(57)【要約】      （修正有）【課題】電力用半導体素子とリードフレームとの接合部材の形状安定性を向上した電力用半導体装置を提供する。【解決手段】電力用半導体素子２と、電力用半導体素子の表面電極４に対向して配設された貫通穴６を有するインナーリード５と、上記貫通穴及び上記表面電極を接合するはんだ３とを備えた電力用半導体装置１０１であって、インナーリードと表面電極との隙間の高さをｈ、及び上記貫通穴の幅をＬ１とし、ｈ＜（Ｌ１／２）の関係を有するように構成した。【選択図】図１Ｂ
2011086743.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、上記半導体素子の表面電極に対向して配設された貫通穴を有する導体と、上記貫通穴及び上記表面電極を接合する導電性接合材とを備えた電力用半導体装置であって、
上記導体と上記表面電極との隙間の高さをｈ、及び上記貫通穴の幅をＬ１とし、
ｈ＜（Ｌ１／２）の関係を有することを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項２】
上記貫通穴の幅と同方向における上記表面電極の幅をＬ２とし、
Ｌ２＞Ｌ１＞２ｈの関係を有する、請求項１記載の電力用半導体装置。
【請求項３】
貫通穴を有する導体を半導体素子の表面電極に対向して配設し、上記貫通穴と上記表面電極とをはんだ付けして接合する電力用半導体装置の製造方法であって、
上記導体と上記表面電極との隙間の高さをｈ、上記貫通穴の幅をＬ１、及び、上記貫通穴の幅と同方向における上記表面電極の幅をＬ２とし、上記はんだ付けを行うときのはんだと上記表面電極とのなす濡れ角θは、
ｈ＜（（Ｌ２／２）２−（Ｌ１／２）２＋（Ｒｃｏｓθ）２）１／２−Ｒｃｏｓθ  を満たすことを特徴とする電力用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、電力変換用半導体素子を内蔵する電力用半導体装置、及び該電力用半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電力用半導体装置では、例えば特許文献１に開示されるように、放熱板もしくはリードフレームのダイパッドに電力用半導体素子が固着されており、該電力用半導体素子の固着面と対向する面に存在する電力用半導体素子の電極と、該電極に重なって配置されたリードフレームとがはんだ付けされる。
【０００３】
また、特許文献１には、リードフレームと電力用半導体素子の電極との隙間にははんだが満たされることが開示され、及び、リードフレームにおいてはんだ付けされる接合部には、貫通穴が設けられており、電力用半導体素子とリードフレームとの間に生ずる熱応力を低減するよう作用することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１８２０７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したような従来の電力用半導体装置では、リードフレームと電力用半導体素子表面との隙間に対してリードフレームに設けた上記貫通穴が小さすぎる場合には、はんだ供給の際に、はんだが貫通穴の側壁に塗れただけで止まってしまい、電力用半導体素子表面まで届かないという現象が生じる可能性がある。このような現象が生じた場合には、リードフレームと電力用半導体素子とが電気的に接続されず、このような非接続を除外するための検査に時間を要する等の問題が生じてしまう。
即ち、従来の電力用半導体装置では、実際の量産で問題となるインナーリードと電力用半導体素子との間の隙間の変動に対する裕度等が低い場合も考えられる。
【０００６】
また、リードフレームにはんだが濡れ広がった場合に、供給したはんだの体積に対して、実現されるはんだ層の形状が不安定となるという懸念があった。即ち、上記貫通穴の側面ではんだの濡れが止まっている間は、フィレット形状は安定しているが、リードフレームの電力用半導体装置に対向する面にはんだが濡れたときには、フィレットの形状は不安定となる。
【０００７】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、電力用半導体素子とリードフレームとの接合部材の形状安定性を向上した電力用半導体装置、及び該電力用半導体装置の製造方法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】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の一態様における電力用半導体装置は、半導体素子と、上記半導体素子の表面電極に対向して配設された貫通穴を有する導体と、上記貫通穴及び上記表面電極を接合する導電性接合材とを備えた電力用半導体装置であって、上記導体と上記表面電極との隙間の高さをｈ、及び上記貫通穴の幅をＬ１とし、ｈ＜（Ｌ１／２）の関係を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の一態様における電力用半導体装置によれば、導体の貫通穴と表面電極との間にｈ＜（Ｌ１／２）の関係を有することで、貫通穴へのはんだ供給量のばらつきが大きい場合でも、接合材の濡れ広がり範囲を安定化することができ、接合材の形状安定化を図ることができる。また、接合材の濡れ拡がり性が良好か不良かにかかわらず、半導体素子の表面電極への濡れ性を確保することができ、またはんだボールの生成を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１Ａ】本発明の実施の形態１における電力用半導体装置の断面図である。
【図１Ｂ】図１Ａに示す封止樹脂の図示を省略した状態での断面図である。
【図２】図１Ａに示す電力用半導体装置の平面図であり、封止樹脂の図示を省略した図である。
【図３】図１Ａに示す電力用半導体装置において、インナーリードと表面電極とのはんだ付け状態を説明するための図である。
【図４】本発明の実施の形態２における電力用半導体装置において、インナーリードと表面電極とのはんだ付けを説明するための図である。
【図５】本発明の実施の形態３の電力用半導体装置におけるはんだ供給プロセスを説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の実施形態である電力用半導体装置、及び該電力用半導体装置の製造方法について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。
【００１２】
実施の形態１．
図１Ａに、実施の形態１における電力用半導体装置１０１の全体の断面図を示し、図１Ｂには、封止樹脂１０を除いた図を示している。また、図２には、封止樹脂１０を除いて電力用半導体装置１０１の平面図を示している。
電力用半導体装置１０１は、基本的構成として、電力変換用の電力用半導体素子２と、導体の一例に相当するインナーリード５と、導電性接合材の一例に相当するはんだ３とを備える。ここで、インナーリード５は、電力用半導体素子２の表面電極４に対向して配設され、また、表面電極４に対向する部分には貫通穴６を有する。はんだ３は、貫通穴６の側壁６ａと表面電極４との間に流動し固化することでインナーリード５と表面電極４とを接合する。また、本実施形態の電力用半導体装置１０１では、金属板１に電力用半導体素子２が例えばはんだ７によって接合されており、電力用半導体素子２の制御電極（不図示）とリードフレーム９とは、例えば直径１００〜３００μｍ程度のアルミニウムからなるワイヤ８によって配線されている。そしてこれらの構成部分の全体が封止樹脂１０にて封止され、接着硬化され、電力用半導体装置１０１の筐体を構成している。
【００１３】
インナーリード５の材質としては、無酸素銅、ＮｉめっきＣｕ、ＮｉＰｄＡｕめっきＣｕ、インバー、４２アロイなど、通常用いられる材料を使用することができる。電力用半導体素子２の表面電極４は、通常、Ａｌメタライズが用いられるが、その表面に、例えばＮｉ、Ａｕなどを積み上げることで、はんだ濡れ性を確保することができる。最表面は、Ａｕが好ましいが、Ａｇなどでもかまわず、酸化せず、はんだに濡れる材料であれば良好なはんだ付性が得られる。
【００１４】
はんだ３としては、例えばＳｎＡｇＣｕ系の材料が好適である。他に、Ｓｂ、Ｉｎ、Ｚｎなどを混ぜてもよい。インナーリード５及び電力用半導体素子２の線膨張係数は、ＣｕとＳｉの場合、１７．７ｐｐｍ／℃に対して２．５ｐｐｍ／℃であり、その差は非常に大きい。よって、はんだ３を介して接合されているインナーリード５及び電力用半導体素子２において、温度変化による両者の伸縮の差は、はんだ層が吸収することになるが、その歪み量が過大であると、金属疲労によりはんだ層に亀裂が進展する懸念がある。このような金属疲労の防止には、はんだ層内に微細な析出物を分散させることで、転位線が拘束され破断までの寿命を延ばすことができることがよく知られている。よって、このような効果が得られる組成のはんだ材を用いることが好ましい。例えばＳｂなどで、そのような微細析出物が出現することが知られている。本実施形態では、電力用半導体素子２としてＳｉを用いる例を示しているが、ＳｉＣを用いてもよく、その場合、電流密度がＳｉよりも高まるため、本実施形態のように、インナーリード５を表面電極４に直接はんだ付けするような方式の場合、電気抵抗が下がり、電力用半導体装置としての損失が低減可能である。
【００１５】
上述のように、インナーリード５を電力用半導体素子２の表面電極４にはんだ付けする構成を採ることで、複数のアルミワイヤを配線に用いた通常のパワーモジュールに対して配線抵抗が下がり、電力用半導体装置１０１としての損失を低減することができる。特に、本実施形態では、表面電極４とインナーリード５とのはんだ付け部の形状安定性を高めることを目的としており、該はんだ付け部の形状の安定化により、本技術の適用範囲を更に広げる、つまり種々の電力用半導体装置に対して本実施形態の技術を適用可能とすることも目的の一つである。
このような、はんだ付け部の形状安定化を図るための、本実施形態における構成について、以下に説明する。
【００１６】
図１Ａに示すように、インナーリード５には、表面電極４に対応して貫通穴６が設けられ、該貫通穴６内、及びインナーリード５と表面電極４との間隙１１には、はんだ３が満たされている。このとき、はんだ３のインナーリード５の底面５ａとの接触部分３ａは、貫通穴６よりも広く、かつ表面電極４よりも小さい面積となっている。このような範囲となるようにはんだ３の供給量を設定する。尚、上記底面５ａは、電力用半導体素子２に対向するインナーリード５の面をいう。
【００１７】
即ち、はんだ３の供給量が過剰な場合、もしくはインナーリード５と表面電極４との隙間１１が通常よりも狭い場合、もしくはこの両方が同時に起きた場合などに、インナーリード５の先端５ｂまではんだ３が達することが起こり得る。例えばインナーリード５の先端５ｂから水平方向に膨らむ程度にはんだ３が供給された場合には、はんだ３は、その表面積を最小とすることでエネルギを小さくできることから、ボール形状になって転がり飛び出してしまう。これは、いわゆるはんだボールの発生であり、不良状態を引き起こす原因になり、その結果、不良の検査に多大な労力を要することになってしまう。
【００１８】
また、はんだ３がインナーリード５の底面５ａに濡れないときにも、はんだ３の供給過剰、上記隙間１１が狭い、若しくはこれらの両者が同時に発生した場合には、はんだ３が貫通穴６の縁から盛り上がり、同じくはんだボール生成の可能性が高くなる。
【００１９】
よって、インナーリード５の底面５ａにはんだ３が濡れ、かつインナーリード５の先端５ｂにまではんだ３が達しない状態を維持すれば、はんだボールの生成は回避可能である。
【００２０】
そこで出願人は、はんだ量に関して、実験から次の関係を見出した。即ち、図１Ｂに示すように、インナーリード５と表面電極４との隙間１１の高さをｈ、インナーリード５の貫通穴６の幅をＬ１としたとき、ｈ＜（Ｌ１／２）の関係を満たすことで、はんだボールの発生もなく、図１Ａに示すように、上記接触部分３ａが貫通穴６よりも広く、かつ表面電極４よりも小さい面積となる。尚、幅Ｌ１は、インナーリード５の延在方向に沿った長さである。本実施形態では、図２に示すように貫通穴６は円形であるので、幅Ｌ１は、貫通穴６の直径に相当する。
【００２１】
上記関係について詳しく説明する。出願人は、一定の幅Ｌ１に対して高さｈを変化させながらはんだ接合を行う実験を行った。高さｈが比較的小さいときには、再現性よく接合が達成された。しかしながら、高さｈが大きくなるにつれて、はんだ供給量が少ない場合には、表面電極４にまではんだ３が達しないという問題が生じる。この場合、はんだ量を多くしても、表面電極４にはんだ３が接する前にインナーリード５の底面５ａにはんだ３が濡れてしまい、はんだ３が下側つまり表面電極４側に垂れ下がった塊における底辺の長さが長くなり、フィレットの形状が非常に不安定となった。
【００２２】
上記実験から、インナーリード５にはんだ３が濡れ拡がる前に、はんだ３が表面電極４に接することがフィレット形状を安定化させる上で重要であることがわかった。そのような現象の境界として、実験的に、ｈ＜（Ｌ１／２）の条件が得られ、この条件を満足することで、フィレット形状の安定化が見られた。このような関係を満足すれば、インナーリード５の上方からはんだ３を供給したとき、貫通穴６の側壁６ａにはんだ３が付着した場合でも、溶融したはんだ３は、いずれ表面電極４に接する。この理由について以下に説明する。
【００２３】
一般的に、溶融金属は、形状の自由度が大きいが、空気と液体との界面の面積が小さいほど表面自由エネルギが小さくなるので、表面積が最小になろうとする。本実施形態の場合、溶融したはんだ３の表面積が最小になるのは、はんだ３が球状となり、かつ貫通穴６と、球状はんだ３のいわゆる赤道部分で接した場合である。
図３の（ａ）から（ｃ）に、溶融したはんだ３を貫通穴６部分に供給する様子を示す。貫通穴６よりも直径の大きいはんだ３が供給される場合、はんだ３は貫通穴６の側壁６ａに濡れ、その結果、（ｂ）に示すように貫通穴６からはんだ３が垂れ下がる状態となる。このとき、供給されたはんだ３の体積が十分であれば、貫通穴６の下にはんだ３の膨らみが形成され、はんだボールを形成してしまう場合もある。但し、はんだボール形成前に、はんだ３が表面電極４に接するならば、落下は起こらない。
【００２４】
即ち、貫通穴６に接したはんだは、表面積が最小の形状を取ることが最もエネルギが小さい状態である。即ち、溶融したはんだ３は、半球状に、貫通穴６から下側に突出する形状が、安定な最小体積である。それ以上の体積が貫通穴６の下側に突出した場合、はんだボールを形成した方が、はんだ全体の表面積が小さくなる場合がある。このようにエネルギバランスの関係上、はんだボールの発生を抑制するためには、貫通穴６を直径とする半球が形成されるよりも前に、表面電極４に、はんだ３が接することが有効である。即ち、上記半球の半径は、Ｌ１／２であるので、インナーリード５の底面５ａと表面電極４との隙間１１の高さｈを、ｈ＜（１／２）に設定すれば、はんだボールが発生する臨界体積に達する前に、はんだ３が表面電極４に濡れ、はんだボールの生成を防止できる。その結果、検査工程などを簡素化することができる。また、はんだボールの発生によるはんだ３の損失がないため、インナーリード５と表面電極４との間に供給されるはんだ３の体積が安定化され、フィレット形状が安定化される。
【００２５】
例えば、はんだ３の層の厚みを、一実施例として例えば０．６ｍｍとすると、インナーリード５の貫通穴６は、最低１．２ｍｍの幅があればよく、広いほどはんだ３の濡れの安定性が増した。インナーリード５の厚みとして、一実施例では０．３ｍｍから１ｍｍ程度を用いた。
【００２６】
実施の形態２．
図４には、実施の形態２における電力用半導体装置１０２の断面図を示している。尚、電力用半導体装置１０２の構成は、上述した実施の形態１における電力用半導体装置１０１と同じであり、ここでの説明は省略する。
本実施の形態２では、貫通穴６を通して糸はんだ３Ａを電力用半導体素子２の表面電極４に供給する形態について説明する。貫通穴６の幅Ｌ１と同方向における、表面電極４の幅をＬ２としたとき、Ｌ２＞Ｌ１＞２ｈの関係を満足するように、上記幅Ｌ２を設定する。このように設定する理由について、以下に説明する。
【００２７】
上記高さｈがばらついた場合であっても、インナーリード５の上記底面５ａにはんだ３が濡れ広がることが、はんだ３Ａの余剰分を吸収するのに都合がよい。はんだ付装置では、電力用半導体素子２の底面側、図４に示す構成では金属板１側、から加熱するのが装置構成として簡便である。しかしながら該構成では、インナーリード５についても、電力用半導体素子２に対向する上記底面５ａ側の温度に比べ、反対側の面５ｃの温度が低くなるという現象が生じる。これは、はんだ付装置内の雰囲気にさらされる、電力用半導体装置１０２の側面から放熱が行われることに起因する。このことは、インナーリード５の二つの主面５ａ，５ｃの内、電力用半導体素子２と対向する底面５ａ側のはんだ濡れ性が、反対側の面５ｃに比べて良好であることを意味する。即ちはんだ３Ａは、貫通穴６の側壁６ａ、インナーリード５の電力用半導体素子２と対向する底面５ａ、及び、電力用半導体素子２の表面電極４の３つに濡れ、かつ空気との界面の面積が最小になろうとする。
【００２８】
このとき、はんだ量が過大である、あるいは高さｈが小さいときには、保持可能なはんだ量を超えると、過剰分のはんだ３Ａは、球状になり転がり、はんだボールを生成してしまう。即ち、はんだボール分の体積を取り去った後に残されたはんだの体積＋はんだボールの体積は、供給されたはんだ量に相当する。一方、インナーリード５と表面電極４との隙間１１に形成されたはんだ層のフィレットの表面積、及び貫通穴６の断面積の和がはんだの全表面積である。よって、はんだボールを出現させる方が出現させない場合よりも、上記全表面積が小さくなるときには、はんだボールの発生は、避けられないということになる。
【００２９】
即ち、インナーリード５と表面電極４との間で、過剰なはんだを吸収できる能力が高いほど、安定性の高い生産を行えることになる。ここで、表面電極４の面積が貫通穴６の断面積よりも大きい場合、換言すると上記幅Ｌ２＞上記幅Ｌ１の場合、はんだフィレットが形成された後、インナーリード５の底面５ａにはんだ３Ａが濡れていくほど、はんだ３Ａの表面積は減る関係になる。つまりエネルギ的には、低い方へ進むことになる。
【００３０】
逆に、表面電極４の面積が貫通穴６の断面積よりも小さい場合、換言すると幅Ｌ２＜幅Ｌ１の場合、インナーリード５の底面５ａにはんだ３Ａが濡れるほど、はんだ３Ａのフィレット部の表面積は、増えることになる。その結果、底面５ａへのはんだ３Ａの濡れが拡大するよりも、はんだボールを出現させた方がエネルギ的に安定する。よって、はんだボールの生成を防止することができなくなる。
【００３１】
以上の説明からわかるように、表面電極４の幅Ｌ２＞貫通穴６の幅Ｌ１＞２ｈとすることで、はんだ付けにおける安定度を確保することができ、はんだボールの生成を抑制することができる。
【００３２】
実施の形態３．
本実施形態３では、上述した実施の形態２の電力用半導体装置１０２を例に採り、その製造方法、特に、インナーリード５と表面電極４とのはんだ付け方法について述べる。
はんだ付けプロセスでは、雰囲気の酸素濃度、雰囲気の温度、加熱時間、及びはんだ付けされる材料の表面状態の諸条件によって、はんだ濡れ性は、大きく影響を受ける。具体的には、上記諸条件により表面張力に差が生じ、はんだ濡れ性が悪い場合には、濡れ角が大きくなる関係がある。例えば酸素濃度が低く、温度が高く、加熱時間が長く、及び、材料の表面についてクリーニングなどをしたほうが良好な濡れ性を得ることができ、濡れ角は小さくなる。
尚、一般的に濡れ角とは、液体と固体とが接するとき、二者間でなす角度をいい、また、濡れ角が９０度以下のときに「濡れる」と言う。
【００３３】
はんだ付けプロセスにおいて、図４の（ａ）に示す、実施の形態２の電力用半導体装置１０２を例に、図５に示すようにはんだの濡れ角をθ、該濡れ角θを形成するはんだの表面を形成する半径をＲとすると、図４の（ａ）及び図５から、
（Ｌ２／２）２＋（Ｒｃｏｓθ）２＝Ｒ２、及び
（Ｌ１／２）２＋（ｈ＋Ｒｃｏｓθ）２＝Ｒ２
の関係が得られる。
【００３４】
はんだをインナーリード５の貫通穴６よりも小さい径で供給した場合、はんだがインナーリード５に濡れる条件としては、上述のように濡れ角が９０度以下のときに「濡れる」ことからＲの最大がＬ２／２に相当するので、
ｈ＜（（Ｌ２／２）２−（Ｌ１／２）２＋（Ｒｃｏｓθ）２）１／２−Ｒｃｏｓθ  となる。
【００３５】
このように、インナーリード５の貫通穴６の幅Ｌ１、表面電極４の幅Ｌ２、及び隙間１１の高さｈを決定することで、最大濡れ角θが得られる。よって、電力用半導体装置の製造方法において、このような濡れ角θを満たすように、はんだ濡れ雰囲気、及び温度を整える工程を備えることで、はんだボールの発生防止を図りながら、確実な接合面積を確保し、再現性のあるフィレット形状を得ることが可能となる。
【符号の説明】
【００３６】
２  電力用半導体素子、３  はんだ、４  表面電極、５  インナーリード、６  貫通穴、  １０１、１０２  電力用半導体装置。
【図１Ａ】
2011086743.tif 000003
【図１Ｂ】
2011086743.tif 000004
【図２】
2011086743.tif 000005
【図３】
2011086743.tif 000006
【図４】
2011086743.tif 000007
【図５】
2011086743.tif 000008