JP6072626B2

JP6072626B2 - 電力用半導体装置

Info

Publication number: JP6072626B2
Application number: JP2013133335A
Authority: JP
Inventors: 範之別芝; 中島　泰; 泰中島; 石井　隆一; 隆一石井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-06-26
Filing date: 2013-06-26
Publication date: 2017-02-01
Anticipated expiration: 2033-06-26
Also published as: JP2015008242A

Description

この発明は、電力用半導体装置に関し、特に、絶縁基板を構成するセラミック層の周縁に枠部材を設けて樹脂封止した電力用半導体装置に関する。

近年、環境問題に対する意識の高まりから、電力用半導体装置が一般産業用途、電鉄用途のみならず車載用途にも広く使用されるようになった。特に車載用部品は限られた許容サイズの中で各部品を小さく、軽くすることが車両の性能に直結することから、電力用半導体装置に対してもサイズの縮小化が非常に重要な課題になっている。

例えばＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3、Ｓｉ3Ｎ4などの絶縁性セラミック基板の両面に、ＣｕもしくはＡｌの導体層を、ろう付けもしくは拡散接合により固着した、いわゆるＤＢＣ基板（Direct Bonded Copper 基板：登録商標）もしくはＤＢＡ基板（Direct Brazed Aluminum 基板：登録商標）を用いる電力用半導体装置が広く知られている（例えば特許文献１、２）。パワー半導体素子は、このＤＢＣ基板もしくはＤＢＡ基板に設けられたダイパッドに搭載する。電極は、パワー半導体素子の電極面およびＤＢＣ基板（もしくはＤＢＡ基板）のダイパッドを有する面から取り出される。取り出された電極を一体化させ、トランスファーモールドで樹脂封止を行う。

この時、絶縁基板の両面に固着された導体層の間には沿面放電を防止するために電力用半導体装置の使用電圧に応じて一定の距離を確保する必要がある。沿面放電距離は使用雰囲気環境による汚染度で規定されるため、製品サイズに応じて導体層の汚染度を決める。製品サイズを少しでも小さくする必要がある場合には、導体層の沿面放電箇所に相当する部分を樹脂で覆うことで汚染度が低い状態とする。具体的な封止手段としてトランスファーモールドで導体層の沿面放電箇所を全て覆う。樹脂はセラミック層の外周まで欠陥なく充填させる。セラミック層には、樹脂が外周部の全体に行き渡るようにセラミック層の外側に一定の距離（余白）を確保する。

電極まで一体化させた絶縁基板をトランスファーモールドする際には、絶縁基板に沿って凹みを設けた下金型と樹脂封止の高さを決める上金型とを使用する方法が一般的である。封止用の樹脂は両金型の側面から注入する。この時、電極を封止樹脂の外部へ取り出す必要がある。トランスファーモールドでは１００気圧もの加圧力を仕掛品に印加する。封止樹脂の側面から電極を取り出す構成としておけば、電極を上下方向に加圧出来る。電極と金型の隙間は最小限に抑えられ、樹脂バリ発生などの品質問題を防ぐことが出来る。この時、電極は側面から取り出されるため、電力用半導体装置の平面方向に距離（長さ）を確保する。

トランスファーモールドで半導体モジュールの上面方向から電極を取り出す構成とした電力用半導体装置も知られている（例えば特許文献３）。ここでは外部接続電極の外周を覆うように金型には凹み形状を設けている。ところが外部接続電極と金型の凹み部の寸法関係が、電極よりも金型が大きい場合には樹脂が溢れ出すことが想定される。電極には樹脂が付着して外部接続が出来なくなる。また電極よりも金型が小さい場合には、型締め時に上金型と下金型が一致するまで型締めを行うことが出来ない。モジュールの側面から樹脂が溢れて所望の形状が得られないことが想定される。

特開2011-172483号公報特開2006-351737号公報特開2009-059812号公報

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、固着層の疲労耐久性を維持しつつ、沿面放電の防止効果を向上するという課題を解決することを目的にするものである。

本発明に関わる第１の電力半導体装置は、第１主面と第２主面を有し、第１主面には外周に第１余白部を残して第１の導体層が接合され、第２主面には外周に第２余白部を残して第２の導体層が接合されている絶縁性のセラミック層と、取付け面に第１の導体層が接合されている放熱部材と、第２の導体層に接合されている電力用半導体素子と、電力用半導体素子に接合されている第１電極と、第２の導体層に接合されている第２電極と、外壁部と縮口部を有し、セラミック層の側面が外壁部と接着されている絶縁性の枠部材と、枠部材の内側に充填されている封止樹脂とを備えている。第１電極と第２電極は、先端部が封止樹脂の表面から外部に延出し、セラミック層の第１余白部は、枠部材の縮口部と接着されていて、セラミック層の第２余白部は、封止樹脂と当接しているものである。

電力用半導体装置において、絶縁基板の両面に固着された導体層に起こる沿面放電を防止する効果が向上し、サイズの縮小化が可能になる。

本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置を示す断面図である。本発明の実施の形態１に係る絶縁基板を示す断面図である。本発明の実施の形態２に係る電力用半導体装置を示す断面図である。本発明の実施の形態３に係る電力用半導体装置を示す断面図である。本発明の実施の形態４に係る電力用半導体装置を示す断面図である。本発明の実施の形態５に係る電力用半導体装置を示す断面図である。本発明の実施の形態５に係る絶縁基板を示す断面図である。本発明の実施の形態６に係る電力用半導体装置を示す断面図である。本発明の実施の形態７に係る電力用半導体装置を示す断面図である。本発明の実施の形態８に係る電力用半導体装置を示す断面図である。本発明の実施の形態９に係る電力用半導体装置を示す断面図である。

以下に本発明にかかる電力用半導体装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。

実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る電力用半導体装置の断面図である。電力用半導体装置１００は、半導体モジュール３１と放熱部材１３を第３の固着層１４により接合する構成となっている。絶縁基板３０は下面導体層１、セラミック層２および上面導体層３からなる。放熱部材１３は、フィン部１３ａと本体部１３ｂからなる。電力用半導体素子５は絶縁基板３０に搭載されている。具体的には上面導体層３に第１の固着層４により複数の電力用半導体素子５が接合されている。セラミック層２の材料としては、ＡｌＮ、Ｓｉ3Ｎ4、Ａｌ2Ｏ3などの絶縁性があり、熱伝導性の高い材料が好適である。放熱部材１３は、取付け面１３ｃを有する。

図２は、絶縁基板３０の構成を示している。セラミック層２には下面導体層１および上面導体層３が形成されている。セラミック層２の外周には、下面側余白２ａと上面側余白２ｂが設けられている。セラミック層２は、側面２ｃを有し、厚みが０．３ｍｍから１ｍｍ程度のものが産業的に用いられている。上面導体層３および下面導体層１は、絶縁基板３０の面積よりも小さい、例えばＣｕ、Ａｌ、ＣｕとＡｌの積層体などで構成できる。上面導体層３と下面導体層１の厚みはおおよそ０．２ｍｍ〜１ｍｍ程度である。両導体層の厚みは、厚ければ電力用半導体素子５からの放熱性が高まるが、厚ければ厚いほどセラミック層２に対する熱応力が大きくなる。

電力用半導体素子５の破壊を防止するためにはマージンを大きく確保する必要があり、多くの場合、０．３ｍｍ程度の厚さのものが用いられている。枠部材１２は、外壁部１２ａと縮口部１２ｂを有している。絶縁基板３０と枠部材１２は接着固定される。接着する際には、絶縁基板３０を枠部材１２の上方から挿入（または圧入）する。縮口部１２ｂの基準面１２ｅおよび基準面１２ｅに連なる外壁部１２ａの底部に接着剤を塗布しておく方法が有効であるが、セラミック層２の側面２ｃおよび下面側余白２ａを中心に接着剤を塗布してから枠部材１２に挿入する方法も可能である。

第１の固着層４には、例えば、はんだ、Ａｇ導体、Ｃｕ導体などの導電性があり機械的な固着が可能な金属系の物質が用いられる。この場合、Ａｇ導体など高融点の材料を用いることで電力用半導体素子５の動作温度が高まったときの固着層の信頼性を高めることができる。電力用半導体素子５の材料としては通常Ｓｉが用いられるが、ＧａＮやＳｉＣなど高温動作可能な素材を用いてもよい。そのような高温動作可能な材料を用いるほうが電力用半導体装置１００の全体の小型化が可能となり好適である。

電力用半導体素子５は、珪素（Ｓｉ）によって形成したものの他、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成したものも好適に使用することができる。ワイドバンドギャップ半導体としては、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドなどがある。ワイドバンドギャップ半導体を用いた場合、許容電流密度が高く、電力損失も低いため、電力用半導体素子５を用いた装置の小型化が可能となる。

上面導体層３の上面から電極７と電極９が上方に向かって取り出されている。電極７と電極９は上面導体層３に第１の固着層４により接合されている。電力用半導体素子５の上面からは電極８が上方に向かって取り出されている。電極８は複数の電力用半導体素子５に第２の固着層６により接合されている。電極７〜電極９は上方向に露出しており、電極部を構成している。電極７〜電極９の材料は例えばＣｕやＣｕ合金などの電気伝導性が高く産業的に使いやすい材料が好適である。

本実施の形態では電力用半導体素子５が二つの例を示している。これは例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor ）やＭＯＳＦＥＴ（ Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor ）などのスイッチング素子と、ＦｗＤｉ（ Free Wheeling Diode ）のような受動素子との組み合わせを示している。このような素子はセットで用いられるのが通常であるが、１セットである必要はなく、２セットや３セットであっても同様の効果を発揮できる。

電極８には電力用半導体素子５の表面で発生した熱を外部電極や周囲の第１の封止樹脂１１に拡散させる働きがある。電極８は熱伝導率が高いことも必要であるため、Ｃｕの適用が効果的である。電力用半導体素子５の上面から取り出される信号配線１０は、電力用半導体素子５が実装されていない上面導体層３と電気的に接続される。第２の固着層６の材料としては、はんだ、Ａｇ、Ｃｕ、または導電性のＣｕＳｎ合金などの電気導電性のある材料が好適である。本実施の形態では、電極７と電極９の固着に使用する第１の固着層４に第２の固着層６と同じ素材を用いているが、導電性と所定の信頼性を確保できるのであれば、他の材質でもかまわない。

第２の固着層６は電力用半導体素子５に直接接する場所に配置されているため、高融点であることが好ましい。金属は再結晶温度以上で使用していると、結晶粒界が拡散により移動して結晶粒が粗大化し、金属疲労に対して弱くなる。はんだなどの低融点材料は産業的には接合時の加熱温度が低いため使いやすいが、長期信頼性の観点で接合時は低融点で接合中に融点が上昇するＡｇシンター材、Ｃｕシンター材、ＣｕＳｎシンター材などの適用を検討している。

電極８には例えば０．２ｍｍ〜１ｍｍ程度の厚さの金属が用いられる。電極８は、厚さが大きいほど電力用半導体素子５への熱応力が大きくなるため、あまり厚くすることはできない。逆に電極８の厚みが薄いと通電時のオーム抵抗による抵抗発熱が大きくなるため、適切な厚みの選択が必要である。電極８には必要に応じて応力低減のために穴をあけるなどして見掛けの剛性をさげて熱応力を低減する手法などを用いることが好ましい。これらの各電極が実装された絶縁基板３０の縁、及び絶縁基板３０の下面導体層１を覆うように枠部材１２が固着されている。

枠部材１２の内側は、外壁部１２ａよりも低い高さまで第１の封止樹脂１１で充填されている。第１の封止樹脂１１で電力用半導体素子５と各固着層を覆うことで半導体モジュール３１を構成している。各電極は先端部が外部電極と接続出来るように第１の封止樹脂１１の表面から露出させている。枠部材１２の材料としては射出成型可能で耐熱性の高い樹脂材料が用いられる。例えばＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、液晶樹脂、フッ素系樹脂などが好適である。第１の封止樹脂１１には例えばエポキシ系の接着剤もしくはポッティング材が用いられる。半導体モジュール３１は放熱部材１３の取付け面１３ｃに第３の固着層１４によって接合されている。

放熱部材１３としてはＡｌ、Ｃｕ，ＣｕＭｏ合金、ＳｉＣＡｌなどが用いられている。熱伝導率が高い材料であることが重要であるが、絶縁基板３０などの電力用半導体素子５を搭載した部分と放熱部材１３の間の線膨張係数の差が大きいと、第３の固着層１４の耐久性の成立が難しくなるため、線膨張係数の小さいＣｕＭｏやＳｉＣＡｌが高信頼を要求する製品では用いられている。第３の固着層１４としては、放熱性が高く長期劣化の少ない材料が好適であるが、電力用半導体素子５から温度的な隔たりが大きいため、はんだなども十分実用に耐えうる。より高温での耐久性が達成できるＡｇシンター材、Ｃｕシンター材、ＣｕＳｎシンター材も同様に利用可能である。

電力用半導体装置１００は一般産業用、電鉄用のみならず車載用にも広く使用されるようになっている。特に車載用においては限られた許容サイズの中で各部品を小さく、軽くすることが車両性能に直結することから、電力用半導体装置においてもサイズ縮小化は非常に重要な課題である。本実施の形態において、電力用半導体装置１００のサイズを決定する設計要因は、装置に必要な電流量を耐熱上限温度範囲内で使用出来るように電力用半導体素子５から放熱部材１３まで積層体の熱抵抗を決定し、使用範囲内に収めることである。

放熱部材１３は空冷方式の放熱部材または水冷方式の放熱部材とがある。放熱部材１３が電気的に導通する経路となると、特に水冷方式の場合は放熱部材からラジエターなどの周辺機器にも電気的な経路が生まれる。放熱部における絶縁性を保証するため、放熱部材１３は、電力用半導体装置１００の中で、電気的に絶縁されている必要が生じる。電気的絶縁に用いられる部材として、セラミック層の両側に導体層が固着された絶縁基板や、絶縁性のあるフィラーを含有した絶縁樹脂シートなどがある。

絶縁基板または絶縁樹脂シートのどちらを選定するかの判断材料として、電力用半導体装置のサイズが大きく影響する。一般的にセラミック層をもつ絶縁基板の方が高熱伝導である。熱伝導率は、ＡｌＮで１７０Ｗ/ｍＫ、Ｓｉ3Ｎ4で９０Ｗ/ｍＫと言われている。絶縁樹脂シートは一般的に熱伝導率が１Ｗ/ｍＫ以下の樹脂中に熱伝導フィラーを含有させているので、６〜１２Ｗ/ｍＫ程度の放熱性を得ることが出来る。絶縁樹脂シートを採用すると、放熱性を向上させるために平面方向のサイズを大きくする、または絶縁樹脂シートの厚みを薄くするという対策が必要である。

絶縁樹脂シートの厚みを薄くすると放熱性は向上するが、絶縁性を確保するためには一定の厚みの確保が必要である。この方法では限界があるため、絶縁樹脂シートを採用し放熱性を向上させようとすると平面方向に熱拡散させるという手段を取らざるを得ない。一方でセラミック層をもつ絶縁基板を採用すると、セラミック層が高熱伝導であり、更に導体層に銅（３９８Ｗ/ｍＫ）やアルミニウム（１８０Ｗ/ｍＫ）を固着させることが可能であるため、絶縁樹脂シートよりも放熱性が良好である。電力用半導体素子から発生する熱を放熱部材に向かってより小さい面積で処理することが出来るので、電力用半導体装置のサイズを縮小することが実現出来る。

電力用半導体装置では、部材間の固着層の信頼性を確保しなければならない。接合部の信頼性を決める要因は、被接合材料間の線膨張係数差による熱応力、及び固着層材料の厚みとヤング率である。本実施の形態における線膨張係数差について説明する。第１の固着層４に関わる部材として、電力用半導体素子５の線膨張係数は、例えば珪素であれば２．５ｐｐｍ/Ｋ、炭化珪素であれば４．５ｐｐｍ/Ｋである。一方で絶縁基板３０は、セラミック層２が窒化アルミニウムであれば４．６ｐｐｍ/Ｋ、窒化珪素であれば３．０ｐｐｍ/Ｋである。上面導体層３と下面導体層１は銅やアルミニウムなどの金属で構成され、その線膨張係数は銅であれば１８ｐｐｍ/Ｋ、アルミニウムであれば２３ｐｐｍ/Ｋとなる。セラミック層２と上面導体層３及び下面導体層１とが固着されているものとみなすと、絶縁基板３０の線膨張係数は厚みの比率に依存するが一般的に８〜１２ｐｐｍ/Ｋとなる。すなわち、第１の固着層には最大で９．５ｐｐｍ/Ｋもの線膨張係数差による熱応力がかかる。

第２の固着層６に関わる部材として、電力用半導体素子５と電極８が存在する。電力用半導体素子５の線膨張係数は例えば珪素であれば２．５ｐｐｍ/Ｋ、炭化珪素であれば４．５ｐｐｍ/Ｋである。電極８は一般的に銅やアルミニウムなどの金属で構成され、その線膨張係数は、銅であれば１８ｐｐｍ/Ｋ、アルミニウムであれば２３ｐｐｍ/Ｋとなる。すなわち、第２の固着層６は、最大で１９．５ｐｐｍ/Ｋもの線膨張係数差による熱応力がかかる。これらの熱応力の低減のため第１の封止樹脂１１を用いている。線膨張係数が１０ｐｐｍ/Ｋで、弾性率が１０ＭＰａ程度の封止樹脂が実用的に入手可能である。

このようなきわめて低い線膨張係数の封止樹脂の場合の課題としては、枠部材１２との線膨張係数差により、枠部材１２と第１の封止樹脂１１との間に隙間が開くことが挙げられる。この開きの防止のためには枠部材１２の厚みを小さくする事があげられる。この場合の背反として、温度変化により枠部材１２と絶縁基板３０の間に隙間が開くという懸念がある。すなわちＰＰＳなどの線膨張係数は２０ｐｐｍ/Ｋ程度であるのに対し、絶縁基板３０の線膨張係数はトータルで１０ｐｐｍ/Ｋ程度である。このため１００℃程度の温度変化が５０ｍｍ四方程度の絶縁基板３０に与えられると隙間が発生することが想定される。これを防止するため、本実施の形態では枠部材１２は外壁部１２ａに連なる縮口部１２ｂを有する。縮口部１２ｂは、下面導体層１の外側領域（下面側余白２ａ）と接着している。

セラミック層２の側面２ｃは、外壁部１２ａと接着している。セラミック層２の各導体層からの露出部（上面側余白２ｂ）は樹脂で覆われていて、封止樹脂１１と当接している。枠部材１２と絶縁基板３０の伸び縮みの差が生じても縮口部１２ｂの基準面１２ｅの幅の分だけ枠部材１２が追従するため、第１の封止樹脂１１がはがれるなどの不具合を防止できる。またセラミック層２への接着面積も（セラミック層２の厚み＋縮口部１２ｂの幅）と広げることができるため接着強度を高くとることができる。セラミック層２の各導体層との隙間部及びセラミック層の厚みの合計が上面導体層３と下面導体層１の間の絶縁距離となる。本実施の形態では枠部材１２に段差を設けてセラミック層２に接着したため、内部絶縁距離を確保できた。

枠部材１２の段差（縮口部１２ｂ）の高さは下面導体層１と同じ高さにすることが望ましい。こうすることで、第３の固着層１４を接合する時の作業の容易性が高まる。なぜならセラミック層２などは第１の封止樹脂によって見えなくなっており高さが不明であるからである。このため枠部材１２を用いて第３の固着層１４での接合時の位置決めを行うことになる。産業的にはこの枠部材１２を用いて位置制御することが容易で、枠部材の高さで制御するのが最も簡便である。枠部材の段差の高さを下面導体層１よりも低くする事も以下の有効性がある。第３の固着層１４が、下面導体層１の側面にも接合され、第３の固着層の周囲部の厚みを大きくすることができる。熱歪は厚みが大きいほどが小さくなるため第３の固着層の周囲部の熱歪が緩和され長期信頼性の確保が容易となる。

枠部材１２の段差を下面導体層１よりも厚くする事にも以下の有効性がある。長期信頼性制約が大きくない用途の場合は、下面導体層１の厚みは薄いほうが放熱性確保には有効である。ただし厚みが０になると、前述のように熱歪が大きくなり実用的ではなくなる。枠部材の段差の高さを下面導体層よりも大きくしておき、最低限の厚みとして規定する。すなわち作業として枠部材を放熱部材に近づけるようにして接合すれば、最低限でも枠部材の段差の高さと下面導体層の厚みの差だけは第３の固着層の厚みを確保でき、熱歪の最大を規定できる。枠部材１２の外周の大きさを、外壁部１２ａと縮口部１２ｂで同じにしているが、外壁部１２ａと縮口部１２ｂのどちらかの外周を大きくすることもできる。

これらのような熱歪の最大を規定することのメリットを説明する。長期劣化による固着層への亀裂進展は電力用半導体素子５から放熱部材１３への熱伝導の妨げになる。この亀裂進展が発生しないか放熱性能上問題のない範囲となる固着層の厚みを再現性よく実現することで、亀裂進展を前提とせずに放熱設計を実施できる。これらの３つの厚みの関係のいずれの場合も、内部絶縁距離をセラミック層の厚み＋セラミック層と下面及び上面導体層の面内の最小の隙間量の合計にできるため電力用半導体装置１００を小型化できた。

本実施の形態では、電力用半導体素子５に対して絶縁基板３０が一枚だけ放熱部材に搭載されている例を示しているが、絶縁基板３０は複数あっても同様の効果を発揮できる。これら、複数の絶縁基板を用いる例では、放熱部材に取り付ける前の状態で、電力用半導体素子の周囲が封止されているため、耐電圧試験などを通常通り行い、不良素子があった時にその絶縁基板だけを廃却する事ができる。このため全体を一気に組上げてしまって、あとで不良素子が混じっていた場合、全部丸ごと捨てないといけないが、そのような状況の発生を回避できる。

実施の形態２.
図３に本発明の実施の形態２に係る電力用半導体装置の断面を示す。枠部材１２は拡口部１２ｃを備えている。拡口部１２ｃは縮口部１２ｂから放熱部材１３に向かって延在している。また放熱部材１３は取付け面１３ｃに溝（凹み部）１３ｄを有する。溝１３ｄの幅は拡口部１２ｃの幅よりも若干広くしておき、溝１３ｄの深さ＜拡口部１２ｃの高さとしておく。このような部位を更に備えたため、拡口部１２ｃの先端部を溝１３ｄに差し込むことで位置決めが容易となる。第３の固着層１４の厚みを規定でき、再現性が非常に増すため産業的に有用である。すなわち第３の固着層１４の厚みを規定することで、温度変化による熱歪のばらつきを抑制でき、長期信頼性の安定度が飛躍的に向上した。

電力用半導体装置１００の寿命は最も早く壊れた箇所によって規定されるため、熱歪の大きさが安定であることは重要である。電力用半導体装置の接合材にはんだを用いる場合、接合層の厚みを規定したい。厚みを規定すると、はんだの凝固時に体積収縮するために、接合層に引け巣が発生する。十分信頼性のレベルが合うようにはんだ層の厚みを一定にすることは困難である。本発明によれば、第３の固着層１４の厚みを高レベルで安定化できる。長期信頼性における最も薄いはんだ層の課題を解決でき、均質で統一な接合層厚みを得られ信頼性が安定するというメリットが得られた。

この例では拡口部１２ｃはスカート状に全周形成されている例を示したが、最低３つの突起であっても厚みと位置決め機能は発揮できる。更に全周をスカート状に配置することで、第３の固着層１４への湿気等の進入を防止する機能が実現できる。このため樹脂接着などを第３の固着層１４に用いる場合には更に耐湿性の向上も発揮できる。また、この図では絶縁基板３０と枠部材１２がひとつ、放熱部材１３がひとつの例を示したが、これらが複数であっても同様の結果を発揮できる。例えば１０個以上の絶縁基板３０を最小限の隙間で放熱部材１３に配列したい場合、位置決め性が課題となる。本実施の形態であれば絶縁距離の確保と熱歪にたいする信頼性向上、位置決め性の３つの課題が一気に解決できる。図では枠部材１２の内周の大きさを、外壁部１２ａと拡口部１２ｃで同じにしているが、外壁部１２ａと拡口部１２ｃのどちらかの内周を大きくすることもできる。

実施の形態３．
図４に本発明の実施の形態３に係る電力用半導体装置の断面を示す。本実施の形態では放熱部材１３に放熱部材凸部１３ｅ、枠部材１２に溝１２ｄを備えている。溝１２ｄは縮口部１２ｂに形成されている。放熱部材凸部１３ｅの幅は溝１２ｄの幅よりも若干広くしておき、溝１２ｄの深さ＜放熱部材凸部１３ｅの高さとしておく。このような部位を備えたため、溝１２ｄに放熱部材凸部１３ｅを差し込むことで位置決めが容易となる。発揮される効果は実施の形態１、２と同様である。ただしこの実施の形態のほうが放熱部材１３のコストが上がる可能性があるため、放熱部材１３がダイキャストの場合に有効である。

実施の形態４．
本発明による実施の形態４に係る電力用半導体装置を図５に示す。枠部材１２は実施の形態１と同様に、外壁部１２ａと縮口部１２ｂを有している。枠部材１２の内側は、外壁部１２ａよりも低い高さまで第１の封止樹脂１１で充填されている。第１の封止樹脂１１で電力用半導体素子５と各固着層を覆うことで半導体モジュール３１を構成している。各電極は先端部が外部電極と接続出来るように第１の封止樹脂１１の表面から露出させている。

図のように電力用半導体装置１００は第３の固着層１４を取り囲む第２の枠部材２１を更に備えている。第２の封止樹脂２０は、第１の枠部材１２の端部を覆う。この例によっても絶縁距離をセラミック層の厚み及び上面導体層、下面導体層とセラミック層の隙間の合計からなる沿面絶縁距離は実施の形態１〜８同様に最大限に確保できる。

実施の形態５．
図６は実施の形態５に係る電力用半導体装置の断面図である。電力用半導体装置１００は、半導体モジュール３１と放熱部材１３を第３の固着層１４により接合する構成となっている。絶縁基板３０は下面導体層１、セラミック層２および上面導体層３からなる。放熱部材１３は、フィン部１３ａと本体部１３ｂからなる。電力用半導体素子５は絶縁基板３０に搭載されている。具体的には上面導体層３に第１の固着層４により複数の電力用半導体素子５が接合されている。セラミック層２の材料としては、ＡｌＮ、Ｓｉ3Ｎ4、Ａｌ2Ｏ3などの絶縁性があり、熱伝導性の高い材料が好適である。

放熱部材１３は、取付け面１３ｃを有する。枠部材１２の段差は外壁部１２ａの肉厚幅に収まる拡口部１２ｃにより構成されている。セラミック層２の側面２ｃは、拡口部１２ｃに接着されている。このようにすることで、枠部材１２の成型によるゆがみを最小限に抑えることができる。絶縁基板３０との成型収縮によるゆがみを見越して設ける必要がある隙間が減少するというメリットもある。

図７は、絶縁基板３０の構成を示している。セラミック層２には下面導体層１および上面導体層３が形成されている。セラミック層２の外周には、下面側余白２ａと上面側余白２ｂが設けられている。セラミック層２は、側面２ｃを有し、厚みが０．３ｍｍから１ｍｍ程度のものが産業的に用いられている。上面導体層３および下面導体層１は、絶縁基板３０の面積よりも小さい、例えばＣｕ、Ａｌ、ＣｕとＡｌの積層体などで構成できる。上面導体層３と下面導体層１の厚みはおおよそ０．２ｍｍ〜１ｍｍ程度である。両導体層の厚みは、厚ければ電力用半導体素子５からの放熱性が高まるが、厚ければ厚いほどセラミック層２に対する熱応力が大きくなる。

電力用半導体素子５の破壊を防止するためにはマージンを大きく確保する必要があり、多くの場合、０．３ｍｍ程度の厚さのものが用いられている。枠部材１２は、外壁部１２ａと拡口部１２ｃを有している。絶縁基板３０と枠部材１２は接着固定される。接着する際には、枠部材１２を絶縁基板３０に上方から押圧する。或いは、絶縁基板３０を枠部材１２の下方から挿入（または圧入）する。拡口部１２ｃの基準面１２ｅおよび基準面１２ｅに連なる外壁部１２ａの底部に接着剤を塗布しておく方法が有効であるが、セラミック層２の側面２ｃおよび上面側余白２ｂを中心に接着剤を塗布してから枠部材１２に挿入する方法も可能である。

電極８には例えば０．２ｍｍ〜１ｍｍ程度の厚さの金属が用いられる。電極８は、厚さが大きいほど電力用半導体素子５への熱応力が大きくなるため、あまり厚くすることはできない。逆に電極８の厚みが薄いと通電時のオーム抵抗による抵抗発熱が大きくなるため、適切な厚みの選択が必要である。電極８には必要に応じて応力低減のために穴をあけるなどして見掛けの剛性をさげて熱応力を低減する手法などを用いることが好ましい。これらの各電極が実装された絶縁基板３０の縁、及び絶縁基板３０の上面導体層３を覆うように枠部材１２が固着されている。

このようなきわめて低い線膨張係数の封止樹脂の場合の課題としては、枠部材１２との線膨張係数差により、枠部材１２と第１の封止樹脂１１との間に隙間が開くことが挙げられる。この開きの防止のためには枠部材１２の厚みを小さくする事があげられる。この場合の背反として、温度変化により枠部材１２と絶縁基板３０の間に隙間が開くという懸念がある。すなわちＰＰＳなどの線膨張係数は２０ｐｐｍ/Ｋ程度であるのに対し、絶縁基板３０の線膨張係数はトータルで１０ｐｐｍ/Ｋ程度である。このため１００℃程度の温度変化が５０ｍｍ四方程度の絶縁基板３０に与えられると隙間が発生することが想定される。これを防止するため、本実施の形態では枠部材１２は外壁部１２ａに連なる拡口部１２ｃを有する。拡口部１２ｃは、上面導体層３の外側領域（上面側余白２ｂ）と接着している。

セラミック層２の側面２ｃは、拡口部１２ｃと接着している。セラミック層２の各導体層からの露出部（上面側余白２ｂ）は樹脂で覆われていて、封止樹脂１１と当接している。枠部材１２と絶縁基板３０の伸び縮みの差が生じても拡口部１２ｃの基準面１２ｅの幅の分だけ枠部材１２が追従するため、第１の封止樹脂１１がはがれるなどの不具合を防止できる。またセラミック層２への接着面積も（セラミック層２の厚み＋拡口部１２ｃの幅）と広げることができるため接着強度を高くとることができる。セラミック層２の各導体層との隙間部及びセラミック層の厚みの合計が上面導体層３と下面導体層１の間の絶縁距離となる。本実施の形態では枠部材１２に段差を設けてセラミック層２に接着したため、内部絶縁距離を確保できた。枠部材１２の外周の大きさを、外壁部１２ａと拡口部１２ｃで同じにしているが、外壁部１２ａと拡口部１２ｃのどちらかの外周を大きくすることもできる。

実施の形態６．
図８に本発明の実施の形態６に係る電力用半導体装置の断面を示す。保護層１９は、線膨張係数が１０ｐｐｍ/Ｋで、弾性率が１０ＭＰａ程度の封止樹脂を実用的には使用する。保護層１９は、下面導体層１とセラミック層２の隙間（下面側余白２ａ）を被覆している。電力用半導体装置１００は保護層１９を更に備えたため、セラミック層２の厚み及び上面導体層３、下面導体層１とセラミック層２の隙間の合計からなる沿面絶縁距離が実施の形態１〜４と同様に最大限に確保できる。

実施の形態７．
本発明による実施の形態７に係る電力用半導体装置を図９に示す。枠部材１２は外壁部１２ａから延在する拡口部１２ｃを備えている。また放熱部材１３は溝状の溝１３ｄを有している。図のように、拡口部１２ｃの先端部と放熱部材１３の溝（溝１３ｄ）が係合している。溝１３ｄの幅は拡口部１２ｃの幅よりも若干広くしておき、溝１３ｄの深さ＜拡口部１２ｃの高さとしておく。このような構成としたため、拡口部１２ｃを溝１３ｄに差し込むことで位置決めが容易となる。このことで位置決め性と第３の固着層１４の厚みの安定性の確保を同時に達成可能となった。

実施の形態８．
本発明による実施の形態８に係る電力用半導体装置を図１０に示す。図のように電力用半導体装置１００は第３の固着層１４を取り囲む第２の枠部材２１を更に備えている。第２の封止樹脂２０は、絶縁基板３０、第１の枠部材１２の端面を覆う。この例によっても絶縁距離をセラミック層の厚み及び上面導体層、下面導体層とセラミック層の隙間の合計からなる沿面絶縁距離は実施の形態１〜６同様に最大限に確保できる。

実施の形態９．
本発明による実施の形態９に係る電力用半導体装置を図１１に示す。枠部材１２は外壁部１２ａから延在する拡口部１２ｃを備えている。図のように、拡口部１２ｃの先端部と放熱部材１３の溝（溝１３ｄ）が係合している。第２の封止樹脂２０は、絶縁基板３０、第１の枠部材１２の端面を覆っている。

電力用半導体素子にＳｉＣを用いた場合、電力用半導体素子はその特徴を生かすべくＳｉの時と比較してより高温で動作させることになる。ＳｉＣデバイスを搭載する電力用半導体青内においては、電力用半導体素子としてより高い信頼性が求められるため、高信頼の電力用半導体装置を実現するという本発明のメリットはより効果的なものとなる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１下面導体層、２セラミック層、２ａ下面側余白、２ｂ上面側余白、２ｃ側面、３上面導体層、４第1の固着層、５電力用半導体素子、６第２の固着層、７電極、８電極、９電極、１０信号配線、１１第１の封止樹脂、１２枠部材、１２ａ外壁部、１２ｂ縮口部、１２ｃ拡口部、１２ｄ溝、１２ｅ基準面、１３放熱部材、１３ａフィン部、１３ｂ本体部、１３ｃ取付け面、１３ｄ溝、１３ｅ放熱部材凸部、１４第３の固着層、１９保護層、２０第２の封止樹脂、２１第２の枠部材、３０絶縁基板、３１半導体モジュール、１００電力用半導体装置

Claims

第１主面と第２主面を有し、前記第１主面には外周に第１余白部を残して第１の導体層が接合され、前記第２主面には外周に第２余白部を残して第２の導体層が接合されている絶縁性のセラミック層と、
取付け面に前記第１の導体層が接合されている放熱部材と、
前記第２の導体層に接合されている電力用半導体素子と、
前記電力用半導体素子に接合されている第１電極と、
前記第２の導体層に接合されている第２電極と、
外壁部と縮口部を有し、前記セラミック層の側面が前記外壁部と接着されている絶縁性の枠部材と、
前記枠部材の内側に充填されている封止樹脂とを備え、
前記第１電極と前記第２電極は、先端部が前記封止樹脂の表面から外部に延出し、
前記セラミック層の第１余白部は、前記枠部材の縮口部と接着されていて、
前記セラミック層の第２余白部は、前記封止樹脂と当接している電力用半導体装置。
前記枠部材は前記縮口部から前記放熱部材に向かって延在する拡口部を有し、
前記放熱部材は前記取付け面に形成されている溝を有し、
前記拡口部の先端部と前記放熱部材の溝が係合してい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。
前記枠部材は前記縮口部に形成されている溝を有し、
前記放熱部材は前記取付け面から突出している凸部を有し、
前記枠部材の溝と前記放熱部材の凸部が係合してい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。
前記放熱部材の取付け面に固定され、前記枠部材の周囲を囲む補助枠部材を備え、
前記補助枠部材と前記セラミック層との隙間が補助封止樹脂で充填されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
前記電力用半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体により形成されていることを特
徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、ダイヤモンドのいずれかの半導体であることを特徴とする請求項５に記載の電力用半導体装置。