(57)【要約】【課題】複数の半導体素子を上部電極と下部電極により挟持し、上部電極および下部電極のうち何れか一方の電極を放熱板へ圧着する際、スペーサや穴を用いることなく、半導体素子の損傷を防止できると共に、半導体素子の一方の電極と放熱板とを均一に圧着できる圧着方法を提供すること。【解決手段】複数の半導体素子２５、２６を上部電極２７と下部電極２３とにより挟持し、上部電極２７および下部電極２３のうち何れか一方の電極を放熱板２１へ圧着する半導体素子２５、２６の電極と放熱板２１との圧着方法において、複数の半導体素子２５、２６間に補助圧着治具５１を挿入し、複数の半導体素子２５、２６および他方の電極と間隙を形成しつつ囲繞すると共に一方の電極の周縁および補助圧着治具５１に係合する圧着治具５２を装着し、圧着治具５２を押圧して一方の電極を放熱板２１へ圧着する。【選択図】図４
2009076592.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の半導体素子を上部電極と下部電極とにより挟持し、前記上部電極および前記下部電極のうち何れか一方の電極を放熱板へ圧着する半導体素子の電極と放熱板との圧着方法において、
前記複数の半導体素子間に補助圧着治具を挿入し、前記複数の半導体素子および他方の電極と間隙を形成しつつ囲繞すると共に前記一方の電極の周縁および前記補助圧着治具に係合する圧着治具を装着し、前記圧着治具を押圧して前記一方の電極を前記放熱板へ圧着する半導体素子の電極と放熱板との圧着方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の半導体素子を上部電極と下部電極とにより挟持し、上部電極および下部電極のうち何れか一方の電極を放熱板へ圧着する半導体素子の電極と放熱板との圧着方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ＩＧＢＴ等のパワー半導体素子の上下に放熱板を配置して放熱性を向上させると共に、上下の放熱板の間にスペーサを設置してモールド型の型締めによる半導体素子の損傷を防止する半導体装置が知られている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
図５は、従来の半導体装置の構成の一例を示した断面図である。この半導体装置１では、平行に配置した下側放熱板５および上側放熱板８の間に、半導体素子２および半導体素子３のそれぞれに近接して干渉しない位置に、円柱状等のスペーサ９を複数設けている。これらのスペーサ９は、下側および上側放熱板５、８の間に半導体素子２および３を挟んだ状態で、これらを樹脂モールドする際にそのモールド型の型締め力（圧縮力）を半導体素子２、３に代わって受けとめる受圧部（抵抗部）としての機能をなし、これによって半導体素子２、３の損傷を防ぎつつ、十分な型締め力を加えることができる。尚、図５において、６、７は電極ブロック、４は半田である。
【特許文献１】特開２００４−３０３９００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の半導体装置は、上下の放熱板５、８の間隙に複数のスペーサ９を挿入すると共に、上下の放熱板５、８にスペーサ９を嵌合して位置決めする穴（凹部）１０、１１を複数設置する必要がある。このため、再利用不可能な複数のスペーサ９と、上下の放熱板５、８の穴加工とが必要なる。したがって、上記従来の半導体装置の製造方法を、本発明の半導体素子の電極と放熱板との圧着方法に適用しようとすると、再利用不可能な複数のスペーサと、上部電極および下部電極の穴加工とが必要になり、作業が繁雑になると共に、コストが増加する。
【０００５】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであって、複数の半導体素子を上部電極と下部電極により挟持し、上部電極および下部電極のうち何れか一方の電極を放熱板へ圧着する際、スペーサや穴を用いることなく、半導体素子の損傷を防止できると共に、半導体素子の一方の電極と放熱板とを均一に圧着できる圧着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】
【０００６】
前記目的を達成するため、本発明は、複数の半導体素子を上部電極と下部電極とにより挟持し、前記上部電極および前記下部電極のうち何れか一方の電極を放熱板へ圧着する半導体素子の電極と放熱板との圧着方法において、
前記複数の半導体素子間に補助圧着治具を挿入し、前記複数の半導体素子および他方の電極と間隙を形成すると共に前記一方の電極の周縁および前記補助圧着治具に係合する圧着治具を装着し、前記圧着治具を押圧して前記一方の電極を前記放熱板へ圧着する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、複数の半導体素子および他方の電極と間隙を形成しつつ囲繞すると共に一方の電極の周縁および補助圧着治具に係合する圧着治具を押圧して、複数の半導体素子および他方の電極を押圧することなく、一方の電極の周縁および複数の半導体素子間を押圧することができる。これにより、スペーサや穴を用いることなく、半導体素子の損傷を防止できると共に、半導体素子の一方の電極と放熱板とを均一に圧着することができる。尚、補助圧着治具、圧着治具は、再利用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。
【０００９】
図１は、半導体装置の基本構成の一例を示した断面図である。
【００１０】
この半導体装置の基本構成は、図１に示すように、放熱板２１上に、絶縁シート２２、下部電極２３、第１半田層２４ａ、第１半導体素子２５（第２半導体素子２６）、第２半田層２４ｂ、上部電極２７を積層して構成される。つまり、第１半導体素子２５、および第２半導体素子２６（以下、半導体素子２５、２６）は、第１半田層２４ａおよび第２半田層２４ｂ（以下、半田層２４ａ、２４ｂ）を介して、下部電極２３と上部電極２７とにより挟持されている。
【００１１】
第１半導体素子２５は、例えば、ＩＧＢＴ、パワーＭＯＳＦＥＴ等のパワー半導体素子である。第１半導体素子２５は、ＩＧＢＴの場合、下面にコレクタ電極（図示せず）を備え、上面にエミッタ電極（図示せず）、及びゲート電極（図示せず）を備える。
【００１２】
エミッタ電極及びゲート電極は、ＩＧＢＴ２５の上面の互いに隔離された領域に、Ａｌを積層して形成される。エミッタ電極は、第２半田層２４ｂを介して上部電極２７へ電気的に接続されており、ゲート電極は、ボンディングワイヤ（図示せず）を介して外部電極（図示せず）へ電気的に接続されている。
【００１３】
コレクタ電極は、ＩＧＢＴ２５の下面の全面にＡｌを積層して形成され、第１半田層２４ａを介して、下部電極２３へ電気的に接続されている。
【００１４】
ＩＧＢＴ２５は、ゲート電極の電圧を制御することで、コレクタ電極からエミッタ電極へ流れる電流のオン、オフを制御することができる。
【００１５】
第２半導体素子２６は、例えば、逆起電力による第１半導体素子（ＩＧＢＴ）２５の損傷を防止する還流ダイオード素子である。第２半導体素子２６の上面は、第２半田層２４ｂ、上部電極２７、第２半田層２４ｂを介して、第１半導体素子２５のエミッタ電極へ電気的に接続されている。他方、第２半導体素子２６の下面は、第１半田層２４ａ、下部電極２３、第１半田層２４ａを介して、第１半導体素子２５のコレクタ電極へ電気的に接続されている。
【００１６】
上部電極２７、下部電極２３は、導電性、放熱性に優れたＡｌ又はＣｕで形成されている。
【００１７】
この半導体装置は、上述した基本構成を６組備え、後述の電気回路を形成している。
【００１８】
図２は、半導体装置の電気回路の一例を示した図である。この半導体装置は、６組のＩＧＢＴ２５、還流ダイオード２６を３相ブリッジ結線して、直流電流を３相交流電流に変換する３相交流インバータ回路３０を構成している。この３相交流インバータ回路３０の出力部は、３相モータ３１に結線されている。このため、ＩＧＢＴ２５のオン、オフのスイッチング周波数を変更することで、３相モータ３１の回転速度、出力トルクを容易に変更することができる。
【００１９】
３相モータ３１を駆動すべく、３相交流インバータ回路３０に電流が流れると、半導体素子２５、２６で熱が発生する。半導体素子２５、２６は、過熱すると正常に作動しなくなるので、放熱板２１が設置されている。
【００２０】
放熱板２１は、高熱伝導のＡｌ又はＣｕで形成される。半導体素子２５、２６で発生した熱は、後述の絶縁シート２２を経由して、放熱板２１で放熱される。これにより、半導体素子２５、２６の過熱を防止し、半導体素子２５、２６の熱破壊を防止している。
【００２１】
絶縁シート２２は、例えば、柔軟性、絶縁性に優れたエポキシ樹脂で形成される。この絶縁シート２２の表面には、放熱板２１との密着性を高め、放熱性を高めるべく、シリコングリスが塗布されてよい。シリコングリスは、下部電極２３および放熱板２１の微小な凹凸の隙間を充填し、下部電極２３からの熱を素早く放熱板２１に伝導する。
【００２２】
エポキシ樹脂は、放熱板２１に比べて放熱性が低く、厚くなりすぎると、半導体素子２５、２６の熱が放熱板２１に伝導し難くなるので、下部電極２３と放熱板２１との絶縁性を確保できる限り、薄くされる。
【００２３】
このように絶縁シート２２を下部電極２３と放熱板２１との間に挿入することにより、１つの下部電極２３と、他の５つの下部電極２３との絶縁性を確保している。下部電極２３と放熱板２１との圧着方法の詳細については後述する。
【００２４】
図３、図４は、本発明の圧着方法の一実施例を示した図であり、（ａ）は概略斜視図で、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａに沿った断面図である。本実施例の圧着方法は、下部電極２３、半導体素子２５、２６、上部電極２７を半田付けして積層する１工程（図３参照）と、絶縁シート２２を介して、下部電極２３と放熱板２１とを圧着する第２工程（図４参照）とからなる。
【００２５】
第１工程では、まず、図３（ａ）に示すように、下部電極２３上に、柱状の補助位置決め治具４１を設置する。
【００２６】
続いて、図３（ｂ）に示すように、補助位置決め治具４１を挟むように、下部電極２３上に２枚の第１半田箔２４ａを配置し、それぞれの第１半田箔２４ａ上に第１半導体素子２５および第２半導体素子２６のいずれか一方を載せる。つまり、柱状の補助位置決め治具４１を挟むように、下部電極２３上に矩形状の第１半導体素子２５および第２半導体素子２６が配置されている。
【００２７】
続いて、半導体素子２５、２６上に、第２半田箔２４ｂを介して、上部電極２７を設置する。
【００２８】
尚、補助位置決め治具４１の高さ方向寸法は、第１半田箔２４ａ、半導体素子２５、２６、第２半田箔２４ｂの総高さ方向寸法より小さく、下部電極２３と上部電極２７との間隙より小さくなっている。
【００２９】
続いて、枠形状の位置決め治具４２を装着する。位置決め治具４２の開口部４３は、平面視四角形の形状であって、高さ方向に沿って下から上に行くほど面積が３段階で小さくなる構造を有する。各段階の開口部４３ａ、４３ｂ、４３ｃは、それぞれ、下部電極２３、半導体素子２５、２６、上部電極２７の外周面が略反転された形状の中空を形成している。
【００３０】
この位置決め治具４２を下側の開口部４３ａから装着させていくと、開口部４３ａは、上部電極２７、半導体素子２５、２６、下部電極２３を順次内側に収納していく。また、開口部４３ａに続く開口部４３ｂは、上部電極２７、半導体素子２５、２６を順次内側に収納していく。最終的に位置決め治具４２の装着が完了すると、大きな開口部４３ａで下部電極２３を、小さな開口部４３ｂで半導体素子２５、２６を、さらに小さな開口部４３ｃで上部電極２７を所定の位置に位置決めすることができる。また、位置決めが完了した状態で、補助位置決め治具４１は、位置決め治具４２の左右一対の側面に形成された溝部４４ａ、４４ｂに係合され、第１半導体素子２５と第２半導体素子２６とを所定間隔で保持している。このようにして、下部電極２３、半導体素子２５、２６、上部電極２７は、位置決めされる。
【００３１】
最後に、補助位置決め治具４１、位置決め治具４２を装着したまま雰囲気炉で加熱処理し、第１半田箔２４ａ、第２半田箔２４ｂを溶融して、下部電極２３、半導体素子２５、２６、上部電極２７を半田付けする。半田付けは、半導体素子２５、２６が熱破壊されない比較的低温で行われ、例えば、１８０℃〜３００℃で行われる。
【００３２】
半田箔２４ａ、２４ａには、例えば、Ｓｎ−Ｐｂ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ合金、Ｓｎ−Ｚｎ−Ａｌ合金を用いることができる。
【００３３】
半田付けして金属接合することにより、第１半田層２４ａ、上部電極２７、第１半田層２４ａを介して、第１半導体素子（ＩＧＢＴ）２５のエミッタ電極と、第２半導体素子（還流ダイオード）２６のアノード側とが導通される。また、第２半田層２４ｂ、下部電極２３、第２半田層２４ｂを介して、第１半導体素子（ＩＧＢＴ）２５のコレクタ電極と、第２半導体素子（還流ダイオード）２６のカソード側とが導通される。
【００３４】
第１の工程で用いられる、補助位置決め治具４１、位置決め治具４２は、溶融半田との濡れ性が悪く、耐熱性が高いセラミックスで形成される。これにより、補助位置決め治具４１および位置決め治具４２と溶融半田との融着を防止することができ、半田付け後であっても、補助位置決め治具４１および位置決め治具４２を取り外し、再利用することができる。尚、補助位置決め治具４１、位置決め治具４２は、金属で形成して、金属の表面にセラミックスの微粒子を塗布することにより、離型性を確保しても良い。
【００３５】
また、補助位置決め治具４１、位置決め治具４２を形成するセラミックスには、安価なＡｌ２Ｏ３を用いても良いが、Ａｌ２Ｏ３より熱伝導率の高いＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣを用いてもよい。補助位置決め治具４１、位置決め治具４２の熱伝導率を高くすることで、半田付けのための熱処理をする際、昇温時間の短縮化および均熱化を図ることができ、熱処理時間を短縮化することができると共に、良好な半田付けを行うことができる。
【００３６】
また、補助位置決め治具４１、位置決め治具４２は、熱膨張係数の比較的小さなセラミックスで形成されるため、熱膨張係数の比較的大きなＡｌ又はＣｕで形成される上部電極２７、下部電極２３との熱膨張差が大きい。したがって、半田付けの際、補助位置決め治具４１、位置決め治具４２が上部電極２７、半導体素子２５、２６、下部電極２３の熱膨張を抑圧して損傷させないように、十分なクリアランスが設定されている。
【００３７】
第２工程では、第１工程で半田付けされた下部電極２３、半導体素子２５、２６、上部電極２７を、絶縁シート２２を介して、放熱板２１に圧着する。
【００３８】
第２工程では、まず、図４（ａ）に示すように、第１工程で半田付けされた下部電極２３、半導体素子２５、２６、上部電極２７の下部電極２３側に、絶縁シート２２を介して放熱板２１を配置する。
【００３９】
続いて、図４（ｂ）に示すように、下部電極２３、半導体素子２５、２６、および上部電極２７で囲まれた断面四角形状の中空部に断面四角形の柱状の補助圧着治具５１を挿入する。補助圧着治具５１は、補助位置決め治具４１と兼用して良い。補助位置決め治具４１と兼用する場合、第１工程後に補助位置決め治具４１を取り外すことなく、そのまま第２工程に着手でき、作業を簡略化できるだけでなく、補助圧着治具５１の挿入による半導体素子２５、２６、半田層２４ａ、２４ｂの損傷を防止できる。
【００４０】
この補助圧着治具５１は、セラミックスで形成しても、金属で形成しても良いが、破壊靱性の高い金属が好ましく、例えば、鋳鉄、ステンレス鋼で形成される。
【００４１】
また、補助圧着治具５１は、下面に突起（図示せず）を備えてよい。後述の圧着治具５２が押圧されると、下面の突起で下部電極２３を放熱板２１へ圧着できる。
【００４２】
続いて、枠形状の圧着治具５２を装着する。圧着治具５２は、位置決め治具４２と兼用して良い。位置決め治具４２と兼用する場合、第１工程後に位置決め治具４２を取り外すことなく、第２工程に着手でき、作業を簡略化できる。
【００４３】
この圧着治具５２は、セラミックスで形成しても、金属で形成しても良いが、破壊靱性の高い金属が好ましく、例えば、鋳鉄、ステンレス鋼で形成される。
【００４４】
これらの補助圧着治具５１、圧着治具５２は、圧着時の弾性変形により、上部電極２７、半導体素子２５、２６、下部電極２３を圧迫して損傷しないように、十分なクリアランスが設定されている。
【００４５】
この圧着治具５２を下側の開口部５３ａから装着させていくと、位置決め治具４２と同様に、開口部５３ａは、上部電極２７、半導体素子２５、２６、下部電極２３を順次内側に収納していく。また、開口部５３ａに続く開口部５３ｂは、上部電極２７、半導体素子２５、２６を順次内側に収納していく。圧着治具５２の装着が完了すると、大きな開口部５３ａで下部電極２３を、小さな開口部５３ｂで半導体素子２５、２６を、さらに小さな開口部５３ｃで上部電極２７を収納する。
【００４６】
圧着治具５２の装着完了の状態で、圧着治具５２は、大きな開口部５３ａと小さな開口部５３ｂとの段差部５５で、下部電極２３の上面の周縁と当接すると共に、半導体素子２５、２６、上部電極２７と間隙を形成しつつ、囲繞している。
【００４７】
また、この状態で、補助圧着治具５１は、圧着治具５２の側面に形成された左右一対の溝部５４ａ、５４ｂの上端部と下部電極２３とで挟持されている。つまり、補助圧着治具５１は、その上面が圧着治具５２の溝部５４ａ、５４ｂの上端部に当接すると共に、その下面が下部電極２３に当接している。
【００４８】
続いて、圧着治具５２を押圧すると、圧着治具５２の段差部５５で下部電極２３の周縁を押圧することができると共に、半導体素子２５、２６間に配置された補助圧着治具５１で下部電極２３の中央付近を押圧することができる。これにより、下部電極２３の周縁と中央付近を押圧することができ、下部電極２３と放熱板２１とを均一に圧着することができる。
【００４９】
ここで、圧着治具５２は、半導体素子２５、２６と間隙を形成しているため、押圧されても、半導体素子２５、２６を直接圧迫しない。また、圧着治具５２は、上部電極２７とも間隙を形成しているため、押圧されても、上部電極２７を介して半導体素子２５、２６を圧迫しない。したがって、半導体素子２５、２６の損傷を防止することができる。
【００５０】
続いて、下部電極２３、絶縁シート２２、放熱板２１を圧着した状態で、下部電極２３と放熱板２１とをネジ締結することにより、下部電極２３、絶縁シート２２、放熱板２１の圧着状態を維持することができる。ネジ締結後、補助圧着治具５１、圧着治具５２は、取り外され、再利用される。
【００５１】
このように形成された半導体装置の基本構成６組を絶縁性のゲルと共に１つの樹脂パッケージ（図示せず）の内部に封止することにより、図２の電気回路を有する半導体装置が製造される。この樹脂パッケージは、周囲が放熱板２１と接着されており、外部に入出力端子を備える。
【００５２】
このように、本実施例の圧着方法によれば、圧着治具５２を押圧して、圧着治具５２の段差部５５で下部電極２３の周縁を押圧することができると共に、半導体素子２５、２６間に挿入された補助圧着治具５１で下部電極２３の中央付近を押圧することができ、下部電極２３と放熱板２１とを均一に圧着することができる。また、圧着治具５２を押圧しても、半導体素子２５、２６および上部電極２７を押圧することがなく、上部電極２７と下部電極２３とで挟持された半導体素子２５、２６の損傷を防ぐことができる。また、再使用可能な補助圧着治具５１および圧着治具５２を用いて、上部電極２７および下部電極２３に穴加工することなく、下部電極２３を放熱板２１に圧着することができる。
【００５３】
尚、仮に、本実施例の第２工程後に、本実施例の第１工程を行うとすると、下部電極２３の全面を押圧することができ、下部電極２３と放熱板２１とを均一に圧着できる。しかしながら、第２工程で下部電極２３と放熱板２１との間に配置された樹脂製の絶縁シート２２が、第１工程の熱処理によって損傷されることになり、絶縁性を確保できなくなる。したがって、本実施例の第２工程後に、本実施例の第１工程を行うことはできない。
【００５４】
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
【００５５】
例えば、本実施例の半導体素子２５、２６は、第１半導体素子２５と第２半導体素子２６とからなるとしたが、複数の半導体素子間に補助圧着治具５１を挿入して下部電極２３を押圧できる限り、下部電極２３と上部電極２７との間に配置される半導体素子の数に制限はない。
【００５６】
また、本実施例では、半導体素子２５、２６の下部電極２３と放熱板２１とを圧着するとしたが、放熱板２１が上部電極２７側に配置される場合には、半導体素子２５、２６の上部電極２７と放熱板２１とを圧着しても良い。半導体素子２５、２６の上部電極２７であっても、下部電極２３の場合と同様に放熱板２１と圧着することができる。
【００５７】
また、本実施例では、絶縁シート２２を下部電極２３と放熱板２１との間に挿入することにより、１つの下部電極２３と、他の５つの下部電極２３との絶縁性を確保するとしたが、複数の下部電極２３の電位を常に同一に制御する限り、複数の下部電極２３を互いに連結して導通させても良い。例えば、図２の３相交流インバータ回路では、３つの下部電極２３を互いに連結して導通させることができる。
【００５８】
また、本実施例では、下部電極２３と放熱板２１とを絶縁シート２２を介してネジ締結したが、粘着性の絶縁シート２２を用いて、下部電極２３と放熱板２１とを粘着固定しても良い。いずれの場合であっても、補助圧着治具５１、圧着治具５２を用いて、半導体素子２５、２６を損傷することなく、均一に下部電極２３と放熱板２１とを圧着できる。粘着性の絶縁シート２２は、例えば、感圧接着剤又はホットメルト形接着剤を含有する樹脂で形成される。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】半導体装置の基本構成の一例を示した断面図である。
【図２】半導体装置の電気回路の一例を示した図である。
【図３】本発明の圧着方法の一実施例を示した図である。
【図４】本発明の圧着方法の一実施例を示した図である。
【図５】従来の半導体装置の構成の一例を示した断面図である。
【符号の説明】
【００６０】
２１    放熱板
２２    絶縁シート
２３    下部電極
２５    第１半導体素子
２６    第２半導体素子
２７    上部電極
４１    補助位置決め治具
４２    位置決め治具
５１    補助圧着治具
５２    圧着治具
【図１】
2009076592.tif 000003
【図２】
2009076592.tif 000004
【図３】
2009076592.tif 000005
【図４】
2009076592.tif 000006
【図５】
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