JP7489879B2

JP7489879B2 - 電力用半導体装置および電力用半導体装置の製造方法

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Publication number: JP7489879B2
Application number: JP2020160700A
Authority: JP
Inventors: 範之別芝; 隆一石井; 和矢福原; 大貴中嶋
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-09-25
Filing date: 2020-09-25
Publication date: 2024-05-24
Anticipated expiration: 2040-09-25
Also published as: JP2022053844A

Description

本開示は、電力用半導体装置および電力用半導体装置の製造方法に関する。

近年、電力用半導体装置は、一般産業用、電鉄用のみならず自動車用にも広く使用されている。

電力用半導体装置の構成部品として、半導体素子が内蔵されたパワーモジュール、制御用基板、ヒートシンクが挙げられる。電力用半導体装置では、パワーモジュールとヒートシンクとの間の熱抵抗を低減するために、両者を接合する接合材料としてはんだを用いることが検討されている。

特開２０１４－１６５２５５号公報には、半導体チップとリードフレームとがはんだ接合されている半導体装置が開示されている。この半導体装置では、クラックの進展方向を誘導するための金属棒が、リードフレームと垂直な方向から視て、その一部が半導体チップと重ならないように配置されており、かつ半導体チップの一辺に沿ってはんだ接合層の２つの角部間を延在している。

特開２０１４－１６５２５５号公報

電力用半導体装置が温度サイクル下に置かれると、パワーモジュールとヒートシンクとの線膨張係数差に起因した熱応力がはんだ接合層に加えられ、はんだ接合層に亀裂が生じる。そのため、はんだ接合層には、亀裂（クラック）が進展することへの耐性（以下、耐クラック性とよぶ）が求められている。

特開２０１４－１６５２５５号公報に記載の半導体装置では、金属棒がリードフレーム上に配置されているため、リードフレーム表面に構造的な不連続部が形成されることになり、はんだ接合層と金属棒との接合状態を厳密に検査することは難しい。例えば超音波探針法は、平面板状部材とはんだ接合層との界面の剥離状態を検出するのに適するが、金属棒のような３次元形状部材とはんだ接合層との界面の剥離状態を高い精度で検出することは困難である。また、Ｘ線透過法は、はんだ接合層中のボイドなどの不均質な箇所を検出するのに適するが、３次元形状部材とはんだ接合層との界面の剥離状態を高い精度で検出することは困難である。

特に、上記半導体装置では、熱応力が集中するはんだ接合層の２つの角部間を延在するように金属棒が配置されていることから、はんだ接合層において熱応力が集中する各角部でのクラックの進展挙動は複雑になる。その結果、上記半導体装置のはんだ接合層の信頼性を厳密に評価することは難しい。

そのため、このような半導体装置においてはんだ接合層の信頼性を安定的に高めるためには、はんだ接合層の厚みを厚くする必要がある。しかし、はんだ接合層の厚みを厚くすると、はんだ接合層の放熱性が低下し、パワーモジュールに内蔵された半導体素子の到達温度がその許容最高温度を超過するおそれがある。

本開示の主たる目的は、高い放熱性を有しながらも、はんだ接合層の信頼性が安定的に高められた電力用半導体装置を提供することにある。

本開示に係る電力用半導体装置は、半導体素子を内蔵しており、第１面を有する少なくとも１つのパワーモジュールと、第１面と対向する第２面を有し、少なくとも１つのパワーモジュールに生じた熱を放散するヒートシンクと、第１面と第２面とを固着しているはんだ接合層と、第１面と第２面との間に配置されており、かつはんだ接合層の外縁部よりも内側に配置されている第１突起部および第２突起部とを備える。第１面は、角部を介して接続された第１辺と第２辺とを有している。第１突起部は、第２面と直交する方向から視て、第２辺が延在する第２方向において第１面の中央よりも第１辺側に配置されており、かつ第１辺が延在する第１方向において角部よりも第１辺の中央側に配置されている。第２突起部は、第２面と直交する方向から視て、第１方向において第１面の中央よりも第２辺側に配置されており、かつ第２方向において角部よりも第２辺の中央側に配置されている。

本開示によれば、高い放熱性を有しながらも、耐クラック性が安定的に高められた電力用半導体装置を提供することができる。

実施の形態１に係る電力用半導体装置の平面図である。図１中の矢印ＩＩ－ＩＩから視た断面図である。図１中の矢印ＩＩＩ－ＩＩＩから視た断面図である。図１に示される電力用半導体装置の製造方法の、第１の工程を示す平面図である。図４中の矢印Ｖ－Ｖから視た断面図である。図１に示される電力用半導体装置の製造方法の、図４に示される第１の工程の後の第２の工程を示す平面図である。図６中の矢印ＶＩＩ－ＶＩＩから視た断面図である。図６中の矢印ＶＩＩＩ－ＶＩＩＩから視た断面図である。図１に示される電力用半導体装置の製造方法の、図６に示される第２の工程の後の第３の工程を示す平面図である。図９中の矢印Ｘ－Ｘから視た断面図である。図９中の矢印ＸＩ－ＸＩから視た断面図である。図１に示される電力用半導体装置の製造方法の、図９に示される第３の工程の後の第４の工程を示す平面図である。図１２中の矢印ＸＩＩＩ－ＸＩＩＩから視た断面図である。図１２に示される第４の工程で加熱開始前の、はんだ接合増と第１突起部および第２突起部との位置関係を説明するための平面図である。図１２に示される第４の工程で加熱開始から第１の時間経過後の、はんだ部材と第１突起部および第２突起部との位置関係を説明するための平面図である。図１２に示される第４の工程で加熱開始から第２の時間経過後の、はんだ部材と第１突起部および第２突起部との位置関係を説明するための平面図である。図１２に示される第４の工程で加熱終了後の、はんだ部材と第１突起部および第２突起部との位置関係を説明するための平面図である。図１２に示される第４の工程において、はんだ接合層に加えられる温度および圧力のタイミングチャートの一例である。図１２に示される第４の工程において、はんだ接合層に加えられる温度および圧力のタイミングチャートの他の一例である。図１２に示される第４の工程において、はんだ接合層に加えられる温度および圧力のタイミングチャートのさらに他の一例である。実施の形態２に係る電力用半導体装置の平面図である。図２１に示される電力用半導体装置の製造方法の第４の工程において、加熱開始前の、はんだ接合層と第１突起部および第２突起部との位置関係を示す平面図である。図２１に示される電力用半導体装置の製造方法の第４の工程において、加熱開始から第１の時間経過後の、はんだ部材と第１突起部および第２突起部との位置関係を説明するための平面図である。図２１に示される電力用半導体装置の製造方法の第４の工程において、加熱開始から第２の時間経過後の、はんだ部材と第１突起部および第２突起部との位置関係を説明するための平面図である。図２１に示される電力用半導体装置の製造方法の第４の工程において、加熱終了後の、はんだ部材と第１突起部および第２突起部との位置関係を説明するための平面図である。実施の形態３に係る電力用半導体装置の平面図である。実施の形態４に係る電力用半導体装置の平面図である。実施の形態４に係る電力用半導体装置の変形例の平面図である。実施の形態５に係る電力用半導体装置の平面図である。図２９に示される電力用半導体装置の製造方法の第４の工程において、加熱開始前の、はんだ接合層と第１突起部および第２突起部との位置関係を示す平面図である。図２９に示される電力用半導体装置の製造方法の第４の工程において、加熱開始から第１の時間経過後の、はんだ部材と第１突起部および第２突起部との位置関係を説明するための平面図である。図２９に示される電力用半導体装置の製造方法の第４の工程において、加熱開始から第２の時間経過後の、はんだ部材と第１突起部および第２突起部との位置関係を説明するための平面図である。図２９に示される電力用半導体装置の製造方法の第４の工程において、加熱終了後の、はんだ部材と第１突起部および第２突起部との位置関係を説明するための平面図である。比較例１に係る電力用半導体装置の製造方法の第４の工程において、加熱開始前の、はんだ接合層と第１突起部および第２突起部との位置関係を示す平面図である。比較例１に係る電力用半導体装置の製造方法の第４の工程において、加熱開始から第１の時間経過後の、はんだ部材と第１突起部および第２突起部との位置関係を説明するための平面図である。比較例１に係る電力用半導体装置の製造方法の第４の工程において、加熱開始から第２の時間経過後の、はんだ部材と第１突起部および第２突起部との位置関係を説明するための平面図である。比較例１に係る電力用半導体装置の製造方法の第４の工程において、加熱終了後の、はんだ部材と第１突起部および第２突起部との位置関係を説明するための平面図である。

以下、図面を参照して、本開示の実施の形態を説明する。説明には、便宜上、互いに直交するＸ方向、Ｙ方向、およびＺ方向が用いられる。なお、同一の構成には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。

実施の形態１．
＜電力用半導体装置の構成＞
図１および図２は、実施の形態１に係る電力用半導体装置の一例を説明するための図である。図１および図２に示されるように、実施の形態１に係る電力用半導体装置１００は、複数のパワーモジュール１、ヒートシンク２、複数のはんだ接合層３、複数の第１突起部４、複数の第２突起部５、制御基板６、複数のボス７、および複数のネジ８を主に備える。なお、図１は、パワーモジュール１およびヒートシンク２を実線で示し、他の部材を破線で示している。

各パワーモジュール１は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）およびダイオードなどの半導体素子を内蔵している。各パワーモジュール１は、第１面１Ａを有している。第１面１Ａは、Ｚ方向に直交し、Ｘ方向およびＹ方向に沿って延びる面である。第１面１Ａの平面形状は、長方形状である。第１面１Ａは、Ｘ方向に沿って延びる２つの第１辺１１と、Ｙ方向に沿って延びる２つの第２辺１２と、４つの角部１３とを有している。なお、第１面１Ａの平面形状は、角丸長方形状であってもよい。なお、角丸長方形状とは、４つの角部３３のうち１つ以上（例えば、４つすべて）の角部の外形線が所定の曲率を有する曲線である角丸長方形状を意味する。

各パワーモジュール１は、互いにＸ方向に間隔を空けて配置されている。各パワーモジュール１の第１辺１１は、Ｘ方向において同一直線状に配置されている。Ｘ方向に隣り合う２つのパワーモジュール１の各第２辺１２は、Ｘ方向に間隔を空けて対向している。

パワーモジュール１を構成する材料は、任意の半導体材料、任意の誘電体材料、および任意の導電材料を含む。パワーモジュール１は、例えばセラミックス基板と、セラミックス基板の両面に接合された導電層とからなる積層体を含んでいる。セラミックス基板を構成する材料は、例えば窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）および窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の少なくともいずれかを含む。導電層を構成する材料は、例えばアルミニウム（Ａｌ）および銅（Ｃｕ）の少なくともいずれかを含む。

ヒートシンク２は、各パワーモジュール１に生じた熱を放散するための部材である。ヒートシンク２は、各パワーモジュール１の第１面１Ａと対向する第２面２Ａを有している。第２面２Ａは、Ｚ方向に直交し、Ｘ方向およびＹ方向に沿って延びる面である。第２面２Ａの平面形状は、長方形状である。第２面２Ａは、Ｘ方向に沿って延びる２つの長辺と、Ｙ方向に沿って延びる２つの短辺と、４つの角部とを有している。第２面２Ａの面積は、各パワーモジュール１の第１面１Ａの面積の和よりも大きい。第２面２Ａの各短辺は、複数のパワーモジュール１のうちＸ方向の両端に位置する各パワーモジュール１の第２辺１２と、Ｘ方向に間隔を空けて配置されている。第２面２Ａの各長辺は、複数のパワーモジュール１の各第１辺１１と、Ｙ方向に間隔を空けて配置されている。

ヒートシンク２を構成する材料は、例えばＡｌおよびＣｕの少なくともいずれかの単体、合金、もしくは複合材を含む。ヒートシンク２を構成する材料は、例えばアルミニウムと炭化珪素の複合材（ＡｌＳｉＣ）および銅とモリブデンの複合材（ＣｕＭｏ）の少なくともいずれかを含む。ヒートシンク２を構成する材料は、ヒートシンク２およびパワーモジュール１の各線膨張係数差を低減する観点で、選択されてもよい。パワーモジュール１が上記のようにＳｉ₃Ｎ₄およびＡｌＮの少なくともいずれかからなるセラミックス基板と、ＣｕおよびＡｌの少なくともいずれかからなる導電層との積層体を含む場合、パワーモジュール１の線膨張係数は、比較的低く、例えば７ｐｐｍ／Ｋ以上１２ｐｐｍ／Ｋ以下となる。この場合、ヒートシンク２およびパワーモジュール１の各線膨張係数差を低減する観点で、ヒートシンク２を構成する材料はＡｌＳｉＣおよびＣｕＭｏの少なくともいずれかの複合材とされ得る。また、パワーモジュール１の主な構成材料がＣｕおよび樹脂絶縁材料である場合、パワーモジュール１の線膨張係数は比較的高くなるため、ヒートシンク２を構成する材料はＣｕおよびＡｌの少なくともいずれかの単体とされ得る。

各はんだ接合層３は、各パワーモジュール１の第１面１Ａとヒートシンク２の第２面２Ａとを固着している。各はんだ接合層３は、第１面１Ａの全面と接合している。各はんだ接合層３は、第２面２Ａと接合している接合面３Ａを有している。接合面３Ａの平面形状は、角丸長方形状である。接合面３Ａは、Ｘ方向に沿って延びる２つの短辺３１と、Ｙ方向に沿って延びる２つの長辺３２と、４つの角部３３とを有している。接合面３Ａの各短辺３１は、Ｚ方向から視て、第１面１Ａの各第１辺１１と重なっているか、あるいは第１面１Ａに対して各第１辺１１よりも外側に配置されている。接合面３Ａの各長辺３２は、Ｚ方向から視て、第１面１Ａの各第２辺１２と重なっているか、あるいは第１面１Ａに対して各第２辺１２よりも外側に配置されている。角部３３は、Ｚ方向から視て、第１面１Ａの角部３３と重なっているか、あるいは角部３３よりも外側に配置されている。

はんだ接合層３を構成する材料は、スズ（Ｓｎ）を含む合金材料である。はんだ接合層３を構成する材料は、Ｓｎ以外に、例えば銀（Ａｇ）、Ｃｕ、ニッケル（Ｎｉ）、鉛（Ｐｂ）、およびビスマス（Ｂｉ）からなる群から選択される少なくとも１つを含む。はんだ接合層３の厚みは、例えば０．２ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である。

複数の第１突起部４および複数の第２突起部５は、ヒートシンク２の第２面２Ａに固定されている。各第１突起部４および各第２突起部５は、例えば第２面２Ａに接合されている。各第１突起部４および各第２突起部５のＺ方向の一端は、第２面２Ａと接合されている。各第１突起部４および各第２突起部５のＺ方向の他端は、第１面１Ａと接触している。各第１突起部４および各第２突起部５のＺ方向の高さは、互いに等しい。各第１突起部４および各第２突起部５のＺ方向の高さは、はんだ接合層３の厚みと等しい。各第１突起部４および各第２突起部５のＺ方向の高さは、例えば０．２ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である。

Ｚ方向から視て、各第１突起部４および各第２突起部５は、はんだ接合層３の外縁部よりも内側に配置されている。各第１突起部４および各第２突起部５のＺ方向と交差する方向を向いた外周面（言い換えると、Ｚ方向以外を向いた外周面）は、はんだ接合層３に覆われている。Ｚ方向と交差する方向を向いた各第１突起部４および各第２突起部５の外周面は、はんだ接合層３と接触している。

各第１突起部４は、Ｚ方向から視て、Ｘ方向において角部１３よりも第１辺１１の中央側に配置されている。各第１突起部４は、Ｚ方向から視て、第１辺１１の中点と該第１辺１１の両端に接続された各角部１３との間をＸ方向に等分し、かつＹ方向に沿って延びる２つの仮想線Ｌ１間に配置されている。各第１突起部４は、Ｘ方向において第１辺１１の中央に配置されている。言い換えると、各第１突起部４は、Ｚ方向から視て、第１辺１１の中点を通りかつＹ方向に沿って延びる仮想線Ｌ２と重なるように配置されている。各第１突起部４は、例えば、Ｚ方向から視て、Ｘ方向において接合面３Ａの中央よりも短辺３１側に配置されている。

各第１突起部４は、Ｚ方向から視て、Ｙ方向において第１面１Ａの中央よりも第１辺１１側に配置されている。各第１突起部４は、Ｚ方向から視て、第２辺１２の中点と該第２辺１２の両端に接続された各角部１３との間をＹ方向に等分しかつＸ方向に沿って延びる２つの仮想線Ｌ３よりもＹ方向の外側に配置されている。各第１突起部４は、例えば、Ｚ方向から視て、Ｙ方向において接合面３Ａの中央よりも短辺３１側に配置されている。

各第１突起部４は、Ｚ方向から視て、長手方向および短手方向を有している。各第１突起部４の長手方向は、Ｙ方向に沿っている。各第１突起部４の短手方向は、Ｘ方向に沿っている。

各第２突起部５は、Ｚ方向から視て、Ｙ方向において角部１３よりも第２辺１２の中央側に配置されている。各第２突起部５は、Ｚ方向から視て、上記２つの仮想線Ｌ３間に配置されている。各第２突起部５は、Ｙ方向において第２辺１２の中央に配置されている。言い換えると、各第２突起部５は、Ｚ方向から視て、第２辺１２の中点を通りかつＹ方向に沿って延びる仮想線Ｌ４と重なるように配置されている。各第２突起部５は、例えば、Ｚ方向から視て、Ｙ方向において角部３３よりも長辺３２の中央側に配置されている。

各第２突起部５は、Ｚ方向から視て、Ｘ方向において第１面１Ａの中央よりも第２辺１２側に配置されている。各第２突起部５は、Ｚ方向から視て、上記２つの仮想線Ｌ１よりもＸ方向の外側に配置されている。各第２突起部５は、例えば、Ｚ方向から視て、Ｘ方向において接合面３Ａの中央よりも長辺３２側に配置されている。

各第２突起部５は、Ｚ方向から視て、長手方向および短手方向を有している。各第２突起部５の長手方向は、Ｙ方向に沿っている。各第２突起部５の短手方向は、Ｘ方向に沿っている。言い換えると、各第２突起部５の長手方向は、各第１突起部４の長手方向に沿っている。各第２突起部５の短手方向は、各第１突起部４の短手方向に沿っている。各第１突起部４および各第２突起部５は、Ｙ方向に沿って延びる柱状体である。各第１突起部４および各第２突起部５のＹ方向に垂直な断面形状は、例えば略円形状である。各第１突起部４および各第２突起部５の短手方向の幅は、例えば互いに等しい。各第１突起部４および各第２突起部５の短手方向の幅は、例えば０．１５ｍｍ以上０．４０ｍｍ以下である。

第２辺１２と第２突起部５との間のＸ方向の距離Ｂ１は、第１辺１１と第１突起部４との間のＹ方向の距離Ａ１よりも長い。第１面１Ａの中心と第２突起部５との間のＸ方向の距離は、第１面１Ａの中心と第１突起部４との間のＹ方向の距離よりも短い。第１辺１１の長さが３０ｍｍ以上４０ｍｍ以下であり、第２辺１２の長さが４０ｍｍ以上５０ｍｍ以下であり、かつはんだ接合層３の厚みが０．２ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である場合、上記距離Ａ１と上記距離Ｂ１との差は５ｍｍ以上であるのが好ましい。上記距離Ａ１は、第１突起部４のＹ方向の長さよりも短い。長辺３２と第２突起部５との間のＸ方向の距離は、例えば短辺３１と第１突起部４との間のＹ方向の距離Ａ１よりも長い。接合面３Ａの中心と第２突起部５との間のＸ方向の距離は、例えば接合面３Ａの中心と第１突起部４との間のＹ方向の距離よりも短い。

各第１突起部４および各第２突起部５を構成する材料は、例えばＡｌおよびＣｕの少なくともいずれかの単体もしくは合金を含む。

制御基板６は、複数のパワーモジュール１を制御する制御回路を含む。制御基板６は、パワーモジュール１に対してヒートシンク２とは反対側に配置されており、かつＺ方向から視て複数のパワーモジュール１およびヒートシンク２と重なるように配置されている。これにより、電力用半導体装置１００では、パワーモジュール１の半導体素子と制御基板６の配線部が受ける電磁ノイズは最小化され、電力用半導体装置１００の誤動作が抑制されている。制御基板６には、各ネジ８が挿通されるための図示しない挿通孔が形成されている。制御基板６には、例えば図示しないトランスが搭載されている。

複数のボス７および複数のネジ８は、ヒートシンク２に対して制御基板６を固定する固定部材である。各ボス７および各ネジ８は、ヒートシンク２の第２面２Ａのうちはんだ接合層３と接合されていない領域上に配置されている。各ボス７および各ネジ８は、Ｚ方向から視て各パワーモジュール１の４隅に配置されている。電力用半導体装置１００が３つのパワーモジュール１を備える場合、ボス７およびネジ８の個数は例えば８である。制御基板６は、各ボス７上に配置されている。各ボス７には、各ネジ８が係合するためのネジ穴が形成されている。複数のボス７は、例えばヒートシンク２と別部材として構成されている。なお、複数のボス７は、例えばヒートシンク２と同一部材として構成されていてもよい。

複数のボス７および複数のネジ８は、Ｙ方向において各パワーモジュール１よりも外側に配置されている。複数のボス７および複数のネジ８の一部は、Ｘ方向において各パワーモジュール１よりも外側に配置されている。複数のボス７および複数のネジ８の他の一部は、Ｘ方向において各パワーモジュール１の間に配置されている。

複数のボス７およびネジ８によって制御基板６がヒートシンク２に固定されていることにより、電力用半導体装置１００が機械的に振動した場合にも、制御基板６の変位を抑制し、制御基板６に搭載されるトランスなどの重量部品が破損、破断することを抑制できる。

電力用半導体装置１００は、一般産業用、電鉄用、または自動車用の電力用半導体装置である。電力用半導体装置１００は、例えば２台のモータを用いて駆動エネルギーと回生エネルギーとを効率良く制御するシステムにおいて、各モータを駆動するための２つの直流－交流変換回路と、昇圧コンバータを用いてバッテリからの入力電圧を所望のシステム電圧に昇圧するための昇圧コンバータ回路とを合わせた３つの回路が同一筐体内に収容された、機能統合型の電力用半導体装置である。電力用半導体装置１００は、エンジンおよびモータの両方を駆動力源とするハイブリット車またはモータのみを駆動源とする電気自動車に用いられる電力用半導体装置に好適である。

＜電力用半導体装置の製造方法＞
図４～図１３は、電力用半導体装置１００の製造方法の一例を説明するための図である。

まず、図４に示されるように、複数の第１突起部４および複数の第２突起部５が第２面２Ａ上に形成された、ヒートシンク２が準備される（第１の工程）。各第１突起部４および各第２突起部５は、第２面２Ａに固定されている。

各第１突起部４は、後述するはんだ接合部材３０を配置する工程において各第１突起部４および各第２突起部５上に配置されたはんだ接合部材３０をＺ方向から視たときに、Ｙ方向において第３面３０Ａの中央よりも第３辺３４側に位置し、かつＸ方向において角部３６よりも第３辺３４の中央側に位置するように、形成される。

各第２突起部５は、後述するはんだ接合部材３０を配置する工程において各第１突起部４および各第２突起部５上に配置されたはんだ接合部材３０をＺ方向から視たときに、Ｘ方向において第３面３０Ａの中央よりも第４辺３５側に位置し、かつＹ方向において角部３６よりも第４辺３５の中央側に位置するように、形成される。

各第１突起部４および各第２突起部５は、例えば超音波接合法により、第２面２Ａに接合されている。この場合、まず、第１突起部４および第２突起部５のいずれかが形成されるべき第２面２Ａの一部領域に金属ワイヤを超音波接合（ファーストボンディング）する。その後、金属ワイヤをフィードし、第１突起部４および第２突起部５のいずれかが形成されるべき第２面２Ａの他の一部領域に金属ワイヤを超音波接合（セカンドボンディング）する。好ましくは、セカンドボンディングはステッチボンディングである。その後、第２面２Ａに接合された金属ワイヤのうち、２つの接合部の間に位置する一部を除去する。このようにして第２面２Ａ上に残された金属ワイヤの一部が、各第１突起部４および各第２突起部５を構成する。金属ワイヤの一部の除去は、例えば溝が形成されたジグを用いて行われる。この場合、各第１突起部４および各第２突起部５のＺ方向の高さは、溝の寸法に応じて設定され得る。

ファーストボンディングおよびセカンドボンディングは、ヒートシンク２の第２面２Ａに対して同一方向に実施される。言い換えると、ファーストボンディングおよびセカンドボンディングは、超音波ツールまたはヒートシンク２の第２面２Ａを、ＸＹ平面上で回転させることなく実施される。

次に、図６～図８に示されるように、図１～図３に示されるはんだ接合層３となるべき複数のはんだ接合部材３０が、複数の第１突起部４および複数の第２突起部５上に配置される（第２の工程）。各はんだ接合部材３０は、はんだから成るバルク体を予め定められた厚みとなるまで圧延することにより形成された板状部材である。

各はんだ接合部材３０の平面形状は、長方形状である。なお、各はんだ接合部材３０の平面形状は、角丸長方形状であってもよい。図６を参照して、各はんだ接合部材３０は、第３面３０Ａと、第３面３０Ａとは反対側を向いておりかつ第２面２Ａと対向している第４面３０Ｂとを有している。第３面３０Ａは、Ｚ方向から視て、２つの第３辺３４と、２つの第４辺３５と、４つの角部３６とを有している。各はんだ接合部材３０は、各第３辺３４がＸ方向に沿って延び、かつ各第４辺３５がＹ方向に沿って延びるように、ヒートシンク２に対して配置されている。第３面３０Ａは、パワーモジュール１の第１面１Ａの全体と接触するように形成されている。

図６～図８に示されるように、はんだ接合部材３０の各第３辺３４は、Ｘ方向において第１突起部４よりも外側に配置される。はんだ接合部材３０の各第４辺３５は、Ｙ方向において第２突起部５よりも外側に配置される。

各第１突起部４は、Ｚ方向から視て、Ｙ方向において第３面３０Ａの中央よりも第３辺３４側に配置され、かつＸ方向において角部３６よりも第３辺３４の中央側に配置される。各第２突起部５は、Ｚ方向から視て、Ｘ方向において第３面３０Ａの中央よりも第４辺３５側に配置され、かつＹ方向において角部３６よりも第４辺３５の中央側に配置される。

第４辺３５と第２突起部５との間のＸ方向の距離Ｂ２は、第３辺３４と第１突起部４との間のＹ方向の距離Ａ２よりも長い。第１辺１１の長さが３０ｍｍ以上４０ｍｍ以下であり、第２辺１２の長さが４０ｍｍ以上５０ｍｍ以下であり、かつ厚みが０．２ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であるはんだ接合層３を形成する場合、上記距離Ａ２と上記距離Ｂ２との差は５ｍｍ以上であるのが好ましい。距離Ｂ２は、上記距離Ｂ１と同等またはそれよりも短い。距離Ａ２は、上記距離Ａ１と同等またはそれよりも短い。

次に、図９～図１１に示されるように、第１面１Ａがはんだ接合部材３０の第３面３０Ａと接触するように、各パワーモジュール１が各はんだ接合部材３０上に配置される（第３の工程）。パワーモジュール１の各第１辺１１は、Ｘ方向において第１突起部４よりも外側に配置される。パワーモジュール１の各第２辺１２は、Ｙ方向において第２突起部５よりも外側に配置される。

次に、図１２および図１３に示されるように、はんだ接合部材３０が加熱されて溶解される（第４の工程）。本加熱の方法は、特に制限されない。好ましくは、本加熱には、フラックスレスのリフロー装置が用いられる。この場合、本加熱では、まず、予め定められた到達圧力まで排気された真空チャンバ内に水素等の還元ガスを導入し、当該チャンバ内の圧力を大気圧に復圧する。次に、図１２および図１３に示されるパワーモジュール１、ヒートシンク２、第１突起部４、第２突起部５、およびはんだ接合部材３０の積層体を上記チャンバ内で加熱することにより、はんだ接合部材３０を溶解させる。さらに、はんだ接合部材３０が溶解している状態で、上記チャンバ内を排気する。加熱開始から所定時間経過後、加熱を停止し、上記積層体を上記チャンバから取り出す。

上記加熱時に、Ｚ方向から視たはんだ接合部材３０の平面形状は、図１４～図１７に示されるように変化する。図１４に示される加熱開始前のはんだ接合部材３０の平面形状は、図６に示されるはんだ接合部材３０の平面形状と同等である。図１５に示される加熱開始から第１の時間経過後には、第１突起部４の周囲のはんだ接合部材３０の外形線は略円弧状となるが、第２突起部５の周囲のはんだ接合部材３０の外形線は直線状に維持される。これは、溶解する前のはんだ接合部材３０に、短手方向と長手方向との間での寸法差が形成されているためである。その後、図１６に示される加熱開始から第２の時間経過後には、第２突起部５の周囲のはんだ接合部材３０の外形線は、第２突起部５側に向かって凹んだ曲線に変化する。その後、第２突起部５の周囲のはんだ接合部材３０は、再びＺ方向から視た平面形状が長方形に戻るように外側に濡れ広がる。図１５および図１６に示される状態において、各第１突起部４および各第２突起部５は、溶解したはんだ接合部材３０が外側に流出することを抑制し、溶解したはんだ接合部材３０のＺ方向の幅（厚み）の減少を抑制している。加熱終了後、はんだ接合部材３０が凝固する。このようにして形成されたはんだ接合層３の平面形状は、図１７に示されるように角丸長方形状となる。

このようにして、図１～図３に示される電力用半導体装置１００の、パワーモジュール１、ヒートシンク２、およびはんだ接合層３の一体物が製造される。

さらに、制御基板６が、ボス７およびネジ８を用いて上記一体物に固定される。このようにして、図１～図３に示される電力用半導体装置１００が製造される。なお、第１の工程では、ボス７と一体化されたヒートシンク２が準備されてもよい。第２の工程～第４の工程では、ヒートシンク２はボス７と一体化されていてもよい。

上記第４の工程での加熱温度および真空チャンバ内の到達圧力は、例えば図１８～図２０に示される各タイミングチャートのいずれかに基づいて制御される。

図１８に示されるタイミングチャートでは、まず、はんだ接合部材３０をはんだ接合部材３０の融点Ｔ１未満の温度に加熱し、かつ当該温度に保持する（第１加熱工程）。第１加熱工程により、パワーモジュール１、ヒートシンク２、およびはんだ接合部材３０の各々の温度が均一化される。次に、はんだ接合部材３０を、上記保持温度からはんだ接合部材３０の融点Ｔ１以上の温度に加熱する（第２加熱工程）。第２加熱工程の途中で、真空チャンバ内を一時的に排気して真空状態とし、その後真空チャンバ内に還元ガスを再度導入して真空チャンバ内を復圧する。復圧後、第２加熱工程を終了させる。

図１９および図２０に示される各タイミングチャートでは、加熱は図１８に示されるタイミングチャートと同様に行われるが、真空状態とされるタイミングが図１８に示されるタイミングチャートでのそれよりも早い。図１９に示されるタイミングチャートでは、第１加熱工程から第２加熱工程に切り替える直前に、真空チャンバ内の排気が開始される。図２０に示されるタイミングチャートでは、第１加熱工程においてはんだ接合部材３０の温度が融点Ｔ１未満の保持温度に到達したタイミングで、真空チャンバ内の排気が開始される。図１９および図２０に示される各タイミングチャートの、真空チャンバ内の排気を停止し真空チャンバ内を復圧するタイミングは、図１８に示されるタイミングチャートでのそれと同等である。

＜作用効果＞
電力用半導体装置１００の作用効果を、上述した従来の半導体装置との対比に基づいて説明する。

上述のように、従来の半導体装置では、はんだ接合層内に埋め込まれた金属棒がはんだ接合層の２つの角部に延在するように配置されている。そのため、該半導体装置では、はんだ接合層において熱応力が集中する各角部でのクラックの進展挙動は複雑になる。その結果、上記半導体装置のはんだ接合層の信頼性を厳密に評価することは難しい。具体的には、上記半導体装置のはんだ接合層の信頼性を厳密に評価するには、当該信頼性を評価する試験数を多数回行う必要があり、多くの工数が必要となる。

このような半導体装置においてはんだ接合層の信頼性を安定的に高めるためには、はんだ接合層の厚みを十分に厚くする必要がある。しかし、はんだ接合層の厚みを厚くすると、はんだ接合層の放熱性が低下し、パワーモジュールに内蔵された半導体素子の到達温度がその許容最高温度を超過するおそれがある。

これに対し、電力用半導体装置１００は、複数のパワーモジュール１、ヒートシンク２、複数のはんだ接合層３、複数の第１突起部４、および複数の第２突起部５を主に備える。各パワーモジュール１は、半導体素子を内蔵しており、第１面１Ａを有している。ヒートシンク２は、第１面１Ａと対向する第２面２Ａを有し、各パワーモジュール１に生じた熱を放散する。はんだ接合層３は、第１面１Ａと第２面２Ａとを固着している。第１突起部４および第２突起部５は、第１面１Ａと第２面２Ａとの間に配置されており、かつはんだ接合層３の外縁部よりも内側に配置されている。

第１面１Ａは、角部１３を介して接続された第１辺１１と第２辺１２とを有している。第１突起部４は、Ｚ方向から視て、Ｙ方向において第１面１Ａの中央よりも第１辺１１側に配置されており、かつＸ方向において角部１３よりも第１辺１１の中央側に配置されている。第２突起部５は、Ｚ方向から視て、Ｘ方向において第１面１Ａの中央よりも第２辺１２側に配置されており、かつＹ方向において角部１３よりも第２辺１２の中央側に配置されている。

電力用半導体装置１００では、はんだ接合層３において熱応力が集中する各角部３３の近くには第１突起部４および第２突起部５が配置されていない。そのため、電力用半導体装置１００のはんだ接合層３において熱応力が集中する各角部でのクラックの進展挙動は、上記半導体装置のそれと比べて、単純となる。その結果、電力用半導体装置１００のはんだ接合層３の信頼性は、上記半導体装置と比べてより少ない工数により厳密に評価することができる。そのため、電力用半導体装置１００のはんだ接合層３の厚みは、上記信頼性に関する厳密な評価結果に基づいて設定され得るため、上記半導体装置のそれと比べて薄くされ得る。したがって、電力用半導体装置１００では、上記半導体装置と比べて、高い放熱性を有しながらも、はんだ接合層３の信頼性が安定的に高められている。

また、電力用半導体装置１００は、Ｙ方向に互い対向する２つの第１突起部４と、Ｘ方向に互いに対向する２つの第２突起部５とを備える。このような電力用半導体装置１００では、第１突起部４および第２突起部５の各々が１つずつ形成されている電力用半導体装置と比べて、はんだ接合層３の厚みが均一となる。

また、電力用半導体装置１００では、各第１突起部４が、Ｚ方向から視て、Ｙ方向において第１面１Ａの中央よりも第１辺１１側に配置されている。各第１突起部４は、Ｚ方向から視て、上記２つの仮想線Ｌ３よりもＹ方向の外側に配置されている。さらに、各第２突起部５は、Ｚ方向から視て、Ｘ方向において第１面１Ａの中央よりも第２辺１２側に配置されている。各第２突起部５は、Ｚ方向から視て、上記２つの仮想線Ｌ１よりもＸ方向の外側に配置されている。このような電力用半導体装置１００では、パワーモジュール１に反りが生じており第１面１Ａが曲面である場合にも、はんだ接合層３の厚みの均一性が確保される。

さらに、電力用半導体装置１００の他の作用効果を、比較例１の電力用半導体装置との対比に基づいて説明する。図３４に示されるように、比較例１の電力用半導体装置の製造方法では、はんだ接合部材３００が、図示しないヒートシンクの第２面上に形成された突起部４０および突起部５０上に配置されている。さらに、はんだ接合部材３００が溶解される前に、第４辺３５０と突起部５０との間のＸ方向の距離Ｂ３が第３辺３４０と突起部４０との間のＹ方向の距離Ａ３と等しくされている。本発明者らは、図３４に示されるはんだ接合部材３００が電力用半導体装置１００のはんだ接合部材３０と同様に加熱されると、Ｚ方向から視たはんだ接合部材３００の平面形状が図３５～図３７に示されるように変化するケースを確認した。

図３５に示される加熱開始から第１の時間経過後には、突起部４０の周囲のはんだ接合部材３００の外形線は略円弧状となるが、突起部５０の周囲のはんだ接合部材３００の外形線は直線状に維持される。このとき、突起部５０の周囲のはんだ接合部材３００の外形線と突起部５０との間の最短距離は、図１５に示される第２突起部５の周囲のはんだ接合部材３０の外形線と第２突起部５との間の最短距離よりも短くなる。

その後、図３６に示される加熱開始から第２の時間経過後には、突起部５０周囲のはんだ接合部材３０の外形線は、突起部５０側に向かって凹んだ曲線に変化する。このとき、突起部５０周囲のはんだ接合部材３０の外形線が突起部５０よりも内側にまで入り込んでしまうケースが確認された。このケースでは、その後突起部５０の周囲のはんだ接合部材３００は再びＺ方向から視た平面形状が長方形に戻るように外側に濡れ広がる挙動を示すが、突起部５０がこの挙動を妨げる壁として作用して、はんだ接合部材３００が突起部５０よりも外側に濡れ広がらなかった。その結果、図３７に示されるように、はんだ接合部材３００が凝固することにより形成されたはんだ接合層３００は、突起部５０よりも外側に形成されなかった。

これに対し、電力用半導体装置１００では、はんだ接合部材３００の平面形状が略長方形状であり、かつ第３辺３４０が第４辺３５０よりも短い。第２辺１２と第２突起部５との間のＸ方向の距離Ｂ１は、第１辺１１と第１突起部４との間のＹ方向の距離Ａ１よりも長い。そのため、電力用半導体装置１００では、図１～図３および図１７に示される構造が形成されやすく、図３７に示される構造が形成されにくいため、はんだ接合層３とパワーモジュール１およびヒートシンク２の各々との接合面積が比較例１と比べて大きくなる。その結果、電力用半導体装置１００の放熱性および信頼性は、比較例１と比べて、高められている。

電力用半導体装置１００では、第１突起部４および第２突起部５の各々は、長手方向を有している。第１突起部４の長手方向は、第２突起部５の長手方向に沿っている。このような第１突起部４および第２突起部５は、上述のように超音波ツールまたはヒートシンク２の第２面２ＡをＸＹ平面上で回転させることなくファーストボンディングおよびセカンドボンディングが実施されることにより、容易に形成され得る。そのため、電力用半導体装置１００の生産性は、ファーストボンディングとセカンドボンディングとの間で超音波ツールまたはヒートシンク２の第２面２ＡをＸＹ平面上で回転させることにより製造される電力用半導体装置の生産性と比べて、高い。

実施の形態２．
図２１に示されるように、実施の形態２に係る電力用半導体装置１０１は、実施の形態１に係る電力用半導体装置１００と基本的に同様の構成を備え、同様の効果を奏することができるが、第１突起部４の長手方向が第１辺１１の延在方向（Ｘ方向）と直交しており、かつ第２突起部５の長手方向が第２辺１２の延在方向（Ｙ方向）と直交している点で、電力用半導体装置１００とは異なる。

各第１突起部４の長手方向は、Ｙ方向に沿っている。各第２突起部５の長手方向は、Ｘ方向に沿っている。各第１突起部４のＸ方向の中心を通りＹ方向に沿って延びる中心線Ｌ５は、第１面１Ａの中心において、各第２突起部５のＹ方向の中心を通りＸ方向に沿って延びる中心線Ｌ６と直交する。

第２辺１２と第２突起部５との間のＸ方向の距離Ｂ１は、例えば第１辺１１と第１突起部４との間のＹ方向の距離Ａ１よりも長い。

電力用半導体装置１０１は、電力用半導体装置１００と同様に製造され得る。図２２に示されるように、上記第４の工程での加熱開始前の第４辺３５と第２突起部５との間のＸ方向の距離Ｂ２は、第３辺３４と第１突起部４との間のＹ方向の距離Ａ２よりも長い。電力用半導体装置１０１の製造方法では、セカンドボンディングは、ファーストボンディング後に、超音波ツールまたはヒートシンク２の第２面２ＡをＸＹ平面上で９０度回転させた後に実施される。

上記第４の工程での加熱時に、Ｚ方向から視たはんだ接合部材３０の平面形状は、図２２～図２５に示されるように変化する。図２２に示される加熱開始前のはんだ接合部材３０の平面形状は、図１４に示されるはんだ接合部材３０の平面形状と同等である。図２３に示される加熱開始から第１の時間経過後には、第１突起部４の周囲のはんだ接合部材３０の外形線は略円弧状となるが、第２突起部５の周囲のはんだ接合部材３０の外形線は直線状に維持される。その後、図２４に示される加熱開始から第２の時間経過後には、第２突起部５の周囲のはんだ接合部材３０の外形線は、第２突起部５側に向かって凹んだ曲線に変化する。このとき、第２突起部５が、Ｚ方向から視てはんだ接合部材３０の中心に向かって延びているため、はんだ接合部材３０が第２突起部５を乗り越えにくい。その後、第２突起部５の周囲のはんだ接合部材３０は、再びＺ方向から視た平面形状が長方形に戻るように外側に濡れ広がる。その結果、加熱終了後にはんだ接合部材３０が凝固することにより形成されたはんだ接合層３の平面形状は、図２５に示されるように角丸長方形状となる。

このように、電力用半導体装置１０１では、各第２突起部５が電力用半導体装置１００の各第２突起部５と比べてＸ方向の内側に延びているため、図２４に示されるように上記第４の工程において溶解したはんだ接合部材３０が第２突起部５を乗り越えにくく、図２５に示されるように溶解したはんだ接合部材３０が第２突起部５の外側に濡れ広がりやすい。そのため、電力用半導体装置１０１の各第２突起部５は、電力用半導体装置１００の各第２突起部５と比べて、はんだ接合層３の外縁部の近くに配置され得る。各第２突起部５がはんだ接合層３の外縁部の近くに配置されていれば、パワーモジュール１に反りが生じており第１面１Ａが曲面である場合にも、はんだ接合層３の厚みの均一性が確保される。

実施の形態３．
図２６に示されるように、実施の形態３に係る電力用半導体装置１０２は、実施の形態１に係る電力用半導体装置１００と基本的に同様の構成を備え、同様の効果を奏することができるが、複数のパワーモジュール１がＸ方向およびＹ方向に並んで配置されている点で、電力用半導体装置１００とは異なる。

複数のボス７および複数のネジ８は、２次元的に配置された複数のパワーモジュール１よりも外側にのみ配置されている。電力用半導体装置１０２が６つのパワーモジュール１を備える場合、ボス７およびネジ８の個数は例えば８個である。Ｙ方向に並んで配置されている２つのボス間に、２つのパワーモジュール１が配置されている。Ｘ方向に並んで配置されている２つのボス間に、１つのパワーモジュール１が配置されている。

電力用半導体装置１０２では、電力用半導体装置１００と比べて、より多くのパワーモジュール１が実装されているが、ボス７およびネジ８の個数は同等とされている。言い換えると、同じ個数のパワーモジュール１を備える電力用半導体装置１０２と電力用半導体装置１００とを比較したときに、電力用半導体装置１０２のボス７およびネジ８の個数は電力用半導体装置１００のボス７およびネジ８の個数よりも少なくできるため、電力用半導体装置１０２の製造コストは電力用半導体装置１００の製造コストよりも低減され得る。

実施の形態４．
図２７に示されるように、実施の形態４に係る電力用半導体装置１０３は、実施の形態１に係る電力用半導体装置１００と基本的に同様の構成を備え、同様の効果を奏することができるが、複数の固定部材のうちの少なくとも一部の固定部材が、隣り合う複数のパワーモジュール１間に配置されている点で、電力用半導体装置１００とは異なる。

１組のボス７およびネジ８は、Ｘ方向に隣り合う２つのパワーモジュール１間に配置されている。隣り合う２つのパワーモジュール１間に配置された１組のボス７およびネジ８は、Ｚ方向から視て、各パワーモジュール１の下に配置された各第２突起部５の間に配置されている。

電力用半導体装置１０３が３つのパワーモジュール１を備える場合、例えば、２組のボス７およびネジ８の各々が隣り合う２つのパワーモジュール１間に配置され、６組のボス７およびネジ８の各々が各パワーモジュール１よりも外側に配置される。

電力用半導体装置１０３は、電力用半導体装置１００と同様に製造され得る。電力用半導体装置１０３の製造方法においても、上記第４の工程での加熱開始前の第４辺３５と第２突起部５との間のＸ方向の距離Ｂ２（図１４参照）は、第３辺３４と第１突起部４との間のＹ方向の距離Ａ２（図１４参照）よりも長い。また、電力用半導体装置１０３の製造方法においても、第１の工程にてボス７が固定されたヒートシンク２が準備され得る。

電力用半導体装置１０３では、電力用半導体装置１００と比べて、ボス７およびネジ８の点数が少ないため、製造コストが低減されている。さらに、電力用半導体装置１０３では、電力用半導体装置１００と比べて、ネジ８を挿通するために制御基板６に形成された孔の面積が小さいため、制御基板６上で部品等を実装できる領域が広くなる。

さらに、電力用半導体装置１０３の他の作用効果を、比較例２の電力用半導体装置との対比に基づいて説明する。

比較例２の電力用半導体装置は、電力用半導体装置１０３と同様にボスおよびネジが隣り合う２つのパワーモジュール間に配置されているが、その製造方法において上記第４の工程での加熱開始前の上記距離Ｂ２が上記距離Ａ２以下である点で、電力用半導体装置１０３とは異なる。比較例２の電力半導体装置の製造方法において、上記第４の工程でボス７と一体化されたヒートシンク２を加熱すると、隣り合う２つのパワーモジュール間に配置されたボス７に熱が放散してしまい、各部材においてボス７の周辺に配置された部分の温度が他の部分の温度と比べて低くなり、はんだ接合部材がボス７の周辺に濡れ広がらないことが懸念される。

これに対し、電力用半導体装置１０３の製造方法では、上記第４の工程での加熱開始前の上記距離Ｂ２が上記距離Ａ２よりも長いため、上記第４の工程でボス７と一体化されたヒートシンク２を加熱しても、はんだ接合部材３０がボス７の周辺に濡れ広がることが確認された。そのため、電力用半導体装置１０３は、比較例２の電力用半導体装置と比べて、高い放熱性を有ながらも、製造方法の自由度が高い。

図２８に示されるように、電力用半導体装置１０３は、実施の形態３に係る電力用半導体装置１０２と基本的に同様の構成を備えていてもよい。電力用半導体装置１０３では、複数のパワーモジュール１がＸ方向およびＹ方向に並んで配置されていてもよい。この場合、１組のボス７およびネジ８は、Ｘ方向およびＹ方向に隣り合う４つのパワーモジュール１間に配置されている。

電力用半導体装置１０３が６つのパワーモジュール１を備える場合、例えば、２組のボス７およびネジ８の各々が隣り合う４つのパワーモジュール１間に配置され、４組のボス７およびネジ８の各々が各パワーモジュール１よりも外側に配置される。電力用半導体装置１０３は、電力用半導体装置１０２と比べて、ボス７およびネジ８の点数が少ないため、製造コストが低減されている。さらに、電力用半導体装置１０３では、電力用半導体装置１０２と比べて、ネジ８を挿通するために制御基板６に形成された孔の面積が小さいため、制御基板６上で部品等を実装できる領域が広くなる。

実施の形態５．
図２９に示されるように、実施の形態５に係る電力用半導体装置１０４は、実施の形態１に係る電力用半導体装置１００と基本的に同様の構成を備え、同様の効果を奏することができるが、第１面１Ａの平面形状が正方形状である点で、電力用半導体装置１００とは異なる。

パワーモジュール１の第１面１Ａの平面形状は、正方形状である。第２辺１２と第２突起部５との間のＸ方向の距離Ｂ４は、例えば第１辺１１と第１突起部４との間のＹ方向の距離Ａ４と等しい。

電力用半導体装置１０４は、電力用半導体装置１００と同様に製造され得る。図３０に示されるように、上記第４の工程での加熱開始前の第４辺３５と第２突起部５との間のＸ方向の距離Ｂ５は、例えば第３辺３４と第１突起部４との間のＹ方向の距離Ａ５と等しい。

電力用半導体装置１０４においても、熱応力が集中するはんだ接合層３の各角部３３の近くには第１突起部４および第２突起部５が配置されていない。したがって、電力用半導体装置１０４では、電力用半導体装置１００と同様に、熱応力が集中するはんだ接合層の各角部の近くに金属棒が配置された上記半導体装置と比べて、高い放熱性を有しながらも、はんだ接合層３の信頼性が安定的に高められている。

上記第４の工程での加熱時に、Ｚ方向から視たはんだ接合部材３０の平面形状は、図３０～図３３に示されるように変化する。図３０に示される加熱開始前のはんだ接合部材３０の平面形状は、正方形状である。図３１に示される加熱開始から第１の時間経過後には、各角部の外形線が曲線状に変化するが、第１突起部４および第２突起部５の周囲のはんだ接合部材３０の各外形線は直線状に維持される。その後、図３２に示される加熱開始から第２の時間経過後には、はんだ接合部材３０の平面形状は円形状となる。その後、はんだ接合部材３０は、再びＺ方向から視た平面形状が長方形に戻るように外側に濡れ広がる。その結果、加熱終了後にはんだ接合部材３０が凝固することにより形成されたはんだ接合層３の平面形状は、図３３に示されるように角丸正方形状となる。

本発明者らは、はんだ接合部材３０の平面形状が正方形状である場合には、上記第４の工程での加熱開始前の上記距離Ｂ２が上記距離Ａ２と等しくても、図３７に示される構造が形成されにくいことを確認した。

＜変形例＞
電力用半導体装置１００～１０３では、第２辺１２と第２突起部５との間のＸ方向の距離Ｂ１が第１辺１１と第１突起部４との間のＹ方向の距離Ａ１よりも長いが、これに制限されない。上記距離Ｂ１がゼロよりも長い限りにおいて、上記距離Ａ１と上記距離Ｂ１との大小関係は特に制限されない。電力用半導体装置の製造方法において、上記第４の工程での加熱開始前の第４辺３５と第２突起部５との間のＸ方向の距離Ｂ２（図６および図１４参照）が第３辺３４と第１突起部４との間のＹ方向の距離Ａ２（図６および図１４参照）よりも長く設定されていればよい。そのような条件で製造された電力用半導体装置１００では、図３７に示される構造が形成されにくく、はんだ接合層３の第２辺１２が第２突起部５よりも外側に配置され得る。つまり、このような電力用半導体装置１００では、第２辺１２と第２突起部５との間のＸ方向の距離Ｂ１がゼロよりも長くなる。このような電力用半導体装置１００の放熱性および信頼性は、図３７に示される構造を備える比較例１と比べて、高められている。上記距離Ｂ１は、第１辺１１と第１突起部４との間のＹ方向の距離Ａ１と等しくてもよい。また、上記距離Ｂ１は、第１辺１１と第１突起部４との間のＹ方向の距離Ａ１よりも短くてもよい。

電力用半導体装置１００～１０４の第１突起部４および第２突起部５は、ヒートシンク２と一体的に形成されてもよい。このような第１突起部４および第２突起部５は、例えばマシニングセンターなどを用いてヒートシンク２を研削することにより、容易に形成され得る。

１パワーモジュール、１Ａ第１面、２ヒートシンク、２Ａ第２面、３，３００はんだ接合層、３Ａ接合面、４第１突起部、５第２突起部、６制御基板、７ボス、８ネジ、１１第１辺、１２第２辺、１３，３３，３６角部、３０，３００はんだ接合部材、３０Ａ第３面、３０Ｂ第４面、３４，３４０第３辺、３５，３５０第４辺、４０，５０突起部、１００，１０１，１０２，１０３，１０４電力用半導体装置。

Claims

半導体素子を内蔵しており、第１面を有する少なくとも１つのパワーモジュールと、
前記第１面と対向する第２面を有し、前記少なくとも１つのパワーモジュールに生じた熱を放散するヒートシンクと、
前記第１面と前記第２面とを固着しているはんだ接合層と、
前記第１面と前記第２面との間に配置されており、かつ前記はんだ接合層の外縁部よりも内側に配置されている第１突起部および第２突起部とを備え、
前記第１面は、角部を介して接続された第１辺と第２辺とを有し、
前記第１突起部は、前記第１面と直交する方向から視て、前記第２辺が延在する第２方向において前記第１面の中央よりも前記第１辺側に配置されており、かつ前記第１辺が延在する第１方向において前記角部よりも前記第１辺の中央側に配置されており、
前記第２突起部は、前記第１面と直交する方向から視て、前記第１方向において前記第１面の中央よりも前記第２辺側に配置されており、かつ前記第２方向において前記角部よりも前記第２辺の中央側に配置されている、電力用半導体装置。
前記第１面の平面形状は、略長方形状であり、
前記第１辺は、前記第２辺よりも短く、
前記第２辺と前記第２突起部との間の前記第１方向の距離は、前記第１辺と前記第１突起部との間の前記第２方向の距離よりも長い、請求項１に記載の電力用半導体装置。
前記第１突起部は、前記第１方向において前記第１辺の中央に配置されており、
前記第２突起部は、前記第２方向において前記第２辺の中央に配置されている、請求項１または２に記載の電力用半導体装置。
前記第１突起部および前記第２突起部の各々は、長手方向を有しており、
前記第１突起部の前記長手方向は、前記第２突起部の前記長手方向に沿っている、請求項１～３のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
前記第１突起部および前記第２突起部の各々は、長手方向を有しており、
前記第１突起部の前記長手方向は、前記第１方向と直交しており、
前記第２突起部の前記長手方向は、前記第２方向と直交している、請求項１～３のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
前記少なくとも１つのパワーモジュールは、複数のパワーモジュールであり、
前記第２面と直交する方向から視て、前記複数のパワーモジュールおよび前記ヒートシンクと重なるように配置されており、かつ前記複数のパワーモジュールを制御する制御基板と、
前記ヒートシンクに対して前記制御基板を固定するための少なくとも１つの固定部材とをさらに備え、
前記少なくとも１つの固定部材は、隣り合う複数の前記パワーモジュール間に配置されている、請求項１～５のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
半導体素子を内蔵しており、第１面を有する少なくとも１つのパワーモジュールと、
前記第１面と対向する第２面を有し、前記少なくとも１つのパワーモジュールに生じた熱を放散するヒートシンクと、
前記第１面と前記第２面とを固着しているはんだ接合層とを備える電力用半導体装置の製造方法であって、
前記第２面上に第１突起部および第２突起部が形成された前記ヒートシンクを準備する工程と、
前記第１突起部および前記第２突起部上に前記はんだ接合層となるべきはんだ接合部材を配置する工程と、
前記はんだ接合部材上に前記少なくとも１つのパワーモジュールを配置する工程と、
前記少なくとも１つのパワーモジュールを配置する工程後に、前記はんだ接合部材を溶解して凝固させて前記はんだ接合層を形成する工程とを備え、
前記はんだ接合層を形成する工程において、溶解前の前記はんだ接合部材は、前記第１面と接触しておりかつ角部を介して接続された第３辺と第４辺とを有する第３面を有し、さらに、
溶解前の前記はんだ接合部材は、
前記第１突起部が、前記第１面と直交する方向から視て、前記第４辺が延在する第２方向において前記第３面の中央よりも前記第３辺側に位置し、かつ前記第３辺が延在する第１方向において前記角部よりも前記第３辺の中央側に位置するとともに、
前記第２突起部が、前記第１面と直交する方向から視て、前記第１方向において前記第３面の中央よりも前記第４辺側に位置し、かつ前記第２方向において前記角部よりも前記第４辺の中央側に位置するように、
前記第１突起部および前記第２突起部に対して位置決めされている、電力用半導体装置の製造方法。
前記はんだ接合層を形成する工程では、
前記第４辺と前記第２突起部との間の前記第１方向の距離が前記第３辺と前記第１突起部との間の前記第２方向の距離よりも長くなるように、溶解前の前記はんだ接合部材が前記第１突起部および前記第２突起部に対して位置決めされている、請求項７に記載の電力用半導体装置の製造方法。