(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
前記半導体素子が接合されたリードフレームと、
前記リードフレームが設けられた絶縁層と、
前記絶縁層の前記リードフレームが設けられた面の反対面に設けられた金属ベース板と、
前記リードフレームの一部および前記金属ベース板の一部が露出するように、前記半導体
素子、前記リードフレーム、前記絶縁層および前記金属ベース板を封止した封止材と、
前記金属ベース板の前記封止材から露出された露出部が挿入される開口部を有する支持枠
体と、
金属板が折り曲げられて形成された複数のフィン部を有し、前記金属ベース板の前記露出
部の前記開口部に挿入された部分および前記支持枠体に溶接された放熱部材と
を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記放熱部材は、前記フィン部同士の間にそれぞれ平坦部を有し、前記平坦部がそれぞれ
前記金属ベース板および前記支持枠体のいずれかと接合されてい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】
前記放熱部材の前記平坦部の厚みは、前記金属ベース板および前記支持枠体の厚みよりも
小さいことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記支持枠体は、前記封止材に接触せずに設けられていることを特徴とする請求項１から
３のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記金属ベース板は、前記絶縁層が設けられた面と前記放熱部材に接合する面との間に、
前記絶縁層が設けられた面の方が前記放熱部材に接合する面よりも広くなるように、前記
絶縁層が設けられた面に平行な少なくとも２つの段差面を有することを特徴とする請求項
１から４のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記支持枠体は複数の前記開口部を有し、前記金属ベース板は、前記金属ベース板の前記
封止材から露出された前記露出部が複数の前記開口部にそれぞれ挿入されていることを特
徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記金属ベース板および前記支持枠体の前記開口部は、前記放熱部材側から前記絶縁層側
に広がったテーパー形状であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の
半導体装置。
【請求項８】
前記支持枠体は、導電性の部材であり、接地された外部筐体に設けられることを特徴とす
る請求項１から７のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記金属ベース板と前記放熱部材とは同種の金属であることを特徴とする請求項１から７
のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１０】
リードフレームに半導体素子を接合する工程と、
成形金型に、金属ベース板、絶縁層および前記半導体素子が接合された前記リードフレー
ムを積層し、前記リードフレームの一部および前記金属ベース板の一部が露出するように
前記半導体素子、前記リードフレーム、前記絶縁層および前記金属ベース板を封止する封
止材を形成する工程と、
前記金属ベース板の前記封止材から露出された露出部を支持枠体の開口部に挿入し、前記
露出部の前記開口部に挿入された部分および前記支持枠体に、金属板が折り曲げられて形
成された複数のフィン部を有する放熱部材を溶接する工程と
を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
請求項１から９のいずれか一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
を備えることを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のフィンを有する放熱部材が取り付けられた半導体装置、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】
従来から、複数の半導体素子を回路基板やリードフレーム等に実装し、全体を封止材で一体化した半導体装置が知られている。一般にこのような半導体装置は、半導体素子からの発熱が大きいため、例えばヒートスプレッダなどの放熱のための金属ベース板を回路基板やリードフレームが載置された絶縁層に接触して設けている。さらに半導体装置の金属ベース板の表面には、複数のフィンが配列された放熱部材が取り付けられている。金属ベース板と放熱部材との間には、接触熱抵抗を下げるためにグリースが塗布されるが、グリースの熱伝導率が金属と比較して非常に小さいことや、ヒートサイクルによりグリースが外部へ流出するポンピングアウトと呼ばれる現象が発生することから、放熱性が悪化する恐れがある。そのため、グリースを用いずに放熱部材を接合する手法が検討されている。【０００３】
例えば、特許文献１では、金属製のベース板の電力半導体素子が載置される面と反対側の面に溝加工が施され、放熱部材は、金属ベース板の溝にかしめにより固着されている。このように、かしめによって放熱部材を金属ベース板に固着する場合、金属ベース板に溝などの複雑な加工が必要となる。【０００４】
また特許文献２では、金属板を折り曲げて形成されたフォールディングフィンと、フォールディングフィンと接合されているベースプレートとを有するヒートシンクを備え、ヒートシンクを絶縁基板の導体層に接合金属を用いて接合している。フォールディングフィンを用いることで、同じ体積の通常のフィンと比べて熱容量が小さくなり、半田接合などの熱的な接合が容易となり、溝などの複雑な加工が不要となる。【０００５】
半導体素子からの熱を効率的に放熱させるには、フィンの数を増やし、サイズが大きい放熱部材を金属ベース板に取り付ける必要がある。一方、トランスファーモールド法などによって封止材が成形される半導体装置の場合、金属ベース板は、接合信頼性のために半導体素子などと一体的に封止されることが好ましく、金属ベース板の大きさは、成形時の金型の大きさに制約される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−４９１６７号公報
【特許文献２】特開２０１６−１７４０３４号公報
【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、金属板を折り曲げて複数のフィンが形成された放熱部材を用いる場合、放熱部材の接合される面方向の幅が金属ベース板の幅よりも大きいと、折り曲げ形状を維持できず、放熱性が悪化するという課題があった。【０００８】
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あり、金属板を折り曲げて複数のフィンが形成された放熱部材を用いて放熱性を確保する半導体装置、半導体装置の製造方法および電力変換装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る半導体装置は、半導体素子と、半導体素子が接合されたリードフレームと
、リードフレームが設けられた絶縁層と、絶縁層のリードフレームが設けられた面の反対
面に設けられた金属ベース板と、リードフレームの一部および金属ベース板の一部が露出
するように、半導体素子、リードフレーム、絶縁層および金属ベース板を封止した封止材
と、金属ベース板の封止材から露出された露出部が挿入される開口部を有する支持枠体と
、金属板が折り曲げられて形成された複数のフィン部を有し、金属ベース板の露出部の開
口部に挿入された部分および支持枠体に溶接された放熱部材とを備える。
【００１０】
また本発明に係る半導体装置の製造方法は、リードフレームに半導体素子を接合する工
程と、成形金型に、金属ベース板、絶縁層および半導体素子が接合されたリードフレーム
を積層し、リードフレームの一部および金属ベース板の一部が露出するように半導体素子
、リードフレーム、絶縁層および金属ベース板を封止する封止材を形成する工程と、金属
ベース板の封止材から露出された露出部を支持枠体の開口部に挿入し、露出部の開口部に
挿入された部分および支持枠体に、金属板が折り曲げられて形成された複数のフィン部を
有する放熱部材を溶接する工程とを備える。
【００１１】
また本発明に係る電力変換装置は、上述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、主変換回路を制御する制御信号を主変換回路に出力する制御回路とを備える。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る半導体装置および電力変換装置によれば、金属ベース板の封止材から露出された露出部を支持枠体の開口部に挿入し、金属ベース板および支持枠体の両方に、金属板を折り曲げて複数のフィン部が形成された放熱部材を接合することで、放熱部材の各フィン部の折り曲げ形状を維持し、放熱性を確保できる。また、本発明に係る半導体装置の製造方法によれば、簡単な工程により半導体装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の概略構成を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る半導体装置を分解した概略構成を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の放熱部材の一部を示す概略構成図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の概略構成を示す斜視図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る半導体装置を外部筐体に締結した概略構成図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造工程を示すフローチャートである。
【図７】本発明の実施の形態２に係る半導体装置の概略構成を示す断面図である。
【図８】本発明の実施の形態２に係る半導体装置の一部を拡大した概略構成図である。
【図９】本発明の実施の形態２に係る半導体装置の金属ベース板の概略構成を示す平面図である。
【図１０】本発明の実施の形態２に係る半導体装置の製造工程を説明するための模式図である。
【図１１】本発明の実施の形態３に係る半導体装置の支持枠体の概略構成を示す斜視図である。
【図１２】本発明の実施の形態３に係る半導体装置の金属ベース板の概略構成を示す平面図である。
【図１３】本発明の実施の形態４に係る半導体装置の概略構成を示す断面図である。
【図１４】本発明の実施の形態５に係る電力変換装置を適用した電力変換システムの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置の概略構成を示す断面図である。図２は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置を厚み方向に分解した概略構成を示す斜視図である。図では、半導体装置の厚み方向をＺ軸、半導体装置の幅方向をＹ軸、半導体装置の奥行方向をＸ軸で示すものとする。また以下の説明では、Ｚ軸の正の方向を上、負の方向を下として説明する。また、以下の説明で、同一、平行、垂直、直交の語句は、特に記載のない限り、略同一、略平行、略垂直、略直交を含むものとする。
【００１５】
図１に示すように、半導体装置１００は、半導体素子１、リードフレーム２、絶縁層３、金属ベース板４、封止材５、支持枠体６および放熱部材７を備える。放熱部材７は、金属ベース板４および支持枠体６の両方に接合されている。
【００１６】
半導体素子１は、半田などの接合層８を介してリードフレーム２に接合されている。リードフレーム２は、絶縁層３上に設けられ、配線回路を形成している。半導体素子１同士、リードフレーム２同士および半導体素子１とリードフレーム２とは互いに、アルミニウム線などのワイヤ９により電気的に接続されている。絶縁層３の半導体素子１が接合された側の面の反対面には、金属ベース板４が設けられている。
【００１７】
金属ベース板４は、金属製の基板であり、半導体素子１から絶縁層３を介して伝達された熱を拡散させる。金属ベース板４は、例えばアルミや銅などの熱伝導率の高い金属材料が用いられる。
【００１８】
半導体素子１、リードフレーム２、絶縁層３および金属ベース板４は、リードフレーム２の一部と、金属ベース板４の一部とが露出するように封止材５で封止されている。
【００１９】
支持枠体６は、中央部に金属ベース板４の下面の大きさに対応した開口部６１を有する。金属ベース板４は、封止材５から露出された露出部が支持枠体６の開口部６１に挿入されている。金属ベース板４の封止材５から露出された露出部のうち、開口部６１に挿入された部分には、放熱部材７が接合されている。また、支持枠体６の絶縁層３側の面の反対面は、放熱部材７に接合されている。ここで、金属ベース板４および支持枠体６のそれぞれ放熱部材７と接合された面は、接合信頼性のために互いに同一平面上に位置していることが好ましい。
【００２０】
支持枠体６には、例えば剛性の高い金属が用いられる。支持枠体６に剛性の高い金属を用いることで、耐震性が向上し、金属ベース板４と、放熱部材７および支持枠体６との接合信頼性を担保することができる。支持枠体６として、アルミ等の剛性の低い金属を用いる場合は、厚みを厚くすることで剛性を担保することができる。また支持枠体６は、剛性を向上させるため、異なる種類の金属を複数用いて形成されていることが好ましい。また、金属ベース板４および支持枠体６は、耐震性を向上させるため、互いにレーザー溶接やかしめ等により固定されていることが好ましい。
【００２１】
ここで、図１では、支持枠体６の開口部６１の面積と、金属ベース板４の絶縁層３が設けられた面の反対面とが互いに同様の大きさで嵌め合わされる例を示したが、支持枠体６と金属ベース板４との間には、空隙や半田などの接合材が介在していてもよい。また、図１では、支持枠体６は、一枚の板で構成され、開口部６１が中央部に設けられた穴である例を示したが、支持枠体６が複数枚の板で構成され、中央に開口部６１が設けられるように複数枚の板を配置したものであってもよい。
【００２２】
図３は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置の放熱部材の一部を拡大した概略構成図である。図３（ａ）は、放熱部材の面と面の間が重なった状態、図３（ｂ）は、放熱部材の面と面の間が広がった状態を示す。図３に示すように、放熱部材７は、例えば金属からなる１枚の薄板を複数回折り曲げて複数のフィン部７ａを形成している。各フィン部７ａは、折り曲げられて向かい合う面７１と、折り返されている端部７２とを有する。各フィン部７ａは、外力を加えると、バネのように伸び縮みし、図３（ａ）の向かい合う面７１が重ね合わせられた状態から、図３（ｂ）の向かい合う面７１の間が広がった状態に変形する。フィン部７ａの向かい合う面７１の間が広がると、放熱部材７と、金属ベース板４および支持枠体６との接触面積が低下し、熱伝達が効率よく行われない。そのため、図３（ａ）に示すように、フィン部７ａは、向かい合う面７１同士が、金属ベース板４の接合する面に対して垂直方向となるように重ね合わされて折り曲げられる。
【００２３】
放熱部材７は、隣り合う各フィン部７ａの間と、フィン部７ａの配列方向の両端部とに、それぞれ金属ベース板４および支持枠体６に平行な平坦部７ｂを有している。放熱部材７は、平坦部７ｂごとに、例えば、レーザー溶接などにより金属ベース板４および支持枠体６のいずれかに接合されている。
【００２４】
このように、金属板が折り曲げられて複数のフィン部７ａが形成された放熱部材７を用いることで、ベース板とフィンが鋳造により一体成型された放熱部材や、ベース板に複数のフィンがかしめ等により接合される放熱部材に比べて、軽量で熱容量を小さくでき、金属ベース板４および支持枠体６と、溶接などの熱的な接合が容易となる。ここで、放熱部材７は、金属ベース板４および支持枠体６と同種の金属であることが好ましい。これにより、溶接により接合する場合、一方が過剰に溶融されることなく接合することができる。
【００２５】
図４は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置の概略構成を示す斜視図である。図４は、図１の半導体装置を上下逆さまにし、放熱部材が設けられた側を上側とした図である。図４に示すように、放熱部材７と、金属ベース板４および支持枠体６とは、複数の接合点Ｐを有する。放熱部材７と、金属ベース板４および支持枠体６とは、例えば溶接により接合されることが好ましい。グリースなどの接合材を含まず、溶接により直接金属同士で接合されることで、接合材による熱抵抗の上昇を防ぐことができる。
【００２６】
ここで、金属ベース板４および支持枠体６と接合される放熱部材７の平坦部７ｂの厚みは、金属ベース板４および支持枠体６の厚みよりも薄いことが好ましい。例えばレーザー溶接により放熱部材７を金属ベース板４に接合する際、レーザーの照射時間や出力を上げて放熱部材７および金属ベース板４の溶融範囲を広げると、金属ベース板４に過剰な熱が付与されることで、絶縁層３の絶縁性が悪化する恐れがある。放熱部材７の厚みを金属ベース板４および支持枠体６の厚みより薄く形成することで、熱を過剰に付与することなく、溶接が可能となる。
【００２７】
放熱部材７は、フィン部７ａの数、全体のサイズが大きいほど放熱性が向上する。一方、金属ベース板４は、封止材５を形成する際に半導体素子１などと一体的に封止されるため、成形時に使用する金型によってその大きさが制約される。そのため、半導体装置１００を半導体素子１が接合された側から平面視したとき、放熱部材７の幅は、金属ベース板４の幅よりも大きい。このとき、金属ベース板４と放熱部材７のみを接合すると、放熱部材７が金属ベース板４からはみ出した箇所は、フィン部７ａの向かい合う面７１の間に空冷用の風が当てられて広がる可能性があり、接合強度の低下や放熱性の悪化が懸念される。ここで、幅とは、図１における半導体装置１００の幅方向（Ｙ軸方向）および奥行方向（Ｘ軸方向）のいずれかの方向の長さである。すなわち、放熱部材７は、放熱部材７のフィン部７ａの配列方向（Ｙ軸方向）および配列方向に直交する方向（Ｘ軸方向）の少なくともいずれかの幅が金属ベース板４の同方向の幅よりも大きくければよい。
【００２８】
本実施の形態では、支持枠体６の開口部６１に、金属ベース板４の露出部を挿入して固定し、金属ベース板４の開口部６１に挿入された露出部および支持枠体６の両方に放熱部材７を接合する。これにより、放熱部材７の折り曲げられた状態を維持し、接合強度の低下や放熱性の悪化を低減できる。
【００２９】
支持枠体６は、封止材５に直接接触せずに設けられていることが好ましい。図１の矢印Ｋは、リードフレーム２から金属ベース板４までの絶縁沿面距離を示している。導電性の支持枠体６が封止材５に接触している場合、封止材５の側面から突出したリードフレーム２から金属ベース板４までの絶縁沿面距離は、支持枠体６が金属ベース板４に導通するため、リードフレーム２から封止材５を介して支持枠体６までの間となる。支持枠体６を封止材５に直接接触せずに設けることにより、封止材５の側面から突出したリードフレーム２から金属ベース板４までの絶縁沿面距離を長くし、絶縁性を確保することができる。
【００３０】
図５は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置に外部筐体を締結した概略構成図である。図５に示すように、半導体装置１００は、接地された外部筐体１０に支持枠体６が取り付けられる。支持枠体６には、ネジ孔が設けられており、支持枠体６のネジ孔にネジ１１が締結されることによって半導体装置１００が外部筐体１０に固定される。金属ベース板４、支持枠体６、放熱部材７およびネジ１１は、例えば金属などの導電性の部材で形成されているため、支持枠体６を外部筐体１０にネジ止めすることで、支持枠体６、金属ベース板４および放熱部材７が互いに電気的に接続され、安定してアース電位を得ることができる。
【００３１】
次に、半導体装置１００の各部の詳細について説明する。
【００３２】
半導体素子１は、例えば、入力交流電力を直流電力に変換するコンバータ部に用いるダイオードや、直流電力を交流電力に変換するインバータ部に用いるバイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＧＴＯ（Ｇａｔｅ  Ｔｕｒｎ−Ｏｆｆ  ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）などである。
【００３３】
リードフレーム２は、例えば厚さ約０．６ｍｍの銅板や鋼板が所定の形状に打ち抜かれ配線回路を形成している。また、リードフレーム２は、図１に示すように、絶縁層３と離間するように屈折された段差部２ａを有し、段差部２ａと絶縁層３との間には封止材５が入り込んでいる。リードフレーム２の段差部２ａを形成することにより、絶縁層３と封止材５の界面に沿った絶縁破壊を抑制することができる。リードフレーム２の段差部２ａは、例えば、曲げ加工や半抜き加工を行うことによって形成される。リードフレーム２の段差部２ａの高さは、例えば０．１ｍｍ以上かつ、リードフレーム２の厚みの半分の０．３ｍｍ以下とする。０．１ｍｍ以上とすることで、絶縁層３とリードフレーム２との間に充填される封止材５内にボイドが発生するのを抑制できる。さらにリードフレーム２の厚みの半分の０．３ｍｍ以下とすることで強度を確保することができる。
【００３４】
絶縁層３は、放熱性の高い絶縁材料からなり、リードフレーム２と金属ベース板４とを絶縁する。半導体素子１から発生した熱は、絶縁層３を介して金属ベース板４に放熱される。絶縁層３は、例えばエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂が用いられ、その内部にはシリカやアルミナ、窒化ホウ素などの高伝導性フィラーが混入されている。
【００３５】
封止材５は、例えば、エポキシなどの熱硬化性樹脂により形成されている。封止材５は、例えば、金型を用いてトランスファーモールド成型により高温下で樹脂成形される。また射出成形、コンプレッション成型などを用いてもよい。
【００３６】
次に、本発明の実施の形態１に係る半導体装置１００の製造方法について説明する。図６は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法の工程を示すフローチャートである。
【００３７】
半導体素子１の接合工程では、リードフレーム２上の所定の位置に半田などの接合層８を塗布し、この接合層８上に半導体素子１をリフロー工程などで接合する。すなわち、塗布した半田を高温下で溶融して半導体素子１とリードフレーム２を電気的に接続する。次に、半導体素子１とリードフレーム２をワイヤ９により電気的に接続する。ここでは、ワイヤ９を用いたが、電気的に接続できるものであればよい。
【００３８】
次に、封止工程では、半導体素子１、リードフレーム２、絶縁層３および金属ベース板４を、例えばトランスファーモールド法によって樹脂封止する。成形金型に金属ベース板４を設け、金属ベース板４上に、半硬化の絶縁層３を積層する。さらに、絶縁層３の上に、半導体素子１が接合されたリードフレーム２を設置する。封止材５をトランスファーモールド成形機により流し込む。これにより、金属ベース板４上に形成された部材が封止材５により封止される。封止材５は、半導体素子１、リードフレーム２の一部、絶縁層３および金属ベース板４の一部を覆うことになる。
【００３９】
封止工程では、成形金型内での樹脂充填圧と樹脂温度とにより、樹脂を硬化して封止材５を形成すると同時に、リードフレーム２を介して半硬化の絶縁層３を金属ベース板４に押しつけながら硬化させている。これにより、絶縁層３の絶縁性と放熱性を向上させている。
【００４０】
また封止工程では、封止材５を構成する樹脂の硬化時間と、半硬化の絶縁層３の硬化時間とを合わせることが好ましい。封止材５を構成する樹脂の硬化時間が半硬化の絶縁層３の硬化時間より長くなると、半硬化の絶縁層３が先に硬化して、リードフレーム２と絶縁層３との密着が劣化し、半導体装置１００の放熱性や絶縁性が悪化する恐れがある。
【００４１】
封止工程のあと、成形金型から封止材５が硬化した半導体装置１００を取り出し、各部材に必要なめっき処理を実施する。例えば、リードフレーム２の封止材５の側面から露出した部分の表面にめっきを施し、端子を形成する。すでに、めっきがされている場合、本工程を省略してもよい。
【００４２】
次に、放熱部材７を接合する接合工程を実施する。金属ベース板４の封止材５から露出した露出部を支持枠体６の開口部６１に挿入して固定する。次に、放熱部材７を、金属ベース板４の露出部の開口部６１に挿入された部分および支持枠体６に接合する。ここで、接合方法は、例えば溶接であり、レーザーを照射することにより、局所的に溶融することで接合する。放熱部材７と、金属ベース板４および支持枠体６とは、それぞれグリース、接着剤、半田などの接合材を含まず、溶接により直接金属同士で接合されることで、接合材による熱抵抗の上昇を防ぐことができる。
【００４３】
このとき、放熱部材７が金属ベース板４から浮いていたり隙間があいていたりすると放熱性の悪化につながるため、隙間なく貼りつくように、放熱部材７の平坦部７ｂに、金属ベース板４との接合点Ｐを少なくとも１か所以上設ける。また、支持枠体６と金属ベース板４とは、互いに溶接、かしめ等により固定することが好ましい。これにより、耐震性を向上させることができる。
【００４４】
以上の工程を経ることで、図１に示した半導体装置１００を得ることができる。ここで、上述の工程は、一部を前後または省略してもよい。そのあと、半導体装置１００を外部筐体１０に取り付ける。半導体装置１００は、支持枠体６に設けられたネジ孔に、ネジ１１を締結することで外部筐体１０に固定される。
【００４５】
上述のとおり、本実施の形態に係る半導体装置１００は、半導体素子１、リードフレーム２、絶縁層３、および金属ベース板４が封止材５によって封止され、金属ベース板４の封止材５から露出した露出部が挿入される開口部６１を有する支持枠体６と、金属板が折り曲げられて複数のフィン部７ａを形成され、金属ベース板４の露出部のうち、開口部６１に挿入された部分および支持枠体６が接合された放熱部材７とを備える。これにより、金属ベース板４よりも大きい幅の放熱部材７を用いた場合でも、各フィン部７ａが広がることなく、折り曲げ形状を維持し、放熱性を確保できる。また、本実施の形態に係る半導体装置１００の製造方法によれば、簡単な工程により半導体装置１００を得ることができる。
【００４６】
実施の形態２．
以下では、実施の形態１と同様である点の説明を省略し、異なる点を中心に説明する。図７は、本発明の実施の形態２に係る半導体装置の概略構成図である。半導体装置１０１は、半導体素子１、リードフレーム２、絶縁層３、金属ベース板４、封止材５、支持枠体６および放熱部材７を備え、放熱部材７は、金属板が折り曲げられて複数のフィン部７ａを形成し、金属ベース板４および支持枠体６の両方に接合されている。
【００４７】
図８は、本発明の実施の形態２に係る半導体装置の一部を拡大した概略構成図である。図８は、図７の点線Ａで囲われた部分を拡大した図である。また、図９は、本発明の実施の形態２に係る半導体装置の金属ベース板の概略構成を示す平面図である。図９は、金属ベース板を放熱部材が取り付けられる側から平面視した図である。図８、図９に示すように、金属ベース板４の外周部は、絶縁層３が設けられた面４ａから放熱部材７に接合する面４ｂにかけて、絶縁層３が設けられた面４ａの方が放熱部材７に接合する面４ｂよりも広くなるように段差が形成されている。金属ベース板４は、絶縁層３が設けられた面４ａと放熱部材７に接合する面４ｂとの間に、これらの面に平行な２つの段差面を有する。ここで、２つの段差面のうち、厚み方向において絶縁層３が設けられた面４ａに近い方から順に、第１の段差面４ｃ、第２の段差面４ｄとする。
【００４８】
図１０は、本発明の実施の形態２に係る半導体装置の製造方法を説明するための模式図である。図１０に示すように、第１の段差面４ｃは、トランスファーモールド法などによって封止材５が成形される際に、成形金型１２が接して設けられる面である。このように、第１の段差面４ｃは、成形金型１２に接して設けられることにより、金属ベース板４の放熱部材７に接合する面４ｂに封止材５が流れ込むのを防止している。ここで、図１０では上金型を省略し、下金型のみを示した例を示したが、上金型が第１の段差面４ｃに接するように設けられてもよい。
【００４９】
第２の段差面４ｄは、支持枠体６の開口部６１よりも外側に位置し、封止材５に接しておらず、支持枠体６の放熱部材７に接合する面６ｂの反対面６ａに接触して金属ベース板４を固定している。このように、金属ベース板４は、第１の段差面４ｃ、第２の段差面４ｄを有することで、支持枠体６と封止材５とが物理的に接触するのを防いでいる。ここで、段差面が２つである例を示したが、少なくとも２つ以上であればよい。
【００５０】
図８の矢印Ｋは、リードフレーム２から金属ベース板４までの絶縁沿面距離を示している。導電性の支持枠体６が封止材５に接触している場合、封止材５の側面から突出したリードフレーム２から金属ベース板４までの絶縁沿面距離は、支持枠体６が金属ベース板４に導通することで短くなり、絶縁性の低下やパッケージサイズの拡大に繋がる恐れがある。本実施の形態では、金属ベース板４は、第１の段差面４ｃ、第２の段差面４ｄを有することで、支持枠体６と封止材５とを物理的に離間させることにより、封止材５の側面から突出したリードフレーム２から金属ベース板４までの絶縁沿面距離を長くし、絶縁性を確保することができる。
【００５１】
金属ベース板４の第２の段差面４ｄから放熱部材７に接合する面４ｂまでの厚みは、支持枠体６の厚みと同程度になるように設計される。すなわち、金属ベース板４の放熱部材７に接合する面４ｂと、支持枠体６の放熱部材７が接合される面６ｂとが同一平面となるように設計されることにより、放熱部材７との接合信頼性を確保することができる。
【００５２】
ここで、第１の段差面４ｃは、封止材５が流れこむのを防ぐために金属ベース板４の全外周にある必要があるが、第２の段差面４ｄは、金属ベース板４を支持枠体６で支持される程度にあればよく、金属ベース板４の４つ角のみに形成してもよい。
【００５３】
上述のとおり、本実施の形態では、折り曲げられてフィン部７ａが形成され、金属ベース板４よりも大きい幅の放熱部材７を用いた場合でも、金属ベース板４を開口部６１が形成された支持枠体６に挿入し、金属ベース板４および支持枠体６の両方に放熱部材７を接合することで、各フィン部７ａの折り曲げ形状を維持し、放熱性を確保できる。さらに本実施の形態では、金属ベース板４が２つの段差面４ｃ、４ｄを備える。これにより、成形時に封止材５が金属ベース板４の放熱部材７に接合する面４ｂ側に回り込むのを防ぎながら、封止材５と直接接触しないように支持枠体６を設けることができ、絶縁性を確保させることができる。
【００５４】
実施の形態３．
以下では、実施の形態１、２と同様である点の説明を省略し、異なる点を中心に説明する。半導体装置１０２は、半導体素子１、リードフレーム２、絶縁層３、金属ベース板４、封止材５、支持枠体６および放熱部材７を備え、放熱部材７は、折り曲げられて複数のフィン部７ａを形成し、金属ベース板４および支持枠体６の両方に接合されている。
【００５５】
図１１は、本発明の実施の形態３に係る半導体装置の支持枠体を示す概略構成図である。図１１に示すように、支持枠体６は、例えば４つの開口部６１が設けられている。図１２は、本発明の実施の形態３に係る半導体装置の金属ベース板の概略構成を示す平面図である。図１２は、金属ベース板４を放熱部材７が取り付けられる側から平面視した図である。図１２に示すように、金属ベース板４の絶縁層３が設けられた面４ａの反対面は、放熱部材７側に突出した複数の凸部４１を有する。複数の凸部４１は、支持枠体６の開口部６１に挿入され、放熱部材７と接合される。凸部４１の厚みは、支持枠体６の厚みと同程度に形成され、凸部４１の放熱部材７に接合する面４ｅと、支持枠体６の放熱部材７に接合する面６ｂとは、同一平面上に設けられる。放熱部材７は、金属ベース板４および支持枠体６の両方にレーザー溶接などにより接合される。
【００５６】
金属ベース板４の絶縁層３が設けられた面４ａの反対面のうち、凸部４１の周りに位置する面４ｆは、支持枠体６の放熱部材７に接合する面６ｂの反対面６ａに接触して設けられる。このように、支持枠体６に開口部６１を複数設けることで、金属ベース板４と支持枠体６との接触面積を増やし、耐震性を向上させることができる。
【００５７】
また、金属ベース板４は、外周部に、厚み方向において絶縁層３側の面の方が放熱部材７側の面よりも広くなるように少なくとも一つの段差面４ｃが形成されていると好ましい。段差面４ｃは、封止材５を成形する際に、成形金型１２と接して設けられる。これにより、支持枠体６が封止材５に直接接触しないように設けられることができる。
【００５８】
ここで、支持枠体６の開口部６１の数が４つであり、それに応じて金属ベース板４の放熱部材７と接する面４ｂが４つ設けられた例を示したが、開口部６１の個数は４つに限らず、２つ、３つであってもよいし、４つ以上であってもよい。
【００５９】
上述のとおり、本実施の形態では、金属板が折り曲げられて複数のフィン部７ａが形成され、金属ベース板４よりも大きい幅の放熱部材７を用いた場合でも、金属ベース板４を開口部６１が形成された支持枠体６に挿入し、金属ベース板４および支持枠体６の両方に放熱部材７を接合することで、折り曲げ形状を維持し、放熱性を確保できる。さらに本実施の形態では、支持枠体６には複数の開口部６１が設けられ、金属ベース板４は封止材５から露出された露出部のうち、支持枠体６の４つの開口部６１にそれぞれ挿入される凸部４１を有する。これにより、金属ベース板４と支持枠体６との接触面積を増やし、耐震性を向上させることができる。
【００６０】
実施の形態４．
図１３は、本発明の実施の形態４に係る半導体装置の概略構成を示す断面図である。以下では、実施の形態１−３と同様である点の説明を省略し、異なる点を中心に説明する。実施の形態２では、金属ベース板４に第２の段差面４ｄを設けた例を示したが、本実施の形態では、金属ベース板４と、支持枠体６の開口部６１とをテーパー形状とすることで、金属ベース板４と支持枠体６とを固定している。
【００６１】
半導体装置１０３は、半導体素子１、リードフレーム２、絶縁層３、金属ベース板４、封止材５、支持枠体６および放熱部材７を備え、放熱部材７は、金属板が折り曲げられて複数のフィン部７ａを有し、金属ベース板４および支持枠体６の両方に接合されている。
【００６２】
図１３に示すように、支持枠体６の開口部６１は、絶縁層３側の開口幅が広くなるように傾斜したテーパー形状である。また、金属ベース板４は、絶縁層３が設けられた面４ａの方が放熱部材７に接合する面４ｂよりも広くなるテーパー形状である。支持枠体６の開口部６１に金属ベース板４を挿入する際、支持枠体６は、封止材５に物理的に離間された状態でテーパーの途中で金属ベース板４に固定される。
【００６３】
上述のとおり、本実施の形態では、金属板が折り曲げられて複数のフィン部７ａが形成され、金属ベース板４よりも大きい幅の放熱部材７を用いた場合でも、金属ベース板４を開口部６１が形成された支持枠体６に挿入し、金属ベース板４および支持枠体６の両方に放熱部材７を接合することで、各フィン部７ａの折り曲げ形状を維持し、放熱性を確保できる。さらに本実施の形態では、金属ベース板４の外側面と、支持枠体６の開口部６１の内側面とをテーパー形状とすることで、支持枠体６と封止材５とを離間して固定することができ、リードフレーム２から金属ベース板４までの絶縁沿面距離を確保することができる。
【００６４】
なお、実施の形態１から４では、放熱部材７が１枚の金属板で形成された例を示したが、例えば２枚、３枚と複数用いられていてもよい。複数の金属板を用いることで剛性を向上させることができる。
【００６５】
実施の形態５．
本実施の形態は、上述した実施の形態１から４に係る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５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。
【００６６】
図１４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。
【００６７】
図１４に示す電力変換システムは、電源２００、電力変換装置３００、負荷４００から構成される。電源２００は、直流電源であり、電力変換装置３００に直流電力を供給する。電源２００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２００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。
【００６８】
電力変換装置３００は、電源２００と負荷４００の間に接続された三相のインバータであり、電源２００から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷４００に交流電力を供給する。電力変換装置３００は、図１４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３０１と、主変換回路３０１を制御する制御信号を主変換回路３０１に出力する制御回路３０３とを備えている。
【００６９】
負荷４００は、電力変換装置３００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４００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。
【００７０】
以下、電力変換装置３００の詳細を説明する。主変換回路３０１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２００から供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷４００に供給する。主変換回路３０１の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態に係る主変換回路３０１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３０１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は、上述した実施の形態１から４のいずれかに相当する半導体装置３０２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３０１の３つの出力端子は、負荷４００に接続される。
【００７１】
また、主変換回路３０１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３０２に内蔵されていてもよいし、半導体装置３０２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３０１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３０１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３０３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。
【００７２】
制御回路３０３は、負荷４００に所望の電力が供給されるよう主変換回路３０１のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷４００に供給すべき電力に基づいて主変換回路３０１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３０１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３０１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。
【００７３】
本実施の形態に係る電力変換装置では、主変換回路３０１のスイッチング素子と還流ダイオードを構成するのに実施の形態１から４に係る半導体装置１００−１０３を適用するため、放熱性を確保できる。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
なお、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で、実施の形態１から５に開示されている複数の構成要素の適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００７７】
１  半導体素子、２  リードフレーム、３  絶縁層、４  金属ベース板、５  封止材、６  支持枠体、７  放熱部材、８  接合層、９  ワイヤ、１０  外部筐体、１１  ネジ、１２  成形金型、１００，１０１，１０２，１０３，３０２  半導体装置、電源  ２００、電力変換装置  ３００、主変換回路  ３０１、制御回路３０３、負荷４００。
【要約】
金属板を折り曲げて複数のフィンが形成された放熱部材を用いて放熱性を確保する半導体装置、半導体装置の製造方法および電力変換装置を得る。
半導体素子（１）はリードフレーム（２）に接合されている。リードフレーム（２）は、絶縁層（３）に設けられ、絶縁層（３）の半導体素子（１）が接合された側の面の反対面には、金属ベース板（４）が設けられている。半導体素子（１）、リードフレーム（２）、絶縁層（３）および金属ベース板（４）は、リードフレーム（２）の一部および金属ベース板（４）の一部の面が露出するように封止材（５）で封止されている。金属ベース板（４）の封止材（５）から露出された部分は、支持枠体（６）の開口部（６１）に挿入されている。放熱部材（７）は、金属ベース板（４）および支持枠体（６）に接合されている。【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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【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】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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