JP2009170596A - 電力変換装置およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】電極と半導体素子との電気的接続をハンダ材で容易かつ確実に実行し、ハンダ材の流れ出しも防止させた電力変換装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】電力変換装置の製造方法は、ハンダを注入すべき複数の開口部(102)が設けられ、周縁に絶縁部が設けられた上面電極(101)の端部と、半導体素子(100)の少なくとも側面とを絶縁性接着剤(104)で接合して半導体ブロック(110)を形成する工程と、半導体ブロックの上面電極の絶縁部および半導体素子の裏面と、基板の主面とをハンダで接合するハンダ付け接合工程と、上面電極に設けられている複数の開口部の少なくとも１つから、上面電極の裏面と半導体素子の主面と、絶縁部とで囲まれた空間にハンダ(107)を供給してハンダ付けするハンダ付け工程とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置およびその製造方法に関する。
従来技術として、電極および半導体素子を基板に実装する技術は多数開発されている。例えば、半導体素子と電極とで形成した空間にハンダ材を流し込んで接合する技術が提案されている（特許文献１を参照されたい）。図１２に、従来の半導体素子実装技術を示す図である。図に示すように、本構造は、基板上にハンダ付け実装されている半導体素子に対して、開口部と下側への凸部形状を有する上面電極を押し当て、そして、半導体素子の主面電極と、上面電極とで形成される空間に、この開口部からハンダ材を充填するといったものである。なお、下側への凸部形状が半導体素子主面電極に押圧されている為に、この空間が形成できると共に、充填したハンダ材は半導体素子の外側へ漏れることを防止している。その後、リフロー工程等により、主面電極と上面電極とを充填したハンダ材にて接合する。
特開2000-323534号公報
しかしながら、この従来技術は、半導体素子に対して上面電極を押圧し、その内部空間にハンダ材を充填する構成となっていた為、下記問題があった。
まず、ハンダ材の流出を確実に防止することが難しいといった問題がある。半導体素子主面電極の端部全周に渡って、上面電極を確実に押圧することは必ずしも容易でない。特にハンダ付け時の温度上昇に伴う各部材の熱膨張影響により、隙間が生じる懸念がある。また何らかのジグで押圧を維持するならば、そのジグの熱容量によってハンダ付け温度が十分に上らない懸念もある。
さらなる問題は、例えば、共通の１つの上面電極で複数の半導体素子の接続をする場合、確実な接合をし難いということである。即ち、上面電極の曲げ加工を繰り返して、複雑な形状を為しても、隙間が全く生じないほどの精度実現は困難である。特に半導体素子の厚さが異なる場合は、曲げ加工形状が複雑になってしまい、困難度が増す。さらに、ハンダ付け時の温度上昇による上面電極の膨張や反りの発生も考慮すると、甚だ困難である。
そこで、本発明の目的は、電極および半導体素子を基板に実装するときに、電極と半導体素子との電気的接続をハンダ材で容易かつ確実に実行し、ハンダ材の流れ出しも防止させた電力変換装置およびその製造方法を提供することである。
上述した諸課題を解決すべく、本発明による電力変換装置の製造方法は、
ハンダを注入すべき複数の開口部（貫通孔）が設けられ、周縁に絶縁部が設けられた上面電極の端部（即ち、絶縁部）と、半導体素子の少なくとも側面とを絶縁性接着剤で接合して半導体ブロックを形成する工程と、
前記半導体ブロックの上面電極の絶縁部および半導体素子の裏面と、基板の主面とをハンダで接合するハンダ付け接合工程と、
前記上面電極に設けられている複数の開口部の少なくとも１つから、前記上面電極の裏面と前記半導体素子の主面と、前記絶縁部とで囲まれた空間にハンダを供給してハンダ付けするハンダ付け工程と、
を有する。
本発明によれば、電極および半導体素子を基板に実装するときに、電極と半導体素子との電気的接続をハンダ材で容易かつ確実に実行し、ハンダ材の流れ出しも防止させることができる。
本発明の一実施態様によれば、本製造方法は、前記基板の裏面を絶縁物を介して第１の放熱器と接合する工程、をさらに有することを特徴とする。
本発明の別の実施態様によれば、本製造方法は、
前記ハンダ接合工程と、前記ハンダ付け工程とを同時に行う、
ことを特徴とする。
本発明のさならる実施態様によれば、本製造方法は、
前記基板の主面に突起部品またはスペーサを設ける工程とをさらに有し、
前記スペーサまたは前記突起部品を前記絶縁部に接触させ、前記ハンダ付け接合工程を実行する、ことを特徴とする。
本発明のさならる実施態様によれば、本製造方法では、
前記上面電極が、略平板形状であり、
前記上面電極の周縁に設けた絶縁部が、略平板長方形形状の複数の絶縁領域を含む、
ことを特徴とする。
本発明のさならる実施態様によれば、本製造方法では、
前記半導体素子が、第１の半導体素子と第２の半導体素子とを含み、
該第１の半導体素子と該第２の半導体素子の夫々の厚さが異なる、
ことを特徴とする。
本発明のさならる実施態様によれば、本製造方法は、
前記第１の放熱器上に前記絶縁物を介して第２の基板を設ける工程をさらに有し、
前記ハンダ付け接合工程が、
前記上面電極の周縁の前記絶縁部を設けていない部分を、前記第２の基板の主面にハンダで接合する工程を含み、
該第２の基板の主面と前記上面電極の周縁の前記絶縁部を設けていない部分を接合するハンダと、前記第１の基板の主面と前記半導体ブロックの上面電極の絶縁部および半導体素子の裏面を接合するハンダとが、分離した領域である、
ことを特徴とする。
本発明のさならる実施態様によれば、本製造方法では、
前記半導体素子が制御端子を有し、
該制御端子の位置に対応して第２の開口部が前記上面電極に設けられており、
前記製造方法は、
該第２の開口部に、接続線を貫通させる枠体（絶縁性のリング、円筒、角筒など）を設ける工程と、
前記上面電極の主面上に回路基板を設ける工程と、
前記制御端子と該回路基板とを前記接続線で（電気的に）接続する工程とをさらに有する、
ことを特徴とする。
本発明のさならる実施態様によれば、本製造方法は、
前記第１の半導体ブロックの上面電極上に、絶縁物を介して第２の放熱器と接合する工程、
をさらに有することを特徴とする。
本発明のさならる実施態様によれば、電力変換装置の製造方法は、
ハンダを注入すべき複数の開口部が設けられ、周縁に絶縁部が設けられた第１の上面電極の端部と、第１の半導体素子の少なくとも側面とを絶縁性接着剤で接合して第１の半導体ブロックを形成する工程と、
前記第１の半導体ブロックの前記第１の上面電極の絶縁部および前記第１の半導体素子の裏面と、第１の基板の主面とをハンダで接合するハンダ付け接合工程と、
前記第１の上面電極に設けられている複数の開口部の少なくとも１つから、前記第１の上面電極の裏面と前記第１の半導体素子の主面と、前記絶縁部とで囲まれた空間にハンダを供給してハンダ付けするハンダ付け工程と、
ハンダを注入すべき複数の開口部が設けられ、周縁に絶縁部が設けられた第２の上面電極の端部と、第２の半導体素子の少なくとも側面とを絶縁性接着剤で接合して第２の半導体ブロックを形成する工程と、
前記第２の半導体ブロックの前記第２の上面電極の絶縁部および前記第２の半導体素子の裏面と、第２の基板の主面とをハンダで接合するハンダ付け接合工程と、
前記第２の上面電極に設けられている複数の開口部の少なくとも１つから、前記第２の上面電極の裏面と前記第２の半導体素子の主面と、前記絶縁部とで囲まれた空間にハンダを供給してハンダ付けするハンダ付け工程と、
前記第２の半導体ブロックの第２の上面電極の主面と、前記第２の半導体ブロックの第２の上面電極の主面とを熱伝導性材料を介して接合する工程と、
を有する。
本発明のさならる実施態様によれば、電力変換装置の製造方法では、
前記第１の半導体素子が、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)またはMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)であり、
前記第１の半導体素子が、ダイオードである、
ことを特徴とする。
上述したように本発明の解決手段を製造方法として説明したが、本発明はこれらに実質的に相当する装置としても実現し得るものであり、本発明の範囲には装置も包含されるものと理解されたい。
例えば、本発明を装置として実現させた、本発明の別の態様による電力変換装置は、
ハンダを注入すべき複数の開口部が設けられ、周縁に絶縁部が設けられた上面電極と、該上面電極の端部と絶縁性接着剤で少なくとも側面が接合されている半導体素子とで、形成された半導体ブロックと、
前記半導体ブロックの上面電極の絶縁部および半導体素子の裏面に、ハンダで主面が接合されている基板とを具え、
前記上面電極に設けられている複数の開口部の少なくとも１つから、前記上面電極の裏面と前記半導体素子の主面と前記絶縁部とで囲まれた空間に供給したハンダで、該上面電極の裏面と該半導体素子の主面を接続するように構成した、
ことを特徴とする。
また、本発明の別の実施態様による電力変換装置は、
ハンダを注入すべき複数の開口部が設けられ、周縁に絶縁部が設けられた第１の上面電極と、該第１の上面電極の端部と絶縁性接着剤で少なくとも側面が接合されている第１の半導体素子とで、形成された第１の半導体ブロックと、
前記第１の半導体ブロックの第１の上面電極の絶縁部および第１の半導体素子の裏面に、ハンダで主面が接合されている第１の基板と、
ハンダを注入すべき複数の開口部が設けられ、周縁に絶縁部が設けられた第２の上面電極と、該第２の上面電極の端部と絶縁性接着剤で少なくとも側面が接合されている第２の半導体素子とで、形成された第２の半導体ブロックと、
前記第１の半導体ブロックの第１の上面電極の絶縁部および第２の半導体素子の裏面に、ハンダで主面が接合されている第２の基板と、を具え、
前記第２の半導体ブロックの第２の上面電極の主面と、前記第２の半導体ブロックの第２の上面電極の主面とを熱伝導性材料を介して接合するように構成した、
ことを特徴とする。
以降、諸図面を参照しながら本発明の実施態様を詳細に説明する。
＜第１実施例＞
図１は、第１実施例による電力変換装置の断面構造を示す模式図である。図２は、本実施例の上面構造を示す模式図である。ここで、図２の（a）は本実施例の上面構造、同図（ｂ）は図１の電力変換装置をA-A’線で切ったときの断面およびそれより下の構造を示す模式図である。図１に示すように、電力変換装置は、半導体素子100と上面電極101とを有する。上面電極101は、近接した複数の開口部102を有すると共に、その裏面側の周縁（端部）に絶縁部103を有する。絶縁部103は、基板105に対向する面に金属箔（図示せず）を有する。
半導体素子100の端部及び側面と、上面電極101の裏面、及び絶縁部103側面とで囲まれた領域に絶縁性接着剤104を充填することにより、半導体素子100の主面電極（図示せず）の上に、上面電極101の開口部102が位置するように上面電極101を被せた形状にすることによって形成した半導体ブロック（半導体素子主面電極側保持構造体）110を有する。また、ハンダを注入すべき複数の開口部（貫通孔）102が設けられ、上面電極101の周縁（端部）に絶縁部が設けられた上面電極の端部と、半導体素子100の少なくとも側面とを絶縁性接着剤で接合して半導体ブロック110を形成する。
また、電力変換装置は、基板105を有し、基板105に半導体ブロック110の裏面を成す半導体素子100の裏面と金属箔を第１のハンダ106にて接合する。さらに、半導体素子100の主面電極と上面電極101の裏面側及び開口部側面とを第２のハンダ107にて実装する。加えて、電力変換装置は、基板105裏面を絶縁物INSを介して放熱器108に実装する構成とする。なお、上面電極101の主面端部に接続電極111を接続し、電力変換装置として必要な電気的接続を行なってもよい。上面電極101に設けられている複数の開口部102の少なくとも１つから、上面電極101の裏面と半導体素子100の主面と、固化した絶縁性接着剤104とで囲まれた空間に第２のハンダ107を供給してハンダ付けする。
本構成によって、以下の効果が生じる。第１の効果として、半導体素子100の主面電極に対して上面電極101をハンダ付け実装して、上面電極101への電気的接続や放熱を容易にかつ確実にできる。即ち、半導体素子100の主面端部と側面と、上面電極101とを絶縁性接着剤104で接合した形状とする。この絶縁性接着剤104がハンダ材の流れ出しを防止するので、半導体素子100の主面電極と上面電極101の間に第２のハンダ107を入れて、ハンダ付け実装できる。ここで、絶縁性接着剤104接合部分は半導体素子100端部に渡って有る程度の面積で接合しており、かつ上面電極101の形状も複雑でない。かつ上面電極101の裏面側端部が絶縁部103を介して、半導体素子100同様に、基板105に接した状態になる。よって上面電極101のハンダ付け時に過剰な応力がかかり、ハンダ付け実装の確実実施に支障を来たす恐れが無い。また、その際に上面電極101を保持固定する特別な部品も必要としない。なお、半導体素子100主面電極へのハンダ材充填は、上面電極101開口部102から例えばディスペンス等により行なえばよい。ハンダ溶融時のガス等はこの開口部102から抜けていける。また、開口部102にてハンダ溶融時にハンダ材が流動できることにより、ハンダ付けの実施に悪影響が生じない。
以上より、上面電極101のハンダ付け実装を容易にかつ確実にできる。これにより上面電極101による電気接続が確実にできる。また、上面電極101から基板105にかけての放熱も確実にできて、半導体素子100の裏面電極側からだけでなく、主面電極側からも確実に放熱できる。これにより半導体素子100の放熱効果が大きく向上する。
第２の効果として、電力変換装置の電流容量を大きくするなどの理由によって、半導体素子100を複数個並列接続する場合も、上面電極101を容易にかつ確実にハンダ付け実装できる。即ち、半導体素子100は製造上の理由によって厚さに幾許可のバラツキが生じる場合がある。また、上面電極101の形状や寸法も同様に幾許可のバラツキが生じる。本構成では、これら寸法に関するばらつきが有っても、絶縁性接着剤104の接合時における同接着剤104の潰れによってこれら寸法ばらつきを吸収して、ハンダ付け実施に対する影響を防止できる。よって、１つの上面電極101に対して複数の半導体素子100の主面電極を容易にハンダ付け実装できるので、主面電極への電気接続に係るスペースを低減でき、かつ放熱効果も向上できる。よって電流容量の大きい電力変換装置を小型にできる。
第３の効果として、半導体素子100主面電極への第２のハンダ107の実装（ハンダ付け）と、半導体素子100裏面電極への第１のハンダ106の実装（ハンダ付け）を同一の工程で行なうことが容易にできる。即ち、絶縁性接着剤104が第２のハンダ107実装時における溶融したハンダ材の流失を防止できる。この為。第１と第２のハンダ106、107の実装工程を同時に行なっても、両ハンダ106、107が接触し、電気的な短絡に至る事態を防止できる。これにより製造コストを低減できる。特に所謂、鉛フリーハンダでは、ハンダ付け温度が異なる複数のハンダ材を使い分けることが困難な可能性もあるが、本構成により半導体素子100の裏面側と主面側に同じハンダ材を用いる必要が有る場合でも、容易に素子の裏面側と主面側に対するハンダ付け実装を行なえる。
第４の効果として、半導体素子100の主面電極から基板105への放熱効果を大きく向上できる。本構成では上面電極101に対する複雑な加工を必要としない。この為、例えば厚さ2mm〜数mm程度の金属板によって、上面電極101と成し、半導体素子100にハンダ付け実装することは容易である。さらに、上面電極101を半導体素子100の近傍にて基板105に接合できる。よって主面電極から基板105に至る上面電極101内部の放熱経路は、熱流の断面積を大きく、経路を短くできる。これにより上面電極101の熱抵抗を低減でき、放熱効果を向上できる。
第５の効果として、半導体素子100の主面電極に対する電気接続に係るスペースを小さくできる。本構成では、半導体素子100の主面電極は上面電極101に電気的に接続されている。よって、上面電極101の主面端部に接続電極111を設ければ、電気的接続ができる。なお、接続電極111は、例えば超音波接合やレーザ接合等の従来接合技術で接続することができる。特に接続部分は、上面電極101端部をハンダ付けにて基板に接合している部分の上になるので、上記接合に際に多少の外力が上面電極101に印加されても、悪影響は無い。よって、例えば従来のワイヤボンディング技術によって、半導体素子から離れた配線パターンに一旦電気的に接続し、その配線パターンに対してバスバ電極等の接続電極を改めて接続する構成に対して、半導体素子100の主面電極に対する電気接続に係るスペースを低減できる。よって、電力変換装置をさらに小型化できる。
第６の効果として、半導体素子100を基板105にハンダ付け実装する際に、そのハンダ付け位置を高精度に設定することができる。この為、ハンダ付け位置ずれを考慮してレイアウトを広く設定する必要もなく、ハンダ付け形状が変化して、このハンダ付け部分の熱応力耐量が変動してしまう懸念も無い。
図４に、第６の効果を示すための断面構造を説明する模式図を示す。本構成では、半導体素子100主面電極の上に上面電極101を載せる際、上面電極101の端部を位置合わせの基準としてハンダ付けを行なえば良い。即ち、図に示すように、上面電極101の端部の位置であるD-D’線を基準として、距離Xの位置に半導体素子100端部を配置することは容易である。上面電極101と半導体素子100を絶縁性接着剤104で接合する際にジグ等を用いて位置合わせすれば良い。そして、このD-D’線を基準として上面電極101を基板105にハンダ106を実装すれば、半導体素子100の位置も高精度に合わせることができる。上面電極101は半導体素子100よりは重量が有るので、ハンダ付け実装の振動や、ハンダの表面張力による力、或いはフラックスガス発生などの拠っても動き難くなる。この為、半導体素子100を所定の位置にハンダ付けすることが容易で、かつハンダ付け部分の形状も変動しない。この為、電力変換装置の小型化と高信頼化をさらに図ることができる。
実施例１の電力変換装置の製造工程を説明する。図３は、この製造順序を示す模式図である。半導体ブロック110を形成する第１の工程と、第１のハンダ106のハンダ付け工程と、第２のハンダ107のハンダ付け工程とから形成される。ここで、第１の工程は、図３の（a）に示す上面電極101裏面に絶縁性接着剤104を塗布する工程の後に、同図（ｂ）に示す半導体素子100を接着する工程を行なう。その際、何らかの作業台（図示せず）上に半導体素子100を置き、その上から図３の（a）に示す形態の上面電極101を被せればよい。また、ジグ等（図示せず）を用いて、半導体素子100と上面電極101の位置を高精度に合わせた状態にて、半導体素子100裏面と絶縁部103裏面とが同一平面になるように接着する。そして、第１の工程の後に、第１のハンダ106のハンダ付け工程と第２のハンダ107のハンダ付け工程を実施する。図３の（ｃ）に示すように、この第１のハンダ106のハンダ付け工程と第２のハンダ107のハンダ付け工程を同一の工程にて行なうこととする。
この製造工程順序により、以下のさらなる効果も生じる。第１の効果として、半導体素子100をハンダ付け実装する際に、その位置ずれが生じることをさらに防止できる。これによりハンダ付け位置ずれを考慮してレイアウト設計することによる電力変換装置のサイズ増大や、ハンダ付け部分の形状変化によるハンダ付け部分の熱応力耐量の低下する事態を防止できる。即ち、図３の（a）、（b）に示したように、第１の工程により、先ず半導体素子100を上面電極101に固定する。この固定後に、半導体ブロック110として、金属箔を有する絶縁部103と半導体素子100とを一括して第１のハンダ106のハンダ付け工程を実施することになる。半導体素子100は複数個有っても上面電極101に固定されているので、第１のハンダ106のハンダ付け工程時に各半導体素子100の間隔を大きく開けて、ハンダ付け位置ずれ時の半導体素子100同士の干渉を防ぐ事態は生じない。
また、半導体ブロック110は比較的重量があるので、これ自体はハンダ付け時に位置ずれを起こし難い。即ち、本製造工程に従って製造工程を実施すれば、図１を参照して説明した以上に、ハンダ106の実装以前にD-D’線を基準として距離Xの位置に半導体素子100が固定されているので、第１のハンダ106の実装時に、半導体素子100の位置を高精度に制御できる。これにより、レイアウトの小型化と共に、第１のハンダ106の形状の変動による第１のハンダ106の熱応力耐量の変動も防止できる。
なお、半導体ブロック110を形成する第１の工程は、例えば以下の手順で容易に形成できる。先ず、図３の（a）のように、上面電極101の裏面側及び絶縁部103の側面に絶縁性接着剤104を塗布する。そして何らかの平らな作業台上に半導体素子100を置き、その上に上面電極101を被せる。この際に、半導体素子100と上面電極101の位置合わせはジグ等を用いることにより容易にできる。この後に絶縁性接着剤104を熱硬化させれば、半導体素子100の裏面と上面電極101の端部に有る絶縁部103の裏面とを同一平面に形成できる。よって、その後に第１のハンダ106のハンダ付け工程を容易に実施できる。さらに半導体素子100の側面と、上面電極101の端部や絶縁部103の側面との間に有る絶縁性接着剤104が、第１のハンダ106のハンダ付け工程時に、ハンダが半導体素子100主面電極側に回りこんで、素子に接触して電気的短絡を生じさせる事態も確実に防止できる。
第２の効果として、上面電極101を容易に実装配置できる。即ち、予め半導体素子100を基板105に対して第１のハンダ106で実装した後に、上面電極101を固定するならば、第１のハンダ106の工程と第２のハンダ107の工程を共に問題無く実施することは難しい。つまり、上面電極101固定用の第２のハンダ107の工程をするならば、半導体素子100を実装している第１のハンダ106部分への悪影響は避け難い。特に、ハンダ付け時に所謂鉛フリーハンダを用いると、ハンダ付け温度の設定自由度が少なく、ハンダ付け温度が異なる2種類のハンダ材を使い分けることが著しく、困難な事態も生じかねない。
本手順によって、前述の第１の効果で示したように、また、図３の（ｃ）に示したように、半導体素子100と絶縁部103の裏面を同一平面にした上で、半導体素子100と上面電極101を固定できる。よって、１回のハンダ付け工程で、即ち第１のハンダ106のハンダ付け工程時に、半導体ブロック110として半導体素子100と上面電極101の第２のハンダ107のハンダ付け工程を容易にかつ同時に実施できる。第３の効果として、複数の半導体素子100を上面電極101に固定する場合、各半導体素子100に多少の厚さバラツキが有っても、支障が生じない。一般に、半導体素子100は製造上の都合によって厚さに幾許可のバラツキが生じることは避け難い。本手順では、絶縁性接着剤104の潰れ程度によって、これらの厚さバラツキが有っても、各半導体素子100と絶縁性接着剤（絶縁物領域）104の夫々の裏面の段差を吸収して、同一平面にすることは容易である。よって、このような場合でも容易に、即ち製造コストを抑えて本電力変換装置を形成できる。
上述したように、半導体素子100の裏面を基板105にハンダ付け実装する第１のハンダ106の実装（ハンダ付け）工程や、上面電極101を接合する第１のハンダ106の実装工程に先立って、第１の工程を行なうことにより、上記第１から第３の効果が生じる。なお、半導体素子100の裏面に、基板105とハンダ付けした際の熱応力を緩和する為に、半導体素子100と基板105との中間程度の熱膨張率を有する熱応力緩衝板（図示せず）を予めハンダ付け接合してから、上記第１の工程を行なっても、同様の効果が得られる。
＜第２実施例＞
図５は、第２実施例による電力変換装置の断面構造を示す模式図である。図に示すように、電力変換装置は、基板105主面に配置した突起部品200に絶縁部103の側面を接触させると共に、絶縁部103裏面該金属箔と基板の間にスペーサ201を介して、第１のハンダ106の実装工程を行なう構成とする。本構成とすることにより、第１実施例に記した効果に加えて、以下の効果も追加して生じる。半導体ブロック110を基板105にハンダ106を実装する際に、ハンダ106の位置を高精度に調整することができる。特に、図３にに示した製造工程順序によって、予め半導体素子100と上面電極101とが絶縁性接着剤104とで接合固定されているので、絶縁部103を突起部品200に接触させてハンダ106の実装工程をすることにより、半導体素子100のハンダ106の位地を高精度に合わせることが容易にできる。
また、ハンダ106の形状が変動することが無いので、ハンダ106部分の熱応力耐量が変動することは無い。また、突起部品200を直接半導体素子100に接触乃至は近接させることではないので、突起部品200の存在が半導体素子100のハンダ106部分に何ら悪影響を与えることは無い。また、絶縁部103裏面の金属箔と基板105の間にスペーサ201を介してハンダ106のハンダ付け工程をすれば、容易にハンダ106の厚さを所定の値に制御できる。特に同様に、図３に示した製造工程順序によれば、半導体素子100と基板105との間のハンダ106の厚さを容易に制御できる。これにより、ハンダ106の熱応力耐量が変動してしまう事態を確実に防止できる。なお、スペーサ201も半導体素子100の下或いは近傍に配置することは無いので、スペーサ201の存在が半導体素子100と基板105の間のハンダ106の部分や、半導体素子100裏面への電流の流れに対して何ら悪影響を与えることは無い。
また、第２実施例の変形例として、上面電極１０１の上に、絶縁物を介して別の放熱器（図示せず）を設けてもよい。本変形例によって、放熱器108と別の放熱器の２箇所から熱を逃がすことが可能となる。
＜第３実施例＞
図６は、第３実施例による電力変換装置の上面電極の構造を示す模式図である。図６の（a）は、上面電極301の断面構造を示す模式図である。図６の（ｂ）は、上面電極301の裏面側の構造を示す模式図である。先ず構造を説明する。図に示すように、上面電極301は略平板形状であり、この上面電極301の裏面端部（周縁の下側）に略平板長方形形状の絶縁部303を複数個接合する構成とする。上面電極301の裏面側端部を、これら絶縁部303が囲むような形状とする。また上面電極301には、ハンダを注入すべき複数の開口部302を設ける。
この構造により、実施例１，２に記した効果に加えて、以下の効果も追加して生じる。上面電極301の形成をさらに容易にできる。上面電極301の端部と絶縁部303を合わせた高さの必要値は、凡そ数百μmから１mm程度である。よって、上面電極301を略平板上にし、従来技術による絶縁部303、例えば表裏面に金属箔を有するセラミックス基板を接合しても、本構成に必要な上面電極301と絶縁部303を形成できる。これにより上面電極301に複雑な加工を施すことによる製造コスト増加を防止できる。かつ絶縁部303側面もある程度の厚さを有するので、ハンダが上面電極301端部に接触して電気的短絡が生じる事態を容易に防止できる。
＜第４実施例＞
図７は、第４実施例による電力変換装置の断面構造を示す模式図である。図に示すように、電力変換装置は、半導体素子として、第１の半導体素子401と第２の半導体素子402とを有する。そして、第１の半導体素子401と第２の半導体素子402の夫々の厚さが異なる構成とする。なお、これら半導体素子401、402は共通の上面電極403に絶縁性接着剤104で以って接合され、半導体ブロック410が形成される。この構成とすることにより、前述の各実施例に記した効果に加えて、以下の効果も追加して生じる。例えば、第１の半導体素子401をIGBT、第２の半導体素子402をダイオードとするような異なる半導体素子を用いる場合、各半導体素子の厚さが異なる場合がある。このような場合でも、第１の効果として、同じ上面電極403に容易に各半導体素子を接合できる。即ち半導体素子401、402の厚さが多少異なっていても、絶縁性接着剤104の潰れによって、半導体素子401、402の裏面と上面電極403端部の絶縁部303裏面との段差を吸収して、同一平面にして接合することが容易にできる。特に、図３に示した製造順序を採れば、一層容易に実現できる。この為厚さの異なる複数の半導体素子401、402を同じ上面電極403に接続しても、前述した効果を同様に生じることができる。
また、各半導体素子401、402の厚さが異なるとしても、多くは200〜400μmの範囲内で有る場合が多い。この程度の厚さ違いを、金属から成る電極の加工のみで対応するならば、電極の加工に微細さが要る。よって製造コストの増加を招く。本構成では、接着剤104の潰れでこの程度の厚さ違いを容易に吸収でき、製造コストが低減できる。第２の効果として、配線に係るスペースを低減できる。各半導体素子401、402の主面電極に対する電気接続は、同じ上面電極403にて行う。よって、半導体素子401、402毎に電気接続用の接続電極を個々設ける必要が無く、電力変換装置の小型化を図ることができる。第３の効果として、各々の半導体素子401、402を基板105に対してハンダ付け実装する際に、その実装位置を高精度に合わせることができる。よって、厚さの異なる半導体素子401、402を用いる場合でも、位地ずれを抑制することが可能である。
＜第５実施例＞
図８は、第５実施例による電力変換装置の断面構造を示す模式図である。図に示すように、電力変換装置に、放熱器108上に絶縁物を介して第２の基板502を設ける。上面電極101の端部の一部分が、第２の基板502に第１のハンダ106の実装工程で以って接合される。かつ基板105上の第１のハンダ106部分と、第２の基板502上の第１のハンダ106部分は分離した領域である構成とする。この構成とすることにより、各実施例に記した効果に加えて、以下の効果も追加して生じる。半導体素子100の主面電極から上面電極101を介しての電気的接続を、第２の基板502によって行うことができる。第２の基板502は第１の基板501と同じ工程にて、放熱器108上の絶縁物主面上に設けることが可能である。よって、上面電極101上に接続電極を設ける必要がなく、さらに製造コストを低減できる。
＜第６実施例＞
図９は、第６実施例による電力変換装置の平面図である。図に示すように、半導体素子401の制御端子の位置に対応する上面電極403が第２の開口部601を有する。そして、その制御端子の周囲、即ち、第２の開口部601に枠体602を設置する。かつ上面電極403主面上に回路基板603を配置し、制御端子と回路基板603とを電気的に接続する構成とする。この接続には例えばワイヤボンディング線による接続線604を用いる。この構成とすることにより、各実施例に記した効果に加えて、以下の効果も追加して生じる。第１の効果として、半導体素子401が例えばIGBT等であり、ゲートによる制御端子を有する場合においても、この制御端子と回路基板603との電気的接続を容易にかつ省スペースでできる。即ち、第２の開口部601を介して、制御端子と上面電極403上の回路基板603とを容易に電気的に接続できる。なお、枠体602にてこの接続に係る部分は、周辺の他の領域と電気的に絶縁を図ることは容易である。特に、上面電極403上に回路基板603を配置するので、基板105上に回路基板603を設ける特段のスペースを設ける必要がない。よって電力変換装置を小型にできる。
第２の効果として、半導体素子401の電気的動作がさらに安定化できる。即ちIGBT等では主面電極であるエミッタの電位に対して、制御端子であるゲートの電位を設定して、半導体素子401の電気的動作を制御する。本構成では、エミッタ電位である上面電極403の直上に回路基板603を配置して、ゲートに対する電気的接続を行う。これによりゲート接続線がエミッタ電極側とより一層容量結合できると共に、この上面電極403が半導体素子401の裏面電位と同じである基板105や、その他の電位の配線等からのシールド効果も出る。よって半導体素子401のゲート電位がノイズ等で乱される悪影響が低減し、半導体素子401の電気的動作が安定化できる。
＜第７実施例＞
図１０は、第７実施例による電力変換装置の断面構造を示す模式図である。図に示すように、第１の半導体ブロック701と第２の半導体ブロック702を有する。半導体ブロック701,702は、前述した実施例の半導体ブロックと同様の構成を持つ。そして、第１の半導体ブロック701は、第１の放熱器108上に絶縁物INSを介して実装すると共に、第２の半導体ブロック702は第２の放熱器708上に絶縁物INSを介して実装する。さらに、第１の半導体ブロック701の上面電極上に、熱伝導性材料703を介して第２の半導体ブロック702の上面電極が載るように、第１と第２の半導体ブロック701、702を積層配置する構成とする。
本構成とすることにより、各実施例に記した効果に加えて、以下の効果も追加して生じる。第１の半導体ブロック701と第２の半導体ブロック702のそれぞれの半導体素子が、裏面側のみならず主面電極からも放熱できる。よって、半導体素子の放熱効果が向上し、電力変換装置を小型化できる。特に第１の半導体ブロック701と第２の半導体ブロック702のそれぞれの半導体素子が、電気的に同一の動作をしない、即ち継続して大電流が同時に流れる状態が殆ど無い場合には、各半導体素子共にお互いの発熱で過剰に温度が上昇することなく、裏面と主面側の両方から効果的に放熱できる。例えば、インバータ装置を構成するスイッチ回路を成すIGBTとダイオードの逆並列回路において、第１の半導体ブロック701にIGBTが実装され、第２の半導体ブロック702にダイオードが実装されている場合は、IGBTとダイオードが同時に継続して発熱を生じることは殆ど無い。よって、本構成ではIGBTとダイオードの両方を効果的に放熱できることになる。また、本構成とすることにより、インバータ回路を構成して電動機の運転ができる。
＜第８実施例＞
図１１は、第８実施例による電力変換装置の断面構造を示す模式図である。図に示すように、第１の半導体ブロック701の上面電極上に、絶縁物801を介して第２の放熱器800を実装する構成とする。この構成とすることにより、各実施例に記した効果に加えて、以下の効果も追加して生じる。第１の半導体ブロック701の内部に実装されている半導体素子を裏面側のみならず、主面電極側からも容易にかつ効果的に放熱できる。よって電力変換装置を小型化できる。なお、第１の半導体ブロック701の主面上に第２の放熱器800を配置する構造にて説明を行なった。第２の放熱器800の代わりにヒートスプレッダを配置し、そのヒートスプレッダの端部を基板105またはに接触させる構造としても同様な効果を生じる。
ここで、以上の各実施例では何れも放熱器上に絶縁物を介して基板を実装し、この基板上に半導体素子を実装する構造にて説明を行なった。本発明はこの構造に限らず、放熱器上にセラミックス基板を実装する、或いはセラミックス基板をベースプレートを介して実装してもよい。また、セラミックス基板が表裏面に金属箔を有してもよい。さらにこの金属箔上に半導体素子を実装すると共に、配線パターンともなる構造においても、以上述べた各実施例は同様に成立し、また各効果も同様に生じる。
本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、部材、各手段、各ステップなどに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の部材やステップなどを１つに組み合わせたり、或いは、１つをの部材やステップを分割したりすることが可能である。
第１実施例による電力変換装置の断面構造を示す模式図である。 第１実施例の上面構造を示す模式図である。 製造順序を示す模式図である。 第６の効果を示すための断面構造を説明する模式図である。 第２実施例による電力変換装置の断面構造を示す模式図である。 第３実施例による電力変換装置の上面電極の構造を示す模式図である。 第４実施例による電力変換装置の断面構造を示す模式図である。 第５実施例による電力変換装置の断面構造を示す模式図である。 第６実施例による電力変換装置の平面図である。 第７実施例による電力変換装置の断面構造を示す模式図である。 第８実施例による電力変換装置の断面構造を示す模式図である。 従来の半導体素子実装技術を示す図である。
符号の説明
100 半導体素子
101 上面電極
102 開口部
103 絶縁部
104 絶縁性接着剤
105 基板
106 第１のハンダ
107 第２のハンダ
108 放熱器
110 半導体ブロック
111 接続電極
INS 絶縁物
200 突起部品
201 スペーサ
301 上面電極
302 開口部
303 絶縁部
401 第１の半導体素子
402 第２の半導体素子
403 上面電極
410 半導体ブロック
501 第１の基板
502 第２の基板
601 第２の開口部
602 枠体
603 回路基板
604 接続線
701 第１の半導体ブロック
702 第２の半導体ブロック
703 熱伝導性材料
705 第１の放熱器
708 第２の放熱器
800 第２の放熱器
801 絶縁物

Claims (13)

  1. ハンダを注入すべき複数の開口部が設けられ、周縁に絶縁部が設けられた上面電極の端部と、半導体素子の少なくとも側面とを絶縁性接着剤で接合して半導体ブロックを形成する工程と、
    前記半導体ブロックの上面電極の絶縁部および半導体素子の裏面と、基板の主面とをハンダで接合するハンダ付け接合工程と、
    前記上面電極に設けられている複数の開口部の少なくとも１つから、前記上面電極の裏面と前記半導体素子の主面と、前記絶縁部とで囲まれた空間にハンダを供給してハンダ付けするハンダ付け工程と、
    を有する電力変換装置の製造方法。
  2. 請求項１に記載の電力変換装置の製造方法において、
    前記基板の裏面を絶縁物を介して第１の放熱器と接合する工程、
    をさらに有することを特徴とする電力変換装置の製造方法。
  3. 請求項１または２に記載の電力変換装置の製造方法において、
    前記ハンダ接合工程と、前記ハンダ付け工程とを同時に行う、
    ことを特徴とする電力変換装置の製造方法。
  4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換装置の製造方法において、
    前記基板の主面に突起部品またはスペーサを設ける工程とをさらに有し、
    前記スペーサまたは前記突起部品を前記絶縁部に接触させ、前記ハンダ付け接合工程を実行する、
    ことを特徴とする電力変換装置の製造方法。
  5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置の製造方法において、
    前記上面電極が、略平板形状であり、
    前記上面電極の周縁に設けた絶縁部が、略平板長方形形状の複数の絶縁領域を含む、
    ことを特徴とする電力変換装置の製造方法。
  6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の電力変換装置の製造方法において、
    前記半導体素子が、第１の半導体素子と第２の半導体素子とを含み、
    該第１の半導体素子と該第２の半導体素子の夫々の厚さが異なる、
    ことを特徴とする電力変換装置の製造方法。
  7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の電力変換装置の製造方法において、
    前記第１の放熱器上に前記絶縁物を介して第２の基板を設ける工程をさらに有し、
    前記ハンダ付け接合工程が、
    前記上面電極の周縁の前記絶縁部を設けていない部分を、前記第２の基板の主面にハンダで接合する工程を含み、
    該第２の基板の主面と前記上面電極の周縁の前記絶縁部を設けていない部分を接合するハンダと、前記第１の基板の主面と前記半導体ブロックの上面電極の絶縁部および半導体素子の裏面を接合するハンダとが、分離した領域である、
    ことを特徴とする電力変換装置の製造方法。
  8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の電力変換装置の製造方法において、
    前記半導体素子が制御端子を有し、
    該制御端子の位置に対応して第２の開口部が前記上面電極に設けられており、
    前記製造方法は、
    該第２の開口部に、接続線を貫通させる枠体を設ける工程と、
    前記上面電極の主面上に回路基板を設ける工程と、
    前記制御端子と該回路基板とを前記接続線で接続する工程とをさらに有する、
    ことを特徴とする電力変換装置の製造方法。
  9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の電力変換装置の製造方法において、
    前記第１の半導体ブロックの上面電極上に、絶縁物を介して第２の放熱器と接合する工程、
    をさらに有することを特徴とする電力変換装置の製造方法。
  10. ハンダを注入すべき複数の開口部が設けられ、周縁に絶縁部が設けられた第１の上面電極の端部と、第１の半導体素子の少なくとも側面とを絶縁性接着剤で接合して第１の半導体ブロックを形成する工程と、
    前記第１の半導体ブロックの前記第１の上面電極の絶縁部および前記第１の半導体素子の裏面と、第１の基板の主面とをハンダで接合するハンダ付け接合工程と、
    前記第１の上面電極に設けられている複数の開口部の少なくとも１つから、前記第１の上面電極の裏面と前記第１の半導体素子の主面と、前記絶縁部とで囲まれた空間にハンダを供給してハンダ付けするハンダ付け工程と、
    ハンダを注入すべき複数の開口部が設けられ、周縁に絶縁部が設けられた第２の上面電極の端部と、第２の半導体素子の少なくとも側面とを絶縁性接着剤で接合して第２の半導体ブロックを形成する工程と、
    前記第２の半導体ブロックの前記第２の上面電極の絶縁部および前記第２の半導体素子の裏面と、第２の基板の主面とをハンダで接合するハンダ付け接合工程と、
    前記第２の上面電極に設けられている複数の開口部の少なくとも１つから、前記第２の上面電極の裏面と前記第２の半導体素子の主面と、前記絶縁部とで囲まれた空間にハンダを供給してハンダ付けするハンダ付け工程と、
    前記第２の半導体ブロックの第２の上面電極の主面と、前記第２の半導体ブロックの第２の上面電極の主面とを熱伝導性材料を介して接合する工程と、
    を有する電力変換装置の製造方法。
  11. 請求項６または１０に記載の電力変換装置の製造方法において、
    前記第１の半導体素子が、IGBTまたはMOSFETであり、
    前記第１の半導体素子が、ダイオードである、
    ことを特徴とする電力変換装置の製造方法。
  12. ハンダを注入すべき複数の開口部が設けられ、周縁に絶縁部が設けられた上面電極と、該上面電極の端部と絶縁性接着剤で少なくとも側面が接合されている半導体素子とで、形成された半導体ブロックと、
    前記半導体ブロックの上面電極の絶縁部および半導体素子の裏面に、ハンダで主面が接合されている基板とを具え、
    前記上面電極に設けられている複数の開口部の少なくとも１つから、前記上面電極の裏面と前記半導体素子の主面と前記絶縁部とで囲まれた空間に供給したハンダで、該上面電極の裏面と該半導体素子の主面を接続するように構成した、
    ことを特徴とする電力変換装置。
  13. ハンダを注入すべき複数の開口部が設けられ、周縁に絶縁部が設けられた第１の上面電極と、該第１の上面電極の端部と絶縁性接着剤で少なくとも側面が接合されている第１の半導体素子とで、形成された第１の半導体ブロックと、
    前記第１の半導体ブロックの第１の上面電極の絶縁部および第１の半導体素子の裏面に、ハンダで主面が接合されている第１の基板と、
    ハンダを注入すべき複数の開口部が設けられ、周縁に絶縁部が設けられた第２の上面電極と、該第２の上面電極の端部と絶縁性接着剤で少なくとも側面が接合されている第２の半導体素子とで、形成された第２の半導体ブロックと、
    前記第１の半導体ブロックの第１の上面電極の絶縁部および第２の半導体素子の裏面に、ハンダで主面が接合されている第２の基板と、を具え、
    前記第２の半導体ブロックの第２の上面電極の主面と、前記第２の半導体ブロックの第２の上面電極の主面とを熱伝導性材料を介して接合するように構成した、
    ことを特徴とする電力変換装置。
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