特開 2024-48689 半導体装置、及び、半導体装置の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024048689

(43)【公開日】2024-04-09

(54)【発明の名称】半導体装置、及び、半導体装置の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/34 20060101AFI20240402BHJP

   H01L 25/07 20060101ALI20240402BHJP

   H05K 7/20 20060101ALI20240402BHJP

【ＦＩ】

H01L23/34 A

H01L25/04 C

H05K7/20 D

H05K7/20 F

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022154747

(22)【出願日】2022-09-28

(71)【出願人】

【識別番号】000005234

【氏名又は名称】富士電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110004185

【氏名又は名称】インフォート弁理士法人

(74)【代理人】

【識別番号】100121083

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 宏義

(74)【代理人】

【識別番号】100138391

【弁理士】

【氏名又は名称】天田 昌行

(74)【代理人】

【識別番号】100132067

【弁理士】

【氏名又は名称】岡田 喜雅

(72)【発明者】

【氏名】仲野 逸人

【テーマコード（参考）】

5E322

5F136

【Ｆターム（参考）】

5E322AA01

5E322AA03

5E322AA05

5E322AB01

5E322AB02

5E322AB08

5E322FA04

5F136BB04

5F136BB13

5F136FA02

5F136FA03

5F136FA14

5F136FA16

5F136FA18

5F136FA52

5F136FA63

5F136GA02

(57)【要約】

【課題】半導体装置及び半導体装置の製造方法において、半導体素子が配置される基板の反りを抑制する。
【解決手段】半導体装置（１）は、半導体素子（７）が配置された基板（６）と、この基板（６）の下部に位置する冷却器（３）と、基板（６）上に接合された導電性のブロック（７０～７６）とを備える。このブロック（７０～７６）は、基板（６）側の下面と、上面とのうち少なくとも一方に凹部（７１ａ，７２ａ，７３ａ，７４ａ，７５ａ，７６ａ）を有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体素子が配置された基板と、
前記基板の下部に位置する冷却器と、
前記基板上に接合された導電性のブロックとを備え、
前記ブロックは、前記基板側の下面と、上面とのうち少なくとも一方に凹部を有する
ことを特徴とする半導体装置。

【請求項2】

前記ブロックは、前記基板と外部接続端子とを電気的に接続する
ことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。

【請求項3】

前記ブロックは、前記基板上に半田によって接合され、
前記凹部は、前記ブロックの前記下面に位置する
ことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。

【請求項4】

前記基板には、前記半導体素子を含む１つ以上の部品が配置され、
少なくとも１つの前記部品は、第１半田によって接合され、
前記ブロックは、前記第１半田よりも融点が高い第２半田によって前記基板上に接合されている
ことを特徴とする請求項１又は３記載の半導体装置。

【請求項5】

単一の前記冷却器の上部に位置する少なくとも３つの前記基板を備え、
前記ブロックは、少なくとも１つの前記基板上に位置する
ことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。

【請求項6】

半導体素子を含む１つ以上の部品が配置された基板と、前記基板の下部に位置する冷却器と、前記基板上に接合された導電性のブロックとを備える半導体装置を製造する、半導体装置の製造方法であって、
前記ブロックは、前記基板側の下面と、上面とのうち少なくとも一方に凹部を有し、
少なくとも１つの前記部品を第１半田によって接合し、前記ブロックを第２半田によって前記基板上に接合するように、前記第１半田の融点及び前記第２半田の融点よりも高い温度まで前記基板を加熱することと、
前記第２半田の融点が前記第１半田の融点よりも高いことによって、前記第２半田が前記第１半田よりも先に凝固するように、加熱後の前記基板を冷却することを含む、
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体素子が配置された基板を備える半導体装置と、この半導体装置の製造方法とに関する。

【背景技術】

【0002】

半導体装置は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＦＷＤ（Free Wheeling Diode）等の半導体素子が配置された基板を有し、インバータ装置等に利用されている（例えば、特許文献１～３参照）。

【0003】

この種の半導体装置において、絶縁基板と、この絶縁基板の上面に配置された回路部と、絶縁基板の下面に配置された金属部と、この金属部の下面に接合される金属板とを備え、金属板の硬度を部分的に異ならせることによって、金属板の反りを低減する半導体装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第６０９０５２９号公報

【特許文献2】特開２０２２－０１２５６９号公報

【特許文献3】特開２０２２－００６７８０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、半導体素子が配置された基板（単位モジュール）を冷却するための冷却器においては、基板と冷却器との接合面がフラットではないこと、基板に生じていた反り、基板の一括半田プロセスによる加熱時の反り（加熱反り）などによって、基板と冷却器とを接合する半田のヒケ、半田流れなどの接合不良が発生する。

【0006】

そのため、上述の金属板などの冷却器の反りを低減しても、基板の反りに起因する接合不良を低減することはできない。

【0007】

本発明の目的は、半導体素子が配置される基板の反りを抑制することができる、半導体装置、及び半導体装置の製造方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

１つの態様では、半導体装置は、半導体素子が配置された基板と、前記基板の下部に位置する冷却器と、前記基板上に接合された導電性のブロックとを備え、前記ブロックは、前記基板側の下面と、上面とのうち少なくとも一方に凹部を有する。

【0009】

他の１つの態様では、半導体装置の製造方法は、半導体素子を含む１つ以上の部品が配置された基板と、前記基板の下部に位置する冷却器と、前記基板上に接合された導電性のブロックとを備える半導体装置を製造する、半導体装置の製造方法であって、前記ブロックは、前記基板側の下面と、上面とのうち少なくとも一方に凹部を有し、少なくとも１つの前記部品を第１半田によって接合し、前記ブロックを第２半田によって前記基板上に接合するように、前記第１半田の融点及び前記第２半田の融点よりも高い温度まで前記基板を加熱することと、前記第２半田の融点が前記第１半田の融点よりも高いことによって、前記第２半田が前記第１半田よりも先に凝固するように、加熱後の前記基板を冷却することを含む。

【発明の効果】

【0010】

前記態様によれば、半導体素子が配置される基板の反りを抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】一実施の形態に係る半導体装置の概略構成を示す平面図である。

【図2】一実施の形態に係る半導体装置の概略構成を示す断面図である。

【図3】一実施の形態における絶縁基板及び冷却器の反りを説明するための説明図である。

【図4】一実施の形態におけるブロックの配置例を示す平面図（その１）である。

【図5】一実施の形態におけるブロックの配置例を示す平面図（その２）である。

【図6】一実施の形態におけるブロックを示す正面図（その１）である。

【図7】一実施の形態におけるブロックを示す正面図（その２）である。

【図8】一実施の形態におけるブロックを示す正面図（その３）である。

【図9】一実施の形態におけるブロックを示す正面図（その４）である。

【図10】一実施の形態におけるブロックを示す右側面図（その１）である。

【図11】一実施の形態におけるブロックを示す右側面図（その２）である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の一実施の形態に係る半導体装置について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は、以下で説明する実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形して実施することができる。

【0013】

図１は、一実施の形態に係る半導体装置１の概略構成を示す平面図である。

【0014】

図２は、半導体装置１の概略構成を示す断面図である。

【0015】

なお、図１及び図２並びに後述する図３～図１１に示すＸ方向、Ｙ方向、及びＺ方向について、半導体装置１の上下方向（基板の厚み方向）をＺ方向、このＺ方向に直交するＸ方向及びＹ方向のうち、半導体装置１の長手方向をＸ方向、半導体装置１の短手方向をＹ方向と定義することにする。また、場合によっては、Ｘ方向を前後方向、Ｙ方向を左右方向、Ｚ方向を上下方向と呼ぶことがある。これらの方向は、説明の便宜上用いる文言であり、半導体装置１の取付姿勢によっては、ＸＹＺ方向のそれぞれとの対応関係が変わることがある。

【0016】

本実施の形態に係る半導体装置１は、例えばパワーコントロールユニット等の電力変換装置に適用されるものであり、インバータ回路を構成するパワー半導体モジュールである。

【0017】

図１及び図２に示す半導体装置１は、３つの単位モジュール２と、これらの単位モジュール２を冷却する冷却器３（図２参照）と、複数の単位モジュール２を収容するケース部材４と、このケース部材４内に注入される図示しない封止樹脂とを備える。

【0018】

単位モジュール２は、絶縁基板６と、この絶縁基板６上に配置される半導体素子７とを含む。絶縁基板６は、半導体素子７が配置された基板の一例である。本実施の形態では、３つの単位モジュール２がＸ方向に並んで配置されている。３つの単位モジュール２は、例えば、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相を構成し、全体として三相インバータ回路を形成する。なお、単位モジュール２は、パワーセルあるいは半導体ユニットと呼ばれてもよい。単位モジュール２は、１つ以上の任意の数で配置されればよいが、単一の冷却器３の上部に単位モジュール２が３つ以上並んで配置されている場合に、冷却器３に反りが生じやすく、後述する絶縁基板６の反りを抑制する必要性も高まる。

【0019】

図２に示すように、絶縁基板６は、例えば、ＤＣＢ（Direct Copper Bonding）基板やＡＭＢ（Active Metal Brazing）基板、あるいは金属ベース基板で構成される。例えば、絶縁基板６は、絶縁板６０と、この絶縁板６０の下面に配置された放熱板６１と、絶縁板６０の上面に配置された複数の回路板６２とを有する。絶縁基板６は、例えば平面視矩形状に形成される。

【0020】

絶縁板６０は、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）等のセラミックス材料、エポキシ等の樹脂材料、又はセラミックス材料をフィラーとして用いたエポキシ樹脂材料等の絶縁材料によって形成される。なお、絶縁板６０は、絶縁層又は絶縁フィルムと呼ばれてもよい。

【0021】

放熱板６１は、Ｚ方向に所定の厚みを有し、絶縁板６０の下面を覆うように形成される。放熱板６１は、例えば銅やアルミニウム等の熱伝導性の良好な金属板によって形成される。放熱板６１は、例えば、半田Ｓによって半導体素子７等の部品が絶縁基板６に接合されるのと同時又は後で、且つ、ケース部材４に封止樹脂が注入されるのよりも前に、半田Ｓ等の接合材によって、冷却器３に接合される。

【0022】

絶縁板６０の上面には、複数の回路板６２が形成される。絶縁板６０の上面には、１つ以上の任意の数の回路板６２が形成されてよい。これらの回路板６２は、銅箔等の金属層であり、絶縁板６０上に電気的に互いに絶縁された状態で島状に形成される。なお、回路板６２は、回路層と呼ばれてもよい。

【0023】

図２に示すように、絶縁基板６（回路板６２）の上面には、第１半田Ｓ１を介して半導体素子７が配置されている。図１では、１つの絶縁基板６につき４つの半導体素子７を示すが、半導体素子７の数は任意である。半導体素子７は、例えばシリコン（Ｓｉ）、炭化けい素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、及びダイヤモンド等の半導体基板によって平面視方形状又は矩形状に形成される。

【0024】

なお、半導体素子７としては、ＩＧＢＴ、パワーＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子、ＦＷＤ等のダイオードが用いられる。スイッチング素子とダイオードは逆並列接続されてよい。また、半導体素子７として、ＩＧＢＴとＦＷＤを一体化したＲＣ（Reverse Conducting）－ＩＧＢＴ素子、又はパワーＭＯＳＦＥＴ素子、逆バイアスに対して十分な耐圧を有するＲＢ（Reverse Blocking）－ＩＧＢＴ等が用いられてもよい。

【0025】

半導体素子７は、金属配線板１０を介して所定の回路板６２に導電接続される。金属配線板１０は、例えば、銅素材、銅合金系素材、アルミニウム合金系素材、鉄合金系素材等の金属素材を用いて、プレス加工等によって折り曲げて形成される。例えば、半導体素子７と金属配線板１０とは、半田等の接合材によって接合される。これらの金属配線板１０は、リードフレームと呼ばれてもよい。なお、金属配線板１０に代えて導体ワイヤ等の他の接続部材が配置されてもよい。

【0026】

ケース部材４は、中央に開口部４ａを有する矩形枠状に形成されている。矩形状の開口部４ａには、上述の３つの単位モジュール２が収容される。すなわち、３つの単位モジュール２は、枠状のケース部材４によって画定される空間に収容される。

【0027】

図１に示すように、ケース部材４には、外部接続用の外部接続端子の一例である主端子（Ｐ端子１６、Ｎ端子１７、Ｍ端子１８）と、制御用の制御端子１９とが設けられている。ケース部材４の短手方向（Ｙ方向）で対向する一対の壁部４０，４１のうち、Ｙ方向負側（図１の下側）に位置する壁部４０には、平面視四角形状の凹部４２，４３が形成されている。

【0028】

凹部４２には、Ｐ端子１６が配置されている。Ｐ端子１６は、１つの単位モジュール２につき、１つずつ配置されている。Ｐ端子１６は、回路板６２上に接合された導電性のブロック７０にレーザ溶接により接合される。このブロック７０は、例えば、銅又は銅合金からなるブロックである。

【0029】

同様に、凹部４３には、Ｎ端子１７が配置されている。Ｎ端子１７は、１つの単位モジュール２につき、１つずつ配置されている。Ｎ端子１７も、Ｐ端子１６と同様に、回路板６２上に接合された導電性のブロック７０にレーザ溶接により接合される。

【0030】

また、ケース部材４の短手方向（Ｙ方向）で対向する一対の壁部４０，４１のうち、Ｙ方向正側（図１の上側）の壁部４１には、平面視四角形状の凹部４４が形成されている。凹部４４には、Ｍ端子１８が配置されている。Ｍ端子１８は、１つの単位モジュール２につき、１つずつ配置されている。Ｍ端子１８も、Ｐ端子１６及びＮ端子１７と同様に、回路板６２上に接合された導電性のブロック７０にレーザ溶接により接合される。

【0031】

Ｐ端子１６は正極端子（入力端子）、Ｎ端子１７は負極端子（出力端子）、Ｍ端子１８は中間端子（出力端子）と呼ばれてもよい。Ｐ端子１６、Ｎ端子１７、及びＭ端子１８の一端は上述のようにレーザ溶接によりブロック７０に接合され、Ｐ端子１６、Ｎ端子１７、及びＭ端子１８の他端は、外部導体に接続可能な主端子を構成する。なお、Ｐ端子１６、Ｎ端子１７、及びＭ端子１８は、半田接合や超音波溶接などによってブロック７０に接合されてもよい。

【0032】

Ｐ端子１６、Ｎ端子１７、及びＭ端子１８に接合される３つのブロック７０は、回路板６２（絶縁基板６）上に第２半田Ｓ２によって接合されている。この第２半田Ｓ２は、半導体素子７を回路板６２（絶縁基板６）に接合するための第１半田Ｓ１よりも融点が高いことが望ましい。一例ではあるが、第２半田Ｓ２は、Ｓｎ，Ｓｂを有し、融点が２４０℃であり、第１半田Ｓ１は、Ｓｎ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｐを有し、融点が２３０℃である。これにより、半田接合のための加熱工程において、半導体素子７及びブロック７０を回路板６２に接合するために第１半田Ｓ１の融点及び第２半田Ｓ２の融点よりも高い温度まで絶縁基板６を加熱した後、冷却工程において、第２半田Ｓ２が第１半田Ｓ１よりも先に凝固する。なお、第１半田Ｓ１は、絶縁基板６に配置される半導体素子７を含む１つ以上の部品のうち少なくとも１つの部品を接合するものであればよい。また、冷却は、冷却装置等による強制冷却であってもよいし、自然冷却で絶縁基板６が第１半田Ｓ１の融点を下回るまで冷却されてもよい。

【0033】

ケース部材４のＹ方向正側の壁部４１には、制御端子１９が設けられている。制御端子１９は、１つの単位モジュール２につき、例えば１０個ずつ配置されている。より具体的には、１つの単位モジュール２において、１０個の制御端子１９は、Ｍ端子１８を左右方向（Ｘ方向）で挟むように５つずつ配置されている。１０個の制御端子は、開口部４ａの外周に沿って配置されている。なお、制御端子１９の形状、配置箇所、及び配置数は、これに限らず適宜変更が可能である。

【0034】

制御端子１９は、例えば銅素材、銅合金系素材、アルミニウム合金系素材、鉄合金系素材等の金属素材により形成される。例えば、制御端子１９は、ケース部材４に埋め込まれるように、一体成型（インサート成型）され、配線部材Ｗ（制御配線と呼ばれてもよい）によって単位モジュール２の各部に接続される。配線部材Ｗには、導体ワイヤ（ボンディングワイヤ）が用いられる。導体ワイヤの材質は、金、銅、アルミニウム、金合金、銅合金、アルミニウム合金のいずれか１つ又はそれらの組み合わせを用いることができる。また、配線部材として導体ワイヤ以外の部材を用いることも可能である。例えば、配線部材としてリボンを用いることができる。

【0035】

また、ケース部材４には、外周縁に沿って複数の貫通孔４ｂが形成されている。貫通孔４ｂは、半導体装置１の固定用のネジ４５（図２参照）を挿通するための穴である。貫通孔４ｂは、冷却器３のケース部３０まで貫通している。

【0036】

なお、ケース部材４用の樹脂は、例えば、ポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）の他、ポリブチレンテレフタラート（ＰＢＴ）、ポリブチルアクリレート（ＰＢＡ）、ポリアミド（ＰＡ）、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリブチレンサクシネート（ＰＢＳ）、ウレタンやシリコン等の絶縁性樹脂から選択され得る。また、選択される樹脂は、２種以上の樹脂の混合物でもよい。樹脂には、強度又は機能性を向上させるためのフィラー（例えばガラスフィラー）が含まれてもよい。

【0037】

また、枠状のケース部材４により規定される内部空間に注入される図示しない封止樹脂は、絶縁基板６、及びこの絶縁基板６に実装された半導体素子７を上記の空間内に封止する。封止樹脂は、熱硬化性の樹脂により構成される。封止樹脂は、エポキシ、シリコーン、ウレタン、ポリイミド、ポリアミド、及びポリアミドイミドのいずれかを少なくとも含むことが好ましい。封止樹脂には、例えば、フィラーを混入したエポキシ樹脂が、絶縁性、耐熱性及び放熱性の点から好適である。

【0038】

図２に示すように、冷却器３は、ケース部３０及び天板３１を有する。ケース部３０は、天板３１の下部に配置され、上面が開口し、周囲にフランジ部分を有する直方体形状を呈し、内部に空洞３２を有する。この空洞３２は、水等の冷媒が流通する冷媒流通部として機能する。ケース部３０の周囲のフランジ部分は、上述のネジ４５によって天板３１及びケース部材４に固定されている。天板３１は、水平に配置された矩形板状を呈し、例えばアルミニウムを含む金属で形成されている。

【0039】

空洞３２の内部には、冷却フィン３３が配置されている。この冷却フィン３３は、天板３１の下面に固定されている。冷却フィン３３は、主に半導体素子７が発生させる熱を上述の冷媒に伝える。

【0040】

ケース部３０における空洞３２の下部の周縁には、空洞３２に対する冷媒の導入又は導出のための２つ以上の開口部３０ａが設けられている。これらの開口部３０ａのそれぞれには、冷媒を流すパイプ３４が接続されている。

【0041】

次に、上述の絶縁基板６及び冷却器３に発生する反りについて説明する。

【0042】

図３は、絶縁基板６及び冷却器３の反りを説明するための説明図である。

【0043】

図３に示す冷却器３には、３つの絶縁基板６（単位モジュール２）がＸ方向に並んで配置されている。絶縁基板６は、上述のように半田Ｓ（図２参照）等の接合材によって冷却器３に接合されている。

【0044】

冷却器３には、上述のように、図２に示す空洞３２を冷媒が流れることなどに起因して、例えば、Ｘ方向において上側が凹となる反り（正反り）が発生したり、Ｙ方向において上側が凸となる反り（負反り）が発生したりする。この冷却器３の反りによって、冷却器３と３つの絶縁基板６とを接合する半田Ｓには、３つの絶縁基板６のうち真ん中の絶縁基板６のＸ方向の中央部分で且つＹ方向の両端部分にヒケＳａ（図３において破線で囲んで図示）が発生しやすい。このヒケＳａの発生を抑制するには、絶縁基板６と冷却器３との接合面を平行に近づけるために、絶縁基板６と冷却器３とが異なる向きに反るのを抑制することが有効である。

【0045】

ところで、絶縁基板６には、絶縁基板６に反りが生じていたり、絶縁基板６の半田Ｓ（第１半田Ｓ１等）を一括して接合するための加熱工程における反り（加熱反り）が生じたりする。これらの絶縁基板６の反りが冷却器３の反りとは異なる向きに大きくなると、絶縁基板６と冷却器３との接合面に隙間が生じやすい。したがって、絶縁基板６の反りを抑制することが望ましい。

【0046】

図４及び図５は、ブロック７０の配置例を示す平面図である。

【0047】

図４に示すブロック７０の配置例は、図１に示す単位モジュール２における配置と同様であり、Ｙ方向の負側（図４の下側）に、Ｐ端子１６及びＮ端子１７に電気的に接続される２つのブロック７０がＸ方向に並んで配置され、Ｙ方向の正側（図４の上側）に、Ｍ端子１８に電気的に接続される１つのブロック７０が配置されている。

【0048】

一方、図５に示すブロック７０の配置例は、図１に示す単位モジュール２の配置とは異なり、Ｙ方向の負側（図５の下側）のＰ端子１６及びＮ端子１７に電気的に接続される２つのブロック７０がＸ方向ではなくＹ方向に並んで配置され、Ｙ方向の正側（図５の上側）に、Ｍ端子１８に電気的に接続される１つのブロック７０が配置されている。

【0049】

なお、図４及び図５に示すブロック７０の配置例は、あくまで一例であり、ブロック７０の位置や個数は特に制限されない。また、ブロック７０は、Ｐ端子１６、Ｎ端子１７、及びＭ端子１８に電気的に接続されるものに限定されない。

【0050】

次に、図６～図１１を参照しながらブロック７０の様々な例（ブロック７１～７６）について説明する。

【0051】

図６～図９は、ブロック７１～７４を示す正面図であり、図１０及び図１１は、ブロック７５，７６を示す右側面図である。なお、図２に示す第２半田Ｓ２の半田溜まりとなる凹部７１ａ～７６ａが設けられるブロック７１～７６は、図３に示す３つの絶縁基板６のうち少なくとも１つの絶縁基板６に設けられているとよいが、望ましくは、少なくとも中央の絶縁基板６に設けられるとよい。

【0052】

図６に示すブロック７１は、下面に凹部７１ａを有する。この凹部７１ａは、ブロック７１の長手方向であるＸ方向の中央部分において、Ｙ方向に貫通するように設けられた溝である。また、凹部７１ａは、Ｘ方向の幅がブロック７１の下面よりも内部で狭くなるように設けられている。この凹部７１ａが設けられていることによって、ブロック７１は、上述の第２半田Ｓ２（図２参照）が第１半田Ｓ１よりも先に凝固する際に、図６に矢印で示すようにＸ方向において負反り（上側が凸となる反り）の応力を絶縁基板６に与える。これにより、絶縁基板６のＸ方向における正反り（上側が凹となる反り）を抑制することができる。そのため、図３の例とは異なるが、冷却器３がＸ方向において負反りとなっている場合に特に有効である。

【0053】

図７に示すブロック７２は、下面に凹部７２ａを有する。この凹部７２ａは、図６に示す凹部７１ａと同様に、ブロック７２の長手方向であるＸ方向の中央部分において、Ｙ方向に貫通するように設けられた溝である。凹部７２ａは、凹部７１ａとは異なり、Ｘ方向の幅が一定となるように設けられている。凹部７２ａが設けられていることによって、ブロック７２は、ブロック７１と同様に、上述の第２半田Ｓ２（図２参照）が第１半田Ｓ１よりも先に凝固する際に、図７に矢印で示すようにＸ方向において負反りの応力を絶縁基板６に与える。

【0054】

図８に示すブロック７３は、下面に２つの凹部７３ａを有する。これらの凹部７３ａは、ブロック７３の長手方向であるＸ方向の中央部分において、Ｙ方向に貫通するように且つＸ方向に並んで設けられた溝である。この凹部７３ａが設けられていることによって、ブロック７３は、ブロック７１，７２と同様に、上述の第２半田Ｓ２（図２参照）が第１半田Ｓ１よりも先に凝固する際に、図８に矢印で示すようにＸ方向において負反りの応力を絶縁基板６に与える。なお、凹部７３ａの数は、２つに限らず、３つ以上であってもよい。また、各凹部７３ａの深さや幅が互いに異なってもよい。

【0055】

図９に示すブロック７４は、上面に２つの凹部７４ａを有する。これらの凹部７４ａは、ブロック７４が上述のようにレーザ溶接によって外部接続端子の一例である主端子（Ｐ端子１６、Ｎ端子１７、Ｍ端子１８）に接合される際に形成されるレーザ溶接部分Ｌを挟んでＸ方向の両側に位置する。また、２つの凹部７４ａは、Ｙ方向に貫通するように設けられた溝である。この凹部７４ａが設けられていることによって、ブロック７４は、ブロック７１～７３と同様に、上述の第２半田Ｓ２（図２参照）が第１半田Ｓ１よりも先に凝固する際に、図９に矢印で示すようにＸ方向において負反りの応力を絶縁基板６に与える。なお、凹部７４ａの数は、２つに限らず、１つ又は３つ以上であってもよい。また、各凹部７４ａの深さや幅が互いに異なってもよい。

【0056】

図１０に示すブロック７５は、下面に凹部７５ａを有する。この凹部７５ａは、ブロック７５のＹ方向の中央部分において、Ｘ方向に貫通するように設けられた溝である。凹部７５ａが設けられていることによって、ブロック７５は、上述の第２半田Ｓ２（図２参照）が第１半田Ｓ１よりも先に凝固する際に、図１０に矢印で示すようにＹ方向において負反りの応力を絶縁基板６に与える。これにより、絶縁基板６のＹ方向における正反りを抑制することができるため、図３の例のように冷却器３がＹ方向に負反りとなっている場合に特に有効である。

【0057】

図１１に示すブロック７６は、上面に２つの凹部７６ａを有する。これらの凹部７６ａは、上述のようにレーザ溶接によって外部接続端子の一例である主端子（Ｐ端子１６、Ｎ端子１７、Ｍ端子１８）に接合される際に形成されるレーザ溶接部分Ｌを挟んでＹ方向の両側に位置する。２つの凹部７６ａは、Ｘ方向に貫通するように設けられた溝である。凹部７６ａが設けられていることによって、ブロック７６は、ブロック７５と同様に、上述の第２半田Ｓ２（図２参照）が第１半田Ｓ１よりも先に凝固する際に、図１１に矢印で示すようにＹ方向において負反りの応力を絶縁基板６に与える。なお、凹部７６ａの数は、２つに限らず、１つ又は３つ以上であってもよい。また、各凹部７６ａの深さや幅が互いに異なってもよい。

【0058】

ここで、単一の絶縁基板６に接合される例えば３つのブロック７０～７６は、相互に異なるものであってもよい。例えば、Ｘ方向において負反りの応力を絶縁基板６に与える図６～図９に示すブロック７１～７４と、Ｙ方向において負反りの応力を絶縁基板６に与える図１０及び図１１に示すブロック７５，７６とを組み合わせて単一の絶縁基板６に接合してもよい。また、凹部７１ａ～７６ａは、ブロック７１～７６をＹ方向又はＸ方向に貫通する溝でなくともよい。その場合、Ｘ方向及びＹ方向の両方において負反りの応力を絶縁基板６に与え得る。

【0059】

以上説明した本実施の形態では、半導体装置１は、半導体素子７が配置された基板の一例である絶縁基板６と、この絶縁基板６の下部に位置する冷却器３と、絶縁基板６上に接合された導電性のブロック７０～７６とを備え、このブロック７０～７６は、絶縁基板６側の下面と、上面とのうち少なくとも一方に凹部７１ａ～７６ａを有する。

【0060】

このように、ブロック７０～７６の下面又は上面に凹部７１ａ～７６ａが設けられていることによって、ブロック７０～７６が絶縁基板６に負反り（上側が凸となる反り）の応力を与えることができるため、ブロック７０～７６が接合される絶縁基板６の反り（正反り：上側が凹となる反り）を抑制することができる。これにより、絶縁基板６と冷却器３とを接合する半田ＳのヒケＳａなどによる接合不良が発生するのを抑制することもできる。

【0061】

また、本実施の形態では、ブロック７０～７６は、絶縁基板６と外部接続端子の一例である主端子（Ｐ端子１６、Ｎ端子１７、Ｍ端子１８）とを電気的に接続する。

【0062】

そのため、絶縁基板６と主端子とを接続するブロック７０～７６を用いた簡素な構成によって、絶縁基板６の反りを抑制することができる。

【0063】

また、本実施の形態では、ブロック７０～７６は、絶縁基板６上に半田Ｓ（第２半田Ｓ２）によって接合されている。また、ブロック７１～７３，７５の凹部７１ａ，７２ａ，７３ａ，７５ａは、ブロック７１～７３，７５の下面に位置する。

【0064】

これにより、凹部７４ａ，７６ａが上面に位置するブロック７４，７６と比較して、ブロック７１～７３，７５に負反りが生じやすいため、絶縁基板６に負反りの応力を与えやすくなる。また、半田Ｓによるブロック７１～７３，７５と絶縁基板６との接合時に、絶縁基板６に加熱反りが発生するのを抑制することができる。

【0065】

また、本実施の形態の半導体装置１では、絶縁基板６には、半導体素子７を含む１つ以上の部品が配置され、少なくとも１つの部品は、第１半田Ｓ１によって接合され、ブロック７０～７６は、第１半田Ｓ１よりも融点が高い第２半田Ｓ２によって絶縁基板６上に接合されている。

【0066】

他の観点では、半導体装置１の製造方法は、半導体素子７を含む１つ以上の部品が配置された基板の一例である絶縁基板６と、この絶縁基板６の下部に位置する冷却器３と、絶縁基板６上に接合された導電性のブロック７０～７６とを備える半導体装置１を製造する、半導体装置１の製造方法であって、ブロック７０～７６は、絶縁基板６側の下面と、上面とのうち少なくとも一方に凹部７１ａ～７６ａを有し、少なくとも１つの上記部品を第１半田Ｓ１によって接合し、ブロック７０～７６を第２半田Ｓ２によって絶縁基板６上に接合するように、第１半田Ｓ１の融点及び第２半田Ｓ２の融点よりも高い温度まで絶縁基板６を加熱すること（加熱工程）と、第２半田Ｓ２の融点が第１半田Ｓ１の融点よりも高いことによって、第２半田Ｓ２が第１半田Ｓ１よりも先に凝固するように、加熱後の絶縁基板６を冷却すること（冷却工程）とを含む。

【0067】

上記の半導体装置１、及び半導体装置１の製造方法では、絶縁基板６を第１半田Ｓ１及び第２半田Ｓ２の融点よりも高温に加熱した後、第２半田Ｓ２が第１半田Ｓ１よりも先に凝固するため、絶縁基板６に第１半田Ｓ１に起因する加熱反りが発生する前にブロック７０～７６が絶縁基板６に負反りの応力を与えることができる。そのため、ブロック７０～７６が接合される絶縁基板６の反り（正反り）をより一層抑制することができる。なお、ブロック７０～７６に凹部７１ａ～７６ａが設けられていない場合でも、第２半田Ｓ２が第１半田Ｓ１よりも先に凝固することによって絶縁基板６に反りが発生するのを抑制することができる。この観点では、ブロック７０～７６の凹部７１ａ～７６ａを省略することも可能である。

【0068】

また、本実施の形態では、単一の冷却器３の上部に位置する少なくとも３つの絶縁基板６を備え、ブロック７０～７６は、少なくとも１つの絶縁基板６上に位置する。

【0069】

このように３つ以上の絶縁基板６が配列されることによって、冷却器３が絶縁基板６の配列方向に長くなって冷却器３に反りが発生しやすくなっても、ブロック７０～７６が絶縁基板６に負反りの応力を与え、ブロック７０～７６が接合される絶縁基板６の反り（正反り）を抑制することができる。そのため、例えば、冷却器３の反りと反対向きの反りが絶縁基板６に生じて、冷却器３と絶縁基板６との隙間が大きくなるのを防止することができる。

【0070】

以下、本願の出願当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。

【0071】

＜付記１＞
半導体素子が配置された基板と、
前記基板の下部に位置する冷却器と、
前記基板上に接合された導電性のブロックとを備え、
前記ブロックは、前記基板側の下面と、上面とのうち少なくとも一方に凹部を有する
ことを特徴とする半導体装置。

【0072】

＜付記２＞
前記ブロックは、前記基板と外部接続端子とを電気的に接続する
ことを特徴とする付記１記載の半導体装置。

【0073】

＜付記３＞
前記ブロックは、前記基板上に半田によって接合され、
前記凹部は、前記ブロックの前記下面に位置する
ことを特徴とする付記１記載の半導体装置。

【0074】

＜付記４＞
前記基板には、前記半導体素子を含む１つ以上の部品が配置され、
少なくとも１つの前記部品は、第１半田によって接合され、
前記ブロックは、前記第１半田よりも融点が高い第２半田によって前記基板上に接合されている
ことを特徴とする付記１又は３記載の半導体装置。

【0075】

＜付記５＞
単一の前記冷却器の上部に位置する少なくとも３つの前記基板を備え、
前記ブロックは、少なくとも１つの前記基板上に位置する
ことを特徴とする付記１記載の半導体装置。

【0076】

＜付記６＞
半導体素子を含む１つ以上の部品が配置された基板と、前記基板の下部に位置する冷却器と、前記基板上に接合された導電性のブロックとを備える半導体装置を製造する、半導体装置の製造方法であって、
前記ブロックは、前記基板側の下面と、上面とのうち少なくとも一方に凹部を有し、
少なくとも１つの前記部品を第１半田によって接合し、前記ブロックを第２半田によって前記基板上に接合するように、前記第１半田の融点及び前記第２半田の融点よりも高い温度まで前記基板を加熱することと、
前記第２半田の融点が前記第１半田の融点よりも高いことによって、前記第２半田が前記第１半田よりも先に凝固するように、加熱後の前記基板を冷却することを含む、
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。

【産業上の利用可能性】

【0077】

以上説明したように、本発明は、半導体製造及び半導体装置の製造方法において、半導体素子が配置される基板の反りを抑制することができるという効果を奏し、例えば、パワー半導体装置などに有用である。

【符号の説明】

【0078】

１ ：半導体装置
２ ：単位モジュール
３ ：冷却器
３０ ：ケース部
３０ａ ：開口部
３１ ：天板
３２ ：空洞
３３ ：冷却フィン
３４ ：パイプ
４ ：ケース部材
４ａ ：開口部
４ｂ ：貫通孔
４０，４１：壁部
４２，４３，４４：凹部
４５ ：ネジ
６ ：絶縁基板
６０ ：絶縁板
６１ ：放熱板
６２ ：回路板
７ ：半導体素子
１０ ：金属配線板（リードフレーム）
１６ ：Ｐ端子
１７ ：Ｎ端子
１８ ：Ｍ端子
１９ ：制御端子
７０～７６：ブロック
７１ａ～７６ａ：凹部
Ｌ：レーザ溶接部分
Ｓ：半田
Ｓａ：ヒケ
Ｓ１：第１半田
Ｓ２：第２半田
Ｗ：配線部材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】