(57)【要約】      （修正有）【課題】リフローはんだ付け工程において、積層体の素子が放熱板に対して傾斜し、はんだの薄い部分に熱応力が集中し、クラックが発生することを回避できる半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置１０は、薄板状の第１放熱板１１、第１はんだ層１２、薄板状の半導体素子１３、第２はんだ層１４、スペーサ１５が順に積層された積層体であって、第１放熱板を水平面上に配置し、積層体を第１はんだ層の重心位置を通る鉛直線を含む特定の平面で切断した断面において、第２部材の断面形状における重心位置が第１はんだ層の断面形状における重心位置を通る鉛直線上から離間している積層体を有する。第１はんだ層の重心位置をモーメント中心とした場合、素子の自重によるモーメントと第２はんだ層の自重によるモーメントと第２部材の自重によるモーメントとの総和がゼロとなるように、素子と第２はんだ層とスペーサとを構成する。【選択図】図１
2016152344.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄板状の第１部材と、
前記第１部材の上面に第１はんだ層を介して積層される薄板状の半導体素子と、
前記素子の上面に第２はんだ層を介して積層される薄板状の第２部材と、
を有する積層体であり、
前記第１部材を水平面上に配置した状態にて前記積層体を前記第１はんだ層の重心位置を通る鉛直線を含む特定の平面で切断した断面において、前記第２部材の断面形状における重心位置が前記第１はんだ層の断面形状における重心位置を通る鉛直線上から離間している積層体、を含む半導体装置において、
前記第１はんだ層の重心位置をモーメント中心とした場合の、前記素子の自重によるモーメントと前記第２はんだ層の自重によるモーメントと前記第２部材の自重によるモーメントとの総和がゼロとなるように、前記素子と前記第２はんだ層と前記第２部材とが構成されている半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記第１はんだ層は、一定の厚み及び一定の密度を有し、
前記第２はんだ層は、一定の厚み及び一定の密度を有し、
前記第２部材は、一定の厚みを有し、且つ、その密度が、前記第１はんだ層の前記特定の平面による断面形状における前記重心位置を通る鉛直線から前記第２部材の前記特定の平面による断面形状における前記重心位置に向かう方向に進むにつれて小さくなっている、
半導体装置。
【請求項３】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記第１はんだ層は、一定の厚み及び一定の密度を有し、
前記第２はんだ層は、一定の厚み及び一定の密度を有し、
前記第２部材は、一定の厚み及び一定の密度を有するとともに、前記特定の平面と直交し且つ鉛直線を含む第１平面にて前記第２部材を切断した断面の面積が、前記第１はんだ層の前記特定の平面による断面形状における前記重心位置を通る鉛直線から前記第２部材の前記特定の平面による断面形状における前記重心位置に向かう方向に進むにつれて等しいか又は小さくなっている、
半導体装置。
【請求項４】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記第１はんだ層は、一定の厚み及び一定の密度を有し、
前記第２はんだ層は、一定の厚み及び一定の密度を有し、
前記第２部材は、一定の厚みを有し、前記第１はんだ層の前記特定の平面による断面形状における前記重心位置を通る鉛直線から前記第２部材の前記特定の平面による断面形状における前記重心位置に向かう方向に進むにつれて、前記第１平面にて前記第２部材を切断した断面の面積が等しいか又は小さくなっており且つ前記第２部材の密度が小さくなっている、
半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄板状の第１部材の上に半導体素子をはんだ層を介して積層し、更に、その素子の上に別のはんだ層を介して第２部材を積層した積層体、を含む半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）及びダイオード等の半導体素子を備える半導体装置が広く使用されている。更に、半導体装置内の半導体素子を効率良く冷却するために、半導体素子の両方の主面から放熱させるための一対の放熱板を備えた「両面放熱型の半導体装置」が知られている。
【０００３】
このような半導体装置においては、放熱板（第１部材）の上に第１はんだ層を介して半導体素子（素子）が積層され、更に、その素子の上に第２はんだ層を介してスペーサ（第２部材）が積層されている（例えば、特許文献１を参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−３０８２３７号公報
【発明の概要】
【０００５】
ところで、このような積層体を有する半導体装置を製造すると、図１２に示したように、第１部材としての放熱板９１０と素子９２０との間の第１はんだ層９３０の厚みが一定でなく、素子９２０が放熱板９１０の上面に対して傾斜している製品が発生することが判明した。係る製品においては、以下のような問題が生じる。
【０００６】
・第１はんだ層９３０の薄い部分に熱応力が集中しやすいので、半導体装置の使用中にクラックが発生し易く、その結果、半導体装置の寿命が短くなる。
・リフローはんだ付け工程を用いて上記の積層体が製造される場合、その工程において第１はんだ層９３０の薄い部分の温度が過度に高くなる。そのため、素子９２０の電極がニッケルめっき、蒸着又はスパッタ処理されている場合には、そのニッケルが溶解する所謂「ニッケル食われ」が発生したり、電極の合金層が剥離する所謂「スポーリング」が発生したりする。このような「ニッケル食われ及び／又はスポーリング」が発生した部分は強度が低下しているので、上記クラックの起点となり易く、その結果、上記クラックの発生頻度が高くなる。
・素子９２０の上面に形成されたボンディングパッド９２１にワイヤＷが超音波振動を用いて接合される場合、キャピラリＣの先端がボンディングパッド９２１に対して傾斜して当接することがある。その結果、ボンディングの強度が低下する（ボンディング不良が発生する）虞がある。
【０００７】
本発明は上記問題に対処するために為されたものである。即ち、本発明の目的の一つは、仮に積層体がリフローはんだ付け工程を通して製造される場合であっても、素子が第１部材に対して傾斜しておらず、その結果、信頼性及び耐久性に優れている半導体装置を提供することにある。
【０００８】
発明者は、上記問題を解決するために上記問題の発生原因について検討した。その結果、次に述べる原因が判明した。先ず、リフローはんだ付け工程の概要について、図１３を参照しながら説明する。
【０００９】
最初に図１３（Ａ）に示したように、第１部材９１０の上面に「後に第１はんだ層となる、はんだ材（はんだペースト又ははんだ箔）９３０ａ」が塗布又は積層される。その後、はんだ材９３０ａの上に半導体素子９２０が載置される。素子９２０の上面にはボンディングパッド９２１が設けられている。
【００１０】
次に、図１３（Ｂ）に示したように、素子９２０の上面に「後に第２はんだ層となる、はんだ材９４０ａ」が塗布又は積層される。はんだ材９４０ａは、ボンディングパッド９２１を覆わない位置に配置される。その後、はんだ材９４０ａの上に第２部材９５０が載置され、仮積層体が形成される。
【００１１】
ところで、半導体装置によっては、第２部材９５０は、第２部材９５０の上に配置される図示しない別部材（放熱板）に素子９２０からの熱を伝達する熱伝達部材として機能する。この場合、第２部材９５０は、その放熱断面積が極力大きいことが望まれる。その結果、第２部材９５０の平面視における形状は、図１４に示したように、素子９２０の上面の範囲内において極力大きくなるように設計される。その結果、図１３（Ｃ）に示したように、第２部材９５０の重心位置Ｇ２は「はんだ材９３０ａの重心位置Ｇ０及び素子９１０の重心位置Ｇ１」に対して紙面右方向に偏移する。但し、重心位置Ｇ２が重心位置Ｇ０及び重心位置Ｇ１に対して偏移する半導体装置は第２部材９５０が熱伝達部材である場合に限定されない。
【００１２】
その後、仮積層体は、はんだリフロー炉に投入され、図１３（Ｃ）に示したように、ヒーター及び温風Ｈ１等によって適当な温度に加熱される。そして、はんだ材９３０ａに含まれる「はんだ」が溶融しその後固化して、第１はんだ層９３０へと変化する。その結果、図１３（Ｄ）に示したように、素子９２０は、第１はんだ層９３０を介して第１部材９１０と物理的・電気的に接続される。同様に、はんだ材９４０ａに含まれる「はんだ」が溶融しその後固化して、第２はんだ層９４０へと変化する。その結果、素子９２０は、第２はんだ層９４０を介して第２部材９５０と物理的・電気的に接続される。
【００１３】
ところで、前述したように、第２部材９５０の重心位置Ｇ２は、「はんだ材９３０ａの重心位置Ｇ０及び素子９２０の重心位置Ｇ１」を通る鉛直線ＣＬから離間している。従って、第２部材９５０は「はんだ材９３０ａの重心位置Ｇ０」をモーメント中心としたモーメントを発生させる。そのため、仮積層体が水平面状に配置されてはんだリフロー炉に投入され、そのはんだリフロー炉内において、はんだ材９３０ａに含まれる「はんだ」が溶融したとき、図１３（Ｄ）に示したように、はんだ材９３０ａの片側が押しつぶされるような状態となって素子９２０が第１部材９１０に対して傾いた状態にて接合されてしまう。以上のような理由により素子９２０が第１部材９１０の上面に対して傾斜する。
【００１４】
このような知見に基づいて成された本発明の半導体装置（以下、「本発明装置」とも称呼する。）は、薄板状の第１部材と、前記第１部材の上面に第１はんだ層を介して積層される薄板状の半導体素子と、前記素子の上面に第２はんだ層を介して積層される薄板状の第２部材と、を有する積層体を含む。
【００１５】
更に、前記積層体は、前記第１部材を水平面上に配置した状態にて前記積層体を、前記第１はんだ層の重心位置を通る鉛直線を含む特定の平面で切断した断面において、前記第２部材の断面形状における重心位置（以下、「第２部材断面重心位置」とも称呼する。）（Ｃ２）が前記第１はんだ層の断面形状における重心位置（以下、「第１はんだ層断面重心位置」とも称呼する。）（Ｃ０）を通る鉛直線上から離間している積層体を含む。
【００１６】
加えて、本発明装置においては、前記第１はんだ層の重心位置（Ｇ０）をモーメント中心とした場合の、前記素子の自重によるモーメントと前記第２はんだ層の自重によるモーメントと前記第２部材の自重によるモーメントとの総和がゼロとなるように、前記素子と前記第２はんだ層と前記第２部材とが構成されている。
【００１７】
この構成によれば、前記第１はんだ層の重心位置の周りに、前記素子、前記第２はんだ層及び前記第２部材のそれぞれの自重によるモーメントが実質的に発生しない。従って、本発明装置の積層体が仮にはんだリフロー工程を用いて作成された場合であっても、第１はんだ層の厚さが一定となるので、素子が第１部材に対して傾斜しない。その結果、信頼性及び耐久性に優れた半導体装置が提供され得る。
【００１８】
本発明装置の一態様において、前記第１はんだ層は、一定の厚み及び一定の密度を有する。前記第２はんだ層は、一定の厚み及び一定の密度を有する。
【００１９】
更に、前記第２部材は、一定の厚みを有し、且つ、その密度が、前記第１はんだ層断面重心位置を通る鉛直線から前記第２部材断面重心位置に向かう方向（図２のＸ方向）に進むにつれて小さくなっている。
【００２０】
この態様によれば、第２部材の密度を不均一にすることにより、「前記第１はんだ層の重心位置をモーメント中心とした場合の、前記モーメントとの総和」を実質的にゼロとすることができる。
【００２１】
本発明装置の他の態様において、前記第１はんだ層は、一定の厚み及び一定の密度を有する。前記第２はんだ層は、一定の厚み及び一定の密度を有する。
【００２２】
更に、前記第２部材は、一定の厚み及び一定の密度を有するとともに、前記特定の平面と直交し且つ鉛直線を含む第１平面にて前記第２部材を切断した断面の面積が、前記第１はんだ層断面重心位置を通る鉛直線から前記第２部材断面重心位置に向かう方向に進むにつれて等しいか又は小さくなっている（図７〜図９を参照。）。
【００２３】
この態様によれば、第２部材の断面形状を不均一にすることにより、「前記第１はんだ層の重心位置をモーメント中心とした場合の、前記モーメントとの総和」を実質的にゼロとすることができる。
【００２４】
加えて、本発明の他の態様においては、第２部材が、一定の厚みを有し、前記第１はんだ層断面重心位置を通る鉛直線から前記第２部材断面重心位置に向かう方向に進むにつれて、前記第１平面にて前記第２部材を切断した断面の面積が等しいか又は小さくなっており且つ前記第２部材の密度が小さくなっている。その密度及び断面形状の両方が第２部材の部位に応じて変化するように構成されることにより、「前記第１はんだ層の重心位置をモーメント中心とした場合の、前記モーメントとの総和」を実質的にゼロとすることができる。
【００２５】
本発明の他の目的、他の特徴及び付随する利点は、以下の図面を参照しつつ記述される本発明の各実施形態についての説明から容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置の構成を模式的に示した上面図（平面図）及び断面図である。
【図２】図２は、スペーサの形状及び重心位置を説明するための上面図及び断面図である。
【図３】図３は、第１積層体を製造するための積層工程を模式的に示した断面図である。
【図４】図４は、ボンディング工程を模式的に示した断面図である。
【図５】図５は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置の変形例を示した上面図及び断面図である。
【図６】図６は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置の変形例における第１スペーサの重心位置と銅の最大配分率との関係を示した図である。
【図７】図７は、本発明の第２実施形態に係る半導体装置の構成を模式的に示した上面図及び断面図である。
【図８】図８は、第１スペーサの形状を説明するための上面図及び断面図である。
【図９】図９は、第２実施形態の変形例に係る第１スペーサの形状を説明するための上面図である。
【図１０】図１０は、第１はんだ層の重心位置を中心とするモーメントを説明するための断面図である。
【図１１】図１１は、本発明の第３実施形態に係る半導体装置の構成を模式的に示した上面図及び断面図である。
【図１２】図１２は、ボンディング工程において、半導体素子が傾いているときの状態を模式的に示した断面図である。
【図１３】図１３は、従来技術の積層工程を模式的に示した断面図である。
【図１４】図１４は、従来技術の半導体装置の構成を模式的に示した上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
＜第１実施形態＞
以下、図面を参照しながら本発明の第１実施形態に係る半導体装置（以下、「第１装置」とも称呼する。）について説明する。第１装置は両面放熱型の半導体装置である。
【００２８】
（構成）
第１装置１０は、図１（Ａ）及び（Ｂ）に示したように、下から順に積層された「第１放熱板（第１部材）１１、第１はんだ層１２、半導体素子１３、第２はんだ層１４、スペーサ（第２部材）１５、第３はんだ層１６、第２放熱板１７及び端子１８」、並びに、樹脂１９を備えている。第１装置１０の全体形状は直方体である。なお、図１（Ａ）においては、第３はんだ層１６及び第２放熱体１７が省略されている。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の１−１線に沿った平面にて第１装置１０を切断した断面図である。
【００２９】
第１放熱板１１は一定の厚みを有する薄板体である。
第１放熱板１１の平面形状（平面視における形状）は長方形である。
第１放熱板１１は銅及びアルミニウム等の熱伝導性に優れた金属から構成された導電体である。
第１放熱板１１の下面（即ち、第１放熱板１１の第１主面）１１ａは樹脂１９から露出している。
【００３０】
第１はんだ層１２は、一定の厚みを有する。第１はんだ層１２の厚さは第１放熱板１１及びスペーサ１５等の厚さに比べて小さい。
第１はんだ層１２の平面形状は、第１放熱板１１の平面形状よりも小さく且つ半導体素子１３と略同じ大きさの長方形である。
第１はんだ層１２は、一定の密度を有する。前述したように、第１はんだ層１２は一定の厚みを有しているので、第１はんだ層１２の重量分布は均一であり、その平面形状における中心位置と重心位置とは一致している。
第１はんだ層１２は、第１放熱板１１の上面（第１放熱板１１の第２主面）１１ｂと半導体素子１３の下面（半導体素子１３の第１の主面）１３ａとの間に配設されている。
第１はんだ層１２は、錫系のはんだ（例えば、錫、銀及び銅等からなる合金）である。なお、後述する第２はんだ層１４及び第３はんだ層１６も第１はんだ層１２と同様の材料からなる。
【００３１】
半導体素子１３は、一定の厚み及び一定の密度を有する。半導体素子１３の厚さは第１放熱板１１の厚さよりも小さい。
半導体素子１３の平面形状は、第１放熱板１１の平面形状よりも小さく且つ第１はんだ層１２と略同じ大きさの長方形である。
半導体素子１３は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）である。
半導体素子１３の下面１３ａには半導体素子１３のコレクタ電極１３ｃが形成されている。
半導体素子１３の上面１３ｂには半導体素子１３のエミッタ電極１３ｅが形成されている。
半導体素子１３の上面１３ｂの図１における紙面左側には半導体素子１３のゲート電極１３ｇ及びセンサ電極１３ｓが形成されている。
【００３２】
半導体素子１３のコレクタ電極１３ｃは、第１はんだ層１２を介して第１放熱板１１と物理的・電気的に接続されている。半導体素子１３のゲート電極１３ｇ及びセンサ電極１３ｓは、ボンディングワイヤＷを介して端子１８に接続される。ボンディングワイヤＷは、例えば、アルミニウムでできている。
【００３３】
スペーサ１５は、一定の厚みを有する。スペーサ１５の厚さは半導体素子１３の厚さよりも大きい。
スペーサ１５の平面形状（平面視における形状）は長方形である。
平面視におけるスペーサ１５の外形は、半導体素子１３の平面形状よりも小さい。
スペーサ１５は、後に詳述するように、金属及び合金等の材料からなるＡ部材１５ａ及びＡ部材と密度の異なる金属および合金等の材料からなるＢ部材１５ｂから構成される。スペーサ１５は半導体素子１３のエミッタ電極１３ｅ上に第２はんだ層１４を介して積層されている。従って、スペーサ１５は半導体素子１３のエミッタ電極１３ｅと物理的・電気的に接続されている。
【００３４】
第２放熱板１７は一定の厚みを有する薄板体である。
第２放熱板１７の厚さは第１放熱板１１の厚さと略等しい。
第２放熱板１７の平面形状（平面視における形状）は第１放熱板１１と略等しい長方形である。
第２放熱板１７は銅及びアルミニウム等の熱伝導性に優れた金属から構成された導電体である。
第２放熱板１７はスペーサ１５の上に第３はんだ層１６を介して積層される。
従って、第２放熱板１７はスペーサ１５と物理的・電気的に接続されている。
第２放熱板１７の上面（即ち、第２放熱板１７の第１主面）１７ａは樹脂１９から露出している。
【００３５】
樹脂１９は略直方体形状を有する。
樹脂１９は熱硬化性を有するエポキシ系樹脂の絶縁性材料でできており、例えば、シリカ及びアルミナ等の無機フィラーを含有している。
樹脂１９は、第１放熱板１１、第１はんだ層１２、半導体素子１３、第２はんだ層１４、スペーサ１５、第３はんだ層１６、第２放熱板１７、端子１８及びボンディングワイヤＷを埋設する（封止する）。
従って、第１放熱板１１と第２放熱板１７との間の絶縁性（半導体素子１３のコレクタ電極１３ｃとエミッタ電極１３ｅとの間の絶縁性）が確保される。
但し、第１放熱板１１の下面、第２放熱板１７の上面及び端子１８の一部は、樹脂１９から露出している。これによって、半導体装置１０とその外部との回路とを電気的に接続することができるようになっている。
【００３６】
このように、半導体装置１０は「両面放熱型」の構造を有する。即ち、半導体素子１３において発生した熱のうち、一部は、第１はんだ層１２を介して第１放熱板１１に向かう経路を通って放熱される。残りは、第２はんだ層１４とスペーサ１５と第３はんだ層１６とを介して第２放熱板１７に向かう経路を通って放熱される。
【００３７】
以下、図２を参照しながら第１装置１０におけるスペーサ（第２部材）１５の構成について詳細に説明する。図２（Ａ）に示したように、スペーサ１５の各辺は半導体素子１３の各辺と平行になるように配置される。以下、図２において、半導体素子１３の一辺に沿う方向をＸ軸、その一辺と直交する方向をＹ軸、半導体素子１３の厚さ方向をＺ軸と定義する。
【００３８】
このＸＹＺ直交軸に従うと、スペーサ１５は、Ｙ−Ｚ平面に平行であり且つスペーサ１５のＸ軸方向略中央部を通る平面により２分割されていて、Ｘ軸負方向にＡ部材１５ａが配置され、Ｘ軸正方向にＢ部材１５ｂが配置されている。従って、Ａ部材１５ａとＢ部材１５ｂとは互いに大きさが異なる直方体形状を有している。なお、Ａ部材１５ａとＢ部材１５ｂとは、これらの部材の表面同士を重ね合わせて圧延することにより、材料間の境界面を拡散接合（元素拡散によって合金化）させる方法によって貼り合わされている。この方法によって、製造される部材は「クラッド材」と称呼される。なお、Ａ部材１５ａ及びＢ部材１５ｂは、密度大部材１５ａ及び密度小部材１５ｂとそれぞれ称呼される場合がある。
【００３９】
このスペーサ１５において、Ａ部材１５ａは、均一の密度を有し、その質量はＭＡである。Ｂ部材１５ｂは、均一の密度を有し、その質量はＭＢである。Ａ部材１５ａの密度はＢ部材１５ｂの密度よりも高い。従って、スペーサ１５の重心位置Ｇ２（第２部材の重心位置）は、スペーサ１５全体が均一の密度である場合の重心Ｃ２よりもＸ軸負方向（Ａ部材１５ａ側）に位置するようになる。このことを利用して、スペーサ１５は、スペーサ１５の重心位置Ｇ２が「半導体素子１３の重心位置Ｇ１及び第１はんだ層１２の重心位置Ｇ０」の鉛直上方（鉛直線ＣＬ上）に位置するように設計されている。更に、スペーサ１５は、Ａ部材１５ａとＢ部材１５ｂとの接合面がスペーサ１５の重心位置Ｇ２を含むように設計されている。このときのＡ部材１５ａとＢ部材１５ｂの重量配分の計算方法について以下に述べる。
【００４０】
以下の説明において、図２に示したように、半導体素子１３の左端のＸ座標を０、半導体素子１３の右端のＸ座標をａ、スペーサ１５の左端のＸ座標をｂ、スペーサ１５の右端のＸ座標をｃ、Ａ部材１５ａとＢ部材１５ｂとの接合面のＸ座標をｔと置く。なお、図２において、距離Ｄ１と距離Ｄ２とは等しく、距離Ｄ３は距離Ｄ４よりも長い関係となっている。
【００４１】
半導体素子１３は均一の密度を有している。従って、半導体素子１３を１−１線に沿った平面（Ｘ−Ｚ平面）にて切断した断面において、半導体素子１３の重心位置Ｇ１と、その半導体素子１３の切断面の断面形状における重心位置Ｃ１とは一致している（図２の（Ｂ）を参照。）。同様に、第１はんだ層１２は均一の密度を有している。従って、第１はんだ層１２を前記特定平面にて切断した断面において、第１はんだ層１２の重心位置Ｇ０と、その第１はんだ層１２の切断面の断面形状における重心位置Ｃ０とは一致している（図２の（Ｂ）を参照。）。なお、特定平面は半導体素子１３及びスペーサ１５のそれぞれのＹ軸方向中央を通る。即ち、特定平面は第１はんだ層１２の重心位置Ｇ０を通る鉛直線ＣＬを含むとともにスペーサ１５の重心位置Ｇ２を通る平面である。
【００４２】
前述したように、スペーサ１５は、質量ＭＡのＡ部材１５ａと質量ＭＢのＢ部材１５ｂとがＸ＝ｔで接合したクラッド材である。第２はんだ層１４の密度は一定である。従って、スペーサ１５及び第２はんだ層１４を一つの部材と見做したとき、その重心位置Ｇ２のＸ座標をＸＧ２とすると、座標ＸＧ２は次式で表される。なお、次式は、スペーサ１５の厚さと第２はんだ層１４の厚さとが実質的に無視でき、それ故に、それらの各重心が同一平面上にあるとの仮定下で成立する式である。
ＸＧ２＝［ＭＡ（ｔ＋ｂ）／２＋ＭＢ（ｃ＋ｔ）／２＋Ｍsol（ｂ＋ｃ）／２］
／（ＭＡ＋ＭＢ＋Ｍsol）                                   …（１）
なお、（１）式において、Ｍsol は第２はんだ層１４の質量である。また、第２はんだ層１４の重心位置のＸ座標は「（ｂ＋ｃ）／２」である。
【００４３】
ところで、半導体素子１３の重心位置Ｇ１のＸ座標ＸＧ１は「ａ／２」である。従って、スペーサ１５の重心位置Ｇ２のＸ座標ＸＧ２と半導体素子１３の重心位置Ｇ１のＸ座標ＸＧ１とが一致しているのであるから、下記（２）式が成立し、（２）式を（１）式により書き直すと下記の（３）式が成立する。そして（３）式を変形すると、スペーサ１５の接合面のＸ座標ｔは下記の（４）式のとおりに表すことができる。
ＸＧ２＝ａ／２（＝ＸＧ１）                                      …（２）
［ＭＡ（ｔ＋ｂ）／２＋ＭＢ（ｃ＋ｔ）／２＋Ｍsol（ｂ＋ｃ）／２］
／（ＭＡ＋ＭＢ＋Ｍsol）＝ａ／２                                 …（３）
∴ｔ＝［（ＭＡ＋ＭＢ＋Ｍsol）ａ−（ＭＡ＋Ｍsol）ｂ−（ＭＢ＋Ｍsol）ｃ］
／（ＭＡ＋ＭＢ）                                            …（４）
【００４４】
前述したように、上記接合面のＸ座標ｔは半導体素子１３の重心位置Ｇ１のＸ座標ＸＧ１（＝「ａ／２」）と一致しているので、（３）式又は（４）式の「ｔ」に「ａ／２」を代入して整理すると、下記の（５）式が得られ、その結果、下記の（６）式が得られる。
ａ／２＝［（ＭＡ＋ＭＢ＋Ｍsol）ａ−（ＭＡ＋Ｍsol）ｂ−（ＭＢ＋Ｍsol）ｃ］
／（ＭＡ＋ＭＢ）                                            …（５）
∴ＭＡ＝［（２ｃ−ａ）ＭＢ−２（ａ−ｂ−ｃ）Ｍsol］／（ａ−２ｂ） …（６）
【００４５】
第１装置１０において、ａ、ｂ及びｃの各寸法を、１２（ｍｍ）、２（ｍｍ）及び１１（ｍｍ）とする（即ち、半導体素子１３が１辺１２ｍｍの正方形、スペーサ１５が１辺９ｍｍの正方形とする）と、（６）式からＡ部材１５ａ、Ｂ部材１５ｂ及び第２はんだ層１４の重量配分は次式のようになる。なお、このとき、スペーサ１５の重心位置Ｇ２のＸ座標ＸＧ２は、６（ｍｍ）となる。
ＭＡ＝［１０ＭＢ＋２Ｍsol］／８
＝（５ＭＢ＋Ｍsol）／４                                     …（７）
【００４６】
以上を言い換えると、スペーサ１５は、スペーサ１５の重心位置Ｇ２が第１はんだ層１２の重心位置Ｇ０を通る鉛直線ＣＬ上に存在するように、スペーサ１５の密度が第１はんだ層１２の「特定の平面（１−１線を通る平面）による断面形状における重心位置Ｃ０」を通る鉛直線ＣＬからスペーサ１５の「特定の平面（１−１線を通る平面）による断面形状における重心位置（Ｃ２）」に向かう方向に進むにつれて小さくなっている。
【００４７】
なお、Ａ部材１５ａ及びＢ部材１５ｂは、以下の３つの条件全てを満たすことが望ましい。
（条件１）Ａ部材１５ａ、Ｂ部材１５ｂともに熱伝導率が８５Ｗ／ｍＫ以上である。この条件は、第１装置１０が十分な放熱性能を得るために設けられている。
（条件２）Ａ部材１５ａとＢ部材１５ｂとの間の線膨張係数差が２０ｐｐｍ／Ｋ以下である。線膨張係数差が大きい場合には、Ａ部材１５ａとＢ部材１５ｂとの間に大きな応力が発生し、貼り合わせ箇所が破断する虞がある。よって、この条件が満たされることが望ましい。
（条件３）Ａ部材１５ａとＢ部材１５ｂとの密度差が１ｇ／ｃｍ３以上である。この密度差が小さい場合には、スペーサ１５の従来装置に対する重心位置の移動量が小さく、部材同士の貼り合わせの効果を得にくい。よって、この条件が満たされることが望ましい。
【００４８】
上記（１）乃至（３）の条件を満たす金属の組合せの例が表１に示される。表１においては、２つの金属を比較して密度の高い方の金属をＡ部材１５ａ、密度の低い方の金属をＢ部材１５ｂ、として表している。例えば、Ａ部材１５ａとして銅（Ｃｕ）を選択する場合には、Ｂ部材１５ｂとしては、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）又は亜鉛（Ｚｎ）が適当である。なお、表１には純物質の例を示しているが、スペーサ１５（クラッド材）に用いる材料は合金であってもよい。更に、スペーサ１５は２層のクラッド材に限ることはなく、３層以上のクラッド材であってもよい。
【表１】
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【００４９】
（製造工程）
次に、第１装置１０の製造工程について図３及び図４を参照しながら説明する。なお、図３及び図４において、図１と同一の部分については、同一符号が付され、その説明は省略される場合がある。
【００５０】
第１装置１０の製造工程は、以下の４つの工程に大別される。
（１）第１放熱板１１、半導体素子１３、スペーサ１５、を第１はんだ層１２及び第２はんだ層１４を介して積層し、第１積層体Ｌ１を形成する「第１積層体形成工程」。
（２）半導体素子１３のゲート電極１３ｇ又はセンサ電極１３ｓと端子１８とをボンディングワイヤＷによって接続する「ボンディング工程」。
（３）第２放熱板１７と第１積層体Ｌ１とを第３はんだ層１６を介して積層し、第２積層体を形成する「第２積層体形成工程」。
（４）第２積層体を封止樹脂部１９にて封止する「モールド工程」。
以下、第１装置１０の作用と関連する上記（１）及び（２）の各工程について説明する。
【００５１】
（１）第１積層体形成工程
第１積層体形成工程においては、先ず、図３（Ａ）に示したように、第１放熱板１１の上面に「後に第１はんだ層１２となる、錫系のはんだペースト１２ａ」が所定量だけ一定の厚みを有するように塗布され、半導体素子１３がはんだペースト１２ａの上に載置される。更に、図３（Ｂ）に示したように、半導体素子１３の上面に「後に第２はんだ層１４となる、錫系のはんだペースト１４ａ」が所定量だけ一定の厚みを有するように塗布され、スペーサ１５がはんだペースト１４ａの上に載置され、仮積層体が形成される。
【００５２】
その後、図３（Ｃ）に示したように、はんだリフロー炉において図中Ｈ１の矢印により示したように主として第１放熱板１１の下方より第１放熱板１１を加熱する。錫系はんだの場合、この温度は約３００℃である。これにより、はんだペースト１２ａ及び１４ａに含まれる「はんだ」が溶融しその後固化して、第１はんだ層１２及び第２はんだ層１４へと変化する。その結果、図３（Ｄ）に示したように、第１放熱板１１と半導体素子１３とが第１はんだ層１２を介して物理的・電気的に接続され、半導体素子１３とスペーサ１５とが第２はんだ層１４を介して物理的・電気的に接続される。このようにして、「第１積層体Ｌ１」が形成される。
【００５３】
この場合、スペーサ１５の重心位置Ｇ２は、「はんだペースト１２ａの重心位置Ｇ０及び半導体素子１３の重心位置Ｇ１」を通る鉛直線ＣＬ上に存在する。従って、半導体素子１３は「はんだペースト１２ａの重心位置Ｇ０」をモーメント中心とした場合のモーメントの総和（半導体素子１３、はんだペースト１４ａ及びスペーサ１５のそれぞれの自重によるモーメントの和）を実質的にゼロとすることができる。従って、第１装置１０の第１積層体Ｌ１がリフローはんだ付け工程を用いて作成されても、第１はんだ層１２の厚さが一定となるので、半導体素子１３は第１放熱板１１に対して傾くことなく実装される。
【００５４】
（２）ボンディング工程
第１積層体積層工程後、図４に示したように、半導体素子１３の上面１３ｂに形成されているゲート電極１３ｇ及びセンサ電極１３ｓにボンディングワイヤＷを接続するボンディング工程が行われる。先ず、図４（Ａ）に示したように、ボンディングワイヤＷは半導体素子１３のゲート電極１３ｇ（又はセンサ電極１３ｓ）に押し当てられる。キャピラリＣに超音波エネルギー、圧力及び熱が印加され、ボンディングワイヤＷの一端がゲート電極１３ｇ（又はセンサ電極１３ｓ）に接合される。
【００５５】
次に、図４（Ｂ）に示したように、キャピラリＣは、ゲート電極１３ｇから端子１８上方へと移動した後、端子１８上に下降する。キャピラリＣが端子１８に突き当たると、キャピラリＣに超音波エネルギー、圧力及び熱が印加され、ボンディングワイヤＷが端子１８に接合される。
【００５６】
このように、第１装置１０においては、はんだリフロー時に半導体素子１３が第１部材１１に対して傾かないので、キャピラリＣの先端面と半導体素子１３のゲート電極１３ｇ（ボンディングパッド）の面とが平行となる。その結果、第１装置１０において、正常なボンディングが行われる（図４（Ｂ）参照。）。
【００５７】
以上、説明したように、第１装置１０は、
薄板状の第１部材（第１放熱板）１１と、
前記第１部材の上面に第１はんだ層１２を介して積層される薄板状の半導体素子１３と、
（平面視において前記素子よりも小さい外形を有する薄板状の第２部材（スペーサ）１５であって）前記素子の上面に第２はんだ層１４を介して積層される薄板状の第２部材（スペーサ）１５と、
を有する積層体（第１積層体）Ｌ１であり、
前記第１部材を水平面上に配置した状態にて前記積層体を鉛直線ＣＬを含む特定の平面（Ｘ−Ｚ平面と平行な平面であり、例えば、図２の１−１線に沿った平面）で切断した断面において、前記第２部材１５の断面形状における重心位置（「第２部材断面重心位置」）Ｃ２が前記第１はんだ層１２の断面形状における重心位置（「第１はんだ層断面重心位置」）Ｃ０を通る鉛直線（ＣＬ）上から離間している積層体、を含む半導体装置１０において、
前記第１はんだ層は、一定の厚み及び一定の密度を有し、（前記素子と平面視において同一形状であり、）
前記第２はんだ層は、一定の厚み及び一定の密度を有し、（前記第２部材と平面視において同一形状であり、）
前記第２部材は、一定の厚みを有し、且つ、（前記第２部材の重心位置Ｇ２が前記第１はんだ層の重心位置Ｇ０を通る鉛直線ＣＬ上に存在するように、）その密度が、前記「第１はんだ層断面重心位置」Ｃ０を通る鉛直線ＣＬから前記「第２部材断面重心位置」Ｃ２に向かう方向（Ｘ軸の正方向）に進むにつれて小さくなっている。
【００５８】
従って、本発明の第１実施形態に係る半導体装置（第１装置）によれば、第２部材（スペーサ）の密度を不均一にすることにより、積層体がリフローはんだ付け工程を通して製造される場合であっても、半導体素子が第１部材（第１放熱板）に対して傾斜せず、その結果、信頼性及び耐久性に優れている半導体装置を実現することができる。
【００５９】
＜第１実施形態の変形例＞
以下、図５を参照しながら第１装置の変形例について説明する。第１装置の変形例は、スペーサ１５をスペーサ１５’に置換した点においてのみ、第１装置と相違している。スペーサ１５’は、アルミニウムと銅との合金であり、銅の配分率がスペーサ１５’のＸ軸方向において変化させられている。それによって、スペーサ１５’の重心位置Ｇ２が第１はんだ層１２の重心位置Ｇ０を通る鉛直線ＣＬ上に位置させられている。
【００６０】
図５（Ａ）から理解されるように、銅の配分率は、スペーサ１５’の左端（Ｘ＝ｂ）において４３重量％であり、スペーサ１５’の右端（Ｘ＝ｃ）において０重量％となっている。銅の配分率は、スペーサ１５’の左端から右端にかけて、４３重量％から０重量％まで変化している。このように合金を構成する材料の配分率を合金内の位置毎に連続的又は段階的に変化させた合金は「傾斜合金」と称呼される。特に本変形例においては、銅の配分率は、図５の紙面中スペーサ１５の左端から右端にかけて、４３重量％から０重量％まで線形的に変化している。
【００６１】
次に、図５（Ｃ）を参照しながら、スペーサ１５’の重心位置の算出手法を説明する。
【００６２】
説明を簡単にするために、図５（Ｃ）に示したように、銅の成分がスペーサ１５’中の下部に偏在し、アルミニウムの成分がスペーサ１５’中の上部に偏在していると仮定してスペーサ１５’の重心位置を算出する。なお、実際の傾斜合金においては、銅はＺ方向に均一に分散して存在していてもよい。
【００６３】
銅の質量はＭcu、アルミニウムの質量はＭalである。更に、図５（Ｃ）中のアルミニウム部分の下側部分の質量をＭal１、上側部分の質量をＭal２とする。この場合、質量Ｍcuの部分（銅成分）、質量Ｍal１の部分及び質量Ｍal２の部分の重心位置のＸ座標は、それぞれ（２ｂ＋ｃ）／３、（ｂ＋２ｃ）／３及び（ｂ＋ｃ）／２となる。よって、スペーサ１５’の重心位置のＸ座標ＸＧ２は次式で表される。
ＸＧ２＝［Ｍcu（２ｂ＋ｃ）／３＋Ｍal１（ｂ＋２ｃ）／３＋Ｍal２（ｂ＋ｃ）／２］
／（Ｍcu＋Ｍal１＋Ｍal２）                        …（８）
【００６４】
図６にスペーサ１５’の重心位置Ｇ２のＸ座標ＸＧ２についての計算結果を示す。Ｃｕ最大配分率とは、図５（Ａ）における最大の銅の配分率（ｗｔ％）である。即ち、Ｃｕ最大配分率は、スペーサ１５’の左端（Ｘ＝ｂ）における銅の配分率を表している。なお、スペーサ１５’の右端（Ｘ＝ｃ）における銅の配分率は０ｗｔ％である。図６において、重心位置Ｇ２のＸ座標ＸＧ２は、図５に示したａ、ｂ及びｃの各寸法を、１２（ｍｍ）、２（ｍｍ）及び１１（ｍｍ）とした場合である。即ち、この場合、第１はんだ層１２の重心位置Ｇ０及び半導体素子１３の重心位置Ｇ１のＸ−Ｙ平面座標（Ｘ，Ｙ）は（６，６）である。
【００６５】
本変形例においては、第１装置１０と同様に、第１はんだ層１２の重心位置Ｇ０と半導体素子１３の重心位置Ｇ１とは同一の鉛直線ＣＬ上にある。第１はんだ層１２の重心位置Ｇ０を中心とするモーメントの総和を実質的にゼロとするようなスペーサ１５’の重心位置Ｇ２のＸ座標ＸＧ２は、第１装置１０と同様に６（ｍｍ）である。図６から理解されるように、スペーサ１５’の重心位置Ｇ２のＸ座標ＸＧ２が６（ｍｍ）と一致するのは、銅の最大配分率が４３．３％のときである。
【００６６】
＜第２実施形態＞
以下、図面を参照しながら本発明の第２実施形態に係る半導体装置（以下、「第２装置」とも称呼する。）について説明する。
【００６７】
図７に示したように、この第２装置１０Ａは、第１装置１０の第２はんだ層１４及びスペーサ１５を第２はんだ層１４Ａ及びスペーサ１５Ａにそれぞれ置換した点においてのみ、第１装置１０と相違している。以下、第１装置１０との相違点を中心に説明し、第１装置１０と共通する部分については説明を適宜省略する。
【００６８】
図８（Ａ）に示したように、スペーサ１５Ａは、平面視において頂点Ａ、Ｂ、Ｈ、Ｅ及びＤを有する五角形ＡＢＨＥＤの形状を有する。スペーサ１５Ａの辺ＡＢ並びに辺ＤＥ及び辺ＡＤは半導体素子１３の各辺と平行になるように配置される。以下、図８において、スペーサ１５Ａの辺ＡＢ及び辺ＤＥと平行な半導体素子１３の一辺に沿う方向をＸ軸、その一辺と直交する方向をＹ軸、半導体素子１３の厚さ方向をＺ軸と定義する。
【００６９】
このＸＹＺ直交軸に従うと、スペーサ１５Ａの各頂点Ａ、Ｂ、Ｈ、Ｅ及びＤの座標（Ｘ，Ｙ）はそれぞれ、（２，１．５）、（８．６，１．５）、（１１，６）、（８．６，１０．５）及び（２，１０．５）である。つまり、スペーサ１５Ａの平面視における形状は、図８（Ａ）に示した点Ａ、Ｃ、Ｆ及びＤを結んでできる矩形ＡＣＦＤを一部切り欠いた形状を有する。
【００７０】
このスペーサ１５Ａは均一の密度を有しているので、スペーサ１５Ａの重心位置Ｇ２（第２部材の重心位置）は、矩形ＡＣＦＤの重心位置ＧｃよりもＸ軸負方向に位置するようになる。このことを利用して、スペーサ１５Ａは、スペーサ１５Ａの重心位置Ｇ２が「半導体素子１３の重心位置Ｇ１及び第１はんだ層１２の重心位置Ｇ０」の鉛直上方（線直線ＣＬ上）に位置するように設計されている。このときのスペーサ１５Ａの重心位置Ｇ２の算出方法について以下に述べる。
【００７１】
第１装置と同様に、半導体素子１３は均一の密度を有しており、半導体素子１３の重心位置Ｇ１と断面重心位置Ｃ１とは一致している（図８の（Ｂ）を参照。）。同様に、第１はんだ層１２の重心位置Ｇ０と、第１はんだ層１２の断面重心位置Ｃ０とは一致している（図８の（Ｂ）を参照。）。重心位置Ｇ０及び重心位置Ｇ１の座標（Ｘ，Ｙ）は（６，６）である。
【００７２】
スペーサ１５Ａの重心位置Ｇ２のＸ座標ＸＧ２は以下のように算出することができる。スペーサ１５Ａのうち四角形ＡＢＥＤに相当する部分（Ｒ部分）の質量をＭ、Ｒ部分の重心位置のＸ座標をＸ１とする。また、スペーサ１５Ａのうち三角形ＢＨＥに相当する部分（Ｔ部分）の質量をｍ、Ｔ部分の重心位置のＸ座標をＸ２とする。なお、スペーサ１５Ａ及び第２はんだ層１４は一つの部材と見做し、質量Ｍ及び質量ｍは、Ｒ部分及びＴ部分の下層に当たる第２はんだ層１４の重量をそれぞれ含んでいると見做す。この場合、スペーサ１５Ａ（第２はんだ層１４含む。）の重心位置Ｇ２のＸ座標ＸＧ２は、
ＸＧ２＝（Ｍ・Ｘ１＋ｍ・Ｘ２）／（Ｍ＋ｍ）                  …（９）
と表すことができる。なお、Ｒ部分及びＴ部分は、四角形部分及び三角形部分とそれぞれ称呼される場合がある。
【００７３】
この場合において、Ｒ部分の重心位置のＸ座標Ｘ１は５．３、Ｔ部分の重心位置のＸ座標Ｘ２は９．４である。質量Ｍとｍの比Ｍ／ｍは、四角形ＡＢＥＤの面積と三角形ＢＨＥの面積との比で表すことができる。即ち、Ｍ／ｍは５９．４／１０．８となる。これらの値を（９）式に代入すると、スペーサ１５Ａの重心位置のＸ座標ＸＧ２は５．９３と算出される。
【００７４】
このように、スペーサ１５Ａ（五角形ＡＢＨＥＤ）の重心位置Ｇ２のＸ座標ＸＧ２は、半導体素子１３の重心位置Ｇ１のＸ座標ＸＧ１（＝６）と略一致する。即ち、スペーサ１５Ａの重心位置Ｇ２のＸ座標ＸＧ２は、第１はんだ層１２の重心位置Ｇ０のＸ座標ＸＧ０と略一致する。従って、はんだリフロー時（はんだ溶融時）に第１はんだ層１２の重心位置Ｇ０をモーメント中心とした場合のモーメントの総和は略ゼロとなる。よって、この場合、半導体素子１３は第１放熱板１１に対して傾かない。
【００７５】
このように、スペーサの形状を矩形ではない適切な形状とすることによっても、スペーサ１５Ａの重心位置Ｇ２のＸ座標ＸＧ２を半導体素子１３の重心位置Ｇ１のＸ座標ＸＧ１に一致させることができる。
【００７６】
即ち、スペーサ１５Ａは、スペーサ１５Ａの重心位置Ｇ２が第１はんだ層１２の重心位置Ｇ０を通る鉛直線ＣＬ上に存在するように、「特定の平面」と直交する第１平面にてスペーサ１５Ａを切断した断面の面積が、第１はんだ層１２の「特定の平面による断面形状における重心位置」を通る鉛直線ＣＬからスペーサ１５Ａの「特定の平面による断面形状における重心位置」に向かう方向に進むにつれて等しいか又は小さくなっている。
【００７７】
より詳細に説明すると、この「特定の平面」とは、図８におけるＸ−Ｚ平面（Ｘ軸及びＺ軸を含む平面）と平行な平面であり、「第１平面」とは、図８におけるＹ−Ｚ平面（Ｙ軸及びＺ軸を含む平面）と平行な平面である。図８から容易に理解されるように、スペーサ１５Ａの「第１平面」による断面の面積は、Ｘ軸の正方向に向かって進むにつれて等しいか又は小さくなっている。
【００７８】
従って、本発明の第２実施形態に係る半導体装置（第２装置）によれば、第２部材（スペーサ１５Ａ）の断面形状を不均一にすることにより、積層体がリフローはんだ付け工程を通して製造される場合であっても、半導体素子が第１部材（第１放熱板）に対して傾斜せず、その結果、信頼性及び耐久性に優れている半導体装置を実現することができる。
【００７９】
＜第２実施形態の変形例＞
次に、第２装置の変形例について図面を参照しながら説明する。
【００８０】
スペーサ１５Ａの形状は、図８に示した五角形に限られず、種々の形状が考えられる。図９にスペーサ１５Ａの平面視における形状の例が示される。各スペーサの紙面左下端部を図８の頂点Ａと同じ座標（２，１．５）と置いた図８と同様の座標において、図９に示したスペーサ１５Ａの重心位置Ｇ２の座標（Ｘ，Ｙ）はいずれも（６，６）である。即ち、その重心位置Ｇ２の位置はいずれもスペーサ１５Ａの紙面左側の辺から４ｍｍ離間したところにある。
【００８１】
図９（Ａ）に示したスペーサ１５Ａは、図８に示されたスペーサと同一である。
図９（Ｂ）に示したスペーサ１５Ａは、紙面右側（図８のＸ軸正方向側）部分の凹凸の関係が図９（Ａ）に示したスペーサと反対の関係にあるスペーサである。
図９（Ｃ）に示したスペーサ１５Ａは、紙面右側の辺の中央を長方形に切欠いた形状としたスペーサである。
図９（Ｄ）に示したスペーサ１５Ａは、紙面右側の辺の両端をそれぞれ長方形に切欠いた形状としたスペーサである。
図９（Ｅ）に示したスペーサ１５Ａは、紙面右側の辺を底辺とする台形状に切欠いた形状としたスペーサである。
図９（Ｆ）に示したスペーサ１５Ａは、図９（Ｅ）に示したスペーサと同様の形状であるが、切り欠いた寸法が異なるスペーサである。
図９（Ｇ）に示したスペーサ１５Ａは、外形は従来装置のスペーサ９５０と同様であるが、スペーサ１５の一部に開口ｈを単数又は複数設けたスペーサである。
【００８２】
このように、スペーサ１５Ａの形状を、スペーサ１５ＡのＸ軸に垂直な平面（第１平面）による断面の面積がＸ方向に沿って変化するような形状とすることにより、その重心位置Ｇ２のＸ方向位置が第１はんだ層１４の重心位置Ｇ０を通る鉛直線ＣＬ上に存在できるようになる。
【００８３】
＜その他の実施形態＞
本発明は、上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。
【００８４】
本発明は、半導体素子１３の重心位置が半導体素子１３の断面重心位置と一致しない場合であっても適用され得る。即ち、半導体素子１３の下層である第１はんだ層１２の重心位置をモーメント中心とした場合の、半導体素子１３の自重によるモーメントと第２はんだ層１４の自重によるモーメントとスペーサ１５の自重によるモーメントとの総和がゼロとなるようにスペーサ１５の重心位置を設定すればよい。具体的には以下のとおりである。
【００８５】
図１０に示したように、第１はんだ層１２の重心位置をＧ０とする。
半導体素子１３の重心位置をＧ１、半導体素子１３の質量をＭ１、半導体素子１３の重心位置Ｇ１と第１はんだ層１２の重心位置Ｇ０との距離をｌ１とする。
スペーサ１５の重心位置をＧ２、スペーサ１５の質量をＭ２、スペーサ１５の重心位置Ｇ２と第１はんだ層１２の重心位置Ｇ０との距離をｌ２とする。
第２はんだ層１４の重心位置をＧ３、第２はんだ層１４の質量をＭ３、第２はんだ層１４の重心位置Ｇ３と第１はんだ層１２の重心位置Ｇ０との距離をｌ３とする。
【００８６】
更に、第１はんだ層１２の重心位置Ｇ０の周りの半導体素子１３の自重によるモーメントをＮ１、スペーサ１５の自重によるモーメントをＮ２、第２はんだ層１４の自重によるモーメントをＮ３とする。第１放熱板１１を水平に配置したとき、第１はんだ層１２の重心位置Ｇ０の周りの各モーメントＮ１、Ｎ２及びＮ３が鉛直線ＣＬと為す角度をそれぞれ、θ１、θ２及びθ３とすると、各モーメントＮ１、Ｎ２及びＮ３は、以下のようになる。
Ｎ１＝Ｍ１ｇ・ｃｏｓθ１・ｌ１                              …（１０）
Ｎ２＝Ｍ２ｇ・ｃｏｓθ２・ｌ２                              …（１１）
Ｎ３＝Ｍ３ｇ・ｃｏｓθ３・ｌ３                              …（１２）
スペーサ１５の重心位置Ｇ２は、これらのモーメントの総和を「ゼロ」とするように設定されればよい。即ち、
Ｎ１＋Ｎ２＋Ｎ３＝０                                        …（１３）
となるように、スペーサ１５の重心位置Ｇ２が設定される。
【００８７】
第１実施形態及び第２実施形態に示した半導体装置は、その内部に一の半導体素子を備えたものであるが、本発明に係る半導体装置は、二以上の半導体素子を備えた半導体装置にも適用可能である。例えば、図１１に示した半導体装置１０Ｂは、一のＩＧＢＴ１３と一のフリーホイールダイオード（以下、「ＦＷＤ」と称呼する。）２３とを備えた半導体装置である。
【００８８】
以下、図１に示されたものと同一の部分については説明を省略する。
ＦＷＤ２３は薄板体である。ＦＷＤ２３の厚さは第１放熱板１１Ｂの厚さよりも小さく、ＩＧＢＴ１３の厚さと同程度である。ＦＷＤ２３はアノード電極２３ａ及びカソード電極２３ｋを備える。
【００８９】
アノード電極２３ａはＦＷＤ２３の上面に形成されている。カソード電極２３ｋはＦＷＤ２３の下面に形成されている。ＦＷＤ２３は第４はんだ層２２を介して第１放熱板１１Ｂ上に積層されている。従って、ＦＷＤ２３のカソード電極２３ｋは、第１放熱板１１Ｂと物理的・電気的に接続されている。
【００９０】
第２スペーサ２５は薄板体である。第２スペーサ２５の厚さはＦＷＤ２３の厚さよりも大きい。第２スペーサ２５の平面形状は略長方形であり、平面視においてＦＷＤ２３よりも小さい。第２スペーサ２５は銅及びアルミニウム等の金属の導電体でできている。第２スペーサ２５はＦＷＤ２３の上面に第５はんだ層２４を介して積層されている。従って、第２スペーサ２５はアノード電極２３ａと物理的・電気的に接続されている。
【００９１】
第２放熱板１７Ｂは第１スペーサ１５及び第２スペーサ２５の上にそれぞれ第３はんだ層１６及び第６はんだ層２６を介して積層され、スペーサ１５及び第２スペーサ２５と物理的・電気的に接続されている。
【００９２】
従って、ＦＷＤ２３のカソード電極２３ｋはＩＧＢＴ１３のコレクタ電極１３ｃと電気的に接続され、ＦＷＤ２３のアノード電極２３ａはＩＧＢＴ１３のエミッタ電極１３ｅと電気的に接続される。即ち、この半導体装置は、インバータ回路中の一のアームを構成する。
【００９３】
本発明に係る実施形態は、第１実施形態と第２実施形態とを適宜組み合わせたものであってもよい。即ち、スペーサ１５は、一定の厚みを有し、スペーサ１５の重心位置Ｇ２が第１はんだ層１２の重心位置Ｇ０を通る鉛直線上に存在するように、特定の平面と直交する平面にてスペーサ１５を切断した断面の面積が変化し且つ密度が不均一となっていてもよい。
【００９４】
更に、第１実施形態の変形例においては、合金の配分率をＸ軸に対し線形的に変化させているが、非線形的に変化させてもよい（段階的に変化させるものも含む）。
【００９５】
加えて、第１実施形態の変形例において、スペーサ１５’はアルミニウムの基材に銅を添加した傾斜合金であったが、本変形例はこの組合せに限ることはない。例えば、本変形例は、アルミニウムの基材にタングステン又はモリブデンを添加したもの及びマグネシウムの基材に銅又はアルミニウムを添加したもの等であってもよい。更に、基材及び添加材は純物質に限ることはなく、合金同士の組合せ又は純物質と合金との組合せであってもよい。
【００９６】
第１装置において、スペーサ１５はＡ部材とＢ部材とを圧延して貼り合わせるクラッド材の製法を用いたが、スペーサ１５はこれに限ることはなく、ろう付け及び溶接等の方法によってＡ部材とＢ部材とを貼り合わせて製造されてもよい。
【００９７】
更に、第１装置において、スペーサ１５のＡ部材１５ａとＢ部材１５ｂとの接合面はスペーサ１５の重心位置Ｇ２を含むように設計されていた。この接合面は必ずしも重心位置Ｇ２を含んでいる必要はなく、スペーサ１５の任意の位置に設けられてもよい。
【００９８】
上記実施形態において、第１はんだ層１２、第２はんだ層１４及び第３はんだ層１６は錫系のはんだを用いていたが、これら実施形態はこれに限ることはなく、例えば、鉛系、金系、マグネシウム系若しくは亜鉛系のはんだ材又はアルミニウム系のろう材を用いてもよい。
【００９９】
上記実施形態において、はんだ材としてはんだペーストを用いていたが、例えば、はんだ箔を用いてこれを積層してもよい。
【符号の説明】
【０１００】
１０…半導体装置、１１…第１放熱板、１２…第１はんだ層、１３…半導体素子、１４…第２はんだ層、１５…スペーサ、１６…第３はんだ層、１７…第２放熱板、１８…端子、１９…樹脂、Ｗ…ボンディングワイヤ。
【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６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図５】
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