(57)【要約】【課題】半田層の厚さ方向のバラツキを抑制することができる半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供する。【解決手段】半導体素子の一方の面に第１半田層を積層するとともに他方の面に第２半田層を積層し、ヒートシンクブロック１３１の一方の面に第２半田層を積層するとともに他方の面に第３半田層を積層することにより積層体１０を形成する工程と、積層体の周囲に沿う形状であり、かつ、係止部を有する保持部材２０を積層体１０の周囲に配置し、積層体１０の両面に第１ヒートシンク３１及び第２ヒートシンク３２を積層する工程と、第１ヒートシンク３１及び第２ヒートシンク３２の少なくとも一方の面から、積層方向に荷重を加え、第１半田層、第２半田層及び第３半田層を加熱し、ヒートシンクブロック１３１又は半導体素子の少なくとも一方の積層方向の面の一部を係止部に係止する係止工程と、加熱された第１半田層、第２半田層及び第３半田層を硬化する工程により製造される。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子の一方の面に第１半田層を積層するとともに他方の面に第２半田層を積層し、ヒートシンクブロックの一方の面に前記第２半田層を積層するとともに他方の面に第３半田層を積層することにより積層体を形成する工程と、
前記積層体の周囲に沿う形状であり、かつ、係止部を有する保持部材を前記積層体の周囲に配置し、前記積層体の両面に第１ヒートシンク及び第２ヒートシンクを積層する工程と、
前記第１ヒートシンク及び第２ヒートシンクの少なくとも一方の面から、積層方向に荷重を加え、前記第１半田層、前記第２半田層及び前記第３半田層を加熱し、前記ヒートシンクブロック又は前記半導体素子の少なくとも一方の積層方向の面の一部を前記係止部に係止する係止工程と、
前記加熱された前記第１半田層、前記第２半田層及び前記第３半田層を硬化する工程とを含む
半導体装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
前記係止工程は、前記半導体素子の前記第２半田層側の積層面の一部を前記係止部に係止することを特徴とする
半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
前記係止部は、前記積層体に向けて突起する突起部を有し、
前記ヒートシンクブロックは、前記突起部と嵌合する溝部を有し、
前記係止工程は、前記突起部を前記溝部に嵌合し、前記ヒートシンクブロックを前記係止部に係止することを特徴とする
半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
前記ヒートシンクブロックは、前記積層体に向けて突起する突起部を有し、
前記係止部は、前記突起部と嵌合する溝部を有し、
前記係止工程は、前記突起部を前記溝部に嵌合し、前記ヒートシンクブロックを前記係止部に係止することを特徴とする
半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記第３半田層は、前記突起部の少なくとも一面に積層されることを特徴とする
請求項３又は４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記第２半田層は、前記突起部の少なくとも一面に積層されることを特徴とする
請求項３又は４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記ヒートシンクブロックの積層面は、四角形に形成され、
前記溝部は、前記四角形の各辺の中央付近にそれぞれ形成されることを特徴とする
請求項３記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記ヒートシンクブロックの積層面は、四角形に形成され、
前記突起部は、前記四角形の各辺の中央付近にそれぞれ形成されることを特徴とする
請求項４記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記保持部材は、前記前記第１半田層、第２半田層又は前記第３半田層の少なくとも一つの半田層の積層面に沿う溝を有することを特徴とする
請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記積層体と前記保持部材の間に充填材を充填する工程をさらに含むことを特徴とする
半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
半導体素子の一方の面に第１半田層が積層され、前記半導体素子の他方の面に第２半田層が積層され、ヒートシンクブロックの一方の面に前記第２半田層が積層され、前記他方の面に第３半田層が積層される積層体と、
前記積層体の周囲に沿う形状で、前記積層体の周囲に沿って接合された保持部材と、
前記積層体の両面に、それぞれ積層された第１ヒートシンク及び第２ヒートシンクを備え、
前記保持部材は、
前記ヒートシンクブロック又は前記半導体素子の少なくとも一方の積層方向の面の一部と係止する係止部を有することを特徴とする
半導体装置。
【請求項１２】
前記半導体素子の前記第２半田層側の積層面の一部は、前記係止部に係止されることを特徴とする
請求項１１記載の半導体装置。
【請求項１３】
前記係止部は、前記積層体に向けて突起する突起部を有し、
前記ヒートシンクブロックは、前記突起部と嵌合する溝部を有することを特徴とする請求項１１記載の半導体装置。
【請求項１４】
前記ヒートシンクブロックは、前記積層体に向けて突起する突起部を有し、
前記係止部は、前記突起部と嵌合する溝部を有することを特徴とする請求項１１記載の半導体装置。
【請求項１５】
前記第３半田層は、前記突起部の少なくとも一面に積層されることを特徴とする
請求項１３又は１４に記載の半導体装置。
【請求項１６】
前記第２半田層は、前記突起部の少なくとも一面に積層されることを特徴とする
請求項１３又は１４に記載の半導体装置。
【請求項１７】
前記ヒートシンクブロックの積層面は、四角形に形成され、
前記溝部は、前記四角形の各辺の中央付近にそれぞれ形成されることを特徴とする
請求１３記載の半導体装置。
【請求項１８】
前記ヒートシンクブロックの積層面は、四角形に形成され、
前記突起部は、前記四角形の各辺の中央付近にそれぞれ形成されることを特徴とする
請求項１４記載の半導体装置。
【請求項１９】
前記保持部材は、前記前記第１半田層、第２半田層又は前記第３半田層の少なくとも一つの半田層の積層面に沿う溝を有することを特徴とする
請求項１１〜１８のいずれか１項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法と半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体チップの一面に半田層を介して電極である下側ヒートシンクを接合し、当該半導体チップの他面に半田層を介して金属体を接合し、前記金属体の一面に半田層を介して電極である上側ヒートシンクを接合し、半導体チップと金属体との間及び半導体チップと下側ヒートシンクとの間の間隔を均一に保つために、半導体層に球形粒子状の金属を埋設する半導体装置が知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１３６０１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、球形粒子状の金属には、ばらつきがあるため、例えば半導体チップと下側ヒートシンクとの間隔に、偏りが生じてしまい、半田層の厚さ方向のバラツキを抑制することが困難であった。
【０００５】
そこで本発明は、半田層の厚さ方向のバラツキを抑制することができる半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、ヒートシンクブロック又は半導体素子の少なくとも一方の積層方向の面の一部を保持部材の係止部に係止することによって上記課題を解決する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、ヒートシンクブロック又は半導体素子の少なくとも一方の積層方向の面の一部が保持部材の係止部に係止されることによって、例えば製造工程における半田層の浮力より、当該ヒートシンクブロック又は半導体素子の少なくとも一方の積層方向の面の一部が当該係止部に引っかかり、その結果として、半田層の厚さ方向のバラツキを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】発明の実施形態に係るパワーモジュールを示す外観斜視図である。
【図２】図１のパワーモジュールのＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図３ａ】図１のパワーモジュールのＡ−Ａ線に沿う断面図であって、部材セットの工程を説明するための図である。
【図３ｂ】図１のパワーモジュールのＡ−Ａ線に沿う断面図であって、荷重、半田溶解の工程を説明するための図である。
【図３ｃ】図１のパワーモジュールのＡ−Ａ線に沿う断面図であって、半田硬化の工程を説明するための図である。
【図３ｄ】図１のパワーモジュールのＡ−Ａ線に沿う断面図であって、ゲル充填の工程を説明するための図である。
【図４ａ】図１のパワーモジュールのＡ−Ａ線に沿う断面図であって、荷重、半田溶解の工程を説明するための図である。
【図４ｂ】図１のパワーモジュールのＡ−Ａ線に沿う断面図であって、半田硬化の工程を説明するための図である。
【図４ｃ】図１のパワーモジュールのＡ−Ａ線に沿う断面図であって、ゲル充填の工程を説明するための図である。
【図５】発明の他の実施形態に係るパワーモジュールの保持部材を示す破断斜視図である。
【図６】発明の他の実施形態に係るパワーモジュールのヒートシンクブロックを示す外観斜視図である。
【図７】発明の他の実施形態に係るパワーモジュールの断面図である。
【図８】発明の他の実施形態に係るパワーモジュールの保持部材を示す破断斜視図である。
【図９】発明の他の実施形態に係るパワーモジュールのヒートシンクブロックを示す外観斜視図である。
【図１０】発明の他の実施形態に係るパワーモジュールの断面図である。
【図１１】発明の他の実施形態に係るパワーモジュールの保持部材を示す破断斜視図である。
【図１２】発明の他の実施形態に係るパワーモジュールのヒートシンクブロックを示す外観斜視図である。
【図１３】発明の他の実施形態に係るパワーモジュールの断面図である。
【図１４】発明の他の実施形態に係るパワーモジュールの保持部材を示す破断斜視図である。
【図１５】発明の他の実施形態に係るパワーモジュールのヒートシンクブロックを示す外観斜視図である。
【図１６】発明の他の実施形態に係るパワーモジュールの断面図である。
【図１７】発明の他の実施形態に係るパワーモジュールの保持部材を示す破断斜視図である。
【図１８】発明の他の実施形態に係るパワーモジュールの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１０】
《第１実施形態》
発明の実施形態に係る半導体装置及び半導体装置の製造方法の一例として、電気自動車やハイブリッド車等のインバータに搭載されるパワーモジュール１及びそのパワーモジュール１の製造方法を説明する。図１は本例のパワーモジュール１の外観斜視図を示し、図２は、図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【００１１】
図１に示すパワーモジュール１は、後述する積層体１０と、積層体１０の周囲に配置される保持部材２０と、積層体１０の上面に積層される上側ヒートシンク３１と、当該積層体の下面に積層される下側ヒートシンク３２を備える。上側ヒートシンク３１及び下側ヒートシンク３２は、パワーモジュール１の電極であり、例えば銅等の熱伝導性及び電気伝導性のよい金属で形成されている。またパワーモジュール１は、積層体１０に含まれるパワー半導体１２１（後述を参照）の信号端子に接続されるワイヤボンディング５０と、当該ワイヤボンディング５０に接続されるリードフレーム６０を備える。
【００１２】
次に、図２を参照し、パワーモジュール１の断面の構造を説明する。なお、便宜上、上側ヒートシンク３１の方向に面する側を上側と称し、下側ヒートシンク３２の方向に面する側を下側とする。積層体１０において、パワー半導体１２１は例えば矩形状、薄板状に形成され、パワー半導体１２１の上面に第１層半田１０１が積層され、パワー半導体１２１の下面に第２層半田１０２が積層される。また積層体１０は、ヒートシンクブロック１３１を有し、ヒートシンクブロック１３１の上面に第２層半田１０２が積層され、ヒートシンクブロック１３１の下面に第３層半田１０３が積層される。第１層半田１０１は、パワー半導体１２１の上面の積層面に沿って積層され、第２層半田１０２及び第３層半田１０３は、ヒートシンクブロック１３１の両面の積層面に沿って、それぞれ積層される。パワー半導体１２１の第２層半田１０２側の積層面は、外周の一部を残しつつ、第２層半田１０２に積層される。言い換えると、積層体１０の積層方向に直交する方向（図２の水平方向）において、パワー半導体１２１の第２層半田１０２側の積層面は、第２層半田１０２の積層面より大きく、パワー半導体１２１の第２層半田１０２側の積層面の外周部分には、第２層半田１０２が積層されない。パワー半導体１２１は、主にシリコンを主材料する。ヒートシンクブロック１３１は、放熱性を確保するために銅などの金属を用いて形成される。
【００１３】
保持部材２０は、積層体１０の外周を囲い込むように形成され、積層体１０と対向する接合面は、積層体１０の外周である側面に沿って形成されている。また保持部材２０は、積層体１０と接合する面の一部にストッパ部２０１を有し、当該ストッパ部２０１は、パワー半導体１２１の第２層半田１０２側の積層面のうち、第２半導体層が積層されない部分と当接し、係止する。保持部材２０と積層体１０との間には、ゲル４１が充填されている。保持部材２０は、樹脂、セラミック等により形成され、絶縁性及び耐熱性を確保する。また同様に  ゲル４１は、絶縁性及び耐熱性を有する。さらに、保持部材２０又はゲル４１を高熱伝導材料により形成することで、パワーモジュール１の放熱性を高めることができる。
【００１４】
上側ヒートシンク３１は、積層体１０の上側の積層面に積層され、下側ヒートシンク３２は、積層体１０の下側の積層面に積層され、上側ヒートシンク３１及び下側ヒートシンク３２により、積層体１０及び保持部材２０が狭持される。
【００１５】
次に、図３を用いて、パワーモジュール１の製造方法を説明する。図３は、パワーモジュール１の製造方法の各工程を説明するための、パワーモジュール１の断面図である。
【００１６】
まず、図３（ａ）を参照し、上記の各部材を含む積層体１０の周囲に保持部材２０を配置し、上側ヒートシンク３１と下側ヒートシンク３２を、積層体１０の上面及び下面に、それぞれ配置する。これにより部材がセットされる。
【００１７】
次に、図３（ｂ）を参照し、積層されたパワーモジュール１の上側から、おもり・治具７０により荷重をかける。本例は、上側ヒートシンク３１の上側の面から、積層体１０の積層方向に荷重を加える。また荷重を加えながら、パワーモジュール１は、図示しない加熱装置（リフロー装置）にて、加熱され、積層体１０に含まれる第１層半田１０１、第２層半田１０２及び第３層半田１０３が溶解される。
【００１８】
ここで、パワー半導体１２１、ヒートシンクブロック１３１、上側ヒートシンク３１及び下側ヒートシンク３２を半田づけするために、上記のように、パワーモジュール１は、加熱装置により加熱され、第１層半田１０１、第２層半田１０２及び第３層半田１０３は、融点以上に温度が上昇し、溶解する。この溶解の際、各半田層で浮力が発生する。パワー半導体１２１は、第１層半田１０１から、下側の方向の浮力を受ける。パワー半導体１２１の第２半田層１０２側の外周の積層面は、ストッパ部２０１により係止されるため、パワー半導体１２１の第２半田層１０２側の積層面は、ストッパ部２０１に引っかかり、当該浮力によるパワー半導体１２１の動きが制限される。
【００１９】
次に、図３（ｃ）を参照し、溶解された第１層半田１０１、第２層半田１０２及び第３層半田１０３は硬化し、積層体１０に含まれる各部材と上側ヒートシンク３１及びヒートシンク３２は接合される。この時、第１層半田１０１は、動きが規制されることにより安定するパワー半導体１２１の積層面の面上で硬化するため、第１層半田１０１の厚さは均一に保たれる。また他の半田層、第２層半田１０２及び第３層半田１０３も、同様に、厚さの均一性が保たれる。
【００２０】
次に、図３（ｄ）を参照して、保持部材２０と積層体１０との間には、ゲル４１が充填され、積層体１０及び保持部材２０が接合される。これにより、本例のパワーモジュール１が製造される。
【００２１】
上記のように、本例のパワーモジュール１及びその製造方法は、製造工程において、第１層半田１０１、第２層半田１０２及び第３層半田が溶解されることで発生する浮力により、パワー半導体１２１の積層面の一部が、保持部材２０に設けられるストッパ２０１に係止される。これにより、第１層半田１０１の厚さ方向のバラツキを抑制し仕上げることができ、第１半田層１０１の仕上がりの厚さを、設計値に保証することができる。他の半田層である、第２層半田１０２及び第３層半田１０３についても、同様に、厚さ方向のバラツキを抑制することができる。
【００２２】
また、本例は、トランスファーモールドと異なる方法で、電極間の絶縁性及び放熱性を確保しつつ、パワーモジュール１を製造することができ、トランスファーモールドで使用される封止樹脂を省くことができる。また本例は、半田付け工程を１回に削減することができる。
【００２３】
なお本例のストッパ部２０１はパワー半導体１２１の第２層半田１０２側の積層面の一部と係止する位置に設けられるが、パワー半導体１２１の第１層半田１０１側の積層面の一部と係止する位置でもよく、ヒートシンクブロック１３１の第２層半田層１０２側の積層面の一部と係止する位置でもよく、ヒートシンクブロック１３１の第３層半田層１０２側の積層面の一部と係止する位置でもよい。また、パワー半導体１２１又はヒートシンクブロック１３１において、ストッパ部２０１に係止する面は、半田層との積層する面にする必要はなく、積層面以外に形成される、積層方向を向いている面でもよい。
【００２４】
また、図４を参照し、本例のパワーモジュール１の製造方法において、図３（ａ）に示すように、パワーモジュール１の各部材をセットした後に、上下を反転させ、製造してもよい。まず、図４（ａ）に示すように、部材セットされたパワーモジュール１を反転させた後に、下側ヒートシンク３２の上面から、おもり７０により荷重を加え、各半田層を溶解する。そして、図４（ｂ）に示すように、溶解された第１層半田１０１、第２層半田１０２及び第３層半田１０３を硬化し、図４（ｃ）に示すように、保持部材２０と積層体１０との間に、ゲル４１を注入する。これにより、本例のパワーモジュール１を製造することができる。
【００２５】
また本例のパワー半導体１２１は本発明の「半導体素子」に相当し、第１層半田１０１が「第１半田層」に、第２層半田１０２が「第２半田層」に、第３層半田１０３が「第３半田層」に、上側ヒートシンク３１が「第１ヒートシンク」に、下側ヒートシンク３２が「第２ヒートシンク」に、ゲル４１が「充填材」に相当する。また、ストッパ部２０１が「係止部」に含まれる。
【００２６】
《第２実施形態》
図５は発明の他の実施形態に係るパワーモジュール１の保持部材２０の破断斜視図を、図６はパワーモジュール１のヒートシンクブロック１３１の外観斜視図を示す。本例は上述した第１実施形態に対して、突起部２０２及び溝部１３３を備える点が異なる。これ以外の構成で上述した第１実施形態と同じ構成は、その記載を適宜、援用する。
【００２７】
図５に示すように、本例の保持部材２０は、内側に向けて突起する突起部２０２を有す。保持部材２０は、積層体１０の周囲の側面と対向する四面を有し、突起部２０２は、当該四面にそれぞれ形成され、当該積層体１０の周囲の側面に向けて突出する。また、突起部２０２は、ヒートシンクブロック１３１の下側の積層面の周囲、また第３層半田１０３の周囲に対応する位置に形成される。
【００２８】
図６を参照して、ヒートシンクブロック１３１には、溝部１３３が、側面のそれぞれに形成される。溝部１３３は、突起部２０２と嵌合する形状で形成される。またヒートシンクブロック１３１の積層面は、四角形に形成され、溝部１３３は当該四角形の角を避けて、当該四角形の各辺の中央付近に形成される。
【００２９】
図７は、本例のパワーモジュール１の断面図を示す。積層体１０は、図６に示すヒートシンクブロック１３１とパワー半導体１２１を、第１層半田１０１、第２層半田１０２及び第３層半田１０３を介して積層することにより形成される。そして当該積層体１０の周囲に、図５に示す保持部材２０を配置する。この際、突起部２０２と溝部１３３とが嵌合するように位置決めして、保持部材２０が配置される。そして、第３層半田１０３は、ヒートシンクブロック１３１の下面と突起部２０２の下面に積層される。そして、積層体１０の上下面に、上側ヒートシンク３１及び下側ヒートシンク３２がそれぞれ積層される。これにより、パワーモジュール１の部材が、セットされる。
【００３０】
次に、おもり又は治具７０により、上側ヒートシンク３１に対して荷重を加えつつ、パワーモジュール１が加熱され、第１層半田１０１、第２層半田１０２及び第３層半田１０３が溶解される。この溶解の際、各半田層で浮力が発生する。パワー半導体１２１は、第１層半田１０１から、下側の方向の浮力を受ける。パワー半導体１２１の第２層半田１０２側の外周の積層面は、ストッパ部２０１により係止されるため、パワー半導体１２１の第２層半田１０２側の積層面は、ストッパ部２０１に引っかかり、当該浮力によるパワー半導体１２１の動きが制限される。
【００３１】
また、ヒートシンクブロック１３１は、第２層半田１０２から、下側の方向の浮力を受ける。ヒートシンクブロック１３１の溝部１３３は、突起部２０２により係止されるため、ヒートシンクブロック１３１は、保持部材２０に引っかかり、当該浮力によるヒートシンクブロック１３１の動きが制限される。
【００３２】
そして、溶解された第１層半田１０１、第２層半田１０２及び第３層半田１０３は硬化し、積層体１０に含まれる各部材と上側ヒートシンク３１及びヒートシンク３２は接合される。この時、第１層半田１０１は、動きが規制されることにより安定するパワー半導体１２１の積層面の面上で硬化するため、第１層半田１０１の厚さは均一に保たれる。また第２層半田１０２は、動きが規制されることにより安定するヒートシンクブロック１３１の積層面の面上で硬化するため、第２層半田１０２の厚さは均一に保たれる。
【００３３】
上記のように、本例のパワーモジュール１及びその製造方法は、製造工程において、第１層半田１０１、第２層半田１０２及び第３層半田１０３が加熱されることで発生する浮力により、パワー半導体１２１の積層面の一部が、保持部材２０に設けられるストッパ２０１に係止される。また、同様に、ヒートシンクブロック１３１に形成される溝部１３３が突起部２０２に係止される。これにより、第１層半田１０１及び第２層半田１０２の厚さ方向のバラツキを抑制し仕上げることができ、第１半田層１０１及び第２層半田１０２の仕上がりの厚さを、設計値に保証することができる。他の半田層である、第３層半田１０３についても、同様に、厚さ方向のバラツキを抑制することができる。
【００３４】
また本例において、ヒートシンクブロック１３１の積層面が四角形に形成され、当該四角形の各辺の中央付近に溝部１３３が形成される。これにより、本例は、当該積層面に積層される半田層により、当該四角形の角に相当する角部にフィレットを形成することができるため、半田のぬれ性を向上し、パワーモジュールとしての信頼性を高めることができる。
【００３５】
なお本例の突起部２０２又は溝部１３３は、第３層半田１０３の積層面に沿うよう形成されるが、必ずしも第３層半田１０３の積層面に沿うよう形成する必要はなく、例えば、ヒートシンクブロック１３１の側面における、積層方向に対して中央付近に溝部１３３を設けて、保持部材２０に側面における、当該溝部１３３と嵌合する位置に突起部２０２を設けてもよい。
【００３６】
また、溝部１３３は、必ずしもヒートシンクブロック１３１の積層面の全辺に設ける必要はなく、例えば二辺のみでもよい。またヒートシンクブロック１３１の積層面は、必ずしも四角形にする必要はない。
【００３７】
なお本例の突起部２０３は、本発明の「係止部」に含まれる「溝部」相当する。
【００３８】
《第３実施形態》
図８は発明の他の実施形態に係るパワーモジュール１の保持部材２０の破断斜視図を、図９パワーモジュール１のヒートシンクブロック１３１の外観斜視図を示す。本例は上述した第２実施形態に対して、突起部２０２及び溝部１３３の位置が異なる。これ以外の構成で上述した第１実施形態又は第２実施形態と同じ構成は、その記載を適宜、援用する。
【００３９】
図８に示すように、本例の保持部材２０において、突起部２０２は、ヒートシンクブロック１３１の上側の積層面の周囲、また第２層半田１０２の周囲に対応する位置に形成される。
【００４０】
図９を参照して、ヒートシンクブロック１３１には、溝部１３３が、側面のそれぞれに形成される。溝部１３３は、突起部２０２と嵌合する形状で形成される。またヒートシンクブロック１３１の積層面は、四角形に形成され、溝部１３３は当該四角形の角を避けて、当該四角形の各辺の中央付近に形成される。
【００４１】
図１０は、本例のパワーモジュール１の断面図を示す。積層体１０は、図９に示すヒートシンクブロック１３１とパワー半導体１２１を、第１層半田１０１、第２層半田１０２及び第３層半田１０３を介して積層することにより形成される。そして当該積層体１０の周囲に、図８に示す保持部材２０を配置する。この際、突起部２０２と溝部１３３とが嵌合するように位置決めして、保持部材２０が配置される。そして、第２層半田１０２は、ヒートシンクブロック１３１の上面と突起部２０２の上面に積層される。そして、積層体１０の上下面に、上側ヒートシンク３１及び下側ヒートシンク３２がそれぞれ積層される。これにより、パワーモジュール１の部材が、セットされる。
【００４２】
次に、おもり又は治具７０により、上側ヒートシンク３１に対して荷重を加えつつ、パワーモジュール１が加熱され、第１層半田１０１、第２層半田１０２及び第３層半田１０３が溶解される。この溶解の際、各半田層で浮力が発生する。パワー半導体１２１は、第１層半田１０１から、下側の方向の浮力を受ける。パワー半導体１２１の第２層半田１０２側の外周の積層面は、ストッパ部２０１により係止されるため、パワー半導体１２１の第２層半田１０２側の積層面は、ストッパ部２０１に引っかかり、当該浮力によるパワー半導体１２１の動きが制限される。
【００４３】
また、ヒートシンクブロック１３１は、第３層半田１０３から、上側の方向の浮力を受ける。ヒートシンクブロック１３１の溝部１３３は、突起部２０２により係止されるため、ヒートシンクブロック１３１は、保持部材２０に引っかかり、当該浮力によるヒートシンクブロック１３１の動きが制限される。
【００４４】
そして、溶解された第１層半田１０１、第２層半田１０２及び第３層半田１０３は硬化し、積層体１０に含まれる各部材と上側ヒートシンク３１及びヒートシンク３２は接合される。この時、第１層半田１０１は、動きが規制されることにより安定するパワー半導体１２１の積層面の面上で硬化するため、第１層半田１０１の厚さは均一に保たれる。また第３層半田１０３は、動きが規制されることにより安定するヒートシンクブロック１３１の積層面の面上で硬化するため、第３層半田１０３の厚さは均一に保たれる。また、第２層半田１０２についても、同様に厚さを均一に保たれる。
【００４５】
上記のように、本例のパワーモジュール１及びその製造方法は、製造工程において、第１層半田１０１、第２層半田１０２及び第３層半田１０３が加熱されることで発生する浮力により、パワー半導体１２１の積層面の一部が、保持部材２０に設けられるストッパ２０１に係止される。また、同様に、ヒートシンクブロック１３１に形成される溝部１３３が突起部２０２に係止される。これにより、第１層半田１０１及び第３層半田１０３の厚さ方向のバラツキを抑制し仕上げることができ、第１半田層１０１及び第３層半田１０３の仕上がりの厚さを、設計値に保証することができる。第２層半田１０２についても、同様に、厚さ方向のバラツキを抑制することができる。
【００４６】
《第４実施形態》
図１１は発明の他の実施形態に係るパワーモジュール１の保持部材２０の破断斜視図を、図１２はパワーモジュール１のヒートシンクブロック１３１の外観斜視図を示す。本例は上述した第１実施形態に対して、突起部２０２及び溝部１３３を備える点が異なる。これ以外の構成で上述した第１実施形態と同じ構成は、その記載を適宜、援用する。
【００４７】
図１１に示すように、本例の保持部材２０は、側面から外側に向け凹む溝部２０３を有す。保持部材２０は、積層体１０の周囲の側面と対向する四面を有し、溝部２０３は、当該積層体１０の周囲の側面から凹むよう形成される。また、溝部２０３は、ヒートシンクブロック１３１の下側の積層面の周囲、また第３層半田１０３の周囲に対応する位置に形成される。
【００４８】
図１２を参照して、ヒートシンクブロック１３１には、突起部１３２が、側面のそれぞれの面に形成される。突起部１３２は、溝部２０３と嵌合する形状で形成され、保持部材２０の側面に向けて突出する。またヒートシンクブロック１３１の積層面は、四角形に形成され、突起部１３２は当該四角形の角を避けて、当該四角形の各辺の中央付近に形成される。
【００４９】
図１３は、本例のパワーモジュール１の断面図を示す。積層体１０は、図１２に示すヒートシンクブロック１３１とパワー半導体１２１を、第１層半田１０１、第２層半田１０２及び第３層半田１０３を介して積層することにより形成される。そして当該積層体１０の周囲に、図１１に示す保持部材２０を配置する。この際、溝部２０３と突起部１３２とが嵌合するように位置決めして、保持部材２０が配置される。そして、第３層半田１０３は、ヒートシンクブロック１３１の下面と突起部１３２の下面に積層される。そして、積層体１０の上下面に、上側ヒートシンク３１及び下側ヒートシンク３２がそれぞれ積層される。これにより、パワーモジュール１の部材が、セットされる。
【００５０】
次に、おもり又は治具７０により、上側ヒートシンク３１に対して荷重を加えつつ、パワーモジュール１が加熱され、第１層半田１０１、第２層半田１０２及び第３層半田１０３が溶解される。この溶解の際、各半田層で浮力が発生する。パワー半導体１２１は、第１層半田１０１から、下側の方向の浮力を受ける。パワー半導体１２１の第２層半田１０２側の外周の積層面は、ストッパ部２０１により係止されるため、パワー半導体１２１の第２層半田１０２側の積層面は、ストッパ部２０１に引っかかり、当該浮力によるパワー半導体１２１の動きが制限される。
【００５１】
また、ヒートシンクブロック１３１は、第３層半田１０３から、上側の方向の浮力を受ける。ヒートシンクブロック１３１の突起部１３２は、溝部２０３により係止されるため、ヒートシンクブロック１３１は、保持部材２０に引っかかり、当該浮力によるヒートシンクブロック１３１の動きが制限される。
【００５２】
そして、溶解された第１層半田１０１、第２層半田１０２及び第３層半田１０３は硬化し、積層体１０に含まれる各部材と上側ヒートシンク３１及びヒートシンク３２は接合される。この時、第１層半田１０１は、動きが規制されることにより安定するパワー半導体１２１の積層面の面上で硬化するため、第１層半田１０１の厚さは均一に保たれる。また第３層半田１０２は、動きが規制されることにより安定するヒートシンクブロック１３１の積層面の面上で硬化するため、第３層半田１０２の厚さは均一に保たれる。
【００５３】
上記のように、本例のパワーモジュール１及びその製造方法は、製造工程において、第１層半田１０１、第２層半田１０２及び第３層半田１０３が加熱されることで発生する浮力により、パワー半導体１２１の積層面の一部が、保持部材２０に設けられるストッパ２０１に係止される。また、同様に、ヒートシンクブロック１３１に形成される突起部１３２が溝部２０３に係止される。これにより、第１層半田１０１及び第３層半田１０３の厚さ方向のバラツキを抑制し仕上げることができ、第１半田層１０１及び第３層半田１０３の仕上がりの厚さを、設計値に保証することができる。他の半田層である、第２層半田１０２についても、同様に、厚さ方向のバラツキを抑制することができる。
【００５４】
また本例において、ヒートシンクブロック１３１の積層面が四角形に形成され、当該四角形の各辺の中央付近に溝部１３３が形成される。これにより、本例は当該積層面に積層される半田層により、当該四角形の角に相当する角部にフィレットを形成することができるため、半田のぬれ性を向上し、パワーモジュールとしての信頼性を高めることができる。
【００５５】
なお本例の突起部１３２又は溝部２０３は、第３層半田１０３の積層面に沿うよう形成されるが、必ずしも第３層半田１０３の積層面に沿うよう形成する必要はなく、例えば、ヒートシンクブロック１３１の側面における、積層方向に対して中央付近に突起部１３２を設けて、保持部材２０に側面における、当該溝部と嵌合する位置に溝部２０３を設けてもよい。
【００５６】
また、突起部１３２は、必ずしもヒートシンクブロック１３１の積層面の全辺に設ける必要はなく、例えば二辺のみでもよい。なお、本例の溝部２０２は、本発明の「係止部」に含まれる「溝部」に相当する。
【００５７】
《第５実施形態》
図１４は発明の他の実施形態に係るパワーモジュール１の保持部材２０の破断斜視図を、図１５パワーモジュール１のヒートシンクブロック１３１の外観斜視図を示す。本例は上述した第４実施形態に対して、突起部２０２及び溝部１３３の位置が異なる。これ以外の構成で上述した第１実施形態及び第４実施形態と同じ構成は、その記載を適宜、援用する。
【００５８】
図１４に示すように、本例の保持部材２０において、溝部２０３は、ヒートシンクブロック１３１の上側の積層面の周囲、また第２層半田１０２の周囲に対応する位置に形成される。
【００５９】
図１５を参照して、ヒートシンクブロック１３１には、突起部１３２が、側面にそれぞれ形成される。突起部１３２は、溝部２０３と嵌合する形状で形成される。またヒートシンクブロック１３１の積層面は、四角形に形成され、突起部１３２は当該四角形の角を避けて、当該四角形の各辺の中央付近に形成される。
【００６０】
図１６は、本例のパワーモジュール１の断面図を示す。積層体１０は、図１５に示すヒートシンクブロック１３１とパワー半導体１２１を、第１層半田１０１、第２層半田１０２及び第３層半田１０３を介して積層することにより形成される。そして当該積層体１０の周囲に、図１４に示す保持部材２０を配置する。この際、突起部２０３と溝部１３２とが嵌合するように位置決めして、保持部材２０が配置される。そして、第２層半田１０２は、ヒートシンクブロック１３１の上面と突起部１３２の上面に積層される。そして、積層体１０の上下面に、上側ヒートシンク３１及び下側ヒートシンク３２がそれぞれ積層される。これにより、パワーモジュール１の部材が、セットされる。
【００６１】
次に、おもり又は治具７０により、上側ヒートシンク３１に対して荷重を加えつつ、パワーモジュール１が加熱され、第１層半田１０１、第２層半田１０２及び第３層半田１０３が溶解される。この溶解の際、各半田層で浮力が発生する。パワー半導体１２１は、第１層半田１０１から、下側の方向の浮力を受ける。パワー半導体１２１の第２層半田１０２側の外周の積層面は、ストッパ部２０１により係止されるため、パワー半導体１２１の第２層半田１０２側の積層面は、ストッパ部２０１に引っかかり、当該浮力によるパワー半導体１２１の動きが制限される。
【００６２】
また、ヒートシンクブロック１３１は、第２層半田１０２から、下側の方向の浮力を受ける。ヒートシンクブロック１３１の突起部１３２は、溝部２０３により係止されるため、ヒートシンクブロック１３１は、保持部材２０に引っかかり、当該浮力によるヒートシンクブロック１３１の動きが制限される。
【００６３】
そして、溶解された第１層半田１０１、第２層半田１０２及び第３層半田１０３は硬化し、積層体１０に含まれる各部材と上側ヒートシンク３１及びヒートシンク３２は接合される。この時、第１層半田１０１は、動きが規制されることにより安定するパワー半導体１２１の積層面の面上で硬化するため、第１層半田１０１の厚さは均一に保たれる。また第２層半田１０２は、動きが規制されることにより安定するヒートシンクブロック１３１の積層面の面上で硬化するため、第２層半田１０２の厚さは均一に保たれる。また、第３層半田１０３についても、同様に厚さを均一に保たれる。
【００６４】
上記のように、本例のパワーモジュール１及びその製造方法は、製造工程において、第１層半田１０１、第２層半田１０２及び第３層半田１０３が加熱されることで発生する浮力により、パワー半導体１２１の積層面の一部が、保持部材２０に設けられるストッパ２０１に係止される。また、同様に、ヒートシンクブロック１３１に形成される突起部１３２が溝部２０３に係止される。これにより、第１層半田１０１及び第２層半田１０２の厚さ方向のバラツキを抑制し仕上げることができ、第１半田層１０１及び第２層半田１０２の仕上がりの厚さを、設計値に保証することができる。第３層半田１０３についても、同様に、厚さ方向のバラツキを抑制することができる。
【００６５】
《第６実施形態》
図１７は発明の他の実施形態に係るパワーモジュール１の保持部材２０の破断斜視図を、図１８はパワーモジュール１の断面図を示す。本例は上述した第１実施形態に対して、溝２０４を設ける点が異なる。これ以外の構成で上述した第１実施形態と同じ構成は、その記載を適宜、援用する。
【００６６】
図１７及び図１８に示すように、保持部材２０は、溝２０４を、内側の側面に形成し、第１層半田１０１、第２層半田１０２及び第３層半田１０３の各積層面に沿って形成される。溝２０４は、積層体１０の側面に向けて開口し、外側に向けて閉じる形状である。
【００６７】
本例のパワーモジュール１を製造する際、各部材の公差を考慮して、第１層半田１０１、第２層半田１０２及び第３層半田１０３の供給量を多く設定する。各層の半田の供給量は、パワーモジュール１の各部材の公差の範囲内でバラツキが生じたとしても、半田を溶解及び硬化させ、各半田層に対して、十分な半田を充填できるよう設定される。
【００６８】
そして、各半田層における半田が供給される容積部分が、パワーモジュール１の各部材の公差によって、半田量に対して小さい場合、半田が溢れてしまう。本例は、上記の保持部材２０に溝２０４を有するため、あふれ出た半田は、溝２０４に流れ込む。
【００６９】
一方、溝２０４が形成されず、半田量が適正値より多めに供給された場合、あふれ出た半田が各部材の配線部分に付着し、絶縁破壊が生じる可能性がある。本例は、上記のとおり、あふれ出た半田を、溝２０４に吸収させることができるため（図１８を参照）、当該絶縁破壊を防ぐことができる。また、本例は、半田の供給量を多めに設定できるため、第１層半田１０１、第２層半田１０２及び第３層半田１０３に対して、必要な半田量を確保することができる。
【００７０】
なお、本例は、第２〜５実施例に係るパワーモジュール１にも適用することができる。また溝２０４は、第１層半田１０１、第２層半田１０２及び第３層半田１０３の全ての層に対応し設ける必要はなく、任意の層に設けてもよい。また溝２０４の形状は、図１７に示す形状に限らず、あふれ出た半田層を流し込むための受け口と半田を滞留させる部分を設ければよい。
【符号の説明】
【００７１】
１…パワーモジュール
１０…積層体
１０１…第１層半田
１０２…第２層半田
１０３…第３層半田
１２１…パワー半導体
１３１…ヒートシンクブロック
１３２…凸部
１３３…溝部
２１…保持部材
２０１…ストッパ部
２０２…突起部
２０３…溝部
２０４…溝
３１…上側ヒートシンク
３２…下側ヒートシンク
４１…ゲル
５０…ワイヤボンディング
６０…リードフレーム
７０…おもり、治具
【図１】
2010287707.tif 000003
【図２】
2010287707.tif 000004
【図３ａ】
2010287707.tif 000005
【図３ｂ】
2010287707.tif 000006
【図３ｃ】
2010287707.tif 000007
【図３ｄ】
2010287707.tif 000008
【図４ａ】
2010287707.tif 000009
【図４ｂ】
2010287707.tif 000010
【図４ｃ】
2010287707.tif 000011
【図５】
2010287707.tif 000012
【図６】
2010287707.tif 000013
【図７】
2010287707.tif 000014
【図８】
2010287707.tif 000015
【図９】
2010287707.tif 000016
【図１０】
2010287707.tif 000017
【図１１】
2010287707.tif 000018
【図１２】
2010287707.tif 000019
【図１３】
2010287707.tif 000020
【図１４】
2010287707.tif 000021
【図１５】
2010287707.tif 000022
【図１６】
2010287707.tif 000023
【図１７】
2010287707.tif 000024
【図１８】
2010287707.tif 000025