JP7166471B2 - 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

半導体装置、電力変換装置、および半導体装置の製造方法 Download PDF

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Description

本開示は、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。
半導体装置では、半導体素子の電極と外部導体との接続にアルミなどの金属ワイヤを用いたワイヤボンディングにより配線する構造に替えて、金属の板状配線部材を電極板として半導体素子の電極にはんだ付けする構造が知られている。このような電極板を用いた構造により、大電流の通電に対応が可能となり、電流密度を向上させることができるので、半導体装置の小型化が可能となる（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１－３３２６６４号公報
しかしながら、特許文献１に記載された従来の半導体装置では、半導体素子が接合された基板と、基板が接合された冷却板との間に、熱膨張係数の違いがある。そのため、半導体素子と電極板とをはんだで接合する際に加熱すると、熱の影響により基板に変形が生じ、半導体素子と電極板との距離が設計された規定よりも大きくなる場合があった。また、特許文献１に記載された従来の半導体装置では、電極板を半導体装置のケースに接合する際の製造ばらつきにより、半導体素子と電極板との距離が規定よりも大きくなる場合があった。半導体素子と電極板との距離が規定よりも大きくなると、半導体素子と電極板との間に、はんだによる未接合な部分が発生し、半導体素子の損傷または特性変化が生じ、信頼性が低下してしまう問題があった。
本開示は、上記の問題を解決するためになされたものであり、半導体素子と電極板との間に弾性力を有する導電性の弾性部材を設けることで、半導体素子と電極板との距離が規定よりも大きくなる場合に、はんだによる未接合な部分の発生を抑制することにより、信頼性の高い半導体装置を得ることを目的とする。
本開示における半導体装置は、冷却板と、裏面が冷却板に接合された基板と、表面に電極が設けられ、裏面が基板の表面に接合された半導体素子と、半導体素子の表面に対向するように配置された電極板と、半導体素子と電極板との間に設けられ、一端が電極に、他端が電極板に、それぞれ線接触または面接触された、弾性部材と、電極と弾性部材の一端とを、電極板と弾性部材の他端とを、それぞれ接合する、導電性の接合部材と、を備える。弾性部材の表面は、接合部材で覆われている。
本開示における半導体装置は、半導体素子と電極板との間に弾性力を有する導電性の弾性部材を設けたことにより、半導体素子と電極板との距離が規定よりも大きくなる場合に、はんだによる未接合な部分の発生を抑制することにより、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
本開示の実施の形態１における半導体装置を示す断面模式図である。 本開示の実施の形態１における半導体装置を示す平面図である。 本開示の実施の形態１における半導体装置の一部を拡大した断面模式図である。 本開示の実施の形態１における半導体装置の一部を拡大した断面模式図である。 本開示の実施の形態１における半導体装置の製造方法を示す断面模式図である。 本開示の実施の形態１における半導体装置の効果を説明するための断面模式図である。 本開示の実施の形態１における半導体装置の効果を説明するための断面模式図である。 本開示の実施の形態２における半導体装置の一部を拡大した断面模式図である。 本開示の実施の形態３における接合部材による被膜が形成された弾性部材を示す模式図である。 本開示の実施の形態３における半導体装置の製造方法を示す断面模式図である。 本開示の実施の形態４におけ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。 本開示の実施の形態５における半導体装置の弾性部材を概略的に図示した模式図である。
実施の形態１．
本開示の実施の形態１における半導体装置の構成を説明する。図１は、本開示の実施の形態１における半導体装置を示す断面模式図である。また、図２は、本開示の実施の形態１における半導体装置を示す平面図である。なお、図２では封止樹脂やリードフレーム（電極板）に覆われた部分は実際には見えないが、説明のために隠れ線により封止樹脂やリードフレームを透過して表示している。
図１および図２において、半導体装置は、基板としての絶縁基板１０と、絶縁基板１０の上に配置された半導体素子２１、２３と、半導体素子２１の主電極（電極）２１ａ、２２ａ、および半導体素子２３の主電極２３ａ（電極）と電気的に接続された主回路電流が流れる第一のリードフレーム（電極板）５１と、半導体素子２１の制御用としての制御電極２１ｂにワイヤ配線７１により電気的に接続され、半導体素子２１を制御するための制御信号が入力される第二のリードフレーム６１と、半導体素子２１、２３および半導体素子２１、２３の周辺部材を覆う封止樹脂部８０と、これらの構成部材を収容するケース９０と、絶縁基板１０に接合された冷却板であるヒートシンク１２とを備えている。
絶縁基板１０は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）など熱伝導率が大きいセラミック基板などの絶縁物基板で構成されており、例えば、外形寸法が４０ｍｍ×２５ｍｍで、厚さが０．６ｍｍである。絶縁基板１０は、絶縁性が得られれば窒化アルミニウムに限るものではない。絶縁基板１０は、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）や窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）などのセラミック基板であってもよい。また、基板は、ガラスエポキシ基板や金属ベース基板などセラミック以外の基板であってもよい。
絶縁基板１０の表面には、アルミニウム（Ａｌ）あるいはアルミニウム合金などの導電率が大きい金属で形成された導体層１１が設けられている。絶縁基板１０の裏面にはアルミニウム（Ａｌ）あるいはアルミニウム合金などの導電率が大きい金属で形成された導体層（図示せず）が設けられてもよい。導体層１１は、例えば、厚さ０．３ｍｍのアルミニウムで形成されている。表面側の導体層および裏面側の導体層は、異なる材料で形成されてもよいが、同じ材料で形成される方が製造コストを低減する上でも好ましい。絶縁基板１０に形成される導体層１１は、アルミニウムに限るものではなく、例えば、銅（Ｃｕ）や銅合金で形成したものでもよい。
導体層１１と半導体素子２１、２３とをはんだ接合する場合、導体層１１がアルミニウムで形成されるとはんだが濡れない。そのため、アルミニウムの表面にはんだが濡れる金属材料であるニッケル（Ｎｉ）（図示せず）を、例えば厚さ５．０μｍ形成し、導体層１１と半導体素子２１、２３とを第一の接合部材としてのはんだ３１ａ１、３３ａ１により接合する。はんだが濡れる金属材料としては、ニッケル（Ｎｉ）以外に、錫（Ｓｎ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）などであってもよい。
導体層１１には、半導体素子２１、２３に主回路電流を流すための回路パターンが形成されている。導体層１１には半導体素子２１、２３がはんだ３１ａ１、３３ａ１により接合されるため、導体層１１は導電率が大きい金属が好ましい。また、絶縁基板１０の裏側に導体層（図示せず）を形成する場合、半導体素子２１、２３で発生した熱を半導体装置の外部に排熱するヒートシンク１２と裏側の導体層とをはんだなどの接合部材により接合することがあり、裏側の導体層も熱伝導率が大きい金属が好ましい。
半導体素子２１および半導体素子２３は、ダイオード、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ―Ｏｘｉｄｅ―Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ―Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの電力用の半導体スイッチング素子や制御用のＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）である。また、ＳＢＤ（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｄｉｏｄｅ）やＳＢＪ（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）、サイリスタなどの整流素子でもよい。
本開示では、半導体素子２１がシリコン（Ｓｉ）で形成されているＩＧＢＴであり、半導体素子２３がシリコンで形成されているダイオードである場合について説明する。例えば、半導体素子２１の外形寸法が１５ｍｍ×１５ｍｍで、厚さが１００μｍである。半導体素子２３の外形寸法が１０ｍｍ×１５ｍｍで、厚さが１００μｍである。半導体素子２１、２３は、例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）などの半導体材料で形成されていてもよい。
図１、図２に示すように、本開示では、半導体装置がＩＧＢＴである半導体素子２１とダイオードである半導体素子２３とを一対備えた１ｉｎ１構成の半導体装置について説明するが、ＩＧＢＴとダイオードとを二対備えた２ｉｎ１構成の半導体装置や、六対備えた６ｉｎ１構成の半導体装置であってもよい。また、半導体素子２１のみ備えた半導体装置としてもよい。半導体装置は、ＩＧＢＴに替えてＭＯＳＦＥＴなど他の半導体スイッチング素子を備えた構成であってもよい。
ＩＧＢＴである半導体素子２１とダイオードである半導体素子２３は、絶縁基板１０上に、導体層１１を介して接合された裏面の電極（図示せず）と、裏面の電極に対して反対側の面に設けられた表面の電極とを備えている。
導体層１１の半導体素子２１、２３を接合する位置の四隅に、ワイヤ線径が１００μｍのアルミニウムワイヤ（図示せず）によるスペーサを搭載し、はんだ３１ａ１、３３ａ１により、導体層１１と半導体素子２１、２３とを接合する。
スペーサは、Ａｌワイヤ以外にＣｕワイヤでもよい。スペーサとしてのワイヤの線径は、接合状態のはんだの厚さより小さければ、１００μｍに限るものではない。また、スペーサは、最低はんだ厚を確保できればよく、ニッケルボールをスペーサとして使用してもよい。また、スペーサを用いずはんだ接合する構成としてもよい。
はんだ３１ａ１、３３ａ１は、錫と銀と銅とを主成分とするＳｎ／Ａｇ／Ｃｕ系を用いる。例えば、はんだ３１ａ１の外形寸法が１５ｍｍ×１５ｍｍ、はんだ３３ａ１の外形寸法が１５ｍｍ×１０ｍｍ、および、はんだ３１ａ１、３３ａ１の接合後の厚さが１００～２００μｍである。
はんだの材料としては、この他に、錫と銀とを主成分とするＳｎ／Ａｇ系、錫と銅とを主成分とするＳｎ／Ｃｕ系、錫とビスマス（Ｂｉ）とを主成分とするＳｎ／Ｂｉ系などでもよい。また、はんだ３１ａ１、３３ａ１は、アンチモン（Ｓｂ）やニッケル（Ｎｉ）、インジウム（Ｉｎ）、ビスマス、アルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）などを含んでいてもよい。なお、はんだ３１ａ１、３３ａ１の材料に鉛（Ｐｂ）を含んでいても本開示の効果が得られるが、鉛を含むはんだは環境負荷が高いため好ましくない。
導体層１１と半導体素子２１、２３とを接合する第一の接合部材３１ａ１、３３ａ１は、はんだに限定されない。第一の接合部材３１ａ１、３３ａ１は、例えば、銀ナノ粒子や銅ナノ粒子などの金属ナノ粒子による焼結材を用いてもよい。
半導体素子２１の上、すなわち半導体素子２１の表面には、電極として主電極２１ａ、２２ａが形成され、第二の接合部材としてはんだ３１ａ２、３３ａ２により、第一のリードフレーム５１とそれぞれ接合される。ここで、第一のリードフレーム５１は、半導体素子２１の表面に対向するように配置されている。半導体素子２１の表面の主電極２１ａ、２２ａと半導体素子２１の裏面の電極（図示せず）との間には、主回路電流が流れる。また、半導体素子２３の上、すなわち半導体素子２３の表面には、電極としての主電極２３ａが形成される。主電極２３ａは、第二の接合部材としてのはんだ３３ａ２により第一のリードフレーム５１と接合される。半導体素子２３の表面の主電極２３ａと半導体素子２３の裏面の電極（図示せず）との間には、主回路電流が流れる。
主電極２１ａ、２２ａ、２３ａは、はんだによる接合が可能なニッケル（Ｎｉ）を含む構成となっている。はんだによる接合が可能な金属としては、ニッケル（Ｎｉ）のほかに、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）でもよく、主電極２１ａ、２２ａ、２３ａは、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）の少なくとも一つを含む構成としてもよい。また、主電極２１ａ、２２ａは、はんだにより第一のリードフレーム５１と接合され、大電流の主回路電流が流れる電極であり、後述の制御電極２１ｂや温度センス電極２２ｂよりも面積が大きい。
第一の円筒コイルばね（弾性部材）４１ａ１、４３ｂ１は、圧縮ばねである。第一の円筒コイルばね（弾性部材）４１ａ１、４３ｂ１は、図示されない芯材と、図示されない被覆部と、図示されない金属めっき部とを含んでいる。芯材は、大きい弾性率を有する金属によって構成されている。具体的には、芯材は、被覆部よりも大きい弾性率を有する金属によって構成されている。このため、芯材の材料と被覆部の材料との組合せによって、第一の円筒コイルばね（弾性部材）の弾性率および導電率の設計の幅を広げることができる。芯材は、円筒形状を有している。芯材の線径は、例えば、０．１ｍｍである。芯材の材料は、必ずしも大きい導電率を有しているとは限られないが大きい弾性率を有している金属である。芯材の材料は、ステンレスまたはタングステン（Ｗ）等の金属を含んでいる。また、芯材の材料は、ステンレスまたはタングステン（Ｗ）に限られず、ばね鋼であってもよい。
被覆部は、芯材の周囲を覆っている。被覆部は、大きい導電率を有する金属によって構成されている。具体的には、被覆部は、芯材よりも大きい導電率を有する金属によって構成されている。被覆部の材料は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）等の金属を含んでいる。被覆部の材料は、アルミニウム（Ａｌ）に限られず、例えば、アルミニウム（Ａｌ）合金、銅（Ｃｕ）等の大きい導電率を有する金属であればよい。
図示されない金属めっき部は、被覆部の表面に施されている。金属めっき部は、被覆部を覆っている。金属めっき部の厚さは、例えば、０．５μｍである。金属めっき部の材料は、はんだに濡れる金属である。金属めっき部の材料は、例えば、ニッケル（Ｎｉ）を含んでいる。金属めっき部の材料は、ニッケル（Ｎｉ）に限られず、例えば、スズ（Ｓｎ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）および銅（Ｃｕ）の少なくとも一つを含む金属であってもよい。
第一の円筒コイルばね４１ａ１、４３ａ１は、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）の少なくとも一つを含む構成であれば、導電率の大きな弾性部材となり、大電流での通電をすることができる。また、第一の円筒コイルばね４１ａ１、４３ａ１の表面の少なくとも一部に、錫（Ｓｎ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）の少なくとも一つによる金属めっきが施された構成であれば、第一の円筒コイルばね４１ａ１、４３ａ１を接合する工程において、第一の円筒コイルばね４１ａ１、４３ａ１の最表面にはんだをより効果的に付着させて濡れ性を良くすることができる。
第一の円筒コイルばね４１ａ１、４３ａ１は、図１に示すように、半導体素子２１、２３の表面と第一のリードフレーム５１の裏面との間にそれぞれ設けられる。第一の円筒コイルばね４１ａ１、４３ａ１は、一端が半導体素子２１の表面に形成された主電極２１ａ、２２ａに、他端が第一のリードフレーム５１に、それぞれ線接触され、両端が曲線形状を含み弾性力を有する導電性の弾性部材である。
第一の円筒コイルばね４１ａ１、４３ａ１は、半導体素子２１の表面と第一のリードフレーム５１の裏面との間に設けられる際に、円筒コイルばねの外径や自由長、密着長などを必要な値に容易に調整可能である。したがって、図１に示すように、半導体素子２１、２３の表面と第一のリードフレーム５１の裏面との間のそれぞれの距離が所望の値となるように、第一の円筒コイルばね４１ａ１、４３ａ１が設けられる。
図３は、本開示の実施の形態１における半導体装置の一部を拡大した断面模式図である。図３（ａ）は、第一の円筒コイルばね４１ａ１（弾性部材）およびその周辺を拡大した断面模式図である。図３（ｂ）は、第一の円錐コイルばね４１ｂ１（弾性部材）およびその周辺を拡大した断面模式図である。図３（ｃ）は、第一の板ばね４１ｃ（弾性部材）およびその周辺を拡大した断面模式図である。なお、ここでは半導体素子２１の表面と第一のリードフレーム５１との間に設けられる弾性部材についてのみ説明するが、以下の説明は、半導体素子２３の表面と第一のリードフレーム５１との間に設けられる弾性部材についても同様であることは言うまでもない。
図３（ａ）に示すように、第一の円筒コイルばね４１ａ１は、半導体素子２１の表面に形成された主電極２１ａと第一のリードフレーム５１との間に設けられ、一端が主電極２１ａに、他端が第一のリードフレーム５１に、それぞれ線接触され、両端が円弧形状からなる曲線形状を含み弾性力および導電性を有する。コイルばねは、用途に応じて外形の異なる線材が多く流通しているため、主電極２１ａと第一のリードフレーム５１との間に設けるばねとして、容易に選定をすることができる。また、円筒コイルばねは、両端の外径が等しい円弧形状からなる曲線形状を含むコイルばねであり、容易に製造をすることができる。さらに、円筒コイルばねは、主電極２１ａと第一のリードフレーム５１とを安定して支持することができる。
弾性部材の形状は、半導体素子２１と第一のリードフレーム５１との距離が規定よりも大きくなる場合に、はんだ３１ａ２による未接合な部分の発生を抑制できればよいため、図３（ｂ）、（ｃ）に示すような形状であってもよい。
図３（ｂ）に示すように、第一の円錐コイルばね４１ｂ１は、半導体素子２１の表面に形成された主電極２１ａと第一のリードフレーム５１との間に設けられ、一端が主電極２１ａに、他端が第一のリードフレーム５１に、それぞれ線接触され、両端が渦巻き形状からなる曲線形状を含み弾性力および導電性を有する。
円錐コイルばねは、両端の外径が異なる渦巻き形状からなる曲線形状を含むコイルばねである。そのため、圧縮時に線材同士を密着させないように設計することで、円筒コイルばねよりも密着長を短くすることができる。したがって、半導体素子２１と第一のリードフレーム５１との間の距離の制約により円筒コイルばねを設けられない場合であっても、円錐コイルばねを設けることができる。
また、弾性部材の形状は、図３（ａ）、（ｂ）に示すコイルばねの形状である必要はない。例えば、図３（ｃ）に示すように、両端に平面形状を含み、複数の接点を有する板ばねの形状であってもよい。
図３（ｃ）に示すように、金属板を折り曲げた第一の板ばね４１ｃは、半導体素子２１の表面に形成された主電極２１ａと第一のリードフレーム５１との間に設けられ、一端が主電極２１ａに、他端が第一のリードフレーム５１に、それぞれ面接触され、両端が平面形状を含み弾性力および導電性を有する。第一の板ばね４１ｃにおける両端の面は、一様な幅および均一な板厚を有している。
板ばねは、両端に平面形状を含むため、主電極２１ａまたは第一のリードフレーム５１と面接触する。つまり、板ばねにおいて、一端が主電極２１ａに、他端が第一のリードフレーム５１にそれぞれ接触する面積は、コイルばねである円筒コイルばねや円錐コイルばねにおいて、一端が主電極２１ａに、他端が第一のリードフレーム５１にそれぞれ接触する面積よりも広くなる。はんだ３１ａ２は、第一の板ばね４１ｃを介して濡れ広がるため、主電極２１ａまたは第一のリードフレーム５１と接する面積も広くなる。したがって、板ばねの方がコイルばねよりも、はんだ３１ａ２による未接合な部分の発生を抑制できる。また、板ばねはコイルばねよりも複雑な形状に加工することができる。そのため、板ばねは、半導体素子２１または第一のリードフレーム５１の形状を考慮した加工をすることができる。さらに、板ばねはコイルばねよりも半導体素子２１および第一のリードフレーム５１との接触面積が大きいため、大電流の通電に対応することができる。
はんだ３１ａ２は、半導体素子２１の表面に形成された主電極２１ａと第一のリードフレーム５１との間に設けられ、主電極２１ａと弾性部材の一端とを、第一のリードフレーム５１と弾性部材の他端とを、それぞれ接合し、導電性を有する。なお、はんだ３１ａ２は、主電極２１ａと弾性部材の一端とを、第一のリードフレーム５１と弾性部材の他端とを、それぞれ接合していればよい。例えば、図３（ａ）～（ｃ）に示すように、はんだ３１ａ２が、弾性部材である第一の円筒コイルばね４１ａ１、第一の円錐コイルばね４１ｂ１、または第一の板ばね４１ｃを覆うように設けられていればよい。
弾性部材の両端は、はんだが弾性部材を介して主電極２１ａおよび第一のリードフレーム５１に十分に濡れ広がるために、弾性部材の一端と主電極２１ａとは、弾性部材の他端と第一のリードフレーム５１とは、それぞれ線接触または面接触する必要がある。そのためには、弾性部材の両端は、曲線形状を含むコイルばねまたは平面形状を含む板ばねが好ましい。これにより、主電極２１ａと第一のリードフレーム５１との距離が規定よりも大きくなる場合に、はんだは弾性部材を介して線接触または面接触された主電極２１ａおよび第一のリードフレーム５１に十分に濡れ広がる。しかしながら、弾性部材の一端または他端が、例えば凸形状であると、弾性部材の一端と主電極２１ａとは、または弾性部材の他端と第一のリードフレーム５１とは、点接触することになる。主電極２１ａと第一のリードフレーム５１との距離が規定よりも大きくなる場合に、弾性部材の一端と主電極２１ａとが、または弾性部材の他端と第一のリードフレーム５１とが、点接触しても、はんだは弾性部材を介して点接触された主電極２１ａまたは第一のリードフレーム５１には十分に濡れ広がらない。
例えば、図３（ａ）に示す第一の円筒コイルばね４１ａ１は、外径を３．０ｍｍ、芯材の太さを０．１ｍｍとし、自由長を１．０ｍｍ、密着長を０．２ｍｍとする。このように、第一の円筒コイルばね４１ａ１の自由長を１．０ｍｍ、密着長を０．２ｍｍとすれば、半導体素子２１の表面に形成された主電極２１ａと第一のリードフレーム５１との距離が規定よりも０．２ｍｍ程度大きくなった場合に、第一の円筒コイルばね４１ａ１が規定された距離よりも大きくなった距離だけ伸びることで、第一の円筒コイルばね４１ａ１の一端と主電極２１ａとは、弾性部材の他端と第一のリードフレーム５１とは、それぞれ線接触される。はんだ３１ａ２は、第一の円筒コイルばね４１ａ１を介して線接触された主電極２１ａおよび第一のリードフレーム５１に十分に濡れ広がり、はんだによる未接合な部分の発生を抑制することできる。
図３（ａ）～（ｃ）は、半導体素子２１の表面に形成された主電極２１ａと第一のリードフレーム５１との間に、弾性部材を１個設けられる構成として説明したが、弾性部材を複数個並列させて設けられる構成としてもよい。また、図３（ａ）～（ｃ）の構成を、それぞれを組み合わせた構成としてもよい。
図４は、本開示の実施の形態１における半導体装置の一部を拡大した断面模式図である。図４（ａ）は、第一の円筒コイルばね４１ａ１、４１ａ２を合計２個並列に設け、その周辺も含めて拡大した断面模式図である。図４（ｂ）は、第一の円錐コイルばね４１ｂ１、４１ｂ２、および４１ｂ３を合計３個並列に設け、その周辺も含めて拡大した断面模式図である。図４（ｃ）は、第一の円筒コイルばね４１ａ１、第一の板ばね４１ｃ、および第一の円筒コイルばね４１ａ２を合計３個並列に設け、その周辺も含めて拡大した断面模式図である。各弾性部材が折れ曲がって干渉し合うことを防ぐため、各弾性部材の間は、例えば、０．１ｍｍより大きい間隔を空ける必要がある。
このように、半導体素子２１の表面に形成された主電極２１ａと第一のリードフレーム５１との間において、弾性部材を複数個並列に設ける方が、弾性部材を１個設けるよりも、それぞれの弾性部材の両端によって接する領域が大きくなる。したがって、はんだが主電極２１ａと第一のリードフレーム５１との間に設けられる際に、はんだが弾性部材を介して十分に濡れ広がり、主電極２１ａと第一の板ばね４１ｃの一端とを、第一のリードフレーム５１と第一の板ばね４１ｃの他端とを、それぞれ強く接合させることができる。
なお、本開示の実施の形態１において、弾性部材は、円筒コイルばね、円錐コイルばね、または板ばねである構成として説明したが、弾性部材の一端が主電極２１ａに、他端が第一のリードフレーム５１に、それぞれ線接触または面接触されて、弾性力を有していればよく、例えば、皿ばね（図示せず）であってもよい。皿ばねは、上記で説明した板ばねと同様に、両端に平面形状を含む。そのため、皿ばねは、主電極２１ａまたは第一のリードフレーム５１と面接触する。つまり、板ばねにおいて、一端が主電極２１ａに、他端が第一のリードフレーム５１にそれぞれ接触する面積は、コイルばねである円筒コイルばねや円錐コイルばねよりも広くなる。そのため、コイルばねよりも大電流の通電に対応することができる。
図２に示すとおり、半導体素子２１の上には、制御信号用としての制御電極２１ｂと半導体素子の温度測定用の温度センス電極２２ｂとが、主電極２１ａ、２２ａのそれぞれと離間して形成されている。つまり、主電極２１ａと制御電極２１ｂ、主電極２１ａと温度センス電極２２ｂとは、半導体素子２１の上に離間して形成されている。また、主電極２２ａと制御電極２１ｂ、主電極２２ａと温度センス電極２２ｂとは、半導体素子２１の表面に離間して形成されている。
なお、ここでは半導体素子２１の上の主電極として、主電極２１ａと主電極２２ａの２つを有する例で説明しているが、主電極２１ａと主電極２２ａとをつなげた主電極が１つの構成の場合は、１つの主電極と制御電極２１ｂとが離間して形成され、１つの主電極と温度センス電極２２ｂとが離間して形成される。
制御電極２１ｂと第二のリードフレーム６１とはワイヤ配線７１によって電気的に接続され、入力される制御信号に基づいて、主回路電流の導通と遮断とが制御される。また、温度センス電極２２ｂと第二のリードフレーム６２とはワイヤ配線７２によって電気的に接続される。
ワイヤ配線７１、７２は、例えば、直径が０．１５ｍｍのアルミニウムワイヤ、アルミニウム被覆された銅ワイヤ、あるいは金ワイヤなどであればよい。ワイヤ配線７１は、ワイヤボンディングにより第二のリードフレーム６１および制御電極２１ｂに超音波接合される。また、ワイヤ配線７２は、ワイヤボンディングにより第二のリードフレーム６２および温度センス電極２２ｂに超音波接合される。
半導体素子２１の表面には、制御電極２１ｂや温度センス電極２２ｂの他に、エミッタの電流を測定するためにエミッタ電流センス電極などの電極が設けられていてもよい。エミッタ電流センス電極があった場合も、制御電極２１ｂなどと同様にワイヤ配線により電気接続される。図２に示すように、ワイヤ配線用の電極は、半導体素子２１の一辺に沿って一列に配置された構成とすると、超音波接合がされやすくなるため好ましい。
図１、図２に示す板状の電極板としての第一のリードフレーム５１は、例えば、厚さ１．０ｍｍの銅（Ｃｕ）または銅合金で形成されており、第一の円筒コイルばね４１ａ１の一端が接触され、半導体素子２１の表面に形成された主電極２１ａ、２２ａと、はんだ３１ａ２により接合されている。また、第一のリードフレーム５１は、第一の円筒コイルばね４１ａ１の一端が接触され、半導体素子２３の表面に設けられた主電極２３ａと、はんだ３３ａ２により接合されている。
第一のリードフレーム５１は、はんだが濡れないアルミニウム（Ａｌ）またはアルミニウム合金で形成される。第一のリードフレーム５１は、はんだ接合部に銅（Ｃｕ）や銅合金などはんだが濡れる金属材料を形成した構成や、はんだ接合部の表面にニッケル（Ｎｉ）や金（Ａｕ）などの金属を形成した構成としてもよい。また、第一のリードフレーム５１は、インバーなどの複数の金属を貼り合わせたクラッド材を用いてもよい。ここでは、板状の電極板である第一のリードフレーム５１として説明しているが、電極板は、例えば、配線パターンが施されたプリント基板であってもよい。
はんだ３１ａ２、３３ａ２は、錫と銀と銅とを主成分とするＳｎ／Ａｇ／Ｃｕ系を用い、例えば、主電極２１ａ上と主電極２２ａ上のそれぞれに設けるはんだ３１ａ２における外形寸法の一辺の長さは、長辺の長さが６～９ｍｍ、短辺の長さが４～５ｍｍであり、はんだ３３ａ２における外形寸法の一辺の長さは、長辺の長さが９～１２ｍｍ、短辺の長さが６～８ｍｍである。接合後のはんだ３１ａ２の厚さは、主電極２１ａ、２２ａと第一のリードフレーム５１との間でそれぞれ規定された距離に基づき、設定される。また、接合後のはんだ３３ａ２の厚さは、主電極２３ａと第一のリードフレーム５１との間で規定された距離に基づき設定される。例えば、接合後のはんだ３１ａ２、３３ａ２の厚さは、３００～５００μｍである。なお、はんだ３１ａ２、３３ａ２は、上述のはんだ３１ａ１、３３ａ１の材料と同じく、錫と銅とを主成分とするＳｎ／Ｃｕ系や、錫と銀とを主成分とするＳｎ／Ａｇ系などを用いることもできる。はんだ３１ａ２、３３ａ２は、溶融時に第一の円筒コイルばね４１ａ１、４３ａ１にそれぞれ濡れるために、はんだ３１ａ２、３３ａ２と第一の円筒コイルばね４１ａ１とが接触する際の接触角は、９０°未満であることが好ましい。
図２に示すように、導体層１１には、銅（Ｃｕ）や銅合金などの導電率が大きい金属で形成された端子板５３が超音波接合などの方法で接合されている。端子板５３には主端子５４が設けられており、主端子５４はケース９０に固定されている。これにより、半導体素子２１、２３の裏面の電極と主端子５４とが電気的に接続されている。
第一のリードフレーム５１には、半導体素子２１、２３と接合された側とは反対側の端部に、外部機器との電気的な接続に用いる主端子５２が設けられており、主端子５２はケース９０に固定されている。主端子５２と主端子５４とが、導体層１１、半導体素子２１、２３、および第一のリードフレーム５１を介して電気的に接続され、主端子５２と主端子５４との間に主回路電流を流すことができるようになる。
第二のリードフレーム６１、６２は、銅（Ｃｕ）や銅合金あるいはアルミニウム（Ａｌ）やアルミニウム合金で形成され、ケース９０に固定されている。第二のリードフレーム６１、６２の一端は半導体装置の外部に露出しており、第二のリードフレーム６１は制御信号を入力するための制御端子となっている。第二のリードフレーム６２は、半導体素子２１の温度を測定するための端子となっている。第二のリードフレーム６１、６２をアルミニウム（Ａｌ）やアルミニウム合金で形成した場合には、半導体装置の外部に露出した制御端子の部分に銅（Ｃｕ）またはニッケル（Ｎｉ）によるめっきを施し、はんだの濡れ性を良くしてもよい。第二のリードフレーム６１の他端は、半導体素子２１の表面に設けられた制御電極２１ｂと、ワイヤ配線７１によって電気的に接続されている。同様に、第二のリードフレーム６２の他端は、半導体素子２１の表面に設けられた温度センス電極２２ｂ、ワイヤ配線７２によって電気的に接続されている。
図２では、板状の配線部材としての第一のリードフレーム５１や、第二のリードフレーム６１、６２は、ケース９０に埋め込まれて固定された例で説明したが、第一のリードフレーム５１の半導体素子２１、２３と接合された側とは反対側の端部や、第二のリードフレーム６１のワイヤ配線７１が接合された側とは反対側の端部が、予めケース９０に形成された電極端子に、はんだや導電性接着剤で接続する構成としてもよい。
ケース９０は、ＰＰＳ（ＰｏｌｙＰｈｅｎｙｌｅｎｅＳｕｌｆｉｄｅ：ポリフェニレンサルファイド）樹脂により枠状に形成され、絶縁基板１０の半導体素子２１、２３が搭載されている面の外周を囲い、絶縁基板１０に接着されている。ケース９０は、はんだ３１ａ１、３１ａ２、３３ａ１、３３ａ２の加熱溶融時に、熱により変形しなければ、ＰＢＴ（ＰｏｌｙＢｕｔｙｌｅｎｅＴｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）などで形成されてもよい。
封止樹脂部８０は、エポキシ系の樹脂により形成されており、導体層１１、半導体素子２１、２３、第一のリードフレーム５１の一部、第二のリードフレーム６１の一部、ワイヤ配線７１、７２、およびはんだ３１ａ１、３１ａ２、３３ａ１、３３ａ２を覆って絶縁封止している。なお、封止樹脂部８０を形成する封止樹脂は、絶縁性を確保することができるものであれば、エポキシ系の樹脂に限らない。封止樹脂は、例えば液状ゲルなどであってもよい。樹脂材料による封止方法は、上記説明のケース９０と封止樹脂部８０による封止方法以外に、トランスファーモールドによる封止方法でもよい。
ケース９０および絶縁基板１０は、冷却板であるヒートシンク１２を接合するための孔を有しており、ねじ（図示せず）が孔を通してヒートシンク１２に接合される。なお、絶縁基板１０は、裏面にグリースまたは放熱シートを介してヒートシンク１２に接合される場合もある。なお、放熱シートは、グリースと比べて拭き取り作業が不要であり、放熱シートの厚みが０．４ｍｍ以下で、熱伝導率は１Ｗ／ｍＫ以上の特性であることが好ましい。
ヒートシンク１２は、アルミニウム（Ａｌ）やアルミニウム合金で形成される。ヒートシンク１２の表面は、ケース９０および絶縁基板１０に、ねじ（図示せず）を通して接合されている。ヒートシンク１２の裏面は、複数の冷却フィンが配列されており、半導体素子２１、２３での発熱を抑制することができる。ヒートシンク１２は、熱伝導率１００Ｗ／ｍＫ以上の特性であることが好ましい。
次に、半導体素子を有する半導体装置の製造方法について説明する。図５は、本開示の実施の形態１における半導体装置の製造方法を示す断面模式図である。
まず、図５（ａ）に示すように、半導体素子配置工程として、絶縁基板１０の表面に設けられた導体層１１に、第一の接合部材としてのはんだ３１ａ１および半導体素子２１を配置する。同様に、絶縁基板１０の表面に設けられた導体層１１に、第一の接合部材としてのはんだ３３ａ１および半導体素子２１を配置する。
そして、半導体素子接合工程として、表面に電極などが形成された半導体素子２１の裏面の電極（図示せず）を、絶縁基板１０の表面に設けられた導体層１１に、第一の接合部材としてのはんだ３１ａ１を加熱することにより接合する。同様に、表面に電極が形成された半導体素子２３の裏面の電極（図示せず）を、絶縁基板１０上の導体層１１に、第一の接合部材としてのはんだ３３ａ１により接合する。
次に、図５（ｂ）に示すように、ケース固定工程として、枠状のケース９０の底部に半導体素子２１、２３を接合した絶縁基板１０を配置する。そして、シリコン製の接着材（図示せず）にてケース９０を絶縁基板１０上に接着固定する。
ケース９０には、予めインサート成形により、第二のリードフレーム６１が設けられており、ケース９０の上部に、主端子５２が固定されている。ここでは図示していないが、ケース９０には第二のリードフレーム６２も設けられている。ケース９０には予め端子板５３も設けられており、端子板５３に設けられた主端子５４が、ケース９０の上部に固定されている。ケース９０を絶縁基板１０の所定位置に配置した際に、第二のリードフレーム６１は、ワイヤボンディング部分が絶縁基板１０に接合された半導体素子２１の制御電極２１ｂに対応する位置となるよう、ケース９０に固定されている。また、ケース９０を絶縁基板１０の所定位置に配置した際に、第二のリードフレーム６２は、ワイヤボンディング部分が絶縁基板１０に接合された半導体素子２１の温度センス電極２２ｂに対応する位置となるよう、ケース９０に固定されている。
さらに、図５（ｃ）に示すように、弾性部材配置工程として、絶縁基板１０に接合された半導体素子２１の表面に形成された主電極２１ａの上に、第二の接合部材である板はんだからなるはんだ３１ａ２を配置し、その上に弾性部材である第一の円筒コイルばね４１ａ１を配置する。ここでは図示していないが、主電極２２ａの上にも、第二の接合部材である板はんだからなるはんだ３１ａ２を配置する。そして、その上に弾性部材である第一の円筒コイルばね４１ａ１を配置する。また、絶縁基板１０に接合された半導体素子２３の表面に形成された主電極２３ａの上に、第二の接合部材である板はんだからなるはんだ３３ａ２を配置し、その上に弾性部材である第一の円筒コイルばね４３ａ１を配置する。さらに、ケース９０の上部に、第一のリードフレーム５１とケース９０とが接続されるように、接合部材である板はんだからなるはんだ３５を配置する。そして、はんだ３１ａ２、３３ａ２、および３５の上に、第一のリードフレーム５１を配置する。
続いて、弾性部材接合工程として、はんだ３１ａ２、３３ａ２、および３５を、リフロー炉またはホットプレートにより加熱し溶融させ、主電極２１ａ、２３ａ、およびケース９０と第一のリードフレーム５１とをはんだ接合する。
ここで、はんだ３１ａ２および３３ａ２の融点が、第一の円筒コイルばね４１ａ１および４３ａ１の融点よりも低い材料を選択すると、半導体素子２１、２３と第一のリードフレーム５１とをはんだ接合する際、第一の円筒コイルばね４１ａ１および４３ａ１が溶融しないため、好ましい。
このはんだ接合により、半導体素子２１の表面と第一のリードフレーム５１との間において、第一の円筒コイルばね４１ａ１の一端が主電極２１ａに、他端が第一のリードフレーム５１に、それぞれ線接触または面接触されて接合される。また、半導体素子２３の表面と第一のリードフレーム５１との間において、第一の円筒コイルばね４３ａ１の一端が主電極２３ａに、他端が第一のリードフレーム５１に、それぞれ線接触または面接触されて接合される。
第一の接合部材である３１ａ１、３３ａ１にはんだを用いる場合は、はんだ３１ａ２および３３ａ２の融点が、はんだ３１ａ１および３３ａ１の融点よりも低い材料を選択すると、半導体素子２１、２３と第一のリードフレーム５１とをはんだ接合する際、すでに半導体素子２１、２３と導体層１１とがはんだ３１ａ１、３３ａ１により接合されていても、はんだ３１ａ１、３３ａ１が再溶融しないため、好ましい。
そして、図５（ｄ）に示すように、ワイヤ配線工程として、半導体素子２１の制御電極２１ｂの上と第二のリードフレーム６１の上に、超音波接合によるワイヤボンディングでワイヤを接合する。すなわち、ワイヤ配線７１で半導体素子２１の制御電極２１ｂと第二のリードフレーム６１とを電気的に接続する。ここでは図示していないが、ワイヤ配線７２で半導体素子２１の温度センス電極２２ｂと第二のリードフレーム６２とを電気的に接続する。
また、ここでは図示していないが、端子板５３と絶縁基板１０に設けられた導体層１１とを超音波接合により接合する。この超音波接合による接合は、半導体素子２１、２３の表面の主電極２１ａ、２３ａと第一のリードフレーム５１とのはんだ接合の前に行ってもよく、後に行ってもよい。以上のはんだ接合および超音波接合により、半導体装置の主端子５２と主端子５４との間に半導体素子２１、２３が電気的に接続される。
さらに、封止工程として、ケース９０内にポッティング樹脂で封止樹脂部８０を形成し、ケース９０内において、半導体素子２１、２３と第一のリードフレーム５１とを絶縁封止する。
ケース９０および絶縁基板１０は、冷却板であるヒートシンク１２を接合するための孔を有している。最後に、冷却板接合工程として、ケース９０および絶縁基板１０は、ねじ（図示せず）を通して冷却板であるヒートシンク１２に接合される。つまり、絶縁基板１０の裏面とヒートシンク１２とが接合されることで、半導体装置が完成する。
以上説明したように、本開示の実施の形態１によれば、半導体素子２１と第一のリードフレーム５１との間に設けられ、一端が主電極２１ａに、他端が第一のリードフレーム５１に、それぞれ線接触または面接触された、弾性力を有する導電性の第一の円筒コイルばね４１ａ１と、主電極２１ａと第一の円筒コイルばね４１ａ１の一端とを、第一のリードフレーム５１と第一の円筒コイルばね４１ａ１の他端とを、それぞれ接合する、導電性のはんだ３１ａ２と、を備えている。
このように構成された半導体装置の効果について説明する。図６および図７は、本開示の実施の形態１における半導体装置の効果を説明するための断面模式図である。
図６は、はんだ実装時の絶縁基板１０の変形により、半導体素子２１、２３と第一のリードフレーム５１との距離が規定よりも大きくなる場合に、本開示の実施の形態１における半導体装置の効果を説明するための断面模式図である。
まず、図６（ａ）に示すように、半導体素子２１、２３の表面の主電極２１ａ、２３ａと第一のリードフレーム５１とを、それぞれはんだ３１ａ２、３３ａ２で接合する際に加熱すると、半導体素子２１が接合された絶縁基板１０とともに、絶縁基板１０が接合されたヒートシンク１２も加熱される。絶縁基板１０の表面に設けられた導体層１１に含まれるニッケル（Ｎｉ）、錫（Ｓｎ）、金（Ａｕ）、または銀（Ａｇ）の熱膨張係数は、ヒートシンク１２に含まれるアルミニウム（Ａｌ）の熱膨張係数よりも小さいため、絶縁基板１０はヒートシンク１２の方向に凸になるように変形する場合がある。そのため、主電極２１ａ、２３ａと第一のリードフレーム５１との距離がそれぞれ規定よりも大きくなる。よって、主電極２１ａ、２３ａと第一のリードフレーム５１との間において、はんだ３１ａ２、３３ａ２によるそれぞれ未接合な部分が発生することになる。
次に、図６（ｂ）に示すように、主電極２１ａ、２３ａと第一のリードフレーム５１との間に、弾性部材である第一の円筒コイルばね４１ａ１、４３ａ１がそれぞれ設けられることで、絶縁基板１０がヒートシンク１２の方向に凸になるように変形しても、第一の円筒コイルばね４１ａ１、４３ａ１が絶縁基板１０の変形具合に合わせてそれぞれ伸び、一端が主電極２１ａ、２３ａに、他端が第一のリードフレーム５１に、それぞれ線接触または面接触する。そして、はんだ３１ａ２が、主電極２１ａと第一の円筒コイルばね４１ａ１の一端とを、第一のリードフレーム５１と第一の円筒コイルばね４１ａ１の他端とを、それぞれ接合する。また、はんだ３３ａ２が、主電極２１ａと第一の円筒コイルばね４３ａ１の一端とを、第一のリードフレーム５１と第一の円筒コイルばね４３ａ１の他端とを、それぞれ接合する。第一の円筒コイルばね４１ａ１、４３ａ１は、一端が主電極２１ａ、２３ａに、他端が第一のリードフレーム５１に、それぞれ線接触または面接触されているため、はんだ３１ａ２、３３ａ２は、第一の円筒コイルばね４１ａ１、４３ａ１に沿って、それぞれ主電極２１ａ、２３ａおよび第一のリードフレーム５１に濡れ広がる。したがって、はんだ３１ａ２、３３ａ２による未接合な部分の発生が抑制される。
なお、ここでは図示していないが、絶縁基板１０およびヒートシンク１２が形成される金属の種類によっては、絶縁基板１０の熱膨張係数がヒートシンク１２の熱膨張係数よりも大きくなる場合がある。この場合、絶縁基板１０は、ヒートシンク１２とは逆の方向に凸になるように変形する。そのため、主電極２１ａ、２３ａと第一のリードフレーム５１との距離は規定よりもそれぞれ小さくなるが、第一の円筒コイルばね４１ａ１、４３ａ１が絶縁基板１０の変形具合に合わせてそれぞれ縮み、一端が主電極２１ａに、他端が第一のリードフレーム５１に、それぞれ線接触または面接触する。そして、絶縁基板１０がヒートシンク１２の方向に凸になる場合と同様に、はんだ３１ａ２、３３ａ２は、第一の円筒コイルばね４１ａ１、４３ａ１に沿って、それぞれ主電極２１ａ、２３ａおよび第一のリードフレーム５１に濡れ広がり、はんだ３１ａ２、３３ａ２による未接合な部分の発生が抑制される。
図７は、第一のリードフレーム５１をケース９０に接合時の製造ばらつきにより、半導体素子２１、２３と第一のリードフレーム５１との距離が規定よりも大きくなる場合に、本開示の実施の形態１における半導体装置の効果を説明するための断面模式図である。
まず、図７（ａ）に示すように、第一のリードフレーム５１をケース９０にはんだ３５で接合する際に、製造ばらつきのため、第一のリードフレーム５１が接合される位置と本来接合される位置との間にずれが生じる場合がある。そのため、主電極２１ａ、２３ａと第一のリードフレーム５１との距離がそれぞれ規定よりも大きくなり、主電極２１ａ、２３ａと第一のリードフレーム５１との間において、はんだ３１ａ２、３３ａ２によるそれぞれ未接合な部分が発生することになる。
次に、図７（ｂ）に示すように、主電極２１ａ、２３ａと第一のリードフレーム５１との間に、弾性部材である第一の円筒コイルばね４１ａ１、４３ａ１がそれぞれ設けられることで、第一のリードフレーム５１が接合される位置と本来接合される位置との間にずれが生じても、第一の円筒コイルばね４１ａ１、４３ａ１が第一のリードフレーム５１のずれ具合に合わせてそれぞれ伸び、一端が主電極２１ａ、２３ａに、他端が第一のリードフレーム５１に、それぞれ線接触または面接触する。そして、はんだ３１ａ２が、主電極２１ａと第一の円筒コイルばね４１ａ１の一端とを、第一のリードフレーム５１と第一の円筒コイルばね４１ａ１の他端とを、それぞれ接合する。また、はんだ３３ａ２が、主電極２１ａと第一の円筒コイルばね４３ａ１の一端とを、第一のリードフレーム５１と第一の円筒コイルばね４３ａ１の他端とを、それぞれ接合する。第一の円筒コイルばね４１ａ１、４３ａ１は、一端が主電極２１ａ、２３ａに、他端が第一のリードフレーム５１に、それぞれ線接触または面接触されているため、はんだ３１ａ２、３３ａ２は、第一の円筒コイルばね４１ａ１、４３ａ１に沿って、それぞれ主電極２１ａ、２３ａおよび第一のリードフレーム５１に濡れ広がる。したがって、はんだ３１ａ２、３３ａ２による未接合な部分の発生が抑制される。
なお、ここでは図示していないが、第一のリードフレーム５１をケース９０にはんだ３５で接合する際に、製造ばらつきによっては、主電極２１ａ、２３ａと第一のリードフレーム５１との距離がそれぞれ規定よりも小さくなる場合がある。この場合、第一の円筒コイルばね４１ａ１、４３ａ１が第一のリードフレーム５１のずれ具合に合わせてそれぞれ縮み、一端が主電極２１ａに、他端が第一のリードフレーム５１に、それぞれ線接触または面接触する。そして、主電極２１ａ、２３ａと第一のリードフレーム５１との距離が規定よりも大きくなる場合と同様に、はんだ３１ａ２、３３ａ２は、第一の円筒コイルばね４１ａ１、４３ａ１に沿って、それぞれ主電極２１ａ、２３ａおよび第一のリードフレーム５１に濡れ広がり、はんだ３１ａ２、３３ａ２による未接合な部分の発生が抑制される。
また、ここでは図示していないが、図６（ａ）に示すようなはんだ実装時の絶縁基板１０の変形と、図７（ａ）に示すような第一のリードフレーム５１をケース９０に接合時の製造ばらつきとが、両方とも発生し、主電極２１ａ、２３ａと第一のリードフレーム５１との距離がそれぞれ規定外となる場合もある。これらが、両方発生する場合においても、第一の円筒コイルばね４１ａ１、４３ａ１は、絶縁基板１０の変形具合および第一のリードフレーム５１のずれ具合に合わせてそれぞれ伸縮し、一端が主電極２１ａ、２３ａに、他端が第一のリードフレーム５１に、それぞれ線接触または面接触する。そして、はんだ３１ａ２、３３ａ２が、第一の円筒コイルばね４１ａ１、４３ａ１に沿って、それぞれ主電極２１ａ、２３ａおよび第一のリードフレーム５１に濡れ広がり、はんだ３１ａ２、３３ａ２による未接合な部分の発生が抑制される。
実施の形態２．
本開示の実施の形態２における半導体装置の構成を説明する。図８は、本開示の実施の形態２における半導体装置の一部を拡大した断面模式図である。図８（ａ）および図８（ｂ）は、第一の円筒コイルばね４１ａ１（弾性部材）およびその周辺を拡大した断面模式図である。
実施の形態２は、電極板である第一のリードフレーム５１の構成が、実施の形態１と異なる。実施の形態２の半導体装置のその他の構成は、実施の形態１の半導体装置の構成と同一である。また、ここでは半導体素子２１の表面と第一のリードフレーム５１との間に設けられる弾性部材を保持する保持部についてのみ説明するが、以下の説明は、半導体素子２３の表面と第一のリードフレーム５１との間に設けられる弾性部材を保持する保持部についても同様であることは言うまでもない。
図８（ａ）に示すように、第一のリードフレーム５１において、第一の円筒コイルばね４１ａ１の端部に接触する位置に、保持部として半導体素子２１の方向に突出した突出部５１ａが設けられている。すなわち、保持部として凸構造が設けられている。凸構造に弾性部材（第一の円筒コイルばね４１ａ）が巻き付けられることで弾性部材（第一の円筒コイルばね４１ａ）が電極板（第一のリードフレーム５１）に接合可能である。突出部５１ａは、第一のリードフレーム５１の面に対して垂直な方向から見て、第一の円筒コイルばね４１ａ１を保持する位置に、円弧からなる曲線を含む形状により設けられる。つまり、突出部５１ａは、半導体素子２１を上側から見た平面視、すなわち第一のリードフレーム５１から半導体素子２１を見た平面視において、少なくとも主電極２１ａの一部を含む位置に設けられる。同じように、ここでは図示していないが、突出部５１ａは、半導体素子２１を上側から見た平面視、すなわち第一のリードフレーム５１から半導体素子２１を見た平面視において、主電極２２ａの一部を含む位置に設けられる。第一の円筒コイルばね４１ａ１の他端は、突出部５１ａによって保持される。
また、図８（ｂ）に示すように、第一のリードフレーム５１において、第一の円筒コイルばね４１ａ１の端部に接触する位置に、保持部として半導体素子２１とは逆の方向に埋没した埋没部５１ｂが設けられている構成としてもよい。すなわち、保持部として凹構造が設けられている。凹構造に弾性部材（第一の円筒コイルばね４１ａ）が差し込まれることで弾性部材（第一の円筒コイルばね４１ａ）が電極板（第一のリードフレーム５１）に接合可能である。埋没部５１ｂは、第一のリードフレーム５１の面に対して垂直な方向から見て、第一の円筒コイルばね４１ａ１を保持する位置に、円弧からなる曲線を含む形状により設けられる。つまり、埋没部５１ｂは、半導体素子２１を上側から見た平面視、すなわち第一のリードフレーム５１から半導体素子２１を見た平面視において、少なくとも主電極２１ａの一部を含む位置に設けられる。同じように、ここでは図示していないが、埋没部５１ｂは、半導体素子２１を上側から見た平面視、すなわち第一のリードフレーム５１から半導体素子２１を見た平面視において、主電極２２ａの一部を含む位置に設けられる。第一の円筒コイルばね４１ａ１の他端は、突出部５１ａによって保持される。
突出部５１ａおよび埋没部５１ｂは、半抜き加工により形成することができる。また、突出部５１ａは、第一のリードフレーム５１とは異なる金属部材を、第一のリードフレーム５１において第一の円筒コイルばね４１ａ１を保持する位置に接合もしくは接着することで形成することも可能である。
なお、本開示の実施の形態２によれば、図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、保持部である突出部５１ａまたは埋没部５１ｂは、第一の円筒コイルばね４１ａ１を保持する位置に、円弧からなる曲線を含む形状である場合について説明したが、これに限られるものではない。突出部５１ａまたは埋没部５１ｂは、例えば、円形、楕円弧からなる曲線、楕円形、四角形、略四角形、多角形など、任意の形状を含んでいてもよい。埋没部５１ｂが四角形を含む形状では、主電極２１ａと第一のリードフレーム５１との間に板ばねを設ける際に、両端が四角形からなり平面形状を有する板ばねを、埋没部５１ｂが隙間なく保持することができる。
以上説明したように、本開示の実施の形態２によれば、第一のリードフレーム５１は、第一の円筒コイルばね４１ａ１の他端に接触する位置に、第一の円筒コイルばね４１ａ１を保持する保持部を有する。
第一のリードフレーム５１と主電極２１ａ、２２ａとの間に第一の円筒コイルばね４１ａ１が配置され、弾性部材接合工程において、はんだ４１が溶融する際に、円筒コイルばね４１が規定された位置からずれる場合が想定される。この場合、突出部５１ａまたは埋没部５１ｂが、第一の円筒コイルばね４１ａ１を保持する。そのため、突出部５１ａまたは埋没部５１ｂによって第一の円筒コイルばね４１ａ１の位置決め精度が向上する。これにより、はんだ４１が溶融する際に、第一の円筒コイルばね４１が規定された位置からずれることを防止でき、均一な接触圧と、はんだの濡れ広がりを得ることができる。具体的には、第一の円筒コイルばね４１ａ１が保持されることで、はんだ４１が溶融する際にはんだ４１が垂れ落ちることを抑制できるため、はんだの濡れ広がりを得ることができる。また、弾性部材接合工程において、第一のリードフレーム５１と主電極２１ａ、２２ａとの間のギャップが大きくなることで第一の円筒コイルばね４１ａ１と第一のリードフレーム５１との接触圧が得られない場合であっても、突出部５１ａに巻き付けられた状態の第一の円筒コイルばね４１ａまたは埋没部５１ｂに差し込まれた状態の第一の円筒コイルばね４１ａは、第一のリードフレーム５１に設けられた突出部５１ａまたは埋没部５１ｂに接触している。これにより、円筒コイルばね４１ａを第一のリードフレーム５１に接合することができる。したがって、第一のリードフレーム５１が突出部５１ａまたは埋没部５１ｂを有する構成では、第一の円筒コイルばね４１ａ１の一端が主電極２１ａに、他端が第一のリードフレーム５１に、それぞれ線接触され、はんだ３１ａ２によって接合されるため、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
実施の形態３．
本開示の実施の形態３における半導体装置の構成を説明する。図９は、本開示の実施の形態３における接合部材による被膜が形成された弾性部材を示す模式図である。実施の形態３は、弾性部材である第一の円筒コイルばね４１ａ１、第一の円錐コイルばね４１ｂ１、または第一の板ばね４１ｃに、はんだ被膜３２が形成されている構成が、実施の形態１と異なる。実施の形態３の半導体装置のその他の構成は、実施の形態１の半導体装置の構成と同一である。
図９（ａ）は、接合被膜弾性部材として第二の円筒コイルばね４１ｄを示す模式図である。第二の円筒コイルばね４１ｄは、第一の円筒コイルばね４１ａ１を覆うようにはんだ被膜３２が形成されている。図９（ｂ）は、接合被膜弾性部材として第二の円錐コイルばね４１ｅを示す模式図である。第一の円錐コイルばね４１ｂ１を覆うようにはんだ被膜３２が形成されている。図９（ｃ）は、接合被膜弾性部材として第二の板ばね４１ｆを示す模式図である。第一の板ばね４１ｃを覆うようにはんだ被膜３２が形成されている。
第二の円筒コイルばね４１ｄ、第二の円錐コイルばね４１ｅ、および第二の板ばね４１ｆは、芯材となる第一の円筒コイルばね４１ａ１、第一の円錐コイルばね４１ｂ１、および第一の板ばね４１ｃを覆うように板はんだからなるはんだ被膜３２を貼り合わせたクラッド材である。
次に、本開示の実施の形態３における半導体素子を有する半導体装置の製造方法について説明する。図１０は、本開示の実施の形態３における半導体装置の製造方法を示す断面模式図である。
図１０（ａ）に示す半導体素子配置工程から図１０（ｂ）に示すケース固定工程までは、本開示の図５（ａ）に示す半導体素子配置工程から図５（ｂ）に示すケース固定工程までに、それぞれ対応している。同様にして、図１０（ｄ）に示すワイヤ配線工程から封止工程までは、図５（ｄ）に示すワイヤ配線工程から封止工程までに、それぞれ対応している。したがって、本開示の実施の形態３において、本開示の実施の形態１に対応している工程の説明は省略する。
本開示の実施の形態３では、図１０（ｃ）に示すように、弾性部材配置工程として、絶縁基板１０に接合された半導体素子２１の表面に形成された主電極２１ａの上に、接合被膜弾性部材である第二の円筒コイルばね４１ｄを配置する。ここでは図示していないが、主電極２２ａの上にも、接合被膜弾性部材である第二の円筒コイルばね４１ｄを配置する。また、絶縁基板１０に接合された半導体素子２３の表面に形成された主電極２３ａの上に、接合被膜弾性部材である第二の円筒コイルばね４３ｄを配置する。さらに、ケース９０の上部に、第一のリードフレーム５１と接続されるように接合部材である板はんだからなるはんだ３５を配置する。そして、第二の円筒コイルばね４１ｄ、４３ｄ、およびはんだ３５の上に、第一のリードフレーム５１を配置する。
続いて、弾性部材接合工程として、第二の円筒コイルばね４１ｄ、４３ｄ、およびはんだ３５を、リフロー炉またはホットプレートにより加熱し溶融させ、主電極２１ａ、２３ａ、およびケース９０と第一のリードフレーム５１とをはんだ接合する。
ここで、はんだ被膜３２の融点が、第一の円筒コイルばね４１ａ１および４３ａ１の融点よりも低い材料を選択すると、主電極２１ａ、２３ａ、およびケース９０と第一のリードフレーム５１とをはんだ接合する際、第一の円筒コイルばね４１ａ１および４３ａ１が溶融しないため、好ましい。
このはんだ接合により、本開示の実施の形態１と同様に、半導体素子２１の表面と第一のリードフレーム５１との間において、第一の円筒コイルばね４１ａ１の一端が主電極２１ａに、他端が第一のリードフレーム５１に、それぞれ線接触または面接触されて接合される。また、第一の円筒コイルばね４３ａ１の一端が主電極２１ａに、他端が第一のリードフレーム５１に、それぞれ線接触または面接触されて接合される。
以上説明したように、本開示の実施の形態３によれば、第二の円筒コイルばね４１ｄは、第一の円筒コイルばね４１ａ１を覆うようにはんだ被膜３２が形成されている。
弾性部材配置工程において、第一の円筒コイルばね４１ａ１および４３ａ１を覆うようにはんだ被膜３２が形成された第二の円筒コイルばね４１ｄ、４３ｄをそれぞれ主電極２１ａ、２２ａの上に配置する。これにより、板はんだであるはんだ３１ａ２、３３ａ２をそれぞれ主電極２１ａ、２２ａの上に配置する手間を省くことができる。また、第一の円筒コイルばね４１ａ１および４３ａ１のそれぞれの両端にわたってはんだ被膜３２が形成されているため、はんだが溶融する際に、第一の円筒コイルばね４１ａ１および４３ａ１のそれぞれに沿って両端に至るまではんだが濡れ広がる。溶融されたはんだ３１ａ２は、主電極２１ａ、２２ａと第一の円筒コイルばね４１ａ１の一端とを、第一のリードフレーム５１と第一の円筒コイルばね４１ａ１の他端とを、それぞれ接合する。同様にして、溶融されたはんだ３３ａ２は、主電極２３ａと第一の円筒コイルばね４３ａ１の一端とを、第一のリードフレーム５１と第一の円筒コイルばね４３ａ１の他端とを、それぞれ接合する。その結果、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
実施の形態４．
本開示の実施の形態４は、上述した実施の形態１、２、３または後述される５における半導体装置を電力変換装置に適用したものである。本開示は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、本開示の実施の形態４として、三相のインバータに本開示を適用した場合について説明する。
図１１は、本開示の実施の形態４におけ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１１に示す電力変換システムは、電源１００、電力変換装置２００、および負荷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と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１１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、本開示の実施の形態４における主変換回路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、２または３のいずれかに相当する半導体装置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（図示せず）を備えているが、駆動回路は半導体装置２０２に内蔵されていてもよいし、半導体装置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（パルス幅変調：ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）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またはオフ信号を駆動信号として出力する。
本開示の実施の形態４におけ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、２または３にかかる半導体装置を適用するため、信頼性向上を実現することができる。
本開示の実施の形態４では、２レベルの三相インバータに本開示を適用する例を説明したが、本開示は、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。本開示の実施の形態４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開示を適用しても構わない。また、直流負荷などに電力を供給する場合にはＤＣ／ＤＣコンバータやＡＣ／ＤＣコンバータに本開示を適用することも可能である。
また、本開示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、また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など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。
実施の形態５．
本開示の実施の形態５における半導体装置の構成を説明する。図１２は、本開示の実施の形態５における接合部材による被膜が形成された弾性部材を示す模式図である。
図１２（ａ）に示されるように、実施の形態５に係る半導体装置は、第一の円筒コイルばね４５ａと、第二の円筒コイルばね４５ｂと、第三の円筒コイルばね４５ｃとを含んでいる。第一の円筒コイルばね４５ａは、弾性部材である。第一の円筒コイルばね４５ａは、芯材として構成されている。第一の円筒コイルばね４５ａは、第二の円筒コイルばね４５ｂよりも大きい弾性率を有している。第二の円筒コイルばね４５ｂは、第一の円筒コイルばね４５ａよりも高い導電率を有する金属によって構成されている。すなわち、第二の円筒コイルばね４５ｂは、導体部材として構成されている。第二の円筒コイルばね４５ｂの表面には、はんだに濡れやすい金属によってめっきが施されている。第三の円筒コイルばね４５ｃは、第二の円筒コイルばね４５ｂの表面を覆っている。第三の円筒コイルばね４５ｃは、はんだ被膜として構成されている。すなわち、第三の円筒コイルばね４５ｃは、第二の円筒コイルばね４５ｂを覆う接合部材として構成されている。
図１２（ｂ）に示されるように、実施の形態５の第１の変形例に係る半導体装置は、第一の円錐コイルばね４６ａと、第二の円錐コイルばね４６ｂと、第三の円錐コイルばね４６ｃとを含んでいる。第一の円錐コイルばね４６ａは、弾性部材である。第一の円錐コイルばね４６ａは、芯材として構成されている。第一の円錐コイルばね４６ａは、第二の円錐コイルばね４６ｂよりも大きい弾性率を有している。第二の円錐コイルばね４６ｂは、第一の円錐コイルばね４６ａよりも高い導電率を有する金属によって構成されている。すなわち、第二の円錐コイルばね４６ｂは、導体部材として構成されている。第二の円錐コイルばね４６ｂの表面には、はんだに濡れやすい金属によってめっきが施されている。第三の円錐コイルばね４６ｃは、第二の円錐コイルばね４６ｂの表面を覆っている。第三の円錐コイルばね４６ｃは、はんだ被膜として構成されている。すなわち、第三の円錐コイルばね４６ｃは、第二の円錐コイルばね４６ｂを覆う接合部材として構成されている。
図１２（ｃ）に示されるように、実施の形態５の第２の変形例に係る半導体装置は、第一の板ばね４７ａと、第二の板ばね４７ｂと、第三の板ばね４７ｃとを含んでいる。第一の板ばね４７ａは、弾性部材である。第一の板ばね４７ａは、芯材として構成されている。第一の板ばね４７ａは、第二の板ばね４７ｂよりも大きい弾性率を有している。第二の板ばね４７ｂは、第一の板ばね４７ａよりも高い導電率を有する金属によって構成されている。すなわち、第二の板ばね４７ｂは、導体部材として構成されている。第二の板ばね４７ｂの表面には、はんだに濡れやすい金属によってめっきが施されている。第三の板ばね４７ｃは、第二の板ばね４７ｂの表面を覆っている。第三の板ばね４７ｃは、はんだ被膜として構成されている。すなわち、第三の板ばね４７ｃは、第二の板ばね４７ｂを覆う接合部材として構成されている。
次に、図１０および図１２（ａ）を参照して本開示の実施の形態５における半導体装置の製造方法について説明する。なお、弾性部材が円筒コイルばねである場合の半導体装置の製造方法が説明されるが、弾性部材が円錐コイルばね（図１２（ｂ）参照）または板ばね（図１２（ｃ）参照）でも同様である。
図１０（ａ）に示される半導体素子配置工程から図１０（ｂ）に示されるケース固定工程までの工程は、図５（ａ）から図５（ｂ）に示される実施の形態１における半導体素子配置工程からケース固定工程までの工程と共通している。また、図１０（ｄ）に示されるワイヤ配線工程から封止工程までは、図５（ｄ）に示されるように実施の形態１におけるワイヤ配線工程から封止工程までの工程と共通している。したがって、実施の形態１と共通している実施の形態５の工程は説明されない。
本実施の形態では、図１０（ｃ）および図１２（ａ）に示されるように、弾性部材配置工程では、絶縁基板１０に接合された半導体素子２１の表面に形成された主電極２１ａ上に、接合被膜弾性部材である第三の円筒コイルばね４５ｃ（４１ｄ）が配置される。また、図示されないが、主電極２２ａ上にも接合被膜弾性部材である第三の円筒コイルばね４５ｃが配置される。主電極２３ａ上にも接合被膜弾性部材である第三の円筒コイルばね４５ｃ（４３ｄ）が配置される。続いて、ケース９０上にはんだ３５が配置される。第一のリードフレーム５１とケース９０とは、はんだ３５によって接合される。続いて、第三の円筒コイルばね４５ｃ（４１ｄ、４３ｄ）およびはんだ３５上に第一のリードフレーム５１が配置される。
続いて、弾性部材接合工程では、第三の円筒コイルばね４５ｃ（４１ｄ、４３ｄ）およびはんだ３５がリフロー炉またはホットプレート等によって加熱される。これにより、第三の円筒コイルばね４５ｃ（４１ｄ、４３ｄ）およびはんだ３５が溶融するため、主電極２１ａ、２３ａおよびケース９０と第一のリードフレーム５１とがはんだによって接合される。
また、第三の円筒コイルばね４５ｃの融点が第一の円筒コイルばね４５ａおよび第二の円筒コイルばね４５ｂの融点よりも低い場合には、主電極２１ａ、２３ａおよびケース９０と第一のリードフレーム５１とがはんだによって接合される際に、第一の円筒コイルばね４５ａおよび第二の円筒コイルばね４５ｂが溶融しない。このため、第三の円筒コイルばね４５ｃの融点が第一の円筒コイルばね４５ａおよび第二の円筒コイルばね４５ｂの融点よりも低いことが好ましい。
第三の円筒コイルばね４５ｃが溶融することによって、半導体素子２１の表面と第一のリードフレーム５１との間において、第一の円筒コイルばね４５ａの第１端が主電極２１ａに線接触または面接触することで接合される。また、第一の円筒コイルばね４５ａの第２端が第一のリードフレーム５１に線接触または面接触することで接合される。第一の円筒コイルばね４５ａと同様に、第二の円筒コイルばね４５ｂの第１端が半導体素子の表面に線接触または面接触することで接合される。また、第二の円筒コイルばね４５ｂの第２端が第一のリードフレーム５１に線接触または面接触することで接合される。
続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
本実施の形態に係る半導体装置によれば、第三の円筒コイルばね４５ｃは、はんだ被膜として構成されている。このため、弾性部材配置工程において、第三の円筒コイルばね４５ｃがはんだ被膜として主電極２１ａ、２２ａ上に配置される。よって、板はんだを主電極２１ａ、２２ａに配置する必要がない。したがって、板はんだを配置する工程を実施する必要がないため、半導体装置の製造コストを低減することができる。
第三の円筒コイルばね４５ｃは、第二の円筒コイルばね４５ｂを覆っている。このため、第二の円筒コイルばね４５ｂの両端が第三の円筒コイルばね４５ｃに覆われている。よって、第三の円筒コイルばね４５ｃが溶融した際に、第三の円筒コイルばね４５ｃ（はんだ被膜）は第二の円筒コイルばね４５ｂの両端まで濡れ広がる。これにより、主電極２１ａ、２２ａと第二の円筒コイルばね４５ｂの第１端とが溶融した第三の円筒コイルばね４５ｃによって接合され、第一のリードフレーム５１と第二の円筒コイルばね４５ｂの第２端とが溶融した第三の円筒コイルばね４５ｃによって接合される。したがって、弾性部材の両端を第三の円筒コイルばね４５ｃ（はんだ被膜）によって主電極２１ａ、２２ａおよび第一のリードフレーム５１に接合することができる。これにより、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
弾性部材が円筒コイルばねである場合の半導体装置の作用効果が説明されたが、弾性部材が円錐コイルばね（図１２（ｂ）参照）または板ばね（図１２（ｃ）参照）でも同様の効果が得られる。
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。本開示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。
１０ 絶縁基板（基板）、１１ 導体層、１２ ヒートシンク（冷却板）、２１、２３ 半導体素子、２１ａ、２２ａ、２３ａ 主電極（電極）、２１ｂ 制御電極、２２ｂ温度センス電極、３１ａ１ はんだ（第一の接合部材）、３１ａ２ はんだ（第二の接合部材）、３２ はんだ被膜、３３ａ１ はんだ（第一の接合部材）、３３ａ２ はんだ（第二の接合部材）、３５ はんだ、４１ａ１、４１ａ２、４３ａ１ 第一の円筒コイルばね（弾性部材）、４１ｂ１、４１ｂ２、４１ｂ３ 第一の円錐コイルばね（弾性部材）、４１ｃ 第一の板ばね（弾性部材）、４１ｄ、４３ｄ 第二の円筒コイルばね（接合被膜弾性部材）、４１ｅ 第二の円錐コイルばね（接合被膜弾性部材）、４１ｆ 第二の板ばね（接合被膜弾性部材）、５１ 第一のリードフレーム（電極板）、５１ａ 突出部（保持部）、５１ｂ 埋没部（保持部）、５２、５４ 主端子、５３ 端子板、６１、６２ 第二のリードフレーム、７１、７２ ワイヤ配線、８０ 封止樹脂部、９０ ケース、１００ 電源、２００ 電力変換装置、２０１ 主変換回路、２０２ 半導体装置、２０３ 制御回路、３００ 負荷、４５ａ 第一の円筒コイルばね（弾性部材）、４５ｂ 第二の円筒コイルばね（導体部材）、４５ｃ 第三の円筒コイルばね（接合被膜）、４６ａ 第一の円錐コイルばね（弾性部材）、４６ｂ 第二の円錐コイルばね（導体部材）、４６ｃ 第三の円錐コイルばね（接合被膜）、４７ａ 第一の板ばね（弾性部材）、４７ｂ 第二の板ばね（導体部材）、４７ｃ 第三の板ばね（接合被膜）。

Claims (12)

  1. 冷却板と、
    裏面が前記冷却板に接合された基板と、
    表面に電極が設けられ、裏面が前記基板の表面に接合された半導体素子と、
    前記半導体素子の表面に対向するように配置された電極板と、前記半導体素子と前記電極板との間に設けられ、一端が前記電極に、他端が前記電極板に、それぞれ線接触または面接触された、弾性部材と、
    前記電極と前記弾性部材の一端とを、前記電極板と前記弾性部材の他端とを、それぞれ接合する、導電性の接合部材と、
    を備え、
    前記弾性部材の表面は、前記接合部材で覆われている、半導体装置。
  2. 前記弾性部材は、コイルばねまたは板ばねである請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記弾性部材の材料は、Ａｌ、Ｃｕの少なくとも一つを含む請求項１または２に記載の半導体装置。
  4. 表面が前記接合部材で覆われた前記弾性部材は、芯材と、前記芯材の周囲を覆っている被覆部とを含み、
    前記芯材は、前記被覆部よりも大きい弾性率を有する金属によって構成されており、
    前記被覆部は、前記芯材よりも大きい導電率を有する金属を含む材料によって構成されている、請求項１または２に記載の半導体装置。
  5. 前記接合部材の材料は、Ｎｉ、Ｓｎ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕの少なくとも一つを含む請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体装置。
  6. 前記電極板は、前記弾性部材の他端に接触する位置に、前記弾性部材を保持する保持部を有する請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体装置。
  7. 前記保持部として凸構造が設けられ、
    前記凸構造に前記弾性部材が巻き付けられることで前記弾性部材が前記電極板に接合可能である、請求項６に記載の半導体装置。
  8. 前記保持部として凹構造が設けられ、
    前記凹構造に前記弾性部材が差し込まれることで前記弾性部材が前記電極板に接合可能である、請求項６に記載の半導体装置。
  9. 前記弾性部材は、複数設けられた請求項１から８のいずれか１項に記載の半導体装置。
  10. 請求項１から９のいずれか１項に記載の半導体装置を有し、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。
  11. 基板の表面に、導電性の第一の接合部材と表面に電極が設けられた半導体素子とを配置する半導体素子配置工程と、
    前記第一の接合部材を加熱して、前記基板の表面と前記半導体素子の裏面とを接合する半導体素子接合工程と、
    前記半導体素子の表面に、導電性の第二の接合部材、弾性力を有する導電性の弾性部材、および電極板を配置する弾性部材配置工程と、
    前記第二の接合部材を加熱して、前記電極と前記弾性部材の一端とを、前記電極板と前記弾性部材の他端とを、それぞれ線接触または面接触させて接合する弾性部材接合工程と、前記半導体素子と前記電極板とを封止する封止工程と、
    前記基板の裏面と冷却板とを接合する冷却板接合工程と、
    を含む半導体装置の製造方法。
  12. 基板の表面に、導電性の第一の接合部材と表面に電極が設けられた半導体素子とを配置する半導体素子配置工程と、
    前記第一の接合部材を加熱して、前記基板の表面と前記半導体素子の裏面とを接合する半導体素子接合工程と、
    前記半導体素子の表面に、弾性力を有する導電性の弾性部材に導電性の第二の接合部材による被膜が形成された接合被膜弾性部材、および電極板を配置する弾性部材配置工程と、前記接合被膜弾性部材を加熱して、前記電極と前記弾性部材の一端とを、前記電極板と前記弾性部材の他端とを、それぞれ線接触または面接触させて接合する弾性部材接合工程と、
    前記半導体素子と前記電極板とを封止する封止工程と、
    前記基板の裏面と冷却板とを接合する冷却板接合工程と、
    を含む半導体装置の製造方法。
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