(57)【要約】      （修正有）【課題】はんだ内部に発生するクラックを抑制し、電力用半導体装置の寿命が長い電力用半導体装置および電力用半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】電力用半導体装置５００は、絶縁基板２０と電力用半導体素子４１、４２とを接合するダイボンド部３１が、紡錘形またはひし形を並べて構成される格子状パターンの空隙３２により分割され、複数の独立した接合領域とすることで、半導体動作時に電力用半導体素子や絶縁基板に対するはんだ材との線膨張係数の差異に起因し発生する熱応力を緩和し、ダイボンド部に発生するクラックを抑制する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に電極層を設けた絶縁基板と、
裏面に電極層を設けた半導体素子と、
紡錘形またはひし形を並べて構成される格子状パターンで分割され、前記絶縁基板の表面の電極層と前記半導体素子の裏面の電極層とを接合するダイボンド部と
を備えたことを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項２】
前記格子状パターンは、前記半導体素子の周縁部に対応する位置にあるパターンに比べて、中心部に対応する位置にあるパターンの方が小さくなっていることを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
【請求項３】
前記格子状パターンは、空隙からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力用半導体装置。
【請求項４】
前記格子状パターンは、突起からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力用半導体装置。
【請求項５】
前記突起は、発泡樹脂からなることを特徴とする請求項４に記載の電力用半導体装置。
【請求項６】
前記突起は、酸化物のフィラーまたは金属フィラーを含有するポリイミド系樹脂またはシリコン系樹脂からなることを特徴とする請求項４に記載の電力用半導体装置。
【請求項７】
前記半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項８】
前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料または、ダイヤモンドを用いた半導体であることを特徴とする請求項７に記載の電力用半導体装置。
【請求項９】
絶縁基板の表面の電極層上に紡錘形またはひし形を並べて構成される格子状パターンを形成する工程と、
前記格子状パターンが形成された電極層上にはんだを印刷塗布する工程と、
前記印刷塗布したはんだの上に、裏面に電極層を設けた電力用半導体素子を載せてリフローする工程と
を含むことを特徴とする電力用半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記格子状パターンは、はんだレジストからなることを特徴とする請求項９に記載の電力用半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記格子状パターンは、発泡樹脂からなることを特徴とする請求項９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、発電・送電から効率的なエネルギーの利用・再生まであらゆる場面で利用される電力用半導体装置および電力用半導体装置の製造方法に関し、特にダイボンドにより半導体素子を接合する電力用半導体装置および電力用半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
低炭素社会の実現に向けて、太陽光発電や風力発電といった自然エネルギーの利用、モーターなどの汎用機器や家電製品における高効率化、そして電気自動車やハイブリットカーの普及といった様々な取り組みが行われている。そのため、エネルギーを効率よく利用するためのキーパーツである電力用半導体装置は、輸送・産業機器だけでなく、エアコンなどの家電といった様々な分野に普及しており、近年では長期信頼性だけでなく、小型化および、高効率化が求められつつある。
【０００３】
電力用半導体装置において、一般的に電力用半導体素子は、はんだ材を用いてフローもしくは、リフローなどの手法によって絶縁基板上にダイボンドされる。しかしながら、電力用半導体装置の動作時に電力用半導体素子が発熱すると、電力用半導体素子や絶縁基板に対するはんだ材との線膨張係数の差異に起因し発生する熱応力により、はんだ内部にクラックが発生する。そのため、ダイボンド部における放熱性の低下によって電力用半導体装置の寿命を決定してしまうことが多い。
【０００４】
そこで、例えば特許文献１においては、金属回路に絶縁板側パターン幅を接合面側パターンよりも小さくしたスリットパターンを設けることによって、接合物と金属回路パターンとの熱膨張係数の差による接合面に加わる応力を緩和させることができる構造が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１５８６１３号公報（段落００１２、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の電力用半導体装置の動作温度は、通常１００℃〜１２５℃と規定されているが、電力用半導体装置の小型化に伴い、発熱密度が大きくなると１５０℃〜１７５℃といったより高温での動作にも耐えうる構造が求められる。ダイボンド部は、発熱源である電力用半導体素子の直下に位置するため、特にその接合品質（ボイドや未接合部）による放熱性への影響が顕著となる。また、高効率化のために素子の薄型化が進むと、電力用半導体素子自身での熱拡散が難しくなり、同様にダイボンド部での放熱性が重要になってくる。
【０００７】
しかしながら、電力用半導体装置の１７５℃以上の高温動作において、電力用半導体素子や絶縁基板に対するはんだ材との線膨張係数の差異に起因し発生する熱応力が非常に大きくなり、はんだ内部におけるクラックがこれまで以上に多く発生してしまう。そのため、ダイボンド部における放熱性が大幅に低下し、電力用半導体装置の寿命が短くなるといった問題があった。
【０００８】
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、はんだ接合部における放熱性を向上させて、はんだ内部に発生するクラックを抑制し、電力用半導体装置の寿命が長い電力用半導体装置および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】
【０００９】
本発明にかかる電力用半導体装置は、表面に電極層を設けた絶縁基板と、裏面に電極層を設けた半導体素子と、紡錘形またはひし形を並べて構成される格子状パターンで分割され、前記絶縁基板の表面の電極層と前記半導体素子の裏面の電極層とを接合するダイボンド部とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
本発明にかかる電力用半導体装置の製造方法は、絶縁基板の表面の電極層上に紡錘形またはひし形を並べて構成される格子状パターンを形成する工程と、前記格子状パターンが形成された電極層上にはんだを印刷塗布する工程と、前記印刷塗布したはんだの上に、裏面に電極層を設けた電力用半導体素子を載せてリフローする工程とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、絶縁基板と電力用半導体素子とを接合するダイボンド部が、紡錘形またはひし形を並べて構成される格子状パターンにより分割されることにより、複数の独立した接合領域となり、半導体動作時に電力用半導体素子や絶縁基板に対するはんだ材との線膨張係数の差異に起因し発生する熱応力を緩和することができ、ダイボンド部に発生するクラックの抑制が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の要部の構成を説明するための上面図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の要部の構成を説明するための断面図である。
【図３】従来の電力用半導体装置のダイボンド部の状態を示す部分断面図である。
【図４】従来の電力用半導体装置のダイボンド部のクラックの発生メカニズムを説明するための部分断面図である。
【図５】本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置のダイボンド部の構成を示す上面図である。
【図６】本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図７】本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置のダイボンド部の接合領域を示す上面図である。
【図８】本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置のダイボンド部の接合領域を説明するための上面図である。
【図９】従来の電力用半導体装置のダイボンド部の接合領域でのはんだの状態を説明する上面図である。
【図１０】本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置のダイボンド部の接合領域でのはんだの状態を説明する上面図である。
【図１１】本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置のダイボンド部の他の構成を示す上面図である。
【図１２】本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置のダイボンド部の他の構成を示す上面図である。
【図１３】本発明の実施の形態２にかかる電力用半導体装置の要部の構成を説明するための断面図である。
【図１４】本発明の実施の形態２にかかる電力用半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による電力用半導体装置５００の要部を示す上面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ′線での矢視断面図である。図１および図２に示すように、電力用半導体装置５００は、絶縁基板２０と、絶縁基板２０に配置される電力用半導体素子４１、４２と、絶縁基板２０と電力用半導体素子４１、４２とを接合する、格子状に分割されたダイボンド部３１とから主に構成される。
【００１４】
絶縁基板２０には、表面に電極層である二つの回路パターン２１、２３と裏面に電極層である回路パターン２２が形成された、アルミナ等のセラミック基材１（２５ｍｍ×５０ｍｍ×０．６３５ｍｍｔ）を用いる。電力用半導体素子４１、４２としては、それぞれＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor、１５ｍｍ×１５ｍｍ×０．２５ｍｍｔ）およびダイオード（１３ｍｍ×１５ｍｍ×０．２５ｍｍｔ）を用い、表面には電極層である表面メタライズ層４３、４４（ＡｌＳｉ／Ｎｉ／Ａｕ）が形成され、裏面には電極層である裏面メタライズ層４５（Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ）が形成されている。
【００１５】
ダイボンド部３１は、接合材として一般的なＰｂフリーはんだ（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、融点２１９℃）が用いられ、絶縁基板２０と電力用半導体素子４１、４２とをダイボンドする。また、ダイボンド部３１は、はんだレジストによって接合領域が分割され、ダイボンド部３１内に紡錘形またはひし形を並べて構成される格子状パターンの空隙３２が形成されている。
【００１６】
セラミック基材１の表面に形成されている回路パターン２３および電力用半導体素子４１、４２のそれぞれの表面メタライズ層４３は、複数本のＡｌ製ワイヤ５２（φ０．５ｍｍ）により電気的に接続されている。セラミック基材１の表面に形成されている回路パターン２１は、Ｃｕ製のエミッタ電極板（幅５ｍｍ×０．７ｍｍｔ）からなる外部電極６５の端子６３と接続される。また、セラミック基材１の表面に形成されている回路パターン２３は、Ｃｕ製のコレクタ電極板（幅５ｍｍ×厚さ０．７ｍｍｔ）からなる外部電極６６の端子６４と接続される。
【００１７】
外部電極６５、６６、および外部端子６２は、ＰＰＳ製（Poly Phenylene Sulfide Resin製）のケース７にインサートモールド形成されており、外部電極６５、６６はケース７上でナット９とともにネジ止め端子となっている。ＩＧＢＴのゲート電極（１ｍｍ×２ｍｍ）である表面メタライズ層４４は、ワイヤボンド５１（Ａｌ製φ０．２ｍｍ）によって信号端子６１に接続されて信号回路を形成しており、信号端子６１からの外部端子６２はケース７の上面に露出している。ケース７の内部はダイレクトポッティング封止樹脂１０によって充填され、加熱硬化されて絶縁封止されている。
【００１８】
ダイボンド部３１が、接合領域を分割する空隙３２のない、従来ような接合構成の場合には、電力用半導体装置５００の高温動作時に生じる温度変化により、部材間の線膨張係数（α）差によって大きな応力が発生し、図３に示すように、ダイボンド部３１にクラック３３が発生する。このはんだ内部のクラックは、熱抵抗を増大させ電力用半導体素子４１、４２の発熱を裏面側に放熱する性能を悪化させるため、電力用半導体素子４１、４２に過電流が流れた際に電力用半導体素子４１、４２が破壊するまでの時間、いわいる短絡耐量の減少や、ワイヤ接合部の温度上昇によるワイヤ接合部寿命の低下の問題が生じる。
【００１９】
図４に、従来の電力用半導体装置の高温動作時（１７５℃以上）のダイボンド部でのクラックの発生メカニズムについて示す。電力用半導体素子４１と絶縁基板２０を接合するダイボンド部３１（図４（ａ））は、はんだからなることから絶縁基板２０のベース部分であるセラミック基材１と比較して線膨張係数が大きいため、高温動作時には温度上昇により水平方向に変位拘束を受け、ダイボンド部３１内のＡ方向に圧縮応力が発生する（図４（ｂ））。このときダイボンド部３１は、この圧縮応力によってクリープ変形を起こし、ダイボンド部３１が厚み方向に膨張した状態で変形が安定する。
【００２０】
次に、冷却によって、ダイボンド部３１は、逆方向のＢ方向に拘束状態となり、引張応力が発生する（図４（ｃ））。このとき、組織的に脆弱な部分で微細な損傷（すべり、マイクロボイド、マイクロクラックなど）を生じると考えられる。その後、ダイボンド部３１は、高温になると再び圧縮応力が発生し、図４（ｂ）に示す過程と同様にクリープ変形を起こし、厚み方向には変形が残留する（図４（ｄ））。冷却時には再び引張応力が発生し、微細な損傷が徐々に成長して明確な縦割れとなり、その箇所も回数が増えるほど増加していくと考えられる（図４（ｅ））。
【００２１】
図５は、この発明の実施の形態１による電力用半導体装置５００のダイボンド部３１の構成を示す上面図である。電力用半導体素子４１、４２がダイボンドされる絶縁基板２０のダイボンド領域１００において、ダイボンド部３１は、紡錘形またはひし形を並べて構成される格子状パターンの空隙３２により、ダイボンド部３１内に複数の独立したはんだ接合領域３００に分割されているため、半導体動作時に電力用半導体素子４１、４２や絶縁基板２０に対するはんだ材との線膨張係数の差異に起因し発生する熱応力を緩和することで、ダイボンド部３１に発生するクラックを抑制可能となる。
【００２２】
ここで、複数のはんだ接合領域３００が独立しているということは、はんだ接合領域３００がその隣接したはんだ接合領域３００と繋がっていないことである。つまり、はんだ接合領域３００に印刷塗布されたはんだペーストもしくは、リフローされたはんだ材がその領域内から隣接したはんだ接合領域３００に侵入しないことである。また、溶融したはんだ材が侵入し得ない幅とは、隣接するはんだ接合領域３００にある溶融はんだ同士が接触し、その表面張力で一方が他方に引っ張られることのない幅のことをいう。
【００２３】
次に、この発明の実施の形態１による電力用半導体装置５００の製造方法について、図６に基づき説明する。図６は、この発明の実施の形態１による電力用半導体装置５００の製造工程を示す断面図である。
【００２４】
まず、図６（ａ）に示すように、セラミック基材１の回路パターン２１上にはんだレジスト２００をスピンコーターで塗布した後に、フォトリソグラフィ工程でパターニング形成する。図７は、回路パターン２１上のダイボンド領域１００にパターニング形成したレジストパターン２０１を示す上面図である。図７に示すように、レジストパターン２０１は、紡錘形またはひし形を並べた格子形状にパターニングされている。なお、フォトリソグラフィの代わりに、ディスペンサーを用いてはんだレジスト２００を印刷塗布しても構わない。はんだレジスト２００は、はんだに対して濡れない材質が用いられる。
【００２５】
次いで、図６（ｂ）に示すように、レジストパターン２０１がパターニング形成されたダイボンド領域１００上に、Ｐｂフリーはんだを印刷塗布する。続いて、図６（ｃ）に示すように、印刷塗布したはんだペーストの上に、裏面メタライズ層４５が形成されている電力用半導体素子４１、４２を載せ、リフローして、はんだ付けする。リフロー時の加熱により、レジストパターン２０１の部分が空隙３２となり、絶縁基板２０と電力用半導体素子４１、４２とは、はんだにより接合され、紡錘形またはひし形を並べて構成される格子状パターンの空隙３２により分割されたダイボンド部３１が形成される。なお、空隙３２の部分にはんだレジスト２００が残留していてもよい。電力用半導体素子４１、４２の表面には表面メタライズ層４３、４４が形成される。
【００２６】
続いて、図６（ｄ）に示すように、外部電極６５、６６、および外部端子６２をインサートモールドしたケース７を、接着剤８を用いてセラミック基材１に固定し、電力用半導体素子４１、４２の表面に形成されている各表面メタライズ層４３とセラミック基材１の表面に形成されている回路パターン２３とをワイヤボンド５２を用いて電気的に接続する。
【００２７】
最後に、図６（ｅ）に示すように、電力用半導体素子４１の表面に形成されている表面メタライズ層４４と信号端子６１をワイヤボンド５１を用いて接続し、ダイレクトポッティング封止樹脂１０をノズル１１を用いて注入し、加熱硬化させて電力用半導体装置５００を完成させる。
【００２８】
ダイボンド領域１００でダイボンド部３１を分割するレジストパターン２０１は、紡錘形もしくは、ひし形をしており、電力用半導体装置５００が動作し温度が上昇した際に分割されたはんだ材が熱膨張してもはんだ接合領域３００の外周サイズが大きくならないように、かつ隣接したはんだ接合領域３００が接触しないような幅で形成されている。図８に示すように、紡錘形のレジストパターン２０１の形状によるはんだ接合領域３０１(図８（ａ）)と直線形のレジストパターン２１０の形状による接合領域３１１(図８（ｂ）)と比較して、紡錘形のレジストパターン２０１の方が、より大きなはんだ接合領域３００が確保できる。これは、ひし形の場合においても同様の効果が得られる。
【００２９】
また、図９に示すように、レジストパターンを直線形で形成した場合、接合領域３１１が四角形になっているため、溶融状態では、溶融はんだ３２１がほぼ四角形全域にひろがっているが、(図９（ａ）)、凝固収縮時には、表面張力によってはんだが中心に集まりやすく(図９（ｂ）)、凝固後のはんだ３２２の接合面積の減少および、はんだ厚さのバラつきといったものが発生する。
【００３０】
一方、図１０に示すように、レジストパターンを紡錘形を並べて構成される格子状に形成した場合、接合領域３０１の各辺が中心に向かって凸形状になっているため、溶融状態では、はんだレジストを直線形で形成した場合よりも、溶融はんだ３３１がより広範囲に広がっている上に(図１０（ａ）)、凝固収縮時には、の表面張力による体積収縮が少なく、かつ、はんだが中心に集まりにくい(図１０（ｂ）)。そのため、塗布したはんだ量が規定量よりも少なかった場合においても、凝固後のはんだ３３２により半導体素子下の放熱特性、および、はんだ厚さの均一性を確保することが可能となり、信頼性のマージンも十分に確保することができる。さらに、レジストパターンを紡錘形またはひし形で形成した場合、印刷塗布時のスキージと平行になる辺がないため、レジストパターンを直線形で形成した場合と比較して、はんだペーストの充填性が向上し、四隅まできっちりとはんだペーストが印刷される。
【００３１】
また、はんだ接合領域３００を比較的大きなサイズで分割した場合、絶縁基板２０と電力用半導体素子４１、４２との接合面積を大きくすることができ、つまりは電力用半導体素子４１、４２から発生する熱を効率的に絶縁基板２０下へと放熱できる。ただし、電力用半導体素子４１、４２や絶縁基板２０に対するはんだ材との線膨張係数の差異に起因し発生する熱応力を緩和する能力が小さくなる。一方で、はんだ接合領域３００を比較的小さなサイズで分割した場合、電力用半導体素子４１、４２や絶縁基板２０に対するはんだ材との線膨張係数の差異に起因し発生する熱応力を大きく緩和することができ、つまりは、接合部寿命の向上が図れる。ただし、接合面積が小さくなり、はんだ接合部の放熱性が低下する。そのため、はんだ接合領域３００の分割するサイズは、信頼性試験の結果や放熱特性などから上記２点のトレードオフの関係より決定すればよい。
【００３２】
以上のように、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置５００によれば、絶縁基板２０と電力用半導体素子４１、４２とを接合するダイボンド部３１を、紡錘形またはひし形を並べて構成される格子状パターンの空隙３２により分割するようにしたので、複数の独立した接合領域となり、半導体動作時に電力用半導体素子や絶縁基板に対するはんだ材との線膨張係数の差異に起因し発生する熱応力を緩和することができ、ダイボンド部に発生するクラックの抑制が可能となる。
また、直線形の空隙を有する場合と比較して、接合領域の各辺が中心に向かって凸形状になっているため、リフロー時に溶融したはんだの引けが少なく、かつ、はんだが中心に集まりにくく、非接合領域を最小限に抑えることで、放熱特性を十分に確保することができ、電力用半導体装置の信頼性を向上させることができる。
さらに、リフロー時に溶融したはんだ量が規定量よりも少ない場合においても、溶融はんだの凝固時の体積収縮による接合領域の低減を抑制できるとともに、はんだ厚さの均一性を確保することが可能となり、製造上のはんだ接合状態の信頼性のマージンも十分に確保することができる。
また、はんだペースト印刷塗布時には、スキージと平行になる辺がないため、レジストパターンを直線形で形成した場合と比較して、はんだペーストの充填性が向上し、四隅まできっちりとはんだペーストが印刷される。
また、絶縁基板２０と電力用半導体素子４１、４２との間に、リフロー時に気化したフラックスが排出される経路が確保されることになり、設計以外の位置に空隙（ボイド）が形成されることがなく、またフラックス残渣による信頼性低下も抑制することができる。
【００３３】
なお、この実施の形態１においては、はんだ接合領域３００が均一に分割された絶縁基板２０について述べたが、この分割形状に限るものではない。例えば、図１１に示すように、複数に分割されたはんだ接合領域３００のうち、ダイボンド領域１００の周縁部である四隅にある接合領域を連結し、比較的大きな接合領域３４０を形成する。このように比較的大きな接合領域３４０を形成することで、絶縁基板２０と電力用半導体素子との接合面積を大きくすることができ、つまりは電力用半導体素子から発生する熱を効率的に絶縁基板下へと放熱することができる。
【００３４】
また、図１２に示すように、複数に分割されたはんだ接合領域３００のうち、ダイボンド領域１００の中心部分の接合領域の分割をより細かくし、比較的小さな接合領域３５０を電力用半導体素子の中心部分に形成する。半導体動作時に電力用半導体素子や絶縁基板に対するはんだ材との線膨張係数の差異に起因し発生するダイボンド部のクラックは、電流の流れる複数のワイヤボンド５２の周辺、つまり電力用半導体素子の中心部分で多く発生する。そのため、中心部分の接合領域の分割を細かくすることで応力緩和能力が向上し、クラック発生をより効率的に抑えることができる。
【００３５】
実施の形態２．
実施の形態１では、ダイボンド部３１に格子状パターンの空隙３２により分割した場合について示したが、実施の形態２では、発泡樹脂により分割する場合について説明する。
【００３６】
図１３は、この発明の実施の形態２による電力用半導体装置５１０の要部を示す断面図である。図１３に示すように、電力用半導体装置５１０は、電力用半導体素子４１、４２がダイボンドされる絶縁基板２０のダイボンド領域１００において、ダイボンド部３１は、発泡樹脂からなる突起３４により、はんだ接合層内に複数の独立したはんだ接合領域３００に分割されている。突起３４は、実施の形態１と同様、図7に示すように、紡錘形またはひし形を並べて構成される格子状パターンを有する。その他の構成および動作については、実施の形態１の電力用半導体装置５００と同様であり、その説明を省略する。
【００３７】
次に、この発明の実施の形態２による電力用半導体装置５１０の製造方法について、図１４に基づき説明する。図１４は、この発明の実施の形態２による電力用半導体装置５１０の製造工程を示す断面図である。まず、図１４（ａ）に示すように、セラミック基材１の回路パターン２１上にディスペンサーを用いて発泡樹脂を塗布して、紡錘形またはひし形を並べて構成される格子状パターンの突起３４を形成した後、加熱硬化させる。
【００３８】
次いで、図１４（ｂ）に示すように、突起３４がパターニング形成されたダイボンド領域１００上に、Ｐｂフリーはんだを印刷塗布する。続いて、図１４（ｃ）に示すように、印刷塗布したはんだペーストの上に、裏面メタライズ層４５が形成されている電力用半導体素子４１、４２を載せ、リフローして、はんだ付けする。これにより、絶縁基板２０と電力用半導体素子４１、４２とを接続する、紡錘形またはひし形を並べて構成される格子状パターンの突起３４により分割されたダイボンド部３１が形成される。電力用半導体素子４１、４２の表面には表面メタライズ層４３、４４が形成される。
【００３９】
続いて、実施の形態１と同様に、図１４（ｄ）に示すように、外部電極６５、６６、および外部端子６２をインサートモールドしたケース７を、接着剤８を用いてセラミック基材１に固定し、電力用半導体素子４１、４２の表面に形成されている各表面メタライズ層４３とセラミック基材１の表面に形成されている回路パターン２３とをワイヤボンド５２を用いて電気的に接続する。
【００４０】
最後に、図１４（ｅ）に示すように、電力用半導体素子４１の表面に形成されている表面メタライズ層４４と信号端子６１をワイヤボンド５１を用いて接続し、ダイレクトポッティング封止樹脂１０をノズル１１を用いて注入し、加熱硬化させて電力用半導体装置５００を完成させる。
【００４１】
以上のように、本発明の実施の形態２にかかる電力用半導体装置５１０によれば、絶縁基板２０と電力用半導体素子４１、４２とを接合するダイボンド部３１を、紡錘形またはひし形を並べて構成される格子状パターンの発泡樹脂からなる突起３４により分割するようにしたので、複数の独立した接合領域となり、半導体動作時に電力用半導体素子や絶縁基板に対するはんだ材との線膨張係数の差異に起因し発生する熱応力を緩和することができ、ダイボンド部  に発生するクラックの抑制が可能となる。
また、ディスペンサーを用いて発泡樹脂を塗布するので、はんだの存在しない領域を容易に形成可能となる。
また、発泡樹脂の内部は空気が取り込まれているため、樹脂そのもので突起を形成した場合と比較して、発泡樹脂そのものの収縮が容易であり、はんだの膨張・収縮を阻害しにくくなる。
【００４２】
なお、この実施の形態２においては、はんだ層内部の緩衝層として発泡樹脂の突起３４を用いた場合について述べたが、ポリイミド系、シリコーン系樹脂などの樹脂内にシリカなどの酸化物のフィラーを分散させるた樹脂材であってもよい。シリカなどの酸化物のフィラーを分散させることで線膨張係数をＰｂフリーはんだより小さくすることができ、緩衝層効果を持たせることが可能となる。
【００４３】
また、充填剤としては、シリカなどの酸化物のフィラーに限るものではない。熱伝導性の高い金属フィラーを分散させた導電性接着剤であってもよく、金属フィラーを分散させることで突起３４の熱伝導が良くなり、電力用半導体装置動作時の放熱性を大きくすることができ、接合部寿命の向上が図れる。また、分散させる金属フィラーとしては、Ａｇフィラーを用いた導電性接着剤が一般的であるが、Ａｇ以外の金属でもよく、Ｃｕフィラー、Ｎｉフィラー、Ａｕフィラー、Ｐｄフィラー、カーボンフィラーなどをエポキシ樹脂に混合させたものでも同様の効果が得られる。
【００４４】
また、実施の形態１および実施の形態２においては、はんだ材としてここでは、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ共晶はんだを用いたが、Ｓｎ−Ｃｕ系やＳｎ−Ｐｂ系などの他の組成を有するはんだ材を用いた場合においても同様の効果が得られる。また、この実施の形態においては、Ｓｉを基材とする電力用半導体チップについて述べたが、これに限るものではなく、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡＳ、ダイヤモンドなどでも同様の効果が得られる。特に、ＳｉＣ、ＧａＮ、ダイヤモンドなどの従来のＳｉよりもバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体を用いる場合、その利点を生かすためには高温動作が必要となるが、より高温で動作させることで、より大きな熱応力がはんだ接合部に加わるため、高温動作の信頼性を保証するためには、本発明によるはんだ接合部の長寿命化はより効果的となる。
【００４５】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００４６】
１  セラミック基材、２０  絶縁基板、２１、２２、２３  回路パターン、３１  ダイボンド部、３２  空隙、３４  突起、４１、４２  電力用半導体素子、４３、４４  表面メタライズ層、４５  裏面メタライズ層
【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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【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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