JP6919725B2 - 半導体装置、その製造方法及び電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置、その製造方法及び電力変換装置に関する。

産業機器、電鉄、自動車の進展に伴い、それらに使用される半導体装置の使用温度も向上している。近年、高温でも動作する半導体装置の開発が精力的に行われ、半導体装置の小型化、高耐圧化、高電流密度化が進んでいる。特に、ＳｉＣ又はＧａＮなどのワイドバンドギャップ半導体はＳｉよりもバンドギャップが大きく、ワイドバンドギャップ半導体を用いた半導体装置の高耐圧化、小型化、高電流密度化、高温動作が期待されている。

このような半導体装置において、はんだを用いて絶縁基板の電極に半導体チップが接合される。その際に、半導体チップの実装位置の周囲にソルダーレジストを設けることで溶融したはんだのぬれ広がりを抑制することができる（例えば、特許文献１参照）。

日本特開２００１−２９８０３３号公報

しかし、一般的なソルダーレジストでは、溶融前の板はんだの位置決めを行うことはできない。このため、従来は、主にカーボン製の治具を用いて半導体チップと板はんだの位置決めを行っていた。しかし、半導体チップの形状及び配置が異なる他品種を生産する際には、その都度治具を作製する必要があり、生産コストが高くなり、生産性が低いという問題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は生産コストを低減し、生産性を向上させることができる半導体装置、その製造方法及び電力変換装置を得るものである。

本発明に係る半導体装置の製造方法は、絶縁基板の電極の上に環状に第１の位置決め樹脂を形成する工程と、前記第１の位置決め樹脂を形成した後、前記第１の位置決め樹脂の環の内側において前記電極の上に、前記第１の位置決め樹脂よりも厚みが薄い第１の板はんだを配置する工程と、前記第１の板はんだの上に半導体チップを配置する工程と、前記第１の板はんだを溶融して前記半導体チップの下面を前記電極に接合する工程とを備え、前記半導体チップは前記第１の位置決め樹脂の環の内径の内側に入り込んでいることを特徴とする。

本発明では、第１の位置決め樹脂の環の内側において電極の上に、第１の位置決め樹脂よりも厚みが薄い第１の板はんだを配置する。これにより、専用の治具を用いることなく、第１の位置決め樹脂により第１の板はんだの位置決めを行うことができる。この結果、生産コストを低減し、生産性を向上させることができる。

実施の形態１に係る半導体装置を示す断面図である。 実施の形態１に係る第１及び第２の位置決め樹脂を示す平面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態２に係る第１の位置決め樹脂を示す平面図である。 実施の形態３に係る電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。

実施の形態に係る半導体装置、その製造方法及び電力変換装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る半導体装置を示す断面図である。図２は、実施の形態１に係る第１及び第２の位置決め樹脂を示す平面図である。本実施の形態に係る半導体装置は、例えば家電用、産業用、自動車用、電車用などに広く用いられるパワーモジュールである。

絶縁基板１の下面に電極２が設けられ、上面に電極３が設けられている。絶縁基板１の電極３の上に環状に第１の位置決め樹脂４が設けられている。第１の位置決め樹脂４の環の内側において第１の板はんだ５により半導体チップ６の下面が電極３に接合されている。半導体チップ６はＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、Ｄｉｏｄｅなどである。半導体チップ６の上面にも環状に第２の位置決め樹脂７が設けられている。第２の板はんだ８により配線電極９が半導体チップ６の上面に接合されている。

続いて、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する。図３及び図４は、実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。

図３に示すように、絶縁基板１の電極３の上に環状に第１の位置決め樹脂４を形成する。次に、第１の位置決め樹脂４の環の内側において電極３の上に、第１の位置決め樹脂４よりも厚みが薄い第１の板はんだ５を配置する。

次に、図４に示すように、第１の板はんだ５の上に半導体チップ６を配置する。第１の板はんだ５を溶融して半導体チップ６の下面を電極３に接合する。次に、半導体チップ６の上面に環状に第２の位置決め樹脂７を形成する。次に、第２の位置決め樹脂７の環の内側において半導体チップ６の上面に、第２の位置決め樹脂７よりも厚みが薄い第２の板はんだ８を配置する。

次に、第２の板はんだ８の上に配線電極９を配置する。次に、図１に示すように、第２の板はんだ８を溶融し、溶融して表面張力により盛り上がった第２の板はんだ８により配線電極９を半導体チップ６の上面に接合する。

本実施の形態では、第１の位置決め樹脂４の環の内側において電極３の上に、第１の位置決め樹脂４よりも厚みが薄い第１の板はんだ５を配置する。これにより、専用の治具を用いることなく、第１の位置決め樹脂４により第１の板はんだ５の位置決めを行うことができる。この結果、生産コストを低減し、生産性を向上させることができる。また、第１の位置決め樹脂４を塗布する位置を変更するだけで、製品の品種に応じて半導体チップ６のはんだ付け位置を自由に設定することができる。

また、半導体チップ６は、外形が第１の位置決め樹脂４の環よりも小さく、第１の位置決め樹脂４の環の内側に入り込んでいる。これにより、専用の治具を用いることなく、第１の位置決め樹脂４により半導体チップ６の位置決めを行うこともできる。また、絶縁基板１の反りに影響されることなく半導体チップ６を位置決めできる。

また、第２の位置決め樹脂７の環の内側において半導体チップ６の上面に、第２の位置決め樹脂７よりも厚みが薄い第２の板はんだ８を配置する。これにより、専用の治具を用いることなく、第２の板はんだ８の位置決めを行うことができる。また、第２の位置決め樹脂７の厚みを制御することによりはんだ厚を狙い値とすることができるため、信頼性を確保することができる。

実施の形態２．
図５は、実施の形態２に係る第１の位置決め樹脂を示す平面図である。第１の位置決め樹脂４は、図２ではチップ全周にわたって線状に配置されているが、図５では複数の点状に配置されている。その他の構成は実施の形態１と同様である。この場合でも第１の板はんだ５の位置決めを行うことができる。さらに、樹脂の塗布量を削減してコストを低減し、塗布時間を削減して生産性を向上することができる。なお、同様に第２の位置決め樹脂７を複数の点状に配置してもよい。

なお、半導体チップ６は、珪素によって形成されたものに限らず、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によって形成されたものでもよい。ワイドバンドギャップ半導体は、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、又はダイヤモンドである。このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成された半導体チップは、耐電圧性や許容電流密度が高いため、小型化できる。この小型化された半導体チップを用いることで、この半導体チップを組み込んだ半導体装置も小型化・高集積化できる。また、半導体チップの耐熱性が高いため、ヒートシンクの放熱フィンを小型化でき、水冷部を空冷化できるので、半導体装置を更に小型化できる。また、半導体チップの電力損失が低く高効率であるため、半導体装置を高効率化できる。

実施の形態３．
本実施の形態は、上述した実施の形態１又は２に係る半導体装置を電力変換装置に適用したものである。電力変換装置は、例えば、インバータ装置、コンバータ装置、サーボアンプ、電源ユニットなどである。本発明は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、三相のインバータに本発明を適用した場合について説明する。

図６は、実施の形態３に係る電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。この電力変換システムは、電源１００、電力変換装置２００、負荷３００を備える。電源１００は、直流電源であり、電力変換装置２００に直流電力を供給する。電源１００は種々のもので構成することが可能であり、例えば、直流系統、太陽電池、蓄電池で構成することができ、交流系統に接続された整流回路又はＡＣ／ＤＣコンバータで構成してもよい。また、電源１００を、直流系統から出力される直流電力を所定の電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータによって構成してもよい。

電力変換装置２００は、電源１００と負荷３００の間に接続された三相のインバータであり、電源１００から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に交流電力を供給する。電力変換装置２００は、直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路２０１と、主変換回路２０１を制御する制御信号を主変換回路２０１に出力する制御回路２０３とを備えている。

負荷３００は、電力変換装置２００から供給された交流電力によって駆動される三相の電動機である。なお、負荷３００は特定の用途に限られるものではなく、各種電気機器に搭載された電動機であり、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車、鉄道車両、エレベータ、もしくは、空調機器向けの電動機として用いられる。

以下、電力変換装置２００を詳細に説明する。主変換回路２０１は、スイッチング素子と還流ダイオードを備えており（図示せず）、スイッチング素子がスイッチングすることによって、電源１００から供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に供給する。主変換回路２０１の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態にかかる主変換回路２０１は２レベルの三相フルブリッジ回路であり、６つのスイッチング素子とそれぞれのスイッチング素子に逆並列された６つの還流ダイオードから構成することができる。主変換回路２０１の各スイッチング素子と各還流ダイオードは、上述した実施の形態１〜４のいずれかに相当する半導体装置２０２によって構成する。６つのスイッチング素子は２つのスイッチング素子ごとに直列接続され上下アームを構成し、各上下アームはフルブリッジ回路の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を構成する。そして、各上下アームの出力端子、すなわち主変換回路２０１の３つの出力端子は、負荷３００に接続される。

また、主変換回路２０１は、各スイッチング素子を駆動する駆動回路（図示なし）を備えているが、駆動回路は半導体装置２０２に内蔵されていてもよいし、半導体装置２０２とは別に駆動回路を備える構成であってもよい。駆動回路は、主変換回路２０１のスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成し、主変換回路２０１のスイッチング素子の制御電極に供給する。具体的には、後述する制御回路２０３からの制御信号に従い、スイッチング素子をオン状態にする駆動信号とスイッチング素子をオフ状態にする駆動信号とを各スイッチング素子の制御電極に出力する。スイッチング素子をオン状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以上の電圧信号（オン信号）であり、スイッチング素子をオフ状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以下の電圧信号（オフ信号）となる。

制御回路２０３は、負荷３００に所望の電力が供給されるよう主変換回路２０１のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷３００に供給すべき電力に基づいて主変換回路２０１の各スイッチング素子がオン状態となるべき時間（オン時間）を算出する。例えば、出力すべき電圧に応じてスイッチング素子のオン時間を変調するＰＷＭ制御によって主変換回路２０１を制御することができる。そして、各時点においてオン状態となるべきスイッチング素子にはオン信号を、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号が出力されるよう、主変換回路２０１が備える駆動回路に制御指令（制御信号）を出力する。駆動回路は、この制御信号に従い、各スイッチング素子の制御電極にオン信号又はオフ信号を駆動信号として出力する。

本実施の形態に係る電力変換装置では、半導体装置２０２として実施の形態１又は２に係る半導体装置を適用するため、生産コストを低減し、生産性を向上させることができる。

本実施の形態では、２レベルの三相インバータに本発明を適用する例を説明したが、本発明は、これに限られるものではなく、種々の電力変換装置に適用することができる。本実施の形態では、２レベルの電力変換装置としたが３レベル又はマルチレベルの電力変換装置であっても構わないし、単相負荷に電力を供給する場合には単相のインバータに本発明を適用しても構わない。また、直流負荷等に電力を供給する場合にはＤＣ／ＤＣコンバータ又はＡＣ／ＤＣコンバータに本発明を適用することも可能である。

また、本発明を適用した電力変換装置は、上述した負荷が電動機の場合に限定されるものではなく、例えば、放電加工機、レーザー加工機、又は誘導加熱調理器もしくは非接触器給電システムの電源装置として用いることもでき、さらには太陽光発電システム又は蓄電システム等のパワーコンディショナーとして用いることも可能である。

１ 絶縁基板、３ 電極、４ 第１の位置決め樹脂、５ 第１の板はんだ、６ 半導体チップ、７ 第２の位置決め樹脂、８ 第２の板はんだ、９ 配線電極、２００ 電力変換装置、２０１ 主変換回路、２０２ 半導体装置、２０３ 制御回路

Claims (8)

1. 絶縁基板の電極の上に環状に第１の位置決め樹脂を形成する工程と、
   前記第１の位置決め樹脂を形成した後、前記第１の位置決め樹脂の環の内側において前記電極の上に、前記第１の位置決め樹脂よりも厚みが薄い第１の板はんだを配置する工程と、
   前記第１の板はんだの上に半導体チップを配置する工程と、
   前記第１の板はんだを溶融して前記半導体チップの下面を前記電極に接合する工程とを備え、
   前記半導体チップは前記第１の位置決め樹脂の環の内径の内側に入り込んでいることを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記第１の位置決め樹脂は複数の点状に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 絶縁基板の電極の上に環状に第１の位置決め樹脂を形成する工程と、
   前記第１の位置決め樹脂の環の内側において前記電極の上に、前記第１の位置決め樹脂よりも厚みが薄い第１の板はんだを配置する工程と、
   前記第１の板はんだの上に半導体チップを配置する工程と、
   前記第１の板はんだを溶融して前記半導体チップの下面を前記電極に接合する工程と、
   前記半導体チップの上面に環状に第２の位置決め樹脂を形成する工程と、
   前記第２の位置決め樹脂の環の内側において前記半導体チップの上面に、前記第２の位置決め樹脂よりも厚みが薄い第２の板はんだを配置する工程と、
   前記第２の板はんだの上に配線電極を配置する工程と、
   前記第２の板はんだを溶融して前記配線電極を前記半導体チップの上面に接合する工程とを更に備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
4. 前記半導体チップはワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体装置の製造方法。
5. 電極を有する絶縁基板と、
   前記電極の上に環状に設けられた位置決め樹脂と、
   前記位置決め樹脂の環の内側において前記電極の上に設けられ、前記位置決め樹脂よりも厚みが薄いはんだと、
   前記はんだにより前記電極に接合された半導体チップとを備え、
   前記位置決め樹脂は複数の点状に配置されていることを特徴とする半導体装置。
6. 前記半導体チップは前記位置決め樹脂の環の内径の内側に入り込んでいることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
7. 前記半導体チップの上面に環状に設けられた第２の位置決め樹脂と、
   前記第２の位置決め樹脂の環の内側において前記半導体チップの上面に設けられ、前記第２の位置決め樹脂よりも厚みが薄い第２のはんだと、
   前記第２のはんだにより前記半導体チップの上面に接合された配線電極とを更に備えることを特徴とする請求項５又は６に記載の半導体装置。
8. 請求項５―７の何れか１項に記載の半導体装置を有し、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
   前記主変換回路を制御する制御信号を前記主変換回路に出力する制御回路とを備えることを特徴とする電力変換装置。

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