WO2022064599A1

WO2022064599A1 - 半導体装置および電力変換装置

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Publication number: WO2022064599A1
Application number: PCT/JP2020/036039
Authority: WO
Inventors: 祐司佐藤; 哲根岸
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2020-09-24
Filing date: 2020-09-24
Publication date: 2022-03-31
Also published as: JPWO2022064599A1

Abstract

絶縁部の上面側または下面側に配置された保持部と絶縁部の上面または下面とを直接接合することで、絶縁部の上面側または下面側に配置された保持部と絶縁部の上面または下面との接合部における故障の発生を抑制し、信頼性を向上させた半導体装置を得る。絶縁部（２）と、絶縁部（２）の下面と直接接合した第一保持部（１）と、絶縁部（２）の上面に配置された導体部（３）と、導体部と接合した半導体素子（５）と、を備えた半導体装置である。

Description

半導体装置および電力変換装置

　本開示は、直接接合を用いた半導体装置および電力変換装置に関する。

　電力用の半導体装置は、複数の構成要素を接合材を用いて接合することで構成している。この接合材としては、一般的にはんだが使用されてきた。

　近年、電力用の半導体装置では、信頼性の向上が求められている。特に、ヒートシンクと絶縁基板とを接合する接合材に起因した故障が、半導体装置の信頼性を律速する場合が増加しており、半導体装置の信頼性の向上のためには、ヒートシンク材と絶縁基板との接合部の信頼性の向上が必要である。

　このため、従来の半導体装置では、ヒートシンクと絶縁基板とを接合する接合材として、はんだからろう材へ変更することで、半導体装置のヒートシンクと絶縁基板との接合部での信頼性を向上させることが記載されている（例えば、特許文献１）。

特開２００２―０４３４８２号公報

　しかしながら、特許文献１に記載の半導体装置においては、ヒートシンクと絶縁基板との接合部の接合材をはんだからろう材へと接合材を変更することで接合部の信頼性を改善することは可能であるが、ろう材をはじめとした何らかの接合材を用いて、ヒートシンクと絶縁基板とを接合しているため、接合部での故障が発生し、半導体装置の信頼性が劣化する場合があった。

　本開示は、上述のような問題を解決するためになされたもので、接合部での故障の発生を抑制し、信頼性を向上させた半導体装置を得ることを目的としている。

　本開示に係る半導体装置は、絶縁部と、絶縁部の下面と直接接合した第一保持部と、絶縁部の上面に配置された導体部と、導体部と接合した半導体素子と、を備えた半導体装置である。

　本開示によれば、第一保持部と絶縁部とを直接接合したので、接合部の故障の発生を抑制することが可能となり、半導体装置の信頼性を向上させることができる。

実施の形態１における半導体装置を示す平面構造模式図である。実施の形態１における半導体装置を示す断面構造模式図である。実施の形態１における半導体装置の製造工程を示す断面構造模式図である。実施の形態１における半導体装置の製造工程を示す断面構造模式図である。実施の形態１における半導体装置の製造工程を示す断面構造模式図である。実施の形態１における半導体装置の製造工程を示す断面構造模式図である。実施の形態１における半導体装置の製造工程を示す断面構造模式図である。実施の形態１における他の半導体装置を示す平面構造模式図である。実施の形態１における他の半導体装置を示す断面構造模式図である。実施の形態２における他の半導体装置を示す平面構造模式図である。実施の形態２における他の半導体装置を示す断面構造模式図である。実施の形態２における半導体装置の製造工程を示す断面構造模式図である。実施の形態２における半導体装置の製造工程を示す断面構造模式図である。実施の形態２における半導体装置の製造工程を示す断面構造模式図である。実施の形態２における半導体装置の製造工程を示す断面構造模式図である。実施の形態２における半導体装置の製造工程を示す断面構造模式図である。実施の形態３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。

　はじめに、本開示の半導体装置の全体構成について、図面を参照しながら説明する。なお、図は模式的なものであり、示された構成要素の正確な大きさなどを反映するものではない。また、同一の符号を付したものは、同一又はこれに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通することである。

実施の形態１．
　図１は、実施の形態１における半導体装置を示す平面構造模式図である。図２は、実施の形態１における半導体装置を示す断面構造模式図である。図２は、図１の一点鎖線ＡＡにおける断面構造模式図である。

　図において、半導体装置１００は、第一保持部であるベース板１と、絶縁部２と、導体部３と、接合部４と、半導体素子５と、配線部であるボンディングワイヤ６と、を備えている。

　図において、ベース板１の上面上には、絶縁部２が接合材を介さずに直接接合されている。ベース板１の上面と絶縁部２の下面とは、接合材を用いずに直接接合されている。絶縁部２の上面には、導体部３が接合されている。導体部３の上面上には、接合部４を用いて半導体素子５が接合されている。半導体素子５の上面上には、ボンディングワイヤ６が接合されている。

　図１において、半導体装置１００の外縁は、ベース板１の外縁である。絶縁部２の外縁は、ベース板１の外縁よりも内側に配置されている。導体部３の外縁は、絶縁部２の外縁よりも内側に配置される。図１においては、導体部３は、２個あり、半導体装置１００の回路構成に合わせて、適宜配置することができる。接合部４の外縁は、導体部３の外縁よりも内側に配置されている。半導体素子５の外縁は、導体部３の外縁よりも内側で、接合部４の外縁と重なっている。ボンディングワイヤ６と半導体素子５との接合領域は、点線にて表示している。ボンディングワイヤ６の接合領域は、半導体素子５の外縁よりも内側に形成されている。ボンディングワイヤ６の接合領域の対向する辺方向にボンディングワイヤ６は延在している。

　図２において、ベース板１の上面は、絶縁部２の下面と接合材を用いずに直接接合されている。絶縁部２の上面は、導体部３の下面と接合されている。導体部３の上面は、接合部４を用いて（介して）半導体素子５の下面と接合されている。ボンディングワイヤ６は、半導体素子５の上面と接合されている。ボンディングワイヤ６は、ボンディングワイヤ６の接合領域の対向する辺方向のボンディングワイヤ６の延在方向に対して半導体素子５の上面から離れる方向へ屈曲している。言い換えると、ボンディングワイヤ６は、半導体素子５の上面との距離が増加する方向へ屈曲している。

　ベース板１は、板状の部材である。ベース板１は、半導体装置１００の土台である。ベース板１の材料としては、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、珪素（Ｓｉ）、炭化珪素（ＳｉＣ：Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｃａｒｂｉｄｅ）およびダイヤモンド（Ｃ）が適用できる。ベース板１の材料としては、これらに限定されるのもではなく、これら材料と他の材料との複合材またはこれらを含む合金でもよい。また、酸化防止などの目的で、ベース板１の表面が他の金属または有機部材を用いて被覆されていてもよい。この場合の被覆部材の厚さとしては、ベース板１の機能を損なわない範囲で形成できる。

　ベース板１の線膨張係数としては、ベース板１の上面上に接合される絶縁部２の線膨張係数と同じであるとよい。しかしながら、ベース板１の線膨張係数は、絶縁部２の線膨張係数に対して－２０％から＋２０％の範囲内であれば、同様の効果を得ることができる。また、半導体装置１００が電力用の用途で用いられる場合は、材料として熱伝導率の高い材料が望まれる。このため、ベース板１の熱伝導率としては、半導体装置１００の発熱の影響を軽減できる１５０Ｗ／ｍＫ以上５００Ｗ／ｍＫ以下であることが望ましい。

　絶縁部２は、ベース板１の上面に直接接合されている。ベース板１の上面と絶縁部２の下面とは、はんだまたはろう材などの接合材を用いることなく、直接接合されている。絶縁部２は、板状（シート状）の部材である。絶縁部２の材料としては、セラミックス板または有機物の絶縁シートが適用できる。セラミックス板としては、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いることができる。また、半導体装置１００が電力用の用途で用いられる場合は、絶縁部２が高耐圧であることが望まれる。このため、絶縁部２の厚みとしては、半導体装置１００の耐圧の規格を満たすことができる１２５μｍ以上２ｍｍ（２０００μｍ）以下であることが望ましい。

　導体部３は、絶縁部２の上面に配置されている。導体部３は、回路パターンを形成している。このため、半導体装置１００の仕様、用途に合わせて適宜変更することができる。導体部３の材料としては、回路パターンを構成することから導電率の高い金属が用いられる。特に、導体部３としては、ＡｌまたはＣｕが用いられる。導体部３の材料としては、これらに限定されるものではなく、半導体装置１００が機能すれば、その他の材料も適用することができる。導体部３の厚みとしては、半導体装置１００の構造と導体部３に持たせる機能に応じて選択することができる。ベース板１から半導体素子５までの熱抵抗を下げるためには、導体部３の厚さは、厚いほうが効果的である。また、絶縁部２へ加わる応力を下げるためには、導体部３の厚さは、薄いほうが効果的である。

　接合部４は、導体部３の上面と半導体素子５の下面とを接合する。接合部４の材料としては、はんだまたは焼結材料を用いることができる。はんだの場合は、鉛の有無のように、さまざまな組成のはんだを用いることができる。また、焼結材料の場合は焼結Ａｇまたは焼結Ｃｕを用いることができる。さらに、焼結材料を用いる場合の接合方法としては、加圧接合または無加圧接合いずれの接合方法でもよい。また、接合部４の材料としては、必ずしも単一材料である必要はなく、例えば、合金材料または多層構造であってもよい。さらに、接合部４の厚みは、導体部３と半導体素子５とを接合できれば特に限定されるものではない。

　半導体素子５は、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ　Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）またはＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの電力用半導体素子などを用いることができる。また、半導体素子５の材料としては、Ｓｉ、ＳｉＣ、および窒化ガリウム（ＧａＮ：Ｇａｌｌｉｕｍ　Ｎｉｔｒｉｄｅ）を用いることができる。半導体素子５の厚さは、５０μｍから５００μｍの範囲である。半導体素子５の上面および下面には、電極（金属層）が形成されている。半導体素子５の上面および下面に形成される電極としては、Ａｌ、ＣｕまたはＮｉが適用できる。また、半導体素子５の構成として、密着層、バリア層または酸化防止層を形成する場合がある。これらの場合は、密着層、バリア層または酸化防止層としては、金（Ａｕ）、Ａｇ、パラジウム（Ｐｄ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）またはこれらの合金を適用することができる。さらに、半導体素子５の電極としては、複数の金属材料を用いた２層以上の積層構造でもよい。半導体素子５の電極の厚さとしては、１μｍから５０μｍの範囲である。また、半導体素子５の電極の形成方法としては、めっき法またはスパッタ法等が適用できるが、これらに限定されるものではなく、その他の方法でもよい。

　配線部であるボンディングワイヤ６は、導体部３と半導体素子５との間を電気的に接続する。また、ボンディングワイヤ６は、導体部３と導体部３との間を電気的に接続する。ボンディングワイヤ６の材料としては、ＡｌまたはＣｕを適用することができる。ボンディングワイヤ６としては、単一の材料である必要はなく、成分中に他の金属または有機物などを含んでいてもよい。また、ボンディングワイヤ６の表面は、他の金属または有機物で覆われていてもよい。配線部６としては、ボンディングワイヤに限定されるものではなく、板状または薄状であってよい。

　このように、第一保持部であるベース板１と絶縁部２とを接合材を用いずに、ベース板１と絶縁部２とを直接接合したので、ベース板１と絶縁部２との接合部で発生する故障を抑制することができる。その結果、ベース板１と絶縁部２との接合部での接合強度の向上が可能となり、半導体装置の信頼性を向上することができる。

　次に、本実施の形態に記載の半導体装置１００の製造方法について説明する。

　図３から図７は、実施の形態１における半導体装置の製造工程を示す断面構造模式図である。

　はじめに、図３に示すように、土台となる第一保持部であるベース板１を準備する（保持部準備工程）。

　次に、図４に示すように、ベース板１の上面上に、絶縁部２を直接接合する（絶縁部接合工程）。通常では、ベース板１と絶縁部２との接合には、はんだまたはろう材などの接合材を用いて接合するが、本開示では、これらの接合材を用いずに、ベース板１と絶縁部２とを直接接合する。直接接合の方法としては、例えば、熱または圧力を用いた加熱圧着による接合を用いることができる。加熱圧着により接合を形成する場合には、処理温度または処理圧力は、ベース板１または絶縁部２に使用する材料に応じて、適宜設定することができる。

　次に、図５に示すように、絶縁部２の上面に導体部３を形成する（導体部形成工程）。絶縁部２の上面に導体部３を形成する方法としては、めっき法または別部材で用意した導体部３を接合材を用いて接合する方法がある。導体部３として別部材を用意し接合する方法としては、ろう材、はんだ、焼結材、液相拡散または固相拡散を用いる接合形成がある。また、接合方法としては、加熱圧着により直接接合などが適用できる。この場合、接合形成時の処理条件としては、接合温度、接合雰囲気（真空中、窒素雰囲気中、水素雰囲気中、ギ酸雰囲気中または不活性ガス雰囲気中）についても、特に限定されず、所望の導体部３が得られればいずれの条件でもよい。さらに、導体部３は、予め所定のパターンに加工したものを上述の接合方法で接合してもよく、接合後、所定のパターンになるように、加工してもよい。

　次に、図６に示すように、導体部３の上面に接合部４を用いて半導体素子５を接合する（半導体素子接合工程）。接合部４としては、ろう材、はんだ、焼結材、液相拡散または固相拡散を用いる接合形成がある。また、接合方法としては、加熱圧着により直接接合などが適用できる。この場合、接合形成時の処理条件としては、接合温度、接合雰囲気（真空中、窒素雰囲気中、水素雰囲気中、ギ酸雰囲気中または不活性ガス雰囲気中）についても、特に限定されず、所望の導体部３が得られればいずれの条件でもよい。

　次に、図７に示すように、半導体素子５の上面に配線部であるボンディングワイヤ６を接合する。ボンディングワイヤ６の接合方法としては、超音波エネルギーまたは加熱して接合することができる。また、ボンディングワイヤ６の接合方法としては、接合材を用いて接合することができる。超音波エネルギーまたは加熱して接合する方法としては、ボールボンディングまたはウェッジボンディングが適用できる。これらの場合、超音波のみ、加熱のみ、超音波と加熱を併用して接合形成してもよい。印加する超音波エネルギーの強度または温度については、ボンディングワイヤ６として用いる材料に合わせて適宜選択することができる。温度の印加方法としては、レーザーを用いる方法または熱した端子（治具）を接触させて温度を印加してもよい。

　さらに、ボンディングワイヤ６の接合方法としては、接合材を用いる方法もある。接合材としては、ろう材、はんだ、焼結材、液相拡散または固相拡散を用いることができる。また、接合処理方法としては、加熱圧着により直接接合などが適用できる。この場合、接合形成時の処理条件としては、接合温度、接合雰囲気（真空中、窒素雰囲気中、水素雰囲気中、ギ酸雰囲気中または不活性ガス雰囲気中）についても、特に限定されず、半導体素子５とボンディングワイヤ６とが接合できればいずれの条件でもよい。

　図８は実施の形態１における他の半導体装置を示す平面構造模式図である。図９は、実施の形態１における他の半導体装置を示す断面構造模式図である。図９は、図８の一点鎖線ＢＢにおける断面構造模式図である。

　図において、半導体装置２００は、第一保持部であるベース板１と、絶縁部２と、導体部３と、接合部４と、半導体素子５と、配線部であるボンディングワイヤ６と、ケース部７と、封止部８と、外部端子９と、を備えている。

　図において、ベース板１の上面上には、絶縁部２が接合材を介さずに直接接合されている。ベース板１の上面と絶縁部２の下面とは、接合材を用いずに直接接合されている。絶縁部２の上面には、導体部３が接合されている。導体部３の上面上には、接合部４を用いて半導体素子５が接合されている。半導体素子５の上面上には、ボンディングワイヤ６が接合されている。ボンディングワイヤ６は、半導体素子５の上面と導体部３の上面とを電気的に接続している。外部端子９は、導体部３の上面と接合されている。封止部８は、ケース部７とベース板１とで囲まれる領域内に充填されている。

　図８において、半導体装置２００の外縁は、ベース板１の外縁である。ケース部７の外縁は、ベース板１の外縁と同じ位置にある。絶縁部２の外縁は、ベース板１の外縁よりも内側に配置されている。導体部３の外縁は、絶縁部２の外縁よりも内側に配置される。図１においては、導体部３は、２個あり、半導体装置２００の回路構成に合わせて、適宜配置することができる。接合部４の外縁は、導体部３の外縁よりも内側に配置されている。半導体素子５の外縁は、導体部３の外縁よりも内側で、接合部４の外縁と重なっている。ボンディングワイヤ６は、半導体素子５と半導体素子５が接合されていない導体部３とを電気的に接続している。外部端子９は、導体部３と電気的に接続されている。

　図９において、ベース板１の上面は、絶縁部２の下面と接合材を用いずに直接接合されている。絶縁部２の上面は、導体部３の下面と接合されている。導体部３の上面は、接合部４を用いて半導体素子５の下面と接合されている。ボンディングワイヤ６は、半導体素子５の上面と半導体素子５が接合されていない導体部３の上面とを電気的に接続している。ボンディングワイヤ６は、ボンディングワイヤ６の接合領域の対向する側のボンディングワイヤ６の延在方向に対して半導体素子５の上面から離れる方向へ屈曲している。言い換えると、ボンディングワイヤ６は、半導体素子５の上面との距離が増加する方向へ屈曲している。外部端子９は、導体部３の上面と電気的に接続されている。ケース部７は、ベース板１の外縁に沿って、絶縁部２を囲んでベース板１の上面に配置されている。封止部８は、ケース部７とベース板１とで囲まれる領域内に充填れている。外部端子９の一端は、導体部３の上面と接合されている。外部端子９の他端は、封止部８から露出し、ケース部７の上端に配置されている。

　ケース部７は、半導体装置２００の外枠体である。ベース板１の中央領域には、絶縁部２が接合され、絶縁部２を取り囲むベース板１の外周領域において、ケース部７は、ベース板１と接着されている。ケース部７は、半導体装置２００の使用温度領域内で熱変形をおこさず、絶縁性を維持することが求められる。このため、ケース部７の材料としては、ＰＰＳ（Ｐｏｌｙ　Ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ　Ｓｕｌｆｉｄｅ）樹脂またはＰＢＴ（Ｐｏｌｙ　Ｂｕｔｙｌｅｎｅ　Ｔｅｒｅｐｈｔａｌａｔｅ）樹脂を用いることができる。

　封止部８は、半導体装置２００の内部における絶縁性を確保する目的で、ケース部７とベース板１とで囲まれた領域内に充填されている。封止部８は、絶縁部２、導体部３、半導体素子５、ボンディングワイヤ６および外部端子９を封止する。封止部８としては、例えば、シリコーン樹脂を用いることができるが、これに限定されるものではなく、所望の弾性率と耐熱性および接着性を有する材料であればよい。また、封止部８の材料としては、例えば、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、またはアクリル樹脂等を用いてもよく、強度または放熱性を高めるためにセラミック粉を分散させた樹脂材料を用いてもよい。

　外部端子９は、半導体装置２００の内部と半導体装置２００の外部とを電気的に接続するためのものである。外部端子９は、半導体装置２００の外部から半導体素子５へ電力供給する、または半導体素子５へ駆動信号を供給するために用いられる。外部端子９の材料としては、銅合金などを用いることができる。外部端子９は、ケース部７に内蔵されているインサート型でも、ケース部７の内周面（内壁）側に接して設けられるアウトサート型でもよい。また、外部端子９は、導体部３によって構成される配線パターンに対応して外部と接続するために、ケース部７の内部に配置してもよい。

　半導体素子５とボンディングワイヤ６との接合部、または導体部３とボンディングワイヤ６（外部端子９）との接合部は、はんだなどの接合材を挟んで（介して）接合されていてもよく、直接接合されていてもよい。接合材を挟む場合の接合材としては、上述の接合部４と同様の形状、材料を適用することができる。また、接合材以外の他の中間層を挟むこともできる。例えば、信頼性試験における応力を緩和するために応力緩衝層として、中間層が形成されていてもよい。

　中間層の構造・材料および形状は、応力緩和ができればよく、特に限定されるものではない。中間層を応力緩衝の目的で用いる場合は、材料として、ＭｏあるいはＷを含む合金またはＩｎｖａｒなどが考えられるが、特に限定されるものではなく応力緩和効果が得られれば、どのような材料でもよく、積層体または合金でも適用できる。中間層が複数材料による積層体の場合、積層する材料の比率は、どのような比率でもよい。中間層の総厚みは、０．１μｍから２０００μｍの範囲で適応できる。また、中間層は、複数挿入されていてもよい。さらに、半導体素子５、導体部３または配線部６と中間層との界面に、中間層が複数挿入される場合には、中間層間が、接合材で接合されていてもよい。

　また、配線部６として、ボンディングワイヤではなく、板状または薄状の部材を用いた場合においても、配線部６の接合部分と同様に上記の中間層を適用することができる。

　以上のように構成された半導体装置１００，２００では、第一保持部であるベース板１と絶縁部２とを接合材を用いずに、ベース板１と絶縁部２とを直接接合したので、ベース板１と絶縁部２との接合部で発生する故障を抑制することができる。その結果、ベース板１と絶縁部２との接合部での接合強度の向上が可能となり、半導体装置の信頼性を向上することができる。

実施の形態２．
　本実施の形態２においては、実施の形態１で用いた第一保持部１を第二保持部１１として絶縁部２の上面と第二保持部１１の下面とを直接接合して配置した点で異なる。このように、絶縁部２の上面と第二保持部１１の下面とを直接接合して配置したので、絶縁部２で発生する応力を低減することができる。この結果、第二保持部１１を配置することで、導体部３の厚みを厚くすることなく、熱抵抗を下げることが可能となり、半導体装置３００の信頼性を向上することができる。なお、その他の点については、実施の形態１と同様であるので、詳しい説明は省略する。

　図１０は、実施の形態２における他の半導体装置を示す平面構造模式図である。図１１は、実施の形態２における他の半導体装置を示す断面構造模式図である。図１１は、図１０の一点鎖線ＣＣにおける断面構造模式図である。

　図において、半導体装置３００は、第一保持部であるベース板１と、絶縁部２と、導体部３と、接合部４と、半導体素子５と、配線部材であるボンディングワイヤ６と、第二保持部１１と、を備えている。

　図において、ベース板１の上面上には、絶縁部２が接合材を介さずに直接接合されている。ベース板１の上面と絶縁部２の下面とは、接合材を用いずに直接接合されている。第二保持部１１は、絶縁部２と導体部３との間に挿入されている。絶縁部２の上面には、第二保持部１１の下面が接合材を介さずに直接接合されている。第二保持部１１の上面には、導体部３が接合されている。導体部３の上面上には、接合部４を用いて半導体素子５が接合されている。半導体素子５の上面上には、ボンディングワイヤ６が接合されている。

　図１０において、半導体装置３００の外縁は、ベース板１の外縁である。絶縁部２の外縁は、ベース板１の外縁よりも内側に配置されている。第二保持部１１の外縁は、絶縁部２の外縁よりも内側に配置されている。導体部３の外縁は、第二保持部１１の外縁よりも内側に配置される。図１０においては、第二保持部１１と導体部３とは、２個あり、半導体装置３００の回路構成に合わせて、適宜配置することができる。接合部４の外縁は、導体部３の外縁よりも内側に配置されている。半導体素子５の外縁は、導体部３の外縁よりも内側で、接合部４の外縁と重なっている。ボンディングワイヤ６と半導体素子５との接合領域は、点線にて表示している。ボンディングワイヤ６の接合領域は、半導体素子５の外縁よりも内側に形成されている。ボンディングワイヤ６の接合領域の対向する辺方向にボンディングワイヤ６は延在している。

　図１１において、ベース板１の上面は、絶縁部２の下面と接合材を用いず直接接合されている。絶縁部２の上面は、第二保持部１１の下面と接合材を用いず直接接合されている。第二保持部１１の上面は、導体部３の下面と接合されている。導体部３の上面は、接合部４を用いて半導体素子５の下面と接合されている。ボンディングワイヤ６は、半導体素子５の上面と接合されている。ボンディングワイヤ６は、ボンディングワイヤ６の接合領域の対向する辺方向のボンディングワイヤ６の延在方向に対して半導体素子５の上面から離れる方向へ屈曲している。言い換えると、ボンディングワイヤ６は、半導体素子５の上面との距離が増加する方向へ屈曲している。

　実施の形態１に記載したとおり、導体部３の厚みは、厚いほうがベース板１から半導体素子５の間の熱抵抗を下げることができる。これは、導体部３に用いられる材料であるＡｌまたはＣｕが熱伝導率の良い（高い）金属であるので、熱を拡散する効果が高いからである。

　ところが、ＡｌまたはＣｕは、線膨張係数が大きな材料であるため、これらを用いた導体部３の厚みを厚くすることで、絶縁部２に発生する応力が大きくなる（増大する）。絶縁部２に発生する応力が大きくなると、この応力によって絶縁部２が割れる可能性が増加する。

　しかしながら、絶縁部２と導体部３との間にベース板１と同様に高い熱伝導率を持つ材料である第二保持部１１を配置することで、ＣｕまたはＡｌと同様に熱を拡散する効果を持ち、半導体素子５からベース板１までの熱抵抗を下げることができる。この結果、線膨張係数の大きな導体部３の厚みを薄くすることができる。

　また、第二保持部１１の線膨張係数としては、ベース板１と同様に、ベース板１の上面上に接合される絶縁部２の線膨張係数と同じであるとよい。しかしながら、ベース板１の線膨張係数は、絶縁部２の線膨張係数に対して－２０％から＋２０％の範囲内であれば、同様の効果を得ることができる。第二保持部１１の線膨張係数が絶縁部２の線膨張係数の－２０％から＋２０％の範囲となる材料を用いることで、絶縁部２に発生する応力を低減でき、絶縁部２の割れを抑制できる。さらに、半導体装置３００の信頼性を向上することができる。

　第二保持部１１は、実施の形態１に記載したベース板１と同じ材料または特性の材料を用いることができる。実際の構成としては、ベース板１と第二保持部１１とが同じものでも良いし、それぞれの目的とする特性を満たせば、異なる材料でもよい。第二保持部１１は、絶縁部２の上面と直接接合されていることが望ましい。第二保持部１１は、絶縁部２の上面との接合において、他の接合材を挟んで接合されていてもよい。接合材を用いて、絶縁部２の上面と第二保持部１１の下面との接合する場合は、実施の形態１に記載した接合部４を用いてもよい。

　このように、絶縁部２と導体部３との間に第二保持部１１を配置したので、ベース板１から半導体素子５までの熱抵抗を低減することができる。この結果、第二保持部１１を配置することで、導体部３の厚みを厚くすることなく、熱抵抗を下げることが可能となり、半導体装置３００の信頼性を向上することができる。

　次に、本実施の形態に記載の半導体装置３００の製造方法について説明する。

　図１２から図１６は、実施の形態２における半導体装置の製造工程を示す断面構造模式図である。基本的には、実施の形態１で示した半導体装置１００の製造工程と同じであるが、絶縁部２の上面に第二保持部１１を配置する工程が追加された点が異なる。

　はじめに、図１２に示すように、土台となる第一保持部であるベース板１を準備する（保持部準備工程）。

　次に、図１３に示すように、ベース板１の上面上に、絶縁部２を直接接合する（絶縁部接合工程）。通常では、ベース板１と絶縁部２との接合には、はんだまたはろう材などの接合材を用いて接合するが、本開示では、これらの接合材を用いずに、ベース板１と絶縁部２とを直接接合する。直接接合の方法としては、例えば、熱または圧力を用いた加熱圧着による接合を用いるもとができる。加熱圧着により接合を形成する場合には、処理温度または処理圧力は、ベース板１または絶縁部２に使用する材料に応じて、適宜設定することができる。また、絶縁部２の上面上に第二保持部１１を直接接合する（第二保持部接合工程）。第二保持部１１は、ベース板１と同様の方法で接合することができる。

　次に、図１４に示すように、絶縁部２の上面に導体部３を形成する（導体部形成工程）。絶縁部２の上面に導体部３を形成する方法としては、めっき法または別部材で用意した導体部３を接合材を用いて接合する方法がある。導体部３として別部材を用意し接合方法としては、ろう材、はんだ、焼結材、液相拡散または固相拡散を用いる接合形成がある。また、接合方法としては、加熱圧着により直接接合などが適用できる。この場合、接合形成時の処理条件としては、接合温度、接合雰囲気（真空中、窒素雰囲気中、水素雰囲気中、ギ酸雰囲気中または不活性ガス雰囲気中）についても、特に限定されず、所望の導体部３が得られればいずれの条件で接合してもよい。さらに、導体部３は、予め所定のパターンに加工したものを上述の接合方法で接合してもよく、接合後、所定のパターンになるように、加工してもよい。

　次に、図１５に示すように、導体部３の上面に接合部４を用いて半導体素子５を接合する（半導体素子接合工程）。接合部４としては、ろう材、はんだ、焼結材、液相拡散または固相拡散を用いる接合形成がある。また、接合方法としては、加熱圧着による直接接合などが適用できる。この場合、接合形成時の処理条件としては、接合温度、接合雰囲気（真空中、窒素雰囲気中、水素雰囲気中、ギ酸雰囲気中または不活性ガス雰囲気中）についても、特に限定されず、所望の導体部３が得られればいずれの条件でもよい。

　次に、図１６に示すように、半導体素子５の上面に配線部であるボンディングワイヤ６を接合する。ボンディングワイヤ６の接合方法としては、超音波エネルギーまたは加熱して接合することができる。また、ボンディングワイヤ６の接合方法としては、接合材を用いて接合することができる。超音波エネルギーまたは加熱して接合する方法としては、ボールボンディングまたはウェッジボンディングが適用できる。これらの場合、超音波のみ、加熱のみ、超音波と加熱とを併用して接合形成してもよい。印加する超音波エネルギーの強度または温度については、ボンディングワイヤ６として用いる材料に合わせて適宜選択することができる。温度の印加方法としては、レーザーを用いる方法または熱した端子（治具）を接触させて温度を印加してもよい。

　以上のように構成された半導体装置３００では、第一保持部であるベース板１と絶縁部２とを接合材を用いずに、ベース板１と絶縁部２とを直接接合したので、ベース板１と絶縁部２との接合部で発生する故障を抑制することができる。その結果、ベース板１と絶縁部２との接合部での接合強度の向上が可能となり、半導体装置の信頼性を向上することができる。

　また、絶縁部２の上面と第二保持部１１の下面とを直接接合して配置したので、絶縁部２で発生する応力を低減することができる。この結果、第二保持部１１を配置することで、導体部３の厚みを厚くすることなく、熱抵抗を下げることが可能となり、半導体装置の信頼性を向上することができる。

実施の形態３．
　本実施の形態３は、上述した実施の形態１から２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、実施の形態３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１７は、本開示の実施の形態３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１７に示す電力変換システムは、電源１０００、電力変換装置２０００、負荷３０００を備えている。電源１０００は、直流電源であり、電力変換装置２０００に直流電力を供給する。電源１０００は種々のもので構成することができ、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、ＡＣ／ＤＣコンバータなどで構成することとしてもよい。また、電源１０００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２０００は、電源１０００と負荷３０００との間に接続された三相のインバータであり、電源１０００から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷３０００に交流電力を供給する。電力変換装置２０００は、図１７に示すように、電源１０００から入力される直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路２００１と、主変換回路２００１を制御する制御信号を主変換回路２００１に出力する制御回路２００３とを備えている。

　負荷３０００は、電力変換装置２０００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３０００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、電気自動車、鉄道車両、エレベーター、空調機器向けの電動機等として用いられる。

　以下、電力変換装置２０００の詳細を説明する。主変換回路２００１は、半導体装置２００２に内蔵されたスイッチング素子と還流ダイオードとを備えており（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１０００から供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷３０００に供給する。主変換回路２００１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２００１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に接続された６つの還流ダイオードとから構成することができる。主変換回路２００１は、各スイッチング素子、各還流ダイオードなどを内蔵する上述した実施の形態１から２のいずれかに相当する半導体装置２００２によって構成される。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。各上下アームの出力端子、すなわち主変換回路２００１の３つの出力端子は、負荷３０００に接続される。

　また、主変換回路２００１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。駆動回路は半導体装置２００２に内蔵されていてもよいし、半導体装置２００２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２００１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２００１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２００３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２００３は、負荷３０００に所望の電力が供給されるよう主変換回路２００１のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷３０００に供給すべき電力に基づいて主変換回路２００１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２００１を制御することができる。また、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出力し、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号を出力されるように、主変換回路２００１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。

　以上のように構成された本実施の形態３に係る電力変換装置においては、主変換回路２００１の半導体装置２００２として実施の形態１から２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。

　本実施の形態では、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、マルチレベルの電力変換装置であってもよいし、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よい。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、ＡＣ／ＤＣコンバータなどに本開示を適用することもできる。

　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、レーザー加工機、誘導加熱調理器、非接触器給電システムの電源装置等として用いることもでき、さらには、太陽光発電システム、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できる。

　特に、半導体素子５として、ＳｉＣを用いた場合、電力用半導体素子はその特徴を生かすために、Ｓｉの時と比較してより高温で動作させることになる。ＳｉＣデバイスを搭載する半導体装置においては、より高い信頼性が求められるため、高信頼の半導体装置を実現するという本開示のメリットはより効果的なものとなる。

　上述した実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと解されるべきである。本開示の範囲は、上述した実施形態の範囲ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。また、上記の実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより発明を形成してもよい。

１　第一保持部、２　絶縁部、３　導体部、４　接合部、５　半導体素子、６　ボンディングワイヤ、７　ケース部、８　封止部、９　外部端子、１１　第二保持部、１００, ２００，３００，２００２　半導体装置、１０００　電源、２０００　電力変換装置、２００１　主変換回路、２００３　制御回路、３０００　負荷。

Claims

絶縁部と、
前記絶縁部の下面と直接接合した第一保持部と、
前記絶縁部の上面に配置された導体部と、
前記導体部と接合した半導体素子と、
を備えた半導体装置。
前記絶縁部の上面と直接接合した第二保持部を備え、
前記導体部は、前記第二保持部の上面に配置される、請求項１に記載の半導体装置。
前記第一保持部の線膨張係数は、前記絶縁部の線膨張係数と同じである、請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
前記第二保持部の線膨張係数は、前記絶縁部の線膨張係数と同じである、請求項２に記載の半導体装置。
前記絶縁部は、アルミナ、窒化アルミまたは窒化シリコンのうちのいずれかである、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置。
前記第一保持部は、銅、アルミニウム、炭化珪素、ダイヤモンドまたはこれらを含む合金である、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の半導体装置。
前記第二保持部は、銅、アルミニウム、炭化珪素、ダイヤモンドまたはこれらを含む合金である、請求項２または請求項４に記載の半導体装置。
前記絶縁部の厚さは、１２５μｍ以上２ｍｍ以下である、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の半導体装置。
前記第一保持部の熱伝導率は、１５０W／ｍＫ以上５００W／ｍＫ以下である、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の半導体装置。
前記第二保持部の熱伝導率は、１５０W／ｍＫ以上５００W／ｍＫ以下である、請求項２、請求項４および請求項７のいずれか１項に記載の半導体装置。
請求項１～１０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。