电力半导体装置、电力半导体装置的制造方法及电力变换装置与流程

1.本发明涉及电力半导体装置、电力半导体装置的制造方法及电力变换装置。


背景技术：

2.就现有的电力半导体装置而言，在设置于铝鳍片之上的绝缘基板的电路图案搭载半导体芯片，通过壳体将绝缘基板及半导体芯片包围，通过封装树脂对壳体的内侧进行封装。与壳体一体化的第1引线框经由焊料接合于半导体芯片之上，由具有绝缘性的树脂形成的第1间隔件是被绝缘基板的电路图案和第1引线框夹着，经由粘接剂而设置的。(例如，参照专利文献1)
3.专利文献1：日本特开2019-125678号公报(第0013～0022段、图1)
4.但是，为了将第1间隔件粘接于电路图案及第1引线框，需要新的粘接剂的准备及粘接工序。另外，在经由焊料将半导体芯片和第1引线框接合时，为了使焊料熔融，需要通过回流焊等对焊料、半导体芯片及第1引线框进行加热而使它们升温。特别地，在构造上，对于第1引线框，难以使其升温至所期望的温度，而且，由于第1间隔件为具有绝缘性的树脂，导热系数小，因此升温变得不充分，有时难以确保焊料厚度，难以得到良好的焊料接合部。


技术实现要素：

5.本发明就是为了解决上述那样的问题而提出的，其目的在于提供确保接合厚度，具有高品质且高可靠性的接合部的电力半导体装置。
6.另外，本发明的目的在于提供一种以实现了生产率提高的容易的制造方法，确保接合厚度，具有高品质且高可靠性的接合部的电力半导体装置的制造方法。
7.本发明涉及的电力半导体装置具有：半导体元件；电路图案，其搭载有半导体元件；绝缘层，其搭载有电路图案；散热鳍片，其搭载有绝缘层；壳体，其与散热鳍片的周缘粘接，将半导体元件、电路图案及绝缘层包围；封装树脂，其封装于被绝缘层、电路图案和壳体包围的区域；内部电极，其与半导体元件及电路图案接合，该内部电极包含平板形状部，该内部电极具有一对支撑部；以及外部电极，其与内部电极接合，与壳体一体成型。
8.另外，本发明涉及的电力半导体装置的制造方法具有如下工序：将半导体元件和隔着绝缘层搭载于散热鳍片的电路图案接合；将半导体元件和内部电极接合，将内部电极和电路图案接合；将散热鳍片和壳体粘接；将内部电极和与壳体一体成型的外部电极接合；通过金属导线对半导体元件和与壳体一体成型的控制端子进行导线键合而实施配线连接；以及对被绝缘层、电路图案和壳体包围的区域进行树脂封装。
9.发明的效果
10.根据本发明涉及的电力半导体装置，能够确保接合厚度，得到高品质及高可靠性的接合部。
11.根据本发明涉及的电力半导体装置的制造方法，能够以实现了生产率提高的容易
的制造方法，确保接合厚度，得到高品质及高可靠性的接合部。
附图说明
12.图1是表示实施方式1涉及的电力半导体装置的外观的俯视图。
13.图2是表示实施方式1涉及的电力半导体装置的结构的剖视图。
14.图3示出实施方式1涉及的电力半导体装置的结构，是对封装树脂进行封装前的俯视图。
15.图4是表示实施方式1涉及的电力半导体装置的制造方法的流程图。
16.图5是表示实施方式1涉及的电力半导体装置的制造方法的变形例的流程图。
17.图6是表示实施方式2涉及的电力半导体装置的外观的俯视图。
18.图7是表示实施方式2涉及的电力半导体装置的结构的剖视图。
19.图8示出实施方式2涉及的电力半导体装置的结构，是对封装树脂进行封装前的俯视图。
20.图9是表示实施方式2涉及的电力半导体装置的制造方法的流程图。
21.图10是表示电力变换系统的结构的框图，该电力变换系统包含实施方式3涉及的电力变换装置。
具体实施方式
22.实施方式1
23.一边使用附图，一边对实施方式1涉及的电力半导体装置100a的结构进行说明。图1是表示电力半导体装置100a的外观的俯视图。图2是图1的a-a线处的剖视图。图3是表示通过封装树脂10进行封装前的电力半导体装置100a的结构的俯视图。此外，在图3中也记载有与图1的a-a线相应的位置。
24.在俯视观察时，电力半导体装置100a的上表面的外观如图1所示，电力半导体装置100a的周缘被壳体8包围，壳体8的内侧被封装树脂10覆盖，与壳体8一体成型的外部电极7及控制端子12与外部进行电气输入输出，因此以能够与外部连接的方式延伸、露出。
25.如图2所示，电力半导体装置100a包含半导体元件1、散热鳍片3c、内部电极4、外部电极7、壳体8及封装树脂10。
26.散热鳍片3c和壳体8在散热鳍片3c的周缘部处通过粘接剂9进行粘接、固定。另外，半导体元件1的下表面经由接合材料2a与设置于散热鳍片3c的电路图案3a接合，该电路图案3a与半导体元件1平行地配置。半导体元件1的上表面经由接合材料2c与内部电极4接合，该内部电极4与半导体元件1平行地配置。内部电极4和外部电极7经由接合材料2d进行接合。这里，半导体元件1的下表面为在散热鳍片3c设置的电路图案3a侧的面，另外，半导体元件1的上表面是指半导体元件1的内部电极4侧的面。
27.如图2所示，在散热鳍片3c设置绝缘层3b，在绝缘层3b的与散热鳍片3c相反侧的面设置电路图案3a，散热鳍片3c、绝缘层3b及电路图案3a平行地配置并一体化，具有作为用于对发热的半导体元件1进行散热的冷却器的功能。
28.散热鳍片3c是包含cu或al中的任意者的导热系数优异的金属，包含凸起状的鳍片在内的厚度为8～15mm。绝缘层3b包含氮化铝(aln)或氮化硅(si3n4)中的任意者，厚度为0.1
～0.8mm。电路图案3a是包含cu或al中的任意者的导电性材料，厚度为0.2～1.5mm。
29.另外，绝缘层3b也可以是添加了包含bn或al2o3中的任意者的填料的环氧树脂。导热系数为6～18w/(m
·
k)，能够与电力半导体装置100a所需要的散热规格对应。
30.半导体元件1是对电力进行控制的所谓的电力半导体元件。例如，作为材料而包含si或带隙比si大的宽带隙半导体。宽带隙半导体例如为sic、gan、金刚石等。半导体元件1例如为igbt(insulated gate bipolar transistor)、mosfet(metal oxide semiconductor field effect transistor)、肖特基势垒二极管等。另外，例如，半导体元件1也可以是将igbt及续流二极管集成于1个半导体芯片的rc-igbt(reverse conducting igbt)。
31.如图2及图3所示，半导体元件1至少搭载有1个。能够与电力半导体装置100a的规格对应地搭载所需个数的半导体元件1。
32.另外，将半导体元件1接合于电路图案3a的接合材料2a为包含sn的导电性金属，是所谓的焊料。此外，由于半导体元件1发热，因此接合材料2a并不限于焊料，也可以是导热系数比焊料大的使用了包含具有散热性的ag或cu在内的金属微粒的烧结材料。
33.此外，特别是在接合材料2a为焊料的情况下，为了确保与焊料的润湿性，也可以针对电路图案3a，对与接合材料2a接合的至少一部分的面实施镀ni。
34.壳体8包含pps(poly phenylene sulfide)树脂或pbt(poly butylene terephthalate)树脂中的任意者。
35.如图2及图3所示，外部电极7为cu或包含cu的材料，与壳体8一起嵌件成型而一体化，外部电极7的一部分埋入至壳体8内。如图2所示，外部电极7是弯曲的，外部电极7的一个前端部与外部进行电气输入输出，因此从壳体8露出。外部电极7的另一个前端部在俯视观察时朝向壳体8的内侧的方向与内部电极4的平板形状部4a平行地配置，以平坦面状凸出、露出。
36.如图2及图3所示，内部电极4为cu或包含cu的材料，包含以与半导体元件1平行的方式配置的平板形状部4a。内部电极4的厚度为0.5～1.2mm的均匀厚度，以流过大电流。内部电极4相对于半导体元件1、电路图案3a及外部电极7平行地配置，与半导体元件1的上表面、电路图案3a及外部电极7进行接合。
37.另外，在内部电极4处，在内部电极4的平板形状部4a的厚度方向上形成有贯穿孔6。在贯穿孔6的周围，通过冲压等形成有压花部11，该压花部11朝向半导体元件1侧凸起状地设置有0.5mm左右的台阶。
38.在半导体元件1的上表面具有电极(省略图示)，半导体元件1的上表面、内部电极4的贯穿孔6、在贯穿孔6周边设置的压花部11经由接合材料2c进行接合。通过压花部11，特别是在接合材料2c为焊料的情况下，由于焊料相对于内部电极4充分地润湿扩展，因此能够确保焊料润湿性。接合材料2c的接合厚度为0.2～1.0mm。
39.另外，如图2及图3所示，在内部电极4处，在一个前端部及另一个前端部形成有一对朝向电路图案3a弯曲且具有倾斜形状的支撑部4b，内部电极4的一个前端部及另一个前端部经由接合材料2b与电路图案3a进行接合。
40.由此，内部电极4能够通过在内部电极4的一个前端部及另一个前端部设置的一对支撑部4b，相对于电路图案3a稳定地得到支撑、固定。因此，能够确保处于半导体元件1的上表面和内部电极4之间的接合材料2c的厚度。如图2及图3所示，与多个半导体元件1的上表
面接合的相同内部电极4能够在各半导体元件1的上表面处容易地确保接合材料2c的接合厚度而得到良好的接合，并且对在电力半导体装置100a的使用环境下产生的接合材料2c的热应力及热应变进行抑制。因此，能够得到高品质的接合，并且使接合材料2c的可靠性提高。
41.此外，接合材料2c也可以从半导体元件1的上表面填充于贯穿孔6，还与压花部11的上侧的面接合而将其覆盖，例如成为凸状而以圆顶形状隆起。压花部11的上侧是指压花部11的与半导体元件1相反侧的面。由此，能够进一步使接合材料2c所产生的热应力及热应变得到缓和。
42.另外，在内部电极4处，在一个前端部及另一个前端部形成有一对弯曲且具有倾斜形状的支撑部4b。由于内部电极4的一个前端部及另一个前端部经由接合材料2b与电路图案3a接合，因此对于发热的半导体元件1，除了向半导体元件1的下表面的散热之外，还能够从半导体元件1的上表面经由内部电极4向电路图案3a、绝缘层3b、散热鳍片3c整体上均衡且高效地实现散热，不会使热量集中。此外，电路图案3a包含没有搭载半导体元件1的电路图案3a。由此，能够实现发热的半导体元件1的散热性提高。
43.而且，对于由流过内部电极4的大电流导致的发热，也相同地能够从内部电极4经由电路图案3a向绝缘层3b、散热鳍片3c整体上均衡且高效地实现散热，不会使热量集中。此外，电路图案3a包含没有搭载半导体元件1的电路图案3a。由此，能够实现发热的内部电极4的散热性提高。因此，对半导体元件1成为高温进行抑制，因此能够稳定地进行动作。
44.如图2及图3所示，内部电极4经由接合材料2d与外部电极7接合。由此，与专利文献1不同，内部电极4没有与壳体8通过嵌件成型而一体化，因此能够确保半导体元件1的上表面的接合材料2c的接合厚度，能够针对接合材料2c使热应力及热应变得到缓和。另外，对于半导体元件1及内部电极4的发热，能够向与外部电极7连接的外部散热。
45.此外，接合材料2b、接合材料2c及接合材料2d为包含sn的导电性金属，是所谓的焊料。此外，由于半导体元件1发热，因此接合材料2b、接合材料2c及接合材料2d并不限于焊料，也可以是导热系数比焊料大的使用了包含具有散热性的ag或cu在内的金属微粒的烧结材料。
46.此外，特别是在接合材料2b、接合材料2c及接合材料2d为焊料的情况下，为了确保与焊料的润湿性，也可以针对电路图案3a、内部电极4及外部电极7，对与接合材料2b、接合材料2c及接合材料2d接合的至少一部分的面实施镀ni。
47.如图3所示，控制端子12为cu或包含cu的材料，与壳体8一起嵌件成型而一体化，控制端子12的一部分埋入至壳体8内。控制端子12的一个前端部与外部进行电气输入输出，因此从壳体8露出、延伸。如图3所示，控制端子12的另一个前端部从壳体8露出，通过金属导线13与半导体元件1电连接。金属导线13为包含al或cu中的任意者的材料。金属导线13的直径为0.1～0.5mm。
48.如图2所示，向被壳体8包围的区域填充封装树脂10而进行封装，换言之，向绝缘层3b及电路图案3a的搭载有半导体元件1的一侧的面，即，向半导体元件1、内部电极4及处于壳体8内侧的外部电极7的周围填充封装树脂10而进行封装。封装树脂10是具有热固性，添加了包含sio2的填料的环氧树脂，但并不限于此，只要是具有所需要的弹性模量、导热系数、耐热性、绝缘性及粘接性的树脂即可。例如，除了环氧树脂之外，也可以是硅酮树脂、酚
醛树脂、聚酰亚胺树脂等。
49.通过粘接剂9将壳体8与散热鳍片3c粘接、固定，因此在将封装树脂10填充于被壳体8包围的区域时，能够防止封装树脂10泄露至外部，能够在电力半导体装置100a的内部确保绝缘性。粘接剂9为硅酮树脂。或者，也可以为与封装树脂10相同的材料。
50.这样，通过在内部电极4设置贯穿孔6及一对弯曲且具有倾斜形状的支撑部4b，经由接合材料2b将内部电极4的支撑部4b接合于与散热鳍片3c及绝缘层3b一体化的电路图案3a，从而能够相对于电路图案3a将内部电极4稳定地支撑、固定。由此，与多个半导体元件1的上表面接合的相同内部电极4能够在各半导体元件1的上表面处容易地确保接合材料2c的接合厚度而得到良好的接合，并且对在电力半导体装置100a的使用环境下产生的接合材料2c的热应力及热应变进行抑制。因此，能够得到高品质的接合，并且使接合材料2c的可靠性提高。
51.另外，对于发热的半导体元件1，除了向半导体元件1的下表面散热之外，还从半导体元件1的上表面经由内部电极4向电路图案3a、绝缘层3b、散热鳍片3c而扩大散热路径，能够在整体上均衡且高效地实现散热而不使热量集中。此外，电路图案3a包含没有搭载半导体元件1的电路图案3a。由此，能够实现发热的半导体元件1的散热性提高。
52.而且，对于由流过内部电极4的大电流导致的发热，也相同地，能够从内部电极4经由电路图案3a向绝缘层3b、散热鳍片3c而扩大散热路径，在整体上均衡且高效地实现散热而不使热量集中。此外，电路图案3a包含没有搭载半导体元件1的电路图案3a。由此，能够实现发热的内部电极4的散热性提高。因此，对半导体元件1成为高温进行抑制，因此能够稳定地进行动作。
53.接着，对电力半导体装置100a的制造方法进行说明。
54.图4是表示实施方式1中的电力半导体装置100a的制造方法的流程图。这里，示出通过焊料进行接合的例子，即，示出接合材料2a、接合材料2b、接合材料2c及接合材料2d为焊料的例子。详细地对各工序即步骤s101～s106进行叙述。
55.在步骤s101中，通过接合材料2a将半导体元件1的下表面接合于电路图案3a。接合材料2a为糊状焊料或板状焊料。此时，就接合而言，通过来自散热鳍片3c的导热及回流焊内的热风进行加热，经过之后的冷却而完成接合。加热温度为230～300℃，以与包含sn的焊料的熔点对应。此外，虽然省略了图示，但为了相对于电路图案3a将半导体元件1的搭载位置固定，使用了专用夹具。
56.在步骤s102中，通过接合材料2c将具有贯穿孔6及压花部11的内部电极4接合于半导体元件1的上表面，通过接合材料2b将内部电极4的支撑部4b接合于电路图案3a。接合材料2b及接合材料2c为糊状焊料或板状焊料。接合材料2b及接合材料2c为与接合材料2a相同的材料，或具有熔点比接合材料2a低的组成的包含sn的焊料。与步骤s101相同地，就接合而言，通过来自散热鳍片3c的导热及回流焊内的热风进行加热，经过之后的冷却而完成接合。此外，虽然省略了图示，但为了将内部电极4的搭载位置固定，使用了专用夹具。
57.由于接合是通过来自散热鳍片3c的导热及回流焊内的热风进行加热的，因此不仅是半导体元件1，还经由接合材料2b导热，可以使内部电极4及接合材料2c升温至所期望的温度。由此，能够在半导体元件1的上表面处容易地确保接合材料2c的接合厚度，能够得到良好的接合。
58.在步骤s103中，将粘接剂9涂敷于散热鳍片3c的周缘，将壳体8粘接于散热鳍片3c。对包含硅酮的粘接剂9或与封装树脂10相同材料的粘接剂9进行涂敷。在涂敷后，通过对粘接面进行加热，从而使粘接剂9固化，散热鳍片3c及壳体8能够经由粘接剂9进行粘接。由此，在后述的注入、填充封装树脂10而进行树脂封装的工序中，不会使封装树脂10泄露至外部。
59.在步骤s104中，通过接合材料2d将外部电极7接合于内部电极4。与步骤s101相同地，就接合而言，通过来自散热鳍片3c的导热及回流焊内的热风进行加热，经过之后的冷却而完成接合。不仅是半导体元件1，还经由接合材料2b导热，可以使内部电极4、外部电极7及接合材料2d升温至所期望的温度，能够得到良好的接合。此外，在为了通过接合材料2d将外部电极7接合于内部电极4而进行加热的工序中，也可以一起同时进行步骤s103的使粘接剂9固化而进行粘接的工序。由此，能够通过接合材料2d将外部电极7接合于内部电极4，并且对散热鳍片3c及壳体8进行粘接。因此，能够抑制进行加热的工序次数，能够使生产率提高。
60.在步骤s105中，通过由包含al或cu中的任意者的材料形成的金属导线13对半导体元件1和控制端子12进行导线键合而实施配线连接。通过超声波工具(省略图示)对金属导线13一边进行加压一边施加超声波振动，从而将金属导线13超声波接合于半导体元件1及控制端子12而进行配线连接。
61.在步骤s106中，在被壳体8包围的绝缘层3b及电路图案3a的上侧，以填埋半导体元件1、内部电极4及处于壳体8内侧的外部电极7的方式，注入、填充封装树脂10而进行树脂封装。在树脂封装后，通过加热使封装树脂10固化。由此，对于接合材料2a、接合材料2b、接合材料2c、接合材料2d及金属导线13的接合部位，通过封装树脂对周围进行覆盖、固定，因此能够确保绝缘性，并且使可靠性提高。
62.这样，通过在内部电极4设置贯穿孔6及一对弯曲且具有倾斜形状的支撑部4b，经由接合材料2b将内部电极4的支撑部4b接合于与散热鳍片3c及绝缘层3b一体化的电路图案3a，从而能够相对于电路图案3a将内部电极4稳定地支撑、固定。由此，与多个半导体元件1的上表面接合的相同内部电极4能够在各半导体元件1的上表面处容易地确保接合材料2c的接合厚度，能够得到良好的接合，并且对在电力半导体装置100a的使用环境下产生的接合材料2c的热应力及热应变进行抑制。因此，能够得到高品质的接合，并且使接合材料2c的可靠性提高。
63.另外，对于发热的半导体元件1，除了向半导体元件1的下表面的散热之外，还从半导体元件1的上表面经由内部电极4向电路图案3a、绝缘层3b、散热鳍片3c而扩大散热路径，能够在整体上均衡且高效地实现散热而不使热量集中。此外，电路图案3a包含没有搭载半导体元件1的电路图案3a。由此，能够实现发热的半导体元件1的散热性提高。
64.而且，对于由流过内部电极4的大电流导致的发热，也相同地，能够从内部电极4经由电路图案3a向绝缘层3b、散热鳍片3c而扩大散热路径，在整体上均衡且高效地实现散热而不使热量集中。此外，电路图案3a包含没有搭载半导体元件1的电路图案3a。由此，能够实现发热的内部电极4的散热性提高。因此，对半导体元件1成为高温进行抑制，因此能够稳定地进行动作。
65.作为实施方式1中的电力半导体装置100a的制造方法的变形例，在图5中示出流程图。与图4相同地，这里，示出通过焊料进行接合的例子，即，示出接合材料2a、接合材料2b、接合材料2c及接合材料2d为焊料的例子。详细地对各工序即步骤s201～s205进行叙述。
66.在步骤s201中，一起同时进行通过接合材料2a将半导体元件1的下表面接合于电路图案3a的接合工序、通过接合材料2c将具有贯穿孔6及压花部11的内部电极4接合于半导体元件1的上表面的接合工序、通过接合材料2b将内部电极4的支撑部4b接合于电路图案3a的接合工序。此时，就接合而言，通过来自散热鳍片3c的导热及回流焊内的热风进行加热，经过之后的冷却而完成接合。此外，虽然省略了图示，但为了将半导体元件1及内部电极4的搭载位置固定，使用了专用夹具。因此，能够抑制进行加热的工序次数，能够使生产率提高。
67.在步骤s202中，将粘接剂9涂敷于散热鳍片3c的周缘，将壳体8粘接于散热鳍片3c。对包含硅酮的粘接剂9或与封装树脂10相同材料的粘接剂9进行涂敷。在涂敷后，通过对粘接面进行加热，从而粘接剂9固化，散热鳍片3c及壳体8能够经由粘接剂9进行粘接。由此，在后述的注入、填充封装树脂10而进行树脂封装的工序中，不会使封装树脂10泄露至外部。
68.在步骤s203中，通过接合材料2d将外部电极7接合于内部电极4。与步骤s201相同地，就接合而言，通过来自散热鳍片3c的导热及回流焊内的热风进行加热，经过之后的冷却而完成接合。此外，在为了通过接合材料2d将外部电极7接合于内部电极4而进行加热的工序中，也可以一起同时进行步骤s202的使粘接剂9固化而进行粘接的工序。由此，能够通过接合材料2d将外部电极7接合于内部电极4，并且对散热鳍片3c及壳体8进行粘接。因此，能够抑制进行加热的工序次数，能够使生产率提高。
69.在步骤s204中，通过由包含al或cu中的任意者的材料形成的金属导线13对半导体元件1和控制端子12进行导线键合而实施配线连接。通过超声波工具(省略图示)对金属导线13一边进行加压一边施加超声波振动，从而将金属导线13超声波接合于半导体元件1及控制端子12而进行配线连接。
70.在步骤s205中，在被壳体8包围的半导体元件1、绝缘层3b及电路图案3a的上侧，以填埋半导体元件1、内部电极4及处于壳体8内侧的外部电极7的方式，注入、填充封装树脂10而进行树脂封装。在树脂封装后，通过加热使封装树脂10固化。由此，对于接合材料2a、接合材料2b、接合材料2c、接合材料2d及金属导线13的接合部位，通过封装树脂对周围进行覆盖、固定，因此能够确保绝缘性，并且使可靠性提高。
71.由此，能够削减向回流焊的投入次数，对加热时间进行抑制，能够提高生产率，并且将散热鳍片3c、绝缘层3b、电路图案3a、半导体元件1、内部电极4及与壳体8一体化的外部电极7各结构部件的翘曲的影响抑制为最小限度。
72.此外，在图4及图5所示的流程图中示出接合材料2a、接合材料2b、接合材料2c及接合材料2d为焊料的例子，但并不限于焊料，也可以是导热系数比焊料大的使用了包含具有散热性的ag或cu在内的金属微粒的烧结材料。
73.在实施方式1中，将半导体元件1接合于与绝缘层3b及散热鳍片3c一体化的电路图案3a，壳体8以将半导体元件1、电路图案3a及绝缘层3b包围的方式与散热鳍片3c的周缘粘接，以将半导体元件1、内部电极4及处于壳体8内侧的外部电极7的周边覆盖的方式，在被绝缘层3b、电路图案3a和壳体8包围的区域对封装树脂10进行封装。具有外部电极7，该外部电极7经由接合材料2d与内部电极4接合，与壳体8一体成型。
74.内部电极4构成为，包含平板形状部4a，设置贯穿孔6及一对弯曲且具有倾斜形状的支撑部4b，经由接合材料2b而将内部电极4的支撑部4b接合，由此能够相对于电路图案3a将内部电极4稳定地支撑、固定。由此，与多个半导体元件1的上表面接合的相同内部电极4
能够在各半导体元件1的上表面处容易地确保接合材料2c的接合厚度而得到良好的接合，并且对在电力半导体装置100a的使用环境下产生的接合材料2c的热应力及热应变进行抑制。通过设为以上那样的结构，能够确保接合厚度，得到高品质的接合，并且使接合材料2c的可靠性提高。
75.另外，对于发热的半导体元件1，除了向半导体元件1的下表面散热之外，还从半导体元件1的上表面经由内部电极4向电路图案3a、绝缘层3b、散热鳍片3c而扩大散热路径，能够在整体上均衡且高效地实现散热而不使热量集中。此外，电路图案3a包含没有搭载半导体元件1的电路图案3a。由此，能够实现发热的半导体元件1的散热性提高。
76.而且，对于由流过内部电极4的大电流导致的发热，也相同地，能够从内部电极4经由电路图案3a向绝缘层3b、散热鳍片3c而扩大散热路径，在整体上均衡且高效地实现散热而不使热量集中。此外，电路图案3a包含没有搭载半导体元件1的电路图案3a。由此，能够实现发热的内部电极4的散热性提高。因此，对半导体元件1成为高温进行抑制，因此能够稳定地进行动作。
77.在内部电极4处，在一个前端部及另一个前端部形成有一对弯曲且具有倾斜形状的支撑部4b，该支撑部4b经由接合材料2b与电路图案3a接合，但支撑部4b并不限于是一对，也可以相对于相同内部电极4具有大于或等于3个支撑部4b。由此，能够进一步相对于电路图案3a将内部电极4稳定地支撑、固定。
78.此外，并不限于散热鳍片3c、绝缘层3b及电路图案3a被一体化的冷却器，散热鳍片3c和绝缘层3b也可以是分体的部件，该绝缘层3b相对于绝缘层3b的厚度方向在绝缘层3b的上表面及下表面各自设置有电路图案3a。在该情况下，将设置于绝缘层3b的电路图案3a接合于散热鳍片3c。
79.内部电极4与外部电极7为分体的部件。由于经由接合材料2d将由分体部件构成的内部电极4和外部电极7接合，因此即使由于向回流焊的多次投入导致的加热的重复，散热鳍片3c、绝缘层3b、电路图案3a、半导体元件1、内部电极4、壳体8及外部电极7各结构部件产生了翘曲，也能够使在半导体元件1的上表面的接合材料2c产生的热应力及热应变得到缓和。
80.实施方式2
81.图6是表示实施方式2涉及的电力半导体装置100b的外观的俯视图。图7是图6的b-b线处的剖视图。图8是表示通过封装树脂10进行封装前的电力半导体装置100b的结构的俯视图。此外，在图8中也记载有与图6的b-b线相应的位置。此外，本实施方式中的电力半导体装置100b的多数结构与实施方式1共通。因此，对与实施方式1的区别进行说明，并且对相同或对应的结构标注相同的标号，省略其说明。与实施方式1的区别在于如下结构，即，如图7及图8所示，替代支撑部4b，内部电极5的整体为平板形状，具有由导热系数高的金属形成的支撑部件14，以半导体元件1与内部电极5平行配置的方式，支撑部件14的一个端部经由接合材料2b与电路图案3a接合，支撑部件14的另一个端部经由接合材料2e与内部电极5接合。
82.内部电极5为平板形状，是cu或包含cu的材料。内部电极5的厚度为0.5～1.2mm的均匀厚度，以流过大电流。内部电极5相对于半导体元件1、电路图案3a及外部电极7平行地配置，与半导体元件1的上表面、支撑部件14及外部电极7接合。
83.另外，在内部电极5处，在内部电极5的厚度方向上形成有贯穿孔6。在贯穿孔6的周
围，通过冲压等形成有压花部11，该压花部11朝向半导体元件1侧凸起状地设置有0.5mm左右的台阶。
84.在半导体元件1的上表面具有电极(省略图示)，半导体元件1的上表面、内部电极5的贯穿孔6、在贯穿孔6的周边设置的压花部11经由接合材料2c进行接合。通过压花部11，特别是在接合材料2c为焊料的情况下，由于焊料相对于内部电极5充分地润湿扩展，因此能够确保焊料润湿性。接合材料2c的接合厚度为0.2～1.0mm。
85.支撑部件14为具有高导热系数的金属。例如，是包含cu或al中的任意者的金属材料。如图7及图8所示，就支撑部件14而言，在内部电极5的一个前端部及另一个前端部设置有一对支撑部件14。经由接合材料2b与电路图案3a接合的一对支撑部件14经由接合材料2e分别与内部电极5的一个前端部及另一个前端部进行接合。
86.另外，与内部电极5的电路图案3a及内部电极5的尺寸对应地将支撑部件14以尽可能最大的尺寸设为长方体的形状。此外，支撑部件14并不限于长方体，也可以是相对于内部电极5和电路图案3a之间的方向，如s字状那样具有曲线部的形状，也可以是支撑部件14的两端部的宽度和中央部的宽度不同的形状。由此，能够相对于电路图案3a将内部电极5稳定地支撑、固定，另外，热容量变大，能够实现散热性提高。
87.另外，将支撑部件14接合于电路图案3a的接合材料2b及将支撑部件14接合于内部电极5的接合材料2e为包含sn的导电性金属，是所谓的焊料。此外，内部电极5由于流过的大电流而发热，因此接合材料2a并不限于焊料，也可以是导热系数比焊料大的使用了包含具有散热性的ag或cu在内的金属微粒的烧结材料。
88.特别是在接合材料2b及接合材料2e为焊料的情况下，为了确保与焊料的润湿性，也可以针对电路图案3a及内部电极5，对与接合材料2b及接合材料2e接合的至少一部分的面实施镀ni。
89.接着，对电力半导体装置100b的制造方法进行说明。
90.图9是表示实施方式2中的电力半导体装置100b的制造方法的流程图。这里，示出通过焊料进行接合的例子，即，示出接合材料2a、接合材料2b、接合材料2c、接合材料2d及接合材料2e为焊料的例子。详细地对各工序即步骤s301～s305进行叙述。
91.在步骤s301中，通过接合材料2a将半导体元件1的下表面接合于电路图案3a，通过接合材料2b将支撑部件14的一个端部接合于电路图案3a。接合材料2a及接合材料2b为糊状焊料或板状焊料。此时，就接合而言，通过来自散热鳍片3c的导热及回流焊内的热风进行加热，经过之后的冷却而完成接合。加热温度为230～300℃，以与包含sn的焊料的熔点对应。此外，虽然省略了图示，但为了相对于电路图案3a将半导体元件1及支撑部件14的搭载位置固定，使用了专用夹具。
92.在步骤s302中，通过接合材料2c将具有贯穿孔6及压花部11的内部电极5接合于半导体元件1的上表面，通过接合材料2e将支撑部件14的另一个端部接合于内部电极5。接合材料2c及接合材料2e为糊状焊料或板状焊料。接合材料2c及接合材料2e为与接合材料2a相同的材料，或具有熔点比接合材料2a低的组成的包含sn的焊料。与步骤s301相同地，就接合而言，通过来自散热鳍片3c的导热及回流焊内的热风进行加热，经过之后的冷却而完成接合。此外，虽然省略了图示，但为了将内部电极5的搭载位置固定，使用了专用夹具。
93.由于接合是通过来自散热鳍片3c的导热及回流焊内的热风进行加热的，因此不仅
是半导体元件1，还经由接合材料2b导热，可以使内部电极5及接合材料2c升温至所期望的温度。由此，能够在半导体元件1的上表面处容易地确保接合材料2c的接合厚度，能够得到良好的接合。
94.在步骤s303中，将粘接剂9涂敷于散热鳍片3c的周缘，将壳体8粘接于散热鳍片3c。对包含硅酮的粘接剂9或与封装树脂10相同材料的粘接剂9进行涂敷。在涂敷后，通过对粘接面进行加热，从而粘接剂9固化，散热鳍片3c及壳体8能够经由粘接剂9进行粘接。由此，在后述的注入、填充封装树脂10而进行树脂封装的工序中，不会使封装树脂10泄露至外部。
95.在步骤s304中，通过接合材料2d将外部电极7接合于内部电极5。与步骤s301相同地，就接合而言，通过来自散热鳍片3c的导热及回流焊内的热风进行加热，经过之后的冷却而完成接合。不仅是半导体元件1，还经由接合材料2b导热，可以使内部电极5、外部电极7及接合材料2d升温至所期望的温度，能够得到良好的接合。此外，在为了通过接合材料2d将外部电极7接合于内部电极5而进行加热的工序中，也可以一起同时进行步骤s303的使粘接剂9固化而进行粘接的工序。由此，能够通过接合材料2d将外部电极7接合于内部电极5，并且对散热鳍片3c及壳体8进行粘接。因此，能够抑制进行加热的工序次数，能够使生产率提高。
96.在步骤s305中，通过由包含al或cu中的任意者的材料形成的金属导线13对半导体元件1和控制端子12进行导线键合而实施配线连接。通过超声波工具(省略图示)对金属导线13一边进行加压一边施加超声波振动，从而将金属导线13超声波接合于半导体元件1及控制端子12而进行配线连接。
97.在步骤s306中，在被壳体8包围的绝缘层3b及电路图案3a的上侧，以填埋半导体元件1、内部电极5及处于壳体8内侧的外部电极7的方式，注入、填充封装树脂10而进行树脂封装。在树脂封装后，通过加热使封装树脂10固化。由此，对于接合材料2a、接合材料2b、接合材料2c、接合材料2d、接合材料2e及金属导线13的接合部位，通过封装树脂对周围进行覆盖、固定，因此能够确保绝缘性，并且使可靠性提高。
98.在实施方式2中，将半导体元件1接合于与绝缘层3b及散热鳍片3c一体化的电路图案3a，壳体8以将半导体元件1、电路图案3a及绝缘层3b包围的方式与散热鳍片3c的周缘粘接，以将半导体元件1、内部电极5及处于壳体8内侧的外部电极7的周边覆盖的方式，在被绝缘层3b、电路图案3a和壳体8包围的区域对封装树脂10进行封装。具有外部电极7，该外部电极7经由接合材料2d与内部电极5接合，与壳体8一体成型。
99.内部电极5为平板形状，设置有贯穿孔6。支撑部件14的一个端部经由接合材料2b与电路图案3a接合，支撑部件14的另一个端部经由接合材料2e与内部电极5接合，从而能够相对于电路图案3a将内部电极5稳定地支撑、固定。由此，与多个半导体元件1的上表面接合的相同内部电极5能够在各半导体元件1的上表面处容易地确保接合材料2c的接合厚度而得到良好的接合，并且对在电力半导体装置100b的使用环境下产生的接合材料2c的热应力及热应变进行抑制。通过设为以上那样的结构，能够确保接合厚度，得到高品质的接合，并且使接合材料2c的可靠性提高。
100.另外，对于发热的半导体元件1，除了向半导体元件1的下表面散热之外，还从半导体元件1的上表面经由内部电极5及支撑部件14向电路图案3a、绝缘层3b、散热鳍片3c而扩大散热路径，能够在整体上均衡且高效地实现散热而不使热量集中。此外，电路图案3a包含没有搭载半导体元件1的电路图案3a。由此，能够实现发热的半导体元件1的散热性提高。
101.而且，对于由流过内部电极5的大电流导致的发热，也相同地，能够从内部电极5经由支撑部件14及电路图案3a向绝缘层3b、散热鳍片3c而扩大散热路径，在整体上均衡且高效地实现散热而不使热量集中。此外，电路图案3a包含没有搭载半导体元件1的电路图案3a。由此，能够实现发热的内部电极5的散热性提高。因此，对半导体元件1成为高温进行抑制，因此能够稳定地进行动作。
102.此外，如图7及图8所示，经由接合材料2e将一对支撑部件14接合于内部电极5的一个前端部及另一个前端部，但支撑部件14并不限于是一对，也可以是相对于相同内部电极5，大于或等于3个支撑部件14与相同内部电极5接合，与电路图案3a接合。由此，能够进一步相对于电路图案3a将内部电极5稳定地支撑、固定。
103.此外，支撑部件14只要具有能够通过回流焊将接合材料2c、内部电极5及外部电极7升温至所期望的温度的导热系数即可，也可以是降低了弹性模量的材料或具有弹簧性质。
104.另外，为了防止由于加热而引起的电路图案3a、内部电极5及外部电极7的氧化，回流焊也可以在还原环境下进行。
105.实施方式3
106.本实施方式是将上述实施方式1～2涉及的电力半导体装置100a或100b应用于电力变换装置。本实施方式并不限于特定的电力变换装置，但下面，作为实施方式3，对应用于三相逆变器的情况进行说明。
107.图10是表示电力变换系统的结构的框图，该电力变换系统应用了本实施方式涉及的电力变换装置200。
108.图10所示的电力变换系统由电源101、电力变换装置200、以及负载300构成。电源101为直流电源，将直流电力供给至电力变换装置200。电源101可以由各种电源构成，例如，能够由直流系统、太阳能电池、蓄电池构成，也可以由与交流系统连接的整流电路、ac/dc转换器构成。另外，也可以由将从直流系统输出的直流电力变换为规定的电力的dc/dc转换器构成电源101。
109.电力变换装置200为连接于电源101和负载300之间的三相逆变器，将从电源101供给、输入的直流电力变换为交流电力，将交流电力供给至负载300。如图10所示，电力变换装置200具有：主变换电路201，其将直流电力变换为交流电力而输出；驱动电路202，其输出对主变换电路201的各开关元件进行驱动的驱动信号；以及控制电路203，其将对驱动电路202进行控制的控制信号输出至驱动电路202。
110.负载300为由从电力变换装置200供给来的交流电力驱动的三相电动机。此外，负载300并不限于特定的用途，其为搭载于各种电气设备的电动机，例如，用作面向混合动力汽车、电动汽车、铁路车辆、电梯、或空调设备的电动机。
111.以下，对电力变换装置200的详情进行说明。主变换电路201具有开关元件和续流二极管(未图示)，通过开关元件的通断，从而将从电源101供给的直流电力变换为交流电力，供给至负载300。主变换电路201的具体的电路结构是多种多样的，但本实施方式涉及的主变换电路201为2电平的三相全桥电路，其能够由6个开关元件和分别与开关元件反并联的6个续流二极管构成。对主变换电路201的各开关元件应用上述实施方式1～2中的任意者涉及的电力半导体装置。此外，这里对由实施方式1涉及的电力半导体装置100a构成的情况进行说明。6个开关元件两个两个地串联连接而构成上下桥臂，各上下桥臂构成全桥电路的
各相(u相、v相、w相)。而且，各上下桥臂的输出端子，即主变换电路201的3个输出端子与负载300连接。
112.驱动电路202生成对主变换电路201的开关元件进行驱动的驱动信号，供给至主变换电路201的开关元件的控制电极。具体而言，按照来自后述的控制电路203的控制信号，将使开关元件成为接通状态的驱动信号和使开关元件成为断开状态的驱动信号输出至各开关元件的控制电极。在将开关元件维持为接通状态的情况下，驱动信号为大于或等于开关元件的阈值电压的电压信号(接通信号)，在将开关元件维持为断开状态的情况下，驱动信号为小于或等于开关元件的阈值电压的电压信号(断开信号)。
113.控制电路203对主变换电路201的开关元件进行控制，以将所期望的电力供给至负载300。具体而言，基于应该供给至负载300的电力对主变换电路201的各开关元件应该成为接通状态的时间(接通时间)进行计算。例如，能够通过与应该输出的电压对应地对开关元件的接通时间进行调制的pwm控制，对主变换电路201进行控制。而且，将控制指令(控制信号)输出至驱动电路202，以使得在各时刻将接通信号输出至应该成为接通状态的开关元件，将断开信号输出至应该成为断开状态的开关元件。驱动电路202按照该控制信号，将接通信号或断开信号作为驱动信号输出至各开关元件的控制电极。
114.在本实施方式涉及的电力变换装置200中，由于将实施方式1涉及的电力半导体装置用作主变换电路201的开关元件，因此能够实现可靠性提高。
115.在本实施方式中，对2电平的电力变换装置200进行了说明，但本实施方式并不限于此，能够应用于各种电力变换装置。在本实施方式中，设为2电平的电力变换装置200，但也可以是3电平或多电平的电力变换装置，在将电力供给至单相负载的情况下也可以将本实施方式1～2应用于单相逆变器。另外，在对直流负载等供给电力的情况下，也可以将本实施方式1～2应用于dc/dc转换器、ac/dc转换器。
116.另外，应用了本实施方式1～2的电力变换装置200并不限于上述负载为电动机的情况，例如，也能够用作放电加工机、激光加工机、或感应加热烹调器、非接触器供电系统的电源装置，而且也能够用作太阳能发电系统、蓄电系统等的功率调节器。
117.此外，可以将各实施方式自由地组合，对各实施方式适当进行变形、省略。
118.标号的说明
119.1 半导体元件
120.3a 电路图案
121.3b 绝缘层
122.3c 散热鳍片
123.4、5 内部电极
124.4a 平板形状部
125.4b 支撑部
126.6 贯穿孔
127.7 外部电极
128.8 壳体
129.10 封装树脂
130.11 压花部
131.12 控制端子
132.13 金属导线
133.14 支撑部件
134.100a、100b 电力半导体装置
135.200 电力变换装置
136.201 主变换电路
137.202 驱动电路
138.203 控制电路