JP5905328B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置に関する。
近年の省エネルギー化の高まりを受け、例えば自動車の分野では、電気モータで駆動する電気自動車や、電気モータおよびレシプロエンジンによる駆動を組み合わせたハイブリッド自動車が注目されている。このような自動車では、車載蓄電池から供給される直流電力を交流電力に変換して、高出力の電気モータを駆動する目的で、パワー半導体素子を搭載した半導体装置が用いられる。かかる半導体装置では、パワー半導体素子への通電による発熱量が大きいため、放熱性を考慮することが求められる。
パワー半導体素子を搭載した半導体装置の放熱性を高める技術として、特許文献１が知られている。特許文献１には、下側ヒートシンク、第１のはんだ層、半導体素子、第２のはんだ層、ヒートシンクブロック、第３のはんだ層、上側ヒートシンクを順次積層し、上側および下側ヒートシンクの間に第１〜第３の各はんだ層を介して半導体素子を電気的に接続してなる半導体装置が記載されている。
特開２００５−１３６０１８号公報
しかしながら、特許文献１に係る技術では、半導体素子が有する一対の接合面と上側および下側ヒートシンクとの各間を、第１〜第３のはんだ層を介して電気的に接続している。このような特許文献１に係る技術では、半導体素子が有する一対の接合面の積層方向にわたり、面方向に拡がる放熱性の低いはんだ層が３層も存在するため、半導体素子の放熱性を高めることが難しかった。
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、半導体素子の放熱性に優れた半導体装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る半導体装置は、対向する一対のバスバー間に設けられる一対の接合面を有する縦型の半導体素子と、前記一対の接合面にそれぞれ設けられる焼結金属からなる焼結金属接合層と、前記一対のバスバーのうち少なくとも一方に空けられた貫通孔と、前記一対の接合面のうち少なくとも一方の前記焼結金属接合層に一側面が接合され、他側面の側が前記貫通孔に嵌め合わされる、電気伝導性を有すると共にはんだと比べて高い熱伝導率を有する放熱部材と、を有し、前記放熱部材における前記他側面の側の外側壁部と、前記一対のバスバーのうち少なくとも一方に空けられた前記貫通孔の内側壁部との間隙には、はんだ層が形成されており、前記放熱部材における前記他側面の側の外側壁部、または、前記一対のバスバーのうち少なくとも一方に空けられた前記貫通孔の内側壁部の少なくともいずれかには、テーパー加工が施されている、ことを最も主要な特徴とする。
本発明によれば、半導体素子の放熱性に優れた半導体装置を提供することができる。
本発明の第１実施形態に係る半導体装置の電気回路図である。 図１Ａに示す第１実施形態に係る半導体装置の分解斜視図である。 図１Ａに示す第１実施形態に係る半導体装置の断面模式図である。 本発明に係る半導体装置の製造方法を表す工程図である。 本発明に係る半導体装置の製造方法の変形例を表す工程図である。 本発明の第２実施形態に係る半導体装置の電気回路図である。 図３Ａに示す第２実施形態に係る半導体装置の分解斜視図である。 図３Ａに示す第２実施形態に係る半導体装置の断面模式図である。 本発明の第３実施形態に係る半導体装置の電気回路図である。 図４Ａに示す第３実施形態に係る半導体装置の分解斜視図である。 図４Ａに示す第３実施形態に係る半導体装置の断面模式図である。 本発明の第２実施形態に適用した第１変形例に係る半導体装置の断面模式図である。 本発明の第２実施形態に適用した第２変形例に係る半導体装置の断面模式図である。 本発明の第２実施形態に適用した第３変形例に係る半導体装置の断面模式図である。 本発明の第２実施形態に適用した第４変形例に係る半導体装置の断面模式図である。 本発明の第２実施形態に適用した第５変形例に係る半導体装置の断面模式図である。 本発明の第２実施形態に適用した第６変形例に係る半導体装置の断面模式図である。 本発明の第２実施形態に適用した第７変形例に係る半導体装置の断面模式図である。 図８に示す第４変形例に係る半導体装置に適用した第８変形例に係る半導体装置の断面模式図である。 図１２Ａに示す第８変形例に係る半導体装置の主要部を拡大して表す説明図である。 図１２に示す第８変形例に係る半導体装置に適用した第９変形例に係る半導体装置の断面模式図である。 図１３に示す第９変形例に係る半導体装置に適用した第１０変形例に係る半導体装置の断面模式図である。
以下、本発明の複数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、図面を参照して説明する。
〔本発明に係る半導体装置および半導体装置の製造方法の開発経緯〕
はじめに、本発明に係る半導体装置および半導体装置の製造方法の開発経緯について説明する。本発明に係る半導体装置とは、本発明の複数の実施形態に係る半導体装置を包括する概念をいう。また、本発明に係る半導体装置の製造方法とは、本発明の複数の実施形態に係る半導体装置を製造する際に用いられる製造方法を意味する。
本願出願人は、例えば、半導体素子の接合面とリードフレームとの間を電気的に接合する際に用いられる、既存のはんだを用いた接合方法（以下、“はんだ接合”と呼ぶ場合がある。）と比べて、高い放熱性および接合信頼性を実現可能な焼結金属を用いた接合方法（以下、“焼結金属接合”と呼ぶ場合がある。）を提案している。焼結金属接合で用いられる接合材料としては、有機物を被覆した銀（Ａｇ）や銅（Ｃｕ）などのナノ粒子、または、酸化銀や酸化銅などをあげることができる。
例えば、接合材料として有機物を被覆したＡｇナノ粒子を用いて、半導体素子の接合面とリードフレームとの間を電気的に接合する焼結金属接合では、従来のはんだ接合と同様の温度域（例えば、摂氏１００度〜摂氏３００度程度）を用いて接合中に有機物を（加温作用により）消失させて、接合面とリードフレームとの界面において焼結金属接合を行う。これにより、高い放熱性と接合信頼性とを実現することができる。
ところが、焼結金属接合では、所要の熱伝導率（放熱性）および良好な導電性を確保するには、接合工程において接合対象部材同士が密着するように圧力を加える必要があった。さらには、接合材料としての金属ナノ粒子がはんだ材とは異なり接合時に溶融しないため、接合対象部材に傾きや反りが生じている場合、こうした傾きや反りを吸収することができない。そのため、接合対象部材の精度管理が煩雑であった。以上の理由により、高い放熱性および接合信頼性を実現可能な焼結金属接合を、半導体装置の製造に適用することは難しかったのである。
〔本発明に係る半導体装置の概要〕
そこで、本発明者らは、接合対象部材の傾きや反りを吸収し高い接合信頼性を実現可能なはんだ接合と、高い放熱性および接合信頼性を実現可能な焼結金属接合とのいずれかを、接合対象箇所が求める要件に応じて選択的に適用することにより、上記の問題を解消することとした。
すなわち、本発明に係る半導体装置は、対向する一対のバスバー間に設けられる一対の接合面を有する縦型の半導体素子と、前記一対の接合面にそれぞれ設けられる焼結金属からなる焼結金属接合層と、前記一対のバスバーのうち少なくとも一方に空けられた貫通孔と、前記一対の接合面のうち少なくとも一方の前記焼結金属接合層に一側面が接合され、他側面の側が前記貫通孔に嵌め合わされる、電気伝導性を有すると共にはんだと比べて高い熱伝導率を有する放熱部材と、を有し、前記放熱部材における前記他側面の側の外側壁部と、前記一対のバスバーのうち少なくとも一方に空けられた前記貫通孔の内側壁部との間隙には、はんだ層が形成されている、構成を採用することとした。
本発明に係る半導体装置では、半導体素子が有する一対の接合面には、焼結金属からなる焼結金属接合層がそれぞれ設けられる。また、前記一対の接合面のうち少なくとも一方の焼結金属接合層には、電気伝導性を有すると共にはんだと比べて高い熱伝導率を有する放熱部材の一側面が接合される。例えば、高い放熱性が要求される半導体装置では、一対の接合面の各々に設けた焼結金属接合層の両方に、放熱部材の一側面をそれぞれ接合してもよい。
一対のバスバーのうち少なくとも一方には、貫通孔が空けられている。例えば、高い放熱性が要求される半導体装置であって、一対の接合面の各々に設けた焼結金属接合層の両方に、放熱部材の一側面をそれぞれ接合する形態を採用した場合には、一対のバスバーの各々に、貫通孔を設けてもよい。バスバーの貫通孔には、放熱部材の他側面の側が嵌め合わされる。そして、放熱部材における他側面の側の外側壁部と、一対のバスバーのうち少なくとも一方に空けられた貫通孔の内側壁部との間隙には、はんだ層が形成されている。
本発明に係る半導体装置によれば、半導体素子が有する一対の接合面には、焼結金属からなる焼結金属接合層がそれぞれ設けられるため、高い放熱性および接合信頼性を有する緻密な焼結金属接合層によって半導体素子の接合面を覆うことができる。また、一対の接合面のうち少なくとも一方の焼結金属接合層には、電気伝導性を有すると共にはんだと比べて高い熱伝導率を有する放熱部材の一側面が接合され、放熱部材の他側面の側は、バスバーの貫通孔に嵌め合わされるため、半導体素子で生じた熱を、焼結金属接合層および放熱部材を通して効率的に放熱することができる。
しかも、本発明に係る半導体装置によれば、バスバーと放熱部材との間の電気的な接続は、はんだ接合により行われるため、接合対象部材としてのバスバーに傾きや反りが生じている場合であっても、こうした傾きや反りを吸収して高い接合信頼性を確保することができる。また、はんだ接合が用いられる対象箇所は、放熱部材における他側面の側の外側壁部と、貫通孔の内側壁部との間隙であるため、半導体素子で生じた熱の伝熱経路（焼結金属接合層および放熱部材）には、放熱性の点で不利な（熱伝導率の低い）はんだ層が存在しなくなる。その結果、高い放熱性を有する伝熱経路を確保することができる。
〔本発明の第１実施形態に係る半導体装置１１の構成〕
次に、本発明の第１実施形態に係る半導体装置１１について、図１Ａ〜図１Ｃを参照して説明する。図１Ａは、本発明の第１実施形態に係る半導体装置１１の電気回路図である。図１Ｂは、図１Ａに示す第１実施形態に係る半導体装置１１の分解斜視図である。図１Ｃは、図１Ａに示す第１実施形態に係る半導体装置１１の半導体素子５１周辺の接合状態を表す断面模式図である。
本発明の第１実施形態に係る半導体装置１１は、図１Ａに示すように、相互に平行に対向する一対の第１および第２リードフレーム（本発明の“バスバー”に相当する。）５３，５５間に設けられる一対の第１および第２接合面５７，５９（図１Ｂ，図１Ｃ参照）を有する縦型の半導体素子として、例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor；以下、“ＩＧＢＴ”とよぶ。）５１を有する。
第１および第２リードフレーム５３，５５は、電気伝導性を有すると共にはんだと比べて高い熱伝導率（例えば、２２０〜４００Ｗ／ｍ・Ｋ程度）を有する導電材料からなる。第１および第２リードフレーム５３，５５の導電材料としては、特に限定されないが、電気伝導率および熱伝導率の高い金属材料である、例えば、銅、アルミニウム、または、これらの合金（Ｃｕ合金やＡｌ合金）を好適に用いることができる。
ダイオードを有していないＩＧＢＴ５１は、図１Ａに示すように、コレクタ電極５１ｃ、エミッタ電極５１ｅ、および、ゲート電極５１ｇを有する。コレクタ電極５１ｃは、リードフレーム５３を介してコレクタ端子５３ａに接続されている。エミッタ電極５１ｅは、リードフレーム５５を介してエミッタ端子５５ａに接続されている。ゲート電極５１ｇは、不図示のワイヤを介してゲート端子５２に接続されている。
前記一対の第１および第２接合面５７，５９のそれぞれには、図１Ｂ，図１Ｃに示すように、ＡｇやＣｕ等の焼結金属からなる第１および第２焼結金属接合層６５，６７が各々設けられている。第１および第２焼結金属接合層６５，６７の熱伝導率は、はんだ材料と比べて高い（例えば、１５０〜４００Ｗ／ｍ・Ｋ程度）。
略矩形状の第１接合面５７は、第１焼結金属接合層６５を介して、第１リードフレーム５３に密着接合されている。これにより、通電によりＩＧＢＴ５１が発熱した場合であっても、こうして生じた熱を、第１接合面５７および第１焼結金属接合層６５を介して第１リードフレーム５３に高効率で放熱することができる。
一方、略矩形状の第２接合面５９は、第２焼結金属接合層６７を介して、放熱部材６９の一側面６９ａに密着接合されている。略直方体形状の放熱部材６９は、電気伝導性を有すると共にはんだと比べて高い熱伝導率（例えば、２２０〜４００Ｗ／ｍ・Ｋ程度）を有する導電材料からなる。放熱部材６９の導電材料としては、特に限定されないが、電気伝導率および熱伝導率の高い金属材料である、例えば銅、アルミニウム、または、これらの合金を好適に用いることができる。
仮に、ＩＧＢＴ５１の熱膨張係数と、放熱部材６９の熱膨張係数とが、相互に大きく異なるものとする。この場合、ＩＧＢＴ５１の発熱により、ＩＧＢＴ５１と放熱部材６９との境界部分に存在する第２焼結金属接合層６７には、大きな熱応力が発生する。このような熱応力の発生は、第２焼結金属接合層６７にひび割れを生じさせるなど、第１実施形態に係る半導体装置１１の寿命を短縮化させる大きな要因となる。こうした熱応力の問題は、ＩＧＢＴ５１と、第１および第２リードフレーム５３，５５との間にも起こり得る。
こうした観点から、放熱部材６９の熱膨張係数は、半導体素子としてのＩＧＢＴ５１の熱膨張係数と、第１および第２リードフレーム５３，５５の熱膨張係数とを境界値として区分した範囲内に属する数値に設定される、構成を採用することが好ましい。特に、放熱部材６９の熱膨張係数は、前記の範囲内に属する数値であって、半導体素子としてのＩＧＢＴ５１の熱膨張係数に近い数値である方が、より好ましい。発熱源としてのＩＧＢＴ５１の熱膨張係数に近い数値であれば、熱応力を低く抑えることができる結果、第１実施形態に係る半導体装置１１の長寿命化に寄与するからである。熱膨張係数が前記の範囲内に属する材料としては、例えば、Ｍｏ、Ｃｕ−Ｃ、Ａｌ−Ｃなどをあげることができる。
第２リードフレーム５５のうち放熱部材６９の他側面６９ｂの側が対応する部位には、図１Ｂ，図１Ｃに示すように、略矩形状の貫通孔７１が空けられている。貫通孔７１における内側壁部７１ａの寸法は、放熱部材６９における他側面６９ｂの側の外側壁部６９ｃの寸法と比べてわずかに大きく設定されている。放熱部材６９の他側面６９ｂの側は、第２リードフレーム５５に空けられた貫通孔７１に嵌め合わされている。そして、放熱部材６９における他側面６９ｂの側の外側壁部６９ｃと、第２リードフレーム５５に空けられた貫通孔７１における内側壁部７１ａとの間隙には、はんだ７３が充填されている。
前記間隙に対するはんだ接合時には、第１および第２リードフレーム５３，５５間にスペーサ治具を設置するとよい。第１および第２リードフレーム５３，５５間の平行度や高さ精度を高めることができるからである。こうしたはんだ接合の後に、ＩＧＢＴ５１のゲート電極５１ｇとゲート端子５２（図１Ａ参照）との間を、例えば金やアルミニウム製のワイヤ（不図示）を用いて電気的に接続（ワイヤボンディング）する。このワイヤボンディングは、放熱部材６９の他側面６９ｂの側を、第２リードフレーム５５の貫通孔７１に嵌め込む前に行う。
〔本発明の第１実施形態に係る半導体装置１１の作用効果〕
本発明の第１実施形態に係る半導体装置１１では、ＩＧＢＴ５１が有する一対の第１および第２接合面５７，５９のそれぞれには、焼結金属からなる第１および第２焼結金属接合層６５，６７がそれぞれ設けられるため、高い放熱性および接合信頼性を有する緻密な焼結金属接合層６５，６７によってＩＧＢＴ５１の接合面５７，５９を構成することができる。
また、第２接合面５９に接合された第２焼結金属接合層６７には、放熱部材６９の一側面６９ａが接合され、放熱部材６９の他側面６９ｂの側は、第２リードフレーム５５に空けられた貫通孔７１に嵌め合わされるため、ＩＧＢＴ５１が発熱した場合であっても、ＩＧＢＴ５１で生じた熱を、第２焼結金属接合層６７および放熱部材６９を通して効率的に放熱することができる。
しかも、第１実施形態に係る半導体装置１１によれば、第２リードフレーム５５と放熱部材６９との間の電気的な接続は、はんだ接合により行われるため、接合対象部材としての第２リードフレーム５５に傾きや反りが生じている場合であっても、こうした傾きや反りを吸収して高い接合信頼性を確保することができる。
また、はんだ接合が用いられる対象箇所は、放熱部材６９における他側面６９ｂの側の外側壁部６９ｃと、貫通孔７１の内側壁部７１ａとの間隙であるため、ＩＧＢＴ５１で生じた熱の伝熱経路（第２焼結金属接合層６７および放熱部材６９）には、放熱性の点で不利な（熱伝導率の低い）はんだ層が存在しなくなる。その結果、高い放熱性を有する伝熱経路を確保することができる。
〔本発明に係る半導体装置の製造方法の概要〕
次に、本発明に係る半導体装置の製造方法について、図２Ａおよび図２Ｂを参照して説明する。図２Ａは、本発明に係る半導体装置の製造方法を表す工程図である。図２Ｂは、図２Ａに表す本発明に係る半導体装置の製造方法の変形例を表す工程図である。
本発明に係る半導体装置の製造方法は、本発明に係る半導体装置を製造する際に共通して用いられるものである。ただし、以下の説明では、本発明に係る半導体装置の製造方法を、第１実施形態に係る半導体装置１１の製造用途に適用した例をあげて説明する。
本発明に係る半導体装置の製造方法は、対向する一対の第１および第２リードフレーム５３，５５の間に、一対の第１および第２接合面５７，５９を有する縦型の半導体素子であるＩＧＢＴ５１を挟んで設けてなる半導体装置１１を製造する際に用いられる半導体装置の製造方法である。
本発明に係る半導体装置の製造方法は、図２Ａに示すように、一対の第１および第２接合面５７，５９のそれぞれに、有機物で被覆された粒径が１００ｎｍ以下の金属粒子（ＡｇやＣｕ等のナノ粒子）を加熱下で作用させることで焼結金属からなる第１および第２焼結金属接合層６５，６７を形成する工程（ステップＳ１１−１参照）と、一対の第１および第２接合面５７，５９のうち少なくとも一方の焼結金属接合層（第１実施形態に係る半導体装置１１では、第２焼結金属接合層６７が対応する。）に、電気伝導性、および、はんだと比べて高い熱伝導率を有する放熱部材６９の一側面６９ａを接合する工程（ステップＳ１２参照）と、放熱部材６９の他側面６９ｂの側を、一対の第１および第２リードフレーム５３，５５のうち少なくとも一方に空けられた貫通孔（第１実施形態に係る半導体装置１１では、第２リードフレーム５５に空けられた貫通孔７１が対応する。）に嵌め合わせた状態で、放熱部材の他側面６９ｂの側の外側壁部６９ｃと、貫通孔７１の内側壁部７１ａとの間隙に、はんだ７３を充填する工程（ステップＳ１３参照）と、を有する構成を採用することとした。
本発明に係る半導体装置の製造方法では、まず、ＩＧＢＴ５１が有する一対の第１および第２接合面５７，５９のそれぞれに、有機物で被覆された粒径が１００ｎｍ以下の金属粒子（例えばＡｇやＣｕ等のナノ粒子）を加熱下で作用させることで焼結金属からなる第１および第２焼結金属接合層６５，６７を形成する。具体的には、例えば、摂氏１００度〜摂氏３００度程度の加熱下でＡｇナノ粒子を作用させることにより、一対の第１および第２接合面５７，５９のそれぞれに第１および第２焼結金属接合層６５，６７を形成する。
次いで、一対の第１および第２接合面５７，５９のうち少なくとも一方の焼結金属接合層（例えば、第２焼結金属接合層６７）に、電気伝導性、および、はんだと比べて高い熱伝導率を有する放熱部材６９の一側面６９ａを接合する。そして、放熱部材６９の他側面６９ｂの側を、一対の第１および第２接合面５７，５９のうち少なくとも一方に空けられた貫通孔（例えば、第２リードフレーム５５に空けられた貫通孔７１）に嵌め合わせた状態で、放熱部材６９の他側面６９ｂの側の外側壁部６９ｃと、貫通孔７１の内側壁部７１ａとの間隙に、はんだ層７３を形成する。
なお、本発明に係る半導体装置の製造方法の変形例として、前記“有機物で被覆された粒径が１００ｎｍ以下の金属粒子を加熱下で作用させる”構成（図２ＡのステップＳ１１−１参照）に代えて、“粒径が５０μｍ以下の酸化金属粒子（例えば酸化銀や酸化銅等）を加熱下で作用させる”構成（図２ＢのステップＳ１１−２参照）を採用してもよい。ただし、図２ＢのステップＳ１２およびステップＳ１３の工程は、図１Ｂと同じである。
ちなみに、前記の酸化金属粒子は、前記のナノ金属粒子を製造する際の前駆体である。具体的には、例えば、還元性気体等の還元性雰囲気中において摂氏１００度〜摂氏３００度程度の加熱下で酸化銀粒子を作用させることにより、半導体素子が有する一対の接合面のそれぞれに焼結金属接合層を形成する。
本発明に係る半導体装置の製造方法によれば、ＩＧＢＴ５１が有する一対の第１および第２接合面５７，５９のそれぞれに、有機物で被覆されたナノ金属粒子または酸化金属粒子を加熱下で作用させることで焼結金属からなる第１および第２焼結金属接合層６５，６７が設けられるため、高い放熱性および接合信頼性を有する緻密な焼結金属接合層６５，６７によってＩＧＢＴ５１の接合面（主電極面）５７，５９を覆うことができる。
また、一対の接合面５７，５９のうち少なくとも一方の焼結金属接合層（例えば、第２焼結金属接合層６７）には、電気伝導性を有すると共にはんだと比べて高い熱伝導率を有する放熱部材６９の一側面６９ａが接合され、放熱部材６９の他側面６９ｂの側は、第２リードフレーム５５に空けられた貫通孔７１に嵌め合わされるため、ＩＧＢＴ５１が発熱した場合であっても、こうして生じた熱を、焼結金属接合層６５，６７および放熱部材６９を通して効率的に放熱することができる。
しかも、本発明に係る半導体装置の製造方法によれば、第２リードフレーム５５と放熱部材６９との間の電気的な接続は、はんだ接合により行われるため、接合対象部材としての第２リードフレーム５５に傾きや反りが生じている場合であっても、こうした傾きや反りを吸収して高い接合信頼性を確保することができる。また、はんだ接合が用いられる対象箇所は、放熱部材６９における他側面６９ｂの側の外側壁部６９ｃと、貫通孔７１の内側壁部７１ａとの間隙であるため、ＩＧＢＴ５１で生じた熱の伝熱経路（第２焼結金属接合層６７および放熱部材６９）には、放熱性の点で不利な（熱伝導率の低い）はんだ層が存在しなくなる。その結果、高い放熱性を有する伝熱経路を確保することができる。
また、本発明に係る半導体装置の製造方法によれば、前記の第１および第２焼結金属接合層６５，６７を形成する工程の後に、前記のはんだ７３を充填する工程を遂行する構成を採用したため、例えば、ＩＧＢＴ５１を素子全体として加熱することではんだを溶融させて充填する構成を採用した場合であっても、焼結金属接合層６５，６７の接合状態に影響を与えることはない。焼結金属接合層６５，６７を構成する焼結金属の融点は、はんだの溶融温度と比較して十分に高い（例えば、焼結金属の種別がＡｇのケースでは摂氏９６０度程度）からである。
したがって、本発明に係る半導体装置の製造方法によれば、接合材料の相違を考慮した適切な手順で半導体装置を製造することができる。
〔本発明の第２実施形態に係る半導体装置１１１の構成〕
次に、本発明の第２実施形態に係る半導体装置１１１について、図３Ａ〜図３Ｃを参照して説明する。図３Ａは、本発明の第２実施形態に係る半導体装置１１１の電気回路図である。図３Ｂは、図３Ａに示す第２実施形態に係る半導体装置１１１の分解斜視図である。図３Ｃは、図３Ａに示す第２実施形態に係る半導体装置１１１の半導体素子５１，５６周辺の接合状態を表す断面模式図である。
本発明の第１実施形態に係る半導体装置１１と、第２実施形態に係る半導体装置１１１とでは、両者間で共通の構成要素が存在している。そこで、第１および第２実施形態の両者間で実質的に共通の構成要素には共通の符号を付してその説明を省略し、両者間の相違点に注目して説明を進めることとする。
ただし、共通の構成要素間であっても、説明の便宜上異なる符号を付する必要がある場合において、第１および第２実施形態の両者間で対応する構成要素については、その対応関係を一見して容易に把握できるように、次の規則にしたがって符号付けを行うこととする。すなわち、第１実施形態に係る構成要素に付された符号と、第２実施形態に係る構成要素に付された符号とでは、その下二桁を共通とする。そして、第２実施形態に係る構成要素に付された符号の先頭に、符号“１”を付する。具体的には、例えば、第１実施形態に係る第２リードフレーム５３と、第２実施形態に係る第２リードフレームとは、両者間で対応する構成要素に相当する。この場合において、前者に符号“５３”を付し、後者に符号“１５３”を付する要領である。
第１実施形態に係る半導体装置１１（図１Ａ参照）と、第２実施形態に係る半導体装置１１１（図３Ａ参照）との間の相違点は、両者に共通の半導体素子であるＩＧＢＴ５１が、ダイオードを有しているか否かである。すなわち、第１実施形態に係る半導体装置１１では、ＩＧＢＴ５１は、ダイオードを有していないのに対し、第２実施形態に係る半導体装置１１１では、ＩＧＢＴ５１は、ダイオード５６を有している。
詳しく述べると、本発明の第２実施形態に係る半導体装置１１１は、図３Ａに示すように、相互に平行に対向する一対の第１および第２リードフレーム１５３，１５５間に設けられる縦型の半導体素子として、第１実施形態に係るＩＧＢＴ５１に加えて、このＩＧＢＴ５１と並列に、例えば、一対の第３および第４接合面５８，６０（図３Ｂ，図３Ｃ参照）を有するダイオード５６を備える。ダイオード５６は、図３Ａに示すように、アノード電極５６ａ、および、カソード電極５６ｋをそれぞれ有する。第２実施形態に係るダイオード５６においても、以下に述べるとおり、第１実施形態に係るＩＧＢＴ５１と同様の放熱構造を採用している。
ダイオード５６が有する一対の第３および第４接合面５８，６０のそれぞれには、図３Ｂ，図３Ｃに示すように、ＡｇやＣｕ等の焼結金属からなる第３および第４焼結金属接合層６６，６８が各々設けられている。第３および第４焼結金属接合層６６，６８の熱伝導率は、はんだ材料の熱伝導率（３５〜７０Ｗ／ｍ・Ｋ程度）と比べて２倍以上高い（例えば、１５０〜４００Ｗ／ｍ・Ｋ程度）。
略矩形状の第３接合面５８は、第３焼結金属接合層６６を介して、第３リードフレーム１５３に密着接合されている。これにより、通電によりＩＧＢＴ５１が発熱した場合であっても、こうして生じた熱を、第３接合面５８および第１焼結金属接合層６５を介して第１リードフレーム５３に高効率で放熱することができる。
一方、略矩形状の第４接合面６０は、第４焼結金属接合層６８を介して、放熱部材７０の一側面７０ａに密着接合されている。略直方体形状の放熱部材７０は、電気伝導性を有すると共にはんだと比べて高い熱伝導率（例えば、２２０〜４００Ｗ／ｍ・Ｋ程度）を有する導電材料からなる。放熱部材７０の導電材料としては、特に限定されないが、電気伝導率および熱伝導率の高い金属材料である、例えば銅、アルミニウム、または、これらの合金（Ｃｕ合金やＡｌ合金）を好適に用いることができる。
なお、放熱部材６９，７０の熱膨張係数は、第１実施形態と同様に、半導体素子としてのＩＧＢＴ５１，ダイオード５６の熱膨張係数と、第１および第２リードフレーム１５３，１５５の熱膨張係数とを境界値として区分した範囲内に属する数値に設定される、構成を採用することが好ましい。ＩＧＢＴ５１やダイオード５６で生じた熱の応力を低く抑えて、第２実施形態に係る半導体装置１１１の長寿命化に寄与するからである。
第２リードフレーム１５５のうち放熱部材７０の他側面７０ｂの側が対応する部位には、図３Ｂ，図３Ｃに示すように、前記の貫通孔７１に加えて、略矩形状の貫通孔７２が空けられている。貫通孔７２における内側壁部７２ａの寸法は、放熱部材７０における他側面７０ｂの側の外側壁部７０ｃの寸法と比べてわずかに大きく設定されている。放熱部材７０の他側面７０ｂの側は、第２リードフレーム１５５に空けられた貫通孔７２に嵌め合わされている。そして、放熱部材７０における他側面７０ｂの側の外側壁部７０ｃと、第２リードフレーム１５５に空けられた貫通孔７２における内側壁部７２ａとの間隙には、はんだ７３が充填されている。
〔本発明の第２実施形態に係る半導体装置１１１の作用効果〕
本発明の第２実施形態に係る半導体装置１１１では、ダイオード５６が有する一対の第３および第４接合面５８，６０のそれぞれには、焼結金属からなる第３および第４焼結金属接合層６６，６８がそれぞれ設けられるため、高い放熱性および接合信頼性を有する緻密な焼結金属接合層６６，６８によってダイオード５６の接合面５８，６０を構成することができる。
また、第４接合面６０に接合された第４焼結金属接合層６８には、放熱部材７０の一側面７０ａが接合され、放熱部材７０の他側面７０ｂの側は、第２リードフレーム１５５に空けられた貫通孔７２に嵌め合わされるため、ダイオード５６が発熱した場合であっても、ダイオード５６に生じた熱を、第４焼結金属接合層６８および放熱部材７０を通して効率的に放熱することができる。
しかも、第２実施形態に係る半導体装置１１１によれば、第２リードフレーム１５５と放熱部材７０との間の電気的な接続は、はんだ接合により行われるため、接合対象部材としての第２リードフレーム１５５に傾きや反りが生じている場合であっても、こうした傾きや反りを吸収して高い接合信頼性を確保することができる。
また、はんだ接合が用いられる対象箇所は、放熱部材７０における他側面７０ｂの側の外側壁部７０ｃと、貫通孔７２の内側壁部７２ａとの間隙であるため、ダイオード５６で生じた熱の伝熱経路（第４焼結金属接合層６８および放熱部材７０）には、放熱性の点で不利な（熱伝導率の低い）はんだ層が存在しなくなる。その結果、高い放熱性を有する伝熱経路を確保することができる。
ところで、本発明の第２実施形態に係る半導体装置１１１では、相互に平行に所定の間隔をおいて設けられる第１および第２リードフレーム１５３，１５５間に、相互に独立した半導体素子であるＩＧＢＴ５１およびダイオード５６が並列に設けられる。そのため、個々の半導体素子５１，５６の高さ寸法に係る公差を吸収する仕組みが求められる。
特に、第２実施形態に係る半導体装置１１１では、ＩＧＢＴ５１およびダイオード５６が有する接合面５７，５８，５９，６０のそれぞれに焼結金属接合層６５，６６，６７，６８を各々設ける構成を採用している。これらの焼結金属接合層６５，６６，６７，６８において所要の熱伝導率（放熱性）および良好な導電性を確保するには、接合工程において接合対象部材同士が密着するように圧力を加える必要がある。
これについて説明すると、図２ＡのステップＳ１１−１に示す焼結金属接合層を形成する工程では、例えば、還元性気体が充満した還元性雰囲気において摂氏１００度〜摂氏３００度程度の加熱下で、有機物で被覆された粒径が１００ｎｍ以下のＡｇナノ粒子を、一対の第１および第２接合面５７，５９のそれぞれに作用させることにより、第１および第２焼結金属接合層６５，６７を形成する。
この接合過程において、接合材料（例えば、有機物で被覆したＡｇナノ粒子）から被覆用の有機物が消失したり、接合材料（例えば、酸化銀）から酸素が抜けることで接合材料の体積が縮小（例えば還元剤を添加する場合は、還元剤の抜けた分も体積が縮小）する。そこで、焼結金属接合層の緻密化や良好な導電性を確保するためには、接合対象部材同士が密着するように圧力を加えることが必要とされるのである。
仮に、第２リードフレーム１５５側に固定した放熱部材６９，７０を用いて、ＩＧＢＴ５１の第２接合面５９、および、ダイオード５６の第４接合面６０に対する加圧を伴う焼結金属接合を遂行したとする。この場合、個々の半導体素子５１，５６の高さ寸法に係る公差を考慮すると、ＩＧＢＴ５１の第２接合面５９、および、ダイオード５６の第４接合面６０に対する、各放熱部材６９，７０の加圧力にばらつき（片当たり）が生じてしまう。
特に、片当たりした状態で加圧力を大きくすると、加圧力が大きい方の接合箇所から接合材料がはみ出してしまい、その結果として導通不良を生じる。また、このような不具合を回避するために加圧力を小さく抑えた場合、焼結金属接合層の緻密度が下がったり、良好な導電性を確保することが困難になる。
そこで、第２実施形態に係る半導体装置１１１では、相互に独立して動かすことのできる放熱部材６９，７０を用いて、ＩＧＢＴ５１およびダイオード５６の焼結金属接合を各個別に遂行できる構成を採用することとした。第２実施形態に係る半導体装置１１１によれば、焼結金属接合層の緻密化や良好な導電性を確保することができる。
〔本発明の第３実施形態に係る半導体装置２１１の構成〕
次に、本発明の第３実施形態に係る半導体装置２１１について、図４Ａ〜図４Ｃを参照して説明する。図４Ａは、本発明の第３実施形態に係る半導体装置２１１の電気回路図である。図４Ｂは、図４Ａに示す第３実施形態に係る半導体装置２１１の分解斜視図である。図４Ｃは、図４Ａに示す第３実施形態に係る半導体装置２１１の半導体素子であるダイオード５６周辺の接合状態を表す断面模式図である。
本発明の第３実施形態に係る半導体装置２１１は、図４Ａに示すように、一対の第２実施形態に係る半導体装置１１１を直列に接続することにより、例えば、汎用インバータ装置に用いられるインバータレグを構成している。
なお、説明の便宜上、図４Ａに示すように、インバータレグ２１１の上アームに相当する半導体装置１１１に係る構成部材の符号の末尾に符号“Ａ”を付する一方、インバータレグの下アームに相当する半導体装置１１１に係る各構成部材の符号の末尾に符号“Ｂ”を付することとする。そして、上アームに係る半導体装置１１１Ａと、下アームに係る半導体装置１１１Ｂとの接続点２１２が、出力端子２１３に接続されている。また、上アームに係る半導体装置１１１Ａと、下アームに係る半導体装置１１１Ｂとは、第２実施形態と同様の電気回路構成であるため、その説明を省略する。
本発明の第３実施形態に係る半導体装置２１１では、図４Ｂに示すように、第１Ａリードフレーム（直流正極導体板）１５３Ａおよび第１Ｂリードフレーム（第一交流導体板）１５３Ｂは、略同一平面上に配置されている。第１Ａリードフレーム１５３Ａには、図４Ａまたは図４Ｂに示すように、上アームのＩＧＢＴ５１Ａのコレクタ電極５１Ａｃ、および、上アームのダイオード５６Ａのカソード電極５６Ａｋが、第１Ａ焼結金属接合層６５Ａ、および、第３Ａ焼結金属接合層６６Ａをそれぞれ介して電気的に接合されている。また、第１Ｂリードフレーム１５３Ｂには、図４Ａまたは図４Ｂに示すように、下アームのＩＧＢＴ５１Ｂのコレクタ電極５１Ｂｃ、および、下アームのダイオード５６Ｂのカソード電極５６Ｂｋが、第１Ｂ焼結金属接合層６５Ｂ、および、第３Ｂ焼結金属接合層６６Ｂをそれぞれ介して電気的に接合されている。
放熱部材６９Ａ，７０Ａの一側面には、図４Ａまたは図４Ｂに示すように、上アームのＩＧＢＴ５１Ａのエミッタ電極５１Ａｅ、および、上アームのダイオード５６Ａのアノード電極５６Ａａが、第２Ａ焼結金属接合層６７Ａ、および、第４Ａ焼結金属接合層６８Ａをそれぞれ介して電気的に接合されている。また、放熱部材６９Ｂ，７０Ｂの一側面には、図４Ａまたは図４Ｂに示すように、下アームのＩＧＢＴ５１Ｂのエミッタ電極５１Ｂｅ、および、下アームのダイオード５６Ｂのアノード電極５６Ｂａが、第２Ｂ焼結金属接合層６７Ｂ、および、第４Ｂ焼結金属接合層６８Ｂをそれぞれ介して電気的に接合されている。
第２Ａリードフレーム（第二交流導体板）１５５Ａおよび第２Ｂリードフレーム（直流正極導体板）１５５Ｂは、略同一平面上に配置されている。第２Ａリードフレーム１５５Ａには、図４Ｂに示すように、放熱部材６９Ａ，７０Ａの他側面の側の外形と比べてわずかに大きい外形を有する貫通穴７１Ａ，７２Ａが空けられている。また、第２Ｂリードフレーム１５５Ｂには、図４Ｂに示すように、放熱部材６９Ｂ，７０Ｂの他側面の側の外形と比べてわずかに大きい外形を有する貫通穴７１Ｂ，７２Ｂが空けられている。
前記の放熱部材６９Ａ，７０Ａ，６９Ｂ，７０Ｂにおける他側面の側の外側壁部と、前記の貫通穴７１Ａ，７２Ａ，７１Ｂ，７２Ｂにおける内側壁部との間隙に、はんだ７３（図４Ｃ参照）を充填するはんだ接合を行うことにより、第２Ａリードフレーム１５５Ａおよび第２Ｂリードフレーム１５５Ｂは、放熱部材６９Ａ，７０Ａ，６９Ｂ，７０Ｂ、および、焼結金属接合層６７Ａ，６８Ａ，６７Ｂ，６８Ｂをそれぞれ介して、上アームのＩＧＢＴ５１Ａおよびダイオード５６Ａ並びに下アームのＩＧＢＴ５１Ｂおよびダイオード５６Ｂに対して電気的に接続されている。
第１Ｂリードフレーム１５３Ｂと第２Ａリードフレーム１５５Ａとは、中間電極２１２（図４Ａに示す出力端子２１３に接続されている）を介して電気的に接続されている。この接続によって、上アームの半導体装置１１１Ａと、下アームの半導体装置１１１Ｂとが電気的に接続される。これにより、上アームの半導体装置１１１Ａおよび下アームの半導体装置１１１Ｂを直列に接続したインバータレグ２１１が構成される。
なお、第２Ａリードフレーム１５５Ａには、貫通穴７４（図４Ｂおよび図４Ｃ参照）が空けられている。この貫通穴７４を通して、第１Ｂリードフレーム１５３Ｂと第２Ａリードフレーム１５５Ａとの間をかけ渡すようにはんだ７３を充填することによって、上アームの半導体装置１１１Ａおよび下アームの半導体装置１１１Ｂを直列に接続したインバータレグ２１１が具現化されている。ただし、はんだ７３の充填に代えて、例えば、ワイヤボンディングによって、上アームの半導体装置１１１Ａおよび下アームの半導体装置１１１Ｂの間を電気的に接続してもよい。
〔本発明の第３実施形態に係る半導体装置２１１の作用効果〕
本発明の第３実施形態に係る半導体装置２１１によれば、半導体素子（上アームのＩＧＢＴ５１Ａおよびダイオード５６Ａ並びに下アームのＩＧＢＴ５１Ｂおよびダイオード５６Ｂ）の放熱性に優れた実用性の高いインバータレグ２１１を具現化することができる。
〔本発明の第１〜第３実施形態に適用可能な変形例〕
〔第１〜第３変形例に係る半導体装置１１１Ｘ１〜１１１Ｘ３〕
次に、本発明の第１〜第３実施形態に適用可能な第１変形例について、図５〜図７を参照して説明する。図５は、本発明の第２実施形態に適用した第１変形例に係る半導体装置１１１Ｘ１の断面模式図である。図６は、本発明の第２実施形態に適用した第２変形例に係る半導体装置１１１Ｘ２の断面模式図である。図７は、本発明の第２実施形態に適用した第３変形例に係る半導体装置１１１Ｘ３の断面模式図である。
第１〜第３変形例に係る半導体装置１１１Ｘ１〜１１１Ｘ３は、図３Ｃに示す本発明の第２実施形態に係る半導体装置１１１において、放熱部材６９および第１リードフレーム１５３の間隙、並びに、放熱部材７０および第２リードフレーム１５５の間隙に、はんだ７３を充填するはんだ接合を行う際に、第１および第２リードフレーム１５３，１５５に対する放熱部材６９，７０の位置決めを行うための治具を不要とする構造に関する。
第１変形例に係る半導体装置１１１Ｘ１では、図５に示すように、放熱部材６９，７０における他側面６９ｂ，７０ｂの側の外側壁部６９ｃ，７０ｃのそれぞれに、周回状の段差部６９ｄ，７０ｄを設ける。これらの段差部６９ｄ，７０ｄの周回形状は、第１および第２リードフレーム１５３，１５５のそれぞれに空けられた貫通孔７１，７２の周回形状と比べて大きく設定される。
これにより、第１変形例に係る半導体装置１１１Ｘ１によれば、放熱部材６９，７０に形成された周回状の段差部６９ｄ，７０ｄによって、第１および第２リードフレーム１５３，１５５のそれぞれを、スペーサ等の治具を用いることなく位置決めしつつ受け止めることができる。
第２変形例に係る半導体装置１１１Ｘ２では、第１変形例に係る半導体装置１１１Ｘ１の周回状の段差部６９ｄ，７０ｄに代えて、図６に示すように、放熱部材６９，７０における他側面６９ｂ，７０ｂの側の外側壁部６９ｃ，７０ｃの周回形状が、一側面６９ａ，７０ａの側から他側面６９ｂ，７０ｂの側に向かって徐々に大きくなるテーパー加工が施されている。ただし、テーパー加工を施す箇所は、全周に代えて部分的であってもよい。
これにより、第２変形例に係る半導体装置１１１Ｘ２によれば、放熱部材６９，７０における外側壁部６９ｃ，７０ｃの周回形状が、第１および第２リードフレーム１５３，１５５のそれぞれに空けられた貫通孔７１，７２の周回形状と略一致する外側壁部６９ｃ，７０ｃの部位において、第１および第２リードフレーム１５３，１５５のそれぞれを、スペーサ等の治具を用いることなく位置決めしつつ受け止めることができる。
第１および第２変形例に係る半導体装置１１１Ｘ１，１１１Ｘ２では、放熱部材６９，７０の側に周回状の段差部６９ｄ，７０ｄ、または、外側壁部６９ｃ，７０ｃに対するテーパー加工を施していた。これに対し、第３変形例に係る半導体装置１１１Ｘ３では、放熱部材６９，７０の側の形状は第２実施形態と同様に据え置いている。
そして、第１および第２リードフレーム１５３，１５５のそれぞれに空けられた貫通孔７１，７２における内側壁部７１ａ，７２ａの周回形状に、下方から上方に向かって徐々に大きくなるテーパー加工を施している。ただし、テーパー加工を施す箇所は、全周に代えて部分的であってもよい。このテーパー加工を施した内側壁部７１ａ，７２ａの周回形状のうち最も狭いＩＧＢＴ５１およびダイオード５６の側におけるネック部７５の周回形状が、放熱部材６９，７０における外側壁部６９ｃ，７０ｃの周回形状と略同等に設定される。
これにより、第３変形例に係る半導体装置１１１Ｘ３によれば、第１および第２リードフレーム１５３，１５５の貫通孔７１，７２に対し、放熱部材６９，７０をそれぞれ嵌め込んだ際において、内側壁部７１ａ，７２ａの周回形状のうち最も狭いネック部７５と、放熱部材６９，７０における外側壁部６９ｃ，７０ｃとが摩擦力により係合することによって、第１および第２リードフレーム１５３，１５５のそれぞれを、スペーサ等の治具を用いることなく位置決めしつつ受け止めることができる。
また、放熱部材６９および第１リードフレーム１５３の間、並びに、放熱部材７０および第２リードフレーム１５５の間の間隙に、溶融したはんだ７３を滴下することで充填し接合する際に、開口部を広く取れて作業がしやすくなる。
第１〜第３変形例に係る半導体装置１１１Ｘ１〜１１１Ｘ３において、放熱部材６９および第１リードフレーム１５３の間、並びに、放熱部材７０および第２リードフレーム１５５の間の間隙に、溶融したはんだ７３を滴下すると、はんだ７３は、毛細管現象によって前記の間隙にいきわたる。はんだ接合の作業性向上を図る観点から、放熱部材６９，７０における外側壁部６９ｃ，７０ｃ、または、第１および第２リードフレーム１５３，１５５のそれぞれに空けられた貫通孔７１，７２の内側壁部７１ａ，７２ａの少なくともいずれか一方に、表面のぬれ性を向上するための層をめっき加工してもよい。はんだ材料としては、焼結金属の融点未満であれば再溶融する心配はない。このため、Ｓｎ，Ｂｉ，Ｚｎ，Ａｕ系のはんだ材料を適宜用いることができる。
〔第４および第５変形例に係る半導体装置１１１Ｙ１，１１１Ｙ２〕
次に、本発明の第１〜第３実施形態に適用可能な第４および第５変形例について、図８および図９を参照して説明する。図８は、本発明の第２実施形態に適用した第４変形例に係る半導体装置１１１Ｙ１の断面模式図である。図９は、本発明の第２実施形態に適用した第５変形例に係る半導体装置１１１Ｙ２の断面模式図である。
第４変形例に係る半導体装置１１１Ｙ１では、半導体素子としてのＩＧＢＴ５１およびダイオード５６の放熱効果をより一層高めるために、図３Ｃに示す本発明の第２実施形態に係る半導体装置１１１において、第１および第３焼結金属接合層６５，６６をそれぞれ介して第１リードフレーム１５３に接合されるＩＧＢＴ５１およびダイオード５６を、図８に示すように、新たに設けた放熱部材１６９，１７０に接合する。
要するに、第４変形例に係る半導体装置１１１Ｙ１では、図８に示すように、ＩＧＢＴ５１およびダイオード５６を、第１および第３焼結金属接合層６５，６６に接合された放熱部材１６９，１７０を通して、第１リードフレーム１５３に空けた貫通孔１７１，１７２の内側壁部においてはんだ接合する、いわゆる両面型の放熱構造を採用している。
第４変形例に係る半導体装置１１１Ｙ１によれば、ＩＧＢＴ５１およびダイオード５６の各半導体チップ毎に、ＩＧＢＴ５１およびダイオード５６における一対の接合面のそれぞれに放熱部材６９，１６９，７０，１７０を接合してなるユニットを多数個同時に製造することができるため、半導体装置の大量生産に適した半導体装置１１１Ｙ１を提供することができる。
また、個々のユニットを個別に検査した後、第１および第２リードフレーム１５３，１５５に対して個々のユニット接合する構成を採用することができるため、半導体装置１１１Ｙ１の歩留まりを向上することができる。
また、はんだ７３の融点では再溶融しない焼結金属結合を用いて前記ユニットを製造する構成を採用しているため、仮に、第１および第２リードフレーム１５３，１５５に対して個々のユニットをはんだ接合した後工程において、ＩＧＢＴ５１またはダイオード５６に係る半導体チップに何らかの故障が生じた際に、はんだを再溶融することではんだ接合を解除して半導体チップを取り外す作業を簡易に行うことができるため、リペア性に優れる。
次に、第５変形例に係る半導体装置１１１Ｙ２では、同装置内における熱応力を低減させ、これをもって半導体装置の長寿命化に寄与することを狙って、樹脂による封止構造を採用している。図９の例は、第４変形例に係る半導体装置１１１Ｙ１を、樹脂３１１により一体に封止した構造を示している。
ＩＧＢＴ５１およびダイオード５６、第１および第２リードフレーム１５３，１５５の各部材は、相互に熱膨張率が異なる。このため、第５変形例に係る半導体装置１１１Ｙ２の内部には、チップの発熱に伴って熱応力が発生する。これら各部材間の熱膨張係数差を低減し、使用環境時の温度上昇に伴い発生する熱応力を低下させ、半導体装置１１１Ｙ２の長寿命化を図るために、図９に示す樹脂封止構造が有効である。
封止に用いる樹脂３１１としては、例えば、ノボラック系、多官能系、ビフェニル系のエポキシ樹脂系を基とした樹脂を好適に用いることができる。樹脂３１１には、ＳｉＯ２，Ａｌ２ Ｏ３，ＡｌＮ，ＢＮなどのセラミックスやゲル、ゴムなどを含有させることにより、熱膨張係数を調整する。この際、トランスファ・モールド法を用いて樹脂封止を行う。
トランスファ・モールド法とは、ボンディング済みのリードフレームを金型成型機にセットし、温度を上げて樹脂に流動性を持たせた状態で圧力をかけて流し込み（圧送）、成型する工程をいう。第５変形例に係る半導体装置１１１Ｙ２では、第１および第２リードフレーム１５３，１５５や放熱部材６９，１６９，７０，１７０の平行度および位置決めが、はんだ接合により規制されているので、型締めで壊れるといった不良を生じることはない。
樹脂封止された半導体装置１１１Ｙ２の第１および第２リードフレーム１５３，１５５の表面に対し、樹脂３１１との密着強度を向上できる処理を施す。樹脂３１１との密着強度を向上できる処理とは、酸化、粗面化、有機物コーティングを含む処理である。ただし、はんだ接合面となる貫通孔７１，７２，１７１，１７２における内側壁部にも前記の処理を施すと、はんだ接合時に不良が起こりやすくなる。
そこで、樹脂３１１との密着強度を向上できる処理を行った後、貫通孔７１，７２，１７１，１７２を形成するようにする。このように構成すれば、貫通孔７１，７２，１７１，１７２における内側壁部と、その他の表面部分との間で、樹脂３１１との密着強度を向上する観点から相互に異なる表面を簡易に形成することができる。従来技術では、マスクを用いた煩雑な表面処理を行った後、部分処理を行うことが通常であった。この点、前記の表面処理手順を採用すれば、きわめて容易に部分処理を行うことができる。
同様に、例えば、放熱部材６９，１６９，７０，１７０についても、予め表面処理しておいた材料から切り出すことのより、上下面と側面とで、相互に異なる処理に適した面を創りだすことができる。平板状のリードフレームを採用する場合に、前記の表面処理手順を採用すれば、リードフレームにおける複数の各面を求められる表面処理面とすることを容易に実現することができる。
〔第６および第７変形例に係る半導体装置１１１Ｚ１，１１１Ｚ２〕
次に、本発明の第１〜第３実施形態に適用可能な第６および第７変形例について、図１０および図１１を参照して説明する。図１０は、本発明の第２実施形態に適用した第６変形例に係る半導体装置１１１Ｚ１の断面模式図である。図１１は、本発明の第２実施形態に適用した第７変形例に係る半導体装置１１１Ｚ２の断面模式図である。
第６変形例に係る半導体装置１１１Ｚ１では、半導体素子としてのＩＧＢＴ５１およびダイオード５６の放熱効果をより一層高め、同装置内における熱応力を低減させ、これをもって半導体装置の長寿命化に寄与することを狙って、図３Ｃに示す本発明の第２実施形態に係る半導体装置１１１において、図１０に示すように、樹脂による封止構造を採用すると共に、樹脂による封止構造を採る半導体装置に対し、冷却フィンを有する冷却機構４１１，４１３を、電気絶縁層５１１，５１３を介して取り付けている。
冷却機構４１１，４１３は、例えばアルミニウム等の熱伝導率の高い素材からなる冷却フィン（不図示）を有する。冷却機構４１１，４１３は、冷却フィンに近接させて冷却水の流通路（不図示）を設ける構成を採用してもよい。
電気絶縁層５１１，５１３としては、フィラー（不図示）を含有した高熱伝導性樹脂シートを採用することができる。この高熱伝導性樹脂シート（電気絶縁層）５１１，５１３の両面には、粘着性が付与されている。これにより、樹脂による封止構造を採る半導体装置と、冷却機構４１１，４１３との間を、高熱伝導性樹脂シート（電気絶縁層）５１１，５１３を介在させて接着することができる。
高熱伝導性樹脂シート５１１，５１３に含有されるフィラーとしては、Ａｌ２ Ｏ３，ＡｌＮ，ＢＮ，Ｓｉ３ Ｎ４ などの、電気絶縁性および高い熱伝導性を有するセラミックスを用いることができる。高熱伝導性樹脂シート５１１，５１３の基材となる樹脂としては、接着性のあるフェノール系、アクリル系、ポリイミド系、ポリアミドイミド系、エポキシ系、シリコン系、ビスマレイミドトリアジン系、シアネートエッセル系を基にした樹脂を用いることができる。特に、高熱伝導性樹脂シート５１１，５１３の基材となる樹脂として、接着性が高いビスマレイミドトリアジン系、ポリアミドイミド系、ポリイミド系、シアネートエッセル系、エポキシ系、フェノール系を基にした樹脂を用いた場合、接着後に剥離しにくいため、半導体装置としての寿命を高めることができる。
電気絶縁層５１１，５１３の変形例としては、電気絶縁性のフィラーを含有した高熱伝導樹脂シートや、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素などのセラミックス焼結体の板を、グリスを介して放熱部材６９，７０における他側面６９ｂ，７０ｂの側に密着させるか、または、高熱伝導性フィラーを含有した高熱伝導樹脂シートを採用してもよい。さらに、溶射法やエアロゾルデポジション法などによって形成したセラミックス焼結層を、樹脂やグリスを介して放熱部材６９，７０における他側面６９ｂ，７０ｂの側に密着または接着させる構成を採用してもよい。
放熱部材６９，７０における他側面６９ｂ，７０ｂの側は、図１０に示すように、第１および第２リードフレーム１５３，１５５に対して平行であり、かつ、相互に面一（平坦化）となるように設けられている。これにより、電気絶縁層５１３の厚さを、電気絶縁性を確保可能な限りにおいて最も薄い厚さに設定することができる。その結果、電気絶縁層５１３における熱抵抗を小さくすることができる。ただし、放熱部材６９，７０における他側面６９ｂ，７０ｂの側を、相互に面一（平坦化）としていない場合は、樹脂３１１を用いた封止処理後に、放熱部材６９，７０における他側面６９ｂ，７０ｂの側に相当する面を研磨または研削することで平坦化してもよい。
第７変形例に係る半導体装置１１１Ｚ２では、図１１に示すように、第２リードフレーム１５５の上側面１５５ｂと、放熱部材６９，７０における他側面６９ｂ，７０ｂとを、面一となるように設け、これら面一の側に、第６変形例に係る電気絶縁層５１３を設けている。
なお、第２リードフレーム１５５の上側面１５５ｂと、放熱部材６９，７０における他側面６９ｂ，７０ｂとを、面一とするには、例えば、放熱部材６９，７０の高さを調整すればよい。この際に、相互に高さ寸法の異なる放熱部材６９，７０を予め用意しておき、これらのなかから適切な高さ寸法の放熱部材６９，７０を選択的に用いるようにしてもよい。ただし、第２リードフレーム１５５の上側面１５５ｂと、放熱部材６９，７０における他側面６９ｂ，７０ｂとが面一となっていない状態の面に対し、研削処理を行うことで面一とする構成を採用してもよい。
第７変形例に係る半導体装置１１１Ｚ２によれば、第２リードフレーム１５５の上側面１５５ｂと、放熱部材６９，７０における他側面６９ｂ，７０ｂとを、面一の放熱面として形成することができるため、放熱面に係る面積の増加により放熱性を向上することができる。
〔第８変形例に係る半導体装置１１１Ｙ３〕
次に、本発明の第１〜第３実施形態に適用可能な第８変形例について、図１２Ａおよび図１２Ｂを参照して説明する。図１２Ａは、図８に示す第４変形例に係る半導体装置１１１Ｙ１に適用した第８変形例に係る半導体装置１１１Ｙ３の断面模式図である。図１２Ｂは、図１２Ａに示す第８変形例に係る半導体装置１１１Ｙ３の主要部を拡大して表す説明図である。
第８変形例に係る半導体装置１１１Ｙ３では、半導体素子としてのＩＧＢＴ５１およびダイオード５６の放熱効果をより一層高め、同装置内における熱応力を低減させ、これをもって半導体装置の長寿命化に寄与することを狙って、図８に示す第４変形例に係る半導体装置１１１Ｙ１において、図１２Ａに示すように、樹脂による封止構造を採用すると共に、樹脂による封止構造を採る半導体装置に対し、冷却フィンを有する冷却機構４１１，４１３を、電気絶縁層５１１，５１３を介して取り付けている。
詳しく述べると、第８変形例に係る半導体装置１１１Ｙ３では、図１２Ａに示すように、放熱部材６９，７０における他側面６９ｂの側が、第１および第２リードフレーム１５３，１５５をそれぞれ境としてＩＧＢＴ５１およびダイオード５６（半導体素子）とは反対側に貫通孔７１，７２，１７１，１７２を通して第１および第２リードフレーム１５３，１５５から突出するように設ける。また、第１および第２リードフレーム１５３，１５５におけるＩＧＢＴ５１およびダイオード５６（半導体素子）とは反対側の面、および、放熱部材放熱部材６９，７０，１６９，１７０における他側面をすべて覆うように、第６変形例に係る電気絶縁層５１１，５１３を設けている。
一般に、電気絶縁層５１１，５１３では、その厚さが厚いほど熱応力を低減できる反面、放熱性が低下してしまう。一方、電気絶縁層５１１，５１３に発生する熱応力が最も大きくなる箇所は、図１２Ｂに示すように、第１および第２リードフレーム１５３，１５５に当接する電気絶縁層５１１，５１３のうち端部５１１ａである。また、ＩＧＢＴ５１およびダイオード５６（半導体素子）で生じた熱を放熱する際の主経路の一部に、電気絶縁層５１１，５１３のうち第１および第２リードフレーム１５３，１５５に当接する箇所５１１ｂが介在している。
そこで、第８変形例に係る半導体装置１１１Ｙ３では、放熱部材６９，７０，１６９，１７０における他側面６９ｂの側を、第１および第２リードフレーム１５３，１５５をそれぞれ境としてＩＧＢＴ５１およびダイオード５６（半導体素子）とは反対側に貫通孔７１，７２，１７１，１７２を通して第１および第２リードフレーム１５３，１５５から突出するように設ける構成を採用している。
第８変形例に係る半導体装置１１１Ｙ３によれば、第１および第２リードフレーム１５３，１５５のうちＩＧＢＴ５１およびダイオード５６（半導体素子）とは反対側と接合している電気絶縁層５１１，５１３のうち端部５１１ａの厚さは、放熱部材６９，７０，１６９，１７０における他側面の側と接合している絶縁樹脂層の厚さと比べて厚く設定されているため、放熱性の低下を抑えつつ熱応力を緩和することができる。
〔第９および第１０変形例に係る半導体装置１１１Ｙ４，１１１Ｙ５〕
次に、本発明の第１〜第３実施形態に適用可能な第９および第１０変形例について、図１３および図１４を参照して説明する。図１３は、図１２に示す第８変形例に係る半導体装置１１１Ｙ３に適用した第９変形例に係る半導体装置１１１Ｙ４の断面模式図である。図１４は、図１３に示す第９変形例に係る半導体装置１１１Ｙ４に適用した第１０変形例に係る半導体装置１１１Ｙ５の断面模式図である。
第９変形例に係る半導体装置１１１Ｙ４では、半導体素子としてのＩＧＢＴ５１およびダイオード５６の放熱効果をより一層高め、同装置内における熱応力を低減させ、これをもって半導体装置の長寿命化に寄与することを狙って、図１２に示す第８変形例に係る半導体装置１１１Ｙ３において、図１３に示すように、樹脂による封止構造を採る半導体装置に対し、冷却フィンを有する冷却機構４１１，４１３を、前記の電気絶縁層５１１，５１３に代えて、または、加えて、別の電気絶縁層５１５，５１７を介して取り付けている。
別の電気絶縁層５１５，５１７では、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素などのセラミックス焼結体の板を、例えばろう接や拡散接合によって、放熱部材６９，７０，１６９，１７０における他側面の側に密着させて接合する構成を採用している。第９変形例に係る半導体装置１１１Ｙ４では、前記の電気絶縁層５１１，５１３は、導電性を有する部材に置き換えることができる。この置き換えに際し、樹脂やグリスやはんだなど、様々な材料のなかから所要の熱伝導性を有する材料を適宜選択して用いることができる。
第１０変形例に係る半導体装置１１１Ｙ５では、図１３に示す第９変形例に係る半導体装置１１１Ｙ３において、図１４に示すように、前記の電気絶縁層５１５，５１７と、冷却機構４１１，４１３との間に、メタライズ層５１９を設けている。第１０変形例に係る半導体装置１１１Ｙ５によれば、半導体装置に対するモールド後に、メタライズ層５１９におけるＩＧＢＴ５１およびダイオード５６（半導体素子）とは反対側の複数の面を研削により面一にする調整作業を容易に行うことができる。
〔その他の実施形態〕
以上説明した第１〜第３実施形態および第１〜第１０変形例は、本発明の具現化例を示したものである。したがって、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されることがあってはならない。本発明はその要旨またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形態で実施することができるからである。
例えば、第１〜第３実施形態および第１〜第１０変形例のそれぞれは、その構成の一部を、その他の実施形態または変形例に記載の構成に置き換えることができる。また、ある実施形態または変形例に記載の構成に、その他の実施形態または変形例に記載の構成を加えることもできる。さらに、本発明の技術的範囲に包含される限りにおいて、第１〜第３実施形態および第１〜第１０変形例のそれぞれに記載された構成の一部を削除することもできる。
１１ 第１実施形態に係る半導体装置
５１ ＩＧＢＴ（半導体素子）
５３ 第１リードフレーム
５５ 第２リードフレーム
５６ ダイオード（半導体素子）
５７ 第１接合面
５９ 第２接合面
６５ 第１焼結金属接合層
６７ 第２焼結金属接合層
６９ 放熱部材
６９ａ 放熱部材の一側面
６９ｂ 放熱部材の他側面
６９ｃ 放熱部材の他側面の側の外側壁部
７１ 貫通孔
７１ａ 貫通孔における内側壁部
７３ はんだ、はんだ層

Claims (11)

  1. 対向する一対のバスバー間に設けられる一対の接合面を有する縦型の半導体素子と、
    前記一対の接合面にそれぞれ設けられる焼結金属からなる焼結金属接合層と、
    前記一対のバスバーのうち少なくとも一方に空けられた貫通孔と、
    前記一対の接合面のうち少なくとも一方の前記焼結金属接合層に一側面が接合され、他側面の側が前記貫通孔に嵌め合わされる、電気伝導性を有すると共にはんだと比べて高い熱伝導率を有する放熱部材と、
    を有し、
    前記放熱部材における前記他側面の側の外側壁部と、前記一対のバスバーのうち少なくとも一方に空けられた前記貫通孔の内側壁部との間隙には、はんだ層が形成されており、
    前記放熱部材における前記他側面の側の外側壁部、または、前記一対のバスバーのうち少なくとも一方に空けられた前記貫通孔の内側壁部の少なくともいずれかには、テーパー加工が施されている、
    ことを特徴とする半導体装置。
  2. 対向する一対のバスバー間に設けられる一対の接合面をそれぞれが有する複数の縦型の半導体素子と、
    前記一対の接合面にそれぞれ設けられる焼結金属からなる焼結金属接合層と、
    前記一対のバスバーのうち少なくとも一方に空けられた複数の貫通孔と、
    前記一対の接合面のうち少なくとも一方の前記焼結金属接合層に一側面が接合され、他側面の側が前記貫通孔に嵌め合わされる、電気伝導性を有すると共にはんだと比べて高い放熱性を有する複数の放熱部材と、
    を有し、
    前記放熱部材における前記他側面の側の外側壁部と、前記一対のバスバーのうち少なくとも一方に空けられた前記貫通孔の内側壁部との間隙には、はんだ層が形成されており、
    前記放熱部材における前記他側面の側の外側壁部、または、前記一対のバスバーのうち少なくとも一方に空けられた前記貫通孔の内側壁部の少なくともいずれかには、テーパー加工が施されている、
    ことを特徴とする半導体装置。
  3. 請求項１または２に記載の半導体装置であって、
    前記放熱部材の熱膨張係数は、前記半導体素子の熱膨張係数と、前記一対のバスバーの熱膨張係数とを境界値として区分した範囲内に属する数値に設定される、
    ことを特徴とする半導体装置。
  4. 請求項１または２に記載の半導体装置であって、
    前記放熱部材における前記他側面の側の外側壁部、または、前記一対のバスバーのうち少なくとも一方に空けられた前記貫通孔の内側壁部の少なくともいずれかには、はんだとの密着性を考慮した表面処理が施されている、
    ことを特徴とする半導体装置。
  5. 請求項１または２に記載の半導体装置であって、
    少なくとも前記一対のバスバーの一部、および、前記放熱部材における前記他側面の側は、電気絶縁性を有する樹脂材料により封止されている、
    ことを特徴とする半導体装置。
  6. 請求項５に記載の半導体装置であって、
    前記バスバーにおける前記樹脂材料との接合面には、粗化加工が施されている、
    ことを特徴とする半導体装置。
  7. 請求項５または６に記載の半導体装置であって、
    前記放熱部材における前記他側面の側には、電気絶縁層を介して冷却機構が設けられている、
    ことを特徴とする半導体装置。
  8. 請求項５または６に記載の半導体装置であって、
    前記放熱部材における前記他側面の側には、研削による平坦化加工が施されている、
    ことを特徴とする半導体装置。
  9. 請求項７に記載の半導体装置であって、
    前記放熱部材における前記他側面の側は、前記バスバーを境として前記半導体素子とは反対側に前記貫通孔を通して突出しており、
    前記バスバーのうち前記半導体素子とは反対側と接合している前記電気絶縁層の厚さは、前記放熱部材における前記他側面の側と接合している絶縁樹脂層の厚さと比べて厚く設定されている、
    ことを特徴とする半導体装置。
  10. 対向する一対のバスバー間に設けられる一対の接合面を有する縦型の半導体素子と、
    前記一対の接合面にそれぞれ設けられる焼結金属からなる焼結金属接合層と、
    前記一対のバスバーのうち少なくとも一方に空けられた貫通孔と、
    前記一対の接合面のうち少なくとも一方の前記焼結金属接合層に一側面が接合され、他側面の側が前記貫通孔に嵌め合わされる、電気伝導性を有すると共にはんだと比べて高い熱伝導率を有する放熱部材と、
    を有し、
    前記放熱部材における前記他側面の側の外側壁部と、前記一対のバスバーのうち少なくとも一方に空けられた前記貫通孔の内側壁部との間隙には、はんだ層が形成されており、
    少なくとも前記一対のバスバーの一部、および、前記放熱部材における前記他側面の側は、電気絶縁性を有する樹脂材料により封止されており、
    前記放熱部材における前記他側面の側には、電気絶縁層を介して冷却機構が設けられており、
    前記放熱部材における前記他側面の側は、前記バスバーを境として前記半導体素子とは反対側に前記貫通孔を通して突出しており、
    前記バスバーのうち前記半導体素子とは反対側と接合している前記電気絶縁層の厚さは、前記放熱部材における前記他側面の側と接合している絶縁樹脂層の厚さと比べて厚く設定されている、
    ことを特徴とする半導体装置。
  11. 請求項１０に記載の半導体装置であって、
    前記バスバーにおける前記樹脂材料との接合面には、粗化加工が施されている、
    ことを特徴とする半導体装置。
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