JP6398405B2 - 半導体装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置及び半導体装置の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。
パワー半導体モジュールでは、絶縁基板の一方の主面には半導体チップ等が、他方の主面には放熱部材が、それぞれはんだにより固定されている。
しかし、このようなパワー半導体モジュールにおいて、動作時に発生する温度変化により、はんだが膨張及び収縮を繰り返すと、はんだに切り欠け等が発生してしまうことがある。そして、その切り欠けに熱歪みが集中して、はんだに疲労損傷が生じ、パワー半導体モジュールの故障、障害の一因となりうる。
そこで、はんだへの切り欠け等の発生を抑制するために、以下のような技術が知られている。絶縁基板と放熱部材との間に、はんだより熱膨張係数の高い柱を複数配置し、はんだ加熱時に、膨張した柱で絶縁基板と放熱部材との間隙を広げるようにする。それにより、溶融したはんだを上方に持ち上げ、自重によるはんだの潰れや流れを防止するとともに、端部形状を内側にくぼんだ形状にしてはんだのひずみ集中を少なくする（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−１６８４９２号公報
絶縁基板と放熱部材との間に塗布されるはんだは、その塗布領域を広くして、絶縁基板から放熱部材への熱伝導性の向上が望まれる。しかしながら上記技術では、はんだの周囲に配置する柱のために、はんだの塗布領域が制限されてしまう。また、上記技術では、絶縁基板と放熱部材との間隙を広げるために柱の熱膨張を利用していることから、それぞれの柱の熱膨張に誤差があれば、絶縁基板と放熱部材とが平行とならない。そのため、当該間隙のはんだの厚さにばらつきが生じてしまうおそれがある。はんだの厚さがばらつけば、絶縁基板の搭載箇所により熱伝導性にばらつきが生じてしまう。このように上記技術により得られる半導体装置は信頼性が低下してしまう。
本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、はんだに発生する熱歪みの集中を抑制し、良好な信頼性を備えた半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の一観点によれば、半導体素子と、平面矩形状である回路板、絶縁板及び金属板が積層して構成され、前記回路板に前記半導体素子が固定され、前記金属板の四隅にそれぞれ設けられた第１溝部を有する絶縁基板と、前記絶縁基板が所定の配置領域に配置され、前記配置領域の四隅にそれぞれ設けられた第２溝部を有する金属製の放熱部材と、前記金属板の四隅と前記放熱部材の四隅との間に配置され、前記第１溝部と前記第２溝部とにそれぞれ嵌合され、第１面と第２面と前記第１面及び前記第２面から構成されて、平面視で前記絶縁基板の四隅のいずれかに配置される角部とを含み、前記角部が前記金属板の四隅と前記配置領域の四隅とにそれぞれ位置された、４つの位置決め部材と、前記絶縁基板と前記放熱部材との間に充填され、前記位置決め部材を覆っているはんだと、を有する半導体装置が提供される。
また、本発明の一観点によれば、半導体素子と、平面矩形状である回路板、絶縁板及び金属板が積層して構成され、前記回路板に前記半導体素子が固定され、前記金属板の四隅に設けられた少なくとも１以上の第１溝部を有する絶縁基板と、前記絶縁基板が所定の配置領域に配置され、前記配置領域の四隅に設けられた少なくとも１以上の第２溝部を有する金属製の放熱部材と、前記金属板の四隅と前記放熱部材の四隅との間に配置され、前記第１溝部と前記第２溝部とにそれぞれ嵌合され、第１面と第２面と前記第１面及び前記第２面から構成されて、前記第１面及び前記第２面の前記絶縁基板側が、前記絶縁基板の内側に傾斜しており、平面視で前記絶縁基板の四隅のいずれかに配置される角部とを含む、４つの位置決め部材と、前記絶縁基板と前記放熱部材との間に充填され、前記位置決め部材を覆っているはんだと、を有する半導体装置が提供される。
また、本発明の一観点によれば、平面矩形状である回路板、絶縁板及び金属板が積層して構成され、前記金属板の四隅にそれぞれ設けられた第１溝部を有する絶縁基板を準備する工程と、前記絶縁基板が配置される配置領域の四隅にそれぞれ設けられた第２溝部を有する金属製の放熱部材を準備する工程と、前記配置領域の四隅にある前記第２溝部に、第１面と第２面と前記第１面及び前記第２面から構成される角部を含み、前記角部が前記配置領域の四隅にそれぞれ位置されて、４つの位置決め部材を嵌合させる工程と、前記配置領域にはんだ板を載置する工程と、前記金属板の四隅にある前記第１溝部に前記角部が前記金属板の四隅にそれぞれ位置されて、前記４つの位置決め部材を嵌合させて、前記絶縁基板を前記配置領域に固定する工程と、前記はんだ板を加熱して溶融する工程と、前記はんだ板から溶融した溶融はんだを前記絶縁基板及び前記放熱部材の間に充填させる工程と、前記溶融はんだを冷却して固化する工程と、を有する半導体装置の製造方法が提供される。
また、本発明の一観点によれば、平面矩形状である回路板、絶縁板及び金属板が積層して構成され、前記金属板の四隅に設けられた少なくとも１以上の第１溝部を有する絶縁基板を準備する工程と、前記絶縁基板が配置される配置領域の四隅に少なくとも１以上の第２溝部を有する金属製の放熱部材を準備する工程と、前記配置領域の四隅にある前記第２溝部に、４つの位置決め部材を嵌合させる工程と、前記配置領域にはんだ板を載置する工程と、前記金属板の四隅にある前記第１溝部に前記４つの位置決め部材を嵌合させて、前記絶縁基板を前記配置領域に固定する工程と、前記はんだ板を加熱して溶融する工程と、前記はんだ板から溶融した溶融はんだを前記絶縁基板及び前記放熱部材の間に充填させる工程と、前記溶融はんだを冷却して固化する工程と、を有し、前記４つの位置決め部材は、第１面と第２面と前記第１面及び前記第２面から構成されて、前記第１面及び前記第２面の前記絶縁基板側が、前記絶縁基板の内側に傾斜しており、平面視で前記絶縁基板の四隅のいずれかに配置される角部とを含む、半導体装置の製造方法が提供される。
開示の技術によれば、はんだに発生する熱歪みの集中が防止されて、良好な信頼性を備えた半導体装置及び半導体装置の製造方法が実現できる。
第１の実施の形態の半導体装置の断面図である。 第１の実施の形態の絶縁基板を説明するための図である。 第１の実施の形態の放熱部材を説明するための図である。 半導体装置の製造方法の参考例を説明するための図（その１）である。 半導体装置の製造方法の参考例を説明するための図（その２）である。 半導体装置の参考例を説明するための図である。 第１の実施の形態の半導体装置の製造方法を説明するための図である。 第１の実施の形態の半導体装置を説明するための図である。 第２の実施の形態の半導体装置を説明するための図である。 第３の実施の形態の半導体装置を説明するための図である。
図面を参照して実施の形態について説明する。
［第１の実施の形態］
第１の実施の形態の半導体装置について、図１〜図３を用いて説明する。
図１は、第１の実施の形態の半導体装置の断面図である。
また、図２は、第１の実施の形態の絶縁基板を説明するための図である。図２（Ａ）は絶縁基板の（放熱部材と対向する側の）平面図を、図２（Ｂ）は図２（Ａ）の一点鎖線Ｘ１−Ｘ１における断面図をそれぞれ示す。
図３は、第１の実施の形態の放熱部材を説明するための図である。図３（Ａ）は放熱部材の（絶縁基板と対向する側の）平面図を、図３（Ｂ）は図３（Ａ）の一点鎖線Ｘ２−Ｘ２における断面図を、図３（Ｃ）は位置決め部材の斜視図をそれぞれ示す。なお、図３（Ａ）、（Ｂ）には、放熱部材に設けられた複数の配置領域のうち１つのみを示している。
半導体装置１０は、図１に示されるように、半導体素子６０ａ，６０ｂと、絶縁基板２０と、放熱部材３０と、位置決め部材５０と、はんだ４２とを備える。
半導体素子６０ａ，６０ｂは、例えば、一方にスイッチング素子を、他方にダイオードをそれぞれ適用することができる。
スイッチング素子は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulating Gate Bipolar Transistor）、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等の縦型のパワー半導体素子を適用することができる。また、ダイオードは、例えば、ＳＢＤ（Schottky Barrier Diode）、ＦＷＤ（Free Wheeling Diode）素子等のパワーダイオード素子を適用することができる。
なお、絶縁基板２０上に載置される半導体素子６０ａ，６０ｂは、この２つに限らず、半導体装置１０の設計等に応じて、必要な機能及び数の半導体素子を用いることができる。
絶縁基板２０は、平面矩形状である回路板２２と、絶縁板２１と、金属板２３とが積層して構成されている。絶縁板２１は、例えば、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム等のセラミックが用いられている。回路板２２及び金属板２３は、銅等の金属で構成され、例えばＤＣＢ（Direct Copper Bonding）法で形成することができる。回路板２２は、絶縁板２１の表面に選択的に回路パターンが形成されている。回路板２２上には、はんだ７２ａ，７２ｂを用いて、半導体素子６０ａ，６０ｂの主電極側（例えば、コレクタ電極、カソード電極等）が固定されている。また、金属板２３には、図２に示されるように、平面視で、その四隅に第１溝部２３ａがそれぞれ設けられている。第１溝部２３ａは、後述する位置決め部材５０と対応した形状の、例えば、Ｌ字状であって、Ｌ字の頂点が金属板２３の角部に一致するように配置されている。また、第１溝部２３ａは、絶縁板２１に底部が達しない深さを有する。
放熱部材３０は、例えば、銅、アルミニウム等の金属で構成されており、所定の配置領域に絶縁基板２０が固定される。そして、放熱部材３０は、半導体素子６０ａ，６０ｂが発生する熱の冷却機能を有する。また、放熱部材３０は、図３（Ａ），（Ｂ）に示されるように、平面視で、絶縁基板２０の配置領域の四隅に、後述する位置決め部材５０に対応した形状（ここではＬ字状）の第２溝部３０ａを有している。また、それぞれの第２溝部３０ａは、絶縁基板２０の各第１溝部２３ａと対向するように配置されている。
なお、第１の実施の形態では、第１溝部２３ａ及び第２溝部３０ａは、金属板２３及び配置領域の四隅にそれぞれ設けられ、各４つずつ配置されている。しかしながら、第１溝部２３ａ及び第２溝部３０ａは、後述するように４つの位置決め部材５０が各四隅で嵌合できればよい。そのため、例えば絶縁基板２０もしくは放熱部材３０の周縁部に沿って、繋がった１つの第１溝部２３ａもしくは繋がった１つの第２溝部３０ａを配置することも可能である。もしくは、隣接する二隅同士がつながった、２つの溝部を配置することも可能である。
位置決め部材５０は、はんだに対する濡れ性が高い材質である、例えば、銅、ニッケル、鉄のいずれかを主成分とする材料により構成されている。もしくは、位置決め部材５０は、はんだに対する濡れ性が高い材質である、例えば、銅、ニッケル、鉄のいずれかを主成分とする材料により表面が覆われている。また、位置決め部材５０は、図３（Ｃ）に示されるように、Ｌ字状をなしており、面５１，５２と、面５１及び５２により構成される角部Ｃを含む。４つの位置決め部材５０は、金属板２３の四隅と放熱部材３０の四隅との間に配置され、金属板２３の四隅の第１溝部２３ａと、配置領域の四隅の第２溝部３０ａとに、それぞれ嵌合される。そして、位置決め部材５０の角部Ｃを、絶縁基板２０の四隅にそれぞれ位置させている。また、位置決め部材５０は、その端部の断面が正方形の場合を例示しているが、正方形に限らず、長方形であっても構わない。または、位置決め部材５０の端部の断面は、円または楕円であっても構わない。この場合の位置決め部材５０は、単に、平面視でＬ字状が構成されていれば、面５１，５２と、面５１，５２により構成される角部Ｃとを有することに拘ることはない。また、位置決め部材５０は、例えば、放熱部材３０と同じ材質で構成される場合には、放熱部材３０の第２溝部３０ａが形成されている箇所に一体的に形成することも可能である。
はんだ４２は、例えば錫−銀系等の鉛フリーのはんだで構成される。はんだ４２は、絶縁基板２０と放熱部材３０との間に充填されて、絶縁基板２０と放熱部材３０との間を接合している。また、半導体素子６０ａ，６０ｂから発生する熱を、絶縁基板２０から放熱部材３０へ伝える機能も有している。さらに、はんだ４２は位置決め部材５０を覆っている。これは、位置決め部材５０の表面がはんだに対する濡れ性が高いため、位置決め部材５０を覆うようにはんだ４２が濡れ広がることができるからである。
このような構成を含む半導体装置１０は、位置決め部材５０を覆うように絶縁基板２０の四隅まではんだ４２が広がっている。このため、例えば、温度サイクル試験を行っても、熱歪みは少なくともはんだ４２の四隅への集中が抑制されるようになる。また、半導体装置１０では、位置決め部材５０により、絶縁基板２０と放熱部材３０との間隙が平行に維持されるため、当該間隙を充填するはんだ４２も平行となる。このため、絶縁基板２０から放熱部材３０への熱伝導性を絶縁基板２０の主面の場所に寄らず均一とすることができる。
次に、このような半導体装置１０の製造方法の説明の前に、参考例としての半導体装置の製造方法について、図４及び図５を用いて説明する。
図４及び図５は、半導体装置の製造方法の参考例を説明するための図である。
なお、図４及び図５では、絶縁基板上に載置される半導体素子については省略している。また、図４（Ａ）は、位置決め治具の平面図、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）の一点鎖線Ｘ３−Ｘ３における断面図をそれぞれ示している。また、図５（Ａ）〜（Ｄ）は、図４の図中右側の放熱部材と当該放熱部材に配置された絶縁基板とを拡大した断面図であって、絶縁基板及び放熱部材のはんだによる接合工程をそれぞれ示している。
まず、銅、アルミニウム等の一定以上の熱伝導性を備える金属で構成される放熱部材１３０に、１以上の開口部２１０を有する位置決め治具２００をセットする。位置決め治具２００は、はんだ付け時にはんだが固着しないように、はんだの濡れ性が低い材料で構成されており、例えば、炭素材料により構成されている。放熱部材１３０は、例えば、ニッケルによりめっき処理が施されている。このめっき処理により、放熱部材１３０が銅で構成される場合には、酸化が防止され、アルミニウムで構成される場合には、はんだとの接合性が向上する。
また、位置決め治具２００のセットの際、位置決め治具２００の位置決め孔２２０を、放熱部材１３０に固定された位置決めピン２３０に嵌合させる。そして、位置決め治具２００の開口部２１０が放熱部材１３０の所定の配置領域にそれぞれ位置するように、位置決め治具２００を固定する。
次に、放熱部材１３０にセットした位置決め治具２００の開口部２１０に、はんだ板１４０を載置し、続けて、このはんだ板１４０上に絶縁基板１２０をそれぞれ載置する（図４）。
絶縁基板１２０は、半導体装置１０の絶縁基板２０と同様に、平面矩形状であって、絶縁板１２１と、絶縁板１２１の表裏面に配置された回路板１２２及び金属板１２３とを備える。
次に、絶縁基板１２０と放熱部材１３０とのはんだによる接合工程について説明する。
上記のように、位置決め治具２００を用いて放熱部材１３０の配置領域（はんだ付け領域（予定））にはんだ板１４０を介して絶縁基板１２０がセットされる（図５（Ａ））。
この状態において、はんだ板１４０が溶融する温度で、全体を加熱する。すると、放熱部材１３０は、位置決め治具２００よりも熱膨張係数が大きく、また、位置決めピン２３０でお互いが固定されていることから、位置決めピン２３０を中心として位置決め治具２００よりも外側（図５では右側）に広がってしまう。そして、放熱部材１３０が広がることで、絶縁基板１２０の当初のはんだ付け領域（予定）と、はんだ付け領域（実際）とにずれが生じてしまう（図５（Ｂ））。特に、位置決めピン２３０から離れるほど、このずれが顕著になる。
このようにはんだ付け領域がずれた状態で、はんだ板１４０から溶融したはんだ１４１が絶縁基板１２０と放熱部材１３０との間に充填される（図５（Ｃ））。
次に、絶縁基板１２０と放熱部材１３０との間に充填されたはんだ１４１を冷却し、絶縁基板１２０と放熱部材１３０とを、はんだ１４１から固化されたはんだ１４２により接合する。この際、全体が冷却されることにより、放熱部材１３０は収縮して、内側（図５では左側）に移動する。絶縁基板１２０も放熱部材１３０の収縮に伴って、内側に移動する。一方で、位置決め治具２００の内側への収縮は、絶縁基板１２０よりも小さい。そのため、絶縁基板１２０の端部が、位置決め治具２００の開口部２１０の内壁に接触してしまい、絶縁基板１２０が損傷を受ける場合がある（図５（Ｄ））。
このような絶縁基板１２０と開口部２１０の内壁との接触を防止するために、例えば、位置決め治具２００の開口部２１０の開口面積を大きくすることが考えられる。しかしながら、開口面積を大きくすると、放熱部材１３０の配置領域に対する絶縁基板１２０の配置の精度が低下してしまう。
次に、このようにして製造された半導体装置の参考例について図６を用いて説明する。なお、図６では、絶縁基板１２０上に載置される半導体素子については省略している。
図６（Ａ）は放熱部材１３０に接合された絶縁基板１２０の平面図を、図６（Ｂ）、（Ｃ）は、図６（Ａ）の一点鎖線Ｘ４−Ｘ４，Ｘ５−Ｘ５の断面図をそれぞれ示す。
図４及び図５の工程を経て製造された半導体装置１００において、絶縁基板１２０と放熱部材１３０とを接合するはんだ１４２は、図６（Ａ）の破線で示すように、絶縁基板１２０の四隅まで広がらない場合がある。これは、はんだ１４２の冷却時の熱収縮に起因しており、外部との露出部が大きい四隅において顕著となるためである。詳細を以下に述べる。
例えば、はんだ１４２の量を調整して、絶縁基板１２０の辺の中央付近では、はんだ１４２を下に向けて広がった良好なフィレット形状を形成できたとする（図６（Ｂ））。
しかし、この場合において、絶縁基板１２０の角部では、二辺からはんだ１４２の収縮が進むため、図６（Ｃ）に示されるように、はんだ１４２の角部Ｐにへこみが生じてしまう。このようにはんだ１４２の角部Ｐにへこみが生じた半導体装置１００に動作時に温度変化が起こると、へこみに熱歪みが集中して疲労損傷が生じ、半導体装置１００の故障、障害の一因となりうる。
一方で、はんだ１４２の量を増やして、角部Ｐにおいてへこみの生じない良好なフィレット形状の形成を試みた場合、辺の中央付近でははんだ量が過剰になる。このため、辺の中央付近ではんだ１４２があふれ、はんだ１４２が回路板１２２まで回りこんで短絡する等の不具合が生じる。
また、半導体装置１００は、例えば、図５のはんだによる接合工程では、絶縁基板１２０は単にはんだ１４１を介して放熱部材１３０に配置されている。このことから、はんだ１４１が溶融した際に絶縁基板１２０が放熱部材１３０に対して傾いてしまうことも考えられる。放熱部材１３０に対して絶縁基板１２０が傾いた状態で接合されると、はんだ１４２の厚さが絶縁基板１２０の主面の位置によって異なってしまう。このような半導体装置１００では、絶縁基板１２０から放熱部材１３０への熱伝導性にばらつきが生じてしまう。
このように、図４及び図５の工程を経て製造された半導体装置１００は、信頼性が低下する可能性がある。
そこで、第１の実施の形態の半導体装置１０の製造方法について、図１〜図３並びに図７を用いて説明する。
なお、図７では、絶縁基板上に固定される半導体素子については、その記載と固定する工程とを省略している。また、図７（Ａ）〜（Ｄ）は、図５と同様に、放熱部材と当該放熱部材の一箇所に配置された絶縁基板とを拡大した断面図であって、絶縁基板及び放熱部材のはんだによる接合工程をそれぞれ示している。また、上述した図１〜図３の説明と重複する部分については、説明を省略する場合がある。
まず、上述した図２に記載の構成を有する絶縁基板２０を準備する。また、上述した図３（Ａ），（Ｂ）に記載の構成を有する放熱部材３０を準備する。
次に、放熱部材３０の所定の配置領域（はんだ付け領域）の四隅にある第２溝部３０ａに、上述した図３（Ｃ）に記載の４つの位置決め部材５０をそれぞれ嵌合させる。また、放熱部材３０の配置領域にはんだ板４０を載置する。さらに、絶縁基板２０の金属板２３の四隅にある第１溝部２３ａに４つの位置決め部材５０をそれぞれ嵌合させて、絶縁基板２０を放熱部材３０の所定の配置領域に固定する（図７（Ａ））。この工程の後、絶縁基板２０と放熱部材３０との間には、半導体装置１０においてはんだ４２の厚さとなる所定の距離の間隙が、均一に備わっている。
次に、はんだ板４０が溶融する温度で全体を加熱し、はんだ板４０を溶融する。放熱部材３０は、加熱されると膨張し、外側（図７では右側）に広がる。この際、絶縁基板２０は、位置決め部材５０により放熱部材３０に位置決めされているために、放熱部材３０の膨張と共に、外側に移動する（図７（Ｂ））。このため、絶縁基板２０は、加熱された放熱部材３０が膨張しても、予定されたはんだ付け領域からずれることはない。
加熱されたはんだ板４０から溶融したはんだ４１は、絶縁基板２０と放熱部材３０との間隙で外側に広がり、それらの間に充填される。また、位置決め部材５０の表面は、上述のようにはんだ４１に対する濡れ性が高いことから、位置決め部材５０に到達したはんだ４１は、位置決め部材５０を覆いながらさらに外側に広がる。そして、上述のように位置決め部材５０の角部Ｃを、絶縁基板２０の四隅にそれぞれ配置していることから、はんだ４１が角部Ｃまで完全に覆うと、絶縁基板２０の四隅の各角部まではんだ４１が到達する（図７（Ｃ））。
また、第１溝部２３ａの底部は、絶縁板２１に達しない深さであり、第１溝部２３ａにおいて濡れ性の低い絶縁板２１は露出していない。このため、はんだ４１は、濡れ広がる際に妨げられずに、位置決め部材５０を覆いながら絶縁基板２０の四隅に広がる。
次に、溶融したはんだ４１を冷却して固化し、絶縁基板２０と放熱部材３０をはんだ４１で接合する（図７（Ｄ））。すると、膨張した放熱部材３０が（図７では左側に）収縮する。この際、放熱部材３０に位置決め部材５０により位置決めされている絶縁基板２０は、放熱部材３０の膨張時とは逆に、放熱部材３０の収縮と共に移動する。この収縮時においても、図５で示した位置決め治具２００を用いていないために、絶縁基板２０が損傷等を受けることはなく、絶縁基板２０が予定されたはんだ付け領域からずれることもない。
次に、このようにして製造された第１の実施の形態の半導体装置１０について、図８を用いて説明する。
なお、図８（Ａ）は半導体装置１０の平面図を、図８（Ｂ），（Ｃ）は、図８（Ａ）の一点鎖線Ｘ６−Ｘ６，Ｘ７−Ｘ７における断面図をそれぞれ示している。
図７で説明した工程を経て製造された半導体装置１０では、はんだ４２は、図８（Ａ）の破線で示すように、絶縁基板２０の四隅まで広がり、絶縁基板２０と放熱部材３０とを接合している。
例えば、絶縁基板２０の一辺の中央付近は、図８（Ｂ）に示されるように、はんだ４２は、下に向けて広がった良好なフィレット形状を備えている。
また、絶縁基板２０の四隅の角部でも、図８（Ｃ）に示されるように、はんだ４２は位置決め部材５０を覆い、絶縁基板２０の四隅まで広がっている。さらに、はんだ４２は、下に向けて広がった良好なフィレット形状を備えている。
このため、このような半導体装置１０に動作時に温度変化が起こっても、はんだ４２の端部に熱歪みが集中することがなく、温度サイクル耐性が向上する。
なお、位置決め部材５０において、その角部Ｃの角度は鋭角であれば、はんだ４２をより効果的に絶縁基板２０の各四隅まで到達させることができる。そして角部Ｃの角度は、絶縁基板２０の角部に対応する直角であることが好ましい。
さらに、第１の実施の形態においては、位置決め部材５０の高さ、並びに第１溝部２３ａ及び第２溝部３０ａの深さを制御して、はんだ４２を所望でかつ均一の厚さにすることができる。そのため、絶縁基板２０から放熱部材３０への熱伝導性は、絶縁基板２０の主面の場所に寄らず、所望の値で均一となる。したがって、第１の実施の形態の半導体装置１０は、信頼性の向上を図ることができる。
［第２の実施の形態］
第２の実施の形態では、第１の実施の形態において、別の形状の位置決め部材が適用される場合について説明する。なお、第１の実施の形態の説明と重複する部分については、説明を省略する場合がある。
図９は、第２の実施の形態の半導体装置を説明するための図である。
なお、図９（Ａ）は、第２の実施の形態の位置決め部材の斜視図を、図９（Ｂ）は、図８（Ｃ）に対応するものであって、図９（Ａ）を用いた半導体装置の角部の断面図をそれぞれ示している。
図９（Ａ）に示した位置決め部材５０ａは、位置決め部材５０と同様に、はんだに対する濡れ性が高い表面を有し、平面視でＬ字状をなしており、面５１ａ，５２ａと、面５１ａ，５２ａにより構成される角部Ｃａとを含む。但し、位置決め部材５０ａの端部の断面は、辺５０ａ１に対して辺５０ａ２，５０ａ３が直交しており、辺５０ａ４が傾斜する台形状をなしている。また、辺５０ａ４の傾斜に伴って、面５１ａ，５２ａもその絶縁基板２０側が絶縁基板２０の内側に傾斜している。
そして、絶縁基板２０の第１溝部２３ａ及び放熱部材３０の第２溝部３０ａは、位置決め部材５０ａが嵌合可能なように、位置決め部材５０ａの形状に応じた溝形状を有する。
位置決め部材５０ａが適用された半導体装置１１を図９（Ｂ）に示す。半導体装置１１では、半導体装置１０と同様に、はんだ４２が絶縁基板２０及び放熱部材３０の間隙に充填されており、また、はんだ４２は位置決め部材５０ａを覆い、絶縁基板２０の四隅まで広がっている。さらに、位置決め部材５０ａの場合は、はんだ４２が位置決め部材５０ａの傾斜した面５１ａ，５２ａを覆うことから、はんだ４２は、下に向けて広がった良好なフィレット形状を構成できる。このため、はんだ４２の端部に熱歪みが集中することがさらに抑制され、温度サイクル耐性がさらに向上する。
［第３の実施の形態］
第３の実施の形態では、第１の実施の形態において、さらに別の形状の位置決め部材が適用されて場合について説明する。
図１０は、第３の実施の形態の半導体装置を説明するための図である。
位置決め部材５０は、その面５１，５２で構成される角部Ｃを絶縁基板２０の四隅にそれぞれ位置させたために、溶融したはんだ４１が位置決め部材５０の面５１，５２、さらに角部Ｃまで完全に埋設すると、絶縁基板２０の四隅まで到達する。
例えば、半導体装置１２において、位置決め部材５０ｂは、図１０（Ａ）に示されるように、面５１ｂ，５２ｂと、面５１ｂ，５２ｂで構成される角部Ｃｂと、を含む平面視で三角形状である。この場合、絶縁基板２０の四隅に、面５１ｂ，５２ｂと、面５１ｂ，５２ｂで構成される角部Ｃｂとがそれぞれ位置するようにすることで、位置決め部材５０と同様の効果が得られる。さらに、位置決め部材５０ｂの端部の断面が、位置決め部材５０ａの端部の断面と同様の台形状であれば、位置決め部材５０ａと同様の効果が得られる。
また、半導体装置１３において、位置決め部材５０ｃは、図１０（Ｂ）に示されるように、面５１ｃ，５２ｃと、面５１ｃ，５２ｃで構成される角部Ｃｃと、を含む平面視で四角形状である。この場合、絶縁基板２０の四隅に、面５１ｃ，５２ｃと、面５１ｃ，５２ｃで構成される角部Ｃｃと、がそれぞれ位置するようにすることで、位置決め部材５０と同様の効果が得られる。さらに、この場合も、位置決め部材５０ｃの端部の断面が、位置決め部材５０ａの端部の断面と同様の台形状であれば、位置決め部材５０ａと同様の効果が得られる。
なお、上記の位置決め部材５０，５０ａ，５０ｂ，５０ｃは、半導体装置１０〜１３の信頼性が低下しないように、絶縁基板２０の四隅のはんだ４２の局所的な量が低下しすぎない程度の大きさとすることが望ましい。
１０ 半導体装置
２０ 絶縁基板
２１ 絶縁板
２２ 回路板
２３ 金属板
２３ａ 第１溝部
３０ 放熱部材
３０ａ 第２溝部
４２，７２ａ，７２ｂ はんだ
５０ 位置決め部材
６０ａ，６０ｂ 半導体素子

Claims (9)

  1. 半導体素子と、
    平面矩形状である回路板、絶縁板及び金属板が積層して構成され、前記回路板に前記半導体素子が固定され、前記金属板の四隅にそれぞれ設けられた第１溝部を有する絶縁基板と、
    前記絶縁基板が所定の配置領域に配置され、前記配置領域の四隅にそれぞれ設けられた第２溝部を有する金属製の放熱部材と、
    前記金属板の四隅と前記放熱部材の四隅との間に配置され、前記第１溝部と前記第２溝部とにそれぞれ嵌合され、第１面と第２面と前記第１面及び前記第２面から構成されて、平面視で前記絶縁基板の四隅のいずれかに配置される角部とを含み、前記角部が前記金属板の四隅と前記配置領域の四隅とにそれぞれ位置された、４つの位置決め部材と、
    前記絶縁基板と前記放熱部材との間に充填され、前記位置決め部材を覆っているはんだと、
    を有する半導体装置。
  2. 半導体素子と、
    平面矩形状である回路板、絶縁板及び金属板が積層して構成され、前記回路板に前記半導体素子が固定され、前記金属板の四隅に設けられた少なくとも１以上の第１溝部を有する絶縁基板と、
    前記絶縁基板が所定の配置領域に配置され、前記配置領域の四隅に設けられた少なくとも１以上の第２溝部を有する金属製の放熱部材と、
    前記金属板の四隅と前記放熱部材の四隅との間に配置され、前記第１溝部と前記第２溝部とにそれぞれ嵌合され、第１面と第２面と前記第１面及び前記第２面から構成されて、前記第１面及び前記第２面の前記絶縁基板側が、前記絶縁基板の内側に傾斜しており、平面視で前記絶縁基板の四隅のいずれかに配置される角部とを含む、４つの位置決め部材と、
    前記絶縁基板と前記放熱部材との間に充填され、前記位置決め部材を覆っているはんだと、
    を有する半導体装置。
  3. 前記第１溝部は、前記絶縁板に底部が達しない深さを有する請求項１または２に記載の半導体装置。
  4. 前記位置決め部材は、銅、ニッケル、鉄のいずれかを主成分とする材料で構成されているか、もしくは銅、ニッケル、鉄のいずれかを主成分とする材料で表面が覆われている請求項１または２に記載の半導体装置。
  5. 前記位置決め部材は、平面視で、Ｌ字状、矩形状、三角形状のいずれかである請求項１または２に記載の半導体装置。
  6. 前記絶縁基板と前記放熱部材とは平行である請求項１または２に記載の半導体装置。
  7. 平面矩形状である回路板、絶縁板及び金属板が積層して構成され、前記金属板の四隅にそれぞれ設けられた第１溝部を有する絶縁基板を準備する工程と、
    前記絶縁基板が配置される配置領域の四隅にそれぞれ設けられた第２溝部を有する金属製の放熱部材を準備する工程と、
    前記配置領域の四隅にある前記第２溝部に、第１面と第２面と前記第１面及び前記第２面から構成される角部を含み、前記角部が前記配置領域の四隅にそれぞれ位置されて、４つの位置決め部材を嵌合させる工程と、
    前記配置領域にはんだ板を載置する工程と、
    前記金属板の四隅にある前記第１溝部に前記角部が前記金属板の四隅にそれぞれ位置されて、前記４つの位置決め部材を嵌合させて、前記絶縁基板を前記配置領域に固定する工程と、
    前記はんだ板を加熱して溶融する工程と、
    前記はんだ板から溶融した溶融はんだを前記絶縁基板及び前記放熱部材の間に充填させる工程と、
    前記溶融はんだを冷却して固化する工程と、
    を有する半導体装置の製造方法。
  8. 平面矩形状である回路板、絶縁板及び金属板が積層して構成され、前記金属板の四隅に設けられた少なくとも１以上の第１溝部を有する絶縁基板を準備する工程と、
    前記絶縁基板が配置される配置領域の四隅に少なくとも１以上の第２溝部を有する金属製の放熱部材を準備する工程と、
    前記配置領域の四隅にある前記第２溝部に、４つの位置決め部材を嵌合させる工程と、
    前記配置領域にはんだ板を載置する工程と、
    前記金属板の四隅にある前記第１溝部に前記４つの位置決め部材を嵌合させて、前記絶縁基板を前記配置領域に固定する工程と、
    前記はんだ板を加熱して溶融する工程と、
    前記はんだ板から溶融した溶融はんだを前記絶縁基板及び前記放熱部材の間に充填させる工程と、
    前記溶融はんだを冷却して固化する工程と、
    を有し、
    前記４つの位置決め部材は、第１面と第２面と前記第１面及び前記第２面から構成されて、前記第１面及び前記第２面の前記絶縁基板側が、前記絶縁基板の内側に傾斜しており、平面視で前記絶縁基板の四隅のいずれかに配置される角部とを含む、
    半導体装置の製造方法。
  9. 前記はんだ板を加熱して溶融する工程の後に、
    前記溶融はんだで、前記位置決め部材を覆う工程をさらに有する請求項７または８に記載の半導体装置の製造方法。
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