WO2014038066A1 - パワー半導体装置 - Google Patents

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power semiconductor
capacitor
semiconductor device
stress relaxation
lead frame
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達也 深瀬
中島　泰
藤田　暢彦
政紀 加藤
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三菱電機株式会社
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Abstract

　本発明のパワー半導体装置（５０）によれば、配線パターン状に成型された複数のリードフレーム（１）と、リードフレーム（１）上に接合されたパワー半導体素子（２）と、互いに隣接した２つのリードフレーム（１）の間に配置されたコンデンサ（１００）とを備え、モールド樹脂（５）で封止される。コンデンサ（１００）は、当該コンデンサ（１００）の外部電極（１０１）が、当該コンデンサ（１００）よりも剛性が低い応力緩和構造部（３９）を介してリードフレーム（１）に接続されたことを特徴とする。

Description

パワー半導体装置
　本発明は、コンデンサを内部に備えるトランスファーモールド型のパワー半導体装置に関し、特に、車載機器に搭載されるパワー半導体装置に関するものである。
　現在、地球温暖化を背景とした輸送機器への燃費改善要求が高まっている。特に自動車に搭載される車載電装品では、さらなる小型及び軽量化が急務となっている。また、車載電装品でも、オルタネータなどの車両用回転電機では、発電効率や電力変換効率の向上に向けた取組みが盛んに行われている。その一つとして、整流器などの電力変換部をインバータ化する取組みがある。電力変換部をインバータ化した回転電機は、整流器の回転電機と比較して、出力電流の制御が高度化され、回生発電やエンジン始動など新たな機能を付加できる。
　また、車載用機器の整流器では、パワー半導体素子としてダイオードを使用するが、車載用機器のインバータでは、ＭＯＳ－ＦＥＴ（Metal　Oxide　Semiconductor　-　Field　Effect　Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated　Gate　Bipolar　Transistor）を使用する。インバータに使用するこれらのパワー半導体素子は、ゲートに電圧を印加することでオン－オフ（ＯＮ－ＯＦＦ）するスイッチング素子であり、ダイオードと比較してゲートオン時の通電損失（以下、オン抵抗と表記）が小さい。これにより、電力変換部をインバータ化した車載用機器では、発電効率や電力変換効率が向上する。また、ＭＯＳ－ＦＥＴやＩＧＢＴなどのスイッチング素子は、オルタネータやモータジェネレータの界磁電流制御用のパワー半導体装置にも用いられる。界磁電流制御用のパワー半導体素子は、回転子であるロータの界磁巻線に電力を供給する経路にあり、界磁電流の制御を行う。
　従来、これらの車載電装品に搭載される車載用のパワー半導体装置は、配線がパターニングされた絶縁性の基板上にパワー半導体素子をはんだ付けし、配線部材で接続したものをシリコーンゲルなどで封止したケース型パワー半導体装置や、ダイオードやＭＯＳ－ＦＥＴなどの素子をトランスファー成型した単機能のディスクリート型のパワー半導体装置等を組み合わせることで製造されてきた。このパワー半導体装置を車載機器のヒートシンクなどの放熱器の近くに配置し、パワー半導体素子が発する熱量を、放熱器から放出する。
　車載用電装品のパワー半導体装置は、その搭載スペースの狭さから、省サイズ化する必要がある。しかしながら、車載用電装品に搭載されるＭＯＦ－ＦＥＴやＩＧＢＴなどのスイッチグ素子であるパワー半導体素子を搭載するパワー半導体装置では、パワー半導体素子のスイッチングにより電流が間欠的に流れる。パワー電力半導体装置において、パワー半導体素子のスイッチング時の電圧変動を緩和させるためのコンデンサを設ける必要がある。このコンデンサは、パワー半導体装置の近傍に設置する必要があり、回転電機の小型化の阻害因子となっている。
　例えば、特許文献１には、リードフレームの電源－接地間にチップコンデンサを取付けて、小電力の集積回路（ＩＣチップ）とチップコンデンサとが樹脂封止されたモールド型半導体装置が示されている。この半導体装置は、リードフレームのタイバー上にコンデンサを実装し、樹脂封止する構造をとっている。これにより、小電力の集積回路の近傍にコンデンサを搭載することが可能になるとともに、ノイズの低減を図っている。
特開昭５９－７２７５７号公報（第２図）
　特許文献１では、集積回路（ＩＣチップ）とチップコンデンサとを樹脂封止することで、インダクタンスを小さくすると共に実装密度を上げる半導体装置の構造が記載されている。ＭＯＦ－ＦＥＴやＩＧＢＴなどのパワー半導体素子を搭載するパワー半導体装置においても、パワー半導体素子とパワー半導体素子のスイッチング時の電圧変動を緩和させるためのコンデンサとを封止して、小型のトランスファーモールド型のパワー半導体装置を得たいと我々は考えた。パワー半導体装置は、小電力の集積回路等の半導体装置と比べて過酷な環境下で動作する必要があるので、パワー半導体装置が受ける温度サイクルが大きい。
　したがって、特許文献１に示されたように、単にリードフレームのタイバー上にコンデンサを実装して樹脂封止するだけでは、パワー半導体装置の場合には、過酷な環境下で動作時や製造の際にコンデンサが故障してしまう。すなわち、特許文献１に示されたような構造では、パワー半導体装置が受ける温度サイクルや、モールド成型時の成型圧などによって、コンデンサが故障するという問題がある。
　また、パワー半導体装置においては、通常の集積回路（ＩＣチップ）に比べて大電流が流れるので、リードフレームの厚さは厚くなる。したがって、パワー半導体装置においては、コンデンサを実装するリードフレームの端子間では数μｍから数十μｍ程度の段差が生じることが不可避であり、コンデンサを実装するリードフレームのコンデンサ実装部とコンデンサの外部電極との平行性が、２つの外部電極において異なってしまう。この段差がモールド成型時の成型圧により段差を小さくするように変化したり、製造プロセス中でリードフレームが搬送時の振動がコンデンサに伝わることによって、コンデンサに大きな応力がかかる。このように、コンデンサに大きな応力がかかることで、コンデンサが故障し、生産時の歩留まりが低下するという問題もある。
　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、コンデンサを内部に備えるトランスファーモールド型のパワー半導体装置において、動作時や製造の際にコンデンサが故障するのを防止することを目的とする。
　本発明に係るパワー半導体装置は、モールド樹脂で封止されたパワー半導体装置であって、配線パターン状に成型された複数のリードフレームと、リードフレーム上に接合されたパワー半導体素子と、互いに隣接した２つのリードフレームの間に配置されたコンデンサとを備え、コンデンサは、当該コンデンサの外部電極が、当該コンデンサよりも剛性が低い応力緩和構造部を介してリードフレームに接続されたことを特徴とする。
　本発明に係るパワー半導体装置によれば、コンデンサの外部電極が、当該コンデンサよりも剛性が低い応力緩和構造部を介してリードフレームに接続されたので、コンデンサよりも剛性が低い応力緩和構造部によって動作時や製造の際にコンデンサに生じる応力を緩和し、コンデンサが破壊するのを防止できる。
本発明の実施の形態１によるパワー半導体装置の内部の概観模式図である。 本発明の実施の形態１による応力緩和構造部を示す図である。 本発明の実施の形態１による応力緩和構造部を拡大した図である。 本発明の実施の形態１による他の応力緩和構造部を拡大した図である。 本発明の実施の形態１による更に他の応力緩和構造部を拡大した図である。 本発明の実施の形態２による応力緩和構造部を拡大した図である。 本発明の実施の形態３による応力緩和構造部を示す図である。 本発明の実施の形態４によるコンデンサ実装構造を示す図である。 本発明の実施の形態４による他のコンデンサ実装構造を示す図である。
実施の形態１．
　図１は本発明の実施の形態１によるパワー半導体装置の内部の概観模式図であり、図２は本発明の実施の形態１による応力緩和構造部を示す図である。本実施の形態１のパワー半導体装置５０は、配線パターン状に成型された複数のリードフレーム１と、スイッチング可能なパワー半導体素子２と、パワー半導体素子２のスイッチングによる電圧変動を緩和させるセラミックコンデンサ（適宜、コンデンサとも称する）１００と、チップ抵抗器（適宜、抵抗器とも称する）２０などのチップ部品と、端子が形成される複数のリードフレーム１の間や、リードフレーム１とパワー半導体素子２との間を接続する配線部材３と、リードフレーム１、パワー半導体素子２、チップ部品等の実装部品、及び配線部材３を封止するモールド樹脂５とを備える。図１では、３つのパワー半導体素子２ａ、２ｂ、２ｃが実装され、５つのパワー端子１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅと３つの信号端子１２ａ、１２ｂ、１２ｃを備えるパワー半導体装置５０の例を示した。なお、パワー半導体素子の符号は、総括的に２を用い、区別して説明する場合に２ａ、２ｂ、２ｃを用いる。パワー端子の符号は、総括的に１１を用い、区別して説明する場合に１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅを用いる。信号端子の符号は、総括的に１２を用い、区別して説明する場合に１２ａ、１２ｂ、１２ｃを用いる。
　パワー半導体装置５０は、絶縁性の接着剤、絶縁性の基板、絶縁性シートなどを介して車載用機器に固定される。また、パワー半導体装置５０は、パワー半導体装置５０の被固定部に対向する面に絶縁層を持ち、はんだ付けや放熱グリースを介して加圧固定される場合もある。パワー半導体装置５０の外部に突出する端子は、数Ａから百数十Ａ程度の大電流が流れるパワー端子１１と、パワー半導体素子２のゲート信号線やセンサ信号線などの制御用の信号端子１２があり、パワー端子１１は電力を供給する装置およびバッテリーなどの電源と中継部材を介して接続し、制御用の信号端子１２は車載用機器に搭載された制御基板へ接続される。
　パワー半導体装置５０は、スイッチング可能なＭＯＳ－ＦＥＴやＩＧＢＴなどのパワー半導体素子２を搭載し、制御基板と接続したゲート信号線から伝わる信号によりスイッチングすることで、出力用のパワー端子１１（例えば、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）に通電する電流量を制御する。パワー半導体素子２の下面（リードフレーム１と対抗する面）とリードフレーム１の接合は、はんだ４もしくは、導電性ペーストなどの導電性接合剤で接続されている。パワー半導体素子２のチップ上に形成された電極部とリードフレーム１とは、アルミや銅製の円形断面もしくは矩形断面の線材を超音波振動によって接合するワイヤーボンドや、配線用のリードフレーム１や、金属製ターミナル等の配線部材３で接続されている。
　リードフレーム１とセラミックコンデンサ１００やチップ抵抗器２０などの実装部品は、はんだ４等の接合部剤で接合される。セラミックコンデンサ１００は、誘電体部と電極部を積層した積層セラミックコンデンサであり、外部電極層からなる外部電極１０１を備える。セラミックコンデンサ１００が実装されるのは、２つのリードフレーム１の間であり、この２つのリードフレーム１の間は電位が異なる。また、複数のリードフレーム１は、プレス加工やエッチング加工で形成され、それぞれのリードフレーム１の間には、数μｍから数十μｍ程度の段差がある。
　パワー半導体装置５０は、リードフレーム１にパワー半導体素子２と実装部品を接合部剤で接合し、配線部材３で接続したものをモールド樹脂５で封止する。パワー半導体装置５０は、内部に搭載するパワー半導体素子２の通電時に生じる発熱を、車載機器におけるパワー半導体装置５０が接合されるパワー半導体装置接合部に効率よく放出するために、パワー半導体装置５０における車載機器のパワー半導体装置接合部と対向する面に、リードフレーム１が一部露出したリードフレーム露出面を設ける場合がある。パワー半導体装置５０のリードフレーム露出面は、例えば図１において、パワー半導体素子２やチップ部品等が実装されていない面（裏面）側に形成される。パワー半導体装置５０のリードフレーム露出面は、車載機器のパワー半導体装置接合部に、熱抵抗が小さい絶縁部を介して接合される。これにより、パワー半導体素子２から発生する熱は、効率よく車載機器のパワー半導体接合部に放熱され、車載機器に設置されたヒートシンクなどから放熱する。
　ここで、本発明のパワー半導体装置５０は、配線パターン状に成型された複数の金属製のリードフレーム１と、リードフレーム１上に接合されたパワー半導体素子２と、端子が形成される複数のリードフレーム１との間や、リードフレーム１とパワー半導体素子２の上部に形成された電極部との間を接続する配線部材３と、パワー半導体素子２の下面に形成された下面電極部とリードフレーム１を接合する接合部剤と、リードフレーム１とパワー半導体素子２と配線部材３と接合部剤を包むモールド樹脂５を備える従来の構成に加えて、パワー半導体装置５０の内部に形成される回路中に、パワー半導体素子２のスイッチング時の電圧変動を緩和させるためのコンデンサ１００を備える。本発明のパワー半導体装置５０は、図２に示すようにコンデンサ１００の外部電極１０１とリードフレーム１のコンデンサ実装部１３との間に応力緩和構造部３９を備える。
　車載用機器の動作や、設置される雰囲気温度の変動や、パワー半導体素子２の通電などによって、パワー半導体装置５０の温度は大きく変動する。パワー半導体装置５０の温度変化が大きい場合、コンデンサ１００と周りの部材との線膨張係数差によってコンデンサ１００に生じる熱応力が大きくなるので、単純にリードフレーム１上にコンデンサ１００を実装し、モールド樹脂５で封止する構造をとることが困難であった。しかし、本発明の構成を備えることで、温度変化が大きい車載用機器にパワー半導体装置５０を搭載する場合でも、２つのリードフレーム１に間にコンデンサ１００を実装し、モールド樹脂５で封止する構造のパワー半導体装置５０を用いることができる。また、パワー半導体装置５０の製造の際に、２つのリードフレーム１の間にコンデンサ１００を接合した中間製造体を、製造ライン上で搬送する際にも、応力緩和構造部３９が振動に起因したコンデンサ１００への応力や、搬送中に外力が加わったときのコンデンサ１００への応力を緩和し、故障になることを防止することで、製造の歩留まりを向上することができる。
　コンデンサ１００の外部電極１０１とリードフレーム１のコンデンサ実装部１３とは、はんだ４で接合されている。本発明によるパワー半導体装置５０は、コンデンサ実装部１３の導電性接合剤であるはんだ４と外部電極１０１との間に、導電性接合剤よりも剛性が低い応力緩和構造部３９を備え、モールド樹脂５により周りが包まれる構造をとる。例えば応力緩和構造部３９としては、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂などの低弾性率の樹脂に導電性フィラーを配合した応力緩和層である導電性応力緩和部３０を用いるとよい。この場合、導電性応力緩和部３０の弾性率をモールド樹脂５よりも低い弾性率とすることで、必要な応力緩和作用を発揮できる。導電性フィラーは、金属微粒子が適切である。これにより、パワー半導体装置５０に温度変化が生じ、パワー半導体装置５０を構成する構成部材の線膨張係数差によるひずみが生じたときに、応力緩和構造部３９が変形することでコンデンサ１００に生じる熱応力を緩和し、コンデンサ１００とリードフレーム１との接合部が破断することや、コンデンサ１００が故障するのを防止する。
　この応力緩和構造部３９は、導電性フィラーを含んだ導電性部材で構成されている。図２では、応力緩和構造部３９を導電性接合剤（はんだ４）の付近のみに配置した例を示したが、外部電極１０１を覆うように配置してもよい。例示した２つの場合、コンデンサ１００の外部電極１０１に応力緩和構造部３９を付加する前処理を行うことで、生産プロセスの効率が向上する。
　また、コンデンサ１００を実装する２つのリードフレーム１のコンデンサ実装部１３の間には、前述のとおり、数μｍから数十μｍ程度の段差が発生する。この段差が存在する状態において、コンデンサ１００を実装した中間製造体をモールド樹脂５で封止すると、２つのリードフレーム１の間における段差が、１００気圧程度にも達する成型圧やモールド時の型締めによってこの段差が小さくなるように変化し、コンデンサ１００にクラックが生じる場合がある。したがって、モールド樹脂５で封止する場合においても、導電性接着剤（はんだ４）よりも剛性の低い応力緩和構造部３９が優先的に変形することで、コンデンサ１００に生じる応力を緩和することができる。これにより、コンデンサ１００にクラックが生じるのを防止し、製造プロセスの歩留まりが低下するのを防止することができる。また、モールド封止前のリードフレーム１にコンデンサ１００を接合した中間製造体を、製造ライン上で搬送する際にも、応力緩和構造部３９が振動に起因したコンデンサ１００への応力や、搬送中に外力が加わったときのコンデンサ１００への応力を緩和できる。
　応力緩和構造部３９を含んでいるコンデンサ１００とリードフレーム１との接合部は、最終的にモールド樹脂５で覆われる。応力緩和構造部３９が前述の応力を緩和したときに、応力緩和構造部３９が歪んだり、応力緩和構造部３９の一部にスリットが入るなどの変形が大きい場合でも、コンデンサ１００及びリードフレーム１はモールド樹脂５で保持されているために、コンデンサ固定強度が低下することがなく、パワー半導体装置５０の機能喪失や、機能障害の発生を防止できる。また、応力緩和構造部３９は、はんだ４やコンデンサ１００よりも剛性が低いため、２つのコンデンサ実装部１３の間に特に大きな段差がある場合など、万が一規格外であった場合には、応力緩和構造部３９が破壊され、オープン不良となるため、容易に不良を発見することができ、検査装置などの設備費用を低減できる。
　図３は、本発明の実施の形態１による応力緩和構造部を示す図である。前述したように、応力緩和構造部３９は、導電性フィラーと樹脂剤の混合物から構成されている。応力緩和構造部３９の剛性は、コンデンサ１００をリードフレーム１に接合する導電性接合剤（はんだ４）の剛性よりも大幅に低くなる。これにより、パワー半導体装置５０の動作時における温度サイクルや、モールド成型時における２つのリードフレーム１間の段差を小さくするような変形や、搬送時のストレスなどによって、コンデンサ１００とリードフレーム１との接合部に応力が生じた場合に、応力緩和構造部３９が積極的に変形し、コンデンサ１００の故障を防止する。
　また、図４に示すように、応力緩和構造部３９を、導電性応力緩和部３０と導電性応力緩和部３０の表面に設けられたＮｉやＳｎなどの金属めっき層３１とで構成してもよい。図４は、本発明の実施の形態１による他の応力緩和構造部を拡大した図である。ＮｉやＳｎなどの金属めっき層３１を設けることで、導電性応力緩和部３０だけの場合に比べて、はんだ付けされ易くすることができる。
　図５は、本発明の実施の形態１による更に他の応力緩和構造部を拡大した図である。図５は、はんだ４の一部や導電性応力緩和部３０の一部が欠損した部分である欠損部４０がある場合の例である。破線６は図３に示したはんだ４があった端部に該当し、破線３５は図３に示した導電性応力緩和部３０があった端部に該当する。コンデンサ１００は、外部電極１０１におけるリードフレーム１に対向する側において、応力緩和構造部３９が接続されない非接続部１１１を有する。実施の形態１のパワー半導体装置５０は、コンデンサ１００とリードフレーム１のコンデンサ実装部１３との間に設けられた応力緩和構造部３９において、その一部にスリットやクラックが入るような破壊をともなう変形がモールド工程前に生じた場合でも、モールド工程において応力緩和構造部３９に生じた欠損部４０にモールド樹脂５が充填される。すなわち非接続部１１１が存在する場合でも、モールド工程において非接続部１１１はモールド樹脂５により覆わる。したがって、実施の形態１のパワー半導体装置５０は、コンデンサ１００とリードフレーム１との接合部におけるはんだ４や導電性応力緩和部３０が欠損した欠損部４０が生じても、この欠損部４０にモールド樹脂５が充填される構造になっている。
　実施の形態１のパワー半導体装置５０は、モールド工程以前にコンデンサ１００に応力が作用した場合に、応力緩和構造部３９が変形もしくは部分的に破壊することで、コンデンサ１００に生じる応力が緩和される構造を備えるとともに、その状態のままでリードフレーム１及び、パワー半導体素子２やコンデンサ１００等の実装部品がモールド樹脂５に覆われる構造、すなわち、応力緩和構造部３９が変形もしくは部分的に破壊されたところ（欠損部４０）にモールド樹脂５が入り込む構造を備える。このため、実施の形態１のパワー半導体装置５０は、応力緩和構造部３９が変形もしくは部分的に破壊されることでコンデンサ１００の応力が低減された場合でも、変形もしくは部分的に破壊されたところ（欠損部４０）に補填するモールド樹脂５によって、コンデンサ１００を保持する強度が保つことができる。
　実施の形態１のパワー半導体装置５０とは異なる構造、例えば、応力緩和構造部３９があったとしても、回りにモールド樹脂５が配置されない構造を考える。この構造を備えたパワー半導体装置は、製造プロセス中で生じた応力緩和構造部３９の破壊をともなう変形が生じており、パワー半導体装置５０が受ける温度変化が大きい場合には、切り欠形状（クラック）となった変形部（欠損部４０）に、パワー半導体装置を構成する部材間の線膨張係数差に起因した繰り返し応力が集中して作用するため、クラックが進行し、このクラックが最終的に故障となる。したがって、この場合、製造プロセス中で応力緩和構造部３９が破壊をともなう変形をしているかどうかを検査する必要が生じ、検査コストが増大することとなる。しかしながら、本発明の構成を備えることで、これらのコスト増大の回避が可能となる。
　実施の形態１のパワー半導体装置５０によれば、配線パターン状に成型された複数のリードフレーム１と、リードフレーム１上に接合されたパワー半導体素子２と、互いに隣接した２つのリードフレーム１の間に配置されたコンデンサ１００とを備え、モールド樹脂５で封止さる。このコンデンサ１００は、当該コンデンサ１００の外部電極１０１が、当該コンデンサ１００よりも剛性が低い応力緩和構造部３９を介してリードフレーム１に接続されたことを特徴とするので、コンデンサよりも剛性が低い応力緩和構造部３９によって動作時や製造の際にコンデンサ１００に生じる応力を緩和し、コンデンサ１００が破壊するのを防止できる。
　実施の形態１の応力緩和構造部３９は、はんだ４およびコンデンサ１００よりも剛性の低い導電性応力緩和部３０を備えるので、動作時や製造の際にコンデンサに生じる応力を緩和し、コンデンサが破壊するのを防止できる。実施の形態１のパワー半導体装置５０は、コンデンサ１００、リードフレーム１のコンデンサ実装部１３及び応力緩和構造部３９がモールド樹脂５により封止されるので、導電性応力緩和部３０が変形もしくは部分的に破壊することで、モールド成型時や動作環境下の温度サイクルによる熱応力を緩和し、コンデンサクラックを防止することができる。この際、導電性応力緩和部３０は、その一部が変形もしくは破壊されたとしても、コンデンサ１００およびコンデンサ実装部１３はモールド樹脂５により保持されるため、リードフレーム１とコンデンサ１００の間の通電経路もしくは回路構成が破壊されることはない。
　実施の形態１の応力緩和構造部３９の導電性応力緩和部３０は、導電性フィラーと樹脂の混合物からなるので、はんだ４およびコンデンサ１００よりも大幅に剛性を低くすることができる。
　実施の形態１のパワー半導体装置５０は、リードフレーム１及び、パワー半導体素子２やコンデンサ１００等の実装部品がモールド樹脂５に覆われる構造を備えるので、応力緩和構造部３９が変形もしくは部分的に破壊されることでコンデンサ１００の応力が低減された場合でも、変形もしくは部分的に破壊されたところ（欠損部４０）に補填するモールド樹脂５によって、コンデンサ１００を保持する強度が保つことができる。
　実施の形態１のパワー半導体装置５０は、パワー半導体素子２のスイッチング時の電圧変動を緩和させるためのコンデンサ１００を、応力緩和構造部３９を介在させてリードフレーム１に接続するので、パワー半導体素子２の近傍にコンデンサ１００を設置することができ、パワー半導体装置５０を小型化することができる。実施の形態１のパワー半導体装置５０は、インバータ一体型の回転機の電機子電流あるいは界磁電流を制御するパワー半導体装置として用いることができる。電機子電流は、固定子が電機子となる場合の電機子に流れる電流である。界磁電流は、回転子が電機子となる場合の回転子に巻かれた界磁巻線に流れる電流である。インバータ一体型の回転機の電機子電流や界磁電流を制御するパワー半導体装置は、回転機の熱がパワー半導体装置に伝わり、パワー半導体装置の温度が上昇し線膨張係数差による応力も大きくなる。このように過酷な環境下で動作するインバータ一体型の回転機であっても、実施の形態１のパワー半導体装置５０は、応力緩和構造部３９を備えるので、コンデンサ１００に生じる応力を緩和し、コンデンサ１００が破壊するのを防止できる。
実施の形態２．
　図６は、実施の形態２による応力緩和構造部を拡大した図である。実施の形態２のパワー半導体装置５０における応力緩和構造部３９は、コンデンサ１００の外部電極１０１に接続する電極接続部３７と外部電極１０１に接続しない電極非接続部３８とを備える。外部電極１０１において、応力緩和構造部３９の電極接続部３７に接続する部分を第１電極部１０２とし、応力緩和構造部３９の電極接続部３７に接続しない部分を第２電極部１０３とする。図６において、第１電極部１０２は矢印区間１０２で示した部分であり、第２電極部１０３は矢印区間１０３で示した部分である。第２電極部１０３は、図６における外部電極１０１の上側、すなわち、はんだ４が接合した上限部（限界部）よりも上側ではなく、コンデンサ実装部１３の側に形成される。
　実施の形態２の応力緩和構造部３９は、電極非接続部３８を備えるので、コンデンサ１００の第２電極部１０３がリードフレーム１と固定されていないようにすることができる。実施の形態２の応力緩和構造部３９は、コンデンサ１００の第２電極部１０３がリードフレーム１と固定されていないようにすることで、モールド成型時の成型圧が作用したときに、第２電極部１０３付近、すなわち電極非接続部３８が多少動くので、コンデンサ１００に作用するモールド成型時の応力が低減し、コンデンサ１００が破壊されることを防止することができる。
　また、実施の形態２のパワー半導体装置５０は、モールド成形後に、第２電極部１０３と電極非接続部３８との間にモールド樹脂５が充填されるので、十分なコンデンサ固定強度を得ることができる。第２電極部１０３は、外部電極１０１の表面に、電極非接続部３８となる導電性応力緩和部３０が接続しないようにすると共に、はんだ４が濡れないようにする耐熱の高いポリイミド樹脂などを塗布することで、形成することができる。ポリイミドの他にも、アルミニウムを用いてもよい。外部電極１０１の表面にアルミニウムを塗布することで、電極非接続部３８となる導電性応力緩和部３０が接続しないようにすると共に、はんだに濡れないようにすることができる。このようなアルミ層は、アルミ粉末を用いて焼成により、コンデンサ１００の電極に重ねて形成することができる。
　図６では、コンデンサ１００の外部電極１０１の側面に、電極接続部３７が接続でき、かつ、はんだ４ではんだ付け可能な第１電極部１０２を配置し、リードフレーム１と対向するコンデンサ１００の対向面に、電極非接続部３８が形成でき、かつ、はんだ４ではんだ付けができない第２電極部１０３が配置された構成例を示した。なお、実施の形態２のパワー半導体装置５０は、第２電極部１０３を形成するために、リードフレーム１を工夫してもよい。具体的には、実施の形態２のパワー半導体装置５０におけるリードフレーム１は、コンデンサ１００に対向するリードフレーム１のコンデンサ実装部１３の一部に、はんだ付けされない電極層を配置した構造を備えたり、コンデンサ実装部１３の一部がはんだ付けされないポリイミド樹脂の層を配置した構造であってもよい。この場合、リードフレーム１側が工夫されているので、コンデンサ１００の第１電極部１０２となる部分に、外部電極１０１とは別材料のポリイミド樹脂やアルミ層を配置する必要はない。
実施の形態３．
　図７は、本発明の実施の形態３による応力緩和構造部を示す図である。実施の形態３のパワー半導体装置５０は、コンデンサ１００本体よりも剛性が低い金属板３２からなる応力緩和構造部３９を備える。金属板３２の一端はコンデンサ１００の外部電極１０１に接続され、金属板３２の他の一端はリードフレーム１のコンデンサ実装部１３に接続されている。この応力緩和構造部３９は、コンデンサ１００とリードフレーム１の間に金属板３２が介在するように配置された構造なので、モールド工程の際にコンデンサ１００に加わる成型圧、モールド時の型締め、パワー半導体装置５０の動作時における温度サイクル等によるコンデンサ１００に生じる応力を、金属板３２が変形することにより緩和することができる。この結果、コンデンサ１００に生じる応力に起因したコンデンサ不良を防止することができ、製造プロセスの歩留まりを向上できる。
　実施の形態３の応力緩和構造部３９では、金属板３２の剛性が低いほど、コンデンサ応力を低減する効果が大きくなる。また、実施の形態３の応力緩和構造部３９では、コンデンサ１００とリードフレーム１の距離ｄに相当する長さが長いほど、コンデンサ応力を低減する効果が大きくなる。金属板３２の材質としては、コンデンサ１００と線膨張係数が近い、インバー系材料が好ましい。実施の形態３のパワー半導体装置５０は、金属板３２からなる応力緩和構造部３９を備えるので、金属板３２の剛性は、コンデンサ１００、応力緩和構造３９、リードフレーム１をモールド樹脂５で封止する製造プロセスに耐えられるという条件を満たせばよい。
　また、車載用機器では、高い耐振動性能を求められる。従来の車載用のパワー半導体装置として説明したケース型パワー半導体装置に、実施の形態３の応力緩和構造部３９、すなわち金属板３２のみを適用しても信頼性を満たすことはできない。理由を説明する。上述したように、ケース型パワー半導体装置は、配線がパターニングされた絶縁性の基板上にパワー半導体素子やチップ部品を実装し、パワー半導体素子やチップ部品を配線部材で接続したものをシリコーンゲルなどで封止しているので、シリコーンゲルが振動し易く、金属板３２のみを適用しても信頼性を満たすことはできない。
　これに対して、高い耐振動性能を求められる場合でも、実施の形態３のパワー半導体装置５０は、金属板３２からなる応力緩和構造部３９を備え、リードフレーム１に実装したパワー半導体素子２やコンデンサ１００等のチップ部品を、シリコーンゲルよりも振動し難いモールド樹脂５で封止するので、信頼性を満たすことが可能となる。
　弾性が高い、エポキシ樹脂などでポッティングすることで封止する手法もあるが、これらはエポキシ樹脂を流し込むプロセス時間が長く、内部に気泡を含んでしまう。ポッティングされた樹脂に気泡が含まれると、絶縁を保つ必要がある部材間の絶縁距離を大きくする必要がある。絶縁を保つ必要がある部材とは、リードフレーム１、配線部材３、パワー半導体素子２の電極、コンデンサ１００の外部電極１０１等のチップ部品の電極等である。これに対して、実施の形態３のパワー半導体装置５０に適用されるトランスファーモールドによる封止は、１００気圧にも達する高圧でモールド成型して封止するため、モールド樹脂５の内部に気泡などを含まず、上記部材間の絶縁を保つために必要とされる絶縁距離を小さくとることができる。この結果、パワー半導体装置５０の小型化が可能となる。
実施の形態４．
　図８は、本発明の実施の形態４によるコンデンサ実装構造を示す図である。実施の形態４のパワー半導体装置５０は、２つのリードフレーム１の間に固定された絶縁性の配線基板２１上に形成された配線パターン２２とコンデンサ１００の外部電極１０１とが接合され、配線基板２１に形成された配線パターン２２とリードフレーム１とが別のワイヤーボンドなどの配線部材３により電気的に接続される構造を備える。すなわち、実施の形態４のパワー半導体装置５０は、リードフレーム１及びコンデンサ１００よりも剛性が低い配線基板２１からなる応力緩和構造部３９を備える。このように、実施の形態４のパワー半導体装置５０は、コンデンサ１００とリードフレーム１の間に配線基板２１を配置することにより、モールド成型時の成型圧やモールド成型による型締めによる応力が、配線基板２１により緩和されるので、直接コンデンサ１００に生じることがなく、コンデンサ１００が故障するのを防止することがきる。
　また、実施の形態４のパワー半導体装置５０は、配線基板２１がコンデンサ１００とリードフレーム１との間に介在することで、パワー半導体装置５０の動作時における温度サイクルが生じた際も、コンデンサ１００と配線基板２１との線膨張率差が小さくなる。このため、実施の形態４のパワー半導体装置５０は、コンデンサ１００に生じる熱応力は小さくなり、コンデンサ１００が故障するのを防止することがきる。配線基板２１の材料としては、リードフレーム１の材料との線膨張係数差が小さいことが好ましく、たとえば、ガラス繊維の布にエポキシ樹脂を染み込ませたＦＲ－４（Flame　Retardant　-4）が好ましい。
　なお、図８では、絶縁性の配線基板２１を使用した場合を示したが、図９に示すような、第２のリードフレーム７を使用した他のコンデンサ実装構造であってもよい。図９は、本発明の実施の形態４による他のコンデンサ実装構造を示す図である。図９では、リードフレーム１と絶縁した状態で固定される第２のリードフレーム７上にコンデンサ１００が接合される。この場合、第２のリードフレーム７の厚みをリードフレーム１の厚みよりも小さくすることで、温度サイクルによるコンデンサ熱応力を緩和することができる。
　実施の形態４のパワー半導体装置５０は、コンデンサ１００とリードフレーム１の間に、配線基板２１やリードフレーム１から絶縁された第２のリードフレーム７を配置することにより、モールド成形時のモールド成型圧や動作時における温度サイクルによる熱応力が直接コンデンサ１００に伝わることを防止することができる。したがって、実施の形態４のパワー半導体装置５０は、実施の形態１～３と同様にコンデンサよりも剛性が低い応力緩和構造部３９によって動作時や製造の際にコンデンサ１００に生じる応力を緩和し、コンデンサ１００が破壊するのを防止できる。
　上記いずれの実施の形態においても、パワー半導体素子２は、珪素によって形成されてもよい。また、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体材料によって形成してもよい。ワイドバンドギャップ半導体材料としては、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドがある。
　このようなワイドバンドギャップ半導体材料によって形成されたパワー半導体素子２は、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、パワー半導体素子２の小型化が可能であり、これら小型化されたパワー半導体素子２を用いることにより、これらの素子を組み込んだパワー半導体装置５０の小型化が可能となる。
　なお、本発明は、その発明の範囲内において、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、省略することが可能である。
　１…リードフレーム、２、２ａ、２ｂ、２ｃ…パワー半導体素子、３…配線部材、４…はんだ、５…モールド樹脂、７…第２のリードフレーム、２１…配線基板、３０…導電性応力緩和部、３２…金属板、３７…電極接続部、３８…電極非接続部、３９…応力緩和構造部、５０…パワー半導体装置、１００…コンデンサ、１０１…外部電極、１１１…非接続部。

Claims (11)

  1. 　モールド樹脂で封止されたパワー半導体装置であって、
    配線パターン状に成型された複数のリードフレームと、
    前記リードフレーム上に接合されたパワー半導体素子と、
    互いに隣接した２つの前記リードフレームの間に配置されたコンデンサとを備え、
    前記コンデンサは、当該コンデンサの外部電極が、当該コンデンサよりも剛性が低い応力緩和構造部を介して前記リードフレームに接続されたことを特徴とするパワー半導体装置。
  2. 　前記コンデンサと前記リードフレームとの接続構造は、
    当該コンデンサの外部電極に接続した前記応力緩和構造部と、前記応力緩和構造部と前記リードフレームを接続するはんだとを有し、
    前記応力緩和構造部は、前記はんだよりも剛性が低いことを特徴とする請求項１記載のパワー半導体装置。
  3. 　前記応力緩和構造部は、樹脂に導電性フィラーを配合した導電性応力緩和部を有することを特徴とする請求項１または２に記載のパワー半導体装置。
  4. 　前記コンデンサは、当該コンデンサの前記外部電極における前記リードフレームに対向する側において、前記応力緩和構造部が接続されない非接続部を有し、
    前記非接続部は前記モールド樹脂により覆われたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のパワー半導体装置。
  5. 　前記応力緩和構造部は、前記コンデンサの前記外部電極に接続する電極接続部と、前記外部電極に接続しない電極非接続部とを有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のパワー半導体装置。
  6. 　前記応力緩和構造部は、金属板であることを特徴とする請求項１または２に記載のパワー半導体装置。
  7. 　前記応力緩和構造部は、前記コンデンサの前記外部電極に接続する配線パターンを有する絶縁性の配線基板であることを特徴とする請求項１または２に記載のパワー半導体装置。
  8. 　前記応力緩和構造部は、前記リードフレーム上に配置されると共に当該リードフレームと絶縁された第２のリードフレームであり、
    前記第２のリードフレームは、前記コンデンサの前記外部電極に接続されると共に、配線部材により前記リードフレームに接続されたことを特徴とする請求項１または２に記載のパワー半導体装置。
  9. 　請求項１乃至８のいずれか１項に記載のパワー半導体装置は、車載用の回転電機に設置され、前記回転電機の電機子に電流を供給することを特徴とするパワー半導体装置。
  10. 　前記パワー半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体材料により形成されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載のパワー半導体装置。
  11. 　前記ワイドバン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うちいずれかであることを特徴とする請求項１０記載のパワー半導体装置。
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