(57)【要約】【課題】半導体素子の応力を低減し、かつ、放熱性の低下を抑制することができる電力用半導体装置を提供することを目的とする。【解決手段】電力用半導体装置は、半導体素子であるＩＧＢＴ１Ａと、ＩＧＢＴ１Ａの第一の主面に対向しＩＧＢＴ１Ａの第一の主面と電気的に接続される回路基板３と、ＩＧＢＴ１Ａの第一の主面と回路基板３の主面とが対向する空間の一部を含んだ領域に配置され回路基板３よりも熱膨張率が低くかつ剛性が高い低熱膨張材６Ａと、ＩＧＢＴ１Ａの第一の主面と回路基板３の主面、ＩＧＢＴ１Ａの第一の主面と低熱膨張材６Ａの第一の主面、及び低熱膨張材６Ａの第二の主面と回路基板３の主面とをそれぞれ接合し低熱膨張材６Ａよりも熱伝導率が高い接合材であるはんだ４とを備える。【選択図】      図３
2014041876.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
前記半導体素子の第一の主面に対向し、前記半導体素子の第一の主面と電気的に接続される回路基板と、
前記半導体素子の第一の主面と前記回路基板の主面とが対向する空間の一部を含んだ領域に配置され、前記回路基板よりも熱膨張率が低くかつ剛性が高い低熱膨張材と、
前記半導体素子の第一の主面と前記回路基板の主面、前記半導体素子の第一の主面と前記低熱膨張材の第一の主面、及び前記低熱膨張材の第二の主面と前記回路基板の主面とをそれぞれ少なくとも一部の領域で接合し、前記低熱膨張材よりも熱伝導率が高い接合材と、
を備えたことを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項２】
前記接合材は、前記半導体素子の第一の主面と前記低熱膨張材の第一の主面とを、前記半導体素子の第一の主面における発熱分布に対応して接合する、
ことを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
【請求項３】
前記半導体素子の第一の主面において前記低熱膨張材の第一の主面が接合される第一の領域での単位面積当たりの発熱量は、前記半導体素子の第一の主面において前記回路基板の主面が接合される第二の領域での単位面積当たりの発熱量よりも小さい、
ことを特徴とする請求項２に記載の電力用半導体装置。
【請求項４】
前記低熱膨張材は、前記半導体素子の第一の主面の外周に沿って枠形状に配置される、
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項５】
前記低熱膨張材は、前記半導体素子の第一の主面の中央部で交差する、
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項６】
前記低熱膨張材は、前記半導体素子の第一の主面の対向する二辺と前記対向する二辺に垂直に引いた直線とに沿って配置される
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項７】
前記接合材は、
前記半導体素子の第一の主面と前記回路基板の主面、及び前記半導体素子の第一の主面と前記低熱膨張材の第一の主面とを接合する第一の接合材と、
前記回路基板の主面と前記低熱膨張材の第二の主面とを接合し、前記第一の接合材よりも液相線温度が高い第二の接合材とで構成される、
ことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項８】
前記半導体素子は、前記第一の主面と反対側の面である第二の主面に電極を備え、
前記電極は、前記低熱膨張材が配置されていない領域上で金属線材と接合される、
ことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子を組み合わせてインバータ回路などを構成する電力用半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、電力用半導体装置は、半導体素子を放熱性に優れるアルミ等のメタルベースの回路基板上に実装し、半導体素子の上から、例えば、アルミワイヤなどで配線することで電気回路の一部を構成している。近年、電力用半導体装置に対しては、ＳｉＣ（炭化珪素）半導体等の開発もあり、従来よりも高温環境での使用や、高温動作への要求が高まっている。一方、半導体素子については、材料コストの低減や性能向上のための薄型化や、大電流対応に向けた大面積化が進んでいるが、半導体素子の一般的な材料であるシリコン（Ｓｉ）等はメタルベースの回路基板の材料であるアルミ等に比べて熱膨張率が小さい。その結果、半導体素子の実装後や動作中において、半導体素子と回路基板との熱変形の差によって半導体素子にかかる応力が大きくなり、半導体素子の特性の悪化や素子の破壊という問題が顕在化している。そこで、従来の電力用半導体装置では、半導体素子と回路基板との間に、応力緩衝板として回路基板よりも熱膨張率の低い低熱膨張材を設けてはんだ等の接合材で接合することで、半導体素子にかかる熱膨張差による応力を低減し、半導体素子の特性の悪化や破壊を抑制している（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１９０８５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような電力用半導体装置にあっては、低熱膨張材として、回路基板よりも熱膨張率が低く比較的安価なインバーやコバール等の部材を用いることが一般的である。しかしながら、半導体素子に発生する熱は放熱性に優れる回路基板側から放熱されるので、低熱膨張材を介して放熱が行われることとなるが、インバーやコバール等の熱伝導率は回路基板よりも低いため放熱性が低下するという問題があった。また、低熱膨張材として、熱膨張率が低くかつ熱伝導率の高いモリブデン（Ｍｏ）やタングステン（Ｗ）を用いることで放熱性を維持することも考えられるが、ＭｏやＷは高価なため電力用半導体装置のコスト増加という新たな問題が生じてしまう。
【０００５】
本発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、コスト増加を抑制しつつ、半導体素子の応力を低減し、かつ放熱性の低下を抑制することができる電力用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】
本発明に係る電力用半導体装置は、半導体素子と、半導体素子の第一の主面に対向し半導体素子の第一の主面と電気的に接続される回路基板と、半導体素子の第一の主面と回路基板の主面とが対向する空間の一部を含んだ領域に配置され回路基板よりも熱膨張率が低くかつ剛性が高い低熱膨張材と、半導体素子の第一の主面と回路基板の主面、半導体素子の第一の主面と低熱膨張材の第一の主面、及び低熱膨張材の第二の主面と回路基板の主面とをそれぞれ少なくとも一部の領域で接合し低熱膨張材よりも熱伝導率が高い接合材とを備えたものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係る電力用半導体装置によれば、低熱膨張材が回路基板の熱変形を拘束することで半導体素子にかかる応力を低減するとともに、低熱膨張材を半導体素子と回路基板との間の一部にのみ設けるので放熱性の低下を抑制することができる。また、熱膨張率が低くかつ熱伝導率の高いＭｏやＷを用いることなく放熱性の低下を抑制できるため、コストの増加を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかる半導体素子接合部の部分上面図である。
【図３】本発明の実施の形態１にかかる半導体素子接合部の断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１にかかる低熱膨張枠の上面図である。
【図５】本発明の実施の形態２にかかる半導体素子接合部の部分上面図である。
【図６】本発明の実施の形態２にかかる半導体素子接合部の断面図である。
【図７】本発明の実施の形態２にかかる低熱膨張枠の上面図である。
【図８】本発明の実施の形態３にかかる半導体素子接合部の部分上面図である。
【図９】本発明の実施の形態３にかかる半導体素子の部分上面図である。
【図１０】本発明の実施の形態３にかかる低熱膨張材の部分上面図である。
【図１１】本発明の実施の形態３にかかる低熱膨張材の部分上面図である。
【図１２】本発明の実施の形態３にかかる半導体素子の部分上面図である。
【図１３】本発明の実施の形態３にかかる低熱膨張材の部分上面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１．
まず、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の構成について、図１ないし図４を用いて説明する。各図において同一、又は相当する部分については、同一符号を付して説明する。
【００１０】
図１は実施の形態１にかかる電力用半導体装置１００の半導体素子を実装する部分を示した斜視図であり、図２は実施の形態１にかかる電力用半導体装置１００の部分上面図であり、図３は図１におけるＡ−Ａ間の断面図であり、図４は実施の形態１にかかる低熱膨張材６Ａの上面図である。なお、図２において示される破線は、ＩＧＢＴ１Ａの裏側に存在する低熱膨張材６Ａを図示している。
【００１１】
図１において、電力用半導体装置１００に２組の並列接続したＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）１ＡとＦＷＤ（Ｆｒｅｅ  Ｗｈｅｅｌｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）２が実装されている。なお、図１においては合計４つの半導体素子が実装されているが、３つ以下又は５つ以上であっても、１つ以上の半導体素子を備えていれば同様の効果を奏することは言うまでもない。以下、電力用半導体装置１００において半導体素子としてＩＧＢＴ１Ａが実装された部分について説明する。なお、本実施の形態では半導体素子としてＳｉからなるＩＧＢＴ１Ａ及びＦＷＤ２を用いているが、これに限定されるものではなく、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の他の半導体素子や、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）等の他の物質からなる半導体素子を用いることとしてもよい。
【００１２】
図１及び図２において、ＩＧＢＴ１Ａは□１５ｍｍ、厚み６０μｍの半導体素子であり、ＩＧＢＴ１Ａの第一の主面である裏面は、導電性である錫（Ｓｎ）−銀（Ａｇ）−銅（Ｃｕ）系のはんだ４によって破線で示される位置に配置された低熱膨張材６Ａを一部に介して、回路基板３に実装されとともに、ＩＧＢＴ１Ａの第二の主面である表面にはアルミワイヤ５が配置される。ここで、半導体素子であるＩＧＢＴ１Ａは縦型半導体であり、その表面及び裏面にそれぞれ図示しないエミッタ電極及びコレクタ電極が設けられ、表面の電極はアルミワイヤ５と、裏面の電極は回路基板３の回路パターン３Ｃとそれぞれ電気的に接続されている。また、ＩＧＢＴ１Ａの表面にはエミッタ電極に加えてゲート電極８が設けられ、ゲート配線９を介して、図示しない制御回路に接続されている。そして、回路パターン３Ｃ及びアルミワイヤ５の他端は図示しない外部端子等に接続されており、ＩＧＢＴ１Ａがチップの厚み方向に通電されることにより、電力用半導体装置１００は、インバータ回路等の一部を構成する。また、アルミワイヤ５は直径４００ｕｍのＡｌからなり、例えば、超音波接合によってＩＧＢＴ１Ａの表面に形成された電極に接続する。
【００１３】
図３において、回路基板３は、ベース３Ａ、絶縁層３Ｂ、回路パターン３Ｃから構成され、回路基板３の主面である表面に絶縁層３Ｂを介して回路パターン３Ｃが設けられた、いわゆるメタルベース基板である。ベース３Ａは２ｍｍｔのアルミニウム（Ａｌ）からなり、絶縁層３Ｂはアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等の高熱伝導フィラーを充填された厚み１５０μｍのエポキシ樹脂硬化物からなり、回路パターン３Ｃは厚み１０５ｕｍのＣｕからなる。そして、回路基板３の裏面は、放熱グリースや放熱シートを介して図示しないヒートシンクに取り付けられる。
【００１４】
ここで、図３において、ＩＧＢＴ１Ａと回路パターン３Ｃとの間には低熱膨張材６Ａが設置されている。低熱膨張材６Ａは、鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）合金であるインバーからなり、外周□１５ｍｍ、内周□１３ｍｍ、厚み０．３ｍｍの枠形状のものであり、ＩＧＢＴ１Ａの外周から２ｍｍの幅に沿って設置される。また、低熱膨張材６Ａは、はんだ付けのために全面にＮｉめっきが施されており、ＩＧＢＴ１Ａとともに、導電性であるはんだ４によって回路パターン３Ｃに同時に接合される。より具体的には、ＩＧＢＴ１Ａの裏面の一部と回路基板の主面、ＩＧＢＴ１Ａの裏面の残部（裏面の一部以外の部分）と低熱膨張材６Ａの第一の主面である表面、及び回路基板の主面と低熱膨張材６Ａの第二の主面である裏面とがそれぞれはんだ４によって接合される。その際、ＩＧＢＴ１Ａと低熱膨張枠６Ａとの間のはんだ４の厚さ及び回路パターン３Ｃと低熱膨張枠６Ａとのはんだ４の厚さはそれぞれ５０μｍ程度となる。
【００１５】
なお、本実施の形態では正方形の形状である低熱膨張材６Ａを用いることしたが、図４（ａ）と図４（ｂ）に例を示すとおり、加工性やはんだ付性を考慮し、外周角や内周角に面取りやＲをつけた低熱膨張材６Ｂ又は６Ｃを用いることとしてもよい。また、応力低減の効果を向上させるためには、低熱膨張材６Ａの枠を厚く、幅を広くすることが有効であるが、素子の特性や組立性などを考慮し、選択することが可能である。
【００１６】
次に、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置１００の作用・効果について、従来の電力用半導体装置と比較して説明する。
【００１７】
まず、従来の電力用半導体装置として、半導体素子であるＩＧＢＴ、ＦＷＤを、低熱膨張材を介さず、はんだによって接合した場合について説明する。半導体素子と回路基板をはんだ付けした場合、はんだの融点で半導体素子と回路基板が接合されるため、はんだの融点以下の状態では、半導体素子と回路基板ははんだの融点を基準として圧縮し熱変形する。ここで、ＩＧＢＴ、ＦＷＤなどの半導体素子の主材料であるＳｉの熱膨張率（２．５ｐｐｍ／Ｋ）は、半導体素子に直接接合されるはんだの熱膨張率（２２ｐｐｍ／Ｋ）や回路基板の主材料であるＡｌの熱膨張率（２３ｐｐｍ／Ｋ）に比べて小さい。そのため、はんだの融点以下の状態においては、半導体素子と回路基板の熱変形差によって、半導体素子には圧縮応力が生じる。特に、本実施の形態に示すように半導体素子の厚みが薄くなり剛性が下がると、半導体素子にかかる圧縮応力が大きくなり、面内応力差が大きくなることで、スイッチングロスの増加や素子の耐圧低下など素子の電気特性が悪化してしまい、半導体素子が本来有している特性を充分に発揮できないという問題があった。
【００１８】
続いて、本実施の形態にかかる電力用半導体装置１００について説明する。本実施の形態では、半導体素子であるＩＧＢＴ１Ａ及びＦＷＤ２は、枠形状の低熱膨張材６Ａを一部に介して回路基板３に接合されている。ここで、低熱膨張材６Ａの熱膨張率、すなわちインバーの熱膨張率（１．２ｐｐｍ／Ｋ）は、回路基板３主材料であるＡｌの熱膨張率（２３ｐｐｍ／Ｋ）に比べて小さく、また、インバーからなる低熱膨張材６Ａの剛性は主にＡｌからなる回路基板３の剛性よりも高い。その結果、低熱膨張材６Ａがはんだ付け後の回路基板３の熱変形を拘束するため、半導体素子であるＩＧＢＴ１Ａ及びＦＷＤ２に負荷される圧縮応力が軽減されるので、半導体素子としての電気特性の悪化が抑制される。
【００１９】
また、本実施の形態では、低熱膨張材６Ａを半導体素子と回路基板３の間の一部に介しているが、半導体素子で発生する熱量は裏面側の回路基板３を介して放熱されるところ、低熱膨張材６Ａであるインバーの熱伝導率（１３Ｗ／ｍＫ）は、はんだ４の熱伝導率（６０Ｗ／ｍＫ）又は回路基板の材料であるＣｕの熱伝導率（３９８Ｗ／ｍＫ）やＡｌの熱伝導率（２３７Ｗ／ｍＫ）と比較して低いため、放熱性の低下が懸念される。しかし、本実施の形態では、低熱膨張材６Ａを半導体素子の裏面側の一部にしか設けていないので、低熱膨張材６Ａを設けることによる放熱性の低下が抑制される。よって、熱膨張率が低く、かつ、熱伝導率の高いＭｏやＷ等の高価な材料を用いることなく放熱性の低下を抑制することができる。
【００２０】
特に、ＩＧＢＴ１Ａの外周から０．５ｍｍ〜１．０ｍｍの幅の外周部は、ＩＧＢＴ１Ａの上下面電極の絶縁耐圧を確保するために設けられた終端構造の部分であり、ＩＧＢＴ１Ａの表面又は裏面において終端構造部分の領域は他の領域と比較して単位面積当たりの発熱量（以下、単に「発熱量」という）が小さい。そのため、発熱量の少ない終端構造に沿って低熱膨張材６Ａを配置することで、ＩＧＢＴ１Ａの裏面の発熱分布に対応して、ＩＧＢＴ１Ａの裏面において低熱膨張材６Ａの表面が接合される第一の領域の発熱量は回路基板３の主面が接合される第二の領域の発熱量よりも小さくなるように、低熱膨張材６Ａの主面をＩＧＢＴ１Ａの裏面に接合することができるので、電力用半導体装置１００全体としての放熱性の低下をより効果的に抑制することができる。
【００２１】
なお、本実施の形態では、ベース３Ａにメタルベース基板で多く用いられるＡｌを用いる構成としたが、パワーモジュールに一般的に用いられるＡｌ２Ｏ３や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）とし、メタルベース基板ではなくセラミック基板とすることとしてもよい。さらに、本実施の形態では、回路パターン３ＣにはＣｕを用いることとしたが、Ｃｕ合金系のリードフレームやＣｕブロックを電極とするものを適用する事も可能である。
【００２２】
また、本実施の形態では、半導体素子と低熱膨張材６Ａの外周を□１５ｍｍと同一寸法としているが、半導体素子と低熱膨張材６Ａの外周寸法を異なる値としてもよく、例えば低熱膨張材６Ａの外周寸法を半導体素子よりも大きくし、半導体素子からはみ出るような構成としても、放熱性低下の抑制や半導体素子にかかる圧縮応力低減の効果を得ることができる。さらに、低熱膨張材６Ａには、インバーの他、スーパーインバー、４２アロイ、コバールなどのリードフレーム材料を適用することも可能である。
【００２３】
実施の形態２．
上述した実施の形態１では、低熱膨張材６Ａを単一の部材から構成するとともに、単一のはんだ４を用いることとしたが、本願発明はこれに限定されず、複数の部材から構成される低熱膨張材６Ｂを用いることとしてもよく、また、複数種のはんだ４Ａ及び４Ｂを用いることとしてよい。そこで、実施の形態２として、複数の部材からなる低熱膨張材６Ｄを用い、かつ、複数種のはんだ４Ａ及び４Ｂを用いた場合について、以下で説明する。
【００２４】
図５は実施の形態２にかかる電力用半導体装置の部分上面図であり、図６は図１におけるＡ−Ａ間の断面図に相当する実施の形態２にかかる電力用半導体装置の断面図であり、図７は実施の形態２にかかる低熱膨張材６Ｄの上面図である。図５ないし図７において、図１ないし図４と同じ符号を付けたものは、同一または対応する構成を示しており、以下において、その説明は省略する。また、実施の形態２は、実施の形態１との関係において、低熱膨張材６Ｄを用いる点及び高液相線はんだ４Ａ並びに低液相線はんだ４Ｂを用いる点で相違するため、当該相違部分について説明し、同一または対応する部分についての説明は省略する。なお、図５において示される破線は、ＩＧＢＴ１Ａの裏側に存在する低熱膨張材６Ｄを図示しており、図７において示す破線はＩＧＢＴ１Ａの平面位置を図示している。
【００２５】
図５ないし図７において、インバーよりなる低熱膨張材６Ｄは枠形状の辺毎に分割された４つの部品から構成されており、回路基板３の主面とＮｉめっきされた低熱膨張枠６Ｄの裏面とは導電性であるＳｎ−Ｃｕ系の液相線温度３５０℃以上の高液相線はんだ４Ａで接合されている。一方、ＩＧＢＴ１Ａの裏面と低熱膨張枠６Ｄの表面、及びＩＧＢＴ１Ａの裏面と回路パターン３Ｃの表面とは液相線２２０℃程度の導電性であるＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の低液相線はんだ４Ｂで接合されている。
【００２６】
このような構成により、本実施の形態では、枠形状である低熱膨張材６Ｄの４辺を別々の部品とする事によって、低熱膨張材６Ｄの製造過程において材料歩留まりが向上し、コストの低減が実現できる。また、本実施の形態では、融点の高い高液相線はんだ４Ａを用いて回路基板３の主面に低熱膨張材６Ｄの裏面を接合した後、より融点の低い低液相線はんだ４Ｂを用いてＩＧＢＴ１Ａの裏面を回路基板３の主面及び低熱膨張材６Ｄの表面に接合することができるため、ＩＧＢＴ１Ａの接合を低熱膨張材６Ｄが回路基板３に固定された状態で行うことができる。そのため、単一のはんだ４を用いて接合する場合と比較して、ＩＧＢＴ１Ａ、回路基板３、及び低熱膨張材６Ｄの接合を容易に行うことができ、電力用半導体装置の生産性が向上する。
【００２７】
なお、低熱膨張材枠６Ｄの回路基板３への取り付けに用いる高液相線はんだ４Ａは液相線温度の高いＳｎ−Ｃｕ系のはんだを用いることとしたが、近年高温動作対応の接合構造として採用されているＡｇ焼結による接合や接合性を考慮した金（Ａｕ）−Ｓｎ系はんだを用いることとしてもよい。
【００２８】
実施の形態３．
上述した実施の形態１又は２においては、枠形状の低熱膨張材６Ａ又は６Ｄを用いることとしたが、これに限定されず、他の形状の低熱膨張材を用いることもできる。特に、ゲート電極が素子の中央に配置されるＩＧＢＴ等においては、ＩＧＢＴの裏面の発熱分布は素子中央の発熱量が少ないドーナツ状の発熱分布となるため、ＩＧＢＴの裏面の発熱分布に対応するように素子中央に低熱膨張材６Ｅ又は６Ｆを配置することしてもよい。そこで、実施の形態３として、低熱膨張材６Ｅ又は６Ｆを用いる場合について、以下で説明する。
【００２９】
図８は本実施の形態３にかかる電力用半導体装置の部分上面図であり、図９は本実施の形態３において半導体素子として用いるＩＧＢＴ１Ｂの部分上面図であり、図１０は低熱膨張材６Ｅの部分上面図であり、図１１は低熱膨張材６Ｄの部分上面図である。ここで、図８において示される破線はＩＧＢＴ１Ｂの裏側に存在する低熱膨張材６Ｅを図示しており、図１０及び図１１における破線はＩＧＢＴ１Ｂの平面位置を示している。図８ないし図１１において、図１ないし図７と同一の符号を付けたものは、同一または対応する構成を示しており、以下において、その説明は省略する。なお、実施の形態３は、実施の形態１との関係において、半導体素子としてＩＧＢＴ１Ｂを用いる点及び低熱膨張材６Ｅ又は６Ｆを用いる点で相違するため、当該相違部分について説明し、同一または対応する部分についての説明は省略する。
【００３０】
図８において、インバーよりなる低熱膨張材６Ｅは、幅１ｍｍｍ厚み２００μｍのＮｉめっきされたＸ形状の部材であり、ＩＧＢＴ１Ｂの対角線２方向に沿って配置されている。低熱膨張材６ＥはＩＧＢＴ１Ｂの裏面とＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ４ではんだ付けされるとともに、回路基板３の主面とはんだ付けされている。また、アルミニウムワイヤ５は、低熱膨張材６Ｅが設置された領域上を除く位置で、ＩＧＢＴ１Ｂの表面に設けられた電極に接合されている．
【００３１】
図９において、ＩＧＢＴ１Ｂの外周部には終端構造７が設けられており、ＩＧＢＴ１Ｂ
の表面中央部にはゲート電極８とゲート配線９が設けられている。そのため、ＩＧＢＴ１Ｂの主面は、終端構造７の領域に加えて、ゲート電極８及びゲート配線９直下の領域においても発熱量が少なくなるため、ＩＧＢＴ１Ｂの主面の発熱分布はドーナツ形状となる。
【００３２】
また、図１０において低熱膨張材６Ｅの形状を示しているが、低熱膨張材６Ｅに代えて、ＩＧＢＴ１Ｂのゲート電極８及びゲート配線９の位置に対応するように、図１１に示す低熱膨張材６Ｆを用いることとしてよい。すなわち、低熱膨張材６Ｆは、ＩＧＢＴ１Ｂの対向する二辺とゲート配線９に沿うような形状となっている。さらに、実施の形態１又は２と同様に、ＩＧＢＴ１Ｂの終端構造７に沿った枠形状の低熱膨張材を組み合わせることとしてもよい。
【００３３】
このような構成により、熱膨張差によって生じるＩＧＢＴ１Ｂにかかる応力は素子の中央が一番高くなるところ、素子中央からの距離が長い対角線方向に低熱膨張材６Ｅ又は６Ｆを配置したことにより、はんだ層内で素子中央に向かう熱変形を拘束することができるためＩＧＢＴ１Ｂの応力を低減することができる。また、ＩＧＢＴ１Ｂの裏面においてゲート電極８及びゲート配線９の直下の領域は他の領域と比較して発熱量が小さくなる。そのため、熱伝導率の低い低熱膨張材６Ｅ又は６Ｆはゲート電極８及びゲート配線９の位置に対応するように配置することにより、ＩＧＢＴ１Ｂの裏面の発熱分布に対応して、ＩＧＢＴ１Ｂの裏面と低熱膨張材６Ｅ又は６Ｆの表面を接合することができるので、電力用半導体装置全体としての放熱性の低下をより効果的に抑制することができる。
【００３４】
また、半導体素子の直下に大きなはんだボイドが存在すると、特に半導体素子が薄い場合に、はんだボイド上にアルミワイヤ５を接合する際のダメージによる製品不良率の増加が懸念されるとともに、素子に大電流を通電する際にはんだボイド上で温度が急上昇し最悪の場合には素子が動作しなくなるため、Ｘ線検査等によって半導体素子の直下、特にアルミワイヤ５の直下におけるはんだボイドの有無を検査する必要がある。ここで、はんだ層が多層になると、どの層にはんだボイドが存在するのかを判別するのが困難となる場合や、Ｘ線の透過性が悪化しはんだボイドの認識が難しくなる場合が存在した。
【００３５】
しかし、本実施の形態では、アルミワイヤ５を低熱膨張材６Ｅの配置された領域上を除く位置で接合することで、アルミワイヤ５直下のはんだ層は多層となることがないため、はんだ層が多層となった場合と比較してＸ線検査等によるはんだボイドの検査が容易となり、アルミワイヤ５の接合時におけるダメージの発生を抑制することができる。さらに、ＩＧＢＴ１Ｂを断続的に通電することで発生する温度変化については、熱伝導率の低い低熱膨張材６Ｅが配置された領域上が最も大きくなるが、アルミワイヤ５の接合部は低熱膨張材６Ｅが配置された領域以外の領域上に位置するため、ＩＧＢＴ１Ｂの通電による温度変化に対するアルミワイヤ５の接合部の信頼性を向上させることができる。
【００３６】
また、素子の中央にゲート電極９を有する半導体素子においては、図１２に示すＩＧＢＴ１Ｃのように、ゲート配線９を複数備えるものも存在する。このような半導体素子を用いる場合には、図１３に示す低熱膨張材６Ｇを用いることができる。なお、図１３において、破線はＩＧＢＴ１Ｃの平面位置を示している。低熱膨張材６Ｇは、ＩＧＢＴ１Ｃの対向する二辺と複数のゲート配線９に沿うような形状となっている。これにより、ＩＧＢＴ１Ｃの裏面の発熱分布に対応するように、ＩＧＢＴ１Ｃの裏面と低熱膨張材６Ｅの表面とを接合することができるため、電力用半導体装置の放熱性の低下を効果的に抑制することができる。
【００３７】
なお、本発明は、発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせることや、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ  ＩＧＢＴ  
２  ＦＷＤ
３  回路基板
３Ａ  ベース
３Ｂ  絶縁層
３Ｃ  回路パターン
４  はんだ
４Ａ  高液相線はんだ
４Ｂ  低液相線はんだ
５  アルミワイヤ
６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ、６Ｅ、６Ｆ、６Ｇ  低熱膨張材
７  終端構造
８  ゲート電極
９  ゲート配線
１００  電力用半導体装置
【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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