(57)【要約】  単一のケース（２）に複数のパッケージ（６，６）を収めた半導体装置の製造方法であって、第一の端子（１）を有するケース（２）を、その底部の開口部（３０）を下にして作業テーブル（３）に戴置し、第二の端子（４）を有するパッケージ（６，６）を、ケース（２）の開口部（３０）を通して作業テーブル（３）に戴置して、第一の端子（１）と第二の端子（４）の間に隙間（３１）を形成し、隙間（３１）に接合材料（７）を介装して第一の端子（１）と第二の端子（４）を電気接続する。
2013171946.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部にパワー半導体素子を搭載した複数のパッケージを、樹脂成型されたケース内部に配置した半導体装置を製造するに際し、
一端が内側底部に沿って引き出され前記パワー半導体素子と接続される第一の端子を有する前記ケースを、その底部の開口部を下にして作業テーブルに戴置し、
前記パワー半導体素子に接続された第二の端子を有する前記パッケージを、前記ケースの前記開口部を通して前記作業テーブルに戴置して、前記ケースの前記第一の端子と前記パッケージの前記第二の端子の間に隙間を形成し、
前記隙間に接合材料を介装して前記第一の端子と前記第二の端子を電気接続する
半導体装置の製造方法。
【請求項２】
内部にパワー半導体素子を搭載した複数のパッケージを、樹脂成型されたケース内部に配置した半導体装置を製造するに際し、
前記パワー半導体素子に接続された第二の端子を有する前記パッケージを、前記第二の端子が作業テーブルに沿って伸びるように前記作業テーブルに戴置し、
一端が内側で深さ方向の中間位置に沿って引き出され前記パワー半導体素子と接続される第一の端子を有する前記ケースを、その底部の開口部を下にして前記パッケージに被せて前記作業テーブルに戴置して、前記ケースの前記第一の端子と前記パッケージの前記第二の端子の間に接合材料を介装して前記第一の端子と前記第二の端子を電気接続する
半導体装置の製造方法。
【請求項３】
内部にパワー半導体素子を搭載した複数のパッケージを、樹脂成型されたケース内部に配置した半導体装置を製造するに際し、
一端が内側で深さ方向に引き出され前記パワー半導体素子と接続される第一の端子を有する前記ケースを、その底部の開口部を下にして作業テーブルに戴置し、
前記パワー半導体素子に接続され前記ケースの深さ方向に引き出された第二の端子を有する前記パッケージを、前記ケースの前記開口部を通して前記作業テーブルに戴置して、前記ケースの前記第一の端子と前記パッケージの前記第二の端子を接触させるとともに電気的に接合する
半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記第一の端子と前記第二の端子を、接合材料としてＳｎ系のはんだを加熱溶融させて接合することを特徴とする
請求項１または請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記第二の端子にはＳｎを主成分とするめっきが施されていることを特徴とする
請求項１または請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記第一の端子と前記第二の端子を、かしめまたは超音波接合によって接合することを特徴とする
請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記パッケージは、前記ケースの深さ方向に沿って前記作業テーブルから離間する方向に引き出された第三の端子が設けられており、前記パッケージを前記作業テーブルに載置する前あるいは後に、前記パワー半導体素子に駆動信号を出力する回路が構築されている制御基板を、第三の端子に電気接続する
請求項１〜請求項３の何れかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記第一の端子，前記第二の端子の何れかが、ＣｕまたはＣｕ合金からなることを特徴とする
請求項１〜請求項３の何れかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
内部にパワー半導体素子を搭載した複数のパッケージを、樹脂成型されたケース内部に配置した半導体装置であって、
内部に搭載した前記パワー半導体素子に接続された第二の端子を有するパッケージと、
底部に前記パッケージの一部が露出する開口部が形成され、一端が内側底部に沿って引き出され前記第二の端子と接続される第一の端子を有するケースと、
前記ケースの前記第一の端子と前記パッケージの前記第２の端子との間の前記ケースの底部に沿った方向の隙間に介装されて前記第一の端子と前記パッケージの前記第２の端子を電気接続する接合材料と
を設けた半導体装置。
【請求項１０】
内部にパワー半導体素子を搭載した複数のパッケージを、樹脂成型されたケース内部に配置した半導体装置であって、
内部に搭載した前記パワー半導体素子に接続された第二の端子を有するパッケージと、
底部に前記パッケージの一部が露出する開口部が形成され、一端が内側で深さ方向の中間位置に沿って引き出され前記第二の端子と接続される第一の端子を有するケースと、
前記ケースの第一の端子と前記パッケージの前記第２の端子との間の前記ケースの底部に沿った方向の隙間に介装されて前記第一の端子と前記パッケージの前記第２の端子を電気接続する接合材料とを設けた
半導体装置。
【請求項１１】
内部にパワー半導体素子を搭載した複数のパッケージを、樹脂成型されたケース内部に配置した半導体装置であって、
内部に搭載した前記パワー半導体素子に接続された第二の端子を有するパッケージと、
底部に前記パッケージの一部が露出する開口部が形成され、一端が内側で深さ方向に引き出され前記パワー半導体素子と接続される第一の端子を有するケースと
を設け、かつ前記パッケージの前記第二の端子が、前記ケースの前記第一の端子に沿って前記深さ方向に延設されて前記第一の端子に接触すると共に、かしめまたは超音波接合によって前記第一の端子と前記第二の端子が電気接続されている
半導体装置。
【請求項１２】
前記パッケージは、前記ケースの深さ方向に沿って前記作業テーブルから離間する方向に引き出された第三の端子が設けられており、前記パワー半導体素子に駆動信号を出力する回路が構築されている制御基板が、前記第三の端子に電気接続されている
請求項９〜請求項１１の何れか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、スイッチング素子などのパワーデバイスを含み、インバータ等電力変換用途で使用される半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光発電システムのパワーコンディショナーや、モーターの回転制御に使用されるパワーデバイスは、実装面積の削減、半導体素子間距離の短縮による性能向上、ユーザー側の設計負荷低減を目的として、複数のパワーデバイスを一つのパッケージに収めたモジュール化された製品が増加している。【０００３】
１パッケージ化された製品はパワーモジュールと呼ばれる。このパワーモジュールには、スイッチングを行うＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）のようなパワー半導体素子が複数個搭載されている。そのパワー半導体素子を駆動する複数のドライバ素子を搭載し、必要な場合にはさらに複数の受動素子を同時に内蔵して、パワー半導体の駆動・保護機能を持たせたモジュールは、特にＩＰＭ（Intelligent Power Module）と呼称され、市場を伸ばしている。【０００４】
このパワーモジュールの構造は、インサートケースと呼ばれる樹脂成型された枠体に、セラミック基板上に接合されたパワー半導体素子を配置し、Ａｌなどの金属ワイヤーでケースの端子とパワー半導体素子の表面を接続した後、それらをシリコーンゲルでポッティングし、一括封止する製造方法が一般的である。【０００５】
しかしながら、モジュールサイズや構造によっては、インサートケース裏面に取り付けられた放熱板が反ってしまい、裏面の平坦性を確保することが困難になる場合がある。この場合、放熱グリスを介してパワーモジュールをヒートシンクに取り付けると、放熱グリスの厚みが場所によってばらついてしまい、厚みが大きい部分は放熱効率が著しく低下してしまうため、パワーモジュールが熱破壊に至る可能性がある。【０００６】
この問題に対しての対策が特許文献１に開示されている。【０００７】
図１０（ａ），図１０（ｂ）は、特許文献１に記載された半導体装置１００の平面図である。図１０（ｂ）は図１０（ａ）の断面図である。【０００８】
半導体装置１００は、ケース１０１と、少なくとも２つ以上のパッケージ１０２を含む。ケース１０１は、樹脂成型された枠体で形成され、外部端子１０３、出力端子１０４が設けられている。ケース１０１の四隅には、ヒートシンク（図示せず）と接続するための、ねじ穴１０５が設けられている。パッケージ１０２は、例えばＣｕからなる金属ブロック１０６を含む。金属ブロック１０６の裏面には、セラミック等の絶縁基板１１４が固定されている。金属ブロック１０６の上には、金属のリードフレーム１０７を介してパワー半導体素子１０８が固定されている。パワー半導体素子１０８には、例えば、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴが用いられる。また、パワー半導体素子１０８の表面電極は、Ａｌ等からなる直径３００μｍ程度のボンディングワイヤー１０９によりインナーリード１１０に接続されている。【０００９】
さらに、金属ブロック１０６やパワー半導体素子１０８は、リードフレーム１０７を一部露出させるようにエポキシ樹脂等のモールド樹脂１１１により封止されている。【００１０】
モールド樹脂１１１からは、パワー端子１１２と制御端子１１３が引き出されて露出している。パワー端子１１２は、ケース１０１の外部端子１０３や出力端子１０４と接続されている。制御端子１１３はモールド樹脂１１１からパワー端子１１２が引き出されている辺とは別の辺から引き出されている。【００１１】
この半導体装置の製造方法について、簡単に説明する。【００１２】
まず、金属ブロック１０６の上にリードフレーム１０７を固定し、さらにその上にパワー半導体素子１０８を配置した後に、トランスファーモールド装置を用いて樹脂成型する。つまり、金属ブロック１０６等が固定されたリードフレーム１０７を金型内に配置した後、エポキシ樹脂を金型に流し込んで、モールド樹脂１１１を形成する。【００１３】
この場合、金属ブロック１０６の裏面は、前記金型から露出させておく。モールド樹脂１１１を形成した後に、金属ブロック１０６を前記金型から取り出し、はんだ等を用いて、金属ブロック１０６の裏面に絶縁基板１１４を接合する。【００１４】
最後に、リードフレーム１０７の不要な部分を除去し、リードフレーム１０７を所望の形状に加工してパワー端子１１２と制御端子１１３を形成する。これで、パッケージ１０２の組み立てが終了する。【００１５】
次に、図１０（ａ）と図１０（ｂ）に示すように、ケース１０１の中にパッケージ１０２を入れて、外部端子１０３、出力端子１０４とパワー端子１１２とを接続する。この接続には、例えば半田などが用いられる。パワー端子１１２と外部端子１０３、出力端子１０４とを接続することにより、パッケージ１０２がケース１０１の中に固定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特許第４１７７５７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
従来の半導体装置では、以下のような観点から課題を有している。【００１８】
先行文献には記載されていないが、半導体装置１００の実使用時には、パッケージ１０２に具備されている制御端子１１３へ、パワー半導体素子１０８を制御するための制御基板が実装される。また、前述のようにこの制御基板はパワー半導体素子１０８の駆動・保護を行うこと、これらの配線距離が短い方がインダクタンスの低減に繋がるなど電気的に有利になることから、パワーモジュールの内部へ制御基板を取り込んだ形態が主流となりつつある。【００１９】
この場合、パッケージ１０２をケース１０１に組み込んだ後、制御基板を各パッケージ１０２の制御端子１１３へ実装し、ねじ穴１０５からヒートシンクへ半導体装置１００をねじ留めして固定することになる。先行文献では、パッケージ１０２のそれぞれの高さばらつきは考慮していないので、半導体装置１００をヒートシンクへねじ止めした際にパッケージ１０２の底面高さがばらついていると、ヒートシンクへ密着させた時にパッケージ１０２へかかる反力に差が発生する。【００２０】
従来技術においても、各パッケージ１０２の裏面には放熱グリスを塗布するが、例えばケース１０１の裏面よりパッケージ１０２の裏面が突出していれば、取り付けの際に浮き上がる力が相対的に大きく発生するが、ケース１０１の裏面より引っ込んでいると、ヒートシンクとパッケージ１０２の間に隙間が存在するため、放熱グリスを介しても受ける反力は弱まる。その場合、制御基板はすでにはんだで実装されており、その高さが固定されているため、ケース１０１の裏面より突出しているパッケージ１０２の制御端子１１３の接合部へ過大な応力が発生し、はんだが破断することにより導通不良を引き起こす危険性がある。【００２１】
つまり、各パッケージ１０２のケース１０１に対する高さがばらついていると、ケース１０１の底面よりも、最もヒートシンクへの取り付け面側に突出しているパッケージ１０２は最も反力を受け、半導体装置１００の取り付け時にパッケージ１０２の変位量も最も大きくなるため、制御端子１１３の接合部に最も応力が接合部に発生する。【００２２】
更に、以下のような課題を有している。【００２３】
前述のように、通常半導体装置１００をヒートシンクへ固定する際には、放熱グリスを底面に塗布し、接触性を向上させる。あらかじめ放熱グリスを厚めに塗布しておき、ねじ止めの際の押圧力とトルク管理によって所望の厚みを達成する。しかし、パッケージ１０２の高さがばらつくと、前述のようにパッケージ１０２が受ける応力も変化するため、各パッケージ１０２底面に存在する放熱グリス厚みもばらついてしまい、放熱性に大きな影響を及ぼす。例えば放熱グリスの熱伝導率は１Ｗ／ｍ・℃以下であり、１００μｍ以下の厚みで使用される。しかし高さばらつきが発生しパッケージ１０２の放熱グリス厚みが２００μｍになってしまうと、パワー半導体素子１０８からヒートシンクまでの熱抵抗が２倍以上に上がってしまう可能性があり、定格以上の温度に達するとパワー半導体素子１０８は熱破壊を起こし、動作不良となってしまう恐れがある。【００２４】
近年ではパワー半導体素子の材料として従来のＳｉ（シリコン）からＳｉＣ（シリコンカーバイド）やＧａＮ（ガリウムナイトライド）という新規材料を用いたパワー半導体素子が実用化されつつある。これらの新規デバイスは従来の動作温度１５０℃から２００℃を越えた動作が可能となるため、放熱機構を簡略化した構造により小型化が期待されている。つまり、ヒートシンクを従来よりも小型化して、セット全体の小型化に貢献できる。【００２５】
しかしながら、ヒートシンクが小さくなると半導体装置１００を含む構造体全体として、熱抵抗に対する放熱グリスの占める割合が大きくなるため、高さばらつきによる影響度もまた大きくなる。今後、放熱グリスの厚み管理は重要度を増すものと見られている。【００２６】
本発明はこのような課題を鑑みてなされたものであり、ケースに搭載される各パッケージの熱抵抗ばらつきを低減でき、さらには制御基板と制御端子の接合部への過剰な応力を抑制できる半導体装置の製造方法と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】
【００２７】
本発明の請求項１記載の半導体装置の製造方法は、内部にパワー半導体素子を搭載した複数のパッケージを、樹脂成型されたケース内部に配置した半導体装置を製造するに際し、一端が内側底部に沿って引き出され前記パワー半導体素子と接続される第一の端子を有する前記ケースを、その底部の開口部を下にして作業テーブルに戴置し、前記パワー半導体素子に接続された第二の端子を有する前記パッケージを、前記ケースの前記開口部を通して前記作業テーブルに戴置して、前記ケースの前記第一の端子と前記パッケージの前記第二の端子の間に隙間を形成し、前記隙間に接合材料を介装して前記第一の端子と前記第二の端子を電気接続することを特徴とする。【００２８】
また、本発明の請求項２記載の半導体装置の製造方法は、内部にパワー半導体素子を搭載した複数のパッケージを、樹脂成型されたケース内部に配置した半導体装置を製造するに際し、前記パワー半導体素子に接続された第二の端子を有する前記パッケージを、前記第二の端子が作業テーブルに沿って伸びるように前記作業テーブルに戴置し、一端が内側で深さ方向の中間位置に沿って引き出され前記パワー半導体素子と接続される第一の端子を有する前記ケースを、その底部の開口部を下にして前記パッケージに被せて前記作業テーブルに戴置して、前記ケースの前記第一の端子と前記パッケージの前記第二の端子の間に接合材料を介装して前記第一の端子と前記第二の端子を電気接続することを特徴とする。【００２９】
また、本発明の請求項３記載の半導体装置の製造方法は、内部にパワー半導体素子を搭載した複数のパッケージを、樹脂成型されたケース内部に配置した半導体装置を製造するに際し、一端が内側で深さ方向に引き出され前記パワー半導体素子と接続される第一の端子を有する前記ケースを、その底部の開口部を下にして作業テーブルに戴置し、前記パワー半導体素子に接続され前記ケースの深さ方向に引き出された第二の端子を有する前記パッケージを、前記ケースの前記開口部を通して前記作業テーブルに戴置して、前記ケースの前記第一の端子と前記パッケージの前記第二の端子を接触させるとともに電気的に接合することを特徴とする。【００３０】
本発明の請求項９記載の半導体装置は、内部にパワー半導体素子を搭載した複数のパッケージを、樹脂成型されたケース内部に配置した半導体装置であって、内部に搭載した前記パワー半導体素子に接続された第二の端子を有するパッケージと、底部に前記パッケージの一部が露出する開口部が形成され、一端が内側底部に沿って引き出され前記第二の端子と接続される第一の端子を有するケースと、前記ケースの前記第一の端子と前記パッケージの前記第２の端子との間の前記ケースの底部に沿った方向の隙間に介装されて前記第一の端子と前記パッケージの前記第２の端子を電気接続する接合材料とを設けたことを特徴とする。【００３１】
また、本発明の請求項１０記載の半導体装置は、内部にパワー半導体素子を搭載した複数のパッケージを、樹脂成型されたケース内部に配置した半導体装置であって、内部に搭載した前記パワー半導体素子に接続された第二の端子を有するパッケージと、底部に前記パッケージの一部が露出する開口部が形成され、一端が内側で深さ方向の中間位置に沿って引き出され前記第二の端子と接続される第一の端子を有するケースと、前記ケースの第一の端子と前記パッケージの前記第２の端子との間の前記ケースの底部に沿った方向の隙間に介装されて前記第一の端子と前記パッケージの前記第２の端子を電気接続する接合材料とを設けたことを特徴とする。【００３２】
また、本発明の請求項１１記載の半導体装置は、内部にパワー半導体素子を搭載した複数のパッケージを、樹脂成型されたケース内部に配置した半導体装置であって、内部に搭載した前記パワー半導体素子に接続された第二の端子を有するパッケージと、底部に前記パッケージの一部が露出する開口部が形成され、一端が内側で深さ方向に引き出され前記パワー半導体素子と接続される第一の端子を有するケースとを設け、かつ前記パッケージの前記第二の端子が、前記ケースの前記第一の端子に沿って前記深さ方向に延設されて前記第一の端子に接触すると共に、かしめまたは超音波接合によって前記第一の端子と前記第二の端子が電気接続されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、作業テーブルの上に載置したケースの第一の端子と、前記作業テーブルの上に載置したパッケージの第二の端子との間に隙間を形成し、前記作業テーブルと平行に形成されている前記隙間に接合材料を介装して第一の端子と前記第二の端子を電気接続することにより、ケースに搭載されるパッケージの底面高さを揃えることができ、各パッケージの熱抵抗ばらつきを低減できる。さらに、制御基板実装部にかかる過大な応力を抑制することが出来る。【００３４】
また、本発明によれば、深さ方向にケースから引き出された第一の端子と、前記深さ方向にパッケージから引き出された第２の端子とを、接触させるように、作業テーブルの上に前記ケースと前記パッケージを載置し、接触している第一の端子と第２の端子を、互いにかしめまたは超音波接合によって電気接続することにより、ケースに搭載されるパッケージの底面高さを揃えることができ、各パッケージの熱抵抗ばらつきを低減できる。さらに、制御基板実装部にかかる過大な応力を抑制することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】図１は（ａ）本発明の実施の形態１における半導体装置を示す断面図と（ｂ）その平面図
【図２】図２は（ａ）〜（ｄ）は同実施の形態における半導体装置の製造工程図
【図３】図３は同実施の形態におけるパッケージの回路図
【図４】図４は（ａ）同実施の形態におけるパッケージの内部構造を示す概略図と（ｂ）パワー半導体素子の平面図
【図５】図５は同実施の形態におけるパッケージの断面図
【図６】図６は本発明の実施の形態２における半導体装置の断面図
【図７】図７（ａ）〜（ｄ）は同実施の形態における半導体装置の製造工程図
【図８】図８は本発明の実施の形態３における半導体装置の断面図
【図９】図９（ａ）〜（ｃ）は同実施の形態における半導体装置の製造工程図
【図１０】図１０（ａ）は従来の実施の形態における半導体装置を示す断面図と（ｂ）その平面図
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、本発明の半導体装置の製造方法を各実施の形態に基づいて説明する。
【００３７】
（実施の形態１）
図１（ａ）（ｂ）は実施の形態１における半導体装置１００の断面図と平面図である。
【００３８】
枠体として形成されているケース２の中に、パッケージ６が複数配置されている。ケース２は、樹脂成型された枠体であり、正極端子１７、負極端子１８、出力端子１９が設けられている。
【００３９】
なお、各パッケージ６の正極および負極にあたる第二の端子４と、ケース２の正極端子１７，負極端子１８とを接続するために、図１（ａ）（ｂ）には図示しないが正極端子１７と負極端子１８は、ケース２の内部で分岐した形状となっている。
【００４０】
つまり、あらかじめ所望の形状に板金加工した端子を樹脂と同時に成型することで端子を埋め込んだ構造としている。
【００４１】
パッケージ６は、ケース２の底部に沿って伸びる第二の端子４の他に、ケース２の底部から深さ方向の上方に向かって折り曲げられた第三の端子５を有している。
【００４２】
ケース２の四隅には、ヒートシンクと接続するための、ねじ穴２０が設けられている。この実施の形態では、ケース２は、パッケージ６を３つ並べた構造をしているが、２つ以上のパッケージ６を有する半導体装置に対して本発明を適用することができる。また正極端子１７、負極端子１８、出力端子１９の位置関係についても本実施例のような形態で限定するものではない。
【００４３】
図２（ａ）〜図２（ｄ）は本発明の実施の形態１における半導体装置の製造工程を示している。
【００４４】
まず、図２（ａ）に示すように、表面がフラットな作業ステージ３の上に、ケース２を載置する。ケース２は、底部に開口部３０が形成されている矩形枠状である。ケース２には、一端がケース２の底部で露出し、他端がケース２の外部に引き出された第一の端子１が設けられている。第一の端子１は、ＣｕまたはＣｕを主材料とする合金で形成することができ、その表面に金属めっきを施しておいても良い。パワーモジュール分野では大電流を扱うため、電気抵抗が小さく、また熱伝導の良いＣｕの割合が高い材料を用いることが望ましい。さらにケース２は第一の端子１とともに樹脂によってインサート成型されたものを用いることができる。この時、樹脂は例えばＰＰＳ（Poly PhenyleneSulfide Resin）を用いると耐熱性と剛性に優れるため望ましい。
【００４５】
作業ステージ３は、例えば機械加工された金属製のステージによって形成できる。図示しないが、作業ステージ３にケース２の位置決め機構を設けておくと、作業性の面で望ましい。
【００４６】
この時、ケース２の底面と、作業ステージ３とは、略平行な状態であり、ケース２と作業ステージ３の間に存在する隙間は５０μｍ以下になるように調整しておくことが望ましい。これはケース２をねじで固定した際に、ケース２の材料である樹脂に割れが発生するのを抑制するためである。
【００４７】
次ぎに、図２（ｂ）に示すように、ケース２の内側で露出している作業ステージ３に、パッケージ６を載置する。更に、具体的には、ケース２には図１０（ａ）と同様に、複数個のここでは３個のパッケージ６を並べて配置できる大きさである。
【００４８】
この時、ケース２の内側にセットされた３個のパッケージ６の底面と作業ステージ３は略平行な状態であり、各パッケージ６と作業ステージ３の間に５０μｍ以下のギャップが存在しても問題無い。これはパワーモジュールを取り付けるヒートシンクの平面度が５０μｍ程度で平坦度が管理されるためで、作業ステージ３の平坦度をこのヒートシンクの平坦度にあわせておくと、実際の使用時にパッケージ６の底面との隙間を再現できる。
【００４９】
第二の端子４および第三の端子５は、ＣｕまたはＣｕを主材料とする合金で形成することが出来、その表面に金属めっきを施しておいても良い。第三の端子５は後の工程で制御基板に実装されるため、パッケージ６の外装めっきははんだ濡れ性の観点からＳｎ系の合金めっき、例えばＳｎ−Ｂｉめっきであることが望ましい。また膜厚は５μｍ以上あれば問題無い。
【００５０】
この図２（ｂ）に示した状態では、ケース２および各パッケージ６の底面がそれぞれ作業ステージ３に接地している状態で、ケース２の第一の端子１と各パッケージ６の第二の端子４との間には、隙間３１が生じている。これは、第一の端子１の接合面と第二の端子４の接合面の間にあえて距離をとることで、各パッケージ６の底面が作業ステージ３に必ず接触するようにするためである。この構成により、精度良くケース２の底面と各パッケージ６の底面を揃えることができる。
【００５１】
次ぎに、図２（ｃ）に示した工程では、第一の端子１と第二の端子４を、接合材料７を用いて電気的に接合する。接合材料７には、例えば、はんだやＡｇペーストを用いることができる。図２（ｂ）で説明したように、第一の端子１と第二の端子４には隙間３１が存在していることから、接合材料７をその隙間３１に配置させることが可能である。接合材料７としてはんだを用いた場合、接合時にはホットエアーやレーザーによる局所加熱によって、はんだを溶融させることになるが、液体となるため毛細管現象を利用して、接合部へ均一に接合材料７を行き渡らせることができるという利点を有する。
【００５２】
つまり、あえて第一の端子１と第二の端子４を離間させて配置することによって、接合品質を高め作業性を向上させることに繋がる。この離間させる距離は１０μｍ以上あれば接合可能であり、接合信頼性の観点からは１００μｍ程度の厚みを持つことが望ましい。
【００５３】
次ぎに図２（ｄ）に示した工程では、あらかじめスルーホールが設けられた制御基板８を、第三の端子５へ挿入し、電気的に接合する。このとき第三の端子５と制御基板８ははんだで接合することができるが、一般的に実装用としてＳｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだを用いることができる。図２（ｂ）に示した工程において、パッケージ６底面の高さをほぼ揃えることが出来ているため制御基板８の実装面もほぼ同一高さで実装できる。
【００５４】
このように本発明の実施の形態では、同一の平面を使用してケース２と各パッケージ６の底面高さを揃えているので、ヒートシンクへ取り付けた際にパッケージ６の底面にかかる反力を同一にすることが可能となり、各パッケージ６から取り出されている第三の端子５と制御基板８の接合部にかかる応力を抑制し、その信頼性を向上させることができる。
【００５５】
さらに、放熱グリスの厚みをパッケージ６の間で均一にできるため、熱抵抗も均一となり、放熱グリスばらつきによる半導体装置の熱破壊も抑制できる。
【００５６】
また本発明の実施の形態におけるケース２に組み込むパッケージ６の数は上記のように、２つ以上であることが前提である。この点に関して補足説明を述べる。
【００５７】
図３はパッケージ６内の回路図である。なお、パッケージ６の内部構造はこの形態に限定されない。
【００５８】
図４（ａ）（ｂ）は本発明の実施の形態におけるパッケージ６の内部平面構造を示す概略図である。
【００５９】
パッケージ６は、図３に示すようにパワー半導体素子９を２つ直列につないだ構成であり、正極端子、負極端子、出力端子を有する１相分のインバータとなっている。図４（ａ）に図示しているように、パワー半導体素子９はリードフレーム１０上で２箇所に搭載されているが、一方が正極側回路、他方が負極側回路となる。またそれぞれのオン・オフを切り替えるためのゲートが配置されている。例えばこのような回路構成をもつパッケージ６を３つ組み合わせることで三相交流用のインバータ回路を形成することができ、モーターの回転制御を司る回路になる。このように電力変換用途でのパワーモジュールはこの構成が１つの単位となって形成され、２つ以上のパッケージ６が組み合わさってモジュールとしての機能を果たすことになる。
【００６０】
図４（ａ）に示すように、リードフレーム１０上にはパワー半導体素子９が搭載されている。パワー半導体素子９は例えばＩＧＢＴであり、その場合、ダイオード９ｂも同時に搭載される。またパワー半導体素子９は接合材料（図示せず）でリードフレーム１０に接合されている。接合材料には例えばＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだなど金属系の熱伝導性の良い材料を用いるのが放熱性の観点から望ましい。
【００６１】
図４（ｂ）に示すように、パワー半導体素子９はその表面にソース電極１１とゲート電極１２を持ち、Ａｌ線１３でリードフレーム１０の端子と接合されている。この場合、パワー半導体素子９のドレイン電極は素子の裏面に当たる。またソース電極１２には数Ａ〜数百Ａの大電流が流れるため、溶断しない程度のＡｌ線１３を複数接合させる必要がある。Ａｌ線１３はワイヤー形状である必要はなく、箔状のＡｌリボンであっても良い。
【００６２】
一方、ゲート電極１２はソース電極１１と比較して制御用の小電流しか流れないため、電極面積も小さく、Ａｌ線１３はソース電極１１用のものよりも細い形状で構わない。例えば１５０ミクロン径のＡｌ線１３を用いることができる。さらにこれらは、外部に引き出される第二の端子４と第三の端子５を残してモールド樹脂１４で封止されている。モールド樹脂１４には例えばトランスファーモールド用の熱硬化性のエポキシ樹脂を使用することができる。
【００６３】
図５はパッケージ６の断面図を示す。
【００６４】
リードフレーム１０の下面には絶縁層１５を挟んで、放熱板１６が配置されている。パワー半導体素子９から発生する熱はこの放熱板１６を通して外部へ放熱される。またパワー半導体素子９を含む回路は最大数百Ｖから１０００Ｖを超える電圧が発生するが、放熱板１６とリードフレーム１０は電気的に絶縁することが安全上求められるため絶縁層１５を中間層として使用する。絶縁層１５には放熱性と絶縁性を両立する樹脂を使用することが望ましい。放熱性を上げるために、アルミナや窒化ホウ素などの高熱伝導フィラーを用いることができる。
【００６５】
このように、制御基板８とパッケージ６の接続部に過大な応力をかけることなく、また各パッケージ６の熱抵抗のばらつきを低減し、半導体装置の信頼性向上に対して有効である。
【００６６】
この実施の形態１では、図２（ｄ）に示した工程において、制御基板８を第三の端子５に取り付けたが、パッケージ６を作業ステージ３に載置する図２（ｂ）に示した工程において、制御基板８を第三の端子５に既に取り付け済みのパッケージ６を作業ステージ３に載置して製造することもできる。
【００６７】
（実施の形態２）
図６と図７（ａ）〜図７（ｄ）は本発明の実施の形態２を示す。
【００６８】
実施の形態１では、パッケージ６の第二の端子４が、ケース２の側の第一の端子１の上面に接合材料７によって接続されていたが、この実施の形態２の半導体装置では、ケース２の側の第一の端子１の下面に接合材料７によって接続されている点が、実施の形態１とは異なっている。その他は実施の形態１と同じである。
【００６９】
図６に示すように、実施の形態２におけるケース２は、ケース内側で深さ方向の中間に仕切り壁３２が形成されている。仕切り壁３２の中央には開口部３３が形成されている。第一の端子１の一端は、ケース２の仕切り壁３２の下面に露出して設けられている。第二の端子４は第一の端子１よりもヒートシンクの取り付け面へ近い側、つまり第二の端子４は第一の端子１よりも下方へ位置している。
【００７０】
図７（ａ）〜図７（ｄ）は製造工程を示している。
【００７１】
先ず、図７（ａ）に示すように、パッケージ６を作業ステージ３に戴置するとともに、第二の端子４の上面に、接合材料７としてのはんだペーストなどを塗布する。
【００７２】
次ぎに、図７（ｂ）に示すように、ケース２を作業ステージ３に戴置してパッケージ６の上にケース２を配置する。これによって、パッケージ６の第二の端子４の上に、ケース２の第一の端子１が接合材料７を介して接触する。
【００７３】
図７（ｃ）では、あらかじめスルーホールが設けられた制御基板８を、パッケージ６の第三の端子５へ挿入し、電気的に接合する。このとき第三の端子５と制御基板８ははんだで接合することができるが、一般的に実装用としてＳｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだを用いることができる。
【００７４】
図７（ｄ）では、加熱冷却して接合材料７を介して第一の端子１と第二の端子４をはんだ接合して半導体装置１００が完成する。
【００７５】
このように、図７（ｂ）に示した工程において、ケース２とパッケージ６の底面を揃えることができる。かつ、パッケージ６底面の高さをほぼ揃えることが出来ているため制御基板８の実装面もほぼ同一高さで実装できる。したがって、制御基板８とパッケージ６の接続部に過大な応力をかけることなく、また各パッケージ６の熱抵抗のばらつきを低減し、半導体装置の信頼性向上に対して有効である。
【００７６】
この実施の形態２では、図７（ｃ）に示した工程において、制御基板８を第三の端子５に取り付けたが、ケース２の仕切り壁３２に形成されている開口部３３の幅Ｗ１よりも、制御基板８の幅Ｗ２が狭い場合には、図７（ａ）の工程において、制御基板８を第三の端子５に既に取り付け済みのパッケージ６を作業ステージ３に載置して製造することもできる。
【００７７】
（実施の形態３）
図８と図９（ａ）〜図９（ｃ）は本発明の実施の形態３を示す。
【００７８】
実施の形態１，２では、ケース２の底面と平行に伸びている第一の端子１とパッケージ６の底面と平行に伸びている第二の端子４が製造の途中では接触しないように、第一の端子１と第二の端子４の間に隙間３１を形成して離間させていたが、この実施の形態３では、第一の端子１と第二の端子４の向きを、それぞれの底面とは垂直方向に第一の端子１と第二の端子４の向きを変更することで、第一の端子１と第二の端子４が直接に接触してもケース２とパッケージ６の底面を揃えることが可能になる。その他は実施の形態１，２と同じである。
【００７９】
図８に示すように、第一の端子１の一端は、ケース２の内側に露出すると共にケース２の深さ方向に沿って上方に折り曲げられている。第一の端子１の他端は、ケース２を通って外部に引き出されている。パッケージ６から水平に引き出された第二の端子４は、その先端が、ケース２の深さ方向に沿って上方に折り曲げられて、第一の端子１に面接触している。この互いに面接触した第一の端子１と第二の端子４は、例えば、直接にかしめる、または超音波接合によって電気接続されている。
【００８０】
あらかじめスルーホールが設けられた制御基板８は、パッケージ６から引き出されてケース２の深さ方向に沿って上方に折り曲げられている第三の端子５へ挿入し、はんだで接合されている。
【００８１】
図９（ａ）〜（ｃ）は製造工程を示している。
【００８２】
先ず、図９（ａ）に示すように、ケース２を作業ステージ３に戴置する。
【００８３】
次ぎに、図９（ｂ）に示すように、ケース２の内側の作業ステージ３にパッケージ６を載置する。互いに面接触した第一の端子１と第二の端子４は、例えば、直接にかしめる、または超音波接合によって電気接続する。
【００８４】
第一の端子１および第二の端子４、第三の端子５はすべて同じ方向に取り出されている。すなわち、これらの端子は、ケース２の底面およびパッケージ６の裏面に対して垂直方向に配置されている。
【００８５】
図９（ｃ）では、第三の端子５へ制御基板８を挿入し、はんだ接合する。
【００８６】
このような構造をとった場合、実施の形態１および２のように第一の端子１と第二の端子４を離間させる必要がなくなる。つまり、実施の形態１および２ではケース２とパッケージ６の底面を揃えることを目的として、それぞれの底面と平行に伸びている第一の端子１と第二の端子４が接触しないように離間させていたが、この実施の形態３では、底面とは垂直方向にそれぞれの端子の向きを変更することで、第一の端子１と第二の端子４が接触していてもケース２とパッケージ６の底面を揃えることが可能になる。
【００８７】
なお、ケース２の内側にパッケージ６を差し込んだが、作業テーブル３にパッケージ６を先に載置し、その後にパッケージ６の外側にケース２を被せることによっても製造できる。
【００８８】
この実施の形態３では、第１の端子１をケース２の上方に向かって引き出し、パッケージ６の第２の端子４も第１の端子１に沿ってケース２の上方に向かって折り曲げられていたが、第１の端子１をケース２の下方に向かって引き出し、パッケージ６の第２の端子４も第１の端子１に沿ってケース２の下方に向かって折り曲げて半導体装置を製造することもできる。第１の端子１と第２の端子４を互いにかしめまたは超音波接合によって接合する作業は、図８のように、第１の端子１，第２の端子４がケース２の上方に向かって折り曲げられている場合の方が、作業性が良好である。
【００８９】
特に矛盾のない点において、本実施の形態１〜３は同時に実施することが可能である。その場合も、作業テーブルの同一平面を使用してケースとパッケージを戴置するため、ケースに搭載されるパッケージの底面高さを揃えることで制御基板８にかかる過大な応力を抑制し、ヒートシンクへ取り付ける際に使用する放熱グリスの厚みをパッケージ間で揃え熱抵抗のばらつきを抑制するという効果を得ることができることには変わりない。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本発明は、インバータ等電力変換用途で使用される半導体装置の高性能化に寄与する。
【符号の説明】
【００９１】
１    第一の端子
２    ケース
３    作業テーブル
４    第二の端子
５    第三の端子
６    パッケージ
７    接合材料
８    制御基板
９    パワー半導体素子
１０    リードフレーム
１１    ソース電極
１２    ゲート電極
１３    Ａｌ線
１４    モールド樹脂
１５    絶縁層
１６    放熱板
１７    正極端子
１８    負極端子
１９    出力端子
２０    ねじ穴
３０    ケースの底部の開口部
３１    ケースの第一の端子とパッケージの第二の端子の間の隙間
３２    ケース内側で深さ方向の中間に形成された仕切り壁
３３    仕切り壁の中央の開口部
【図１】
2013171946.tif 000003
【図２】
2013171946.tif 000004
【図３】
2013171946.tif 000005
【図４】
2013171946.tif 000006
【図５】
2013171946.tif 000007
【図６】
2013171946.tif 000008
【図７】
2013171946.tif 000009
【図８】
2013171946.tif 000010
【図９】
2013171946.tif 000011
【図１０】
2013171946.tif 000012
【国際調査報告】
2013171946.tif 000013
2013171946.tif 000014
2013171946.tif 000015
2013171946.tif 000016