(57)【要約】【課題】半導体素子の無効領域における放熱性を向上させることによって、半導体装置の絶縁信頼性の低下を抑制する。【解決手段】電力用半導体装置は、絶縁基板（５）の上面に接合層（３）を介して配置される半導体素子（２）と、半導体素子の上面に部分的に形成される第１の上面放熱部材（４ａ）とを備える。半導体素子は、セル領域（１０１）と、平面視においてセル領域を囲む無効領域（１０２）とを有し、第１の上面放熱部材は、半導体素子の無効領域に対応する上面に形成される。【選択図】図３
2020035946.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板の上面に接合層を介して配置される半導体素子と、
前記半導体素子の上面に部分的に形成される第１の上面放熱部材とを備え、
前記半導体素子は、セル領域と、平面視において前記セル領域を囲む無効領域とを有し、
前記第１の上面放熱部材は、前記半導体素子の前記無効領域に対応する上面に形成される、
電力用半導体装置。
【請求項２】
前記第１の上面放熱部材は、絶縁体である、
請求項１に記載の電力用半導体装置。
【請求項３】
前記第１の上面放熱部材の上面に形成される、導電性の第２の上面放熱部材をさらに備える、
請求項２に記載の電力用半導体装置。
【請求項４】
前記半導体素子の下面に部分的に形成される第１の下面放熱部材をさらに備え、
前記半導体素子の前記セル領域に対応する下面は、前記接合層を介して前記絶縁基板の上面に接続され、
前記半導体素子の前記無効領域に対応する下面は、前記第１の下面放熱部材を介して前記絶縁基板の上面に接続され、
前記第１の下面放熱部材の熱伝導率は、前記接合層の熱伝導率よりも高い、
請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項５】
前記第１の下面放熱部材は、周方向において間欠的に形成される、
請求項４に記載の電力用半導体装置。
【請求項６】
平面視における前記第１の下面放熱部材の径方向の幅は、平面視における前記無効領域の径方向の幅よりも小さい、
請求項４または請求項５に記載の電力用半導体装置。
【請求項７】
前記半導体素子の下面に部分的に形成され、かつ、柔軟性を有する第２の下面放熱部材をさらに備え、
前記第１の下面放熱部材は、前記第２の下面放熱部材を介して前記半導体素子の下面に形成される、
請求項４から請求項６のうちのいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項８】
前記第１の下面放熱部材の厚みと、前記第２の下面放熱部材の厚みとを合わせた厚みが、７０μｍ以下である、
請求項７に記載の電力用半導体装置。
【請求項９】
少なくとも、前記半導体素子と、前記第１の上面放熱部材とに跨って形成される接着剤をさらに備える、
請求項１から請求項８のうちのいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項１０】
請求項１から請求項９のうちのいずれか１項に記載の電力用半導体装置を有し、かつ、入力される電力を変換して出力する変換回路と、
前記電力用半導体装置を駆動するための駆動信号を前記電力用半導体装置に出力する駆動回路と、
前記駆動回路を制御するための制御信号を前記駆動回路に出力する制御回路とを備える、
電力変換装置。
【請求項１１】
絶縁基板の上面に、接合層を介して半導体素子を配置し、
前記半導体素子の上面に、第１の上面放熱部材を部分的に形成し、
前記半導体素子は、セル領域と、平面視において前記セル領域を囲む無効領域とを有し、
前記第１の上面放熱部材は、前記半導体素子の前記無効領域に対応する上面に形成される、
電力用半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記半導体素子の、前記絶縁基板の上面における配置として、
前記絶縁基板の前記無効領域に対応する上面に、前記接合層よりも熱伝導率が高い第１の下面放熱部材を形成し、
前記絶縁基板の上面における前記第１の下面放熱部材に囲まれた領域に、前記接合層を形成し、
前記半導体素子の前記セル領域を前記接合層の上面に配置し、かつ、前記半導体素子の前記無効領域を前記第１の下面放熱部材の上面に配置する、
請求項１１に記載の電力用半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
請求項１１または請求項１２に記載の製造方法で製造される電力用半導体装置を有し、かつ、入力される電力を変換して出力する変換回路を設け、
前記電力用半導体装置を駆動するための駆動信号を前記電力用半導体装置に出力する駆動回路を設け、
前記駆動回路を制御するための制御信号を前記駆動回路に出力する制御回路を設ける、
電力変換装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願明細書に開示される技術は、電力用半導体装置、電力変換装置、電力用半導体装置の製造方法、および、電力変換装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電力用半導体装置に用いられる高耐圧の半導体素子は、電力用半導体装置の動作時に大電流が流れるセル領域と、平面視においてセル領域を囲む無効領域とに分けられる。
【０００３】
ここで、無効領域は、電力用半導体装置の非動作時に半導体素子の表面電極と裏面電極との間に定格耐電圧が印加された場合であっても、半導体素子において絶縁破壊を生じさせないための構造、すなわち、ガードリング、フィールドリミッティングリング（ｆｉｅｌｄ  ｌｉｍｉｔｉｎｇ  ｒｉｎｇ、すなわち、ＦＬＲ）、または、ｖａｒｉａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｌａｔｅｒａｌ  ｄｏｐｉｎｇ（ＶＬＤ）などの耐圧構造が形成される領域である。
【０００４】
従来の電力用半導体装置においては、窒化珪素などからなる放熱性および絶縁性を有するセラミック板の上面および下面に、金属配線が形成される。そして、セラミック板の上面には半導体素子の下面が接合され、また、セラミック板の下面には放熱板が接合される。このような構成であることによって、半導体素子で生じる熱を放熱板を介して放熱することができる。
【０００５】
また、半導体素子において一部でも発熱量が放熱量を上回る箇所が存在してしまうと、半導体素子の温度上昇を抑制することができなくなる。
【０００６】
そのため、たとえば、特許文献１に例が示されるように、半導体素子と基板の上面における金属配線との間に形成される接合層が、平面視において半導体素子の周辺部に位置する部分と平面視において半導体素子の中央部に位置する部分とで引っ張り強度が異なる材料組成となっていることによって、半導体素子がオン状態となった場合に、電気抵抗率が低い部分に電流が集中し、局所的に温度上昇が起こることを抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−２０１３１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
半導体素子の製造過程で生ずる寸法公差などによって無効領域の寸法がばらつくと、電力用半導体装置の非動作時に、半導体素子の表面と裏面との間に裏面側が高電圧となるように印加されている電圧によって、無効領域の中でリーク電流が大きくなる局所が発生する。
【０００９】
その結果、半導体素子の表面電極と裏面電極との間に高電圧が印加される非動作時において、リーク電流に起因する半導体素子の無効領域における局所的な発熱量が放熱量を上回る。そして、半導体素子において局所的に温度上昇が起こる場合がある。
【００１０】
そうすると、半導体素子の絶縁耐圧が低下する、すなわち、半導体素子の絶縁信頼性が低下するという問題があった。
【００１１】
特許文献１に例が示された半導体装置では、半導体素子がオン状態となった場合に、セル領域に流れる電流が電気抵抗率に低い部分に集中するため、セル領域においては局所的な温度上昇が抑制される。しかしながら、無効領域においては、そのような効果を期待することができない。
【００１２】
したがって、無効領域における局所的な温度上昇を抑制することができないため、半導体素子の個体差に起因して、半導体装置の絶縁信頼性が低下してしまうという問題があった。
【００１３】
本願明細書に開示される技術は、以上に記載されたような問題を解決するためになされたものであり、半導体素子の無効領域における放熱性を向上させることによって、半導体装置の絶縁信頼性の低下を抑制することができる技術を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本願明細書に開示される技術の第１の態様は、絶縁基板の上面に接合層を介して配置される半導体素子と、前記半導体素子の上面に部分的に形成される第１の上面放熱部材とを備え、前記半導体素子は、セル領域と、平面視において前記セル領域を囲む無効領域とを有し、前記第１の上面放熱部材は、前記半導体素子の前記無効領域に対応する上面に形成される。
【００１５】
また、本願明細書に開示される技術の第２の態様は、上記の電力用半導体装置を有し、かつ、入力される電力を変換して出力する変換回路と、前記電力用半導体装置を駆動するための駆動信号を前記電力用半導体装置に出力する駆動回路と、前記駆動回路を制御するための制御信号を前記駆動回路に出力する制御回路とを備える。
【００１６】
また、本願明細書に開示される技術の第３の態様は、絶縁基板の上面に、接合層を介して半導体素子を配置し、前記半導体素子の上面に、第１の上面放熱部材を部分的に形成し、前記半導体素子は、セル領域と、平面視において前記セル領域を囲む無効領域とを有し、前記第１の上面放熱部材は、前記半導体素子の前記無効領域に対応する上面に形成される。
【００１７】
また、本願明細書に開示される技術の第４の態様は、上記の製造方法で製造される電力用半導体装置を有し、かつ、入力される電力を変換して出力する変換回路を設け、前記電力用半導体装置を駆動するための駆動信号を前記電力用半導体装置に出力する駆動回路を設け、前記駆動回路を制御するための制御信号を前記駆動回路に出力する制御回路を設ける。
【発明の効果】
【００１８】
本願明細書に開示される技術の第１の態様は、絶縁基板の上面に接合層を介して配置される半導体素子と、前記半導体素子の上面に部分的に形成される第１の上面放熱部材とを備え、前記半導体素子は、セル領域と、平面視において前記セル領域を囲む無効領域とを有し、前記第１の上面放熱部材は、前記半導体素子の前記無効領域に対応する上面に形成されるものである。このような構成によれば、放熱部材によって半導体素子の無効領域における放熱性を向上させることができる。そのため、電力用半導体装置の絶縁信頼性の低下を抑制することができる。
【００１９】
また、本願明細書に開示される技術の第２の態様は、上記の電力用半導体装置を有し、かつ、入力される電力を変換して出力する変換回路と、前記電力用半導体装置を駆動するための駆動信号を前記電力用半導体装置に出力する駆動回路と、前記駆動回路を制御するための制御信号を前記駆動回路に出力する制御回路とを備える。このような構成によれば、放熱部材によって半導体素子の無効領域における放熱性を向上させることができる。
【００２０】
また、本願明細書に開示される技術の第３の態様は、絶縁基板の上面に、接合層を介して半導体素子を配置し、前記半導体素子の上面に、第１の上面放熱部材を部分的に形成し、前記半導体素子は、セル領域と、平面視において前記セル領域を囲む無効領域とを有し、前記第１の上面放熱部材は、前記半導体素子の前記無効領域に対応する上面に形成される。このような構成によれば、放熱部材によって半導体素子の無効領域における放熱性を向上させることができる。そのため、電力用半導体装置の絶縁信頼性の低下を抑制することができる。
【００２１】
また、本願明細書に開示される技術の第４の態様は、上記の製造方法で製造される電力用半導体装置を有し、かつ、入力される電力を変換して出力する変換回路を設け、前記電力用半導体装置を駆動するための駆動信号を前記電力用半導体装置に出力する駆動回路を設け、前記駆動回路を制御するための制御信号を前記駆動回路に出力する制御回路を設ける。このような構成によれば、放熱部材によって半導体素子の無効領域における放熱性を向上させることができる。
【００２２】
また、本願明細書に開示される技術に関する目的と、特徴と、局面と、利点とは、以下に示される詳細な説明と添付図面とによって、さらに明白となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】実施の形態に関する、電力用半導体装置に用いられる半導体素子の構造の例を概略的に示す断面図である。
【図２】実施の形態に関する、電力用半導体装置の構造の例を概略的に示す平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ’における断面図である。
【図４】実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。
【図５】実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。
【図６】実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。
【図７】実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。
【図８】実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。
【図９】実施の形態に関する、電力用半導体装置の構造の例を概略的に示す断面図である。
【図１０】実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。
【図１１】実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。
【図１２】実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。
【図１３】実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。
【図１４】実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。
【図１５】実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。
【図１６】実施の形態に関する、電力用半導体装置の構造の例を概略的に示す断面図である。
【図１７】実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。
【図１８】実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。
【図１９】実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。
【図２０】実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。
【図２１】実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。
【図２２】実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。
【図２３】実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。
【図２４】半導体素子の下面における、放熱部材の配置位置の例を示す断面図である。
【図２５】実施の形態に関する電力用半導体装置の構造の例を概略的に示す断面図である。
【図２６】実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。
【図２７】実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。
【図２８】実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。
【図２９】実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。
【図３０】実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。
【図３１】実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。
【図３２】実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。
【図３３】実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。
【図３４】実施の形態に関する、電力用半導体装置の構造の例を概略的に示す断面図である。
【図３５】実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。
【図３６】実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。
【図３７】実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。
【図３８】実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。
【図３９】実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。
【図４０】実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。
【図４１】実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。
【図４２】実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。
【図４３】実施の形態に関する、電力用半導体装置の製造方法を示す図である。
【図４４】実施の形態に関する、電力変換装置を含む電力変換システムの構成の例を概念的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、添付される図面を参照しながら実施の形態について説明する。
【００２５】
なお、図面は概略的に示されるものであり、説明の便宜のため、適宜、構成の省略、または、構成の簡略化がなされるものである。また、異なる図面にそれぞれ示される構成などの大きさおよび位置の相互関係は、必ずしも正確に記載されるものではなく、適宜変更され得るものである。また、断面図ではない平面図などの図面においても、実施の形態の内容を理解することを容易にするために、ハッチングが付される場合がある。
【００２６】
また、以下に示される説明では、同様の構成要素には同じ符号を付して図示し、それらの名称と機能とについても同様のものとする。したがって、それらについての詳細な説明を、重複を避けるために省略する場合がある。
【００２７】
また、以下に記載される説明において、「上」、「下」、「左」、「右」、「側」、「底」、「表」または「裏」などの特定の位置と方向とを意味する用語が用いられる場合があっても、これらの用語は、実施の形態の内容を理解することを容易にするために便宜上用いられるものであり、実際に実施される際の方向とは関係しないものである。
【００２８】
また、以下に記載される説明において、「第１の」、または、「第２の」などの序数が用いられる場合があっても、これらの用語は、実施の形態の内容を理解することを容易にするために便宜上用いられるものであり、これらの序数によって生じ得る順序などに限定されるものではない。
【００２９】
＜第１の実施の形態＞
以下、本実施の形態に関する電力用半導体装置、および、電力用半導体装置の製造方法について説明する。
【００３０】
＜電力用半導体装置の構成について＞
絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  ｇａｔｅ  ｂｉｐｏｌａｒ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、すなわち、ＩＧＢＴ）、金属−酸化膜−半導体電界効果トランジスタ（ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｆｉｅｌｄ−ｅｆｆｅｃｔ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、すなわち、ＭＯＳＦＥＴ）、または、ダイオードなどのパワーデバイスを半導体素子として搭載している電力用半導体装置では、動作時に当該半導体素子に大電流が流れる。そのため、半導体素子が発熱する。
【００３１】
発熱によって半導体素子の温度が上昇し続けると、半導体素子が有する整流性が失われる。そうすると、電力用半導体装置を制御することが難しくなる。
【００３２】
従来の電力用半導体装置では、窒化珪素などからなる放熱性および絶縁性を有するセラミック板の上面および下面に、銅パターンなどの金属配線を形成された絶縁基板が用いられている。
【００３３】
そして、半導体素子の温度上昇を抑制するために、はんだなどで構成される接合層を介して、上記の絶縁基板の上面に半導体素子の下面を接合し、半導体素子の放熱性を確保していた（たとえば、特許文献１を参照）。
【００３４】
ここで、図１は、本実施の形態に関する電力用半導体装置に用いられる半導体素子の構造の例を概略的に示す断面図である。
【００３５】
図１に例が示されるように、半導体素子２は、半導体素子２の動作時に電流が流れるセル領域１０１と、平面視においてセル領域１０１を囲む無効領域１０２とに分けられる。
【００３６】
セル領域１０１においては、ｎ−型の半導体層１１０と、ｎ−型の半導体層１１０の表層において部分的に形成されるｐ−型の半導体層１１１と、ｐ−型の半導体層１１１の表層において部分的に形成されるｎ＋型の半導体層１１２と、ｎ＋型の半導体層１１２を貫通して形成されるｐ＋型の半導体層１１３と、ｎ−型の半導体層１１０の上面においてｎ＋型の半導体層１１２とｎ−型の半導体層１１０とに挟まれるｐ−型の半導体層１１１を覆って形成されるゲート酸化膜１１４と、ゲート酸化膜１１４の上面に形成されるゲート電極１１５と、ゲート酸化膜１１４およびゲート電極１１５を覆って形成される絶縁膜１１６と、絶縁膜１１６、露出しているｎ＋型の半導体層１１２および露出しているｐ＋型の半導体層１１３を覆って形成されるエミッタ電極１１７とが備えられる。
【００３７】
また、無効領域１０２においては、ｎ−型の半導体層１１０と、ｐ−型の半導体層１１１と、ｐ−型の半導体層１１１よりも外周側において、ｎ−型の半導体層１１０の表層に部分的に形成されるｐ−型の半導体層１２１と、ｐ−型の半導体層１２１よりも外周側において、ｎ−型の半導体層１１０の表層に部分的に形成されるｎ＋型の半導体層１２２と、ｐ−型の半導体層１１１、ｐ−型の半導体層１２１およびｎ＋型の半導体層１２２を覆って形成される絶縁膜１１６と、絶縁膜１１６の上面に形成される絶縁性の保護膜１２３とが備えられる。
【００３８】
ここで、無効領域１０２は、半導体素子２の非動作時に半導体素子２の表面電極と裏面電極との間に定格耐電圧が印加された場合であっても、半導体素子２において絶縁破壊を生じさせないための構造、すなわち、ガードリング、ＦＬＲ、または、ＶＬＤなどの耐圧構造が形成される領域である。
【００３９】
一方で、半導体素子２において一部でも発熱量が放熱量を上回る箇所が存在してしまうと、半導体素子２の温度上昇を抑制することができなくなる。
【００４０】
たとえば、特許文献１に例が示されるように、半導体素子と基板の上面における金属配線との間に形成される接合層が、平面視において半導体素子の周辺部に位置する部分と平面視において半導体素子の中央部に位置する部分とで引っ張り強度が異なる材料組成となっていることによって、半導体素子がオン状態となった場合に、電気抵抗率が低い部分に電流が集中し、局所的に温度上昇が起こることを抑制することができる。
【００４１】
ここで、半導体素子の製造過程で生ずる寸法公差などによって無効領域の寸法がばらつくと、電力用半導体装置の非動作時（たとえば、ＭＯＳＦＥＴであれば、ゲート電極に印加される電圧がしきい値よりも低い状態）に、半導体素子の表面と裏面との間に裏面側が高電圧となるように印加されている電圧によって、無効領域の中でリーク電流が大きくなる局所（たとえば、１μｍ２以上、かつ、５０μｍ２以下の範囲の領域）が発生する。
【００４２】
これは、無効領域において、寸法の小さい領域における電界強度は、寸法が大きい領域における電界強度よりも高くなるためである。
【００４３】
その結果、半導体素子の表面電極と裏面電極との間に高電圧が印加される非動作時において、リーク電流に起因する半導体素子の無効領域における局所的な発熱量が放熱量を上回る。そして、半導体素子において局所的に温度上昇が起こる場合がある。
【００４４】
半導体素子の無効領域における温度上昇が進むと、さらにリーク電流が増大する。そうすると、電力用半導体装置の絶縁信頼性が低下する。
【００４５】
特許文献１に例が示された半導体装置では、半導体素子がオン状態となった場合に、セル領域に流れる電流が電気抵抗率に低い部分に集中するため、セル領域においては局所的な温度上昇が抑制される。しかしながら、特許文献１に例が示された材料の熱伝導率は、たとえば、半導体素子の中央部を接合しているはんだと同程度であり、半導体素子の周辺部（すなわち、無効領域）における熱伝導率を上昇させるほどの効果はない。そのため、半導体素子の無効領域における温度上昇を抑制する効果を期待することはできず、半導体装置の絶縁信頼性が低下してしまう。
【００４６】
そこで、本実施の形態においては、上記のような問題を解決するため、半導体素子の無効領域における放熱性を高めることによって、半導体素子の無効領域の寸法のばらつきに起因する電力用半導体装置の絶縁信頼性の低下を抑制することができる電力用半導体装置について説明する。
【００４７】
図２は、本実施の形態に関する電力用半導体装置の構造の例を概略的に示す平面図である。また、図３は、図２のＡ−Ａ’における断面図である。
【００４８】
図２および図３に例が示されるように、電力用半導体装置１は、金属膜７ａと、金属膜７ａの上面に形成されるセラミック板８と、セラミック板８の上面に部分的に形成される金属膜７ｂと、金属膜７ｂの上面に部分的に形成される接合層３と、接合層３の上面に配置される半導体素子２と、半導体素子２の上面のうち、無効領域に対応する箇所に形成される放熱部材４ａと、半導体素子２の上面に接続される金属ワイヤー９と、これらの構成を封止する封止材６（図２においては、図示が省略されている）とを備える。ここで、金属膜７ａ、セラミック板８および金属膜７ｂは、絶縁基板５を形成する。
【００４９】
また、放熱部材４ａは、半導体素子２の無効領域における放熱性を向上させる。また、半導体素子２は、たとえば、ＩＧＢＴである。また、半導体素子２の無効領域には、たとえば、ポリイミド系の樹脂材料からなる絶縁性の保護膜１２３（図１を参照）が形成されている。また、接合層３は、たとえば、はんだである。また、封止材６は、たとえば、絶縁性を有するシリコーンゲルである。
【００５０】
＜電力用半導体装置の製造方法について＞
次に、本実施の形態に関する電力用半導体装置の製造方法について、以下説明する。ここで、図４から図８は、本実施の形態に関する電力用半導体装置の製造方法を示す図である。
【００５１】
まず、図４に例が示されるように、金属膜７ａの上面に、セラミック板８を形成する。さらに、セラミック板８の上面に、金属膜７ｂを部分的に形成する。
【００５２】
次に、図４に例が示されるように、金属膜７ｂの上面に、接合層３を部分的に形成する。ここで、接合層３は、たとえば、板はんだである。さらに、図５に例が示されるように、接合層３の上面に、半導体素子２を配置する。
【００５３】
次に、図５に例が示されるように、半導体素子２と接合層３とを加熱することによって、半導体素子２と金属膜７ｂとを接合する。ここで、半導体素子２は、セル領域と、平面視においてセル領域を囲む無効領域とを有する。
【００５４】
次に、図６に例が示されるように、半導体素子２の無効領域に、放熱部材４ａを配置する。そして、図７に例が示されるように、半導体素子２と、半導体素子２に大電流を流すための主回路との間で電気的導通を得るために、半導体素子２に接続される金属ワイヤー９を形成する。
【００５５】
次に、図８に例が示されるように、形成された上記の構造を覆う絶縁性の封止材６を形成することによって、本実施の形態に関する電力用半導体装置を製造する。
【００５６】
ここで、絶縁性の封止材６としては、たとえば、シリコーンゲルまたはエラストマーが用いられる。また、封止材６の熱伝導率は、たとえば、０．１５Ｗ／ｍ・Ｋである。
【００５７】
本実施の形態においては、半導体素子２の無効領域と封止材６との間に放熱部材４ａが介在している。そのため、半導体素子２の無効領域の放熱性を向上させることができる。そうすると、半導体素子２の無効領域が発熱することに起因して電力用半導体装置の絶縁信頼性が低下してしまうことを、抑制することができる。
【００５８】
なお、上記の放熱部材４ａは、半導体素子２の上面に形成されるエミッタ電極１１７（図１を参照）と半導体素子２の下面に形成されるコレクタ電極との間に印加される高電圧に対して絶縁耐圧を有するもの、すなわち、たとえば、１ｋＶ／ｍｍ以上、かつ、１５ｋＶ／ｍｍ以下の絶縁耐圧を有する絶縁体であればよく、熱伝導率が高いものほど望ましい。特に、熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であるものが好ましい。
【００５９】
また、上記の放熱部材４ａの、半導体素子２の上面に配置される際の状態が液相である場合には、半導体素子２の無効領域のみに限定して放熱部材４ａを配置することが困難である。
【００６０】
放熱部材４ａが液相である場合、半導体素子２のセル領域へ液相である放熱部材４ａが流れてしまう場合があり、その場合、半導体素子２のエミッタ電極１１７（図１を参照）へ金属ワイヤー９を接合するための領域が失われる可能性がある。
【００６１】
このため、上記の放熱部材４ａは、半導体素子２の上面に配置される際の状態が固体であることが望ましい。
【００６２】
一方で、上記の放熱部材４ａは、半導体素子２の上面に配置される際の状態が液状のものであっても、１５０Ｐａ・ｓ以上の粘度を有する材料であればよい。このような条件を満たす放熱部材４ａとしては、たとえば、日本旭立科技株式会社製の放熱シートＰＫ−９５、または、Ｔ−ＧｌＯＢＡＬ社製の熱伝導シートＴＧ−Ｘなどがある。
【００６３】
また、放熱部材４ａが半導体素子２に接触する面積は、無効領域において発熱が生じると想定される局所の面積である、たとえば、１μｍ２以上、かつ、５０μｍ２以下の範囲に対して、１０倍程度の、たとえば、１０μｍ２以上、かつ、５００μｍ２以下の範囲であることが望ましい。
【００６４】
＜第２の実施の形態＞
本実施の形態に関する電力用半導体装置、および、電力用半導体装置の製造方法について説明する。なお、以下の説明においては、以上に記載された実施の形態で説明された構成要素と同様の構成要素については同じ符号を付して図示し、その詳細な説明については適宜省略するものとする。
【００６５】
＜電力用半導体装置の構成について＞
図９は、本実施の形態に関する電力用半導体装置の構造の例を概略的に示す断面図である。
【００６６】
図９に例が示されるように、電力用半導体装置１ａは、金属膜７ａと、セラミック板８と、金属膜７ｂと、接合層３と、半導体素子２と、放熱部材４ａと、金属ワイヤー９と、放熱部材４ａの上面に形成される、放熱部材４ａよりも熱伝導率が高い材料からなる放熱部材４ｂと、これらの構成を封止する封止材６とを備える。
【００６７】
ここで、半導体素子２は、たとえば、ＭＯＳＦＥＴである。また、半導体素子２の無効領域には、たとえば、ポリイミド系の樹脂材料からなる絶縁性の保護膜１２３（図１を参照）が形成されている。また、接合層３は、たとえば、はんだである。また、封止材６は、たとえば、絶縁性を有するシリコーンゲルである。
【００６８】
＜電力用半導体装置の製造方法について＞
次に、本実施の形態に関する電力用半導体装置の製造方法について、以下説明する。ここで、図１０から図１５は、本実施の形態に関する電力用半導体装置の製造方法を示す図である。
【００６９】
まず、図１０に例が示されるように、金属膜７ａの上面に、セラミック板８を形成する。さらに、セラミック板８の上面に、金属膜７ｂを部分的に形成する。
【００７０】
次に、図１０に例が示されるように、金属膜７ｂの上面に、接合層３を部分的に形成する。ここで、接合層３は、たとえば、板はんだである。さらに、図１１に例が示されるように、接合層３の上面に、半導体素子２を配置する。
【００７１】
次に、図１１に例が示されるように、半導体素子２と接合層３とを加熱することによって、半導体素子２と金属膜７ｂとを接合する。
【００７２】
次に、図１２に例が示されるように、半導体素子２の無効領域に、放熱部材４ａを配置する。そして、図１３に例が示されるように、放熱部材４ａの上面に、放熱部材４ｂを配置する。ここで、放熱部材４ｂは、半導体素子２とは離間して配置される。
【００７３】
次に、図１４に例が示されるように、半導体素子２と、半導体素子２に大電流を流すための主回路との間で電気的導通を得るために、半導体素子２に接続される金属ワイヤー９を形成する。
【００７４】
次に、図１５に例が示されるように、形成された上記の構造を覆う絶縁性の封止材６を形成することによって、本実施の形態に関する電力用半導体装置を製造する。
【００７５】
本実施の形態においては、半導体素子２の無効領域と封止材６との間に放熱部材４ａおよび放熱部材４ａよりも熱伝導率の高い放熱部材４ｂが介在している。そのため、半導体素子２の無効領域の放熱性を向上させることができる。そうすると、半導体素子２の無効領域が発熱することに起因して電力用半導体装置の絶縁信頼性が低下してしまうことを、抑制することができる。
【００７６】
なお、上記の放熱部材４ｂとしては、熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋよりも高い、たとえば、銀、銅、金、チタン、鉄、ニッケルまたはアルミニウムなどの金属材料、窒化アルミニウム、窒化珪素などのセラミック材料、ダイヤモンド、または、グラファイトなどが望ましい。
【００７７】
なお、放熱部材４ａの厚さが薄い場合には、半導体素子２のドレイン電極側にソース電極に対して高電圧が印加された際に、導電性の放熱部材４ｂを経由して、放電などの電気的短絡が生じる場合がある。
【００７８】
したがって、半導体素子２の定格耐電圧にあわせて、上記の電気的短絡が起こらない程度の厚さを放熱部材４ａが有していることが望ましい。
【００７９】
たとえば、半導体素子２の耐電圧が３ｋＶである場合、放熱部材４ａの厚みは１ｍｍ以上であることが望ましい。このような構成によれば、半導体素子２の無効領域における発熱を確実に抑制することができる。
【００８０】
＜第３の実施の形態＞
本実施の形態に関する電力用半導体装置、および、電力用半導体装置の製造方法について説明する。なお、以下の説明においては、以上に記載された実施の形態で説明された構成要素と同様の構成要素については同じ符号を付して図示し、その詳細な説明については適宜省略するものとする。
【００８１】
＜電力用半導体装置の構成について＞
図１６は、本実施の形態に関する電力用半導体装置の構造の例を概略的に示す断面図である。
【００８２】
図１６に例が示されるように、電力用半導体装置１ｂは、金属膜７ａと、セラミック板８と、金属膜７ｂと、接合層３と、半導体素子２と、放熱部材４ａと、金属ワイヤー９と、放熱部材４ｂと、半導体素子２の下面に形成される、接合層３よりも熱伝導率が高い材料からなる放熱部材４ｃと、これらの構成を封止する封止材６とを備える。
【００８３】
ここで、放熱部材４ｃは、平面視において、半導体素子２の無効領域に重なる位置に形成される。一方で、半導体素子２のセル領域に重なる位置には、接合層３が形成される。
【００８４】
また、半導体素子２は、たとえば、ダイオードである。また、半導体素子２の無効領域には、たとえば、ポリイミド系の樹脂材料からなる絶縁性の保護膜１２３（図１を参照）が形成されている。また、接合層３は、たとえば、はんだである。また、封止材６は、たとえば、絶縁性を有するシリコーンゲルである。
【００８５】
＜電力用半導体装置の製造方法について＞
次に、本実施の形態に関する電力用半導体装置の製造方法について、以下説明する。ここで、図１７から図２３は、本実施の形態に関する電力用半導体装置の製造方法を示す図である。
【００８６】
まず、図１７に例が示されるように、金属膜７ａの上面に、セラミック板８を形成する。さらに、セラミック板８の上面に、金属膜７ｂを部分的に形成する。
【００８７】
次に、図１７に例が示されるように、金属膜７ｂの上面に、放熱部材４ｃを部分的に形成する。ここで、放熱部材４ｃは、後の工程で配置される半導体素子２の無効領域と平面視において重なる位置に形成される。また、放熱部材４ｃは、図１７に例が示されるように、周方向において間欠的に形成される。なお、図１７における放熱部材４ｃは、それぞれの辺で２箇所ずつ欠如部分があるが、欠如部分の数および位置は、図２６に示される場合に限られるものではない。
【００８８】
次に、図１８に例が示されるように、金属膜７ｂの上面の、平面視において放熱部材４ｃに囲まれる領域において、接合層３を形成する。ここで、接合層３は、たとえば、板はんだである。さらに、図１９に例が示されるように、接合層３の上面および放熱部材４ｃの上面に、半導体素子２を配置する。
【００８９】
次に、図１９に例が示されるように、半導体素子２と接合層３とを加熱することによって、半導体素子２と金属膜７ｂとを接合する。
【００９０】
次に、図２０に例が示されるように、半導体素子２の無効領域に、放熱部材４ａを配置する。そして、図２１に例が示されるように、放熱部材４ａの上面に、放熱部材４ｂを配置する。ここで、放熱部材４ｂは、半導体素子２とは離間して配置される。
【００９１】
次に、図２２に例が示されるように、半導体素子２と、半導体素子２に大電流を流すための主回路との間で電気的導通を得るために、半導体素子２に接続される金属ワイヤー９を形成する。
【００９２】
次に、図２３に例が示されるように、形成された上記の構造を覆う絶縁性の封止材６を形成することによって、本実施の形態に関する電力用半導体装置を製造する。
【００９３】
なお、半導体素子２と金属膜７ｂとを接合する際に、加熱に伴って接合層３（すなわち、はんだ）が膨張する。そして、接合層３（すなわち、はんだ）の膨張によって半導体素子２が垂直方向に押し上げられると、半導体素子２の下面と放熱部材４ｃとが離間してしまう場合がある。そこで、これを防ぐために、放熱部材４ｃを周方向において間欠的に形成している。
【００９４】
本実施の形態においては、半導体素子２の無効領域と封止材６との間に放熱部材４ａおよび放熱部材４ａよりも熱伝導率の高い放熱部材４ｂが介在している。そのため、半導体素子２の無効領域の放熱性を向上させることができる。そうすると、半導体素子２の無効領域が発熱することに起因して電力用半導体装置の絶縁信頼性が低下してしまうことを、抑制することができる。
【００９５】
接合層３よりも熱伝導率が高い材料からなる放熱部材４ｃを、半導体素子２の下面の、平面視において半導体素子２の無効領域に重なる位置に接触させて形成することによって、半導体素子２の無効領域の放熱性をさらに向上させることができる。そうすると、半導体素子２の個体差による寸法のばらつきがあっても、電力用半導体装置の絶縁信頼性が低下することを抑制することができる。
【００９６】
なお、接合層３の熱伝導率は、たとえば、４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、かつ、６０Ｗ／ｍ・Ｋ以下である。そして、放熱部材４ｃは、当該接合層３の熱伝導率よりも高い材料からなることが好ましい。放熱部材４ｃは、たとえば、金、銀または銅などの金属材料、窒化アルミニウムまたは窒化珪素などのセラミック材料、または、グラファイトシートなどで構成されることが好ましい。
【００９７】
なお、放熱部材４ｃが、半導体素子２の下面の、平面視において半導体素子２のセル領域に重なる位置にまで達して形成されると、半導体素子２の動作時の接触抵抗が増大してしまう。そうすると、半導体素子２のオン抵抗が上昇することとなるため、放熱部材４ｃが半導体素子２の下面の、平面視において半導体素子２のセル領域に重なる位置にまで達して形成されることは好ましくない。
【００９８】
図２４は、半導体素子の下面における、放熱部材の配置位置の例を示す断面図である。図２４に例が示されるように、半導体素子２の無効領域１０２の、平面視における径方向の幅Ｄに対し、放熱部材４ｃは、半導体素子２の外周端面から径方向の幅ｄの範囲に形成されることが望ましい。ここで、幅Ｄは幅ｄよりも大きいものとし、かつ、幅Ｄと幅ｄとの差は小さいほどよい。
【００９９】
なお、本実施の形態においては、放熱部材４ａ、放熱部材４ｂおよび放熱部材４ｃが全て備えられた構成が示されたが、たとえば、放熱部材４ｂが備えられていなくてもよい。
【０１００】
＜第４の実施の形態＞
本実施の形態に関する電力用半導体装置、および、電力用半導体装置の製造方法について説明する。なお、以下の説明においては、以上に記載された実施の形態で説明された構成要素と同様の構成要素については同じ符号を付して図示し、その詳細な説明については適宜省略するものとする。
【０１０１】
＜電力用半導体装置の構成について＞
図２５は、本実施の形態に関する電力用半導体装置の構造の例を概略的に示す断面図である。
【０１０２】
図２５に例が示されるように、電力用半導体装置１ｃは、金属膜７ａと、セラミック板８と、金属膜７ｂと、接合層３と、半導体素子２と、放熱部材４ａと、金属ワイヤー９と、放熱部材４ｂと、半導体素子２の下面に形成される、柔軟性を有する放熱部材４ｄと、放熱部材４ｄの下面に形成される、接合層３よりも熱伝導率が高い材料からなる放熱部材４ｃと、これらの構成を封止する封止材６とを備える。
【０１０３】
ここで、放熱部材４ｄの熱伝導率は、放熱部材４ｃの熱伝導率よりも高い。半導体素子２の下面に接触する放熱部材４ｄが柔軟性を有することによって、半導体素子２と金属膜７ｂとを接合する際に生じる熱応力によってクラックが生じることを抑制することができる。
【０１０４】
また、半導体素子２の無効領域には、たとえば、ポリイミド系の樹脂材料からなる絶縁性の保護膜１２３（図１を参照）が形成されている。また、接合層３は、たとえば、はんだである。また、封止材６は、たとえば、絶縁性を有するシリコーンゲルである。
【０１０５】
ここで、放熱部材４ｄは、たとえば、厚さが３０μｍのグラファイトシートである。グラファイトシートは、４００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する材料であり、半導体素子２との間、および、放熱部材４ｃとの間の密着性を向上させつつ、当該箇所における熱抵抗を低減することができる。そのため、半導体素子２の無効領域における放熱性を向上させることができる。
【０１０６】
なお、放熱部材４ｃの厚みと放熱部材４ｄの厚みとを合わせた厚みが接合層３の厚みよりも厚いと、半導体素子２と金属膜７ｂとの間の接合性が低下してしまう。そのため、放熱部材４ｃの厚みと放熱部材４ｄの厚みとを合わせた厚みは、接合層３の厚みよりも薄いことが望ましい。
【０１０７】
また、放熱部材４ｄの柔軟性は、放熱部材４ｄの厚みが増加するに伴って低下する。そのため、本実施の形態において示されたように、放熱部材４ｃと、放熱部材４ｃよりも厚みが薄い放熱部材４ｄとを積層する構成とすることが望ましい。このように構成することによって、放熱部材４ｄの柔軟性を保ちつつ、放熱部材４ｃを合わせた放熱部材全体としては、接合層３の厚みに合わせて厚みを増加させることができる。
【０１０８】
なお、放熱部材４ｃの厚みと放熱部材４ｄの厚みとを合わせた厚みは、たとえば、接合層の厚み±２０μｍとなるように構成することが望ましく、放熱部材４ｃの厚みと、放熱部材４ｄの厚みとを合わせた厚みは、たとえば、７０μｍ以下である。
【０１０９】
＜電力用半導体装置の製造方法について＞
次に、本実施の形態に関する電力用半導体装置の製造方法について、以下説明する。ここで、図２６から図３３は、本実施の形態に関する電力用半導体装置の製造方法を示す図である。
【０１１０】
まず、図２６に例が示されるように、金属膜７ａの上面に、セラミック板８を形成する。さらに、セラミック板８の上面に、金属膜７ｂを部分的に形成する。
【０１１１】
次に、図２６に例が示されるように、金属膜７ｂの上面に、放熱部材４ｃを部分的に形成する。ここで、放熱部材４ｃは、後の工程で配置される半導体素子２の無効領域と平面視において重なる位置に形成される。また、放熱部材４ｃは、図２６に例が示されるように、周方向において間欠的に形成される。なお、図２６における放熱部材４ｃは、それぞれの辺で１箇所ずつ欠如部分があるが、欠如部分の数および位置は、図２６に示される場合に限られるものではない。
【０１１２】
次に、図２７に例が示されるように、放熱部材４ｃの上面に、放熱部材４ｄを形成する。ここで、放熱部材４ｄは、周方向において連続して形成される。
【０１１３】
次に、図２８に例が示されるように、金属膜７ｂの上面の、平面視において放熱部材４ｃおよび放熱部材４ｄに囲まれる領域において、接合層３を形成する。ここで、接合層３は、たとえば、板はんだである。さらに、図２９に例が示されるように、接合層３の上面および放熱部材４ｄの上面に、半導体素子２を配置する。
【０１１４】
次に、図２９に例が示されるように、半導体素子２と接合層３とを加熱することによって、半導体素子２と金属膜７ｂとを接合する。
【０１１５】
次に、図３０に例が示されるように、半導体素子２の無効領域に、放熱部材４ａを配置する。そして、図３１に例が示されるように、放熱部材４ａの上面に、放熱部材４ｂを配置する。ここで、放熱部材４ｂは、半導体素子２とは離間して配置される。
【０１１６】
次に、図３２に例が示されるように、半導体素子２と、半導体素子２に大電流を流すための主回路との間で電気的導通を得るために、半導体素子２に接続される金属ワイヤー９を形成する。
【０１１７】
次に、図３３に例が示されるように、形成された上記の構造を覆う絶縁性の封止材６を形成することによって、本実施の形態に関する電力用半導体装置を製造する。
【０１１８】
なお、放熱部材４ａを半導体素子２の無効領域に配置する工程、および、放熱部材４ｂを放熱部材４ａの上面に配置する工程は、必ずしも、半導体素子２を接合層３の上面および放熱部材４ｄの上面に配置する工程の後でなくてもよい。すなわち、半導体素子２の無効領域に放熱部材４ａおよび放熱部材４ｂが配置された後で、半導体素子２が、接合層３の上面および放熱部材４ｄの上面に配置されてもよい。
【０１１９】
＜第５の実施の形態＞
本実施の形態に関する電力用半導体装置、および、電力用半導体装置の製造方法について説明する。なお、以下の説明においては、以上に記載された実施の形態で説明された構成要素と同様の構成要素については同じ符号を付して図示し、その詳細な説明については適宜省略するものとする。
【０１２０】
＜電力用半導体装置の構成について＞
図３４は、本実施の形態に関する電力用半導体装置の構造の例を概略的に示す断面図である。
【０１２１】
図３４に例が示されるように、電力用半導体装置１ｃは、金属膜７ａと、セラミック板８と、金属膜７ｂと、接合層３と、半導体素子２と、放熱部材４ａと、金属ワイヤー９と、放熱部材４ｂと、放熱部材４ｄと、放熱部材４ｃと、接着剤１０と、これらの構成を封止する封止材６とを備える。
【０１２２】
ここで、接着剤１０は、放熱部材４ａ、放熱部材４ｂ、放熱部材４ｃ、放熱部材４ｄ、半導体素子２、および、金属膜７ｂに跨って形成され、かつ、これらの構成間の密着性を高める。接着剤１０は、たとえば、加熱硬化型のシリコーン接着剤である。
【０１２３】
接着剤１０は、放熱部材４ｂの上面、放熱部材４ｂの外周側の側面、放熱部材４ａの外周側の側面、半導体素子２の側面、放熱部材４ｄの外周側の側面、放熱部材４ｃの外周側の側面、および、金属膜７ｂの上面に接触して形成されている。
【０１２４】
このように、接着剤１０によって放熱部材４ａ、放熱部材４ｂ、放熱部材４ｃ、放熱部材４ｄ、半導体素子２、および、金属膜７ｂの間の密着性を向上させることによって、半導体素子２の無効領域における放熱性を、確実に向上させることができる。
【０１２５】
なお、接着剤１０を有する構成は本実施の形態に限らず、第１の実施の形態、第２の実施の形態、第３の実施の形態、および、第４の実施の形態のうちのいずれかにおいて示された構成に適用されてもよい。
【０１２６】
＜電力用半導体装置の製造方法について＞
次に、本実施の形態に関する電力用半導体装置の製造方法について、以下説明する。ここで、図３５から図４３は、本実施の形態に関する電力用半導体装置の製造方法を示す図である。
【０１２７】
まず、図３５に例が示されるように、金属膜７ａの上面に、セラミック板８を形成する。さらに、セラミック板８の上面に、金属膜７ｂを部分的に形成する。
【０１２８】
次に、図３５に例が示されるように、金属膜７ｂの上面に、放熱部材４ｃを部分的に形成する。ここで、放熱部材４ｃは、後の工程で配置される半導体素子２の無効領域と平面視において重なる位置に形成される。また、放熱部材４ｃは、図３５に例が示されるように、周方向において間欠的に形成される。なお、図３５における放熱部材４ｃは、それぞれの辺で１箇所ずつ欠如部分があるが、欠如部分の数および位置は、図３５に示される場合に限られるものではない。
【０１２９】
次に、図３６に例が示されるように、放熱部材４ｃの上面に、放熱部材４ｄを形成する。ここで、放熱部材４ｄは、周方向において連続して形成される。
【０１３０】
次に、図３７に例が示されるように、金属膜７ｂの上面の、平面視において放熱部材４ｃおよび放熱部材４ｄに囲まれる領域において、接合層３を形成する。ここで、接合層３は、たとえば、板はんだである。さらに、図３８に例が示されるように、接合層３の上面および放熱部材４ｄの上面に、半導体素子２を配置する。
【０１３１】
次に、図３８に例が示されるように、半導体素子２と接合層３とを加熱することによって、半導体素子２と金属膜７ｂとを接合する。
【０１３２】
次に、図３９に例が示されるように、半導体素子２の無効領域に、放熱部材４ａを配置する。そして、図４０に例が示されるように、放熱部材４ａの上面に、放熱部材４ｂを配置する。ここで、放熱部材４ｂは、半導体素子２とは離間して配置される。
【０１３３】
次に、図４１に例が示されるように、放熱部材４ｂの上面、放熱部材４ｂの外周側の側面、放熱部材４ａの外周側の側面、半導体素子２の側面、放熱部材４ｄの外周側の側面、放熱部材４ｃの外周側の側面、および、金属膜７ｂの上面に、接着剤１０を塗布する。そして、接着剤１０を加熱することによって、接着剤１０を硬化させる。
【０１３４】
次に、図４２に例が示されるように、半導体素子２と、半導体素子２に大電流を流すための主回路との間で電気的導通を得るために、半導体素子２に接続される金属ワイヤー９を形成する。
【０１３５】
次に、図４３に例が示されるように、形成された上記の構造を覆う絶縁性の封止材６を形成することによって、本実施の形態に関する電力用半導体装置を製造する。
【０１３６】
このように、接着剤１０によって放熱部材４ａ、放熱部材４ｂ、放熱部材４ｃ、放熱部材４ｄ、半導体素子２、および、金属膜７ｂの間の密着性を向上させることによって、半導体素子２の無効領域における放熱性を、確実に向上させることができる。
【０１３７】
＜第６の実施の形態＞
本実施の形態に関する電力変換装置、および、電力変換装置の製造方法について説明する。以下の説明においては、以上に記載された実施の形態で説明された構成要素と同様の構成要素については同じ符号を付して図示し、その詳細な説明については適宜省略するものとする。
【０１３８】
＜電力変換装置の構成について＞
本実施の形態は、以上に記載された実施の形態に関する電力用半導体装置を電力変換装置に適用するものである。適用する電力変換装置は特定の用途のものに限定されるものではないが、以下では、三相のインバータに適用する場合について説明する。
【０１３９】
図４４は、本実施の形態に関する電力変換装置を含む電力変換システムの構成の例を概念的に示す図である。
【０１４０】
図４４に例が示されるように、電力変換システムは、電源１００と、電力変換装置２００と、負荷３００とを備える。電源１００は、直流電源であり、かつ、電力変換装置２００に直流電力を供給する。電源１００は種々のもので構成することが可能であり、たとえば、直流系統、太陽電池または蓄電池などで構成することができる。また、電源１００は、交流系統に接続された整流回路またはＡＣ−ＤＣコンバータなどで構成することができる。また、電源１００を、直流系統から出力される直流電力を所定の電力に変換するＤＣ−ＤＣコンバータによって構成することもできる。
【０１４１】
電力変換装置２００は、電源１００と負荷３００との間に接続される三相のインバータである。電力変換装置２００は、電源１００から供給された直流電力を交流電力に変換し、さらに、負荷３００に当該交流電力を供給する。
【０１４２】
また、電力変換装置２００は、図４４に例が示されるように、直流電力を交流電力に変換して出力する変換回路２０１と、変換回路２０１のそれぞれのスイッチング素子を駆動するための駆動信号を出力する駆動回路２０２と、駆動回路２０２を制御するための制御信号を駆動回路２０２に出力する制御回路２０３とを備える。
【０１４３】
負荷３００は、電力変換装置２００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３００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る電動機であり、たとえば、ハイブリッド自動車、電気自動車、鉄道車両、エレベーター、または、空調機器向けの電動機として用いられるものである。
【０１４４】
以下、電力変換装置２００の詳細を説明する。変換回路２０１は、スイッチング素子と還流ダイオードとを備える（ここでは、図示せず）。そして、スイッチング素子がスイッチング動作をすることによって、電源１００から供給される直流電力を交流電力に変換し、さらに、負荷３００に供給する。
【０１４５】
変換回路２０１の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態に関する変換回路２０１は、２レベルの三相フルブリッジ回路であり、かつ、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に接続される６つの還流ダイオードとを備えるものである。
【０１４６】
変換回路２０１におけるそれぞれのスイッチング素子とそれぞれの還流ダイオードの少なくとも一方には、以上に記載された実施の形態のいずれかにおける電力用半導体装置を適用する。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て上下アームを構成し、それぞれの上下アームは、フルブリッジ回路の各相（すなわち、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相）を構成する。そして、それぞれの上下アームの出力端子（すなわち、変換回路２０１の３つの出力端子）は、負荷３００に接続される。
【０１４７】
駆動回路２０２は、変換回路２０１のスイッチング素子を駆動するための駆動信号を生成し、さらに、変換回路２０１のスイッチング素子の制御電極に当該駆動信号を供給する。具体的には、後述する制御回路２０３から出力される制御信号に基づいて、スイッチング素子をオン状態にする駆動信号とスイッチング素子をオフ状態にする駆動信号とをそれぞれのスイッチング素子の制御電極に出力する。
【０１４８】
スイッチング素子をオン状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以上の電圧信号（すなわち、オン信号）であり、スイッチング素子をオフ状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以下の電圧信号（すなわち、オフ信号）となる。
【０１４９】
制御回路２０３は、負荷３００に所望の電力が供給されるよう変換回路２０１のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷３００に供給すべき電力に基づいて変換回路２０１のそれぞれのスイッチング素子がオン状態となるべき時間（すなわち、オン時間）を算出する。たとえば、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、変換回路２０１を制御することができる。
【０１５０】
そして、制御回路２０３は、それぞれの時点においてオン状態となるべきスイッチング素子にはオン信号が、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号がそれぞれ出力されるように、駆動回路２０２に制御指令（すなわち、制御信号）を出力する。駆動回路２０２は、当該制御信号に基づいて、それぞれのスイッチング素子の制御電極にオン信号またはオフ信号を駆動信号として出力する。
【０１５１】
本実施の形態に関する電力変換装置２００では、変換回路２０１のスイッチング素子として以上に記載された実施の形態のいずれかにおける電力用半導体装置を適用するため、通電サイクルを経た後のオン抵抗を安定させることができる。
【０１５２】
なお、本実施の形態では、２レベルの三相インバータに以上に記載された実施の形態のいずれかにおける電力用半導体装置を適用する例が説明されたが、適用例はこれに限られるものではなく、種々の電力変換装置に以上に記載された実施の形態のいずれかにおける電力用半導体装置を適用することができる。
【０１５３】
また、本実施の形態では、２レベルの電力変換装置について説明されたが、３レベルまたはマルチレベルの電力変換装置に以上に記載された実施の形態のいずれかにおける電力用半導体装置が適用されてもよい。また、単相負荷に電力を供給する場合には、単相のインバータに以上に記載された実施の形態のいずれかにおける電力用半導体装置が適用されてもよい。
【０１５４】
また、直流負荷などに電力を供給する場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータまたはＡＣ−ＤＣコンバータに、以上に記載された実施の形態のいずれかにおける電力用半導体装置を適用することもできる。
【０１５５】
また、以上に記載された実施の形態のいずれかにおける電力用半導体装置が適用された電力変換装置は、上述された負荷が電動機である場合に限定されるものではなく、たとえば、放電加工機、レーザー加工機、誘導加熱調理器または非接触器給電システムの電源装置として用いることもできる。また、以上に記載された実施の形態のいずれかにおける電力用半導体装置が適用された電力変換装置は、太陽光発電システムまたは蓄電システムなどにおけるパワーコンディショナーとして用いることもできる。
【０１５６】
＜以上に記載された実施の形態によって生じる効果について＞
次に、以上に記載された実施の形態によって生じる効果の例を示す。なお、以下の説明においては、以上に記載された実施の形態に例が示された具体的な構成に基づいて当該効果が記載されるが、同様の効果が生じる範囲で、本願明細書に例が示される他の具体的な構成と置き換えられてもよい。
【０１５７】
また、当該置き換えは、複数の実施の形態に跨ってなされてもよい。すなわち、異なる実施の形態において例が示されたそれぞれの構成が組み合わされて、同様の効果が生じる場合であってもよい。
【０１５８】
以上に記載された実施の形態によれば、電力用半導体装置は、半導体素子２と、第１の上面放熱部材とを備える。ここで、第１の上面放熱部材は、たとえば、放熱部材４ａに対応するものである。半導体素子２は、絶縁基板５の上面に接合層３を介して配置される。放熱部材４ａは、半導体素子２の上面に部分的に形成される。そして、半導体素子２は、セル領域１０１と、平面視においてセル領域１０１を囲む無効領域１０２とを有する。また、放熱部材４ａは、半導体素子２の無効領域１０２に対応する上面に形成される。
【０１５９】
このような構成によれば、放熱部材によって半導体素子の無効領域における放熱性を向上させることができる。そのため、電力用半導体装置の絶縁信頼性の低下を抑制することができる。
【０１６０】
なお、これらの構成以外の本願明細書に例が示される他の構成については適宜省略することができる。すなわち、少なくともこれらの構成を備えていれば、以上に記載された効果を生じさせることができる。
【０１６１】
しかしながら、本願明細書に例が示される他の構成のうちの少なくとも１つを、以上に記載された構成に適宜追加した場合、すなわち、以上に記載された構成としては言及されなかった本願明細書に例が示される他の構成が適宜追加された場合であっても、同様の効果を生じさせることができる。
【０１６２】
また、以上に記載された実施の形態によれば、放熱部材４ａは、絶縁体である。このような構成によれば、放熱部材によって半導体素子の無効領域における放熱性を向上させることができる。そのため、電力用半導体装置の絶縁信頼性の低下を抑制することができる。
【０１６３】
また、以上に記載された実施の形態によれば、電力用半導体装置は、放熱部材４ａの上面に形成される、導電性の第２の上面放熱部材を備える。ここで、第２の上面放熱部材は、たとえば、放熱部材４ｂに対応するものである。このような構成によれば、絶縁性の放熱部材４ａを介して導電性の放熱部材４ｂが備えられることによって、半導体素子２のドレイン電極側にソース電極に対して高電圧が印加された場合であっても放電などの電気的短絡を生じさせずに、熱伝導率の高い放熱部材４ｂによって、半導体素子２の無効領域における放熱性が向上させることができる。よって、半導体素子２の個体差による寸法のばらつきがあっても、電力用半導体装置の絶縁信頼性が低下することを抑制することができる。
【０１６４】
また、以上に記載された実施の形態によれば、電力用半導体装置は、半導体素子２の下面に部分的に形成される第１の下面放熱部材を備える。ここで、第１の下面放熱部材は、たとえば、放熱部材４ｃに対応するものである。そして、半導体素子２のセル領域１０１に対応する下面は、接合層３を介して絶縁基板５の上面に接続される。また、半導体素子２の無効領域１０２に対応する下面は、放熱部材４ｃを介して絶縁基板５の上面に接続される。また、放熱部材４ｃの熱伝導率は、接合層３の熱伝導率よりも高い。このような構成によれば、接合層３よりも熱伝導率が高い材料からなる放熱部材４ｃを、半導体素子２の下面の、平面視において半導体素子２の無効領域に重なる位置に接触させて形成することによって、半導体素子２の無効領域の放熱性をさらに向上させることができる。そうすると、半導体素子２の個体差による寸法のばらつきがあっても、電力用半導体装置の絶縁信頼性が低下することを抑制することができる。
【０１６５】
また、以上に記載された実施の形態によれば、放熱部材４ｃは、周方向において間欠的に形成される。このような構成によれば、半導体素子２と金属膜７ｂとを接合する際に、加熱に伴って接合層３（すなわち、はんだ）が膨張した場合であっても、半導体素子２の下面と放熱部材４ｃとが離間することを防ぐことができる。
【０１６６】
また、以上に記載された実施の形態によれば、平面視における放熱部材４ｃの径方向の幅ｄは、平面視における無効領域１０２の径方向の幅Ｄよりも小さい。このような構成によれば、放熱部材４ｃが、半導体素子２の下面の、平面視において半導体素子２のセル領域に重なる位置にまで達して形成されることが防がれるため、半導体素子２の動作時の接触抵抗が増大することを防ぐことができる。
【０１６７】
また、以上に記載された実施の形態によれば、電力用半導体装置は、第２の下面放熱部材を備える。ここで、第２の下面放熱部材は、たとえば、放熱部材４ｄに対応するものである。放熱部材４ｄは、半導体素子２の下面に部分的に形成され、かつ、柔軟性を有する。また、放熱部材４ｃは、放熱部材４ｄを介して半導体素子２の下面に形成される。このような構成によれば、放熱部材４ｄと半導体素子２との間、および、放熱部材４ｄと放熱部材４ｃとの間の密着性を向上させつつ、当該箇所における熱抵抗を低減することができる。そのため、半導体素子２の無効領域における放熱性を向上させることができる。また、放熱部材４ｄの柔軟性を保ちつつ、放熱部材４ｃを合わせた放熱部材全体としては、接合層３の厚みに合わせて厚みを増加させることができる。
【０１６８】
また、以上に記載された実施の形態によれば、放熱部材４ｃの厚みと、放熱部材４ｄの厚みとを合わせた厚みが、７０μｍ以下である。このような構成によれば、放熱部材４ｄの柔軟性を保ちつつ、放熱部材４ｃを合わせた放熱部材全体としては、接合層３の厚みに合わせて厚みを増加させることができる。
【０１６９】
また、以上に記載された実施の形態によれば、電力用半導体装置は、少なくとも、半導体素子２と、放熱部材４ａとに跨って形成される接着剤１０を備える。このような構成によれば、接着剤１０によって半導体素子２、放熱部材４ａ、さらには、放熱部材４ｂ、放熱部材４ｃ、放熱部材４ｄ、および、金属膜７ｂの間の密着性を向上させることによって、半導体素子２の無効領域における放熱性を、確実に向上させることができる。
【０１７０】
また、以上に記載された実施の形態によれば、電力変換装置は、上記の電力用半導体装置を有し、かつ、入力される電力を変換して出力する変換回路２０１と、電力用半導体装置を駆動するための駆動信号を電力用半導体装置に出力する駆動回路２０２と、駆動回路２０２を制御するための制御信号を駆動回路２０２に出力する制御回路２０３とを備える。このような構成によれば、放熱部材によって半導体素子の無効領域における放熱性を向上させることができる。
【０１７１】
以上に記載された実施の形態によれば、電力用半導体装置の製造方法において、絶縁基板５の上面に、接合層３を介して半導体素子２を配置する。そして、半導体素子２の上面に、放熱部材４ａを部分的に形成する。そして、半導体素子２は、セル領域１０１と、平面視においてセル領域１０１を囲む無効領域１０２とを有する。そして、放熱部材４ａは、半導体素子２の無効領域１０２に対応する上面に形成される。
【０１７２】
このような構成によれば、放熱部材によって半導体素子の無効領域における放熱性を向上させることができる。そのため、電力用半導体装置の絶縁信頼性の低下を抑制することができる。
【０１７３】
なお、これらの構成以外の本願明細書に例が示される他の構成については適宜省略することができる。すなわち、少なくともこれらの構成を備えていれば、以上に記載された効果を生じさせることができる。
【０１７４】
しかしながら、本願明細書に例が示される他の構成のうちの少なくとも１つを、以上に記載された構成に適宜追加した場合、すなわち、以上に記載された構成としては言及されなかった本願明細書に例が示される他の構成が適宜追加された場合であっても、同様の効果を生じさせることができる。
【０１７５】
また、特段の制限がない場合には、それぞれの処理が行われる順序は変更することができる。
【０１７６】
また、以上に記載された実施の形態によれば、電力用半導体装置の製造方法における、半導体素子２の、絶縁基板５の上面における配置として、絶縁基板５の無効領域１０２に対応する上面に、接合層３よりも熱伝導率が高い放熱部材４ｃを形成する。そして、絶縁基板５の上面における放熱部材４ｃに囲まれた領域に、接合層３を形成する。そして、半導体素子２のセル領域１０１を接合層３の上面に配置し、かつ、半導体素子２の無効領域１０２を放熱部材４ｃの上面に配置する。このような構成によれば、接合層３よりも熱伝導率が高い材料からなる放熱部材４ｃを、半導体素子２の下面の、平面視において半導体素子２の無効領域に重なる位置に接触させて形成することによって、半導体素子２の無効領域の放熱性をさらに向上させることができる。
【０１７７】
また、以上に記載された実施の形態によれば、電力変換装置の製造方法において、上記の製造方法で製造される電力用半導体装置を有し、かつ、入力される電力を変換して出力する変換回路２０１を設ける。そして、電力用半導体装置を駆動するための駆動信号を電力用半導体装置に出力する駆動回路２０２を設ける。そして、駆動回路２０２を制御するための制御信号を駆動回路２０２に出力する制御回路２０３を設ける。このような構成によれば、放熱部材によって半導体素子の無効領域における放熱性を向上させることができる。
【０１７８】
＜以上に記載された実施の形態における変形例について＞
以上に記載された実施の形態では、それぞれの構成要素の材質、材料、寸法、形状、相対的配置関係または実施の条件などについても記載する場合があるが、これらはすべての局面においてひとつの例であって、本願明細書に記載されたものに限られることはないものとする。
【０１７９】
したがって、例が示されていない無数の変形例、および、均等物が、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。たとえば、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つの実施の形態における少なくとも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。
【０１８０】
また、矛盾が生じない限り、以上に記載された実施の形態において「１つ」備えられるものとして記載された構成要素は、「１つ以上」備えられていてもよいものとする。
【０１８１】
さらに、以上に記載された実施の形態におけるそれぞれの構成要素は概念的な単位であって、本願明細書に開示される技術の範囲内には、１つの構成要素が複数の構造物から成る場合と、１つの構成要素がある構造物の一部に対応する場合と、さらには、複数の構成要素が１つの構造物に備えられる場合とを含むものとする。
【０１８２】
また、以上に記載された実施の形態におけるそれぞれの構成要素には、同一の機能を発揮する限り、他の構造または形状を有する構造物が含まれるものとする。
【０１８３】
また、本願明細書における説明は、本技術に関するすべての目的のために参照され、いずれも、従来技術であると認めるものではない。
【０１８４】
また、以上に記載された実施の形態において、特に指定されずに材料名などが記載された場合は、矛盾が生じない限り、当該材料に他の添加物が含まれた、たとえば、合金などが含まれるものとする。
【符号の説明】
【０１８５】
１，１ａ，１ｂ，１ｃ  電力用半導体装置、２  半導体素子、３  接合層、４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ  放熱部材、５  絶縁基板、６  封止材、７ａ，７ｂ  金属膜、８  セラミック板、９  金属ワイヤー、１０  接着剤、１００  電源、１０１  セル領域、１０２  無効領域、１１０  ｎ−型の半導体層、１１１，１２１  ｐ−型の半導体層、１１２，１２２  ｎ＋型の半導体層、１１３  ｐ＋型の半導体層、１１４  ゲート酸化膜、１１５  ゲート電極、１１６  絶縁膜、１１７  エミッタ電極、１２３  保護膜、２００  電力変換装置、２０１  変換回路、２０２  駆動回路、２０３  制御回路、３００  負荷。
【図１】
2020035946.tif 000003
【図２】
2020035946.tif 000004
【図３】
2020035946.tif 000005
【図４】
2020035946.tif 000006
【図５】
2020035946.tif 000007
【図６】
2020035946.tif 000008
【図７】
2020035946.tif 000009
【図８】
2020035946.tif 000010
【図９】
2020035946.tif 000011
【図１０】
2020035946.tif 000012
【図１１】
2020035946.tif 000013
【図１２】
2020035946.tif 000014
【図１３】
2020035946.tif 000015
【図１４】
2020035946.tif 000016
【図１５】
2020035946.tif 000017
【図１６】
2020035946.tif 000018
【図１７】
2020035946.tif 000019
【図１８】
2020035946.tif 000020
【図１９】
2020035946.tif 000021
【図２０】
2020035946.tif 000022
【図２１】
2020035946.tif 000023
【図２２】
2020035946.tif 000024
【図２３】
2020035946.tif 000025
【図２４】
2020035946.tif 000026
【図２５】
2020035946.tif 000027
【図２６】
2020035946.tif 000028
【図２７】
2020035946.tif 000029
【図２８】
2020035946.tif 000030
【図２９】
2020035946.tif 000031
【図３０】
2020035946.tif 000032
【図３１】
2020035946.tif 000033
【図３２】
2020035946.tif 000034
【図３３】
2020035946.tif 000035
【図３４】
2020035946.tif 000036
【図３５】
2020035946.tif 000037
【図３６】
2020035946.tif 000038
【図３７】
2020035946.tif 000039
【図３８】
2020035946.tif 000040
【図３９】
2020035946.tif 000041
【図４０】
2020035946.tif 000042
【図４１】
2020035946.tif 000043
【図４２】
2020035946.tif 000044
【図４３】
2020035946.tif 000045
【図４４】
2020035946.tif 000046