(57)【要約】【課題】半導体素子のより近傍でサージ電圧を吸収できる電力用半導体装置を実現できるようにする。【解決手段】第１主端子を有する第１リードフレーム７と、第１リードフレームの上面に保持された第１半導体素子２と、第２主端子を有する第２リードフレーム８と、第１リードフレーム７の一部及び第２リードフレーム８の一部の下面に配置された金属からなる放熱板６と、少なくとも第１リードフレーム７の一部及び第２リードフレーム８の一部と放熱板６との間に接触して配置された絶縁層５とを備えている。第１主端子１２の一部と第２主端子１３の一部とは、絶縁層５を介在し且つ互いに対向してコンデンサを形成するコンデンサ領域１７を有している。【選択図】図２
2015005540.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１主端子を有する第１リードフレームと、
前記第１リードフレームに保持された半導体素子と、
第２主端子を有する第２リードフレームと、
放熱板と、
少なくとも前記第１リードフレームと前記放熱板との間に配置された絶縁層とを備え、
前記第１リードフレームの一部には、誘電体しての前記絶縁層を前記第２リードフレームとの間に介して構成されたコンデンサ領域が形成された半導体装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記絶縁層は、前記コンデンサ領域における厚さが、前記第１リードフレームと前記放熱板との間の領域における厚さよりも小さい半導体装置。
【請求項３】
請求項１において、
前記絶縁層は、複数の絶縁膜が積層されて構成され、
前記複数の絶縁膜は、前記コンデンサ領域に含まれる膜数が、前記第１リードフレームと前記放熱板との間の領域の膜数よりも少ない半導体装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記絶縁層を構成する第１絶縁膜のみが前記コンデンサ領域に含まれ、
前記第１絶縁膜の誘電率が、前記複数の絶縁膜を構成する他の絶縁膜の誘電率よりも高い半導体装置。
【請求項５】
請求項２において、
前記コンデンサ領域における前記絶縁層に凹部が形成された半導体装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項において、
前記第１リードフレームと前記第２リードフレームが交差する半導体装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項において、
前記絶縁層は、前記コンデンサ領域の誘電率が、前記第１リードフレームと前記放熱板との間の領域の誘電率よりも高い半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば電力用の半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電力用半導体装置は、インバータ回路の浮遊インダクタンスによってＰ側端子とＮ側端子との間に発生するサージ電圧を吸収するために、Ｐ側端子とＮ側端子との間に、サージ電圧吸収素子としてのスナバコンデンサ（snubber condenser）を配置している（例えば、特許文献1を参照。）。
【０００３】
また、電力損失の低減を図ると共に、さらに浮遊インダクタンスを低減するため、サージ電圧を吸収するスナバコンデンサを、パワー半導体素子のより近傍に配置した半導体装置がある（例えば、特許文献２を参照。）。
【０００４】
図６を参照しながら、特許文献２に記載された従来の半導体装置について説明する。図６に示すように、従来の半導体装置は、Ｎ側端子１２０を有するリードフレームの下面に、はんだ材１０４によりそれぞれ固着された第１半導体素子（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ：ＩＧＢＴ）１０２及び第２半導体素子（ダイオード）１０３と、第１半導体素子１０２及び第２半導体素子１０３のリードフレームと反対側の面に保持された金属ベース板１２２と、金属ワイヤ１１１を介して第１半導体素子１０２と接続された制御端子１２１と、リードフレームにおける第２半導体素子１０３と反対側の面上に保持されたサージ電圧吸収素子基板１２３と、Ｎ側端子１２０及び制御端子１２１を露出させると共にリードフレーム、第１半導体素子１０２、第２半導体素子１０３及び金属ベース板１２２を封止する封止樹脂１１０と、を備えている。
【０００５】
サージ電圧吸収素子基板１２３は、スナバコンデンサと樹脂基板とから構成されており、図示されないＰ側端子とＮ側端子１２０との間に接続されている。従来の半導体装置では、このように、第２半導体素子１０３のより近傍にサージ電圧吸収素子基板（スナバコンデンサ）１２３を配置することにより、浮遊インダクタンスをさらに低減している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平８−３３３４６号公報
【特許文献２】特開２００９−２２５６１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ここで、例えば、高速スイッチング動作が可能な炭化珪素（ＳｉＣ）により構成されたパワー半導体素子等を搭載する電力用半導体装置では、さらなる浮遊インダクタンスの低減が要求される。
【０００８】
しかしながら、従来の半導体装置では、スナバコンデンサを搭載するために必要な樹脂基板の大きさにより、半導体素子の近傍へのスナバコンデンサの配置が困難になるという問題がある。
【０００９】
本開示は、前記の問題を解決し、半導体素子の近傍でサージ電圧を吸収できるコンデンサを有する半導体装置を実現できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記の目的を達成するため、本開示に係る半導体装置の一態様は、第１主端子を有する第１リードフレームと、第１リードフレームに保持された半導体素子と、第２主端子を有する第２リードフレームと、放熱板と、少なくとも第１リードフレームの一部と放熱板との間に配置された絶縁層とを備え、第１リードフレームの一部には、誘電体としての絶縁層を第２リードフレームとの間に介して構成されたコンデンサ領域が形成されている。
【発明の効果】
【００１１】
本開示に係る半導体装置によれば、半導体素子の近傍にコンデンサを配置することができるので、半導体素子の近傍でサージ電圧を吸収することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は第１の実施形態に係る電力用半導体装置を示す透視平面図である。
【図２】図２は第１の実施形態に係る電力用半導体装置を示し、図１のII−II線における断面図である。
【図３】図３（ａ）は第１の実施形態に係るコンデンサ領域を形成する電極配置の一変形例を示す模式的な平面図である。図３（ｂ）は第１の実施形態に係るコンデンサ領域を形成する電極配置の他の変形例を示す模式的な平面図である。
【図４】図４は第１の実施形態の第二変形例に係る電力用半導体装置を示す断面図である。
【図５】図５は第１の実施形態の第三変形例に係る電力用半導体装置を示す断面図である。
【図６】図６は従来例に係る半導体装置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（第１の実施形態）
第１の実施形態について図１及び図２を参照しながら説明する。
【００１４】
図１は、第１の実施形態に係る電力用半導体装置の平面構成を、封止樹脂を透視して示している。図２は、本実施形態に係る電力用半導体装置の断面構成を示している。本実施形態に係る電力用半導体装置は、半導体装置の一例である。
【００１５】
図２に示すように、本実施形態に係る電力用半導体装置１において、第１リードフレーム７の上には、互いに間隔をおいて配置された第１半導体素子２及び第２半導体素子３が、それぞれはんだ材４によって固着されている。第１半導体素子２は、例えば絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）であり、第２半導体素子３は、例えばダイオードである。なお、各半導体素子２、３の固着には、はんだ材４に代えて、銀ペースト材を用いてもよい。
【００１６】
第１半導体素子２と第２半導体素子３とは、アルミニウム（Ａｌ）等からなる金属ワイヤ１１によって電気的に接続されている。また、第２半導体素子３と第３リードフレーム９とは、金属ワイヤ１１によって電気的に接続されている。第１リードフレーム７、第３リードフレーム９及び後述する第２リードフレーム８のそれぞれの下面の一部には、熱伝導性を持つ絶縁層５によって、放熱板６が保持されている。放熱板６は、銅（Ｃｕ）又はアルミニウム等の熱導電性に優れる金属より構成され、絶縁層５によって、第１リードフレーム７、第２リードフレーム８及び第３リードフレーム９と電気的に絶縁されている。第１半導体素子２及び第２半導体素子３を含む第１リードフレーム７、第２リードフレーム８並びに第３リードフレーム９は、それぞれの端子を除いて、封止樹脂部１０により封止されている。放熱板６は、絶縁層５と反対側の面を封止樹脂部１０から露出して封止されている。
【００１７】
本実施形態の半導体装置は、以下に説明するように、リードフレームを流用してコンデンサ領域１７を形成することで、半導体素子の近傍にスナバコンデンサを配置することを可能とし、半導体素子がスイッチングする際に生じるサージ電圧を低減することができる。このため、小型で且つスイッチング周波数が高い、例えばＳｉＣからなる半導体素子を搭載する電力用半導体装置等に特に有用である。
【００１８】
第２リードフレーム８の一部は、図２に示すように、第１リードフレーム７の下側に間隔をおいて回り込むと共に、第１リードフレーム７と第２リードフレーム８との間に絶縁層５を介在させている。これにより、本実施形態では、図１及び図２に示すように、第１リードフレーム７及び第２リードフレーム８の互いに対向する領域に、絶縁層５の一部を挟んだコンデンサ領域１７を形成している。さらに詳しくは、図２に示すように、コンデンサ領域１７における絶縁層５は、放熱板６と第１リードフレーム７とに挟まれた放熱板領域１８の絶縁層５と比べて、その厚さが薄くなるように形成している。
【００１９】
本実施形態では、コンデンサ領域１７と放熱板領域１８とで厚さが異なる絶縁層５を、面積が異なる複数の絶縁性樹脂シートを積層することで形成している。絶縁性樹脂シートは、例えば絶縁膜である。具体的には、図２に示すように、本実施形態に係る電力用半導体装置１の絶縁層５は、例えば３層からなる第１絶縁膜５ａ、第２絶縁膜５ｂ及び第３絶縁膜５ｃによって構成されている。ここでは、第１絶縁膜５ａが第１リードフレーム７等と接着し、第３絶縁膜５ｃが放熱板６と接着している。コンデンサ領域１７には、３層のうち各リードフレーム７、８及び９と接着される第１絶縁膜５ａのみを配置しているため、放熱板領域１８と比べてその厚さが薄い。
【００２０】
このように、絶縁層５を複数の絶縁膜５ａ、５ｂ及び５ｃにより構成することにより、絶縁層５の厚さを、コンデンサ領域１７では薄くすることができる一方、放熱板領域１８では厚くすることができる。例えば、第１絶縁膜５ａの厚さを５０μｍとし、第２絶縁膜５ｂ及び第３絶縁膜５ｃの厚さをそれぞれ７５μｍとすることにより、コンデンサ領域１７における絶縁層５の厚さは５０μｍとなる。これにより、コンデンサ領域１７の静電容量は、０．０１μＦとなる。これに対し、放熱板領域１８における絶縁層５の厚さは２００μｍとなるので、２ｋＶ以上の絶縁性（耐圧）を確保することができる。
【００２１】
このように、絶縁層５を複数の絶縁性樹脂シートで構成すると、コンデンサ領域１７と放熱板領域１８との絶縁層５の厚さを変更することを確実に且つ容易に行えるようになる。
【００２２】
なお、絶縁層５を構成する複数の絶縁膜５ａ〜５ｃにおける積層数は、３層に限られず、コンデンサ領域１７における所望の静電容量及び放熱板領域１８における所望の耐圧によって、２層又は４層以上としてもよい。
【００２３】
次に、図１に基づいて、本実施形態に係る電力用半導体装置１の詳細な構成について説明する。
【００２４】
図１に示すように、第１リードフレーム７は、封止樹脂部１０から露出するＰ側端子としての第１主端子１２を持ち、第２リードフレーム８は、封止樹脂部１０から露出するＮ側端子としての第２主端子１３を持つ。また、図１において、符号１８が指す領域は、放熱板６が配置される放熱板領域を表している。
【００２５】
第１半導体素子２及び第２半導体素子３は対をなして配置されている。具体的には、第１リードフレーム７の上には、第１半導体素子２Ａ及び第２半導体素子３Ａが配置されている。また、第３リードフレーム９の上には、第１半導体素子２Ｂ及び第２半導体素子３Ｂが配置されている。第１半導体素子２Ａと第２半導体素子３Ａ、及び第１半導体素子２Ｂと第２半導体素子３Ｂとは、金属ワイヤ１１によってそれぞれ電気的に接続されている。また、第２半導体素子３Ａと第３リードフレーム９との間、及び第２半導体素子３Ｂと第２リードフレーム８との間も、金属ワイヤ１１によってそれぞれ電気的に接続されている。第３リードフレーム９は、出力端子としての第３主端子１４を持つ。
【００２６】
第１リードフレーム７の上の第１半導体素子２Ａの側方には、該第１半導体素子２Ａと金属ワイヤ１１を介して電気的に接続された第１制御端子１５が配置されている。同様に、第３リードフレーム９の上の第１半導体素子２Ｂの側方には、該第１半導体素子２Ｂと金属ワイヤ１１を介して電気的に接続された第２制御端子１６が配置されている。
【００２７】
コンデンサ領域１７は、第１リードフレーム７のＰ側端子（第１主端子１２）と第２リードフレーム８のＮ側端子（第２主端子１３）との間において、第１リードフレーム７と第２リードフレーム８との間に絶縁層５が挟まれた領域である。上述したように、コンデンサ領域１７における絶縁層５の厚さは、放熱板６と第１リードフレーム７等とに挟まれた領域の絶縁層５の厚さよりも薄い。絶縁層５は、電気的な絶縁体としての機能を有すると共に、一般的な絶縁体が持つ誘電体としての機能も有している。すなわち、コンデンサ領域１７は、誘電体として絶縁層５を間に備え、対向する２つの金属電極を持つコンデンサとしての機能を有する。従って、コンデンサ領域１７は、Ｐ側端子（第１主端子１２）とＮ側端子（第２主端子１３）との間に接続されたスナバコンデンサとして機能する。
【００２８】
一般的な平行電極を有するコンデンサは、対向する２つの金属板電極で誘電体を挟む構造を持つ。誘電体は電気的には絶縁体であり、誘電率又は比誘電率を指標として表される。空気も誘電体としての性質を持っている。一般的な平行電極を有するコンデンサの静電容量Ｃ（Ｆ）は、以下の式（１）で表される。
【００２９】
Ｃ＝εｒ・ε０・Ｓ／ｄ  …  式（１）
ここで、εｒは誘電体の比誘電率を表し、ε０は真空の誘電率≒８．８５×１０−１２Ｆ／ｍを表し、Ｓは平行電極の面積（ｍ２）を表し、ｄは平行電極間の距離（ｍｍ）を表す。一例として、εｒ=１０００、Ｓ＝６０ｍｍ２、及びｄ＝０．０３ｍｍの場合の静電容量Ｃは、約０．０１７μＦとなる。
【００３０】
従って、本実施形態のコンデンサ領域１７において、誘電体を絶縁層５に置き換え、平行電極を第１リードフレーム７及び第２リードフレーム８に置き換えると、式（１）に基づく静電容量を持つコンデンサを形成することができる。例えば、図１に示すように、コンデンサ領域１７を、短辺６ｍｍ、長辺１０ｍｍの長方形の領域としてもよい。
【００３１】
ここで、コンデンサ領域１７における絶縁層５の厚さと、放熱板６と第１リードフレーム７とに挟まれた領域の絶縁層５との厚さとを、変えている理由について説明する。
【００３２】
電力用半導体装置１を構成する放熱板６と各リードフレーム７、８及び９との間に配された絶縁層５は、各リードフレーム７、８及び９と放熱板６との間の電気的な絶縁を第１の目的としている。電気的な絶縁を行うには、絶縁層５の厚さを所定の厚さ以上とする必要がある。放熱板領域１８における絶縁層５は、例えばエポキシ系樹脂材であれば、１５０μｍ以上の厚さが必要である。
【００３３】
しかしながら、本実施形態の電力用半導体装置１では、コンデンサ領域１７における絶縁層５の厚さは、前述のようにコンデンサの静電容量により決まるものであり、通常は、電気的な絶縁を充分に行えない薄さになる。例えば絶縁層５が比誘電率３３０を持つ材料であれば、静電容量Ｃ＝０．０１７μＦを実現するためには、コンデンサ領域１７における絶縁層５の厚さは１０μｍとなる。これは、放熱板領域１８における絶縁層５の厚さの１０分の１以下である。種々の条件により変わるが、発明者らが幾つか実験を行ったところ、コンデンサ領域１７における絶縁層５の厚さは、放熱板領域１８における絶縁層５の厚さの２分の１以下となるように構成することが望ましいことが分かった。このように構成することで、コンデンサ領域１７における所定の静電容量を確保することができると共に、放熱板領域１８における絶縁性をも確保することが可能となる。
【００３４】
ここで、図１に示したコンデンサ領域１７における対向電極を形成する第２リードフレーム８は、図３（ａ）の電極配置の一変形例に示すように、第１リードフレーム７と交差する配置構成であってもよい。このような配置構成とした場合、図３（ａ）に示すように、第２リードフレーム８を放熱板領域１８の外側に配置することができる。その結果、コンデンサ領域１７の面積を、第２リードフレーム８に沿って、図３（ａ）の左右方向に大きくすることが可能となる。
【００３５】
また、図３（ｂ）の電極配置の他の変形例に示すように、第２リードフレームを第２主端子１３から第１リードフレーム７側にＬ字状に曲がるような配置構成とすることで、第１リードフレーム７の上に保持された第１半導体素子２Ａにさらに近づいた位置にコンデンサ領域１７を形成してもよい。このような構成とすることにより、第１リードフレーム７に保持される第１半導体素子２Ａのより近傍にコンデンサ領域１７を形成することができる。
【００３６】
以上、本実施形態に係る電力用半導体装置１によると、封止樹脂部１０の内部にコンデンサ部品を新たに追加することなく、リードフレームを流用してコンデンサ領域１７を構成することで、半導体素子に近い位置において、半導体素子がスイッチングする際に生じるサージ電圧を低減することが可能となる。
【００３７】
（第１の実施形態の第一変形例）
第１の実施形態の第一変形例は、絶縁層５を構成する複数の絶縁膜５ａ、５ｂ及び５ｃのうち、第１絶縁膜５ａの誘電率を、他の第２絶縁膜５ｂ及び第３絶縁膜５ｃの誘電率よりも高くしたものである。このようにすることにより、コンデンサ領域１７の静電容量をさらに大きくすることが可能となる。
【００３８】
図２において、第１絶縁膜５ａを一般的なエポキシ系樹脂材料で構成する場合は、比誘電率はおおよそ４程度となる。これに対し、セラミックコンデンサの誘電体として使用されるチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）の比誘電率は５０００程度であり、このチタン酸バリウムをフィラー（filler）として添加することで、高誘電率を持つ第１絶縁膜５ａを形成することができる。一方、第２絶縁膜５ｂ及び第３絶縁膜５ｃは、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等のフィラーを添加することにより、その絶縁性を高く形成することができる。なお、コンデンサにおける静電容量を、電極面積及び電極間の距離で調整できる範囲は、おおよそ５倍程度である。そのため、誘電率はフィラーの添加量によって調整でき、第１絶縁膜５ａの誘電率は、第２絶縁膜５ｂ及び第３絶縁膜５ｃの１０倍以上となるようにすることが望ましい。これにより、コンデンサ領域１７における静電容量を、放熱板領域１８に対して独立して大きくすることができる。
【００３９】
（第１の実施形態の第二変形例）
図４に示すように、本実施形態の第二変形例は、コンデンサ領域１７における絶縁層５に凹部を設けることで、さらに絶縁層５を薄くした構成である。コンデンサ領域１７における絶縁層５の凹部は、コンデンサ領域１７を構成する第２リードフレーム８に凸部８ａを予め設け、該凸部８ａを絶縁層５に押さえ付けることで、形成することができる。
【００４０】
このような構成にすることで、コンデンサ領域１７における絶縁層５の厚さのバラつきが発生する可能性は有るが、一般的な絶縁層５を一枚用いて、本実施形態の電力用半導体装置１を容易に構成することができる。
【００４１】
（第１の実施形態の第三変形例）
図５に示すように、本実施形態の第三変形例は、コンデンサ領域１７に相当する領域を予め凹ませておいた絶縁層５を用いる構成である。
【００４２】
このような構成にすることで、事前に絶縁層５を加工処理しておく必要はあるが、一枚の絶縁層５で本実施形態の電力用半導体装置１を構成することができる。
【００４３】
なお、各実施形態及びその変形例においては、電力用半導体装置１を構成するパワー素子である第１半導体素子２として、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を用いたが、他のパワー素子でもよく、例えば、金属酸化膜型電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本開示に係る半導体装置は、封止樹脂部の内部にコンデンサ部品を追加することなく、半導体素子がスイッチングする際に生じるサージ電圧を低減することができるため、小型で且つスイッチング周波数が高い、例えばＳｉＣからなる半導体素子を搭載する電力用の半導体装置等に有用である。
【符号の説明】
【００４５】
１    電力用半導体装置
２、２Ａ、２Ｂ  第１半導体素子
３、３Ａ、３Ｂ  第２半導体素子
４    はんだ材
５    絶縁層
５ａ  第１絶縁膜
５ｂ  第２絶縁膜
５ｃ  第３絶縁膜
６    放熱板
７    第１リードフレーム
８    第２リードフレーム
８ａ  凸部
９    第３リードフレーム
１０  封止樹脂部
１１  金属ワイヤ
１２  第１主端子
１３  第２主端子
１４  第３主端子
１５  第１制御端子
１６  第２制御端子
１７  コンデンサ領域
１８  放熱板領域
【図１】
2015005540.tif 000003
【図２】
2015005540.tif 000004
【図３】
2015005540.tif 000005
【図４】
2015005540.tif 000006
【図５】
2015005540.tif 000007
【図６】
2015005540.tif 000008