JP2012114360A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】サイズの小型化が可能な半導体装置を提供すること。
【解決手段】半導体素子１２および半導体素子１２に電気的に接続される電極１４を有する半導体装置１０において、電極１４上の所定位置には、金属膜２０が設けられ、金属膜２０上の所定位置には、半導体素子１２が嵌め込まれる凹部２２が設けられ、凹部２２の内底面には、半田層３２を介して、半導体素子１２が固定される半導体装置１０を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置に関する。
従来の半導体装置は、例えば図３に示すように、電極１１４、絶縁基板１１６、および放熱板１１８からなる積層体上に、半導体素子１１２を半田付けしてなる。半田付けは、半導体素子１１２と電極１１４との間に半田材１３０を介装した状態で、半田材１３０を加熱により溶融させた後、冷却により凝固させることで行われる。半田材１３０を加熱により溶融させる際に、半導体素子１１２と電極１１４との位置ずれを防止するため、治具１００を用いて半田付けを行う。
治具１００は、位置決め孔１０２を有する板状体１０４、および、位置決め孔１０６を有する枠体１０８などで構成される。板状体１０４および枠体１０８は、一体的に構成されている。位置決め孔１０２は、平面視にて、半導体素子１１２よりも僅かに大きく形成されている。一方、位置決め孔１０６は、平面視にて、電極１１４を固定する絶縁基板１１６よりも僅かに大きく形成されている。
治具１００を使用する際には、先ず、枠体１０８の位置決め孔１０６に、絶縁基板１１６を嵌め込む。この状態で、絶縁基板１１６上の電極１１４は、板状体１０４に当接している。
続いて、板状体１０４の位置決め孔１０２に、半導体素子１１２を嵌め込む。この状態で、半導体素子１１２の一面には、半田材１３０が固定されており、半田材１３０は、電極１１４に当接している。
このようにして、治具１００を用いて、半導体素子１１２と、電極１１４との位置合わせを行うと共に、位置ずれを防止する。よって、この後に、半導体素子１１２と電極１１４との半田付けのため、半田材１３０を加熱により溶融させても、電極１１４と半導体素子１１２との位置がずれ難い。
また、別の治具として、特許文献１には、裏面電極に半田付けされた半導体素子に、表面電極を半田付けするための治具が開示されている。この治具は、上記枠体１０８に相当する枠部を有する下治具、上治具などで構成される。
特開２００６−２７８５９１号公報
しかしながら、上記従来の半導体装置は、治具１００を用いて作製されるため、治具１００の設置スペースが必要であり、半導体装置のサイズが大型化することがあった。
例えば、図３に示すように、複数の絶縁基板１１６を有する半導体装置を作製する場合、隣り合う絶縁基板１１６間の隙間を狭くすることが困難であり、半導体装置のサイズが大型化することがあった。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、サイズの小型化が可能な半導体装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明は、
半導体素子および該半導体素子に電気的に接続される電極を有する半導体装置において、
前記電極上の所定位置には、金属膜が設けられ、
前記金属膜上の所定位置には、前記半導体素子が嵌め込まれる凹部が設けられ、
前記凹部の内底面には、半田層を介して、前記半導体素子が固定される半導体装置を提供する。
本発明によれば、サイズの小型化が可能な半導体装置を提供することができる。
本発明の一実施形態による半導体装置の一部断面図である。 図１の半導体装置の製造方法の説明図である。 従来の半導体装置の製造方法の説明図である。
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態による半導体装置の一部断面図である。図２は、図１の半導体装置の製造方法の説明図である。以下、半導体装置およびその製造方法について説明するが、先ず、半導体装置から説明する。
（半導体装置）
半導体装置１０は、図１に示すように、半導体素子１２、半導体素子１２に電気的に接続される電極１４、電極１４を固定する絶縁基板１６、および絶縁基板１６の電極１４と反対側の面に固定される放熱板１８を有している。
半導体装置１０は、例えばパワーモジュールであって、放熱板１８の絶縁基板１６と反対側の面には、不図示の冷却装置が取り付けられている。冷却装置は、水や空気などの冷媒が流れる流路を有し、半導体素子１２を冷却する装置である。
半導体素子１２は、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などであって良い。半導体素子１２は、複数設けられており（図１には１つのみ図示）、電気自動車やハイブリッド自動車に搭載される電動発電機（ＭＧ：Ｍｏｔｏｒ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）の三相駆動用のインバータ回路を構成する。
電極１４は、薄板状の金属板であり、半導体素子１２と電気的に接続され、半導体素子１２の駆動に必要な電力を供給すると共に、半導体素子１２からの熱を絶縁基板１６などに伝達する。そのため、電極１４は、熱伝導率や電気伝導率が高い材料で構成され、例えば、アルミニウムや銅などで構成される。
絶縁基板１６は、セラミックスなどで形成される。絶縁基板１６は、冷却装置による半導体素子１２の冷却効率を高めるため、熱伝導率の高い材料で形成され、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）などで形成される。絶縁基板１６は、耐熱衝撃性に優れた窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、安価なアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）などで形成されても良い。
絶縁基板１６は、複数設けられており（図１には１つのみ図示）、各絶縁基板１６上の電極１４には、少なくとも１つの半導体素子１２が実装されている。
放熱板１８は、冷却装置による半導体素子１２の冷却効率を高めるため、熱伝導率の高い材料で形成され、例えばアルミニウムや銅などで形成される。放熱板１８は、各絶縁基板１６に１つずつ設けられている。
本実施形態の半導体装置１０は、電極１４上の所定位置には、金属膜２０が設けられており、金属膜２０上の所定位置には、半導体素子１２が嵌め込まれる凹部２２が設けられている。凹部２２の内底面には、半田層３２を介して、半導体素子１２が固定されている。
金属膜２０は、半田層３２を介して、半導体素子１２と電気的に接続され、半導体素子１２の駆動に必要な電力を供給すると共に、半導体素子１２からの熱を電極１４などに伝達する。
金属膜２０は、熱伝導率や電気伝導率が高い材料で構成され、例えば、アルミニウムや銅などで構成される。金属膜２０は、溶融半田に対する濡れ性を高めるため、半田層３２側の表層に、ニッケルなどのメッキ層を有する複数層構造体であっても良い。
金属膜２０は、電極１４上の所定位置に設けられ、半導体素子１２を嵌め込む凹部２２を有している。凹部２２は、平面視で、半導体素子１２よりも僅かに大きく形成されている。凹部２２の深さは、半田層３２の厚さよりも深く設定される。凹部２２の内底面には、半田層３２を介して、半導体素子１２が固定されている。
金属膜２０を形成する方法は、特に限定されないが、例えば、コールドスプレー法、プラズマ溶射法、フレーム溶射法、高速フレーム溶射法などが用いられる。これらの方法は、ノズルが吹き出す高圧ガスの流れに金属粉末を投入して、金属粉末を電極１４に衝突させて成膜する方法である。
これらの方法の中でも、コールドスプレー法は、プラズマ溶射法、フレーム溶射法、高速フレーム溶射法などに比べ、高圧ガスの温度が著しく低く、金属粉末をあまり加熱せずに、固相状態のまま電極１４に衝突させて、そのエネルギーにより、金属粉末を塑性変形させて成膜する。そのため、コールドスプレー法で得られる金属膜２０は、酸化などの熱劣化が少なく、緻密で、熱伝導率や電気伝導率が高く、密着性も良好である。
コールドスプレー法を用いる場合、金属粉末を固相状態のまま利用するので、材料である金属粉末としては、融点の高い材料が好適であり、アルミニウムよりも銅の方が好適である。
凹部２２を形成する方法は、特に限定されない。例えば、その形成方法は、平板状の金属膜を形成した後に、枠状の金属膜をさらに積層する方法であっても良いし、平板状の金属膜を形成した後に、金属膜の一部をエッチングする方法であっても良い。
半田層３２は、一般的な材料で構成され、例えば、錫鉛（Ｓｎ−Ｐｂ）合金、鉛フリー合金などで構成される。鉛フリー合金としては、ＳｎＡｇＣｕ系合金、ＳｎＺｎＢｉ系合金、ＳｎＣｕ系合金などが挙げられる。
半田層３２は、半導体素子１２と凹部２２の内底面との間に半田材３０（図２参照）を介装した状態で、半田材３０を加熱により溶融させた後、冷却により凝固させることで形成される。半田材３０を加熱により溶融させる際に、凹部２２が半導体素子１２と電極１４との位置ずれを防止する。よって、本実施形態によれば、位置ずれを防止するため、従来のような治具１００が必要なく、治具１００の設置スペースが不要になるので、半導体装置１０の小型化が可能である。
（半導体装置の製造方法）
本実施形態の半導体装置１０の製造方法は、電極１４上の所定位置に、凹部２２を表面に有する金属膜２０を形成する第１工程と、凹部２２内に半導体素子１２を嵌め込んだ状態で、半導体素子１２を凹部２２の内底面に半田付けする第２工程とを有する。なお、電極１４、絶縁基板１６、および放熱板１８からなる積層体の製造方法は、一般的な方法で良いので、説明を省略する。
第１工程では、電極１４上の所定位置に金属膜２０を形成する。その形成方法は、特に限定されないが、例えば、コールドスプレー法、プラズマ溶射法、フレーム溶射法、高速フレーム溶射法などが用いられる。これらの中でも、コールドスプレー法は、金属粉末をあまり加熱せずに、固相状態のまま電極１４に衝突させて成膜するので、酸化などの熱劣化が少なく、緻密で、熱伝導率や電気伝導率が高く、密着性も良好である。
凹部２２を形成する形成方法は、特に限定されない。例えば、その形成方法は、平板状の金属膜を形成した後に、枠状の金属膜をさらに積層する方法であっても良いし、平板状の金属膜を形成した後に、金属膜の一部をエッチングする方法であっても良い。
第２工程では、先ず、凹部２２内に半導体素子１２を嵌め込む。これによって、半導体素子１２と、電極１４との位置合わせを行うと共に、位置ずれを防止する。この状態で、半導体素子１２の一面には、半田材３０が固定されており、半田材３０は、凹部２２の内底面に当接している。
このようにして、半導体素子１２と凹部２２の内底面との間に半田材３０を介装した状態で、リフロー装置によって半田材３０を溶融させた後、凝固させることで半田層３２（図１参照）を形成し、半導体素子１２を凹部２２の内底面に半田付けする。
本実施形態では、第２工程において、半田材３０が溶融する際に、半導体素子１２と電極１４との位置ずれを防止するため、凹部２２を有する金属膜２０を用いている。よって、従来のような治具１００が必要なく、治具１００の設置スペースが不要になるので、半導体装置１０の小型化が可能である。
以上、本発明の一実施形態について詳説したが、本発明は、上述した実施形態に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施形態に種々の変形および置換を加えることができる。
例えば、上述した実施形態の半導体装置は、自動車用のパワーモジュールであるとしたが、その種類に制限はなく、例えば、空調用のパワーモジュールであっても良い。
また、上述した実施形態の第２工程では、半田材３０を半導体素子１２に固定した状態で、半導体素子１２を凹部２２内に嵌め込むとしたが、半田材３０を半導体素子１２に固定せずに、半導体素子１２を凹部２２内に嵌め込んでも良い。要は、半導体素子１２と凹部２２の内底面との間に半田材３０を介装した状態で、半田材３０を溶融させた後、凝固させることで半田層３２を形成できれば良い。
１０ 半導体装置
１２ 半導体素子
１４ 電極
１６ 絶縁基板
１８ 放熱板
２０ 金属膜
２２ 凹部
３０ 半田材
３２ 半田層

Claims (1)

  1. 半導体素子および該半導体素子に電気的に接続される電極を有する半導体装置において、
    前記電極上の所定位置には、金属膜が設けられ、
    前記金属膜上の所定位置には、前記半導体素子が嵌め込まれる凹部が設けられ、
    前記凹部の内底面には、半田層を介して、前記半導体素子が固定される半導体装置。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2020088038A (ja) * 2018-11-19 2020-06-04 三菱電機株式会社 半導体装置、電力変換装置および半導体装置の製造方法
JP7147502B2 (ja) 2018-11-19 2022-10-05 三菱電機株式会社 半導体装置、電力変換装置および半導体装置の製造方法

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