(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する第１主面および第２主面を有し、銅およびアルミニウムのいずれかから形成されたヒートシンクと、
前記ヒートシンクの前記第１主面に絶縁層を介在させて配置された回路パターンと、
前記回路パターンに電気的に接続された導体部と、
前記回路パターンに搭載され、前記回路パターンに電気的に接続された半導体素子と、
前記ヒートシンクの前記第１主面に形成され、前記半導体素子および前記回路パターンを封止する封止部材と
を備え、
前記導体部は、前記封止部材における、前記ヒートシンクが位置している側とは反対側に位置する表面から露出し、
前記封止部材は、前記ヒートシンクの前記第１主面の外周に沿って全周にわたり位置する外周領域よりも内側に位置する内側領域を覆うように形成され、
前記ヒートシンクの前記第１主面における前記外周領域には、前記封止部材よりも外側に位置し、前記封止部材の外縁に隣接する態様で第１凹部が形成された、半導体装置。
【請求項２】
前記回路パターンはリードフレームを含み、
前記導体部は、前記リードフレームに繋がっているリード端子を含む、請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記回路パターンは金属板を含み、
前記導体部は、前記金属板に接合された金属導体を含む、請求項１記載の半導体装置。
【請求項４】
前記ヒートシンクの前記第１主面における前記内側領域には、第２凹部が形成され、
前記第２凹部には、前記封止部材の部分が充填された、請求項１記載の半導体装置。
【請求項５】
前記ヒートシンクの前記第２主面の側には、放熱フィンが形成された、請求項１記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第１凹部は、前記封止部材に沿って連続的に形成された、請求項１記載の半導体装置。
【請求項７】
対向する第１主面および第２主面を有し、銅およびアルミニウムのいずれかから形成されたヒートシンクを用意する工程と、
回路パターンを用意する工程と、
前記回路パターンに半導体素子を搭載し、前記半導体素子と前記回路パターンとを電気的に接続する工程と、
前記回路パターンに対して、前記ヒートシンクが配置されることになる側とは反対側に向けて、前記回路パターンと電気的に接続された導体部を配置する工程と、
前記ヒートシンクの前記第１主面に絶縁膜を介在させて、前記半導体素子が電気的に接続された前記回路パターンを搭載する工程と、
下金型、ならびに、前記半導体素子と前記回路パターンとを封止する封止部材が充填されるキャビティおよび前記下金型に向かって突出した突出部が形成された上金型を用意する工程と、
前記回路パターンを搭載した前記ヒートシンクを前記下金型に配置する工程と、
前記キャビティ内に前記半導体素子および前記回路パターンを収容する態様で、前記下金型と前記上金型とによって前記ヒートシンクを挟み込む工程と、
前記キャビティ内に封止部材を充填することによって、前記半導体素子および前記回路パターンを封止する工程と、
前記下金型および前記上金型を取り外し、前記封止部材における、前記ヒートシンクが位置する側とは反対側に位置する表面から前記導体部を露出させる工程と
を備え、
前記上金型と前記下金型とによって前記ヒートシンクを挟み込む工程では、
前記ヒートシンクの外周に沿って全周にわたる部分が挟み込まれ、
前記ヒートシンクの前記第１主面の部分には、前記封止部材よりも外側に位置し、前記封止部材の外縁に隣接する態様で、前記突出部に対応する第１凹部が形成される、半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記下金型および前記上金型を取り外した後、前記ヒートシンクにおける前記第２主面の側に、放熱フィンを設置する工程を備えた、請求項７記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記下金型を用意する工程では、前記下金型として、前記ヒートシンクの前記第２主面の全面に接触する載置部が形成されている下金型が用意される、請求項８記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記回路パターンを用意する工程では、リード端子となる部分を含むリードフレームが用意され、
前記導体部を配置する工程では、前記リード端子となる部分が、前記導体部として配置される、請求項７記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記回路パターンを用意する工程では、金属板がパターニングされ、
前記導体部を配置する工程では、金属導体が、前記導体部として前記金属板に接合される、請求項７記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記半導体素子および前記回路パターンを封止する工程では、前記上金型と前記金属導体との間に耐熱性フィルムを介在させた状態で、前記キャビティ内に前記封止部材が充填される、請求項１１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
請求項１〜６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、半導体装置およびその製造方法ならびに電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置には、発熱部品であるパワー半導体素子が実装された半導体装置がある。この種の半導体装置では、駆動の際にパワー半導体素子からの発熱を伴う。このため、半導体装置では、発生した熱を効率的に放熱させるために、回路パターンを備えた比較的厚い金属またはセラミックス基板が使用されている。【０００３】
また、放熱面積をさらに広げて放熱性を高めるために、たとえば、特許文献１および特許文献２では、パワー半導体素子を樹脂によって封止したパワーモジュールのサイズよりも大きいサイズを有するヒートシンクを設置した半導体装置が提案されている。【０００４】
特許文献１に提案されているパワーモジュールの冷却構造では、パワー半導体素子を樹脂によって封止したパワーモジュールとヒートシンクとしての放熱器との間に、伝熱グリース等の伝熱部材を介在させている。【０００５】
特許文献２に提案されている半導体装置では、パワー半導体素子を樹脂によって封止した半導体モジュールとヒートシンクとしての冷却部とが、接合用半田によって接合されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１３−１６６０６号公報
【特許文献２】特開２０１０−１１４２５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
パワーモジュールのサイズよりも大きいサイズを有するヒートシンクを設置した従来の半導体装置では、リードフレームに繋がるリード端子が、パワー半導体素子を封止した樹脂の側面から突出するために、トランスファーモールド用の成型金型によって、ヒートシンクとパワー半導体素子等を一体的に封止することが困難である。【０００８】
このため、パワー半導体素子を樹脂によって封止した後、パワー半導体素子を封止した樹脂に、伝熱グリース等の伝熱部材または接合半田を介在させてヒートシンクが取り付けられることになる。しかしながら、伝熱グリース等の伝熱部材の熱抵抗または接合半田の熱抵抗が、さらなる放熱特性の向上を妨げる要因の一つになっている。【０００９】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、一の目的は、放熱特性のさらなる向上が図られる半導体装置を提供することであり、他の目的は、そのような半導体装置の製造方法を提供することであり、さらに他の目的は、そのような半導体装置を適用した電力変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る半導体装置は、ヒートシンクと回路パターンと導体部と半導体素子と封止部材とを備えている。ヒートシンクは、対向する第１主面および第２主面を有し、銅およびアルミニウムのいずれかから形成されている。回路パターンは、ヒートシンクの第１主面に絶縁層を介在させて配置されている。導体部は、回路パターンに電気的に接続されている。半導体素子は、回路パターンに搭載され、回路パターンに電気的に接続されている。封止部材は、ヒートシンクの第１主面に形成され、半導体素子および回路パターンを封止する。導体部は、封止部材における、ヒートシンクが位置している側とは反対側に位置する表面から露出している。封止部材は、ヒートシンクの第１主面の外周に沿って全周にわたり位置する外周領域よりも内側に位置する内側領域を覆うように形成されている。ヒートシンクの第１主面における外周領域には、封止部材よりも外側に位置し、封止部材の外縁に隣接する態様で第１凹部が形成されている。
【００１１】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、以下の工程を備えている。対向する第１主面および第２主面を有し、銅およびアルミニウムのいずれかから形成されたヒートシンクを用意する。回路パターンを用意する。回路パターンに半導体素子を搭載し、半導体素子と回路パターンとを電気的に接続する。回路パターンに対して、ヒートシンクが配置されることになる側とは反対側に向けて、回路パターンと電気的に接続された導体部を配置する。ヒートシンクの第１主面に絶縁膜を介在させて、半導体素子が電気的に接続された回路パターンを搭載する。下金型、ならびに、半導体素子と回路パターンとを封止する封止部材が充填されるキャビティおよび下金型に向かって突出した突出部が形成された上金型を用意する。回路パターンを搭載したヒートシンクを下金型に配置する。キャビティ内に半導体素子および回路パターンを収容する態様で、下金型と上金型とによってヒートシンクを挟み込む。キャビティ内に封止部材を充填することによって、半導体素子および回路パターンを封止する。下金型および上金型を取り外し、封止部材における、ヒートシンクが位置する側とは反対側に位置する表面から導体部を露出させる。上金型と下金型とによってヒートシンクを挟み込む工程では、ヒートシンクの外周に沿って全周にわたる部分が挟み込まれる。ヒートシンクの第１主面の部分には、封止部材よりも外側に位置し、封止部材の外縁に隣接する態様で、突出部に対応する第１凹部が形成される。
【００１２】
本発明に係る電力変換装置は、上記半導体装置を有し、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ている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る半導体装置によれば、導体部は、封止部材における、ヒートシンクが位置している側とは反対側に位置する表面から露出している。封止部材は、ヒートシンクの第１主面の外周に沿って全周にわたり位置する外周領域よりも内側に位置する内側領域を覆うように形成されている。これにより、半導体素子において発生した熱はヒートシンクにより効率的に伝導する。その結果、伝導した熱を効率的に放熱させることができ、放熱特性を向上させることができる。【００１４】
本発明に係る半導体装置の製造方法によれば、上金型と下金型とによってヒートシンクを挟み込む工程では、ヒートシンクの外周に沿って全周にわたる部分が挟み込まれ、キャビティ内に封止樹脂が充填される。これにより、放熱特性が向上する半導体装置を製造することができる。【００１５】
本発明に係る電力変換装置によれば、上記半導体装置を適用することで、放熱特性が高く、絶縁性の高い電力変換装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の上面図である。
【図２】同実施の形態において、図１に示す断面線ＩＩ−ＩＩにおける断面図である。
【図３】同実施の形態において、半導体装置の部分拡大断面図である。
【図４】同実施の形態において、半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図５】同実施の形態において、図４に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。
【図６】同実施の形態において、図５に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。
【図７】同実施の形態において、図６に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。
【図８】同実施の形態において、図７に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。
【図９】同実施の形態において、図８に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。
【図１０】同実施の形態において、図９に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。
【図１１】同実施の形態において、図１０に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。
【図１２】同実施の形態において、半導体装置の使用態様の一例を示す断面図である。
【図１３】同実施の形態において、一変形例に係る半導体装置の部分拡大断面図である。
【図１４】同実施の形態において、他の変形例に係る半導体装置のリードフレームを示す部分拡大断面図である。
【図１５】同実施の形態において、さらに他の変形例に係る半導体装置のリードフレームを示す部分拡大断面図である。
【図１６】本発明の実施の形態２に係る半導体装置の断面図である。
【図１７】同実施の形態において、半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図１８】同実施の形態において、図１７に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。
【図１９】同実施の形態において、図１８に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。
【図２０】同実施の形態において、図１９に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。
【図２１】同実施の形態において、図２０に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。
【図２２】同実施の形態において、図２１に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。
【図２３】同実施の形態において、半導体装置の製造方法の変形例の一工程を断面図である。
【図２４】同実施の形態において、図２３に示す工程の後に行われる工程を断面図である。
【図２５】本発明の実施の形態３に係る半導体装置の一例を示す断面図である。
【図２６】同実施の形態において、半導体装置の他の例を示す断面図である。
【図２７】同実施の形態において、半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図２８】本発明の実施の形態４に係る電力変換装置のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
実施の形態１．
実施の形態１に係る半導体装置について説明する。図１および図２に示すように、半導体装置１は、ヒートシンク３、絶縁層５、リードフレーム７、パワー半導体素子９、封止樹脂１３およびフィン２３を備えている。
【００１８】
ヒートシンク３は、対向する第１主面３ａおよび第２主面３ｂを有する。ヒートシンク３の第１主面３ａに、絶縁層５を介在させて回路パターンとしてのリードフレーム７が配置されている。リードフレーム７は、リード端子７ａを含む。リードフレーム７に半導体素子としてのパワー半導体素子９が搭載されている。パワー半導体素子９は、ボンディングワイヤ１１によってリードフレーム７に電気的に接続されている。
【００１９】
封止樹脂は１３は、リードフレーム７およびパワー半導体素子９等を封止する、たとえば、エポキシ系樹脂からなるモールド樹脂であり、半導体装置１の外形をなしている。封止樹脂１３は、ヒートシンク３の第１主面３ａ側を覆っている。ヒートシンク３の第２主面３ｂ側には封止樹脂１３は形成されていない。
【００２０】
封止樹脂１３における、ヒートシンク３が位置する側とは反対側に位置する表面から、リード端子７ａが突出している。リード端子７ａは、導体部としてリードフレーム７に繋がっている。ヒートシンク３の第２主面３ｂには、複数のフィン２３が一体的に配置されている。
【００２１】
半導体装置１を構成する部材について、具体的に説明する。ヒートシンク３は、第１主面３ａの上に絶縁層５を配置することによって、金属板としての機能を備えている。また、ヒートシンク３は、第２主面３ｂにフィン２３が配置されていることで、十分な放熱性を有している。
【００２２】
ヒートシンク３は、たとえば、アルミニウムまたは銅等の熱伝導率が高く、放熱性の良好な金属材料から形成されている。フィン２３は、平板状のフィンまたはピン形状のフィンでもよい。ヒートシンク３の第１主面３ａに形成された第１凹部１５は、後述するように、成型金型によって封止樹脂１３を加熱加圧成型する際に、封止樹脂１３が成型金型から漏れ出ないように、上金型と下金型とでヒートシンク３を挟み込む際にできる凹部である。
【００２３】
絶縁層５は、たとえば、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂から形成されている。絶縁層５の放熱性を高めるために、熱硬化性樹脂に熱伝導性の高いフィラーが充填されている。熱伝導性のフィラーとしては、たとえば、シリカ、アルミナ、窒化珪素、または、窒化アルミニウム等の無機粉末が望ましい。絶縁層５には、これらの材料からなる無機粉末のうち、一つの材料からなる無機粉末が充填されていてもよいし、二以上の複数の材料からなる無機粉末が充填されていてもよい。
【００２４】
放熱性のより高い絶縁層５では、無機粉末が熱硬化性樹脂に高充填されていることが多いため、本来の熱伝導性と絶縁性を確保するために、封止樹脂１３を高い圧力のもとで加熱加圧硬化しておくことが必要とされる。無機粉末として、たとえば、窒化珪素を充填する場合には、封止樹脂１３を成型する際の成型圧力としては、５ＭＰａ〜１５ＭＰａ程度になることがある。
【００２５】
このような無機粉末が充填された絶縁層５は、適宜必要に応じて選択すればよい。封止樹脂１３を、高い成型圧力をもって加熱加圧硬化する場合には、金型から封止樹脂が漏れないように第１凹部１５の領域を増やす等の工夫が必要になる。
【００２６】
回路パターンとなるリードフレーム７は、たとえば、プレス加工された銅板から形成されている。リードフレーム７に搭載されるパワー半導体素子９としては、シリコン系のパワー半導体素子に限られず、たとえば、ＳｉＣ系のパワー半導体素子、または、ＧａＮ系等のパワー半導体素子でもよい。
【００２７】
リードフレーム７とパワー半導体素子９とを電気的に接続する部材としては、ボンディングワイヤ１１に限られず、たとえば、銅板から形成されたダイレクトリードでもよい。リードフレーム７の端部であるリード端子７ａは、封止樹脂１３の側面からは露出しておらず、上記のように、封止樹脂１３における、ヒートシンク３が位置する側とは反対側に位置する表面から露出し、突出している。
【００２８】
封止樹脂１３は、ヒートシンク３の第１主面３ａの外周に沿って全周にわたり位置する外周領域４ａよりも内側に位置する内側領域４ｂを覆うように形成されている。封止樹脂１３によって覆われていない第１主面３ａにおける外周領域４ａには、封止樹脂１３に沿って第１凹部１５が形成されている。第１凹部１５が形成されていないヒートシンク３の外周領域４ａの部分の表面には、封止樹脂１３のバリが付着していてもよい。
【００２９】
さらに、図１〜図３に示すように、封止樹脂１３によって覆われているヒートシンク３の第１主面３ａの内側領域４ｂに、第２凹部１７が形成されていることが望ましい。トランスファーモールド工程において、第２凹部１７には封止樹脂１３が充填されて、封止樹脂１３とヒートシンク３との接着性またはクラック耐性が向上する。たとえば、高温下での試験と低温下での試験とが交互（温度サイクル）に行われる信頼性試験の際に、封止樹脂１３がヒートシンク３から剥離したり、封止樹脂１３にクラックが発生するのを抑制する。
【００３０】
第２凹部１７の形状（断面形状）としては、半円形、または、矩形であってもよいが、第２凹部１７に充填される封止樹脂１３が、第２凹部１７から抜けにくくなる形状が望ましい。第２凹部１７の形成方法は、機械加工に限られるものではなく、鍛造、または、多段プレス等によって第２凹部を形成してもよい。信頼性または生産コストを考慮して、第２凹部１７の形成方法を適宜選択することができる。
【００３１】
また、封止樹脂１３では、シリカまたはアルミナ等の無機粉末を含有させておくことが望ましい。このような無機粉末を含有した封止樹脂１３では、封止樹脂１３の熱膨張係数を、ヒートシンク３の熱膨張係数、リードフレームの熱膨張係数、パワー半導体素子９の熱膨張係数に近づけることができ、半導体装置１の全体の反りを抑制することができる。実施の形態１に係る半導体装置１は、上記のように構成される。
【００３２】
次に、上述した半導体装置の製造方法の一例について説明する。図４に示すように、対向する第１主面３ａと第２主面３ｂとを有するヒートシンク３を用意する。ヒートシンク３の第２主面３ｂには複数のフィン２３が設けられている。また、ヒートシンク３の第１主面３ａには、第２凹部１７が形成されている。
【００３３】
次に、ヒートシンク３の第１主面３ａにおけるリードフレーム７（図２参照）が搭載される領域に、たとえば、エポキシ系樹脂からなる熱伝導性の高い樹脂組成物（材料）を塗布することによって絶縁層５を形成する。樹脂組成物を塗布する他に、たとえば、シート状の樹脂組成物を加圧することによって、ヒートシンク３の第１主面３ａに貼り付けるようにしてもよい。
【００３４】
次に、リードフレームを用意し、パワー半導体素子等の電子部品が実装される領域に、はんだペーストを塗布する。次に、はんだペーストの上に電子部品を載置する。次に、図５に示すように、たとえば、リフロー工程によって、パワー半導体素子９等の電子部品をリードフレーム７に実装する。
【００３５】
次に、図６に示すように、パワー半導体素子９等とリードフレーム７とをボンディングワイヤ１１によって電気的に接続する。ボンディングワイヤの他に、たとえば、銅板等のダイレクトリードを用いてもよい。次に、リードフレーム７において、リード端子７ａとなる部分が上に向かって折り曲げられる（図７参照）。なお、あらかじめ、リードフレーム７におけるリード端子７ａとなる部分を折り曲げた後で、電子部品をリードフレーム７に実装するようにしてもよい。
【００３６】
次に、図７に示すように、パワー半導体素子９等が実装されたリードフレーム７を絶縁層５の上に搭載する。次に、図８に示すように、トランスファーモールド用の成型金型５０として、上金型５１と下金型５３とを用意する。上金型５１には、キャビティ内に充填される封止樹脂が漏れ出るのを抑制するために、下金型５３に向かって突出した突部５１ａが形成されている。また、上金型５１には、リード端子を受け入れる受け入れ開口部５１ｂが形成されている。
【００３７】
次に、図９に示すように、リードフレーム７等が搭載されたヒートシンク３を、下金型５３に載置する。次に、図１０に示すように、上金型５１を下金型５３へ近づけて、上金型５１と下金型５３とで、ヒートシンク３の外周部分を挟み込む。第１主面３ａにおいて、上金型５１が当接する領域が外周領域４ａ（図１参照）になる。
【００３８】
このとき、上金型５１の受け入れ開口部５１ｂにはリード端子７ａが挿通されることになる。ここで、上金型５１として、受け入れ開口部５１ｂの幅を変えられる機構を備えておいてもよい。これにより、上金型５１と下金型５３とでヒートシンク３を挟み込む際に、受け入れ開口部５１ｂの開口幅をリード端子７ａの厚さよりも十分に広い状態に設定することで、リード端子７ａを受け入れ開口部５１ｂへ容易に挿通させることができる。リード端子７ａが受け入れ開口部５１ｂへ挿通された後に、受け入れ開口部５１ｂの開口幅をリード端子７ａの厚さに合せる設定を行って、封止樹脂１３（図１１参照）を流し込むことができる。
【００３９】
上金型５１と下金型５３とが合わせられる合わせ面は、ヒートシンク３の第１主面３ａが位置する面とほぼ一致している。ここで、上金型５１に形成された突部５１ａがヒートシンク３の第１主面３ａに食い込むように、ヒートシンク３を挟み込む圧力が調整されることになる。
【００４０】
次に、図１１に示すように、キャビティ５５内に封止樹脂１３が流し込まれる。このとき、上金型５１の突部５１ａがヒートシンク３の第１主面３ａに食い込んでいることで、ヒートシンク３の第１主面３ａと上金型５１との合わせ面に向かってキャビティ５５内から封止樹脂１３が漏れ出てしまうのを抑制する。
【００４１】
封止樹脂１３は、成型金型５０内（キャビティ５５）で加熱されて硬化する。封止樹脂１３が硬化した後、成型金型５０から半導体装置１が取り出される。その後、必要に応じて、オーブン等によって追加の熱硬化処理を行って、封止樹脂１３をさらに効果させてもよい。
【００４２】
図１２に示すように、熱硬化処理が施された半導体装置１では、半導体装置１を筐体２１に設置することで、空冷構造または水冷構造を採ることができる。半導体装置１を筐体２１へ設置する手法としては、たとえば、ねじ１９によって、ヒートシンク３を筐体２１に固定する手法がある。この他に、たとえば、溶接または摩擦拡散接合によって、ヒートシンク３を筐体２１に固定するようにしてもよい。
【００４３】
上述した半導体装置１では、パワー半導体素子９等を封止する封止樹脂１３が、ヒートシンク３の第１主面３ａに直接形成されており、封止樹脂１３とヒートシンク３とが一体化されている。さらに、封止樹脂１３は、ヒートシンク３の第１主面３ａの外周に沿って全周にわたり位置する外周領域４ａの内側に位置する内側領域４ｂを覆うように形成されており、ヒートシンク３を平面視した場合の面積は、封止樹脂１３を平面視した場合の面積よりも大きい。
【００４４】
これにより、伝熱グリース等を塗布する必要がない分熱抵抗が低減されて、パワー半導体素子９等において発生した熱は、より効率的にヒートシンク３に伝導する。その結果、伝導した熱を効率的に放熱させることができ、放熱特性を向上させることができる。
【００４５】
また、封止樹脂１３とヒートシンク３とが一体化されていることで、パワー半導体素子等を封止する封止樹脂１３を成型した後に、ヒートシンク３を取り付ける必要がなくなり、製造工程の削減に寄与することができる。
【００４６】
さらに、リード端子７ａは、封止樹脂１３の側面からではなく、封止樹脂１３の上面から上に向かって突出しており、リード端子７ａは、封止樹脂１３における、ヒートシンク３が位置する側とは反対側に位置する表面から突出している。これにより、半導体装置１の小型化に寄与することができる。
【００４７】
さらに、ヒートシンク３に封止樹脂１３を一体的に形成する際には、上金型５１と下金型５３との合わせ面が、ヒートシンク３の第１主面３ａが位置する面とほぼ一致する態様で、上金型５１と下金型５３とで、ヒートシンク３の外周部分が挟み込まれるとともに、上金型５１の突部５１ａがヒートシンク３の第１主面３ａに食い込むことになる。
【００４８】
これにより、キャビティ５５内に充填される封止樹脂１３が、ヒートシンク３の第１主面３ａと上金型５１との合わせ面に向かって漏れ出てしまうのを抑制することができる。上金型５１の突部５１ａがヒートシンク３の第１主面３ａに食い込むことで、第１主面３ａには第１凹部１５が、封止樹脂１３に沿って形成されることになる。
【００４９】
また、ヒートシンク３に封止樹脂１３を一体的に形成する際には、キャビティ５５内に充填される封止樹脂１３の一部が、ヒートシンク３の第１主面３ａに形成された第２凹部１７にも充填されることになる。これにより、封止樹脂１３とヒートシンク３との密着性を向上させることができる。
【００５０】
なお、上述した半導体装置１では、ヒートシンク３の第１主面３ａに第２凹部１７が形成された場合について説明した。図１３に示すように、ヒートシンク３としては、第１主面３ａに第２凹部が形成されていないヒートシンク３を適用してもよい。
【００５１】
また、上述した半導体装置１では、リードフレーム７は、封止樹脂１３の表面から露出するまでに、１回折り曲げられた構造について説明した。リードフレーム７の構造としては、たとえば、リードフレーム７とヒートシンク３との絶縁距離、または、ダイレクトリードとの接続等を考慮して構造を適宜変更してもよい。図１４に示すように、たとえば、リードフレーム７が多段階に折り曲げられた構造であってもよい。また、図１５に示すように、リードフレーム７の厚さの半分程度に相当する長さ分ずらされた半抜き加工が施された構造であってもよい。
【００５２】
実施の形態２．
実施の形態２に係る半導体装置について説明する。図１６に示すように、半導体装置１では、回路パターンとして、たとえば、銅板８のパターンが、ヒートシンク３の第１主面３ａ上に絶縁層５を介在させて配置されている。その銅板８には、導体部として、金属導体２５が電気的に接続されている。
【００５３】
金属導体２５は、封止樹脂１３における、ヒートシンク３が位置する側とは反対側に位置する表面に露出している。なお、これ以外の構成については、図１および図２に示す半導体装置１の構成と同様なので、同一部材には同一符号を付し、必要である場合を除きその説明を繰り返さないこととする。
【００５４】
次に、上述した半導体装置の製造方法の一例について説明する。図１７に示すように、ヒートシンク３の第１主面３ａに絶縁層５を介在させて銅板８を載置し、プレス加工（加熱加圧）を行うことによって、絶縁層５を硬化させる。次に、銅板８にエッチング処理を行うことによって、銅板８の回路パターンが形成される。次に、図１８に示すように、銅板８に、パワー半導体素子９と金属導体２５がそれぞれはんだ付けされる。次に、図１９に示すように、パワー半導体素子９等と銅板８とをボンディングワイヤ１１によって電気的に接続する。
【００５５】
次に、図２０に示すように、銅板８等が搭載されたヒートシンク３を、下金型５３に載置する。次に、図２１に示すように、上金型５１を下金型５３へ近づけて、上金型５１と下金型５３とで、ヒートシンク３の外周部分を挟み込む。ここで、上金型５１に形成された突部５１ａがヒートシンク３の第１主面３ａに食い込むように、ヒートシンク３を挟み込む圧力が調整される。
【００５６】
次に、図２２に示すように、キャビティ５５内に封止樹脂１３が流し込まれる。封止樹脂１３は、成型金型５０内（キャビティ５５）で加熱されて硬化する。封止樹脂１３が硬化した後、成型金型５０から半導体装置１が取り出されて、図１６に示す半導体装置１が完成する。
【００５７】
上述した半導体装置１では、前述した半導体装置１と同様に、封止樹脂１３とヒートシンク３とが一体化され、ヒートシンク３を平面視した場合の面積は、封止樹脂１３を平面視した場合の面積よりも大きい。これにより、パワー半導体素子９等において発生した熱がヒートシンク３により効率的に伝導させることができる。その結果、伝導した熱を効率的に放熱させることができ、放熱特性を向上させることができる。
【００５８】
また、前述した半導体装置１と同様に、パワー半導体素子９等を封止する封止樹脂１３を成型した後に、ヒートシンク３を取り付ける必要がなくなり、製造工程の削減に寄与することができる。さらに、金属導体２５は、封止樹脂１３の側面からではなく上面から上に向かって突出している。これにより、半導体装置１の小型化に寄与することができる。
【００５９】
ところで、上述した半導体装置の製造方法では、前述した半導体装置の製造方法と比べて、金属導体２５を銅板８にはんだ付けする際の仕上がり寸法のばらつき、または、金属導体２５の寸法公差によって、金属導体２５のヒートシンク３からの高さにはばらつきが生じることが想定される。
【００６０】
そのため、上金型５１と下金型５３とでヒートシンク３に確実に挟み込んだ状態でキャビティ５５内に封止樹脂１３を充填するために、金属導体２５のヒートシンク３からの高さの公差（ばらつき）を吸収することができる耐熱性のフィルムを用いることが望ましい。この工程について説明する。
【００６１】
図２３に示すように、ヒートシンク３等が配置された下金型５３と上金型５１との間に、耐熱性フィルム６１が配置される。次に、耐熱性フィルム６１を、たとえば、真空吸着等によってキャビティ５５の表面に沿わせ、上金型５１と下金型５３とでヒートシンク３を挟み込む（図２４参照）。次に、図２４に示すように、キャビティ５５内に封止樹脂１３が充填される。封止樹脂１３が加熱されて硬化した後、成型金型５０から半導体装置１が取り出されることになる。
【００６２】
耐熱性フィルムを用いた製造方法では、金属導体２５と上金型５１との間に配置された耐熱性フィルム６１が緩衝材となる。これにより、金属導体２５のヒートシンク３からの高さが、基準とされる高さに比べて高い金属導体２５が配置されている場合には、上金型５１と下金型５３とでヒートシンク３を挟み込む際に、金属導体２５が耐熱性フィルム６１に食い込むことで、上金型５１から金属導体２５へ作用する圧力を緩和させることができる。その結果、金属導体２５と銅板８との接合部分のダメージ、さらには、銅板８の下に位置する絶縁層５へのダメージを抑制することができる。
【００６３】
このようにして製造された半導体装置１では、金属導体２５の上部が、封止樹脂１３の表面からわずかに飛び出た構造になる。なお、半導体装置１が製造された後、上金型５１に残った耐熱性フィルム６１は、回収されて廃棄されることになる。
【００６４】
実施の形態３．
前述した半導体装置１では、ヒートシンク３の第２主面３ｂに複数のフィン２３が一体的に配置されている場合について説明した。ここでは、ヒートシンクと複数のフィンとが別体とされている半導体装置について説明する。
【００６５】
図２５に示すように、半導体装置１におけるヒートシンク３の第２主面３ｂの側には、たとえば、平板フィン２７が接合されている。また、図２６に示すように、半導体装置１におけるヒートシンク３の第２主面３ｂの側には、たとえば、コルゲートフィン２９が接合されている。
【００６６】
このような平板フィン２７またはコルゲートフィン２９等のフィンとしては、たとえば、アルミニウムの押出し成型によって製造された、比較的安価なフィンを適用してもよい。また、アルミニウムの薄板を、フィンの形状になるように折り曲げたフレキシブルなフィンの構造としてもよい。ヒートシンク３とは別体とされたフィンは、はんだによる接合、レーザ溶接またはかしめによる嵌合等によって、ヒートシンク３に接合することができる。
【００６７】
ヒートシンクと複数のフィンとを別体とした半導体装置では、トランスファーモールド工程において、封止樹脂の成型圧力を高くすることができる。このことについて、説明する。図２７に示すように、ヒートシンク３と複数のフィンとを別体とすることで、ヒートシンク３が載置される下金型５３では、ヒートシンク３の第２主面３ｂの全面に接触させることができる。
【００６８】
これにより、キャビティ５５内に封止樹脂１３を充填して成型する際の成型圧力によって、ヒートシンクが変形するのを確実に阻止することができる。その結果、複数のフィン２３が配置されたヒートシンク３が載置される下金型５３（図１０等参照）を使用した場合と比較して、より高い成型圧力を設定することが可能になる。
【００６９】
ヒートシンク３とリードフレーム７との間に介在する絶縁層５の本来の熱伝導率および絶縁性を確保するためには、無機粉末を充填すればするほど、絶縁層５のベースとなるエポキシ樹脂等の樹脂加熱硬化時には高い加圧硬化が必要とされる。特に、無機粉末の形状に起因する加圧硬化への影響は大きい。窒化珪素を絶縁層５に充填した場合には、シリカまたはアルミナ等を絶縁層５に充填した場合と比べて、窒化珪素の形状が球形状ではないために、絶縁層５の流動性が低く、本来の熱伝導性等の特性を発現するためには、高い圧力が要求されることが多い。
【００７０】
トランスファーモールド用の成型金型を用いて、キャビティ内で絶縁層５を加熱および加圧して硬化させる場合には、ヒートシンクとしては、複数のフィンと別体化されたヒートシンクを適用することで、より高い圧力下で硬化させることができ、絶縁層５として、より高い熱伝導率を確保することができる。
【００７１】
無機粉末として、窒化珪素を適用する場合には、窒化珪素が充填された絶縁層の体積に対する窒化珪素の体積の割合（窒化珪素の体積割合）が４０体積％未満であれば、加熱硬化時の成型圧力が５ＭＰａ程度で、本来の熱伝導性および絶縁性を確保することができる。熱伝導率は、約２〜５Ｗ／（ｍ・Ｋ）となる。窒化珪素の体積割合が４０体積％以上５０体積％未満の場合には、約１０ＭＰａ程度の成型圧力が必要とされ、熱伝導率は４〜６Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度になる。
【００７２】
窒化珪素の体積割合が５０体積％以上６０体積％未満では、熱伝導率は５〜１４Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度まで発現させることができる。この場合には、成型圧力としては、１０ＭＰａ以上の高い成型圧力が必要とされる。そこで、図２７に示すように、ヒートシンク３の第２主面３ｂの全面に接触する下金型５３を適用することで、絶縁性と熱伝導性に優れたより信頼性の高い半導体装置を製造することができる。
【００７３】
実施の形態４．
ここでは、上述した実施の形態１〜３において説明した半導体装置を適用した電力変換装置について説明する。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４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。
【００７４】
図２８は、本実施の形態に係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。図２８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は種々のものにより構成することが可能であり、たとえば、直流系統、太陽電池、蓄電池により構成することができる。また、交流系統に接続された整流回路またはＡＣ／ＤＣコンバータにより構成してもよい。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してもよい。
【００７５】
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２８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。
【００７６】
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す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、たとえば、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。
【００７７】
以下、電力変換装置２００の詳細について説明する。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いる（いずれも図示せず）。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が交流電力に変換されて、負荷３００に供給される。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、本実施の形態に係る主変換回路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。
【００７８】
主変換回路２０１の各スイッチング素子および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１〜３の少なくともいずれかに係る半導体装置１を、半導体モジュール２０２として構成する。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２０１の３つの出力端子は、負荷３００に接続される。
【００７９】
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（図示せず）を備えているが、駆動回路は半導体モジュール２０２に内蔵されていてもよいし、半導体モジュール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。
【００８０】
制御回路２０３は、負荷３００に所望の電力が供給されるように、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。たとえば、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に、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またはオフ信号を駆動信号として出力する。
【００８１】
本実施の形態に係る電力変換装置では、主変換回路２０１の各スイッチング素子および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１〜３に係る半導体装置１を、半導体モジュール２０２として適用するため、電気的な絶縁性を向上させて、電力変換装置の信頼性を向上させることができる。
【００８２】
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について説明したが、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コンバータまたはＡＣ／ＤＣコンバータに本発明を適用することも可能である。
【００８３】
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、たとえば、放電加工機、レーザー加工機、誘導加熱調理器また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また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。
【００８４】
なお、各実施の形態において説明した半導体装置については、必要に応じて種々組み合わせることが可能である。また、請求の範囲に記載の従属請求項についても、その組み合わせに対応した従属態様が予定される。
【００８５】
今回開示された実施の形態は例示であってこれに制限されるものではない。本発明は上記で説明した範囲ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明は、パワー半導体素子を搭載した半導体装置と、その半導体装置を適用した電力変換装置に有効に利用される。
【符号の説明】
【００８７】
１  半導体装置、３  ヒートシンク、３ａ  第１主面、３ｂ  第２主面、４ａ  外周領域、４ｂ  内側領域、５  絶縁層、７  リードフレーム、７ａ  リード端子、８  銅板、９  パワー半導体素子、１１  ボンディングワイヤ、１３  封止樹脂、１５  第１凹部、１７  第２凹部、１９  ねじ、２１  筐体、２３  フィン、２５  金属導体、２７  平板フィン、２９  コルゲートフィン、５０  成型金型、５１  上金型、  ５１ａ  突部、  ５１ｂ  受け入れ開口部、５３  下金型、５５  キャビティ、６１  フィルム、１００  電源、２００  電力変換装置、２０１  主変換回路、２０２  半導体モジュール、２０３  制御回路、３００  負荷。
【要約】
半導体装置（１）は、ヒートシンク（３）、絶縁層（５）、リードフレーム（７）、パワー半導体素子（９）、封止樹脂（１３）およびフィン（２３）を備えている。ヒートシンク（３）は、対向する第１主面（３ａ）および第２主面（３ｂ）を有する。ヒートシンク（３）の第１主面（３ａ）に、絶縁層（５）を介在させて、リード端子（７ａ）を含むリードフレーム（７）が配置されている。リードフレーム（７）にパワー半導体素子（９）が搭載されている。封止樹脂（１３）は、ヒートシンク（３）の第１主面（３ａ）の外周に沿って全周にわたり位置する外周領域（４ａ）よりも内側に位置する内側領域（４ｂ）を覆うように形成されている。第１主面（３ａ）における外周領域（４ａ）には、封止樹脂（１３）に沿って第１凹部（１５）が形成されている。【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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