JP7308791B2

JP7308791B2 - 電力半導体装置

Info

Publication number: JP7308791B2
Application number: JP2020084268A
Authority: JP
Inventors: 光永松尾
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-05-13
Filing date: 2020-05-13
Publication date: 2023-07-14
Anticipated expiration: 2040-05-13
Also published as: JP2021180232A

Description

本開示は、電力半導体装置に関する。

従来の電力半導体装置（例えば特許文献１参照）は、ケースと、ケースに収納された絶縁基板と、絶縁基板上に搭載された半導体素子と、を備えている。ケース内の空間には封止樹脂が充填され、封止樹脂により絶縁基板と半導体素子は封止される。

特開２０１９－１０２５７５号公報

電力半導体装置が動作すると内部温度が上昇し、封止樹脂にも熱応力が発生する。その結果、封止樹脂にクラックが発生する。クラックが半導体素子または絶縁基板に到達すると、絶縁耐量が低下し、絶縁不良が発生する。本開示は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、電力半導体装置の封止樹脂にクラックが生じても絶縁不良を抑制することを目的とする。

本開示の電力半導体装置は、放熱器と、放熱器に接合された絶縁基板と、絶縁基板上に接合された半導体素子と、放熱器に接着剤により接着され、絶縁基板を囲むケースと、放熱器とケースとで囲まれた内部空間に充填され、絶縁基板と半導体素子を封止する封止樹脂と、を備え、放熱器は、絶縁基板との接合面を有するベース部と、ベース部から突出し絶縁基板を囲む側壁部と、を有し、ケースは側壁部の上面に接着され、封止樹脂は、絶縁基板および半導体素子に接して絶縁基板および半導体素子を覆う第１封止樹脂と、第１封止樹脂の上に充填され、側壁部およびケースの接着部に接する第２封止樹脂とを有し、第１封止樹脂と第２封止樹脂は、同じ材料からなる。

本開示の電力半導体装置によれば、第２封止樹脂で発生したクラックが第１封止樹脂との境界面を進展するため、絶縁基板および半導体素子に到達しない。従って、絶縁基板または半導体素子における絶縁不良が抑制される。

前提技術の電力半導体装置の断面図である。前提技術の電力半導体装置において封止樹脂にクラックが発生する様子を示す断面図である。実施の形態１の電力半導体装置の断面図である。実施の形態１の電力半導体装置において封止樹脂にクラックが発生する様子を示す断面図である。実施の形態２の電力半導体装置の断面図である。実施の形態２の電力半導体装置において封止樹脂にクラックが発生する様子を示す断面図である。

＜Ａ．前提技術＞
図１は、前提技術の電力半導体装置１００の断面図である。電力半導体装置１００は、絶縁基板４、半導体素子９、電極端子１１、放熱器５、ケース７および封止樹脂１２を備えている。絶縁基板４は、絶縁基材１と、絶縁基材１の上面に接合された金属パターン２と、絶縁基材１の下面に接合された金属パターン３とを備えている。絶縁基材１は、例えばＳｉ_３Ｎ_４からなる。

放熱器５は、絶縁基板４を搭載するベース部５ａと、ベース部５ａから突出し、ベース部５ａに搭載された絶縁基板４を囲む側壁部５ｂとを備えている。ベース部５ａの下面は、例えば図１に示すように凹凸形状であり放熱機能を有する。ベース部５ａの上面は、絶縁基板４の接合面である。ベース部５ａの上面に金属パターン３が接合材１４を用いて接合されることにより、絶縁基板４と放熱器５は一体化している。放熱器５は、例えばＡｌまたはＣｕからなる。

金属パターン２の上には、接合材８によって半導体素子９が接合される。半導体素子９は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）、ＳＢＤ（Schottky Barrier Diode）、ＰＮダイオードまたはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等である。

放熱器５の側壁部５ｂの上面は、接着剤６によってケース７と接合される。ケース７は、放熱器５の側壁部５ｂと共に絶縁基板４を囲む。言い換えれば、ケース７と放熱器５とに囲まれた空間（以下、「内部空間」とも称する）に、絶縁基板４、半導体素子９、および電極端子１１が配置される。電極端子１１の一端はケース７に固定され、他端は接合材１０によって半導体素子９の上に接合される。接合材８，１０，１４は、例えばはんだである。電極端子１１は、例えばＣｕからなる。内部空間には封止樹脂１２が充填され、絶縁基板４、半導体素子９、および電極端子１１は封止樹脂１２により封止される。封止樹脂１２は、例えばエポキシ系樹脂である。

ケース７は接着剤６により放熱器５の側壁部５ｂに接着される。ここで、接着剤６の一部はケース７と側壁部５ｂの間から内部空間にはみ出す。接着剤６のはみ出した部分を突出部６ａと称する。突出部６ａのサイズは、接着剤６の塗布量によって異なる。突出部６ａの先端は一般的に鋭角であるため、この部分に充填された封止樹脂１２の断面形状も鋭角となる。電力半導体装置１００が動作し、内部温度が上昇すると、封止樹脂１２に熱応力が発生する。接着剤６の突出部６ａに接している封止樹脂１２の部分は、応力が高くなるため、この部分を起点として封止樹脂１２にクラックが生じてしまう。クラックが進展して絶縁基板４に到達すると、絶縁基板４と封止樹脂との間に空間が生じるため、絶縁耐量が低下し、絶縁不良が発生する。また、クラックが半導体素子９に達すると、半導体素子９と封止樹脂１２との間に空間が生じるため、半導体素子９の耐圧が確保できなくなる。

以下に示す各実施の形態の電力半導体装置は、封止樹脂１２にクラックが生じても絶縁不良を抑制するものである。

＜Ｂ．実施の形態１＞
＜Ｂ－１．構成＞
図３は、実施の形態１の電力半導体装置１０１の断面図である。電力半導体装置１０１は、前提技術の電力半導体装置１００の構成と比較すると、封止樹脂１２に代えて封止樹脂１２ａと封止樹脂１２ｂとを備える点が異なる。封止樹脂１２ａを第１封止樹脂、封止樹脂１２ｂを第２封止樹脂とも称する。

ケース７との接着面となる放熱器５の側壁部５ｂの上面は、半導体素子９の上面より高い位置にある。

封止樹脂１２ａは、ケース７と放熱器５とで囲まれた内部空間の一定の高さまで充填される。より具体的には、封止樹脂１２ａは、半導体素子９の上面より上、かつ放熱器５の側壁部５ｂの上面より下の高さまで充填される。従って、封止樹脂１２ａは、絶縁基板４および半導体素子９に接してこれらを覆うが、接着剤６の突出部６ａには接さない。

封止樹脂１２ｂは、封止樹脂１２ａと同一の材料で構成され、封止樹脂１２ａ上に充填される。封止樹脂１２ａ，１２ｂの境界面は、半導体素子９の上面より高く、かつ側壁部５ｂの上面より低い位置にある。

その他の点で、電力半導体装置１０１は電力半導体装置１００と同様である。

＜Ｂ－２．製造工程＞
電力半導体装置１０１の製造工程の一例を示す。まず、絶縁基板４を準備する。絶縁基板４は、絶縁基材１と、絶縁基材１の上面に接合された金属パターン２と、絶縁基材１の下面に接合された金属パターン３とを備えて構成される。次に、金属パターン３を放熱器５に接合材１４を用いて接合し、絶縁基板４と放熱器５を一体化する。その後、接合材８を用いて絶縁基板４の上面に半導体素子９を接合する。次に、接着剤６を用いて放熱器５の側壁部５ｂの上面にケース７を接着する。ケース７は、インサート成形法で形成されており、電極端子１１とは一体化した構成になっている。次に、半導体素子９の上方に位置する電極端子１１の一部（他端）を、接合材１０を用いて半導体素子９の上面に接合する。その後、ケース７と放熱器５で囲まれた内部空間に一定の高さまで封止樹脂１２ａを注入し、加熱して硬化させる。次に、封止樹脂１２ｂを注入し、昇温して硬化させる。

封止樹脂１２ａと封止樹脂１２ｂは異なるタイミングで硬化するため、同一材料ではあるが両者には境界面が存在する。そして、境界面における封止樹脂１２ａと封止樹脂１２ｂの密着力は、封止樹脂１２ａまたは封止樹脂１２ｂの内部の結合力に比べて弱い。

＜Ｂ－３．作用＞
接着剤６の突出部６ａが鋭角である場合、突出部６ａが封止樹脂１２ｂのクラックの起点となる。この起点を解消することは困難である。半導体素子９の動作に伴い、封止樹脂１２ａ，１２ｂの温度も上昇と下降を繰り返すため、突出部６ａを起点とする封止樹脂１２ｂの微小クラックは、封止樹脂１２ｂの内部に進展する。前提技術の電力半導体装置１００においては、図２の矢印２１，２２で示すように、クラックの先端が絶縁基板４または半導体素子９に到達することで絶縁基板４または半導体素子９の絶縁耐量が低下する。

これに対して電力半導体装置１０１では、封止樹脂１２ａと封止樹脂１２ｂの境界面が半導体素子９の上面より上、かつ側壁部５ｂの上面より下にある。そのため、封止樹脂１２ｂ内を進展するクラックは、半導体素子９または絶縁基板４に到達する前に封止樹脂１２ａとの境界面に到達する。そして、封止樹脂１２ａとの境界面には封止樹脂１２ａの内部に向かうクラックの起点がないため、クラックは図４の矢印２３で示すように境界面を進展する。従って、突出部６ａを起点として封止樹脂１２ｂに発生したクラックは、封止樹脂１２ａの内部を進展せず、半導体素子９または絶縁基板４に到達しない。これにより、絶縁耐量の低下が抑制される。

＜Ｂ－４．変形例＞
接合材１０が鉛フリーはんだの場合は、融点が例えば２３０℃以上２５０℃以下程度である。従って、半導体素子９が高温動作を行うＳｉＣ素子またはＧａＮ素子の場合、半導体素子９が接合材１０の融点に近い２００℃での動作を繰り返すことにより、接合材１０が劣化してしまう。

そこで、ＡｇまたはＣｕ等の焼結金属を接合材１０とすることが望ましい。これにより、半導体素子９と電極端子１１の接合段階では、はんだと同等程度の昇温で接合が得られると共に、焼結後の接合材１０の融点は、ほぼ適用された金属の融点と同等になる。そのため、半導体素子９が高温で動作した場合に、接合材１０自体の劣化を防止できる。

＜Ｂ－５．効果＞
実施の形態１の電力半導体装置１０１は、放熱器５と、放熱器５に接合された絶縁基板４と、絶縁基板４上に接合された半導体素子９と、放熱器５に接着剤６により接着され、絶縁基板４を囲むケース７と、放熱器５とケース７とで囲まれた内部空間に充填され、絶縁基板４と半導体素子９を封止する封止樹脂１２と、を備える。放熱器５は、絶縁基板４との接合面を有するベース部５ａと、ベース部５ａから突出し絶縁基板４を囲む側壁部５ｂと、を有する。ケース７は側壁部５ｂの上面に接着される。封止樹脂１２は、絶縁基板４および半導体素子９に接してこれらを覆う第１封止樹脂である封止樹脂１２ａと、封止樹脂１２ａの上に充填され、側壁部５ｂおよびケース７の接着部に接する第２封止樹脂である封止樹脂１２ｂとを有する。従って、突出部６ａを起点として封止樹脂１２ｂに発生したクラックは、封止樹脂１２ａとの境界面に達すると境界面に沿って進展し、半導体素子９または絶縁基板４に到達しない。これにより、電力半導体装置としての絶縁耐量の低下が抑制される。

電力半導体装置１０１において、側壁部５ｂの上面は半導体素子９の上面よりも上に位置し、第１封止樹脂である封止樹脂１２ａは、半導体素子９の上面より上、かつ側壁部５ｂの上面より下の高さまで充填される。従って、突出部６ａを起点として封止樹脂１２ｂに発生したクラックは、下方に進展して封止樹脂１２ａとの境界面に達すると、その後は境界面に沿って進展し、半導体素子９または絶縁基板４に到達しない。これにより、電力半導体装置としての絶縁耐量の低下が抑制される。

＜Ｃ．実施の形態２＞
＜Ｃ－１．構成＞
実施の形態２の電力半導体装置１０２の断面図は、図３および図４に示した実施の形態１の電力半導体装置１０１の断面図と同様である。電力半導体装置１０１では、封止樹脂１２ａと封止樹脂１２ｂが同じ材料で構成された。これに対して電力半導体装置１０２では、封止樹脂１２ａと封止樹脂１２ｂが異なる材料で構成される。この点以外で、電力半導体装置１０２の構成は電力半導体装置１０１と同様である。

実施の形態１では、突出部６ａを起点として封止樹脂１２ｂに生じるクラックへの対応を説明した。しかし、その他の箇所、例えば電極端子１１の端部１１ａまたは曲げ部１１ｂもクラックの起点となり得る。一般的に、電極端子１１は電気抵抗の小さな金属材料である銅板をプレス加工で所定の形状に変形することで作成される。プレス加工の特性上、電極端子１１の端部１１ａには必ずバリが発生するが、このバリがクラックの起点となり得る。また、銅板を曲げると、曲げた部分の端部に膨らみが生じるが、この膨らみがクラックの起点となり得る。

これらのクラックが封止樹脂１２ｂ内を進展して半導体素子９上の接合材１０に到達すると、接合材１０にクラックが生じ、半導体素子９自体へダメージが加わり、素子破壊が生じてしまう。そこで、封止樹脂１２ｂを封止樹脂１２ａと異なる材料で構成し、以下の特性を持たせることにより、電極端子１１の端部１１ａまたは曲げ部１１ｂを起点とするクラックの発生を抑制する。

１つ目の特性は、封止樹脂１２ｂの熱膨張係数に関する。封止樹脂１２ｂの熱膨張係数を、電極端子１１の熱膨張係数に近い、例えば９０％以上１１０％以下とする。

２つ目の特性は、封止樹脂１２ｂのヤング率に関する。封止樹脂１２ｂのヤング率を、封止樹脂１２ａのヤング率に比べて小さく、例えば封止樹脂１２ａのヤング率の５０％以上８０％以下とする。

上記の２つの特性、あるいはいずれかの特性を満たすように、封止樹脂１２ｂの材料を選択する。封止樹脂１２ａは、例えば前提技術の封止樹脂１２と同様、エポキシ系樹脂からなる。

封止樹脂１２ｂを上記のとおり選択することにより、半導体素子９が動作して封止樹脂１２および電極端子１１の温度が変動しても、電極端子１１の端部１１ａまたは曲げ部１１ｂを起点とした封止樹脂１２ｂにおけるクラックの発生が抑制される。従って、電力半導体装置１０２によれば、実施の形態１の効果に加え、電極端子１１の端部１１ａまたは曲げ部１１ｂを起点とする封止樹脂１２ｂのクラックが接合材１０に達して半導体素子９の素子破壊を招くことが抑制される。

＜Ｃ－２．効果＞
実施の形態２の電力半導体装置１０２は、半導体素子９の上面に接合された電極端子１１を備え、第１封止樹脂である封止樹脂１２ａと第２封止樹脂である封止樹脂１２ｂとは異なる材料からなる。封止樹脂１２ｂの熱膨張率は、電極端子１１の熱膨張率の９０％以上１１０％未満である。あるいは、封止樹脂１２ｂのヤング率は、封止樹脂１２ａのヤング率より小さい。従って、半導体素子９が動作して封止樹脂１２および電極端子１１の温度が変動しても、電極端子１１の端部１１ａまたは曲げ部１１ｂを起点とした封止樹脂１２ｂにおけるクラックの発生が抑制される。その結果、電力半導体装置１０２によれば、電極端子１１の端部１１ａまたは曲げ部１１ｂを起点とする封止樹脂１２ｂのクラックが接合材１０に達して半導体素子９の素子破壊を招くことが抑制される。

＜Ｄ．実施の形態３＞
＜Ｄ－１．構成＞
図５は、実施の形態３の電力半導体装置１０３の断面図である。電力半導体装置１０３は、前提技術の電力半導体装置１０１の構成に加えて、絶縁基板４および半導体素子９の表面にコーティング層１３を設けた構成である。

コーティング層１３は、絶縁基板４および半導体素子９に接し、絶縁基板４および半導体素子９をそれらの表面形状に沿って一定の厚みで覆う。コーティング層１３には、高い絶縁性と２５０℃程度の高耐熱性を有する樹脂が用いられる。その例として、ポリイミドまたはエポキシ系樹脂などが挙げられる。また、コーティング層１３の厚みは、半導体素子９の定格特性を保証できる程度に定められ、例えば５μｍ以上５０μｍ以下である。コーティング層１３を第１封止樹脂、封止樹脂１２を第２封止樹脂とも称する。

図５において、封止樹脂１２は放熱器５の側壁部５ｂとケース７との接着部に接しており、従って接着剤６の突出部６ａと接している。図５において、側壁部５ｂとケース７との接着面は、半導体素子９の上面より上に位置している。しかし、封止樹脂１２が側壁部５ｂとケース７との接着部に接している限り、側壁部５ｂとケース７との接着面は、半導体素子９の上面より下にあっても良い。

＜Ｄ－２．製造工程＞
電力半導体装置１０３の製造工程の一例を示す。まず、絶縁基板４を準備する。絶縁基板４は、絶縁基材１と、絶縁基材１の上面に接合された金属パターン２と、絶縁基材１の下面に接合された金属パターン３とを備えて構成される。次に、金属パターン３を放熱器５に接合材１４を用いて接合し、絶縁基板４と放熱器５を一体化する。その後、接合材８を用いて絶縁基板４の上面に半導体素子９を接合する。次に、放熱器５の側壁部５ｂに囲まれた内部空間、すなわち側壁部５ｂの内側面、絶縁基板４の外表面、および半導体素子９の外表面にコーティング層１３を形成する。

そして、接着剤６を用いて放熱器５の側壁部５ｂの上面にケース７を接着する。次に、電極端子１１の他端を、接合材１０を用いて半導体素子９の上面に接合する。その後、ケース７と放熱器５で囲まれた内部空間に封止樹脂１２を注入し、加熱して硬化させる。

＜Ｄ－３．作用＞
電力半導体装置１０３では、絶縁基板４および半導体素子９がコーティング層１３で覆われる。従って、接着剤６の突出部６ａ、電極端子１１の端部１１ａまたは曲げ部１１ｂ等を起点として封止樹脂１２内にクラックが発生しても、それらのクラックは、図６の矢印２４，２５で示すように、コーティング層１３との境界面を進展するため、絶縁基板４または半導体素子９に到達しない。

電力半導体装置１０３の電圧印加時には、絶縁基板４の端部と半導体素子９上面の端部に特に高電界が発生する。しかし、コーティング層１３がこれらの部分を覆うことにより、絶縁耐量または素子耐圧の劣化が抑制される。

半導体素子９が高温動作可能なワイドギャップ半導体素子であるＳｉＣ素子またはＧａＮ素子である場合には、封止樹脂１２にクラックが発生しやすいため、コーティング層１３を有する電力半導体装置１０３の構成が特に有効である。

＜Ｄ－４．効果＞
実施の形態３の電力半導体装置１０３は、絶縁基板４および半導体素子９をこれらの表面形状に沿って一定の厚みで覆うコーティング層１３を備え、コーティング層１３が絶縁基板４および半導体素子９に接してこれらを覆う第１封止樹脂である。従って、封止樹脂１２内で発生したクラックがコーティング層１３に遮断されて絶縁基板４または半導体素子９に到達しないため、絶縁耐量または素子耐圧の劣化が抑制される。

なお、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絶縁基材、２，３金属パターン、４絶縁基板、５放熱器、５ａベース部、５ｂ側壁部、６接着剤、６ａ突出部、７ケース、８接合材、９半導体素子、１０接合材、１１電極端子、１１ａ端部、１１ｂ曲げ部、１２，１２ａ，１２ｂ封止樹脂、１３コーティング層、２１－２５矢印、１００－１０３電力半導体装置。

Claims

放熱器と、
前記放熱器に接合された絶縁基板と、
前記絶縁基板上に接合された半導体素子と、
前記放熱器に接着剤により接着され、前記絶縁基板を囲むケースと、
前記放熱器と前記ケースとで囲まれた内部空間に充填され、前記絶縁基板と前記半導体素子を封止する封止樹脂と、
を備え、
前記放熱器は、
前記絶縁基板との接合面を有するベース部と、
前記ベース部から突出し前記絶縁基板を囲む側壁部と、を有し、
前記ケースは前記側壁部の上面に接着され、
前記封止樹脂は、前記絶縁基板および前記半導体素子に接して前記絶縁基板および前記半導体素子を覆う第１封止樹脂と、前記第１封止樹脂の上に充填され、前記側壁部および前記ケースの接着部に接する第２封止樹脂とを有し、
前記第１封止樹脂と前記第２封止樹脂は、同じ材料からなる、
電力半導体装置。
前記側壁部の上面は前記半導体素子の上面よりも上に位置し、
前記第１封止樹脂は、前記半導体素子の上面より上、かつ前記側壁部の上面より下の高さまで充填される、
請求項１に記載の電力半導体装置。