(57)【要約】【課題】封止体の剥離を防止し、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４と、主面１ｆに電力用半導体素子４が接合された回路基板１と、回路基板１の主面１ｆの反対側の面１ｒを除き、少なくとも電力用半導体素子４を含む主面１ｆを封止する封止体７と、を備え、回路基板１の主面１ｆの、少なくとも周縁部よりも電力用半導体素子４が接合された部分に近い領域Ｌ１には、封止体７内に食い込む突起２が電力用半導体素子４を囲むように形成されているとともに、突起２は、主面１ｆから離れるにつれて主面１ｆに平行な断面が広がる拡張部２ｅを有するように構成した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力用半導体素子と、
主面に前記電力用半導体素子が接合された回路基板と、
前記回路基板の主面の反対側の面を除き、少なくとも前記電力用半導体素子を含む主面を封止する封止体と、を備え、
前記回路基板の主面の、少なくとも周縁部よりも前記電力用半導体素子が接合された部分に近い領域には、前記封止体内に食い込む突起が前記電力用半導体素子を囲むように形成されているとともに、前記突起は、前記主面から離れるにつれて前記主面に平行な断面が広がる拡張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】
前記突起は、機能部材を前記主面に接合することで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】
前記機能部材、または前記回路基板の主面の少なくともいずれかは、表面層がすずで形成され、前記表面層を溶融させることで前記機能部材を前記主面と接合させていることを特徴とする請求項２に記載の電力用半導体装置。
【請求項４】
前記機能部材は複数の金属球であり、前記複数の金属球を前記主面上に間隔をあけて配置し、それぞれを前記主面に接合していることを特徴とする請求項２または３に記載の電力用半導体装置。
【請求項５】
前記複数の金属球のそれぞれは、０．５ｍｍ〜３ｍｍの直径を有することを特徴とする請求項４に記載の電力用半導体装置。
【請求項６】
前記複数の金属球には、直径の異なる金属球が含まれていることを特徴とする請求項４または５に記載の電力用半導体装置。
【請求項７】
前記主面には、前記複数の金属球を配置するそれぞれの部分を囲むように、絶縁膜が形成されていることを特徴とする請求項４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】
前記主面には、前記複数の金属球を配置するそれぞれの位置に、前記金属球の直径に応じた開口径を有するディンプルが形成されていることを特徴とする請求項４ないし７のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項９】
前記ディンプルの開口径は、前記金属球の直径の０．３〜０．６倍の範囲に調整されていることを特徴とする請求項８に記載の電力用半導体装置。
【請求項１０】
前記機能部材は、略円形の断面を有する金属線であり、前記金属線を前記主面に対して前記略円形の断面が垂直になるように配置し、前記主面に接合していることを特徴とする請求項２または３に記載の電力用半導体装置。
【請求項１１】
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１０のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項１２】
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、およびダイヤモンド、のうちのいずれかであることを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力用半導体素子が接合された回路基板の主面を、裏側の面を除いて封止し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に用いられる半導体装置では、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。近年、特に、炭化珪素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）などのワイドバンドギャップ半導体材料からなる半導体素子は、従来のシリコン（Ｓｉ）を用いた半導体素子よりもバンドギャップが大きく、半導体装置の高耐圧化、小型化、高電流密度化、高温動作が期待されている。
【０００３】
現在、種々の半導体装置があるものの、電力を制御する電力用半導体装置では、回路基板の主面に電力用半導体素子を接合し、さらにアルミワイヤなどの配線部材を接合して電力回路を構成するとともに、裏面側を放熱面としている。そして、電力用半導体素子と回路基板とははんだ付け、電力用半導体素子と配線部材とは超音波により接合されているのが一般的である。電力用半導体装置が動作したとき、電力用半導体素子の温度が最も高くなるため、動作時間が長くなるにつれ、電力用半導体素子と回路基板間との接合部材であるはんだのクラック、電力用半導体素子に接合している配線部材の劣化が進む。特に、電力用半導体素子が１５０℃以上の高温で動作する場合、接合部材のクラック、配線部材の劣化が加速する。そこで、回路基板の主面側を実装された電力用半導体素子および配線部材等とともに樹脂で封止することで、接合部材のクラックや配線部材の劣化を抑制するようにしている。
【０００４】
しかし、封止体を構成する樹脂と電力用半導体素子等の回路部材とは線膨張率が異なるので、高温時に樹脂と回路部材間にせん断応力が発生し、その結果、封止体が回路基板から剥離する可能性があった。そこで、回路基板の主面の対向する辺に、主面から突出する板状の突起を設けた半導体装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−９２２０号公報（段落００１２〜００１７、図１、図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、封止体の剥離を防止する突起が、上記のように回路基板の端部に位置していると、封止体全体としての回路基板からの剥離を防止できても、半導体素子近傍における樹脂の剥離や浮き上がりを抑制することは困難であった。そのため、半導体素子部分に応力が集中して、逆に信頼性が低下する可能性があった。
【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、封止体の剥離を防止し、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。
【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、主面に前記電力用半導体素子が接合された回路基板と、前記回路基板の主面の反対側の面を除き、少なくとも前記電力用半導体素子を含む主面を封止する封止体と、を備え、前記回路基板の主面の、少なくとも周縁部よりも前記電力用半導体素子が接合された部分に近い領域には、前記封止体内に食い込む突起が前記電力用半導体素子を囲むように形成されているとともに、前記突起は、前記主面から離れるにつれて前記主面に平行な断面が広がる拡張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、回路基板の主面の面内において、電力用半導体素子の近傍に、電力用半導体素子を囲むように、封止体に食い込み拡張部を有する突起を配置したので、封止体の回路基板からの剥離を防止して、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基本構成を説明するための平面図および断面図である。
【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回路基板の主面に形成された突起の構成を説明するための部分断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１の比較例の電力用半導体装置の構成を説明するための平面図および断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１の比較例の電力用半導体装置の部分断面図。
【図５】本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置における信頼性を確認するための突起を構成する金属球の直径と樹脂の密着力との関係を示すグラフである。
【図６】本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の実用上の１の構成を説明するための平面図および断面図である。
【図７】本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の実用上の２の構成を説明するための平面図および断面図である。
【図８】本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の実用上の３の構成を説明するための平面図および断面図である。
【図９】本発明の実施の形態１の第１の変形例にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための部分平面図である。
【図１０】本発明の実施の形態１の第２の変形例にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための平面図である。
【図１１】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部分平面図および部分断面図である。
【図１２】本発明の実施の形態３にかかる電力用半導体装置、および比較例の電力用半導体装置の構成を説明するための部分断面図である。
【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基本構成を説明するための全体図であり、図１（ａ）は電力用半導体装置の封止体部分を透過させた場合の平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のｂ１−ｂ１線による切断面を示す断面図、図２は回路基板に設けた突起の構成を説明するためのもので、図２（ａ）は突起を構成する金属球の構造を説明するための断面図、図２（ｂ）は図１（ｂ）の一部を拡大したものに相当し、回路基板に金属球を接合して構成した突起近傍の部分断面図、図２（ｃ）は図２（ｂ）のｎ−ｎ線、ｆ−ｆ線で突起を切断した場合の主面に平行な断面形状を示す図である。
【００１２】
本実施の形態１にかかる電力用半導体装置について、図に基づいて説明する。
図１に示すように、２０ｍｍ角のＣｕ（銅）板の回路基板１の主面１ｆ（上面）の略中央に、電力用半導体素子４がはんだなどの接合材３で接合されている。電力用半導体素子４の回路基板１との接合面の反対面である能動面には、配線部材であるアルミニウムのリボン５の一端が接合されており、リボン５の他端には外部端子となるリード６が接合されている。そして、回路基板１の電力用半導体素子４が実装された主面１ｆに対し、反対側の面である放熱面１ｒを露出するように、半導体素子４および配線部材５等とともに、エポキシ樹脂で主面１ｆ全体を封止して封止体７を形成することで電力用半導体装置１０が完成する。
【００１３】
さらに、本実施の形態にかかる電力用半導体装置１０では、最大の特徴として、回路基板１の主面１ｆ上には、金属球２１を接合材２２で接合して構成した突起２を、半導体素子４を囲むようにループ状に配置した。そして、電力用半導体素子４近傍のループ（位置）Ｌ１から、外側に向かって順にＬ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５と、周縁部近傍位置（Ｌ５）にまで配置した。突起２を構成する金属球２１は、図２（ａ）に示すように、ボール状の核体２１ｃに表面層２１ｓを設けた構成として、核体２１ｃはＳｎ（すず）と接合する金属である例えば、Ｃｕ（銅）、Ｎｉ（ニッケル）、もしくはＡｇ（銀）製のボール（φ０．８ｍｍ）、表面層２１ｓはめっきによる厚さ５μｍのＳｎ（すず）層とした。そして、回路基板１としては、金属球２１と同様に、Ｓｎと接合する材料としてＣｕを使用したが、その他、例えば、Ｎｉ、もしくはＡｇの板を使用してもよい。
【００１４】
そして、複数の金属球２１のそれぞれを、回路基板１の主面１ｆ上に金属球２１間の間隔が０．６ｍｍになるように位置決め後、還元リフロー炉で２５０℃〜３００℃に加熱する。これにより、金属球２１の表面層２１ｓをなすＳｎが溶融して、金属球２１（厳密には核体２１ｃ）と主面１ｆとの隙間を埋めるように移動し、接合材２２として金属球２１と回路基板１とを接合（はんだ付け）する。このようにして金属球２１を回路基板１に接合すると、接合材２２が、適度に金属球２１と主面１ｆとの隙間部分に凝集する。そのため、形成された突起２を、図２（ｂ）、（ｃ）に示すように、主面１ｆから離れるにつれ、主面１ｆに平行な断面の面積が大きくなる（Ａｎ＜Ａｆ）拡張部２ｅを残すように形成することができる。したがって、突起２のうち、少なくとも、拡張部２ｅが封止体７の内部に食い込むことにより、封止体７を構成する樹脂を主面１ｆに対して確実に固定することができる。
【００１５】
このように構成した電力用半導体装置１０を動作させると、電力用半導体素子４が主な発熱源となって、電力用半導体装置１０の温度が上昇するので、動作中は熱膨張し、動作を止めると熱収縮する。すなわちヒートサイクルが生じる。このとき、封止体７と回路基板１とは、線膨張率が異なるため、封止体７の剥離を防止する手段がないと、ヒートサイクルによる熱応力により封止体７と回路基板１間にせん断応力が発生し、封止体７が主面１ｆから剥離して上方向（主面１ｆから離れる方向）に抜けてしまう。しかしながら、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置１０では、図２で説明したように、突起２の拡張部２ｅが封止体７に機械的引っ掛かることにより、上方向への抜けを防止することができる。このように、回路基板１に特殊な加工が必要なく、金属球２１を接合して突起２を形成するという簡単な製造プロセスで、封止体７の剥離を防止することができる。
【００１６】
なお、金属球２１および回路基板１の材料については、上記に限ることはない。例えば、核体２１ｃとして、Ｓｎと直接接合しない、例えば、Ｆｅ（鉄）、Ａｌ（アルミニウム）のボールに、Ｓｎと接合するためのＣｕ、Ｎｉ、Ａｇなどのストライクめっきを行ったものに、Ｓｎをめっきして表面層２１ｓを形成するようにしてもよい。同様に、回路基板１についても、Ｓｎと直接接合しない、例えば、Ｆｅ（鉄）、Ａｌ（アルミニウム）の板材に、Ｓｎと接合するためのＣｕ、Ｎｉ、Ａｇなどのストライクめっきを行った面を主面１ｆとするようにしてもよい。また、上記例では、金属球２１側にＳｎメッキをする場合を記載したが、回路基板１側にＳｎメッキをしても同等の効果を得られる。さらに、上述したように拡張部２ｅを確保して、接合材２２として機能する材料であれば、Ｓｎに限らず、Ｓｎ合金や他の金属あるいは、接着剤をコーティングするようにしてもよい。
【００１７】
＜パラメータ試験＞
つぎに、本実施の形態１にかかる電力用半導体装置１０における封止体７の剥離防止効果を確認するために、種々のパラメータを用いて最適化試験を行った。
【００１８】
図３は、突起２の配置の妥当性を検討するための比較例である電力用半導体装置の構成を説明するための全体図であり、図３（ａ）は電力用半導体装置の封止体部分を透過させた場合の平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のｂ３−ｂ３線による切断面を示す断面図である。図において、比較例にかかる電力用半導体装置１０Ｆを構成する回路基板１や、突起２といった各部材の材質やサイズは、実施の形態１にかかる電力用半導体装置１０と同様であり、突起２を周縁部近傍位置Ｌ５のみにループ状に配置したことが異なる。
【００１９】
つまり、本実施の形態１にかかる電力用半導体装置１０のサンプル（実施例サンプルと称する）も、比較例の電力用半導体装置１０Ｆのサンプル（比較例サンプルと称する）も、ともに、２０ｍｍ角の銅の回路基板１に、φ０．８ｍｍで５μｍのＳｎめっきをした銅ボール（金属球２１）を配置して、主面１ｆに接合後、エポキシ樹脂で封止体７を構成して作成した。そして、作成した各サンプルを−４０℃／１５０℃のヒートサイクル試験にかけた。その結果、実施例サンプル、比較例サンプルともに、外周部の大きな剥離は生じなかった。しかし、試験後の両サンプルを切断して断面を観察したところ、比較例サンプルにおいては、半導体素子４の近傍で、１０μｍ程度の剥離が生じていることがわかった。
【００２０】
つまり、比較例サンプルにおいては、回路基板１と封止体７との密着力が弱く、ヒートサイクルにより発生するせん断応力より小さいため、電力用半導体素子４の接合部分近傍の封止体７を回路基板１の主面１ｆ部分に固定させることができず、剥離が生じたものと思われる。
【００２１】
さらに、突起２の配置を変えて試験を行ったところ、少なくとも電力用半導体素子４の近傍、つまり、主面１ｆの周縁部よりも電力用半導体素子４が接合された部分に近い部分の周囲であるＬ１部分に配置しておけば、電力用半導体素子４周囲の封止体７の剥離やずれを防止できることを確認できた。また、Ｌ１に加え、周縁部近傍、つまり電力用半導体素子４が接合された部分よりも、周縁部に近い部分Ｌ５にも配置しておけば、封止体７の表面部分から電力用半導体素子４が接合された部分にわたる広い範囲において長期間（多サイクル数）剥離を防止できることが分かった。さらに、付け加えるならば、主面１ｆのうち、封止体７のずれや剥離を抑止したい部分があれば、その部分の近傍に突起２を配置することで、効果的に封止体７の主面１ｆに対する密着性を保持することが可能となる。
【００２２】
金属球２１の形状は概球形状であればよい。一方、接合材２２として機能する表面層２１ｓの厚さ（めっき厚）は１０μｍ以下がよい。図４は、第２の比較例にかかる電力用半導体装置の突起の構成について説明するためのもので、実施の形態１の図２（ｂ）に対応する部分断面図である。本比較例では、金属球２１の表面層を１０μｍ超の厚みで形成した。図に示すように、めっき厚が１０μｍを超えた比較例では、金属球２１が接合材２２中に埋もれてしまい、拡張部２ｅの領域が減少する。そのため、機械的に封止体７を引掛ける部分の面積が減少し、封止体７を主面１ｆに対して固定する効果が減少する。
【００２３】
金属球２１の大きさ（直径）についても検討を行った。図５は本実施の形態にかかる電力用半導体装置において、剥離を抑制する効果のある突起の大きさの範囲を説明するためのもので、突起を金属球２１で形成したときの金属球２１の直径と樹脂の密着力との関係を示すグラフである。
【００２４】
この試験においては、大きさが２０ｍｍ角の１枚の回路基板１に対して、１０ｍｍ角の半導体素子４を１枚接合し、金属球２１間の間隔を０．１ｍｍとして、金属球２１の直径を０．１ｍｍ〜５ｍｍの間で変化させたときの、樹脂の密着力を測定した。その結果、図５から分かるように、金属球２１の直径を大きくするにつれ、樹脂との密着力が大きくなる。これは、金属球２１の大きさを大きくすればするほど、樹脂を引掛ける面積が大きくなるためである。そして、直径を０．１ｍｍから増大させていくと、０．５ｍｍまでは直径に伴って密着力が大きく変化（増大）し、０．５ｍｍ以降はゆるやかに上昇することがわかる。そのため、少なくとも金属球２１の直径を０．５ｍｍ以上にすることで、ばらつきを抑えて、安定した密着力を得ることができることがわかった。
【００２５】
一方、金属球２１の大きさを大きくしすぎると、効率よく、金属球２１を実装できない場合が生じるため、金属球２１の大きさを大きくすれば、必ず、樹脂との密着力が大きくなるわけではない。その傾向は、種々の回路基板１の大きさ、電力用半導体素子４の数、大きさが変わっても、同じ傾向であり、金属球２１を実装できる面積は限られているため、実用上、３ｍｍが上限であることが分かった。つまり、金属球２１は直径０．５ｍｍ〜３ｍｍの範囲に調整することが剥離効果を抑制するのに望ましいことがわかった。
【００２６】
＜実際の態様＞
なお、上記実施の形態１の説明では、突起２による剥離防止のメカニズムや突起２の配置をわかりやすくするため、説明に必要な要素しか記載せず、例えば、図１には仕様を明らかにしていない電力用半導体素子４を１つ記載しただけである。しかし、実際の形態においては、電力用半導体素子４の配置や回路基板１の構成は複雑である。図６〜図８は、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の実際の形態に近い構成を説明するためのもので、図６は半導体スイッチを構成する電力用半導体装置の封止体部分を透過させた場合の平面図（図６ａ）と、図６（ａ）のｂ６−ｂ６線による切断面を示す断面図（図６（ｂ））であり、図７、図８は、それぞれ回路基板の仕様を変えた電力用半導体装置の断面図であって、実施の形態１における図１（ｂ）に対応する図である。
【００２７】
図６に示すように、半導体スイッチを構成するため、回路基板１の主面１ｆには、大電流を制御するためのスイッチング素子４１であるＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect-Transistor）、もしくはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）と、整流素子４２である還流用のダイオードが並列に実装されている。そして、並列接続したスイッチング素子４１と整流素子４２の接合部近傍を囲む位置Ｌ１、および周縁部位置Ｌ５に突起２を配置し、さらに、Ｌ１とＬ５の間の隙間位置Ｖにも配置している。このような構成でも、少なくともＬ１に突起２を配置することで半導体スイッチ近傍の封止体７を主面１ｆに密着させることができ、Ｌ５にも配置することで外界との境界部分での封止体７の回路基板１からの剥離も抑制することができる。
【００２８】
なお、図６では、１つの回路基板１にスイッチング素子４１と整流素子４２が１つずつ配置した例を示したが、半導体スイッチ１組当たりの電流密度を下げるために、複数の半導体スイッチを１つの回路基板１に配置するようにしてもよい。
【００２９】
電力用半導体素子（４、４１、４２をまとめて４と記載する）としては、シリコンウエハを基材とした一般的な素子でも良い。しかし、本発明においては炭化ケイ素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）、またはダイヤモンドといったシリコンと較べてバンドギャップが広い、いわゆるワイドバンドギャップ半導体材料を適用したときに好適な構造を目指しており、特に炭化ケイ素を用いた半導体素子に好適である。そして、本実施の形態１のみならず他の実施の形態においても、上記ワイドバンドギャップ半導体のように、１５０℃以上で動作する半導体素子に適用すると効果が大きい。
【００３０】
また、上記実施の形態では、回路基板１を１枚の銅板で構成し、銅板１枚しか記載していないが、回路基板１の放熱面１ｒ側には電力用半導体素子４が発生した熱を放熱するためのヒートシンクが実装されており、ヒートシンクを回路基板１に対して絶縁する必要があるのが、一般的である。図１や図６で説明したような形態であれば、回路基板１の材料が導電性の場合、回路基板１とヒートシンクの間に絶縁材料を実装するのが一般的である。また、絶縁材料を回路基板に直接組み入れる場合も一般的である。例えば、図７に示すように、絶縁基板１２の両面に金属基板１１Ｆ、１１Ｒを貼り合わせた回路基板１ｐ２を使用する場合、もしくは図８に示すように、電力用半導体素子４の下はその熱を放熱するための伝熱板１３、伝熱板１３の下に絶縁シート１４を貼り合わせ、絶縁シート１４の下に銅箔１５を貼り合わせて回路基板１ｐ３を構成する場合などが一般的である。
【００３１】
実施の形態１の変形例．
また、実施の形態１の変形例として、異なる形態の突起を備えた例について説明する。
図９および図１０は、本実施の形態１の変形例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９は第１の変形例にかかる電力用半導体装置の回路基板１の主面の部分平面図、図１０は第２の変形例にかかる電力用半導体装置の封止体部分を透過させた場合の平面図である。
【００３２】
図９に示すのは、上記実施の形態１と同様に、金属球２１を主面１ｆに接合して突起を形成したものであるが、所定の大きさの突起２Ｌを配置した間に、突起２Ｌよりも小さな突起２Ｓを設けるようにしたものである。つまり、２種類の直径の金属球２１Ｌ、２１Ｓを配置して突起２Ｌ、２Ｓを形成したものである。これにより、さらに封止体７を主面１ｆに対して密着させる力が向上する。
【００３３】
また、図１０に示すのは、金属球２１の代わりにワイヤ（金属線）２１Ｙを用いて突起としたものであり、金属線２１Ｙの略円形の断面が、主面１ｆに対して垂直になるように主面１ｆ上に配置して接合したものである。このような構成でも、少なくとも電力用半導体素子４の近傍部分で電力用半導体装置を囲む位置Ｙ１に突起２Ｙを配置することで、拡張部２Ｙｅを形成することができる。そのため、電力用半導体素子４近傍の封止体７を主面１ｆに密着させることができ、外周部分に位置するＹ４にも配置することで外界との境界部分での封止体７の回路基板１からの剥離も抑制することができる。このとき、金属線２１Ｙは金属球２１と同じように、表面にＳｎメッキ層を設けて、回路基板１に接合（はんだ付け）しても構わないし、ワイヤボンドのように回路基板１に超音波接合しても構わない。
【００３４】
なお、回路基板１には、上述したようにＳｎとの接合性と放熱性を考慮して、銅を用いるが、これに限定するものではなく、必要な放熱特性を有するものであれば、特に限定はされない。例えば上述したようにアルミニウムや鉄を用いても良く、これらを複合した材料を用いても良い。また、銅／インバー／銅などの複合材料を用いても良く、ＳｉＣＡｌ、ＣｕＭｏなどの合金を用いても良い。また、主面１ｆのうち、電力用半導体素子４やその他配線部材を接続する部分の表面は、通常、ニッケルメッキが行われている。本実施の形態１においてもそのようにしてもかまわないが、金めっきでもよく、あるいは、突起２を形成する部分と同様にＳｎメッキを行っても良く、必要な電流と電圧を電力用半導体素子に供給できる構造であれば構わない。
【００３５】
また、回路基板１の封止体７と接触する部分の表面には、封止体７を構成する樹脂との密着性を高めるために、凹凸を設けても良く、プライマー処理等の密着性向上剤を設けても良い。密着性向上剤は、例えばシランカップリング剤やポリイミド、エポキシ樹脂等が用いられるが、回路基板１と封止体７の樹脂との密着性を向上させるものであれば特に限定されない。
【００３６】
配線部材５には、断面が方形の銅板を帯状にしたリボンを用いた例を示したが、これに限定するものではなく、アルミニウムまたは金でできた断面が円形の線体、いわゆるワイヤを用いても良い。また、図１を含め、上記各図では、電力用半導体素子４に１本の配線部材５しか施されていないが、これに限定するものではなく、電力用半導体素子４に流れる電流値などに対応して、必要な本数を設けることができる。さらに、配線部材５として銅の板材（リード板）を用いてもよい。銅板材の表面は、防錆のためにニッケルメッキを用いてもよく、防錆剤などの化学的処理を行っても良い。またプライマー処理等の密着性向上剤を設けても良い。
【００３７】
また、封止体７を構成する樹脂としては、例えばエポキシ樹脂を用いるが、これに限定するものではなく、所望の弾性率と耐熱性を有している樹脂であれば用いることができる。例えばエポキシ樹脂の他に、シリコン樹脂、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、等が好適に用いられる。
【００３８】
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１０、１０ｐ１、１０ｐ２、１０ｐ３、１０ｖＹ（まとめて１０）によれば、電力用半導体素子４と、主面１ｆに電力用半導体素子４が接合された回路基板１と、回路基板１の主面１ｆの反対側の面である放熱面１ｒを除き、少なくとも電力用半導体素子４を含む主面１ｆを封止する封止体７と、を備え、回路基板１の主面１ｆの、少なくとも周縁部よりも電力用半導体素子４が接合された部分に近い領域Ｌ１、Ｙ１には、封止体７内に食い込む突起２が電力用半導体素子４を囲むように形成されているとともに、突起２は、主面１ｆから離れるにつれて主面１ｆに平行な断面が広がる拡張部２ｅを有するように構成したので、電力用半導体素子４の近傍にある封止体７が、主面１ｆから封止体内に食い込む突起２のとくに、拡張部２ｅに機械的に引っ掛かることによって、主面１ｆに対して強固に密着する。そのため、電力用半導体装置の起動停止を繰り返しても、封止体７の剥離を防止するとともに、電力用半導体素子４近傍の封止体７と回路基板１間にかかる熱応力が突起２によって抑えられる。そのため、電力用半導体素子４や配線部材５との接合信頼性が向上し、電力用半導体装置としての信頼性が高まる。
【００３９】
とくに、突起２を、所定形状の機能部材として複数の金属球２１を、間隔をあけてそれぞれ主面１ｆに接合することで形成するようにしたので、主面１ｆ内のとくに封止体７と主面１ｆとのずれや剥離を防止したい位置に、容易に突起を形成することができる。
【００４０】
また、上述した機能部材である金属球２１、または回路基板１の主面１ｆの少なくともいずれかの表面層をＳｎ（すず）で形成し、表面層を溶融させることで機能部材を主面１ｆと接合させるようにしたので、製造工程を複雑化することなく、ずれや剥離を防止したい位置に、容易に突起２を形成することができる。
【００４１】
また、金属球２１のそれぞれは、０．５ｍｍ〜３ｍｍの直径を有するようにすれば、強固で安定した密着力を得ることができる。
【００４２】
また、金属球２１には、直径の異なる金属球２１Ｌ、２１Ｓが含まれているようにすれば、直径や高さの異なる突起２Ｌ、２Ｓが形成できるので、より密着力を向上させることができる。
【００４３】
あるいは、突起２Ｙを、所定形状の機能部材として、略円形の断面を有する金属線２１Ｙを用い、金属線２１Ｙを主面１ｆに対して略円形の断面が垂直になるように配置し、主面１ｆに接合して形成するようにすれば、主面１ｆ内のとくに封止体７と主面１ｆとのずれや剥離を防止したい部材に対し、その部材を取り囲む突起を容易に形成することができる。
【００４４】
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、回路基板の主面に、金属球で構成した突起のそれぞれを囲むように絶縁膜を配置するようにしたものである。それ以外の構成については、実施の形態１で説明したものと同様である。図１１は、本実施の形態２にかかる電力用半導体装置の基本構成を説明するための図であり、図１１（ａ）は回路基板の部分平面図、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のｂ１１−ｂ１１線による切断面を示す部分断面図である。
【００４５】
図において、回路基板１の主面１ｆには、各突起２を囲むように絶縁膜１ｍが格子状にパターン配置されている。絶縁膜１ｍは、主面１ｆにレジストを塗布した後、各金属球２１の配置位置を中心とした所定形状（矩形）のパターンで感光させ、各突起２を囲む矩形形状部分を取り除くことで、格子状に形成したものである。
【００４６】
主面１ｆにパターン化した絶縁膜１ｍを形成することにより、Ｓｎメッキ付きの金属球２１を位置決め後、還元リフロー炉に通しても、Ｓｎが絶縁膜１ｍにせき止められ、表面層２１ｓから溶融して流れ出たＳｎが、金属球２１から離れて隣接する金属球２１まで拡がることがなく、その場に留めることができる。また、Ｓｎが流動しないので、金属球２１が動くことなく、位置決めが容易である。また、図１１では、絶縁膜１ｍが形成されていない領域を突起２周辺の四角形状としたが、丸形状や６角形など、どのような形状でも構わない。
【００４７】
以上のように、本発明の実施の形態２にかかる電力用半導体装置によれば、主面１ｆには、複数の金属球２１を配置するそれぞれの部分を囲むように、絶縁膜１ｍが形成されているようにしたので、容易に金属球２１の位置決めができ、さらに接合材２２が隣接する突起２につながることがなく、所定量の拡張部２ｅを確保することができる。
【００４８】
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、回路基板の主面の金属球で突起を形成する位置に、所定径のディンプル（丸い窪み）を設けるようにしたものである。それ以外の構成については、実施の形態１で説明したものと同様である。図１２は、本実施の形態３および比較例にかかる電力用半導体装置に対する部分断面図で、実施の形態１における図２（ｂ）に対応する図であり、図１２（ａ）は本実施の形態３にかかる電力用半導体装置の部分断面図、図１２（ｂ）と図１２（ｃ）は、それぞれ比較例にかかる電力用半導体装置の部分断面図である。
【００４９】
図１２（ａ）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においては、主面１ｆ内に、金属球２１による各突起２を形成する位置に対応して所定開口径のディンプル１ｄを形成したものである。ディンプル１ｄは、開口径Ｄｄが金属球２１の直径Ｄｂに対し、下記式（１）の関係を満たすように、一般的な加工法であるエッチングにより形成したものである。
０．３Ｄｂ  ≦  Ｄｄ  ≦  ０．６Ｄｂ  ・・・（１）
式（１）を満たすようにディンプル１ｄを主面１ｆ内に形成すると、金属球２１を主面１ｆ内に配置した時に、各金属球２１の位置決めが容易に行える。さらに、拡張部２ｅを適度に形成することができる。
【００５０】
一方、図１２（ｂ）に示すように、ディンプル１ｄの直径Ｄｄを金属球２１に直径Ｄｂの０．６６倍以上に設定すると、突起２における拡張部２ｅの割合が小さくなるので、封止体７を主面１ｆに密着させる効果が減少する。
【００５１】
一方、図１２（ｃ）に示すように、ディンプル１ｄの直径Ｄｄを金属球２１に直径Ｄｂの０．２倍以下に設定すると、金属球２１がディンプル１ｄ内に落ち込む割合が小さくなり、金属球２１の位置決め効果が減少する。
【００５２】
つまり、ディンプル１ｄの直径Ｄｄを金属球２１に直径Ｄｂの０．３倍〜０．６倍の範囲に調整することにより、金属球２１の位置決め（突起２の正確な配置）効果と封止体７の密着力効果を両立させることができる。
【００５３】
以上のように、本発明の実施の形態３にかかる電力用半導体装置によれば、主面１ｆには、複数の金属球２１を配置するそれぞれの位置に、金属球２１の直径Ｄｂに応じた開口径Ｄｄを有するディンプル１ｄが形成されているように構成したので、金属球２１の位置決めが容易にできる。
【００５４】
とくに、ディンプル１ｄの開口径Ｄｄを、金属球２１の直径Ｄｂの０．３〜０．６倍の範囲に調整すれば、位置決め効果と封止体７の密着力効果を両立させることができる。
【００５５】
なお、上記各実施の形態においては、スイッチング素子４１（トランジスタ）や整流素子４２（ダイオード）として機能する電力用半導体素子４には、炭化ケイ素によって形成されたものを好適例として示したが、これに限られることはなく、一般的に用いられているシリコン（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、シリコン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、本発明による効果をより一層発揮することができる。
【００５６】
なぜなら、ワイドバンドギャップ半導体材料によって形成されたスイッチング素子４１や整流素子４２（各実施の形態における電力用半導体素子４）は、ケイ素で形成された半導体素子よりも電力損失が低いため、スイッチング素子４１や整流素子４２における高効率化が可能であり、ひいては、電力用半導体装置１０の高効率化が可能となる。さらに、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、スイッチング素子４１や整流素子４２の小型化が可能であり、これら小型化されたスイッチング素子４１や整流素子４２を用いることにより、電力用半導体装置１０も小型化が可能となる。また耐熱性が高いので、高温動作が可能であり、ヒートシンクの放熱フィンの小型化や、水冷部の空冷化も可能となるので、電力用半導体装置１０の一層の小型化が可能になる。
【００５７】
一方、上記のように高温動作する場合は停止・駆動時の温度差が大きくなり、さらに、高効率・小型化によって、単位体積当たりに扱う電流量が大きくなる。そのため経時的な温度変化や空間的な温度勾配が大きくなり、回路基板１と封止体７との熱応力も大きくなる可能性がある。しかし、本発明のように回路基板１の主面１ｆの少なくとも電力用半導体素子４の近傍部分に設けた突起２により、封止体７を回路基板１に密着させるように構成すれば、電力用半導体素子４の近傍部分での封止体７が回路基板１に対して強固に固定されるので、電力用半導体素子４や電力用半導体素子４に接合された配線部材５への熱応力が緩和される。そのため、電気接続等の信頼性が向上するので、ワイドバンドギャップ半導体材料の特性を活かして、小型化や高効率化を進めてもパワーサイクル寿命が長く、信頼性の高い電力用半導体装置１０を得ることが容易となる。つまり、本発明による効果を発揮することで、ワイドバンドギャップ半導体材料の特性を活かすことができるようになる。
【００５８】
なお、スイッチング素子４１及び整流素子４２の両方がワイドバンドギャップ半導体材料によって形成されていても、いずれか一方の素子がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていてもよい。
【符号の説明】
【００５９】
１：回路基板、１ｄ：ディンプル、１ｆ：主面、１ｍ：絶縁膜、１ｒ：放熱面、
１１：金属基板、１２：絶縁基板、１３：伝熱板、１４：絶縁シート、１５：銅箔、
２：突起、２ｅ：拡張部、２１：金属球、２１Ｙ：ワイヤ、２２：接合材、
３：はんだ、４：電力用半導体素子、４１：スイッチング素子、４２：整流素子、
５：リボン、６：外部端子、７：封止体、１０：電力用半導体装置。
【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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