JP2023162108A - 樹脂封止型半導体装置及び電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パワーモジュール自体が焼損することを防止する。
【解決手段】第２の接合材４により半導体素子２の上側の面に接合された第２のリードフレーム６と、第２の接合材４により半導体素子１の上側の面に接合された第３のリードフレーム７と、これら全体を封止するモールド樹脂１０を有し、第２の接合材４の液相線温度がモールド樹脂１０の発煙または発火に至る温度よりも低くなるように設定し、かつ第２の接合材４が溶融する時に、第２の接合材４がヒートスプレッダー３、１６と半導体素子１、２を接合するための第１の接合材１３と結合できるように第２の接合材４の量を実装する。
【選択図】図２

Description

本願は、樹脂封止型半導体装置及び電力変換装置に関するものである。

電力用半導体素子を実装した半導体装置では、近年大容量化が進んでいる。電力用半導体素子に大電流を流すためには、半導体素子に発生する熱を、接続するために使用される半田などにより効率よく放散させる必要がある。また、半導体素子のＯＮ／ＯＦＦに起因する温度サイクルによる破損のみを防止する構造があった。

従来の電力用半導体モジュールとしては、リード端子と半導体素子とを接合するリード端子下はんだの０．２％耐力が、半導体素子と絶縁基板とを接合する半導体素子下はんだの０．２％耐力よりも低くしたものがあった。これにより半導体素子の表面電極にかかるストレスを低減し、ヒートサイクルに対する信頼性の向上を図るようにしていた。

特許第６７５０２６３号

近年の半導体装置における小型化並びに高出力化の需要により、モジュール内部の半導体素子がヒートサイクル等に起因して破損した場合、半導体素子の電気抵抗値が上昇し、半導体素子が定格温度を超えて発熱し、半導体素子の温度が封止樹脂の発煙または発火に至る温度に到達し、モジュール自体が発煙並びに発火する可能性があった。

本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、半導体素子がヒートサイクル等に起因して電気抵抗値が増加した場合でも、放熱することで耐える構造にし、放熱が追い付かずに耐えられなくなった際には、半導体素子の上下で回路を短絡させることにより、それ以上の発熱を抑制させ、パワーモジュール自体が焼損することを防止することを目的とする。

本願に開示される樹脂封止型半導体装置は、
第１の接合材によりヒートスプレッダーの第１方向上側の面に接合されている半導体素子と、
第２の接合材により前記半導体素子の第１方向上側の面に接合されたリードフレームと、
前記半導体素子と、前記ヒートスプレッダーと、前記リードフレームを封止するモールド樹脂を有するものであって、
前記第２の接合材の液相線温度が前記モールド樹脂における予め設定された温度よりも低くなるように設定し、かつ前記第２の接合材が溶融する時に、前記第２の接合材が前記第１の接合材と結合できるように前記第２の接合材の量を実装するものである。

又本願に開示される電力変換装置は、前記第２のリードフレームが隣接する平滑コンデンサの底面まで延びているものである。

本願に開示される樹脂封止型半導体装置及び電力変換装置によれば、パワーモジュール自体が焼損することを防止することができる。

実施の形態１による樹脂封止型半導体装置の平面図である。 図１におけるＡ－Ａ線断面図である。 図２におけるＢ部拡大断面図である。 図２におけるＣ部拡大断面図である。 実施の形態１による樹脂封止型半導体装置と隣接する平滑コンデンサとの接続状態を示す断面図である。 実施の形態１による樹脂封止型半導体装置と隣接する平滑コンデンサとの接続状態を示す平面図である。 実施の形態１による樹脂封止型半導体装置と隣接する平滑コンデンサとの接続状態を示す回路図である。

実施の形態１．
本実施の形態は、モールド樹脂で封止してなる樹脂封止型半導体装置に関するものであり、特にその構造及び実装方法に関するものである。
まず、樹脂封止型半導体装置の構成について説明する。図１は本実施の形態による樹脂封止型半導体装置の平面図、図２は図１におけるＡ－Ａ線断面図である。図２において、装置の垂直方向を第１方向とし、第１方向に対して垂直な方向である水平方向を第２方向とする。そして装置の垂直方向において上側に位置する場合を第１方向上側とし、装置の垂直方向において下側に位置する場合を第１方向下側とする。更に図３は図２におけるＢ部拡大断面図であり、図４は図２におけるＣ部拡大断面図である。図５は樹脂封止型半導体装置と隣接する平滑コンデンサとの接続状態を示す断面図であり、図６は同じく平面図である。更に図７は樹脂封止型半導体装置と隣接する平滑コンデンサとの接続状態を示す回路図であり、以下に示すパワーモジュールを備えた電力変換装置を示す回路図である。

樹脂封止型半導体装置は、パワーモジュール１００と、冷却器１２を備えている。冷却器１２の第１方向上側の面には、パワーモジュール１００がモジュール接合材１１により接合されている。冷却器１２におけるパワーモジュール１００の実装面と対向する面、即ち冷却器１２の第１方向下側の面には、図示しない複数の放熱フィンが設けられている。尚冷却器１２は、金属製の平板状のヒートシンクにより構成されているが、たとえば内部に冷却液を通流させる流路を備えた液冷式の冷却器であってもよい。

パワーモジュール１００は、半導体素子１（第１半導体素子）と、半導体素子２（第２半導体素子）を有する。又パワーモジュール１００は、第１のヒートスプレッダー３と、第２のヒートスプレッダー１６と、半導体素子上側接合材（第２の接合材）４と、第１のリードフレーム５と、第２のリードフレーム６と、第３のリードフレーム７と、第４のリードフレーム１７と、制御端子１８と、ボンディングワイヤ１９と、絶縁層８と、銅板９と、モールド樹脂１０と、半導体素子下側接合材（第１の接合材）１３を備えている。

半導体素子１は、半導体素子下側接合材１３により第１のヒートスプレッダー３の第１方向上側の面に接合されている。半導体素子２は、半導体素子下側接合材１３により第２のヒートスプレッダー１６の第１方向上側の面に接合されている。そして半導体素子１、２の第１方向上側がソース電極であり、下側がドレイン電極である。第１のヒートスプレッダー３および第２のヒートスプレッダー１６の第１方向下側の面は、絶縁層８を介して銅板９の第１方向上側の面に固定されている。銅板９の第１方向下側の面は、パワーモジュール１００のモールド樹脂１０の第１方向下側の面から露出しており、モジュール接合材１１により冷却器１２の第１方向上側の面に接合されている。これにより、パワーモジュール１００と冷却器１２とが一体に接合され、樹脂封止型半導体装置が構成されている。

出力端子となる第１のリードフレーム５は、図示しないリード接合材により第２のヒートスプレッダー１６の第１方向上側の面に接合されている。又第４のリードフレーム１７は、図示しないリード接合材により第１のヒートスプレッダー３の第１方向上側の面に接合されている。リード接合材は、第２のヒートスプレッダー１６と第１のリードフレーム５、および第１のヒートスプレッダー３と第４のリードフレーム１７との間の電気的導通を確保するために、半田接合材による接合、もしくは超音波による金属接合などにより形成されている。これにより第１のヒートスプレッダー３と第４のリードフレーム１７、および第２のヒートスプレッダー１６と第１のリードフレーム５を一体に接合している。

第２のリードフレーム６は、半導体素子上側接合材４（第２の接合材）により半導体素子２のソース電極（半導体素子２の第１方向上側の面）に接合され、第３のリードフレーム７は第２のヒートスプレッダー１６に接合されるとともに、半導体素子上側接合材４により半導体素子１のソース電極（半導体素子１の第１方向上側の面）に接合されている。また、半導体素子上側接合材４は、以下に示すようにモールド樹脂１０が発煙または発火に至る前に溶融する時に、半導体素子下側接合材（第１の接合剤）１３と結合することができるように１００μｍ以上の厚さを有するように構成されている。更に半導体素子上側接合材４の液相線温度は、モールド樹脂１０の発煙または発火に至る温度（予め設定された温度）よりも低くなるようにしている。このように構成することにより、半導体素子１、２がヒートサイクルなどによる劣化又は破損などにより電気抵抗値が上昇し、設計温度を超えた際には、モールド樹脂１０が発煙または発火に至る前に、半導体素子上側接合材４がその液相線温度を超え、半導体素子上側接合材４が溶融し、半導体素子上側接合材４が半導体素子下側接合材１３と短絡することにより、パワーモジュール１００が焼損することを防止する。

更に図７において、電力変換装置は、直流電源１０１及びモータ１０６を有している。そして直流電源１０１はパワーモジュールに加わる直流電圧を平滑化するための平滑コンデンサ１０２に接続され、平滑コンデンサ１０２の後段には、スイッチング素子１０３ａ、１０３ｂが直列接続されたＵ相アーム１０３、スイッチング素子１０４ａ、１０４ｂが直列接続されたＶ相アーム１０４、スイッチング素子１０５ａ、１０５ｂが直列接続されたＷ相アーム１０５からなる三相インバータ回路が接続される。ここでスイッチング素子１０３ａ、１０４ａ、１０５ａは図１、図２に示された半導体素子１に該当し、スイッチング素子１０３ｂ、１０４ｂ、１０５ｂは図１、図２に示された半導体素子２に該当する。又Ｕ相アーム１０３、Ｖ相アーム１０４、Ｗ相アーム１０５はそれぞれ樹脂封止型半導体装置を構成している。この三相インバータ回路の後段にモータ１０６が接続される。そして、各相アーム１０３～１０５のスイッチング素子１０３ａ～１０５ｂを所定の順番でオン、オフ制御して、三相の交流電流を生成し、モータ１０６を駆動している。

そして半導体素子１、２がヒートサイクルなどにより電気抵抗値が上昇し、設計温度を超えた際には、モールド樹脂１０が発煙または発火に至る前に、半導体素子上側接合材４が液相線温度を超え、半導体素子上側接合材４が溶融し、半導体素子下側接合材１３と短絡することにより（図７の１０７で示される短絡回路）パワーモジュール１００自体が焼損することを防止する。即ち半導体素子１、２と第２のリードフレーム６および第３のリードフレーム７を接合する第２の接合材４の液相線温度と、パワーモジュール１００のモールド樹脂１０の発煙または発火に至る温度とを比較した場合に、第２の接合材４の液相線温度がモールド樹脂１０の発煙または発火に至る温度よりも低くなるようにし、かつ第２の接合材４が溶融する時に、第１の接合材１３と結合できるような量が実装されるようにしたものである。

モールド樹脂１０は、半導体素子１、２と、第１のヒートスプレッダー３と、第２のヒートスプレッダー１６と、半導体素子下側接合材１３と、第１のリードフレーム５の一部と、半導体素子上側接合材４と、第２のリードフレーム６の一部と、第３のリードフレーム７と、第４のリードフレーム１７の一部と、制御端子１８の一部と、ボンディングワイヤ１９と、絶縁層８と、銅板９の一部を内包して、これらを外部から封止するように構成されている。

以上のように構成された樹脂封止型半導体装置において、半導体素子１、２が動作した際に発生する熱は、半導体素子下側接合材１３、第１のヒートスプレッダー３又は第２のヒートスプレッダー１６、絶縁層８、銅板９、モジュール接合材１１を介して、冷却器１２から放熱される。更に第２のリードフレーム６を介して平滑コンデンサ１０２の底面２３ａから放熱される。図５、図６において、平滑コンデンサ１０２は、コンデンサケース２１、ポッティング部２２、コンデンサ素子２３より構成されており、図５に示すように、第２のリードフレーム６は隣接する平滑コンデンサ１０２の底面まで延びており、第２のリードフレーム６を介して平滑コンデンサ１０２の底面から放熱されるようになっている。

更に半導体素子１および半導体素子２の間で熱的不平衡が発生した場合、例えば半導体素子１の温度の方が高いような場合には、高温側から低温側に向けて半導体素子上側接合材４、第３のリードフレーム７、第２のヒートスプレッダー１６、絶縁層８、銅板９、モジュール接合材１１を介して冷却器１２から放熱される。
放熱の際に半導体素子間において熱的不均衡が発生すると、半導体素子の抵抗値などの性能に差が発生する。このような熱的不均衡を発生しにくくするためには、図１に示すように、半導体素子１と接続する第１のヒートスプレッダー３と、半導体素子２と接続する第２のヒートスプレッダー１６は同じ幅を持ち、かつ同じ厚さを有することが望ましい。

パワーモジュール１００における半導体素子１、２はＩＧＢＴ（ＩＮＳＵＬＡＴＥＤ ＧＡＴＥ ＢＩＯＬＡＲ ＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲ）、あるいはＭＯＳＦＥＴ（ＭＥＴＡＬ ＯＸＩＤＥ ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲ ＦＩＥＬＤ ＥＦＦＥＣＴ ＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲ）のような半導体スイッチング素子により構成されている。ＩＧＢＴは、負荷に大電流を流して駆動させる素子である。半導体素子１、２は、たとえばシリコン（Ｓｉ）により形成されていることが好ましいが、シリコンに限定されるものではない。たとえば半導体素子１、２を構成する半導体チップが、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム系材料（たとえば窒化ガリウム（ＧａＮ））、及びダイヤモンドからなるグループのうちの少なくともいずれか１つの材料により形成されていればより好ましい。

半導体素子１、２は、シリコンに比べてバンドギャップの広い、いわゆるワイドバンドギャップ半導体材料である。このようなワイドバンドギャップ半導体材料を用いて形成された半導体素子１および２は、ＭＯＳＦＥＴなどのシリコン半導体材料を用いた半導体素子に比べて、高温での動作に適用することができる。すなわち、ワイドバンドギャップ半導体材料は、大電流を流すことに適している半導体材料である。

半導体素子１、２の表面部としての能動面の電極（ソース電極）には、Ｎ側入力端子となる第２のリードフレーム６および第３のリードフレーム７が、半導体素子上側接合材４を介して接合されている。このとき、半導体素子上側接合材４をＳｎとＳｂによって構成させ、Ｓｂを５質量％以上含有したものを用いることで融点を高くさせ、パワーモジュール１００を冷却器１２に実装する際のリフロー過程において、半導体素子上側接合材４が溶融し、膨張することによりモールド樹脂１０にクラックを発生させたり、又半導体素子下側接合材１３と短絡すること等を防ぎ、パワーモジュール１００が破損することを防止している。

第１のヒートスプレッダー３、第２のヒートスプレッダー１６、第１のリードフレーム５、第２のリードフレーム６、および第３のリードフレーム７には、導電性のよい金属が用いられる。導電性の良い金属の中でも、銅材が電気抵抗、加工性、コストなどの点から最適である。ここで銅材とは、純銅もしくは銅を主成分とする銅合金のことをいう。
パワーモジュール１００全体は、モールド樹脂１０により封止されている。モールド樹脂１０としては、線膨張係数の不一致により生じる熱変形力が大きくならないように、第１のヒートスプレッダー３、第２のヒートスプレッダー１６、第１のリードフレーム５、第２のリードフレーム６、および第３のリードフレーム７の線膨張係数に近い線膨張係数を備えた樹脂を用いるのが好ましい。そして純銅の線膨張係数が１６（ｐｐｍ／Ｋ）から１７（ｐｐｍ／Ｋ）であるので、モールド樹脂１０の線膨張係数も１５（ｐｐｍ／Ｋ）から１８（ｐｐｍ／Ｋ）であるのが望ましい。ただし、半導体素子１、２の動作時における発熱、又はモジュール実装時における過熱に耐えるために、モールド樹脂１０のガラス転移温度は１７０℃以上を確保する必要がある。ここで一般的な封止樹脂のガラス転移温度は１７０℃である。

絶縁層８は、電気的絶縁性を確保しつつ、半導体素子１、２が動作した際に発生する熱を冷却器１２に伝達して放散させることが求められる。絶縁層８は、熱硬化性樹脂に、熱伝導性の大きな絶縁性の無機充填材としての無機フィラーを充填したものを用い、樹脂の熱硬化反応により、第１のヒートスプレッダー３および第２のヒートスプレッダー１６と銅板９とを接着することが望ましい。他に、絶縁層８として、セラミックの絶縁体を使用し、このセラミックの絶縁体と第１のヒートスプレッダー３および第２のヒートスプレッダー１６をろう材、接着剤等により接合するとともに、このセラミックの絶縁体と銅板９をろう材、接着剤等により接合するようにしても良い。
パワーモジュール１００は、半導体素子１、２の動作時に発生する熱を放散させるために、図示しない放熱フィンを備えた冷却器１２にモジュール接合材１１を介して接合されている。高い冷却性能が求められる冷却器１２としては、水冷式、空冷式のいずれであってもよい。冷却器１２は、銅、アルミニウム、銅またはアルミニウムの合金からなるグループより選択される少なくともいずれか１つにより形成されていることが好ましい。なかでも冷却器１２の材質としては、軽量でかつ加工性に優れたアルミニウム、又はアルミニウム合金が好ましい。

また、パワーモジュール１００をモジュール接合材１１により冷却器１２に半田接合するために、冷却器１２の接合部には高い半田濡れ性が求められる。冷却器１２の本体を銅とするか、又はアルミニウムの場合は、表面を銅メッキするのが好ましい。また、銅メッキを施す際には、アルミニウムに直接銅メッキを施すのではなく、メッキ密着性と表面の濡れ性を向上させるため、下地メッキとしてニッケルメッキを施すのが好ましい。

実施の形態２．
次に樹脂封止型半導体装置の製造方法について説明する。まずダイボンディング工程において、スイッチング素子としての半導体素子１を、第１のヒートスプレッダー３の第１方向上側の面の上に半導体素子下側接合材１３を介して接合するとともに、スイッチング素子としての半導体素子２を、第２のヒートスプレッダー１６の第１方向上側の面の上に半導体素子下側接合材１３を介して接合し、半導体素子１と半導体素子２は互いに間隔をあけて接合される。スイッチング素子としての半導体素子１、２は、たとえば炭化ケイ素（ＳｉＣ）により形成された半導体チップが用いられる。半導体素子下側接合材１３は、たとえば熱伝導率、導電性及び剛性が高い銀を主成分とする焼結性フィラーを用いることが考えられるが、半田接合材、並びに銀を主成分とするろう材などの接合材を用いても良い。これらの接合材は、熱伝導性、導電性および剛性が高い接合材料である。

次に第１リフロー工程において、出力端子となる第１のリードフレーム５を、図示しないリード接合材を用いて第２のヒートスプレッダー１６の端部面に接合し、Ｐ側入力端子となる第４のリードフレーム１７を第１のヒートスプレッダー３の表面に接合する。また主端子となる第２のリードフレーム６を、半導体素子上側接合材４を介して半導体素子２の能動面に接合し、第３のリードフレーム７を半導体素子上側接合材４を介して半導体素子１の能動面に接合する。また半導体素子１、２の能動面と制御端子１８をボンディングワイヤ１９により接合する。

第２のヒートスプレッダー１６と第１のリードフレーム５、および第１のヒートスプレッダー３と第４のリードフレーム１７を接続するためには、半田接合材からなる図示しないリード接合材を用いる。但しそれ以外の超音波接合、溶接などの接合方法を用いてもよい。半導体素子２と第２のリードフレーム６、および半導体素子１と第３のリードフレーム７を接合するためには、厚みが一定であるリボンハンダからなる半導体素子上側接合材４を用いる。図示しないリード接合材と半導体素子上側接合材４としては、パワーモジュール１００をモジュール接合材１１により半田接合する第２リフロー工程における温度下でも再溶融しない融点が高い半田を用いる必要があり、ＳｎとＳｂを含有し、Ｓｂは５質量％以上含有させるものを用いる。そして半導体素子上側接合材４としてはＰｂの含有率が０．１質量％以下のＰｂフリーの半田を用い、かつＳｎとＳｂを含有させた半田を用いる。又半導体素子上側接合材４の組成として、Ｓｂを５質量％以上含有させてもよい。

次にトランスファー成形工程において、半導体素子１、２と、第１のヒートスプレッダー３と、第２のヒートスプレッダー１６と、半導体素子下側接合材１３と、第１のリードフレーム５の一部と、図示しないリード接合材と、第２のリードフレーム６の一部と、第３のリードフレーム７と、第４のリードフレーム１７の一部と、制御端子１８の一部と、ボンディングワイヤ１９と、半導体素子上側接合材４と、絶縁層８と、銅板９の一部分の周囲を熱硬化性樹脂からなるモールド樹脂１０により封止する。このとき銅板９は、絶縁層８が接合されている面とは反対側の面をモールド樹脂１０から露出するように成型される。

ここで絶縁層８としては、放熱性、絶縁性並びに接着性を有する材料により構成されることが望ましく、例えばエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂の中に熱伝導性の高いセラミック粒子などの無機粉末充填材が含有された構成を有することが考えられるが、セラミックのみで構成された絶縁体等であってもよい。

モールド樹脂１０はトランスファー型モールド樹脂である。そしてモールド樹脂１０としては、熱伝導性が高いことは不要であるため、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂の中に含有される無機充填材は、熱硬化性樹脂に含有させた際に流動性がよく、線膨張係数の調整が容易である酸化ケイ素（シリカ）のうち、溶融シリカを用いることが好ましい。樹脂封止型半導体装置においては、多くの銅材を使用しているので、銅の線膨張係数にモールド樹脂１０の線膨張係数を合わせれば良い。即ちモールド樹脂１０の線膨張係数を銅の線膨張係数と同一もしくは近似させることにより、電力変換装置の動作などで熱の変動が発生した場合でも、樹脂封止型半導体装置の内部の熱応力の低減を図ることができる。従ってモールド樹脂１０の線膨張係数を１５（ｐｐｍ／Ｋ）から１８（ｐｐｍ／Ｋ）になるように、無機充填材の量を調整する。これにより、温度サイクルに対する信頼性が向上する効果がある。

次に第２のリフロー工程において、パワーモジュール１００と冷却器１２を、モジュール接合材１１を介して接合する。モジュール接合材１１は半田リフローの際に熱抵抗の大きいボイドが発生することを防ぐために、Ｓｎ＋Ｂｉ＋Ｉｎの半田を使用することが考えられる。ＢｉとＩｎの最良の配合比率は質量％でＩｎが１％以下、Ｂｉが３％以上であり、不可避的に混在する微量の不純物を除く残りの成分はＳｎで構成されているような組成である。そしてモジュール接合材１１における各質量％の関係は、Ｓｎの質量％はＢｉの質量％よりも大きく、Ｂｉの質量％はＩｎの質量％よりも大きくなるよう構成される。
このときモジュール接合材１１の０．２％耐力は半導体素子上側接合材４および半導体素子下側接合材１３の０．２％耐力よりも小さくする。更に半導体素子上側接合材４の０．２％耐力を半導体素子下側接合材１３の０．２％耐力よりも小さくなるようにする。これによりパワーモジュール１００の外部に伸びている第１のリードフレーム５及び第２のリードフレーム６から受ける熱応力を（モジュール接合材１１）＞（半導体素子上側接合材４）＞（半導体素子下側接合材１３）の関係で受け持つことができる。例えばパワーモジュール１００の外部に伸びている第１のリードフレーム５及び第２のリードフレーム６から受ける熱応力の総和を１としたときに、モジュール接合材１１が０．６、半導体素子上側接合材４が０．３、半導体素子下側接合材１３が０．１の割合で受け持つことで、半導体チップにかかる熱応力を低減し、半導体素子の信頼性を向上させることができる。

また半田リフロー工程において、モジュール接合材１１を溶融させる温度までパワーモジュール１００および冷却器１２を加熱する必要がある。この際、パワーモジュール１００の中で使用している半導体素子上側接合材４および半導体素子下側接合材１３も溶融する可能性がある。仮にこれら接合材が溶融した際は、半導体素子１、２の上下において短絡してしまう。このためパワーモジュール１００の内部で使用する半導体素子上側接合材４および半導体素子下側接合材１３と、冷却器１２とパワーモジュール１００とを接合するために使用するモジュール接合材１１には融点差を設ける必要がある。

実施の形態３．
次に樹脂封止型半導体装置の絶縁層８の構成について詳細に説明する。実施の形態２で述べた通り、樹脂封止型半導体装置の絶縁層８としては、放熱性、絶縁性並びに接着性を有する材料により構成されることが望ましいが、セラミックのみで構成された絶縁体等であってもよく、樹脂材料をベースとした場合の絶縁層８は、接着材としての機能も有している。このため、モールド樹脂１０の熱硬化時に、絶縁層８は、第１のヒートスプレッダー３および第２のヒートスプレッダー１６と銅板９とが、互いに密着するようにこれらを接着することができる。このため絶縁層８においては、第１方向上側の面及び第１方向下側の面に接着材を塗布する必要がない。接着材は熱抵抗が上昇する原因となる。従って接着材を絶縁層８の第１方向上側の面及び第１方向下側の面に塗布しないことにより、絶縁層８と第１のヒートスプレッダー３および第２のヒートスプレッダー１６の間の熱抵抗が増加することを抑制することができるとともに、銅板９およびモールド樹脂１０との間の熱抵抗の増加を抑制することができ、放熱性能の高いパワーモジュール１００を得ることができる。以上が絶縁層８に樹脂材料を適用するのが望ましい理由である。一方で、絶縁層８がセラミック等の絶縁体により構成されている場合は、絶縁層８と第１のヒートスプレッダー３および第２のヒートスプレッダー１６を接着剤またはろう材等により接着するとともに、絶縁層８と銅板９を接着剤またはろう材等により接着する必要があるが、熱伝導率が高いセラミックを絶縁層８として用いることにより、放熱性を向上させることが可能である。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、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。例えば、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つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

以下、本開示の諸態様を付記してまとめて記載する。

（付記１）
第１の接合材によりヒートスプレッダーの第１方向上側の面に接合されている半導体素子と、
第２の接合材により前記半導体素子の第１方向上側の面に接合されたリードフレームと、
前記半導体素子と、前記ヒートスプレッダーと、前記リードフレームを封止するモールド樹脂を有する樹脂封止型半導体装置であって、
前記第２の接合材の液相線温度が前記モールド樹脂における予め設定された温度よりも低くなるように設定し、かつ前記第２の接合材が溶融する時に、前記第２の接合材が前記第１の接合材と結合できるように前記第２の接合材の量を実装する樹脂封止型半導体装置。
（付記２）
前記半導体素子は、第１の半導体素子と第２の半導体素子より構成されるとともに、前記ヒートスプレッダーは第１のヒートスプレッダーと第２のヒートスプレッダーより構成され、
前記第１の接合材により前記第１のヒートスプレッダーの第１方向上側の面に前記第１の半導体素子が接合され、
前記第１の接合材により前記第２のヒートスプレッダーの第１方向上側の面に前記第２の半導体素子が接合され、
銅板が前記第１のヒートスプレッダーおよび前記第２のヒートスプレッダーの第１方向下側の面に絶縁層を介して固定され、
冷却器が前記銅板の第１方向下側の面にモジュール接合材により接合され、
前記リードフレームは、第１のリードフレームと第２のリードフレームと第３のリードフレームと第４のリードフレームより構成され、
前記第１のリードフレームは前記第２のヒートスプレッダーの第１方向上側の面に接合されており、
前記第４のリードフレームは前記第１のヒートスプレッダーの第１方向上側の面に接合されており、
前記第２のリードフレームは前記第２の接合材により前記第２の半導体素子の第１方向上側の面に接合されており、
前記第３のリードフレームは前記第２のヒートスプレッダーに接合されるとともに、前記第２の接合材により前記第１の半導体素子の第１方向上側の面に接合されており、
前記モールド樹脂は、前記第１の半導体素子と、前記第２の半導体素子と、前記第１のヒートスプレッダーと、前記第２のヒートスプレッダーと、前記第１のリードフレームの一部と、前記第２のリードフレームの一部と、前記第３のリードフレームと、前記第４のリードフレームの一部と、前記絶縁層と、前記銅板の一部を封止する付記１に記載の樹脂封止型半導体装置。
（付記３）
前記第２の接合材はＰｂの含有率が０．１質量％以下のＰｂフリーの半田であり、かつＳｎとＳｂを含有させた半田である付記１又は付記２に記載の樹脂封止型半導体装置。
（付記４）
前記第２の接合材の組成として、Ｓｂを５質量％以上含有させた付記３に記載の樹脂封止型半導体装置。
（付記５）
前記第２の接合材の厚さは１００μｍ以上である付記１から付記４のいずれか１項に記載の樹脂封止型半導体装置。
（付記６）
前記モジュール接合材はＳｎと、Ｂｉと、Ｉｎからなる半田であり、Ｓｎの質量％はＢｉの質量％よりも大きく、Ｂｉの質量％はＩｎの質量％よりも大きい付記２に記載の樹脂封止型半導体装置。
（付記７）
Ｉｎは１質量％以下である付記６に記載の樹脂封止型半導体装置。
（付記８）
Ｂｉは３質量％以上である付記６又は付記７に記載の樹脂封止型半導体装置。
（付記９）
前記第１のヒートスプレッダーと、前記第２のヒートスプレッダーは同じ幅及び同じ厚さを有する付記２に記載の樹脂封止型半導体装置。
（付記１０）
前記モジュール接合材の０．２％耐力は前記第２の接合材の０．２％耐力よりも小さく、前記第２の接合材の０．２％耐力は前記第１の接合材の０．２％耐力よりも小さい付記２に記載の樹脂封止型半導体装置。
（付記１１）
前記モールド樹脂はトランスファー型であり、かつそのガラス転移温度は１７０℃以上である付記１から付記１０のいずれか１項に記載の樹脂封止型半導体装置。
（付記１２）
付記２に記載の樹脂封止型半導体装置における前記第２のリードフレームは隣接する平滑コンデンサの底面まで延びている電力変換装置。

１ 半導体素子、２ 半導体素子、３ 第１のヒートスプレッダー、
４ 半導体素子上側接合材、５ 第１のリードフレーム、６ 第２のリードフレーム、
７ 第３のリードフレーム、８ 絶縁層、９ 銅板、１０ モールド樹脂、
１１ モジュール接合材、１２ 冷却器、１３ 半導体素子下側接合材、
１６ 第２のヒートスプレッダー、１７ 第４のリードフレーム、１８ 制御端子、
１９ ボンディングワイヤ、２１ コンデンサケース、２２ ポッティング部、
２３ コンデンサ素子、１０２ 平滑コンデンサ、１０６ モータ。

Claims (12)

1. 第１の接合材によりヒートスプレッダーの第１方向上側の面に接合されている半導体素子と、
   第２の接合材により前記半導体素子の第１方向上側の面に接合されたリードフレームと、
   前記半導体素子と、前記ヒートスプレッダーと、前記リードフレームを封止するモールド樹脂を有する樹脂封止型半導体装置であって、
   前記第２の接合材の液相線温度が前記モールド樹脂における予め設定された温度よりも低くなるように設定し、かつ前記第２の接合材が溶融する時に、前記第２の接合材が前記第１の接合材と結合できるように前記第２の接合材の量を実装する樹脂封止型半導体装置。
2. 前記半導体素子は、第１の半導体素子と第２の半導体素子より構成されるとともに、前記ヒートスプレッダーは第１のヒートスプレッダーと第２のヒートスプレッダーより構成され、
   前記第１の接合材により前記第１のヒートスプレッダーの第１方向上側の面に前記第１の半導体素子が接合され、
   前記第１の接合材により前記第２のヒートスプレッダーの第１方向上側の面に前記第２の半導体素子が接合され、
   銅板が前記第１のヒートスプレッダーおよび前記第２のヒートスプレッダーの第１方向下側の面に絶縁層を介して固定され、
   冷却器が前記銅板の第１方向下側の面にモジュール接合材により接合され、
   前記リードフレームは、第１のリードフレームと第２のリードフレームと第３のリードフレームと第４のリードフレームより構成され、
   前記第１のリードフレームは前記第２のヒートスプレッダーの第１方向上側の面に接合されており、
   前記第４のリードフレームは前記第１のヒートスプレッダーの第１方向上側の面に接合されており、
   前記第２のリードフレームは前記第２の接合材により前記第２の半導体素子の第１方向上側の面に接合されており、
   前記第３のリードフレームは前記第２のヒートスプレッダーに接合されるとともに、前記第２の接合材により前記第１の半導体素子の第１方向上側の面に接合されており、
   前記モールド樹脂は、前記第１の半導体素子と、前記第２の半導体素子と、前記第１のヒートスプレッダーと、前記第２のヒートスプレッダーと、前記第１のリードフレームの一部と、前記第２のリードフレームの一部と、前記第３のリードフレームと、前記第４のリードフレームの一部と、前記絶縁層と、前記銅板の一部を封止する請求項１に記載の樹脂封止型半導体装置。
3. 前記第２の接合材はＰｂの含有率が０．１質量％以下のＰｂフリーの半田であり、かつＳｎとＳｂを含有させた半田である請求項１又は請求項２に記載の樹脂封止型半導体装置。
4. 前記第２の接合材の組成として、Ｓｂを５質量％以上含有させた請求項３に記載の樹脂封止型半導体装置。
5. 前記第２の接合材の厚さは１００μｍ以上である請求項１又は請求項２に記載の樹脂封止型半導体装置。
6. 前記モジュール接合材はＳｎと、Ｂｉと、Ｉｎからなる半田であり、Ｓｎの質量％はＢｉの質量％よりも大きく、Ｂｉの質量％はＩｎの質量％よりも大きい請求項２に記載の樹脂封止型半導体装置。
7. Ｉｎは１質量％以下である請求項６に記載の樹脂封止型半導体装置。
8. Ｂｉは３質量％以上である請求項６又は請求項７に記載の樹脂封止型半導体装置。
9. 前記第１のヒートスプレッダーと、前記第２のヒートスプレッダーは同じ幅及び同じ厚さを有する請求項２に記載の樹脂封止型半導体装置。
10. 前記モジュール接合材の０．２％耐力は前記第２の接合材の０．２％耐力よりも小さく、前記第２の接合材の０．２％耐力は前記第１の接合材の０．２％耐力よりも小さい請求項２に記載の樹脂封止型半導体装置。
11. 前記モールド樹脂はトランスファー型であり、かつそのガラス転移温度は１７０℃以上である請求項１又は請求項２に記載の樹脂封止型半導体装置。
12. 請求項２に記載の樹脂封止型半導体装置における前記第２のリードフレームは隣接する平滑コンデンサの底面まで延びている電力変換装置。