WO2017168992A1 - 半導体装置 - Google Patents

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健 徳山
晃 松下
時人 諏訪
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Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor device.
  • Some semiconductor devices perform a power conversion function for converting DC power to AC power or AC power to DC power.
  • Patent Document 1 discloses one or more semiconductor chips, one or more conductors connected to the semiconductor chip, a ceramic substrate on which these are mounted, and a base plate on which the ceramic substrate is mounted. And an electric power conversion device including a radiator, an invention is disclosed in which an insulating plate is sandwiched between a base plate and a radiator, the radiator is grounded, and the dielectric strength is improved.
  • Patent Documents 2 and 3 a lead frame in which a plurality of semiconductor elements are bonded to one surface, a first insulating layer disposed on the other surface of the lead frame, and the lead frame have a first insulation.
  • An invention has been disclosed that includes a metal base plate connected to one surface via a layer and a second insulating layer disposed on the other surface of the metal base plate to improve insulation.
  • a semiconductor device includes a semiconductor element, a conductor plate connected to the semiconductor element, a metal base member facing the conductor plate and constituting the exterior of the semiconductor device, and between the conductor plate and the base member. And an insulating member disposed between the first insulating layer and the conductor plate, the insulating member having a conductor layer sandwiched between the first insulating layer and the second insulating layer. And forming a capacitance circuit between the second insulating layer and the base member, and the base member is formed with a protruding portion that protrudes toward the insulating member at a contact portion between the insulating member and the base member.
  • the length from the center of the layer to the peripheral edge of the insulating member including the conductor layer is longer than the length from the center of the conductive layer to the peripheral edge of the protruding portion of the base member.
  • FIGS. 2A and 2B are an external perspective view and an exploded perspective view of a power semiconductor module.
  • A) (B) It is a disassembled perspective view which shows the assembly process of the internal wiring of a power semiconductor module, and a circuit diagram which shows an internal circuit.
  • A) (B) (C) (D) It is sectional drawing which shows the assembly process of a power semiconductor module, sectional drawing which shows an internal structure, an expanded sectional view, and a bottom plan view.
  • (A) (B) The figure explaining the voltage sharing effect of a power semiconductor module, It is a circuit diagram explaining the voltage sharing effect.
  • (A) (B) (C) It is 2nd Embodiment, It is sectional drawing of a power semiconductor module, an expanded sectional view, and a bottom part top view.
  • (A) (B) (C) (D) It is 3rd Embodiment and is a disassembled sectional view of a power semiconductor module, sectional drawing, an expanded sectional view, and a bottom part top view.
  • (A) (B) (C) It is 4th Embodiment and is an exploded sectional view of a power semiconductor module, sectional drawing, and a bottom part top view.
  • FIG. 1A is a perspective view showing the appearance of the power semiconductor module 300.
  • FIG. 1B is an exploded perspective view showing an assembly process of the power semiconductor module 300.
  • the sealing body 302 including the power semiconductor element is sandwiched by the insulating member 333 from both sides. Insulation between the terminals of the wiring led out from the power semiconductor element is ensured by the terminal mold material 317 to form the terminal mold 316.
  • a state where the power semiconductor module 300 is assembled is shown in FIG.
  • the sealing body 302 and the insulating member 333 are housed in the housing portion 306 of the case 304 and sealed with the second sealing resin 349.
  • An O-ring groove 312 is formed on the outer periphery of the storage port of the storage unit 306.
  • the power semiconductor element is fixed to a water channel casing (not shown) while an O-ring is attached to the O-ring groove 312 and the O-ring is compressed.
  • the case 304 is provided with fins 305 on both sides to dissipate heat generated by the power semiconductor element.
  • the fin 305 is formed of a member having electrical conductivity, for example, a composite material such as Cu, Cu alloy, Cu—C, or Cu—CuO, or a composite material such as Al, Al alloy, AlSiC, or Al—C. .
  • a power module AC terminal 320D for connecting to an AC bus bar, a reactor, or the like constituting an inverter circuit (not shown), a power module DC positive terminal 315D for connecting to a capacitor or the like constituting the inverter circuit, and the power The module DC negative terminal 319D protrudes.
  • an upper arm signal connection terminal 327U and a lower arm signal connection terminal 327L for controlling and protecting the power semiconductor element include a power module DC positive terminal 315D and a power module DC negative terminal 319D. Projecting in the same direction.
  • FIG. 2A is an exploded perspective view showing an assembly process of internal wiring of the power semiconductor module 300, and a circuit diagram showing an equivalent circuit corresponding to FIG.
  • the IGBT 328 and the diode 156 constituting the upper arm circuit, which is a power semiconductor element are bonded by a metal bonding material 331 so as to be sandwiched between the upper arm conductor plates 315 and 318.
  • the IGBT 330 and the diode 166 constituting the lower arm circuit which is a power semiconductor element are joined by a metal joining material 331 so as to be sandwiched between the lower arm conductor plates 319 and 320.
  • the upper arm circuit and the lower arm circuit are joined by a metal joining material 331 at the intermediate connection portion 329 to form an upper and lower arm series circuit.
  • the upper arm circuit includes an IGBT 328 and a diode 156, and the power module DC positive terminal 315D is connected to the upper arm conductor plate 315.
  • the lower arm circuit includes an IGBT 330 and a diode 166, and a power module DC negative terminal 319D is connected to the lower arm conductor plate 319.
  • the upper arm conductor plate 318 and the lower arm conductor plate 320 are connected by an intermediate connection portion 329.
  • the lower arm conductor plate 320 is connected to the power module AC terminal 320D.
  • the gate electrode of the IGBT 328 of the upper arm circuit is connected to one of the upper arm signal connection terminals 327U, and the emitter electrode of the IGBT 328 of the upper arm circuit is connected to the other one of the upper arm signal connection terminals 327U.
  • the gate electrode of the IGBT 330 of the lower arm circuit is connected to one of the lower arm signal connection terminals 327L, and the emitter electrode of the IGBT 330 of the lower arm circuit is connected to the other one of the lower arm signal connection terminals 327L.
  • the IGBTs 328 and 330, the diodes 156 and 166, and the conductor plates 315, 318, 319, and 320 are sealed with a sealing resin material to form a sealing body 302 shown in FIG.
  • sealing resin used for the sealing body 302 for example, a resin based on a novolac-based, polyfunctional, or biphenyl-based epoxy resin can be used, and ceramics and gels such as SiO2, Al2O3, AlN, and BN, Rubber or the like is included to make the thermal expansion coefficient close to the conductor plates 315, 318, 319, and 320.
  • ceramics and gels such as SiO2, Al2O3, AlN, and BN, Rubber or the like is included to make the thermal expansion coefficient close to the conductor plates 315, 318, 319, and 320.
  • FIG. 3A is a cross-sectional view showing an assembly process of the power semiconductor module 300, and is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 1B.
  • FIG. 3B is a cross-sectional view showing the internal structure of the power semiconductor module 300, and is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG.
  • FIG. 3C is a cross-sectional view showing a detailed structure of the power semiconductor module 300, and is an enlarged cross-sectional view of a portion C of FIG. 3B.
  • FIG. 3D is a plan view of the power semiconductor module 300, and is a bottom plan view seen from the direction D in FIG. 3B.
  • IGBTs 328 and 330 are joined to conductor plates 315, 318, 319, and 320 via a metal joining material 331 to constitute a sealing body 302.
  • An insulating member 333 is provided outside the sealing body 302.
  • the insulating member 333 includes a conductor layer 334 provided by being stacked between the first insulating layer 335a and the second insulating layer 335b.
  • the lower conductor layer 334 in FIG. 3A is divided by the slit portion 339 so as to correspond to the gap between the conductor plate 315 and the conductor plate 320.
  • the upper conductor layer 334 is divided by the slit portion 339 so as to correspond to the gap between the conductor plate 318 and the conductor plate 319.
  • the power semiconductor module 300 is configured by sealing the sealing body 302 between the base members 307 of the case 304 with the insulating member 333 interposed therebetween.
  • the case 304 including the base member 307 constitutes the exterior of the power semiconductor module 300 and is made of metal.
  • the conductor layer 334 of the insulating member 333 faces the conductor plates 315, 318, 319, and 320, respectively.
  • the remaining space of the case 304 is filled with the second sealing resin 349 to suppress moisture absorption and thermal stress of the insulating member 333.
  • the sealing resin used for the second sealing resin 349 for example, a resin based on a novolac-based, polyfunctional, or biphenyl-based epoxy resin can be used, and ceramics such as SiO2, Al2O3, AlN, BN, etc. Gel, rubber or the like is included, and the thermal expansion coefficient is brought close to the case 304. As a result, the difference in thermal expansion coefficient between the members can be reduced, and the thermal stress generated as the temperature rises in the use environment is reduced, so that the life of the power semiconductor module 300 can be extended.
  • metal bonding material 33 for example, a Sn brazing material (solder) based on Sn alloy, a hard brazing material such as an Al alloy or a Cu alloy, or a metal sintered material using metal nanoparticles or microparticles is used.
  • FIG. 3C is an enlarged cross-sectional view of a portion C in FIG.
  • the base member 307 is formed with a table-like protruding portion 307 a that protrudes toward the insulating member 333 at the contact portion between the insulating member 333 and the base member 307.
  • a length L2 from the center P of the conductor layer 334 to the peripheral edge of the insulating member 333 is longer than a length L1 from the center P of the conductor layer 334 to the peripheral edge of the protruding portion 307a of the base member 307.
  • the base end surface 308 at the peripheral portion of the protruding portion 307 a is located on the inner side of the insulating member end surface 336 at the peripheral portion of the insulating member 333. Furthermore, the insulating member end surface 336 of the insulating member 333 and the conductor layer end surface 344 of the conductor layer 334 form end surfaces at the same position. As described above, the base end surface 308 at the peripheral edge of the protruding portion 307a is located on the inner side of the insulating member end surface 336 at the peripheral edge of the insulating member 333, so that the gap between the conductor layer 334 and the base member 307 is reached. Insulation distance is secured.
  • the positional relationship among the base end surface 308, the insulating member end surface 336, the conductor layer end surface 344, and the conductor plates 315, 318, 319, and 320 is shown in FIG. As shown in this figure, the base end surface 308 is located on the inner side of the insulating member end surface 336, and the conductor plates 315, 318, 319, and 320 are disposed on the inner side of the conductor layer end surface 344.
  • FIG. 4 (A) is an exploded cross-sectional view for explaining the crimping method of the insulating member 333.
  • the insulating member 333 is formed by laminating a conductor layer 334 with a first insulating layer 335a and a second insulating layer 335b made of an insulating material, and thermocompression bonding under a vacuum state. Molded.
  • both ends are cut off with a die M or the like as shown in FIG.
  • the conductor layer 334 is divided by the slit portion 339.
  • FIG. 4C the shape and dimensions of the insulating member 333 are formed and finished.
  • FIG. 4D A detailed enlarged view of the peripheral portion E of the insulating member end surface 336 of the insulating member 333 is shown in FIG.
  • the insulating member end surface 336 may have cracks 340 and burrs 341 due to being cut off by the punching die M or the like. In this case, when the conductor layer 334 comes into contact with the base member 307, a short circuit occurs and the insulation performance is degraded.
  • the conductor layer end surface 344 of the conductor layer 334 is disposed on the same plane as the insulating member end surface 336.
  • the base end surface 308 of the peripheral part of the protrusion part 307a is located inside the insulating member end surface 336 of the peripheral part of the insulating member 333. Therefore, an insulation distance can be ensured between the conductor layer 334 and the base member 307, and insulation performance can be improved.
  • FIG. 5A is an enlarged cross-sectional view for explaining the voltage sharing effect of the power semiconductor module 300.
  • FIG. 5B is a circuit diagram illustrating the voltage sharing effect of the power semiconductor module 300.
  • a surge voltage during switching operation is added to the DC voltage of the inverter system, and the maximum voltage during operation reaches the vicinity of the withstand voltage of the power semiconductor element.
  • a value substantially close to this voltage value is applied between the insulating member 333 and the case 304.
  • the applied voltage is shared by the conductor layer 334, and the voltage applied to the first insulating layer 335a and the second insulating layer 335b can be reduced.
  • the electrostatic capacitances 338 thereof are equal, and the first insulating layer 335a and the second insulating layer 335b. Can be reduced to half of the voltage applied to the insulating member 333. Accordingly, when the void 337 exists inside the first insulating layer 335a and the second insulating layer 335b, the voltage value applied to the void 337 can be reduced, so that the discharge voltage of the void 337 is improved and the insulating member 333 is increased. The discharge start voltage can be improved. If this state is shown by an equivalent circuit, as shown in FIG. 5B, when the case 304 is at the ground potential, there is equivalently electrostatic between each conductor plate 315, 318, 319, 320 and the ground potential. A circuit is formed by connecting two capacitors 338 in series.
  • FIGS. 6A, 6B, and 6C are diagrams illustrating the second embodiment.
  • 6A is a cross-sectional view of the power semiconductor module 300
  • FIG. 6B is an enlarged cross-sectional view of a portion F in FIG. 6A
  • FIG. 6C is a cross-sectional view of FIG. It is the bottom part top view seen from.
  • a base recess 309 is provided on the end surface of the base member 307. This is different from the first embodiment shown in FIG. 3B, and the other parts have the same configuration.
  • the base recess 309 By providing the base recess 309, the base recess end surface 309 a of the base member 307 is positioned on the inner side of the insulating member end surface 336 as shown in FIG. 6B.
  • the base member 307 is formed with a base-like protruding portion 307 a that protrudes toward the insulating member 333 at the contact portion between the insulating member 333 and the base member 307.
  • FIG. 6C shows the positional relationship between the base recess end surface 309a, the insulating member end surface 336, and the conductor plates 315, 318, 319, and 320.
  • the length L3 from the center P of the conductor layer 334 to the peripheral edge of the insulating member 333 is the length from the center P of the conductor layer 334 to the base recess end surface 309a of the base member 307, that is, the protrusion from the center P of the conductor layer 334 It is formed longer than the length L4 to the periphery of 307a.
  • the positions of the insulating member end surface 336 and the conductor layer end surface 344 are larger to the outside than the base recess end surface 309a, whereby an insulation distance can be secured and the insulation performance can be improved.
  • the conductor plates 315, 318, 319, and 320 are disposed on the inner side of the insulating member end surface 336.
  • FIGS. 7A, 7B, 7C, and 7D are diagrams showing the third embodiment.
  • 7A is an exploded cross-sectional view of the power semiconductor module 300
  • FIG. 7B is a cross-sectional view of the power semiconductor module 300
  • FIG. 7C is an enlarged cross-sectional view of a portion G in FIG. 7B
  • 7 (D) is a bottom plan view of FIG. 7 (B) viewed from the D direction.
  • the insulating member 333 is divided into the same number as the conductor plates 315, 318, 319, 320, and the plurality of divided insulating members 333 are divided into a plurality of conductor plates 315, 318, 319 and 320 are arranged opposite to each other.
  • a recess 310 is formed in the base member 307 so as to face a gap position where a plurality of divided insulating members 333 are adjacent.
  • Other configurations are the same as those of the second embodiment. As shown in FIG.
  • the conductor layer end surface 344 and the insulating member end surface 336 are on the same plane, and the concave end surface 310a of the concave portion 310 is located on the inner side of the insulating member end surface 336 of the insulating member 333.
  • the recess 310 forms two base-like protrusions 307 a that protrude toward the insulating member 333 at the contact portion between the insulating member 333 and the base member 307.
  • the length L6 from the center P of the conductor layer 334 to the peripheral edge of the insulating member 333 is the length from the center P of the conductor layer 334 to the peripheral edge of the protruding portion 307a of the base member 307. It is formed longer than the length L5. According to the present embodiment, it is possible to secure an insulation distance and improve insulation performance, and by dividing the insulation member 333, the slit portion 339 shown in FIG. It can be simplified.
  • FIGS. 8A, 8B, and 8C are diagrams illustrating the fourth embodiment.
  • 8A is an exploded sectional view of the power semiconductor module 300
  • FIG. 8B is a sectional view of the power semiconductor module 300
  • FIG. 8C is a bottom portion of FIG. 8B viewed from the D direction. It is a top view.
  • the conductor layer 334 of the insulating member 333 is not provided with the slit portion 339 shown in FIG. This is different from the first embodiment shown in FIG. 3A, and other parts have the same configuration.
  • 8B shows the case where the shape of the base member 307 is the same as that of the first embodiment, the configuration may be the same as that of the second embodiment.
  • the base member 307 is formed with a table-like protruding portion 307 a that protrudes toward the insulating member 333 at the contact portion between the insulating member 333 and the base member 307.
  • the length L8 from the center P of the conductor layer 334 to the insulating member end surface 336 that is the peripheral edge of the insulating member 333 is the end face of the protrusion 307a that is the peripheral edge of the protrusion 307a of the base member 307 from the center P of the conductor layer 334. It is longer than the length L7 up to 308. According to this embodiment, since there is no slit 339 in the conductor layer 334 of the insulating member 333, the manufacturing process can be simplified.
  • FIG. 9 is an exploded cross-sectional view of a power semiconductor module 300 showing the fifth embodiment.
  • the conductor layer 334 of the insulating member 333 is not provided with the slit portion 339 illustrated in FIG. Further, the conductor layer 334 of the insulating member 333 is laminated in two layers with an insulating layer interposed therebetween. Other parts are the same as those in the first embodiment.
  • the shape of the base member 307 may be the shape shown in FIG. 3B shown in the first embodiment, or the shape shown in FIG. 6A shown in the second embodiment. According to this embodiment, since the conductor layer 334 is laminated
  • FIG. 10 is an exploded sectional view showing the sixth embodiment.
  • the conductor layer 334 of the insulating member 333 is provided in a portion facing the AC potential conductor plates 318 and 320, and is not provided in a portion facing the conductor plates 319 and 315.
  • the base member 307 is formed with a table-like protruding portion 307 a that protrudes toward the insulating member 333 at the contact portion between the insulating member 333 and the base member 307.
  • the shape of the base member 307 may be the shape shown in FIG. 6A shown in the second embodiment.
  • the relationship between the insulating member 333 and the base member 307 facing the AC potential conductor plates 318 and 320 is as follows.
  • the length from the center of the conductor layer 334 to the peripheral edge portion of the insulating member 333 is longer than the length from the center of the conductor layer 334 to the peripheral edge portion of the protruding portion 307 a of the base member 307.
  • Other parts are the same as those in the first embodiment. According to this embodiment, since the conductor layer 334 is provided at a place where a withstand voltage is required, the insulation performance is improved and the manufacturing process can be simplified.
  • FIGS. 11A and 11B are power semiconductor modules 300 showing the structure of the seventh embodiment.
  • FIG. 11A is an exploded cross-sectional view and FIG. 11B is a bottom plan view.
  • the insulating member 333 is divided and arranged so as to face the conductor plates 315, 318, 319, and 320, respectively, and the conductor layer 334 of the insulating member 333 has an AC potential. It is provided in a portion facing the conductor plates 318 and 320 and is not provided in a portion facing the conductor plates 319 and 315.
  • the base member 307 is provided with a recess 310 at the center of the base member 307.
  • the base member 307 is formed with a table-like protruding portion 307 a that protrudes toward the insulating member 333 at the contact portion between the insulating member 333 and the base member 307.
  • the shape of the base member 307 may be the shape shown in FIG. 6A shown in the second embodiment.
  • FIG. 11B shows the relationship between the insulating member 333 facing the AC potential conductor plates 318 and 320 and the base member 307. That is, the length L10 from the center P of the conductor layer 334 to the peripheral edge of the insulating member 333 is longer than the length L9 from the center of the conductor layer 334 to the peripheral edge of the protruding portion 307a of the base member 307. According to this embodiment, since the conductor layer 334 is provided at a place where a withstand voltage is required, the insulation performance is improved and the manufacturing process can be simplified.
  • the power semiconductor module 300 is opposed to a semiconductor element (IGBT 328, a diode 156), conductor plates 315, 318, 319, and 320 connected to the semiconductor element, and conductor plates 315, 318, 319, and 320.
  • a metal base member 307 constituting the exterior of the semiconductor module 300, and an insulating member 333 disposed between the conductor plates 315, 318, 319, 320 and the base member 307.
  • a conductive layer 334 is sandwiched between the first insulating layer 335a and the second insulating layer 335b, and a capacitance circuit is formed between the first insulating layer 335a and the conductive plates 315, 318, 319, 320, A capacitance circuit is formed between the second insulating layer 335b and the base member 307, and the base member 307 includes the insulating member 333, the base member 307, and the like.
  • a trapezoidal protrusion 307 a that protrudes toward the insulating member 333 is formed at the contact portion, and the length from the center of the conductor layer 334 to the peripheral edge of the insulating member 333 including the conductor layer 334 is based on the base of the conductor layer 334.
  • the member 307 is formed to be longer than the length to the peripheral edge of the protrusion 307a.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and may be configured by combining the above-described embodiments.
  • other forms conceivable within the scope of the technical idea of the present invention are also included in the scope of the present invention as long as the characteristics of the present invention are not impaired.

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Abstract

絶縁の信頼性が低くなるという課題がある。　導体層３３４の中心Ｐから絶縁部材３３３の周縁部までの長さＬ２は、導体層３３４の中心Ｐからベース部材３０７の突出部３０７ａの周縁部までの長さＬ１より長く形成されている。換言すると、突出部３０７ａの周縁部のベース端面３０８は、絶縁部材３３３の周縁部の絶縁部材端面３３６よりも内部側に位置している。更に、絶縁部材３３３の絶縁部材端面３３６と導体層の導体層端面３４４は同一位置で端面を形成している。このように、突出部３０７ａの周縁部のベース端面３０８が、絶縁部材３３３の周縁部の絶縁部材端面３３６よりも内部側に位置していることで絶縁距離を確保できる。

Description

半導体装置
　本発明は、半導体装置に関する。
　半導体装置として、直流電力を交流電力に、または交流電力を直流電力に変換するための電力変換機能を行うものがある。
　このような半導体装置として、特許文献１には、１つまたは複数の半導体チップと、この半導体チップと接続する１つまたは複数の導体と、これらを搭載するセラミック基板と、セラミック基板を搭載したベースプレートと、放熱器とから構成される電力変換装置において、ベースプレートと放熱器の間に絶縁プレートを挟み、放熱器を接地して、絶縁耐力を向上する発明が開示されている。また、特許文献２、３には、複数の半導体素子が一方の面に接合されたリードフレームと、リードフレームの他方の面に配置された第１の絶縁層と、リードフレームが第１の絶縁層を介して一方の面に接続された金属ベース板と、金属ベース板の他方の面に配置された第２の絶縁層と、を備え、絶縁性を向上する発明が開示されている。
特開２０１２－２４４７５０号公報 特開２０１３－２２９５３４号公報 特開２０１３－２２９５３５号公報
　特許文献２、３に記載される半導体装置は、第２の絶縁層が金属ベース板の外部に露出されて配置されるため、吸湿や熱応力によって第１の絶縁層に比べて絶縁の信頼性が低くなるという課題がある。
　本発明による半導体装置は、半導体素子と、半導体素子に接続される導体板と、導体板と対向し、半導体装置の外装を構成する金属製のベース部材と、導体板とベース部材との間に配置される絶縁部材と、を備え、絶縁部材は、第１絶縁層と第２絶縁層との間に導体層を挟んで構成され、第１絶縁層と導体板との間で静電容量回路を形成し、第２絶縁層とベース部材との間で静電容量回路を形成し、ベース部材は、絶縁部材とベース部材との接触部分において絶縁部材側に突出する突出部が形成され、導体層の中心から導体層を含む絶縁部材の周縁部までの長さは、導体層の中心からベース部材の突出部の周縁部までの長さより長く形成される。
　本発明によれば、絶縁性を確実に確保できる半導体装置を提供できる。
（Ａ）（Ｂ）パワー半導体モジュールの外観斜視図、分解斜視図である。 （Ａ）（Ｂ）パワー半導体モジュールの内部配線の組み立て工程を示す分解斜視図、内部回路を示す回路図である。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）パワー半導体モジュールの組立て工程を示す断面図、内部構造を示す断面図、拡大断面図、底部平面図である。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）絶縁部材の圧着工法を説明する分解断面図、絶縁部材の外形形成の工法を説明する断面図、絶縁部材の構造を示す断面図、絶縁部材の詳細構造を示す拡大断面図である。 （Ａ）（Ｂ）パワー半導体モジュールの電圧分担効果を説明する図、電圧分担効果を説明する回路図である。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）第２の実施形態であり、パワー半導体モジュールの断面図、拡大断面図、底部平面図である。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）第３の実施形態であり、パワー半導体モジュールの分解断面図、断面図、拡大断面図、底部平面図である。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）第４の実施形態であり、パワー半導体モジュールの分解断面図、断面図、底部平面図である。 第５の実施形態を示すパワー半導体モジュールの分解断面図である。 第６の実施形態を示すパワー半導体モジュールの分解断面図である。 （Ａ）（Ｂ）第７の実施形態を示すパワー半導体モジュールの分解断面図、底部平面図である。
（第１の実施形態）
　以下、本発明の半導体装置をパワー半導体モジュールに適用した例で説明する。　
　図１（Ａ）は、パワー半導体モジュール３００の外観を示す斜視図である。図１（Ｂ）は、パワー半導体モジュール３００の組立て工程を示す分解斜視図である。
　図１（Ｂ）に示すように、パワー半導体素子を内包した封止体３０２は、両面から絶縁部材３３３によって挟持される。パワー半導体素子より導出される配線の端子間の絶縁は端子モールド材３１７によって確保され、端子モールド３１６を形成する。パワー半導体モジュール３００を組み立てた状態を図１（Ａ）に示す。封止体３０２と絶縁部材３３３は、ケース３０４の収納部３０６に収納され、第２封止樹脂３４９によって封止される。収納部３０６の収納口の外周部にはＯリング溝３１２が形成される。パワー半導体素子は、Ｏリング溝３１２にＯリングを取り付け、このＯリングを圧縮しながら図示省略した水路筐体に固定される。ケース３０４には両面にフィン３０５が設けられ、パワー半導体素子の発熱を放熱する。フィン３０５は、電気伝導性を有する部材、例えばＣｕ、Ｃｕ合金、Ｃｕ－Ｃ、Ｃｕ－ＣｕＯなどの複合材、あるいはＡｌ、Ａｌ合金、ＡｌＳｉＣ、Ａｌ－Ｃなどの複合材などから形成されている。パワー半導体モジュール３００から、図示省略したインバータ回路を構成する交流バスバーやリアクトル等と接続するためのパワーモジュール交流端子３２０Ｄ、インバータ回路を構成するキャパシタ等と接続するためパワーモジュール直流正極端子３１５Ｄ、及びパワーモジュール直流負極端子３１９Ｄが突出している。また、パワー半導体モジュール３００から、パワー半導体素子の制御と保護のための上アーム用信号接続端子３２７Ｕと下アーム用信号接続端子３２７Ｌが、パワーモジュール直流正極端子３１５Ｄ、及びパワーモジュール直流負極端子３１９Ｄと同方向に突出している。
　図２（Ａ）は、パワー半導体モジュール３００の内部配線の組み立て工程を示す分解斜視図、図２（Ａ）に対応する等価回路を示す回路図である。
　パワー半導体素子である上アーム回路を構成するＩＧＢＴ３２８とダイオード１５６は、図２（Ａ）に示すように、上アーム導体板３１５、３１８で挟まれる様に金属接合材３３１によって接合される。同様に、パワー半導体素子である下アーム回路を構成するＩＧＢＴ３３０とダイオード１６６は下アーム導体板３１９、３２０で挟まれる様に金属接合材３３１によって接合される。上アーム回路と下アーム回路は、中間接続部３２９で金属接合材３３１によって接合され、上下アーム直列回路を形成している。
　図２（Ｂ）に示すように、上アーム回路は、ＩＧＢＴ３２８とダイオード１５６とを備え、上アーム導体板３１５にパワーモジュール直流正極端子３１５Ｄが接続される。また下アーム回路は、ＩＧＢＴ３３０とダイオード１６６とを備え、下アーム導体板３１９にパワーモジュール直流負極端子３１９Ｄが接続される。上アーム導体板３１８と下アーム導体板３２０は、中間接続部３２９で接続される。また、下アーム導体板３２０はパワーモジュール交流端子３２０Ｄに接続される。上アーム回路のＩＧＢＴ３２８のゲート電極は、上アーム用信号接続端子３２７Ｕの一つに、上アーム回路のＩＧＢＴ３２８のエミッタ電極は、上アーム用信号接続端子３２７Ｕの他の一つに接続される。下アーム回路のＩＧＢＴ３３０のゲート電極は、下アーム用信号接続端子３２７Ｌの一つに、下アーム回路のＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極は、下アーム用信号接続端子３２７Ｌの他の一つに接続される。ＩＧＢＴ３２８、３３０とダイオード１５６、１６６と、導体板３１５、３１８、３１９、３２０は、封止樹脂材によって封止されて、図１（Ｂ）に示す封止体３０２を形成する。
　封止体３０２に用いる封止樹脂としては、例えばノボラック系、多官能系、ビフェニル系のエポキシ樹脂系を基とした樹脂を用いることができ、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＢＮなどのセラミックスやゲル、ゴムなどを含有させ、熱膨張係数を導体板３１５、３１８、３１９、３２０に近づける。これにより、部材間の熱膨張係数差を低減でき、使用環境時の温度上昇にともない発生する熱応力が低下するため、パワー半導体モジュール３００の寿命をのばすことが可能となる。
　図３（Ａ）は、パワー半導体モジュール３００の組立て工程を示す断面図であり、図１（Ｂ）のＡ－Ａ断面図である。図３（Ｂ）は、パワー半導体モジュール３００の内部構造を示す断面図であり、図１（Ａ）のＢ－Ｂ断面図である。 図３（Ｃ）は、パワー半導体モジュール３００の詳細構造を示す断面図であり、図３（Ｂ）のＣ部の拡大断面図である。図３（Ｄ）は、パワー半導体モジュール３００の平面図であり、図３（Ｂ）のＤ方向から見た底部平面図である。
　図３（Ａ）に示すように、ＩＧＢＴ３２８、３３０が金属接合材３３１を介して導体板３１５、３１８、３１９、３２０に接合され、封止体３０２を構成する。封止体３０２の外側には、絶縁部材３３３が設けられている。絶縁部材３３３は、第１絶縁層３３５ａと第２絶縁層３３５ｂとの間に積層して設けられた導体層３３４を有する。図３（Ａ）の図示下側の導体層３３４は、導体板３１５と導体板３２０との間の隙間と対応する様にスリット部３３９によって分割されている。同様に、図示上側の導体層３３４は、導体板３１８と導体板３１９との間の隙間と対応する様にスリット部３３９によって分割されている。
　図３（Ｂ）に示すように、封止体３０２を絶縁部材３３３を介してケース３０４のベース部材３０７の間に封止してパワー半導体モジュール３００を構成する。ベース部材３０７を含むケース３０４は、パワー半導体モジュール３００の外装を構成し、金属製である。このように、絶縁部材３３３の導体層３３４は、それぞれ導体板３１５、３１８、３１９、３２０に対向している。また、ケース３０４の余空隙は第２封止樹脂３４９が充填され、絶縁部材３３３の吸湿と熱応力を抑制する。
　第２封止樹脂３４９に用いる封止樹脂としては、例えばノボラック系、多官能系、ビフェニル系のエポキシ樹脂系を基とした樹脂を用いることができ、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＢＮなどのセラミックスやゲル、ゴムなどを含有させ、熱膨張係数をケース３０４に近づける。これにより、部材間の熱膨張係数差を低減でき、使用環境時の温度上昇にともない発生する熱応力が低下するため、パワー半導体モジュール３００の寿命をのばすことが可能となる。金属接合材３３１は、例えばＳｎ合金系の軟ろう材（はんだ）やＡｌ合金、Ｃｕ合金等の硬ろう材や金属のナノ粒子、マイクロ粒子を用いた金属焼結材を用いる。
　図３（Ｃ）は、図３（Ｂ）のＣ部の拡大断面図である。ベース部材３０７は、絶縁部材３３３とベース部材３０７との接触部分において絶縁部材３３３側に突出する台状の突出部３０７ａが形成されている。そして導体層３３４の中心Ｐから絶縁部材３３３の周縁部までの長さＬ２は、導体層３３４の中心Ｐからベース部材３０７の突出部３０７ａの周縁部までの長さＬ１より長く形成されている。換言すると、突出部３０７ａの周縁部のベース端面３０８は、絶縁部材３３３の周縁部の絶縁部材端面３３６よりも内部側に位置している。更に、絶縁部材３３３の絶縁部材端面３３６と導体層３３４の導体層端面３４４は同一位置で端面を形成している。このように、突出部３０７ａの周縁部のベース端面３０８が、絶縁部材３３３の周縁部の絶縁部材端面３３６よりも内部側に位置していることで、導体層３３４とベース部材３０７との間の絶縁距離を確保している。ベース端面３０８、絶縁部材端面３３６、導体層端面３４４及び導体板３１５、３１８、３１９、３２０の位置関係を、図３（Ｄ）に示す。この図に示すように、ベース端面３０８が、絶縁部材端面３３６よりも内部側に位置しており、導体板３１５、３１８、３１９、３２０は、導体層端面３４４の内部側に配置される。
　図４（Ａ）は、絶縁部材３３３の圧着工法を説明する分解断面図である。絶縁部材３３３は、図４（Ａ）に示すように、絶縁材料で構成される第１絶縁層３３５ａと第２絶縁層３３５ｂで導体層３３４を挟んで積層し、真空状態の下で熱圧着により成形される。
　絶縁部材３３３を熱圧着して成形した後に、図４（Ｂ）に示すように、両端を抜き金型Ｍ等で切り落とす。なお、導体層３３４は、スリット部３３９によって分割されている。そして、図４（Ｃ）に示すように、絶縁部材３３３の形と寸法を成形して仕上げる。絶縁部材３３３の絶縁部材端面３３６の周辺部Ｅの詳細拡大図を図４（Ｄ）に示す。絶縁部材端面３３６は、図４（Ｄ）に示すように、抜き金型Ｍ等で切り落としたためにクラック３４０やバリ３４１が発生しているおそれがある。この場合、導体層３３４がベース部材３０７と接触すると短絡して絶縁性能が低下する。しかしながら、本実施形態では、図３（Ｃ）に示したように、導体層３３４の導体層端面３４４は、絶縁部材端面３３６と同一面上に配置している。そして、突出部３０７ａの周縁部のベース端面３０８が、絶縁部材３３３の周縁部の絶縁部材端面３３６よりも内部側に位置している。そのため、導体層３３４とベース部材３０７との間で絶縁距離を確保でき、絶縁性能を向上させることができる。
　図５（Ａ）は、パワー半導体モジュール３００の電圧分担効果を説明する拡大断面図である。図５（Ｂ）は、パワー半導体モジュール３００の電圧分担効果を説明した回路図である。パワー半導体モジュール３００の動作時には、インバータシステムの直流電圧にスイッチング動作時のサージ電圧が加わり、動作時の最高電圧はパワー半導体素子の耐圧近傍まで到達する。このとき、絶縁部材３３３とケース３０４の間には、略この電圧値に近い値が印加される。このとき、導体層３３４によってこの印加電圧が分担され、第１絶縁層３３５ａ及び第２絶縁層３３５ｂに印加される電圧を低減できる。例えば、導体層３３４の両面側の第１絶縁層３３５ａ、第２絶縁層３３５ｂの厚みと誘電率が等しい場合、両者の静電容量３３８が等しくなり、第１絶縁層３３５ａ及び第２絶縁層３３５ｂに印加される電圧が、絶縁部材３３３に印加される電圧の半分に低減できる。これにより、第１絶縁層３３５ａ、第２絶縁層３３５ｂの内部にボイド３３７が存在する場合、ボイド３３７に引加される電圧値も低減できるため、ボイド３３７の放電電圧を向上し、絶縁部材３３３の放電開始電圧を向上することができる。この状態を等価回路で示せば、図５（Ｂ）のように、ケース３０４が接地電位にあるとき、各導体板３１５、３１８、３１９、３２０と接地電位の間には、等価的に静電容量３３８が２直列されて形成された回路となる。
（第２の実施形態）
　図６（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、第２の実施形態を示す図である。図６（Ａ）は、パワー半導体モジュール３００の断面図、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）のＦ部の拡大断面図、図６（Ｃ）は、図６（Ａ）をＤ方向から見た底部平面図である。
　本実施形態では、図６（Ｂ）に示すように、ベース部材３０７の端面にベース凹部３０９を設ける。この点が図３（Ｂ）に示す第１の実施形態とは異なり、その他の部分は同様の構成である。ベース凹部３０９を設けることにより、図６（Ｂ）に示すように、ベース部材３０７のベース凹部端面３０９ａが絶縁部材端面３３６よりも内部側に位置する。換言すると、ベース凹部３０９を設けたことにより、ベース部材３０７は、絶縁部材３３３とベース部材３０７との接触部分において絶縁部材３３３側に突出する台状の突出部３０７ａが形成される。
　図６（Ｃ）に、ベース凹部端面３０９ａ、絶縁部材端面３３６、及び導体板３１５、３１８、３１９、３２０の位置関係を示す。導体層３３４の中心Ｐから絶縁部材３３３の周縁部までの長さＬ３は、導体層３３４の中心Ｐからベース部材３０７のベース凹部端面３０９ａまでの長さ、すなわち導体層３３４の中心Ｐから突出部３０７ａの周縁部までの長さＬ４より長く形成されている。換言すれば、ベース凹部端面３０９ａよりも絶縁部材端面３３６と導体層の端面３４４の位置が外側に大きく、これにより、絶縁距離を確保でき、絶縁性能を向上させることができる。また、導体板３１５、３１８、３１９、３２０は、絶縁部材端面３３６の内部側に配置される。
（第３の実施形態）
　図７（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）は、第３の実施形態を示す図である。図７（Ａ）は、パワー半導体モジュール３００の分解断面図、図７（Ｂ）は、パワー半導体モジュール３００の断面図、図７（Ｃ）は、図７（Ｂ）のＧ部の拡大断面図、図７（Ｄ）は、図７（Ｂ）をＤ方向から見た底部平面図である。
　図７（Ａ）（Ｂ）に示すように、絶縁部材３３３が、導体板３１５、３１８、３１９、３２０と同数に分割され、分割された複数の絶縁部材３３３は複数の導体板３１５、３１８、３１９、３２０と夫々対向して配置される。そして、ベース部材３０７には、分割された複数の絶縁部材３３３が隣接する間隙位置に対向して凹部３１０が形成されている。その他の構成は第２の実施形態と同様である。図７（Ｃ）に示すように、導体層端面３４４と絶縁部材端面３３６は同一面にあり、凹部３１０の凹部端面３１０ａは、絶縁部材３３３の絶縁部材端面３３６より内部側に位置する。なお、この凹部３１０により、ベース部材３０７には、絶縁部材３３３とベース部材３０７との接触部分において絶縁部材３３３側に突出する台状の突出部３０７ａが２つ形成される。
　図７（Ｄ）に示すように、導体層３３４の中心Ｐから絶縁部材３３３の周縁部までの長さＬ６は、導体層３３４の中心Ｐからベース部材３０７の突出部３０７ａの周縁部までの長さＬ５より長く形成されている。本実施形態によれば、絶縁距離を確保でき、絶縁性能を向上させることができるとともに、絶縁部材３３３を分割することで、図４（Ｂ）で示したスリット部３３９が不要となり、製造工程を簡略化できる。
（第４の実施形態）
　図８（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、第４の実施形態を示す図である。図８（Ａ）は、パワー半導体モジュール３００の分解断面図、図８（Ｂ）は、パワー半導体モジュール３００の断面図、図８（Ｃ）は、図８（Ｂ）をＤ方向から見た底部平面図である。
　本実施形態では、図８（Ａ）に示すように、絶縁部材３３３の導体層３３４に、図３（Ａ）に示すスリット部３３９が設けられていない。この点が図３（Ａ）に示す第１の実施形態とは異なり、その他の部分は同様の構成である。なお、図８（Ｂ）では、ベース部材３０７の形状は、第１の実施形態と同様である場合を示したが、第２の実施形態と同様の構成であってもよい。ベース部材３０７は、絶縁部材３３３とベース部材３０７との接触部分において絶縁部材３３３側に突出する台状の突出部３０７ａが形成されている。図８（Ｃ）に、突出部３０７ａの端面３０８、絶縁部材端面３３６、導体板３１５、３１８、３１９、３２０の位置関係を示す。導体層３３４の中心Ｐから絶縁部材３３３の周縁部である絶縁部材端面３３６までの長さＬ８は、導体層３３４の中心Ｐからベース部材３０７の突出部３０７ａの周縁部である突出部３０７ａの端面３０８までの長さＬ７より長く形成されている。本実施形態によれば、絶縁部材３３３の導体層３３４にスリット部３３９が無いため、製造工程を簡略化できる。
（第５の実施形態）
　図９は、第５の実施形態を示すパワー半導体モジュール３００の分解断面図である。
　図９に示すように、絶縁部材３３３の導体層３３４に、図３（Ａ）に示すスリット部３３９が設けられていない。更に、絶縁部材３３３の導体層３３４が間に絶縁層を挟んで２層に積層されている。その他の部分は第１の実施形態と同様の構成である。なお、ベース部材３０７の形状は、第１の実施形態で示した図３（Ｂ）の形状でもよく、第２の実施形態で示した図６（Ａ）の形状でもよい。本実施形態によれば、導体層３３４が２層に積層されているため、更に絶縁性能が向上し、製造工程も簡略化できる。
（第６の実施形態）
　図１０は、第６の実施形態を示す分解断面図である。
　図１０に示すように、絶縁部材３３３の導体層３３４は、交流電位の導体板３１８、３２０に対向する部分に設け、導体板３１９、３１５に対向する部分には設けていない。ベース部材３０７は、絶縁部材３３３とベース部材３０７との接触部分において絶縁部材３３３側に突出する台状の突出部３０７ａが形成されている。なお、ベース部材３０７の形状は、第２の実施形態で示した図６（Ａ）の形状でもよい。交流電位の導体板３１８、３２０に対向する絶縁部材３３３とベース部材３０７との関係は次のとおりである。すなわち、導体層３３４の中心から絶縁部材３３３の周縁部までの長さは、導体層３３４の中心からベース部材３０７の突出部３０７ａの周縁部までの長さより長く形成されている。その他の部分は第１の実施形態と同様の構成である。本実施形態によれば、導体層３３４は耐圧が必要な個所に設けられているため、絶縁性能が向上し、製造工程も簡略化できる。
（第７の実施形態）
　図１１（Ａ）（Ｂ）は、第７の実施形態の構造を示すパワー半導体モジュール３００であり、図１１（Ａ）は分解断面図、図１１（Ｂ）は底部平面図である。
　図１１（Ａ）に示すように、絶縁部材３３３が、導体板３１５、３１８、３１９、３２０にそれぞれ対向する様に分割して配置され、更に、絶縁部材３３３の導体層３３４は、交流電位の導体板３１８、３２０に対向する部分に設け、導体板３１９、３１５に対向する部分には設けていない。ベース部材３０７には、ベース部材３０７の中央部に凹部３１０が設けられている。ベース部材３０７は、絶縁部材３３３とベース部材３０７との接触部分において絶縁部材３３３側に突出する台状の突出部３０７ａが形成されている。なお、ベース部材３０７の形状は、第２の実施形態で示した図６（Ａ）の形状でもよい。交流電位の導体板３１８、３２０に対向する絶縁部材３３３とベース部材３０７との関係を図１１（Ｂ）に示す。すなわち、導体層３３４の中心Ｐから絶縁部材３３３の周縁部までの長さＬ１０は、導体層３３４の中心からベース部材３０７の突出部３０７ａの周縁部までの長さＬ９より長く形成されている。本実施形態によれば、導体層３３４は耐圧が必要な個所に設けられているため、絶縁性能が向上し、製造工程も簡略化できる。
　以上説明した実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）パワー半導体モジュール３００は、半導体素子（ＩＧＢＴ３２８、ダイオード１５６）と、半導体素子に接続される導体板３１５、３１８、３１９、３２０と、導体板３１５、３１８、３１９、３２０と対向し、パワー半導体モジュール３００の外装を構成する金属製のベース部材３０７と、導体板３１５、３１８、３１９、３２０とベース部材３０７との間に配置される絶縁部材３３３と、を備え、絶縁部材３３３は、第１絶縁層３３５ａと第２絶縁層３３５ｂとの間に導体層３３４を挟んで構成され、第１絶縁層３３５ａと導体板３１５、３１８、３１９、３２０との間で静電容量回路を形成し、第２絶縁層３３５ｂとベース部材３０７との間で静電容量回路を形成し、ベース部材３０７は、絶縁部材３３３とベース部材３０７との接触部分において絶縁部材３３３側に突出する台状の突出部３０７ａが形成され、導体層３３４の中心から導体層３３４を含む絶縁部材３３３の周縁部までの長さは、導体層３３４の中心からベース部材３０７の突出部３０７ａの周縁部までの長さより長く形成される。これにより、絶縁性を確実に確保できるパワー半導体モジュール３００を提供できる。
　本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、上述した各実施形態を組み合わせた構成としてもよい。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明の技術思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。
３００　パワー半導体モジュール
３０４　ケース
３０５　フィン
３０７　ベース部材
３０７ａ　突出部
３１５、３１８、３１９、３２０　導体板
３３３　絶縁部材
３３４　導体層
３３５ａ　第１絶縁層
３３５ｂ　第２絶縁層

Claims (5)

  1. 　半導体素子と、
      前記半導体素子に接続される導体板と、
      前記導体板と対向し、半導体装置の外装を構成する金属製のベース部材と、
      前記導体板と前記ベース部材との間に配置される絶縁部材と、を備え、
      前記絶縁部材は、第１絶縁層と第２絶縁層との間に導体層を挟んで構成され、前記第１絶縁層と前記導体板との間で静電容量回路を形成し、前記第２絶縁層と前記ベース部材との間で静電容量回路を形成し、
    　前記ベース部材は、前記絶縁部材と前記ベース部材との接触部分において前記絶縁部材側に突出する突出部が形成され、
    　前記導体層の中心から前記導体層を含む前記絶縁部材の周縁部までの長さは、前記導体層の中心から前記ベース部材の前記突出部の周縁部までの長さより長く形成される半導体装置。
  2. 　請求項１に記載の半導体装置において、
    　前記導体板は複数の前記半導体素子に対応して複数設けられ、前記導体層は、複数の前記導体板と対向して複数設けられる半導体装置。
  3. 　請求項１または請求項２に記載の半導体装置において、
    　前記ベース部材の前記突出部の周縁部に凹部を設け、前記導体層の中心から前記導体層を含む前記絶縁部材の周縁部までの長さは、前記導体層の中心から前記ベース部材の前記凹部までの長さより長く形成される半導体装置。　
  4. 　請求項２に記載の半導体装置において、
    　前記絶縁部材は、複数の前記導体板と同数に分割され、分割された複数の前記絶縁部材は複数の前記導体板と夫々対向して配置され、
    　前記分割された複数の絶縁部材の隣接する間隙位置に対向して前記ベース部材に凹部が形成される半導体装置。
  5. 　請求項２に記載の半導体装置において、
    　前記絶縁部材は、複数の前記導体板と同数に分割され、分割された複数の前記絶縁部材は複数の前記導体板のうち、交流電位となる前記導体板に対向して配置され、
    　前記交流電位となる前記導体板に対向して配置された前記絶縁部材の周縁部までの長さが、前記ベース部材の前記突出部の周縁部までの長さより長く形成される半導体装置。
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