(57)【要約】【課題】軽量化と必要な強度の確保との両立が可能な半導体装置を提供することを目的とする。【解決手段】半導体装置２０２は、絶縁層５と上部導体部３と下部導体部６とを有する絶縁基板７と、半導体チップ１，２と、絶縁基板７および半導体チップ１，２を囲繞するケース１０と、ケース１０の内部を封止する封止材１４とを備えている。上部導体部３の厚みＡは下部導体部６の厚みＢよりも厚く形成され、上部導体部３は、半導体チップ１，２が配置される回路パターン３ａと、回路パターン３ａの外周側に間隔をあけて設けられた外周パターン３ｂとを有し、上部導体部３の外周パターン３ｂ、絶縁層５の外周部、および下部導体部６の外周部は、ケース１０の周壁部１０ａの内周部に形成された凹部１０ｂに固定され、ケース１０の周壁部１０ａの外周部から外側に突出する鍔部１０ｃが形成され、鍔部１０ｃに放熱フィンを取り付け可能な取り付け穴１０ｄが形成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁層と、前記絶縁層の上面に設けられた上部導体部と、前記絶縁層の下面に設けられた下部導体部とを有する絶縁基板と、
前記絶縁基板の上面に配置された半導体チップと、
前記絶縁基板および前記半導体チップを囲繞するケースと、
前記ケースの内部を封止する封止材と、
を備え、
前記上部導体部の厚みは前記下部導体部の厚みよりも厚く形成され、
前記上部導体部は、前記半導体チップが配置される回路パターンと、前記回路パターンの外周側に間隔をあけて設けられた外周パターンとを有し、
前記上部導体部の前記外周パターン、前記絶縁層の外周部、および前記下部導体部の外周部は、前記ケースの周壁部の内周部に形成された凹部に固定され、
前記ケースの前記周壁部の外周部から外側に突出する鍔部が形成され、
前記鍔部に冷却器を取り付け可能な取り付け穴が形成された、半導体装置。
【請求項２】
前記絶縁層の平面視の最外端は、前記上部導体部の平面視の最外端および前記下部導体部の平面視の最外端と一致する、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記絶縁基板は、前記上部導体部の前記外周パターンと前記下部導体部の外周部とを導通させる導電性ペーストをさらに有する、請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記半導体チップはＳｉＣを材料として形成された、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置を有し、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
前記主変換回路を制御する制御信号を前記主変換回路に出力する制御回路と、
を備えた、電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大電流の制御に用いられる半導体装置および電力変換回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）チップなどを搭載した、大電流の制御に用いられる半導体装置がある。
【０００３】
近年のＳｉＣを材料として形成された半導体チップを備える半導体装置では、高電流密度化により発熱量が増加し、高放熱化が必要となっている。高放熱化を実現するためには半導体装置を構成する部品の材料の熱伝導率を向上させる必要がある。また、特許文献１では、半導体装置が備えるＩＧＢＴチップの下側にヒートスプレッダを設け、ＩＧＢＴチップの発熱を拡散させることで熱抵抗を下げる技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１８−０１４３５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の技術のように、ＩＧＢＴチップの下側に放熱用のヒートスプレッダを設けると、アセンブリの手間がかかり、半導体装置の製造コストが増加する可能性がある。
【０００６】
放熱性を向上させつつ製造コストの増加を抑制するために、絶縁基板の回路パターンの厚みを厚くすることが考えられるが、絶縁基板の回路パターンの厚みを厚くするだけでは絶縁基板が重くなる。
【０００７】
絶縁基板の重さを改善するために、放熱にあまり寄与しない絶縁基板のベース板の厚みを薄くすることが考えられるが、ケースとベース板の接合箇所の強度が不足し、半導体装置の強度が低下する可能性がある。
【０００８】
そこで、本発明は、軽量化と必要な強度の確保との両立が可能な半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る半導体装置は、絶縁層と、前記絶縁層の上面に設けられた上部導体部と、前記絶縁層の下面に設けられた下部導体部とを有する絶縁基板と、前記絶縁基板の上面に配置された半導体チップと、前記絶縁基板および前記半導体チップを囲繞するケースと、前記ケースの内部を封止する封止材とを備え、前記上部導体部の厚みは前記下部導体部の厚みよりも厚く形成され、前記上部導体部は、前記半導体チップが配置される回路パターンと、前記回路パターンの外周側に間隔をあけて設けられた外周パターンとを有し、前記上部導体部の前記外周パターン、前記絶縁層の外周部、および前記下部導体部の外周部は、前記ケースの周壁部の内周部に形成された凹部に固定され、前記ケースの前記周壁部の外周部から外側に突出する鍔部が形成され、前記鍔部に冷却器を取り付け可能な取り付け穴が形成されたものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、上部導体部は、半導体チップが配置される回路パターンと、回路パターンの外周側に間隔をあけて設けられた外周パターンとを有するため、絶縁基板の外周部の剛性を高めることができる。上部導体部の外周パターンの厚みは下部導体部の厚みよりも厚く形成され、上部導体部の外周パターン、絶縁層の外周部、および下部導体部の外周部は、ケースの周壁部の内周部に形成された凹部に固定されたため、ケースの周壁部の凹部と、外周パターンを設けたことで剛性を高めた絶縁基板の外周部とを固定することができる。これにより、半導体装置にかかる外力を分散し、絶縁層へのダメージを抑制できる。
【００１１】
さらに、ケースの周壁部の外周部から外側に突出する鍔部が形成され、鍔部に冷却器を取り付け可能な取り付け穴が形成されたため、冷却器の取り付け時の応力を鍔部に分散し、絶縁層へのダメージを抑制できる。また、放熱性にあまり寄与しない下部導体部の厚みが上部導体部の厚みよりも薄く形成されるため、半導体装置の軽量化を図ることが可能である。以上より、軽量化と必要な強度の確保との両立が可能な半導体装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態１に係る半導体装置の断面図である。
【図２】実施の形態１に係る半導体装置が備える絶縁基板の平面図である。
【図３】実施の形態１に係る半導体装置の平面図である。
【図４】実施の形態１に係る半導体装置が備える絶縁基板の断面図である。
【図５】実施の形態２に係る半導体装置が備える絶縁基板とケースの固定状態を示す断面図である。
【図６】実施の形態３に係る電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
＜実施の形態１＞
本発明の実施の形態１について、図面を用いて以下に説明する。図１は、実施の形態１に係る半導体装置２０２の断面図である。図２は、半導体装置２０２が備える絶縁基板７の平面図である。図３は、半導体装置２０２の平面図である。図４は、半導体装置２０２が備える絶縁基板７の断面図である。
【００１４】
図１に示すように、半導体装置２０２は、絶縁基板７、半導体チップ１，２、ケース１０、端子１２，１３、および封止材１４を備えている。
【００１５】
絶縁基板７は、絶縁層５、上部導体部３、および下部導体部６を備えている。絶縁層５は、例えばエポキシ樹脂により形成されている。上部導体部３は絶縁層５の上面に設けられ、下部導体部６は絶縁層５の下面に設けられている。
【００１６】
半導体チップ１，２は、絶縁基板７の上面に互いに間隔をあけて配置され、はんだ８を介して固定されている。特に限定されないが、半導体チップ１は例えばＩＧＢＴなどのトランジスタチップであり、半導体チップ２はダイオードチップである。
【００１７】
図１と図３に示すように、ケース１０は、平面視にて矩形枠形状の周壁部１０ａを備え、絶縁基板７および半導体チップ１，２を囲繞する。周壁部１０ａの下部は内周側に突出している。周壁部１０ａの下端部における内周部の全域に渡って、絶縁基板７の外周部を嵌め込み可能な凹部１０ｂが形成されている。
【００１８】
周壁部１０ａの下端部の外周部の全域から外側に突出する鍔部１０ｃが形成されている。鍔部１０ｃには、冷却器としての放熱フィン（図示省略）を取り付け可能な取り付け穴１０ｄが複数（例えば２つ）形成されている。これにより、放熱フィンの取り付け時の応力を鍔部１０ｃに分散し、絶縁基板７の絶縁層５へのダメージを抑制できる。
【００１９】
端子１２，１３は、例えば銅の薄板により断面視にてＬ字形状に形成されている。端子１２，１３は、インサート成型によりケース１０と一体的に設けられている。端子１２，１３の一端部は周壁部１０ａの上端部から外部に露出しており、外部機器に接続される。端子１２の他端部は周壁部１０ａの上下方向中央部から内周側に露出しており、ワイヤボンド９ａを介して半導体チップ１に接続されている。端子１３の他端部は周壁部１０ａの上下方向中央部から内周側に露出しており、ワイヤボンド９ｂを介して半導体チップ１，２に接続されている。
【００２０】
封止材１４は、例えば熱硬化性樹脂である。封止材１４はケース１０の内部に充填され、ケース１０の内部の半導体チップ１，２およびワイヤボンド９ａ，９ｂを含め、絶縁基板７上の全面を覆うように封止している。
【００２１】
次に、絶縁基板７の上部導体部３の詳細について説明する。図１と図２と図４に示すように、上部導体部３は、回路パターン３ａおよび外周パターン３ｂを備えている。
【００２２】
回路パターン３ａは例えば銅により形成され、平面視にて正方形状の部分と、これと一定の間隔をあけて隣り合う、平面視にて前後方向に細長い長方形状の部分とを備えている。半導体チップ１，２は、平面視にて正方形状の部分に配置されている。
【００２３】
外周パターン３ｂは例えば銅により形成されている。外周パターン３ｂは、回路パターン３ａの外周側に一定の間隔をあけて設けられ、平面視にてロ字形状である。外周パターン３ｂと回路パターン３ａとの距離は、半導体装置２０２に要求される電圧と、封止材１４の絶縁耐圧によって決定することが望ましい。絶縁耐圧が６５０Ｖ以上、２ｋＶ以下の領域では１ｍｍ以上距離をあけておくことが望ましい。
【００２４】
図１に示すように、ケース１０の周壁部１０ａの凹部１０ｂに、絶縁基板７の外周部が接着剤１１を介して固定されている。より具体的には、絶縁基板７は、上部導体部３の外周パターン３ｂの上面に塗布された接着剤１１を介してケース１０の凹部１０ｂに固定されている。これにより、半導体装置２０２に加わる外力によって発生する絶縁層５へのダメージを、ケース１０と外周パターン３ｂで分散することができる。
【００２５】
例えば、上部導体部３の厚みＡは１ｍｍ以上、３ｍｍ以下、下部導体部６の厚みＢは０．２ｍｍ以上、２ｍｍ以下であって、上部導体部３の厚みＡを下部導体部６の厚みＢよりも厚くするものとし、これらは必要とされる絶縁基板７の放熱性および強度に合わせて設計することができる。なお、回路パターン３ａの厚みと外周パターン３ｂの厚みは同じであるため、上部導体部３の厚みＡは回路パターン３ａの厚みであり、また外周パターン３ｂの厚みでもある。
【００２６】
図１から図４に示すように、絶縁層５の平面視の最外端は、上部導体部３の平面視の最外端および下部導体部６の平面視の最外端と一致する。これにより、絶縁層５の外周部は上部導体部３および下部導体部６から突出しない。絶縁層５が上部導体部３および下部導体部６から突出している場合は絶縁層５に外力が加わることで、絶縁層５が破壊され、そこを起点に絶縁破壊に至る可能性がある。しかし、絶縁層５の外周部が上部導体部３および下部導体部６から突出しないことで、絶縁層５を保護することができる。ここで、「絶縁層５の平面視の最外端は、上部導体部３の平面視の最外端および下部導体部６の平面視の最外端と一致する」とは、絶縁層５の平面視の最外端が、上部導体部３の平面視の最外端および下部導体部６の平面視の最外端よりも僅かに内側にある場合も含む。
【００２７】
なお、半導体装置２０２を用いて３相のインバータ回路を構成する場合は、６つのトランジスタチップとそれらに逆並列に接続された６つのダイオードが設けられる。半導体チップ１，２は、Ｓｉ、ＧａＮ、またはＳｉＣ等のウェハから作製されたものが用いられる。半導体チップ１，２に関して特に材料を限定するものではないが、高電流密度および高周波動作を目的としてＳｉＣ等のウェハから作製された場合、回路パターン３ａの厚銅化による高放熱化が有効である。
【００２８】
また、はんだ８は他の接合材（方法）で代替してもよい。例えばＡｇの焼結接合で代替した場合、はんだ付けに比べて放熱性およびパワーサイクル等の信頼性を向上させることが可能である。
【００２９】
以上のように、実施の形態１に係る半導体装置２０２では、上部導体部３は、半導体チップ１，２が配置される回路パターン３ａと、回路パターン３ａの外周側に間隔をあけて設けられた外周パターン３ｂとを有するため、絶縁基板７の外周部の剛性を高めることができる。上部導体部３の外周パターン３ｂの厚みＡは下部導体部６の厚みＢよりも厚く形成され、上部導体部３の外周パターン３ｂ、絶縁層５の外周部、および下部導体部６の外周部は、ケース１０の周壁部１０ａの内周部に形成された凹部１０ｂに固定されたため、ケース１０の周壁部１０ａの凹部１０ｂと、外周パターン３ｂを設けたことで剛性を高めた絶縁基板７の外周部とを固定することができる。これにより、半導体装置２０２にかかる外力を分散し、絶縁層５へのダメージを抑制できる。
【００３０】
さらに、ケース１０の周壁部１０ａの外周部から外側に突出する鍔部１０ｃが形成され、鍔部１０ｃに放熱フィンを取り付け可能な取り付け穴１０ｄが形成されたため、放熱フィンの取り付け時の応力を鍔部１０ｃに分散し、絶縁層５へのダメージを抑制できる。また、放熱性にあまり寄与しない下部導体部６の厚みＢが上部導体部３の厚みＡよりも薄く形成されるため、半導体装置２０２の軽量化を図ることが可能である。以上より、軽量化と必要な強度の確保との両立が可能な半導体装置２０２を実現することができる。
【００３１】
また、上部導体部３の厚みＡは下部導体部６の厚みＢよりも厚く形成されるため、回路パターン３ａの厚みが厚くなり、絶縁基板７の放熱性を向上させることができる。
【００３２】
絶縁層５の平面視の最外端は、上部導体部３の平面視の最外端および下部導体部６の平面視の最外端と一致するため、絶縁層５の外周部が上部導体部３および下部導体部６から突出しない。これにより、絶縁層５を、例えば、半導体装置２０２の製造（組み立て）過程で生じる可能性のある欠損およびキズ等から保護することができる。
【００３３】
半導体チップ１，２はＳｉＣを材料として形成されている場合、回路パターン３ａの厚銅化による高放熱化を図ることで、高電流密度および高周波動作等のＳｉＣの特性を生かすことができる。
【００３４】
＜実施の形態２＞
次に、実施の形態２に係る半導体装置について説明する。図５は、実施の形態２に係る半導体装置が備える絶縁基板７とケース１０の固定状態を示す断面図である。なお、実施の形態２において、実施の形態１で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。
【００３５】
図５に示すように、実施の形態２では、絶縁基板７は、上部導体部３の外周パターン３ｂと下部導体部６の外周部とを導通させる導電性ペースト１５を備えている。実施の形態１では、外周パターン３ｂは回路パターン３ａと接続されていないため浮遊電位となっているが、実施の形態２では、外周パターン３ｂを導通させて電気的に安定させることを目的として導電性ペースト１５が配置されている。
【００３６】
導電性ペースト１５は、上部導体部３の外周パターン３ｂの外周面、絶縁層５の外周面、および下部導体部６の外周面の全域または一部の領域に配置されている。導電性ペースト１５として、シリコーンまたはエポキシ等の合成樹脂中に、Ａｇ、Ａｌ、またはＦｅ等の金属粉体を混ぜ合わせたものが使用される。また、導電性ペースト１５に接着機能を持たせて、接着剤１１の代替としても良いが、導電性ペースト１５に接着機能を持たせずに、図１の場合と同様に接着剤１１が配置されていてもよい。なお、図５は、導電性ペースト１５に接着機能を持たせた場合の図面である。
【００３７】
以上のように、実施の形態２に係る半導体装置では、絶縁基板７は、上部導体部３の外周パターン３ｂと下部導体部６の外周部とを導通させる導電性ペースト１５を有するため、外周パターン３ｂを導通させて電気的に安定させることができる。
【００３８】
＜実施の形態３＞
本実施の形態は、上述した実施の形態１に係る半導体装置２０２を電力変換装置に適用したものである。本発明は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、実施の形態３として、三相のインバータに本発明を適用した場合について説明する。
【００３９】
図６は、実施の形態３に係る電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。
【００４０】
図６に示す電力変換システムは、電源１００、電力変換装置２００、負荷３００から構成される。電源１００は、直流電源であり、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、例えば、直流系統、太陽電池、蓄電池で構成することができるし、交流系統に接続された整流回路またはＡＣ／ＤＣコンバータで構成することとしてもよい。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としてもよい。
【００４１】
電力変換装置２００は、電源１００と負荷３００の間に接続された三相のインバータであり、電源１００から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に交流電力を供給する。電力変換装置２００は、図６に示すように、直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路２０１と、主変換回路２０１を制御する制御信号を主変換回路２０１に出力する制御回路２０３とを備えている。
【００４２】
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た電動機であり、例えば、ハイブリッド自動車、電気自動車、鉄道車両、エレベーター、および空調機器向けの電動機として用いられる。
【００４３】
以下、電力変換装置２００の詳細を説明する。主変換回路２０１は、スイッチング素子と還流ダイオードを備えており（図示省略）、スイッチング素子がスイッチングすることによって、電源１００から供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に供給する。主変換回路２０１の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態に係る主変換回路２０１は２レベルの三相フルブリッジ回路であり、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された６つの還流ダイオードから構成することができる。主変換回路２０１の各スイッチング素子や各還流ダイオードは、上述した実施の形態１，２のいずれかに相当する半導体装置によって構成する。なお、ここでは実施の形態１に係る半導体装置２０２によって構成した場合について説明する。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上下アームを構成し、各上下アームはフルブリッジ回路の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を構成する。そして、各上下アームの出力端子、すなわち主変換回路２０１の３つの出力端子は、負荷３００に接続される。
【００４４】
また、主変換回路２０１は、各スイッチング素子を駆動する駆動回路（図示省略）を備えているが、駆動回路は半導体装置２０２に内蔵されていてもよいし、半導体装置２０２とは別に駆動回路を備える構成であってもよい。駆動回路は、主変換回路２０１のスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成し、主変換回路２０１のスイッチング素子の制御電極に供給する。具体的には、後述する制御回路２０３からの制御信号に従い、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各スイッチング素子の制御電極に出力する。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（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（オフ信号）となる。
【００４５】
制御回路２０３は、負荷３００に所望の電力が供給されるよう主変換回路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主変換回路２０１の各スイッチング素子がオン状態となるべき時間（オン時間）を算出する。例えば、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制御によって主変換回路２０１を制御することができる。そして、各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を、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号が出力されるよう、主変換回路２０１が備える駆動回路に制御指令（制御信号）を出力する。駆動回路は、この制御信号に従い、各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。
【００４６】
本実施の形態に係る電力変換装置では、主変換回路２０１のスイッチング素子と還流ダイオードとして実施の形態１に係る半導体装置２０２を適用するため、信頼性向上を実現することができる。
【００４７】
本実施の形態では、２レベルの三相インバータに本発明を適用する例を説明したが、本発明は、これに限られるものではなく、種々の電力変換装置に適用することができる。本実施の形態では、２レベルの電力変換装置としたが３レベルまたはマルチレベルの電力変換装置であっても構わないし、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本発明を適用しても構わない。また、直流負荷等に電力を供給する場合にはＤＣ／ＤＣコンバータまたはＡＣ／ＤＣコンバータに本発明を適用することも可能である。
【００４８】
また、本発明を適用した電力変換装置は、上述した負荷が電動機の場合に限定されるものではなく、例えば、放電加工機、レーザー加工機、誘導加熱調理器、および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、さらには太陽光発電システムおよび蓄電システム等のパワーコンディショナーとして用いることも可能である。
【００４９】
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。
【符号の説明】
【００５０】
１，２  半導体チップ、３  上部導体部、３ａ  回路パターン、３ｂ  外周パターン、５  絶縁層、６  下部導体部、７  絶縁基板、１０  ケース、１０ａ  周壁部、１０ｂ  凹部、１０ｃ  鍔部、１０ｄ  取り付け穴、１４  封止材、１５  導電性ペースト、２００  電力変換装置、２０１  主変換回路、２０２  半導体装置、２０３  制御回路。
【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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