JPWO2017104500A1 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

板状電極（６１）及び半導体素子（２１，２２）を備え、半導体素子における表面電極と板状電極とを接合材（３２）にて接合した接合部（３２Ａ）を有する半導体装置（１００）において、板状電極は、半導体素子に対向する対向面（６１４）に、接合部を囲み接合材に対して耐熱性を有する枠状部材（５２）を有する。

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特には電力用半導体素子を備えたパワーモジュールとしての半導体装置及びその製造方法に関する。
電力用半導体装置、つまりパワーモジュールは、産業用機器から家電及び情報端末機器まで、あらゆる製品に普及しつつある。特に、家電に搭載されるパワーモジュールについては、小型軽量化とともに多品種に対応できる高い生産性、及び高い信頼性が求められる。
また、動作温度が高く、変換効率に優れている点で、今後の主流となる可能性の高いＳｉＣ半導体に適用できるパッケージ形態であることも、パワーモジュールには求められている。
日本国特許４６４０３４５号 日本国特許４５７９３１４号
パワーモジュールは、高電圧で大電流を扱う半導体であるという特徴があり、大電流回路を形成するために、パワー半導体素子の表面電極に対してφ０．５ｍｍにおよぶ太いアルミニウムなどのワイヤを複数本配線することによって電気回路を形成するのが一般的であった。これに対して、電流容量の増大を目的に、板状電極をパワー半導体素子上に配置し、はんだ等によって直接、表面電極に接合する方式が普及しつつある。
このような直接接合方式では、主に銅などで構成される板状電極と、パワー半導体素子の表面電極との間に、はんだを供給して接合部を形成することになる。この接合部の形成方法としては、板状のはんだを両電極間に予め挟む、あるいは溶融したはんだを流し込むなどの方法が考えられる。
しかしながらいずれの方法でも、板状電極にのみ、はんだが濡れ広がってしまうと、パワー半導体素子の表面電極との間で接合部が形成されず、オープン不良になってしまう。また逆に、はんだの量が過剰な場合、あるいは板状電極と表面電極との間隔が狭い場合には、余剰のはんだがあふれ、絶縁不良を起こす可能性があった。
このような不具合に対しては製品検査を十分に行う必要があり、生産性の低下を招く場合があった。一方、オープン不良あるいは絶縁不良を防止するためには、（i）供給するはんだの量が一定であること、（ii）板状電極とパワー半導体素子との間隔が一定であること、かつ（iii）板状電極におけるはんだぬれ領域が制限されていること、が必要となる。
本発明は、上述したような不具合の発生を低減し従来に比べて生産性及び品質向上を図ることが可能な半導体装置及びその製造方法の提供を目的とする。
上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の一態様における半導体装置は、板状電極及び半導体素子を備え、上記半導体素子における表面電極と上記板状電極とを接合材にて接合した接合部を有する半導体装置において、上記板状電極は、上記半導体素子に対向する対向面に、上記接合部を囲み上記接合材に対して耐熱性を有する枠状部材を備えたことを特徴とする。
本発明の一態様における半導体装置によれば、板状電極に枠状部材を設けたことにより、接合部を形成する接合材が板状電極において必要以上に広がるのを制限することができる。よって、接合部を確実に形成することができオープン不良の発生を防止することができる。また、接合材の量が過剰な場合でも絶縁不良となるのを防止することができる。
実施の形態１によるパワーモジュールをその製造プロセスに沿って示した概念図であり、パワーモジュールに含まれるセラミック基板の構造を示す図である。 実施の形態１によるパワーモジュールをその製造プロセスに沿って示した概念図であり、板状電極を保持したケースにセラミック基板を取り付けた状態を示す図である。 図１Ｂに示すパワー半導体素子の表面電極と板状電極とをはんだ接合した状態を示す図であり、図２Ａに示すＡ−Ａ部における断面図である。 図１Ｃに示すパワーモジュールについて樹脂封止した状態を示す図である。 図１Ａから図１Ｄに示すパワーモジュールの変形例を示す概念図である。 図１Ｃに類似した図であり、パワー半導体素子の表面電極と枠状部材とが密接していない場合における接合状態を説明するための断面図である。 図１Ａから図１Ｄに示すパワーモジュールの変形例を示す概念図である。 図１Ｇに示す枠状部材及び補助枠状部材をアセンブルした状態を示す概念図である。 図１Ｃに示すパワーモジュールにおける板状電極の補助枠状部材を示す斜視図である。 図１Ｂに示すパワーモジュールにおける板状電極の枠状部材を示す斜視図であり、パワー半導体素子及びセラミック基板の図示を省略した図である。 実施の形態２によるパワーモジュールをその製造プロセスに沿って示した概念図であり、ケースにセラミック基板を取り付けた状態を示す図である。 図３Ａに示すパワーモジュールにおいてセラミック基板を取り付ける方法を示す図である。 図３Ｂに示すパワーモジュールにおいてパワー半導体素子の表面電極と板状電極とをはんだ接合した状態を示す図である。 図３Ｃに示すパワーモジュールにおいて樹脂封止した状態を示す図である。 実施の形態３によるパワーモジュールの概念図である
実施形態である半導体装置及びその製造方法について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。また、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け当業者の理解を容易にするため、既によく知られた事項の詳細説明及び実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。また、以下の説明及び添付図面の内容は、請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
また以下の実施の形態では、半導体装置としてパワーモジュールつまり電力用半導体装置を例に採るが、本開示は電力用半導体装置に限定するものではない。即ち、半導体素子における表面電極に対向して板状電極を配置し両電極間を接合材で接合する形態を有する半導体装置に本開示は適用可能である。
実施の形態１．
図１Ａから図１Ｈ（総称して図１と記す場合もある）は、実施の形態１によるパワーモジュール１００の概略構成を示す概念図である。パワーモジュール１００の概略構成を説明すると、パワーモジュール１００は、板状電極６１、及び、半導体素子の一例に相当するパワー半導体素子（下記のＩＧＢＴ２２等）を有し、パワー半導体素子における表面電極と板状電極６１とが接合材にて接合された接合部を有する。さらに、板状電極６１は、枠状部材５２を有する。このようなパワーモジュール１００について、更に詳しく以下に説明する。
パワー半導体素子として、本実施の形態では、一例として１５ｍｍ×１５ｍｍ×厚さ０．２５ｍｍのサイズであるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）２２、及び一例として１３ｍｍ×１５ｍｍ×厚さ０．２５ｍｍのサイズのダイオード２１が相当する。また、ＩＧＢＴ２２は表面主電極２２１を、ダイオード２１は表面主電極２１１をそれぞれ有する。尚、表面主電極は、表面電極に含まれ、表面電極の中で主たる電極が相当する。
これらのダイオード２１及びＩＧＢＴ２２が実装される、絶縁基板の一例に相当するセラミック基板１０は、一例として２５ｍｍ×５０ｍｍの大きさであり、セラミック基材１１に、表面導体層１３及び裏面導体層１２が積層されて構成される。ここでセラミック基材１１は、例えばアルミナで一例として２５ｍｍ×５０ｍｍ×厚さ０．６３５ｍｍのサイズであり、表面導体層１３及び裏面導体層１２は、共に例えば銅製で、一例として２１ｍｍ×４６ｍｍ×厚さ０．４ｍｍのサイズである。
図１Ａに示すように、このようなセラミック基板１０の表面導体層１３に、接合材の一例に相当するはんだ（融点２１９℃）３１を用いて、ダイオード２１及びＩＧＢＴ２２における各裏面電極がダイボンドされる。はんだ３１として、例えばＳｎ−Ａｇ−Ｃｕのはんだが用いられる。
ダイオード２１及びＩＧＢＴ２２を実装したセラミック基板１０は、図１Ｂに示すように、当該パワーモジュール１００の筐体に相当するケース５１に、セラミック基板１０の周囲を接着剤８（シリコーン樹脂製）を用いて固定される。
ケース５１は、ＰＰＳ（Poly Phenylene Sulfide Resin）の樹脂製であり、ケース５１には、以下に詳しく説明する板状電極６１及び信号電極６２等がインサートモールド形成され保持されている。
板状電極６１及び信号電極６２は、共に銅製であり、板状電極６１は一例として幅１２ｍｍ×厚さ０．７ｍｍのサイズを有し、信号電極６２は一例として幅２ｍｍ×厚さ０．４ｍｍのサイズである。また板状電極６１の一端には、ケース５１の側壁に埋設したナットを用いて締結されるネジ止め端子６１１が形成されている。
さらにまた板状電極６１は、当該板状電極６１を貫通する貫通部６１２を２つ有する。貫通部６１２は、ＩＧＢＴ２２及びダイオード２１の各表面主電極２２１、２１１と、板状電極６１とが接合される際に、本実施形態では溶融したはんだが通過可能な穴であり、ＩＧＢＴ２２の表面主電極２２１（サイズ：１２ｍｍ×１２ｍｍ）及びダイオード２１の表面主電極２１１（サイズ：１２ｍｍ×１２ｍｍ）における、それぞれのほぼ中心に対応して位置する。本実施形態では、貫通部６１２は、一例として直径２．５ｍｍの大きさを有する。尚、貫通部６１２のサイズは、ＩＧＢＴ２２等のパワー半導体素子における表面主電極のサイズに応じて決定することができる。
このような貫通部６１２に対応して、さらに板状電極６１は、ＩＧＢＴ２２等のパワー半導体素子に対向する対向面６１４に枠状部材５２を有し、対向面６１４に反対側の背面６１５に補助枠状部材５３を有する。
枠状部材５２及び補助枠状部材５３は、図２Ａ及び図２Ｂ（総称して図２と記す場合もある。）に示すように、板状電極６１をその厚み方向から挟みケース５１に連接した連接部５３０を有する。よって枠状部材５２及び補助枠状部材５３は、連接部５３０を介してケース５１と同一の材料で、ケース５１を成型し板状電極６１がインサートモールド形成される工程と同じ工程にてケース５１と一体形成される。尚、枠状部材５２及び補助枠状部材５３の形状等については、以下で詳しく説明する。
このように枠状部材５２及び補助枠状部材５３をケース５１と共に形成することで、部品点数の増加を抑制することができ、かつ、板状電極６１をより強固にケース５１に保持できるため、板状電極６１の位置精度を向上することができ、板状電極６１とパワー半導体素子との間隔のばらつきを抑制することが可能となる。
このように枠状部材５２及び補助枠状部材５３を形成しながら板状電極６１がインサートモールドされたケース５１に対して、ダイオード２１及びＩＧＢＴ２２を実装したセラミック基板１０が上述のように接着される。
さらに、図１Ｃに示すように、板状電極６１と、ＩＧＢＴ２２の表面主電極２２１及びダイオード２１の表面主電極２１１とのそれぞれの間に、板状電極６１における貫通部６１２を通して溶融したはんだ３２を注入する。このはんだ３２は、例えばＳｎ−Ａｇ−Ｃｕで、融点２１９℃である。これにより、板状電極６１と、ＩＧＢＴ２２の表面主電極２２１及びダイオード２１の表面主電極２１１とがはんだ３２で接合される。また、例えば直径０．２ｍｍのアルミニウム製ワイヤ４を用いて、ＩＧＢＴ２２の信号端子２２２と信号電極６２との間をワイヤボンド接続する。
そして、図１Ｄに示すように、シリコーン樹脂製の封止用ゲル７をケース５１内に注入して絶縁封止を行う。
以上のように構成されるパワーモジュール１００は、以下に説明する効果を奏することができる。
即ち、板状電極６１が有する枠状部材５２は、図１Ｂ及び図２Ｂに示すように、ＩＧＢＴ２２及びダイオード２１における表面主電極２２１、２１１に接する面における第１開口部５２１と、板状電極６１に接する面における第２開口部５２２とを有する。ここで第１開口部５２１及び第２開口部５２２は、共に、板状電極６１における貫通部６１２がそれぞれの中央部分に位置する開口部である。
第１開口部５２１は、一例として１１ｍｍ×１１ｍｍの大きさであり、例えば半径３ｍｍの円弧形状の四隅を有した大略方形状であり、第２開口部５２２は一例として８ｍｍ×８ｍｍの大きさであり、例えば半径２ｍｍの円弧形状の四隅を有した大略方形状を有する。よって枠状部材５２は、すり鉢形状部５２３を有する。このすり鉢形状部５２３における深さは、一例として０．５ｍｍである。このすり鉢形状部５２３の内側に、はんだ３２が注入され、はんだ接合部３２Ａ（図１Ｃから図１Ｆ）が形成される。このように枠状部材５２は、はんだ３２による接合部３２Ａを囲む部材であり、また、はんだ３２に対して耐熱性を有する部材である。
このように枠状部材５２を有することで、板状電極６１の貫通部６１２を通過したはんだ３２は、枠状部材５２で形成されたすり鉢形状部５２３内へ注入され、すり鉢形状部５２３にて移動が制限される。よって、ＩＧＢＴ２２及びダイオード２１の各表面主電極２２１、２１１と、板状電極６１とを接合する際に、溶融したはんだが板状電極６１のみへ濡れ上がり、オープン不良が発生することを防止することができる。また、例えばはんだ３２のような接合材の量が過剰な場合でも絶縁不良となるのを防止することができる。その結果、パワーモジュール１００における不具合の発生が低減でき、従来に比べてパワーモジュールの生産性及び品質向上を図ることが可能となる。
また、第１開口部５２１は、上述のように四隅に円弧形状を有する１１ｍｍ×１１ｍｍの大きさであり、ＩＧＢＴ２２及びダイオード２１における表面主電極２２１、２１１の大きさは、本実施の形態では上述したように、共に１２ｍｍ×１２ｍｍであるので、表面主電極に接する第１開口部５２１の大きさは、表面主電極２２１、２１１の大きさよりも小さい。
したがって、ＩＧＢＴ２２及びダイオード２１の各表面主電極２２１、２１１と、板状電極６１とを接合する際に、枠状部材５２が各表面主電極２２１、２１１に密接している場合には、溶融したはんだは、表面主電極２２１、２１１の端部まで濡れ広がることはできない。
そのため、はんだ３２の接合部３２Ａの端部に集中する接合応力が、剥離の生じやすい表面主電極２２１、２１１の端部に重なることを防止することが可能となり、接合信頼性、ひいてはパワーモジュール１００の信頼性を確保しやすくなる。さらにまた、はんだ３２の接合部３２Ａを確実に形成することができオープン不良の発生を防止することができる。その結果、パワーモジュール１００における不具合の発生が低減でき、従来に比べてパワーモジュールの生産性及び品質向上を図ることが可能となる。
また、枠状部材５２と、半導体素子の表面主電極、例えばＩＧＢＴ２２及びダイオード２１の各表面主電極２２１、２１１とが完全に密接しない場合には、図１Ｆに示すように、薄いはんだの層３２１が表面主電極の周囲に存在することになる。この部分は、半導体素子の表面に配置されたトランジスタ回路を有効に活用するための電気経路として利用でき、かつごく薄いために接合応力が表面主電極の端部にまで伝搬するのを防止することができる。
また、すり鉢形状部５２３の内側に形成されるはんだ接合部３２Ａにおいても、すそ野が広がったフィレット形状となることから、接合応力を分散することができる。よって周囲が切り立った接合部と比較して、はんだ接合部３２Ａは、高い接合信頼性を得ることが可能となる。
また上述のように、すり鉢形状部５２３の四隅は丸みを帯びているので、形成されるはんだ接合部３２Ａの四隅も丸みを帯びる。よってはんだ接合部３２Ａでは、接合応力の集中が抑制され、クラックの発生を遅らせることが可能となる。
尚、半導体素子の表面主電極の寸法に対する、枠状部材５２の第１開口部５２１の寸法は、製造時における部品の位置ずれあるいは部材の寸法公差を考慮して、その１辺において表面主電極における長辺の５％以上小さければ、上述の接合応力集中抑制効果を発揮すると考えられる。一方、第１開口部５２１の寸法が小さすぎると、表面主電極のトランジスタ活用効率が落ちるため、表面主電極における長辺の高々４０％以下であることが望ましい。ここで上記トランジスタ活用効率とは、半導体素子の表面に形成されたトランジスタのうち、電流が流れて実際に駆動されるトランジスタの割合をいう。
また、以下の効果を奏することもできる。
即ち、板状電極６１の背面６１５に備わる補助枠状部材５３は、図１Ｂ及び図２Ａに示すように、板状電極６１に接する面における第３開口部５３１と、補助枠状部材５３の表面における第４開口部５３２とを有する。第３開口部５３１及び第４開口部５３２は、共に、板状電極６１における貫通部６１２と同心状に位置する。
第３開口部５３１は、一例として直径２．２ｍｍの大きさであり、第４開口部５３２は一例として直径５．０ｍｍの大きさであり、よって補助枠状部材５３は、円すい台形状部５３３を有する。この円すい台形状部５３３における深さは、一例として０．５ｍｍである。
一方、板状電極６１における貫通部６１２は、上述したように直径２．５ｍｍの大きさを有する。よって、第３開口部５３１の大きさは、貫通部６１２の大きさよりも小さい。第３開口部５３１の大きさを貫通部６１２よりも小さくすることで、枠状部材５２における上述のすり鉢形状部５２３内へ注入されたはんだ３２が、板状電極６１の背面６１５側へ進入してくるのを抑制でき、背面６１５へのはんだ３２のぬれ上がりを抑制することができる。よってはんだ３２の供給時におけるはみ出しを抑制することが可能となる。
さらに、補助枠状部材５３における第３開口部５３１及び第４開口部５３２を有する部分は、上述のように円すい台形状部５３３である。よって、例えば、必要な長さで円柱形状の「糸はんだ」を第４開口部５３２側から投入する場合、円すい台形状部５３３は、糸はんだのガイド機能を果たすことができる。
また、溶融したはんだを流し込むことで接合部３２Ａを形成する場合にも、円すい台形状部５３３は、ガイドとしても機能することができる。
パワーモジュール１００における上述した構成に対して以下の変形例を採ることも可能である。
セラミック基板１０について、本実施の形態ではアルミナセラミック基板を用いたが、チッ化アルミニウム、あるいはチッ化シリコンなどのセラミック基板でもよく、上述と同様の効果が得られる。また、表面導体層１３及び裏面導体層１２として銅を用いたが、アルミニウム導体層を用いてもよく、上述と同様の効果が得られる。
また、板状電極６１及び信号電極６２について、本実施の形態では銅製電極を用いたが、アルミニウム製、あるいはＣＩＣ（銅インバークラッド材）製電極を用いてもよく、上述と同様の効果が得られる。また、板状電極６１の一端を、外部電極としてネジ止め端子６１１としたが、これは一例であり、ナットを排して溶接端子としてもよく、上述と同様の効果が得られる。
また、板状電極６１には貫通部６１２として穴を形成したが、スリット、あるいは一つのパワー半導体素子に対して複数の貫通部が形成されてもよく、上述と同様の効果が得られる。
また、本実施の形態では、ＩＧＢＴ２２等のパワー半導体素子とセラミック基板１０とのダイボンドにＳｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだ３１を用いたが、Ｓｎ−Ｃｕ系、あるいはＳｎ−Ｓｂ系など他のはんだ材を用いてもよい。さらに、例えばＡｇフィラーをエポキシ樹脂に分散させた導電性接着剤、あるいは例えばＡｇナノ粒子を用いた低温焼成接合材料を接合材として用いてもよく、上述と同様の効果が得られる。
また、本実施の形態では、ケース５１の材料としてＰＰＳを用いたが、ＬＣＰ（液晶ポリマー：liquid-crystal polymer）を用いてもよく、さらなる耐熱性の向上が期待できる。
また、本実施の形態では、封止用ゲル７としてシリコーン樹脂を用いたが、エポキシ製ダイレクトポッティング材を用いてもよく、上述と同様の効果が得られる。
また、図１Ｅに示すように、アルミニウム製ワイヤ４によるワイヤボンドに替えて、信号電極６２を延在させたリード６２１を用いて、ＩＧＢＴ２２の信号端子２２２との間をはんだ接合としてもよく、上述と同様の効果が得られる。
また、本実施の形態では、枠状部材５２及び補助枠状部材５３について、ケース５１と同じＰＰＳを用いてインサートモールド形成時に形成したが、３Ｄプリンタ、あるいはディスペンサ塗布などによって、耐熱性を有する他の樹脂を用いて形成してもよく、上述と同様の効果が得られる。
また、本実施の形態では上述したように、枠状部材５２及び補助枠状部材５３は、ケース５１と同じＰＰＳを用いてインサートモールド形成時にケース５１と一体にて形成したが、図１Ｇに示すように、枠状部材５２及び補助枠状部材５３を、別々の部品に分割した独立部品とし、アセンブルしてもよい。即ち、枠状部材５２を形成する複数の部品５２Ａ、及び補助枠状部材５３を形成する複数の部品５３Ａを、別途、それぞれ作製する。そして、板状電極６１あるいはケース５１に対して、部品５２Ａ及び部品５３Ａの各独立部品を接着、熱圧着、あるいは嵌合などの方法で固定して、図１Ｈに示すように枠状部材５２及び補助枠状部材５３をそれぞれ形成する。
このような手法を採ることで、例えばケースの寸法が大型化してインサートモールド成型が困難な場合でも、枠状部材５２及び補助枠状部材５３をそれぞれ形成することが可能になるという利点がある。
アスペクト比（注入幅に対する奥行き）が大きくなると、インサートモールドの際に充填不良が発生しやすく、一般的にはアスペクト比が２０を超えると充填性に影響が生じる。よって、枠状部材５２及び補助枠状部材５３をケース５１と共に成型するための部分に相当する連接部５３０（図２Ａ、図２Ｂ）における矢印Ｂに沿った幅寸法に対して、ケース５１の長辺の長さが２０倍を超えるような場合には、部品５２Ａ及び部品５３Ａの手法を採る方が生産性は良くなるという利点がある。
実施の形態２．
図３Ａから図３Ｄ（総称して図３と記す場合もある。）を参照して、実施の形態２によるパワーモジュール１０２について説明する。
本実施の形態２におけるパワーモジュール１０２は、上述の実施の形態１におけるパワーモジュール１００と基本的に同様の構成を有する。パワーモジュール１０２とパワーモジュール１００との主な相違点は、板状電極６１がさらにスペーサ５４を有する点、はんだ接合がリフロー炉を用いて行われる点などである。
したがって以下では、両者で相違する構成部分について主に説明を行い、共通する構成部分についてはその説明を省略する。尚、図３Ａから図３Ｃでは、図１Ｂ及び図１Ｃにおける図示の上下を反転させた表示になっている。
図３Ａは、板状電極６１等を保持したケース５１を裏返した状態を図示している。本実施の形態２では図３Ａに示すように、板状電極６１はスペーサ５４を有する。スペーサ５４は、板状電極６１とセラミック基板１０との間に配置され、板状電極６１とセラミック基板１０との間隔を規定するものである。本実施の形態では、実施の形態１で説明した枠状部材５２がスペーサ５４を有し、スペーサ５４は枠状部材５２と同工程にて形成される。スペーサ５４は、スペーサ５４の本体部分がＩＧＢＴ２２及びダイオード２１に接触することなく、かつ、スペーサ５４の先端がセラミック基板１０に当接するような、枠状部材５２の場所に形成される。
また、実施の形態２のパワーモジュール１０２では、図３Ａに示すように、枠状部材５２のすり鉢形状部５２３には、板はんだ３２０が載置される。板はんだ３２０は、例えば直径８ｍｍ、厚さ０．５ｍｍである。
さらに図３Ｂに示すように、２つのスペーサ５４の間には、ＩＧＢＴ２２あるいはダイオード２１が収容可能であり、枠状部材５２のすり鉢形状部５２３に表面主電極２２１，２１１を面した状態にて、ＩＧＢＴ２２及びダイオード２１が各枠状部材５２に配置される。さらに、ＩＧＢＴ２２及びダイオード２１の各裏面電極には、各パワー半導体素子と例えば同寸法で厚さ０．１ｍｍの板はんだ３１０を載置する。
さらに、板はんだ３１０に面して、セラミック基板１０における表面導体層１３を配置して、セラミック基板１０は、ケース５１に形成した突起５１１に載置される。このとき、板状電極６１のスペーサ５４、本実施の形態では枠状部材５２と共に形成されたスペーサ５４、の先端は、セラミック基板１０に当接する。また、セラミック基板１０の周囲は、接着剤８にてケース５１に固定される。
以上のように構成した状態でリフロー炉にて加熱することにより、図３Ｃに示すように、セラミック基板１０の表面導体層１３とＩＧＢＴ２２及びダイオード２１とは、板はんだ３１０によるはんだ接合部によって接合され、ＩＧＢＴ２２及びダイオード２１の表面主電極２２１，２１１と板状電極６１との間は、板はんだ３２０による接合部３２Ａによって接合される。
そして図３Ｄに示すように、全体を裏返し、例えば直径０．２ｍｍのアルミニウム製ワイヤ４を用いて、ＩＧＢＴ２２の信号端子２２２と信号電極６２との間をワイヤボンド接続する。さらに、例えばシリコーン樹脂製の封止用ゲル７をケース５１内に注入して絶縁封止を行う。
以上説明した、本実施の形態２におけるパワーモジュール１０２においても、枠状部材５２及び補助枠状部材５３を有することから、実施の形態１におけるパワーモジュール１００が奏する効果と同様の効果を得ることができる。
さらに、本実施の形態２のパワーモジュール１０２では、板状電極６１はスペーサ５４を有することから、セラミック基板１０とＩＧＢＴ２２等のパワー半導体素子との間におけるはんだ３１の接合部、及び、ＩＧＢＴ２２等のパワー半導体素子と板状電極６１との間におけるはんだの接合部３２Ａの高さを規定することができる。したがって、本実施の形態２のパワーモジュール１０２は、スペーサ５４により、さらに、接合材である例えばはんだのはみ出しによる絶縁不良を抑制することが可能となる、という効果を奏することができる。
また、実施の形態１で説明した変形例は、本実施の形態２のパワーモジュール１０２に対しても適用可能である。ここで、パワーモジュール１０２におけるスペーサ５４についても、３Ｄプリンタ、あるいはディスペンサ塗布などによって、耐熱性を有する他の樹脂を用いて形成しても同様の効果が得られる。
また、本実施の形態では、パワーモジュール１０２をリフロー炉に投入した後にその全体を反転させてワイヤボンドなどを行ったが、位置ずれの工夫を行うことで、リフロー炉へ投入前にパワーモジュール１０２を反転させることも可能となる。
実施の形態３．
図４を参照して、実施の形態３によるパワーモジュール１０３について説明する。
本実施の形態３におけるパワーモジュール１０３は、上述の実施の形態１，２におけるパワーモジュール１００、１０２と基本的に同様の構成を有する。パワーモジュール１０３とパワーモジュール１０２との主な相違点は、リフロー炉によるはんだ接合ではなく、溶融したはんだの注入による点、及び、ケース５１を用いることなくトランスファーモールドにて成型される点などである。このため、板状電極６１とは異なる形状を有する板状電極６６を用いる。
したがって以下では、相違する構成部分について主に説明を行い、共通する構成部分についてはその説明を省略する。
板状電極６６は、実施の形態２で説明した、スペーサ５４を有する板状電極６１に相当するが、上述のようにケース５１を用いることなくトランスファーモールド成型用である。よって、板状電極６６は、本実施の形態では直線状の形態であり、また、枠状部材５２及び補助枠状部材５３が板状電極６６を挟むようにして成型される。このような板状電極６６は、一例として銅製で、幅１２ｍｍ×厚さ０．７ｍｍのサイズである。
板状電極６６は、セラミック基板１０の上に搭載され、トランスファーモールド成型用の金型を用いて固定される。ここでセラミック基板１０には、実施の形態１で図１Ａを参照して説明したように、パワー半導体素子としてのＩＧＢＴ２２、及びダイオード２１がはんだ３１にてダイボンドされている。また、板状電極６６がセラミック基板１０の上に搭載されたとき、実施の形態１、２の場合と同様に、板状電極６６における各貫通部６１２は、ＩＧＢＴ２２の表面主電極２２１、及びダイオード２１の表面主電極２１１のほぼ中心に位置する。
このような状態にて、板状電極６６における各貫通部６１２を通して、溶融したはんだ３２が枠状部材５２におけるすり鉢形状部５２３へ注入される。このとき、実施の形態２において説明したように、板状電極６６におけるスペーサ５４の先端がセラミック基板１０に当接していることから、ＩＧＢＴ２２等のパワー半導体素子と板状電極６６との間における、はんだ３２の接合部３２Ａの高さを規定することができる。
さらに、アルミニウム製ワイヤ４を用いて、ＩＧＢＴ２２の信号端子２２２と信号電極６２との間をワイヤボンド接続した後、例えばエポキシ樹脂製の封止用トランスファーモールド樹脂７４を、トランスファーモールド成型用の金型内に注入して絶縁封止を行う。
以上説明した、本実施の形態３におけるパワーモジュール１０３においても、枠状部材５２及び補助枠状部材５３を有することから、実施の形態１におけるパワーモジュール１００が奏する効果と同様の効果を得ることができる。
また、板状電極６６は、スペーサ５４を有することから、実施の形態２におけるパワーモジュール１０２が奏する効果と同様の効果を得ることができる。
また、実施の形態１、２で説明した変形例は、本実施の形態３のパワーモジュール１０３に対しても適用可能である。
上述した各実施の形態を組み合わせた構成を採ることも可能であり、また、異なる実施の形態に示される構成部分同士を組み合わせることも可能である。
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
又、２０１５年１２月１６日に出願された、日本国特許出願Ｎｏ．特願２０１５−２４５１９１号の明細書、図面、特許請求の範囲、及び要約書の開示内容の全ては、参考として本明細書中に編入されるものである。
７ 封止用ゲル、１０ セラミック基板、２１ ダイオード、２２ ＩＧＢＴ、
３２ はんだ、３２Ａ 接合部、５１ ケース、５２ 枠状部材、
５３ 補助枠状部材、５４ スペーサ、６１，６６ 板状電極、
１００，１０２、１０３ パワーモジュール、
２１１，２２１ 表面主電極、
５２１ 第１開口部、５３１ 第３開口部、
６１２ 貫通部。

Claims (9)

  1. 板状電極及び半導体素子を備え、上記半導体素子における表面電極と上記板状電極とを接合材にて接合した接合部を有する半導体装置において、
    上記板状電極は、上記半導体素子に対向する対向面に、上記接合部を囲み上記接合材に対して耐熱性を有する枠状部材を備えた、
    ことを特徴とする半導体装置。
  2. 上記枠状部材は、上記半導体素子に面し上記表面電極よりも小さいサイズの開口部を有する、請求項１に記載の半導体装置。
  3. 上記枠状部材は、上記半導体素子に面し上記表面電極よりも小さいサイズの開口部を有し、上記開口部は、大略方形状のすり鉢状形状であり円弧形状の四隅を有する、請求項１に記載の半導体装置。
  4. 上記板状電極を保持するケースをさらに有し、
    上記枠状部材は、上記ケースと一体形成するためケースに連接した連接部を有する、請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置。
  5. 上記半導体素子を実装した基板をさらに有し、
    上記板状電極は、上記基板に当接するスペーサを有する、請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体装置。
  6. 上記板状電極は、上記枠状部材で囲まれる上記接合材が通過する、当該板状電極を貫通した貫通部と、上記対向面と反対側の背面に設けられ上記貫通部よりも小さい開口部を有する補助枠状部材と、をさらに有する、請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体装置。
  7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法であって、
    板状電極に備わる枠状部材は、半導体素子における表面電極よりも小さいサイズの開口部を有し、上記開口部に接合材を載置するように上記板状電極を配向し、
    上記枠状部材における上記接合材に表面電極を対向させて半導体素子を上記枠状部材に載置し、
    上記半導体素子と絶縁基板における導体層との間に接合材を配置して上記絶縁基板をケースに保持し、
    上記接合材を溶融させて、上記板状電極、上記半導体素子、及び上記絶縁基板を接合する、
    製造方法。
  8. 上記枠状部材は、上記ケースを成型する際にケースと共に上記板状電極に形成される、請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
  9. 上記枠状部材は、別途作製した独立部品であり、上記ケースへの固定により上記板状電極に形成される、請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
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