(57)【要約】【課題】電気絶縁性（耐圧）を十分高く確保できる半導体装置を提供する。【解決手段】  半導体装置１は、半導体モジュール１０、放熱板２０及び電気絶縁シート３０を備える。半導体モジュール１０は、板状にそれぞれ形成された半導体素子１１及びリードフレーム１２を有し、リードフレーム１２の一方の側面が、半導体素子１１の一方の側面に重ね合わせられるようにして電気的に接続され、半導体素子１１及びリードフレーム１２のうち、リードフレーム１２の他方の側面を除く部分が電気絶縁性材料からなる封止部１３によって覆われている。放熱板２０は、リードフレーム１２の他方の側面に対面配置される。電気絶縁シート３０は、半導体モジュール１０と放熱板２０との間に挟み込まれる。放熱板２０は、電気絶縁シート３０の外周縁部を取り囲む壁面を有し、電気絶縁シート３０の外周縁部を拘束して電気絶縁シート３０の外周縁部が外側へ伸びるように変形することを抑制する拘束部（枠部２２又は凹部ＲＰ）を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状にそれぞれ形成された半導体素子及びリードフレームを有し、前記リードフレームの一方の側面が、前記半導体素子の一方の側面に重ね合わせられるようにして電気的に接続され、前記半導体素子及び前記リードフレームのうち前記リードフレームの他方の側面を除く部分が電気絶縁性材料からなる封止部によって覆われていて、前記リードフレームの他方の側面が露出している半導体モジュールと、
前記リードフレームの他方の側面に対面配置された放熱器と、
加熱されて粘度が変化する電気絶縁材から構成され、前記半導体モジュールと前記放熱器との間に挟み込まれた電気絶縁シートと、を備え、
前記放熱器は、前記電気絶縁シートの外周縁部を取り囲む拘束部を備えた、半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記拘束部は、前記放熱器の表面から突出した凸部からなる枠部である、半導体装置。
【請求項３】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記拘束部は、前記放熱器の表面に設けられた凹部である、半導体装置。
【請求項４】
板状にそれぞれ形成された半導体素子及びリードフレームを有し、前記リードフレームの一方の側面が、前記半導体素子の一方の側面に重ね合わせられるようにして電気的に接続され、前記半導体素子及び前記リードフレームのうち前記リードフレームの他方の側面を除く部分が電気絶縁性材料からなる封止部によって覆われていて、前記リードフレームの他方の側面が露出している半導体モジュールと、前記リードフレームの他方の側面に対面配置された放熱器と、加熱されて粘度が変化する電気絶縁材から構成され、前記半導体モジュールと前記放熱器との間に挟み込まれた電気絶縁シートと、を備え、前記放熱器が、前記電気絶縁シートの外周縁部を取り囲む拘束部を備える半導体装置の製造方法であって、
前記半導体モジュールの外周部を前記放熱器側へ押圧しながら、前記電気絶縁シートの外周部と中央部との間に温度差を付与する工程を含む、半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、下記特許文献１に記載されているように、複数の半導体素子及びリードフレームを備えた半導体モジュールは知られている。半導体素子は、その作動に伴い発熱する。特に、出力電力が比較的大きい半導体素子の発熱量は大きい。そこで、半導体素子の熱破壊を防止するため、半導体モジュールに、放熱器（例えば、放熱フィン）が装着されて、半導体モジュールの冷却効率が高められている。
【０００３】
一般に、上記のような従来の半導体装置は、次のようにして製造される。まず、半導体モジュールが、次のようにして製造される。薄板状の半導体素子の側面（例えば、下面）にリードフレーム（ダイパッド）が接合される。つぎに、半導体素子及びリードフレームの耐衝撃性を向上させるため、及び電極間の沿面放電を防止するため、半導体素子及びリードフレームの一部が電気絶縁性材料（合成樹脂材）で封止される。具体的には、リードフレームに接合された半導体素子が、所定の型枠内に載置され、その金型内に合成樹脂材（例えば、熱硬化性樹脂材）が流し込まれ、合成樹脂材が固化される。このようにして半導体モジュールが製造される。上記のように、半導体モジュールの構成部品のうち、リードフレームの下面を除く部分が合成樹脂材によって覆われている。
【０００４】
つぎに、放熱器の表面に、電気絶縁シートが載置され、その電気絶縁シートの上に、半導体モジュールが載置される。つまり、リードフレームの下面が電気絶縁シートの上面に当接される。なお、電気絶縁シートは、電気絶縁材（例えば、熱可塑性樹脂材）で構成され、リードフレームと放熱器との間を電気的に絶縁する。最後に、電気絶縁シート（又は装置全体）が加熱されて、電気絶縁シートの表面が軟化され、半導体モジュールと電気絶縁シートが密着されるとともに、放熱器と電気絶縁シートが密着される。その後、電気絶縁シートが冷却されて固化する。このように、電気絶縁シートは、半導体モジュールと放熱器とを電気的に絶縁するだけでなく、両者を接着する機能を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１５３５５４号公報
【発明の概要】
【０００６】
半導体装置の組み立て工程において、半導体モジュールと電気絶縁シートを密着させるとともに、放熱器と電気絶縁シートを密着させるため、半導体モジュールを放熱器側へ押圧しながら電気絶縁シートを軟化させると良い。その際、半導体モジュール内の半導体素子が押圧されて破壊されることを防止するため、半導体モジュールのうち、半導体素子の直上からすこし離れた部分を押圧することが好ましい。例えば、半導体モジュールの外周縁部を部分的に押圧するとよい。しかし、この場合、図１１に示すように、電気絶縁シートの外周縁部が集中的に押圧されて、当該部分が外側へ伸びるように変形する（はみ出す）虞がある。特に、半導体モジュールの下面の外周縁部が中央部に比べて下方へ沈みこむように反った場合、上記のはみ出し量が大きくなり、電気絶縁シートの外周縁部の押し潰し量が比較的大きくなる。よって、半導体モジュールと放熱器との電気絶縁距離が比較的小さくなる。つまり、電気絶縁性（耐圧）が低下する。
【０００７】
本発明は上記課題に対処するためになされたもので、その目的は、電気絶縁性（耐圧）を十分高く確保できる半導体装置及びその製造方法を提供することにある。なお、下記本発明の各構成要件の記載においては、本発明の理解を容易にするために、実施形態の対応箇所の符号を括弧内に記載しているが、本発明の各構成要件は、実施形態の符号によって示された対応箇所の構成に限定解釈されるべきものではない。
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明に係る半導体装置（１）は、板状にそれぞれ形成された半導体素子（１１）及びリードフレーム（１２）を有し、前記リードフレームの一方の側面が、前記半導体素子の一方の側面に重ね合わせられるようにして電気的に接続され、前記半導体素子及び前記リードフレームのうち前記リードフレームの他方の側面を除く部分が電気絶縁性材料からなる封止部（１３）によって覆われていて、前記リードフレームの他方の側面が露出している半導体モジュール（１０）と、前記リードフレームの他方の側面に対面配置された放熱器（２０）と、加熱されて粘度が変化する電気絶縁材から構成され、前記半導体モジュールと前記放熱器との間に挟み込まれた電気絶縁シート（３０）と、を備え、前記放熱器は、前記電気絶縁シートの外周縁部を取り囲む拘束部（２２、ＲＰ）を備える。また、本発明の半導体装置の製造方法は、前記半導体モジュールの外周部を前記放熱器側へ押圧しながら、前記電気絶縁シートの外周部と中央部との間に温度差を付与する工程を含む。
【０００９】
本発明の一態様において、前記放熱器の表面から突出した凸部からなる枠部（２２）である。
【００１０】
本発明の他の態様において、前記拘束部は、前記放熱器の表面に設けられた凹部（ＲＰ）である。
【００１１】
本発明に係る半導体装置において、電気絶縁シートの外周縁部が、拘束部に取り囲まれている。よって、電気絶縁シートの外周縁部は、下方へ押圧されたとしても、外側へ伸びる（半導体モジュールからはみ出す）ように変形することができない。よって、電気絶縁シートの外周縁部が押し潰され難い。そのため、電気絶縁性（耐圧）を十分高く確保できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体装置（インバータ装置）の斜視図である。
【図２】図１に示した半導体装置の分解斜視図である。
【図３】図１に示した半導体装置の平面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ断面図である
【図５】図４に示した半導体装置において、半導体モジュールが反って、半導体モジュールと電気絶縁シートとの間に隙間が形成された状態を示す断面図である。
【図６】図５に示した半導体装置において、電気絶縁シートの中央部に外周縁部の一部が流動して、前記隙間が埋められた状態を示す断面図である。
【図７】本発明の変形例に係る半導体装置の前後方向に垂直な断面図である。
【図８】本発明の他の変形例に係る半導体装置の前後方向に垂直な断面図である。
【図９】図８に示した半導体装置において、半導体モジュールの周端面及び凹部の周壁面に傾斜面を設けた例を示す断面図である。
【図１０】図９に示した半導体装置において、半導体モジュールを放熱板に接着した状態を示す断面図である。
【図１１】従来の半導体装置の電気絶縁シートの外周縁部及びその周辺部を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の一実施形態に係る半導体装置１は、図１乃至図３に示すように、半導体モジュール１０、放熱板２０及び電気絶縁シート３０を備える。半導体装置１は、半導体装置１は、ハイブリッド車の走行用の電動モータ（三相交流モータ）を駆動するインバーター装置である。すなわち、半導体装置１は、電動モータ、制御装置及び直流電源装置に接続されており、制御装置から供給された駆動信号に基づいて、直流電源装置から供給された直流電力を三相交流電力に変換して、電動モータに供給する。なお、本実施形態は、本発明をインバーター装置に適用した例であるが、本発明は、他の半導体装置にも適用可能である。
【００１４】
半導体モジュール１０は、長方形の板状に形成されている。以下の説明において、半導体モジュール１０の厚さ方向に平行な方向を上下方向と呼ぶ。また、半導体モジュール１０の長辺の延設方向に平行な方向を左右方向と呼ぶ。また、半導体モジュール１０の短辺の延設方向に平行な方向を前後方向と呼ぶ。
【００１５】
半導体モジュール１０は、図４に示すように、複数の半導体素子（トランジスタ）１１及びリードフレーム１２を備える。
【００１６】
半導体素子１１は、薄板状に形成されている。半導体素子１１は、その板厚方向が上下方向に一致するように配置されている。半導体素子１１は、その平面視において略正方形を呈する。半導体素子１１の一方の辺が左右方向に平行であって、他方の辺が前後方向に平行である。
【００１７】
リードフレーム１２は、金属製（例えば、アルミニウム製又は銅製）の板状部材である。リードフレーム１２は、その板厚方向が上下方向に一致するように配置されている。リードフレーム１２の上面に、複数の半導体素子１１が電気的に接続されている。上記の複数の半導体素子１１が、リードフレーム１２の上面において、左右方向に等間隔に配置されている。なお、半導体素子１１とは異なる図示しない電子部品、端子などが、リードフレーム１２の上側に配置され、それらが、半導体素子１１及びリードフレーム１２に電気的に接続されている。
【００１８】
上記のように互いに接続された複数の部品が、図示しない型枠内に配置され、その型枠内に熱硬化性樹脂材が流し込まれる。そして、熱硬化性樹脂材が固化されて、封止部１３が形成される。つまり、リードフレーム１２の下面から見て上方に位置する部分が、熱硬化性樹脂材からなる封止部１３によって覆われている。言い換えれば、半導体モジュール１０において、リードフレーム１２の下面のみが露出しており、その他の部分は、封止部１３によって覆われている。
【００１９】
放熱板２０は、金属製（例えば、アルミニウム製又は銅製）の板状部材である。放熱板２０は、本体部２１及び枠部２２を備える。本体部２１と枠部２２とが一体的に形成されている。本体部２１は、略長方形の板状部である。本体部２１の板厚方向が上下方向に一致するように放熱板２０が配置されている。
【００２０】
枠部２２は、本体部２１の上面から突出している。枠部２２は、本体部２１の中央部に配置されている。枠部２２は、左右方向に延びる長方形を呈する。すなわち、枠部２２は、その長辺を構成する前後一対の凸部２２１，２２２と、短辺を構成する左右一対の凸部２２３，２２４を有する。凸部２２１，２２２及び凸部２２３，２２４の長手方向に垂直な断面は、略正方形を呈する（図４参照）。枠部２２の内周縁部の左右方向の寸法及び前後方向の寸法）が、半導体モジュール１０の外周縁部の左右方向の寸法及び前後方向の寸法と同等である。なお、枠部２２は、本発明の拘束部に相当する。
【００２１】
電気絶縁シート３０は、熱可塑性樹脂製のシート状部材である。電気絶縁シート３０の形状及び大きさは、半導体モジュール１０の下面の形状及び大きさと同一である。
【００２２】
半導体モジュール１０と放熱板２０とが、次のようにして、電気絶縁シート３０によって接着される（接着工程）。まず、電気絶縁シート３０が、半導体モジュール１０と放熱板２０との間に挟み込まれる。図４に示すように、電気絶縁シート３０の外周縁部が、封止部１３の外周縁部の下方に位置している。つぎに、半導体モジュール１０の上面における外周縁部が下方へ押圧されながら、半導体モジュール１０、放熱板２０及び電気絶縁シート３０が加熱されて、電気絶縁シート３０が軟化される。その後、半導体モジュール１０、放熱板２０及び電気絶縁シート３０が冷却される。これにより、電気絶縁シート３０が固化して、半導体モジュール１０と放熱板２０とが、電気絶縁シート３０によって接着される。
【００２３】
上記のように、半導体モジュール１０と放熱板２０とを接着する工程において、半導体モジュール１０の外周縁部が下方へ押圧されている。そのため、電気絶縁シート３０の外周縁部が封止部１３の外周縁部によって下方へ押圧される。ここで、電気絶縁シート３０の周端面は、枠部２２によって取り囲まれている。つまり、電気絶縁シート３０の周端面が、枠部２２の内周面（壁面）に対面している。よって、電気絶縁シート３０の外周縁部は、下方へ押圧されたとしても、外側へ伸びる（半導体モジュール１０からはみ出す）ように変形することができない。そのため、電気絶縁シート３０の外周縁部が押し潰され難い。したがって、本実施形態によれば、電気絶縁性（電気絶縁距離）を十分高く確保できる。
【００２４】
ところで、従来の半導体モジュールにおいて、その外周縁部が中央部に比べて下方へ沈み込むように反っている場合には、半導体モジュールの下面と電気絶縁シートとの間に隙間（空気層）が形成される。この場合、半導体モジュールの放熱性が低下する。さらに、この場合、接着面積が比較的小さく、半導体モジュールと放熱器との接合強度が低い。
【００２５】
本実施形態では、電気絶縁シート３０の外周縁部が外側へ伸びるように変形できないため、半導体モジュール１０の上面の外周縁部を下方へ押圧しても、半導体モジュール１０の外周部が中央部に比べて下方へ沈み込むように変形し難い。つまり、半導体モジュール１０の反りを抑制できる。
【００２６】
ここで、図５に示すように、半導体モジュール１０が多少反って、半導体モジュール１０の下面と電気絶縁シート３０との間に隙間Ｓが形成された場合について述べる。この場合、電気絶縁シート３０の外周縁部は、枠部２２によって、外側へ伸びるように変形することが規制されている。ただし、電気絶縁シート３０の外周縁部の一部が、電気絶縁シート３０の中央部側へ移動（流動）することは可能である。これにより、図６に示すように、電気絶縁シート３０の中央部の肉厚が少し大きくなり、隙間Ｓが埋められる。すなわち、半導体モジュール１０の下面に電気絶縁シート３０が密着する。これにより、半導体モジュール１０の放熱性が高く維持される。さらに、半導体モジュール１０と放熱板２０との接合強度が高く維持される。
【００２７】
また、半導体モジュール１０の外周縁部と放熱板２０とを締結部材（ボルト）を用いて固定した場合に比べて、部品点数が少ない。また、半導体装置１を小型化できる。
【００２８】
なお、電気絶縁シート３０は、フィラー（例えば、六方晶窒化ホウ素）を含んでいてもよい。この場合、電気絶縁シート３０のシート厚方向にフィラーが配列されて、電気絶縁シート３０のシート厚方向の熱伝導率が高く設定されるとよい。
【００２９】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
【００３０】
例えば、上記実施形態では、放熱板２０の本体部２１と枠部２２とが一体的に形成されているが、図７に示すように、本体部２１と枠部２２とが別体として形成されていてもよい。この場合、枠部材２２は、合成樹脂製であってもよい。さらに、この場合、本体部２１に、枠部２２が嵌め込まれる溝部Ｇ２２を設けるとよい。これにとれば、本体部２１における枠部２２の位置を既定し易く、半導体モジュール１０及び電気絶縁シート３０の位置ずれを防止できる。
【００３１】
また、本体部２１の上面から突出した枠部２２を設けるのではなく、図８に示すように、本体部２１の中央部に、電気絶縁シート３０及び半導体モジュール１０が収容される凹部ＲＰを設けてもよい。つまり、凹部ＲＰの底壁面ＲＰａを上下方向に対して垂直とするとともに凹部ＲＰの周壁面ＲＰｂを底壁面ＲＰａに対して垂直とし、電気絶縁シート３０の周端面を、周壁面ＲＰｂに対面させればよい。
【００３２】
この場合、図９及び図１０に示すように、凹部ＲＰの周壁面ＲＰｂの下半部ＲＰｂ１を底壁面ＲＰａに対して垂直とし、且つ周壁面ＲＰｂの上半部ＲＰｂ２を下半部ＲＰｂ１に対して傾斜させてもよい。そして、封止部１３の周端面１３ａを、上半部ＲＰｂ２に合致するように傾斜させればよい。これによれば、半導体モジュール１０の上面の外周縁部を下方へ押圧すると、半導体モジュール１０が凹部ＲＰを押し広げようとする力が作用する（くさび効果）。すなわち、半導体モジュール１０が凹部ＲＰに圧入される。よって、電気絶縁シート３０の接着力のみによって半導体モジュール１０と放熱板２０とが接合される場合に比べて、半導体モジュール１０と放熱板２０との接合力が大きい。
【００３３】
また、接着工程において、電気絶縁シート３０の中央部よりも外周縁部の温度を低くして、中央部に比べて、外周縁部の粘度が低くなるようにするとよい。例えば、まず、電気絶縁シート３０の中央部を加熱し、その後、電気絶縁シート３０の全体を加熱するとよい。また、例えば、電気絶縁シート３０の全体を加熱しておき、半導体モジュール１０の外周縁部のみを冷却した状態で半導体モジュール１０を電気絶縁シート３０に押し付けてもよい。これによれば、電気絶縁シート３０の外周縁部が押し潰され難いので、電気絶縁性を十分高く確保し易い。
【００３４】
また、電気絶縁シート３０が熱可塑性樹脂材から構成されていてもよい。この場合にも、接着工程において、電気絶縁シート３０の外周縁部の粘度が中央部に比べて低くなるように、電気絶縁シート３０の中央部と外周縁部とに温度差を付与するとよい。
【符号の説明】
【００３５】
１…半導体装置、１０…半導体モジュール、１１…半導体素子、１２…リードフレーム、１３…封止部、２０…放熱板、２１…本体部、２２…枠部、３０…電気絶縁シート、ＲＰ…凹部、ＲＰａ…底壁面、ＲＰｂ…周壁面、ＲＰｂ１…下半部、ＲＰｂ２…上半部、Ｓ…隙間
【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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