(57)【要約】【課題】絶縁体と回路基板との接合に関する製造コストの低減を図ることができる半導体装置を提供すること。【解決手段】半導体装置１０は、絶縁基板１１に、回路基板２１の裏面２１ａが接合材１３によって接合されるとともに、回路基板２１の表面２１ｂに半導体素子１５が接合されている。そして、回路基板２１が、接合材１３との非接合部である一対の突片２３を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回路基板の裏面が接合材によって絶縁体に接合されるとともに、前記回路基板の表面に半導体素子が接合されてなる半導体装置であって、
前記回路基板に、前記接合材との非接合部が形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記半導体素子は、前記回路基板上に位置決めされる位置決め治具によって前記表面に位置決めされて接合され、前記非接合部は、前記位置決め治具を位置決めする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記回路基板は平面視四角形状をなし、前記非接合部は、前記回路基板の少なくとも対角線上に設けられている請求項１又は請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記回路基板は、矩形状の基板本体と、前記回路基板の対角線上に位置する前記非接合部とからなり、前記非接合部は、前記基板本体の対向する一対の側辺から突設されるとともに該側辺に沿った長さが、前記側辺の半分の長さを有する請求項１〜請求項３のうちいずれか一項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、回路基板の裏面が接合材によって絶縁体に接合されるとともに、回路基板の表面に半導体素子が接合されてなる半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の半導体装置としては、例えば、特許文献１のパワーモジュールが挙げられる。図９に示すように、特許文献１のパワーモジュール９０（半導体装置）は、セラミックス板９１（絶縁体）の表面に回路層９２がろう付けされてなるパワーモジュール用基板９３と、回路層９２の表面に半田層９５を介して接合された半導体チップ９６と、を備えている。
【０００３】
パワーモジュール用基板９３において、セラミックス板９１と回路層９２との間に、ろう材層９８が介在されるとともに、このろう材層９８によってセラミックス板９１と回路層９２とが接合されている。ろう材層９８は、その表面に回路層９２の外周縁部が配置される外周部分９８ａと、この外周部分９８ａに囲まれた内側部分９８ｂとを備える。そして、外周部分９８ａは、その酸素含有濃度が内側部分９８ｂよりも高いろう材より形成されている。
【０００４】
特許文献１においては、ろう材層９８において、内側部分９８ｂよりも外周部分９８ａの方が融点が高くなる。このため、ろう付けのためにセラミックス板９１及び回路層９２が加熱されたとき、ろう材層９８の内側部分９８ｂを先に溶融させて、その後、外周部分９８ａを溶融させることが可能になる。したがって、ろう材層９８の内側部分９８ｂが溶融し、ろう材が外周に向けて流れようとしても、外周部分９８ａでせき止められる。このため、溶融したろう材が回路層９２の側面を伝って、回路層９２の表面に乗り上がることが抑制される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１８１９４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、特許文献１では、回路層９２の側縁からろう材がはみ出したり、回路層９２の表面に乗り上げることを防止するために、ろう材層９８として外周部分９８ａと、内側部分９８ｂの材質の異なる複数種類のろう材を必要とする。このため、特許文献１では、セラミックス板９１と回路層９２との接合に関して製造コストが嵩むという問題があった。
【０００７】
本発明は、絶縁体と回路基板との接合に関する製造コストの低減を図ることができる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】
【０００８】
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、回路基板の裏面が接合材によって絶縁体に接合されるとともに、前記回路基板の表面に半導体素子が接合されてなる半導体装置であって、前記回路基板に、前記接合材との非接合部が形成されているものである。
【０００９】
これによれば、回路基板が、接合材を介して絶縁体に接合されていても、非接合部の側縁から接合材がはみ出ることが無く、回路基板の表面に接合材が乗り上げることを無くすことができる。このため、回路基板に接合材が乗り上げないようにするために、背景技術のように材質の異なる複数種類の接合材を用意する必要が無く、絶縁体と回路基板との接合に関しての製造コストの低減を図ることができる。
【００１０】
また、前記半導体素子は、前記回路基板上に位置決めされる位置決め治具によって前記表面に位置決めされて接合され、前記非接合部は、前記位置決め治具を位置決めするものであってもよい。
【００１１】
これによれば、回路基板の非接合部の側縁からは接合材がはみ出ないため、非接合部の側縁を用いて位置決め治具の位置決めを行う際、その位置決めが接合材によって邪魔されることがない。その結果として、位置決め治具の位置決めが、回路基板の側縁からはみ出た接合材に邪魔されることを回避するため、背景技術のように材質の異なる２種類のろう材を必要とする場合と比べると、絶縁体と回路基板との接合に関しての製造コストの低減を図ることができる。また、非接合部以外には、接合材がはみ出たり、乗り上げたりしてもよく、接合材のはみ出しや乗り上げを考慮しつつ絶縁体と回路基板の接合を行う必要が無く、絶縁体と回路基板の接合を簡単に行うことができる。
【００１２】
また、前記回路基板は平面視四角形状をなし、前記非接合部は、前記回路基板の少なくとも対角線上に設けられていてもよい。
これによれば、少なくとも二つの非接合部だけで位置決め治具の位置決めを可能にすることができ、非接合部の数を最小限に抑えることができる。このため、絶縁体に接合されない部位を最小限に抑え、回路基板の絶縁体への接合を確実に行うことができる。
【００１３】
また、前記回路基板は、矩形状の基板本体と、前記回路基板の対角線上に位置する前記非接合部とからなり、前記非接合部は、前記基板本体の対向する一対の側辺から突設されるとともに該側辺に沿った長さが、前記側辺の半分の長さを有するものであってもよい。
【００１４】
これによれば、例えば、帯状をなし、その短辺の長さが、回路基板（基板本体）の一対の側辺と同じ長さの金属板から回路基板を切断して製造する際、金属板の短辺方向に非接合部を隣り合わせて形成することができる。その結果として、金属板から回路基板を形成する際、金属板から廃棄される部位を極力減らすことができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、絶縁体と回路基板との接合に関する製造コストの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施形態の半導体装置を示す斜視図。
【図２】実施形態の半導体装置を示す平面図。
【図３】実施形態の半導体装置を示す図２の３−３線断面図。
【図４】金属板から回路基板を製造する状態を示す図。
【図５】（ａ）は位置決め治具を示す斜視図、（ｂ）は位置決め治具を示す図５（ａ）のｂ−ｂ線断面図、（ｃ）は位置決め治具を示す底面図。
【図６】（ａ）は接合材が回路基板に乗り上げた状態を示す側面図、（ｂ）は接合材が回路基板に乗り上げた状態を示す平面図。
【図７】（ａ）は位置決め治具を回路基板上に支持させた状態を示す部分断面図、（ｂ）は位置決め治具を回路基板上に支持させた状態を示す平面図。
【図８】（ａ）及び（ｂ）は回路基板の別例を示す平面図。
【図９】背景技術を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図７にしたがって説明する。
図１に示すように、半導体装置１０は、絶縁体としての四角板状の絶縁基板１１を備える。図３に示すように、絶縁基板１１には、四角板状の回路基板２１の裏面２１ａが、ろう材製の接合材１３を介して接合されている。また、回路基板２１の表面２１ｂには、半導体素子１５が半田層１４を介して接合されている。絶縁基板１１は、窒化アルミニウム、アルミナ、窒化ケイ素などのセラミックスにより形成されるとともに、回路基板２１は、純アルミニウムや銅により形成されている。また、半導体素子１５としては、例えばＩＧＢＴやダイオードが用いられている。
【００１８】
図１及び図２に示すように、回路基板２１は、矩形板状の基板本体２２と、この基板本体２２の対向する一対の短辺から突設された矩形状の突片２３と、から形成されている。各突片２３の対向する一対の短辺２３ａのうち、一方の短辺２３ａは、基板本体２２の各長辺の延長線上に位置し、他方の短辺２３ｂは基板本体２２の短辺の中間位置から外方に向けて延びている。このため、基板本体２２の短辺方向に沿った突片２３長さは、その基板本体２２の短辺の長さの半分になっている。そして、一対の突片２３は、基板本体２２の中心点を基準として点対称となる位置に配置されている。
【００１９】
図４に示すように、回路基板２１は、一枚の帯状をなす金属板３０から複数個製造される。金属板３０は、短辺の長さが基板本体２２の短辺と同じ長さであり、金属板３０の長辺の長さは、回路基板２１の長辺方向への長さより長くなっている。そして、金属板３０の短辺方向の中間点を境界として両長辺側に突片２３を確保し、その突片２３及び基板本体２２の短辺に沿って金属板３０を切断することにより、金属板３０から回路基板２１が得られる。
【００２０】
図１及び図３に示すように、回路基板２１は、接合材１３を介して絶縁基板１１の表面に接合されている。接合材１３は、基板本体２２と同じ平面視四角形状をなす。そして、回路基板２１の裏面２１ａにおいて、基板本体２２と対応した四角形状の面が接合材１３によって絶縁基板１１に接合されている。このため、回路基板２１の裏面２１ａのうち、各突片２３に対応した部位は、接合材１３によって絶縁基板１１に接合されておらず、各突片２３は絶縁基板１１から離れた位置に配置されている。したがって、本実施形態では、両突片２３が、絶縁基板１１に接合されない非接合部を構成している。
【００２１】
次に、回路基板２１に半導体素子１５を位置決めする位置決め治具４０について説明する。
図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、位置決め治具４０は、グラファイト材料により形成されている。位置決め治具４０は、四角環状をなす天板４２と、この天板４２の四側周縁から突設された四角筒状をなす周壁４３とから形成されている。
【００２２】
周壁４３の開口形状は、周壁４３の内側に回路基板２１を挿入可能な四角孔状に形成されている。周壁４３の対角線上に位置する一対の角部には、各突片２３の一対の短辺２３ａのうち、回路基板２１の長辺の延長線上に位置する短辺２３ａに沿って当接可能な第１当接面４３ａが形成されている。さらに、周壁４３の一対の角部には、第１当接面４３ａに直交し、かつ各突片２３の長辺に沿って当接可能な第２当接面４３ｂが形成されている。すなわち、周壁４３の対角線上に位置する一対の角部は、第１当接面４３ａと第２当接面４３ｂによって直角状に形成されている。また、周壁４３は、対向する一対の内面に第１当接面４３ａが形成されることにより段差状に形成されている。
【００２３】
そして、図７（ｂ）に示すように、周壁４３の内側に回路基板２１が収納された状態では、各突片２３の一方の短辺２３ａに第１当接面４３ａが当接するとともに、突片２３の長辺に第２当接面４３ｂが当接し、位置決め治具４０の前後左右方向への移動が規制されるようになっている。また、位置決め治具４０の移動が規制された状態では、基板本体２２の長辺及び短辺と、各辺に対向する周壁４３の内面との間には隙間Ｓが形成されるようになっている。
【００２４】
図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、天板４２には、天板４２を上下方向へ貫通する位置決め孔４１が形成されるとともに、位置決め孔４１は四角孔状をなす。また、天板４２の裏面において、位置決め孔４１の周縁には支持突部４４が四角筒状に突設されている。なお、天板４２からの支持突部４４の突設長さは、天板４２からの周壁４３の突設長さより短くなっている。また、位置決め治具４０において、周壁４３の内側と、支持突部４４の外側との間には、環状凹部４５が形成されている。
【００２５】
そして、回路基板２１の表面２１ｂに位置決め治具４０が支持（載置）された状態では、位置決め孔４１は、回路基板２１の表面２１ｂを位置決め孔４１を介して上側へ臨ませるようになっている。また、位置決め孔４１は、半田層１４を形成する半田シート５０、及び半導体素子１５を挿入可能とするように、半田シート５０及び半導体素子１５の外形よりも大きく形成されている。位置決め孔４１内に半田シート５０が挿入され、半田シート５０が回路基板２１の表面２１ｂ上に載置された状態では、半田シート５０は位置決め孔４１の壁面によって位置決めされる。また、位置決め孔４１内に半導体素子１５が挿入され、半導体素子１５が半田シート５０上に配置された状態では、位置決め孔４１の壁面によって、半導体素子１５が半田シート５０上に位置決めされる。
【００２６】
次に、半導体装置１０の作用を製造方法とともに説明する。
まず、絶縁基板１１の表面に接合材１３の材料を配置するとともに、接合材１３上に回路基板２１を配置する。図６（ａ）に示すように、接合材１３は、基板本体２２と同じ四角形状に形成されており、二つの突片２３の裏側には配置されない。そして、接合材１３の溶融温度まで絶縁基板１１、接合材１３及び回路基板２１を加熱する。このとき、溶融した接合材１３が基板本体２２の側縁を伝わり、接合材１３の一部１３ａが基板本体２２の表面に乗り上がったとする。その後、接合材１３が凝固点まで冷却されると、接合材１３によって絶縁基板１１の表面に回路基板２１の裏面２１ａが接合される。
【００２７】
図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、基板本体２２の側縁からは接合材１３がはみ出し、さらに、基板本体２２の表面には、接合材１３の一部１３ａが乗り上げるが、非接合部である突片２３の側縁からは接合材１３ははみ出ず、表面にも接合材１３は乗り上げていない。
【００２８】
次に、図７（ａ）に示すように、回路基板２１の表面２１ｂに支持突部４４を支持させるとともに、周壁４３の内側に回路基板２１を収納して、回路基板２１上に位置決め治具４０を載置する。このとき、図７（ｂ）に示すように、各突片２３の一方の短辺２３ａ及び長辺に沿って、周壁４３の第１当接面４３ａ及び第２当接面４３ｂが配置され、位置決め治具４０は、二つの突片２３に二つの角部が接触可能な位置に配置される。したがって、位置決め治具４０は、回路基板２１の表面２１ｂ上で前後左右方向へ移動しようとしても、いずれかの方向で二つの突片２３の側辺に当接する。よって、絶縁基板１１に接合された回路基板２１の突片２３に対し、位置決め治具４０が当接するため、位置決め治具４０の移動が規制され、位置決め治具４０が位置決めされる。
【００２９】
また、各突片２３は、接合材１３を介して絶縁基板１１には接合されていない。このため、突片２３の側縁から接合材１３ははみ出ず、表面には接合材１３の一部１３ａが乗り上げていない。よって、周壁４３の第１当接面４３ａ及び第２当接面４３ｂが、各突片２３の一方の短辺２３ａ及び長辺に沿って配置されるように位置決め治具４０を位置決めするとき、接合材１３が邪魔になることがない。また、基板本体２２の表面には接合材１３が乗り上げているが、回路基板２１上に位置決め治具４０を載置したとき、乗り上げた接合材１３の一部１３ａは、環状凹部４５内に収納される。
【００３０】
回路基板２１の表面２１ｂで位置決め治具４０が位置決めされると、回路基板２１の中央に支持突部４４及び位置決め孔４１が位置決めされる。そして、位置決め孔４１に半田シート５０を挿入した後、半導体素子１５を挿入し、位置決め孔４１の壁面によって基板本体２２上に半田シート５０及び半導体素子１５を積層する。その後、半田シート５０の溶融温度まで加熱し、半田シート５０を溶融させた後、凝固点まで冷却させると、半田層１４を介して半導体素子１５が絶縁基板１１に接合される。
【００３１】
その結果、絶縁基板１１に接合材１３を介して回路基板２１が接合されるとともに、回路基板２１に半田層１４を介して半導体素子１５が接合されてなる半導体装置１０が製造される。
【００３２】
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）回路基板２１には、接合材１３と接合されない突片２３（非接合部）が設けられている。このため、接合材１３を介して絶縁基板１１に回路基板２１を接合しても、突片２３の側縁から接合材１３がはみ出ることが無く、表面に接合材１３が乗り上げることを無くすことができる。すなわち、１種類の接合材１３を用いながらも、回路基板２１に、接合材１３がはみ出ず、乗り上げない部位を設けることができる。したがって、回路基板２１の側縁から接合材１３がはみ出ず、表面２１ｂに乗り上げないようにするために、背景技術のように、材質の異なる２種類のろう材を必要とする場合と比べると、絶縁基板１１と回路基板２１との接合に関しての製造コストの低減を図ることができる。
【００３３】
（２）回路基板２１の突片２３の側縁からは接合材１３がはみ出ないため、各突片２３の一方の短辺２３ａ及び長辺に沿って、位置決め治具４０の第１当接面４３ａ及び第２当接面４３ｂを配置することができる。このため、二つの突片２３を用いて位置決め治具４０の位置決めを行うことができ、半導体素子１５を回路基板２１の所定位置に位置決めすることができる。したがって、回路基板２１に非接合部としての突片２３を設けることで、突片２３を用いて、半導体素子１５及び半田シート５０の位置決め用の位置決め治具４０の位置決めを行うことができる。その結果として、位置決め治具４０の位置決めが、回路基板２１の側縁からはみ出た接合材１３に邪魔されることを回避するため、背景技術のように材質の異なる２種類のろう材を必要とする場合と比べると、絶縁基板１１と回路基板２１との接合に関しての製造コストの低減を図ることができる。
【００３４】
（３）回路基板２１は、四角形状の基板本体２２と、この基板本体２２から突設された突片２３とからなる。そして、接合材１３は基板本体２２と同じ大きさに形成されている。このため、突片２３を設けるだけで、位置決め治具４０の位置決めを可能にしつつ、基板本体２２全体を接合材１３で絶縁基板１１に接合することができる。したがって、回路基板２１の側縁から接合材１３がはみ出ないようにするために、接合材１３の量を減らすこともなく、回路基板２１の絶縁基板１１への接合を確実に行うことができる。
【００３５】
（４）回路基板２１は、四角形状の基板本体２２と、この基板本体２２から突設された突片２３とからなり、二つの突片２３は回路基板２１の対角線上に設けられている。このため、二つの突片２３だけでも位置決め治具４０の位置決めを可能にすることができ、基板本体２２から突出する突片２３の数を最小限に抑えることができる。すなわち、絶縁基板１１に接合されない部位を最小限に抑え、回路基板２１の絶縁基板１１への接合を確実に行うことができる。
【００３６】
（５）位置決め治具４０の周壁４３の開口形状は、第１当接面４３ａが各突片２３の一方の短辺２３ａに沿うとともに第２当接面４３ｂが各突片２３の長辺に沿うように形成されている。さらに、位置決め治具４０の周壁４３の開口形状は、突片２３以外の基板本体２２の側縁に対しては隙間Ｓを空けるように形成されている。このため、突片２３によって位置決め治具４０が位置決めされたとき、基板本体２２の側縁から接合材１３がはみ出していても、その接合材１３が周壁４３に干渉することが防止され、位置決め治具４０を所定の位置に配置することができる。
【００３７】
（６）位置決め治具４０は、四角環状をなす天板４２と、この天板４２の四側周縁から突設された四角筒状をなす周壁４３とから形成され、さらに、天板４２における位置決め孔４１の周縁から延びる支持突部４４を備える。そして、天板４２からの支持突部４４の突設長さは、天板４２からの周壁４３の突設長さより短くなっている。このため、周壁４３の内側に回路基板２１を収納し、位置決め治具４０が位置決めされた状態では、支持突部４４を回路基板２１の表面２１ｂに支持させることができる。
【００３８】
（７）位置決め治具４０は、四角環状をなす天板４２と、この天板４２の四側周縁から突設された四角筒状をなす周壁４３とから形成され、さらに、天板４２における位置決め孔４１の周縁から延びる支持突部４４を備える。そして、周壁４３と支持突部４４との間に環状凹部４５が区画されている。このため、支持突部４４を回路基板２１の表面２１ｂに支持させた状態では、基板本体２２上に乗り上げた接合材１３の一部１３ａを環状凹部４５内に収納し、乗り上げた接合材１３が天板４２に当接することを防止することができる。
【００３９】
（８）回路基板２１は、基板本体２２と、一対の突片２３とからなる。そして、この回路基板２１において、各突片２３は、基板本体２２の各短辺の半分の長さを有するとともに、回路基板２１の対角線上に位置している。よって、短辺方向への長さが回路基板２１の短辺方向への長さと同じ帯状の金属板３０から回路基板２１を切断して製造する際、金属板３０の短辺方向に突片２３を隣り合わせて形成することができる。その結果として、金属板３０から回路基板２１を形成する際、金属板３０から廃棄される部位を極力減らすことができる。
【００４０】
（９）回路基板２１の基板本体２２上に接合材１３が乗り上げたとしても、二つの突片２３によって位置決め治具４０の前後左右方向への移動を規制し、環状凹部４５で乗り上げた接合材１３と天板４２との干渉を防止することができる。したがって、突片２３と位置決め治具４０の協同で半導体素子１５の位置決めを行うことができる。
【００４１】
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○  実施形態では、回路基板２１を、四角形状の基板本体２２と、この基板本体２２の両短辺に形成された突片２３とから形成したが、突片２３の位置や形状は任意に変更してもよい。図８（ａ）に示すように、基板本体２２の四つ角に突片２３を突設してもよい。また、図８（ｂ）に示すように、突片２３は、基板本体２２の三つの角部に突設してもよい。
【００４２】
○  実施形態では、接合材１３をろう材で形成したが、ろう材以外にも半田や接着剤で形成してもよい。
○  実施形態では、絶縁体としての絶縁基板１１は、窒化アルミニウム、アルミナ、窒化ケイ素などのセラミックスにより形成したが、絶縁体としてガラスエポキシ等のその他の材料に変更してもよい。
【００４３】
○  実施形態では、半導体装置１０は、絶縁基板１１と、回路基板２１と、半導体素子１５とから構成されていたが、半導体装置１０を、絶縁基板１１における回路基板２１の接合面と反対側の面に、熱交換器を形成した構成としてもよい。
【００４４】
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
（イ）前記位置決め治具は、天板と、該天板の周縁から突設された筒状をなす周壁とから形成され、前記周壁には、前記非接合部の隣り合う二側辺に当接する当接面が形成されるとともに、前記周壁は、前記非接合部以外の前記回路基板の側縁に対しては隙間を空けるように形成されている半導体装置。
【００４５】
（ロ）前記位置決め治具は、前記天板に前記半導体素子が挿入される位置決め孔が形成されるとともに、前記位置決め孔の周縁から延びる支持突部を備え、前記天板からの前記支持突部の突設長さは、前記天板からの前記周壁の突設長さより短くなっている技術的思想（イ）に記載の半導体装置。
【００４６】
（ハ）前記位置決め治具には、前記周壁と前記支持突部との間に環状凹部が区画されている技術的思想（ロ）に記載の半導体装置。
【符号の説明】
【００４７】
１０…半導体装置、１１…絶縁体としての絶縁基板、１３…接合材、１５…半導体素子、２１…回路基板、２１ａ…裏面、２１ｂ…表面、２２…基板本体、２３…非接合部としての突片、４０…位置決め治具。
【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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