(57)【要約】【課題】リードフレームサイズを増大させることなく、大電流化するとともに、接合信頼性を確保することができる電力用半導体装置、電力用半導体装置の製造方法および電力変換装置を提供することを目的とする。【解決手段】電力用半導体装置１０１は、スイッチング素子３および整流素子４等の電力用半導体素子を搭載し、前記電力用半導体素子の電極と、アルミワイヤ９および金ワイヤ１０で接続されたリードパターン２０、および挿入端子２を挿入する貫通孔１９を有するリード１９が設けられたリードフレーム５と、リード１８が露出するように、前記電力用半導体素子、アルミワイヤ９と金ワイヤ１０、およびリードパターン２０の間を封止樹脂で封止する封止体６とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力用半導体素子を搭載し、前記電力用半導体素子の電極とワイヤで接続されたリードパターン、および貫通孔が設けられたリード部を有するリードフレームと、
前記リード部が露出するように、前記電力用半導体素子、前記ワイヤ、および前記リードパターンの間を封止樹脂で封止した封止体と、
前記貫通孔に挿入する挿入端子と
を備えたことを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項２】
前記挿入端子は、前記貫通孔に挿入されるプレスフィット部、外部基板と接続する端子部、および前記プレスフィット部と前記端子部とを連結し、前記リード部に係止する固定部を有することを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
【請求項３】
前記挿入端子は、前記固定部が前記プレスフィット部の根元部分に切り欠きを有することを特徴とする請求項２に記載の電力用半導体装置。
【請求項４】
前記挿入端子は、前記端子部が前記プレスフィット部と同じ形状を有することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の電力用半導体装置。
【請求項５】
前記挿入端子は、前記プレスフィット部にカエリ部が設けられており、前記カエリ部は前記リード部に係合することを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項６】
前記挿入端子は、前記リード部の配線方向に対して、前記挿入端子の幅方向が並行に、かつ垂直方向に挿入されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項７】
前記挿入端子は、断面積が前記リード部の断面積よりも大きいことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項８】
前記リード部は、一端を折り返すことで多重に重ねられて形成されたことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項９】
前記リード部は、前記リードパターンよりも厚さが大きく、根元が前記封止体で覆われていることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項１０】
前記リード部は、円形状またはスリット状の前記貫通孔を有することを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項１１】
前記リード部は、少なくとも２以上の前記貫通孔を有することを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項１２】
前記リード部は、一の前記リード部の前記貫通孔と他の前記リード部の前記貫通孔とに、ジャンパー配線により接続する前記挿入端子が挿入されていることを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項１３】
前記リード部は、表面側または裏面側からジャンパー配線により接続する前記挿入端子が挿入されていることを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項１４】
前記ジャンパー配線により接続する挿入端子は、前記封止体の高さよりも低く形成されていることを特徴とする請求項１２または請求項１３に記載の電力用半導体装置。
【請求項１５】
前記電力用半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体であることを特徴とする請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項１６】
前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料または、ダイアモンドを用いた半導体であることを特徴とする請求項１５に記載の電力用半導体装置。
【請求項１７】
貫通孔が設けられたリード部とリードパターンを有するリードフレームの、前記リードパターン上に電力用半導体素子を載置する工程と、
前記電力用半導体素子の電極と前記リードパターンとをワイヤにより接続する工程と、
前記リード部が露出するように、前記電力用半導体素子、前記ワイヤ、および前記リードパターンの間を封止樹脂で封止する工程と、
露出する前記リード部の前記貫通孔に挿入端子を挿入する工程と
を含むことを特徴とする電力用半導体装置の製造方法。
【請求項１８】
請求項１から請求項１６のいずれか１項に記載の電力用半導体装置を有し、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、電力用半導体装置、電力用半導体装置の製造方法および電力変換装置に関し、特にリードフレームに電力用半導体素子を搭載する電力用半導体装置、電力用半導体装置の製造方法および電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の中でも電力用半導体装置は、産業用機器から民生用の家電・情報端末まで幅広い機器の電力制御に用いられ、特に、産業用機器、輸送機器等では高い信頼性が求められる。近年、産業用、輸送機器用パワーモジュールの大電流化、高機能化が進み、それに伴ってパッケージサイズが拡大している。高い信頼性が期待できるＤＩＰ(Dual In-line Package)タイプモジュールは、トランスファーモールドで樹脂封止され、パッケージの側面に端子が配置されたモジュールである。トランファーモールドではリードフレームを使用する必要があるが、大電流化に伴ってリードフレームの面積を増やす場合は、設備制約の範囲内に限られる。特に、ＤＩＰタイプモジュールは、製造工程でパッケージの両側から突出する端子が、加工前のリードフレームの一部面積を占有するため、リードフレームに占めるパッケージの割合は小さくなり、電流の大電流化や高機能化が難しい。また、産業用や輸送用のモジュールでは端子の形成方法として、はんだ付け用の直線状の端子や、基板とかしめて固定するプレスフィット端子といった要求があるが、ＤＩＰタイプモジュールではリードフレームの再設計、金型の再試作といった負荷がかかり生産性が悪化していた。
【０００３】
これに対して、特許文献１では、端子とパッケージから成る第一のリードフレームと、端子の一部分のみから成る第二のリードフレームを別々で準備して、封止工程前にそれぞれを接合して一体化している。第一、第二のリードフレームが分かれているため、必要な方の端子形状を変えやすい利点がある。また、特許文献２では、端子が無い状態で封止工程のトランスファーモールドまでを完了させた後、封止工程で形成したメスコネクタにプレスフィット端子を圧入する。リードフレーム内に端子が不要となるためリードフレームのサイズ限界までモジュールを大電流化できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−１５４６９６号公報（段落００４４、図１３）
【特許文献２】特開２０１３−１５２９６６号公報（段落００１３、図１）
【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では、例えば、チップを搭載するダイボンド工程は第一のリードフレームで搬送することができるが、それ以降の工程は、両フレームを接合した後でなければ組立できない。このためリードフレームサイズが大型化する課題は完全には解消できないという問題があった。また、２枚のリードフレームを重ねて接合すると、２枚重なった接合部の板厚が増える。封止工程では金型でリードフレームをクランプするが、接合部の厚みによりクランプできずに封止樹脂が漏れて歩留まりが悪化する。重なる部分のみ板厚を薄くしてリードフレームの総厚を合わせても、加工公差から生じるリードフレーム厚さの不均一により、クランプの荷重が不安定となるという問題があった。
【０００６】
特許文献２では、封止工程時にメスコネクタ内のリードフレームの貫通孔周囲に樹脂バリが形成され、樹脂バリが噛み込むことで接触抵抗増加による特性低下の恐れがあるという問題があった。また、挿入端子をパッケージのメスコネクタに挿入する場合では、プレスフィット端子先端がリードフレームから突き出た分だけコネクタを深くする必要があるため、パッケージ厚が厚くなるという問題があった。また、大面積化したパッケージではパッケージの反りの制御が難しく、反りのばらつきによってプレスフィット端子を垂直に差すことができずに座屈して歩留まりが悪化するという問題があった。さらに、大面積化すると、外部基板に実装する場合に外部基板の反りの影響も受けやすい。外部基板と搭載部品との熱歪みから生じる外部基板の反りによって、プレスフィット端子とコネクタ間に応力がかかり、接合信頼性が低下するという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、リードフレームサイズを増大させることなく、大電流化するとともに、接合信頼性を確保することができ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】
【０００８】
本発明にかかる電力用半導体装置は、電力用半導体素子を搭載し、前記電力用半導体素子の電極とワイヤで接続されたリードパターン、および貫通孔が設けられたリード部を有するリードフレームと、前記リード部が露出するように、前記電力用半導体素子、前記ワイヤ、および前記リードパターンの間を封止樹脂で封止した封止体と、前記貫通孔に挿入する挿入端子とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
本発明にかかる電力用半導体装置の製造方法は、貫通孔が設けられたリード部とリードパターンを有するリードフレームの、前記リードパターン上に電力用半導体素子を載置する工程と、前記電力用半導体素子の電極と前記リードパターンとをワイヤにより接続する工程と、前記リード部が露出するように、前記電力用半導体素子、前記ワイヤ、および前記リードパターンの間を封止樹脂で封止する工程と、露出する前記リード部の前記貫通孔に挿入端子を挿入する工程とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、封止体から露出するリードフレームのリード部設けられた貫通孔にプレスフィット部を有する挿入端子を挿入することにより、リードフレームサイズを増大させることなく、大電流化するとともに、接合信頼性を確保することができるが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための斜視図、上面図および断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の内部の構成を説明するための上面図である。
【図３】本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置における貫通孔に挿入端子を挿入する前後の状態を示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の製造工程を示すフローチャート図である。
【図５】本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の一実施例示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の挿入端子の他の例を示す断面図である。
【図７】本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の挿入端子の他の例を示す断面図である。
【図８】本発明の実施の形態２にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための断面図である。
【図９】本発明の実施の形態３にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態４にかかる電力用半導体装置のリード部の構成を説明するための平面図である。
【図１１】本発明の実施の形態５にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための断面図である。
【図１２】本発明の実施の形態６にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための断面図である。
【図１３】本発明の実施の形態６にかかる電力用半導体装置の他の構成を説明するための断面図である。
【図１４】本発明の実施の形態７にかかる電力用半導体装置の挿入端子の構成を説明するための断面図である。
【図１５】本発明の実施の形態８にかか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】
【００１２】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による電力用半導体装置および電力用半導体装置の製造に用いる主要部材の構成を示したものであって、図１（ａ）は電力用半導体装置の斜視図、図１（ｂ）は電力用半導体装置の上面図、図１（ｃ）は図１（ｂ）のＡ−Ａ線での矢視断面図である。図２は、図１の電力用半導体装置の封止体６内部の構造を示す上面図である。
【００１３】
図１に示すように、電力用半導体装置１０１は、電気回路を兼ねるリードフレーム５上に搭載した半導体素子等を封止樹脂で封止して形成された封止体６と、封止体６の側面側から露出する複数のリード部であるリード１８と、リード１８に設けられた貫通孔１９に外部基板や外部回路と電気的に接続するために挿入された接続用の挿入端子２とから構成されている。
【００１４】
封止体６から露出するリードフレーム５の一部となるリード１８に貫通孔１９を備え、貫通孔１９を介してリード１８と挿入端子２を電気的に接続している。挿入端子２は、例えば銅を含む合金からなる。回路基板として用いるリードフレーム５の表面には、電力用半導体素子であるスイッチング素子３および整流素子４が裏面電極側をはんだ７で接合されている。制御用回路のＩＣ（Integrated Circuit）１７の裏面電極側は導電性接合材１６で接合されている。導電性接合材１６は、例えばＡｇペーストやはんだといった導電性の接合材であればよい。スイッチング素子３は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であり、整流素子４は、例えば、ＦｗＤｉ（Free Wheeling Diode）である。
【００１５】
図２には、リードフレーム５中の、電力用半導体素子を搭載するリードパターン２０の部分と、電力用半導体素子と電気的に接続するリードパターン２０の部分の回路図を示す。スイッチング素子３および整流素子４表面とリードパターン２０はアルミワイヤ９で電気的に接続し、スイッチング素子３のゲート電極とリードパターン２０は金ワイヤ１０で電気的に接続している。電力用半導体素子を搭載するリードパターン２０は、ＩＣ１７を搭載するリードパターン２０に比べて、アルミ板１３側に曲げられている。
【００１６】
電力用半導体素子を搭載するリードパターン２０の部分の裏面に、アルミ板１３は、放熱性の高い接着樹脂１４で電気的に絶縁して固着される。接着樹脂１４は、例えば、熱伝導率が高いＳｉＯ２、ＢＮ、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３を含む無機材料と、接着と絶縁の機能があるエポキシ樹脂やポリイミド樹脂、アクリル樹脂といった熱硬化、熱可塑性樹脂で構成される。同様の機能がある材料であれば、異なる材料でも同じ効果が得られる。アルミ板１３の一面は封止体６から露出している。アルミ板１３は放熱性の高い部材であればよく、銅といった他の金属や、ＳｉＯ２、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４といったセラミックスでもよい。
【００１７】
封止体６から露出したリード１８には円形状の貫通孔１９が設けられており、貫通孔１９に挿入端子２を挿入することにより電気的に接続している。図３は、貫通孔１９に挿入端子２を挿入する前後の状態を示す断面図である。図３（ａ）は挿入前、図３（ｂ）は挿入後であり、図３（ｃ）はリード１８の上面図である。図３（ａ）に示すように、挿入端子２の下部には、リード１８に挿入するために、中央をくり抜いた空洞部２ｈを有する楕円形状のプレスフィット部２ａを備える。挿入端子２の中央部は、段差がある固定部２ｂを有し、空洞部２ｈは固定部２ｂに跨って形成されている。挿入端子２の上部は直線形状の端子部である直線端子部２ｃを有する。
【００１８】
貫通孔１９に挿入端子２を接続する場合は、プレスフィット部２ａを、貫通孔１９に圧入する。このときプレスフィット部２ａが変形して、変形時の反発力により貫通孔と機械的に固着される。挿入時は固定部２ｂがリード１８に接触するまで押し込む。固定部２ｂは挿入動作を停止する役割を果たす。
【００１９】
次に、電力用半導体装置１０１の製造方法について説明する。図４は、本発明の実施の形態１による電力用半導体装置の製造工程を示すフローチャート図である。図４に示すように、まず最初にダイボンド工程（ステップＳ４０１）として、リードフレーム５上にＩＣ１７を導電性接合材１６で固着し、スイッチング素子３と整流素子４をＰｂフリーはんだ７で接合する。
【００２０】
続いて、ワイヤボンド工程（ステップＳ４０２）として、スイッチング素子３、整流素子４、リードパターン２０を、ワイヤボンディングによりアルミワイヤ９で接続する。次いで、スイッチング素子３のゲート、ＩＣ１７、リードパターン２０を、ワイヤボンディングにより金ワイヤ１０で接続する。スイッチング素子３および整流素子４を搭載するリードパターン２０裏面にはアルミ板１３を接着樹脂１４で接着する。
【００２１】
最後に、封止工程（ステップＳ４０３）では、リードフレーム５を封止用の成形金型に載置して、封止樹脂でトランスファーモールドを用いて封止する。封止後はリードフレームの余分な部分を取り除き、封止体６から露出したリード１８に挿入端子２を圧入して固着することで、電力用半導体装置１０１が形成される。挿入端子を圧入する際は、貫通孔周囲のリードを支持して、挿入端子の固定部を押し下げて挿入する。
【００２２】
このように、本実施の形態１では電力用半導体装置１０１に挿入端子２を設けることで、製造工程で挿入端子２は封止工程後に取り付けており、加工前のリードフレームに挿入端子のスペースを必要としないため、リードフレーム内のパッケージの取れ数を多く取って生産性を向上することができる。また、リードフレーム内のパッケージ面積を大型化することにより、モジュールを大電流化することができる。さらに、電力用半導体素子以外に、例えば、従来は外部基板に外付けしていたＢＳＤ(Bootstrap Diode)やＢＳＣ(Bootstrap capacitor)の制御用回路を内蔵するスペースを確保して、高機能化することもできる。
【００２３】
以上のように、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置１０１によれば、スイッチング素子３および整流素子４等の電力用半導体素子を搭載し、前記電力用半導体素子の電極と、アルミワイヤ９および金ワイヤ１０で接続されたリードパターン２０、および挿入端子２を挿入する貫通孔１９を有するリード１８が設けられたリードフレーム５と、リード１８が露出するように、前記電力用半導体素子、アルミワイヤ９と金ワイヤ１０、およびリードパターン２０の間を封止樹脂で封止する封止体６とを備えるようにしたので、リードフレームサイズを増大させることなく、大電流化するとともに、接合信頼性を確保することができる。
【００２４】
また、特許文献１のように、リードフレームを分割することが無いため、リードフレーム同士のつなぎ目が無く、封止工程の金型クランプ時に樹脂漏れが発生しない。さらに、挿入端子２を後付けするため、リードフレームと挿入端子の材質を変えることができる。例えば、リードフレームには安価で銅の純度が高い合金を用いて、導電性を確保する。一方で、挿入端子は銅の純度が低く、鉄などを添加して剛性を高めることで、挿入端子を貫通孔に挿入した際の反発力を高めることで、信頼性を向上することができる。
【００２５】
さらに、挿入端子とリードフレームを切り離すことで、リードフレームのサイズやリードフレームの設計によらず挿入端子の長さを自由に変えて生産性を改善することができる。挿入端子の固定部２ｂは挿入動作を停止して、端子長さを一定にする効果がある。
【００２６】
また、特許文献２のようなプレスフィット用端子では、プレスフィット部と固定部が離れているが、本実施の形態１の挿入端子２では固定部２ｂとプレスフィット部２ａが一体となり、空洞部２ｈは固定部２ｂの中まで跨って形成している。挿入端子２を挿入するリードフレーム５のリード１８は０．３〜１．５ｍｍ程度と薄く、従来の挿入端子ではプレスフィット部がリードフレームを突き抜き抜けてしまう。これに対して、本実施の形態１の電力用半導体装置１０１では、挿入端子２の固定部２ｂの直下にプレスフィット部２ａがあるため、貫通孔とプレスフィット部を確実に固定できる。挿入時に固定部２ｂ中の空洞部２ｈも一緒に変形することで、プレスフィット部２ａの反発力を得ることができるため、安定した接合が可能となる。また、空洞部２ｈが固定部２ｂに跨って形成しているため、貫通孔に対してプレスフィット部が高い反発力をもって固定される。
【００２７】
さらに、特許文献２では、トランスファーモールドでメスコネクタを形成しているため、メスコネクタ内に樹脂が侵入して樹脂バリが形成される可能性がある。プレスフィット端子の挿入時に樹脂バリが入り込むと接触抵抗が増加して特性低下が想定される。防止として樹脂バリをレーザー加工やブラスト処理などで加工すると、加工工程が追加されることに加えて、加熱によるチップへのダメージや、メスコネクタの穴形状の変形が発生し、プレスフィット端子の挿入安定性が低下する可能性がある。本実施の形態１の電力用半導体装置１０１では、このような追加工程によるダメージや変形がないため挿入端子の接合性は安定する。また、挿入端子をパッケージのメスコネクタに挿入する場合では、挿入端子先端がリードフレームから突き出た分だけコネクタを深くする必要があるため、パッケージ厚が厚くなる。これに対し、本実施の形態１では、貫通孔１９から突き出たプレスフィット部２ａは、中空に留まりスペースを必要としないため、パッケージ厚を薄厚化可能で、封止樹脂を減らして生産性を向上させることができる。
【００２８】
また、パッケージの反りが大きい場合では、従来のようにパッケージのメスコネクタに挿入すると、垂直に入らずに座屈する可能性がある。これに対し、本実施の形態１の電力用半導体装置１０１では、挿入時にリード１８自体がリードを支持する治具に沿ってたわむため、挿入端子２が垂直に挿入される。これにより反りに裕度が持てるため生産性が向上する。また、外部基板２１が実装部品の熱収縮などで反ってしまった場合でも、図５に示すようにリード１８の一端は固定されているが、別の一端は固定されておらず上下に変形することができるため、たわむことで外部基板の反りに追従することができる。このためプレスフィット部にかかる応力が減少して接合信頼性が向上する。特にパッケージが大型化する（例えば、パッケージサイズが３４×８５ｍｍ以上）と基板の反りの影響を受けやすいため、本実施の形態１の効果が顕著化する。
【００２９】
また、特許文献２では、プレスフィット用端子が封止樹脂と接触すると、温度サイクル時に封止樹脂が収縮、膨張してプレスフィット部に応力がかかって、接合強度が低下する可能性がある。特に、パッケージを大型化すると、封止工程におけるトランスファーモールドで、金型から離型するために封止樹脂の収縮量を増やすことがあるため、封止樹脂はリードフレームよりも温度に対して変形しやすい。本実施の形態１の電力用半導体装置１０１では、プレスフィット部２ａが貫通孔１９のみと接合しているため、封止樹脂の収縮による応力を受けることなく、温度サイクルに対して高い信頼性を得ることができる。特に、挿入端子とリードフレームはどちらも銅合金といった、主成分が同じ元素にすると、線膨張係数が近くなるため、熱歪みが生じにくい。
【００３０】
一般に、電力用半導体装置は数百Ｖから数十ｋＶまでの電圧が発生するため、外部基板上のスルーホール間でも絶縁を取る必要がある。本実施の形態１の電力用半導体装置１０１では、挿入端子２の幅方向（Ｗ方向）をリード１８の配線方向（Ｖ方向）に対して垂直な方向から、図３に示すように、挿入端子２の軸方向に９０°回転させた状態（図３（ａ）参照）で、リード１８の貫通孔１９に挿入端子２のプレスフィット部２ａを挿入し（図３（ｂ）参照）、挿入端子２の直線端子部２ｃは外部基板に挿入することができる。つまり、挿入端子の幅方向（Ｗ方向）をリード１８の配線方向（Ｖ方向）に並行に配置することができる。電力用半導体装置のリード間の絶縁において、リードとリードの間はリードの幅を除いた部分が絶縁距離となるが、本実施の形態１のように挿入端子と挿入端子の間は厚みを除いた部分が絶縁距離となるため、挿入端子間の方が絶縁距離を長くすることができる。挿入端子間の絶縁距離を長くとることができるため、外部基板上のスルーホール間の絶縁距離を延ばすことができる。これにより外部基板のパターンに対して、設計自由度を高めることや、トラッキング、マイグレーションといった絶縁に関連対する信頼性が向上する。
【００３１】
さらに、挿入端子２の断面はリードの配線方向に幅の長い矩形であり、幅を増やしても挿入端子間の絶縁距離が短くならないため、挿入端子の幅はリードの幅よりも増やすことができる。これにより、リードの断面積よりも挿入端子の断面積の方が大きくすることで、熱容量を増やすことができるため、端子自体の発熱を抑えるとともに、電力用半導体素子から伝わる熱でも温度上昇しにくくすることができる。このため外部基板の温度を下げることが可能となる。挿入端子の幅を大きくすることで、熱容量を増やすだけでなく、表面積を増やして高放熱化することもできるため、さらに温度が上昇しにくくなる。例えば、リードの幅は貫通孔サイズとリード端子間の絶縁距離を考慮すると２〜４ｍｍが好ましいが、挿入端子の幅は２倍以上で形成することもできる。
【００３２】
なお、本実施の形態１にかかる挿入端子はプレスフィット部と固定部が一体でなくともよい。図６に示すように、挿入端子２２は固定部２２ｂの一部に切り欠き２２ｄを入れた形状であり、この場合も同様の効果が得られる。切り欠き２２ｄは固定部２２ｂの下端から上方に向かった形状をとる。切り欠き２２ｄを入れることで、プレスフィット部２２ａの根元がくびれて、断面二次モーメントが小さくなることで動きやすくなる。このため図６（ａ）に示すように、パッケージの反りなどで貫通孔１９が傾いていても、挿入時にプレスフィット部２２ａの根元が変形して追従することで（図６（ｂ）参照）、挿入しやすくなる。また、挿入端子２、２２の直線端子部２ｃ、２２ｃは直線形状でなくてもよい。図７に示すように、例えば、挿入端子２３、２４のように外部基板にプレスフィット接続できる外部基板挿入用プレスフィット部２３ｅ、２４ｅでもよい。
【００３３】
実施の形態２．
実施の形態１では、リードパターン２０と同じ厚さのリード１８を用いた場合について説明したが、実施の形態２では、多重リードを用いた場合について説明する。
【００３４】
図８は、本発明の実施の形態２による電力用半導体装置１０２の構成を示す断面図である。図８に示すように、電力用半導体装置１０２は、リードを折り曲げて二枚重ねた多重リード４０を備える。多重リード４０には、多重リード４０を貫く貫通孔４１が形成されている。電力用半導体装置１０２のその他の構成については、実施の形態１の電力用半導体装置１０１と同様であり、その説明を省略する。製造方法については、予め多重リード４０を形成したリードフレーム５０を準備する以外は、実施の形態１と同様であり、その説明を省略する。
【００３５】
以上のように、本発明の実施の形態２にかかる電力用半導体装置１０２によれば、リードを折り曲げて二枚重ねた多重リード４０を備えるようにしたので、リードを折り曲げて２枚重ねることでプレスフィット部２ａと多重リード４０の接触面積を増やし、接合強度を高くすることで、外部基板に実装した際の振動に対して接合強度が増加する。さらに、多重リードと挿入端子の接触面積を増やすことができるため、多重リードと挿入端子の接合界面の電気抵抗が低下して、端子の発熱を抑えて外部基板の温度を下げることができる。
【００３６】
実施の形態３．
実施の形態２では、多重リード４０を用いた場合について説明したが、実施の形態３では、異厚リードを用いた場合について説明する。
【００３７】
図９は、本発明の実施の形態３による電力用半導体装置１０３の構成を示す断面図である。図９に示すように、電力用半導体装置１０３は、実施の形態１と比べてリード１８の厚さが異なる異厚リード４２を備える。異厚リード４２には、異厚リード４２を貫く貫通孔４３が形成されている。異厚リード４２は、封止体６内のリードパターン２０より、板厚が厚く、０．５〜３．０ｍｍの厚さを有する。異厚リード４２の根元部４２ａは、封止体６で覆われている。電力用半導体装置１０３のその他の構成については、実施の形態１の電力用半導体装置１０１と同様であり、その説明を省略する。製造方法については、予め異厚リード４２を形成したリードフレーム５１を準備する以外は、実施の形態１と同様であり、その説明を省略する。
【００３８】
以上のように、本発明の実施の形態３にかかる電力用半導体装置１０３によれば、リードパターン２０よりも厚い異厚リード４２を備え、異厚リード４２の根元部４２ａを封止体６で覆うようにしたので、異厚リード４２は板厚増加に加えて、異厚部分が封止体６中まで繋がっているため異厚リード４２の剛性が上がっている。このため、実施の形態２のように接触面積を増加する効果と、挿入端子の挿入時に貫通孔の変形に伴うリードの変形を抑制することができる。
【００３９】
なお、リードフレーム全体の板厚を増やすことも可能であるが、異厚リード４２を設けることで次の利点がある。電力用半導体素子を搭載するリードパターン２０下面は、アルミ板１３が接着樹脂で接着されている。電力用半導体素子が搭載するリードパターン２０の板厚を増やすと、実動作における温度サイクル時にリードパターン２０とアルミ板１３の熱歪みのミスマッチにより、接着樹脂との接合性が低下する。このため、接合信頼性を高くするためには異厚リード４２と異厚リード４２から封止体６に繋がるリード根元部４２ａのみの板厚を増やすことが望ましい。
【００４０】
実施の形態４．
実施の形態１では、リード１８に丸穴形状の貫通孔１９を形成した場合について説明したが、実施の形態４では、スリット状の貫通孔を形成した場合について説明する。
【００４１】
図１０は、本発明の実施の形態４による電力用半導体装置１０４のリード１８の構成を示す平面図である。図１０（ａ）に示すように、電力用半導体装置１０４は、円の両端を削り取ったスリット状の貫通孔４４を有する。貫通孔４４はリードの配線方向に沿って長く、短手側の辺が円弧状になっている。また、貫通孔４４の幅は、リードの幅方向に対して、実施の形態１の貫通孔より狭い。実施の形態１では貫通孔の直径以上のリード幅が必要であったが、本実施の形態４では直径以下のリード幅でリードを形成することができる。電力用半導体装置１０４のその他の構成については、実施の形態１の電力用半導体装置１０１と同様であり、その説明を省略する。製造方法については、予めスリット状の貫通孔４４を有するリード１８を形成したリードフレーム５を準備する以外は、実施の形態１と同様であり、その説明を省略する。
【００４２】
以上のように、本発明の実施の形態４にかかる電力用半導体装置１０４によれば、リード１８にスリット状の貫通孔４４を設けるようにしたので、リード幅を小さくすることで、リード間の絶縁距離を長くすることが可能となり、絶縁に対して高い信頼性を得ることができる。また、挿入端子２を挿入する場合、スリット状の貫通孔４４の長手がガイドになって、リードに対して垂直に挿入することができる。さらに、スリット状の貫通孔４４の短手長さを挿入端子の板厚と同等、もしくは板厚＋０．２ｍｍ以下に抑えることで、挿入端子を挿入時に長手がガイドになって、リードに対して垂直に挿入することができる。なお、貫通孔の短手側の辺は円弧状に限るわけではない。図１０（ｂ）に示すように、直線形状でも同様の効果が得られる。
【００４３】
実施の形態５．
実施の形態１では、リード１８に貫通孔１９を１個形成した場合について説明したが、実施の形態５では、貫通孔を複数固形成した場合について説明する。
【００４４】
図１１は、本発明の実施の形態５による電力用半導体装置１０５の構成を示す断面図である。図１１に示すように、電力用半導体装置１０５は、１つのリード１８それぞれに、貫通孔１９が２個、リードの配線方向に並んで設けられている。各貫通孔１９には、挿入端子２がそれぞれ挿入されている。電力用半導体装置１０５のその他の構成については、実施の形態１の電力用半導体装置１０１と同様であり、その説明を省略する。製造方法については、予め各リード１８にそれぞれ２個の貫通孔１９を形成したリードフレーム５を準備する以外は、実施の形態１と同様であり、その説明を省略する。
【００４５】
電力用半導体装置はスイッチング素子３や整流素子４が発熱し、モジュールの温度が１５０℃以上になることがある。素子の熱はリードパターン２０にも伝導し、挿入端子２を経由して外部基板に伝わる。このとき外部基板上で熱に弱い部品が設置されていると、挿入端子２の熱で加熱されて部品の信頼性が低下する可能性がある。これに対して本実施の形態５では、貫通孔１９を２個設けて、挿入端子２に伝わる熱を分散することで外部基板に伝導する熱を抑制し、外部基板の部品の信頼性を高めることができる。
【００４６】
なお、貫通孔１９の数は２個に限らず３個以上でも同様の効果が得られ、挿入端子２はリードの発熱に応じて、必要なリードのみに挿入してもよい。
【００４７】
以上のように、本発明の実施の形態５にかかる電力用半導体装置１０５によれば、各リード１８に、それぞれ複数の貫通孔１９を設け、挿入された挿入端子２から外部基板に伝導する熱を分散するようにしたので、外部基板に伝導する熱を抑制し、外部基板の部品の信頼性を高めることができる。
【００４８】
リードはパッケージの外側に設置されていることから、電力用半導体素子の熱が伝導する経路が長く、伝わりにくい。この効果は実施の形態１〜４でも享受されるが、本実施の形態５では、さらに挿入端子を増やすことで、熱が伝わりにくい効果を増幅することができる。
【００４９】
実施の形態６．
実施の形態５では、リード１８に設けた２個の貫通孔１９にそれぞれ挿入端子２を挿入した場合について説明したが、実施の形態６では、貫通孔の１つをジャンパー配線する場合について説明する。
【００５０】
図１２は、本発明の実施の形態６による電力用半導体装置の構成を示したものであって、図１２（ａ）は電力用半導体装置の上面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ線での矢視断面図である。図１２に示すように、電力用半導体装置１０６は、１つのリード１８それぞれに、貫通孔１９が２個、リードの配線方向に並んで設けられている。電力用半導体装置１０６では、スイッチング素子３および整流素子４側のそれぞれ２個の貫通孔１９には、挿入端子２が挿入されているが、ＩＣ１７側の貫通孔１９には、外側の貫通孔１９にのみ挿入端子２がそれぞれ挿入されている。封止体６に近い内側の貫通孔１９には、ジャンパー配線２５が挿入されている。ジャンパー配線２５は挿入端子２と異なり、外部基板に接続する直線端子部を有さないが、同方向にプレスフィット部を２個有しており、２個のリード１８と接続できる形状となる。電力用半導体装置１０６のその他の構成については、実施の形態１の電力用半導体装置１０１と同様であり、その説明を省略する。製造方法については、予め各リード１８にそれぞれ２個の貫通孔１９を形成したリードフレーム５を準備する以外は、実施の形態１と同様であり、その説明を省略する。
【００５１】
図１２（ａ）に示すように、ジャンパー配線２５は、第一のリード１８ａと第二のリード１８ｂを接続している。例えば、第二のリード１８ｂがリードパターンと接続しないダミーリードの場合、第一のリード１８ａと第二のリード１８ｂをジャンパー配線２５でつなぐことで、電気的に同電位とすることができる。そして第二のリード１８ｂに挿入端子２を挿入すると、第一のリード１８ａと同じ電気信号を外部基板に伝えることができる。このため、外部基板で配線のレイアウトを変える必要がある場合に、ジャンパー配線２５を繋ぐことでリード配置を変えることが可能となる。リードフレームを再設計すると、リードフレームの加工費や、トランスファーモールドの金型が必要となるが、ジャンパー配線２５を設けることで、同一部材を使用することが可能となり生産性が向上する。特に、封止体６の上面、下面よりも低くジャンパーを形成することで、外部基板に搭載するときに外部基板から絶縁を確保することが容易となる。
【００５２】
なお、ジャンパー配線２５はスイッチング素子３と整流素子４が搭載されるリードフレーム側のリードに接続しても同様の効果が得られる。また、図１３に示すように、ジャンパー配線２５は、リード１８の外側の貫通孔１９に挿入された挿入端子２とは逆の方向から挿入してもよい。反対面に配置することで、外部基板の配線との絶縁距離を取ることができる。さらに、リード両面にジャンパーを複数形成することで、複雑な回路を構成することもできる。
【００５３】
以上のように、本発明の実施の形態６にかかる電力用半導体装置１０６によれば、各リード１８に、それぞれ複数の貫通孔１９を設け、一方の貫通孔にジャンパー配線２５を設けるようにしたので、外部基板で配線のレイアウトを変える必要がある場合に、ジャンパー配線を繋ぐことでリード配置を変えることが可能となり、同一部材を使用することが可能となり生産性が向上する。また、封止体６の上面、下面よりも低くジャンパーを形成することで、外部基板に搭載するときに外部基板から絶縁を確保することが容易となる。さらに、ジャンパー配線２５を、リード１８の外側の貫通孔１９に挿入された挿入端子２とは逆の方向から挿入することで、外部基板の配線との絶縁距離を取ることができる。
【００５４】
実施の形態７．
実施の形態１では、挿入端子２に楕円形状のプレスフィット部２ａが形成されている場合について説明したが、実施の形態６では、プレスフィット部にカエリ部を設けた場合について説明する。
【００５５】
図１４は、本発明の実施の形態７による電力用半導体装置１０８の挿入端子２６の構成を示す断面図である。図１４に示すように、挿入端子２６は、プレスフィット部の位置に突起を設けてカエリ部２６ｆを設けている。カエリ部２６ｆは、リード挿入後にリード下面に係合するように設置する。電力用半導体装置１０８のその他の構成については、実施の形態１の電力用半導体装置１０１と同様であり、その説明を省略する。
【００５６】
以上のように、本発明の実施の形態７にかかる電力用半導体装置１０８によれば、挿入端子２６に、リード挿入後にリード下面に係合するようにカエリ部２６ｆを設けるようにしたので、カエリ部２６ｆがリード１８とアンカー固定されて、挿入端子がより抜けにくくなり接合信頼性が向上する。
【００５７】
なお、上記実施の形態１〜７においては、スイッチング素子や整流素子として機能する電力用半導体素子には、シリコンウエハを基材とした一般的な素子でもよいが、本発明においては炭化珪素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料、またはダイヤモンドといったシリコンと較べてバンドギャップが広い、いわゆるワイドバンドギャップ半導体材料を用いることができる。ワイドバンドギャップ半導体材料を用いて形成され、電流許容量および高温動作が可能な半導体素子を用いた場合に、本発明の電力用半導体装置１０１は、特に顕著な効果が現れる。特に、炭化珪素を用いた電力用半導体素子に好適に用いることができる。デバイス種類としては、特に限定する必要はないが、ＩＧＢＴの他に、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect-Transistor）でもよく、その他縦型半導体素子であればよい。
【００５８】
ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子や整流素子は、シリコンで形成された素子よりも電力損失が低いため、スイッチング素子や整流素子における高効率化が可能であり、ひいては、電力用半導体装置の高効率化が可能となる。さらに、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、スイッチング素子や整流素子の小型化が可能であり、これら小型化されたスイッチング素子や整流素子を用いることにより、電力用半導体装置も小型化、もしくはさらなる大電流化が可能となる。また耐熱性が高いので、高温動作が可能であり、ヒートシンクに装着する放熱フィン（冷却器）の小型化や、水冷部の空冷化も可能となるので、電力用半導体装置の一層の小型化、大電流化が可能になる。
【００５９】
そのため、挿入端子の断面積を増やして熱容量を増加させることができるが、ワイヤドバンドギャップ半導体と組み合わせることで、その効果は発揮され、ワイドバンドギャップ半導体の特性を活かすことができるようになる。スイッチング素子及び整流素子の両方がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていても、いずれか一方の素子がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていてもよい。
【００６０】
実施の形態８．
本実施の形態は、上述した実施の形態１〜７にかかる電力用半導体装置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８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。
【００６１】
図１５は、本実施の形態にかか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。
【００６２】
図１５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や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。
【００６３】
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１５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。
【００６４】
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や電気自動車、鉄道車両、エレベーター、もしくは、空調機器向けの電動機として用いられる。
【００６５】
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（図示せず）、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、本実施の形態にかかる主変換回路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１〜７のいずれかに相当する電力用半導体装置（ここでは電力用半導体装置１０１で説明する）によって構成する。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。
【００６６】
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（図示なし）を備えているが、駆動回路は電力用半導体装置１０１に内蔵されていてもよいし、電力用半導体装置１０１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。
【００６７】
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又はオフ信号を駆動信号として出力する。
【００６８】
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１〜７にかかる半導体装置を適用するため、信頼性向上を実現することができる。
【００６９】
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レベルや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コンバータやＡＣ／ＤＣコンバータに本発明を適用することも可能である。
【００７０】
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、放電加工機やレーザー加工機、又は誘導加熱調理器や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や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。
【００７１】
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】
【００７２】
２、２２、２３、２４、２５、２６  挿入端子、２ａ、２２ａ、２３ａ、２４ａ、２６ａ  プレスフィット部、２ｂ、２２ｂ、２３ｂ、２４ｂ、２６ｂ  固定部、２ｃ、２２ｃ、２６ｃ  直線端子部、３  スイッチング素子、４  整流素子、５、５０、５１  リードフレーム、６  封止体、９  アルミワイヤ、１０  金ワイヤ、１８、１８ａ、１８ｂ、４０、４２  リード、１９、４１、４３、４４、４５  貫通孔、２０  リードパターン、２１  外部基板、２２ｄ、２４ｄ  切り欠き、２６ｆ  カエリ部、１００  電源、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８  電力用半導体装置、２００  電力変換装置、２０１  主変換回路、２０３  制御回路、３００  負荷
【図１】
2018073923.tif 000003
【図２】
2018073923.tif 000004
【図３】
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【図４】
2018073923.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2018073923.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2018073923.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
2018073923.tif 000014
【図１３】
2018073923.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
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