JP3994945B2 - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子の主電極を、緩衝板を介在して電極板と接続される構造を持つ半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。

従来、大電力用半導体装置、例えばＩＧＢＴ（Insulated-Gate Bipolar Transistor）インバータには、圧接型半導体装置が用いられている。これは一般に半導体素子の上下主電極を電極板にて圧接することで挟持した構造を備えるものである。この圧接型半導体装置において、半導体素子と電極板の熱膨張差によって生じる接合部の応力による破壊や、接合面の摺動（ずれ）による半導体素子表面の磨耗などの物理的なダメージによる信頼性の悪化を避けるために、従来、半導体素子と電極板の間に挟む熱緩衝板として、Ｓｉ（シリコン：熱膨張率２．６［ｐｐｍ］）にほど近い熱膨張率を持つＭｏ（モリブテン：熱膨張率４．８［ｐｐｍ］）やＷ（タングテン：熱膨張率４．５［ｐｐｍ］）を用いることが知られている。

例えば、特開平９−２７５１８６号公報に開示の半導体装置では、ＩＧＢＴ素子の主電極と接する端子体としてＭｏを使用している他、Ｃｕ（銅：熱膨張率１６．６［ｐｐｍ］）で作られる上部共通電極板と端子体との間にもＭｏ板を挿設し、ヒートサイクル耐量の高い半導体装置を可能にしている。

また、特開平１１−２６０９７９号公報に開示の圧接型半導体装置では、より高い信頼性を求め、ＭｏやＷの代わりにＳｉからなる熱緩衝板を半導体素子の表面に接続している。この場合、半導体素子と熱緩衝板の間に生じる応力や摺動（ずれ）などのダメージはほとんど無いと言ってよい。
特開平９−２７５１８６号公報 特開平１１−２６０９７９号公報

しかしながら、上述した特許文献１および特許文献２に開示された技術においては、ＭｏやＷは非常に高価であり、特に大電力用半導体装置の場合は複数個の半導体素子を使うことにより、その熱緩衝板もその数、もしくはそれ以上の数が必要となるため、半導体装置全体のコストアップになってしまうという問題があった。

また、ＭｏやＷ、並びに、Ｓｉのバルク材は、ＣｕやＡｌ（アルミニウム：熱膨張率２３．２［ｐｐｍ］）に比べて電気抵抗率が高く、その値はＭｏが５．４［μΩｃｍ］、Ｗが５．０［μΩｃｍ］、Ｓｉのバルク材が４［μΩｃｍ］であり、Ｃｕの１．５５［μΩｃｍ］、Ａｌの２．７５［μΩｃｍ］に比べて約２倍近く悪化することが分かる。さらに、バルク材でないＳｉの電気抵抗率は１．４［Ωｃｍ］と桁違いに悪化することが知られている。したがって、一定電圧と電流で生じる発熱も増大し、その結果、半導体装置全体の効率の悪化を招くと同時に、過剰に発熱した分の放熱能力も上げる必要があるため、半導体装置全体の大型化、コストアップになってしまうという問題があった。

また、熱伝導率においては、Ｍｏが１３８［Ｗ／ｍＫ］、Ｗが１７８［Ｗ／ｍＫ］、Ｓｉが１４８［Ｗ／ｍＫ］であり、Ｃｕの３９８［Ｗ／ｍＫ］、Ａｌの２３７［Ｗ／ｍＫ］に比べて１／２近く悪化することが分かる。したがって、半導体素子が発熱した熱を外部に放出する能力が下がる。すなわち、半導体装置全体の冷却能力が低下し、半導体素子が高温になり破壊するという問題があった。

一方で、今日、Ｓｉからなる半導体素子の高温対応化や、ＳｉＣ（シリコンカーバイト：熱膨張率２．２［ｐｐｍ］）等の開発により、大電力用半導体素子とその周辺部材はより高温域で使用される傾向にあり、その結果、大電力用インバータ全体にはこれまで以上に大きな温度差が与えられることになる。したがって、異なる材料間の熱膨張差による応力や摺動（ずれ）は従来より顕著に表れ、例えこれまで問題が発生しなかった材料間の接合部においても、その信頼性が危ぶまれると言う懸念がある。

本発明は、上記従来の事情に鑑みてなされたものであって、熱が加わることによって半導体素子の主電極と外部電極との接続部に熱応力や摩耗などの物理的ダメージを与える構造を持つ半導体装置において、十分な電気伝導度と熱伝導度を持ち、面方向に対して低熱膨張を達成し得る緩衝板を備えた半導体装置および半導体装置の製造方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明は、半導体素子の主電極が、緩衝板を介在して電極板と接続される構造を持つ半導体装置において、前記緩衝板は、導体である第１の導電性部材と、前記第１の導電性部材より低い熱膨張率を持つ材料で構成される第２の部材と、を有し、前記半導体素子の主電極の面方向を前記緩衝板の面方向とし、該緩衝板の一方の面を第１の主面、他方の面を第２の主面とし、前記第１の主面から前記第２の主面に向かう方向を縦方向とするとき、前記緩衝板は、前記第１の導電性部材と前記第２の部材との接合面を縦方向に持ち、且つ、面方向に対して該緩衝板に熱が加わる際、第１の導電性部材の面方向への膨張が第２の部材で抑制されるように第１の導電性部材と第２の部材が配置されていることを特徴とする。

本発明に係る半導体装置および半導体装置の製造方法では、半導体素子の主電極を、緩衝板を介在して電極板と接続される構造を持つ半導体装置において、前記緩衝板は、導体である第１の導線性部材と、前記第１の導電性部材より低い熱膨張率を持つ材料で構成される第２の部材と、を有し、前記半導体素子の主電極の面方向を前記緩衝板の面方向とし、該緩衝板の一方の面を第１の主面、他方の面を第２の主面とし、前記第１の主面から前記第２の主面に向かう方向を縦方向とするとき、前記緩衝板は、前記第１の導電性部材と前記第２の部材との接合面を縦方向に持ち、且つ、面方向に対して該緩衝板に熱が加わる際、第１の導電性部材の面方向への膨張が第２の部材で抑制されるように第１の導電性部材と第２の部材が配置される構成としたので、緩衝板において、縦方向に対しては、第１の導電性部材によって十分な電気伝導度と熱伝導度を有し、面方向に対しては、第２の部材によって低熱膨張を達成することができる。

以下、本発明の半導体装置および半導体装置の製造方法の実施の形態について、〔第１の実施形態〕から〔第６の実施形態〕までを順に図面を参照して詳細に説明する。

〔第１の実施形態〕
まず、本発明の第１の実施形態に係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。図１は第１の実施形態の半導体装置を構成する部材を切り離して示す斜視図である。同図において、１は半導体素子であるＩＧＢＴ素子、２はコレクタ側熱緩衝板、３はエミッタ側熱緩衝板、４はコレクタ側ＤＢＣ基板、５はエミッタ側ＤＢＣ基板、６はＩＧＢＴ素子１の位置決め用ガイドである。

本実施形態の半導体装置は、その製造方法として、ＩＧＢＴ素子１の上下主電極を電極板（コレクタ側ＤＢＣ基板４およびエミッタ側ＤＢＣ基板５）により圧接することで挟持する圧接型半導体装置であり、ＩＧＢＴ素子１と電極板の熱膨張差によって生じる接合部の応力による破壊や、接合面の摺動（ずれ）によるＩＧＢＴ素子１表面の磨耗などの物理的なダメージによる信頼性の悪化を避けるために、ＩＧＢＴ素子１と電極板の間に熱緩衝板（コレクタ側熱緩衝板２およびエミッタ側熱緩衝板３）を挟んだ構造を備えている。但し、全てのまたは一部の接続部をろう付けや溶接等その他の方法によって接合してあっても構わない。

まず、コレクタ側熱緩衝板２について説明する。コレクタ側熱緩衝板２において、２ｂは比較的電気抵抗が低く熱伝導性の高い例えばＣｕ等からなる電極部材であり特許請求の範囲にいう第１の導電性部材に該当する。また、２ａは例えばＣｕより低くＳｉに近い熱膨張率を持つ例えばＫＶ（コバール…ＦｅＮｉＣｏ）等からなる膨張抑制部材であり特許請求の範囲にいう第２の部材に該当する。

電極部材２ｂは縦方向（コレクタ側熱緩衝板２の法線方向）に貫通し、該電極部材２ｂの外周部を膨張抑制部材２ａが覆ってコレクタ側熱緩衝板２を形成している。コレクタ側熱緩衝板２をこうした構造とすることで、ＩＧＢＴ素子１とコレクタ側ＤＢＣ基板４との間で、電極部材２ｂによって十分な電気伝導と熱伝導が得られ、また、周囲温度差ΔＴによって発生する電極部材２ｂの伸びを、膨張抑制部材２ａによって面方向に抑制し、縦方向に開放してやることが可能となり、ＩＧＢＴ素子１とコレクタ側熱緩衝板２の接合部における高い信頼性を確保することが可能である。

なお、電極部材２ｂの材料としては、Ｃｕの他にＭｏやＷ、Ａｌ等であっても構わない。また、その他導電性のある材料であれば何れでも構わない。また、膨張抑制部材２ａの材料としては、電極部材２ｂより低い熱膨張率を持つ材料であればインバーやその他の金属であっても、或いは、セラミックス等の絶縁材であっても上述した効果が得られることは確実である。

また、コレクタ側熱緩衝板２とＩＧＢＴ素子１およびコレクタ側ＤＢＣ基板４との接合には、ろう材や導電性の材料（例えば半田等）を用いても、或いは、荷重によって直接接合される圧接機構を用いても何れであっても構わない。

次に、エミッタ側熱緩衝板３について説明する。エミッタ側熱緩衝板３において、３ｂおよび３ｃは比較的電気抵抗が低く熱伝導性の高い例えばＣｕからなる電極部材であり特許請求の範囲にいう第１の導電性部材に該当する。また、３ａは例えばＣｕより低くＳｉに近い熱膨張率を持ち且つ絶縁性を有する例えばＳｉ_３Ｎ_４（窒化ケイ素／熱膨張率３．３［ｐｐｍ］）からなる膨張抑制部材であり特許請求の範囲にいう第２の部材に該当する。

電極部材３ｂおよび３ｃは縦方向に貫通し、該電極部材３ｂおよび３ｃの外周部を膨張抑制部材３ａが覆っている。すなわち、エミッタ側熱緩衝板３は、エミッタ電極となる電極部材３ｂとゲート電極となる電極部材３ｃ、並びに、絶縁性を兼ね備える膨張抑制部材３ａを備えた構成である。エミッタ側熱緩衝板３をこうした構造とすることで、ＩＧＢＴ素子１とエミッタ側ＤＢＣ基板５との間で、電極部材３ｂおよび３ｃによって十分な電気伝導と熱伝導が得られ、また、周囲温度差ΔＴによって発生する電極材料３ｂおよび３ｃの伸びを、膨張抑制部材３ａによって面方向に抑制し縦方向に開放してやることが可能となり、ＩＧＢＴ素子１とエミッタ側熱緩衝板３の接合部における高い信頼性を確保することが可能である。

なお、電極部材３ｂおよび３ｃの材料としては、Ｃｕの他にＭｏやＷ、Ａｌ等であっても構わない。また、その他導電性のある材料であれば何れでも構わない。また、膨張抑制部材２ａの材料としては、電極部材２ａより低い熱膨張率を持ち且つ絶縁性を有する材料であれば他のＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ：熱膨張率６．８［ｐｐｍ］）やＡＬＮ（窒化アルミニウム：熱膨張率４．６［ｐｐｍ］）などのセラミックスや樹脂等であっても上述した効果が得られることは確実である。

また、エミッタ側熱緩衝板３において、電極部材３ｂおよび３ｃの縦方向の厚みは膨張抑制部材３ａに比べて大きく、ＩＧＢＴ素子１との接合面側は、その厚み分だけ突出した形状となっている。この電極部材３ｂおよび３ｃの突出形状により位置決め用ガイド６が固定され、その結果、エミッタ側熱緩衝板３とＩＧＢＴ素子１の位置合せが可能となる。また、この電極部材３ｂおよび３ｃの突出形状により、ＩＧＢＴ素子１のエミッタ電極およびゲート電極と電極材料３ｂおよび３ｃとのそれぞれの接合が正確に行えるため、ＩＧＢＴ素子１のガードリング部を傷付けたり、それによる絶縁破壊を起したりする心配がなくなる。

また、エミッタ側熱緩衝板３とＩＧＢＴ素子１およびエミッタ側ＤＢＣ基板５との接合には、ろう材や導電性の材料（例えば半田等）を用いても、或いは、荷重によって直接接合される圧接機構を用いても何れであっても構わない。

以上説明したように、本実施形態の半導体装置および半導体装置の製造方法では、ＩＧＢＴ素子１の主電極を、緩衝板（コレクタ側熱緩衝板２およびエミッタ側熱緩衝板３）を介在して電極板（コレクタ側ＤＢＣ基板４およびエミッタ側ＤＢＣ基板５）で圧接することにより狭持した構造を持つ半導体装置において、コレクタ側熱緩衝板２を、導体である電極部材２ｂと、電極部材２ｂより低い熱膨張率を持つ材料で構成される膨張抑制部材２ａと、を備えた構成とし、また、エミッタ側熱緩衝板３を、導体である電極部材３ｂおよび３ｃと、電極部材３ｂおよび３ｃより低い熱膨張率を持つ材料で構成される膨張抑制部材３ａと、を備えた構成とし、ＩＧＢＴ素子１の主電極の面方向を緩衝板の面方向とし、該緩衝板の一方の面を第１の主面、他方の面を第２の主面とするとき、緩衝板（コレクタ側熱緩衝板２またはエミッタ側熱緩衝板３）を、電極部材（２ｂまたは３ｂおよび３ｃ）と膨張抑制部材（２ａまたは３ａ）との接合面が第１の主面から第２の主面に向かって縦方向になるように形成することとした。

これにより、緩衝板（コレクタ側熱緩衝板２またはエミッタ側熱緩衝板３）において、縦方向に対しては、電極部材（２ｂまたは３ｂおよび３ｃ）によって十分な電気伝導度と熱伝導度を有し、面方向に対しては、膨張抑制部材（２ａまたは３ａ）によって低熱膨張を達成することができる。したがって、緩衝板（コレクタ側熱緩衝板２またはエミッタ側熱緩衝板３）の第１および第２の主面に接合される部材間で十分な電気伝導と十分な熱伝導を確保し、同時に、ＩＧＢＴ素子１との接合面における応力または摺動（ずれ）の緩和が可能となる。さらに、電極部材（２ｂまたは３ｂおよび３ｃ）と膨張抑制部材（２ａまたは３ａ）の体積差を変えてやることで、適当な縦方向の電気特性と熱特性、並びに、面方向の熱膨張率を設定することが可能である。

また、本実施形態では、緩衝板（コレクタ側熱緩衝板２またはエミッタ側熱緩衝板３）において、電極部材（２ｂまたは３ｂおよび３ｃ）の外周面のうち、面方向の全ての外周面が、膨張抑制部材（２ａまたは３ａ）との接合面として該膨張抑制部材（２ａまたは３ａ）に覆われて形成されることとしたので、高温において、電極部材（２ｂまたは３ｂおよび３ｃ）の面方向への熱膨張は、それより低い熱膨張率を持つ膨張抑制部材（２ａまたは３ａ）によって抑えられることになる。その結果、緩衝板（コレクタ側熱緩衝板２またはエミッタ側熱緩衝板３）の主面とＩＧＢＴ素子１との接合面でより一層の応力または摺動の緩和が可能となる。

また、本実施形態では、緩衝板（コレクタ側熱緩衝板２またはエミッタ側熱緩衝板３）を、第１の主面において、少なくとも電極部材（２ｂまたは３ｂおよび３ｃ）が、ＩＧＢＴ素子１の主電極と直接接するように、或いは、ろう材または導電性の材料を介して接するように形成されることとしたので、ＩＧＢＴ素子１との接合において高い信頼性が確保でき、且つ、十分な電気伝導と熱伝導が達成可能となる。

さらに、ＩＧＢＴ素子１は電極部材２ｂ，３ｂ、３ｃとのみ接続され、膨張抑制部材２ａ，３ａとは接合されないように形成することで、熱膨張により電極部材２ｂ，３ｂ、３ｃと膨張抑制部材２ａ，３ａとの間に段差が発生するなどの緩衝板２，３に変形が生じてもＩＧＢＴ素子１に印加される応力が緩和されるという効果がある。

また、本実施形態では、緩衝板（エミッタ側熱緩衝板３）に、電極部材を複数個（３ｂおよび３ｃ）有し、該複数個の電極部材（３ｂおよび３ｃ）が膨張抑制部材（３ａ）によってそれぞれ隔てられて形成されることとしたので、電極部材（３ｂおよび３ｃ）によってより一層の電気伝導と熱伝導が可能となる。また、膨張抑制部材（３ａ）を絶縁材としているので、複数個の電極部材（３ｂおよび３ｃ）がそれぞれ異なる電位をとることが可能となる。

さらに、本実施形態では、緩衝板（エミッタ側熱緩衝板３）において、電極部材（３ｂおよび３ｃ）の主面が縦方向に対して膨張抑制部材（３ａ）の主面より突出しているので、例えば、ＩＧＢＴ素子１のエミッタ電極を緩衝板（エミッタ側熱緩衝板３）の第１の主面に接合する際に、接合が容易且つ正確となり、素子周辺部のガードリング部（絶縁膜形成部）の破壊を防止することが可能となる。すなわち、工程の簡略化と品質の向上が可能となる。

なお、本実施形態の半導体装置および半導体装置の製造方法では、緩衝板（コレクタ側熱緩衝板２またはエミッタ側熱緩衝板３）の主面形状を四角形状としたが、この形状に限定される必要はなく、主面形状が円形状やその他の形状であっても上述した効果を十分に得ることが可能である。

また、緩衝板（エミッタ側熱緩衝板３）において、一方の主面に突出形状を持たせているが、これに限定される必要はなく、例えば、図２に示すように両面フラットであっても、上述した基本的な効果を十分に得ることが可能である。図２は、第１の実施形態の半導体装置における緩衝板（エミッタ側熱緩衝板３）の変形例を例示する斜視図であり、図中、１１は半導体素子（ＩＧＢＴ素子）、３１はエミッタ側熱緩衝板、３１ｂ，３１ｃは電極部材、３１ａは膨張抑制部材である。ここで、電極部材３１ｂは半導体素子１１のエミッタ電極と、電極部材３１ｃは半導体素子１１のゲート電極とそれぞれ接合される構成である。

〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態に係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。図３は第２の実施形態の半導体装置における緩衝板を示す斜視図である。図中、１２は半導体素子（ＩＧＢＴ素子）、２２はコレクタ側熱緩衝板、２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅは電極部材、２２ａは膨張抑制部材である。図示しないその他の部材（エミッタ側熱緩衝板３、コレクタ側ＤＢＣ基板４、エミッタ側ＤＢＣ基板５）については第１の実施形態（図１）に準じる。

図３において、コレクタ側熱緩衝板２２に、電極部材を４個（２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅ）有し、該４個の電極部材２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅが膨張抑制部材２２ａによってそれぞれ隔てられて形成されている。このように、本実施形態では、コレクタ側熱緩衝板２２の電極部材が４箇所に分裂して存在しているため、膨張抑制部材２２ｂによる熱膨張の抑制はより一層可能となり、電極部材（２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅ）によってより一層の電気伝導と熱伝導が可能となる。

また、半導体素子１２がトランジスタやＩＣのように片方の面に複数の電極を持つ素子の場合、膨張抑制部材２２ａを絶縁材にすることで、一枚の熱緩衝板で複数の電極を取ることが可能となり、熱緩衝板の一枚化による工程の簡易化やコストダウンが可能となる。なお、エミッタ側熱緩衝板３については、図３のコレクタ側熱緩衝板２２の構成に応じた構成となる。

〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態に係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。図４（ａ）は第３の実施形態の半導体装置における緩衝板を示す斜視図であり、図４（ｂ）は半導体装置の回路図である。

図中、１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅは半導体素子（ＩＧＢＴ素子）、２３はコレクタ側熱緩衝板、２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ，２３ｅは電極部材、２３ａは膨張抑制部材、４３はコレクタ側電極板であり、１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅはＩＧＢＴである。なお、図４（ａ）において、図示しないその他の部材（エミッタ側熱緩衝板３、エミッタ側ＤＢＣ基板５）については第１の実施形態（図１）に準じる。

図４（ａ）において、本実施形態の半導体装置は、４個のＩＧＢＴ素子１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅを有しており、コレクタ側熱緩衝板２３は、ＩＧＢＴ素子と同数の箇所に電極部材２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ，２３ｅを備え、該４個の電極部材２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ，２３ｅが膨張抑制部材２３ａによってそれぞれ隔てられて形成されている。

この構造により、図４（ｂ）に示すように、４個のＩＧＢＴ（１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ）のコレクタを１個の電極４３に接続した多パラ一括実装が実現されている。ここで、膨張抑制部材２３ａの材料としては、電極部材２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ，２３ｅより低い熱膨張率を持つものであればよく、金属または絶縁材の何れであってもよい。また、他の部材の材料については第１の実施形態に準じる。

このように、本実施形態では、半導体装置は複数個のＩＧＢＴ素子１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅを有し、コレクタ側熱緩衝板２３には該ＩＧＢＴ素子１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅと同数の電極部材２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ，２３ｅが分裂して存在しており、ＩＧＢＴ素子を並列で使用する際に１枚のコレクタ側熱緩衝板２３を併用することが可能であるため、多パラ一括実装と熱緩衝板の一枚化により半導体装置としての工程の簡素化並びに部品数の削減が可能である。なお、本実施形態においても第１および第２の実施形態で述べた効果をも合わせ持つことはいうまでもない。

〔第３の実施形態の変形例〕
次に、本発明の第３の実施形態に係る半導体装置および半導体装置の製造方法の変形例について説明する。図５（ａ）は第３の実施形態の変形例の半導体装置における緩衝板を示す斜視図であり、図５（ｂ）は半導体装置の回路図である。

図中、１４ｂ，１４ｃ，１４ｄは半導体素子（ＩＧＢＴ素子）、２４はコレクタ側熱緩衝板、２４ｂ，２４ｃ，２４ｄは電極部材、２４ａは膨張抑制部材、４４ｂ，４４ｃ，４４ｄはコレクタ側電極板であり、１４ｂ，１４ｃ，１４ｄはＩＧＢＴである。なお、図５（ａ）において、図示しないその他の部材（エミッタ側熱緩衝板３、エミッタ側ＤＢＣ基板５）については第１の実施形態（図１）に準じる。

図５（ａ）において、本変形例の半導体装置は、３個のＩＧＢＴ素子１４ｂ，１４ｃ，１４ｄを有しており、コレクタ側熱緩衝板２４は、ＩＧＢＴ素子と同数の箇所に電極部材２４ｂ，２４ｃ，２４ｄを備え、該３個の電極部材２４ｂ，２４ｃ，２４ｄが膨張抑制部材２４ａによってそれぞれ隔てられて形成されている。

この構造により、図５（ｂ）に示すように、３個のＩＧＢＴ（Ｔ４ｂ，Ｔ４ｃ，Ｔ４ｄ）のコレクタを独立した電極４４ｂ，４４ｃ，４４ｄにそれぞれ接続した実装が実現されている。ここで、膨張抑制部材２４ａの材料としては、電極部材２４ｂ，２４ｃ，２４ｄより低い熱膨張率を持ち且つ絶縁性を有する材料を用いる。また、他の部材の材料については第１の実施形態に準じる。

このように、本変形例では、半導体装置は複数個のＩＧＢＴ素子１４ｂ，１４ｃ，１４ｄを有し、コレクタ側熱緩衝板２４には該ＩＧＢＴ素子１４ｂ，１４ｃ，１４ｄと同数の電極部材２４ｂ，２４ｃ，２４ｄが分裂して存在しており、１枚のコレクタ側熱緩衝板２３を併用することが可能であるため、熱緩衝板の一枚化により半導体装置としての工程の簡素化並びに部品数の削減が可能である。つまり、それぞれのＩＧＢＴを絶縁した電極に設置したい場合、例えばインバータを構成する上下アームや３相全ての共通した熱緩衝板として使用する場合には、本変形例を適用することが有効である。なお、本変形例においても第１および第２の実施形態で述べた効果をも合わせ持つことはいうまでもない。

〔第４の実施形態〕
次に、本発明の第４の実施形態に係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。図６は第４の実施形態の半導体装置における熱緩衝板付き絶縁基板を示す斜視図である。

図６において、１００は熱緩衝板付き絶縁基板であり、１０２は第１および第２の実施形態で述べた緩衝板（コレクタ側熱緩衝板またはエミッタ側熱緩衝板）と同様の材料および構成をした熱緩衝板であり、１０７はセラミックス絶縁基板である。また、熱緩衝板１０２において、１０２ａは膨張抑制部材であり、１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄ，１０２ｅは電極部材である。

このように、本実施形態では、熱緩衝板１０２の一方の主面が直接セラミックス絶縁基板（電極板）１０７に接合され、熱緩衝板１０２自体が回路としても機能する熱緩衝板付き絶縁基板１００となっている。このため、熱緩衝板を単体で用いる場合に必要となる電極板や絶縁を別途用意する必要がなく、また、通常必要とされる回路付き絶縁基板に熱緩衝板を設置する手間が省け、半導体装置としての工程の簡素化並びに部品の削減が可能となる。さらにその結果として、熱緩衝板１０２において素子との接合部だけではなく、セラミックス基板１０７との接合部の応力緩和も可能であり、セラミックス基板としての信頼性も向上する。また、絶縁基板のみならず、電極板としてのバスバーと連結する構造とすることも可能である。

〔第５の実施形態〕
次に、本発明の第５の実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。図７は第５の実施形態の半導体装置における熱緩衝板の製造方法を示す説明図である。

図７（ａ）において、２００は熱緩衝板の元材となりうる二種材料のクラッド棒であり、２００ｂは比較的電気抵抗が低く熱伝導性の高い例えばＣｕからなる電極部材をなす導電性材料であり、また、２００ａは例えばＣｕより低くＳｉに近い熱膨張率を持つ例えばＫＶ（コバール…ＦｅＮｉＣｏ）からなる膨張抑制部材をなす材料（第２の部材）である。

ここで、電極部材をなす材料２００ｂ（第１の導電性部材）としては、Ｃｕの他に、ＭｏやＷ、Ａｌ等、或いはその他の導電性のある材料の何れでも構わない。また、膨張抑制部材をなす材料２００ａとしては、電極部材をなす材料２００ｂより低い熱膨張率を持つ材料であれば、インバーやその他の金属であっても、或いは樹脂等の絶縁材であってもよい。

このようなクラッド棒２００を、図７（ｂ）に示すように、指定の厚みにスライスしたものを熱緩衝板２０１として使用する。図７（ｂ）において、２０１ｂは電極部材（第１の導電性部材）、２０１ａは膨張抑制部材（第２の部材）である。

このように本実施形態の熱緩衝板２０１の製造方法では、柱状の電極部材をなす金属２００ｂを配置し、該電極部材をなす材料２００ｂの外周面に膨張抑制部材をなす材料２００ａを貼り付けて柱状の棒クラッド２００を形成し、該棒クラッド２００の電極部材をなす材料２００ｂから当該棒クラッド２００の外周方向に向かう面方向に当該棒クラッド２００をスライスして熱緩衝板２０１を形成するため、製造が容易である。

また、膨張抑制部材２００ａよりも融点の低い電極部材２００ｂ、または膨張抑制部材２００ａよりも融点の低いろう材を周囲に取り付けた電極部材２００ｂを、膨張抑制部材２００ａの穴に埋め込み、電極部材２００ｂまたはその周囲に付着したろう材のみを溶融させることにより、膨張抑制部材２００ａと、電極部材２００ｂとを接合して、棒クラッド２００を形成することにより、棒クラッド２００を容易に形成することができる。

また、同様の手順により、図１に示した膨張抑制部材２ａ内に電極部材２ｂを埋め込み、これらを接合することも可能である。
〔第６の実施形態〕
次に、本発明の第６の実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。図８は第６の実施形態の半導体装置における熱緩衝板の製造方法を示す説明図である。

図８（ａ）において、３００ａは主面の縦方向に貫通した穴を持つ膨張抑制部材であり、３００ｂは膨張抑制部材３００ａの穴より室温状態で面方向に多少大きめの形状をした電極部材である。

次に、図８（ｂ）では、膨張抑制部材３００ａよりも低温状態にある電極部材３００ｂを膨張抑制部材３００ａの穴に嵌め込んだ様子を示している。ここで、電極部材３００ｂの温度を下げることで面方向に収縮させ、膨張抑制部材３００ａの温度を上げることで面方向に膨張させることで、電極部材３００ｂは、膨張抑制部材３００ａの穴より寸法が収縮して、その穴に嵌め込むことが可能となる。

さらに、図８（ｃ）では、膨張抑制部材３００ａの穴に嵌め込んだ電極部材３００ｂと膨張抑制部材３００ａを同じ温度にすることにより、収縮した電極部材３００ｂが膨張し、膨張した膨張抑制部材３００ａが収縮し、膨張抑制部材３００ａと電極部材３００ｂとが接合された様子を示している。

例えば、電極部材３００ｂが常温でセラミックスからなる膨張抑制部材３００ａの穴より若干大きなサイズとなるＣｕとした場合には、電極部材３００ｂを冷却することで膨張抑制部材３００ａの穴の大きさより収縮した形状とし、膨張抑制部材３００ａの穴に嵌め込んだ後に常温に戻すことで、電極部材３００ｂは膨張し、膨張抑制部材３００ａの穴に嵌まって接合されることとなる。３０１はこの製造方法によって形成された熱緩衝板である。なお、膨張抑制部材３００ａおよび電極部材３００ｂの材料については、Ｃｕやセラミックスに限らず、上述したあらゆる材料を使用することが可能である。

また、この方法を用いて、先に説明した柱状の棒クラッドを作成することも可能である。

このように本実施形態の熱緩衝板３０１の製造方法では、縦方向に貫通した穴を持つ膨張抑制部材３００ａを形成し、膨張抑制部材３００ａの穴より室温状態で面方向に多少大きめの形状をした電極部材３００ｂを膨張抑制部材３００ａより低温状態にして膨張抑制部材３００ａの穴に埋め込み、電極部材３００ｂと膨張抑制部材３００ａを同じ温度にすることで電極部材３００ｂと膨張抑制部材３００ａを接合して熱緩衝板３０１を形成するため、製造が容易である。

〔第６の実施形態の第１変形例〕
次に、第６の実施形態に係る半導体装置の製造方法の第１変形例について説明する。図９は第６の実施形態の半導体装置における熱緩衝板の製造方法の第１変形例を示す説明図である。

図９（ａ）において、３１０ａは主面の縦方向に貫通した穴を持つ膨張抑制部材であり、３１０ｂは横方向の断面形状が膨張抑制部材３１０ａの穴より室温状態で面方向に多少大きめの形状で、縦方向の高さが膨張抑制部材３１０ａよりも高い形状の電極部材である。次に、図９（ｂ）では、膨張抑制部材３１０ａよりも低温状態にある電極部材３１０ｂを膨張抑制部材３１０ａの穴に嵌め込んだ様子を示している。さらに、図９（ｃ）では、膨張抑制部材３１０ａの穴に嵌め込んだ電極部材３１０ｂと膨張抑制部材３１０ａを同じ温度にすることにより、膨張抑制部材３１０ａと電極部材３１０ｂとが接合された様子を示している。３１１はこの製造方法によって形成された熱緩衝板である。

このように本実施形態の熱緩衝板３１１の製造方法では、熱緩衝板３１１の電極部材３１１ｂの主面が縦方向に対して膨張抑制部材３１１ａの主面より突出しているため、例えば、ＩＧＢＴ等のパワートランジスタのエミッタ電極を熱緩衝板３１１の第１の主面に接合する際に、素子周辺部のガードリング部（絶縁膜形成部）の破壊を防止することが可能となる。すなわち、第１の実施形態で述べた効果を達成しながら、工程の簡略化と品質の向上が可能となる。

〔第６の実施形態の第２変形例〕
次に、第６の実施形態に係る半導体装置の製造方法の第２変形例について説明する。図１０は第６の実施形態の半導体装置における熱緩衝板の製造方法の第２変形例を示す説明図である。

図１０（ａ）において、３２０ａは主面の縦方向に貫通した穴を持つ膨張抑制部材であり、３２０ｂは横方向の断面形状が膨張抑制部材３２０ａの穴より室温状態で面方向に多少大きめの形状で、縦方向の高さが膨張抑制部材３２０ａよりも低い形状の電極部材である。次に、図１０（ｂ）では、膨張抑制部材３２０ａよりも低温状態にある電極部材３２０ｂを膨張抑制部材３２０ａの穴に嵌め込んだ様子を示している。さらに、図１０（ｃ）では、膨張抑制部材３２０ａの穴に嵌め込んだ電極部材３２０ｂと膨張抑制部材３２０ａを同じ温度にすることにより、膨張抑制部材３２０ａと電極部材３２０ｂとが接合された様子を示している。３２１はこの製造方法によって形成された熱緩衝板である。

このように本実施形態の熱緩衝板３２１の製造方法では、熱緩衝板３２１の電極部材３２１ｂの主面が縦方向に対して膨張抑制部材３２１ａの主面より陥没しているため、例えば、ＩＧＢＴ等のパワートランジスタのエミッタ電極を熱緩衝板３２１の第１の主面に接合する際には、図１０（ｄ）および（ｅ）に示すように、熱緩衝板３２１の膨張抑制部材３２１ａが半導体素子３２５の位置決めガイドとなり、半導体素子３２５の位置ずれを防止する事が可能となる。

例えば、熱緩衝板３２１を第１の実施形態のコレクタ側熱緩衝板２に適用した場合には、電極部材２ｂの縦方向の厚みは膨張抑制部材２ａに比べて小さく、コレクタ側熱緩衝板２のＩＧＢＴ素子１との接合面側はその厚み分陥没している形状となるので、ＩＧＢＴ素子１とコレクタ側熱緩衝板２の位置決めを容易に行うことが可能となる。なお、陥没形状やコレクタ側熱緩衝板２の全体形状（四角形）は限定される必要はなく、全体の形状が円形やその他の形状であっても同等の効果を十分に得ることが可能である。

以上のように、本変形例では、上述した効果を達成しながら、工程の簡略化と品質の向上が可能となる。

なお、第６の実施形態の熱緩衝板の製造方法のさらなる変形として、緩衝板の一方の主面において、電極部材が膨張抑制部材からはみ出して面を形成するものがある。例えば、電極部材が膨張抑制部材からはみ出していない第１の主面側に低い熱膨張率である半導体素子を、電極部材が膨張抑制部材からはみ出して面を形成している第２の主面側に比較的高い熱膨張率である回路基板を、それぞれ接合することで、上述した各実施形態の効果を達成しながら、より一層の信頼性向上が可能となる。

第１の実施形態の半導体装置を構成する部材を切り離して示す斜視図である。 第１の実施形態の半導体装置における緩衝板の変形例を例示する斜視図である。 第２の実施形態の半導体装置における緩衝板を示す斜視図である。 図４（ａ）は第３の実施形態の半導体装置における緩衝板を示す斜視図であり、図４（ｂ）は半導体装置の回路図である。 図５（ａ）は第３の実施形態の変形例の半導体装置における緩衝板を示す斜視図であり、図５（ｂ）は半導体装置の回路図である。 第４の実施形態の半導体装置における熱緩衝板付き絶縁基板を示す斜視図である。 第５の実施形態の半導体装置における熱緩衝板の製造方法を示す説明図である。 第６の実施形態の半導体装置における熱緩衝板の製造方法を示す説明図である。 第６の実施形態の半導体装置における熱緩衝板の製造方法の第１変形例を示す説明図である。 第６の実施形態の半導体装置における熱緩衝板の製造方法の第２変形例を示す説明図である。

符号の説明

１ ＩＧＢＴ素子（半導体素子）
２ コレクタ側熱緩衝板（緩衝板）
２ａ 膨張抑制部材（第２の部材）
２ｂ 電極部材（第１の導電性部材）
３ エミッタ側熱緩衝板（緩衝板）
３ａ 膨張抑制部材（第２の部材）
３ｂ 電極部材（第１の導電性部材）
４ コレクタ側ＤＢＣ基板（電極板）
５ エミッタ側ＤＢＣ基板（電極板）
６ 位置決め用ガイド １１，１２，３２５ ＩＧＢＴ素子（半導体素子）
１３ｂ〜１３ｅ，１４ｂ〜１４ｄ ＩＧＢＴ素子（半導体素子）
２２，２３，２４ コレクタ側熱緩衝板（緩衝板）
２２ａ，２３ａ，２４ａ 膨張抑制部材（第２の部材）
２２ｂ〜２２ｅ，２３ｂ〜２３ｅ 電極部材（第１の導電性部材）
２４ｂ〜２４ｄ 電極部材（第１の導電性部材）
３１ エミッタ側熱緩衝板（緩衝板）
３１ａ 膨張抑制部材（第２の部材）
３１ｂ，３１ｃ 電極部材（第１の導電性部材）
１００ 熱緩衝板付き絶縁基板
１０２ 熱緩衝板
１０２ａ 膨張抑制部材（第２の部材）
１０２ｂ〜１０２ｅ 電極部材（第１の導電性部材）
１０７ セラミックス絶縁基板
２００ クラッド棒
２００ｂ 電極部材をなす金属
２００ａ 膨張抑制部材をなす金属
２０１，３０１，３１１，３２１ 熱緩衝板
３００ａ，３１０ａ，３２０ａ 膨張抑制部材
３００ｂ，３１０ｂ，３２０ｂ 電極部材
２０１ａ，３０１ａ，３１１ａ，３２１ａ 膨張抑制部材（第２の部材）
２０１ｂ，３０１ｂ，３１１ｂ，３２１ｂ 電極部材（第１の導電性部材）

Claims (19)

1. 半導体素子の主電極が、緩衝板を介在して電極板と接続される構造を持つ半導体装置において、
   前記緩衝板は、導体である第１の導電性部材と、前記第１の導電性部材より低い熱膨張率を持つ材料で構成される第２の部材と、を有し、
   前記半導体素子の主電極の面方向を前記緩衝板の面方向とし、該緩衝板の一方の面を第１の主面、他方の面を第２の主面とし、前記第１の主面から前記第２の主面に向かう方向を縦方向とするとき、前記緩衝板は、前記第１の導電性部材と前記第２の部材との接合面を縦方向に持ち、且つ、面方向に対して該緩衝板に熱が加わる際、第１の導電性部材の面方向への膨張が第２の部材で抑制されるように第１の導電性部材と第２の部材が配置されていることを特徴とする半導体装置。
2. 前記緩衝板は、前記第１の導電性部材の外周面のうち、面方向の全ての外周面が、前記第２の部材との接合面として該第２の部材に覆われていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記緩衝板の第１の主面において、少なくとも前記第１の導電性部材、もしくは第２の部材のいずれか一つ以上は、前記半導体素子の主電極と直接接しているか、或いは、ろう材または導電性の材料を介して接していることを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の半導体装置。
4. 前記緩衝板の第１の主面において、前記半導体素子の主電極は前記緩衝板の第１の導電性部材と接しており、第２の部材とは接していないことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の半導体装置。
5. 前記緩衝板は、前記第１の導電性部材を複数個有し、該複数個の第１の導電性部材は、前記第２の部材によってそれぞれ隔てられていることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の半導体装置。
6. 当該半導体装置は、前記半導体素子を複数個有し、
   前記緩衝板は、前記半導体素子の個数と同数またはそれ以上の箇所に前記第１の導電性部材を備えていることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
7. 前記緩衝板は、前記第１の導電性部材の主面が縦方向に向けて前記第２の部材の主面より陥没していることを特徴とする請求項１〜請求項６の何れか１項に記載の半導体装置。
8. 前記緩衝板は、一方の主面において、前記第１の導電性部材が前記第２の部材からはみ出して面を形成していることを特徴とする請求項１〜請求項７の何れか１項に記載の半導体装置。
9. 半導体素子の主電極が、緩衝板を介在して電極板と接続される構造を持つ半導体装置の製造方法において、
   前記半導体素子の主電極の面方向を前記緩衝板の面方向とし、該緩衝板の一方の面を第１の主面、他方の面を第２の主面とし、前記第１の主面から前記第２の主面に向かう方向を縦方向とするとき、
   前記緩衝板は、前記第１の導電性部材と前記第２の部材との接合面を縦方向に持ち、且つ、面方向に対して該緩衝板に熱が加わる際、第１の導電性部材の面方向への膨張が第２の部材で抑制されるように第１の導電性部材と第２の部材が配置されていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
10. 前記緩衝板は、前記第１の導電性部材の外周面のうち、面方向の全ての外周面が、前記第２の部材との接合面として該第２の部材に覆われて形成されることを特徴とする請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
11. 前記緩衝板は、前記第１の主面において、少なくとも前記第１の導電性部材、もしくは第２の部材のいずれか一つ以上が、前記半導体素子の主電極と直接接するように、或いは、ろう材または導電性の材料を介して接するように形成されることを特徴とする請求項９または請求項１０の何れか１項に記載の半導体装置の製造方法。
12. 前記緩衝板は、前記第１の導電性部材を複数個有し、該複数個の第１の導電性部材が前記第２の部材によってそれぞれ隔てられて形成されることを特徴とする請求項９〜請求項１１の何れか１項に記載の半導体装置の製造方法。
13. 当該半導体装置は、前記半導体素子を複数個有し、
    前記緩衝板は、前記半導体素子の個数と同数またはそれ以上の箇所に前記第１の導電性部材を備えて形成されることを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置の製造方法。
14. 柱状の前記第１の導電性部材を配置し、該第１の導電性部材の外周面に前記第２の部材を貼り付けて柱状の棒クラッドを形成する工程と、
    前記棒クラッドの前記第１の導電性部材から当該棒クラッドの外周方向に向かう面方向に当該棒クラッドをスライスして前記緩衝板を形成する工程と、
    を有することを特徴とする請求項９〜請求項１３の何れか１項に記載の半導体装置の製造方法。
15. １つ以上の箇所に縦方向に貫通した穴を持つ前記第２の部材を形成する工程と、
    前記第２の部材の穴よりも、面方向に大きく形成された第１の導電性部材を形成する工程と、
    前記第２の部材より融点の低い前記第１の導電性部材、または前記第２の部材より融点の低いろう材を周囲に付けた前記第１の導電性部材を前記穴に埋め込み、第１の導電性部材またはその周囲に付いたろう材のみを溶融させることで、第１の導電性部材と第２の部材を接合して前記棒クラッドまたは前記緩衝板を形成する工程と、
    を有することを特徴とする請求項９〜請求項１４の何れか１項に記載の半導体装置の製造方法。
16. １つ以上の箇所に縦方向に貫通した穴を持つ前記第２の部材を形成する工程と、
    前記第２の部材の穴よりも、面方向に大きく形成された第１の導電性部材を形成する工程と、
    前記第２の部材より前記第１の導電性部材を低い温度にすることで、第２の部材の膨張、もしくは第１の導電性部材の収縮、いずれか一つ以上を利用して、前記第２の部材のそれぞれの穴に埋め込み、該第１の導電性部材と前記第２の部材を同じ温度にすることで第１の導電性部材と第２の部材を接合して前記棒クラッドまたは前記緩衝板を形成する工程と、
    を有することを特徴とする請求項９〜請求項１４の何れか１項に記載の半導体装置の製造方法。
17. 前記緩衝板は、前記第１の導電性部材の主面が、縦方向に向けて前記第２の部材の主面より突出していることを特徴とする請求項９〜請求項１６の何れか１項に記載の半導体装置の製造方法。
18. 前記緩衝板は、前記第１の導電性部材の主面が、縦方向に向けて前記第２の部材の主面より陥没していることを特徴とする請求項９〜請求項１６の何れか１項に記載の半導体装置の製造方法。
19. 前記緩衝板は、一方の主面において、前記第１の導電性部材が前記第２の部材からはみ出して面を形成していることを特徴とする請求項９〜請求項１６の何れか１項に記載の半導体装置の製造方法。

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