JP2015170605A - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置および半導体装置の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】低コストで、半田引けを防止すると共に、半田漏れが生じても耐圧の低下を抑制することができる半導体装置およびその製造方法を提供すること。【解決手段】ハイサイドＩＧＢＴ７と、ハイサイドＩＧＢＴ７を支持するハイサイド放熱ブロック６と、ハイサイドＩＧＢＴ７とハイサイド放熱ブロック６との間に設けられた半田材２３と、一端および他端が、それぞれハイサイド放熱ブロック６の端面１４において開放された逃がし溝１３とを含む、パワー半導体モジュール１を製造する。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置、特にインバータ回路等に広く採用されるパワー半導体モジュールおよびその製造方法に関する。
たとえば、特許文献１および２は、それぞれ、ダイパッド等のアイランドと、当該アイランド上に配置された半導体チップとを備える半導体装置を開示している。半導体チップは、溶融半田を用いてアイランドに接合されている。
特開２０１１−１５５２８６号公報 特開平６−３７１２２号公報
従来、半導体チップの接合は、溶融した板状半田や半田ペーストを半導体チップで押し潰して、半導体チップとアイランドとの間の空間に広く行き渡らせることによって達成されていた。しかしながら、従来の方法は、半田漏れおよび半田引けという問題を含んでいる。
半田漏れは、溶融半田が半導体チップの外側へ漏れ出す現象である。漏れ出した半田が半導体チップの表面に乗り上げ、これが、半導体チップへの裏面コンタクトの末端と半導体チップの表面との距離を短くして、半導体チップの耐圧を、チップの厚さに依存した本来の耐圧未満に低下させる。
一方、半田引けは、半導体チップとアイランドとの間に半田が存在しない空間（欠損領域）が生じる現象である。欠損領域は、最終的に熱伝導性が高くない樹脂で満たされるか、空領域のままボイド（void）として残るため、半導体チップの放熱性が低下するおそれがある。また、半導体チップの一部が半田で支持されず、当該一部が半田よりも外側に張り出した構造が形成されるため、当該構造の付け根部分にストレスが集中しやすくなる。そのため、高温と低温を繰り返す熱サイクルによって、クラックが発生しやすいというおそれがある。
そこで、このような半田漏れおよび半田引けの両方を、低コストで解決したいという要求がある。
本発明の目的は、低コストで、半田引けを防止すると共に、半田漏れが生じても耐圧の低下を抑制することができる半導体装置およびその製造方法を提供することである。
本発明の半導体装置は、半導体チップと、前記半導体チップを支持する導電部材と、前記導電部材と前記半導体チップとの間に設けられた接合材と、一端および他端が、それぞれ前記導電部材の周端に繋がるように前記導電部材の表面に形成され、前記半導体チップから離れて配置された逃がし溝とを含む（請求項１）。
この半導体装置は、表面に逃がし溝が形成された導電部材であって、当該逃がし溝の一端および他端が前記導電部材の周端に繋がることによって所定のチップ領域が区画された導電部材を準備する工程と、前記チップ領域に接合材を配置する工程と、前記接合材上に半導体チップを配置する工程と、前記半導体チップに荷重をかけつつ、前記接合材を溶融させることによって前記半導体チップを前記導電部材に接合する工程とを含み、前記半導体チップと前記接合材との面積比（チップ面積／接合材面積）が、１．０以下である、本発明の半導体装置の製造方法（請求項１４）によって製造することができる。
この方法によれば、チップ面積／接合材面積が１．０以下である構成においても、半導体チップにかかる荷重の大きさに関係なく、半田引けを防止することができる。半導体チップの面積に対して接合材の面積が比較的大きいので、半田漏れは発生する場合がある。しかしながら、たとえ半田が漏れ出しても、その半田を逃がし溝に導くことができる。これにより、半導体チップの表面への半田の乗り上げを防止でき、耐圧の低下を抑制することができる。
また、逃がし溝は、一端および他端が、それぞれ導電部材の周端に繋がっている。つまり、逃がし溝の一端および他端は、それぞれ、導電部材の周端において開放されている。したがって、たとえば、導電部材をプレス加工して逃がし溝を形成する際に、押し出される余分な導電材料を、逃がし溝の開放端へ逃がすことができる。これにより、当該押し出された導電材料が逃がし溝周辺で隆起物として残ることを抑制できるので、プレス加工後、当該隆起物を除去するための加工作業が不要になる。その結果、逃がし溝を形成するために必要なコスト上昇を比較的低く抑えることができる。
なお、本発明の半導体装置の製造方法では、前記半導体チップと前記接合材との面積比（チップ面積／接合材面積）が、０．６〜０．８であるとよい（請求項１５）。また、本発明の半導体装置では、接合材の一部が逃がし溝に入っていてもよいし、入っていなくてもよい。
本発明の半導体装置では、前記逃がし溝が、前記導電部材の表面に複数形成されており、前記半導体チップは、前記複数の逃がし溝で挟まれたチップ領域に配置されていてもよい（請求項２）。
この構成では、半導体チップの左右どちらに接合材が漏れ出しても、その近傍には必ず逃がし溝が形成されているので、半導体チップの表面への半田の乗り上げを確実に防止することができる。
本発明の半導体装置では、前記複数の逃がし溝は、互いに平行なストライプ状に形成されていてもよい（請求項３）。
本発明の半導体装置は、前記逃がし溝の側面に形成された段差構造をさらに含んでいてもよい（請求項４）。
この構成では、逃がし溝に一旦入った接合材が逆流することを抑制することができる。そのため、半導体装置の耐圧信頼性を向上させることができる。
本発明の半導体装置では、前記段差構造は、前記逃がし溝が深さ方向に複数段に区分されることによって形成された構造であり、前記逃がし溝の前記一端から前記他端にわたって形成されていてもよい（請求項５）。
本発明の半導体装置では、前記導電部材は、その周端を形成する端面を有しており、前記逃がし溝の前記一端および前記他端は、それぞれ、当該端面において開放されていてもよい（請求項６）。
本発明の半導体装置では、前記導電部材の前記表面が長方形状に形成されており、前記逃がし溝は、長方形状の前記導電部材の一対の短辺に沿って形成されていてもよい（請求項７）。
この構成では、逃がし溝を一対の長辺に沿って形成する場合に比べて、逃がし溝を形成するための導電部材の加工寸法を短くすることができる。その結果、逃がし溝の形成に伴うコスト上昇を一層抑えることができる。
本発明の半導体装置は、前記半導体チップ上に配置され、間隔を空けて前記導電部材に対向する第２導電部材と、前記導電部材と前記第２導電部材との間の空間に入り込むように、前記半導体チップ、前記導電部材および前記第２導電部材を封止する樹脂パッケージとをさらに含んでいてもよい（請求項８）。
この構成では、樹脂パッケージの一部を導電部材と第２導電部材とで挟むことによって、当該一部が保持される。これにより、半導体チップ、導電部材および第２導電部材に対する樹脂パッケージの密着性を向上させることができる。
本発明の半導体装置では、前記導電部材は、裏面が前記樹脂パッケージから露出していて、ヒートシンクの役割を果たしていてもよい（請求項９）。
本発明の半導体装置は、前記導電部材としてのハイサイドベース部材、およびその上に配置された前記半導体チップとしてのハイサイドスイッチング素子を含むハイサイドアセンブリと、前記ハイサイドアセンブリから離れて配置され、前記導電部材としてのローサイドベース部材、およびその上に配置された前記半導体チップとしてのローサイドスイッチング素子を含むローサイドアセンブリと、前記ハイサイドアセンブリおよび前記ローサイドアセンブリを封止する樹脂パッケージとを含む、パワー半導体モジュールであってもよい（請求項１０）。
本発明の半導体装置では、前記ハイサイドベース部材および前記ローサイドベース部材は、それぞれ、裏面が前記樹脂パッケージから露出していて、ヒートシンクの役割を果たしていてもよい（請求項１１）。
本発明の半導体装置は、前記樹脂パッケージから突出するように前記ハイサイドベース部材と一体的に形成されたハイサイド端子と、前記樹脂パッケージから突出するように前記ローサイドスイッチング素子上に配置され、間隔を空けて前記ローサイドベース部材に対向するローサイド端子とを含んでいてもよい（請求項１２）。
本発明の半導体装置は、前記ハイサイドスイッチング素子上に配置され、前記ローサイドベース部材と電気的に接続された中継部材をさらに含んでいてもよい（請求項１３）。
本発明の半導体装置の製造方法は、前記半導体チップよりも平面面積が小さい開口が形成された治具を、当該開口の周縁が前記半導体チップの周縁に接するように設置する工程と、前記開口から露出する前記半導体チップの上面に第２接合材を設置する工程と、前記第２接合材上に導電ブロックを配置する工程とをさらに含み、前記接合工程は、前記治具によって前記半導体チップの周縁に荷重をかける工程を含んでいてもよい（請求項１６）。
この方法では、半導体チップに均等に荷重をかけることができるので、接合材が特定の方向に偏って漏れ出すことを防止することができる。これにより、接合材が漏れ出したときの漏れ出し量を半導体チップの周縁に沿って分散できるので、半導体チップの表面への半田の乗り上げをより良好に防止することができる。
本発明の半導体装置の製造方法では、前記治具は、その裏面の一部を前記半導体チップに対する接地面に対して選択的に高めることによって形成され、前記半導体チップを取り囲むガイド部を有していてもよい（請求項１７）。
この方法では、接合材の漏れ出し量が多くても、その接合材を、治具のガイド部によって、確実に逃がし溝に導くことができる。
図１は、本発明の一実施形態を示すパワー半導体モジュールの模式的な平面図である。 図２は、図１のパワー半導体モジュールをII−II切断線で切断したときに表れる断面図である。 図３は、図１のパワー半導体モジュールをIII−III切断線で切断したときに表れる断面図である。 図４は、図１のパワー半導体モジュールをIV−IV切断線で切断したときに表れる断面図である。 図５は、図３の破線Vで囲まれた領域の拡大図である。 図６は、半導体チップへの荷重と半田の漏れ量との関係を示す折れ線グラフである。 図７は、半導体チップへの荷重と半田の引け量との関係を示す折れ線グラフである。 図８は、半導体チップへの荷重およびチップ面積／半田面積を変化させたときの半田の漏れ量の分布を示す等高線グラフである。 図９は、半導体チップへの荷重およびチップ面積／半田面積を変化させたときの半田の引け量の分布を示す等高線グラフである。 図１０（ａ）（ｂ）は、図１のパワー半導体モジュールの製造工程の一部を示す図であって、図１０（ａ）が平面図、図１０（ｂ）が断面図を示す。 図１１（ａ）（ｂ）は、図１０（ａ）（ｂ）の次の工程を示す図であって、図１１（ａ）が平面図、図１１（ｂ）が断面図を示す。 図１２（ａ）（ｂ）は、図１１（ａ）（ｂ）の次の工程を示す図であって、図１２（ａ）が平面図、図１２（ｂ）が断面図を示す。 図１３（ａ）（ｂ）は、図１２（ａ）（ｂ）の次の工程を示す図であって、図１３（ａ）が平面図、図１３（ｂ）が断面図を示す。 図１４（ａ）（ｂ）は、図１３（ａ）（ｂ）の次の工程を示す図であって、図１４（ａ）が平面図、図１４（ｂ）が断面図を示す。
以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
＜本発明の実施形態に係るモジュールの構成＞
図１は、本発明の一実施形態を示すパワー半導体モジュール１の模式的な平面図である。図２は、図１のパワー半導体モジュール１をII−II切断線で切断したときに表れる断面図である。図３は、図１のパワー半導体モジュール１をIII−III切断線で切断したときに表れる断面図である。図４は、図１のパワー半導体モジュール１をIV−IV切断線で切断したときに表れる断面図である。図５は、図３の破線Vで囲まれた領域の拡大図である。
パワー半導体モジュール１は、ハイサイドアセンブリ２と、ローサイドアセンブリ３と、本発明の第２導電部材および中継部材の一例としての中継端子４と、樹脂パッケージ５とを含む。ハイサイドアセンブリ２およびローサイドアセンブリ３は、図１および図２に示すように、隙間６２を隔てて互いに隣り合って配置されている。
ハイサイドアセンブリ２は、本発明の導電部材およびハイサイドベース部材の一例としてのハイサイド放熱ブロック６と、本発明の半導体チップおよびハイサイドスイッチング素子の一例としてのハイサイドＩＧＢＴ７（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）およびハイサイドＦＲＤ８（ＦＲＤ：Fast Recovery Diode）と、ハイサイドコンタクトブロック９と、ハイサイドエミッタ端子１０と、ハイサイドゲート端子１１とを含む。以下では、ハイサイドＩＧＢＴ７およびハイサイドＦＲＤ８を、単にチップ７およびチップ８ということがある（後述するローサイドＩＧＢＴ３０およびローサイドＦＲＤ３１についても同じ）。
ハイサイド放熱ブロック６は、たとえば銅（Ｃｕ）からなる。ハイサイド放熱ブロック６は、この実施形態では、やや扁平な直方体形状（平面視長方形状）に形成されている。
ハイサイド放熱ブロック６の表面１２には、逃がし溝１３が複数本形成されている。ここで、逃がし溝１３は、ハイサイド放熱ブロック６の表面１２近傍の領域（表面部）に浅く形成されたものである。言い換えれば、ハイサイド放熱ブロック６において、比較的浅い逃がし溝１３の下方には、金属部分が厚く残っている。この構造は、熱や応力等によって、ハイサイド放熱ブロック６が、逃がし溝１３を境に折れ曲がることを防止する。たとえば、ハイサイド放熱ブロック６の厚さが１ｍｍ〜２０ｍｍである場合に、逃がし溝１３の深さは０．０１ｍｍ〜２ｍｍ程度であってよい。
各逃がし溝１３は、この実施形態では、図１に示すように、ハイサイド放熱ブロック６の一対の長辺の端面１４同士を繋ぐように、ハイサイド放熱ブロック６の一対の短辺に沿って形成されている。これにより、各逃がし溝１３の一端および他端は、それぞれ、ハイサイド放熱ブロック６の端面１４において開放されている。
また、各逃がし溝１３の側面には、段差構造１５が形成されている。段差構造１５は、この実施形態では、図５に示すように、逃がし溝１３が深さ方向に二段に区分されることによって形成された構造である。これにより、段差構造１５は、第１の溝１６と、第１の溝１６の底部がさらに窪むことによって形成され、第１の溝１６よりも幅狭な第２の溝１７とを含む。段差構造１５は、図１に示すように、逃がし溝１３の長手方向に沿ってハイサイド放熱ブロック６の一方の端面１４から他方の端面１４に至るまで連続して形成されている。
なお、段差構造１５の段数は、二段に限らず、三段、四段およびそれ以上であってもよい。また、複数の溝（この実施形態では、第１および第２の溝１６，１７）の深さは、互いに同じであっても異なっていてもよい。さらに、段差構造１５は、逃がし溝１３の長手方向に選択的に形成されていてもよい。たとえば、第２の溝１７が、逃がし溝１３の長手方向に沿って間隔を空けて複数形成されていてもよい。さらに言えば、段差構造１５は、形成されていなくてもよい。
このような逃がし溝１３がハイサイド放熱ブロック６の長辺に沿って互いに間隔を空けて形成されることによって、ハイサイド放熱ブロック６の表面１２は、複数の領域に分割されている。この実施形態では、図１に示すように、逃がし溝１３は、互いに平行に４本形成されている。これにより、ハイサイド放熱ブロック６の表面１２には、隣り合う逃がし溝１３で挟まれた平面視四角形状のチップ領域１８が３つ形成されている。
各チップ領域１８には、ハイサイドＩＧＢＴ７およびハイサイドＦＲＤ８が１つずつ配置されている。具体的には、ハイサイドＩＧＢＴ７およびハイサイドＦＲＤ８は、ローサイドアセンブリ３に遠い側からこの順に、逃がし溝１３に沿って間隔を空けて配置されている。ハイサイドＩＧＢＴ７およびハイサイドＦＲＤ８と、逃がし溝１３との間には、所定の間隔が空けられている。
ハイサイドＩＧＢＴ７は、その上面にエミッタパッド１９およびゲートパッド２０を有し、その裏面にコレクタパッド２１を有している。一方、ハイサイドＦＲＤ８は、その上面にアノードパッド２２を有し、その裏面にカソードパッド（図示せず）を有している。ハイサイドＩＧＢＴ７およびハイサイドＦＲＤ８は、それぞれ、本発明の接合材の一例としての半田材２３を使用して、裏面でハイサイド放熱ブロック６に接合されている。これにより、ハイサイドＩＧＢＴ７のコレクタおよびハイサイドＦＲＤ８のカソードは、それぞれ、ハイサイド放熱ブロック６に電気的に接続されている。なお、図２および図３では、明瞭化のため、エミッタパッド１９、ゲートパッド２０およびコレクタパッド２１の図示を省略している。
半田材２３は、ハイサイドＩＧＢＴ７およびハイサイドＦＲＤ８と、ハイサイド放熱ブロック６との間に設けられている。また、半田材２３は、ハイサイドＩＧＢＴ７およびハイサイドＦＲＤ８の周縁から外側に漏れ出した部分２６を有していてもよい。漏れ出し部分２６は、たとえば、図５に破線で示すように、逃がし溝１３に入っていてもよい。
また、ハイサイド放熱ブロック６には、本発明のハイサイド端子の一例としてのＰ（Positive）端子２５が一体的に接続されている。Ｐ端子２５は、回路電源の正極側（Positive side）に接続されるものである。Ｐ端子２５から供給される電源電圧は、ハイサイド放熱ブロック６を介して、ハイサイドＩＧＢＴ７のコレクタおよびハイサイドＦＲＤ８のカソードに印加される。この実施形態では、Ｐ端子２５は、図３に示すようにハイサイド放熱ブロック６と同じ厚さで、樹脂パッケージ５の内外に跨るように、ハイサイド放熱ブロック６の短辺の端面２４から突出している。つまり、Ｐ端子２５は、ハイサイド放熱ブロック６の逃がし溝１３が開放している端面１４とは異なる端面２４に接続されている。Ｐ端子２５の露出部分には、貫通孔５４が形成されている。
ハイサイドコンタクトブロック９は、たとえば銅（Ｃｕ）からなる。ハイサイドコンタクトブロック９は、半田材２７を使用して、ハイサイドＩＧＢＴ７のエミッタパッド１９およびハイサイドＦＲＤ８のアノードパッド２２上に１つずつ配置されている。これにより、ハイサイドコンタクトブロック９は、ハイサイドＩＧＢＴ７のエミッタパッド１９およびハイサイドＦＲＤ８のアノードパッド２２に電気的に接続されている。
ハイサイドエミッタ端子１０およびハイサイドゲート端子１１は、ハイサイド放熱ブロック６に対してローサイドアセンブリ３の反対側に配置され、樹脂パッケージ５の内外に跨っている。ハイサイドエミッタ端子１０およびハイサイドゲート端子１１は、それぞれ、エミッタパッド１９およびゲートパッド２０に、ボンディングワイヤ２８を使用して電気的に接続されている。
ローサイドアセンブリ３は、本発明の導電部材およびローサイドベース部材の一例としてのローサイド放熱ブロック２９と、本発明の半導体チップおよびローサイドスイッチング素子の一例としてのローサイドＩＧＢＴ３０およびローサイドＦＲＤ３１と、ローサイドコンタクトブロック３２と、ローサイドエミッタ端子３３と、ローサイドゲート端子３４と、本発明のローサイド端子の一例としてのＮ（Negative）端子５０とを含む。
ローサイド放熱ブロック２９は、たとえば銅（Ｃｕ）からなる。ローサイド放熱ブロック２９は、この実施形態では、ハイサイド放熱ブロック６と同じ、やや扁平な直方体形状（平面視長方形状）に形成されている。ハイサイド放熱ブロック６およびローサイド放熱ブロック２９は、それらの長辺の端面１４，３７が互いに対向するように、隣り合って配置されている。
ローサイド放熱ブロック２９の表面３５には、逃がし溝３６が複数本形成されている。ここで、逃がし溝３６は、ローサイド放熱ブロック２９の表面３５近傍の領域（表面部）に浅く形成されたものである。言い換えれば、ローサイド放熱ブロック２９において、比較的浅い逃がし溝３６の下方には、金属部分が厚く残っている。この構造は、熱や応力等によって、ローサイド放熱ブロック２９が、逃がし溝３６を境に折れ曲がることを防止する。たとえば、ローサイド放熱ブロック２９の厚さが１ｍｍ〜２０ｍｍである場合に、逃がし溝３６の深さは０．０１ｍｍ〜２ｍｍ程度であってよい。
各逃がし溝３６は、この実施形態では、図１に示すように、ローサイド放熱ブロック２９の一対の長辺の端面３７同士を繋ぐように、ローサイド放熱ブロック２９の一対の短辺に沿って形成されている。これにより、各逃がし溝３６の一端および他端は、それぞれ、ローサイド放熱ブロック２９の端面３７において開放されている。
また、各逃がし溝３６の側面には、段差構造３８が形成されている。段差構造３８は、この実施形態では、図５の段差構造１５と同様に、逃がし溝３６が深さ方向に二段に区分されることによって形成された構造である。つまり、段差構造３８は、図５の第１の溝１６および第２の溝１７と同じ構造の、第１の溝および第２の溝（いずれも図示せず）を含む。段差構造３８は、図１に示すように、逃がし溝３６の長手方向に沿ってローサイド放熱ブロック２９の一方の端面３７から他方の端面３７に至るまで連続して形成されている。
このような逃がし溝３６がローサイド放熱ブロック２９の長辺に沿って互いに間隔を空けて形成されることによって、ローサイド放熱ブロック２９の表面３５は、複数の領域に分割されている。この実施形態では、逃がし溝３６は、互いに平行に４本形成されている。これにより、ローサイド放熱ブロック２９の表面３５には、隣り合う逃がし溝３６で挟まれた平面視四角形状のチップ領域４１が３つ形成されている。なお、逃がし溝３６は、図１に示すように、ハイサイド放熱ブロック６の逃がし溝１３の長手方向に沿って形成されていてもよいし、逃がし溝１３の長手方向に直交する方向に沿って形成されていてもよい。
各チップ領域４１には、ローサイドＩＧＢＴ３０およびローサイドＦＲＤ３１が１つずつ配置されている。具体的には、ローサイドＩＧＢＴ３０およびローサイドＦＲＤ３１は、ハイサイドアセンブリ２に遠い側からこの順に、逃がし溝３６に沿って間隔を空けて配置されている。ローサイドＩＧＢＴ３０およびローサイドＦＲＤ３１と、逃がし溝３６との間には、所定の間隔が空けられている。
ローサイドＩＧＢＴ３０は、その上面にエミッタパッド４２およびゲートパッド４３を有し、その裏面にコレクタパッド（図示せず）を有している。一方、ローサイドＦＲＤ３１は、その上面にアノードパッド４４を有し、その裏面にカソードパッド（図示せず）を有している。ローサイドＩＧＢＴ３０およびローサイドＦＲＤ３１は、それぞれ、本発明の接合材の一例としての半田材４５を使用して、裏面でローサイド放熱ブロック２９に接合されている。これにより、ローサイドＩＧＢＴ３０のコレクタおよびローサイドＦＲＤ３１のカソードは、それぞれ、ローサイド放熱ブロック２９に電気的に接続されている。
半田材４５は、ローサイドＩＧＢＴ３０およびローサイドＦＲＤ３１と、ローサイド放熱ブロック２９との間に設けられている。半田材４５は、半田材２３と同様に、ローサイドＩＧＢＴ３０およびローサイドＦＲＤ３１の周縁から外側に漏れ出した部分３９を有していてもよい。漏れ出し部分３９は、図５の漏れ出し部分２６と同様に、逃がし溝３６に入っていてもよい。
また、ローサイド放熱ブロック２９には、出力端子４６が一体的に接続されている。出力端子４６は、回路の負荷に接続されるものである。この実施形態では、出力端子４６は、図４に示すようにローサイド放熱ブロック２９と同じ厚さで、樹脂パッケージ５の内外に跨るように、ローサイド放熱ブロック２９の短辺の端面４７から突出している。つまり、出力端子４６は、ローサイド放熱ブロック２９の逃がし溝３６が開放している端面３７とは異なる端面４７に接続されている。また、この実施形態では、出力端子４６が接続される端面４７は、Ｐ端子２５と隣り合う端面４７の反対側の端面４７である。これにより、出力端子４６は、Ｐ端子２５とは反対方向に延びている。出力端子４６の露出部分には、貫通孔５５が形成されている。
ローサイドコンタクトブロック３２は、たとえば銅（Ｃｕ）からなる。ローサイドコンタクトブロック３２は、半田材４５を使用して、ローサイドＩＧＢＴ３０のエミッタパッド４２およびローサイドＦＲＤ３１のアノードパッド４４上に１つずつ配置されている。これにより、ローサイドコンタクトブロック３２は、ローサイドＩＧＢＴ３０のエミッタパッド４２およびローサイドＦＲＤ３１のアノードパッド４４に電気的に接続されている。
ローサイドエミッタ端子３３およびローサイドゲート端子３４は、ローサイド放熱ブロック２９に対してハイサイドアセンブリ２の反対側に配置され、樹脂パッケージ５の内外に跨っている。ローサイドエミッタ端子３３およびローサイドゲート端子３４は、それぞれ、エミッタパッド４２およびゲートパッド４３に、ボンディングワイヤ４９を使用して電気的に接続されている。
Ｎ端子５０は、たとえば銅（Ｃｕ）からなり、ハイサイド放熱ブロック６およびローサイド放熱ブロック２９と同じ厚さのブロック状に形成されている。Ｎ端子５０は、半田材５１を使用して、ローサイドＩＧＢＴ３０およびローサイドＦＲＤ３１上のローサイドコンタクトブロック３２に一括して接合されている。
具体的には、Ｎ端子５０は、平面視において、ローサイド放熱ブロック２９の長辺に沿って、複数のチップ領域４１を横切るように延びている。Ｎ端子５０の長手方向の敷設領域は、たとえば、ローサイド放熱ブロック２９の一方の端面４７から樹脂パッケージ５の外側に至っている。これにより、Ｎ端子５０は、樹脂パッケージ５から突出すると共に、樹脂パッケージ５の内側において、ローサイド放熱ブロック２９との間に空間５２を区画している。Ｎ端子５０の露出部分には、貫通孔５６が形成されている。なお、この実施形態では、Ｎ端子５０の突出方向は、Ｐ端子２５の突出方向と同じであり、つまり、同じローサイドアセンブリ３に含まれる出力端子４６の突出方向とは反対である。これにより、Ｎ端子５０と出力端子４６とは、互いに重ならないので干渉し合うことがない。
一方、幅方向に関して、Ｎ端子５０は、ローサイド放熱ブロック２９よりも狭く形成されている。この両者の幅の差は、ローサイド放熱ブロック２９に、Ｎ端子５０から横側に引き出され、チップ領域４１の一部からなるコンタクト領域５３が形成されることを許容する。
このＮ端子５０は、回路電源の負極側（Negative side）に接続されるものである。Ｎ端子５０から供給される電源電圧は、ローサイドコンタクトブロック３２を介して、ローサイドＩＧＢＴ３０のエミッタおよびローサイドＦＲＤ３１のアノードに印加される。
中継端子４は、たとえば銅（Ｃｕ）からなり、ハイサイド放熱ブロック６およびローサイド放熱ブロック２９と同じ厚さで形成されている。中継端子４は、ハイサイド放熱ブロック６およびローサイド放熱ブロック２９の上方で、これらに跨って配置されている。これにより、中継端子４は、ハイサイド放熱ブロック６およびローサイド放熱ブロック２９との間に空間５７を区画している。具体的には、中継端子４は、平面視において、ハイサイド放熱ブロック６およびローサイド放熱ブロック２９の長辺に沿って、複数のチップ領域１８，４１を横切るように延びている。中継端子４の長手方向の敷設領域は、たとえば、各放熱ブロック６，２９の一方の端面２４，４７から他方の端面２４，４７に至っている。
中継端子４は、ハイサイドアセンブリ２において、半田材５８を使用して、ハイサイドＩＧＢＴ７およびハイサイドＦＲＤ８上のハイサイドコンタクトブロック９に一括して接合されている。一方、中継端子４は、ローサイドアセンブリ３において、中継ブロック５９を使用して、ローサイド放熱ブロック２９に接合されている。
中継ブロック５９は、ローサイド放熱ブロック２９の各コンタクト領域５３に、半田材６０を挟んで一つずつ配置されている。また、各中継ブロック５９と中継端子４との間にも、それぞれ、半田材６１が設けられている。
ハイサイドＩＧＢＴ７のエミッタおよびハイサイドＦＲＤ８のアノードからの電流は、図２に示すように、中継端子４、中継ブロック５９およびローサイド放熱ブロック２９と順に通り、ローサイドＩＧＢＴ３０のコレクタおよびローサイドＦＲＤ３１のカソードに流れる。
樹脂パッケージ５は、たとえば、エポキシ樹脂からなる。樹脂パッケージ５は、ハイサイド放熱ブロック６およびローサイド放熱ブロック２９の各裏面６３，６４を露出させるように、ハイサイドアセンブリ２、ローサイドアセンブリ３および中継端子４等を覆っている。各チップ７，８，３０，３１で発生した熱は、ハイサイド放熱ブロック６およびローサイド放熱ブロック２９の裏面６３，６４から放散される。また、この実施形態では、樹脂パッケージ５の一部が空間５２，５７に入り込む。これにより、樹脂パッケージ５の当該一部が、下側の導電部材（ハイサイド放熱ブロック６およびローサイド放熱ブロック２９）と、上側の導電部材（中継端子４およびＮ端子５０）とで挟まれて保持される。その結果、ハイサイドアセンブリ２、ローサイドアセンブリ３および中継端子４等に対する樹脂パッケージ５の密着性を向上させることができる。
＜本発明に至るまでの前評価＞
本願発明者らは、半導体チップの接合時における半田漏れおよび半田引けの原因を探るべく、半田漏れ量（半田引け量）と、半導体チップ（ＩＧＢＴ）への荷重との関係を実験によって評価した。その結果を図６〜図９に示す。図６および図７は、半導体チップへの荷重と半田の漏れ量（半田の引け量）との関係を示す折れ線グラフである。ここでは、半導体チップに対する半田の漏れ量（半田の引け量）を考えており、後述する逃がし溝は考慮していない。図８および図９は、半導体チップへの荷重およびチップ面積／半田面積を変化させたときの半田の漏れ量（半田の引け量）の分布を示す等高線グラフである。実験を行った範囲について、等高線を記入した。なお、図８および図９では、各引き出し線に付された数値が、それぞれ、当該引き出し線が示す領域における半田漏れ量（ｍｍ３）および半田引け量（ｍｍ２）を示している。
図６〜図９によると、半田漏れ量は、チップ面積／半田面積の大きさに関わらず、荷重を小さくすればするほど、概ね抑制できることが分かった。しかしながら、半田引け量については、従来、半導体チップへの荷重不足や半田量不足が原因と考えられていたが、荷重や半田量だけでは完全に制御できないことが分かった。たとえば、図７のデータ（ＩＧＢＴ）によれば、荷重を４０ｇから１６０ｇに増加しているにも関わらず、半田引け量が約１．６ｍｍ２から約２．２ｍｍ２まで増加している。つまり、従来、半田漏れと半田引けは、背反の関係にあると考えられていたが、この背反は、図６〜図９によって、必ずしも正しいとは限らないことが分かった。
そこで、本願発明者らは、前述のようにハイサイド放熱ブロック６やローサイド放熱ブロック２９に、両端が開放した逃がし溝１３，３６を形成すると共に、製造工程におけるチップ面積／半田面積を適切な範囲に設定することを見出した。これにより、低コストで、半田引けを防止すると共に、半田漏れが生じても耐圧の低下を抑制することができる半導体装置を提供できることが分かった。
＜本発明の実施形態に係るモジュールの製造工程＞
以下では、図６〜図９を検証した結果、半導体装置の製造工程における半導体チップの接合を、具体的にどのような形態で実施すればよいかについて、前述のハイサイドアセンブリ２を例に挙げて説明する。
図１０（ａ）（ｂ）〜図１４（ａ）（ｂ）は、図１のパワー半導体モジュール１の製造工程の一部（ハイサイドアセンブリ２の作製工程）を工程順に示す図である。図１０（ａ）が図１に対応する平面図であり、図１０（ｂ）が図５に対応する断面図である。なお、図１０（ａ）（ｂ）〜図１４（ａ）（ｂ）では、明瞭化のため、図１および図５で示した参照符号を省略している場合がある。
ハイサイドアセンブリ２を作製するには、まず、図１０（ａ）（ｂ）に示すように、逃がし溝１３が形成されたハイサイド放熱ブロック６が用意される。逃がし溝１３は、たとえば、ハイサイド放熱ブロック６を金型で成形した後、表面１２にプレス加工を施すことによって形成することができる。
次に、図１１（ａ）（ｂ）に示すように、チップ領域１８の所定の位置に、本発明の接合材の一例としての板状半田６５が配置される。板状半田６５のサイズは、ハイサイドＩＧＢＴ７およびハイサイドＦＲＤ８のチップサイズ（面積）との比（チップ面積／半田面積）が、１以下となるように設定される。この実施形態では、上記範囲内において、各チップ７，８よりも小さなサイズの板状半田６５が使用される。なお、板状半田６５に代えて、半田ペーストを用いてもよい。
次に、図１２（ａ）（ｂ）に示すように、各板状半田６５上に、それぞれ、ハイサイドＩＧＢＴ７およびハイサイドＦＲＤ８が配置される。
次に、図１３（ａ）（ｂ）に示すように、ハイサイド放熱ブロック６上に、荷重をかけるための治具６６が設置される。
治具６６は、ハイサイドＩＧＢＴ７およびハイサイドＦＲＤ８の配置パターンに応じた複数の開口６７を有している。各開口６７は、それぞれ、ハイサイドＩＧＢＴ７およびハイサイドＦＲＤ８よりも小さな面積を有している。また、治具６６は、逃がし溝１３に対向する部分に、開口６７の周縁６８よりも選択的に隆起したガイド部６９を有している。ガイド部６９は、逃がし溝１３と同様にストライプ状に形成されていてもよいし、開口６７の周辺に選択的に形成されていてもよい。
そして、治具６６は、各開口６７と各チップ７，８とを位置合わせし、各開口６７の周縁６８が各チップ７，８の周縁に接するように設置される。この状態から、さらに、開口６７から露出した各チップ７，８上に、本発明の第２接合材の一例としての板状半田７０および本発明の導電ブロックの一例としてのハイサイドコンタクトブロック９が設置される。
次に、図１４（ａ）（ｂ）に示すように、加熱と共に、ハイサイドコンタクトブロック９および治具６６に荷重がかけられる。これにより、溶融した板状半田６５が各チップ７，８に押し潰されて広がり、半田材２３が形成される。また、板状半田７０も溶融して半田材２７が形成される。この際、各チップ７，８の周縁が、治具６６の開口周縁６８で押圧されるので、チップ７，８に均等に荷重をかけることができる。その結果、溶融した半田が特定の方向に偏って漏れ出すことを防止することができる。これにより、半田材２３が漏れ出したときの漏れ出し量をチップ７，８の周縁に沿って分散することができる。以上の工程を経ることによって、ハイサイドアセンブリ２が得られる。
そして、パワー半導体モジュール１を製造するには、ハイサイドアセンブリ２と同様の方法によってローサイドアセンブリ３を作製した後、両アセンブリ２，３を中継端子４で接続し、その後、これらを樹脂パッケージ５で封止すればよい。
以上の製造方法によれば、ハイサイドＩＧＢＴ７およびハイサイドＦＲＤ８の接合に当たって、チップ７，８と板状半田６５との面積比（チップ面積／半田面積）が、１以下と設定される。これにより、ハイサイドＩＧＢＴ７およびハイサイドＦＲＤ８にかかる荷重の大きさに関係なく、半田引けを抑制することができる。特に、面積比を０．８以下にして半田を多めにすれば、半田引けを防止することができる。
一方、チップ７，８の面積に対して板状半田６５の面積が比較的大きいので、図１４に示すように、チップ７，８に対する半田漏れは発生する場合がある。しかしながら、たとえ半田が漏れ出しても、その半田を逃がし溝１３に導くことができる。特に、この実施形態では、各チップ領域１８の両側に逃がし溝１３が形成されていると共に、治具６６にガイド部６９が形成されている。そのため、漏れ出した半田を、逃がし溝１３に導くことができる。すなわち、ここで新たに、逃がし溝１３まで含めた領域外への半田漏れ（領域外半田漏れ）を考えた場合、面積比が１以下で、領域外半田漏れを０（ゼロ）にすることができる。その結果、半田材２３の一部がチップ７，８の表面へ乗り上げることを防止できるので、耐圧の低下を抑制することができる。一方、面積比が０．６未満であれば、余分な半田が逃がし溝１３の開放端から溢れるため、面積比は０．６以上であるとよい。
また、各逃がし溝１３の一端および他端が、それぞれ、ハイサイド放熱ブロック６の端面１４において開放されている。したがって、たとえば、ハイサイド放熱ブロック６をプレス加工して逃がし溝１３を形成する際に、押し出される余分な銅材料を、逃がし溝１３の開放端へ逃がすことができる。これにより、当該押し出された銅材料が逃がし溝１３の周辺で隆起物として残ることを抑制できるので、プレス加工後、当該隆起物を除去するための加工作業が不要になる。その結果、逃がし溝１３を形成するために必要なコスト上昇を比較的低く抑えることができる。しかも、この実施形態では、逃がし溝１３がハイサイド放熱ブロック６の短辺に沿って形成されている。そのため、逃がし溝１３を長辺に沿って形成する場合に比べて、逃がし溝１３を形成するためのハイサイド放熱ブロック６の加工寸法を短くすることができる。その結果、逃がし溝１３の形成に伴うコスト上昇を一層抑えることができる。
そして、逃がし溝１３に半田が一旦入ると、その自重によって、相対的に深い位置にある第２の溝１７に導くことができる。そのため、第２の溝１７の容積程度の半田漏れ量であれば、漏れ出た半田の全部を、逃がし溝１３の深い領域（第２の溝１７）に留めることができる。これにより、逃がし溝１３内の半田が逆流することを抑制できるので、パワー半導体モジュール１の耐圧信頼性を向上させることができる。
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。
たとえば、前述の実施形態では、ヒートシンクとして使用されるハイサイド放熱ブロック６およびローサイド放熱ブロック２９に逃がし溝１３，３６が形成された例が示されている。しかしながら、逃がし溝１３，３６のような構造は、たとえば、リードフレームのアイランド等に形成することもできる。
また、ハイサイド放熱ブロック６およびローサイド放熱ブロック２９は、平面視四角形状である必要はない。たとえば、平面視において、他の多角形（たとえば三角形、五角形等）、円形等であってもよい。
また、逃がし溝１３，３６は、ストライプ状に形成されている必要はなく、たとえば、蛇行状に形成されていてもよい。
また、本発明は、パワー半導体モジュールに限らず、その他のモジュール製品、ディスクリート製品等に適用することもできる。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
１ パワー半導体モジュール
２ ハイサイドアセンブリ
３ ローサイドアセンブリ
４ 中継端子
５ 樹脂パッケージ
６ ハイサイド放熱ブロック
７ ハイサイドＩＧＢＴ
８ ハイサイドＦＲＤ
９ ハイサイドコンタクトブロック
１２ （ハイサイド放熱ブロック）表面
１３ 逃がし溝
１４ （ハイサイド放熱ブロックの長辺）端面
１５ 段差構造
１６ 第１の溝
１７ 第２の溝
１８ チップ領域
２３ 半田材
２４ （ハイサイド放熱ブロックの短辺）端面
２５ Ｐ端子
２６ 漏れ出し部分
２７ 半田材
２９ ローサイド放熱ブロック
３０ ローサイドＩＧＢＴ
３１ ローサイドＦＲＤ
３２ ローサイドコンタクトブロック
３５ （ローサイド放熱ブロック）表面
３６ 逃がし溝
３７ （ローサイド放熱ブロックの長辺）端面
３８ 段差構造
３９ 漏れ出し部分
４１ チップ領域
４５ 半田材
４６ 出力端子
４７ （ローサイド放熱ブロックの短辺）端面
５０ Ｎ端子
５１ 半田材
５２ 空間
５３ コンタクト領域
５７ 空間
５９ 中継ブロック
６３ （ハイサイド放熱ブロック）裏面
６４ （ローサイド放熱ブロック）裏面
６５ 板状半田
６６ 治具
６７ （治具）開口
６８ （治具の開口）周縁
６９ ガイド部
７０ 板状半田

Claims (17)

  1. 半導体チップと、
    前記半導体チップを支持する導電部材と、
    前記導電部材と前記半導体チップとの間に設けられた接合材と、
    一端および他端が、それぞれ前記導電部材の周端に繋がるように前記導電部材の表面に形成され、前記半導体チップから離れて配置された逃がし溝とを含む、半導体装置。
  2. 前記逃がし溝が、前記導電部材の表面に複数形成されており、
    前記半導体チップは、前記複数の逃がし溝で挟まれたチップ領域に配置されている、請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記複数の逃がし溝は、互いに平行なストライプ状に形成されている、請求項２に記載の半導体装置。
  4. 前記逃がし溝の側面に形成された段差構造をさらに含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置。
  5. 前記段差構造は、前記逃がし溝が深さ方向に複数段に区分されることによって形成された構造であり、前記逃がし溝の前記一端から前記他端にわたって形成されている、請求項４に記載の半導体装置。
  6. 前記導電部材は、その周端を形成する端面を有しており、
    前記逃がし溝の前記一端および前記他端は、それぞれ、当該端面において開放されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体装置。
  7. 前記導電部材の前記表面が長方形状に形成されており、
    前記逃がし溝は、長方形状の前記導電部材の一対の短辺に沿って形成されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体装置。
  8. 前記半導体チップ上に配置され、間隔を空けて前記導電部材に対向する第２導電部材と、
    前記導電部材と前記第２導電部材との間の空間に入り込むように、前記半導体チップ、前記導電部材および前記第２導電部材を封止する樹脂パッケージとをさらに含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の半導体装置。
  9. 前記導電部材は、裏面が前記樹脂パッケージから露出していて、ヒートシンクの役割を果たしている、請求項８に記載の半導体装置。
  10. 前記半導体装置は、
    前記導電部材としてのハイサイドベース部材、およびその上に配置された前記半導体チップとしてのハイサイドスイッチング素子を含むハイサイドアセンブリと、
    前記ハイサイドアセンブリから離れて配置され、前記導電部材としてのローサイドベース部材、およびその上に配置された前記半導体チップとしてのローサイドスイッチング素子を含むローサイドアセンブリと、
    前記ハイサイドアセンブリおよび前記ローサイドアセンブリを封止する樹脂パッケージとを含む、パワー半導体モジュールである、請求項１〜７のいずれか一項に記載の半導体装置。
  11. 前記ハイサイドベース部材および前記ローサイドベース部材は、それぞれ、裏面が前記樹脂パッケージから露出していて、ヒートシンクの役割を果たしている、請求項１０に記載の半導体装置。
  12. 前記樹脂パッケージから突出するように前記ハイサイドベース部材と一体的に形成されたハイサイド端子と、
    前記樹脂パッケージから突出するように前記ローサイドスイッチング素子上に配置され、間隔を空けて前記ローサイドベース部材に対向するローサイド端子とを含む、請求項１０または１１に記載の半導体装置。
  13. 前記ハイサイドスイッチング素子上に配置され、前記ローサイドベース部材と電気的に接続された中継部材をさらに含む、請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の半導体装置。
  14. 表面に逃がし溝が形成された導電部材であって、当該逃がし溝の一端および他端が前記導電部材の周端に繋がることによって所定のチップ領域が区画された導電部材を準備する工程と、
    前記チップ領域に接合材を配置する工程と、
    前記接合材上に半導体チップを配置する工程と、
    前記半導体チップに荷重をかけつつ、前記接合材を溶融させることによって前記半導体チップを前記導電部材に接合する工程とを含み、
    前記半導体チップと前記接合材との面積比（チップ面積／接合材面積）が、１．０以下である、半導体装置の製造方法。
  15. 前記半導体チップと前記接合材との面積比（チップ面積／接合材面積）が、０．６〜０．８である、請求項１４に記載の半導体装置の製造方法。
  16. 前記半導体チップよりも平面面積が小さい開口が形成された治具を、当該開口の周縁が前記半導体チップの周縁に接するように設置する工程と、
    前記開口から露出する前記半導体チップの上面に第２接合材を設置する工程と、
    前記第２接合材上に導電ブロックを配置する工程とをさらに含み、
    前記接合工程は、前記治具によって前記半導体チップの周縁に荷重をかける工程を含む、請求項１４または１５に記載の半導体装置の製造方法。
  17. 前記治具は、その裏面の一部を前記半導体チップに対する接地面に対して選択的に高めることによって形成され、前記半導体チップを取り囲むガイド部を有する、請求項１６に記載の半導体装置の製造方法。
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