(57)【要約】【課題】複数の同電位電極と電極とを一度に接合することができる半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供すること。【解決手段】半導体モジュール１０は、複数のエミッタ電極１２が上面に形成された半導体素子１１と、複数のエミッタ電極１２と電気的に接続される上部電極２１と、を備えている。上部電極２１の本体部２２において、複数のエミッタ電極１２それぞれの全体に跨って対向する領域には、第１の線材２３ａと第２の線材２３ｂによって区画された複数の孔２６を有する多孔部２７が設けられ、多孔部２７には、半田接合層が設けられるとともに、半田接合層によって複数のエミッタ電極１２と、上部電極２１とが電気的に接合されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の同電位電極が一面に形成された半導体素子と、
前記複数の同電位電極と電気的に接続される電極と、を備えた半導体装置であって、
前記電極の本体部において、前記複数の同電位電極それぞれの少なくとも一部に跨って対向する領域には、複数の孔区画材によって区画された複数の孔を有する多孔部が設けられ、該多孔部には、半田接合層が設けられるとともに、前記半田接合層によって前記複数の同電位電極と、前記電極とが電気的に接合されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記本体部には、半田供給部が厚み方向に貫通して形成され、前記半田供給部に前記多孔部が配設されている請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記多孔部は、前記本体部における前記半導体素子と対向する面よりも前記半導体素子側に突出している請求項１又は請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記多孔部は、前記複数の同電位電極それぞれの全体に跨る領域に設けられる請求項１〜請求項３のうちいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記多孔部は、前記本体部と別体の多孔部形成部材によって形成されている請求項１〜請求項４のうちいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記多孔部形成部材は、前記多孔部と、前記本体部の厚み方向に沿って前記多孔部から立ち上がる立ち上げ部と、前記本体部の厚み方向に交差する方向に沿って立ち上げ部から延びるフランジと、を有し、前記フランジは、前記電極に係止される請求項５に記載の半導体装置。
【請求項７】
複数の同電位電極が一面に形成された半導体素子と、
前記複数の同電位電極と電気的に接続される電極と、を備えた半導体装置の製造方法であって、
前記電極の本体部に形成された厚み方向に貫通する半田供給部が前記複数の同電位電極それぞれの少なくとも一部に跨るように前記電極を対向配置する電極配置工程と、
複数の孔区画材によって複数の孔が形成された多孔部を有する多孔部形成部材を前記半田供給部に配置する多孔部形成部材配置工程と、
前記多孔部に溶融半田を供給する供給工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の同電位電極が一面に形成された半導体素子と、複数の同電位電極と電気的に接続される電極と、を備えた半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の半導体装置としては、特許文献１に記載の電力用半導体装置が知られている。
特許文献１に記載の電力用半導体装置は、半導体素子と、半導体素子の表面電極（同電位電極）に対向して略平行に配設される導体（電極）とを有している。導体には、貫通孔が形成されており、この貫通孔に溶融した導電性半田を供給することで、貫通孔を通して表面電極に導電性半田が滴下、塗布される。そして、この導電性半田が凝固することで、表面電極と貫通孔の側壁が導電性半田によって接合されて、表面電極と導体とが電気的に接続される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４６４０３４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、絶縁ゲートバイポーラトランジスタなど、半導体素子では表面電極が複数設けられる場合が多い。しかしながら、特許文献１に記載の電力用半導体装置では、一つの表面電極に対し少なくとも一つの貫通孔で導体が導電性半田によって接合されている。このため、複数の表面電極が設けられる場合には、各表面電極に対向するように導体に貫通孔を設け、各貫通孔に導線性半田を供給して接合しなければならず、半導体装置の生産性が悪い。また、複数の表面電極の間隔が狭い場合、導体に貫通孔自体を設けることや、各貫通孔への半田の滴下自体が困難になる。
【０００５】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、複数の同電位電極と電極とを一度に接合することができる半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、複数の同電位電極が一面に形成された半導体素子と、前記複数の同電位電極と電気的に接続される電極と、を備えた半導体装置であって、前記電極の本体部において、前記複数の同電位電極それぞれの少なくとも一部に跨って対向する領域には、複数の孔区画材によって区画された複数の孔を有する多孔部が設けられ、該多孔部には、半田接合層が設けられるとともに、前記半田接合層によって前記複数の同電位電極と、前記電極とが電気的に接合されていることを要旨とする。
【０００７】
これによれば、半田接合層を形成するため、多孔部に溶融半田が供給されると、溶融半田は、複数の孔区画材を濡れ拡がり、多孔部全体にわたって濡れ拡がる。よって、溶融半田は多孔部に保持され、保持量が所定量に達すると、溶融半田は、複数の同電位電極それぞれに供給される。このとき、多孔部は、複数の同電位電極に跨っているため、複数の同電位電極と電極とを一度に接合することができる。
【０００８】
また、前記本体部には、半田供給部が厚み方向に貫通して形成され、前記半田供給部に前記多孔部が配設されていてもよい。
これによれば、多孔部に溶融半田を供給したとき、溶融半田が半田供給部内に収まり、半田供給部外の本体部に濡れ拡がることを防止できる。
【０００９】
また、前記多孔部は、前記本体部における前記半導体素子と対向する面よりも前記半導体素子側に突出していてもよい。
これによれば、例えば、多孔部が本体部の厚み内に設けられる場合と比べると、多孔部と同電位電極とが近づき、多孔部に供給された溶融半田が同電位電極に接しやすく、半田接合層による電極と同電位電極との接合が容易になる。
【００１０】
また、前記多孔部は、前記複数の同電位電極それぞれの全体に跨る領域に設けられていてもよい。
これによれば、多孔部に溶融半田が供給されたときに、同電位電極の全体に溶融半田が供給されやすい。したがって、半田接合層を介した同電位電極と電極との接合強度が向上する。
【００１１】
また、前記多孔部は、前記本体部と別体の多孔部形成部材によって形成されていてもよい。
これによれば、本体部に多孔部を直接形成する必要がなく、本体部に多孔部を簡単に設けることができる。
【００１２】
また、前記多孔部形成部材は、前記多孔部と、前記本体部の厚み方向に沿って前記多孔部から立ち上がる立ち上げ部と、前記本体部の厚み方向に交差する方向に沿って立ち上げ部から延びるフランジと、を有し、前記フランジは、前記電極に係止されていてもよい。
【００１３】
これによれば、多孔部形成部材は、電極に支持される。すると、立ち上げ部の高さによって、多孔部の位置が決まり、多孔部と同電位電極とのクリアランスが一定に決まる。よって、立ち上げ部の高さを設定することで、多孔部と同電位電極のクリアランスを精度よく決めることができる。
【００１４】
請求項７に記載の発明は、複数の同電位電極が一面に形成された半導体素子と、前記複数の同電位電極と電気的に接続される電極と、を備えた半導体装置の製造方法であって、前記電極の本体部に形成された厚み方向に貫通する半田供給部が前記複数の同電位電極それぞれの少なくとも一部に跨るように前記電極を対向配置する電極配置工程と、複数の孔区画材によって複数の孔が形成された多孔部を有する多孔部形成部材を前記半田供給部に配置する多孔部形成部材配置工程と、前記多孔部に溶融半田を供給する供給工程と、を有することを要旨とする。
【００１５】
これによれば、電極配置工程で、電極を所定位置に配置した後に半田供給部に多孔部形成部材を配置して半導体装置が製造される。多孔部形成部材を半田供給部に配置する段階では、半導体素子に対して所定の位置に電極が位置決めされているため、多孔部形成部材を半田供給部に配置するだけでよく、多孔部形成部材の位置決めを行う必要がない。したがって、半導体装置の製造が容易になる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、複数の同電位電極と電極とを一度に接合することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施形態における半導体モジュールを示す分解斜視図。
【図２】実施形態における多孔部形成部材とエミッタ電極の関係を示す図。
【図３】実施形態における多孔部形成部材を示す斜視図。
【図４】実施形態における半導体モジュールの側面図。
【図５】実施形態における半導体モジュールの製造工程を示す図。
【図６】実施形態における半導体モジュールの製造工程を示す図。
【図７】別例の半導体モジュールの多孔部形成部材とエミッタ電極の関係を示す拡大図。
【図８】別例の半導体モジュールの多孔部形成部材とエミッタ電極の関係を示す拡大図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図６にしたがって説明する。
図１に示すように、半導体装置としての半導体モジュール１０は、半導体素子１１（例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタや電界効果トランジスタ）と、半導体素子１１の上面（一面）に接合された電極としての上部電極２１と、上面と対向する下面（他面）に接合された下部電極３１とから構成されている。
【００１９】
半導体素子１１の上面には、同電位電極としての矩形状のエミッタ電極１２が複数（８個）設けられている。なお、隣り合うエミッタ電極１２の間には、ゲートライン（図示せず）が設けられるとともに、ゲートラインを覆う状態でエミッタ電極１２の間には、半田の濡れ性の悪い材料によって表面部１１ａが形成されている。また、半導体素子１１の上面には、一つのゲート電極１３が設けられている。半導体素子１１の下面には、図示しないコレクタ電極が設けられている。
【００２０】
図４に示すように、上部電極２１は、半田接合層Ｈによって複数設けられたエミッタ電極１２の全てと電気的に接合されている。なお、エミッタ電極１２と半田接合層Ｈとは接合されているが、隣り合うエミッタ電極１２同士の間の表面部１１ａには、半田接合層Ｈは接合されていない。また、下部電極３１は、コレクタ電極と電気的に接合されている。
【００２１】
図２に示すように、上部電極２１は、矩形板状をなす本体部２２と、本体部２２に支持される本体部２２とは別体の多孔部形成部材２３とから構成されている。本体部２２には、本体部２２の厚み方向に貫通する平面視矩形状の半田供給部２４が形成されている。半田供給部２４は、本体部２２において、複数のエミッタ電極１２それぞれの全体に跨って対向する領域に形成されている。また、上部電極２１の本体部２２及び多孔部形成部材２３は、それぞれ銅から形成されている。
【００２２】
図３に示すように、多孔部形成部材２３は、複数の第１の線材２３ａと、各第１の線材２３ａに交差する複数の第２の線材２３ｂとを編み込んで形成されている。そして、多孔部形成部材２３は、第１の線材２３ａと第２の線材２３ｂによって囲まれた複数の孔２６を有する。したがって、第１の線材２３ａ及び第２の線材２３ｂが複数の孔２６を区画する孔区画材となる。多孔部形成部材２３は、平面視矩形状をなし、かつ、半田供給部２４とほぼ同じ形状の多孔部２７を有する。また、多孔部形成部材２３は、多孔部２７を底とする箱状に形成され、箱の側壁に相当し多孔部２７の周囲から立ち上がる立ち上げ部２８を有する。立ち上げ部２８にも多孔部２７と同様に第１の線材２３ａと第２の線材２３ｂによって孔２６が形成されている。更に、多孔部形成部材２３において、第１の線材２３ａの軸方向両端部には、フランジ２５が形成されている。フランジ２５は、本体部２２の厚み方向に交差する方向に沿って立ち上げ部２８から延びている。
【００２３】
図２に示すように、多孔部形成部材２３は、多孔部２７が半田供給部２４に挿入されるとともに、フランジ２５が上部電極２１のうちの半田供給部２４よりも外側に係止されることで、本体部２２に支持されている。多孔部形成部材２３が本体部２２（上部電極２１）に支持された状態で、多孔部２７は、半導体素子１１の上面から若干離間している。よって、多孔部２７が半導体素子１１から若干離間するように立ち上げ部２８の多孔部２７からの高さが設定されている。多孔部形成部材２３が本体部２２に支持された状態で、多孔部２７は、本体部２２において、半導体素子１１と対向する面よりも、半導体素子１１側に突出している。第１の線材２３ａは、半田供給部２４の長辺方向に延びており、第２の線材２３ｂは、半田供給部２４の短辺方向に延びている。
【００２４】
次に、本実施形態の半導体モジュール１０の製造方法について説明する。
図５に示すように、まず、上部電極２１の半田供給部２４が、複数のエミッタ電極１２それぞれの全体に跨るように本体部２２を対向配置する（電極配置工程）。本体部２２は、図示しない治具などによって、半導体素子１１から離間した状態で支持されている。
【００２５】
次に、半田供給部２４に多孔部２７及び立ち上げ部２８を挿入するとともに、フランジ２５を半田供給部２４の外側に係止させ、本体部２２に多孔部形成部材２３を配置する（多孔部形成部材配置工程）。多孔部２７は、複数のエミッタ電極１２それぞれの全体に跨る状態で配置される。また、多孔部２７は、半導体素子１１の上面から離間している。
【００２６】
図６に示すように、次に、シリンジ４０によって、溶融半田Ｈ１を半田供給部２４に供給する（供給工程）。半田供給部２４に供給された溶融半田Ｈ１は、多孔部２７に供給される。そして、多孔部２７に供給された溶融半田Ｈ１が所定量に達すると、溶融半田Ｈ１は自重によって、各孔２６から半導体素子１１に向けて滴下する。そして、溶融半田Ｈ１がエミッタ電極１２に供給される。溶融半田Ｈ１が滴下しエミッタ電極１２に広がる程度に溶融半田Ｈ１が供給されると、溶融半田Ｈ１は立ち上げ部２８を介して半田供給部２４及びその周辺にも触れる。その後、溶融半田Ｈ１を凝固させることで、半導体素子１１のエミッタ電極１２と、上部電極２１とが凝固した半田接合層Ｈと多孔部形成部材２３によって接合される。
【００２７】
次に、本実施形態の半導体モジュール１０の作用について説明する。
半導体モジュール１０を製造するときに、半田供給部２４に溶融半田Ｈ１が供給されると、溶融半田Ｈ１は、第１の線材２３ａ及び第２の線材２３ｂを濡れ拡がり、多孔部２７の全体にわたって溶融半田Ｈ１が濡れ拡がるとともに、多孔部２７に一旦保持される。そして、多孔部２７に保持された溶融半田Ｈ１が、所定量に達すると、溶融半田Ｈ１は、自重によって半導体素子１１の上面に向けて滴下する。立ち上げ部２８にも溶融半田Ｈ１は濡れ拡がり、溶融半田Ｈ１は多孔部形成部材２３と上部電極２１とを接合する。
【００２８】
したがって、上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）上部電極２１の本体部２２において、エミッタ電極１２それぞれの全体に跨って対向する領域には、第１の線材２３ａと第２の線材２３ｂによって区画された複数の孔２６を有する多孔部２７が設けられている。したがって、半田接合層Ｈを形成するため、多孔部２７に溶融半田Ｈ１が供給されると、溶融半田Ｈ１は、第１の線材２３ａ及び第２の線材２３ｂを濡れ拡がり、多孔部２７全体にわたって濡れ拡がる。よって、溶融半田Ｈ１は多孔部２７に保持され、保持量が所定量に達すると、溶融半田Ｈ１は、複数のエミッタ電極１２それぞれに供給される。このとき、多孔部２７は、複数のエミッタ電極１２に跨っているため、表面部１１ａが存在しても複数のエミッタ電極１２と上部電極２１とを一度に接合することができる。
【００２９】
（２）本体部２２には、半田供給部２４が厚み方向に貫通して形成され、半田供給部２４に多孔部２７が配設されている。したがって、多孔部２７に溶融半田Ｈ１を供給したとき、溶融半田Ｈ１が半田供給部２４内に収まり、半田供給部２４外の本体部２２に濡れ拡がることを防止できる。
【００３０】
（３）多孔部２７は、本体部２２とは別体の多孔部形成部材２３によって形成されている。したがって、本体部２２に多孔部２７を直接形成する必要がなく、本体部２２に多孔部２７を簡単に設けることができる。
【００３１】
（４）多孔部２７は、本体部２２において、半導体素子１１と対向する面よりも半導体素子１１側に突出している。したがって、例えば、多孔部２７が本体部２２の厚み内に設けられる場合と比べると、多孔部２７とエミッタ電極１２とが近づき、多孔部２７に供給された溶融半田Ｈ１がエミッタ電極１２に接しやすく、上部電極２１とエミッタ電極１２との接合が容易になる。
【００３２】
（５）多孔部２７は、複数のエミッタ電極１２それぞれの全体に跨っている。したがって、多孔部２７からエミッタ電極１２に溶融半田Ｈ１が供給されるときには、エミッタ電極１２の全体にわたって溶融半田Ｈ１が供給されやすい。したがって、エミッタ電極１２と上部電極２１との接合強度が向上する。
【００３３】
（６）多孔部形成部材２３には、多孔部２７と、本体部２２の厚み方向に沿って多孔部２７から立ち上がる立ち上げ部２８と、本体部２２の厚み方向に交差する方向に沿って立ち上げ部２８から延びるフランジ２５が形成されている。そして、フランジ２５は、上部電極２１のうちの半田供給部２４よりも外側に係止されている。したがって、多孔部形成部材２３は、フランジ２５が本体部２２における半田供給部２４よりも外側に係止されることで本体部２２に支持される。すると、立ち上げ部２８の高さによって、多孔部２７の位置が決まり、多孔部２７とエミッタ電極１２とのクリアランスが一定に決まる。よって、立ち上げ部２８の高さを設定することで、多孔部２７とエミッタ電極１２のクリアランスを精度よく決めることができる。
【００３４】
（７）半導体モジュール１０は、電極配置工程で上部電極２１を所定位置に配置した後に、半田供給部２４に多孔部形成部材２３を配置して、多孔部形成部材２３に溶融半田Ｈ１を供給することで製造される。したがって、多孔部形成部材２３を半田供給部２４に配置する段階では、上部電極２１が半導体素子１１に対して所定の位置に位置決めされているため、多孔部形成部材２３を半田供給部２４に配置するだけでよく、多孔部形成部材２３の位置決めを行う必要がない。したがって、半導体モジュール１０の製造が容易になる。
【００３５】
（８）多孔部２７はフランジ２５の本体部２２への係止によって、半導体素子１１の上面から離間した位置に位置決めされている。したがって、多孔部２７が半導体素子１１の上面に接してしまうことで、半導体素子１１を損傷させることがない。
【００３６】
（９）また、半導体モジュール１０の上面視によって半田供給部２４を通して、上部電極２１とエミッタ電極１２との接合部である半田接合層Ｈが確認できるため、上部電極２１とエミッタ電極１２との接合状態を容易に確認することができる。
【００３７】
（１０）多孔部２７に溶融半田Ｈ１を供給することで、上部電極２１とエミッタ電極１２を接合することができる。したがって、固形半田を使用して接合を行う場合とは異なり、固形半田の加工をする必要がなく、製造コストが低減される。
【００３８】
なお、実施形態は以下のように変更してもよい。
○  実施形態において、多孔部２７は、本体部２２における半導体素子１１と対向する面よりも半導体素子１１側に突出していなくてもよい。例えば、多孔部２７は、本体部２２の厚み内に配置されていてもよいし、半導体素子１１と対向する面と面一となる状態に配置されていてもよい。
【００３９】
○  図７に示すように、実施形態において、多孔部２７は、複数のエミッタ電極１２それぞれの一部に跨って対向していればよい。この場合、多孔部２７からエミッタ電極１２に溶融半田Ｈ１が供給されると、溶融半田Ｈ１はエミッタ電極１２を濡れ拡がることでエミッタ電極１２の全体に供給される。
【００４０】
○  図８に示すように、実施形態において、複数のエミッタ電極１２のそれぞれの少なくとも一部に多孔部２７が跨っていれば、半田供給部２４、多孔部２７は、複数に分割されていてもよい。
【００４１】
○  実施形態において、本体部２２に厚み方向に貫通する複数の孔を直接形成することで、本体部２２のうちで孔の周辺を孔区画材として本体部２２に多孔部を形成してもよい。
【００４２】
○  実施形態において、多孔部形成部材２３にフランジ２５を形成せず、本体部２２に多孔部形成部材２３を直接接合してもよい。
○  実施形態において、第１の線材２３ａ及び第２の線材２３ｂは、溶融半田Ｈ１が濡れ拡がればどのような材料から形成してもよい。例えば、銅、金、銀、ニッケルなどの材料を用いてもよいし、溶融半田Ｈ１の濡れ性の悪い材料（例えば、アルミ、チタン、ステンレス）の表面に、濡れ性の良い材料をコーティングして溶融半田Ｈ１の濡れ性を確保した材料を用いてもよい。また、第１の線材２３ａ及び第２の線材２３ｂのうち、どちらか一方のみを溶融半田Ｈ１の濡れ性の良い材料から形成してもよい。
【００４３】
○  実施形態において、溶融半田Ｈ１を滴下することで、上部電極２１とエミッタ電極１２とを接合したが、これに限られない。例えば、上部電極２１の半田供給部２４に多孔部形成部材２３を配置した後、多孔部２７に固形半田を配置して、リフロー炉などの加熱装置によって固形半田を溶融させることで、上部電極２１とエミッタ電極１２を接合してもよい。また、予め固形半田が配置された多孔部形成部材２３を半田供給部２４に設けてもよい。この場合であっても、溶融半田Ｈ１は第１の線材２３ａ及び第２の線材２３ｂを濡れ拡がり、複数のエミッタ電極１２の一部と、上部電極２１が接合されないことが防止される。
【００４４】
○  実施形態において、上部電極２１、下部電極３１、半田供給部２４の形状は、実施形態に限られず、どのような形状であってもよい。
【符号の説明】
【００４５】
Ｈ…半田接合層、Ｈ１…溶融半田、１０…半導体装置としての半導体モジュール、１１…半導体素子、１２…同電位電極としてのエミッタ電極、２１…電極としての上部電極、２２…本体部、２３…多孔部形成部材、２４…半田供給部、２５…フランジ、２６…孔、２７…多孔部、２８…立ち上げ部。
【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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