JP7439653B2

JP7439653B2 - 半導体装置及び電力変換装置

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Publication number: JP7439653B2
Application number: JP2020097532A
Authority: JP
Inventors: 準徳丸; 隆行山田; 隆一石井; 充紀藤田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-06-04
Filing date: 2020-06-04
Publication date: 2024-02-28
Anticipated expiration: 2040-06-04
Also published as: JP2021190653A

Description

本開示は、半導体装置及び電力変換装置に関する。

第１導電部材、第１はんだ、半導体素子、第２はんだ、金属部材、第３はんだ、及び第２導電部材がこの順に積層され、これらがモールド樹脂に覆われた半導体装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１９－２１２８０１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の半導体装置の第１導電部材に、接合部材を介して冷却器を設置する場合、半導体装置の内部に用いられる第１はんだ、第２はんだ及び第３はんだ（以下、まとめて「内部接合部」という）の融点が、半導体装置と冷却器との間に用いられる接合部（以下、「外部接合部」）の融点と同じか、それよりも低いと、内部接合部が溶融して体積が膨張し、膨張した接合部によって半導体装置の機能が損なわれるという課題があった。

このような不具合を抑制するために、外部接合部材よりも融点の高い内部接合部を半導体装置の内部に用いることによって、上述の不具合を抑制していた。しかしながら、半導体装置において、使用時に半導体素子からの熱を放熱部に伝えるために、内部接合部と比較して外部接合部の面積が大きく、且つ半導体装置の使用時に生じる温度変化により最も大きな熱応力が生じるのは面積の大きな外部接合部であった。そのため、繰り返し生じる温度変化に対する長期信頼性の観点から、より耐久性の高い接合部材を外部接合部として用いる必要があるため、内部接合部に適切な融点を有する接合部材を選択できず、長期信頼性の高い半導体装置を得ることができないという課題があった。

本開示は、上述の課題を解決するためになされたもので、半導体装置の機能を損ねることなく、冷却器を設置できる半導体装置及び電力変換装置を提供することを目的とする。

本開示にかかる半導体装置は、絶縁部材の一方の面に表面金属が形成され、他方の面に裏面金属が形成された放熱部と、放熱部の表面金属上に形成された第１の接合部と、第１の接合部上に配置された半導体素子と、半導体素子上に形成された第２の接合部と、第２の接合部を介して半導体素子と接続された第１の主配線部と、放熱部、第１の接合部、半導体素子、第２の接合部及び第１の主配線部の少なくとも一部を覆うとともに、放熱部の裏面金属を露出するように形成された封止部と、を備え、第１の接合部の融点は、放熱部の裏面金属側に形成され、冷却器と裏面金属との間に形成される第３の接合部の融点よりも高く、第２の接合部の融点は、第３の接合部の融点以下であり、第１の主配線部には、第２の接合部と接している部分の一部に、第１の主配線部を貫通する貫通穴が形成され、貫通穴上の封止部には、封止部の上面から第１の主配線部まで貫通し、貫通穴と連通する孔部が形成される。

本開示にかかる電力変換装置は、本開示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、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。

本開示によれば、半導体装置の機能を損ねることなく、半導体装置に冷却器を設置できる。

実施の形態１にかかる半導体装置の概略上面図。実施の形態１にかかる半導体装置の概略断面図。実施の形態１にかかる半導体装置の一部を示す概略上面図。実施の形態１にかかる半導体装置の一部を示す概略図。実施の形態１にかかる半導体装置の製造方法を示す概略断面図。実施の形態１にかかる半導体装置の製造方法を示す概略断面図。実施の形態１にかかる半導体装置の製造方法を示す概略断面図。実施の形態１にかかる半導体装置の製造方法を示す概略断面図。実施の形態１にかかる半導体装置の製造方法を示す概略断面図。実施の形態１にかかる半導体装置の製造方法を示す概略断面図。実施の形態１にかかる半導体装置の製造方法を示す概略断面図。実施の形態１にかかる半導体装置の製造方法を示す概略断面図。実施の形態１にかかる半導体装置の製造方法を示す概略断面図。実施の形態２にかかる半導体装置の概略上面図。実施の形態２にかかる半導体装置の概略断面図。実施の形態２にかかる半導体装置の一部を示す概略断面図。実施の形態２にかかる半導体装置の一部を示す概略断面図。実施の形態２にかかる半導体装置の一部を示す概略断面図。実施の形態２にかかる半導体装置の一部を示す概略断面図。実施の形態２にかかる半導体装置の製造方法を示す概略断面図。実施の形態３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。本開示にかかる半導体装置の製造方法を示す概略断面図。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１にかかる半導体装置１００の概略上面図である。図２は、実施の形態１にかかる半導体装置１００の概略断面図である。図２の半導体装置１００は、図１の半導体装置１００のＡＡ断面を示す。図３は、実施の形態１にかかる半導体装置１００の一部を示す概略上面図である。図３は、図１の半導体装置１００の貫通穴７及び孔部８（後述する）の部分を拡大した図である。半導体装置１００は、放熱部１と、半導体素子２と、主配線部３ａと、主配線部３ｂと、封止部４とを備える。半導体装置１００は、さらに信号配線部３０を備える。

ここで、図１及び図２において、半導体装置１００の幅方向をＸ軸方向とし、高さ方向をＹ軸方向とする。また、半導体装置１００の奥行き方向をＺ軸方向とする。Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の各矢印の向く方向を正方向とし、それぞれ＋Ｘ軸、＋Ｙ軸、及び＋Ｚ軸と示す。Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の各矢印の向く方向とは反対の方向を負方向とし、それぞれ－Ｘ軸、－Ｙ軸、及び－Ｚ軸と示す。これらは、以下の図面においても同様である。以下、詳細を説明する。

放熱部１は、絶縁部材１ａと、絶縁部材１ａの表面に配置された表面金属１ｂと、絶縁部材１ａの裏面に配置された裏面金属１ｃとを有する。絶縁部材１ａは、例えばエポキシを主成分とする絶縁シートである。表面金属１ｂ及び裏面金属１ｃは、例えば銅板である。表面金属１ｂ及び裏面金属１ｃは、熱圧着によって絶縁部材１ａに配置すればよい。放熱部１は、半導体素子２（後述する）から発生する熱を、半導体装置１００の外部に逃がすものである。また、絶縁部材１ａによって、半導体装置１００の内部と外部とを電気的に絶縁できる。

接合部５（第１の接合部）は、放熱部１の表面金属１ｂ上に形成される。接合部５は、例えば、高融点はんだ又は焼結材料等の接合部材を用いて形成すればよい。

半導体素子２は、接合部５上に配置される。半導体素子２は、例えばＩＧＢＴチップ又はダイオードチップ等のベアチップである。半導体素子２は、表面に表面電極を有し、半導体素子２の裏面に裏面電極を有する。したがって、半導体素子２の裏面電極が接合部５と接続される。なお、表面電極及び裏面電極は図１及び図２に図示していない。

接合部６（第２の接合部）は、半導体素子２及び放熱部１の表面金属１ｂ上に形成される。接合部６は、例えばＳＡＣはんだ等の接合部材を用いて形成すればよい。

主配線部３ａ（第１の主配線部）は、半導体素子２上に形成された接合部６上に配置される。主配線部３ａは、接合部６を介して、半導体素子２の表面電極に接続される。また、主配線部３ｂ（第２の主配線部）は、放熱部１の表面金属１ｂ上に形成された接合部６上に配置される。主配線部３ｂは、接合部６を介して、放熱部１の表面金属１ｂに接続される。このようにして、半導体素子２の裏面電極から主配線部３ａ及び主配線部３ｂまでの回路を形成する。以下、主配線部３ａ及び主配線部３ｂを合わせて主配線部３と記載する場合がある。なお、図２は図１のＡＡ断面を示す図であるため、主配線部３ａが途中で途切れているが、破線部で示すように、＋Ｘ軸方向へ延伸して封止部４から突出し、＋Ｘ軸側の端部が＋Ｙ軸方向へ延伸している。主配線部３には、接合部６と接している部分の一部に、主配線部３をＹ軸方向に貫通する、円形の貫通穴７が形成される。貫通穴７について、詳細は後述する。

図４は、実施の形態１にかかる半導体装置１００の一部を示す概略図である。図４（ａ）は、主配線部３の貫通穴７を示す概略上面図であり、図４（ｂ）及び図４（ｃ）は、主配線部３の貫通穴７を示す概略断面図である。

半導体装置１００では、主配線部３ａの貫通穴７を形成する際に、半抜き加工を行ってもよい。図４を用いて、半抜き加工について説明する。半抜き加工とは、プレス加工等によって金属板を部分的に最大板厚の半分程度の段差があるように厚み方向へスライドさせて形状を変える加工である。貫通穴７は、図４（ａ）に示す貫通穴７ａ（第１の穴部）の外周の主配線部３ａが、図４（ｂ）に示す矢印方向、すなわち接合部６側にスライドすることにより、接合部６に面する面の貫通穴７ａの周囲に接合部６側に突出した突出部７ｃが形成される。これにより、貫通穴７には、貫通穴７ａの接合部６側と反対側に設けられ、貫通穴７ａの直径ｗ_ａより大きな直径ｗ_ｂを有する貫通穴７ｂ（第２の穴部）が形成される。

ここで、図４（ｃ）において、突出部７ｃの半導体素子２側の端部から、半導体素子２までの距離と比較して、主配線部３ａから半導体素子２までの距離が長くなる。これにより、貫通穴７ａ内の接合部６の厚みに比べて、突出部７ｃの外周部分の接合部６の厚みが厚くなる。よって、接合部６にコーナー部が形成されないため、接合部６の熱応力を低減できる。

なお、主配線部３ａの貫通穴７に半抜き加工を行う例を示したが、主配線部３ｂの貫通穴７に半抜き加工を行ってもよい。

信号配線部３０は、ワイヤ３１を介して、半導体素子２と接続される。信号配線部３０は、さらに他のデバイスに接続される。主配線部３及び信号配線部３０によって、半導体装置１００は、外部への回路を形成する。

封止部４は、放熱部１、接合部５、接合部６、半導体素子２、及び主配線部３の少なくとも一部を覆うとともに、放熱部１の裏面金属１ｃを露出するように形成される。封止部４によって、半導体装置１００の回路の絶縁距離及び各接合箇所の強度を確保できる。封止部４には、半導体装置１００を半導体装置１００の外部と絶縁するための封止部材、例えば、フィラーが混入されたエポキシ樹脂、又はシリコンゲル等を用いればよい。封止部４には、主配線部３の貫通穴７に対応する位置に、円形の孔部８が形成される。孔部８は、封止部４の上面から主配線部３の貫通穴７まで貫通し、貫通穴７と連通している。孔部８について、詳細は後述する。

半導体装置１００においては、接合部９（第３の接合部）を介して、放熱部１の裏面金属１ｃと冷却器１０とが接合される。冷却器１０は、半導体装置１００で発生した熱を、放熱部１を介して半導体装置１００の外側に放熱するものである。冷却器１０は、例えば、ニッケルめっきアルミ板によって形成される。

ここで、主配線部３の貫通穴７、封止部４の孔部８、接合部６及び接合部９について説明する。一般的に、接合部の形成に用いられる接合部材は、固体から温度上昇により溶融して液体になる際に、体積が数％変化する。接合部６が、例えばＳＡＣはんだ（Ｓｎ－３Ａｇ－０．５Ｃｕ）によって形成された場合、固体から溶融して液体になると、接合部６の体積は約４％増加する。このような体積膨張は、接合部６を溶融させた瞬間に発生する。半導体装置１００において、接合部６と接している放熱部１、主配線部３及び封止部４は、接合部６が膨張した体積分だけ変形する。その結果、半導体装置１００の内部圧力が高まる。半導体装置１００の内部圧力が高まると、例えば封止部４及び放熱部１間、又は封止部４及び主配線部３間に剥離が発生し、これらの剥離によって形成された空間に、溶融した接合部６が流入したり、放熱部１の変形が半導体素子２を破壊したりするおそれがある。

半導体装置１００の主配線部３に貫通穴７が形成されるとともに、貫通穴７に対応する位置に、封止部４の孔部８が形成されることによって、半導体装置１００を冷却器１０に取り付ける際に接合部６の体積が膨張しても、貫通穴７から溶融した接合部６が噴出して、接合部６の膨張した分の体積が吸収され、半導体装置１００の内部圧力の上昇による封止部４と及び放熱部１等との剥離、半導体素子２の破壊を抑制できる。

また、図３に示すように、貫通穴７よりも孔部８の直径を大きくすることにより、貫通穴７から噴出した接合部６が、半導体装置１００から露出した主配線部３の表面側に濡れ広がったり、主配線部３の表面側に盛り上がったりして、固着する。これにより、接合部６が飛散することを抑制できるため、飛散した接合部６によって、半導体装置１００の外部で短絡等の不具合が発生することを抑制できる。

次に、接合部５、６及び９について説明する。半導体装置１００において、接合部５の融点は、接合部９の融点よりも高い。また、接合部６の融点は、接合部９の融点と同じか、接合部９の融点よりも低い。接合部９によって、半導体装置１００を冷却器１０と接合する際に、これらを接合部９の融点以上に加熱すると、接合部６は温度上昇によって溶融する。しかしながら、先に述べたように、半導体装置１００には、主配線部３に貫通穴７が形成され、封止部４に孔部８が形成されているため、接合部６の体積が膨張しても、半導体装置１００の不具合を抑制できる。

また、半導体素子２には、主配線部３のように貫通穴７を形成することが難しいため、接合部９によって、半導体装置１００を冷却器１０と接合する際に、接合部５が再溶融しないようにする必要がある。そのため、半導体装置１００では、接合部９の融点よりも、融点の高い接合部材を用いて接合部５を形成する。

次に、図５～図１３を用いて、トランスファーモールド工法を用いた半導体装置１００の製造方法について説明する。図５～図１３は、実施の形態１の半導体装置１００の製造方法を示す概略断面図である。図５～図１３において、ＸＹＺ軸方向を示す図は、図２と同様であるため省略する。以下に示す半導体装置１００の製造方法において、接合部５を形成するために用いる接合部材は銀焼結材１１であり、接合部６を形成するために用いる接合部材ははんだ１２である。

放熱部１の表面金属１ｂの上に、印刷によって銀焼結材１１を供給する。銀焼結材１１が印刷された放熱部１を、恒温槽又はトンネル炉等に入れ、銀焼結材１１を乾燥させる（図５）。乾燥した銀焼結材１１の上に、例えばフリップチップボンダー又はマウンタ等を用いて、半導体素子２を搭載する。加圧加熱プレス装置等を用いて、搭載した半導体素子２の上から銀焼結材１１を加圧加熱して焼結し、接合部５を形成する（図６）。これにより、半導体素子２と表面金属１ｂとが接続され、半導体装置１００の回路形成及び放熱経路が完成する。このとき、表面金属１ｂは酸化した状態である。

次に、還元液を用いた化学反応、プラズマ援用水素還元、又は物理的なエッチング等によって、表面が酸化した表面金属１ｂの酸化膜を除去する。酸化膜を除去した表面金属１ｂ上と半導体素子２上に、例えばディスペンサーを用いる又はプリフォームしたはんだをマウンタで配置する等によって、はんだ１２を供給する（図７）。はんだ１２は、ペースト状であってもよいし、プリフォームしたはんだとフラックスとを別個に供給してもよい。なお、図７には図示していないが、信号配線部３０を接合するためのはんだ１２も、表面金属１ｂ上に供給される。

はんだ１２上に、マウンタ等によって主配線部３及び信号配線部３０を配置する。このとき、主配線部３ａ及び主配線部３ｂの紙面右側の端部が、それぞれＺ軸方向に延伸する金属板に接続されている。すなわち、一体となった主配線部３ａ及び主配線部３ｂが、はんだ１２上に配置される。半導体素子２及び主配線部３が搭載された放熱部１を、リフロー炉に通し、はんだ１２を溶かして半導体素子２と主配線部３とを接続する（図８）。このとき、はんだ１２に用いられるフラックスが残渣する。フラックス残渣は、封止部４の密着性を阻害したり、短絡の原因となったりするため、必要に応じてフラックスを洗浄すればよい。

半導体素子２のゲート回路、電流センス回路、及び温度センス回路を、ワイヤ３１によって信号配線部３０と接続する（図９）。このとき、例えばウェッジワイヤボンダー等を用いればよい。

次に、放熱部１上に搭載された半導体素子２、主配線部３、及び信号配線部３０（以下、合わせて「装置部材」という）を金型１３に配置する（図１０）。このとき、主配線部３の接合部６と接続された側と反対側の端部及び信号配線部３０の接合部（図示せず）と接続された側と反対側の端部は、それぞれ封止部４に覆われないようにする。また、放熱部１の裏面金属１ｃが封止部４から露出するように、装置部材を金型１３に配置する。金型１３には、孔部８を形成するために、主配線部３の貫通穴７に対応する位置に、凸部１３ａが形成されている。凸部１３ａは、主配線部３と接触している。なお、装置部材を、金型１３に配置した際に、これらの部材の寸法が、線膨張によって変化するおそれがある。そのため、装置部材を金型１３の温度まで予熱し、金型１３に配置すればよい。金型１３の信号配線部３０側の側面に形成された開口部１３ｂから、加熱して液状化した封止部材１４を加圧によって金型１３内に充填する（図１１）。

金型１３に充填した封止部材１４を硬化させ、封止部４を形成する（図１２）。封止部４が形成された装置部材を金型１３から取り出す。封止部材１４が完全に硬化していない場合は、装置部材を高温槽に投入し、封止部材１４を硬化させる。このとき、主配線部３、信号配線部３０及び封止部４から露出した裏面金属１ｃは酸化した状態であるため、還元液を用いた化学反応、プラズマ援用水素還元、又は物理的なエッチング等によって、これらの酸化膜を除去する。また、図示しない金属板によって一体となっている主配線部３及び信号配線部３０を金属板から切断し、封止部４から露出した主配線部３及び信号配線部３０の端部を、それぞれ＋Ｙ軸方向、すなわち放熱部１の裏面金属１ｃと反対側に向けて曲げる。このようにして、半導体装置１００を製造する。

次に、冷却器１０の上面に、印刷によって、接合部材、例えばはんだを供給する。はんだを供給した箇所に、半導体装置１００を搭載して、リフロー炉に通し、はんだを溶融させる。そして、接合部９を形成するとともに、冷却器１０と半導体装置１００とを接合する。

以上のように、絶縁部材１ａの一方の面に表面金属１ｂが形成され、他方の面に裏面金属１ｃが形成された放熱部１と、放熱部１の表面金属１ｂ上に形成された接合部５と、接合部５上に配置された半導体素子２と、半導体素子２上に形成された接合部６と、接合部６を介して半導体素子２と接続された主配線部３ａと、放熱部１、接合部５、半導体素子２、接合部６及び主配線部３の少なくとも一部を覆うとともに、放熱部１の裏面金属１ｃを露出するように形成された封止部４と、を備え、接合部５の融点は、放熱部１の裏面金属１ｃ側に形成され、冷却器１０と裏面金属１ｃとの間に形成される接合部９の融点よりも高く、接合部６の融点は、接合部９の融点以下であり、主配線部３には、接合部６と接している部分の一部に、主配線部３を貫通する貫通穴７が形成され、貫通穴７上の封止部４には、封止部４の上面から主配線部３ａまで貫通し、貫通穴７と連通する孔部８が形成される半導体装置１００を製造できる。

上述の構成によって、貫通穴７及び孔部８を形成することにより、温度上昇によって膨張した接合部６の体積を吸収できるため、半導体装置１００の機能を損ねることなく、半導体装置１００に冷却器１０を設置できる。

実施の形態２．
図１４は、実施の形態２にかかる半導体装置１１０の概略上面図である。図１５は、実施の形態２にかかる半導体装置１１０の概略断面図である。図１５の半導体装置１１０は、図１４の半導体装置１１０のＢＢ断面を示す。図１４において、図１と同じ符号を付けたものは、同一又は対応する構成を示しているため、詳細な説明は省略する。また、図１５において、図２と同じ符号を付けたものは、同一又は対応する構成を示しているため、詳細な説明は省略する。半導体装置１１０は、孔部８に充填部１６が形成される点で、半導体装置１００と異なる。

充填部１６は、封止部４に形成された孔部８に充填部材、例えばはんだ等の金属部材が充填されることにより形成される。充填部材の融点は、接合部９に用いられる接合部材の融点と同じか低いものとする。

図１６～１９は、実施の形態２にかかる半導体装置の一部を示す概略断面図である。図１６～１９では、主配線部３ａの貫通穴７に半抜き加工を行っている。主配線部３ａの貫通穴７を用いて本実施の形態の説明を行うが、主配線部３ｂの貫通穴７においても同様である。以下、接合部６の形成に用いられる接合部材の融点が、充填部１６に用いられる充填部材の融点未満の場合と、充填部材の融点以上の場合とに分けて説明する。

まず、接合部６の形成に用いられる接合部材の融点が、充填部材の融点未満の場合について、図１６及び図１７を用いて説明する。半導体装置１１０と冷却器１０とを接合する際に、図１６の状態から、接合部６が溶融し、体積が膨張する。これにより、接合部６の一部が接合部６と充填部１６と主配線部３ａとで囲まれた空隙、すなわち貫通穴７内に流れ込む。温度の低下により、接合部６が貫通穴７内に流れ込むことによって、接合部６が溶融した際に膨張した分の体積が吸収され、半導体装置１１０の内部圧力の上昇による封止部４と他の部材との剥離及び半導体素子２の破壊等を抑制できる。

次に、接合部６の形成に用いられる接合部材の融点が、充填部材の融点以上の場合について、図１６、図１８及び図１９を用いて説明する。半導体装置１１０と冷却器１０とを接合する際に、図１６の状態から、図１８に示すように、接合部６及び充填部１６が溶融し、それぞれ体積が膨張する。接合部６は、体積が膨張して、貫通穴７内に流れ込む。充填部１６は、体積が膨張して貫通穴７内に流れ込むとともに、封止部４の表面から盛り上がる。すなわち、接合部６及び充填部１６の体積膨張分の合計が、封止部４の表面から盛り上がるといえる。これによって、それぞれの膨張した分の体積が吸収され、半導体装置１１０の内部圧力の上昇による封止部４と他の部材との剥離及び半導体素子２の破壊等を抑制できる。

また、充填部材の融点が、接合部６の形成に用いられる接合部材の融点以上の場合であり、充填部１６の体積と充填部１６の体積膨張率との積が、孔部８の体積よりも小さい場合、図１９に示すような状態にもなり得る。

上述の構成によって、貫通穴７及び孔部８を形成することにより、温度上昇によって膨張した接合部６の体積を吸収できるため、半導体装置１１０の機能を損ねることなく、半導体装置１１０に冷却器１０を設置できる。

また、充填部材にはんだ等の金属材料を用いて充填部１６を形成し、封止部材１４としてエポキシ樹脂を用いて封止部４を形成することにより、一般的に樹脂よりも金属の方が熱伝導率が高いため、半導体装置１１０上面から、半導体素子２から発生した熱を効率的に発散できる。

図２０は、実施の形態２にかかる半導体装置の製造方法を示す概略断面図である。図２０に示すように、半導体装置１１０の製造時に、主配線部３ａの貫通穴７上に充填部１６を構成する充填部材１７を配置して、金型１３内に封止部材１４を充填すればよいので、金型１３に図１０に示した凸部１３ａを配置しなくてもよい。そのため、凸部１３ａの形状の制約等なく半導体装置１１０を製造できる。このとき、金型１３と内面と充填部材１７とが接していないと、金型１３と内面と充填部材１７との間に封止部材１４が入り込み、充填部１６が半導体装置１１０から露出しないおそれがあるため、金型１３と内面と、主配線部３ａ上に配置された充填部材１７とを接触させた状態で、封止部材１４を充填することが望ましい。同様に、充填部材１７と主配線部３ａとが接していないと、充填部材１７と主配線部３ａとの間に封止部材１４が入り込み、貫通穴７を埋めるおそれがある。貫通穴７が封止部材１４によって埋まると、温度上昇により溶融し膨張した接合部６及び充填部１６の体積を吸収できなくなるため、充填部材１７と主配線部３ａとは接触させた状態で封止部材１４を充填することが望ましい。

実施の形態３．
実施の形態３は、上述した実施の形態１にかかる半導体装置１００及び実施の形態２にかかる半導体装置１１０を、電力変換装置に適用したものである。以下、半導体装置１００及び実施の形態２にかかる半導体装置１１０を合わせて半導体装置２０２と記す。本開示は、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３として、三相のインバータに本開示を適用した場合について説明する。

図２１は、実施の形態３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２１に示す電力変換システムは、電源１５０、電力変換装置２００、負荷３００から構成される。電源１５０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１５０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やＡＣ／ＤＣコンバータで構成することとしてもよい。また、電源１５０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１５０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１５０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２１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１５０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や各還流ダイオードの少なくともいずれかに、上述した実施の形態１及び２のいずれかに相当する半導体装置２０２を適用する。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、主変換回路２０１のスイッチング素子と還流ダイオードとして、実施の形態１にかかる半導体装置１００及び実施の形態２にかかる半導体装置１１０を適用するため、信頼性向上を実現することができる。

なお、実施の形態３において、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コンバータや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、実施の形態３において、本開示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、放電加工機やレーザー加工機、又は誘導加熱調理器や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。

なお、本開示において、金型１３に凸部１３ａを設けて孔部８を形成する例を示したが、図２２に示すように、可動ピン１３ｃを配置し、封止部材１４の充填中に金型１３から可動ピン１３ｃを突出させ、孔部８を形成すればよい。また、孔部８を形成する際に、金型１３に凸部１３ａ及び可動ピン１３ｃを配置できない場合は、封止部４を形成した後に、ボール盤又はフライス盤等の機械加工によって孔部８を形成すればよい。さらに、レーザー加工機によるアブレーション加工等によって孔部８を形成すればよい。

また、本開示において、孔部８を形成しやすくするために、金型１３の凸部１３ａにテーパ又は面取り等を設けてもよい。

また、本開示において、貫通穴７及び孔部８を円形とする例を示したが、寸法又は形状等を問わず、接合部６が半導体装置１００及び半導体装置１１０の表面に露出する形状であればよい。また、孔部８を形成する際に生じた封止部４のバリはレーザー加工機又は電解研磨等によって除去すればよい。

また、本開示において、印刷によって接合部材を供給する例を示したが、ディスペンス等を用いてもよい。また、印刷だけでは接合部材の量が不足する場合は、プリフォームした接合部材を追加で供給してもよい。

また、本開示において、はんだ１２にフラックスを用いたリフローによる製造方法を示したが、フラックスの洗浄工程を省略するために、水素又はギ酸等を用いた還元雰囲気下のリフローし、はんだ１２のフラックスを無くしてもよい。

また、本開示において、絶縁部材１ａとして、絶縁シートを用いる例を示したが、半導体装置１００（半導体装置１１０）と冷却器１０とをはんだ付けする際のリフロー温度が絶縁シートのガラス転移点を超える場合があるため、好ましくは使用するはんだの融点は出来るだけ低くすることで、絶縁シートと銅板とが剥離するリスクを小さくすることができる。

また、本開示において、冷却器１０をニッケルめっきアルミ板で形成する例を示したが、銅等の他の金属によって形成されてもよい。また、ニッケルめっき以外にも、銅めっき、Ｓｎめっき、又ははんだめっき等を用いてもよい。

また、本開示において、はんだ１２及び１５は、機械強度の向上を目的として、Ｓｎを主成分とするはんだにＳｂ、Ｉｎ及びＢｉのいずれか、又はこれらのすべてを添加してもよい。はんだ１２及び１５中にニッケルボールを混ぜる等によって、半導体装置１００（半導体装置１１０）と冷却器１０とのクリアランスを確保してもよい。

また、本開示において、充填部材１７としてはんだを用いる場合、搭載の容易さから、好ましくは板状、棒状が良いが、充填部材１７の形状を限定する必要はなく、他の形状でも同様の効果が得られる。

また、本開示において、孔部８を形成してから充填部材１７を充填し、充填部１６を形成してもよい。

また、本開示において、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ること、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１放熱部、２半導体素子、３主配線部、４封止部、５、６、９接合部、
７貫通穴、８孔部、１０冷却器、１１銀焼結材、１２はんだ、
１３金型、１４封止部材、１６充填部、１７充填部材、３０信号配線部、
３１ワイヤ、１００、１１０、２０２半導体装置、１５０電源、
２００電力変換装置、２０１主変換回路、２０３制御回路、３００負荷。

Claims

絶縁部材の一方の面に表面金属が形成され、他方の面に裏面金属が形成された放熱部と
、
前記放熱部の前記表面金属上に形成された第１の接合部と、
前記第１の接合部上に配置された半導体素子と、
前記半導体素子上に形成された第２の接合部と、
前記第２の接合部を介して前記半導体素子と接続された第１の主配線部と、
前記放熱部、前記第１の接合部、前記半導体素子、前記第２の接合部及び前記第１の主
配線部の少なくとも一部を覆うとともに、前記放熱部の前記裏面金属を露出するように形
成された封止部と、を備え、
前記第１の接合部の融点は、前記放熱部の前記裏面金属側に形成され、冷却器と前記裏
面金属との間に形成される第３の接合部の融点よりも高く、
前記第２の接合部の融点は、前記第３の接合部の融点以下であり、
前記第１の主配線部には、前記第２の接合部と接している部分の一部に、前記第１の主
配線部を貫通する貫通穴が形成され、
前記封止部には、前記封止部の上面から前記第１の主配線部の前記貫通穴まで貫通し、
前記貫通穴と連通する孔部が形成される、
半導体装置。
前記表面金属上には、さらに前記第２の接合部が形成され、
前記表面金属上の前記第２の接合部上には、第２の主配線部が配置され、
前記第２の主配線部には、前記第２の接合部と接している部分の一部に、前記第２の主
配線部を貫通する前記貫通穴が形成され、
前記封止部には、前記封止部の上面から前記第２の主配線部の前記貫通穴まで貫通し、
前記第２の主配線部の前記貫通穴と連通する前記孔部が形成される、
請求項１に記載の半導体装置。
前記貫通穴は、前記第２の接合部に面する第１の穴部と、前記第１の穴部の前記第２の
接合部側と反対側に設けられ、前記第１の穴部の直径より直径が大きい第２の穴部とを有
し、
前記第１の主配線部及び前記第２の主配線部の少なくとも一方には、前記第２の接合部
に面する面の前記第１の穴部の周囲に前記第２の接合部側に突出した突出部を有する、
請求項２に記載の半導体装置。
前記孔部の内部には、前記封止部とは異なる材料で構成される充填部が形成される、
請求項１～３のいずれか一項に記載の半導体装置。
前記充填部は、金属材料で形成される、
請求項４に記載の半導体装置。
前記孔部の直径は、前記貫通穴の直径よりも大きい、
請求項１～５のいずれか一項に記載の半導体装置。
請求項１～６のいずれか一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、
を備える電力変換装置。