WO2022185545A1 - 半導体装置の製造方法、半導体装置、電力変換装置及び移動体 - Google Patents

半導体装置の製造方法、半導体装置、電力変換装置及び移動体 Download PDF

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幸昌 林田
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三菱電機株式会社
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Definitions

  • the present disclosure relates to a semiconductor device manufacturing method, a semiconductor device, a power conversion device, and a moving body.
  • a semiconductor device in which electrodes are soldered to a metal pattern on an insulating substrate.
  • solder is applied in advance to the upper surface of the metal pattern or the lower surface of the electrode (see, for example, Patent Document 1). The molten solder naturally spreads out to form a solder fillet.
  • solder fillet formed by the conventional manufacturing method did not cover the top surface of the electrode, so a strong joint could not be obtained, and the life of the solder joint was short.
  • the present disclosure has been made to solve the problems described above, and its object is to obtain a method for manufacturing a semiconductor device, a semiconductor device, a power conversion device, and a moving body that can improve reliability and production efficiency. It is.
  • a method for manufacturing a semiconductor device includes steps of bonding a semiconductor chip to a metal pattern of an insulating substrate; placing a first solder; providing a second solder between the upper surface of the metal pattern and the lower surface of the electrode; melting the first solder and the second solder; fusing one solder through the groove with the second solder to form a solder fillet covering the top surface of the electrode while joining the top surface of the metal pattern and the bottom surface of the electrode; It is characterized by having
  • the first solder is placed on the concave portion of the upper surface of the electrode, the first solder and the second solder are melted, and the melted first solder is fused with the second solder through the groove. form a solder fillet.
  • the electrodes can be wrapped in the solder fillet to obtain a strong joint, and the life of the joint can be extended.
  • the first solder since the first solder is put into the concave portion, the first solder does not drop from the upper surface of the electrode during soldering, which improves workability. Since the first solder can be quantified, the solder joint quality can be stabilized. As a result, reliability and production efficiency can be improved.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to a first embodiment
  • FIG. 4 is a perspective view showing the lower portion of the electrode according to Embodiment 1
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a joint portion between an electrode and a metal pattern according to Embodiment 1
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a step of joining the electrode and the metal pattern according to Embodiment 1
  • FIG. It is sectional drawing which shows the joining process of the electrode and metal pattern which concern on a comparative example. It is sectional drawing which shows the joining process of the electrode and metal pattern which concern on a comparative example.
  • FIG. 12 is a perspective view showing the lower portion of the electrode according to the second embodiment;
  • FIG. 12 is a perspective view showing the lower portion of the electrode according to the second embodiment
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing a joint portion between an electrode and a metal pattern according to Embodiment 2;
  • FIG. 11 is a perspective view showing a method of manufacturing a semiconductor device according to a second embodiment;
  • FIG. 11 is a perspective view showing a modification of the lower portion of the electrode according to the second embodiment;
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing a joint portion between an electrode and a metal pattern according to Embodiment 3;
  • FIG. 11 is a perspective view showing a method of manufacturing a semiconductor device according to a third embodiment;
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing a method of manufacturing a semiconductor device according to a third embodiment;
  • FIG. 11 is a block diagram showing the configuration of a power conversion system to which a power conversion device according to Embodiment 4 is applied;
  • FIG. 12 is a diagram showing a moving object according to Embodiment 5;
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to Embodiment 1.
  • FIG. An insulating substrate 2 is provided on a radiator plate 1 made of metal or the like.
  • the insulating substrate 2 has an insulating plate 3 made of ceramic or the like, a metal pattern 4 on the lower surface of the insulating plate 3 , and a metal pattern 5 on the upper surface of the insulating plate 3 .
  • the metal pattern 4 is joined to the radiator plate 1 by soldering or the like.
  • a lower surface electrode of the semiconductor chip 6 is joined to the metal pattern 5 by soldering or the like.
  • the top electrodes of the semiconductor chip 6 are wire-connected to other semiconductor chips or electrodes.
  • the semiconductor chip 6 is an IGBT or Diode made of Si, but may be a SiC-MOSFET or SiC-SBD.
  • the lower part of the electrode 7 is joined to the metal pattern 5.
  • a case 8 is provided on the outer circumference of the radiator plate 1 and surrounds the insulating substrate 2 , the semiconductor chip 6 and the electrodes 7 .
  • a sealing material 9 such as silicone gel is provided inside the case 8 to seal the insulating substrate 2 , the semiconductor chip 6 , and the lower portions of the electrodes 7 .
  • a lid 10 is adhered to the upper surface of the case 8 with an adhesive 11 or the like to cover the upper side of the semiconductor chip 6 and the like.
  • the electrode 7 protrudes upward from the sealing material 9 and the lid 10 and is drawn out of the device.
  • FIG. 2 is a perspective view showing the lower portion of the electrode according to Embodiment 1.
  • FIG. The lower part of the electrode 7 is bent laterally.
  • a recess 12 is provided on the upper surface thereof.
  • a groove 13 extending from the concave portion 12 to the side surface is also provided on the upper surface of the electrode 7 .
  • the planar shape of the recess 12 is quadrangular, it may be circular.
  • the depth of the groove 13 is about 1/3 of the thickness of the electrode 7 .
  • the depth of the recess 12 is shallower than that of the groove 13, but may be the same as that of the groove 13.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a joint portion between an electrode and a metal pattern according to Embodiment 1.
  • FIG. A solder fillet 14 joins the metal pattern 5 and the bottom surface of the electrode 7 .
  • Solder fillet 14 entirely covers the bent portion of electrode 7 . That is, the solder fillet 14 covers not only the bottom surface and side surfaces of the electrode 7 but also the top surface of the electrode 7 .
  • the interiors of the recesses 12 and the grooves 13 are filled with solder fillets 14 .
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a step of joining an electrode and a metal pattern according to Embodiment 1.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a step of joining an electrode and a metal pattern according to Embodiment 1.
  • the semiconductor chip 6 is bonded to the metal pattern 5 of the insulating substrate 2 .
  • a concave portion 12 and a groove 13 are formed on the upper surface of the electrode 7 by pressing or the like.
  • a specified amount of first solder 15 such as cream solder or plate solder is placed on the concave portion 12 on the upper surface of the electrode 7 in advance.
  • a flux 16 that promotes solder wettability may be dripped into the concave portion 12 .
  • a second solder 17 such as cream solder is applied to the upper surface of the metal pattern 5 facing the lower surface of the electrode 7 .
  • the second solder 17 may be applied to the bottom surface of the electrode 7 .
  • a second solder 17 is provided between the upper surface of the metal pattern 5 and the lower surface of the electrode 7 by any method.
  • the semiconductor device is manufactured by performing sealing with the sealing material 9 or the like.
  • FIG.5 and FIG.6 is sectional drawing which shows the joining process of the electrode and metal pattern which concerns on a comparative example.
  • the first solder 15 is not placed on the upper surface of the electrode 7, and only the second solder 17 is used. Therefore, since the solder fillet 14 is formed only by the natural wetting and spreading of the molten second solder 17, the thickness of the solder fillet 14 cannot be increased. As a result, the solder fillet 14 is formed only up to about half the thickness of the electrode 7 in FIG. In FIG. 6, solder fillet 14 is formed up to the thickness of electrode 7 but does not cover the top surface of electrode 7 .
  • solder fillet 14 it is necessary for a worker to always be present and visually confirm the formation state of the solder fillet 14 and the like. In some cases, rework of solder fillet 14 formation is required. Therefore, it is difficult to reduce the number of man-hours and shorten the construction period, resulting in poor workability.
  • the present embodiment a prescribed amount of the first solder 15 is placed in advance on the concave portion 12 of the upper surface of the electrode 7, and the first solder 15 and the second solder 17 are melted and melted.
  • First solder 15 is fused with second solder 17 through groove 13 to form solder fillet 14 .
  • the electrodes 7 can be wrapped with the solder fillet 14 to obtain a strong joint, and the life of the joint can be extended.
  • the first solder 15 since the first solder 15 is put into the recess 12, the first solder 15 does not drop from the upper surface of the electrode 7 during soldering, which improves workability. Since the first solder 15 can be quantified, the solder joint quality can be stabilized. As a result, reliability and production efficiency can be improved.
  • Embodiment 2. 7 is a perspective view showing a lower portion of an electrode according to Embodiment 2.
  • the electrode 7 has a tip portion 7a and a body portion 7b thicker than the tip portion 7a.
  • the upper surface of the tip portion 7a is lower than the upper surface of the main body portion 7b.
  • the lower surface of the tip portion 7a is higher than the lower surface of the main body portion 7b.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing a joint portion between an electrode and a metal pattern according to Embodiment 2.
  • FIG. Solder fillet 14 entirely covers the bent portion of electrode 7 .
  • Other configurations of the semiconductor device are the same as those of the first embodiment.
  • FIG. 9 is a perspective view showing the manufacturing method of the semiconductor device according to the second embodiment.
  • the tip 7a of the electrode 7 is sandwiched between U-shaped solder plates 18 from above and below.
  • the plate solder 18 is melted by bringing the lower surface of the plate solder 18 into contact with the heated metal pattern 5 .
  • a solder fillet 14 covering the upper surface of the electrode 7 is formed while joining the metal pattern 5 and the lower surface of the electrode 7 together.
  • the solder fillet 14 also covers the upper surface of the main body portion 7b with a thin film.
  • the solder melting time is shortened, and the soldering work time can be shortened. Further, the U-shaped plate solder 18 sandwiches the thin tip portion 7a so that it is difficult to fall off from the electrode 7, thereby improving workability.
  • Other configurations and effects are the same as those of the first embodiment.
  • FIG. 10 is a perspective view showing a modification of the lower portion of the electrode according to Embodiment 2.
  • FIG. 7-9, the tip portion 7a of the electrode 7 is a thin flat plate, but in FIG. 10, the tip portion 7a of the electrode 7 has an acute angle shape. This makes it easier to sandwich the tip of the electrode 7 between the U-shaped solder plates 18 .
  • Embodiment 3. 11 is a cross-sectional view showing a joint portion between an electrode and a metal pattern according to Embodiment 3.
  • FIG. A columnar protrusion 19 is provided in the central portion of the upper surface of the electrode 7 .
  • Solder fillet 14 entirely covers the bent portion of electrode 7 .
  • Other configurations of the semiconductor device are the same as those of the first embodiment.
  • FIG. 12 is a perspective view showing the method of manufacturing the semiconductor device according to the third embodiment.
  • 13A and 13B are cross-sectional views showing the method for manufacturing the semiconductor device according to the third embodiment.
  • an electrode 7 having a columnar projection 19 provided in the center of the upper surface and a plate solder 21 having a round hole-shaped opening 20 in the center are prepared.
  • plate solder 21 is placed on the upper surface of electrode 7 and protrusion 19 is inserted into opening 20 . Thereby, the plate solder 21 is fixed on the upper surface of the electrode 7 .
  • Solder 22 such as cream solder is applied to the upper surface of the metal pattern 5 facing the lower surface of the electrode 7 .
  • solder 22 may be applied to the lower surface of electrode 7 .
  • Solder 22 is provided between the upper surface of metal pattern 5 and the lower surface of electrode 7 by any method.
  • the plate solder 21 and the solder 22 are melted and fused together to form a solder fillet 14 covering the upper surface of the electrode 7 while joining the upper surface of the metal pattern 5 and the lower surface of the electrode 7 .
  • the semiconductor device is manufactured by performing sealing with the sealing material 9 or the like.
  • a specified amount of plate solder 21 is placed on the upper surface of the electrode 7 in advance, and the plate solder 21 and the solder 22 are melted and fused together to form the solder fillet 14 .
  • the electrodes 7 can be wrapped with the solder fillet 14 to obtain a strong joint, and the life of the joint can be extended.
  • the protrusion 19 of the electrode 7 is inserted into the opening 20 of the plate solder 21, the plate solder 21 does not drop from the upper surface of the electrode 7 during soldering, thereby improving workability. Since the plate solder 21 can be quantified, the solder joint quality can be stabilized. As a result, reliability and production efficiency can be improved.
  • mass productivity can be achieved.
  • the semiconductor chip 6 is not limited to being made of silicon, and may be made of a wide bandgap semiconductor having a larger bandgap than silicon.
  • Wide bandgap semiconductors are, for example, silicon carbide, gallium nitride-based materials, or diamond.
  • a semiconductor chip formed of such a wide bandgap semiconductor can be miniaturized because of its high withstand voltage and allowable current density.
  • a semiconductor device incorporating this semiconductor chip can also be miniaturized and highly integrated.
  • the heat resistance of the semiconductor chip is high, the radiation fins of the heat sink can be made smaller, and the water-cooled portion can be air-cooled, so that the semiconductor device can be further made smaller.
  • the power loss of the semiconductor chip is low and the efficiency is high, the efficiency of the semiconductor device can be improved.
  • Embodiment 4 applies the semiconductor device according to the first to third embodiments described above to a power converter.
  • the power conversion device is, for example, an inverter device, a converter device, a servo amplifier, a power supply unit, or the like.
  • the present invention is not limited to a specific power converter, a case where the present invention is applied to a three-phase inverter will be described below.
  • FIG. 14 is a block diagram showing the configuration of a power conversion system to which the power converter according to Embodiment 4 is applied.
  • This power conversion system includes a power supply 100 , a power converter 200 and a load 300 .
  • the power supply 100 is a DC power supply and supplies DC power to the power converter 200 .
  • the power supply 100 can be configured with various devices, for example, it can be configured with a DC system, a solar battery, a storage battery, or it can be configured with a rectifier circuit or an AC/DC converter connected to an AC system. .
  • power supply 100 may be configured by a DC/DC converter that converts DC power output from a DC system into predetermined power.
  • the power conversion device 200 is a three-phase inverter connected between the power supply 100 and the load 300 , converts the DC power supplied from the power supply 100 into AC power, and supplies the AC power to the load 300 .
  • the power conversion device 200 controls the main conversion circuit 201 that converts DC power into AC power and outputs it, the drive circuit 202 that outputs drive signals for driving the switching elements of the main conversion circuit 201, and the drive circuit 202. and a control circuit 203 that outputs a control signal to the drive circuit 202 .
  • the load 300 is a three-phase electric motor driven by AC power supplied from the power converter 200 .
  • the load 300 is not limited to a specific application, but is an electric motor mounted on various electrical equipment, such as a hybrid vehicle, an electric vehicle, a railway vehicle, an elevator, or an electric motor for air conditioning equipment.
  • the power conversion device 200 will be described in detail below.
  • the main conversion circuit 201 includes a switching element and a freewheeling diode (not shown). By switching the switching element, the DC power supplied from the power supply 100 is converted into AC power and supplied to the load 300 .
  • the main conversion circuit 201 is a two-level three-phase full bridge circuit, and has six switching elements and It can consist of six freewheeling diodes in anti-parallel.
  • Each switching element of the main conversion circuit 201 is configured by a semiconductor device corresponding to any one of the first to third embodiments described above.
  • each upper and lower arm forms each phase (U phase, V phase, W phase) of the full bridge circuit.
  • Output terminals of the upper and lower arms, that is, three output terminals of the main conversion circuit 201 are connected to the load 300 .
  • the drive circuit 202 generates a drive signal for driving the switching element of the main converter circuit 201 and supplies it to the control electrode of the switching element of the main converter circuit 201 .
  • a drive signal for turning on the switching element and a drive signal for turning off the switching element are output to the control electrode of each switching element.
  • the driving signal is a voltage signal (ON signal) equal to or higher than the threshold voltage of the switching element, and when maintaining the switching element in the OFF state, the driving signal is a voltage equal to or less than the threshold voltage of the switching element. signal (off signal).
  • the control circuit 203 controls the switching elements of the main conversion circuit 201 so that the desired power is supplied to the load 300 . Specifically, based on the power to be supplied to the load 300, the time (on time) during which each switching element of the main conversion circuit 201 should be in the ON state is calculated. For example, the main conversion circuit 201 can be controlled by PWM control that modulates the ON time of the switching element according to the voltage to be output. Then, a control command (control signal) is output to the drive circuit 202 so that an ON signal is output to the switching element that should be in the ON state at each time point, and an OFF signal is output to the switching element that should be in the OFF state. The drive circuit outputs an ON signal or an OFF signal as a drive signal to the control electrode of each switching element according to this control signal.
  • each switching element of the main conversion circuit 201 is composed of a semiconductor device corresponding to any one of the first to third embodiments described above. Thereby, reliability and production efficiency can be improved.
  • the present invention is not limited to this, and can be applied to various power converters.
  • a two-level power conversion device is used, but a three-level or multi-level power conversion device may be used. You can apply it.
  • the present invention can be applied to a DC/DC converter or an AC/DC converter.
  • the power conversion device to which the present invention is applied is not limited to the case where the above-mentioned load is an electric motor. It can also be used as a device, and can also be used as a power conditioner for a photovoltaic power generation system, an electric storage system, or the like.
  • FIG. 15 is a diagram showing a moving body according to Embodiment 5.
  • FIG. This moving body 400 is a train or the like, and performs power control using the power converter 200 according to the fourth embodiment. Thereby, reliability and production efficiency can be improved.

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Abstract

絶縁基板（２）の金属パターン（５）に半導体チップ（６）を接合する。電極（７）の上面に、凹部（１２）と、凹部（１２）から側面に達する溝（１３）とを形成する。凹部（１２）に第１のはんだ（１５）を載せる。金属パターン（５）の上面と電極（７）の下面の間に第２のはんだ（１７）を設ける。第１のはんだ（１５）と第２のはんだ（１７）を溶融させ、溶融した第１のはんだ（１５）を溝（１３）を介して第２のはんだ（１７）と融合させて、金属パターン（５）の上面と電極（７）の下面を接合しつつ電極（７）の上面を覆うはんだフィレット（１４）を形成する。

Description

半導体装置の製造方法、半導体装置、電力変換装置及び移動体
　本開示は、半導体装置の製造方法、半導体装置、電力変換装置及び移動体に関する。
　絶縁基板の金属パターンに電極をはんだ接合した半導体装置が用いられている。はんだ接合工程において、はんだは予め金属パターンの上面又は電極の下面に塗布される（例えば、特許文献１参照）。溶融したはんだの自然な濡れ広がりではんだフィレットを形成する。
日本特開平９－２８３６５８号公報
　従来の製造方法で形成されたはんだフィレットは電極の上面を覆っていないため、強固な接合を得ることができず、はんだ接合部の寿命が短かかった。また、常に作業員が張り付いてはんだフィレットの形成状態などの目視確認が必要であった。場合によっては、はんだフィレットの形成の手直し作業が発生していた。このため、工数削減と工期短縮が困難であり、作業性が悪かった。この結果、製品の信頼性と生産効率が低いという問題があった。
　本開示は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は信頼性と生産効率を向上させることができる半導体装置の製造方法、半導体装置、電力変換装置及び移動体を得るものである。
　本開示に係る半導体装置の製造方法は、絶縁基板の金属パターンに半導体チップを接合する工程と、電極の上面に、凹部と、前記凹部から側面に達する溝とを形成する工程と、前記凹部に第１のはんだを載せる工程と、前記金属パターンの上面と前記電極の下面の間に第２のはんだを設ける工程と、前記第１のはんだと前記第２のはんだを溶融させ、溶融した前記第１のはんだを前記溝を介して前記第２のはんだと融合させて、前記金属パターンの前記上面と前記電極の前記下面を接合しつつ前記電極の前記上面を覆うはんだフィレットを形成する工程とを備えることを特徴とする。
　本開示では、電極の上面の凹部に第１のはんだを載せておき、第１のはんだと第２のはんだを溶融させ、溶融した第１のはんだを溝を介して第２のはんだと融合させてはんだフィレットを形成する。これにより、はんだフィレットで電極を包んで強固な接合を得ることができ、接合部の寿命を延ばすことができる。また、第１のはんだを凹部に入れるため、はんだ付け中に第１のはんだが電極の上面から落下しないため、作業性が向上する。第１のはんだは定量化できるため、はんだ接合品質を安定化することができる。この結果、信頼性と生産効率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に係る電極の下部を示す斜視図である。 実施の形態１に係る電極と金属パターンとの接合部を示す断面図である。 実施の形態１に係る電極と金属パターンとの接合工程を示す断面図である。 比較例に係る電極と金属パターンとの接合工程を示す断面図である。 比較例に係る電極と金属パターンとの接合工程を示す断面図である。 実施の形態２に係る電極の下部を示す斜視図である。 実施の形態２に係る電極と金属パターンとの接合部を示す断面図である。 実施の形態２に係る半導体装置の製造方法を示す斜視図である。 実施の形態２に係る電極の下部の変形例を示す斜視図である。 実施の形態３に係る電極と金属パターンとの接合部を示す断面図である。 実施の形態３に係る半導体装置の製造方法を示す斜視図である。 実施の形態３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４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５に係る移動体を示す図である。
　実施の形態に係る半導体装置の製造方法、半導体装置、電力変換装置及び移動体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。金属などの放熱板１の上に絶縁基板２が設けられている。絶縁基板２は、セラミックなどの絶縁板３と、絶縁板３の下面の金属パターン４と、絶縁板３の上面の金属パターン５とを有する。金属パターン４は放熱板１にはんだ等で接合されている。半導体チップ６の下面電極が金属パターン５にはんだ等により接合されている。半導体チップ６の上面電極は他の半導体チップ又は電極にワイヤ接続されている。半導体チップ６はＳｉ製のＩＧＢＴ又はＤｉｏｄｅであるが、ＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴ又はＳｉＣ－ＳＢＤでもよい。
　電極７の下部が金属パターン５に接合されている。ケース８が放熱板１の外周の上に設けられ、絶縁基板２、半導体チップ６及び電極７を囲んでいる。シリコーンゲルなどの封止材９がケース８の内部に設けられ、絶縁基板２、半導体チップ６、及び電極７の下部を封止している。蓋１０がケース８の上面に接着剤１１などで接着され、半導体チップ６などの上方を覆っている。電極７は封止材９及び蓋１０から上方に突出し、装置外部に引き出されている。
　図２は、実施の形態１に係る電極の下部を示す斜視図である。電極７の下部は横方向に折り曲げられている。その上面に凹部１２が設けられている。電極７の上面には凹部１２から側面に達する溝１３も設けられている。凹部１２の平面形状は四角形であるが、丸形でもよい。溝１３の深さは電極７の厚みの約１／３程度である。凹部１２の深さは溝１３よりも浅いが、溝１３と同じでもよい。
　図３は、実施の形態１に係る電極と金属パターンとの接合部を示す断面図である。はんだフィレット１４が金属パターン５と電極７の下面を接合している。はんだフィレット１４は、電極７の折り曲げられた部分を全体的に覆っている。即ち、はんだフィレット１４は、電極７の下面及び側面だけでなく、電極７の上面も覆っている。凹部１２及び溝１３の内部ははんだフィレット１４で埋め込まれている。
　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４は、実施の形態１に係る電極と金属パターンとの接合工程を示す断面図である。
　まず、絶縁基板２の金属パターン５に半導体チップ６を接合する。電極７の上面に凹部１２と溝１３をプレスなどにより形成する。次に、図４に示すように、予め電極７の上面の凹部１２に、クリームはんだ又は板はんだなどの第１のはんだ１５を規定量だけ載せる。はんだ濡れ性を促進させるフラックス１６を凹部１２に滴下してもよい。
　電極７の下面に対向する金属パターン５の上面に、クリームはんだなどの第２のはんだ１７を塗布する。または、電極７の下面に第２のはんだ１７を塗布してもよい。何れかの方法により、金属パターン５の上面と電極７の下面の間に第２のはんだ１７を設ける。
　次に、第１のはんだ１５と第２のはんだ１７を溶融させる。溶融した第１のはんだ１５が凹部１２から溝１３を経由して流出する。これにより、溶融した第１のはんだ１５を溝１３を介して第２のはんだ１７と融合させてはんだフィレット１４を形成する。その後、封止材９による封止などを行うことで半導体装置が製造される。
　続いて、本実施の形態の効果を比較例と比較して説明する。図５及び図６は、比較例に係る電極と金属パターンとの接合工程を示す断面図である。比較例では電極７の上面に第１のはんだ１５を載せず、第２のはんだ１７のみを用いる。従って、溶融した第２のはんだ１７の自然な濡れ広がりのみではんだフィレット１４を形成するため、はんだフィレット１４の厚みを大きくすることができない。この結果、図５では、はんだフィレット１４が電極７の厚みの約１／２までしか形成されない。図６では、はんだフィレット１４が電極７の厚みまで形成されるが、電極７の上面を覆っていない。このため、強固な接合を得ることができず、接合部の寿命が短い。また、常に作業員が張り付いてはんだフィレット１４の形成状態などの目視確認が必要である。場合によっては、はんだフィレット１４の形成の手直し作業が発生する。このため、工数削減と工期短縮が困難であり、作業性が悪い。
　これに対して、本実施の形態では、予め電極７の上面の凹部１２に第１のはんだ１５を規定量だけ載せておき、第１のはんだ１５と第２のはんだ１７を溶融させ、溶融した第１のはんだ１５を溝１３を介して第２のはんだ１７と融合させてはんだフィレット１４を形成する。これにより、はんだフィレット１４で電極７を包んで強固な接合を得ることができ、接合部の寿命を延ばすことができる。また、第１のはんだ１５を凹部１２に入れるため、はんだ付け中に第１のはんだ１５が電極７の上面から落下しないため、作業性が向上する。第１のはんだ１５は定量化できるため、はんだ接合品質を安定化することができる。この結果、信頼性と生産効率を向上させることができる。
実施の形態２．
　図７は、実施の形態２に係る電極の下部を示す斜視図である。電極７は、先端部７ａと、先端部７ａよりも厚い本体部７ｂとを有する。先端部７ａの上面は本体部７ｂの上面より低い。先端部７ａの下面は本体部７ｂの下面よりも高い。図８は、実施の形態２に係る電極と金属パターンとの接合部を示す断面図である。はんだフィレット１４は、電極７の折り曲げられた部分を全体的に覆っている。半導体装置のその他の構成は実施の形態１と同様である。
　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。ただし、電極７と金属パターン５との接合工程以外は実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。図９は、実施の形態２に係る半導体装置の製造方法を示す斜視図である。
　まず、図９に示すように、電極７の先端部７ａを上下からＵ字状の板はんだ１８で挟む。次に、加熱した金属パターン５に板はんだ１８の下面を接触させることにより板はんだ１８を溶融させる。これにより、図８に示すように、金属パターン５と電極７の下面を接合しつつ電極７の上面を覆うはんだフィレット１４を形成する。はんだフィレット１４は本体部７ｂの上面も薄い膜状で覆う。
　このように加熱した金属パターン５に板はんだ１８を直接接触させることで、はんだ溶融時間が短くなり、はんだ付け作業時間の短縮が図れる。また、Ｕ字状の板はんだ１８は薄い先端部７ａを挟むことで電極７から脱落し難くなり、作業性が向上する。その他の構成及び効果は実施の形態１と同様である。
　図１０は、実施の形態２に係る電極の下部の変形例を示す斜視図である。図７－９では電極７の先端部７ａは薄い平板であるが、図１０では電極７の先端部７ａは鋭角形状である。これにより、電極７の先端部をＵ字状の板はんだ１８で挟み易くなる。
実施の形態３．
　図１１は、実施の形態３に係る電極と金属パターンとの接合部を示す断面図である。電極７の上面の中央部に円柱状の突起１９が設けられている。はんだフィレット１４は、電極７の折り曲げられた部分を全体的に覆っている。半導体装置のその他の構成は実施の形態１と同様である。
　本実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する。ただし、電極７と金属パターン５との接合工程以外は実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。図１２は、実施の形態３に係る半導体装置の製造方法を示す斜視図である。図１３は、実施の形態３に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
　まず、図１２に示すように、上面の中央部に円柱状の突起１９が設けられた電極７と、中央部に丸穴状の開口２０を有する板はんだ２１を準備する。次に、電極７の上面に板はんだ２１を載せ、突起１９を開口２０に挿入する。これにより、電極７の上面において板はんだ２１が固定される。
　電極７の下面に対向する金属パターン５の上面に、クリームはんだなどのはんだ２２を塗布する。または、電極７の下面にはんだ２２を塗布してもよい。何れかの方法により、金属パターン５の上面と電極７の下面の間にはんだ２２を設ける。
　次に、板はんだ２１とはんだ２２を溶融して互いに融合させて、金属パターン５の上面と電極７の下面を接合しつつ電極７の上面を覆うはんだフィレット１４を形成する。その後、封止材９による封止などを行うことで半導体装置が製造される。
　本実施の形態では、予め電極７の上面に板はんだ２１を規定量だけ載せておき、板はんだ２１とはんだ２２を溶融して互いに融合させてはんだフィレット１４を形成する。これにより、はんだフィレット１４で電極７を包んで強固な接合を得ることができ、接合部の寿命を延ばすことができる。また、電極７の突起１９を板はんだ２１の開口２０に挿入するため、はんだ付け中に板はんだ２１が電極７の上面から落下しないため、作業性が向上する。板はんだ２１は定量化できるため、はんだ接合品質を安定化することができる。この結果、信頼性と生産効率を向上させることができる。また、短冊状の板はんだ２１は予め大量に準備が可能であるため、大量生産性に対応できる。
　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、耐電圧性及び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４．
　本実施の形態は、上述した実施の形態１～３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。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１４は、実施の形態４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、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は、上述した実施の形態１～３の何れかに相当する半導体装置によって構成する。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。
　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、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、駆動回路２０２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の各スイッチング素子を、上述した実施の形態１～３の何れかに相当する半導体装置によって構成する。これにより、信頼性と生産効率を向上することができる。
　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。
実施の形態５．
　図１５は、実施の形態５に係る移動体を示す図である。この移動体４００は電車等であり、実施の形態４に係る電力変換装置２００を用いて電力制御を行う。これにより、信頼性と生産効率を向上することができる。
２　絶縁基板、５　金属パターン、６　半導体チップ、７　電極、７ａ　先端部、７ｂ　本体部、１２　凹部、１３　溝、１４　はんだフィレット、１５　第１のはんだ、１７　第２のはんだ、１８　板はんだ、１９　突起、２０　開口、２１　板はんだ、２００　電力変換装置、２０１　主変換回路、２０２　駆動回路、２０３　制御回路、４００　移動体

Claims (12)

  1. 　絶縁基板の金属パターンに半導体チップを接合する工程と、
    　電極の上面に、凹部と、前記凹部から側面に達する溝とを形成する工程と、
    　前記凹部に第１のはんだを載せる工程と、
    　前記金属パターンの上面と前記電極の下面の間に第２のはんだを設ける工程と、
    　前記第１のはんだと前記第２のはんだを溶融させ、溶融した前記第１のはんだを前記溝を介して前記第２のはんだと融合させて、前記金属パターンの前記上面と前記電極の前記下面を接合しつつ前記電極の前記上面を覆うはんだフィレットを形成する工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 　絶縁基板の金属パターンに半導体チップを接合する工程と、
    　電極の先端部を上下からＵ字状の板はんだで挟む工程と、
    　加熱した前記金属パターンの上面に前記板はんだの下面を接触させることにより前記板はんだを溶融させて、前記金属パターンの前記上面と前記電極の下面を接合しつつ前記電極の上面を覆うはんだフィレットを形成する工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  3. 　前記電極は前記先端部よりも厚い本体部を有し、
    　前記はんだフィレットは前記本体部の上面も覆うことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 　前記先端部は鋭角形状であることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 　絶縁基板の金属パターンに半導体チップを接合する工程と、
    　上面に突起が設けられた電極と、開口を有する板はんだを準備する工程と、
    　前記電極の前記上面に前記板はんだを載せ、前記突起を前記開口に挿入する工程と、
    　前記金属パターンの上面と前記電極の下面の間にはんだを設ける工程と、
    　前記板はんだと前記はんだを溶融して互いに融合させて、前記金属パターンの前記上面と前記電極の前記下面を接合しつつ前記電極の前記上面を覆うはんだフィレットを形成する工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  6. 　金属パターンを有する絶縁基板と、
    　前記金属パターンに接合された半導体チップと、
    　上面に設けられた凹部と、前記凹部から側面に達する溝とを有する電極と、
    　前記金属パターンの上面と前記電極の下面を接合しつつ前記電極の前記上面を覆うはんだフィレットとを備えることを特徴とする半導体装置。
  7. 　金属パターンを有する絶縁基板と、
    　前記金属パターンに接合された半導体チップと、
    　先端部と、前記先端部よりも厚い本体部とを有する電極と、
    　前記金属パターンの上面と前記電極の下面を接合しつつ前記本体部の上面を覆うはんだフィレットとを備えることを特徴とする半導体装置。
  8. 　前記先端部は鋭角形状であることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。
  9. 　金属パターンを有する絶縁基板と、
    　前記金属パターンに接合された半導体チップと、
    　上面に突起が設けられた電極と、
    　前記金属パターンの上面と前記電極の下面を接合しつつ前記電極の前記上面を覆うはんだフィレットとを備えることを特徴とする半導体装置。
  10. 　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６～９の何れか１項に記載の半導体装置。
  11. 　請求項６～１０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た電力変換装置。
  12. 　請求項１１に記載の電力変換装置を用いて電力制御を行うことを特徴とする移動体。
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