JP6448418B2 - 電力用半導体装置 - Google Patents
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Description
本発明は、電力用半導体素子を組み合わせてインバータ回路などを構成する電力用半導体装置に関するものである。
パワーモジュールに用いられる電力用半導体装置は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｅｒ）、またはＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）に代表される電力用半導体素子を組み合わせることで、インバータ回路などの電力制御回路を構成する装置である。パワーモジュールに多く用いられる縦型の電力用半導体素子では、表裏面に電極が構成され、裏面電極は回路基板またはリードフレームなどにはんだ付けされており、従来、表面電極からの配線は超音波ワイヤボンディングで接合したＡｌワイヤで構成される構造が主流であった。しかし、近年、電力用半導体素子の大電流化および高電流密度化が進んだことで、表面電極からの配線をはんだ付けにより電極板（主電極リード）で構成する構造が拡大している。
電極板を表面電極に接合する構造においては、接合部にかかる応力を軽減して信頼性を向上させる目的、または接合部の観察を容易にする目的で電極板の接合部に貫通孔を形成する構造が採用されている（例えば、特許文献１，２参照）。
昨今、電力用半導体装置の小型化および薄型化が求められているが、接合材の供給量、または電力用半導体素子と電極板間距離のばらつきによって接合材が供給過多になって貫通孔から盛り上がる接合材を考慮し、電力用半導体装置の外部との電気的な絶縁を確保するために、電極板上には十分な封止材料の厚さが必要であった。そのため、装置の小型化および薄型化を図ることが難しいという問題があった。
反面、電力用半導体素子の低損失化および炭化ケイ素に代表されるワイドバンドギャップ半導体の採用によって電力用半導体素子の電流密度の向上が急激に進行しており、表面電極上の接合面積をさらに拡大させる必要がある。しかし、電力用半導体素子の平面視形状が矩形であることから、はんだおよび導電性接着剤など液状を経る接合材を用いた場合、電極の角部に接合材を行き渡せるためには接合材の供給量を増やす必要があり、背反する問題を有していた。また、表面電極上の接合面積の拡大に伴って、主電極リードと半導体素子との接合部にかかる応力が増大するという問題もあった。
そこで、本発明は、主電極リードと半導体素子との接合部にかかる応力を軽減するとともに、装置の小型化および薄型化を実現可能な電力用半導体装置を提供することを目的とする。
本発明に係る電力用半導体装置は、第１主電極が配置される第１主面を有する半導体素子と、接合材を介して前記第１主電極と接合される主電極リードと、前記主電極リードおよび前記半導体素子を封止する封止樹脂と、前記主電極リードに対して前記第１主電極との接合部に設けられ、かつ、前記接合材の少なくとも一部が配置される貫通孔と、前記主電極リードに対して前記貫通孔を中心に互いに対向する方向に延びるように設けられ、かつ、前記貫通孔に配置される前記接合材の少なくとも一部が配置される切り欠きとを備え、前記第１主電極と前記接合材との接合面は長方形状であり、前記切り欠きは、前記接合面における長方形状の対角線と平行に設けられ、前記主電極リードにおける前記切り欠きの延在方向の先端部に、前記切り欠きの幅よりも大きな開口部が設けられるものである。
本発明によれば、電力用半導体装置は、第１主電極が配置される第１主面を有する半導体素子と、接合材を介して第１主電極と接合される主電極リードと、主電極リードおよび半導体素子を封止する封止樹脂と、主電極リードに対して第１主電極との接合部に設けられ、かつ、接合材の少なくとも一部が配置される貫通孔と、主電極リードに対して貫通孔を中心に互いに対向する方向に延びるように設けられ、かつ、貫通孔に配置される接合材の少なくとも一部が配置される切り欠きとを備え、第１主電極と接合材との接合面は長方形状であり、切り欠きは、接合面における長方形状の対角線と平行に設けられ、主電極リードにおける切り欠きの延在方向の先端部に、切り欠きの幅よりも大きな開口部が設けられる。
したがって、半導体素子の第１主電極と主電極リードとの間隔に対し供給される接合材の量が過剰な場合、主電極リードの切り欠き内に貫通孔に配置される接合材の一部が拡がるため、主電極リードの貫通孔上に接合材の一部が盛り上がりにくい構造となる。そのため、主電極リード上の封止樹脂の厚さを薄くすることができ、装置の小型化および薄型化を実現することが可能となる。
また、切り欠きによって熱膨張の大きい主電極リードが分割されるため、主電極リードに貫通孔のみが設けられる場合よりも主電源リードと第１電極との接合部にかかる応力が軽減する。第１主電極と接合材との接合面は長方形状であり、切り欠きは、接合面における長方形状の対角線と平行に設けられる。したがって、接合材が液相を介して接合される場合、接合材は長方形状の短辺方向へは拡がりやすいが、長辺方向へは拡がりにくい。第１主電極の長辺方向への接合材の拡がりを補助することで、電力用半導体装置の生産性が向上するとともに、接合面積の拡大によって半導体素子の特性も向上する。主電極リードにおける切り欠きの延在方向の先端部に、切り欠きの幅よりも大きな開口部が設けられる。したがって、開口部に封止樹脂が充填されることで、接合材の周囲からの樹脂剥離を抑制することができるため、電力用半導体装置の信頼性が向上する。
＜実施の形態１＞
本発明の実施の形態１について、図面を用いて以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。便宜的に図で示す上下などの位置関係を示す表現を説明に用いるが、装置中での方向および装置を使用する際の方向とは異なるものである。図１は、実施の形態１に係る電力用半導体装置１００の平面図であり、図２は、図１のII-II断面図である。
本発明の実施の形態１について、図面を用いて以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。便宜的に図で示す上下などの位置関係を示す表現を説明に用いるが、装置中での方向および装置を使用する際の方向とは異なるものである。図１は、実施の形態１に係る電力用半導体装置１００の平面図であり、図２は、図１のII-II断面図である。
図１と図２に示すように、電力用半導体装置１００は、ＩＧＢＴ３（半導体素子）、ダイオード４（半導体素子）、放熱板１（金属板）、主電極リード５ａ，５ｂ、信号リード５ｇ、外部端子８ａ，８ｂ，８ｇ、樹脂筐体９（封止樹脂）を備えている。
放熱板１は、熱伝導率および電気伝導率の高いＣｕから構成され、例えば、主面が４０ｍｍ×６０ｍｍの寸法であり、厚さが３ｍｍである。ＩＧＢＴ３は、例えば、主面が１２ｍｍ×１２ｍｍの寸法であり、厚さが１３０μｍである。ＩＧＢＴ３は、下面（第２主面）および上面（第１主面）を備え、下面には第２主電極であるコレクタ電極（図示省略）が配置され、上面には第１主電極であるエミッタ電極３ｅ（図３参照）が配置されている。ＩＧＢＴ３の下面は、放熱板１の上面に接合材として例えば厚さ１５０μｍの導電性を有するはんだ２ａを介して接合されており、ＩＧＢＴ３のコレクタ電極は、はんだ２ａを介して放熱板１と電気的に接続されている。
ダイオード４は、例えば、主面が１２ｍｍ×９ｍｍであり、厚さが２００μｍである。ダイオード４は、下面（第２主面）および上面（第１主面）を備え、下面には第２主電極であるカソード電極（図示省略）が配置され、上面には第１主電極であるアノード電極（図示省略）が配置されている。ダイオード４は、はんだ２ａを介して放熱板１の上面に接合されており、ダイオード４のカソード電極は、はんだ２ａを介して放熱板１と電気的に接続されている。よって、ＩＧＢＴ３のコレクタ電極とダイオード４のカソード電極は同電位となっている。
図３は、ＩＧＢＴ３の平面図である。図３に示すように、放熱板１と接合される面と対向する、ＩＧＢＴ３の上面にはエミッタ電極３ｅと、エミッタ電極３ｅとは別の制御電極であるゲート電極３ｇが配置されている。エミッタ電極３ｅはゲート電極３ｇからの配線によって複数領域に分割されていることがあり、図３では２つの領域に分割されたものが示されている。また、ＩＧＢＴ３およびダイオード４の外周部には主電極間の絶縁性を確保するための構造が設けられている。
次に、主電極リード５ａについて説明する。図１と図２に示すように、ＩＧＢＴ３のエミッタ電極３ｅのそれぞれの領域と、ダイオード４のアノード電極にははんだ２ｂを介して主電極リード５ａが接合されている。主電極リード５ａは、例えば厚さ０．５ｍｍ、幅１０ｍｍのＣｕから構成され、放熱板１と対向する位置に配置されている。エミッタ電極３ｅとアノード電極にははんだ付けするために、はんだの主成分であるＳｎとの合金層を形成しやすいＮｉの膜がその電極面積以下の範囲で形成されている。
主電極リード５ａに対してエミッタ電極３ｅおよびアノード電極との接合部に、貫通孔５ｈが設けられている。より具体的には、主電極リード５ａには、ＩＧＢＴ３またはダイオード４とはんだ２ｂとの接合面５ｓの中央部に、例えば直径１．５ｍｍの貫通孔５ｈが設けられている。貫通孔５ｈには、例えば幅０．５ｍｍ、長さ２ｍｍの切り欠き５ｎが貫通孔５ｈを中心に互いに対向する２方向に延びるように貫通状に設けられている。
ＩＧＢＴ３のエミッタ電極３ｅとはんだ２ｂ、およびダイオード４のアノード電極とはんだ２ｂとの接合面５ｓは長方形状であり、切り欠き５ｎは、接合面５ｓにおける長方形状の長辺と平行である。貫通孔５ｈおよび切り欠き５ｎのほぼ全体にはんだ２ｂの一部が充填（配置）されている。すなわち、貫通孔５ｈには、はんだ２ｂの一部が充填され、切り欠き５ｎには、貫通孔５ｈに充填されるはんだ２ｂの一部が充填されている。
ＩＧＢＴ３およびダイオード４と接合された主電極リード５ａとは別の主電極リード５ｂは、はんだを介して放熱板１に接合されている。ＩＧＢＴ３のゲート電極３ｇは、一般的に用いられる直径１００μｍのアルミワイヤ６に対して超音波ワイヤボンディングを行うことで信号リード５ｇと接続されている。
放熱板１の下面には、絶縁層７が配置されており、絶縁層７は、熱伝導率の高いＡｌ２０３またはＡｌＮのフィラーを含有して放熱性を向上させた主としてエポキシ樹脂から構成されている。
樹脂筐体９は、弾性率１５ＧＰａのエポキシ樹脂から構成されている。樹脂筐体９は、主電極リード５ａ，５ｂおよび信号リード５ｇとそれぞれ電気的に接続された外部端子８ａ，８ｂ，８ｇと、絶縁層７の下面が露出した状態で、主電極リード５ａ，５ｂ、ＩＧＢＴ３、ダイオード４および放熱板１を封止している。樹脂筐体９は、一般的に採用されているトランスファモールドによって成型され、例えば樹脂筐体９の外形が６０ｍｍ×８０ｍｍ×厚さ５．５ｍｍとなり、樹脂筐体９の上面と主電極リード５ａ，５ｂとの最短距離は０．３ｍｍ程度である。
次に、電力用半導体装置１００を上記の構造とした理由について以下説明する。主電極リード５ａと、ＩＧＢＴ３またはダイオード４との距離（クリアランス）ははんだ２ｂの厚さに相当する０．３ｍｍとなるように設計されており、はんだ付けの際には電極の中央部に固体またはペースト状のはんだが供給され、主電極リード５ａを積層した状態ではんだを加熱溶融させて接合が完了する。
しかしながら、クリアランスはＩＧＢＴ３およびダイオード４の下面を接合するはんだの厚さ、主電極リード５ａと放熱板１の平行度にはばらつきがあること、および、はんだの供給量にもばらつきがあることから、接合を確実にするためにははんだの供給量を設計上の必要量よりも多めに供給することが必要となる。特に、ＩＧＢＴ３のエミッタ電極３ｅおよびダイオード４のアノード電極は電流経路であるため、接合面積が広いほど電気抵抗が低下する。また、ＩＧＢＴ３およびダイオード４の発熱が主電極リード５ａへ流れやすくなることでＩＧＢＴ３およびダイオード４の温度が上がりにくくなることから、できるだけ広い接合面積を得ることが求められている。
その際、主電極リード５ａに設けられた貫通孔５ｈにはんだ２ｂの一部が充填されることで、多少はんだ量が多くても、ＩＧＢＴ３およびダイオード４の領域からはみ出して絶縁耐圧に影響を及ぼすことはほとんどない。しかしながら、放熱板１上のはんだ２ａが厚くなるなど、ＩＧＢＴ３またはダイオード４と主電極リード５ａとの距離が短くなった場合、ＩＧＢＴ３およびダイオード４上に設けられたＮｉなどの金属膜、または主電極リード５ａへのはんだぬれ拡がりが悪い場合には貫通孔５ｈの上部へはんだ２ｂの一部が飛び出しやすくなる現象が見られる。そのため、主電極リード５ａの上側に樹脂筐体９が十分に充填されないことがあることから樹脂筐体９の厚さを厚くしていた。
主電極リード５ａに切り欠き５ｎを設けることで、貫通孔５ｈに充填されるはんだ２ｂの一部が切り欠き５ｎ内を毛細管現象で拡がる。これにより、はんだ量が多くなってもはんだ２ｂの一部が飛び出しにくくなり、主電極リード５ａ上の樹脂筐体９を０．３ｍｍ程度まで厚さを薄くすることができ、電力用半導体装置１００の薄型化を図ることができる。
また、樹脂筐体９を構成するエポキシ樹脂は弾性率が１０ＰＧａを超え、弾性率が金属材料と１桁程度の差であるため、樹脂筐体９の硬化収縮および成型時の温度降下によって放熱板１に反りが発生しやすい。しかし、樹脂筐体９の厚さを薄くすることで、樹脂筐体９の硬化収縮による放熱板１の反りを抑制しやすくなる。
ここで、ＩＧＢＴ３およびダイオード４は一般的に知られるように平面視形状が矩形状に形成され、表面電極も長方形状に形成されていることが多い。特にエミッタ電極３ｅのように複数に領域が分割された電極では、長方形状の短辺と長辺の差が大きいことがある。はんだおよび導電性接着剤などの液相を介して接合する接合材を使用する場合、接合材はその表面張力による凝集で短辺方向には拡がりやすいが、長辺方向には拡がりにくいという特徴がある。
このような場合、主電極リード５ａの切り欠き５ｎを電極の長辺方向に形成することで、長辺側へのはんだぬれ拡がりを補助する効果を発揮し、接合面積を広く取りやすく、また電力用半導体装置１００の生産性が向上するため好適である。その際、ＩＧＢＴ３およびダイオード４上に形成されるＮｉ層については、その角部で接合材の表面張力を考慮した円弧状となっていることが望ましい。ここで、Ｎｉ層については、接合材としてはんだを用いる場合にＳｎとの合金層を形成しやすい金属として、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ，またはＰｄなどが挙げられ、これらから選択することが可能である。他方、導電性接着剤を用いる場合には必ずしも接合時に金属間化合物層を形成する必要がないため、この限りではない。
また、信頼性の観点においても電力用半導体装置１００全体の温度変化、または半導体素子に対する通電サイクルによって、はんだ２ｂには主電極リード５ａから熱応力を受けるが、特に熱応力は分割される長さが長くなるほど軽減されることから、貫通孔５ｈのみ形成された場合よりも信頼性の高い接合部を得ることができる。さらには、上記のように樹脂筐体９の硬化収縮による放熱板１の反りを抑制していることから、温度サイクルで発生する反りの変動が小さくなる。よって、樹脂筐体９と放熱板１、および樹脂筐体９と主電極リード５ａとの剥離を効果的に抑制することが可能となり、電力用半導体装置１００の信頼性が向上する。
なお、電力用半導体装置１００は、ＩＧＢＴ３およびダイオード４を各１個ずつの回路で構成されているが、同様の構成を直列で接続したもの、並列で接続したもの、またはＩＧＢＴ３およびダイオード４を各６個ずつ搭載し、インバータ回路を構成したものなどあらゆる回路構成を採用可能である。
以上のように、実施の形態１に係る電力用半導体装置１００は、エミッタ電極３ｅが配置される上面を有するＩＧＢＴ３と、アノード電極が配置される上面を有するダイオード４と、はんだ２ｂを介してエミッタ電極３ｅおよびアノード電極と接合される主電極リード５ａと、主電極リード５ａ、ＩＧＢＴ３およびダイオード４を封止する樹脂筐体９と、主電極リード５ａに対してエミッタ電極３ｅおよびアノード電極との接合部に設けられ、かつ、はんだ２ｂの少なくとも一部が配置される貫通孔５ｈと、主電極リード５ａに対して貫通孔５ｈを中心に互いに対向する方向に延びるように設けられ、かつ、貫通孔５ｈに配置されるはんだ２ｂの少なくとも一部が配置される切り欠き５ｎとを備える。
したがって、ＩＧＢＴ３のエミッタ電極３ｅと主電極リード５ａ、およびダイオード４のアノード電極と主電極リード５ａとの間隔に対し供給されるはんだ２ｂの量が過剰な場合、主電極リード５ａの切り欠き５ｎ内に貫通孔５ｈに充填されるはんだ２ｂの一部が拡がるため、主電極リード５ａの貫通孔５ｈ上にはんだ２ｂの一部が盛り上がりにくい構造となる。そのため、主電極リード５ａ上の樹脂筐体９の厚さを薄くすることができ、装置の小型化および薄型化を実現することが可能となる。
また、切り欠き５ｎによって熱膨張の大きい主電極リード５ａが分割されるため、主電極リード５ａに貫通孔５ｈのみが設けられる場合よりも主電源リード５ａとＩＧＢＴ３のエミッタ電極３ｅ、および主電源リード５ａとダイオード４のアノード電極との接合部にかかる応力が軽減する。これにより、電力用半導体装置１００の温度サイクル信頼性および電流サイクル信頼性も向上し、電力用半導体装置１００の長期使用が可能となる。
ＩＧＢＴ３は、コレクタ電極が配置される下面をさらに備えるとともに、ダイオード４は、カソード電極が配置される下面をさらに備え、電力用半導体装置１００は、コレクタ電極およびカソード電極と接合される放熱板１をさらに備える。上記のように樹脂筐体９の厚さを薄くすることで、樹脂筐体９の硬化収縮による放熱板１の反りを抑制できる。
ＩＧＢＴ３のエミッタ電極３ｅとはんだ２ｂ、およびダイオード４のアノード電極とはんだ２ｂとの接合面５ｓは長方形状であり、切り欠き５ｎは、接合面における長方形状の長辺と平行に設けられる。したがって、接合材が液相を介して接合される場合、エミッタ電極３ｅおよびアノード電極の形状が長方形状である場合、接合材は長方形状の短辺方向へは拡がりやすいが、長辺方向へは拡がりにくい。エミッタ電極３ｅおよびアノード電極の長辺方向への接合材の拡がりを補助することで、電力用半導体装置１００の生産性が向上するとともに、接合面積の拡大によってＩＧＢＴ３およびダイオード４の特性も向上する。
次に、実施の形態１の変形例について説明する。図４は、実施の形態１の変形例に係る電力用半導体装置１００Ａの断面図である。図４に示すように、電力用半導体装置１００Ａは、放熱板１の代わりにメタルベース基板１０を備えている。メタルベース基板１０は、Ａｌから構成される回路パターン１０ａ、高熱伝導性のフィラーを含有した樹脂絶縁層１０ｂ、およびＡｌから構成される放熱板１０ｃを積層することで構成されている。また、電力用半導体装置１００Ａは、樹脂筐体９の代わりにＰＰＳ（Ｐｏｌｙ Ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ Ｓｕｌｆｉｄｅ）から構成される樹脂ケース１１を備え、樹脂ケース１１の内部をエポキシ樹脂１２で封止する構造を備えている。かかる構造においてもエポキシ樹脂１２の厚さを薄くすることができるため、メタルベース基板１０の放熱板１０ｃの反りを抑制することが可能となる。また、実施の形態１のその他の効果についても同様に得られる。
なお、メタルベース基板１０の代わりに、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮまたはＳｉ３Ｎ４などの高熱伝導性のセラミック基板を採用することが考えられるが、これらは熱膨張率が樹脂材料よりも低いため剥離しやすい。しかし、エポキシ樹脂１２を薄くすることで剥離が抑制される効果があり、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮまたはＳｉ３Ｎ４などの高熱伝導性のセラミック基板を採用可能である。
＜実施の形態２＞
次に、実施の形態２に係る電力用半導体装置１００Ｂについて説明する。図５は、実施の形態２に係る電力用半導体装置１００Ｂの平面図である。なお、実施の形態２において、実施の形態１で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。
次に、実施の形態２に係る電力用半導体装置１００Ｂについて説明する。図５は、実施の形態２に係る電力用半導体装置１００Ｂの平面図である。なお、実施の形態２において、実施の形態１で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。
実施の形態２では、切り欠き５ｎは、接合面５ｓにおける長方形状の対角線と平行に設けられている。より具体的には、主電極リード５ａにおいて接合面５ｓの中央部に、例えば直径１．５ｍｍの貫通孔５ｈが形成されており、それぞれの貫通孔５ｈから接合面５ｓの長方形状の対角線と平行に貫通状に切り欠き５ｎが設けられている。また切り欠き５ｎの幅は、例えば０．５ｍｍであり、切り欠き５ｎの延在方向の先端部は接合面の外周部よりも外側に位置している。
かかる構造とした理由について以下説明する。接合材として特にはんだを用いた場合に溶融時の表面張力によって接合面５ｓの中心から円形状にはんだが拡がりやすいが、角部に向かっては拡がりにくい。角部にＲを形成することでぬれ拡がりは安定するが、Ｒを形成した分、接合面積が小さくなっていた。
そこで、実施の形態１で示したように、主電極リード５ａの貫通孔５ｈに設けられた切り欠き５ｎは、貫通孔５ｈに充填されるはんだ２ｂの一部が切り欠き５ｎ内をぬれ拡がる毛細管現象によって、ぬれ拡がりを補助する効果を有する。ぬれ拡がりにくい接合面５ｓの角部へ向けて対角線と平行に切り欠き５ｎを配置することで、接合面５ｓ全体にはんだ２ｂの一部を拡げることが容易となる。その際、接合面５ｓの角部にはんだ２ｂを十分拡げるためには、主電極リード５ａ上でも対応した部分まではんだ２ｂが拡がる必要があることから、切り欠き５ｎは接合面５ｓの外周部よりも外側まで伸びていることが望ましい。
また、温度サイクル信頼性の観点においては、ＩＧＢＴ３およびダイオード４と、主電極リード５ａの熱膨張率差に起因した接合部の破断は熱応力の高い角部から発生する。例えばはんだ２ｂについては角部からはんだ２ｂに亀裂が入り、亀裂の伸展によって接合面積が減少していくが、接合面５ｓの角部に切り欠き５ｎが形成されているため、熱応力が軽減し、亀裂の発生および伸展を効果的に抑制することが可能となる。これにより、電力用半導体装置１００Ｂの信頼性が向上する。
以上のように、実施の形態２に係る電力用半導体装置１００Ｂでは、ＩＧＢＴ３のエミッタ電極３ｅとはんだ２ｂ、およびダイオード４のアノード電極とはんだ２ｂとの接合面５ｓは長方形状であり、切り欠き５ｎは、接合面５ｓにおける長方形状の対角線と平行に設けられる。したがって、接合面積が大きい場合、対角線方向へのはんだ２ｂの拡がりを補助し、ＩＧＢＴ３のエミッタ電極３ｅとはんだ２ｂ、およびダイオード４のアノード電極とはんだ２ｂの接合性が向上する。また、はんだ２ｂへの熱応力が大きい接合面５ｓの角部に切り欠き５ｎを設けることで、電力用半導体装置１００Ｂの信頼性が一層向上する。
切り欠き５ｎの延在方向の先端部は、ＩＧＢＴ３のエミッタ電極３ｅとはんだ２ｂ、およびダイオード４のアノード電極とはんだ２ｂとの接合面５ｓの外周部よりも外側に位置するため、接合面５ｓの角部まで十分にはんだ２ｂの一部を拡げることができ、ＩＧＢＴ３およびダイオード４の特性が向上する。また、接合面５ｓの外周部よりも外側で熱応力が軽減されるため、電力用半導体装置１００Ｂの信頼性が向上する。
＜実施の形態３＞
次に、実施の形態３に係る電力用半導体装置１００Ｃについて説明する。図６は、実施の形態３に係る電力用半導体装置１００Ｃの断面図であり、図５を電力用半導体装置１００Ｃの平面図とした場合のVI-VI線断面図である。なお、実施の形態３において、実施の形態１，２で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。
次に、実施の形態３に係る電力用半導体装置１００Ｃについて説明する。図６は、実施の形態３に係る電力用半導体装置１００Ｃの断面図であり、図５を電力用半導体装置１００Ｃの平面図とした場合のVI-VI線断面図である。なお、実施の形態３において、実施の形態１，２で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。
実施の形態３では、貫通孔５ｈの外周部は、切り欠き５ｎの延在方向の先端部よりもＩＧＢＴ３またはダイオード４に近接する位置に位置している。
より具体的には、主電極リード５ａにおいて接合面５ｓの中央部に、例えば直径１．５ｍｍの貫通孔５ｈが形成されており、それぞれの貫通孔５ｈから接合面５ｓの長方形状の対角線と平行に貫通状に切り欠き５ｎが設けられている。また切り欠き５ｎの幅は、例えば０．５ｍｍである。主電極リード５ａにおいて、切り欠き５ｎの延在方向の先端部から貫通孔５ｈの外周部へ行く程下方に傾斜する傾斜部５ｃが設けられている。このため、貫通孔５ｈの外周部は、切り欠き５ｎの延在方向の先端部よりもＩＧＢＴ３またはダイオード４に近接する位置に位置している。ここで、貫通孔５ｈの外周部におけるはんだ２ｂの厚さは０．１ｍｍ、切り欠き５ｎの先端部におけるはんだ２ｂの厚さは０．３ｍｍである。
かかる構造とした理由について以下説明する。はんだ２ｂの厚さが厚い方がＩＧＢＴ３またはダイオード４と主電極リード５ａとの熱膨張率差に起因した応力が軽減されて信頼性が向上するが、供給されるはんだ量が多くなることで、供給量のばらつきが大きくなりやすい。そこで、かかる構造とすることで、供給されるはんだの量をおよそ半分として、応力の高い接合面５ｓの外周部のみはんだ２ｂの厚さを厚くし、比較的応力の小さい接合面５ｓの中央部のはんだ２ｂの厚さを薄くすることで供給されるはんだの量を減らして供給精度を上げつつ電力用半導体装置１００Ｃの信頼性を確保することが可能となる。
以上のように、実施の形態３に係る電力用半導体装置１００Ｃでは、貫通孔５ｈの外周部は、切り欠き５ｎの延在方向の先端部よりもＩＧＢＴ３またはダイオード４に近接する位置に位置する。したがって、供給されるはんだの量を減らすことができ、はんだの供給量のばらつきが発生しにくくなる。また、接合面５ｓの外周部のはんだ２ｂの厚さを厚くしていることから、電力用半導体装置１００Ｃの信頼性の低下を抑制できる。
＜実施の形態４＞
次に、実施の形態４に係る電力用半導体装置１００Ｄについて説明する。図７は、実施の形態４に係る電力用半導体装置１００Ｄの平面図である。なお、実施の形態４において、実施の形態１から３で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。
次に、実施の形態４に係る電力用半導体装置１００Ｄについて説明する。図７は、実施の形態４に係る電力用半導体装置１００Ｄの平面図である。なお、実施の形態４において、実施の形態１から３で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。
実施の形態４では、主電極リード５ａにおける切り欠き５ｎの延在方向の先端部に、切り欠き５ｎの幅よりも大きな開口部５оが設けられている。
より具体的には、主電極リード５ａにおいて接合面５ｓの中央部に、例えば直径１．５ｍｍの貫通孔５ｈが形成されており、それぞれの貫通孔５ｈから接合面５ｓの長方形状の対角線と平行に貫通状に切り欠き５ｎが設けられている。また切り欠き５ｎの幅は、例えば０．５ｍｍであり、切り欠き５ｎの延在方向の先端部には、例えば直径１ｍｍの開口部５оが設けられている。開口部５оは、主電極リード５ａにおける接合面５ｓの外周部と対応する領域に形成されている。
かかる構造とした理由について以下説明する。エミッタ電極３ｅおよびアノード電極での接合面積が重要である場合、エミッタ電極３ｅおよびアノード電極の外周部まで接合されているかをどのように確認するかが重要である。ＩＧＢＴ３またはダイオード４と主電極リード５ａとの距離が近い場合、またはダイオード４のように上面を主電極リード５ａに覆われる構造である場合には、作業者による目視確認または自動画像検査装置を用いた確認に時間を要したり困難であったりする。
そこで、主電極リード５ａにおける接合面５ｓの外周部と対応する領域に開口部５оを設けることで、開口部５оから接合状態を確認することが可能となる。また、開口部５оの最外周部において、貫通孔５ｈに充填されるはんだ２ｂの一部が充填されないように供給されるはんだ量をコントロールすることで、樹脂筐体９の樹脂が開口部５оに充填される。これにより、樹脂剥離が発生しなくなること、および主電極リード５ａのジュール発熱による熱膨張が拘束されることで、はんだ２ｂの亀裂発生および伸展が一層抑制され、電力用半導体装置１００Ｄの信頼性が向上する。
以上のように、実施の形態４に係る電力用半導体装置１００Ｄでは、主電極リード５ａにおける切り欠き５ｎの延在方向の先端部に、切り欠き５ｎの幅よりも大きな開口部５оが設けられる。したがって、開口部５оに樹脂筐体９の樹脂が充填されることで、はんだ２ｂの周囲からの樹脂剥離を抑制することができるため、電力用半導体装置１００Ｄの信頼性が向上する。
また、開口部５оは、主電極リード５ａにおけるエミッタ電極３ｅまたはアノード電極とはんだ２ｂとの接合面５ｓの外周部と対応する領域に設けられるため、開口部５оからはんだ２ｂの端面が確認しやすくなり、自動画像検査装置を用いた検査が容易となり、電力用半導体装置１００Ｄの生産性が向上する。
本実施の形態では、切り欠き５ｎおよび開口部５оは接合面５ｓの長方形状の対角線と平行に配置されたが、面積の小さい半導体素子を用いた場合には、電極の長辺方向に配置しても同様の効果が得られる。
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、省略することが可能である。
１ 放熱板、２ｂ はんだ、３ ＩＧＢＴ、３ｅ エミッタ電極、４ ダイオード、５ａ 主電極リード、５ｈ 貫通孔、５ｎ 切り欠き、５о 開口部、５ｓ 接合面、９ 樹脂筐体、１０ メタルベース基板、１１ 樹脂ケース、１２ エポキシ樹脂、１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ 電力用半導体装置。
Claims (6)
- 第１主電極が配置される第１主面を有する半導体素子と、
接合材を介して前記第１主電極と接合される主電極リードと、
前記主電極リードおよび前記半導体素子を封止する封止樹脂と、
前記主電極リードに対して前記第１主電極との接合部に設けられ、かつ、前記接合材の少なくとも一部が配置される貫通孔と、
前記主電極リードに対して前記貫通孔を中心に互いに対向する方向に延びるように設けられ、かつ、前記貫通孔に配置される前記接合材の少なくとも一部が配置される切り欠きと、
を備え、
前記第１主電極と前記接合材との接合面は長方形状であり、
前記切り欠きは、前記接合面における長方形状の対角線と平行に設けられ、
前記主電極リードにおける前記切り欠きの延在方向の先端部に、前記切り欠きの幅よりも大きな開口部が設けられる、電力用半導体装置。 - 第１主電極が配置される第１主面を有する半導体素子と、
接合材を介して前記第１主電極と接合される主電極リードと、
前記主電極リードおよび前記半導体素子を封止する封止樹脂と、
前記主電極リードに対して前記第１主電極との接合部に設けられ、かつ、前記接合材の少なくとも一部が配置される貫通孔と、
前記主電極リードに対して前記貫通孔を中心に互いに対向する方向に延びるように設けられ、かつ、前記貫通孔に配置される前記接合材の少なくとも一部が配置される切り欠きと、
を備え、
前記第１主電極と前記接合材との接合面は長方形状であり、
前記切り欠きは、前記接合面における長方形状の長辺と平行に設けられ、
前記主電極リードにおける前記切り欠きの延在方向の先端部に、前記切り欠きの幅よりも大きな開口部が設けられる、電力用半導体装置。 - 前記半導体素子は、第２主電極が配置される第２主面をさらに備え、
前記電力用半導体装置は、前記第２主電極と接合される金属板をさらに備える、請求項１または請求項２記載の電力用半導体装置。 - 前記切り欠きの延在方向の先端部は、前記第１主電極と前記接合材との接合面の外周部よりも外側に位置する、請求項３記載の電力用半導体装置。
- 前記貫通孔の外周部は、前記切り欠きの延在方向の先端部よりも前記半導体素子に近接する位置に位置する、請求項３または請求項４記載の電力用半導体装置。
- 前記開口部は、前記主電極リードにおける前記第１主電極と前記接合材との接合面の外周部と対応する領域に設けられる、請求項１または請求項２記載の電力用半導体装置。
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