(57)【要約】【課題】下方への押圧力をより高めることにより、はんだ中央部のクラックの発生を抑制することが容易に可能な半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置１００は、筐体２１と、半導体素子１６と、押さえ板１８と、押し込み部材１９とを備えている。筐体２１は絶縁基板１３を含んでいる。半導体素子１６は絶縁基板１３の一方の主表面１３ａ上にはんだ１５により接合されている。押さえ板１８は半導体素子１６の平面視における中央部と重なるように、半導体素子１６において絶縁基板１３と接合された面と反対側の一方の主表面１６ａ側に配置されている。押し込み部材１９は押さえ板１８の半導体素子１６が位置する側と反対側である一方の主表面１８ａ側から、押さえ板１８を半導体素子１６側に押圧可能である。押し込み部材１９は筐体２１に固定された状態で、押さえ板１８を半導体素子１６側に押圧可能である。【選択図】図２
2017135183.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板を含む筐体と、
前記絶縁基板の一方の主表面上にはんだにより接合された半導体素子と、
前記半導体素子の平面視における中央部と重なるように、前記半導体素子において前記絶縁基板と接合された面と反対側の一方の主表面側に配置された押さえ板と、
前記押さえ板の前記半導体素子が位置する側と反対側である一方の主表面側から、前記押さえ板を前記半導体素子側に押圧可能な押し込み部材とを備え、
前記押し込み部材は前記筐体に固定された状態で、前記押さえ板を前記半導体素子側に押圧可能である、半導体装置。
【請求項２】
前記絶縁基板の線膨張係数は１０×１０-6／Ｋ以下である、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記半導体素子の線膨張係数は３×１０-6／Ｋ以上５×１０-6／Ｋ以下である、請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記筐体は前記半導体素子を収納可能なケース部をさらに含み、
前記押し込み部材は前記ケース部に固定される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記押し込み部材は前記絶縁基板に固定される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記絶縁基板の前記一方の主表面上に形成された回路パターンと、前記半導体素子とを接続するワイヤをさらに備える、請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記ワイヤは、前記半導体素子と前記ワイヤとの間に前記押さえ板が配置されるように、前記押さえ板と間隔をあけて前記押さえ板の真上を通るように延びる、請求項６に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記半導体素子と前記押さえ板との間に、前記半導体素子と前記押さえ板との双方に接するように挟まれた導電層をさらに備え、
前記押さえ板は導電材料からなり、
前記ワイヤの一方の端部は、前記押さえ板の前記一方の主表面に接続されている、請求項６に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記押さえ板の前記一方の主表面から前記一方の主表面と反対側の他方の主表面に達するように前記押さえ板を貫通する貫通孔が形成されており、
前記ワイヤの一方の端部は、前記貫通孔内を通って前記半導体素子の前記一方の主表面上に接続されている、請求項６に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置に関し、特に、パワーモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
パワーモジュールに実装される半導体素子の動作は、主電流が高速でスイッチングされるため、温度が乱高下する温度サイクルに晒される。高温状態または温度サイクルに晒された各種材料は、組織変化および線膨張係数の差による接合部への応力負荷が発生し、各所でボイド、クラックまたは剥離などが発生する。パワーモジュールを構成する部材で不良が発生しやすい箇所は各接合部分であり、特に基板同士を接合するはんだ接合部は最も劣化が発生しやすい。
【０００３】
線膨張係数が大きく異なる部材同士であるたとえばシリコン基板と銅基板とをはんだで接合する場合、はんだ接合部にせん断応力が発生し、はんだ外周部より中央部に向かって接合面とほぼ平行にクラックが進展していく横割れが起こる。はんだ部に横割れが発生すると、半導体素子で発生した熱を外部に放出するための熱抵抗が大きくなり、半導体素子などが破壊される。この問題を避けるためには、パワーモジュールにおいてはんだ接合される被接合材間の線膨張係数の差を小さくすることが好ましい。これにより、発生する熱応力が小さくなるため、接合部不良のリスクは大幅に低減され、横割れを抑制できる。
【０００４】
しかし被接合材間の線膨張係数の差が小さくされたパワーモジュールに温度サイクルを与えると、はんだの中央部に微小ボイドが形成され、その微小ボイドが基板面に垂直な方向に多数連結することがある。これにより、基板面に垂直なクラックである縦割れが発生しやすくなる。この縦割れによるボイドまたはクラックははんだの中央部に点在しているが、やがてその縦割れによるクラック同士が網目状に繋がり周囲へ広がっていく。縦割れも横割れと同様にはんだの熱抵抗を増加させ、パワーモジュールの故障要因の一つとなる。
【０００５】
このような縦割れを防ぐため、たとえば特開２００８−２７７３３５号公報（特許文献１）および特開２００８−３００７９２号公報（特許文献２）には、半導体素子を接合するダイボンド部において、最も電流および発熱密度が高くなる半導体素子の中央部とその周辺部との間で、異なる接合材を用いてはんだ接合を行なう技術が提案されている。
【０００６】
ただしこのような接合材が用いられれば、各材料の最適な接合プロファイルを相互的に調整する必要が生じ、接合プロセスが複雑になるという問題を生じる。そこでたとえば特開昭６０−７０７４９号公報（特許文献３）においては、半導体素子の上に絶縁材料であるテフロン（登録商標）の樹脂製のブロックを挟んで押さえ板であるハウジングカバーを配置している。そして押さえ板により、半導体素子の上下のはんだ層を押圧し、その耐久力を強化している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−２７７３３５号公報
【特許文献２】特開２００８−３００７９２号公報
【特許文献３】特開昭６０−７０７４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし特開昭６０−７０７４９号公報のように押さえ板のみを用いた場合、下方への押圧力が十分ではない可能性がある。
【０００９】
本発明は上記の問題に鑑みなされたものであり、その目的は、下方への押圧力をより高めることにより、はんだ中央部のクラックの発生を抑制することが容易に可能な半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の半導体装置は、筐体と、半導体素子と、押さえ板と、押し込み部材とを備えている。筐体は絶縁基板を含んでいる。半導体素子は絶縁基板の一方の主表面上にはんだにより接合されている。押さえ板は半導体素子の平面視における中央部と重なるように、半導体素子において絶縁基板と接合された面と反対側の一方の主表面側に配置されている。押し込み部材は押さえ板の半導体素子が位置する側と反対側である一方の主表面側から、押さえ板を半導体素子側に押圧可能である。押し込み部材は筐体に固定された状態で、押さえ板を半導体素子側に押圧可能である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、押し込み部材が押さえ板を、半導体素子と絶縁基板とがより密着するように押圧する。これにより、絶縁基板と半導体素子との間のはんだの厚みが増加しないように制御されるため、はんだ中央部の縦割れを抑制することができる。このため複雑な工程を経ることなく、はんだ中央部のクラックの発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態１のパワーモジュールの構成を示す概略斜視図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う部分の構成を示す概略断面図である。
【図３】実施の形態２のパワーモジュールの構成を示す概略斜視図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線に沿う部分の構成を示す概略断面図である。
【図５】実施の形態３のパワーモジュールの構成を示す概略斜視図である。
【図６】図５のＶＩ−ＶＩ線に沿う部分の構成を示す概略断面図である。
【図７】実施の形態４のパワーモジュールの構成を示す概略斜視図である。
【図８】図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿う部分の構成を示す概略断面図である。
【図９】実施の形態５のパワーモジュールの構成を示す概略斜視図である。
【図１０】図９のＸ−Ｘ線に沿う部分の構成を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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半導体装置としてのパワーモジュールの構成について、図１〜図２を用いて説明する。
【００１４】
図１は本実施の形態の半導体装置の斜視図、図２は本実施の形態の半導体装置の断面図であるが、図１においては実際の半導体装置に含まれる後述の封止樹脂およびケース部については、図面を見やすくする観点から省略されている。これ以降の各斜視図についても同様である。
【００１５】
図１および図２を参照して、本実施の形態の半導体装置としてのパワーモジュール１００の完成品は、ベースプレート１０と、絶縁基板１３と、はんだ１５と、半導体素子１６と、押さえ板１８と、押さえ板押圧用部材１９と、ワイヤ２０とを主に有している。またパワーモジュール１００においては、上記の各部材がケース部２１内に収納されている。
【００１６】
ベースプレート１０は、たとえば図２の上側を向く一方の主表面１０ａと、それと反対側の図２の下側を向く他方の主表面１０ｂとを有する、平面視においてたとえば矩形状を有する平板部材である。ベースプレート１０はたとえば銅により形成されることが好ましいが、銅の他にアルミニウムにより形成されてもよい。
【００１７】
絶縁基板１３は、セラミック基板１３１と、回路パターン１３２と、放熱用銅箔部１３３を有している。セラミック基板１３１は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）などからなり、一方および他方の主表面が平面視においてたとえば矩形状を有する平板部材である。セラミック基板１３１の一方の主表面すなわち図２の上側の主表面上には回路パターン１３２が形成されている。これは半導体素子１６との電気信号の入出力をするための回路としての導体薄膜であり、たとえば銅により形成されている。またセラミック基板１３１の他方の主表面すなわち図２の下側の主表面上には放熱用銅箔部１３３が形成されている。これは半導体素子１６などからの発熱を図の下方のベースプレート１０側に伝えるための導体薄膜であり、たとえば銅から形成されている。なおセラミック基板１３１の他方の主表面上にも回路パターン１３２が形成されてもよい。回路パターン１３２および放熱用銅箔部１３３は、たとえばろう付けによりセラミック基板１３１に接合されている。
【００１８】
絶縁基板１３は、その全体の一方の主表面１３ａすなわちたとえば図１の回路パターン１３２の上側の主表面と、その全体の他方の主表面１３ｂすなわちたとえば図１の放熱用銅箔部１３３の下側の主表面とを有している。
【００１９】
ベースプレート１０の一方の主表面１０ａと、絶縁基板１３の他方の主表面１３ｂすなわち放熱用銅箔部１３３とは、はんだ１１により接合されている。また絶縁基板１３の一方の主表面１３ａすなわち回路パターン１３２と、半導体素子１６とは、はんだ１５により接合すなわちダイボンディングにより接合されている。
【００２０】
半導体素子１６は小型化の開発が進むにつれて発熱密度が増加している。このため半導体素子１６を実装する部材、特に半導体素子１６の直下に配置されこれを接合しているはんだ１５の耐熱性および放熱性が重要となっている。
【００２１】
はんだ１１，１５は鉛フリー化および高耐熱性が求められるため、錫（Ｓｎ）系のはんだが使用される。また錫系のはんだ１１，１５は応力緩和性、耐熱性および耐疲労強度を有するようにする観点から、アンチモン（Ｓｂ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）などが添加され、任意の組成とされることが好ましい。以上のような組成とされたはんだ１１，１５は、半導体素子１６などの被接合材と共にリフローされることにより、絶縁基板１３と半導体素子１６などとを互いに接合する。
【００２２】
なお上記のダイボンディング用の接合材としては、はんだ１５のほかに、たとえば銅−スズなどの合金がＴＬＰ接合（遷移的液相焼結法）により接合されたものが用いられてもよいし、ナノ粒子を利用した焼結型の接合材である銀が用いられてもよい。しかしはんだを用いることにより、低コスト化およびプロセスの安定性を確保することができる。
【００２３】
半導体素子１６は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）またはＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などのパワーデバイスを搭載した部材であり、シリコン（Ｓｉ）、炭化珪素（ＳｉＣ）または窒化ガリウム（ＧａＮ）などにより形成されたチップ状の部材であり、平面視において矩形状または正方形状を有している。半導体素子１６は、たとえば図２の上側を向く一方の主表面１６ａと、それと反対側の図２の下側を向く他方の主表面１６ｂとを有している。
【００２４】
半導体素子１６の材料としてシリコンまたは炭化珪素を用いた場合、その線膨張係数は３×１０-6／Ｋ以上５×１０-6／Ｋ以下となる。この観点から、半導体素子１６の線膨張係数は３×１０-6／Ｋ以上５×１０-6／Ｋ以下であることが好ましい。
【００２５】
はんだ１５により接合される絶縁基板１３と半導体素子１６とは、互いの線膨張係数の差が小さいことが好ましい。このようにすれば、半導体素子１６を絶縁基板１３と接合しパワーモジュール１００を構成するはんだ１５へのせん断応力を低減させることができる。具体的には、たとえば半導体素子１６の線膨張係数は３×１０-6／Ｋ以上５×１０-6／Ｋ以下である場合、絶縁基板１３の線膨張係数は１０×１０-6／Ｋ以下であることが好ましい。ここで絶縁基板１３の線膨張係数とは、セラミック基板１３１と回路パターン１３２と放熱用銅箔部１３３とを合わせた全体の線膨張係数である。このため絶縁基板１３の線膨張係数を上記の数値範囲内にするためには、セラミック基板１３１、回路パターン１３２および放熱用銅箔部１３３のそれぞれの厚みの割合を調整することが好ましい。セラミック基板１３１などの各層の厚みを調整することで絶縁基板１３全体の線膨張係数を調整することにより、絶縁基板１３の線膨張係数の値を半導体素子１６の線膨張係数の値に近づけることができる。
【００２６】
たとえば窒化アルミニウム製のセラミック基板１３１の厚みを０．６３５ｍｍ、銅製の回路パターン１３２の厚みを０．３２ｍｍ、銅製の放熱用銅箔部１３３の厚みを０．３２ｍｍとすることが好ましい。このようにすれば、半導体素子１６と絶縁基板１３との線膨張係数の差が十分に小さくなるため、これらを接合するはんだ１５の、半導体素子１６などとの接合面に沿う方向に延びるクラックである横割れの発生を抑制することが可能となる。
【００２７】
押さえ板１８は、半導体素子１６において絶縁基板１３と接合された面と反対側の一方の主表面１６ａ、すなわち半導体素子１６の図２における上側の主表面の上に、半導体素子１６の平面視における中央部と重なるように配置されている。具体的には押さえ板１８は、その平面視におけるたとえば矩形状の一方の主表面１８ａの少なくとも一部が、半導体素子１６のたとえば矩形状の一方の主表面１６ａの中央部の少なくとも一部と平面視において重なり合うように配置される。押さえ板１８は半導体素子１６の一方の主表面１６ａ側すなわち図２の上側に、絶縁層１７を挟んで配置されている。
【００２８】
ここで半導体素子１６の中央部とは、半導体素子１６の一方の主表面１６ａ上の中央点を通り、そこから図１のワイヤ２０が延びる方向に沿って一方の主表面１６ａが延びる方向（図２の紙面に垂直な方向）に関する距離が、半導体素子１６の一方の主表面１６ａのワイヤ２０の延びに沿う方向の寸法の１５％以内である領域の全体をいうこととする。
【００２９】
ただし図１および図２に示すように、押さえ板１８は基本的に、一方の主表面１６ａに沿いかつワイヤ２０の延びる方向に交差する方向に関して、半導体素子１６の一方の主表面１６ａの全体と重なるように延びている。したがってこのことと、上記のように半導体素子１６の中央点からのワイヤ２０に沿って延びる方向の距離が一方の主表面１６ａの寸法全体の１５％以内であることとを総合すれば、半導体素子１６の中央部とは、半導体素子１６の中央点を中心として一方の主表面１６ａの面積が３０％の領域であるといえる。なお押さえ板１８は、半導体素子１６の上記中央部の外側の領域をも覆う大きさを有していてもよい。
【００３０】
絶縁層１７は、半導体素子１６と押さえ板１８との電気的な導通を抑制するために両者の間に挟まれている。すなわち絶縁層１７はその少なくとも一部が半導体素子１６と押さえ板１８との双方の少なくとも一部と重なるように配置されている。絶縁層１７はたとえば平面視において矩形状を有する平板部材であり、耐熱性のあるセラミック、エポキシ樹脂、テフロン（登録商標）などの材料により形成されている。絶縁層１７の平面視における長辺方向の寸法は、半導体素子１６の一方の主表面１６ａに沿いかつワイヤ２０の延びる方向に交差する方向に関して、一方の主表面１６ａ上に形成されたガードリングの外枠の内側に、ガードリングと重なることなく収まる寸法であることが好ましい。また絶縁層１７の平面視における短辺方向の寸法は、後述する複数のワイヤ２０のそれぞれと、これの一方端および他方端が接続される半導体素子１６の一方の主表面１６ａなどとにより囲まれるように形成されるループの内部に当該絶縁層１７が収まる寸法であることが好ましい。
【００３１】
押さえ板１８は、たとえば図２の上側を向く一方の主表面１８ａと、それと反対側の図２の下側を向く他方の主表面１８ｂとを有し、たとえば平面視において矩形状を有する平板部材である。押さえ板１８は銅またはアルミニウムなどの金属材料、セラミック、樹脂材料からなる群から選択されるいずれかにより形成されることが好ましい。ただし押さえ板１８は高剛性の材料により形成されることがより好ましい。押さえ板１８の平面視における長辺方向は、一方の主表面１６ａに沿いかつワイヤ２０の延びる方向に交差する方向に対応するように、押さえ板１８が配置されることが好ましい。またその長辺方向の寸法は、上記のように一方の主表面１６ａに沿いかつワイヤ２０の延びる方向に交差する方向に関して、半導体素子１６の一方の主表面１６ａの全体と重なる寸法であることが好ましい。これを言い換えれば、押さえ板１８の平面視における長辺方向の寸法は、一方の主表面１６ａに沿いかつワイヤ２０の延びる方向に交差する方向に関して、一方の主表面１６ａよりも長いことが好ましい。ただし押さえ板１８の平面視における長辺方向の寸法は、少なくとも複数のワイヤ２０の並びのうち一方の端部に配置されるワイヤ２０の外側と他方の端部に配置されるワイヤ２０の外側との双方に配置される後述の押さえ板押圧用部材１９と平面的に重なることが可能な寸法であることが好ましい。これを言い換えれば、基本的に押さえ板１８の長辺方向は半導体素子１６を平面視において跨ぐことが可能な長さであることが好ましいが、必ずしもこれを跨がなくても、少なくとも複数のワイヤ２０の並びとその並びの両端側に配置される押さえ板押圧用部材とを跨ぐことが可能な寸法を有していればよい。
【００３２】
また押さえ板１８の平面視における短辺方向は、一方の主表面１６ａに沿いかつワイヤ２０の延びる方向に沿う方向に対応するように、押さえ板１８が配置されることが好ましい。その短辺方向の寸法は、絶縁層１７の平面視における短辺方向の寸法と同様に、複数のワイヤ２０のそれぞれと、これの一方端および他方端が接続される半導体素子１６の一方の主表面１６ａなどとにより囲まれるように形成されるループの内部に当該押さえ板１８が収まる寸法であることが好ましい。すなわち絶縁層１７および押さえ板１８は、複数のワイヤ２０のそれぞれの一方端に接続される表面上の点とワイヤ２０の他方端に接続される表面上の点とに挟まれる表面と、当該ワイヤ２０とに囲まれ形成されるループの内部に収納されるような短辺寸法となっている。したがって絶縁層１７および押さえ板１８は、いずれも複数のワイヤ２０のそれぞれとは接触しない。
【００３３】
なお一例として、押さえ板１８の平面視における厚みは、これを構成する平板部材の強度を確保する観点から５００μｍ以上とすることが好ましい。また押さえ板１８の短辺方向の長さはたとえば１ｍｍ以上設けることが好ましい。このように押さえ板１８はその厚みが短辺方向の長さの半分程度となっており、このことから板状の立体形状であるということができる。本実施の形態のパワーモジュール１００においては、このような寸法を有する平板形状の押さえ板１８と間隔をあけてその押さえ板１８の真上を通るようこれを跨ぐことが可能なワイヤ２０を有している。
【００３４】
絶縁層１７と、これと接触可能な半導体素子１６の一方の主表面１６ａとは、必ずしも互いに接合されている必要はないが、仮止め程度の接合強度で両者が互いに固定されていることが好ましい。これにより、後述するワイヤ２０およびケース部２１の位置精度が高められる。また絶縁層１７と、これと接触可能な押さえ板１８の他方の主表面１８ｂとは、必ずしも互いに接合されている必要はないが、仮止め程度の接合強度で両者が互いに固定されていることが好ましい。
【００３５】
複数のワイヤ２０は、半導体素子１６の一方の主表面１６ａ上に搭載されたＩＧＢＴおよびＭＯＳＦＥＴなどと、半導体素子１６の外部とを電気的に接続するための細線状の部材である。図１および図２においては一例として５本のワイヤ２０が互いに間隔をあけて配置され、いずれもその一方端が半導体素子１６の一方の主表面１６ａ上に接続された電極などに、その他方端が絶縁基板１３の一方の主表面１３ａ上の回路パターン１３２上に接続される。これにより５本のワイヤ２０のそれぞれは、当該半導体素子１６と回路パターン１３２とを電気的に接続している。それぞれのワイヤ２０は押さえ板１８の短辺方向に沿って延び、その押さえ板１８の短辺方向に関して押さえ板１８を跨ぐように配置されている。すなわちそれぞれのワイヤ２０は、半導体素子１６とワイヤ２０との間に押さえ板１８が配置されるように、かつ押さえ板１８と接触せずに押さえ板１８の真上を通るように、延びている。しかしワイヤ２０の接続態様は上記の態様に限られない。なおワイヤ２０は押さえ板１８の配置が完了した後に、半導体素子１６上に接続されることが好ましい。
【００３６】
ワイヤ２０は一般的にアルミニウムまたは銅により形成されることが好ましく、その断面はたとえば直径が約１００μｍ以上４００μｍ以下の円形となっていることが好ましい。このようなワイヤ２０が、たとえば超音波および圧力を利用したウェッジボンディングにより上記箇所に接続されている。
【００３７】
ワイヤ２０の一方端または他方端の少なくとも一方は、半導体素子１６の一方の主表面１６ａのうちその中央部に程近い領域、すなわち半導体素子１６の中央部に隣接する領域に接続されることが好ましい。このようにワイヤ２０の一方端または他方端、すなわちワイヤ２０が半導体素子１６の一方の主表面１６ａなどと接続される箇所はなるべく押さえ板１８に近い領域に位置することが好ましい。このため、絶縁層１７および押さえ板１８がそれらのワイヤ２０の通る領域に近い部分の稜の角部を除去し、その角部にテーパを形成させた構造としてもよい。
【００３８】
パワーモジュール１００は、以上のベースプレート１０、絶縁基板１３、半導体素子１６などからなる積層構造を収納するケース部２１を有している。ケース部２１は、絶縁基板１３と併せて、ここではパワーモジュール１００の筐体を構成するものとする。ケース部２１は図２に示すように、たとえば平面形状が矩形である直方体の箱型形状を有している。ケース部２１はベースプレート１０の一方の主表面１０ａ側、絶縁基板１３、半導体素子１６、押さえ板１８、および押さえ板押圧用部材１９の一部をその内部に収納するが、ベースプレート１０の他方の主表面１０ｂ側、および押さえ板押圧用部材１９の他の一部をその外側に露出してもよい。
【００３９】
ケース部２１の内部には封止樹脂２２が充填されている。この封止樹脂２２はケース部２１の内部における放電を防ぐためのものであり、たとえばシリコーンゲルであることが好ましい。ただし封止樹脂２２はエポキシ樹脂などのポッティング用の樹脂であってもよい。
【００４０】
平面視にて複数のワイヤ２０の延びる方向に交差する方向すなわち複数のワイヤ２０の並ぶ方向において、たとえば押さえ板１８の一方端および他方端に隣接する領域に重なるように、１対の押さえ板押圧用部材１９（押し込み部材）が配置されている。ただし押さえ板押圧用部材１９の数はこれに限られない。押さえ板押圧用部材１９は、押さえ板１８の半導体素子１６が位置する下側とは反対側である一方の主表面１８ａ側すなわち図２の上側に配置されている。
【００４１】
たとえば図１および図２に示すように押さえ板１８が複数のワイヤ２０の並ぶ方向に関して半導体素子１６よりも長い寸法を有する場合には、押さえ板押圧用部材１９は、半導体素子１６とは重ならないようその外側の位置に、言い換えればたとえば半導体素子１６の外側に配置される回路パターン１３２と平面的に重なる位置に、配置されている。
【００４２】
押さえ板押圧用部材１９としては具体的には通常の鋼製材料からなるボルトまたはねじが用いられ、ベースプレート１０と絶縁基板１３と半導体素子１６となどが積層される方向すなわち図２の上下方向に延びている。押さえ板押圧用部材１９の図１および図２における上端部は、ボルトまたはねじの頭部であり、ケース部２１の外側に露出することが可能である。また押さえ板押圧用部材１９を構成するボルトまたはねじの頭部以外の領域は、図２に示すようにケース部２１の内部に収納可能となっている。
【００４３】
このように押さえ板押圧用部材１９の頭部以外の領域はケース部２１の最上部の部材を貫通し、押さえ板押圧用部材１９の頭部の一部がケース部２１の最上部の部材に接触している。このようにして、押さえ板押圧用部材１９は筐体の一部であるケース部２１に固定されている。これにより、押さえ板押圧用部材１９とケース部２１との間の位置精度を高めることができる。
【００４４】
たとえば押さえ板押圧用部材１９を回し締め、押さえ板押圧用部材１９が図２の下方に押圧力を加えることにより、押さえ板押圧用部材１９の下端部が押さえ板１８の一方の主表面１８ａ上に接触し、これにより、押さえ板１８を図２の上側から図２の下側すなわち半導体素子１６側に向けて、押圧することが可能な構成となっている。これにより半導体素子１６、およびそれよりも下方の各部材は図２の下向きの圧力を受け、はんだ１５，１１が図２の上下方向に関して過剰に厚くなることが抑制される。
【００４５】
押さえ板押圧用部材１９が押さえ板１８を下方に押し込む圧力はより高いことが好ましい。しかしはんだ１５，１１の縦方向（図２の上下方向）への伸びすなわちはんだ１５，１１が厚くなることを抑制する観点から、最低でも１対の押さえ板押圧用部材１９のそれぞれは１ＭＰａ程度の圧力を下方に加えることが好ましい。
【００４６】
以上より、押さえ板押圧用部材１９は、筐体（絶縁基板１３を含む）の一部であるケース部２１に固定された状態で、押さえ板１８を半導体素子１６側すなわち図２の下側に押圧可能となっている。
【００４７】
なお本実施の形態においては、導電性の材料からなる押さえ板１８が形成され、押さえ板１８と半導体素子１６との電気的導通を避けるための絶縁層１７が押さえ板１８と半導体素子１６との間に挟まれている。しかし本実施の形態においては、半導体素子１６の直上に、絶縁層１７を挟むことなく、直接絶縁性材料のたとえばセラミックスからなる押さえ板１８が配置され、半導体素子１６を押圧可能な構成を有していてもよい。
【００４８】
ここで、本実施の形態の背景について説明しつつ、本実施の形態の作用効果を説明する。
【００４９】
まず一般的に、パワーモジュールは産業機器、自動車、鉄道などの電力を効率的に制御するために用いられる。省エネルギー化のキーパーツであるパワーモジュールは小型化、高効率化、高出力密度化が求められている。炭化珪素（ＳｉＣ）などから形成された高温動作が可能な半導体素子が開発されている。これに伴い、実装用のはんだおよび絶縁部材としての絶縁基板、封止樹脂などの半導体素子の周辺の各部材に対する高耐熱性および高信頼性がますます必要とされている。
【００５０】
通常、パワーモジュールは銅またはアルミニウムなどのベースプレートの一方の主表面上に、はんだなどの接合材により絶縁基板が接合され、さらにその絶縁基板の一方の主表面上に、はんだなどの接合材により半導体素子が実装される。半導体素子の一方の主表面上には、制御信号および主電流を入出力するための配線が取り付けられており、これらの半導体素子および絶縁基板の周囲は絶縁性を保つために樹脂封止されている。
【００５１】
パワーモジュールに含まれる半導体素子は、主電流が高速でスイッチングされる。このためパワーモジュールにおいては、半導体素子の周囲の実装用はんだなどは高温状態と低温状態とに繰り返し晒され、温度ストレスを受けることにより、当該はんだなどがボイド、クラック、剥離などの不具合を生じやすくなる。
【００５２】
そこで、上記の図１、図２のように半導体素子１６が接合されたはんだ１５、およびパワーモジュール１００の信頼性を確認する方法として、パワーサイクル試験がある。パワーサイクル試験１００は、たとえば上記図１、図２のパワーモジュール１００においては半導体素子１６に対して電流を断続的に流すことにより、半導体素子１６およびその周辺にあるはんだ１５、絶縁基板１３、ベースプレート１０に局所的かつ急峻な温度ストレスを繰り返し与える試験である。このような温度ストレスを与えられた各部材は膨張と収縮とを繰り返し、応力負荷が発生し、はんだ１５などの接合部を劣化させる。
【００５３】
上記の温度ストレスに起因するはんだ１５の劣化のうち、はんだ１５の平面視における外周部から中央部に向けて拡がる横割れについては、上記のようにはんだ１５に接合される半導体素子１６と絶縁基板１３との線膨張係数の差を小さくすることにより抑制することができる。しかし半導体素子１６と絶縁基板１３との線膨張係数の差を小さくしはんだ１５の横割れを抑制したとしても、パワーサイクル試験により、はんだ１５の中央部から縦割れが発生する。はんだ１５の縦割れは、はんだ１５の内部における添加剤の凝集および結晶粒界の成長によりはんだ１５の内部に発生する微小ボイドが多数、はんだ１５の主表面に垂直な方向に沿って連結することにより形成されると考えられている。縦割れによるクラックは、はんだ１５の平面視における中央部から網目状に外周部に向けて広がることがあり、このようになれば、はんだ１５の熱抵抗および電気抵抗の上昇の要因となり、最終的にはワイヤ２０のクラックおよびリフトオフを引き起こし、半導体素子１６が過剰に発熱することによりパワーモジュール１００を故障させる原因となる。
【００５４】
またはんだ１５に縦割れが発生すると、当該はんだ１５の厚みがその接合された当初の厚みに比べて増加することが確認されている。このため、はんだ１５の厚みの増加を強制的に抑制することにより、はんだ１５の縦割れの発生を抑制することができる。
【００５５】
そこで本実施の形態のパワーモジュール１００においては、半導体素子１６の一方の主表面１６ａ上に、少なくともその平面視における中央部と重なるように押さえ板１８が配置され、さらにその押さえ板１８がその図２の上方から押さえ板押圧用部材１９により半導体素子１６側すなわち図２の下側に向けて押圧可能な構成を有する。このため、押さえ板押圧用部材１９により押さえ板１８が半導体素子１６と絶縁基板１３とを下方に押圧することにより、半導体素子１６と絶縁基板１３との間のはんだ１５に厚み方向の圧縮力が加わる。
【００５６】
このように本実施の形態においては押さえ板１８のみがはんだ１５に厚み方向の圧縮力を加えるのではなく、押さえ板押圧用部材１９が押さえ板１８の下方への押圧を助ける役割を有している。このように押さえ板１８と押さえ板押圧用部材１９との双方がはんだ１５に対して押圧力を加えることにより、はんだ１５の厚みの増加を防ぐことができ、これによりはんだ１５の中央部を起点とする縦割れの発生を抑止することができる。はんだ１５が縦割れを起こさなければ、半導体素子１６の動作時に発生する熱がはんだ１５を通って図２の下方のベースプレート１０側に放熱される経路が遮られることがない。このため半導体素子１６の過剰発熱を抑制することができ、パワーモジュール１００の故障を抑制することができる。その結果、パワーモジュール１００をより長寿命化させることができる。
【００５７】
本実施の形態の押さえ板１８は特に半導体素子１６の平面視における中央部と重なるように配置されている。このためたとえば半導体素子１６の平面視における中央部以外の領域は、その真上から押さえ板１８による押圧を直接受けない構成とすることもできる。したがって、半導体素子１６の中央部以外の領域にワイヤ２０を接続する領域を広く確保することが可能であり、半導体素子１６の一方の主表面１６ａ上の設計の自由度を減らすことなく、押さえ板１８によるはんだ１５の縦割れ抑制を図ることができる。このためワイヤ２０の実装態様における汎用性を高めることができる。
【００５８】
また本実施の形態のパワーモジュール１００は、絶縁基板１３の一方の主表面１３ａ上に形成された回路パターン１３２と、半導体素子１６とを接続するワイヤ２０を備えている。ワイヤ２０は、半導体素子１６とワイヤ２０との間に押さえ板１８が配置されるように、押さえ板１８と間隔をあけてその押さえ板１８の真上を通るように延びている。押さえ板１８は半導体素子１６およびワイヤ２０の干渉を受けることなく、半導体素子１６に対して押圧力を加えることができる。つまり、半導体素子１６の一方の主表面１６ａ上の設計の自由度を減らすことなく、押さえ板１８によるはんだ１５の縦割れ抑制を図ることができる。
【００５９】
（実施の形態２）
まず本実施の形態の半導体装置としてのパワーモジュールの構成について、図３〜図４を用いて説明する。
【００６０】
図３は本実施の形態の半導体装置の斜視図、図４は図３の奥行き方向すなわち平面視での長辺方向における断面図である。図３および図４を参照して、本実施の形態の半導体装置としてのパワーモジュール２００の完成品は、基本的にパワーモジュール１００と同様の構成を有するため、同一の要素については同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。本実施の形態のパワーモジュール２００は、パワーモジュール１００と同様に、ワイヤ２０が絶縁基板１３の一方の主表面１３ａ上の回路パターン１３２と、半導体素子１６とを接続する態様となっているが、ワイヤ２０は押さえ板１８の真上を通るように配置されてはおらず、半導体素子１６の一方の主表面１６ａのうちその中央部に程近い領域、すなわち半導体素子１６の中央部に隣接する領域に接続されている。この点において本実施の形態は、ワイヤ２０が押さえ板１８の真上を通り押さえ板１８を跨ぐように接続される実施の形態１とは構成上異なっている。
【００６１】
なお本実施の形態においてはワイヤ２０は押さえ板１８の真上を通らないため、ワイヤ２０が先に半導体素子１６上に接続された後に押さえ板１８が配置固定されてもよいし、実施の形態１と同様に先に押さえ板１８の配置が完了した後にワイヤ２０が接続されてもよい。
【００６２】
本実施の形態のように、ワイヤ２０は必ずしも押さえ板１８の真上を通る構成でなくてもよい。少なくともワイヤ２０は押さえ板１８に隣接する領域、すなわち半導体素子１６の平面視における中央部に隣接する領域にワイヤ２０が接続されていればよい。ワイヤ２０が押さえ板１８の近くに接続されることにより、押さえ板１８はワイヤ２０に流れる電流が集中し温度が過剰に上昇しやすい領域に配置されることになる。このため押さえ板１８がはんだ１５の厚みの増加を防ぐことにより、はんだ１５の縦割れが抑制され、はんだ１５の熱抵抗の増加を抑制することができる。したがってはんだ１５の放熱効果を維持できることから、はんだ１５の上のワイヤ２０にて発生する大量の熱をはんだ１５を経由して放熱させる効果を維持することができる。
【００６３】
（実施の形態３）
まず本実施の形態の半導体装置としてのパワーモジュールの構成について、図５〜図６を用いて説明する。
【００６４】
図５は本実施の形態の半導体装置の斜視図、図６は図５の幅方向すなわち平面視での短辺方向における断面図である。図５および図６を参照して、本実施の形態の半導体装置としてのパワーモジュール３００の完成品は、基本的にパワーモジュール１００と同様の構成を有するため、同一の要素について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のパワーモジュール３００は、押さえ板押圧用部材１９が絶縁基板１３に固定されている点において、押さえ板押圧用部材１９がケース部２１に固定される実施の形態１のパワーモジュール１００とは構成上異なっている。
【００６５】
すなわち本実施の形態においては、押さえ板１８の平面視における長辺方向の寸法は、半導体素子１６の一方の主表面１６ａに沿いかつワイヤ２０の延びる方向に交差する方向に関して、一方の主表面１６ａよりも長い。すなわち押さえ板１８は平面視における長辺方向において、半導体素子１６を跨ぐことが可能な長さを有している。その押さえ板１８の長辺方向に関する一方端および他方端に隣接する領域に重なるように、１対の押さえ板押圧用部材１９が配置されている。
【００６６】
押さえ板押圧用部材１９は、実施の形態１と同様に、押さえ板１８の一方の主表面１８ａ側すなわち図２の上側に配置されている。押さえ板押圧用部材１９は、半導体素子１６とは重ならないようその外側の位置に、言い換えればたとえば半導体素子１６の外側に配置される回路パターン１３２と平面的に重なる位置に、配置されている。
【００６７】
この押さえ板押圧用部材１９の頭部以外の領域は押さえ板１８を貫通してさらにその真下の絶縁基板１３の一部であるたとえば回路パターン１３２およびセラミック基板１３１を貫通することにより、絶縁基板１３に固定された構成を有している。少なくとも押さえ板押圧用部材１９はその一部がセラミック基板１３１に達することが可能な長さを有することが好ましい。
【００６８】
すなわち本実施の形態のパワーモジュール３００においては、押さえ板押圧用部材１９はその全体がケース部２１の内部に配置されており、実施の形態１のパワーモジュール１００のようにその頭部の一部がケース部２１の外側に露出してはいない。したがって押さえ板押圧用部材１９はケース部２１に固定されてはいない。そして押さえ板押圧用部材１９をたとえば回し締め、下方に押圧力を加えさせることにより、押さえ板押圧用部材１９の下端部が絶縁基板１３の一部（たとえばセラミック基板１３１）に接触する。これにより、押さえ板押圧用部材１９がその頭部にて固定する押さえ板１８を図６の下側すなわち半導体素子１６側に向けて押圧させることが可能な構成となっている。
【００６９】
なお図６においては、押さえ板押圧用部材１９は絶縁基板１３の放熱用銅箔部１３３に達する長さを有している。しかし押さえ板押圧用部材１９の長さはこれに限らず、たとえばベースプレート１０に達する長さとすることもできる。ただし本実施の形態においては、押さえ板押圧用部材１９はセラミックなどの絶縁材料により形成される。
【００７０】
次に、本実施の形態の作用効果について説明する。
本実施の形態においては、押さえ板押圧用部材１９がケース部２１の干渉を受けることなく絶縁基板１３に固定される。このため押さえ板押圧用部材１９とケース部２１との間の位置精度が求められなくなり、押さえ板押圧用部材１９を取り付ける際の位置合わせが容易となる。また本実施の形態においては、ケース部２１の最上部の蓋を配置する前にそれまでの工程で形成されたベースプレート１０、絶縁基板１３および半導体素子１６などの積層構造における不良個所等を視認することができるため、製造上の管理が容易となる。
【００７１】
（実施の形態４）
まず本実施の形態の半導体装置としてのパワーモジュールの構成について、図７〜図８を用いて説明する。
【００７２】
図７は本実施の形態の半導体装置の斜視図、図８は図７の幅方向すなわち平面視での短辺方向における断面図である。図７および図８を参照して、本実施の形態の半導体装置としてのパワーモジュール４００の完成品は、基本的にパワーモジュール１００と同様の構成を有するため、同一の要素について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のパワーモジュール４００は、複数のワイヤ２０のそれぞれの一方の端部が、押さえ板１８の一方の主表面１８ａ上に接続されている。なお各ワイヤの他方の端部は実施の形態１と同様にたとえば一方の主表面１３ａに相当する回路パターン１３２上に接続されている。また半導体素子１６の平面視における中央部と重なるように半導体素子１６の一方の主表面１６ａ側すなわち上側に押さえ板１８が配置される点は実施の形態１と同様であるが、半導体素子１６と押さえ板１８との間には、絶縁層１７の代わりとしてたとえばはんだなどからなる接合材としての導電層２３が挟まれている。つまり半導体素子１６と押さえ板１８とははんだにより接合されることが好ましい。この場合においても、導電層２３が半導体素子１６と押さえ板１８とを電気的に接続させるため、導電層２３は、半導体素子１６の一方の主表面１６ａおよび押さえ板１８の他方の主表面１８ｂとの双方に接するように挟まれている。
【００７３】
押さえ板１８と半導体素子１６とを電気的に接続させる観点から、押さえ板１８は銅またはアルミニウムなどの導電材料により形成されることが好ましい。ただし押さえ板１８の一方の主表面１８ａ上にワイヤ２０の一方端を接続させることから、押さえ板１８の表面上にはニッケルめっきが施されていることが好ましい。以上の点において本実施の形態は実施の形態１と異なっている。
【００７４】
なお本実施の形態においても実施の形態３のパワーモジュール３００と同様に、押さえ板押圧用部材１９が絶縁基板１３に固定されていてもよい。また押さえ板押圧用部材１９は本実施の形態においては、実施の形態３と同様にセラミックなどの絶縁材料により形成される。
【００７５】
次に、本実施の形態の作用効果について説明する。
本実施の形態のようにワイヤ２０の一方端が押さえ板１８の一方の主表面１８ａに接続されることにより、半導体素子１６と回路パターン１３２とを電気的に接続することもできる。本実施の形態の押さえ板１８は金属材料により形成され、かつ押さえ板１８と半導体素子１６との間に、これら双方に接する導電層２３が配置されているためである。
【００７６】
本実施の形態のパワーモジュール４００においては、ワイヤ２０が押さえ板１８の一方の主表面１８ａ上に接続され、ワイヤ２０が押さえ板１８の近くに接続されることにより、押さえ板１８はワイヤ２０に流れる電流が集中し温度が過剰に上昇しやすい領域に配置されることになる。このため押さえ板１８がはんだ１５の厚みの増加を防ぐことにより、はんだ１５の縦割れが抑制され、はんだ１５の熱抵抗の増加を抑制することができる。したがってはんだ１５の放熱効果を維持できることから、はんだ１５の上のワイヤ２０にて発生する大量の熱をはんだ１５を経由して放熱させる効果を維持することができる。
【００７７】
（実施の形態５）
まず本実施の形態の半導体装置としてのパワーモジュールの構成について、図９〜図１０を用いて説明する。
【００７８】
図９は本実施の形態の半導体装置の斜視図、図１０は図９の幅方向すなわち平面視での短辺方向における断面図である。図９および図１０を参照して、本実施の形態の半導体装置としてのパワーモジュール５００の完成品は、基本的にパワーモジュール１００と同様の構成を有するため、同一の要素について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のパワーモジュール５００は、押さえ板１８の一方の主表面１８ａから他方の主表面１８ｂに達するように、押さえ板１８を貫通する貫通孔２４が形成されている。この貫通孔２４の平面形状は図９においては矩形状としているが、基本的にはこれに限らず任意である。貫通孔２４は押さえ板１８のみならず、その直下の絶縁層１７をも同様に貫通して半導体素子１６の一方の主表面１６ａに達している。そして複数のワイヤ２０のそれぞれの一方の端部は、貫通孔２４内を通って半導体素子１６の一方の主表面１６ａ上に接続されている。なお各ワイヤの他方の端部は実施の形態１と同様にたとえば一方の主表面１３ａに相当する回路パターン１３２上に接続されている。
【００７９】
なお本実施の形態においては押さえ板１８が貫通孔２４を有する分だけ、平面視において押さえ板１８が半導体素子１６などに押圧力を加える領域が小さくなる。しかし本実施の形態においても他の実施の形態と同様に、半導体素子１６の中央部、すなわち半導体素子１６の一方の主表面１６ａの面積の３０％以上の領域は押さえ板１８の押圧力を直接受けることが好ましい。したがって本実施の形態の押さえ板１８は、上記他の実施の形態の押さえ板１８に比べて、たとえばワイヤ２０の延びる方向に関する幅を広くすることにより、上記の半導体素子１６と平面的に重なる領域が一方の主表面１６ａの３０％以上となるように調整されることが好ましい。
【００８０】
次に、本実施の形態の作用効果について説明する。
本実施の形態のようにワイヤ２０の一方端が貫通孔２４内を通って半導体素子１６の一方の主表面１６ａに接続されることにより、発熱量の大きいワイヤ２０に直接接続された半導体素子１６の領域を平面視にて囲むように押さえ板１８が配置されることになる。したがって押さえ板１８がはんだ１５の厚みの増加を防ぐことにより、はんだ１５の縦割れが抑制され、はんだ１５の熱抵抗の増加を抑制することができる。したがってはんだ１５の放熱効果を維持できることから、はんだ１５の上のワイヤ２０にて発生する大量の熱をはんだ１５を経由して放熱させる効果を維持することができる。
【００８１】
また本実施の形態においてもたとえば半導体素子１６の平面視における中央部（中央点からの面積が一方の主表面１６ａの面積の３０％以上の領域）と重なる押さえ板１８を設けるためには、押さえ板１８のワイヤ２０の延びる方向に関する幅を広くする必要が生じる。このため結果的に、特にワイヤ２０の延びる方向に関して押さえ板１８が半導体素子１６などを押圧する領域を広くすることができるため、押圧力が広範囲に分散され、より確実にはんだ１５の厚み増加および縦割れを抑制することができる。
【００８２】
さらに、たとえ本実施の形態の態様を適用するとしても、平面視においてワイヤ２０の一方端が接続される位置は、たとえば実施の形態１のようにワイヤ２０が押さえ板１８を跨ぐ場合に比べて、多少変わるが大きくは変わらない。このため本実施の形態のワイヤ２０の接続態様の設計を新たにし直す必要はなく、実施の形態１と同様のモジュール設計の流用により本実施の形態のパワーモジュール５００を得ることができる。
【００８３】
以上に述べた各実施の形態に記載した特徴を、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。
【００８４】
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】
【００８５】
１０  ベースプレート、１０ａ，１３ａ，１６ａ，１８ａ  一方の主表面、１０ｂ，１３ｂ，１６ｂ，１８ｂ  他方の主表面、１１，１５  はんだ、１２  放熱用銅箔部、１３  絶縁基板、１６  半導体素子、１７  絶縁層、１８  押さえ板、１９  押さえ板押圧用部材、２０  ワイヤ、２１  ケース部、２２  封止樹脂、２３  導電層、２４  貫通孔、１００，２００，３００，４００，５００  パワーモジュール、１３１  セラミック基板、１３２  回路パターン、１３３  放熱用銅箔部。
【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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