JP7233613B2 - 半導体装置、電力変換装置、移動体、及び、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、移動体、及び、半導体装置の製造方法に関する。

半導体装置の製造工程では、絶縁基板に配設された金属パターンに対して電子部品の位置合わせをした後に、金属パターンに電子部品を電気的に接続することがある。しかしながら、金属パターンと電子部品とを接続する前に、絶縁基板の搬送などによって、電子部品が絶縁基板の面内方向に移動して電子部品の位置ずれが生じてしまうことがある。この場合、電子部品の位置合わせを再度行わなければならないという問題があった。

このような問題を解決するために、特許文献１には、厚い金属パターンの側壁によって電子部品の移動を規制する技術が提案されている。

特開平１１－３４５９６９号公報

近年、金属パターンと電子部品とを電気的に接続する接合部材として、使用量の管理が容易であるはんだボールを用いることが提案されている。しかしながら、球形状のはんだボールは転がりやすいため、従来技術の構成にはんだボールを用いると、はんだボールを溶融する前にはんだボールの位置ずれが生じることがある。このため、はんだボールの位置ずれを抑制する治具が必要になるという問題があった。

そこで、本開示は、上記のような問題点を鑑みてなされたものであり、治具を用いなくても電子部品及びはんだボールの位置ずれを抑制可能な技術を提供することを目的とする。

本開示に係る半導体装置は、第１窪みと前記第１窪みに並設された第２窪みとを有する金属パターンと、半導体素子とが配設された絶縁基板と、一部が前記第１窪み内に配設された電子部品と、前記金属パターンと前記電子部品とを接続するはんだとを備える。

本開示によれば、金属パターンが第１窪み及び第２窪みを有しているので、治具を用いなくても電子部品及びはんだボールの位置ずれを抑制することができる。

本開示の目的、特徴、局面及び利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。

関連半導体装置の製造工程を説明するための平面図である。 関連半導体装置の製造工程を説明するための断面斜視図である。 関連半導体装置の製造工程を説明するための断面斜視図である。 関連半導体装置の製造工程を説明するための断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造工程を説明するための断面斜視図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造工程を説明するための断面斜視図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造工程を説明するための断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の構成を示す断面図である。 実施の形態２に係る電力変換装置を示すブロック図である。 実施の形態３に係る移動体の構成を示すブロック図である。

以下、添付される図面を参照しながら実施の形態について説明する。以下の各実施の形態で説明される特徴は例示であり、すべての特徴は必ずしも必須ではない。また、以下に示される説明では、複数の実施の形態において同様の構成要素には同じまたは類似する符号を付し、異なる構成要素について主に説明する。また、以下に記載される説明において、「上」、「下」、「左」、「右」、「表」または「裏」などの特定の位置と方向は、実際の実施時の方向とは必ず一致しなくてもよい。

＜関連半導体装置＞
まず、本実施の形態１に係る半導体装置について説明する前に、これと関連する半導体装置（以下、「関連半導体装置」と記す）の製造工程について説明する。なお、関連半導体装置は、例えば電力用半導体装置である。

図１は、関連半導体装置の製造工程のうちの位置決め工程を説明するための平面図である。図２は、位置決め工程を行う前の図１の点線枠Ａの部分の断面斜視図である。

関連半導体装置の位置決め工程を行う前には、図２に示すような金属パターン２が配設された絶縁基板１が準備される。金属パターン２は、離間された２つの部分を有しており、当該２つの部分上には２つのソルダーレジスト３がそれぞれ配設されている。ソルダーレジスト３は、互いの開口を向かい合わせにしたコ字形状を平面形状として有している。

ここで、金属パターン２の上部は概ね平坦であり、金属パターン２の接合部材として用いられるはんだボールは球形状である。このため、金属パターン２のうちはんだボールを溶融すべき設計箇所上にはんだボールを載置しても、はんだボールを溶融するリフロー装置に絶縁基板１を搬送すると、はんだボールの設計箇所からの位置ずれが生じることがある。

そこで、関連半導体装置の位置決め工程では、図１の放熱板などのベース板８上に、絶縁基板１と、絶縁基板１の位置決めをする第１治具５１とを順に載置した後、第１治具５１の穴内に第２治具５２を嵌入する。その後、第２治具５２の穴内に、半導体素子である半導体チップ４と、電子部品５と、球形状のはんだボールとを嵌入する。

図３は、上記嵌入が行われた後の図１の点線枠Ａの部分の断面斜視図であり、図４は図３の断面図である。なお、図４には、金属パターン７と、接合部材９とが図示されている。金属パターン７は、絶縁基板１のうち金属パターン２が配設された面と逆側の面に配設されている。接合部材９は、例えばはんだであり、金属パターン７とベース板８との間に配設されている。

図３に示すように、電子部品５の両端は、金属パターン２のうち、２つのソルダーレジスト３のコ字形状内にそれぞれ載置される。図３及び図４に示すように、２つのはんだボール６ａは、電子部品５の両端近傍の、金属パターン２の部分上に載置される。

また、図３及び図４に示すように、電子部品５及びはんだボール６ａの周囲には第２治具５２が存在する。このため、円筒形状の電子部品５、及び、球形状のはんだボール６ａは、第２治具５２によって絶縁基板１の面内方向の移動が規制される。

関連半導体装置の製造工程では、上記位置決め工程の後、絶縁基板１をリフロー装置に搬送し、はんだボール６ａを溶融するリフロー工程を行う。これにより、はんだボール６ａから、電子部品５の両端と、金属パターン２の上記２つの部分とをそれぞれ電気的に接続するはんだが形成される。この結果、金属パターン２の上記２つの部分は、電子部品５を介して電気的に接続される。

なお図示しないが、このリフロー工程において、半導体チップ４も、はんだなどの接合部材によって金属パターン２などと電気的に接続される。その後、第１治具５１及び第２治具５２が絶縁基板１から取り除かれる。

以上のような関連半導体装置の製造工程によれば、電子部品５及びはんだボール６ａの位置ずれをある程度抑制することができる。しかしながら、関連半導体装置の製造工程では、専用の第２治具５２が必要になるという問題がある。また、第２治具５２と、第１治具５１と、絶縁基板１との間のクリアランスの分だけ、電子部品５及びはんだボール６ａの位置ずれが生じるという問題があった。これに対して、以下で説明する本開示の実施の形態では、このような問題を解決することが可能となっている。

＜実施の形態１＞
図５及び図６は、本実施の形態１に係る半導体装置の製造工程を説明するための断面斜視図であり、図７は図６の断面図である。なお、図５～図７は、図２～図４にそれぞれ対応している。以下、本実施の形態１に係る構成要素のうち、上述の構成要素と同じまたは類似する構成要素については同じまたは類似する参照符号を付し、異なる構成要素について主に説明する。

本実施の形態１に係る半導体装置の位置決め工程前には、図５に示すような、第１窪み２ａ及び第２窪み２ｂを有する金属パターン２が配設された絶縁基板１が準備される。第１窪み２ａは、例えば金属パターン２のエッチングなどによって電子部品５の設計箇所に形成される。第２窪み２ｂは、例えば金属パターン２のエッチングなどによってはんだボール６ａの設計箇所に形成されており、第１窪み２ａに並設されている。

図７に示すように、本実施の形態１では、第１窪み２ａ及び第２窪み２ｂの内壁は傾斜しており、第１窪み２ａ及び第２窪み２ｂは、それぞれ第１窪み２ａの開口及び第２窪み２ｂの開口に向かって広がる断面形状を有している。また図５に示すように、本実施の形態１では、第１窪み２ａと第２窪み２ｂとは離間されている。

なお図５の例では、平面視における第１窪み２ａの開口形状はコ字形状であるが、これに限ったものではない。また、図５の例では、平面視における第２窪み２ｂの開口形状は四角形状であるが、これに限ったものではなく、例えば、円形状であってもよい。

ソルダーレジスト３は、金属パターン２上に配設されており、第１窪み２ａ及び第２窪み２ｂを囲う平面形状を有している。図５の例では、ソルダーレジスト３は、第１窪み２ａ及び第２窪み２ｂを囲うコ字形状を平面形状として有しているが、これに限ったものではない。

図６及び図７に示すように、電子部品５の一部は第１窪み２ａに嵌入され、はんだボール６ａの一部は第２窪み２ｂに嵌入される。これにより、円筒形状の電子部品５の位置ずれは、第１窪み２ａの内壁によって抑制され、球形状のはんだボール６ａの位置ずれは、第２窪み２ｂの内壁によって抑制される。

その後、絶縁基板１をリフロー装置に搬送し、はんだボール６ａを溶融するリフロー工程を行う。この溶融によって、金属パターン２と電子部品５とを接続するはんだが形成される。

なお、以上のような位置決め工程及びリフロー工程の前、後、またはその間に、半導体チップ４は絶縁基板１に配設される。例えば、半導体チップ４は、はんだなどの接合部材によって金属パターン２、ひいては電子部品５と電気的に接続される。

図８は、本実施の形態１のリフロー工程後の半導体装置を示す断面図であり、図７に対応している。上記のように、図８の半導体装置は、第１窪み２ａ及び第２窪み２ｂを有する金属パターン２が配設された絶縁基板１と、一部が第１窪み２ａ内に配設された電子部品５とを備える。そして、図８の半導体装置は、はんだボール６ａを溶融して形成されたはんだ６とを備える。

はんだ６は、電子部品５の両端と、金属パターン２の上記２つの部分とをそれぞれ電気的に接続する。本実施の形態１では、はんだ６の一部は、第２窪み２ｂ内に設けられている。このような構成によれば、はんだ６と金属パターン２との接触面積を大きくすることができるため、はんだ６が金属パターン２から剥がれることを抑制することができ、半導体装置の信頼性を高めることができる。

また上述したように、本実施の形態１では、第１窪み２ａ及び第２窪み２ｂは、それぞれ第１窪み２ａの開口及び第２窪み２ｂの開口に向かって広がる断面形状を有している。このような構成によれば、リフロー工程前の電子部品５及びはんだボール６ａの位置の片寄りや傾きを抑制することができるので、はんだ６の接合性を高めることができる。また、第２窪み２ｂの内壁が傾斜するため、溶融中のはんだが、当該内壁を伝って電子部品５に流れやすくすることができる。この結果、はんだ６の接合性を高めることができるので、半導体装置の信頼性を高めることができる。

また本実施の形態１では、上述したようにソルダーレジスト３は、第１窪み２ａ及び第２窪み２ｂを囲う平面形状を有する。このような構成によれば、溶融中のはんだの濡れエリアを限定することができるので、はんだは容易に電子部品５に流れることができる。これにより、フィレット形状及び厚みを確保することができるので、はんだ６の接合性を高めることができ、半導体装置の信頼性を高めることができる。

ここで仮に、第１窪み２ａと第２窪み２ｂとが離間していない場合には、溶融中のはんだが、第２窪み２ｂから第１窪み２ａを伝って、電子部品５下の空間まで流れることがあると想定される。この場合に、金属パターン２の離間している２つの部分がはんだによって接続され、短絡が発生することあると想定される。これに対して、本実施の形態１では、上述したように第１窪み２ａと第２窪み２ｂとは離間されているため、このような短絡を抑制することができる。

＜実施の形態２＞
本実施の形態２に係る電力変換装置は、実施の形態１に係る半導体装置を有する主変換回路を備える。以上で説明した半導体装置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、本実施の形態２として、三相のインバータに、実施の形態１に係る半導体装置を適用した場合について説明する。

図９は、本実施の形態２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。

図９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は種々の電源で構成することが可能であり、例えば、直流系統、太陽電池、蓄電池で構成されてもよいし、交流系統に接続された整流回路やＡＣ／ＤＣコンバータで構成されてもよい。また、電源１００は、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されてもよい。

電力変換装置２００は、電源１００と負荷３００と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９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の各スイッチング素子を駆動する駆動信号を出力する駆動回路２０２と、駆動回路２０２を制御する制御信号を駆動回路２０２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には種々の構成があるが、本実施の形態２に係る主変換回路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と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は、上述した実施の形態１に係る半導体装置によって構成される。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。

駆動回路２０２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、駆動回路２０２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に主変換回路２０１のスイッチング素子を制御する。具体的には、制御回路２０３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、制御回路２０３は、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（Pulse Width Modulation）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、制御回路２０３は、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に駆動回路２０２に制御指令（制御信号）を出力する。駆動回路２０２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。

以上のような本実施の形態２に係る電力変換装置では、主変換回路２０１のスイッチング素子として、実施の形態１に係る半導体装置を適用するため、信頼性が高められた電力変換装置を実現することができる。

以上で説明した本実施の形態２では、２レベルの三相インバータに、実施の形態１に係る半導体装置を適用する例を説明したが、本実施の形態２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２では、実施の形態１に係る半導体装置は、２レベルの電力変換装置であるとしたが、３レベルや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上記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コンバータやＡＣ／ＤＣコンバータに上記半導体装置を適用することも可能である。

また、本実施の形態２に係る電力変換装置は、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、放電加工機やレーザー加工機、又は誘導加熱調理器や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や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。

＜実施の形態３＞
図１０は、本実施の形態３に係る移動体の構成を示す図である。図１０に示す移動体４００には、実施の形態９に係る電力変換装置２００が搭載され、移動体４００は、電力変換装置２００からの出力を用いて移動可能となっている。このような構成によれば、移動体４００の信頼性を高めることができる。なおここでは、移動体４００は、鉄道車両であるとして説明したが、これに限ったものではなく、例えば、ハイブリッド自動車、電気自動車、エレベーターなどであってもよい。

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。

上記した説明は、すべての局面において、例示であって、限定的なものではない。例示されていない無数の変形例が、想定され得るものと解される。

１ 絶縁基板、２ 金属パターン、２ａ 第１窪み、２ｂ 第２窪み、３ ソルダーレジスト、４ 半導体チップ、５ 電子部品、６ はんだ、６ａ はんだボール。

Claims (8)

1. 第１窪みと前記第１窪みに並設された第２窪みとを有する金属パターンと、半導体素子とが配設された絶縁基板と、
   一部が前記第１窪み内に配設された電子部品と、
   前記金属パターンと前記電子部品とを接続するはんだと
   を備える、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窪み及び前記第２窪みは、それぞれ前記第１窪みの開口及び前記第２窪みの開口に向かって広がる断面形状を有する、半導体装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の半導体装置であって、
   前記金属パターン上に配設され、前記第１窪み及び前記第２窪みを囲う平面形状を有するソルダーレジストをさらに備える、半導体装置。
4. 請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載の半導体装置であって、
   前記はんだの一部は、前記第２窪み内に配設されている、半導体装置。
5. 請求項１から請求項４のうちのいずれか１項に記載の半導体装置であって、
   前記第１窪みと前記第２窪みとは離間されている、半導体装置。
6. 請求項１から請求項５のうちのいずれか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、
   前記半導体装置を駆動する駆動信号を前記半導体装置に出力する駆動回路と、
   前記駆動回路を制御する制御信号を前記駆動回路に出力する制御回路と、
   を備える、電力変換装置。
7. 請求項６に記載の電力変換装置を備える、移動体。
8. 第１窪みと前記第１窪みに並設された第２窪みとを有する金属パターンが配設された絶縁基板を準備し、
   前記第１窪みに電子部品の一部を嵌入し、
   前記第２窪みにはんだボールの一部を嵌入し、
   前記はんだボールを溶融することによって、前記金属パターンと前記電子部品とを接続するはんだを形成し、
   半導体素子を前記絶縁基板に配設する、半導体装置の製造方法。

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