JP6139330B2 - 電力用半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、セラミックを基材とする回路基板を用いた電力用半導体装置に関する。

近年、電力用半導体装置は、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きた。特に車載用においては限られた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が非常に重要な課題である。そこで、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。また、上述した高性能化に対応する耐熱性、熱伝導性を有する材料として、セラミックを基材とし、その両面に、金属の導体層を接合した回路基板が用いられるようになってきた。

回路基板の電力用半導体素子を実装した面（回路面）は、配線部材とともにシリコンゲルにて封止することが一般的に行われてきた。ところが、運転温度域が高温化すると、シリコンゲルのような柔軟な材料では、ワイヤ等の配線部材にかかる応力を抑えることができない。そのため、シリコンゲルに代わり、エポキシ樹脂のような弾性率の高い熱硬化性樹脂を主体とする封止樹脂で封止する構成が用いられるようになってきた。

このとき、配線部材を構成する金属と回路基板の基材の線膨張係数が大きく異なることから、弾性率の高い封止樹脂を用いる場合には、封止樹脂の線膨張係数の合わせ込みが難しい。とくに、特許文献１に開示されているパワーモジュールのように、封止樹脂を回路面の裏面側まで回り込むようにすると、基材と金属材料との境界付近で封止樹脂界面の剥離が生じることがある。そこで、特許文献２に示すように、回路面部分を封止する部材と周縁部を封止する部材に異なる樹脂材料を用いる技術を応用することも考えられる。

特開２０１１−１７２４８３号公報（段落００１１〜００１３、図１、図２） 特開２０１３−４７２９号公報（段落００１９〜００２６、図１）

しかしながら、単に回路面部分と周縁部で樹脂の種類を変える場合、種類の異なる樹脂の境界の位置を規定することは困難である。そのため、例えば、電力用半導体素子の電極上や配線部材中に境界が位置すると、そこに応力が集中して却って信頼性を損ねるおそれがあった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、高温に対応する信頼性の高い電力用半導体装置を得ることを目的とする。

本発明にかかる電力用半導体装置は、セラミックを基材とし、一方の面に前記基材の所定領域を覆う導体層が形成され、他方の面に冷却部材が接合された回路基板と、前記所定領域に内包されるように、裏面が前記導体層に接合された電力用半導体素子と、一端部が前記電力用半導体素子の表面に接合された電極端子と、前記電力用半導体素子および前記電極端子の少なくとも前記一端部を覆う封止樹脂と、前記電力用半導体素子を囲むように前記導体層に接合された枠部材と、を備え、前記封止樹脂は、熱硬化性樹脂を主体とするとともに、前記基材よりも前記導体層または前記電極端子に近い線膨張係数を有し、かつ前記枠部材で囲まれた領域の前記導体層を覆い、前記冷却部材と前記枠部材には、互いにかみ合うかみ合い構造が形成されていることを特徴とする。

この発明によれば、拘束性のある封止樹脂が、導体層が形成された所定領域からはみ出すことなく、電力用半導体素子と電極端子の接合部分を覆っているので、高温に対応する信頼性の高い電力用半導体装置を得ることができる。

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断面模式図である。 本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置に用いる枠部材の構造を説明するための部分断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置における枠部材を回路基板上に設置した状態を説明するための部分断面図である。 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工程中における斜視図である。 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断面模式図である。 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断面模式図である。 本発明の実施の形態４にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための断面模式図である。 本発明の実施の形態５にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための断面模式図である。

実施の形態１．
図１〜図４は、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置について説明するためのもので、図１は電力用半導体装置の断面模式図、図２は枠部材の接合部分の構造を説明するための部分断面図、図３は枠部材を回路基板上に設置したときの状態を説明するための部分断面図、図４は電力用半導体装置を製造する工程において、回路基板上に枠部材および回路部材を実装した状態を示す斜視図である。

本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置１は、図１に示すように、熱伝導性に優れたセラミック層を基材２ｉとし、その両面に銅箔層やアルミ箔層などの導体層２ａ、２ｂが形成された回路基板２と、回路基板２の一方の面（放熱面：２ｂ側）に、接合層５を介して伝熱接合されたアルミニウム（Ａｌ）もしくは銅（Ｃｕ）などの高熱伝導性の材料を主体に構成した冷却部材４と、回路基板２の他方の面（回路面２ｆ：２ａ側）に、接合層８ａを介して導電接合された電力用半導体素子３と、回路基板２の導体層２ａに接着され、電力用半導体素子３等の回路部材を囲むように配置された枠部材１０と、回路面２ｆの枠部材１０内の領域を封止する封止樹脂１２とを主構成部材として備えている。

基材２ｉの材料としては窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、および酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）などの絶縁性があり、熱伝導性の高い材料が好適である。厚みは０．３ｍｍ〜１ｍｍ程度が産業的に用いられている。導体層２ａおよび導体層２ｂは、例えば銅やアルミニウム、あるいは銅とアルミニウムの積層体などを、ろう付けもしくは拡散接合などにより基材２ｉに固着して構成した。導体層２ａおよび導体層２ｂの厚みは、おおよそ０．２ｍｍ〜１ｍｍ程度であり、厚いほうが電力用半導体素子３からの放熱性が高まる。しかし、厚いほど基材２ｉに対する熱応力が高まるため、破壊を防止するためにマージンを大きく確保する必要があり、実用上は０．３ｍｍ程度が用いられている。

接合層８ａには、たとえばはんだ、銀（Ａｇ）導体、銅（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、銀など高融点の材料を用いることで電力用半導体素子３の動作温度が高まったときの接合層８ａの信頼性を高めることができる。電力用半導体素子３の材料としては通常シリコンが用いられるが、ワイドバンドギャップ材料と呼ばれるガリウムヒ素や炭化ケイ素などの高温動作可能な素材を用いてもよく、そのような高温動作可能な材料を用いたほうが電力用半導体装置１全体の小型化が可能となり好適である。

接合層８ｂを介して一端が電力用半導体素子３の上面に導電接合された電極端子６ａ、接合層８ｃを介して一端が導体層２ａに導電接合された電極端子６ｂは、それぞれ他端が上方に向かって取り出されている。また、信号線９を介して、電力用半導体素子３の上面の図示しない制御電極と一端が電気接合された電極端子７も、他端が上方に向かって取り出されている。

電極端子６ａ、電極端子６ｂ、電極端子７の材料は、例えば銅や銅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。また電極端子６ａは、電力用半導体素子３で発生した熱を外部電極や周囲の封止樹脂１２（後述する）に拡散させる働きがあり、熱伝導率が高いことも必要であるため、銅の適用が効果的である。そして、電極端子６ａは、厚みを増大させると電力用半導体素子３への熱応力が大きくなり、薄くすると通電時のΩ抵抗による抵抗発熱が増大するため、適切な厚み選択が必要であり、例えば０．２ｍｍ〜１ｍｍ程度のものが用いられる。また、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などの手法が有効である。

接合層８ｂは、電力用半導体素子３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。すなわち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という性質がある。そのため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銀焼結（Ａｇシンター）材、銅焼結材、銅−錫（ＣｕＳｎ）金属間化合物材などの材料が好適である。

電極端子７および電極端子６ｂについては、後述する枠部材１０とインサート成形によって一体化している。そして電極端子６ｂは、回路面２ｆに平行になるように折り曲げられた一端側が枠部材１０の内側部から露出しており、露出した部分のうち、回路面２ｆに対向する面が接合層８ｂによって導体層２ａに導電接合されている。一方、電極端子７の一端側についても、回路面２ｆに平行になるように折り曲げられているが、回路面２ｆに対向する面は枠部材１０で覆われており、その反対側の枠部材１０から露出した面に、上述した信号線９が接合されている。なお、電極端子７および電極端子６ｂを枠部材１０とインサート成形によって一体化したことは、枠部材１０によって封止樹脂１２の領域を確保するという、後述する本発明の作用効果を奏する上での必須要件ではない。

そして、回路基板２の回路面２ｆ側に接合された枠部材１０により、回路面２ｆの回路部材が実装される部分（導体層２ａの領域）の空間が囲まれ、囲まれた空間のうち、所定高さまでが封止樹脂１２で充填されている。これにより、各電極端子（６ａ、６ｂ、７）の他端側を除き、電力用半導体素子３を含む回路面２ｆ上の回路部材が、封止樹脂１２で覆われている。なお、封止樹脂１２から露出した各電極端子（６ａ、６ｂ、７）の他端側の端部は、後の工程で、外部と電気接続するための電極となる。

枠部材１０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）や液晶樹脂、フッ素系樹脂などが好適である。そして、後述する封止樹脂１２と同様、セラミックの基材２ｉよりも導体層２ａの線膨張係数に近い線膨張係数を有する。そのため、枠部材１０は、回路面２ｆのうち、基材２ｉよりも線膨張係数の近い導体層２ａ（の外周部）に対して、接着剤１１を用いて接着される。これにより、枠部材１０により、回路面２ｆの回路部材が実装される部分（導体層２ａの領域）が囲まれる。なお、枠部材１０と回路面２ｆとの接着等の詳細については、後ほど述べる。

封止樹脂１２は、回路部材を拘束できるだけの弾性率（例えば、１０ＧＰａ以上）を有し、かつ、セラミック基材２ｉよりも導体層２ａの線膨張係数に近い線膨張係数を有する。具体的には、例えばエポキシ系（エポキシ樹脂）のように熱硬化性樹脂を主体とする接着剤もしくはポッティング材を、導体層２ａと枠部材１０で囲われた領域で満たして硬化させることで形成される。これにより、電力用半導体素子３、電力用半導体素子３の表面電極などは封止樹脂１２によって確実に覆われ、機械的に拘束される。なお、上述した熱硬化性樹脂を主体とするという記載の意味には、熱硬化性樹脂のみから構成されるものも含まれる。

回路基板２の放熱面（導体層２ｂ側）には、（伝熱）接合層５を介して冷却部材４が接合されている。冷却部材４としてはアルミニウムや銅、銅モリブデン（ＣｕＭｏ）合金、ＳｉＣ／Ａｌ（ＳｉＣ繊維強化アルミニウム）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、セラミックを基材２ｉとする回路基板２などの電力用半導体素子３を搭載した部分と、冷却部材４間の線膨張係数の差が大きいと接合層５にかかる応力が大きくなる。そのため、高信頼を要求する製品では、ＣｕＭｏやＳｉＣ／Ａｌ等の線膨張係数の小さい材料が用いられている。

接合層５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。ただし電力用半導体素子３との間に回路基板２が介在しているため、電力用半導体素子３よりも到達温度が低くなるので、はんだなども十分実用に耐え得る。ただし、より高温での耐久性が達成できる銀焼結材、銅焼結材、銅錫（金属間化合物）材も利用可能である。

さらに、本実施の形態１においては、冷却部材４の回路基板２側の面（吸熱面）には、回路基板２を囲む枠状体として第二枠部材１３が接合されている。そして、第二枠部材１３で囲まれた空間のうち、回路基板２の導体層２ａに達する高さまで、第二封止樹脂１４で覆われている。これにより、回路基板２のセラミックの基材２ｉと導体層２ａ、２ｂの接合界面の端部が絶縁性の第二封止樹脂１４で覆われ、接合界面の端部に生じる電界集中箇所に対して、適切な絶縁性を保つことができる。

つぎに、上述した電力用半導体装置１の製造方法について説明する。
はじめに、回路基板２の回路面２ｆ側に接合層８ａによって電力用半導体素子３を接合する。そして、電力用半導体素子３の表面電極上に接合層８ｂを形成するためのはんだ材８Ｐ（図３）、導体層２ａの所定位置に接合層８ｃを形成するためのはんだ材８Ｐ（図３）を載置する。

つぎに、インサート成形によって、電極端子６ｂおよび電極端子７を内蔵するように成形された枠部材１０を、導体層２ａに接着する。このとき、図２に示すように、枠部材１０の底面には、枠としての厚み１．５ｍｍのほぼ真ん中に、幅０．５ｍｍ、深さ０．５ｍｍの溝部１０ｄを配置している。そのため、予め溝部１０ｄ内に充填しておき、枠部材１０を導体層２ａの外周に合わせるように設置すると、図３に示すように、枠部材１０と導体層２ａとの間に接着剤１１を介在させることができる。このとき、事前に導体層２ａの所定位置に配置したはんだ材８Ｐも電極端子６ｂと導体層２ａとの間に介在することになる。

つぎに、電力用半導体素子３の表面電極（主電力）のはんだ材８Ｐを載置した部分に電極端子６ａを載置し、加熱することで、電極端子６ａと電力用半導体素子３との接合層８ｂ、電極端子６ｂと導体層２ａとの接合層８ｃが形成される。さらに、電力用半導体素子３の制御電極と電極端子７とを信号線９により電気接続すると、図４に示すように、回路基板２上に必要な回路部材が実装される。

そして、回路基板２の回路面２ｆ側の導体層２ａと枠部材１０で囲われた領域に、封止樹脂１２を満たして硬化させる。さらに、回路基板２の導体層２ｂに、接合層５によって冷却部材４を接合し、冷却部材４の吸熱面側に第二枠部材１３を接合する。そして、第二枠部材１３で囲まれた領域のうち、導体層２ａにかかる部分まで（少なくとも基材２ｉと導体層２ａとの接合界面端部を覆うまで）を拘束性のない第二封止樹脂１４で覆うことで、電力用半導体装置１が形成される。

つぎに、一般的な電力用半導体装置の動作と本発明の必要性を含め、本実施の形態１にかかる電力用半導体装置１の動作について説明する。なお、本実施の形態と区別するため、一般的な電力用半導体装置については、パワーモジュールと称し、そこで使用する電力用半導体素子もチップと称する。

パワーモジュールは、例えば、モーターなどを駆動するインバータ等を構成するために用いられる。モーターを駆動する場合、通常３〜５％程度の損失がチップで生じる。この損失による温度上昇が、例えば、接合材として用いているはんだの融点を超えると、接合が維持できず、パワーモジュールは故障してしまう。またチップの温度がおよそ３７０℃に達すると、絶縁性が失われ、チップ自体が破壊してしまう。これらの温度上昇があってはならないため、パワーモジュールは冷却器とセットで用いられるのが常である。またモーターの負荷の増減による温度変化により、パワーモジュール内部の接合部・接着部に熱応力が生じ、繰り返しの温度変化によって接合部や接着部が劣化し、破壊するという現象が生じる。すなわち長期使用に対して寿命が存在するので、安全に使用できる期間を保証するために寿命設計を行う必要がある。

上述したように、パワーモジュールでは、チップ自体が発熱源なので、チップの温度が最も高くなり、チップ周辺の接合部が最も厳しく寿命を管理される必要がある。一方、チップの表面電極には、通電経路を確保するための電極端子（本実施の形態における電極端子６ａに対応）が接合されるが、チップの主面（表面）には、スイッチオフの時に絶縁性を維持するためのガードリングと呼ばれる電界緩和部が設けられている。そのためチップの全面に電極端子を接合することができず、チップの表面電極には、電極端子が接合されている領域と接合されていない領域が存在する。

そのような場合、電極端子や接合材は、チップの表面電極に対して、ある角度を持って付着していることになる。このような角度変化のある部分は概して応力集中部になりやすい。逆に言えば表面電極の全面に均一に接合された場合は、応力集中部はできない。すなわち、チップの表面電極上には、電極端子との接合部の境界部が存在し、そこで応力集中が生ずることになる。このような応力集中が存在する結果、その応力集中が塑性域に入る場合、加速的に劣化が進むことになる。

そのような塑性域に入った際の代表的な現象は、境界部での亀裂発生である。すなわち応力集中部に亀裂が一旦入ると、応力サイクルに応じて生じる塑性変形により徐々に亀裂が進展し、ついにはチップの表面電極が脱落することになる。このような応力集中は先に述べたように、スイッチング素子においては避けられない現象である。このとき、例えば、シリコンゲルなどの柔らかい樹脂で封止した場合、絶縁性は保たれ、チップへの異物の付着は防止できるが、熱応力の緩和作用はほとんどない。

一方、例えばチップの表面の配線に用いられるワイヤボンド接合部の場合、パワーサイクル寿命と呼ばれる通電によって生じる温度サイクルに対する寿命が、弾性率の高い樹脂封止により３倍以上となることが知られている。このメカニズムは、もともと円筒形のワイヤをチップ表面に接合したことで、ワイヤの延長方向の接合界面端部に生じる未接合部の断面形状が楔状の切り欠きを生じる場合を対象にしているが、円筒を曲げて平面に接合する場合には不可避の現象である。このような楔形状では非常に応力集中を生じやすいが、樹脂封止することで、楔形状の応力集中を解消することができる。

そして、長期信頼性試験による破断箇所は、ゲル封止の場合、ワイヤの接合界面となるが、拘束性のある弾性率の高い封止樹脂を用いた場合、破断箇所はワイヤのループの途中や、ネック部に移行する。このように拘束性のある封止樹脂を用いることで、長期信頼性を保証できる期間を長くする事ができる。またアルミワイヤのみならず、銅の電極をチップ表面の電極にはんだ付けした場合も、拘束性のある封止樹脂で覆う事で、はんだ層の亀裂進展を抑制でき、寿命がアルミワイヤの場合の１０倍程度に向上することがわかっている。

しかし、回路面には、回路基板の基材を構成するセラミック材料と電極端子等の金属材料のように線膨張係数が異なる部材が存在する。そして、弾性率の高い封止樹脂で単純に回路面を覆うと、封止樹脂が線膨張係数の異なる材料をまたぐことになる。そのため、線膨張係数の違いにより、基材と封止樹脂との境界、電極端子と封止樹脂との境界、あるいは、封止樹脂や基材そのものに亀裂等の劣化が生じる恐れがある。つまり、電極端子等を拘束するだけの弾性率を有する封止樹脂を用いた場合、線膨張係数の合わせ込みが困難で、線膨張係数差に起因する新たな応力を生じる恐れがある。

しかし、本実施の形態１にかかる電力用半導体装置１では、回路基板２の回路面２ｆのうち、枠部材１０で囲まれた導体層２ａの内側の領域のみを封止樹脂１２で覆うようにした。これにより、封止樹脂１２は、電極端子６ａや導体層２ａに対して線膨張係数が異なる基材２ｉとの接触面を有することがない。そのため、封止樹脂１２の線膨張係数を、電極端子６ａや導体層２ａとの相性を優先し、基材２ｉ（セラミック：５ｐｐｍ／Ｋ）よりも、導体層２ａおよび電極端子６ａ（Ｃｕ：１８ｐｐｍ／Ｋ、Ａｌ：２３ｐｐｍ／Ｋ）に近い値に設定することができる。

拘束性を有する指標としては、弾性率が、金属の１／１０程度であれば十分な効果を発揮する。具体的には、例えば、１０Ｇｐａ以上に設定している。そして、封止樹脂１２は、枠部材１０によって拡がりが制限されているので、枠部材１０内の規定した高さ内に隙間なく充填することができる。そのため、電力用半導体素子３に接合した電極端子６ａ、信号線９にかかる熱応力を抑制することができる。そして、電力用半導体素子３の表面電極上では、電極端子６ａと封止樹脂１２との境界部分でも、実質的に線膨張係数が同じで、拘束性を有する弾性率が所定以上の部材が連なることになり、前述した応力集中を確実に軽減することができる。

なお、封止樹脂１２の線膨張係数は、基材２ｉと導体層２ａの間の値にするほうが、応力低減作用が高まった。具体的には、セラミックの線膨張係数より銅の線膨張係数に近い値であって、セラミックの線膨張係数より大きく、銅の線膨張係数よりも小さい値にすると、応力低減効果が高まった。

一方、樹脂の枠部材１０自体には接着性がないため、接着剤１１を用いて枠部材１０を導体層２ａに接合（接着）している。枠部材１０を構成する樹脂の線膨張係数も封止樹脂１２に合わせて金属に近い値に調整する必要があるので、回路基板２の基材２ｉ（セラミック）部分に枠部材１０を接着した場合、樹脂とセラミックの間の線膨張係数差が大きく、剥離してしまう可能性がある。この時セラミックの表面で沿面絶縁距離を確保するという機能を持たせているので、ここに剥離が生じると、電界によって部分放電が生じ絶縁性が低下するおそれがある。

しかし、本実施の形態１にかかる電力用半導体装置１では、枠部材１０を、導体層２ａ部分に接着しているので、線膨張係数が実質的に同一で、応力の発生を抑え、剥離を生じる可能性が低くなる。しかし、この場合でも、枠部材１０が導体層２ａの表面から剥離すると、封止樹脂１２も導体層２ａから剥離することになる。この剥離が電力用半導体素子３の表面を横切った場合、電力用半導体素子３の破壊につながるため、枠部材１０の剥離は十分抑制する必要がある。

そこで、本実施の形態１では、枠部材１０に固着された電極端子６ｂと導体層２ａとの間を接合層８ｃにより接合（はんだ付け）した。そのため、導体層２ａに接合された電極端子６ｂが枠部材１０の導体層２ａからのずれを抑制し、導体層２ａからの剥離をさらに抑制することができる。

また、枠部材１０の底面には溝部１０ｄが形成されているので、枠部材１０と導体層２ａとの接着時に、接着剤１１の外部（例えば、図３におけるＤｉ方向）へのはみ出しを防止できる。さらに、接着層の厚みを確保して、厚みが薄すぎることによる熱応力の高まりを抑制することができる。また接着剤１１のたれの防止により、生産性も向上する。

これにより、枠部材１０と導体層２ａを接着する接着層の信頼性を確保し、かつ枠部材１０に埋め込まれた電極端子６ｂと導体層２ａをはんだ接合で固定したことで、枠部材１０が回路基板２と一体化され、ずれを防止できる。そのため封止樹脂１２が導体層２ａから剥離することを防止でき、保証できる期間を延ばすことができる。なお、このはんだ接合は、電力用半導体素子３の表面電極への電極端子６ａを接合する際のはんだ付けなどと同時に行えばよく、生産性を損なわずに枠部材１０の固定の信頼性の確保が可能である。

また、冷却部材４に接合した第二枠部材１３を設けることで、回路基板２の放熱面側から導体層２ａに達する高さまでを、絶縁性に優れた第二封止樹脂１４で覆っている。そのため、基材２ｉと導体層２ａ、２ｂの接合界面の端部に生じる電界集中箇所に対しても適切な絶縁性を保ちつつ、回路面２ｆ（上面）側の導体層２ａと放熱面（下面）側の導体層２ｂ間に必要な沿面放電を最小限のスペースで確保することができる。

つまり、枠部材１０により、回路基板２の回路面２ｆを、導体層２ａの内側部分で主構成部材が金属の領域と、導体層２ａよりも外側で、セラミックを有する領域に仕切り、領域ごとに、領域に適した性質（弾性率、線膨張係数）の樹脂で封止している。そのため、拘束性のある樹脂でセラミックを有する領域にかけて封止したときのような応力の発生を抑制し、信頼性の高い電力用半導体装置１を得ることができる。

なお、枠部材１０に埋め込んだ電極端子６ｂと導体層２ａ間を接合することで、枠部材１０と回路基板２との一体性を向上させた例を示したが、これに限ることはない。少なくとも枠部材１０内の領域に、基材２ｉよりも導体層２ａおよび電極端子６ａ、６ｂ、７、信号線９等の配線部材の線膨張係数に近く、配線部材を拘束できる封止樹脂１２で封止することで、信頼性の高い電力用半導体装置１を得ることができる。つまり、枠部材１０については、必ずしも電極端子６ｂ等が埋め込まれている必要はなく、樹脂のみで構成した場合でもよい。その場合、枠部材１０は配線部材と接するわけではないので、配線部材を拘束するような弾性率を必要とはしない。また、溝部１０ｄも必須ではなく、省略することは可能である。

また、本実施の形態１においては、一つの冷却部材４に一つの回路基板２が接合された例について説明したがこれに限ることはない。例えば、パワーモジュールにおいてはインバータに通電するエネルギー量に応じた複数のチップや電極端子が搭載されたセラミック基板（本実施の形態での回路基板２に対応）を冷却部材上に複数並べて構成する方法が一般的である。例えば、セラミック基板上にＩＧＢＴとＤＩＯＤＥからなる一対のチップが搭載されていたとすると、三相駆動させるためには少なくとも６枚分のセラミック基板が必要となる。さらに通電に必要なエネルギー量に応じて並列数を増やしていくと、冷却器上のセラミック基板数はさらに増加する。

ところが、従来のように拘束力のある封止樹脂で複数のセラミック基板にわたって封止を行おうとすると、樹脂硬化後の硬度が高いため、製品に必要な使用温度範囲内であっても温度スイングにより樹脂の熱収縮が発生する。そのため、セラミック基板が単数の時よりもさらに影響が大きく、樹脂が割れ易くなるという問題がある。樹脂が割れてしまうと、上記に述べたようなチップ表面のはんだ層に対する応力低減硬化が損なわれ、期待される信頼性向上効果が得られなくなってしまう。

そこで、本実施の形態１のように、回路基板２毎に枠部材１０を設けて、その内部を封止樹脂１２で封止する。そして、冷却部材上の回路基板２間の部分（枠部材１０の外側部分）には、絶縁性を有する一方、拘束力を有しない第二封止樹脂１４を充填するようにすれば、上述した問題は解決する。第二封止樹脂１４は、絶縁性と密着性があればよく、第二枠部材１３のように範囲を限定する部材があれば、例えば、シリコンゲルなどのような流動性がある材料も適用できる。

以上のように、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置１によれば、セラミックを基材２ｉとし、一方の面に基材２ｉの所定領域を覆う導体層２ａが形成され、他方の面に冷却部材４が接合された回路基板２と、前記所定領域に内包されるように、裏面が導体層２ａに接合された電力用半導体素子３と、一端部が電力用半導体素子３の表面に接合された電極端子６ａと、電力用半導体素子３および電極端子６ａの少なくとも前記一端部を覆う封止樹脂１２と、を備え、封止樹脂１２は、熱硬化性樹脂を主体とするとともに、基材２ｉよりも導体層２ａまたは電極端子６ａに近い線膨張係数を有し、かつ前記所定領域の範囲内に形成されているように構成したので、拘束性のある封止樹脂１２が、電力用半導体素子３と電極端子６ａの接合部分を覆い、接合部分にかかる応力を低減できる。その際、封止樹脂１２は枠部材１０によって導体層２ａが形成されている領域からはみ出して、基材２ｉに直接触れるようなことがないので、封止樹脂１２によって、基材２ｉに応力がかかることもなく、高温に対応する信頼性の高い電力用半導体装置１を得ることができる。

その際、電力用半導体素子３を囲むように導体層２ａに接合された枠部材１０を備え、封止樹脂１２は、枠部材１０の内側の所定高さまで充填されているように構成したので、封止樹脂１２を確実に所定領域内に形成することができる。

封止樹脂１２は、１０ＧＰａ以上の弾性率を有するので、上記拘束力をしっかりと発揮し、応力を確実に低減できる。

また、基材２ｉと導体層２ａとの境界面の端部が、封止樹脂１２よりも弾性率の低い第二封止樹脂１４で覆われているので、基材２ｉと導体層２ａとの境界面（接合界面）の端部に生じる電界集中箇所に対して、適切な絶縁性を保つことができる。その具体例として、冷却部材４には、外周部から回路基板２を囲むように突出する枠状体として第二枠部材１３が接合され、第二封止樹脂１４は、基材２ｉと導体層との境界面の端部に達するように、第二枠部材１３の内側に充填されている。

また、本実施の形態１にかかる電力用半導体装置１の製造方法によれば、セラミックを基材２ｉとし、基材２ｉの所定領域を覆う導体層２ａが形成された回路基板２の、前記所定領域に内包されるように、電力用半導体素子３を導体層２ａに接合する工程と、電力用半導体素子３の表面に、電極端子６ａの一端部を接合する工程と、電力用半導体素子３を囲むように、導体層２ａに枠部材１０を接合する工程と、電極端子６ａの少なくとも前記一端部を覆うように、枠部材１０の内側に封止樹脂１２を充填する工程と、を含み、封止樹脂１２は、熱硬化性樹脂を主体とするとともに、基材２ｉよりも導体層２ａまたは電極端子６ａに近い線膨張係数を有するように構成したので、拘束性のある封止樹脂１２が、電力用半導体素子３と電極端子６ａの接合部分を覆い、接合部分にかかる応力を低減できる。その際、封止樹脂１２は枠部材１０によって導体層２ａが形成されていない領域にはみ出して、基材２ｉに直接触れるようなことがないので、封止樹脂１２によって、基材２ｉに応力がかかることもなく、高温に対応する信頼性の高い電力用半導体装置１を得ることができる。

実施の形態２．
本実施の形態２にかかる電力用半導体装置では、回路基板と冷却部材との位置決めを容易にするために、冷却部材と枠部材がかみ合う機構を設けたものである。具体的には、冷却部材に凹部を設けるとともに、枠部材に冷却部材の凹部に向かって突出する突出部を設けるようにした。図５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断面模式図である。図中、実施の形態１と同様のものには同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。

図５に示すように、本実施の形態２にかかる電力用半導体装置１では、枠部材１０の外周側の数か所（例えば、各辺にひとつ）に、冷却部材４に向かって突出する突出部１０ｐを設けている。そして、冷却部材４には、突出部１０ｐの位置に対応し、突出部１０ｐをかみ合わせるための凹部４ｗを設ける。このような構成をとることによって、少なくとも枠部材１０が接合された回路基板２に冷却部材４を接合する際の接合位置を精度良く決定することが可能となる。

また、枠部材１０に電極端子（６ａ、６ｂ、７）を埋め込んでいる場合、冷却部材４と回路基板２から突き出した端子（電極端子６ａ、６ｂ、７の他端側）の位置関係が固定されるので、インバータ側のバスバーとの位置決めが容易になる。とくに、冷却部材４に複数の回路基板２を配置した場合には、各回路基板２から突き出た端子の位置が正確に揃うので、より効果的で、生産性が飛躍的に向上する。

なお、上記例では、枠部材１０が回路基板２に接合された後に、冷却部材４を接合する例についての効果を説明したが、これに限ることはない。例えば、枠部材１０を回路基板２に接合する前に回路基板２に冷却部材４を接合した場合、枠部材１０と回路基板２との位置決めを容易にする効果を生じる。

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１によれば、冷却部材４と枠部材１０には、互いにかみ合うかみ合い構造として、枠部材１０の外周側に、冷却部材４に向かって突出する突出部１０ｐを設け、冷却部材４には、突出部１０ｐとかみあう凹部４ｗを設けるようにした。これにより、回路基板２と冷却部材４との位置決めが容易にできる。

実施の形態３．
本実施の形態３にかかる電力用半導体装置では、実施の形態１あるいは２で説明した第二枠部材を冷却部材に接合する代わりに、冷却部材自体に枠状体となる枠状部を設けるようにした。図６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断面模式図である。図中、実施の形態１または２と同様のものには同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。

図６に示すように、本実施の形態３にかかる電力用半導体装置１では、冷却部材４の吸熱面側の外周部に、回路基板２の方向に向かって延びる枠状部４ｆを設けている。このような構成をとることによって、冷却部材４と回路基板２とを接合した後に、枠状部４ｆの内側に第二封止樹脂１４を注入するだけで、第二封止樹脂１４で基材２ｉの外周を覆うことができる。

例えば、導体層２ａ、２ｂの厚みがそれぞれ１．０ｍｍ、基材２ｉの厚みが０．３ｍｍとすると、回路基板２の厚みは２．３ｍｍになる。ここで、回路基板２と冷却部材４を接合する接合層５の厚みが０．３ｍｍとすると、冷却部材４の吸熱面から導体層２ａまでの高低差は２．６ｍｍになり、第二封止樹脂１４を導体層２ａの表面に達するまで満たすには、吸熱面から２．６ｍｍの高さまで充填する必要がある。つまり、枠状部４ｆを２．６ｍｍ以上の高さに形成する必要がある。

冷却部材４がマシニングセンターなどを用い、切削加工で形状を製作する場合には、枠状部４ｆ以外の部分を切削で掘り下げる必要があり、２．６ｍｍもの掘り下げ加工は生産性が極端に悪化して量産品には不利な点がある。しかし、別部材である第二枠部材１３を廃止することで、部品点数を削減できるので、組立工数が減少し、コスト低減になる点もある。また、鋳造法など、金型を用いて形状を製作するような場合においては、上述した不利な点なしに、枠状部４ｆを製作することが可能となる。

なお、図６では、実施の形態２の構成に本実施の形態３の構成を適用した例を示しているが、実施の形態１の構成に本実施の形態３の構成を適用してもよいことは言うまでもない。

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１によれば、基材２ｉと導体層２ａとの境界面の端部を、封止樹脂１２よりも弾性率の低い第二封止樹脂１４で覆い、基材２ｉと導体層２ａとの境界面（接合界面）の端部に生じる電界集中箇所に対して、適切な絶縁性を保つことができる。その具体例として、冷却部材４には、外周部から回路基板２を囲むように突出する枠状体として枠状部４ｆが形成され、第二封止樹脂１４は、基材２ｉと導体層との境界面の端部に達するように、第二枠部材１３の内側に充填されている。

実施の形態４．
本実施の形態４にかかる電力用半導体装置では、回路基板と冷却部材との位置決めを容易にするために、枠部材と冷却部材とがかみ合う機構を設けたものである。ただし、かみ合う部分を冷却部材の吸着面の位置ではなく、回路面の位置に設けたことが、実施の形態２あるいは３とは異なる。図７は、本発明の実施の形態４にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための断面模式図である。図中、実施の形態１ないし３と同様のものには同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。

図７に示すように、本実施の形態４にかかる電力用半導体装置１では、枠部材１０の一部を外周側に延伸させて凹部１０ｗを設け、冷却部材４の外周部に、凹部１０ｗにかみ合うように突出する突出部４ｐを設けた。これにより、実施の形態２で説明したのと同様に、容易に位置決めできる効果が得られる。

さらに、本実施の形態４にかかる電力用半導体装置１では、実施の形態２あるいは、３に対して、かみ合う部分の位置を変更したことで、下記のような効果が得られる。例えば、上記実施の形態２あるいは３においては、第二枠部材１３あるいは枠状部４ｆの内側に第二封止樹脂１４を注入する領域内に、枠部材１０と冷却部材４との位置決め用のかみ合い構造がある。その場合、第二封止樹脂１４を封入する際に、かみ合い構造部分に、しっかりと樹脂を入り込ませる（浸透させる）ことが困難になる。そのため、樹脂注入後に、ボイドを除去するための脱泡を試みたときに、気泡が基材２ｉの外周部付近にトラップされて絶縁耐圧が低下する恐れがある。しかしながら、本実施の形態４においては、かみ合い部分を、基材２ｉよりも回路面２ｆ側に位置するようにしたので、気泡が基材２ｉの外周部付近にトラップされることはなく、より良好な絶縁性能が得られる。

なお、本実施の形態４では、突出部４ｐを実施の形態３で説明した枠状部４ｆから突出するようにしたが、吸熱面から突出するように設けてもよい。つまり、図７では、実施の形態３の構成に本実施の形態４の構成を適用した例を示しているが、実施の形態１あるいは２の構成に本実施の形態４の構成を適用してもよいことは言うまでもない。

以上のように、本実施の形態４にかかる電力用半導体装置１によれば、冷却部材４と枠部材１０には、互いにかみ合うかみ合い構造として、枠部材１０の一部を外周側に延伸させて凹部１０ｗを設け、冷却部材４の外周部に、凹部１０ｗにかみ合うように突出する突出部４ｐを設けた。これにより、回路基板２と冷却部材４との位置決めが容易にできるとともに、かみあい部分を、基材２ｉよりも回路面２ｆ側に位置するようにしたので、気泡が基材２ｉの外周部付近にトラップされることはなく、より良好な絶縁性能が得られる。

実施の形態５．
本実施の形態５にかかる電力用半導体装置では、上述した実施の形態１〜４にかかる電力用半導体装置と異なり、第二封止樹脂を満たすための枠を設けないようにしたものである。図８は、本発明の実施の形態５にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための断面模式図である。図中、実施の形態１ないし４と同様のものには同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。

図８に示すように、本実施の形態５にかかる電力用半導体装置１では、第二封止樹脂１４は、枠内に充填するのではなく、回路基板２の基材２ｉと導体層２ａ、２ｂとの接合端部（外周）を覆うように配置した。上述したように、回路基板２の基材２ｉと導体層２ａ、２ｂとの接合端部は、電界集中箇所となり、その汚染度に応じて適切な絶縁距離を設ける必要がある。そして、汚染度が高い場合、回路基板２の沿面放電距離を拡げる必要が生じ、これによってモジュールサイズが拡大し、周辺部品もさらに大きくなり重量増加、コスト増加などの問題が生じる。

しかしながら、汚染度が低い場合、沿面放電距離を無用に長くする必要はなく、本実施の形態５のように、基材２ｉと導体層２ａ、２ｂの接合端部に対して、第二封止樹脂１４を最小限必要な分量をコーティングすることで事足りる。これにより、第二枠部材１３あるいは枠状部４ｆを廃止し、第二封止樹脂１４の分量を最小限に留めることが可能となり、製品重量、製品コストの増加を抑制することが出来る。

なお、図７では、実施の形態２あるいは３の構成から第二枠部材１３あるいは枠状部４ｆを撤去した例を示しているが、実施の形態１あるいは４の構成から第二枠部材１３あるいは枠状部４ｆを撤去（本実施の形態５の主旨を適用）してもよいことは言うまでもない。

以上のように、本実施の形態５にかかる電力用半導体装置１によれば、基材２ｉと導体層２ａとの境界面の端部が、封止樹脂１２よりも弾性率の低い第二封止樹脂１４で覆われているので、基材２ｉと導体層２ａとの境界面（接合界面）の端部に生じる電界集中箇所に対して、適切な絶縁性を保つことができる。その具体例として、基材２ｉと導体層２ａ、２ｂの接合端部に対して、第二封止樹脂１４を必要な分量をコーティングした。

なお、上記各実施の形態１〜５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３の半導体材料を特に限定していない。しかし、一般的に用いられているシリコンよりもバンドギャップが大きい、いわゆるワイドギャップ半導体を形成できる炭化ケイ素や、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドを用いた時の方が、以下に述べるように本発明による効果をより一層発揮することができる。

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（上記各実施の形態における電力用半導体素子３）は、シリコン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１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１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、ヒートシンク（上記実施の形態における冷却部材４に対応）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１の一層の小型化が可能になる。

一方、上記のように高温動作する場合は停止・駆動時の温度差が大きくなり、さらに、高効率・小型化によって、単位体積当たりに扱う電流量が大きくなる。そのため経時的な温度変化や空間的な温度勾配が大きくなり、電力用半導体素子３をはじめとする回路部材にかかる熱応力も大きくなる可能性がある。しかし、本発明の各実施の形態にかかる電力用半導体装置１では、枠部材１０を設け、回路部材に対して拘束量を有し、基材２ｉよりも導体層２ａや電極端子（６ａ、６ｂ、７）に近い線膨張係数を有する封止樹脂１２で、基材２ｉにかからず、かつ回路部材部分を確実に覆うようにした。

そのため、ワイドバンドギャップ半導体の特性を活かして、小型化や高効率化を進めてもパワーサイクル寿命が長く、信頼性の高い電力用半導体装置１を得ることが容易となる。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ことは言うまでもない。

１：電力用半導体装置、２：回路基板、２ｉ：（セラミック）基材、２ａ：導体層（回路面側）、２ｂ：導体層（放熱面側）、３：電力用半導体素子、 ４：冷却部材、４ｆ：枠状部（枠状体）、４ｗ：凹部、５：接合層（伝熱）、 ６ａ：電極端子（電力用半導体素子に接合される電力用）、６ｂ：電極端子（枠部材に埋め込まれる電力用）、 ７：電極端子（制御用）、８：接合層（導電）、８ａ：第一接合層、８ｂ：第二接合層、８ｃ：第三接合層、９：信号線、１０：（第一）枠部材、１０ｄ：溝部、１０ｐ：突出部、１０ｗ：凹部、１１：接着層、１２：（第一）封止樹脂、１３：第二枠部材（枠状体）、１４：第二封止樹脂、
Ｄｉ：接着剤流出禁止方向。

Claims (7)

1. セラミックを基材とし、一方の面に前記基材の所定領域を覆う導体層が形成され、他方の面に冷却部材が接合された回路基板と、
   前記所定領域に内包されるように、裏面が前記導体層に接合された電力用半導体素子と、
   一端部が前記電力用半導体素子の表面に接合された電極端子と、
   前記電力用半導体素子および前記電極端子の少なくとも前記一端部を覆う封止樹脂と、
   前記電力用半導体素子を囲むように前記導体層に接合された枠部材と、
   を備え、
   前記封止樹脂は、熱硬化性樹脂を主体とするとともに、前記基材よりも前記導体層または前記電極端子に近い線膨張係数を有し、かつ前記枠部材で囲まれた領域の前記導体層を覆い、
   前記冷却部材と前記枠部材には、互いにかみ合うかみ合い構造が形成されていることを特徴とする電力用半導体装置。
2. 前記封止樹脂は、前記枠部材の内側の所定高さまで充填され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。
3. 前記封止樹脂は、１０ＧＰａ以上の弾性率を有す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. 前記基材と前記導体層との境界面の端部が、前記封止樹脂よりも弾性率の低い第二封止樹脂で覆わ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. 前記冷却部材には、外周部から前記回路基板を囲むように突出する枠状体が形成され、
   前記第二封止樹脂は、前記基材と前記導体層との境界面の端部に達するように、前記枠状体の内側に充填されてい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。
6. 前記電力用半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体材料で形成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
7. 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６に記載の電力用半導体装置。

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