(57)【要約】  絶縁基板（２）の上に半導体チップ（６）が設けられている。リードフレーム（８）が半導体チップ（６）の上面に接合されている。封止樹脂（１２）が半導体チップ（６）、絶縁基板（２）及びリードフレーム（８）を覆う。封止樹脂（１２）よりも低い弾性率を持つ応力緩和樹脂（１３）がリードフレーム（８）の端部に部分的に塗布されている。
2018146780.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板と、
前記絶縁基板の上に設けられた半導体チップと、
前記半導体チップの上面に接合されたリードフレームと、
前記半導体チップ、前記絶縁基板及び前記リードフレームを覆う封止樹脂と、
前記リードフレームの端部に部分的に塗布され、前記封止樹脂よりも低い弾性率を持つ応力緩和樹脂とを備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記リードフレームの上面は前記応力緩和樹脂に覆われていない露出部を有し、
前記露出部が前記応力緩和樹脂により囲まれてダム構造が構成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】
前記半導体チップ、前記絶縁基板及び前記リードフレームを取り囲むケースを更に備え、
前記ダム構造において、前記露出部は、前記応力緩和樹脂のみにより囲まれているか、前記応力緩和樹脂と前記リードフレームの折り曲げ部により囲まれているか、又は、前記応力緩和樹脂と前記ケースの内壁により囲まれている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】
前記リードフレームの前記端部の上面に前記リードフレームの厚みが薄くなる段差が設けられ、前記段差の上部に前記応力緩和樹脂が塗布されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記リードフレームの前記端部の上面と下面に前記リードフレームの厚みが薄くなる段差が設けられ、前記段差の上部と下部に前記応力緩和樹脂が塗布されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記応力緩和樹脂は、前記リードフレームの上面において、互いに平行な複数の線状に塗布されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記半導体チップは、前記半導体チップの前記上面に互いに離間して設けられて前記リードフレームに接合された第１及び第２の上面電極を有し、
前記リードフレームは、前記半導体チップの前記上面に対して垂直な平面視において前記第１の上面電極と前記第２の上面電極との間に切り込みを有することを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記応力緩和樹脂は前記リードフレームの端部において上面だけでなく、側面も覆うことを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記応力緩和樹脂の上面は前記リードフレームの上面に対して５μｍから５ｍｍ高いことを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記応力緩和樹脂の弾性率が２ＧＰａから８ＧＰａであることを特徴とする請求項１〜９の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記半導体チップはワイドバンドギャップ半導体により形成されていることを特徴とする請求項１〜１０の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項１２】
請求項１〜１１の何れか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、半導体チップを封止樹脂で封止した半導体装置及び電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業機器、電鉄、自動車の進展に伴い、それらに使用される半導体チップの使用温度も向上している。近年、高温でも動作する半導体チップの開発が精力的に行われ、半導体チップの小型化、高耐圧化、高電流密度化が進んでいる。特に、Ｓｉよりもバンドギャップが大きいＳｉＣ又はＧａＮなどのワイドバンドギャップ半導体を用いることで、半導体チップの高耐圧化、小型化、高電流密度化、高温動作が期待されている。このような特徴を持つ半導体チップを装置化するためには、半導体チップが１５０℃以上の高温で動作する場合も、封止樹脂の剥離、配線の劣化、接合材のクラックを抑えて半導体装置の安定な動作を確保する必要がある。【０００３】
これに対して、エポキシ樹脂である封止樹脂とリードフレームとの界面剥離に起因する耐湿性の低下を防止するために、例えばシリコーン樹脂のような低硬度の樹脂層をリードフレーム上面に設けて密着性を改善した半導体装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、エポキシ樹脂で封止する前に耐熱性と耐湿性に優れるポリイミド系樹脂でプリコートすることで、はんだ接合部の熱疲労寿命と耐湿性を同時に向上させた半導体装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】日本特許第２９７２６７９号公報
【特許文献２】日本特許第４４９２４４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
半導体装置は半導体チップ又は絶縁基板など低線膨張率の部材を有している。このため、従来のシリコーンゲル封止の半導体装置では問題とならなかったが、エポキシ樹脂封止の半導体装置では、ヒートサイクルにより低線膨張率の部材とエポキシ樹脂との剥離が絶縁信頼性の上で問題となる。このため、近年、エポキシ樹脂へセラミックからなるフィラーを高充填し、低線膨張率特性を有した封止樹脂が用いられている。【０００６】
しかし、フィラーを高充填した封止樹脂では弾性率が増加し、靭性が低下する。また、リードフレームは金属部材から構成され、半導体チップ又は絶縁基板と比較し線膨張率が高い。このため、低線膨張率である封止樹脂とリードフレームの界面で剥離が生じ、樹脂クラックが発生するという問題がある。また、フィラーの高充填化により樹脂粘度が増加する傾向にあり、封止樹脂中にボイドが混在するという問題もある。【０００７】
特許文献１，２に開示された方法では、エポキシ樹脂と他部材の密着性の改善と耐湿性向上に効果がある。しかし、特許文献１では、内部応力が生じ樹脂クラックを引き起こしやすいリードフレームの端部に応力緩和樹脂が塗布されておらず、半導体装置の樹脂クラックに伴う絶縁特性の低下が懸念される。また、特許文献２では、半導体装置全域に応力緩和樹脂を塗布しているため、リードフレームの下側などの狭ギャップ領域にも応力緩和樹脂が塗布され、狭ギャップ領域がさらに狭くなる。従って、狭ギャップ領域で封止樹脂が流動せずにボイドが残存してしまい、半導体装置の絶縁信頼性を著しく損ねるという問題があった。【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、その目的は封止樹脂の剥離とクラックを抑制し、封止樹脂中に残存するボイドを低減して絶縁信頼性の高い半導体装置及び電力変換装置を得るものである。
【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、絶縁基板と、前記絶縁基板の上に設けられた半導体チップと、前記半導体チップの上面に接合されたリードフレームと、前記半導体チップ、前記絶縁基板及び前記リードフレームを覆う封止樹脂と、前記リードフレームの端部に部分的に塗布され、前記封止樹脂よりも低い弾性率を持つ応力緩和樹脂とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明では、封止樹脂よりも低い弾性率を持つ応力緩和樹脂がリードフレームの端部に部分的に塗布されている。これにより、封止樹脂の剥離とクラックを抑制し、封止樹脂中に残存するボイドを低減して絶縁信頼性の高い半導体装置及び電力変換装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す上面図である。
【図２】図１のＩ−ＩＩに沿った断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係るリードフレームを示す斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係るダム構造を説明するための斜視図である。
【図５】比較例に係る半導体装置における封止樹脂の流入経路を示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係る半導体装置における封止樹脂の流入経路を示す断面図である。
【図７】本発明の実施の形態２に係るリードフレームの端部を示す断面図である。
【図８】比較例に係るリードフレームの端部を示す断面図である。
【図９】本発明の実施の形態２に係るリードフレームの端部の変形例１を示す断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態２に係るリードフレームの端部の変形例２を示す斜視図である。
【図１１】本発明の実施の形態３に係る半導体装置を示す断面図である。
【図１２】本発明の実施の形態３に係る半導体装置を示す平面図である。
【図１３】本発明の実施の形態４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。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の実施の形態に係る半導体装置及び電力変換装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
【００１３】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す上面図である。図２は、図１のＩ−ＩＩに沿った断面図である。本実施の形態の半導体装置は、例えば家電用、産業用、自動車用、電車用などに広く用いられる半導体パワーモジュールである。
【００１４】
ベース板１の上に絶縁基板２が設けられている。絶縁基板２の下面に電極パターン３が設けられ、上面に電極パターン４が設けられている。絶縁基板２の電極パターン３がベース板１にはんだ等の接合材５により接合されている。
【００１５】
絶縁基板２は、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＡｌＮ、ＢＮ、Ｓｉ３Ｎ４などのセラミック板である。絶縁基板２は、放熱性と絶縁性を備えることが必要であり、上記に限らず、セラミック粉を分散させた樹脂硬化物又はセラミック板を埋め込んだ樹脂硬化物でもよい。絶縁基板２とベース板１が一体型となった構造でもよい。絶縁基板２に用いるセラミック粉はＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＡｌＮ、ＢＮ、Ｓｉ３Ｎ４などであるが、これに限らず、ダイヤモンド、ＳｉＣ、Ｂ２Ｏ３などでもよい。絶縁基板２に用いる樹脂は、通常エポキシ樹脂であるが、これに限らず、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂、アクリル樹脂などでもよく、絶縁性と接着性を兼ね備えた材料であれば構わない。
【００１６】
絶縁基板２の上に半導体チップ６が設けられている。半導体チップ６はＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ又はＤｉｏｄｅなどである。半導体チップ６の下面の主電極が絶縁基板２の電極パターン４に接合材７により接合されている。また、図では、一つの電極パターン４上に半導体チップ６が２個しか搭載されていないが、これに限らず、用途に応じて必要な個数の半導体チップ６を搭載することができる。
【００１７】
リードフレーム８が半導体チップ６の上面の主電極に接合材９により接合されている。半導体チップ６の上面の制御電極に配線１０が接続されている。半導体チップ６はリードフレーム８及び配線１０を介して外部に電気的に接続されている。
【００１８】
ベース板１、電極パターン３，４及びリードフレーム８には通常銅を用いるが、これに限らず、必要な放熱特性を有するものであればよい。例えばアルミ又は鉄を用いてもよく、これらを複合した材料を用いてもよい。また、銅／インバー／銅などの複合材料を用いてもよく、ＳｉＣＡｌ、ＣｕＭｏなどの合金を用いてもよい。また、これらの表面は、通常、ニッケルメッキを行うが、これに限らず、金又は錫メッキを行ってもよく、必要な電流と電圧を半導体チップ６に供給できる構造であれば構わない。
【００１９】
配線１０は、アルミ又は金からなる断面が円形の線体であるが、これに限らず、例えば断面が方形の帯状の銅板でもよい。また、図では半導体チップ６に４本の配線１０が接続されているが、これに限らず、半導体チップ６の電流密度などに応じて必要な本数を設ける。配線１０の接合には、銅又は錫などの溶融金属、超音波接合等を用いることができるが、必要な電流と電圧を半導体チップ６に供給できる方法・構造であれば特に限定されない。
【００２０】
ケース１１が、ベース板１の外周上に設けられ、半導体チップ６、絶縁基板２及びリードフレーム８を取り囲んでいる。ケース１１は、熱軟化点が高い樹脂材料であることが望ましく、例えばＰＰＳ（Poly Phenylene Sulfide）樹脂がある。ただし、半導体装置の使用温度領域内で熱変形せず、絶縁性を有している材料であれば特に限定されず、リードフレーム８がインサート成形又はアウトサート成形により組み合わされた構造であれば構わない。
【００２１】
封止樹脂１２がケース１１内に充填され、半導体チップ６、絶縁基板２及びリードフレーム８を覆っている。封止樹脂１２は、例えばエポキシ樹脂であるが、これに限らず、所望の弾性率と耐熱性を有している樹脂であればよい。なお、封止樹脂１２との密着性を向上させるため、電極パターン３，４及びリードフレーム８の少なくとも一部の表面に、微小な凹凸を設けてもよく、又はプライマー処理等の密着性向上剤を設けてもよい。なお、ケース１１が形成されないモールド型構造の半導体装置でもよい。
【００２２】
図３は、本発明の実施の形態１に係るリードフレームを示す斜視図である。封止樹脂１２とリードフレーム８との線膨張率差により発生する応力はリードフレーム８の端部に集中する。そこで、本実施の形態では、応力集中部位であるリードフレーム８の端部に、封止樹脂１２よりも低い弾性率を持つ応力緩和樹脂１３を塗布している。これにより封止樹脂１２にかかる応力を緩和することができるため、リードフレーム８と封止樹脂１２との界面でヒートサイクルに伴う封止樹脂１２の剥離及び樹脂クラックを抑制することができる。ここで、リードフレーム８の端部とは、リードフレーム８の外周部、リードフレーム８の折り曲げ部における角部、リードフレーム８に形成された開口又はスリット等の周りである。また、応力緩和樹脂１３はリードフレーム８の端部において上面だけでなく、側面も覆っている。これにより、樹脂クラックの抑制効果が更に向上する。
【００２３】
応力緩和樹脂１３の材料は、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、アクリル樹脂等であるが、これに限らず、絶縁性と接着性を兼ね備えた材料であればよい。
【００２４】
応力緩和樹脂１３の塗布方法としては、ディスペンサーによる塗布が一般的である。半導体チップ６又は絶縁基板２等の各種部材がベース板１に接合され、ベース板１とケース１１が接着された後、封止樹脂１２を充填する前に応力緩和樹脂１３を塗布する。または、ベース板１、ケース１１及びリードフレーム８が接着される前に応力緩和樹脂１３を塗布してもよい。応力緩和樹脂１３の硬化条件と、ケース１１とベース板１の接着に使用する接着剤の硬化条件が併用できるのであれば、それらの接着と同時に応力緩和樹脂１３を硬化させることもできる。また、必要に応じてマスクを用いることでリードフレーム８の任意の部位のみに応力緩和樹脂１３を塗布することができる。マスクを用いる場合、ディスペンサーによる塗布だけでなく、スプレー方式で噴きつけ塗布することも、応力緩和樹脂１３の液に直接ディッピングすることもできる。
【００２５】
応力緩和樹脂１３はリードフレーム８の端部に部分的に塗布されており、リードフレーム８の上面は応力緩和樹脂１３に覆われていない露出部を有する。この露出部が応力緩和樹脂１３により囲まれてダム構造が構成されている。具体的には、ダム構造において、リードフレーム８の上面の露出部は、その周囲４辺に沿って設けられた応力緩和樹脂１３のみにより囲まれているか、３辺に沿って設けられた応力緩和樹脂１３と１辺に沿って設けられたリードフレーム８の折り曲げ部により囲まれているか、又は、３辺に沿って設けられた応力緩和樹脂１３と１辺に沿って設けられたケース１１の内壁により囲まれている。
【００２６】
図４は、本発明の実施の形態１に係るダム構造を説明するための斜視図である。応力緩和樹脂１３により構成されたダム構造は、リードフレーム８の上面を流れる封止樹脂１２をせき止める。なお、リードフレーム８の全面を応力緩和樹脂１３で覆うと、このようなダム構造が形成されず、リードフレーム８の上面を流れる封止樹脂１２をせき止めることができない。
【００２７】
続いて、本実施の形態に係る半導体装置の封止樹脂の注入の様子を比較例と比較して説明する。図５は、比較例に係る半導体装置における封止樹脂の流入経路を示す断面図である。図６は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置における封止樹脂の流入経路を示す断面図である。比較例には応力緩和樹脂１３が設けられてない。
【００２８】
封止樹脂１２の充填方式として、例えば、所定の１点から封止樹脂１２を注入しケース１１の内部に充填させる方法が挙げられる。リードフレーム８の下側の入口Ｒ１から半導体チップ６近傍に、高さが１〜３ｍｍ程度の狭ギャップ領域が存在する。ここで、絶縁基板２は一般的に線膨張率が低いセラミックである。エポキシ樹脂に代表される高弾性の封止樹脂１２では、絶縁基板２と封止樹脂１２とのヒートサイクルに伴う剥離を抑制するため、フィラーを高充填化して線膨張率が低く設定される。これにより封止樹脂１２の弾性率と粘度が増加するため、封止樹脂１２の流動性は低く、狭ギャップ領域への充填が困難な場合がある。
【００２９】
封止樹脂１２の粘度が低い場合、充填された封止樹脂１２は、狭ギャップ領域に流入し、絶縁基板２の上面、半導体チップ６、接合材９を順に封止する。このため、比較例でも、封止樹脂１２にボイドを残存させない信頼性の高い封止が可能である。一方、封止樹脂１２の粘度が高い場合、封止樹脂１２は狭ギャップ領域の入口Ｒ１の通過に時間を要し、入口Ｒ１で溜まる。嵩高くなった封止樹脂１２が流入経路Ｒ２からリードフレーム８の上面に伸展を開始する。このため、比較例では、封止樹脂１２が狭ギャップ領域を通り抜けるより先に、リードフレーム８の上面を流れた封止樹脂１２が回り込んで、入口Ｒ１とは逆側の入口Ｒ３から狭ギャップ領域に流入する。この両側から流入した封止樹脂１２によりリードフレーム８の下側で空気の逃げ場が無くなり、封止樹脂１２中にボイドがトラップされる。樹脂注入時のボイドのトラップは、特に半導体チップ６間又は半導体チップ６上部の接合材間の狭ギャップ領域で生じやすく、リードフレーム８が半導体チップ６の上面の表面積の５０％以上を覆う構造において特に生じやすい。
【００３０】
本実施の形態でも、比較例と同様に、封止樹脂１２は流入経路Ｒ２からリードフレーム８の上面に伸展する。しかし、封止樹脂１２の高さが応力緩和樹脂１３の高さに達するまで、封止樹脂１２は応力緩和樹脂１３のダム構造でせき止められてリードフレーム８の上面に留まる。このため入口Ｒ３からリードフレーム８の下面への封止樹脂１２の回り込みを抑制して、リードフレーム８の下面側の狭ギャップ領域に一方向から封止樹脂１２を流入させることができる。よって、封止樹脂１２中のボイドトラップの発生を防ぐことができるため、電気絶縁性に対して信頼性が高い半導体装置を得ることができる。
【００３１】
続いて、評価試験用の半導体装置を作製してヒートサイクル試験を行った結果を説明する。半導体チップ６にはんだ接合材を介して接合した銅板でリードフレーム８を形成し、ケース１１を接着剤により取り付けた。次に、所定の弾性率を振り分けた応力緩和樹脂１３を形成した。次に、フィラーの充填率を増減させることで弾性率を調整したエポキシ樹脂からなる液状の封止樹脂１２を封止し、１６０℃で２時間加熱をすることで評価用半導体装置を作製した。半導体装置全体を、温度制御が可能な恒温槽に入れ、恒温槽の温度を−４０℃〜１６０℃の間で繰り返し変化させてヒートサイクル試験を実施した。ヒートサイクル試験では、評価用サンプルを−４０℃で３０分間保持し、その後１６０℃で３０分間保持することを１サイクルとし、このサイクルを１０００回繰り返した。ヒートサイクル試験後に、故障モードとして超音波探傷装置による非破壊での剥離観察と、断面観察による樹脂クラックの確認とを実施した。
【００３２】
実施の形態１に対応する複数の評価サンプルと、リードフレーム８に応力緩和樹脂１３を塗布していないリファレンスサンプルを試作した。表１に、実施の形態１に対応するサンプルとリファレンスサンプルのヒートサイクル試験の結果を示す。応力緩和樹脂１３として４種の弾性率のポリイミド樹脂をディスペンサーにより厚み２０μｍの膜厚になるように塗布した。封止樹脂１２として、弾性率１０ＧＰａ、１２ＧＰａ、１５ＧＰａの３種のエポキシ樹脂を使用した。各評価を２台の半導体装置について実施し、ヒートサイクル試験１０００サイクル後に２台全て合格した項を○とし、１台が合格した項を△とし、合格に至るものが無かった項を×とした。
【表１】
2018146780.tif 000003
【００３３】
リードフレーム８に応力緩和樹脂１３を塗布していないリファレンスサンプルでは、封止樹脂１２の弾性率が１０ＧＰａであれば、剥離もクラックも確認されなかった。しかし、封止樹脂１２の弾性率が１２ＧＰａ以上になると、剥離とクラックが発生した。
【００３４】
弾性率が２ＧＰａ〜８ＧＰａの応力緩和樹脂１３を塗布した半導体装置では、ヒートサイクル試験１０００サイクル後も剥離及びクラックは発生しないことが分かった。また、１０ＧＰａの応力緩和樹脂１３を塗布した半導体装置では、封止樹脂１２の弾性率が１０ＧＰａであれば、ヒートサイクル試験後も剥離及びクラックは確認されなかったものの、封止樹脂１２の弾性率が１２ＧＰａになると剥離が発生し、封止樹脂１２の弾性率が１５ＧＰａになると剥離及びクラックを生じることが分かった。
【００３５】
実験の結果、リードフレーム８に応力緩和樹脂１３を塗布することによって、高温領域でのヒートサイクルによる封止樹脂１２の剥離及びクラックを抑制できることが確認された。また、応力緩和樹脂１３の弾性率が８ＧＰａ以下であると、より信頼性の高い半導体装置を作製できることが判明した。
【００３６】
また、応力緩和樹脂１３の上面はリードフレーム８の上面に対して５μｍから５ｍｍ高い。応力緩和樹脂１３が５μｍ以上高いことで封止樹脂１２中のボイドトラップの発生を抑制することができる。また、応力緩和樹脂１３のリードフレーム８の端部での未塗布部位を残さないためにも、応力緩和樹脂１３は５μｍ以上の厚みであることが好ましい。ただし、応力緩和樹脂１３はリードフレーム８上の封止樹脂１２の高さよりも低いことが好ましい。応力緩和樹脂１３が５ｍｍより高いとリードフレーム８上で濡れ広がりが生じることが多く、応力緩和樹脂１３自身がヒートサイクルによりクラックを生じる。このため、５ｍｍ以下であることが好ましい。
【００３７】
また、本実施の形態では、電流密度の増加、配線のヒートサイクル環境に伴う断線を抑制して半導体装置の信頼性を向上させるため、リードフレーム８を用いている。ただし、半導体装置の信頼性特性を損なわない範囲において部分的に配線１０を用いてもよい。封止樹脂１２の流動性が低い場合、リードフレーム８の下部にボイドが混入することが懸念されるが、部分的に配線１０を用いることで残存ボイドが抜けやすくなる。
【００３８】
実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２に係るリードフレームの端部を示す断面図である。本実施の形態は、実施の形態１と比較してリードフレーム８の端部の構造が異なっており、その他の構成は実施の形態１と同様である。リードフレーム８の端部の上面にリードフレーム８の厚みが薄くなる段差１４が設けられた上面薄型構造になっている。段差１４の上部に応力緩和樹脂１３が塗布される。
【００３９】
続いて、本実施の形態の効果を比較例と比較して説明する。図８は、比較例に係るリードフレームの端部を示す断面図である。比較例には段差１４が設けられていない。リードフレーム８の端部の角部Ｃ１，Ｃ２に特にヒートサイクルによる応力が発生する。従って、リードフレーム８の端部の応力の緩和には、角部Ｃ１，Ｃ２に応力緩和樹脂１３が塗布されていることが好ましい。
【００４０】
比較例の角部Ｃ２で発生していた応力が本実施の形態では角部Ｃ３，Ｃ４に分散されるため、本実施の形態は比較例よりも応力緩和の効果が高い。また、応力緩和樹脂１３をリードフレーム８の端部に塗布する際に、段差１４に塗布することで濡れ広がりを抑制することができる。
【００４１】
ケース１１をベース板１と接着させた後に装置上面から応力緩和樹脂１３を塗布する場合、比較例では角部Ｃ１の被覆は容易であるが、角部Ｃ２の被覆が困難である。これに対して、本実施の形態では角部Ｃ３と角部Ｃ４の間隔が短いため、段差１４に塗布する際に両者の塗布を同時に行える。なお、段差１４の厚み及び長さ、即ちＣ３，Ｃ４の間隔及びＣ３，Ｃ５の間隔は限定されず、応力緩和樹脂１３の粘度により適した間隔に設定すればよい。
【００４２】
図９は、本発明の実施の形態２に係るリードフレームの端部の変形例１を示す断面図である。リードフレーム８の端部の上面と下面にリードフレーム８の厚みが薄くなる段差１４,１５がそれぞれ設けられた上下面薄型構造になっている。段差１４の上部と段差１５の下部に応力緩和樹脂１３が塗布される。これにより、リードフレーム８の端部の段差１４,１５を応力緩和樹脂１３で覆うことができる。
【００４３】
ただし、ケース１１をベース板１と接着させた後での角部Ｃ２への応力緩和樹脂１３の塗布は難しい。そこで、ケース１１の接着前に応力緩和樹脂１３を塗布すれば、応力緩和樹脂１３の粘度に応じてＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４の間隔を調整し、角部に塗布することができる。このため、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。なお、応力緩和樹脂１３が段差１４,１５だけでなく、他の部位に塗布された場合も効果に影響無いことは言うまでもない。
【００４４】
図１０は、本発明の実施の形態２に係るリードフレームの端部の変形例２を示す斜視図である。応力緩和樹脂１３の種類によっては、段差１４の上部に塗布する応力緩和樹脂１３の膜厚を担保することが難しい。そこで、応力緩和樹脂１３を、リードフレーム８の上面において、互いに平行な複数の線状に塗布する。これにより直角方向からリードフレーム８の上面に流入してきた封止樹脂１２の進行経路が長くなるため、封止樹脂１２の回り込みを抑制して封止樹脂１２中のボイドトラップの発生を防ぐことができる。
【００４５】
図では線状の応力緩和樹脂１３は４本であるが、封止樹脂１２の粘度、応力緩和樹脂１３の厚みに応じて、本数が増減されることは言うまでもない。応力緩和樹脂１３の形状は直線形状に限らず、曲線形状でもよい。なお、応力緩和樹脂１３を複数の線状に塗布する構成は実施形態２に限らず他の実施の形態にも適用することができる。
【００４６】
実施の形態３．
図１１は、本発明の実施の形態３に係る半導体装置を示す断面図である。半導体チップ６の上面には温度センス又はゲートなどの配線が設けられているため、エミッタ電極が互いに離間した上面電極１６，１７に分断される。はんだ等の接合材９を用いて上面電極１６，１７にリードフレーム８が接合される。上面電極１６，１７の接合材９間に、リードフレーム８と接合されていないトンネルＲ４が存在する。
【００４７】
図１２は、本発明の実施の形態３に係る半導体装置を示す平面図である。封止樹脂１２がトンネルＲ４へ流入し難いため、封止樹脂１２にボイドが溜まりやすくなる。そこで、リードフレーム８は、半導体チップ６の上面に対して垂直な平面視において上面電極１６と上面電極１７との間に切り込み１８を有する。切り込み１８の周りにも応力緩和樹脂１３が設けられている。
【００４８】
切り込み１８によりトンネルＲ４の上方で蓋をしていたリードフレーム８の一部が無くなるため、封止樹脂１２がトンネルＲ４へ流入しやすくなり、ボイドを抑制することができる。この結果、実施の形態１，２の応力緩和樹脂１３による封止樹脂１２の流動性の制御と組み合わせることで、さらにボイドを抑制することができる。
【００４９】
なお、半導体チップ６は、珪素によって形成されたものに限らず、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成されたものでもよい。ワイドバンドギャップ半導体は、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、又はダイヤモンドである。本実施の形態は、１５０℃以上の高い温度領域で半導体装置を使用した際の部材の線膨張率差で発生する樹脂クラックを抑制するため、ワイドバンドギャップ半導体により形成された半導体チップ６を用いた場合に特に有効である。
【００５０】
また、ワイドバンドギャップ半導体によって形成された半導体チップ６は、耐電圧性と許容電流密度が高いため、小型化できる。この小型化された半導体チップ６を用いることで、この素子を組み込んだ半導体装置も小型化できる。また、半導体チップ６の耐熱性が高いため、ヒートシンクの放熱フィンを小型化でき、水冷部を空冷化できるので、半導体装置を更に小型化できる。また、半導体チップ６の電力損失が低く高効率であるため、半導体装置を高効率化できる。
【００５１】
実施の形態４．
本実施の形態は、上述した実施の形態１〜３にかかる半導体装置を電力変換装置に適用したものである。電力変換装置は、例えば、インバータ装置、コンバータ装置、サーボアンプ、電源ユニットなどである。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、三相のインバータに適用した場合について説明する。
【００５２】
図１３は、本発明の実施の形態４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。この電力変換システムは、電源１００、電力変換装置２００、負荷３００を備える。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、交流系統に接続された整流回路又はＡＣ／ＤＣコンバータで構成してもよい。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。
【００５３】
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、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。
【００５４】
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され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、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、もしくは、空調機器向けの電動機として用いられる。
【００５５】
以下、電力変換装置２００を詳細に説明する。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１００から供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に供給する。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、本実施の形態にかかる主変換回路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。主変換回路２０１の各スイッチング素子と各還流ダイオードは、上述した実施の形態１〜３の何れかに相当する半導体装置２０２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２０１の３つの出力端子は、負荷３００に接続される。
【００５６】
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（図示なし）を備えているが、駆動回路は半導体装置２０２に内蔵されていてもよいし、半導体装置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。
【００５７】
制御回路２０３は、負荷３００に所望の電力が供給されるよう主変換回路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。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、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又はオフ信号を駆動信号として出力する。
【００５８】
本実施の形態では、半導体装置２０２として実施の形態１〜３に係る半導体装置を適用するため、封止樹脂の剥離とクラックを抑制し、封止樹脂中に残存するボイドを低減して絶縁信頼性の高い半導体装置及び電力変換装置を得ることができる。
【００５９】
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レベル又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コンバータ又はＡＣ／ＤＣコンバータに本発明を適用することも可能である。
【００６０】
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、レーザー加工機、又は誘導加熱調理器もしく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又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。
【符号の説明】
【００６１】
２  絶縁基板、６  半導体チップ、８  リードフレーム、１１  ケース、１２  封止樹脂、１３  応力緩和樹脂、１４,１５  段差、１６，１７  上面電極、１８  切り込み、２００  電力変換装置、２０１  主変換回路、２０２  半導体装置、２０３  制御回路
【図１】
2018146780.tif 000004
【図２】
2018146780.tif 000005
【図３】
2018146780.tif 000006
【図４】
2018146780.tif 000007
【図５】
2018146780.tif 000008
【図６】
2018146780.tif 000009
【図７】
2018146780.tif 000010
【図８】
2018146780.tif 000011
【図９】
2018146780.tif 000012
【図１０】
2018146780.tif 000013
【図１１】
2018146780.tif 000014
【図１２】
2018146780.tif 000015
【図１３】
2018146780.tif 000016
【国際調査報告】
2018146780.tif 000017
2018146780.tif 000018
2018146780.tif 000019
2018146780.tif 000020