JP2020120006A - 半導体装置、電力変換装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性の高い半導体装置および電力変換装置を提供する。【解決手段】本開示に従った半導体装置は、第１部材５と、金属製の第２部材３ｂと、はんだ９とを備える。はんだ９は、第１部材５と第２部材３ｂとを接続する。第１部材５ははんだ９と接触する金属膜６を含む。第２部材３ｂに対するはんだ９の接触角は、金属膜６に対するはんだ９の接触角以下である。このようにすれば、はんだ９におけるはんだ接合時のガスの巻き込みに起因するボイドの発生を抑制できる。【選択図】図２

Description

この発明は、半導体装置、電力変換装置および半導体装置の製造方法に関する。

従来、半導体素子を配線基板上の金属パターンなどにはんだにより接合した半導体装置が知られている。このような半導体装置においては、はんだによる接合部について、高放熱性および高信頼性を得るため、はんだ中のボイドなどの欠陥を低減することが求められている。たとえば、特開２０１６−１１１１１１号公報では、はんだによる接合部に勾配を設けることによりはんだ中のボイドを低減した半導体装置が開示されている。

特開２０１６−１１１１１１号公報

特開２０１６−１１１１１１号公報に開示された半導体装置では、接合部のはんだにおいて局所的に薄くなる部分が発生するため、半導体装置の信頼性が低下する。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は信頼性の高い半導体装置および電力変換装置を提供することである。

本開示に従った半導体装置は、第１部材と、金属製の第２部材と、はんだとを備える。はんだは、第１部材と第２部材とを接続する。第１部材ははんだと接触する金属膜を含む。第２部材に対するはんだの接触角は、金属膜に対するはんだの接触角以下である。

本開示に従った半導体装置の製造方法は、金属膜を含む第１部材と、金属製の第２部材とを準備する工程と、第１部材の金属膜と第２部材とをはんだにより接合する工程とを備える。接合する工程は、第２部材上に、事前に成型されフラックスを含まないはんだを配置するとともに、はんだに金属膜が面するように第１部材を配置する工程と、はんだを加熱する工程とを含む。第２部材に対するはんだの接触角は、金属膜に対するはんだの接触角以下である。

本開示に係る電力変換装置は、主変換回路と制御回路とを備える。主変換回路は、上記半導体装置を有し、入力される電力を変換して出力する。制御回路は、主変換回路を制御する制御信号を主変換回路に出力する。

上記によれば、第２部材に対するはんだの接触角が、金属膜に対するはんだの接触角以下となっているため、はんだにより第１部材と第２部材とが接続された接続部におけるボイドの発生を抑制できる。このため、信頼性の高い半導体装置および電力変換装置が得られる。

本発明の実施の形態１に係る半導体装置の平面模式図である。 図１の線分ＩＩ−ＩＩにおける断面模式図である。 図２の領域ＩＩＩを示す拡大断面模式図である。 図１に示した半導体装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。 はんだ付け工程におけるボイドの発生状況を説明するための模式図である。 半導体装置の製造方法の変形例を説明するための模式図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体装置の拡大断面模式図である。 本発明の実施の形態３に係る電力変換システムの構成を示すブロック図である。 はんだの接触角とボイドの面積率との関係を示すグラフである。

以下、添付の図面を用いて、本発明の実施の一形態を説明する。なお、以下の図面において相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。

実施の形態１．
＜半導体装置の構成＞
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置の平面模式図である。図２は、図１の線分ＩＩ−ＩＩにおける断面模式図である。図３は、図２の領域ＩＩＩを示す拡大断面模式図である。

図１〜図３に示すように、本実施の形態の半導体装置は、たとえば電力用の半導体装置であって、放熱板１と、配線基板３と、半導体素子５ａ、５ｂを含む第１部材５と、ケース７とを主に備えている。放熱板１の主面上にはんだ９を介して配線基板３が固定されている。放熱板１の主面における外周部に接着剤８を介してケース７が固定されている。ケース７は配線基板３の周囲を囲むように配置されている。ケース７および放熱板１の平面視における外周形状は四角形状である。ケース７には内部電極１１ａおよび外部電極１１ｂが固定されている。平面視における放熱板１の外周形状とケース７の外周形状とは実質的に同じである。

配線基板３上に第１部材５がはんだ９を介して固定されている。第１部材５の半導体素子５ａ、５ｂはワイヤ１３を介して互いに接続されている。また、半導体素子５ａ、５ｂはワイヤ１３を介してケース７の内部電極１１ａと接続されている。ケース７の内周側には、配線基板３および第１部材５を封止するための樹脂などからなる封止材１５が配置されている。封止材１５の上面を覆うように、蓋１７が配置されている。蓋１７はケース７の上端部と接続されている。

放熱板１を構成する材料としては、放熱性やはんだ付け性に優れた銅などの金属が用いられる。放熱板１の厚さはたとえば１ｍｍ以上６ｍｍ以下である。配線基板３は、絶縁層３ａと、金属パターンである第２部材３ｂと、金属パターン３ｃとから構成される。配線基板３の下面側に位置する金属パターン３ｃがはんだ９により放熱板１に接合されている。

絶縁層３ａは、たとえば窒化アルミニウムなどの絶縁抵抗の大きい材料により形成されている。第２部材３ｂは、絶縁層３ａの上側の主表面に形成されている。第２部材３ｂは絶縁層３ａの上側の主表面に複数形成されている。複数の第２部材３ｂは互いに感覚を隔てて配置されている。金属パターン３ｃは、絶縁層３ａの下側の主表面上に形成されている。第２部材３ｂおよび金属パターン３ｃはたとえば銅などの金属材料に代表される導電性部材により形成されている。第２部材３ｂおよび金属パターン３ｃの厚さはたとえば０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である。配線基板３では、金属パターンである第２部材３ｂにより電気回路が形成されている。当該配線基板３では、複数の第２部材３ｂ間および第２部材３ｂと金属パターン３ｃとの間が絶縁層３ａにより電気的に絶縁されている。配線基板３と放熱板１とを接続しているはんだ９の厚さは、接合信頼性を確保するため、たとえば０．１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下である。

第１部材５は、半導体素子５ａ、５ｂと金属膜６とから構成される。半導体素子５ａ、５ｂの裏面側には、はんだ付け性を確保するための金属膜６が形成されている。金属膜６が配線基板３上の金属パターンである第２部材３ｂの一方の主表面上にはんだ９により接合されている。半導体素子５ａとしては、たとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を用いることができる。半導体素子５ｂとしては、たとえばＦＷＤｉ（Free Wheeling Diode）を用いることができる。半導体素子５ａは、電力用の素子としての絶縁ゲートバイポーラトランジスタである。半導体素子５ｂは、ＩＧＢＴである半導体素子５ａのスイッチング時における損傷を抑制するためのいわゆる還流ダイオードである。

一般的に、半導体素子５ａ、５ｂの裏面には、素子の特性やはんだ付け性の確保のため、複数の金属膜が積層するように形成されるが、本実施の形態において金属膜６とは最表面に位置する金属膜を示すこととする。なお、一般的に金属膜の最表面には酸化防止のため金（Ａｕ）や銀（Ａｇ）などの貴金属膜が形成されるが、本実施の形態における金属膜６としては貴金属膜ではない金属、たとえばニッケル（Ｎｉ）が用いられる。金属膜６の厚さはたとえば０．５μｍ以上３μｍ以下である。

配線パターンである第２部材３ｂの主表面上における半導体素子５ａの平面サイズはたとえば縦１０ｍｍ×横１０ｍｍであり、半導体素子５ａの厚みはたとえば０．１２ｍｍである。半導体素子５ａの表側の主表面上の外周領域には、ガードリングとしての絶縁材料が周回するように形成されている。当該絶縁材料により、半導体素子５ａにおける表側の主表面と裏側の主表面との間について絶縁性が確保されている。半導体素子５ｂの平面サイズはたとえば縦１０ｍｍ×横７ｍｍであり、半導体素子５ｂの厚みはたとえば０．１２ｍｍである。半導体素子５ｂも半導体素子５ａと同様に、表側の主表面上の外周領域には、ガードリングとしての絶縁材料が周回するように形成されている。はんだ９は、錫（Ｓｎ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）を含むはんだ材料により形成される。また、はんだ９を構成する材料がアンチモン（Ｓｂ）を含んでいてもよい。はんだ９の厚さはたとえば０．０３ｍｍ以上０．１ｍｍ以下である。また、第２部材３ｂに対するはんだ９の接触角は、第１部材５の金属膜６に対するはんだ９の接触角以下となるように、第２部材３ｂ、金属膜６およびはんだ９の材質および構造は選択されている。

ケース７は、放熱板１の主表面の外周近傍に接着剤８を用いて接着されている。ケース７は、半導体装置全体の筐体として配置されている。ケース７はたとえばポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）などの樹脂材料により形成されている。ケース７は配線基板３および半導体素子５ａ、５ｂを含む第１部材５を保護する。ケース７は、半導体装置内の配線基板３および半導体素子５ａ、５ｂなどからなる電気回路と、半導体装置外の電気回路とを接続する電極を含む。

ケース７は、上述した樹脂材料からなるベース部分と、当該ベース部分に固定された電極とを含む。電極は、内部電極１１ａと、外部電極１１ｂとを含む。内部電極１１ａは、ワイヤ１３により、第２部材３ｂまたは半導体素子５ａと電気的に接続されている。またワイヤ１３は、互いに間隔をあけて並ぶ半導体素子５ａと半導体素子５ｂとを電気的に接続するとともに、第２部材３ｂと半導体素子５ｂとを電気的に接続する。半導体素子５ａ、５ｂ、第２部材３ｂおよび内部電極１１ａに対するワイヤ１３の接続は、たとえば超音波接合によりなされる。ワイヤ１３はたとえばアルミニウムなどの金属により形成された線状の部材である。ワイヤ１３の断面はたとえば直径が０．４０ｍｍの円形状である。

半導体装置では、ケース７と放熱板１とにより容器状の筐体が形成される。当該容器状の筐体の内側部分には、封止材１５が充填されている。封止材１５は、放熱板１の表面から見てワイヤ１３の最上部より高い位置まで到達するように充填されている。封止材１５はケース７内の電気回路の保護を目的としている。封止材１５を構成する材料としては、例えば、絶縁性の高いシリコーンゲルや、エポキシ樹脂などを用いることができる。また、蓋１７はケース７内を上方から塞ぐように取り付けられている。

＜半導体装置の製造方法＞
図１〜図３に示した半導体装置は、たとえば以下のような工程により製造することができる。すなわち、まず放熱板１、ケース７、配線基板３、半導体素子５ａ、５ｂを含む第１部材５などの半導体装置の部品を準備する。その後、当該準備された部品を組み立てる。部品を組み立てる工程においては、基本的に従来周知の工程を採用できる。以下では、本実施の形態の特徴に関わるはんだ付け工程について説明する。図４は、図１に示した半導体装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。

まず、図４に示すように準備工程（Ｓ１０）を実施する。この工程（Ｓ１０）では、半導体装置を構成する部品を準備する。さらに、第１部材５を配線基板３の金属パターンである第２部材３ｂに固定するはんだ付けを行うため、第２部材３ｂ上にはんだを配置すると共に、はんだ上に第１部材５を配置する。このとき、金属膜６がはんだに面するように第１部材５を配置する。また、はんだの平面形状は、金属膜６の平面形状と同等である。はんだの平面形状は金属膜６の平面形状より大きくてもよい。

なお、はんだ付けには、接合対象となる部材表面の酸化物を還元するためのフラックスが通常では用いられるが、近年では、当該フラックスの揮発成分がボイドの原因となる。そのため、フラックスを使用しないはんだ付けプロセスが普及しつつある。ここでは、フラックスを用いないはんだ付けプロセスについて説明する。まず、第２部材３ｂ上にフラックスを含まないはんだ９を供給する。はんだ９としては、たとえば事前に成形された板状のはんだ９を用いる。はんだ９の供給にはマウンタなどの従来周知の装置を用いることができる。次に、第１部材５をはんだ９上に供給する。同じくマウンタで供給する。

次に、前処理工程（Ｓ２０）を実施する。この工程（Ｓ２０）では、はんだが溶融しない温度にまで配線基板３、はんだ９および第１部材５をホットプレートなどを用いて加熱する。このとき、還元性のガスを雰囲気ガスとして供給することで、配線基板３の第２部材３ｂ表面および第１部材５の金属膜６表面の酸化物が還元される。雰囲気ガスとしては水素などのはんだ付け温度で還元性を示すガスが用いられる。

次に、はんだ付け工程（Ｓ３０）を実施する。この工程（Ｓ３０）では、はんだ９が溶融する温度まではんだ９を加熱する。この結果、第１部材５の金属膜６と第２部材３ｂとがはんだ９により接続される。そして、本実施の形態では、第２部材３ｂに対するはんだ９の接触角は、第１部材５の金属膜６に対するはんだ９の接触角以下となっているので、はんだ９が溶融しぬれ広がる際に雰囲気ガスを巻き込み形成されるはんだ９中のボイド量が低減される。これにより、はんだ９中のボイド２１を抑制することが出来る。

次に、後処理工程（Ｓ４０）を実施する。当該工程（Ｓ４０）では、上記工程（Ｓ３０）で第１部材５を接続した配線基板３および他の部品の組み立てることで、図１〜図３に示した半導体装置を得ることができる。

なお、ここでは、配線基板３のはんだ付けについて説明したが、上述した工程（Ｓ３０）において、放熱板１上にはんだ９を介して配線基板３を配置しておくことで、放熱板１と配線基板３と半導体素子を含む第１部材５とを同時にはんだ付けしてもよい。また、第１部材５の位置決めのために、開口部が形成された枠状の位置決め用治具を使用してもよい。

＜作用効果＞
本実施の形態の半導体装置では、第１部材５において半導体素子５ａ、５ｂに形成された金属膜６に貴金属が使用されておらず、金属パターンである第２部材３ｂに対するはんだ９のぬれ性が、第１部材５に形成された金属膜６に対するはんだ９のぬれ性に比べ優れる。すなわち、はんだ９のぬれ性の評価指標として用いられるはんだ９の接触角について、金属膜６を構成する材料（Ｎｉ）に対するはんだの接触角より、第２部材３ｂを構成する材料（Ｃｕ）に対するはんだ９の接触角が小さい。ここで、接触角が小さいことは、ぬれ性が良好であることを意味する。はんだ９の接触角の測定方法としては、たとえばＪＩＳ Ｃ ００５３で規定されるメニスコグラフ法が用いられる。

なお、金属膜６および第２部材３ｂは、はんだ付け後にははんだ９の主成分であるＳｎとの合金層を含む形で残存する。また、金属膜６が薄い金（Ａｕ）膜の場合には、金属膜６の最表面層ははんだ９中に溶け込むことにより、はんだ付け後に消失する。この場合には、はんだ９中に含まれる金（Ａｕ）の濃度が例えば１００ｐｐｍを上回るかどうか分析することで、金属膜６の材質を推測することが可能である。

ここで、本開示に従った半導体装置の特徴的な構成を要約すれば、本開示に従った半導体装置は、第１部材５と、金属製の第２部材３ｂと、はんだ９とを備える。はんだ９は、第１部材５と第２部材３ｂとを接続する。第１部材５ははんだ９と接触する金属膜６を含む。第２部材３ｂに対するはんだ９の接触角は、金属膜６に対するはんだ９の接触角以下である。

このようにすれば、第１部材５と第２部材３ｂとをはんだ９により接合するときに、第２部材３ｂの表面にぬれ広がる溶融はんだのぬれ性が相対的に良好であるため、当該溶融はんだへの雰囲気ガスの巻き込みを抑制できる。この結果、はんだ９における当該雰囲気ガスの巻き込みに起因するボイド２１の発生を抑制でき、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。

また、後述するようにはんだ９による接合時にボイド２１（図５参照）の発生を抑制するため、半導体装置の雰囲気について減圧処理をするといった工程が不要である。このため、半導体装置の製造に要する時間を短縮できる。

上記半導体装置において、第１部材５は半導体素子５ａ、５ｂを含む。第２部材３ｂは配線基板３の主表面上に形成された金属パターンである。第２部材３ｂは、はんだ９の接触角が金属膜６に対するはんだ９の接触角以下となる材質からなる金属膜が表面に形成されていてもよい。

この場合、半導体装置における発熱源である半導体素子５ａ、５ｂ直下に位置するはんだ９においてボイド２１（図５参照）の発生を抑制できる。この結果、半導体装置の信頼性をより向上させることができる。

上記半導体装置では、半導体素子５ａ、５ｂにおいて金属膜６が形成される面の面積は４０ｍｍ^２以上である。この場合、半導体素子５ａ、５ｂの上記面積が相対的に大きいため、はんだ接合時に溶融はんだ中からガスが排出されにくく、ボイド２１（図５参照）が発生しやすい。したがって、本実施の形態の構成を採用することが特に有効である。

上記半導体装置において、金属膜６は貴金属以外の金属により構成される。この場合、金属膜６を構成する材料として貴金属を用いる場合より半導体装置の製造コストを低減できる。

上記半導体装置において、はんだ９はアンチモン（Ｓｂ）を含んでいてもよい。この場合、はんだ９がアンチモンを含むことで高強度化する。一方、アンチモンを含むはんだ９はぬれ性が悪化することから、本実施の形態の構成を採用することが特に有効である。

上記半導体装置において、図３に示すように第２部材３ｂにおけるはんだ９との接触面積は、第１部材５の金属膜６におけるはんだ９との接触面積より大きくてもよい。

上記半導体装置において、第２部材３ｂに対するはんだ９の接触角と、金属膜６に対するはんだ９の接触角との差は０°以上１５°以下であってもよい。この場合、はんだ９における雰囲気ガスの巻き込みに起因するボイド２１（図５参照）の発生を十分低いレベルに抑制でき、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。

本開示に従った半導体装置の製造方法は、金属膜６を含む第１部材５と、金属製の第２部材３ｂとを準備する工程（Ｓ１０）と、第１部材５の金属膜６と第２部材３ｂとをはんだ９により接合する工程（Ｓ１０〜Ｓ３０）とを備える。接合する工程は、第２部材３ｂ上に、事前に成型されフラックスを含まないはんだ９を配置するとともに、はんだ９に金属膜６が面するように第１部材５を配置する工程（Ｓ１０）と、はんだ９を加熱する工程（Ｓ２０、Ｓ３０）とを含む。第２部材３ｂに対するはんだ９の接触角は、金属膜６に対するはんだ９の接触角以下である。なお、はんだ９は当該はんだ９の高強度化のためアンチモン（Ｓｂ）を含んでいてもよい。

ここで、フラックスを含まないはんだ９を用いたはんだ接合では、溶融はんだ９ａ（図５参照）がぬれ広がる際に巻き込まれる雰囲気ガスがボイド２１の主原因となる。しかし、本開示に係る半導体装置の製造方法では、第２部材３ｂの表面にぬれ広がる溶融はんだのぬれ性が相対的に良好であるため、当該溶融はんだへの雰囲気ガスの巻き込みを抑制できる。そのため、はんだ９におけるボイド２１の発生を抑制した、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。以下、図５を用いてより詳しく説明する。

図５は、はんだ付け工程におけるボイドの発生状況を説明するための模式図である。図５では、第１部材５と第２部材３ｂとをはんだ９によりはんだ付けする工程を示している。なお、図５では、フラックスを用いないはんだ付け工程を示している。まず、図５（Ａ）に示すように配線基板３（図２参照）の第２部材３ｂ上にフラックスを含まない板状のはんだを供給する。次に、第１部材５をはんだ上に供給する。

次に、前処理工程（Ｓ２０）として、配線基板３がたとえばホットプレートにより加熱される。このとき還元性のガスが配線基板３、はんだおよび第１部材５の雰囲気ガスとして供給される。この結果、はんだが溶融しない温度で還元性のガスにより、配線基板３の第２部材３ｂ表面および第１部材５の金属膜６の表面に存在していた酸化物が還元される。この際、板状のはんだと金属膜６および第２部材３ｂの間には図５（Ａ）に示すように微小な隙間が存在して居る。当該隙間に還元性のガスが導入されることにより、第２部材３ｂおよび金属膜６の表面が還元される。

次に、はんだ付け工程（Ｓ３０）として、はんだが溶融する温度まで温度を上昇させはんだを溶融させる。はんだが溶融すると、図５（Ａ）の矢印で示すように溶融はんだ９ａが接合界面へぬれ広がっていく。このとき、金属膜６の表面における溶融はんだ９ａの濡れ広がり方が、第２部材３ｂの表面における溶融はんだ９ａのぬれ広がり方より速やかである場合、図５（Ｂ）および図５（Ｃ）に示すように、溶融はんだ９ａがぬれ広がっていく過程で雰囲気ガスを取り込む。この結果、図５（Ｃ）に示すように溶融はんだ９ａ中にボイド２１が形成される。

はんだが溶融した状態で雰囲気を減圧した場合、このボイド２１は膨張し、溶融はんだ９ａの外へ排出される。一方、はんだが凝固した後もはんだ９中にボイド２１が残存することで、はんだ接合部にボイド２１が形成された状態となる。発明者は、フラックスを用いないはんだ付け工程において、溶融はんだ９ａがぬれ広がる際に雰囲気ガスを巻き込み形成されるボイド２１が、はんだ接合部の欠陥（ボイド２１）の主原因であることを見出した 。

本実施の形態の半導体装置によれば、第２部材３ｂの表面にぬれ広がる溶融はんだ９ａのぬれ性が相対的に良好であるため、溶融はんだ９ａがぬれ広がる際に雰囲気ガスを巻き込み形成されるはんだ中のボイド２１の量を低減できる。これにより、はんだ接合部中のボイド２１の発生を抑制できる。あるいは、許容されるボイド２１の量に応じて、ボイド低減のために必要となるはんだ付け工程での雰囲気に関する減圧の到達圧力を高くすることができる。あるいは、雰囲気の減圧自体を無くすことができる。この場合、半導体装置の製造工程の処理時間を短縮することが可能である。また、上述のように金属膜６に貴金属を用いないことで、安価な半導体装置を提供することが出来る。

上記半導体装置の製造方法において、第１部材５は半導体素子５ａ、５ｂを含み、第２部材３ｂは配線基板３の主表面上に形成された金属パターンである。

この場合、半導体装置における発熱源である半導体素子５ａ、５ｂ直下に位置するはんだ９においてボイド２１の発生を抑制できる。この結果、より信頼性の高い半導体装置を得ることができる。

上記半導体装置の製造方法において、配置する工程（Ｓ１０）では図５（Ａ）に示すように第２部材３ｂ上にはんだ９が積層され、はんだ９上に第１部材５が積層されていてもよい。

＜半導体装置の製造方法の変形例＞
図６は、半導体装置の製造方法の変形例を説明するための模式図である。図６を参照して、半導体装置の製造方法の変形例を説明する。以下説明する半導体装置の製造方法の変形例は、基本的に図４に示した半導体装置の製造方法と同様の工程を備えるが、準備工程（Ｓ１０）において第２部材３ｂ上に配置されるはんだ９の形状が異なる。具体的には、図６に示すようにはんだ９の厚さを厚くする一方、第１部材５の金属膜６の平面形状にくらべてはんだ９の平面形状を小さくする。はんだ９の厚さはたとえば数百μｍとしてもよい。

例えば、半導体素子５ａ、５ｂまたは金属膜６の専有面積の半分の面積を有するはんだ９を用いた場合を考える。この場合、はんだ９により覆われる金属膜６および第２部材３ｂの表面積（被表面積）が図４を用いて説明した場合の約半分になる。このため、はんだ９と金属膜６および第２部材３ｂとの界面へ還元性のガスが到達しやすくなる。この結果、金属膜６および第２部材３ｂの表面において酸化物の還元が効率的に行われる。その結果、金属膜６および第２部材３ｂの酸化に起因したボイド２１の形成を抑制できる。本実施の形態では、金属膜６および第２部材３ｂの材料として貴金属を用いない構成のため、酸化物の還元の促進によるボイド低減はより効果的である。

また、例えば直径１ｍｍのワイヤ状のはんだを所定の長さにカットしはんだ９として供給してもよい。その場合には、板状のはんだ９に比べて金属膜６および第２部材３ｂの被表面積がより小さくなるため、酸化物の還元が効率的に行われる。

上述した半導体装置の製造方法の特徴的な構成を要約すれば、上記半導体装置の製造方法では、配置する工程（Ｓ１０）において、第１部材５側から見てはんだ９の専有面積が金属膜６の面積の５０％以下であってもよい。ここで、はんだ９を加熱する工程（Ｓ２０、Ｓ３０）では、はんだ９を溶融させるよう加熱する前に、金属膜６および第２部材３ｂの表面に形成されている酸化膜を還元する処理を実施する場合がある。この場合、はんだ９の必要な体積を確保した上で、当該はんだ９の専有面積を上記のように相対的に小さくしておけば、はんだ９を金属膜６の面積と同じ面積となるように配置する場合よりはんだ９の表面積を小さくできる。このため、はんだ９により覆われる金属膜６および第２部材３ｂの表面積を小さくできるので、当該金属膜６および第２部材３ｂの表面における酸化膜を還元する処理を効率的に実施できる。この結果、酸化膜が残存することにより溶融はんだ９ａでの雰囲気ガスの巻き込みが誘発されるといった問題の発生を抑制できる。

実施の形態２．
＜半導体装置の構成＞
図７は、本発明の実施の形態２に係る半導体装置の拡大断面模式図である。なお、図７は図３と同様に、図１の領域ＩＩＩの範囲を示している。図７に示した半導体装置は、基本的には図１〜図３に示した半導体装置と同様の構成を備えるが、図７に示すように金属パターンである第２部材３ｂの表面が粗化処理された面となっている点が図１〜図３に示した半導体装置と異なっている。具体的には、図７に示した半導体装置では、第２部材３ｂの表面上に粗化処理がされた金属膜４が形成されている。金属膜４の材料としては、たとえばニッケル（Ｎｉ）を用いることができる。粗化処理された金属膜４は、たとえば粗化めっきや、エッチング処理などの手法を用いて形成できる。なお、粗化めっきとは、めっき膜の表面が大きな凹凸を有するように粗化されためっき膜を形成するめっき法を意味する。また、エッチング処理により金属膜４を形成する場合、まず金属膜４となるべき膜を形成した後、当該膜の表面をエッチングにより粗化する、といった手法を用いることができる。

本実施の形態では、粗化処理をすることで第２部材３ｂに対するはんだ９のぬれ性を向上させている。このようにして、金属膜６に対するはんだ９の接触角より第２部材３ｂに対するはんだ９の接触角を小さくしている。

なお、第２部材３ｂ上に粗化処理がされた金属膜４が形成した構造について説明したが、例えば表面が粗化処理されたＣｕ製の第２部材３ｂを配線基板３に形成しても良い。その場合には、第２部材３ｂに対するはんだの接触角が金属膜６の接触角より小さくなるよう、適切な金属膜６の材質を選択すれば良い。たとえば金属膜６としてＡｕめっき膜を用いてもよい。この場合も、ボイド２１の少ないはんだ接合部を得ることが出来る。

また、第２部材３ｂの表面が粗化処理をされることで、封止材１５（図２参照）と第２部材３ｂとの間の密着性が向上する。このため、第２部材３ｂからの封止材１５の剥離を防ぎ、より信頼性の高い半導体装置を得ることができる。

＜半導体装置の製造方法＞
図７に示した半導体装置の製造方法は、基本的に図４に示した半導体装置の製造方法と同様の工程を備えるが、準備工程（Ｓ１０）において準備される配線基板３の第２部材３ｂの表面状態が図４に示した半導体装置の製造方法と異なる。工程（Ｓ１０）において準備される配線基板３の第２部材３ｂの表面上には、上述のように表面が粗化処理された金属膜４が形成されている。金属膜４の形成方法は、上述した粗化めっきやエッチング処理を用いることができる。その他の工程については図４に示した半導体装置の製造方法と同様の工程を実施することで、図７に示した半導体装置を得ることができる。

＜作用効果＞
上記半導体装置では、図７に示すように第２部材３ｂにおいてはんだ９と接触する表面は粗化処理された面である。この場合も、実施の形態１と同様の効果を得ることが出来る。すなわち、第２部材３ｂにおける上記面でのはんだ９のぬれ性が向上する。このため、はんだ接合時に溶融はんだ８ａにおける雰囲気ガスの巻き込みを抑制できる。この結果、はんだ９における当該雰囲気ガスの巻き込みに起因するボイド２１の発生を抑制でき、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。

実施の形態３．
本実施の形態は、上述した実施の形態１または実施の形態２にかかる半導体装置を電力変換装置に適用したものである。本発明は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、実施の形態３として、三相のインバータに本発明を適用した場合について説明する。

図８は、本実施の形態にかかる電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。

図８に示す電力変換システムは、電源１００、電力変換装置２００、負荷３００から構成される。電源１００は、直流電源であり、電力変換装置２００に直流電力を供給する。電源１００は種々のもので構成することが可能であり、例えば、直流系統、太陽電池、蓄電池で構成することができるし、交流系統に接続された整流回路やＡＣ／ＤＣコンバータで構成することとしてもよい。また、電源１００を、直流系統から出力される直流電力を所定の電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータによって構成することとしてもよい。

電力変換装置２００は、電源１００と負荷３００の間に接続された三相のインバータであり、電源１００から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に交流電力を供給する。電力変換装置２００は、図８に示すように、直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路２０１と、主変換回路２０１を制御する制御信号を主変換回路２０１に出力する制御回路２０３とを備えている。

負荷３００は、電力変換装置２００から供給された交流電力によって駆動される三相の電動機である。なお、負荷３００は特定の用途に限られるものではなく、各種電気機器に搭載された電動機であり、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車、鉄道車両、エレベーター、もしくは、空調機器向けの電動機として用いられる。

以下、電力変換装置２００の詳細を説明する。主変換回路２０１は、スイッチング素子と還流ダイオードを備えており（図示せず）、スイッチング素子がスイッチングすることによって、電源１００から供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に供給する。主変換回路２０１の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態にかかる主変換回路２０１は２レベルの三相フルブリッジ回路であり、６つのスイッチング素子とそれぞれのスイッチング素子に逆並列された６つの還流ダイオードから構成することができる。主変換回路２０１の各スイッチング素子と各還流ダイオードの少なくともいずれかに、上述した実施の形態１または実施の形態２にかかる半導体装置を適用する。６つのスイッチング素子は２つのスイッチング素子ごとに直列接続され上下アームを構成し、各上下アームはフルブリッジ回路の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を構成する。そして、各上下アームの出力端子、すなわち主変換回路２０１の３つの出力端子は、負荷３００に接続される。

また、主変換回路２０１は、各スイッチング素子を駆動する駆動回路（図示なし）を備えているが、駆動回路は半導体モジュール２０２に内蔵されていてもよいし、半導体モジュール２０２とは別に駆動回路を備える構成であってもよい。駆動回路は、主変換回路２０１のスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成し、主変換回路２０１のスイッチング素子の制御電極に供給する。具体的には、後述する制御回路２０３からの制御信号に従い、スイッチング素子をオン状態にする駆動信号とスイッチング素子をオフ状態にする駆動信号とを各スイッチング素子の制御電極に出力する。スイッチング素子をオン状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以上の電圧信号（オン信号）であり、スイッチング素子をオフ状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以下の電圧信号（オフ信号）となる。

制御回路２０３は、負荷３００に所望の電力が供給されるよう主変換回路２０１のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷３００に供給すべき電力に基づいて主変換回路２０１の各スイッチング素子がオン状態となるべき時間（オン時間）を算出する。例えば、出力すべき電圧に応じてスイッチング素子のオン時間を変調するＰＷＭ制御によって主変換回路２０１を制御することができる。そして、各時点においてオン状態となるべきスイッチング素子にはオン信号を、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号が出力されるよう、主変換回路２０１が備える駆動回路に制御指令（制御信号）を出力する。駆動回路は、この制御信号に従い、各スイッチング素子の制御電極にオン信号又はオフ信号を駆動信号として出力する。

本実施の形態に係る電力変換装置では、主変換回路２０１のスイッチング素子と還流ダイオードとして実施の形態１または実施の形態２にかかる半導体装置を適用するため、信頼性の高い電力変換装置を実現することができる。

本実施の形態では、２レベルの三相インバータに本発明を適用する例を説明したが、本発明は、これに限られるものではなく、種々の電力変換装置に適用することができる。本実施の形態では、２レベルの電力変換装置としたが３レベルやマルチレベルの電力変換装置であっても構わないし、単相負荷に電力を供給する場合には単相のインバータに本発明を適用しても構わない。また、直流負荷等に電力を供給する場合にはＤＣ／ＤＣコンバータやＡＣ／ＤＣコンバータに本発明を適用することも可能である。

また、本発明を適用した電力変換装置は、上述した負荷が電動機の場合に限定されるものではなく、例えば、放電加工機やレーザー加工機、又は誘導加熱調理器や非接触器給電システムの電源装置として用いることもでき、さらには太陽光発電システムや蓄電システム等のパワーコンディショナーとして用いることも可能である。

（実施例）
本実施の形態の効果を確認するため、以下のような実験を行った。すなわち、図３に示すように、配線基板３の表面に金属パターンとしての第２部材３ｂを配置し、当該第２部材３ｂ上にはんだを介して第１部材５を接続した試料を作成し、各試料についてはんだ９でのボイド（気泡）の面積率を測定した。

＜試料＞
第２部材３ｂの表面の材質をＡｕ、Ｃｕ、Ｎｉと３種類変えるとともに、第１部材の金属膜６の材質もＡｕ、Ｃｕ、Ｎｉと３種類変えた試料（合計９種類の試料）を準備した。はんだについてはＳｎ、Ａｇ、Ｃｕを含むはんだを用いた。

なお、各試料の形状は同様とした。具体的には、第２部材３ｂの平面形状は６０ｍｍ×４０ｍｍの長方形の形状とし、厚さを０．５ｍｍとした。また、第１部材５の平面形状は１２ｍｍ×１０ｍｍの四角形状とした。第１部材５の金属膜６の平面形状は１２ｍｍ×１０ｍｍの四角形状とした。はんだ付け工程のために第１部材５と第２部材３ｂとの間に配置される板状のはんだの平面形状は第１部材５の平面形状と同様とし、その厚みは０．１ｍｍとした。各試料のはんだ付け工程としては、加熱温度を２６０℃としたはんだ付けを行った。

＜測定＞
各試料について、はんだでのボイド（気泡）の面積率をＸ線検査装置を用いて測定した。

＜結果＞
図９は、はんだの接触角とボイドの面積率との関係を示すグラフである。図９では、上側に測定結果を示すグラフを記載し、下側にグラフ中の凡例を説明するための表を記載している。図９の上側のグラフにおいて、横軸は各試料でのはんだの金属膜への接触角（θ_Ａ）からはんだの第２部材への接触角（θ_Ｂ）を引いた値（接触角の差）（単位：°）を示している。図９の上側のグラフにおいて、縦軸は各試料のはんだの面積に対するボイド（気泡）の面積率（％）を示している。グラフでは、図９の下側に示す各試料をそれぞれ異なる凡例で示している。

図９の下側に示す表からもわかるように、金属膜６の材質が金（Ａｕ）の試料については凡例の外形が三角形であり、金属膜６の材質が銅（Ｃｕ）の試料については凡例の外形が菱形であり、金属膜６の材質がニッケル（Ｎｉ）の試料については凡例の外形が四角形である。また、第２部材の材質に関して、金の場合凡例の内側が黒色であり、銅の場合凡例の内側に斜線が記載され、ニッケルの場合凡例の内側が白色である。

図９からわかるように、金属膜６の材質がぬれ性に優れ接触角が小さいＡｕやＣｕの場合、第２部材３ｂの材質がＡｕの場合ボイドの形成量が最も少なく、第２部材３ｂの材質がＮｉの場合ボイドの形成量が最も多い。つまり、第２部材３ｂの材質がＮｉ、Ｃｕ、Ａｕと変わっていくにつれて、ボイドの形成量が減少している。これは、第２部材３ｂのぬれ性が良く、はんだ９の接触角が小さいほどボイドが少なくなる結果である。

これに対し、金属膜６の材質として、ぬれ性が悪く接触角の大きいＮｉを用いた場合、第２部材３ｂがＣｕの場合に最もボイドの形成量が少なく、第２部材３ｂがＡｕの場合に最もボイドの形成量が多くなっている。

図９からわかるように、グラフの横軸に示される接触角の差が０°以上１５°以下となる範囲で良好な結果が得られている。このため、金属膜６と第２部材３ｂのぬれ性を同等、もしくは金属膜６に比べ第２部材３ｂのぬれ性をやや良くすることが、ボイドの形成量を低減するために望ましいことが分かった。

なお、金属膜６に比べ第２部材３ｂのぬれ性が悪い場合には、図５で示したように上面の金属膜６側へはんだが先にぬれる。このため、はんだ中に蓋がされボイドとなる空間をはんだが取り込むような形となり、ボイド２１の形成量が増えることになる。また、金属膜６に比べ第２部材３ｂのぬれ性が非常に良い場合にも、金属膜６と第２部材３ｂとのぬれ性のアンバランスにより、はんだがぬれ広がる際に取り込まれる空間が増え、ボイド２１の形成量が増えてしまうと考えられる。

なお、前述の通り、溶融はんだ９ａ中に形成されたボイド２１は、減圧されることではんだの外へ排出される。上述した実施の形態では、半導体素子５ａのチップサイズが１０ｍｍ×１０ｍｍの場合について説明したが、チップサイズが大きいほどボイド２１を溶融はんだ９ａの外へ排出するために必要な距離が長くなる。このため、半導体素子５ａ、５ｂの面積が例えば４０ｍｍ^２以上の場合に本発明は特に有効である。

以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、今回開示した実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 放熱板、３ 配線基板、３ａ 絶縁層、３ｂ 第２部材、３ｃ 金属パターン、４，６ 金属膜、５ 第１部材、５ａ，５ｂ 半導体素子、７ ケース、８ 接着剤、９ はんだ、１１ａ 内部電極、１１ｂ 外部電極、１３ ワイヤ、１５ 封止材、１７ 蓋、２１ ボイド、１００ 電源、２００ 電力変換装置、２０１ 主変換回路、２０２ 半導体モジュール、２０３ 制御回路、３００ 負荷。

Claims (11)

1. 第１部材と、
   金属製の第２部材と、
   前記第１部材と前記第２部材とを接続するはんだとを備え、
   前記第１部材は前記はんだと接触する金属膜を含み、
   前記第２部材に対する前記はんだの接触角は、前記金属膜に対する前記はんだの接触角以下である、半導体装置。
2. 前記第１部材は半導体素子を含み、
   前記第２部材は配線基板の主表面上に形成された金属パターンである、請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記半導体素子において前記金属膜が形成される面の面積は４０ｍｍ^２以上である、請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記金属膜は貴金属以外の金属により構成される、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 前記はんだはアンチモンを含む、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置。
6. 前記第２部材において前記はんだと接触する表面は粗化処理された面である、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の半導体装置。
7. 前記第２部材に対する前記はんだの接触角と、前記金属膜に対する前記はんだの接触角との差は０°以上１５°以下である、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の半導体装置。
8. 金属膜を含む第１部材と、金属製の第２部材とを準備する工程と、
   前記第１部材の前記金属膜と前記第２部材とをはんだにより接合する工程とを備え、
   前記接合する工程は、
   前記第２部材上に、事前に成型されフラックスを含まないはんだを配置するとともに、前記はんだに前記金属膜が面するように前記第１部材を配置する工程と、
   前記はんだを加熱する工程とを含み、
   前記第２部材に対する前記はんだの接触角は、前記金属膜に対する前記はんだの接触角以下である、半導体装置の製造方法。
9. 前記第１部材は半導体素子を含み、
   前記第２部材は配線基板の主表面上に形成された金属パターンである、請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
10. 前記配置する工程において、前記第１部材側から見て前記はんだの専有面積が前記金属膜の面積の５０％以下である、請求項８または請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
11. 請求項１に記載の半導体装置を有し、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
    前記主変換回路を制御する制御信号を前記主変換回路に出力する制御回路と、
    を備えた電力変換装置。
    

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