(57)【要約】【課題】半導体チップにＳｉＣを用いた場合でも好適な半導体装置を提供すること。【解決手段】半導体装置は、ＳｉＣよりなり、一面及び裏面に主電極が形成された半導体チップ、板厚方向において半導体チップを挟む一対のヒートシンク、裏面側に配置された第２ヒートシンクと半導体チップとの間に介在し、主電極と第２ヒートシンクを中継するターミナル２０、一面側の主電極と第１ヒートシンクの間、裏面側の主電極とターミナルとの間、ターミナルと第２ヒートシンクとの間、のそれぞれに配置されたはんだを備える。ターミナル２０は、Ｃｕ層２０ａ及びＣｒ−Ｃｕの合金層２０ｂが積層されてなる。これにより、Ｚ方向に直交する方向の線膨張係数は、ターミナルの全体として、半導体チップより大きく、第２ヒートシンクより小さい範囲内の値となっている。ターミナルを構成する複数種類の金属層は、板厚方向において対称配置されている。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｉＣ基板に素子が形成され、一面及び該一面と板厚方向において反対の裏面のそれぞれに主電極が形成された半導体チップ（１２）と、
前記板厚方向において前記半導体チップを挟むように配置された一対のヒートシンクであって、前記一面側に配置された第１ヒートシンク（１６）、及び、前記裏面側に配置された第２ヒートシンク（２４）と、
前記第２ヒートシンクと前記半導体チップとの間に介在し、前記裏面側の主電極と前記第２ヒートシンクとを電気的に中継するターミナル（２０）と、
前記一面側の主電極と前記第１ヒートシンクとの間、前記裏面側の主電極と前記ターミナルとの間、前記ターミナルと前記第２ヒートシンクとの間、のそれぞれに配置された接合部材（１８，２２，２６）と、
を備え、
前記ターミナルは、複数種類の金属層（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ）が、前記板厚方向に積層されてなり、
少なくとも前記板厚方向に直交する方向の線膨張係数が、前記ターミナルの全体として、前記半導体チップよりも大きく、前記第２ヒートシンクよりも小さい範囲内とされ、
前記ターミナルにおいて、前記複数種類の金属層は、前記板厚方向において対称配置されている半導体装置。
【請求項２】
前記ターミナルは、前記金属層として、Ｃｕ層と、Ｃｕを含む合金層と、を有し、前記Ｃｕ層と前記合金層とが順に積層された３層以上のクラッド材である請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記板厚方向において、前記ターミナルの表層が、前記Ｃｕ層とされている請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記板厚方向において、前記ターミナルの表層が、前記合金層とされている請求項２に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記合金層は、Ｃｒを含む請求項２〜４いずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
ＳｉＣ基板に素子が形成され、一面及び該一面と板厚方向において反対の裏面のそれぞれに主電極が形成された半導体チップ（１２）と、
前記板厚方向において前記半導体チップを挟むように配置された一対のヒートシンクであって、前記一面側に配置された第１ヒートシンク（１６）、及び、前記裏面側に配置された第２ヒートシンク（２４）と、
前記第２ヒートシンクと前記半導体チップとの間に介在し、前記裏面側の主電極と前記第２ヒートシンクとを電気的に中継するターミナル（２０）と、
前記一面側の主電極と前記第１ヒートシンクの間、前記裏面側の主電極と前記ターミナルとの間、前記ターミナルと前記第２ヒートシンクとの間、のそれぞれに配置された接合部材（１８，２２，２６）と、
を備え、
前記ターミナルは、Ｃｕ層（２０ａ，２０ｃ）と、ＣｕとＣｒを含む合金層（２０ｂ）とが、前記板厚方向に順に積層された３層以上のクラッド材であり、前記Ｃｕ層及び前記合金層は、前記板厚方向において対称配置されている半導体装置。
【請求項７】
前記第１ヒートシンク及び前記第２ヒートシンクの少なくとも１つが、Ｃｕ層（１６ｄ，２４ｄ）と、Ｃｕを含む合金層（１６ｅ，２４ｅ）と、を有し、前記Ｃｕ層と前記合金層とが順に積層された３層以上のクラッド材を含む請求項６に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記半導体チップ、前記ターミナル、前記接合部材、前記第１ヒートシンク、及び前記第２ヒートシンクを一体的に封止する封止樹脂体（１４）をさらに備え、
前記ヒートシンクの合金層は、Ｃｒを含むとともに、前記封止樹脂体の表面に対して面一で露出している請求項７に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記接合部材の少なくとも１つに、
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とＢｉを含む鉛フリーはんだを用いている請求項１〜８いずれか１項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この明細書における開示は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、両面放熱構造の半導体装置が開示されている。この半導体装置は、半導体チップ、一対のヒートシンク（リードフレーム）、及びターミナル（ヒートシンクブロック）を備えている。半導体チップは、シリコン基板にＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどの素子が形成されてなり、一面及び裏面のそれぞれに主電極を有している。一対のヒートシンクは、一面側に配置された第１ヒートシンクと、裏面側に配置された第２ヒートシンクを有している。ターミナルは、第２ヒートシンクと半導体チップの間に介在し、電気的に中継している。半導体チップと第１ヒートシンク、半導体チップとターミナル、ターミナルと第２ヒートシンクは、それぞれ接合部材を介して接続されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−９８２２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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、半導体チップが上下からヒートシンクによって挟まれた上記の両面放熱構造において、半導体チップにＳｉＣ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。
【０００５】
本開示はこのような課題に鑑みてなされたものであり、半導体チップにＳｉＣを用いた場合でも好適な半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示は、上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、括弧内の符号は、ひとつの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、技術的範囲を限定するものではない。
【０００７】
本開示のひとつである半導体装置は、
ＳｉＣ基板に素子が形成され、一面及び該一面と板厚方向において反対の裏面のそれぞれに主電極が形成された半導体チップ（１２）と、
板厚方向において半導体チップを挟むように配置された一対のヒートシンクであって、一面側に配置された第１ヒートシンク（１６）、及び、裏面側に配置された第２ヒートシンク（２４）と、
第２ヒートシンクと半導体チップとの間に介在し、裏面側の主電極と第２ヒートシンクとを電気的に中継するターミナル（２０）と、
一面側の主電極と第１ヒートシンクとの間、裏面側の主電極とターミナルとの間、ターミナルと第２ヒートシンクとの間、のそれぞれに配置された接合部材（１８，２２，２６）と、
を備え、
ターミナルは、複数種類の金属層（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ）が、板厚方向に積層されてなり、
少なくとも板厚方向に直交する方向の線膨張係数が、ターミナルの全体として、半導体チップよりも大きく、第２ヒートシンクよりも小さい範囲内とされ、
ターミナルにおいて、複数種類の金属層は、板厚方向において対称配置されている。
【０００８】
この半導体装置によれば、複数種類の金属層が積層されてターミナルが構成されており、少なくとも板厚方向に直交する方向における線膨張係数は、半導体チップと第２ヒートシンクとの間の値となっている。したがって、各接合部材や半導体チップに作用する熱応力を低減することができる。さらに、金属層は、Ｚ方向において対称配置されている。これにより、ターミナルの反りを抑制し、各接合部材や半導体チップに局所的な応力が作用するのを抑制することができる。したがって、本開示は、両面放熱構造の半導体装置において、半導体チップにＳｉＣを用いた構成に好適である。
【０００９】
本開示の他のひとつである半導体装置は、
ＳｉＣ基板に素子が形成され、一面及び該一面と板厚方向において反対の裏面のそれぞれに主電極が形成された半導体チップ（１２）と、
板厚方向において半導体チップを挟むように配置された一対のヒートシンクであって、一面側に配置された第１ヒートシンク（１６）、及び、裏面側に配置された第２ヒートシンク（２４）と、
第２ヒートシンクと半導体チップとの間に介在し、裏面側の主電極と第２ヒートシンクとを電気的に中継するターミナル（２０）と、
一面側の主電極と第１ヒートシンクの間、裏面側の主電極とターミナルとの間、ターミナルと第２ヒートシンクとの間、のそれぞれに配置された接合部材（１８，２２，２６）と、
を備え、
ターミナルは、Ｃｕ層（２０ａ，２０ｃ）と、ＣｕとＣｒを含む合金層（２０ｂ）とが、板厚方向に順に積層された３層以上のクラッド材であり、Ｃｕ層及び合金層は、板厚方向において対称配置されている。
【００１０】
この半導体装置によれば、ターミナルとして、Ｃｕ層と、ＣｕとＣｒを含む合金層とのクラッド材を用いている。この合金層を含むことで、Ｃｕ層の板厚方向に直交する方向への膨張が拘束され、ターミナル全体として上記直交する方向の線膨張係数を小さくすることができる。したがって、各接合部材や半導体チップに作用する熱応力を低減することができる。さらに、Ｃｕ層及び合金層は、板厚方向において対称配置されている。これにより、ターミナルの反りを抑制し、各接合部材や半導体チップに局所的な応力が作用するのを抑制することができる。したがって、本開示は、両面放熱構造の半導体装置において、半導体チップにＳｉＣを用いた構成に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態の半導体装置が適用される電力変換装置の概略構成を示す図である。
【図２】半導体装置を示す斜視図である。
【図３】図２のIII-III線に沿う断面図である。
【図４】第１ヒートシンクを含むリードフレームを示す斜視図である。
【図５】半導体チップを配置した状態を示す斜視図である。
【図６】ターミナルを配置した状態を示す斜視図である。
【図７】第２ヒートシンクを示す斜視図である。
【図８】第２ヒートシンクを配置した状態を示す斜視図である。
【図９】ターミナルの詳細構造を示す断面図である。
【図１０】第１変形例を示す断面図であり、図９に対応している。
【図１１】第２変形例を示す断面図であり、図９に対応している。
【図１２】第３変形例を示す断面図であり、図９に対応している。
【図１３】第２実施形態の半導体装置において、ターミナル周辺を示す断面図である。
【図１４】第３実施形態の半導体装置を示す断面図であり、図２のXIV-XIV線に対応している。
【図１５】第４変形例を示す断面図である。
【図１６】第４実施形態の半導体装置に適用されるＰｂフリーはんだについて、はんだ歪のシミュレーション結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図面を参照しながら、複数の実施形態及び変形例を説明する。複数の実施形態及び変形例において、機能的に及び／又は構造的に対応する部分には同一の参照符号を付与する。以下において、半導体チップの板厚方向をＺ方向、Ｚ方向に直交し、半導体チップの並び方向をＸ方向と示す。また、Ｚ方向及びＸ方向の両方向に直交する方向をＹ方向と示す。特に断わりのない限り、ＸＹ面視したときの形状（ＸＹ平面に沿う形状）を平面形状とする。ＸＹ面視は、Ｚ方向の投影視とも言える。
【００１３】
（第１実施形態）
以下において、符号末尾のＨは、上下アームのうち、上アーム側の要素であることを示し、末尾のＬは、下アーム側の要素であることを示す。要素の一部には、上アーム及び下アームを明確にするために末尾にＨ，Ｌを付与し、別の一部については、上アームと下アームとで共通符号としている。
【００１４】
（電力変換装置の概略構成）
図１に示す電力変換装置１は、たとえば電気自動車やハイブリッド自動車に搭載される。電力変換装置１は、車両に搭載された直流電源２から供給される直流電圧を、三相交流に変換して、三相交流方式のモータ３に出力するように構成されている。モータ３は、車両の走行駆動源として機能する。電力変換装置１は、モータ３により発電された電力を、直流に変換して直流電源２などに充電することもできる。このように、電力変換装置１は、双方向の電力変換が可能となっている。
【００１５】
電力変換装置１は、平滑コンデンサ４と、電力変換器であるインバータ５を備えている。平滑コンデンサ４の正極側端子は、直流電源２の高電位側の電極である正極に接続され、負極側端子は、直流電源２の低電位側の電極である負極に接続されている。インバータ５は、入力された直流電力を所定周波数の三相交流に変換し、モータ３に出力する。インバータ５は、モータ３により発電された交流電力を、直流電力に変換する。
【００１６】
インバータ５は、６つのアームを備えて構成されている。各相の上下アームは、平滑コンデンサ４の正極側端子と負極側端子との間で、２つのアームが直列に接続されてなる。各相の上下アームは、後述する半導体装置１０によって構成されている。インバータ５は、３つの半導体装置１０によって構成されている。
【００１７】
本実施形態では、各アームがＭＯＳＦＥＴ６を有している。また、ＭＯＳＦＥＴ６として、ｎチャネル型を採用している。ＭＯＳＦＥＴ６は、主電流が流れる主電極として、ドレイン電極及びソース電極を有している。上アーム側のＭＯＳＦＥＴ６のドレイン電極は、平滑コンデンサ４の正極側端子に接続されている。下アーム側のＭＯＳＦＥＴ６のソース電極は、平滑コンデンサ４の負極側端子に接続されている。上アーム側のＭＯＳＦＥＴ６のソース電極と、下アーム側のＭＯＳＦＥＴ６のドレイン電極が相互に接続されている。
【００１８】
電力変換装置１は、上記した平滑コンデンサ４及びインバータ５に加えて、直流電源２から供給される直流電圧を昇圧する昇圧コンバータ、インバータ５や昇圧コンバータを構成する素子の駆動回路、駆動回路に対して駆動指令を出力する制御回路などを備えてもよい。
【００１９】
（半導体装置の概略構成）
図２〜図８に示すように、半導体装置１０は、半導体チップ１２、封止樹脂体１４、第１ヒートシンク１６、ターミナル２０、第２ヒートシンク２４、継手部２８、電源端子３２、出力端子３４、及び信号端子３６を備えている。図４では、半導体装置１０のうち、第１ヒートシンク１６を含むリードフレーム４０のみを示している。図５では、図４に対し、半導体チップ１２が接続された状態を示している。図６では、図５に対し、ターミナル２０が接続された状態を示している。図８では、図６に対し、第２ヒートシンク２４が接続された状態を示している。
【００２０】
半導体チップ１２は、ＳｉＣ基板に素子が形成されてなる。以下において、上アーム側の素子が形成された半導体チップ１２を半導体チップ１２Ｈ、下アーム側の素子が形成された半導体チップ１２を半導体チップ１２Ｌとも示す。２つの半導体チップ１２Ｈ，１２Ｌは、板厚方向を同じ方向（Ｚ方向）にして配置されている。
【００２１】
半導体チップ１２に形成された素子は、Ｚ方向に電流が流れるように縦型構造をなしている。本実施形態では、素子として、上記したようにｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴが形成されている。図３に示すように、半導体チップ１２の板厚方向、すなわちＺ方向において、半導体チップ１２の一面にドレイン電極１２ｄがそれぞれ形成され、一面と反対の裏面にソース電極１２ｓがそれぞれ形成されている。ドレイン電極１２ｄが一面側の主電極に相当し、ソース電極１２ｓが裏面側の主電極に相当する。
【００２２】
半導体チップ１２Ｈ，１２Ｌは、互いにほぼ同じ平面形状、詳しくは平面略矩形状をなすとともに、互いにほぼ同じ大きさ、厚みを有している。半導体チップ１２の厚みは、たとえば１００μｍ程度とされている。半導体チップ１２Ｈ，１２Ｌは、互いに同じ構成となっている。半導体チップ１２Ｈ，１２Ｌは、ドレイン電極１２ｄがＺ方向において同じ側となり、ソース電極１２ｓがＺ方向における同じ側となるように配置されている。半導体チップ１２Ｈ，１２Ｌは、Ｚ方向においてほぼ同じ高さに位置するとともに、Ｘ方向に横並びで配置されている。
【００２３】
図５及び図６に示すように、半導体チップ１２の裏面、すなわちソース電極形成面には、信号用の電極であるパッド１２ｐが形成されている。パッド１２ｐは、裏面においてソース電極１２ｓとは別の位置に形成されている。パッド１２ｐは、Ｙ方向において、ソース電極１２ｓの形成領域とは反対側の端部に形成されている。
【００２４】
本実施形態では、半導体チップ１２が、５つのパッド１２ｐをそれぞれ有している。詳しくは、５つのパッド１２ｐとして、ゲート電極用、ソース電極１２ｓの電位検出用、電流センス用、半導体チップ１２の温度を検出する温度センサ（感温ダイオード）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１２ｐは、平面略矩形状の半導体チップ１２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。
【００２５】
封止樹脂体１４は、半導体チップ１２を封止している。封止樹脂体１４は、たとえばエポキシ系樹脂からなる。封止樹脂体１４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及び図３に示すように、封止樹脂体１４は、Ｚ方向において、一面１４ａと、一面１４ａと反対の裏面１４ｂを有している。一面１４ａはドレイン電極１２ｄ側の面であり、裏面１４ｂはソース電極１２ｓ側の面である。一面１４ａ及び裏面１４ｂは、たとえば平坦面となっている。本実施形態では、封止樹脂体１４が、平面略矩形状をなしている。
【００２６】
第１ヒートシンク１６は、半導体チップ１２の一面側、すなわちドレイン電極１２ｄ側に配置されている。第１ヒートシンク１６は、対応する半導体チップ１２の熱を半導体装置１０の外部に放熱する機能とともに、主電極の配線としての機能も果たす。このため、熱伝導性及び電気伝導性を確保すべく、ＣｕやＡｌなどの金属材料を用いて形成されている。本実施形態では、第１ヒートシンク１６がＣｕを用いて形成されており、その厚みが２ｍｍ程度とされている。また、第１ヒートシンク１６は、図３〜図５に示すように、半導体チップ１２Ｈに対応する第１ヒートシンク１６Ｈと、半導体チップ１２Ｌに対応する第１ヒートシンク１６Ｌを有している。
【００２７】
第１ヒートシンク１６は、Ｚ方向からの投影視において、対応する半導体チップ１２を内包するように設けられている。第１ヒートシンク１６は、対応する半導体チップ１２のドレイン電極１２ｄと、はんだ１８を介して接続されている。第１ヒートシンク１６のそれぞれの大部分は封止樹脂体１４によって覆われている。第１ヒートシンク１６の表面のうち、実装面１６ａにはんだ１８が接続されている。実装面１６ａとは反対の放熱面１６ｂは、封止樹脂体１４から露出されている。放熱面１６ｂは、一面１４ａと略面一となっている。
【００２８】
詳しくは、第１ヒートシンク１６Ｈの実装面１６ａに、半導体チップ１２Ｈのドレイン電極１２ｄが、はんだ１８を介して接続されている。また、第１ヒートシンク１６Ｌの実装面１６ａに、半導体チップ１２Ｌのドレイン電極１２ｄが、はんだ１８を介して接続されている。第１ヒートシンク１６Ｈ，１６Ｌは、Ｘ方向に並んで配置されるとともに、Ｚ方向においてほぼ同じ位置に配置されている。第１ヒートシンク１６Ｈ，１６Ｌの放熱面１６ｂは、封止樹脂体１４の一面１４ａから露出されるとともに、互いにＸ方向に並んでいる。
【００２９】
ターミナル２０は、半導体チップ１２と第２ヒートシンク２４との間に介在し、半導体チップ１２と第２ヒートシンク２４を電気的に中継する。ターミナル２０は、半導体チップ１２と第２ヒートシンク２４との熱伝導、電気伝導経路の途中に位置するため、熱伝導性及び電気伝導性を確保すべく、少なくとも金属材料を用いて形成されている。ターミナル２０は、ソース電極１２ｓに対向配置され、はんだ２２を介してソース電極１２ｓと接続されている。ターミナル２０は、半導体チップ１２ごとに設けられている。すなわち、半導体装置１０が、２つのターミナル２０を備えている。ターミナル２０のひとつは、半導体チップ１２Ｈと第２ヒートシンク２４Ｈとの間に介在し、ターミナル２０の別のひとつは、半導体チップ１２Ｌと第２ヒートシンク２４Ｌとの間に介在している。ターミナル２０の詳細については、後述する。
【００３０】
第２ヒートシンク２４も、第１ヒートシンク１６同様、対応する半導体チップ１２の熱を半導体装置１０の外部に放熱する機能とともに、主電極の配線としての機能を果たす。第２ヒートシンク２４は、半導体チップ１２のソース電極１２ｓ側に配置されている。第２ヒートシンク２４は、第１ヒートシンク１６との間に半導体チップ１２を挟むように配置されている。第１ヒートシンク１６及び第２ヒートシンク２４が、一対のヒートシンクに相当する。以下において、第１ヒートシンク１６及び第２ヒートシンク２４を、ヒートシンク１６，２４とも称する。
【００３１】
第２ヒートシンク２４も、ＣｕやＡｌなどの金属材料を用いて形成されている。本実施形態では、第２ヒートシンク２４がＣｕを用いて形成されており、その厚みが２ｍｍ程度とされている。また、第２ヒートシンク２４は、図３、図７、及び図８に示すように、半導体チップ１２Ｈに対応する第２ヒートシンク２４Ｈと、半導体チップ１２Ｌに対応する第２ヒートシンク２４Ｌを有している。
【００３２】
第２ヒートシンク２４は、Ｚ方向からの投影視において、対応する半導体チップ１２を内包するように設けられている。第２ヒートシンク２４は、対応する半導体チップ１２のソース電極１２ｓと電気的に接続されている。第２ヒートシンク２４は、対応するソース電極１２ｓと、はんだ２２、ターミナル２０、及びはんだ２６を介して、電気的に接続されている。第２ヒートシンク２４のそれぞれの大部分は封止樹脂体１４によって覆われている。第２ヒートシンク２４の表面のうち、実装面２４ａにはんだ２６が接続されており、実装面２４ａとは反対の放熱面２４ｂが封止樹脂体１４から露出されている。放熱面２４ｂは、裏面１４ｂと略面一となっている。はんだ１８，２２，２６が、接合部材に相当する。
【００３３】
詳しくは、第２ヒートシンク２４Ｈの実装面２４ａに、半導体チップ１２Ｈに対応するターミナル２０が、はんだ２６を介して接続されている。第２ヒートシンク２４Ｌの実装面２４ａに、半導体チップ１２Ｌに対応するターミナル２０が、はんだ２６を介して接続されている。第２ヒートシンク２４Ｈ，２４Ｌは、Ｘ方向に並んで配置されるとともに、Ｚ方向においてほぼ同じ位置に配置されている。そして、第２ヒートシンク２４Ｈ，２４Ｌの放熱面２４ｂが、封止樹脂体１４の裏面１４ｂから露出されるとともに、互いにＸ方向に並んでいる。
【００３４】
継手部２８は、第１継手部２８ａ、第２継手部２８ｂ、及び第３継手部２８ｃを有している。第１継手部２８ａ及び第３継手部２８ｃは、上アーム側の第２ヒートシンク２４Ｈと、下アーム側の第１ヒートシンク１６Ｌとを電気的に接続している。第２継手部２８ｂは、下アーム側の第２ヒートシンク２４Ｌと負極端子３２ｎとを電気的に接続している。
【００３５】
本実施形態では、第１継手部２８ａが、同一の金属板を加工することで第２ヒートシンク２４Ｈと一体的に設けられている。第２継手部２８ｂは、同一の金属板を加工することで第２ヒートシンク２４Ｌと一体的に設けられている。そして、第１継手部２８ａを含む第２ヒートシンク２４Ｈと、第２継手部２８ｂを含む第２ヒートシンク２４Ｌとを共通部材としており、半導体装置１０においてこれらの配置は、Ｚ軸を回転軸とする２回対称となっている。
【００３６】
第１継手部２８ａは、封止樹脂体１４に被覆されるように、第２ヒートシンク２４Ｈよりも薄く設けられている。第１継手部２８ａは、第２ヒートシンク２４Ｈの実装面２４ａと略面一となるように、第２ヒートシンク２４Ｈに連なっている。第１継手部２８ａは、第２ヒートシンク２４Ｈにおける第２ヒートシンク２４Ｌ側の側面２４ｃからＸ方向に延びている。第１継手部２８ａにおいて、第２ヒートシンク２４Ｈの実装面２４ａに連なる面には、はんだ３０を介して第３継手部２８ｃが接続されている。
【００３７】
第２継手部２８ｂも、第１継手部２８ａ同様の構成となっている。第２継手部２８ｂにおいて、第２ヒートシンク２４Ｌの実装面２４ａに連なる面には、はんだ３０を介して負極端子３２ｎが接続されている。なお、第１継手部２８ａ及び第２継手部２８ｂそれぞれの実装面２４ａに連なる面には、溢れたはんだ３０を吸収するための溝が形成されている。溝は、環状に形成されている。
【００３８】
第３継手部２８ｃも、同一の金属板を加工することで第１ヒートシンク１６Ｌと一体的に設けられている。第３継手部２８ｃは、封止樹脂体１４に被覆されるように、第１ヒートシンク１６Ｌよりも薄く設けられている。第３継手部２８ｃは、第１ヒートシンク１６Ｌの実装面１６ａに略面一で連なっている。第３継手部２８ｃは、第１ヒートシンク１６Ｌにおける第１ヒートシンク１６Ｈ側の側面１６ｃから、第２ヒートシンク２４Ｈに向けて延設されている。
【００３９】
第３継手部２８ｃは、Ｚ方向からの平面視において、Ｘ方向に延設されている。本実施形態では、図３に示すように、第３継手部２８ｃが屈曲部を２箇所有している。第３継手部２８ｃの先端部分は、Ｚ方向からの投影視において、第１継手部２８ａと重なっている。そして、第３継手部２８ｃと第１継手部２８ａとが、はんだ３０を介して接続されている。第３継手部２８ｃは、Ｙ方向において、第２継手部２８ｂと横並びとなるように設けられている。
【００４０】
なお、第１継手部２８ａを、第２ヒートシンク２４Ｈとは別部材とし、第２ヒートシンク２４Ｈに接続することで第２ヒートシンク２４Ｈに連なる構成としてもよい。第２継手部２８ｂを、第２ヒートシンク２４Ｌとは別部材とし、第２ヒートシンク２４Ｌに接続することで第２ヒートシンク２４Ｌに連なる構成としてもよい。また、第３継手部２８ｃを、第１ヒートシンク１６Ｌとは別部材とし、第１ヒートシンク１６Ｌに接続することで第１ヒートシンク１６Ｌに連なる構成としてもよい。第１継手部２８ａ及び第３継手部２８ｃの一方のみにより、上アームと下アームとを電気的に接続することもできる。
【００４１】
電源端子３２は、正極端子３２ｐと、負極端子３２ｎを有している。正極端子３２ｐは、平滑コンデンサ４の正極側端子と電気的に接続される。正極端子３２ｐは、主電流が流れる主端子である。正極端子３２ｐは、高電位電源端子、Ｐ端子とも称される。図４に示すように、正極端子３２ｐは、第１ヒートシンク１６Ｈに連なっており、第１ヒートシンク１６Ｈの側面のうち、信号端子３６側の面とは反対の面からＹ方向に延設されている。
【００４２】
本実施形態では、正極端子３２ｐが、同一の金属板を加工することで第１ヒートシンク１６Ｈと一体的に設けられている。正極端子３２ｐは、第１ヒートシンク１６ＨにおけるＹ方向の一端に連なっている。正極端子３２ｐは、Ｙ方向に延設され、図２に示すように、封止樹脂体１４の側面１４ｃから外部に突出している。
【００４３】
負極端子３２ｎは、平滑コンデンサ４の負極側端子と電気的に接続される。負極端子３２ｎは、主電流が流れる主端子である。負極端子３２ｎは、低電位電源端子、Ｎ端子とも称される。負極端子３２ｎは、その一部が、Ｚ方向からの投影視において第２継手部２８ｂと重なるように配置されている。負極端子３２ｎは、Ｚ方向において、第２継手部２８ｂよりも半導体チップ１２に近い位置に配置されている。負極端子３２ｎと第２継手部２８ｂも、はんだ３０を介して接続されている。負極端子３２ｎは、Ｙ方向に延設されて、正極端子３２ｐと同じ側面１４ｃから外部に突出している。
【００４４】
出力端子３４は、上下アームの接続点と電気的に接続される。出力端子３４は、モータ３の対応する相のコイル（固定子巻線）と電気的に接続される。出力端子３４は、交流端子、Ｏ端子とも称される。図４に示すように、出力端子３４は、第１ヒートシンク１６Ｌに連なっており、第１ヒートシンク１６Ｌの側面のうち、信号端子３６側の面とは反対の面から、Ｙ方向であって正極端子３２ｐと同じ側に延設されている。
【００４５】
本実施形態では、出力端子３４が、同一の金属板を加工することで、第１ヒートシンク１６Ｌと一体的に設けられている。出力端子３４は、第１ヒートシンク１６ＬにおけるＹ方向の一端に連なっている。出力端子３４は、Ｙ方向に延設されて、正極端子３２ｐ及び負極端子３２ｎと同じ側面１４ｃから、封止樹脂体１４の外に突出している。
【００４６】
正極端子３２ｐ、負極端子３２ｎ、及び出力端子３４それぞれの封止樹脂体１４からの突出部分は、Ｚ方向において互いにほぼ同じ位置に配置されている。また、Ｘ方向において、正極端子３２ｐ、負極端子３２ｎ、及び出力端子３４の順に並んで配置されている。このように、正極端子３２ｐの隣りに、負極端子３２ｎが配置されている。
【００４７】
電源端子３２及び出力端子３４は、主電流が流れるため主端子とも称される。電源端子３２及び出力端子３４には、図示しないバスバーが接続される。バスバーは、たとえばレーザ溶接により、対応する電源端子３２、出力端子３４と接続される。本実施形態では、バスバーなどとの接続性を考慮し、封止樹脂体１４からの突出部分の延設長さが３本の電源端子３２及び出力端子３４で互いに異なり、出力端子３４が最も長くされ、負極端子３２ｎが最も短くされている。また、突出部分の幅は、正極端子３２ｐが最も広く、出力端子３４が最も狭くされている。
【００４８】
なお、正極端子３２ｐを、第１ヒートシンク１６Ｈとは別部材とし、第１ヒートシンク１６Ｈに接続することで第１ヒートシンク１６Ｈに連なる構成としてもよい。負極端子３２ｎを、第２継手部２８ｂ、ひいては第２ヒートシンク２４Ｌと同一の金属板から構成してもよい。出力端子３４を、第１ヒートシンク１６Ｌとは別部材とし、第１ヒートシンク１６Ｌに接続することで第１ヒートシンク１６Ｌに連なる構成としてもよい。
【００４９】
信号端子３６は、図６に示すように、対応する半導体チップ１２のパッド１２ｐに、ボンディングワイヤ３８を介して電気的に接続されている。信号端子３６は、Ｙ方向に延設されており、図２に示すように、封止樹脂体１４において側面１４ｃとは反対の側面１４ｄから外部に突出している。
【００５０】
図４に示すように、本実施形態では、第１ヒートシンク１６、第３継手部２８ｃ、電源端子３２、出力端子３４、及び信号端子３６が、同一の金属板であるリードフレーム４０として構成されている。リードフレーム４０において、第１ヒートシンク１６、及び、負極端子３２ｎにおける第２継手部２８ｂとの接続部分が厚肉部とされており、それ以外の部分は厚肉部よりも厚みの薄い薄肉部とされている。
【００５１】
以上のように構成される半導体装置１０では、封止樹脂体１４により、半導体チップ１２、第１ヒートシンク１６それぞれの一部、ターミナル２０、第２ヒートシンク２４それぞれの一部、電源端子３２それぞれの一部、出力端子３４の一部、及び信号端子３６の一部が一体的に封止されている。半導体装置１０では、封止樹脂体１４によって、一相分の上下アームを構成する２つの半導体チップ１２が封止されている。このため、半導体装置１０は、２ｉｎ１パッケージとも称される。
【００５２】
第１ヒートシンク１６Ｈ，１６Ｌそれぞれの放熱面１６ｂは、同一面内に位置するとともに、封止樹脂体１４の一面１４ａと略面一となっている。同じく、第２ヒートシンク２４Ｈ，２４Ｌそれぞれの放熱面２４ｂは、同一面内に位置するとともに、封止樹脂体１４の裏面１４ｂと略面一となっている。このように、半導体装置１０は、放熱面１６ｂ，２４ｂがともに封止樹脂体１４から露出された両面放熱構造をなしている。
【００５３】
（半導体装置１０の製造方法）
図２、図４〜図６、及び図８に基づき、上記した半導体装置１０の製造方法の一例について説明する。なお、図２、図４〜図６、及び図８は、製品状態のリードフレーム４０を示している。リードフレーム４０は、以下に示す製造工程において、不要部分の除去がなされるまで、図示しない外枠やタイバーを有している。
【００５４】
先ず、半導体装置１０を構成する各要素を準備する。たとえば図４に示すリードフレーム４０を準備する。また、半導体チップ１２、ターミナル２０、第２ヒートシンク２４をそれぞれ準備する。
【００５５】
次いで、図５に示すように、リードフレーム４０における第１ヒートシンク１６Ｈ，１６Ｌの実装面１６ａ上に、はんだ１８を介して、対応する半導体チップ１２Ｈ，１２Ｌを配置する。その際、ドレイン電極１２ｄが実装面１６ａと対向するように、半導体チップ１２Ｈ，１２Ｌを配置する。
【００５６】
次に、たとえば予め両面にはんだ２２，２６が迎えはんだとして配置されたターミナル２０を、はんだ２２が半導体チップ１２側となるように配置する。はんだ２６については、半導体装置１０における高さばらつきを吸収可能な量、配置しておく。また、第３継手部２８ｃ及び負極端子３２ｎ上にはんだ３０を配置しておく。
【００５７】
そして、この積層状態で、はんだの１ｓｔリフローを実施する。これにより、はんだ１８を介して、半導体チップ１２のドレイン電極１２ｄと対応する第１ヒートシンク１６とが接続される。また、はんだ２２を介して、半導体チップ１２のソース電極１２ｓと対応するターミナル２０とが接続される。すなわち、図６に示すように、リードフレーム４０、半導体チップ１２、及びターミナル２０が一体化された接続体を得ることができる。リフロー後、半導体チップ１２のパッド１２ｐと信号端子３６を、ボンディングワイヤ３８により接続する。
【００５８】
次いで、実装面２４ａが上になるようにして第２ヒートシンク２４を図示しない台座上に配置する。そして、ターミナル２０が第２ヒートシンク２４に対向するように、接続体を第２ヒートシンク２４上に配置し、はんだの２ｎｄリフローを実施する。２ｎｄリフローでは、第１ヒートシンク１６側から荷重を加えることで、半導体装置１０の高さが所定高さとなるようにする。図８は、２ｎｄリフロー後の状態を示している。
【００５９】
次いで、トランスファモールド法により封止樹脂体１４の成形を行う。本実施形態では、第１ヒートシンク１６及び第２ヒートシンク２４が完全に被覆されるように、封止樹脂体１４を成形する。なお、成形の前に、第１ヒートシンク１６、半導体チップ１２、及びターミナル２０などの封止樹脂体１４と接触する表面部分に、たとえばポリアミド樹脂を塗布しておくと、封止樹脂体１４との密着力を向上することができる。
【００６０】
次いで、成形した封止樹脂体１４を第１ヒートシンク１６の一部ごと切削することにより、第１ヒートシンク１６の放熱面１６ｂを露出させる。これにより、放熱面１６ｂは一面１４ａと略面一となる。同じく、封止樹脂体１４を第２ヒートシンク２４の一部ごと切削することにより、第２ヒートシンク２４の放熱面２４ｂを露出させる。これにより、放熱面２４ｂは裏面１４ｂと略面一となる。
【００６１】
なお、放熱面１６ｂ，２４ｂ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１４を成形してもよい。この場合、封止樹脂体１４を成形した時点で、放熱面１６ｂ，２４ｂが封止樹脂体１４から露出される。このため、成形後の切削が不要となる。
【００６２】
次いで、外枠やタイバーなど、リードフレーム４０の不要部分を除去する。これにより、図２に示す半導体装置１０を得ることができる。
【００６３】
（ターミナル詳細）
ターミナル２０は、複数種類の金属層を積層してなる。積層方向において隣り合う金属層は接合されている。ここで、異なる種類とは、構成する金属が互いに異なってもよいし、線膨張係数が互いに異なってもよい。たとえば線膨張係数が同じでも、構成する金属が異なれば、異なる種類である。複数種類の金属層は、Ｚ方向及びＺ方向に直交する方向の少なくとも１方向において線膨張係数が互いに異なり、且つ、それぞれの線膨張係数が、半導体チップ１２以上、第２ヒートシンク２４以下の範囲内とされるとよい。ターミナル２０全体の線膨張係数を、半導体チップ１２と第２ヒートシンク２４との間に調整しやすくなる。なお、Ｚ方向に直交する方向とは、ＸＹ面に沿う方向、すなわちＸ方向及びＹ方向である。なお、ＳｉＣの線膨張係数は４×１０−６／Ｋ程度、Ｃｕは１７×１０−６／Ｋ程度である。
【００６４】
本実施形態では、ターミナル２０として、第１の金属からなる金属層と、第１の金属を含む合金層を備えたクラッド材を採用している。詳しくは、図９に示すように、Ｃｕ層２０ａと、Ｃｕを含む合金層２０ｂを備えたクラッド材を採用している。クラッド材は、接合材を用いない分子拡散による接合であるため、従来の積層型に較べて層間の接続信頼性を向上することができる。本実施形態では、すべての層が同一の金属（Ｃｕ）を含むため、接続信頼性を向上することができる。さらには、ターミナルすべてを合金層とする構成に較べて、放熱性の低下を抑制することができる。
【００６５】
Ｃｕ層２０ａは、放熱性、熱伝導性に優れるものの、線膨張係数がＳｉＣに較べて大きい。Ｃｕ層２０ａの線膨張係数は、第２ヒートシンク２４と同じである。合金層２０ｂは、Ｃｕとともに、Ｃｕよりも線膨張係数が小さい金属材料を含んでいる。合金層２０ｂは、少なくともＺ方向に直交する方向の線膨張係数がＣｕよりも小さい。本実施形態では、合金層２０ｂがＣｒを含んでいる。Ｃｒを用いると、線膨張係数を小さくできるとともに、ターミナル２０を安価で軽量に構成することもできる。
【００６６】
Ｃｒを含む合金層２０ｂは、たとえばＣｒにＣｕを含浸させたものを圧延することで構成されている。圧延において、圧下率に対する圧延方向及び圧延方向に直交する方向の線膨張係数はそれぞれ異なる振舞いをする。これは、圧延方向に扁平なＣｒにＣｕの熱膨張が拘束される際、圧延方向と直交方向で応力の働き方が異なるためである。なお、圧下率とは、被圧延材の板厚減少率である。
【００６７】
圧延方向については圧下率の増加とともに線膨張係数が減少し続け、たとえば５０質量％のＣｒ−Ｃｕ圧延材では、圧下率７０％程度でほぼ一定となる。直交方向も同様に圧下率の増加とともに線膨張係数が減少し続けるが、圧下率に対する減少幅は圧延方向よりも小さい。そしてたとえば５０質量％のＣｒ−Ｃｕ圧延材では、圧下率９８％まで圧延しても線膨張係数は減少し続け、圧延方向の線膨張係数に近づいていく。
【００６８】
本実施形態では、接合部への熱応力の発生に大きく寄与する圧延方向の線膨張係数が圧下率に対してほぼ一定となるＣｒ−Ｃｕ圧延材、たとえば５０質量％のＣｒ−Ｃｕ圧延材では７０％以上まで圧下したＣｒ−Ｃｕ圧延材を用いたクラッド材によって、ターミナル２０を構成している。なお、合金層２０ｂ（Ｃｒ−Ｃｕ圧延材）では、Ｘ方向及びＹ方向が圧延方向であり、これにより、Ｚ方向に直交する方向、すなわちＸ方向及びＹ方向で同じ線膨張係数となっている。Ｚ方向の線膨張係数は、Ｘ方向及びＹ方向よりも大きく、本実施形態ではＣｕよりも小さくなっている。
【００６９】
ターミナル２０は、合金層２０ｂによってＣｕ層２０ａの熱膨張が拘束され、単純にＣｕとＣｒ−Ｃｕ合金を粉末同士で複合するよりも、線膨張係数の抑制効果が高い。このような積層構造により、Ｚ方向に直交する方向の線膨張係数は、ターミナル２０全体として、半導体チップ１２と第２ヒートシンク２４との間の値、たとえば１２〜１３×１０−６／Ｋ程度とされている。したがって、半導体チップ１２とターミナル２０を接続するはんだ２２に作用する熱応力を小さくすることができる。
【００７０】
また、線膨張係数を小さく保ちながら、Ｃｕ層２０ａによって高い熱拡散効果を得ることができる。したがって、半導体装置１０の放熱性を損なうことなく、はんだ１８，２２に作用する熱応力を小さくすることができる。特に、合金層２０ｂのほうがＣｕ層２０ａよりも薄いため、合金層２０ｂを用いつつ放熱効果を高めることができる。
【００７１】
さらに、Ｃｕ層２０ａと合金層２０ｂとが、Ｚ方向において対称配置されている。具体的には、図９に示すように、ターミナル２０におけるＺ方向の中心線ＣＬに対し、線対称配置とされている。層数を奇数である５となるように、Ｃｕ層２０ａと合金層２０ｂとが交互に配置されている。Ｃｕ層２０ａ同士は互いに厚みがほぼ等しく、合金層２０ｂ同士は互いに厚みがほぼ等しくされている。
【００７２】
このようにＺ方向の対称性が高いため、ターミナル２０を構成する金属層の線膨張係数差に基づいて、ターミナル２０に反りが生じるのを抑制することができる。すなわち、はんだ１８，２２，２６に作用する応力を低減することができる。なお、ターミナル２０は平面矩形状とされ、Ｚ方向の投影視において、Ｃｕ層２０ａと合金層２０ｂとの形状が略一致している。このため、ターミナル２０は、Ｚ方向に直交する方向においても対称性が高く、これによっても反りを抑制することができる。
【００７３】
また、Ｃｕ層２０ａ、合金層２０ｂ、Ｃｕ層２０ａ、合金層２０ｂ、Ｃｕ層２０ａの順に積層されている。このように、合金層２０ｂよりも濡れ性の高いＣｕ層２０ａが表層に配置されている。また、ターミナル２０の側面には、Ｃｕ層２０ａよりも濡れ性の低い合金層２０ｂが現れる。これにより、はんだ２２，２６との接合性を確保しつつ、ターミナル２０の側面へのはんだの這い上がりを抑制することができる。
【００７４】
（半導体装置の効果）
本実施形態では、両面放熱構造の半導体装置１０において、半導体チップ１２にＳｉＣ（シリコンカーバイド）を採用している。ＳｉＣは、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ている。しかしながら、ヤング率はＳｉの約３倍と大きい。
【００７５】
これに対し、本実施形態では、複数種類の金属層が積層されてターミナル２０が構成されている。そして、Ｚ方向に直交する方向における線膨張係数が、ターミナル２０全体として、半導体チップ１２と第２ヒートシンク２４との間の値となっている。したがって、はんだ１８，２２，２６や半導体チップ１２に作用する熱応力を低減することができる。
【００７６】
さらに、金属層は、Ｚ方向において対称配置されている。これにより、ターミナル２０の反りを抑制し、はんだ１８，２２，２６や半導体チップ１２に局所的な応力が作用するのを抑制することができる。以上から、本実施形態の半導体装置１０は、半導体チップ１２にＳｉＣを用いた構成に好適である。
【００７７】
本実施形態では、ターミナル２０として、Ｃｕ層２０ａと、Ｃｕを含む合金層２０ｂが順に積層されたクラッド材を用いている。これによれば、接合材を用いた従来の積層型のターミナルに較べて、層間の接続信頼性を向上することができる。また、すべての層がＣｕを含むため、層間の接続信頼性を向上することができる。さらには、放熱性の低下を抑制することができる。これにより、半導体装置１０の使用時において温度上昇を抑制し、熱応力を低減することができる。また、半導体装置１０を構成する部材の熱劣化を抑制することができる。特に、合金層２０ｂがＣｒを含むため、線膨張係数を小さくしつつ、安価で軽量に構成することができる。
【００７８】
本実施形態では、ターミナル２０の表層がＣｕ層２０ａとされている。これにより、はんだ２２，２６との接続信頼性を向上することができる。また、側面には、濡れ性の低い合金層２０ｂが現れるため、はんだ２２，２６の這い上がりを抑制することができる。
【００７９】
ターミナル２０の構成は、上記例に限定されない。Ｃｕ層２０ａとＣｒを含む合金層２０ｂとの配置は上記例に限定されない。たとえば層数は５層に限定されない。３層以上であればよい。奇数層の場合、Ｚ方向において対称性をもたせることが可能となる。また、偶数層としてもよい。たとえば、Ｃｕ層２０ａ、合金層２０ｂ、Ｃｕ層２０ａのクラッド材を２つ積層し、Ｃｕ層２０ａ、合金層２０ｂ、Ｃｕ層２０ａ、Ｃｕ層２０ａ、合金層２０ｂ、Ｃｕ層２０ａの６層構造としてもよい。この場合も、Ｚ方向において対称性をもたせることが可能となる。
【００８０】
たとえば図１０に示す第１変形例のように、合金層２０ｂが表層となる構成を採用してもよい。図１０では、合金層２０ｂ、Ｃｕ層２０ａ、合金層２０ｂ、Ｃｕ層２０ａ、合金層２０ｂの順に積層されている。線膨張係数が大きいＣｕ層２０ａから小さい合金層２０ｂへの伝熱よりも、小さい合金層２０ｂから大きいＣｕ層２０ａへの伝熱のほうが、熱伝導の障壁が小さい。図１０では、５層構造を採用しつつ、Ｃｕ層２０ａより合金層２０ｂのほうが層数が多いため、図９に示す構成より放熱性を向上することができる。
【００８１】
図１１に示す第２変形例のように、表層のＣｕ層２０ｃの厚みを、内層のＣｕ層２０ａや合金層２０ｂより薄くしてもよい。たとえば、Ｃｕ層２０ｃを３０μｍ程度、Ｃｕ層２０ａを１ｍｍ程度、合金層２０ｂのそれぞれを５００μｍ程度としてもよい。Ｃｕ層２０ａ及び合金層２０ｂにより線膨張係数や放熱性が調整され、Ｃｕ層２０ｃは接合性向上のために設けられている。
【００８２】
Ｃｒに代えて、Ｍｏなどの線膨張係数が小さい金属材料を用いてもよい。また、Ｃｕに代えて、Ａｌなどの熱伝導に優れた材料を用いてもよい。たとえば図１２に示す第３変形例のように、ターミナル２０として、Ｃｕ層２０ａ、Ｃｒを含む合金層２０ｂ、及びＭｏを含む合金層２０ｄ（Ｍｏ−Ｃｕ合金）のクラッド材を用いてもよい。図１２では、Ｃｕ層２０ａ、合金層２０ｂ、Ｃｕ層２０ａ、合金層２０ｄ、Ｃｕ層２０ａの順に積層されている。Ｚ方向において対称配置されていないが、合金層２０ｂ，２０ｄ同士の線膨張係数を近づける、好ましくはほぼ一致させることで、ターミナル２０の反りを抑制することができる。すなわち、Ｚ方向において線膨張係数に対称性をもたせることで、ターミナル２０の反りを抑制することができる。
【００８３】
（第２実施形態）
本実施形態は、先行実施形態を参照できる。このため、先行実施形態に示した半導体装置１０と共通する部分についての説明は省略する。
【００８４】
ソース電極１２ｓは、ＡｌＳｉなどのＡｌを主成分とする下地層と、はんだ２２との接合強度向上、はんだ２２の濡れ性向上などを目的として、下地層上に形成された上地層を有している。上地層は、ＮｉＰなどのＮｉを主成分とする材料を用いて形成されている。Ｎｉは、Ａｌよりも硬い金属材料である。この構造では、はんだ接合された状態で、パワーサイクル等の応力により、下地層において、上地層の端面の直下部分に応力が集中する。特に本実施形態では、半導体チップ１２として、ヤング率の大きいＳｉＣを採用している。
【００８５】
これに対し、本実施形態では、ターミナル２０における半導体チップ１２との対向面が、はんだ２２に対する濡れ性が良好な部分と、良好な部分よりも濡れ性が低い部分を有している。図１３に示す例では、表層の薄いＣｕ層２０ｃのうち、半導体チップ１２側のＣｕ層２０ｃの一部分がエッチングによって除去され、対向面の中央領域のみに配置されている。Ｃｕ層２０ｃを取り囲む外周領域は、Ｃｕ層２０ｃの直下の合金層２０ｂが露出している。
【００８６】
合金層２０ｂの濡れ性はＣｕ層２０ａ，２０ｃよりも低いため、はんだ２２は、ターミナル２０の対向面の外周領域に配置された合金層２０ｂ上を濡れ拡がっても、外周領域を含むようにフィレットが形成されない。したがって、ソース電極１２ｓとはんだ２２とのなす角、すなわちフィレット角を鋭角にすることができる。これにより、下地層において、上地層の端面の直下部分に集中する応力を低減することができる。また、クラッド材を用意し、表層の一部を除去するだけであるので、構成を簡素化することができる。なお、図１３に示す破線は、対向面の全面にＣｕ層２０ｃを配置した場合のフィレットを示す参考線である。
【００８７】
ターミナル２０の構成は、上記例に限定されない。図１３に示す例では、Ｃｕ層２０ｃをエッチングすることで、ターミナル２０における半導体チップ１２との対向面において、部分的に濡れの悪い部分を設け、フィレット角を制御する例を示した。しかしながら、スパッタなどにより、濡れ性の良い膜を局所的に設けてもよい。また、合金層２０ｂに代えて、Ｍｏを含む合金層２０ｄを露出させ、濡れの悪い部分としてもよい。また、ターミナル２０における第２ヒートシンク２４との対向面において、合金層２０ｂ，２０ｄを一部露出させ、濡れの悪い部分としてもよい。
【００８８】
（第３実施形態）
本実施形態は、先行実施形態を参照できる。このため、先行実施形態に示した半導体装置１０と共通する部分についての説明は省略する。
【００８９】
ヒートシンク１６，２４の少なくとも１つに、クラッド材を用いてもよい。図１４に示す例では、第１ヒートシンク１６及び第２ヒートシンク２４のそれぞれに、クラッド材を用いている。ターミナル２０は、第１実施形態（図９参照）と同じ構成となっている。図１４は、図２に示すXIV-XIV線に沿う断面図である。
【００９０】
第２ヒートシンク２４Ｈは、図示しない第１継手部２８ａを含めて、クラッド材を採用している。第１継手部２８ａを含む第２ヒートシンク２４Ｈは、Ｃｕ層２４ｄと、ＣｕとＣｒを含む合金層２４ｅとを交互に積層してなり、Ｃｕ層２４ｄを３層、合金層２４ｅを２層有している。このように、第２ヒートシンク２４Ｈは、ターミナル２０と同様に構成されている。なお、第２ヒートシンク２４Ｌについても同様である。
【００９１】
リードフレーム４０において、正極端子３２ｐ及び信号端子３６と、図示しない負極端子３２ｎ、出力端子３４、及び第３継手部２８ｃと、第１ヒートシンク１６の一部分は、Ｃｕよりなる基材４１によって構成されている。すなわち、リードフレーム４０の薄肉部は、基材４１によって構成されている。リードフレーム４０の厚肉部は、クラッド材４２を含んで構成されている。
【００９２】
クラッド材４２は、Ｃｕ層１６ｄと、ＣｕとＣｒを含む合金層１６ｅとを交互に積層してなる。そして、基材４１とクラッド材４２により、図１４に示す第１ヒートシンク１６が形成されている。第１ヒートシンク１６は、基材４１とクラッド材４２により、３層のＣｕ層１６ｄと２層の合金層１６ｅとの積層構造をなしている。
【００９３】
このように、本実施形態では、第２ヒートシンク２４もクラッド材を用いて構成されている。これにより、第２ヒートシンク２４において、放熱性の低下を抑制しつつ、Ｚ方向に直交する方向、すなわちＸ方向及びＹ方向の線膨張係数を小さくすることができる。換言すれば、ターミナル２０との線膨張係数差の差を小さくする、若しくは、略一致させることができる。したがって、第２ヒートシンク２４とターミナル２０との間のはんだ２６に作用する熱応力を低減することができる。また、Ｃｕ層２４ｄが実装面２４ａ側の面を構成するため、はんだ２６，３０との接続性を向上することができる。
【００９４】
本実施形態では、第１ヒートシンク１６もクラッド材を用いて構成されている。これにより、第１ヒートシンク１６において、放熱性の低下を抑制しつつ、Ｚ方向に直交する方向の線膨張係数を小さくすることができる。したがって、第１ヒートシンク１６と半導体チップ１２との間のはんだ１８に作用する熱応力を低減することができる。
【００９５】
特に、本実施形態では、ヒートシンク１６，２４がともにクラッド材を含み、Ｚ方向に直交する方向において、第１ヒートシンク１６全体の線膨張係数と、第２ヒートシンク２４全体の線膨張係数が互いにほぼ同じ値を有している。したがって、半導体装置１０の反りを抑制することができる。また、Ｃｕからなる基材４１を用いるため、はんだ１８、ボンディングワイヤ３８、バスバーなどとの接続性を向上することができる。
【００９６】
なお、ヒートシンク１６，２４へのクラッド材の適用は上記例に限定されない。第１ヒートシンク１６のみがクラッド材を含む構成としてもよい。また、第２ヒートシンク２４のみがクラッド材を含む構成としてもよい。しかしながら、上記したように、ヒートシンク１６，２４がともにクラッド材を含む構成とするとよい。
【００９７】
図１４に示す例とはクラッド材の構成を異ならせてもよい。ターミナル２０とは異なる構成としてもよい。
【００９８】
たとえば第１ヒートシンク１６を含むリードフレーム４０を、第２ヒートシンク２４Ｈ同様、クラッド材のみによって構成してもよい。この場合、正極端子３２ｐや信号端子３６も、Ｃｕ層１６ｄと合金層１６ｅとの積層構造となる。表層をＣｕ層１６ｄとした場合、はんだ１８、ボンディングワイヤ３８、バスバーなどとの接続性を向上することができる。
【００９９】
第２ヒートシンク２４を、上記したリードフレーム４０（第１ヒートシンク１６）同様の構成としてもよい。すなわち、第１継手部２８ａをＣｕからなる基材にて構成し、第２ヒートシンク２４を、基材とクラッド材にて構成してもよい。基材が実装面１６ａ側の面を構成するため、はんだ２６，３０との接続性を向上することができる。
【０１００】
図１５に示す第４変形例のように、合金層２４ｅが放熱面２４ｂをなす構成としてもよい。また、合金層１６ｅが放熱面１６ｂをなす構成としてもよい。たとえば合金層２４ｅの途中に切削ラインを設けることで、合金層２４ｅが放熱面２４ｂをなす。また、合金層１６ｅの途中に切削ラインを設けることで、合金層１６ｅが放熱面１６ｂをなす。Ｃｒは、ＭｏやＣｕに較べて切削性に優れるため、Ｃｒを含む合金層１６ｅ，２４ｅに切削ラインを設けると、放熱面１６ｂ，２４ｂを露出させる際の切削性を向上することができる。
【０１０１】
図示を省略するが、合金層２４ｅが実装面２４ａをなすように、第２ヒートシンク２４を構成してもよい。たとえば図１０に示したターミナル２０同様、Ｃｕ層２４ｄより合金層２４ｅが多い構成とすることで、放熱性を向上することができる。図示を省略するが、第１ヒートシンク１６についても同様である。すなわち、合金層１６ｅが、第１ヒートシンク１６の実装面１６ａをなすように、クラッド材４２を含むリードフレーム４０を構成してもよい。
【０１０２】
Ｃｒを含む合金層１６ｅ，２４ｅに代えて、ＣｕとＭｏを含む合金層を採用してもよい。これによっても、ヒートシンク１６，２４の線膨張係数を小さくすることができる。
【０１０３】
ヒートシンク１６，２４をクラッド材のみによって構成し、正極端子３２ｐや第１継手部２８ａなど、ヒートシンク１６，２４に連なる部分をＣｕからなる薄板にて構成してもよい。この場合、拡散接合、レーザ溶接、かしめなどによって、薄板とクラッド材を接続すればよい。
【０１０４】
ターミナル２０にクラッド材を用いない構成、たとえばターミナル２０がＣｕからなる構成において、第２ヒートシンク２４にクラッド材を用いてもよい。この場合にも、合金層２４ｅを放熱面２４ｂとすることで、切削性を向上することができる。
【０１０５】
ターミナル２０及び第２ヒートシンク２４にクラッド材を用いない構成において、第１ヒートシンク１６にクラッド材を用いてもよい。半導体チップ１２との線膨張係数の差を低減し、半導体チップ１２と第１ヒートシンク１６との間のはんだ１８に作用する熱応力を低減することができる。また、合金層１６ｅを放熱面１６ｂとすると、切削性を向上することができる。
【０１０６】
（第４実施形態）
本実施形態は、先行実施形態を参照できる。このため、先行実施形態に示した半導体装置１０と共通する部分についての説明は省略する。
【０１０７】
本実施形態では、はんだ１８，２２，２６の少なくとも１つとして、以下に規定する鉛フリーはんだを用いている。この鉛フリーはんだは、先行実施形態及び変形例のいずれとも組み合わせが可能である。
【０１０８】
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％含み、さらにＳｂとＢｉを含んでいる。
【０１０９】
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、液相線温度が上昇する。半導体チップ１２（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。
【０１１０】
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Ｃｕ６Ｓｎ５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。
【０１１１】
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、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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
また、半導体装置１０を製造する際、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、固相線温度が２００℃以上であることが好ましい。ＳｂとＢｉの添加量は、上記した効果を考慮して調整されている。
【０１１５】
以上を満たす鉛フリーはんだは、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基板からなる半導体チップ１２に好適である。
【０１１６】
特に上記した鉛フリーはんだを、はんだ２６に用いるとよい。先行実施形態に示したターミナル２０を用いることではんだ２２に作用する熱応力が増加しても、高い接続信頼性を維持することができる。
【０１１７】
また、上記した鉛フリーはんだを、はんだ１８に用いるとよい。半導体チップ１２と第１ヒートシンク１６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。
【０１１８】
また、半導体チップ１２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１２周辺のはんだ１８，２２がクリープし、サイクル数の増加にともなってはんだクラック等が懸念される。これに対し、上記した鉛フリーはんだを用いることで、はんだ１８，２２のクリープを抑制することができる。
【０１１９】
上記した鉛フリーはんだは、耐クリープ性に優れるなどの特性をもつため、ターミナル２０、ヒートシンク１６，２４の構成に関わらず、半導体装置１０全体の高寿命化に効果的である。したがって各部品にクラッド材を用いない構成において、鉛フリーはんだをはんだ１８，２２，２６の少なくとも１つに使用してもよい。
【０１２０】
図１６は、はんだ歪のシミュレーション結果を示している。図１６は、ターミナル２０、ヒートシンク１６，２４にクラッド材を用いない構成の結果を示している。素子下とは、半導体チップ１２の直下のはんだ１８、素子上とは、半導体チップ１２の直上のはんだ２２、ＴＭＬ上とは、ターミナル２０上のはんだ２６を示している。比較例１（図中、比１）は、Ｓｉ基板を用いた半導体チップにおいて、従来構成のはんだを用いた構成の結果を示している。比較例２（図中、比２）は、比較例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（図中、実）は、比較例２に対し、はんだを上記した鉛フリーはんだに置き換えた構成の結果を示している。
【０１２１】
図１６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１２周辺のはんだ１８，２２のはんだ歪が増加する。そして、上記したＰｂフリーはんだを用いると、はんだ１８，２２のいずれもはんだ歪を小さくすることができる。このように、ターミナル２０、ヒートシンク１６，２４にクラッド材を用いない構成においても、ＰＢフリーはんだは好適である。
【０１２２】
この明細書の開示は、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、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及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。
【０１２３】
半導体装置１０として、上アーム側の半導体チップ１２Ｈと下アーム側の半導体チップ１２Ｌを備える２ｉｎ１パッケージ構造の例を示したが、これに限定されない。１つのアームを構成する１つの半導体チップを備える１ｉｎ１パッケージ構造や、三相分の上下アームを構成する６つの半導体チップを備える６ｉｎ１パッケージ構造にも適用できる。
【０１２４】
ヒートシンク１６，２４の放熱面１６ｂ，２４ｂが封止樹脂体１４から露出される例を示したが、これに限定されない。放熱面１６ｂ，２４ｂの少なくとも一方が封止樹脂体１４によって覆われた構成としてもよい。
【０１２５】
半導体チップ１２に形成される素子としてＭＯＳＦＥＴ６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。ＩＧＢＴの場合、ＩＧＢＴとＦＷＤを１チップで構成してもよいし、別チップとしてもよい。
【０１２６】
封止樹脂体１４との密着力向上のためにポリアミド樹脂を塗布する例を示したが、これに限定されない。塗布をしない構成にも適用できる。また、ポリアミド樹脂に代えて、レーザ加工による粗面化で密着力を高めてもよい。この場合、たとえば各部材を準備する工程においてレーザ光を照射し、粗面化すればよい。
【０１２７】
半導体チップ１２を構成する半導体基板として、ＳｉＣ基板の例を示した。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。
【０１２８】
第１ヒートシンク１６の実装面１６ａ、ターミナル２０におけるはんだ接合面、第２ヒートシンク２４の実装面２４ａに、めっきやスパッタなどによって、はんだとの濡れ性を高める膜を形成してもよい。Ｎｉ系の薄膜、たとえばＮｉＰめっき膜を設けてもよい。また、ターミナル２０の全面にＮｉ系の薄膜を設けた後、レーザ光を照射することではんだの濡れ性を部分的に低下させてもよい。レーザ光の照射により、Ｎｉを主成分とし、表面が微細凹凸をなす酸化膜が形成される。この酸化膜により、濡れ性を低下させることができる。
【符号の説明】
【０１２９】
１…電力変換装置、２…直流電源、３…モータ、４…平滑コンデンサ、５…インバータ、６…ＭＯＳＦＥＴ、１０…半導体装置、１２，１２Ｈ，１２Ｌ…半導体チップ、１２ｄ…ドレイン電極、１２ｓ…ソース電極、１２ｐ…パッド、１４…封止樹脂体、１４ａ…一面、１４ｂ…裏面、１４ｃ，１４ｄ…側面、１６，１６Ｈ，１６Ｌ…第１ヒートシンク、１６ａ…実装面、１６ｂ…放熱面、１６ｃ…側面、１６ｄ…Ｃｕ層、１６ｅ…合金層、２０…ターミナル、２０ａ，２０ｃ…Ｃｕ層、２０ｂ，２０ｄ…合金層、２４，２４Ｈ，２４Ｌ…第２ヒートシンク、２４ａ…接続面、２４ｂ…放熱面、２４ｃ…側面、２４ｄ…Ｃｕ層、２４ｅ…合金層、２８…継手部、３２…電源端子、３２ｎ…負極端子、３２ｐ…正極端子、３４…出力端子、３６…信号端子、１８，２２，２６，３０…はんだ、３８…ボンディングワイヤ、４０…リードフレーム、４１…基材、４２…クラッド材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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