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JP2011114176A - パワー半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】放熱性能、絶縁性能の劣化を抑制するパワー半導体装置を提供する。
【解決手段】パワー半導体装置１０１は、第１パワー半導体素子であるパワー半導体素子１と、パワー半導体素子１を挟んで配置された一対の第１金属部材である金属部材６、８と、一対の金属部材６、８を挟んで一対の放熱板である金属板１１ａ、１１ｂ上に積層された一対の絶縁層１２ａ、１２ｂと、少なくともパワー半導体素子１と、一対の金属部材６、８と、一対の絶縁層１２ａ、１２ｂとを覆って充填された充填樹脂１８とを備え、一対の絶縁層１２ａ、１２ｂと充填樹脂１８とは、熱膨張率が略等しい。
【選択図】図１

Description

本発明はパワー半導体装置に関し、特にＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどの１個あるいは複数個のパワー半導体素子を内蔵して、モータなどの負荷を制御するパワー半導体装置に関する。
パワー半導体素子は、モータなどの大きな負荷を制御するために、制御する電流が大きく、そのために自己発熱が大きい。したがって、パワー半導体素子を収納するパワー半導体装置は、パワー半導体素子の放熱を考慮する必要がある。
従来のパワー半導体装置におけるパワー半導体素子は、絶縁基板上に搭載され、絶縁基板は金属板に接合されて、ケースに収納される。パワー半導体素子の上面電極には、複数のボンディングワイヤが接続され、ボンディングワイヤのもう一端は、絶縁基板上の配線あるいはケースに取り付けられた電極に接続される。一方、パワー半導体素子の裏面電極は、絶縁基板上の配線にはんだ接合されて搭載される。パワー半導体装置は、金属板表面でグリースなどを介して冷却器に取り付けられ、パワー半導体素子の発熱は、はんだ、絶縁基板、金属板を通って、冷却器によって放熱される。
また、パワー半導体素子を動作させるための電圧を供給するため、パワー半導体素子の上面電極と同一平面上に制御電極が設けられており、上記と同様にボンディングワイヤで基板上の配線あるいはケースに取り付けられた電極に接続される。大電流が流れる配線あるいは電極と制御用の配線あるいは電極は同一の基板表面上あるいはケース表面上に設けられることが多い。
パワー半導体素子は、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴといった素子が大きな電流を制御する用途では多用されており、パワー半導体装置によって数Ａから数百Ａ程度の電流を制御する。このために、パワー半導体装置の冷却性能を向上するために、例えば、特許文献１に記載のパワー半導体装置がある。
特許文献１では、コレクタ電極ならびに制御電極と同一面に形成されたエミッタ電極を有する複数のパワー半導体素子を備え、これらのパワー半導体素子を挟むように設けられ、挟む側の面に半導体チップの電極に接合するための電極パターンが配設された高熱伝導性絶縁基板があり、高放熱伝導性基板の電極パターンと半導体素子の電極をロウ付けにより接合している。
特開平１０−５６１３１号公報
従来のパワー半導体装置は、パワー半導体素子の表裏を挟み込むように絶縁基板を設けるため、組立のばらつきによって絶縁基板の表面の平行度が悪化する。特に、特許文献１に記載されるように、絶縁基板に窒化アルミニウムなどのセラミックスを用いる場合、絶縁基板が非常に硬いため、その表面に冷却器を取り付ける際に片当たりが発生し、半導体素子の局部に過大な力が加わりこれらを破壊する恐れがある。また、破壊に至らないまでも、冷却器と絶縁基板の間に大きな隙間が発生するため、グリース層が厚くなり放熱性能が悪化する。
また、上下２枚の絶縁基板の間に樹脂を充填する場合、樹脂と絶縁基板との間が密着していないと、高い電圧がパワー半導体素子に加わるような場合には絶縁破壊を招く恐れがある。ここで、一般的にセラミックスと樹脂との接着性は良くないため、このような事態が生じやすい。また、セラミックスと樹脂とは熱膨張差が大きいため、熱膨張により接着面に大きな熱応力が発生し、そのまま冷熱サイクルが繰り返されると絶縁基板と樹脂との間で剥がれが発生し、絶縁性が劣化してしまうという問題があった。
本発明は、上記のような問題を解決すべくなされたものであり、放熱性能、絶縁性能の劣化を抑制するパワー半導体装置を提供することを目的とする。
本発明にかかるパワー半導体装置は、第１パワー半導体素子と、前記第１パワー半導体素子を挟んで配置された一対の第１金属部材と、前記一対の第１金属部材を挟んで一対の放熱板上に積層された一対の絶縁層と、少なくとも前記第１パワー半導体素子と、前記一対の第１金属部材と、前記一対の絶縁層とを覆って充填された充填樹脂とを備え、前記一対の絶縁層と前記充填樹脂とは、熱膨張率が略等しい。
本発明にかかるパワー半導体装置によれば、第１パワー半導体素子と、前記第１パワー半導体素子を挟んで配置された一対の第１金属部材と、前記一対の第１金属部材を挟んで一対の放熱板上に積層された一対の絶縁層と、少なくとも前記第１パワー半導体素子と、前記一対の第１金属部材と、前記一対の絶縁層とを覆って充填された充填樹脂とを備え、前記一対の絶縁層と前記充填樹脂とは、熱膨張率が略等しいことにより、十分な放熱性能を有し、かつ、絶縁層と充填樹脂との熱膨張差により剥がれが発生し絶縁性が劣化することを抑制することができる。
実施の形態１にかかるパワー半導体装置の断面図である。 実施の形態１にかかるパワー半導体装置の製造方法を示す図である。 実施の形態１にかかるパワー半導体装置の製造方法を示す図である。 実施の形態２にかかるパワー半導体装置の断面図である。 実施の形態２にかかるパワー半導体装置の製造方法を示す図である。 実施の形態３にかかるパワー半導体装置の断面図である。 実施の形態３にかかるパワー半導体装置の回路図である。 実施の形態３にかかるパワー半導体装置の断面図である。 実施の形態３にかかるパワー半導体装置の断面図である。 実施の形態４にかかるパワー半導体装置の断面図である。
＜Ａ．実施の形態１＞
＜Ａ−１．構成＞
本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本発明の実施の形態１を説明するためのパワー半導体装置の断面模式図である。図１に示すように第１パワー半導体素子としてのパワー半導体素子１（図１では、２個内蔵の場合を示している）は、第１の電極としてのコレクタ電極２と、第２の電極としてのエミッタ電極３とを有しており、これらの電極はパワー半導体素子１の表裏面に形成される。
エミッタ電極３側には、パワー半導体素子１を駆動するために必要な電力を供給するための制御電極４が備えられる。コレクタ電極２は、第１の金属ブロックとしての金属ブロック５にはんだ層１００１を介して接合され、金属ブロック５は一対の第１金属部材の一方である金属部材６にはんだ層１００１を介して電気的に接合される。
一方、エミッタ電極３上側には、金属ブロック５よりも一回り面積が小さい第２の金属ブロックとしての金属ブロック７がはんだ層１００１を介して接合され、さらに、金属ブロック７上部は、一対の第１金属部材の他方である金属部材８にはんだ層１００１を介して接合される。
パワー半導体装置１０１は、上下一対の金属板、すなわち放熱板としての金属板１１ａおよび金属板１１ｂに挟まれ、金属板１１ａ、１１ｂのパワー半導体素子１とは反対側の表面１１１、１２１が、装置外部に露出した構造となっている。露出面と反対側の面（パワー半導体素子１側の面）には絶縁層１２ａ、１２ｂが貼り付けられており、絶縁層１２ａ、１２ｂに一対の金属部材６、８、および第２金属部材である金属部材１００２が取り付けられる。
パワー半導体装置１０１は、上記した各部位が、上下一対の金属板１１ａ、１１ｂの一部の面（表面１１１、１２１）を除いて、充填樹脂１８によって被覆される。ただし、金属部材６は、例えば図１中（Ａ）のように、下層の絶縁層１２ａが露出する箇所が設けられている。
図１において、第２金属部材である金属部材１００２は、金属部材６と電気的に分離されて、絶縁層１２ａ上に配置され、例えば配線を構成する。金属部材１００２は、パワー半導体素子１とワイヤを介して接続されている。図１においては、金属部材１００２は絶縁層１２ａ上に配置されているが、絶縁層１２ｂ上に配置することも可能である。
絶縁層１２ａ、１２ｂは樹脂材料からなり、充填樹脂１８の材料と熱膨張率が略等しい材料、望ましくは同種の材料で構成される。充填樹脂１８の材料と同種の材料で構成することによって、接合箇所において絶縁層１２ａ、１２ｂと充填樹脂１８との反応が良く進み、接合強度が向上するだけでなく、界面の消失効果がある。したがって、金属板１１ａ、１１ｂ、金属ブロック５、７、あるいはパワー半導体素子１との線膨張の違いによる熱応力が発生しても、絶縁層１２ａ、１２ｂと充填樹脂１８との間で容易に剥がれの進行がなく、高い絶縁信頼性やはんだクラック耐量が維持できる。これらの材料としては、いずれもエポキシ材料であれば、パッケージの強度が大きくなり、充填樹脂１８内部に内蔵されるパワー半導体素子１周辺のストレスを分散させる効果が大きく、またハンドリング性も良くなる。
本発明におけるパワー半導体素子は、例えばシリコンからなる素子であるが、素子の発熱を素子の上下方向から効率的に逃がすことができるので、素子の温度が高くなっても、充填樹脂等の有機材料に熱が拡がらずに温度上昇を抑えることができる。
また、パワー半導体素子の周辺にある他の電子部品に対しても熱の拡がりが少ない。したがって、炭化珪素からなる素子によって高温での動作をしても、装置の信頼性は確保することができる。さらには、冷却器に取り付けられる上下の金属板１１ａ、１１ｂの表面１１１、１２１とパワー半導体素子１の間に絶縁層１２ａ、１２ｂを形成する構造となるため、パワー半導体素子１の温度サイクルによる高さ方向の伸縮が柔らかい絶縁層１２ａ、１２ｂによって吸収されるため、冷却器の取り付け面（すなわち、金属板１１ａ、１１ｂの表面１１１、１２１）の接触部分の熱抵抗が変化することがない。これらの点で、特に炭化珪素からなるパワー半導体素子を搭載したパワー半導体装置であれば、非常に優れた効果を発揮することができる。
＜Ａ−２．製造方法＞
次に、本実施の形態１のパワー半導体装置１０１の製造方法について、図２および図３を用いて説明する。金属板１１ａあるいは、絶縁層１２ａ、金属部材６、１００２はあらかじめ、ホットプレスなどの工程を経て積層する。また、金属部材６、１００２は、複数の部材を島状に配置して、絶縁層１２ａを接合しても良いし、金属板１１ａ、絶縁層１２ａと同等の面積を有する板状の金属部材６、１００２を積層した後に、例えばエッチング等の方法で所望の形状に成形しても良い。後者は、種々の形状の金属部材６、１００２が一括で形成することができるため工業的に有用な方法である。また、同様にあらかじめ所望の形状に成形された金属部材６、１００２を積層しても良い。
そのように製造した積層構造（以下、積層基板１０２ａ）に、図２（ａ）のように金属ブロック５、パワー半導体素子１、金属ブロック７がその順に搭載される。これらの部材と積層基板１０２ａとの接合は、本実施の形態１では、例えばはんだを用いてはんだ付けする。この場合のはんだ層１００１（図２（ｂ））は、同一材料のはんだ材を用いて一括してはんだ付けするものである。
次に、パワー半導体素子１の制御電極４と金属部材６の所定の箇所とをワイヤ１６で電気的に接続する（図２（ｂ））。さらに、前述した積層基板１０２ａの製造方法と同様の方法で製作したもう一つの積層基板１０２ｂを、金属部材８側が金属ブロック７に当接するように載せて接合する。この場合にも、例えばはんだ材を用いて接合する（図３（ａ））。このはんだ材は、３層のはんだ層１００１の融点と比べて、その融点が同等以下であることが好ましい。なぜならば、図３（ａ）に示す工程での、はんだ付けのための加熱によるはんだ層１００１への影響を、極力防止するためである。特に、はんだ層１００１が再溶融すると、パワー半導体素子１と金属部材６の相対位置が変化し、ワイヤ１６にストレスが加わる恐れがあるため、はんだ層１００１が溶融しないように融点を上記のように組み合わせることが好ましい。
次に、積層基板１０２ａ、１０２ｂでサンドイッチされた構造であるパワー半導体素子１を金型１７にセットし、充填樹脂１８を注入して樹脂充填する（図３（ｂ））。この際、上下一対の積層基板１０２ａ、１０２ｂの表面１１１、１２１は、金型１７面に加圧密着し、表面１１１、１２１への樹脂の流動を防止する。樹脂を充填した後、金型１７面を外し、パワー半導体装置１０１が製造される（図３（ｃ））。
ここで、充填樹脂１８と絶縁層１２ａ、１２ｂは同種の材料でできており、材料としては、エポキシ樹脂が充填構造として機械的強度が高く、パワー半導体装置１０１の保持状態が良い。エポキシ樹脂の充填方法には、生産性の優れた方法であるトランスファーモールド法がある。
図２（ａ）、図３（ａ）の部材の積層工程では、高さ方向に一定の偏りが発生しうるため、上下一対の積層基板１０２ａ、１０２ｂの表面１１１、１２１の平行度が必ずしも良好ではない。しかしながら本実施の形態１においては、パワー半導体素子１を挟んで上下に一対のシリコン系からなる絶縁層１２ａ、１２ｂが形成されており、この絶縁層１２ａ、１２ｂはパワー半導体素子１や他の金属に比べて柔らかい材質であるため、金型１７に当接する際に金型１７と金属板１１ａ、１１ｂの表面１１１、１２１の当りの偏りを吸収することができる。よって、金型１７と金属板１１ａ、１１ｂの表面１１１、１２１との間には、樹脂が入り込まないように密着することができ、かつ、偏圧によるパワー半導体素子１へのダメージも防止するように、樹脂充填することができる。
また、上下一対の絶縁層１２ａ、１２ｂによって、パワー半導体素子１とパワー半導体装置１０１外部面は絶縁される。さらに、絶縁層１２ａ、１２ｂを充填樹脂１８内部に内蔵することにより、外部環境の湿気、イオン成分、異物などの付着による絶縁性の劣化がなく、信頼性が高い装置とすることができる。パワー半導体装置１０１では、高電圧かつ大電流を制御するため、絶縁信頼性の優れた装置を提供することは、非常に有用である。
本実施の形態１においては、金属部材６、８、１００２は、種々の形状をとり得るが、例えば金属部材６、８、１００２によって複数のパワー半導体素子１、あるいは外部接続端子と接続された複数の電気配線を形成することができる。
パワー半導体素子１のエミッタ電極３からの配線は、金属ブロック５を通じて積層基板１０２ａの上側の金属部材６、１００２で形成することができ、一方、コレクタ電極２ならびに制御用の配線パターンは、積層基板１０２ｂの下側の金属部材８で形成することができる。上下一対の積層基板１０２ａ、１０２ｂの金属部材６、８、１００２で配線形成することによって、非常にコンパクトなパワー半導体装置１０１を実現できるだけでなく、配線長を最小化することができて、損失を低減することができる。
ところで、積層基板１０２ｂにおける絶縁層１２ｂは、金属板１１ｂ上にあらかじめ形成することで、軟質な絶縁層１２ｂを平面的に支持しつつパワー半導体素子１上方より当接することができる。また、金属板１１ａ、１１ｂは、金型１７当接時に金属板１１ａ、１１ｂ自身が変形せずに均一加圧できるよう、銅またはアルミニウム、あるいはこれらを主成分とする合金、積層板であることが好ましく、厚さは０．１ｍｍ以上が好ましい。また、良好な放熱性を確保するために３ｍｍ程度以下とすることが好ましい。
また、絶縁層１２ａ、１２ｂはエポキシ等（充填樹脂１８と同質）の材料であって、特に金属板１１ｂに固着された絶縁層１２ｂは、半硬化状態（Ｂステージ状態）としておくと、パワー半導体素子１へのダメージを抑制しながらパワー半導体装置１０１を製造することができる。
具体的には、金属板１１ａ、絶縁層１２ａ、金属部材６、金属ブロック５の上にパワー半導体素子１を搭載し、絶縁層１２ａはほぼ硬化が完了した状態にしておく。次に、金属ブロック７、金属部材８、絶縁層１２ｂ、金属板１１ｂを配置した後、金型１７によって上下の金属板１１ａ、１１ｂの表面１１１、１２１に当接して加熱しながら、充填樹脂１８を充填する。この際、絶縁層１２ｂを半硬化状態にしておくと、金型１７当接時ならびに樹脂注入時の圧力によって容易に変形することができる。このため、パワー半導体素子１へのダメージを防止することができる。
また、あらかじめ金属部材６、８に、上下一対の金属板１１ａ、１１ｂの表面１１１、１２１間の高さ制御用のスペーサとなる柱状部材（第１柱状部材）を適当な箇所に取り付けても良い。例えば、一対の金属部材６、８を他の構成要素に支障のない所で所定の幅まで拡張し、それらに接触し支持する複数の柱状部材（図９の屈曲部位２２のような部材）がパワー半導体素子１を避けて配置できるように形成すれば、金属部材６、８がこの複数の柱状部材で固定される。
こうすることによって、金属板１１ａ、１１ｂ間の高さの精度が、この複数の柱状部材によってコントロールされるため、柱状部材が所望の部材精度を確保すれば、一対の金属部材６，８が積層された上下の金属板１１ａ、１１ｂの、その表面１１１、１２１の平行度が得られ、金型１７当接時に偏圧が発生してパワー半導体素子１にダメージが入ったり、金属板１１ａ、１１ｂの表面に過剰な樹脂が侵入したりすることを防ぐことができる。
また、金属部材６、８で電気配線を形成する場合、電気配線の周囲は配線として延伸する箇所を除いて、可能な限り金属部材６、８の周辺に、露出した絶縁層１２ａ、１２ｂを設けることがよい。こうすることによって、金属部材６、８は充填樹脂１８との接着性が良好とは言い難いが、その周辺にある接着性に優れた絶縁層１２ａ、１２ｂが充填樹脂１８と強固に接合するので、金属部材６、８で剥離の進展がなく好ましい。
＜Ａ−３．効果＞
本発明にかかる実施の形態１によれば、パワー半導体装置において、第１パワー半導体素子であるパワー半導体素子１と、パワー半導体素子１を挟んで配置された一対の第１金属部材である金属部材６、８と、一対の金属部材６、８を挟んで一対の放熱板である金属板１１ａ、１１ｂ上に積層された一対の絶縁層１２ａ、１２ｂと、少なくともパワー半導体素子１と、一対の金属部材６、８と、一対の絶縁層１２ａ、１２ｂとを覆って充填された充填樹脂１８とを備え、一対の絶縁層１２ａ、１２ｂと充填樹脂１８とは、熱膨張率が略等しいことで、十分な放熱性能を有し、かつ、絶縁層１２ａ、１２ｂと充填樹脂１８との熱膨張差により剥がれが発生し絶縁性が劣化することを抑制することができる。
また、本発明にかかる実施の形態１によれば、パワー半導体装置において、一対の絶縁層１２ａ、１２ｂと充填樹脂１８とは、同種の材質であることで、十分な放熱性能を有し、かつ、絶縁層１２ａ、１２ｂと充填樹脂１８との熱膨張差により剥がれが発生し絶縁性が劣化することを抑制することができる。
また、樹脂からなる絶縁層１２ａ、１２ｂがパワー半導体素子１を挟み込むように設けられているため、上下一対の金属板１１ａ、１１ｂの平行度が偏っていても、絶縁層１２ａ、１２ｂでその偏りを吸収することができるので、パワー半導体素子１にダメージを与えることがなく、パワー半導体装置の製造が可能である。
また、充填樹脂１８との接着性に優れ、絶縁層１２ａ、１２ｂと充填樹脂１８の間の剥がれを抑制し、パワー半導体装置の絶縁性能が向上する。
また、本発明にかかる実施の形態１によれば、パワー半導体装置において、充填樹脂１８は、一対の放熱板である金属板１１ａ、１１ｂの第１パワー半導体素子であるパワー半導体素子１とは反対側の表面１１１、１２１を除いた領域を覆って充填されることで、十分な放熱性能を確保することができる。
また、本発明にかかる実施の形態１によれば、パワー半導体装置において、一対の第１金属部材である金属部材６、８と電気的に分離されて一対の絶縁層１２ａ、１２ｂの少なくとも一方上に配置された第２金属部材である金属部材１００２をさらに備え、金属部材１００２は、第１パワー半導体素子であるパワー半導体素子１と電気的に接続されることで、金属部材１００２をパワー半導体素子１の電気配線として活用することができ、パワー半導体装置のモジュールサイズの小型化が可能となる。
また、本発明にかかる実施の形態１によれば、パワー半導体装置において、第２金属部材である金属部材１００２は、第１パワー半導体素子であるパワー半導体素子１と接続された複数の電気配線を含むことで、高密度に実装可能となり、パワー半導体装置のモジュールサイズの小型化が可能となる。
また、本発明にかかる実施の形態１によれば、パワー半導体装置において、一対の放熱板である金属板１１ａ、１１ｂ間に、一対の金属板１１ａ、１１ｂを支持する第１柱状部材をさらに備えることで、金属板１１ａ、１１ｂ間の高さ調整が可能となり、金属板１１ａ、１１ｂの表面１１１、１２１の平行度を確保することができる。
また、本発明にかかる実施の形態１によれば、パワー半導体装置において、第１パワー半導体素子であるパワー半導体素子１は、炭化珪素からなることで、高温になっても、熱を効率的に装置外部に輸送することができ、装置内部に熱がこもって、充填樹脂１８などの有機材料や、他の電子部品が熱により劣化することを防止することができる。
＜Ｂ．実施の形態２＞
＜Ｂ−１．構成＞
本発明の実施の形態２について説明する。図４は、本実施の形態２におけるパワー半導体装置を示した図であり、パワー半導体素子１ａは実施の形態１と同様に、コレクタ電極２ａが下側の金属ブロック５ａに、エミッタ電極３ａが上側の金属ブロック７ａに接続されるように構成されているが、第２パワー半導体素子としてのパワー半導体素子１ｂは、コレクタ電極２ｂが上側の金属ブロック５ｂに、エミッタ電極３ｂが下側の金属ブロック７ｂに接合されており、各々のパワー半導体素子１ａ、１ｂが上下入れ替わった構成を有している。
具体的には、実施の形態１と同様の構成で挟まれたパワー半導体素子１ａと、上下入れ替わった構成で挟まれたパワー半導体素子１ｂとを備えるものであり、パワー半導体素子１ｂは、絶縁層１２ａ上に第３金属部材としての金属部材６ｂが配置され、さらに金属ブロック７ｂがその上に配置される。その金属ブロック７ｂ上にパワー半導体素子１ｂが配置され、金属ブロック５ｂ、第３金属部材としての金属部材８ｂ、絶縁層１２ｂがその上に配置されるが、パワー半導体素子１ｂのコレクタ電極２ｂは、金属ブロック５ｂ側に接し、エミッタ電極３ｂは、金属ブロック７ｂ側に接する。絶縁層１２ｂ上には、第４の金属部材である金属部材１００３が配置され、金属部材１００３は金属部材８ｂとは電気的に分離され、ワイヤ１６ｂを介して第２パワー半導体素子であるパワー半導体素子１ｂと接続される。
本実施の形態２は、例えば、上下方向を入れ替えることで複数のパワー半導体素子１ａ、１ｂを直列接続したパワー半導体装置１０３であり、片側の金属部材１００２による配線では、横方向に配線の引き出しが必要となるために装置全体が大形化してしまうが、本実施の形態２の場合には、上下一対の金属部材１００２、１００３からなる配線パターンで配線形成することによって、容易にコンパクトな配線を形成することができる。
＜Ｂ−２．製造方法＞
また、パワー半導体素子１ｂの制御用の配線は上側の金属部材１００３によって配線する。この場合、パワー半導体素子１ｂの制御用電極からのワイヤ１６ｂの引き出しは、上側の金属部材１００３に接合するが、図５のように、あらかじめ、各々のパワー半導体素子１ａ、１ｂを搭載し、ワイヤボンドした積層基板アセンブリ２０１ａ、２０１ｂを製造する工程を経て（図５（ａ））、上側にくる積層基板アセンブリ２０１ｂをひっくり返して上下一対の積層基板アセンブリ２０１ａ、２０１ｂを張り合わせる（図５（ｂ））ことで、生産性を損なうことなくワイヤボンド可能なパワー半導体装置１０３が実現できる（図５（ｃ））。
本実施の形態２によれば、コンパクトなパワー半導体装置１０３ができる。また、図４では、直列接続する一対のパワー半導体素子１ａ、１ｂを搭載した例に基づいて説明したが、上下電極を入れ替えたパワー半導体素子、および上下電極が同じ向き同士のパワー半導体素子を多数搭載したパワー半導体装置も製造することが可能であり、様々な組合せの回路構成に対応可能なことはいうまでもない。
図５に示す積層基板アセンブリ２０１ａ、２０１ｂは、同一のパワー半導体素子を直列とする場合には、同一の積層基板アセンブリを製造し、いずれか一方を上下ひっくり返して重ねることで製造できるので、積層基板アセンブリ毎に異なる形状を作る必要がなく、容易に製造することができる。
＜Ｂ−３．効果＞
本発明にかかる実施の形態２によれば、パワー半導体装置において、一対の第３金属部材である金属部材６ｂ、８ｂに挟まれ、第１パワー半導体素子であるパワー半導体素子１ａと電極が逆向きに一対の絶縁層１２ａ、１２ｂ間に配置された、第２パワー半導体素子であるパワー半導体素子１ｂをさらに備え、一対の第３金属部材である金属部材６ｂ、８ｂと電気的に分離されて一対の絶縁層１２ａ、１２ｂの少なくとも一方上に配置された第４金属部材である金属部材１００３をさらに備え、金属部材１００３は、パワー半導体素子１ｂと電気的に接続されることで、上下両側の絶縁層１２ａ、１２ｂ上を効率的に利用して配線形成ができ、パワー半導体装置のコンパクト化が可能となる。また、低インダクタンス化が可能となる。
＜Ｃ．実施の形態３＞
＜Ｃ−１．構成＞
本発明の実施の形態３について説明する。図６は、本実施の形態３におけるパワー半導体装置を示した図であり、パワー半導体素子１ｃは、コレクタ電極２ｃが下側の金属ブロック５ｃ、金属部材６ｃに接続されている。
一方、パワー半導体素子１ｃのエミッタ電極３ｃは、パワー半導体素子１ｄのコレクタ電極２ｄに接続される。また、パワー半導体素子１ｄのエミッタ電極３ｄが、上側の金属ブロック７ｄ、金属部材８ｄと接続される点は、実施の形態１と同様である。
本実施の形態３では、パワー半導体素子１ｃのエミッタ電極３ｃとパワー半導体素子１ｄのコレクタ電極２ｄとの間に、中間配線部材１９が設けられており、パワー半導体素子１ｃのエミッタ電極３ｃとパワー半導体素子１ｄのコレクタ電極２ｄとの接続は、中間配線部材１９を介して行われる。すなわち、第１パワー半導体素子であるパワー半導体素子１ｃは、中間配線部材１９を挟んで積層されている。
一方、図６では、さらにパワー半導体素子１ｅとパワー半導体素子１ｆも示されており、パワー半導体素子１ｅのコレクタ電極２ｅはパワー半導体素子１ｃのコレクタ電極２ｃと同じ金属部材６ｃに接続され、パワー半導体素子１ｅのエミッタ電極３ｅと、パワー半導体素子１ｆのコレクタ電極２ｆとは、中間配線部材１９の同極部位に接続される。
また、パワー半導体素子１ｃのエミッタ電極３ｃならびにパワー半導体素子１ｄのコレクタ電極２ｄも、中間配線部材１９の同極部位に接続され、パワー半導体素子１ｆのエミッタ電極３ｆは、パワー半導体素子１ｄのエミッタ電極３ｄと同じ金属部材８ｄに接続される。
図７は、本実施の形態３におけるパワー半導体装置の基本回路構成の一例である。図７（ａ）のように、トランジスタ素子Ａ、Ｂと、ダイオード素子Ｃ、Ｄとの組合せがハーフブリッジ回路である。これを２個並列に接続してブリッジ回路を構成したものが、図７（ｂ）に示す単相フルブリッジ回路となり、単相交流に変換する。
また、図７（ｃ）に示すように、図７（ａ）のハーフブリッジ回路を３個並列に接続した三相ハーフブリッジ回路によって、直流電力を三相交流に変換する。すなわち、図７（ａ）のトランジスタ素子Ａ、Ｂが、パワー半導体素子１ｃ、１ｅに相当し、ダイオード素子Ｃ、Ｄが、パワー半導体素子１ｄ、１ｆに相当する。
本実施の形態３の構成がハーフブリッジ回路となり、図７（ｂ）、図７（ｃ）は、適宜これらの構成を並べることによって容易に製造可能となる。
＜Ｃ−２．製造方法＞
本実施の形態３における、パワー半導体装置は以下の製造工程を経て製造される。まず、金属板１１ｃに、絶縁層１２ｃ、金属部材６ｃをあらかじめホットプレスによって積層する。これを積層基板１０２ｃとする。同様に、金属板１１ｄに、絶縁層１２ｄ、金属部材８ｄを積層したものを積層基板１０２ｄと称する。
次に、各積層基板１０２ｃの金属部材６ｃ上に、金属ブロック５ｃ、５ｅならびにパワー半導体素子１ｃ、１ｅをはんだ付け、または導電樹脂接着等の方法によって搭載する。一方、パワー半導体素子１ｄ、１ｆは、中間配線部材１９に同様にはんだ付け、または導電性樹脂等の方法によって搭載する。
次に、パワー半導体素子１ｃ、１ｅを搭載した積層基板１０２ｃと中間配線部材１９とを重ね合わせ、さらにその上側に、積層基板１０２ｄを積み上げてはんだ付け、または導電性接着等の方法で接合して組み立てる。パワー半導体素子１ｄ、１ｆが搭載された側に、金属ブロック７ｄ、７ｆを積層し、さらにその上に積層基板１０２ｄが、金属部材８ｄ、絶縁層１２ｄ、金属板１１ｄの順に積層するように配置する。
この際、中間配線部材１９は、金属板１１ｃの表面１１１ａを基準として高さをコントロールするための治具（第１柱状部材等）を設け、金属板１１ｃの表面１１１ａに対する中間配線部材１９のパワー半導体素子搭載面２０の高さを精度よく制御する。さらに、場合によっては、中間配線部材１９のパワー半導体素子搭載面２０と金属板１１ｄの表面１２１ｂの高さを治具で調整してコントロールする。
以上の実施の形態３によれば、パワー回路の基本構成となるハーフブリッジ回路を縦方向に積み上げることができるため、パワー半導体素子の電極ごとに配線するボンディングワイヤやリード端子といった配線部材が不要となり、非常にコンパクトかつ生産性が高い構造を実現できる。特に、中間配線部材１９により、パワー半導体装置の出力端子を引き出すことで、各パワー半導体素子からの電気接続に要する配線を集約することができる。
また、ハーフブリッジ回路におけるトランジスタ素子とダイオード素子が、各々上下の金属板より均等に放熱されるため、パワー半導体素子間で温度上昇のアンバランスがなく、非常に効率的に放熱して、温度上昇を抑制することができる。
さらに、縦方向にパワー半導体素子を積み上げても、樹脂充填時の金型１７当接時のパワー半導体素子へのストレスおよび金属板１１ｃ、１１ｄの表面１１１ａ、１２１ｂへの樹脂侵入に対して、金属板１１ｃ、１１ｄと金属部材６ｃ、８ｄ間にある絶縁層１２ｃ、１２ｄが十分に軟らかく、ストレスの吸収および金型１７との密着性の向上が可能となり、各パワー半導体素子へのダメージならびに樹脂バリを低減することができる。
本実施の形態３では、パワー半導体素子１ｃと１ｅ、ならびパワー半導体素子１ｄと１ｆは、それぞれ一つの金属部材６ｃ、８ｄに接続されているが、図６中の（Ａ）部および（Ｂ）部を、図８に示すように金属部材６１ｃと金属部材６２ｃとに分割して、例えば、金属部材間を、ボンディングワイヤ２１ａあるいはリボン２１ｂ等で接続すると、パワー半導体素子１ｃ、１ｄとパワー半導体素子１ｅ、１ｆとが、金型当接に対して独立懸架の構造となるため、各々独立して柔軟に変形でき、パワー半導体素子に対するダメージをさらに低減することができる。
図９は、中間配線部材１９から放熱板である金属板１１ｃに向かって配線部材の一部が屈曲して金属部材１０００に接触する第２柱状部材としての屈曲部位２２を形成している。屈曲部位２２は、絶縁層１２ｃ上に接触しても良いが、屈曲部位２２の接触のための金属部材１０００を別途設けることによって金属部材１０００上に接触するようにすれば、屈曲部位２２によるストレスによって絶縁層１２ｃ上がダメージを受けることがない。
屈曲部位２２によって、金属板１１ｃの表面１１１ａと中間配線部材１９間の高さ、平行度を確保することができる。屈曲部位２２は、中間配線部材１９間と一体的に、曲げ加工によって形成しており、曲げ精度を勘案すれば、高さ精度は確保することが可能となる。よって、複数のパワー半導体素子を積み上げた場合でも、厚みのばらつきに影響されず、樹脂充填時の金型１７に精度よく収納することができる。
また屈曲部位２２は、中間配線部材１９間の上側にも屈曲して形成しても良く、上側の金属板１１ｄを支持して、金属板１１ｄの表面１２１ｂと中間配線部材１９間の高さ精度を確保することができる。無論、フラットな中間配線部材１９間に後付で高さ制御用の部材を取り付けても良い。
さらに、あらかじめ金属板１１ｃ、１１ｄの表面１１１ａ、１２１ｂに積層した金属部材６ｃ、８ｄに、中間配線部材１９間との高さ制御用のピンのような柱状部材を取り付けて、パワー半導体素子、中間配線部材１９を積層しても良い。こうすることによって、フラットな中間配線部材１９を用いて製造することができるので、製造時に配線部材を収納するスペースが少なくてすむことや、設備に流動させる際に空間が少なくてすみ、生産する上で価値が高い。
＜Ｃ−３．効果＞
本発明にかかる実施の形態３によれば、パワー半導体装置において、第１パワー半導体素子であるパワー半導体素子は、中間配線部材１９を挟んで積層される一対のパワー半導体素子１ｃ、１ｅを含むことで、必要となる配線の最短化が可能となる。また、中間配線部材１９で高さ方向に支持できるため、高さ精度が高くなり、金型１７当接時の素子ダメージや樹脂バリを低減できる。中間配線部材１９に各パワー半導体素子が直接的に搭載されて電気接続されるため、パワー半導体素子から配線部材へ電気的に接続するための配線が不要となる。
また、本発明にかかる実施の形態３によれば、パワー半導体装置において、中間配線部材１９は、一対の放熱板である金属板１１ａ、１１ｂを支持する第２柱状部材である屈曲部位２２をさらに備えることで、金属板１１ｃの表面１１１ａと中間配線部材１９間の高さ、平行度を確保することができる。
＜Ｄ．実施の形態４＞
＜Ｄ−１．構成＞
本発明の実施の形態４について説明する。図１０は、本実施の形態４におけるパワー半導体装置を示した断面模式図である。本実施の形態４におけるパワー半導体装置は、実施の形態１に示すパワー半導体装置１０１に対し、金属部材２６が新たに設けられ、金属部材２６に電子部品が搭載された構造となっている。
金属部材２６に設けられた当該電子部品は、例えばパワー半導体を駆動させる、すなわちトランジスタゲートを制御するために必要な受動部品群２３、ＩＣ２４、２５といった電子部品群１０４、あるいは、パワー半導体装置を保護するために必要な電子部品、あるいは、パワー半導体装置内部の温度を検出するサーミスタ、電流を測定するためのシャント抵抗等である。
＜Ｄ−２．動作＞
これらの部品は、パワー半導体素子に近い位置に配置するほど、回路装置のコンパクト化が図れることはいうまでもないが、トランジスタゲートを制御するための回路に必要な電子部品がパワー半導体素子近くに配置されることによって、ゲートの制御性も向上する。また、ノイズ耐量も向上する。
さらに、測温素子、電流検出素子等をパワー半導体素子の配線部分に設けて、パワー半導体素子の温度あるいは電流を検出することができ、パワー半導体装置の保護機能を強化することができる。
これらの電子部品は、パワー半導体素子の搭載と同じ工程で搭載することができるため、製造合理化が実現できる。さらに、金属部材１００２によって配線パターンを形成することにより、より複雑な回路パターンも金属板１１ａ、１１ｂ上の絶縁層１２ａ、１２ｂ上に形成することができるので、非常にコンパクトかつ高機能なパワー半導体装置を実現することができる。
無論、電子部品は片側の金属部材上にのみならず、あらかじめ上下両方の金属部材上に個別に搭載した後に、上側の金属板を搭載することにより、容易に上下の金属部材に搭載することができ、いっそうのコンパクト化が可能となる。
＜Ｄ−３．効果＞
本発明にかかる実施の形態４によれば、パワー半導体装置において、第２金属部材である金属部材１００２上に配置された電子部品である電子部品群１０４をさらに備えることで、パワー半導体素子を駆動する電子部品を直近に配置することができ、駆動速度が向上、バランスが良くなる。また、ノイズ耐量が向上する。さらにパワー半導体装置のコンパクト化が可能となる。
１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ パワー半導体素子、２，２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ コレクタ電極、３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆ エミッタ電極、４ 制御電極、５，５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｅ，７，７ａ，７ｂ，７ｄ，７ｆ 金属ブロック、６，６ａ，６ｂ，６ｃ，８，８ａ，８ｂ，８ｄ，２６，６１ｃ，６２ｃ，１０００，１００２，１００３ 金属部材、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ 金属板、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ 絶縁層、１６，１６ｂ ワイヤ、１７ 金型、１８ 充填樹脂、１９ 中間配線部材、２０ 半導体素子搭載面、２１ａ ボンディングワイヤ、２１ｂ リボン、２２ 屈曲部位、２３ 受動部品群、１０１，１０３ パワー半導体装置、１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄ 積層基板、１０４ 電子部品群、１１１，１１１ａ，１２１，１２１ｂ 表面、２０１ａ，２０１ｂ 積層基板アセンブリ、１００１ はんだ層。

Claims (11)

  1. 第１パワー半導体素子と、
    前記第１パワー半導体素子を挟んで配置された一対の第１金属部材と、
    前記一対の第１金属部材を挟んで一対の放熱板上に積層された一対の絶縁層と、
    少なくとも前記第１パワー半導体素子と、前記一対の第１金属部材と、前記一対の絶縁層とを覆って充填された充填樹脂とを備え、
    前記一対の絶縁層と前記充填樹脂とは、熱膨張率が略等しい、
    パワー半導体装置。
  2. 前記一対の絶縁層と前記充填樹脂とは、同種の材質である、
    請求項１に記載のパワー半導体装置。
  3. 前記充填樹脂は、前記一対の放熱板の前記第１パワー半導体素子とは反対側の表面を除いた領域を覆って充填される、
    請求項１または２に記載のパワー半導体装置。
  4. 前記一対の第１金属部材と電気的に分離されて前記一対の絶縁層の少なくとも一方上に配置された第２金属部材をさらに備え、
    前記第２金属部材は、前記第１パワー半導体素子と電気的に接続される、
    請求項１〜３のいずれかに記載のパワー半導体装置。
  5. 前記第２金属部材は、前記第１パワー半導体素子と接続された複数の電気配線を含む、
    請求項４に記載のパワー半導体装置。
  6. 前記第２金属部材上に配置された電子部品をさらに備える、
    請求項４または５に記載のパワー半導体装置。
  7. 前記一対の放熱板間に、前記一対の放熱板を支持する第１柱状部材をさらに備える、
    請求項１〜６のいずれかに記載のパワー半導体装置。
  8. 一対の第３金属部材に挟まれ、前記第１パワー半導体素子と電極が逆向きに前記一対の絶縁層間に配置された、第２パワー半導体素子をさらに備え、
    前記一対の第３金属部材と電気的に分離されて前記一対の絶縁層の少なくとも一方上に配置された第４金属部材をさらに備え、
    前記第４金属部材は、前記第２パワー半導体素子と電気的に接続される、
    請求項１〜７のいずれかに記載のパワー半導体装置。
  9. 前記第１パワー半導体素子は、
    中間配線部材を挟んで積層される一対のパワー半導体素子を含む、
    請求項１〜８のいずれかに記載のパワー半導体装置。
  10. 前記中間配線部材は、前記一対の放熱板を支持する第２柱状部材をさらに備える、
    請求項９に記載のパワー半導体装置。
  11. 前記第１パワー半導体素子は、炭化珪素からなる、
    請求項１〜１０のいずれかに記載のパワー半導体装置。
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