JP6114149B2 - 半導体装置 - Google Patents

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    • H01L2224/45117Material 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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    • H01L25/04Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers
    • H01L25/07Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00
    • H01L25/072Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00 the devices being arranged next to each other
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Description

本発明は、対向して配置される第1及び第2の金属板と、それぞれ第1の金属板と第2の金属板との間に介在する複数の半導体素子と、第1の金属板と半導体素子との間に介在する金属ブロック体と、第1の金属板と金属ブロック体との間に介在し、第1の金属板と金属ブロック体とを接続する半田と、半導体素子及び金属ブロック体を第1の金属板と第2の金属板との間に封止するモールド樹脂と、を備え、第1の金属板の、金属ブロック体が半田を介して接続される面とは反対側の面がモールド樹脂から露出する半導体装置に関する。
従来、対向して配置される2つの金属板の間にそれぞれ介在する複数の半導体素子を備える半導体装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。この半導体装置において、複数の半導体素子は、金属板上に並んで配置されている。これら複数の半導体素子は、電力変換装置のアーム素子を構成するパワートランジスタ(IGBT)とそのパワートランジスタに並列接続される還流ダイオードとであって、それぞれ半田及び金属ブロック体を介して金属板に接合される。
また、上記した半導体装置において、金属板には、金属ブロック体が接合される接合面に余分な半田が流れ込んで半田の広がりを防止するための溝が形成されるもの(以下、溝有金属板と称す。)がある。この溝は、溝有金属板の接合面に半田が設置される領域の外周に沿うように形成され、かつ、金属板上に配置される金属ブロック体ごとに独立して形成される。金属ブロック体ごとの各溝はそれぞれ、当該金属ブロック体のサイズに合わせた大きさとなるように溝有金属板の接合面上に環状に形成される。
特許第4702196号公報
しかしながら、上記した半導体装置では、金属板に形成される溝を金属ブロック体ごとに独立して設けることが必要であるため、金属板表面において金属ブロック体ごとの溝が重ならないようにそれらの金属ブロック体同士の間隔をある程度空けることが必要である。この点、金属板の、特に複数の金属ブロック体が並ぶ方向(すなわち、複数の半導体素子が並ぶ方向)におけるサイズアップが招来して、半導体装置自体の体格が肥大化するおそれがある。
本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、複数の半導体素子或いは金属ブロック体が並んで配置される金属板の小型化を図ることが可能な半導体装置を提供することを目的とする。
上記の目的は、対向して配置される第1及び第2の金属板と、
それぞれ前記第1の金属板と前記第2の金属板との間に介在する複数の半導体素子と、
前記第1の金属板と前記半導体素子との間に介在する金属ブロック体と、
前記第1の金属板と前記金属ブロック体との間に介在し、該第1の金属板と該金属ブロック体とを接続する半田と、
前記半導体素子及び前記金属ブロック体を前記第1の金属板と前記第2の金属板との間に封止するモールド樹脂と、を備え、
前記第1の金属板の、前記金属ブロック体が前記半田を介して接続される面とは反対側の面が前記モールド樹脂から露出する半導体装置において、
前記第1の金属板は、前記半田が設置される領域の外周に沿うように形成され、かつ、前記半田を一つに纏めて囲うように形成された溝を有し、
前記溝は、前記複数の半導体素子が並ぶ方向で、前記複数の半導体素子の間には延在しないことを特徴とする半導体装置により達成される。
本発明によれば、複数の半導体素子或いは金属ブロック体が並んで配置される金属板の小型化を図ることができる。
本発明の第1実施例である半導体装置の全体斜視図である。 図1に示す半導体装置の概略平面図である。 本実施例の半導体装置の要部構成の平面配置図である。 本実施例の半導体装置を図3中のA−A線及びB−B線に沿って切断した際の断面図である。 本実施例の半導体装置が備える金属板の接合面を表した図である。 本実施例の半導体装置の要部の拡大断面図である。 本実施例の半導体装置の組み立て手順の一部を表した図である。 本実施例の半導体装置の効果を説明するための図である。 本実施例の半導体装置と対比される対比例の半導体装置の特徴を説明するための図である。 本実施例の半導体装置の特徴を説明するための図である。 本発明の第2実施例である半導体装置の要部構成の平面配置図である。 本実施例の半導体装置を図11中のA−A線及びB−B線に沿って切断した際の断面図である。 本発明の第3実施例である半導体装置の要部構成の平面配置図である。 本実施例の半導体装置を図13中のA−A線及びB−B線に沿って切断した際の断面図である。 本発明の変形例である半導体装置の要部断面図である。 本発明の変形例である半導体装置が備える金属板の接合面を表した図である。 本発明の変形例である半導体装置の要部の拡大断面図である。
以下、図面を用いて、本発明に係る半導体装置の具体的な実施の形態について説明する。
図1は、本発明の第1実施例である半導体装置20の全体斜視図を示す。また、図2は、図1に示す半導体装置20の概略平面図を示す。
本実施例の半導体装置20は、例えばハイブリッド自動車や電気自動車などに搭載され、電力変換を行うインバータなどの電力変換装置に用いられるパワー半導体モジュールである。半導体装置20は、電力変換装置の上下に配置されるアーム素子を互いに一体化したモールド構造を有し、かつ、内蔵する半導体素子の放熱を上面及び下面の両面で行う両面冷却構造を有している。
半導体装置20は、高電位側電源に接続する上アームを構成する上アームパワーユニット22と、低電位側電源に接続する下アームを構成する下アームパワーユニット24と、を備えている。上アームパワーユニット22と下アームパワーユニット24とは、第一方向Xに並ぶように配置されている。上アームパワーユニット22は、種類の異なる2つの半導体素子26,28を有している。また、下アームパワーユニット24は、種類の異なる2つの半導体素子30,32を有している。半導体素子26〜32はそれぞれ、薄肉矩形状に形成された半導体チップにより構成されている。
半導体素子26,30はそれぞれ、電力変換時にスイッチング動作を行う絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(Insulated Gate Bipolar Transistor;IGBT)などのパワー半導体スイッチング素子である。また、半導体素子28,32はそれぞれ、半導体素子16,20の遮断時に電流を還流させるために必要な還流ダイオードである。以下適宜、半導体素子26,30を半導体スイッチング素子26,30と、また、半導体素子28,32をダイオード28,32と、それぞれ称す。
上アームパワーユニット22は、2つの半導体素子26,28として一つの半導体スイッチング素子26と一つのダイオード28とを有している。半導体スイッチング素子26とダイオード28とは、並列接続されている。半導体チップである半導体スイッチング素子26の上記第一方向Xのサイズ幅と、半導体チップであるダイオード28の上記第一方向Xのサイズ幅と、は略同一である。
また、下アームパワーユニット24は、2つの半導体素子30,32として一つの半導体スイッチング素子30と一つのダイオード32とを有している。半導体スイッチング素子30とダイオード32とは、並列接続されている。半導体チップである半導体スイッチング素子30の上記第一方向Xのサイズ幅と、半導体チップであるダイオード32の上記第一方向Xのサイズ幅と、は略同一である。
半導体スイッチング素子26と半導体スイッチング素子30とは、高電位側電源と低電位側電源との間において直列接続されていると共に、ダイオード28とダイオード32とは、高電位側電源と低電位側電源との間において直列接続されている。
半導体スイッチング素子26,30はそれぞれ、コレクタ電極と、エミッタ電極と、ゲート電極と、有している。各半導体スイッチング素子26,30において、コレクタ電極は半導体チップの一方の面に形成されており、また、エミッタ電極及びゲート電極は半導体チップの他方の面に形成されている。更に、各ダイオード28,32において、カソード電極は半導体チップの一方の面に形成されており、また、アノード電極は半導体チップの他方の面に形成されている。
図3は、本実施例の半導体装置20が備える上アームパワーユニット22及び下アームパワーユニット24の要部構成の平面配置図を示す。図4は、本実施例の上アームパワーユニット22を図3中のA−A線及びB−B線に沿って切断した際の断面図を示す。尚、図4において、B−B線に沿って切断した際の符号を括弧内に示す。また、本実施例の下アームパワーユニット24も図4に示す断面と同様の断面を有する。図5は、本実施例の上アームパワーユニット22及び下アームパワーユニット24が備える金属板の接合面を表した図を示す。また、図6は、本実施例の上アームパワーユニット22及び下アームパワーユニット24の要部の拡大断面図を示す。
上アームパワーユニット22は、対向配置される一対の金属板34,36を有している。金属板34,36はそれぞれ、平面状に形成されたリードフレームである。金属板34,36は、例えば銅やニッケル,アルミニウムなどの金属により構成された導電体である。尚、金属板34,36は、その表面に銀や金などのメッキ処理が施されたものであってもよい。金属板34,36は、半導体スイッチング素子26及びダイオード28の両面側に設けられている。すなわち、半導体スイッチング素子26及びダイオード28は共に、一対の金属板34,36の間に介在しており、両金属板34,36に挟持されている。
上アームパワーユニット22の半導体スイッチング素子26及びダイオード28は、金属板34,36(具体的には、そのダイパッド部)上に面内方向(具体的には、上記第一方向Xに直交する第二方向Y)に隙間S1を空けて並んで載置されている。金属板34,36は共に、各半導体素子26,28の半導体チップとしての大きさ(面積)よりも大きな面積を有している。
尚、金属板34,36上における半導体スイッチング素子26とダイオード28との隙間S1の大きさ(長さ)は、半導体素子26,28それぞれの放熱性が確保されるうえで必要な最小の距離に設定されていればよい。具体的には、隙間S1の大きさは、少なくとも後述の金属ブロック体44,50の第三方向Zのサイズ高さよりも大きくなるように設定される。かかる構造によれば、半導体素子26,28で発生した熱が、他方の種類の半導体金属28,26へ伝達されることに比べて、ブロック体44,50を介して金属板34,36へ伝達され易くなり、金属板34,36の放熱面から外部へ放出され易くなるので、半導体素子26,28の放熱性が確保される。
半導体スイッチング素子26の一方の面及びダイオード28の一方の面は、金属板34に対向するように面している。半導体スイッチング素子26の一方の面は、半田38を介して金属板34に接合されている。ダイオード28の一方の面は、半田40を介して金属板34に接合されている。
半田38,40は、例えば錫などの導電性を有する部材からなる。半導体スイッチング素子26のコレクタ電極及びダイオード28のカソード電極は、半田38,40を介して金属板34に電気的・熱的に接続されている。金属板34には、高電位側電源に接続される高電位側接続端子Pが接続されており、その高電位側接続端子Pを介して高電位側電源が印加される。以下、金属板34を高電位側金属板34と称す。
一方、半導体スイッチング素子26の他方の面及びダイオード28の他方の面は、金属板36に対向するように面している。半導体スイッチング素子26の他方の面は、半田42、金属ブロック体44、及び半田46を介して金属板36に接合されている。ダイオード28の他方の面は、半田48、金属ブロック体50、及び半田52を介して金属板36に接合されている。
金属ブロック体44は、半導体スイッチング素子26の大きさ(サイズ)に合わせた大きさ(サイズ)を有し、略直方体形状に形成されている。また、金属ブロック体50は、ダイオード28の大きさ(サイズ)に合わせた大きさ(サイズ)を有し、略直方体形状に形成されている。半導体スイッチング素子26とダイオード28とは上記第一方向Xについて略同じサイズ幅を有するので、金属ブロック体44と50とは上記第一方向Xについて略同じサイズ幅を有している。
半田42,46,48,52は、例えば錫などの導電性を有する部材からなる。また、金属ブロック体44,50は、例えば銅などの導電体金属からなり、上記第一方向X及び上記第二方向Yに共に直交する積層方向(第三方向)Zに厚みを有している。金属ブロック体44と50とは、第三方向Zについて略同じサイズ高さを有している。半導体スイッチング素子26のエミッタ電極及びダイオード28のアノード電極は、半田42,46,48,52及び金属ブロック体44,50を介して金属板36に電気的・熱的に接続されている。金属板36には、後述の金属板54を介して負荷などに接続される出力端子Oが接続されている。以下、金属板36を出力側金属板36と称す。
また、下アームパワーユニット24は、図3及び図4に示す上アームパワーユニット22と同様の構造を有している。下アームパワーユニット24は、対向配置される一対の金属板54,56を有している。金属板54,56はそれぞれ、平面状に形成されたリードフレームである。金属板54,56は、例えば銅やニッケル,アルミニウムなどの金属により構成された導電体である。
尚、金属板54,56は、その表面に銀や金などのメッキ処理が施されたものであってもよく、また、金属板34,36と同種の金属により形成されていてもよい。また、少なくとも一方の金属板54,56(例えば金属板54のみ)は、金属板34,36(例えば金属板34のみ)と一体で形成された後に切断されたものであってもよい。金属板54,56は、半導体スイッチング素子30及びダイオード32の両面側に設けられている。すなわち、半導体スイッチング素子30及びダイオード32は共に、一対の金属板54,56の間に介在しており、両金属板54,56に挟持されている。
下アームパワーユニット24の半導体スイッチング素子30及びダイオード32は、金属板54,56(具体的には、そのダイパッド部)上に面内方向(具体的には、上記第二方向Y)に隙間S2を空けて並んで載置されている。金属板54,56は共に、各半導体素子30,32の半導体チップとしての大きさ(面積)よりも大きな面積を有している。
尚、金属板54,56上における半導体スイッチング素子30とダイオード32との隙間S2の大きさ(長さ)は、上記の隙間S1の大きさと略同じであり、半導体素子30,32それぞれの放熱性が確保されるうえで必要な最小の距離に設定されていればよい。かかる構造によれば、半導体素子30,32で発生した熱が、他方の種類の半導体金属32,30へ伝達されることに比べて、ブロック体44,50を介して金属板54,56へ伝達され易くなり、金属板54,56の放熱面から外部へ放出され易くなるので、半導体素子30,32の放熱性が確保される。
下アームパワーユニット24は、上アームパワーユニット22と同様の構成を有するので、以下、下アームパワーユニット24のうち上アームパワーユニット22の構成と同一の構成については、同一の符号を付す。
半導体スイッチング素子30の一方の面及びダイオード32の一方の面は、金属板54に対向するように面している。半導体スイッチング素子30の一方の面は、半田38を介して金属板54に接合されている。ダイオード32の一方の面は、半田40を介して金属板54に接合されている。半導体スイッチング素子30のコレクタ電極及びダイオード32のカソード電極は、半田38,40を介して金属板54に電気的・熱的に接続されている。金属板54には、負荷などに接続される出力端子Oが接続されている。以下、金属板54を出力側金属板54と称す。
一方、半導体スイッチング素子30の他方の面及びダイオード32の他方の面は、金属板56に対向するように面している。半導体スイッチング素子30の他方の面は、半田42、金属ブロック体44、及び半田46を介して金属板56に接合されている。ダイオード32の他方の面は、半田48、金属ブロック体50、及び半田52を介して金属板56に接合されている。
半導体スイッチング素子30のエミッタ電極及びダイオード32のアノード電極は、半田42,46,48,52及び金属ブロック体44,50を介して金属板56に電気的・熱的に接続されている。金属板56には、低電位側電源に接続される低電位側接続端子Nが接続されており、その低電位側接続端子Nを介して低電位側電源が印加される。以下、金属板56を低電位側金属板56と称す。
半導体装置20において、上アームパワーユニット22及び下アームパワーユニット24は、上アームパワーユニット22の高電位側金属板34と下アームパワーユニット24の出力側金属板54とが上記第一方向Xに隙間S3を介して対向し、かつ、上アームパワーユニット22の出力側金属板36と下アームパワーユニット24の低電位側金属板56とが上記第一方向Xに隙間S3を介して対向するように成形される。この点、上アームパワーユニット22の高電位側金属板34と下アームパワーユニット24の出力側金属板54とは略同じ高さ位置にあり、かつ、上アームパワーユニット22の出力側金属板36と下アームパワーユニット24の低電位側金属板56とは略同じ高さ位置にある。
上アームパワーユニット22の半導体スイッチング素子26のゲート電極は、信号ワイヤ60を介して制御端子62に接続されている。下アームパワーユニット24の半導体スイッチング素子30のゲート電極は、信号ワイヤ64を介して制御端子66に接続されている。信号ワイヤ60,64は、例えばアルミニウムや銅などからなるボンディングワイヤである。
高電位側接続端子P、低電位側接続端子N、及び出力端子Oは、上アームパワーユニット22及び下アームパワーユニット24の第二方向Y端部(例えば、第二方向Yに並んだ2種類の半導体素子26,28,30,32のうちダイオード28,32に隣接する外側端部)から外方へ突出するように設けられている。上記の制御端子62,66は、上アームパワーユニット22及び下アームパワーユニット24の、高電位側接続端子P、低電位側接続端子N、及び出力端子Oが設けられた第二方向Y端部とは反対側の第二方向Y端部から外方へ突出するように設けられている。
制御端子62,66には、マイクロコンピュータを主体に構成される電子制御ユニット(ECU)が接続されている。半導体スイッチング素子26,30のゲート電極にはそれぞれ、ECUからの制御信号が制御端子62,66及び信号ワイヤ60,64を介して供給される。尚、小電流しか流れない制御端子62,66の面積(大きさ)は、大電流が流れ得る高電位側接続端子P、低電位側接続端子N、及び出力端子Oの面積(大きさ)よりも小さくてよい。
上アームパワーユニット22において、半導体スイッチング素子26及びダイオード28は、互いに第三方向Zに対向する高電位側金属板34と出力側金属板36との間に挟持されている。また、下アームパワーユニット24において、半導体スイッチング素子30及びダイオード32は、互いに第三方向Zに対向する出力側金属板54と低電位側金属板56との間に挟持されている。上アームパワーユニット22及び下アームパワーユニット24はそれぞれ、第三方向Zに所定の厚みを有しており、各アームパワーユニット22,24の第三方向Zの厚みは互いに略同じである。
上アームパワーユニット22において、金属板36には、溝70が設けられている。すなわち、金属板36は、溝70を有している。溝70は、金属板34,36のうち、半導体素子26,28が半田38,40を介して直接に接合される金属板34とは異なる、半導体素子26,28が半田42,48、金属ブロック体44,50、及び半田46,52を介して接合される金属板36(すなわち、金属ブロック体44,50が半田46,52を介して接続される金属板36)にのみ設けられている。溝70は、金属板36の、金属ブロック体44,50が半田46,52を介して接続される(すなわち、半田46,52が設置される)接合面において半田46,52の広がりを防止するための溝である。
溝70は、金属板36の金属ブロック体44,50が接続される接合面において、半田46,52が設置される領域80,82(図5において破線で囲まれる領域)の外周に沿うように形成され、かつ、半導体スイッチング素子26側の金属ブロック体44に対応する半田46とダイオード28側の金属ブロック体50に対応する半田52とを一つに纏めて囲うように環状・枠状に形成されている。
すなわち、溝70は、半導体スイッチング素子26側の金属ブロック体44に対応する半田46が設置される領域80の外周に沿うように設けられる溝と、ダイオード28側の金属ブロック体50に対応する半田52が設置される領域82の外周に沿うように設けられる溝と、が一体的に繋がるように形成されたものである。但し、領域80と領域82との間の境界部に溝は形成されていない。
金属ブロック体44と50とは第一方向Xについて略同じサイズ幅を有するので、金属板36上における金属ブロック体44を挟んで第一方向X両側にある溝70間の距離と、金属ブロック体50を挟んで第一方向X両側にある溝70間の距離と、は略同じである。また、金属板36上における半田46が設置される領域80の第一方向Xの幅と、半田52が設置される領域82の第一方向Xの幅と、は略同一である。溝70は、金属板36の接合面において半田46,52全体を囲む略矩形状に形成される環状溝であって、金属板36の半田46,52が設置される領域80,82の外周において連続的に繋がる。金属板36における溝70の深さ及び幅は、所定量の半田46,52が流れ込むのを許容する程度に設定されている。
また、下アームパワーユニット24において、金属板56には、溝72が設けられている。すなわち、金属板56は、溝72を有している。溝72は、金属板54,56のうち、半導体素子30,32が半田38,40を介して直接に接合される金属板54とは異なる、半導体素子30,32が半田42,48、金属ブロック体44,50、及び半田46,52を介して接合される金属板56(すなわち、金属ブロック体44,50が半田46,52を介して接続される金属板56)にのみ設けられている。溝72は、金属板56の、金属ブロック体44,50が半田46,52を介して接続される(すなわち、半田46,52が設置される)接合面において半田46,52の広がりを防止するための溝である。
溝72は、金属板56の金属ブロック体44,50が接続される接合面において、半田46,52が設置される領域84,86(図5において破線で囲まれる領域)の外周に沿うように形成され、かつ、半導体スイッチング素子30側の金属ブロック体44に対応する半田46とダイオード32側の金属ブロック体50に対応する半田52とを一つに纏めて囲うように環状・枠状に形成されている。
すなわち、溝72は、半導体スイッチング素子30側の金属ブロック体44に対応する半田46が設置される領域84の外周に沿うように設けられる溝と、ダイオード32側の金属ブロック体50に対応する半田52が設置される領域86の外周に沿うように設けられる溝と、が一体的に繋がるように形成されたものである。但し、領域84と領域86との間の境界部に溝は形成されていない。
金属ブロック体44と50とは第一方向Xについて略同じサイズ幅を有するので、金属板56上における金属ブロック体44を挟んで第一方向X両側にある溝72間の距離と、金属ブロック体50を挟んで第一方向X両側にある溝72間の距離と、は略同じである。また、金属板56上における半田46が設置される領域84の第一方向Xの幅と、半田52が設置される領域86の第一方向Xの幅と、は略同一である。溝72は、金属板56の接合面において半田46,52全体を囲む略矩形状に形成される環状溝であって、金属板56の半田46,52が設置される領域84,86の外周において連続的に繋がる。金属板56における溝72の深さ及び幅は、所定量の半田46,52が流れ込むのを許容する程度に設定されている。
上アームパワーユニット22において、半導体スイッチング素子26とダイオード28とは、金属板34,36間で第二方向Yに隙間S1を空けて並んで配置されている。下アームパワーユニット24において、半導体スイッチング素子30とダイオード32とは、金属板54,56間で第二方向Yに隙間S2を空けて並んで配置されている。上アームパワーユニット22と下アームパワーユニット24とは、上記第二方向Y及び第三方向Zと直交する第一方向Xに並列に配置されている。
尚、上アームパワーユニット22と下アームパワーユニット24とは、半導体スイッチング素子26,30同士が第一方向Xに対向しかつダイオード28,32同士が第一方向Xに対向するように配置されると共に、両者間で隙間S3が形成されるように配置される。尚、この隙間S3の大きさ(長さ)は、例えばそれぞれの半導体素子26,28,30,32の放熱性が確保されるうえで必要な最小の距離に設定されていればよい。
上アームパワーユニット22の出力側金属板36は、第一方向X端部において下アームパワーユニット24側に向けて突出する継手部36aを有している。下アームパワーユニット24の出力側金属板54は、第一方向X端部において上アームパワーユニット22側に向けて突出する継手部54aを有している。上アームパワーユニット22の出力側金属板36と下アームパワーユニット24の出力側金属板54とは、継手部36a,54a同士が接触することにより繋がれている。
下アームパワーユニットの低電位側金属板56は、第一方向X端部において上アームパワーユニット22側に向けて突出する継手部56aを有している。継手部56aは、第三方向Zから見て、出力側金属板54の継手部54aに対して第二方向Yにオフセットするように、かつ、上アームパワーユニット22の出力側金属板36の継手部36aに対して第二方向Yにオフセットするように設けられている。下アームパワーユニットの低電位側金属板56は、継手部56aにおいて低電位側接続端子Nから延びた突出部Naと接触して繋がれている。
半導体装置20は、上記した第一方向Xに並列に配置された上アームパワーユニット22と下アームパワーユニット24とを一体的に樹脂封止したモールド構造を有している。半導体装置20は、上アームパワーユニット22と下アームパワーユニット24とを一体的に樹脂封止するモールド樹脂74を備えている。モールド樹脂74は、上アームパワーユニット22の半導体素子26,28及び金属ブロック体44,50を金属板34,36の間に封止すると共に、下アームパワーユニット24の半導体素子30,32及び金属ブロック体44,50を金属板54,56の間に封止する。
モールド樹脂74は、例えばエポキシ樹脂などからなり、溶解した状態で上アームパワーユニット22及び下アームパワーユニット24が収容された金型内に流し込まれることにより上記の樹脂封止を行う。溶解したモールド樹脂74の金型内への流し込みは、2つのパワーユニット22,24の、制御端子62,66が設けられた側(すなわち、制御端子62,66と半導体スイッチング素子26,30のゲート電極とを繋ぐ信号ワイヤ60,64が設けられた側)の第一方向Y略中央付近から上記の第二方向Xに向けて行われる。
尚、上記のモールド樹脂74による樹脂封止は、高電位側接続端子P、低電位側接続端子N、出力端子O、及び制御端子62,66に対してはそれぞれ一部ずつが含まれるように行われる。このため、高電位側接続端子P、低電位側接続端子N、出力端子O、及び制御端子62,66の各一部はそれぞれ、半導体装置20の本体側(モールド樹脂74に囲まれた側)から外部に向けて突出して露出する。
また、上記のモールド樹脂74による樹脂封止は、金属板34,36,54,56の、金属ブロック体44,50との接合面とは反対側の面(放熱面)がそれぞれ外部に露出するように行われる。このため、金属板34,36,54,56の、金属ブロック体44,50との接合面とは反対側の放熱面はそれぞれ、外部に露出する。金属板34,36,54,56の、金属ブロック体44,50との接合面とは反対側の放熱面にはそれぞれ、ヒートシンクなどが隣接して取り付けられる。このため、上アームパワーユニット22及び下アームパワーユニット24はそれぞれ、上下両面で冷却が行われることとなる。尚、金属板34,36,54,56は、上アームパワーユニット22及び下アームパワーユニット24の熱を放出する放熱板として機能する。
図7は、本実施例の半導体装置20の組み立て手順の一部を表した図を示す。尚、図7(A)には金属板36,56が組み立てられる前の状態を、また、図7(B)には金属板36,56が組み立てられた後の状態を、それぞれ示す。
本実施例の半導体装置20を組み立てるうえで、まず、図7(A)に示す如く、上アームパワーユニット22の高電位側金属板34の接合面上に半田38,40を介して半導体素子26,28が実装されると共に、その半導体素子26,28に積層されて半田42,48を介して金属ブロック体44,50が実装される。また、図7(A)に示す如く、下アームパワーユニット24の出力側金属板54の接合面上に半田38,40を介して半導体素子30,32が実装されると共に、その半導体素子30,32に積層されて半田42,48を介して金属ブロック体44,50が実装される。
尚、高電位側金属板34と出力側金属板54とは、予め一体的に成形されたうえで、半導体素子26,28,30,32及び金属ブロック体44,50が実装されかつ後述の如くモールド樹脂74による樹脂封止が完了した後に、高電位側金属板34と出力側金属板54とを連結している余分な部位がカットされることにより分離されるものとしてもよい。
半導体スイッチング素子26とダイオード28とは上記第一方向Xについて略同じサイズ幅を有すると共に、上記の実装の際、高電位側金属板34上において、半導体スイッチング素子26とダイオード28とは第二方向Yに並びつつ第一方向Xの端部同士が揃うように配置される。半導体スイッチング素子30とダイオード32とは上記第一方向Xについて略同じサイズ幅を有すると共に、上記の実装の際、出力側金属板54上において、半導体スイッチング素子30とダイオード32とは第二方向Yに並びつつ第一方向Xの端部同士が揃うように配置される。また、金属ブロック体44と50とは上記の如く上記第一方向Xについて略同じサイズ幅を有すると共に、上記の実装の際、金属ブロック体44と50とは第二方向Yに並びつつ第一方向Xの端部同士が揃うように配置される。
すなわち、高電位側金属板34又は出力側金属板54上において、半導体スイッチング素子26の第一方向Xの位置とダイオード28の第一方向Xの位置とは第一方向Xにオフセットすることなく略一致し、半導体スイッチング素子30の第一方向Xの位置とダイオード32の第一方向Xの位置とは第一方向Xにオフセットすることなく略一致すると共に、金属ブロック体44の第一方向Xの位置と金属ブロック体50の第一方向Xの位置とは第一方向Xにオフセットすることなく略一致する。
上記の如く高電位側金属板34上への半導体素子26,28及び金属ブロック体44,50の実装が行われると、次に、半導体スイッチング素子26に信号ワイヤ60がボンディングされ、その後に、図7(B)に示す如く、金属ブロック体44,50に積層されて半田46,52を介して出力側金属板36が実装される。また、出力側金属板54上への半導体素子30,32及び金属ブロック体44,50の実装が完了すると、次に、半導体スイッチング素子30に信号ワイヤ64がボンディングされ、その後に、図7(B)に示す如く、金属ブロック体44,50に積層されて半田46,52を介して低電位側金属板56が実装される。
上アームパワーユニット22における出力側金属板36の実装及び下アームパワーユニット24における低電位側金属板56の実装は、金属ブロック体44,50の表面に半田46,52を構成する半田箔を取り付けたうえで、その金属ブロック体44,50の上に溝70,72が半田46,52を一つに纏めて囲うように金属板36,56を積層し、その半田箔を溶融させて金属ブロック体44,50と金属板36,56とを接合させるものである。
上記の如く信号ワイヤ60,64のボンディング並びに出力側金属板36及び低電位側金属板56の実装が行われると、次に、その上アームパワーユニット22及び下アームパワーユニット24の構造体が金型内に収容されつつ押圧されたうえで、その金型内にモールド樹脂74が流し込まれることにより、上アームパワーユニット22及び下アームパワーユニット24がモールド樹脂74により樹脂封止される。そして、かかる樹脂封止後、モールド樹脂74の一部及び更には金属板34,36,54,56の一部が切削されることにより、金属板34,36,54,56の放熱面が外部に露出される。
本実施例においては、上アームパワーユニット22の金属板34,36間に半導体スイッチング素子26及びダイオード28をモールド樹脂74で封止しつつ、下アームパワーユニット24の金属板54,56間に半導体スイッチング素子30及びダイオード32をモールド樹脂74で封止すると共に、それらの上アームパワーユニット22と下アームパワーユニット24とをモールド樹脂74で一体化した半導体装置20が上記の手順で組み立てられることにより製造される。
上記した半導体装置20の構造においては、金型内で押圧が行われつつ、金属ブロック体44,50の表面に取り付けられた半田箔が半田46,52として溶融されることで金属ブロック体44,50と金属板36,56とが接合される際、金属ブロック体44,50と金属板36,56との間の半田46,52の余剰分がその間の領域から外周側に溢れる。半田46,52の余剰分が外周側に溢れると、その半田46,52は、金属板36,56の接合面に形成された溝70,72に流入する。金属板36,56の溝70,72に流入した半田46,52は、その溝70,72内に滞留する。このため、金属板36,56の接合面に形成される溝70,72によれば、半田46,52が金属板36,56の面内方向に広がるのを防止することができる。
また、上アームパワーユニット22及び下アームパワーユニット24の積層方向Zの高さが低くされるほど、金属ブロック体44,50と金属板36,56との間から外周側に溢れる半田46,52の量が多くなり、溝70,72に流入する半田46,52の量が多くなる。この点、金属ブロック体44,50と金属板36,56との間の半田46,52の量が予め定められたものであっても、その間から溢れさせて溝70,72に流入させる半田46,52の量を調整することで、上アームパワーユニット22及び下アームパワーユニット24の積層方向Zの高さを調整することができる。
従って、金属板36,56の溝70,72によれば、上アームパワーユニット22及び下アームパワーユニット24の積層方向Zの高さの公差ばらつきを吸収することができる。尚、半導体素子26〜32側に公差ばらつき吸収するための余剰の半田を流入させる溝を設けることは、半導体素子26〜32の表面への半田42,48の回り込みによる付着などの不具合が生じるため、実施することが困難である。
図8は、本実施例の半導体装置20の効果を説明するための図を示す。尚、図8(A)には本実施例の半導体装置20と対比される対比例の半導体装置100が備える金属板102の接合面を表した図を、また、図8(B)には本実施例の半導体装置20が備える金属板36,56の接合面を表した図、それぞれ示す。
本実施例の半導体装置20の構造において、金属板36,56の接合面に形成される溝70,72は、その接合面において、その半田46,52が設置される領域80,82,84,86の外周に沿うように、かつ、半導体スイッチング素子26,30側の半田46とダイオード28,32側の半田52とを一つに纏めて囲うように形成されている(図8(B)参照)。上アームパワーユニット22の溝70は、半導体スイッチング素子26側の半田46及びダイオード28側の半田52双方の広がりを防止する。また、下アームパワーユニット24の溝72は、半導体スイッチング素子30側の半田46及びダイオード32側の半田52双方の広がりを防止する。
かかる構造においては、金属板102に半導体スイッチング素子26,30及びダイオード28,32に対応する金属ブロック体44,50ごとに個別に半田46,52の広がりを防止するための溝104,106が形成される図8(A)に示す対比例の半導体装置100の構造とは異なり、金属板36,56の接合面上の半導体スイッチング素子26,30側の半田46が設置される領域とダイオード28,32側の半田52が設置される領域との間に、半田46に対応する溝と半田52に対応する溝とをそれぞれ別個独立して設けることは不要である。
この点、半導体装置20においては、上アームパワーユニット22の金属板34,36上に第二方向Yに並んで載置される半導体スイッチング素子26とダイオード28との隙間S1の大きさを定めるうえで、対比例の半導体装置100の如き溝104,106双方の幅分を考慮する必要はなく、半導体素子26,28それぞれの放熱性が確保されるのに必要最小の距離に設定されていれば十分である。また、下アームパワーユニット24の半導体スイッチング素子30とダイオード32との隙間S2の大きさについても同様である。
このため、本実施例の半導体装置20によれば、対比例の半導体装置100に比べて、上アームパワーユニット22の2種類の半導体素子26,28が第二方向Yに並んで配置される金属板34,36、及び、下アームパワーユニット24の2種類の半導体素子30,32が第二方向Yに並んで配置される金属板54,56の、第二方向Yにおけるサイズ幅を縮小することができる。この点、金属板34,36,54,56を小型化・軽量化することができるので、その結果として、半導体装置20自体の小型化・軽量化を図ることができる。
また、本実施例の半導体装置20の構造において、上アームパワーユニット22の半導体スイッチング素子26及びダイオード28の第一方向Xのサイズ幅同士は略同一である。また、下アームパワーユニット24の半導体スイッチング素子30及びダイオード32の第一方向Xのサイズ幅同士は略同一である。かかる構造においては、上アームパワーユニット22の金属板34と半導体スイッチング素子26とを接合する半田38として使用する半田箔のリール幅と、金属板34とダイオード28とを接合する半田40として使用する半田箔のリール幅と、が略同じとなる。同様に、下アームパワーユニット24の金属板54と半導体スイッチング素子30とを接合する半田38として使用する半田箔のリール幅と、金属板54とダイオード32とを接合する半田40として使用する半田箔のリール幅と、が略同じとなる。
この点、半導体装置20においては、半導体スイッチング素子26,30と金属板34,54との間に介在させる半田38として取り付ける半田箔と、ダイオード28,32と金属板34,54との間に介在させる半田40として取り付ける半田箔と、で同じものを使用することができるので、半導体装置20において使用する半田箔の種類を削減することができる。
更に、上アームパワーユニット22及び下アームパワーユニット24の何れにおいても、金属ブロック体44,50の第一方向Xのサイズ幅同士は略同一である。かかる構造においては、上アームパワーユニット22の半導体スイッチング素子26と金属ブロック体44とを接合する半田42として使用する半田箔のリール幅と、ダイオード28と金属ブロック体50とを接合する半田48として使用する半田箔のリール幅と、が略同じとなる。また、上アームパワーユニット22の金属ブロック体44と金属板36とを接合する半田46として使用する半田箔のリール幅と、金属ブロック体50と金属板36とを接合する半田52として使用する半田箔のリール幅と、が略同じとなる。
尚、下アームパワーユニット24についても同様に、半導体スイッチング素子30と金属ブロック体44とを接合する半田42として使用する半田箔のリール幅と、ダイオード32と金属ブロック体50とを接合する半田48として使用する半田箔のリール幅と、が略同じとなり、また、金属ブロック体44と金属板56とを接合する半田46として使用する半田箔のリール幅と、金属ブロック体50と金属板56とを接合する半田52として使用する半田箔のリール幅と、が略同じとなる。
この点、半導体装置20においては、半導体スイッチング素子26,30と金属ブロック体44との間に介在させる半田42として取り付ける半田箔と、ダイオード28,32と金属ブロック体50との間に介在させる半田48として取り付ける半田箔と、で同じものを使用することができるので、半導体装置20において使用する半田箔の種類を削減することができる。また、金属ブロック体44と金属板36,56との間に介在させる半田46として取り付ける半田箔と、金属ブロック体50と金属板36,56との間に介在させる半田52として取り付ける半田箔と、で同じものを使用することができるので、半導体装置20において使用する半田箔の種類を削減することができる。
また、本実施例の半導体装置20は、上アームパワーユニット22と下アームパワーユニット24とが第一方向Xに並んで実装されたモールド一体構造を有する。上アームパワーユニット22の金属板36に設けられる溝70は、半導体スイッチング素子26側の金属ブロック体44に対応する半田46とダイオード28側の金属ブロック体50に対応する半田52とを一つに纏めて囲うように略矩形状に形成される。また、下アームパワーユニット24の金属板56に設けられる溝72は、半導体スイッチング素子30側の金属ブロック体44に対応する半田46とダイオード32側の金属ブロック体50に対応する半田52とを一つに纏めて囲うように略矩形状に形成される。
かかる構造においては、金属板102に半導体スイッチング素子26,30及びダイオード28,32に対応する金属ブロック体44,50ごとに個別に溝104,106が形成される図8(A)に示す対比例の半導体装置100の構造とは異なり、金属板36,56の溝70,72で囲まれた枠内で第二方向Yに並ぶ半導体スイッチング素子26,30側の金属ブロック体44に対応する半田46とダイオード28,32側の金属ブロック体50に対応する半田52との配置位置関係を、その溝70,72で囲まれた枠内で反転させることができる。
すなわち、金属板36,56の継手部36a,56aが設けられた第二方向Y側に半導体スイッチング素子26,30及び半田46を配置しかつ継手部36a,56aが設けられていない第二方向Y側にダイオード28,32及び半田52を配置することが可能であり、また逆に、金属板36,56の継手部36a,56aが設けられた第二方向Y側にダイオード28,32及び半田52を配置しかつ継手部36a,56aが設けられていない第二方向Y側に半導体スイッチング素子26,30及び半田46を配置することが可能である。
この点、対比例の半導体装置100では、2種類の半導体素子26,28が搭載される上アームパワーユニット22に使用する金属板102に対する2つの溝104,106の配置方向と、2種類の半導体素子30,32が搭載される下アームパワーユニット24に使用する金属板102に対する2つの溝104,106の配置方向と、が第二方向Yにおいて互いに逆方向となるので、上アームパワーユニット22側の金属板102と下アームパワーユニット24側の金属板102とで同じものを用いることは困難である。
これに対して、本実施例の半導体装置20においては、上アームパワーユニット22に使用する金属板36と下アームパワーユニット24に使用する金属板56とを共通化することができ、同じ形状の金属板36,56に対して半導体スイッチング素子26,30とダイオード28,32との第二方向Yでの配置順序を変えることで、上アームパワーユニット22及び下アームパワーユニット24の双方を構成することができる。このため、半導体装置20において使用する部品(具体的には、金属板36,56)の種類を削減して一種類とすることができる。
図9は、本実施例の半導体装置20と対比される対比例の半導体装置110の特徴を説明するための図を示す。また、図10は、本実施例の半導体装置20の特徴を説明するための図を示す。尚、図9(A)及び図10(A)には半導体装置の金属板上における半導体素子の配置図を、図9(B)及び図10(B)には図9(A)及び図10(A)に示す半導体装置の断面図を、また、図9(C)及び図10(C)には半導体装置における図9(B)及び図10(B)に示す断面上での位置に応じたせん断応力を表した図を、それぞれ示す。
本実施例の半導体装置20の構造において、上アームパワーユニット22の半導体スイッチング素子26とダイオード28とは、第一方向Xについて略同じサイズ幅を有すると共に、金属板34,36上において第二方向Yに並びつつ第一方向Xの端部同士が揃うように配置される。また、下アームパワーユニット24の半導体スイッチング素子30とダイオード32とは、第一方向Xについて略同じサイズ幅を有すると共に、金属板54,56上において第二方向Yに並びつつ第一方向Xの端部同士が揃うように配置される。
図9(A)に示す如く半導体スイッチング素子26,30の第一方向Xについてのサイズ幅とダイオード28,32の第一方向Xについてのサイズ幅とが異なる対比例の半導体装置110では、半導体スイッチング素子26,30とダイオード28,32とは、一対の金属板112,114上において第二方向Yに並んで配置される一方で、第一方向Xの端部同士が揃わないものとなる。かかる構造では、半導体装置110の第一方向Xの位置に応じて、第二方向Yに並ぶ半導体スイッチング素子26,30とダイオード28,32とが第二方向Yにおいて互いに対向する部位と、互いに対向しない部位と、が併存することとなる。
この半導体スイッチング素子26,30とダイオード28,32とが第二方向Yにおいて互いに対向しない部位では、互いに対向する部位と比べて、モールド樹脂74と金属板112,114との接触面でのせん断応力の向きが変わる地点が、半導体スイッチング素子26,30の第二方向Yの端部から遠くなる(図9(B)及び(C)参照)。このため、対比例の半導体装置110では、モールド樹脂74と金属板112,114とが剥離する際の進展距離が長くなるので、その剥離が進展し易くなってしまう。
これに対して、本実施例の半導体装置20の構造においては、半導体スイッチング素子26,30とダイオード28,32とが第二方向Yにおいて互いに対向しない部位が無く、半導体スイッチング素子26,30とダイオード28,32とが第二方向Yにおいて互いに対向する。かかる構造においては、モールド樹脂74と金属板34,36,54,56との接触面でのせん断応力の向きが変わる地点が、半導体スイッチング素子26,30の第二方向Yの端部とダイオード28,32の第二方向Yの端部との略中央である。この場合、半導体スイッチング素子26,30とダイオード28,32との第二方向Yの隙間S1,S2における上記せん断応力は、その隙間S1,S2の略中央を基準にして第二方向Yにおいてバランスされる。
このため、本実施例の半導体装置20によれば、上記対比例の半導体装置110に比べて、モールド樹脂74と金属板34,36,54,56とが剥離する際の進展距離が短くなるので、モールド樹脂74と金属板34,36,54,56との接触面でのせん断応力を低減することができ、その剥離の進展を抑制することができる。
尚、上記の第1実施例においては、半導体スイッチング素子26,30及びダイオード28,32が特許請求の範囲に記載した「半導体素子」に、上アームパワーユニット22の有する一対の金属板34,36のうち一方の金属板36、及び、下アームパワーユニット24の有する一対の金属板54,56のうち一方の金属板56が特許請求の範囲に記載した「第1の金属板」に、上アームパワーユニット22の有する一対の金属板34,36のうち他方の金属板34、及び、下アームパワーユニット24の有する一対の金属板54,56のうち他方の金属板54が特許請求の範囲に記載した「第2の金属板」に、領域80,82,84,86が特許請求の範囲に記載した「領域」に、第二方向Yが特許請求の範囲に記載した「所定方向」に、第一方向Xが特許請求の範囲に記載した「直交方向」に、それぞれ相当している。
図11は、本発明の第2実施例である半導体装置200が備える上アームパワーユニット202及び下アームパワーユニット204の要部構成の平面配置図を示す。また、図12は、本実施例の上アームパワーユニット202を図11中のA−A線及びB−B線に沿って切断した際の断面図を示す。尚、図12(A)にはA−A線に沿って切断した際の断面図を、また、図12(B)にはB−B線に沿って切断した際の断面図を、それぞれ示す。また、図11及び図12において、上記第1実施例において使用した構成と同一の構成については、同一の符号を付してその説明を省略又は簡略する。
本実施例の半導体装置200は、高電位側電源に接続する上アームを構成する上アームパワーユニット202と、低電位側電源に接続する下アームを構成する下アームパワーユニット204と、を備えている。上アームパワーユニット202は、種類の異なる2つの半導体素子206,208を有している。また、下アームパワーユニット204は、種類の異なる2つの半導体素子210,212を有している。
半導体素子206,208,210,212はそれぞれ、薄肉矩形状に形成された半導体チップにより構成されており、サイズ幅を除いて上記第1実施例の半導体素子26,28,30,32と同じ構成・役割を有している。上アームパワーユニット202及び下アームパワーユニット204はそれぞれ、半導体素子206,208,210,212のサイズ幅及びそのサイズ幅に関連する半田の大きさなどを除いて上記第1実施例の上アームパワーユニット22及び下アームパワーユニット24と同じ構成・役割を有している。
半導体スイッチング素子206の第一方向Xのサイズ幅と、ダイオード208の第一方向Xのサイズ幅と、は異なる。また、半導体スイッチング素子210の第一方向Xのサイズ幅と、ダイオード212の第一方向Xのサイズ幅と、は異なる。具体的には、ダイオード208の第一方向Xのサイズ幅は、半導体スイッチング素子206の第一方向Xのサイズ幅よりも大きく、また、ダイオード212の第一方向Xのサイズ幅は、半導体スイッチング素子210の第一方向Xのサイズ幅よりも大きい。一方、上アームパワーユニット202及び下アームパワーユニット204共に、金属ブロック体44,50は略直方体形状に形成されており、金属ブロック体44と50とは第一方向Xについて略同じサイズ幅を有している。
上アームパワーユニット202において、半導体スイッチング素子206とダイオード208とは金属板34,36上に第二方向Yに並んで配置されると共に、金属ブロック体44,50は半導体素子206,208に積層される。半導体スイッチング素子206への金属ブロック体44の積層及びダイオード208への金属ブロック体50の積層は、金属ブロック体44,50が半導体素子206,208に対して第一方向X略中央に位置するように行われる。これらの金属ブロック体44と50とは、金属板34,36上に第二方向Yに並びつつ第一方向Xにオフセットすることなく第一方向Xの端部同士が揃うように配置される。
また、下アームパワーユニット204において、半導体スイッチング素子210とダイオード212とは金属板54,56上に第二方向Yに並んで配置されると共に、金属ブロック体44,50は半導体素子210,212に積層される。半導体スイッチング素子210への金属ブロック体44の積層及びダイオード212への金属ブロック体50の積層は、金属ブロック体44,50が半導体素子210,212に対して第一方向X略中央に位置するように行われる。これらの金属ブロック体44と50とは、金属板54,56上に第二方向Yに並びつつ第一方向Xにオフセットすることなく第一方向Xの端部同士が揃うように配置される。
金属板36の接合面に形成される溝70は、その接合面において、その半田46,52が設置される領域80,82の外周に沿うように形成され、かつ、半導体スイッチング素子206側の金属ブロック体44に対応する半田46とダイオード208側の金属ブロック体50に対応する半田52とを一つに纏めて囲うように環状・枠状に形成される。また、金属板56の接合面に形成される溝72は、その接合面において、その半田46,52が設置される領域84,86の外周に沿うように形成され、かつ、半導体スイッチング素子210側の金属ブロック体44に対応する半田46とダイオード212側の金属ブロック体50に対応する半田52とを一つに纏めて囲うように環状・枠状に形成される。
金属板36上における金属ブロック体44を挟んで第一方向X両側にある溝70間の距離と、金属ブロック体50を挟んで第一方向X両側にある溝70間の距離と、は略同じである。また、金属板36上における半田46が設置される領域80の第一方向Xの幅と、半田52が設置される領域82の第一方向Xの幅と、は略同一である。溝70は、金属板36の接合面において半田46,52全体を囲む略矩形状に形成される環状溝であって、かつ、金属板36の半田46,52が設置される領域80,82の外周において連続的に繋がる。
また、金属板56上における金属ブロック体44を挟んで第一方向X両側にある溝72間の距離と、金属ブロック体50を挟んで第一方向X両側にある溝72間の距離と、は略同じである。また、金属板56上における半田46が設置される領域84の第一方向Xの幅と、半田52が設置される領域86の第一方向Xの幅と、は略同一である。溝72は、金属板56の接合面において半田46,52全体を囲む略矩形状に形成される環状溝であって、金属板56の半田46,52が設置される領域84,86の外周において連続的に繋がる。
本実施例の半導体装置200の構造において、上アームパワーユニット202の溝70は、半導体スイッチング素子206側の半田46及びダイオード208側の半田52双方の広がりを防止する。また、下アームパワーユニット204の溝72は、半導体スイッチング素子210側の半田46及びダイオード212側の半田52双方の広がりを防止する。かかる構造においても、金属板36,56の接合面上の半導体スイッチング素子206,210側の半田46が設置される領域とダイオード208,212側の半田52が設置される領域との間に、半田46に対応する溝と半田52に対応する溝とをそれぞれ別個独立して設けることは不要である。
このため、本実施例の半導体装置200においても、上アームパワーユニット202の2種類の半導体素子206,208が第二方向Yに並んで配置される金属板34,36、及び、下アームパワーユニット204の2種類の半導体素子210,212が第二方向Yに並んで配置される金属板54,56の、第二方向Yにおけるサイズ幅を縮小することができ、金属板34,36,54,56の小型化・軽量化ひいては半導体装置200自体の小型化・軽量化を図ることができる。
また、半導体装置200の構造においては、上アームパワーユニット202の半導体スイッチング素子206と金属ブロック体44とを接合する半田42として使用する半田箔のリール幅と、ダイオード208と金属ブロック体50とを接合する半田48として使用する半田箔のリール幅と、が略同じとなる。また、上アームパワーユニット202の金属ブロック体44と金属板36とを接合する半田46として使用する半田箔のリール幅と、金属ブロック体50と金属板36とを接合する半田52として使用する半田箔のリール幅と、が略同じとなる。
尚、下アームパワーユニット204についても同様に、半導体スイッチング素子210と金属ブロック体44とを接合する半田42として使用する半田箔のリール幅と、ダイオード212と金属ブロック体50とを接合する半田48として使用する半田箔のリール幅と、が略同じとなり、また、金属ブロック体44と金属板56とを接合する半田46として使用する半田箔のリール幅と、金属ブロック体50と金属板56とを接合する半田52として使用する半田箔のリール幅と、が略同じとなる。
この点、本実施例の半導体装置200においても、半導体スイッチング素子206,210と金属ブロック体44との間に介在させる半田42として取り付ける半田箔と、ダイオード208,212と金属ブロック体50との間に介在させる半田48として取り付ける半田箔と、で同じものを使用することができるので、半導体装置200において使用する半田箔の種類を削減することができる。また、金属ブロック体44と金属板36,56との間に介在させる半田46として取り付ける半田箔と、金属ブロック体50と金属板36,56との間に介在させる半田52として取り付ける半田箔と、で同じものを使用することができるので、半導体装置200において使用する半田箔の種類を削減することができる。
また、本実施例の半導体装置200の構造においては、金属板36,56の溝70,72で囲まれた枠内で第二方向Yに並ぶ半導体スイッチング素子206,210側の半田46とダイオード208,212側の半田52との配置位置関係を、その溝70,72で囲まれた枠内で反転させることができる。すなわち、金属板36,56の継手部36a,56aが設けられた第二方向Y側に半導体スイッチング素子206,210及び半田46を配置しかつ継手部36a,56aが設けられていない第二方向Y側にダイオード208,212及び半田52を配置することが可能であり、また逆に、金属板36,56の継手部36a,56aが設けられた第二方向Y側にダイオード208,212及び半田52を配置しかつ継手部36a,56aが設けられていない第二方向Y側に半導体スイッチング素子206,210及び半田46を配置することが可能である。
このため、本実施例の半導体装置200においても、上アームパワーユニット202に使用する金属板36と下アームパワーユニット204に使用する金属板56とを共通化することができ、同じ形状の金属板36,56に対して半導体スイッチング素子206,210とダイオード208,212との第二方向Yにおける配置順序を変えることで、上アームパワーユニット202及び下アームパワーユニット204の双方を構成することができる。このため、半導体装置200において使用する部品(具体的には、金属板36,56)の種類を削減して一種類とすることができる。
尚、上記の第2実施例においては、半導体スイッチング素子206,210及びダイオード208,212が特許請求の範囲に記載した「半導体素子」に相当している。
図13は、本発明の第3実施例である半導体装置300が備える上アームパワーユニット302及び下アームパワーユニット304の要部構成の平面配置図を示す。また、図14は、本実施例の上アームパワーユニット302を図13中のA−A線及びB−B線に沿って切断した際の断面図を示す。尚、図14(A)にはA−A線に沿って切断した際の断面図を、また、図14(B)にはB−B線に沿って切断した際の断面図を、それぞれ示す。また、図13及び図14において、上記第1実施例において使用した構成と同一の構成については、同一の符号を付してその説明を省略又は簡略する。
本実施例の半導体装置300は、高電位側電源に接続する上アームを構成する上アームパワーユニット302と、低電位側電源に接続する下アームを構成する下アームパワーユニット304と、を備えている。上アームパワーユニット302は、種類の異なる2つの半導体素子306,308を有している。また、下アームパワーユニット304は、種類の異なる2つの半導体素子310,312を有している。
半導体素子306,308,310,312はそれぞれ、薄肉矩形状に形成された半導体チップにより構成されており、サイズ幅を除いて上記第1実施例の半導体素子26,28,30,32と同じ構成・役割を有している。上アームパワーユニット302及び下アームパワーユニット304はそれぞれ、半導体素子306,308,310,312のサイズ幅及びそのサイズ幅に関連する半田の大きさなどを除いて上記第1実施例の上アームパワーユニット22及び下アームパワーユニット24と同じ構成・役割を有している。
半導体スイッチング素子306の第一方向Xのサイズ幅と、ダイオード308の第一方向Xのサイズ幅と、は異なる。また、半導体スイッチング素子310の第一方向Xのサイズ幅と、ダイオード312の第一方向Xのサイズ幅と、は異なる。具体的には、ダイオード308の第一方向Xのサイズ幅は、半導体スイッチング素子306の第一方向Xのサイズ幅よりも小さく、また、ダイオード312の第一方向Xのサイズ幅は、半導体スイッチング素子310の第一方向Xのサイズ幅よりも小さい。
上アームパワーユニット302において、半導体スイッチング素子306の一方の面は、半田38を介して金属板34に接合されている。ダイオード308の一方の面は、半田40を介して金属板34に接合されている。半導体スイッチング素子306の他方の面は、半田42、金属ブロック体314、及び半田46を介して金属板36に接合されている。ダイオード308の他方の面は、半田48、金属ブロック体316、及び半田52を介して金属板36に接合されている。
また、下アームパワーユニット304において、半導体スイッチング素子310の一方の面は、半田38を介して金属板54に接合されている。ダイオード312の一方の面は、半田40を介して金属板54に接合されている。半導体スイッチング素子310の他方の面は、半田42、金属ブロック体314、及び半田46を介して金属板56に接合されている。ダイオード312の他方の面は、半田48、金属ブロック体316、及び半田52を介して金属板36に接合されている。
金属ブロック体314は、半導体スイッチング素子306,310の大きさ(サイズ)に合わせた大きさ(サイズ)を有し、図14(A)に示す如く略直方体形状に形成されている。金属ブロック体316は、ダイオード308,312の大きさ(サイズ)に合わせた大きさ(サイズ)を有するが、上記の金属ブロック体314の形状とは異なる形状に形成されている。
すなわち、金属ブロック体314の形状と金属ブロック体316の形状とは互いに異なる。金属ブロック体314の形状は略直方体形状である一方、金属ブロック体316の形状は図14(B)に示す如く断面凸状である。金属ブロック体316は、金属板36,56側の半田52が設置される部位の第一方向Xのサイズ幅が金属ブロック体314の第一方向Xのサイズ幅と略同じになり、一方、ダイオード308,312側の半田48が設置される部位の第一方向Xのサイズ幅がダイオード308,312の第一方向Xのサイズ幅に合わせて金属板36,56側の半田52が設置される部位の第一方向Xのサイズ幅(すなわち、金属ブロック体314の第一方向Xのサイズ幅)よりも小さくなるように形成される。
この点、上アームパワーユニット302において、金属ブロック体314の第一方向Xのサイズ幅と、金属ブロック体316の、金属板36側の半田52が設置される部位の第一方向Xのサイズ幅と、は略同じである。また、下アームパワーユニット304において、金属ブロック体314の第一方向Xのサイズ幅と、金属ブロック体316の、金属板56側の半田52が設置される部位の第一方向Xのサイズ幅と、は略同じである。
上アームパワーユニット302において、半導体スイッチング素子306とダイオード308とは金属板34,36上に第二方向Yに並んで配置されると共に、金属ブロック体314は半導体素子306に積層され、かつ、金属ブロック体316は半導体素子308に積層される。半導体スイッチング素子306への金属ブロック体314の積層及びダイオード308への金属ブロック体316の積層は、金属ブロック体314,316が半導体素子306,308に対して第一方向X略中央に位置するように行われる。これらの金属ブロック体314と316とは、金属板34,36上に第二方向Yに並びつつ第一方向Xにオフセットすることなく第一方向Xの端部同士が揃うように配置される。
また、下アームパワーユニット304において、半導体スイッチング素子310とダイオード312とは金属板54,56上に第二方向Yに並んで配置されると共に、金属ブロック体314は半導体素子310に積層され、かつ、金属ブロック体316は半導体素子312に積層される。半導体スイッチング素子310への金属ブロック体314の積層及びダイオード312への金属ブロック体316の積層は、金属ブロック体314,316が半導体素子310,312に対して第一方向X略中央に位置するように行われる。これらの金属ブロック体314と316とは、金属板54,56上に第二方向Yに並びつつ第一方向Xにオフセットすることなく第一方向Xの端部同士が揃うように配置される。
金属板36の接合面に形成される溝70は、その接合面において、その半田46,52が設置される領域80,82の外周に沿うように形成され、かつ、半導体スイッチング素子306側の金属ブロック体314に対応する半田46とダイオード308側の金属ブロック体316に対応する半田52とを一つに纏めて囲うように環状・枠状に形成される。また、金属板56の接合面に形成される溝72は、その接合面において、その半田46,52が設置される領域84,86の外周に沿うように形成され、かつ、半導体スイッチング素子310側の金属ブロック体314に対応する半田46とダイオード312側の金属ブロック体316に対応する半田52とを一つに纏めて囲うように環状・枠状に形成される。
金属板36上における金属ブロック体314を挟んで第一方向X両側にある溝70間の距離と、金属ブロック体316を挟んで第一方向X両側にある溝70間の距離と、は略同じである。また、金属板36上における半田46が設置される領域80の第一方向Xの幅と、半田52が設置される領域82の第一方向Xの幅と、は略同一である。溝70は、金属板36の接合面において半田46,52全体を囲む略矩形状に形成され、かつ、金属板36の半田46,52が設置される領域80,82の外周において連続的に繋がる環状溝である。
また、金属板56上における金属ブロック体314を挟んで第一方向X両側にある溝72間の距離と、金属ブロック体316を挟んで第一方向X両側にある溝72間の距離と、は略同じである。また、金属板56上における半田46が設置される領域84の第一方向Xの幅と、半田52が設置される領域86の第一方向Xの幅と、は略同一である。溝72は、金属板56の接合面において半田46,52全体を囲む略矩形状に形成され、かつ、金属板56の半田46,52が設置される領域84,86の外周において連続的に繋がる環状溝である。
本実施例の半導体装置300の構造において、上アームパワーユニット302の溝70は、半導体スイッチング素子306側の半田46及びダイオード308側の半田52双方の広がりを防止する。また、下アームパワーユニット304の溝72は、半導体スイッチング素子310側の半田46及びダイオード312側の半田52双方の広がりを防止する。かかる構造においても、金属板36,56の接合面上の半導体スイッチング素子306,310側の半田46が設置される領域とダイオード308,312側の半田52が設置される領域との間に、半田46に対応する溝と半田52に対応する溝とをそれぞれ別個独立して設けることは不要である。
このため、本実施例の半導体装置300においても、上アームパワーユニット302の2種類の半導体素子306,308が第二方向Yに並んで配置される金属板34,36、及び、下アームパワーユニット304の2種類の半導体素子310,312が第二方向Yに並んで配置される金属板54,56の、第二方向Yにおけるサイズ幅を縮小することができ、金属板34,36,54,56の小型化・軽量化ひいては半導体装置300自体の小型化・軽量化を図ることができる。
また、半導体装置300の構造においては、上アームパワーユニット302の金属ブロック体314と金属板36とを接合する半田46として使用する半田箔のリール幅と、金属ブロック体316と金属板36とを接合する半田52として使用する半田箔のリール幅と、が略同じとなる。また、下アームパワーユニット24についても同様に、金属ブロック体314と金属板56とを接合する半田46として使用する半田箔のリール幅と、金属ブロック体316と金属板56とを接合する半田52として使用する半田箔のリール幅と、が略同じとなる。
この点、本実施例の半導体装置300においても、金属ブロック体314と金属板36,56との間に介在させる半田46として取り付ける半田箔と、金属ブロック体316と金属板36,56との間に介在させる半田52として取り付ける半田箔と、で同じものを使用することができるので、半導体装置300において使用する半田箔の種類を削減することができる。
また、本実施例の半導体装置300の構造においては、金属板36,56の溝70,72で囲まれた枠内で第二方向Yに並ぶ半導体スイッチング素子306,310側の半田46とダイオード308,312側の半田52との配置位置関係を、その溝70,72で囲まれた枠内で反転させることができる。すなわち、金属板36,56の継手部36a,56aが設けられた第二方向Y側に半導体スイッチング素子306,310及び半田46を配置しかつ継手部36a,56aが設けられていない第二方向Y側にダイオード308,312及び半田52を配置することが可能であり、また逆に、金属板36,56の継手部36a,56aが設けられた第二方向Y側にダイオード308,312及び半田52を配置しかつ継手部36a,56aが設けられていない第二方向Y側に半導体スイッチング素子306,310及び半田46を配置することが可能である。
このため、本実施例の半導体装置300においても、上アームパワーユニット302に使用する金属板36と下アームパワーユニット304に使用する金属板56とを共通化することができ、同じ形状の金属板36,56に対して半導体スイッチング素子306,310とダイオード308,312との第二方向Yにおける配置順序を変えることで、上アームパワーユニット302及び下アームパワーユニット304の双方を構成することができる。このため、半導体装置300において使用する部品(具体的には、金属板36,56)の種類を削減して一種類とすることができる。
尚、上記の第3実施例においては、半導体スイッチング素子306,310及びダイオード308,312が特許請求の範囲に記載した「半導体素子」に相当している。
ところで、上記の第3実施例においては、上アームパワーユニット302及び下アームパワーユニット304の金属ブロック体316が、略直方体形状に形成された金属ブロック体314の形状とは異なる形状に形成され、具体的には、断面凸状に形成される。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、金属ブロック体316は、ダイオード308,312側の半田48が設置される部位の第一方向Xのサイズ幅がダイオード308,312の第一方向Xのサイズ幅に合わせて金属板36,56側の半田52が設置される部位の第一方向Xのサイズ幅(すなわち、金属ブロック体314の第一方向Xのサイズ幅)よりも小さいものであればよく、例えば、図15に示す如く、断面テーパ状に形成されてもよい。
また、上記の第1〜第3実施例においては、各アームパワーユニットそれぞれが2つの半導体素子を有するものとしたが、各アームパワーユニットそれぞれが3つ以上の半導体素子を有するものとしてもよい。また、各アームパワーユニットそれぞれが種類の異なる2つの半導体素子を有するものとしているが、種類が同じ半導体素子を有するものとしてもよい。例えば、2つの半導体スイッチング素子と1つのダイオードとを有するものとしてもよいし、逆に、1つの半導体スイッチング素子と2つのダイオードとを有するものとしてもよい。また、各アームパワーユニットそれぞれが有する種類の異なる2つの半導体素子として、半導体スイッチング素子及びダイオードを用いるものとしているが、他の組み合わせの半導体素子を用いるものとしてもよい。
また、上記の第1〜第3実施例においては、各アームパワーユニットの2種類の半導体素子の金属板34,54への接合がそれぞれ独立した別体の半田38,40を介して行われる。すなわち、同じ金属板34,54の接合面に2つの半導体素子を接合させる半田38,40が互いに別個独立したものである。また、2種類の半導体素子に対応する金属ブロック体の金属板36,56への接合がそれぞれ独立した別体の半田46,52を介して行われる。すなわち、同じ金属板36,56の接合面に2つの金属ブロック体を接合させる半田46,52が互いに別個独立したものである。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、上記の半田38,40が互いに一体化されたものであってもよく、また、上記の半田46,52が互いに一体化されたものであってもよい。
また、上記の第1〜第3実施例においては、各アームパワーユニットの2種類の半導体素子に対応して設けられた2つの金属ブロック体が互いに別個独立したものである。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、2種類の半導体素子に対応した2つの金属ブロック体が互いに一体化されたものであってもよい。
また、上記の第1〜第3実施例においては、金属板36,56の接合面に形成される溝70,72が、半田46,52が設置される領域80,82,84,86の外周に沿うように形成され、かつ、半導体スイッチング素子側の半田46とダイオード側の半田52とを一つに纏めて囲うように環状・枠状に形成されるものである。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、溝70,72は、上記の環状・枠状に形成される環状部70a,72aを含んだうえで、図16(A)に示す如く、金属板36,56の接合面上の半導体スイッチング素子側の半田46が設置される領域80,84とダイオード側の半田52が設置される領域82,86との間において第一方向Xに延びる、両半田46,52が共に流れ込むことが可能な共通部70b,72bを含むように形成されるものであってもよい。
また、上記の第1〜第3実施例においては、半導体スイッチング素子の第一方向Xのサイズ幅とダイオードの第一方向Xのサイズ幅とが略同じであるか或いは異なるかに関係なく、金属板36,56の接合面に形成される溝70,72が、半田46,52全体を囲む略矩形状に形成される環状溝である。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、半導体スイッチング素子の第一方向Xのサイズ幅とダイオードの第一方向Xのサイズ幅とが異なるときは、溝70,72の形状は、図16(B)に示す如く、金属板36,56の接合面上において半導体スイッチング素子側のサイズ幅及びダイオード側のサイズ幅それぞれに合わせて凹凸を付けたものであってもよい。
また、上記の第1〜第3実施例においては、金属板36,56の接合面に形成される溝70,72が、金属板36,56の半田46,52が設置される領域80,82,84,86の外周において連続的に繋がるものである。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、溝70,72は、図16(C)に示す如く、金属板36,56の半田46,52が設置される領域80,82,84,86の外周において断続的に繋がるものであってもよい。また、溝70,72が、金属板36,56の半田46,52が設置される領域80,82,84,86の外周において略環状に形成されつつ、その一部がカットされることで環状に繋がらないものであってもよい。
また、上記の第1〜第3実施例においては、各アームパワーユニットの2種類の半導体素子が、金属板34,36,54,56上に第二方向Yに並べて配置されつつ、第一方向Xにオフセットすることなく第一方向Xの端部同士が揃うように配置される。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、金属板34,36,54,56上に第二方向Yに並べて配置された2種類の半導体素子が、第一方向Xにオフセットして第一方向Xの端部がずれるように配置されるものであってもよい。かかる変形例において、溝70,72は、金属板36,56の接合面において、2種類の半導体素子の配置位置に合わせた位置に形成される。
また、上記の第1〜第3実施例においては、金属板36,56の接合面に形成される溝70,72が、半田46,52が設置される領域80,82,84,86の外周に沿うように形成される。この溝70,72は、金属板36,56の接合面において、半田46,52を介して接合される金属ブロック体44,50,314,316の外周端部の内側と外側とを跨ぐように形成されるものとしてもよいし(図6)、その金属ブロック体44,50,314,316の外周端部の外側に形成されるものとしてもよいし(図17(A))、また、その金属ブロック体44,50,314,316の外周端部の内側に形成されるものとしてもよい(図17(B))。
20 半導体装置
22,202,302 上アームパワーユニット
24,204,304 下アームパワーユニット
26,30,206,210,306,310 半導体スイッチング素子(半導体素子)
28,32,208,212,308,312 ダイオード(半導体素子)
34,36,54,56 金属板
38,40,42,46,48,52 半田
44,50 金属ブロック体
70,72 溝
74 モールド樹脂
80,82,84,86 領域

Claims (9)

  1. 対向して配置される第1及び第2の金属板と、
    それぞれ前記第1の金属板と前記第2の金属板との間に介在する複数の半導体素子と、
    前記第1の金属板と前記半導体素子との間に介在する金属ブロック体と、
    前記第1の金属板と前記金属ブロック体との間に介在し、該第1の金属板と該金属ブロック体とを接続する半田と、
    前記半導体素子及び前記金属ブロック体を前記第1の金属板と前記第2の金属板との間に封止するモールド樹脂と、を備え、
    前記第1の金属板の、前記金属ブロック体が前記半田を介して接続される面とは反対側の面が前記モールド樹脂から露出する半導体装置において、
    前記第1の金属板は、前記半田が設置される領域の外周に沿うように形成され、かつ、前記半田を一つに纏めて囲うように形成された溝を有し、
    前記溝は、前記複数の半導体素子が並ぶ方向で、前記複数の半導体素子の間には延在しないことを特徴とする半導体装置。
  2. 前記溝は、略矩形状に形成される環状溝を含むことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  3. 前記複数の半導体素子は、前記第1の金属板と前記第2の金属板との間において所定方向に並んで配置される2種類の半導体素子であり、
    前記第1の金属板における一方の前記半導体素子側の前記金属ブロック体に対応する前記半田が設置される第一領域の、前記所定方向に直交する直交方向の幅と、前記第1の金属板における他方の前記半導体素子側の前記金属ブロック体に対応する前記半田が設置される第二領域の、前記直交方向の幅と、が略同一であることを特徴とする請求項2記載の半導体装置。
  4. 一方の前記半導体素子の前記直交方向のサイズ幅と、他方の前記半導体素子の前記直交方向のサイズ幅と、が略同一であることを特徴とする請求項3記載の半導体装置。
  5. 一方の前記半導体素子側の前記金属ブロック体の、少なくとも前記半田が設置される部位の前記直交方向のサイズ幅と、他方の前記半導体素子側の前記金属ブロック体の、少なくとも前記半田が設置される部位の前記直交方向のサイズ幅と、が略同一であることを特徴とする請求項3記載の半導体装置。
  6. 一方の前記半導体素子の前記直交方向のサイズ幅と、他方の前記半導体素子の前記直交方向のサイズ幅と、が互いに異なり、
    一方の前記半導体素子側の前記金属ブロック体の形状と、他方の前記半導体素子側の前記金属ブロック体の形状と、が互いに異なることを特徴とする請求項5記載の半導体装置。
  7. 一方の前記半導体素子側の前記金属ブロック体の形状が略直方体形状であり、
    他方の前記半導体素子側の前記金属ブロック体の形状が断面テーパ形状であることを特徴とする請求項6記載の半導体装置。
  8. 前記第1の金属板と前記第2の金属板との間において一方の前記半導体素子と他方の前記半導体素子とが前記所定方向に互いに離間する距離は、少なくとも前記金属ブロック体の積層方向のサイズ幅よりも大きいことを特徴とする請求項5乃至7の何れか一項記載の半導体装置。
  9. 前記複数の半導体素子は、電力変換装置のアーム素子を構成する一つのパワートランジスタと該パワートランジスタに並列接続される一つの還流ダイオードとであることを特徴とする請求項1乃至8の何れか一項記載の半導体装置。
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