JP2019133965A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】絶縁基板における導体パターンに対し電極端子を硬ろう付けした半導体装置において、従来に比べてより高い、電極端子と導体パターンとの接合信頼性を有する半導体装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】絶縁基材51の両面に導体パターン52a,52bを有する絶縁基板5と、一方の導体パターンに実装された半導体素子1と、一方の導体パターンに対して硬ろう材10を介して接合した電極端子3と、を備えた半導体装置において、電極端子は、一方の導体パターンにおける単位面積当たりの熱容量よりも大きい単位面積当たりの熱容量を有する。【選択図】図1A
Description
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特には電力用半導体装置及びその製造方法に関する。
従来の半導体装置、特に大電流を扱う電力用半導体装置では、効率的に大電流を流すために電極端子を大面積で接合する必要があることから、電極端子の接合には、はんだ接合が用いられてきた(特許文献1参照)。しかしながら、電力用半導体装置が使用される温度環境が過酷化するにしたがい、従来のはんだ接合では、たとえ高耐熱はんだを用いた場合でも、要求される信頼性を満足できない可能性が生じてきた。
この問題を解決する方法として、高耐熱はんだ、あるいははんだより融点の高い硬ろう材を用いて電極端子を接合する方法が考えられる。しかしながら、硬ろう材の融点は、一般的に450℃以上と高温であるため、通常のトーチを用いたろう付け、あるいは炉中ろう付けでは、半導体装置の周囲における部材、例えば接着剤、樹脂製ケース、絶縁基板をベース板に接合しているはんだ、あるいは、半導体素子をダイボンドしているはんだ等、が溶融してしまうという問題がある。そのため、半導体装置の電極端子を硬ろう材を用いてろう付けするためには、ろう付けしたい部分である電極端子の先端を短時間で局所的に加熱する必要がある。
電極端子の先端を短時間で局所的に加熱する方法として特許文献2では、電極端子と半導体素子の表面電極とにおいて互いに対向する各表面の少なくとも一方に対して、電極端子及び表面電極の融点よりも低い低融点金属層を予め形成しておく。そして電極端子の表面をレーザー光で溶融させ、その熱で低融点金属層を溶融させて、表面電極と電極端子とを接合する技術を提案している。
レーザー光を用いたはんだ付けあるいはろう付けでは、半導体装置全体の加熱工程を必要としない。よって電極端子の接合時において、例えばベース板と絶縁基板とを接合しているはんだの全体、周囲の接着剤、あるいはケース等を溶融させずに、電極端子を接合することができる。
しかしながら特許文献2では、上述のように、レーザー光の加熱で溶融させる対象は、低融点金属層であり、高耐熱はんだ、あるいははんだより融点の高い硬ろう材ではない。
さらに特許文献2では、電極端子を接合する対象は、半導体素子における表面電極であり、例えば絶縁基板上の導体パターンに対して電極端子を接合する形態ではない。
さらに特許文献2では、電極端子を接合する対象は、半導体素子における表面電極であり、例えば絶縁基板上の導体パターンに対して電極端子を接合する形態ではない。
本発明は、上述の問題点を解決するためになされたものであり、絶縁基板における導体パターンに対し電極端子を硬ろう付けする半導体装置において、従来に比べてより高い、電極端子と導体パターンとの接合信頼性を有する半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の一態様における半導体装置は、絶縁基材の両面に導体パターンを有する絶縁基板と、上記絶縁基板における一方の導体パターンに実装された半導体素子と、上記一方の導体パターンに対して接合材を介して接合した電極端子と、を備えた半導体装置において、上記接合材は硬ろう材であって、上記電極端子は、上記一方の導体パターンにおける単位面積当たりの熱容量よりも大きい単位面積当たりの熱容量を有することを特徴とする。
即ち、本発明の一態様における半導体装置は、絶縁基材の両面に導体パターンを有する絶縁基板と、上記絶縁基板における一方の導体パターンに実装された半導体素子と、上記一方の導体パターンに対して接合材を介して接合した電極端子と、を備えた半導体装置において、上記接合材は硬ろう材であって、上記電極端子は、上記一方の導体パターンにおける単位面積当たりの熱容量よりも大きい単位面積当たりの熱容量を有することを特徴とする。
本発明の一態様における半導体装置によれば、単位面積当たりの熱容量が導体パターンに比べて大きい電極端子を有することから、電極端子と導体パターンの熱容量差を低減し、局所加熱の際、電極端子と導体パターンとの温度差が小さくなる。よって、硬ろう材が溶融する前に電極端子が溶融するのを防止することができる。したがって、従来に比べてより高い、電極端子と導体パターンとの接合信頼性を得ることができる。
実施形態である半導体装置及びその製造方法について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。また、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け当業者の理解を容易にするため、既によく知られた事項の詳細説明及び実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。
また、以下の説明及び添付図面の内容は、特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
また、以下の説明及び添付図面の内容は、特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
また、各図間では、対応する各構成部分のサイズあるいは縮尺はそれぞれ独立している。例えば、構成の一部を変更した図と変更していない図示において、同一構成部分のサイズあるいは縮尺が異なっている場合もある。また、該電力用半導体装置の構成について、実際にはさらに複数の部材を備えているが、説明を簡単にするため、説明に必要な部分のみを記載し、その他の部分については説明を省略している。
また以下の説明では、電力用半導体装置を例に採るが、電力用ではなく通常電流を扱う半導体装置に対して各実施形態を適用することもできる。
また以下の説明では、電力用半導体装置を例に採るが、電力用ではなく通常電流を扱う半導体装置に対して各実施形態を適用することもできる。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1における電力用半導体装置101の概略構成を部分断面図(図1A)及び平面図(図1B)で示している。電力用半導体装置101は、基本的構成部分として、電力用半導体素子1と、電極端子3と、絶縁基板5とを有し、図示するようにさらに放熱部材6及びケース12を有することができる。電力用半導体素子1及び電極端子3が絶縁基板5の一方面側に配置され、絶縁基板5の他方面側には放熱部材6が配置されており、放熱部材6の周囲には電力用半導体素子1及び電極端子3を取り囲むようにケース12が配置されている。さらに詳しく以下に説明する。
図1は、実施の形態1における電力用半導体装置101の概略構成を部分断面図(図1A)及び平面図(図1B)で示している。電力用半導体装置101は、基本的構成部分として、電力用半導体素子1と、電極端子3と、絶縁基板5とを有し、図示するようにさらに放熱部材6及びケース12を有することができる。電力用半導体素子1及び電極端子3が絶縁基板5の一方面側に配置され、絶縁基板5の他方面側には放熱部材6が配置されており、放熱部材6の周囲には電力用半導体素子1及び電極端子3を取り囲むようにケース12が配置されている。さらに詳しく以下に説明する。
電力用半導体素子1としては、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等が相当する。
絶縁基板5について説明する。
絶縁基板5は、絶縁基材51と、この絶縁基材51の厚み方向おいて対向する両面のうち一方面に形成された導体パターン52aと 、他方面に形成された導体パターン52bとを有する。絶縁基材51は電気的絶縁物であり、電力用半導体素子1を効率的に冷却するため、熱伝導率の大きい材料が好ましく、一般的には、例えば厚さ0.635mm、あるいは0.32mmのAlN、Si3N4、Al2O3等のセラミック板が用いられる。
絶縁基板5は、絶縁基材51と、この絶縁基材51の厚み方向おいて対向する両面のうち一方面に形成された導体パターン52aと 、他方面に形成された導体パターン52bとを有する。絶縁基材51は電気的絶縁物であり、電力用半導体素子1を効率的に冷却するため、熱伝導率の大きい材料が好ましく、一般的には、例えば厚さ0.635mm、あるいは0.32mmのAlN、Si3N4、Al2O3等のセラミック板が用いられる。
導体パターン52a及び導体パターン52bは、同じ材料が用いられるのが一般的である。回路面側に相当する一方の導体パターン52aには、電力用半導体素子1の主電極がはんだ付けされ、また、導体パターン52aは、接合材の一例に相当する硬ろう材10を挟んで電極端子3と接合部を形成する。このような導体パターン52aは、電力用半導体素子1と、外部の回路とを電気接続するための配線部材であるため、電気抵抗の小さい金属が好ましい。よって、導体パターン52a、52bは、一般的には、例えば厚さ1.0mm以下程度のCu、あるいはAl等が用いられる。
放熱面側に相当する他方の導体パターン52bには、放熱部材6がはんだ8によって接合される。
放熱面側に相当する他方の導体パターン52bには、放熱部材6がはんだ8によって接合される。
次に、電極端子3について説明する。
電極端子3は、電力用半導体素子1と外部の回路とを電気接続するための配線部材である。よって電極端子3の材料は、電気抵抗の小さい金属が好ましく、一般的にはCuあるいはAl等である。このような電極端子3は、板金を切断したもの、あるいはプレス加工したものが用いられ、その一端側は、硬ろう材10を挟んで導体パターン52aと接合部を形成し、他端側はケース12の外面まで延在して他の回路部材あるいは外部回路と電気接続される。
電極端子3は、電力用半導体素子1と外部の回路とを電気接続するための配線部材である。よって電極端子3の材料は、電気抵抗の小さい金属が好ましく、一般的にはCuあるいはAl等である。このような電極端子3は、板金を切断したもの、あるいはプレス加工したものが用いられ、その一端側は、硬ろう材10を挟んで導体パターン52aと接合部を形成し、他端側はケース12の外面まで延在して他の回路部材あるいは外部回路と電気接続される。
また、硬ろう材10を用いて電極端子3を導体パターン52aにろう付けするためには、電極端子3の表面3a側から間接的に熱を加えて、硬ろう材10及び導体パターン52aを加熱する必要がある。よって加熱の際に、電極端子3と導体パターン52aとの温度差が大きくならないように、電極端子3の熱容量は、導体パターン52aの熱容量よりも大きい方が好ましい。
しかしながら上述のように、他方の導体パターン52bには放熱部材6が接合されていることから、絶縁基板5は放熱経路となっている。よって一般的には、電極端子3の熱容量は、絶縁基板5と比較して小さく、さらに、ろう付け用の加熱を電極端子3側から行うことから、ろう付けの際には電極端子3の方が温度上昇し易い。
しかしながら上述のように、他方の導体パターン52bには放熱部材6が接合されていることから、絶縁基板5は放熱経路となっている。よって一般的には、電極端子3の熱容量は、絶縁基板5と比較して小さく、さらに、ろう付け用の加熱を電極端子3側から行うことから、ろう付けの際には電極端子3の方が温度上昇し易い。
したがって、電極端子3の熱容量を導体パターン52aの熱容量よりも大きくし、さらに、通電可能な電流を大きくするためにも、電極端子3の断面積は比較的大きい方が好ましい。電極端子3の断面積は、電極端子3の幅及び厚みで決定されるが、電力用半導体装置101を小型化するためには、電極端子3の幅は小さい方が好ましい。
よって電極端子3の断面積を大きくするためには、電極端子3の幅よりも厚さを大きくする方が好ましい。例えばレーザー光にて電極端子3を加熱する場合、電極端子3の幅寸法と厚みとの関係は、下記のものが好ましい。即ち、電極端子3において、硬ろう材10と接合する面を接合面3jとしたとき、レーザー光によって電極端子3の表面3aに与えられた熱を接合面3jの全体に広げるためには、電極端子3の幅方向において、電極端子3のレーザー光の照射領域の端から電極端子3の端までの長さが、電極端子3の厚さ寸法以下程度とするのが好ましい。具体的に説明すると、例えば厚さ1.5mmの電極端子3に対して、接合面3jの中心から半径1.0mmの領域をレーザー光で加熱する場合、電極端子3の幅寸法は、5.0mm(=1.0mm×2+1.5mm×2)以下とするのが好ましい。
尚、電極端子3の加熱動作については、レーザー光による場合も含めて、後述の実施の形態3にて詳しく説明する。
尚、電極端子3の加熱動作については、レーザー光による場合も含めて、後述の実施の形態3にて詳しく説明する。
一方、電極端子3の厚さを大きくし過ぎると、接合面3jと、接合面3jに対向する、レーザー光が照射され加熱されている電極端子3の表面3aとの温度差が大きくなりすぎる。よって、電極端子3の厚さは、0.5mmから2.0mm程度の範囲とするのが好ましい。電極端子3の熱容量を導体パターン52aの熱容量よりも大きくするための一つの手段として、電極端子3は、導体パターン52aの厚みを超える厚さを有する。
以上のように電極端子3を構成することで、電極端子3の単位面積当たりの熱容量を導体パターン52aにおける単位面積当たりの熱容量よりも大きくすることができる。
また、電極端子3の表面3aにレーザー光の焦点が合うように、レーザー光の径を小さくしても、電極端子3の厚さが大きいことによって得られる熱の広がりの効果を大きくすることができるため、接合面3jの温度分布を小さくすることができる。
放熱部材6について説明する。
放熱部材6は、単体、又は複数枚の絶縁基板5に対してはんだ8によって接合され、自身が放熱板としての役割を果たすと共に、放熱部材6の接続面6bに熱伝導グリス等を介してヒートシンクが接続される場合には、電力用半導体装置101で発生した熱を効率よく外部へ放熱させるための部材である。よって放熱部材6の材料は、熱伝導率の大きい金属が好ましく、一般的には、厚さが1.0〜5.0mm程度のCu、Al、あるいはAlSiC等の金属板が用いられる。尚、放熱部材6の接続面6bは、はんだ8との接合面6aに対向する面である。
放熱部材6は、単体、又は複数枚の絶縁基板5に対してはんだ8によって接合され、自身が放熱板としての役割を果たすと共に、放熱部材6の接続面6bに熱伝導グリス等を介してヒートシンクが接続される場合には、電力用半導体装置101で発生した熱を効率よく外部へ放熱させるための部材である。よって放熱部材6の材料は、熱伝導率の大きい金属が好ましく、一般的には、厚さが1.0〜5.0mm程度のCu、Al、あるいはAlSiC等の金属板が用いられる。尚、放熱部材6の接続面6bは、はんだ8との接合面6aに対向する面である。
次にケース12について説明する。
ケース12は、枠状の形状を有し、本実施形態1では放熱部材6の周囲における接合面6aに立設され、接着剤11にて放熱部材6に固定されている。このようなケース12は、電力用半導体装置101の全体を覆うと共に、電極端子3の他端側を支持し、ケース12の外側で外部回路との接続の役割も果たす。ケース12の材料は、一般的にはPBT(ポリブチレンテレフタレート)、あるいはPPS(ポリフェニレンサルファイド)等の熱可塑性のプラスチック材が用いられ、その融点は300℃以下程度である。
ケース12は、枠状の形状を有し、本実施形態1では放熱部材6の周囲における接合面6aに立設され、接着剤11にて放熱部材6に固定されている。このようなケース12は、電力用半導体装置101の全体を覆うと共に、電極端子3の他端側を支持し、ケース12の外側で外部回路との接続の役割も果たす。ケース12の材料は、一般的にはPBT(ポリブチレンテレフタレート)、あるいはPPS(ポリフェニレンサルファイド)等の熱可塑性のプラスチック材が用いられ、その融点は300℃以下程度である。
次に、上述のはんだ8、硬ろう材10、及び接着剤11について説明する。
はんだ8は、絶縁基板5の放熱面側に位置する導体パターン52bと放熱部材6とを接合する。よってはんだ8の材料は、融点が比較的低く、熱伝導率の大きい金属が好ましく、一般的にはSn、Pb、Ag、Cu等を含有しその融点が450℃未満の合金が用いられる。また、はんだ8の厚さは、接続信頼性及び放熱性の観点から、0.1〜0.3mm程度が好ましい。
はんだ8は、絶縁基板5の放熱面側に位置する導体パターン52bと放熱部材6とを接合する。よってはんだ8の材料は、融点が比較的低く、熱伝導率の大きい金属が好ましく、一般的にはSn、Pb、Ag、Cu等を含有しその融点が450℃未満の合金が用いられる。また、はんだ8の厚さは、接続信頼性及び放熱性の観点から、0.1〜0.3mm程度が好ましい。
硬ろう材10は、電極端子3の接合面3jと、絶縁基板5の導体パターン52aとを接合する。硬ろう材10は、通電によって発熱した電極端子3を冷却するための放熱経路であると共に、電極端子3と導体パターン52aとを電気的に接続する通電経路でもある。
そのため、硬ろう材10の材料は、比較的融点が高く、熱伝導率及び電気伝導率の大きい金属が好ましく、はんだ8とは異なり、Au、Ag、Cu、Zn、Ni等を含有し、融点が450℃以上の合金が用いられる。本実施の形態1では、電極端子3及び導体パターン52aは、共にCuを使用しているため、硬ろう材10は、融点800℃程度のりん銅ろう材(Cu−Ag−P)を使用している。また、その厚さは接続信頼性の観点から一般的に薄い方が好ましく、0.25mm以下が好ましい。特に0.1mm以下が好ましい。この範囲であれば接合部の強度、ろう付け部の電気抵抗、ろう付け部の熱抵抗の全てにおいて十分な結果が得られる。
そのため、硬ろう材10の材料は、比較的融点が高く、熱伝導率及び電気伝導率の大きい金属が好ましく、はんだ8とは異なり、Au、Ag、Cu、Zn、Ni等を含有し、融点が450℃以上の合金が用いられる。本実施の形態1では、電極端子3及び導体パターン52aは、共にCuを使用しているため、硬ろう材10は、融点800℃程度のりん銅ろう材(Cu−Ag−P)を使用している。また、その厚さは接続信頼性の観点から一般的に薄い方が好ましく、0.25mm以下が好ましい。特に0.1mm以下が好ましい。この範囲であれば接合部の強度、ろう付け部の電気抵抗、ろう付け部の熱抵抗の全てにおいて十分な結果が得られる。
接着剤11は、放熱部材6とケース12とを接着する。そのため、一般的にはエポキシ系の熱硬化性樹脂が用いられる。
以上のように構成された電力用半導体装置101の効果について説明する。ここでは、硬ろう材10を溶融するため、硬ろう材10と接合する電極端子3の接合面3jに対向する表面3aに対してレーザー光を照射して加熱を行う。
電極端子3の単位面積当たりの熱容量を導体パターン52aの単位面積当たりの熱容量よりも大きくすることで、レーザー光の加熱による電極端子3と導体パターン52aの温度差を小さくし、ろう付け前に電極端子3が溶融するのを防止することができる。さらに、電極端子3の厚さを厚くしたことで、レーザー光によって電極端子3の表面3aに与えられた熱を、硬ろう材10側の接合面3jに対して拡げることができる。よって、硬ろう材10及び導体パターン52aとの接合面3jの全体を均一に加熱することができ、硬ろう材10における未接合部を無くすことができる。したがって通電に必要なろう付け面積を確保することができる。
電極端子3の単位面積当たりの熱容量を導体パターン52aの単位面積当たりの熱容量よりも大きくすることで、レーザー光の加熱による電極端子3と導体パターン52aの温度差を小さくし、ろう付け前に電極端子3が溶融するのを防止することができる。さらに、電極端子3の厚さを厚くしたことで、レーザー光によって電極端子3の表面3aに与えられた熱を、硬ろう材10側の接合面3jに対して拡げることができる。よって、硬ろう材10及び導体パターン52aとの接合面3jの全体を均一に加熱することができ、硬ろう材10における未接合部を無くすことができる。したがって通電に必要なろう付け面積を確保することができる。
加えて、電極端子3の厚さを大きくすることで、電極端子3の断面積が大きくなり、1本の電極端子3に、より大きな電流を流すことができるようになる。よって、電力用半導体素子に通電するための電極端子3の本数を減らすことで、又は、電極端子3の厚さを厚くした分、電極端子3の幅を細くすることで、電力用半導体装置101を小型化することができる。
従来の電力用半導体装置では、電極端子の厚さを大きくした場合には、絶縁基板と電極端子との線膨脹係数差によって、両者間の接合部に発生する応力が大きくなり、電力用半導体装置の信頼性が低下するという問題があった。
しかしながら実施の形態1では、電極端子3と導体パターン52aとの接合に硬ろう材10を用いることで、接合部の信頼性を従来の電力用半導体装置と比較して大きく向上させることができる。よって実施の形態1における電力用半導体装置101では、電力用半導体装置が一般的に必要する寿命の範囲において信頼性に関する問題は生じない。
しかしながら実施の形態1では、電極端子3と導体パターン52aとの接合に硬ろう材10を用いることで、接合部の信頼性を従来の電力用半導体装置と比較して大きく向上させることができる。よって実施の形態1における電力用半導体装置101では、電力用半導体装置が一般的に必要する寿命の範囲において信頼性に関する問題は生じない。
即ち、電極端子3と導体パターン52aとの接合に硬ろう材10を用いた場合、硬ろう材10の機械的強度は、一般的に電極端子3及び導体パターン52aの主な材料である、本実施の形態1においても使用している、Cuよりも大きい。よって、電極端子3−硬ろう材10−導体パターン52aの接合部における、電力用半導体装置101の発熱による熱応力に対する信頼性は、従来の、電極端子の接合にはんだを用いた電力用半導体装置と比較して、大きく向上させることができる。
加えて、はんだでは、Snが主な材料なのに対して、一般的な硬ろう材10は、CuあるいはAgが主な材料となっている。よって、はんだと比較して熱伝導率及び電気伝導率が高いため、上述の効果と合わせて、製品に最低限必要な接合面積を小さくすることができる。その結果、電極端子3の接合に必要な面積が小さくなった分、電力用半導体装置を小型化することができる。
また、電力用半導体素子1にSiCを用いた電力用半導体装置は、より高温で動作するため、半導体装置の温度変化が特に高温側に大きくなる。よって接合部に生じる熱応力及び引張応力は、より大きくなり、高温による材料強度の低下も大きくなる傾向にある。したがってSiCを用いた電力用半導体装置では、本実施形態によるメリットがより効果的なものとなる。
このとき、硬ろう材10の材質は、信頼性向上のため、融点が高い方が好ましく、かつ電極端子3及び導体パターン52aの材質は、硬ろう材10の融点よりも高い方が好ましい。さらに、絶縁基板5とはんだ付けされているはんだ8をできるだけ再溶融させないために、電極端子3に対する加熱時間は、短い方が好ましい。しかしながら、加熱時間が短くなる程、温度制御が難しくなることから、硬ろう材10と、電極端子3及び導体パターン52aとの融点は、250℃以上開いていることが好ましい。
このとき、硬ろう材10の材質は、信頼性向上のため、融点が高い方が好ましく、かつ電極端子3及び導体パターン52aの材質は、硬ろう材10の融点よりも高い方が好ましい。さらに、絶縁基板5とはんだ付けされているはんだ8をできるだけ再溶融させないために、電極端子3に対する加熱時間は、短い方が好ましい。しかしながら、加熱時間が短くなる程、温度制御が難しくなることから、硬ろう材10と、電極端子3及び導体パターン52aとの融点は、250℃以上開いていることが好ましい。
また、硬ろう材10は、電極端子3及び導体パターン52aの両方に濡れ広がる材料を選択する必要がある。よって電極端子3と導体パターン52aとの材料は、同じであるのが好ましく、上述のようにCuがより好ましい。
一方、電極端子3と導体パターン52aとで異なる材料を使用する場合には、どちらの材料も硬ろう材10の融点より高い融点を有する材料であり、かつ、導体パターン52aが溶融した場合における絶縁基材51の局所的な膨張による絶縁基材51の破損を考慮して、導体パターン52aの融点は、電極端子3の融点よりも高い材料であることが好ましい。加えて、レーザー光の加熱による電極端子3と導体パターン52aとの温度差を小さくするために、導体パターン52aは、電極端子3よりも熱伝導率の小さい材料であることが好ましい。例えば、導体パターン52aは、Cuの表面にNiめっきしたもの、電極端子3の材料は、めっきなしのCu、硬ろう材10は、銀ろう、りん青銅等である。
以上説明したように、実施の形態1にかかる電力用半導体装置101によれば、電極端子3の熱容量を導体パターン52aよりも大きくしたことで、レーザー光の加熱による電極端子3と導体パターン52aとの温度差を小さくし、ろう付け前に電極端子3が溶融するのを防止することができる。
さらに、電極端子3の厚みを従来よりも大きくすることで、レーザー光によって電極端子3の表面3aに与えられた熱を、硬ろう材10側の接合面3jに対して拡げることができる。よって、硬ろう材10と導体パターン52aとの接合面全体を均一に加熱して、硬ろう材10の未接合部を無くすことができる。したがって、電極端子3と導体パターン52aとの間で、通電に必要なろう付け面積を確保することができる。その結果、大電流の通電に必要なろう付け面積を確保し、かつ導体パターン52a及び絶縁基材51の破損を防止した、高温動作においても接合信頼性の高い電力用半導体装置101を得ることができる。
さらに、電極端子3の厚みを従来よりも大きくすることで、レーザー光によって電極端子3の表面3aに与えられた熱を、硬ろう材10側の接合面3jに対して拡げることができる。よって、硬ろう材10と導体パターン52aとの接合面全体を均一に加熱して、硬ろう材10の未接合部を無くすことができる。したがって、電極端子3と導体パターン52aとの間で、通電に必要なろう付け面積を確保することができる。その結果、大電流の通電に必要なろう付け面積を確保し、かつ導体パターン52a及び絶縁基材51の破損を防止した、高温動作においても接合信頼性の高い電力用半導体装置101を得ることができる。
実施の形態2.
図2は、実施の形態2における電力用半導体装置102の概略構成を部分断面図及び平面図で示している。本実施の形態2における電力用半導体装置102も基本的に実施の形態1における電力用半導体装置101の構成と同じ構成を有するが、以下の点で相違する。よってここでは、主に相違点について説明を行い、同じ構成部分についてはその説明を省略する。尚、図2は、図2A〜図2Hを含み、電力用半導体装置102における電極端子3の接合箇所のみを図示し、その他の構成部分については図示を省略している。
図2は、実施の形態2における電力用半導体装置102の概略構成を部分断面図及び平面図で示している。本実施の形態2における電力用半導体装置102も基本的に実施の形態1における電力用半導体装置101の構成と同じ構成を有するが、以下の点で相違する。よってここでは、主に相違点について説明を行い、同じ構成部分についてはその説明を省略する。尚、図2は、図2A〜図2Hを含み、電力用半導体装置102における電極端子3の接合箇所のみを図示し、その他の構成部分については図示を省略している。
実施の形態1では、電極端子3の熱容量を導体パターン52aよりも大きくするために、電極端子3の厚さを導体パターン52aの厚さよりも大きく構成した。
これに対して本実施の形態2では、図2A及び図2Bに示すように、電極端子3は、導体パターン52aに硬ろう材10で接合した、第1断面積を有する接合部31と、第1断面積よりも大きい第2断面積を有する非接合部32とを有するように構成した点で実施の形態1と相違する。以下に詳しく説明する。
これに対して本実施の形態2では、図2A及び図2Bに示すように、電極端子3は、導体パターン52aに硬ろう材10で接合した、第1断面積を有する接合部31と、第1断面積よりも大きい第2断面積を有する非接合部32とを有するように構成した点で実施の形態1と相違する。以下に詳しく説明する。
実施の形態1で説明したように、レーザー光の加熱による電極端子3と導体パターン52aとの温度差を小さくするために、つまり電極端子3の熱容量を導体パターン52aの熱容量よりも大きくするために、電極端子3の幅よりも厚さを大きくすることで電極端子3の断面積を大きくする旨を述べた。
一方、電極端子3の厚さを厚くし過ぎた場合、レーザー光で加熱される電極端子3の表面3aと接合面3jとの間に温度差が生じてしまい、硬ろう材10が溶融する前に、電極端子3の表面3aが溶融する可能性が生じる。
そこで電極端子3において、接合面3jを有し導体パターン52aと接合する部分を、図2Aに示すように接合部31とし、この接合部31における断面積を第1断面積とする。さらに、接合面3jに近接して位置し、導体パターン52aと接合しない部分を非接合部32とし、非接合部32は、第1断面積よりも大きい第2断面積を有するように構成した。このようにして電極端子3の熱容量を従来よりも大きくすることができる。
一方、電極端子3の厚さを厚くし過ぎた場合、レーザー光で加熱される電極端子3の表面3aと接合面3jとの間に温度差が生じてしまい、硬ろう材10が溶融する前に、電極端子3の表面3aが溶融する可能性が生じる。
そこで電極端子3において、接合面3jを有し導体パターン52aと接合する部分を、図2Aに示すように接合部31とし、この接合部31における断面積を第1断面積とする。さらに、接合面3jに近接して位置し、導体パターン52aと接合しない部分を非接合部32とし、非接合部32は、第1断面積よりも大きい第2断面積を有するように構成した。このようにして電極端子3の熱容量を従来よりも大きくすることができる。
このように構成することで、電極端子3の幅を大きくすることなく、レーザー光で与えられた熱を、断面積を大きくした非接合部32へ効率的に逃がすことができる。よって、電力用半導体装置102を小型化しつつ、電極端子3の熱容量を導体パターン52aの熱容量よりも大きくすることができ、より好ましい。
また、非接合部32において、電極端子3の厚さではなく幅を広げても同様の効果を得ることができる。電極端子3の接合面3jの近傍であれば,電極端子3の幅を広げても電力用半導体装置102の小型化を妨げることはない。
また、非接合部32において、電極端子3の厚さではなく幅を広げても同様の効果を得ることができる。電極端子3の接合面3jの近傍であれば,電極端子3の幅を広げても電力用半導体装置102の小型化を妨げることはない。
また、図2C及び図2Dに示すように、電極端子3の接合面3jに対して硬ろう材10を、ろう付け炉等で予めろう付けしておいてもよい。
このように構成することで、電極端子3の熱容量を、先にろう付けした分だけ増やすことができる。加えてレーザー光の加熱により硬ろう材10が溶融する際の溶融潜熱で、レーザー光の加熱による電極端子3の温度上昇を抑制することができる。
さらに、電極端子3と導体パターン52aとの間の接触熱抵抗が生じる界面を一つ減らすことができ、電極端子3と導体パターン52aとの間の温度差を小さくすることができるため、より好ましい。
このように構成することで、電極端子3の熱容量を、先にろう付けした分だけ増やすことができる。加えてレーザー光の加熱により硬ろう材10が溶融する際の溶融潜熱で、レーザー光の加熱による電極端子3の温度上昇を抑制することができる。
さらに、電極端子3と導体パターン52aとの間の接触熱抵抗が生じる界面を一つ減らすことができ、電極端子3と導体パターン52aとの間の温度差を小さくすることができるため、より好ましい。
同様に、図2E及び図2Fに示すように、導体パターン52aに対して硬ろう材10を、予めろう付けしておくことによっても、電極端子3と導体パターン52aと間の接触熱抵抗が生じる界面を減らす効果を得ることができる。
さらにまた、図2G及び図2Hに示すように、電極端子3よりも融点の低い材料をめっき3mなどで、電極端子3の接合面3jの近傍に予め塗布しておいてもよい。
このように構成することで、塗布した材料の分、電極端子3の熱容量を大きくすることができ、また、レーザー光による加熱で電極端子3の温度が上昇したときに、塗布した材料が電極端子3よりも先に融点に達して溶融することから、溶融潜熱によって電極端子3の温度上昇を抑制することができる。
このように構成することで、塗布した材料の分、電極端子3の熱容量を大きくすることができ、また、レーザー光による加熱で電極端子3の温度が上昇したときに、塗布した材料が電極端子3よりも先に融点に達して溶融することから、溶融潜熱によって電極端子3の温度上昇を抑制することができる。
実施の形態3.
本実施の形態3では、実施の形態1における電力用半導体装置101の製造方法について、図3(図3A〜図3C)、図4(図4A〜図4C)及び図5(図5A、図5B)を参照して説明を行う。ここで、図3は実施の形態1における電力用半導体装置101の製造方法を示し、図4及び図5は、電力用半導体装置101の製造方法の説明を補足するための図である。
本実施の形態3では、実施の形態1における電力用半導体装置101の製造方法について、図3(図3A〜図3C)、図4(図4A〜図4C)及び図5(図5A、図5B)を参照して説明を行う。ここで、図3は実施の形態1における電力用半導体装置101の製造方法を示し、図4及び図5は、電力用半導体装置101の製造方法の説明を補足するための図である。
まず、図4及び図5を参照して電力用半導体装置100A、100Bの製造方法について説明する。
本明細書の冒頭部分で説明したように、電力用半導体装置が使用される温度環境が近年、過酷化するに伴い、要求される信頼性を満足するためには、はんだより融点の高い硬ろう材を用いて電極端子を接合する方法が考えられる。硬ろう材を用いた接合方法を説明するにあたり、まず図4を参照して、実施の形態1における電力用半導体装置101に類似する構成を有する電力用半導体装置100Aを用いて、絶縁基板5における導体パターン52aに対して、はんだを用いて電極端子3を接合する場合について説明する。次に図5を参照して、絶縁基板5における導体パターン52aに対して、硬ろう材10を用いて電極端子3を接合する場合について説明する。
本明細書の冒頭部分で説明したように、電力用半導体装置が使用される温度環境が近年、過酷化するに伴い、要求される信頼性を満足するためには、はんだより融点の高い硬ろう材を用いて電極端子を接合する方法が考えられる。硬ろう材を用いた接合方法を説明するにあたり、まず図4を参照して、実施の形態1における電力用半導体装置101に類似する構成を有する電力用半導体装置100Aを用いて、絶縁基板5における導体パターン52aに対して、はんだを用いて電極端子3を接合する場合について説明する。次に図5を参照して、絶縁基板5における導体パターン52aに対して、硬ろう材10を用いて電極端子3を接合する場合について説明する。
電力用半導体装置100Aでは、図4Aに示すように、電極端子3と導体パターン52aとを接合する材料として、はんだ8と同じ合金のはんだ9が使用されている。
図4Aに示すように、導体パターン52aに、はんだ9を載置もしくは供給してはんだ付けを開始する。このとき、図4Bに示すように、はんだ付け中の電力用半導体装置100Aの全体を、放熱部材6の底面からホットプレート40等で加熱しつつ、電極端子3の表面3aからホットツール41等で加熱し加圧している。そして図4Cに示すように、はんだ9が溶融することで電極端子3と導体パターン52aとが接合される。
図4Aに示すように、導体パターン52aに、はんだ9を載置もしくは供給してはんだ付けを開始する。このとき、図4Bに示すように、はんだ付け中の電力用半導体装置100Aの全体を、放熱部材6の底面からホットプレート40等で加熱しつつ、電極端子3の表面3aからホットツール41等で加熱し加圧している。そして図4Cに示すように、はんだ9が溶融することで電極端子3と導体パターン52aとが接合される。
はんだ9は、はんだ8と比較して融点の低いはんだを選択するのが一般的である。尚、はんだ8及びはんだ9の融点は、共に250℃以下程度である。そのため、ホットプレート40の加熱温度は、はんだ8の融点以下に設定されており、ホットプレート40の加熱によってはんだ8及びケース12が溶融することはない。また、放熱部材6の底面側から電力用半導体装置100Aの全体を、ホットプレートによって、はんだ9の融点付近まで加熱することで、ホットツール41で電極端子3の表面3aから局所的に加熱したときには、はんだ9は容易に融点に達して溶融する。このとき導体パターン52a側もホットプレート40による加熱によって、はんだ9の融点以上の温度に達するため、溶融したはんだ9は、導体パターン52a側に濡れ広がり、フィレットを形成する。
しかしながら、上述のような構成から、はんだ9の融点は低くならざるを得ず、電力用半導体装置が使用される温度環境が過酷化することへの対応が困難である。よって、はんだ9を用いた構成の電力用半導体装置100Aでは、製品に必要な信頼性を満足できなくなることが考えられる。
これに対して、電力用半導体装置100Bでは、図5Aに示すように、はんだ9に代えて硬ろう材10を用いる。この場合、図4を参照して説明した加熱方法にて硬ろう材10を溶融させるためには、(i)ホットプレート40の温度を硬ろう材10の融点付近(本実施の形態3では800℃)まで上昇させる、(ii)硬ろう材10の融点以上まで加熱可能なホットツール41を使用する、又は(iii)電極端子3の表面3aから局所的に硬ろう材10の融点以上に加熱可能な加熱手段を用いる、ことが必要となる。
しかしながら、(i)の方法では、電力用半導体装置100Bの全体を例えば800℃程度まで加熱することから、ケース12及びはんだ8が溶融する等の現象が生じ、電力用半導体装置として必要な機能を喪失する問題が生じる。また(ii)の方法では、ケース12の溶融は防げるものの、ホットツール41による加熱は、電極端子3の表面3aとホットツール41との点接触による熱伝達であるため、加熱に長時間を要する。その結果、はんだ8の全体まで加熱が進み、はんだ8が溶融して絶縁基板5の位置ズレが生じる可能性がある。
よって、絶縁基板5における導体パターン52aに対して電極端子3を硬ろう材10で接合するためには、ケース12及びはんだ8を溶融させないように、(iii)の方法、つまり電極端子3の表面3aに対して数秒程度の短時間で、硬ろう材10の融点以上の温度まで局所的に加熱できる加熱方法を用いる必要がある。このような加熱方法としては、摩擦撹拌あるいは超音波による方法等もあるが、レーザー光による加熱方法を採ることができる。
このレーザー光による加熱は、半導体装置の絶縁基板に加圧あるいは振動等の機械的ダメージを与えず、電力用半導体装置に必要な絶縁性及び導電性を損なうことがなく、かつ小さいスペースで対応でき、また空気中で使用できるため、好ましい。これによって、硬ろう材10を溶融させてろう付けし、本実施形態1で使用したりん銅ろう材のように、電極端子3より硬い材料を硬ろう材10に使用することで、電極端子3より信頼性の高い接合部を得ることができる。
しかしながら、レーザー光で加熱を行う電極端子3と接合される導体パターン52aは、絶縁基板5に形成されている。また一般的な電力用半導体装置では、絶縁基板5は半導体素子を効率的に冷却するため放熱構造になっており、加えて絶縁基板5の面積が電極端子3の接合面3jの面積と比較して大きい上、放熱部材6と接続されている。よって、絶縁基板5の熱容量が電極端子3に比して非常に大きく、レーザー光を用いて局所的に電極端子3の表面3aを加熱しても、短時間での接合では、電極端子3、硬ろう材10、及び導体パターン52aの間の接触熱抵抗によってこれらの間には温度差が生じる。したがって、加熱により硬ろう材10が溶融しても、導体パターン52aの温度が硬ろう材10の融点まで達しておらず、図5Bに示すように、硬ろう材10が電極端子3の接合面3j側にのみ濡れて、導体パターン52a側には濡れない状態となる。さらにホットプレート40を用いて、放熱部材6の底面側からの加熱を同時に行ったとしても、はんだ8及びケース12の融点以下(200℃以下程度)の加熱では、上述の温度差を補償することは難しい。尚、図5Bにおいて、符号の「42」はレーザー光を発生し照射するレーザー装置である。
さらに加熱によって導体パターン52aの表面の酸化が進行し、ろう付け性が低下する懸念も生じる。そして、このままレーザー光による加熱を続けた場合、導体パターン52aが硬ろう材10が濡れる温度に達する前に、電極端子3の温度が上昇し過ぎて、電極端子3がその融点に達し溶融する可能性がある。電極端子3の溶融により、レーザー光の吸収率が大幅に上昇し、さらに電極端子3の温度上昇が大きくなる。その結果、レーザー光の照射領域において、電極端子3の厚み方向における全体が溶融してしまい、レーザー光が導体パターン52aの表面を直接溶融させる一般的なレーザー光溶接と同様の状態になる可能性がある。
一般的なレーザー光溶接のように、レーザー光が導体パターン52aを直接溶融させた場合には、レーザー光が導体パターン52aを貫通して絶縁基板5の絶縁基材51まで達し、絶縁基材51を損傷させる可能性がある。また、レーザー光が導体パターン52aを貫通するに至らない場合でも、導体パターン52aの溶融した部分、あるいはレーザー光で加熱された絶縁基板5における領域が短時間で局所的に熱膨張する。よって、絶縁基材51に局所的な応力が発生するため、絶縁基材51が損傷する恐れがある。
一般的に電力用半導体装置では、動作時に半導体素子を流れる電流は、電極端子3から接合部を通じて導体パターン52aを流れている。導体パターン52aは、絶縁基材51と一体的に形成されているのが一般的であるため、絶縁基材51の損傷は、電力用半導体装置の絶縁性確保を困難にする。
一般的に電力用半導体装置では、動作時に半導体素子を流れる電流は、電極端子3から接合部を通じて導体パターン52aを流れている。導体パターン52aは、絶縁基材51と一体的に形成されているのが一般的であるため、絶縁基材51の損傷は、電力用半導体装置の絶縁性確保を困難にする。
加えて、一般的なレーザー光溶接で得られる接合部は、レーザー光の照射領域とその周囲に限られるため、接合面積は、硬ろう材10を溶融して得られる接合部と比較して小さくなる。電力用半導体装置100Bの電極端子3と導体パターン52aとの接合部は、電力用半導体装置100Bの半導体素子に通電するための通電経路となっており、特に大電流を扱う電力用半導体装置においては、効率的に大電流を流すために電極端子3を大面積で接合する必要がある。そのため、電極端子3と導体パターン52aとの接合面積が小さい場合には、通電に必要な接合面積が確保されず、安定した電力供給が妨げられる。さらに、電気抵抗が局所的に大きくなり電極端子3の放熱経路も小さくなるため、電極端子3の温度が上昇し、接合部の信頼性低下を招く。
そのため、レーザー光を用いて局所的に電極端子3を加熱してろう付けする場合には、実施の形態1において既に説明したように、電極端子3の断面積は大きい方が好ましく、そのために、電極端子3の幅よりも厚さを厚くする方が好ましい。
上述の、特に図5を参照した説明を基に、図3を参照して、導体パターン52aに比べて熱容量を大きくした電極端子3を有する電力用半導体装置101、102の、実施の形態3における製造方法について、具体的にはレーザー光による、ろう付けのプロセスについて、以下に説明する。尚、電力用半導体装置101を例に採る。また、図3に示す符号の「43」は、レーザー装置42の動作制御を行う制御装置である。
ここで制御装置43は、実際にはコンピュータを用いて実現され、レーザー装置42の動作制御機能に対応するソフトウェアと、これを実行するためのCPU(中央演算処理装置)及びメモリ等のハードウェアから構成されている。
まず、図3Aに示すように、電極端子3の接合面3jが硬ろう材10と接触するように、導体パターン52aに対して硬ろう材10を挟んで電極端子3を載置する。そして、電極端子3の表面3a及び導体パターン52aにレーザー光を照射してこれらを加熱する。
このとき、レーザー光によって接合面3jの全体を均等に加熱可能なように、レーザー光は、デフォーカス等によって電極端子3の接合面3jと対向する表面3aの全体に照射されるようにするのが好ましい。この動作は、制御装置43によってレーザー装置42を制御して実行される。
また、電極端子3、導体パターン52a、及び硬ろう材10の各表面は、酸化膜によって覆われており、この時点では硬ろう材10の温度は、その融点まで上昇しておらず、電極端子3と導体パターン52aとが硬ろう材10によって接合されることはない。
このとき、レーザー光によって接合面3jの全体を均等に加熱可能なように、レーザー光は、デフォーカス等によって電極端子3の接合面3jと対向する表面3aの全体に照射されるようにするのが好ましい。この動作は、制御装置43によってレーザー装置42を制御して実行される。
また、電極端子3、導体パターン52a、及び硬ろう材10の各表面は、酸化膜によって覆われており、この時点では硬ろう材10の温度は、その融点まで上昇しておらず、電極端子3と導体パターン52aとが硬ろう材10によって接合されることはない。
次に、図3Bに示すように、少なくとも電極端子3の表面3aを含む範囲に、さらにレーザー光を照射して電極端子3を加熱していく。電極端子3の加熱により硬ろう材10が間接的に加熱され、硬ろう材10が融点に達して溶融する。このとき、導体パターン52aの表面の温度は、硬ろう材10が濡れ広がる温度に近づいているが、まだ硬ろう材10が濡れ広がり可能な温度には達していない。よってこの時点では、溶融した硬ろう材10は、電極端子3の接合面3jにのみ濡れ広がる。また、硬ろう材10の溶融時には溶融潜熱が存在するため、この間、レーザー光の加熱による電極端子3の温度上昇は鈍化する。
電力用半導体装置101では、電極端子3及び導体パターン52aにはCuを用い、硬ろう材10にはりん銅ろうを用いている。よって硬ろう材10が溶融したときには、りん銅ろうに含まれているリンの還元作用によって、電極端子3の接合面3jは還元され、フラックスなしでも硬ろう材10は電極端子3に濡れ広がる。一方、フラックスを必要とするろう材を用いる場合には、図3Aに示す工程の時点で、接合したい部分にフラックスを塗布しておく必要がある。またCuの融点は、硬ろう材10の融点よりも300℃以上程度高く、硬ろう材10との融点差を大きく取ることができる。そのため、電極端子3にCuを用いた場合、本実施形態におけるメリットがより効果的なものとなる。
さらにレーザー光による加熱を続行することで、最終的には図3Cに示すように、電極端子3が溶融する前に、硬ろう材10が濡れ広がる温度まで、導体パターン52aの表面の温度は上昇し、硬ろう材10を導体パターン52a側に濡れ広がらせることができる。
導体パターン52aの温度は、レーザー光で加熱されている範囲の直下部分が最も上昇する。よって硬ろう材10は、上記直下部分から導体パターン52a側へ濡れ、加熱を続けるにつれて、濡れ面積は、導体パターン52aにおいて接合面3jと対向する面の外側へ広がっていく。最終的には、接合面3jと対向する面の全体に硬ろう材10が濡れ広がった後、さらにその外側まで濡れ広がりフィレットが形成される。
本実施の形態3では、電極端子3と同様に、硬ろう材10が濡れ広がるときに、りん銅ろうに含まれているリンの還元作用によって導体パターン52aは還元されるため、フラックスなしでも硬ろう材10は導体パターン52aに濡れ広がる。このとき、レーザー光によって接合面3jの全体が均等に加熱可能なように、レーザー光をデフォーカス等によって電極端子3の表面3aの全体に照射する。これにより、導体パターン52aにおいて接合面3jと対向する面の温度が均等に上昇する。よって、硬ろう材10が導体パターン52a側に濡れるときに、硬ろう材10は、導体パターン52aにおける接合面3jの対向面の全体に、ほぼ同時に濡れ広がる。したがって、導体パターン52a側に硬ろう材10を濡れ広がらせるに要する時間を短縮でき、また局所的に電極端子3が加熱されることもないため、電極端子3と導体パターン52aとの温度差を小さくすることができる。
電極端子3の表面3aに対する加熱方法として、レーザー光以外の電磁波を用いることもできる。他の電磁波を用いた場合でも、電極端子3と導体パターン52aとの温度差を小さくする効果を得ることはできる。
特に電子ビームは、加熱する部分を細かく振分けることができるため、電極端子3の接合面3jと、導体パターン52aにおける接合面3jの対向面とを同程度の温度に加熱するための温度管理が容易になり、また、電極端子3及び導体パターン52aの表面状態によらず安定して加熱可能なことから、レーザー光と同様に好ましい。
特に電子ビームは、加熱する部分を細かく振分けることができるため、電極端子3の接合面3jと、導体パターン52aにおける接合面3jの対向面とを同程度の温度に加熱するための温度管理が容易になり、また、電極端子3及び導体パターン52aの表面状態によらず安定して加熱可能なことから、レーザー光と同様に好ましい。
また、断面積を増すために電極端子3の厚さを大きくしていることから、たとえ、電極端子3の表面3aの全面に対してレーザー光を照射していない場合でも、電極端子3の厚さ方向へ熱は広がる。よって、電極端子3の厚さが比較的薄い場合と比べて、導体パターン52aの温度差を小さくする効果を得ることができる。
実施の形態4.
図6は、実施の形態4における電力用半導体装置104の概略構成を部分断面図及び平面図で示している。本実施の形態4における電力用半導体装置104も基本的に実施の形態1における電力用半導体装置101の構成と同じ構成を有するが、以下の点で相違する。よってここでは、主に相違点について説明を行い、同じ構成部分についてはその説明を省略する。尚、図6は、図6A〜図6Bを含み、電力用半導体装置104における電極端子3の接合箇所のみを図示し、その他の構成部分については図示を省略している。
図6は、実施の形態4における電力用半導体装置104の概略構成を部分断面図及び平面図で示している。本実施の形態4における電力用半導体装置104も基本的に実施の形態1における電力用半導体装置101の構成と同じ構成を有するが、以下の点で相違する。よってここでは、主に相違点について説明を行い、同じ構成部分についてはその説明を省略する。尚、図6は、図6A〜図6Bを含み、電力用半導体装置104における電極端子3の接合箇所のみを図示し、その他の構成部分については図示を省略している。
実施の形態1では、レーザー光の加熱による電極端子3と導体パターン52aの温度差を小さくするために、電極端子3の厚さを導体パターン52aの厚さよりも大きく構成して、電極端子3の単位面積当たりの熱容量を導体パターン52aよりも大きくした。
これに対して本実施の形態4では、電極端子3は、レーザー光で直接加熱され、図6A及び図6Bに示すように、導体パターン52aに硬ろう材10で接合される接合面3jを含む面内の一部に貫通孔33を有するように構成した点で実施の形態1と相違する。以下に詳しく説明する。尚、貫通孔33は、電極端子3の厚み方向において電極端子3を欠損させた欠損部の一例に相当する。
これに対して本実施の形態4では、電極端子3は、レーザー光で直接加熱され、図6A及び図6Bに示すように、導体パターン52aに硬ろう材10で接合される接合面3jを含む面内の一部に貫通孔33を有するように構成した点で実施の形態1と相違する。以下に詳しく説明する。尚、貫通孔33は、電極端子3の厚み方向において電極端子3を欠損させた欠損部の一例に相当する。
実施の形態1で説明したように、レーザー光による電極端子3の加熱の際、ろう付け前に電極端子3が溶融するのを防止するために、電極端子3と導体パターン52aとの温度差を小さくすることが必要である。そのため実施の形態1では、電極端子3の幅よりも厚さを大きくすることで、電極端子3の断面積を大きくした。
一方、実施の形態2で説明したように、電極端子3の厚さを厚くし過ぎた場合、レーザー光で加熱される電極端子3の表面3aと接合面3jとの間に温度差が生じてしまい、硬ろう材10が溶融する前に、電極端子3の表面3aが溶融する可能性が生じてしまう。
一方、実施の形態2で説明したように、電極端子3の厚さを厚くし過ぎた場合、レーザー光で加熱される電極端子3の表面3aと接合面3jとの間に温度差が生じてしまい、硬ろう材10が溶融する前に、電極端子3の表面3aが溶融する可能性が生じてしまう。
そこで、図7に示すように、電極端子3において、レーザー光で直接加熱される部分の一部に貫通孔33を有するように構成した。貫通孔33を設けることで、レーザー光により電極端子3と共に導体パターン52aを直接加熱することが可能になるため、電極端子3と導体パターン52aとの温度差を小さくすることができる。
よって、レーザー光により与えられた熱で、電極端子3及び導体パターン52aを均等に加熱することができる。よって、電力用半導体装置104を小型化しつつ、電極端子3と導体パターン52aとの温度差を、上述の実施の形態の場合に比べてさらに小さくすることができる。これは、実施の形態1で説明した通り、電力用半導体装置の信頼性を考えたとき、最低限必要な接合面積を小さくできるため電力用半導体装置104を小型化できる効果を維持した状態で、電極端子3と導体パターン52aとの温度差を小さくできる効果をも得ることができる、という意味である。
また、実施形態3で説明したように、レーザー光がデフォーカスされていても、レーザー光の焦点付近ほど温度が上昇し易い。よって、レーザー光の焦点となる部分と、貫通孔33とを一致又は近接させることで、導体パターン52aを効率的に加熱でき、より好ましい。
これについて以下に詳しく説明する。
図8Aに示すように、デフォーカスされているレーザー光であってもレーザー光の光軸付近が最もエネルギ密度が高く、加熱され易い。また、貫通孔33を有しない電極端子3の場合には、導体パターン52aの表面に直接レーザー光は照射されない。よって、導体パターン52aの温度上昇は、レーザー光で加熱されている電極端子3の表面3aの熱が、接触熱抵抗が存在する、電極端子3−硬ろう材10間、硬ろう材10−導体パターン52a間の2ヶ所を伝導してくるのを待たなければならない。よって、導体パターン52aの温度上昇は、電極端子3と比較すると小さい。
図8Aに示すように、デフォーカスされているレーザー光であってもレーザー光の光軸付近が最もエネルギ密度が高く、加熱され易い。また、貫通孔33を有しない電極端子3の場合には、導体パターン52aの表面に直接レーザー光は照射されない。よって、導体パターン52aの温度上昇は、レーザー光で加熱されている電極端子3の表面3aの熱が、接触熱抵抗が存在する、電極端子3−硬ろう材10間、硬ろう材10−導体パターン52a間の2ヶ所を伝導してくるのを待たなければならない。よって、導体パターン52aの温度上昇は、電極端子3と比較すると小さい。
一方、電極端子3に貫通孔33を設けた場合には、図8Bに示すように、貫通孔33を通ったレーザー光により、導体パターン52aの表面を直接加熱することができ、電極端子3の表面3a及び導体パターン52aの表面が共に直接加熱される。よって、導体パターン52aの表面温度は上昇し易い。また、貫通孔33を電極端子3の中央部(接合面3jの中央部)に設けた場合には、レーザー光のエネルギ密度が最も高い部分にて、導体パターン52aの表面を直接加熱可能となり、さらに導体パターン52aの表面温度上昇が可能となる。加えて、電極端子3の表面3aは、レーザー光の焦点位置から外れるため、貫通孔33を有しない電極端子3と比較して、電極端子3の温度上昇は遅くなる。よって導体パターン52aと電極端子3との温度差を小さくすることが可能になる。
これによって、(i)電極端子3と導体パターン52aとの温度差を小さくすることができる、(ii)接合面3jの中央から加熱された熱が接合面3j全体に広がるため、導体パターン52a表面の接合面3j内での温度差を抑制できる、という効果が得られる。
また、図9に示すように、レーザー光の照射を、例えば、接合面3jの中央から周囲へ渦巻き状に行うことで、接合面3jの中央から電極端子3の外側へ向かって温度の偏りなく加熱可能となるため、好ましい。
また、実施の形態3で説明したように、導体パターン52aに対して電極端子3を硬ろう材10で接合するためには、ケース12及びはんだ8を溶融させないように、電極端子3の表面3aに対して、数秒程度の短時間で、硬ろう材10の融点以上の温度まで局所的に加熱する必要がある。
このため、硬ろう材10を用いた接合では、図4に示すような、はんだ9を用いた製造方法とは異なり、接合過程において、電極端子3をスクラブすることによる、接合面3j下のボイド低減対策を実施することができない。そのため、接合後に、図10に示すように、接合面3j下にボイド34が残存する懸念がある。
このため、硬ろう材10を用いた接合では、図4に示すような、はんだ9を用いた製造方法とは異なり、接合過程において、電極端子3をスクラブすることによる、接合面3j下のボイド低減対策を実施することができない。そのため、接合後に、図10に示すように、接合面3j下にボイド34が残存する懸念がある。
硬ろう材10を用いているため、たとえボイド34が残存した場合でも電力用半導体装置104の信頼性は低下しないが、ボイド34の存在部分には硬ろう材10が無いため、接合面積が小さくなる。そのため電極端子3と導体パターン52aとの通電経路及び放熱経路が小さくなることから、ボイド34は無い方が好ましい。
そこで、電極端子3の接合面3jを含む面内に、気体が通過可能である程度の大きさの貫通孔33を設けることで、硬ろう材10の溶融時に電極端子3の接合面3jの中央付近で硬ろう材10内に残っている気体は、貫通孔33を通じて外部へ排出可能となる。よって、接合面3j下のボイド34の存在を低減することができる。
さらにまた、貫通孔33を有しない電極端子3の場合と同様にして硬ろう材10を供給した場合、貫通孔33を有する電極端子3では、図6Aに示すように、貫通孔33内に進入する硬ろう材10の量が少なくなる。よって、貫通孔33を設けた分、電極端子3の断面積が小さくなり、電極端子3の電気抵抗は大きくなる。さらに、貫通孔33部分には電極端子3の熱が広がらないことから、電極端子3の放熱経路にはならないという状態が生じる。
このような、貫通孔33部分が未接合部となり通電経路及び放熱経路が小さくなってしまうという接合状態を防ぐために、硬ろう材10を余分に供給しておく場合もある。この場合、貫通孔33を有することで、余分な硬ろう材10は、貫通孔33内に進入することできる。その結果、電極端子3に貫通孔33を設けたことで生じる、局所的に電気抵抗が大きくなる、及び放熱経路が小さくなるという接合状態は無くすことができる。
このような、貫通孔33部分が未接合部となり通電経路及び放熱経路が小さくなってしまうという接合状態を防ぐために、硬ろう材10を余分に供給しておく場合もある。この場合、貫通孔33を有することで、余分な硬ろう材10は、貫通孔33内に進入することできる。その結果、電極端子3に貫通孔33を設けたことで生じる、局所的に電気抵抗が大きくなる、及び放熱経路が小さくなるという接合状態は無くすことができる。
また、一般的に硬ろう材10は、薄くなるほど接合信頼性が有利になる。貫通孔33を設けることで、溶融した硬ろう材10は、貫通孔33内部に濡れ広がり、電極端子3下の硬ろう材10の厚さは、貫通孔33内部に濡れ広がった硬ろう材10の厚さよりも薄くなる。よって、接合信頼性が向上するという効果を得ることもできる。
また硬ろう材10は、貫通孔33内には供給していなくてもよい。一方、貫通孔33内に予め硬ろう材10を供給した場合、次のように作用する。つまり、レーザー光の加熱により、先に硬ろう材10が溶融する。溶融した硬ろう材10は、導体パターン52aが硬ろう材10の融点に達するまでは、導体パターン52aには濡れ広がらず、硬ろう材10の表面張力によって貫通孔33の周囲に集まる。よって、レーザー光による導体パターン52aの加熱を妨げない。加えて、導体パターン52aの表面温度が硬ろう材10の融点に達すると、硬ろう材10は、濡れ広がって貫通孔33内に入り込み、通電経路及び放熱経路が小さくなるのを防ぐことができる。さらに加熱中は硬ろう材10は溶融しており、ボイドとなる気体が貫通孔33から抜けることも妨げないため、より好ましい。
また、貫通孔33は、図11Aに示すように、電極端子3内に複数設けてもよい。複数設けることで、貫通孔33を接合面3j内に均等に配置でき、より効率的に接合部31内のボイド34を低減することができ、より好ましい。このとき、レーザー光の焦点位置が偏ると温度に偏りが生じるため、接合面3j内の温度均一化の点から、レーザー光の焦点位置は、接合面3jの中央にあるのが好ましい。そのため、電極端子3に複数の貫通孔33を設ける場合には、焦点位置を中心とした同心円状に均等に貫通孔33を設けるのが好ましい。
さらにまた、図11Bに示すように貫通孔33は、孔ではなく溝状に形成してもよい。尚、この溝は、電極端子3の厚み方向において電極端子3を欠損させた欠損部の一例に相当する。また溝は、電極端子3の先端3c(図13)から電極端子3の曲げ部の方へ延在する。よって電極端子3の先端3cは、上記溝によって分割されている。
この場合、溝の延在方向に沿う両壁間の距離(溝幅)が、硬ろう材10が形成するフィレットの距離の2倍以下であれば、溶融した硬ろう材10が溝内に濡れ広がることができる。よって、通電経路及び放熱経路が小さくなることなく、電極端子3と導体パターン52aとの温度差を小さくする効果、及び、接合面31内のボイド34を低減する効果を、共に得ることができる。
この場合、溝の延在方向に沿う両壁間の距離(溝幅)が、硬ろう材10が形成するフィレットの距離の2倍以下であれば、溶融した硬ろう材10が溝内に濡れ広がることができる。よって、通電経路及び放熱経路が小さくなることなく、電極端子3と導体パターン52aとの温度差を小さくする効果、及び、接合面31内のボイド34を低減する効果を、共に得ることができる。
また溝幅を狭くすることで、硬ろう材10の供給に偏りが生じて溝の先端まで硬ろう材10が供給されていない場合でも、毛細管現象により硬ろう材10が溝の先端部まで濡れ広がる。よって、硬ろう材10の供給位置、あるいは供給量のバラつきに左右されず、均一に硬ろう材10を接合面内に濡れ広がらせることができる。
さらにまた、図12Aに示すように、電極端子3の貫通孔33の側壁がハの字形状であれば、ハの字の根元33a側(硬ろう材10に接触している側)の温度がハの字の先端33b側(電極端子3の表面3a側)と比較して低くなると考えられる。よって、硬ろう材10の這い上がり(溶融した硬ろう材10が電極端子3の壁面を伝って電極端子3の接合面3jと対向する表面側まで濡れ広がる状態)を抑制する効果が得られるため好ましい。これは、電極端子3側の温度が導体パターン52a側より早く上昇した場合には、硬ろう材10が濡れ広がる方向は、電極端子3の方へしかなくたるため、這い上がり易いためである。これは、図12Bに示す逆階段形状(電極端子3の硬ろう材10と接触する面側がザグリ形状)でも同様の効果を得ることができる。
また、ハの字形状、逆階段形状のどちらでも、硬ろう材10内のボイドをより抜き易くなる効果を得ることができる。尚、貫通孔33の壁面が斜面で段差がない分、ハの字形状の方がボイド抜きの効果は大きい。
また、ハの字形状、逆階段形状のどちらでも、硬ろう材10内のボイドをより抜き易くなる効果を得ることができる。尚、貫通孔33の壁面が斜面で段差がない分、ハの字形状の方がボイド抜きの効果は大きい。
従来のはんだ付けを用いた方法では、電極端子3が変形する程の加圧が無くともはんだ付けは可能である。一方、本実施の形態のように硬ろう材10を用いる場合、電極端子3−硬ろう材10間、硬ろう材10−導体パターン52a間の2ヶ所の接触熱抵抗を低減するため、導体パターン52aに対して電極端子3を加圧する必要がある。このとき、図13に示す電極端子3の先端3cと根元3dとを治具によって加圧した状態でレーザー光を電極端子3へ照射した場合、電極端子3の熱膨張により、図13に示すような電極端子3の変形が生じ、ろう付け後もその変形が残った状態となる。
このような変形は、電極端子3の先端3cが薄いほど変形量が大きいため、電極端子3を厚くすることで変形量を抑制することができる。また、電極端子3に貫通孔33を設けて、レーザー光の焦点位置を貫通孔33の位置に設定することで、上述した通り、電極端子3の加熱温度を抑えることができ、加熱による電極端子3の変形も同様に抑制することができる。
このような変形は、電極端子3の先端3cが薄いほど変形量が大きいため、電極端子3を厚くすることで変形量を抑制することができる。また、電極端子3に貫通孔33を設けて、レーザー光の焦点位置を貫通孔33の位置に設定することで、上述した通り、電極端子3の加熱温度を抑えることができ、加熱による電極端子3の変形も同様に抑制することができる。
上述した各実施の形態を組み合わせた構成を採ることも可能であり、また、異なる実施の形態に示される構成部分同士を組み合わせることも可能である。
1 半導体素子、3 電極端子、3j 接合面、5 絶縁基板、6 放熱部材、
8、9 はんだ、10 硬ろう材、12 ケース、31 接合部、32 非接合部、
33 貫通孔、34 ボイド、42 レーザー装置、43 制御装置、
51 絶縁基材、52a、52b 導体パターン、
101、102、104 電力用半導体装置。
8、9 はんだ、10 硬ろう材、12 ケース、31 接合部、32 非接合部、
33 貫通孔、34 ボイド、42 レーザー装置、43 制御装置、
51 絶縁基材、52a、52b 導体パターン、
101、102、104 電力用半導体装置。
Claims (13)
- 絶縁基材の両面に導体パターンを有する絶縁基板と、
上記絶縁基板における一方の導体パターンに実装された半導体素子と、
上記一方の導体パターンに対して接合材を介して接合した電極端子と、を備えた半導体装置において、
上記接合材は硬ろう材であって、
上記電極端子は、上記一方の導体パターンにおける単位面積当たりの熱容量よりも大きい単位面積当たりの熱容量を有する、
半導体装置。 - 絶縁基材の両面に導体パターンを有する絶縁基板と、
上記絶縁基板における一方の導体パターンに実装された半導体素子と、
上記一方の導体パターンに対して接合材を介して接合した電極端子と、を備えた半導体装置において、
上記接合材は硬ろう材であって、
上記電極端子は、上記一方の導体パターンの厚みを超える厚さを有する、
半導体装置。 - 絶縁基材の両面に導体パターンを有する絶縁基板と、
上記絶縁基板における一方の導体パターンに実装された半導体素子と、
上記一方の導体パターンに対して接合材を介して接合した電極端子と、を備えた半導体装置において、
上記接合材は硬ろう材であって、
上記電極端子は、上記一方の導体パターンに上記硬ろう材で接合した、第1断面積を有する接合部と、上記第1断面積よりも大きい第2断面積を有する非接合部とを有する、
半導体装置。 - 上記電極端子の材料は、上記導体パターンの材料と同じである、請求項1から3のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 上記電極端子の材料は銅である、請求項1から4のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 上記導体パターンに対して上記硬ろう材を介して接合された上記電極端子は、厚み方向に欠損した欠損部を有する、請求項1から3のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 上記欠損部は貫通孔である、請求項6に記載の半導体装置。
- 上記欠損部は、上記電極端子の先端から上記電極端子の曲げ部の方へ延在する溝である、請求項6に記載の半導体装置。
- 上記欠損部には上記硬ろう材が充填されている、請求項6から8のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 絶縁基材の両面に導体パターンを有する絶縁基板と、上記絶縁基板における一方の導体パターンに実装された半導体素子と、電極端子と、を備える半導体装置の製造方法であって、
上記一方の導体パターンに対して硬ろう材を設け、
上記一方の導体パターンに対して上記硬ろう材を挟んで上記電極端子を配置し、
上記硬ろう材に対応する上記電極端子の表面に電磁波を照射して上記電極端子を加熱する、
半導体装置の製造方法。 - 上記電磁波は、レーザー光である、請求項6に記載の製造方法。
- 上記電磁波は、電子ビームである、請求項6に記載の製造方法。
- 上記硬ろう材に対応する上記電極端子の一部は欠損しており、この欠損部を含む上記電極端子の表面に上記電磁波を照射して上記電極端子を加熱する、請求項10から12のいずれか1項に記載の製造方法。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
PCT/JP2017/019414 WO2017208941A1 (ja) | 2016-06-01 | 2017-05-24 | 半導体装置及びその製造方法 |
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JP2021174894A (ja) * | 2020-04-27 | 2021-11-01 | 三菱電機株式会社 | 半導体装置の製造方法、および、電力変換装置の製造方法 |
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-
2016
- 2016-11-24 JP JP2016227966A patent/JP2019133965A/ja active Pending
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