CN114586151A - 半导体装置、功率转换装置以及半导体装置的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本公开中的半导体装置具备冷却板(12)、衬底(10)、半导体元件(21)、电极板(51)、弹性构件(41a1)和接合构件(31a2)，所述衬底(10)的反面与冷却板(12)接合，所述半导体元件(21)在正面设置有电极(21a)，反面与衬底(10)的正面接合，所述电极板(51)配置为与半导体元件(21)的正面相对，所述弹性构件(41a1)为导电性且具有弹性力，设置于半导体元件(21)与电极板(51)之间，一端与电极(21a)线接触或面接触，另一端与电极板(51)线接触或面接触，所述接合构件(31a2)为导电性，将电极(21a)和弹性构件(41a1)的一端接合，并将电极板(51)和弹性构件(41a1)的另一端接合。

Description

半导体装置、功率转换装置以及半导体装置的制造方法
技术领域
本公开涉及半导体装置、功率转换装置以及半导体装置的制造方法。
背景技术
在半导体装置中已知一种构造，该构造将金属的板状布线构件作为电极板钎焊于半导体元件的电极，来代替用引线接合进行布线的构造，该引线接合使用铝等的金属丝连接半导体元件的电极与外部导体。通过使用这样的电极板的构造，能够应对大电流的通电，能够提高电流密度，因此能够实现半导体装置的小型化(例如参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2001-332664号公报
发明内容
发明要解决的课题
但是，在专利文献1所述的以往的半导体装置中，在与半导体元件接合的衬底和与衬底接合的冷却板之间，热膨胀系数不同。因此，在通过钎焊将半导体元件与电极板接合时，若进行加热，则衬底因热的影响而发生变形，半导体元件与电极板的距离有时变得比所设计的规定大。另外，在专利文献1所述的以往的半导体装置中，将电极板接合于半导体装置的壳体时的制造偏差有时使半导体元件与电极板的距离变得比规定大。当半导体元件与电极板的距离变得比规定大时，产生如下问题：在半导体元件与电极板之间产生未由钎料接合的未接合部分，发生半导体元件的损伤或特性变化，使可靠性下降。
本公开是为了解决上述的问题而做成的，目的在于通过在半导体元件与电极板之间设置具有弹性力的导电性的弹性构件，从而在半导体元件与电极板的距离变得比规定大的情况下抑制由未钎料接合的未接合部分的产生，从而获得可靠性高的半导体装置。
用于解决课题的方案
本公开中的半导体装置具备冷却板、衬底、半导体元件、电极板、弹性构件和接合构件，所述衬底的反面与冷却板接合，所述半导体元件在正面设置有电极，反面与衬底的正面接合，所述电极板配置为与半导体元件的正面相对，所述弹性构件为导电性且具有弹性力，设置于半导体元件与电极板之间，一端与电极线接触或面接触，另一端与电极板线接触或面接触，所述接合构件为导电性，将电极和弹性构件的一端接合，并将电极板和弹性构件的另一端接合。
发明效果
本公开中的半导体装置通过在半导体元件与电极板之间设置有具有弹性力的导电性的弹性构件，从而在半导体元件与电极板的距离变得比规定大的情况下抑制未由钎料接合的未接合部分的产生，从而能够获得可靠性高的半导体装置。
附图说明
图1是表示本公开的实施方式1中的半导体装置的剖视示意图。
图2是表示本公开的实施方式1中的半导体装置的俯视图。
图3是将本公开的实施方式1中的半导体装置的一部分放大的剖视示意图。
图4是将本公开的实施方式1中的半导体装置的一部分放大的剖视示意图。
图5是表示本公开的实施方式1中的半导体装置的制造方法的剖视示意图。
图6是用于说明本公开的实施方式1中的半导体装置的效果的剖视示意图。
图7是用于说明本公开的实施方式1中的半导体装置的效果的剖视示意图。
图8是将本公开的实施方式2中的半导体装置的一部分放大的剖视示意图。
图9是表示本公开的实施方式3中的形成有由接合构件形成的覆膜的弹性构件的示意图。
图10是表示本公开的实施方式3中的半导体装置的制造方法的剖视示意图。
图11是表示应用了本公开的实施方式4中的功率转换装置的功率转换系统的结构的框图。
图12是概略地图示本公开的实施方式5中的半导体装置的弹性构件的示意图。
具体实施方式
实施方式1.
说明本公开的实施方式1中的半导体装置的结构。图1是表示本公开的实施方式1中的半导体装置的剖视示意图。另外，图2是表示本公开的实施方式1中的半导体装置的俯视图。另外，在图2中，被密封树脂、引线框(电极板)覆盖的部分实际上是看不到的，但为了说明，通过虚线透过密封树脂、引线框地表示上述部分。
在图1以及图2中，半导体装置具备绝缘衬底10、半导体元件21、23、第一引线框(电极板)51、第二引线框61、密封树脂部80、壳体90和降温装置12，上述绝缘衬底10作为衬底，上述半导体元件21、23配置在绝缘衬底10之上，上述第一引线框(电极板)51与半导体元件21的主电极(电极)21a、22a以及半导体元件23的主电极23a(电极)电连接，供主电路电流流动，上述第二引线框61利用金属丝布线71与作为半导体元件21的控制用的控制电极21b电连接，用于控制半导体元件21的控制信号被输入到第二引线框61，上述密封树脂部80覆盖半导体元件21、23以及半导体元件21、23的周边构件，上述壳体90收容这些构成构件，上述降温装置12是与绝缘衬底10接合的冷却板。
绝缘衬底10由氮化铝(AlN)等导热系数较大的陶瓷衬底等绝缘物衬底构成，例如外形尺寸为40mm×25mm，厚度为0.6mm。绝缘衬底10只要获得绝缘性即可，并不限定于氮化铝。绝缘衬底10例如也可以是氧化铝(Al2O3)、氮化硅(Si3N4)等的陶瓷衬底。另外，衬底也可以是环氧玻璃衬底、金属基底衬底等陶瓷以外的衬底。
在绝缘衬底10的正面设置有由铝(Al)或铝合金等电导率较大的金属形成的导体层11。也可以在绝缘衬底10的反面设置有由铝(Al)或铝合金等电导率较大的金属形成的导体层(未图示)。导体层11例如由厚度为0.3mm的铝形成。正面侧的导体层以及反面侧的导体层也可以由不同的材料形成，但从降低制造成本出发，优选由相同的材料形成。形成于绝缘衬底10的导体层11并不限定于铝，例如也可以由铜(Cu)、铜合金形成。
在将导体层11与半导体元件21、23钎焊接合的情况下，当导体层11由铝形成时，钎料不会润湿。因此，在铝的正面形成例如厚度为5.0μm的作为可润湿钎料的金属材料的镍(Ni)(未图示)，利用作为第一接合构件的钎料31a1、33a1将导体层11与半导体元件21、23接合。作为可润湿钎料的金属材料，除镍(Ni)以外，也可以是锡(Sn)、金(Au)和银(Ag)等。
在导体层11形成有用于使主电路电流在半导体元件21、23流动的电路图案。半导体元件21、23利用钎料31a1、33a1与导体层11接合，因此优选导体层11是电导率较大的金属。另外，在绝缘衬底10的反面侧形成导体层(未图示)的情况下，有时利用钎料等接合构件将降温装置12与反面侧的导体层接合，上述降温装置12将在半导体元件21、23产生的热排出到半导体装置的外部，反面侧的导体层也优选导热系数较大的金属。
半导体元件21以及半导体元件23是二极管、IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管)等电力用的半导体开关元件、控制用的IC(Integrated Circuit，集成电路)。另外，也可以是SBD(Schottky Barrier Diode，肖特基二极管)、SBJ(Schottky Barrier Junction，肖特基势垒结)、晶闸管等整流元件。
在本公开中，说明半导体元件21是由硅(Si)形成的IGBT并且半导体元件23是由硅形成的二极管的情况。例如，半导体元件21的外形尺寸为15mm×15mm，厚度为100μm。半导体元件23的外形尺寸为10mm×15mm，厚度为100μm。半导体元件21、23例如也可以由碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等半导体材料形成。
如图1和图2所示，在本公开中，以具备一对作为IGBT的半导体元件21和作为二极管的半导体元件23的1in1结构的半导体装置进行半导体装置的说明，但也可以是具备两对IGBT和二极管的2in1结构的半导体装置、具备六对IGBT和二极管的6in1结构的半导体装置。另外，也可以设为只具备半导体元件21的半导体装置。半导体装置也可以是具备MOSFET等其他半导体开关元件来代替IGBT的结构。
作为IGBT的半导体元件21和作为二极管的半导体元件23具备借助导体层11与绝缘衬底10接合的反面的电极(未图示)和设置于与反面的电极相反的一侧的面的正面的电极。
在导体层11的与半导体元件21、23接合的位置的四角搭载由金属丝线径为100μm的铝丝(未图示)形成的隔离件，利用钎料31a1、33a1将导体层11与半导体元件21、23接合。
隔离件除Al丝以外，也可以是Cu丝。作为隔离件的金属丝的线径只要小于接合状态的钎料的厚度即可，并不限定于100μm。另外，隔离件只要能确保最低钎焊厚度即可，也可以使用镍球来作为隔离件。另外，也可以设为在不使用隔离件的前提下进行钎焊接合的结构。
钎料31a1、33a1使用将锡、银和铜作为主要成分的Sn/Ag/Cu系。例如，钎料31a1的外形尺寸为15mm×15mm，钎料33a1的外形尺寸为15mm×10mm，以及钎料31a1、33a1的接合后的厚度为100μm～200μm。
作为钎焊的材料，除此之外，也可以是将锡和银作为主要成分的Sn/Ag系、将锡和铜作为主要成分的Sn/Cu系、将锡和铋(Bi)作为主要成分的Sn/Bi系等。另外，钎料31a1、33a1也可以含有锑(Sb)、镍(Ni)、铟(In)、铋、铝(Al)和锌(Zn)等。另外，在钎料31a1、33a1的材料中含有铅(Pb)也可获得本公开的效果，但含有铅的钎料对环境的负荷较高，因此不优选。
将导体层11与半导体元件21、23接合的第一接合构件31a1、33a1不限定于钎料。第一接合构件31a1、33a1例如也可以使用由银纳米颗粒、铜纳米颗粒等金属纳米颗粒形成的烧结材料。
在半导体元件21上，即，在半导体元件21的正面形成有主电极21a、22a来作为电极，主电极21a、22a利用钎料31a2、33a2来作为第二接合构件而与第一引线框51分别接合。在此，第一引线框51配置为与半导体元件21的正面相对。主电路电流在半导体元件21的正面的主电极21a、22a与半导体元件21的反面的电极(未图示)之间流动。另外，在半导体元件23上，即，在半导体元件23的正面形成有作为电极的主电极23a。主电极23a利用作为第二接合构件的钎料33a2与第一引线框51接合。主电路电流在半导体元件23的正面的主电极23a与半导体元件23的反面的电极(未图示)之间流动。
主电极21a、22a、23a为含有能通过钎焊接合的镍(Ni)的结构。作为能通过钎焊接合的金属，除镍(Ni)以外，也可以是金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)，主电极21a、22a、23a也可以设为含有镍(Ni)、金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)中的至少一者的结构。另外，主电极21a、22a通过钎焊与第一引线框51接合，是供大电流的主电路电流流动的电极，面积比后述的控制电极21b、温度感应电极22b大。
第一圆筒螺旋弹簧(弹性构件)41a1、43b1是压缩弹簧。第一圆筒螺旋弹簧(弹性构件)41a1、43b1含有未图示的芯材、未图示的覆盖部和未图示的金属镀部。芯材由具有较大的弹性率的金属构成。具体而言，芯材由具有比覆盖部大的弹性率的金属构成。因此，能够利用芯材的材料与覆盖部的材料的组合，扩大第一圆筒螺旋弹簧(弹性构件)的弹性率以及电导率的设计的幅度。芯材具有圆筒形状。芯材的线径例如为0.1mm。芯材的材料是不一定具有较大的电导率但具有较大的弹性率的金属。芯材的材料含有不锈钢或钨(W)等金属。另外，芯材的材料不限定于不锈钢或钨(W)，也可以是弹簧钢。
覆盖部覆盖芯材的周围。覆盖部由具有较大的电导率的金属构成。具体而言，覆盖部由具有比芯材大的电导率的金属构成。覆盖部的材料例如含有铝(Al)等金属。覆盖部的材料不限定于铝(Al)，例如可以是铝(Al)合金和铜(Cu)等具有较大的电导率的金属。
未图示的金属镀部被实施于覆盖部的正面。金属镀部将覆盖部覆盖。金属镀部的厚度例如为0.5μm。金属镀部的材料是可被钎料润湿的金属。金属镀部的材料例如含有镍(Ni)。金属镀部的材料不限定于镍(Ni)，例如也可以是含有锡(Sn)、金(Au)、银(Ag)以及铜(Cu)中的至少一者的金属。
第一圆筒螺旋弹簧41a1、43a1如果是含有铝(Al)和铜(Cu)中的至少一者的结构，则成为电导率大的弹性构件，能够以大电流进行通电。另外，若是在第一圆筒螺旋弹簧41a1、43a1的正面的至少一部分由锡(Sn)、金(Au)、银(Ag)和铜(Cu)中的至少一者实施金属镀的结构，则在将第一圆筒螺旋弹簧41a1、43a1接合的工序中，能使钎料更有效地附着于第一圆筒螺旋弹簧41a1、43a1的最表面而提高润湿性。
第一圆筒螺旋弹簧41a1、43a1如图1所示，分别设置于半导体元件21、23的正面与第一引线框51的反面之间。第一圆筒螺旋弹簧41a1、43a1是具有弹性力的导电性的弹性构件，一端与形成于半导体元件21的正面的主电极21a、22a线接触，另一端与第一引线框51线接触，两端含有曲线形状。
第一圆筒螺旋弹簧41a1、43a1在设置于半导体元件21的正面与第一引线框51的反面之间时，能将圆筒螺旋弹簧的外径、自由长度、密合长度等容易地调整为所需的值。因而，如图1所示，以半导体元件21、23的正面与第一引线框51的反面之间的各自的距离成为期望的值的方式设置第一圆筒螺旋弹簧41a1、43a1。
图3是将本公开的实施方式1中的半导体装置的一部分放大的剖视示意图。图3的(a)是将第一圆筒螺旋弹簧41a1(弹性构件)及其周边放大的剖视示意图。图3的(b)是将第一圆锥螺旋弹簧41b1(弹性构件)及其周边放大的剖视示意图。图3的(c)是将第一板簧41c(弹性构件)及其周边放大的剖视示意图。另外，在此只对设置于半导体元件21的正面与第一引线框51之间的弹性构件进行说明，但自不必说，以下的说明也同样适用于在半导体元件23的正面与第一引线框51之间设置的弹性构件。
如图3的(a)所示，第一圆筒螺旋弹簧41a1设置于第一引线框51与形成于半导体元件21的正面的主电极21a之间，一端与主电极21a线接触，另一端与第一引线框51线接触，两端含有由圆弧形状构成的曲线形状，该第一圆筒螺旋弹簧41a1具有弹性力以及导电性。螺旋弹簧依据用途的不同，流通有很多外形不同的线材，因此作为设置于主电极21a与第一引线框51之间的弹簧，能够容易地选定。另外，圆筒螺旋弹簧是含有由两端的外径相等的圆弧形状构成的曲线形状的螺旋弹簧，能够容易地制造。此外，圆筒螺旋弹簧能够稳定地支承主电极21a和第一引线框51。
弹性构件的形状只要能在半导体元件21与第一引线框51的距离比规定大的情况下抑制未由钎料31a2接合的未接合部分的产生即可，因此也可以是图3的(b)、(c)所示那样的形状。
如图3的(b)所示，第一圆锥螺旋弹簧41b1设置于第一引线框51与形成于半导体元件21的正面的主电极21a之间，一端与主电极21a线接触，另一端与第一引线框51线接触，两端含有由涡旋形状构成的曲线形状，该第一圆锥螺旋弹簧41b1具有弹性力以及导电性。
圆锥螺旋弹簧是含有由两端的外径不同的涡旋形状构成的曲线形状的螺旋弹簧。因此，通过设计为在压缩时不会使线材彼此紧密接触，能使密合长度比圆筒螺旋弹簧短。因而，即使在因半导体元件21与第一引线框51之间的距离的制约而不能设置圆筒螺旋弹簧的情况下，也能设置圆锥螺旋弹簧。
另外，弹性构件的形状不必是图3的(a)、(b)所示的螺旋弹簧的形状。例如，如图3的(c)所示，也可以是在两端含有平面形状并具有多个触点的板簧的形状。
如图3的(c)所示，将金属板折弯而形成的第一板簧41c设置于第一引线框51与形成于半导体元件21的正面的主电极21a之间，一端与主电极21a面接触，另一端与第一引线框51面接触，两端含有平面形状，该第一板簧41c具有弹性力以及导电性。第一板簧41c中的两端的面具有一致的宽度以及均匀的板厚。
板簧由于在两端含有平面形状，所以与主电极21a或第一引线框51面接触。也就是说，板簧的一端与主电极21a接触并且另一端与第一引线框51接触的面积，比作为螺旋弹簧的圆筒螺旋弹簧、圆锥螺旋弹簧的一端与主电极21a接触并且另一端与第一引线框51接触的面积大。钎料31a2借助第一板簧41c润湿蔓延，因此与主电极21a或第一引线框51接触的面积也扩大。因而，板簧能比螺旋弹簧抑制未由钎料31a2接合的未接合部分的产生。另外，板簧能够加工成比螺旋弹簧复杂的形状。因此，板簧能够进行考虑了半导体元件21或第一引线框51的形状的加工。此外，板簧的与半导体元件21以及第一引线框51的接触面积比螺旋弹簧大，因此能够应对大电流的通电。
钎料31a2设置于第一引线框51与形成于半导体元件21的正面的主电极21a之间，将主电极21a和弹性构件的一端接合，并将第一引线框51和弹性构件的另一端接合，该钎料31a2具有导电性。另外，钎料31a2只要将主电极21a和弹性构件的一端接合，并将第一引线框51和弹性构件的另一端接合即可。例如，如图3的(a)～(c)所示，钎料31a2只要设置为覆盖作为弹性构件的第一圆筒螺旋弹簧41a1、第一圆锥螺旋弹簧41b1或第一板簧41c即可。
关于弹性构件的两端，为了使钎料借助弹性构件充分地润湿蔓延到主电极21a以及第一引线框51，弹性构件的一端和主电极21a需要线接触或面接触，弹性构件的另一端和第一引线框51需要线接触或面接触。为此，弹性构件的两端优选是含有曲线形状的螺旋弹簧或含有平面形状的板簧。由此，在主电极21a与第一引线框51的距离比规定大的情况下，钎料借助弹性构件充分地润湿蔓延到被线接触或面接触的主电极21a以及第一引线框51。但是，当弹性构件的一端或另一端为例如凸形时，弹性构件的一端与主电极21a变为点接触，或弹性构件的另一端与第一引线框51变为点接触。在主电极21a与第一引线框51的距离比规定大的情况下，即使弹性构件的一端与主电极21a点接触或弹性构件的另一端与第一引线框51点接触，钎料也不会借助弹性构件充分地润湿蔓延到被点接触的主电极21a或第一引线框51。
例如，图3的(a)所示的第一圆筒螺旋弹簧41a1将外径设为3.0mm，将芯材的粗细度设为0.1mm，将自由长度设为1.0mm，将密合长度设为0.2mm。这样，如果将第一圆筒螺旋弹簧41a1的自由长度设为1.0mm，将密合长度设为0.2mm，则在第一引线框51与形成于半导体元件21的正面的主电极21a的距离比规定大0.2mm左右的情况下，通过使第一圆筒螺旋弹簧41a1伸长比规定的距离大的距离，第一圆筒螺旋弹簧41a1的一端和主电极21a线接触，弹性构件的另一端和第一引线框51线接触。钎料31a2借助第一圆筒螺旋弹簧41a1充分地润湿蔓延到被线接触的主电极21a以及第一引线框51，能够抑制未由钎料接合的未接合部分的产生。
将图3的(a)～(c)设为在第一引线框51与形成于半导体元件21的正面的主电极21a之间设置有1个弹性构件的结构而进行了说明，但也可以设为并列地设置有多个弹性构件的结构。另外，也可以设为将图3的(a)～(c)的结构分别组合而形成的结构。
图4是将本公开的实施方式1中的半导体装置的一部分放大的剖视示意图。图4的(a)是并列地设置共计两个第一圆筒螺旋弹簧41a1、41a2并也包括其周边地放大的剖视示意图。图4的(b)是并列地设置共计3个第一圆锥螺旋弹簧41b1、41b2以及41b3并也包括其周边地放大的剖视示意图。图4的(c)是并列地设置共计3个第一圆筒螺旋弹簧41a1、第一板簧41c以及第一圆筒螺旋弹簧41a2并也包括其周边地放大的剖视示意图。为了防止各弹性构件折弯而相互干扰，各弹性构件间需要空开例如比0.1mm大的间隔。
这样，在第一引线框51与形成于半导体元件21的正面的主电极21a之间并列地设置多个弹性构件，比设置1个弹性构件时增大利用各个弹性构件的两端接触的区域。因而，在将钎料设置于主电极21a与第一引线框51之间时，钎料借助弹性构件充分地润湿蔓延，能使主电极21a和第一板簧41c的一端较强地接合，第一引线框51和第一板簧41c的另一端较强地接合。
另外，在本公开的实施方式1中，将弹性构件设为圆筒螺旋弹簧、圆锥螺旋弹簧或板簧的结构而进行了说明，但只要弹性构件的一端与主电极21a线接触或面接触并且另一端与第一引线框51线接触或面接触且具有弹性力即可，例如也可以是碟形弹簧(未图示)。碟形弹簧与上述说明的板簧同样，在两端含有平面形状。因此，碟形弹簧与主电极21a或第一引线框51面接触。也就是说，板簧的一端与主电极21a接触并且另一端与第一引线框51接触的面积，比作为螺旋弹簧的圆筒螺旋弹簧、圆锥螺旋弹簧大。因此，能比螺旋弹簧应对大电流的通电。
如图2所示，在半导体元件21上分别与主电极21a、22a分开地形成有作为控制信号用的控制电极21b和半导体元件的温度测量用的温度感应电极22b。也就是说，主电极21a与控制电极21b分开地形成在半导体元件21之上，主电极21a与温度感应电极22b分开地形成在半导体元件21之上。另外，主电极22a与控制电极21b分开地形成于半导体元件21的正面，主电极22a与温度感应电极22b分开地形成于半导体元件21的正面。
另外，在此，以具有主电极21a和主电极22a这两个电极来作为半导体元件21之上的主电极的例子进行说明，但在使主电极21a与主电极22a相连而成的主电极为1个的结构的情况下，1个主电极与控制电极21b分开地形成，1个主电极与温度感应电极22b分开地形成。
控制电极21b与第二引线框61由金属丝布线71电连接，基于所输入的控制信号，控制主电路电流的接通和切断。另外，温度感应电极22b与第二引线框62由金属丝布线72电连接。
金属丝布线71、72例如可以是直径为0.15mm的铝丝、覆盖有铝的铜丝或金丝等。金属丝布线71通过引线接合与第二引线框61以及控制电极21b进行超声波接合。另外，金属丝布线72通过引线接合与第二引线框62以及温度感应电极22b进行超声波接合。
在半导体元件21的正面除控制电极21b、温度感应电极22b以外，也可以设置发射极电流感应电极等电极，以便测量发射极的电流。在有发射极电流感应电极的情况下，也同样利用金属丝布线使发射极电流感应电极与控制电极21b等电连接。如图2所示，当金属丝布线用的电极设为沿半导体元件21的一边配置成一列的结构时，易于进行超声波接合，因此是优选的。
图1和图2所示的作为板状的电极板的第一引线框51例如由厚度为1.0mm的铜(Cu)或铜合金形成，与第一圆筒螺旋弹簧41a1的一端接触，利用钎料31a2与形成于半导体元件21的正面的主电极21a、22a接合。另外，第一引线框51与第一圆筒螺旋弹簧41a1的一端接触，利用钎料33a2与形成于半导体元件23的正面的主电极23a接合。
第一引线框51由钎料不会润湿的铝(Al)或铝合金形成。第一引线框51也可以设为在钎焊接合部形成有铜(Cu)、铜合金等钎料可润湿的金属材料的结构、在钎焊接合部的正面形成有镍(Ni)、金(Au)等金属的结构。另外，第一引线框51也可以用贴合殷钢等多种金属而形成的复合材料。在此，设为作为板状的电极板的第一引线框51而进行了说明，但电极板例如也可以是施加有布线图案的印刷衬底。
钎料31a2、33a2使用将锡、银和铜作为主要成分的Sn/Ag/Cu系，例如，主电极21a上和主电极22a上分别设置的钎料31a2处的外形尺寸的一边的长度是长边的长度为6mm～9mm，短边的长度为4mm～5mm，钎料33a2处的外形尺寸的一边的长度是长边的长度为9mm～12mm，短边的长度为6mm～8mm。基于在主电极21a、22a与第一引线框51之间分别规定的距离，设定接合后的钎料31a2的厚度。另外，基于在主电极23a与第一引线框51之间规定的距离，设定接合后的钎料33a2的厚度。例如，接合后的钎料31a2、33a2的厚度为300μm～500μm。另外，钎料31a2、33a2也能与上述的钎料31a1、33a1的材料相同，使用将锡和铜作为主要成分的Sn/Cu系、将锡和银作为主要成分的Sn/Ag系等。钎料31a2、33a2为了在熔融时分别润湿于第一圆筒螺旋弹簧41a1、43a1，钎料31a2、33a2与第一圆筒螺旋弹簧41a1接触时的接触角优选小于90°。
如图2所示，由铜(Cu)、铜合金等电导率较大的金属形成的端子板53，通过超声波接合等方法与导体层11接合。在端子板53设置有主端子54，主端子54固定于壳体90。由此，半导体元件21、23的反面的电极与主端子54电连接。
第一引线框51在与半导体元件21、23接合的一侧的相反侧的端部设置有用于与外部设备电连接的主端子52，主端子52固定于壳体90。主端子52与主端子54借助导体层11、半导体元件21、23以及第一引线框51电连接，能使主电路电流在主端子52与主端子54之间流动。
第二引线框61、62由铜(Cu)、铜合金或铝(Al)、铝合金形成，固定于壳体90。第二引线框61、62的一端暴露于半导体装置的外部，第二引线框61成为用于输入控制信号的控制端子。第二引线框62成为用于测量半导体元件21的温度的端子。在利用铝(Al)、铝合金形成第二引线框61、62的情况下，也可以对暴露于半导体装置的外部的控制端子的部分实施由铜(Cu)或镍(Ni)进行的电镀，提高钎料的润湿性。第二引线框61的另一端利用金属丝布线71与设置于半导体元件21的正面的控制电极21b电连接。同样，第二引线框62的另一端利用金属丝布线72与设置于半导体元件21的正面的温度感应电极22b电连接。
在图2中，以作为板状的布线构件的第一引线框51、第二引线框61、62埋入固定于壳体90的例子进行了说明，但也可以设为使第一引线框51的与半导体元件21、23接合的一侧的相反侧的端部、第二引线框61的与金属丝布线71接合的一侧的相反侧的端部通过钎焊、导电性粘接剂与预先形成于壳体90的电极端子连接的结构。
壳体90由PPS(Poly Phenylene Sulfide：聚苯硫醚)树脂形成为框状，包围绝缘衬底10的供半导体元件21、23搭载的面的外周，粘接于绝缘衬底10。壳体90只要在钎料31a1、31a2、33a1、33a2的加热熔融时不因热而变形即可，也可以由PBT(Poly ButyleneTerephthalate：聚对苯二甲酸丁二酯)等形成。
密封树脂部80由环氧系的树脂形成，覆盖导体层11、半导体元件21、23、第一引线框51的一部分、第二引线框61的一部分、金属丝布线71、72以及钎料31a1、31a2、33a1、33a2而将它们绝缘密封。另外，形成密封树脂部80的密封树脂只要能够确保绝缘性即可，不限定于环氧系的树脂。密封树脂也可以是例如液态凝胶等。由树脂材料进行密封的方法除了上述说明的由壳体90和密封树脂部80进行密封的方法以外，也可以是由传递模塑进行密封的方法。
壳体90以及绝缘衬底10具有用于与作为冷却板的降温装置12接合的孔，使螺钉(未图示)穿过孔而与降温装置12接合。另外，绝缘衬底10有时也在反面借助润滑脂或散热片与降温装置12接合。另外，与润滑脂相比，散热片无需进行擦拭作业，优选散热片的厚度为0.4mm以下且导热系数为1W/mK以上的特性。
降温装置12由铝(Al)、铝合金形成。降温装置12的正面通过螺钉(未图示)与壳体90以及绝缘衬底10接合。降温装置12的反面排列有多个冷却鳍片，能够抑制在半导体元件21、23的发热。降温装置12优选是导热系数为100W/mK以上的特性。
接着，说明具有半导体元件的半导体装置的制造方法。图5是表示本公开的实施方式1中的半导体装置的制造方法的剖视示意图。
首先，如图5的(a)所示，作为半导体元件配置工序，在设置于绝缘衬底10的正面的导体层11配置作为第一接合构件的钎料31a1以及半导体元件21。同样，在设置于绝缘衬底10的正面的导体层11配置作为第一接合构件的钎料33a1以及半导体元件21。
然后，作为半导体元件接合工序，对作为第一接合构件的钎料31a1进行加热，从而使在正面形成有电极等的半导体元件21的反面的电极(未图示)与设置于绝缘衬底10的正面的导体层11接合。同样，利用作为第一接合构件的钎料33a1使在正面形成有电极的半导体元件23的反面的电极(未图示)与绝缘衬底10上的导体层11接合。
接着，如图5的(b)所示，作为壳体固定工序，在框状的壳体90的底部配置与半导体元件21、23接合的绝缘衬底10。然后，利用硅制的粘接材料(未图示)将壳体90粘接固定在绝缘衬底10上。
在壳体90预先通过嵌件成形而设置有第二引线框61，在壳体90的上部固定有主端子52。在此，虽然未图示，但在壳体90也设置有第二引线框62。在壳体90也预先设置有端子板53，设置于端子板53的主端子54固定于壳体90的上部。在将壳体90配置于绝缘衬底10的规定位置时，第二引线框61以引线接合部分位于与绝缘衬底10接合的半导体元件21的控制电极21b所对应的位置的方式固定于壳体90。另外，在将壳体90配置于绝缘衬底10的规定位置时，第二引线框62以引线接合部分位于与绝缘衬底10接合的半导体元件21的温度感应电极22b所对应的位置的方式固定于壳体90。
此外，如图5的(c)所示，作为弹性构件配置工序，在与绝缘衬底10接合的半导体元件21的正面形成的主电极21a之上，配置作为第二接合构件的由板式钎料构成的钎料31a2，在钎料31a2之上配置作为弹性构件的第一圆筒螺旋弹簧41a1。在此，虽然未图示，但在主电极22a之上也配置作为第二接合构件的由板式钎料构成的钎料31a2。然后，在钎料31a2之上配置作为弹性构件的第一圆筒螺旋弹簧41a1。另外，在与绝缘衬底10接合的半导体元件23的正面形成的主电极23a之上，配置作为第二接合构件的由板式钎料构成的钎料33a2，在钎料33a2之上配置作为弹性构件的第一圆筒螺旋弹簧43a1。此外，在壳体90的上部以使第一引线框51与壳体90连接的方式配置作为接合构件的由板式钎料构成的钎料35。然后，在钎料31a2、33a2以及35之上配置第一引线框51。
接着，作为弹性构件接合工序，利用回流焊炉或加热板对钎料31a2、33a2以及35进行加热而使这些钎料熔融，从而将主电极21a、23a以及壳体90与第一引线框51钎焊接合。
在此，当选择钎料31a2以及33a2的融点比第一圆筒螺旋弹簧41a1以及43a1的融点低的材料时，在将半导体元件21、23与第一引线框51钎焊接合时，第一圆筒螺旋弹簧41a1以及43a1不熔融，因此是优选的。
利用该钎焊接合，在半导体元件21的正面与第一引线框51之间，使第一圆筒螺旋弹簧41a1的一端与主电极21a线接触或面接触并接合，使第一圆筒螺旋弹簧41a1的另一端与第一引线框51线接触或面接触并接合。另外，在半导体元件23的正面与第一引线框51之间，使第一圆筒螺旋弹簧43a1的一端与主电极23a线接触或面接触并接合，并使第一圆筒螺旋弹簧43a1的另一端与第一引线框51线接触或面接触并接合。
在作为第一接合构件的31a1、33a1使用钎料的情况下，当选择钎料31a2以及33a2的融点比钎料31a1以及33a1的融点低的材料时，在将半导体元件21、23与第一引线框51钎焊接合时，即使半导体元件21、23与导体层11已利用钎料31a1、33a1接合，钎料31a1、33a1也不会再熔融，因此是优选的。
然后，如图5的(d)所示，作为金属丝布线工序，通过由超声波接合进行的引线接合使金属丝接合在半导体元件21的控制电极21b之上和第二引线框61之上。即，利用金属丝布线71使半导体元件21的控制电极21b与第二引线框61电连接。在此，虽然未图示，但利用金属丝布线72使半导体元件21的温度感应电极22b与第二引线框62电连接。
另外，在此虽然未图示，但利用超声波接合使端子板53与设置于绝缘衬底10的导体层11接合。可以在半导体元件21、23的正面的主电极21a、23a与第一引线框51的钎焊接合之前或之后由该超声波接合进行接合。利用以上的钎焊接合以及超声波接合使半导体元件21、23电连接在半导体装置的主端子52与主端子54之间。
此外，作为密封工序，在壳体90内利用灌封树脂形成密封树脂部80，在壳体90内将半导体元件21、23与第一引线框51绝缘密封。
壳体90以及绝缘衬底10具有用于与作为冷却板的降温装置12接合的孔。最后，作为冷却板接合工序，壳体90以及绝缘衬底10通过螺钉(未图示)与作为冷却板的降温装置12接合。也就是说，通过使绝缘衬底10的反面与降温装置12接合，完成半导体装置。
如以上说明的那样，采用本公开的实施方式1，具备第一圆筒螺旋弹簧41a1和钎料31a2，上述第一圆筒螺旋弹簧41a1为导电性且具有弹性力，设置于半导体元件21与第一引线框51之间，一端与主电极21a线接触或面接触，另一端与第一引线框51线接触或面接触，上述钎料31a2为导电性，将主电极21a和第一圆筒螺旋弹簧41a1的一端，并将第一引线框51和第一圆筒螺旋弹簧41a1的另一端。
说明这样构成的半导体装置的效果。图6以及图7是用于说明本公开的实施方式1中的半导体装置的效果的剖视示意图。
图6是用于说明在因钎焊安装时的绝缘衬底10的变形而使半导体元件21、23与第一引线框51的距离变得比规定大的情况下本公开的实施方式1中的半导体装置的效果的剖视示意图。
首先，如图6的(a)所示，在分别利用钎料31a2、33a2将半导体元件21、23的正面的主电极21a、23a与第一引线框51接合时，在进行加热时，与绝缘衬底10接合的降温装置12和与半导体元件21接合的绝缘衬底10一同被加热。设置于绝缘衬底10的正面的导体层11所含有的镍(Ni)、锡(Sn)、金(Au)或银(Ag)的热膨胀系数比降温装置12所含有的铝(Al)的热膨胀系数小，因此绝缘衬底10有时以向降温装置12的方向凸起的方式变形。因此，主电极21a、23a与第一引线框51的距离分别变得比规定大。由此，在主电极21a、23a与第一引线框51之间，产生未由钎料31a2、33a2接合的各个未接合部分。
接着，如图6的(b)所示，在主电极21a、23a与第一引线框51之间分别设置有作为弹性构件的第一圆筒螺旋弹簧41a1、43a1，从而即使绝缘衬底10以向降温装置12的方向凸起的方式变形，第一圆筒螺旋弹簧41a1、43a1也与绝缘衬底10的变形情况相应地分别伸长，一端与主电极21a、23a线接触或面接触，另一端与第一引线框51线接触或面接触。然后，钎料31a2将主电极21a与第一圆筒螺旋弹簧41a1的一端接合，并将第一引线框51与第一圆筒螺旋弹簧41a1的另一端接合。另外，钎料33a2将主电极21a与第一圆筒螺旋弹簧43a1的一端接合，并将第一引线框51与第一圆筒螺旋弹簧43a1的另一端接合。由于第一圆筒螺旋弹簧41a1、43a1一端与主电极21a、23a线接触或面接触，另一端与第一引线框51线接触或面接触，所以钎料31a2、33a2沿第一圆筒螺旋弹簧41a1、43a1分别润湿蔓延到主电极21a、23a以及第一引线框51。因而，抑制未由钎料31a2、33a2接合的未接合部分的产生。
另外，在此虽然未图示，但根据形成绝缘衬底10以及降温装置12的金属的种类的不同，绝缘衬底10的热膨胀系数有时比降温装置12的热膨胀系数大。在该情况下，绝缘衬底10以向降温装置12的相反的方向凸起的方式变形。因此，主电极21a、23a与第一引线框51的距离分别变得比规定小，第一圆筒螺旋弹簧41a1、43a1与绝缘衬底10的变形情况相应地分别缩小，一端与主电极21a线接触或面接触，另一端与第一引线框51线接触或面接触。并且，与绝缘衬底10向降温装置12的方向凸起的情况同样，钎料31a2、33a2沿第一圆筒螺旋弹簧41a1、43a1分别润湿蔓延到主电极21a、23a以及第一引线框51，抑制未由钎料31a2、33a2接合的未接合部分的产生。
图7是用于说明在因将第一引线框51接合于壳体90时的制造偏差导致半导体元件21、23与第一引线框51的距离变得比规定大的情况下本公开的实施方式1中的半导体装置的效果的剖视示意图。
首先，如图7的(a)所示，在利用钎料35使第一引线框51与壳体90接合时，有时因制造偏差而使与第一引线框51接合的位置与本来要进行接合的位置之间产生偏离。因此，主电极21a、23a与第一引线框51的距离分别变得比规定大，在主电极21a、23a与第一引线框51之间产生未由钎料31a2、33a2接合的各个未接合部分。
接着，如图7的(b)所示，通过在主电极21a、23a与第一引线框51之间分别设置作为弹性构件的第一圆筒螺旋弹簧41a1、43a1，即使在与第一引线框51接合的位置与本来要进行接合的位置之间产生偏离，第一圆筒螺旋弹簧41a1、43a1也会与第一引线框51的偏离情况相应地分别伸长，一端与主电极21a、23a线接触或面接触，另一端与第一引线框51线接触或面接触。然后，钎料31a2将主电极21a和第一圆筒螺旋弹簧41a1的一端接合，并将第一引线框51和第一圆筒螺旋弹簧41a1的另一端接合。另外，钎料33a2将主电极21a和第一圆筒螺旋弹簧43a1的一端，并将第一引线框51和第一圆筒螺旋弹簧43a1的另一端接合。由于第一圆筒螺旋弹簧41a1、43a1一端与主电极21a、23a线接触或面接触，并且另一端与第一引线框51线接触或面接触，所以钎料31a2、33a2沿第一圆筒螺旋弹簧41a1、43a1分别润湿蔓延到主电极21a、23a以及第一引线框51。因而，抑制未由钎料31a2、33a2接合的未接合部分的产生。
另外，虽然未图示，但在利用钎料35使第一引线框51与壳体90接合时，有时因制造偏差使主电极21a、23a与第一引线框51的距离分别变得比规定小。在该情况下，第一圆筒螺旋弹簧41a1、43a1与第一引线框51的偏离情况相应地分别缩小，一端与主电极21a线接触或面接触，另一端与第一引线框51线接触或面接触。然后，与主电极21a、23a和第一引线框51的距离变得比规定大的情况同样，钎料31a2、33a2沿第一圆筒螺旋弹簧41a1、43a1分别润湿蔓延到主电极21a、23a以及第一引线框51，抑制未由钎料31a2、33a2接合的未接合部分的产生。
另外，在此虽然未图示，但图6的(a)所示那样的钎焊安装时的绝缘衬底10的变形和图7的(a)所示那样的使第一引线框51与壳体90接合时的制造偏差有时都会发生，使主电极21a、23a与第一引线框51的距离分别处于规定外。在以上情况都发生的情况下，第一圆筒螺旋弹簧41a1、43a1也与绝缘衬底10的变形情况以及第一引线框51的偏离情况相应地分别伸缩，一端与主电极21a、23a线接触或面接触，另一端与第一引线框51线接触或面接触。然后，钎料31a2、33a2沿第一圆筒螺旋弹簧41a1、43a1分别润湿蔓延到主电极21a、23a以及第一引线框51，抑制未由钎料31a2、33a2接合的未接合部分的产生。
实施方式2.
说明本公开的实施方式2中的半导体装置的结构。图8是将本公开的实施方式2中的半导体装置的一部分放大的剖视示意图。图8的(a)以及图8的(b)是将第一圆筒螺旋弹簧41a1(弹性构件)及其周边放大的剖视示意图。
实施方式2的作为电极板的第一引线框51的结构与实施方式1不同。实施方式2的半导体装置的其他结构与实施方式1的半导体装置的结构相同。另外，在此，只说明对设置于半导体元件21的正面与第一引线框51之间的弹性构件进行保持的保持部，但自不必说，以下的说明也同样适用于对设置于半导体元件23的正面与第一引线框51之间的弹性构件进行保持的保持部。
如图8的(a)所示，在第一引线框51中，在与第一圆筒螺旋弹簧41a1的端部接触的位置，设置有向半导体元件21的方向突出的突出部51a来作为保持部。即，设置有凸构造来作为保持部。通过将弹性构件(第一圆筒螺旋弹簧41a)缠绕于凸构造，能使弹性构件(第一圆筒螺旋弹簧41a)与电极板(第一引线框51)接合。自与第一引线框51的面垂直的方向观察，突出部51a在保持第一圆筒螺旋弹簧41a1的位置以含有由圆弧构成的曲线的形状设置。也就是说，在自上侧观察半导体元件21的俯视下，即，在自第一引线框51观察半导体元件21的俯视下，突出部51a设置于至少含有主电极21a的一部分的位置。同样，在此虽然未图示，但在自上侧观察半导体元件21的俯视下，即，在自第一引线框51观察半导体元件21的俯视下，突出部51a设置于含有主电极22a的一部分的位置。第一圆筒螺旋弹簧41a1的另一端由突出部51a保持。
另外，如图8的(b)所示，在第一引线框51中，也可以设为在与第一圆筒螺旋弹簧41a1的端部接触的位置设置有掩埋部51b来作为保持部的结构，该掩埋部51b沿与半导体元件21相反的方向掩埋。即，设置有凹构造来作为保持部。通过将弹性构件(第一圆筒螺旋弹簧41a)插入于凹构造，能使弹性构件(第一圆筒螺旋弹簧41a)与电极板(第一引线框51)接合。自与第一引线框51的面垂直的方向观察，掩埋部51b在保持第一圆筒螺旋弹簧41a1的位置以含有由圆弧构成的曲线的形状设置。也就是说，在自上侧观察半导体元件21的俯视下，即，在自第一引线框51观察半导体元件21的俯视下，掩埋部51b设置于至少含有主电极21a的一部分的位置。同样，在此虽然未图示，但在自上侧观察半导体元件21的俯视下，即，在自第一引线框51观察半导体元件21的俯视下，掩埋部51b设置于含有主电极22a的一部分的位置。第一圆筒螺旋弹簧41a1的另一端由突出部51a保持。
能够通过半冲压加工形成突出部51a以及掩埋部51b。另外，也能通过将与第一引线框51不同的金属构件在第一引线框51处接合或粘接于保持第一圆筒螺旋弹簧41a1的位置，形成突出部51a。
另外，采用本公开的实施方式2，如图8的(a)以及图8的(b)所示，说明了作为保持部的突出部51a或掩埋部51b在保持第一圆筒螺旋弹簧41a1的位置是含有由圆弧构成的曲线的形状的情况，但本发明并不限定于此。突出部51a或掩埋部51b例如也可以含有圆形、由椭圆弧构成的曲线、椭圆形、四边形、大致四边形和多边形等任意的形状。在掩埋部51b含有四边形的形状中，在将板簧设置于主电极21a与第一引线框51之间时，掩埋部51b能够无间隙地保持两端由四边形构成且具有平面形状的板簧。
如以上说明的那样，采用本公开的实施方式2，第一引线框51在与第一圆筒螺旋弹簧41a1的另一端接触的位置具有保持第一圆筒螺旋弹簧41a1的保持部。
设想在第一引线框51与主电极21a、22a之间配置有第一圆筒螺旋弹簧41a1，并在弹性构件接合工序中当钎料41熔融时圆筒螺旋弹簧41偏离规定的位置的情况。在该情况下，突出部51a或掩埋部51b保持第一圆筒螺旋弹簧41a1。因此，利用突出部51a或掩埋部51b提高第一圆筒螺旋弹簧41a1的定位精度。由此，在钎料41熔融时，能够防止第一圆筒螺旋弹簧41偏离规定的位置，能够获得均匀的接触压和钎料的润湿蔓延性。具体而言，通过保持第一圆筒螺旋弹簧41a1，能在钎料41熔融时抑制钎料41落下，因此能够获得钎焊的润湿蔓延性。另外，在弹性构件接合工序中，即使在第一引线框51与主电极21a、22a之间的空隙增大从而无法获得第一圆筒螺旋弹簧41a1与第一引线框51的接触压的情况下，缠绕于突出部51a的状态的第一圆筒螺旋弹簧41a或插入于掩埋部51b的状态的第一圆筒螺旋弹簧41a，与设置于第一引线框51的突出部51a或掩埋部51b接触。由此，能使圆筒螺旋弹簧41a与第一引线框51接合。因而，在第一引线框51具有突出部51a或掩埋部51b的结构中，第一圆筒螺旋弹簧41a1的一端与主电极21a线接触，另一端与第一引线框51线接触，利用钎料31a2进行接合，因此能够获得可靠性高的半导体装置。
实施方式3.
说明本公开的实施方式3中的半导体装置的结构。图9是表示本公开的实施方式3中的形成有由接合构件形成的覆膜的弹性构件的示意图。实施方式3的在作为弹性构件的第一圆筒螺旋弹簧41a1、第一圆锥螺旋弹簧41b1或第一板簧41c形成有钎料覆膜32的结构与实施方式1不同。实施方式3的半导体装置的其他结构与实施方式1的半导体装置的结构相同。
图9的(a)是表示第二圆筒螺旋弹簧41d来作为接合覆膜弹性构件的示意图。在第二圆筒螺旋弹簧41d中，以覆盖第一圆筒螺旋弹簧41a1的方式形成有钎料覆膜32。图9的(b)是表示第二圆锥螺旋弹簧41e来作为接合覆膜弹性构件的示意图。以覆盖第一圆锥螺旋弹簧41b1的方式形成有钎料覆膜32。图9的(c)是表示第二板簧41f来作为接合覆膜弹性构件的示意图。以覆盖第一板簧41c的方式形成有钎料覆膜32。
第二圆筒螺旋弹簧41d、第二圆锥螺旋弹簧41e以及第二板簧41f是以覆盖成为芯材的第一圆筒螺旋弹簧41a1、第一圆锥螺旋弹簧41b1以及第一板簧41c的方式贴合由板式钎料构成的钎料覆膜32而形成的复合材料。
接着，说明具有本公开的实施方式3中的半导体元件的半导体装置的制造方法。图10是表示本公开的实施方式3中的半导体装置的制造方法的剖视示意图。
图10的(a)所示的半导体元件配置工序到图10的(b)所示的壳体固定工序，分别对应于本公开的图5的(a)所示的半导体元件配置工序到图5的(b)所示的壳体固定工序。同样，图10的(d)所示的金属丝布线工序到密封工序分别对应于图5的(d)所示的金属丝布线工序到密封工序。因而，在本公开的实施方式3中，省略说明与本公开的实施方式1对应的工序。
在本公开的实施方式3中，如图10的(c)所示，作为弹性构件配置工序，在与绝缘衬底10接合的半导体元件21的正面形成的主电极21a之上，配置作为接合覆膜弹性构件的第二圆筒螺旋弹簧41d。在此，虽然未图示，但在主电极22a之上也配置作为接合覆膜弹性构件的第二圆筒螺旋弹簧41d。另外，在与绝缘衬底10接合的半导体元件23的正面形成的主电极23a之上，配置作为接合覆膜弹性构件的第二圆筒螺旋弹簧43d。此外，在壳体90的上部以与第一引线框51连接的方式配置作为接合构件的由板式钎料构成的钎料35。然后，在第二圆筒螺旋弹簧41d、43d以及钎料35之上配置第一引线框51。
接着，作为弹性构件接合工序，利用回流焊炉或加热板对第二圆筒螺旋弹簧41d、43d以及钎料35进行加热而使它们熔融，将主电极21a、23a以及壳体90与第一引线框51钎焊接合。
在此，在选择钎料覆膜32的融点比第一圆筒螺旋弹簧41a1以及43a1的融点低的材料时，在将主电极21a、23a以及壳体90与第一引线框51钎焊接合时，第一圆筒螺旋弹簧41a1以及43a1不熔融，因此是优选的。
利用该钎焊接合，与本公开的实施方式1同样，在半导体元件21的正面与第一引线框51之间，第一圆筒螺旋弹簧41a1的一端与主电极21a线接触或面接触并接合，另一端与第一引线框51线接触或面接触并接合。另外，第一圆筒螺旋弹簧43a1的一端与主电极21a线接触或面接触并接合，另一端与第一引线框51线接触或面接触并接合。
如以上说明的那样，采用本公开的实施方式3，第二圆筒螺旋弹簧41d以覆盖第一圆筒螺旋弹簧41a1的方式形成有钎料覆膜32。
在弹性构件配置工序中，将以覆盖第一圆筒螺旋弹簧41a1以及43a1的方式形成有钎料覆膜32的第二圆筒螺旋弹簧41d、43d分别配置在主电极21a、22a之上。由此，能够省去将作为板式钎料的钎料31a2、33a2分别配置在主电极21a、22a之上的麻烦。另外，由于遍及第一圆筒螺旋弹簧41a1以及43a1各自的两端地形成有钎料覆膜32，所以在钎料熔融时，钎料沿各个第一圆筒螺旋弹簧41a1以及43a1润湿蔓延直到两端。熔融后的钎料31a2将主电极21a、22a和第一圆筒螺旋弹簧41a1的一端接合，并将第一引线框51和第一圆筒螺旋弹簧41a1的另一端接合。同样，熔融后的钎料33a2将主电极23a和第一圆筒螺旋弹簧43a1的一端接合，并将第一引线框51和第一圆筒螺旋弹簧43a1的另一端接合。结果，能够获得可靠性高的半导体装置。
实施方式4.
本公开的实施方式4将上述的实施方式1、2、3或后述的实施方式5中的半导体装置应用于功率转换装置。本公开并不限定于特定的功率转换装置，以下作为本公开的实施方式4，说明将本公开应用于三相的逆变器的情况。
图11是表示应用了本公开的实施方式4中的功率转换装置的功率转换系统的结构的框图。
图11所示的功率转换系统由电源100、功率转换装置200以及负载300构成。电源100是直流电源，向功率转换装置200供给直流电力。电源100能由各种各样的构件构成，例如能由直流系统、太阳能电池、蓄电池构成，也可以由与交流系统连接的整流电路、AC/DC转换器构成。另外，也可以利用将自直流系统输出的直流电力转换为规定的电力的DC/DC转换器构成电源100。
功率转换装置200是连接在电源100与负载300之间的三相的逆变器，将自电源100供给的直流电力转换为交流电力，向负载300供给交流电力。功率转换装置200如图11所示，具备主转换电路201和控制电路203，上述主转换电路201将直流电力转换为交流电力而输出，上述控制电路203将控制主转换电路201的控制信号输出到主转换电路201。
负载300是利用自功率转换装置200供给的交流电力驱动的三相的电动机。另外，负载300并不限定于特定的用途，是搭载于各种电气设备的电动机，例如可用作面向混合动力汽车、电动汽车、铁道车辆、升降机或空调设备的电动机。
以下，说明功率转换装置200的细节。主转换电路201具备开关元件和回流二极管(未图示)，通过使开关元件进行开关，将自电源100供给的直流电力转换为交流电力而供给到负载300。主转换电路201的具体的电路结构是各种各样的，本公开的实施方式4中的主转换电路201能够是二级的三相全桥电路，由6个开关元件和与各个开关元件反向并列的6个回流二极管构成。主转换电路201的各开关元件、各回流二极管由相当于上述的实施方式1、2或3的任一者的半导体装置202构成。关于6个开关元件，每两个开关元件串联连接而构成上下臂，各上下臂构成全桥电路的各相(U相、V相、W相)。并且，各上下臂的输出端子即主转换电路201的3个输出端子与负载300连接。
另外，主转换电路201具备驱动各开关元件的驱动电路(未图示)，但驱动电路可以内置于半导体装置202，也可以是在半导体装置202以外还具备驱动电路的结构。驱动电路生成用于驱动主转换电路201的开关元件的驱动信号而供给到主转换电路201的开关元件的控制电极。具体而言，依照来自后述的控制电路203的控制信号，向各开关元件的控制电极输出使开关元件为接通状态的驱动信号和使开关元件为断开状态的驱动信号。在将开关元件维持为接通状态的情况下，驱动信号是开关元件的阈值电压以上的电压信号(接通信号)，在将开关元件维持为断开状态的情况下，驱动信号成为开关元件的阈值电压以下的电压信号(断开信号)。
控制电路203为了向负载300供给期望的电力而控制主转换电路201的开关元件。具体而言，基于应向负载300供给的电力，算出主转换电路201的各开关元件应成为接通状态的时间(接通时间)。例如，利用依据应输出的电压调制开关元件的接通时间的PWM(脉宽调制：Pulse Width Modulation)控制，能够控制主转换电路201。并且，在各时刻为了向应成为接通状态的开关元件输出接通信号并向应成为断开状态的开关元件输出断开信号，向主转换电路201所具备的驱动电路输出控制指令(控制信号)。驱动电路依照该控制信号，将接通信号或断开信号作为驱动信号输出到各开关元件的控制电极。
在本公开的实施方式4中的功率转换装置中，作为主转换电路201的开关元件和回流二极管，应用实施方式1、2或3的半导体装置，因此能够实现可靠性的提高。
在本公开的实施方式4中，说明了将本公开应用于二级的三相逆变器的例子，但本公开并不限定于此，能够应用于各种各样的功率转换装置。在本公开的实施方式4中，设为二级的功率转换装置，但也可以是三级、多级的功率转换装置，也可以在向单相负载供给电力的情况下将本公开应用于单相的逆变器。另外，在向直流负载等供给电力的情况下，也能将本公开应用于DC/DC转换器、AC/DC转换器。
另外，应用了本公开的功率转换装置并不限定于上述的负载是电动机的情况，例如也能用作放电加工机、激光加工机或感应加热烹调器、非接触器供电系统的电源装置，此外也能用作太阳能发电系统、蓄电系统等的功率调节器。
实施方式5.
说明本公开的实施方式5中的半导体装置的结构。图12是表示本公开的实施方式5中的形成有由接合构件形成的覆膜的弹性构件的示意图。
如图12的(a)所示，实施方式5的半导体装置含有第一圆筒螺旋弹簧45a、第二圆筒螺旋弹簧45b和第三圆筒螺旋弹簧45c。第一圆筒螺旋弹簧45a是弹性构件。第一圆筒螺旋弹簧45a构成为芯材。第一圆筒螺旋弹簧45a具有比第二圆筒螺旋弹簧45b大的弹性率。第二圆筒螺旋弹簧45b由具有比第一圆筒螺旋弹簧45a高的电导率的金属构成。即，第二圆筒螺旋弹簧45b构成为导体构件。利用易于被钎料润湿的金属对第二圆筒螺旋弹簧45b的正面实施电镀。第三圆筒螺旋弹簧45c覆盖第二圆筒螺旋弹簧45b的正面。第三圆筒螺旋弹簧45c构成为钎料覆膜。即，第三圆筒螺旋弹簧45c构成为覆盖第二圆筒螺旋弹簧45b的接合构件。
如图12的(b)所示，实施方式5的第1变形例的半导体装置含有第一圆锥螺旋弹簧46a、第二圆锥螺旋弹簧46b和第三圆锥螺旋弹簧46c。第一圆锥螺旋弹簧46a是弹性构件。第一圆锥螺旋弹簧46a构成为芯材。第一圆锥螺旋弹簧46a具有比第二圆锥螺旋弹簧46b大的弹性率。第二圆锥螺旋弹簧46b由具有比第一圆锥螺旋弹簧46a高的电导率的金属构成。即，第二圆锥螺旋弹簧46b构成为导体构件。利用易于被钎料润湿的金属对第二圆锥螺旋弹簧46b的正面实施电镀。第三圆锥螺旋弹簧46c覆盖第二圆锥螺旋弹簧46b的正面。第三圆锥螺旋弹簧46c构成为钎料覆膜。即，第三圆锥螺旋弹簧46c构成为覆盖第二圆锥螺旋弹簧46b的接合构件。
如图12的(c)所示，实施方式5的第2变形例的半导体装置含有第一板簧47a、第二板簧47b和第三板簧47c。第一板簧47a是弹性构件。第一板簧47a构成为芯材。第一板簧47a具有比第二板簧47b大的弹性率。第二板簧47b由具有比第一板簧47a高的电导率的金属构成。即，第二板簧47b构成为导体构件。利用容易被钎料润湿的金属对第二板簧47b的正面实施电镀。第三板簧47c覆盖第二板簧47b的正面。第三板簧47c构成为钎料覆膜。即，第三板簧47c构成为覆盖第二板簧47b的接合构件。
接着，参照图10以及图12的(a)说明本公开的实施方式5中的半导体装置的制造方法。另外，说明弹性构件是圆筒螺旋弹簧的情况下的半导体装置的制造方法，但在弹性构件是圆锥螺旋弹簧(参照图12的(b))或板簧(参照图12的(c))的情况下也是同样的。
从图10的(a)所示的半导体元件配置工序到图10的(b)所示的壳体固定工序的工序，与从图5的(a)～图5的(b)所示的实施方式1中的半导体元件配置工序到壳体固定工序的工序相同。另外，从图10的(d)所示的金属丝布线工序到密封工序，与从图5的(d)所示的实施方式1中的金属丝布线工序到密封工序的工序相同。因而，不说明实施方式5的与实施方式1相同的工序。
在本实施方式中，如图10的(c)以及图12的(a)所示，在弹性构件配置工序中，在与绝缘衬底10接合的半导体元件21的正面形成的主电极21a上，配置作为接合覆膜弹性构件的第三圆筒螺旋弹簧45c(41d)。另外，虽然未图示，但在主电极22a上也配置作为接合覆膜弹性构件的第三圆筒螺旋弹簧45c。在主电极23a上也配置作为接合覆膜弹性构件的第三圆筒螺旋弹簧45c(43d)。接着，在壳体90上配置钎料35。第一引线框51与壳体90利用钎料35接合。接着，在第三圆筒螺旋弹簧45c(41d、43d)以及钎料35上配置第一引线框51。
接着，在弹性构件接合工序中，利用回流焊炉或加热板等对第三圆筒螺旋弹簧45c(41d、43d)以及钎料35进行加热。由此，第三圆筒螺旋弹簧45c(41d、43d)以及钎料35熔融，因此主电极21a、23a以及壳体90与第一引线框51利用钎料而接合。
另外，在第三圆筒螺旋弹簧45c的融点比第一圆筒螺旋弹簧45a以及第二圆筒螺旋弹簧45b的融点低的情况下，在利用钎料使主电极21a、23a以及壳体90与第一引线框51接合时，第一圆筒螺旋弹簧45a以及第二圆筒螺旋弹簧45b不熔融。因此，第三圆筒螺旋弹簧45c的融点优选比第一圆筒螺旋弹簧45a以及第二圆筒螺旋弹簧45b的融点低。
通过使第三圆筒螺旋弹簧45c熔融，在半导体元件21的正面与第一引线框51之间，第一圆筒螺旋弹簧45a的第1端与主电极21a线接触或面接触从而接合。另外，第一圆筒螺旋弹簧45a的第2端与第一引线框51线接触或面接触从而接合。与第一圆筒螺旋弹簧45a同样，第二圆筒螺旋弹簧45b的第1端与半导体元件的正面线接触或面接触从而接合。另外，第二圆筒螺旋弹簧45b的第2端与第一引线框51线接触或面接触从而接合。
接着，说明本实施方式的作用效果。
采用本实施方式的半导体装置，第三圆筒螺旋弹簧45c构成为钎料覆膜。因此，在弹性构件配置工序中，第三圆筒螺旋弹簧45c作为钎料覆膜配置在主电极21a、22a上。由此，不必将板式钎料配置于主电极21a、22a。因而，不必实施用于配置板式钎料的工序，因此能够降低半导体装置的制造成本。
第三圆筒螺旋弹簧45c覆盖第二圆筒螺旋弹簧45b。因此，第二圆筒螺旋弹簧45b的两端被第三圆筒螺旋弹簧45c覆盖。由此，在第三圆筒螺旋弹簧45c熔融时，第三圆筒螺旋弹簧45c(钎料覆膜)润湿蔓延至第二圆筒螺旋弹簧45b的两端。由此，主电极21a、22a与第二圆筒螺旋弹簧45b的第1端利用熔融后的第三圆筒螺旋弹簧45c而接合，第一引线框51与第二圆筒螺旋弹簧45b的第2端利用熔融后的第三圆筒螺旋弹簧45c而接合。因而，能够利用第三圆筒螺旋弹簧45c(钎料覆膜)使弹性构件的两端与主电极21a、22a以及第一引线框51接合。由此，能够获得可靠性高的半导体装置。
说明了弹性构件是圆筒螺旋弹簧的情况下的半导体装置的作用效果，但在弹性构件是圆锥螺旋弹簧(参照图12的(b))或板簧(参照图12的(c))的情况下也能获得同样的效果。
本次公开的实施方式在所有方面均为例示，不应认为是限制性的描述。本公开的范围由权利要求书表明，而不是由上述的说明表明，并且包含了在与权利要求书等同的意思和范围内的所有变更。
附图标记说明
10、绝缘衬底(衬底)；11、导体层；12、降温装置(冷却板)；21、23、半导体元件；21a、22a、23a、主电极(电极)；21b、控制电极；22b、温度感应电极；31a1、钎料(第一接合构件)；31a2、钎料(第二接合构件)；32、钎料覆膜；33a1、钎料(第一接合构件)；33a2、钎料(第二接合构件)；35、钎料；41a1、41a2、43a1、第一圆筒螺旋弹簧(弹性构件)；41b1、41b2、41b3、第一圆锥螺旋弹簧(弹性构件)；41c、第一板簧(弹性构件)；41d、43d、第二圆筒螺旋弹簧(接合覆膜弹性构件)；41e、第二圆锥螺旋弹簧(接合覆膜弹性构件)；41f、第二板簧(接合覆膜弹性构件)；51、第一引线框(电极板)；51a、突出部(保持部)；51b、掩埋部(保持部)；52、54、主端子；53、端子板；61、62、第二引线框；71、72、金属丝布线；80、密封树脂部；90、壳体；100、电源；200、功率转换装置；201、主转换电路；202、半导体装置；203、控制电路；300、负载；45a、第一圆筒螺旋弹簧(弹性构件)；45b、第二圆筒螺旋弹簧(导体构件)；45c、第三圆筒螺旋弹簧(接合覆膜)；46a、第一圆锥螺旋弹簧(弹性构件)；46b、第二圆锥螺旋弹簧(导体构件)；46c、第三圆锥螺旋弹簧(接合覆膜)；47a、第一板簧(弹性构件)；47b、第二板簧(导体构件)；47c、第三板簧(接合覆膜)。

Claims (13)

1.一种半导体装置，其中，
所述半导体装置具备冷却板、衬底、半导体元件、电极板、弹性构件和接合构件，
所述衬底的反面与所述冷却板接合，
所述半导体元件在正面设置有电极，反面与所述衬底的正面接合，
所述电极板配置为与所述半导体元件的正面相对，
所述弹性构件为导电性且具有弹性力，设置于所述半导体元件与所述电极板之间，一端与所述电极线接触或面接触，另一端与所述电极板线接触或面接触，
所述接合构件为导电性，将所述电极和所述弹性构件的一端接合，并将所述电极板和所述弹性构件的另一端接合。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，
所述弹性构件是螺旋弹簧或板簧。
3.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其中，
所述弹性构件的材料含有Al和Cu的至少一者。
4.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其中，
所述弹性构件含有芯材和覆盖所述芯材的周围的覆盖部，
所述芯材由具有比所述覆盖部大的弹性率的金属构成，
所述覆盖部由具有比所述芯材大的电导率的金属构成。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的半导体装置，其中，
所述弹性构件在正面实施有导电性的金属镀。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的半导体装置，其中，
所述金属镀的材料含有Ni、Sn、Au、Ag、Cu中的至少一者。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的半导体装置，其中，
所述电极板在与所述弹性构件的另一端接触的位置具有保持所述弹性构件的保持部。
8.根据权利要求7所述的半导体装置，其中，
设置有凸构造来作为所述保持部，
通过将所述弹性构件缠绕于所述凸构造，能使所述弹性构件与所述电极板接合。
9.根据权利要求7所述的半导体装置，其中，
设置有凹构造来作为所述保持部，
通过将所述弹性构件插入于所述凹构造，能使所述弹性构件与所述电极板接合。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的半导体装置，其中，
所述弹性构件设置有多个。
11.一种功率转换装置，其中，
所述功率转换装置具备主转换电路和控制电路，
所述主转换电路具有权利要求1至10中任一项所述的半导体装置，将所输入的电力转换而输出，
所述控制电路将控制所述主转换电路的控制信号输出到所述主转换电路。
12.一种半导体装置的制造方法，其中，所述半导体装置的制造方法含有：
半导体元件配置工序，其在衬底的正面配置导电性的第一接合构件和在正面设置有电极的半导体元件；
半导体元件接合工序，其将所述第一接合构件加热而使所述衬底的正面与所述半导体元件的反面接合；
弹性构件配置工序，其在所述半导体元件的正面配置导电性的第二接合构件、具有弹性力的导电性的弹性构件以及电极板；
弹性构件接合工序，其将所述第二接合构件加热，将所述电极和所述弹性构件的一端线接触或面接触而接合，并将所述电极板和所述弹性构件的另一端线接触或面接触而接合；
密封工序，其将所述半导体元件和所述电极板密封；以及
冷却板接合工序，其将所述衬底的反面与冷却板接合。
13.一种半导体装置的制造方法，其中，所述半导体装置的制造方法含有：
半导体元件配置工序，其在衬底的正面配置导电性的第一接合构件和在正面设置有电极的半导体元件；
半导体元件接合工序，其将所述第一接合构件加热而使所述衬底的正面与所述半导体元件的反面接合；
弹性构件配置工序，其在所述半导体元件的正面配置接合覆膜弹性构件以及电极板，所述接合覆膜弹性构件是通过在具有弹性力的导电性的弹性构件形成由导电性的第二接合构件形成的覆膜而形成的；
弹性构件接合工序，其将所述接合覆膜弹性构件加热，将所述电极和所述弹性构件的一端线接触或面接触而接合，并将所述电极板和所述弹性构件的另一端线接触或面接触而接合；
密封工序，其将所述半导体元件和所述电极板密封；以及
冷却板接合工序，其将所述衬底的反面与冷却板接合。
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