JP7170911B2 - Power semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents
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Description
本開示は、パワー半導体装置及びその製造方法に関する。 The present disclosure relates to a power semiconductor device and its manufacturing method.
特開2014-11236号公報(特許文献1)は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)のようなパワー半導体素子と、DCB基板と、放熱用ベース板と、インサートケース、バスバーと、リード線とを備えるパワー半導体装置を開示している。DCB基板は、放熱用ベース板に接合されている。パワー半導体素子は、DCB基板に接合されている。インサートケースは放熱用ベース板に接合されており、パワー半導体素子及びDCB基板を囲んでいる。インサートケースには、バスバーが設けられている。パワー半導体素子は、リード線を介して、バスバーに電気的に接続されている。具体的には、リード線の一端は、はんだを用いて、パワー半導体素子に接合されている。リード線の他端は、はんだを用いて、バスバーに接合されている。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-11236 (Patent Document 1) includes a power semiconductor element such as an insulated gate bipolar transistor (IGBT), a DCB substrate, a heat dissipation base plate, an insert case, a bus bar, and lead wires. A power semiconductor device is disclosed. The DCB substrate is bonded to a heat dissipation base plate. A power semiconductor device is bonded to the DCB substrate. The insert case is joined to the base plate for heat dissipation and surrounds the power semiconductor element and the DCB substrate. A bus bar is provided in the insert case. The power semiconductor element is electrically connected to the busbar via lead wires. Specifically, one end of the lead wire is joined to the power semiconductor element using solder. The other end of the lead wire is joined to the busbar using solder.
本開示の目的は、パワー半導体装置の信頼性を向上させることである。 An object of the present disclosure is to improve the reliability of power semiconductor devices.
本開示のパワー半導体装置は、基板と、第1パワー半導体素子と、引き出し配線と、板状端子とを備える。第1パワー半導体素子は、基板に接合されている第1裏面電極と、第1裏面電極とは反対側の第1おもて面電極とを含む。板状端子は、第1端子部分と、第2端子部分とを含む。第1端子部分は、第1導電接合部材を用いて第1おもて面電極に接合されている。第2端子部分は、第2導電接合部材を用いて引き出し配線に接合されている。第1パワー半導体素子と第1端子部分との間の第1の線膨張係数差は、引き出し配線と第2端子部分との間の第2の線膨張係数差よりも大きい。第1端子部分は、第2端子部分よりも薄い。 A power semiconductor device of the present disclosure includes a substrate, a first power semiconductor element, lead wiring, and plate-like terminals. The first power semiconductor element includes a first back electrode joined to the substrate and a first front electrode opposite to the first back electrode. The plate-shaped terminal includes a first terminal portion and a second terminal portion. The first terminal portion is joined to the first front electrode using a first conductive joining member. The second terminal portion is joined to the lead wire using a second conductive joining member. A first linear expansion coefficient difference between the first power semiconductor element and the first terminal portion is larger than a second linear expansion coefficient difference between the lead wire and the second terminal portion. The first terminal portion is thinner than the second terminal portion.
本開示のパワー半導体装置の製造方法は、第1パワー半導体素子の第1裏面電極を基板に接合することと、板状端子を、第1裏面電極とは反対側の第1パワー半導体素子の第1おもて面電極と引き出し配線とに接合することとを備える。板状端子は、第1端子部分と、第2端子部分とを含む。第1パワー半導体素子と第1端子部分との間の第1の線膨張係数の差は、引き出し配線と第2端子部分との間の第2の線膨張係数の差よりも大きい。第1端子部分は、第2端子部分よりも薄い。第1端子部分が第1導電接合部材を用いて第1おもて面電極に接合されながら、第2端子部分は第2導電接合部材を用いて引き出し配線に接合される。第1端子部分を第1おもて面電極に接合する際、第1導電接合部材は第1熱源を用いて加熱される。第1熱源は、第1温度センサを用いて測定される第1端子部分の第1温度に基づいて制御される。第2端子部分を引き出し配線に接合する際、第2導電接合部材は第2熱源を用いて加熱される。第2熱源は、第2温度センサを用いて測定される第2端子部分の第2温度に基づいて制御される。 A method of manufacturing a power semiconductor device according to the present disclosure includes joining a first back electrode of a first power semiconductor element to a substrate, and connecting a plate-like terminal to the first power semiconductor element on the side opposite to the first back electrode. 1 bonding to the front surface electrode and the lead wiring. The plate-shaped terminal includes a first terminal portion and a second terminal portion. A first difference in coefficient of linear expansion between the first power semiconductor element and the first terminal portion is larger than a second difference in coefficient of linear expansion between the lead wire and the second terminal portion. The first terminal portion is thinner than the second terminal portion. While the first terminal portion is joined to the first front electrode using the first conductive joining member, the second terminal portion is joined to the lead wire using the second conductive joining member. When joining the first terminal portion to the first front surface electrode, the first conductive joining member is heated using the first heat source. The first heat source is controlled based on a first temperature of the first terminal portion measured using a first temperature sensor. When joining the second terminal portion to the lead wire, the second conductive joining member is heated using the second heat source. The second heat source is controlled based on a second temperature of the second terminal portion measured using a second temperature sensor.
第1端子部分は、第2端子部分よりも薄いため、第1導電接合部材に印加される熱応力を小さくすることができる。第1導電接合部材にき裂が発生すること、及び、第1端子部分が第1おもて面電極からはく離することが防止される。さらに、第2端子部分は、第1端子部分よりも厚い。第2端子部分は、第1端子部分よりも大きな熱容量を有する。そのため、第2導電接合部材の温度上昇が低減され得る。第2導電接合部材の劣化が低減される。本開示のパワー半導体装置によれば、パワー半導体装置の信頼性が向上され得る。本開示のパワー半導体装置の製造方法によれば、信頼性が向上されたパワー半導体装置を得ることができる。 Since the first terminal portion is thinner than the second terminal portion, thermal stress applied to the first conductive joining member can be reduced. The first conductive joining member is prevented from cracking and the first terminal portion is prevented from being separated from the first front surface electrode. Furthermore, the second terminal portion is thicker than the first terminal portion. The second terminal portion has a larger heat capacity than the first terminal portion. Therefore, the temperature rise of the second conductive joining member can be reduced. Degradation of the second conductive joining member is reduced. According to the power semiconductor device of the present disclosure, reliability of the power semiconductor device can be improved. According to the method of manufacturing a power semiconductor device of the present disclosure, a power semiconductor device with improved reliability can be obtained.
以下、本開示の実施の形態を説明する。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。 Embodiments of the present disclosure will be described below. In addition, the same reference numerals are given to the same configurations, and the description thereof will not be repeated.
実施の形態1.
図1を参照して、実施の形態1のパワー半導体装置1を説明する。パワー半導体装置1は、基板10と、第1パワー半導体素子20と、引き出し配線41,41gと、板状端子50,50gとを主に備える。パワー半導体装置1は、端子台40とヒートシンク30とをさらに備えてもよい。パワー半導体装置1は、第2パワー半導体素子25をさらに備えてもよい。
A
基板10は、絶縁層11と、おもて面導体層12と、裏面導体層13とを含んでいる。基板10は、第1方向(x方向)と、第1方向に直交する第2方向(y方向)とに沿って延在している。第1方向(x方向)と第2方向(y方向)とに垂直な第3方向(z方向)は、基板10の厚さ方向である。
The
絶縁層11は、例えば、窒化アルミニウム(AlN)、窒化珪素(Si3N4)、アルミナ(Al2O3)のようなセラミック層、または、窒化硼素(BN)フィラーを含むエポキシ樹脂のような樹脂層である。絶縁層11は、好ましくは、電気的絶縁性を有し、かつ、高い熱伝導率を有する。絶縁層11は、例えば、0.3mm以上1.0mmの厚さを有している。The
おもて面導体層12と裏面導体層13とは、例えば、銅(Cu)層、アルミニウム(Al)層、または、CuとAlとの積層体である。おもて面導体層12と裏面導体層13とは、各々、例えば、0.2mm以上の厚さを有している。おもて面導体層12と裏面導体層13とは、各々、0.3mm以上の厚さを有してもよい。おもて面導体層12と裏面導体層13とは、各々、例えば、1.0mm以下の厚さを有している。おもて面導体層12と裏面導体層13とは、各々、0.6mm以下の厚さを有してもよい。おもて面導体層12と裏面導体層13が厚いほど、おもて面導体層12及び裏面導体層13の放熱性能が高まる。おもて面導体層12と裏面導体層13が薄いほど、絶縁層11とおもて面導体層12との間の線膨張係数差及び絶縁層11と裏面導体層13との間の線膨張係数差に起因しておもて面導体層12及び裏面導体層13から絶縁層11に印加される熱応力が小さくなる。おもて面導体層12のおもて面は、基板10の主面10aである。
The
第1パワー半導体素子20と第2パワー半導体素子25とは、第1方向(x方向)において互いに隣り合って配置されている。本実施の形態では、第1パワー半導体素子20及び第2パワー半導体素子25は、珪素(Si)で形成されている。第1パワー半導体素子20及び第2パワー半導体素子25は、炭化ケイ素(SiC)、窒化ガリウム(GaN)、ダイヤモンドのような、Siよりも大きなバンドギャップを有する半導体材料で形成されてもよい。Siよりも大きなバンドギャップを有する半導体材料は、第1パワー半導体素子20及び第2パワー半導体素子25が高温でも正常に動作することを可能にするとともに、パワー半導体装置1の小型化を可能にする。
The first
第1パワー半導体素子20は、第1裏面電極22と、第1裏面電極22とは反対側の第1おもて面電極21とを含む。第1裏面電極22と第1おもて面電極21とは、第1パワー半導体素子20の厚さ方向(第3方向(z方向))において互いに離間している。第2パワー半導体素子25は、第2裏面電極27と、第2裏面電極27とは反対側の第2おもて面電極26とを含む。第2裏面電極27と第2おもて面電極26とは、第2パワー半導体素子25の厚さ方向(第3方向(z方向))において互いに離間している。第1パワー半導体素子20の厚さ方向(第3方向(z方向))及び第2パワー半導体素子25の厚さ方向(第3方向(z方向))は、基板10の主面10aの法線方向(第3方向(z方向))に平行である。
The first
本実施の形態では、第1パワー半導体素子20は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)であり、第2パワー半導体素子25は、フリーホイールダイオード(FWD)である。第1おもて面電極21は、エミッタ電極(図示せず)と、ゲート電極(図示せず)とを含み、第1裏面電極22はコレクタ電極である。第2おもて面電極26は、アノード電極である。第2裏面電極27は、カソード電極である。第1パワー半導体素子20及び第2パワー半導体素子25は、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)のような他のパワー半導体素子であってもよい。
In this embodiment, the first
第1パワー半導体素子20の第1裏面電極22は、導電接合部材23を用いて、基板10のおもて面導体層12に接合されている。第2パワー半導体素子25の第2裏面電極27は、導電接合部材28を用いて、基板10のおもて面導体層12に接合されている。導電接合部材23及び導電接合部材28は、例えば、鉛フリーはんだのようなはんだ、銀(Ag)、銅(Cu)、または、銅スズ(CuSn)合金で形成されている。導電接合部材23及び導電接合部材28は、例えば、250℃以上の融点を有している。導電接合部材23及び導電接合部材28は、300℃以上の融点を有してもよい。
The first back electrode 22 of the first
導電接合部材23及び導電接合部材28は、銀微粒子焼結体、銅微粒子焼結体もしくはCuSn微粒子焼結体のような金属微粒子焼結体で形成されてもよい。本明細書では、微粒子は、100μm以下の直径を有する粒子を意味する。微粒子は、10μm以下の直径を有する粒子であってもよく、ナノ粒子であってもよい。金属微粒子焼結体は、金属微粒子が微粒子を構成する金属の融点よりも低い温度で焼結する現象を利用して、金属微粒子が分散されたペーストを焼結することによって得られる。こうして得られた金属微粒子焼結体は、微粒子を構成する金属の融点を有しており、はんだに比べて高い融点を有している。金属微粒子焼結体は、第1パワー半導体素子20及び第2パワー半導体素子25が高温でも正常に動作することを可能にする。金属微粒子焼結体は、パワー半導体装置1の信頼性を向上させるとともに、パワー半導体装置1の小型化を可能にする。
The conductive
第1おもて面電極21上に、第1導電接合部材55との拡散接合に適した第1メタライズ層(図示せず)が設けられていてもよい。第2おもて面電極26上に、第3導電接合部材56との拡散接合に適した第2メタライズ層(図示せず)が設けられていてもよい。第1導電接合部材55及び第3導電接合部材56がはんだである場合、第1メタライズ層及び第2メタライズ層は、各々、例えば、最表面側から金(Au)層とニッケル(Ni)層とが積層された積層体である。Au層は、第1おもて面電極21及び第2おもて面電極26の最表面の酸化を防止するとともに、はんだに対する濡れ性を向上させる。Ni層は、第1おもて面電極21及び第2おもて面電極26へのはんだの拡散を防止する。Ni層の厚さは、はんだ接合時の熱印加の態様と第1パワー半導体素子20及び第2パワー半導体素子25の動作時の最高温度とを考慮して決定される。Ni層は、例えば、1.5μm以上5.0μm以下の厚さを有している。Ni層は、例えば、スパッタリングまたはめっきによって形成される。
A first metallization layer (not shown) suitable for diffusion bonding with the first
引き出し配線41と板状端子50とは、第1パワー半導体素子20及び第2パワー半導体素子25を、パワー半導体装置1の外部にある部材と電気的に接続する。電流または電圧が、引き出し配線41及び板状端子50を通って、パワー半導体装置1の外部にある部材から第1パワー半導体素子20及び第2パワー半導体素子25に供給される、または、第1パワー半導体素子20及び第2パワー半導体素子25からパワー半導体装置1の外部にある部材に供給される。パワー半導体装置1の外部にある部材は、例えば、モータであり、パワー半導体装置1は、例えば、モータを駆動するインバータである。モータを駆動する場合、数百アンペアの電流が、引き出し配線41及び板状端子50に流れる。
The
引き出し配線41及び板状端子50は、各々、銅(Cu)、銅タングステン(CuW)合金、または、Cu層/インバー(Fe-36%Ni合金)層/Cu層で構成される積層体で形成されている。本実施の形態では、引き出し配線41及び板状端子50とは、同じ材料で形成されている。引き出し配線41及び板状端子50とは、互いに異なる材料で形成されてもよい。
The lead-
引き出し配線41は、主に、第2方向(y方向)に延在しており、引き出し配線41の長手方向は第2方向(y方向)である。板状端子50は、主に、引き出し配線41と交差する第1方向(x方向)に延在しており、板状端子50の長手方向は第1方向(x方向)である。
The
板状端子50は、第1端子部分51と、第2端子部分52とを含む。板状端子50は、第1端子部分51と第2端子部分52とを接続する第3端子部分53をさらに含んでもよい。本実施の形態では、第1端子部分51と第2端子部分52と第3端子部分53とは、同じ材料で形成されていて、板状端子50は単一部品で構成されている。単一部品で構成されている板状端子50は、第1端子部分51と第2端子部分52と第3端子部分53とが互いに別部品であり、かつ、第1端子部分51及び第2端子部分52が例えばはんだまたは溶接によって互いに接続されるとともに、第2端子部分52及び第3端子部分53が例えばはんだまたは溶接によって互いに接続されることによって形成される板状端子50に比べて、より高い信頼性を有する。
Plate-
板状端子50は、複数の部品で構成されてもよい。例えば、第1端子部分51と第2端子部分52と第3端子部分53とは互いに別部品であり、かつ、第1端子部分51及び第2端子部分52が例えばはんだまたは溶接によって互いに接続されるとともに、第2端子部分52及び第3端子部分53が例えばはんだまたは溶接によって互いに接続されてもよい。そのため、板状端子50が、基板10の厚さ方向(第3方向(z方向))からの平面視において、クランク形状のような複雑な形状を有していても、板状端子50は、相対的に高い歩留まりでかつ相対的に低コストで形成され得る。第1端子部分51と第2端子部分52と第3端子部分53とが互いに別部品である場合には、第1端子部分51と第2端子部分52と第3端子部分53とは、同じ材料で形成されてもよいし、互いに異なる材料で形成されてもよい。
The plate-
第1端子部分51は、第1方向(x方向)に延在しており、第1端子部分51の長手方向は第1方向(x方向)である。第1端子部分51は、基板10の主面10aに沿って延在している。第2端子部分52は、第1方向(x方向)に延在しており、第2端子部分52の長手方向は第1方向(x方向)である。第2端子部分52は、基板10の主面10aに沿って延在している。第3端子部分53は、第3方向(z方向)に延在しており、第3端子部分53の長手方向は第3方向(z方向)である。第3端子部分53は、第1パワー半導体素子20の厚さ方向(第3方向(z方向))に沿って延在している。第1パワー半導体素子20の厚さ方向(第3方向(z方向))における第1端子部分51と基板10の主面10aとの間の距離は、第1パワー半導体素子20の厚さ方向(第3方向(z方向))における第2端子部分52と基板10の主面10aとの間の距離よりも短い。
The first
第1端子部分51は、第2端子部分52よりも薄い。特定的には、第2端子部分52の第2厚さt2に対する第1端子部分51の第1厚さt1の比は、0.75以下である。この比は、0.60以下であってもよい。第2端子部分52の第2厚さt2に対する第1端子部分51の第1厚さt1の比0.10以上である。この比は、0.20以上であってもよい。第3端子部分53は、第2端子部分52よりも薄い。特定的には、第2端子部分52の第2厚さt2に対する第3端子部分53の第3厚さt3の比は、0.75以下である。この比は、0.60以下であってもよい。第2端子部分52の第2厚さt2に対する第3端子部分53の第3厚さt3の比0.10以上である。この比は、0.20以上であってもよい。The first
第1端子部分51の第1厚さt1は、0.60mm以下である。第1厚さt1は、0.50mm以下であってもよい。第1端子部分51の第1厚さt1は、例えば、0.15mm以上である。第1厚さt1は、0.20mm以上であってもよい。第2端子部分52の第2厚さt2は、例えば、0.80mm以上である。第2厚さt2は、1.0mm以上であってもよい。第2端子部分52の第2厚さt2は、例えば、1.50mm以下である。第2端子部分52の第2厚さt2は、1.35mm以下であってもよい。第3端子部分53の第3厚さt3は、例えば、0.60mm以下である。第3厚さt3は、0.50mm以下であってもよい。第3端子部分53の第3厚さt3は、例えば、0.15mm以上である。第3厚さt3は、0.20mm以上であってもよい。第3端子部分53の第3厚さt3は、第1端子部分51の第1厚さt1に等しくてもよい。The first thickness t 1 of the first
第1パワー半導体素子20と第1端子部分51との間の第1の線膨張係数差は、引き出し配線41と第2端子部分52との間の第2の線膨張係数差よりも大きい。第2パワー半導体素子25と第1端子部分51との間の第3の線膨張係数差は、引き出し配線41と第2端子部分52との間の第2の線膨張係数差よりも大きい。
A first linear expansion coefficient difference between the first
互いに隣り合って配置されている第1パワー半導体素子20と第2パワー半導体素子25とは、ともに、一つの板状端子50に接合されている。そのため、配線インダクタンスを小さくすることができて、第1パワー半導体素子20及び第2パワー半導体素子25に印加されるサージ電圧を小さくすることができる。また、板状端子50と第1パワー半導体素子20との接合と、板状端子50と第2パワー半導体素子25との接合とを、一回の工程で行うことができる。パワー半導体装置1の生産性が向上する。
The first
具体的には、第1端子部分51は、第1導電接合部材55を用いて第1おもて面電極21に接合されている。第2端子部分52は、第2導電接合部材57を用いて引き出し配線41に接合されている。第1端子部分51は、第3導電接合部材56を用いて第2おもて面電極26に接合されている。
Specifically, the first
第2導電接合部材57は、第1導電接合部材55及び第3導電接合部材56と同一材料で形成されてもよいし、第1導電接合部材55及び第3導電接合部材56とは異なる材料で形成されてもよい。第1導電接合部材55、第2導電接合部材57及び第3導電接合部材56は、例えば、鉛フリーはんだのようなはんだ、銀(Ag)、銅(Cu)または銅スズ(CuSn)合金で形成されている。第1導電接合部材55、第2導電接合部材57及び第3導電接合部材56は、250℃以上の融点を有している。第1導電接合部材55、第2導電接合部材57及び第3導電接合部材56は、300℃以上の融点を有してもよい。
The second conductive joining
特定的には、第1導電接合部材55は、Snを主成分として含む第1はんだである。第1はんだは、Snよりも高い0.2%耐力を有している。第1はんだは、例えば、Sn-Cu系はんだ、または、Sn-Sb系はんだである。第2導電接合部材57は、Snを主成分として含む第2はんだである。第2はんだは、Snよりも高い熱伝導率を有している。第2はんだは、例えば、Sn-Au系はんだ、または、Sn-Ag系はんだである。第3導電接合部材56は、Snを主成分として含む第3はんだで形成されている。第3はんだは、Snよりも高い0.2%耐力を有している。第3はんだは、例えば、Sn-Cu系はんだ、または、Sn-Sb系はんだである。第1導電接合部材55及び第3導電接合部材56は、第2導電接合部材57よりも高い0.2%耐力を有している。第2導電接合部材57は、第1導電接合部材55及び第3導電接合部材56よりも、高い熱伝導率を有している。
Specifically, the first conductive joining
第1導電接合部材55、第2導電接合部材57及び第3導電接合部材56は、銀微粒子焼結体、銅微粒子焼結体もしくはCuSn微粒子焼結体のような金属微粒子焼結体で形成されてもよい。金属微粒子焼結体は、金属微粒子が微粒子を構成する金属の融点よりも低い温度で焼結する現象を利用して、金属微粒子が分散されたペーストを焼結することによって得られる。こうして得られた金属微粒子焼結体は、微粒子を構成する金属の融点を有しており、はんだに比べて高い融点を有している。金属微粒子焼結体は、第1パワー半導体素子20及び第2パワー半導体素子25が高温でも正常に動作することを可能にする。金属微粒子焼結体は、パワー半導体装置1の信頼性を向上させるとともに、パワー半導体装置1の小型化を可能にする。
The first conductive joining
端子台40は、例えば、ポリフェニレンサルファイド(PPS)または液晶ポリマー(LCP)のような、耐熱性を有する絶縁樹脂で形成されている。端子台40の熱伝導率は、引き出し配線41の熱伝導率よりも小さく、かつ、板状端子50の熱伝導率よりも小さい。端子台40の熱伝導率は、第1パワー半導体素子20の熱伝導率より小さく、かつ、第2パワー半導体素子25の熱伝導率より小さい。端子台40の熱伝導率は、例えば、1.0W/mK以下である。引き出し配線41の一部は、端子台40に埋め込まれている。引き出し配線41の残部は、端子台40から露出している。板状端子50の第2端子部分52は、第2導電接合部材57を用いて、端子台40から露出した引き出し配線41の部分に接合されている。
The
引き出し配線41gは、引き出し配線41と同様に構成されている。引き出し配線41gは、第2方向(y方向)に延在しており、引き出し配線41gの長手方向は、第2方向(y方向)である。引き出し配線41gの一部は、端子台40に埋め込まれている。引き出し配線41gの残部は、端子台40から露出している。引き出し配線41gは、端子台40を構成する絶縁樹脂によって、引き出し配線41から電気的に絶縁されている。
The lead-
板状端子50gは、板状端子50と同様に構成されている。板状端子50gは、主に、引き出し配線41gと交差する第1方向(x方向)に延在しており、板状端子50gの長手方向は、第1方向(x方向)である。板状端子50gの一端は、導電接合部材(図示せず)を介して、端子台40から露出している引き出し配線41gの部分に接続されている。板状端子50gの他端は、導電接合部材(図示せず)を介して、基板10のおもて面導体層12に接続されている。
The plate-like terminal 50 g is configured in the same manner as the plate-
ヒートシンク30は、第1パワー半導体素子20及び第2パワー半導体素子25で発生した熱を、パワー半導体装置1の外部へ放散する。ヒートシンク30は、例えば、銅(Cu)またはアルミニウム(Al)のような高い熱伝導率を有する材料で形成されている。パワー半導体装置1を自動車に適用する場合、自動車の軽量化及び燃費向上のために、ヒートシンク30は、好ましくは、Alで形成されている。
The
ヒートシンク30は、天板31と、複数の放熱フィン32と、ジャケット33とを含んでいる。天板31とジャケット33との間には、冷媒37の流路36が形成されている。複数の放熱フィン32は、流路36の一部を規定する天板31の裏面に取り付けられており、流路36内に配置されている。天板31及びジャケット33には、流路36の入口34と出口35とが設けられている。冷媒37は、例えば、水である。冷媒37は、ラジエータ(図示せず)から流路36の入口34に流れる。冷媒37は、流路36を流れて、流路36の出口35からラジエータに流れる。冷媒37は、ラジエータ及びヒートシンク30を循環している。
The
冷媒37がヒートシンク30から漏れ出すことを防ぐために、天板31は、ジャケット33に、液密に取り付けられている。第一の例では、天板31とジャケット33との間にゴム製のOリングを介在させて、天板31とジャケット33とを互いにねじで固定してもよい。第二の例では、天板31とジャケット33との間にシール材を塗布して、天板31とジャケット33とを互いにねじで固定してもよい。第三の例では、天板31とジャケット33とを互いにロウ付けしてもよい。第四の例では、天板31とジャケット33とを互いに摩擦撹拌接合してもよい。
In order to prevent
基板10は、ヒートシンク30に取り付けられている。具体的には、基板10の裏面導体層13は、接合部材14を用いて、ヒートシンク30の天板31に取り付けられている。接合部材14は、例えば、アルミニウム珪素(AlSi)ロウ材、または、Snを主成分として含むはんだである。接合部材14としてSn系はんだを用い、かつ、ヒートシンク30がAlで形成されている場合には、Sn系はんだと合金を形成し得るめっき層(例えば、Niめっき層またはSnめっき層)をヒートシンク30に予め施してもよい。このめっき層は、Sn系はんだと合金化しやすいため、Sn系はんだとAl製のヒートシンク30とを接合し容易にする。このめっき層は、例えば、2μm以上10μm以下の厚さを有しており、良好なはんだ濡れ性と高い接合信頼性とを実現する。
例えば、ヒートシンク30がAl製である場合、ヒートシンク30の線膨張係数は、Alの線膨張係数(23ppm/K)で与えられる。基板10が、0.32mmの厚さを有するSi3N4で形成されている絶縁層11と、0.50mmの厚さを有するCu板で形成されているおもて面導体層12と、0.50mmの厚さを有するCu板で形成されている裏面導体層13とで構成されている場合、基板10の線膨張係数は約7ppm/K以上約8ppm/K以下となる。そのため、基板10とヒートシンク30との間の線膨張係数差が大きくなる。基板10とヒートシンク30との間の線膨張係数差が大きい場合には、接合部材14として、0.2%耐力が大きい接合部材を用いることが好ましい。0.2%耐力が大きい接合部材は、接合部材14のき裂進展速度(負荷1サイクルあたりのき裂進展量)を小さくすることができる。For example, when the
端子台40は、ヒートシンク30に取り付けられている。具体的には、端子台40は、シリコーン系接着剤またはねじを用いて、ヒートシンク30の天板31に取り付けられている。
図2から図6を参照して、本実施の形態のパワー半導体装置1の製造方法を説明する。
図2に示されるように、本実施の形態のパワー半導体装置1の製造方法は、基板10上に第1パワー半導体素子20及び第2パワー半導体素子25を接合すること(S1)を備える。具体的には、導電接合部材23を用いて、第1パワー半導体素子20の第1裏面電極22を基板10のおもて面導体層12に接合する。導電接合部材28を用いて、第2パワー半導体素子25の第2裏面電極27を基板10のおもて面導体層12に接合する。A method for manufacturing the
As shown in FIG. 2, the method for manufacturing the
図2に示されるように、本実施の形態のパワー半導体装置1の製造方法は、端子台40をヒートシンク30に取り付けること(S2)を備える。具体的には、例えば、シリコーン系接着剤またはねじを用いて、端子台40をヒートシンク30の天板31に取り付ける。引き出し配線41,41gの一部は、端子台40に埋め込まれている。引き出し配線41,41gの残部は、端子台40から露出している。
As shown in FIG. 2, the method for manufacturing
図2に示されるように、本実施の形態のパワー半導体装置1の製造方法は、基板10をヒートシンク30に接合すること(S3)を備える。具体的には、接合部材14を用いて、基板10の裏面導体層13をヒートシンク30に取り付ける。接合部材14は、例えば、アルミ珪素(AlSi)ロウ材、または、Snを主成分として含むはんだである。
As shown in FIG. 2, the method for manufacturing
図2に示されるように、本実施の形態のパワー半導体装置1の製造方法は、板状端子50を、第1パワー半導体素子20、第2パワー半導体素子25及び引き出し配線41に接合すること(S4)を備える。
As shown in FIG. 2, in the method of manufacturing the
具体的には、図3に示されるように、第1導電接合部材55、第2導電接合部材57、第3導電接合部材56を、それぞれ、第1パワー半導体素子20の第1おもて面電極21上、端子台40から露出している引き出し配線41の部分上、第2パワー半導体素子25の第2おもて面電極26上に載置する(S41)。第1導電接合部材55、第2導電接合部材57及び第3導電接合部材56は、棒はんだ、板はんだまたはシートはんだのようなバルクはんだ材を用いてもよい。バルクはんだ材を用いることにより、はんだの量を正確に調整することができる。バルクはんだ材はフラックスレスはんだ材であってもよい。フラックスレスはんだ材を用いることにより、はんだ付け後のフラックス残渣の洗浄工程が不要になる。
Specifically, as shown in FIG. 3, the first conductive joining
それから、第1導電接合部材55、第2導電接合部材57及び第3導電接合部材56上に、板状端子50を載置する(S42)。
Then, the plate-
具体的には、板状端子50は、第1端子部分51と、第2端子部分52とを含む。板状端子50は、第1端子部分51と第2端子部分52とを接続する第3端子部分53をさらに含んでもよい。第1端子部分51は、第2端子部分52よりも薄い。第3端子部分53は、第2端子部分52よりも薄い。板状端子50は、例えば、以下の工程によって得られる。均一の厚さを有する導電金属板を準備する。導電金属板のうち、第1端子部分51及び第3端子部分53に相当する部分を選択的にエッチングする。それから、導電金属板をプレス加工する。こうして、第1端子部分51、第2端子部分52及び第3端子部分53を含む板状端子50が得られる。
Specifically, the plate-shaped
第1端子部分51は、第1導電接合部材55及び第3導電接合部材56上に載置される。第2端子部分52は、第2導電接合部材57上に載置される。第1パワー半導体素子20と第1端子部分51との間の第1の線膨張係数の差は、引き出し配線41と第2端子部分52との間の第2の線膨張係数の差よりも大きい。第2パワー半導体素子25と第1端子部分51との間の第3の線膨張係数の差は、引き出し配線41と第2端子部分52との間の第2の線膨張係数の差よりも大きい。
The first
それから、第1導電接合部材55、第2導電接合部材57及び第3導電接合部材56を加熱する(S43)。第1端子部分51を加熱することによって、第1導電接合部材55及び第3導電接合部材56が加熱され、かつ、第2端子部分52を加熱することによって、第2導電接合部材57が加熱されてもよい。特定的には、第1導電接合部材55及び第3導電接合部材56(または第1端子部分51)を加熱しながら、第2導電接合部材57(または第2端子部分52)を加熱する。さらに特定的には、第1端子部分51の第1温度と第2端子部分52の第2温度とを互いに独立して測定しながら、第1導電接合部材55及び第3導電接合部材56(または第1端子部分51)の加熱を、第2導電接合部材57(または第2端子部分52)の加熱とは独立して行う。
Then, the first conductive
第1導電接合部材55、第2導電接合部材57及び第3導電接合部材56は、例えば、鉛フリーはんだである。具体的には、第1導電接合部材55は、Snを主成分として含む第1はんだである。第1はんだは、Snよりも高い0.2%耐力を有している。第1はんだは、例えば、Sn-Cu系はんだ、または、Sn-Sb系はんだである。第2導電接合部材57は、Snを主成分として含む第2はんだである。第2はんだは、Snよりも高い熱伝導率を有している。第2はんだは、例えば、Sn-Au系はんだ、または、Sn-Ag系はんだである。第3導電接合部材56は、Snを主成分として含む第3はんだである。第3はんだは、Snよりも高い0.2%耐力を有している。第3はんだは、例えば、Sn-Cu系はんだ、または、Sn-Sb系はんだである。第1導電接合部材55及び第3導電接合部材56は、各々、第2導電接合部材57よりも高い0.2%耐力を有している。第2導電接合部材57は、第1導電接合部材55及び第3導電接合部材56の各々よりも、高い熱伝導率を有している。
The first conductive
第1導電接合部材55、第2導電接合部材57及び第3導電接合部材56が鉛フリーはんだのようなはんだである場合、第1導電接合部材55、第2導電接合部材57及び第3導電接合部材56は、例えば、ハロゲンランプのような赤外線光源から放射される赤外線を用いる輻射熱方式(図4及び図5を参照)、または、ヒートブロックを用いる伝熱方式(図5及び図6を参照)によって、加熱される。板状端子50の放射率が0.3以上であるとき、輻射熱方式(図4及び図5を参照)によって、第1導電接合部材55、第2導電接合部材57及び第3導電接合部材56(第1端子部分51及び第2端子部分52)を加熱する。板状端子50の放射率が0.3未満であるとき、伝熱方式(図5及び図6を参照)によって、第1導電接合部材55、第2導電接合部材57及び第3導電接合部材56(第1端子部分51及び第2端子部分52)を加熱する。
When the first conductive joining
第一の例では、第1導電接合部材55、第2導電接合部材57及び第3導電接合部材56は、図4及び図5に示される第1加熱装置60を用いて、加熱される。第1加熱装置60は、第1熱源61と、第2熱源62と、第1温度センサ63と、第2温度センサ64と、制御部65とを含む。
In a first example, the first conductive joining
第1熱源61は、例えば、第1の赤外線ヒータである。第2熱源62は、例えば、第2の赤外線ヒータである。第1熱源61は、板状端子50の第1端子部分51を加熱して、第1導電接合部材55及び第3導電接合部材56を加熱する。第2熱源62は、板状端子50の第2端子部分52を加熱して、第2導電接合部材57を加熱する。
The
第1温度センサ63は、第1の放射温度計である。第2温度センサ64は、第2の放射温度計である。第1温度センサ63は、板状端子50から離間している。第1温度センサ63は、板状端子50の第1端子部分51の第1温度を測定する。第1温度センサ63は、間接的に、第1導電接合部材55の温度と第3導電接合部材56の温度とを測定する。第2温度センサ64は、板状端子50から離間している。第2温度センサ64は、板状端子50の第2端子部分52の第2温度を測定する。第2温度センサ64は、間接的に、第2導電接合部材57の温度を測定する。板状端子50の放射率は0.3以上であるため、第1の放射温度計及び第2の放射温度計を用いて、第1端子部分51の第1温度及び第2端子部分52の第2温度を正確に測定することができる。
The
制御部65は、第1熱源61と、第2熱源62と、第1温度センサ63と、第2温度センサ64とに通信可能に接続されている。制御部65は、第1温度センサ63を用いて測定される第1端子部分51の第1温度に基づいて、第1熱源61を制御する。制御部65は、第2温度センサ64を用いて測定される第2端子部分52の第2温度に基づいて、第2熱源62を制御する。
The
第1端子部分51を第1おもて面電極21に接合する際、第1熱源61を用いて第1端子部分51が加熱されて、第1端子部分51に接触する第1導電接合部材55及び第3導電接合部材56が加熱される。第1熱源61は、第1温度センサ63を用いて測定される第1端子部分51の第1温度に基づいて制御される。第2端子部分52を引き出し配線41に接合する際、第2熱源62を用いて第2端子部分52が加熱されて、第2端子部分52に接触する第2導電接合部材57が加熱される。第2熱源62は、第2温度センサ64を用いて測定される第2端子部分52の第2温度に基づいて制御される。
When the first
第二の例では、第1導電接合部材55、第2導電接合部材57及び第3導電接合部材56は、図5及び図6に示される第2加熱装置60bを用いて、加熱される。第2加熱装置60bは、第1熱源61bと、第2熱源62bと、第1温度センサ63bと、第2温度センサ64bと、制御部65とを含む。
In a second example, the first conductive joining
第1熱源61bは、例えば、第1のヒートブロックである。第2熱源62bは、例えば、第2のヒートブロックである。第1熱源61bは、板状端子50の第1端子部分51を加熱して、第1導電接合部材55及び第3導電接合部材56を加熱する。第2熱源62bは、板状端子50の第2端子部分52を加熱して、第2導電接合部材57を加熱する。
The
第1温度センサ63bは、第1の接触式温度計である。第2温度センサ64bは、第2の接触式温度計である。第1温度センサ63bは、板状端子50の第1端子部分51に接触して第1端子部分51の第1温度を測定する。第1温度センサ63bは、間接的に、第1導電接合部材55の温度と第3導電接合部材56の温度とを測定する。第2温度センサ64bは、板状端子50の第2端子部分52に接触して、第2端子部分52の第2温度を測定する。第2温度センサ64bは、間接的に、第2導電接合部材57の温度を測定する。第1の接触式温度計は第1端子部分51に接触し、第2の接触式温度計は第2端子部分52に接触するため、板状端子50の放射率が0.3未満であっても、第1の接触式温度計及び第2の接触式温度計を用いて、第1端子部分51の第1温度及び第2端子部分52の第2温度を正確に測定することができる。
The
制御部65は、第1熱源61bと、第2熱源62bと、第1温度センサ63bと、第2温度センサ64bとに通信可能に接続されている。制御部65は、第1温度センサ63bを用いて測定される第1端子部分51の第1温度に基づいて、第1熱源61bを制御する。制御部65は、第2温度センサ64bを用いて測定される第2端子部分52の第2温度に基づいて、第2熱源62bを制御する。
The
第1端子部分51を第1おもて面電極21に接合する際、第1熱源61bを用いて第1端子部分51が加熱されて、第1端子部分51に接触する第1導電接合部材55及び第3導電接合部材56が加熱される。第1熱源61bは、第1温度センサ63bを用いて測定される第1端子部分51の第1温度に基づいて制御される。第2端子部分52を引き出し配線41に接合する際、第2熱源62bを用いて第2端子部分52が加熱されて、第2端子部分52に接触する第2導電接合部材57が加熱される。第2熱源62bは、第2温度センサ64bを用いて測定される第2端子部分52の第2温度に基づいて制御される。
When the first
それから、第1導電接合部材55、第2導電接合部材57及び第3導電接合部材56を冷却する(S44)。第1端子部分51が、第1導電接合部材55及び第3導電接合部材56を用いて、第1おもて面電極21及び第2おもて面電極26に接合されながら、第2端子部分52が第2導電接合部材57を用いて引き出し配線41に接合される。こうして、板状端子50は、第1パワー半導体素子20の第1おもて面電極21と第2パワー半導体素子25の第2おもて面電極26と引き出し配線41とに接合される。
Then, the first conductive
なお、板状端子50を、第1パワー半導体素子20、第2パワー半導体素子25及び引き出し配線41に接合する際(S4)、板状端子50gは、おもて面導体層12及び引き出し配線41gに接合される。板状端子50gをおもて面導体層12及び引き出し配線41gに接合する方法は、板状端子50を、第1パワー半導体素子20、第2パワー半導体素子25及び引き出し配線41に接合する方法と同様である。
Note that when the plate-
本実施の形態の作用を説明する。
本実施の形態では、第1パワー半導体素子20と第1端子部分51との間の第1の線膨張係数差は、引き出し配線41と第2端子部分52との間の第2の線膨張係数差よりも大きい。第2パワー半導体素子25と第1端子部分51との間の第3の線膨張係数差は、引き出し配線41と第2端子部分52との間の第2の線膨張係数差よりも大きい。例えば、第1パワー半導体素子20及び第2パワー半導体素子25が主にSi(線膨張係数2.5ppm/K)で形成されており、かつ、板状端子50及び引き出し配線41がCu(線膨張係数16.8ppm/K)で形成されている場合、第1の線膨張係数差及び第3の線膨張係数差は各々14.3ppm/Kであるのに対し、第2の線膨張係数差はゼロである。そのため、第1導電接合部材55に印加される熱応力は、第2導電接合部材57に印加される熱応力よりも大きい。第3導電接合部材56に印加される熱応力は、第2導電接合部材57に印加される熱応力よりも大きい。パワー半導体装置1の使用中に、第1導電接合部材55及び第3導電接合部材56に繰り返し大きな熱応力が印加される。The operation of this embodiment will be described.
In the present embodiment, the first linear expansion coefficient difference between the first
この熱応力は、第1導電接合部材55及び第3導電接合部材56に、き裂を発生及び進展させ、第1導電接合部材55の断面積と第3導電接合部材56の断面積とを減少させる。本明細書では、導電接合部材の断面積は、基板10の主面10aに平行な断面における導電接合部材の面積を意味する。第1導電接合部材55の断面積及び第3導電接合部材56の断面積の減少により、第1導電接合部材55の電気抵抗及び第3導電接合部材56の電気抵抗が増加して、第1導電接合部材55及び第3導電接合部材56で発生するジュール熱が増加する。第1導電接合部材55及び第3導電接合部材56に印加される熱応力がさらに増加する。第1導電接合部材55及び第3導電接合部材56においてき裂がさらに進展して、第1導電接合部材55及び第3導電接合部材56が完全に裂けることがある。第1導電接合部材55及び第3導電接合部材56が完全に裂けると、第1パワー半導体素子20の第1おもて面電極21と引き出し配線41との間に高い電位差が発生して、第1おもて面電極21と引き出し配線41との間にアーク放電が発生する。第2パワー半導体素子25の第2おもて面電極26と引き出し配線41との間に高い電位差が発生して、第2おもて面電極26と引き出し配線41との間にアーク放電が発生する。パワー半導体装置1が故障する。
This thermal stress causes cracks to occur and propagate in the first conductive
しかし、第1端子部分51は、第2端子部分52よりも薄い。そのため、第1導電接合部材55及び第3導電接合部材56に印加される熱応力を小さくすることができる。第1導電接合部材55及び第3導電接合部材56にき裂が発生すること、及び、第1おもて面電極21及び第2おもて面電極26から第1端子部分51がはく離することが防止される。
However, the first
また、第1パワー半導体素子20及び第2パワー半導体素子25で発生した熱が、板状端子50を介して、第2導電接合部材57に伝わる。そのため、第2導電接合部材57の温度が上昇する。加えて、第2導電接合部材57は、引き出し配線41に接触しており、引き出し配線41の一部は絶縁樹脂製の端子台40に埋め込まれている。そのため、第2導電接合部材57の温度は上昇しやすい。第2導電接合部材57の温度が上昇すると、第2導電接合部材57が劣化する。例えば、第2導電接合部材57の温度が上昇すると、第2導電接合部材57に含まれる結晶粒が大きくなって、第2導電接合部材57が金属疲労を起こすことがある。本実施の形態では、第2端子部分52は、第1端子部分51よりも厚い。第2端子部分52は、第1端子部分51よりも大きな熱容量を有する。そのため、第2導電接合部材57の温度上昇を低減することができる。第2導電接合部材57の劣化が低減される。
Also, the heat generated by the first
本実施の形態のパワー半導体装置1及びその製造方法の効果を説明する。
本実施の形態のパワー半導体装置1は、基板10と、第1パワー半導体素子20と、引き出し配線41と、板状端子50とを備える。第1パワー半導体素子20は、基板10に接合されている第1裏面電極22と、第1裏面電極22とは反対側の第1おもて面電極21とを含む。板状端子50は、第1端子部分51と、第2端子部分52とを含む。第1端子部分51は、第1導電接合部材55を用いて第1おもて面電極21に接合されている。第2端子部分52は、第2導電接合部材57を用いて引き出し配線41に接合されている。第1パワー半導体素子20と第1端子部分51との間の第1の線膨張係数差は、引き出し配線41と第2端子部分52との間の第2の線膨張係数差よりも大きい。第1端子部分51は、第2端子部分52よりも薄い。Effects of the
A
第1パワー半導体素子20と第1端子部分51との間の第1の線膨張係数差は、引き出し配線41と第2端子部分52との間の第2の線膨張係数差よりも大きい。そのため、第1導電接合部材55に印加される熱応力は、第2導電接合部材57に印加される熱応力よりも大きい。しかし、第1端子部分51は、第2端子部分52よりも薄い。そのため、第1導電接合部材55に印加される熱応力を小さくすることができる。第1導電接合部材55にき裂が発生すること、及び、第1端子部分51が第1おもて面電極21からはく離することが防止される。さらに、第2端子部分52は、第1端子部分51よりも厚い。第2端子部分52は、第1端子部分51よりも大きな熱容量を有する。そのため、第2導電接合部材57の温度上昇が低減されて、第2導電接合部材57の劣化が低減される。パワー半導体装置1の信頼性が向上され得る。
A first linear expansion coefficient difference between the first
第2端子部分52の第2厚さt2に対する第1端子部分51の第1厚さt1の比は、0.10以上0.75以下である。この比が0.75以下であるため、第1導電接合部材55に印加される熱応力を小さくすることができる。この比が0.10以上であるため、第1端子部分51の電気抵抗に起因する第1端子部分51の発熱が低減され得る。第1導電接合部材55の温度上昇を低減することができて、第1導電接合部材55の劣化が低減される。パワー半導体装置1の信頼性が向上され得る。A ratio of the first thickness t 1 of the first
本実施の形態のパワー半導体装置1では、第1端子部分51の第1厚さt1は、0.15mm以上0.60mm以下である。第2端子部分52の第2厚さt2は、0.80mm以上1.50mm以下である。In
第1端子部分51の第1厚さt1が0.60mm以下であるため、第1導電接合部材55に印加される熱応力を小さくすることができる。第1導電接合部材55にき裂が発生すること、及び、第1端子部分51が第1おもて面電極21からはく離することが防止される。第1端子部分51の第1厚さt1が0.15mm以上であるため、第1端子部分51の電気抵抗に起因する第1端子部分51の発熱が低減され得る。第1導電接合部材55の温度上昇を低減することができて、第1導電接合部材55の劣化が低減される。第2端子部分52の第2厚さt2が0.80mm以上であるため、第2導電接合部材57の温度上昇を低減することができて、第2導電接合部材57の劣化が低減される。第2端子部分52の第2厚さt2が1.50mm以下であるため、第2端子部分52から第2導電接合部材57に印加される機械的歪が低減され得る。パワー半導体装置1の信頼性が向上され得る。Since the first thickness t 1 of the first
本実施の形態のパワー半導体装置1では、第1導電接合部材55は、金属微粒子焼結体で形成されている。一般に、金属微粒子焼結体は、微粒子を構成する金属が有する高い融点を有している。そのため、第1パワー半導体素子20が高温で動作しても、第1導電接合部材55の劣化が低減される。パワー半導体装置1の信頼性が向上され得る。
In the
本実施の形態のパワー半導体装置1では、第1導電接合部材55は、Snを主成分として含む第1はんだである。第1はんだは、Snよりも高い0.2%耐力を有している。第2導電接合部材57は、Snを主成分として含む第2はんだである。第2はんだは、Snよりも高い熱伝導率を有している。
In
第1導電接合部材55は、第2導電接合部材57よりも、高い0.2%耐力を有している。そのため、第1導電接合部材55にき裂が発生すること、及び、第1端子部分51が第1おもて面電極21からはく離することが防止される。第2導電接合部材57は、第1導電接合部材55よりも高い熱伝導率を有している。そのため、第2導電接合部材57の温度上昇を低減することができて、第2導電接合部材57の劣化が低減される。パワー半導体装置1の信頼性が向上され得る。
The first conductive
さらに、第1導電接合部材55と第2導電接合部材57とは、Snを主成分として含むはんだである点で共通している。そのため、第1導電接合部材55を用いた第1端子部分51と第1おもて面電極21との接合と、第2導電接合部材57を用いた第2端子部分52と引き出し配線41との接合とは、同一の工程で形成され得る。パワー半導体装置1は、パワー半導体装置1の生産性の向上が可能な構成を備えている。
Furthermore, the first conductive
本実施の形態のパワー半導体装置1では、引き出し配線41は、第1端子部分51と第2端子部分52とを接続する第3端子部分53をさらに含む。第3端子部分53は、第1裏面電極22と第1おもて面電極21とが互いに離間している第1パワー半導体素子20の厚さ方向(第3方向(z方向))に沿って延在している。
In
そのため、第1パワー半導体素子20の厚さ方向(第3方向(z方向))における、第1おもて面電極21の高さが引き出し配線41の高さと異なることに起因して板状端子50から第1導電接合部材55及び第2導電接合部材57に印加される機械的応力が、低減される。第1導電接合部材55及び第2導電接合部材57にき裂が発生すること、第1端子部分51が第1おもて面電極21からはく離すること、及び、第2端子部分52が引き出し配線41からはく離することが防止される。パワー半導体装置1の信頼性が向上され得る。
Therefore, the height of the first
本実施の形態のパワー半導体装置1は、絶縁樹脂製の端子台40をさらに備える。引き出し配線41の一部は端子台40に埋め込まれている。第2端子部分52は、第2導電接合部材57を用いて、端子台40から露出している引き出し配線41の部分に接合されている。端子台40の熱伝導率は、引き出し配線41の熱伝導率よりも小さく、かつ、板状端子50の熱伝導率よりも小さい。
The
引き出し配線41の一部が相対的に低い熱伝導率を有する端子台40に埋め込まれている。そのため、引き出し配線41に接合されている第2導電接合部材57の温度は上昇しやすい。しかし、第2端子部分52は第1端子部分51よりも厚い。そのため、第2導電接合部材57の温度上昇を低減することができて、第2導電接合部材57の劣化が低減される。パワー半導体装置1の信頼性が向上され得る。
A portion of the
本実施の形態のパワー半導体装置1は、第2パワー半導体素子25をさらに備える。第2パワー半導体素子25は、基板10に接合されている第2裏面電極27と、第2裏面電極27とは反対側の第2おもて面電極26とを含む。第1端子部分51は、第3導電接合部材56を用いて第2おもて面電極26に接合されている。第2パワー半導体素子25と第1端子部分51との間の第3の線膨張係数差は、引き出し配線41と第2端子部分52との間の第2の線膨張係数差よりも大きい。
第2パワー半導体素子25と第1端子部分51との間の第3の線膨張係数差は、引き出し配線41と第2端子部分52との間の第2の線膨張係数差よりも大きい。そのため、第3導電接合部材56に印加される熱応力は、第2導電接合部材57に印加される熱応力よりも大きい。しかし、第1端子部分51は、第2端子部分52よりも薄い。そのため、第3導電接合部材56に印加される熱応力を小さくすることができる。第3導電接合部材56にき裂が発生すること、及び、第1端子部分51が第2おもて面電極26からはく離することが防止される。パワー半導体装置1の信頼性が向上され得る。
A third linear expansion coefficient difference between the second
さらに、第1パワー半導体素子20と第2パワー半導体素子25とは、ともに、一つの板状端子50に接合されている。そのため、配線インダクタンスを小さくすることができて、第1パワー半導体素子20及び第2パワー半導体素子25に印加されるサージ電圧を小さくすることができる。また、板状端子50と第1パワー半導体素子20との接合と、板状端子50と第2パワー半導体素子25との接合とを、一回の工程で行うことができる。パワー半導体装置1は、パワー半導体装置1の生産性を向上させることが可能な構造を有している。
Furthermore, both the first
本実施の形態のパワー半導体装置1の製造方法は、第1パワー半導体素子20の第1裏面電極22を基板10に接合すること(S1)と、板状端子50を、第1裏面電極22とは反対側の第1パワー半導体素子20の第1おもて面電極21と引き出し配線41とに接合すること(S4)とを備える。板状端子50は、第1端子部分51と、第2端子部分52とを含む。第1パワー半導体素子20と第1端子部分51との間の第1の線膨張係数の差は、引き出し配線41と第2端子部分52との間の第2の線膨張係数の差よりも大きい。第1端子部分51は、第2端子部分52よりも薄い。
The method for manufacturing the
第1端子部分51が第1導電接合部材55を用いて第1おもて面電極21に接合されながら、第2端子部分52は第2導電接合部材57を用いて引き出し配線41に接合される。第1端子部分51を第1おもて面電極21に接合する際、第1導電接合部材55は第1熱源61,61bを用いて加熱される。第1熱源61,61bは、第1温度センサ63,63bを用いて測定される第1端子部分51の第1温度に基づいて制御される。第2端子部分52を引き出し配線41に接合する際、第2導電接合部材57は第2熱源62,62bを用いて加熱される。第2熱源62,62bは、第2温度センサ64,64bを用いて測定される第2端子部分52の第2温度に基づいて制御される。
While the first
第1パワー半導体素子20と第1端子部分51との間の第1の線膨張係数差は、引き出し配線41と第2端子部分52との間の第2の線膨張係数差よりも大きい。そのため、第1導電接合部材55に印加される熱応力は、第2導電接合部材57に印加される熱応力よりも大きい。しかし、第1端子部分51は、第2端子部分52よりも薄い。そのため、第1導電接合部材55に印加される熱応力を小さくすることができる。第1導電接合部材55にき裂が発生すること、及び、第1端子部分51が第1おもて面電極21からはく離することが防止される。さらに、第2端子部分52は、第1端子部分51よりも厚い。第2端子部分52は、第1端子部分51よりも大きな熱容量を有する。そのため、第2導電接合部材57の温度上昇を低減することができて、第2導電接合部材57の劣化が低減される。本実施の形態のパワー半導体装置1の製造方法によれば、信頼性が向上されたパワー半導体装置1を得ることができる。
A first linear expansion coefficient difference between the first
第2端子部分52は、第1端子部分51よりも厚い。第2端子部分52の第2熱容量は、第1端子部分51の第1熱容量よりも大きい。第1端子部分51及び第2端子部分52を加熱したときに、第2端子部分52は、第1端子部分51よりも温度が上昇しにくい。そのため、第2導電接合部材57を用いた引き出し配線41と第2端子部分52との接合が不良になることがある。しかし、本実施の形態のパワー半導体装置1の製造方法では、第1端子部分51に接触する第1導電接合部材55は第1熱源61,61bを用いて加熱されており、第2端子部分52に接触する第2導電接合部材57は、第1熱源61,61bとは別の第2熱源62,62bを用いて加熱されている。さらに、第1熱源61,61bは、第1温度センサ63,63bを用いて測定される第1端子部分51の第1温度に基づいて制御されるのに対し、第2熱源62,62bは、第1温度センサ63,63bとは別の第2温度センサ64,64bを用いて測定される第2端子部分52の第2温度に基づいて制御される。
The
このように、本実施の形態のパワー半導体装置1の製造方法では、第2端子部分52の第2温度は、第1端子部分51の第1温度とは独立して測定され、かつ、第2端子部分52は第1端子部分51とは独立して加熱されている。そのため、第2端子部分52が第1端子部分51よりも厚くても、第1端子部分51に接触する第1導電接合部材55と第2端子部分52に接触する第2導電接合部材57とは適切に加熱され得る。第1おもて面電極21と第1端子部分51とは第1導電接合部材55を用いて互いに良好に接合され、かつ、引き出し配線41と第2端子部分52とは第2導電接合部材57を用いて互いに良好に接合される。本実施の形態のパワー半導体装置1の製造方法によれば、信頼性が向上されたパワー半導体装置1を得ることができる。
Thus, in the method for manufacturing
本実施の形態のパワー半導体装置1の製造方法では、第1導電接合部材55は、Snを主成分として含む第1はんだである。第1はんだはSnよりも高い0.2%耐力を有している。第2導電接合部材57は、Snを主成分として含む第2はんだである。第2はんだはSnよりも高い熱伝導率を有している。
In the method of manufacturing the
第1導電接合部材55は、第2導電接合部材57よりも高い0.2%耐力を有している。そのため、第1導電接合部材55にき裂が発生すること、及び、第1端子部分51が第1おもて面電極21からはく離することが防止される。また、第2導電接合部材57は、第1導電接合部材55よりも高い熱伝導率を有している。そのため、第2導電接合部材57の温度上昇を低減することができて、第2導電接合部材57の劣化が低減される。本実施の形態のパワー半導体装置1の製造方法によれば、信頼性が向上されたパワー半導体装置1を得ることができる。
The first conductive
さらに、第1導電接合部材55と第2導電接合部材57とは、Snを主成分として含むはんだである点で共通している。そのため、第1導電接合部材55を用いた第1端子部分51と第1おもて面電極21との接合と、第2導電接合部材57を用いた第2端子部分52と引き出し配線41との接合とは、同一の工程で形成され得る。本実施の形態のパワー半導体装置1の製造方法によれば、向上された生産性でパワー半導体装置1を得ることができる。
Furthermore, the first conductive
実施の形態2.
図7を参照して、実施の形態2のパワー半導体装置1bを説明する。本実施の形態のパワー半導体装置1bは、実施の形態1のパワー半導体装置1と同様の構成を備えるが、以下の点で主に異なる。Embodiment 2.
A
第2端子部分52bは、板状端子50bを構成する導電金属板の折り畳み部である。第2端子部分52bは、例えば、均一な厚さを有する導電金属板を一回以上折り畳むことによって形成されている。第2端子部分52bは、均一な厚さを有する導電金属板を二回以上折り畳むことによって形成されてもよい。
The second
本実施の形態のパワー半導体装置1bの製造方法は、実施の形態1のパワー半導体装置1の製造方法と同様の工程を備えているが、板状端子50bの製造工程の点で異なる。本実施の形態では、板状端子50bは、例えば、以下の工程によって得られる。均一の厚さを有する導電金属板を準備する。導電金属板をプレス加工して、第1端子部分51、第2端子部分52b及び第3端子部分53を含む板状端子50bが得られる。第2端子部分52bは、導電金属板を一回以上折り畳むことによって形成される。
The method of manufacturing the
本実施の形態のパワー半導体装置1b及びその製造方法は、実施の形態1のパワー半導体装置1及びその製造方法の効果に加えて、以下の効果をさらに奏する。
In addition to the effects of the
本実施の形態のパワー半導体装置1b及びその製造方法では、第2端子部分52bは、板状端子50bを構成する導電金属板の折り畳み部である。板状端子50bを構成する導電金属板の厚さを部分的に薄くする工程が不要になる。また、本実施の形態では、板状端子50bを構成する導電金属板として、実施の形態1よりも薄い導電金属板を準備すれば足りる。そのため、板状端子50bのコストが低減される。パワー半導体装置1bのコストが低減され得る。
In the
実施の形態3.
図8を参照して、実施の形態3のパワー半導体装置1cを説明する。本実施の形態のパワー半導体装置1cは、実施の形態1のパワー半導体装置1と同様の構成を備えるが、以下の点で主に異なる。Embodiment 3.
A power semiconductor device 1c according to the third embodiment will be described with reference to FIG. A power semiconductor device 1c of the present embodiment has a configuration similar to that of the
パワー半導体装置1cでは、第3端子部分53にばね部54が設けられている。ばね部54は、板状端子50cを構成する導電金属板を折り曲げることによって形成されている。ばね部54は、例えば、導電金属板をプレス加工することによって得られる。
In the power semiconductor device 1c, a
本実施の形態のパワー半導体装置1cの製造方法は、実施の形態1のパワー半導体装置1の製造方法と同様の工程を備えているが、主に以下の二つの点で異なる。
The method of manufacturing the power semiconductor device 1c of the present embodiment includes the same steps as the method of manufacturing the
第一に、板状端子50cは、以下の工程によって得られる。均一の厚さを有する導電金属板を準備する。導電金属板をプレス加工して、第1端子部分51、第2端子部分52及び第3端子部分53を含む板状端子50cが得られる。第3端子部分53に、ばね部54が形成されている。ばね部54は、導電金属板を折り曲げることによって形成される。
First, the plate-
第二に、板状端子50cを、第1パワー半導体素子20、第2パワー半導体素子25及び引き出し配線41に接合する(S4)際に、板状端子50cが第1おもて面電極21、第2おもて面電極26及び引き出し配線41に対して傾くことがより確実に防止される。
Second, when the plate-
第1端子部分51は、第2端子部分52よりも薄い。そのため、板状端子50cの重心の位置は、第2端子部分52に近位しており、かつ、第1端子部分51から遠位している。すなわち、板状端子50cの重心の位置は、第2導電接合部材57に近位しており、かつ、第1導電接合部材55及び第3導電接合部材56から遠位している。板状端子50cを、第1パワー半導体素子20、第2パワー半導体素子25及び引き出し配線41に接合する(S4)際に、第1導電接合部材55、第2導電接合部材57及び第3導電接合部材56を加熱して、第1導電接合部材55、第2導電接合部材57及び第3導電接合部材56が液相になる。第1導電接合部材55、第2導電接合部材57及び第3導電接合部材56は液相であるとき、板状端子50cの重さのために、第1導電接合部材55の厚さ、第2導電接合部材57の厚さ及び第3導電接合部材56の厚さは変化し得る。
The first
具体的には、板状端子50cの重心に近位する第2導電接合部の厚さが減少する一方で、板状端子50cの重心から遠位する第1導電接合部の厚さと、板状端子50cの重心から遠位する第3導電接合部の厚さとが増加することがある。板状端子50cは、第1おもて面電極21、第2おもて面電極26及び引き出し配線41に対して傾くことがある。
Specifically, while the thickness of the second conductive joint proximate to the center of gravity of the plate-
すると、第1導電接合部材55及び第3導電接合部材56が第1パワー半導体素子20の厚さ方向(第3方向(z方向))に伸びて、第1導電接合部材55の断面積と第3導電接合部材56の断面積とが減少する。第1導電接合部材55及び第3導電接合部材56を冷却した後の第1導電接合部材55の接合強度と第3導電接合部材56の接合強度が不十分となることがある。また、第2導電接合部材57を冷却した後の第2導電接合部材57の厚さが著しく薄くなって、板状端子50cから第2導電接合部材57に大きな機械的歪みが印加されることがある。
Then, the first
しかし、第3端子部分53に形成されたばね部54は、第1端子部分51と第2端子部分52とが互いに独立に第1パワー半導体素子20の厚さ方向(第3方向(z方向))に移動することを可能にする。そのため、板状端子50cの重心の位置が第2端子部分52側に偏っていても、第1導電接合部材55、第2導電接合部材57及び第3導電接合部材56が加熱されて液相になった時に、板状端子50cは、第1おもて面電極21、第2おもて面電極26及び引き出し配線41に対して傾くことが防止される。ばね部54は、第1導電接合部材55の断面積と第3導電接合部材56の断面積とが減少して、第1導電接合部材55の接合強度と第3導電接合部材56の接合強度とが低下することを、確実に防止することができる。ばね部54は、第2導電接合部材57に大きな機械的歪みが印加されることを確実に防止することができる。
However, the
本実施の形態のパワー半導体装置1c及びその製造方法は、実施の形態1のパワー半導体装置1及びその製造方法と同様の効果を奏するが、以下の点で主に異なる。
The power semiconductor device 1c of the present embodiment and its manufacturing method have the same effect as the
本実施の形態のパワー半導体装置及びその製造方法では、第3端子部分53に、板状端子50cを構成する導電金属板を折り曲げることによって形成されているばね部54が設けられている。
In the power semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present embodiment, the third
ばね部54は、第1導電接合部材55の断面積と第3導電接合部材56の断面積とが減少して、第1導電接合部材55の接合強度と第3導電接合部材56の接合強度とが低下することを確実に防止することができる。ばね部54は、第2導電接合部材57に大きな機械的歪みが印加されることを確実に防止することができる。パワー半導体装置1cの信頼性が向上され得る。
In the
今回開示された実施の形態1-3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。矛盾のない限り、今回開示された実施の形態1-3の少なくとも2つを組み合わせてもよい。本開示の範囲は、上記した説明ではなく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を意図される。
1,1b,1c パワー半導体装置、10 基板、10a 主面、11 絶縁層、12 おもて面導体層、13 裏面導体層、14 接合部材、20 第1パワー半導体素子、21 第1おもて面電極、22 第1裏面電極、23,28 導電接合部材、25 第2パワー半導体素子、26 第2おもて面電極、27 第2裏面電極、30 ヒートシンク、31 天板、32 放熱フィン、33 ジャケット、34 入口、35 出口、36 流路、37 冷媒、40 端子台、41,41g 引き出し配線、50,50b,50c,50g 板状端子、51 第1端子部分、52,52b 第2端子部分、53 第3端子部分、54 ばね部、55 第1導電接合部材、56 第3導電接合部材、57 第2導電接合部材、60 第1加熱装置、60b 第2加熱装置、61,61b 第1熱源、62,62b 第2熱源、63,63b 第1温度センサ、64,64b 第2温度センサ、65 制御部。
Claims (15)
前記基板に接合されている第1裏面電極と、前記第1裏面電極とは反対側の第1おもて面電極とを含む第1パワー半導体素子と、
引き出し配線と、
第1端子部分と、第2端子部分とを含む板状端子とを備えるパワー半導体装置であって、
前記第1端子部分は、第1導電接合部材を用いて前記第1おもて面電極に接合されており、
前記第2端子部分は、第2導電接合部材を用いて前記引き出し配線に接合されており、
前記第1パワー半導体素子と前記第1端子部分との間の第1の線膨張係数差は、前記引き出し配線と前記第2端子部分との間の第2の線膨張係数差よりも大きく、
前記第1端子部分は、前記第2端子部分よりも薄い、パワー半導体装置。a substrate;
a first power semiconductor element including a first back electrode joined to the substrate and a first front electrode opposite to the first back electrode;
lead-out wiring,
A power semiconductor device comprising a plate-like terminal including a first terminal portion and a second terminal portion,
The first terminal portion is joined to the first front electrode using a first conductive joining member,
The second terminal portion is joined to the lead wire using a second conductive joining member,
a first linear expansion coefficient difference between the first power semiconductor element and the first terminal portion is larger than a second linear expansion coefficient difference between the lead wire and the second terminal portion;
The power semiconductor device, wherein the first terminal portion is thinner than the second terminal portion.
前記第2端子部分の第2厚さは、0.80mm以上1.50mm以下である、請求項1に記載のパワー半導体装置。the first thickness of the first terminal portion is 0.15 mm or more and 0.60 mm or less;
2. The power semiconductor device according to claim 1, wherein said second terminal portion has a second thickness of 0.80 mm or more and 1.50 mm or less.
前記第2導電接合部材は、Snを主成分として含む第2はんだであり、前記第2はんだはSnよりも高い熱伝導率を有している、請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のパワー半導体装置。The first conductive joining member is a first solder containing Sn as a main component, and the first solder has a higher 0.2% proof stress than Sn,
4. The second conductive joining member is a second solder containing Sn as a main component, and the second solder has a higher thermal conductivity than Sn. The power semiconductor device according to .
前記第2はんだは、Sn-Au系はんだ、または、Sn-Ag系はんだである、請求項5に記載のパワー半導体装置。The first solder is Sn—Cu solder or Sn—Sb solder,
6. The power semiconductor device according to claim 5, wherein said second solder is Sn-Au solder or Sn-Ag solder.
前記第3端子部分は、前記第1裏面電極と前記第1おもて面電極とが互いに離間している前記第1パワー半導体素子の厚さ方向に沿って延在している、請求項1から請求項6のいずれか一項に記載のパワー半導体装置。The plate-shaped terminal further includes a third terminal portion connecting the first terminal portion and the second terminal portion,
2. The third terminal portion extends along the thickness direction of the first power semiconductor element in which the first back electrode and the first front electrode are separated from each other. 7. The power semiconductor device according to any one of claims 6 to 7.
前記引き出し配線の一部は前記端子台に埋め込まれており、
前記第2端子部分は、前記第2導電接合部材を用いて、前記端子台から露出している前記引き出し配線の部分に接合されており、
前記端子台の熱伝導率は、前記引き出し配線の熱伝導率よりも小さく、かつ、前記板状端子の熱伝導率よりも小さい、請求項1から請求項9のいずれか一項に記載のパワー半導体装置。Equipped with an insulating resin terminal block,
A part of the lead wiring is embedded in the terminal block,
the second terminal portion is joined to a portion of the lead wiring exposed from the terminal block using the second conductive joining member;
The power according to any one of claims 1 to 9, wherein the thermal conductivity of the terminal block is smaller than the thermal conductivity of the lead wiring and smaller than the thermal conductivity of the plate-like terminal. semiconductor device.
前記第1端子部分は、第3導電接合部材を用いて前記第2おもて面電極に接合されており、
前記第2パワー半導体素子と前記第1端子部分との間の第3の線膨張係数差は、前記引き出し配線と前記第2端子部分との間の前記第2の線膨張係数差よりも大きい、請求項1から請求項10のいずれか一項に記載のパワー半導体装置。further comprising a second power semiconductor element including a second back electrode bonded to the substrate and a second front electrode opposite to the second back electrode;
The first terminal portion is joined to the second front electrode using a third conductive joining member,
a third linear expansion coefficient difference between the second power semiconductor element and the first terminal portion is larger than the second linear expansion coefficient difference between the lead wire and the second terminal portion; The power semiconductor device according to any one of claims 1 to 10.
板状端子を、前記第1裏面電極とは反対側の前記第1パワー半導体素子の第1おもて面電極と引き出し配線とに接合することとを備え、
前記板状端子は、第1端子部分と、第2端子部分とを含み、
前記第1パワー半導体素子と前記第1端子部分との間の第1の線膨張係数の差は、前記引き出し配線と前記第2端子部分との間の第2の線膨張係数の差よりも大きく、
前記第1端子部分は、前記第2端子部分よりも薄く、
前記第1端子部分が第1導電接合部材を用いて前記第1おもて面電極に接合されながら、前記第2端子部分は第2導電接合部材を用いて前記引き出し配線に接合され、
前記第1端子部分を前記第1おもて面電極に接合する際、前記第1導電接合部材は第1熱源を用いて加熱され、前記第1熱源は、第1温度センサを用いて測定される前記第1端子部分の第1温度に基づいて制御され、
前記第2端子部分を前記引き出し配線に接合する際、前記第2導電接合部材は第2熱源を用いて加熱され、前記第2熱源は、第2温度センサを用いて測定される前記第2端子部分の第2温度に基づいて制御される、パワー半導体装置の製造方法。bonding the first back electrode of the first power semiconductor element to the substrate;
joining a plate-like terminal to the first front surface electrode and lead wiring of the first power semiconductor element on the side opposite to the first back electrode;
The plate-shaped terminal includes a first terminal portion and a second terminal portion,
A first difference in coefficient of linear expansion between the first power semiconductor element and the first terminal portion is larger than a second difference in coefficient of linear expansion between the lead wire and the second terminal portion. ,
The first terminal portion is thinner than the second terminal portion,
While the first terminal portion is joined to the first front surface electrode using a first conductive joining member, the second terminal portion is joined to the lead wire using a second conductive joining member,
When joining the first terminal portion to the first front electrode, the first conductive joining member is heated using a first heat source, and the first heat source is measured using a first temperature sensor. controlled based on the first temperature of the first terminal portion,
When the second terminal portion is joined to the lead wire, the second conductive joining member is heated using a second heat source, and the second heat source is the second terminal measured using a second temperature sensor. A method of manufacturing a power semiconductor device controlled based on a second temperature of the part.
前記第2導電接合部材は、Snを主成分として含む第2はんだであり、前記第2はんだはSnよりも高い熱伝導率を有している、請求項12に記載のパワー半導体装置の製造方法。The first conductive joining member is a first solder containing Sn as a main component, and the first solder has a higher 0.2% proof stress than Sn,
13. The method of manufacturing a power semiconductor device according to claim 12, wherein said second conductive joining member is a second solder containing Sn as a main component, said second solder having a higher thermal conductivity than Sn. .
前記第2はんだは、Sn-Au系はんだ、または、Sn-Ag系はんだである、請求項13に記載のパワー半導体装置の製造方法。The first solder is Sn—Cu solder or Sn—Sb solder,
14. The method of manufacturing a power semiconductor device according to claim 13, wherein said second solder is Sn-Au solder or Sn-Ag solder.
前記第3端子部分は、前記第1裏面電極と前記第1おもて面電極とが互いに離間している前記第1パワー半導体素子の厚さ方向に沿って延在しており、
前記第3端子部分に、前記板状端子を構成する導電金属板を折り曲げることによって形成されているばね部が設けられている、請求項12から請求項14のいずれか一項に記載のパワー半導体装置の製造方法。The plate-shaped terminal further includes a third terminal portion connecting the first terminal portion and the second terminal portion,
the third terminal portion extends along the thickness direction of the first power semiconductor element in which the first back surface electrode and the first front surface electrode are separated from each other;
The power semiconductor according to any one of claims 12 to 14, wherein the third terminal portion is provided with a spring portion formed by bending a conductive metal plate that constitutes the plate-like terminal. Method of manufacturing the device.
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