(57)【要約】【課題】電力用半導体装置であるパワーモジュールの半導体素子および内部の回路と電極端子との接合の安定化を図ることができ、生産性を向上させる電力用半導体装置の製造方法を得ることを目的とする。【解決手段】板材からなる電極端子８１の内部側端子部８１ｂを、パワー半導体素子１、２と接続された絶縁基板４の回路パターン４１ａの内部側端子部８１ｂを接合する位置に位置決めをする工程と、回路パターン４１ａと内部側端子部８１ｂの間にろう材９を挿入する工程と、電極端子８１の外部側端子部８１ａに電気抵抗測定回路１１の一方のプローブ１２ｂを当て、回路パターン４１ａに電気抵抗測定回路１１の他方のプローブ１２ａを当て、電気抵抗を測定しながら、ろう材９を挟んで回路パターン４１ａに内部側端子部８１ｂを加圧し、内部側端子部８１ｂの接合する面の裏面側にレーザ１３を照射する工程とを含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部に接続するための板材からなる電極端子の内部側端子部を、パワー半導体素子を接続する絶縁基板の回路パターンの前記内部側端子部を接合する位置に位置決めをする工程と、
前記電極端子の外部側端子部に電気抵抗測定回路の第１プローブを接触させ、前記回路パターンに前記電気抵抗測定回路の第２プローブを接触させて、前記第１プローブと第２プローブの間の電気抵抗を測定しながら、前記回路パターンに前記内部側端子部を加圧し、前記内部側端子部の接合する面の裏面側にレーザを照射する工程と
を含むことを特徴とする電力用半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記電気抵抗の測定では、前記第２プローブを、前記回路パターンに前記パワー半導体素子を介して接続された隣の電極端子に接触させて測定することを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置の製造方法。
【請求項３】
複数のパワー半導体素子間および絶縁基板の回路パターンを接続するための板材からなるリード端子の回路側端子部を、前記絶縁基板の回路パターンの前記回路側端子部を接合する位置に位置決めをする工程と、
前記リード端子の回路側端子部に電気抵抗測定回路の第１プローブを当て、前記回路パターンに前記電気抵抗測定回路の第２プローブを当て、前記第１プローブと第２プローブの間の電気抵抗を測定しながら、前記回路パターンに前記回路側端子部を加圧し、前記回路側端子部の接合する面の裏面側にレーザを照射する工程と
を含むことを特徴とする電力用半導体装置の製造方法。
【請求項４】
板材からなる電極端子の内部側端子部を前記回路パターンの前記内部側端子部を接合し、前記電気抵抗の測定では、前記第２プローブを前記回路パターンに接触させる代わりに、前記内部側端子部が接合された前記電極端子の外部側端子部に接触させることを特徴とする請求項３に記載の電力用半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記位置決めをする工程の後に、前記回路パターンと前記内部側端子部の間に接合材を挿入する工程を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力用半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記位置決めをする工程の後に、前記回路パターンと前記回路側端子部の間に接合材を挿入する工程を含むことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の電力用半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記接合材は、ろう材、または、はんだであることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の電力用半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記ろう材は、りん銅ろうであることを特徴とする請求項７に記載の電力用半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記レーザを照射する工程で、前記接合材にフラックスを含む、前記ろう材または前記はんだを用いることを特徴とする請求項７に記載の電力用半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記レーザを照射する工程で、還元雰囲気で行うことを特徴とする請求項７に記載の電力用半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、パワーモジュールをはじめとする電力用半導体装置の製造方法に関し、特に電極端子と電気回路を接合している電力用半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力用半導体装置であるパワーモジュールは、半導体素子の性能向上による電流密度の向上、および製品への小型化の要求により、内部の配線の電流密度が高くなっている。従来、パワーモジュール内部の配線にアルミワイヤが多く用いられているが、アルミの電気抵抗の高さおよびワイヤ径の制約から、配線本数が多くなり、配線面積も広くなっている。
【０００３】
この課題に対し、アルミワイヤに代わってパワーモジュールの外部の端子と繋がる電極端子を半導体素子および内部の回路に直接接合することで、配線面積を狭くする構造が開発されている。この電極端子の接合においては、パワーモジュールは熱容量が大きいため、レーザ光を熱源として局所的に溶接する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
しかし、レーザ光は高いエネルギー密度で局所的に加熱できる反面、照射対象の表面状態により吸収率がばらつくため、接合強度が不安定になったり、表面が溶融して急激に吸収率が上昇して溶融した金属が飛散したり、レーザの照射条件の決定、および調整に長時間を要することがあった。
【０００５】
これらの課題に対しては、照射する端子の表面を粗面化してレーザの吸収率を安定させて加熱条件を安定化させる製造方法が開示されている（例えば、特許文献２参照）。また、別に接続したリードフレームと接合することで半導体素子および基板へのダメージを防止する製造方法が開示されている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７-３０５６２０号公報（段落００１４〜００１８、図１）
【特許文献２】特開２００８-２８２８６号公報（段落００１８〜００２０、図１）
【特許文献３】特開２００８-２１０９４２号公報（段落００１４〜００１５、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、搭載される半導体素子の数が多いパワーモジュールでは、端子の太さおよび長さの異なる複数の接合部があり、接合するときの加圧状態が一定にならず、部品ごとの形状のばらつきによって同じレーザの照射条件では未接合であったり、特に端子の熱容量が回路パターンの熱容量よりも大きい場合に、回路の端子が溶融してレーザが貫通したり、と接合が安定しないこと、また溶融した端子の一部が飛散するという問題があった。また、パワーモジュールは狭い領域で高い絶縁を保持する性質から、ダメージが生じたり、導電性異物が混入しないように製造方法が考慮される。これらは接合条件の調整にて回避できるが、材料および環境の変化による変動が大きく、再度の調整に時間を要することから生産効率の低下を招くという問題があった。また、別に接続するリードフレームを接合すると部品および工程が追加されるため、工程が煩雑になるとともに、溶接およびろう付けをリードフレームの接合部に採用できないことから、高い信頼性および長寿命を必要とし、接合強度を必要とする用途のパワーモジュールに採用できないという問題があった。
【０００８】
本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、電力用半導体装置であるパワーモジュールの半導体素子および内部の回路と電極端子との接合の安定化を図ることができ、生産性を向上させる電力用半導体装置の製造方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願に開示される電力用半導体装置の製造方法は、外部に接続するための板材からなる電極端子の内部側端子部を、パワー半導体素子を接続する絶縁基板の回路パターンの前記内部側端子部を接合する位置に位置決めをする工程と、前記電極端子の外部側端子部に電気抵抗測定回路の第１プローブを接触させ、前記回路パターンに前記電気抵抗測定回路の第２プローブを接触させて、前記第１プローブと第２プローブの間の電気抵抗を測定しながら、前記回路パターンに前記内部側端子部を加圧し、前記内部側端子部の接合する面の裏面側にレーザを照射する工程とを含むことを特徴とする。
【００１０】
また、複数のパワー半導体素子間および絶縁基板の回路パターンを接続するための板材からなるリード端子の回路側端子部を、前記絶縁基板の回路パターンの前記回路側端子部を接合する位置に位置決めをする工程と、前記リード端子の回路側端子部に電気抵抗測定回路の第１プローブを当て、前記回路パターンに前記電気抵抗測定回路の第２プローブを当て、前記第１プローブと第２プローブの間の電気抵抗を測定しながら、前記回路パターンに前記回路側端子部を加圧し、前記回路側端子部の接合する面の裏面側にレーザを照射する工程とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本願によれば、接合する部分の電気抵抗を測定しながら、レーザを照射することにより接合をすることで、半導体素子および内部の回路と電極端子との接合の安定化を図ることができ、生産性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態１による電力用半導体装置の構成を示す平面図である。
【図２】実施の形態１による電力用半導体装置の構成を示す断面図である。
【図３】実施の形態１による電力用半導体装置の製造方法を示す平面図である。
【図４】実施の形態１による電力用半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図５】実施の形態１による電力用半導体装置の製造方法を示すフローチャート図である。
【図６】実施の形態１による電力用半導体装置の製造方法における外部端子と回路パターンとの間の電気抵抗の時間による変化を示す図である。
【図７】実施の形態１による電力用半導体装置の他の製造方法を示す平面図である。
【図８】実施の形態１による電力用半導体装置の他の製造方法を示す断面図である。
【図９】実施の形態２による電力用半導体装置の構成を示す断面図である。
【図１０】実施の形態２による電力用半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図１１】実施の形態２による電力用半導体装置の製造方法を示すフローチャート図である。
【図１２】実施の形態３による電力用半導体装置の構成を示す平面図である。
【図１３】実施の形態３による電力用半導体装置の製造方法を示す平面図である。
【図１４】実施の形態３による電力用半導体装置の製造方法を示す平面図である。
【図１５】実施の形態３による電力用半導体装置の製造方法を示す平面図である。
【図１６】実施の形態３による電力用半導体装置の製造方法を示すフローチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１における電力用半導体装置の構成を示す平面図である。図２は、図１のＡＡ矢視断面図である。図１および図２に示すように、電力用半導体装置であるパワーモジュール１０１は主に、パワー半導体素子１と、パワー半導体素子２と、パワー半導体素子１とパワー半導体素子２を表面に搭載する絶縁基板４と、絶縁基板４の裏面に接合された放熱板５と、放熱板５に接着された樹脂ケース７と、樹脂ケース７に固定され、絶縁基板４の周縁部の回路パターン４１ａ、４１ｂに接合された電極端子８１、８２と、回路パターン４１ａとパワー半導体素子２とパワー半導体素子１のそれぞれの間を接続するワイヤ６１ｂと、樹脂ケース７でパワー半導体素子１、パワー半導体素子２、および絶縁基板４の表面を覆う封止樹脂１０と、から構成される。
【００１４】
パワー半導体素子１としては、スイッチング素子であるＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が絶縁基板４に搭載されている。パワー半導体素子２としては、回路で発生する起電力からスイッチング素子を保護するＦＷＤ（Ｆｒｅｅ  Ｗｈｅｅｌｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）が絶縁基板４に搭載されている。ＩＧＢＴは、表面にスイッチングするためのゲート電極と、電流の出口にあたるエミッタ電極が形成されており、裏面に電流の入り口にあたるコレクタ電極が形成されている（いずれも図示せず）。ＦＷＤは、表面に電流の入り口にあたるアノード電極と、裏面に電流の出口にあたるカソード電極が形成されている（いずれも図示せず）。
【００１５】
絶縁基板４は、パワー半導体素子１およびパワー半導体素子２と接続して回路を構成し、動作中の発熱で温度が上昇しないように放熱する。絶縁基板４は、絶縁層４０として窒化アルミニウムが用いられ、表面には主にＣｕが積層された回路パターン４１ａ、４１ｂ、裏面にはＣｕが積層されたパターン４２が設けられている。絶縁基板４の表面側の回路パターン４１ｂには、パワー半導体素子（ＩＧＢＴ）１とパワー半導体素子（ＦＷＤ）２がＳｎ−Ａｇ−Ｃｕを主な材料とするはんだ３２（３２ｂ、３２ｃ）によって接合されている。
【００１６】
放熱板５は、絶縁基板４の熱をさらに広げるため、絶縁基板４の裏面側のパターン４２に、はんだ３１によって接合されている。放熱板５は、ＡｌにＳｉＣを混合した材料よりなる。放熱板の材質は、絶縁基板４との熱膨張係数差に起因して温度サイクル時に発生するはんだ３１への熱応力による亀裂の進展が、製品に必要とされる寿命を満たすように選定される。
【００１７】
樹脂ケース７は、ＰＰＳ（Ｐｏｌｙ  Ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ  Ｓｕｌｆｉｄｅ）からなり、シリコーン樹脂からなる接着剤（図示せず）で放熱板５に接着されている。
【００１８】
電極端子８１は、Ｃｕの板材からなり、電極端子８１の一端である内部側端子部８１ｂが絶縁基板４の表面側の回路パターン４１ａと接合材としてのりん銅ろうからなる、ろう材１９で接合されている。はんだでなくりん銅ろうを用いているのは、熱膨張率が２０ｐｐｍ／℃以上と大きいＰＰＳと、熱膨張率が４〜７ｐｐｍ／℃程度の絶縁基板４および放熱板５を使っていることで、その熱膨張率差に起因して温度サイクル時に発生する絶縁基板４の回路パターンと電極端子８１との接合部への熱応力が大きくなるため、従来一般的な試験条件であった−４０℃〜＋１２５℃よりも低温にさらされたり、高温にさらされたり、温度幅が大きい場合には、はんだを用いるとはんだの物性の変化が大きくなって疲労寿命が短くなる。りん銅ろうは、より長寿命を求められる長期間に渡って交換されない製品に向けて選定されたものである。
【００１９】
ワイヤ６１ｂは、Ａｌからなる。ワイヤ６１ｂは、パワー半導体素子（ＩＧＢＴ）１のエミッタ電極とパワー半導体素子（ＦＷＤ）２のアノード電極と絶縁基板４の回路パターン４１ａとを電気的に接続する。また、回路パターン４１ａは、ワイヤ６１ａを介して負極の信号電極端子８３ａに接続され、パワー半導体素子（ＩＧＢＴ）１の表面のゲート電極は、ワイヤ６１ｄが接続された回路パターン４１ｃを介して、ワイヤ６１ｅにより正極の信号電極端子８４ａに接続され、信号電極端子８３ａと信号電極端子８４ａによりパワー半導体素子（ＩＧＢＴ）１のゲート−エミッタ間に電圧がかけられる。
【００２０】
封止樹脂１０は、シリコーンゲルからなり、樹脂ケース７の内部が封止されている。封止樹脂１０は、パワー半導体素子１、２と絶縁基板４の表面側の回路パターンとの接続部を覆うように封止し、樹脂ケース７の内部の絶縁確保および異物の侵入を防止する。
【００２１】
次に、実施の形態１における電力用半導体装置であるパワーモジュール１０１の製造方法について、図３から図５に基づき説明する。図３は、実施の形態１における電力用半導体装置の製造方法を示す平面図である。図４は、図３のＢＢ矢視断面図である。図５は、実施の形態１におけるパワーモジュール１０１の製造の手順を示すフローチャート図である。
【００２２】
まず、パワー半導体素子１とパワー半導体素子２、絶縁基板４、および放熱板５を、それぞれの間にはんだ３２ｂ、３２ｃ、３１を挟んで積層し、接合する（ステップＳ５０１）。この際、はんだ３２ｂ、３２ｃ、３１は、粒状のはんだをフラックスが含有された溶剤に混合したソルダペーストを用いる。はんだ３２ｂ、３２ｃ、３１は、積層した部材を加熱するいわゆるリフローによって溶融され、それぞれの部材を接合する。
【００２３】
続いて、パワー半導体素子（ＩＧＢＴ）１とパワー半導体素子（ＦＷＤ）２、およびパワー半導体素子（ＦＷＤ）２と主回路を成す回路パターン４１ａ等をワイヤ６１用いて超音波ワイヤボンディングにより接合する（ステップＳ５０２）。続いて、電極端子８１等を備えた樹脂ケース７の放熱板５との接着面にシリコーン接着剤を塗布し、放熱板５と重ねて加熱し、接着剤を硬化させて接着する（ステップＳ５０３）ことで、電極端子８１の一端である内部側端子部８１ｂを、絶縁基板４の回路パターン４１ａの、内部側端子部８１ｂを接合する位置に位置決めをする。
【００２４】
次いで、絶縁基板４の回路パターン４１ａと、電極端子８１の内部側端子部８１ｂの間に板状に成形されたろう材９を挿入する（ステップＳ５０４）。この際、樹脂ケース７の接着後に絶縁基板４の回路パターン４１ａと内部側端子部８１ｂとが加圧されるように樹脂ケース７の形および電極端子８１の形状が設計されているほうが、ろう材９の固定が容易となり好適である。
【００２５】
続いて、図３および図４に示すように、回路パターン４１ａと電極端子８１の他端である外部側端子部８１ａとの間の電気抵抗を測定する（ステップＳ５０５）。電源と電圧計の機能を有する電気抵抗測定回路１１から正極と負極となるプローブ１２ａとプローブ１２ｂが導出されている。回路パターン４１ａの一部にプローブ１２ｂの一端を接触させ、同じ相の外部側端子部８１ａにプローブ１２ａのもう一端を接触させる。この際、電気抵抗を測定し、導通が取れているかを確認する。
【００２６】
次いで、導通が取れていることを確認次第、ろう材９を挟んで回路パターン４１ａに内部側端子部８１ｂを加圧し（ステップＳ５０６）、電気抵抗が測定できる状態を維持したままＹＡＧ（ロッドから発振される波長：１０６４μｍ）のレーザ１３を内部側端子部８１ｂに照射して加熱する（ステップＳ５０７）。その際、レーザ１３を内部側端子部８１ｂの接合する面の裏面側で走査することにより、内部側端子部８１ｂを均一に加熱する。
【００２７】
ろう材９が溶融して接合面積が拡大し、電気抵抗の低下を検知してレーザ１３の照射による加熱を停止後、冷却する（ステップＳ５０８）ことで、内部側端子部８１ｂのすべての接合が完了となる。
【００２８】
最後に、樹脂ケース７の内部に封止樹脂１０としてシリコーンゲルを注入し、加熱硬化させた後、冷却することにより（ステップＳ５０９）、図２に示すように、ぬれ広がったろう材１９により回路パターン４１ａと内部側端子部８１ｂとが接合されたパワーモジュール１０１が得られる。
【００２９】
このように、絶縁基板４の回路パターン４１ａと、電極端子８１の一端である内部側端子部８１ｂの間に板状に成形されたろう材９を挿入した後で、回路パターン４１ａと外部側端子部８１ａの電気抵抗を測定すると、ろう材９、内部側端子部８１ｂが接触しているかどうかを判断することが可能となる。
【００３０】
特に、ろう材またははんだなど溶融する金属を用いて接合する場合、内部側端子部８１ｂからの熱伝導でろう材９および回路パターン４１ａを加熱する必要があり、導通が取れていない接触が不十分な状態であると、内部側端子部８１ｂのみ、もしくは内部側端子部８１ｂとろう材９のみが加圧されて熱伝導することなり、回路パターン４１ａの温度が上がらないことで、温度の上がりやすい内部側端子部８１ｂのみ溶融したろう材９がぬれ広がる。その結果、回路パターン４１ａと接合が進行せず、未接合になったり、接合面積が不足して強度が不足する。
【００３１】
したがって、内部側端子部８１ｂを回路パターン４１ａに十分加圧した状態でレーザ１３を照射する必要があり、本方法にて接触状態を把握することが重要である。加圧力の不足は、ろう材９の供給忘れ、内部側端子部８１ｂの変形または樹脂ケース７の製造不良による位置ずれなどが考えられるため、部材を外観で確認して異常を判別することにより、修正することが可能である。
【００３２】
また、特に、内部側端子部８１ｂの板厚が厚いなど、回路パターン４１ａとの間の隙間にろう材９の挿入が困難である場合、予めろう材９が回路パターン４１ａにレーザ加熱または圧着、超音波接合などで仮付けされていると、ろう材の位置ずれが防止でき、かつ、ろう材９と回路パターン４１ａとの加圧を考慮する必要が無くなり好適である。
【００３３】
レーザ１３を照射中の電気抵抗を測定すると、照射開始からおよそ１秒程度で加熱された内部側端子部８１ｂからの熱伝導によってろう材９の温度が上昇して溶融し、さらに溶融したろう材９を介した熱伝導により、回路パターン４１ａが加熱されてろう材９がぬれ広がる。
【００３４】
この時点で内部側端子部８１ｂと回路パターン４１ａがろう材で接合されるため、電気抵抗が接触の状態よりも著しく低下する。さらに接合が進行すると接合面積が広がっていくため、徐々に電気抵抗が低下する。
【００３５】
その後、レーザ１３の照射を止めることで、内部側端子部８１ｂの余熱によりろう材９の溶融が維持されている分だけ接合面積が広がり、わずかながら電気抵抗が低下する。内部側端子部８１ｂの表面状態が製品ごとでばらついていたり、内部側端子部８１ｂとろう材９の接触力および実質の接触面積が異なったりすることで、内部側端子部８１ｂの温度上昇の速度が異なり、電気抵抗が低下する時間が異なる。
【００３６】
この際、内部側端子部８１ｂとろう材９、ろう材９と回路パターン４１ａの接触熱抵抗が高い場合、また内部側端子部８１ｂの表面の酸化などでレーザ１３が吸収されやすい場合には、レーザ１３の照射時間を通常と同じにすると、内部側端子部８１ｂが溶融し始めてレーザ１３の吸収率が上昇し、蒸発して飛散したり、貫通穴が構成されたりする可能性がある。特に、内部側端子部８１ｂの厚さよりも回路パターン４１ａが薄い場合、内部側端子部８１ｂをレーザ１３が貫通してしまうことで、ろう材９および回路パターン４１ａまで貫通してしまい、絶縁基板４のダメージに繋がる。また、ろう材９が遅く溶ける組み合わせでは、ろう材９の熱伝導で回路パターン４１ａが十分に加熱されず、接合面積が不足する可能性がある。
【００３７】
したがって、電気抵抗の低下を検知してレーザ１３の発振を停止したり、シャッターでレーザ１３の照射を遮断したりと加熱を停止することで、製品ごとでばらつく加熱状態の差をレーザ１３の照射条件で小さくすることが可能となる。
【００３８】
次に、実施の形態１における電力用半導体装置であるパワーモジュール１０１の製造方法による接合の制御の例について、図６に基づき説明する。図６は、実施の形態１における電力用半導体装置の製造方法における外部側端子部と回路パターンとの間の電気抵抗の時間による変化を示す図である。
【００３９】
図６に示すように、まず、ろう材９を挟んだ内部側端子部８１ｂと回路パターン４１ａとを加圧することで接触抵抗が減少して電気抵抗がＤ１まで低下する（加圧プロセス：Ｐ１）。続いて、電気抵抗がＤ１まで低下したことを検知して、レーザ１３の照射を開始する（レーザ照射プロセス：Ｐ２）。レーザ１３を照射し続けることで、レーザの熱でろう材９が溶融して、ぬれ広がりにより電気抵抗が低下する。電気抵抗がＤ２まで低下したことで、ろう材９の溶融を検知して、レーザ１３を停止する。次いで、余熱によるろう材９のぬれ拡がり（余熱によるぬれ広がるプロセス：Ｐ３）を経て、冷却固化することで接合が完了する。これにより、内部側端子部８１ｂを安定して接合することが可能となる。
【００４０】
接合を制御する際、ろう材９が接触する前後の抵抗の変化、ろう材９が溶融する前後の抵抗の変化、および、ろう材９がぬれ広がる際の抵抗の変化のそれぞれの変化量が異なるため、プロセスが進むに従って測定電流を大きくするなど、より小さな抵抗の変化を捉えるような測定レンジの異なる抵抗測定方法を採用することで、詳細な検知が可能となる。
【００４１】
電気抵抗の低下を検知してレーザ１３の出力を落とす制御で加熱量を減らしてもよい。また、ガスの吹き付け等で放熱板５を冷やして放熱量を増やすことで温度上昇を制御してもよい。この場合は、レーザ発振器の制御が不要となり、安価で容易に制御することができる。
【００４２】
なお、本実施の形態では、半導体素子の事例にＩＧＢＴとＦＷＤを示したが、双方の機能を一体化したＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｒｅｖｅｒｓｅ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）またはＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）など他の縦型半導体素子を使用しても、同様の効果を得る。また、電極端子８１、８２、８３、８４を樹脂ケース７に埋め込んだ構造を示したが、それぞれの電極端子８１、８２、８３、８４が電気的に短絡していなければ、同様の製造方法を利用できる。
【００４３】
また、ろう材９として、りん銅ろうを選定したもう一つの理由は、りんの還元作用により、大気中でのろう付が可能なためであるが、フラックスまたは還元雰囲気を準備すれば、従来から用いられるはんだ付けまたはろう付けであっても、同様の効果が得られる。
【００４４】
また、電極端子８１よりも回路パターン４１ａが厚い場合、または電極端子８１および回路パターン４１ａがＡｌ合金など融点が低い材料で構成されている場合には、ろう材９を使うよりも内部側端子部８１ｂを直接溶接（キーホール溶接）する方が接合が容易である。その場合でも、接合点数、接合面積、および電気抵抗の関係において、同様の製造方法を用いることが可能である。ただし、１００Ａ以上の電流が流れるパワーモジュールでは接合面積の広いろう付けを採用するほうが望ましい。
【００４５】
また、プローブ１２ａ、１２ｂの固定方法として、回路から導出されたプローブ１２ａ、１２ｂを直接パワーモジュールと接触させる例を示したが、装置レーザの照射ヘッド、またはパワーモジュールの固定ステージと連動して動作しても構わない。
【００４６】
例えば、内部側端子部８１ｂと回路パターン４１ａを加圧するような治具が必要な場合には、図７に示すように、プローブ１２ａ、１２ｂを取り付けた治具１５を用いてもよい。図８は、図７のＥＥ矢視断面図である。治具１５にプローブ１２ａ、１２ｂおよび２２ａ、２２ｂと、プローブ１２ａおよび２２ｂとそれぞれ加圧するためのプローブ５３ａおよび５３ｂを取り付けておき、治具１５と電気抵抗測定回路１１との接続をスイッチ５１ａと５１ｂ、５２ａと５２ｂ、を切り替えながら測定することも可能である。レーザ１３はガルバノミラーでのスキャンによる面走査または光ファイバーを使った伝送により、照射ヘッドで照射位置を決めることができることから、このような治具にプローブを固定する構成が有効である。このようにすることで電気的なスイッチ５１ａと５１ｂ、５２ａと５２ｂで各測定点での接合を観察することができ、接合の制御が容易になるとともに、接合に必要な時間を短縮することができる。
【００４７】
以上のように、実施の形態１における電力用半導体装置の製造方法によれば、外部に接続するための板材からなる電極端子８１の内部側端子部８１ｂを、パワー半導体素子１、２と接続された絶縁基板４の回路パターン４１ａの内部側端子部８１ｂを接合する位置に位置決めをする工程と、回路パターン４１ａと内部側端子部８１ｂの間にろう材９を挿入する工程と、電極端子８１の外部側端子部８１ａに電気抵抗測定回路１１の一方のプローブ１２ｂを当て、回路パターン４１ａに電気抵抗測定回路１１の他方のプローブ１２ａを当て、電気抵抗を測定しながら、ろう材９を挟んで回路パターン４１ａに内部側端子部８１ｂを加圧し、内部側端子部８１ｂの接合する面の裏面側にレーザ１３を照射する工程とを含むようにしたので、半導体素子および内部の回路と電極端子との接合の安定化を図ることができ、生産性を向上させることができる。
【００４８】
実施の形態２．
実施の形態１では、パワー半導体素子（ＩＧＢＴ）１のエミッタ電極とパワー半導体素子（ＦＷＤ）２のアノード電極と絶縁基板４の回路パターン４１ａとの接続に、ワイヤ６１ｂを用いた場合について説明したが、実施の形態２では、板状のリード端子を用いた場合について説明する。
【００４９】
図９は、実施の形態２における電力用半導体装置の構成を示す断面図である。図９に示すように、実施の形態２における電力用半導体装置であるパワーモジュール１０２では、実施の形態１でパワー半導体素子（ＩＧＢＴ）１のエミッタ電極とパワー半導体素子（ＦＷＤ）２のアノード電極と絶縁基板４の回路パターン４１ａとの接続に用いたワイヤ６１ｂの代わりに、Ｃｕの板材からなる厚さ０．３ｍｍのリード端子８５を使用する。リード端子８５は、パワー半導体素子（ＩＧＢＴ）１のエミッタ電極、パワー半導体素子（ＦＷＤ）２のアノード電極、および絶縁基板４の回路パターン４１ａと接合している。リード端子８５は、パワー半導体素子（ＩＧＢＴ）１のエミッタ電極およびパワー半導体素子（ＦＷＤ）２のアノード電極とそれぞれ、はんだで接合されており、絶縁基板４の回路パターン４１ａとは、本願の電力用半導体装置の製造方法を用いて、ろう材１８で接合されている。実施の形態２による電力用半導体装置であるパワーモジュール１０２のその他の構成については、実施の形態１のパワーモジュール１０１と同様であり、対応する部分には同符号を付してその説明を省略する。
【００５０】
次に、実施の形態２における電力用半導体装置であるパワーモジュール１０２の製造方法について、図１０に基づき説明する。図１０は、実施の形態２における電力用半導体装置の製造方法を示す断面図である。図１１は、実施の形態２におけるパワーモジュール１０２の製造の手順を示すフローチャート図である。
【００５１】
まず、実施の形態１での図５において、ステップＳ５０２の工程を省略し、ステップＳ５０８の工程までが終了して、ぬれ広がったろう材１９により回路パターン４１ａと内部側端子部８１ｂとが接合された後、図１１に示すように、パワー半導体素子（ＩＧＢＴ）１とパワー半導体素子（ＦＷＤ）２間にリード端子８５を、はんだ７２ａ、７２ｂを用いて接合する（ステップＳ１１０１）ことで、リード端子８５の一端である回路側端子８５ａを、絶縁基板４の回路パターン４１ａの、回路側端子８５ａを接合する位置に位置決めをする。
【００５２】
続いて、絶縁基板４の回路パターン４１ａと、リード端子８５の一端である回路側端子８５ａの間に板状に成形されたろう材８を挿入する（ステップＳ１１０２）。この際、リード端子８５のパワー半導体素子（ＩＧＢＴ）１とパワー半導体素子（ＦＷＤ）２への接合後に絶縁基板４の回路パターン４１ａと回路側端子８５ａとが加圧されるようにリード端子８５の形状が設計されているほうが、ろう材８の固定が容易となり好適である。
【００５３】
次いで、図１０に示すように、リード端子８５と電極端子８１の外部側端子部８１ａとの間の電気抵抗を測定する（ステップＳ１１０３）。電源と電圧計の機能を有する電気抵抗測定回路１１から正極と負極となるプローブ１２ａとプローブ１２ｂが導出されている。リード端子８５の一部にプローブ１２ｂの一端を接触させ、同じ相の外部側端子部８１ａにプローブ１２ａのもう一端を接触させる。この際、電気抵抗を測定し、導通が取れているかを確認する。
【００５４】
続いて、導通が取れていることを確認次第、ろう材８を挟んで回路パターン４１ａにリード端子８５の回路側端子８５ａを加圧し（ステップＳ１１０４）、電気抵抗が測定できる状態を維持したままＹＡＧ（ロッドから発振される波長：１０６４μｍ）のレーザ１３をリード端子８５の回路側端子８５ａに照射して加熱する（ステップＳ１１０５）。その際、レーザ１３を回路側端子８５ａの接合する面の裏面側で走査することにより、回路側端子８５ａを均一に加熱する。
【００５５】
ろう材８が溶融して接合面積が拡大し、電気抵抗の低下を検知してレーザ１３の照射による加熱を停止後、冷却する（ステップＳ１１０６）ことで、内部側端子部８１ｂのすべての接合が完了となる。
【００５６】
最後に、樹脂ケース７の内部に封止樹脂１０としてシリコーンゲルを注入し、加熱硬化させた後、冷却することにより（ステップＳ１１０７）、図９に示すように、ぬれ広がったろう材１８により回路パターン４１ａとリード端子８５の回路側端子８５ａとが接合されたパワーモジュール１０２が得られる。
【００５７】
従来、パワー半導体素子（ＩＧＢＴ）のエミッタ電極とパワー半導体素子（ＦＷＤ）のアノード電極、およびパワー半導体素子（ＦＷＤ）のアノード電極と絶縁基板の回路パターンの３点の接続に、リード端子をリフローで同時にはんだ付けした場合、傾きおよび高さのばらつきによっていずれかの２点でリード端子が持ち上げられ、１点が未接合になることがあった。
【００５８】
本実施の形態２では、リード端子８５と確実に接合できるパワー半導体素子（ＩＧＢＴ）１とパワー半導体素子（ＦＷＤ）２の２点をはんだ付けし、リード端子８５と回路パターン４１ａとの接合部をレーザ１３でろう付けする。なお、パワー半導体素子（ＩＧＢＴ）１およびパワー半導体素子（ＦＷＤ）２の電極はＡｌで構成されることが多いため、りん銅ろうでのろう付け温度は一般的に７００℃以上であり、Ａｌの融点を超えることから、本実施の形態で示す組み合わせとするのが好適である。プローブ１２ａ、１２ｂをろう材８よりも融点の高い金属材料を使用することで、レーザ照射中も加圧しながら電気抵抗を測定し続けることが可能となる。
【００５９】
なお、リード端子８５は、パワー半導体素子（ＩＧＢＴ）１およびパワー半導体素子（ＦＷＤ）２とのはんだ付け部分の熱応力を小さくするため電極端子８１よりも薄く構成されている。パワー半導体素子（ＩＧＢＴ）１およびパワー半導体素子（ＦＷＤ）２のはんだ付けのときの傾きおよび高さのばらつきにより、回路パターン４１ａとの隙間が生じやすい。そこで別に加圧が必要となるが、実施の形態１での図７および図８の場合と同様に、プローブで押えることで隙間をなくしつつ、抵抗の測定により接触を検知することが可能となる。押さえる部分はレーザ照射部近傍がもっとも好ましいが、レーザ加熱を阻害する要因となるため、離れた場所で押さえても抵抗が測定できていれば構わない。図１０に示すように、接合部の近くで折り曲げられている場合には、折り曲げている部分８５ｂで押さえることでリード端子８５が撓まずに加圧できることからより好適である。この方法は電極端子８１でも同様に、例えば０．５ｍｍ以下と薄い場合に使うことも可能である。
【００６０】
また、ろう材８の供給については、実施の形態１と同様に板状のろう材を供給しても構わないが、隙間が大きくなりやすいことから、あらかじめ回路パターン４１ａまたはリード端子８５の回路側端子８５ａに固定されているほうが好適である。
【００６１】
また、板状のろう材８を使う際には、硬く変形しにくいので、リード端子８５の回路側端子８５ａの加圧だけでは十分な接触が取れないことがある。この際には、電気抵抗を測定しながらりん銅ろうが溶融しない温度で柔らかくなるように低いエネルギーで加熱し、柔らかくなったろう材８が変形して接触面積が大きくなり、電気抵抗が低下したことを検知してからろう付けするためのエネルギーのレーザ１３を照射することが有効である。その後、リード端子８５の回路側端子８５ａと回路パターン４１ａとも電気抵抗を測定しながらレーザ１３でろう付けする。リード端子８５が薄いことから、熱伝導でろう材８および回路パターン４１ａを加熱するためにレーザ１３のエネルギーを高くすると、先にリードが溶融して飛散しやすく、低いエネルギーで加熱するほうが良く、電気抵抗の変動からレーザ１３の照射条件を制御することがより有効である。
【００６２】
以上のように、実施の形態２における電力用半導体装置の製造方法によれば、パワー半導体素子（ＩＧＢＴ）１、パワー半導体素子（ＦＷＤ）２および回路パターン４１ａを接続するための板材からなるリード端子８５の回路側端子８５ａを絶縁基板４の回路パターン４１ａの回路側端子８５ａを接合する位置に位置決めをする工程と、リード端子８５の回路側端子８５ａに電気抵抗測定回路１１の一方のプローブ１２ｂを当て、回路パターン４１ａに内部側端子部８１ｂが接合された電極端子８１の外部側端子部８１ａに、電気抵抗測定回路１１の他方のプローブ１２ａを当て、電気抵抗を測定しながら、回路パターン４１ａに回路側端子８５ａを加圧し、回路側端子８５ａの接合する面の裏面側にレーザ１３を照射する工程とを含むようにしたので、半導体素子および内部の回路と電極端子との接合の安定化を図ることができ、生産性を向上させることができる。
【００６３】
実施の形態３．
図１２は、実施の形態３における電力用半導体装置の構成を示す平面図である。図１２に示すように、パワー半導体素子（ＩＧＢＴ）１が２個、パワー半導体素子（ＦＷＤ）２が２個搭載されている。また、電極端子８１、８２、８６が３個取り付けられており、それぞれＮ相、ＡＣ相、Ｐ相を示す。実施の形態３による電力用半導体装置であるパワーモジュール１０３のその他の構成については、実施の形態１のパワーモジュール１０１と同様であり、対応する部分には同符号を付してその説明を省略する。
【００６４】
次に、実施の形態２における電力用半導体装置であるパワーモジュール１０３の製造方法について、図１３、図１４、および図１５に基づき説明する。図１３、図１４、および図１５は、実施の形態３における電力用半導体装置の製造方法を示す平面図である。図１６は、実施の形態３におけるパワーモジュール１０３の製造の手順を示すフローチャート図である。
【００６５】
まず、実施の形態１での図５において、ステップＳ５０１からステップＳ５０２の工程を実施した後、図１３に示すように、Ｎ相を構成する電極端子８１の内部側端子部８１ｂと回路パターン４１ａを接合する（ステップＳ１６０１）。具体的な接合方法は、実施の形態１での図５のステップＳ５０４からステップＳ５０８と同様であり、その説明を省略する。
【００６６】
続いて、図１４に示すように、ＡＣ相を構成する電極端子８２の内部側端子部８２ｂと回路パターン４１ｂを接合する（ステップＳ１６０２）。電気抵抗の測定においては、プローブ１２ａはそのまま電極端子８１の外部側端子部８１ａに接触させておき、プローブ１２ｂをＡＣ相（例えば、電極端子８２の外部側端子部８２ａ）に接触させる。その際、電気抵抗はパワー半導体素子（ＦＷＤ）２の順方向特性を利用して測定するため、接合部分の電気抵抗にパワー半導体素子（ＦＷＤ）２の実質の電気抵抗が付加された抵抗が出力される。その他の具体的な接合方法は、実施の形態１での図５のステップＳ５０４からステップＳ５０８と同様であり、その説明を省略する。
【００６７】
次いで、図１５に示すように、Ｐ相を構成する電極端子８６の内部側端子部８６ｂと回路パターン４１ｄを接合する（ステップＳ１６０３）。電気抵抗の測定においては、プローブ１２ａはそのまま電極端子８１の外部側端子部８１ａに接触させておき、プローブ１２ｂをＰ相（例えば、電極端子８６の外部側端子部８６ａ）に接触させる。その際、電気抵抗は２個のパワー半導体素子（ＦＷＤ）２の順方向特性を利用して測定するため、接合部分の電気抵抗にパワー半導体素子（ＦＷＤ）２の２チップ分の実質の電気抵抗が付加された抵抗が出力される。この際、パワー半導体素子（ＦＷＤ）２には一定の電圧をかける必要があり、パワー半導体素子（ＦＷＤ）２の１素子あたり、電力用半導体装置に搭載されるパワー半導体素子（ＦＷＤ）２の定格の電流を流すのに必要なアノード−カソード間の順方向電圧のおよそ２５％以上の電圧をかける必要がある。その他の具体的な接合方法は、実施の形態１での図５のステップＳ５０４からステップＳ５０８と同様であり、その説明を省略する。
【００６８】
このように、電気抵抗測定回路１１のプローブ１２ａ、１２ｂにおいては、一方のプローブ１２ａは移動させる必要がなく、他方のプローブ１２ｂを各相に対応した外部側端子部等に接触させるだけで、接合に必要な電気抵抗の測定ができ、プローブ動作の制御が容易になり、接合に必要な時間を短縮することが可能となる。また、他方のプローブ１２ｂは接合する電極端子８１、８２、８６の外部側端子部８１ａ、８２ａ、８６ａの位置と連動して移動させることができるため、例えば実施の形態２に示すように、プローブを用いて内部側端子部８１ｂ、８２ｂ、８６ｂを加圧する場合に、固定用のプローブと測定用のプローブのそれぞれを動かす必要が無くなり、装置が簡略化できる。
【００６９】
また、パワー半導体素子（ＦＷＤ）２を介して通電させる際には、その抵抗の影響が大きくなるため、詳細に接合の進行を観察するために、通電経路を別に設定することも可能である。例えば、本実施の形態３で示したプローブ１２ａ、１２ｂの代わりに、電源の正極と負極を設置し、接合部分にあたる内部側端子部８１ｂ、８２ｂ、８６ｂと回路パターン４１ａ、４１ｂ、４１ｄの電圧のみ測定するプローブを設置して通電と電圧測定を分け、電圧測定により接合を観察することも有効である。その際、十分な電流を流すことが可能であれば、接合部分を重ね合わせたときの接触抵抗によるジュール発熱によってろう材を軟化させ、加圧および加熱を補助することで接合を安定化することも可能である。
【００７０】
以上のように、実施の形態３における電力用半導体装置の製造方法によれば、電気抵抗を測定する工程で、プローブ１２ａを、前記回路パターンに前記パワー半導体素子を介して接続された隣の電極端子に接触させて測定するようにしたので、接合に必要な電気抵抗の測定ができるだけでなく、プローブ動作の制御が容易になり、接合に必要な時間を短縮することが可能となる。
【００７１】
本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
【符号の説明】
【００７２】
１  パワー半導体素子（ＩＧＢＴ）、２  パワー半導体素子（ＦＷＤ）、４  絶縁基板、１１  電気抵抗測定回路、１２ａ、１２ｂ  プローブ、１３  レーザ、４１ａ、４１ｂ、４１ｄ  回路パターン、８１、８２、８６  電極端子、８１ａ、８２ａ、８６ａ  外部側端子部、８１ｂ、８２ｂ、８６ｂ  内部側端子部、１０１、１０２、１０３  電力用半導体装置（パワーモジュール）。
【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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