JP7329583B2 - 半導体装置および電力変換装置 - Google Patents

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Description

本願は、半導体装置および電力変換装置に関するものである。
パワー半導体モジュールにおいては、内部のインダクタンスが大きいとスイッチングを高速で行う際に過電圧が発生し、モジュールが破壊するおそれがあるため、パワー半導体素子のスイッチングを高速で行うことができずスイッチング損失が大きくなる。このため、高速スイッチングとスイッチング損失の低減を実現するために、パワー半導体モジュール内部のインダクタンスを低減する必要がある。
パワー半導体パワーモジュール内部のインダクタンスを低減するための構成として、電流が逆向きに流れる複数の配線部材または金属配線層を重ねて配置することが知られている。例えば特許文献１では、電流が逆向きに流れるＮ金属配線層とＰ金属配線層とを上下に重なるように配置することにより、この領域においてインダクタンスを相互に打ち消し合い、パワー半導体モジュールの内部のインダクタンスを低減させている。
特許第６７８６４１６号
しかしながら、特許文献１のように複数の配線部材または金属配線層を重ねて配置した半導体モジュールは、その製造時に、配線部材相互間の位置関係および金属配線層と配線部材との位置関係が上面視において不明瞭となり、それらの位置関係の確認が難しくなることがある。その場合、金属配線層と配線部材との接合工程または樹脂封止工程等において高精度な位置決め手法が必要となり、製造工程が煩雑化するという課題がある。
本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、内部のインダクタンスを低減することができ、製造工程の簡略化が可能な半導体装置およびこれを備えた電力変換装置を提供することを目的とする。
本願に開示される半導体装置は、相対する２つの主面と２つの主面を繋ぐ４つの端面とをそれぞれ有し、互いに並んで配置された平板状の第１の金属配線層および第２の金属配線層と、第１の金属配線層の一方の主面に接合された第１のパワー半導体素子と、第１の金属配線層の一方の主面と同じ側にある第２の金属配線層の一方の主面に接合された第２のパワー半導体素子と、第１の金属配線層、第２の金属配線層、第１のパワー半導体素子、および第２のパワー半導体素子のいずれか１つ以上に接合された配線部材と、第１の金属配線層と第２の金属配線層と第１のパワー半導体素子と第２のパワー半導体素子と配線部材の少なくとも一部とを封止する封止樹脂を備えている。配線部材は、一方の端部が第２の金属配線層の一方の主面に接合され他方の端部が第１のパワー半導体素子の表面電極に接合された第１のリードフレームと、一方の端部が第２のパワー半導体素子の表面電極に接合され他方の端部が封止樹脂から露出している第２のリードフレームとを含む。第１の金属配線層および第２の金属配線層は、それぞれの長手方向の端面が対向配置されており、第１の金属配線層の一方の主面に平行で且つ長手方向の端面に平行な方向を幅方向とするとき、第１のリードフレームおよび第２のリードフレームの各々は、幅方向の寸法が第１の金属配線層および第２の金属配線層それぞれの幅方向の寸法よりも大きい幅広領域を有している。第１の金属配線層の一方の主面に垂直な方向において、第１のリードフレームは第２のリードフレームと第１のパワー半導体素子との間に設けられ、第１のリードフレームおよび第２のリードフレームの各々は、第１の金属配線層および第２の金属配線層それぞれの端面の一部と重ならないように設けられている。
また、本願に開示される電力変換装置は、本願に開示される半導体装置を含み、入力された電力を変換して出力する主変換回路と、主変換回路を制御する制御信号を主変換回路に出力する制御回路とを備えたものである。
本願に開示される半導体装置によれば、第１の金属配線層の一方の主面に垂直な方向において、第１のリードフレームと第２のリードフレームとが重なって配置されることにより、内部のインダクタンスを低減することができる。また、第１の金属配線層の一方の主面に垂直な方向において、第１のリードフレームおよび第２のリードフレームの各々が、第１の金属配線層および第２の金属配線層それぞれの端面の一部と重ならないように設けられることにより、封止樹脂で封止する前の半導体装置の製造工程において、これらの端面を利用してリードフレーム同士および金属配線層とリードフレームとの位置決めを容易に行うことができ、製造工程の簡略化が可能である。
実施の形態１によるパワー半導体モジュールの概略構成を示す平面図である。 実施の形態１によるパワー半導体モジュールから第２のリードフレームを除いた状態を示す平面図である。 実施の形態１によるパワー半導体モジュールの概略構成を示す断面図である。 実施の形態１によるパワー半導体モジュールの第１のリードフレームを示す断面図である。 実施の形態２によるパワー半導体モジュールの概略構成を示す平面図である。 実施の形態２によるパワー半導体モジュールから第２のリードフレームを除いた状態を示す平面図である。 実施の形態２によるパワー半導体モジュールのリードフレームに設けられた開口部を示す部分拡大図である。 実施の形態３による電力変換装置を備えた電力変換システムの構成を説明する図である。
実施の形態１．
以下に、実施の形態１による半導体装置であるパワー半導体モジュールについて、図面に基づいて説明する。図１は、実施の形態１によるパワー半導体モジュールの概略構成を示す平面図、図２は、図１に示すパワー半導体モジュールから第２のリードフレームを除いた状態を示す平面図、および図３は、図１中Ａ－Ａで示す部分の断面図である。各図において、同一または相当部分には同一符号を付している。
図１から図３に示すように、実施の形態１によるパワー半導体モジュール１０１は、第１の金属配線層１および第２の金属配線層２（これらを総称して金属配線層という）、第１のパワー半導体素子３１および第２のパワー半導体素子３２（これらを総称してパワー半導体素子という）、配線部材である第１のリードフレーム４１、第２のリードフレーム４２、第３のリードフレーム４３、および第４のリードフレーム４４（これらを総称してリードフレームという）、接合材５、および封止樹脂６を備えている。
なお、以下の説明では、図３の紙面における上側を「上」と呼び、図３に示すパワー半導体モジュール１０１の上側の面を上面１０１ａと呼ぶ。ただし、ここでいう上面１０１ａとは、使用時に上側に配置される面という意味ではなく、重力の向きとは関係がない。図１および図２は、図３に示すパワー半導体モジュール１０１を上面１０１ａの側から見た（すなわち上面視の）平面図であり、封止樹脂６を透視したときの内部構成を示し、図中、点線で示す外枠は封止樹脂６を示している。
第１の金属配線層１および第２の金属配線層２は、パワー半導体モジュール１０１全体の土台となる平板状の部材であり、図２に示すように上面視において矩形である。第１の金属配線層１および第２の金属配線層２は、相対する２つの主面と２つの主面を繋ぐ４つの端面とをそれぞれ有し、互いに並んで配置されている。
第１の金属配線層１は、４つの端面として、対向する第１端面１ａと第３端面１ｃ、および対向する第２端面１ｂと第４端面１ｄを有し、第１端面１ａと第３端面１ｃは長手方向の端面である。また、対向する第１端面１ａと第３端面１ｃ、および第２端面１ｂと第４端面１ｄは互いに平行である。
同様に、第２の金属配線層２は、４つの端面として、対向する第５端面２ａと第７端面２ｃ、および対向する第６端面２ｂと第８端面２ｄを有し、第５端面２ａと第７端面２ｃは長手方向の端面である。また、対向する第５端面２ａと第７端面２ｃ、および第６端面２ｂと第８端面２ｄは互いに平行である。
また、第１の金属配線層１の主面１ｅと第２の金属配線層２の主面２ｅとは互いに平行であり、法線方向が等しい。従って、以下の説明で多用する「第１の金属配線層１の一方の主面１ｅに垂直な方向」は、「第２の金属配線層２の一方の主面２ｅに垂直な方向」と同じであり、いずれも「金属配線層の主面の法線方向」を意味している。
図３に示すように、第１の金属配線層１の一方の主面１ｅに垂直な方向を高さ方向とするとき、第１の金属配線層１と第２の金属配線層２は高さ方向の寸法が等しく、それぞれの主面１ｅと主面２ｅは同一平面内にある。ただし、金属配線層の形状はこれらに限定されるものではなく、上面視において完全な長方形でなくてもよく、第１の金属配線層１と第２の金属配線層２の高さ方向の寸法は必ずしも同じでなくてもよい。
金属配線層の材料には、電気的特性および機械的特性に優れた金属が用いられる。例えばアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）および金（Ａｕ）のいずれかあるいは２種以上を含む合金、あるいは炭化珪素とアルミニウムとを含む複合材（Ａｌ-ＳｉＣ）等が好適である。ただし、第１の金属配線層１および第２の金属配線層２の材料はこれらに限定されるものではない。
第１のパワー半導体素子３１は、第１の金属配線層１の一方の主面１ｅに接合されている。また、第２のパワー半導体素子３２は、第１の金属配線層１の一方の主面１ｅと同じ側（すなわち上側）にある第２の金属配線層２の一方の主面２ｅに接合されている。パワー半導体素子には、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＦＷＤ（Ｆｒｅｅ Ｗｈｅｅｌ Ｄｉｏｄｅ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅａｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等が用いられる。
図２に示すように、パワー半導体素子は上面視において矩形であり、第１の金属配線層１には第１のパワー半導体素子３１として４つのパワー半導体素子が互いに間隔をあけて一列に配置されている。同様に、第２の金属配線層２には第２のパワー半導体素子３２として４つのパワー半導体素子が配置されている。ただし、パワー半導体素子の種類、個数および配置はこれらに限定されるものではない。また、パワー半導体素子上には制御配線電極および制御配線が配置されるが、ここでは図示および説明を省略する。
また、パワー半導体モジュール１０１は、第１の金属配線層１、第２の金属配線層２、第１のパワー半導体素子３１、および第２のパワー半導体素子３２のいずれか１つ以上に接合された配線部材を備えている。配線部材は、第１のリードフレーム４１、第２のリードフレーム４２、第３のリードフレーム４３、および第４のリードフレーム４４を含む。
第１のリードフレーム４１は、一方の端部が第２の金属配線層２の一方の主面２ｅに接合され、他方の端部が第１のパワー半導体素子３１の表面電極に接合されている。第２のリードフレーム４２は、一方の端部が第２のパワー半導体素子３２の表面電極に接合され、他方の端部が封止樹脂６から露出している。第３のリードフレーム４３は、一方の端部が第１の金属配線層１の主面１ｅに接合され、他方の端部が封止樹脂６から露出している。第４のリードフレーム４４は、一方の端部が第２の金属配線層２の主面２ｅに接合され、他方の端部が封止樹脂６から露出している。
リードフレームの材料には電気伝導性が高い金属が用いられ、例えば銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、またはこれらの少なくとも一方を含む合金等が好適である。ただし、リードフレームの材料はこれらに限定されるものではない。
接合材５は、金属配線層とパワー半導体素子またはリードフレームとの接合部、およびパワー半導体素子とリードフレームとの接合部に配置される。接合材５には、例えば鉛（Ｐｂ）およびスズ（Ｓｎ）を含有する高温用はんだ、銀（Ａｇ）ナノ粒子ペースト、または銀粒子およびエポキシ樹脂を含む導電性接着材等が用いられる。
封止樹脂６は、第１の金属配線層１と第２の金属配線層２と第１のパワー半導体素子３１と第２のパワー半導体素子３２と配線部材の少なくとも一部とを封止する。封止樹脂６の材料には、例えばエポキシ樹脂、ウレタン樹脂、シリコン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、アクリル樹脂、ゴム材等が用いられる。また、封止樹脂６は、複数の樹脂材料、例えばゲル状のシリコン樹脂とエポキシ樹脂とを重ねることにより構成されてもよい。なお、接合材５および封止樹脂６の種類はこれらに限定されるものではない。
次に、パワー半導体モジュール１０１の各構成要素が有する電位について、図３を用いて説明する。図３において、等しい電位を有する部分は同じ種類のハッチングで示している。第１の金属配線層１は第２の金属配線層２とは異なる電位を有しており、例えば第１の金属配線層１はＰ側電位、第２の金属配線層２はＡＣ側電位を有している。
リードフレームは、接合された金属配線層またはパワー半導体素子と等しい電位を有する。すなわち、第１の金属配線層１に接合された第３のリードフレーム４３はＰ側電位を有し、第２の金属配線層２に接合された第１のリードフレーム４１および第４のリードフレーム４４はＡＣ側電位を有する。また、第２のパワー半導体素子３２に接合された第２のリードフレーム４２はＮ側電位を有している。
図３に示すように、第１の金属配線層１の一方の主面１ｅに垂直な方向において、第１のリードフレーム４１は、第２のリードフレーム４２と第１のパワー半導体素子３１との間に設けられている。このように、電流が逆向きに流れる第１のリードフレーム４１と第２のリードフレーム４２とが重なって配置されることにより、インダクタンスを相互に打ち消し合うため、パワー半導体モジュール１０１の内部のインダクタンスが低減する。さらに、第１のリードフレーム４１と第２のリードフレーム４２は、第１の金属配線層１の一方の主面１ｅに垂直な方向において、互いに平行に重なる部分を有する。なお、ここでいう平行とは略平行であってもよい。
また、第１の金属配線層１の一方の主面１ｅに垂直な方向において、第１のリードフレーム４１および第２のリードフレーム４２の各々は、第１の金属配線層１および第２の金属配線層２それぞれの端面の一部と重ならないように設けられている。言い換えると、第１の金属配線層１および第２の金属配線層２の各々は、第１のリードフレーム４１および第２のリードフレーム４２と重なっていない端面部分を有している。これにより、封止樹脂６で封止する前の製造工程において、上面視で第１の金属配線層１および第２の金属配線層２それぞれの端面の一部が見えている状態となる。
さらに詳しくは、第１の金属配線層１の一方の主面１ｅに垂直な方向において、第１のリードフレーム４１および第２のリードフレーム４２の各々は、第１の金属配線層１の第１端面１ａと第３端面１ｃの少なくとも一方の一部、第２端面１ｂと第４端面１ｄの少なくとも一方の一部、第２の金属配線層２の第５端面２ａと第７端面２ｃの少なくとも一方の一部、および第６端面２ｂと第８端面２ｄの少なくとも一方の一部と重ならないように設けられることが望ましい。
すなわち、第１の金属配線層１の一方の主面１ｅに垂直な方向において、第１のリードフレーム４１および第２のリードフレーム４２の各々は、第１の金属配線層１および第２の金属配線層２それぞれの長手方向の端面の一部および短手方向の端面の一部と重ならないように設けられていればよい。また、金属配線層１の角部には、長手方向の端面と短手方向の端面とが含まれている。従って、第１のリードフレーム４１および第２のリードフレーム４２の各々は、第１の金属配線層１および第２の金属配線層２の各々の少なくとも１つの角部と重ならないように設けられていればよい。
これにより、封止樹脂６で封止する前の製造工程において、上面視で第１の金属配線層１および第２の金属配線層２それぞれの少なくとも１つの角部が見えている状態となる。図１に示す例では、第１の金属配線層１の２つの角部１ｆ、１ｇと、第２の金属配線層２の４つの角部２ｆ、２ｇ、２ｈ、２ｉとが見えている。
第１の金属配線層１および第２の金属配線層２は、それぞれの長手方向の端面である第３端面１ｃと第５端面２ａとが対向配置されている。第１の金属配線層１の一方の主面１ｅに平行で且つ長手方向の端面に平行な方向を幅方向とするとき、第１のリードフレーム４１および第２のリードフレーム４２の各々は、幅方向の寸法が第１の金属配線層１および第２の金属配線層２それぞれの幅方向の寸法よりも大きい幅広領域４１ａ、４２ａを有する。
パワー半導体モジュール１０１は大電流を扱うため、リードフレームの幅方向の寸法は大きい方が望ましく、第１のリードフレーム４１および第２のリードフレーム４２には、金属配線層よりも幅方向の寸法が大きい板状のものが好適である。また、第１のリードフレーム４１および第２のリードフレーム４２の各々が幅広領域４１ａ、４２ａを有することにより、それらを重ねて配置することによるインダクタンス低減効果も大きくなる。
また、第１のリードフレーム４１および第２のリードフレーム４２の各々は、幅方向の寸法が第１の金属配線層１および第２の金属配線層２それぞれの幅方向の寸法よりも小さい幅狭領域４１ｂ、４２ｂを有する。図１および図２に示す例では、紙面の左右方向が幅方向であり、第１の金属配線層１および第２の金属配線層２は、幅方向の寸法が等しい（これをＷ０とする）。
図２に示すように、第１のリードフレーム４１は、幅方向の寸法が異なる幅広領域４１ａと幅狭領域４１ｂとを有している。幅広領域４１ａの幅方向の寸法Ｗ１は、金属配線層の幅方向の寸法Ｗ０よりも大きく、幅狭領域４１ｂの幅方向の寸法Ｗ２は金属配線層の幅方向の寸法Ｗ０よりも小さい（Ｗ２＜Ｗ０＜Ｗ１）。
また、図１に示すように、第２のリードフレーム４２は、幅方向の寸法が異なる幅広領域４２ａと幅狭領域４２ｂとを有している。幅広領域４２ａの幅方向の寸法Ｗ３は、金属配線層の幅方向の寸法Ｗ０よりも大きく、幅狭領域４２ｂの幅方向の寸法Ｗ４は金属配線層の幅方向の寸法Ｗ０よりも小さい（Ｗ４＜Ｗ０＜Ｗ３）。第１のリードフレーム４１および第２のリードフレーム４２各々の幅狭領域４１ｂ、４２ｂの幅方向の寸法は、金属配線層の幅方向の寸法Ｗ０よりも１ｍｍ以上５ｍｍ未満小さいことが望ましい。ただし、これらの寸法は限定されるものではなく適宜変更可能である。
図１に示す例では、第１のリードフレーム４１および第２のリードフレーム４２各々が幅狭領域４１ｂ、４２ｂを有することにより、封止樹脂６で封止する前の製造工程において、上面視で第１の金属配線層１の２つの角部１ｆ、１ｇと第２の金属配線層２の２つの角部２ｆ、２ｇが見えている状態となる。
このように、第１の金属配線層１の一方の主面１ｅに垂直な方向において、第１のリードフレーム４１および第２のリードフレーム４２の各々が、金属配線層の端面の一部と重ならないように設けられることにより、封止樹脂６で封止する前の製造工程において、上面視で金属配線層の端面の一部が見えている状態となる。このため、これらの端面を金属配線層の位置確認あるいは金属配線層とリードフレームとの位置確認等に利用することができる。さらに、上面視で金属配線層の長手方向の端面と短手方向の端面とが見えていることにより、金属配線層の幅方向の位置と、幅方向に垂直な奥行き方向の位置とを確認可能である。
従って、パワー半導体モジュール１０１の製造工程において、これらの端面を利用して、リードフレーム同士および金属配線層とリードフレームとの位置決めを行うことができる。具体的には、金属配線層とリードフレームとの接合工程において、金属配線層とリードフレームとの間の位置決めを容易に行うことができる。また、金属配線層とリードフレームが一体となった後の樹脂封止工程において、金属配線層を上側からピンで押圧する際に、金属配線層とピンとの位置決めを容易に行うことができる。
また、従来のパワー半導体モジュールのリードフレームは、金属配線層またはパワー半導体素子と接合される箇所として、リードフレームの端部から遠ざかるように延伸し曲げ加工が施された接続部を有していた。このため、金属配線層の主面１ｅに平行な方向の平面積が増加し、パワー半導体モジュールが大型化するという課題があった。
上記のような課題を解決するため、実施の形態１によるパワー半導体モジュール１０１は、第１のリードフレーム４１および第２のリードフレーム４２各々の端部に、接合対象の面に向かって垂直方向に突出する突出部７を有しており、突出部７において接合対象と接合される。突出部７は、リードフレームの端部の金属配線層またはパワー半導体素子と接合される側の面に、少なくとも１つ以上、望ましくは３つ以上形成される。
第１のリードフレーム４１は、図２に示すように、第２の金属配線層２との接合部としての２つの突出部７と、第１のパワー半導体素子３１との接合部としての４つの突出部７を有している。第２のリードフレーム４２は、図１に示すように、第２のパワー半導体素子３２との接合部としての４つの突出部７を有している。
突出部７の形成方法としては、プレス加工等によりリードフレーム厚を変えずにボス部を形成する方法、あるいはリードフレームを部分的に厚く形成する方法等がある。いずれの場合も、突出部７はリードフレームと同時に形成され、リードフレームと一体形成されている。第１のリードフレーム４１および第２のリードフレーム４２は、突出部７が接合材５と密着することで金属配線層またはパワー半導体素子と接合される。
図４は、第１のリードフレームを示す断面図である。第１の金属配線層１の一方の主面１ｅに垂直な方向を高さ方向とするとき、図中、Ｈ１はリードフレームの高さ方向の寸法、Ｈ２は突出部７の高さ方向の寸法、Ｈ３は突出部７相互間の高さの差をそれぞれ示している。リードフレームの高さ方向の寸法Ｈ１は、例えば０．５ｍｍから１．０ｍｍ程度である。突出部７の高さ方向の寸法Ｈ２は、リードフレームの高さ方向の寸法Ｈ１の０．３倍から０．５倍程度であることが望ましい。
また、第１のパワー半導体素子３１の表面は、接合材５および第１のパワー半導体素子３１本体の分だけ第２の金属配線層２の主面２ｅよりも高くなっている。このため、第１のリードフレーム４１の突出部７は、第１のパワー半導体素子３１に接合される箇所と第２の金属配線層２に接合される箇所とで高さを変える必要がある。第１のリードフレーム４１（または第２のリードフレーム４２）に形成された突出部７相互間の高さの差Ｈ３は、４５０μｍから７５０μｍであることが望ましい。これにより、第１のリードフレーム４１を第１のパワー半導体素子３１および第２の金属配線層２に接合しやすくなる。
以上のように、実施の形態１によるパワー半導体モジュール１０１によれば、第１の金属配線層１の一方の主面１ｅに垂直な方向において、電流が逆向きに流れる第１のリードフレーム４１と第２のリードフレーム４２とが重なって配置されることにより、内部のインダクタンスを低減することが可能である。第１のリードフレーム４１と第２のリードフレーム４２が互いに平行に重なる部分を有することにより、インダクタンス低減の効果がさらに大きくなる。
また、第１の金属配線層１の一方の主面１ｅに垂直な方向において、第１のリードフレーム４１および第２のリードフレーム４２の各々が、第１の金属配線層１および第２の金属配線層２それぞれの端面の一部と重ならないように設けられることにより、封止樹脂６で封止する前のパワー半導体モジュール１０１の製造工程において、上面視で金属配線層の位置、リードフレーム相互間の位置関係、および金属配線層とリードフレームとの位置関係が確認可能である。
また、第１のリードフレーム４１および第２のリードフレーム４２の各々が、第１の金属配線層１および第２の金属配線層２それぞれの長手方向の端面の一部および短手方向の端面の一部と重ならないように設けられることにより、第１の金属配線層１および第２の金属配線層２各々の幅方向の位置と奥行き方向の位置とを上面視で確認可能である。従って、パワー半導体モジュール１０１の製造工程において、これらの端面を利用して、リードフレーム同士および金属配線層とリードフレームとの位置決めを容易に行うことができ、製造工程の簡略化が可能である。
さらに、第１のリードフレーム４１および第２のリードフレーム４２の各々が、接合対象の面に向かって垂直方向に突出する突出部７を有しているため、リードフレーム端部から遠ざかるように延伸し曲げ可能が施された従来の接続部を有する場合よりも、金属配線層の主面１ｅに平行な方向の平面積の増加を抑制することができ、パワー半導体モジュール１０１の小型化が図られる。また、突出部７はリードフレームの形成と同時に形成されるため、製造工程の煩雑化および製造コストの上昇を招かない。
実施の形態２．
図５は、実施の形態２によるパワー半導体モジュールの概略構成を示す平面図、図６は、図５に示すパワー半導体モジュールから第２のリードフレームを除いた状態を示す平面図である。なお、実施の形態２によるパワー半導体モジュール１０２の断面図は、上記実施の形態１によるパワー半導体モジュール１０１と同様であるため図３を流用する。図５および図６は、パワー半導体モジュール１０２を上面１０１ａ（図３参照）の側から見た（すなわち上面視の）平面図であり、封止樹脂６を透視したときの内部構成を示し、図中、点線で示す外枠は封止樹脂６を示している。
上記実施の形態１では、第１のリードフレーム４１および第２のリードフレーム４２の各々が幅狭領域４１ｂ、４２ｂを有することにより、上面視で第１の金属配線層１の２つの角部１ｆ、１ｇと第２の金属配線層２の２つの角部２ｆ、２ｇが見えている状態となっている（図１参照）。これにより、封止樹脂６で封止する前の製造工程において、上面視で金属配線層の位置、リードフレーム相互間の位置関係、および金属配線層とリードフレームとの位置関係等が確認可能である（図１参照）。
一方、実施の形態２によるパワー半導体モジュール１０２は、第１のリードフレーム４１Ａおよび第２のリードフレーム４２Ａの各々に、貫通穴である開口部を設けることにより、幅狭領域４１ｂ、４２ｂを設けた場合と同様の効果を奏するようにしたものである。なお、実施の形態２によるパワー半導体モジュール１０２のその他の構成は、上記実施の形態１によるパワー半導体モジュール１０１と同様であるため、ここでは説明を省略する。
図５および図６に示すように、第１の金属配線層１および第２の金属配線層２は、それぞれの長手方向の端面である第３端面１ｃと第５端面２ａとが対向配置されている。第１の金属配線層１の一方の主面１ｅに平行で且つ長手方向の端面に平行な方向を幅方向とするとき、第１のリードフレーム４１Ａおよび第２のリードフレーム４２Ａの各々は、幅方向の寸法が第１の金属配線層１および第２の金属配線層２それぞれの幅方向の寸法よりも大きい幅広領域を有する。幅広領域の幅方向の寸法Ｗ１、Ｗ３は、第１の金属配線層１および第２の金属配線層２それぞれの幅方向の寸法Ｗ０よりも大きい（Ｗ０＜Ｗ１、Ｗ０＜Ｗ３）。
第１のリードフレーム４１Ａおよび第２のリードフレーム４２Ａの各々は、第１の金属配線層１の一方の主面１ｅに垂直な方向において、第１の金属配線層１および第２の金属配線層２それぞれの端面の一部と重なるように設けられた開口部を有する。第１のリードフレーム４１Ａは、図６に示すように、４つの開口部８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄを有している。４つの開口部８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄはそれぞれ、第１の金属配線層１の角部１ｆ、１ｇ、および第２の金属配線層２の角部２ｆ、２ｇと重なっている。
また、第２のリードフレーム４２Ａは、図５に示すように、４つの開口部９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄを有している。４つの開口部９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄはそれぞれ、第１のリードフレーム４１Ａの４つの開口部８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄと重なるとともに、第１の金属配線層１の角部１ｆ、１ｇ、および第２の金属配線層２の角部２ｆ、２ｇと重なっている。
すなわち、第１のリードフレーム４１Ａおよび第２のリードフレーム４２Ａ各々の開口部は、第１の金属配線層１の一方の主面１ｅに垂直な方向において、第１の金属配線層１の少なくとも１つの角部および第２の金属配線層２の少なくとも１つの角部と重なる位置にそれぞれ設けられている。
図７は、実施の形態２によるパワー半導体モジュールのリードフレームに設けられた開口部を示す部分拡大図である。図７に示すように、第２のリードフレーム４２Ａの開口部９ａ（および図示しない第１のリードフレーム４１Ａの開口部８ａ）は、第１の金属配線層１の角部１ｆと重なる位置に設けられている。第１の金属配線層１の角部１ｆには、長手方向の第３端面１ｃと短手方向の第４端面１ｄとが含まれている。
また、第２のリードフレーム４２Ａの開口部９ｄ（および図示しない第１のリードフレーム４１Ａの開口部８ｄ）は、第２の金属配線層２の角部２ｆと重なる位置に設けられている。第２の金属配線層２の角部２ｆには、長手方向の第５端面２ａと短手方向の第８端面２ｄとが含まれている。従って、第１のリードフレーム４１Ａおよび第２のリードフレーム４２Ａの各々は、第１の金属配線層１の一方の主面１ｅに垂直な方向において、第１の金属配線層１および第２の金属配線層２それぞれの長手方向の端面の一部および短手方向の端面の一部と重ならないように設けられている。
これらのことから、実施の形態２によるパワー半導体モジュール１０２は、封止樹脂６で封止する前の製造工程において、上面視で、第１のリードフレーム４１Ａおよび第２のリードフレーム４２Ａ各々に設けられた開口部を介して、第１の金属配線層１および第２の金属配線層２各々の幅方向の位置と奥行き方向の位置とを確認可能である。
なお、図５および図６に示す例では、第１のリードフレーム４１Ａおよび第２のリードフレーム４２Ａの各々に上面視において円形の開口部を４つずつ設けたが、開口部の形状および数はこれらに限定されるものではなく、例えば楕円形または矩形であってもよい。
実施の形態２によるパワー半導体モジュール１０２によれば、上記実施の形態１によるパワー半導体モジュール１０１と同様の効果を奏することができる。また、リードフレームに幅狭領域を設ける代わりに開口部を設けたので、上記実施の形態１によるパワー半導体モジュール１０１よりもリードフレームの幅広領域の面積を大きくとることが可能である。
実施の形態３．
図８は、実施の形態３による電力変換装置を備えた電力変換システムの構成を説明する図である。実施の形態３では、上記実施の形態１、２によるパワー半導体モジュール１０１、１０２を三相のインバータに適用した電力変換装置について説明する。
電力変換システムは、電源２００、電力変換装置３００、および負荷４００を含む。電源２００は、電力変換装置３００に直流電力を供給する直流電源である。電源２００は、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。また、電源２００は、交流系統に接続された整流回路あるいはＡＣ／ＤＣコンバータ、あるいは直流系統に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータによって構成されていてもよい。
電力変換装置３００は、電源２００と負荷４００の間に接続された三相のインバータであり、電源２００から供給された直流電力を交流電力に変換して負荷４００に供給する。電力変換装置３００は、直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路３０１と、主変換回路３０１に制御信号を出力する制御回路３０３とを備えている。
負荷４００は、電力変換装置３００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４００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、電気自動車、鉄道車両、エレベーター、および空調機器等の電動機として用いられる。
主変換回路３０１は、スイッチング素子と還流ダイオードを備え、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２００から供給される直流電力を交流電力に変換する。主変換回路３０１の回路構成は種々あるが、本実施の形態３では、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される２レベルの三相フルブリッジ回路について説明する。
主変換回路３０１のパワー半導体モジュール３０２には、上記実施の形態１、２によるパワー半導体モジュール１０１、１０２のいずれかが用いられ、主変換回路３０１の各スイッチング素子および各還流ダイオードのいずれかを構成する。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。各上下アームの出力端子、すなわち主変換回路３０１の３つの出力端子は、負荷４００に接続される。さらに、主変換回路３０１は、各スイッチング素子および各還流ダイオードを駆動する駆動回路（図示省略）を備えている。
制御回路３０３は、負荷４００に所望の電力が供給されるよう主変換回路３０１のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷４００に供給すべき電力に基づいて主変換回路３０１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）を算出し、駆動回路に制御信号を出力する。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３０１を制御することができる。駆動回路は、この制御信号に基づいて、各スイッチング素子の制御電極に駆動信号としてオン信号またはオフ信号を出力する。
実施の形態３に係る電力変換装置３００は、主変換回路３０１のスイッチング素子と還流ダイオードとして、上記実施の形態１、２によるパワー半導体モジュール１０１、１０２を適用することにより小型化が可能となり、振動および熱疲労に起因する断線等を抑制することができる。
実施の形態３では、上記実施の形態１、２によるパワー半導体モジュール１０１、１０２を２レベルの三相インバータに適用する例について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば３レベルあるいはマルチレベルの電力変換装置、あるいは単相のインバータに適用してもよい。直流負荷に電力を供給する場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータあるいはＡＣ／ＤＣコンバータに適用することも可能である。
電力変換装置３００は、負荷４００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、レーザー加工機、誘導加熱調理器、および非接触器給電システム等の電源装置として用いることができ、さらに、太陽光発電システムおよび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。
本開示は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
本願は、半導体装置、特にパワー半導体素子を備えたパワー半導体モジュールと、パワー半導体モジュールを備えた電力変換装置として利用することができる。
１ 第１の金属配線層、１ａ 第１端面、１ｂ 第２端面、１ｃ 第３端面、１ｄ 第４端面、１ｅ 主面、１ｆ、１ｇ 角部、２ 第２の金属配線層、２ａ 第５端面、２ｂ 第６端面、２ｃ 第７端面、２ｄ 第８端面、２ｅ 主面、２ｆ、２ｇ、２ｈ、２ｉ 角部、５ 接合材、６ 封止樹脂、７ 突出部、８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ 開口部、３１ 第１のパワー半導体素子、３２ 第２のパワー半導体素子、４１、４１Ａ 第１のリードフレーム、４１ａ、４２ａ 幅広領域、４１ｂ、４２ｂ 幅狭領域、４２、４２Ａ 第２のリードフレーム、４３ 第３のリードフレーム、４４ 第４のリードフレーム、１０１、１０２、３０２ パワー半導体モジュール、１０１ａ 上面、２００ 電源、３００ 電力変換装置、３０１ 主変換回路、３０３ 制御回路、４００ 負荷

Claims (12)

  1. 相対する２つの主面と前記２つの主面を繋ぐ４つの端面とをそれぞれ有し、互いに並んで配置された平板状の第１の金属配線層および第２の金属配線層、
    前記第１の金属配線層の一方の主面に接合された第１のパワー半導体素子、
    前記第１の金属配線層の前記一方の主面と同じ側にある前記第２の金属配線層の一方の主面に接合された第２のパワー半導体素子、
    前記第１の金属配線層、前記第２の金属配線層、前記第１のパワー半導体素子、および前記第２のパワー半導体素子のいずれか１つ以上に接合された配線部材、
    前記第１の金属配線層と前記第２の金属配線層と前記第１のパワー半導体素子と前記第２のパワー半導体素子と前記配線部材の少なくとも一部とを封止する封止樹脂を備え、
    前記配線部材は、一方の端部が前記第２の金属配線層の前記一方の主面に接合され他方の端部が前記第１のパワー半導体素子の表面電極に接合された第１のリードフレームと、一方の端部が前記第２のパワー半導体素子の表面電極に接合され他方の端部が前記封止樹脂から露出している第２のリードフレームと、を含み、
    前記第１の金属配線層および前記第２の金属配線層は、それぞれの長手方向の端面が対向配置されており、前記第１の金属配線層の前記一方の主面に平行で且つ前記長手方向の端面に平行な方向を幅方向とするとき、前記第１のリードフレームおよび前記第２のリードフレームの各々は、前記幅方向の寸法が前記第１の金属配線層および前記第２の金属配線層それぞれの前記幅方向の寸法よりも大きい幅広領域を有し、
    前記第１の金属配線層の前記一方の主面に垂直な方向において、前記第１のリードフレームは前記第２のリードフレームと前記第１のパワー半導体素子との間に設けられ、前記第１のリードフレームおよび前記第２のリードフレームの各々は、前記第１の金属配線層および前記第２の金属配線層それぞれの前記端面の一部と重ならないように設けられたことを特徴とする半導体装置。
  2. 前記第１のリードフレームおよび前記第２のリードフレームの各々は、前記幅方向の寸法が前記第１の金属配線層および前記第２の金属配線層それぞれの前記幅方向の寸法よりも小さい幅狭領域を有することを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  3. 前記幅狭領域の前記幅方向の寸法は、前記第１の金属配線層および前記第２の金属配線層それぞれの前記幅方向の寸法よりも１ｍｍ以上５ｍｍ未満小さいことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
  4. 前記第１のリードフレームおよび前記第２のリードフレームの各々は、前記第１の金属配線層の前記一方の主面に垂直な方向において前記第１の金属配線層および前記第２の金属配線層それぞれの前記端面の一部と重なる位置に設けられた開口部を有することを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  5. 前記開口部は、前記第１の金属配線層の前記一方の主面に垂直な方向において、前記第１の金属配線層の少なくとも１つの角部および前記第２の金属配線層の少なくとも１つの角部と重なる位置にそれぞれ設けられたことを特徴とする請求項４記載の半導体装置。
  6. 前記第１の金属配線層は、前記４つの端面として、対向する第１端面と第３端面、および対向する第２端面と第４端面を有し、
    前記第１の金属配線層の前記一方の主面に垂直な方向において、前記第１のリードフレームおよび前記第２のリードフレームの各々は、前記第１端面と前記第３端面の少なくとも一方の一部、および前記第２端面と前記第４端面の少なくとも一方の一部と重ならないように設けられたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の半導体装置。
  7. 前記第２の金属配線層は、前記４つの端面として、対向する第５端面と第７端面、および対向する第６端面と第８端面を有し、
    前記第１の金属配線層の前記一方の主面に垂直な方向において、前記第１のリードフレームおよび前記第２のリードフレームの各々は、前記第５端面と前記第７端面の少なくとも一方の一部、および前記第６端面と前記第８端面の少なくとも一方の一部と重ならないように設けられたことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の半導体装置。
  8. 前記第１のリードフレームと前記第２のリードフレームは、前記第１の金属配線層の前記一方の主面に垂直な方向において、互いに平行に重なる部分を有することを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の半導体装置。
  9. 前記第１のリードフレームおよび前記第２のリードフレームの各々は、前記端部に、接合対象の面に向かって垂直方向に突出する突出部を有し、前記突出部において前記接合対象と接合されることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の半導体装置。
  10. 前記第１の金属配線層の前記一方の主面に垂直な方向を高さ方向とするとき、前記突出部の前記高さ方向の寸法は、前記第１のリードフレームまたは前記第２のリードフレームの前記高さ方向の寸法の０．３倍から０．５倍であることを特徴とする請求項９記載の半導体装置。
  11. 前記突出部は、前記第１のリードフレームおよび前記第２のリードフレームの各々に３個以上形成されており、前記第１の金属配線層の前記一方の主面に垂直な方向を高さ方向とするとき、前記第１のリードフレームまたは前記第２のリードフレームに形成された前記突出部相互間の前記高さ方向の差は、４５０μｍから７５０μｍであることを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の半導体装置。
  12. 請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載の半導体装置を含み、入力された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、を備えたことを特徴とする電力変換装置。
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