半導体装置１０では、ヒートスプレッダ２や金属ベース板３に銅を用いた例を示したが、アルミニウムや鉄などの熱伝導率の高い金属や、金属導体を有する基板を用いても同様の効果が得られる。また、絶縁枠５の材料としてエポキシ樹脂を用いた例を示したが、これに限ることはない。耐熱性と絶縁性があり、接合時に十分な面圧を塗膜４Ｂにかけることができる材料であれば、ポリイミド樹脂やフッ素樹脂、または窒化アルミや窒化シリコンなどのセラミックを用いてもよい。また、ヒートスプレッダ２にかけた力が、絶縁枠５を通じて絶縁シート４に伝えられるように、絶縁枠５がヒートスプレッダ２に支持されていればよく、必ずしも絶縁枠５がヒートスプレッダ２に接合されていなくともよい。

以上のように本実施の形態１にかかる電力用半導体装置１０によれば、一方の面に電力用半導体素子１が導電接合された第１の金属板であるヒートスプレッダ２と、絶縁シート４を介して、第１の金属板であるヒートスプレッダ２の他方の面２ｆに伝熱接合された第２の金属板である金属ベース板３と、第１の金属板（ヒートスプレッダ２）の、伝熱接合における接合領域２ｊに連なり、接合領域２ｊを囲むように、第１の金属板（ヒートスプレッダ２）の外周を囲むように設けられた絶縁枠５と、を備え、絶縁シート４は、接合領域２ｊから絶縁枠５にかかる所定幅（距離Ｄｐ）の領域まで延長配置され、伝熱接合の際に、第１の金属板（（ヒートスプレッダ２）に加えた力が、絶縁シート４の所定幅（距離Ｄｐ）の領域の部分にも伝わるように、絶縁枠５が第１の金属板（ヒートスプレッダ２）に支持されているように構成したので、伝熱接合の際、絶縁シート４（とくに、熱硬化性樹脂のバインダー中にフィラーを分散させたもの）の所望の絶縁性能を発揮する領域を絶縁枠５で支持された部分まで延長させることができる。そのため、絶縁枠５で支持された距離Ｄｐ分、絶縁距離（空間距離）を延ばすことができるので、絶縁シート４の厚みを増大させる必要がない。その結果、絶縁性と放熱性を両立させた信頼性の高い電力用半導体装置１０を容易に得ることができる。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、ヒートスプレッダの外周をヒートスプレッダと同じ厚さの絶縁枠で囲むようにして構成する例について説明したが、本実施の形態においては、絶縁枠をヒートスプレッダの接合面側から必要な厚み分にわたって設けるようにした。それ以外の構成については、実施の形態１と同様である。

図３（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態２にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための製造中の主要な工程ごとの断面を示す模式図であり、図３（ａ）は金属ベース板に絶縁シートを形成するための塗膜が配置されている状態、図３（ｂ）は絶縁枠が設けられたヒートスプレッダを金属ベース板に接合した状態、図３（ｃ）は配線と樹脂による封止を行った状態をそれぞれ示す。図中、実施の形態１で説明したものと同様のものには同様の符号を付し、説明を省略する。

本実施の形態２にかかる電力用半導体装置１０で使用するヒートスプレッダ２は、図３（ａ）に示すように、外周（側部２ｓ）から所定幅の領域が、金属ベース板３に対向する面２ｆ側から所定深さ削られ、窪み部２ｕが形成されている。そして、窪み部２ｕを埋めるように、絶縁枠５が設けられている。絶縁枠５を設けたヒートスプレッダ２と金属ベース板３との接合を含むその他の構成や製造方法については、実施の形態１と同様である。

この場合も、ヒートスプレッダ２の接合領域２ｊに連なって、接合領域２ｊを囲むように、所定幅の絶縁枠５が設けられているので、障壁（絶縁物）として機能する圧着部４ｐが、接合領域２ｊ（ヒートスプレッダ２の面２ｆ側の露出した部分＝導体部分）よりも外側の絶縁枠５の領域まで延長している。そのため、ヒートスプレッダ２と金属ベース板３との空間距離において、ヒートスプレッダ２（ポイントＰ２）に対する、金属ベース板３の最接近部は、ヒートスプレッダ２の最外縁部（側部２ｓ）の直下まで延びた圧着部４ｐの端部（ポイントＰ３）になる。

つまり、ヒートスプレッダ２と金属ベース板３との空間距離は、絶縁シート４の厚さＤｔに、圧着部４ｐのうち、絶縁枠５と金属ベース板３とで挟まれて十分な荷重を受けて硬化した部分の面方向における距離Ｄｐをあわせたものとなる。そのため、放熱性を得るために絶縁シート４の厚さを薄くしても、距離Ｄｐを稼ぐことにより、十分な絶縁距離（空間距離）を得ることが可能となる。

なお、窪み部２ｕの深さがＤｐよりも浅い場合は、最接近部はＰ２ｕとなり、空間距離はＤｔと窪み部２ｕの深さの和となる。つまり、窪み部２ｕは、側部２ｓと金属ベース板３に対向する面２ｆとの交差部分Ｐｘ_２（図３（ａ））から少なくとも空間距離として確保したい距離（厳密にはそこからＤｔ分を引いた値）に相当する深さに削られている必要がある。ただし、窪み部２ｕは、図示したような矩形に限ることなく、例えば、交差部分Ｐｘ_２を中心とする空間距離として確保したい距離を半径とする円弧状に形成するようにしてもよい。

以上のように、本実施の形態２にかかる電力用半導体装置１０によれば、一方の面に電力用半導体素子１が導電接合され、他方の面２ｆ側の外周（側部２ｓに沿って）に窪み（窪み部２ｕ）が形成された第１の金属板であるヒートスプレッダ２と、（熱硬化性樹脂のバインダーにフィラーを分散させた）絶縁シート４を介して、第１の金属板（ヒートスプレッダ２）の他方の面２ｆに伝熱接合された第２の金属板である金属ベース板３と、第１の金属板（ヒートスプレッダ２）の、伝熱接合における接合領域２ｊに連なり、接合領域２ｊを囲むように、第１の金属板（ヒートスプレッダ２）の窪み（窪み部２ｕ）に設けられた絶縁枠５と、を備え、絶縁シート４は、接合領域２ｊから絶縁枠５にかかる所定幅（距離Ｄｐ）の領域まで延長配置され、伝熱接合の際に、第１の金属板（ヒートスプレッダ２）に加えた力が、絶縁シート４の所定幅（距離Ｄｐ）の領域の部分にも伝わるように、絶縁枠５が第１の金属板（ヒートスプレッダ２）に支持されているように構成したので、伝熱接合の際に、絶縁シート４の所望の絶縁性能を発揮する領域を絶縁枠５で支持された部分まで延長させることができる。そのため、絶縁枠５で支持された距離Ｄｐ分、絶縁距離（空間距離）を延ばすことができるので、絶縁シート４の厚みを増大させる必要がない。その結果、絶縁性と放熱性を両立させた信頼性の高い電力用半導体装置を容易に得ることができる。

実施の形態３．
上記実施の形態１、２では、ヒートスプレッダに絶縁枠を設ける例について説明したが、本実施の形態においては、ヒートスプレッダよりも面積が大きな金属ベース板に絶縁枠を設けるようにした。それ以外の構成については、上述した各実施の形態と同様である。

図４（ａ）〜（ｃ）は、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製造中の主要な工程ごとの断面を示す模式図であり、図４（ａ）は絶縁枠が設けられた金属ベース板に絶縁シートを形成するための塗膜が配置されている状態、図４（ｂ）はヒートスプレッダを金属ベース板に接合した状態、図４（ｃ）は配線と樹脂による封止を行った状態をそれぞれ示す。図中、実施の形態１で説明したものと同様のものには同様の符号を付し、説明を省略する。

本実施の形態３にかかる電力用半導体装置１０で使用するヒートスプレッダ２には、絶縁枠５は設けられていない。そして、ヒートスプレッダ２よりも面積の広い金属ベース板３の方に、図４（ａ）に示すように、ヒートスプレッダ２に対向する面３ｆに溝３ｃを形成し、形成した溝３ｃを埋めるように絶縁枠５が設けられている。

溝３ｃの面方向における形状は、ヒートスプレッダ２の輪郭（本実施の形態では１２ｍｍ角の四角形）対応した形状として、輪郭（四角形）の各辺から内側と外側に向かって後述する必要な幅を確保できる形状とし、深さも必要な深さを有している。具体的には、面方向における形状が、外寸１３ｍｍｍ×１３ｍｍ、内寸１１ｍｍ×１１ｍｍ、深さ１．０ｍｍとしている。そして、溝３ｃを埋めるように、エポキシ樹脂を流し込んで表面を平坦にすることで、絶縁枠５が設けられている。ヒートスプレッダ２と金属ベース板３との接合を含むその他の構成や製造方法については、上記実施の形態１と同様である。

この場合、ヒートスプレッダ２と金属ベース板３とを比べると、金属ベース板３の面積の方が大きい。しかし、接合領域２ｊ、３ｊの面積を比べると、溝３ｃが設けられた金属ベース板３の方が小さい。つまり、絶縁性について考慮すると、金属ベース板３の面方向における形状は、ヒートスプレッダ２への対向面３ｆのうち、溝３ｃの内側の領域３ｆｉとみなすことができる。

したがって、本実施の形態３においても、上記実施の形態１および２と同様に、接合する２つの金属板（ヒートスプレッダ２、金属ベース板３）のうち、伝熱接合の際の接合領域２ｊ、３ｊの面積が小さな方の金属板（金属ベース板３）に対して、接合領域３ｊに連なり、接合領域３ｊを囲むように絶縁枠５を設けたことになる。これにより、障壁（絶縁物）として機能する圧着部４ｐが、接合領域３ｊ（溝３ｃよりも内側の領域３ｆｉ）から絶縁枠５の領域まで延長している。そのため、ヒートスプレッダ２と金属ベース板３との空間距離において、図４（ｂ）に示すように、金属ベース板３（ポイントＰ３）に対して、ヒートスプレッダ２の最接近部は、圧着部４ｐの端部（ポイントＰ２）に位置することになる。

つまり、ヒートスプレッダ２と金属ベース板３との空間距離は、絶縁シート４の厚さＤｔに、圧着部４ｐのうち、絶縁枠５の下で十分な荷重を受けて硬化した部分の面方向における距離Ｄｐをあわせたものとなる。そのため、放熱性を得るために絶縁シート４の厚さを薄くしても、距離Ｄｐを稼ぐことにより、十分な絶縁距離（空間距離）を得ることが可能となる。また、本実施の形態では、絶縁枠５が、ヒートスプレッダ２に設けられた場合と較べて、熱源である電力用半導体素子１から遠い位置に設けられることになるので、放熱性への影響がより少なくなる。

ただし、上述した空間距離を延長する効果は、金属ベース板３の溝３ｃの底部および、溝３ｃよりも外側の導体部分３ｆｘ（ポイントＰ３ｂおよびポイントＰ３ｘ）が、ヒートスプレッダ２から必要な分だけ距離をあけていることを前提としている。なお、ヒートスプレッダ２（ポイントＰ２）と溝３ｃの底部（ポイントＰ３ｂ）間の空間距離は、絶縁シート４の厚みＤｔと溝３ｃの深さの和で計算できる。一方、ヒートスプレッダ２（ポイントＰ２）と溝３ｃの外側の導体部分（ポイントＰ３ｘ）間は、障壁として機能する絶縁性能を有するだけの絶縁物がなく、水平方向の距離と垂直方向の距離の和で空間距離を計算することはできない。つまり、空間距離は、ポイントＰ３ｘとポイントＰ２の最短距離となり、絶縁シート４の厚みＤｔの２乗とＰ２からの面方向における距離Ｄｐｘの２乗の和の平方根（＝（Ｄｔ^２＋Ｄｐｘ^２）^１／２）となる。そのため、同じ空間距離を得るために必要な大きさは、Ｄｐｘの方がＤｐよりも大きくなる。

一方、絶縁枠５については、図に示したように溝３ｃ全体を埋めるように設ける必要はなく、面方向におけるヒートスプレッダ２の輪郭（側部２ｓ）に対応する位置ＰＸ_３（図４（ｂ））よりも内側の部分が埋まっていればよい。ＰＸ_３よりも内側、つまりヒートスプレッダ２の輪郭の内側の部分は、圧着部４ｐをヒートスプレッダ２の最外縁部（側部２ｓ）の直下まで延ばすために必要である。しかし、ＰＸ_３よりも外側の部分は単に金属ベース板３の導体部分３ｆｘ（ポイントＰ３ｘ）をヒートスプレッダ２（ポイントＰ２）から遠ざけるためであり、接合時に絶縁シート４に荷重をかける必要がないからである。そのため、この部分については、封止体６の樹脂で満たすようにしても、空間のままでもよい。

以上のように、本実施の形態３にかかる電力用半導体装置１０によれば、一方の面に電力用半導体素子１が導電接合された第１の金属板であるヒートスプレッダ２と、（熱硬化性樹脂のバインダーにフィラーを分散させた）絶縁シート４を介して、第１の金属板（ヒートスプレッダ２）の他方の面２ｆに伝熱接合され、第１の金属板（ヒートスプレッダ２）に対向する面３ｆには、第１の金属板（ヒートスプレッダ２）の面２ｆの延在方向における輪郭をなぞるように溝３ｃが形成された第２の金属板である金属ベース板３と、第２の金属板（金属ベース板３）の、伝熱接合における接合領域３ｊに連なり、接合領域３ｊを囲むように、溝３ｃのうち、少なくとも輪郭の内側に対応する部分を埋めるように設けられた絶縁枠５と、を備え、絶縁シート４は、接合領域３ｊから絶縁枠５にかかる所定幅（距離Ｄｐ）の領域まで延長配置され、伝熱接合の際に、第２の金属板（金属ベース板３）に加えた力が、絶縁シート４の所定幅（距離Ｄｐ）の領域の部分にも伝わるように、絶縁枠５が第２の金属板（金属ベース板３）に支持されているように構成したので、伝熱接合の際、絶縁シート４の所望の絶縁性能を発揮する領域を絶縁枠５で支持された部分まで延長させることができる。そのため、絶縁枠５で支持された距離Ｄｐ分、絶縁距離（空間距離）を延ばすことができるので、絶縁シート４の厚みを増大させる必要がない。その結果、絶縁性と放熱性を両立させた信頼性の高い電力用半導体装置を容易に得ることができる。

なお、上記各実施の形態においては、絶縁枠５の表面は、ヒートスプレッダ２または金属ベース板３の表面（面２ｆ、３ｆ）と同一面内で連なるように形成している。これは、絶縁シート４の圧着部４ｐ全体が一様に形成され、絶縁破壊の原因となる局所的な性能変化を有する部分の発生を低減するための好適な条件である。しかし、絶縁破壊の原因とならない程度の多少の段差や傾きは許容できることは言うまでもない。

また、熱的な設計において、一般的には、ヒートスプレッダよりも金属ベース板の面積の方が大きい。しかしながら、ヒートスプレッダの方が金属ベース板よりも面積が大きな場合や双方が同程度の面積の場合も存在する。その場合、上述した各実施の形態における絶縁枠を設ける対象を入れ替えればよい。そして、面積の小さな接合領域（実施の形態１２の接合領域２ｊ、実施の形態３の接合領域３ｊ）に連なり、接合領域を囲むように絶縁枠５を設けるようにすれば、所望の絶縁性能を有する絶縁シート４の領域（圧着部４ｐ）を延ばすことができ、絶縁シート４の厚みを増大させることなく、空間距離を延ばすことが可能となる。

以上のように、上記各実施の形態にかかる電力用半導体装置１０によれば、一方の面に電力用半導体素子１が導電接合された第１の金属板であるヒートスプレッダ２と、絶縁シート４を介して、第１の金属板（ヒートスプレッダ２）の他方の面２ｆに伝熱接合された第２の金属板である金属ベース板３と、第１の金属板（ヒートスプレッダ２）および第２の金属板（金属ベース板３）のうち、一方の金属板の、伝熱接合における接合領域（２ｊまたは３ｊのうち面積の小さい方）に連なり、一方の金属板の接合領域を囲むように設けられた絶縁枠５と、を備え、絶縁シート４は、一方の金属板の接合領域から絶縁枠５にかかる所定幅（距離Ｄｐ）の領域まで延長配置され、伝熱接合の際に、一方の金属板に加えた力が、絶縁シート４の所定幅（距離Ｄｐ）の領域の部分にも伝わるように、絶縁枠５が一方の金属板に支持されているように構成した。そのため、伝熱接合の際、絶縁シート４の所望の絶縁性能を発揮する領域を絶縁枠５で支持された部分まで延長させることができる。つまり、絶縁枠５で支持された距離Ｄｐ分、絶縁距離（空間距離）が延長されるので、絶縁シート４の厚みを増大させる必要がない。その結果、絶縁性と放熱性を両立させた信頼性の高い電力用半導体装置を容易に得ることができる。

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）として機能する電力用半導体素子１には、シリコンウエハを基材とした一般的な素子について説明した。しかし、本発明においては炭化ケイ素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料、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用い、電流許容量および高温動作が可能な電力用半導体素子を用いた場合に、特に顕著な効果が現れる。とくに炭化ケイ素を用いた電力用半導体素子に好適に用いることができる。

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電力用半導体素子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、ヒートスプレッダの放熱フィンの小型化や、水冷部の空冷化も可能となるので、電力用半導体装置の一層の小型化が可能になる。

このとき、本発明を適用すれば、金属ベース板３とヒートスプレッダ２間の放熱性を阻害することなく、十分な絶縁距離を保つことができるので、絶縁性と放熱性を両立させた信頼性の高い電力用半導体装置１０を容易に製造することができる。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、縦型半導体素子としては、例えば、スイッチング素子であれば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、あるいは、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect-Transistor）等が適用できる。

１：電力用半導体素子、 ２：ヒートスプレッダ（第１の金属板）、 ３：金属ベース板（第２の金属板）、 ４：絶縁シート、 ５：絶縁枠、 ６：封止体（封止樹脂）、 ７：リードフレーム、 ８：ワイヤボンド、 １０：電力用半導体装置、 ２ｆ：ヒートスプレッダの金属ベース板に対向する面、 接合領域２ｊ：ヒートスプレッダの伝熱接合における接合領域、 ２ｕ：窪み部、 ３ｃ：溝、 ３ｆ：金属ベース板のヒートスプレッダに対向する面、 ３ｊ：金属ベース板の伝熱接合における接合領域、 ４ｍ：はみ出し部、 ４ｐ：圧着部、
Ｄｐ：（面方向における）距離、 Ｄｔ：絶縁シートの厚み、 Ｐ２：ヒートスプレッダの金属ベース板に対する空間距離における最接近部、 Ｐ３：金属ベース板のヒートスプレッダに対する空間距離における最接近部。

Claims (5)

1. 一方の面に電力用半導体素子が導電接合された第１の金属板と、
   絶縁シートを介して、前記第１の金属板の他方の面に伝熱接合された第２の金属板と、
   前記第１の金属板の外周を囲むように設けられ、前記伝熱接合における接合領域に連なり、前記接合領域を囲むように配置された絶縁枠と、を備え、
   前記絶縁シートは、前記絶縁枠よりも外形が大きく、前記第２の金属板よりも前記外形が小さく、前記絶縁枠の周辺部に前記絶縁シートのはみ出し部が形成され、前記接合領域から前記絶縁枠にかかる所定幅の領域まで延長配置され、前記伝熱接合の際に、前記一方の金属板に加えた力が、前記絶縁シートの前記所定幅の領域の部分にも伝わるように、前記絶縁枠が前記第１の金属板に支持されていることを特徴とする電力用半導体装置。
2. 前記絶縁シートは、熱硬化性樹脂のバインダーにフィラーを分散させたものであることを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
3. 前記第１の金属板の前記第２の金属板に対向する面の外周には、前記絶縁枠を設けるための窪みが形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電力用半導体装置。
4. 前記電力用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３のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
5. 前記ワイドバンドギャップ半導体材料は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料、およびダイヤモンド、のうちのいずれかであることを特徴とする請求項４に記載の電力用半導体装置。

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