(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板と、
前記絶縁基板上に配置された銅プレート層の第１パターンと、
前記第１パターン上に配置された半導体デバイスと、
前記半導体デバイスと電気的に接続された電力系端子と、
前記半導体デバイスと電気的に接続されると共に、前記絶縁基板の主表面に対して垂直方向に延伸して配置された信号系端子と、
前記信号系端子を係止する第１の係止部材と、
前記第１の係止部材の一部を露出させるようにして、前記半導体デバイスおよび前記絶縁基板を被覆する樹脂層と
を備え、
前記第１の係止部材は、その内部に樹脂を充填させるための送入穴と送出穴とを有し、前記送入穴は前記送出穴よりも大きいことを特徴とするパワーモジュール半導体装置。
【請求項２】
前記第１の係止部材は、所定の耐熱性を有することを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール半導体装置。
【請求項３】
前記第１の係止部材は、ＰＰＳもしくはＰＥＥＫのプラスチックであることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載のパワーモジュール半導体装置。
【請求項４】
前記樹脂層は長手方向と短手方向とを有する平面視矩形状をしており、
前記電力系端子は、前記樹脂層の主表面と平行に、前記樹脂層の長手方向に沿って、前記樹脂層の対向する両側面から互いに逆方向に延伸して配置され、ストレート配線構造を有することを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール半導体装置。
【請求項５】
前記電力系端子は、前記樹脂層の厚み方向に、所定の段差をもって配置されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のパワーモジュール半導体装置。
【請求項６】
前記信号系端子は、前記樹脂層の主表面上に直線状に配置されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のパワーモジュール半導体装置。
【請求項７】
前記信号系端子は、前記樹脂層の主表面上に非直線状に配置されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のパワーモジュール半導体装置。
【請求項８】
前記半導体デバイスは、ソース電極、ドレイン電極およびゲート電極を有するＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のパワーモジュール半導体装置。
【請求項９】
前記信号系端子は、前記ゲート電極につながるゲート信号端子およびセンサ用端子を備え、
前記センサ用端子は、前記ソース電極につながるソースセンス端子および前記ＭＯＳＦＥＴと同じ構造で、前記ドレイン電極および前記ゲート電極とそれぞれ共通に接続されたセンス用ＭＯＳＦＥＴのソース電極につながるドレインセンス端子を備えることを特徴とする請求項８に記載のパワーモジュール半導体装置。
【請求項１０】
前記ドレインセンス端子は、前記第１パターンに半田付けにより接続され、
前記ゲート信号端子および前記ソースセンス端子は、前記絶縁基板上に前記半導体デバ
イスに隣接して配置された電極パターンに半田付けにより接続されることを特徴とする請求項９に記載のパワーモジュール半導体装置。
【請求項１１】
前記電力系端子は、前記半導体デバイスのドレイン電極パターンに接続されたドレイン電極端子と、前記半導体デバイスのソースパッド電極に接続されたソース電極端子とを備えることを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１項に記載のパワーモジュール半導体装置。
【請求項１２】
前記絶縁基板は、セラミック基板で構成されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載のパワーモジュール半導体装置。
【請求項１３】
前記絶縁基板上に配置された銅プレート層の第２パターンと、
前記半導体デバイス上に配置された柱状電極と、
前記柱状電極上に配置された上面板電極と、
前記第１パターン上に配置された第１の電力系端子と、
前記第２パターン上に配置され、かつ前記上面板電極と接続された柱状接続電極と、
前記柱状接続電極に接続された第２の電力系端子と
を備えることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール半導体装置。
【請求項１４】
前記半導体デバイスは、ソース電極、ドレイン電極およびゲート電極を有するＭＯＳＦＥＴであり、
前記第１の電力系端子は、前記ソース電極に接続され、前記第２の電力系端子は、前記ドレイン電極に接続されたことを特徴とする請求項１３に記載のパワーモジュール半導体装置。
【請求項１５】
前記樹脂層は、エポキシ系樹脂もしくはシリコーン系樹脂でトランスファモールド成形されたことを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載のパワーモジュール半導体装置。
【請求項１６】
前記セラミック基板は、Ａｌ2Ｏ3、ＡｌＮ、ＳｉＮ、ＡｌＳｉＣ、もしくは少なくとも表面が絶縁性のＳｉＣあることを特徴とする請求項１２に記載のパワーモジュール半導体装置。
【請求項１７】
前記半導体デバイスは、ＳｉＣ系、ＧａＮ系、もしくはＡｌＮ系のいずれかのパワーデバイスであることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１項に記載のパワーモジュール半導体装置。
【請求項１８】
前記電力系端子は、前記絶縁基板の主表面に対して垂直方向に延伸して配置されることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール半導体装置。
【請求項１９】
前記電力系端子を係止する第２の係止部材を、さらに備えることを特徴とする請求項１８に記載のパワーモジュール半導体装置。
【請求項２０】
前記第２の係止部材は、その一部が露出されるようにして前記樹脂層により被覆されることを特徴とする請求項１９に記載のパワーモジュール半導体装置。
【請求項２１】
請求項１〜２０に記載のパワーモジュール半導体装置を複数有し、前記樹脂層は長手方向と短手方向とを有する平面視矩形状をしており、各パワーモジュール半導体装置をその短手方向に近接して配置したことを特徴とするインバータ装置。
【請求項２２】
絶縁基板上に配置された銅プレート層の第１パターン上に配置された半導体デバイスと、前記半導体デバイスと電気的に接続された電力系端子と、前記半導体デバイスと電気的に接続されると共に、前記絶縁基板の主表面に対して垂直方向に延伸して配置された信号系端子と、前記信号系端子を係止する第１の係止部材と、を含んで、前記絶縁基板の垂直方向に対向する両表面側を第１の金型および第２の金型により保持する第１の工程と、
前記第１の金型および前記第２の金型内に樹脂を充填させ、前記第１の係止部材の一部を露出させるようにして、前記半導体デバイスおよび前記絶縁基板を被覆する樹脂層を形成する第２の工程と
を有し、
前記第１の係止部材は、その内部に樹脂を充填させるための送入穴と送出穴とを有し、前記送入穴を前記送出穴よりも大きく形成することを特徴とするパワーモジュール半導体装置の製造方法。
【請求項２３】
前記第１の係止部材は、その垂直方向の主表面が、前記樹脂によって形成される前記樹脂層の垂直方向の主表面より突出するように設けられており、
前記第１の工程において、前記第１の金型および前記第２の金型により前記絶縁基板を保持する際、前記第１の係止部材が前記第１の金型によって垂直方向に押圧されることを特徴とする請求項２２に記載のパワーモジュール半導体装置の製造方法。
【請求項２４】
前記電力系端子は、前記絶縁基板の主表面に対して垂直方向に延伸して配置され、かつ前記電力系端子を係止する第２の係止部材をさらに備え、
前記第２の係止部材は、その垂直方向の主表面が、前記樹脂によって形成される前記樹脂層の垂直方向の主表面より突出するように設けられており、
前記第１の工程において、前記第１の金型および前記第２の金型により前記絶縁基板を保持する際、前記第２の係止部材が前記第１の金型によって垂直方向に押圧されることを特徴とする請求項２２に記載のパワーモジュール半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本実施の形態は、パワーモジュール半導体装置およびその製造方法、およびインバータ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在多くの研究機関において、シリコンカーバイド（ＳｉＣ：Silicon Carbide）デバイスの研究開発が行われている。ＳｉＣパワーデバイスの特長として、従来のＳｉパワーデバイスよりも低オン抵抗であり、高速スイッチングおよび高温動作などを挙げることができる。
【０００３】
絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ:Insulated Gate Bipolar Transistor）などの従来のＳｉパワーデバイスでは、動作可能な温度範囲が１５０℃程度までである。
【０００４】
しかしながら、ＳｉＣパワーデバイスでは、理論的には、約６００℃まで動作可能である。
【０００５】
従来のＳｉパワーモジュールでは、Ｓｉパワーデバイスのオン抵抗を下げるためにデバイス面積を大きくする必要があり、パワーモジュールの小型化に限界があった。
【０００６】
ＳｉＣパワーモジュールでは、ＳｉＣデバイスのオン抵抗が低いために面積の小さいデバイスでも大電流を導通することができ、ＳｉＣパワーモジュールの小型化が可能となる。
【０００７】
これらのＳｉＣパワーデバイスのパッケージには、ケース型が採用されていたり、特許文献１のようにトランスファモールド成形された半導体装置や、特許文献２のようにソケットを一体成型し、端子を圧入してプレスフィット垂直端子を形成するトランスファモールドについて開示されているものもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−１８３４６３号公報
【特許文献２】特開２０１０−１２９７９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に記載のように、トランスファモールド成形された半導体装置は、端子列がパッケージ部の外周面に対して水平方向に配置されるのが一般的であったため、小型化に不向きであるという問題があった。
【００１０】
これに対し、特許文献２に記載の電力用半導体モジュールは、端子をモールド樹脂の表面に対して垂直方向に配置することによって、トランスファモールドモジュールの小型化を可能にしたものである。
【００１１】
ところが、この電力用半導体モジュールは、樹脂モールド後に金属筒に外部端子を圧入させることによって、モールド樹脂の表面より垂直方向に外部端子を配置するようにしたものであるため、圧入時に荷重応力が加えられることや、使用中の振動などにより外部端子が金属筒から抜け落ちる端子抜けといった問題が懸念されていた。
【００１２】
本実施の形態は、小型化が可能であり、荷重応力による破損や端子抜けを改善できるパワーモジュール半導体装置およびその製造方法、およびこのパワーモジュール半導体装置を有するインバータ装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本実施の形態の一態様によれば、絶縁基板と、前記絶縁基板上に配置された銅プレート層の第１パターンと、前記第１パターン上に配置された半導体デバイスと、前記半導体デバイスと電気的に接続された電力系端子と、前記半導体デバイスと電気的に接続されると共に、前記絶縁基板の主表面に対して垂直方向に延伸して配置された信号系端子と、前記信号系端子を係止する第１の係止部材と、前記第１の係止部材の一部を露出させるようにして、前記半導体デバイスおよび前記絶縁基板を被覆する樹脂層とを備え、前記第１の係止部材は、その内部に樹脂を充填させるための送入穴と送出穴とを有し、前記送入穴は前記送出穴よりも大きいパワーモジュール半導体装置が提供される。
【００１４】
また、本実施の形態の他の態様によれば、上記のパワーモジュール半導体装置を複数有し、前記樹脂層は長手方向と短手方向とを有する平面視矩形状をしており、各パワーモジュール半導体装置をその短手方向に近接して配置したインバータ装置が提供される。
【００１５】
また、本実施の形態の他の態様によれば、絶縁基板上に配置された銅プレート層の第１パターン上に配置された半導体デバイスと、前記半導体デバイスと電気的に接続された電力系端子と、前記半導体デバイスと電気的に接続されると共に、前記絶縁基板の主表面に対して垂直方向に延伸して配置された信号系端子と、前記信号系端子を係止する第１の係止部材と、を含んで、前記絶縁基板の垂直方向に対向する両表面側を第１の金型および第２の金型により保持する第１の工程と、前記第１の金型および前記第２の金型内に樹脂を充填させ、前記第１の係止部材の一部を露出させるようにして、前記半導体デバイスおよび前記絶縁基板を被覆する樹脂層を形成する第２の工程とを有し、前記第１の係止部材は、その内部に樹脂を充填させるための送入穴と送出穴とを有し、前記送入穴を前記送出穴よりも大きく形成するパワーモジュール半導体装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１６】
本実施の形態によれば、小型化が可能であり、荷重応力による破損や端子抜けを改善できるパワーモジュール半導体装置およびその製造方法、およびこのパワーモジュール半導体装置を有するインバータ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施の形態に係るストレート配線構造のパワーモジュール半導体装置の鳥瞰図。
【図２】実施の形態に係るストレート配線構造のパワーモジュール半導体装置の平面構成図。
【図３】（ａ）図１の図示矢印ＩＩＩ方向に対する側面図、（ｂ）図１の図示矢印ＩＩＩ方向に対する別の側面図、（ｃ）図１の図示矢印ＩＩＩ方向に対するさらに別の側面図。
【図４】図１の図示矢印ＩＶ方向に対する側面図。
【図５】実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置の回路表現図。
【図６】実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置の詳細回路表現図。
【図７】実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置の平面パターン構成図。
【図８】図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿う模式的断面構造図。
【図９】図７のＩＸ−ＩＸ線に沿う模式的断面構造図。
【図１０】図７のＸ−Ｘ線に沿う模式的断面構造図。
【図１１】図７のＸＩ−ＸＩ線に沿う模式的断面構造図。
【図１２】実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置に適用される１端子ホルダの四面図であって、（ａ）１端子ホルダを真上から見た上面図、（ｂ）１端子ホルダを図示矢印Ｂ方向から見た側面図、（ｃ）１端子ホルダを図示矢印Ｃ方向から見た側面図、（ｄ）１端子ホルダを図示矢印Ｄ方向から見た側面図。
【図１３】実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置に適用される２端子ホルダの五面図であって、（ａ）２端子ホルダを真上から見た上面図、（ｂ）２端子ホルダを図示矢印Ｂ方向から見た側面図、（ｃ）２端子ホルダを図示矢印Ｃ方向から見た側面図、（ｄ）２端子ホルダを図示矢印Ｄ方向から見た側面図、（ｅ）２端子ホルダを図示矢印Ｅ方向から見た側面図。
【図１４】実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置を６個配置して３相交流インバータを構成した平面構成図。
【図１５】実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置を６個配置して３相交流インバータを構成した各端子間の接続図。
【図１６】実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置を６個配置して３相交流インバータを構成した各パワー端子間の接続配線（バスバー）電極（ＧＮＤＬ・ＰＯＷＬ）も含む平面構成図。
【図１７】（ａ）図１６のＸＶＩＩａ−ＸＶＩＩａ線に沿う模式的断面構造図、（ｂ）図１６のＸＶＩＩｂ−ＸＶＩＩｂ線に沿う模式的断面構造図。
【図１８】（ａ）図１６のＸＶＩＩａ−ＸＶＩＩａ線に沿う別の模式的断面構造図、（ｂ）図１６のＸＶＩＩｂ−ＸＶＩＩｂ線に沿う別の模式的断面構造図。
【図１９】（ａ）図１６のＸＶＩＩａ−ＸＶＩＩａ線に沿うさらに別の模式的断面構造図、（ｂ）図１６のＸＶＩＩｂ−ＸＶＩＩｂ線に沿うさらに別の模式的断面構造図。
【図２０】図１６に示す平面構成図において、信号系端子（ＳＳ・Ｇ・ＤＳ）を非直線状に配置した例を示す図。
【図２１】図１６に示す平面構成図において、制御基板および電源基板を上部に配置した例を示す図。
【図２２】図２１のＸＸＩＩ−ＸＸＩＩ線に沿う模式的断面構造図。
【図２３】実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置を６個配置して構成した３相交流インバータ上に制御基板および電源基板を配置した鳥瞰図。
【図２４】実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置を４個配置して構成したフルブリッジインバータの回路構成図。
【図２５】実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置を４個配置してフルブリッジインバータを構成した各パワー端子間の接続電極（ＧＮＤＬ・ＰＯＷＬ）も含む平面構成図。
【図２６】実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置に適用する半導体デバイスの例であって、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴの模式的断面構造図。
【図２７】実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置に適用する半導体デバイスの例であって、ソースパッド電極ＳＰ、ゲートパッド電極ＧＰを含むＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴの模式的断面構造図。
【図２８】実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置を用いて構成した３相交流インバータの模式的回路構成において、電源端子ＰＬ、接地端子ＮＬ間にスナバコンデンサを接続した回路構成例。
【図２９】実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置を用いて構成した３相交流インバータの回路構成図。
【図３０】（ａ）実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置の製造に用いるカーボン治具の平面構成図、（ｂ）パワーモジュール半導体装置をカーボン治具に搭載した様子を示す平面構成図。
【図３１】パワーモジュール半導体装置を搭載したカーボン治具をホットプレート上に搭載し、カーボン治具の長手方向で切った、図３０（ｂ）のＸＸＸＩ−ＸＸＸＩに沿う模式的断面構造図。
【図３２】実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置の製造方法において、トランスファモールド成形工程を説明する模式的断面構造図。
【図３３】実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置の製造方法において、トランスファモールド成形の、図３２に続く工程を説明する模式的断面構造図。
【図３４】実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置の製造方法において、トランスファモールド成形の、図３３に続く工程を説明する模式的断面構造図。
【図３５】実施の他の形態に係るパワーモジュール半導体装置の模式的断面構造図。
【図３６】実施の他の形態に係るパワーモジュール半導体装置を６個配置して３相交流インバータを構成した各パワー端子間の接続配線（バスバー）電極（ＧＮＤＬ・ＰＯＷＬ）も含む平面構成図。
【図３７】実施の他の形態に係るパワーモジュール半導体装置を４個配置してフルブリッジインバータを構成した各パワー端子間の接続電極（ＧＮＤＬ・ＰＯＷＬ）も含む平面構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
次に、図面を参照して、実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付している。ただし、断面図は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００１９】
また、以下に示す実施の形態は、技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置などを下記のものに特定するものでない。この実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００２０】
［パワーモジュール半導体装置の構成］
本実施の形態に係るストレート配線構造のパワーモジュール半導体装置２であって、ワンインワンモジュール（1 in 1 Module）の鳥瞰構成は、図１に示すように表される。本実施の形態に係るストレート配線構造のパワーモジュール半導体装置２においては、信号系端子ＳＳ・Ｇ・ＤＳは、図１に示すように、樹脂層１２から垂直方向に突き出したように配置されている。
【００２１】
1 in 1は、一つの大きなトランジスタとみることができるが、内蔵されているトランジスタデバイスは、複数個である場合もある。2 in 1、4 in 1、6 in 1などもあるが、これは、図２８（インバータ装置回路）上において、縦２個分のトランジスタを接続内蔵したモジュールを2 in 1、2 in 1を２組配線内蔵したモジュールを4 in 1、全て配線内蔵したものが6 in 1と呼ばれている。
【００２２】
信号系端子ＤＳは、樹脂層１２の主表面部にモールド面と同一の高さで埋設された第１の係止部材としての１端子ホルダ１０１によって係止された状態で保持され、信号系端子Ｇ・ＳＳは、樹脂層１２の主表面部にモールド面と同一の高さで埋設された第１の係止部材としての２端子ホルダ１０２によって係止された状態で保持されている。
【００２３】
また、本実施の形態に係るストレート配線構造のパワーモジュール半導体装置２の平面構成は、図２に示すように表される。また、図１の矢印ＩＩＩ方向の側面構造は、図３（ａ）に示すように表され、図１の矢印ＩＩＩ方向の別のパワーモジュール半導体装置２Ｂの側面構造は、図３（ｂ）に示すように表され、図１の矢印ＩＩＩ方向のさらに別のパワーモジュール半導体装置２Ｃの側面構造は、図３（ｃ）に示すように表される。また、図１の矢印ＩＶ方向の側面構造は、図４に示すように表される。
【００２４】
本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２であって、ワンインワンモジュールの回路表現は、図５に示すように表される。また、本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２であって、ワンインワンモジュールの詳細回路表現は、図６に示すように表される。
【００２５】
本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２は、ワンインワンモジュールの構成を備える。すなわち、１個のＭＯＳＦＥＴ（半導体デバイス）Ｑが１つのモジュールに内蔵されている。一例として、図７に示すように５チップ（ＭＯＳトランジスタ×５）搭載可能であり、それぞれのＭＯＳＦＥＴＱは、５個までが並列接続される。なお、５チップの内、一部をダイオードＤＩ用として搭載することも可能である。
【００２６】
図５には、ＭＯＳＦＥＴ  Ｑのソース・ドレイン間に逆並列接続されるダイオードＤＩが示されている。ＭＯＳＦＥＴ  Ｑの主電極は、電力系端子としてのドレイン端子ＤＴおよびソース端子ＳＴで表される。ダイオードＤＩは、ボディＤｉまたは個別チップのボディＤｉから構成される。
【００２７】
なお、図６において、ＳＳは、ソースセンス端子、ＤＳは、ドレインセンス端子であり、Ｇは、ゲート信号端子であり、いずれも信号系端子を構成している。
【００２８】
本実施の形態に係るストレート配線構造のパワーモジュール半導体装置２の平面パターン構成は、図７に示すように表される。図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿う模式的断面構造は、図８に示すように表され、図７のＩＸ−ＩＸ線に沿う模式的断面構造は、図９に示すように表され、図７のＸ−Ｘ線に沿う模式的断面構造は、図１０に示すように表され、図７のＸＩ−ＸＩ線に沿う模式的断面構造は、図１１に示すように表される。
【００２９】
本実施の形態に係るストレート配線構造のパワーモジュール半導体装置２は、図７および図８に示すように、絶縁基板１０と、絶縁基板１０上に配置された銅プレート層１０ａの第１パターン１０ａ（Ｄ）と、第１パターン１０ａ（Ｄ）上に配置された半導体デバイスＱと、半導体デバイスＱと電気的に接続される電力系端子ＳＴ・ＤＴおよび信号系端子ＤＳ・Ｇ・ＳＳと、信号系端子ＤＳを係止する１端子ホルダ１０１と、信号系端子Ｇ・ＳＳを係止する２端子ホルダ１０２と、１端子ホルダ１０１および２端子ホルダ１０２の上面部をモールド面から露出させるようにして半導体デバイスＱおよび絶縁基板１０を被覆する樹脂層１２とを備える。
【００３０】
ここで、信号系端子ＤＳ・Ｇ・ＳＳは、絶縁基板１０の主表面に対して垂直方向に延伸して配置され、電力系端子ＳＴ・ＤＴは、樹脂層１２の主表面と平行に、樹脂層１２の長手方向に沿って、樹脂層１２の対向する両側面から互いに逆方向に延伸して配置され、ストレート配線構造を有する。
【００３１】
本実施の形態に係るストレート配線構造のパワーモジュール半導体装置２においては、電力系端子ＳＴ・ＤＴは、図７および図８に示すように、樹脂層１２の側面から主表面と平行方向に配置されている。
【００３２】
また、電力系端子ＳＴ・ＤＴは、樹脂層１２の長手方向に沿って、樹脂層１２の対向する両側面から互いに逆方向に延伸して配置される。
【００３３】
なお、電力系端子ＳＴ・ＤＴは、図３（ａ）〜図３（ｃ）に示すように、樹脂層１２の厚み方向に、所定の段差ＶＤ１・ＶＤ２・ＶＤ３をもって配置される。
【００３４】
また、絶縁基板１０の主表面に対する垂直方向は、樹脂層１２の主表面に対する垂直方向に等しい。
【００３５】
一方、信号系端子ＤＳ・Ｇ・ＳＳは、図１および図２に示すように、樹脂層１２の主表面上に直線状に配置されていても良い。
【００３６】
また、信号系端子は、ゲート信号端子Ｇおよびセンサ用端子を備えていても良い。また、センサ用端子は、ソースセンス端子ＳＳおよびドレインセンス端子ＤＳを備えていても良い。
【００３７】
ここで、ソースセンス端子ＳＳ、ドレインセンス端子ＤＳの他に、図示は省略されているが、温度センス用にサーミスタ接続端子などを信号系端子と同様に絶縁基板１０の主表面に対して垂直方向に配置しても良い。
【００３８】
また、本実施の形態に係るストレート配線構造のパワーモジュール半導体装置２は、図７に示すように、絶縁基板１０上に、半導体デバイスＱに隣接して配置された電極パターンＧＳＰ・ＳＳＰを備え、信号系端子Ｇ・ＳＳは、電極パターンＧＳＰ・ＳＳＰに半田付けにより接続されている。信号系端子ＤＳは、第１パターン１０ａ（Ｄ）に半田付けにより接続されている。
【００３９】
ドレインセンス端子ＤＳは、図７および図９に示すように、第１パターン１０ａ（Ｄ）に対して半田層３ｃを介して半田付けにより接続されており、絶縁基板１０の主表面に対して垂直方向に延伸して配置される。
【００４０】
また、ドレインセンス端子ＤＳは、１端子ホルダ１０１によって係止されることにより、第１パターン１０ａ（Ｄ）との接続部の半田層３ｃが保護されている。すなわち、ドレインセンス端子ＤＳは、樹脂層１２を形成するモールド工程前の段階ですでに半田層３ｃを介して第１パターン１０ａ（Ｄ）に半田接続されると共に、垂直方向に突き出した状態が１端子ホルダ１０１によって保持される。したがって、樹脂モールド後にソケットなどの金属筒にドレインセンス端子ＤＳを圧入させることにより、ドレインセンス端子ＤＳや半田層３ｃによる接続部に圧入時の荷重応力が加えられたり、使用中の振動などによりドレインセンス端子ＤＳが金属筒から抜け落ちたりする、いわゆる端子抜けを防止できる。
【００４１】
ゲート信号端子Ｇは、図７および図１０に示すように、ゲート信号電極パターンＧＳＰに対して半田層３ｃを介して半田付けにより接続されており、かつゲート信号電極パターンＧＳＰとソースセンス電極パターンＳＳＰとの相互間において上方に曲げられて絶縁基板１０の主表面に対して垂直方向に延伸して配置される。また、ゲート信号端子Ｇは、２端子ホルダ１０２によって係止されることにより、ゲート信号電極パターンＧＳＰとの接続部の半田層３ｃが保護されている。
【００４２】
ソースセンス端子ＳＳは、図７および図１１に示すように、ソースセンス電極パターンＳＳＰに対して半田層３ｃを介して半田付けにより接続されており、かつゲート信号電極パターンＧＳＰとソースセンス電極パターンＳＳＰとの相互間において上方に曲げられて絶縁基板１０の主表面に対して垂直方向に延伸して配置される。また、ソースセンス端子ＳＳは、２端子ホルダ１０２によって係止されることにより、ソースセンス電極パターンＳＳＰとの接続部の半田層３ｃが保護されている。
【００４３】
すなわち、ゲート信号端子Ｇおよびソースセンス端子ＳＳは、樹脂層１２を形成するモールド工程前の段階ですでに半田層３ｃを介してゲート信号電極パターンＧＳＰおよびソースセンス電極パターンＳＳＰに半田接続されると共に、垂直方向に突き出した状態が２端子ホルダ１０２によって保持される。したがって、樹脂モールド後にソケットなどの金属筒にゲート信号端子Ｇおよびソースセンス端子ＳＳを圧入させることにより、ゲート信号端子Ｇおよびソースセンス端子ＳＳや半田層３ｃによる接続部に圧入時の荷重応力が加えられたり、使用中の振動などによりゲート信号端子Ｇおよびソースセンス端子ＳＳが金属筒から抜け落ちたりする、いわゆる端子抜けを防止できる。
【００４４】
なお、ゲート信号端子Ｇおよびソースセンス端子ＳＳは、ドレインセンス端子ＤＳと同様に、１端子ホルダ１０１によって個々に係止されるようにしても良い。
【００４５】
一方、絶縁基板１０は、セラミック基板で構成されていても良い。ここで、セラミック基板は、例えば、Ａｌ2 Ｏ3 、Ａｌ Ｎ、ＳｉＮ、ＡｌＳｉＣ、もしくは、少なくとも表面が絶縁性のＳｉＣで形成可能である。
【００４６】
さらに、本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２は、図７および図８に示すように、第１の銅プレート層１０ａの第２パターン１０ａ（Ｓ）と、半導体デバイスＱ上に配置された柱状電極２０と、柱状電極２０上に配置された上面板電極２２と、第１パターン１０ａ（Ｄ）上に配置されたドレイン端子ＤＴと、第２パターン１０ａ（Ｓ）上に配置され、かつ上面板電極２２と接続された柱状接続電極１８ｎと、柱状接続電極１８ｎに接続されたソース端子ＳＴとを備える。
【００４７】
電力系端子ＳＴ・ＤＴは、半導体デバイスＱのソースパッド電極ＳＰ（図２７参照）に接続されたソース端子ＳＴと、半導体デバイスＱのドレイン電極パターンＤ（図２６および図２７参照）に接続されたドレイン端子ＤＴとを備える。また、ソース端子ＳＴは、半導体デバイスＱのソースパッド電極ＳＰに接続され、ドレイン端子ＤＴは、半導体デバイスＱのドレイン電極パターンＤに接続される。
【００４８】
また、半導体デバイスＱのゲート信号端子Ｇおよびソースセンス端子ＳＳは、図７に示すように、ボンディングワイヤを介して、それぞれ半導体デバイスＱに隣接して配置されたゲート信号電極パターンＧＳＰおよびソースセンス電極パターンＳＳＰとボンディング接続される。
【００４９】
また、第１パターン１０ａ（Ｄ）と半導体デバイスＱは、半田層３ｂを介して接合され、第２パターン１０ａ（Ｓ）と柱状接続電極１８ｎも半田層３ｂを介して接合される。
【００５０】
また、柱状電極２０と上面板電極２２は、半田層３ａを介して接合され、柱状接続電極１８ｎと上面板電極２２およびソース端子ＳＴも半田層３ａを介して接合される。
【００５１】
本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２は、ワンインワン型モジュール構成において、第１パターン１０ａ（Ｄ）上に半導体デバイスＱに隣接して配置されたダイオードＤＩを備えていても良い。このダイオードＤＩのカソードＫは、第１パターン１０ａ（Ｄ）に接続され、アノードＡは、柱状電極２０を介して上面板電極２２に接続される。
【００５２】
ここで、半導体デバイスＱは、例えば、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴで形成され、ダイオードＤＩは、例えば、ＳｉＣショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ：Schottky Barrier Diode）で形成可能である。
【００５３】
絶縁基板１０の裏面上に配置される第２の銅プレート層１０ｂは、ヒートスプレッダとして機能する。
【００５４】
また、樹脂層１２は、エポキシ系樹脂もしくはシリコーン系樹脂などでトランスファモールド成形されていても良い。
【００５５】
半導体デバイスＱの複数のチップは、絶縁基板１０の表面上に、絶縁基板１０の厚み方向から見た平面視で離間した位置に配置され、樹脂層１２により樹脂モールドされている。
【００５６】
また、柱状接続電極１８ｎは、線熱膨張係数（ＣＴＥ：Coefficient of Thermal Expansion）の値が相対的に小さい電極材料、例えば、ＣｕＭｏ、Ｃｕなどで形成されていても良い。
【００５７】
上面板電極２２の部分は、ＣＴＥの値が相対的に小さい電極材料、例えば、ＣｕＭｏ、Ｃｕなどで形成されていても良い。
【００５８】
柱状電極２０の部分は、ＣＴＥの値が相対的に小さい電極材料、例えば、ＣｕＭｏ、Ｃｕなどで形成されていても良い。
【００５９】
ＣＴＥの値が同等である同じ大きさの材料を比較すると、発生応力は、ヤング率の値が大きい材料の方が大きくなる。このため、ヤング率×ＣＴＥの数値が、より小さい材料を選定することによって、発生応力の値の小さな部材を達成することができる。
【００６０】
ＣｕＭｏは、このような利点を有している。また、ＣｕＭｏは、Ｃｕには劣るが、電気抵抗率も相対的に低い。
【００６１】
各部材の接合構造の形成には、半田接合の他に、金属粒子接合、固相拡散接合、液相拡散（ＴＬＰ：Transient Liquid Phase）接合などの技術を適用可能である。
【００６２】
例えば、金属粒子接合は、導電性粒子を含むペースト材料を焼成して形成される。ペースト材料の焼成温度は、例えば、約２００〜４００℃である。導電性粒子は、金属微粒子であり、例えば、銀粒子、金粒子またはニッケルや銅粒子などである。例えば、金属微粒子として銀粒子を適用する場合、銀粒子の濃度は、例えば、約８０質量％〜約９５質量％である。また、銀ナノ粒子の場合の平均粒径は、約１０ｎｍ〜約１００ｎｍ程度である。
【００６３】
本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２の垂直端子内部構造においては、金属端子部品を電極パターンなどに対して直に半田付けなどを行うため、ソケットなどの部品を必要としない。
【００６４】
ここで、１端子ホルダ１０１の構造は、図１２に示す四面図（図１２（ａ）に上面から見た図、図１２（ｂ）〜図１２（ｄ）に各側面から見た図）のように表される。１端子ホルダ１０１は、図１２（ａ）に示すように、パワーモジュール半導体装置２の短手方向に長方形状の上面部を有している。１端子ホルダ１０１の上面部には、ドレインセンス端子ＤＳが挿入されると共に、その挿入されたドレインセンス端子ＤＳを係止した状態で保持する開口部１０１ｂが設けられている。
【００６５】
１端子ホルダ１０１の内部には、図１２（ｂ）に示すように、開口部１０１ｂにつながる樹脂充填部１０１ａが形成されている。また、１端子ホルダ１０１の一方の側面には、図１２（ｃ）に示すように、樹脂充填部１０１ａにつながる樹脂送入穴としての送入口１０１ｃが開口されている。一方、送入口１０１ｃに対向する、１端子ホルダ１０１の他方の側面には、図１２（ｄ）に示すように、樹脂充填部１０１ａにつながる樹脂送出穴としての送出口１０１ｄが開口されている。
【００６６】
本実施の形態において、１端子ホルダ１０１は、樹脂充填部１０１ａ内がモールド樹脂により十分に充填されるようにするために、送入口１０１ｃが送出口１０１ｄよりも大きく開口されている。すなわち、１端子ホルダ１０１は、モールド樹脂の注入の上流側に向かって送入口１０１ｃを、注入の下流側に向かって送出口１０１ｄを、それぞれ対応させて配置することにより、モールド樹脂によって樹脂充填部１０１ａ内をより確実に充填させることが可能である。これにより、１端子ホルダ１０１内における絶縁性および強度が十分に確保される。
【００６７】
なお、一例として、ドレインセンス端子ＤＳの断面寸法を１．５ｍｍ×０．５ｍｍとした場合の、１端子ホルダ１０１の各部の寸法は以下のように表される（単位はｍｍ）。例えば、図１２（ａ）〜図１２（ｄ）において、ｄ１＝２．７、ｄ２＝３．３５、ｄ３＝８．２＋α、ｄ１１＝２．１、ｄ１２＝２．７５、ｄ１３＝１．５、ｄ１４＝０．３、ｄ２１＝１．８、ｄ２２＝０．７、ｄ２３＝２．０、ｄ３１＝３．５、ｄ３２＝２．１、ｄ３３＝２．０、ｄ４１＝２．１、ｄ４２＝２．０、ｄ４３＝２．０。
【００６８】
また、Ｒａ部〜Ｒｅ部の曲率は、Ｒを曲率半径とすると、Ｒａ＝２−Ｒ０．３５、Ｒｂ＝Ｒｃ＝Ｒｄ＝Ｒｅ＝４−Ｒ０．５。
【００６９】
ただし、モールド工程前の製造工程において、１端子ホルダ１０１は、樹脂層１２のモールド面（垂直方向の主表面）よりもαの分だけ背高になるよう、ｄ３が設計されている（例えば、α＝１０μｍ〜２００μｍ程度）。
【００７０】
２端子ホルダ１０２の構造は、図１３に示す五面図（図１３（ａ）に上面から見た図、図１３（ｂ）〜図１３（ｅ）に各側面から見た図）のように表される。２端子ホルダ１０２は、図１３（ａ）に示すように、パワーモジュール半導体装置２の長手方向に長方形状の上面部を有している。２端子ホルダ１０２の上面部には、ゲート信号端子Ｇが挿入されると共に、その挿入されたゲート信号端子Ｇを係止した状態で保持する開口部１０２ｂと、ソースセンス端子ＳＳが挿入されると共に、その挿入されたソースセンス端子ＳＳを係止した状態で保持する開口部１０２ｃと、が設けられている。
【００７１】
２端子ホルダ１０２の内部には、図１３（ｂ）および図１３（ｃ）に示すように、開口部１０２ｂ・１０２ｃにつながる樹脂充填部１０２ａが形成されている。また、２端子ホルダ１０２の一方の側面には、図１３（ｄ）に示すように、樹脂充填部１０２ａにつながる樹脂送入穴としての送入口１０２ｄが開口されている。一方、送入口１０２ｄに対向する、２端子ホルダ１０２の他方の側面には、図１３（ｅ）に示すように、樹脂充填部１０２ａにつながる樹脂送出穴としての送出口１０２ｅが開口されている。
【００７２】
本実施の形態において、２端子ホルダ１０２は、樹脂充填部１０２ａ内がモールド樹脂により十分に充填されるようにするために、送入口１０２ｄが送出口１０２ｅよりも大きく開口されている。すなわち、２端子ホルダ１０２は、モールド樹脂の注入の上流側に向かって送入口１０２ｄを、注入の下流側に向かって送出口１０２ｅを、それぞれ対応させて配置することにより、モールド樹脂によって樹脂充填部１０２ａ内をより確実に充填させることが可能である。これにより、２端子ホルダ１０２内における絶縁性および強度が十分に確保される。
【００７３】
なお、一例として、ゲート信号端子Ｇおよびソースセンス端子ＳＳの断面寸法を１．５ｍｍ×０．５ｍｍとした場合の、２端子ホルダ１０２の各部の寸法は以下のように表される（単位はｍｍ）。例えば、図１３（ａ）〜図１３（ｅ）において、ｅ１＝８．４、ｅ２＝４．０、ｅ３＝８．６＋α、ｅ１１＝７．８、ｅ１３＝６．７、ｅ２１＝１．８、ｅ２２＝０．７、ｅ２３＝５．０８、ｅ３１＝３．５、ｅ３２＝５．０、ｅ３３＝２．０、ｅ４１＝３．０、ｅ４２＝２．０、ｅ４３＝２．０、ｅ５１＝０．４、ｅ５２＝０．５、ｅ５３＝１．０。
【００７４】
また、Ｐａ部〜Ｐｅ部の曲率は、Ｒを曲率半径とすると、Ｐａ＝４−Ｒ０．３５、Ｐｂ＝Ｐｃ＝Ｐｄ＝Ｐｅ＝４−Ｒ０．５。
【００７５】
ただし、モールド工程前の製造工程において、２端子ホルダ１０２は、樹脂層１２のモールド面よりもαの分だけ背高になるよう、ｅ３が設計されている（例えば、α＝１０μｍ〜２００μｍ程度）。
【００７６】
また、１端子ホルダ１０１および２端子ホルダ１０２は所定の耐熱性を有するプラスチック部品、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂またはＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）樹脂、ＬＣＰ（液晶ポリマー）などの高耐熱性（１５０℃以上、好ましくは２００℃以上）を有するプラスチック（または、エンジニアリングプラスチック、スーパーエンジニアリングプラスチック）により形成される。
【００７７】
［３相交流インバータの構成］
本実施の形態に係るストレート配線構造のパワーモジュール半導体装置２を６個配置して３相交流インバータ装置４を構成した模式的平面構成は、図１４に示すように表される。
【００７８】
本実施の形態に係るストレート配線構造のパワーモジュール半導体装置２においては、樹脂層１２の外周に信号系端子ＳＳ・Ｇ・ＤＳを配置していないので、図１４に示すように、並列配置してもパワーモジュール間距離を詰めることができる。
【００７９】
また、本実施の形態に係るストレート配線構造のパワーモジュール半導体装置２を６個配置して３相交流インバータ装置４を構成した各端子間の接続関係は、図１５に示すように表される。
【００８０】
また、本実施の形態に係るストレート配線構造のパワーモジュール半導体装置２を６個配置して３相交流インバータ装置４を構成した各パワー端子間の接続配線（バスバー）電極（ＧＮＤＬ・ＰＯＷＬ）も含む平面構成は、図１６に示すように表される。
【００８１】
トランジスタＱ１・Ｑ４、Ｑ２・Ｑ５、Ｑ３・Ｑ６は、それぞれハーフブリッジのインバータを構成する。
【００８２】
図１５および図１６に示すように、トランジスタＱ１・Ｑ２・Ｑ３のドレイン端子ＤＴ１・ＤＴ２・ＤＴ３は、電源用のバスバー電極ＰＯＷＬによって共通に接続され、トランジスタＱ４・Ｑ５・Ｑ６のソース端子ＳＴ４・ＳＴ５・ＳＴ６は、接地用のバスバー電極ＧＮＤＬによって共通に接続される。
【００８３】
また、図１５および図１６に示すように、トランジスタＱ１・Ｑ２・Ｑ３のソース端子ＳＴ１・ＳＴ２・ＳＴ３は、トランジスタＱ４・Ｑ５・Ｑ６のドレイン端子ＤＴ４・ＤＴ５・ＤＴ６と、それぞれ、バスバー電極ＵＬ・ＶＬ・ＷＬによって共通に接続される。この結果、バスバー電極ＵＬ・ＶＬ・ＷＬからは、Ｕ・Ｖ・Ｗの３相出力が得られる。
【００８４】
また、図１６のＸＶＩＩａ−ＸＶＩＩａ線に沿う模式的断面構造は、図１７（ａ）に示すように表され、図１６のＸＶＩＩｂ−ＸＶＩＩｂ線に沿う模式的断面構造は、図１７（ｂ）に示すように表される。
【００８５】
また、図１６のＸＶＩＩａ−ＸＶＩＩａ線に沿う別の模式的断面構造は、図１８（ａ）に示すように表され、図１６のＸＶＩＩｂ−ＸＶＩＩｂ線に沿う別の模式的断面構造は、図１８（ｂ）に示すように表される。
【００８６】
また、図１６のＸＶＩＩａ−ＸＶＩＩａ線に沿うさらに別の模式的断面構造は、図１９（ａ）に示すように表され、図１６のＸＶＩＩｂ−ＸＶＩＩｂ線に沿うさらに別の模式的断面構造は、図１９（ｂ）に示すように表される。
【００８７】
また、電力系端子ＳＴ・ＤＴは、図３（ａ）〜図３（ｃ）に示したように、樹脂層１２の厚み方向に、所定の段差ＶＤ１・ＶＤ２・ＶＤ３をもって配置されており、図１７の例は、図３（ａ）に示された所定の段差ＶＤ１を有する例に対応し、図１８の例は、図３（ｂ）に示された所定の段差ＶＤ２を有する例に対応し、図１９の例は、図３（ｃ）に示された所定の段差ＶＤ３を有する例に対応する。
【００８８】
すなわち、図３（ａ）に示された所定の段差ＶＤ１を有する例では、図１７（ａ）に示すように、バスバー電極ＰＯＷＬ・ＧＮＤＬと共に、バスバー電極ＵＬ・ＶＬ・ＷＬはストレートな電極構造を有する。
【００８９】
図３（ｂ）に示された所定の段差ＶＤ２を有する例では、バスバー電極ＰＯＷＬ・ＧＮＤＬはストレートな電極構造を有するが、図１８（ａ）に示すように、バスバー電極ＵＬ・ＶＬ・ＷＬは所定の段差ＶＤ２の値が相対的に小さいために上方向に屈曲した電極構造を有する。
【００９０】
図３（ｃ）に示された所定の段差ＶＤ３を有する例では、バスバー電極ＰＯＷＬ・ＧＮＤＬはストレートな電極構造を有するが、図１９（ａ）に示すように、バスバー電極ＵＬ・ＶＬ・ＷＬは所定の段差ＶＤ３の値が相対的に大きいために下方向に屈曲した電極構造を有する。
【００９１】
本実施の形態に係るストレート配線構造のパワーモジュール半導体装置２を６個配置して構成した３相交流インバータ装置４において、信号系端子ＳＳ・Ｇ・ＤＳを非直線状に配置した例は、図２０に示すように表される。
【００９２】
すなわち、本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２においては、信号系端子ＤＳ・Ｇ・ＳＳは、樹脂層１２の主表面上に非直線状に配置されていても良い。または、信号系端子ＤＳ・Ｇ・ＳＳは、樹脂層１２の主表面上にランダムに配置されていても良い。
【００９３】
本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２を複数個並列に配置したインバータ装置４は、図１６および図２０に示すように、パワーモジュール半導体装置２を複数個並列に配置し、各パワーモジュール半導体装置２の電力系端子ＳＴ・ＤＴを、バスバー電極ＧＮＤＬ・ＰＯＷＬを介して相互に接続している。
【００９４】
また、本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２を複数個並列に配置したインバータ装置４は、パワーモジュール半導体装置２のドレイン端子ＤＴおよびソース端子ＳＴが、隣接するパワーモジュール半導体装置２のソース端子ＳＴおよびドレイン端子ＤＴと互いに対向するように配置している。
【００９５】
そして、本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２を複数個並列に配置したインバータ装置４は、複数のパワーモジュール半導体装置２において、ハーフブリッジを構成する第１トランジスタ・第２トランジスタ（Ｑ１・Ｑ４）・（Ｑ２・Ｑ５）・（Ｑ３・Ｑ６）を隣接させて配置し、かつ第１トランジスタのソース端子・ドレイン端子と第２トランジスタのドレイン端子・ソース端子とが互いに隣接するように配置している。
【００９６】
すなわち、第１トランジスタ・第２トランジスタ（Ｑ１・Ｑ４）のソース端子・ドレイン端子（ＳＴ１・ＤＴ４）、第１トランジスタ・第２トランジスタ（Ｑ１・Ｑ４）のドレイン端子・ソース端子（ＤＴ１・ＳＴ４）、第１トランジスタ・第２トランジスタ（Ｑ２・Ｑ５）のソース端子・ドレイン端子（ＳＴ２・ＤＴ５）、第１トランジスタ・第２トランジスタ（Ｑ２・Ｑ５）のドレイン端子・ソース端子（ＤＴ２・ＳＴ５）、第１トランジスタ・第２トランジスタ（Ｑ３・Ｑ６）のソース端子・ドレイン端子（ＳＴ３・ＤＴ６）、第１トランジスタ・第２トランジスタ（Ｑ３・Ｑ６）のドレイン端子・ソース端子（ＤＴ３・ＳＴ６）が、互いに隣接するように配置している。
【００９７】
本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２においては、各組のパワーモジュール半導体装置２の電力系端子ＳＴ・ＤＴを、バスバー電極ＵＬ・ＶＬ・ＷＬを介して相互に接続することによって、３相交流用のインバータ装置４をコンパクトに構成可能である。
【００９８】
本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２は、ストレート配線のモジュール構造において、段差端子構造を有するため、外部配線（バスバー配線）のインダクタンスＬｓを低くした配線を実現することができる。
【００９９】
本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２は、ワンインワン構成において、ドレイン端子ＤＴとソース端子ＳＴとを平面視矩形の樹脂層１２の両端にストレート（直線的）に配置し、かつドレイン端子ＤＴとソース端子ＳＴとの高さ位置に段差をつけることによって、モジュールの並列横並び配置により容易に３相交流インバータ装置（6 in 1）を構成可能である。
【０１００】
また、ドレイン端子ＤＴとソース端子ＳＴとの高さ位置に段差を設けることで、モジュール間を配線するバスバー電極ＰＯＷＬ・ＧＮＤＬ・ＵＬ・ＶＬ・ＷＬ同士の絶縁距離を容易に確保することができ、また、配線効率を良好にすることができる。
【０１０１】
また、絶縁距離を確保するために配線（バスバー電極）を折り曲げ加工する構成に比べ、本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２を適用した３相交流インバータ装置４では、配線長を低減可能であり、従来に比べて寄生インダクタンスＬｓを約１０％低減することができる。モジュール端子に段差をつけることで外部配線（バスバーというモジュール同士を配線するもの）を曲げなくても済むためバスバーの配線長が短くできる。ここで、Ｌｓは、バスバーの配線長の直列インダクタンス成分を表す。
【０１０２】
［縦積み構造］
本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２を６個配置して３相交流インバータ装置４を構成した各パワー端子間の接続配線（バスバー）電極（ＧＮＤＬ・ＰＯＷＬ）も含む平面構成において、制御基板６および電源基板８を上部に配置した例は、図２１に示すように表され、図２１のＸＸＩＩ−ＸＸＩＩ線に沿う模式的断面構造は、図２２に示すように表される。
【０１０３】
本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２を６個配置して構成した３相交流インバータ装置４は、図２１および図２２に示すように、複数個並列に配置されたパワーモジュール半導体装置２上に配置され、パワーモジュール半導体装置２を制御する制御基板６と、複数個並列に配置されたパワーモジュール半導体装置２上に配置され、パワーモジュール半導体装置２および制御基板６に電源を供給する電源基板８とを備え、信号系端子ＤＳ・Ｇ・ＳＳが延伸する垂直方向の長さは、制御基板６および電源基板８と接続可能な長さである。
【０１０４】
本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２を６個配置して構成した３相交流インバータ装置４上に制御基板６および電源基板８を配置した鳥瞰構成図は、図２３に示すように表される。図２３においては、６個のパワーモジュール半導体装置２の信号系端子（ＤＳ１・Ｇ１・ＳＳ１）・（ＤＳ２・Ｇ２・ＳＳ２）・（ＤＳ３・Ｇ３・ＳＳ３）・（ＤＳ４・Ｇ４・ＳＳ４）・（ＤＳ５・Ｇ５・ＳＳ５）・（ＤＳ６・Ｇ６・ＳＳ６）は、それぞれ制御基板６および電源基板８に対して垂直方向に接続されて、３相交流インバータ装置４を構成している。なお、図２３においては、簡単化するために、制御基板６・電源基板８の詳細パターンは図示を省略している。また、図２３においては、構造の詳細を明確にするために、パワーモジュール半導体装置２と制御基板６・電源基板８の縦方向の距離が相対的に長くなるように図示しているが、実際上は、距離を詰めて配置される。
【０１０５】
本実施の形態に係るストレート配線構造のパワーモジュール半導体装置２を６個配置して構成した３相交流インバータ装置４においては、制御基板６、電源基板８、スナバコンデンサＣ（図示省略）などを縦積み構造に配置することが容易になり、システムのスリム化を図ることができる。
［フルブリッジインバータの構成］
本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２を４個配置して構成したフルブリッジインバータ装置５の回路構成は、図２４に示すように表される。
【０１０６】
また、本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２を４個配置してフルブリッジインバータ装置５を構成した各パワー端子間の接続配線（バスバー）電極（ＧＮＤＬ・ＰＯＷＬ）も含む平面構成は、図２５に示すように表される。
【０１０７】
本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２を４個配置して構成したフルブリッジインバータ装置５においても、制御基板６（図示省略）、電源基板８（図示省略）、スナバコンデンサＣ（図示省略）などを縦積み構造に配置することが容易であり、システムのスリム化を図ることができる。
【０１０８】
［半導体デバイスの構成例］
本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２に適用する半導体デバイス１００（Ｑ）の例として、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴの模式的断面構造は、図２６に示すように、ｎ-高抵抗層からなるＳｉＣ半導体基板２６と、ＳｉＣ半導体基板２６の表面側に形成されたｐベース領域２８と、ｐベース領域２８の表面に形成されたソース領域３０と、ｐベース領域２８間のＳｉＣ半導体基板２６の表面上に配置されたゲート絶縁膜３２と、ゲート絶縁膜３２上に配置されたゲート電極３８と、ソース領域３０およびｐベース領域２８に接続されたソース電極３４と、ＳｉＣ半導体基板２６の表面と反対側の裏面に配置されたｎ+ドレイン領域２４と、ｎ+ドレイン領域２４に接続されたドレインパッド電極３６とを備える。
【０１０９】
図２６では、半導体デバイス１００は、プレーナゲート型ｎチャネル縦型ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴで構成されているが、トレンチゲート型ｎチャネル縦型ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴなどで構成されていても良い。
【０１１０】
また、本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２に適用する半導体デバイス１００には、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴの代わりに、ＧａＮ系ＦＥＴなどを適用することもできる。
【０１１１】
本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２に適用する半導体デバイス１００には、ＳｉＣ系、ＧａＮ系、もしくはＡｌＮ系のいずれかのパワーデバイスを適用可能である。
【０１１２】
さらには、本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２に適用する半導体デバイス１００には、バンドギャップエネルギーが、例えば、１．１ｅＶ〜８ｅＶのＭＯＳトランジスタなどを用いることができる。
【０１１３】
本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２に適用する半導体デバイス１００の例であって、ソースパッド電極ＳＰ、ゲートパッド電極ＧＰを含むＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴの模式的断面構造は、図２７に示すように表される。ゲートパッド電極ＧＰは、ゲート絶縁膜３２上に配置されたゲート電極３８に接続され、ソースパッド電極ＳＰは、ソース領域３０およびｐベース領域２８に接続されたソース電極３４に接続される。
【０１１４】
また、ゲートパッド電極ＧＰおよびソースパッド電極ＳＰは、図２７に示すように、半導体デバイス１００の表面を覆うパッシベーション用の層間絶縁膜４４上に配置される。
【０１１５】
なお、ゲートパッド電極ＧＰおよびソースパッド電極ＳＰの下方のＳｉＣ半導体基板２６内には、図２７の構成例では図示を省略しているが、図２６の中央部と同様に、微細構造のトランジスタ構造が形成されていても良い。
【０１１６】
さらに、図２７に示すように、中央部のトランジスタ構造においても、パッシベーション用の層間絶縁膜４４上にソースパッド電極ＳＰが延在して配置されていても良い。
【０１１７】
本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２において、電源端子ＰＬと接地端子ＮＬ間にスナバコンデンサＣを接続した回路構成は、図２８に示すように表される。本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２を蓄電池Ｅと接続する際、接続ラインの有するインダクタンスＬによって、ＳｉＣ系デバイスのスイッチング速度が速いため、大きなサージ電圧Ｌｄｉ／ｄｔを生ずる。例えば、電流変化ｄｉ＝３００Ａ、スイッチングに伴う時間変化ｄｔ＝１００ｎｓｅｃとすると、ｄｉ／ｄｔ＝３×１０9 （Ａ／ｓ）となる。インダクタンスＬの値により、サージ電圧Ｌｄｉ／ｄｔの値は変化するが、蓄電池Ｅにこのサージ電圧Ｌｄｉ／ｄｔが重畳される。電源端子ＰＬと接地端子ＮＬとの間に接続されるスナバコンデンサＣによって、このサージ電圧Ｌｄｉ／ｄｔを吸収することができる。
【０１１８】
［パワーモジュール半導体装置を適用した応用例］
次に、図２９を参照して、本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２を用いて構成した３相交流インバータについて説明する。
【０１１９】
図２９に示すように、３相交流インバータは、ゲートドライブ部５０と、ゲートドライブ部５０に接続されたパワーモジュール部５２と、３相交流モータ部５４とを備える。パワーモジュール部５２は、３相交流モータ部５４のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に対応して、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のインバータが接続されている。ここで、ゲートドライブ部５０は、図２９では、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ  Ｑ１・Ｑ４に接続されている。図示は省略しているが、同様に、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ  Ｑ２・Ｑ５、およびＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ  Ｑ３・Ｑ６にも接続されている。
【０１２０】
パワーモジュール部５２は、蓄電池（Ｅ）４６の接続されたコンバータ４８が接続されたプラス端子（＋）とマイナス端子（−）との間に、インバータ構成のＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ  Ｑ１・Ｑ４、Ｑ２・Ｑ５、およびＱ３・Ｑ６が接続されている。さらに、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ  Ｑ１〜Ｑ６のソース・ドレイン間には、ダイオードＤ１〜Ｄ６がそれぞれ逆並列に接続されている。
【０１２１】
本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２では、図２９のＵ相部分に対応する単相インバータの構造について説明されていたが、Ｖ相、Ｗ相に対応しても同様に形成して、３相パワーモジュール部５２を形成することもできる。
【０１２２】
［パワーモジュール半導体装置の製造方法］
本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２の製造方法において、電力系端子ＳＴ・ＤＴおよび信号系端子ＤＳ・Ｇ・ＳＳの半田付け工程に使用するカーボン治具４００の模式的平面構成は、図３０（ａ）に示すように表される。
【０１２３】
カーボン治具４００は、図３０（ｂ）に示すように、中央に基板挿入部４０２、左右両端に凹部形状のドレイン端子ＤＴ裁置部４０１ａ・ソース端子ＳＴ裁置部４０１ｂを備える。
【０１２４】
また、パワーモジュール半導体装置２をカーボン治具４００に搭載し、パワーモジュール半導体装置２を搭載したカーボン治具４００をホットプレート４０３上に搭載し、カーボン治具４００の長手方向で切った模式的断面構造は、図３１に示すように表される。
【０１２５】
なお、図３１は、図３０（ｂ）のＸＸＸＩ−ＸＸＸＩに沿う模式的断面構造に対応しており、電力系端子ＳＴ・ＤＴおよび信号系端子ＤＳ・Ｇ・ＳＳの半田付け工程を実施した様子を示している。ただし、信号系端子ＤＳ・Ｇ・ＳＳは、破線により、信号系端子ＤＳ・Ｇ・ＳＳの相対的な位置を示している。
【０１２６】
ホットプレート４０３を加熱することによって、信号系端子ＤＳを第１パターン１０ａ（Ｄ）に、信号系端子Ｇ・ＳＳを電極パターンＧＳＰ・ＳＳＰに、それぞれ半田付けすることができる。また、電力系端子ＳＴ・ＤＴを、パワーモジュール半導体装置２の柱状接続電極１８ｎ・第１パターン１０ａ（Ｄ）に半田付けすることができる。ここで、高融点半田を使用する場合には、ホットプレート４０３を、例えば、約３４０℃〜３６０℃程度に加熱する。
【０１２７】
なお、図３２に示されるように、半田付けされた信号系端子ＤＳには１端子ホルダ１０１が、また、半田付けされた信号系端子Ｇ・ＳＳには２端子ホルダ１０２が、それぞれ係合された後、封止の工程が行われる。
【０１２８】
本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２の製造方法においては、図３０〜図３１に示された構造のカーボン治具４００を使用することによって、電力系端子ＳＴ・ＤＴおよび絶縁基板１０の平行性を確保することができる。
【０１２９】
また、本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２の製造方法において、トランスファモールド成形工程を説明する模式的断面構造は、図３２〜図３４に示すように表される。
【０１３０】
すなわち、図３２〜図３４には、製造工程を経て信号系端子ＤＳ・Ｇ・ＳＳに１端子ホルダ１０１・２端子ホルダ１０２を取り付けた構造体の上下を反対にし、上金型（第２の金型）２２０および下金型（第１の金型）２００によって挟み込み、モールド樹脂を封入して樹脂層１２を形成後、上金型２２０および下金型２００を取り外した様子が示されている。なお、図３２〜図３４において、２０２・２０３は、本体載置部・端子載置部、２０４ａ・２０４ｂは、信号系端子ＤＳ・Ｇ・ＳＳの収容部、２２３は、樹脂注入部である。
【０１３１】
本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２の製造方法において、モールド面よりも高さｄａ（α）の分だけ背高になるように取り付けられた１端子ホルダ１０１・２端子ホルダ１０２は、構造体の上下を上金型２２０および下金型２００によって挟み込む際に下金型２００によって垂直方向に押圧される。そして、この状態、つまり１端子ホルダ１０１・２端子ホルダ１０２が下金型２００に確実に当接されて互いに密着された状態で、樹脂注入部２２３への樹脂の注入が実行される。
【０１３２】
本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２の製造方法においては、図３２〜図３４に示される上金型２２０および下金型２００を使用することによって、下金型２００が１端子ホルダ１０１・２端子ホルダ１０２と密着されるので樹脂漏れなどを招いたりすることなく、電力系端子ＳＴ・ＤＴの段差端子構造が実現されている。
【０１３３】
本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２によれば、信号系端子ＤＳ・Ｇ・ＳＳが垂直方向に突き出した状態で１端子ホルダ１０１・２端子ホルダ１０２によりサポートされているので、モールド後に信号系端子ＤＳ・Ｇ・ＳＳの曲げや絶縁確保の工程を追加する必要がなく、工程数の削減および故障のリスクを低減できる。
【０１３４】
特に、信号系端子ＤＳ・Ｇ・ＳＳをソケットに圧入する際の荷重応力がパワーモジュール半導体装置２に加えられたり、長期の使用中に振動などにより信号系端子ＤＳ・Ｇ・ＳＳがパワーモジュール半導体装置２より抜けたりするのを防止できる。
【０１３５】
[実施の他の形態]
［パワーモジュール半導体装置の構成］
図３５に示すように、本実施の他の形態に係るパワーモジュール半導体装置２Ａにおいては、さらに、電力系端子ＳＴ・ＤＴが絶縁基板１０の主表面に対して垂直方向に延伸して配置されてなる構成とされている。
【０１３６】
また、本実施の他の形態に係るパワーモジュール半導体装置２Ａにおいて、垂直方向に配置された電力系端子ＤＴは１端子ホルダ（第２の係止部材）１０３によって、垂直方向に配置された電力系端子ＳＴは１端子ホルダ（第２の係止部材）１０４によって、それぞれ係止されるようにして保持されている。１端子ホルダ１０３・１０４としては、寸法以外は、１端子ホルダ１０１と構成が同一のものを用いることができる。
【０１３７】
本実施の他の形態に係るパワーモジュール半導体装置２Ａの構成によれば、信号系端子ＤＳ・Ｇ・ＳＳのみならず、電力系端子ＳＴ・ＤＴに関しても、圧入時の荷重応力による破損を防いだり、使用中の振動などによる端子抜けを防止できる。
【０１３８】
［パワーモジュール半導体装置を適用した応用例］
図３６には、本実施の他の形態に係るパワーモジュール半導体装置２Ａを６個並列に配置して３相交流インバータ装置４Ａを構成した平面構成が示されている。また、図３７には、本実施の他の形態に係るパワーモジュール半導体装置２Ａを４個並列に配置してフルブリッジインバータ装置５Ａを構成した平面構成が示されている。
【０１３９】
本実施の他の形態に係るパワーモジュール半導体装置２Ａによれば、信号系端子ＤＳ・Ｇ・ＳＳと同様に、電力系端子ＳＴ・ＤＴが垂直方向に突き出した状態で１端子ホルダ１０３・１０４によりサポートされているので、より小型化が可能であり、３相交流インバータ装置４Ａおよびフルブリッジインバータ装置５Ａを、より一層コンパクトに構成できる。
【０１４０】
すなわち、本実施の他の形態に係るパワーモジュール半導体装置２Ａにおいては、樹脂層１２の外周に信号系端子ＳＳ・Ｇ・ＤＳおよび電力系端子ＳＴ・ＤＴを配置していないので、図３６および図３７に示したように、並列配置してもパワーモジュール間距離をさらに詰めることができる。
【０１４１】
特に、端子ＤＳ・Ｇ・ＳＳ・ＳＴ・ＤＴの垂直方向への引き出しは、モジュール内での配線の引き回しを短縮化できるなど、耐ノイズ性や損失の低減に寄与するため、高電圧分野への応用などが期待される。
【０１４２】
以上説明したように、小型化が可能であり、荷重応力による破損や端子抜けを改善できるパワーモジュール半導体装置およびその製造方法、およびこのパワーモジュール半導体装置を有するインバータ装置を提供することができる。
【０１４３】
[その他の実施の形態]
上記のように、いくつかの実施の形態を記載したが、開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、実施の各形態を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
【０１４４】
このように、本実施の各形態は、ここでは記載していない様々な形態などを含む。
【産業上の利用可能性】
【０１４５】
本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置は、ＳｉＣパワー半導体モジュールなどのパワーデバイス全般に利用可能であり、特に、小型・軽量化が求められている分野、車載・太陽電池・産業機器・民生機器向けのインバータ、コンバータなどの幅広い応用分野に適用可能である。
【符号の説明】
【０１４６】
２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ…パワーモジュール半導体装置
３ａ、３ｂ、３ｃ…半田層
４、４Ａ、５、５Ａ…インバータ装置
６…制御基板
８…電源基板
１０…絶縁基板
１０ａ、１０ｂ…銅プレート層
１０ａ（Ｄ）…第１パターン
１０ａ（Ｓ）…第２パターン
１２…樹脂層
１８ｎ…柱状接続電極
２０…柱状電極
２２…上面板電極
２４…ｎ+ ドレイン領域
２６…ＳｉＣ半導体基板
２８…ｐベース領域
３０…ソース領域
３２…ゲート絶縁膜
３４…ソース電極
３６…ドレインパッド電極
３８…ゲート電極
４４…層間絶縁膜
４６…蓄電池（Ｅ）
４８…コンバータ
５０…ゲートドライブ部
５２…パワーモジュール部
５４…３相交流モータ部
１００、Ｑ、Ｑ１〜Ｑ６…半導体デバイス（ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ、半導体チップ）
１０１…１端子ホルダ（第１の係止部材）
１０１ａ…樹脂充填部
１０１ｂ…開口部
１０１ｃ…送入口（送入穴）
１０１ｄ…送出口（送出穴）
１０２…２端子ホルダ（第１の係止部材）
１０２ａ…樹脂充填部
１０２ｂ、１０２ｃ…開口部
１０２ｄ…送入口（送入穴）
１０２ｅ…送出口（送出穴）
１０３、１０４…１端子ホルダ（第２の係止部材）
２００…下金型
２０４ａ・２０４ｂ…収容部
２２０…上金型
２２３…樹脂注入部
４００…カーボン治具
Ｄ１〜Ｄ６、ＤＩ…ダイオード
ＧＰ…ゲートパッド電極
ＳＰ…ソースパッド電極
ＤＴ、ＤＴ１、ＤＴ２、ＤＴ３、ＤＴ４、ＤＴ５、ＤＴ６…ドレイン端子（電力系端子）
ＳＴ、ＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３、ＳＴ４、ＳＴ５、ＳＴ６…ソース端子（電力系端子）
ＰＯＷＬ、ＧＮＤＬ、ＵＬ、ＶＬ、ＷＬ…バスバー電極
Ｏ、Ｕ、Ｖ、Ｗ…出力端子
Ｇ、Ｇ１〜Ｇ６…ゲート信号端子（信号系端子）
ＳＳ、ＳＳ１〜ＳＳ６…ソースセンス端子（信号系端子）
ＤＳ、ＤＳ１〜ＤＳ６…ドレインセンス端子（信号系端子）
ＧＳＰ…ゲート信号電極パターン
ＳＳＰ…ソースセンス電極パターン
【図１】
0006600172.tif 000002
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
0006600172.tif 000012
【図１２】
0006600172.tif 000013
【図１３】
0006600172.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
0006600172.tif 000017
【図１７】
0006600172.tif 000018
【図１８】
0006600172.tif 000019
【図１９】
0006600172.tif 000020
【図２０】
0006600172.tif 000021
【図２１】
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【図２２】
0006600172.tif 000023
【図２３】
0006600172.tif 000024
【図２４】
0006600172.tif 000025
【図２５】
0006600172.tif 000026
【図２６】
0006600172.tif 000027
【図２７】
0006600172.tif 000028
【図２８】
0006600172.tif 000029
【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
0006600172.tif 000032
【図３２】
0006600172.tif 000033
【図３３】
0006600172.tif 000034
【図３４】
0006600172.tif 000035
【図３５】
0006600172.tif 000036
【図３６】
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【図３７】
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