JP7562012B2 - 半導体装置、電力変換装置、および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、半導体装置、電力変換装置、および半導体装置の製造方法に関する。

特許文献１に、モールド型の半導体装置が記載されている。特許文献１では、特にモールド型の半導体装置は小型で信頼性に優れており、取り扱いが容易であることから、空調機器の制御などに広く用いられている、と記載されている。

特開２０１５－１１５３８２号公報

半導体装置の製造過程において、接合材が再溶融し、半導体装置の品質が低下するという問題がある。

本開示はこのような問題を解決するためのものであり、製造過程における接合材の再溶融を抑制でき、接合材の再溶融による品質の低下を抑制できる半導体装置を提供することを目的とする。

本開示の半導体装置は、上面および下面を有する第１絶縁材と、第１絶縁材の上面上に設けられた第１導体パターンと、第１絶縁材の下面上に設けられた第２導体パターンと、第１接合材により第１導体パターンの上面と接合された半導体素子と、第２接合材により第２導体パターンの下面と接合された第１ベース板と、を備え、第１絶縁材の熱伝導率κ_１と第１絶縁材の厚みＤ_１の比κ_１／Ｄ_１はκ_１／Ｄ_１≦３５×１０^４Ｗ／（ｍ^２Ｋ）を満たし、第１接合材の固相線温度が第２接合材の固相線温度以上であり、第１接合材の固相線温度と第２接合材の固相線温度の差が４０℃以内である、半導体装置である。

本開示により、製造過程における接合材の再溶融を抑制でき、接合材の再溶融による品質の低下を抑制できる半導体装置が提供される。

また、本願明細書に開示される技術に関連する目的と、特徴と、局面と、利点とは、以下に示される詳細な説明と添付図面とによって、さらに明白となる。

実施の形態１の半導体装置の断面図である。 実施の形態１の半導体装置の上面図である。 実施の形態２の半導体装置の断面図である。 実施の形態２の半導体装置の断面図である。 実施の形態２の半導体装置の上面図である。 実施の形態３の半導体装置の断面図である。 実施の形態３の半導体装置の断面図である。 実施の形態４の半導体装置の断面図である。 実施の形態５の半導体装置の断面図である。 実施の形態１の半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。 実施の形態６の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。

以下の説明において、上および下とは、半導体装置の一方向を上方向とし、その反対方向を下方向として示すものであり、半導体装置の製造時または使用時における上下方向を限定するものではない。

＜Ａ．実施の形態１＞
＜Ａ－１．構成＞
図２は半導体装置１５１の上面図である。半導体装置１５１の内部構造を示すため、図２においては半導体装置１５１の備える封止材１０は省略されている。図１は実施の形態１の半導体装置１５１の断面図であり、図２のＡ－Ａ線における断面図である。

半導体装置１５１は、半導体ユニット１０１と、ベース板１１（第１ベース板の一例）と、接合材１２（第２接合材の一例）と、を備える。

半導体ユニット１０１は、絶縁基板２５、接合材４（第１接合材の一例）、半導体素子５ａ１、半導体素子５ａ２、半導体素子５ｂ１、半導体素子５ｂ２、ワイヤ６、ワイヤ７、主端子８ａ、主端子８ｂ、主端子８ｃ、信号端子９、および封止材１０、を備える。

半導体素子５ａ１および半導体素子５ａ２はＳｉのＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）であり、半導体素子５ｂ１および半導体素子５ｂ２はＳｉのダイオードである。半導体素子５ａ１、半導体素子５ａ２、半導体素子５ｂ１、および半導体素子５ｂ２を区別する必要がない場合は、半導体素子５ａ１、半導体素子５ａ２、半導体素子５ｂ１、および半導体素子５ｂ２をそれぞれ半導体素子５とも呼ぶ。

半導体装置１５１は、ＩＧＢＴとダイオードを備える代わりに、ＩＧＢＴとダイオードが一体となったＲＣ－ＩＧＢＴ（Ｒｅｖｅｒｓｅ－Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ＩＧＢＴ、逆導通ＩＧＢＴ）を備えていてもよい。また、半導体装置１５１は、ＳｉのＩＧＢＴおよびＳｉのダイオードの代わりに、例えば、ＳｉＣまたはＧａＮのＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）およびＳｉＣまたはＧａＮのＳＢＤを備えていてもよい。

主端子８ａ、主端子８ｂ、および主端子８ｃを区別する必要がない場合は、それぞれを主端子８とも呼ぶ。各主端子８は電力用の端子である。

絶縁基板２５は、上面および下面を有する絶縁材１（第１絶縁材の一例）と、絶縁材１の上面上に設けられた導体パターン２（第１導体パターンの一例）と、絶縁材１の下面上に設けられた導体パターン３（第２導体パターンの一例）と、を備える。絶縁材１と導体パターン２は例えば直接接合により接合されている。絶縁材１と導体パターン３は例えば直接接合により接合されている。

各半導体素子５は、接合材４により導体パターン２の上面と接合されている。

ワイヤ６は電力用のワイヤである。図２に示されるように、半導体素子５ａ１と半導体素子５ｂ１、半導体素子５ｂ１と導体パターン２、導体パターン２と主端子８ａ、導体パターン２と主端子８ｃ、半導体素子５ａ２と半導体素子５ｂ２、半導体素子５ｂ２と主端子８ｂ、は、ワイヤ６により接続されている。

ワイヤ７は信号用のワイヤである。半導体素子５ａ１と信号端子９、および半導体素子５ａ２と信号端子９、はワイヤ７により接続されている。

半導体ユニット１０１において、絶縁材１と、導体パターン２と、導体パターン３の一部と、接合材４と、半導体素子５と、ワイヤ６と、ワイヤ７と、各主端子８の一部と、各信号端子９の一部と、は封止材１０に封止されている。半導体ユニット１０１において、導体パターン３の下面は封止材１０から露出している。

半導体ユニット１０１は、接合材１２を介してベース板１１の上面上に搭載されている。ベース板１１は接合材１２により導体パターン３の下面と接合されている。

絶縁材１は例えば絶縁樹脂である。当該絶縁材樹脂は例えばエポキシ樹脂を主成分とする絶縁材樹脂である。絶縁材１は例えばセラミックである。当該セラミックは例えばＡｌ_２Ｏ_３を主成分とするセラミックである。

放熱性を高めるためには、絶縁材１の熱伝導率はより高いものであることが望ましく、また、絶縁材１はより薄いものであることが望ましい。一方、絶縁材１の熱伝導率を高くかつ薄くすると、製造工程において半導体ユニット１０１の下側から半導体ユニット１０１に加えられた熱が接合材４へと伝わりやすくなるが、接合材４へと伝わる熱が多いと、接合材４が再溶融するという問題が起きる。製造工程における接合材４の再溶融を抑制するため、絶縁材１の熱伝導率κ_１と絶縁材１の厚みＤ_１（図１を参照）の比κ_１／Ｄ_１はκ_１／Ｄ_１≦３５×１０^４Ｗ／（ｍ^２Ｋ）を満たすことが望ましい。例えば、絶縁材１の熱伝導率κ_１は３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下でありかつ絶縁材１の厚みＤ_１は１００μｍ以上である。絶縁材１の厚みＤ_１を１００μｍ以上とすることで、絶縁材１の厚みＤ_１が１００μｍ未満の場合と比べ絶縁材１の絶縁性能および強度が向上する。絶縁材１として絶縁樹脂を用いれば、絶縁材１の熱伝導率を低くすることが容易であり、接合材４の再溶融の抑制が容易である。

導体パターン２の材料は例えば金属である。当該金属は例えばアルミ、アルミ合金、銅、または銅合金である。

導体パターン２は接合材４を介して半導体素子５と接している。導体パターン２は、半導体素子５が発する熱を拡散する機能を有する。半導体素子５が発する熱を面内方向に十分に拡散できるよう、導体パターン２は十分な厚みを有することが好ましい。望ましい導体パターン２の厚みは、導体パターン２の面内方向のレイアウトに依存するが、例えば０．４ｍｍ～１．２ｍｍである。

導体パターン２の上面にディンプルまたはスリット等の凹凸を設けることで、導体パターン２と封止材１０との密着性を向上させることができる。

導体パターン３の材料は例えば金属である。当該金属は例えばアルミ、アルミ合金、銅、または銅合金である。

接合材４は例えばはんだである。接合材４は例えば、鉛フリーでありかつＳｎを主成分とするはんだである。

図２では半導体装置１５１が４つの半導体素子を備える場合が示されているが、半導体装置１５１が備える半導体素子は１つでも２つでも３つでもよいし、５つ以上でもよい。

ワイヤ６の材料は例えばアルミ、アルミ合金、銅、または銅合金である。

ワイヤ６は、アルミと銅を組み合わせたワイヤ、例えば、外周部はアルミで内部は銅である複合材を用いたワイヤであってもよい。

ワイヤ６に求められる電流容量にもよるが、望ましいワイヤ６の直径は例えば２００μｍ～１０００μｍである。ワイヤ６として、延在方向と交差する方向に幅の広いリボン状の形状のワイヤを用いることで、電流容量を増やすことができる。

ワイヤ７の材料は例えばアルミ、アルミ合金、銅、または銅合金である。ワイヤ７はワイヤ６とは異なり大電流を流す必要がないため、ワイヤ７の径はワイヤ６の径より小さくてもよい。ワイヤ７の直径は例えば１００μｍ～４００μｍである。

主端子８の材料は例えば銅または銅合金である。軽量化のため、主端子８の材料としてアルミまたはアルミ合金を用いてもよい。主端子８を厚くすることで、主端子８に電流を流した際の主端子８の自己発熱を抑制できる。望ましい主端子８の厚みは例えば０．５ｍｍ～２．０ｍｍである。

信号端子９の材料は例えば銅または銅合金である。軽量化のため、信号端子９の材料としてアルミまたはアルミ合金を用いても良い。信号端子９は、ワイヤ７と同様、大電流を流す必要が無い。そのため、信号端子９の厚みは１ｍｍ程度で十分である。

封止材１０は例えば樹脂である。当該樹脂は例えばエポキシ系樹脂である。

半導体素子５の発熱により封止材１０の温度が上昇する。当該温度上昇による封止材１０の線膨張係数の変動を抑制するために、望ましい封止材１０のガラス転移温度Ｔｇは例えば１７５℃以上である。

封止材１０と導体パターン２との剥離の抑制および接合材１２のクラックの抑制のために、封止材１０の線膨張係数の望ましい値は例えば１８～２４ｐｐｍ／℃である。封止材１０の線膨張係数が接合材１２の線膨張係数以下であることで、接合材１２に生じる応力を低減でき、これにより、半導体装置１５１の信頼性を向上できる。封止材１０がガラス転移を起こす場合、当該線膨張係数は封止材１０のガラス転移温度Ｔｇ以下の温度における線膨張係数を指す。封止材１０のフィラーを調整することで、封止材１０の線膨張係数を調整できる。

接合材１２は例えばはんだである。接合材１２は例えば、鉛フリーでありかつＳｎを主成分とするはんだである。

接合材１２を薄くすることで、製造時に接合材１２を溶融させるために必要な熱量を小さくでき、製造コストを下げられる。また、接合材１２を薄くすることで、接合材１２の熱抵抗を抑えられる。接合材１２の厚みは例えば１５０μｍ以下である。

接合材４の固相線温度は接合材１２の固相線温度以上であり、接合材４の固相線温度と接合材１２の固相線温度の差は４０℃以内である。

ベース板１１の材料は熱伝導率の高いものであることが望ましい。ベース板１１の材料は例えばアルミ、アルミ合金、銅、または銅合金である。熱の拡散および剛性の観点から望ましいベース板１１の厚みは例えば２～４ｍｍである。

ベース板１１の材料が銅または銅合金である場合、ベース板１１の表面がＮｉめっき等のめっきで被覆処理されていれば、ベース板１１の酸化および腐食が抑制される。

図２に示されるように、ベース板１１には、半導体装置１５１を冷却器等に取り付けるための穴１１０が設けられている。ベース板１１には穴１１０が設けられていなくてもよい。

ベース板１１の下面は例えば、図１に示されるように平坦である。半導体装置１５１を使用する際は、半導体素子５での損失により熱が発生する。半導体装置１５１は、例えば、グリス等のＴＩＭ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ、サーマルインターフェースマテリアル）を介して冷却器に取り付けられ、冷却される。当該冷却器は、空冷式でもよいし水冷式でもよい。半導体装置１５１は冷却器を含んだものであってもよい。

半導体装置１５１の高電流密度化および高集積化のためには、半導体素子５からの放熱効率が高いことが望ましい。半導体装置１５１においては、半導体ユニット１０１にベース板１１が取り付けられていることで、半導体素子５からの放熱効率が向上する。そのため、例えば、半導体装置１５１に取り付けられる冷却器が空冷式冷却器であり冷却器の冷却性能が低くても、半導体装置１５１の高電流密度化および高集積化が可能である。

本実施の形態の半導体装置１５１では、接合材４の固相線温度が接合材１２の固相線温度以上であり、かつ、絶縁材１の熱伝導率κ_１と絶縁材１の厚みＤ_１の比κ_１／Ｄ_１がκ_１／Ｄ_１≦３５×１０^４Ｗ／（ｍ^２Ｋ）を満たしているため、半導体ユニット１０１にベース板１１を接合する際の加熱による接合材４の再溶融が抑制され、接合材４の再溶融による半導体装置１５１の品質の低下が抑制される。

＜Ａ－２．製造方法＞
図１０は本実施の形態の半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。

まず、ステップＳ１において、絶縁基板２５を準備する。絶縁基板２５は、上述のように、絶縁材１と、絶縁材１の上面上に設けられた導体パターン２と、絶縁材１の下面上に設けられた導体パターン３と、を備える絶縁基板である。

次に、ステップＳ２において、絶縁基板２５の導体パターン２の上面上に、各半導体素子５を接合材４により接合する。

ステップＳ２では、まず、半導体素子５を、導体パターン２の上面上に、接合材４を間に介して配置する。次に、温度を上昇させ接合材４を溶融させる。その後、温度を下げ、接合材４を凝固させることで、各半導体素子５と導体パターン２が接合される。

ステップＳ２の後、ステップＳ３において、ワイヤ６およびワイヤ７による配線を行う。

ステップＳ３では、まず、ワイヤ６により、半導体素子５ａ１と半導体素子５ｂ１、半導体素子５ｂ１と導体パターン２、半導体素子５ａ２と半導体素子５ｂ２、を接続する。次に、主端子８および信号端子９を配置する。そして、ワイヤ７により信号端子９と半導体素子５ａ１、信号端子９と半導体素子５ａ２、を接続し、また、ワイヤ６により主端子８ａと導体パターン２、主端子８ｂと半導体素子５ｂ２、および主端子８ｃと導体パターン２、を接続する。

ステップＳ３の後、ステップＳ４において、封止材１０により半導体素子５を封止する。

ステップＳ１からステップＳ４を経て、半導体ユニット１０１が得られる。

ステップＳ４の後、ステップＳ５において、導体パターン３の下面とベース板１１とを、接合材１２により接合する。

ステップＳ１からステップＳ５を経て、半導体装置１５１が得られる。

ステップＳ５では、接合材１２を半導体ユニット１０１とベース板１１の間に配置した後、各材料の温度を上昇させて接合材１２を溶融させる。半導体ユニット１０１およびベース板１１の熱容量が大きい状況において効率的に接合材１２を溶融させるための方法として、ベース板１１の下面にホットプレート等を接触させることで加熱するという方法がある。

ステップＳ５において接合材４が再溶融すると、接合材４が固体から液体への状態変化によって膨張することにより、封止材１０にクラックが発生し、半導体装置１５１の特性および信頼性が低下する。そのため、接合材４を溶融させず接合材１２のみを選択的に溶融させることが望ましい。しかし、ベース板１１の下面から熱を加えると、半導体ユニット１０１の内部においても下面側から上面側に熱が伝導していく為、半導体ユニット１０１内部の接合材４が再溶融する可能性が有る。

半導体素子５を導体パターン２に接合する接合材として融点の高い材料、例えばシンター接合材等、を採用することで、当該接合材の再溶融を抑制することもできる。しかし、その場合、シンター接合材を用いた接合では圧力の印加等が必要であるなどの理由により、製造装置の大型化が必要となったり、半導体ユニット１０１のサイズに関する制限が発生したりする。また、直接材料費および製造装置費が高くなる為、半導体装置１５１の製造コストが高くなる。半導体素子５を導体パターン２に接合する接合材としてはんだを用いることで、半導体装置１５１の製造コストを抑えられる。

接合材４の固相線温度が接合材１２の固相線温度以上であれば、ステップＳ５における接合材４の再溶融が抑制される。接合材４の固相線温度が接合材１２の液相線温度以上であれば、ステップＳ５における接合材４の再溶融がより抑制される。接合材４の固相線温度が接合材１２の液相線温度と比べより高ければ、ステップＳ５における接合材４の再溶融がより抑制される。

接合材４の固相線温度が接合材１２の固相線温度と比べ高すぎると、以下の問題が発生する。ステップＳ２において、接合材４は、固相線温度で凝固し、その後、常温まで冷却される。常温において、導体パターン２および絶縁材１は、線膨張係数の違い等により、接合材４の固相線温度と常温の差ΔＴ１に比例した力を接合材４から直接的または間接的に受ける。同様に、常温において、導体パターン３および絶縁材１は、接合材１２の固相線温度と常温の差ΔＴ２に比例した力を、接合材１２から直接的または間接的に受ける。ΔＴ１とΔＴ２の差が大きい場合、絶縁材１が受ける力が上側と下側で大きく異なるため、絶縁材１に反りまたは局所的な応力が発生し、半導体装置１５１の信頼性が低下する。そのため、半導体装置１５１の信頼性の観点から、ΔＴ１とΔＴ２の差、つまり、接合材４の固相線温度と接合材１２の固相線温度の差は、４０℃以下であることが望ましい。

製造工程における接合材４および接合材１２の温度にはばらつきがあるため、接合材４の固相線温度が接合材１２の固相線温度以上であるというだけでは、ステップＳ５における接合材４の再溶融を十分に抑制することは難しい。絶縁材１の熱の伝えやすさを抑えることで、ステップＳ５における接合材４の再溶融を抑制することができる。絶縁材１の熱伝導率κ_１と絶縁材１の厚みＤ_１の比κ_１／Ｄ_１がκ_１／Ｄ_１≦３５×１０^４Ｗ／（ｍ^２Ｋ）を満たす構成により、ベース板１１の下面からの加熱が行われた際に接合材４に伝わる熱を抑制でき、ステップＳ５における接合材４の再溶融を抑制できる。それにより、製造工程において許容される温度のばらつきが増加する。

導体パターン３を導体パターン２よりも薄くすることで導体パターン３の熱容量を下げることができ、例えば、導体パターン３の熱容量を導体パターン２の熱容量よりも小さくできる。導体パターン３の熱容量が小さければ、ステップＳ５においてベース板１１よりも下側から加熱を行う際、導体パターン３と接合材１２の界面が速やかに昇温するため、接合材１２を溶融させるために必要な加熱時間が短くなり、製造性および生産性が向上する。導体パターン３の厚みが０．８ｍｍ以下であれば、これらの効果がより顕著に得られる。

以上説明したように、本実施の形態の半導体装置の製造方法では、ステップＳ２において接合材４を溶融させてから凝固させることで導体パターン２と半導体素子５との接合をした後に、ステップＳ５において接合材１２を溶融させてから凝固させることで導体パターン３とベース板１１との接合をし、ステップＳ５において導体パターン２とベース板１１との接合をする際には、ベース板１１よりも下側から加熱を行う。ベース板１１よりも下側から加熱を行うとは、ベース板１１の下面に熱源を接触させ加熱する場合を含む。

本実施の形態の半導体装置１５１において、絶縁材１の熱伝導率κ_１と絶縁材１の厚みＤ_１の比κ_１／Ｄ_１はκ_１／Ｄ_１≦３５×１０^４Ｗ／（ｍ^２Ｋ）を満たし、接合材４の固相線温度は接合材１２の固相線温度以上である。これにより、ステップＳ５における接合材４の再溶融が抑制され、接合材４の再溶融による半導体装置１５１の品質の低下が抑制される。また、接合材４の固相線温度と接合材１２の固相線温度の差が４０℃以内であることで、接合材４の固相線温度と接合材１２の固相線温度との差に基づいて絶縁材１が受けるダメージが抑制され、半導体装置１５１の信頼性が向上する。

＜Ｂ．実施の形態２＞
図５は半導体装置１５２の上面図である。半導体装置１５２の内部構造を示すため、図５においては半導体装置１５２の備える封止材１０は省略されている。図３は実施の形態２の半導体装置１５２の断面図であり、図５のＢ－Ｂ線における断面図である。図４は実施の形態２の半導体装置１５２の断面図であり、図５のＣ－Ｃ線における断面図である。

本実施の形態の半導体装置１５２は、実施の形態１の半導体装置１５１と比べると、半導体ユニット１０１の代わりに半導体ユニット１０２を備える点が異なる。半導体装置１５２は、その他の点では半導体装置１５１と同様である。半導体ユニット１０２は、半導体ユニット１０１と比べると、ワイヤ６、主端子８ａ、主端子８ｂおよび主端子８ｃの代わりに、インナーリード１３、主端子８ｄ、主端子８ｅおよび主端子８ｆを備える点が異なる。半導体ユニット１０２は、その他の点では半導体ユニット１０１と同様である。

図３に示されるように、インナーリード１３は半導体素子５ａ１の上面と接合材１５により接合されている。インナーリード１３は半導体素子５ｂ１の上面と接合材１５により接合されている。インナーリード１３は導体パターン２の上面と接合材１４により接合されている。導体パターン２と半導体素子５ａ１の上面とが、インナーリード１３により接続されている。導体パターン２と半導体素子５ｂ１の上面とが、インナーリード１３により接続されている。導体パターン２のうち導体パターン２が接合材１４により接合されている箇所は、導体パターン２のうち半導体素子５ａ１が接合材４により接合されている箇所と非一体である。導体パターン２のうち導体パターン２が接合材１４により接合されている箇所は、導体パターン２のうち半導体素子５ｂ１が接合材４により接合されている箇所と非一体である。

主端子８ｅはインナーリード８１とアウターリード８２を備える。インナーリード８１は主端子８ｅのうち封止材１０に封止されている部分であり、主端子８ｅのうち封止材１０から突出している部分であるアウターリード８２と一体である。

インナーリード８１は半導体素子５ａ２の上面と接合材１５により接合されている。インナーリード８１は半導体素子５ｂ２の上面と接合材１５により接合されている。

接合材１４および接合材１５は例えばはんだである。接合材１４および接合材１５は例えば、鉛フリーでありかつＳｎを主成分とするはんだである。

接合材４の場合と同様、製造時における接合材１４および接合材１５の再溶融を抑制することが望ましい。製造時における接合材１４および接合材１５の再溶融を抑制するために、接合材１４の固相線温度は例えば接合材１２の固相線温度以上であり、接合材１５の固相線温度は例えば接合材１２の固相線温度以上である。接合材１４の固相線温度と接合材１２の固相線温度の差が４０℃以内であれば、接合材１４の固相線温度と接合材１２の固相線温度の差に基づいて絶縁材１が受けるダメージが抑制され、半導体装置１５２の信頼性が向上する。接合材１５の固相線温度と接合材１２の固相線温度の差が４０℃以内であれば、接合材１４の固相線温度と接合材１２の固相線温度の差に基づいて絶縁材１が受けるダメージが抑制され、半導体装置１５２の信頼性が向上する。接合材１４の材料および接合材１５の材料は、例えば接合材４の材料と同じである。

主端子８ｄは導体パターン２と直接接続されている。主端子８ｆは導体パターン２と直接接続されている。主端子８ｄおよび主端子８ｆを導体パターン２に直接接続する方法としては、ＵＳ（Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ、超音波）接合および拡散接合等が挙げられる。

主端子８ｄ、主端子８ｅ、および主端子８ｆの材料は、例えば実施の形態１の半導体装置１５１の主端子８ａ、主端子８ｂ、および主端子８ｃの材料と同じである。また、主端子８ｄ、主端子８ｅ、および主端子８ｆの厚みは、例えば実施の形態１の半導体装置１５１の主端子８ａ、主端子８ｂ、および主端子８ｃの厚みと同じである。

インナーリード１３の材料は、電気抵抗の小さい材料であることが望ましい。当該電気抵抗の小さい材料は例えば銅、銅合金、アルミ、またはアルミ合金である。

実施の形態１の場合と比較すると、主電流がワイヤ６を流れていた箇所を、主電流がインナーリード１３、主端子８ｄ、主端子８ｅ、または主端子８ｆを流れるよう変更することで、電気抵抗を低減することが出来、半導体装置１５２の電流容量が増加する。

図１０は本実施の形態の半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。本実施の形態の半導体装置の製造方法は、ステップＳ３において、ワイヤ６による配線の代わりにインナーリード１３および主端子８による配線を行う点を除けば、実施の形態１の半導体装置の製造方法と同様である。

＜Ｃ．実施の形態３＞
本実施の形態の半導体装置１５３は、実施の形態２の半導体装置１５２と比べると、半導体ユニット１０２の代わりに半導体ユニット１０３を備える点が異なる。また、半導体装置１５３においては、半導体ユニット１０３の上側に、ベース板２１が接合材２０により接合されている。半導体装置１５３は、その他の点では半導体装置１５２と同様である。図６は実施の形態３の半導体装置１５３の断面図であり、半導体装置１５２の図３と対応する断面における断面図である。図７は実施の形態３の半導体装置１５３の断面図であり、半導体装置１５２の図４と対応する断面における断面図である。

半導体ユニット１０３は、半導体ユニット１０２と比べ、絶縁基板２６を更に備える。半導体ユニット１０３はその他の点では半導体ユニット１０２と同様である。絶縁基板２６は、絶縁材１７、導体パターン１８、および導体パターン１９を備える。

図６に示されるように、導体パターン１８はインナーリード１３の上面と接合材１６により接合されている。導体パターン１８は、インナーリード１３の上面のうち平面視で半導体素子５ａ１または半導体素子５ｂ１と重なる領域と接合材１６により接合されている。

図７に示されるように、導体パターン１８はインナーリード８１の上面と接合材１６により接合されている。導体パターン１８は、インナーリード８１の上面のうち平面視で半導体素子５ａ２または半導体素子５ｂ２と重なる領域と接合材１６により接合されている。

絶縁材１７は導体パターン１８の上面と接合されている。導体パターン１９は絶縁材１７の上面と接合されている。半導体ユニット１０３において、導体パターン１９の一部は封止材１０から露出している。ベース板２１は、導体パターン１９のうち封止材１０から露出している部分と接合材２０を介して接合されている。

本実施の形態の半導体装置１５３においては、半導体素子５から発生した熱の一部は、接合材１５、インナーリード１３、インナーリード８１、接合材１６、導体パターン１８、絶縁材１７、導体パターン１９、接合材２０、およびベース板２１を通って半導体装置１５３の外部へと伝わる。そのため、半導体素子５を上下の両側から冷却でき、半導体装置１５３の電流容量の向上および小型化が可能である。

接合材１６および接合材２０は例えばはんだである。接合材１６および接合材２０は例えば、鉛フリーでありかつＳｎを主成分とするはんだである。

本実施の形態の半導体装置の製造方法は、実施の形態２の半導体装置の製造方法と比べると、ステップＳ３（図１０を参照）の後、ステップＳ４の前にインナーリード１３およびインナーリード８１の上面上に接合材１６により絶縁基板２６を接合する点と、ステップＳ５において絶縁基板２５とベース板１１の接合に加え絶縁基板２６とベース板２１の接合を行う点が、異なる。本実施の形態の半導体装置の製造方法はその他の点では実施の形態２の半導体装置の製造方法と同様である。

接合材４の場合と同様、製造時の接合材１６の再溶融を抑制することが望ましい。半導体装置１５３の製造時に絶縁基板２６の導体パターン１９とベース板２１とを接合する際は、接合材２０を半導体ユニット１０３とベース板２１の間に配置した後、ベース板２１より上側からの加熱により接合材２０を溶融させる。そのため、接合材１６の再溶融を抑制するためには、ベース板２１より上側からの加熱が行われた際に接合材１６に熱が伝わりにくいことが望ましい。また、絶縁材１の場合と同様、接合材１６の固相線温度と接合材２０の固相線温度との差に基づいて絶縁材１７が受けるダメージを抑制することが望ましい。

半導体装置１５３の構成は、例えば、絶縁材１７の熱伝導率κ_２と絶縁材１７の厚みＤ_２の比κ_２／Ｄ_２がκ_２／Ｄ_２≦３５×１０^４Ｗ／（ｍ^２Ｋ）を満たし、接合材１６の固相線温度が接合材２０の固相線温度以上であり、接合材１６の固相線温度と接合材２０の固相線温度の差が４０℃以内である、というものである。このような構成により、接合材１６の再溶融が抑制され、また、接合材１６の固相線温度と接合材２０の固相線温度との差に基づいて絶縁材１７が受けるダメージが抑制される。

絶縁材１７の熱伝導率κ_２は例えば３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であり、絶縁材１７の厚みＤ_２は例えば１００μｍ以上である。

接合材１６の固相線温度は例えば接合材２０の液相線温度以上である。

絶縁材１７は例えば絶縁樹脂である。当該絶縁材樹脂は例えばエポキシ樹脂を主成分とする絶縁材樹脂である。絶縁材１７は例えばセラミックである。当該セラミックは例えばＡｌ_２Ｏ_３を主成分とするセラミックである。

導体パターン１９は例えば導体パターン１８よりも薄い。導体パターン１９の厚みは例えば０．８ｍｍ以下である。

接合材２０の厚みは例えば１５０μｍ以下である。

＜Ｄ．実施の形態４＞
図８は実施の形態４の半導体装置１５４の断面図である。半導体装置１５４は、実施の形態１の半導体装置１５１と比べると、ベース板１１の代わりにベース板１１ｄを備える。半導体装置１５４は、その他の点では実施の形態１の半導体装置１５１と同様である。

ベース板１１ｄの下面には凹凸が設けられている。図８では、ベース板１１ｄが下面にピンフィン２２を備えることによりベース板１１ｄの下面に凹凸が設けられている場合が示されている。ベース板１１ｄの下面の凹凸は他の構造により設けられたものでもよい。例えば、ベース板１１ｄの下面に溝が設けられることにより、ベース板１１ｄの下面の凹凸が設けられてもよい。

ベース板１１ｄの下面に凹凸が設けられていることにより、ベース板１１ｄの下面に冷媒を直接当てた際の、冷媒とベース板１１ｄとの間での熱交換の効率が向上する。そのため、半導体素子５を効率よく冷却でき、半導体装置１５４の電流容量の向上および小型化が可能である。

本実施の形態の半導体装置の製造方法は、ベース板１１の代わりにベース板１１ｄを用いることを除けば、実施の形態１の半導体装置の製造方法と同様である。

半導体装置１５４は、実施の形態２または３の半導体装置１５２または半導体装置１５３の構成からベース板１１をベース板１１ｄで置き換えた構成の半導体装置であってもよい。

＜Ｅ．実施の形態５＞
図９は実施の形態５の半導体装置１５５の断面図である。本実施の形態の半導体装置１５５は、実施の形態１の半導体装置１５１と比べると、半導体ユニット１０１の代わりに半導体ユニット１０５を備える点が異なる。本実施の形態の半導体装置１５５は、その他の点では実施の形態１の半導体装置１５１と同様である。

半導体ユニット１０５において、導体パターン３は、導体パターン３の下面の外周部の少なくとも部分的な領域においては、接合材１２によってベース板１１と接合されていない。また、半導体ユニット１０５において、封止材１０は、導体パターン３の下面の外周部を少なくとも部分的に覆っている。半導体ユニット１０５は、その他の点では実施の形態１の半導体ユニット１０１と同様である。

導体パターン３は、導体パターン３の下面の外周部の部分的な領域においては接合材１２によってベース板１１と接合されていてもよい。導体パターン３の下面のうち接合材１２によってベース板１１と接合されていていない領域が、導体パターン３の下面の外周部の周方向の全体を含んでいてもよい。

封止材１０は、導体パターン３の外周部を部分的に覆っていてもよい。封止材１０は、導体パターン３の外周部を周方向の全体において覆っていてもよい。

半導体ユニット１０５とベース板１１とが接合材１２によりが接合されていることで、導体パターン３は、常温において、接合材１２の固相線温度と常温の差ΔＴ２に比例した力を、接合材１２から受ける。絶縁材１が導体パターン３を介して接合材１２から力を受けること等によって絶縁材１に生じる応力は、導体パターン３の端部と対応する箇所で最大となりやすい。そのため、導体パターン３の端部と対応する箇所を起点として、絶縁材１の破壊およびクラックが進展する可能性が高い。

本実施の形態では、導体パターン３の下面の外周部の少なくとも部分的な領域において、接合材１２によるベース板１１との接合がなされていない。そのため、絶縁材１のうち導体パターン３の端部と対応する箇所に生じる応力が緩和され、絶縁材１の破壊およびクラックを抑制できる。

封止材１０が導体パターン３の外周部を少なくとも部分的に覆っていることによっても、絶縁材１のうち導体パターン３の端部と対応する箇所に生じる応力が緩和され、絶縁材１の破壊およびクラックを抑制できる。

封止材１０とベース板１１の間に隙間をあけておくことで、温度変化によって封止材１０とベース板１１が接触して互いに反発しあい接合材１２による接合に問題が生じることを抑制できる。

本実施の形態の半導体装置の製造方法は、ステップＳ４（図１０を参照）において封止材１０が導体パターン３の下面の外周部を少なくとも部分的に覆うように封止を行うことを除けば、実施の形態１の半導体装置の製造方法と同様である。

＜Ｆ．実施の形態６＞
本実施の形態は、上述した実施の形態１から５のいずれかにかかる半導体装置を電力変換装置に適用したものである。実施の形態１から５のいずれかにかかる半導体装置の適用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、実施の形態６として、三相のインバータに実施の形態１から５のいずれかにかかる半導体装置を適用した場合について説明する。

図１１は、本実施の形態にかか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。

図１１に示す電力変換システムは、電源１００、電力変換装置２００、負荷３００から構成される。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るし、交流系統に接続された整流回路またはＡＣ／ＤＣコンバータで構成することとしてもよい。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することとしてもよい。

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、図１１に示すように、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、電気自動車、鉄道車両、エレベーター、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の詳細を説明する。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および各還流ダイオードの少なくともいずれかは、上述した実施の形態１から５のいずれかにかかる半導体装置に相当する半導体装置２０２が有するスイッチング素子または還流ダイオードである。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、主変換回路２０１が備える半導体装置２０２として実施の形態１から５のいずれかにかかる半導体装置を適用するため、半導体装置２０２の製造過程における接合材４の再溶融を抑制でき、電力変換装置の品質の低下を抑制できる。

本実施の形態では、２レベルの三相インバータに実施の形態１から５のいずれかにかかる半導体装置を適用する例を説明したが、実施の形態１から５のいずれかにかかる半導体装置の適用は、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レベルまた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実施の形態１から５のいずれかにかかる半導体装置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コンバータまたはＡＣ／ＤＣコンバータに実施の形態１から５のいずれかにかかる半導体装置を適用することも可能である。

また、実施の形態１から５のいずれかにかかる半導体装置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、誘導加熱調理器、または非接触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また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。

なお、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、省略したりすることが可能である。

１ 絶縁材、２，３，１８，１９ 導体パターン、４，１２，１４，１５，１６，２０ 接合材、５，５ａ１，５ａ２，５ｂ１，５ｂ２ 半導体素子、６，７ ワイヤ、８ 主端子、８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ，８ｅ，８ｆ 主端子、９ 信号端子、１０ 封止材、１１，１１ｄ，２１ ベース板、１３，８１ インナーリード、１７ 絶縁材、２２ ピンフィン、２５，２６ 絶縁基板、８２ アウターリード、１００ 電源、１０１，１０２，１０３，１０５ 半導体ユニット、１５１，１５２，１５３，１５４，１５５，２０２ 半導体装置、２００ 電力変換装置、２０１ 主変換回路、２０３ 制御回路、３００ 負荷。

Claims (26)

1. 上面および下面を有する第１絶縁材と、
   前記第１絶縁材の前記上面上に設けられた第１導体パターンと、
   前記第１絶縁材の前記下面上に設けられた第２導体パターンと、
   第１接合材により前記第１導体パターンの上面と接合された半導体素子と、
   第２接合材により前記第２導体パターンの下面と接合された第１ベース板と、
   を備え、
   前記第１絶縁材の熱伝導率κ_１と前記第１絶縁材の厚みＤ_１の比κ_１／Ｄ_１はκ_１／Ｄ_１≦３５×１０^４Ｗ／（ｍ^２Ｋ）を満たし、
   前記第１接合材の固相線温度が前記第２接合材の固相線温度以上であり、
   前記第１接合材の固相線温度と前記第２接合材の固相線温度の差が４０℃以内である、
   半導体装置。
2. 請求項１に記載の半導体装置であって、
   前記第１接合材の固相線温度が前記第２接合材の液相線温度以上である、
   半導体装置。
3. 請求項１または２に記載の半導体装置であって、
   前記第１絶縁材の熱伝導率κ_１は３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であり、
   前記第１絶縁材の厚みＤ_１は１００μｍ以上である、
   半導体装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置であって、
   前記第１接合材ははんだであり、
   前記第２接合材ははんだである、
   半導体装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体装置であって、
   前記第１絶縁材はセラミックを含む、
   半導体装置。
6. 請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体装置であって、
   前記第１絶縁材は絶縁樹脂を含む、
   半導体装置。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体装置であって、
   前記第２導体パターンは前記第１導体パターンより薄い、
   半導体装置。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の半導体装置であって、
   前記第２導体パターンの厚みが０．８ｍｍ以下である、
   半導体装置。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の半導体装置であって、
   前記第２接合材の厚みは１５０μｍ以下である、
   半導体装置。
10. 請求項１から９のいずれか１項に記載の半導体装置であって、
    前記第１ベース板の下面に凹凸が設けられている、
    半導体装置。
11. 請求項１から１０のいずれか１項に記載の半導体装置であって、
    前記第２導体パターンは、前記第２導体パターンの下面の外周部の少なくとも部分的な領域においては、前記第２接合材によって前記第１ベース板と接合されていない、
    半導体装置。
12. 請求項１から１１のいずれか１項に記載の半導体装置であって、
    前記半導体素子を封止する封止材を更に備える、
    半導体装置。
13. 請求項１２に記載の半導体装置であって、
    前記封止材の線膨張係数は前記第２接合材の線膨張係数以下である、
    半導体装置。
14. 請求項１２または１３に記載の半導体装置であって、
    前記封止材は前記第２導体パターンの下面の外周部を少なくとも部分的に覆っている、
    半導体装置。
15. 請求項１から１４のいずれか１項に記載の半導体装置であって、
    インナーリードを更に備え、
    前記インナーリードは前記半導体素子の上面と第３接合材により接合されている、
    半導体装置。
16. 請求項１５に記載の半導体装置であって、
    前記第３接合材の固相線温度が前記第２接合材の固相線温度以上であり、
    前記第３接合材の固相線温度と前記第２接合材の固相線温度の差が４０℃以内である、
    半導体装置。
17. 請求項１５または１６に記載の半導体装置であって、
    前記インナーリードは前記第１導体パターンと第４接合材により接合されており、前記インナーリードにより前記半導体素子の上面と前記第１導体パターンとが接続されている、
    半導体装置。
18. 請求項１７に記載の半導体装置であって、
    前記第４接合材の固相線温度が前記第２接合材の固相線温度以上であり、
    前記第４接合材の固相線温度と前記第２接合材の固相線温度の差が４０℃以内である、
    半導体装置。
19. 請求項１５から１８のいずれか１項に記載の半導体装置であって、
    第２絶縁材、第３導体パターン、第４導体パターン、および第２ベース板を更に備え、
    前記第３導体パターンは前記第２絶縁材の下面上に設けられており、
    前記第４導体パターンは前記第２絶縁材の上面上に設けられており、
    前記第３導体パターンは前記インナーリードの上面と第５接合材により接合されており、
    前記第２ベース板は前記第４導体パターンの上面と第６接合材により接合されている、
    半導体装置。
20. 請求項１９に記載の半導体装置であって、
    前記第２絶縁材の熱伝導率κ_２と前記第２絶縁材の厚みＤ_２の比κ_２／Ｄ_２はκ_２／Ｄ_２≦３５×１０^４Ｗ／（ｍ^２Ｋ）を満たし、
    前記第５接合材の固相線温度が前記第６接合材の固相線温度以上であり、
    前記第５接合材の固相線温度と前記第６接合材の固相線温度の差が４０℃以内である、
    半導体装置。
21. 請求項２０に記載の半導体装置であって、
    前記第５接合材の固相線温度が前記第６接合材の液相線温度以上である、
    半導体装置。
22. 請求項２０または２１に記載の半導体装置であって、
    前記第４導体パターンは前記第３導体パターンより薄い、
    半導体装置。
23. 請求項２０から２２のいずれか１項に記載の半導体装置であって、
    前記第４導体パターンの厚みが０．８ｍｍ以下である、
    半導体装置。
24. 請求項２０から２３のいずれか１項に記載の半導体装置であって、
    前記第６接合材の厚みは１５０μｍ以下である、
    半導体装置。
25. 請求項１から２４のいずれか１項に記載の半導体装置を有する主変換回路と、
    制御回路と、
    を備え、
    前記主変換回路は入力される電力を変換して出力し、
    前記制御回路は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、
    電力変換装置。
26. 請求項１から２４のいずれか１項に記載の半導体装置を製造する半導体装置の製造方法であって、
    前記第１接合材を溶融させてから凝固させることで前記第１導体パターンと前記半導体素子との接合をした後に、前記第２接合材を溶融させてから凝固させることで前記第２導体パターンと前記第１ベース板との接合をし、
    前記第２導体パターンと前記第１ベース板との前記接合をする際には、前記第１ベース板よりも下側から加熱を行う、
    半導体装置の製造方法。

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