(57)【要約】【課題】パワー半導体装置の製造過程で絶縁基板との積層構造部分に熱反りが発生し、積層構造部分に剥離等が生じて信頼性が低下する虞がある。【解決手段】第１導体３には、間隙領域３０に対応する部分に貫通部３ａが形成されている。第１導体３には、絶縁基板５０が積層される。第１導体３に貫通部３ａをもうけることにより、絶縁基板５０に第１導体３のみが接続される領域が減少するため、熱反りを抑制することができ、第１パワー半導体素子１ａと第２導体界面の接続材２ｂや、第２パワー半導体素子１ｂと第２導体界面の接続材２ｂに発生する応力も低減される。したがって、第１導体３と絶縁基板５０との積層構造のクラックやはく離を防止することができ、信頼性の高いパワー半導体装置を提供できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに間隙領域を介して離間して並べて配置される第１半導体素子及び第２半導体素子と、
前記第１半導体素子及び前記第２半導体素子に接続され、前記第１半導体素子及び前記第２半導体素子を挟んで配置される第１導体および第２導体と、
前記第１半導体素子及び前記第２半導体素子に接続された前記第１導体の面とは反対の面に積層される第１絶縁基板と、を備え、
前記第１導体は、前記間隙領域に対応する部分に貫通部が形成されるパワー半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載のパワー半導体装置において、
前記第１半導体素子及び第２半導体素子に接続された前記第２導体の面とは反対の面に積層される第２絶縁基板を備えるパワー半導体装置。
【請求項３】
請求項２に記載のパワー半導体装置において、
前記第１絶縁基板および前記第２絶縁基板はセラミック材料を含む基板であるパワー半導体装置。
【請求項４】
請求項１に記載のパワー半導体装置において、
前記第２導体上であって、前記間隙領域に、前記第１半導体素子および第２半導体素子と電気的に接続される配線基板が設けられ、前記第１導体に形成される前記貫通部は前記配線基板と対向する位置に設けられるパワー半導体装置。
【請求項５】
請求項４に記載のパワー半導体装置において、
前記貫通部の幅をＬ３、前記配線基板の幅をＬ４とした場合、Ｌ３≧Ｌ４であるパワー半導体装置。
【請求項６】
請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載のパワー半導体装置において、
前記第１半導体素子と前記第２半導体素子の間の前記貫通部の幅をＬ３、前記第１半導体素子と前記第２半導体素子の間の距離をＬ５とした場合、Ｌ３≦Ｌ５であるパワー半導体装置。
【請求項７】
請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載のパワー半導体装置において、
前記第１半導体素子もしくは第２半導体素子の配列方向の長さをＬ１０、前記配列方向における前記貫通部の長さをＬ１１とした場合、Ｌ１１≧Ｌ１０であるパワー半導体装置。
【請求項８】
請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載のパワー半導体装置において、
前記貫通部に封止樹脂が充填されているパワー半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワー半導体装置は、車両駆動用のモータを制御する電力変換装置に適用されている。また、車両駆動用のみならず、鉄道、エレベータ、産業機器、航空機等のモータを制御する電力変換装置にも適用されている。
【０００３】
例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車向けの電力変換装置では、充電時間を短縮する目的で動作電圧の高いパワー半導体装置が望まれている。動作電圧の高いパワー半導体装置では絶縁基板として絶縁耐圧の高いセラミック材料を使用する場合がある。一方で、小型化や、冷却性能の要求により両面直接冷却方式のパワー半導体装置が知られている。特許文献1には、電力変換装置の上下アームを構成する複数の半導体素子を両面から冷却するパワー半導体装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−２５７３６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
パワー半導体装置の製造過程で絶縁基板との積層構造部分に熱反りが発生し、積層構造部分に剥離等が生じて信頼性が低下する虞がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によるパワー半導体装置は、互いに間隙領域を介して離間して並べて配置される第１半導体素子及び第２半導体素子と、前記第１半導体素子及び前記第２半導体素子に接続され、前記第１半導体素子及び前記第２半導体素子を挟んで配置される第１導体および第２導体と、前記第１半導体素子及び前記第２半導体素子に接続された前記第１導体の面とは反対の面に積層される第１絶縁基板と、を備え、前記第１導体は、前記間隙領域に対応する部分に貫通部が形成される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、絶縁基板との積層構造部分の剥離等を防止して信頼性の高いパワー半導体装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施形態に係るパワー半導体装置の断面図である。
【図２】第１の実施形態に係るパワー半導体装置の展開斜視図である。
【図３】第１の実施形態に係るパワー半導体装置の外観図である。
【図４】第１の実施形態に係る第１導体を示す上面図である。
【図５】パワー半導体装置の製造工程を示す図である。
【図６】パワー半導体装置の製造工程を示す図である。
【図７】パワー半導体装置の製造工程を示す図である。
【図８】パワー半導体装置の製造工程を示す図である。
【図９】第１の実施形態に係るパワー半導体装置の断面図であり、幅を表記した図である。
【図１０】第２の実施形態に係る第１導体を示す上面図である。
【図１１】第３の実施形態に係る第１導体を示す上面図である。
【図１２】他の実施形態に係るパワー半導体装置の断面図である。
【図１３】他の実施形態に係るパワー半導体装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
［第１の実施形態]
本実施形態に係るパワー半導体装置１００について、図１〜図９を参照して説明する。図１は、パワー半導体装置１００の断面図である。図２は、パワー半導体装置１００の展開斜視図である。図３は、パワー半導体装置１００の外観図である。なお、図１は、図２中のＡ−Ａ’における断面図を示している。
【００１０】
図１に示すように、パワー半導体装置１００は、パワー半導体素子１ａおよびパワー半導体素子１ｂが並べて配置される。すなわち、パワー半導体素子１ａおよびパワー半導体素子１ｂは、互いに間隙領域３０を介して離間して並べて配置される。パワー半導体素子１ａおよびパワー半導体素子１ｂの各電極は、それぞれの電極面に対向して配置される第１導体３と第２導体４とによって挟まれる。第１パワー半導体素子１ａおよび第２パワー半導体素子１ｂは、第１導体３及び第２導体４とそれぞれ接続材２ａ、２ｂによって接合される。第１導体３、第２導体４は、例えば、銅、銅合金、あるいはアルミニウム、アルミニウム合金などにより形成されている。接続材２ａ、２ｂは、はんだ材、焼結材などにより形成されている。
【００１１】
第１導体３には、間隙領域３０に対応する部分に貫通部３ａが形成されている。また、第２導体４上の第１パワー半導体素子１ａと第２パワー半導体素子１ｂとの間、すなわち間隙領域３０には、配線基板１１が設けられている。配線基板１１は、例えばガラスエポキシ樹脂上に銅電極が設けられたパターン配線を有しており、第１パワー半導体素子１ａおよび第２パワー半導体素子１ｂと配線１２で電気的に接続されている。配線１２は例えばアルミワイヤや銅ワイヤなどを用いることができる。
【００１２】
第１導体３には、第１パワー半導体素子１ａおよび第２パワー半導体素子１ｂに接続された第１導体３の面とは反対の面に絶縁基板５０が積層される。絶縁基板５０は、絶縁部材５０ａ、第１導体層５０ｂ及び第２導体層５０ｃから構成され、絶縁部材５０ａの一面に第１導体層５０ｂが配置され、他面に第２導体層５０ｃが配置される。第１導体３の第１パワー半導体素子１ａおよび第２パワー半導体素子１ｂと接続する面と反対の面は、接続材６を介して第１導体層５０ｂと接続される。第２導体層５０ｃは、接続材７を介して放熱部材８と接続される。放熱部材８の表面には放熱フィン９が形成される。
【００１３】
第２導体４には絶縁基板５が積層される。絶縁基板５は、絶縁部材５ａ、第１導体層５ｂ及び第２導体層５ｃから構成され、絶縁部材５ａの一面に第１導体層５ｂが配置され、他面に第２導体層５ｃが配置される。第２導体４の第１パワー半導体素子１ａおよび第２パワー半導体素子１ｂと接続する面と反対の面は、接続材６を介して第１導体層５ｂと接続される。第２導体層５ｃは、接続材７を介して放熱部材８と接続される。放熱部材８の表面には放熱フィン９が形成される。
【００１４】
絶縁部材５ａおよび絶縁部材５０ａは、第１パワー半導体素子１ａと第２パワー半導体素子１ｂから発生する熱を放熱部材８に熱伝導するものであり、熱伝導率が高く、かつ、絶縁耐圧が大きい材料であるセラミック材料を用いる。例えば、酸化アルミニウム（アルミナ）、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等のセラミック材料を用いる。接続材６および接続材７は、はんだ材や焼結材などから形成されている。放熱部材８および放熱フィン９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。
【００１５】
図２に示すように、第１パワー半導体素子１ａと第２パワー半導体素子１ｂは、それぞれ１列に５個設けられ、さらに２列並列に設けられている。２列並列に設けられた第１パワー半導体素子１ａと第２パワー半導体素子１ｂに対応して、第１導体３、第２導体４、配線基板１１がそれぞれ２個設けられる。そして、図２中のＡ−Ａ’で示す第１パワー半導体素子１ａと第２パワー半導体素子１ｂとの間の間隙領域に対応して、第１導体３には貫通部３ａが設けられている。図２に示す端子１４は、絶縁基板５の第１導体層５ｂ、および絶縁基板５０の第１導体層５０ｂに接続される。
【００１６】
図３は、パワー半導体装置１００の外観図である。図３に示すように、放熱フィン９が形成されている放熱面８ａ及び端子１４以外は、封止樹脂１０で封止されている。
【００１７】
図４は、第１導体３を示す上面図である。すなわち、第１導体３のみを取り出し、絶縁基板５０との接続面側からみた上面図である。図４に示すように、第１導体３には貫通部３ａが設けられている。貫通部３ａは、第１パワー半導体素子１ａおよび第２パワー半導体素子１ｂの配列方向に沿って細長く設けられている。貫通部３ａの位置は、第１パワー半導体素子１ａと第２パワー半導体素子１ｂの間の間隙領域３０に対応して、すなわち第１パワー半導体素子１ａおよび第２パワー半導体素子１ｂの間の配線基板１１に対向する位置に設けられている。このように第１導体３に貫通部３ａを設けることにより、絶縁基板５と第１導体３との接合面積を小さくすることができる。ここで、第１パワー半導体素子１ａと第２パワー半導体素子１ｂの配列方向の長さをＬ１０、貫通部３ａの長さをＬ１１とした場合、Ｌ１１≧Ｌ１０とすることが望ましい。
【００１８】
図５〜図８は、パワー半導体装置１００の製造工程を示す図である。
まず、図５に示すように、第１パワー半導体素子１ａと第２パワー半導体素子１ｂが第２導体４に接続材２ａを介して接続される。第２導体４には配線基板１１が設けられており、この配線基板１１を挟むように第１パワー半導体素子１ａと第２パワー半導体素子１ｂが配置されている。第１パワー半導体素子１ａと第２パワー半導体素子１ｂはそれぞれ配線１２で配線基板１１上のパターン配線に接続される。第２導体４は、例えば、銅、銅合金、あるいはアルミニウム、アルミニウム合金などにより形成される。接続材２ａは、はんだ材または焼結材などにより形成されている。
【００１９】
次に、図６に示すように、第１パワー半導体素子１ａと第２パワー半導体素子１ｂの第２導体４が接続されている面と反対の面に、接続材２ｂを介して第１導体３を接続する。第１導体３は、例えば、銅、銅合金、あるいはアルミニウム、アルミニウム合金などにより形成される。接続材２ｂは、はんだ材または焼結材などにより形成される。
【００２０】
次に、図７に示すように、第１導体３及び第２導体４が、接続材６を介してそれぞれ絶縁基板５０の第１導体層５０ｂ、絶縁基板５の第１導体層５ｂに接続される。絶縁基板５は、絶縁部材５ａの一面に第１導体層５ｂが配置され、他面に第２導体層５ｃが配置される。なお、絶縁基板５０と絶縁基板５を同時に、第１導体３および第２導体４に接続してもよい。同時に接続することで、対称性を保つことができ、組立時の反り変形を抑制することができる。
【００２１】
次に、図８に示すように、放熱部材８は、絶縁基板５０および絶縁基板５に接続材７を介して、接続される。このとき、両面の放熱部材８を同時に接続してもよい。同時に接続することにより、組立時の反り変形を抑制することができる。放熱部材８の表面には放熱フィン９が形成されている。そして最後に、放熱部材８の放熱フィン９が形成されている放熱面８ａ以外は、封止樹脂１０で封止される。
【００２２】
一般に、ＳｉＣチップを使用したパワー半導体素子を複数並列駆動させるパワー半導体装置の場合、パワー半導体素子のゲート配線を接続するための配線基板を設ける必要がある。具体的には、第１パワー半導体素子１ａと第２パワー半導体素子１ｂの間に配線基板１１が設けられる。これにより、第１パワー半導体素子１ａと第２パワー半導体素子１ｂの間の距離が長くなる。第１導体３に貫通部３ａを設けない場合、パワー半導体装置１００の製造工程において高温で接続し室温まで冷却する過程で、絶縁基板と導体との線膨張係数差により、絶縁基板と導体の積層構造の反り変形が大きくなる。これにより、接合面積の小さい第１パワー半導体素子１ａと第２導体界面の接続材２ｂや、第２パワー半導体素子１ｂと第２導体界面の接続材２ｂに応力が発生し、クラックが発生しやすくなる。特にパワー半導体素子の両面に第１導体３および第２導体４を接続し、さらにその外側に絶縁基板を接続する両面冷却構造のパワー半導体装置では、第１導体３および第２導体４と絶縁基板の積層構造の熱反りによって、積層構造部分に剥離が生じて信頼性が低下する虞がある。
【００２３】
しかし、本実施形態のように、第１導体３の第１パワー半導体素子１ａと第２パワー半導体素子１ｂの間の配線基板１１に対向する位置に、貫通部３ａを設けることにより、第１パワー半導体素子１ａと第２パワー半導体素子１ｂの間において、絶縁基板である絶縁基板５０に第１導体３のみが接続される長さL１、L２（図９参照）を短くすることができる。これにより、絶縁基板５０に第１導体３のみが接続される領域が減少するため、熱反りを抑制することができ、第１パワー半導体素子１ａと第２導体界面の接続材２ｂや、第２パワー半導体素子１ｂと第２導体界面の接続材２ｂに発生する応力も低減される。したがって、第１導体３と絶縁基板５０との積層構造のクラックやはく離を防止することができ、信頼性の高いパワー半導体装置を提供できる。
【００２４】
さらに、パワー半導体装置１００を車両等に設置して使用した場合、パワー半導体装置１００は、動作、停止を繰り返し、その結果、発熱と冷却を繰り返す。パワー半導体装置１００は、絶縁基板と導体の積層部に繰り返し大きな歪み加わるため、積層部のはく離等が懸念される。本実施形態では、第１導体３の第１パワー半導体素子１ａと第２パワー半導体素子１ｂの間の配線基板１１に対向する位置に、貫通部３ａを設ける。これにより、繰り返し発生する応力が減少し、疲労寿命が向上する。これにより信頼性の高いパワー半導体装置１００が実現できる。
【００２５】
なお、放熱部材８の放熱フィン９の形状をピンフィンの例で説明したが、他の形状、例えばストレートフィンやコルゲートフィンであっても良い。また、本説明では、封止樹脂１０が放熱部材８を含み、放熱面８ａ以外が封止された例を示したが、絶縁基板５までが樹脂封止された構造であってもよい。この場合、絶縁基板５０の第２導体層５０ｃと放熱部材８とが接続され、絶縁基板５の第２導体層５ｃと放熱部材８とが接続されていれば、同様の効果が得られる。
【００２６】
図９は、図１と同様のパワー半導体装置１００の断面図であるが、貫通部３ａ他の幅を表記した図である。
図９に示すように、貫通部の幅をＬ３、配線基板１１の幅をＬ４とした場合、Ｌ３≧Ｌ４とすることが望ましい。さらに第１パワー半導体素子１ａと第２パワー半導体素子１ｂ間の距離をＬ５とする。すなわち、第１パワー半導体素子１ａの配線基板１１側の側面を１ｃとし、第２パワー半導体素子１ｂの配線基板側の側面を１ｄとした場合に、側面１ｃと側面１ｄとの距離をＬ５とすると、Ｌ３≦Ｌ５とすることが望ましい。
【００２７】
本実施形態においては、図２に示したように第１パワー半導体素子１ａを５個、第２パワー半導体素子１ｂを５個備えた例を示したが、第１パワー半導体素子１ａ、第２パワー半導体素子１ｂがそれぞれ１つ以上あればよい。そして、貫通部３ａは少なくとも第１パワー半導体素子１ａと第２パワー半導体素子１ｂの間に設けられていればよい。これにより同様の効果が得られる。
【００２８】
［第２の実施形態]
第２の実施形態について、図１０を参照して説明する。図１０は、第１導体３’を示す上面図である。なお、第１導体３’を含む図１０中のＡ−Ａ’におけるパワー半導体装置１００の断面図は図１と同様であり、第１導体３’を含むパワー半導体装置１００の展開斜視図は図２と同様である。
【００２９】
本実施形態における第１導体３’は、図１０に示すように、第１パワー半導体素子１ａと第２パワー半導体素子１ｂとの間には貫通部３ａ’が設けられている。貫通部３ａ’は、第１パワー半導体素子１ａおよび第２パワー半導体素子１ｂの配列方向に複数個設けられている。第１導体３’における第１パワー半導体素子側と第２パワー半導体素子側の間をつなぐ接続部３ｂ’が各第１パワー半導体素子１ａおよび各第２パワー半導体素子１ｂの間隔毎に設けられている。
【００３０】
ここで、第１パワー半導体素子１ａと第２パワー半導体素子１ｂの配列方向における長さをＬ１０’、貫通部３ａの長さをＬ１１’とした場合、Ｌ１１’≧Ｌ１０’とすることが望ましい。
本実施形態によれば、第１の実施形態で述べた効果を有する他に、第１導体３’における電気抵抗を低減できる効果が得られる。
【００３１】
［第３の実施形態]
第３の実施形態について、図１１を参照して説明する。図１１は、第１導体３’’を示す上面図である。なお、第１導体３’’を含む図１１中のＡ−Ａ’におけるパワー半導体装置１００の断面図は図１と同様であり、第１導体３’’を含むパワー半導体装置１００の展開斜視図は図２と同様である。
【００３２】
本実施形態における第１導体３’’は、図１１に示すように、第１パワー半導体素子側と第２パワー半導体素子側の間をつなぐ接続部３ｂ’’が１か所にだけ設けられている。そして、接続部３ｂ’’を除く第１パワー半導体素子１ａと第２パワー半導体素子１ｂとの間は貫通部３ａ’’が形成されている。
【００３３】
本実施形態によれば、第１の実施形態で述べた効果を有する他に、絶縁基板５０に接続される第１導体３’’の接合面積が小さくでき、かつ第１導体３’’の第１パワー半導体素子側の３eと第１導体３’’の第２パワー半導体素子側３fが自由に変形できる。このため、第１導体３’’と絶縁基板５０の積層構造の熱反りをさらに抑制することができ、第１導体３’’と絶縁基板５０との積層構造のクラックやはく離を防止することができ、信頼性の高いパワー半導体装置を提供できる。また、第１導体３’’を第1パワー半導体素子側の３eと第２パワー半導体素子側３fで完全に２分割するのではなく、少なくとも一か所で接続することにより、部品点数を少なくすることができ、さらに、第１導体３’’と絶縁基板５０を接続する際の高さ調整が容易になる。
【００３４】
上述した第１の実施形態〜第３の実施形態では、封止樹脂が放熱部材８を含み、放熱面８ａ以外が封止された例を示した。しかし、図１２に示すように、絶縁基板５、５０までが封止された構造であってもよい。絶縁基板５、５０の第２の導体層５ｃ、５０ｃと放熱部材８とが接続されていれば、同様の効果が得られる。その他の構成は、図１と同様であるので、同一箇所には同一の符号を付してその説明を省略する。
【００３５】
また、上述した第１の実施形態〜第３の実施形態では、絶縁基板５、５０の第２の導体層５ｃ全面に放熱部材８を接続した場合について説明した。しかし、図１３に示すように、第２の導体層５ｃ、５０ｃに放熱フィン９を直接設けた構造であってもよい。その他の構成は、図１と同様であるので、同一箇所には同一の符号を付してその説明を省略する。
【００３６】
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）パワー半導体装置１００は、互いに間隙領域３０を介して離間して並べて配置される第１パワー半導体素子１ａ及び第２パワー半導体素子１ｂと、第１パワー半導体素子１ａ及び第２パワー半導体素子１ｂに接続され、第１パワー半導体素子１ａ及び第２パワー半導体素子１ｂを挟んで配置される第１導体３および第２導体４と、第１パワー半導体素子１ａ及び第２パワー半導体素子１ｂに接続された第１導体３の面とは反対の面に積層される絶縁基板５と、を備え、第１導体３は、間隙領域３０に対応する部分に貫通部３ａが形成される。これにより、絶縁基板との積層構造部分の剥離等を防止して信頼性の高いパワー半導体装置を提供できる。
【００３７】
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、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。また、上述の実施形態を組み合わせた構成としてもよい。
【符号の説明】
【００３８】
１ａ…第１パワー半導体素子
１ｂ…第２パワー半導体素子
２ａ、２ｂ…接続材
３、３’、３’’…第１導体
３ａ…貫通部
３ｂ…接続部
４…第２導体
５…絶縁基板
５ａ…絶縁部材
５ｂ…第１導体層
５ｃ…第２導体層
６、７…接続材
８…放熱部材
８ａ…放熱面
９…放熱フィン
１０…封止樹脂
１１…配線基板
１２…配線
１４…端子
３０…間隙領域
５０…絶縁基板
５０ａ…絶縁部材
５０ｂ…第１導体層
５０ｃ…第２導体層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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