JP7059970B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

この明細書における開示は、半導体装置に関する。
特許文献１には、半導体装置が開示されている。半導体装置は、第１主電極及び第２主電極を有する半導体素子と、半導体素子を挟むように配置されたヒートシンクと、主端子を備えている。
ヒートシンクは、第１主電極と電気的に接続された第１ヒートシンクと、第２主電極と電気的に接続された第２ヒートシンクを含んでいる。主端子は、第１ヒートシンクと電気的に接続された第１主端子と、第２ヒートシンクと電気的に接続された第２主端子を含んでいる。
特開２０１５－８２６１４号公報
特許文献１に記載の半導体装置は、主端子として、第１主端子及び第２主端子を１本ずつ有している。インダクタンスのさらなる低減が求められている。
主端子は、たとえば接合部材を介してヒートシンクに接続される。主端子の接続信頼性の向上も求められている。
開示されるひとつの目的は、インダクタンスを低減しつつ、主端子の接続信頼性を向上することのできる半導体装置を提供することにある。
ここに開示された半導体装置は、
一面側に形成された第１主電極（４１Ｃ）、及び、一面とは厚み方向において反対の裏面側に形成された第２主電極（４１Ｅ）を有する少なくともひとつの半導体素子（４０）と、
一面側に配置され、第１主電極と電気的に接続された第１基板（５０Ｃ）、及び、裏面側に配置され、第２主電極と電気的に接続された第２基板（５０Ｅ）を含み、半導体素子を挟むように配置された基板（５０）と、
第１基板を介して第１主電極と電気的に接続された第１主端子（７１Ｃ）、及び、第２基板を介して第２主電極と電気的に接続された第２主端子（７１Ｅ）を含む主端子（７１）と、
接合部材（８０）と、を備え、
接合部材は、第１主電極と第１基板との間、及び、第２主電極と第２基板との間にそれぞれ介在している。
そして、主端子は、第１主端子及び第２主端子の少なくとも一方を複数含み、
第１主端子及び第２主端子は、半導体素子の厚み方向に直交する一方向において、側面が互いに対向するように交互に配置されている。
また、第１主端子は、第１基板における第２基板側の面（５００Ｃ）に対して、接合部材を介さずに直接接合されており、
第２主端子は、非対向部における第１基板側の面（５００Ｅ）に対して、接合部材を介さずに直接接合されている。
開示された半導体装置によると、側面が互いに対向するように、第１主端子と第２主端子とが交互に配置されている。半導体装置は、第１主端子と第２主端子との対向する側面の組を複数有している。これにより、インダクタンスを低減することができる。
たとえば端子の配置領域を一定とすると、インダクタンスを低減すべく主端子の本数を増やすほど、端子間のギャップが占める割合が大きくなる。これにより、主端子の通電領域が小さくなり、主端子の発熱が問題となる。開示された半導体装置によると、主端子が対応する基板に直接接合されている。接合部材を用いていないため、インダクタンスを低減しつつ、主端子の接続信頼性を向上することができる。
この明細書における開示された複数の態様は、それぞれの目的を達成するために、互いに異なる技術的手段を採用する。請求の範囲及びこの項に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態の部分との対応関係を例示的に示すものであって、技術的範囲を限定することを意図するものではない。この明細書に開示される目的、特徴、及び効果は、後続の詳細な説明、及び添付の図面を参照することによってより明確になる。
第１実施形態の半導体装置が適用される電力変換装置の概略構成を示す図である。 半導体装置を示す斜視図である。 図２をＡ方向から見た平面図である。 図２をＢ方向から見た平面図である。 図４のV-V線に沿う断面図である。 図４のVI-VI線に沿う断面図である。 製造方法を示す断面図である。 製造方法を示す断面図である。 主端子の本数と、インダクタンス、端子温度との関係を示す図である。
図面を参照しながら、複数の実施形態を説明する。複数の実施形態において、機能的に及び／又は構造的に対応する部分には同一の参照符号を付与する。以下において、半導体素子の厚み方向をＺ方向、Ｚ方向に直交する一方向をＸ方向と示す。また、Ｚ方向及びＸ方向の両方向に直交する方向をＹ方向と示す。特に断わりのない限り、上記したＸ方向及びＹ方向により規定されるＸＹ面に沿う形状を平面形状とする。
（第１実施形態）
先ず、図１に基づき、半導体装置が適用される電力変換装置について説明する。
＜電力変換装置の概略構成＞
図１に示す電力変換装置１は、たとえば電気自動車やハイブリッド自動車に搭載される。電力変換装置１は、直流電源２とモータジェネレータ３との間で電力変換を行う。
直流電源２は、リチウムイオン電池やニッケル水素電池などの充放電可能な二次電池である。モータジェネレータ３は、三相交流方式の回転電機である。モータジェネレータ３は、車両の走行駆動源、すなわち電動機として機能する。モータジェネレータ３は、回生時に発電機として機能する。
電力変換装置１は、平滑コンデンサ４と、電力変換器であるインバータ５を有している。平滑コンデンサ４の正極側端子は、直流電源２の高電位側の電極である正極に接続され、負極側端子は、直流電源２の低電位側の電極である負極に接続されている。インバータ５は、入力された直流電力を所定周波数の三相交流に変換し、モータジェネレータ３に出力する。インバータ５は、モータジェネレータ３により発電された交流電力を、直流電力に変換する。インバータ５は、ＤＣ－ＡＣ変換部である。
インバータ５は、三相分の上下アーム回路６を備えて構成されている。各相の上下アーム回路６は、正極側の電源ラインである高電位電源ライン７と、負極側の電源ラインである低電位電源ライン８の間で、２つのアームが直列に接続されてなる。各相の上下アーム回路６において、上アームと下アームの接続点は、モータジェネレータ３への出力ライン９に接続されている。
本実施形態では、各アームを構成するスイッチング素子として、ｎチャネル型の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ６ｉ（以下、ＩＧＢＴ６ｉと示す）を採用している。ＩＧＢＴ６ｉのそれぞれには、還流用のダイオードであるＦＷＤ６ｄが逆並列に接続されている。一相分の上下アーム回路６は、２つのＩＧＢＴ６ｉを有して構成されている。上アームにおいて、ＩＧＢＴ６ｉのコレクタ電極が、高電位電源ライン７に接続されている。下アームにおいて、ＩＧＢＴ６ｉのエミッタ電極が、低電位電源ライン８に接続されている。そして、上アームにおけるＩＧＢＴ６ｉのエミッタ電極と、下アームにおけるＩＧＢＴ６ｉのコレクタ電極が相互に接続されている。
電力変換装置１は、上記した平滑コンデンサ４及びインバータ５に加えて、インバータ５とは別の電力変換器であるコンバータ、インバータ５やコンバータを構成するスイッチング素子の駆動回路などを備えてもよい。コンバータは、直流電圧を異なる値の直流電圧に変換するＤＣ－ＤＣ変換部である。
＜半導体装置＞
図２～図６に示すように、半導体装置２０は、封止樹脂体３０と、半導体素子４０と、基板５０と、ターミナル６０と、主端子７１及び信号端子７３を含むリードフレーム７０と、接合部材８０を備えている。図３は、図２をＡ方向から見た平面図である。図４は、図２をＢ方向から見た平面図であり、便宜上、封止樹脂体３０を一点鎖線で示している。
封止樹脂体３０は、半導体装置２０を構成する他の要素の一部を封止している。他の要素の残りの部分は、封止樹脂体３０の外に露出されている。封止樹脂体３０は、たとえば半導体素子４０を封止している。封止樹脂体３０は、半導体装置２０を構成する他の要素間に形成された接続部分を封止している。たとえば、封止樹脂体３０は、半導体素子４０と基板５０との接続部分を封止している。封止樹脂体３０は、半導体素子４０とターミナル６０との接続部分を封止している。封止樹脂体３０は、ターミナル６０と基板５０との接続部分を封止している。封止樹脂体３０は、基板５０と主端子７１との接続部分を封止している。封止樹脂体３０は、モールド樹脂と称されることがある。
封止樹脂体３０は、たとえばエポキシ系樹脂からなる。封止樹脂体３０は、たとえばトランスファモールド法により成形されている。図２及び図３などに示すように、封止樹脂体３０は、Ｚ方向において、一面３００と、一面３００と反対の裏面３０１を有している。一面３００及び裏面３０１は、たとえば平坦面となっている。封止樹脂体３０は、一面３００と裏面３０１とをつなぐ側面を有している。図２及び図４に示すように、本実施形態の封止樹脂体３０は、平面略矩形状をなしている。封止樹脂体３０は、主端子７１が外部に突出する側面３０２と、信号端子７３が外部に突出する側面３０３を有している。側面３０３は、Ｙ方向において側面３０２とは反対の面である。
半導体素子４０は、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＮなどの半導体基板に、素子が形成されてなる。半導体装置２０は、少なくともひとつの半導体素子４０を備えている。本実施形態では、半導体素子４０を構成する半導体基板に、上記したＩＧＢＴ６ｉ及びＦＷＤ６ｄが形成されている。このように、半導体素子４０として、ＲＣ（Reverse Conducting）－ＩＧＢＴを採用している。半導体素子４０は、上記したアームのひとつを構成する。半導体素子４０は、半導体チップと称されることがある。
半導体素子４０は、Ｚ方向に主電流が流れるように縦型構造をなしている。図示を省略するが、半導体素子４０は、ゲート電極を有している。ゲート電極は、たとえばトレンチ構造をなしている。図５及び図６に示すように、半導体素子４０は、自身の厚み方向、すなわちＺ方向の両面に主電極を有している。具体的には、主電極として、一面側にコレクタ電極４１Ｃを有し、一面とは反対の面である裏面側にエミッタ電極４１Ｅを有している。本実施形態において、コレクタ電極４１Ｃは、ＦＷＤ６ｄのカソード電極を兼ねている。エミッタ電極４１Ｅは、ＦＷＤ６ｄのアノード電極を兼ねている。コレクタ電極４１Ｃは、一面のほぼ全域に形成されている。エミッタ電極４１Ｅは、裏面の一部に形成されている。コレクタ電極４１Ｃが第１主電極に相当し、エミッタ電極４１Ｅが第２主電極に相当する。
図４～図６に示すように、半導体素子４０は、エミッタ電極４１Ｅの形成面に、信号用の電極であるパッド４２を有している。パッド４２は、エミッタ電極４１Ｅとは別の位置に形成されている。パッド４２は、エミッタ電極４１Ｅと電気的に分離されている。半導体素子４０は、平面略矩形状をなしている。パッド４２は、Ｙ方向において、エミッタ電極４１Ｅの形成領域とは反対側の端部に形成されている。
半導体素子４０は、たとえば５つのパッド４２を有している。具体的には、パッド４２として、ゲート電極用、エミッタ電極４１Ｅの電位検出用、電流センス用、半導体素子４０の温度検出用を有している。温度検出用のパッド４２として、温度検出素子である感温ダイオードのアノード電位用と、カソード電位用を有している。５つのパッド４２は、Ｘ方向に並んで形成されている。
半導体素子４０において、コレクタ電極４１Ｃ、エミッタ電極４１Ｅ、パッド４２など電極の構成材料としては、たとえばＡｌ系の材料を用いることができる。はんだなどによって接合される場合には、材料としてＣｕを含むとよい。たとえばＡｌＣｕＳｉを用いることができる。
基板５０は、Ｚ方向において半導体素子４０を挟むように配置されている。基板５０は、半導体素子４０と主端子７１との間を電気的に接続する配線として機能する。基板５０は、インバータ５の主回路を構成する。このため、基板５０は、配線基板、回路基板と称されることがある。基板５０は、少なくとも金属材料を含んでおり、半導体素子４０の生じた熱を放熱する機能を果たす。このため、基板５０は、ヒートシンク、放熱基板と称されることがある。
基板５０は、半導体素子４０を挟むように対をなして設けられている。半導体装置２０は、一対の基板５０として、コレクタ電極４１Ｃ側に配置された基板５０Ｃと、エミッタ電極４１Ｅ側に配置された基板５０Ｅを有している。基板５０Ｃが第１基板に相当し、基板５０Ｅが第２基板に相当する。
基板５０Ｃ，５０Ｅは、Ｚ方向からの平面視において、半導体素子４０を内包するように設けられている。基板５０Ｃは、Ｚ方向において、半導体素子４０側の実装面５００Ｃと、実装面５００Ｃとは反対の放熱面５０１Ｃを有している。基板５０Ｅは、Ｚ方向において、半導体素子４０側の実装面５００Ｅと、実装面５００Ｅとは反対の放熱面５０１Ｅを有している。実装面５００Ｃ，５００Ｅは、Ｚ方向において互いに対向している。実装面５００Ｃ，５００Ｅは、互いに略平行とされている。実装面５００Ｃが、第２基板側の面に相当する。実装面５００Ｅが、第１基板側の面に相当する。
本実施形態において、基板５０は、Ｚ方向において基板５０Ｃ，５０Ｅが互いに対向する対向部５１Ｃ，５１Ｅと、基板５０Ｃ，５０Ｅ同士が対向しない部分である非対向部５２Ｃ，５２Ｅを有している。基板５０Ｃは、Ｚ方向において基板５０Ｅと対向する対向部５１Ｃと、対向部５１Ｃに連なり、Ｚ方向において基板５０Ｅと対向しない非対向部５２Ｃを有している。基板５０Ｅは、Ｚ方向において基板５０Ｃと対向する対向部５１Ｅと、対向部５１Ｅに連なり、Ｚ方向において基板５０Ｃと対向しない非対向部５２Ｅを有している。図５及び図６では、対向部５１Ｃ，５１Ｅと非対向部５２Ｃ，５２Ｅとの境界を破線で示している。
基板５０Ｃ，５０Ｅが、平面略矩形状をなしている。基板５０Ｃ，５０Ｅは、互いにほぼ同じ形状及び大きさをなしている。図４に示すように、基板５０Ｃ，５０Ｅは、Ｘ方向においてほぼ一致している。基板５０Ｃ，５０Ｅは、Ｙ方向において互いにずれて配置されている。Ｙ方向において、非対向部５２Ｃと非対向部５２Ｅとの間に、対向部５１Ｃ，５１Ｅが配置されている。Ｙ方向において、中央の対向部５１Ｃ，５１Ｅを挟むように、信号端子７３側に非対向部５２Ｃが配置され、主端子７１側に非対向部５２Ｅが配置されている。
基板５０Ｃの実装面５００Ｃには、接合部材８０を介して、コレクタ電極４１Ｃが接続されている。コレクタ電極４１Ｃは、少なくとも対向部５１Ｃに接続されている。基板５０Ｅの実装面５００Ｅには、接合部材８０を介してターミナル６０が接続されている。ターミナル６０における実装面５００Ｅと反対の面には、接合部材８０を介してエミッタ電極４１Ｅが接続されている。実装面５００Ｃ，５００Ｅには、後述するように、対応する主端子７１も接続されている。
ターミナル６０は、エミッタ電極４１Ｅと基板５０Ｅとの電気的に接続する配線として機能する。ターミナル６０は、半導体素子４０の生じた熱を放熱する機能を果たす。ターミナル６０は、導電性及び熱伝導性に優れる材料、たとえばＣｕなどを用いて形成されている。ターミナル６０は、Ｚ方向の平面視において、エミッタ電極４１Ｅとほぼ一致するように設けられている。ターミナル６０は、略直方体状をなしている。ターミナル６０は、基板５０Ｅの対向部５１Ｅに接続されている。
基板５０Ｃ，５０Ｅそれぞれの少なくとも一部は、封止樹脂体３０によって封止されている。本実施形態では、基板５０Ｃの放熱面５０１Ｃが、封止樹脂体３０から露出されている。放熱面５０１Ｃは、一面３００と略面一とされている。基板５０Ｃの表面のうち、コレクタ電極４１Ｃとの接続部、放熱面５０１Ｃ、対応する主端子７１Ｃとの接続部、を除く部分が、封止樹脂体３０によって覆われている。同様に、基板５０Ｅの放熱面５０１Ｅが、封止樹脂体３０から露出されている。放熱面５０１Ｅは、裏面３０１と略面一とされている。基板５０Ｅの表面のうち、ターミナル６０との接続部、放熱面５０１Ｅ、対応する主端子７１Ｅとの接続部、を除く部分が、封止樹脂体３０によって覆われている。
基板５０としては、たとえば金属板、樹脂やセラミックスなどの電気絶縁体と金属体との複合材、を採用することができる。複合材として、たとえばＤＢＣ（Direct Bonded Copper）基板がある。基板５０Ｃと基板５０Ｅとで、同じ種類の部材を用いてもよいし、互いに異なる部材を用いてもよい。本実施形態では、図４～図６に示すように、基板５０Ｃ，５０ＥとしてＤＢＣ基板を採用している。
基板５０は、絶縁体５０ｘと、絶縁体５０ｘを挟むように配置された金属体５０ｙ，５０ｚを有している。絶縁体５０ｘは、セラミックス基板である。金属体５０ｙ，５０ｚは、たとえばＣｕを含んで形成されている。金属体５０ｙ，５０ｚは、絶縁体５０ｘに対して直接的に接合されている。基板５０は、半導体素子４０側から、金属体５０ｙ、絶縁体５０ｘ、金属体５０ｚの順に積層されている。基板５０は、３層構造をなしている。
金属体５０ｙ，５０ｚの平面形状及び大きさは、互いに略一致している。中間層である絶縁体５０ｘの平面形状は、金属体５０ｙ，５０ｚと相似とされている。絶縁体５０ｃの大きさは、金属体５０ｙ，５０ｚよりも大きくされている。絶縁体５０ｘは、全周で金属体５０ｙ，５０ｚよりも外側まで延設されている。基板５０Ｃ，５０Ｅにおいて、金属体５０ｙの一面が、実装面５００Ｃ，５００Ｅをなしている。基板５０Ｃ，５０Ｅにおいて、金属体５０ｚの一面が、放熱面５０１Ｃ，５０１Ｅをなしている。基板５０として複合材を用いる場合、基板５０の対向部５１Ｃ，５１Ｅと非対向部５２Ｃ，５２Ｅは、厳密には、実装面５００Ｃ，５００Ｅをなす金属体によって規定される。
本実施形態では、基板５０Ｃの金属体５０ｙが、主部５０ｙ１と、ランド５０ｙ２を有している。主部５０ｙ１は、金属体５０ｙの大部分を占めている。コレクタ電極４１Ｃは、主部５０ｙ１に接続されている。ランド５０ｙ２は、後述する吊りリード７５に対応して設けられている。主部５０ｙ１とランド５０ｙ２とは、電気的に分離されている。平面略矩形状をなす金属体５０ｙにおいて、四隅のうちの信号端子７３側の２箇所に、ランド５０ｙ２が設けられている。主部５０ｙ１のうち、大部分は対向部５１Ｃに設けられており、一部分が非対向部５２Ｃに設けられている。ランド５０ｙ２は、非対向部５２Ｃに設けられている。
リードフレーム７０は、外部接続端子として、主端子７１と、信号端子７３を有している。リードフレーム７０は、基板５０とは別部材として構成されている。リードフレーム７０は、Ｃｕなどを材料とする金属板を、プレスなどによって加工してなる。
主端子７１は、主電流が流れる外部接続端子である。リードフレーム７０には、複数の主端子７１が設けられている。主端子７１は、半導体素子４０の対応する主電極と電気的に接続されている。半導体装置２０は、主端子７１として、コレクタ電極４１Ｃと電気的に接続された主端子７１Ｃと、エミッタ電極４１Ｅと電気的に接続された主端子７１Ｅを有している。主端子７１Ｃが第１主端子に相当し、主端子７１Ｅが第２主端子に相当する。主端子７１Ｃは、コレクタ端子と称されることがある。主端子７１Ｅは、エミッタ端子と称されることがある。
主端子７１は、対応する基板５０に接続されている。主端子７１において、基板５０との接続部分は、封止樹脂体３０によって封止されている。主端子７１のそれぞれは、基板５０との接続部分から、Ｙ方向であって半導体素子４０に対して遠ざかる方向に延びている。すべての主端子７１は、封止樹脂体３０の側面３０２から外部に突出している。主端子７１Ｃは、幅をほぼ一定とし、Ｚ方向からの平面視においてＹ方向に延設されている。主端子７１Ｅも幅をほぼ一定とし、Ｚ方向からの平面視においてＹ方向に延設されている。主端子７１Ｃ，７１Ｅの幅は、略等しくされている。主端子７１Ｃは、主端子７１Ｅ及び基板５０Ｅの電流経路と略平行に延設されている。
図４及び図５に示すように、主端子７１Ｃは、接続部７１０Ｃと、延設部７１１Ｃを有している。接続部７１０Ｃは、主端子７１Ｃのうち、基板５０Ｃとの接続部分である。接続部７１０Ｃは、超音波接合、摩擦撹拌接合、レーザ溶接などにより、基板５０Ｃに直接接合されている。接続部７１０Ｃは、接合部材８０を介さずに、基板５０Ｃに直接接合されている。延設部７１１Ｃは、接続部７１０Ｃから延設された部分である。延設部７１１Ｃは、接続部７１０Ｃに一体的に連なっている。
本実施形態において、主端子７１Ｃは、超音波接合によって、基板５０Ｃの金属体５０ｙに直接的に接続されている。主端子７１Ｃの接続部７１０Ｃは、基板５０Ｃの対向部５１Ｃに接続されている。延設部７１１Ｃは、接続部７１０Ｃよりも基板５０Ｅに近い位置で、基板５０Ｅの実装面５００Ｅに対向している。主端子７１Ｃは、Ｙ方向において非対向部５２Ｅを跨いでいる。延設部７１１Ｃは、Ｚ方向において基板５０Ｅに近づくとともに、Ｙ方向において半導体素子４０から遠ざかる方向に延びている。
延設部７１１Ｃは、屈曲部を有している。延設部７１１Ｃは、Ｚ方向において接続部７１０Ｃよりも実装面５００Ｅに近い位置で、封止樹脂体３０から突出している。主端子７１Ｃは、ＹＺ平面においてクランク形状をなしており、非対向部５２Ｅにおける実装面５００Ｅと略平行に延びる部分を含んでいる。図５に示すように、延設部７１１Ｃの平行部分と非対向部５２Ｅとの対向距離Ｄ１は、基板５０Ｃ，５０Ｅの実装面５００Ｃ，５００Ｅの対向距離Ｄ２よりも短くなっている。
図４及び図６に示すように、主端子７１Ｅは、接続部７１０Ｅと、延設部７１１Ｅを有している。接続部７１０Ｅは、主端子７１Ｅのうち、基板５０Ｅとの接続部分である。接続部７１０Ｅも、接合部材８０を介さずに、基板５０Ｅに直接接合されている。延設部７１１Ｅは、接続部７１０Ｅから延設された部分である。延設部７１１Ｅは、接続部７１０Ｅに一体的に連なっている。
本実施形態において、主端子７１Ｅは、超音波接合によって、基板５０Ｅの金属体５０ｙに直接的に接続されている。主端子７１Ｅの接続部７１０Ｅは、基板５０Ｅの非対向部５２Ｅに接続されている。延設部７１１Ｅは、Ｙ方向において半導体素子４０から遠ざかる方向に延びている。延設部７１１Ｅも、屈曲部を有している。延設部７１１Ｅは、Ｚ方向において接続部７１０Ｅよりも実装面５００Ｅに近い位置で、封止樹脂体３０から突出している。主端子７１Ｅは、ＹＺ平面においてクランク形状をなしている。
主端子７１Ｃ，７１Ｅは、Ｚ方向に直交する一方向において並んで配置されている。主端子７１Ｃ，主端子７１Ｅは、側面７１２Ｃ，７１２Ｅが互いに対向するように配置されている。主端子７１Ｃ，７１Ｅにおいて、延設部７１１Ｃ，７１１Ｅが互いに対向している。リードフレーム７０は、主端子７１Ｃ，７１Ｅの少なくとも一方を、複数本有している。
主端子７１Ｃ，７１Ｅは、並び方向において交互に配置されている。交互とは、並び方向において、主端子７１Ｃと主端子７１Ｅとが隣り合う配置である。主端子７１Ｃ，７１Ｅは、板面同士が対向するのではなく、側面７１２Ｃ，７１２Ｅ同士が対向している。交互配置により、リードフレーム７０は、対向する側面７１２Ｃ，７１２Ｅを複数組有している。側面７１２Ｃ，７１２Ｅは、主端子７１の板厚方向において少なくとも一部が対向すればよい。たとえば板厚方向にずれて設けられてもよい。好ましくは、互いに対向する側面７１２Ｃ，７１２Ｅのひとつが、他のひとつと厚み方向の全域で対向する配置がよい。
なお、交互の最小構成は、合計３本の主端子７１を備える構成である。たとえば２本の主端子７１Ｃと１本の主端子７１Ｅの場合、並び方向において、主端子７１Ｃ、主端子７１Ｅ、主端子７１Ｃの配置となる。互いに対向する側面７１２Ｃ，７１２Ｅが２組形成される。本実施形態では、リードフレーム７０が４本の主端子７１Ｃと、５本の主端子７１Ｅを有している。複数の主端子７１Ｃは、互いに略同一構造とされている。複数の主端子７１Ｅは、互いに略同一構造とされている。
主端子７１Ｃ，７１Ｅは、Ｘ方向において交互に配置されている。主端子７１Ｅは、並び方向の両端に配置されている。主端子７１Ｅの屈曲部よりも突出先端側において、主端子７１Ｃ，７１Ｅは、Ｚ方向においてほぼ同じ位置に配置されている。そして、側面７１２Ｃ，７１２Ｅが、対向している。リードフレーム７０は、図３に示すように、互いに対向する側面７１２Ｃ，７１２Ｅの組を、８組有している。７１２Ｃ，７１２Ｅの対向距離、換言すれば主端子７１Ｃ，７１Ｅとのピッチは、ほぼ一定とされている。
主端子７１Ｃ，７１Ｅは、図４に示すように、Ｘ方向において、半導体素子４０の素子的中心を通る中心線ＣＬに対して線対称配置とされている。素子的中心とは、本実施形態のように半導体素子４０がひとつの場合、半導体素子４０の中心である。半導体素子４０がたとえば２つの場合、２つの半導体素子４０の並び方向において中心間の中央位置である。中心線ＣＬは、Ｘ方向に直交し、素子的中心を通る仮想線である。
信号端子７３は、対応する半導体素子４０のパッド４２と電気的に接続されている。リードフレーム７０は、複数の信号端子７３を有している。信号端子７３は、封止樹脂体３０の内部でパッド４２に接続されている。各パッド４２に接続された５つの信号端子７３は、それぞれＹ方向であって半導体素子４０から離れる方向に延びている。信号端子７３は、Ｘ方向に並んで配置されている。すべての信号端子７３は、封止樹脂体３０の側面３０３から外部に突出している。
本実施形態では、図５及び図６に示すように、信号端子７３が、接合部材８０を介してパッド４２に接続されている。上記した接合部材８０としては、はんだや、Ａｇなどを含む導電性ペーストを用いることができる。本実施形態では、接合部材８０として、はんだを用いている。
リードフレーム７０は、吊りリード７５を有している。複数の信号端子７３は、タイバーカット前の状態で、図示しないタイバーを介して、吊りリード７５に支持されている。封止樹脂体３０の成形後、タイバーを含むリードフレーム７０の不要部分が除去される。Ｘ方向において信号端子７３を挟むように、２本の吊りリード７５が設けられている。吊りリード７５は、Ｙ方向に延設されている。吊りリード７５において、一端は上記したランド５０ｙ２に接続されており、他端を含む一部分が封止樹脂体３０の側面３０３から突出している。本実施形態では、吊りリード７５が、接合部材８０を介さずに、ランド５０ｙ２に直接接合されている。吊りリード７５は、超音波接合により、基板５０Ｃに対して直接的に接続されている。
以上のように構成される半導体装置２０では、封止樹脂体３０により、半導体素子４０、基板５０それぞれの一部、ターミナル６０、主端子７１それぞれの一部、及び信号端子７３それぞれの一部が、一体的に封止されている。すなわち、ひとつのアームを構成する要素が封止されている。このような半導体装置２０は、１ｉｎ１パッケージと称されることがある。
また、基板５０Ｃの放熱面５０１Ｃが、封止樹脂体３０の一面３００と略面一とされている。基板５０Ｅの放熱面５０１Ｅが、封止樹脂体３０の裏面３０１と略面一とされている。半導体装置２０は、放熱面５０１Ｃ，５０１Ｅがともに封止樹脂体３０から露出された両面放熱構造をなしている。このような半導体装置２０は、たとえば、基板５０を、封止樹脂体３０とともに切削加工することで形成することができる。また、放熱面５０１Ｃ，５０１Ｅを、封止樹脂体３０を成形する型のキャビティ壁面に接触させた状態で、封止樹脂体３０を成形してもよい。
＜半導体装置の製造方法＞
図７及び図８に基づき、上記した半導体装置２０の製造方法の一例について説明する。
先ず、図７に示す積層体を形成する。積層体には、基板５０Ｅが接続される前の状態である。図７に示すように、基板５０Ｃの実装面５００Ｃに、接合部材８０を介して半導体素子４０を配置する。また、半導体素子４０のエミッタ電極４１Ｅ上に、接合部材８０を介してターミナル６０を配置する。ターミナル６０における基板５０Ｅ側の面に、接合部材８０を配置する。たとえば、ターミナル６０の両面に、予め接合部材８０を施した状態で、ターミナル６０をエミッタ電極４１Ｅ上に配置してもよい。また、パッド４２上に接合部材８０を介して、信号端子７３の接続部分を配置する。この配置状態で、加熱等により、接合部材８０を介した接続部を形成する。接合部材８０として、はんだを用いる場合、リフローを行うことで、はんだ接合部を形成する。
接続部を形成した後、主端子７１Ｃ及び吊りリード７５を基板５０Ｃに接続する。本実施形態では、超音波接合により、主端子７１Ｃの接続部７１０Ｃを、基板５０Ｃの対向部５１Ｃにおける実装面５００Ｃに直接接合する。また、超音波接合により、吊りリード７５の一端を、基板５０Ｃのランド５０ｙ２に直接接合する。以上により、積層体が形成される。
次いで、図８に示すように、基板５０Ｅをターミナル６０上に配置する。この配置状態で、接合部材８０を介して、基板５０Ｅとターミナル６０を接続する。はんだを用いる場合、リフローを行うことで、基板５０Ｅとターミナル６０を接続する。基板５０Ｅの接続後、主端子７１Ｅを基板５０Ｅに接続する。本実施形態では、超音波接合により、主端子７１Ｅの接続部７１０Ｅを、基板５０Ｃの非対向部５２Ｅにおける実装面５００Ｅに直接接合する。基板５０Ｃ，５０ＥをＹ方向においてずらして配置しているため、基板５０Ｅの実装面５００Ｅに対して、主端子７１Ｅを直接接合することができる。なお、図示しない台座上に放熱面５０１Ｅを接触するように基板５０Ｅを配置し、この配置状態で主端子７１Ｅを接続してもよい。たとえば基板５０Ｃに対して基板５０Ｅを鉛直下方に配置して、主端子７１Ｅを接続するとよい。
次いで、図示を省略するが、封止樹脂体３０を成形する。そして、タイバーなど、リードフレーム７０の不要部分をカットすることで、半導体装置２０を得ることができる。
＜第１実施形態のまとめ＞
本実施形態の半導体装置２０によると、主端子７１Ｃ，７１Ｅが、交互に配置されている。そして、隣り合う主端子７１Ｃ，７１Ｅの側面７１２Ｃ，７１２Ｅ同士が対向している。主端子７１Ｃ，７１Ｅとで、主電流の向きは略逆向きとなる。これにより、主電流が流れたときに生じる磁束を互いに打ち消し、インダクタンスを低減することができる。しかしながら、側面は、板厚方向の面である板面に較べて小さい。これに対し、リードフレーム７０は、主端子７１を３本以上有している。これにより、主端子７１は、対向する側面７１２Ｃ，７１２Ｅを、複数組有している。したがって、インダクタンスを効果的に低減することができる。また、同じ種類の主端子７１Ｃ，７１Ｅをそれぞれ複数本にして並列化している。これによっても、インダクタンスを低減することができる。
図９は、主端子７１の合計本数と、インダクタンス、端子温度との関係を示す図である。図９は、磁場解析などのシミュレーション結果である。その際、主端子全体の幅（図４に示す幅Ｗ１）一定とした。図９に示すように、主端子７１の本数が増える、すなわち対向する側面７１２Ｃ，７１２Ｅの組が増えるほど、インダクタンスを低減できることが明らかである。本実施形態では、主端子７１Ｃを４本、主端子７１Ｅを５本有している。よって、インダクタンスを効果的に低減することができる。これにより、たとえば、ＩＧＢＴ６ｉのスイッチングにともなって生じるサージ電圧を低減することができる。
たとえば本実施形態のように、封止樹脂体３０の側面３０２からすべての主端子７１が引き出される構成では、端子幅Ｗ１が、側面３０２の幅、厳密には、基板５０の幅の制約を受ける。主端子全体の幅Ｗ１を一定とすると、主端子７１の本数が増えるほど、幅Ｗ１における主端子７１間のギャップが占める割合が大きくなる。主端子７１それぞれの断面積が小さくなり、同電位の主端子７１において通電領域が小さくなる。したがって、たとえばＤＣ電流が流れにくくなる。よって、図６に示すように、主端子７１の本数が増えるほど、主端子７１の温度が高くなる。なお、ＤＣ電流は、半導体素子（スイッチング素子）がオンしている定常時に流れる電流（直流電流）である。これに対し、本実施形態では、主端子７１Ｃ，７１Ｅが、はんだなどの接合部材８０を介さず、対応する基板５０Ｃ，５０Ｅに対して直接接合されている。金属同士が結合しており、はんだなどの接合部材８０を用いないため、基板５０に対する主端子７１の接続信頼性を向上することができる。たとえば、エレクトロマイグレーションの発生を抑制することができる。
以上より、インダクタンスを低減しつつ、主端子７１の接続信頼性を向上できる半導体装置２０を提供することができる。
さらに本実施形態では、基板５０Ｃ，５０Ｅをずらして配置している。これにより、基板５０Ｅが、非対向部５２Ｅを有している。したがって、リードフレーム７０の主端子７１Ｅを、非対向部５２Ｅの実装面５００Ｅに直接接合することができる。リードフレーム構造を採用しつつ、主端子７１Ｃ，７１Ｅをともに、対応する基板５０Ｃ，５０Ｅの実装面５００Ｃ，５００Ｅに直接接合することができる。
インダクタンスの低減は、基板５０Ｃ，５０Ｅの対向配置によっても実現されている。しかしながら、基板５０Ｃ，５０Ｅの間には、半導体素子４０やターミナル６０が介在している。これに対し、本実施形態では、主端子７１Ｃの延設部７１１Ｃが、接続部７１０Ｃよりも基板５０Ｅ（実装面５００Ｅ）に近い位置で、基板５０Ｅに対向配置されている。これにより、基板５０Ｅと対向するコレクタ電極４１Ｃと同電位の部分として、主端子７１Ｃの延設部７１１Ｃがもっとも近くなる。したがって、インダクタンス低減の効果を高めることができる。このような主端子７１Ｃを複数本有しているため、インダクタンス低減の効果をより高めることができる。
特に本実施形態では、主端子７１Ｃが、Ｚ方向からの平面視において、基板５０Ｅの非対向部５２Ｅを跨いでいる。主端子７１Ｃは、非対向部５２ＥをＹ方向に横切っている。そして、主端子７１Ｃの延設部７１１Ｃが、非対向部５２Ｃに対向配置されている。したがって、インダクタンスをより効果的に低減することができる。
本実施形態では、主端子７１Ｃ，７１Ｅが、Ｘ方向において、半導体素子４０の中心線ＣＬに対して線対称配置とされている。これにより、主電流は、中心線ＣＬに対して線対称となるように流れる。主電流は、中心線ＣＬの左右でほぼ均等に流れる。これにより、インダクタンスをさらに低減することができる。また局所的な発熱を抑制することができる。
なお、主端子７１の構成として、主端子７１Ｃを４本、主端子７１Ｅを５本有する例を示したが、これに限定されない。主端子７１Ｃの本数を、主端子７１Ｅの本数より多くしてもよい。たとえば主端子７１Ｃを５本、主端子７１Ｅを４本としてもよい。この場合、主端子７１Ｃが、並び方向の両端に配置されることとなる。主端子７１の合計本数は奇数に限定されない。偶数としてもよい。
図示を省略するが、信号端子７３は、ボンディングワイヤを介して、半導体素子４０のパッド４２と電気的に接続されてもよい。ターミナル６０の厚みにより、ボンディングワイヤの高さを稼ぐこととなる。
半導体装置２０が、ターミナル６０を備える例を示したが、これに限定されない。本実施形態のように、信号端子７３が、接合部材８０を介してパッド４２に接続される構成の場合、ターミナル６０を備えない構成とすることも可能である。これによれば、基板５０Ｃ，５０Ｅの対向距離Ｄ２が短くなるため、インダクタンスをさらに低減することができる。一方、信号端子７３が接合部材８０を介してパッド４２に接続される構成において、ターミナル６０を用いることで、基板５０Ｃ，５０Ｅの対向距離Ｄ２が所定値となるように調整してもよい。
基板５０に対する主端子７１の接続位置は、上記した例に限定されない。たとえば、主端子７１が、対応する基板５０の側面に接続されてもよい。
（他の実施形態）
この明細書及び図面等における開示は、例示された実施形態に制限されない。開示は、例示された実施形態と、それらに基づく当業者による変形態様を包含する。たとえば開示は、実施形態において示された部品及び／又は要素の組み合わせに限定されない。開示は、多様な組み合わせによって実施可能である。開示は、実施形態に追加可能な追加的な部分をもつことができる。開示は、実施形態の部品及び／又は要素が省略されたものを包含する。開示は、ひとつの実施形態と他の実施形態との間における部品及び／又は要素の置き換え、又は組み合わせを包含する。開示される技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示されるいくつかの技術的範囲は、請求の範囲の記載によって示され、さらに請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものと解されるべきである。
明細書及び図面等における開示は、請求の範囲の記載によって限定されない。明細書及び図面等における開示は、請求の範囲に記載された技術的思想を包含し、さらに請求の範囲に記載された技術的思想より多様で広範な技術的思想に及んでいる。よって、請求の範囲の記載に拘束されることなく、明細書及び図面等の開示から、多様な技術的思想を抽出することができる。
半導体装置２０をインバータ５に適用する例を示したが、これに限定されない。たとえばコンバータに適用することもできる。また、インバータ５及びコンバータの両方に適用することもできる。
半導体素子４０に、ＩＧＢＴ６ｉとＦＷＤ６ｄが形成される例を示したが、これに限定されない。同一アームを構成するＩＧＢＴ６ｉとＦＷＤ６ｄとを、別チップとしてもよい。
スイッチング素子としてＩＧＢＴ６ｉの例を示したが、これに限定されない。たとえばＭＯＳＦＥＴを採用することもできる。
放熱面５０１Ｃ，５０１Ｅが、封止樹脂体３０から露出される例を示したが、これに限定されない。放熱面５０１Ｃ，５０１Ｅの少なくとも一方が、封止樹脂体３０によって覆われた構成としてもよい。放熱面５０１Ｃ，５０１Ｅが、封止樹脂体３０とは別の図示しない絶縁部材によって覆われた構成としてもよい。
半導体装置２０が、封止樹脂体３０を備える例を示したが、この例に限定されない。
１…電力変換装置、２…直流電源、３…モータジェネレータ、４…平滑コンデンサ、５…インバータ、６…上下アーム回路、６ｄ…ＦＷＤ、６ｉ…ＩＧＢＴ、７…高電位電源ライン、８…低電位電源ライン、９…出力ライン、２０…半導体装置、３０…封止樹脂体、３００…一面、３０１…裏面、３０２，３０３…側面、４０…半導体素子、４１Ｃ…コレクタ電極、４１Ｅ…エミッタ電極、４２…パッド、５０，５０Ｃ，５０Ｅ…基板、５０ｘ…絶縁体、５０ｙ，５０ｚ…金属体、５０ｙ１…主部、５０ｙ２…ランド、５００Ｃ，５００Ｅ…実装面、５０１Ｃ，５０１Ｅ…放熱面、５１Ｃ，５１Ｅ…対向部、５２Ｃ，５２Ｅ…非対向部、６０…ターミナル、７０…リードフレーム、７１，７１Ｃ，７１Ｅ…主端子、７１０Ｃ，７１０Ｅ…接続部、７１１Ｃ，７１１Ｅ…延設部、７１２Ｃ，７１２Ｅ…側面、７３…信号端子、７５…吊りリード、８０…接合部材

Claims (5)

  1. 一面側に形成された第１主電極（４１Ｃ）、及び、前記一面とは厚み方向において反対の裏面側に形成された第２主電極（４１Ｅ）を有する少なくともひとつの半導体素子（４０）と、
    前記一面側に配置され、前記第１主電極と電気的に接続された第１基板（５０Ｃ）、及び、前記裏面側に配置され、前記第２主電極と電気的に接続された第２基板（５０Ｅ）を含み、前記半導体素子を挟むように配置された基板（５０）と、
    前記第１基板を介して前記第１主電極と電気的に接続された第１主端子（７１Ｃ）、及び、前記第２基板を介して前記第２主電極と電気的に接続された第２主端子（７１Ｅ）を含む主端子（７１）と、
    接合部材（８０）と、
    を備え、
    前記接合部材は、前記第１主電極と前記第１基板との間、及び、前記第２主電極と前記第２基板との間にそれぞれ介在し、
    前記主端子は、前記第１主端子及び前記第２主端子の少なくとも一方を複数含み、
    前記第１主端子及び前記第２主端子は、前記半導体素子の厚み方向に直交する一方向において、側面が互いに対向するように交互に配置され、
    前記第１主端子は、前記第１基板に対して、前記接合部材を介さずに直接接合されており、
    前記第２主端子は、前記第２基板に対して、前記接合部材を介さずに直接接合されている半導体装置。
  2. 前記基板は、前記厚み方向において、第１基板と前記第２基板とが互いに対向する対向部（５１Ｃ，５１Ｅ）と、前記第２基板の前記対向部に連なり、前記第１基板と対向しない非対向部（５２Ｅ）と、を有し、
    前記第１主端子は、前記第１基板における前記第２基板側の面（５００Ｃ）に対して、前記接合部材を介さずに直接接合されており、
    前記第２主端子は、前記非対向部における前記第１基板側の面（５００Ｅ）に対して、前記接合部材を介さずに直接接合されている請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記第１主端子は、前記第１基板の前記対向部に直接接合されており、
    前記第１主端子は、前記第１基板との接続部（７１０Ｃ）と、前記接続部から延び、前記接続部よりも前記第２基板に近い位置で前記第２基板に対向配置された延設部（７１１Ｃ）と、を有している請求項２に記載の半導体装置。
  4. 前記第１主端子は、前記厚み方向からの平面視において、前記非対向部を跨いでおり、
    前記延設部は、前記第２基板の少なくとも前記非対向部に対向配置されている請求項３に記載の半導体装置。
  5. 前記半導体素子、前記基板それぞれの少なくとも一部、前記主端子それぞれの一部を一体的に封止する封止樹脂体（３０）をさらに備え、
    前記封止樹脂体の一面から、複数の前記主端子のすべてが前記封止樹脂体の外へ突出している請求項１～４いずれか１項に記載の半導体装置。
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