JP6272213B2

JP6272213B2 - 半導体装置

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Publication number: JP6272213B2
Application number: JP2014238347A
Authority: JP
Inventors: 高橋　卓也; 卓也高橋; 義貴大坪
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-11-26
Filing date: 2014-11-26
Publication date: 2018-01-31
Anticipated expiration: 2034-11-26
Also published as: JP2016100544A; DE102015223300A1; US20160148852A1; US9455208B2; CN105633024A; CN105633024B

Description

この発明は、基板固定用のベース板を用いないベース板レス構造の半導体装置に関するものである。

従来、例えば、特許文献１に開示されているように、半導体素子が形成される基板を固定載置するための金属性等のベース板を用いない構造であるベース板レス構造の半導体装置が提案されている。また、従来、特許文献２等に開示されているように、外装ケース上面において外部電極がインサート成型で外装ケースと共に一体成型され、外部電極の一端がケース内部の絶縁基板上の回路導体箔に固着される半導体装置が提案されている。

特開平７−３２６７１１号公報（図１，図５）特開平９−６９６０３号公報（図５）

しかしながら、上述の従来技術による半導体装置においては、以下のように解決すべき問題点があった。

特許文献１に開示の半導体装置においては、ベース板を用いないため剛性が低く、放熱材を塗布し、さらにねじ締めなどにより半導体装置をヒートシンクに固定する際に、絶縁基板に力が及ぼされ、絶縁基板が上に凸状態で反る（以下、「上凸反り」と略記する場合あり）ことがある。絶縁基板に上凸反りが生じると、絶縁基板とヒートシンクとの間の熱抵抗が増加したりするなどの問題点があった。

また、特許文献２に開示の半導体装置においては、電極と外装ケースとの接点は、電極がケース上面を貫通する部分のみである。このため、ケース内部で電極が凸反りを防止できる程度まで強く絶縁基板を押圧することができず、絶縁基板の上凸反りによる特許文献１での問題点を解決できていない。

この発明は上記問題点を解決するためになされたもので、基板固定用のベース板を用いないベース板レス構造において、基板が上に凸状態で反る現象を防止することができる構造の半導体装置を得ることを目的とする。

この発明に係る請求項１記載の半導体装置は、水平方向に沿って形成される一方主面及び他方主面を有し、一方主面側に配線パターンを有する絶縁基板と、前記絶縁基板の一方主面側に形成される半導体素子と、前記配線パターンあるいは前記半導体素子と電気的に接続して、前記絶縁基板の一方主面上に設けられる外部電極と、前記絶縁基板及び前記半導体素子を収容する収容ケースとを備え、前記収容ケースは前記絶縁基板の一方主面側において、前記絶縁基板の一方主面と平面視して完全重複する態様で設けられ、前記外部電極を構成する電極挿入部の少なくとも一部を内部に有する電極挿入領域を有し、前記外部電極は前記水平方向に沿って形成される水平方向電極領域を有し、前記水平方向電極領域の上面が前記電極挿入領域に接する態様で設けられることを特徴とする。

請求項１記載の本願発明である半導体装置は上記特徴を有するため、水平方向電極領域の存在により、垂直方向の応力に対する収容ケースの電極挿入領域の抵抗力が高くなる。すなわち、外部電極によって絶縁基板の上方向への変動を押圧する強い力を加えることが可能となるため、絶縁基板の変形を抑制することができ、その結果、半導体装置の信頼性の向上を図ることができる。

この発明の実施の形態１であるパワーモジュールの上面構造を示す平面図である。図１のＡ−Ａ断面における断面構造を示す断面図である。図１のＢ−Ｂ断面における断面構造を示す断面図である。この発明の実施の形態２であるパワーモジュールの断面構造を示す断面図である。この発明の実施の形態３であるパワーモジュールの裏面側構造を示す平面図である。実施の形態４のパワーモジュールの断面構造を示す断面図である。実施の形態５のパワーモジュールの上面構造を示す平面図である。図７のＣ−Ｃ断面における断面構造を示す断面図（その１）である。図７のＣ−Ｃ断面における断面構造を示す断面図（その２）である。実施の形態６のパワーモジュールの断面構造を示す断面図である。実施の形態７のパワーモジュールの上面構造を示す平面図である。図１１のＤ−Ｄ断面における断面構造を示す断面図である。実施の形態８のパワーモジュールの断面構造を示す断面図である。実施の形態９のパワーモジュールの断面構造を示す断面図である。実施の形態１０のパワーモジュールの断面構造を示す断面図である。実施の形態１１のパワーモジュールの上面構造を示す平面図である。実施の形態１２のパワーモジュールの上面構造を示す平面図である。実施の形態１３のパワーモジュールの断面構造を示す断面図である。実施の形態１４のパワーモジュールの断面構造を示す断面図である。

＜実施の形態１＞
図１はこの発明の実施の形態１であるパワーモジュール（半導体装置）の上面構造を示す平面図である。図２は図１のＡ−Ａ断面における断面構造を示す断面図である。図３は図１のＢ−Ｂ断面における断面構造を示す断面図である。なお、これらの図１〜図３それぞれにＸＹＺ直交座標系を示している。以下、図１〜図３を参照して実施の形態１のパワーモジュールについて説明する。

絶縁基板１は絶縁板１０、配線パターン１１及び１２並びに裏面電極１５（内部電極）より構成されている。配線パターン１１及び１２は絶縁板１０の表面上に形成され、裏面電極１５は絶縁板１０の裏面上に形成される。

さらに、絶縁基板１の配線パターン１１上に、シリコン（Ｓｉ）等を構成材料とした半導体素子２が半田等により接着されて設けられている。図２の構成では、半導体素子２と配線パターン１２とがワイヤ５１によって電気的に接続される。

このように、絶縁基板１はＸ方向及びＹ方向（第１及び第２の方向）で規定される水平方向に沿って形成される表面及び裏面（一方主面及び他方主面）を有し、絶縁板１０を基準として表面側に半導体素子２及び配線パターン１１及び１２を有し、裏面側に裏面電極１５を有している。

そして、配線パターン１１及び１２上に外部電極２１及び２２（第１及び第２の外部電極）が設けられ、さらに、裏面電極１５を開放させつつ、絶縁基板１、半導体素子２及び外部電極２１及び２２の大部分が収容ケース３自体あるいは収容ケース３内の収容空間５内に収容される。そして、収容ケース３は、絶縁板１０の端部領域であるケース接着領域１０ｂと接着剤５２を介して接着される。また、収容ケース３の上面は一部開口するとともに、外周の４隅に平面形状が円状の取付穴５３が設けられる。

外部電極２１及び２２はそれぞれ外部接続部Ｅ１、電極インサート部Ｅ２（電極挿入部）及び基板接続部Ｅ３から構成されている。外部接続部Ｅ１が収容ケース３の外部である収容ケース３の上面上に形成され、電極インサート部Ｅ２は大部分が収容ケース３におけるケース内インサート領域３ａ内に挿入されており、基板接続部Ｅ３は収容ケース３内の収容空間５内に形成され、配線パターン１１及び１２の表面に接触して設けられる。このように、外部接続部Ｅ１は収容ケース３の外部に設けられ、基板接続部Ｅ３は絶縁基板１の表面（配線パターン１１及び１２）と直接接続され、電極インサート部Ｅ２は外部接続部Ｅ１と基板接続部Ｅ３との間に設けられる。また、基板接続部Ｅ３には中心に取付穴５４が設けられる。

図３に示すように、基板接続部Ｅ３は配線パターン１１の表面に接触する支持水平電極領域Ｅ３２とこの支持水平電極領域Ｅ３２に連続して垂直方向（＋Ｚ方向）に延びて形成される支持垂直電極領域Ｅ３１とにより構成される。電極インサート部Ｅ２は支持垂直電極領域Ｅ３１に連続して、Ｘ方向に形成幅を有し水平方向（Ｙ方向）に延びて形成されるケース接触用水平電極領域Ｅ２２（水平方向電極領域）と、このケース接触用水平電極領域Ｅ２２に連続して垂直方向に延びて形成されるインサート垂直電極領域Ｅ２１とにより構成される。

そして、図３に示すように、電極インサート部Ｅ２のインサート垂直電極領域Ｅ２１の全部及びケース接触用水平電極領域Ｅ２２の一部が収容ケース３を形成するケース内インサート領域３ａ（電極挿入領域）内にインサート成形される。すなわち、ケース接触用水平電極領域Ｅ２２は電極インサート部Ｅ２の一部としてケース内インサート領域３ａ内に挿入される。

このように、実施の形態１のパワーモジュールにおける外部電極２１及び２２は、ケース接触用水平電極領域Ｅ２２の上面及び下面が共にケース内インサート領域３ａに接する態様で設けられる。

このため、ケース接触用水平電極領域Ｅ２２の存在により、垂直方向の応力に対する収容ケース３のケース内インサート領域３ａの抵抗力が高くなる。すなわち、絶縁基板１が垂直方向における上方向（＋Ｚ方向）に変動する際、収容ケース３内に電極インサート部Ｅ２を挿入することにより固定される外部電極２１及び２２によって絶縁基板１を下方向（−Ｚ方向）に押圧する強い力を加えることができるため、絶縁基板１の変形を抑制することができ、装置の信頼性の向上を図ることができる。その結果、実施の形態１のパワーモジュールは装置の長寿命化を図ることができる。

さらに、裏面電極１５上に図示しない放熱材を設けた場合、外部電極２１及び２２による押圧力により裏面電極１５と放熱材との接触領域を押し広げることができ、絶縁基板１の熱抵抗を改善することができる。また、温度変化による絶縁基板１の変形も抑制されるため、装置の信頼性が向上する。

さらに、実施の形態１のパワーモジュールにおけるケース接触用水平電極領域Ｅ２２がケース内インサート領域３ａ内に挿入されることにより、ケース接触用水平電極領域Ｅ２２の上面及び下面が共にケース内インサート領域３ａに接するため、絶縁基板１の垂直方向に沿った下方向の変形に対する上方向の力も加えることができるため、絶縁基板１の下方向への変形をも抑制することができる。

加えて、実施の形態１のパワーモジュールにおける裏面電極１５はケース接着領域１０ｂと平面視重複する領域を有している。

このため、絶縁基板１の変形時に絶縁板１０のケース接着領域１０ｂの境界に応力が集中する際、ケース接着領域１０ｂに平面視重複する裏面電極１５の形成部分によって、絶縁板１０を含む絶縁基板１の剛性を効果的に向上させることができるため、上記応力を緩和することができ、パワーモジュールの信頼性の向上を図ることができる。

すなわち、絶縁基板１が変形したときに、絶縁基板１と収容ケース３が接続されているケース接着領域１０ｂの境界に応力が集中するが、ケース接着領域１０ｂに平面視重複する領域に裏面電極１５が存在することにより、絶縁基板１におけるセラミック性等の絶縁板１０が変形しにくくなり、絶縁板１０にクラックが発生しにくくなるため、装置の信頼性が向上する。

さらに、実施の形態１のパワーモジュールは、２つの外部電極２１及び２２（第１及び第２の外部電極）それぞれの電極インサート部Ｅ２をケース内インサート領域３ａに挿入することにより、ケース内インサート領域３ａの剛性が強くすることができ、絶縁基板１の変形をより抑制することができる。

また、絶縁基板１の表面上における外部電極２１及び２２の基板接続部Ｅ３の形成箇所は、比較的自由度が高いため、外部電極２１及び２２による押圧箇所の最適化を図ることができる。

なお、配線パターン１１及び１２や裏面電極１５の構成材料として銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）等が用いられるが、熱抵抗を小さくするためにＣｕを使用することが望ましい。

また、絶縁基板１における絶縁板１０の絶縁材料として、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などよりも破壊耐量の大きい窒化珪素（ＳｉＮ）を使用することが望ましい。またＳｉＮを使用した場合は、熱抵抗を小さくするために、絶縁基板１の配線パターン１１及び１２並びに裏面電極１５の銅厚を、ＡｌＮなどでは作製困難な０．６ｍｍ以上とすることが望ましい。また、収容空間５を設けることなく、絶縁のために半導体素子２や絶縁基板１上を封止しても良く、封止材としてゲルや樹脂を利用することが望ましい。

収容ケース３の構成材料となるケース樹脂は、剛性の高いＰＰＳ(PolyPhenyleneSulfide)やＰＢＴ(PolyButyleneTerephthalate)を用いることが望ましい。また、ケース取付部である取付穴５３は１か所以上であれば、配置はどのようにしてもよく、平面形状を円状でなくともよい。

なお、電極インサート部Ｅ２及び基板接続部Ｅ３の構造は、図３に示すような断面形状以外にも、絶縁基板１が変形する応力による外部電極２１及び２２の変形が十分少ない構造であればよい。また、外部接続部Ｅ１は、絶縁基板１の形成方向である水平方向に沿って形成する構造に限定されず、垂直方向に延びて形成しても良い。

また、半導体素子２と配線パターン１１及び１２との電気的接続には、ワイヤ５１以外に、電極間の半田つけ等、導電性がある部材で行っても良い。加えて、外部電極２１及び２２と絶縁基板１の配線パターン１１及び１２と直接の接続には、超音波接合や半田接合、圧接など、導電性が確保できる接続方法で有ればよい。また、絶縁基板１の側面は、収容ケース３で覆われない構造でも良い。絶縁基板１は２枚以上でもよい。

＜実施の形態２＞
図４はこの発明の実施の形態２であるパワーモジュールの断面構造を示す断面図である。図４にＸＹＺ直交座標系を示している。同図は、実施の形態１で用いた図１のＢ−Ｂ断面に相当する。なお、実施の形態１と同様な構成部は同一符号を付して説明を適宜省略する。

同図に示すように、実施の形態２のパワーモジュールは実施の形態１の外部電極２１及び２２の少なくとも一つに代えて、外部電極２３を設けたことを特徴としている。実施の形態２のパワーモジュールにおける外部電極２３は、実施の形態１の外部電極２１及び２２と同様に外部接続部Ｅ１、電極インサート部Ｅ２及び基板接続部Ｅ３から構成されているが、電極インサート部Ｅ２のケース接触用水平電極領域Ｅ２２はケース内インサート領域３ａ内に挿入されず、ケース内インサート領域３ａの底面とケース接触用水平電極領域Ｅ２２の上面が接する態様で設けられる。すなわち、電極インサート部Ｅ２のインサート垂直電極領域Ｅ２１の下端がケース内インサート領域３ａの底面から突出し、ケース内インサート領域３ａの底面に沿ってケース接触用水平電極領域Ｅ２２を横行させている。

このように、実施の形態２のパワーモジュールにおける外部電極２３は、ケース接触用水平電極領域Ｅ２２の上面がケース内インサート領域３ａの底面と接する態様で設けられるため、実施の形態１と同様、絶縁基板１の上方向（＋Ｚ方向）への変形を抑制することができる効果を奏する。

さらに、ケース接触用水平電極領域Ｅ２２はケース内インサート領域３ａ内に挿入する必要がないため、実施の形態２のパワーモジュールは比較的簡単に製造することができる。

＜実施の形態３＞
図５はこの発明の実施の形態３であるパワーモジュールの裏面側構造を示す平面図である。図５にＸＹＺ直交座標系を示している。実施の形態１と同様な構成部は同一符号を付して説明を適宜省略する。

同図に示すように、実施の形態３のパワーモジュールは、裏面電極１５の下面（他方主面側の面）の外周部において、各々が他の領域より絶縁基板１の表面側（一方主面側）に凹んだ複数のディンプル（凹み部）５５が設けられていることを特徴としている。この複数のディンプル５５により裏面電極１５の境界に生じる応力を緩和することにより、絶縁基板１の絶縁板１０にクラックが発生する現象を抑制することができるため、装置の信頼性を向上することができる。また、実施の形態３の外部電極として実施の形態１の外部電極２１及び２２あるいは実施の形態２の外部電極２３のいずれを用いても良い。

このように、実施の形態３のパワーモジュールは、実施の形態１あるいは実施の形態２の効果に加え、複数のディンプル５５によって、裏面電極１５の境界に生じる応力を緩和することができるため、装置の信頼性向上を図ることができる。

なお、上記応力は、裏面電極１５と絶縁板１０の裏面との界面において、温度変化による裏面電極１５，絶縁板１０間における線膨張係数との相違等により生じる水平方向への力が主となる。

また、底面を有する複数のディンプル５５に替えて、裏面電極１５を貫通させて絶縁板１０が露出する複数の貫通口を設けても良い。すなわち、裏面電極１５の下面に形成され、各々が少なくとも表面側に凹んだ領域を含む複数の凹み部として、複数のディンプル５５あるいは複数の貫通口を設けることにより、実施の形態３の効果を達成することができる。

＜実施の形態４＞
図６は実施の形態４のパワーモジュールの断面構造を示す断面図である。図６にＸＹＺ直交座標系を示している。なお、図６は図１のＡ−Ａ断面の断面構造に相当する。実施の形態１と同様な構成部は同一符号を付して説明を適宜省略する。

同図に示すように、実施の形態４のパワーモジュールは実施の形態１の外部電極２１及び２２あるいは実施の形態２の外部電極２３に代えて、外部電極２５及び２６を設けたことを特徴としている。実施の形態４の外部電極２５及び２６はそれぞれにおいて、電極インサート部Ｅ２のＸ方向における形成幅が、外部接続部Ｅ１及び基板接続部Ｅ３より広い電極幅を有して形成される。

なお、図６では、収容ケース３の内部構造の理解を容易にするため、ケース内インサート領域３ａの図示を省略している。実際には、図２〜図４で示したように、少なくとも電極インサート部Ｅ２のインサート垂直電極領域Ｅ２１の大部分がケース内インサート領域３ａ内に挿入されている。

このように、実施の形態４のパワーモジュールにおける電極インサート部Ｅ２は水平方向を規定するＸ方向及びＹ方向のうち一方であるＸ方向の形成幅が、外部接続部Ｅ１及び基板接続部Ｅ３より広く設定される。

したがって、実施の形態４のパワーモジュールは、電極インサート部Ｅ２の形成幅を広くすることにより、収容ケース３のケース内インサート領域３ａ内における密着性を高めることができるため、より絶縁基板１の変形を抑制することができる。

＜実施の形態５＞
図７は実施の形態５のパワーモジュールの上面構造を示す平面図である。図８及び図９は共に図７のＣ−Ｃ断面における断面構造を示す断面図である。なお、これらの図７〜図９にＸＹＺ直交座標系を示している。また、実施の形態１と同様な構成部は同一符号を付して説明を適宜省略する。

同図に示すように、実施の形態５のパワーモジュールは実施の形態１の外部電極２１及び２２あるいは実施の形態２の外部電極２３に代えて、外部電極２７及び２８（第１及び第２の外部電極）を設けたことを特徴としている。実施の形態５の外部電極２７及び２８はそれぞれにおいて、実施の形態４の外部電極２５及び２６と同様、電極インサート部Ｅ２のＸ方向における形成幅が、外部接続部Ｅ１及び基板接続部Ｅ３より広い電極幅を有して形成される。

さらに、外部電極２７の電極インサート部Ｅ２はＸ方向に延びて配線パターン１２の上方まで形成されている。その結果、外部電極２７の電極インサート部Ｅ２と外部電極２８の電極インサート部Ｅ２との間に、Ｘ方向及びＺ方向で規定される側面から視て重複した領域が形成されるという電極インサート部Ｅ２の側面視重複構造を呈している。

なお、実施の形態１のように電極インサート部Ｅ２のケース接触用水平電極領域Ｅ２２がケース内インサート領域３ａ内に挿入される断面構造が図８であり、実施の形態２のように電極インサート部Ｅ２のケース接触用水平電極領域Ｅ２２がケース内インサート領域３ａの外の底面に形成される断面構造が図９である。また、図８及び図９では電極インサート部Ｅ２の重複構造の理解を容易にすべく、外部電極２８の電極インサート部Ｅ２を点線で示す等、模式的に示しているため、図７のＣ−Ｃ断面として正確でない部分を含んでいる。例えば、外部電極２８の電極インサート部Ｅ２の底面は、実際には外部電極２７の電極インサート部Ｅ２の底面と同程度の高さに形成されているが、外部電極２８の存在をわかり易く示すため、外部電極２８の電極インサート部Ｅ２の底面を浅く図示している。

上述した構造の実施の形態５のパワーモジュールは、実施の形態１あるいは実施の形態２及び実施の形態４の効果に加え、以下の効果を奏する。

実施の形態５のパワーモジュールは、外部電極２７及び２８間における電極インサート部Ｅ２の側面視重複構造を呈しているため、ケース内インサート領域３ａの剛性がより強くなり、ケース内インサート領域３ａ内における外部電極２７及び２８による絶縁基板１への押圧力の増大を図り、さらに絶縁基板１の変形を抑制することができる。

また、外部電極２７及び外部電極２８のうち、外部電極２７から電流が流れ込み、外部電極２８から電流が抜ける電気的特性のパワーモジュールを構成した場合、電極インサート部Ｅ２の側面視重複領域において外部電極２７，２８間で磁界を打ち消し効果が働くため、装置のインダクタンスが低下する効果が期待できる。

なお、上述した実施の形態で５では、外部電極２７及び２８間において電極インサート部Ｅ２が側面視重複する態様を示したが、外部電極２７及び２８間において電極インサート部Ｅ２が上面視重複する態様でも良い。すなわち、第１及び第２の外部電極である外部電極２７及び２８それぞれの電極インサート部Ｅ２がケース内インサート領域３ａ内において、平面視または側面視して少なくとも一部が重複する態様で設けられれば良い。

＜実施の形態６＞
図１０は実施の形態６のパワーモジュールの断面構造を示す断面図である。図１０にＸＹＺ直交座標系を示している。なお、図１０は実施の形態１の図１のＡ−Ａ断面に相当し、実施の形態１と同様な構成部は同一符号を付して説明を適宜省略する。

同図に示すように、実施の形態６のパワーモジュールは実施の形態１の外部電極２１及び２２あるいは実施の形態２の外部電極２３に代えて、外部電極２９及び３０を設けたことを特徴としている。実施の形態６の外部電極２９及び３０はそれぞれ、基板接続部Ｅ３に加え基板接続部Ｅ４を有して形成される。外部電極２９の基板接続部Ｅ３及びＥ４は配線パターン１１に直接接続され、外部電極３０の基板接続部Ｅ３及びＥ４は配線パターン１２上に直接接続される。

上述した構造の実施の形態６のパワーモジュールは、実施の形態１あるいは実施の形態２に加え、以下の効果を奏する。

実施の形態６では、外部電極２９及び３０は、それぞれ絶縁基板１の表面に直接接続される２つの基板接続部Ｅ３及びＥ４を有している。このため、外部電極２９及び３０による絶縁基板１に与える押圧力を増大させて、絶縁基板１の変形をより抑制することができる。

加えて、複数の基板接続部Ｅ３及びＥ４を設けることにより、外部電極２９及び３０それぞれの電気抵抗の低減化を図り、大電流の供給を可能にすることができる。

＜実施の形態７＞
図１１は実施の形態７のパワーモジュールの上面構造を示す平面図である。図１２は図１１のＤ−Ｄ断面における断面構造を示す断面図である。図１１及び図１２それぞれにＸＹＺ直交座標系を示している。なお、実施の形態１と同様な構成部は同一符号を付して説明を適宜省略する。

これらの図に示すように、実施の形態７は実施の形態１の外部電極２１及び２２に加えて、さらに、信号電極である信号用外部端子４０を配線パターン１２上に形成している。信号用外部端子４０は外部接続部Ｓ１が収容ケース３の上面に設けられ、内部接続部Ｓ２が配線パターン１２に直接接続される。そして、信号用外部端子４０（信号端子）の外部接続部Ｓ１〜内部接続部Ｓ２間（図示せず）が外部電極２１及び２２の電極インサート部Ｅ２と同様に収容ケース３内に挿入されている。

信号用外部端子４０は外部電極２１及び２２に比べ、電流伝搬能力が低く制御信号等に用いられる端子である。具体的には、半導体素子２がＩＧＢＴ素子の場合、ゲート電極、エミッタ電極、温度測定用端子等に信号用外部端子４０を用いることになる。信号用外部端子４０は、電流を流す外部電極２１及び２２よりも、形成幅が狭く、また板厚が薄い構造が一般的でるため、上述したように電流伝搬能力は外部電極２１及び２２より低くなる。

このように、収容ケース３内に挿入される部分を有する信号用外部端子４０の存在によっても、絶縁基板１の垂直方向における上方向への変動を押圧する力が加えられるため、実施の形態１のパワーモジュール以上に絶縁基板１の変形を抑制することができ、装置の信頼性の向上を図ることができる。

なお、上述した実施の形態７では、図１〜図３で示した実施の形態１のパワーモジュールに信号用外部端子４０を設けた構造を示したが、同様に、他の実施の形態２〜実施の形態６の構造に信号用外部端子４０を設けても良い。

＜実施の形態８＞
図１３は実施の形態８のパワーモジュールの断面構造を示す断面図である。図１３にＸＹＺ直交座標系を示している。図１３は図１のＡ−Ａ断面に相当し、実施の形態１と同様な構成部は同一符号を付して説明を適宜省略する。

同図に示すように、実施の形態８のパワーモジュールは実施の形態１の外部電極２１及び２２あるいは実施の形態２の外部電極２３に代えて、外部電極３１及び３２を設けている。実施の形態８の外部電極３１の基板接続部Ｅ３は、Ｘ方向における形成幅が他の領域より狭く形成された幅狭領域Ｅ３ｘを有することを特徴とする。なお、幅狭領域Ｅ３ｘのＹ方向における形成幅は他の領域より同等もしくは狭く形成されている。

上述した構造の実施の形態８のパワーモジュールは、実施の形態１あるいは実施の形態２と同様な効果に加え、以下の効果を奏する。

実施の形態８のパワーモジュールは、基板接続部Ｅ３の幅狭領域Ｅ３ｘにおける剛性が小さくなることにより、絶縁基板１（配線パターン１１及び１２）と基板接続部Ｅ３との接続界面における応力を緩和できる分、温度変化時に発生する絶縁基板１，外部電極３１間の接続界面における応力の低減化を図り、装置の信頼性の向上を図ることができる。

なお、上記応力は、絶縁基板１の表面側の配線パターン１１及び１２と外部電極３１及び３２との接続界面において、温度変化による配線パターン１１及び１２，外部電極３１及び３２間における線膨張係数との相違等により生じる水平方向への力が主となる。

＜実施の形態９＞
図１４は実施の形態９のパワーモジュールの断面構造を示す断面図である。図１４にＸＹＺ直交座標系を示している。なお、実施の形態１と同様な構成部は同一符号を付して説明を適宜省略する。

同図に示すように、実施の形態９のパワーモジュールは実施の形態１の外部電極２１及び２２あるいは実施の形態２の外部電極２３に代えて、外部電極３３Ａ，３３Ｂ及び３４（第１、第２及び第３の外部電極）を設けている。外部電極３３Ａ及び３３Ｂは配線パターン１１上に設けられ、外部電極３４は配線パターン１２上に設けられる。

実施の形態９において、外部電極３３Ｂは、外部電極３３Ａ及び外部電極３４に比べ絶縁基板１の中央部側に配置され、外部電極３３Ａ及び外部電極３４それぞれの基板接続部Ｅ３は実施の形態８と同様に幅狭領域Ｅ３ｘを有し、外部電極３３Ｂの基板接続部Ｅ３は幅狭領域Ｅ３ｘを有さないことを特徴としている。

上述した構造の実施の形態９のパワーモジュールは、実施の形態１あるいは実施の形態２の効果に加え、以下の効果を奏する。

実施の形態９は上記特徴を有することにより、変位が比較的大きい絶縁基板１の中央部の変動を、幅狭領域Ｅ３ｘを有さない外部電極３３Ｂにより効果的に抑制している。加えて、絶縁基板１の中央部に比べ絶縁基板１，外部電極３３Ａ（３４）との接続界面における応力が比較的大きい領域に設けられる外部電極３３Ａ及び外部電極３４のみに幅狭領域Ｅ３ｘを設けて上記応力の低減化を図っている。その結果、外部電極３３Ａ，３３Ｂ及び３４による基板接続部Ｅ３と絶縁基板１との接続部分に関し、効果的に装置の信頼性の向上を図ることができる。

＜実施の形態１０＞
図１５は実施の形態１０のパワーモジュールの断面構造を示す断面図である。なお、図１５にＸＹＺ直交座標系を示している。なお、図１５は図１のＡ−Ａ断面に相当し、実施の形態１と同様な構成部は同一符号を付して説明を適宜省略する。

同図に示すように、実施の形態１０のパワーモジュールは、実施の形態１の構成に加えて、収容ケース３の底面の一部から下方に延びて配線パターン１１に接触する基板押え部３ｈをさらに設けたことを特徴としている。

このように、実施の形態１０のパワーモジュールの収容ケース３は上方から下方に延びて形成され、絶縁基板１の表面の配線パターン１１と接して設けられる基板押え部３ｈを有している。

このため、外部電極２１及び２２が配置されていない絶縁基板１の表面側の領域においても、基板押え部３ｈによって絶縁基板１の変位を抑制することができる。

なお、上述した実施の形態１０では、図１〜図３で示した実施の形態１のパワーモジュールの収容ケース３に基板押え部３ｈを設けた構造を示したが、同様に、他の実施の形態２〜実施の形態９の収容ケース３に基板押え部３ｈを設けても良い。

＜実施の形態１１＞
図１６は実施の形態１１のパワーモジュールの上面構造を示す平面図である。なお、図１６にＸＹＺ直交座標系を示している。なお、実施の形態１と同様な構成部は同一符号を付して説明を適宜省略する。

同図に示すように、実施の形態１１のパワーモジュールは実施の形態１の外部電極２１及び２２の基板接続部Ｅ３を絶縁基板中心点ＳＣの近くに配置している。具体的には、外部電極２１において、絶縁板１０の外縁から基板接続部Ｅ３までの距離ｄ２１より、絶縁基板中心点ＳＣから基板接続部Ｅ３までの距離ｄ１１の方が短く、外部電極２２において、絶縁板１０の外縁から基板接続部Ｅ３までの距離ｄ２２より、絶縁基板中心点ＳＣから基板接続部Ｅ３までの距離ｄ１２の方が短い。

このように、実施の形態１１のパワーモジュールは、外部電極２１及び２２の基板接続部Ｅ３は絶縁基板１の周縁部より中心部に近い領域に設けられることを特徴とする。

実施の形態１１は上記特徴を有することにより、温度変化にする変形が最も大きい絶縁基板１の中心部の変形を抑制できるため、装置の信頼性が向上する効果を奏する。

なお、上述した実施の形態１１では、図１〜図３で示した実施の形態１のパワーモジュールの外部電極２１及び２２の配置を示したが、同様に、他の実施の形態２〜実施の形態１０の外部電極の配置に適用しても良い。

＜実施の形態１２＞
図１７は実施の形態１２のパワーモジュールの上面構造を示す平面図である。図１７にＸＹＺ直交座標系を示している。なお、実施の形態１と同様な構成部は同一符号を付して説明を適宜省略する。

同図に示すように、実施の形態１２のパワーモジュールは絶縁板１０上に配線パターン１６〜１８が設けられ、配線パターン１７上に半導体素子２Ａ〜２Ｃ（第１の半導体素子）が設けられ、配線パターン１８上に半導体素子２Ｄ〜２Ｆ（第２の半導体素子）が設けられている。例えば、実施の形態１２のパワーモジュールがインバータを構成する場合、半導体素子２Ａ〜２Ｃは高電圧側のＰ端子に接続される高電圧駆動用のＩＧＢＴ等の半導体素子であり、半導体素子２Ｄ〜２Ｆは低電圧側のＮ端子に接続される低電圧駆動用の半導体素子である。すなわち、実施の形態１２のパワーモジュールは、互いに異なるレベルの電圧で駆動する２種類の半導体素子２Ａ〜２Ｃ及び半導体素子２Ｄ〜２Ｆを有している。

さらに、配線パターン１６〜１８上に外部電極３６〜３８が設けられる。そして、外部電極３６〜３８は平面視直線状の電極形成線ＬＥ３に沿って半導体素子２Ａ〜２Ｃと半導体素子２Ｄ〜２Ｆとの間に設けられる。

このように、実施の形態１２のパワーモジュールは、互いに異なるレベルの電圧で駆動する半導体素子２Ａ〜２Ｃ及び半導体素子２Ｄ〜２Ｆとの間に設けられる直線状の電極形成線ＬＥ３に沿って外部電極３６〜３８の基板接続部Ｅ３が配置されることを特徴とする。なお、外部電極３６〜３８の基板接続部Ｅ３は電極形成線ＬＥ３付近に存在すればよく、外部電極３７の基板接続部Ｅ３のように電極形成線ＬＥ３から少し離れていても良い。

実施の形態１２は上記特徴を有することにより、半導体素子２Ａ〜２Ｃと半導体素子２Ｄ〜２Ｆとの間に基板接続部Ｅ３の形成分の間隔を設けることができるため、半導体素子２Ａ〜２Ｃ，半導体素子２Ｄ〜２Ｆ間の熱干渉を低下できる分、温度変化に伴う絶縁基板１の変位を抑制することができる。

また、同じ電圧レベルで駆動する半導体素子２Ａ〜２Ｃ間あるいは半導体素子２Ｄ〜２Ｆ間において、ＩＧＢＴ及びダイオードを使用する場合、熱干渉をより減少させるため、ＩＧＢＴ及びダイオードを交互に配置することが望ましい。また、ＩＧＢＴ，ダイオード間の配線パターン１７及び１８に配線領域を設けるようにしても良い。

＜実施の形態１３＞
図１８は実施の形態１３のパワーモジュールの断面構造を示す断面図である。なお、図１８にＸＹＺ直交座標系を示している。なお、図１８は図１のＡ−Ａ断面に相当し、実施の形態１と同様な構成部は同一符号を付して説明を適宜省略する。

同図に示すように、実施の形態１３のパワーモジュールは実施の形態１の半導体素子２に代えて、炭化珪素（ＳｉＣ）を構成材料とするＳｉＣ半導体素子２０を設けたことを特徴としている。

上記特徴の実施の形態１３のパワーモジュールは、ＳｉＣ半導体素子２０によって高電流密度のパワーモジュールを実現するが、Ｓｉを構成材料とした半導体素子２に比べ、温度変化による絶縁基板１の変位がより大きくなる。しかしながら、実施の形態１と同様、外部電極２１及び２２によって絶縁基板１への押圧力を発揮させることにより、絶縁基板１の変位を抑制できるため、ＳｉＣ半導体素子２０を用いた場合においても装置の信頼性を向上できる。

さらに、ＳｉＣはＳｉよりも損失が小さいため、ＳｉＣ半導体素子２０を用いた実施の形態１３のパワーモジュールは省エネルギー化を図ることができる。

なお、上述した実施の形態１３は、図１〜図３で示した実施の形態１のパワーモジュールの半導体素子２をＳｉＣ半導体素子２０に置き換えた構造を示したが、同様に、他の実施の形態２〜実施の形態１２の半導体素子２をＳｉＣ半導体素子２０に置き換えても良い。

＜実施の形態１４＞
図１９は実施の形態１４のパワーモジュールの断面構造を示す断面図である。なお、図１９にＸＹＺ直交座標系を示している。なお、図１９は図１のＡ−Ａ断面に相当し、実施の形態１と同様な構成部は同一符号を付して説明を適宜省略する。

同図に示すように、実施の形態１４は実施の形態１の裏面電極１５上にさらに放熱材４５を設けたことを特徴としている。放熱材４５は温度変化により相転位し、常温付近で固体である。この放熱材４５にはさらに図示しないヒートシンクが締め付け固定されることが一般的である。

上記特徴の実施の形態１４のパワーモジュールは、実施の形態１と同様、外部電極２１及び２２による絶縁基板１を押圧する構造を採用しており、実施の形態１の効果による絶縁基板１の変位が抑制されている。

このため、常温付近で固体の放熱材４５を使用してもヒートシンクの締め付け時に絶縁基板１における絶縁板１０の割れが発生せず、液状の放熱材を用いる場合よりよりも高熱伝導であるため熱抵抗を下げることができる効果を奏する。

なお、上述した実施の形態１〜実施の形態１４では、配線パターン１１，１２等上に外部電極２１及び２２等が形成される構成を示したが、半導体素子２上に外部電極２１及び２２等が形成される構成でも良い。すなわち、外部電極２１及び２２等は、配線パターン１１及び１２等あるいは半導体素子２（ＳｉＣ半導体素子２０を含む）と電気的に接続して、絶縁基板１の一方主面上に設けられれば良い。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各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、省略したりすることが可能である。

１絶縁基板、２半導体素子、３収容ケース、３ａケース内インサート領域、３ｈ基板押え部、１１，１２，１６〜１８配線パターン、２０ＳｉＣ半導体素子、２１〜２３，２５〜３２，３３Ａ，３３Ｂ，３４，３６〜３８外部電極、４０信号用外部端子、４５放熱材、５５ディンプル、Ｅ１外部接続部、Ｅ２電極インサート部、Ｅ３，Ｅ４基板接続部、Ｅ３ｘ幅狭領域。

Claims

水平方向に沿って形成される一方主面及び他方主面を有し、一方主面側に配線パターンを有する絶縁基板と、
前記絶縁基板の一方主面側に形成される半導体素子と、
前記配線パターンあるいは前記半導体素子と電気的に接続して、前記絶縁基板の一方主面上に設けられる外部電極と、
前記絶縁基板及び前記半導体素子を収容する収容ケースとを備え、前記収容ケースは前記絶縁基板の一方主面側において、前記絶縁基板の一方主面と平面視して完全重複する態様で設けられ、前記外部電極を構成する電極挿入部の少なくとも一部を内部に有する電極挿入領域を有し、
前記外部電極は前記水平方向に沿って形成される水平方向電極領域を有し、前記水平方向電極領域の上面が前記電極挿入領域に接する態様で設けられることを特徴とする、
半導体装置。
請求項１記載の半導体装置であって、
前記水平方向電極領域は前記電極挿入部の一部として前記電極挿入領域内に挿入される、
半導体装置。
請求項１記載の半導体装置であって、
前記水平方向電極領域の上面は前記電極挿入領域の底面に接して設けられる、
半導体装置。
請求項１から請求項３のうち、いずれか１項に記載の半導体装置であって、
前記絶縁基板の一方主面は前記収容ケースと接着するケース接着領域を有し、
前記絶縁基板は他方主面側に内部電極をさらに有し、
前記内部電極は前記ケース接着領域と平面視して重複する領域を有することを特徴とする、
半導体装置。
請求項４記載の半導体装置であって、
前記内部電極は他方主面側の外周領域において、各々が他の領域より一方主面側に凹んだ領域を少なくとも含む複数の凹み部を有することを特徴とする、
半導体装置。
請求項１から請求項５のうち、いずれか１項に記載の半導体装置であって、
前記外部電極は
前記収容ケースの外部に設けられる外部接続部と、
前記絶縁基板の一方主面と直接接続される基板接続部とを含み、
前記電極挿入部は、前記外部接続部と前記基板接続部との間に設けられ、
前記電極挿入部は前記水平方向を規定する第１及び第２の方向のうち少なくとも一方向の幅は、前記外部接続部及び前記基板接続部より広く設定される、
半導体装置。
請求項１から請求項５のうち、いずれか１項に記載の半導体装置であって、
前記外部電極は第１及び第２の外部電極を含み、
前記第１及び第２の外部電極は、それぞれ
前記収容ケースの外部に設けられる外部接続部と、
前記絶縁基板の一方主面と直接接続される基板接続部とを含み、
前記電極挿入部は、前記外部接続部と前記基板接続部との間に設けられ、
前記第１及び第２の外部電極それぞれの前記電極挿入部の少なくとも一部は前記電極挿入領域に挿入される、
半導体装置。
請求項７記載の半導体装置であって、
前記第１及び第２の外部電極の前記電極挿入部は、前記電極挿入領域において平面視または側面視して少なくとも一部が重複する態様で設けられることを特徴とする、
半導体装置。
請求項１から請求項５のうち、いずれか１項に記載の半導体装置であって、
前記外部電極は
前記収容ケースの外部に設けられる外部接続部と、
前記絶縁基板の一方主面と直接接続される複数の基板接続部とを含み、
前記電極挿入部は、前記外部接続部と前記複数の基板接続部との間に設けられる、
半導体装置。
請求項１から請求項９のうち、いずれか１項に記載の半導体装置であって、
前記絶縁基板における前記配線パターンに電気的に接続される信号端子をさらに備え、前記信号端子は前記外部電極に比べ電流伝搬能力が低く、
前記信号端子は少なくとも一部が前記収容ケース内に挿入される、
半導体装置。
請求項１から請求項５のうち、いずれか１項に記載の半導体装置であって、
前記外部電極は、
前記収容ケースの外部に設けられる外部接続部と、
前記絶縁基板の一方主面と直接接続される基板接続部とを含み、
前記電極挿入部は、前記外部接続部と前記基板接続部との間に設けられ、
前記基板接続部は一部にその形成幅が他の領域より狭く形成された幅狭領域を有することを特徴とする、
半導体装置。
請求項１１記載の半導体装置であって、
前記外部電極は各々が前記外部接続部、前記基板接続部及び前記電極挿入部を有する、第１及び第２の外部電極を含み、前記第２の外部電極は、前記第１の外部電極に比べ前記絶縁基板の中央部側に配置され、
前記第１の外部電極の前記基板接続部は前記幅狭領域を有し、前記第２の外部電極の前記基板接続部は前記幅狭領域を有さないことを特徴とする、
半導体装置。
請求項１から請求項１２のうち、いずれか１項に記載の半導体装置であって、
前記収容ケースは上方から下方に延びて形成され、前記絶縁基板の一方主面と接して設けられる基板押え部を有する、
半導体装置。
請求項１から請求項５のうち、いずれか１項に記載の半導体装置であって、
前記外部電極は
前記収容ケースの外部に設けられる外部接続部と、
前記絶縁基板の一方主面と直接接続される基板接続部とを含み、
前記電極挿入部は、前記外部接続部と前記基板接続部との間に設けられ、
前記基板接続部は前記絶縁基板の周縁部より中心部に近い領域に設けられることを特徴とする、
半導体装置。
請求項１から請求項５のうち、いずれか１項に記載の半導体装置であって、
前記外部電極は複数の外部電極を含み、
前記複数の外部電極は、それぞれ
前記絶縁基板の一方主面と直接接続される基板接続部を有し、
前記複数の外部電極は平面視直線状の電極形成線に沿って設けられ、
前記半導体素子は第１及び第２の半導体素子を含み、前記第１及び第２の半導体素子は互いに異なるレベルの電圧で駆動し、前記電極形成線を挟んで配置されることを特徴とする、
半導体装置。
請求項１から請求項１５のうち、いずれか１項に記載の半導体装置であって、
前記半導体素子は構成材料を炭化珪素とした半導体素子を含む、
半導体装置。
請求項１から請求項１６のうち、いずれか１項に記載の半導体装置であって、
前記絶縁基板の他方主面側に常温で固体の放熱材をさらに備える、
半導体装置。