(57)【要約】【課題】温度サイクルによる信頼性の低下を抑制することが可能な電力用半導体装置およびその製造方法、ならびに当該電力用半導体装置を用いた電力変換装置を提供する。【解決手段】絶縁基板１と、半導体素子２と、プリント基板３とを備える。半導体素子２は絶縁基板１に接合される。プリント基板３は半導体素子２に対向するように接合される。半導体素子２は信号電極を含む。プリント基板３は、コア材３１と、コア材３１の第１の面に形成された第１の導体層３２と、コア材３１の第２の面に形成された第２の導体層３３とを含む。第１の面から第２の面までプリント基板３を貫通する貫通孔３４内には、信号電極に接触する導電性部材４３と、封止樹脂５との双方が配置されている。【選択図】図２
2019153607.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板と、
前記絶縁基板に接合された半導体素子と、
前記半導体素子に対向するように接合されたプリント基板とを備え、
前記半導体素子は信号電極を含み、
前記プリント基板は、コア材と、前記コア材の前記半導体素子に対向する第１の面に形成された第１の導体層と、前記コア材の前記第１の面と反対側の第２の面に形成された第２の導体層とを含み、
前記第１の面から前記第２の面まで前記プリント基板を貫通する貫通孔が形成されており、
前記貫通孔内には、前記信号電極に接触する導電性部材と、封止樹脂との双方が配置されている、電力用半導体装置。
【請求項２】
前記貫通孔内における前記封止樹脂の占める体積比率は５０％以上８０％以下である、請求項１に記載の電力用半導体装置。
【請求項３】
前記第１の導体層と前記第２の導体層とは、前記貫通孔の内壁面にて導通されている、請求項１または２に記載の電力用半導体装置。
【請求項４】
前記コア材は絶縁層を含み、
前記貫通孔の内壁面の少なくとも一部には前記絶縁層が露出されている、請求項１または２に記載の電力用半導体装置。
【請求項５】
前記貫通孔の内径は前記信号電極の幅の最小値よりも小さく、かつ前記貫通孔の内径は前記信号電極の表面と前記第１の導体層の表面との間隔以上である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項６】
前記貫通孔は、前記第２の面から前記第１の面に向けて前記第１の面に沿う方向の幅が漸次小さくなっている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の電力用半導体装置を有し、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
前記主変換回路を制御する制御信号を前記主変換回路に出力する制御回路とを備えた、電力変換装置。
【請求項８】
絶縁基板上に第１の導電性部材を挟むように半導体素子を搭載する工程と、
前記半導体素子上に第２の導電性部材を挟むようにプリント基板を搭載する工程と、
前記絶縁基板と前記半導体素子と前記プリント基板とを接合する工程と、
前記半導体素子および前記プリント基板を収納するケースを設置し、前記ケース内の前記半導体素子および前記プリント基板を樹脂で封止する工程とを備え、
前記プリント基板は、コア材と、前記コア材の前記半導体素子に対向する第１の面に形成された第１の導体層と、前記コア材の前記第１の面と反対側の第２の面に形成された第２の導体層とを含み、
前記第１の面から前記第２の面まで前記プリント基板を貫通する貫通孔が形成されており、
前記樹脂で封止する工程においては、前記貫通孔内に、前記半導体素子に含まれる信号電極に接触する前記第２の導電性部材と、封止樹脂との双方が配置されるように前記貫通孔内に前記封止樹脂が充填される、電力用半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記プリント基板を搭載する工程においては、前記プリント基板が前記半導体素子上に搭載された状態で前記貫通孔内に前記第２の導電性部材が挿入される、請求項８に記載の電力用半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記プリント基板を搭載する工程において前記貫通孔内に挿入される前記第２の導電性部材は固形状である、請求項９に記載の電力用半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記貫通孔の内壁面に、前記第１の導体層と前記第２の導体層とを導通するめっき層を形成する工程をさらに備える、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の電力用半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記樹脂で封止する工程においては、前記貫通孔内における前記封止樹脂の占める体積比率は５０％以上８０％以下となるように前記封止樹脂が形成される、請求項８〜１１のいずれか１項に記載の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】
本発明は電力用半導体装置およびその製造方法、ならびに電力変換装置に関し、特に電力用の半導体素子を有する電力用半導体装置およびその製造方法、ならびに当該電力用半導体装置を備える電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電力用半導体装置は、産業用機器、電気鉄道、家電製品などの幅広い分野における機器の主電力の制御に用いられる。特に産業用機器に搭載される電力用半導体装置は、小型化、高放熱性、高信頼性が求められる。また電力用半導体装置においては、放熱性の高い絶縁基板にＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）およびＦＷＤ（Free Wheeling Diode）などの電力用半導体素子が実装される。絶縁基板に実装された電力用半導体素子の表面電極には配線が接続される。これにより電力用半導体装置の回路が形成される。
【０００３】
このように電力用半導体装置は、絶縁基板上で配線が接続される。このため高価である絶縁基板の面積が大きくなりコストアップにつながる。また電力用半導体装置の外形が大きくなる。よって電力用半導体装置の小型化のため、たとえば特開２０１４−１９９９５５号公報（特許文献１）においては、半導体素子を実装した絶縁基板と、プリント基板とが、はんだなどの導電性部材で電気的に接続されたものが、樹脂筐体内に収納された構造が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−１９９９５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
たとえば特開２０１４−１９９９５５号公報においては、プリント基板に貫通孔が形成され、当該貫通孔内は電極を構成する金属材料、またははんだなどの導電性の材料により充填されている。これによりプリント基板と半導体素子とが電気的に接続されている。しかしこの場合、当該電力用半導体装置の駆動による温度サイクルにより、貫通孔に隣接する領域には熱に起因する歪みが生じる。この歪みは当該電力用半導体装置の破損等に繋がるため、電力用半導体装置の信頼性を損ねる可能性がある。
【０００６】
本発明は上記の課題に鑑みなされたものである。その目的は、温度サイクルによる信頼性の低下を抑制することが可能な電力用半導体装置およびその製造方法、ならびに当該電力用半導体装置を用いた電力変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る電力用半導体装置は、絶縁基板と、半導体素子と、プリント基板とを備える。半導体素子は絶縁基板に接合される。プリント基板は半導体素子に対向するように接合される。半導体素子は信号電極を含む。プリント基板は、コア材と、コア材の半導体素子に対向する第１の面に形成された第１の導体層と、コア材の第１の面と反対側の第２の面に形成された第２の導体層とを含む。第１の面から第２の面までプリント基板を貫通する貫通孔内には、信号電極に接触する導電性部材と、封止樹脂との双方が配置されている。
【０００８】
本発明に係る電力用半導体装置の製造方法では、まず絶縁基板上に第１の導電性部材を挟むように半導体素子が搭載される。半導体素子上に第２の導電性部材を挟むようにプリント基板が搭載される。絶縁基板と半導体素子とプリント基板とが接合される。半導体素子およびプリント基板を収納するケースが設置され、ケース内の半導体素子およびプリント基板が樹脂で封止される。プリント基板は、コア材と、コア材の半導体素子に対向する第１の面に形成された第１の導体層と、コア材の第１の面と反対側の第２の面に形成された第２の導体層とを含む。第１の面から第２の面までプリント基板を貫通する貫通孔が形成されている。樹脂で封止する工程においては、貫通孔内に、半導体素子に含まれる信号電極に接触する第２の導電性部材と、封止樹脂との双方が配置されるように貫通孔内に封止樹脂が充填される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、貫通孔内には導電性部材と封止樹脂との双方が配置され、これらによる貫通孔内が充填される。このためたとえばはんだなどの導電性材料のみによる貫通孔内が充填される場合に比べて、温度サイクルに起因する貫通孔に隣接する領域の歪みを抑制することができ、電力用半導体装置の信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施の形態の電力用半導体装置の全体の概略平面図である。
【図２】実施の形態１における図１中のＡ−Ａ線に沿う部分の概略断面図である。
【図３】本実施の形態の電力用半導体装置を構成する半導体素子の配置を示す概略平面図である。
【図４】本実施の形態のプリント基板のコア材のＺ方向下側に配置される第１の導体層の配置を示す概略平面図である。
【図５】本実施の形態のプリント基板のコア材のＺ方向上側に配置される第２の導体層の配置を示す概略平面図である。
【図６】実施の形態１における図２中の点線で囲まれた領域Ｂの概略拡大断面図である。
【図７】実施の形態１における電力用半導体装置の製造方法の第１工程を示す、図１中のＡ−Ａ線に沿う部分の概略断面図である。
【図８】実施の形態１における電力用半導体装置の製造方法の第２工程を示す、図１中のＡ−Ａ線に沿う部分の概略断面図である。
【図９】実施の形態１における電力用半導体装置の製造方法の第３工程を示す、図１中のＡ−Ａ線に沿う部分の概略断面図である。
【図１０】実施の形態１における電力用半導体装置の製造方法の第４工程を示す、図１中のＡ−Ａ線に沿う部分の概略断面図である。
【図１１】実施の形態１における電力用半導体装置の製造方法の第５工程を示す、図１中のＡ−Ａ線に沿う部分の概略断面図である。
【図１２】実施の形態１における電力用半導体装置の製造方法の変形例における、図８に相当する工程を示す概略断面図である。
【図１３】実施の形態１における電力用半導体装置の製造方法の変形例における、図９の特にプリント基板を搭載する工程に相当する工程を示す、図２中の点線で囲まれた領域Ｂの概略拡大断面図である。
【図１４】実施の形態２における図２中の点線で囲まれた領域Ｂの概略拡大断面図である。
【図１５】実施の形態３における図６中の点線で囲まれた領域Ｃの概略拡大断面図である。
【図１６】実施の形態３における電力用半導体装置の製造方法の変形例における、図９の特にプリント基板を搭載する工程に相当する工程を示す、図６中の点線で囲まれた領域Ｃの概略拡大断面図である。
【図１７】実施の形態４に係る電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
実施の形態１．
まず本実施の形態の電力用半導体装置の構成について、図１〜図６を用いて説明する。なお説明の便宜のため、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向が導入されている。図１は本実施の形態の電力用半導体装置の全体の概略平面図である。図２は図１中のＡ−Ａ線に沿う部分の概略断面図である。図３は本実施の形態の電力用半導体装置を構成する半導体素子の配置を示す概略平面図である。図４は本実施の形態のプリント基板のコア材のＺ方向下側に配置される第１の導体層の配置を示す概略平面図である。図５は本実施の形態のプリント基板のコア材のＺ方向上側に配置される第２の導体層の配置を示す概略平面図である。図６は実施の形態１における図２中の点線で囲まれた領域Ｂの概略拡大断面図である。なお以下においてはＺ方向に関する下側すなわちＺ方向負側を単に下側、Ｚ方向に関する上側すなわちＺ方向上側を単に上側と呼ぶこととする。
【００１２】
図１および図２を参照して、本実施の形態の電力用半導体装置１００は、絶縁基板１と、半導体素子２と、プリント基板３と、はんだ層４と、封止樹脂５と、ケース６と、電極端子７とを主に備えている。絶縁基板１は平面視においてたとえば矩形状を有する平板状の部材である。絶縁基板１は、絶縁層１１と、導体層１２と、導体層１３とを有している。
【００１３】
絶縁層１１は、たとえば厚みが０．１２５ｍｍである。絶縁層１１は、たとえば樹脂製の絶縁シートである。ただし絶縁層１１としてはこれに限らず、たとえばＡｌＮ（窒化アルミニウム）、アルミナ、ＳｉＮ（窒化珪素）からなる群から選択されるいずれかのセラミック材料により形成されてもよい。導体層１２は絶縁層１１の下側の面に接合されている。導体層１２はたとえば厚みが２ｍｍである。導体層１３は絶縁層１１の上側の面に接合されている。導体層１３はたとえば厚みが０．５ｍｍである。導体層１２および導体層１３はたとえば銅により形成されている。
【００１４】
図３を参照して、導体層１３は、たとえば平面視において矩形状を有し、Ｙ方向に関して互いに間隔をあけて複数並ぶように配置されている。なお図３においては導体層１３はＹ方向に関して間隔をあけて２つ並んでいるが、導体層１３の数および並ぶ態様は任意である。
【００１５】
半導体素子２としては、たとえばＩＧＢＴ２１およびダイオード２２を有している。これらの半導体素子２すなわちＩＧＢＴ２１およびダイオード２２は、導体層１３の上側の面に複数、Ｘ方向およびＹ方向に関して互いに間隔をあけて接合されている。なおダイオードとしてはたとえばＦＷＤが用いられることが好ましい。
【００１６】
図３においては、絶縁基板１の２つの導体層１３のそれぞれの上に、Ｘ方向に関して３つのＩＧＢＴ２１および３つのダイオード２２が１列に並ぶように接合されている。図３の上側の導体層１３の上には、左側から右側へ、３つのＩＧＢＴ２１および３つのダイオード２２がこの順に配置されている。また図３の下側の導体層１３の上には、左側から右側へ、３つのダイオード２２および３つのＩＧＢＴ２１がこの順に配置されている。すなわち図３においてはＩＧＢＴ２１およびダイオード２２が１対の、いわゆる１ｉｎ１となるように配置されたモジュール構成となっている。ただしＩＧＢＴ２１およびダイオード２２の数および並ぶ態様は任意である。たとえばＩＧＢＴ２１およびダイオード２２が２対の２ｉｎ１、あるいは６対の６ｉｎ１となるように配置されてもよい。さらに上記構成と、コンバータとなる電力用半導体素子と、ブレーキとなる電力用半導体素子とが搭載された構成であってもよい。
【００１７】
なお図３においては模式的に、ＩＧＢＴ２１はチップ本体２１ａ上にエミッタ電極２１ｂおよびゲート電極２１ｃを１つずつ有するように図示されている。また図３においては模式的に、ダイオード２２はチップ本体２２ａ上に電極２２ｂが１つ図示されている。
【００１８】
ＩＧＢＴ２１は、チップ本体２１ａがたとえば縦８ｍｍ、横８ｍｍで厚みが０．０８ｍｍである。ダイオード２２は、チップ本体２２ａがたとえば縦６ｍｍ、横８ｍｍで厚みが０．０８ｍｍである。半導体素子２としてのＩＧＢＴ２１の上側の表面には、たとえば縦１ｍｍで横２ｍｍの信号電極としてのゲート電極２１ｃが形成されている。また上記のエミッタ電極２１ｂおよびダイオード２２の電極２２ｂも、ゲート電極２１ｃと同様に信号電極である。これらのエミッタ電極２１ｂ、ゲート電極２１ｃおよび電極２２ｂは、いずれもたとえば金により形成された金属薄膜である。
【００１９】
図４および図５を参照して、プリント基板３は平面視においてたとえば矩形状を有する平板状の部材である。図２に示すように、プリント基板３は半導体素子２に対向するようにその上側に接合されている。具体的には、ＩＧＢＴ２１およびダイオード２２の下面にははんだ層４１が、上面にははんだ層４２が配置されている。ＩＧＢＴ２１およびダイオード２２は、はんだ層４１により、その下側の絶縁基板１の導体層１３と接合されている。またＩＧＢＴ２１およびダイオード２２は、はんだ層４２により、その上側のプリント基板３の後述する第１の導体層３２と接合されている。はんだ層４１およびはんだ層４２はいずれも既述の、導電性部材としてのはんだ層４に含まれる。
【００２０】
はんだ層４１およびはんだ層４２は、いずれも厚みが約０．１ｍｍであり、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材料により構成される。ただしここでははんだ層４１，４２に限らず、導電性部材を形成するための他の導電性材料が用いられてもよい。たとえば当該導電性部材として、はんだ層４１およびはんだ層４２の代わりに、銀フィラーをエポキシ樹脂に分散させた導電性接着剤、またはナノ粒子を低温焼成させる銀ナノパウダまたは銅ナノパウダなどが用いられてもよい。これらの材料により導電性部材が構成された場合においても、はんだ層４１およびはんだ層４２が構成された場合と同様の接合効果を有する。
【００２１】
このように半導体素子２の下側に絶縁基板１が接合されている。このため絶縁基板１は、半導体素子２の下側の面上の図示されない電極との電気的な接続を可能とする。また絶縁基板１の上側の導体層１３は、半導体素子２の下側の面上の図示されない電極との機械的な接続を可能とする。なおはんだ層４についてはさらに詳細な説明を後述する。
【００２２】
図２を参照して、プリント基板３は、コア材３１と、第１の導体層３２と、第２の導体層３３とを有している。第１の導体層３２は、コア材３１の半導体素子２に対向する下側の面である第１の面に形成されている。また第２の導体層３３は、コア材３１の上記第１の面とは反対側すなわち上側の面である第２の面に形成されている。上記のように第１の導体層３２は、はんだ層４２を介して、ＩＧＢＴ２１およびダイオード２２に接合されている。したがってプリント基板３は、絶縁基板１に実装されたＩＧＢＴ２１などの半導体素子２の上側に対向するように、半導体素子２の主表面に沿うように配置されている。
【００２３】
コア材３１は、たとえば厚みが０．５ｍｍである。コア材３１は、たとえば材質がＦＲ−４（Flame Retardant Type 4）と呼ばれる絶縁材料である。第１の導体層３２は、コア材３１のうち半導体素子２に近い下側の第１の面に形成された近位側導体層である。また第２の導体層３３は、コア材３１のうち半導体素子２から遠い上側の第２の面に形成された遠位側導体層である。第１の導体層３２および第２の導体層３３は、いずれも厚みがたとえば０．１ｍｍであり、たとえば銅により形成されている。
【００２４】
図４に示すように、たとえば第１の導体層３２は、たとえばＸ方向およびＹ方向のそれぞれに関して互いに間隔をあけて２列ずつ配置されている。また第１の導体層３２は、上記の２列ずつ行列状に並ぶパターンの他に、図４に示すようにＸ方向に関して互いに間隔をあけて３つずつ並ぶ、端子としてコア材３１から部分的に突出した部分を有するパターンを含んでいる。
【００２５】
より具体的には、上記突出した部分を有するパターンは、図４のＹ方向に関して２列ずつ並ぶ第１の導体層３２のうち、比較的Ｙ方向の寸法が小さい方の第１の導体層３２のパターンに隣接するように、Ｘ方向に関して３つずつ並んでいる。この突出した部分を有するパターンは、いずれも２列並ぶ大きな矩形状のパターンに近い側の部分についてはＸ方向に沿って延び、その部分のＸ方向中央からコア材３１の外側に向かうようにＹ方向に延びている。Ｙ方向に延びる部分はその一部（Ｘ方向に延びる部分に比較的近い部分）はコア材３１と重なる位置に配置されるが、他の一部はコア材３１と重ならない、すなわちコア材３１から突出した位置に配置される。これにより当該コア材３１から突出した部分は外部と電気的に接続可能な端子として機能し得る、平面視においてＴ字型形状を有している。しかし第１の導体層３２の上記のＴ字型形状の数、およびそれ以外の２列ずつ並ぶパターンの数および配置態様は上記に限らず任意である。
【００２６】
図４に示すように、たとえば第２の導体層３３は、たとえばＸ方向およびＹ方向のそれぞれに関して互いに間隔をあけて２列ずつ配置されている。またこれらの第２の導体層３３の各パターンは、図４のＸ方向に関してその一部はコア材３１と重なる位置に配置されるが、他の一部はコア材３１と重ならない、すなわちコア材３１から突出した位置に配置される。これにより当該コア材３１から突出した部分は外部と電気的に接続可能な端子として機能し得る。しかし第２の導体層３３の上記の２列ずつ並ぶパターンの数および配置態様は上記に限らず任意である。
【００２７】
このように第１の導体層３２および第２の導体層３３は、平面視においてコア材３１と重ならずにコア材３１から突出する部分を有している。このため第１の導体層３２および第２の導体層３３は、いずれも図示されない接着シートによってコア材３１に接着されることが好ましい。
【００２８】
第１の導体層３２および第２の導体層３３は、それぞれ厚みがたとえば０．１ｍｍである。これにより第１の導体層３２および第２の導体層３３の回路パターンが形成される。
【００２９】
図２、図４、図５および図６を参照して、第１の面から第２の面までコア材３１を貫通し、さらにその真上の第１の導体層３２および第２の導体層３３も同様に貫通する貫通孔３４が形成されている。すなわちプリント基板３の全体を厚み方向に貫通する貫通孔３４が形成されている。貫通孔３４は第１の導体層３２、第２の導体層３３ともに、たとえばＸ方向に延びる矩形状のパターンの、プリント基板３の外側端部に４つ並ぶように形成されるがこのような態様に限られない。また図４に示すように、第１の導体層３２においては、端子としてコア材３１から部分的に突出した部分を有するパターンにも、貫通孔３４が形成されている。貫通孔３４は本実施の形態においては、たとえばＺ方向に延びる円柱形状を有している。
【００３０】
特に図６を参照して、本実施の形態においては、この貫通孔３４の内壁面には導体層が形成されている。より具体的には、貫通孔３４の内壁面には、第１の導体層３２と第２の導体層３３とを導通する導体層接合部３５が形成されている。すなわち本実施の形態においては、第１の導体層３２と第２の導体層３３とは、貫通孔３４の内壁面にて導体層接合部３５により導通されている。導体層接合部３５は、貫通孔３４の内壁面にて第１の導体層３２と第２の導体層３３とを電気的および機械的に接合する銅などの導体薄膜により形成されている。より具体的には導体層接合部３５は、第１の導体層３２および第２の導体層３３とは独立に貫通孔３４の内壁面上に形成されたたとえば銅のめっき膜である。
【００３１】
また本実施の形態においては、貫通孔３４の内部の一部を充填するようにはんだ層４３が配置されている。はんだ層４３は、先述のはんだ層４１およびはんだ層４２と同様に、導電性部材としてのはんだ層４に含まれる。はんだ層４３はＩＧＢＴ２１およびダイオード２２の表面上に接着されている。ここでははんだ層４３ははんだ層４１およびはんだ層４２と同一の材料により形成され、ＩＧＢＴ２１およびダイオード２２の信号電極に接触している。これによりはんだ層４３は、ＩＧＢＴ２１およびダイオード２２の信号電極と、これに対向するプリント基板３の第１の導体層３２とを電気的に接続する接合部３６として機能する。つまりＩＧＢＴ２１およびダイオード２２の信号電極と、これに対向するプリント基板３の第１の導体層３２とは、はんだ層４１，６２のみならず、接合部３６としてのはんだ層４３を介しても電気的に接合される。
【００３２】
特に図２を参照して、貫通孔３４の内部の、上記はんだ層４３が配置される一部以外の領域は、封止樹脂５により充填されている。封止樹脂５は上記の絶縁基板１に設置されたＩＧＢＴ２１、ダイオード２２、プリント基板３などを封止する樹脂材料である。言い換えれば貫通孔３４内には、信号電極に接触するはんだ層４３（接合部３６）と、封止樹脂５との双方が配置されている。基本的には図２のように、はんだ層４３が下側に、封止樹脂５が上側に配置される。しかし場合によってはこの逆にはんだ層４３が上側に、封止樹脂５が下側に配置されてもよい。封止樹脂５は、ケース６の内部において、絶縁基板１とプリント基板３とに挟まれた領域、およびプリント基板３の上面上の領域を充填するように配置されている。封止樹脂５は真空脱泡および加熱により硬化されている。なお図１においては封止樹脂５は省略されている。
【００３３】
ケース６は絶縁基板１の平面視における外縁部分を囲み、かつその上のＩＧＢＴ２１、ダイオード２２、プリント基板３などを収納するように配置されている。つまり絶縁基板１とケース６とにより容器状の部材が形成され、当該容器状の部材内にＩＧＢＴ２１、ダイオード２２、プリント基板３などが収容され、容器状の部材内が封止樹脂５で充填された態様となっている。封止樹脂５はたとえばエポキシ樹脂により構成されている。なお貫通孔３４内における封止樹脂５の占める体積比率は５０％以上８０％以下であることが好ましい。
【００３４】
貫通孔３４の内径は、半導体素子２の信号電極の幅の最小値よりも小さい。その中でも、貫通孔３４の内径は、半導体素子２の信号電極の幅の最小値の８０％以下であることがより好ましい。なおここで内径とは、平面視において円形と仮定したときの直径、円形でない場合は平面視における最大値を意味する。貫通孔３４の内径は、半導体素子２の信号電極の表面と第１の導体層３２の表面との間隔以上である。ここで幅とは、半導体素子２の主表面に沿う方向の幅をいう。なおここで、定格電圧が１２００Ｖ以下の電力用半導体装置１００の場合、互いに対向するプリント基板３の第１の導体層３２の表面と、半導体素子２に形成される信号電極の表面との間隔Ｈ（図２参照）が０．３ｍｍ以上であることが好ましい。よってこの場合、貫通孔３４の内径は０．３ｍｍ以上である。間隔Ｈを０．３ｍｍ以上にすれば、封止樹脂５としてエポキシ樹脂を用いた場合に、ＩＧＢＴ２１およびダイオード２２の信号電極と、これに対向する第１の導体層３２の表面との電気的絶縁を確保することができる。たとえばゲート電極２１ｃが縦２ｍｍ、横１ｍｍの矩形の平面形状であり間隔Ｈが０．３ｍｍである場合、フィレットの形成態様を考慮し貫通孔３４の内径は０．３ｍｍ以上０．８ｍｍ以下とすることが好ましい。このようにすれば、貫通孔３４の内径は半導体素子２の信号電極の幅の最小値の８０％以下となる。
【００３５】
ケース６は絶縁基板１の特に絶縁層１１および導体層１２の端面および導体層１２の端面に隣接する主表面の領域に、図示されないシリコーン接着剤により接着されている。ケース６は、たとえばＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）を主成分とする部材である。ただしケース６はＰＰＳより耐熱性の高いＬＣＰ（液晶ポリマー）を用いて形成されてもよい。
【００３６】
図２に示すようにケース６はその下側のＸ方向（および図示されないがＹ方向）の幅が比較的広い領域と、その上側のＸ方向（およびＹ方向）の幅が比較的狭い領域とを有している。ケース６には、上記幅の広い領域のケース内側面６１から幅の広い領域を水平方向に延び、そこから屈曲して幅の狭い領域のケース内側面６２に沿うようにＺ方向に延びる溝が形成されている。当該溝内には、これと同様の形状を有する電極端子７が嵌合するように配置されている。電極端子７は、プリント基板３の第１の導体層３２と電気的に接続されている。この電気的な接続は、図４に示す上記の第１の導体層３２が端子としてコア材３１から部分的に突出した部分によりなされている。第１の導体層３２ははんだ層４３を介してＩＧＢＴ２１のゲート電極２１ｃに接続されている。このため電極端子７はＩＧＢＴ２１のゲート電極２１ｃおよびエミッタ電極２１ｂなどと電気的に接続されている。
【００３７】
次に図７〜図１２を用いて、本実施の形態の電力用半導体装置１００の製造方法について説明する。図７〜図１２は、すべて図２と同様に、図１中のＡ−Ａ線に沿う部分の概略断面図である。ただし図１３は、部分的な詳細を示す観点から、図２中の点線で囲まれた領域Ｂのみの概略拡大断面図として示している。また図７〜図１１は第１の製造方法を、図１２〜図１３は第２の製造方法を示している。
【００３８】
図７を参照して、まず絶縁基板１上にはんだ層４１（図２、図６参照）を形成するための第１の導電性部材としてのはんだ４１ａを挟むように、半導体素子２が搭載される。具体的には、絶縁層１１と、その下側の面に接合される導体層１２と、その上側の面に接合される導体層１３とを有する絶縁基板１が準備される。絶縁基板１の導体層１３の上に、はんだ層４１を形成するためのはんだなどの導電性部材が載置され、その上に半導体素子２としてのＩＧＢＴ２１およびダイオード２２が搭載される。
【００３９】
図８を参照して、半導体素子２上にはんだ層４２およびはんだ層４３（図２、図６参照）を形成するための第２の導電性部材としてのはんだ４２ａおよびはんだ４３ａが搭載される。このときはんだ４２ａはたとえばＩＧＢＴ２１のエミッタ電極２１ｂ上に供給され、はんだ４３ａはたとえばＩＧＢＴ２１のゲート電極２１ｃ上に供給される。図８においては、はんだ４１ａ〜４３ａはいずれもシート状またはペースト状など、柔軟性を有する形状であるとする。
【００４０】
図９を参照して、図８のはんだ４２ａおよびはんだ４３ａの上にプリント基板３が搭載される。これにより、半導体素子２上に第２の導電性部材を挟むようにプリント基板３が搭載される。
【００４１】
ここでプリント基板３は、コア材３１と、その下側の半導体素子２に対向する第１の面に形成された第１の導体層３２と、その上側の（第１の面と反対側の）第２の面に接合される第２の導体層３３とが図２、図４、図５に示す態様で接合されることにより構成されている。このプリント基板３は、加工済みのものを購入してもよい。
【００４２】
プリント基板３は、第１の面から第２の面まで（第１の導体層３２および第２の導体層３３を含め）これを貫通する貫通孔３４が形成されている。この貫通孔３４についても、図２などに示すように購入時に既に形成されていてもよいし、購入後にたとえばドリルで穴をあけることにより円柱形状となるように形成してもよい。そしてプリント基板３を搭載することにより、図８の工程にてＩＧＢＴ２１上に載置されたはんだ４３ａ（第２の導電性部材）が貫通孔３４内に進入する。このようにするために、はんだ４３ａ（が載置されるゲート電極２１ｃ）と貫通孔３４とが平面的に重なる位置となるように、プリント基板３が搭載される。
【００４３】
プリント基板３については、貫通孔３４の内壁面に、第１の導体層３２と第２の導体層３３とを導通するめっき層を形成する工程をさらに備えてもよい。ただし当該めっき層についてもプリント基板３の購入時に既に形成されていてもよい。このめっき層は、たとえば銅からなる導体層接合部３５（図２、図６参照）として形成される。具体的には、貫通孔３４に対し、銅の無電解めっきおよび電解めっきの処理がなされる。なお導体層接合部３５の厚みは２０μｍ以上３０μｍ以下であることが好ましい。
【００４４】
このようなプリント基板３が、絶縁基板１および半導体素子２の上に重畳するように載置される。これによりＩＧＢＴ２１のエミッタ電極２１ｂ上にはんだ４２ａが挟まれるようにプリント基板３が搭載される。またゲート電極２１ｃ上に供給されたはんだ４３ａが貫通孔３４内の一部に収まるようにプリント基板３が搭載される。
【００４５】
プリント基板３が搭載された後に、リフロー工程により、導電性部材による各部材間の接合がなされる。したがって、たとえば導電性部材としてＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ４１ａ，４２ａ，４３ａを用いた場合には、これらは硬化によりはんだ層４１，４２，４３となる。このようにして、絶縁基板１と半導体素子２とプリント基板３とが一体となるように接合される。
【００４６】
図１０を参照して、電極端子７が挿入されたケース６が、絶縁基板１の平面視における外縁部分を囲み、かつその上のＩＧＢＴ２１、ダイオード２２、プリント基板３などを収納するように設置され固定される。以上により半導体素子２およびプリント基板３は、絶縁基板１およびケース６による容器状の部材内に収納される。
【００４７】
図１１を参照して、次に、ケース６内の半導体素子２およびプリント基板３が封止樹脂５により封止される。その後、ケース６内に封止樹脂５が供給される。これによりケース６内の半導体素子２およびプリント基板３は封止樹脂５で封止される。封止樹脂５はベークされ、硬化される。
【００４８】
なおこのとき、貫通孔３４内には、先に進入するように配置された第２の導電性部材としてのはんだ４３ａが硬化したはんだ層４３と、封止樹脂５との双方が配置されるように、封止樹脂５が供給される。
【００４９】
本実施の形態においては、樹脂で封止する工程において、貫通孔３４内における封止樹脂５の占める体積比率が５０％以上８０％以下となるように封止樹脂５が供給される。このため少なくとも貫通孔３４内の２０％程度以上ははんだ層４３により充填される必要があり、そのために必要なはんだ４３ａが確保されることが必要である。
【００５０】
ここで、上記の製造方法の変形例としての第２の製造方法について図１２および図１３を用いて説明しつつ、図８における貫通孔３４内のはんだ４３ａ、および図９における貫通孔３４内のはんだ層４３について、さらに詳細な説明を行なう。
【００５１】
図１２を参照して、第２の製造方法においても図７および図８と同様の処理がなされる。このため図１２は図８と基本的に同様であるが、図１２においてははんだ４２ａのみが設置され、はんだ４３ａが設置されていない。この点において図１２は図８と異なる。
【００５２】
図１３を参照して、図９の工程と同様に、図８のはんだ４２ａの上にプリント基板３が搭載される。これにより、半導体素子２上に第２の導電性部材としてのはんだ４２ａを挟むようにプリント基板３が搭載される。その後、プリント基板３が半導体素子２上に搭載された状態で、貫通孔３４内に第２の導電性部材としてのはんだ４３ａが挿入されるように供給される。ここで当該固形状のはんだ４３ａは、たとえばペースト状のように通常加え得る僅かな力により容易に変形するものではなく定まった形状を有するはんだ材料を意味する。より具体的には、ビッカース硬度が２０ＨＶ以上のものをここでは固形状のはんだ４３ａと定義する。すると、貫通孔３４とゲート電極２１ｃとが平面的に重なるようにプリント基板３が載置されているため、挿入されたはんだ４３ａはゲート電極２１ｃの表面に接触する。
【００５３】
図１３に示す状態は、以上のようにはんだ４２ａ，４３ａなどが搭載されプリント基板３が設置された状態に過ぎず、この状態においては未だ各部材の接合はなされていない。つまり図１３においてははんだ４２ａ，４３ａは硬化されていない状態である。この後、図９の工程の後半と同様に、リフロー工程により絶縁基板１と半導体素子２とプリント基板３とが一体となるように接合される。これ以降の各工程においては当該変形例（第２の製造方法）においても図９〜図１１と同様の態様となる。
【００５４】
図１３の特にはんだ４３ａに注目して、はんだ４３ａがたとえばペースト状であれば、ゲート電極２１ｃ上のはんだ４３ａは、プリント基板３の設置により比較的容易に貫通孔３４内に収まる。しかし図１３のはんだ４３ａがたとえば固形状である場合には、図８のはんだ４２ａと同様にゲート電極２１ｃ上に設置するよりも以下のようにする方が好ましい。すなわち、貫通孔３４内にはんだ４３ａが、プリント基板３の半導体素子２上への載置によりゲート電極２１ｃに接触可能となるように挿入されることが好ましい。このようにすれば、リフロー処理によりゲート電極２１ｃと貫通孔３４とをはんだ層４３で容易に接合することができる。
【００５５】
たとえば図１３の工程において貫通孔３４内に固形状のはんだ４３ａを挿入する場合、当該はんだ４３ａは、円柱形状、糸状、直方体状、球形状からなる群から選択されるいずれかの形状であることが好ましい。しかしこの中でも特に、固形状のはんだ４３ａは球形状であることが好ましい。ここでの球形状とは完全な球形に限らず、球形よりもやや偏平状の球形に近い形状を含むものとする。
【００５６】
はんだ４３ａが球形状である場合、低コストとすることができる。また球形状のはんだ４３ａは吸着ノズルを用いて容易にハンドリングすることができる。具体的には、球状のはんだ４３ａは一般的な吸着ノズルでハンドリングできる。また球形状のはんだ４３ａは一般的なマウンタによるハンドリングが可能である。また球形状のはんだ４３ａは加工が比較的容易であり材料費を廉価にすることができる。はんだ４３ａが球形状である場合、はんだ４３ａの直径（寸法の最大値）は信号電極の表面と第１の導体層３２の表面との間隔以上であることが好ましい。このようにすれば、貫通孔３４内にてはんだ４３ａが挿入された状態で位置決めすなわち固定させることが容易となる。ただしはんだ４３ａが貫通孔３４内に挿入可能とする観点から、貫通孔３４の内径がはんだ４３ａの直径よりも大きいことが好ましい。
【００５７】
仮にプリント基板３に貫通孔３４が形成されない場合、固形状のはんだ４３ａを供給するためには、プリント基板３を搭載する前に固形状のはんだ４３ａをゲート電極２１ｃ上に搭載する。しかしこの場合、固形状のはんだ４３ａの固定が困難である。またこの場合、ハンドリング中および装置での搬送中にはんだ４３ａの位置がずれたりはんだ４３ａが落下したりする可能性がある。このような理由により、安定した工程による製造ができないという課題がある。よって貫通孔３４が形成されない場合には、ペースト状のはんだ４３ａを用いる方が好ましいとも考えられる。
【００５８】
しかしながら、ペースト状のはんだ４３ａを用いる場合、当該はんだ４３ａには体積比で５０％程度のフラックスが含まれる。このためリフロー工程後にフラックスの分だけはんだ層４３の体積が減少する。このことから、リフロー工程前の当初段階にて必要量のはんだ４３ａを供給することが困難である。また印刷法によりはんだ４３ａを供給する場合、縦１ｍｍで横２ｍｍのゲート電極２１ｃ上に安定して印刷できる厚みの限界値は０．２ｍｍ程度であるため必要量のはんだ４３ａを供給することが困難である。さらに、ディスペンサを用いてペースト状のはんだ４３ａを供給する場合には、塗布量のばらつきを抑制するために低粘度の材料が用いられる。このため自重により供給直後の形状が維持できず、はんだ層４３はゲート電極２１ｃと第１の導体層３２とを接合することが困難となる。以上のように、貫通孔３４がない場合には、はんだ４３ａが固形状であってもペースト状であっても、はんだ４３ａの供給時に問題が生じ得る。
【００５９】
その点、固形状のはんだ４３ａを貫通孔３４内に挿入する本実施の形態の方法においては、ゲート電極２１ｃとプリント基板３の第１の導体層３２の表面との間隔よりも寸法の大きいはんだ４３ａを用いれば、貫通孔３４とゲート電極２１ｃとの双方に接触するように搭載可能である。このため貫通孔３４内に固形状のはんだ４３ａを位置決めでき、はんだ層４３が部分的に導通不可能となるオープン不良等が生じないように安定して生産することが可能となる。したがって本実施の形態においては、図１３の工程のようにプリント基板３が搭載された状態で貫通孔３４内に挿入されるはんだ４３ａは固形状であることが好ましい。
【００６０】
また、ＩＧＢＴ２１を複数搭載する電力用半導体装置１００においては、プリント基板３および絶縁基板１の反り状態によってＩＧＢＴ２１の信号電極とプリント基板３の第１の導体層３２との間隔にばらつきが生じる。しかし図８の工程において貫通孔３４内に挿入された固形状のはんだ４３ａはリフロー工程の前においては貫通孔３４の内部で自由に動ける。このため、上記のＩＧＢＴ２１の信号電極とプリント基板３の第１の導体層３２との間隔に依らず固形状のはんだ４３ａとゲート電極２１ｃとを接触させることができる。このため両者間のオープン不良を抑制することができる。また、ゲート電極２１ｃと導体層３２との間に形成されるはんだ層４３の量が安定するため、電力用半導体装置１００の動作時におけるゲート電極２１ｃの温度が上がりにくくなる。このため電力用半導体装置１００の信頼性を向上することができる。
【００６１】
ただし図１２〜図１３の製造方法の変形例においても、プリント基板３が半導体素子２上に搭載された状態で、貫通孔３４内にペースト状のはんだ４３ａが挿入されるように供給されてもよい。
【００６２】
固形状のはんだ４３ａであれば上記のように貫通孔３４がない信号電極上に載置されれば位置が固定できない問題が生じる。しかしプリント基板３が半導体素子上に搭載された状態でプリント基板３の貫通孔３４内に固形状のはんだ４３ａが挿入される方法によれば、リフロー工程前においても貫通孔３４内および信号電極上に接触するようにはんだ４３ａの位置を固定させることができる。
【００６３】
次に、本実施の形態の作用効果について説明する。
本実施の形態の電力用半導体装置１００は、貫通孔３４内に、信号電極であるゲート電極２１ｃなどに接触する（第２の）導電性部材としてのはんだ層４３と、封止樹脂５との双方が配置され、そのようになるように形成される。本実施の形態の電力用半導体装置１００に用いられるエポキシ樹脂の封止樹脂５の線膨張係数は１７×１０-6／Ｋ以上１８×１０-6／Ｋ以下である。この数値は絶縁基板１およびプリント基板３の線膨張係数の値に近い。このため貫通孔３４内の封止樹脂５により、電力用半導体装置１００の温度サイクル時の熱歪みの発生を抑制できるため、温度サイクルによる信頼性が向上できる。このことと、貫通孔３４内のはんだ層４３による半導体素子２と第１の導体層３２などとの導通が可能となる効果とを併せ持たせることができる。また接合部３６としてのはんだ層４３が貫通孔３４の全体を充填しないことにより、はんだ４３ａの過剰供給によるプリント基板３の第２の面側への溢れを抑制することができる。
【００６４】
さらに、貫通孔３４内における封止樹脂５の体積比率を接合部３６すなわちはんだ層４３の体積比率以上とすることにより、上記の温度サイクルによる信頼性向上の効果を高めることができる。すなわち貫通孔３４内における封止樹脂５の占める体積比率が５０％以上８０％以下となるように封止樹脂５が形成されている。このように封止樹脂５の割合を比較的大きくすれば、温度サイクル信頼性をより向上させることができる。
【００６５】
本実施の形態において固形状のはんだ４３ａを用いる場合、半導体素子２上にプリント基板３が搭載された状態で貫通孔３４内にはんだ４３ａが挿入され、その後にリフロー工程がされる。したがってはんだ４３ａおよびそれ以外のはんだ４１ａ，４２ａ（図８参照）を一括で接合することができ、工程数を削減することができる。
【００６６】
また貫通孔３４の内径をゲート電極２１ｃなどの信号電極の幅の最小値よりも小さくする。このようにすれば、供給すべき適正な量のはんだを供給することにより、はんだ層４によるフィレットが信号電極上に形成される。このフィレットは、貫通孔３４の内壁面および信号電極の表面でのはんだの濡れ性が良好であれば、貫通孔３４の内径を制御することによりその形状を制御できる。たとえば上記のように貫通孔３４の内径を設計すれば、はんだ層４のフィレットは富士山のような滑らかな斜面形状を描くように形成される。このためはんだ層４と信号電極との界面に隣接する領域で生じる熱歪みを緩和することができ、はんだ層４の破損を抑制することができる。
【００６７】
また貫通孔３４の内径をゲート電極２１ｃなどの信号電極の表面とプリント基板３の第１の導体層３２の表面との間隔以上とすることにより、はんだ４３ａを貫通孔３４内に容易に挿入可能となり、かつはんだ４３ａが挿入された状態で位置決めすなわち固定させることが容易となる。
【００６８】
本実施の形態においては、プリント基板３において、第１の導体層３２と第２の導体層３３とは貫通孔３４の内壁面にて導体層接合部３５により導通されている。またこのような態様とするために、第１の導体層３２および第２の導体層３３の双方を、貫通孔３４内のはんだ層４３を介して半導体素子２と電気的に接続させることができる。
【００６９】
なおダイレクトポッティング封止樹脂については、ケース６内に流し込むように供給し常温で硬化させる種類の樹脂材料を用いた場合においても、上記と同様の本実施の形態の各作用効果を得ることができる。また本実施の形態の電力用半導体装置１００が上記のケース６を用いずに金型を用いてトランスファーモールド封止樹脂によって封止するトランスファーモールドパッケージであっても、上記と同様の本実施の形態の各作用効果を得ることができる。
【００７０】
実施の形態２．
図１４は、実施の形態２に係る電力用半導体装置における、図２中の点線で囲まれた領域Ｂの概略拡大断面図である。図１４を参照して、本実施の形態の電力用半導体装置は、基本的に実施の形態１の電力用半導体装置１００と同様の構成を有している。また本実施の形態の電力用半導体装置は、基本的に図６に示す実施の形態１の電力用半導体装置の点線で囲まれた部分Ｂと同様の構成を有している。このため同一の構成要素には同一の符号を付しその説明を繰り返さない。ただし本実施の形態においては、プリント基板３における貫通孔３４内の態様において実施の形態１と異なっている。
【００７１】
本実施の形態においては、貫通孔３４の内壁面の少なくとも一部には絶縁層が露出されている。ここでの絶縁層とは、プリント基板３を構成するコア材３１を構成する絶縁材料が層状に形成された部分である。すなわち本実施の形態においては、貫通孔３４の内壁面を覆う導体層接合部３５が形成されていない。つまり本実施の形態においては、導体層接合部３５を形成するための電解めっきなどの処理がなされていない。
【００７２】
以上の特徴を有することにより、本実施の形態においては、プリント基板３の第１の導体層３２と第２の導体層３３とが貫通孔３４内にて導通されなくなる。またたとえば貫通孔３４内にてはんだ層４３が封止樹脂５の下側に配置される場合には、はんだ層４３は第２の導体層３３とは接触せず第１の導体層３２とのみ接触する。このため半導体素子２が第１の導体層３２のみと導通される構成とすることができる。一方上記のように、実施の形態１においては第１の導体層３２と第２の導体層３３とが導体層接合部３５により導通される。このため、第１の導体層３２と第２の導体層３３との双方がはんだ層４３を介して半導体素子２と電気的に接続される。したがって、貫通孔３４内に導体層接合部３５を電解めっきなどにより形成するか否かにより、半導体素子２とプリント基板３との導通態様を変更することができる。言い換えれば、貫通孔３４内に導体層接合部３５を電解めっきなどにより形成するか否かにより、プリント基板３の配線パターンの設計自由度を向上させることができる。また、はんだ４３ａにリフロー工程を行なう際に、貫通孔３４内におけるはんだ４３ａの這い上がりが抑制される。これにより、ゲート電極２１ｃと導体層３２との間に形成されるはんだ層４３の量が安定するため、電力用半導体装置１００の動作時におけるゲート電極２１ｃの温度が上がりにくくなる。このため電力用半導体装置１００の信頼性を向上することができる。
【００７３】
実施の形態３．
図１５は、実施の形態３に係る電力用半導体装置における、図６中の点線で囲まれた領域Ｃの、概略拡大断面図である。すなわち図１５は図６、図１３などよりもさらに拡大し、局所的な構成を示されている。したがって本実施の形態においては図１５に示される以下に述べる部分を除き、基本的に図６に示す実施の形態１の電力用半導体装置の点線で囲まれた部分Ｂと同様の構成を有している。このため同一の構成要素には同一の符号を付しその説明を繰り返さない。ただし本実施の形態においては、図１５に示すように、プリント基板３の貫通孔３４が、コア材３１の上側の面である第２の面から下側の面である第１の面に向けて、第１の面に沿う図の左右方向に沿う方向の幅が漸次小さくなっている。この点において本実施の形態は、貫通孔３４が円柱形状でありその幅が第１の面から第２の面までほぼ一定である実施の形態１と異なっている。なお図１４の実施の形態２の構成に対して本実施の形態の特徴が適用されてもよい。
【００７４】
言い換えれば、本実施の形態においては、貫通孔３４の内壁面が下方に向けて幅が漸次狭くなるテーパ形状３７を有している。このようなテーパ形状３７を有する貫通孔は、実施の形態１，２のいずれに適用されてもよい。すなわち本実施の形態においても、第１の導体層３２と第２の導体層３３とが導体層接合部３５により接合されてもよいし、されなくてもよい。なお本実施の形態において、実施の形態１のように貫通孔３４の内径を信号電極の幅の最小値より小さくすることは困難である可能性がある。貫通孔３４の内径は第２の面側に向かうにつれて大きくなるためである。このような場合は、貫通孔３４の内径は第２の面側において信号電極の幅の最小値より大きくてもよいし小さくてもよい。ただしこの場合においても、少なくとも第１の面側の貫通孔３４の内径の最小値は信号電極の幅の最小値よりも小さいことが好ましい。
【００７５】
テーパ形状３７を有する貫通孔３４は、テーパ形状を有するエンドミルまたはレーザを用いてプリント基板３を貫通させることにより形成される。
【００７６】
本実施の形態においても実施の形態１の第１の製造方法、すなわちペースト状のはんだ４３ａを貫通孔３４内に供給することにより接合部３６としてのはんだ層４３が形成されてもよい。あるいは本実施の形態においても実施の形態１の第２の製造方法、すなわちプリント基板３が半導体素子２上に搭載された状態で固形状の球形状を有するはんだ４３ａを貫通孔３４内に挿入する方法が用いられてもよい。図１６は本実施の形態にて実施の形態１の第２の製造方法を適用した場合の、図１３の工程と同様の態様を示す概略拡大断面図である。たとえば実施の形態１と同様にゲート電極２１ｃが縦１ｍｍ、横２ｍｍの平面形状を有する場合、球形状の固形状のはんだ４３ａの直径（寸法の最大値）が０．８ｍｍであれば、貫通孔３４の内径の最大値を１．５ｍｍ、最小値を０．８ｍｍとすることが好ましい。
【００７７】
本実施の形態のようにテーパ形状３７を有する貫通孔３４を形成することにより、プリント基板３が半導体素子２上に載置された状態で球形状の固形状のはんだ４３ａをいっそう挿入しやすくなる。第２の面側における貫通孔３４の内径の最大値を実施の形態１などよりも大きくすることができるため、はんだ４３ａの入口が実施の形態１などよりも大きくなるためである。また第２の面側における貫通孔３４の内径の最大値を実施の形態１などよりも大きくすることができるため、上側からの封止樹脂５の流入がより容易になる。したがって貫通孔３４内における封止樹脂５の充填不足を抑制することができる。
【００７８】
また本実施の形態においては、テーパ形状３７により、貫通孔３４の内径の最小値を実施の形態１などより小さくすることもできる。このようにすれば、球形状のはんだ４３ａの直径次第では、挿入されたはんだ４３ａの貫通孔３４からの脱落、および貫通孔３４内での引っ掛かりを抑制することができる。このため電力用半導体装置をより安定に生産することができる。
【００７９】
実施の形態４．
本実施の形態は、上述した実施の形態１〜３にかかる電力用半導体装置を電力変換装置に適用したものである。本発明は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、実施の形態４として、三相のインバータに本発明を適用した場合について説明する。
【００８０】
図１７は、本実施の形態にかかる電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。図１７に示す電力変換システムは、電源４００、電力変換装置２００、負荷３００から構成される。電源４００は、直流電源であり、電力変換装置２００に直流電力を供給する。電源４００は種々のもので構成することが可能であり、例えば、直流系統、太陽電池、蓄電池で構成することができるし、交流系統に接続された整流回路やＡＣ／ＤＣコンバータで構成することとしてもよい。また、電源４００を、直流系統から出力される直流電力を所定の電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータによって構成することとしてもよい。
【００８１】
電力変換装置２００は、電源４００と負荷３００の間に接続された三相のインバータであり、電源４００から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に交流電力を供給する。電力変換装置２００は、図１７に示すように、入力される直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路２０１と、主変換回路２０１を制御する制御信号を主変換回路２０１に出力する制御回路２０３とを備えている。
【００８２】
負荷３００は、電力変換装置２００から供給された交流電力によって駆動される三相の電動機である。なお、負荷３００は特定の用途に限られるものではなく、各種電気機器に搭載された電動機であり、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車、鉄道車両、エレベーター、もしくは、空調機器向けの電動機として用いられる。
【００８３】
以下、電力変換装置２００の詳細を説明する。主変換回路２０１は、スイッチング素子と還流ダイオードを備えており（図示せず）、スイッチング素子がスイッチングすることによって、電源４００から供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に供給する。主変換回路２０１の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態にかかる主変換回路２０１は２レベルの三相フルブリッジ回路であり、図１のように６つのスイッチング素子としてのＩＧＢＴ２１とそれぞれのスイッチング素子に逆並列された６つの還流ダイオードとしてのダイオード２２とから構成することができる。主変換回路２０１の各スイッチング素子および各還流ダイオードの少なくともいずれかを、上述した実施の形態１〜３のいずれかの電力用半導体装置１００に相当する半導体モジュール２０２によって構成する。６つのスイッチング素子は２つのスイッチング素子ごとに直列接続され上下アームを構成し、各上下アームはフルブリッジ回路の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を構成する。そして、各上下アームの出力端子、すなわち主変換回路２０１の３つの出力端子は、負荷３００に接続される。
【００８４】
また、主変換回路２０１は、上記の各スイッチング素子および各還流ダイオードの少なくともいずれか（以下「（各）スイッチング素子」と記載）を駆動する駆動回路（図示なし）を備えている。しかし駆動回路は半導体モジュール２０２に内蔵されていてもよいし、半導体モジュール２０２とは別に駆動回路を備える構成であってもよい。駆動回路は、主変換回路２０１のスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成し、主変換回路２０１のスイッチング素子の制御電極に供給する。具体的には、後述する制御回路２０３からの制御信号に従い、スイッチング素子をオン状態にする駆動信号とスイッチング素子をオフ状態にする駆動信号とを各スイッチング素子の制御電極に出力する。スイッチング素子をオン状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以上の電圧信号（オン信号）となり、スイッチング素子をオフ状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以下の電圧信号（オフ信号）となる。
【００８５】
制御回路２０３は、負荷３００に所望の電力が供給されるよう主変換回路２０１のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷３００に供給すべき電力に基づいて主変換回路２０１の各スイッチング素子がオン状態となるべき時間（オン時間）を算出する。例えば、出力すべき電圧に応じてスイッチング素子のオン時間を変調するＰＷＭ制御によって主変換回路２０１を制御することができる。そして、各時点においてオン状態となるべきスイッチング素子にはオン信号を、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号が出力されるよう、主変換回路２０１が備える駆動回路に制御指令（制御信号）を出力する。駆動回路は、この制御信号に従い、各スイッチング素子の制御電極にオン信号又はオフ信号を駆動信号として出力する。
【００８６】
本実施の形態に係る電力変換装置では、主変換回路２０１のスイッチング素子と還流ダイオードとして実施の形態１〜３にかかる電力用半導体装置のＩＧＢＴ２１およびダイオード２２を適用する。このため、上記のように温度サイクルに起因する熱歪みの抑制による信頼性向上を実現することができる。
【００８７】
本実施の形態では、２レベルの三相インバータに本発明を適用する例を説明したが、本発明は、これに限られるものではなく、種々の電力変換装置に適用することができる。本実施の形態では、２レベルの電力変換装置としたが３レベルやマルチレベルの電力変換装置であっても構わないし、単相負荷に電力を供給する場合には単相のインバータに本発明を適用しても構わない。また、直流負荷等に電力を供給する場合にはＤＣ／ＤＣコンバータまたはＡＣ／ＤＣコンバータに本発明を適用することも可能である。
【００８８】
また、本発明を適用した電力変換装置は、上述した負荷が電動機の場合に限定されるものではなく、例えば、放電加工機やレーザー加工機、又は誘導加熱調理器や非接触器給電システムの電源装置として用いることもでき、さらには太陽光発電システムや蓄電システム等のパワーコンディショナーとして用いることも可能である。
【００８９】
以上に述べた各実施の形態（に含まれる各例）に記載した特徴を、技術的に矛盾のない範囲で適宜組み合わせるように適用してもよい。
【００９０】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００９１】
１  絶縁基板、２  半導体素子、３  プリント基板、４，４１，４２，４３  はんだ層、  ケース、５  封止樹脂、６  ケース、７  電極端子、１１  絶縁層、１２，１３  導体層、２１ａ  チップ本体、２１ｂ  エミッタ電極、２１ｃ  ゲート電極、２２  ダイオード、２２ａ  チップ本体、２２ｂ  電極、３１  コア材、３２  第１の導体層、３３  第２の導体層、３４  貫通孔、３５  導体層接合部、３６  接合部、３７  テーパ形状、４１ａ，４２ａ，４３ａ  はんだ、６１，６２  ケース内側面、１００  電力用半導体装置。 
【図１】
2019153607.tif 000003
【図２】
2019153607.tif 000004
【図３】
2019153607.tif 000005
【図４】
2019153607.tif 000006
【図５】
2019153607.tif 000007
【図６】
2019153607.tif 000008
【図７】
2019153607.tif 000009
【図８】
2019153607.tif 000010
【図９】
2019153607.tif 000011
【図１０】
2019153607.tif 000012
【図１１】
2019153607.tif 000013
【図１２】
2019153607.tif 000014
【図１３】
2019153607.tif 000015
【図１４】
2019153607.tif 000016
【図１５】
2019153607.tif 000017
【図１６】
2019153607.tif 000018
【図１７】
2019153607.tif 000019