JP5344888B2

JP5344888B2 - 半導体装置

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Publication number: JP5344888B2
Application number: JP2008285410A
Authority: JP
Inventors: 裕米田; 建一林; 信義木本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-11-06
Filing date: 2008-11-06
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2028-11-06
Also published as: JP2010114257A

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に、放熱性が要求される半導体装置及びその製造方法に関する。

大きな電力を扱う装置に対して電力用トランジスタを含むパワーモジュールが用いられる場合がある。該パワーモジュールは、発熱を伴うため放熱構造を有し、その一例として以下のような構造が提案されている。即ち、セラミックの放熱板の上部に導電部を形成し、この導電部に半導体素子を半田接合する。一方、セラミック放熱板の下部は、直接又は放熱グリスを介してヒートシンクに取り付けられる。このような構成によれば、放熱板の小型化によりパワーモジュールを小型軽量化し、部品点数や組立工数を減らすことができる（例えば、特許文献１参照）。

また、半導体素子の両面を冷却するようにした半導体モジュールも提案されている。この半導体モジュールでは、半導体素子を金属板にて挟み、それぞれの金属板に半田を介して絶縁板を設け、さらに各絶縁板には、半田を介して放熱フィンを設けている。このような構成により、放熱性の向上を図っている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００１−１３５７５８号公報（図１）特開２００７−３３５６６３号公報（図１）

例えば上記特許文献１では、上述のように、半導体素子を取り付けたセラミック放熱板からなる半導体モジュールは、放熱グリスを介してヒートシンクに取り付けられている。半導体モジュールを小型軽量化するためには、半導体モジュールの放熱性を向上させることが重要である。しかしながら、グリスは、熱伝導率が小さく、半導体素子の放熱性を向上させるには限界がある。

そこで、半導体モジュールの放熱性向上のため、例えば上記特許文献２のように、半導体素子を取り付けた金属板からなる半導体モジュールと、絶縁板及び放熱フィンを有する冷却部材との間を半田にて接合している。しかしながら、半導体モジュールに使用される半田と、冷却部材にて使用される半田とが同一の半田、若しくは融点の近い半田である場合には、半導体モジュールと冷却部材とを半田付けするときの加熱によって、半導体モジュールにおける半田が再溶融してしまう。よって、再溶融した半田の体積膨張により、半導体モジュールが破壊される場合があるという問題がある。

また、放熱性を向上させるためには、上記半導体モジュールと上記冷却部材とを接合している半田の厚みは、薄いほうが好ましい。しかしながら、半田厚を薄くした場合、温度変化が生じたときには、半導体モジュールと冷却部材との熱膨張率の相違により、半田に応力が作用しクラックが入りやすくなる。つまり耐ヒートサイクル性が悪くなるという問題が生じる。一方、この問題解消のために半田厚を厚くした場合には、半田厚が不均一であると、やはり半田厚の薄い部分から半田クラックが発生してしまう。よって、耐ヒートサイクル性を確保するためには、半田厚を一定にする必要がある。したがって、放熱性の向上、及び耐ヒートサイクル性の両立を図るためには、適切な半田厚に設定し、かつ全体の半田厚を一定に調節する必要がある。

しかしながら上記特許文献２の技術では、半導体モジュールと冷却部材とを半田付けするとき、半田厚の調節はできない。よって上記特許文献２では、耐ヒートサイクル性に乏しく信頼性の低い半導体モジュールとなるという問題がある。
また、特許文献２では、半導体モジュールと冷却部材とを半田付けするとき、上述の信頼性の関係から、供給する半田量が比較的多く、半田付けの際、半導体モジュールが移動しやすくなる。そのため、規定位置に確実に半導体モジュールを半田付けすることが困難であるという問題もある。

本発明は、上述したような問題点を解決するためになされたものであり、放熱性の向上及び耐ヒートサイクル性の両立を図ることができる半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の一態様における半導体装置は、半導体素子を樹脂でモールドして形成され、かつ上記半導体素子からの熱が伝導するとともに半田接合が可能な半田接合可能面を露出させた半導体モジュールと、上記半田接合可能面に対向して配置され、上記半導体モジュールより熱膨張率の大きい金属より成る冷却部であり、上記半田接合可能面と上記冷却部との隙間に設けられ上記半田接合可能面及び上記冷却部に接合された接合用半田を介して伝導された上記半導体素子からの熱を外部へ放散する冷却部と、上記半導体モジュールと一体成型され、上記半導体モジュールと上記冷却部との重畳方向に沿って高さを揃えて突出し、かつ上記接合用半田の外周に形成され、上記隙間の全域にわたり上記接合用半田の厚みを一定に形成する半田厚設定部と、上記冷却部に上記半田厚設定部と同じ大きさで形成され、上記半田厚設定部に対応して位置し上記半田厚設定部が挿入される凹部と、を備えたことを特徴とする。

本発明の一態様における半導体装置によれば、半田厚設定部を備えたことで、半導体モジュールと冷却部との隙間に設けられる接合用半田を適切な厚さに設定することができる。即ち、上記半田厚設定部の高さを同一にすることで、接合用半田の厚さを一定に調節することができる。これにより、放熱性の向上及び耐ヒートサイクル性の両方の要求を満足することができる。又、放熱性の向上により大きな放熱部材を必要とせず、製品の小型化を図ることもでき、又、耐ヒートサイクル性の向上により製品の長寿命化を図ることも可能となる。又、放熱性の向上を図れることから、製品の省エネルギー化を図ることも可能となる。又、製品の小型化を図れることから、包装の減量化、小型化等を図ることも可能となる。又、接合用半田の厚さを一定に調節することができることから、半導体装置の歩留まりを向上することもできる。又、製品の小型化を図れることから、輸送方法の効率化等を図ることも可能となる。又、製品の長寿命化を図れることから、環境負荷低減を図ることもできる。

本発明の実施形態である半導体装置、及び該半導体装置の製造方法について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については、同じ符号を付している。又、各図間の図示では、対応する各構成部分のサイズや縮尺は、それぞれ独立している。よって、例えば構成の一部を変更して図示した各断面図間において、同一構成部分の図示が異なる場合もある。又、該半導体装置の構成部分の内、本発明の構成に直接関係しない構成部分については、図示を省略している。例えば、樹脂パッケージ内に備わるダイオード素子等が相当し、図示を省略している。

又、以下に説明する各実施形態におけるそれぞれの半導体装置は、基本的な構成部分として、半導体モジュールと、冷却部と、半田厚設定部とを備えている。又、以下に説明する各実施形態では、上記半田厚設定部は、上記半導体モジュールと一体的に成型された形態を採るが、これに限定されるものではない。即ち、半田厚設定部は、上記半導体モジュール及び上記冷却部の少なくとも一方と一体的に成型して構成することもできる。つまり、半田厚設定部は、重ねられて配置される半導体モジュールと冷却部との間に位置するように、上記半導体モジュール及び上記冷却部の少なくとも一方と一体成型され、半導体モジュールと冷却部とを接合する接合用半田の厚みをその全域にわたり一定に形成する機能を有するものであれば、その形態を問わない。

実施の形態１．
図１に示すように、本実施の形態１における半導体装置１０１は、基本的構成部分として、半導体モジュール３０と、冷却部５０と、半田厚設定部１２とを備え、半導体モジュール３０と冷却部５０とが重畳方向２１に沿って重ねられ、かつ接合用半田７にて接合されて形成される。このとき、接合用半田７の厚さは、半田厚設定部１２にて一定に設定される。
このような構成を有する半導体装置１０１の各構成部分について、以下に詳しく説明する。

半導体モジュール３０は、基本的構成部分として、半導体素子１と、絶縁板２と、金属板３と、絶縁板２の一面に絶縁板２と一体に形成され金属にてなる半田接合可能部６と、樹脂８とを備える。半導体モジュール３０内では、重畳方向２１に平行な半導体モジュール３０の厚み方向に沿って、絶縁板２に金属板３が載置され、該金属板３に内半田４にて半導体素子１が接合されている。このような構成部分が樹脂８にて封止されて半導体モジュール３０が形成される。又、上述のように半導体モジュール３０は、冷却部５０に重ねられ配置されるが、半導体モジュール３０における樹脂８の一表面であって冷却部５０に対向する冷却部対向面８ａには、半田接合可能部６の半田接合可能面６ａが露出している。冷却部対向面８ａと半田接合可能面６ａとは、同一平面を形成している。

詳細後述するが、冷却部対向面８ａには、さらに半田厚設定部１２が半導体モジュール３０と樹脂８にて一体成型されている。又、半導体素子１の主電極には、主電極板１５の一端が、また、金属ワイヤ１７を介して主電極板１６の一端がそれぞれ電気的に接続されており、例えば銅製にてなる主電極板１５，１６は、その他端を半導体モジュール３０より外部へ突出させた状態で、樹脂８にて封止されている。尚、主電極板１５，１６以外にも半導体素子１に接続されるものがあるが、図示を省略している。

半導体モジュール３０の主要構成部分について、更に詳しく説明する。
半導体素子１は、本実施形態では、インバータやコンバータ等を構成する例えばＩＧＢＴ素子のような発熱性の電力用素子である。半導体モジュール３０では、１個以上の半導体素子１が備わる。半導体素子１の材料としては、ＳｉやＳｉＣ等が用いられる。

金属板３は、電極としての役割と、ヒートスプレッダとしての役割とを有する。即ち、上述のように内半田４にて金属板３に接合された半導体素子１にて発生した熱は、内半田４を介して金属板３の全体に広がり、金属板３は放熱性を向上させる。また、この金属板３に主電極板１５を電気的に接続することによって、半導体素子１に通電が行われる。このような２つの役割から、金属板３の材料は、熱伝導性及び電気伝導性の良いものが好ましく、例えば銅や、半田付け可能なようにニッケルメッキされたアルミニウム等を用いることができる。もちろん、これらの材料に限らず、熱及び電気を伝える材料であれば、他の材料を用いてもよい。又、金属板３の形状は、図１に示したようなブロック形に限らず、目的に応じて様々な形状を取ることができる。金属板３の一例として、例えば、厚さ３ｍｍの銅製の板である。

内半田４は、半導体素子１と金属板３とを機械的、電気的、及び熱的に接続する融点の低い金属材料であり、例えば図２で例示するように、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の半田や、これよりも融点の高いＳｎ−Ｓｂ系の半田等を用いるのが好ましい。又、一例として内半田４の厚さは、例えば１５０μｍ程度である。

絶縁板２は、電気的な絶縁物であり、放熱性を向上させるために、熱伝導率の大きいものが好ましい。例えば、エポキシ樹脂に、高い熱伝導率を有する材料のフィラーを混ぜたものを用いたシート構造のものや、セラミック等が用いられるが、電気的な絶縁物であれば他の材料を用いてもよい。又、絶縁板２は、下記のように半田接合可能部６と機械的及び熱的に接続され、一体に成形されている。

半田接合可能部６は、絶縁板２と一体にて作製される。上述のように、絶縁板２に金属板３が載置されることから、半導体素子１から発した熱は、金属板３を介して、半導体モジュール３０の樹脂８の冷却部対向面８ａと同一平面にてなり冷却部対向面８ａに露出する半田接合可能部６の半田接合可能面６ａに伝導される。又、半田接合可能面６ａは、接合用半田７によって冷却部５０と機械的及び熱的に接続される。図１では、半田接合可能部６は、エポキシ樹脂にセラミックフィラーを充填した絶縁板２に装着した銅箔として図示している。上記銅箔は、例えば厚さ０．１ｍｍ程度にてなる。しかしながら、半田接合可能部６の材料及び形状は、図１に示す形態に限定するものではなく、絶縁板２と一体であり、半田接合可能面６ａが冷却部５０と接合用半田７によって機械的及び熱的に接続されることで、絶縁板２と冷却部５０とが機械的及び熱的に接続される機能を有するものであればよい。例えば、半田接合可能部６の材料としては、セラミック基板にろう付けされた銅板やアルミニウム板、あるいは、セラミック基板の表面にペーストの焼成やスパッタリング、めっき等で形成された金属膜等であってもよい。又、半田接合可能部６の放熱性を向上させるためには、半田接合可能部６として熱伝導率が大きい材料を用いるのが好ましい。

又、半導体モジュール３０の半田接合可能面６ａと冷却部５０とを接合用半田７にて接合する工程において、内半田４が溶融してしまうと、内半田４の溶融による体積膨張によって、半導体モジュール３０の樹脂８を内側から破壊してしまう等の不具合が発生することが考えられる。このような不具合発生を防止するため、内半田４の材料は、接合用半田７として使用する材料よりも、融点の高い材料であることが好ましい。さらには、図２に示すように、接合用半田７として使用する材料の融点（液相線）より、少なくとも２０℃以上、融点（固相線）が高い材料がより好ましい。例えば、内半田４としてＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の半田を用いた場合、接合用半田７には、それより融点の低いＳｎとＢｉや、ＩｎやＺｎ等との合金である半田等を用いるのが好ましい。尚、図２に示すように、接合用半田７としてＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の半田を用いることもでき、この場合、内半田４として、より融点の高いＳｎ−Ｓｂ系の半田が用いられる。

半導体モジュール３０は、半導体装置１０１の信頼性向上のために、例えば、モールド樹脂８でトランスファーモールド法にて形成されていることが好ましい。

次に、冷却部５０について説明する。
冷却部５０は、重畳方向２１に沿って、半導体モジュール３０の冷却部対向面８ａにおける半田接合可能面６ａに対向して配置され、上述した接合用半田７にて半田接合可能面６ａと接合される。このような構成において、半導体モジュール３０と冷却部５０との隙間２０に接合用半田７が存在する。本実施形態では、接合用半田７の厚さは、約３００μｍである。

このように設置される冷却部５０は、半導体素子１で発生し接合用半田７を介して伝導してきた熱を外部へ放散して半導体装置１０１の全体を冷却する。例えば、図１に示す冷却部５０は、平板５０ａに、該平板５０ａの厚み方向に伸びる複数の羽部材５０ｂを一体的に形成した形状にてなり、冷却部５０の表面積を大きくすることで放熱性を向上させたニッケルメッキされたアルミニウムの放熱フィン形状である。しかしながら、冷却部５０の材料及び形状は、図１に示す例に限るものではなく、接合用半田７にて半田接合可能面６ａと機械的及び熱的に接続可能で、半導体素子１で発生した熱を放散可能なものであればよい。よって、冷却部５０は、図１に示すような冷却部材に限定されず、例えば、ニッケルメッキされたアルミニウム板に冷媒の流路を設けて、上記流路に水等の冷媒を流すことで冷却する冷却装置であってもよい。冷却性を向上させるためには、強制的に除熱する手段を有する構成がより好ましい。

次に、半田厚設定部１２について説明する。
半田厚設定部１２は、半導体モジュール３０において半田接合可能面６ａが露出する冷却部対向面８ａと、該半田接合可能面６ａに対向する冷却部５０の半導体モジュール対向面５０ｃとの間で、重畳方向２１に沿って少なくとも隙間２０の距離にて延在し、隙間２０の全域にわたり接合用半田７の厚みを一定に形成する。

上述のように、本実施形態において半田厚設定部１２は、半導体モジュール３０と樹脂８にて一体成型される。詳しく説明すると、半田厚設定部１２は、冷却部５０に対向する、半導体モジュール３０の冷却部対向面８ａにおける半田接合可能面６ａ以外の領域に、重畳方向２１に沿って突設される。冷却部５０と半田接合可能面６ａとは、接合用半田７を用いて接合されることから、半田厚設定部１２は、接合用半田７の外周付近に形成されていることが好ましい。さらに、接合用半田７の厚さを一定に調節するために、同じ面内に形成された半田厚設定部１２の重畳方向２１における高さは、本実施形態においては、全て同じ高さにそろえられている。尚、後述する実施形態においても、半田厚設定部１２の重畳方向２１における高さは、全て同じ高さにそろえられるのが好ましい。

半田厚設定部１２は、半導体モジュール３０が樹脂８にて成型されるときに同時に形成されることから、その形状は、例えば円柱等の単純な形状であることが好ましい。しかしながら、半田厚設定部１２を用いて、接合用半田７の厚みを一定に保つことができれば、その形状は問わず、例えば、三角柱等の形状でもかまわない。

以上のような構成を有する本実施の形態１による半導体装置１０１は、既に説明したように、半導体素子１、主電極板１５、１６、金属板３、絶縁板２、及び半田接合可能部６が組み立てられ、半導体モジュール３０として樹脂８にて封止される。このとき、半田厚設定部１２は、半導体モジュール３０と樹脂８にて一体成型される。樹脂封止して作製された半導体モジュール３０は、重畳方向２１に沿って冷却部５０に重ねられ、半導体モジュール３０の表面に露出している半田接合可能面６ａと冷却部５０とが接合用半田７を用いて接合されることにより、半導体装置１０１が製造される。

このような工程で半導体装置１０１の製造を行うことによって、半田接合可能面６ａと冷却部５０とを接合用半田７で接続する前に、その他の部材は、樹脂８によって封止することができる。これによって、冷却部５０も含めた全ての部材を組み立てた後に樹脂封止工程を行わなくてもよくなるため、結果として半導体装置１０１の製造を容易に行うことが可能となる。

又、半導体モジュール３０に突設した半田厚設定部１２を所定の高さに揃えておき、接合用半田７を適切な量供給して、半導体モジュール３０と冷却部５０との半田付け工程を行うことにより、接合用半田７は放熱性を向上させ、かつ、一定高さを有する半田厚設定部１２は、接合用半田７の厚みを上記隙間２０の全域にわたり一定にそろえ、かつ耐ヒートサイクル性を確保可能な厚さに設定する。したがって、接合用半田７の厚さが局所的に薄くなる部分は発生しない。既に説明したように、放熱性向上のためには半田厚は薄いほうが好ましいが、半田厚を薄くすると、温度変化によって半導体モジュールと冷却部との熱膨張率の違いから半田に応力が作用し、半田にクラックが入りやすくなるという問題がある。又、半田厚が不均一であると、半田厚の薄い部分から半田クラックが生じるため、耐ヒートサイクル性を確保するためには、半田厚を一定に保つ必要がある。本実施形態によれば、接合用半田７の厚さは、均一になるので、このような問題の発生を回避することができる。

尚、半田厚を設定して、全体の半田厚を一定にする方法として、半田付け部にスペーサを設置する方法、例えばワイヤバンプ等を設ける方法が知られている。しかしながら、これらの方法は、製造工程において、例えばワイヤバンプであればワイヤ片を取り付ける等の新たな工程を必要とする。これに対して、本実施形態では、半田厚設定部１２は、半導体モジュール３０と樹脂８にて一体成型するため、別途、新たな工程を設ける必要は、一切無いというメリットがある。

又、上述のように本実施形態では、半田厚設定部１２は、半導体モジュール３０と樹脂８にて一体成型されて形成した。しかしながら、この構成に限定されず、半導体モジュール３０に一体成型した半田厚設定部１２の代わりに、冷却部５０の作製時に冷却部５０の材料にて半田厚設定部１２を冷却部５０と一体成型してもよい。さらには、半導体モジュール３０及び冷却部５０の両方に半田厚設定部１２を一体成型してもよい。
このような変形例においても、半田厚設定部１２は、半導体モジュール３０及び冷却部５０の少なくとも一方と一体成型されるため、別途、新たな工程を設ける必要は一切無いというメリットがある。

又、半田接合可能面６ａと冷却部５０とを接合用半田７で接合する工程では、半導体装置１０１全体を加熱する必要がある。この加熱温度は、接合用半田７の融点（液相線）以上、内半田４の融点（固相線）以下とするのが好ましい。例えば、接合用半田７をＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系半田とし、内半田４をＳｎ−Ｓｂ系半田とすると、加熱温度は、２２０℃以上、２４０℃以下が好ましい。これは加熱温度が２２０℃以下であると、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系半田が溶融しないため、半田接合可能面６ａと冷却部５０とを接合できず、一方、加熱温度が２４０℃より大きいと、接合用半田７の他、半導体モジュール３０内のＳｎ−Ｓｂ系半田も溶融してしまうため、Ｓｎ−Ｓｂ系半田の体積膨張によって半導体モジュール３０の樹脂８が破壊されてしまう可能性があるためである。

上述したような構成を有する本実施の形態１による半導体装置１０１は、あくまで一実施例を示したものであり、上述した構成に限定するものではなく、冷却部５０が接合用半田７によって半導体モジュール３０に接続されており、半田接合可能面６ａが露出している半導体モジュール３０の冷却部対向面８ａに、半田厚設定部１２が形成されていれば、樹脂８で封止される部分の構成は、変更されてもかまわない。例えば、図３に示す半導体装置１０１Ｂのように、冷却部５０と半田接合可能部６との間に、金属板９が存在し、半田接合可能部６と金属板９とが内半田１０にて接合され、冷却部５０と金属板９に存在する半田接合可能面９ａとが接合用半田７によって接続されるような構造でもかまわない。ここで、半田接合可能面９ａは、上述の半田接合可能面６ａと同様のものである。又、内半田１０は、モールド樹脂８で封止されているため、内半田４と同様かそれに近い材料を用いるのが好ましい。

また、製造工程においても、半導体素子１を含む部材を樹脂８によって封止した後、半導体モジュール３０を冷却部５０と接合用半田７によって接合する工程が変わらなければ、それ以外の工程については、その構造に適した製造工程で製造してかまわない。

実施の形態２
次に、本実施の形態２における半導体装置について、図４を参照して以下に説明する。
本実施の形態２における半導体装置１０２と、図１を参照し上述した半導体装置１０１との大きな相違点は、半導体モジュール３０と一体的に形成された半田厚設定部１２に対応した冷却部の箇所に凹部１１を設けた点である。以下では、この相違点に伴う変更部分についてのみ説明を行い、上述の半導体装置１０１と同じ構成部分については、ここでの説明を省略する。同様に、製造工程についても上述の半導体装置１０１と同じ部分については説明を省略する。尚、凹部１１を有する冷却部について、冷却部５１と符号する。

冷却部５１は、上述のように、半導体モジュール３０と一体的に形成された半田厚設定部１２に対応する位置に凹部１１を有する。冷却部５０と比べて、冷却部５１の構成上、他に相違箇所はない。よって、冷却部５０に関する説明は、上述した説明をそのまま適用可能であり、同一部分についてのここでの説明は省略する。

又、実施の形態２における半導体装置１０２では、図４に示すように、各半田厚設定部１２は、それに対応した位置に配置されている各凹部１１に挿入される。尚、半導体装置１０２におけるその他の構成部分は、上述の半導体装置１０１と同じである。

上述の相違箇所について詳しく説明する。
冷却部５１に備わる凹部１１の数は、少なくとも半田厚設定部１２の数と同じである必要があるが、半田厚設定部１２の数より多くても問題はない。又、重畳方向２１における凹部１１の深さは、半田厚設定部１２の高さよりも小さく、全ての半田厚設定部１２の高さが揃っている場合には、凹部１１の深さをそろえておくのが好ましい。又、半田厚設定部１２の高さが揃っていない場合には、各凹部１１の深さは、対応する各半田厚設定部１２の高さとの差が同じになるような深さにすることが好ましい。いずれの場合も、上記隙間２０が一定の厚さになるように、凹部１１の深さは、設定、調整される。

このように、半導体モジュール３０と一体的に形成された半田厚設定部１２に対応して、冷却部５１に凹部１１を配置し、各凹部１１の深さとそれに対応する各半田厚設定部１２の高さとの差が全て同じになるようにすることで、重畳方向２１における接合用半田７の厚さを自由に設定することができる。さらに、凹部１１の大きさを半田厚設定部１２の大きさに対して僅かに大きい程度に設定することで、接合用半田７による半田付けの際に、半導体モジュール３０と冷却部５１との相対的なズレを抑制することができ、半導体モジュール３０と冷却部５１とを位置決めすることも可能になる。

さらに、半導体装置１０２に温度変化が作用したとき、冷却部５１の材料と、半導体モジュール３０を構成する材料との熱膨張率の相違により、冷却部５１と半田接合可能面６ａとを接合している接合用半田７に熱応力が生じる。該熱応力が繰り返し発生することで、接合用半田７に半田クラックが発生するが、熱応力が大きいほどクラックは発生しやすい。このような場合でも、半田厚設定部１２が凹部１１に比較的タイトに挿入されていると、半導体モジュール３０と冷却部５１とが略一体化されるため、温度変化時でも両者は略一体的に変形する。即ち、温度変化時に熱膨張率の小さい部材（例えば半導体モジュール３０）が熱膨張率の大きい部材（例えば冷却部５１）に引っ張られる。これにより、タイトに挿入されていない場合に比べて、接合用半田７に生じる熱応力を緩和することができる。このように、接合用半田７に生じる熱応力を緩和するためには、半田厚設定部１２と凹部１１との大きさをできるだけ同じ（タイト）に設定するのが好ましい。
尚、上記半田クラックは、最も熱応力が大きくなる接合用半田７の４角から発生するため、接合用半田７の４角に近い位置で、半田付けに影響のない部分に、応力緩和効果を有する凹部１１及び半田厚設定部１２を配置するのが好ましい。

又、ここで示す凹部１１とは、半田厚設定部１２が挿入可能な大きさを有しているが、各凹部１１の深さとそれに対応する各半田厚設定部１２の高さとの差が揃えられていれば、凹部１１、もしくは凹部１１の一部が冷却部５１を重畳方向２１に貫通しているか否かは問わない。しかしながら、上述した耐ヒートサイクル性を向上させる効果を得るためには、凹部１１と半田厚設定部１２との断面積をできるだけ同じにし、凹部１１と半田厚設定部１２の「遊び」は、少ないほうが好ましい。

本実施の形態２による半導体装置１０２の製造工程は、冷却部５１に凹部１１を設ける工程以外は、本実施の形態１と同様である。冷却部５１に凹部１１を設けるのは、半田接合可能面６ａと冷却部５１とを接合用半田７を用いて半田付けする前であればいつでもよいが、冷却部５１の製作時に凹部１１も設けておくことが好ましい。

実施の形態３
次に、本実施の形態３における半導体装置について、図５を参照して以下に説明する。
本実施の形態３における半導体装置１０３と、図４を参照し上述した半導体装置１０２との大きな相違点は、半導体モジュール３０と一体的に形成された半田厚設定部１３が、図５に示すように、重畳方向２１に沿って２段状に成形されている点である。
以下では、上記相違点に伴う変更部分についてのみ説明を行い、上述の半導体装置１０２と同じ構成部分についてはここでの説明を省略する。同様に、製造工程についても上述の半導体装置１０２と同じ部分については説明を省略する。

このような半田厚設定部１３は、重畳方向２１において当該半田厚設定部１３の先端側に位置し凹部１１に挿入可能な冷却部側端部１３ｂと、重畳方向２１において基端側に位置し凹部１１に挿入不可であり冷却部５１の表面５１ｃに接触する当接面１３ｃを有する半導体モジュール側端部１３ａとを有する。このような半田厚設定部１３は、上述した半田厚設定部１２と同じ機能を有するものである。

図５に示すように、各２段半田厚設定部１３は、それらに対応した位置に配置されている各凹部１１に挿入される。このとき、半田厚設定部１３の半導体モジュール側端部１３ａにおける当接面１３ｃが冷却部５１の表面である半導体モジュール対向面５１ｃと接しており、半田厚設定部１３の冷却部側端部１３ｂが凹部１１に挿入している。よって、当接面１３ｃを含む位置における半田厚設定部１３の断面積は、冷却部５１の半導体モジュール対向面５１ｃにおける凹部１１の面積よりも大きいほうが好ましく、かつ、重畳方向２１における半導体モジュール側端部１３ａの高さは、接合用半田７の厚さを確保するために、全て同じ高さに揃えておくことが好ましい。

又、図５に示すように、凹部１１に挿入されている冷却部側端部１３ｂの断面積は、凹部１１の断面積よりも小さいほうが好ましく、冷却部側端部１３ｂの高さは、凹部１１の深さよりも小さいほうが好ましい。
又、半田厚設定部１３の段数は、最低２段であればよく、段数が増えることについては問題ない。又、半田厚設定部１３が挿入される凹部１１について、凹部１１の深さが冷却部側端部１３ｂの高さよりも大きければ、上記深さを所定の値に合わせる必要はない。又、凹部１１は、重畳方向２１に沿って冷却部５１を貫通していてもかまわない。

上述のように、半田厚設定部１３の半導体モジュール側端部１３ａにおける当接面１３ｃを冷却部５０の表面と接するようにして、半田厚設定部１３の冷却部側端部１３ｂを凹部１１に挿入するようにすることで、重畳方向２１における接合用半田７の厚さを、凹部１１の深さに関係なく、半導体モジュール側端部１３ａの高さだけで自由に設定することができる。さらに、凹部１１の深さを、半田厚設定部１３の高さに合わせて調節する必要もなくなるというメリットもある。また、実施の形態２の場合と同様に、冷却部５１に対する半導体モジュール３０の位置決めを容易にし、耐ヒートサイクル性をより向上させることができるというメリットもある。

さらに、半田厚設定部１３は、半導体モジュール３０とともに樹脂８にて一体的に形成することができ、加工の必要がないため、本実施の形態３による半導体装置１０３の製造工程は、半導体モジュール３０を製造する際に半田厚設定部１３を形成すること以外、上述の半導体装置１０２の製造工程と同じであり、新たな作業が発生することもない。

実施の形態４
次に、本実施の形態４における半導体装置について、図６を参照して以下に説明する。
本実施の形態４における半導体装置１０４と、図５を参照し上述した半導体装置１０３との大きな相違点は、冷却部における凹部が、重畳方向２１において上記冷却部を貫通しており、さらに、半田厚設定部１３の冷却部側端部１３ｂが上記凹部を貫通しかつ位置決め部を有する点である。以下では、この相違点に伴う変更部分についてのみ説明を行い、上述の半導体装置１０３と同じ構成部分については、ここでの説明を省略する。同様に製作工程についても、上述の半導体装置１０３と同じ部分については説明を省略する。

本実施の形態４における半導体装置１０４では、実施形態３の半導体装置１０３に備わる冷却部５１に相当する冷却部５２を備える。冷却部５２は、重畳方向２１に沿って当該冷却部５２を貫通する凹部５２ａを有する。又、半導体装置１０４では、実施形態３にて説明した半田厚設定部１３の冷却部側端部１３ｂは、位置決め部１３ｄを有する。位置決め部１３ｄは、凹部５２ａを貫通した冷却部側端部１３ｂの先端部に形成され、重畳方向２１に直交又はほぼ直交する方向２２に延在する。尚、方向２２は、図６を図示する紙面の左右方向、及び紙面に垂直な方向である。このような位置決め部１３ｄは、図示するように冷却部５２の平板５０ａに接しており、半田厚設定部１３の半導体モジュール側端部１３ａにおける当接面１３ｃと協働して冷却部５２を挟持する。よって位置決め部１３ｄは、半導体モジュール３０を冷却部５２に位置決めするとともに固定する。

このような位置決め部１３ｄは、半田厚設定部１３の冷却部側端部１３ｂが凹部５２ａを貫通した後、凹部５２ａより突出した部分を、例えば押し潰すことで形成する、あるいは、半導体モジュール３０の樹脂８が熱可塑性樹脂であるときには、レーザなどで熱を加えて、凹部５２ａより突出した部分を軟化させることで形成するのが好ましい。このような形成方法を採る理由は、冷却部側端部１３ｂに予め位置決め部１３ｄを形成した構造に比べて、半導体モジュール３０を冷却部５２に位置決めし固定するのが容易であり、また、冷却部側端部１３ｂに予め位置決め部１３ｄを形成した形態にて、半田厚設定部１３を半導体モジュール３０と一体成型するのが困難だからである。尚、半導体モジュール３０を冷却部５２に容易に位置決めし固定可能であれば、冷却部側端部１３ｂに予め位置決め部１３ｄを形成した構造でも構わない。

又、実施の形態４における半導体装置１０４の変形例として、図７に示すような半導体装置１０４Ｂを構成することもできる。上述の半導体装置１０４に備わる冷却部５２では、凹部５２ａは、重畳方向２１において冷却部５２を貫通しているが、変形例における半導体装置１０４Ｂでは、冷却部５２に相当する冷却部５２−１は、非貫通な凹部５２ｂを有する。凹部５２ｂは、半田厚設定部１３の冷却部側端部１３ｂが挿入可能な第１凹部５２ｂ−１と、該第１凹部５２ｂ−１に連通し第１凹部５２ｂ−１に比して上記方向２２に延在し位置決め部１３ｄが装填される第２凹部５２ｂ−２とを有する。尚、半導体装置１０４Ｂにおけるその他の構成部分は、半導体装置１０４における構成に同じである。

このように構成される半導体装置１０４Ｂにおいても、位置決め部１３ｄは、半導体モジュール側端部１３ａにおける当接面１３ｃと協働して冷却部５２−１を挟持し、半導体モジュール３０を冷却部５２−１に位置決めするとともに固定することができる。

又、半導体装置１０４及び半導体装置１０４Ｂのいずれの場合においても、半田厚設定部１３の位置決め部１３ｄを用いて、半導体モジュール３０を冷却部５２、５２−１から外れないように構成するタイミングは、冷却部５２，５２−１と半田接合可能面６ａとを接合用半田７で接合する前であることが好ましい。なぜならば、位置決め部１３ｄを用いて半導体モジュール３０と冷却部５２、５２−１とを固定しておくことで、接合用半田７用いて冷却部５２，５２−１と半田接合可能面６ａとを接合する際の加熱、冷却にて、冷却部５２，５２−１と半田接合可能面６ａとの熱膨張率の差に起因して接合用半田７に発生する残留応力、及び、これに伴う冷却部５２，５２−１の反りを緩和することができるからである。

又、実施の形態４における半導体装置１０４、１０４Ｂにおいても、実施の形態３で得られる効果、即ち、半田厚設定部１３の半導体モジュール側端部１３ａの高さのみによって接合用半田７の厚さを自由に設定することができ、半導体モジュール３０の位置決めを容易にし、耐ヒートサイクル性をより向上させることができるという効果を得ることができる。

本実施の形態４による半導体装置１０４、１０４Ｂの製造工程では、冷却部５２，５２−１と半田接合可能面６ａとを接合用半田７で接合する工程の前に、半田厚設定部１３の冷却部側端部１３ｂの先端部を広げる、つまり位置決め部１３ｄを形成する工程が加わるのみであり、それ以外の工程は、上述の半導体装置１０３の製造工程と同じである。

実施の形態５
次に、本実施の形態５における半導体装置について、図８を参照して以下に説明する。
本実施の形態５における半導体装置１０５と、図４を参照し上述した実施形態２における半導体装置１０２との大きな相違点は、冷却部に設けた凹部の半田厚設定部１２に対する大きさである。即ち、実施形態５の半導体装置１０５は、半導体装置１０２の冷却部５１に相当する冷却部５３を備える。冷却部５３は、半田厚設定部１２が挿入される凹部１４を有する。凹部１４は、上記方向２２の少なくとも一方向、つまり図８を図示する紙面の左右方向、及び紙面に垂直な方向の少なくとも一方向において、半田厚設定部１２の大きさに比べて大きく形成された拡張部１４ａを有する。尚、半導体装置１０５におけるその他の構成部分は、半導体装置１０２における構成と同じである。よって、以下では、上記相違点に伴う変更部分についてのみ説明を行い、上述の半導体装置１０２と同じ構成部分についてはここでの説明を省略する。同様に製作工程についても、上述の半導体装置１０２と同じ部分については説明を省略する。

上述のように、半田厚設定部１２に比べて凹部１４は大きく形成された拡張部１４ａを有することから、半導体装置１０５では、半導体モジュール３０の半田厚設定部１２が凹部１４に挿入された状態で、少なくとも一方向に半導体モジュール３０を、実施形態２の場合に比べて大きく移動させることができる。これにより、接合用半田７を用いて冷却部５３と半田接合可能面６ａとを接合する際に、半導体モジュール３０を大きく移動させ、半田ボイドの量を減らす（以下、半田スクラブと呼ぶ）ことができる。尚、凹部１４は、図９に示すように、接合用半田７が存在する領域と重ならないように配置することが好ましい。

上述のように半導体モジュール３０を大きく移動可能とすることで、上記半田スクラブを可能にする。これにより、接合用半田７を用いて冷却部５３と半田接合可能面６ａとを接合する際に、半田ボイドの量を減らすことができる。さらに、接合用半田７の濡れ性をより向上させることができるというメリットもある。

又、本実施の形態５による半導体装置１０５の製造工程は、上述の半導体装置１０２の製造工程と同じであり、新たな作業が発生することはない。

実施の形態６
次に、本実施の形態６における半導体装置の製造方法について、以下に説明する。
本実施の形態６における半導体装置の製造方法は、上述した全ての実施の形態において適用可能である。
本実施の形態６における半導体装置の製造は、冷却部５０、５１、５２、５２−１、５３と半田接合可能面６ａとの、接合用半田７による接合工程において、少なくとも接合用半田７が溶融した時点では、この半田づけ工程を行う半田付け装置内を減圧した状態下で行うものである。

これにより、接合用半田７中に混在するボイドと呼ばれるガス成分が、膨張し、溶融中の接合用半田７の外部に排斥されるというメリットがある。また、接合用半田７のボイドを低減させるという観点からは、溶融中に常圧に戻した方が、ボイドを気体の圧力により潰すという効果があるので有利である。

又、上記減圧後、上記半田付け装置内に低酸素ガスや還元性ガスを充填させることで、常圧に戻すことが好ましい。これは接合用半田７による半田付け部の酸化を防ぎ、より良好な半田接合部を形成するためである。尚、上記半田付け装置内に還元性ガスを充填させるタイミングは、接合用半田７が溶融中でも、固化したあとでもかまわないが、ボイド低減という観点から、前述のとおり溶融中が好ましい。又、還元雰囲気としては、例えば、窒素ガスに水素や蟻酸を混合させたガスなどが用いられる。

このように上記半田付け装置内を減圧することで、別途、半田スクラブ用の工程を設けることなく、接合用半田７の半田ボイドを少なくすることができるというメリットがある。
又、還元雰囲気中で、冷却部５０、５１、５２、５２−１、５３と半田接合可能面６ａとの接合を行うことで、接合用半田７や、冷却部５０、５１、５２、５２−１、５３、半田接合可能面６ａの酸化を防ぎ、酸化した部分を還元させることができる。これにより、接合用半田７の濡れ性をより向上させ、良好な半田接合部を得ることができるというメリットもある。

本発明の実施の形態１による半導体装置の構成を示す断面図である。図１に示す半導体装置に使用される内半田及び接合用半田に関し、成分及び半田付け温度と、半田付け状態との実験結果を表す表である。図１に示す半導体装置の変形例における構成を示す断面図である。本発明の実施の形態２による半導体装置の構成を示す断面図である。本発明の実施の形態３による半導体装置の構成を示す断面図である。本発明の実施の形態４による半導体装置の構成を示す断面図である。図６に示す半導体装置の変形例における構成を示す断面図である。本発明の実施の形態５による半導体装置の構成を示す断面図である。図８に示す半導体装置の平面図である。

符号の説明

１半導体素子、６半田接合可能部、６ａ半田接合可能面、７接合用半田、
８樹脂、１１凹部、１２，１３半田厚設定部、
１３ａ半導体モジュール側端部、１３ｂ冷却部側端部、１３ｃ当接面、
１３ｄ位置決め部、１４凹部、１４ａ拡張部、２０隙間、２１重畳方向、
３０半導体モジュール、
５１，５１，５２，５２−１，５３冷却部、５２ａ，５２ｂ凹部，
１０１〜１０５半導体装置。

Claims

半導体素子を樹脂でモールドして形成され、かつ上記半導体素子からの熱が伝導するとともに半田接合が可能な半田接合可能面を露出させた半導体モジュールと、
上記半田接合可能面に対向して配置され、上記半導体モジュールより熱膨張率の大きい金属より成る冷却部であり、上記半田接合可能面と上記冷却部との隙間に設けられ上記半田接合可能面及び上記冷却部に接合された接合用半田を介して伝導された上記半導体素子からの熱を外部へ放散する冷却部と、
上記半導体モジュールと一体成型され、上記半導体モジュールと上記冷却部との重畳方向に沿って高さを揃えて突出し、かつ上記接合用半田の外周に形成され、上記隙間の全域にわたり上記接合用半田の厚みを一定に形成する半田厚設定部と、
上記冷却部に上記半田厚設定部と同じ大きさで形成され、上記半田厚設定部に対応して位置し上記半田厚設定部が挿入される凹部と、
を備えたことを特徴とする半導体装置。
上記半田厚設定部は、上記接合用半田と離間して形成されている、請求項１記載の半導体装置。
上記半田厚設定部は、上記重畳方向において当該半田厚設定部の先端側に位置し上記凹部に挿入可能な冷却部側端部と、上記重畳方向において基板側に位置し上記凹部に挿入不可であり上記冷却部の表面に接触する当接面を有する半導体モジュール側端部とを有する、請求項１記載の半導体装置。