JP2014011236A - 半導体装置、並びに、半導体装置の製造装置及び製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体装置の製造工程の削減と、半導体装置の増産への対応と、半導体装置の低コスト化、小型化及び高出力密度化とを一挙に実現する。
【解決手段】パワーモジュール１０の製造装置７０及び製造方法では、放熱用ベース板１６と金属導体層５４ａ、５４ｂとの間、金属導体層５２ａ、５２ｂと半導体素子５４との間、金属部５８と放熱用ベース板１６との間、半導体素子５４、及び、端子部６２に、はんだ４８ａ、４８ｂ、５６ａ、５６ｂ、６０、６６、６８をそれぞれ配置し、半導体素子５４と端子部６２との間にリード線６４を配置する。次に、リフロー炉７２内で各はんだ４８ａ、４８ｂ、５６ａ、５６ｂ、６０、６６、６８を加熱する。
【選択図】図８

Description

本発明は、半導体素子及び放熱板が接合された基板と該半導体素子とをインサートケースで包含した半導体装置、並びに、その製造装置及び製造方法に関する。

半導体装置、例えば、モータ駆動用システムに用いられるパワーモジュールは、高出力化に伴い十分な電気絶縁性と放熱性とが要求されている。

このようなパワーモジュールの製造方法の一例としては、先ず、セラミックス製の絶縁基板の一面に接合された第１銅板に対して、溶融温度が比較的高い鉛系はんだにより、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の半導体素子を接合する一方で、他面に接合された第２銅板に対して、前記鉛系はんだよりも溶融温度の低い錫鉛系共晶はんだを用い、該鉛系はんだを再溶融させないようにヒートシンク等の放熱板を接合する。

上記のはんだ実装工程の後に、半導体素子、第１銅板、第２銅板及び絶縁基板を包含するように放熱板の表面にインサートケースを接合する。

次に、インサートケースに設けられた端子部と半導体素子との間にワイヤボンディング又はリボンボンディングを施すボンディング工程により、ボンディングワイヤ又はリボンを介して端子部と半導体素子とを接続する。

次に、インサートケースの内壁と放熱板とによって画成される空間（半導体素子、第１銅板、第２銅板及び絶縁基板が包含される空間）をシリコーンゲル又はポッディング樹脂等で封止する。この封止工程により、半導体素子、第１銅板、第２銅板、絶縁基板、端子部、及び、ボンディングワイヤ又はリボンに対する回路保護機能が実現される。

特許文献１には、上記の封止工程を、蓋体を用いた気密封止の工程に変更した製造方法が開示されている。

特開２００３−２８２７５１号公報

上述の製造方法では、複数の装置を用いて半導体装置内の各部を接合する必要がある。

すなわち、はんだ実装工程では、リフロー炉内ではんだを加熱溶融することにより、第１銅板と半導体素子とを接合すると共に、第２銅板と放熱板とを接合する。また、放熱板とインサートケースとを接合する工程では、接合方法が接着剤による接着であれば、封止工程でのシリコーンゲル又はポッディング樹脂の漏出を防止するために、硬化炉内で接着剤を熱硬化させて、放熱板とインサートケースとを密着させる。さらに、ボンディング工程では、ボンディングマシンを用いて、端子部と半導体素子との間でボンディングが施される。

このように、複数の装置を用いて半導体装置を製造するため、該半導体装置の製造工程が多くなり、該半導体装置を大量生産するための設備が大掛かりとなって、コストがかかってしまう。

また、ボンディング工程では、１つの半導体素子に対して通常１０本以上の配線（ボンディングワイヤ又はリボン）を施す必要がある。この結果、ボンディングタクトが長くなってしまい、半導体装置を増産しようとしても対応できない。

さらに、ボンディング工程では、半導体素子と端子部とを接続するボンディング済の配線と、ボンディングを行うボンディングツールとの干渉を考慮し、該ボンディングツールがボンディングを行えるだけのクリアランスを確保しておく必要がある。しかしながら、このようなクリアランスを設けると、半導体装置の小型化や高出力密度化を実現することができない。

本発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、半導体装置の製造工程の削減と、半導体装置の増産への対応と、半導体装置の低コスト化、小型化及び高出力密度化とを一挙に実現することが可能な半導体装置の製造装置及び製造方法を提供することを目的とする。

また、本発明は、このような製造装置及び製造方法によって製造された、低コストで且つ小型化及び高出力密度化された半導体装置を提供することを目的とする。

本発明は、基板の一面に半導体素子を接合すると共に他面に放熱板を接合し、前記基板及び前記半導体素子をインサートケースで包含する半導体装置の製造装置及び製造方法に関するものである。また、本発明は、このような製造装置及び製造方法によって製造された半導体装置に関するものである。

上記の目的を達成するために、本発明に係る半導体装置の製造装置は、少なくとも、前記インサートケースに設けられた端子部と前記半導体素子又は前記基板とに、はんだをそれぞれ配置し、且つ、前記端子部と前記半導体素子又は前記基板との間にリード線を配置した状態で、前記各はんだを加熱する熱源を有する。従って、前記製造装置では、前記熱源を用いて前記各はんだを加熱することにより、前記リード線の一端部と前記半導体素子又は前記基板とをはんだにより接合すると共に、前記リード線の他端部と前記端子部とをはんだにより接合する。

また、上記の目的を達成するために、本発明に係る半導体装置の製造方法は、少なくとも、前記インサートケースに設けられた端子部と前記半導体素子又は前記基板とに、はんだをそれぞれ配置する第１の工程と、前記端子部と前記半導体素子又は前記基板との間にリード線を配置する第２の工程と、熱源を用いて前記各はんだを加熱することにより、前記リード線の一端部と前記半導体素子又は前記基板とをはんだにより接合すると共に、前記リード線の他端部と前記端子部とをはんだにより接合する第３の工程とを有する。

このような製造装置及び製造方法によって製造された本発明に係る半導体装置では、インサートケースに端子部が設けられ、半導体素子又は基板と前記端子部とがリード線で接続され、少なくとも、前記リード線の一端部と前記半導体素子又は前記基板とがはんだにより接合されると共に、前記リード線の他端部と前記端子部とがはんだにより接合されることになる。

このように、本発明では、半導体素子又は基板と端子部との接続を、従来のワイヤボンディング又はリボンボンディングに代えて、リード線の一端部と前記半導体素子又は前記基板とのはんだ接合と、前記リード線の他端部と前記端子部とのはんだ接合とに変更している。

これにより、リフロー炉の内部において、基板と前記半導体素子との間にはんだを配置し、該基板と放熱板との間にはんだを配置し、前記半導体素子又は前記基板にはんだを配置し、前記端子部にはんだを配置し、且つ、前記半導体素子又は前記基板と前記端子部との間に前記リード線を配置した後に、これらのはんだを一挙に加熱すれば、前記各はんだが溶融され、基板と前記半導体素子、該基板と放熱板、前記リード線の一端部と前記半導体素子又は前記基板、及び、前記リード線の他端部と前記端子部を、それぞれ、はんだにより接合することができる。

このように、前記各はんだの加熱溶融を一括して行い、前記半導体装置の各部をはんだにより接合するので、従来、複数の工程で各部の接合を行っていたものをはんだ接合の工程に集約し、前記半導体装置の製造工程を短縮化することができる。しかも、同じ種類のはんだを使用すれば、前記はんだ接合の工程を低コストで且つ効率よく行うことができる。

この結果、前記半導体装置の製造に必要な装置の数が削減され、該半導体装置を大量生産するための設備をコンパクト化することができ、前記半導体装置を低コストで生産することが可能となる。

また、本発明では、各はんだを一括して加熱し、前記各はんだを溶融することにより、前記半導体装置の各部をはんだで接合するため、従来のボンディングによる接合と比較して、各部の接合に要する時間を大幅に短縮することができる。この結果、前記半導体装置の増産に容易に対応することができる。

さらに、本発明では、ボンディングを行わないため、ボンディング済の配線とボンディングツールとが干渉するという問題も発生しない。従って、前記半導体装置の小型化及び高出力密度化も容易に実現することができる。

さらにまた、前記リード線の一端部及び他端部をはんだ接合することにより接合部分の耐久性が向上するため、封止工程においてシリコーンゲル又はポッディング樹脂を注入しても、接合部分が分離することを回避することができる。

従って、本発明によれば、前記半導体装置の製造工程の削減と、前記半導体装置の増産への対応と、前記半導体装置の低コスト化、小型化及び高出力密度化とを一挙に実現することが可能となる。

そして、本発明において、前記半導体素子又は前記基板と前記端子部とにそれぞれ配置されるはんだを加熱する熱源は、前記半導体素子、前記基板、前記端子部、前記インサートケース及び前記リード線から離間し、且つ、前記各はんだを輻射熱で加熱する第１のヒータを有することが好ましい。これにより、直接加熱の場合と比較して、前記各はんだ以外の箇所（例えば、前記インサートケース）が不用意に加熱されることを抑制することが可能となる。

また、前記第１のヒータと、前記半導体素子、前記基板、前記端子部、前記インサートケース及び前記リード線との間に熱遮蔽板を配置し、前記各はんだにのみ前記輻射熱を伝えるマスクパターンが前記熱遮蔽板に形成されていることが好ましい。このようにすれば、前記第３の工程において、前記各はんだのみが前記輻射熱で加熱されるので、他の箇所への不用意な加熱に起因した温度上昇を回避することができる。この結果、前記各はんだに対する加熱を確実に且つ効率よく行うことができる。

さらに、前記第３の工程において、前記輻射熱を吸収可能な熱吸収部材を前記リード線の一端部及び他端部に配置した後に、前記第１のヒータからの前記輻射熱により、前記半導体素子又は前記基板及び前記端子部にそれぞれ配置されたはんだを加熱することも好ましい。すなわち、前記各熱吸収部材が前記輻射熱を吸収することにより、前記一端部及び前記他端部が温度上昇し、前記一端部に接触する前記半導体素子又は前記基板に配置されたはんだや、前記他端部に接触する前記端子部に配置されたはんだを、確実に且つ効率よく加熱することができる。このような熱吸収部材としては、例えば、熱放射率が略１．０の黒体がある。

そして、前記インサートケースの前記放熱板側の箇所には、金属部が配置されていることが好ましい。前記金属部を設けることにより、前記第１の工程又は前記第２の工程において、前記放熱板と前記金属部との間にはんだを配置し、前記第３の工程において、前記放熱板を第２のヒータで直接加熱すれば、前記放熱板を介して前記はんだを加熱することができ、前記放熱板と前記インサートケースとをはんだにより接合することが可能となる。

従って、前記熱源が前記第１のヒータ及び前記第２のヒータを有し、前記第１のヒータからの輻射熱により前記端子部及び前記半導体素子又は前記基板にそれぞれ配置されたはんだを加熱すると共に、前記第２のヒータで前記放熱板を直接加熱して、前記放熱板と前記金属部との間に配置されたはんだを加熱すれば、各はんだを適切に温度上昇させることができ、はんだによる接合が必要な前記半導体装置内の全ての箇所での各はんだに対する加熱を一挙に且つ効率よく行うことができる。この結果、前記半導体装置の製造工程のさらなる削減と、前記半導体装置のさらなるコスト低減とを実現することができる。

この場合、前記リフロー炉内において、前記第１のヒータによる加熱と前記第２のヒータによる加熱とを同時に行えば、前記半導体装置の製造に要する時間のさらなる短縮化を実現できるので、該半導体装置の増産に容易に対応することが可能となる。

なお、上記の製造装置及び製造方法により製造される前記半導体装置において、前記放熱板は、ヒートシンクに連結可能な放熱用ベース板であるか、又は、前記ヒートシンクであることが好ましい。前記基板がはんだを介して前記ヒートシンクに接合される構造では、前記半導体素子及び前記基板で発生した熱が前記ヒートシンクを介して効率よく放熱されるので、高出力密度化を容易に実現することができる。また、前記基板がはんだを介して前記放熱用ベース板に接合され、前記放熱用ベース板と前記ヒートシンクとが連結される構造では、低コスト化及び小型化を実現することができる。

また、前記基板は、絶縁基板の両面に金属導体層が形成された基板であって、前記半導体素子は、はんだにより一方の金属導体層に接合され、前記放熱板は、はんだにより他方の金属導体層に接合され、前記リード線の一端部と前記半導体素子又は前記一方の金属導体層とがはんだにより接合されることが好ましい。このようにすれば、前記リフロー炉内で、各はんだを同時に加熱し、はんだによる接合に要する時間を短縮化することができる。なお、このような基板としては、例えば、ＤＣＢ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｏｐｐｅｒ Ｂｏｎｄｉｎｇ）基板がある。

さらに、前記インサートケースは、熱軟化温度が２５０℃以上の樹脂材料からなることが好ましい。これにより、前記リフロー炉内ではんだを加熱しても、該インサートケースが熱変形することを回避することができる。このような樹脂材料としては、例えば、ＰＰＳ樹脂（Ｐｏｌｙ Ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ Ｓｕｌｆｉｄｅ）がある。

本発明によれば、半導体装置の製造工程の削減と、前記半導体装置の増産への対応と、前記半導体装置の低コスト化、小型化及び高出力密度化とを一挙に実現することが可能となる。

本実施形態に係る半導体装置の斜視図である。 図１の半導体装置の内部を図示した斜視図である。 図１の半導体装置の分解斜視図である。 図１の半導体装置の一部構成の分解斜視図である。 図１の半導体装置の部分断面図である。 図１の半導体装置の変形例を示す部分断面図である。 本実施形態に係る製造方法のフローチャートである。 本実施形態に係る製造装置の構成図である。

本発明に係る半導体装置について、製造装置及び製造方法との関連で、好適な実施形態を、添付の図面を参照しながら、以下詳細に説明する。

図１〜図５に示すように、本実施形態に係る半導体装置としてのパワーモジュール１０は、ＩＧＢＴ１２ａ、１２ｂと、ＦＷＤ（Ｆｒｅｅ Ｗｈｅｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）１４ａ、１４ｂと、ＩＧＢＴ１２ａ等の温度を検出する白金温度センサ等の温度センサ１５ａとを内蔵している。

また、半導体素子としてのＩＧＢＴ１２ａ、１２ｂ、ＦＷＤ１４ａ、１４ｂ及び温度センサ１５ａは、導電率及び熱伝導率の良好な銅等を含む放熱用ベース板１６と、ＰＰＳ樹脂等の電気絶縁材料からなる枠体状のインサートケース１８とによって画成された空間内に収容されている。インサートケース１８は、放熱用ベース板１６の上面に配置されている。

この場合、インサートケース１８の両側部のフランジ部分には、上下方向に孔２０ａ、２０ｂが形成され、放熱用ベース板１６には、孔２０ａ、２０ｂと略同軸の孔２２ａ、２２ｂがそれぞれ形成されている。

従って、２つの孔２０ａ、２２ａにねじ部材２４ａを挿通させて、放熱用ベース板１６下方のヒートシンク２６に形成されたねじ孔２８ａに螺合させると共に、他方の２つの孔２０ｂ、２２ｂにねじ部材２４ｂを挿通させて、ヒートシンク２６に形成されたねじ孔２８ｂに螺合させれば、ヒートシンク２６に対して放熱用ベース板１６及びインサートケース１８を固定することができる。

なお、放熱用ベース板１６とヒートシンク２６との間には、放熱用ベース板１６とヒートシンク２６との間で熱を良好に伝達するためのサーマルコンパウンド４４が介挿されている。

インサートケース１８は、鉛フリーはんだ等のはんだ材の加熱溶融温度よりも高い熱軟化温度（耐熱温度）を有する樹脂、例えば、２５０℃以上の耐熱温度を有するＰＰＳ樹脂からなる。この場合、インサートケース１８の一方の壁部を１本のバスバー３０が貫通し、他方の壁部を２本のバスバー３２、３４が貫通している。また、バスバー３０が設けられる一方の壁部を、バスバー３０よりも幅狭の５本のバスバー３６、３８が貫通している。さらに、バスバー３２、３４が設けられる他方の壁部を、バスバー３２、３４よりも幅狭で、且つ、５本のバスバー３６、３８と略同一形状の４本のバスバー４０、４２が貫通している。

これらのバスバー３０〜４２は、はんだとの濡れ性を確保するために、Ｎｉめっきが施されており、後述するように、ＩＧＢＴ１２ａ、１２ｂ、ＦＷＤ１４ａ、１４ｂ及び温度センサ１５ａと電気的に接続され、外部からの電力又は信号の供給、あるいは、外部への信号の出力を行うための端子部として機能する。

また、これらのバスバー３０〜４２は、ＰＰＳ樹脂をインサートケース１８の形状に固化させることにより、該インサートケース１８に固定保持される。具体的に、バスバー３０は、直線状に延在した状態でインサートケース１８に固定されている。また、バスバー３２、３４は、その先端部がＩＧＢＴ１２ａ、１２ｂ及びＦＷＤ１４ａ、１４ｂと対向するようにＬ字状に屈曲した状態でインサートケース１８にそれぞれ固定されている。さらに、各バスバー３６〜４２は、Ｌ字状に屈曲した状態でインサートケース１８にそれぞれ固定されている。

放熱用ベース板１６の上面におけるインサートケース１８内方の箇所には、２枚のＤＣＢ基板４６ａ、４６ｂが板状のはんだ４８ａ、４８ｂを介してそれぞれ接合されている。

ＤＣＢ基板４６ａ、４６ｂは、ＳｉＮ等のセラミックスからなる絶縁基板５０ａ、５０ｂの上面に銅板からなる金属導体層５２ａ、５２ｂが形成されると共に、絶縁基板５０ａ、５０ｂの底面に銅板からなる金属導体層５４ａ、５４ｂが形成された基板である。

この場合、金属導体層５４ａ、５４ｂは、絶縁基板５０ａ、５０ｂよりも僅かに小さな平面積（はんだ４８ａ、４８ｂと略同じ平面積）を有し、はんだ４８ａ、４８ｂにより放熱用ベース板１６と接合されている。また、上面側の金属導体層５２ａ、５２ｂは、ＩＧＢＴ１２ａ、１２ｂ、ＦＷＤ１４ａ、１４ｂ及び温度センサ１５ａ（以下、半導体素子５４ともいう。）に対応して複数設けられている。

すなわち、一方のＤＣＢ基板４６ａには、平面積の異なる２つの金属導体層５２ａが形成されている。バスバー３６、３８に対向する平面積の小さな金属導体層５２ａには、板状のはんだ５６ａを介して温度センサ１５ａが接合されている。また、平面積の大きな金属導体層５２ａには、板状のはんだ５６ａを介してＩＧＢＴ１２ａ及びＦＷＤ１４ａがそれぞれ接合されている。

他方のＤＣＢ基板４６ｂにも、ＤＣＢ基板４６ａと同様に、平面積の異なる２つの金属導体層５２ｂが形成されている。この場合、平面積の小さな金属導体層５２ｂは、バスバー４０、４２に対向するように形成されている。また、平面積の大きな金属導体層５２ｂには、板状のはんだ５６ｂを介してＩＧＢＴ１２ｂ及びＦＷＤ１４ｂがそれぞれ接合されている。

従って、本実施形態では、各半導体素子５４及び放熱用ベース板１６が接合されたＤＣＢ基板４６ａ、４６ｂと、各半導体素子５４とが、インサートケース１８に包含（囲繞）されるように、パワーモジュール１０に内蔵されている。

図５に示すように、インサートケース１８の底面（放熱用ベース板１６側の箇所）には、銅又はＮｉめっきを含む金属バインダー層の金属部５８が形成され、該金属部５８は、はんだ６０により放熱用ベース板１６に接合されている。

インサートケース１８は、図１〜図３に示すように、ＤＣＢ基板４６ａ、４６ｂ及び半導体素子５４を包含する枠体状の部材であるため、金属部５８及びはんだ６０もインサートケース１８に沿ってＤＣＢ基板４６ａ、４６ｂ及び半導体素子５４を囲繞するように設けられている。従って、インサートケース１８の金属部５８と放熱用ベース板１６とは、はんだ６０により隙間なく接合されている。

そして、各半導体素子５４及び金属導体層５２ａ、５２ｂと各バスバー３０〜４２（以下、端子部６２ともいう。）とは、アルミニウム又は銅からなり且つリン（Ｐ）を含まないＮｉめっき処理が施されたリード線６４を介して電気的に接続されている。この場合、各リード線６４の一端部は、はんだ６６により半導体素子５４又は金属導体層５２ａ、５２ｂと接合されると共に、他端部は、はんだ６８により端子部６２と接合されている。

なお、説明の容易化のために、図１では、リード線６４の図示を省略し、図２では、半導体素子５４又は金属導体層５２ａ、５２ｂと端子部６２とを接続するリード線６４の本数を実際のパワーモジュールでのリード線の本数よりも少なく図示している。また、各半導体素子５４（ＩＧＢＴ１２ａ、１２ｂ、ＦＷＤ１４ａ、１４ｂ、温度センサ１５ａ）は、公知の半導体素子を用いればよいため、その詳細な説明を省略する。

また、リード線６４は、実際には、Ｎｉめっき等が施された半導体素子５４の電極（例えば、ＩＧＢＴ１２ａ、１２ｂのゲート電極）と端子部６２とを接続し、はんだ５６ａ、５６ｂは、実際には、半導体素子５４の電極（例えば、ＩＧＢＴ１２ａ、１２ｂのエミッタ電極）と金属導体層５２ａ、５２ｂとを接合している。但し、以下の説明では、特に断りがない限り、説明の便宜上、「リード線６４は、半導体素子５４と端子部６２とを接続」し、「はんだ５６ａ、５６ｂは、半導体素子５４と金属導体層５２ａ、５２ｂとを接合」する旨の説明を行う。

また、図５では、一例として、リード線６４と半導体素子５４及び端子部６２とをはんだ６６、６８で接合する場合を図示しているが、リード線６４と金属導体層５２ａ、５２ｂ及び端子部６２とをはんだ６６、６８で接合する場合でも、同様に接続されることは勿論である。

さらに、インサートケース１８と放熱用ベース板１６の上面とにより画成される空間は、シリコーンゲル又はポッディング樹脂等により封止されているが、図１、図２及び図５では、封止状態の図示を省略している。なお、前述のように、金属部５８と放熱用ベース板１６とは、はんだ６０により隙間なく接合されているため、シリコーンゲル又はポッディング樹脂で封止を行っても、シリコーンゲル又はポッディング樹脂が外部に漏れ出ることを阻止することができる。

さらにまた、本実施形態において、パワーモジュール１０に用いられる各はんだ４８ａ、４８ｂ、５６ａ、５６ｂ、６０、６６、６８は、全て、同じ種類のはんだ（例えば、鉛フリーはんだ）からなる。

図６は、本実施形態の変形例に係るパワーモジュール１０ａを図示したものである。すなわち、パワーモジュール１０ａは、放熱用ベース板１６が省略され、ＤＣＢ基板４６ａの金属導体層５４ａ、５４ｂをはんだ４８ａ、４８ｂによりヒートシンク２６に接合すると共に、インサートケース１８の金属部５８をはんだ６０によりヒートシンク２６に接合した点で、図５のパワーモジュール１０とは異なる。

本実施形態に係るパワーモジュール１０、１０ａは、以上のように構成されるものであり、次に、該パワーモジュール１０、１０ａの製造方法及び製造装置７０について、図７及び図８を参照しながら説明する。なお、この説明では、必要に応じて、図１〜図６も参照しながら説明する。

ここでは、主として、パワーモジュール１０を製造する場合について説明する。

先ず、図７のステップＳ１（第１の工程、第２の工程）において、放熱用ベース板１６上にパワーモジュール１０を構成する各部材を順次配置する。

具体的に、放熱用ベース板１６の上面における略中央部分に、放熱用ベース板１６から上方に向かって、はんだ４８ａ、４８ｂと、ＤＣＢ基板４６ａ、４６ｂと、はんだ５６ａ、５６ｂと、ＩＧＢＴ１２ａ、１２ｂ、ＦＷＤ１４ａ、１４ｂ及び温度センサ１５ａとを、図４に示す順に積層する。

次に、放熱用ベース板１６の上面における外周部に、枠状のはんだ６０と、バスバー３０〜４２（端子部６２）を予め固定したインサートケース１８とを順に積層する。

次に、半導体素子５４及び金属導体層５２ａ、５２ｂの所定位置（リード線６４の一端部を接合する箇所）にはんだ６６を配置すると共に、インサートケース１８の端子部６２の所定位置（リード線６４の他端部を接合する箇所）にはんだ６８を配置する。その後、各はんだ６６上にリード線６４の一端部を配置すると共に、各はんだ６８上にリード線６４の他端部を配置する。

なお、ステップＳ１において、放熱用ベース板１６に対するはんだ４８ａ、４８ｂ、ＤＣＢ基板４６ａ、４６ｂ、はんだ５６ａ、５６ｂ及び半導体素子５４の積層と、インサートケース１８及びはんだ６０の配置とは、上記の順番に行ってもよいし、順番を入れ替えて行ってもよい。

次のステップＳ２（第３の工程）において、ステップＳ１で各部材が配置された放熱用ベース板１６を図８の製造装置７０のリフロー炉７２内に収容し、水素雰囲気下又は蟻酸雰囲気下で、各はんだ４８ａ、４８ｂ、５６ａ、５６ｂ、６０、６６、６８を一括して加熱溶融させることにより、酸化膜の発生を抑制しつつ、放熱用ベース板１６上の各部材を接合させる。

ここで、図８に示すように、本実施形態に係る製造装置７０は、リフロー炉７２を有する。

リフロー炉７２の内部には、ホットプレート７４及びヒータ７６と、熱遮蔽板７８とが配置されている。

リフロー炉７２に収容された放熱用ベース板１６は、ホットプレート７４の上面に載置される。ヒータ７６及び熱遮蔽板７８は、インサートケース１８、ＤＣＢ基板４６ａ、４６ｂ、半導体素子５４、端子部６２及びリード線６４から離間して、ホットプレート７４の上方に配置されている。また、ヒータ７６とホットプレート７４との間に配置された熱遮蔽板７８には、リード線６４の一端部及び他端部（に配置された熱吸収部材８２）と対向するように、上下方向に貫通する複数の孔８０が形成されている。これらの孔８０によって、熱遮蔽板７８には、リード線６４の一端部及び他端部にのみ、ヒータ７６からの輻射熱８６を伝えるマスクパターンが形成されることになる。

さらに、リード線６４の一端部及び他端部には、熱吸収部材８２が配置されている。熱吸収部材８２は、リフロー炉７２に放熱用ベース板１６を収容する前に予め配置され、熱放射率が略１．０の部材、例えば、黒体からなる。

そして、ステップＳ２では、図８のように、各部材が配置された放熱用ベース板１６をホットプレート７４の上面に配置した状態で、該ホットプレート７４による放熱用ベース板１６の直接加熱と、ヒータ７６による上方からの熱放射とを同時に行う。

これにより、ホットプレート７４から放熱用ベース板１６に伝達される熱（以下、伝達熱８４ともいう。）によって、放熱用ベース板１６の温度が上昇し、はんだ４８ａ、４８ｂ、５６ａ、５６ｂ、６０が加熱される。はんだ４８ａ、４８ｂ、５６ａ、５６ｂ、６０の温度が溶解温度に到達すれば、該はんだ４８ａ、４８ｂ、５６ａ、５６ｂ、６０は加熱溶融される。

一方、ヒータ７６からの輻射熱８６は、その大部分が熱遮蔽板７８で遮蔽されるが、その一部は、孔８０を通過して熱吸収部材８２に到達する。熱吸収部材８２は、輻射熱８６を吸収し、吸収した熱をリード線６４の一端部及び他端部に伝達する。これにより、リード線６４の一端部及び他端部の温度が上昇し、前記一端部直下のはんだ６６や、前記他端部直下のはんだ６８が加熱される。はんだ６６、６８の温度が溶解温度に到達すれば、該はんだ６６、６８は加熱溶融される。なお、図８では、伝達熱８４及び輻射熱８６の伝達方向を矢印で模式的に図示している。

前述のように、各はんだ４８ａ、４８ｂ、５６ａ、５６ｂ、６６、６８は、同じ種類のはんだであるため、略同じ時点で各はんだ４８ａ、４８ｂ、５６ａ、５６ｂ、６６、６８が加熱溶融されるように、ホットプレート７４及びヒータ７６の駆動を制御すれば、各はんだ４８ａ、４８ｂ、５６ａ、５６ｂ、６６、６８を一括して加熱溶融させることができる。

そして、所定時間経過後に、ホットプレート７４及びヒータ７６の駆動を停止し、放熱用ベース板１６等を冷却すれば、各はんだ４８ａ、４８ｂ、５６ａ、５６ｂ、６６、６８による接合を一挙に行うことができる。すなわち、インサートケース１８と放熱用ベース板１６とがはんだ６０により接合され、ＤＣＢ基板４６ａ、４６ｂの金属導体層５４ａ、５４ｂと放熱用ベース板１６とがはんだ４８ａ、４８ｂによりそれぞれ接合され、金属導体層５２ａ、５２ｂと各半導体素子５４とがはんだ５６ａ、５６ｂによりそれぞれ接合される。また、リード線６４の一端部と半導体素子５４とがはんだ６６により接合されると共に、リード線６４の他端部と端子部６２とがはんだ６８により接合される。

その後、はんだ接合後の放熱用ベース板１６をリフロー炉７２から取り出し、熱吸収部材８２を取り除けば、図２に示す状態となる。なお、図２では、説明の容易化のために、インサートケース１８を一点鎖線で図示している。

次のステップＳ３において、外観検査を実行して、はんだ接合の良否等を調べる。

次のステップＳ４において、放熱用ベース板１６の上面とインサートケース１８とにより画成される空間にシリコーンゲル又はポッティング樹脂を注入した後に、図示しない硬化炉に放熱用ベース板１６を収容して加熱することにより、注入したシリコーンゲル又はポッティング樹脂を熱硬化させる。その後、冷却した放熱用ベース板１６を前記硬化炉から取り出す。

次のステップＳ５において、放熱用ベース板１６の底面にサーマルコンパウンド４４を塗布した後に、孔２０ａ、２２ａにねじ部材２４ａを挿通させてねじ孔２８ａに螺合させると共に、孔２０ｂ、２２ｂにねじ部材２４ｂを挿通させてねじ孔２８ｂに螺合させることにより、ヒートシンク２６に放熱用ベース板１６及びインサートケース１８を固定する。この結果、本実施形態に係るパワーモジュール１０が完成する。

一方、変形例に係るパワーモジュール１０ａを製造する場合には、ステップＳ１において、放熱用ベース板１６から代替したヒートシンク２６の上面にステップＳ１で説明した各部材を配置すればよい。従って、ステップＳ２では、ホットプレート７４の上面にヒートシンク２６が配置されることになる。また、ステップＳ４では、ヒートシンク２６の上面とインサートケース１８とで画成される空間にシリコーンゲル又はポッティング樹脂が注入されることになる。なお、ステップＳ１においてヒートシンク２６に各部材が配置されるので、パワーモジュール１０ａを製造する場合には、ステップＳ５の処理が省略されることは勿論である。

また、パワーモジュール１０、１０ａを製造する際、リード線６４に対するはんだ接合が困難な箇所が存在する場合（例えば、半導体素子５４の電極が信号取出用のパッド電極である場合や、バンプ接合により接合を行う場合）には、ステップＳ３後のステップＳ６において、当該箇所に対してワイヤボンディング又はバンプ接合を行ってもよい。この場合、ワイヤボンディング又はバンプ接合の良否を判断するために、ステップＳ７において外観検査を行うことが好ましい。ステップＳ７の外観検査後に、ステップＳ４の処理が行われる。

以上説明したように、本実施形態によれば、半導体素子５４又はＤＣＢ基板４６ａ、４６ｂと端子部６２との接続を、従来のワイヤボンディング又はリボンボンディングに代えて、リード線６４の一端部と半導体素子５４又はＤＣＢ基板４６ａ、４６ｂとのはんだ接合と、リード線６４の他端部と端子部６２とのはんだ接合とに変更している。

これにより、リフロー炉７２の内部において、ＤＣＢ基板４６ａ、４６ｂと半導体素子５４との間にはんだ５６ａ、５６ｂを配置し、ＤＣＢ基板４６ａ、４６ｂと放熱用ベース板１６又はヒートシンク２６との間にはんだ４８ａ、４８ｂを配置し、半導体素子５４又はＤＣＢ基板４６ａ、４６ｂにはんだ６６を配置し、端子部６２にはんだ６８を配置し、且つ、半導体素子５４又はＤＣＢ基板４６ａ、４６ｂと端子部６２との間にリード線６４を配置した後に、これらのはんだ４６ａ、４６ｂ、４８ａ、４８ｂ、５６ａ、５６ｂ、６６、６８を一挙に加熱すれば、各はんだ４６ａ、４６ｂ、４８ａ、４８ｂ、５６ａ、５６ｂ、６６、６８が溶融され、ＤＣＢ基板４６ａ、４６ｂと半導体素子５４、ＤＣＢ基板４６ａ、４６ｂと放熱用ベース板１６又はヒートシンク２６、リード線６４の一端部と半導体素子５４又はＤＣＢ基板４６ａ、４６ｂ、及び、リード線６４の他端部と端子部６２を、それぞれ、はんだ４６ａ、４６ｂ、４８ａ、４８ｂ、５６ａ、５６ｂ、６６、６８により接合することができる。

このように、各はんだ４６ａ、４６ｂ、４８ａ、４８ｂ、５６ａ、５６ｂ、６６、６８の加熱溶融を一括して行い、パワーモジュール１０、１０ａの各部をはんだ４６ａ、４６ｂ、４８ａ、４８ｂ、５６ａ、５６ｂ、６６、６８により接合するので、従来、複数の工程で各部の接合を行っていたものをはんだ接合の工程に集約し、パワーモジュール１０、１０ａの製造工程を短縮化することができる。しかも、同じ種類のはんだを使用すれば、はんだ接合の工程を低コストで且つ効率よく行うことができる。

この結果、パワーモジュール１０、１０ａの製造に必要な装置の数が削減され、該パワーモジュール１０、１０ａを大量生産するための設備をコンパクト化することができ、パワーモジュール１０、１０ａを低コストで生産することが可能となる。

また、本実施形態では、各はんだ４６ａ、４６ｂ、４８ａ、４８ｂ、５６ａ、５６ｂ、６６、６８を一括して加熱し、各はんだ４６ａ、４６ｂ、４８ａ、４８ｂ、５６ａ、５６ｂ、６６、６８を溶融することにより、パワーモジュール１０、１０ａの各部をはんだ４６ａ、４６ｂ、４８ａ、４８ｂ、５６ａ、５６ｂ、６６、６８で接合するため、従来のボンディングによる接合と比較して、各部の接合に要する時間を大幅に短縮することができる。この結果、パワーモジュール１０、１０ａの増産に容易に対応することができる。

さらに、本実施形態では、特別な事情がない限り、ボンディングが行われないため、ボンディング済の配線とボンディングツールとが干渉するという問題も発生しない。従って、パワーモジュール１０、１０ａの小型化及び高出力密度化も容易に実現することができる。

さらにまた、リード線６４の一端部及び他端部をはんだ接合することにより接合部分の耐久性が向上するため、ステップＳ４においてシリコーンゲル又はポッディング樹脂を注入しても、接合部分が分離することを回避することができる。

従って、本実施形態によれば、パワーモジュール１０、１０ａの製造工程の削減と、パワーモジュール１０、１０ａの増産への対応と、パワーモジュール１０、１０ａの低コスト化、小型化及び高出力密度化とを一挙に実現することが可能となる。

また、ヒータ７６による輻射熱８６で各はんだ６６、６８が加熱されるので、直接加熱の場合と比較して、各はんだ６６、６８以外の箇所（例えば、インサートケース１８）が不用意に加熱されることを抑制することが可能となる。

さらに、熱遮蔽板７８には、リード線６４の一端部（の直下のはんだ６６）及び他端部（の直下のはんだ６８）にのみ輻射熱８６を伝えるマスクパターン（孔８０）が形成されているので、ステップＳ２では、各はんだ６６、６８のみが輻射熱８６で加熱される。これにより、各はんだ６６、６８以外の他の箇所への不用意な加熱に起因した温度上昇を回避することができ、各はんだ６６、６８に対する加熱を確実に且つ効率よく行うことができる。

さらに、ステップＳ２では、熱吸収部材８２をリード線６４の一端部及び他端部に配置した後に、ヒータ７６からの輻射熱８６により、各はんだ６６、６８が加熱される。すなわち、各熱吸収部材８２が輻射熱８６を吸収することにより、リード線６４の一端部及び他端部が温度上昇し、一端部に接触する半導体素子５４又はＤＣＢ基板４６ａ、４６ｂに配置されたはんだ６６や、他端部に接触する端子部６２に配置されたはんだ６８を、確実に且つ効率よく加熱することができる。

また、インサートケース１８の底面に金属部５８を設けることにより、ステップＳ１で、放熱用ベース板１６又はヒートシンク２６と金属部５８との間にはんだ６０を配置し、ステップＳ２において、放熱用ベース板１６又はヒートシンク２６をホットプレート７４で直接加熱すれば、放熱用ベース板１６又はヒートシンク２６を介してはんだ６０を加熱することができ、放熱用ベース板１６又はヒートシンク２６とインサートケース１８とをはんだ６０により接合することが可能となる。

従って、ヒータ７６からの輻射熱８６によりはんだ６６、６８を加熱すると共に、ホットプレート７４で放熱用ベース板１６又はヒートシンク２６を直接加熱して、各はんだ４８ａ、４８ｂ、５６ａ、５６ｂ、６０を加熱すれば、各はんだ４８ａ、４８ｂ、５６ａ、５６ｂ、６０、６６、６８を適切に温度上昇させることができ、はんだ４８ａ、４８ｂ、５６ａ、５６ｂ、６０、６６、６８による接合が必要なパワーモジュール１０、１０ａ内の全ての箇所での各はんだ４８ａ、４８ｂ、５６ａ、５６ｂ、６０、６６、６８に対する加熱を一挙に且つ効率よく行うことができる。この結果、パワーモジュール１０、１０ａの製造工程のさらなる削減と、パワーモジュール１０、１０ａのさらなるコスト低減とを実現することができる。

なお、本実施形態では、はんだ６０をシリコーン系樹脂等からなる接着剤に代用することも可能である。

また、リフロー炉７２内において、上述の２種類の加熱を同時に行えば、パワーモジュール１０、１０ａの製造に要する時間のさらなる短縮化を実現できるので、該パワーモジュール１０、１０ａの増産に容易に対応することが可能となる。

なお、はんだ接合の対象となる放熱板が放熱用ベース板１６である場合には、低コスト化及び小型化のパワーモジュール１０を容易に実現することができる。また、はんだ接合の対象となる放熱板がヒートシンク２６である場合には、半導体素子５４及びＤＣＢ基板４６ａ、４６ｂで発生した熱がヒートシンク２６を介して効率よく放熱されるので、パワーモジュール１０ａの高出力密度化を容易に実現することができる。

また、このようにして製造されるパワーモジュール１０、１０ａでは、ＤＣＢ基板４６ａ、４６ｂの一方の金属導体層５２ａ、５２ｂにはんだ５６ａ、５６ｂにより半導体素子５４が接合され、他方の金属導体層５４ａ、５４ｂにはんだ４８ａ、４８ｂにより放熱用ベース板１６又はヒートシンク２６が接合される。ＤＣＢ基板４６ａ、４６ｂを用いることで、リフロー炉７２内で、各はんだ４８ａ、４８ｂ、５６ａ、５６ｂを同時に加熱し、はんだ接合に要する時間を短縮化することができる。

さらに、インサートケース１８が２５０℃以上の熱軟化温度を有するＰＰＳ樹脂等の樹脂材料からなるため、リフロー炉７２内ではんだ４８ａ、４８ｂ、５６ａ、５６ｂ、６０、６６、６８を加熱しても、該インサートケース１８が熱変形することを回避することができる。

なお、本実施形態では、一例として、ヒートシンク２６が空冷の構造である場合について説明したが、ヒートシンク２６は、構造上、水冷又は空冷のいずれの構造も実現可能である。

本発明は、上記した実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることは勿論である。

１０、１０ａ…パワーモジュール １２ａ、１２ｂ…ＩＧＢＴ
１４ａ、１４ｂ…ＦＷＤ １５ａ…温度センサ
１６…放熱用ベース板 １８…インサートケース
２６…ヒートシンク ３０〜４２…バスバー
４６ａ、４６ｂ…ＤＣＢ基板
４８ａ、４８ｂ、５６ａ、５６ｂ、６０、６６、６８…はんだ
５０ａ、５０ｂ…絶縁基板
５２ａ、５２ｂ、５４ａ、５４ｂ…金属導体層
５４…半導体素子 ５８…金属部
６２…端子部 ６４…リード線
７０…製造装置 ７２…リフロー炉
７４…ホットプレート ７６…ヒータ
７８…熱遮蔽板 ８０…孔
８２…熱吸収部材 ８４…伝達熱
８６…輻射熱

Claims (16)

1. 基板の一面に半導体素子を接合すると共に他面に放熱板を接合し、前記基板及び前記半導体素子をインサートケースで包含する半導体装置であって、
   前記インサートケースには端子部が設けられ、
   前記半導体素子又は前記基板と前記端子部とがリード線で接続され、
   少なくとも、前記リード線の一端部と前記半導体素子又は前記基板とがはんだにより接合されると共に、前記リード線の他端部と前記端子部とがはんだにより接合される
   ことを特徴とする半導体装置。
2. 請求項１記載の半導体装置において、
   前記インサートケースの前記放熱板側の箇所に金属部が配置され、
   前記放熱板と前記金属部とがはんだにより接合される
   ことを特徴とする半導体装置。
3. 請求項１又は２記載の半導体装置において、
   前記放熱板は、ヒートシンクに連結可能な放熱用ベース板であるか、又は、前記ヒートシンクである
   ことを特徴とする半導体装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置において、
   前記基板は、絶縁基板の両面に金属導体層が形成された基板であり、
   前記半導体素子がはんだにより一方の金属導体層に接合されると共に、前記放熱板がはんだにより他方の金属導体層に接合され、
   前記リード線の一端部と前記半導体素子又は前記一方の金属導体層とがはんだにより接合される
   ことを特徴とする半導体装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置において、
   前記インサートケースは、熱軟化温度が２５０℃以上の樹脂材料からなる
   ことを特徴とする半導体装置。
6. 基板の一面に半導体素子を接合すると共に他面に放熱板を接合し、前記基板及び前記半導体素子をインサートケースで包含する半導体装置の製造装置であって、
   少なくとも、前記インサートケースに設けられた端子部と前記半導体素子又は前記基板とに、はんだをそれぞれ配置し、且つ、前記端子部と前記半導体素子又は前記基板との間にリード線を配置した状態で、前記各はんだを加熱する熱源を有し、
   前記熱源を用いて前記各はんだを加熱することにより、前記リード線の一端部と前記半導体素子又は前記基板とをはんだにより接合すると共に、前記リード線の他端部と前記端子部とをはんだにより接合する
   ことを特徴とする半導体装置の製造装置。
7. 請求項６記載の半導体装置の製造装置において、
   前記熱源は、前記半導体素子、前記基板、前記端子部、前記インサートケース及び前記リード線から離間し、前記各はんだを輻射熱で加熱する第１のヒータである
   ことを特徴とする半導体装置の製造装置。
8. 請求項７記載の半導体装置の製造装置において、
   前記第１のヒータと、前記半導体素子、前記基板、前記端子部、前記インサートケース及び前記リード線との間に配置され、前記各はんだにのみ前記輻射熱を伝えるマスクパターンが形成された熱遮蔽板をさらに有する
   ことを特徴とする半導体装置の製造装置。
9. 請求項７又は８記載の半導体装置の製造装置において、
   前記各はんだを加熱する際に前記リード線の一端部及び他端部に配置され、前記輻射熱を吸収可能な熱吸収部材をさらに有する
   ことを特徴とする半導体装置の製造装置。
10. 請求項７〜９のいずれか１項に記載の半導体装置の製造装置において、
    前記インサートケースの前記放熱板側の箇所には、金属部が配置され、
    前記熱源は、前記第１のヒータと、前記放熱板と前記金属部との間にはんだを配置した状態で、前記放熱板を直接加熱することにより該はんだを加熱する第２のヒータとである
    ことを特徴とする半導体装置の製造装置。
11. 請求項１０記載の半導体装置の製造装置において、
    リフロー炉内において、前記第１のヒータによる加熱と前記第２のヒータによる加熱とを同時に行う
    ことを特徴とする半導体装置の製造装置。
12. 基板の一面に半導体素子を接合すると共に他面に放熱板を接合し、前記基板及び前記半導体素子をインサートケースで包含する半導体装置の製造方法であって、
    少なくとも、前記インサートケースに設けられた端子部と前記半導体素子又は前記基板とに、はんだをそれぞれ配置する第１の工程と、
    前記端子部と前記半導体素子又は前記基板との間にリード線を配置する第２の工程と、
    熱源を用いて前記各はんだを加熱することにより、前記リード線の一端部と前記半導体素子又は前記基板とをはんだにより接合すると共に、前記リード線の他端部と前記端子部とをはんだにより接合する第３の工程と、
    を有する
    ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
13. 請求項１２記載の半導体装置の製造方法において、
    前記インサートケースの前記放熱板側の箇所には、金属部が配置され、
    前記第１の工程又は前記第２の工程では、前記放熱板と前記金属部との間にはんだをさらに配置し、
    前記第３の工程では、前記半導体素子、前記基板、前記端子部、前記インサートケース及び前記リード線から離間した第１のヒータからの輻射熱により、前記端子部及び前記半導体素子又は前記基板にそれぞれ配置されたはんだを加熱すると共に、第２のヒータで前記放熱板を直接加熱することにより、前記放熱板と前記金属部との間に配置されたはんだを加熱する
    ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
14. 請求項１３記載の半導体装置の製造方法において、
    前記第３の工程では、前記端子部及び前記半導体素子又は前記基板にそれぞれ配置されたはんだにのみ前記輻射熱を伝えるマスクパターンが形成された熱遮蔽板を、前記第１のヒータと前記半導体素子、前記基板、前記端子部、前記インサートケース及び前記リード線との間に配置した後に、前記第１のヒータにより前記各はんだを加熱する
    ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
15. 請求項１３又は１４記載の半導体装置の製造方法において、
    前記第３の工程では、前記輻射熱を吸収可能な熱吸収部材を前記リード線の一端部及び他端部に配置した後に、前記第１のヒータからの前記輻射熱により、前記端子部及び前記半導体素子又は前記基板にそれぞれ配置されたはんだを加熱する
    ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
16. 請求項１３〜１５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記第３の工程では、リフロー炉内において、前記第１のヒータによる加熱と前記第２のヒータによる加熱とを同時に行う
    ことを特徴とする半導体装置の製造方法。

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