JP7101882B2 - 半導体装置、電力変換装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

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    • H01L2224/32221—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/32225—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
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Description

本発明は、半導体装置、電力変換装置および半導体装置の製造方法に関するものである。
従来、電力用途のパワー半導体素子を用いた半導体装置において、半導体装置の小型化を目的として、パワー半導体素子の高出力密度化（高電流密度化）が要求されている。したがって、パワー半導体素子には大電流が印加されるため、パワー半導体素子の回路に板状の金属部材が使用されている。
例えば、特開２０１５－１３８８２４号公報（特許文献１）には、パワー半導体素子と板状の金属部材で構成された電極とがボンディングワイヤによって接続された半導体装置が記載されている。ボンディングワイヤは、２点でパワー半導体素子に接続されたループ形状を有しており、ループ形状の頂点で電極に接合されている。
特開２０１５－１３８８２４号公報
上記公報に記載された半導体装置においては、ボンディングワイヤはループ形状の頂点で電極に接合されている。このため、ボンディングワイヤの頂点と電極との接合部における接触面積が小さい。よって、接合部に熱的または機械的な疲労が繰り返し与えられた際の、接合部でのクラックの進展に対する許容量は小さい。したがって、接合部の耐熱性が低いという課題がある。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、接合部の耐熱性を高くすることができる半導体装置、その半導体装置を備えた電力変換装置、および、その半導体装置の製造方法を提供することである。
本発明の半導体装置は、第１回路と、第２回路と、配線部材と、接合材とを備えている。配線部材は、第１回路および第２回路のいずれか一方に接続されている。接合材は、第１回路および第２回路のいずれか他方に接続されている。配線部材は、第１端および第２端と、頂点とを含んでいる。第１端および第２端は、第１回路および第２回路のいずれか一方に接続されている。頂点は、第１端と第２端との間に位置する。頂点は、接合材を介して第１回路および第２回路のいずれか他方に接続されている。半導体装置は、半導体素子をさらに備えている。半導体素子は、パッドを含んでいる。接合材は、半導体素子のパッド上に配置されている。第１端および第２端は、第２回路に直接接合されている。頂点は、接合材と半導体素子とを介して、第１回路に接続されている。
本発明の半導体装置によれば、配線部材の頂点が接合材を介して第１回路および第２回路のいずれか他方に接続されているため、配線部材の頂点と接合材との接合部の接触面積が大きい。このため、接合部に熱的または機械的な疲労が繰り返し与えられた際の、接合部でのクラックの進展に対する許容量は大きい。したがって、接合部の耐熱性を高くすることができる。
本発明の実施の形態１に係る半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体装置の構成を概略的に示す平面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体装置の構成を概略的に示す図１のＩＩＩ部分の拡大斜視図である。 図１のＩＶ部分の拡大図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体装置の変形例の構成を概略的に示す図１のＩＩＩ部分に対応する拡大斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２に係る半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体装置の構成を概略的に示す図７のＶＩＩＩ部分の拡大斜視図である。 図７のＩＸ部分の拡大図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体装置の変形例の構成を概略的に示す図７のＶＩＩＩ部分に対応する拡大斜視図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態４に係る電力変換システムの構成を示すブロック図である。
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。なお、以下においては、同一または相当する部分に同一の符号を付すものとし、重複する説明は繰り返さない。
実施の形態１．
図１～図３を参照して、本発明の実施の形態１に係る半導体装置５０の構成について説明する。図１は、実施の形態１に係る半導体装置５０の構成を概略的に示す断面図である。図２は、実施の形態１に係る半導体装置５０の構成を概略的に示す平面図である。図３は、実施の形態１に係る半導体装置５０の構成を概略的に示す図１のＩＩＩ部分の拡大斜視図である。ただし、説明の便宜のため、図３においては、封止樹脂７は、図示されていない。図１および図２に示されるように、半導体装置５０は、主として、第１回路１と、第２回路２と、配線部材３と、接合材４と、合金層５と、半導体素子６と、封止樹脂７と、を備えている。半導体装置５０は、電力用のパワー半導体装置である。半導体素子６は、電力用のパワー半導体素子である。図１および図２においては、半導体装置５０に２つのパワー半導体素子を有するパワーモジュールが１個備えられているが、半導体装置５０に複数のパワーモジュールが備えられていてもよい。
第１回路１は、回路パターン１１と、絶縁層１２と、金属層１３と、を含んでいる。第１回路１は、半導体素子６と電気的に接続されている。
第１回路１の回路パターン１１および金属層１３には、例えば銅（Ｃｕ）が用いられる。ただし、回路パターン１１および金属層１３に用いられる材料は、これに限定されるものではない。回路パターン１１および金属層１３に用いられる材料は、好ましくは高い電気伝導性を有する材料である。回路パターン１１は、図１および図２では一体的に示されているが、一般的には電気的に分離された矩形が並んだ形状である。
第１回路１の絶縁層１２は、例えば、セラミックス基板である。セラミックス基板の材料としては、例えばアルミナ（Aluminum Oxide）、窒化アルミニウム（Aluminum Nitride）、窒化珪素（Silicon Nitride）が用いられる。ただし、セラミックス基板の材料は、これらに限られるものではない。絶縁層１２としては、セラミックス基板のみならず、例えばセラミックスフィラーを充填した有機材料を用いることも可能である。このような有機材料としては、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、またはシアネート系樹脂等が用いられる。また、セラミックスフィラーとしては、アルミナ、窒化アルミニウム、または窒化ホウ素等が用いられる。
第１回路１は、例えばプリント回路基板である。第１回路１の形状は、半導体装置５０の形状に応じて定められてもよい。絶縁層１２の両面には、回路パターン１１および金属層１３が設けられている。回路パターン１１および金属層１３に用いられる材料は、絶縁層１２と強固に接合されるように好ましくは、絶縁層１２と直接接合法または活性金属接合法により接合されることが可能であればよい。なお、ここで直接接合法とは、回路パターン１１および金属層１３を、絶縁層１２に直接反応により接合する方法である。また、活性金属接合法とは、回路パターン１１および金属層１３を、チタン（Ｔｉ）およびジルコニウム（Ｚｒ）等の活性金属を添加したろう剤により絶縁層１２に接合する方法である。
第２回路２は、配線部材３と電気的に接続されている。第２回路２は、例えば配線基板である。具体的には、第２回路２は、例えばプリント回路基板である。第２回路２には、図示しない配線パターンおよび電子部品等が実装されている。第２回路２の材料は、電気的特性および機械的特性の観点から、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、またはこれらのうちいずれかを主たる成分とする合金でもよい。図１においては、第２回路２の数は１個であるが、第２回路２の数はこれに限られるものではない。第２回路２は、回路パターン１１の配置に応じて、電気的に接続可能な部分を接続する形状である。
配線部材３は、第１回路１および第２回路２のいずれか一方に接続されている。本実施の形態では、配線部材３は、第２回路２に接続されている。配線部材３は、第１端３Ａと、第２端３Ｂと、頂点３Ｃと、を含んでいる。第１端３Ａおよび第２端３Ｂは、第２回路２に接続されている。具体的には、第１端３Ａおよび第２端３Ｂは、第２回路２に直接接合されている。頂点３Ｃは、第１端３Ａと第２端３Ｂとの間に位置する。つまり、頂点３Ｃは、配線部材３のうち、第１端３Ａと第２端３Ｂとの間に配置されている。本実施の形態では、頂点３Ｃは、接合材４を介して第１回路１に接続されている。また、頂点３Ｃは、接合材４を介して半導体素子６に接続されている。つまり、頂点３Ｃは、接合材４と半導体素子６とを介して、第１回路１に接続されている。
図１および図３に示されるように、配線部材３は、弾性を有し、しなやかにたわむことのできる形状に構成されている。このため、配線部材３は、いわゆる可撓性を有している。配線部材３は、両端が接合されたループを形成している。配線部材３は、略Ｕ字状に構成されている。配線部材３は、例えばワイヤまたは板状部材である。本実施の形態では、配線部材３は、ワイヤである。つまり、配線部材３の形状は円柱状である。配線部材３の第１端３Ａおよび第２端３Ｂは第２回路２に接合されている。配線部材３と第２回路２とを接合する方法としては、例えば超音波接合が用いられる。配線部材３としては、金属材料が用いられる。配線部材３の材料は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、またはそれらを主体した合金等である。
接合材４は、第１回路１および第２回路２のいずれか一方に接続されている。本実施の形態では、接合材４は第１回路１に接続されている。具体的には、接合材４は、半導体素子６のパッド６１上に配置されている。また、接合材４は、半導体素子６に接続されている。接合材４は、第１回路１の回路パターン１１および半導体素子６のパッド６１と配線部材３との間に設けられている。接合材４は、配線部材３の頂点３Ｃと接合されている。接合材４は、接合面４Ｔと裏面４Ｂとを含んでいる。接合面４Ｔは、配線部材３の頂点３Ｃと接合されている。裏面４Ｂは、接合材４の中央に対して接合面４Ｔと反対側に配置されている。接合材４は、第１回路１の回路パターン１１および半導体素子６のパッド６１のいずれかに接合されている。つまり、裏面４Ｂは、第１回路１の回路パターン１１および半導体素子６のいずれかに接合されている。すなわち、図１中において最も左側に配置された接合材４では裏面４Ｂは第１回路１の回路パターン１１に接合されている。また、図１中において最も左側に配置された接合材４の右側に配置された３つの接合材４の各々では裏面４Ｂは半導体素子６に接合されている。なお、接合材４は、第２回路２とは接触していない。また、図１では、接合材４は、第１回路１の回路パターン１１上および半導体素子６のパッド６１上に設けられているが、接合材４が配置される箇所はいずれか一方でもよい。
接合材４の主たる構成要素は、配線部材３と同一の金属元素および融点降下元素である。例えば、接合材４の主たる構成要素として、アルミニウム（Ａｌ）－亜鉛（Ｚｎ）、銅（Ｃｕ）－錫（Ｓｎ）、銀（Ａｇ）－錫（Ｓｎ）などの組み合わせが用いられる。つまり、配線部材３の主たる金属元素がアルミニウム（Ａｌ）であれば、接合材４はアルミニウム（Ａｌ）とさらに融点降下元素である亜鉛（Ｚｎ）とを含んでいる。また、配線部材３の主たる金属元素が銅（Ｃｕ）であれば、接合材４は銅（Ｃｕ）と融点降下元素である錫（Ｓｎ）とを含んでいる。また、配線部材３の主たる金属元素が銀（Ａｇ）であれば、接合材４は銀（Ａｇ）とさらに融点降下元素である錫（Ｓｎ）とを含んでいる。なお、配線部材３および接合材４の構成要素は、上記の組合せには限定されない。
合金層５は、配線部材３と接合材４との間で形成されている。合金層５は、配線部材３の頂点３Ｃと接合材４の接合面４Ｔとの間に配置されている。合金層５は、頂点３Ｃと接合材４とを接合する、接合部である。頂点３Ｃは、接合材４と合金層５を形成している。頂点３Ｃと接合面４Ｔとは、合金層５を介して接合されている。合金層５の主たる構成要素は、配線部材３と同一の金属元素および融点降下元素である。合金層５の主たる構成要素は、融点降下元素の融点で溶融しない。
半導体素子６は、例えば、珪素（Ｓｉ）または炭化珪素（ＳｉＣ）等からなる絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）、フリーホイールダイオード（ＦＷＤ：Free Wheel Diode）、または金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ：Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等である。ただし、半導体素子６の種類はこれらに限られるものではない。図１において、半導体素子６の数は２個であるが、半導体素子６の数はこれに限られるものではない。
半導体素子６は、パッド６１と、図示しない裏面電極とを含んでいる。パッド６１は，半導体素子６の表面に設けられている。図示しない裏面電極は半導体素子６の裏面に設けられている。パッド６１は、半導体素子６の中央に対して図示しない裏面電極と反対側に配置されている。パッド６１は、接合材４に接合されている。
パッド６１は、例えば、制御信号パッド、主電極パッドなどを含むが、パッド６１の種類はこれらに限られるものではない。また、パッド６１として、制御信号パッドおよび主電極パッドのいずれか一方が設けられていてもよい。パッド６１としては、電気的特性および機械的特性の観点から、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、またはこれらのうちいずれかを主たる成分とする合金が用いられる。
素子接合材６２は、半導体素子６の図示しない裏面電極と第１回路１の回路パターン１１との間に配置されている。素子接合材６２は、半導体素子６の図示しない裏面電極と第１回路１の回路パターン１１との両方に接合されている。これにより、半導体素子６の図示しない裏面電極と第１回路１の回路パターン１１とが電気的に接続されている。素子接合材６２は、半導体素子６に対して接合材４と反対側に配置されている。素子接合材６２としては、例えば、鉛（Ｐｂ）および錫（Ｓｎ）を含有する高温用はんだが用いられる。ただし、素子接合材６２に用いられる材料は、これらに限定されるものではない。素子接合材６２としては、例えば、銀（Ａｇ）ナノ粒子ペースト、または、銀（Ａｇ）粒子およびエポキシ樹脂等を含む導電性接着剤を用いることもできる。
封止樹脂７は、第１回路１と、第２回路２と、配線部材３と、接合材４と、合金層５と、半導体素子６と、を封止している。つまり、封止樹脂７は、第１回路１、第２回路２、配線部材３、接合材４、合金層５および半導体素子６を覆っている。なお、第１回路１の金属層１３の絶縁層１２に接合された面と反対側の面は、封止樹脂７から露出している。また、第２回路２の配線部材３に接合された面と反対側の面は、封止樹脂７から露出している。
封止樹脂７は絶縁性を有している。封止樹脂７としては、例えば、熱硬化性樹脂が用いられる、ただし、封止樹脂７に用いられる材料は、これに限られるものではない。例えば、封止樹脂７としては、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、アクリル樹脂、ゴム材などを用いることができる。また、封止樹脂７は、複数の封止樹脂７により形成されてもよい。例えば、封止樹脂７は、ゲル状のシリコン樹脂の上に、エポキシ樹脂を重ねることにより形成されてもよい。
半導体装置５０では、第１回路１と第２回路２とは、配線部材３と、接合材４と、合金層５と、半導体素子６と、素子接合材６２とを介して電気的に接続されている。第２回路２と配線部材３とは、直接接合によって接合されている。配線部材３と接合材４とは、合金層５を介して液相拡散接合によって接合されている。合金層５を介して配線部材３と接合材４は電気的に接続されている。接合材４と半導体素子６とは、半導体素子６のパッド６１で接合されている。半導体素子６と第１回路１とは、素子接合材６２を介して電気的に接続されている。また、第１回路１と第２回路２とは、半導体素子６および素子接合材６２を介さずに、配線部材３と、接合材４と、合金層５とを介して電気的に接続されている。
なお、半導体装置５０の構成は、上述の構成に限定されるものではない。半導体装置５０は、例えば、第１回路１、第２回路２、配線部材３、接合材４および半導体素子の外周を取り囲むように筐体が設けられ、筐体の内部に封止樹脂７が充填されるように構成されてもよい。
図４を参照して、合金層５について詳しく説明する。図４は、実施の形態１に係る合金層５を概略的に示す図１のＩＶ部分の拡大図である。合金層５は、配線部材３と接合材４との合金により形成されている。配線部材３および接合材４は、接合材４に含まれる融点降下元素の働きにより、配線部材３および接合材４を構成する主な金属元素の融点より低い温度で溶融する。接合材４は、配線部材３に濡れ広がりながら、配線部材３との間に合金層５を形成し、凝固する（等温凝固）。合金層５は、上記のいわゆる液相拡散接合によって形成される。配線部材３と接合材４との界面は、合金層５を介して強固に接合されている。このようにして、配線部材３の頂点３Ｃと接合材４との間に合金層５からなる接合部が設けられる。この接合部は、頂点３Ｃが接合材４に入り込むことにより形成されるため、頂点３Ｃの底部および側部に沿って設けられている。したがって、接合部が頂点３Ｃの底部に沿って設けられている場合よりも接合部は大きくなる。頂点３Ｃは、接合材４との間に大きな接触面積を有する。また、接合材４および合金層５を介して半導体素子６と第２回路２とが電気的に接続されている。
また、図３においては、配線部材３はワイヤであるが、配線部材３は、これに限定されるものではない。図５は、実施の形態１に係る半導体装置の変形例の構成を概略的に示す図１のＩＩＩ部分に対応する拡大斜視図である。実施の形態１に係る半導体装置５０の変形例では、配線部材３は、板状部材である。つまり、配線部材３の形状は板状である。具体的には、配線部材３は、湾曲した長方形の板状に構成されている。配線部材３では、第１端３Ａから第２端３Ｂに向かう方向が長手方向となり、長手方向に直交する方向が短手方向となる。
次に図６を参照して、本実施の形態に係る半導体装置５０の製造方法について説明する。図６は、本実施の形態に係る半導体装置５０の製造方法を示すフローチャートである。本実施の形態における半導体装置５０の製造方法は、準備工程Ｓ１１と、接続工程Ｓ１２と、液相拡散接合工程Ｓ１３と、封止工程Ｓ１４とを備えている。
準備工程Ｓ１１では、第１回路１と、第２回路２と、配線部材３と、半導体素子６とが準備される。
接続工程Ｓ１２では、第１回路１および第２回路２のいずれか一方に配線部材３の第１端３Ａおよび第２端３Ｂが接続される。本実施の形態では、第２回路２に配線部材３の第１端３Ａおよび第２端３Ｂが接続される。配線部材３の第１端３Ａおよび第２端３Ｂは第２回路２に直接接合される。半導体素子６は素子接合材６２を介して第１回路１の回路パターン１１に接合される。
液相拡散接合工程Ｓ１３では、第１回路１および第２回路２のいずれか他方に配線部材３の頂点３Ｃが接合材４を介して接続される。本実施の形態では、第１回路１に配線部材３の頂点３Ｃが接合材４を介して接続される。配線部材３の頂点３Ｃと接合材４とが液相拡散接合により接合される。液相拡散接合により、合金層５が、頂点３Ｃと接合材４との間に形成される。また、接合材４は、半導体素子６のパッド６１上および第１回路の回路パターン１１上の少なくともいずれかに配置される。配線部材３の頂点３Ｃと接合材４とが液相拡散接合により接合される。
封止工程Ｓ１４では、第１回路１と、第２回路２と、配線部材３と、接合材４と、合金層５と、半導体素子６と、素子接合材６２が封止樹脂７によって封止される。
次に、本実施の形態の作用効果について説明する。
本実施の形態に係る半導体装置５０によれば、配線部材３の頂点３Ｃが接合材４を介して第２回路２に接続されている。配線部材３の頂点３Ｃが接合材４に入り込んでいるため、配線部材３の頂点３Ｃと接合材４との接合部の接触面積が大きい。このため、接合部に熱的または機械的な疲労が繰り返し負荷された際の、接合部でのクラックの進展に対する許容量は大きい。したがって、接合部の耐熱性を高くすることができる。
本実施の形態に係る半導体装置５０では、配線部材３の頂点３Ｃは、接合材４と合金層５を形成している。このため、合金層５すなわち接合部に強固な接合界面を形成することができる。したがって、接合部の耐熱性を高くすることができる。
また、配線部材３は可撓性を有するため、変形することができる。このため、接合材４または半導体素子６の高さにばらつきが生じている場合でも、配線部材３が変形することで接合材４または半導体素子６に配線部材３が接合することが可能となる。つまり、接合材４または半導体素子６の高さが均一でない場合でも、接合材４または半導体素子６の高さに追従して配線部材３が変形することで、接合材４または半導体素子６に配線部材３が接合することが可能となる。
本実施の形態に係る半導体装置５０によれば、配線部材３はワイヤである。このため、配線部材３を接合材４に入り込ませることが容易である。
本実施の形態に係る半導体装置５０によれば、配線部材３の頂点３Ｃが半導体素子６のパッド６１上に配置された接合材４を介して第１回路１に接続されている。このため、配線部材３の頂点３Ｃと半導体素子６のパッド６１上に配置された接合材４との接合部の耐熱性を高くすることができる。
また、配線部材３の第１端３Ａおよび第２端３Ｂは、第２回路２に、接合材４を介さない金属同士の直接接合によって接合されている。このため、接合材４の供給量を減らすことができるため、製造コストの低減を図ることができる。
本実施の形態に係る半導体装置５０によれば、半導体素子６はパワー半導体素子である。このため、半導体装置５０は、パワー半導体装置として動作可能となる。
本実施の形態に係る半導体装置５０によれば、封止樹脂７は、第１回路１、第２回路２、配線部材３、接合材４および半導体素子６を覆っている。このため、封止樹脂７によって絶縁信頼性を向上させることができる。
本実施の形態に係る半導体装置５０の製造方法によれば、配線部材３の頂点３Ｃと接合材４とが液相拡散接合により接合される。したがって、接合部には強固な接合界面が形成されるため、接合部の耐熱性を高くすることができる。あらかじめ、第２回路２に配線部材３が接合された状態で、配線部材３の頂点３Ｃと接合材４とが液相拡散接合により接合されるため、組立時の位置ずれが抑制される。これにより、配線部材３と接合材４との位置合わせが簡略化される。
本実施の形態に係る半導体装置５０の製造方法では、接合材４は、半導体素子６のパッド６１上に配置される。このため、配線部材３の頂点３Ｃと半導体素子６のパッド６１上に配置された接合材４との接合部の耐熱性を高くすることができる。
本実施の形態に係る半導体装置５０の変形例によれば、配線部材３は、板状部材である。配線部材３が板状部材である場合、配線部材３の接合部が平面となる。一方、配線部材３がワイヤの場合、配線部材３の接合部が曲面となる。したがって、配線部材３が板状部材であることで、ワイヤに比べて、接合部の接触面積が大きくなる。また、配線部材３が板状であることで、配線の取り回しの自由度が向上する。また、配線部材３が板状であることで、インダクタンスが低減される。
また、配線部材３がワイヤの場合、半導体装置５０の電流密度が変更される際に、配線部材３の本数が変更される必要がある。一方、配線部材３の形状が板状である場合、半導体装置５０の電流密度が変更されても、配線部材３の本数を変更せずに、板の幅または厚みを変更することで対応することが可能となる。
実施の形態２．
実施の形態２は、特に説明しない限り、上記の実施の形態１と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
図７および図８を参照して、実施の形態２に係る半導体装置５０の構成について説明する。図７は、実施の形態２に係る半導体装置５０の構成を概略的に示す断面図である。図８は、実施の形態２に係る半導体装置５０の構成を概略的に示す図７のＶＩＩＩ部分の拡大斜視図である。ただし、説明の便宜のため、図８においては、封止樹脂７は、図示されていない。
本実施の形態に係る配線部材３の第１端３Ａおよび第２端３Ｂは、第１回路１の回路パターン１１または半導体素子６のパッド６１に接続されている。具体的には、第１端３Ａおよび第２端３Ｂは、第１回路１の回路パターン１１に直接接合されている。また、第１端３Ａおよび第２端３Ｂは、半導体素子６のパッド６１に直接接合されている。図７においては、配線部材３の第１端３Ａおよび第２端３Ｂは、回路パターン１１または１つの半導体素子６のパッド６１に接続されているが、配線部材３の接続箇所はこれらに限られるものではない。配線部材３の第１端３Ａおよび第２端３Ｂは、例えば、一方が回路パターン１１に接続されており、他方がパッド６１に接続されていてもよい。頂点３Ｃは、接合材４を介して第２回路２に接続されている。
本実施の形態では、接合材４は、第２回路２上に配置されている。つまり、接合材４は、第２回路２に接合されている。本実施の形態においても、接合面４Ｔは、接合材４の頂点３Ｃと接合されている面である。一方、本実施の形態においては、裏面４Ｂは、実施の形態１とは異なり、接合材４の第２回路２と接合されている面である。なお、本実施の形態に係る接合材４は、半導体素子６および第１回路のいずれとも接触していない。
本実施の形態にかかる半導体装置５０では、第１回路１と第２回路２とは、配線部材３と、接合材４と、合金層５と、半導体素子６と、素子接合材６２とを介して電気的に接続されている。第２回路２と配線部材３とは接合材４および合金層５を介して接合されている。配線部材３と接合材４とは合金層５を介しては、液相拡散接合によって接合されている。配線部材３と半導体素子６のパッド６１とは、直接接合によって接合されている。半導体素子６と第１回路１とは、素子接合材６２を介して電気的に接続されている。また、第１回路と第２回路２とは、半導体素子６および素子接合材６２を介さずに、配線部材３と、接合材４と、合金層５とを介して電気的に接続されている。
図９を参照して、本実施の形態に係る合金層５について詳しく説明する。図９は、実施の形態２に係る合金層５を概略的に示す図７のＩＸ部分の拡大図である。配線部材３と接合材４との間には、合金層５が形成されている。合金層５によって、配線部材３と接合材４とは電気的に接続されている。
また、図８においては、配線部材３の形状はワイヤであるが、配線部材３の形状は、これに限定されるものではない。図１０は、実施の形態２に係る半導体装置の変形例の構成を概略的に示す図７のＶＩＩＩ部分に対応する拡大斜視図である。実施の形態２に係る半導体装置５０の変形例では、配線部材３の形状は、板状である。
次に、本実施の形態に係る半導体装置５０の製造方法について説明する。
本実施の形態に係る接続工程Ｓ１２では、第１回路１に配線部材３の第１端３Ａおよび第２端３Ｂが接続される。配線部材３の第１端３Ａおよび第２端３Ｂは、第１回路１に直接接合される。また、半導体素子６のパッド６１に配線部材３の第１端３Ａおよび第２端３Ｂが接続される。配線部材３の第１端３Ａおよび第２端３Ｂは、半導体素子６のパッド６１に直接接合される。
液相拡散接合工程Ｓ１３では、接合材４は、第２回路２上に配置される。配線部材３の頂点３Ｃと接合材４とが液相拡散接合により接合される。
次に、本実施の形態の作用効果について説明する。
本実施の形態に係る半導体装置５０によれば、配線部材３の頂点３Ｃが第２回路２上に配置された接合材４を介して第２回路２に接続されている。このため、配線部材３の頂点３Ｃと第２回路２上に配置された接合材４との接合部の耐熱性を高くすることができる。
また、配線部材３の第１端３Ａおよび第２端３Ｂは、半導体素子６のパッド６１に、接合材４を介さない金属同士の直接接合によって接合されている。このため、接合材４の供給量を減らすことができるため、製造コストの低減を図ることができる。
本実施の形態に係る半導体装置５０の製造方法では、接合材４は、第２回路２上に配置される。このため、配線部材３の頂点３Ｃと第２回路２上に配置された接合材４との接合部の耐熱性を高くすることができる。
本実施の形態に係る半導体装置５０の製造方法によれば、あらかじめ、第１回路１または半導体素子６のパッド６１に配線部材３が接合された状態で、配線部材３の頂点３Ｃと接合材４とが液相拡散接合により接合されるため、組立時の位置ずれが抑制される。これにより、配線部材３と接合材４との位置合わせが簡略化される。
さらに、本実施の形態では、接合材４は、第２回路２にのみに配置されている。一方、実施の形態１では、接合材４は、第１回路１および半導体素子６に配置されている。したがって、本実施の形態の製造工程は、実施の形態１の製造工程に比べ、簡略化される。また、第２回路２の形状を、例えば平板にすることで、接合材４の配置をより簡易にすることができる。よって、本実施の形態の製造工程は、実施の形態１の製造工程に比べ、より簡略化される。
実施の形態３．
実施の形態３は、特に説明しない限り、上記の実施の形態１と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
図１１を参照して、本実施の形態に係る半導体装置５０の構成について説明する。図１１は、本実施の形態に係る半導体装置５０の構成を概略的に示す断面図である。本実施の形態の半導体装置５０は、実施の形態１の構成に加え、冷却器８をさらに備えている点において、実施の形態１に係る半導体装置５０と異なっている。
冷却器８は、半導体装置５０の動作中に発生する熱を、外部へ放熱する。このため、冷却器８は、好ましくは熱伝導性に優れた材料により構成されている。冷却器８の材料としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）およびそれらのいずれかを主たる成分とする合金、または炭化珪素（ＳｉＣ）とアルミニウム（Ａｌ）の複合材（Ａｌ－ＳｉＣ）が用いられる。ただし、冷却器８に用いられる材料は、これらに限定されるものではない。
冷却器８は、第１回路１に接続されている。冷却器８は、第１回路１に対して半導体素子６と反対側に配置されている。具体的には、冷却器８は、金属接合層８１を介して、第１回路１の金属層１３に接続されている。金属接合層８１は、第１回路１の金属層１３と冷却器８との間に設けられている。金属接合層８１の材料としては、例えば、鉛（Ｐｂ）および錫（Ｓｎ）を含有する高温用はんだ等が用いられる。ただし、金属接合層８１に用いられる材料は、これらに限られるものではない。金属接合層８１の材料としては、例えば、銀（Ａｇ）ナノ粒子ペースト、または、銀（Ａｇ）粒子およびエポキシ樹脂を含む導電性接着剤を用いることもできる。
図１１においては、冷却器８には、図示されない冷媒と冷却器８との熱交換を促進するための流路が設けられている。しかしながら、冷却器８の構成はこれに限定されるものではない。
次に、本実施の形態の作用効果について説明する。
本実施の形態に係る半導体装置５０によれば、冷却器８が第１回路１に接続されているため、半導体装置５０の冷却性能を向上させることができる。これにより、高い放熱性が得られる。
また、半導体装置５０の配線部材３と接合材４との接合部は、合金層５で形成されているため、耐熱性が高い。よって、金属接合層８１が半導体装置５０に接合される温度も高くすることができる。
実施の形態４．
本実施の形態は、上述した実施の形態１～３にかかる半導体装置を電力変換装置に適用したものである。本発明は電力変換装置に限定されるものではないが、以下、実施の形態４として、三相のインバータに本発明を適用した場合について説明する。
図１２は、本実施の形態にかかる電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。
図１２に示す電力変換システムは、電源１００、電力変換装置２００、負荷３００から構成される。電源１００は、直流電源であり、電力変換装置２００に直流電力を供給する。電源１００は種々のもので構成することが可能であり、例えば、直流系統、太陽電池、蓄電池で構成することができるし、交流系統に接続された整流回路やＡＣ／ＤＣコンバータで構成することとしてもよい。また、電源１００を、直流系統から出力される直流電力を所定の電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータによって構成することとしてもよい。
電力変換装置２００は、電源１００と負荷３００の間に接続された三相のインバータであり、電源１００から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に交流電力を供給する。電力変換装置２００は、図１２に示すように、直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路２０１と、主変換回路２０１を制御する制御信号を主変換回路２０１に出力する制御回路２０３とを備えている。
負荷３００は、電力変換装置２００から供給された交流電力によって駆動される三相の電動機である。なお、負荷３００は特定の用途に限られるものではなく、各種電気機器に搭載された電動機であり、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車、鉄道車両、エレベーター、もしくは、空調機器向けの電動機として用いられる。
以下、電力変換装置２００の詳細を説明する。主変換回路２０１は、スイッチング素子と還流ダイオードを備えており（図示せず）、スイッチング素子がスイッチングすることによって、電源１００から供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に供給する。主変換回路２０１の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態にかかる主変換回路２０１は２レベルの三相フルブリッジ回路であり、６つのスイッチング素子とそれぞれのスイッチング素子に逆並列された６つの還流ダイオードから構成することができる。主変換回路２０１の各スイッチング素子や各還流ダイオードは、上述した実施の形態１から実施の形態４のいずれかに相当する半導体モジュール２０２によって構成する。６つのスイッチング素子は２つのスイッチング素子ごとに直列接続され上下アームを構成し、各上下アームはフルブリッジ回路の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を構成する。そして、各上下アームの出力端子、すなわち主変換回路２０１の３つの出力端子は、負荷３００に接続される。
また、主変換回路２０１は、各スイッチング素子を駆動する駆動回路（図示なし）を備えているが、駆動回路は半導体モジュール２０２に内蔵されていてもよいし、半導体モジュール２０２とは別に駆動回路を備える構成であってもよい。駆動回路は、主変換回路２０１のスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成し、主変換回路２０１のスイッチング素子の制御電極に供給する。具体的には、後述する制御回路２０３からの制御信号に従い、スイッチング素子をオン状態にする駆動信号とスイッチング素子をオフ状態にする駆動信号とを各スイッチング素子の制御電極に出力する。スイッチング素子をオン状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以上の電圧信号（オン信号）であり、スイッチング素子をオフ状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以下の電圧信号（オフ信号）となる。
制御回路２０３は、負荷３００に所望の電力が供給されるよう主変換回路２０１のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷３００に供給すべき電力に基づいて主変換回路２０１の各スイッチング素子がオン状態となるべき時間（オン時間）を算出する。例えば、出力すべき電圧に応じてスイッチング素子のオン時間を変調するＰＷＭ制御によって主変換回路２０１を制御することができる。そして、各時点においてオン状態となるべきスイッチング素子にはオン信号を、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号が出力されるよう、主変換回路２０１が備える駆動回路に制御指令（制御信号）を出力する。駆動回路は、この制御信号に従い、各スイッチング素子の制御電極にオン信号又はオフ信号を駆動信号として出力する。
本実施の形態に係る電力変換装置では、主変換回路２０１のスイッチング素子と還流ダイオードとして実施の形態１から実施の形態３のいずれか１つにかかる半導体モジュールを適用するため、電力変換装置の信頼性向上を実現することができる。
本実施の形態では、２レベルの三相インバータに本発明を適用する例を説明したが、本発明は、これに限られるものではなく、種々の電力変換装置に適用することができる。本実施の形態では、２レベルの電力変換装置としたが３レベルやマルチレベルの電力変換装置であっても構わないし、単相負荷に電力を供給する場合には単相のインバータに本発明を適用しても構わない。また、直流負荷等に電力を供給する場合にはＤＣ／ＤＣコンバータやＡＣ／ＤＣコンバータに本発明を適用することも可能である。
また、本発明を適用した電力変換装置は、上述した負荷が電動機の場合に限定されるものではなく、例えば、放電加工機やレーザー加工機、又は誘導加熱調理器や非接触器給電システムの電源装置として用いることもでき、さらには太陽光発電システムや蓄電システム等のパワーコンディショナーとして用いることも可能である。
また、上記の各実施の形態を適宜組み合わせることができる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１ 第１回路、２ 第２回路、３ 配線部材、３Ａ 第１端、３Ｂ 第２端、３Ｃ 頂点、４ 接合材、５ 合金層、６ 半導体素子、７ 封止樹脂、８ 冷却器、５０ 半導体装置、６１ パッド、１００ 電源、２００ 電力変換装置、２０１ 主変換回路、２０２ 半導体モジュール、２０３ 制御回路、３００ 負荷。

Claims (9)

  1. 第１回路と、
    第２回路と、
    前記第１回路および前記第２回路のいずれか一方に接続された配線部材と、
    前記第１回路および前記第２回路のいずれか他方に接続された接合材とを備え、
    前記配線部材は、前記第１回路および前記第２回路のいずれか一方に接続された第１端および第２端と、前記第１端と前記第２端との間に位置する頂点とを含み、
    前記頂点は、前記接合材を介して前記第１回路および前記第２回路のいずれか他方に接続されており、
    半導体素子をさらに備え、
    前記半導体素子は、パッドを含み、
    前記接合材は、前記半導体素子の前記パッド上に配置されており、
    前記第１端および前記第２端は、前記第２回路に直接接合されており、
    前記頂点は、前記接合材と前記半導体素子とを介して、前記第１回路に接続されている、半導体装置。
  2. 前記頂点は、前記接合材と合金層を形成しており、
    前記合金層の主たる構成要素は、前記配線部材と同一の金属元素および融点降下元素である、請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記配線部材は、ワイヤである、請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
  4. 前記配線部材は、板状部材である、請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
  5. 前記半導体素子はパワー半導体素子である、請求項１～４のいずれか１項に記載の半導体装置。
  6. 封止樹脂をさらに備え、
    前記封止樹脂は、前記第１回路、前記第２回路、前記配線部材、前記接合材および前記半導体素子を覆っている、請求項１～５のいずれか１項に記載の半導体装置。
  7. 冷却器をさらに備え、
    前記冷却器は、前記第１回路に接続されており、かつ前記第１回路に対して前記半導体素子と反対側に配置されている請求項１～６のいずれか１項に記載の半導体装置。
  8. 請求項１～７のいずれか１項に記載の前記半導体装置を有し、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
    前記主変換回路を制御する制御信号を前記主変換回路に出力する制御回路とを備えた、電力変換装置。
  9. 第１回路と、第２回路と、第１端および第２端と前記第１端と前記第２端との間に位置する頂点を含む配線部材とを準備する準備工程と、
    前記第１回路および前記第２回路のいずれか一方に前記配線部材の前記第１端および前記第２端が接続される接続工程と、
    前記第１回路および前記第２回路のいずれか他方に前記配線部材の前記頂点が接合材を介して接続され、前記頂点と前記接合材とが液相拡散接合により接合される液相拡散接合工程とを備え、
    前記準備工程では、パッドを含む半導体素子がさらに準備され、
    前記接続工程では、前記第１端および前記第２端は、前記第２回路に直接接合され、
    前記液相拡散接合工程では、前記接合材は、前記半導体素子の前記パッド上に配置される、半導体装置の製造方法。
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