(57)【要約】【課題】配線接続部において、十分な強度が得られるとともに、生産性の高い接合構造を有し、高信頼性、低コスト化された半導体装置を提供する。【解決手段】半導体素子３ａ，３ｂの表裏面の電極および金属板６ａ，６ｂの表面の入力端子１２および出力端子１３との接合面は、はんだを介して接合されている。信号端子１４先端部の狭い電極用接合部８には、半導体素子３ａ，３ｂの表面に接するように突起１０が曲げにより一体成形されている。狭い電極用接合部８の長手方向に突起１０の両側に溶融したはんだが充填され、固化されて、高さ方向の隙間が安定した状態で半導体素子３ａ，３ｂと信号端子１４とが接合され断面が台形状のはんだ接合部９が形成される。【選択図】図４
2015050340.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
前記半導体素子を設置し、前記半導体素子の電極と電気的に接続された平板状の金属部材と、
前記半導体素子の前記電極または前記金属部材と電気的に接続された平板状の金属製のバスバーと、
前記金属部材の前記半導体素子とは反対側に固着され前記金属部材を絶縁するシート状の絶縁部材と、
全体を封止する樹脂部材と、を備え、
前記バスバーは、入出力端子に形成された複数の広い電極用接合部と、信号端子に形成された複数の狭い電極用接合部と、を有し、あらかじめ一体的に成形されたことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記狭い電極用接合部は、前記半導体素子の前記電極と接合材を介して接合されるとともに、前記接合材との接合面に所定の高さを有して一体的に形成され前記半導体素子の表面に当接する突起を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項２に記載の半導体装置において、
前記突起は、前記接合面の長手方向に接合領域の断面形状が非対称となる位置に設けられることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関し、詳細には半導体装置内の配線接続における接合構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、直流電力と交流電力とを変換する電力変換装置として、パワーモジュール型インバータ装置が知られている。この電力変換装置のパワーモジュール（ブリッジ回路）は、複数の半導体素子（スイッチング素子）が実装された半導体装置を用いたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の半導体装置は、直流電源の正極から接続されている上アームと、上アームから接続され、直流電源の負極に接続されている下アームとを並列に配設し、一体にパッケージングされた構造を有し、上下アームを一対にしてインバータ制御をおこなうものである。この半導体装置において、入力端子と電気的に接続された金属板、および出力端子と電気的に接続された導電部材（バスバー）は、それぞれ半導体素子の裏面および表面の電極にはんだを介して接合されている。また、信号端子は半導体素子の表面のゲート電極にワイヤを介して電気的に接続されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２３７４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
通常、上記のようなインバータ装置のパワーモジュールに使用される半導体装置は、半導体素子の接合領域が広い電極ははんだ接合で、狭い電極はアルミワイヤなどによるワイヤボンディングにより導電部材と接続されている。しかしながら、アルミワイヤと半導体素子の電極との間の接合寿命は、はんだ接合部の寿命と比較して短くなる。また、はんだ接合とワイヤボンディングとの２つの工法を用いると、製造工程が増えることにより、タクトタイムの調整、製造設備数の増加、生産ラインの拡大などが必要となったり、導電部材を装着後にワイヤボンディングにより結線しているため作業性も悪くなり、製造コストが増大する場合がある。
【０００５】
さらに、配線接続の高密度化が進むにつれ、接合箇所の面積が小さくなっており、接合領域が狭い電極ではんだ接合をおこなう場合、半導体素子の電極と導電部材先端部との間の安定した隙間確保が難しく、導電部材先端部が押付けにより受ける熱応力などが原因ではんだ接合部にクラックが発生する場合がある。このように、はんだ接合部において十分な寿命、接合強度、信頼性が得られない可能性がある。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、配線接続部において、十分な接合強度が得られるとともに、生産性の高い接合構造を有し、高信頼性、低コスト化された半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、半導体素子と、前記半導体素子を設置し、前記半導体素子の電極と電気的に接続された平板状の金属部材と、前記半導体素子の前記電極または前記金属部材と電気的に接続された平板状の金属製のバスバーと、前記金属部材の前記半導体素子とは反対側に固着され前記金属部材を絶縁するシート状の絶縁部材と、全体を封止する樹脂部材と、を備え、前記バスバーは、入出力端子に形成された複数の広い電極用接合部と、信号端子に形成された複数の狭い電極用接合部と、を有し、あらかじめ一体的に成形されたことを要旨とする。
【０００８】
上記構成によれば、バスバーは、半導体素子の電極に電気的に接続される入出力端子の広い電極用接合部と信号端子の狭い電極用接合部とを有して、あらかじめ一体構造として成形されている。これにより、バスバーと、半導体素子の電極および金属部材との接合をすべて接合材（例えば、はんだ）を介して接続することができる。この結果、接合部の寿命、強度および信頼性が向上する。また、接合工法を統一して一括で製作できるので、工程が減少することにより製造コストを削減することができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の半導体装置において、前記狭い電極用接合部は、前記半導体素子の前記電極と接合材を介して接合されるとともに、前記接合材との接合面に所定の高さを有して一体的に形成され前記半導体素子の表面に当接する突起を備えることを要旨とする。
【００１０】
上記構成によれば、信号端子の狭い電極用接合部は、半導体素子の表面の電極に接合材を介して接続され、接合面には所定の高さを有して半導体素子の電極に当接する突起が一体に形成されている。これにより、接合部の高さ方向の隙間寸法および接合材の高さを安定させることができ、接合部は長手方向に受ける熱応力に対して強度的に耐えることができる。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の半導体装置において、前記突起は、前記接合面の長手方向に接合領域の断面形状が非対称となる位置に設けられることを要旨とする。
【００１２】
上記構成によれば、信号端子の狭い電極用接合部が受ける応力の方向に応じて突起の位置を非対称に変化させ、すなわち、押付けられた側に塗布される接合材の量が多くなるように突起の位置を一方にずらして配置する。これにより、バスバーとモールドされた樹脂部材との熱膨張係数の差異によって発生する力に対して、接合部が受ける長手方向の熱応力によるクラックなどの発生を防止することができる。この結果、接合部の十分な寿命、強度が得られ、信頼性の向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、半導体素子の電極とバスバーとの間の配線接続部において、十分な接合強度が得られるとともに、生産性の高い接合構造を有し、高信頼性、低コスト化された半導体装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１〜３の実施形態に係るインバータ装置に用いられるパワーモジュールの概略構成を示す回路図。
【図２】本発明の第１〜３の実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す平面図。
【図３】図２におけるバスバーが形成された平板導体を示す平面図。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す断面図。
【図５】図４における狭い電極用接合部と半導体素子とを接合した接合部を示す拡大断面図。
【図６】（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る狭い電極用接合部と半導体素子とを接合した接合部を示す拡大断面図、（ｂ）は、本発明の第３の実施形態に係る狭い電極用接合部と半導体素子とを接合した接合部を示す拡大断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について、図に基づいて具体的に説明する。
図１は、本発明の第１〜３の実施形態に係るインバータ装置に用いられるパワーモジュール１５の概略構成を示す回路図である。インバータ装置は、例えば、ハイブリッド車や電気自動車などの走行駆動モータや電動パワーステアリング装置などのブラシレスモータなどの交流負荷を駆動する電力変換装置して使用され、複数の半導体スイッチング素子からなるブリッジ回路を構成するパワーモジュール１５を備えている。
【００１６】
図１に示すように、本実施形態では３相交流用の場合であり、パワーモジュール１５は、３つの半導体装置１（１Ｕ，１Ｖ，１Ｗ）で構成されている。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相の半導体装置１には、それぞれ半導体スイッチング素子が設けられており、半導体スイッチング素子として、例えば、素子構造にダイオードを含んでいるＭＯＳＦＥＴが用いられる。各相毎に共通の直流電源正極端子Ｐ側からドレイン電極、ソース電極に接続されている上アーム部分と、上アームのソース電極からドレイン電極、ソース電極に接続され、共通の直流電源負極端子Ｎ側に接続されている下アーム部分とを一対にして並列に配設されている。なお、本実施形態では、上アームと下アームとを一体にして２ｉｎ１パッケージングされた半導体装置１が形成されている。
【００１７】
また、各相の上アームと下アームとの接続点（モータ端子）Ｕ，Ｖ，Ｗが、図示しない３相ブラシレスモータの各巻線に接続されている。さらに、半導体スイッチング素子のゲート電極（制御端子）ｕ１，ｕ２，ｖ１、ｖ２、ｗ１、ｗ２には、図示しない駆動回路から出力される駆動信号がそれぞれ印加される。これにより、各スイッチング素子がオン・オフ制御され、モータ端子Ｕ，Ｖ，Ｗに所定の周波数および電圧の３相交流電力が供給される。
【００１８】
次に、図２は、本発明の第１〜３の実施形態に係るパワーモジュール１５に用いられる半導体装置１の概略構成を示す平面図、図３は、図２におけるバスバー２が形成された平板導体１１を示す平面図である。
図２に示す半導体装置１は、半導体スイッチング素子（以下、半導体素子という）３（３ａ，３ｂ）と、半導体素子３の裏面の電極が接合された平板の四角形状の金属板（金属部材）６（６ａ，６ｂ）と、半導体素子３の表面の電極および金属板６の表面に電気的に接続されたバスバー２と、金属板６の半導体素子３とは反対側（裏面）に固着された平板の四角形状の絶縁シート（絶縁部材）５と、全体を封止する樹脂部材４とを備えたパワー半導体モジュールである。
【００１９】
半導体素子３には、例えば、ＭＯＳＦＥＴが用いられ、表裏（両）面に図示しないソース電極、ゲート電極、ドレイン電極の各電極が配置されている。本実施形態では、表面にソース電極およびゲート電極、裏面にドレイン電極がそれぞれ配置されており、２つの半導体素子３ａ，３ｂが直列に配置され一対で使用されている。各ドレイン電極、ソース電極に接続された入力端子１２、出力端子１３、およびゲート電極に接続された信号端子１４によって、外部からの入力および外部への出力をおこなっている。半導体素子３（３ａ，３ｂ）の表面のゲート電極は、信号端子１４と接続されている。半導体素子３ａの表面のソース電極は、入力端子１２に接続され、裏面のドレイン電極は、金属板６ａを介して半導体素子３ｂのソース電極に接続されている。また、半導体素子３ｂの表面のソース電極は、出力端子１３に接続され、裏面のドレイン電極は、金属板６ｂを介して入力端子１２に接続されている。なお、上記の各電極、端子間の接続は、はんだ（接合材）を介して接合されている。
【００２０】
バスバー２は、入力端子１２と、半導体素子３ａのドレイン電極と半導体素子３ｂのソース電極との間を接続する配線を含む出力端子１３と、信号端子１４とで構成されている。バスバー２は、平板の金属材料（例えば、銅合金など）からなり、表面は金属（例えば、ニッケルなど）でめっき処理されている。
【００２１】
金属板６は、熱伝導率が高く、電気抵抗が小さい金属材料（例えば、純銅など）からなる平板であり、表面は金属（例えば、ニッケルなど）によりめっき処理されている。上記のようなＭＯＳＦＥＴなどの半導体素子３は、大電流をスイッチング制御するため発熱量が大きいので、金属板６は放熱板としても機能する。本実施形態では、２枚の金属板６ａ，６ｂにそれぞれ１つの半導体素子３ａ，３ｂが搭載されて裏面のドレイン電極にはんだを介して接合されている。
【００２２】
２枚の金属板６ａ，６ｂを絶縁するために金属板６ａ，６ｂの裏面に固着された絶縁シート５は、例えば、エポキシ樹脂などが用いられる。金属板６ａ，６ｂの裏面側に図示しない放熱板やヒートシンクなどが密着して設けられ、絶縁シート５は、金属板６ａ，６ｂとヒートシンクなどとの間を絶縁するとともに、半導体素子３ａ，３ｂでの発熱は金属板６ａ，６ｂおよび絶縁シート５を伝わって放熱され、半導体素子３ａ，３ｂの温度上昇を抑制することができる。
【００２３】
図３に示すように、バスバー２はあらかじめ平板導体１１に一体成形されており、入力端子１２、出力端子１３にソース電極および金属板６ａ，６ｂに接続される複数（本実施形態では、４箇所）の広い電極用接合部７と、信号端子１４にゲート電極に接続される複数（本実施形態では、２箇所）の狭い電極用接合部８とが、それぞれ形成されている。平板導体１１は、半導体素子３ａ，３ｂの表面の各電極および金属板６ａ，６ｂにはんだを介して接合された後、切り離されてバスバー２の入力端子１２、出力端子１３、および信号端子１４（図２参照）が形成される。
【００２４】
半導体装置１全体を封止する樹脂部材４は、樹脂材料（例えば、エポキシ、ＰＰＳ、ＰＢＴなど）を用いてパッケージ構造に形成されている。
【００２５】
次に、図４は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置１の概略構成を示す断面図、図５は、図４における狭い電極用接合部８と半導体素子３とを接合したはんだ接合部９を示す拡大断面図である。
図４に示すように、半導体素子３ａ，３ｂの表裏面の電極の接合面、および金属板６ａ，６ｂの表面と入力端子１２および出力端子１３との接合面は、はんだを介して接合されている。
【００２６】
図５に示すように、信号端子１４の狭い電極用接合部８には、半導体素子３の表面に当接するように所定の高さを有して突起１０が、例えば、曲げにより一体成形されている。この狭い電極用接合部８の長手方向に突起１０の両側に溶融したはんだが充填され、固化されて、高さ方向の隙間（はんだ高さ）が安定した状態で半導体素子３と信号端子１４とが接合され断面が台形状のはんだ接合部９が形成される。これにより、高さ方向のはんだ塗布量を一定にして長手方向に発生する熱応力に対するはんだ接合部９の接合強度を大きくすることができる。ここで、狭い電極用接合部８は、例えば、厚さ０．４ｍｍ程度の平板であり、はんだ接合部９は、例えば、０．１ｍｍ程度のはんだ高さで形成されている。
【００２７】
次に、図６（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る狭い電極用接合部８と半導体素子３とを接合したはんだ接合部９を示す拡大断面図、図６（ｂ）は、本発明の第３の実施形態に係る狭い電極用接合部８と半導体素子３とを接合したはんだ接合部９を示す拡大断面図である。はんだ接合状態において、信号端子１４の先端部は、主に長手方向（図中、矢印方向）の熱応力を受ける。信号端子１４先端部の狭い電極用接合部８は、例えば、バスバー２とモールドされた樹脂部材４（図２参照）との熱膨張係数の差異により長手方向の応力を受けると、はんだ接合部９は大きな接合強度が必要となる。
【００２８】
図６（ａ），（ｂ）に示すように、信号端子１４先端部の狭い電極用接合部８が受ける熱応力の方向に対応して突起１０を中心位置から一方向にずらしてはんだ接合部９の断面形状を非対称に形成する。すなわち、応力方向（図中、矢印で示す）側のはんだ接合部９の断面形状が大きくなるように突起１０の位置を変更する。これにより、押付けられた側（応力方向）の接合面積が大幅に拡大し、はんだの塗布量が増加することにより、はんだ接合部９の接合強度が大きくなる。
【００２９】
次に、上記のように構成された本発明の第１〜３の実施形態に係る半導体装置１の作用および効果について説明する。
【００３０】
上記第１〜３の実施形態によれば、バスバー２は、ソース電極および金属板６ａ，６ｂに接続される入力端子１２、出力端子１３の複数の広い電極用接合部７と、ゲート電極に接続される信号端子１４の複数の狭い電極用接合部８とが、あらかじめ平板導体１１に一体構造として成形されている。平板導体１１は、半導体素子３ａ，３ｂの表面の各電極および金属板６ａ，６ｂにはんだを介して接合された後、切り離されて入力端子１２、出力端子１３および信号端子１４が形成される。これにより、バスバー２と、半導体素子３ａ，３ｂの電極および金属板６ａ，６ｂとの間の接続は、すべてはんだを介して接合することによりおこなわれる。この結果、はんだ接合部９のはんだ寿命、接合強度および信頼性が向上する。また、接合工法をはんだ接合に統一して一括で製作できるので、工程が減少することにより製造コストを削減することができる。
【００３１】
また、第１の実施形態によれば、信号端子１４先端部の狭い電極用接合部８には、半導体素子３の表面の電極に当接するように所定の高さを有して、突起１０が曲げにより一体成形されている。狭い電極用接合部８の長手方向に突起１０の両側に溶融したはんだが充填され、固化されて、高さ方向の隙間（はんだ高さ）が安定した状態で半導体素子３と信号端子１４とが接合され、断面が台形状のはんだ接合部９が形成される。これにより、高さ方向のはんだ塗布量を一定にして長手方向に発生する熱応力に対するはんだ接合部９の接合強度を大きくすることができる。
【００３２】
さらに、第２および第３の実施形態によれば、突起１０は、信号端子１４先端部の狭い電極用接合部８が受ける熱応力の方向に対応して中心位置からずらしてはんだ接合部９の断面形状が非対称に形成されている。すなわち、応力方向側のはんだ接合部９の断面形状が大きくなるように突起１０の位置を一方にずらして配置する。これにより、バスバー２とモールドされた樹脂部材４との熱膨張係数の差異により発生する力に対して、長手方向に応力方向側の接合面積が大幅に拡大し、はんだの塗布量が増加することにより、はんだ接合部９が受ける長手方向の熱応力によるクラックの発生を防止することができる。この結果、はんだ接合部９において十分なはんだ寿命、接合強度が得られ、信頼性の向上を図ることができる。
【００３３】
以上のように、本発明の実施形態によれば、半導体素子の電極とバスバーとの間の配線接続部において、信号端子の接合面に突起を設けてはんだ接合することにより、十分な接合強度が得られるとともに、生産性の高い接合構造を有し、高信頼性、低コスト化された半導体装置を提供できる。
【００３４】
以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明はさらに他の形態で実施することも可能である。
【００３５】
上記実施形態では、半導体素子３としてＭＯＳＦＥＴを用いた例を示したが、これに限定されるものでなく、他の半導体スイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴ、トランジスタなどとフリーホイールダイオードを並列接続したもの）を用いてもよい。
【００３６】
上記実施形態では、半導体装置１として上アームと下アームとから構成される１相分をパッケージングした例を示したが、これに限定されるものでなく、例えば、アーム単体、または、３相分が一体となった構造でパワーモジュール１５が形成されたものであってもよい。
【００３７】
上記実施形態では、半導体素子３の片面（裏面）に金属板６、絶縁シート５を設け、ヒートシンクなどに設置する構造について示したが、これに限定されるものでなく、半導体素子３の表裏両面にバスバー２および絶縁シート５を配置して、半導体素子３の両面からヒートシンクなどで挟み込む構造であってもよい。
【００３８】
上記実施形態では、車載用モータを駆動するインバータ装置の配線接続に電極構造を適用する例を示したが、これに限定されるものでなく、モータを備えた高信頼性、低コストが求められる他の用途の電気機器装置などに適用してもよい。
【符号の説明】
【００３９】
１，１Ｕ，１Ｖ，１Ｗ：半導体装置、２：バスバー、３，３ａ，３ｂ：半導体素子、
４：樹脂部材、５：絶縁シート（絶縁部材）、６，６ａ，６ｂ：金属板（金属部材）、７：広い電極用接合部、８：狭い電極用接合部、９：はんだ接合部、１０：突起、
１１：平板導体、１２：入力端子、１３：出力端子、１４：信号端子、
１５：パワーモジュール、Ｐ，Ｎ：直流電源端子、Ｕ，Ｖ，Ｗ：モータ端子、
ｕ１，ｕ２，ｖ１，ｖ２，ｗ１，ｗ２：制御端子
【図１】
2015050340.tif 000003
【図２】
2015050340.tif 000004
【図３】
2015050340.tif 000005
【図４】
2015050340.tif 000006
【図５】
2015050340.tif 000007
【図６】
2015050340.tif 000008