(57)【要約】【課題】  パワー素子からの放熱性をほとんど低下させることなく，パワー素子と絶縁基板との半田接合部及び絶縁基板と応力緩和材とのろう付け部に生じる応力を緩和することのできる半導体装置とその製造方法及びパワー素子並びに応力緩和材を提供すること。【解決手段】  まず，冷却器４０と，応力緩和材３０と，絶縁基板２０とをろう付けする。次に，絶縁基板２０の図中上側の電極２２の上に，半田箔９０と，パワー素子１０とを，パワー素子１０が上になるように載せた状態で半田溶融炉内において加熱する。ここで，パワー素子１０は，裏側に突起部１１を形成したものである。このため，突起部１１が溶融状態の半田を押しのけるようにして，パワー素子１０が下降する。これにより，パワー素子１０の突起部１１が溶融状態の半田９０を分割する。そして，半田９０が分割された状態のまま，半田を凝固させる。【選択図】図１２
2010062253.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワートランジスタが集積された集積部を有するとともに，前記集積部以外の部分に，パワートランジスタのない非集積部が設けられているパワー素子と，
絶縁基板とを有し，
前記パワー素子と前記絶縁基板とが接合された半導体装置であって，
前記パワー素子と前記絶縁基板との接合面に，
前記パワー素子と前記絶縁基板とが半田により接合された接合領域と，
前記パワー素子と前記絶縁基板とが接合されていない非接合領域とが設けられており，
前記非接合領域は，
前記接合領域を少なくとも部分的に分割するとともに，
前記パワー素子の前記非集積部に沿って配置されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置であって，
前記パワー素子は，前記絶縁基板との接合面に，前記非集積部に沿ってポリイミドの突起部が設けられたものであり，
前記突起部の箇所が非接合領域となっていることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１に記載の半導体装置であって，
前記パワー素子と前記絶縁基板との少なくとも一方の接合面に，前記非集積部に沿って溝部が設けられており，
前記溝部の箇所が非接合領域となっていることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１に記載の半導体装置であって，
前記パワー素子と前記絶縁基板との少なくとも一方の接合面に，
前記集積部に沿ってメッキを施されているメッキ部と，
前記非集積部に沿ってメッキを施されていない非メッキ部とが設けられており，
前記非メッキ部の箇所が非接合領域となっていることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
非通電部により区画されたパワートランジスタが集積されたパワー素子と，
絶縁基板とを有し，
前記パワー素子と前記絶縁基板とが接合された半導体装置であって，
前記パワー素子と前記絶縁基板との接合面に，
前記パワー素子と前記絶縁基板とが半田により接合された接合領域と，
前記パワー素子と前記絶縁基板とが接合されていない非接合領域とが設けられており，
前記非接合領域は，
前記接合領域を少なくとも部分的に分割するとともに，
前記パワー素子の前記非通電部に沿って配置されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項５に記載の半導体装置であって，
前記パワー素子は，前記パワートランジスタの集積されていない非集積部を有し，
前記パワー素子の前記非通電部及び前記非集積部に沿った箇所が，非接合領域となっていることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
パワートランジスタが集積された集積部を有するとともに，前記集積部以外の部分に，パワートランジスタのない非集積部が設けられているパワー素子と，
絶縁基板とを有し，
前記パワー素子と前記絶縁基板とが接合された半導体装置の製造方法であって，
前記パワー素子と前記絶縁基板との少なくとも一方として，他方への接合面に，前記パワー素子の前記非集積部に沿った，溶融状態の半田が密着しない非密着領域が形成されたものを用い，
前記絶縁基板の上に半田と，前記パワー素子とを，前記パワー素子が上になるように載せた状態で加熱し，
溶融状態の半田を，前記非密着領域により少なくとも部分的に分割しつつ，前記非密着領域以外の領域で前記パワー素子及び前記絶縁基板に密着させ，
その状態のまま溶融状態の半田を凝固させることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
非通電部により区画されたパワートランジスタが集積されたパワー素子と，
絶縁基板とを有し，
前記パワー素子と前記絶縁基板とが接合された半導体装置の製造方法であって，
前記パワー素子として，前記集積部に前記パワートランジスタを区画する非通電部を有するとともに，前記非通電部に溶融状態の半田が密着しないものを用い，
前記絶縁基板の上に半田と，前記パワー素子とを，前記パワー素子が上になるように載せた状態で加熱し，
溶融状態の半田を，前記パワー素子の前記非通電部に沿った箇所に密着しないようにしつつ，少なくとも部分的に分割し，
その状態のまま溶融状態の半田を凝固させることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項９】
パワー素子と，
前記パワー素子と半田接合された絶縁基板と，
前記絶縁基板とろう付けされた応力緩和材と，
前記応力緩和材とろう付けされた冷却器とを有する半導体装置であって，
前記冷却器は，冷却フィンと，応力緩和材と接合された天板とを有し，
前記応力緩和材は，横板を有する梯子形状のものであり，
前記応力緩和材の前記横板は，前記冷却フィンと前記天板との接合箇所に接合されていることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，半導体装置とその製造方法に関する。さらに詳細には，パワー素子の放熱性を低減させることなく，熱応力を緩和することのできるパワー素子及びパワーモジュール及びインバータ並びに応力緩和材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド自動車，電気自動車，工作機械，家電機器等各種の駆動源として，一般的にモータが用いられている。これらのモータは，直流であるか交流であるかによらずインバータにより制御されることが多い。このようなインバータの主回路には，ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のパワー素子を搭載したパワーモジュールが用いられている。
【０００３】
これらのパワー素子は，動作時の自己発熱量が大きい。そして，ハイブリッド自動車等に用いられる高耐圧・大電流用のパワーモジュールに用いられるパワー素子は，特に自己発熱量が大きい。そこで，パワー素子の正常な動作を保証するため，パワーモジュールには冷却構造が設けられることが多い。この冷却構造には，パワー素子から冷却器への放熱経路となる部分が含まれる。
【０００４】
この放熱経路を確保するために，パワー素子を基板に半田付けすることがある。しかし，パワー素子及び絶縁基板及び半田の線膨張係数はそれぞれ異なっているため，半田付けを行う際の温度変化により，パワー素子等が破損するおそれがある。そして，使用時の反復的な温度変化によっても，パワー素子等がダメージを受けるおそれがある。接合部の疲労により放熱性が低下し，動作温度が上昇するためである。
【０００５】
このため，熱応力を緩和する部材が用いられることがある。特許文献１には，交差する溝４又はディンプル５を設けたアルミニウム板材３を，セラミックス基板２とアルミニウム冷却器１との間にろう付けしたヒートシンク付きセラミック基板が開示されている。これにより，セラミックスと金属の接合部などの界面に発生する熱応力を，空間部分の変形により緩和することとしている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−２９９７９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし，特許文献１のようにアルミニウム板材に溝又はディンプルを設けることは，その空間部分のセラミックス基板２との接触面積に応じて基板からの放熱性を悪化させることとなる。すなわち，パワーモジュールの放熱性の確保と，製造工程における加熱時，あるいは製品となった後の使用時に発生する熱応力を緩和することとは，トレードオフの関係にある。
【０００８】
本発明は，前記した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，パワー素子からの放熱性をほとんど低下させることなく，パワー素子と絶縁基板との半田接合部及び絶縁基板と応力緩和材とのろう付け部に生じる応力を緩和することのできる半導体装置とその製造方法及びパワー素子並びに応力緩和材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この課題の解決を目的としてなされた本発明の半導体装置は，パワートランジスタが集積された集積部を有するとともに，前記集積部以外の部分に，パワートランジスタのない非集積部が設けられているパワー素子と，絶縁基板とを有し，前記パワー素子と前記絶縁基板とが接合された半導体装置であって，前記パワー素子と前記絶縁基板との接合面に，前記パワー素子と前記絶縁基板とが半田により接合された接合領域と，前記パワー素子と前記絶縁基板とが接合されていない非接合領域とが設けられており，前記非接合領域は，前記接合領域を少なくとも部分的に分割するとともに，前記パワー素子の前記非集積部に沿って配置されていることを特徴とするものである。かかる半導体装置は，パワー素子の放熱性をほとんど低下させることなく，パワー素子と絶縁基板との接合部に生じる熱応力を緩和することができる。非集積部に沿う箇所に存在する非接合領域が半田の接合領域を少なくとも部分的に分割しているためである。
【００１０】
上記に記載の半導体装置において，前記パワー素子は，前記絶縁基板との接合面に，前記非集積部に沿ってポリイミドの突起部が設けられたものであり，前記突起部の箇所が非接合領域となっているものを用いてもよい。ポリイミドの突起部の箇所に形成された非接合領域により，パワー素子と絶縁基板との接合部に生じる熱応力を緩和することができるからである。
【００１１】
上記に記載の半導体装置において，前記パワー素子と前記絶縁基板との少なくとも一方の接合面に，前記非集積部に沿って溝部が設けられており，前記溝部の箇所が非接合領域となっているものを用いてもよい。溝部の箇所に形成された非接合領域により，パワー素子と絶縁基板との接合部に生じる熱応力を緩和することができるからである。
【００１２】
上記に記載の半導体装置において，前記パワー素子と前記絶縁基板との少なくとも一方の接合面に，前記集積部に沿ってメッキを施されているメッキ部と，前記非集積部に沿ってメッキを施されていない非メッキ部とが設けられており，前記非メッキ部の箇所が非接合領域となっているものを用いてもよい。非メッキ部の箇所に形成された非接合領域により，パワー素子と絶縁基板との接合部に生じる熱応力を緩和することができるからである。
【００１３】
また，本発明に係る半導体装置は，非通電部により区画されたパワートランジスタが集積されたパワー素子と，絶縁基板とを有し，前記パワー素子と前記絶縁基板とが接合された半導体装置であって，前記パワー素子と前記絶縁基板との接合面に，前記パワー素子と前記絶縁基板とが半田により接合された接合領域と，前記パワー素子と前記絶縁基板とが接合されていない非接合領域とが設けられており，前記非接合領域は，前記接合領域を少なくとも部分的に分割するとともに，前記パワー素子の前記非通電部に沿って配置されていることを特徴とするものである。かかる半導体装置は，パワー素子の放熱性をほとんど低下させることなく，パワー素子と絶縁基板との接合部に生じる熱応力を微小な領域において緩和することができる。非集積部に沿う箇所に存在する非接合領域が半田の接合領域を少なくとも部分的に分割しているためである。
【００１４】
上記に記載の半導体装置において，前記パワー素子は，前記パワートランジスタの集積されていない非集積部を有し，前記パワー素子の前記非通電部及び前記非集積部に沿った箇所を，非接合領域とするとなおよい。パワー素子の放熱性をほとんど低下させることなく，パワー素子と絶縁基板との接合部に生じる熱応力を，より緩和することができるからである。
【００１５】
また，本発明に係る半導体装置の製造方法は，パワートランジスタが集積された集積部を有するとともに，前記集積部以外の部分に，パワートランジスタのない非集積部が設けられているパワー素子と，絶縁基板とを有し，前記パワー素子と前記絶縁基板とが接合された半導体装置の製造方法であって，前記パワー素子と前記絶縁基板との少なくとも一方として，他方への接合面に，前記パワー素子の前記非集積部に沿った，溶融状態の半田が密着しない非密着領域が形成されたものを用い，前記絶縁基板の上に半田と，前記パワー素子とを，前記パワー素子が上になるように載せた状態で加熱し，溶融状態の半田を，前記非密着領域により少なくとも部分的に分割しつつ，前記非密着領域以外の領域で前記パワー素子及び前記絶縁基板に密着させ，その状態のまま溶融状態の半田を凝固させることを特徴とするものである。かかる半導体装置の製造方法は，パワー素子を絶縁基板に半田付けする際に，半田による接合領域を少なくとも部分的に分割する非接合領域を設けることができる。
【００１６】
また，本発明に係る半導体装置の製造方法は，非通電部により区画されたパワートランジスタが集積されたパワー素子と，絶縁基板とを有し，前記パワー素子と前記絶縁基板とが接合された半導体装置の製造方法であって，前記パワー素子として，前記集積部に前記パワートランジスタを区画する非通電部を有するとともに，前記非通電部に溶融状態の半田が密着しないものを用い，前記絶縁基板の上に半田と，前記パワー素子とを，前記パワー素子が上になるように載せた状態で加熱し，溶融状態の半田を，前記パワー素子の前記非通電部に沿った箇所に密着しないようにしつつ，少なくとも部分的に分割し，その状態のまま溶融状態の半田を凝固させることを特徴とするものである。かかる半導体装置の製造方法は，パワー素子を絶縁基板に半田付けする際に，半田による接合領域を少なくとも部分的に分割する非接合領域をより微小な領域に設けることができる。
【００１７】
また，本発明に係る半導体装置は，パワー素子と，前記パワー素子と半田接合された絶縁基板と，前記絶縁基板とろう付けされた応力緩和材と，前記応力緩和材とろう付けされた冷却器とを有する半導体装置であって，前記冷却器は，冷却フィンと，応力緩和材と接合された天板とを有し，前記応力緩和材は，横板を有する梯子形状のものであり，前記応力緩和材の前記横板は，前記冷却フィンと前記天板との接合箇所に接合されていることを特徴とするものである。かかる半導体装置は，応力緩和材によりパワー素子の放熱性をほとんど低下させることなく，絶縁基板と冷却器との接合部に生じる熱応力を緩和することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば，パワー素子からの放熱性をほとんど低下させることなく，パワー素子と絶縁基板との半田接合部及び絶縁基板と応力緩和材とのろう付け部に生じる応力を緩和することのできる半導体装置とその製造方法及びパワー素子並びに応力緩和材が提供されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下，本発明を具体化した最良の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本形態は，放熱性を低減させることなく，熱応力を緩和することのできる半導体装置とその製造方法及びパワー素子並びに応力緩和材について，本発明を具体化したものである。
【００２０】
［第１の形態］
本形態のインバータ１００は，図１に示すようにパワー素子１０と，絶縁基板２０と，応力緩和材３０と，冷却器４０と，ハウジング５０と，制御基板７０とを有している。パワー素子１０は，半田９０により絶縁基板２０の電極２２（図５参照）に接合されている。そして，パワー素子１０は，配線８０により，端子６０を介して制御基板７０と接続されている。また，冷却器４０は天板４２と，冷却フィン４１とを有している。そして，冷却器４０の内部には，冷媒を流すことができるようになっている。冷媒は，天板４２と，冷却フィン４１とから熱を奪うためのものである。また，応力緩和材３０は，一方の面で冷却器４０と，他方の面で絶縁基板２０とろう付けされている。ろう材層は薄いため，図では省略している。
【００２１】
パワー素子１０は，図２に示すように，パワートランジスタを集積したパワートランジスタ集積部１２を有している。パワートランジスタ集積部１２とパワートランジスタ集積部１２との間には，パワートランジスタの存在しないパワートランジスタ非集積部１３が設けられている。そして，パワー素子１０の使用時には，主としてパワートランジスタが発熱することとなる。すなわち，図２におけるパワートランジスタ集積部１２において発熱量が大きい。
【００２２】
本形態のパワー素子１０の正面図を図３に示す。パワー素子１０は，その本来の役割を果たすパワー素子機能部１を有する。すなわち，パワー素子機能部１は，図２に示したパワートランジスタ集積部１２とパワートランジスタ非集積部１３とからなるものである。また，パワー素子機能部１の表面には，突起部１１と突起部１７とが形成されている。そして，突起部１１及び突起部１７の材質は，例えばポリイミドである。突起部１１は，後述するように，パワー素子１０を絶縁基板２０に半田付けする際に非接合領域を形成するためのものである。突起部１７は，主にパワー素子１０の表面を保護するためのものである。また，突起部１１及び突起部１７は，パワートランジスタ非集積部１３の箇所に沿って形成されている。このため，突起部１１はパワー素子機能部１をはさんで突起部１７の真裏にある。この突起部１１及び突起部１７の形状は，パワー素子１０の表面にフォトリソグラフィ等により形成することができるものである。
【００２３】
ここで，図４にパワー素子１０を突起部１１側からみた裏面図を示す。当該裏側の面が，絶縁基板２０と半田付けされる面である。そして，パワー素子１０の発する熱は，半田を介して絶縁基板２０に伝わり，最終的に冷却器４０に放熱されることとなるのである。図４から明らかなように，突起部１１がパワー素子１０の裏側の面に占める面積は充分に小さい。つまり，パワー素子１０の裏側の面のほとんどは，半田付けされるのである。このため，パワー素子１０の放熱性はよい。そして，突起部１１は，前述のようにパワートランジスタ非集積部１３に沿った箇所，すなわち発熱の小さいところにある。このため，半田付けされたパワー素子１０の放熱性はよりよい。なお，パワー素子１０の突起部１１以外の裏側の面には，溶融半田に対する濡れ性を向上させるためのメッキが施されている。メッキは薄いため，図には表れていない。なお，突起部１１のパターンは，パワートランジスタ非集積部１３の形状に依存する。
【００２４】
絶縁基板２０は，図５に示すように絶縁部材２１（ＡｌＮ等）の両面に電極２２（Ａｌ等）を設けたものである。また，図１中の応力緩和材３０は，アルミ板に貫通孔を設けたものである。ここで，応力緩和材３０の働きについて説明する。ろう付け時，あるいは製品としての使用時に，絶縁基板２０，ろう材及び冷却器４０はその温度の上昇に伴って熱膨張する。絶縁基板２０と，ろう材と，冷却器４０とは，熱膨張率において異なっている。このため，熱膨張により熱応力が発生する。特に接合面の外周部には，熱応力が集中することとなる。しかし，この貫通孔が形成されていることにより，熱応力が貫通孔付近の接合部にも分散される。すなわち，応力緩和材３０により，絶縁基板２０と冷却器４０との接合面における外周部への熱応力の集中を緩和できるのである。なお，インバータ１００の使用時にパワー素子１０により発生する熱は，絶縁基板２０と，応力緩和材３０とを介して冷却器４０に放熱されるようになっている。
【００２５】
本形態のインバータ１００におけるパワー素子１０と絶縁基板２０との半田接合面について説明する。図６に，図１のインバータ１００の半田接合面，すなわち断面ＡＡを示す。簡単のため，半田以外のものは省略してある。また，ハッチングも省略してある。半田９０のある箇所が接合領域であり，半田９０のない箇所が非接合領域９１である。そして，非接合領域９１には図３に示した突起部１１が存在している。このように，半田９０の接合領域が非接合領域９１により分割されているため，パワー素子１０及び絶縁基板２０及び半田９０が熱膨張した際の熱応力が分散されるのである。
【００２６】
接合領域及び非接合領域９１の形状は図６に示したものに限られず，種々のバリエーションが可能なものである。いずれのバリエーションでも，非接合領域９１はパワー素子１０のパワートランジスタ非集積部１３の位置に沿うように形成されている。図７に，図６とは異なる半田接合面のバリエーションの一つを示す。図７において，半田９０は各ブロックに分割されている。これは，パワートランジスタ非集積部１３が，パワートランジスタ集積部１２を縦横に区切るようなパワー素子である場合における半田接合面である。このため，発生した熱応力は各ブロックの外側にある非接合領域９１に分散することとなる。また，図８または図９のように半田を少なくとも部分的に分割すれば，図７のように半田９０を分割したのと同じように熱応力を緩和することができる。
【００２７】
ここで，本形態のインバータ１００の製造方法について図１０から図１２により説明する。まず，冷却器４０と，応力緩和材３０と，絶縁基板２０とをろう付けにより接合する。または，ろう付けに代えてその他の公知の方法で接合してもよい。このように接合された接合体を図１０に示す。次に，図１０の接合体の絶縁基板２０の図中上側の電極２２の上に半田箔９０を載せる。続いて，半田箔９０の上にパワー素子１０を，突起部１１を下側にして載せる。このときの様子を図１１に示す。
【００２８】
次に，図１１に示したものを半田溶融炉に入れる。半田溶融炉における加熱により，半田箔９０の温度がその融点を超えると，半田箔９０は溶融する。ここで，溶融状態の半田は突起部１１以外の箇所，すなわちパワートランジスタ集積部１２に対応する箇所に密着する。一方，溶融状態の半田は突起部１１の箇所，すなわちパワートランジスタ非集積部１３に対応する箇所に密着しない。つまり，突起部１１は，溶融状態の半田に密着しない非密着領域である。半田箔９０が溶融すると，パワー素子１０が下に下がり始める。すなわち，突起部１１が溶融状態の半田を押しのけながら，パワー素子１０が下降するのである。パワー素子１０の突起部１１の下面が，絶縁基板２０の電極２２の上面に接触したところで下降は停止する。そして，突起部１１は，図１２に示すように溶融した半田９０を分割する。
【００２９】
この後，半田溶融炉内の温度を下げる。半田の温度が融点よりも下がると，半田は固化する。これにより，パワー素子１０と，絶縁基板２０の電極２２とが半田接合される。この際，突起部１１の箇所に非接合領域９１が形成される。この後，ワイヤボンディングその他の公知の方法により，パワー素子１０と制御基板７０とを電気的に接続する。これにより，本形態のインバータ１００が製造された。
【００３０】
本形態のインバータ１００は，パワー素子１０を絶縁基板２０の電極２２に半田接合する際に，突起部１１の箇所を非接合領域９１としたものである。このため，半田接合を行う際，またはインバータ１００を使用する際の熱膨張により発生する熱応力は，接合面全体の外周部のみならず非接合領域９１にも分散する。ゆえに，半田接合時，あるいはインバータ１００の使用時にパワー素子１０等の温度が変化した場合に，パワー素子１０及び絶縁基板２０に加わる熱応力を緩和することができる。
【００３１】
一方，インバータ１００の使用時にパワー素子１０で発生した熱は，半田９０，絶縁基板２０，応力緩和材３０を介して冷却器４０へと放熱される。ここで，パワートランジスタ集積部１２に対応する箇所，すなわち主として発熱する箇所は半田付けされており，放熱効率はよい。また，非接合領域９１の半田接合面に占める面積は，そもそも小さい。そして，非接合領域９１は，発熱するパワートランジスタの存在しないパワートランジスタ非集積部１３に対応する箇所に形成されているため，放熱効率をほとんど低下させない。
【００３２】
ここで，本形態の変形例を示す。本形態のインバータ１００の製造方法では，半田箔９０を溶融させた後，パワー素子１０の自重により溶融状態の半田を分割して非接合領域９１を形成した。その代わりに，半田溶融炉に入れる前に図１３に示すように予め半田箔９０を分割しておいてもよい。この後に半田付けを行っても，図１２に示すように非接合領域９１が形成されることに変わりないからである。また，半田箔９０の代わりにクリーム半田等ペースト状の半田を用いても構わない。
【００３３】
以上，詳細に説明したように，本実施の形態に係るインバータ１００は，パワー素子１０を絶縁基板２０の電極２２に半田接合する際に，突起部１１の箇所に非接合領域９１を形成したものである。このため，半田接合を行う際，またはインバータ１００を使用する際の熱膨張により発生する熱応力が，接合面全体の外周部のみならず非接合領域９１にも分散する。ゆえに，半田接合時，あるいはインバータ１００の使用時にパワー素子１０等の温度が変化した場合に，パワー素子１０及び絶縁基板２０に加わる熱応力を緩和することができる。一方，インバータ１００の使用時にパワー素子１０で発生した熱は，半田９０，絶縁基板２０，応力緩和材３０を介して冷却器４０へと放熱される。非接合領域９１は半田接合面全体に占める面積が小さいため，インバータ１００の放熱性はよい。さらに，非接合領域９１は，パワートランジスタ非集積部１３の箇所に沿って形成されているため，非接合領域９１の形成による放熱性の悪化はほとんどない。すなわち，放熱性を確保したまま，なおかつ熱応力を緩和することのできるインバータ１００が実現されている。
【００３４】
なお，本実施の形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。例えば，インバータに限らず，パワー素子を絶縁基板に半田接合したその他の半導体装置にも適用可能である。
【００３５】
［第２の形態］
以下，第２の形態について説明する。本形態のインバータ２００は，第１の形態と同様，パワートランジスタ非集積部１３の箇所を利用することにより，放熱性を犠牲にすることなく，熱応力を緩和することのできるものである。第１の形態と異なる点は，ポリイミドを突起形状にする代わりに，非接合領域となる箇所の溶融半田に対する濡れ性を低下させることにより，非接合領域を形成することである。
【００３６】
本形態のインバータ２００は，図１のインバータ１００とほぼ同様の構成である。異なる点は，図３のパワー素子１０の代わりに図１４のパワー素子２１０を有するところである。その他の構成要素は図１のインバータ１００と同様である。
【００３７】
半田接合前における本形態のパワー素子２１０を図１４に示す。パワー素子２１０は，パワー素子機能部１と，メッキ部２１２とを有している。メッキ部２１２は，溶融半田に対する濡れ性を向上させるためのメッキを施された箇所である。また，メッキ部２１２は，パワー素子２１０の裏側の面上であって，パワートランジスタ集積部１２に沿った箇所に形成されている。そして，パワー素子２１０の裏側の面上であって，パワートランジスタ非集積部１３に沿った箇所には，メッキは施されておらず，非メッキ部２１１となっている。ゆえに，非メッキ部２１１の箇所には，後述するように半田付け後に非接合領域が形成されることとなる。なお，メッキ部２１２と非メッキ部２１１とを形成するためには，公知のパターニングを用いればよい。
【００３８】
ここで，本形態のインバータ２００の製造方法について，図１０及び図１５から図１７により説明する。まず，第１の形態と同様に，図１０に示すように冷却器４０と，応力緩和材３０と，絶縁基板２０とをろう付けにより接合する。次に，図１０の接合体の絶縁基板２０の電極２２の上に，半田箔９０を載せる。続いて，図１５に示すように，半田箔９０の上にパワー素子２１０を載せる。半田箔９０及びパワー素子２１０を載せたものを図１６に示す。
【００３９】
次に，図１６に示すものを半田溶融炉に入れる。半田箔９０の温度がその融点を超えると，半田箔９０は溶融する。ここで，非メッキ部２１１は，メッキ部２１２より半田の濡れ性に劣る。このため，溶融状態の半田は，メッキ部２１２に濡れ広がって密着する一方，非メッキ部２１１には濡れ広がらず密着しない。ゆえに，溶融状態の半田は，非メッキ部２１１で分割される。そして，図１７に示すように，分割された半田箔９０の間には，空気層２０１ができる。すなわち，非接合領域である。
【００４０】
この後，半田溶融炉内の温度を下げる。溶融状態の半田の温度が，その融点よりも下がると半田は固化する。これにより，パワー素子２１０と，絶縁基板２０の電極２２とが半田接合される。次に，パワー素子２１０と制御基板７０とを半田付け等により電気的に接続する。以上により，本形態のインバータ２００が製造された。
【００４１】
本形態の変形例について以下に示す。本形態では，パワー素子２１０にメッキ部２１２と非メッキ部２１１とを設けたが，その代わりに絶縁基板に非メッキ部を設けてもよい。この場合を図１８に示す。図１８は，電極２２２に，メッキ部２２６と非メッキ部２２５とを設けた絶縁基板２２０を示すものである。当該絶縁基板２２０を用いても，同様の効果を奏する。
【００４２】
また，非メッキ部２１１を設けられたパワー素子２１０と，非メッキ部２２５を設けられた絶縁基板２２０との両方を用いることもできる。この場合，図１９に示すように，パワー素子２１０の非メッキ部２１１と，絶縁基板２２０の非メッキ部２２５とが，向かい合わせになるようにするとよい。空気層２０１が，より形成されやすいためである。
【００４３】
また，パワー素子等にメッキ部２１２と非メッキ部２１１とを設ける代わりに，ハーフカット（溝）を形成してもよい。ハーフカットを形成するにあたって，エッチング，レーザー，ダイシング等の公知の方法を用いることができる。パワー素子等にハーフカットを形成することにより，半田付けの際，そのハーフカットの箇所はメッキされない。このため，非メッキ部２１１を設けるのと同様の効果が得られる。また，半田箔９０の代わりにクリーム半田等ペースト状の半田を用いても構わない。
【００４４】
以上，詳細に説明したように，本実施の形態に係るインバータ２００は，パワー素子２１０を絶縁基板２０の電極２２に半田接合する際に，非メッキ部２１１の箇所に非接合領域を形成したものである。このため，半田接合を行う際，またはインバータ２００を使用する際に熱膨張しても，熱応力が接合面全体の外周部のみならず非接合領域にも分散する。ゆえに，半田接合時，あるいはインバータ２００の使用時にパワー素子２１０等の温度が変化した場合に，パワー素子２１０及び絶縁基板２０に加わる熱応力を緩和することができるのである。一方，インバータ２００の使用時にパワー素子２１０で発生した熱は，半田９０，絶縁基板２０，応力緩和材３０を介して冷却器４０へと放熱される。非接合領域は半田接合面全体に占める面積が小さいため，インバータ２００の放熱性はよい。さらに，非接合領域は，パワートランジスタ非集積部１３の箇所に沿って形成されているため，非接合領域の形成による放熱性の悪化はほとんどない。すなわち，放熱性を確保したまま，なおかつ熱応力を緩和することのできるインバータ２００が実現されている。
【００４５】
なお，本実施の形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。例えば，インバータに限らず，パワー素子を絶縁基板に半田接合したその他の半導体装置にも適用可能である。
【００４６】
［第３の形態］
以下，第３の形態について説明する。第１の形態及び第２の形態においては，主な発熱箇所とはならないパワートランジスタ非集積部１３の箇所に非接合領域を形成した。しかし，主として発熱するパワートランジスタ集積部１２においても，内部のごく微小な領域に着目すれば，発熱しない箇所が存在する。本形態のインバータ３００は，パワートランジスタ集積部１２における発熱しない微小な領域に非接合領域を形成するものである。このため，本形態のインバータ３００は，放熱性を犠牲にすることなく熱応力を緩和することができることに変わりはない。本形態のインバータ３００は，図１のインバータ１００において，パワー素子１０の代わりに，次に説明するパワー素子３１０を用いるものである。
【００４７】
本形態のパワー素子３１０について図２及び図２０により説明する。まず，本形態のパワー素子３１０と，第１の形態のパワー素子１０との共通点について説明する。パワー素子３１０は，第１の形態のパワー素子１０と同様に，図３に示すようなパワー素子機能部１を有する。そして，パワー素子機能部１は，図２に示したパワートランジスタ集積部１２と，パワートランジスタ非集積部１３とからなるものである。また，パワートランジスタ集積部１２を拡大したものを図２０に示す。パワートランジスタ集積部１２には，パワートランジスタ１５と，パワートランジスタ１５のない非通電部１６とが形成されている。１個のパワートランジスタ１５は，非通電部１６により区画されている。この非通電部１６は，数μｍの幅を有するものである。
【００４８】
続いて，本形態のパワー素子３１０が第１の形態のパワー素子１０と異なる点について説明する。第１の形態のパワー素子１０には，パワートランジスタ非集積部１３に沿って突起部１１が形成されていたが，本形態のパワー素子３１０には，パワートランジスタ集積部１２の非通電部１６に沿ってポリイミドの突起部３１１が形成されている。ここで，突起部３１１の材質は，ポリイミドである。そして，当該突起部３１１は，同一のパターンをつくるためのフォトマスクを流用することにより容易に形成される。すなわち，パワートランジスタ１５の存在しない非通電部１６に沿ってポリイミドの突起部３１１が形成されているのである。
【００４９】
つまり，本形態のパワー素子３１０は，非接合領域のパターンを，第１の形態のパワー素子１０よりも微小化したものである。このため，接合領域もそれにともなって微小化されることとなる。ゆえに，本形態のインバータ３００は，パワー素子３１０及び絶縁基板２０の半田接合面にかかる熱応力を，より微小な領域において緩和することができる。
【００５０】
本形態のインバータ３００の製造方法について説明する。本形態のインバータ３００の製造方法は，第１の形態のインバータ１００の製造方法と，半田接合面に形成する非接合領域のパターンにおいて異なるものである。すなわち，本形態のインバータ３００の製造方法では，パワートランジスタ集積部１２の微小な領域に突起部３１１を形成することである。まず，本形態のパワー素子３１０を製造する。そのために，パワー素子機能部１に，公知のフォトリソグラフィ技術を用いて，パワートランジスタ集積部１２の非通電部１６に沿ってポリイミドの膜形成を行う。これにより，微小な領域に突起部３１１が形成される。
【００５１】
ただし，突起部３１１により区画される接合領域は，インバータ１００において形成した接合領域より微小なものである。そして，非接合領域は，パワー素子３１０のパワートランジスタ集積部１２における非通電部１６に沿って形成されることとなる。このため，接合領域及び非接合領域の形状は，非通電部１６の形状に依存することとなる。
【００５２】
続いて，図１０に示すように冷却器４０と，応力緩和材３０と，絶縁基板２０とをろう付けにより接合する。次に，図１０の接合体の絶縁基板２０の図中上側の電極２２の上に，図１１に示すように半田箔９０とパワー素子３１０とを載せる。そして，半田溶融炉内で加熱する。この後，図１２に示すように突起部３１１が，溶融状態の半田を分割する。
【００５３】
以上，詳細に説明したように，本実施の形態に係るインバータ３００は，パワー素子３１０の非通電部１６に沿って非接合領域を形成するものである。このため，各トランジスタ間の隙間を活用することにより，各トランジスタから発生する熱を効率良く放熱するとともに，熱応力を緩和することができるパワー素子３１０及びインバータ３００が実現されている。
【００５４】
なお，本実施の形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。例えば，インバータに限らず，パワー素子を絶縁基板に半田接合したその他の半導体装置にも適用可能である。また，非接合領域の形成にあたり，フォトマスクの形状を流用することができるようなものであれば他のものでも構わない。また，第３の形態の冒頭で，パワートランジスタ集積部１２の発熱しない微小な領域に非接合領域を形成すると記載したが，第１の形態及び第２の形態と同様，パワートランジスタ非集積部１３にも非接合領域を形成してもよい。
【００５５】
［第４の形態］
以下に，第４の形態について説明する。第１の形態から第３の形態のインバータは，パワー素子から絶縁基板への放熱性を確保しつつ，パワー素子及び絶縁基板にかかる応力を緩和するものであった。本形態のインバータは，絶縁基板から冷却器への放熱経路を確保しつつ，絶縁基板及び冷却器にかかる応力を緩和するものである。
【００５６】
本形態のインバータ４００は，図１におけるインバータ１００の貫通孔をあけた応力緩和材３０を図２１の応力緩和材４３０で置き換えたものである。このため，その他の部材等は，図１のインバータ１００に用いたものとそれぞれ同様である。
【００５７】
冷却器４０は，その内部に流れる冷媒により，パワー素子１０から発生する熱を吸収するものである。また，その吸収を促進するために，冷却フィン４１が設けられている。冷却フィン４１は，放熱効率を向上させるため波板（図１等参照）となっている。冷却フィン４１は，冷却器４０の天板４２と接合されている。このため，冷却フィン４１は，天板４２から熱を吸収し，冷媒に放熱する。ここで，冷却器４０の天板４２において，冷却フィン４１と接している箇所のほうが，直接冷媒と接している箇所より放熱性に優れている。
【００５８】
本形態の応力緩和材４３０は，図２１に示すように，梯子状の形状をしている。応力緩和材４３０は，横板４３２を有しており，横板４３２と横板４３２との間は空間部４３１となっている。そして，図２２に示すように，梯子の横板４３２に相当する箇所は，冷却フィン４１を天板４２に接合した接合箇所４３，すなわち放熱性のよい箇所に接合されている。このため，パワー素子１０で発生した熱は，絶縁基板２０及び応力緩和材４３０の横板４３２を介して，冷却器４０に放熱されるのである。
【００５９】
本形態のインバータ４００は，パワー素子１０で発生した熱を，絶縁基板２０及び応力緩和材４３０を介して冷却器４０に放熱するものである。応力緩和材４３０の梯子の横板４３２は，冷却フィン４１を天板４２に接合した接合箇所４３に接合されている。このため，インバータ４００の放熱性はよい。また，ろう付け時，及びインバータ４００の使用時に発生する熱応力は，応力緩和材４３０の空間部分により緩和される。
【００６０】
ここで，本形態のインバータ４００の製造方法について図２２により説明する。第１の形態と同様に，冷却器４０に応力緩和材４３０をろう付けする。このとき，冷却器４０の接合箇所４３と，応力緩和材の横板４３２とが重なるように接合する。
【００６１】
これにより，パワー素子１０の発する熱が，絶縁基板２０と，応力緩和材４３０の横板４３２とを介して，冷却器４０に放熱されることとなる。すなわち，放熱に際し，有効な経路が確保されているのである。また，応力緩和材４３０があることにより，絶縁基板２０にかかる応力を緩和することができる。この後，パワー素子１０を絶縁基板２０に半田接合することは，第１の形態と同様である。
【００６２】
ここで，本形態の変形例について説明する。インバータ４００では，第１の形態のパワー素子１０及び絶縁基板２０を用いたが，これらの代わりとして第２の形態のパワー素子２１０と絶縁基板２２０との一方，あるいは双方を用いても構わない。また，第３の形態のパワー素子３１０を用いることもできる。
【００６３】
以上，詳細に説明したように，本実施の形態に係るインバータ４００は，冷却フィン４１を天板４２に接合した接合箇所４３を利用して，応力を緩和するようにした。インバータ４００は，熱を吸収しやすい冷却フィン４１のない箇所を利用して熱応力を緩和するものである。このため，放熱効率の低下がほとんどない。これにより，パワー素子１０により発生する熱の放熱性を犠牲にすることなく，絶縁基板２０の熱応力を緩和することのできるインバータ４００が実現されている。
【００６４】
なお，本実施の形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。例えば，インバータに限らず，パワー素子を絶縁基板に半田接合したその他の半導体装置にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】第１の形態のインバータを説明するための断面図である。
【図２】第１の形態のインバータに用いるパワー素子を説明するための平面図である。
【図３】第１の形態のインバータに用いるパワー素子を説明するための正面図である。
【図４】第１の形態のインバータに用いるパワー素子を説明するための裏面図である。
【図５】第１の形態の絶縁基板を説明するための断面図である。
【図６】第１の形態の半田接合面における接合領域と非接合領域とを説明するための断面図（その１）である。
【図７】第１の形態の半田接合面における接合領域と非接合領域とを説明するための断面図（その２）である。
【図８】第１の形態の半田接合面における接合領域と非接合領域とを説明するための断面図（その３）である。
【図９】第１の形態の半田接合面における接合領域と非接合領域とを説明するための断面図（その４）である。
【図１０】絶縁基板と応力緩和材と冷却器とをろう付けした接合体を説明するための断面図である。
【図１１】第１の形態のインバータの製造方法を説明するための断面図（その１）である。
【図１２】第１の形態のインバータの製造方法を説明するための断面図（その２）である。
【図１３】第１の形態のインバータの別の製造方法を説明するための断面図である。
【図１４】第２の形態のインバータに用いるパワー素子を説明するための正面図である。
【図１５】第２の形態のインバータの製造方法を説明するための断面図（その１）である。
【図１６】第２の形態のインバータの製造方法を説明するための断面図（その２）である。
【図１７】第２の形態のインバータの製造方法を説明するための断面図（その３）である。
【図１８】第２の形態のインバータの別の製造方法を説明するための断面図（その１）である。
【図１９】第２の形態のインバータの別の製造方法を説明するための断面図（その２）である。
【図２０】第３の形態のインバータに用いるパワー素子を説明するための拡大図である。
【図２１】第４の形態のインバータに用いる応力緩和材を説明するための斜視図である。
【図２２】第４の形態のインバータの製造方法を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００６６】
１０，２１０，３１０…パワー素子
１１，１７…突起部
２０，２２０…絶縁基板
２１…絶縁部材
２２…電極
３０，４３０…応力緩和材
４０…冷却器
４１…冷却フィン
４２…天板
４３…接合箇所
５０…ハウジング
６０…端子
７０…制御基板
８０…配線
９０…半田
１００，２００，３００，４００…インバータ
４３１…空間部
４３２…横板
【図１】
2010062253.tif 000003
【図２】
2010062253.tif 000004
【図３】
2010062253.tif 000005
【図４】
2010062253.tif 000006
【図５】
2010062253.tif 000007
【図６】
2010062253.tif 000008
【図７】
2010062253.tif 000009
【図８】
2010062253.tif 000010
【図９】
2010062253.tif 000011
【図１０】
2010062253.tif 000012
【図１１】
2010062253.tif 000013
【図１２】
2010062253.tif 000014
【図１３】
2010062253.tif 000015
【図１４】
2010062253.tif 000016
【図１５】
2010062253.tif 000017
【図１６】
2010062253.tif 000018
【図１７】
2010062253.tif 000019
【図１８】
2010062253.tif 000020
【図１９】
2010062253.tif 000021
【図２０】
2010062253.tif 000022
【図２１】
2010062253.tif 000023
【図２２】
2010062253.tif 000024