JP7367631B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

この明細書における開示は、半導体装置に関する。

特許文献１は、半導体チップを挟むように放熱部材が配置された両面放熱構造の半導体装置を開示している。先行技術文献の記載内容は、この明細書における技術的要素の説明として、参照により援用される。

特開２００４－２９６８３７号公報

近年、Ｓｉに較べて絶縁破壊電界やバンドギャップが大きい、熱伝導率が高い、電子飽和速度が速いといった特性を備える点で、ＳｉＣが注目されている。しかしながら、ＳｉＣのヤング率はＳｉの約３倍と大きい。このため、両面放熱構造の半導体装置において、半導体チップにＳｉＣ基板を用いると、接合部材や半導体チップにクラックなどが生じる虞がある。上述の観点において、または言及されていない他の観点において、半導体装置にはさらなる改良が求められている。

開示されるひとつの目的は、半導体チップにＳｉＣ基板を用いた場合でも好適な半導体装置を提供することにある。

ここに開示された半導体装置は、
素子が形成されたＳｉＣ基板（３１）と、ＳｉＣ基板の一面に形成された第１主電極（３２Ｄ）と、ＳｉＣ基板の板厚方向において一面とは反対の裏面に形成された第２主電極（３２Ｓ）と、を有する半導体チップ（３０）と、
半導体チップを挟むように配置された放熱部材（４０、５０、６０、８６）であって、一面側に配置され、第１主電極に接続された第１放熱部材（４０）、および、裏面側に配置され、第２主電極に接続された第２放熱部材（５０、６０、８６）と、
第１主電極と第１放熱部材との間、および、第２主電極と第２放熱部材との間、のそれぞれに介在して接合部を形成する接合部材（９０、９１、９２）と、
を備え、
接合部材の少なくともひとつは、
Ａｇを３．２～３．８質量％、Ｃｕを０．６～０．８質量％、Ｎｉを０．０１～０．２質量％含むとともに、
Ｓｂの含有量をｘ質量％、Ｂｉの含有量をｙ質量％とすると、ｘ＋２ｙ≦１１質量％、ｘ＋１４ｙ≦４２質量％、及び、ｘ≧５．１質量％を満たすようにＳｂとＢｉを含み、
さらに、Ｃｏを０．００１～０．３質量％、Ｐを０．００１～０．２質量％含み、
残部がＳｎからなる合金組成の鉛フリーはんだであり、
第２主電極は、第１主電極よりもヤング率の小さい材料を用いて形成されており、
接合部材のうち、第２主電極と第２放熱部材との接合部を形成している接合部材は、鉛フリーはんだよりも強度の低い低強度はんだであり、残りの接合部材の少なくともひとつは、鉛フリーはんだである。

上記した合金組成の鉛フリーはんだは、耐クリープ性に優れる。したがって、半導体チップの変形を抑制し、ひいては半導体装置を高寿命化することができる。また、半導体チップと放熱部材との線膨張係数差に基づく熱応力が作用しても、高い接続信頼性を維持することができる。よって、半導体チップにＳｉＣ基板を用いた両面放熱構造の半導体装置に好適である。

この明細書における開示された複数の態様は、それぞれの目的を達成するために、互いに異なる技術的手段を採用する。請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態の部分との対応関係を例示的に示すものであって、技術的範囲を限定することを意図するものではない。この明細書に開示される目的、特徴、および効果は、後続の詳細な説明、および添付の図面を参照することによってより明確になる。

第１実施形態に係る半導体装置が適用される車両の駆動システムの概略構成を示す図である。 第１実施形態に係る半導体装置を示す平面図である。 封止樹脂体を省略した平面図である。 図２のIV-IV線に沿う断面図である。 図２のV-V線に沿う断面図である。 鉛フリーはんだを説明するための図である。 鉛フリーはんだの配置を示す断面図である。 はんだ歪のシミュレーション結果を示す図である。 第２実施形態に係る半導体装置において、鉛フリーはんだの配置を示す断面図である。 素子上の電極およびはんだに生じる歪のシミュレーション結果を示す図である。 はんだの熱伝導率、熱抵抗、およびはんだ厚の関係を示す図である。 第３実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。 変形例を示す断面図である。

以下、図面に基づいて複数の実施形態を説明する。複数の実施形態において、機能的におよび／または構造的に対応する部分および／または関連付けられる部分には同一の参照符号が付される場合がある。対応する部分および／または関連付けられる部分については、他の実施形態の説明を参照することができる。

本実施形態の半導体装置は、たとえば、回転電機を駆動源とする移動体の電力変換装置に適用される。移動体は、たとえば、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＶ）、燃料電池車（ＦＣＶ）などの電動車両、ドローンなどの飛行体、船舶、建設機械、農業機械である。以下では、車両に適用される例について説明する。

（第１実施形態）
先ず、図１に基づき、車両の駆動システムの概略構成について説明する。

＜車両の駆動システム＞
図１に示すように、車両の駆動システム１は、直流電源２と、モータジェネレータ３と、電力変換装置４を備えている。

直流電源２は、充放電可能な二次電池で構成された直流電圧源である。二次電池は、たとえばリチウムイオン電池、ニッケル水素電池である。モータジェネレータ３は、三相交流方式の回転電機である。モータジェネレータ３は、車両の走行駆動源、すなわち電動機として機能する。モータジェネレータ３は、回生時に発電機として機能する。電力変換装置４は、直流電源２とモータジェネレータ３との間で電力変換を行う。

＜電力変換装置＞
次に、図１に基づき、電力変換装置４の回路構成について説明する。電力変換装置４は、平滑コンデンサ５と、インバータ６を備えている。

平滑コンデンサ５は、主として、直流電源２から供給される直流電圧を平滑化する。平滑コンデンサ５は、高電位側の電力ラインであるＰライン７と低電位側の電力ラインであるＮライン８とに接続されている。Ｐライン７は直流電源２の正極に接続され、Ｎライン８は直流電源２の負極に接続されている。平滑コンデンサ５の正極は、直流電源２とインバータ６との間において、Ｐライン７に接続されている。同じく負極は、直流電源２とインバータ６との間において、Ｎライン８に接続されている。平滑コンデンサ５は、直流電源２に並列に接続されている。

インバータ６は、ＤＣ－ＡＣ変換回路である。インバータ６は、図示しない制御回路によるスイッチング制御にしたがって、直流電圧を三相交流電圧に変換し、モータジェネレータ３へ出力する。これにより、モータジェネレータ３は、所定のトルクを発生するように駆動する。インバータ６は、車両の回生制動時、車輪からの回転力を受けてモータジェネレータ３が発電した三相交流電圧を、制御回路によるスイッチング制御にしたがって直流電圧に変換し、Ｐライン７へ出力する。このように、インバータ６は、直流電源２とモータジェネレータ３との間で双方向の電力変換を行う。

インバータ６は、三相分の上下アーム回路９を備えて構成されている。上下アーム回路９は、レグと称されることがある。上下アーム回路９は、上アーム９Ｈと、下アーム９Ｌをそれぞれ有している。上アーム９Ｈと下アーム９Ｌは、上アーム９ＨをＰライン７側として、Ｐライン７とＮライン８との間で直列接続されている。上アーム９Ｈと下アーム９Ｌとの接続点は、出力ライン１０を介して、モータジェネレータ３における対応する相の巻線３ａに接続されている。インバータ６は、６つのアームを有している。

各アームは、スイッチング素子であるＭＯＳＦＥＴ１１と、ダイオード１２を有している。ダイオード１２は、還流のため、ＭＯＳＦＥＴ１１に逆並列に接続されている。ダイオード１２は、ＭＯＳＦＥＴ１１の寄生ダイオード（ボディダイオード）でもよいし、寄生ダイオードとは別に設けられてもよい。

本実施形態のＭＯＳＦＥＴ１１は、ｎチャネル型である。ＭＯＳＦＥＴ１１において、ドレインが高電位側の主電極であり、ソースが低電位側の主電極である。上アーム９Ｈにおいて、ドレインがＰライン７に接続されている。下アーム９Ｌにおいて、ソースがＮライン８に接続されている。上アーム９Ｈ側のソースと、下アーム９Ｌ側のドレインが、互いに接続されている。ダイオード１２のアノードは対応するＭＯＳＦＥＴ１１のソースに接続され、カソードはドレインに接続されている。

電力変換装置４は、電力変換回路として、コンバータをさらに備えてもよい。コンバータは、直流電圧を異なる値の直流電圧に変換するＤＣ－ＤＣ変換回路である。コンバータは、直流電源２と平滑コンデンサ５との間に設けられる。コンバータは、たとえばリアクトルと、上記した上下アーム回路９を備えて構成される。電力変換装置４は、直流電源２からの電源ノイズを除去するフィルタコンデンサを備えてもよい。フィルタコンデンサは、直流電源２とコンバータとの間に設けられる。

電力変換装置４は、インバータ６などを構成するスイッチング素子の駆動回路を備えてもよい。駆動回路は、制御回路の駆動指令に基づいて、対応するアームのＭＯＳＦＥＴ１１のゲートに駆動電圧を供給する。駆動回路は、駆動電圧の印加により、対応するＭＯＳＦＥＴを駆動、すなわちオン駆動、オフ駆動させる。駆動回路は、ドライバと称されることがある。

電力変換装置４は、スイッチング素子の制御回路を備えてもよい。制御回路は、ＭＯＳＦＥＴ１１を動作させるための駆動指令を生成し、駆動回路に出力する。制御回路は、図示しない上位ＥＣＵから入力されるトルク要求、各種センサにて検出された信号に基づいて、駆動指令を生成する。各種センサとして、たとえば電流センサ、回転角センサ、電圧センサがある。電流センサは、各相の巻線３ａに流れる相電流を検出する。回転角センサは、モータジェネレータ３の回転子の回転角を検出する。電圧センサは、平滑コンデンサ５の両端電圧を検出する。制御回路は、駆動指令として、たとえばＰＷＭ信号を出力する。制御回路は、たとえばマイコン（マイクロコンピュータ）を備えて構成されている。ＥＣＵは、Electronic Control Unitの略称である。ＰＷＭは、Pulse Width Modulationの略称である。

＜半導体装置＞
次に、図２～図５に基づき、半導体装置の概略構成について説明する。図２は、半導体装置を示す平面図である。図３は、半導体装置において、封止樹脂体の内部構造を示すために、図２に対して封止樹脂体を省略した図である。図４は、図２のIV-IV線に沿う断面図である。図５は、図２のV-V線に沿う断面図である。

以下では、半導体装置を構成する要素の一部について、符号末尾に上アーム９Ｈ側を示す「Ｈ」を付与し、下アーム９Ｌ側を示す「Ｌ」を付与する。要素の他の一部について、便宜上、上アーム９Ｈと下アーム９Ｌとで共通の符号を付与する。

また、ＳｉＣ基板（半導体チップ）の板厚方向をＺ方向とする。Ｚ方向に直交する一方向をＸ方向とする。Ｚ方向およびＸ方向の両方向に直交する方向をＹ方向とする。特に断わりのない限り、Ｚ方向から平面視した形状、換言すればＸ方向およびＹ方向により規定されるＸＹ面に沿う形状を平面形状とする。また、Ｚ方向からの平面視を単に平面視と示す。

図２～図５に示すように、半導体装置１５は、封止樹脂体２０と、半導体チップ３０と、ヒートシンク４０、５０と、ターミナル６０と、継手部７０、７１、７２と、主端子８０と、信号端子８５を備えている。半導体装置１５は、一相分の上下アーム回路９を構成する。

封止樹脂体２０は、半導体装置１５を構成する他の要素の一部を封止している。他の要素の残りの部分は、封止樹脂体２０の外に露出している。封止樹脂体２０は、たとえばエポキシ系樹脂を材料とする。封止樹脂体２０は、たとえばトランスファモールド法により成形されている。図２に示すように、封止樹脂体２０は平面略矩形状をなしている。封止樹脂体２０は、一面２０ａと、Ｚ方向において一面２０ａとは反対の裏面２０ｂを有している。一面２０ａおよび裏面２０ｂは、たとえば平坦面である。

半導体チップ３０は、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）を材料とする半導体基板であるＳｉＣ基板３１に、縦型素子が形成されてなる。半導体チップ３０は、半導体素子と称されることがある。縦型素子は、半導体チップ３０（ＳｉＣ基板３１）の板厚方向、すなわちＺ方向に主電流が流れるように構成されている。本実施形態の縦型素子は、ひとつのアームを構成するＭＯＳＦＥＴ１１およびダイオード１２である。ダイオード１２は、ＭＯＳＦＥＴ１１の寄生ダイオードである。ダイオード１２を、ＭＯＳＦＥＴ１１とは別チップに構成してもよい。

ＳｉＣ基板３１には、図示しないゲート電極が形成されている。ゲート電極は、たとえばトレンチ構造をなしている。半導体チップ３０は、ＳｉＣ基板３１の板面のそれぞれに主電極を有している。具体的には、主電極として、ＳｉＣ基板３１の一面側にドレイン電極３２Ｄを有し、一面とは反対の面である裏面側にソース電極３２Ｓを有している。ＳｉＣ基板３１の一面は、封止樹脂体２０の一面２０ａ側の面である。ドレイン電極３２Ｄは、ダイオードのカソード電極を兼ねている。ソース電極３２Ｓは、ダイオードのアノード電極を兼ねている。ドレイン電極３２Ｄが第１主電極に相当し、ソース電極３２Ｓが第２主電極に相当する。

ＳｉＣ基板３１（半導体チップ３０）は、平面略矩形状をなしている。半導体チップ３０は、ＳｉＣ基板３１の裏面においてソース電極３２Ｓとは異なる位置に形成された複数のパッド３２Ｐを有している。ソース電極３２Ｓおよびパッド３２Ｐは、図示しない保護膜からそれぞれ露出している。ドレイン電極３２Ｄは、ＳｉＣ基板３１の一面のほぼ全面に形成されている。ソース電極３２Ｓは、ＳｉＣ基板３１の裏面の一部分に形成されている。ソース電極３２Ｓは、縦型素子の形成領域であるアクティブ領域に対応して形成されている。平面視において、ドレイン電極３２Ｄは、ソース電極３２Ｓよりも面積が大きい。ソース電極３２Ｓは、平面略矩形状をなしている。

パッド３２Ｐは、信号用の電極である。パッド３２Ｐは、ソース電極３２Ｓと電気的に分離されている。パッド３２Ｐは、Ｙ方向において、ソース電極３２Ｓの形成領域とは反対側の端部に形成されている。パッド３２Ｐは、Ｙ方向においてソース電極３２Ｓと並んで設けられている。

パッド３２Ｐは、ゲート電極用のパッドを含む。本実施形態の半導体チップ３０は、５つのパッド３２Ｐを有している。具体的には、ゲート電極用、ソース電極３２Ｓの電位検出用、電流センス用、半導体チップ３０の温度を検出する感温ダイオード（感温素子）のアノード電位用、同じくカソード電位用を有している。５つのパッド３２Ｐは、平面略矩形状の半導体チップ３０において、Ｙ方向の一端側にまとめて形成されるとともに、Ｘ方向に並んで形成されている。

半導体装置１５は、上アーム９Ｈを構成する半導体チップ３０Ｈを、少なくともひとつ備えている。同様に、下アーム９Ｌを構成する半導体チップ３０Ｌを、少なくともひとつ備えている。本実施形態の半導体装置１５は、半導体チップ３０Ｈ、３０Ｌをひとつずつ備えている。半導体装置１５において、２つの半導体チップ３０Ｈ、３０Ｌは、互いに同様の構成である。半導体チップ３０Ｈ、３０Ｌは、Ｘ方向に並んでいる。半導体チップ３０Ｈ、３０Ｌは、Ｚ方向において互いにほぼ同じ位置に配置されている。

ヒートシンク４０は、半導体チップ３０の生じた熱を放熱する放熱部材である。ヒートシンク４０は、Ｚ方向において半導体チップ３０の一面側に配置され、ドレイン電極３２Ｄに接続されている。ヒートシンク４０が、第１放熱部材に相当する。ヒートシンク４０は、ドレイン電極３２Ｄに電気的に接続されており、配線部材としても機能する。ヒートシンク４０は、半導体チップ３０側の面である対向面４０ａと、対向面４０ａとは反対の面である裏面４０ｂを有している。ヒートシンク４０は、はんだ９０を介して、半導体チップ３０に接続されている。はんだ９０は、ヒートシンク４０の対向面４０ａと半導体チップ３０のドレイン電極３２Ｄとの間に介在し、はんだ接合部を形成している。

ヒートシンク４０（第１配線部材）として、たとえばＣｕ、Ｃｕ合金などを材料とする金属板、複数種類の金属層を積層してなる積層板、ＤＢＣ（Direct Bonded Copper）基板などを採用することができる。ヒートシンク４０は、表面に、ＮｉやＡｕなどのめっき膜を備えてもよい。本実施形態のヒートシンク４０は、Ｃｕを材料とする金属板である。ヒートシンク４０は、リードフレームの一部分として構成されている。ヒートシンク４０は、異形条のリードフレームにおいて厚肉部である。半導体装置１５は、２つのヒートシンク４０を備えている。半導体装置１５は、上アーム９Ｈを構成するヒートシンク４０Ｈと、下アーム９Ｌを構成するヒートシンク４０Ｌを備えている。

図３に示すように、ヒートシンク４０Ｈ、４０Ｌは、平面略矩形状をなしている。ヒートシンク４０Ｈ、４０Ｌは、Ｘ方向に並んでいる。ヒートシンク４０Ｈ、４０Ｌは、互いにほぼ同じ厚みを有し、Ｚ方向において互いにほぼ同じ位置に配置されている。はんだ９０は、ヒートシンク４０Ｈの対向面４０ａと半導体チップ３０Ｈのドレイン電極３２Ｄとの間、および、ヒートシンク４０Ｌの対向面４０ａと半導体チップ３０Ｌのドレイン電極３２Ｄとの間、のそれぞれに介在している。

ヒートシンク４０Ｈ、４０Ｌは、Ｚ方向からの平面視において、対応する半導体チップ３０を内包している。図４および図５に示すように、ヒートシンク４０Ｈ、４０Ｌの裏面４０ｂは、封止樹脂体２０から露出している。裏面４０ｂは、放熱面、露出面と称されることがある。裏面４０ｂは、封止樹脂体２０の裏面２０ｂと略面一である。ヒートシンク４０Ｈ、４０Ｌの裏面４０ｂは、Ｘ方向に並んでいる。

ヒートシンク５０およびターミナル６０は、半導体チップ３０の熱を放熱する放熱部材である。ヒートシンク５０およびターミナル６０は、Ｚ方向において半導体チップ３０の裏面側に配置され、ソース電極３２Ｓに接続されている。ヒートシンク５０およびターミナル６０が、第２放熱部材に相当する。ヒートシンク５０およびターミナル６０は、ソース電極３２Ｓに電気的に接続されており、配線部材としても機能する。ヒートシンク５０およびターミナル６０は、はんだ９１、９２を介して、ソース電極３２Ｓに接続されている。

ヒートシンク５０は、Ｚ方向において半導体チップ３０側の面である対向面５０ａと、対向面５０ａとは反対の面である裏面５０ｂを有している。ターミナル６０は、ヒートシンク５０の対向面５０ａと半導体チップ３０の裏面との間に介在している。ターミナル６０は、はんだ９１を介して半導体チップ３０に接続されている。はんだ９１は、ターミナル６０の一端面とソース電極３２Ｓとの間に介在し、はんだ接合部を形成している。ヒートシンク５０は、はんだ９２を介して半導体チップ３０に接続されている。はんだ９２は、ターミナル６０における一端面とは反対の面とヒートシンク５０の対向面５０ａとの間に介在し、はんだ接合部を形成している。

ヒートシンク５０としては、たとえばＣｕ、Ｃｕ合金などを材料とする金属板、複数種類の金属層を積層してなる積層板、ＤＢＣ（Direct Bonded Copper）基板などを採用することができる。ヒートシンク５０は、表面に、ＮｉやＡｕなどのめっき膜を備えてもよい。本実施形態のヒートシンク５０は、Ｃｕを材料とする金属板である。半導体装置１５は、２つのヒートシンク５０を備えている。半導体装置１５は、上アーム９Ｈを構成するヒートシンク５０Ｈと、下アーム９Ｌを構成するヒートシンク５０Ｌをそれぞれ備えている。

図２および図３に示すように、ヒートシンク５０Ｈ、５０Ｌは、平面略矩形状をなしている。ヒートシンク５０Ｈ、５０Ｌは、Ｘ方向に並んでいる。ヒートシンク５０Ｈ、５０Ｌは、互いにほぼ同じ厚みを有し、Ｚ方向において互いにほぼ同じ位置に配置されている。ヒートシンク５０Ｈ、５０Ｌは、Ｚ方向からの平面視において、対応する半導体チップ３０およびターミナル６０を内包している。ヒートシンク５０Ｈ、５０Ｌの裏面５０ｂは、封止樹脂体２０から露出している。裏面５０ｂは、放熱面、露出面と称されることがある。裏面５０ｂは、封止樹脂体２０の一面２０ａと略面一である。ヒートシンク５０Ｈ、５０Ｌの裏面５０ｂは、Ｘ方向に並んでいる。

ターミナル６０は、半導体チップ３０とヒートシンク５０との伝熱経路の途中に位置しており、半導体チップ３０の生じた熱をヒートシンク５０へ伝達する。上記したように、本実施形態のヒートシンク５０は、ソース電極３２Ｓに対する配線機能を提供する。ターミナル６０は、ソース電極３２Ｓとヒートシンク５０との電気伝導経路の途中に位置している。ターミナル６０は、中継部材と称されることがある。ターミナル６０は、半導体チップ３０の裏面とヒートシンク５０との間に所定の距離を確保するスペーサとして機能する。

ターミナル６０は、単一金属による金属体、複数種類の金属層を積層してなる金属体（積層体）である。積層体として、Ｃｕ層と、Ｃｕを含む合金層とが順に積層されたクラッド材を用いてもよい。Ｃｕを含む合金層に代えて、Ａｌを含む合金層を採用してもよい。合金層は、ＣｕやＡｌに加えて、ＣｒやＭｏを含んでもよい。本実施形態のターミナル６０は、平面視においてソース電極３２Ｓよりも若干小さい大きさを有する平面略矩形状の柱状体である。ターミナル６０は、表面に、めっき膜を備えてもよい。

半導体装置１５は、２つのターミナル６０を備えている。半導体装置１５は、上アーム９Ｈを構成するターミナル６０Ｈと、下アーム９Ｌを構成するターミナル６０Ｌを備えている。ターミナル６０Ｈ、６０Ｌと、対応する半導体チップ３０Ｈのソース電極３２Ｓとの間のそれぞれに、はんだ９１による接合部が形成されている。同様に、ターミナル６０Ｈ、６０Ｌと、対応するヒートシンク５０Ｈ、５０Ｌの対向面５０ａとの間のそれぞれに、はんだ９２による接合部が形成されている。

継手部７０、７１は、上下アーム回路９を構成する要素間をつないでいる。継手部７２は、半導体装置１５を構成する要素間をつないでいる。図２および図３に示すように、継手部７０は、ヒートシンク４０Ｌに連なっている。継手部７０の厚みは、ヒートシンク４０Ｌよりも薄い。継手部７０は、ヒートシンク４０Ｌの対向面４０ａと略面一の状態で、ヒートシンク４０Ｈ側の側面に連なっている。継手部７０は、２つの屈曲部を有することで、ＺＸ平面において略クランク状をなしている。継手部７０は、封止樹脂体２０によって覆われている。継手部７０は、ヒートシンク４０Ｌに対して一体的に設けられることで連なってもよいし、別部材として設けられ、接続により連なってもよい。本実施形態の継手部７０は、リードフレームの一部として、ヒートシンク４０Ｌと一体的に設けられている。

継手部７１は、ヒートシンク５０Ｈに連なっている。継手部７１の厚みは、ヒートシンク５０Ｈよりも薄い。継手部７１は、ヒートシンク５０Ｈの対向面５０ａと略面一の状態で、ヒートシンク５０Ｌ側の側面に連なっている。継手部７１は、封止樹脂体２０によって覆われている。継手部７１は、ヒートシンク５０Ｈに対して一体的に設けられることで連なってもよいし、別部材として設けられ、接続により連なってもよい。本実施形態の継手部７１は、ヒートシンク５０Ｈに対して一体的に設けられている。ヒートシンク４０Ｌに連なる継手部７０と、ヒートシンク５０Ｈに連なる継手部７１との対向面間にはんだ９３が介在し、はんだ接合部が形成されている。半導体チップ３０Ｈのソース電極３２Ｓと半導体チップ３０Ｌのドレイン電極３２Ｄは、継手部７０、７１、ヒートシンク４０Ｌ、５０Ｈ、およびターミナル６０Ｈを介して、互いに電気的に接続されている。

継手部７２は、ヒートシンク５０Ｌに連なっている。継手部７２の厚みは、ヒートシンク５０Ｌよりも薄い。継手部７２は、ヒートシンク５０Ｌの対向面５０ａと略面一の状態で、ヒートシンク５０Ｈ側の側面に連なっている。継手部７２は、封止樹脂体２０によって覆われている。継手部７２は、ヒートシンク５０Ｌに対して一体的に設けられることで連なってもよいし、別部材として設けられ、接続により連なってもよい。本実施形態の継手部７２は、ヒートシンク５０Ｌに対して一体的に設けられている。継手部７１を含むヒートシンク５０Ｈと、継手部７２を含むヒートシンク５０Ｌとを共通部材としてもよい。

主端子８０および信号端子８５は、外部接続端子である。主端子８０は、半導体チップ３０の主電極と電気的に接続された端子である。主端子８０は、正極端子８０Ｐと、負極端子８０Ｎと、出力端子８０Ａを含んでいる。正極端子８０Ｐおよび負極端子８０Ｎは、電源端子である。正極端子８０Ｐは、平滑コンデンサ５の正極端子と電気的に接続される。負極端子８０Ｎは、平滑コンデンサ５の負極端子と電気的に接続される。正極端子８０Ｐは、Ｐ端子、高電位電源端子と称されることがある。負極端子８０Ｎは、Ｎ端子、低電位電源端子と称されることがある。

正極端子８０Ｐは、ヒートシンク４０Ｈに連なっており、ヒートシンク４０Ｈを介して半導体チップ３０Ｈのドレイン電極３２Ｄに電気的に接続されている。正極端子８０Ｐは、ヒートシンク４０ＨにおけるＹ方向の一端に連なっている。正極端子８０Ｐの厚みは、ヒートシンク４０Ｈよりも薄い。正極端子８０Ｐは、対向面４０ａと略面一でヒートシンク４０Ｈに連なっている。正極端子８０Ｐは、ヒートシンク４０Ｈに対して一体的に設けられることで連なってもよいし、別部材として設けられ、接続により連なってもよい。本実施形態の正極端子８０Ｐは、リードフレームの一部として、ヒートシンク４０Ｈと一体的に設けられている。正極端子８０Ｐは、ヒートシンク４０ＨからＹ方向に延設され、封止樹脂体２０の側面２０ｃから外部に突出している。正極端子８０Ｐは、封止樹脂体２０により覆われる部分の途中に屈曲部を有し、側面２０ｃにおいてＺ方向の中央付近から突出している。

負極端子８０Ｎは、ヒートシンク５０Ｌに連なる継手部７１に接続されている。負極端子８０Ｎは、ヒートシンク５０Ｌおよびターミナル６０Ｌを介して、半導体チップ３０Ｌのソース電極３２Ｓに電気的に接続されている。負極端子８０Ｎと継手部７１との対向面間に図示しないはんだが介在し、はんだ接合部が形成されている。負極端子８０Ｎは、Ｙ方向に延設されて、正極端子８０Ｐと同じ側面２０ｃから封止樹脂体２０の外に突出している。負極端子８０Ｎは、Ｙ方向の一端付近に継手部７１との接続部８１を有している。負極端子８０Ｎのうち、接続部８１を含む一部分が封止樹脂体２０により覆われ、残りの部分が封止樹脂体２０から突出している。接続部８１は、封止樹脂体２０から突出した部分よりも板厚が厚い。接続部８１の板厚は、たとえばヒートシンク４０とほぼ同じ厚みである。負極端子８０Ｎも、主端子同様に屈曲部を有し、側面２０ｃにおいてＺ方向の中央付近から突出している。本実施形態の負極端子８０Ｎは、リードフレームの一部として構成されている。

出力端子８０Ａは、上アーム９Ｈと下アーム９Ｌとの接続点に接続されている。半導体装置１５の出力端子８０Ａは、モータジェネレータ３の対応する相の巻線３ａ（固定子コイル）に電気的に接続される。出力端子８０Ａは、Ｏ端子、交流端子と称されることがある。出力端子８０Ａは、ヒートシンク４０ＬにおけるＹ方向の一端に連なっている。出力端子８０Ａの厚みは、ヒートシンク４０Ｌよりも薄い。出力端子８０Ａは、対向面４０ａと略面一でヒートシンク４０Ｌに連なっている。出力端子８０Ａは、ヒートシンク４０Ｌに対して一体的に設けられることで連なってもよいし、別部材として設けられ、接続により連なってもよい。本実施形態の出力端子８０Ａは、リードフレームの一部として、ヒートシンク４０Ｌと一体的に設けられている。

出力端子８０Ａは、ヒートシンク４０ＬからＹ方向に延設され、正極端子８０Ｐと同じ側面２０ｃから封止樹脂体２０の外に突出している。出力端子８０Ａも、正極端子８０Ｐ同様に屈曲部を有し、側面２０ｃにおいてＺ方向の中央付近から突出している。３本の主端子８０は、Ｘ方向において正極端子８０Ｐ、負極端子８０Ｎ、出力端子８０Ａの順に配置されている。

信号端子８５は、対応する半導体チップ３０のパッド３２Ｐに電気的に接続されている。本実施形態では、ボンディングワイヤ９４を介して電気的に接続されている。信号端子８５は、Ｙ方向に延設されており、封止樹脂体２０の側面２０ｄから外部に突出している。側面２０ｄは、Ｙ方向において側面２０ｃとは反対の面である。本実施形態では、ひとつの半導体チップ３０に対して５本の信号端子８５が設けられている。信号端子８５も、リードフレームに構成されている。複数の信号端子８５は、図示しないタイバーをカットすることで、互いに電気的に分離されている。

上記したように、半導体装置１５では、封止樹脂体２０によって一相分の上下アーム回路９を構成する複数の半導体チップ３０が封止されている。封止樹脂体２０は、複数の半導体チップ３０、ヒートシンク４０それぞれの一部、ヒートシンク５０それぞれの一部、ターミナル６０、継手部７０～７２、主端子８０および信号端子８５それぞれの一部を、一体的に封止している。

Ｚ方向において、第１放熱部材であるヒートシンク４０と、第２放熱部材であるヒートシンク５０およびターミナル６０との間に、半導体チップ３０が配置されている。半導体チップ３０は、放熱部材によって挟まれている。これにより、半導体チップ３０の熱を、Ｚ方向において両側に放熱することができる。半導体装置１５は、両面放熱構造をなしている。ヒートシンク４０の裏面４０ｂは、封止樹脂体２０の裏面２０ｂと略面一となっている。ヒートシンク５０の裏面５０ｂは、封止樹脂体２０の一面２０ａと略面一となっている。裏面４０ｂ、５０ｂが露出面であるため、放熱性を高めることができる。

＜半導体装置の製造方法＞
次に、上記した半導体装置１５の製造方法の一例について説明する。

先ず、半導体装置１５を構成する各要素を準備する。たとえば、リードフレームを準備する。リードフレームは、ヒートシンク４０（４０Ｈ、４０Ｌ）、主端子８０、および信号端子８５を含む。また、半導体チップ３０、ヒートシンク５０、およびターミナル６０をそれぞれ準備する。

次いで、ヒートシンク４０の対向面４０ａ上に、はんだ９０を介して、半導体チップ３０を配置する。はんだ９０は、たとえば箔状である。また、両面に迎えはんだが施されたターミナル６０（６０Ｈ、６０Ｌ）を、はんだ９１が半導体チップ３０側となるように、半導体チップ３０のソース電極３２Ｓ上に配置する。

両面放熱構造の半導体装置１５は、たとえば図示しない冷却器によってＺ方向の両面側から挟まれる。よって、Ｚ方向において表面の高い平行度と表面間の高い寸法精度が求められる。このため、はんだ９２については、半導体装置１５の高さばらつきを吸収可能な量を配置する。すなわち、多めのはんだ９２を配置する。換言すれば、はんだ９０、９１よりも厚いはんだ９２を配置する。また、継手部７０及び負極端子８０Ｎの接続部８１上に、はんだを配置しておく。そして、この配置状態で、１ｓｔリフローを実施する。これにより、半導体チップ３０、ヒートシンク４０、およびターミナル６０が一体的に接続された積層体を得ることができる。

次いで、対向面５０ａが上になるようにしてヒートシンク５０（５０Ｈ、５０Ｌ）を図示しない台座の一面上に配置する。そして、はんだ９２がヒートシンク５０に対向するように、上記した積層体をヒートシンク５０上に配置し、２ｎｄリフローを実施する。２ｎｄリフローでは、ヒートシンク４０側からＺ方向に荷重を加えることで、半導体装置１５の高さが所定高さとなるようにする。たとえば荷重を加えることで、図示しないスペーサを、ヒートシンク４０の対向面４０ａと台座の一面との両方に接触させる。このようにして、半導体装置１５の高さが所定高さとなるようにする。

２ｎｄリフローにより、積層体と、ヒートシンク５０とが一体化され、接続構造体となる。はんだ９２は、半導体装置１５を構成する要素の寸法公差や組み付け公差による高さばらつきを吸収する。２ｎｄリフローにより、継手部７０、７１同士が接続される。また、負極端子８０Ｎと継手部７２とが接続される。

接続構造体の形成後、封止樹脂体２０の成形を行う。本実施形態では、トランスファモールド法を採用する。接続構造体を金型内に配置し、封止樹脂体２０を成形する。本実施形態では、ヒートシンク４０、５０が完全に覆われるように、封止樹脂体２０を成形し、成形後に切削を行う。封止樹脂体２０をヒートシンク４０、５０の一部ごと切削する。これにより、封止樹脂体２０から裏面４０ｂ、５０ｂを露出させる。裏面４０ｂは一面２０ａと略面一となり、裏面５０ｂは裏面２０ｂと略面一となる。

次いで、図示しないタイバーなどを除去することで、半導体装置１５を得ることができる。

なお、ヒートシンク４０、５０の裏面４０ｂ、５０ｂを成形金型のキャビティ壁面に押し当て、密着させた状態で、封止樹脂体２０を成形してもよい。この場合、封止樹脂体２０を成形した時点で、裏面４０ｂ、５０ｂが封止樹脂体２０から露出する。このため、成形後の切削が不要となる。また、リフローを２回実施する例を示したがこれに限定されない。１回のリフローで接続構造体を形成してもよい。

＜鉛フリーはんだ＞
次に、半導体装置１５に用いられる鉛フリーはんだについて説明する。図６は、鉛フリーはんだを説明するための図である。縦軸はＳｂの含有量ｘ、横軸はＢｉの含有量ｙを示している。

鉛フリーはんだは、Ａｇを３．２～３．８質量％、Ｃｕを０．６～０．８質量％、Ｎｉを０．０１～０．２質量％、Ｓｂをｘ質量％、Ｂｉをｙ質量％、Ｃｏを０．００１～０．３質量％、Ｐを０．００１～０．２質量％含み、残部がＳｎからなる合金組成を有している。Ｓｂの含有量ｘとＢｉの含有量ｙは、ｘ＋２ｙ≦１１質量％、ｘ＋１４ｙ≦４２質量％、及び、ｘ≧５．１質量％の関係を満たす。このように、鉛フリーはんだは、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｃｏ、Ｐ、およびＳｎを含む８元系はんだである。以下では、上記した合金組成の鉛フリーはんだを、単に８元系はんだと示すことがある。

Ａｇの添加には、はんだの濡れ性向上や析出分散強化の効果がある。その反面、過剰に添加すると、液相線温度が上昇する。半導体チップ３０（ＳｉＣ）の耐熱性を考慮すると、はんだ付け時に温度を３００℃以下に抑えることが好ましい。したがって、濡れ性向上、析出分散の効果を十分に得つつ、ばらつきも考慮して図６に示すように液相線温度を２７０℃以下に抑えるために、Ａｇの含有量は３．２～３．８質量％とされている。

Ｃｕの添加には、Ｃｕランドに対するＣｕの食われ防止、はんだマトリックス中に微細な金属間化合物であるＣｕ_６Ｓｎ_５を析出させてマトリックスを強化する効果がある。過剰に添加すると、接合界面に金属間化合物が析出し、クラック進展を加速してしまう。このため、Ｃｕ含有量は０．６～０．８質量％とされている。

Ｎｉの添加には、接合界面に析出する金属間化合物を微細化することで、接合界面を強化する効果がある。その反面、過剰に添加すると、液相線温度が上昇する。接合界面強化効果を十分に得つつ、液相線温度を上記した２７０℃以下に抑えるため、Ｎｉの含有量は０．０１～０．２質量％とされている。

Ｓｂの添加には、固溶析出強化や析出分散強化の効果があり、Ｓｎに対してＳｂが置換されることで格子歪を起こし、Ｓｎマトリックス強化の効果がある。Ｓｂよりも原子半径の大きいＢｉは、Ｓｎマトリックス強化においてＳｂ以上の効果を発揮する。反面、ＳｂやＢｉを過剰に含むと、濡れ性や箔への加工性が低下する。箔への加工が可能であるＳｎ－１３Ｓｂに準ずる濡れ性、加工性を得るためには、Ａｇを３．２～３．８質量％添加する影響も踏まえて、Ｓｂの含有量を１１質量％以下にする必要がある。Ｂｉは、Ｓｂの２分の１の添加量で、同程度の加工性低下を引き起こす。このため、Ｓｂ、Ｂｉの含有量は、図６に示すように、ｘ＋２ｙ≦１１質量％とされている。

ＳｂやＢｉの添加にともなうＳｎマトリックス強化の効果によって、クリープ耐性が増加する。すなわち、クリープを低く抑えることができる。本実施形態では、十分な耐クリープ性を得るため、図６に示すように、ｘ≧５．１質量％とされている。なお、クリープを低く抑える効果は、Ｓｂに対してＢｉのほうが大きく、ＢｉはＳｂの４．４分の１の添加量で同等の効果が得られる。よって、Ｓｂよりも少量のＢｉを添加してもよい。

また、半導体装置１５の製造する際、はんだ付け後のモールド工程などで、はんだの接続信頼性を維持するため、図６に示すように、固相線温度が２００℃以上であることが好ましい。固相線温度が２００℃であるＳｎ、Ｂｉの含有量は、ｘ≦１５質量％の領域ではｘ＋１４ｙ＝４２と近似することができる。固相線温度を２００℃以上にするために、ｘ＋１４ｙ≦４２質量％とされている。

Ｃｏは、Ｎｉの効果を高める。Ｃｏの添加には、はんだ合金の組織を微細化する効果がある。０．００１質量％未満では接合界面に金属間化合物が析出して界面クラックの成長を防止する効果が現れず、０．３質量％を超えて添加されると接合界面に析出する金属間化合物層が厚くなり、クラック進展を加速してしまう。このため、Ｃｏの含有量は、０．００１～０．３質量％とされている。

Ｐは、Ｓｎの酸化を抑制するとともに濡れ性を改善する。Ｐの含有量が０．２質量％を超えなければ、はんだ表面におけるはんだ合金の流動性が阻害されることがない。一方、上記した効果を発揮するため、Ｐの含有量の下限は好ましくは０．００１％以上である。よって、Ｐの含有量は、０．００１～０．２質量％とされている。

上記組成の鉛フリーはんだ（８元系はんだ）は、使用環境の高温化に対応しながら、はんだによる接合部を高寿命化するだけでなく、クリープによる半導体チップの一部への不要な応力集中を低減することが可能になる。したがって、高温動作が可能であり、ヤング率が大きいＳｉＣ基板３１からなる半導体チップ３０に好適である。８元系はんだは、たとえば常温において引張強度が８０ＭＰａ以上を示す高強度はんだである。

よって、８元系はんだは、本実施形態に係る半導体装置１５において、半導体チップ３０と放熱部材との間に介在して、接合部を形成するはんだ９０、９１、９２に好適である。８元系はんだは、はんだ９０、９１、９２の少なくともひとつとして用いられる。はんだ９０、９１、９２が、接合部材に相当する。以下では、ドレイン電極３２Ｄとヒートシンク４０との間の位置を、素子下と示すことがある。同様に、ソース電極３２Ｓとターミナル６０との間の位置を素子上と示し、ターミナル６０とヒートシンク５０との間の位置をターミナル上（ＴＭＬ上）と示すことがある。

８元系はんだは、素子下のはんだ９０、および、素子上のはんだ９１の少なくとも一方に用いるとよい。図７では、はんだ９０、９１に８元系はんだを用い、はんだ９２に８元系はんだより低強度の鉛フリーはんだを用いている。図７では、図４に対して半導体装置１５を簡素化して図示している。図７では、上アーム９Ｈと下アーム９Ｌとの共通構造として図示している。また、封止樹脂体２０を省略している。

はんだ９０に８元系はんだを用いると、半導体チップ３０とヒートシンク４０との線膨張係数差に基づく熱応力が作用しても、高い接続信頼性を維持することができる。同様に、はんだ９１に８元系はんだを用いると、半導体チップ３０とターミナル６０との線膨張係数差に基づく熱応力が作用しても、高い接続信頼性を維持することができる。また、電流密度と温度がもっとも高くなる素子上において、ＥＭ（エレクトロマイグレーション）やはんだ－めっきの拡散を抑制することができる。

ＳｉＣ基板３１のヤング率が大きいため、パワーサイクル試験を実施すると、半導体チップ３０周辺のはんだ９０、９１がクリープし、サイクル数の経過にともなって半導体チップ３０に変形、たとえば反り、が生じる虞がある。これに対し、８元系はんだを用いることで、はんだ９０、９１のクリープを抑制することができる。したがって、半導体チップ３０の変形を抑制し、ひいては半導体装置１５を高寿命化することができる。

８元系はんだは、耐クリープ性に優れるなどの特性をもつため、ヒートシンク４０、５０およびターミナル６０の構成に関わらず、半導体装置１５全体の高寿命化に効果的である。図８は、はんだ歪のシミュレーション結果を示す図である。参考例１は、Ｓｉ基板を用いた半導体チップにおいて、８元系はんだよりも強度の低い鉛フリーはんだを用いた構成の結果を示している。参考例２は、参考例１のＳｉ基板をＳｉＣ基板に置き換えた構成の結果を示している。実施例は、参考例２に対し、はんだを８元系はんだに置き換えた構成の結果を示している。図８において、参考例１、参考例２、実施例を、参１、参２、実と示している。

参考例１、２に示すように、Ｓｉを、Ｓｉよりもヤング率の大きいＳｉＣに置き換えると、半導体チップ３０の周辺に位置する素子下のはんだ９０と素子上のはんだ９１について、はんだ歪が増加する。これに対し、８元系はんだを用いると、実施例に示すように、はんだ９０、９１のいずれもはんだ歪を小さくすることができる。

図７では、はんだ９０、９１の両方に、高強度の８元系はんだを用いる例を示したが、これに限定されない。はんだ９０、９１のいずれかのみに、８元系はんだを用いてもよい。図８に示すように、ＳｉＣに置き換えると素子下においてはんだ歪がもっとも大きくなる。よって、少なくともはんだ９０に８元系はんだを用いるとよい。

８元系はんだを、ターミナル上のはんだ９２に用いてもよい。本実施形態の半導体装置１５では、はんだ９２によって、半導体装置１５の高さばらつきを吸収する構造をとっている。低強度のはんだの場合、はんだ厚が薄くなると、はんだ応力増大によるクラックが発生するため、はんだ厚みが厚くなるように設計している。８元系はんだを用いることで、接合部を高寿命化することができるため、はんだ９２の厚みが薄くなるように設計することができる。これにより、低熱抵抗の半導体装置１５とすることができる。

８元系はんだを、素子下のはんだ９０とターミナル上のはんだ９２の両方に用いてもよい。８元系はんだは高強度であるため、はんだ９０に８元系はんだを用いると、ターミナル上のはんだ応力が高くなる。はんだ９０、９２の両方に８元系はんだを用いることで、ターミナル上のはんだ９２についても接合部を高寿命化することができる。

はんだ９０、９１、９２のすべてに、８元系はんだを用いてもよい。この場合、半導体装置１５全体の信頼性を高めることができる。半導体装置１５において、はんだ９０、９１、９２を含むすべてのはんだに、８元系はんだを用いてもよい。たとえば、はんだ９３に８元系はんだを用いてもよい。

半導体装置１５が、一相分の上下アーム回路９を構成する複数の半導体チップ３０を備える例を示したが、これに限定されない。ひとつのアームを構成する半導体チップ３０のみを備えてもよい。半導体装置１５は、たとえば、ひとつのアームを構成する半導体チップ３０と、半導体チップ３０を挟むように配置された一対のヒートシンク４０、５０と、半導体チップ３０とヒートシンク５０の間に介在するターミナル６０を備える。また、複数相の上下アーム回路９を構成する半導体チップ３０を、ひとつのパッケージとして備えてもよい。

信号端子８５がボンディングワイヤ９４を介してパッド３２Ｐに接続される例を示したが、これに限定されない。たとえば信号端子８５を、はんだを介してパッド３２Ｐに接続してもよい。

（第２実施形態）
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例であり、先行実施形態の記載を援用できる。先行実施形態では、半導体チップ３０の主電極の構成について特に言及しなかった。上記した合金組成の鉛フリーはんだ（８元系はんだ）は、主電極の材料が互いに同じ場合に限らず、互いに異なる構成に用いてもよい。

図９は、本実施形態の半導体装置１５において、一部分を示す断面図である。図９は、図７に対応している。本実施形態では、素子下と素子上とで主電極の材料構成が異なっている。素子下の主電極であるドレイン電極３２Ｄは、たとえばＴｉＮｉ系材料を用いて形成されている。素子上の主電極であるソース電極３２Ｓは、たとえばＡｌ系材料を用いて形成されている。ソース電極３２Ｓは、ドレイン電極３２Ｄよりもヤング率の小さい材料、すなわち、軟らかい材料を用いて形成されている。

図１０は、素子上のはんだ９１と、素子上側の主電極であるソース電極３２Ｓに生じる歪のシミュレーション結果を示す図である。図１０では、８元系はんだとともに、ＳｎＣｕ系はんだ、ＳｎＮｉ系はんだの結果についても示している。ＳｎＣｕ系、ＳｎＮｉ系はいずれも、８元系はんだに較べて強度が低い鉛フリーはんだである。

素子上のはんだ９１に８元系はんだを用いると、８元系はんだ自体が高強度であるため、図１０に示すように、はんだ９１に生じる歪は小さくなる。その反面、軟らかいソース電極３２Ｓに生じる歪が大きくなる。８元系はんだよりも強度が低い２種類のはんだを用いた場合、はんだ９１に生じる歪は８元系より大きくなるものの、ソース電極３２Ｓに生じる歪は８元系に較べて小さくなる。

そこで、本実施形態では、図９に示すように、硬いドレイン電極３２Ｄ側のはんだ９０と、ターミナル６０上のはんだ９２として８元系はんだを用い、軟らかいソース電極３２Ｓ上のはんだ９１には８元系はんだよりも強度の低い鉛フリーはんだを用いている。はんだ９１は、はんだ９０、９２よりも軟らかいため、ソース電極３２Ｓに生じる歪を低減することができる。

図１１は、素子下のはんだ９０の熱伝導率と熱抵抗と厚みとの関係を示すシミュレーション結果である。図１１では、はんだ９０の厚みとして４水準（ｔ１～ｔ４）を示している。各水準は、ｔ１＜ｔ２＜ｔ３＜ｔ４の関係を満たしている。図１１に示すように、８元系はんだの熱伝導率は、低強度の鉛フリーはんだの熱伝導率よりも低い。よって、同じ厚みであれば、８元系はんだのほうが低強度はんだよりも熱抵抗が大きい。８元系はんだは熱伝導率が低いため、はんだ厚を薄くするとよい。８元系はんだの厚みを、たとえば４０～１５０μｍとすることで、先行実施形態に記載の効果を奏しつつ、熱抵抗の増大を抑制することができる。すなわち、放熱性を高めることができる。なお、ターミナル６０上のはんだ９２についても同様である。

本実施形態では、８元系はんだを、はんだ９０、９２の両方に適用する例を示したが、これに限定されない。はんだ９０、９２のいずれかのみに８元系はんだを用いてもよい。

（第３実施形態）
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例であり、先行実施形態の記載を援用できる。先行実施形態では、ソース電極３２Ｓ側のヒートシンク５０が配線機能を提供した。これに代えて、ヒートシンク５０が配線機能を提供しない構成としてもよい。

図１２は、本実施形態の半導体装置１５を示す断面図である。本実施形態では、ヒートシンク４０、５０として、金属板に代えて、ＤＢＣ基板を採用している。また、半導体チップ３０とヒートシンク５０との間に、ターミナル６０に代えて、リードフレーム８６が配置されている。ヒートシンク５０およびリードフレーム８６が、第２放熱部材に相当する。半導体装置１５は、ひとつのアームを構成している。すなわち、２つの半導体装置１５によって、一相分の上下アーム回路９が構成される。本実施形態の半導体装置１５は、上記した構成の半導体チップ３０をひとつのみ備えている。

ヒートシンク４０は、絶縁体４０ｘと、絶縁体４０ｘを挟むように配置された金属体４０ｙ、４０ｚを有している。絶縁体４０ｘは、セラミックス基板である。金属体４０ｙ、４０ｚは、たとえばＣｕを含んで形成されている。金属体４０ｙ、４０ｚは、絶縁体４０ｘに対して直接的に接合されている。ヒートシンク４０は、半導体チップ３０側から、金属体４０ｙ、絶縁体４０ｘ、金属体４０ｚの順に積層されている。ヒートシンク４０は、３層構造をなしている。

反りを抑制するために、金属体４０ｙ、４０ｚの平面形状及び大きさを、互いに略一致させるとよい。中間層である絶縁体４０ｘの平面形状は、金属体４０ｙ、４０ｚと相似である。絶縁体４０ｘの大きさは、金属体４０ｙ、４０ｚよりも大きい。絶縁体４０ｘは、全周で金属体４０ｙ、４０ｚよりも外側まで延設されている。ヒートシンク４０において、金属体４０ｙの一面が、対向面４０ａをなしている。ヒートシンク４０において、金属体４０ｚの一面が、裏面４０ｂをなしている。

ヒートシンク５０も、ヒートシンク４０と同様の構成を有している。ヒートシンク５０は、絶縁体５０ｘと、絶縁体５０ｘを挟むように配置された金属体５０ｙ、５０ｚを有している。ヒートシンク５０は、半導体チップ３０側から、金属体５０ｙ、絶縁体５０ｘ、金属体５０ｚの順に積層されている。ヒートシンク５０は、Ｚ方向においてヒートシンク４０に対向配置されている。Ｙ方向において、ヒートシンク４０は、ヒートシンク５０よりも長く設けられており、ヒートシンク５０との対向領域と、ヒートシンク５０と対向していない非対向領域を有している。

リードフレーム８６は、ヒートシンク４０、５０とは別部材として構成されている。リードフレーム８６は、Ｃｕなどを材料とする金属板を、プレスなどによって加工してなる。リードフレーム８６は、外部接続端子を備えている。リードフレーム８６は、主端子８０および信号端子８５を備えている。信号端子８５は、はんだ９５を介して対応するパッド３２Ｐに接続されている。主端子８０は、ソース端子８０Ｓと、図示しないドレイン端子を有している。

図１２は、ソース端子８０Ｓを含む断面である。図示しないドレイン端子は、ヒートシンク４０において信号端子８５側とは反対の非対向領域と重なる位置まで延設されている。ドレイン端子は、半導体チップ３０と重なる位置まで延びていない。ドレイン端子は、ヒートシンク４０の金属体４０ｙのうち、上記した非対向領域に接続されている。ドレイン端子は、ヒートシンク４０（金属体４０ｙ）を介して、ドレイン電極３２Ｄに電気的に接続されている。ヒートシンク４０は、配線機能を提供している。

ソース端子８０Ｓは、図１２に示すように、半導体チップ３０と重なる位置まで延設されている。ソース端子８０Ｓは、はんだ９１を介してソース電極３２Ｓに接続されている。ヒートシンク５０の金属体５０ｙは、はんだ９２を介してリードフレーム８６のソース端子８０Ｓに接続されている。ソース端子８０Ｓは、ヒートシンク５０を介さずに、ソース電極３２Ｓに電気的に接続されている。ヒートシンク５０は、配線機能を提供せず、放熱機能を提供している。

このような構成の半導体装置１５において、はんだ９０、９１、９２の少なくともひとつに、上記した合金組成の鉛フリーはんだ、すなわち８元系はんだを用いてもよい。８元系はんだは、先行実施形態に記載の配置が可能である。これにより、先行実施形態に記載の構成と同等の効果を奏することができる。

本実施形態に記載の構成は、ひとつのアームを構成する半導体装置１５に限定されない。たとえば、一相分の上下アーム回路９を構成する半導体装置１５にも適用できる。この場合、金属体４０ｙ、５０ｙを、上アーム９Ｈ側と下アーム９Ｌ側とで電気的に分離すればよい。負極端子８０Ｎは、上記したソース端子８０Ｓ同様、はんだ９１を介して半導体チップ３０Ｌのソース電極３２Ｓに接続される。正極端子８０Ｐは、ドレイン端子同様、上アーム９Ｈ側の金属体４０ｙのうち、非対向領域に接続される。出力端子８０Ａは、たとえば、正極端子８０Ｐ同様、下アーム９Ｌ側の金属体４０ｙのうち、非対向領域に接続されてもよい。出力端子８０Ａは、たとえば、負極端子８０Ｎ同様、はんだ９１を介して半導体チップ３０Ｈのソース電極３２Ｓに接続されてもよい。出力端子８０Ａの一部が、下アーム９Ｌ側の金属体４０ｙに接続されることで、上下アームを接続してもよいし、別部材にて上下アームを接続してもよい。

ヒートシンク４０、５０として、ＤＢＣ基板の例を示したが、これに限定されない。先行実施形態同様、金属板を用いてもよい。

（他の実施形態）
この明細書および図面等における開示は、例示された実施形態に制限されない。開示は、例示された実施形態と、それらに基づく当業者による変形態様を包含する。たとえば、開示は、実施形態において示された部品および／または要素の組み合わせに限定されない。開示は、多様な組み合わせによって実施可能である。開示は、実施形態に追加可能な追加的な部分をもつことができる。開示は、実施形態の部品および／または要素が省略されたものを包含する。開示は、ひとつの実施形態と他の実施形態との間における部品および／または要素の置き換え、または組み合わせを包含する。開示される技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示されるいくつかの技術的範囲は、請求の範囲の記載によって示され、さらに請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものと解されるべきである。

明細書および図面等における開示は、請求の範囲の記載によって限定されない。明細書および図面等における開示は、請求の範囲に記載された技術的思想を包含し、さらに請求の範囲に記載された技術的思想より多様で広範な技術的思想に及んでいる。よって、請求の範囲の記載に拘束されることなく、明細書および図面等の開示から、多様な技術的思想を抽出することができる。

ある要素または層が「上にある」、「連結されている」、「接続されている」または「結合されている」と言及されている場合、それは、他の要素、または他の層に対して、直接的に上に、連結され、接続され、または結合されていることがあり、さらに、介在要素または介在層が存在していることがある。対照的に、ある要素が別の要素または層に「直接的に上に」、「直接的に連結されている」、「直接的に接続されている」または「直接的に結合されている」と言及されている場合、介在要素または介在層は存在しない。要素間の関係を説明するために使用される他の言葉は、同様のやり方で（例えば、「間に」対「直接的に間に」、「隣接する」対「直接的に隣接する」など）解釈されるべきである。この明細書で使用される場合、用語「および／または」は、関連する列挙されたひとつまたは複数の項目に関する任意の組み合わせ、およびすべての組み合わせを含む。

空間的に相対的な用語「内」、「外」、「裏」、「下」、「低」、「上」、「高」などは、図示されているような、ひとつの要素または特徴の他の要素または特徴に対する関係を説明する記載を容易にするためにここでは利用されている。空間的に相対的な用語は、図面に描かれている向きに加えて、使用または操作中の装置の異なる向きを包含することを意図することができる。例えば、図中の装置をひっくり返すと、他の要素または特徴の「下」または「真下」として説明されている要素は、他の要素または特徴の「上」に向けられる。したがって、用語「下」は、上と下の両方の向きを包含することができる。この装置は、他の方向に向いていてもよく（９０度または他の向きに回転されてもよい）、この明細書で使用される空間的に相対的な記述子はそれに応じて解釈される。

車両の駆動システム１は、上記した構成に限定されない。たとえば、モータジェネレータ３をひとつ備える例を示したが、これに限定されない。複数のモータジェネレータを備えてもよい。電力変換装置４が、電力変換部としてインバータ６を備える例を示したが、これに限定されない。複数の電力変換部を備えればよい。たとえば、複数のインバータを備える構成としてもよい。すくなくともひとつのインバータと、コンバータを備える構成としてもよい。

半導体チップ３０のＳｉＣ基板３１に形成される素子としてＭＯＳＦＥＴ１１の例を示したが、これに限定されない。電力変換装置に適用される縦型素子であればよい。たとえば、ＩＧＢＴやＳＢＤにも適用できる。縦型素子として、ＭＯＳＦＥＴ１１が形成される例を示したが、これに限定されない。両面の主電極間に電流が流れる縦型素子であればよい。たとえば、ＩＧＢＴでもよい。

ひとつの半導体チップ３０によりひとつのアームを構成する例を示したが、これに限定されない。複数の半導体チップ３０が並列接続されて、ひとつのアームを構成してもよい。

ヒートシンク４０、５０の裏面４０ｂ、５０ｂが、封止樹脂体２０から露出する例を示したが、これに限定されない。裏面４０ｂ、５０ｂの少なくとも一方が、封止樹脂体２０によって覆われた構成としてもよい。裏面４０ｂ、５０ｂの少なくとも一方が、封止樹脂体２０とは別の図示しない絶縁部材によって覆われた構成としてもよい。半導体装置１５が封止樹脂体２０を備える例を示したが、これに限定されない。封止樹脂体２０を備えない構成としてもよい。

半導体装置１５が一相分の上下アーム回路９をなす構成において、継手部７０、７１により、上アーム９Ｈと下アーム９Ｌを接続する例を示したが、これに限定されない。継手部７０、７１の一方のみを備える構成としてもよい。たとえば継手部７０をヒートシンク５０Ｈに接続するようにしてもよい。

半導体チップ３０を構成する半導体基板として、ＳｉＣ基板３１の例を示した。しかしながら、ＳｉＣ以外の、Ｓｉよりヤング率の大きい半導体基板にも適用することができる。

ヒートシンク５０が配線部材として機能する構成において、ヒートシンク５０と半導体チップ３０との間にターミナル６０を配置する例を示したが、これに限定されない。たとえば図１３に示す変形例のように、ヒートシンク５０が、本体部５００と、凸部５０１を有する構成としてもよい。凸部５０１は、本体部５００における半導体チップ３０側の面から突出している。そして、凸部５０１の先端面が、はんだ９１を介して、ソース電極３２Ｓに接続されている。このように、第２放熱部材がヒートシンク５０のみを備える構成としてもよい。この構成では、はんだ９２を排除することができる。半導体チップ３０と放熱部材との間に介在するはんだ９０、９１の少なくともひとつとして、上記した合金組成の鉛フリーはんだを用いるとよい。

１…駆動システム、２…直流電源、３…モータジェネレータ、４…電力変換装置、５…平滑コンデンサ、６…インバータ、７…Ｐライン、８…Ｎライン、９…上下アーム回路、９Ｈ…上アーム、９Ｌ…下アーム、１０…出力ライン、１１…ＭＯＳＦＥＴ、１２…ダイオード、１５…半導体装置、２０…封止樹脂体、２０ａ…一面、２０ｂ…裏面、２０ｃ、２０ｄ…側面、０、３０Ｈ、３０Ｌ…半導体チップ、３１…ＳｉＣ基板、３２Ｄ…コレクタ電極、３２Ｐ…パッド、３２Ｓ…ソース電極、４０、４０Ｈ、４０Ｌ…ヒートシンク、４０ａ…対向面、４０ｂ…裏面、４０ｘ…絶縁体、４０ｙ、４０ｚ…金属体、５０、５０Ｈ、５０Ｌ…ヒートシンク、５０ａ…実装面、５０ｂ…裏面、５０ｘ…絶縁体、５０ｙ、５０ｚ…金属体、５００…本体部、５０１…凸部、６０、６０Ｈ、６０Ｌ…ターミナル、７０、７１、７２…継手部、８０…主端子、８０Ａ…出力端子、８０Ｎ…負極端子、８０Ｐ…正極端子、８０Ｓ…ソース端子、８１…接続部、８５…信号端子、８６…リードフレーム、９０、９１、９２、９３、９５…はんだ、９４…ボンディングワイヤ

Claims (2)

1. 素子が形成されたＳｉＣ基板（３１）と、前記ＳｉＣ基板の一面に形成された第１主電極（３２Ｄ）と、前記ＳｉＣ基板の板厚方向において前記一面とは反対の裏面に形成された第２主電極（３２Ｓ）と、を有する半導体チップ（３０）と、
   前記半導体チップを挟むように配置された放熱部材（４０、５０、６０、８６）であって、前記一面側に配置され、前記第１主電極に接続された第１放熱部材（４０）、および、前記裏面側に配置され、前記第２主電極に接続された第２放熱部材（５０、６０、８６）と、
   前記第１主電極と前記第１放熱部材との間、および、前記第２主電極と前記第２放熱部材との間、のそれぞれに介在して接合部を形成する接合部材（９０、９１、９２）と、
   を備え、
   前記接合部材の少なくともひとつは、
   Ａｇを３．２～３．８質量％、Ｃｕを０．６～０．８質量％、Ｎｉを０．０１～０．２質量％含むとともに、
   Ｓｂの含有量をｘ質量％、Ｂｉの含有量をｙ質量％とすると、ｘ＋２ｙ≦１１質量％、ｘ＋１４ｙ≦４２質量％、及び、ｘ≧５．１質量％を満たすようにＳｂとＢｉを含み、
   さらに、Ｃｏを０．００１～０．３質量％、Ｐを０．００１～０．２質量％含み、
   残部がＳｎからなる合金組成の鉛フリーはんだであり、
   前記第２主電極は、前記第１主電極よりもヤング率の小さい材料を用いて形成されており、
   前記接合部材のうち、前記第２主電極と前記第２放熱部材との前記接合部を形成している前記接合部材は、前記鉛フリーはんだよりも強度の低い低強度はんだであり、残りの前記接合部材の少なくともひとつは、前記鉛フリーはんだである半導体装置。
2. 前記第２放熱部材は、前記第２主電極に接続されたターミナル（６０）と、前記ターミナルを介して前記第２主電極に電気的に接続されたヒートシンク（５０）と、を有し、
   前記接合部材は、前記第２主電極と前記ターミナルとの間、および、前記ターミナルと前記ヒートシンクとの間、のそれぞれに介在しており、
   前記ターミナルと前記第２主電極との接合部を形成している前記接合部材（９１）は、前記低強度はんだである請求項１に記載の半導体装置。

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