JP6825408B2 - 電力用半導体装置、電力変換装置および電力用半導体装置の製造方法 - Google Patents
電力用半導体装置、電力変換装置および電力用半導体装置の製造方法 Download PDFInfo
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Description
本発明は、電力用半導体装置に関し、特に、半導体素子を接合したリードフレームにヒートシンクが取り付けられ、封止樹脂により一体化された電力用半導体装置に関する。
半導体装置の中でも電力用半導体装置は、鉄道車両、ハイブリッドカー、電気自動車等の車両、家電機器、産業用機械等において、比較的大きな電力を制御、整流するために利用されている。そのため、半導体素子へ流れる電流も大きく、半導体素子の抵抗からジュール熱によって発熱する。熱による温度上昇は、半導体素子の特性、信頼性の低下につながる。従って、電力用半導体装置は、半導体素子の熱を効率よく放熱することが必要である。
このような電力用半導体装置の構成の一つとして、リードフレームのダイパッドに半導体素子を実装し、ダイパッドの反対側の面に絶縁膜を介して放熱用のヒートシンクを接合し、半導体素子が発生する熱を効率よく放熱するようにするとともに、ヒートシンクの放熱面を除いた全体を樹脂で封止して、回路部材を保持するモールドモジュールがある（例えば、特許文献１を参照）。上記のようなモールドモジュールでは、樹脂封止の際に封止用金型と金型内に設置したヒートシンクとの間に隙間があると、この隙間に封止樹脂が侵入して硬化し、ヒートシンクの放熱面に樹脂膜が形成される。実使用時において、半導体素子の熱はヒートシンクを介して放熱フィンに伝達されるが、樹脂膜がヒートシンクと放熱フィンの間に存在すると、ヒートシンクから放熱フィンへの熱伝達が阻害される。その結果、半導体素子の放熱が阻害され、パワーサイクル信頼性が低下する要因となる。
そこで、樹脂封止を行う際に、ヒートシンクと金型との間に隙間が生じないよう、ヒートシンクを所定の位置に保持して、封止樹脂の回り込みを防ぐ必要がある。また、封止樹脂の注入により各部材の位置がずれないように、各部材を所定の位置に保持する必要がある。例えば、特許文献２には、樹脂封止前に金型から摺動する棒状の保持機構を設けて各部材の位置を補正し、所定の位置に各部材を保持する製造方法が提案されている。
引用文献１のモールドモジュールにおいて、特許文献２のような、金型に摺動する棒状の保持機構を用いて各部材を所定の位置に保持しようとすると、構造が複雑かつ部品点数が多くなるためメンテナンスに時間がかかり生産性が低下するという問題がある。また、摺動部に封止樹脂が侵入することで金型の摩耗が発生したり、侵入し金型に固着した樹脂を除去するために定期的に金型を分解し清掃する頻度が高くなる。また、保持機構を引き抜いたあとに痕跡が残る、ヒートシンク上面内に棒状の保持機構が当接するための場所を別途設ける必要があるため、ヒートシンクおよび半導体装置の小型化が難しいという問題もあった。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、より簡素な手段で各部材を所定の位置に保持し、ヒートシンクの放熱面に封止樹脂の薄膜が発生することを防ぐことのできる電力用半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の電力用半導体装置は、
ヒートシンクと、
前記ヒートシンクの上面に配置されたダイパッドを含むリードフレームと、
前記ダイパッドの上面に接合された半導体素子と、
前記半導体素子に接続された金属線と、
前記ダイパッドの上面であって前記半導体素子が接合されていない部分に配置された絶縁性のスペーサと、
前記ヒートシンク、前記リードフレーム、前記半導体素子、前記金属線および前記スペーサを封止する封止樹脂と、を備え、
前記ヒートシンクの下面および前記スペーサの上面が前記封止樹脂から露出し、
前記スペーサは、少なくとも２以上のダイパッドにまたがって設置される。
ヒートシンクと、
前記ヒートシンクの上面に配置されたダイパッドを含むリードフレームと、
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前記ヒートシンクの下面および前記スペーサの上面が前記封止樹脂から露出し、
前記スペーサは、少なくとも２以上のダイパッドにまたがって設置される。
また、本発明の電力用半導体装置の製造方法は、
封止金型の下金型上に、前記下金型に接したヒートシンクと、前記ヒートシンクの上面に配置されたダイパッドを含むリードフレームと、前記ダイパッドの上に接合された半導体素子と、前記半導体素子に接続された金属線と、前記ダイパッドの上面であって前記半導体素子が接合されていない部分に、少なくとも２以上のダイパッドにまたがって配置された絶縁性のスペーサと、を設置する工程と、
前記封止金型の上金型によって前記スペーサの上面を押圧し、前記ヒートシンクを前記下金型に押し当てるように、前記封止金型を閉じる工程と、
前記封止金型内に封止樹脂を注入する工程と、
前記封止樹脂を硬化させる工程と、
前記封止金型から、樹脂封止された半導体装置を取り出す工程と、を含むことを特徴とする。
封止金型の下金型上に、前記下金型に接したヒートシンクと、前記ヒートシンクの上面に配置されたダイパッドを含むリードフレームと、前記ダイパッドの上に接合された半導体素子と、前記半導体素子に接続された金属線と、前記ダイパッドの上面であって前記半導体素子が接合されていない部分に、少なくとも２以上のダイパッドにまたがって配置された絶縁性のスペーサと、を設置する工程と、
前記封止金型の上金型によって前記スペーサの上面を押圧し、前記ヒートシンクを前記下金型に押し当てるように、前記封止金型を閉じる工程と、
前記封止金型内に封止樹脂を注入する工程と、
前記封止樹脂を硬化させる工程と、
前記封止金型から、樹脂封止された半導体装置を取り出す工程と、を含むことを特徴とする。
本発明の電力用半導体装置およびその製造方法によれば、ダイパッド上にスペーサを設置するという簡素な手段により、各部材を所定の位置に保持して、ヒートシンクの放熱面に樹脂膜が発生するのを防ぐことができる。
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置１の裏面を示す図である。図２は図１のＢ−Ｂ線における切断面を示す断面図であり、図３は図１のＣ−Ｃ線における切断面のうち一部を示す断面図である。図４は電力用半導体装置１の上面図である。
図１は本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置１の裏面を示す図である。図２は図１のＢ−Ｂ線における切断面を示す断面図であり、図３は図１のＣ−Ｃ線における切断面のうち一部を示す断面図である。図４は電力用半導体装置１の上面図である。
はじめに、電力用半導体装置１及び主な部材の構成について説明する。図１、図２に示すように、実施の形態１にかかる電力用半導体装置１は、裏面からヒートシンク１６の放熱面が露出するとともに、トランスファーモールドにより形成された封止樹脂１０により略平板状にパッケージされる。電力用半導体装置１の厚みは３〜３５ｍｍ程度である。
電力用半導体装置１の長手方向の両側面に配置されるパワーリード端子１３Ｐｔ、制御リード端子１３Ｃｔは、それぞれパッケージ内部で内部パワーリード１３Ｐｉ、内部制御リード１３Ｃｉに連なっており、パワーリード端子１３Ｐｔと内部パワーリードからパワーリード１３Ｐ、制御リード端子１３Ｃｔと内部制御リード１３Ｃｉから制御リード１３Ｃが構成される。パワーリード１３Ｐ、制御リード１３Ｃは、後述する製造工程において少なくとも封止体２を形成するまでは、厚み０．３〜１．５ｍｍほどの銅製リードフレーム１３に連なったものである。
パワーリード１３Ｐにおける複数の内部パワーリード１３Ｐｉのうち一部は、平坦に形成されてダイパッド１３Ｐｆをなしており、当該ダイパッド１３Ｐｆ上に半導体素子５がはんだ１５を介して接合されている。半導体素子５としては、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が用いられる。ダイパッド１３Ｐｆの半導体素子５が接合された面の反対側の面には、放熱性と絶縁性の高い絶縁膜１４を介してヒートシンク１６が接着されている。そして、他の内部パワーリード１３Ｐｉは、金属線からなるパワーワイヤ１１Ｐによって半導体素子５や、その他図示しない半導体素子５の上面電極と電気接続されている。
また、制御リード１３Ｃの内部制御リード１３Ｃｉは、金属線からなる制御ワイヤ１１Ｃによって半導体素子５のゲート電極と電気接続されている。内部制御リード１３Ｃｉには、半導体素子５を駆動するための駆動素子６が配置され、当該駆動素子６にはワイヤ１２が接続されている。
パワーリード１３Ｐにおける複数の内部パワーリード１３Ｐｉのうち一部は、平坦に形成されてダイパッド１３Ｐｆをなしており、当該ダイパッド１３Ｐｆ上に半導体素子５がはんだ１５を介して接合されている。半導体素子５としては、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が用いられる。ダイパッド１３Ｐｆの半導体素子５が接合された面の反対側の面には、放熱性と絶縁性の高い絶縁膜１４を介してヒートシンク１６が接着されている。そして、他の内部パワーリード１３Ｐｉは、金属線からなるパワーワイヤ１１Ｐによって半導体素子５や、その他図示しない半導体素子５の上面電極と電気接続されている。
また、制御リード１３Ｃの内部制御リード１３Ｃｉは、金属線からなる制御ワイヤ１１Ｃによって半導体素子５のゲート電極と電気接続されている。内部制御リード１３Ｃｉには、半導体素子５を駆動するための駆動素子６が配置され、当該駆動素子６にはワイヤ１２が接続されている。
パワーリード１３Ｐにおけるダイパッド１３Ｐｆの上面にはスペーサ１００が設置されている。図３に示すように、スペーサ１００は、ダイパッド１３Ｐｆ上面のうち、半導体素子５が接合された以外の部分に設置される。後述するように、スペーサ１００を設置することにより、樹脂封止の際に各部材を所定の位置に保持してヒートシンクの放熱面に樹脂膜が発生するのを防ぐことができる。
スペーサ１００は、例えばＳｉＯ２から成る。材質は他のセラミック材でも良く、またセラミック材に限らず絶縁性の有機物または無機物であればよい。スペーサ１００の上面部１００Ｕは電力用半導体装置１の上面に露出している（図４）。スペーサ１００の下面には、はんだもしくは樹脂性接着剤を用いた接合材１７、ダイパッド１３Ｐｆ、絶縁膜１４、ヒートシンク１６がこの順に設けられ、電力用半導体装置１の上面から裏面までつながっている。接合材１７の設置面積は一か所当たり、幅０．３〜２．５ｍｍ×長さ１〜６０ｍｍである。設置は、接合材を用いなくても良く、例えば嵌め合いでもよい。
スペーサ１００は、１つのダイパッド上に設置されても良いが、２以上のダイパッドに跨って設置されても良い。一つのスペーサを二以上のダイパッドに跨って配置することにより、配置の自由度が上がり、多様な配置を行うことができる。
スペーサ１００は、１つのダイパッド上に設置されても良いが、２以上のダイパッドに跨って設置されても良い。一つのスペーサを二以上のダイパッドに跨って配置することにより、配置の自由度が上がり、多様な配置を行うことができる。
スペーサ１００の形状は、単純な角柱または円柱形状でも良いが、図３に示すようにスペーサ１００の上面部１００Ｕの周囲に、スペーサ上面部１００Ｕよりも低い位置に段差面１００Ｄが設けられていると好ましい。これにより、単純な角柱または円柱形状に比べ、スペーサ上面からダイパッド１３Ｐｆまでの沿面距離（樹脂と接触している距離）を長くすることができ、アンカー効果が働き樹脂の剥離を抑制できる。また、仮にスペーサ上面部１００Ｕの周囲の樹脂が一部剥離した場合でも、最初に露出するのは段差面１００Ｄとなり、ダイパッド１３Ｐｆや半導体素子５が直接外部に露出するのを防ぐことができる。樹脂の剥離が抑制されることで、電力用半導体装置１の信頼性を向上することができる。
段差面１００Ｄは平坦でもよいが、外縁から中心部に向かって下方向へ傾斜しているとさらに好ましい。外縁から中心部に向かって下方向へ傾斜することで、樹脂封止後の半導体装置１が反って変形したときに、当該段差面１００Ｄに樹脂が引っかかるため、さらなるアンカー効果が働き樹脂の剥離がさらに抑制される。
なお、スペーサ１００は一体物に限らず、複数の部品を組み合わせてスペーサ１００の形状を形成してもよい。
段差面１００Ｄは平坦でもよいが、外縁から中心部に向かって下方向へ傾斜しているとさらに好ましい。外縁から中心部に向かって下方向へ傾斜することで、樹脂封止後の半導体装置１が反って変形したときに、当該段差面１００Ｄに樹脂が引っかかるため、さらなるアンカー効果が働き樹脂の剥離がさらに抑制される。
なお、スペーサ１００は一体物に限らず、複数の部品を組み合わせてスペーサ１００の形状を形成してもよい。
半導体素子５はスイッチング素子（トランジスタ）や整流素子として機能する。半導体素子５としては、シリコンウエハを基材とした一般的な素子でも良いが、本発明においては炭化珪素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料、またはダイヤモンドといったシリコンと比べてバンドギャップが広い、いわゆるワイドバンドギャップ半導体材料を用いることができる。ワイドバンドギャップ半導体材料を用いて形成され、電流許容量および高温動作が可能な半導体素子を用いた場合に、本発明の電力用半導体装置１は、特に顕著な効果が現れる。特に炭化珪素を用いた半導体素子に好適に用いることができる。デバイスの種類としては、特に限定する必要はないが、ＩＧＢＴの他にＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ−Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）でもよく、その他縦型半導体素子であればよい。
次に、本実施の形態１の半導体装置の製造方法について図５〜図１０を用いて説明する。図５は、図１の電力用半導体装置１の製造途中におけるモジュール１Ｍを示す図である。図６は、図５を上面からみた平面図である。図７〜図１０は図１の電力用半導体装置１の製造工程を示す図である。図７は、半導体回路が形成されたモジュール１Ｍを封止するために、モジュール１Ｍを金型１１０に設置した状態の断面図であり、図８は封止のために上金型１１１が降下し、封止直前で上金型１１１とスペーサ１００の上面全体が接触した状態の断面図であり、図９は封止樹脂が金型内に充填完了した断面図である。なお、図７〜図１０は、図１のＢ−Ｂ線に対応した切断面を示している。
はじめに、図５に示すように、ダイパッド１３Ｐｆの上面の所定位置へはんだ１５を介して半導体素子５を接合し、ダイパッド１３Ｐｆの下面に絶縁膜１４を介してヒートシンク１６を接合し、その他図示しない回路部材の設置を行う。そして、ダイパッド１３Ｐｆ上面のうち、半導体素子５が接合された箇所以外の所定の位置へ、接合材１７を用いてスペーサ１００を設置する。次に、内部パワーリード１３Ｐｉの所定位置と半導体素子５の表面の主電力の電極とを金属製のワイヤを用いたパワーワイヤ１１Ｐで電気的に接続し、内部制御リード１３Ｃｉの所定位置と半導体素子５の表面のゲート電極とを金属製のワイヤを用いた制御ワイヤ１１Ｃで電気的に接続して、モジュール１Ｍが形成される。次に、図７に示すように、電力回路を備えたモジュール１Ｍを、樹脂封止するためのトランスファーモールド用の金型１１０（上金型１１１、下金型１１２）内に、ヒートシンク１６と下金型１１２が接するようにして設置する。
なお、モジュール１Ｍの形成順および金型内への設置の順序はこれに限定されず、異なる順序でモジュール１Ｍの形成および金型内への設置を行っても良い。
なお、モジュール１Ｍの形成順および金型内への設置の順序はこれに限定されず、異なる順序でモジュール１Ｍの形成および金型内への設置を行っても良い。
次に、図８に示すように、リードフレーム１３の一部を上金型１１１と下金型１１２とで挟み込み、金型１１０を締める。このとき、上金型１１１とスペーサ１００が接触してスペーサ１００が下方に押し込まれることにより、ヒートシンク１６を含む各部材が下方に押し付けられ、ヒートシンク１６の放熱面が下金型１１２と平行になり互いに密着した状態で保持される。このようにしてモジュール１Ｍが三次元的に位置決めされる。そして、図９のように、モジュール１Ｍが３次元的に位置決めされた金型１１０内の空間にトランスファーモールドを注入し、モジュール１Ｍを樹脂封止する。樹脂封止後、金型１１０から封止体２を取り出し、トリミング工程を行う。封止体２からはみ出たリードフレーム１３の一部を除去し、その後スペーサ１００の一部が露出している方向へ変形させる。これにより、図１〜図３に示す電力用半導体装置１が製造される。
モジュール１Ｍは、図７の金型１１０に設置する以前に、搬送時の振動や治具等との接触によりリードフレーム１３が変形しダイパッド１３Ｐｆが半導体素子５の方向に変形する場合がある。ダイパッド１３Ｐｆが変形した状態で金型１１０内に設置すると、図１１に示すようにヒートシンク１６と下金型１１２との間に隙間が発生する。図１３に示す比較例のように、スペーサ１００がない場合は、ヒートシンク１６と下金型１１２の間に発生した隙間に樹脂が充填され、ヒートシンク１６の放熱面に樹脂が覆いかぶさる場合があった（図１４）。
これに対して、本実施の形態１のスペーサ１００を設けた電力用半導体装置１は、図１２に示すように、ダイパッド１３Ｐｆが変形した状態でモジュール１Ｍを金型１１０内に設置し金型を締めていくと、上金型１１１の一部とスペーサ１００の一部が接触しダイパッド１３Ｐｆが下金型１１２のほうへ押しこまれる。このとき、スペーサ１００が上金型１１１から受けた力は、ダイパッド１３Ｐｆ、絶縁膜１４を介してヒートシンク１６へ伝わり、ヒートシンク１６は下金型１１２に押しつけられる。これにより、水平方向が位置決めされたモジュール１Ｍは垂直方向でも位置決めされることになり、図８に示すように、ヒートシンク１６と下金型１１２との間に隙間が無い状態を作ることができる。
このようにしてモジュール１Ｍが３次元的に位置決めされた金型１１０内の空間にトランスファーモールドを注入し樹脂封止すると、図１０のようにダイパッド１３Ｐｆの回路部材を封止するとともにヒートシンク１６の放熱面に封止樹脂の薄膜がない封止体２を形成することができる。
このようにしてモジュール１Ｍが３次元的に位置決めされた金型１１０内の空間にトランスファーモールドを注入し樹脂封止すると、図１０のようにダイパッド１３Ｐｆの回路部材を封止するとともにヒートシンク１６の放熱面に封止樹脂の薄膜がない封止体２を形成することができる。
本実施の形態１は、特許文献２のように上金型に摺動する棒状の保持機構でヒートシンクを保持する場合と比較して簡素であり、金型の部品点数が少なく、メンテナンスにかける時間を少なくできるため生産性が向上する。また、摺動部が無いので摺動部への樹脂の侵入が問題となることもない。保持機構を引き抜く必要が無いので痕跡ができず各部材の露出のおそれもない。また、スペーサはダイパッドの上に設置されることから、ヒートシンク上面内に保持機構のための専用の場所を別途設ける必要がないため、ヒートシンクおよび半導体装置１の小型化が容易である。
また、スペーサ１００の設置によって、従来は封止樹脂１０ですべて満たされていたパッケージ内の容量の一部をスペーサが占めることになり、封止樹脂１０の使用量が減少し、より短い時間で封止を完了させることができるため、生産性が向上する。
さらに、封止樹脂１０の使用量が減少することにより、吸湿による樹脂の膨張によって発生する電力用半導体装置１の反りを低減することができ、電気接続部や回路部材等への応力を低減して劣化を防止することができる。これにより、電力用半導体装置１の吸湿に対する信頼性を向上することができる。
また、スペーサ１００にＡｌ２Ｏ３やＡｌＮなど弾性率の高い材料を用いることで、反りをさらに低減することができる。
さらに、封止樹脂１０の使用量が減少することにより、吸湿による樹脂の膨張によって発生する電力用半導体装置１の反りを低減することができ、電気接続部や回路部材等への応力を低減して劣化を防止することができる。これにより、電力用半導体装置１の吸湿に対する信頼性を向上することができる。
また、スペーサ１００にＡｌ２Ｏ３やＡｌＮなど弾性率の高い材料を用いることで、反りをさらに低減することができる。
一方、スペーサ１００の傾きやダイパッド間の高さバラつきが有る場合、例えばスペーサ１００にＰＴＦＥなど弾性率が低い材料を用いてもよい。これにより、上金型１１１と下金型１１２で挟み込んだときにスペーサ１００が圧縮されるとともにスペーサ１００の傾きやダイパッド間の高さバラつきを吸収し、下金型１１２とスペーサ１００の放熱面を平行状態に形成することができる。
また、図６のように、ヒートシンク上面に垂直な方向から見て、スペーサ１００の長手方向がワイヤの配線方向に沿うようにスペーサ１００を配置してもよい。これにより、トランスファーモールドによって封止する際に、スペーサ１００に沿って樹脂が流動することでワイヤの配線方向に平行に樹脂を流動させることができる。これにより、流動してきた封止樹脂１０によってパワーワイヤ１１Ｐや制御ワイヤ１１Ｃが押し流されることを防ぐことが可能となり、パワーワイヤ１１Ｐや制御ワイヤ１１Ｃの配置の制約が少なくなる。
特に、半導体素子５のゲート電極と接続される制御ワイヤ１１Ｃは、パワーワイヤ１１Ｐほど大電流を流す必要がないことから、細くて柔らかいことが多く、樹脂に押し流され倒れやすい。スペーサ１００の長手方向を制御ワイヤ１１Ｃの配線方向に沿わせることにより、制御ワイヤ１１Ｃが倒れるのを防ぐことができる。
また、封止樹脂１０を金型１１０内に注入するゲートが、当該樹脂注入ゲートから流動してきた封止樹脂１０がパワーワイヤ１１Ｐや制御ワイヤ１１Ｃに直撃するように配置されている場合、先述と同じようにワイヤが倒される。その際、封止樹脂１０の直撃を防ぐために、上記樹脂注入ゲートとワイヤとの間にスペーサ１００を配置するとよい。
また、仮にワイヤ１１が流されて倒れた場合、スペーサ１００はリードフレーム１３と絶縁されているため接触しても電気回路へ影響がなく、また、スペーサ１００でワイヤを保持でき、かつ金型でワイヤ１１を保持する場合と異なりワイヤ１１の露出を防げるため、スペーサ１００をワイヤ間に置くことが望ましい。
特に、半導体素子５のゲート電極と接続される制御ワイヤ１１Ｃは、パワーワイヤ１１Ｐほど大電流を流す必要がないことから、細くて柔らかいことが多く、樹脂に押し流され倒れやすい。スペーサ１００の長手方向を制御ワイヤ１１Ｃの配線方向に沿わせることにより、制御ワイヤ１１Ｃが倒れるのを防ぐことができる。
また、封止樹脂１０を金型１１０内に注入するゲートが、当該樹脂注入ゲートから流動してきた封止樹脂１０がパワーワイヤ１１Ｐや制御ワイヤ１１Ｃに直撃するように配置されている場合、先述と同じようにワイヤが倒される。その際、封止樹脂１０の直撃を防ぐために、上記樹脂注入ゲートとワイヤとの間にスペーサ１００を配置するとよい。
また、仮にワイヤ１１が流されて倒れた場合、スペーサ１００はリードフレーム１３と絶縁されているため接触しても電気回路へ影響がなく、また、スペーサ１００でワイヤを保持でき、かつ金型でワイヤ１１を保持する場合と異なりワイヤ１１の露出を防げるため、スペーサ１００をワイヤ間に置くことが望ましい。
また、実施の形態１の電力用半導体装置１は、スペーサ１００の形状が、上面部１００Ｕの周囲の、当該上面部１００Ｕよりも低い位置に段差面１００Ｄを設け、さらに当該段差面１００Ｄが外縁から中心部に向かって下方向に傾斜した形状であるため、スペーサ上面部１００Ｕからダイパッド１３Ｐｆまでの沿面距離（封止樹脂１０と接触している距離）を長くすることができ、さらに封止樹脂１０が段差面１００Ｄに引っ掛かることにより、アンカー効果が働き樹脂の剥離を抑制することができるので、電力用半導体装置１の信頼性を向上することができる。
また、実施の形態１の電力用半導体装置１は、半導体素子５から発熱した熱を、接合材１７、ダイパッド１３Ｐｆ、スペーサ１００を通じて、電力用半導体装置１の上面から露出するスペーサ上面部１００Ｕから放熱することができる。その結果、電気接続部や回路部材等への熱応力を低減して劣化を防止でき、電力用半導体装置１の信頼性を向上させることができる。また、スペーサ１００にＡＩＮなど熱伝導率が高い材料を用いることで放熱性能をさらに向上させることができる。
実施の形態２．
図１５〜図１９を参照して、本発明の実施の形態２における電力用半導体装置について説明する。図１５は本発明の実施の形態２によるスペーサ１００を設置したモジュール１Mａを示す図であり、図１のＢ−Ｂ線の断面図である。図１６は本発明の実施の形態２によるスペーサ１００を設置したモジュール１Ｍａを示す図であり、図１のＣ−Ｃ線の断面図である。図１７〜図１９は図１５及び図１６に示すモジュール１Ｍａをトランスファーモールド金型１１０内で樹脂封止する過程を示す図である。図２０は図１９で樹脂封止した電力用半導体装置１の上面図である。
図１５〜図１９を参照して、本発明の実施の形態２における電力用半導体装置について説明する。図１５は本発明の実施の形態２によるスペーサ１００を設置したモジュール１Mａを示す図であり、図１のＢ−Ｂ線の断面図である。図１６は本発明の実施の形態２によるスペーサ１００を設置したモジュール１Ｍａを示す図であり、図１のＣ−Ｃ線の断面図である。図１７〜図１９は図１５及び図１６に示すモジュール１Ｍａをトランスファーモールド金型１１０内で樹脂封止する過程を示す図である。図２０は図１９で樹脂封止した電力用半導体装置１の上面図である。
本実施の形態２における電力用半導体装置１は、スペーサ１００の上面部１００Ｕの形状が異なる点以外は、実施の形態１と同一である。このため以下ではこの点のみについて説明する。
図１５に示すように、本実施の形態２のスペーサ１００は、上面部１００Ｕが上に凸状に湾曲した形状を有する。スペーサ上面部１００Ｕが平面の場合、スペーサ１００をダイパッド１３Ｐｆに設置した際に、接合材１７の厚みに差が生じたり、スペーサの形状バラついたりすることによってスペーサ上面部１００Ｕとヒートシンク１６の放熱面が平行でなくなると、上金型１１１とスペーサ上面部１００Ｕが片当たりになる。これに対して、本実施の形態２のようにスペーサ上面部１００Ｕが上に凸状に湾曲していると、片当たりにならない。このため、スペーサ１００を設置した際の傾きに関係なく上金型１１１と点で接触することができるので、より安定してヒートシンク１６を下金型１１２に押しこみヒートシンク１６の放熱面に樹脂の薄膜が発生することを防ぐことができる（図１７〜図２０）。
これにより放熱面への樹脂の回り込みを防止することができ、電気接続部や回路部材等への熱応力を低減して劣化を防止でき、電力用半導体装置１の信頼性を向上させることができる。また、スペーサ上面部１００Ｕの角が丸いことにより、熱によるスペーサ１００の膨張時に樹脂にかかる応力を緩和することができるため、冷熱サイクルによる信頼性を向上させることができる。
実施の形態３．
本実施の形態は、上述した実施の形態１，２にかかる半導体装置を電力変換装置に適用したものである。本発明は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、実施の形態３として、三相のインバータに本発明を適用した場合について説明する。
本実施の形態は、上述した実施の形態１，２にかかる半導体装置を電力変換装置に適用したものである。本発明は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、実施の形態３として、三相のインバータに本発明を適用した場合について説明する。
図２１は、本実施の形態にかかる電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。
本実施の形態の電力変換システムは、電源１５０、電力変換装置２００、負荷３００から構成される。電源１５０は、直流電源であり、電力変換装置２００に直流電力を供給する。電源１５０は種々のもので構成することが可能であり、例えば、直流系統、太陽電池、蓄電池で構成することができるし、交流系統に接続された整流回路やＡＣ／ＤＣコンバータで構成することとしてもよい。また、電源１５０を、直流系統から出力される直流電力を所定の電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータによって構成することとしてもよい。
電力変換装置２００は、電源１５０と負荷３００の間に接続された三相のインバータであり、電源１５０から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に交流電力を供給する。電力変換装置２００は、図２１に示すように、直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路２０１と、主変換回路２０１を制御する制御信号を主変換回路２０１に出力する制御回路２０３とを備えている。
負荷３００は、電力変換装置２００から供給された交流電力によって駆動される三相の電動機である。なお、負荷３００は特定の用途に限られるものではなく、各種電気機器に搭載された電動機であり、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車、鉄道車両、エレベーター、もしくは、空調機器向けの電動機として用いられる。
以下、電力変換装置２００の詳細を説明する。主変換回路２０１は、スイッチング素子と還流ダイオードを備えており（図示せず）、スイッチング素子がスイッチングすることによって、電源１５０から供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に供給する。主変換回路２０１の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態にかかる主変換回路２０１は２レベルの三相フルブリッジ回路であり、６つのスイッチング素子とそれぞれのスイッチング素子に逆並列された６つの還流ダイオードから構成することができる。主変換回路２０１の各スイッチング素子や各還流ダイオードは、上述した実施の形態１，２のいずれかの半導体装置に相当する半導体モジュール２０２によって構成する。６つのスイッチング素子は２つのスイッチング素子ごとに直列接続され上下アームを構成し、各上下アームはフルブリッジ回路の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を構成する。そして、各上下アームの出力端子、すなわち主変換回路２０１の３つの出力端子は、負荷３００に接続される。
また、上述した実施の形態１で説明したように、スイッチング素子としての各半導体素子５を駆動する駆動素子６が半導体モジュール２０２に内蔵されているため、主変換回路２０１は駆動回路を備えている。駆動回路は、主変換回路２０１のスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成し、主変換回路２０１のスイッチング素子の制御電極に供給する。具体的には、後述する制御回路２０３からの制御信号に従い、スイッチング素子をオン状態にする駆動信号とスイッチング素子をオフ状態にする駆動信号とを各スイッチング素子の制御電極に出力する。スイッチング素子をオン状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以上の電圧信号（オン信号）であり、スイッチング素子をオフ状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以下の電圧信号（オフ信号）となる。
制御回路２０３は、負荷３００に所望の電力が供給されるよう主変換回路２０１のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷３００に供給すべき電力に基づいて主変換回路２０１の各スイッチング素子がオン状態となるべき時間（オン時間）を算出する。例えば、出力すべき電圧に応じてスイッチング素子のオン時間を変調するＰＷＭ制御によって主変換回路２０１を制御することができる。そして、各時点においてオン状態となるべきスイッチング素子にはオン信号を、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号が出力されるよう、主変換回路２０１が備える駆動回路に制御指令（制御信号）を出力する。駆動回路は、この制御信号に従い、各スイッチング素子の制御電極にオン信号又はオフ信号を駆動信号として出力する。
本実施の形態に係る電力変換装置では、主変換回路２０１のスイッチング素子と還流ダイオードとして実施の形態１，２にかかる半導体装置を適用するため、実施の形態１，２と同様の効果が得られる。
本実施の形態では、２レベルの三相インバータに本発明を適用する例を説明したが、本発明は、これに限られるものではなく、種々の電力変換装置に適用することができる。本実施の形態では、２レベルの電力変換装置としたが３レベルやマルチレベルの電力変換装置であっても構わないし、単相負荷に電力を供給する場合には単相のインバータに本発明を適用しても構わない。また、直流負荷等に電力を供給する場合にはＤＣ／ＤＣコンバータやＡＣ／ＤＣコンバータに本発明を適用することも可能である。
また、本発明を適用した電力変換装置は、上述した負荷が電動機の場合に限定されるものではなく、例えば、放電加工機やレーザー加工機、又は誘導加熱調理器や非接触器給電システムの電源装置として用いることもでき、さらには太陽光発電システムや蓄電システム等のパワーコンディショナーとして用いることも可能である
なお、本発明は、矛盾のない範囲内において、各実施の形態の内容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 電力用半導体装置
１Ｍ モジュール
１Ｍａ モジュール
２ 封止体
５ 半導体素子
６ 駆動素子
１０ 封止樹脂
１１ ワイヤ
１１Ｃ 制御ワイヤ
１１Ｐ パワーワイヤ
１２ ワイヤ
１３ リードフレーム
１３Ｃ 制御リード
１３Ｃｉ 内部制御リード
１３Ｃｔ 制御リード端子
１３Ｐ パワーリード
１３Ｐｉ 内部パワーリード
１３Ｐｔ パワーリード端子
１３Ｐｆ ダイパッド
１４ 絶縁膜
１６ ヒートシンク
１７ 接合材
１８ ねじ穴
１００ スペーサ
１００Ｄ 段差面
１００Ｕ 上面部
１１０ 金型
１１１ 上金型
１１２ 下金型
１５０ 電源
２００ 電力変換装置
２０１ 主変換回路
２０２ 半導体モジュール
２０３ 制御回路
３００ 負荷
１Ｍ モジュール
１Ｍａ モジュール
２ 封止体
５ 半導体素子
６ 駆動素子
１０ 封止樹脂
１１ ワイヤ
１１Ｃ 制御ワイヤ
１１Ｐ パワーワイヤ
１２ ワイヤ
１３ リードフレーム
１３Ｃ 制御リード
１３Ｃｉ 内部制御リード
１３Ｃｔ 制御リード端子
１３Ｐ パワーリード
１３Ｐｉ 内部パワーリード
１３Ｐｔ パワーリード端子
１３Ｐｆ ダイパッド
１４ 絶縁膜
１６ ヒートシンク
１７ 接合材
１８ ねじ穴
１００ スペーサ
１００Ｄ 段差面
１００Ｕ 上面部
１１０ 金型
１１１ 上金型
１１２ 下金型
１５０ 電源
２００ 電力変換装置
２０１ 主変換回路
２０２ 半導体モジュール
２０３ 制御回路
３００ 負荷
Claims (10)
- ヒートシンクと、
前記ヒートシンクの上面に絶縁膜を介して配置されたダイパッドを含むリードフレームと、
前記ダイパッドの上面に接合された半導体素子と、
前記半導体素子に接続された金属線と、
前記ダイパッドの上面であって前記半導体素子が接合されていない部分に配置された絶縁性のスペーサと、
前記ヒートシンク、前記リードフレーム、前記半導体素子、前記金属線および前記スペーサを封止する封止樹脂と、を備え、
前記ヒートシンクの下面および前記スペーサの上面が前記封止樹脂から露出し、
前記スペーサは、少なくとも２以上のダイパッドにまたがって設置された、電力用半導体装置。 - ヒートシンクと、
前記ヒートシンクの上面に絶縁膜を介して配置されたダイパッドを含むリードフレームと、
前記ダイパッドの上面に接合された半導体素子と、
前記半導体素子に接続された金属線と、
前記ダイパッドの上面であって前記半導体素子が接合されていない部分に配置された絶縁性のスペーサと、
前記ヒートシンク、前記リードフレーム、前記半導体素子、前記金属線および前記スペーサを封止する封止樹脂と、を備え、
前記ヒートシンクの下面および前記スペーサの上面が前記封止樹脂から露出し、
前記スペーサは、前記上面の周囲に、前記上面よりも低い段差面を有し、
前記段差面は、外縁から中心部に向かって下方向へ傾斜した形状を有する、電力用半導体装置。 - ヒートシンクと、
前記ヒートシンクの上面に絶縁膜を介して配置されたダイパッドを含むリードフレームと、
前記ダイパッドの上面に接合された半導体素子と、
前記半導体素子に接続された金属線と、
前記ダイパッドの上面であって前記半導体素子が接合されていない部分に配置された絶縁性のスペーサと、
前記ヒートシンク、前記リードフレーム、前記半導体素子、前記金属線および前記スペーサを封止する封止樹脂と、を備え、
前記ヒートシンクの下面および前記スペーサの上面が前記封止樹脂から露出し、
前記ヒートシンクの上面に垂直な方向から見て、前記スペーサの長手方向が前記金属線の配線方向に沿うように、前記スペーサが設置された、電力用半導体装置。 - ヒートシンクと、
前記ヒートシンクの上面に絶縁膜を介して配置されたダイパッドを含むリードフレームと、
前記ダイパッドの上面に接合された半導体素子と、
前記半導体素子に接続された金属線と、
前記ダイパッドの上面であって前記半導体素子が接合されていない部分に配置された絶縁性のスペーサと、
前記ヒートシンク、前記リードフレーム、前記半導体素子、前記金属線および前記スペーサを封止する封止樹脂と、を備え、
前記ヒートシンクの下面および前記スペーサの上面が前記封止樹脂から露出し、
前記スペーサは、前記上面の周囲に、前記上面よりも低い段差面を有し、前記段差面の外縁が前記ダイパッドの上面まで延びて形成された前記スペーサの下面の外縁は、前記スペーサの前記上面の外縁より外側に位置する、電力用半導体装置。 - 前記段差面は、外縁から中心部に向かって下方向へ傾斜した形状を有する、請求項４に記載の電力用半導体装置。
- 前記スペーサの前記上面が、上に凸状の湾曲面である、請求項１から５のいずれか一項に記載の電力用半導体装置。
- 前記半導体素子は、ワイドギャップ半導体材料により形成された、請求項１から６のいずれか一項に記載の電力用半導体装置。
- 前記ワイドギャップ半導体材料は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドのいずれかである、請求項７に記載の電力用半導体装置。
- 請求項１から８のいずれか一項に記載の電力用半導体装置を有し、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
前記主変換回路を制御する制御信号を前記主変換回路に出力する制御回路と、を備えた電力変換装置。 - 封止金型の下金型上に、前記下金型に接するヒートシンクと、前記ヒートシンクの上面に絶縁膜を介して配置されたダイパッドを含むリードフレームと、前記ダイパッドの上に接合された半導体素子と、前記半導体素子に接続された金属線と、前記ダイパッドの上面であって前記半導体素子が接合されていない部分に、少なくとも２以上のダイパッドにまたがって配置された絶縁性のスペーサと、を設置する工程と、
前記封止金型の上金型によって前記スペーサの上面を押圧し、前記ヒートシンクを前記下金型に押し当てるように、前記封止金型を閉じる工程と、
前記封止金型内に封止樹脂を注入し封止する工程と、
封止された半導体装置を前記封止金型から取り出す工程と、
を備えた電力用半導体装置の製造方法。
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