(57)【要約】【課題】本発明は、絶縁特性を向上させることができる半導体装置と電力変換装置を提供することを目的とする。【解決手段】ベース板と、該ベース板の上面に設けられた接着剤と、下面と、該下面につながり該下面よりも該ベース板の中央に近い位置にある斜面とを有し、該下面と該斜面に該接着剤がつくことで該ベース板に固定されたケースと、を備え、該接着剤のうち、該斜面に接する部分は、該下面に接する部分より厚いことを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース板と、
前記ベース板の上面に設けられた接着剤と、
下面と、前記下面につながり前記下面よりも前記ベース板の中央に近い位置にある斜面とを有し、前記下面と前記斜面に前記接着剤がつくことで前記ベース板に固定されたケースと、を備え、
前記接着剤のうち、前記斜面に接する部分は、前記下面に接する部分より厚いことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記下面は、前記斜面につながる第１下面と、前記第１下面につながり前記第１下面よりも前記ベース板の中央から遠い位置にある第２下面を有し、
前記第２下面は前記第１下面よりも下方にあることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記上面に固定された半導体素子を備え、
前記上面は、第１上面と、前記第１上面よりも上方にある第２上面とを有し、
前記接着剤は前記第１上面に塗布され、前記半導体素子は前記第２上面の直上に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記接着剤は、前記ベース板の中央方向に凸形状となっていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
ベース板と、
前記ベース板の上面に固定された半導体素子と、
前記上面に接触する接触下面と、前記接触下面よりも前記半導体素子から離れ、前記接触下面よりも上方にある非接触下面と、を有するケースと、
前記非接触下面と、前記ベース板とに接する接着剤と、を備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
前記ケースの内部に露出した電極を備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記接着剤は導電性粒子を含むことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項８】
請求項１から７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】
本発明は半導体装置および電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、回路組立体を搭載した放熱用金属ベース板の周縁に外囲樹脂ケースを重ね合わせ、両者間を接着剤で接合した半導体装置のパッケージで、外囲樹脂ケースの底部内周縁に沿って段付き溝部を形成し、該溝部に接着剤を塗布するようにしたものにおいて、前記の段付き溝部に接着剤の溜まりスペースを形成することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−３０７６５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ベース板とケースを接着剤で接着する場合、接着剤の気泡が膨張しゲル気泡を介してケース直下で沿面放電して絶縁不良が発生する問題があった。例えば、半導体装置の高温での絶縁試験中に接着剤の表面に気泡が生じることがある。沿面放電は、絶縁距離が近い構造で特に生じやすい。
【０００５】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、絶縁特性を向上させることができる半導体装置と電力変換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】
【０００６】
本願の発明に係る半導体装置は、ベース板と、該ベース板の上面に設けられた接着剤と、下面と、該下面につながり該下面よりも該ベース板の中央に近い位置にある斜面とを有し、該下面と該斜面に該接着剤がつくことで該ベース板に固定されたケースと、を備え、該接着剤のうち、該斜面に接する部分は、該下面に接する部分より厚いことを特徴とする。
【０００７】
本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、厚い接着剤フィレットを形成することにより、半導体装置と電力変換装置の絶縁特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【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】図１のケースとベース板の接着部分の拡大図である。
【図３】実施の形態２に係る半導体装置の一部拡大図である。
【図４】実施の形態３に係る半導体装置の一部拡大図である。
【図５】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】
【００１０】
実施の形態に係る半導体装置と電力変換装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
【００１１】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る半導体装置１０の断面図である。半導体装置１０はベース板１２を備えている。ベース板１２の上にははんだ１４によって絶縁基板１６が固定されている。絶縁基板１６は例えば放熱性に優れるＡｌＮ（窒化アルミニウム）などの絶縁材と、その絶縁材の上に形成された回路パターンを備える。絶縁基板１６の上面には半導体素子１８が固定されている。半導体素子１８は、例えばＩＧＢＴ（Insulated−Gate  Bipolar  Transistor）チップおよびダイオードチップとすることができる。
【００１２】
絶縁基板１６と半導体素子１８はケース２０に囲われている。ケース２０には電極２２が埋め込まれている。電極２２の一部はケース２０の内部に露出している。また、電極２２の一部がケース２０よりも上方に位置することで電極２２を外部に接続することが可能となっている。電極２２は、例えばはんだ付け性を向上させるためにＮｉめっきを施したＣｕで形成することができる。
【００１３】
ケース２０は接着剤２４でベース板１２の上面に固定されている。接着剤２４としては、常温硬化型接着剤、加熱によって重合を促進させて硬化させる熱硬化型接着剤、または紫外線等の照射によって重合を促進させて硬化させるエネルギー線硬化型接着剤等を用いることができる。例えば、導電性粒子を含む導電性接着剤を用いることができる。
【００１４】
半導体素子１８と電極２２はワイヤ３０で接続されている。ケース２０の内部には、シリコーンゲルなどの封止材３２が充填されている。その封止材３２の上方にフタ３４が設けられている。フタ３４とケース２０の材料は例えばＰＰＳ樹脂などのエンジニアリングプラスチックである。このように、半導体装置１０は、ベース板１２とケース２０を接着剤２４で接合するタイプのパワーモジュールである。
【００１５】
図２は、図１のケース２０とベース板１２の接着部分の拡大図である。ケース２０はｙ方向に長く伸びる第１部分２０ａと、第１部分２０ａからベース板１２の中央方向に突き出た第２部分２０ｂを備えている。電極２２は第２部分２０ｂの上面に露出している。第２部分２０ｂは、斜面２０Ａと、斜面２０Ａにつながる第１下面２０Ｂと、第１下面２０Ｂにつながる第２下面２０Ｃを有している。斜面２０Ａは第２部分２０ｂをテーパ形状にすることで設けられている。第２下面２０Ｃは第１下面２０Ｂよりも下方にある。すなわち、第１下面２０Ｂはザグリ部となっている。斜面２０Ａは、第１下面２０Ｂと第２下面２０Ｃよりもベース板１２の中央に近い位置にある。第２下面２０Ｃは、第１下面２０Ｂよりもベース板１２の中央から遠い位置にある。
【００１６】
ベース板１２の上面に設けられた接着剤２４は、斜面２０Ａ、第１下面２０Ｂ及び第２下面２０Ｃに接触している。接着剤２４は、第２下面２０Ｃに接する外側部２４ｃと、第１下面２０Ｂに接する中央部２４ｂと、斜面２０Ａに接する接着剤フィレット２４ａを備えている。接着剤フィレット２４ａとは、ケース２０とベース板１２との間をベース板１２の中央方向に流動した接着剤の一部がはみ出した部分である。斜面２０Ａに接する接着剤フィレット２４ａは、外側部２４ｃと中央部２４ｂより厚い。接着剤フィレット２４ａは製造過程で押し出された部分なので、ベース板１２の中央方向に凸形状となっている。斜面２０Ａ、第１下面２０Ｂ及び第２下面２０Ｃと、ベース板１２の上面に接着剤２４が設けられたことで、ベース板１２にケース２０が固定されている。
【００１７】
半導体装置の製造工程において接着剤２４が加熱される。接着剤フィレットが薄いと加熱時に接着剤フィレットの表面に気泡が発生し易い。そこで、実施の形態１では接着剤フィレット２４ａの体積を大きくすることとした。具体的には、第１下面２０Ｂは第２下面２０Ｃよりも上にあるので、中央部２４ｂを外側部２４ｃより厚くして接着剤２４の塗布量を増やすことができる。そして、接着剤フィレット２４ａは、この厚い中央部２４ｂにつながり斜面２０Ａに接触している。よって、接着剤フィレット２４ａを厚くすることができる。厚い接着剤フィレット２４ａを形成することにより加熱後に表面に出てくる気泡を低減できる。気泡の低減により、半導体装置１０の絶縁特性を向上させることができる。
【００１８】
実施の形態１に係る半導体装置１０は、ケース２０の形状によって接着剤フィレット２４ａを厚くするものである。接着剤フィレット２４ａを厚くできる様々なケース２０の形状が考えられる。例えば、ケース２０に第１下面２０Ｂと第２下面２０Ｃを設けたが、ここに３つ以上の下面を設けてもよい。その場合、複数の下面の高さを、ベース板１２の中央方向に進むほど高くすることで、接着剤フィレット２４ａを厚くできる。
【００１９】
接着剤フィレット２４ａは、製造過程でケース２０とベース板１２の間から押し出された余剰部分なので、通常はベース板１２の中央方向に凸形状となっている。つまり、接着剤フィレット２４ａの表面は中央が盛り上がった曲面となっている。凸形状の接着剤フィレット２４ａは、凹形状又は平坦な表面の接着剤フィレットよりも厚くしやすい。  
【００２０】
上述した変形例は以下の実施の形態にかかる半導体装置に応用することができる。なお、以下の実施の形態にかかる半導体装置は実施の形態１との共通点が多いので実施の形態１との相違点を中心に説明する。
【００２１】
実施の形態２．
図３は、実施の形態２に係る半導体装置の一部拡大図である。ベース板１２の上面は、第１上面１２Ａと、第１上面１２Ａよりも上方にある第２上面１２Ｂとを有している。第１上面１２Ａと第２上面１２Ｂの段差によって側壁１２ａが形成されている。平面視すると、第２上面１２Ｂが第１上面１２Ａに囲まれている。接着剤２４は第１上面１２Ａに塗布され、半導体素子１８は第２上面１２Ｂの直上に設けられている。ケース２０の第２部分２０ｂには、斜面２０Ａと斜面２０Ａにつながる下面２０Ｂが設けられている。
【００２２】
接着剤２４は、本体部２４ｄと接着剤フィレット２４ｅを備えている。本体部２４ｄは第１上面１２Ａと下面２０Ｂに接している。接着剤フィレット２４ｅは第１上面１２Ａ、側壁１２ａおよび斜面２０Ａに接している。第１上面１２Ａは第２上面１２Ｂよりも下方にあるので、第１上面１２Ａの上に設けられた本体部２４ｄの体積を増やすことができる。
【００２３】
接着剤フィレット２４ｅは、厚い本体部２４ｄと側壁１２ａに接することで厚く形成されている。したがって接着剤フィレット２４ｅの体積を大きくすることができる。接着剤フィレット２４ｅの体積が大きいことで、加熱後に接着剤フィレット表面に出てくる気泡の数を低減させることができる。
【００２４】
第２上面１２Ｂを第１上面１２Ａより高くすることで、接着剤２４の流動が側壁１２ａによってせき止められる。よって、接着剤２４が絶縁基板１６又は半導体素子１８などに付着することを防止できる。
【００２５】
実施の形態１、２はいずれも、接着剤フィレットを厚くして接着剤フィレットの体積を高める構成とした。ケースの下面から押し出されて形成された接着剤フィレットが、ケースの斜面に接することで接着剤フィレットを厚くすることができる。
【００２６】
実施の形態３．
図４は、実施の形態３に係る半導体装置の一部拡大図である。ケース２０は、接触下面２０Ｄと、非接触下面２０Ｅと、外縁下面２０Ｆとを有している。接触下面２０Ｄと外縁下面２０Ｆが非接触下面２０Ｅよりも下方に達することで、ケース２０には凹部が設けられている。接触下面２０Ｄはベース板１２の上面に接触する。非接触下面２０Ｅは接触下面２０Ｄよりも半導体素子１８から離れ接触下面２０Ｄよりも上方にある。外縁下面２０Ｆは接触下面２０Ｄと非接触下面２０Ｅよりも半導体素子１８から離れている。
【００２７】
接着剤２４は、非接触下面２０Ｅとベース板１２とに接する。そのため、前述したケース２０の凹部に接着剤２４が設けられている。接着剤２４は、接触下面２０Ｄがあることでケース２０の内部とは隔てられている。そのため、加熱時に接着剤２４の表面に気泡が発生しても絶縁不良が生じることを防止できる。例えば気泡２４ｆが生じたとしても、その気泡２４ｆを原因とする放電は生じない。
【００２８】
実施の形態４．
本実施の形態は、上述した実施の形態１−３にかかる半導体装置を電力変換装置に適用したものである。電力変換装置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４として、三相のインバータに上述の半導体装置を適用した場合について説明する。
【００２９】
図５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。
【００３０】
図５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又は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。
【００３１】
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５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。
【００３２】
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、または空調機器向けの電動機として用いられる。
【００３３】
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と各還流ダイオードの少なくともいずれかに、上述した実施の形態１から３のいずれかにかかる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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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を有する半導体装置として、実施の形態１から３にかかる半導体装置を適用するため、絶縁特性を向上させることができる。
【００３７】
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コンバータ又はＡＣ／ＤＣコンバータに本発明を適用することも可能である。
【００３８】
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、又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、さらには太陽光発電システム又は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。
【符号の説明】
【００３９】
１０  半導体装置、  １２  ベース板、  ２０  ケース、  ２０Ａ  斜面、  ２０Ｂ  第１下面、  ２０Ｃ  第２下面、  ２４  接着剤、  ２４ａ  接着剤フィレット、  ２４ｂ  中央部、  ２４ｃ  外側部
【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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