JP2021174894A - 半導体装置の製造方法、および、電力変換装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】はんだ引け巣が、半導体素子の位置の絶縁基板の直下に生じることを抑制する。【解決手段】半導体装置の製造方法は、絶縁基板の上面に第１の接合材を介して半導体素子を接合し、絶縁基板の下面に第２の接合材を介して放熱板を接合し、放熱板の下面に接触するように熱伝導治具を配置し、第１の接合材および第２の接合材を加熱し、熱伝導治具が放熱板の下面に接触している状態で熱伝導治具を冷却し、熱伝導治具は、平面視において半導体素子とは重ならない位置に配置され、熱伝導治具の他の箇所よりも熱伝導率が低い低熱伝導部を備える。【選択図】図４

Description

本願明細書に開示される技術は、半導体装置の製造方法、および、電力変換装置の製造方法に関するものである。

半導体装置は、絶縁基板と、絶縁基板の上面に形成された複数の上面金属パターンと、絶縁基板の下面に形成された下面金属パターンと、上面金属パターンの上面に接合材で接合された半導体素子とを備えるものがある。

上記のうちの下面金属パターンは、冷却フィン付きのベース板の上面と接合材で接合される。また、冷却フィン付きのベース板の上面には、半導体素子を収容するケースが接着剤を介して接合される。

また、半導体素子の上面には、接合材を介して電極端子が接続される。また、上面金属パターンの上面にも、接合材を介して電極端子が接続される。

また、電極端子は、ケースの上面に設けられた外部電極端子に接続または一体化されている。

特開２０１０−０８７０７２号公報

上記のような構成の半導体装置において、半導体素子と絶縁基板との間、絶縁基板と冷却フィン付きのベース板との間をそれぞれ接合するための接合材には、高信頼性を確保するため、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｓｂ系、Ｓｎ−Ｉｎ系またはＳｎ−Ｂｉ系などを主成分とする非共晶系のはんだが用いられる。ただし、当該接合材のはんだ付けプロセスの条件によっては、はんだ引け巣が生じやすいという問題がある。

近年、高温で動作可能な半導体素子の開発が精力的に行われ、半導体素子の小型化、高耐圧化または高電流密度化などが進められている。特に、ＳｉＣまたはＧａＮなどのワイドバンドギャップ半導体は、Ｓｉ半導体よりもバンドギャップが大きく、半導体装置の高耐圧化、小型化、高電流密度化または高温動作などに寄与するものとして期待されている。ここで、ワイドバンドギャップ半導体とは、一般に、およそ２ｅＶ以上の禁制帯幅をもつ半導体を指し、窒化ガリウム（ＧａＮ）などの３族窒化物、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの２族酸化物、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）などの２族カルコゲナイド、ダイヤモンドおよび炭化珪素（ＳｉＣ）などが知られる。

上記のはんだ引け巣が、半導体素子が配置される位置に対応する絶縁基板の直下に生じると、対応する箇所の熱抵抗が増加する。そうすると、半導体素子の動作時に半導体素子の温度が上昇してしまい、上記のワイドバンドギャップ半導体を含む半導体素子の特性を低下させてしまう場合がある。

本願明細書に開示される技術は、以上に記載されたような問題を鑑みてなされたものであり、はんだ引け巣が、半導体素子が配置される位置に対応する絶縁基板の直下に生じることを抑制するための技術である。

本願明細書に開示される技術の第１の態様は、半導体装置の製造方法に関連し、絶縁基板の上面に、第１の接合材を介して少なくとも１つの半導体素子を接合し、前記絶縁基板の下面に、第２の接合材を介して放熱板を接合し、前記放熱板の下面の少なくとも一部に接触するように、熱伝導治具を配置し、前記第１の接合材および前記第２の接合材を加熱し、さらに、前記熱伝導治具が前記放熱板の下面に接触している状態で前記熱伝導治具を冷却し、前記熱伝導治具は、平面視において前記半導体素子とは重ならない位置に配置され、かつ、前記熱伝導治具の他の箇所よりも熱伝導率が低い低熱伝導部を備える。

本願明細書に開示される技術の第２の態様は、電力変換装置の製造方法に関連し、上記の製造方法で製造される半導体装置を有し、かつ、入力される電力を変換して出力する変換回路を設け、前記半導体装置を駆動するための駆動信号を前記半導体装置に出力する駆動回路を設け、前記駆動回路を制御するための制御信号を前記駆動回路に出力する制御回路を設ける。

本願明細書に開示される技術の第１の態様によれば、熱伝導治具の低熱伝導部が配置される位置は熱伝導治具の他の部分よりも熱伝導率が低いため、熱伝導治具の他の部分よりも冷却速度が遅い。したがって、平面視において半導体素子とは重ならない位置に低熱伝導部が配置されることによって、平面視において低熱伝導部が配置される位置に重なる位置の接合材にはんだ引け巣が生じやすくなり、その代わりに、平面視において低熱伝導部が配置される位置に重ならない位置（半導体素子が配置される位置を含む）にはんだ引け巣が生じにくくなる。換言すれば、はんだ引け巣が半導体素子が配置される位置に対応する絶縁基板の直下に生じることを抑制することができる。

本願明細書に開示される技術の第２の態様によれば、平面視において半導体素子とは重ならない位置に低熱伝導部が配置されることによって、平面視において低熱伝導部が配置される位置に重なる位置の接合材にはんだ引け巣が生じやすくなり、その代わりに、平面視において低熱伝導部が配置される位置に重ならない位置（半導体素子が配置される位置を含む）にはんだ引け巣が生じにくくなる。換言すれば、はんだ引け巣が半導体素子が配置される位置に対応する絶縁基板の直下に生じることを抑制することができる。

実施の形態に関する半導体装置の、ケース、電極端子が接続される前の構成の例を概略的に示す断面図である。 図１に例が示された構成の平面図である。 ベース板に取り付けられている冷却フィンを保護するための熱伝導治具の構成の例を概略的に示す平面図である。 図１および図２に例が示された半導体装置が、図３に例が示された熱伝導治具に搭載された構成の例を概略的に示す断面図である。 リフロー炉における接合プロセスが完了した直後の半導体装置の状態における、接合材の温度分布の例を示す図である。 図５に示された状態の後の、半導体装置の冷却プロセスの途中の状態における、接合材の温度分布の例を示す図である。 図４に例が示された構造における接合材にはんだ引け巣が生じた場合の例を示す断面図である。 図７に例が示された構造の平面図であり、当該構造の冷却時における、接合材の温度分布の例を示す図である。 実施の形態に関する、半導体装置の製造方法の例を示すフローチャートである。 実施の形態に関する、半導体装置の構成の例を概略的に示す断面図である。 図１０に例が示される熱伝導治具の構成の例を示す平面図である。 実施の形態に関する半導体装置における、接合材の冷却状態の例を示す図である。 実施の形態に関する、半導体装置の構成の例を概略的に示す断面図である。 図１３に例が示される熱伝導治具の構成の例を示す平面図である。 実施の形態に関する半導体装置における、接合材の冷却状態の例を示す図である。 発明者が知っている半導体装置の構成の例を概略的に示す断面図である。 実施の形態の電力変換装置を含む電力変換システムの構成の例を概念的に示す図である。

以下、添付される図面を参照しながら実施の形態について説明する。以下の実施の形態では、技術の説明のために詳細な特徴なども示されるが、それらは例示であり、実施の形態が実施可能となるためにそれらすべてが必ずしも必須の特徴ではない。

なお、図面は概略的に示されるものであり、説明の便宜のため、適宜、構成の省略、または、構成の簡略化が図面においてなされるものである。また、異なる図面にそれぞれ示される構成などの大きさおよび位置の相互関係は、必ずしも正確に記載されるものではなく、適宜変更され得るものである。また、断面図ではない平面図などの図面においても、実施の形態の内容を理解することを容易にするために、ハッチングが付される場合がある。

また、以下に示される説明では、同様の構成要素には同じ符号を付して図示し、それらの名称と機能とについても同様のものとする。したがって、それらについての詳細な説明を、重複を避けるために省略する場合がある。

また、以下に記載される説明において、ある構成要素を「備える」、「含む」または「有する」などと記載される場合、特に断らない限りは、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

また、以下に記載される説明において、「第１の」または「第２の」などの序数が用いられる場合があっても、これらの用語は、実施の形態の内容を理解することを容易にするために便宜上用いられるものであり、これらの序数によって生じ得る順序などに限定されるものではない。

また、以下に記載される説明における、相対的または絶対的な位置関係を示す表現、たとえば、「一方向に」、「一方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」または「同軸」などは、特に断らない限りは、その位置関係を厳密に示す場合、および、公差または同程度の機能が得られる範囲において角度または距離が変位している場合を含むものとする。

また、以下に記載される説明において、等しい状態であることを示す表現、たとえば、「同一」、「等しい」、「均一」または「均質」などは、特に断らない限りは、厳密に等しい状態であることを示す場合、および、公差または同程度の機能が得られる範囲において差が生じている場合を含むものとする。

また、以下に記載される説明において、「上」、「下」、「左」、「右」、「側」、「底」、「表」または「裏」などの特定の位置または方向を意味する用語が用いられる場合があっても、これらの用語は、実施の形態の内容を理解することを容易にするために便宜上用いられるものであり、実際に実施される際の位置または方向とは関係しないものである。

また、以下に記載される説明において、「…の上面」または「…の下面」などと記載される場合、対象となる構成要素の上面自体または下面自体に加えて、対象となる構成要素の上面または下面に他の構成要素が形成された状態も含むものとする。すなわち、たとえば、「甲の上面に設けられる乙」と記載される場合、甲と乙との間に別の構成要素「丙」が介在することを妨げるものではない。

＜第１の実施の形態＞
以下、本実施の形態に関する半導体装置、および、半導体装置の製造方法について説明する。説明の便宜上、まず、発明者が知っている半導体装置の構成に関する技術について説明する。

図１６は、発明者が知っている半導体装置の構成の例を概略的に示す断面図である。図１６に例が示されるように、半導体装置は、絶縁基板１と、絶縁基板１の上面に形成された複数の上面金属パターン１ａと、絶縁基板１の下面に形成された一般的には１枚の下面金属パターン１ｂと、上面金属パターン１ａの上面にはんだなどの接合材３ａで接合された半導体素子２とを備える。

下面金属パターン１ｂは、水冷フィンなどの冷却フィン４ａ付きのベース板４の上面とはんだなどの接合材３ｂで接合される。冷却フィン４ａ付きのベース板４の上面には、半導体素子２を収容するケース１１が接着剤１２を介して接合される。

また、半導体素子２の上面には、はんだなどの接合材３ｃを介して内部電極１３が接続される。また、上面金属パターン１ａの上面にも、はんだなどの接合材３ｄを介して内部電極１３ａが接続される。

内部電極１３は、ケース１１の上面に設けられた外部電極１４に接続または一体化されている。また、内部電極１３ａは、ケース１１の上面に設けられた外部電極１４Ａに接続または一体化されている。ケース１１内は、エポキシ樹脂系の封止材１６によって充填されている。

＜半導体装置の構成について＞
図１は、本実施の形態に関する半導体装置の、ケース１１、内部電極１３および内部電極１３ａが接続される前の構成の例を概略的に示す断面図である。また、図２は、図１に例が示された構成の平面図である。

図１および図２に例が示されるように、半導体装置は、絶縁基板１と、絶縁基板１の上面に形成された複数の上面金属パターン１ａと、絶縁基板１の下面に形成された下面金属パターン１ｂと、上面金属パターン１ａの上面にはんだなどの接合材３ａで接合された半導体素子２とを備える。下面金属パターン１ｂは、冷却フィン４ａ付きのベース板４の上面とはんだなどの接合材３ｂで接合される。

ここで、半導体素子２は、金属−酸化膜−半導体電界効果トランジスタ（ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｆｉｅｌｄ−ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、すなわち、ＭＯＳＦＥＴ）、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ｉｎｓｕｌａｔｅｄ ｇａｔｅ ｂｉｐｏｌａｒ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、すなわち、ＩＧＢＴ）、または、ショットキーバリアダイオード（ｓｃｈｏｔｔｋｙ ｂａｒｒｉｅｒ ｄｉｏｄｅ、すなわち、ＳＢＤ）などを含む。

図３は、ベース板４に取り付けられている冷却フィン４ａを保護するための熱伝導治具５の構成の例を概略的に示す平面図である。また、図４は、図１および図２に例が示された半導体装置が、図３に例が示された熱伝導治具５に搭載された構成の例を概略的に示す断面図である。

図３に例が示されるように、熱伝導治具５は、平面視において中央部が中空であり、長手方向における中央部側の端部には、図４の断面視において凹形状となる彫り込み部６が形成されている。彫り込み部６は、枠形状である熱伝導治具５の一対の対向する辺のうち、平面視において半導体素子２から遠い位置の辺に配置される。また、熱伝導治具５の素材としては、たとえば、Ａｌ、ＳＵＳ、Ｃｕまたは真鍮などである。なお、彫り込み部６は、熱伝導治具５の長手方向における外端部に形成されていてもよい。

熱伝導治具５が図１に例が示された半導体装置に取り付けられると、図４に例が示されるように、熱伝導治具５は、冷却フィン４ａ付きのベース板４の下面に接触して取り付けられる。熱伝導治具５は、平面視において冷却フィン４ａと重ならない位置のベース板４の下面に接触するように配置される。図４に示される例では、彫り込み部６は、冷却フィン４ａ付きのベース板４の下面に対向して位置し、かつ、半導体装置における半導体素子２が配置されていない側の端部（少なくとも、平面視において半導体素子２とは重ならない位置）に取り付けられる。

本実施の形態に関する半導体装置は、図４に例が示された構造に加えて、たとえば、図１６に例が示されるようなケース１１、内部電極１３、内部電極１３ａ、エポキシ系の封止材１６を含んで構成される。

図５および図６は、本実施の形態に関する半導体装置における、接合材の冷却状態の例を示す図である。

図５は、リフロー炉における接合プロセスが完了した直後の半導体装置の状態における、接合材の温度分布の例を示す図である。なお、図５においても、熱伝導治具５は、冷却フィン４ａ付きのベース板４の下面に接触して取り付けられているが、説明の便宜上、熱伝導治具５の配置は平面視でずらされて示される。

図５に例が示されるように、はんだなどである接合材３ａ（および接合材３ｂ）は完全に溶融しており、これらの温度はほぼ融点で均一となっている。

図６は、図５に示された状態の後の、半導体装置の冷却プロセスの途中の状態における、接合材の温度分布の例を示す図である。図６においては、相対的に温度が高い箇所が濃い砂地でハッチングされ、相対的に温度が低い箇所が薄い砂地でハッチングされる。なお、図６においても、熱伝導治具５は、冷却フィン４ａ付きのベース板４の下面に接触して取り付けられているが、説明の便宜上、熱伝導治具５の配置は平面視でずらされて示される。

図６に例が示されるように、はんだなどである接合材３ａ（および接合材３ｂ）は、冷却フィン４ａ付きのベース板４を介して徐々に冷却される。

ここで、図４に例が示されたように、冷却フィン４ａ付きのベース板４は熱伝導治具５に接触しており、熱伝導治具５は、外部の冷却プレート（ここでは、図示しない）で冷却される。そのため、冷却フィン４ａ付きのベース板４は、熱伝導治具５に接触している箇所から冷却され、それに応じて、接合材３ａ（および接合材３ｂ）も、熱伝導治具５に接触している箇所に近い側から徐々に冷却される。

そして、接合材３ａ（および接合材３ｂ）の温度が凝固点まで低下すると、接合が完成する。

ここで、本実施の形態では、熱伝導治具５の彫り込み部６は、冷却フィン４ａ付きのベース板４の下面に対向して位置し、かつ、半導体装置における半導体素子２が配置されていない側の端部に取り付けられる。

掘り込み部６が冷却フィン４ａ付きのベース板４の下面に接触していないことによって、熱伝導治具５における彫り込み部６が位置する側の冷却性は彫り込み部６が位置しない側の冷却性よりも低くなる（すなわち、冷却速度が遅くなる）。換言すれば、半導体装置に対する彫り込み部６の位置を選択することによって、接合材３ａ（および接合材３ｂ）のそれぞれの位置における温度低下の速さを制御することができる。

はんだ引け巣は、冷却速度が遅くなると生じやすい傾向にあることが分かっている。したがって、掘り込み部６の位置に近い接合材の温度低下の速さ（冷却速度）を遅くする、すなわち、冷却プロセスにおける接合材間の温度不均一を生じさせることによって、接合材の温度が高い（すなわち、冷却速度が遅い）部分がはんだの最終凝固点となり、この部分にはんだ引け巣が生じるように誘導することができる。これによって、半導体素子２が配置される位置の絶縁基板１の直下におけるはんだ引け巣の発生を抑制することができる。

＜はんだ引け巣について＞
以下、はんだ引け巣について説明する。図７は、図４に例が示された構造における接合材３ｂにはんだ引け巣１５が生じた場合の例を示す断面図である。また、図８は、図７に例が示された構造の平面図であり、当該構造の冷却時における、接合材の温度分布の例を示す図である。図８においては、比較的温度が高い箇所が濃い砂地でハッチングされ、比較的温度が低い箇所が薄い砂地でハッチングされる。

図７および図８に例が示されるように、接合材の温度が高い（すなわち、冷却速度が遅い）部分がはんだの最終凝固点となり、当該箇所にはんだ引け巣１５が生じていることが分かる。このように、はんだ引け巣１５とは、リフロー炉などにおける接合プロセスを経た後の冷却プロセスで、はんだの最終凝固点で生じ得る空隙である。

＜半導体装置の製造方法について＞
次に、熱伝導治具を用いる半導体装置の製造方法について説明する。図９は、本実施の形態に関する半導体装置の製造方法の例を示すフローチャートである。

まず、熱伝導治具５および半導体装置の一部を構成する冷却フィン、絶縁基板、半導体素子、接合材料などの部材を準備する（図９におけるステップＳＴ０１）。具体的には、熱伝導治具５の上面に、冷却フィン４ａ付きのベース板４の下面を接触させて配置する。また、冷却フィン４ａ付きのベース板４の上面に、はんだなどの接合材３ｂを介して下面金属パターン１ｂ、絶縁基板１および上面金属パターン１ａをその順に配置する。さらに、上面金属パターン１ａの上面の一部に、はんだなどの接合材３ａを介して半導体素子２を配置する。

次に、リフロー炉内に、上記のステップＳＴ０１において準備された構造を投入する（図９におけるステップＳＴ０２）。ここで、リフロー炉は、予熱エリア、接合エリアおよび冷却エリアのそれぞれに設定温度の異なるエリアが設けられており、一連の工程（すなわち、予熱工程、加熱工程、および、冷却工程）が連続的に行われる。すなわち、これらの工程は、絶縁基板１の上面に半導体素子２が接合材３ａによって接合され、絶縁基板１の下面にベース板４が接合材３ｂによって接合され、ベース板４の下面に熱伝導治具５が接触している状態で連続して行われる。

次に、リフロー炉においてはんだ付けされた段階の半製品をリフロー炉から取り出し、冷却フィン４ａ付きのベース板４の上面の周辺部に、接着剤１２を塗布する。そして、接着剤１２を介してケース１１を冷却フィン４ａ付きのベース板４の上面に接着する。そして、半導体素子２の上面にはんだなどの接合材３ｃを介して内部電極１３を、上面金属パターン１ａの上面にはんだなどの接合材３ｄを介して内部電極１３ａを、それぞれ接着する（図９におけるステップＳＴ０３）。

次に、上記のステップＳＴ０３において準備された構造を、再度リフロー炉に投入する（図９におけるステップＳＴ０４）。そして、リフロー炉内において、冷却フィン４ａ付きのベース板４とケース１１との接着、および、半導体素子２と内部電極１３との接着が完了する。ここで、熱伝導治具５を冷却フィン４ａ付きのベース板４から取り外す。

次に、上記のステップＳＴ０４においてリフローがなされた構造に対し、ボンディングワイヤー（ここでは、図示しない）を配線し、ケース１１内をエポキシ系の封止材１６で満たす（図９におけるステップＳＴ０５）。そして、封止材１６を加熱することによって硬化させる。以上のような工程によって、半導体装置の製造が完了する。

上記のように、熱伝導治具５を用いて半導体装置を製造することによって、熱伝導治具５の配置によって、半導体装置における接合材の冷却速度を場所ごとに制御することができる。そのため、半導体素子２が配置される位置の絶縁基板１の直下におけるはんだ引け巣の発生を抑制することができる。また、熱伝導治具５が平面視において冷却フィン４ａを囲んで配置されることによって、冷却フィン４ａを保持してその形状の変形を抑制することができる。また、予熱工程、加熱工程および冷却工程などの一連の工程を、熱伝導治具５の上面に、互いに位置決めされた状態の絶縁基板１、半導体素子２およびベース板４を搭載した状態でこれらの構成を搬送ながら行うことができるため、半導体装置における位置決め精度、および、半導体装置の製造効率をそれぞれ向上させることができる。

＜第２の実施の形態＞
本実施の形態に関する半導体装置、および、半導体装置の製造方法について説明する。なお、以下の説明においては、以上に記載された実施の形態で説明された構成要素と同様の構成要素については同じ符号を付して図示し、その詳細な説明については適宜省略するものとする。

＜半導体装置の構成について＞
図１０は、本実施の形態に関する半導体装置の構成の例を概略的に示す断面図である。図１１は、図１０に例が示される熱伝導治具５Ａの構成の例を示す平面図である。

図１０に例が示されるように、半導体装置は、絶縁基板１と、絶縁基板１の上面に形成された複数の上面金属パターン１ａと、絶縁基板１の下面に形成された下面金属パターン１ｂと、上面金属パターン１ａの上面にはんだなどの接合材３ａで接合された半導体素子２とを備える。下面金属パターン１ｂは、冷却フィン４ａ付きのベース板４の上面とはんだなどの接合材３ｂで接合される。冷却フィン４ａ付きのベース板４の下面には、熱伝導治具５Ａが接触して取り付けられる。

図１０および図１１に例が示されるように、熱伝導治具５Ａは、平面視において冷却フィン４ａと重ならない位置のベース板４の下面に接触するように配置される。熱伝導治具５Ａは、平面視において中央部が中空であり、長手方向における中央部側の端部には、他の部分よりも中央部から周辺部の方向に切り欠く切り欠き部７が形成されている。切り欠き部７は、枠形状である熱伝導治具５Ａの一対の対向する辺のうち、平面視において半導体素子２から遠い位置の辺に配置される。切り欠き部７は、熱伝導治具５Ａのベース板４の下面と接触する面に形成される。なお、切り欠き部７は、熱伝導治具５Ａの周辺部から中央部の方向に切り欠くものであってもよい。

図１２は、本実施の形態に関する半導体装置における、接合材の冷却状態の例を示す図である。図１２においては、比較的温度が高い箇所が濃い砂地でハッチングされ、比較的温度が低い箇所が薄い砂地でハッチングされる。図１２においても、熱伝導治具５Ａは、冷却フィン４ａ付きのベース板４の下面に接触して取り付けられているが、説明の便宜上、熱伝導治具５Ａの配置は平面視でずらされて示される。

熱伝導治具５Ａに形成された切り欠き部７は、図３に例が示された彫り込み部６よりも熱容量が少ない。よって、熱伝導治具５Ａによれば、冷却プロセスにおいて接合材間のより大きな温度不均一を生じさせることができる。これは、固相−液相温度幅が狭く温度不均一を生じさせにくいはんだでは特に有効に作用する。

冷却プロセスにおける接合材間の温度不均一をより大きく生じさせることによって、接合材の温度が高い（すなわち、冷却速度が遅い）部分がはんだの最終凝固点となり、この部分にはんだ引け巣が生じるように効果的に誘導することができる。これによって、半導体素子２が配置される位置の絶縁基板１の直下におけるはんだ引け巣の発生を効果的に抑制することができる。

＜第３の実施の形態＞
本実施の形態に関する半導体装置、および、半導体装置の製造方法について説明する。なお、以下の説明においては、以上に記載された実施の形態で説明された構成要素と同様の構成要素については同じ符号を付して図示し、その詳細な説明については適宜省略するものとする。

＜半導体装置の構成について＞
図１３は、本実施の形態に関する半導体装置の構成の例を概略的に示す断面図である。図１４は、図１３に例が示される熱伝導治具５Ｂの構成の例を示す平面図である。

図１３に例が示されるように、半導体装置は、絶縁基板１と、絶縁基板１の上面に形成された複数の上面金属パターン１ａと、絶縁基板１の下面に形成された下面金属パターン１ｂと、上面金属パターン１ａの上面にはんだなどの接合材３ａで接合された半導体素子２とを備える。下面金属パターン１ｂは、冷却フィン４ａ付きのベース板４の上面とはんだなどの接合材３ｂで接合される。冷却フィン４ａ付きのベース板４の下面には、熱伝導治具５Ｂが接触して取り付けられる。

図１３および図１４に例が示されるように、熱伝導治具５Ｂは、平面視において冷却フィン４ａと重ならない位置のベース板４の下面に接触するように配置される。熱伝導治具５Ｂは、平面視において中央部が中空であり、枠形状である熱伝導治具５Ｂの短辺のうちの一方に、他の部分よりも熱伝導率が低い低熱伝導材８を備える。低熱伝導材８は、枠形状である熱伝導治具５Ｂの一対の対向する辺のうち、平面視において半導体素子２から遠い位置の辺に配置される。低熱伝導材８は、冷却フィン４ａ付きのベース板４の下面に接触する側に備えられ、たとえば、非金属系またはセラミックなどからなる。なお、低熱伝導材８は、熱伝導治具５Ｂの短辺の上面において、（全面的ではなく）部分的に備えられるものであってもよい。

図１５は、本実施の形態に関する半導体装置における、接合材の冷却状態の例を示す図である。図１５においては、比較的温度が高い箇所が濃い砂地でハッチングされ、比較的温度が低い箇所が薄い砂地でハッチングされる。図１５においても、熱伝導治具５Ｂは、冷却フィン４ａ付きのベース板４の下面に接触して取り付けられているが、説明の便宜上、熱伝導治具５Ｂの配置は平面視でずらされて示される。

熱伝導治具５Ｂに備えられる低熱伝導材８によれば、冷却プロセスにおいて接合材間の温度不均一を生じさせることができる。冷却プロセスにおける接合材間の温度不均一を生じさせることによって、接合材の温度が高い（すなわち、冷却速度が遅い）部分がはんだの最終凝固点となり、この部分にはんだ引け巣が生じるように誘導することができる。これによって、半導体素子２が配置される位置の絶縁基板１の直下におけるはんだ引け巣の発生を効果的に抑制することができる。

＜第４の実施の形態＞
本実施の形態に関する電力変換装置、および、電力変換装置の製造方法について説明する。以下の説明においては、以上に記載された実施の形態で説明された構成要素と同様の構成要素については同じ符号を付して図示し、その詳細な説明については適宜省略するものとする。

＜電力変換装置の構成について＞
本実施の形態は、以上に記載された実施の形態に関する半導体装置を電力変換装置に適用するものである。適用する電力変換装置は特定の用途のものに限定されるものではないが、以下では、三相のインバータに適用する場合について説明する。

図１７は、本実施の形態の電力変換装置を含む電力変換システムの構成の例を概念的に示す図である。

図１７に例が示されるように、電力変換システムは、電源２１００と、電力変換装置２２００と、負荷２３００とを備える。電源２１００は、直流電源であり、かつ、電力変換装置２２００に直流電力を供給する。電源２１００は種々のもので構成することが可能であり、たとえば、直流系統、太陽電池または蓄電池などで構成することができる。また、電源２１００は、交流系統に接続された整流回路またはＡＣ−ＤＣコンバータなどで構成することができる。また、電源２１００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もできる。

電力変換装置２２００は、電源２１００と負荷２３００との間に接続される三相のインバータである。電力変換装置２２００は、電源２１００から供給された直流電力を交流電力に変換し、さらに、負荷２３００に当該交流電力を供給する。

また、電力変換装置２２００は、図１７に例が示されるように、直流電力を交流電力に変換して出力する変換回路２２０１と、変換回路２２０１のそれぞれのスイッチング素子を駆動するための駆動信号を出力する駆動回路２２０２と、駆動回路２２０２を制御するための制御信号を駆動回路２２０２に出力する制御回路２２０３とを備える。

負荷２３００は、電力変換装置２２００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２３００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る電動機であり、たとえば、ハイブリッド自動車、電気自動車、鉄道車両、エレベーター、または、空調機器向けの電動機として用いられるものである。

以下、電力変換装置２２００の詳細を説明する。変換回路２２０１は、スイッチング素子と還流ダイオードとを備える（ここでは、図示せず）。そして、スイッチング素子がスイッチング動作をすることによって、電源２１００から供給される直流電力を交流電力に変換し、さらに、負荷２３００に供給する。

変換回路２２０１の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態に関する変換回路２２０１は、２レベルの三相フルブリッジ回路であり、かつ、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に接続される６つの還流ダイオードとを備えるものである。

変換回路２２０１におけるそれぞれのスイッチング素子とそれぞれの還流ダイオードの少なくとも一方には、以上に記載された実施の形態のいずれかにおけ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て上下アームを構成し、それぞれの上下アームは、フルブリッジ回路の各相（すなわち、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相）を構成する。そして、それぞれの上下アームの出力端子（すなわち、変換回路２２０１の３つの出力端子）は、負荷２３００に接続される。

駆動回路２２０２は、変換回路２２０１のスイッチング素子を駆動するための駆動信号を生成し、さらに、変換回路２２０１のスイッチング素子の制御電極に当該駆動信号を供給する。具体的には、後述する制御回路２２０３から出力される制御信号に基づいて、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それぞれの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（すなわち、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（すなわち、オフ信号）となる。

制御回路２２０３は、負荷２３００に所望の電力が供給されるよう変換回路２２０１のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷２３００に供給すべき電力に基づいて変換回路２２０１のそれぞれのスイッチング素子がオン状態となるべき時間（すなわち、オン時間）を算出する。たとえば、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、変換回路２２０１を制御することができる。

そして、制御回路２２０３は、それぞれの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が、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号がそれぞれ出力されるように、駆動回路２２０２に制御指令（すなわち、制御信号）を出力する。駆動回路２２０２は、当該制御信号に基づいて、それぞれのスイッチング素子の制御電極にオン信号またはオフ信号を駆動信号として出力する。

本実施の形態に関する電力変換装置２２００では、変換回路２２０１のスイッチング素子として以上に記載された実施の形態のいずれかにおける半導体装置を適用するため、通電サイクルを経た後のオン抵抗を安定させることができる。

なお、本実施の形態では、２レベルの三相インバータに以上に記載された実施の形態のいずれかにおける半導体装置を適用する例が説明されたが、適用例はこれに限られるものではなく、種々の電力変換装置に以上に記載された実施の形態のいずれかにおける半導体装置を適用することができる。

また、本実施の形態では、２レベルの電力変換装置について説明されたが、３レベルまたはマルチレベルの電力変換装置に以上に記載された実施の形態のいずれかにおける半導体装置が適用されてもよい。また、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以上に記載された実施の形態のいずれかにおける半導体装置が適用されてもよい。

また、直流負荷などに電力を供給する場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータまたはＡＣ−ＤＣコンバータに、以上に記載された実施の形態のいずれかにおける半導体装置を適用することもできる。

また、以上に記載された実施の形態のいずれかにおける半導体装置が適用された電力変換装置は、上述された負荷が電動機である場合に限定されるものではなく、たとえば、放電加工機、レーザー加工機、誘導加熱調理器または非接触給電システムの電源装置として用いることもできる。また、以上に記載された実施の形態のいずれかにおける半導体装置が適用された電力変換装置は、太陽光発電システムまたは蓄電システムなどにおけるパワーコンディショナーとして用いることもできる。

＜電力変換装置の製造方法について＞
次に、本実施の形態に関する電力変換装置の製造方法を説明する。

まず、以上に記載された実施の形態で説明された製造方法で、半導体装置を製造する。そして、当該半導体装置を有する変換回路２２０１を電力変換装置の構成として設ける。変換回路２２０１は、入力される電力を変換して出力するための回路である。

そして、電力変換装置の構成として駆動回路２２０２を設ける。駆動回路２２０２は、半導体装置を駆動するための駆動信号を当該半導体装置に出力するための回路である。そして、電力変換装置の構成として制御回路２２０３を設ける。制御回路２２０３は、駆動回路２２０２を制御するための制御信号を駆動回路２２０２に出力するための回路である。

以上に記載された実施の形態において用いられる半導体スイッチング素子は、シリコン（Ｓｉ）半導体から成るスイッチング素子に限られるものではなく、例えば、半導体スイッチング素子は、Ｓｉ半導体よりもバンドギャップが広い非Ｓｉ半導体材料から成るものであってもよい。

非Ｓｉ半導体材料であるワイドバンドギャップ半導体としては、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドなどがある。

ワイドバンドギャップ半導体から成るスイッチング素子は、Ｓｉ半導体ではユニポーラ動作が困難な高電圧領域でも使用可能であり、スイッチング動作時に発生するスイッチング損失を大きく低減できる。そのため、電力損失の大きな低減が可能となる。

また、ワイドバンドギャップ半導体から成るスイッチング素子は、電力損失が小さく、耐熱性も高い。そのため、冷却部を備えるパワーモジュールを構成する場合、ヒートシンクの放熱フィンを小型化することが可能であるため、半導体モジュールの一層の小型化が可能となる。

また、ワイドバンドギャップ半導体から成るスイッチング素子は、高周波スイッチング動作に適している。そのため、高周波化の要求が大きいコンバータ回路に適用された場合、スイッチング周波数の高周波化によって、コンバータ回路に接続されるリアクトルまたはコンデンサなどを小型化することもできる。

よって、以上に記載された実施の形態における半導体スイッチング素子は、炭化珪素（ＳｉＣ）などのワイドバンドギャップ半導体から成るスイッチング素子となる場合にも、同様な効果が得られる。

＜以上に記載された実施の形態によって生じる効果について＞
次に、以上に記載された実施の形態によって生じる効果の例を示す。なお、以下の説明においては、以上に記載された実施の形態に例が示された具体的な構成に基づいて当該効果が記載されるが、同様の効果が生じる範囲で、本願明細書に例が示される他の具体的な構成と置き換えられてもよい。

また、当該置き換えは、複数の実施の形態に跨ってなされてもよい。すなわち、異なる実施の形態において例が示されたそれぞれの構成が組み合わされて、同様の効果が生じる場合であってもよい。

以上に記載された実施の形態によれば、半導体装置の製造方法において、絶縁基板１の上面に、第１の接合材を介して少なくとも１つの半導体素子２を接合する。ここで、第１の接合材は、たとえば、接合材３ａなどに対応するものである。そして、絶縁基板１の下面に、第２の接合材を介して放熱板を接合する。ここで、第２の接合材は、たとえば、接合材３ｂなどに対応するものである。また、放熱板は、たとえば、ベース板４などに対応するものである。そして、ベース板４の下面の少なくとも一部に接触するように、熱伝導治具５（または、熱伝導治具５Ａ、熱伝導治具５Ｂ）を配置する。そして、接合材３ａおよび接合材３ｂを加熱し、さらに、熱伝導治具５（または、熱伝導治具５Ａ、熱伝導治具５Ｂ）がベース板４の下面に接触している状態で熱伝導治具５（または、熱伝導治具５Ａ、熱伝導治具５Ｂ）を冷却する。ここで、熱伝導治具５（または、熱伝導治具５Ａ、熱伝導治具５Ｂ）は、平面視において半導体素子２とは重ならない位置に配置され、かつ、熱伝導治具５（または、熱伝導治具５Ａ、熱伝導治具５Ｂ）の他の箇所よりも熱伝導率が低い低熱伝導部を備える。なお、低熱伝導部は、たとえば、掘り込み部６、切り欠け部７および低熱伝導材８などのうちのいずれか１つに対応するものである（以下では便宜上、これらのうちのいずれか１つを対応させて記載する場合がある）。

このような構成によれば、熱伝導治具５の掘り込み部６が配置される位置は熱伝導治具５の他の部分よりも熱伝導率が低いため、熱伝導治具５の他の部分よりも冷却速度が遅い。すなわち、熱伝導治具５は、半導体装置における絶縁基板１およびベース板４を均等には冷却しない。したがって、平面視において半導体素子２とは重ならない位置に掘り込み部６が配置されることによって、平面視において掘り込み部６が配置される位置に重なる位置の接合材３ａまたは接合材３ｂにはんだ引け巣が生じやすくなり、その代わりに、平面視において掘り込み部６が配置される位置に重ならない位置（半導体素子２が配置される位置を含む）の接合材３ａまたは接合材３ｂにはんだ引け巣が生じにくくなる。換言すれば、はんだ引け巣が、半導体素子２が配置される位置に対応する絶縁基板１の直下に生じることを抑制することができる。そうすれば、半導体素子２近傍における放熱性の低下を抑制することができるため、半導体素子２の特性の低下を抑制することができる。

なお、特段の制限がない場合には、それぞれの処理が行われる順序は変更することができる。

また、上記の構成に本願明細書に例が示された他の構成を適宜追加した場合、すなわち、上記の構成としては言及されなかった本願明細書中の他の構成が適宜追加された場合であっても、同様の効果を生じさせることができる。

また、以上に記載された実施の形態によれば、熱伝導治具５（または、熱伝導治具５Ａ、熱伝導治具５Ｂ）は、平面視において半導体素子２を囲む枠形状である。そして、低熱伝導部は、枠形状における一対の対向する辺のうち、平面視において半導体素子２から遠い位置の辺に配置される。このような構成によれば、低熱伝導部が配置される位置が半導体素子２が配置される位置から遠い位置となるため、平面視において半導体素子２から遠い当該位置にはんだの最終凝固点が近づき、当該位置にはんだ引け巣が生じるように誘導することができる。換言すれば、はんだ引け巣が半導体素子２が配置される位置に対応する絶縁基板１の直下に生じることを抑制することができる。

また、以上に記載された実施の形態によれば、ベース板４の下面には、フィンが形成される。ここで、フィンは、たとえば、冷却フィン４ａなどに対応するものである。そして、熱伝導治具５（または、熱伝導治具５Ａ、熱伝導治具５Ｂ）は、平面視において冷却フィン４ａと重ならない位置のベース板４の下面に接触するように配置される。このような構成によれば、熱伝導治具５は、ベース板４に形成される放熱のための冷却フィン４ａを効果的に保護しつつ、ベース板４の下面に接触することができる。

また、以上に記載された実施の形態によれば、低熱伝導部は、熱伝導治具５のベース板４の下面と接触する面に形成される凹部（すなわち、掘り込み部６）である。このような構成によれば、凹部である彫り込み部６が形成される部分では、熱伝導治具５がベース板４の下面に接触していない。そのため、当該箇所における熱伝導率は他の部分と比較して低くなる。その結果、はんだの最終凝固点が当該箇所に近づき、当該箇所にはんだ引け巣が生じるように誘導することができる。換言すれば、はんだ引け巣が半導体素子２が配置される位置に対応する絶縁基板１の直下に生じることを抑制することができる。

また、以上に記載された実施の形態によれば、低熱伝導部は、熱伝導治具５Ａのベース板４の下面と接触する面に形成される切り欠き部７である。このような構成によれば、切り欠き部７が形成される部分では、熱伝導治具５Ａがベース板４の下面に接触していない。そのため、当該箇所における熱伝導率は他の部分と比較して低くなる。その結果、はんだの最終凝固点が当該箇所に近づき、当該箇所にはんだ引け巣が生じるように誘導することができる。換言すれば、はんだ引け巣が半導体素子２が配置される位置に対応する絶縁基板１の直下に生じることを抑制することができる。

また、以上に記載された実施の形態によれば、低熱伝導部である低熱伝導材８は、熱伝導治具５Ｂのベース板４の下面と接触する面に形成され、かつ、熱伝導治具５Ｂの他の箇所を形成する材料よりも熱伝導率が低い材料からなる。このような構成によれば、低熱伝導材８が備えられる部分の熱伝導率は、熱伝導治具５Ｂの他の部分と比較して低くなる。その結果、はんだの最終凝固点が当該箇所に近づき、当該箇所にはんだ引け巣が生じるように誘導することができる。換言すれば、はんだ引け巣が半導体素子２が配置される位置に対応する絶縁基板１の直下に生じることを抑制することができる。

また、以上に記載された実施の形態によれば、接合材３ａおよび接合材３ｂを加熱し、さらに、熱伝導治具５（または、熱伝導治具５Ａ、熱伝導治具５Ｂ）を冷却することは、絶縁基板１の上面に半導体素子２が接合材３ａによって接合され、絶縁基板１の下面にベース板４が接合材３ｂによって接合され、ベース板４の下面に熱伝導治具５（または、熱伝導治具５Ａ、熱伝導治具５Ｂ）が接触している状態で連続して行われる。このような構成によれば、熱伝導治具５（または、熱伝導治具５Ａ、熱伝導治具５Ｂ）の上面に、互いに位置決めされた状態の絶縁基板１、半導体素子２および放熱板４を搭載した状態でこれらの構成を搬送し、さらに、加熱工程および冷却工程を連続して行うことができるため、半導体装置における位置決め精度、および、半導体装置の製造効率をそれぞれ向上させることができる。

また、以上に記載された実施の形態によれば、電力変換装置の製造方法において、上記の製造方法で製造される半導体装置を有し、かつ、入力される電力を変換して出力する変換回路２２０１を設ける。そして、半導体装置を駆動するための駆動信号を半導体装置に出力する駆動回路２２０２を設ける。そして、駆動回路２２０２を制御するための制御信号を駆動回路２２０２に出力する制御回路２２０３を設ける。このような構成によれば、熱伝導治具の低熱伝導部が配置される位置は熱伝導治具の他の部分よりも熱伝導率が低いため、熱伝導治具の他の部分よりも冷却速度が遅い。したがって、平面視において半導体素子２とは重ならない位置に低熱伝導部が配置されることによって、平面視において低熱伝導部が配置される位置に重なる位置の接合材３ａまたは接合材３ｂにはんだ引け巣が生じやすくなり、その代わりに、平面視において低熱伝導部が配置される位置に重ならない位置（半導体素子２が配置される位置を含む）にはんだ引け巣が生じにくくなる。換言すれば、はんだ引け巣が、半導体素子２が配置される位置に対応する絶縁基板１の直下に生じることを抑制することができる。

＜以上に記載された実施の形態の変形例について＞
以上に記載された実施の形態では、それぞれの構成要素の材質、材料、寸法、形状、相対的配置関係または実施の条件などについても記載する場合があるが、これらはすべての局面においてひとつの例であって、限定的なものではないものとする。

したがって、例が示されていない無数の変形例、および、均等物が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。たとえば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの実施の形態における少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態における構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

また、以上に記載された実施の形態において、特に指定されずに材料名などが記載された場合は、矛盾が生じない限り、当該材料に他の添加物が含まれた、たとえば、合金などが含まれるものとする。

また、矛盾が生じない限り、以上に記載された実施の形態において「１つ」備えられるものとして記載された構成要素は、「１つ以上」備えられていてもよいものとする。

さらに、以上に記載された実施の形態におけるそれぞれの構成要素は概念的な単位であって、本願明細書に開示される技術の範囲内には、１つの構成要素が複数の構造物から成る場合と、１つの構成要素がある構造物の一部に対応する場合と、さらには、複数の構成要素が１つの構造物に備えられる場合とを含むものとする。

また、以上に記載された実施の形態におけるそれぞれの構成要素には、同一の機能を発揮する限り、他の構造または形状を有する構造物が含まれるものとする。

また、本願明細書における説明は、本技術に関連するすべての目的のために参照され、いずれも、従来技術であると認めるものではない。

１ 絶縁基板、１ａ 上面金属パターン、１ｂ 下面金属パターン、２ 半導体素子、３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ 接合材、４ ベース板、４ａ 冷却フィン、５，５Ａ，５Ｂ 熱伝導治具、６ 掘り込み部、７ 切り欠け部、８ 低熱伝導材、１１ ケース、１２ 接着剤、１３，１３ａ 内部電極、１４，１４Ａ 外部電極、１５ はんだ引け巣、１６ 封止材、２１００ 電源、２２００ 電力変換装置、２２０１ 変換回路、２２０２ 駆動回路、２２０３ 制御回路、２３００ 負荷。

Claims (8)

1. 絶縁基板の上面に、第１の接合材を介して少なくとも１つの半導体素子を接合し、
   前記絶縁基板の下面に、第２の接合材を介して放熱板を接合し、
   前記放熱板の下面の少なくとも一部に接触するように、熱伝導治具を配置し、
   前記第１の接合材および前記第２の接合材を加熱し、さらに、前記熱伝導治具が前記放熱板の下面に接触している状態で前記熱伝導治具を冷却し、
   前記熱伝導治具は、平面視において前記半導体素子とは重ならない位置に配置され、かつ、前記熱伝導治具の他の箇所よりも熱伝導率が低い低熱伝導部を備える、
   半導体装置の製造方法。
2. 請求項１に記載の半導体装置の製造方法であり、
   前記熱伝導治具は、平面視において前記半導体素子を囲む枠形状であり、
   前記低熱伝導部は、前記枠形状における一対の対向する辺のうち、平面視において前記半導体素子から遠い位置の前記辺に配置される、
   半導体装置の製造方法。
3. 請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法であり、
   前記放熱板の前記下面には、フィンが形成され、
   前記熱伝導治具は、平面視において前記フィンと重ならない位置の前記放熱板の前記下面に接触するように配置される、
   半導体装置の製造方法。
4. 請求項１から３のうちのいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法であり、
   前記低熱伝導部は、前記熱伝導治具の前記放熱板の前記下面と接触する面に形成される凹部である、
   半導体装置の製造方法。
5. 請求項１から３のうちのいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法であり、
   前記低熱伝導部は、前記熱伝導治具の前記放熱板の前記下面と接触する面に形成される切り欠き部である、
   半導体装置の製造方法。
6. 請求項１から３のうちのいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法であり、
   前記低熱伝導部は、前記熱伝導治具の前記放熱板の前記下面と接触する面に形成され、かつ、前記熱伝導治具の他の箇所を形成する材料よりも熱伝導率が低い材料からなる、
   半導体装置の製造方法。
7. 請求項１から６のうちのいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法であり、
   前記第１の接合材および前記第２の接合材を加熱し、さらに、前記熱伝導治具を冷却することは、
   前記絶縁基板の前記上面に前記半導体素子が前記第１の接合材によって接合され、前記絶縁基板の前記下面に前記放熱板が前記第２の接合材によって接合され、前記放熱板の前記下面に前記熱伝導治具が接触している状態で連続して行われる、
   半導体装置の製造方法。
8. 請求項１から７のうちのいずれか１つに記載の製造方法で製造される半導体装置を有し、かつ、入力される電力を変換して出力する変換回路を設け、
   前記半導体装置を駆動するための駆動信号を前記半導体装置に出力する駆動回路を設け、
   前記駆動回路を制御するための制御信号を前記駆動回路に出力する制御回路を設ける、
   電力変換装置の製造方法。

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