WO2014038066A1 - パワー半導体装置 - Google Patents

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達也 深瀬
中島　泰
藤田　暢彦
政紀 加藤
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Definitions

  • the present invention relates to a transfer mold type power semiconductor device including a capacitor therein, and more particularly to a power semiconductor device mounted on an in-vehicle device.
  • in-vehicle electrical components mounted on automobiles there is an urgent need for further reduction in size and weight.
  • a rotating electrical machine for a vehicle such as an alternator
  • efforts for improving power generation efficiency and power conversion efficiency are actively performed.
  • One approach is to convert the power converter such as a rectifier into an inverter.
  • a rotating electrical machine having an inverter as a power conversion unit has higher control of output current than a rotating electrical machine of a rectifier, and can add new functions such as regenerative power generation and engine start.
  • diodes are used as power semiconductor elements in rectifiers for in-vehicle devices, but MOS-FETs (Metal Oxide Semiconductor-Field Effect Transistors) and IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) are used in inverters for in-vehicle devices.
  • MOS-FETs Metal Oxide Semiconductor-Field Effect Transistors
  • IGBTs Insulated Gate Bipolar Transistors
  • Switching elements such as MOS-FETs and IGBTs are also used in power semiconductor devices for controlling field current of alternators and motor generators.
  • the power semiconductor element for controlling the field current is in a path for supplying power to the field winding of the rotor, which is a rotor, and controls the field current.
  • in-vehicle power semiconductor devices mounted on these in-vehicle electrical components are soldered with a power semiconductor element on an insulating substrate on which wiring is patterned, and those connected by a wiring member are sealed with silicone gel or the like. It has been manufactured by combining a stopped case type power semiconductor device, a single-function discrete type power semiconductor device in which an element such as a diode or a MOS-FET is transfer-molded, and the like.
  • This power semiconductor device is disposed near a radiator such as a heat sink of an in-vehicle device, and the heat generated by the power semiconductor element is released from the radiator.
  • Power semiconductor devices for in-vehicle electrical components need to be reduced in size due to the small mounting space.
  • a power semiconductor device equipped with a power semiconductor element that is a switching element such as a MOF-FET or IGBT mounted on an in-vehicle electrical component current flows intermittently by switching of the power semiconductor element.
  • a capacitor for reducing voltage fluctuation during switching of the power semiconductor element it is necessary to provide a capacitor for reducing voltage fluctuation during switching of the power semiconductor element. This capacitor needs to be installed in the vicinity of the power semiconductor device, which is an obstacle to downsizing of the rotating electrical machine.
  • Patent Document 1 discloses a molded semiconductor device in which a chip capacitor is attached between a power supply and a ground of a lead frame, and a low-power integrated circuit (IC chip) and the chip capacitor are sealed with resin.
  • This semiconductor device has a structure in which a capacitor is mounted on a tie bar of a lead frame and sealed with resin. As a result, a capacitor can be mounted in the vicinity of the low-power integrated circuit, and noise is reduced.
  • Patent Document 1 describes a structure of a semiconductor device in which an integrated circuit (IC chip) and a chip capacitor are resin-sealed to reduce inductance and increase mounting density. Even in a power semiconductor device equipped with a power semiconductor element such as MOF-FET or IGBT, the power semiconductor element and a capacitor for reducing voltage fluctuation at the time of switching of the power semiconductor element are sealed to form a small transfer mold type. We wanted to obtain a power semiconductor device. Since a power semiconductor device needs to operate in a harsh environment as compared with a semiconductor device such as a low-power integrated circuit, the temperature cycle experienced by the power semiconductor device is large.
  • a power semiconductor device needs to operate in a harsh environment as compared with a semiconductor device such as a low-power integrated circuit, the temperature cycle experienced by the power semiconductor device is large.
  • Patent Document 1 simply mounting a capacitor on a tie bar of a lead frame and encapsulating it with a resin makes it possible to operate a power semiconductor device in a harsh environment or during manufacturing.
  • the capacitor will fail.
  • the capacitor fails due to a temperature cycle received by the power semiconductor device, a molding pressure at the time of molding, or the like.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and in a transfer mold type power semiconductor device having a capacitor therein, it is possible to prevent the capacitor from being damaged during operation or manufacture. With the goal.
  • a power semiconductor device is a power semiconductor device sealed with a mold resin, and a plurality of lead frames molded into a wiring pattern and power semiconductor elements bonded on the lead frame are adjacent to each other.
  • the stress relaxation structure portion having a rigidity lower than that of the capacitor is used.
  • the stress generated in the capacitor during operation and manufacturing can be relieved and the capacitor can be prevented from being broken.
  • FIG. 1 is a schematic view of the inside of a power semiconductor device according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a diagram showing a stress relaxation structure portion according to the first embodiment of the present invention.
  • the power semiconductor device 50 according to the first embodiment includes a plurality of lead frames 1 molded into a wiring pattern, a switchable power semiconductor element 2, and a ceramic capacitor that relaxes voltage fluctuation due to switching of the power semiconductor element 2 (
  • a chip component such as a chip resistor 100 (also referred to as a capacitor as appropriate), a chip resistor 20 (also referred to as a resistor as appropriate), a plurality of lead frames 1 on which terminals are formed, a lead frame 1 and a power semiconductor element 2
  • a wiring member 3 that connects the two, a lead frame 1, a power semiconductor element 2, a mounting component such as a chip component, and a mold resin 5 that seals the wiring member 3.
  • FIG. 1 an example of a power semiconductor device 50 in which three power semiconductor elements 2a, 2b and 2c are mounted and which includes five power terminals 11a, 11b, 11c, 11d and 11e and three signal terminals 12a, 12b and 12c.
  • symbol of a power semiconductor element uses 2 generally, and uses 2a, 2b, 2c in the case of distinguishing and explaining.
  • the reference numerals of the power terminals are generally 11, and 11a, 11b, 11c, 11d, and 11e are used when they are described separately.
  • the reference numerals of the signal terminals are generally 12, and 12a, 12b, and 12c are used when they are described separately.
  • the power semiconductor device 50 is fixed to an in-vehicle device through an insulating adhesive, an insulating substrate, an insulating sheet, and the like. Further, the power semiconductor device 50 may have an insulating layer on the surface facing the fixed portion of the power semiconductor device 50 and may be pressure-fixed through soldering or heat radiation grease.
  • the terminals protruding to the outside of the power semiconductor device 50 are a power terminal 11 through which a large current of several A to a few tens of A flows, and a control signal terminal 12 such as a gate signal line or a sensor signal line of the power semiconductor element 2.
  • the power terminal 11 is connected to a power supply device and a power source such as a battery via a relay member, and the control signal terminal 12 is connected to a control board mounted on the in-vehicle device.
  • the power semiconductor device 50 is equipped with a power semiconductor element 2 such as a switchable MOS-FET or IGBT, and is switched by a signal transmitted from a gate signal line connected to the control substrate, whereby an output power terminal 11 (for example, 11a, 11b, and 11c) are controlled.
  • a power semiconductor element 2 such as a switchable MOS-FET or IGBT
  • the lower surface of the power semiconductor element 2 (the surface facing the lead frame 1) and the lead frame 1 are joined by a solder 4 or a conductive bonding agent such as a conductive paste.
  • the electrode part formed on the chip of the power semiconductor element 2 and the lead frame 1 are wire bonds for joining aluminum or copper circular or rectangular cross-section wires by ultrasonic vibration, lead frames 1 for wiring, They are connected by a wiring member 3 such as a metal terminal.
  • the mounting components such as the lead frame 1 and the ceramic capacitor 100 and the chip resistor 20 are joined with a joining agent such as solder 4.
  • the ceramic capacitor 100 is a multilayer ceramic capacitor in which a dielectric portion and an electrode portion are laminated, and includes an external electrode 101 made of an external electrode layer.
  • the ceramic capacitor 100 is mounted between the two lead frames 1, and the potential between the two lead frames 1 is different.
  • the plurality of lead frames 1 are formed by pressing or etching, and there are steps of about several ⁇ m to several tens of ⁇ m between the lead frames 1.
  • the power semiconductor element 2 and the mounting component are bonded to the lead frame 1 with a bonding agent, and the connection with the wiring member 3 is sealed with the mold resin 5.
  • the heat semiconductor device 2 mounted therein is efficiently discharged to the power semiconductor device joint portion to which the power semiconductor device 50 in the in-vehicle device is joined.
  • a lead frame exposed surface where the lead frame 1 is partially exposed is provided on the surface of the in-vehicle device facing the power semiconductor device joint.
  • the lead frame exposed surface of the power semiconductor device 50 is formed, for example, on the surface (back surface) side on which the power semiconductor element 2 and chip components are not mounted in FIG.
  • the exposed surface of the lead frame of the power semiconductor device 50 is joined to the power semiconductor device joint portion of the in-vehicle device via an insulating portion having a low thermal resistance. Thereby, the heat generated from the power semiconductor element 2 is efficiently radiated to the power semiconductor junction of the in-vehicle device and radiated from a heat sink or the like installed in the in-vehicle device.
  • the power semiconductor device 50 of the present invention includes a plurality of metal lead frames 1 molded into a wiring pattern, a power semiconductor element 2 joined on the lead frame 1, and a plurality of terminals formed.
  • a wiring member 3 that connects between the lead frame 1 and between the lead frame 1 and an electrode portion formed on the power semiconductor element 2, and a lower surface electrode portion and a lead formed on the lower surface of the power semiconductor element 2
  • a bonding agent for bonding the frame 1, a lead frame 1, a power semiconductor element 2, a wiring member 3, and a mold resin 5 that wraps the bonding agent it is formed inside the power semiconductor device 50.
  • a capacitor 100 for reducing voltage fluctuation at the time of switching of the power semiconductor element 2 is provided.
  • the power semiconductor device 50 of the present invention includes a stress relaxation structure 39 between the external electrode 101 of the capacitor 100 and the capacitor mounting portion 13 of the lead frame 1 as shown in FIG.
  • the temperature of the power semiconductor device 50 greatly fluctuates due to the operation of the on-vehicle equipment, the change in the installed ambient temperature, the energization of the power semiconductor element 2, and the like.
  • the temperature change of the power semiconductor device 50 is large, the thermal stress generated in the capacitor 100 due to the difference in coefficient of linear expansion between the capacitor 100 and the surrounding members becomes large. Therefore, the capacitor 100 is simply mounted on the lead frame 1 and molded resin It was difficult to take a structure sealed with 5.
  • the configuration of the present invention even when the power semiconductor device 50 is mounted on an in-vehicle device having a large temperature change, the capacitor 100 is mounted between the two lead frames 1 and sealed with the mold resin 5.
  • a power semiconductor device 50 having a structure can be used.
  • the stress relaxation structure 39 is also caused by vibration when the intermediate manufacturing body in which the capacitor 100 is bonded between the two lead frames 1 is transported on the manufacturing line.
  • the production yield can be improved by relaxing the stress on the capacitor 100 and the stress on the capacitor 100 when an external force is applied during transportation, and preventing the failure.
  • the external electrode 101 of the capacitor 100 and the capacitor mounting portion 13 of the lead frame 1 are joined by solder 4.
  • the power semiconductor device 50 according to the present invention includes a stress relaxation structure portion 39 having rigidity lower than that of the conductive bonding agent between the solder 4 that is the conductive bonding agent of the capacitor mounting portion 13 and the external electrode 101, and a mold resin. 5 is used to wrap the surroundings.
  • a stress relaxation structure portion 39 a conductive stress relaxation portion 30 that is a stress relaxation layer in which a conductive filler is blended with a low elastic modulus resin such as an epoxy resin or a silicone resin may be used.
  • the stress relaxation structure 39 is made of a conductive member containing a conductive filler.
  • FIG. 2 shows an example in which the stress relaxation structure portion 39 is disposed only in the vicinity of the conductive bonding agent (solder 4), the stress relaxation structure portion 39 may be disposed so as to cover the external electrode 101. In the two cases exemplified, the efficiency of the production process is improved by performing the pretreatment for adding the stress relaxation structure 39 to the external electrode 101 of the capacitor 100.
  • a step of about several ⁇ m to several tens of ⁇ m occurs between the capacitor mounting portions 13 of the two lead frames 1 on which the capacitor 100 is mounted.
  • the step between the two lead frames 1 has a molding pressure that reaches about 100 atm.
  • the step changes so as to be small, and the capacitor 100 may crack. Accordingly, even when sealing with the mold resin 5, the stress generated in the capacitor 100 can be relieved by preferentially deforming the stress relaxation structure 39 having a lower rigidity than the conductive adhesive (solder 4). it can.
  • the capacitor 100 is prevented from being cracked and to prevent the manufacturing process yield from being lowered.
  • the stress relaxation structure portion 39 is subjected to stress on the capacitor 100 due to vibration, It is possible to relieve stress on the capacitor 100 when an external force is applied to the capacitor 100.
  • the joint between the capacitor 100 including the stress relaxation structure 39 and the lead frame 1 is finally covered with the mold resin 5.
  • the stress relaxation structure 39 relaxes the above-described stress, even if the stress relaxation structure 39 is distorted or a deformation such as a slit is formed in a part of the stress relaxation structure 39, the capacitor 100 and the lead frame 1 Is held by the mold resin 5, the capacitor fixing strength is not lowered, and the loss of function of the power semiconductor device 50 and the occurrence of functional failure can be prevented.
  • the stress relaxation structure portion 39 is lower in rigidity than the solder 4 and the capacitor 100, the stress relaxation structure portion 39 is stress-relieved if it is out of specification, such as when there is a particularly large step between the two capacitor mounting portions 13. Since the structural portion 39 is destroyed and becomes an open defect, the defect can be easily found, and the cost of equipment such as an inspection apparatus can be reduced.
  • FIG. 3 is a diagram showing a stress relaxation structure according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the stress relaxation structure 39 is composed of a mixture of a conductive filler and a resin agent.
  • the rigidity of the stress relaxation structure 39 is significantly lower than the rigidity of the conductive bonding agent (solder 4) for bonding the capacitor 100 to the lead frame 1.
  • the capacitor 100 and the lead frame 1 may be affected by a temperature cycle during the operation of the power semiconductor device 50, a deformation that reduces the step between the two lead frames 1 during molding, or stress during transportation.
  • the stress relaxation structure 39 is positively deformed to prevent the capacitor 100 from being damaged.
  • the stress relaxation structure portion 39 may be composed of a conductive stress relaxation portion 30 and a metal plating layer 31 such as Ni or Sn provided on the surface of the conductive stress relaxation portion 30.
  • a metal plating layer 31 such as Ni or Sn provided on the surface of the conductive stress relaxation portion 30.
  • FIG. 4 is an enlarged view of another stress relaxation structure according to the first embodiment of the present invention. By providing the metal plating layer 31 such as Ni or Sn, soldering can be facilitated as compared with the case where only the conductive stress relaxation portion 30 is provided.
  • FIG. 5 is an enlarged view of still another stress relaxation structure portion according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 5 is an example in the case where there is a defect portion 40 that is a portion where a part of the solder 4 or a part of the conductive stress relaxation portion 30 is missing.
  • the broken line 6 corresponds to the end portion where the solder 4 shown in FIG. 3 was present, and the broken line 35 corresponds to the end portion where the conductive stress relaxation portion 30 shown in FIG. 3 was present.
  • the capacitor 100 has a non-connection portion 111 to which the stress relaxation structure portion 39 is not connected on the side of the external electrode 101 facing the lead frame 1.
  • the power semiconductor device 50 according to the first embodiment is accompanied by breakage such that a slit or crack is formed in a part of the stress relaxation structure portion 39 provided between the capacitor 100 and the capacitor mounting portion 13 of the lead frame 1. Even when the deformation occurs before the molding process, the mold resin 5 is filled in the defect 40 generated in the stress relaxation structure 39 in the molding process. That is, even when the non-connection portion 111 exists, the non-connection portion 111 is covered with the mold resin 5 in the molding process. Therefore, the power semiconductor device 50 according to the first embodiment can mold the defective portion 40 even if the defective portion 40 in which the solder 4 or the conductive stress relaxation portion 30 is lost in the joint portion between the capacitor 100 and the lead frame 1 occurs. The resin 5 is filled.
  • the stress generated in the capacitor 100 is relieved by deformation or partial destruction of the stress relaxation structure 39.
  • the lead frame 1 and the mounting components such as the power semiconductor element 2 and the capacitor 100 are covered with the mold resin 5 in that state, that is, the stress relaxation structure 39 is deformed or partially destroyed.
  • the mold resin 5 enters the (defect portion 40) is provided. Therefore, power semiconductor device 50 of the first embodiment is deformed or partially destroyed even when stress of capacitor 100 is reduced by deformation or partial destruction of stress relaxation structure 39.
  • the strength for holding the capacitor 100 can be maintained by the mold resin 5 that fills the (defect portion 40).
  • a plurality of lead frames 1 molded into a wiring pattern, a power semiconductor element 2 bonded on the lead frame 1, and two lead frames 1 adjacent to each other. And a capacitor 100 disposed therebetween, and is sealed with a mold resin 5.
  • the capacitor 100 is characterized in that the external electrode 101 of the capacitor 100 is connected to the lead frame 1 via the stress relaxation structure portion 39 having a rigidity lower than that of the capacitor 100, and therefore has a lower rigidity than the capacitor.
  • the stress relaxation structure 39 can relieve the stress generated in the capacitor 100 during operation or manufacturing, and can prevent the capacitor 100 from being broken.
  • the stress relaxation structure portion 39 of the first embodiment includes the conductive stress relaxation portion 30 having a rigidity lower than that of the solder 4 and the capacitor 100, the stress generated in the capacitor during operation and manufacturing is relaxed, and the capacitor is destroyed. Can be prevented.
  • the capacitor 100, the capacitor mounting portion 13 of the lead frame 1, and the stress relaxation structure portion 39 are sealed with the mold resin 5, so that the conductive stress relaxation portion 30 is deformed or partially. By destroying, the thermal stress due to the temperature cycle during molding or in the operating environment can be relaxed, and the capacitor crack can be prevented.
  • the capacitor 100 and the capacitor mounting portion 13 are held by the mold resin 5, so that the energization between the lead frame 1 and the capacitor 100 is performed.
  • the path or circuit configuration is not destroyed.
  • the conductive stress relaxation portion 30 of the stress relaxation structure portion 39 of the first embodiment is made of a mixture of a conductive filler and a resin, the rigidity can be significantly reduced as compared with the solder 4 and the capacitor 100.
  • the power semiconductor device 50 includes a structure in which the lead frame 1 and the mounting components such as the power semiconductor element 2 and the capacitor 100 are covered with the mold resin 5, the stress relaxation structure 39 is deformed or partially formed. Even when the stress of the capacitor 100 is reduced by being broken, the strength for holding the capacitor 100 can be maintained by the mold resin 5 that compensates for the deformed or partially broken portion (defect portion 40).
  • the capacitor 100 for relaxing the voltage fluctuation at the time of switching of the power semiconductor element 2 is connected to the lead frame 1 with the stress relaxation structure portion 39 interposed therebetween.
  • the capacitor 100 can be installed in the vicinity of 2, and the power semiconductor device 50 can be reduced in size.
  • the power semiconductor device 50 according to the first embodiment can be used as a power semiconductor device that controls an armature current or a field current of an inverter-integrated rotating machine.
  • the armature current is a current that flows through the armature when the stator is an armature.
  • the field current is a current that flows through the field winding wound around the rotor when the rotor is an armature.
  • the power semiconductor device 50 In a power semiconductor device that controls the armature current and field current of an inverter-integrated rotating machine, heat from the rotating machine is transferred to the power semiconductor device, the temperature of the power semiconductor device rises, and the stress due to the difference in linear expansion coefficient also increases. . Even in such an inverter-integrated rotating machine that operates in a harsh environment, the power semiconductor device 50 according to the first embodiment includes the stress relaxation structure portion 39. Therefore, the stress generated in the capacitor 100 is relaxed. The capacitor 100 can be prevented from being broken.
  • FIG. FIG. 6 is an enlarged view of the stress relaxation structure according to the second embodiment.
  • the stress relaxation structure portion 39 in the power semiconductor device 50 of the second embodiment includes an electrode connection portion 37 connected to the external electrode 101 of the capacitor 100 and an electrode non-connection portion 38 not connected to the external electrode 101.
  • a portion connected to the electrode connection portion 37 of the stress relaxation structure portion 39 is referred to as a first electrode portion 102
  • a portion not connected to the electrode connection portion 37 of the stress relaxation structure portion 39 is referred to as a second electrode portion 103.
  • the first electrode portion 102 is a portion indicated by an arrow interval 102
  • the second electrode portion 103 is a portion indicated by an arrow interval 103.
  • the second electrode portion 103 is formed not on the upper side of the external electrode 101 in FIG. 6, that is, on the capacitor mounting portion 13 side, not on the upper limit portion (limit portion) to which the solder 4 is joined.
  • the stress relaxation structure portion 39 of the second embodiment includes the electrode non-connecting portion 38, the second electrode portion 103 of the capacitor 100 can be prevented from being fixed to the lead frame 1.
  • the stress relaxation structure portion 39 according to the second embodiment prevents the second electrode portion 103 of the capacitor 100 from being fixed to the lead frame 1, so that when the molding pressure during molding is applied, the second electrode Since the vicinity of the portion 103, that is, the electrode non-connecting portion 38 moves slightly, the stress at the time of molding acting on the capacitor 100 is reduced, and the capacitor 100 can be prevented from being broken.
  • the second electrode portion 103 is made of a highly heat-resistant polyimide resin or the like that prevents the conductive stress relaxation portion 30 to be the electrode non-connecting portion 38 from being connected to the surface of the external electrode 101 and prevents the solder 4 from getting wet. It can be formed by coating.
  • polyimide aluminum may be used. By applying aluminum to the surface of the external electrode 101, it is possible to prevent the conductive stress relaxation portion 30 that becomes the electrode non-connecting portion 38 from being connected and not to be wetted by solder. Such an aluminum layer can be formed on the electrode of the capacitor 100 by firing using aluminum powder.
  • the first electrode portion 102 that can be connected to the electrode connecting portion 37 and can be soldered with the solder 4 is disposed on the side surface of the external electrode 101 of the capacitor 100, and the capacitor 100 is opposed to the lead frame 1.
  • the configuration example in which the electrode non-connecting portion 38 can be formed on the surface and the second electrode portion 103 that cannot be soldered with the solder 4 is arranged is shown.
  • the lead frame 1 may be devised in order to form the second electrode unit 103.
  • the lead frame 1 in the power semiconductor device 50 according to the second embodiment has a structure in which an electrode layer that is not soldered is arranged on a part of the capacitor mounting portion 13 of the lead frame 1 facing the capacitor 100.
  • a structure in which a part of the capacitor mounting portion 13 is provided with a polyimide resin layer that is not soldered may be used.
  • the lead frame 1 side since the lead frame 1 side is devised, it is not necessary to dispose a polyimide resin or an aluminum layer, which is a material different from that of the external electrode 101, in a portion to be the first electrode portion 102 of the capacitor 100.
  • FIG. FIG. 7 is a diagram showing a stress relaxation structure according to Embodiment 3 of the present invention.
  • the power semiconductor device 50 according to the third embodiment includes a stress relaxation structure 39 made of a metal plate 32 having rigidity lower than that of the capacitor 100 main body. One end of the metal plate 32 is connected to the external electrode 101 of the capacitor 100, and the other end of the metal plate 32 is connected to the capacitor mounting portion 13 of the lead frame 1.
  • the stress relaxation structure portion 39 is arranged so that the metal plate 32 is interposed between the capacitor 100 and the lead frame 1, the molding pressure applied to the capacitor 100 during the molding process, mold clamping during molding, power
  • the stress generated in the capacitor 100 due to the temperature cycle or the like during the operation of the semiconductor device 50 can be reduced by the deformation of the metal plate 32. As a result, it is possible to prevent a capacitor defect due to the stress generated in the capacitor 100 and improve the yield of the manufacturing process.
  • the lower the rigidity of the metal plate 32 the greater the effect of reducing the capacitor stress.
  • the effect of reducing the capacitor stress increases as the length corresponding to the distance d between the capacitor 100 and the lead frame 1 increases.
  • the material of the metal plate 32 is preferably an Invar material having a linear expansion coefficient close to that of the capacitor 100. Since the power semiconductor device 50 of the third embodiment includes the stress relaxation structure portion 39 made of the metal plate 32, the rigidity of the metal plate 32 is such that the capacitor 100, the stress relaxation structure 39, and the lead frame 1 are sealed with the mold resin 5. It suffices to satisfy the condition that it can withstand the manufacturing process.
  • the case-type power semiconductor device has a structure in which a power semiconductor element or chip component is mounted on an insulating substrate on which wiring is patterned, and the power semiconductor element or chip component is connected by a wiring member, such as a silicone gel. Since the silicone gel is easily vibrated, the reliability cannot be satisfied even if only the metal plate 32 is applied.
  • the power semiconductor device 50 according to the third embodiment includes the stress relaxation structure portion 39 made of the metal plate 32 and includes the power semiconductor element 2 mounted on the lead frame 1 and Since chip parts such as the capacitor 100 are sealed with the mold resin 5 which is less likely to vibrate than the silicone gel, reliability can be satisfied.
  • the members that need to be insulated include the lead frame 1, the wiring member 3, the electrodes of the power semiconductor element 2, and the electrodes of chip components such as the external electrodes 101 of the capacitor 100.
  • the sealing by transfer molding applied to the power semiconductor device 50 of the third embodiment is performed by molding at a high pressure reaching 100 atm. It is not included and the insulation distance required in order to maintain the insulation between the said members can be taken small. As a result, the power semiconductor device 50 can be downsized.
  • FIG. FIG. 8 is a diagram showing a capacitor mounting structure according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the wiring pattern 22 formed on the insulating wiring substrate 21 fixed between the two lead frames 1 and the external electrode 101 of the capacitor 100 are joined to each other.
  • the wiring pattern 22 formed in 21 and the lead frame 1 are electrically connected by a wiring member 3 such as another wire bond. That is, the power semiconductor device 50 according to the fourth embodiment includes the stress relaxation structure portion 39 including the wiring substrate 21 having rigidity lower than that of the lead frame 1 and the capacitor 100.
  • the wiring substrate 21 is disposed between the capacitor 100 and the lead frame 1, so that the molding pressure during molding and the stress due to mold clamping caused by wiring can be reduced. Since it is alleviated by the substrate 21, it does not occur directly in the capacitor 100, and it is possible to prevent the capacitor 100 from failing.
  • the wiring substrate 21 is interposed between the capacitor 100 and the lead frame 1, so that the capacitor 100 can be used even when a temperature cycle occurs during the operation of the power semiconductor device 50. And the linear expansion coefficient difference between the wiring board 21 and the wiring board 21 are reduced. For this reason, in the power semiconductor device 50 according to the fourth embodiment, the thermal stress generated in the capacitor 100 is reduced, and the capacitor 100 can be prevented from failing.
  • the material of the wiring board 21 preferably has a small difference in linear expansion coefficient from the material of the lead frame 1, and for example, FR-4 (Flame Retardant-4) in which an epoxy resin is impregnated into a glass fiber cloth is preferable.
  • FIG. 8 shows the case where the insulating wiring substrate 21 is used
  • another capacitor mounting structure using the second lead frame 7 as shown in FIG. 9 may be used.
  • FIG. 9 is a diagram showing another capacitor mounting structure according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the capacitor 100 is bonded onto the second lead frame 7 that is fixed in an insulated state from the lead frame 1.
  • the capacitor thermal stress due to the temperature cycle can be relaxed.
  • the second lead frame 7 insulated from the wiring substrate 21 and the lead frame 1 is disposed between the capacitor 100 and the lead frame 1, so that molding at the time of molding is performed. It is possible to prevent thermal stress due to pressure and temperature cycles during operation from being transmitted directly to the capacitor 100. Therefore, the power semiconductor device 50 of the fourth embodiment relieves stress generated in the capacitor 100 during operation or manufacture by the stress relieving structure portion 39 having lower rigidity than the capacitor as in the first to third embodiments. The capacitor 100 can be prevented from being broken.
  • the power semiconductor element 2 may be formed of silicon.
  • a wide band gap semiconductor material having a larger band gap than silicon may be used.
  • the wide band gap semiconductor material include silicon carbide, a gallium nitride-based material, and diamond.
  • the power semiconductor element 2 formed of such a wide band gap semiconductor material has high voltage resistance and high allowable current density, the power semiconductor element 2 can be miniaturized. By using the element 2, it is possible to reduce the size of the power semiconductor device 50 incorporating these elements.
  • SYMBOLS 1 ... Lead frame 2, 2a, 2b, 2c ... Power semiconductor element, 3 ... Wiring member, 4 ... Solder, 5 ... Mold resin, 7 ... 2nd lead frame, 21 ... Wiring board, 30 ... Conductive stress relaxation Part 32, metal plate 37, electrode connection part 38 ... electrode non-connection part 39 ... stress relaxation structure part 50 ... power semiconductor device 100 ... capacitor 101 ... external electrode 111 ... non-connection part.

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Abstract

　本発明のパワー半導体装置（５０）によれば、配線パターン状に成型された複数のリードフレーム（１）と、リードフレーム（１）上に接合されたパワー半導体素子（２）と、互いに隣接した２つのリードフレーム（１）の間に配置されたコンデンサ（１００）とを備え、モールド樹脂（５）で封止される。コンデンサ（１００）は、当該コンデンサ（１００）の外部電極（１０１）が、当該コンデンサ（１００）よりも剛性が低い応力緩和構造部（３９）を介してリードフレーム（１）に接続されたことを特徴とする。

Description

パワー半導体装置
　本発明は、コンデンサを内部に備えるトランスファーモールド型のパワー半導体装置に関し、特に、車載機器に搭載されるパワー半導体装置に関するものである。
　現在、地球温暖化を背景とした輸送機器への燃費改善要求が高まっている。特に自動車に搭載される車載電装品では、さらなる小型及び軽量化が急務となっている。また、車載電装品でも、オルタネータなどの車両用回転電機では、発電効率や電力変換効率の向上に向けた取組みが盛んに行われている。その一つとして、整流器などの電力変換部をインバータ化する取組みがある。電力変換部をインバータ化した回転電機は、整流器の回転電機と比較して、出力電流の制御が高度化され、回生発電やエンジン始動など新たな機能を付加できる。
　また、車載用機器の整流器では、パワー半導体素子としてダイオードを使用するが、車載用機器のインバータでは、ＭＯＳ－ＦＥＴ（Metal　Oxide　Semiconductor　-　Field　Effect　Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated　Gate　Bipolar　Transistor）を使用する。インバータに使用するこれらのパワー半導体素子は、ゲートに電圧を印加することでオン－オフ（ＯＮ－ＯＦＦ）するスイッチング素子であり、ダイオードと比較してゲートオン時の通電損失（以下、オン抵抗と表記）が小さい。これにより、電力変換部をインバータ化した車載用機器では、発電効率や電力変換効率が向上する。また、ＭＯＳ－ＦＥＴやＩＧＢＴなどのスイッチング素子は、オルタネータやモータジェネレータの界磁電流制御用のパワー半導体装置にも用いられる。界磁電流制御用のパワー半導体素子は、回転子であるロータの界磁巻線に電力を供給する経路にあり、界磁電流の制御を行う。
　従来、これらの車載電装品に搭載される車載用のパワー半導体装置は、配線がパターニングされた絶縁性の基板上にパワー半導体素子をはんだ付けし、配線部材で接続したものをシリコーンゲルなどで封止したケース型パワー半導体装置や、ダイオードやＭＯＳ－ＦＥＴなどの素子をトランスファー成型した単機能のディスクリート型のパワー半導体装置等を組み合わせることで製造されてきた。このパワー半導体装置を車載機器のヒートシンクなどの放熱器の近くに配置し、パワー半導体素子が発する熱量を、放熱器から放出する。
　車載用電装品のパワー半導体装置は、その搭載スペースの狭さから、省サイズ化する必要がある。しかしながら、車載用電装品に搭載されるＭＯＦ－ＦＥＴやＩＧＢＴなどのスイッチグ素子であるパワー半導体素子を搭載するパワー半導体装置では、パワー半導体素子のスイッチングにより電流が間欠的に流れる。パワー電力半導体装置において、パワー半導体素子のスイッチング時の電圧変動を緩和させるためのコンデンサを設ける必要がある。このコンデンサは、パワー半導体装置の近傍に設置する必要があり、回転電機の小型化の阻害因子となっている。
　例えば、特許文献１には、リードフレームの電源－接地間にチップコンデンサを取付けて、小電力の集積回路（ＩＣチップ）とチップコンデンサとが樹脂封止されたモールド型半導体装置が示されている。この半導体装置は、リードフレームのタイバー上にコンデンサを実装し、樹脂封止する構造をとっている。これにより、小電力の集積回路の近傍にコンデンサを搭載することが可能になるとともに、ノイズの低減を図っている。
特開昭５９－７２７５７号公報（第２図）
　特許文献１では、集積回路（ＩＣチップ）とチップコンデンサとを樹脂封止することで、インダクタンスを小さくすると共に実装密度を上げる半導体装置の構造が記載されている。ＭＯＦ－ＦＥＴやＩＧＢＴなどのパワー半導体素子を搭載するパワー半導体装置においても、パワー半導体素子とパワー半導体素子のスイッチング時の電圧変動を緩和させるためのコンデンサとを封止して、小型のトランスファーモールド型のパワー半導体装置を得たいと我々は考えた。パワー半導体装置は、小電力の集積回路等の半導体装置と比べて過酷な環境下で動作する必要があるので、パワー半導体装置が受ける温度サイクルが大きい。
　したがって、特許文献１に示されたように、単にリードフレームのタイバー上にコンデンサを実装して樹脂封止するだけでは、パワー半導体装置の場合には、過酷な環境下で動作時や製造の際にコンデンサが故障してしまう。すなわち、特許文献１に示されたような構造では、パワー半導体装置が受ける温度サイクルや、モールド成型時の成型圧などによって、コンデンサが故障するという問題がある。
　また、パワー半導体装置においては、通常の集積回路（ＩＣチップ）に比べて大電流が流れるので、リードフレームの厚さは厚くなる。したがって、パワー半導体装置においては、コンデンサを実装するリードフレームの端子間では数μｍから数十μｍ程度の段差が生じることが不可避であり、コンデンサを実装するリードフレームのコンデンサ実装部とコンデンサの外部電極との平行性が、２つの外部電極において異なってしまう。この段差がモールド成型時の成型圧により段差を小さくするように変化したり、製造プロセス中でリードフレームが搬送時の振動がコンデンサに伝わることによって、コンデンサに大きな応力がかかる。このように、コンデンサに大きな応力がかかることで、コンデンサが故障し、生産時の歩留まりが低下するという問題もある。
　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あり、コンデンサを内部に備えるトランスファーモールド型のパワー半導体装置において、動作時や製造の際にコンデンサが故障するのを防止することを目的とする。
　本発明に係るパワー半導体装置は、モールド樹脂で封止されたパワー半導体装置であって、配線パターン状に成型された複数のリードフレームと、リードフレーム上に接合されたパワー半導体素子と、互いに隣接した２つのリードフレームの間に配置されたコンデンサとを備え、コンデンサは、当該コンデンサの外部電極が、当該コンデンサよりも剛性が低い応力緩和構造部を介してリードフレームに接続されたことを特徴とする。
　本発明に係るパワー半導体装置によれば、コンデンサの外部電極が、当該コンデンサよりも剛性が低い応力緩和構造部を介してリードフレームに接続されたので、コンデンサよりも剛性が低い応力緩和構造部によって動作時や製造の際にコンデンサに生じる応力を緩和し、コンデンサが破壊するのを防止できる。
本発明の実施の形態１によるパワー半導体装置の内部の概観模式図である。 本発明の実施の形態１による応力緩和構造部を示す図である。 本発明の実施の形態１による応力緩和構造部を拡大した図である。 本発明の実施の形態１による他の応力緩和構造部を拡大した図である。 本発明の実施の形態１による更に他の応力緩和構造部を拡大した図である。 本発明の実施の形態２による応力緩和構造部を拡大した図である。 本発明の実施の形態３による応力緩和構造部を示す図である。 本発明の実施の形態４によるコンデンサ実装構造を示す図である。 本発明の実施の形態４による他のコンデンサ実装構造を示す図である。
実施の形態１．
　図１は本発明の実施の形態１によるパワー半導体装置の内部の概観模式図であり、図２は本発明の実施の形態１による応力緩和構造部を示す図である。本実施の形態１のパワー半導体装置５０は、配線パターン状に成型された複数のリードフレーム１と、スイッチング可能なパワー半導体素子２と、パワー半導体素子２のスイッチングによる電圧変動を緩和させるセラミックコンデンサ（適宜、コンデンサとも称する）１００と、チップ抵抗器（適宜、抵抗器とも称する）２０などのチップ部品と、端子が形成される複数のリードフレーム１の間や、リードフレーム１とパワー半導体素子２との間を接続する配線部材３と、リードフレーム１、パワー半導体素子２、チップ部品等の実装部品、及び配線部材３を封止するモールド樹脂５とを備える。図１では、３つのパワー半導体素子２ａ、２ｂ、２ｃが実装され、５つのパワー端子１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅと３つの信号端子１２ａ、１２ｂ、１２ｃを備えるパワー半導体装置５０の例を示した。なお、パワー半導体素子の符号は、総括的に２を用い、区別して説明する場合に２ａ、２ｂ、２ｃを用いる。パワー端子の符号は、総括的に１１を用い、区別して説明する場合に１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅを用いる。信号端子の符号は、総括的に１２を用い、区別して説明する場合に１２ａ、１２ｂ、１２ｃを用いる。
　パワー半導体装置５０は、絶縁性の接着剤、絶縁性の基板、絶縁性シートなどを介して車載用機器に固定される。また、パワー半導体装置５０は、パワー半導体装置５０の被固定部に対向する面に絶縁層を持ち、はんだ付けや放熱グリースを介して加圧固定される場合もある。パワー半導体装置５０の外部に突出する端子は、数Ａから百数十Ａ程度の大電流が流れるパワー端子１１と、パワー半導体素子２のゲート信号線やセンサ信号線などの制御用の信号端子１２があり、パワー端子１１は電力を供給する装置およびバッテリーなどの電源と中継部材を介して接続し、制御用の信号端子１２は車載用機器に搭載された制御基板へ接続される。
　パワー半導体装置５０は、スイッチング可能なＭＯＳ－ＦＥＴやＩＧＢＴなどのパワー半導体素子２を搭載し、制御基板と接続したゲート信号線から伝わる信号によりスイッチングすることで、出力用のパワー端子１１（例えば、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）に通電する電流量を制御する。パワー半導体素子２の下面（リードフレーム１と対抗する面）とリードフレーム１の接合は、はんだ４もしくは、導電性ペーストなどの導電性接合剤で接続されている。パワー半導体素子２のチップ上に形成された電極部とリードフレーム１とは、アルミや銅製の円形断面もしくは矩形断面の線材を超音波振動によって接合するワイヤーボンドや、配線用のリードフレーム１や、金属製ターミナル等の配線部材３で接続されている。
　リードフレーム１とセラミックコンデンサ１００やチップ抵抗器２０などの実装部品は、はんだ４等の接合部剤で接合される。セラミックコンデンサ１００は、誘電体部と電極部を積層した積層セラミックコンデンサであり、外部電極層からなる外部電極１０１を備える。セラミックコンデンサ１００が実装されるのは、２つのリードフレーム１の間であり、この２つのリードフレーム１の間は電位が異なる。また、複数のリードフレーム１は、プレス加工やエッチング加工で形成され、それぞれのリードフレーム１の間には、数μｍから数十μｍ程度の段差がある。
　パワー半導体装置５０は、リードフレーム１にパワー半導体素子２と実装部品を接合部剤で接合し、配線部材３で接続したものをモールド樹脂５で封止する。パワー半導体装置５０は、内部に搭載するパワー半導体素子２の通電時に生じる発熱を、車載機器におけるパワー半導体装置５０が接合されるパワー半導体装置接合部に効率よく放出するために、パワー半導体装置５０における車載機器のパワー半導体装置接合部と対向する面に、リードフレーム１が一部露出したリードフレーム露出面を設ける場合がある。パワー半導体装置５０のリードフレーム露出面は、例えば図１において、パワー半導体素子２やチップ部品等が実装されていない面（裏面）側に形成される。パワー半導体装置５０のリードフレーム露出面は、車載機器のパワー半導体装置接合部に、熱抵抗が小さい絶縁部を介して接合される。これにより、パワー半導体素子２から発生する熱は、効率よく車載機器のパワー半導体接合部に放熱され、車載機器に設置されたヒートシンクなどから放熱する。
　ここで、本発明のパワー半導体装置５０は、配線パターン状に成型された複数の金属製のリードフレーム１と、リードフレーム１上に接合されたパワー半導体素子２と、端子が形成される複数のリードフレーム１との間や、リードフレーム１とパワー半導体素子２の上部に形成された電極部との間を接続する配線部材３と、パワー半導体素子２の下面に形成された下面電極部とリードフレーム１を接合する接合部剤と、リードフレーム１とパワー半導体素子２と配線部材３と接合部剤を包むモールド樹脂５を備える従来の構成に加えて、パワー半導体装置５０の内部に形成される回路中に、パワー半導体素子２のスイッチング時の電圧変動を緩和させるためのコンデンサ１００を備える。本発明のパワー半導体装置５０は、図２に示すようにコンデンサ１００の外部電極１０１とリードフレーム１のコンデンサ実装部１３との間に応力緩和構造部３９を備える。
　車載用機器の動作や、設置される雰囲気温度の変動や、パワー半導体素子２の通電などによって、パワー半導体装置５０の温度は大きく変動する。パワー半導体装置５０の温度変化が大きい場合、コンデンサ１００と周りの部材との線膨張係数差によってコンデンサ１００に生じる熱応力が大きくなるので、単純にリードフレーム１上にコンデンサ１００を実装し、モールド樹脂５で封止する構造をとることが困難であった。しかし、本発明の構成を備えることで、温度変化が大きい車載用機器にパワー半導体装置５０を搭載する場合でも、２つのリードフレーム１に間にコンデンサ１００を実装し、モールド樹脂５で封止する構造のパワー半導体装置５０を用いることができる。また、パワー半導体装置５０の製造の際に、２つのリードフレーム１の間にコンデンサ１００を接合した中間製造体を、製造ライン上で搬送する際にも、応力緩和構造部３９が振動に起因したコンデンサ１００への応力や、搬送中に外力が加わったときのコンデンサ１００への応力を緩和し、故障になることを防止することで、製造の歩留まりを向上することができる。
　コンデンサ１００の外部電極１０１とリードフレーム１のコンデンサ実装部１３とは、はんだ４で接合されている。本発明によるパワー半導体装置５０は、コンデンサ実装部１３の導電性接合剤であるはんだ４と外部電極１０１との間に、導電性接合剤よりも剛性が低い応力緩和構造部３９を備え、モールド樹脂５により周りが包まれる構造をとる。例えば応力緩和構造部３９としては、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂などの低弾性率の樹脂に導電性フィラーを配合した応力緩和層である導電性応力緩和部３０を用いるとよい。この場合、導電性応力緩和部３０の弾性率をモールド樹脂５よりも低い弾性率とすることで、必要な応力緩和作用を発揮できる。導電性フィラーは、金属微粒子が適切である。これにより、パワー半導体装置５０に温度変化が生じ、パワー半導体装置５０を構成する構成部材の線膨張係数差によるひずみが生じたときに、応力緩和構造部３９が変形することでコンデンサ１００に生じる熱応力を緩和し、コンデンサ１００とリードフレーム１との接合部が破断することや、コンデンサ１００が故障するのを防止する。
　この応力緩和構造部３９は、導電性フィラーを含んだ導電性部材で構成されている。図２では、応力緩和構造部３９を導電性接合剤（はんだ４）の付近のみに配置した例を示したが、外部電極１０１を覆うように配置してもよい。例示した２つの場合、コンデンサ１００の外部電極１０１に応力緩和構造部３９を付加する前処理を行うことで、生産プロセスの効率が向上する。
　また、コンデンサ１００を実装する２つのリードフレーム１のコンデンサ実装部１３の間には、前述のとおり、数μｍから数十μｍ程度の段差が発生する。この段差が存在する状態において、コンデンサ１００を実装した中間製造体をモールド樹脂５で封止すると、２つのリードフレーム１の間における段差が、１００気圧程度にも達する成型圧やモールド時の型締めによってこの段差が小さくなるように変化し、コンデンサ１００にクラックが生じる場合がある。したがって、モールド樹脂５で封止する場合においても、導電性接着剤（はんだ４）よりも剛性の低い応力緩和構造部３９が優先的に変形することで、コンデンサ１００に生じる応力を緩和することができる。これにより、コンデンサ１００にクラックが生じるのを防止し、製造プロセスの歩留まりが低下するのを防止することができる。また、モールド封止前のリードフレーム１にコンデンサ１００を接合した中間製造体を、製造ライン上で搬送する際にも、応力緩和構造部３９が振動に起因したコンデンサ１００への応力や、搬送中に外力が加わったときのコンデンサ１００への応力を緩和できる。
　応力緩和構造部３９を含んでいるコンデンサ１００とリードフレーム１との接合部は、最終的にモールド樹脂５で覆われる。応力緩和構造部３９が前述の応力を緩和したときに、応力緩和構造部３９が歪んだり、応力緩和構造部３９の一部にスリットが入るなどの変形が大きい場合でも、コンデンサ１００及びリードフレーム１はモールド樹脂５で保持されているために、コンデンサ固定強度が低下することがなく、パワー半導体装置５０の機能喪失や、機能障害の発生を防止できる。また、応力緩和構造部３９は、はんだ４やコンデンサ１００よりも剛性が低いため、２つのコンデンサ実装部１３の間に特に大きな段差がある場合など、万が一規格外であった場合には、応力緩和構造部３９が破壊され、オープン不良となるため、容易に不良を発見することができ、検査装置などの設備費用を低減できる。
　図３は、本発明の実施の形態１による応力緩和構造部を示す図である。前述したように、応力緩和構造部３９は、導電性フィラーと樹脂剤の混合物から構成されている。応力緩和構造部３９の剛性は、コンデンサ１００をリードフレーム１に接合する導電性接合剤（はんだ４）の剛性よりも大幅に低くなる。これにより、パワー半導体装置５０の動作時における温度サイクルや、モールド成型時における２つのリードフレーム１間の段差を小さくするような変形や、搬送時のストレスなどによって、コンデンサ１００とリードフレーム１との接合部に応力が生じた場合に、応力緩和構造部３９が積極的に変形し、コンデンサ１００の故障を防止する。
　また、図４に示すように、応力緩和構造部３９を、導電性応力緩和部３０と導電性応力緩和部３０の表面に設けられたＮｉやＳｎなどの金属めっき層３１とで構成してもよい。図４は、本発明の実施の形態１による他の応力緩和構造部を拡大した図である。ＮｉやＳｎなどの金属めっき層３１を設けることで、導電性応力緩和部３０だけの場合に比べて、はんだ付けされ易くすることができる。
　図５は、本発明の実施の形態１による更に他の応力緩和構造部を拡大した図である。図５は、はんだ４の一部や導電性応力緩和部３０の一部が欠損した部分である欠損部４０がある場合の例である。破線６は図３に示したはんだ４があった端部に該当し、破線３５は図３に示した導電性応力緩和部３０があった端部に該当する。コンデンサ１００は、外部電極１０１におけるリードフレーム１に対向する側において、応力緩和構造部３９が接続されない非接続部１１１を有する。実施の形態１のパワー半導体装置５０は、コンデンサ１００とリードフレーム１のコンデンサ実装部１３との間に設けられた応力緩和構造部３９において、その一部にスリットやクラックが入るような破壊をともなう変形がモールド工程前に生じた場合でも、モールド工程において応力緩和構造部３９に生じた欠損部４０にモールド樹脂５が充填される。すなわち非接続部１１１が存在する場合でも、モールド工程において非接続部１１１はモールド樹脂５により覆わる。したがって、実施の形態１のパワー半導体装置５０は、コンデンサ１００とリードフレーム１との接合部におけるはんだ４や導電性応力緩和部３０が欠損した欠損部４０が生じても、この欠損部４０にモールド樹脂５が充填される構造になっている。
　実施の形態１のパワー半導体装置５０は、モールド工程以前にコンデンサ１００に応力が作用した場合に、応力緩和構造部３９が変形もしくは部分的に破壊することで、コンデンサ１００に生じる応力が緩和される構造を備えるとともに、その状態のままでリードフレーム１及び、パワー半導体素子２やコンデンサ１００等の実装部品がモールド樹脂５に覆われる構造、すなわち、応力緩和構造部３９が変形もしくは部分的に破壊されたところ（欠損部４０）にモールド樹脂５が入り込む構造を備える。このため、実施の形態１のパワー半導体装置５０は、応力緩和構造部３９が変形もしくは部分的に破壊されることでコンデンサ１００の応力が低減された場合でも、変形もしくは部分的に破壊されたところ（欠損部４０）に補填するモールド樹脂５によって、コンデンサ１００を保持する強度が保つことができる。
　実施の形態１のパワー半導体装置５０とは異なる構造、例えば、応力緩和構造部３９があったとしても、回りにモールド樹脂５が配置されない構造を考える。この構造を備えたパワー半導体装置は、製造プロセス中で生じた応力緩和構造部３９の破壊をともなう変形が生じており、パワー半導体装置５０が受ける温度変化が大きい場合には、切り欠形状（クラック）となった変形部（欠損部４０）に、パワー半導体装置を構成する部材間の線膨張係数差に起因した繰り返し応力が集中して作用するため、クラックが進行し、このクラックが最終的に故障となる。したがって、この場合、製造プロセス中で応力緩和構造部３９が破壊をともなう変形をしているかどうかを検査する必要が生じ、検査コストが増大することとなる。しかしながら、本発明の構成を備えることで、これらのコスト増大の回避が可能となる。
　実施の形態１のパワー半導体装置５０によれば、配線パターン状に成型された複数のリードフレーム１と、リードフレーム１上に接合されたパワー半導体素子２と、互いに隣接した２つのリードフレーム１の間に配置されたコンデンサ１００とを備え、モールド樹脂５で封止さる。このコンデンサ１００は、当該コンデンサ１００の外部電極１０１が、当該コンデンサ１００よりも剛性が低い応力緩和構造部３９を介してリードフレーム１に接続されたことを特徴とするので、コンデンサよりも剛性が低い応力緩和構造部３９によって動作時や製造の際にコンデンサ１００に生じる応力を緩和し、コンデンサ１００が破壊するのを防止できる。
　実施の形態１の応力緩和構造部３９は、はんだ４およびコンデンサ１００よりも剛性の低い導電性応力緩和部３０を備えるので、動作時や製造の際にコンデンサに生じる応力を緩和し、コンデンサが破壊するのを防止できる。実施の形態１のパワー半導体装置５０は、コンデンサ１００、リードフレーム１のコンデンサ実装部１３及び応力緩和構造部３９がモールド樹脂５により封止されるので、導電性応力緩和部３０が変形もしくは部分的に破壊することで、モールド成型時や動作環境下の温度サイクルによる熱応力を緩和し、コンデンサクラックを防止することができる。この際、導電性応力緩和部３０は、その一部が変形もしくは破壊されたとしても、コンデンサ１００およびコンデンサ実装部１３はモールド樹脂５により保持されるため、リードフレーム１とコンデンサ１００の間の通電経路もしくは回路構成が破壊されることはない。
　実施の形態１の応力緩和構造部３９の導電性応力緩和部３０は、導電性フィラーと樹脂の混合物からなるので、はんだ４およびコンデンサ１００よりも大幅に剛性を低くすることができる。
　実施の形態１のパワー半導体装置５０は、リードフレーム１及び、パワー半導体素子２やコンデンサ１００等の実装部品がモールド樹脂５に覆われる構造を備えるので、応力緩和構造部３９が変形もしくは部分的に破壊されることでコンデンサ１００の応力が低減された場合でも、変形もしくは部分的に破壊されたところ（欠損部４０）に補填するモールド樹脂５によって、コンデンサ１００を保持する強度が保つことができる。
　実施の形態１のパワー半導体装置５０は、パワー半導体素子２のスイッチング時の電圧変動を緩和させるためのコンデンサ１００を、応力緩和構造部３９を介在させてリードフレーム１に接続するので、パワー半導体素子２の近傍にコンデンサ１００を設置することができ、パワー半導体装置５０を小型化することができる。実施の形態１のパワー半導体装置５０は、インバータ一体型の回転機の電機子電流あるいは界磁電流を制御するパワー半導体装置として用いることができる。電機子電流は、固定子が電機子となる場合の電機子に流れる電流である。界磁電流は、回転子が電機子となる場合の回転子に巻かれた界磁巻線に流れる電流である。インバータ一体型の回転機の電機子電流や界磁電流を制御するパワー半導体装置は、回転機の熱がパワー半導体装置に伝わり、パワー半導体装置の温度が上昇し線膨張係数差による応力も大きくなる。このように過酷な環境下で動作するインバータ一体型の回転機であっても、実施の形態１のパワー半導体装置５０は、応力緩和構造部３９を備えるので、コンデンサ１００に生じる応力を緩和し、コンデンサ１００が破壊するのを防止できる。
実施の形態２．
　図６は、実施の形態２による応力緩和構造部を拡大した図である。実施の形態２のパワー半導体装置５０における応力緩和構造部３９は、コンデンサ１００の外部電極１０１に接続する電極接続部３７と外部電極１０１に接続しない電極非接続部３８とを備える。外部電極１０１において、応力緩和構造部３９の電極接続部３７に接続する部分を第１電極部１０２とし、応力緩和構造部３９の電極接続部３７に接続しない部分を第２電極部１０３とする。図６において、第１電極部１０２は矢印区間１０２で示した部分であり、第２電極部１０３は矢印区間１０３で示した部分である。第２電極部１０３は、図６における外部電極１０１の上側、すなわち、はんだ４が接合した上限部（限界部）よりも上側ではなく、コンデンサ実装部１３の側に形成される。
　実施の形態２の応力緩和構造部３９は、電極非接続部３８を備えるので、コンデンサ１００の第２電極部１０３がリードフレーム１と固定されていないようにすることができる。実施の形態２の応力緩和構造部３９は、コンデンサ１００の第２電極部１０３がリードフレーム１と固定されていないようにすることで、モールド成型時の成型圧が作用したときに、第２電極部１０３付近、すなわち電極非接続部３８が多少動くので、コンデンサ１００に作用するモールド成型時の応力が低減し、コンデンサ１００が破壊されることを防止することができる。
　また、実施の形態２のパワー半導体装置５０は、モールド成形後に、第２電極部１０３と電極非接続部３８との間にモールド樹脂５が充填されるので、十分なコンデンサ固定強度を得ることができる。第２電極部１０３は、外部電極１０１の表面に、電極非接続部３８となる導電性応力緩和部３０が接続しないようにすると共に、はんだ４が濡れないようにする耐熱の高いポリイミド樹脂などを塗布することで、形成することができる。ポリイミドの他にも、アルミニウムを用いてもよい。外部電極１０１の表面にアルミニウムを塗布することで、電極非接続部３８となる導電性応力緩和部３０が接続しないようにすると共に、はんだに濡れないようにすることができる。このようなアルミ層は、アルミ粉末を用いて焼成により、コンデンサ１００の電極に重ねて形成することができる。
　図６では、コンデンサ１００の外部電極１０１の側面に、電極接続部３７が接続でき、かつ、はんだ４ではんだ付け可能な第１電極部１０２を配置し、リードフレーム１と対向するコンデンサ１００の対向面に、電極非接続部３８が形成でき、かつ、はんだ４ではんだ付けができない第２電極部１０３が配置された構成例を示した。なお、実施の形態２のパワー半導体装置５０は、第２電極部１０３を形成するために、リードフレーム１を工夫してもよい。具体的には、実施の形態２のパワー半導体装置５０におけるリードフレーム１は、コンデンサ１００に対向するリードフレーム１のコンデンサ実装部１３の一部に、はんだ付けされない電極層を配置した構造を備えたり、コンデンサ実装部１３の一部がはんだ付けされないポリイミド樹脂の層を配置した構造であってもよい。この場合、リードフレーム１側が工夫されているので、コンデンサ１００の第１電極部１０２となる部分に、外部電極１０１とは別材料のポリイミド樹脂やアルミ層を配置する必要はない。
実施の形態３．
　図７は、本発明の実施の形態３による応力緩和構造部を示す図である。実施の形態３のパワー半導体装置５０は、コンデンサ１００本体よりも剛性が低い金属板３２からなる応力緩和構造部３９を備える。金属板３２の一端はコンデンサ１００の外部電極１０１に接続され、金属板３２の他の一端はリードフレーム１のコンデンサ実装部１３に接続されている。この応力緩和構造部３９は、コンデンサ１００とリードフレーム１の間に金属板３２が介在するように配置された構造なので、モールド工程の際にコンデンサ１００に加わる成型圧、モールド時の型締め、パワー半導体装置５０の動作時における温度サイクル等によるコンデンサ１００に生じる応力を、金属板３２が変形することにより緩和することができる。この結果、コンデンサ１００に生じる応力に起因したコンデンサ不良を防止することができ、製造プロセスの歩留まりを向上できる。
　実施の形態３の応力緩和構造部３９では、金属板３２の剛性が低いほど、コンデンサ応力を低減する効果が大きくなる。また、実施の形態３の応力緩和構造部３９では、コンデンサ１００とリードフレーム１の距離ｄに相当する長さが長いほど、コンデンサ応力を低減する効果が大きくなる。金属板３２の材質としては、コンデンサ１００と線膨張係数が近い、インバー系材料が好ましい。実施の形態３のパワー半導体装置５０は、金属板３２からなる応力緩和構造部３９を備えるので、金属板３２の剛性は、コンデンサ１００、応力緩和構造３９、リードフレーム１をモールド樹脂５で封止する製造プロセスに耐えられるという条件を満たせばよい。
　また、車載用機器では、高い耐振動性能を求められる。従来の車載用のパワー半導体装置として説明したケース型パワー半導体装置に、実施の形態３の応力緩和構造部３９、すなわち金属板３２のみを適用しても信頼性を満たすことはできない。理由を説明する。上述したように、ケース型パワー半導体装置は、配線がパターニングされた絶縁性の基板上にパワー半導体素子やチップ部品を実装し、パワー半導体素子やチップ部品を配線部材で接続したものをシリコーンゲルなどで封止しているので、シリコーンゲルが振動し易く、金属板３２のみを適用しても信頼性を満たすことはできない。
　これに対して、高い耐振動性能を求められる場合でも、実施の形態３のパワー半導体装置５０は、金属板３２からなる応力緩和構造部３９を備え、リードフレーム１に実装したパワー半導体素子２やコンデンサ１００等のチップ部品を、シリコーンゲルよりも振動し難いモールド樹脂５で封止するので、信頼性を満たすことが可能となる。
　弾性が高い、エポキシ樹脂などでポッティングすることで封止する手法もあるが、これらはエポキシ樹脂を流し込むプロセス時間が長く、内部に気泡を含んでしまう。ポッティングされた樹脂に気泡が含まれると、絶縁を保つ必要がある部材間の絶縁距離を大きくする必要がある。絶縁を保つ必要がある部材とは、リードフレーム１、配線部材３、パワー半導体素子２の電極、コンデンサ１００の外部電極１０１等のチップ部品の電極等である。これに対して、実施の形態３のパワー半導体装置５０に適用されるトランスファーモールドによる封止は、１００気圧にも達する高圧でモールド成型して封止するため、モールド樹脂５の内部に気泡などを含まず、上記部材間の絶縁を保つために必要とされる絶縁距離を小さくとることができる。この結果、パワー半導体装置５０の小型化が可能となる。
実施の形態４．
　図８は、本発明の実施の形態４によるコンデンサ実装構造を示す図である。実施の形態４のパワー半導体装置５０は、２つのリードフレーム１の間に固定された絶縁性の配線基板２１上に形成された配線パターン２２とコンデンサ１００の外部電極１０１とが接合され、配線基板２１に形成された配線パターン２２とリードフレーム１とが別のワイヤーボンドなどの配線部材３により電気的に接続される構造を備える。すなわち、実施の形態４のパワー半導体装置５０は、リードフレーム１及びコンデンサ１００よりも剛性が低い配線基板２１からなる応力緩和構造部３９を備える。このように、実施の形態４のパワー半導体装置５０は、コンデンサ１００とリードフレーム１の間に配線基板２１を配置することにより、モールド成型時の成型圧やモールド成型による型締めによる応力が、配線基板２１により緩和されるので、直接コンデンサ１００に生じることがなく、コンデンサ１００が故障するのを防止することがきる。
　また、実施の形態４のパワー半導体装置５０は、配線基板２１がコンデンサ１００とリードフレーム１との間に介在することで、パワー半導体装置５０の動作時における温度サイクルが生じた際も、コンデンサ１００と配線基板２１との線膨張率差が小さくなる。このため、実施の形態４のパワー半導体装置５０は、コンデンサ１００に生じる熱応力は小さくなり、コンデンサ１００が故障するのを防止することがきる。配線基板２１の材料としては、リードフレーム１の材料との線膨張係数差が小さいことが好ましく、たとえば、ガラス繊維の布にエポキシ樹脂を染み込ませたＦＲ－４（Flame　Retardant　-4）が好ましい。
　なお、図８では、絶縁性の配線基板２１を使用した場合を示したが、図９に示すような、第２のリードフレーム７を使用した他のコンデンサ実装構造であってもよい。図９は、本発明の実施の形態４による他のコンデンサ実装構造を示す図である。図９では、リードフレーム１と絶縁した状態で固定される第２のリードフレーム７上にコンデンサ１００が接合される。この場合、第２のリードフレーム７の厚みをリードフレーム１の厚みよりも小さくすることで、温度サイクルによるコンデンサ熱応力を緩和することができる。
　実施の形態４のパワー半導体装置５０は、コンデンサ１００とリードフレーム１の間に、配線基板２１やリードフレーム１から絶縁された第２のリードフレーム７を配置することにより、モールド成形時のモールド成型圧や動作時における温度サイクルによる熱応力が直接コンデンサ１００に伝わることを防止することができる。したがって、実施の形態４のパワー半導体装置５０は、実施の形態１～３と同様にコンデンサよりも剛性が低い応力緩和構造部３９によって動作時や製造の際にコンデンサ１００に生じる応力を緩和し、コンデンサ１００が破壊するのを防止できる。
　上記いずれの実施の形態においても、パワー半導体素子２は、珪素によって形成されてもよい。また、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体材料によって形成してもよい。ワイドバンドギャップ半導体材料としては、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドがある。
　このようなワイドバンドギャップ半導体材料によって形成されたパワー半導体素子２は、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、パワー半導体素子２の小型化が可能であり、これら小型化されたパワー半導体素子２を用いることにより、これらの素子を組み込んだパワー半導体装置５０の小型化が可能となる。
　なお、本発明は、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。
　１…リードフレーム、２、２ａ、２ｂ、２ｃ…パワー半導体素子、３…配線部材、４…はんだ、５…モールド樹脂、７…第２のリードフレーム、２１…配線基板、３０…導電性応力緩和部、３２…金属板、３７…電極接続部、３８…電極非接続部、３９…応力緩和構造部、５０…パワー半導体装置、１００…コンデンサ、１０１…外部電極、１１１…非接続部。

Claims (11)

  1. 　モールド樹脂で封止されたパワー半導体装置であって、
    配線パターン状に成型された複数のリードフレームと、
    前記リードフレーム上に接合されたパワー半導体素子と、
    互いに隣接した２つの前記リードフレームの間に配置されたコンデンサとを備え、
    前記コンデンサは、当該コンデンサの外部電極が、当該コンデンサよりも剛性が低い応力緩和構造部を介して前記リードフレームに接続されたことを特徴とするパワー半導体装置。
  2. 　前記コンデンサと前記リードフレームとの接続構造は、
    当該コンデンサの外部電極に接続した前記応力緩和構造部と、前記応力緩和構造部と前記リードフレームを接続するはんだとを有し、
    前記応力緩和構造部は、前記はんだよりも剛性が低いことを特徴とする請求項１記載のパワー半導体装置。
  3. 　前記応力緩和構造部は、樹脂に導電性フィラーを配合した導電性応力緩和部を有することを特徴とする請求項１または２に記載のパワー半導体装置。
  4. 　前記コンデンサは、当該コンデンサの前記外部電極における前記リードフレームに対向する側において、前記応力緩和構造部が接続されない非接続部を有し、
    前記非接続部は前記モールド樹脂により覆われたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のパワー半導体装置。
  5. 　前記応力緩和構造部は、前記コンデンサの前記外部電極に接続する電極接続部と、前記外部電極に接続しない電極非接続部とを有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のパワー半導体装置。
  6. 　前記応力緩和構造部は、金属板であることを特徴とする請求項１または２に記載のパワー半導体装置。
  7. 　前記応力緩和構造部は、前記コンデンサの前記外部電極に接続する配線パターンを有する絶縁性の配線基板であることを特徴とする請求項１または２に記載のパワー半導体装置。
  8. 　前記応力緩和構造部は、前記リードフレーム上に配置されると共に当該リードフレームと絶縁された第２のリードフレームであり、
    前記第２のリードフレームは、前記コンデンサの前記外部電極に接続されると共に、配線部材により前記リードフレームに接続されたことを特徴とする請求項１または２に記載のパワー半導体装置。
  9. 　請求項１乃至８のいずれか１項に記載のパワー半導体装置は、車載用の回転電機に設置され、前記回転電機の電機子に電流を供給することを特徴とするパワー半導体装置。
  10. 　前記パワー半導体素子は、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乃至９のいずれか１項に記載のパワー半導体装置。
  11. 　前記ワイドバンドギャップ半導体材料は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、またはダイヤモンドのうちいずれかであることを特徴とする請求項１０記載のパワー半導体装置。
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