特許 7543854 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】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-08-26

(45)【発行日】2024-09-03

(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 25/07 20060101AFI20240827BHJP

   H01L 25/18 20230101ALI20240827BHJP

【ＦＩ】

H01L25/04 C

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2020186454

(22)【出願日】2020-11-09

(65)【公開番号】P2022076164

(43)【公開日】2022-05-19

【審査請求日】2023-10-16

(73)【特許権者】

【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】山口 宗太

【審査官】清水 稔

(56)【参考文献】

【文献】特開２００８－２９４３３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】登録実用新案第３０２００２１（ＪＰ，Ｕ）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／０１７５６３１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１７－１３５１４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭５８－１６６０４５（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２０１０－０１０５６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－２４２３３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１３４３００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－０９８０３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１０／１３１６７９（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２５／０７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ベース板と、
前記ベース板の上面に配置された絶縁基板と、
前記絶縁基板の上面に配置された半導体素子と、
一端が外部導体に接続可能な主端子を構成し、他端が前記絶縁基板の回路層に接合材を介して接合された金属配線板と、
前記半導体素子及び前記絶縁基板を収容する空間を画定するケース部材と、を備え、
前記ケース部材は、平面視で所定方向に分割された一対の分割体を連結することで枠状に形成され、
前記主端子と前記ケース部材とは、接着剤を介して接合されている、半導体装置。

【請求項2】

前記金属配線板は、上面と下面を有する平板形状を有し、一端の下面が前記接着剤を介して前記ケース部材に接合され、他端の下面が前記接合材を介して前記回路層に接合されている、請求項１に記載の半導体装置。

【請求項3】

前記分割体は、前記主端子を収容可能な端子用凹部を有し、
前記主端子は、前記端子用凹部の内底面及び内側面に前記接着剤を介して接合されている、請求項２に記載の半導体装置。

【請求項4】

前記ベース板は、前記絶縁基板の配置箇所に対応して厚み方向に突出した凸部を有し、
前記絶縁基板は、前記凸部の上面に接合材を介して配置され、
前記分割体は、前記凸部の側面に当接可能な当接部を有する、請求項１から請求項３のいずれかに記載の半導体装置。

【請求項5】

前記絶縁基板の外周端は、前記分割体の分割方向に交差する方向からみて前記凸部よりも外周側に突出しており、
前記分割体は、前記凸部よりも外周側に突出した前記絶縁基板の前記外周端を受容可能な凹部を有し、
前記絶縁基板の前記外周端は、前記接着剤を介して前記凹部に接合されている、請求項４に記載の半導体装置。

【請求項6】

一方の前記分割体は、一体成型された制御端子を有し、
前記制御端子は、
外部接続用の外側端子部と、
前記半導体素子の上面電極に配線部材を介して接続された内側端子部と、を有し、
前記内側端子部は、前記絶縁基板の上方で前記分割体の内側面から内側に突出する突起部の上面に配置され、
前記凹部は、前記当接部と前記突起部との間に形成されている、請求項５に記載の半導体装置。

【請求項7】

前記凸部と前記突起部は、平面視で重なるように配置されている、請求項６に記載の半導体装置。

【請求項8】

前記絶縁基板は、前記分割体の分割方向に交差する方向に並んで複数配置されている、請求項１から請求項７のいずれかに記載の半導体装置。

【請求項9】

前記金属配線板は、
一方の前記分割体に接合されている中間端子と、
他方の前記分割体に接合されている正極端子及び負極端子と、によって構成される、請求項１から請求項８のいずれかに記載の半導体装置。

【請求項10】

ベース板と、
前記ベース板の上面に配置された絶縁基板と、
前記絶縁基板の上面に配置された半導体素子と、
一端が外部導体に接続可能な主端子を構成し、他端が前記絶縁基板の回路層に接合材を介して接合された金属配線板と、
前記半導体素子及び前記絶縁基板を収容する空間を画定するケース部材と、を備えた半導体装置の製造方法であって、
前記ベース板の上面に前記絶縁基板を配置する基板配置工程と、
前記絶縁基板の前記回路層に前記接合材を介して前記金属配線板の他端を接合する端子配置工程と、
平面視で所定方向に分割された一対の分割体を前記絶縁基板の側方から挟むように取り付け、前記分割体同士を連結することで枠状の前記ケース部材を形成するケース配置工程と、を備え、
前記ケース配置工程において、前記主端子と前記分割体とを接着剤で接合する、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、半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。

【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）等の半導体素子が設けられた基板を有し、インバータ装置等に利用されている。

【0003】

この種の半導体装置において、例えば特許文献１、２では、放熱板の上面に積層基板が配置され、積層基板上の回路パターンに半田を介してリードフレームが配置されたものが開示されている。リードフレームは、半導体素子に対する主電流用の配線板として機能する。また、特許文献３では、金属板で形成されたアーチ状の主端子が、基板上の電子回路に接続されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１７－１３９４０６号公報

【文献】特開２００７－１５７８６３号公報

【文献】国際公開第２０１８／１３５１７６号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、主端子と基板とは、半田等の接合材を介して接続される。その他に、主端子と基板とを電気的に接続する方法として、レーザー溶接が用いられている。しかしながら、基板に直接レーザーを照射して溶接することは困難であるため、基板に半田付けされた銅ブロックと主端子とをレーザー溶接する方法が提案されている。この場合、レーザー溶接の接続不良や、接続箇所における剥離、更には熱サイクルによる不良の発生が問題となっている。

【0006】

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、製造工程を簡略化して特性を向上することが可能な半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供することを目的の１つとする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一態様の半導体装置は、放熱板と、前記放熱板の上面に配置された絶縁基板と、前記絶縁基板の上面に配置された半導体素子と、一端が外部導体に接続可能な主端子を構成し、他端が前記絶縁基板の回路層に接合材を介して接合された金属配線板と、前記半導体素子及び前記絶縁基板を収容する空間を画定するケース部材と、を備え、前記ケース部材は、平面視で所定方向に分割された一対の分割体を連結することで枠状に形成され、前記主端子と前記ケース部材とは、接着剤を介して接合されている。

【0008】

また、本発明の一態様の半導体装置の製造方法は、ベース板と、前記ベース板の上面に配置された絶縁基板と、前記絶縁基板の上面に配置された半導体素子と、一端が外部導体に接続可能な主端子を構成し、他端が前記絶縁基板の回路層に接合材を介して接合された金属配線板と、前記半導体素子及び前記絶縁基板を収容する空間を画定するケース部材と、を備えた半導体装置の製造方法であって、前記ベース板の上面に前記絶縁基板を配置する基板配置工程と、前記絶縁基板の前記回路層に前記接合材を介して前記金属配線板の他端を接合する端子配置工程と、平面視で所定方向に分割された一対の分割体を前記絶縁基板の側方から挟むように取り付け、前記分割体同士を連結することで枠状の前記ケース部材を形成するケース配置工程と、を備え、前記ケース配置工程において、前記主端子と前記分割体とを接着剤で接合する。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、構成を簡略化して熱耐性を向上することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本実施の形態に係る半導体装置の平面図である。

【図2】図１のＡ－Ａ線に沿って切断した断面図である。

【図3】図２の部分拡大図である。

【図4】図１のＢ－Ｂ線に沿って切断した断面図である。

【図5】本実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一工程例を示す平面図である。

【図6】本実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一工程例を示す平面図である。

【図7】本実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一工程例を示す平面図である。

【図8】本実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一工程例を示す平面図である。

【図9】本実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一工程例を示す平面図である。

【図10】本実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一工程例を示す平面図である。

【図11】本実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一工程例を示す平面図である。

【図12】変形例に係る半導体装置の断面図である。

【図13】他の変形例に係る半導体装置の断面図である。

【図14】他の変形例に係る半導体装置の断面図である。

【図15】本実施の形態に係る半導体装置の回路構成の一例を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明を適用可能な半導体装置について説明する。図１は、本実施の形態に係る半導体装置の平面図である。図２は、図１のＡ－Ａ線に沿って切断した断面図である。図３は、図２の部分拡大図である。図４は、図１のＢ－Ｂ線に沿って切断した断面図である。なお、以下に示す半導体装置はあくまで一例にすぎず、これに限定されることなく適宜変更が可能である。

【0012】

また、以下の図において、半導体装置（冷却器）の長手方向をＸ方向、半導体装置（冷却器）の短手方向をＹ方向、高さ方向（基板の厚み方向）をＺ方向と定義することにする。また、半導体装置の長手方向は、複数の半導体モジュールが並ぶ方向を示している。図示されたＸ、Ｙ、Ｚの各軸は互いに直交し、右手系を成している。また、場合によっては、Ｘ方向を左右方向、Ｙ方向を前後方向、Ｚ方向を上下方向と呼ぶことがある。これらの方向（前後左右上下方向）は、説明の便宜上用いる文言であり、半導体装置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。例えば、半導体装置の放熱面側（冷却器側）を下面側とし、その反対側を上面側と呼ぶことにする。また、本明細書において、平面視は、半導体装置の上面又は下面をＺ方向からみた場合を意味する。

【0013】

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。図１から図４に示すように、半導体装置１は、複数（本実施の形態では３つ）の半導体組立体２と、この半導体組立体２を冷却する冷却器３と、複数の半導体組立体２を収容するケース部材４と、ケース部材４内に注入される封止樹脂５と、を含んで構成される。

【0014】

半導体組立体２は、複数の絶縁基板６と、各絶縁基板６上に配置される半導体素子７と、を含んで構成される。本実施の形態では、３つの半導体組立体２がＸ方向に並んで配置されている。３つの半導体組立体２は、例えばＸ方向正側から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、半導体組立体２は、パワーセルあるいはユニットと呼ばれてもよい。

【0015】

冷却器３は、平面視矩形状に形成されたベース板９を備えている。ベース板９は、平面視矩形状を有し、所定厚みの板状体で形成される。ベース板９は、その長手方向が半導体装置１の左右方向（Ｘ方向）に延び、その短手方向が半導体装置１の前後方向（Ｙ方向）に延びている。ベース板９は、一方の面（下面）と他方の面（上面）とを有している。一方の面は、半導体組立体２の放熱面を形成している。他方の面は、半導体組立体２の接合面を形成している。

【0016】

ベース板９は、放熱性のよい、例えばアルミニウムや銅の合金によって形成される。また、ベース板９の表面には、所定厚みのメッキ層が形成されている。メッキ層は、ニッケル等の金属メッキで形成されることが好ましい。ベース板９の上面には、半田等の接合材Ｓを介して絶縁基板６が配置される。また、ベース板９の下面には、複数のフィンが設けられてもよい。

【0017】

また、詳細は後述するが、ベース板９は、中央に絶縁基板６の配置箇所に対応して厚み方向（Ｚ方向）に突出した凸部９０を有している。絶縁基板６は、凸部９０の上面に接合材Ｓを介して配置される。

【0018】

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。具体的に絶縁基板６は、絶縁板と、絶縁板の下面に配置された放熱板（不図示）と、絶縁板の上面に配置された複数の回路板６０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。なお、図２以降において、放熱板及び回路板は、説明の便宜上、図示を省略している。

【0019】

絶縁板は、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、絶縁板は、絶縁層又は絶縁フィルムと呼ばれてもよい。

【0020】

放熱板は、Ｚ方向に所定の厚みを有し、絶縁板の下面を覆うように形成される。放熱板は、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。

【0021】

絶縁板の上面には、複数の回路板６０が形成される。図２では、便宜上、１つの絶縁基板６につき３つの回路板６０が形成されているが、絶縁板の上面には、１つ又はより多くの回路板６０が形成されてもよい。これらの回路板は、銅箔等の金属層であり、絶縁板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６０は、回路層と呼ばれてもよい。なお、詳細な説明は省略するが、上記の回路板６０及び半導体素子７により、図１５に示すようなインバータ回路が構成されてよい。この場合、Ｐは正極端子、Ｎは負極端子、Ｍは中間端子を表しており、２つの半導体素子７が直列接続された例を示している。

【0022】

絶縁基板６（回路板）の上面には、半田等の接合材Ｓを介して半導体素子７が配置されている。図１では、便宜上、１つの絶縁基板６につき２つの半導体素子７を示すが、より多くの半導体素子７が絶縁基板６に配置されてもよい。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。

【0023】

なお、半導体素子７としては、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等のスイッチング素子、ＦＷＤ（Free Wheeling Diode）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。

【0024】

また、半導体素子７の形状、配置数、配置箇所等は適宜変更が可能である。なお、本実施の形態における半導体素子７は、半導体基板にトランジスタなどの機能素子を形成した、縦型のスイッチング素子であるが、これに限らず、横型のスイッチング素子であってもよい。

【0025】

ベース板９の上面外周には、ケース部材４が配置される。ケース部材４は、例えば接着剤Ｂを介してベース板９に接合される。ケース部材４は、ベース板９の外形に沿った形状を有している。より具体的にケース部材４は、中央が開口された矩形枠状に形成される。中央開口には、上記した３つの半導体組立体２が収容される。すなわち、３つの半導体組立体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。

【0026】

また、詳細は後述するが、ケース部材４は、平面視でＹ方向（前後方向）に分割された一対の分割体４０、４１を連結することで枠状に形成される。一対の分割体４０、４１は、Ｙ方向中央を境界に前後に分割されている。一対の分割体４０、４１は、それぞれ平面視でＵ字状に形成されており、Ｕ字状の開放部分をＹ方向で対向させて連結することにより、全体として枠状のケース部材４を形成する。一対の分割体４０、４１が連結されることにより、複数の半導体組立体２（絶縁基板６、半導体素子７）や封止樹脂５を収容する空間を画定する枠状のケース部材４が形成される。

【0027】

また、詳細は後述するが、一対の分割体４０、４１のうち、一方の分割体４１には、制御端子１９が一体成型されている。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。制御端子１９は、分割体４１の上面から上方に突出した外部接続用の外側端子部１９ａと、分割体４１の内側に配置された内側端子部１９ｂと、を有している。内側端子部１９ｂは、配線部材Ｗ１（制御配線と呼ばれてもよい）を介して半導体素子７の上面電極に接続される。また、所定の回路板６０と半導体素子７の主電極は、配線部材Ｗ２（主電流配線と呼ばれてもよい）によって電気的に接続される。

【0028】

配線部材Ｗ１、Ｗ２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。

【0029】

また、ケース部材４の内側空間には、封止樹脂５が充填される。すなわち、ケース部材４は、複数の半導体組立体２（絶縁基板６、半導体素子７）や封止樹脂５を収容する空間を画定する。このようなケース部材４は、熱可塑性樹脂により形成されている。ケース部材４は、例えば、ＰＰＳ樹脂（ポリフェニレンサルファイド樹脂）、ＰＢＴ樹脂（ポリブチレンテレフタレート樹脂）等により形成される。

【0030】

また、ケース部材４には、外部接続用の主端子（Ｐ端子１６、Ｎ端子１７、Ｍ端子１８）と、制御用の制御端子１９が設けられている。具体的に、ケース部材４の短手方向（Ｙ方向）で対向する一対の壁部のうち、Ｙ方向負側に位置する壁部（分割体４０）には、平面視四角形状の凹部４２、４３が形成されている。凹部４２には、Ｐ端子１６（後述するナット部１６ａ）が接着剤Ｂを介して配置されている。凹部４２の深さは、ナット部１６ａが完全に収まる深さであることが好ましい。凹部４３には、Ｎ端子１７（後述するナット部１７ａ）が接着剤Ｂを介して配置されている。凹部４３の深さは、ナット部１７ａが完全に収容可能であることが好ましい。Ｐ端子１６及びＮ端子１７は、１つの半導体組立体２につき、１つずつ配置されている。Ｐ端子１６及びＮ端子１７の端部（後述する板状部１６ｂ、１７ｂ）は、半田等の接合材Ｓを介して絶縁基板６（所定の回路板）に接続される。

【0031】

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のうち、Ｙ方向正側の壁部（分割体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（後述するナット部１８ａ）が接着剤Ｂを介して配置されている。凹部４４の深さは、ナット部１８ａが完全に収容可能であることが好ましい。Ｍ端子１８は、１つの半導体組立体２につき、１つずつ配置されている。Ｍ端子１８の端部（板状部１８ｂ）は、半田等の接合材Ｓを介して絶縁基板６（所定の回路板）に接続される。上記したように、制御端子１９は、分割体４１に一体成型されている。制御端子１９は、１つの半導体組立体２につき、例えば１０個ずつ配置されている。

【0032】

これらの端子は、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材料によって形成される。なお、これらの端子の形状、配置箇所、個数等は、上記に限らず適宜変更が可能である。

【0033】

上記したＰ端子１６は正極端子、Ｎ端子１７は負極端子、Ｍ端子１８は中間端子と呼ばれてもよい。これらの端子は、主電流が流れる金属配線板を構成する。詳細は後述するが、Ｐ端子１６、Ｎ端子１７及びＭ端子１８の一端は外部導体に接続可能な主端子を構成し、Ｐ端子１６、Ｎ端子１７及びＭ端子１８の一端は絶縁基板６の所定の回路層に接合材Ｓを介して接合される。

【0034】

具体的に、Ｐ端子１６は、ナット部１６ａと、板状部１６ｂとを一体成型して形成されている。ナット部１６ａは、所定厚みの四角ナットで形成されている。ナット部１６ａは、中央に厚み方向へ貫通するネジ穴１６ｃが形成されている。ナット部１６ａは、板状部１６ｂの一端側に設けられている。

【0035】

板状部１６ｂは、上面と下面を有する平板形状を有している。板状部１６ｂは、平面視でＹ方向に長い長尺形状を有している。板状部１６ｂの厚みは、ナット部１６ａの厚みよりも小さくなっている。ナット部１６ａは、外部導体に接続される主端子を構成する。また、板状部１６ｂの他端は、絶縁基板６の回路層に接合材Ｓを介して接合される。

【0036】

同様に、Ｎ端子１７は、ナット部１７ａと、板状部１７ｂとを一体成型して形成されている。ナット部１７ａは、所定厚みの四角ナットで形成されている。ナット部１７ａは、中央に厚み方向へ貫通するネジ穴１７ｃが形成されている。ナット部１７ａは、板状部１７ｂの一端側に設けられている。

【0037】

板状部１７ｂは、上面と下面を有する平板形状を有している。板状部１７ｂは、平面視でＹ方向に長い長尺形状を有している。板状部１７ｂの厚みは、ナット部１７ａの厚みよりも小さくなっている。ナット部１７ａは、外部導体に接続される主端子を構成する。また、板状部１７ｂの他端は、絶縁基板６の回路層に接合材Ｓを介して接合される。

【0038】

また、Ｍ端子１８は、ナット部１８ａと、板状部１８ｂとを一体成型して形成されている。ナット部１８ａは、所定厚みの四角ナットで形成されている。ナット部１８ａは、中央に厚み方向へ貫通するネジ穴１８ｃが形成されている。ナット部１８ａは、板状部１８ｂ一端側に設けられている。

【0039】

板状部１８ｂは、上面と下面を有する平板形状を有している。板状部１８ｂは、平面視でＹ方向に長い長尺形状を有している。板状部１８ｂの厚みは、ナット部１８ａの厚みよりも小さくなっている。ナット部１８ａは、外部導体に接続される主端子を構成する。また、板状部１８ｂの他端は、絶縁基板６の回路層に接合材Ｓを介して接合される。

【0040】

また、ケース部材４には、外周縁に沿って複数の貫通穴２０が形成されている。貫通穴２０は、半導体装置１の固定用のネジ（不図示）を挿通するための穴である。貫通穴２０は、冷却器３のベース板９まで貫通している。

【0041】

上記したように、封止樹脂５は、枠状のケース部材４により規定される内部空間に充填される。これにより、絶縁基板６、及びこれに実装された半導体素子７、金属配線板８が上記の空間内に封止される。封止樹脂５は、熱硬化性の樹脂により構成される。封止樹脂５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５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。

【0042】

ところで、半導体装置においては、金属配線板と絶縁基板とは、半田等の接合材を介して接続される。その他に、金属配線板と絶縁基板とを電気的に接続する方法として、レーザー溶接が用いられている。しかしながら、基板に直接レーザーを照射して溶接することは困難であるため、基板に半田付けされた銅ブロックと主端子とをレーザー溶接する方法が提案されている。この場合、レーザー溶接の接続不良や、接続箇所における剥離、更には熱サイクルによる不良の発生が問題となっている。また、レーザー溶接では、配線抵抗が高くなって装置の特性が劣化するおそれがあった。

【0043】

そこで、本件発明者は、金属配線板と絶縁基板との接続方法、接続タイミング、更には周囲を囲うケース部材の取り付け構造に着目し、本発明に想到した。例えば、本実施の形態では、金属配線板（Ｐ端子１６、Ｎ端子１７、及びＭ端子１８）の一端が外部導体に接続可能な主端子を構成し、その他端が絶縁基板６の回路層に接合材Ｓを介して接合されている。すなわち、金属配線板が、絶縁基板６に半田等の接合材Ｓを介して直接接合されるため、上記したレーザー溶接をなくすことが可能である。これにより、装置の配線抵抗を低減することができ、特性向上だけでなく、特性評価のための測定精度も高められる。更には、レーザー溶接のための開先に凹凸を設ける必要がなくなるため、封止樹脂５との密着性も向上することが可能である。このように、製造工程を簡略化して特性を向上することが可能である。

【0044】

ところが、金属配線板と絶縁基板６を半田で接合する場合、その近傍に位置する樹脂製のケース部材が熱の影響を受けて溶解してしまうおそれがある。そこで、本実施の形態では、金属配線板と絶縁基板６を半田で接合した後に、ケース部材４を取り付ける構成とした。これを実現するため、具体的にはケース部材４を一対の分割体４０、４１で形成し、一対の分割体４０、４１をモジュールの側方から挿入して接着剤Ｂで接着する構成とした。この場合、主端子（ナット部）とケース部材４とは、接着剤Ｂを介して接合される。

【0045】

ここで、図１から図４を参照して、金属配線板、絶縁基板６、及びケース部材４の接続構成の詳細について説明する。なお、図２、図３では、主端子としてＮ端子１７とＭ端子１８の断面のみ示しているが、Ｐ端子１６も同様の構成を有しているものとする。また、図３、４のケース部材内面において直線矢印で示す範囲は、接着剤Ｂの塗布範囲を示している。

【0046】

上記したように、金属配線板は、上面と下面を有する平板形状を有し、一端の下面が接着剤Ｂを介してケース部材に接合され、他端の下面が接合材Ｓを介して回路層に接合されている。具体的にＭ端子１８は、接着剤Ｂを介して凹部４４に接合されるナット部１８ａと、接合材Ｓを介して回路層に接合される板状部１８ｂと、を有している。

【0047】

上記したように、分割体４１は、主端子（ナット部１８ａ）を収容可能な凹部４４（端子用凹部）を有している。ナット部１８ａは、凹部４４の内底面及び内側面に接着剤Ｂを介して接合されている。このように、金属配線板とケース部材４とは、一体成型でなくとも接着剤Ｂによって接合可能である。したがって、一対の分割体４０、４１で形成されたケース部材４を後付けすることが可能になっている。

【0048】

また、本実施の形態では、ベース板９が、絶縁基板６の配置箇所に対応して厚み方向に突出した凸部９０を有している。凸部９０は、Ｘ方向に長い平面視矩形状を有している。絶縁基板６のＸ方向の端部は、凸部９０のＸ方向の端部よりも内側に位置している。また、絶縁基板６のＹ方向の端部は、凸部９０のＹ方向の端部よりも外側に位置している。すなわち、絶縁基板６の外周端は、一対の分割体４０、４１の分割方向（Ｙ方向）に交差する方向（Ｘ方向）からみて凸部９０よりも外周側に突出している。

【0049】

これに対し、分割体４０、４１のＹ方向における内側面には、絶縁基板６の外周端を受容可能な凹部が形成されている。分割体４０には凹部４０ａが形成され、分割体４１には凹部４１ａが形成されている。凹部４０ａは、分割体４０の内側面からＸ方向正側に突出する第１突起部４０ｂ及び第２突起部４０ｃとの間に形成されている。第１突起部４０ｂは、凹部４０ａよりも下方に位置し、第２突起部４０ｃは、凹部４０ａよりも上方に位置している。

【0050】

詳細は後述するが、第１突起部４０ｂは、凸部９０に当接可能な当接部を構成する。すなわち、凸部９０は、分割体４０の挿入位置を規制する位置決め部を構成する。絶縁基板６の外周縁は、凹部４０ａ内に受容され、接着剤Ｂを介して分割体４０に接合される。このとき、絶縁基板６の外周縁は、第１突起部４０ｂ及び第２突起部４０ｃの間に挟まれた状態となっている。

【0051】

同様に、凹部４１ａは、分割体４１の内側面からＸ方向負側に突出する第１突起部４１ｂ及び第２突起部４１ｃとの間に形成されている。第１突起部４１ｂは、凹部４１ａよりも下方に位置し、第２突起部４１ｃは、凹部４１ａよりも上方に位置している。

【0052】

詳細は後述するが、第１突起部４１ｂは、凸部９０に当接可能な当接部を構成する。すなわち、凸部９０は、分割体４１の挿入位置を規制する位置決め部を構成する。絶縁基板６の外周縁は、凹部４１ａ内に受容され、接着剤Ｂを介して分割体４１に接合される。このとき、絶縁基板６の外周縁は、第１突起部４１ｂ及び第２突起部４１ｃの間に挟まれた状態となっている。

【0053】

また、分割体４１において、第２突起部４１ｃの上面には、制御端子１９の一部を構成する内側端子部１９ｂが表出している。すなわち、内側端子部１９ｂは、絶縁基板６の外周縁の真上に位置している。

【0054】

図３及び図４に示すように、ケース部材４とベース板９、絶縁基板６、及び金属配線板（Ｐ端子１６、Ｎ端子１７、Ｍ端子１８）が直接接触する箇所には接着剤Ｂが塗布され、互いに接合されている。

【0055】

次に、図５から図１１を参照して、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。図５から図１１は、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一工程例を示す平面図である。なお、以下に示す半導体装置の製造方法は、あくまで一例であり、この構成に限定されず、適宜変更が可能である。また、半導体装置の製造方法を構成する各工程の順序は、矛盾が生じない限りにおいて、適宜変更が可能である。また、半導体装置の製造方法は、以下に示す工程以外の工程を含んでもよい。

【0056】

図５から図１１に示すように、半導体装置１の製造方法は、ベース板準備工程（図５参照）と、基板配置工程（図６参照）と、チップ配置工程（図７参照）と、端子配置工程と（図８参照）と、ケース配置工程（図９及び図１０参照）と、配線工程（図２参照）と、封止工程（図１１参照）と、を含んで構成される。これらの工程において、例えばチップ配置工程と端子配置工程の順序は逆であってもよい。また、予め、絶縁基板６と、半導体素子７で構成された半導体組立体２をベース板に配置してもよい。

【0057】

先ず、ベース板準備工程が実施される。図５に示すように、ベース板準備工程では、ベース板９は、凸部９０が上面を向くように配置される。

【0058】

次に、基板配置工程が実施される。図６に示すように、基板配置工程では、凸部９０の上面に接合材Ｓを介して３つの絶縁基板６が配置される。絶縁基板６は、回路層が上面を向くように配置される。上記したように、Ｙ方向において、絶縁基板６の外周縁は、凸部９０の外周縁よりも外側に位置している。接合材Ｓは、例えば所定温度の炉内に投入されることで加熱され、絶縁基板６とベース板９とを接合する。

【0059】

次に、チップ配置工程が実施される。図７に示すように、チップ配置工程では、絶縁基板６（所定の回路板）の上面に半田等の接合材Ｓを介して半導体素子７が配置される。接合材Ｓは、半田に限らず、焼結材を用いることも可能である。接合材Ｓは、例えば所定温度の炉内に投入されることで加熱され、絶縁基板６と半導体素子７とを接合する。

【0060】

次に、端子配置工程が実施される。図８に示すように、絶縁基板６の所定の回路板上に接合材Ｓを介して金属配線板が配置される。具体的に、Ｐ端子１６及びＮ端子１７が絶縁基板６のＹ方向負側の上面に配置され、Ｍ端子１８が絶縁基板６のＹ方向正側の上面に配置される。接合材Ｓは、半田に限らず、焼結材を用いることも可能である。接合材Ｓは、例えば所定温度の炉内に投入されることで加熱され、絶縁基板６と金属配線板とを接合する。

【0061】

次に、ケース配置工程が実施される。図９及び図１０に示すように、ケース配置工程では、絶縁基板６のＹ方向外側から一対の分割体４０、４１で絶縁基板６を挟み込むように配置する。このとき、分割体４０、４１、絶縁基板６、ベース板９、及び金属配線板（Ｐ端子、Ｎ端子１７、Ｍ端子１８）がそれぞれ接触する箇所に接着剤Ｂを塗布しておくことが好ましい。また、平面視Ｕ字状の分割体４０、４１のそれぞれの開放端が対向するように配置され、それぞれの分割体は、対応する凹部４０ａ、４１ａが絶縁基板６の外周縁に係合するように挿入される。このとき、第１突起部４０ｂ、４１ｂがそれぞれ凸部９０の側面に当接するまで挿入されるため、分割体４０、４１の位置決めが容易となって組付け性が向上されている。そして、接着剤Ｂは、硬化することで分割体４０、４１、絶縁基板６、ベース板９、及び金属配線板を接合する。

【0062】

次に、配線工程が実施される。図２に示すように、配線工程では、ワイヤ等の配線部材Ｗ１を介して制御端子１９と半導体素子７の上面電極とが電気的に接続される。例えば、半導体素子７の上面に形成された制御電極と内側端子部１９ｂとがボンディングワイヤで接続される。また、所定の回路板６０と半導体素子７は、配線部材Ｗ２を介して電気的に接続される。

【0063】

次に、封止工程が実施される。図１１に示すように、封止工程では、ケース部材４によって画定された空間（内側空間）に封止樹脂５が充填される。封止樹脂５は、例えばケース部材の上端の高さまで充填される。封止樹脂５は、液状樹脂を所定温度で硬化させることによって形成される。この結果、少なくとも絶縁基板６、半導体素子７、金属配線板の板状部１６ｂ、１７ｂ、１８ｂ、及び配線部材Ｗ１、Ｗ２が封止樹脂５によって覆われる（封止される）。封止樹脂５により、ベース板９とケース部材４との接合力が高められる。このようにして、半導体装置１が製造される。

【0064】

以上説明したように、本実施形態によれば、金属配線板を絶縁基板６に半田で接合した後、一対の分割体４０、４１で形成されたケース部材４を絶縁基板６の左右から挟み込んで接着したことにより、製造工程を簡略化して装置の特性を向上することが可能である。

【0065】

次に、図１２から図１４を参照して、変形例について説明する。
例えば、上記実施の形態では、金属配線板（Ｍ端子１８）が、平板形状の板状部１８ｂを有する構成したがこの構成に限定されない。図１２に示すように、板状部１８ｂは、Ｙ方向の途中にＺ方向で高さが異なる段部１８ｄを備えてもよい。

【0066】

また、上記実施の形態では、平面視で第２突起部４１ｃと凸部９０が重ならないように配置される場合について説明したが、この構成に限定されない。例えば、図１３に示すように、第２突起部４１ｃと凸部９０は、平面視で少なくとも一部が重なるように配置されてもよい。この構成によれば、内側端子部１９ｂの下方に高剛性のベース板９が介在することになる。この結果、内側端子部１９ｂにボンディングした際の第２突起部４１ｃの変形を抑制することが可能である。

【0067】

また、上記実施の形態において、ケース部材４のＺ方向の厚みは、一様に限らず、部分的に薄くしてもよい。例えば、図１４に示すように、３相の境界部分（二点鎖線部分参照）又は、その近傍の所定範囲において、ケース部材４の厚みを薄くすることが好ましい。Ｙ方向に長いベース板９は、基板配置工程等のプロセスにおいて、長手方向に反りやすくなっている。このため、ケース部材４が部分的に薄肉部を有することで、ベース板９の反り方向に応じて変形しやすくすることが可能である。その結果、ケース部材を配置する際の取り付け性を向上することが可能である。

【0068】

また、上記実施の形態において、半導体素子７の個数及び配置箇所は、上記構成に限定されず、適宜変更が可能である。

【0069】

また、上記実施の形態において、回路板の個数及びレイアウトは、上記構成に限定されず、適宜変更が可能である。

【0070】

また、上記実施の形態では、絶縁基板６、半導体素子７が平面視矩形状又は方形状に形成される構成としたが、この構成に限定されない。これらの構成は、上記以外の多角形状に形成されてもよい。

【0071】

また、上記実施の形態では、半導体組立体２が、単位モジュールをＵ相、Ｖ相、Ｗ相の順にＸ方向に３つ並んで配置して構成される場合について説明したが、この構成に限定されない。単位モジュールの配列数、配列方向は適宜変更が可能である。また、ケース部材４がＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相分を一体化して形成されているが、これに限定されず、適宜変更が可能である。ケース部材４は、単位モジュール毎に分割して設けられてもよい。

【0072】

また、本実施の形態及び変形例を説明したが、他の実施の形態として、上記実施の形態及び変形例を全体的又は部分的に組み合わせたものでもよい。

【0073】

また、本実施の形態は上記の実施の形態及び変形例に限定されるものではなく、技術的思想の趣旨を逸脱しない範囲において様々に変更、置換、変形されてもよい。さらに、技術の進歩又は派生する別技術によって、技術的思想を別の仕方で実現することができれば、その方法を用いて実施されてもよい。したがって、特許請求の範囲は、技術的思想の範囲内に含まれ得る全ての実施態様をカバーしている。

【0074】

下記に、上記の実施の形態における特徴点を整理する。
上記実施の形態に係る半導体装置は、放熱板と、前記放熱板の上面に配置された絶縁基板と、前記絶縁基板の上面に配置された半導体素子と、一端が外部導体に接続可能な主端子を構成し、他端が前記絶縁基板の回路層に接合材を介して接合された金属配線板と、前記半導体素子及び前記絶縁基板を収容する空間を画定するケース部材と、を備え、前記ケース部材は、平面視で所定方向に分割された一対の分割体を連結することで枠状に形成され、前記主端子と前記ケース部材とは、接着剤を介して接合されている。

【0075】

また、上記実施の形態に係る半導体装置において、前記金属配線板は、上面と下面を有する平板形状を有し、一端の下面が前記接着剤を介して前記ケース部材に接合され、他端の下面が前記接合材を介して前記回路層に接合されている。

【0076】

また、上記実施の形態に係る半導体装置において、前記分割体は、前記主端子を収容可能な端子用凹部を有し、前記主端子は、前記端子用凹部の内底面及び内側面に前記接着剤を介して接合されている。

【0077】

また、上記実施の形態に係る半導体装置において、前記ベース板は、前記絶縁基板の配置箇所に対応して厚み方向に突出した凸部を有し、前記絶縁基板は、前記凸部の上面に接合材を介して配置され、前記分割体は、前記凸部の側面に当接可能な当接部を有する。

【0078】

また、上記実施の形態に係る半導体装置において、前記絶縁基板の外周端は、前記分割体の分割方向に交差する方向からみて前記凸部よりも外周側に突出しており、前記分割体は、前記凸部よりも外周側に突出した前記絶縁基板の前記外周端を受容可能な凹部を有し、前記絶縁基板の前記外周端は、前記接着剤を介して前記凹部に接合されている。

【0079】

また、上記実施の形態に係る半導体装置において、一方の前記分割体は、一体成型された制御端子を有し、前記制御端子は、外部接続用の外側端子部と、前記半導体素子の上面電極に配線部材を介して接続された内側端子部と、を有し、前記内側端子部は、前記絶縁基板の上方で前記分割体の内側面から内側に突出する突起部の上面に配置され、前記凹部は、前記当接部と前記突起部との間に形成されている。

【0080】

また、上記実施の形態に係る半導体装置において、前記凸部と前記突起部は、平面視で重なるように配置されている。

【0081】

また、上記実施の形態に係る半導体装置において、前記絶縁基板は、前記分割体の分割方向に交差する方向に並んで複数配置されている。

【0082】

また、上記実施の形態に係る半導体装置において、前記金属配線板は、一方の前記分割体に接合されている中間端子と、他方の前記分割体に接合されている正極端子及び負極端子と、によって構成される。

【0083】

また、上記実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、ベース板と、前記ベース板の上面に配置された絶縁基板と、前記絶縁基板の上面に配置された半導体素子と、一端が外部導体に接続可能な主端子を構成し、他端が前記絶縁基板の回路層に接合材を介して接合された金属配線板と、前記半導体素子及び前記絶縁基板を収容する空間を画定するケース部材と、を備えた半導体装置の製造方法であって、前記ベース板の上面に前記絶縁基板を配置する基板配置工程と、前記絶縁基板の前記回路層に前記接合材を介して前記金属配線板の他端を接合する端子配置工程と、平面視で所定方向に分割された一対の分割体で構成された前記ケース部材を前記絶縁基板の側方から挟むように取り付け、前記分割体同士を連結することで枠状の前記ケース部材を形成するケース配置工程と、を備え、前記ケース配置工程において、前記主端子と前記分割体とを接着剤で接合する。

【産業上の利用可能性】

【0084】

以上説明したように、本発明は、製造工程を簡略化して特性を向上することができるという効果を有し、特に、冷却器一体型の半導体装置に有用である。

【符号の説明】

【0085】

１ 半導体装置
２ 半導体組立体
３ 冷却器
４ ケース部材
５ 封止樹脂
６ 絶縁基板
７ 半導体素子
９ ベース板
１６ Ｐ端子
１６ａ ナット部
１６ｂ 板状部
１６ｃ ネジ穴
１７ Ｎ端子
１７ａ ナット部
１７ｂ 板状部
１７ｃ ネジ穴
１８ Ｍ端子
１８ａ ナット部
１８ｂ 板状部
１８ｃ ネジ穴
１８ｄ 段部
１９ 制御端子
１９ａ 外側端子部
１９ｂ 内側端子部
２０ 貫通穴
４０ 分割体
４０ａ 凹部
４０ｂ 第１突起部
４０ｃ 第２突起部
４１ 分割体
４１ａ 凹部
４１ｂ 第１突起部
４１ｃ 第２突起部
４２ 凹部
４３ 凹部
４４ 凹部
６０ 回路板
９０ 凸部
Ｂ 接着剤
Ｓ 接合材
Ｗ１ 配線部材
Ｗ２ 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】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】