JP7268563B2 - 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は、半導体装置を開示している。半導体装置は、両主面に主電極が形成された半導体素子と、主電極と電気的に接続された配線部材と、封止樹脂体を備えている。配線部材は、半導体素子を挟むように配置されている。封止樹脂体は、半導体素子と配線部材とを一体的に封止している。先行技術文献の記載内容は、この明細書における技術的要素の説明として、参照により援用される。
特開２０１６－３１９４８号公報
半導体素子の基材として、シリコンよりもバンドギャップが広いワイドバンドギャップ半導体を用いると、シリコンよりも素子サイズを小さくすることができる。素子サイズを小さくすると、たとえば封止樹脂体の成形時において、半導体素子に作用する応力が増加する。上述の観点において、または言及されていない他の観点において、半導体装置にはさらなる改良が求められている。
開示されるひとつの目的は、信頼性の高い半導体装置を提供することにある。
開示のひとつである半導体装置は、
ワイドバンドギャップ半導体を基材とし、第１主面に形成された第１主電極（４１）と、第１主面とは反対の第２主面に形成された第２主電極（４２）と、を有する半導体素子（４０）と、
半導体素子を挟むように配置された配線部材（５０）であって、第１主面側に配置され、第１主電極と電気的に接続された第１配線部材（５１）、および、第２主面側に配置され、第２主電極と電気的に接続された第２配線部材（５２、５３）と、
半導体素子と配線部材とを一体的に封止する封止樹脂体（３０）と、
封止樹脂体内において半導体素子とともに配線部材により挟まれ、第１配線部材との第１接合部（７１）と、第２配線部材との第２接合部（７２）と、を有する少なくともひとつの絶縁体（７０）と、を備え、
絶縁体は、半導体基材に複数のダイオードが形成され、順方向となる向きが互いに逆方向となるように複数のダイオードが直列接続された非導通素子である。
開示の他のひとつである半導体装置は、
ワイドバンドギャップ半導体を基材とし、第１主面に形成された第１主電極（４１）と、第１主面とは反対の第２主面に形成された第２主電極（４２）と、を有する半導体素子（４０）と、
半導体素子を挟むように配置された配線部材（５０）であって、第１主面側に配置され、第１主電極と電気的に接続された第１配線部材（５１）、および、第２主面側に配置され、第２主電極と電気的に接続された第２配線部材（５２、５３）と、
半導体素子と配線部材とを一体的に封止する封止樹脂体（３０）と、
封止樹脂体内において半導体素子とともに配線部材により挟まれ、第１配線部材との第１接合部（７１）と、第２配線部材との第２接合部（７２）と、を有する少なくともひとつの絶縁体（７０，７０Ａ）と、を備え、
半導体素子と絶縁体とが、配線部材の長手方向に並んで配置されている。
開示された半導体装置によると、半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体を基材とする。しかしながら、第１配線部材と第２配線部材との間に、半導体素子だけでなく、絶縁体が介在する。これにより、封止樹脂体の成形時に作用する応力が絶縁体側に分散する。したがって、半導体素子への応力集中を抑制することができる。この結果、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
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。請求の範囲およ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、および効果は、後続の詳細な説明、およ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実施形態に係る半導体装置が適用される電力変換装置の回路図である。 半導体装置を示す平面図である。 図２のIII-III線に沿う断面図である。 図２のIV-IV線に沿う断面図である。 封止樹脂体を省略した図である。 別アームの半導体装置を示す参考図である。 絶縁体の効果を示す図である。 第２実施形態に係る半導体装置を示す平面図である。 図８のIX-IX線に沿う断面図である。 変形例を示す平面図である。 第３実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
以下、図面に基づいて複数の実施形態を説明する。複数の実施形態において、機能的におよび／または構造的に対応する部分および／または関連付けられる部分には同一の参照符号が付される場合がある。対応する部分および／または関連付けられる部分については、他の実施形態の説明を参照することができる。
（第１実施形態）
本実施形態に係る半導体装置は、電力変換装置に適用される。電力変換装置は、たとえば車両の駆動システムに適用される。電力変換装置は、たとえば燃料電池車（ＦＣＶ）、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＶ）などの車両に適用可能である。
＜車両の駆動システム＞
先ず、車両の駆動システムの概略構成について説明する。図１に示すように、車両の駆動システム１は、直流電源２と、モータ３と、電力変換装置４を備えている。
直流電源２は、たとえばリチウムイオン電池、ニッケル水素電池、燃料電池である。モータ３は、三相交流方式の回転電機である。モータ３は、車両の走行駆動源、すなわち電動機として機能する。電力変換装置４は、直流電源２とモータ３との間で電力変換を行う。
＜電力変換装置＞
次に、電力変換装置４について説明する。図１に示すように、電力変換装置４は、コンバータ５と、平滑コンデンサ６と、インバータ７を備えている。コンバータ５およびインバータ７は、電力変換部である。コンバータ５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。
高電位側の電力ラインであるＰラインは、ＶＨライン８Ｈと、ＶＬライン８Ｌを含んでいる。ＶＬライン８Ｌは、直流電源２の正極端子に接続されている。ＶＨライン８ＨとＶＬライン８Ｌの間にコンバータ５が設けられており、ＶＨライン８Ｈの電位はＶＬライン８Ｌの電位以上とされる。低電位側の電力ラインであるＮライン９は、直流電源２の負極端子に接続されている。
平滑コンデンサ６は、ＶＨライン８ＨとＮライン９との間に接続されている。平滑コンデンサ６は、コンバータ５とインバータ７との間に設けられており、コンバータ５およびインバータ７と並列に接続されている。平滑コンデンサ６は、たとえばコンバータ５で昇圧された直流電圧を平滑化し、その直流電圧の電荷を蓄積する。平滑コンデンサ６の両端間の電圧が、モータ３を駆動するための直流の高電圧となる。
インバータ７は、ＶＨライン８ＨとＮライン９との間に接続されている。インバータ７は、コンバータ５によって昇圧された直流電力を、モータ３の駆動に適した交流電力に変換し、モータ３に供給する。インバータ７は、ＤＣ－ＡＣ変換部である。インバータ７として、三相インバータを採用している。なお、電力変換装置４は、図示しないフィルタコンデンサをさらに備えてもよい。フィルタコンデンサは、直流電源２とコンバータ５との間で、ＶＬライン８ＬとＮライン９との間に接続される。
＜コンバータ＞
次に、コンバータ５について説明する。図１に示すように、コンバータ５は、レグ１０と、リアクトル１１を備えている。コンバータ５は、４相分のレグ１０およびリアクトル１１を備えている。図１において、レグ１０に付加したカッコ内の符号は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、およびＸ相のいずれであるかを示している。本実施形態のコンバータ５は、降圧機能を有さず、昇圧機能を有している。
レグ１０は、ＶＨライン８ＨとＮライン９との間に接続されている。複数のレグ１０は、互いに並列接続されている。各相のレグ１０は、互いに共通の構成を有している。レグ１０は、上アームと下アームとが、ＶＨライン８ＨとＮライン９との間で直列接続された上下アーム回路である。レグ１０の上アームは、直流電源２から平滑コンデンサ６側を順方向の向きとする整流素子を有している。レグ１０の下アームは、スイッチング素子を有している。
本実施形態において、レグ１０の上アームは、整流素子であるショットキーバリアダイオード１２と、非導通素子１３を有している。ショットキーバリアダイオード１２を、以下においてＳＢＤ１２と示すことがある。ＳＢＤ１２は、後述するようにシリコンカーバイド（ＳｉＣ）を基材とするチップに形成されている。ＳＢＤ１２のアノードは、ＶＨライン８Ｈに接続されている。
非導通素子１３は、ＳＢＤ１２に並列接続されている。非導通素子１３は、順方向となる向きが互いに逆方向となるように複数のダイオード（ＰＮダイオード）が直列接続された素子である。非導通素子１３は、後述するようにシリコン（Ｓｉ）を基材とするチップに形成されている。非導通素子１３は、２つのＰＮダイオード１３ａ、１３ｂを備えて構成されている。ＰＮダイオード１３ａ、１３ｂは、互いのアノード同士が接続されている。ＰＮダイオード１３ａのカソードがＳＢＤ１２のアノードに接続され、ＰＮダイオード１３ｂのカソードがＳＢＤ１２のカソードに接続されている。
上記した構造により、非導通素子１３の順方向電圧Ｖｆは、ＳＢＤ１２の順方向電圧Ｖｆよりも大きな値を有する。このため、非導通素子１３には電流が流れない。また、ＳＢＤ１２と同等以上の耐圧性能を有する。非導通素子１３は、実使用条件下において、ＳＢＤ１２の動作を妨げないように構成されている。
一方、レグ１０の下アームは、スイッチング素子であるｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴ１４と、ダイオード１５を有している。ＭＯＳＦＥＴ１４は、ＳＢＤ１２同様、ＳｉＣを基材とするチップに形成されている。ＭＯＳＦＥＴ１４のソースはＮライン９に接続されている。ＭＯＳＦＥＴ１４のドレインは、ＳＢＤ１２のカソードと接続されている。ＭＯＳＦＥＴ１４のスイッチング動作は、図示しない制御回路部により制御される。
ダイオード１５は、ＭＯＳＦＥＴ１４に対して逆並列に接続されている。ダイオード１５は、Ｓｉを基材とするチップに形成されている。ダイオード１５のアノードがドレインに接続され、カソードがソースに接続されている。
リアクトル１１の一端は、ＶＬライン８Ｌを介して直流電源２の正極端子に接続されている。リアクトル１１の他端は、レグ１０の上アームと下アームとの接続点、すなわちＳＢＤ１２のカソードとＭＯＳＦＥＴ１４のドレインとの接続点に接続されている。
＜半導体装置＞
次に、コンバータ５を構成する半導体装置について説明する。図２～図５は、コンバータ５の一相分のレグ１０のうち、上アームを構成する半導体装置を示している。図５は、図２に対して封止樹脂体を省略した図である。以下では、半導体素子の板厚方向をＺ方向、Ｚ方向に直交する一方向、具体的には配線部材の長手方向をＸ方向と示す。また、Ｚ方向および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、Ｚ方向から平面視した形状、換言すればＸ方向および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。また、Ｚ方向からの平面視を単に平面視と示す。図２～図５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、配線部材５０と、主端子６０、６１と、絶縁体７０を備えている。
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の外に露出している。封止樹脂体３０は、たとえばエポキシ系樹脂を材料とする。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。封止樹脂体３０は、略直方体状をなしている。図２に示すように、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、一面３０ａと、Ｚ方向において一面３０ａとは反対の裏面３０ｂを有している。一面３０ａおよび裏面３０ｂは、たとえば平坦面となっている。
半導体素子４０は、シリコンよりもバンドギャップが広いワイドバンドギャップ半導体を基材とするチップに、素子が形成されたものである。半導体素子４０は、半導体チップと称されることがある。ワイドバンドギャップ半導体は、たとえばバンドギャップが１．５ｅＶよりも大きい半導体である。ワイドバンドギャップ半導体として、たとえばシリコンカーバイド（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）、ダイヤモンドがある。
半導体素子４０は、自身の板厚方向、すなわちＺ方向における両主面に、主電極４１、４２を有している。半導体素子４０には、主電極４１、４２間に主電流が流れるように縦型構造の素子が形成されている。本実施形態の半導体素子４０は、上記したように、ＳｉＣを基材とするチップにＳＢＤ１２が形成されたものである。半導体素子４０の第１主面には、主電極４１としてカソード電極が形成されている。第１主面とは反対の第２主面には、主電極４２としてアノード電極が形成されている。主電極４２（アノード電極）はショットキー電極と称されることがある。主電極４１が第１主電極に相当し、主電極４２が第２主電極に相当する。
配線部材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。配線部材５０は、主電極と電気的に接続された配線として機能する部材である。配線部材５０として、たとえばＣｕ、Ｃｕ合金などを材料とする金属板、絶縁基材の少なくとも一面に導体が配置された構成を採用することができる。導体が配置された絶縁基板の一例として、ＤＢＣ（Direct Bonded Copper）基板がある。本実施形態の配線部材５０は、ヒートシンク５１、５２と、ターミナル５３を有している。ヒートシンク５１は、Ｚ方向において主電極４１側に配置されている。ヒートシンク５１が第１配線部材に相当する。ヒートシンク５２およびターミナル５３は、主電極４２側に配置されている。ヒートシンク５２とターミナル５３は、はんだ５４を介して接続されている。ヒートシンク５２、ターミナル５３、およびはんだ５４が、第２配線部材に相当する。
ヒートシンク５１、５２は、Ｃｕ、Ｃｕ合金などを材料とする金属部材である。ヒートシンク５１、５２は、半導体素子４０の熱を半導体装置２０の外部に放熱する機能を果たす。ヒートシンク５１、５２は、放熱部材と称されることがある。ヒートシンク５１、５２は、Ｘ方向を長手方向とする平面略長方形をなしている。ヒートシンク５１、５２は、平面視において半導体素子４０を内包している。ヒートシンク５１、５２は、平面視において互いにほぼ一致する形状をなしている。
ターミナル５３は、半導体素子４０（主電極４２）とヒートシンク５２との電気伝導、熱伝導経路の途中に位置する。ターミナル５３は、Ｃｕ、Ｃｕ合金などの金属材料を含んで形成されている。ターミナル５３は、平面視において主電極４２とほぼ同じ大きさを有する平面略矩形状の柱状体である。ターミナル５３は、金属ブロック体、中継部材と称されることがある。
半導体素子４０の主電極４１は、はんだ５５を介して、ヒートシンク５１の内面５１ａに接続されている。主電極４２は、はんだ５６を介して、ターミナル５３の一端に接続されている。ターミナル５３の他端は、上記したはんだ５４を介して、ヒートシンク５２の内面５２ａに接続されている。
ヒートシンク５１、５２の大部分は、封止樹脂体３０によって覆われている。ヒートシンク５１、５２の表面のうち、内面５１ａ、５２ａとは反対の面である外面５１ｂ、５２ｂが、封止樹脂体３０からそれぞれ露出している。外面５１ｂ、５２ｂは、放熱面、露出面と称されることがある。外面５１ｂは封止樹脂体３０の一面３０ａと略面一であり、外面５２ｂは裏面３０ｂと略面一である。
主端子６０、６１は、主電極４１、４２を外部機器と電気的に接続するための外部接続端子である。主端子６０は、ヒートシンク５１を介して、主電極４１と電気的に接続されている。主端子６１は、ヒートシンク５２およびターミナル５３を介して、主電極４２と電気的に接続されている。主端子６０は、ヒートシンク５１に連なっている。主端子６１は、ヒートシンク５２に連なっている。主端子６０、６１は、対応するヒートシンク５１、５２とは別部材として構成され、接合などによって連なってもよい。本実施形態では、ひとつの金属部材として、主端子６０、６１が対応するヒートシンク５１、５２に連なっている。
主端子６０は、ヒートシンク５１からＹ方向に延設され、封止樹脂体３０の側面３０ｃから外部に突出している。主端子６１は、ヒートシンク５２からＹ方向に延設され、主端子６０と同じ側面３０ｃから、外部に突出している。なお、半導体装置２０は、複数のダミー端子６２をさらに備えている。ダミー端子６２は、後述する信号端子１６２と同一構造を有するものの、電気的な接続機能、換言すれば配線機能を提供しない端子である。ダミー端子６２、半導体素子４０および配線部材５０のいずれとも電気的に接続されていない。ダミー端子６２は、Ｙ方向に延設されており、封止樹脂体３０の側面３０ｄから外部に突出している。側面３０ｄは、Ｙ方向において側面３０ｃとは反対の面である。
ダミー端子６２は、ヒートシンク５１および主端子６０とともに、共通部材であるリードフレームに構成されている。このリードフレームは部分的に厚みが異なる異形条である。リードフレームにおいて、ヒートシンク５１の部分が厚く、主端子６０およびダミー端子６２の部分が薄い。タイバーなど、リードフレームの不要部分は、封止樹脂体３０の成形後にカット（除去）されている。なお、一体的に設けられたヒートシンク５２および主端子６１において、ヒートシンク５２は主端子６１よりも厚い。
絶縁体７０は、封止樹脂体３０内に配置されている。絶縁体７０は、半導体素子４０とともに配線部材５０により挟まれている。絶縁体７０は、第１配線部材と第２配線部材とを電気的に分離する絶縁機能を有している。絶縁体７０は、半導体素子４０と同等以上の耐圧を有している。よって、絶縁体７０を介して第１配線部材と第２配線部材との間に電流は流れず、半導体装置２０の使用条件下において半導体素子４０の動作を妨げない。絶縁体７０は、半導体素子４０とともに、第１配線部材と第２配線部材とを機械的に接続するために、接合部７１、７２を有している。
本実施形態の絶縁体７０は、上記したように、シリコンを基材とするチップに非導通素子１３が形成されたものである。絶縁体７０は、半導体素子４０と同等の厚みを有している。絶縁体７０は、半導体素子４０とほぼ同じ平面形状および大きさを有している。すなわち、絶縁体７０は、半導体素子４０とほぼ同サイズである。接合部７１は絶縁体７０の第１配線部材側の面に形成されており、接合部７２は第２配線部材側の面に形成されている。接合部７１、７２は、配線部材５０との機械的な接続を得るために設けられた金属部である。接合部７２は、主電極４２とほぼ同じ平面形状および大きさを有している。
第２配線部材は、２つのターミナル５３を有している、ターミナル５３のひとつは、平面視において半導体素子４０の主電極４２と重なる位置に配置されている。ターミナル５３の他のひとつは、平面視において絶縁体７０の接合部７２と重なる位置に配置されている。２つのターミナル５３は、共通の部材（共通部品）である。接合部７１は、はんだ５５を介して、ヒートシンク５１の内面５１ａに接続されている。接合部７２は、はんだ５６を介して、ターミナル５３の一端に接続されている。接合部７１が第１接合部に相当し、接合部７２が第２接合部に相当する。
絶縁体７０と半導体素子４０とは、図５に示すように、配線部材５０の長手方向、すなわちＸ方向に沿って並んでいる。長手方向における配線部材５０の仮想的な中心線ＣＬに対して、一方の領域に半導体素子４０が配置され、他方の領域に絶縁体７０が配置されている。具体的には、絶縁体７０と半導体素子４０とが、中心線ＣＬに対して線対称配置である。
上記したように、半導体装置２０では、封止樹脂体３０によって一相分のレグ１０の上アームを構成する半導体素子４０および絶縁体７０が封止されている。封止樹脂体３０は、半導体素子４０、絶縁体７０、ヒートシンク５１の一部、ヒートシンク５２の一部、ターミナル５３、主端子６０、６１それぞれの一部、およびダミー端子６２それぞれの一部を、一体的に封止している。
Ｚ方向において、ヒートシンク５１、５２の間に、半導体素子４０が配置されている。これにより、半導体素子４０の熱を、Ｚ方向において両側に放熱することができる。半導体装置２０は、両面放熱構造をなしている。ヒートシンク５１の外面５１ｂは、封止樹脂体３０の一面３０ａと略面一となっている。ヒートシンク５２の外面５２ｂは、封止樹脂体３０の裏面３０ｂと略面一となっている。外面５１ｂ、５２ｂが露出面であるため、放熱性を高めることができる。
図６は、コンバータ５の一相分のレグ１０のうち、下アームを構成する半導体装置１２０を示す参考図である。図６は、図２に対応している。半導体装置１２０は、半導体装置２０と同様の構成である。半導体装置１２０では、半導体素子４０に代えて、半導体素子１４０を配置している。また、絶縁体７０に代えて、半導体素子１４５を配置し、ダミー端子６２に代えて信号端子１６２を配置している。封止樹脂体１３０が封止樹脂体３０に対応し、配線部材１５０が配線部材５０に対応している。主端子１６０、１６１が主端子６０、６１に対応している。主端子１６０、１６１は、封止樹脂体１３０の側面１３０ｃから外部に突出している。
半導体素子１４０は、半導体素子４０同様、ワイドバンドギャップ半導体、具体的にはＳｉＣを基材としている。半導体素子１４０には、上記したＭＯＳＦＥＴ１４が形成されている。半導体素子１４０は、図示しない主電極をＺ方向の両面に有している。主電極のひとつはドレイン電極であり、他のひとつはソース電極である。ドレイン電極は、配線部材１５０を構成する図示しないヒートシンクにはんだ接合されている。ソース電極は、図示しないターミナルを介してヒートシンク１５２に接続されている。半導体素子１４０は、チップに形成された素子が半導体素子４０とは異なるものの、基材を構成する半導体材料、平面形状および大きさ、厚みが半導体素子４０とほぼ同じである。
半導体素子１４５は、絶縁体７０同様、Ｓｉを基材としている。半導体素子１４５には、上記したダイオード１５が形成されている。半導体素子１４０は、図示しない主電極をＺ方向の両面に有している。主電極のひとつはカソード電極であり、他のひとつはアノード電極である。カソード電極は、ドレイン電極と同じヒートシンクにはんだ接合されている。アノード電極は、ターミナルを介して、ソース電極と同じヒートシンク１５２に接続されている。半導体素子１４５は、チップに形成された素子が絶縁体７０とは異なるものの、基材を構成する半導体材料、平面形状および大きさ、厚みが絶縁体７０とほぼ同じである。
信号端子１６２は、電気的な接続機能を提供する外部接続端子である。信号端子１６２は、ボンディングワイヤ１８０を介して半導体素子１４０の図示しないパッドに接続されている。パッドは、半導体素子１４０において、ソース電極と同じ主面に形成されている。信号端子１６２は、封止樹脂体１３０の側面１３０ｄから外部に突出している。側面１３０ｄは、側面１３０ｃとは反対の面である。信号端子１６２の構造は、ダミー端子６２と同じである。図６では、信号端子１６２において封止樹脂体１３０にて覆われた部分とボンディングワイヤ１８０を破線で示している。
信号端子１６２は、半導体素子１４０のドレイン電極および半導体素子１４５のカソード電極が接続されたヒートシンク、主端子１６０と共通のリードフレームに構成されている。このリードフレームは、半導体装置２０を構成するヒートシンク５１、主端子６０、およびダミー端子６２を含むリードフレームと共通の部材（共通部品）である。
よって、上アームを構成する半導体装置２０は、下アームを構成する半導体装置１２０と共通の部材を用いて、共通の製造工程により形成することができる。これにより、たとえば製造時間の短縮、コストの低減を図ることが可能である。また、半導体装置１２０の信号端子１６２は、上記した制御回路部の少なくとも一部が形成された回路基板に実装される。本実施形態では、半導体装置２０を半導体装置１２０と同様の構成とし、ダミー端子６２をもたせている。よって、ダミー端子６２を回路基板に実装することができる。半導体装置２０は、複数のダミー端子６２を介して回路基板に保持される。
＜半導体装置の製造方法＞
次に、半導体装置２０の製造方法について説明する。
まず、配線部材５０により半導体素子４０および絶縁体７０が挟まれた接続構造体を形成する。
具体的には、ヒートシンク５１、主端子６０、ダミー端子６２を含むリードフレームと、半導体素子４０と、絶縁体７０と、ターミナル５３と、主端子６１が連なるヒートシンク５２をそれぞれ準備する。そして、ヒートシンク５１の内面５１ａ上に、はんだ５５を介して、半導体素子４０および絶縁体７０をそれぞれ配置する。また、たとえば両面に迎えはんだが施されたターミナル５３を、はんだ５６が半導体素子４０側となるように、半導体素子４０上に配置する。同様に、ターミナル５３を絶縁体７０上に配置する。
両面放熱構造の半導体装置２０は、たとえば図示しない冷却器によってＺ方向の両面側から挟まれる。よって、Ｚ方向において表面の高い平行度と表面間の高い寸法精度が求められる。このため、はんだ５４については、半導体装置２０の高さばらつきを吸収可能な量を配置する。すなわち、多めのはんだ５４を配置する。換言すれば、はんだ５５、５６よりも厚いはんだ５４を配置する。そして、この配置状態で、１ｓｔリフローを実施する。これにより、半導体素子４０、絶縁体７０、ヒートシンク５１、およびターミナル５３が一体的に接続された積層体を得ることができる。
次いで、内面５２ａが上になるようにしてヒートシンク５２を図示しない台座の一面上に配置する。そして、はんだ５４がヒートシンク５２に対向するように、上記した積層体をヒートシンク５２上に配置し、２ｎｄリフローを実施する。２ｎｄリフローでは、ヒートシンク５１側からＺ方向に荷重を加えることで、半導体装置２０の高さが所定高さとなるようにする。たとえば荷重を加えることで、図示しないスペーサを、ヒートシンク５１の内面５１ａと台座の一面との両方に接触させる。このようにして、半導体装置２０の高さが所定高さとなるようにする。
２ｎｄリフローにより、積層体と、主端子６１が連なるヒートシンク５２とが一体化され、接続構造体となる。はんだ５４は、半導体装置２０を構成する要素の寸法公差や組み付け公差による高さばらつきを吸収する。
接続構造体の形成後、封止樹脂体３０の成形を行う。本実施形態では、トランスファモールド法を採用する。接続構造体を金型内に配置し、封止樹脂体３０を成形する。本実施形態では、ヒートシンク５１、５２が完全に覆われるように、封止樹脂体３０を成形し、成形後に切削を行う。封止樹脂体３０をヒートシンク５１、５２の一部ごと切削する。これにより、封止樹脂体３０から外面５１ｂ、５２ｂを露出させる。外面５１ｂは一面３０ａと略面一となり、外面５２ｂは裏面３０ｂと略面一となる。
次いで、図示しないタイバーなどを除去することで、半導体装置２０を得ることができる。
なお、外面５１ｂ、５２ｂを成形金型のキャビティ壁面に押し当て、密着させた状態で、封止樹脂体３０を成形してもよい。この場合、封止樹脂体３０を成形した時点で、外面５１ｂ、５２ｂが封止樹脂体３０から露出する。このため、成形後の切削が不要となる。また、リフローを２回実施する例を示したがこれに限定されない。１回のリフローで接続構造体を形成してもよい。また、ソルダダイボンダ法などにより、リフローを実施せずに接続構造体を形成してもよい。
＜第１実施形態のまとめ＞
ＳｉＣなどのワイドバンドギャップ半導体は、Ｓｉに較べて、絶縁破壊電界強度が高い、飽和速度が速い、熱伝導率が高いなどの特性を有している。このため、同等性能とするとＳｉよりも素子サイズを小さくすることができる。一般的に、素子サイズを小さくすると放熱面積が減るため発熱に対して厳しくなる。ワイドバンドギャップ半導体はＳｉよりも熱伝導率が高く、熱定格が高い特性を有するため、素子サイズを小さくすることができる。素子サイズを小さくすることでコストを低減することもできる。
本実施形態の半導体装置２０は、上記したように、ワイドバンドギャップ半導体を基材とする半導体素子４０を備えている。半導体素子４０は、Ｓｉを基材とするチップに同等性能の素子を形成する構成に較べて、素子サイズが小さい。図７は、金型のキャビディに樹脂３０Ａを充填し、封止樹脂体３０を形成する工程を示している。図７に示すように、ヒートシンク５１、５２の外面５１ｂ、５２ｂを覆うように封止樹脂体３０を形成する際、たとえばヒートシンク５２の外面５２ｂとキャビティ壁面８０との隙間に樹脂３０Ａの未充填の部分が形成されることがある。この場合、ヒートシンク５２の内面５２ａが樹脂３０Ａから受ける力と、外面５２ｂが樹脂３０Ａから受ける力とに差が生じる。このように、両面に作用する力が等しい静水圧の状態にならないと、ヒートシンク５１、５２間を機械的につなぐ柱部分に応力が作用する。すなわち、半導体素子４０に応力が作用する。
ヒートシンク５１、５２間に、素子サイズの小さい半導体素子４０のみが存在すると、半導体素子４０に応力が集中する。たとえば半導体素子４０と配線部材５０とのはんだ接合部に応力が集中する。本実施形態では、絶縁体７０も、ヒートシンク５１、５２間を機械的につなぐ柱として機能するため、封止樹脂体３０の成形時に作用する応力が絶縁体７０側に分散する。したがって、半導体素子４０への応力集中を抑制することができる。この結果、信頼性の高い半導体装置２０を提供することができる。
外面５１ｂ、５２ｂをキャビティ壁面８０に接触させて、封止樹脂体３０を形成する場合、ヒートシンク５１の内面５１ａが樹脂３０Ａから受ける力と、ヒートシンク５２の内面５２ａが樹脂３０Ａから受ける力の向きが互いに逆向きとなる。よって、半導体素子４０には、Ｚ方向両側に引っ張る向きの応力が作用する。本実施形態では、絶縁体７０が存在するため、封止樹脂体３０の成形時に作用する応力が絶縁体７０側に分散する。したがって、半導体素子４０への応力集中を抑制することができる。この結果、信頼性の高い半導体装置２０を提供することができる。図７では、ヒートシンクが樹脂から受ける力を白抜き矢印で示している。
本実施形態では、絶縁体７０として、Ｓｉを基材とするチップに形成された非導通素子１３を採用している。このため、配線部材５０間を機械的に接続する機能を果たしつつ、半導体素子４０の動作を妨げない。非導通素子１３は，ＰＮダイオード１３ａ、１３ｂが逆向きに接続された構造をなしており、半導体基材において容易に構成できる。
半導体素子４０と絶縁体７０の並び方向は、上記した例に限定されない。たとえば配線部材５０の短手方向を並び方向としてもよい。しかしながら、配線部材５０の長手方向であるＸ方向を並び方向とする。これにより、配線部材５０、ひいては半導体装置２０の体格の増大を抑制することができる。たとえばヒートシンク５２には、内面５２ａと外面５２ｂに作用する力の差により回転モーメントが生じ得る。この回転モーメントは、特にヒートシンク５２の長手方向において大きいが、並び方向を長手方向とすることで、回転モーメントを抑制することができる。これによっても、半導体素子４０に作用する応力を低減することができる。
特に本実施形態では、長手方向における配線部材５０の仮想的な中心線ＣＬに対し、長手方向の一方の領域に半導体素子４０が配置され、他方の領域に絶縁体７０が配置されている。よって、回転軸に対し、平面視においてたとえば左右両側に位置する半導体素子４０とおよび絶縁体７０により、回転モーメントを効果的に抑制することができる。
なお、非導通素子１３が、２つのＰＮダイオード１３ａ、１３ｂにより形成される例を示したが、これに限定されない。隣り合うＰＮダイオードにおいて順方向となる向きが互いに逆方向となるように、３つ以上のＰＮダイオードが直列接続された構成を採用してもよい。
（第２実施形態）
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例であり、先行実施形態の記載を援用できる。先行実施形態では、平面視において絶縁体７０の面積を半導体素子４０の面積とほぼ等しくした。また、絶縁体７０をひとつのみ備える例を示した。しかしながら、この例に限定されるものではない。
図８および図９は、本実施形態の半導体装置２０を示している。先行実施形態同様、配線部材５０間に、半導体素子４０および絶縁体７０がそれぞれひとつ配置されている。平面視において、絶縁体７０の面積が半導体素子４０の面積よりも大きい。これにより、配線部材５０を構成するヒートシンク５１、５２およびターミナル５３とのはんだ接合部の面積も、絶縁体７０のほうが半導体素子４０よりも大きい。それ以外の構成は、先行実施形態と同様である。
＜第２実施形態のまとめ＞
本実施形態では、平面視において、絶縁体７０のほうが半導体素子４０よりも大きいため、先行実施形態に較べて絶縁体７０に作用する応力が増す。これにより、半導体素子４０に作用する応力を、さらに低減することができる。よって、半導体装置２０の信頼性をさらに高めることができる。
半導体装置２０の構成は、上記した例に限定されない。たとえば図１０に示す変形例のように、半導体装置２０が複数の絶縁体７０を備えてもよい。図１０では、半導体装置２０が２つの絶縁体７０を備えている。２つの絶縁体７０は、Ｙ方向に並んで配置されている。絶縁体７０を複数設けることで、ヒートシンク５１とヒートシンク５２とを機械的につなぐ柱の本数が増える。これにより、封止樹脂体３０の成形時に作用する応力をより多くの柱に分散させることができる。なお、絶縁体７０を３つ以上備える構成としてもよい。また、複数の絶縁体７０の配置も図１０の例に限定されない。たとえばＸ方向を並び方向としてもよい。
さらに図１０に示す例では、複数の絶縁体７０の総面積、すなわち絶縁体７０の面積の和が、半導体素子４０の面積よりも大きい。これにより、図８に示した構成と同等の効果を奏することができる。
（第３実施形態）
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例であり、先行実施形態の記載を援用できる。先行実施形態では、非導通素子１３を絶縁体７０とした。絶縁体は、これに限定されるものではない。
図１１は、本実施形態の半導体装置２０を示す断面図であり、図３に対応している。半導体装置２０は、絶縁体７０Ａを備えている。それ以外の構成は、第１実施形態と同様である。絶縁体７０Ａは、絶縁基材の両面に接合部７１、７２を有している。絶縁基材は、ガラス、セラミック、半導体など電気絶縁性を有する無機材料を用いて形成されている。非導通素子１３は、絶縁体７０Ａ、すなわち絶縁基材には形成されていない。
絶縁体７０Ａは、無機材料の絶縁基材を用いることで、半導体素子４０と同等以上の耐圧を有している。また、第１配線部材であるヒートシンク５１と第２配線部材であるヒートシンク５２およびターミナル５３とを電気的に分離する絶縁機能を果たす。よって、絶縁体７０Ａを介して第１配線部材と第２配線部材との間に電流は流れず、半導体装置２０の使用条件下において半導体素子４０の動作を妨げない。絶縁体７０Ａは、ヒートシンク５１とヒートシンク５２とを機械的につなぐ柱として機能する。
＜第３実施形態のまとめ＞
本実施形態のように、基材の性能により絶縁機能を果たす絶縁体７０Ａを採用してもよい。この絶縁体７０Ａを備える半導体装置２０も、絶縁体７０を備える半導体装置２０と同等の効果を奏することができる。好ましくは、絶縁体の基材を構成する材料として、半導体素子４０を構成する基材と線膨張係数が近い材料を用いるとよい。
本実施形態の構成と第２実施形態に記載の構成を組み合わせてもよい。第２実施形態に記載の構成と同等の効果を奏することができる。たとえば絶縁体７０Ａの面積を半導体素子４０の面積よりも大きくしてもよい。複数の絶縁体７０Ａを備える構成としてもよい。複数の絶縁体７０Ａの総面積を、半導体素子４０の面積より大きくしてもよい。
（他の実施形態）
この明細書およ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および／また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、実施形態の部品および／また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および／または要素の置き換え、また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および範囲内でのすべての変更を含むものと解されるべきである。
明細書およ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。明細書およ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、明細書およ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が、ダミー端子６２を備える例を示したが、これに限定されない。ダミー端子６２を排除した構成としてもよい。
主端子６０、６１の本数および配置は、上記した例に限定されない。たとえば主端子６０、６１の少なくとも一方を複数本備える構成としてもよい。
半導体装置２０が適用されるコンバータ５の回路構成は、上記した例に限定されない。コンバータ５の相数は多相に限定されない。単相でもよい。多相の場合、相数は４相に限定されない。一相分のレグ１０において、上アームを並列構成としてもよい。たとえば、ＳＢＤ１２と非導通素子１３との並列回路を２組備え、並列回路が互いに並列接続される構成としてもよい。半導体装置２０の適用対象は、昇圧機能を有するコンバータ５の上アームに限定されない。
半導体装置２０が備える半導体素子４０の個数は、上記した例に限定されない。上記したように、ひとつの上アームが２組の並列回路により構成される場合、２つの半導体素子４０と２つの絶縁体７０（非導通素子１３）を備えてもよい。
本実施形態に記載の構成は、ワイドバンドギャップ半導体を基材として縦型素子が形成された半導体素子と、半導体素子を挟むように配置された配線部材と、半導体素子と配線部材とを一体的に封止する封止樹脂体と、を備える構成において適用が可能である。この構成において、絶縁体を追加することで、封止樹脂体の成形時に半導体素子に作用する応力を低減し、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。縦型素子としては、上記したＳＢＤ１２に限定されない。ＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子でも良い。
平面視において、絶縁体７０、７０Ａの面積を半導体素子４０の面積より小さくしてもよい。絶縁体７０、７０Ａを設けることで、絶縁体７０、７０Ａを備えない構成に較べて半導体素子４０に作用する応力を低減することができる。
第２配線部材が、ヒートシンク５２とともにターミナル５３を備える例を示したが、これに限定されない。ターミナル５３を排除した構成としてもよい。たとえば、ターミナル５３の代わりに、ヒートシンク５２に、半導体素子４０側に突出する凸部を設けてもよい。
ヒートシンク５１、５２の外面５１ｂ、５２ｂが封止樹脂体３０から露出する例を示したが、これに限定されない。封止樹脂体３０から露出しない構成としてもよい。
１…駆動システム、２…直流電源、３…モータ、４…電力変換装置、５…コンバータ、６…平滑コンデンサ、７…インバータ、８Ｈ…ＶＨライン、８Ｌ…ＶＬライン、９…Ｎライン、１０…レグ、１１…リアクトル、１２…ショットキーバリアダイオード、１３…非導通素子、１３ａ、１３ｂ…ＰＮダイオード、１４…ＭＯＳＦＥＴ、２０、１２０…半導体装置、３０、１３０…封止樹脂体、３０Ａ…樹脂、４０、１４０…半導体素子、４１、４２…主電極、５０、１５０…配線部材、５１、１５１…ヒートシンク、５１ａ…内面、５１ｂ…外面、５２、１５２…ヒートシンク、５２ａ…内面、５２ｂ…外面、５３、１５３…ターミナル、５４、５５、５６…はんだ、６０、６１、１６０、１６１…主端子、６２…ダミー端子、７０、７０Ａ…絶縁体、７１、７２…接合部、８０…キャビティ壁面、１６２…信号端子、１８０…ボンディングワイヤ

Claims (7)

  1. ワイドバンドギャップ半導体を基材とし、第１主面に形成された第１主電極（４１）と、前記第１主面とは反対の第２主面に形成された第２主電極（４２）と、を有する半導体素子（４０）と、
    前記半導体素子を挟むように配置された配線部材（５０）であって、前記第１主面側に配置され、前記第１主電極と電気的に接続された第１配線部材（５１）、および、前記第２主面側に配置され、前記第２主電極と電気的に接続された第２配線部材（５２、５３）と、
    前記半導体素子と前記配線部材とを一体的に封止する封止樹脂体（３０）と、
    前記封止樹脂体内において前記半導体素子とともに前記配線部材により挟まれ、前記第１配線部材との第１接合部（７１）と、前記第２配線部材との第２接合部（７２）と、を有する少なくともひとつの絶縁体（７０）と、を備え、
    前記絶縁体は、半導体基材に複数のダイオードが形成され、順方向となる向きが互いに逆方向となるように前記複数のダイオードが直列接続された非導通素子である半導体装置。
  2. 前記半導体素子と前記絶縁体とが、前記配線部材の長手方向に並んで配置されている請求項１に記載の半導体装置。
  3. ワイドバンドギャップ半導体を基材とし、第１主面に形成された第１主電極（４１）と、前記第１主面とは反対の第２主面に形成された第２主電極（４２）と、を有する半導体素子（４０）と、
    前記半導体素子を挟むように配置された配線部材（５０）であって、前記第１主面側に配置され、前記第１主電極と電気的に接続された第１配線部材（５１）、および、前記第２主面側に配置され、前記第２主電極と電気的に接続された第２配線部材（５２、５３）と、
    前記半導体素子と前記配線部材とを一体的に封止する封止樹脂体（３０）と、
    前記封止樹脂体内において前記半導体素子とともに前記配線部材により挟まれ、前記第１配線部材との第１接合部（７１）と、前記第２配線部材との第２接合部（７２）と、を有する少なくともひとつの絶縁体（７０，７０Ａ）と、を備え、
    前記半導体素子と前記絶縁体とが、前記配線部材の長手方向に並んで配置されている半導体装置。
  4. 前記長手方向における前記配線部材の仮想的な中心線に対し、前記長手方向の一方の領域に前記半導体素子が配置され、他方の領域に前記絶縁体が配置されている請求項２または請求項３に記載の半導体装置。
  5. 前記半導体素子の板厚方向からの平面視において、前記絶縁体の面積が前記半導体素子の面積よりも大きい請求項１～４いずれか１項に記載の半導体装置。
  6. 前記絶縁体をひとつのみ備え、
    前記ひとつの絶縁体の面積が、前記半導体素子の面積よりも大きい請求項５に記載の半導体装置。
  7. 前記絶縁体を複数備え、
    前記複数の絶縁体の総面積が、前記半導体素子の面積よりも大きい請求項５に記載の半導体装置。
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