(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板と、
前記絶縁基板に接合された下面と、電極が設けられた上面とを有する半導体素子と、
前記絶縁基板の、前記半導体素子が接合された面を底面とする容器体を形成するケースと、
前記ケースと一体化された第１部分と、前記容器体内にて前記半導体素子の前記電極の上方に位置する第２部分とを有し、側方に延設された板状の配線部材と、
前記容器体内に充填され、当該容器体内の前記配線部材を覆う封止部材と
を備え、
前記配線部材の前記第２部分には、
前記半導体素子の前記電極側に突出し、はんだによって当該電極と接合される突出部と、前記突出部を通って前記第２部分を厚み方向に貫通する貫通孔とが設けられ、
前記突出部の外周の一部が前記配線部材の端と一致している、電力用半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電力用半導体装置であって、
前記配線部材の前記突出部の先端部は、当該突出部以外の前記配線部材に対して段差状に形成された平面部を含む、電力用半導体装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の電力用半導体装置であって、
前記配線部材のうち、前記突出部が設けられた面と逆側の面には、前記貫通孔と連通する凹部が設けられた、電力用半導体装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の電力用半導体装置であって、
前記配線部材の前記突出部の外周に隣接して設けられたソルダーレジストをさらに備える、電力用半導体装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載の電力用半導体装置であって、
前記半導体素子の前記電極の外周と、前記配線部材の前記突出部の外周とが、位置を揃えられた、電力用半導体装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のうちいずれか１項に記載の電力用半導体装置であって、
前記半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体からなる、電力用半導体装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６のうちいずれか１項に記載の電力用半導体装置であって、
前記半導体素子は、車両のモータを制御するインバータ、または、車両の回生用のコンバータに使用される、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、特にはんだによって半導体素子と配線部材とが接合される電力用半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の一般的な電力用半導体装置の製造では、半導体素子の下面に形成された下面電極と、絶縁基板上の回路パターンとが接合され、半導体素子の上面に形成された上面電極と、他の半導体素子や外部端子とが超音波接合されたアルミニウムなどからなるワイヤによって電気的に接続される。その後、モールド樹脂の封止、または、封止部材の充填などが行われる。
【０００３】
しかしながら、ワイヤによる配線ではワイヤ一本あたりの許容電流に制限があるため、大電流回路が形成される電力用半導体装置では、ワイヤの本数を増やさなければならず、生産性に問題があった。そこで、生産性を高めるための大電流回路の配線方式として、金属板をプレス加工で形成した板状の配線部材と、半導体素子の上面電極とを、はんだ等で接合する配線方式が提案されている（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−６９８２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のような板状の配線部材を備える電力用半導体装置では、板状の配線部材は、半導体素子の上面に覆いかぶさるように配置される。このため、配線部材と半導体素子との間のうち、はんだが設けられない部分では、封止部材等が充填されにくい狭い隙間が形成されるという問題があった。しかも、はんだが必要以上に濡れ広がった場合には、配線部材と半導体素子との間の隙間がより狭くなるので、封止部材等がさらに充填されにくくなるという問題があった。
【０００６】
ここで、ケース型の電力用半導体装置では、モールド型と異なり、封止部材の充填に際して金型による加圧が困難であり、隙間等への封止部材の浸透（充填）は、自然な浸透性に頼ることから、モールド型よりも封止部材が充填されにくい。特に、そのような装置の一種である、配線部材がケースに一体化された装置では、ケースの組み付け状態によって配線部材が傾きやすく、半導体素子と配線部材との間の間隔がばらつきやすい。このため、間隔が小さくなりやすく、はんだが供給過剰となって接合領域外部へ濡れ広がりやすいことから、封止部材が充填されにくくなる傾向が顕著となっていた。
【０００７】
ここで、以上の理由などによって、封止部材が隙間に充填されなかった場合には、絶縁性が当然に低下するだけでなく、封止部材が配線部材と半導体素子との接合部を拘束する機械的強度が低下する。その結果、温度変化によって生じる熱ストレスに、半導体素子やはんだ接合部が耐えることができず、信頼性が低下するという問題が生じる。
【０００８】
そこで、上述のようなはんだの濡れ広がりを防止するために、特許文献１では、配線部材に半導体素子の上面電極よりも小さい突起を設けた構成が提案されている。このような構成によれば、余剰のはんだを突起の側部にフィレットとして吸収されるので、はんだを上面電極の内側にとどめることができる。しかしながら、依然として余剰はんだが必要以上に濡れ広がって、封止部材の充填が不十分になってしまうことがあった。
【０００９】
そこで、本発明は電力用半導体、上記のような問題点を鑑みてなされたものであり、封止部材の充填性を高めることが可能な技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る電力用半導体装置は、絶縁基板と、前記絶縁基板に接合された下面と、電極が設けられた上面とを有する半導体素子と、前記絶縁基板の、前記半導体素子が接合された面を底面とする容器体を形成するケースと、前記ケースと一体化された第１部分と、前記容器体内にて前記半導体素子の前記電極の上方に位置する第２部分とを有し、側方に延設された板状の配線部材と、前記容器体内に充填され、当該容器体内の前記配線部材を覆う封止部材とを備える。前記配線部材の前記第２部分には、前記半導体素子の前記電極側に突出し、はんだによって当該電極と接合される突出部と、前記突出部を通って前記第２部分を厚み方向に貫通する貫通孔とが設けられ、前記突出部の外周の一部が前記配線部材の端と一致している。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、封止部材が充填されにくい狭い隙間が、半導体素子と配線部材との間に発生してしまうことを抑制することができるので、封止部材の充填性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態１に係る電力用半導体装置の構成を示す斜視図である。
【図２】実施の形態１に係る電力用半導体装置の構成の一部を示す斜視図である。
【図３】実施の形態１に係る電力用半導体装置の構成を示す断面図である。
【図４】変形例に係る電力用半導体装置の構成の一部を示す斜視図である。
【図５】変形例に係る電力用半導体装置の構成を示す断面図である。
【図６】実施の形態２に係る電力用半導体装置の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
＜実施の形態１＞
本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置について、図１から図３を用いて説明する。図１は、電力用半導体装置の構成を示す斜視図であり、図２は、説明の便宜上、図１から封止部材９の図示を省略した斜視図である。図３は、図２のＡ−Ａ線に沿った構成を示す断面図である。
【００１４】
図１〜図３に示されるように、本実施の形態１に係る電力用半導体装置は、絶縁基板１と、半導体素子２と、はんだ等の接合部材３と、ケース４と、配線部材５と、はんだ６と、ワイヤ７と、外部信号端子８と、封止部材９とを備えている。
【００１５】
絶縁基板１の上面（一方の面）には、回路パターン１ａが設けられている。
【００１６】
半導体素子２は、例えばダイオードまたはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。本実施の形態１では、この半導体素子２は、車両のモータを制御するインバータ、または、車両の回生用のコンバータなどに使用されるものとする。ここでいう車両には、例えば電気自動車や電車などが含まれる。
【００１７】
半導体素子２の下面は、回路パターン１ａと接合部材３によって接合されている。つまり、半導体素子２は、回路パターン１ａ及び接合部材３を介して絶縁基板１に接合されている。なお本実施の形態１では、２つの半導体素子２が絶縁基板１に接合されている。
【００１８】
各半導体素子２の、絶縁基板１と接合された下面と逆側の上面には、電極である上面電極２ａが設けられている。上面電極２ａは、１つの半導体素子２に１箇所に設けられてもよいし、２箇所以上設けられてもよい。上面電極２ａの表面には、はんだ６との接合を良好にするための例えば金、ニッケルまたはチタンなどからなる金属膜が形成されてもよい。
【００１９】
ケース４は、半導体素子２の外周を囲む周壁体である。本実施の形態１では、ケース４は、絶縁基板１上に取り付けられており、当該絶縁基板１の、半導体素子２が接合された面を底面とする容器体を形成している。ここで形成される容器体は、蓋なしの容器体である。ケース４の材質には、例えばＰＰＳ（ポリフェニレンサルアルファイド）またはＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）などの熱可塑性樹脂などが適用される。
【００２０】
配線部材５は、例えばプレス加工によって成型された板状の部材であり、側方に延設されている。ここでは、配線部材５は、絶縁基板１及び半導体素子２と並行に延設されている。配線部材５の材質には、例えば銅、アルミニウム、またはそれらの複合材などが適用される。
【００２１】
配線部材５は、ケース４と一体化された一端部分（第１部分）を有する。本実施の形態１では、配線部材５の一端部分のうち先端部は、ケース４の上面部から露出して設けられ、外部と接続する接続端子５ａとして用いられる。
【００２２】
また、配線部材５は、絶縁基板１とケース４とによって形成された上述の容器体内において、半導体素子２の上面電極２ａの上方に位置する接合部分（第２部分）を有する。本実施の形態１では、配線部材５は、上面電極２ａごとに接合部分を有しており、そのうちの１つの接合部分は、配線部材５の他端近傍に配置されている。この配線部材５の接合部分については、後で詳細に説明する。
【００２３】
はんだ６は、半導体素子２の上面電極２ａと、配線部材５の接合部分とを接合する。これにより、半導体素子２と配線部材５とは電気的に接続されている。本実施の形態１では、その結果として、一方の半導体素子２が、はんだ６及び配線部材５を介して他方の半導体素子２と電気的に接続されている。なお、はんだ６の材質は、特に指定されないが、例えばＳｎＡｇＣｕ系や、ＳｎＣｕ系、ＳｎＳｂ系などが適用される。
【００２４】
外部信号端子８は、例えば配線部材５と同様の加工及び材質によって形成される。外部信号端子８も、配線部材５と同様にケース４と一体化されている。そして、外部信号端子８の一端部分は、１つの半導体素子２とワイヤ７を介して接続され、外部信号端子８の他端部分は、ケース４の上面部から露出して設けられ、外部と接続する接続端子として用いられる。
【００２５】
封止部材９は、絶縁基板１とケース４とによって形成された上記容器体内に充填されており、当該容器体内の配線部材５、ひいては絶縁基板１の回路パターン１ａ、半導体素子２及びはんだ３等を覆う。
【００２６】
封止部材９の材質には、例えばエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂が適用され、機械的な物性を調整するために必要に応じてシリカ等の粉末（フィラー）が含有される。封止部材９は、回路部材を汚損や衝撃から保護したり、絶縁性を確保したりする。また、封止部材９は、配線部材５または絶縁基板１と、半導体素子２との接合部を拘束することによって、配線部材５または絶縁基板１と、半導体素子２との熱膨張率の差から生じる熱ストレスによるダメージを抑制する。このため、封止部材９が適切に充填され、封止部材９による拘束が十分であれば、電力用半導体装置の信頼性を向上させることができる。
【００２７】
＜配線部材５の接合部分＞
次に、配線部材５のうち、半導体素子２の上面電極２ａの上方に位置する接合部分について詳細に説明する。
【００２８】
配線部材５の接合部分には、半導体素子２の上面電極２ａ側に突出する突出部５ｂが設けられており、突出部５ｂは、はんだ６によって当該上面電極２ａと接合されている。本実施の形態１では、配線部材５の突出部５ｂの先端部は、突出部５ｂ以外の配線部材５に対して段差状に形成された平面部５ｂａを含んでいる。また、突出部５ｂ（平面部５ｂａ）の外周形状は、半導体素子２の上面電極２ａの外周形状とほぼ同じであり、半導体素子２の上面電極２ａの外周と、配線部材５の突出部５ｂの外周とが、位置を揃えられている。なお、断面段状の突出部５ｂは、半抜き加工などのプレス加工によって形成することができる。突出部５ｂの高さは、加工上の制約から、例えば板厚の半分程度を限度とすることが好ましいが、これに限ったものではない。
【００２９】
配線部材５の接合部分には、突出部５ｂ（平面部５ｂａ）を通って接合部分を厚み方向に貫通する貫通孔５ｃが設けられている。また、配線部材５のうち突出部５ｂが設けられた面と逆側の面（上面）には、貫通孔５ｃと連通する凹部５ｄが設けられている。
【００３０】
＜実施の形態１のまとめ＞
実際の製造においては、配線部材５の加工精度、配線部材５が一体化されたケース４の寸法精度、及び、ケース４と絶縁基板１との組み付け精度などに限界がある。このため、半導体素子２の上面電極２ａと、配線部材５の突出部５ｂ（平面部５ｂａ）との間の間隔、すなわち、はんだ６の厚みを一定にすることは困難であり、上記間隔がばらついてしまう。しかしながら、上記間隔のばらつきを個別に測定し、その測定結果に応じてはんだ６の量を個別に調整して供給することは、生産性の低下を招くことから現実的ではない。
【００３１】
これに対して、本実施の形態１に係る電力用半導体装置では、上記間隔が想定より小さくなって、はんだ６が供給過剰となる場合であっても、過剰分を配線部材５に設けた貫通孔５ｃに逃がすことができる。したがって、上記間隔にばらつきがあっても、はんだ６が、上面電極２ａ及び突出部５ｂ（平面部５ｂａ）の外側に濡れ広がることを抑制することができる。よって、封止部材９が充填されにくい狭い隙間が、半導体素子２と配線部材５との間に発生してしまうことを抑制することができるので、封止部材９の充填性を高めることができる。この結果、信頼性の高い電力用半導体装置を実現することができる。
【００３２】
また、本実施の形態１では、突出部５ｂの先端部は平面部５ｂａを含む。このため、エッジ効果によって、はんだ６が、上面電極２ａ及び突出部５ｂ（平面部５ｂａ）の外側に濡れ広がることを抑制することができる。よって、狭い隙間の発生をより抑制することができるので、封止部材９の充填性をより高めることができる。
【００３３】
また、本実施の形態１では、突出部５ｂが、上面電極２ａ側に突出し、半導体素子２の上面電極２ａの外周と、配線部材５の突出部５ｂの外周とが、位置を揃えられている。これにより、上面電極２ａ及び突出部５ｂ（平面部５ｂａ）の外周線からすぐ外側では、配線部材５と半導体素子２との間の隙間を広くすることができる。このため、配線部材５と半導体素子２との間の隙間に封止部材９が充填されやすくなることから、封止部材９の充填性をより高めることができる。
【００３４】
また、本実施の形態１では、配線部材５のうち突出部５ｂが設けられた面と逆側の面（上面）には、貫通孔５ｃと連通する凹部５ｄが設けられている。これにより、貫通孔５ｃに逃がしたはんだ６は、配線部材５の上面から盛り上がろうとしても、凹部５ｄ内に収納されることになる。このため、上記容器体内の配線部材５を覆う封止部材９を必要以上に厚くする必要がなくなることから、装置の小型化が期待できる。
【００３５】
＜実施の形態１の変形例＞
図４は、実施の形態１の変形例に係る電力用半導体装置の構成を、図２と同様に封止部材９の図示を省略して示す斜視図であり、図５は、図４のＡ−Ａ線に沿った構成を示す断面図である。
【００３６】
本変形例に係る電力用半導体装置では、図１〜図３に示した実施の形態１と同様の構成を有する。ただし、本変形例に係る電力用半導体装置では、突出部５ｂの周囲の一部（ここでは略四角形の一辺）が、配線部材５の他端面と一致するように突出部５ｂが設けられている。このような本変形例に係る電力用半導体装置によれば、配線部材５によって半導体素子２が覆われる面積、すなわち、半導体素子２と配線部材５との間に形成される隙間の面積が減少するため、封止部材９の充填性を高めることができる。
【００３７】
＜実施の形態２＞
図６は、本発明の実施の形態２に係る電力用半導体装置について、実施の形態１の図３と同様に図２のＡ−Ａ線に沿った構成を示す断面図である。なお、本実施の形態２に係る電力用半導体装置において、以上で説明した構成要素と同一または類似するものについては同じ参照符号を付し、異なる部分について主に説明する。
【００３８】
本実施の形態２に係る電力用半導体装置は、実施の形態１の構成に、はんだ６が濡れにくい材料からなる膜であるソルダーレジスト１０を追加したものである。このソルダーレジスト１０は、配線部材５の突出部５ｂの外周に隣接して設けられている。本実施の形態２では、ソルダーレジスト１０は、配線部材５の突出部５ｂ側の下面のうち、少なくとも突出部５ｂを取り囲む領域上に形成されている。
【００３９】
以上のような本実施の形態２に係る電力用半導体装置によれば、ソルダーレジスト１０によって、はんだ６が突出部５ｂの外側に濡れ広がることをより抑制することができる。よって、封止部材９が充填されにくい狭い隙間の発生をより抑制することができるので、封止部材９の充填性をより高めることができる。
【００４０】
＜実施の形態１及び２の変形例＞
以上に説明した実施の形態１及び２では、半導体素子２は、Ｓｉ（ケイ素）から構成されることを想定していた。しかしこれに限ったものではなく、半導体素子２は、よりバンドギャップの大きな材料で形成された半導体（ワイドバンドギャップ半導体）から構成されてもよい。このような材料としては、例えば、ＳｉＣ（炭化ケイ素）、ＧａＮ（窒化ガリウム系）、ダイヤモンドが適用される。
【００４１】
このような半導体素子２を備える電力用半導体装置によれば、高温動作が可能である。なお、高温動作に伴って半導体素子２に作用する熱応力が大きくなることが想定されるが、実施の形態１及び２の構成により、半導体素子２と配線部材５との間の隙間への封止部材９の充填性が高められるので、信頼性及び絶縁性を確保することができる。したがって、半導体素子２がワイドバンドギャップ半導体から構成されている場合に特に有効である。
【００４２】
また、以上に説明した実施の形態１及び２では、半導体素子２をケース４で囲い、封止部材９で封止するケース型の電力用半導体装置であった。しかしこれに限ったものではなく、金型によって外形が成型されたモールド型の電力用半導体装置であってもよい。
【００４３】
しかしながら、ケース型の電力用半導体装置では、モールド型と異なり、封止部材９の充填に際して金型による加圧が困難であり、隙間等への封止部材９の浸透（充填）は、自然な浸透性に頼ることから、モールド型よりも封止部材９が充填されにくい。このため、実施の形態１及び２のようにケース型の電力用半導体装置において特に有効である。
【００４４】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態及び各変形例を自由に組み合わせたり、各実施の形態及び各変形例を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１  絶縁基板、２  半導体素子、２ａ  上面電極、４  ケース、５  配線部材、５ｂ  突出部、５ｂａ  平面部、５ｃ  貫通孔、５ｄ  凹部、６  はんだ、９  封止部材、１０  ソルダーレジスト。
【図１】
0006293030.tif 000002
【図２】
0006293030.tif 000003
【図３】
0006293030.tif 000004
【図４】
0006293030.tif 000005
【図５】
0006293030.tif 000006
【図６】
0006293030.tif 000007