JP2022103052A - 半導体モジュール、半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】積層構造を有する端子部にキャパシタの端子をレーザ溶接するときに、溶融部分の熱が絶縁層に伝わり難いようにする。【解決手段】第２外部接続端子１６、絶縁層１８および第１外部接続端子２０を積層して構成される端子部１４において、連結部材４０を介してキャパシタ３０の正極端子３８にレーザ溶接により接合される第１外部接続端子２０は、溶接部位２４の直下であって絶縁層１８に面する側に絶縁層１８と接触しない溝部２６を有している。溝部２６は、溶接部位２４における溶接熱が絶縁層１８の側に伝えられるときに伝熱を遮断する、これにより、絶縁層１８が溶融部分の熱で変質して端子部１４の耐圧が低下してしまうことが避けられる。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体モジュール、半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。

半導体モジュールは、パワーデバイスを内蔵し、例えば、電力変換機能を有する。パワーデバイスとしては、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＦＷＤ（Free Wheeling Diode）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）がある。このような半導体モジュールは、印加される直流の電源電圧を安定化させるために大容量のキャパシタを直近に接続することがある。

半導体モジュールおよびキャパシタは、それぞれの正極および負極の電源端子を連結部材で接続している。この際の接続は、接続工程を容易にするために、ねじ留めにより行われていた。しかし、ねじ留めによる接続方法では、連結部材と端子との電気的な接続部分は、接合部における接触抵抗が高く、経年変化も大きい傾向がある。そこで、連結部材と端子との接続方法として、超音波接合により接合する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

超音波による接合は、連結部材を端子に重ねた状態で接合しようとする箇所にホーンを押し当てながら超音波振動を発生させる。この振動により、接合界面で冶金結合が生成され、連結部材および端子が電気的および機械的に接続される。

超音波接合による接合は、連結部材および端子に対して超音波振動を加える方法であるので、端子を支持するケースが超音波振動で変形することがないような強度を有する必要がある。

これに対し、連結部材および端子に物理的なストレスを与えることなしに、連結部材および端子を互いに接合することができるレーザ溶接が知られている（例えば、特許文献２参照）。レーザ溶接は、重ね合わせた金属にレーザ光を集光した状態で照射すると、重ね合わせた金属が局所的に互いに溶融し、その後、溶融部分が凝固することによって重ね合わせた金属が接合されるものである。このように、レーザ溶接は、レーザエネルギを局所的に集中させることによって母材をレーザ光の入射方向に溶融させていくものであるので、母材への入熱量の制御を厳密にやる必要がある。それでも、場合によっては、溶融部分が重ね合わせた金属を貫通してしまう可能性がある。そこで、特許文献２の発明では、重ね合わせた金属のレーザ光の入射側とは反対側に、レーザ溶接しようとする金属よりも融点が高い保護部材を配置している。これにより、溶接による貫通があったとしても保護部材が溶融の進行を止めるので、溶融部による周辺への損傷を抑止することができる。

なお、キャパシタと接続される半導体モジュールに関しては、次のような端子部を設ける技術も知られている。すなわち、半導体モジュールの端子部として、第１パワー端子、絶縁シートおよび第２パワー端子が順に重なり、絶縁シートから第１パワー端子の一部が露出し、当該一部と絶縁シートのテラス部を挟んで絶縁シート上に第２パワー端子が位置する端子積層部を設ける技術が知られている（例えば、特許文献３参照）。このような端子積層部の、絶縁シートから露出する第１パワー端子および絶縁シート上の第２パワー端子にそれぞれ、キャパシタの第１接続端子および第２接続端子がレーザ溶接される。

また、レーザ溶接に関しては、半導体装置の内部配線部材である上側端子と下側端子とをレーザ溶接する際に、上側端子と下側端子との間に隙間を設ける技術が知られている（例えば、特許文献４参照）。

このほか、レーザ溶接に関し、半導体装置の内部配線用リード材としてのリードフレームと、その接合相手部材であるヒートスプレッダとの間に、空隙穴を開口したスペーサを介挿し、その空隙穴に対応する位置にレーザ光を照射し、リードフレームとヒートスプレッダとを溶接する技術が知られている（例えば、特許文献５参照）。

また、電力変換装置のインバータ装置に用いられるパワーモジュールの直流正極配線板および直流負極配線板を含む電気配線板と、電力変換装置のコンデンサモジュールの正極導体板および負極導体板とを、レーザ溶接等で固着させる技術が知られている（例えば、特許文献６参照）。

また、一の導電性基板（導電部材）に接合された半導体素子の素子主面上に配置された金属板（電極部材）と、他の導電性基板（導電部材）とを導通させるリード部材（接続部材）とを、レーザ溶接によって接合する技術が知られている（例えば、特許文献７参照）。

また、半導体装置の、絶縁部材を間に挟んで配置される第１端子部および第２端子部と、バスバーの、絶縁部材を間に挟んで配置される第１供給端子および第２供給端子とを、レーザ溶接により、第１供給端子部が第１端子部に導通し、第２供給端子部が第２端子部に導通するように、接合する技術が知られている（例えば、特許文献８参照）。

特開２００７－２３４６９４号公報 国際公開第２０１９／０７７８６６号パンフレット 特開２０２１－１０６２３５号公報 国際公開第２０１３／０３９０９９号パンフレット 特開２００８－６６５６１号公報 特開２０１６－１８５０６７号公報 国際公開第２０２０／１７９３６９号パンフレット 国際公開第２０１９／２３９７７１号パンフレット

従来、レーザ溶接に関し、例えば上記特許文献２のように、重ね合わせた金属のレーザ光の入射側とは反対側に、レーザ溶接しようとする金属よりも融点が高い保護部材を配置することで、溶接による貫通があったとしても保護部材で溶融の進行を止め、溶融部による周辺への損傷を抑止する技術が知られている。

しかしながら、例えば上記特許文献３のように、キャパシタを接続する半導体モジュールの端子部が、シート状の絶縁層を正極および負極の外部端子で挟んだ積層構造を有している場合、レーザが照射される側の背面には絶縁層が配置されているので、保護部材を配置することができない。そのため、溶接による貫通が発生すると、絶縁層が熱的なストレスを受けて当該部分の材料の性質が変化し、本来の絶縁性能を保つことができなくなって、耐圧が低下してしまうという課題がある。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、積層構造を有する端子部にキャパシタの端子をレーザ溶接するときに、溶融部分の熱が絶縁層に伝わり難いようにした半導体モジュールを提供することを目的とする。

本発明の態様においては、樹脂ケースと、樹脂ケースから外側へ延びる絶縁層と、樹脂ケースから外側へ延びて絶縁層に対向して配置され、平面視で絶縁層と重なる位置で絶縁層の厚さ方向に絶縁層から離間する非接触部を有する第１外部接続端子と、を備える半導体モジュールが提供される。

本発明の別の態様においては、上記の半導体モジュールと、第１端子および第２端子を有するキャパシタとを備え、第１外部接続端子と第２端子とが第１外部接続端子のレーザ溶接部位を介して導電接続された、半導体装置が提供される。

本発明のさらに別の態様においては、樹脂ケースと、樹脂ケースから外側へ延びる絶縁層と、樹脂ケースから外側へ延びて絶縁層に対向して配置され、平面視で絶縁層と重なる位置で絶縁層の厚さ方向に絶縁層から離間する非接触部を有する第１外部接続端子と、絶縁層の第１外部接続端子とは反対側の面に配置された第２外部接続端子と、を備える半導体モジュールと、第１端子および第２端子を有するキャパシタと、を備える半導体装置の製造方法が提供される。この半導体装置の製造方法は、第１外部接続端子と第２端子とをレーザ溶接部位を介して導電接続させる工程を備える。

上記構成の半導体モジュールは、レーザ溶接による溶融部分の熱が非接触部によって遮断されて絶縁層に直接伝わらないので、絶縁層が溶融部分の熱で変質して端子部の耐圧が低下することがないという利点がある。

第１の実施の形態に係る半導体モジュールの接続機構を示す断面図である。 第１の実施の形態に係る半導体モジュールの端子部を説明する図であって、（ａ）は第１外部接続端子の平面図、（ｂ）は第１外部接続端子の延出方向先端側から見た正面図、（ｃ）は第１外部接続端子の側面図、（ｄ）は端子部の溶接部断面図である。 効果を説明する図であって、（ａ）は非接触部のない場合の端子部の温度分布を示す図、（ｂ）は非接触部がある場合の端子部の温度分布を示す図である。 第２の実施の形態に係る半導体モジュールの端子部を説明する図であって、（ａ）は第１外部接続端子の平面図、（ｂ）は第１外部接続端子の延出方向先端側から見た正面図、（ｃ）は第１外部接続端子の側面図、（ｄ）は端子部の溶接部断面図である。 第３の実施の形態に係る半導体モジュールの端子部を説明する図であって、（ａ）は第１外部接続端子の平面図、（ｂ）は第１外部接続端子の延出方向先端側から見た正面図、（ｃ）は第１外部接続端子の側面図、（ｄ）は端子部の溶接部断面図である。 第４の実施の形態に係る半導体モジュールの接続機構を示す断面図である。 第５の実施の形態に係る半導体モジュールの接続機構を示す断面図である。 第５の実施の形態に係る半導体モジュールの接続機構の変形例を示す断面図である。 第６の実施の形態に係る半導体装置の製造方法について説明する図である。

以下、本発明の実施の形態について、第２外部接続端子と絶縁層と第１外部接続端子との積層構造を有し、第１外部接続端子にはキャパシタの端子がレーザ溶接によって接合される端子部を備えた半導体モジュールを例に図面を参照して詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
図１は第１の実施の形態に係る半導体モジュールの接続機構を示す断面図である。図２は第１の実施の形態に係る半導体モジュールの端子部を説明する図であって、（ａ）は第１外部接続端子の平面図、（ｂ）は第１外部接続端子の延出方向先端側から見た正面図、（ｃ）は第１外部接続端子の側面図、（ｄ）は端子部の溶接部断面図である。図３は効果を説明する図であって、（ａ）は非接触部のない場合の端子部の温度分布を示す図、（ｂ）は非接触部がある場合の端子部の温度分布を示す図である。

第１の実施の形態に係る半導体モジュール１０は、図１に示したように、樹脂ケース１２と、その樹脂ケース１２から外部に延出された端子部１４とを有している。樹脂ケース１２には、電力変換を行う複数のパワーデバイスを有している。

端子部１４は、第２外部接続端子１６と、絶縁層１８と、第１外部接続端子２０とを有し、第２外部接続端子１６の上に絶縁層１８が配置され、絶縁層１８の上に第１外部接続端子２０が配置された積層構造を有している。端子部１４の第２外部接続端子１６、絶縁層１８および第１外部接続端子２０は、例えば、それぞれ樹脂ケース１２の内部に直線状に延びる形状とすることができる。端子部１４の第２外部接続端子１６は、樹脂ケース１２の中に収容されたパワーデバイスを含む回路の例えば負極の電源端子に接続され、第１外部接続端子２０はパワーデバイスを含む回路の例えば正極の電源端子に接続されている。

キャパシタ３０は、半導体モジュール１０に接続される外部素子であり、樹脂ケース３２、負極端子（第１端子）３４、シート状の可撓性絶縁部材３６および正極端子（第２端子）３８を有している。負極端子３４、可撓性絶縁部材３６および正極端子３８は、樹脂ケース３２の上部より延出されている。負極端子３４は、樹脂ケース３２から出た後に図の右方向に屈曲され、樹脂ケース３２の上面に平行に延出されている。正極端子３８は、樹脂ケース３２から出た後に負極端子３４よりも高い位置で図の左方向に屈曲され、樹脂ケース３２の上面に平行に延出されている。

半導体モジュール１０とキャパシタ３０との接続について、半導体モジュール１０の端子部１４の第２外部接続端子１６は、キャパシタ３０の負極端子３４と直接接合され、半導体モジュール１０の端子部１４の第１外部接続端子２０は、キャパシタ３０の正極端子３８と平板状の連結部材４０を介して接合されることにより導電接続される。第２外部接続端子１６とキャパシタ３０の負極端子３４とは、レーザ溶接により接続部位である溶接部位２２にて互いに溶融・凝固させることによって導電接続される。キャパシタ３０の正極端子３８と連結部材４０とは、レーザ溶接により接続部位である溶接部位４２にて互いに溶融・凝固させることにより導電接続され、連結部材４０と端子部１４の第１外部接続端子２０とは、レーザ溶接により接続部位である溶接部位２４にて互いに溶融・凝固させることにより導電接続される。

なお、以上のレーザ溶接は、最初に溶接部位２２で行い、次に、その溶接部位２２を覆うように可撓性絶縁部材３６を折り曲げ、第１外部接続端子２０および正極端子３８に連結部材４０を載置してから、溶接部位４２および溶接部位２４の順に行う。これにより、半導体モジュール１０およびキャパシタ３０の間では、絶縁層１８および可撓性絶縁部材３６を挟んで負極および正極の導体が平行に配置されるので、この連結部分のインダクタンスが低減される。

第１外部接続端子２０は、レーザ溶接により溶融される溶接部位２４のある面とは反対側の面、すなわち、絶縁層１８と接する面に凹部である溝部（非接触部）２６を有している。この第１外部接続端子２０の溝部２６は、図２に示したように、レーザ光が照射される溶接部位２４の直下であって絶縁層１８に接する側の面に樹脂ケース１２から延びる方向と交わる方向（図２（ａ）の上下方向）に延在する形で形成され、絶縁層１８と接触しない非接触部として機能する。溝部２６は、溶接部位２４の直下に絶縁層１８と直接接触しない空気層を形成する。したがって、溶接部位２４がレーザ溶接によって第１外部接続端子２０の融点よりも高温になったときに、その熱は、溝部２６により遮断されて絶縁層１８に直接伝わらないので、溶接部位２４の直下の絶縁層１８が受ける熱的ダメージが大幅に低減される。なお、第１外部接続端子２０は、溝部２６となる部分に金型を押し当てて塑性変形させることにより段差のある形状にするような塑性加工または切削加工を用いて形成される。また、第１外部接続端子２０は、その延出方向先端部よりも内側に溝部２６を形成して延出方向先端部で絶縁層１８と接触しているが、これは、絶縁層１８を延出方向先端部で押さえ込むためのものである。しかし、絶縁層１８の剛性が十分に高い場合には、絶縁層１８を押さえ込む必要がないので、第１外部接続端子２０の非接触部は、第１外部接続端子２０の先端まで延長することができる。

ここで、連結部材４０および第１外部接続端子２０は、導電性に優れた金属、例えば、銅または銅合金であり、厚さが０．８ｍｍ～３．０ｍｍである。溝部２６の深さは、第１外部接続端子２０の厚さの概ね最大１／３程度が好ましく、０．０５ｍｍ～１．０ｍｍであり、より好ましくは、０．１ｍｍである。レーザ光が照射される連結部材４０は、レーザ光源の種類に応じて照射位置でできるだけレーザ光の反射を抑えて吸収ができるように、少なくとも照射位置の領域にニッケルめっきを施したり、表面を荒らす加工を加えたりすることがある。絶縁層１８は、例えば、全芳香族ポリアミドポリマーによる絶縁紙、フッ素系、ポリイミド系の樹脂材料により形成された、厚さが０．２ｍｍ～０．５ｍｍ程度でシート状のものであり、耐熱温度は、３００℃～４００℃程度である。

連結部材４０、第１外部接続端子２０および絶縁層１８を積層した状態で、連結部材４０および第１外部接続端子２０をレーザ溶接した場合の溶接部位２４近傍の温度分布は、図３に例示したようになる。すなわち、溶融部分５０が連結部材４０を貫通して第１外部接続端子２０に達するように照射時間を制御したとき、銅の融点が１０８５℃であるので、溶融部分５０は、１０００℃以上になり、溶融部分５０から周囲に同心円状に伝熱されていく。

図３（ａ）に例示したように、絶縁層１８の側の面に非接触部を持たない第１外部接続端子２０ａを用いた場合、図示の例では、絶縁層１８は、４００℃～６００℃に達していることが分かる。この場合、絶縁層１８は、熱によって変質し、耐圧が、例えば、１０００Ｖあったものが５００Ｖまで低下してしまうことがある。

これに対し、図３（ｂ）に例示したように、絶縁層１８の側の面に溝部２６を有する第１外部接続端子２０を用いた場合、図示の例では、絶縁層１８は、２００℃～３００℃に抑えられていることが分かる。このため、絶縁層１８として、耐熱温度の低いものを使用することができるだけでなく、熱による変質を受けることがないので、耐圧が低下するような特性劣化を生じることもない。

［第２の実施の形態］
図４は第２の実施の形態に係る半導体モジュールの端子部を説明する図であって、（ａ）は第１外部接続端子の平面図、（ｂ）は第１外部接続端子の延出方向先端側から見た正面図、（ｃ）は第１外部接続端子の側面図、（ｄ）は端子部の溶接部断面図である。

第２の実施の形態に係る半導体モジュールの端子部１４ａは、第２外部接続端子１６と、絶縁層１８と、第１外部接続端子２０ｂとを有している。第２外部接続端子１６、絶縁層１８および第１外部接続端子２０ｂは、この順序で積層配置された構造を有している。端子部１４ａの第２外部接続端子１６、絶縁層１８および第１外部接続端子２０ｂは、例えば、それぞれ樹脂ケース１２の内部に直線状に延びる形状とすることができる。

第１外部接続端子２０ｂは、絶縁層１８のある側の面であって溶接部位２４の直下に平面視で長円形の凹部（非接触部）２６ａを有している。この凹部２６ａは、例えば、つぶし加工により段差を設けることによって形成される。凹部２６ａは、外周すべてに段差がある矩形であってもよい。

この第１外部接続端子２０ｂにおいても、溶接部位２４の直下に設けられた凹部２６ａが絶縁層１８と直接接触しない非接触部を構成する。したがって、溶接部位２４がレーザ溶接によって第１外部接続端子２０ｂの融点よりも高温になったとしても、その熱は、凹部２６ａ内の空気層により遮断されて絶縁層１８に直接伝わることがないので、絶縁層１８は、熱的ダメージを受けることがない。

［第３の実施の形態］
図５は第３の実施の形態に係る半導体モジュールの端子部を説明する図であって、（ａ）は第１外部接続端子の平面図、（ｂ）は第１外部接続端子の延出方向先端側から見た正面図、（ｃ）は第１外部接続端子の側面図、（ｄ）は端子部の溶接部断面図である。

第３の実施の形態に係る半導体モジュールの端子部１４ｂは、第２外部接続端子１６と、絶縁層１８と、第１外部接続端子２０ｃとを有している。第２外部接続端子１６、絶縁層１８および第１外部接続端子２０ｃは、この順序で積層配置された構造を有している。端子部１４ｂの第２外部接続端子１６、絶縁層１８および第１外部接続端子２０ｃは、例えば、それぞれ樹脂ケース１２の内部に直線状に延びる形状とすることができる。端子部１４ｂの第１外部接続端子２０ｃについては、例えば、樹脂ケース１２の内部に延ばされ、折り曲げられて樹脂ケース１２の内部の絶縁層１８に接するような形状とすることもできる。

第１外部接続端子２０ｃは、絶縁層１８のある側の面であって溶接部位２４の直下の領域の近傍にスペーサとなる突起部２６ｂを有し、絶縁層１８と接触しない非接触部を構成している。この突起部２６ｂは、例えば、円筒状部材を第１外部接続端子２０ｃの溶接部位２４とは反対側の面に貼付、植設等の固定手段によって固定される。または、好ましくは、半抜き加工により、板状の銅板にパンチをレーザ光の入射方向に押し込むことで反対側の面に押し出されて形成される膨出部を突起部２６ｂとしている。図示の例では、第１外部接続端子２０ｃは、４個の突起部２６ｂを有しているが、突起部２６ｂは、この数に限定されるものではなく、１個以上であればよい。突起部２６ｂは、また、非接触部をなす領域よりも樹脂ケース１２から離れて配置されてもよい。

例えば、第１外部接続端子２０ｃの突起部２６ｂは、樹脂ケース１２から突起部２６ｂまでの距離が、樹脂ケース１２から第１外部接続端子２０ｃの延出方向先端部（端部）までの距離の半分よりも長くなるように、配置される。換言すれば、突起部２６ｂは、樹脂ケース１２から第１外部接続端子２０ｃの延出方向先端部までの距離の半分よりも、樹脂ケース１２から遠くに離れた位置に、配置される。

この第１外部接続端子２０ｃにおいても、溶接部位２４の面とは反対側の面が突起部２６ｂによって絶縁層１８から浮いているので、絶縁層１８と直接接触しない非接触部を構成している。したがって、溶接部位２４がレーザ溶接によって第１外部接続端子２０ｃの融点よりも高温になったとしても、その熱は、第１外部接続端子２０ｃが絶縁層１８から浮いていることによってできる空気層により遮断される。これにより、レーザ溶接による熱が絶縁層１８に直接伝わることがないので、絶縁層１８は、熱的ダメージを受けることがない。

なお、この第３の実施の形態に係る半導体モジュールの端子部１４ｂにおいて、第１外部接続端子２０ｃには、突起部２６ｂに加えて、上記第１の実施の形態で述べた例に従い、溶接部位２４の直下に溝部２６が設けられてもよく、また、上記第２の実施の形態で述べた例に従い、溶接部位２４の直下に凹部２６ａが設けられてもよい。このように第１外部接続端子２０ｃに、溝部２６または凹部２６ａと突起部２６ｂとを組み合わせた構成を採用することで、溶接部位２４の直下には、絶縁層１８からの高さが突起部２６ｂの高さよりも溝部２６または凹部２６ａの深さ分だけ高い空間が形成される。これにより、突起部２６ｂを介して絶縁層１８と対向する第１外部接続端子２０ｃの絶縁層１８に対する高さは変わらないまま、その溶接部位２４の直下には、突起部２６ｂのみで形成される場合よりも大きな空間が形成される。そのため、レーザ溶接時の溶接部位２４の熱を遮断する効果が高められ、当該熱が絶縁層１８に伝わることが、より効果的に抑えられるようになる。

［第４の実施の形態］
図６は第４の実施の形態に係る半導体モジュールの接続機構を示す断面図である。この図６において、図１に示した構成要素と同じまたは均等の構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

第４の実施の形態に係る半導体モジュール１０ａは、樹脂ケース１２ａを有している。樹脂ケース１２ａは、第１の実施の形態の樹脂ケース１２と比較して、第２外部接続端子１６のキャパシタ３０の負極端子３４と接合される面とは反対側の面であって、溶接部位２２の直下の表面領域１６ａが接触していない構成になっている。このためには、第２外部接続端子１６は、平面視で樹脂ケース１２ａの外周よりも外側に溶接部位２２の直下の表面領域１６ａの長さ分だけ突出している。

樹脂ケース１２ａが溶接部位２２の直下の表面領域１６ａを避けて形成されているので、第２外部接続端子１６にキャパシタ３０の負極端子３４をレーザ溶接するとき、熱が樹脂ケース１２ａに伝わって、樹脂ケース１２ａが変形したり変色したりすることが回避される。

樹脂ケース１２ａは、インサート成形により熱可撓性樹脂を用いて端子部１４と一体に成形される。熱可撓性樹脂は、例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）樹脂、ポリブチレンサクシネート（ＰＢＳ）樹脂、ポリアミド（ＰＡ）樹脂、または、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）樹脂等である。これら樹脂の耐熱温度は、３００℃～４００℃程度である。

なお、図６では、上記第１の実施の形態で述べたような溝部２６を有する第１外部接続端子２０を備えた端子部１４を樹脂ケース１２ａに採用した例を示したが、樹脂ケース１２ａに採用する端子部の形態は、この図６に示したものには限定されない。樹脂ケース１２ａには、上記第２の実施の形態で述べたような凹部２６ａを有する第１外部接続端子２０ｂを備えた端子部１４ａ、あるいは上記第３の実施の形態で述べたような突起部２６ｂを有する第１外部接続端子２０ｃを備えた端子部１４ｂ、あるいは溝部２６または凹部２６ａと突起部２６ｂとを組み合わせたような端子部が採用されてもよい。樹脂ケース１２ａにこのような端子部１４ａ、端子部１４ｂ等が採用される場合にも、第２外部接続端子１６の、キャパシタ３０の負極端子３４がレーザ溶接される部位の直下における表面領域を、樹脂ケース１２ａの外側に突出させる構成とすることで、負極端子３４のレーザ溶接時の熱が樹脂ケース１２ａに伝わることを回避し、樹脂ケース１２ａに変形や変色が生じることを回避することができる。

［第５の実施の形態］
図７は第５の実施の形態に係る半導体モジュールの接続機構を示す断面図である。この図７において、図１に示した構成要素と同じまたは均等の構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

第５の実施の形態に係る半導体モジュール１０ｂは、図７に示したように、樹脂ケース１２ｂと、樹脂ケース１２ｂから外側に部分的に延出された端子部１４ｃとを有している。樹脂ケース１２ｂ内には、電力変換を行う複数のパワーデバイスが収容される。

端子部１４ｃは、第２外部接続端子１６ｂと、絶縁層１８ａと、第１外部接続端子２０ｄとを有し、第２外部接続端子１６ｂの上に絶縁層１８ａが配置され、絶縁層１８ａの上に第１外部接続端子２０ｄが配置された積層構造を有している。端子部１４ｃの第２外部接続端子１６ｂは、樹脂ケース１２ｂ内に収容されたパワーデバイスを含む回路の、例えば負極の電源端子に接続されている。端子部１４ｃの第１外部接続端子２０ｄは、樹脂ケース１２ｂ内に収容されたパワーデバイスを含む回路の、例えば正極の電源端子に接続されている。

ここで、端子部１４ｃの第２外部接続端子１６ｂは、一部が樹脂ケース１２ｂに封止されてその内部に配置され、他部が樹脂ケース１２ｂから外側へ延びた平板状である。第２外部接続端子１６ｂは、樹脂ケース１２ｂの外部から内部に直線状に延びる。第２外部接続端子１６ｂは、樹脂ケース１２ｂの外部に配置される部位に、キャパシタ３０の負極端子３４がレーザ溶接によって溶接される溶接部位２２を有する。第２外部接続端子１６ｂには、銅、銅合金等の導電性に優れた金属が用いられる。

端子部１４ｃの絶縁層１８ａは、一部が樹脂ケース１２ｂに封止されてその内部に配置され、他部が樹脂ケース１２ｂから外側へ延びたシート状である。絶縁層１８ａは、樹脂ケース１２ｂの外部から内部に直線状に延びる。絶縁層１８ａには、全芳香族ポリアミドポリマーによる絶縁紙、フッ素系、ポリイミド系の樹脂材料等が用いられる。

端子部１４ｃの第１外部接続端子２０ｄは、一部が樹脂ケース１２ｂに封止されてその内部に配置され、他部が樹脂ケース１２ｂから外側へ延びた形状を有する。第１外部接続端子２０ｄの、樹脂ケース１２ｂの内部に配置される部位は、絶縁層１８ａに対向して配置された第１領域２０ｄ１と、絶縁層１８ａに接している第２領域２０ｄ２と、両端が第１領域２０ｄ１および第２領域２０ｄ２に折り曲げて接続された第３領域２０ｄ３とを有する。第１外部接続端子２０ｄは、樹脂ケース１２ｂの外部に配置される部位に、キャパシタ３０の正極端子３８と接続される連結部材４０がレーザ溶接によって溶接される溶接部位２４を有する。第１外部接続端子２０ｄには、銅、銅合金等の導電性に優れた金属が用いられる。

第１外部接続端子２０ｄの、樹脂ケース１２ｂの内部に配置される部位は、絶縁層１８ａと離間して対向する第１領域２０ｄ１と、絶縁層１８ａに接する第２領域２０ｄ２とを含むように、それらと接続される第３領域２０ｄ３の位置で折り曲げられた形状を有する。なお、樹脂ケース１２ｂの内部における第１外部接続端子２０ｄの折れ曲がりの形状は、絶縁層１８ａに接する第２領域２０ｄ２と第３領域２０ｄ３を介して接続される第１領域２０ｄ１が、絶縁層１８ａと離間して対向するように折り曲げられるものであれば、必ずしも図７に示したような９０°で２回折れ曲がれるクランク形状であることを要しない。図７に示したような断面視において、第２領域２０ｄ２と第３領域２０ｄ３とのなす角度は、９０°に限らず、鋭角とされてもよいし、鈍角とされてもよい。図７に示したような断面視において、第３領域２０ｄ３と第１領域２０ｄ１とのなす角度は、９０°に限らず、鋭角とされてもよいし、鈍角とされてもよい。また、第１外部接続端子２０ｄの折れ曲がりの回数は、２回に限らず、３回以上とされてもよい。

第１外部接続端子２０ｄの、樹脂ケース１２ｂの外部に配置される部位は、樹脂ケース１２ｂの内部に絶縁層１８ａと離間して対向するように配置された第１領域２０ｄ１と接続され、樹脂ケース１２ｂから外側へ延びる。樹脂ケース１２ｂから外側へ延びる第１外部接続端子２０ｄは、第２外部接続端子１６ｂおよびその上の絶縁層１８ａと平行に離間して対向して配置される。樹脂ケース１２ｂから外側へ延びる第１外部接続端子２０ｄと、第２外部接続端子１６ｂの上の絶縁層１８ａとの間には、空間（非接触部）２６ｃが設けられる。半導体モジュール１０ｂでは、第１外部接続端子２０ｄの、樹脂ケース１２ｂから外側へ延びる部位の絶縁層１８ａの側の面がすべて、第１外部接続端子２０ｄが絶縁層１８ａと接触しない非接触部となる。

樹脂ケース１２ｂから外側へ延びる第１外部接続端子２０ｄと第２外部接続端子１６ｂとの間の、絶縁層１８ａの厚さ方向または空間２６ｃの高さ方向の距離は、例えば、０．０５ｍｍ～２．０ｍｍの範囲に設定される。半導体モジュール１０ｂの動作時には、絶縁層１８ａおよび空間２６ｃを介して平行に離間して対向する第１外部接続端子２０ｄと第２外部接続端子１６ｂとが反対の極性とされ、インダクタンスの低減が図られる。第１外部接続端子２０ｄと第２外部接続端子１６ｂとの間の距離が２．０ｍｍを上回ると、このようなインダクタンスの低減効果が小さくなるか、あるいは得られなくなる恐れがある。第１外部接続端子２０ｄと第２外部接続端子１６ｂとの間の距離が０．０５ｍｍを下回ると、後述のようなレーザ溶接時の空間２６ｃによる熱の遮断効果が小さくなるか、あるいは得られなくなる恐れがある。

樹脂ケース１２ｂから外側へ延びる第１外部接続端子２０ｄと第２外部接続端子１６ｂとの間に設けられる絶縁層１８ａは、第１外部接続端子２０ｄと第２外部接続端子１６ｂとの間の絶縁層１８ａを介した絶縁距離（沿面距離）が確保されるような形状とされる。例えば、第１外部接続端子２０ｄと第２外部接続端子１６ｂとの間の、絶縁層１８ａの厚さ方向または空間２６ｃの高さ方向の距離が、上記のようなインダクタンスの低減効果が得られる距離の範囲内である場合には、図７に示したように、絶縁層１８ａの延出方向先端部が、第１外部接続端子２０ｄの延出方向先端部よりも、第２外部接続端子１６ｂの延出方向先端部側に位置するような形状とされる。第１外部接続端子２０ｄの延出方向先端部と、絶縁層１８ａの延出方向先端部よりも外側に露出する第２外部接続端子１６ｂとの間の絶縁距離が十分に確保されるように、第１外部接続端子２０ｄおよび絶縁層１８ａの各々の延出方向先端部の位置が設定される。なお、絶縁層１８ａの形状の設定に際しては、この図７に示したような断面視での絶縁距離のほか、図７の紙面手前方向および奥行方向における絶縁距離も考慮されて、絶縁層１８ａの形状が設定される。

端子部１４ｃの第１外部接続端子２０ｄは、平板状の部材を、金型を用いた塑性加工等によって折り曲げることで形成される。端子部１４ｃは、平板状の第２外部接続端子１６ｂ、シート状の絶縁層１８ａ、および折り曲げられた形状の第１外部接続端子２０ｄが、絶縁層１８ａの一方の面に第２外部接続端子１６ｂが接し且つ絶縁層１８ａの他方の面に第１外部接続端子２０ｄの第２領域２０ｄ２および第３領域２０ｄ３の一端が接するように、順に積層される。端子部１４ｃは、第２外部接続端子１６ｂ、絶縁層１８ａおよび第１外部接続端子２０ｄがこのように順に積層された状態で、樹脂ケース１２ｂに用いられるＰＰＳ樹脂等の樹脂材料でインサート成形されることによって、樹脂ケース１２ｂと一体に成形される。

上記のような半導体モジュール１０ｂと、キャパシタ３０との接続について、半導体モジュール１０ｂの端子部１４ｃの第２外部接続端子１６ｂは、キャパシタ３０の負極端子３４と直接接合されることにより導電接続される。半導体モジュール１０ｂの端子部１４ｃの第１外部接続端子２０ｄは、キャパシタ３０の正極端子３８と平板状の連結部材４０を介して接合されることにより導電接続される。

半導体モジュール１０ｂの端子部１４ｃの第２外部接続端子１６ｂと、キャパシタ３０の負極端子３４との導電接続では、第２外部接続端子１６ｂの上に負極端子３４が配置され、負極端子３４の側から溶接部位２２に対してレーザ光が照射されて、負極端子３４と第２外部接続端子１６ｂとがレーザ溶接される。負極端子３４と第２外部接続端子１６ｂとは、レーザ溶接により接続部位である溶接部位２２にて互いに溶融・凝固されることによって導電接続される。すなわち、負極端子３４と第２外部接続端子１６ｂとは、レーザ溶接により、溶接部位２２を介して導電接続される。

半導体モジュール１０ｂの端子部１４ｃの第１外部接続端子２０ｄと、キャパシタ３０の正極端子３８との、連結部材４０を介した導電接続では、樹脂ケース１２ｂから外側へ延びる第１外部接続端子２０ｄの上（空間２６ｃとは反対側）および正極端子３８の上に連結部材４０が載置される。そして、連結部材４０の側から溶接部位４２に対してレーザ光が照射され、連結部材４０と正極端子３８とがレーザ溶接される。また、連結部材４０の側から溶接部位２４に対してレーザ光が照射され、連結部材４０と第１外部接続端子２０ｄとがレーザ溶接される。なお、溶接部位４２および溶接部位２４のレーザ溶接の順序は問わない。連結部材４０と正極端子３８とは、レーザ溶接により接続部位である溶接部位４２にて互いに溶融・凝固されることによって導電接続され、連結部材４０と第１外部接続端子２０ｄとは、レーザ溶接により接続部位である溶接部位２４にて互いに溶融・凝固されることによって導電接続される。すなわち、連結部材４０と正極端子３８とは、レーザ溶接により、溶接部位４２を介して導電接続され、連結部材４０と第１外部接続端子２０ｄとは、レーザ溶接により、溶接部位２４を介して導電接続される。

半導体モジュール１０ｂでは、樹脂ケース１２ｂから外側へ延びる第１外部接続端子２０ｄの、レーザ溶接により溶融される溶接部位２４のある面とは反対の面側、すなわち、第２外部接続端子１６ｂおよびその上の絶縁層１８ａと対向する面側に、空間２６ｃが設けられている。この空間２６ｃは、第１外部接続端子２０ｄを上記のような形状、すなわち、樹脂ケース１２ｂの内部で絶縁層１８ａから離間するように折り曲げ、樹脂ケース１２ｂの外側に延ばした形状とすることで、形成される。半導体モジュール１０ｂでは、連結部材４０とレーザ溶接される溶接部位２４の直下に、樹脂ケース１２ｂから外側へ延びる第１外部接続端子２０ｄ、それと絶縁層１８ａとの間に挟まれた空間２６ｃ、絶縁層１８ａおよび第２外部接続端子１６ｂが配置される。

このように半導体モジュール１０ｂでは、溶接部位２４の直下において、樹脂ケース１２ｂから外側へ延びる第１外部接続端子２０ｄと絶縁層１８ａとの間に空間２６ｃが設けられていることで、樹脂ケース１２ｂから外側へ延びる第１外部接続端子２０ｄが絶縁層１８ａと接触しないようになっている。空間２６ｃは、樹脂ケース１２ｂから外側へ延びる第１外部接続端子２０ｄを絶縁層１８と接触させない非接触部として機能する。空間２６ｃは、溶接部位２４の直下に、第１外部接続端子２０ｄが絶縁層１８ａと直接接触しない空気層を形成する。したがって、溶接部位２４がレーザ溶接によって第１外部接続端子２０ｄの融点よりも高温になったときに、その熱は、空間２６ｃにより遮断されて絶縁層１８ａに直接伝わらないので、溶接部位２４の直下の絶縁層１８ａが受ける熱的ダメージが大幅に低減される。これにより、絶縁層１８ａが熱によって変質し、端子部１４ｃの耐圧が低下することが効果的に抑えられる。また、絶縁層１８ａの熱による変質が抑えられるため、絶縁層１８ａとして耐熱温度の低いものを使用することも可能になる。

上記のような構成を有する端子部１４ｃを採用することで、高品質かつ高性能の半導体モジュール１０ｂ、およびそのような半導体モジュール１０ｂとキャパシタ３０とが接続された高品質かつ高性能の半導体装置が実現される。

また、図８は第５の実施の形態に係る半導体モジュールの接続機構の変形例を示す断面図である。この図８において、図１および図７に示した構成要素と同じまたは均等の構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

図８に示す半導体モジュール１０ｃは、上記第４の実施の形態で述べた半導体モジュール１０ａ（図６）の例に従い、第２外部接続端子１６ｂのキャパシタ３０の負極端子３４と接合される面とは反対側の面であって、溶接部位２２の直下の表面領域１６ａを、樹脂ケース１２ｂと接触しない構成としている点で、上記半導体モジュール１０ｂと相違する。すなわち、この図８に示した半導体モジュール１０ｃのように、第２外部接続端子１６ｂは、樹脂ケース１２ｂの外周よりも突出するように設けられてもよい。このようにすると、樹脂ケース１２ｂが溶接部位２２の直下を避けて形成されるので、第２外部接続端子１６ｂにキャパシタ３０の負極端子３４をレーザ溶接するとき、熱が樹脂ケース１２ｂに伝わって、樹脂ケース１２ｂが変形したり変色したりすることが回避される。

なお、この第５の実施の形態の例に従い、上記第３の実施の形態で述べた端子部１４ｂ（図５）の第２外部接続端子１６および絶縁層１８を、それぞれ樹脂ケース１２の内部に直線状に延ばした形状とし、第１外部接続端子２０ｃを、樹脂ケース１２の内部に延ばし、折り曲げて樹脂ケース１２の内部の絶縁層１８に接触させるような形状とすることもできる。また、この第５の実施の形態に係る半導体モジュール１０ｂおよび半導体モジュール１０ｃ（図７及び図８）において、樹脂ケース１２ｂの外側に延びる第１外部接続端子２０ｄに、上記第３の実施の形態で述べた例に従い、絶縁層１８ａとの間のスペーサとなる突起部２６ｂを設けることもできる。

このほか、第５の実施の形態に係る半導体モジュール１０ｂおよび半導体モジュール１０ｃ（図７及び図８）において、樹脂ケース１２ｂの外側に延びる第１外部接続端子２０ｄには、上記第１の実施の形態で述べたような溝部２６、あるいは上記第２の実施の形態で述べたような凹部２６ａ、あるいは溝部２６または凹部２６ａと突起部２６ｂとを組み合わせたものを設けることもできる。

［第６の実施の形態］
ここでは、上記のような半導体装置の製造方法の例を、第６の実施の形態として説明する。

図９は第６の実施の形態に係る半導体装置の製造方法について説明する図である。
半導体装置の製造では、上記第１～第５の実施の形態で述べたような構成を有する半導体モジュール、例えば、半導体モジュール１０、半導体モジュール１０ａ、半導体モジュール１０ｂ、半導体モジュール１０ｃ等が準備される（ステップＳ１）。また、ステップＳ１で準備される半導体モジュール１０等と接続される、上記のようなキャパシタ３０が準備される（ステップＳ２）。さらにまた、ステップＳ１で準備される半導体モジュール１０等と、ステップＳ２で準備されるキャパシタ３０との接続に用いられる、上記のような連結部材４０が準備される（ステップＳ３）。なお、ステップＳ１～Ｓ３の順序は問わない。

半導体モジュール１０等、キャパシタ３０および連結部材４０の準備後、まず、半導体モジュール１０等の第２外部接続端子１６，１６ｂとキャパシタ３０の負極端子３４とが、溶接部位２２でレーザ溶接される（ステップＳ４）。その際は、第２外部接続端子１６，１６ｂの上に、負極端子３４が載置され、負極端子３４の側から溶接部位２２に対してレーザ光が照射される。これにより、負極端子３４と第２外部接続端子１６，１６ｂとがレーザ溶接されて導電接続される。

負極端子３４と第２外部接続端子１６，１６ｂとのレーザ溶接後、その溶接部位２２を覆うように、キャパシタ３０の可撓性絶縁部材３６が折り曲げられる（ステップＳ５）。

次いで、半導体モジュール１０等の第１外部接続端子２０，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄおよびキャパシタ３０の正極端子３８の上に、連結部材４０が載置される（ステップＳ６）。

そして、第１外部接続端子２０，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄとその上に載置された連結部材４０の一端部とが、溶接部位２４でレーザ溶接され（ステップＳ７）、正極端子３８とその上に載置された連結部材４０の他端部とが、溶接部位４２でレーザ溶接される（ステップＳ８）。その際は、連結部材４０の側から溶接部位２４及び溶接部位４２に対してレーザ光が照射される。これにより、連結部材４０と第１外部接続端子２０，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄとがレーザ溶接されて導電接続され、連結部材４０と正極端子３８とがレーザ溶接されて導電接続される。なお、ステップＳ７，Ｓ８の順序は問わない。

例えば、このステップＳ１～Ｓ８のような方法が用いられ、半導体装置が製造される。
半導体装置の製造において、上記のように、溶接部位２４の直下には、第１外部接続端子２０，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄと絶縁層１８，１８ａとの間に、溝部２６、凹部２６ａ、突起部２６ｂ、空間２６ｃ等によって非接触部が設けられる。そのため、溶接部位２４の直下には、第１外部接続端子２０，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄが絶縁層１８，１８ａと直接接触しない空気層が形成される。したがって、溶接部位２４がレーザ溶接によって第１外部接続端子２０，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄの融点よりも高温になったときに、その熱は、当該空気層で遮断されて絶縁層１８，１８ａに直接伝わらないので、溶接部位２４の直下の絶縁層１８，１８ａが受ける熱的ダメージが低減される。これにより、絶縁層１８，１８ａの熱による変質、それによる耐圧の低下が抑えられる。高品質かつ高性能の半導体モジュール１０等とキャパシタ３０とが接続された高品質かつ高性能の半導体装置が実現される。

１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ 半導体モジュール
１２，１２ａ，１２ｂ 樹脂ケース
１４，１４ａ，１４ｂ，１４ｃ 端子部
１６，１６ｂ 第２外部接続端子
１６ａ 表面領域
１８，１８ａ 絶縁層
２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ 第１外部接続端子
２０ｄ１ 第１領域
２０ｄ２ 第２領域
２０ｄ３ 第３領域
２２，２４ 溶接部位
２６ 溝部（非接触部）
２６ａ 凹部（非接触部）
２６ｂ 突起部
２６ｃ 空間（非接触部）
３０ キャパシタ
３２ 樹脂ケース
３４ 負極端子（第１端子）
３６ 可撓性絶縁部材
３８ 正極端子（第２端子）
４０ 連結部材
４２ 溶接部位
５０ 溶融部分

Claims (17)

1. 樹脂ケースと、
   前記樹脂ケースから外側へ延びる絶縁層と、
   前記樹脂ケースから外側へ延びて前記絶縁層に対向して配置され、平面視で前記絶縁層と重なる位置で前記絶縁層の厚さ方向に前記絶縁層から離間する非接触部を有する第１外部接続端子と、
   を備える、半導体モジュール。
2. 前記絶縁層は、前記樹脂ケースの内部に直線状に延び、
   前記第１外部接続端子は、前記樹脂ケースの内部に配置されて前記絶縁層に対向して配置された第１領域と、前記樹脂ケースの内部に配置されて前記絶縁層に接している第２領域と、前記樹脂ケースの内部に配置されて両端が前記第１領域および前記第２領域に折り曲げて接続された第３領域とを有する、請求項１記載の半導体モジュール。
3. 前記第１外部接続端子の一部は、前記絶縁層に接しており、
   前記非接触部は、前記第１外部接続端子の前記絶縁層側の面に配置された凹部である、
   請求項１に記載の半導体モジュール。
4. 前記凹部は、前記第１外部接続端子の前記絶縁層に接する側の面に前記樹脂ケースから延びる方向と交わる方向に延在している、請求項３に記載の半導体モジュール。
5. 前記凹部は、平面視で長円形または矩形である、請求項４に記載の半導体モジュール。
6. 前記第１外部接続端子は、前記非接触部近傍の面に少なくとも１つの突起部を有している、請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
7. 前記樹脂ケースから前記突起部までの距離は、前記樹脂ケースから前記第１外部接続端子の端部までの距離の半分よりも長い、請求項６に記載の半導体モジュール。
8. 前記第１外部接続端子の前記樹脂ケースから外側に延びる部位の前記絶縁層側の面が、すべて前記非接触部である請求項１または２に記載の半導体モジュール。
9. 前記絶縁層の前記第１外部接続端子とは反対側の面に第２外部接続端子を有する、請求項１から８のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
10. 前記第２外部接続端子は、平面視で前記樹脂ケースの外周よりも外側に突出している、請求項９に記載の半導体モジュール。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載の前記半導体モジュールと、
    第１端子および第２端子を有するキャパシタとを備え、
    前記第１外部接続端子と前記第２端子とが前記第１外部接続端子のレーザ溶接部位を介して導電接続された、半導体装置。
12. 一方が前記第１外部接続端子に接続され、他方が前記第２端子に接続された平板状の連結部材を備え、
    前記第１外部接続端子および前記連結部材の接続部位と前記第２端子および前記連結部材の接続部位とにレーザ溶接部位を有する、
    請求項１１に記載の半導体装置。
13. 請求項９または１０に記載の前記半導体モジュールと、
    第１端子および第２端子を有するキャパシタとを備え、
    前記第２外部接続端子が前記第１端子と接続されており、前記第２外部接続端子および前記第１端子の接続部位にレーザ溶接部位を有する、半導体装置。
14. 樹脂ケースと、前記樹脂ケースから外側へ延びる絶縁層と、前記樹脂ケースから外側へ延びて前記絶縁層に対向して配置され、平面視で前記絶縁層と重なる位置で前記絶縁層の厚さ方向に前記絶縁層から離間する非接触部を有する第１外部接続端子と、前記絶縁層の前記第１外部接続端子とは反対側の面に配置された第２外部接続端子と、を備える半導体モジュールと、
    第１端子および第２端子を有するキャパシタと、
    を備える半導体装置の製造方法において、
    前記第１外部接続端子と前記第２端子とをレーザ溶接部位を介して導電接続させる工程を備える、半導体装置の製造方法。
15. 前記第１外部接続端子と前記第２端子とを導電接続するレーザ溶接部位は、前記第１外部接続端子の前記非接触部とは反対側からレーザを照射して形成される、請求項１４に記載の半導体装置の製造方法。
16. 前記第２外部接続端子と前記第１端子とをレーザ溶接部位を介して導電接続させる工程を備える、請求項１４または１５に記載の半導体装置の製造方法。
17. 前記半導体装置が、一方が前記第１外部接続端子に接続され、他方が前記第２端子に接続される平板状の連結部材を備え、
    前記第１外部接続端子および前記連結部材の接続部位と前記第２端子および前記連結部材の接続部位とをそれぞれレーザ溶接する工程を備える、
    請求項１４から１６のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。

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