(57)【要約】【課題】絶縁放熱性、生産性のよい電力半導体装置を得る。【解決手段】電力半導体装置は、凸部を有するヒートシンク、ヒートシンクの凸部の凸部上面に設けられた絶縁部材と、この絶縁部材上に載置されたリードフレームと、このリードフレーム上に搭載された電力半導体素子と、この電力半導体素子およびリードフレームを封止した状態で設けられたモールド樹脂と、モールド樹脂と絶縁部材の間であってかつヒートシンクの凸部上面の外周とリードフレームとの間に接した状態で設けられた樹脂スペーサとを有する電力半導体モジュール、を備え、電力半導体モジュールは、樹脂スペーサにより一定の厚さに保持された絶縁部材を介してヒートシンクと接続されているものである。【選択図】図３
2017092056.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
凸部を有するヒートシンク、
前記ヒートシンクの前記凸部の凸部上面に設けられた絶縁部材と、この絶縁部材上に載置されたリードフレームと、このリードフレーム上に搭載された電力半導体素子と、この電力半導体素子および前記リードフレームを封止した状態で設けられたモールド樹脂と、前記モールド樹脂と前記絶縁部材の間であってかつ前記ヒートシンクの前記凸部上面の外周と前記リードフレームとの間に接した状態で設けられた樹脂スペーサとを有する電力半導体モジュール、を備え、
前記電力半導体モジュールは、前記樹脂スペーサにより一定の厚さに保持された前記絶縁部材を介して前記ヒートシンクと接続されていることを特徴とする電力半導体装置。
【請求項２】
前記電力半導体モジュールは、前記電力半導体素子が実装されていない前記リードフレームの非実装面側を露出させた第１の面と、
前記第１の面を取り囲む状態で前記非実装面側に前記モールド樹脂により形成された第２の面と、を有し、
前記電力半導体モジュールの前記第１の面には、前記樹脂スペーサが３か所以上配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電力半導体装置。
【請求項３】
前記電力半導体モジュールの前記第１の面は、角部を有する矩形であり、
前記角部に形成された前記樹脂スペーサは、少なくとも前記第２の面の前記モールド樹脂の側面と２面以上接続されており、かつ前記角部以外に形成された前記樹脂スペーサは、前記リードフレーム間に充填された前記モールド樹脂と接続されていることを特徴とする請求項２に記載の電力半導体装置。
【請求項４】
前記角部の前記樹脂スペーサは、前記モールド樹脂側面と接続された二面の両端を直線で結んだ三角形形状を有することを特徴とする請求項３に記載の電力半導体装置。
【請求項５】
前記角部の前記樹脂スペーサが配置された部分に対応する前記リードフレームには、前記リードフレームを貫通する貫通穴が形成されており、
前記貫通穴に充填された前記モールド樹脂と前記角部の前記樹脂スペーサは接続されていることを特徴とする請求項３に記載の電力半導体装置。
【請求項６】
前記リードフレームは、銅の表面にニッケルめっきが施されており、
前記角部の前記樹脂スペーサが配置された部分に対応する前記リードフレームは、二つの側面を有する段差を有しており、
前記段差の前記側面には、前記リードフレームの前記銅が露出しており、前記銅の露出面と前記角部の前記樹脂スペーサは接触していることを特徴とする請求項３に記載の電力半導体装置。
【請求項７】
前記ヒートシンクの前記凸部上面は、球面状の凹みを有しており、
前記樹脂スペーサと前記凸部上面の外周が当接された当接部を有し、
前記凸部上面の一辺である第１の長さと、前記第１の長さと平行である前記第１の面の一辺である第２の長さとの差が、前記絶縁部材の厚さの２倍以上となる寸法構成となっており、
前記樹脂スペーサと前記ヒートシンクの前記凸部上面の前記当接部には、前記絶縁部材が配置されないか、もしくは前記絶縁部材に含まれる接着剤成分のみが配置されたことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電力半導体装置。
【請求項８】
前記絶縁部材は、絶縁性の高放熱フィラーを含有しており、
熱伝導率が、１Ｗ／ｍｋ以上の高放熱絶縁接着剤で構成されていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の電力半導体装置。
【請求項９】
前記ヒートシンクは、前記凸部を複数個有しており、
前記電力半導体モジュールが、前記ヒートシンクの前記凸部上面にそれぞれ複数個搭載され、モータージェネレータ用の三相交流回路を構成することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の電力半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電力半導体装置に関するものであり、特に、非実装面側のリードフレームが一部露出したモールド封止型の電力半導体モジュールを搭載した電力半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電力半導体装置は、内部に配線パターン状に成形されたリードフレーム、スイッチング可能な電力半導体素子、これらを接続する接合部材からなる電力半導体モジュールと、電力半導体モジュールの発熱を外部に放出するヒートシンクなどの冷却器などから構成されている。一般に、電力半導体モジュールのリードフレームから成形された電極とヒートシンク間は、回路構成上絶縁する必要がある。また、電力半導体モジュールは、大電流が通電されたり、高速でスイッチングされたりすることで、その都度電力半導体素子内部で発熱損失が生じる。この際に、電力半導体素子で生じた熱は、電力半導体素子が許容温度以内となるように放熱される必要がある。電力半導体素子で生じた熱は、概してリードフレーム、絶縁部材、ヒートシンクの順に伝達され、ヒートシンクの放熱面から外部に排出される。このとき、電力半導体モジュールとヒートシンクとの間にある絶縁部材は、絶縁性能と放熱性能を両立する構成である必要がある。
【０００３】
電力半導体モジュールの中でも、非実装面側のリードフレームが一部露出したモールド封止型の電力半導体モジュールにおいては、ヒートシンクとの間の絶縁部材は電力半導体モジュールおよびヒートシンクとは別の部材となっている。この絶縁部材の性能、形状の管理や、検査工程での試験などにより、絶縁放熱性の品質を確保する必要がある。この時に絶縁放熱性の品質ばらつきが大きいと製造時の歩留り低下などの原因となる。
例えば、特許文献１に示された従来の制御装置一体型回転電機に搭載された電力半導体装置においては、樹脂封止型の電力半導体モジュールのヒートシンク対向面にリードフレームが露出し、リードフレーム表面は樹脂突起が設けられ、絶縁層の最低厚さを確保することでモーターからの受熱を制限し、電力半導体素子の温度上昇を許容範囲以内とする構造が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４９４２８２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に示されたものでは、露出したリードフレーム表面に設けられた樹脂突起は、リードフレーム間のすきまに充填されたモールド樹脂をヒートシンク側に延長させた構造であり、その設置位置が限定されてしまうか、または突起の位置に合せてリードフレームの形状を変更する必要がある。また、絶縁層に熱伝導用の高放熱フィラーなどを含有する接着剤などを使用する場合、樹脂突起の下にフィラーが配置され、不必要に絶縁層の厚みが増加することにより熱抵抗のばらつきが大きくなる。この場合、製品は熱抵抗のばらつき中の最大値で製品の性能を保障する必要があり、ヒートシンクの放熱性能やチップサイズなど構造制約の原因となる。
【０００６】
この発明は、上述のような課題を解消するためになされたものであり、安定した絶縁性能と放熱性能、および製造歩留りの向上を実現可能とした電力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】
【０００７】
この発明に係わる電力半導体装置は、凸部を有するヒートシンク、前記ヒートシンクの前記凸部の凸部上面に設けられた絶縁部材と、この絶縁部材上に載置されたリードフレームと、このリードフレーム上に搭載された電力半導体素子と、この電力半導体素子および前記リードフレームを封止した状態で設けられたモールド樹脂と、前記モールド樹脂と前記絶縁部材の間であってかつ前記ヒートシンクの前記凸部上面の外周と前記リードフレームとの間に接した状態で設けられた樹脂スペーサとを有する電力半導体モジュール、を備え、前記電力半導体モジュールは、前記樹脂スペーサにより一定の厚さに保持された前記絶縁部材を介して前記ヒートシンクと接続されているものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明による電力半導体装置は、電力半導体モジュールが樹脂スペーサにより一定の厚さに保持された絶縁部材を介してヒートシンクと接続されているので、リードフレームとヒートシンクの短絡を確実に防止するとともに、リードフレームとヒートシンク凸部との距離を一定に保持することができる。また、樹脂スペーサが実装面を封止するモールド樹脂と強固に接続されることで、製造時などの温度変化による熱応力で欠けたり脱落したりしない。この結果、絶縁性と放熱性を安定させ、設計制約が最小限となることで冷却器や電力半導体素子のサイズの不必要な大型化を防止するとともに、製造歩留りの低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】この発明の実施の形態１における電力半導体装置の電力半導体モジュールを示す平面図である。
【図２】図１における電力半導体モジュールのＡ−Ａ線の断面図である。
【図３】この発明の実施の形態１における電力半導体装置を示す断面図である。
【図４】この発明の実施の形態２における電力半導体装置を示す拡大断面図である。
【図５】この発明の実施の形態２における別の電力半導体装置を示す拡大断面図である。
【図６】この発明の実施の形態３における電力半導体装置を示す断面図である。
【図７】この発明の実施の形態３における電力半導体装置の電力半導体モジュールを示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。
なお、各図面中において、同一符号は同一あるいは相当のものであることを示す。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における電力半導体装置の電力半導体モジュールを示す平面図である。また、図２は、図１における電力半導体モジュールのＡ−Ａ線の断面図である。さらにまた、図３は、この発明の実施の形態１における電力半導体装置を示す断面図であり、図２で示した電力半導体モジュールをヒートシンクと接合させた電力半導体装置である。ここで、図１は、電力半導体モジュールをリードフレームの非実装面側から見たときの平面図であり、電力半導体モジュールをヒートシンク側から見たときの平面図である。図１から図３に示すように、電力半導体装置１は、リードフレーム２、電力半導体素子３、配線部材４、接合部材５、モールド樹脂６から構成される電力半導体モジュール７が絶縁部材８を介してヒートシンク９に配置された構造を備えている。
【００１１】
リードフレーム２は、電力半導体素子３の素子上面電極と配線部材４を介して接続する電極と、素子下面電極と導電性の接合部材５を介して接続する電極を備えている。リードフレーム２は金属製であり、たとえば、銅やアルミを基材とした合金を用いる。リードフレーム２は、板状の材料をエッチング加工や、プレス加工で配線パターン状に成型されており、リードフレーム２の表面に基材の金属が露出しているものも使用可能である。また、少なくとも一部にめっき処理をされているものも使用可能である。リードフレーム２は、片側（実装面側）に電力半導体素子３、導電性の接合部材５、配線部材４などが実装され、モールド樹脂６で包み込まれるように封止された後に、電気配線上不要な部分が除去される。これにより、電力半導体モジュール７内に回路を構成する。リードフレーム２のＮ電極以外の電極は、モールド樹脂６の側面から延出し、外部の導線と接続されることで、電力半導体装置１の回路を構成する。
【００１２】
電力半導体素子３は、素子上面と素子裏面に、それぞれ素子上面電極と素子下面電極を備える。素子上下面電極は、それぞれ配線部材４と導電性の接合部材５によって、機械的、電気的に接続される。通電時の電流は、素子であるチップの厚さ方向に通過する。図１から図３においては、電力半導体素子３は一例としてＭＯＳＦＥＴを示したが、ＩＧＢＴにも適用可能である。ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴは、スイッチング可能な素子であり、素子上面に素子上面電極とは別の、ゲート部とゲート電極を備える。また、温度を検知する場合には、素子上面電極およびゲート電極とは別の検温ダイオード部と検温ダイオード電極を設ける。搭載する電力半導体素子３にゲート電極や検温ダイオード電極を搭載するとき、この発明の実施の形態１で示すように、電力半導体装置１は、ゲート電極と電気的に接続するリードフレーム２の一部で構成されたゲート電極や、検温ダイオード電極に電気的に接続するリードフレーム２の一部で構成された検温ダイオード電極を搭載する。ゲート電極、検温ダイオード電極は、それぞれリードフレーム２のゲート電極と検温ダイオード電極などの信号電極にワイヤボンドで接続される。電力半導体素子３の材料としては、Ｓｉのみならず、ＳｉＣ、ＳｉＮ、ＧａＮ、ＧａＡｓなどを用いて作製したものも使用可能である。また電力半導体素子３の素子上面電極は、Ｎｉめっき層などのはんだ付けできる仕様に備える。
【００１３】
配線部材４は、素子上面電極とリードフレーム２から構成される電極を接続する。図１から図３に示したように、金属板状の配線部材４であるインナーリードを用いる場合は、インナーリードと素子上面電極の間、インナーリードと電極の間は、導電性の接合部材５を介して接合される。配線部材４は、モールド樹脂６内部に包括されるように配置されており、製造時に外部から配線部材４を支える部分をもたない。導電性の接合部材５を介して接続される部分同士をつなぐ配線部材４の胴体部は、接続される部分よりもリードフレーム２から離れる方向に変形している。配線部材４の胴体部の断面積は、通電する電流の量によって決められる。また、実施の形態１では、一例として金属板状の配線部材４を示したが、ワイヤボンドなどの金属線材を用いても良い。
接合部材５は、素子上面電極と配線部材４の間、配線部材４とリードフレーム２の間に配置される。素子上面電極と配線部材４の間の導電性の接合部材５には、はんだを用いるが、導電性ペーストなどの微細な金属フィラーと樹脂のコンポジット材を用いても良い。
【００１４】
モールド樹脂６は、リードフレーム２と、電力半導体素子３と、導電性の接合部材５と、配線部材４を包み込むように配置されることで実装面を封止する。また、モールド樹脂６は、リードフレーム２上に上述した各種構成部材を実装した後に、トランスファー成形により設置される。モールド樹脂６は、例えばエポキシ樹脂系の樹脂である。さらにまた、モールド樹脂６は、絶縁性のフィラー材を含んでおり、電力半導体素子３で生じた発熱を外部に熱伝導により伝達する。
図１に示すように、電力半導体モジュール７は、リードフレーム２の主表面である実装面側に電力半導体素子３を搭載する電力半導体素子搭載部１４を備えている。リードフレーム２の電力半導体素子３の実装面とは反対側の非実装面側、すなわちヒートシンク９との対向面側にリードフレーム２が露出した第１の対向面１０を備えている。ここで、第１の対向面１０は、角部を有する矩形であり、図１において点線で図示した領域である。また、電力半導体モジュール７には、第１の対向面１０を取り囲むように配置され、モールド樹脂６で形成された第２の対向面１１が形成されている。図２に示すように、第２の対向面１１はモールド樹脂６で形成されたＣからＢ（ＢからＣ）の面である。また、第１の対向面１０は、第２の対向面１１で取り囲まれたＢからＢの面である。モールド樹脂６により封止された後に、リードフレーム２の不要な部分は切り落され、リードフレーム２のモールド樹脂６からの延出部を曲げることによって電力半導体モジュール７が構成される。
【００１５】
図３に示すように、絶縁部材８は、電力半導体モジュール７の第１の対向面１０の略全面と、第２の対向面１１の一部とヒートシンク９の凸部１２の間に配置される。これにより、電力半導体モジュール７で生じた発熱が、絶縁部材８を介してヒートシンク９へ伝達し、ヒートシンク９から外部へ排出される。このとき、絶縁部材８の厚さを薄くすることで、第１の対向面１０とヒートシンク９との距離を短くし、熱抵抗を小さくすることで放熱性を向上できる。また、電力半導体モジュール７のリードフレーム２から形成された電極は、絶縁部材８とモールド樹脂６でヒートシンク９から絶縁されおり、電力半導体モジュール７は、単品で耐圧検査が可能となる。
【００１６】
ヒートシンク９は、Ａｌもしくは銅などの金属を基材にした合金を、鋳造、鍛造、板金加工、切削加工などで加工して構成される。ヒートシンク９は、強制空冷用であり、電力半導体モジュール７の搭載面の反対側には放熱フィン（図示なし）などの面積拡大機構を備える。ヒートシンク９は、凸形状を有しており、ヒートシンク９の凸部１２の凸部上面に電力半導体モジュール７が搭載される。電力半導体モジュール７の搭載部である凸部上面は、電力半導体モジュール７の第２の対向面に収まるような凸形状を有している。また、凸部上面は平面を有している。これにより、電力半導体モジュール７の外周から突出した電極とヒートシンク９との絶縁距離を確保可能となる。また、電力半導体モジュール７がヒートシンク９上に搭載完了した時に、第２の対向面１１とヒートシンク９の凸部１２の外周面とは接しない寸法関係になっている。
【００１７】
図１に示すように、電力半導体モジュール７は、電力半導体素子３が実装されていないリードフレーム２の非実装面側を露出させた第１の対向面１０とこの第１の対向面１０を取り囲むように非実装面側にモールド樹脂６により形成された第２の対向面１１とを有している。また、第１の対向面１０上の外周にはモールド樹脂６で形成された樹脂スペーサ１３を３個以上備えている。また、３個の樹脂スペーサ１３の内、少なくとも１個以上は角部の樹脂スペーサ１３であり、少なくとも第２の対向面１１のモールド樹脂６側面と２面以上接続されている。また、角部以外の樹脂スペーサ１３は、リードフレーム２間に充填されたモールド樹脂６と第２の対向面１１のモールド樹脂６の側面との２面以上を接続している。ヒートシンク９は電力半導体モジュール７を搭載する部分に凸部１２を備え、樹脂スペーサ１３とヒートシンク９の凸部１２の外周は当接し、第１の対向面１０とヒートシンク９の凸部１２の間には絶縁部材８が配置されている。樹脂スペーサ１３は、モールド樹脂６と同一の材料から形成された、例えばエポキシ樹脂系の樹脂である。
【００１８】
上述のような構造とすることで、電力半導体モジュール７の第１の対向面１０とヒートシンク９の距離を一定に保持し、絶縁部材８で満たすことで、絶縁性と放熱性を安定させ設計制約を最小限にすることで、冷却器であるヒートシンク９や電力半導体素子３などが適切な形状を選択可能となる。また、第１の対向面１０の外周部に３点以上の樹脂スペーサ１３を設けることで、リードフレーム２とヒートシンク９の短絡を確実に防止する。さらに、角部のリードフレーム２間に充填されたモールド樹脂６と接続されない樹脂スペーサ１３を第２の対向面１１のモールド樹脂６の側面と接続させる。また、角部以外の樹脂スペーサ１３は、リードフレーム２間に充填されたモールド樹脂６と第２の対向面１１のモールド樹脂６の側面との２面に接続している。このように、樹脂スペーサ１３は、モールド樹脂６と２面以上接続していることで、電力半導体モジュール７との接着力が強く、製造時に電力半導体モジュール７に加わる温度変化などに起因した熱応力による樹脂スペーサ１３の脱落を防止し、製造歩留りの低下を防止する。また、上述のような構造をとることで、第１の対向面１０の外周部の任意の位置に樹脂スペーサ１３を設置可能となり、電力半導体モジュール７がヒートシンク９の凸部１２の凸部上面に安定した状態で配置可能となる。
【００１９】
また、電力半導体モジュール７の第１の対向面１０に設置された角部の樹脂スペーサ１３は、第２の対向面１１のモールド樹脂６の側面と接続された２面の両端を直線で結んだ略三角形形状を備える。これにより、第２の対向面１１のモールド樹脂６の側面と接続しない１面以外をモールド樹脂６で接続保持することで、製造時の温度変化などの応力が生じた場合でも樹脂スペーサ１３に応力が集中しなくなり、脱落や欠けが生じることを防止できる。この結果、製造時の歩留り低下を防止できる。また、樹脂スペーサ１３が第１の対向面１０の角部に配置されていることで、絶縁部材８の角部の形状は９０°以上の鈍角となる。樹脂スペーサ１３がない場合、絶縁部材８の角部の形状は略９０°の形状となる。電力半導体モジュール７がヒートシンク９に固定され、電力半導体装置１が完成した後に、温度変化が作用した場合に絶縁部材８で生じる熱応力は、コーナー部で高くなることが知られている。この発明の実施の形態１における構造では、コーナー部を鈍角とすることから絶縁部材８のクラック進展などに対する信頼性を向上できる。このことから過酷な環境温度下で使用される場合でも信頼性を確保可能となり、信頼性を向上させるための追加部材などを必要とせずコストアップを回避できる。
【００２０】
絶縁部材８は、絶縁性の高放熱フィラー材を含有する熱伝導率が１Ｗ／ｍｋ以上の高放熱絶縁接着剤で構成される。これにより、放熱性と絶縁性を確保しつつ、電力半導体モジュール７を固定できる。また、電力半導体モジュール７の裏面をモールド樹脂６で封止した電力半導体装置１よりも、熱伝導率がよい絶縁放熱接着剤を使用することで放熱性を向上させられる。さらに、絶縁性の高放熱フィラーを含有した接着剤は、絶縁性フィラーを含有しない接着剤に比べて、高い熱伝導率を実現でき絶縁性を確保しながら熱抵抗の小さい絶縁部材８を構成可能となる。また、電力半導体モジュール７に作用する電圧の高さに応じて絶縁部材８を厚くする場合に、絶縁性フィラーを含有する接着剤では熱伝導率が高いため、熱抵抗の増大を防止できる。この結果、電力半導体モジュール７のサイズを増大させることを回避でき、不必要なコストアップを防止できる。
以上のように、上述の構成とすることで、安定した絶縁放熱性能と製造歩留りを実現する電力半導体装置１を得ることが可能となる。
【００２１】
実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２における電力半導体装置を示す拡大断面図である。図４に示すように、この発明の実施の形態２における電力半導体装置１は、さらに過酷な熱応力が樹脂スペーサ１３に作用する場合でも樹脂スペーサ１３の脱落を回避できるような構造を備えている。図４に示すように、電力半導体モジュール７の第１の対向面１０に設置された角部の樹脂スペーサ１３が配置される部分のリードフレーム２には、貫通穴１５が形成されている。貫通穴１５は、リードフレーム２の主表面（電力半導体素子３の実装面）から裏面（電力半導体素子３の非実装面）まで貫通されており、モールド樹脂６によって充填されている。また、貫通穴１５に充填されたモールド樹脂６と樹脂スペーサ１３は接続されている。リードフレーム２の貫通穴１５に充填されたモールド樹脂６と樹脂スペーサ１３が接続されることで、樹脂スペーサ１３の固定をさらに強固にでき、過酷な製造環境でも樹脂スペーサ１３の脱落を防止できる。
【００２２】
また、図５は、この発明の実施の形態２における別の電力半導体装置を示す拡大断面図である。リードフレーム２は、素地のＣｕの表面にＮｉめっきが施されている。図５に示すように、角部の樹脂スペーサ１３が配置される部分に対応したリードフレーム２には、プレス加工によりせん断加工のような段差（プレス加工による突起２０）が設けられている。段差の側面は、リードフレーム２の母材である銅が露出しており、Ｃｕ素地露出面１７を有している。そして、Ｃｕ素地露出面１７と角部の樹脂スペーサ１３は接している。Ｎｉめっき面は、モールド樹脂６および樹脂スペーサ１３を形成するモールド樹脂６との密着力が比較的弱いため、樹脂スペーサ１３の脱落などが起きる可能性もある。しかし、プレス加工によりＮｉめっき面がはがれ、それに伴い露出されることで形成されたＣｕ素地露出面１７は、Ｎｉめっき面よりもモールド樹脂６との接着力が強い。よって、樹脂スペーサ１３の脱落をさらに防止することができる。これにより、製造歩留り悪化を防止することができる。
【００２３】
実施の形態３．
図６は、この発明の実施の形態３における電力半導体装置を示す断面図である。また、図７は、この発明の実施の形態３における電力半導体装置の電力半導体モジュールを示す平面図である。図６は、電力半導体モジュール７とヒートシンク９を接合する前の電力半導体装置１の状態を示しており、電力半導体装置１の製造方法を模式的に示す断面図である。また、図７は、この発明の実施の形態３における電力半導体モジュールのリードフレームの非実装面側を模式的に示す平面図である。実施の形態３において、電力半導体装置１のヒートシンク９の凸部１２の１辺の長さと、その凸部１２の１辺の長さと平行に位置する第１の対向面１０の１辺の長さの差は、絶縁部材８の厚さの２倍以上となる寸法構成を備える。実施の形態３における絶縁部材８は、絶縁性の接着剤１６により形成される。
【００２４】
また、ヒートシンク９の凸部１２の電力半導体モジュール７との対向面は球面上の凹みを有し、製造時には凹みの中央に絶縁性の接着剤１６を滴下し、電力半導体モジュール７を上から矢印方向に加圧固定する。この際、樹脂スペーサ１３とヒートシンク９の凸部１２の外周部１９が接触し、樹脂スペーサ１３とヒートシンク９の凸部１２の当接部には、絶縁部材８が配置されない、もしくは絶縁部材８に含まれるフィラーを除いた接着剤成分のみが配置される。これは、ヒートシンク９の凸部１２が球状の凹みを備え、滴下された絶縁性の接着剤１６が、電力半導体モジュール７が加圧されるとともに押し広げられる際に、樹脂スペーサ１３とヒートシンク９の凸部１２のすきまが小さくなり、接着剤１６が広がる際の流路としての流路抵抗が大きくなるため、樹脂スペーサ１３とヒートシンク９の凸部１２の間に入り込むことを回避できる。または、数μから百数十μｍ程度の高放熱フィラーは、樹脂スペーサ１３とヒートシンク９の凸部１２の間に侵入せず、樹脂成分のみが侵入した状態となる。図７に示すように、電力半導体モジュール７は、第１の対向面１０内にフィラー分布領域１８を有しており、点線で示した領域にヒートシンク９が接合される。
【００２５】
上述の構造をとることで、製造時に接着剤１６を滴下した際に、高放熱接着剤がヒートシンク９の凸部１２上の中央に保持されるようになり、粘度が低い接着剤１６を使用可能となり、より広いバリエーションの樹脂を選定できる。さらに、ヒートシンク９の凸部１２と第１の対向面１０との幅方向のクリアランスが絶縁部材８の厚さの２倍以上確保されることで、電力半導体モジュール７がヒートシンク９の凸部１２に加圧される過程で、溢れた絶縁放熱接着剤が樹脂スペーサ１３とヒートシンク９の凸部１２のすきまからヒートシンク９の凸部１２の側面へ優先的に排出されるようになり、樹脂スペーサ１３とヒートシンク９の凸部１２の間に絶縁性の接着剤１６のフィラーが配置されるのを防ぐことで、絶縁部材８の厚さが均一化され放熱性ばらつきが小さくなり、絶縁部材８の信頼性も安定する。
【００２６】
また、電力半導体装置１は、電力半導体モジュール７が１つのヒートシンク９の複数の凸部１２の凸部上面に複数個搭載され、モータージェネレータなどの車載用機器のモーター駆動もしくは整流用の三相交流回路を構成することができる。たとえば、モータージェネレータでは、電力半導体モジュール７に作用する電圧は数十Ｖ程度であり、この発明の実施の形態３の構成を使用することで絶縁部材８の厚みを小さく設定でき、厚みばらつきも小さくできるため高い絶縁放熱性を実現できる。また、１つのヒートシンク９上に複数の電力半導体モジュール７を搭載する場合、絶縁スペーサが１箇所でも脱落すると歩留り低下になる場合があり得るが、この発明の実施の形態３の構造を適用することで樹脂スペーサ１３の脱落を防止でき、歩留り低下を防止できる。
なお、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００２７】
１  電力半導体装置、２  リードフレーム、３  電力半導体素子、４  配線部材、５  接合部材、６  モールド樹脂、７  電力半導体モジュール、８  絶縁部材、９  ヒートシンク、１０  第１の対向面、１１  第２の対向面、１２  凸部、１３  樹脂スペーサ、１４  電力半導体素子搭載部、１５  貫通穴、１６  接着剤、１７  Ｃｕ素地露出面、１８  フィラー分布領域、１９  外周部、２０  突起
【図１】
2017092056.tif 000003
【図２】
2017092056.tif 000004
【図３】
2017092056.tif 000005
【図４】
2017092056.tif 000006
【図５】
2017092056.tif 000007
【図６】
2017092056.tif 000008
【図７】
2017092056.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成28年8月22日(2016.8.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
凸部を有するヒートシンク、
前記ヒートシンクの前記凸部の凸部上面に設けられた絶縁部材と、この絶縁部材上に載置されたリードフレームと、このリードフレーム上に搭載された電力半導体素子と、この電力半導体素子および前記リードフレームを封止した状態で設けられたモールド樹脂と、
前記モールド樹脂と前記絶縁部材の間であってかつ前記ヒートシンクの前記凸部上面の外周と前記リードフレームとの間に接した状態で設けられた樹脂スペーサとを有する電力半導体モジュール、を備え、
前記電力半導体モジュールは、前記電力半導体素子が実装されていない前記リードフレームの非実装面側を露出させた第１の面と、
前記第１の面を取り囲む状態で前記非実装面側に前記モールド樹脂により形成された第２の面と、を有し、
前記ヒートシンクの前記凸部上面は、球面状の凹みを有しており、
前記電力半導体モジュールは、前記樹脂スペーサにより一定の厚さに保持された前記絶縁部材を介して前記ヒートシンクと接続されていることを特徴とする電力半導体装置。
【請求項２】
前記電力半導体モジュールの前記第１の面には、前記樹脂スペーサが３か所以上配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電力半導体装置。
【請求項３】
前記電力半導体モジュールの前記第１の面は、角部を有する矩形であり、
前記角部に形成された前記樹脂スペーサは、少なくとも前記第２の面の前記モールド樹脂の側面と２面以上接続されており、かつ前記角部以外に形成された前記樹脂スペーサは、前記リードフレームの区分された間に充填された前記モールド樹脂と接続されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力半導体装置。
【請求項４】
前記角部の前記樹脂スペーサは、前記モールド樹脂の側面と接続された二面の両端を直線で結んだ三角形形状を有することを特徴とする請求項３に記載の電力半導体装置。
【請求項５】
前記角部の前記樹脂スペーサが配置された部分に対応する前記リードフレームには、前記リードフレームを貫通する貫通穴が形成されており、
前記貫通穴に充填された前記モールド樹脂と前記角部の前記樹脂スペーサは接続されていることを特徴とする請求項３に記載の電力半導体装置。
【請求項６】
前記リードフレームは、銅の表面にニッケルめっきが施されており、
前記角部の前記樹脂スペーサが配置された部分に対応する前記リードフレームは、二つの側面を有する段差を有しており、
前記段差の前記側面には、前記リードフレームの前記銅が露出しており、前記銅の露出面と前記角部の前記樹脂スペーサは接触していることを特徴とする請求項３に記載の電力半導体装置。
【請求項７】
前記樹脂スペーサと前記凸部上面の外周が当接された当接部を有し、
前記凸部上面の一辺である第１の長さと、前記第１の長さと平行である前記第１の面の一辺である第２の長さとの差が、前記絶縁部材の厚さの２倍以上となる寸法構成となっており、
前記樹脂スペーサと前記ヒートシンクの前記凸部上面の前記当接部には、前記絶縁部材が配置されないか、もしくは前記絶縁部材に含まれる接着剤成分のみが配置されたことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電力半導体装置。
【請求項８】
前記絶縁部材は、絶縁性の高放熱フィラーを含有しており、
熱伝導率が、１Ｗ／ｍｋ以上の高放熱絶縁接着剤で構成されていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の電力半導体装置。
【請求項９】
前記ヒートシンクは、前記凸部を複数個有しており、
前記電力半導体モジュールが、前記ヒートシンクの前記凸部上面にそれぞれ複数個搭載され、モータージェネレータ用の三相交流回路を構成することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の電力半導体装置。 
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
この発明に係わる電力半導体装置は、凸部を有するヒートシンク、前記ヒートシンクの前記凸部の凸部上面に設けられた絶縁部材と、この絶縁部材上に載置されたリードフレームと、このリードフレーム上に搭載された電力半導体素子と、この電力半導体素子および前記リードフレームを封止した状態で設けられたモールド樹脂と、前記モールド樹脂と前記絶縁部材の間であってかつ前記ヒートシンクの前記凸部上面の外周と前記リードフレームとの間に接した状態で設けられた樹脂スペーサとを有する電力半導体モジュール、を備え、前記電力半導体モジュールは、前記電力半導体素子が実装されていない前記リードフレームの非実装面側を露出させた第１の面と、前記第１の面を取り囲む状態で前記非実装面側に前記モールド樹脂により形成された第２の面と、を有し、前記ヒートシンクの前記凸部上面は、球面状の凹みを有しており、前記電力半導体モジュールは、前記樹脂スペーサにより一定の厚さに保持された前記絶縁部材を介して前記ヒートシンクと接続されているものである。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
また、ヒートシンク９の凸部１２の電力半導体モジュール７との対向面は球面状の凹みを有し、製造時には凹みの中央に絶縁性の接着剤１６を滴下し、電力半導体モジュール７を上から矢印方向に加圧固定する。この際、樹脂スペーサ１３とヒートシンク９の凸部１２の外周部１９が接触し、樹脂スペーサ１３とヒートシンク９の凸部１２の当接部には、絶縁部材８が配置されない、もしくは絶縁部材８に含まれるフィラーを除いた接着剤成分のみが配置される。これは、ヒートシンク９の凸部１２が球状の凹みを備え、滴下された絶縁性の接着剤１６が、電力半導体モジュール７が加圧されるとともに押し広げられる際に、樹脂スペーサ１３とヒートシンク９の凸部１２のすきまが小さくなり、接着剤１６が広がる際の流路としての流路抵抗が大きくなるため、樹脂スペーサ１３とヒートシンク９の凸部１２の間に入り込むことを回避できる。または、数μから百数十μｍ程度の高放熱フィラーは、樹脂スペーサ１３とヒートシンク９の凸部１２の間に侵入せず、樹脂成分のみが侵入した状態となる。図７に示すように、電力半導体モジュール７は、第１の対向面１０内にフィラー分布領域１８を有しており、点線で示した領域にヒートシンク９が接合される。
【手続補正書】
【提出日】平成29年1月23日(2017.1.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
凸部を有するヒートシンク、
前記ヒートシンクの前記凸部の凸部上面に設けられた絶縁部材と、この絶縁部材上に載置されたリードフレームと、このリードフレーム上に搭載された電力半導体素子と、この電力半導体素子および前記リードフレームを封止した状態で設けられたモールド樹脂と、
前記モールド樹脂と前記絶縁部材の間であってかつ前記ヒートシンクの前記凸部上面の外周と前記リードフレームとの間に接した状態で設けられた樹脂スペーサとを有する電力半導体モジュール、を備え、
前記電力半導体モジュールは、前記電力半導体素子が実装されていない前記リードフレームの非実装面側を露出させた第１の面と、
前記第１の面を取り囲む状態で前記非実装面側に前記モールド樹脂により形成された第２の面と、を有し、
前記ヒートシンクの前記凸部上面は、全体として湾曲された球面状の凹みを有しており、
前記電力半導体モジュールは、前記樹脂スペーサにより一定の厚さに保持された前記絶縁部材を介して前記ヒートシンクと接続されていることを特徴とする電力半導体装置。
【請求項２】
前記電力半導体モジュールの前記第１の面には、前記樹脂スペーサが３か所以上配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電力半導体装置。
【請求項３】
前記電力半導体モジュールの前記第１の面は、角部を有する矩形であり、
前記角部に形成された前記樹脂スペーサは、少なくとも前記第２の面の前記モールド樹脂の側面と２面以上接続されており、かつ前記角部以外に形成された前記樹脂スペーサは、前記リードフレームの区分された間に充填された前記モールド樹脂と接続されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力半導体装置。
【請求項４】
前記角部の前記樹脂スペーサは、前記モールド樹脂の側面と接続された二面の両端を直線で結んだ三角形形状を有することを特徴とする請求項３に記載の電力半導体装置。
【請求項５】
前記角部の前記樹脂スペーサが配置された部分に対応する前記リードフレームには、前記リードフレームを貫通する貫通穴が形成されており、
前記貫通穴に充填された前記モールド樹脂と前記角部の前記樹脂スペーサは接続されていることを特徴とする請求項３に記載の電力半導体装置。
【請求項６】
前記リードフレームは、銅の表面にニッケルめっきが施されており、
前記角部の前記樹脂スペーサが配置された部分に対応する前記リードフレームは、二つの側面を有する段差を有しており、
前記段差の前記側面には、前記リードフレームの前記銅が露出しており、前記銅の露出面と前記角部の前記樹脂スペーサは接触していることを特徴とする請求項３に記載の電力半導体装置。
【請求項７】
前記樹脂スペーサと前記凸部上面の外周が当接された当接部を有し、
前記凸部上面の一辺である第１の長さと、前記第１の長さと平行である前記第１の面の一辺である第２の長さとの差が、前記絶縁部材の厚さの２倍以上となる寸法構成となっており、
前記樹脂スペーサと前記ヒートシンクの前記凸部上面の前記当接部には、前記絶縁部材が配置されないか、もしくは前記絶縁部材に含まれる接着剤成分のみが配置されたことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電力半導体装置。
【請求項８】
前記絶縁部材は、絶縁性の高放熱フィラーを含有しており、
熱伝導率が、１Ｗ／ｍｋ以上の高放熱絶縁接着剤で構成されていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の電力半導体装置。
【請求項９】
前記ヒートシンクは、前記凸部を複数個有しており、
前記電力半導体モジュールが、前記ヒートシンクの前記凸部上面にそれぞれ複数個搭載され、モータージェネレータ用の三相交流回路を構成することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の電力半導体装置。 
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
この発明に係わる電力半導体装置は、凸部を有するヒートシンク、前記ヒートシンクの前記凸部の凸部上面に設けられた絶縁部材と、この絶縁部材上に載置されたリードフレームと、このリードフレーム上に搭載された電力半導体素子と、この電力半導体素子および前記リードフレームを封止した状態で設けられたモールド樹脂と、前記モールド樹脂と前記絶縁部材の間であってかつ前記ヒートシンクの前記凸部上面の外周と前記リードフレームとの間に接した状態で設けられた樹脂スペーサとを有する電力半導体モジュール、を備え、前記電力半導体モジュールは、前記電力半導体素子が実装されていない前記リードフレームの非実装面側を露出させた第１の面と、前記第１の面を取り囲む状態で前記非実装面側に前記モールド樹脂により形成された第２の面と、を有し、前記ヒートシンクの前記凸部上面は、全体として湾曲された球面状の凹みを有しており、前記電力半導体モジュールは、前記樹脂スペーサにより一定の厚さに保持された前記絶縁部材を介して前記ヒートシンクと接続されているものである。