特許 6054009 半導体装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6054009

(24)【登録日】2016年12月9日

(45)【発行日】2016年12月27日

(54)【発明の名称】半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 25/07 20060101AFI20161219BHJP

   H01L 25/18 20060101ALI20161219BHJP

   H01L 23/28 20060101ALI20161219BHJP

【ＦＩ】

   H01L25/04 C

   H01L23/28 K

【請求項の数】16

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2016-557166(P2016-557166)

(86)(22)【出願日】2016年1月8日

(86)【国際出願番号】JP2016050462

【審査請求日】2016年9月13日

(31)【優先権主張番号】特願2015-17000(P2015-17000)

(32)【優先日】2015年1月30日

(33)【優先権主張国】JP

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】特許業務法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】梶 勇輔

(72)【発明者】

【氏名】三村 研史

(72)【発明者】

【氏名】原田 耕三

(72)【発明者】

【氏名】殷 暁紅

(72)【発明者】

【氏名】原田 啓行

【審査官】 秋山 直人

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００１−２４１４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−３１５９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−７４４３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１３／１１１２７６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００７−３２９３８７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２５／０７

Ｈ０１Ｌ ２３／２８

Ｈ０１Ｌ ２５／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ベース板、前記ベース板の表面に配置された絶縁基板、および、前記絶縁基板の表面に配置された導電性の第１回路基板を含む半導体素子基板と、
前記半導体素子基板の前記第１回路基板に実装された半導体素子と、
前記半導体素子を取り囲むように、前記半導体素子基板に装着されたケース材と、
前記ケース材に設けられ、前記半導体素子が位置する内側に向かって突出する態様で、前記絶縁基板とは異なる高さ位置に配置された回路基板台と、
前記回路基板台の表面に直接配置された導電性の第２回路基板と、
前記ケース材に装着された電極端子と、
前記半導体素子と前記第２回路基板と前記電極端子とを、前記半導体素子、前記第２回路基板および前記電極端子の順に電気的に接続する配線と、
前記ケース材によって囲まれた領域に充填され、前記半導体素子、前記回路基板台および前記配線を封止する封止材と
を備えた、半導体装置。

【請求項2】

前記回路基板台は、前記ケース材の内壁に沿って配置された、請求項１記載の半導体装置。

【請求項3】

前記回路基板台では、前記内壁に沿った長さが１０ｍｍ以上１００ｍｍ以下に設定され、前記内壁から突出する長さが５ｍｍ以上２０ｍｍ以下に設定され、厚さが１ｍｍ以上１０ｍｍ以下に設定された、請求項２記載の半導体装置。

【請求項4】

前記絶縁基板と前記回路基板台との間の高さ方向の距離は、３ｍｍ以上１０ｍｍ以下に設定された、請求項１記載の半導体装置。

【請求項5】

前記電極端子の水平部分と前記第２回路基板とは、高さが異なる、請求項１記載の半導体装置。

【請求項6】

前記回路基板台における前記絶縁基板と対向する側には、前記回路基板台の突出先端部から前記ケース材に向かって、前記絶縁基板に近づく態様で傾斜する傾斜部が設けられた、請求項２記載の半導体装置。

【請求項7】

前記絶縁基板に対する前記傾斜部の傾斜角度は５°以上である、請求項６記載の半導体装置。

【請求項8】

ベース板、前記ベース板の表面に配置された絶縁基板、および、前記絶縁基板の表面に配置された導電性の第１回路基板を含む半導体素子基板と、
前記半導体素子基板の前記第１回路基板に実装された半導体素子と、
前記半導体素子を取り囲むように、前記半導体素子基板に装着されたケース材と、
前記ケース材に設けられ、前記半導体素子が位置する内側に向かって突出する態様で、前記絶縁基板とは異なる高さ位置に配置された回路基板台と、
前記回路基板台の表面に直接配置された導電性の第２回路基板と、
前記ケース材に装着された電極端子と、
前記第２回路基板を経由して前記半導体素子と前記電極端子とを電気的に接続する配線と、
前記ケース材によって囲まれた領域に充填され、前記半導体素子、前記回路基板台および前記配線を封止する封止材と
を備え、
前記回路基板台は、前記ケース材において互いに対向する一方の内壁と他方の内壁との間を渡すように配置された、半導体装置。

【請求項9】

前記回路基板台では、幅が５ｍｍ以上３０ｍｍ以下に設定され、厚さが１ｍｍ以上１０ｍｍ以下に設定された、請求項８記載の半導体装置。

【請求項10】

前記絶縁基板と前記回路基板台との間の高さ方向の距離は、３ｍｍ以上１０ｍｍ以下に設定された、請求項８記載の半導体装置。

【請求項11】

前記回路基板台における前記絶縁基板と対向する側には、前記ケース材から距離を隔てられた位置から前記ケース材に向かって、前記絶縁基板に近づく態様で傾斜する傾斜部が設けられた、請求項８記載の半導体装置。

【請求項12】

前記絶縁基板に対する前記傾斜部の傾斜角度は５°以上である、請求項１１記載の半導体装置。

【請求項13】

前記回路基板台は前記ケース材に一体的に設けられた、請求項１または８に記載の半導体装置。

【請求項14】

前記回路基板台は前記ケース材の材料と同じ材料から形成され、
前記回路基板台は、前記ケース材とは別体として前記ケース材に固定された、請求項１または８に記載の半導体装置。

【請求項15】

前記封止材は、エポキシ樹脂およびシリコーン樹脂のいずれかである、請求項１または８に記載の半導体装置。

【請求項16】

前記ベース板は、有機材料および無機材料のいずれかの材料によって形成された、請求項１または８に記載の半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は半導体装置に関し、特に、電力用の半導体素子を封止樹脂によって封止した半導体装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

産業機器、鉄道車両または自動車等の高性能化に伴って、それらに搭載される半導体装置が使用されている状態の温度（使用温度）は上昇する傾向にある。近年、半導体素子の小型化、高耐圧化、高電流密度化が進んでおり、それに伴う半導体素子の高温動作に向けた開発が加速している。特に、炭化ケイ素（ＳｉＣ）または窒化ガリウム（ＧａＮ）などのワイドギャップ半導体は、シリコン（Ｓｉ）半導体よりもバンドギャップが大きく、近年の半導体素子の開発に適した材料として注目されている。

【0003】

高温動作が可能な半導体素子を半導体装置として装置化するためには、半導体素子が１５０℃以上の高温のもとで動作する場合においても、封止樹脂と他部材との剥離および絶縁基板のクラック等を抑制し、絶縁性を安定して確保する必要がある。従来、このような剥離およびクラック等を抑制する方法が提案されている。

【0004】

たとえば、特許文献１では、チップの周辺を線膨張率の低い高耐熱封止樹脂によって封止し、半導体装置の表面を耐酸化劣化性に優れた封止材で覆うことにより、チップの周辺およびモジュールの信頼性を向上させる手法が提案されている。また、特許文献２では、半導体素子が搭載された第１絶縁基板とは別に、半導体装置を構成するケース部材の部分に、抵抗素子がはんだによって固定された第２絶縁基板を搭載することにより、半導体素子から生じた熱によって、はんだにクラック等が生じるのを抑制する手法が提案されている。これらの他に、特許文献３がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１４−１４６７７４号公報

【特許文献2】特開２００７−３２９３８７号公報

【特許文献3】特開平１１−７４４３３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上述したように、電力用の半導体素子を封止樹脂によって封止した半導体装置には、高温度のもとで動作している状態においても、絶縁性を安定に確保することが求められている。

【0007】

本発明は、そのような開発の一環でなされたものであり、その目的は、比較的高温度のもとでも、絶縁性を安定に確保することができる半導体装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明に係る半導体装置は、半導体素子基板と半導体素子とケース材と回路基板台と導電性の第２回路基板と電極端子と配線と封止材とを備えている。半導体素子基板は、ベース材、ベース材の表面に配置された絶縁基板、および、絶縁基板の表面に配置された導電性の第１回路基板を含む。半導体素子は、半導体素子基板の第１回路基板に実装されている。ケース材は、半導体素子を取り囲むように、半導体素子基板に装着されている。回路基板台は、ケース材に設けられ、半導体素子が位置する内側に向かって突出する態様で、絶縁基板とは異なる高さ位置に配置されている。導電性の第２回路基板は、回路基板台の表面に直接配置されている。電極端子は、ケース材に装着されている。配線は、第２回路基板を経由して半導体素子と電極端子とを電気的に接続する。封止材は、ケース材によって囲まれた領域に充填され、半導体素子および配線を封止する。

【発明の効果】

【0009】

本発明に係る半導体装置によれば、絶縁基板とは異なる高さ位置に配置された回路基板台に、導電性の第２回路基板が直接配置されている。これにより、高温度のもとで動作している状態において、封止材と第２回路基板との界面に剥離が生じたとしても、その剥離が第１回路基板が配置された絶縁基板に達することはなく、絶縁基板にクラックが生じることがなくなる。その結果、半導体装置の絶縁性を安定に確保することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の平面図である。

【図2】同実施の形態において、図１に示す断面線ＩＩ−ＩＩにおける断面図である。

【図3】比較例に係る半導体装置の断面図である。

【図4】図３に示す半導体装置の問題点を説明するための部分拡大断面図である。

【図5】同実施の形態において、半導体装置の作用効果を説明するための部分拡大断面図である。

【図6】本発明の実施の形態２に係る半導体装置の平面図である。

【図7】同実施の形態において、図６に示す断面線ＶＩＩ−ＶＩＩにおける断面図である。

【図8】本発明の実施の形態３に係る半導体装置の平面図である。

【図9】同実施の形態において、図８に示す断面線ＩＸ−ＩＸにおける断面図である。

【図10】同実施の形態において、封止樹脂が充填される様子を示す部分拡大断面図である。

【図11】本発明の実施の形態４に係る半導体装置の平面図である。

【図12】同実施の形態において、図１１に示す断面線ＸＩＩ−ＸＩＩにおける断面図である。

【図13】実施の形態３において、第１変形例に係る半導体装置の断面図である。

【図14】実施の形態３において、第２変形例に係る半導体装置の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

実施の形態１
実施の形態１に係る半導体装置について説明する。この半導体装置は半導体パワーモジュールである。半導体パワーモジュールは、たとえば、家電機器および自動車等をはじめ、電力制御を行う機器に広く用いられている。

【0012】

図１および図２に示すように、半導体装置１は、主として、半導体素子基板３、半導体素子１３、ケース材１５および封止樹脂２９を備えている。

【0013】

半導体素子基板３では、ベース板５の表面に絶縁基板７を介在させて、導電性の第１回路基板９が配置されている。絶縁基板７として、たとえば、セラミック基板または窒化アルミニウム等が用いられている。第１回路基板９として、たとえば、一枚の銅板に、半導体素子のレイアウト等に基づいた所定のパターニングを施したものが用いられている。

【0014】

半導体素子１３は、第１回路基板９に、たとえば、はんだ等の接合剤１１によって実装されている。半導体素子１３として、たとえば、電力用半導体素子に並列に接続されている還流ダイオードが形成されている。半導体装置１では、電力用半導体素子に並列に接続された半導体素子１３が、複数搭載されている。

【0015】

ケース材１５は、半導体素子基板３に接着剤２３によって固定されている。ケース材１５には、内壁から半導体素子１３が配置されている側に向かって突出した回路基板台１７が設けられている。この回路基板台１７は、絶縁基板７よりも高い位置に配置されている。また、回路基板台１７は、ケース材１５と一体的に形成されている。回路基板台１７には、導電性の第２回路基板２１が直接実装されている。第２回路基板２１として、たとえば、所定のパターニングを施した銅板が用いられている。また、ケース材１５には、銅の電極端子１９が設けられている。

【0016】

電極端子１９と第２回路基板２１とが、配線２５によって電気的に接続されている。また、第２回路基板２１と半導体素子１３とが、配線２７によって電気的に接続されている。こうして、複数の半導体素子１３のそれぞれは、第２回路基板２１を経由して電極端子１９に電気的に接続されることになる。

【0017】

第２回路基板２１が直接実装される回路基板台１７には、第２回路基板２１を実装するに足りる幅Ｌ１、長さＬ２および厚さＴ１が設定される。幅Ｌ１は、ケース材１５の内壁に沿った長さであり、たとえば、１０ｍｍ〜１００ｍｍに設定される。幅Ｌ１が１０ｍｍよりも狭いと、第２回路基板２１を実装するのに十分ではなくなる。一方、幅Ｌ１が１００ｍｍを超えると、封止樹脂２９を充填する際の妨げになってしまうおそれがある。

【0018】

長さＬ２は、ケース材１５の内壁から突出する長さであり、たとえば、５ｍｍ〜２０ｍｍに設定される。長さＬ２が５ｍｍよりも狭いと、第２回路基板２１を実装するのに十分ではなくなる。一方、長さＬ２が２０ｍｍを超えると、封止樹脂２９を充填する際の妨げになってしまうおそれがある。厚さＴ１は、たとえば、１ｍｍ〜１０ｍｍに設定される。厚さＴ１が、１ｍｍよりも薄いと、機械的強度が十分ではない。一方、厚さＴ１が、１０ｍｍを超えると過剰な厚さとなり適切ではなくなる。

【0019】

また、回路基板台１７と絶縁基板７との間の高さ方向の距離Ｈ１は、たとえば、３ｍｍ〜１０ｍｍに設定されている。距離Ｈ１が３ｍｍよりも短いと、封止樹脂２９を充填する際に、封止樹脂２９が十分に充填されないおそれがある。一方、距離Ｈ１が１０ｍｍを超えると、第２回路基板２１等を確実に封止することができないおそれがある。

【0020】

第１回路基板９、第２回路基板２１および電極端子１９のそれぞれの材料としては、通常使用される銅（銅板）を例に挙げたが、必要な放熱特性を有するものであれば、銅に限られるものではない。たとえば、アルミニウム（Ａｌ）、鉄（Ｆｅ）、または、アルミニウムと鉄とを複合したものを用いてもよい。また、銅／インバー／銅等の複合材料を用いてもよい。さらに、アルミニウム‐炭化ケイ素合金（ＡｌＳｉＣ）、または、銅‐モリブデン合金（ＣｕＭｏ）等の合金を用いてもよい。

【0021】

第１回路基板９および第２回路基板２１等の表面には、通常、ニッケル（Ｎｉ）めっきが施されているが、必要な電流と電圧を半導体素子１３に供給できる構造であれば、めっきが施されていても、めっきが施されていなくてもよい。めっきが施される場合、ニッケルめっきの他に、たとえば、金めっきまたは錫めっきを施してもよい。

【0022】

また、電極端子１９、第１回路基板９および第２回路基板２１のそれぞれにおける封止樹脂２９と接触する部分では、封止樹脂２９との密着性を向上させるために、電極端子１９、第１回路基板９および第２回路基板２１のそれぞれの表面に、微小な凹凸を設けてもよい。あるいは、電極端子１９、第１回路基板９および第２回路基板２１のそれぞれの表面に、プライマー処理等の密着性向上剤を塗布するようにしてもよい。密着性向上剤として、たとえば、シランカップリング剤、ポリイミドまたはエポキシ樹脂等が用いられるが、半導体素子基板３の電極部材と封止樹脂２９との密着性を向上させるものであれば、これらに限られるものではない。

【0023】

絶縁基板７は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）等のセラミック粉を分散させた樹脂を硬化した樹脂硬化物基板とされる。半導体素子基板３は、そのような絶縁基板７の一方の表面に第１回路基板９が貼り付けられ、他方の表面にベース板５が貼り付けられたものである。

【0024】

半導体素子基板３では、放熱性と絶縁性を備えることが必要とされていることから、絶縁基板７として、樹脂にセラミック板を埋め込んだ樹脂硬化物基板、または、単にセラミックで構成された絶縁基板を用い、その絶縁基板の一方の表面に第１回路基板が貼り付けられ、他方の表面にベース板が貼り付けられた半導体素子基板を用いてもよい。

【0025】

また、絶縁基板７に含まれるセラミック粉として、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）等を例に挙げたが、これらに限られるものではなく、たとえば、ダイヤモンド（Ｃ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、酸化ホウ素（Ｂ_２Ｏ_３）などを用いてもよい。

【0026】

セラミック粉の他に、たとえば、シリコーン樹脂またはアクリル樹脂等の樹脂製の粉体を用いてもよい。粉体の場合、形状が球状の粉体を用いることが多いが、これに限られるものではなく、たとえば、破砕状、粒状、リン片状、凝集体等の粉体を用いてもよい。また、粉体の充填量としては、必要な放熱性と絶縁性が得られる量が、絶縁基板７に充填されていればよい。

【0027】

絶縁基板７に用いる樹脂として、通常、エポキシ樹脂が用いられるが、これに限られるものではない。この他に、たとえば、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂またはアクリル樹脂等を用いてもよく、絶縁性と接着性を兼ね備えた材料の樹脂であればよい。

【0028】

ベース板５に用いる材料として、通常、銅（Ｃｕ）またはアルミニウム（Ａｌ）等の金属が用いられるが、これに限られるものではない。これらの他に、たとえば、アルミニウム‐炭化ケイ素合金（ＡｌＳｉＣ）、または、銅‐モリブデン合金（ＣｕＭｏ）等の合金を用いてもよい。また、ベース板５の材料として、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂またはアクリル樹脂等の有機材料を用いてもよい。

【0029】

配線２５、２７として、アルミニウムまたは金から形成された、断面形状が円形の線体を用いるが、これに限られるものではない。円形の線体の他に、たとえば、断面形状が方形（矩形）の銅板を帯状にした線体を用いてもよい。なお、図１では、一つの半導体素子１３に対して、１本の配線２７が接続された構造が示されているが、これは、配線２５、２７に関する説明の便宜上、簡略的に示したものに過ぎず、実際の半導体装置１では、半導体素子１３の電流密度等により、必要な本数の配線が設けられることになる。

【0030】

配線２７と半導体素子１３との接合には、銅または錫等の金属片を溶融させて接合する溶融接合、または、超音波を印加する超音波接合等を用いることができ、必要な電流と電圧とを半導体素子に供給できる接合方法であればよい。

【0031】

封止樹脂２９の材料として、たとえば、エポキシ樹脂を用いるが、これに限られるものではなく、所望の弾性率と耐熱性を有している樹脂であれば、封止樹脂の材料として用いることができる。エポキシ樹脂の他に、たとえば、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またはアクリル樹脂等を用いてもよく、絶縁性と接着性を兼ね備えた材料であればよい。

【0032】

上述した半導体装置１では、第１回路基板９に実装された半導体素子１３と電極端子１９とは、配線２７、２５により、第２回路基板２１を経由して電気的に接続されている。その第２回路基板２１は、ケース材１５の回路基板台１７に直接実装されている。これにより、絶縁性をより安定に確保することができる。これについて、比較例に係る半導体装置と比べて説明する。

【0033】

図３に示すように、比較例に係る半導体装置１０１は、主として、半導体素子基板１０３、半導体素子１１３、ケース材１１５および封止樹脂１２９を備えている。半導体素子基板１０３では、ベース板１０５の表面に絶縁基板１０７を介在させて第１回路基板１０９が配置されている。絶縁基板１０７の表面には、第２回路基板１２１が配置されている。半導体素子１１３は、第１回路基板９に、はんだ等の接合剤１１１によって実装されている。

【0034】

ケース材１１５は、半導体素子基板１０３に接着剤１２３によって固定されている。ケース材１１５には、電極端子１１９が取付けられている。電極端子１１９と第２回路基板１２１とが、配線１２５によって電気的に接続され、第２回路基板１２１と半導体素子１１３とが、配線１２７によって電気的に接続されている。半導体素子１１３および配線１２５、１２７等を封止するように、ケース材１１５の内側の領域に封止樹脂１２９が充填されている。

【0035】

比較例に係る半導体装置１０１では、半導体素子１１３は、配線１２７、１２５により、第２回路基板１２１を経由して電極端子１１９に電気的に接続されている。その電気的な中継地点となる第２回路基板１２１は、第１回路基板１０９が配置されている絶縁基板１０７における所定の領域に配置されている。

【0036】

中継地点としての第２回路基板１２１の面積は、半導体素子１１３が実装される第１回路基板１０９の面積に比べて小さい。このため、封止樹脂１２９と第１回路基板１０９との接触面積は、比較的大きいのに対して、封止樹脂１２９と第２回路基板１２１との接触面積は、比較的小さくなる。

【0037】

接触面積が小さいと、封止樹脂１２９との接着強度も低くなる。ここで、図４に示すように、接着強度が低い封止樹脂１２９と第２回路基板１２１との界面において剥離が生じると、ヒートサイクルまたは高温保存に伴う熱履歴によって、封止樹脂１２９が膨張と収縮を繰り返すことで、剥離１３１が絶縁基板１０７まで達することがある。

【0038】

さらに、封止樹脂１２９の膨張と収縮が繰り返されると、剥離が到達した絶縁基板１０７の部分から絶縁基板１０７にクラック１３３が生じ、最終的には、半導体装置１０１に絶縁不良が発生することになる。

【0039】

比較例に対して上述した半導体装置１では、図１または図２に示すように、第２回路基板２１は、ケース材１５の内壁から突出する回路基板台１７に直接実装されている。このため、図５に示すように、封止樹脂２９と第２回路基板２１との界面に剥離３１が生じたとしても、その剥離３１は、封止樹脂２９が膨張と収縮を繰り返すことで、回路基板台１７に達することになる。これにより、第２回路基板２１と封止樹脂２９との界面に生じた剥離３１が、絶縁基板７にクラックを生じさせることはない。その結果、半導体装置１に絶縁不良が発生するのを確実に抑制することができる。

【0040】

特に、ワイドギャップ半導体を適用した、１５０℃以上の温度のもとで動作をする半導体装置においては、動作時において封止樹脂に発生する応力が比較的大きく、剥離が生じやすくなるため、第２回路基板２１を回路基板台１７に直接実装させた構造とすることで、半導体装置の絶縁性を安定に確保することができる。

【0041】

なお、第２回路基板２１を回路基板台１７に直接実装させた構造ではなく、第２回路基板と回路基板台１７との間に、他の絶縁基板を介在させて実装した構造（図示せず）では、比較例に係る半導体装置について説明したのと同様に、剥離が到達した他の絶縁基板の部分から、他の絶縁基板にクラックが生じ、最終的には、絶縁不良が発生することが想定される。

【0042】

また、第２回路基板２１は、ケース材１５の内壁から半導体素子１３が搭載されている側へ突出した回路基板台１７に実装されている。これにより、半導体素子１３と第２回路基板２１とを電気的に接続する配線２７の長さが比較的短くて済み、配線の長寿命化に寄与することができる。

【0043】

こうして、実施の形態に係る半導体装置１では、絶縁不良を抑制するとともに、配線の長寿命化を図ることができ、半導体装置としての信頼性をさらに高めることができる。

【0044】

実施の形態２
ここでは、互いに対向するケース材の内壁間を渡すように回路基板台が配置された半導体装置について説明する。

【0045】

図６および図７に示すように、半導体装置１は、主として、半導体素子基板３、半導体素子１３、ケース材１５および封止樹脂２９を備えている。特に、ケース材１５には、互いに対向する一方の内壁と他方の内壁とを渡すように、架橋構造の回路基板台１７が設けられている。この回路基板台１７は、絶縁基板７よりも高い位置に配置されている。また、回路基板台１７は、ケース材１５と一体的に形成されている。その回路基板台１７に第２回路基板２１が直接実装されている。なお、これ以外の構成については、図１および図２に示す半導体装置と同様なので、同一部材には同一符号を付し、必要である場合を除きその説明を繰り返さないこととする。

【0046】

第２回路基板２１が直接実装される架橋構造の回路基板台１７には、第２回路基板２１を実装するに足りる幅Ｌ３と厚さＴ２が設定される。幅Ｌ３は、たとえば、５ｍｍ〜３０ｍｍに設定される。幅Ｌ３が５ｍｍよりも狭いと、第２回路基板２１を実装するのに十分ではなくなる。一方、幅Ｌ３が３０ｍｍを超えると、封止樹脂２９を充填する際の妨げになってしまうおそれがある。

【0047】

厚さＴ２は、たとえば、１ｍｍ〜１０ｍｍに設定される。厚さＴ２が、１ｍｍよりも薄いと、機械的強度が十分ではない。一方、厚さＴ２が、１０ｍｍを超えると過剰な厚さとなり適切ではなくなる。

【0048】

また、回路基板台１７と絶縁基板７との間の高さ方向の距離Ｈ２は、たとえば、３ｍｍ〜１０ｍｍに設定されている。距離Ｈ２が３ｍｍよりも短いと、封止樹脂２９を充填する際に、封止樹脂２９が十分に充填されないおそれがある。一方、距離Ｈ２が１０ｍｍを超えると、第２回路基板２１等を確実に封止することができないおそれがある。

【0049】

上述した半導体装置１では、第２回路基板２１は、ケース材１５の互いに対向する一方の内壁と他方の内壁とを渡すように設けられた、架橋構造の回路基板台１７に直接実装されている。このため、封止樹脂２９と第２回路基板２１との界面において剥離（図示せず）が生じたとしても、その剥離は、封止樹脂２９が膨張と収縮を繰り返すことで、回路基板台１７に達することになる。これにより、第２回路基板２１と封止樹脂２９との界面に生じた剥離が、絶縁基板７にクラックを生じさせることはない。その結果、半導体装置１に絶縁不良が発生するのを確実に抑制することができ、半導体装置の絶縁性を安定に確保することができる。

【0050】

また、回路基板台１７が架橋構造であることで、回路基板台１７における第２回路基板２１の位置を、半導体素子１３に接近させやすくなる。これにより、半導体素子１３と第２回路基板２１とを電気的に接続する配線２７の長さが比較的短くて済み、配線の長寿命化に寄与することができる。

【0051】

さらに、架橋構造の回路基板台１７を、ケース材１５の中央付近に配置させることで、第２回路基板２１は、半導体装置１の外周部分から距離を隔てられた位置に配置されることになり、第２回路基板２１に生じる応力を低減させることができる。これにより、封止樹脂２９と第２回路基板２１との界面に剥離が生じるのを抑制することができる。

【0052】

実施の形態３
ここでは、回路基板台に傾斜部が設けられた半導体装置の第１例について説明する。

【0053】

図８および図９に示すように、半導体装置１は、主として、半導体素子基板３、半導体素子１３、ケース材１５および封止樹脂２９を備えている。特に、ケース材１５に設けられた回路基板台１７は、傾斜部１８を備えている。傾斜部１８は、回路基板台１７において、絶縁基板７と対向する下面側に形成されている。

【0054】

その回路基板台１７に第２回路基板２１が直接実装されている。なお、これ以外の構成については、図１および図２に示す半導体装置と同様なので、同一部材には同一符号を付し、必要である場合を除きその説明を繰り返さないこととする。

【0055】

次に、傾斜部１８が形成された回路基板台１７について、具体的に説明する。まず、図１および図２に示す半導体装置について説明したのと同様に、回路基板台１７には、第２回路基板２１を実装するに足りる幅Ｌ１および長さＬ２が設定される。幅Ｌ１は、ケース材１５の内壁に沿った長さであり、たとえば、１０ｍｍ〜１００ｍｍに設定される。幅Ｌ１が１０ｍｍよりも狭いと、第２回路基板２１を実装するのに十分ではなくなる。一方、幅Ｌ１が１００ｍｍを超えると、封止樹脂２９を充填する際の妨げになってしまうおそれがある。

【0056】

長さＬ２は、ケース材１５の内壁から突出する長さであり、たとえば、５ｍｍ〜２０ｍｍに設定される。長さＬ２が５ｍｍよりも狭いと、第２回路基板２１を実装するのに十分ではなくなる。一方、長さＬ２が２０ｍｍを超えると、封止樹脂２９を充填する際の妨げになってしまうおそれがある。

【0057】

また、回路基板台１７の内側端部と絶縁基板７との間の高さ方向の距離Ｈ１は、たとえば、３ｍｍ〜１０ｍｍに設定されている。距離Ｈ１が３ｍｍよりも短いと、封止樹脂２９を充填する際に、封止樹脂２９が十分に充填されないおそれがある。一方、距離Ｈ１が１０ｍｍを超えると、第２回路基板２１等を確実に封止することができないおそれがある。

【0058】

次に、傾斜部１８について説明する。傾斜部１８は、回路基板台１７の突出先端部からケース材１５に向かって、絶縁基板７に近づく態様で傾斜している。傾斜部１８は、絶縁基板７に対して５°以上の傾斜角度θをもって傾いている。

【0059】

ここで、回路基板台１７の長さＬ２を２０ｍｍ（許容最大値）、距離Ｈ１を３ｍｍ（許容最小値）とすると、最小の傾斜角度θは約８．５°となる。この傾斜角度θがさらに小さくなり、５°よりも小さい傾斜角度θになると、回路基板台１７と絶縁基板７との間に、封止樹脂２９が十分に充填されないおそれがある。したがって、傾斜部１８の傾斜角度θは５°以上が望ましい。

【0060】

上述した半導体装置では、絶縁基板７にクラックを生じさせない効果に加えて、次のような効果が得られる。

【0061】

回路基板台１７には、回路基板台１７の突出端部からケース材１５に向かって、絶縁基板７に近づく態様で傾斜する傾斜部１８が設けられている。図１０に示すように、傾斜部１８が設けられることで、回路基板台１７と絶縁基板７との間の比較的狭い空間に、封止樹脂２９が流れ込みやすくなる（矢印参照）。

【0062】

これにより、封止樹脂が十分に充填されず、半導体装置の内部に気泡が残留することに起因して、半導体装置の動作中に放電が発生することが抑制される。その結果、半導体装置１の絶縁性をさらに安定に確保することができる。

【0063】

実施の形態４
ここでは、回路基板台に傾斜部が設けられた半導体装置の第２例について説明する。

【0064】

図１１および図１２に示すように、半導体装置１は、主として、半導体素子基板３、半導体素子１３、ケース材１５および封止樹脂２９を備えている。特に、ケース材１５に設けられた架橋構造の回路基板台１７は、傾斜部１８を備えている。傾斜部１８は、回路基板台１７において、絶縁基板７と対向する下面側に形成されている。

【0065】

その回路基板台１７に第２回路基板２１が直接実装されている。なお、これ以外の構成については、図６および図７に示す半導体装置と同様なので、同一部材には同一符号を付し、必要である場合を除きその説明を繰り返さないこととする。

【0066】

次に、傾斜部１８が形成された架橋構造の回路基板台１７について、具体的に説明する。まず、図６および図７に示す半導体装置について説明したのと同様に、回路基板台１７には、第２回路基板２１を実装するに足りる幅Ｌ３が設定される。幅Ｌ３は、たとえば、５ｍｍ〜３０ｍｍに設定される。幅Ｌ３が５ｍｍよりも狭いと、第２回路基板２１を実装するのに十分ではなくなる。一方、幅Ｌ３が３０ｍｍを超えると、封止樹脂２９を充填する際の妨げになってしまうおそれがある。

【0067】

また、回路基板台１７と絶縁基板７との間の高さ方向の距離Ｈ２は、たとえば、３ｍｍ〜１０ｍｍに設定されている。距離Ｈ２が３ｍｍよりも短いと、封止樹脂２９を充填する際に、封止樹脂２９が十分に充填されないおそれがある。一方、距離Ｈ２が１０ｍｍを超えると、第２回路基板２１等を確実に封止することができないおそれがある。

【0068】

次に、傾斜部１８について説明する。傾斜部１８は、架橋構造の回路基板台１７におけるケース材１５から距離を隔てられた所定の位置からケース材１５に向かって、絶縁基板７に近づく態様で傾斜している。傾斜部１８は、絶縁基板７に対して５°以上の傾斜角度θをもって傾けられている。前述したのと同様に、この傾斜角度θが５°よりも小さいと、回路基板台１７と絶縁基板７との間に、封止樹脂２９が十分に充填されないおそれがある。したがって、傾斜部１８の傾斜角度θは５°以上が望ましい。

【0069】

上述した半導体装置では、絶縁基板７にクラックを生じさせない効果に加えて、次のような効果が得られる。

【0070】

回路基板台１７には、架橋構造の回路基板台１７の所定の位置からケース材１５に向かって、絶縁基板７と回路基板台１７との間の距離（高さ）が徐々に短くなる態様で傾斜部１８が設けられている。傾斜部１８が設けられることで、回路基板台１７と絶縁基板７との間の比較的狭い空間に、封止樹脂２９が流れ込みやすくなる。

【0071】

これにより、封止樹脂が十分に充填されず、半導体装置の内部に気泡が残留することに起因して、半導体装置の動作中に放電が発生することが抑制される。その結果、半導体装置１の絶縁性をさらに安定に確保することができる。

【0072】

なお、図９または図１２では、傾斜部１８の傾斜面がフラットである場合が示されているが、傾斜角度θが５°以上であれば、傾斜面は曲面であってもよく、たとえば、図１３に示すように、凹面（上に向かって凸）であってもよい。また、図１４に示すように、凸面（下に向かって凸）であってもよい。さらに、架橋構造の回路基板台１７の傾斜部１８の傾斜面についても、同様に、凹面または凸面にしてもよい（図示せず）。

【0073】

なお、上述した各実施の形態では、回路基板台１７とケース材１５とが一体的に形成された場合を例に挙げて説明した。回路基板台としては、これに限られるものではなく、たとえば、ケース材１５と同じ材料によって別途形成された回路基板台を、ケース材に固定するようにしてもよい。

【0074】

各実施の形態において説明した半導体装置については、必要に応じて種々組み合わせることが可能であり、たとえば、ケース材１５の内壁に沿って位置する回路基板台と、架橋構造の回路基板とを組み合わせてもよい。

【0075】

今回開示された実施の形態は例示であってこれに制限されるものではない。本発明は上記で説明した範囲ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲でのすべての変更が含まれることが意図される。

【産業上の利用可能性】

【0076】

本発明は、電力用の半導体素子を封止樹脂によって封止した半導体装置に有効に利用される。

【符号の説明】

【0077】

１ 半導体装置、３ 半導体素子基板、５ ベース板、７ 絶縁基板、９ 第１回路基板、１１ 接合剤、１３ 半導体素子、１５ ケース材、１７ 回路基板台、１８ 傾斜部、１９ 電極端子、２１ 第２回路基板、２３ 接着材、２５ 配線、２７ 配線、２９ 封止樹脂、３１ 隙間。

【要約】

半導体装置（１）は、主として、半導体素子基板（３）、半導体素子（１３）、ケース材（１５）および封止樹脂（２９）を備えている。半導体素子基板（３）では、ベース板（５）の表面に絶縁基板（７）を介在させて、導電性の第１回路基板（９）が配置されている。ケース材（１５）には、内壁から半導体素子（１３）が配置されている側に向かって突出した回路基板台（１７）と、電極端子（１９）とが設けられている。回路基板台（１７）には、導電性の第２回路基板（２１）が直接実装されている。電極端子（１９）と第２回路基板（２１）とが、配線（２５）によって電気的に接続され、第２回路基板（２１）と半導体素子（１３）とが、配線（２７）によって電気的に接続されている。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】