(57)【要約】【課題】動作温度域が高くなっても絶縁耐圧を維持して信頼性の高い電力用半導体装置を得ることを目的とする。【解決手段】電力用半導体素子２、３が回路部５Ｃの一方の面に実装されたリードフレーム５と、回路部５Ｃの他方の面に対して、放熱面８ｒの反対側の面が絶縁膜７を介して接合され、回路部５Ｃの隙間５Ｃｓに対向し、かつ当該隙間５Ｃｓ内で開口する窪み８ｄが形成された放熱板８と、リードフレーム５の接続端子５Ｌと放熱板８の少なくとも放熱面８ｒとを除いて当該電力用半導体装置１を封止する封止体１１とを備え、絶縁膜７には、放熱板８の窪み８ｄの位置に対応した貫通孔７ｈが形成され、封止体１１は、回路面５Ｃの半導体素子２、３が実装された面側から板状配線材間の隙間５Ｃｓと絶縁膜７の貫通孔７ｈを通して放熱板８の窪み８ｄの内部に食い込む食い込み部１１ａを有するように構成した。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力用半導体素子と、
複数の板状配線材を並べて平坦に形成された回路部と、外部回路への接続端子とを有し、前記電力用半導体素子が前記回路部の一方の面に実装されたリードフレームと、
前記回路部の他方の面に対して、放熱面の反対側の面が絶縁膜を介して接合されるとともに、前記回路部の板状配線材間の隙間に対向し、かつ当該隙間内で開口する窪みが形成された放熱板と、
前記リードフレームの接続端子と前記放熱板の少なくとも放熱面とを除いて当該電力用半導体装置を封止する封止体とを備え、
前記絶縁膜には、前記放熱板の窪みの位置に対応した貫通孔が形成され、
前記封止体は、前記回路面の前記半導体素子が実装された面側から前記板状配線材間の隙間と前記絶縁膜の貫通孔を通して前記放熱板の窪みの内部に食い込む食い込み部を有することを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項２】
前記窪みは、前記板状配線材間の隙間のうち、大きい隙間に対向して開口するように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
【請求項３】
前記窪みは、前記開口から深くなるにつれ狭くなる傾斜部が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電力用半導体装置。
【請求項４】
前記窪みは、前記放熱板の厚み方向に沿って凹凸となるように内側面に溝が形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項５】
前記窪みは、前記放熱面まで貫通していることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項６】
前記窪みは、前記放熱板の面方向における長手方向に直交する方向に延びていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項７】
前記電力用半導体素子がワイドバンドギャップ半導体材料により形成されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項８】
前記ワイドバンドギャップ半導体材料は、炭化ケイ素、窒化ガリウム、またはダイヤモンド、のうちのいずれかであることを特徴とする請求項７に記載の電力用半導体装置。
【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、特に半導体素子を実装したリードフレームに絶縁膜を介して放熱板が接合され、封止樹脂により一体化された電力用半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の中でも電力用半導体装置は、鉄道車両、ハイブリッドカー、電気自動車等の車両、家電機器、産業用機械等において、比較的大きな電力を制御、整流するために利用されている。従って、電力用半導体装置に使用される半導体素子は１００Ａ／ｃｍ２を超える高い電流密度で通電することが求められる。そのため、近年はシリコン（Ｓｉ）に代わる半導体材料としてワイドバンドギャップ半導体材料である炭化珪素（ＳｉＣ）が注目されており、ＳｉＣからなる半導体素子は５００Ａ／ｃｍ２を超える電流密度での動作が可能である。また、ＳｉＣは１５０℃〜３００℃の高温状態でも安定動作が可能であり、高電流密度動作と高温動作の両立が可能な半導体材料として期待されている。
【０００３】
このような半導体装置の構成としては、リードフレームの半導体素子を実装した面の反対側の面に絶縁膜を介して放熱板を接合し、半導体素子が発生する熱を効率よく放熱するようにするとともに、放熱面を除いて全体を樹脂で封止して、回路部材を保持するようにしている（例えば、特許文献１参照）。しかし、半導体装置は起動停止に伴い温度が変化するため、線膨張係数の異なる部材間で熱応力が発生し、封止樹脂と放熱板との密着性が低下することがあった。密着性が低下して、絶縁膜が放熱板やリードフレームから剥離すると剥離部分と剥離していない部分との境界に電位勾配が集中して部分放電が発生し、絶縁耐圧が低くなる。とくに、上記のようなワイドバンドギャップ半導体では、高電流密度・高温動作に適応するため、放熱性の高い絶縁膜が要求される。絶縁膜の放熱性を高めるために、一般的にフィラーが高充填されるが、相対的に接着を担うバインダー比率が減ることにより、接着強度が低くなってしまうので、その影響が顕著となる。
【０００４】
一方、金属板にはんだで半導体素子を接合する場合に、はんだの濡れ広がりを防止するための構成ではあるが、金属板のうちの半導体素子を搭載する領域以外の部分に凹凸を設けることによって、封止樹脂と金属板との密着性の確保も求め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】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１７２２３９号公報（段落００１３〜００１８、図１〜図４）
【特許文献２】特開２００４−１８６６２２号公報（段落００１１〜００１３、図１、図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、例えば、特許文献１の半導体装置の放熱板に特許文献２に記載された金属板構造を取り入れることも考えられる。しかしながら、特許文献２の半導体装置には、金属板とリードフレームとを絶縁するという考え方がない。そのため、上記のような凹凸構造を単純に取り入れて、封止体と放熱板との密着性を確保するようにすると、リードフレームと放熱板間において、絶縁層の厚みが変化する部分が生じ、絶縁膜が剥離したときと同様に、絶縁耐圧が低下してしまう。
【０００７】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、動作温度域が高くなっても絶縁耐圧を維持して信頼性の高い電力用半導体装置を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の電力用半導体装置は、電力用半導体素子と、複数の板状配線材を並べて平坦に形成された回路部と、外部回路への接続端子とを有し、前記電力用半導体素子が前記回路部の一方の面に実装されたリードフレームと、前記回路部の他方の面に対して、放熱面の反対側の面が絶縁膜を介して接合されるとともに、前記回路部の板状配線材間の隙間に対向し、かつ当該隙間内で開口する窪みが形成された放熱板と、前記リードフレームの接続端子と前記放熱板の少なくとも放熱面とを除いて当該電力用半導体装置を封止する封止体とを備え、前記絶縁膜には、前記放熱板の窪みの位置に対応した貫通孔が形成され、前記封止体は、前記回路面の前記半導体素子が実装された面側から前記板状配線材間の隙間と前記絶縁膜の貫通孔を通して前記放熱板の窪みの内部に食い込む食い込み部を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の電力用半導体装置によれば、封止体の一部が放熱板の窪みに食い込んでアンカーとして働くので、動作温度域が高くなっても、絶縁膜がリードフレームと放熱板との密着が保たれ、絶縁耐圧を維持して信頼性の高い電力用半導体装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための外観図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための放熱板と回路部分を示す平面図である。
【図４】本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための放熱板と絶縁膜部分を示す平面図と断面図である。
【図５】本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための放熱板の窪み部近傍部分を示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態２にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための放熱板と回路部分を示す平面図である。
【図７】本発明の実施の形態２にかかる電力用半導体装置の構成および製造工程中の状態を説明するための放熱板の窪み部近傍部分を示す断面図である。
【図８】本発明の実施の形態２にかかる電力用半導体装置の構成による効果を説明するための放熱板の窪み部近傍部分を示す断面図である。
【図９】本発明の実施の形態３にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための放熱板の窪み部近傍部分を示す断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態４にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための放熱板の窪み部近傍部分を示す断面図である。
【図１１】本発明の実施の形態５にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための放熱板と絶縁膜部分を示す平面図と断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１〜図５は、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置を説明するためのもので、図１は電力用半導体装置の外観を示しており、図１（ａ）は裏面の平面図、図１（ｂ）は長手方向の側面のうち、図１（ａ）のｂ方向からの側面図、図１（ｃ）は長手方向の側面のうち、図１（ａ）のｃ方向からの側面図、図１（ｄ）は短手方向の側面のうち、図１（ａ）のｄ方向からの側面図である。図２は図１（ａ）におけるｄ方向から見た断面図の天地を逆転させたものであり、図２（ａ）はＡ−Ａ線における断面図、図２（ｂ）はＢ−Ｂ線における断面図である。図３は電力用半導体装置のうち、放熱板とパワーリードフレーム部分を抜き出した平面図である。図４は図３からさらにパワーリードフレーム部分を除外して記載した図であり、図４（ａ）は放熱板の絶縁膜側から見た平面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＤ−Ｄ線における断面図である。そして、図５は放熱板に設けた窪み部近傍の構成を説明するための図３のＣ−Ｃ線における部分断面図である。本実施の形態１にかかる電力用半導体装置の特徴は、絶縁膜とリードフレームを挟んだ放熱板と封止樹脂間の構造にあるが、はじめに、電力用半導体装置および部材の基本的な構成について説明する。
【００１２】
電力用半導体装置１は、図１に示すように、長手方向の両側面にパワーリード端子５Ｌと制御リード端子６Ｌを配置したＤＩＰ（Dual Inline Package）タイプの電力用半導体装置である。そして、図２、図３に示すように、銅板を打ち抜いて形成された電力回路用のリードフレーム５（パワーリード）と制御回路用のリードフレーム６（制御リード）とを備え、パワーリード５には、例えば炭化珪素（ＳｉＣ）のようなワイドバンドギャップ半導体材料で構成された整流素子であるダイオード２とスイッチング素子であるＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect-Transistor）のトランジスタ３が搭載され、本電力用半導体装置での電力用の主電流の流れを制御する電力回路が形成されている。また、制御リード６には、例えばケイ素（Ｓｉ：シリコン）で構成された半導体素子の集積回路であるＩＣ４が搭載され、パワー半導体であるトランジスタ３の動作を制御するための制御回路が形成されている。
【００１３】
なお、パワーリード５には、複数の板状配線材を並べてダイオード２やトランジスタ３を搭載するためのダイパッドや、電力回路を形成するための配線パターン構造を有する平坦な回路部５Ｃが一端側に形成され、外部回路への主電流経路を形成するための接続端子であるパワーリード端子５Ｌが他端側に形成されている。同様に、制御リード６には、ＩＣ４を搭載するためのダイパッドや制御回路を形成するための配線構造、および電力回路との中継端子を有する回路部６Ｃが一端側に形成され、外部回路への接続端子である制御リード端子５Ｌが他端側に形成されている。そして、６組のダイオード２とトランジスタ３が、パワーリード５の回路部５Ｃ内のダイパッド表面に、それぞれはんだ９ａで接合され、ＩＣ４は制御リード６の回路部６Ｃ内のダイパッド表面に導電性接着剤９ｂで固着されている。なお、制御リード６やパワーリード５は、平面図でみると複雑に入り組んだ形状をなし、ひとつの直線で切断した断面には、本来、分割部分や連続部分が混在することになるが、図２では、簡略化のために、説明で区別すべき部分以外は、つながった状態で描いている。
【００１４】
電力回路を構成するダイオード２、トランジスタ３は、上述したようにワイドバンドギャップ半導体材料であるＳｉＣを主構成材としており、実動作時に高温（２００〜３００℃）で使用するため、はんだ９ａには高融点のものが求められる。さらに、環境に配慮すると、Ｐｂを含まない、いわゆる鉛フリーのはんだが好ましく、例えば、Ｓｎ−Ｓｂ系、Ａｕ−Ｓｎ系が好ましい。
【００１５】
なお、ダイオード２やトランジスタ３と回路部５Ｃとの接続は、はんだに限るものではなく、焼結性銀ペーストなどの導電性の接着剤など、導電性に優れる材料であればよいが、モールド時や実動作時の温度を考えると使用可能温度が２００℃以上で、かつある程度の接着力を有することが好ましい。
【００１６】
トランジスタ３の上部電極のうち、大電流となる電力用の主電流を流す電極（例えばソース電極）とダイオード２とは、アルミニウムのワイヤで構成される配線部材１０ａで電気的に接続され、ダイオード２とパワーリード端子５Ｌの根元部分もアルミニウムのワイヤで構成される配線部材１０ａで電気的に接続される。また、トランジスタ３と制御リード６の中継端子とも配線部材１０ａによって接続されている。なお、配線部材１０ａのうち、例えば、トランジスタ３〜ダイオード２〜リード端子５Ｌ間については、図３に示すように連続的に形成するようにしてもよい。また、配線部材１０ａには、アルミニウムにかぎらず、アルミニウムを主成分とする合金や、他の金属を用いても構わない。
【００１７】
一方、制御回路内でのＩＣ４と制御リード端子６Ｌの根元部分および回路部６Ｃの中継端子とは、金で構成される金属細線１０ｂで電気的に接続される。なお、金属細線１０ｂは、制御用に電圧を印加するためのものであり、大きな電流を流す必要がなく、集積回路であるＩＣ４に形成された狭い電極との接続が要求されるので、配線部材１０ａよりも線径の細いワイヤが好ましい。ＩＣ４との接合のしやすさから、材料としては金が好ましいが、これらの仕様を満たすのであれば、金を主成分とする合金や、他の金属、例えば銅やアルミニウム、あるいはその合金などを用いても構わない。
【００１８】
パワーリード５のうち、回路部５Ｃの裏面（半導体素子２、３が接合された面の反対側の面）には放熱性と絶縁性の高い絶縁膜７が接着されており、絶縁膜７を介してさらに放熱用のアルミニウム製の放熱板８（ヒートシンク）が接着されている。絶縁膜７は絶縁性で熱伝導率の高いＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２などの無機物フィラーと、電気抵抗率が高いエポキシ樹脂などの有機物のバインダーとで構成され、高い放熱性と絶縁性を兼ね備えている。なお、フィラーとしては、熱伝導率が高く、絶縁性を有する材料であれば、上記に示すセラミックス材料以外の材料でも良い。また、バインダーはエポキシ樹脂以外の有機成分を含んでもよく、またエポキシ樹脂を含んでいなくても良い。
【００１９】
そして、上記部材のうち、パワーリード端子５Ｌ部分、制御リード端子６Ｌ部分、および放熱板８の放熱面８ｒを除いた部分を封止樹脂１１で封止することでパッケージング（成型）されている。これにより、電力用半導体装置１は、電力回路としては、いわゆる６  ｉｎ  １の３相インバータ回路で、制御回路にＩＣを内蔵したトランスファーモールド型のＩＰＭ（Intelligent Power Module）となる。なお、電力用半導体装置１の放熱板８の長手方向両端あるいはその近傍の封止体１１には、図示しない放熱フィンに取り付けるための取り付け穴１１ｈを設けている。電力用半導体装置１を実使用する場合、必要に応じて電力用半導体装置１の放熱板８の放熱面８ｒに、外部の放熱フィンなどと熱伝導性グリスを介してネジ固定するためである。取り付け穴１１ｈを放熱板８両端あるいはその近傍に設置することにより、放熱面８ｒと外部の放熱フィンを密着させた状態で確実に固定できるため、優れた放熱性を確保できる。
【００２０】
つぎに、本実施の形態１にかかる電力用半導体装置の特徴について説明する。
図４に示すように、放熱板８には窪み部８ｄを設けており、絶縁膜７には貫通孔７ｈを設けている。平面方向において窪み部８ｄと貫通孔７ｈとが同じ位置になるように放熱板８に絶縁膜７を重ねている。そして、パワーリード５を重ねたときに、図３および図５に示すように、窪み部８ｄと貫通孔７ｈによる開口部分が、回路部５Ｃに形成された隙間５Ｃｓ内に収まるように設計してある。つまり、窪み部８ｄと貫通孔７ｈの開口部の上に回路部５Ｃの板状配線材（金属板部分）が被さらないようにしている。そして、後述するように、封止体１１の一部が窪み部８ｄ内にも食い込んでいる。なお、貫通孔７ｈは必ずしも窪み部８ｄの開口と同じ形状である必要はなく、後述するように樹脂が通るだけの径があればよい。
【００２１】
上記の部材を用いて、電力用半導体装置１を製造する方法について説明する。
リードフレーム５と６を図示しない治具を用いて位置決め固定し、回路実装を行う。ダイシングされたＩＣ４を、図２、３に示すように、制御リード６部分に形成された回路部６Ｃに形成されたダイパッドにそれぞれ導電性接着剤９ｂで固着する。次にダイオード２と、トランジスタ３を、それぞれはんだ９ａで、パワーリード５の回路部５Ｃに形成されたダイパッドにダイボンディングする。
【００２２】
そして、電力回路側のトランジスタ３とダイオード２とをアルミワイヤの配線部材１０ａを用いてワイヤボンディングにより電気的に接続し、ダイオード２とパワーリード端子５Ｌとをアルミワイヤの配線部材１０ａを用いてワイヤボンディングにより電気的に接続する。さらに、トランジスタ３と制御リード５の中継端子間をワイヤボンディングにより電気的に接続する。つづいて、制御回路内のＩＣ４と制御リード端子６Ｌおよび中継端子とを、金からなる金属細線１０ｂを用いてワイヤボンディングにより電気的に接続する。これにより、電力回路とその電力回路を制御する制御回路とを備えた回路部材が形成される。
【００２３】
上記回路部材の形成とは別に、放熱板８の用意を行う。所定厚みの金属板（例えばアルミニウム板）をプレスで放熱板形状に打抜き、その後窪み部８ｄを加工して放熱板８とする。予めシート状に形成された絶縁膜を切り抜き、所定位置に貫通孔を形成して絶縁膜７とする。平面方向において窪み部８ｄの開口の位置に貫通孔７ｈが位置するように、放熱板８に絶縁膜７を重ねる。そして、プレスにて温度と圧力をかけて両部材を仮接着させる。このとき、プレスと絶縁膜７の間には圧力が均一にかかるように紙などの緩衝材をいれておくことが望ましい。これにより、絶縁膜７を仮接着させた放熱板８が用意できる。
【００２４】
放熱板８の放熱面８ｒ側を熱源に載置し、絶縁膜７の上面に上記回路部材を設置する。このとき、窪み部８ｄと貫通孔７ｈによる開口部分が、パワーリード５に形成された隙間５Ｃｓの範囲内に収まるように設置する。そして型締め後、封止体１１を構成する封止樹脂１１Ｒを流し込んで封止する。このときに、絶縁膜７を構成するバインダーも硬化するので、絶縁膜７は放熱板８とパワーリード５に対して強固に接着する。さらに、封止樹脂１１Ｒは、パワーリード５の板状配線部材間の隙間５Ｃｓ、絶縁膜７の貫通孔７ｈを通って窪み部８ｄにも流れ込む。窪み部８ｄに流れ込んだ封止樹脂１１Ｒは、封止体１１本体と一体硬化して、放熱板８に食い込む食い込み部１１ａ（図２（ｂ）参照）が形成される。
【００２５】
なお、パワーリード端子５Ｌ、制御リード端子６Ｌ、放熱板８の放熱面８ｒは封止樹脂１１から外部に露出している。封止樹脂から露出したパワーリード端子５Ｌ、制御リード端子６Ｌを所定のリード形状になるようにリードフォーミングを行って電力用半導体装置１が完成する。なお、リードフレーム５、６の表面には、必要に応じメッキ等の技術により表面加工がなされる。
【００２６】
上記、モールド工程において、一般に樹脂には硬化収縮があるため、トランスファーモールド後に室温に戻る際、収縮した樹脂が放熱板を中心方向に引っ張る。一方、放熱板はもとの形状に戻ろうとする反力が残留応力として働く。この状態で温度差のある環境にさらされると、線膨張係数差による熱応力が放熱板と絶縁膜間、または絶縁膜と封止体間に働き接着強度が弱まる。パワー半導体素子として、ＳｉＣを用いた場合、高温側が１７５℃、低温側が室温のような非常に大きな温度差にさらされることもある。最悪の場合は接着強度が弱くなった部分で層間剥離が発生することもあり、剥離が発生すると剥離部分と剥離していない部分との境界に電位勾配が集中して部分放電が発生し、耐圧が低くなる。とくに、高温動作に対応するため、絶縁膜の放熱性を高めようとすると、フィラー充填率を高める必要があり、相対的に接着を担うバインダーの比率が減り接着強度が低くなる。そのため、運転温度が高温になるほど、熱応力が大きくなるのに対して、それに対抗するための接着力は逆に低下してしまうので、ますます剥離が生じやすくなり、耐圧性能も低下しやすくなってしまう。
【００２７】
それに対し、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置１では、封止体１１が、放熱板８に対して回路部５Ｃと絶縁膜７の隙間（５Ｃｓ、７ｈ）を通して食い込む食い込み部１１ａを備えている。食い込み部１１ａが放熱板８に対してアンカー効果を発揮することにより、温度サイクルが生じても、封止体１１に対する放熱板８の反りやゆがみ、あるいは、放熱板８に対する封止体１１の反りやゆがみが抑えられる。つまり、回路部５Ｃと絶縁膜７を間に挟んだ封止体１１と放熱板８との間隔は、間に入る部材の膨張収縮分での変化にとどまり、平行度の変化が抑えられる。つまり、放熱板８〜絶縁膜７〜回路部５Ｃ〜封止体１１間に局所的な剥離層ができる余地がなくなるので、絶縁膜７の回路部５を構成する板状配線材や放熱板８からの剥離を抑えることができ、耐圧性能を維持することができる。そのため、ＳｉＣのようなワイドバンドギャップ半導体の性能を発揮して、１７５℃といった従来のＳｉ半導体よりも高温で使用しても長期絶縁性を確保することが可能となる。さらには、剥離層が生じないために伝熱性も確保され、高い放熱効率を長期間確保することにもなる。
【００２８】
また、絶縁膜７は原料を混合する過程などで空気を巻き込むことがあり、トランスファーモールドプロセス時に気泡が発生する可能性がある。このとき絶縁膜の中心付近で発生した気泡は抜けにくく、絶縁膜内、もしくは界面にトラップされてしまう可能性がある。特に絶縁膜の面積が大きくなるほどトラップされやすいという問題があった。
【００２９】
それに対し、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置１では、絶縁膜７に貫通孔７ｈを設けているため、加熱されたときに生じる気泡が貫通孔７ｈから抜けていく。このため、絶縁膜７に気泡としてのボイドが残らなくなり、絶縁耐圧低下が抑制され、より大きな電流を扱った場合でも絶縁信頼性を確保することができる。ボイドが残らないようにすることは、伝熱性の確保にもつながり、高い放熱効率の長期間確保という効果ももたらす。
【００３０】
一方、絶縁膜７は熱硬化させる際に一度ゲル状に軟化する。そのため、仮接着の段階で、絶縁膜７の貫通孔８ｈの穴径が放熱板８の窪み部８ｄの穴径と同じであったとしても、図５に示すように、ゲル状になった絶縁膜７が、窪み部８ｄの開口部内側に向かって一部はみ出した後硬化して、はみ出し部７ｅとして残る。はみ出し部７ｅが放熱板８に対するアンカーとして機能することで、絶縁膜７と放熱板８との接着強度がさらに高くなる。
【００３１】
なお、パワーリード５（回路部５Ｃ）の導電部分である板状配線材と放熱板８との間の絶縁距離を確保する必要があることから、回路部５Ｃの隙間５Ｃｓのうち、貫通孔７ｈを囲む板状配線材間の隙間５Ｃｓ（の幅ＤＬｈ）を、貫通孔７ｈを囲まない板状配線材間の隙間（の幅ＤＬｎ）よりも広くするようにしている。また、図では窪み部８ｄの開口形状は四角のものについて記載しているが、四角形でなくともよく、丸型や多角形でもよい。
【００３２】
以上のように、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置１によれば、電力用半導体素子２、３と、複数の板状配線材を並べて平坦に形成された回路部５Ｃと、外部回路への接続端子５Ｌとを有し、電力用半導体素子２、３が回路部５Ｃの一方の面に実装されたリードフレーム５と、回路部５Ｃの他方の面に対して、放熱面８ｒの反対側の面が絶縁膜７を介して接合されるとともに、回路部５Ｃの板状配線材間の隙間５Ｃｓに対向し、かつ当該隙間の範囲内で開口する窪み８ｄが形成された放熱板８と、リードフレーム５の接続端子５Ｌと放熱板８の少なくとも放熱面８ｒとを除いて当該電力用半導体装置１を封止する封止体１１とを備え、絶縁膜７には、放熱板８の窪み８ｄの位置に対応した貫通孔７ｈが形成され、封止体１１は、回路面５Ｃの半導体素子２、３が実装された面側から板状配線材間の隙間５Ｃｓと絶縁膜７の貫通孔７ｈを通して放熱板８の窪み８ｄの内部に食い込む食い込み部１１ａを有するように構成したので、封止体１１の食い込み部１１ａが放熱板８にアンカーとしてはたらき、封止体１１と放熱板８とでリードフレーム５の回路部５Ｃと絶縁膜７とを挟み込むことができる。そのため、絶縁膜７の放熱性を優先するためにフィラー充填率を高めることで、接着性が低下したとしても、絶縁膜７がリードフレーム５の回路部５Ｃあるいは放熱板８からの剥離するのを抑制することができ、絶縁耐圧を維持して信頼性の高い電力用半導体装置を得ることができる。
【００３３】
とくに、窪み８ｄは、板状配線材間の隙間のうち、大きい隙間に対向して開口するように形成する。あるいは、回路部５Ｃは、窪み部８ｄが対向する隙間５Ｃｓ（幅ＤＬｈ）が、他の板状配線材間の隙間（幅ＤＬｎ）より広くなるように形成する。と、いうように構成すれば、窪み部８ｄ周囲の絶縁距離を保ち、絶縁耐圧を高めることができる。
【００３４】
実施の形態２．
本実施の形態２にかかる電力用半導体装置においては、実施の形態１にかかる電力用半導体装置に対し、放熱板に設けた窪みの形状を異なるようにしたものである。その他の部材については実施の形態１にかかる電力用半導体装置と同様であるので、説明を省略する。図６〜図８は、本実施の形態２にかかる電力用半導体装置の構成を説明するためのもので、図６は電力用半導体装置のうち、放熱板とパワーリードフレーム部分を抜き出した平面図である。図７は放熱板に設けた窪み部近傍の構成を説明するための図で、図７（ａ）は図６のＥ−Ｅ線における部分断面図であり、図７（ｂ）は放熱板に絶縁膜を仮接着する際の状態を示す部分断面図を示している。図８は本実施の形態２および実施の形態１にかかる放熱板に設けた窪み部近傍の構成の違いを説明するための部分断面図で、図８（ａ）は図６（ａ）に、図８（ｂ）は図５に対応し、それぞれ、寸法対象を明確にするため、背景に見える線を一部省略している。
【００３５】
図６および図７（ａ）に示すように、本実施の形態２にかかる電力用半導体装置２０１は、放熱板２０８に設けた窪み部２０８ｄの開口（入口）部に、傾斜部２０８ｄａを持たせたものである。そして、図７（ｂ）に示すように、絶縁膜のシート２０７Ｓを放熱板２０８に仮接着する際のプレス金型２０には、傾斜部２０８ｄａの形状に合わせた三角形状の突起２０ｐを設けている。プレス時にこの突起２０ｐを放熱板２０８の窪み部２０８ｄの傾斜部２０８ｄａに合わせて加圧すれば、傾斜部２０８ｄａ部分にも絶縁膜２０７を介して均一にプレス圧力をかけることができる。このとき緩衝材２１をプレス金型２０と絶縁膜シート２０７Ｓとの間に載置し、プレス時に三角形状の突起２０ｐが緩衝材２１および絶縁膜のシート２０７Ｓを突き破って傾斜部２０８ｄａを加圧する。その結果、図６に示すように、絶縁膜２０７には窪み部２０８ｄに対応した貫通孔２０７ｈを形成することができ、図７（ａ）に示すように、傾斜部２０８ｄａ部分には、傾斜部２０８ｄａに沿って絶縁膜７が接着される。
【００３６】
このように、傾斜部２０８ｄａを有するように窪み部を変形することにより、実施の形態１と比べて電力用半導体装置のサイズを小さくすることができることについて図８を用いて説明する。図８では、パワーリードのうち、絶縁膜を介して放熱板に接合されている回路部の板状配線材間の絶縁距離について説明したものであり、貫通孔を取り囲む板状配線材間の間隔ＤＬｈと、板状配線材と放熱板との沿面距離Ｄｃｒとの関係を示している。図において、本実施の形態２にかかる電力用半導体装置での回路部２０５Ｃと放熱板２０８との沿面距離Ｄｃｒ２（図８（ａ））と、実施の形態１にかかる電力用半導体装置での回路部５Ｃと放熱板８との沿面距離Ｄｃｒ１（図８（ｂ））とは、ほぼ同じになるように設定している。しかしながら、本実施の形態２にかかる電力用半導体装置では、絶縁膜２０７が傾斜部２０８ａｄに沿って、窪み２０８の深さ方向に進出しているので、同じ沿面距離Ｄｃｒを確保するにあたり、実施の形態１における電力用半導体装置におけるパワーリードの回路部５Ｃにおける貫通孔８ｄを取り囲む板状配線材間の間隔ＤＬｈ１よりも短い板状配線材間の間隔ＤＬｈ２に設定することができる。そのため、パワーリード２０５の回路部２０５Ｃのサイズを小さくすることで、製品自体を小型化できる。
【００３７】
また、傾斜部２０８ｄａに沿って絶縁膜２０７が接着しており、傾斜部２０８ｄａによる凹み部分で絶縁膜２０７が放熱板２０８に対するアンカーになることで接着強度が増し、より高温でも長期絶縁性を保つことができる。
【００３８】
なお、上記実施の形態２においては、仮接着時のプレスにより、突起２０ｐが穿孔具となって、絶縁膜のシート２０７Ｓに貫通孔を穿孔する例を示したが、予めシートに穴を穿孔しておくようにしてもよい。その場合、穿孔した貫通孔の位置を放熱板の窪み２０８ｄの位置に合わせるようにする必要があるが、穴形状が一定になり、貫通孔周囲にひび割れ等が発生することを防止できる。
【００３９】
以上のように、本実施の形態２にかかる電力用半導体装置２０１によれば、窪み部２０８ｄは、開口から深くなるにつれ狭くなる傾斜部２０８ｄａが形成されているように構成したので、傾斜部２０８ｄに沿って絶縁膜７が貼りつくことにより、絶縁膜２０７と放熱板２０８間の密着性が向上し、剥離をより一層抑制できる。
【００４０】
また、傾斜部２０８ｄａを経由することで、板状配線材間の間隔を狭くしても、回路部２０５Ｃと放熱板８間の沿面距離を長くすることができるので、回路部２０５Ｃのサイズを小さくし、装置全体をコンパクトにすることができる。
【００４１】
実施の形態３．
本実施の形態３にかかる電力用半導体装置においては、上記実施の形態１や２にかかる電力用半導体装置に対し、放熱板に設けた窪みの形状を異なるようにしたものである。その他の部材については実施の形態１や２にかかる電力用半導体装置と同様であるので、説明を省略する。図９は、本実施の形態３にかかる電力用半導体装置の構成を説明するためのもので、放熱板に設けた窪み部近傍部分の構成を示す部分断面図である。
【００４２】
図９に示すように、本実施の形態３にかかる電力用半導体装置３０１は、放熱板３０８に設けた窪み部３０８ｄが、ねじ穴のように、内側面が深さ方向に沿って凹凸になっていることである。窪み部３０８ｄは、タップを切ることで形成できる。このねじ山状の窪み部３０８ｄに封止樹脂１１Ｒが流れ込んで硬化すると、アンカー効果がより強固となり、剥離を効果的に抑制し、より高温時の動作で熱応力がかかる場合でも、接着強度を維持できる。
【００４３】
なお、ネジに限ることなく、窪み部の内側面が深さ方向に沿って凹凸になっているようにすればよく、例えば、内側面にらせん状の溝を設けるようにしてもよい。
【００４４】
以上のように、本実施の形態３にかかる電力用半導体装置３０１によれば、窪み３０８ｄは、放熱板３０８の厚み方向に沿って凹凸となるように内側面に溝が形成されているようにしたので、アンカー効果がより強固となり、剥離を抑制して絶縁耐圧を維持できる。
【００４５】
実施の形態４．
本実施の形態４にかかる電力用半導体装置においては、上記実施の形態１〜３にかかる電力用半導体装置に対し、放熱板に設けた窪みを反対側にまで貫通するようにしたものである。その他の部材については実施の形態１〜３にかかる電力用半導体装置と同様であるので、説明を省略する。図１０は、本実施の形態４にかかる電力用半導体装置の構成を説明するためのもので、放熱板に設けた窪み部近傍部分の構成を示す部分断面図である。
【００４６】
図に示すように、本実施の形態４にかかる電力用半導体装置４０１では、放熱板４０８に設けた窪み部４０８ｄは放熱板４０８の表面側から裏面の放熱面４０８ｒ側まで貫通している。なお、窪み部４０８ｄは、本来、「穴」というべきであるが、表面側から見ると窪んでいるという点では他の実施の形態と共通しているので、「窪み」と称することとする。それ以外の部分は他の実施の形態と同じである。このとき、例えば窪み部４０８ｄを表面側よりも放熱面４０８ｒ側の方の径が広くなるような傾斜（テーパー）をつけると、厚み方向に働くアンカー効果をより強化することができる。また、例えば窪み部４０８ｄの放熱板２０８の放熱面４０８ｒ側の開口部にも、実施の形態２のような傾斜部を形成すれば、封止体１１が放熱板４０８裏面に食いつくことで、アンカー効果をより強化することができる。そのため、剥離を防止することかが強化される。
【００４７】
さらに窪み部４０８ｄが放熱板４０８の放熱面４０８ｒ側まで貫通していることにより、トランスファーモールド時に窪み部２０８ｄを通って気泡を抜くことができる。このため、さらに効率良く気泡を排出することができ、ボイド発生を抑制することができる。
【００４８】
以上のように、本実施の形態４にかかる電力用半導体装置４０１によれば、窪み４０８ｄは、放熱面４０８ｒまで貫通しているように構成したので、アンカー効果が高い。さらに、貫通した窪み４０８ｄがガス抜き孔となるので、ボイド発生を抑制することができる。
【００４９】
また、窪み部４０８ｄを放熱面４０８ｒ側から穿孔するようにして、放熱面４０８ｒ側が広いテーパー状に形成すれば、さらにアンカー効果を高めることができる。
【００５０】
実施の形態５．
本実施の形態５にかかる電力用半導体装置においては、上記実施の形態１〜４にかかる電力用半導体装置に対し、放熱板に設けた窪みを面方向に延ばしたいわゆる溝状に形成したものである。その他の部材については実施の形態１〜４にかかる電力用半導体装置と同様であるので、説明を省略する。図１１は、本実施の形態５にかかる電力用半導体装置の構成を説明するためのもので、図１１（ａ）は絶縁シートを仮接着した放熱板の平面図、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＦ−Ｆ線における断面図である。
【００５１】
窪み部５０８ｄは放熱板５０８の長手方向に対して垂直な方向に延びる溝状をなし、それに伴い貫通孔５０７ｈも同じスリット状をなしている。また、後工程で重ねあわされる図示しないリードフレーム５０５の回路部５０５Ｃには、窪み部５０８ｄの開口に対応し、開口よりも広い隙間５０５Ｃｓが形成されている。そのため、窪み部５０８ｄの開口は、リードフレーム５０５が重ねあわされた際に、回路部５０５Ｃの隙間５０５Ｃｓ内に収まり、窪み部５０８ｄを回路部５０５Ｃの板状配線材が被さらないようになっている。
【００５２】
そして、窪み部５０８ｄの延びる方向を封止樹脂の注入方向に沿う（平行）ように形成しているので、封止樹脂１１をトランスファモールドで注入する際、窪み部５０８ｄ内で封止樹脂１１Ｒの流れを阻害することがなく、封止樹脂１１Ｒが気泡を巻き込むのを抑制することができる。また、封止体は加熱されたあと、冷却、硬化する際に熱収縮する。このとき絶縁膜５０７と放熱板５０８を内部に引っ張る力が働き、放熱板５０８は裏面を凸にして反る。このため絶縁膜５０７と放熱板５０８の界面には離れる方向に力が働き、高温でその力が強くなると、剥離が生じる恐れがある。それに対し放熱板５０８の長手方向に垂直な方向に延びる窪み５０８ｄを設けると、窪み５０８ｄが長手方向の曲げ剛性を下がるので、反りが低減され、剥離する力が抑制される。
【００５３】
以上のように、本実施の形態５にかかる電力用半導体装置５０１によれば、窪み５０８ｄを放熱板５０８の面方向における長手方向に直交する方向に延びるようにしたので、その方向に樹脂１１Ｒを流せば、気泡を巻き込まずに封止体１１を形成できる。また、放熱板５０８の長手方向の変形に対する剛性が低下するので、温度変化による反りが低減され、絶縁膜５０７の剥離を抑制できる。
【００５４】
なお、上記各実施の形態では、スイッチング素子であるトランジスタ３には、ＭＯＳＦＥＴを使用した場合を示したが、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を使用してもよい。また、ワイドバンドギャップ半導体素子材料として、炭化珪素以外に窒化ガリウム（ＧａＮ）、またはダイヤモンドといった材料を用いてもよい。さらに、ＭＯＳＦＥＴのみで、ダイオードのような整流素子が必要ない場合などでもよい。
【００５５】
また、上記各実施の形態においては、整流素子（ダイオード）やスイッチング素子（トランジスタ）として機能する半導体素子２、３には、炭化ケイ素によって形成されたいわゆるワイドバンドギャップ半導体素子の例を示したが、これに限られることはなく、ケイ素（Ｓｉ）で形成されたものであってもよい。しかし、上述したようにケイ素よりもバンドギャップが大きい、いわゆるワイドギャップ半導体を形成できる炭化ケイ素や、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドを用いた時の方が、動作温度域が高いので、本発明による効果をより一層発揮することができる。
【符号の説明】
【００５６】
１  電力用半導体装置、  ２  ダイオード（電力用半導体素子）、  ３  トランジスタ（電力用半導体素子）、  ４  ＩＣ（制御用半導体素子（の集積回路））、  ５  パワーリード（リードフレーム（５Ｃ：回路部、５Ｃｓ：隙間、５Ｌ：パワーリード端子））、
６  制御リード（リードフレーム（６Ｃ：回路部、６Ｌ：制御リード端子））、  ７  絶縁膜（７ｈ：貫通孔、７Ｓ：（加工前の）絶縁膜シート）、  ８  放熱板（８ｄ：窪み部（８ｄａ：傾斜部）、８ｒ：放熱面）、  ９  導電性接合部材（９ａ：はんだ、９ｂ：導電性接着剤）、  １０  配線部材、  １１  封止体（１１ａ：食い込み部）、
２０  プレス金型（２０ｐ：突起）、  ２１  緩衝材、
ＤＬｈ  隙間の幅、  Ｄｃｒ  沿面距離、
百位の数字の違いは実施の形態による構成の相違を示す。
【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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