(57)【要約】【課題】高温・高電流に対応し、信頼性の高い電力用半導体装置を得ることを目的としている。【解決手段】セラミック基板２と、一面に素子電極が形成され、他面がセラミック基板２に接合された電力用半導体素子３と、一端側が素子電極に接合され、端子部６２ｃ側が外部と電気接続される電極リード６２と、電極リード６２の素子電極に接合された部分とともに電力用半導体素子３を封止する封止体７と、を備え、電極リード６２は、素子電極との接合面部を有するとともに端子部６２ｃから一端側にかけて連なる金属板６２１と、端子部６２ｃと素子電極との間で金属板６２１との並列回路を形成するように、金属板６２１よりも弾性率の低い接合材を用いて、金属板６２１の接合面部の反対側の面に接合された金属板６２２と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回路基板と、
一面に電極が形成され、他面が前記回路基板に接合された電力用半導体素子と、
一端側が前記電極に接合され、他端側が外部と電気接続される電極リードと、
前記電極リードの前記電極に接合された部分とともに前記電力用半導体素子を封止する封止体と、を備え、
前記電極リードは、前記電極との接合面部を有するとともに前記他端側から前記一端側にかけて連なる金属板と、前記他端側と前記電極との間で前記金属板との並列回路を形成するように、前記金属板よりも弾性率の低い接合材を用いて、前記金属板の前記接合面部の反対側の面に接合された導電部材と、を有することを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項２】
前記導電部材は、前記他端側から前記一端側にかけて連なる第二金属板であ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】
前記金属板の厚みが、前記第二金属板の厚みよりも厚い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】
前記第二金属板には、前記一端側において、前記金属板から遊離する遊離部が形成されていることを特徴とする請求項２または３に記載の電力用半導体装置。
【請求項５】
前記第二金属板と前記金属板は、それぞれ同じ形状の板材であ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６】
前記電極リードには、前記接合面部において、反対側の面に連通する連通孔が形成されていることを特徴とする請求項２から５のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項７】
前記導電部材が撚線であ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８】
前記接合面部は、中央よりも外側の方が前記電極から離れるように湾曲していることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項９】
前記電力用半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体材料で形成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項１０】
前記ワイドバンドギャップ半導体材料は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料、およびダイヤモンドのうちのいずれかであることを特徴とする請求項９に記載の電力用半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力用半導体装置に関し、とくに素子電極に接合する電極リードの構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業機器から家電・情報端末まであらゆる製品に電力用半導体装置が普及しつつあり、家電に搭載される電力用半導体装置については、小型軽量化とともに多品種に対応できる高い生産性と高い信頼性が求められる。また、動作温度が高く、効率に優れている点で、今後の主流となる可能性の高い炭化ケイ素（ＳｉＣ）半導体に適用できるパッケージ形態であることも同時に求められている。
【０００３】
電力用半導体装置では、高電圧・大電流を扱うため、電力用半導体素子表面の電極（素子電極）に対して例えば、φ０．５ｍｍにおよぶ太いアルミなどのワイヤボンドを複数本配線することによって電気回路を形成するのが一般的であった。それに対して、生産性の改善などの目的で、リードフレームのような金属板の配線部材を素子電極表面にはんだ付けなどによって直接接合する電力用半導体装置が普及しつつある。そして、近年の地球温暖化対策や省資源・省エネルギーなどの環境問題から、電力用半導体装置がさまざまな製品に適用されていく中で、大電流に対応するために配線部材の断面積を増大させる傾向にある。
【０００４】
一方、これら電力用半導体装置の絶縁基板として、放熱性および耐熱性に優れたセラミック基板が用いられるようになってきた。しかしながら、セラミック基板の線熱膨張係数は、例えば、窒化アルミで５ｐｐｍ／Ｋ、アルミナで７ｐｐｍ／Ｋと、配線部材の線膨張係数（銅：１７ｐｐｍ／Ｋ）と大きな差がある。そのため、線膨張係数差が原因となって、電力用半導体素子と配線部材とのはんだ接合部が熱応力によってダメージを受け、剥離や破断といった不具合を発生する懸念があった。特に高効率さから今後普及が見込まれるＳｉＣ電力用半導体素子の場合には、従来のシリコン（Ｓｉ）電力用半導体素子に比較して高い温度まで動作可能となるため、膨張係数差による熱応力の問題が顕在化する可能性がある。
【０００５】
そこで、素子電極と接合する部分の厚みを本体部分よりも薄くしたり、櫛歯状に形成して接合面積を小さくしたりした配線部材を用いることで、はんだ接合部にかかる熱応力を抑制する電力用半導体装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４４９９５７７号公報（段落００４９〜００５２、図６〜図８）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、素子電極と接合する部分の厚みを薄くしたり、接合面積を小さくする配線部材を用いたりすると、電気抵抗が大きくなり、電力損失が大きくなるとともに、接合部自身の発熱により、温度が上昇してダメージを受ける場合もあった。
【０００８】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、高温・高電流に対応し、信頼性の高い電力用半導体装置を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の電力用半導体装置は、回路基板と、一面に電極が形成され、他面が前記回路基板に接合された電力用半導体素子と、一端側が前記電極に接合され、他端側が外部と電気接続される電極リードと、前記電極リードの前記電極に接合された部分とともに前記電力用半導体素子を封止する封止体と、を備え、前記電極リードは、前記電極との接合面部を有するとともに前記他端側から前記一端側にかけて連なる金属板と、前記他端側と前記電極との間で前記金属板との並列回路を形成するように、前記金属板よりも弾性率の低い接合材を用いて、前記金属板の前記接合面部の反対側の面に接合された導電部材と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の電力用半導体装置によれば、電極リードの素子電極からの電流経路の抵抗を増大させることなく、剛性を低く保つことができるので、高温・高電流に対応し、信頼性の高い電力用半導体装置を得ることができる。
【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平面図と断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１の変形例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３】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平面図と断面図である。
【図４】本発明の実施の形態３の第一例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５】本発明の実施の形態３の第二例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６】本発明の実施の形態３の第三例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。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
実施の形態１．
図１と図２は、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図であり、図１（ａ）は電力用半導体装置から封止樹脂を除いた状態の平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線による切断面に対応する断面図である。また、図２は変形例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、切断位置は図１（ａ）のＡ−Ａ線に対応する。
【００１３】
本実施の形態１にかかる電力用半導体装置１は、図１に示すように、回路基板であるセラミック基板２の導体層２ａに、はんだ接合部４ｂによってスイッチング素子３Ｓと整流素子３Ｒ（まとめて電力用半導体素子３）が接合されたものである。スイッチング素子３Ｓの制御用電極であるゲート電極３ｇは、ワイヤ５１（アルミ製φ０．１５ｍｍ）によって制御端子５２に電気接続され、図示しない外部の制御回路と電気接続される。つまり、ワイヤ５１と、端子５２で制御用配線部材５が形成される。
【００１４】
一方、電力用半導体素子３の主電力電極のうち、エミッタ電極３ｅと整流素子３Ｒの表面電極は、一端にナットを用いた端子部６２ｃが設けられた電極リード６２の他端側に、はんだ接合部４ｔによって、それぞれ接続されている。また、導体層２ａには、他端に端子部６１ｃを有するリード端子６１の一端が接合されている。つまり、電力用半導体素子３の主電力用電極は、リード端子６１と電極リード６２（まとめて主電力用配線部材６）によって外部の電力回路と電気接続できるようになっている。
【００１５】
このようにして形成された回路体は、シリコーン製の接着剤９を用いて、樹脂製のケース８の内部にセラミック基材２ｉ部分との隙間を埋めるようにして固定する。そのあと、ケース８内に封止樹脂（菱電化成製Ｒ−４１６）をダイレクトポッティングにより投入し、封止体７を形成すると電力用半導体装置１が完成する。
【００１６】
電力用半導体素子３は、ワイドバンドギャップ半導体材料であるＳｉＣを用いた素子で、それぞれ厚さ０．３ｍｍ、１５ｍｍ角の矩形板状をなしている。スイッチング素子３Ｓとしては、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）など、整流素子３Ｒとしては、ＳＢＤ（Schottky Barrier Diode：ショットキーバリアダイオード）など、様々な種類の素子を用いることができる。また、素子数も２個に限ることはなく、それ以上でも、１個でもよい。
【００１７】
セラミック基板２には、４０ｍｍ×２５ｍｍ×厚さ０．６３５ｍｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）製のセラミック基材２ｉの両面に、厚さ０．４ｍｍの銅の導体層２ａ、２ｂを形成したものを用いた。ケース８には、４８ｍｍ×２８ｍｍ×高さ１２ｍｍのＰＰＳ（Poly Phenylene Sulfide）製のものを用いた。
【００１８】
そして、主電力用配線部材６のうち、電極リード６２は、厚さ０．５ｍｍの２枚の銅製の金属板６２１と６２２を厚み方向に重ね、重なった部分を図示しないはんだによって接合したものである。そして、金属板６２１、６２２のうち、素子電極と直接接しない金属板６２２には、２つの電力用半導体素子３をまたぐ位置に、屈曲して金属板６２１から遊離する遊離部６２２ｉが形成されている。遊離部６２２ｉは、金属板６２１と密着して接合された部分よりも、厚み方向への曲げに対する剛性が低く、変形しやすいので、熱膨張差による伸び縮みに応じやすくなっている。
【００１９】
なお、遊離部６２２ｉが設けられず、金属板６２１と金属板６２２が密着して接合されている部分についても、その断面積に相当する厚みを１枚の金属板で形成した場合と比較して、厚み方向への曲げに対する剛性は低くなる。厚み方向での曲げに対する剛性は、厚さの３乗に比例するので、金属板６２１と金属板６２２を単に重ねた場合の剛性は、電極リード６２が一枚ものの金属板で形成されていた場合の１／４になる。
【００２０】
そして、金属板６２１と金属板６２２が、本実施の形態のように、金属板よりも弾性率の低いはんだで接合されている場合の剛性について評価試験を行った。その結果、一般的に配線部材として使用する金属板を通常の接合圧力ではんだ接合した場合の剛性は、電極リード６２が一枚ものの金属板で形成されていた場合の１／２になることがわかった。つまり、特別に面精度を高めたり、接合圧力を通常の接合技術ではありえない極端な圧力に設定したりするようなことがない限り、２枚の金属板６２１と金属板６２２を接合した部分の曲げ剛性を、一枚ものの金属板の半分にすることができる。
【００２１】
つまり、この手法であれば、電極リード６２としての合計断面積を電流に応じた値に保ったまま、剛性の増大を抑制して、熱応力を低減し、電極リード６２と電力用半導体素子３との間のはんだ接合部４ｔを長寿命化させることができる。なお、重ねる枚数は２枚に限ることはなく、それ以上の数にしてもよい。
【００２２】
また、図２に示す変形例のように、遊離部６２２ｉを一方の電力用半導体素子３（図では整流素子３Ｒ）の素子電極の直上部分にまで拡大すると、電力用半導体素子３とのはんだ接合部４ｔに対する応力の低減がより可能となっている。なお、遊離部６２２ｉを設ける対象は、どちらの電力用半導体素子３でもよいが、配線経路上、外部回路に近い側に設ける方がよい。また、遊離部６２２ｉによって金属板６２１と金属板６２２との間にできる隙間には、ダイレクトポッティングによる封止樹脂（封止体７）が入り込むことによって、それぞれが互いに拘束することなく、自由に変形できる効果も期待できる。
【００２３】
なお、ここでは電極リード６２を構成する金属板６２１、６２２として銅板を用いた例を示したが、これに限ることはない。良好な電気伝導性を有し、任意の形状に加工が可能で、表面がはんだ付け可能なメタライスをしてあれば、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、鉄（Ｆｅ）などの金属板や、ＣＩＣ（銅／インバー／銅のクラッド材）などでも同様の効果が得られる。金属板６２１、６２２のそれぞれの厚さについては、電力用半導体素子３に直接接続される（近い）下部の金属板６２１の方を上部の金属板６２２よりも厚くするように設定することで、短経路の方に電流が集中するのに対応することも可能となる。
【００２４】
セラミック基板２の材料として、ＡｌＮを用いた例を示したが、アルミナや窒化ケイ素（ＳｉＮ）などのセラミック材料でも同様の効果が得られる。さらに放熱性の必要があまりない場合には、ガラスエポキシ基板などを用いることも可能である。さらに、ベース板とセラミック基板の機能を併せ持つ金属基板を用いるようにすれば、部品点数の削減が可能となり、軽量化や小型化が可能となる。また、ワイヤボンドについてもアルミ製に限ることはなく、銅製ワイヤやアルミ被覆銅ワイヤ、あるいは金ワイヤを用いても同様の効果が得られる。さらには、リボンボンドを用いたり、金属板を超音波接合するバスバーなどを用いたりしても同様の効果が得られる。また、封止体については、ダイレクトポッティング用の樹脂に限ることはなく、シリコーンゲルを用いても同様の効果が得られる。あるいは、ケース８等を用いず、熱硬化樹脂などを用いて全体をトランスファモールドして封止体を形成する構造でも同様の効果が得られる。
【００２５】
以上のように、本実施の形態１にかかる電力用半導体装置１によれば、回路基板（セラミック基板２）と、一面に電極（素子電極：例えば、エミッタ電極３ｅ）が形成され、他面が回路基板（セラミック基板２）に接合された電力用半導体素子３と、一端側が素子電極に接合され、他端側（端子部６２ｃ）が外部と電気接続される電極リード６２と、電極リード６２の素子電極に接合された部分とともに電力用半導体素子３を封止する封止体７と、を備え、電極リード６２は、素子電極との接合面部を有するとともに他端側（端子部６２ｃ）から一端側にかけて連なる金属板６２１と、他端側（端子部６２ｃ）と素子電極との間で金属板６２１との並列回路を形成するように、金属板６２１よりも弾性率の低い接合材（例えば、はんだ）を用いて、金属板６２１の接合面部の反対側の面に接合された第二金属板（金属板６２２）と、を有するように構成したので、電極リード６２の素子電極からの電流経路の抵抗を増大させることなく、剛性を低く保つことができるので、高温・高電流に対応し、信頼性の高い電力用半導体装置１を得ることができる。
【００２６】
金属板６２１の厚みが、第二金属板（金属板６２２）の厚みよりも厚くなるようにすれば、電力用半導体素子３に直接接続され、短経路となる方に電流が集中するのに対応できる。
【００２７】
第二金属板（金属板６２２）には、一端側において、金属板６２１から遊離する遊離部６２２ｉが形成されているので、より一層応力を緩和できる。
【００２８】
実施の形態２．
本実施の形態２にかかる電力用半導体装置では、電極リードの素子電極に接する部分に連通孔を形成するようにしたものである。また、電極リードを同じ形状の２枚の金属板を重ねて構成するようにしたものである。図３は、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図であり、図３（ａ）は電力用半導体装置から封止樹脂を除いた状態の平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ線による切断面に対応する断面図である。図中、実施の形態１で説明したものと同様のものには同じ符号を付しており、重複する部分についての詳細な説明は省略する。
【００２９】
本実施の形態２にかかる電力用半導体装置１も、図３に示すように、回路基板であるセラミック基板２の導体層２ａに、はんだ接合部４ｂによって電力用半導体素子３が接合されたものである。スイッチング素子３Ｓの制御用電極であるゲート電極３ｇは、アルミ製のワイヤ５１によって制御端子５２に電気接続され、図示しない外部の制御回路と電気接続される。
【００３０】
一方、電力用半導体素子３の主電力電極のうち、エミッタ電極３ｅと整流素子３Ｒの表面電極は、一端に端子部６２ｃが設けられた電極リード６２の他端側に、はんだ接合部４ｔによって、それぞれ接続されている。また、導体層２ａには、他端に端子部６１ｃを有するリード端子６１の一端が接合されている。つまり、電力用半導体素子３の主電力用電極は、リード端子６１と電極リード６２によって外部の電力回路と電気接続できるようになっている。
【００３１】
このようにして形成された回路体は、シリコーン製の接着剤９を用いて、樹脂製のケース８の内部にセラミック基材２ｉ部分との隙間を埋めるようにして固定する。そのあと、ケース８内に封止樹脂（菱電化成製Ｒ−４１６）をダイレクトポッティングにより投入し、封止体７を形成すると電力用半導体装置１が完成する。
【００３２】
電力用半導体素子３は、それぞれ厚さ０．３ｍｍ、１５ｍｍ角の矩形板状をなしており、スイッチング素子３ＳとしてはＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなど、整流素子３ＲとしてはＳＢＤなど、様々な種類の素子を用いることができる。
【００３３】
セラミック基板２には、４０ｍｍ×２５ｍｍ×厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮ製のセラミック基材２ｉの両面に、厚さ０．４ｍｍの銅の導体層２ａ、２ｂを形成したものを用いた。ケース８には、４８ｍｍ×２８ｍｍ×高さ１２ｍｍのＰＰＳ製のものを用いた。
【００３４】
そして、電極リード６２は、厚さ０．５ｍｍで、同じ形状の２枚の銅製の金属板６２３と６２４を厚み方向に重ね、重なった部分を図示しないはんだによって接合したものである。さらに、金属板６２３、６２４のそれぞれには、重ねた際に生じる連通孔のうち、貫通形状が円形になるように、長尺方向に延びる小判型の貫通孔が設けられている。電極リード６２としての連通孔のうち、一端側は端子部６２ｃのための貫通孔となるため、貫通部分の形状が円形になることが重要である。一方、電力用半導体素子３の素子電極上に位置する連通孔６２ａには、はんだ接合部４ｔのはんだ材が充填されているが、その部分の貫通形状は円形でなくてもよいので、各金属板６２３、６２４に形成する貫通孔は小判形でなくてもよい。
【００３５】
このように、同じ形状の金属板６２３、６２４を用いることで、仕様の異なる部材の種類を増加させることがなく、生産性を向上させることができる。さらに、素子電極上に反対側の面まで連通する連通孔６２ａを形成したことで、電力用半導体素子３の素子電極との接合時に金属板６２３と金属板６２４との接合も実現する。そのため、金属板６２３と金属板６２４とを予め接合する必要がなくなり、さらに生産性が向上する。なお、連通孔６２ａを設ける構成は実施の形態１にかかる電力用半導体装置１にも適用できる。
【００３６】
そのため、素子電極との接合条件、つまり、通常の接合技術で用いられる接合圧力の範囲で金属板６２３と金属板６２４とが接合されることになる。その結果、実施の形態１で説明したように、２枚の金属板６２３と金属板６２４を接合した電極リード６２の曲げ剛性は、一枚ものの金属板で形成したときの半分にすることができる。さらに、はんだ接合部４ｔが電極リード６２の連通孔６２ａ内に充填されることにより、接合強度も向上させることができる。
【００３７】
つまり、電極リード６２としての合計断面積を電流に応じた値に保ったまま、剛性の増大を抑制して、熱応力を低減し、電極リード６２と電力用半導体素子３との間のはんだ接合部４ｔを長寿命化させることができる。
【００３８】
なお、本実施の形態２でも電極リード６２を構成する金属板６２３、６２４として銅板を用いた例を示したが、これに限ることはない。良好な電気伝導性を有し、任意の形状に加工が可能で、表面がはんだ付け可能なメタライスをしてあれば、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、鉄（Ｆｅ）などの金属板や、ＣＩＣ（銅／インバー／銅のクラッド材）などでも同様の効果が得られる。また、複数の金属板が互いに異なる材料で形成されていてもよい。
【００３９】
セラミック基板２の材料として、ＡｌＮを用いた例を示したが、アルミナやＳｉＮなどのセラミック材料でも同様の効果が得られる。さらに放熱性の必要があまりない場合には、ガラスエポキシ基板などを用いることも可能である。さらに、ベース板とセラミック基板の機能を併せ持つ金属基板を用いるようにすれば、部品点数の削減が可能となり、軽量化や小型化が可能となる。また、ワイヤボンドについてもアルミ製に限ることはなく、銅製ワイヤやアルミ被覆銅ワイヤ、あるいは金ワイヤを用いても同様の効果が得られる。さらには、リボンボンドを用いたり、金属板を超音波接合するバスバーなどを用いたりしても同様の効果が得られる。また、封止体については、ダイレクトポッティング用の樹脂に限ることはなく、シリコーンゲルを用いても同様の効果が得られる。あるいは、ケース８等を用いず、熱硬化樹脂などを用いて全体をトランスファモールドして封止体を形成する構造でも同様の効果が得られる。
【００４０】
以上のように、本実施の形態２にかかる電力用半導体装置１によれば、回路基板（セラミック基板２）と、一面に電極（素子電極：例えば、エミッタ電極３ｅ）が形成され、他面が回路基板（セラミック基板２）に接合された電力用半導体素子３と、一端側が素子電極に接合され、他端側（端子部６２ｃ）が外部と電気接続される電極リード６２と、電極リード６２の素子電極に接合された部分とともに電力用半導体素子３を封止する封止体７と、を備え、電極リード６２は、素子電極との接合面部を有するとともに他端側（端子部６２ｃ）から一端側にかけて連なる金属板６２３と、他端側（端子部６２ｃ）と素子電極との間で金属板６２３との並列回路を形成するように、金属板６２３よりも弾性率の低い接合材（例えば、はんだ）を用いて、金属板６２３の接合面部の反対側の面に接合された金属板６２３と同じ形状の第二金属板（金属板６２４）と、を有するように構成したので、部品の種類を増加させず、電極リード６２の素子電極からの電流経路の抵抗を増大させることなく、剛性を低く保つことができるので、高温・高電流に対応し、信頼性の高い電力用半導体装置１を得ることができる。
【００４１】
電極リード６２には、接合面部（素子電極との接合部）において、反対側の面に連通する連通孔６２ａが形成されているので、素子電極との接合と同時に、金属板（６２１、６２３）と第二金属板（６２２、６２４）間の接合を行うことができる。つまり、事前に接合しておく必要が無くなる。
【００４２】
電極リード６２は例えばＺ字状のように、水平方向と垂直方向に延びる部分があるので、金属板（６２３）と第二金属板（金属板６２４）を重ねると、厚み分の位置ずれが生じる。しかし、各貫通孔を長尺状にしておけば、連通孔６２ａの貫通形状を例えば円形のように形成できる。
【００４３】
実施の形態３．
上記実施の形態１または２においては、２枚の金属板を重ねて電極リードを構成する例について説明した。本実施の形態３にかかる電力用半導体装置では、素子電極に直接接続する金属板に可撓性のある部材を重ねて断面積を確保するようにしたものである。図４〜図６は、本発明の実施の形態３の各例にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための図であり、図４は第一例の電力用半導体装置の断面図、図５は第二例にかかる電力用半導体装置の断面図で、それぞれ図１と図３のＡ−Ａ線、またはＢ−Ｂ線による切断面に対応する。また、図６は、第三例にかかる電力用半導体装置の構成を示すもので、図６（ａ）は、電力用半導体装置から封止樹脂を除いた状態の断面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＣ−Ｃ線による切断面に対応する断面図である。図中、実施の形態１あるいは２で説明したものと同様のものには同じ符号を付しており、重複する部分についての詳細な説明は省略する。
【００４４】
本実施の形態３および各例にかかる電力用半導体装置１も、図４〜図６に示すように、回路基板であるセラミック基板２の導体層２ａに、はんだ接合部４ｂによって電力用半導体素子３が接合されたものである。スイッチング素子３Ｓの制御用電極であるゲート電極３ｇは、アルミ製のワイヤ５１によって制御端子５２に電気接続され、図示しない外部の制御回路と電気接続される。
【００４５】
一方、スイッチング素子３Ｓのエミッタ電極３ｅと整流素子３Ｒの表面電極は、一端に端子部６２ｃが設けられた電極リード６２の他端側に、はんだ接合部４ｔによって、それぞれ接続されている。また、導体層２ａには、他端に端子部６１ｃを有するリード端子６１の一端が接合され、電力用半導体素子３の主電力用電極は、リード端子６１と電極リード６２によって外部の電力回路と電気接続できるようになっている。
【００４６】
このようにして形成された回路体は、シリコーン製の接着剤９を用いて、樹脂製のケース８の内部にセラミック基材２ｉ部分との隙間を埋めるようにして固定する。そのあと、ケース８内に封止樹脂（菱電化成製Ｒ−４１６）をダイレクトポッティングにより投入し、封止体７を形成すると電力用半導体装置１が完成する。
【００４７】
電力用半導体素子３は、それぞれ厚さ０．３ｍｍ、１５ｍｍ角の矩形板状をなしており、スイッチング素子３ＳとしてはＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなど、整流素子３ＲとしてはＳＢＤなど、様々な種類の素子を用いることができる。
【００４８】
セラミック基板２には、４０ｍｍ×２５ｍｍ×厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮ製のセラミック基材２ｉの両面に、厚さ０．４ｍｍの銅の導体層２ａ、２ｂを形成したものを用いた。ケース８には、４８ｍｍ×２８ｍｍ×高さ１２ｍｍのＰＰＳ製のものを用いた。
【００４９】
そして、電極リード６２は、素子電極に接する他端側の部分（薄肉部６２ｎ）の厚み（０．５ｍｍ）が、端子部６２ｃのある一端側の部分（厚肉部６２ｋ）の厚み（１．０ｍｍ）よりも薄くなるように形成された金属板６２５または６２６を使用するようにした。領域によって厚みが異なる金属板６２５あるいは６２６を使用することは、図４〜６のそれぞれに示す各例において共通である。しかし、厚みが薄くなった分、必要な断面積を確保するための構成が、第一例から第三例では、それぞれ異なるようになっている。
【００５０】
図４に示すように、第一例にかかる電力用半導体装置１では、薄肉部６２ｎの素子電極と接合される面の反対側の面に、φ０．２の素線を２０本撚り合わせて形成した銅撚線６２ｔを複数配置した。各銅撚線６２ｔは、一端が厚肉部６２ｋにかかるように、他端がスイッチング素子３Ｓの素子電極に対応する位置になるように配置し、それぞれ、はんだ付けしている。これにより、電極リード６２における電力用半導体素子３から端子部６２ｃまでの電流経路の断面積を薄肉部６２ｎの断面積よりも広くし、想定される電流に適した断面積を確保することができる。また、銅撚線６２ｔは可撓性があり、素子電極に接する部分の剛性は、厚肉部６２ｋの半分の厚みを有する薄肉部６２ｎの剛性になる。つまり、電極リード６２としての合計断面積を電流に応じた値に保ったまま、剛性の増大を抑制して、熱応力を低減し、電極リード６２と電力用半導体素子３との間のはんだ接合部４ｔを長寿命化させることができる。
【００５１】
なお、可撓性のある銅撚線６２ｔを素子電極に直接接合することも考えられるが、凹凸の激しい撚線を素子電極に接合すると、素子電極に局所的な応力がかかる恐れがあるので好ましくない。しかし、第一例のように、金属板６２５を介して接合していれば、素子電極に局所的な応力がかかることがない。また、金属板６２５は素子電極と比べると剛性が高いので、銅撚線６２ｔの凹凸に伴う局所的な応力が金属板６２５にかかっても、接合信頼性が損なわれることはない。
【００５２】
また、図５に示すように第二例にかかる電力用半導体装置１では、薄肉部６２ｎの素子電極と接合される面の反対側の面にはんだ層６２ｓを形成して電極リード６２を構成した。はんだ層６２ｓの厚みは、体積抵抗率を考慮し、銅で必要とされる断面積に対応する断面積を確保できるように調整した。はんだ層６２ｓの厚みは、実施の形態１における金属板６２２よりも厚くする必要があるが、はんだの弾性率は銅と比べて圧倒的に小さい。そのため、電極リード６２として、銅で換算した断面積を電流に応じた値に保ったまま、剛性の増大を抑制して、熱応力を低減し、電極リード６２と電力用半導体素子３との間のはんだ接合部４ｔを長寿命化させることができる。
【００５３】
また、図６に示すように第三例にかかる電力用半導体装置１では、薄肉部６２ｎに対応する部分の幅が厚肉部６２ｋに対応する部分の幅の倍になる金属板６２６を使用して電極リード６２を形成した。そして、電極リード６２として素子電極に接合した際、素子電極からはみ出る両側面部分（側面部６２ｗ）を上方に折り曲げてＵ字状に構成した。これにより、素子電極に接合される平坦な部分（平坦部６２ｆ）の厚みは、一枚ものを使用する場合の半分になり、一方、電流経路上の断面積は側面部６２ｗを加えて確保した。そのため、電極リード６２として、断面積を電流に応じた値に保ったまま、素子電極と接合される部分（平坦部６２ｆ）剛性の増大を抑制して、熱応力を低減し、電極リード６２と電力用半導体素子３との間のはんだ接合部４ｔを長寿命化させることができる。
【００５４】
このとき、平坦部６２ｆを両端が素子電極から浮き上がるように湾曲させると、はんだ接合部４ｔのうち、接合面における中央部分が薄く、両端部分が厚くなるように、接合部４ｔの厚みを連続的に変化させることが可能となる。こうすることで、接合面における端部に集中する接合応力を全面に分散させる効果も期待できる。なお、素子電極との接触面を湾曲させる構成は、第三例に限らず、実施の形態３の他の例、および実施の形態１と２で説明した電極リード６２においても適用可能である。
【００５５】
また、電極リード６２を構成する金属板６２５あるいは６２６には、銅板を用いた例を示したが、これに限ることはない。良好な電気伝導性を有し、任意の形状に加工が可能で、表面がはんだ付け可能なメタライスをしてあれば、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、鉄（Ｆｅ）などの金属板や、ＣＩＣ（銅／インバー／銅のクラッド材）などでも同様の効果が得られることは、本実施の形態でも同様である。
【００５６】
セラミック基板２の材料として、ＡｌＮを用いた例を示したが、アルミナやＳｉＮなどのセラミック材料でも同様の効果が得られる。さらに放熱性の必要があまりない場合には、ガラスエポキシ基板などを用いることも可能である。さらに、ベース板とセラミック基板の機能を併せ持つ金属基板を用いるようにすれば、部品点数の削減が可能となり、軽量化や小型化が可能となる。また、ワイヤボンドについてもアルミ製に限ることはなく、銅製ワイヤやアルミ被覆銅ワイヤ、あるいは金ワイヤを用いても同様の効果が得られる。さらには、リボンボンドを用いたり、金属板を超音波接合するバスバーなどを用いたりしても同様の効果が得られる。また、封止体については、ダイレクトポッティング用の樹脂に限ることはなく、シリコーンゲルを用いても同様の効果が得られる。あるいは、ケース８等を用いず、熱硬化樹脂などを用いて全体をトランスファモールドして封止体を形成する構造でも同様の効果が得られる。
【００５７】
以上のように、本実施の形態３にかかる電力用半導体装置１によれば、回路基板（セラミック基板２）と、一面に電極（素子電極：例えば、エミッタ電極３ｅ）が形成され、他面が回路基板（セラミック基板２）に接合された電力用半導体素子３と、一端側が素子電極に接合され、他端側（端子部６２ｃ）が外部と電気接続される電極リード６２と、電極リード６２の素子電極に接合された部分とともに電力用半導体素子３を封止する封止体７と、を備え、電極リード６２は、素子電極との接合面部を有するとともに他端側（端子部６２ｃ）から一端側にかけて連なる金属板６２５と、他端側（端子部６２ｃ）と素子電極との間で金属板６２５との並列回路を形成するように、金属板６２５よりも弾性率の低い接合材（例えば、はんだ）を用いて、金属板６２５の接合面部の反対側の面に接合された導電部材（銅撚線６２ｔ、はんだ層６２ｓ）と、を有するように構成したので、電極リード６２の素子電極からの電流経路の抵抗を増大させることなく、剛性を低く保つことができるので、高温・高電流に対応し、信頼性の高い電力用半導体装置１を得ることができる。
【００５８】
あるいは、回路基板（セラミック基板２）と、一面に電極（素子電極：例えば、エミッタ電極３ｅ）が形成され、他面が回路基板（セラミック基板２）に接合された電力用半導体素子３と、一端側が素子電極に接合され、他端側（端子部６２ｃ）が外部と電気接続される電極リード６２と、電極リード６２の素子電極に接合された部分と電力用半導体素子３を包むように、回路基板（セラミック基板２）の電力用半導体素子３が接合された面を封止する封止体７と、を備え、電極リード６２は、素子電極との接合面部を有するとともに他端側（端子部６２ｃ）から一端側にかけて連なるとともに、他端側（厚肉部６２ｋ）よりも一端側（薄肉部６２ｎ）の方の厚みが薄い金属板６２６で形成され、かつ、薄肉部６２ｎは、素子電極との接合面よりも幅広に形成され、素子電極からはみ出た部分（側面部６２ｗ）が上方に折れ曲がっているように構成したので、電極リード６２の素子電極からの電流経路の抵抗を増大させることなく、剛性を低く保つことができるので、高温・高電流に対応し、信頼性の高い電力用半導体装置１を得ることができる。
【００５９】
以上のように、各実施の形態１〜３にかかる電力用半導体装置１によれば、回路基板（セラミック基板２）と、一面に電極（素子電極：例えば、エミッタ電極３ｅ）が形成され、他面が回路基板（セラミック基板２）に接合された電力用半導体素子３と、一端側が素子電極に接合され、他端側（端子部６２ｃ）が外部と電気接続される電極リード６２と、電極リード６２の素子電極に接合された部分とともに電力用半導体素子３を封止する封止体７と、を備え、電極リード６２は、素子電極との接合面部を有するとともに他端側（端子部６２ｃ）から一端側にかけて連なる金属板（６２１、６２３、６２５）と、他端側（端子部６２ｃ）と素子電極との間で金属板（６２１、６２３、６２５）との並列回路を形成するように、金属板（６２１、６２３、６２５）よりも弾性率の低い接合材（例えば、はんだ）を用いて、金属板（６２１、６２３、６２５）の接合面部の反対側の面に接合された導電部材（金属板６２２、６２４、銅撚線６２ｔ、はんだ層６２ｓ）と、を有するように構成したので、電極リード６２の素子電極からの電流経路の抵抗を増大させることなく、剛性を低く保つことができるので、高温・高電流に対応し、信頼性の高い電力用半導体装置１を得ることができる。
【００６０】
また、素子電極との接合面部が、中央よりも外側の方が素子電極から離れるように湾曲していると、接合面における端部に集中する接合応力を全面に分散させる効果も期待できる。
【００６１】
なお、上記各実施の形態においては、電力用半導体素子３には、ワイドバンドギャップ半導体材料であるＳｉＣを用いた例について説明したが、一般的なシリコンを用いた素子にも適用できることは言うまでもない。しかし、ＳｉＣをはじめ、窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料、あるい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、電流許容量が高く、高温動作が想定される場合に、特に顕著な効果があらわれる。それは、電極リードに必要とされる厚み（断面積）が厚くなるので、剛性が高くなり、運転温度が高くなるため線膨張係数差による変位が大きくなるため、応力を緩和する必要性が増すからである。さらに、高温化および高放熱性の観点からセラミック基板２を用いることで、金属部材との線膨張係数差がより大きくなり、さらに応力を緩和する必要性が増大する。
【００６２】
そのため、本発明の各実施の形態のように、電流経路上の面積は維持しても機械的な剛性は増大させない構成による応力緩和の効果が顕著になるからである。つまり、電極リード６２と電力用半導体素子３の間のはんだ接合部４ｔを長寿命化させることができ、ワイドバンドギャップ半導体に対して有用な構造を提供することができる。
【符号の説明】
【００６３】
１：電力用半導体装置、  ２：セラミック基板（回路基板）、  ３：電力用半導体素子、  ４ｂ，４ｔ：はんだ接合部（接合部）、  ５：制御用配線部材、  ６：電力用配線部材、  ７：封止体、  ８：ケース、  ９：接着剤、  ６１：リード端子、  ６２：電極リード、  ６２１，６２３，６２５：金属板、  ６２２，６２４：金属板（第二金属板）、
６２ａ：連通孔、  ６２ｃ：端子部、  ６２ｋ：  厚肉部、  ６２ｎ：薄肉部、  ６２ｓ：はんだ層（導電部材）、  ６２ｔ：銅撚線（導電部材）。
【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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