電力用半導体装置
【課題】パワーモジュールとヒートシンクをはんだ付けする場合、はんだの溶融時にはんだが外部に流出する恐れがあり、はんだが流出すると本来あるべきはんだ量が足りなくなるため、濡れ面積不足により放熱性能低下が問題となる。
【解決手段】電力用半導体素子１をモールド樹脂２で封入したパワーモジュール１０と、パワーモジュールにはんだにより接合されたヒートシンク１１とを有する電力用半導体装置において、ヒートシンクのパワーモジュール搭載面には、位置決め部１２とはんだ流出止め部１３とからなる突起部１４を設け、突起部とパワーモジュールとヒートシンクで囲まれた空間であってはんだの周囲には、はんだの溶融時に膨張する体積分以上の容積で、その表面がはんだに濡れない材質で構成された溶融はんだの体積膨張吸収部１５を形成した。
【解決手段】電力用半導体素子１をモールド樹脂２で封入したパワーモジュール１０と、パワーモジュールにはんだにより接合されたヒートシンク１１とを有する電力用半導体装置において、ヒートシンクのパワーモジュール搭載面には、位置決め部１２とはんだ流出止め部１３とからなる突起部１４を設け、突起部とパワーモジュールとヒートシンクで囲まれた空間であってはんだの周囲には、はんだの溶融時に膨張する体積分以上の容積で、その表面がはんだに濡れない材質で構成された溶融はんだの体積膨張吸収部１５を形成した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、樹脂封止型パワーモジュールをヒートシンクにはんだ付けした電力用半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体モジュールとして、半導体素子と、半導体素子を挟む一対の金属板としてのＣｕ放熱板と、Ｃｕ放熱を挟む絶縁板としての絶縁・放熱板と、絶縁・放熱板を挟む冷却装置としての放熱フィンと、Ｃｕ放熱板と絶縁・放熱板との間および絶縁・放熱板と放熱フィンとの間にそれぞれ塗布されたはんだとを備え、上記半導体素子とＣｕ放熱板はモールド樹脂で覆われてなり、上記複数のはんだの層は同時にはんだ付けするようにしたものが知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
また、電力用半導体装置として、半導体素子と金属板と絶縁板をモールド樹脂で封入し半田接合可能面を露出させた半導体モジュールと、半導体モジュールの半田接合可能面に対向して配置され、接合用半田を介して接合されて半導体素子からの熱を外部に放散する冷却部と、半導体モジュールおよび冷却部の少なくとも一方と一体成型され、半導体モジュールと冷却部との隙間の全域にわたり接合用半田の厚みを一定に保持する半田厚設定部を備えたものが知られている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３３５６６３号公報（請求項１、図１参照）
【特許文献２】特開２０１０−１１４２５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
複数のはんだ層を同時にはんだ付けする場合の問題点として、低ボイド化のための減圧リフロー工程を用いた場合、減圧に伴って膨張した気泡にはんだが押し出されて重力方向に垂れ下がる問題がある。すなわち、被はんだ付けされるワークの平面的な外形とはんだ付け領域の面積が近くなると、ワークの端にはんだが移動した時に、はんだの流出が発生する。
【０００６】
そして、はんだが流出してしまうと、本来あるべきはんだ量が足りなくなるため、濡れ面積不足により放熱性能低下が問題となる可能性がある。また、はんだ付け時にははんだが液体であるため、半導体モジュールと冷却部（放熱フィン）の位置が不安定になりやすいが、半導体モジュールの上に乗っているものの重量が大きい場合、セルフアライメントが効かず、位置ずれ不良が発生する可能性がある。
【０００７】
この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、はんだの流出を防止すると共に、半導体モジュールと冷却部との位置を精度よく決めることができる電力用半導体装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の電力用半導体装置は、金属ブロックに取り付けられた電力用半導体素子をモールド樹脂で封入したパワーモジュールと、パワーモジュールにはんだにより接合されたヒートシンクとを有する電力用半導体装置において、ヒートシンクのパワーモジュール搭載面には、パワーモジュールの角部で規定される位置決め部と、はんだ流出止め部とからなる突起部を設け、突起部とパワーモジュールとヒートシンクで囲まれた空間であってはんだの周囲には、はんだの溶融時に膨張する体積分以上の容積で、その表面がはんだに濡れない材質で構成された溶融はんだの体積膨張吸収部を形成したものである。
【０００９】
また、この発明の電力用半導体装置は、金属ブロックに取り付けられた電力用半導体素子をモールド樹脂で封入したパワーモジュールと、パワーモジュールにはんだにより接合されたヒートシンクとを有する電力用半導体装置において、パワーモジュールのヒートシンク側には、パワーモジュールの角部で規定される位置決め部と、はんだ流出止め部とからなる突起部を設け、突起部と上記パワーモジュールとヒートシンクで囲まれた空間であってはんだの周囲には、はんだの溶融時に膨張する体積分以上の容積で、その表面がはんだに濡れない材質で構成された溶融はんだの体積膨張吸収部を形成したものである。
【００１０】
また、この発明の電力用半導体装置は、金属ブロックに取り付けられた電力用半導体素子をモールド樹脂で封入した複数のパワーモジュールを、ヒートシンクの対向する主面に夫々はんだにより接合してなる電力用半導体装置において、上面側パワーモジュールを搭載するヒートシンクの上面には、上面側パワーモジュールの角部で規定される位置決め部と、はんだ流出止め部とからなる第１の突起部を設け、第１の突起部と上面側パワーモジュールとヒートシンク上面で囲まれた空間であってはんだの周囲には、はんだの溶融時に膨張する体積分以上の容積で、その表面がはんだに濡れない材質で構成された溶融はんだの第１の体積膨張吸収部を形成し、ヒートシンクの下面に搭載される底面側パワーモジュールには、底面側パワーモジュールの角部で規定される位置決め部と、はんだ流出止め部とからなる第２の突起部を設け、第２の突起部と底面側パワーモジュールとヒートシンク下面で囲まれた空間であってはんだの周囲には、はんだの溶融時に膨張する体積分以上の容積で、その表面がはんだに濡れない材質で構成された溶融はんだの第２の体積膨張吸収部を形成したものである。
【発明の効果】
【００１１】
この発明は、ヒートシンクまたはパワーモジュールに設けられる突起部のはんだ流出止め部、及びはんだ流出止め部とヒートシンクとパワーモジュールで囲まれた空間に形成される溶融はんだの体積膨張吸収部により、はんだの濡れ拡がり面積と厚みを精度良く決められ、ヒートシンクとパワーモジュールとの接合部外へ漏れ出すはんだを無くすことが出来る。また、突起部の位置決め部によりパワーモジュールの位置を精度良く決めることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の実施の形態１による電力用半導体装置を示す断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１による電力用半導体装置の突起部を示す拡大断面図と斜視図である。
【図３】この発明の実施の形態２による電力用半導体装置の突起部を示す拡大断面図である。
【図４】この発明の実施の形態３による電力用半導体装置の突起部を示す拡大断面図である。
【図５】この発明の実施の形態４による電力用半導体装置の突起部を示す拡大断面図である。
【図６】この発明の実施の形態５による電力用半導体装置の突起部を示す拡大断面図である。
【図７】この発明の実施の形態６による電力用半導体装置を示す断面図である。
【図８】この発明の実施の形態６による電力用半導体装置の突起部を示す拡大断面図である。
【図９】この発明の実施の形態７による電力用半導体装置を示す断面図である。
【図１０】この発明の実施の形態７による電力用半導体装置の突起部を示す拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１における電力用半導体装置を図１および図２により説明する。
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を示す断面図である。図２は位置決め部とはんだ流出止め部からなる突起部の拡大断面図と斜視図である。図１および図２において、電力用半導体装置は、電力用半導体素子１をモールド樹脂２で封入したパワーモジュール１０と、パワーモジュール１０の底面にモジュール外はんだ９により接合されたヒートシンク１１とで構成されている。
【００１４】
パワーモジュール１０は、電力用半導体素子１と、電力用半導体素子１の下面に内はんだ３で取り付けられた導体の金属ブロック４と、電力用半導体素子１の上面に内はんだ５で取り付けられたリードフレームなどの端子６と、金属ブロック４の下面に取り付けられている絶縁層７と銅箔８が一体化された絶縁部とを、モールド樹脂２で封入して構成されている。
パワーモジュール１０のはんだ付け面側はモールド樹脂２で覆われていなく、銅箔８は露出している。
【００１５】
パワーモジュール１０の電力用半導体素子１は、この図１では一個の図を記載しているが、ＩＧＢＴとＦｗＤｉの組み合わせや、ＭＯＳＦＥＴとＤｉの組み合わせのように複数個の半導体素子を備えたり、または複数の金属ブロック３上にそれぞれ電力用半導体素子１を備えるなどして電気回路を構成してもよい。
また、電力用半導体素子１の材料としては、Ｓｉ以外にもＳｉＣやＧａＮなどの材料をベースにしたものでもよく、その場合、より高温での動作に耐えることができ、更に小型化が可能となるメリットも生じる。
またリードフレームの端子６は内はんだ５で接合された状態を示しているが、はんだ付けする例にこだわらず、ワイヤボンドによって構成してもよい。
【００１６】
ヒートシンク１１は、電力用半導体素子１からの熱を放熱する銅あるいはアルミニウム系材料で構成され、パワーモジュール１０の搭載面側の４隅には、パワーモジュールの角部で規定される位置決め部１２とはんだ流出止め部１３からなる段差を有した突起部１４が設けられ、ヒートシンク１１と同じ材質で一体に構成されている。
突起部１４の位置決め部１２は、少なくともパワーモジュール１０の主面に直交する面に接する部分を備え、パワーモジュール１０の前後左右方向の移動を規制している。突起部１４のはんだ流出止め部１３の上面は、パワーモジュール１０のはんだ付け面のはんだ付け領域の周囲に接する部分を備え、パワーモジュール１０の底面とヒートシンク１１の主面との間隔を所定値に保持するようにしている。すなわち、はんだ流出止め部１３の高さはモジュール外はんだ９の溶融時の厚さとほぼ同じとなっている。
【００１７】
パワーモジュール１０の底面のはんだ付け面には銅箔８が配置されて、はんだが濡れる領域となっているが、銅箔８の周囲ははんだが濡れない材料（図示せず）で構成された領域となっている。はんだが濡れない材料としては、具体的には、熱硬化性の樹脂であれば代表例としてはエポキシ樹脂、熱可塑性の樹脂であればＰＰＳなどを用いる。
そして、パワーモジュール１０とヒートシンク１１と突起部１４とで囲まれた空間であってモジュール外はんだ９の周囲には、はんだ９の溶融時に膨張する体積分以上の容積で、その表面がはんだに濡れない材質で構成された溶融はんだの体積膨張吸収部１５を形成している。
【００１８】
この溶融はんだの体積膨張吸収部１５は、少なくともパワーモジュール１０の底面に設けられる銅箔８以外の領域、ヒートシンク１１の主面、はんだ流出止め部１３の側面に囲まれて構成される。
なお、ヒートシンク１１とはんだ流出止め部１３は、はんだに濡れないアルミニウムで構成し、モジュール外はんだ９を濡らしたい領域のみに部分的にはんだに濡れる例えばニッケルめっきを施すなどすれば、この溶融はんだの体積膨張吸収部１５の表面は、はんだに濡れないものとなる。また体積膨張吸収部１５は、少なくともはんだが溶融している状態において、空間容積がはんだ溶融時に膨張する体積（約５％）以上である。
【００１９】
はんだ９を供給する工程は通常は常温で行うが、常温時に比べて、はんだ９が溶融する温度に達すると５％程度はんだの体積が膨張するという現象があり、結果として初期の空間にはんだが収まらず、この溶融はんだの体積膨張吸収部１５が存在しない場合ははんだ９が外部に流出してしまうが、この発明のように少なくともはんだが溶融する温度ではんだの体積膨張分以上の空間容積を確保しておくことで、はんだ９の流出を確実に防止できる。
【００２０】
また、複数個の突起部１４のうち、少なくとも１つの突起部１４とパワーモジュール１０の間には、図２に示すように、はんだ付け工程においてボイド除去のための減圧を行う際に空気が通過可能な隙間１６を有している。そのような隙間１６は、はんだ流出止め部１３の高さがはんだ融点温度以上でモジュール外はんだ９の厚みの高さより低く、位置決め部１２の高さがモジュール外はんだ９の厚みの高さよりも高いことで実現できる。
【００２１】
ここで、はんだ付け時のプロセスについて簡単に説明する。まず、はんだ付け槽内を不活性雰囲気のガスにする。この時、このガスは常温の気体で且つ低酸素濃度のガスである。例えば、Ｎ２、Ｈ２、もしくはこの混合物であればよい。次に、はんだ付け槽内を昇温し、はんだの融点以上に温度を上昇させる。その上で真空ポンプを動作させ、はんだ付け槽内を真空状態にする。すると、はんだの中に捉えられていた気体が膨張し、パワーモジュール１０の下から外部に移動し縁端部に到達すると、外側へ開放されボイドではなくなる。その後、はんだ付け槽内を常圧に戻し温度をはんだの融点以下に下げると、はんだがボイドがない状態で凝固される。その結果、低ボイドのはんだ付けが可能となる。パワーモジュール１０とヒートシンク１１の間のはんだ層には放熱機能が必要であるが、はんだ層にボイドが存在すると熱遮断により電力用半導体素子１の温度が許容を超えて温度上昇する危険があるため、最大ボイドの大きさを厳密に管理する必要がある。
【００２２】
このような実施の形態１の構成によれば、はんだ流出止め部１３を設けることにより、モジュール外はんだ９が融点を超えて溶融し液状になった後にも、体積膨張分を溶融はんだの体積膨張吸収部１５で吸収できるため、はんだ９が周辺の部品に接合することなく液状のまま維持される。その後減圧工程でボイドを除去する時には、ボイドははんだ流出止め部１３とパワーモジュール１０の底面との間に設けられた隙間１６まで到達し、はんだの外へ解放することが出来ると共に、液状のはんだははんだ流出止め部１３の壁が存在することで接合部外へ飛散することを抑止出来る。
【００２３】
更に、ボイド除去後に冷却する際には、はんだの融点以下ではんだが凝固するが、この時溶融はんだの体積膨張吸収部１５はヒートシンク１１の表面とパワーモジュール１０の銅箔８の周囲にはんだが濡れ拡がらないような処理を施しているため、はんだ接合箇所が必要な箇所に限定したはんだ付けが可能となる。また、位置決め部１２が、はんだが溶融した状態においてパワーモジュール１０の位置ずれを防止でき、パワーモジュール１０の位置を精度良く決めることを可能としている。
【００２４】
実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２における電力用半導体装置を図３に基づいて説明する。図３は電力用半導体装置の位置決め部１２とはんだ流出止め部１３からなる突起部１４における拡大断面図である。
実施の形態１においては、溶融はんだの体積膨張吸収部１５の表面をはんだに濡れないようにするために、ヒートシンク１１とはんだ流出止め部１３を単にアルミニウムで構成したものについて説明したが、実施の形態２の発明は、ソルダレジストなどではんだに濡れない処理を施すようにしたものである。
【００２５】
すなわち、図３（ａ）に示すように、例えば、少なくともヒートシンク１１に設けられるはんだ流出止め部１３と、その内側のヒートシンク１１の非接合面を覆うように、ソルダレジスト１７ａなどではんだに濡れない状態にすることで、モジュール外はんだ９が存在する空間領域と、溶融はんだの体積膨張吸収部１５が明確に分離できるため好都合である。
そして図３（ｂ）に示すように、パワーモジュール１０の底面の非接合面にも、外縁部にソルダレジスト１７ｂを有することで、モジュール外はんだ９の溶融時の形状を任意にコントロールでき、形状再現性が向上し、不良が低減するというメリットがある。
【００２６】
実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３における電力用半導体装置を図４に基づいて説明する。図４は電力用半導体装置の位置決め部１２とはんだ流出止め部１３からなる突起部１４における拡大断面図である。
実施の形態１においては、はんだ付け工程においてボイド除去のための減圧を行う際に空気が通過可能な隙間１６を設けた場合について説明したが、実施の形態３の発明は隙間１６の代わりに突起部１４に貫通穴を設けたものである。
【００２７】
図４において、ヒートシンク１１に設けられる突起部１４のはんだ流出止め部１３は、高さがモジュール外はんだ９の溶融時の厚みと同等であり、その高さのパワーモジュール１０の銅箔面に近い側には、気体は通すが溶融はんだは通さない貫通穴１８を設けて、体積膨張吸収部１５の空間と外側の空間とを繋ぐようにしている。
この時、特に貫通穴１８の内面は、はんだが濡れない材料で構成することで、ボイド除去のための減圧を行う際の気体を容易に通す機能を実現できる。
【００２８】
上記した構成以外は実施の形態１または２と同じである。即ち、パワーモジュールの角部で規定される位置決め部１２と、はんだ流出止め部１３とからなる突起部１４をヒートシンク１１に設け、突起部１４とパワーモジュール１０とヒートシンク１１で囲まれた空間であってモジュール外はんだ９の周囲には、はんだの溶融時に膨張する体積分以上の容積で、その表面がはんだに濡れない材質で構成された溶融はんだの体積膨張吸収部１５を形成している。
【００２９】
また、パワーモジュール１０とヒートシンク１１との接合面は、はんだに濡れる領域と濡れない領域を有し、たとえばヒートシンク１１の表面にはんだ接合を促進するためのメッキを施すが、はんだが溶融して膨張した時に接合しないようにメッキを部分的に施さないようにしている。また、体積膨張吸収部１５を形成する表面は、はんだに濡れないソルダレジストを塗布するなどの方法ではんだに濡れない領域を設けるようにしてもよい。
【００３０】
このような実施の形態３の構成によれば、はんだ流出止め部１３は厳密にモジュール外はんだ９の厚みを規定することができ、且つ減圧時には、溶融したはんだの体積膨張吸収部１５からボイドを外側へ逃がすパスを確実に確保できる。また減圧はんだ付けをした時の液状のはんだを接合部外へ流出することを抑止出来る。さらに位置決め部１２により、
はんだが溶融した状態において、パワーモジュール１０の位置ずれを防止できる。
【００３１】
実施の形態４．
次に、この発明の実施の形態４における電力用半導体装置を図５に基づいて説明する。図５は電力用半導体装置の位置決め部１２とはんだ流出止め部１３からなる突起部１４における拡大断面図である。
はんだ付け工程においてボイド除去のための減圧を行う際に逃がす空気の通過可能なものとして、実施の形態１においては隙間１６を、実施の形態３においては貫通穴１８を設けた場合について説明したが、実施の形態４の発明は突起部１４を、気体は通すが溶融はんだは通さない材質で構成することにより、同じ機能を実現したものである。
【００３２】
図５において、ヒートシンク１１に設けられる突起部１４の位置決め部１２とはんだ流出止め部１３は、気体は通すが溶融はんだは通さないスポンジ状の材料で構成されている。そして突起部１４はアルミニウムなどのヒートシンク１１に接着層１９で取り付けられている。この場合、はんだ流出止め部１３と接着層１９の厚みの合計の高さは、モジュール外はんだ９の溶融時の厚みと同等である。
【００３３】
上記した構成以外は実施の形態１または２と同じである。即ち、パワーモジュールの角部で規定される位置決め部１２と、はんだ流出止め部１３とからなる突起部１４をヒートシンク１１に設け、突起部１４とパワーモジュール１０とヒートシンク１１で囲まれた空間であってモジュール外はんだ９の周囲には、はんだの溶融時に膨張する体積分以上の容積で、その表面がはんだに濡れない材質で構成された溶融はんだの体積膨張吸収部１５を形成している。
【００３４】
このような実施の形態４の構成によれば、少なくともはんだ流出止め部１３がスポンジ状であるため、減圧時にはボイドの主要素となる気体を効率良くはんだの外へ開放しながら液状のはんだを接合部外へ飛散することを抑止出来る。
【００３５】
実施の形態５．
次に、この発明の実施の形態５における電力用半導体装置を図６により説明する。
図６は電力用半導体装置の位置決め部１２とはんだ流出止め部１３からなる突起部１４における拡大断面図である。
図６において、位置決め部１２とはんだ流出止め部１３からなる突起部１４は、ヒートシンク１１とは別の部材で接着層１９を介して構成され、はんだ流出止め部１３と接着層１９の厚みの合計が、モジュール外はんだ９の融点温度以上でモジュール外はんだ９の溶融時の厚みよりも小さくなるように配置されている。
【００３６】
上記した構成以外は実施の形態１または２と同じである。即ち、はんだ９とはんだ流出止め部１３の側面との間に、空間容積がはんだ溶融時に膨張する体積以上で、その表面がはんだに濡れない材質で構成された溶融はんだの体積膨張吸収部１５を形成している。
体積膨張吸収部１５の表面は、ヒートシンク１１のパワーモジュール１０側表面とパワーモジュール１０の銅箔８の周囲にはんだが濡れ拡がらないような処理、例えばヒートシンク１１の表面にはんだ接合を促進するメッキを施すことが通常使われる手法であるが、はんだが溶融して膨張した時に接合しないようにメッキを部分的に施さないこと、あるいははんだに濡れないソルダレジストを塗布するなどしている。
【００３７】
即ち、この実施の形態５の発明は、位置決め部１２とはんだ流出止め部１３からなる突起部１４を接着層１９によりヒートシンク１１に取り付ける点で、図５に示す実施の形態４と同じであるが、はんだ流出止め部１３が気体を通過する機能を持たない材料で構成された場合、ボイドの気体ははんだ接合部外へ抜け出る経路が絶たれてしまい気体を抜くこ
とができない。
そこで実施の形態５の発明は、はんだ流出止め部１３と接着層１９の厚みの合計が、モジュール外はんだ９の厚みよりも小さくなるように配置して、ボイドの気体をはんだ接合部外へ抜け出るようにしたものである。
このとき、この小さい隙間を設けることで、はんだ流出止め部１３の上面からはんだが流れ出てしまう懸念があるが、体積膨張吸収部１５を設けその表面がはんだに濡れない処理をしているため、減圧時（気体を抜く作業時）に体積膨張吸収部１５まで膨張して気体の端面が到達しても、はんだ流出止め部１３とパワーモジュール１０の隙間に溶融はんだは濡れていないため存在せず気体のみが抜け出ることになる。
【００３８】
このような構成によれば、例えばヒートシンク１１またはパワーモジュール１０のいずれかの形状変更等に、突起部１４がヒートシンク１１と一体の場合は、ヒートシンク１１またはパワーモジュール１０の金型の変更が必要となるが、突起部１４をヒートシンク１１に接着層１９で取り付けるようにすると、ヒートシンク１１またはパワーモジュール１０自体の金型変更が必要なくなり、位置決め部１２とはんだ流出止め部１３からなる突起部１４の変更のみで容易な対応が可能となり、部品の共通化によるコスト削減が可能となる。
また、突起部１４を接着層１９でヒートシンク１１に取り付ける場合、突起部１４はヒートシンク１１の材料と必ずしも異なる別材料で構成する必要はなく、ヒートシンク１１と同じ材料にしても、ヒートシンク１１またはパワーモジュール１０の形状変更時に、金型の変更が必要なくなる。
【００３９】
実施の形態６．
次に、この発明の実施の形態６における電力用半導体装置を図７および図８により説明する。
図７はこの発明の実施の形態６による電力用半導体装置を示す断面図である。図８は底面側パワーモジュールに設けられる位置決め部とはんだ流出止め部からなる突起部の拡大断面図である。
実施の形態１〜５はヒートシンク１１の上面のみにパワーモジュール１０をはんだで接合した例を説明したが、実施の形態６はヒートシンク１１の互いに対向する両側の主面にそれぞれパワーモジュール１０を接合するようにしたものである。
【００４０】
図７において、電力用半導体装置は、ヒートシンク１１の上面においては、電力用半導体素子１をモールド樹脂２で封入した上面側パワーモジュール１０と、パワーモジュール１０の底面にモジュール外はんだ９により接合されたヒートシンク１１とで構成されている。
上面側パワーモジュール１０の具体的な構成は図１の実施の形態１と同じであり、同一または相当部分には同じ符合を付して説明を省略する。
なお、ヒートシンク１１のパワーモジュール１０搭載面に設けられる突起部１４は、実施の形態１〜５のいずれの構成を用いてもよいが、図７では実施の形態４のように接着層１９を用いて固定した例で示している。
【００４１】
ヒートシンク１１の下面においては、電力用半導体素子１をモールド樹脂２で封入した底面側パワーモジュール１０がモジュール外はんだ９により接合されている。この底面側パワーモジュール１０の具体的な構成は上面側パワーモジュール１０と同じである。
ヒートシンク１１の下面に搭載される底面側パワーモジュール１０には、底面側パワーモジュールの角部で規定される位置決め部２０と、はんだ流出止め部２１とからなる段差を有した第２の突起部２２が接着層１９で取り付けられている。
この第２の突起部２２はヒートシンク１１とは別の部材となるので、実施の形態４で示したはんだに濡れないスポンジ状のものが好ましいが、必ずしもスポンジ状のものに限定
されず、ヒートシンク１１と同じ材質のものを使用してもよい。勿論その場合は、第２の突起部２１にボイド除去のための減圧を行う際に空気が通過可能な隙間や貫通穴を設ける必要がある。
【００４２】
第２の突起部２２と底面側パワーモジュール１０とヒートシンク１１の下面で囲まれた空間であってはんだの周囲には、はんだの溶融時に膨張する体積分以上の容積で、その表面がはんだに濡れない材質で構成された溶融はんだの第２の体積膨張吸収部２３が形成されている。
さらに、図８（ａ）に示すように、底面側パワーモジュール１０とヒートシンク１１の位置決め精度を向上させるため、ヒートシンク１１の下面に、底面側パワーモジュール１０に設けられた突起部２２を位置決めするため、突起部２２の外側面を規制する凸部の位置決め部２４を、ヒートシンク１１と一体に形成している。また、凸部の位置決め部２４の代わりに、図８（ｂ）に示すように、突起部２２の上面に嵌る凹部の位置決め部２５をヒートシンク１１と一体に形成してもよい。
【００４３】
このような実施の形態６の構成によれば、はんだ付けの生産能力が２倍になり効率が向上し、またパワーモジュール１０の１台に対して必要なヒートシンク１１の体積が半分になり、製品の体積、重量、コスト低減が出来、底面側パワーモジュール１０を精度良く位置決めすることが可能となる。
すなわち、この構成によれば、ヒートシンク１１の両面にパワーモジュール１０を同時にはんだ付けする時の問題点である、はんだの重力及び減圧時の体積膨張による流出と、モジュールの位置ズレという問題点を解消できる。
【００４４】
従来の多層はんだ付けにおいて、被はんだ付け物の重量により、はんだ層が薄くなる方向に圧縮力が働き、かつはんだは重力により垂れ下がりやすく、このような現象は、下側にある物体が面積が小さかったり、はんだ付けしたい面積とはんだ付けしたい物体の面積が近い場合などに、はんだの流出の危険が高くなるという問題点があるが、この発明によれば、モジュール外はんだ９の面積をパワーモジュールの面積にきわめて近づけても、はんだの流出止め部２１により、はんだが溶融時に収まる空間の高さを確実に確保でき、かつはんだの流出止め部、パワーモジュールの底面およびヒートシンクの面の一部で構成されるはんだの体積膨張吸収部２３によって、溶融したはんだの体積膨張も吸収でき、はんだの流出を確実に防止できた。もしこのようなはんだの体積膨張吸収部２３がなければ、膨張したはんだが流出するか、もしくは溶融時のはんだにより押し上げられて、位置ずれが発生するが、この発明の構成によれば、はんだの流出も、位置ずれも防止できた。
【００４５】
実施の形態７．
次に、この発明の実施の形態７における電力用半導体装置を図９および図１０により説明する。
図９はこの発明の実施の形態７による電力用半導体装置を示す断面図である。図１０は底面側パワーモジュールに設けられる位置決め部２０とはんだ流出止め部２１からなる突起部２２の拡大断面図である。
実施の形態７は実施の形態６と同じく、ヒートシンク１１の互いに対向する両側の主面にそれぞれパワーモジュール１０を接合するようにしたものであるが、底面側パワーモジュール１０に設けられる突起部２２の形状とヒートシンク１１に形成される位置決め部の形状を変更したものである。
【００４６】
ヒートシンク１１の上面側パワーモジュール１０搭載面に設けられる第１の突起部１４は実施の形態６と同じである。底面側パワーモジュール１０に設けられる第２の突起部２２は、実施の形態６でははんだ流出止め部２１と位置決め部２０の一端が同一面となっていたが、実施の形態７でははんだ流出止め部２１が位置決め部２０の高さ方向の中間に設けられ、突起部２２が凸形となった段差になっている。このような突起部２２が底面側パワーモジュール１０の側にヒートシンク１１とは別の部材で接着層１９を介して取り付けられている。
そして、底面側の溶融はんだの体積膨張吸収部２３は、突起部２２とヒートシンク１１と底面側パワーモジュール１０の間に確保されている。
【００４７】
さらに、図１０に示すように、底面側パワーモジュール１０とヒートシンク１１の位置決め精度を向上させるため、ヒートシンク１１の下面に、底面側パワーモジュール１０とヒートシンク１１の間の空間であって、突起部２２のはんだ流出止め部２１の側面に接した凸部の位置決め部２６を、ヒートシンク１１と一体に形成している。この場合、体積膨張吸収部２３の空間容積が狭くなるが、狭くなってもモジュール外はんだ９の溶融時に膨張する体積分以上の容積は確保されていることが必要となる。
【００４８】
このような構成によれば、はんだ付けの生産能力が２倍になり効率向上になること、またパワーモジュール１台に対して必要なヒートシンクの体積が半分になり製品の体積、重量、コスト低減が出来る。
なお、実施の形態６および７では、突起部２２は底面側パワーモジュール１０に接着層１９で固定して取り付けていたが、上面側パワーモジュール１０と同様に、突起部１４はヒートシンク１１に設けて底面側パワーモジュール１０をヒートシンク１１と接合するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１：電力用半導体素子、 ２：モールド樹脂、
３：はんだ ４：金属ブロック、
５：はんだ ６：リードフレームなどの端子、
７：絶縁層、 ８：銅箔、
９：モジュール外はんだ、 １０：パワーモジュール、
１１：ヒートシンク、 １２：位置決め部、
１３：はんだ流出止め部、 １４：突起部、
１５：溶融はんだの体積膨張吸収部、 １６：隙間、
１７ａ、１７ｂ：ソルダレジスト、 １８：貫通穴、
１９：接着層、 ２０：底面側位置決め部、
２１：底面側はんだ流出止め部、 ２２：第２の突起部
２３：溶融はんだの体積膨張吸収部、 ２４：凸部位置決め部、
２５：凹部位置決め部、 ２６：凸部位置決め部。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、樹脂封止型パワーモジュールをヒートシンクにはんだ付けした電力用半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体モジュールとして、半導体素子と、半導体素子を挟む一対の金属板としてのＣｕ放熱板と、Ｃｕ放熱を挟む絶縁板としての絶縁・放熱板と、絶縁・放熱板を挟む冷却装置としての放熱フィンと、Ｃｕ放熱板と絶縁・放熱板との間および絶縁・放熱板と放熱フィンとの間にそれぞれ塗布されたはんだとを備え、上記半導体素子とＣｕ放熱板はモールド樹脂で覆われてなり、上記複数のはんだの層は同時にはんだ付けするようにしたものが知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
また、電力用半導体装置として、半導体素子と金属板と絶縁板をモールド樹脂で封入し半田接合可能面を露出させた半導体モジュールと、半導体モジュールの半田接合可能面に対向して配置され、接合用半田を介して接合されて半導体素子からの熱を外部に放散する冷却部と、半導体モジュールおよび冷却部の少なくとも一方と一体成型され、半導体モジュールと冷却部との隙間の全域にわたり接合用半田の厚みを一定に保持する半田厚設定部を備えたものが知られている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３３５６６３号公報（請求項１、図１参照）
【特許文献２】特開２０１０−１１４２５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
複数のはんだ層を同時にはんだ付けする場合の問題点として、低ボイド化のための減圧リフロー工程を用いた場合、減圧に伴って膨張した気泡にはんだが押し出されて重力方向に垂れ下がる問題がある。すなわち、被はんだ付けされるワークの平面的な外形とはんだ付け領域の面積が近くなると、ワークの端にはんだが移動した時に、はんだの流出が発生する。
【０００６】
そして、はんだが流出してしまうと、本来あるべきはんだ量が足りなくなるため、濡れ面積不足により放熱性能低下が問題となる可能性がある。また、はんだ付け時にははんだが液体であるため、半導体モジュールと冷却部（放熱フィン）の位置が不安定になりやすいが、半導体モジュールの上に乗っているものの重量が大きい場合、セルフアライメントが効かず、位置ずれ不良が発生する可能性がある。
【０００７】
この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、はんだの流出を防止すると共に、半導体モジュールと冷却部との位置を精度よく決めることができる電力用半導体装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の電力用半導体装置は、金属ブロックに取り付けられた電力用半導体素子をモールド樹脂で封入したパワーモジュールと、パワーモジュールにはんだにより接合されたヒートシンクとを有する電力用半導体装置において、ヒートシンクのパワーモジュール搭載面には、パワーモジュールの角部で規定される位置決め部と、はんだ流出止め部とからなる突起部を設け、突起部とパワーモジュールとヒートシンクで囲まれた空間であってはんだの周囲には、はんだの溶融時に膨張する体積分以上の容積で、その表面がはんだに濡れない材質で構成された溶融はんだの体積膨張吸収部を形成したものである。
【０００９】
また、この発明の電力用半導体装置は、金属ブロックに取り付けられた電力用半導体素子をモールド樹脂で封入したパワーモジュールと、パワーモジュールにはんだにより接合されたヒートシンクとを有する電力用半導体装置において、パワーモジュールのヒートシンク側には、パワーモジュールの角部で規定される位置決め部と、はんだ流出止め部とからなる突起部を設け、突起部と上記パワーモジュールとヒートシンクで囲まれた空間であってはんだの周囲には、はんだの溶融時に膨張する体積分以上の容積で、その表面がはんだに濡れない材質で構成された溶融はんだの体積膨張吸収部を形成したものである。
【００１０】
また、この発明の電力用半導体装置は、金属ブロックに取り付けられた電力用半導体素子をモールド樹脂で封入した複数のパワーモジュールを、ヒートシンクの対向する主面に夫々はんだにより接合してなる電力用半導体装置において、上面側パワーモジュールを搭載するヒートシンクの上面には、上面側パワーモジュールの角部で規定される位置決め部と、はんだ流出止め部とからなる第１の突起部を設け、第１の突起部と上面側パワーモジュールとヒートシンク上面で囲まれた空間であってはんだの周囲には、はんだの溶融時に膨張する体積分以上の容積で、その表面がはんだに濡れない材質で構成された溶融はんだの第１の体積膨張吸収部を形成し、ヒートシンクの下面に搭載される底面側パワーモジュールには、底面側パワーモジュールの角部で規定される位置決め部と、はんだ流出止め部とからなる第２の突起部を設け、第２の突起部と底面側パワーモジュールとヒートシンク下面で囲まれた空間であってはんだの周囲には、はんだの溶融時に膨張する体積分以上の容積で、その表面がはんだに濡れない材質で構成された溶融はんだの第２の体積膨張吸収部を形成したものである。
【発明の効果】
【００１１】
この発明は、ヒートシンクまたはパワーモジュールに設けられる突起部のはんだ流出止め部、及びはんだ流出止め部とヒートシンクとパワーモジュールで囲まれた空間に形成される溶融はんだの体積膨張吸収部により、はんだの濡れ拡がり面積と厚みを精度良く決められ、ヒートシンクとパワーモジュールとの接合部外へ漏れ出すはんだを無くすことが出来る。また、突起部の位置決め部によりパワーモジュールの位置を精度良く決めることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の実施の形態１による電力用半導体装置を示す断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１による電力用半導体装置の突起部を示す拡大断面図と斜視図である。
【図３】この発明の実施の形態２による電力用半導体装置の突起部を示す拡大断面図である。
【図４】この発明の実施の形態３による電力用半導体装置の突起部を示す拡大断面図である。
【図５】この発明の実施の形態４による電力用半導体装置の突起部を示す拡大断面図である。
【図６】この発明の実施の形態５による電力用半導体装置の突起部を示す拡大断面図である。
【図７】この発明の実施の形態６による電力用半導体装置を示す断面図である。
【図８】この発明の実施の形態６による電力用半導体装置の突起部を示す拡大断面図である。
【図９】この発明の実施の形態７による電力用半導体装置を示す断面図である。
【図１０】この発明の実施の形態７による電力用半導体装置の突起部を示す拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１における電力用半導体装置を図１および図２により説明する。
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を示す断面図である。図２は位置決め部とはんだ流出止め部からなる突起部の拡大断面図と斜視図である。図１および図２において、電力用半導体装置は、電力用半導体素子１をモールド樹脂２で封入したパワーモジュール１０と、パワーモジュール１０の底面にモジュール外はんだ９により接合されたヒートシンク１１とで構成されている。
【００１４】
パワーモジュール１０は、電力用半導体素子１と、電力用半導体素子１の下面に内はんだ３で取り付けられた導体の金属ブロック４と、電力用半導体素子１の上面に内はんだ５で取り付けられたリードフレームなどの端子６と、金属ブロック４の下面に取り付けられている絶縁層７と銅箔８が一体化された絶縁部とを、モールド樹脂２で封入して構成されている。
パワーモジュール１０のはんだ付け面側はモールド樹脂２で覆われていなく、銅箔８は露出している。
【００１５】
パワーモジュール１０の電力用半導体素子１は、この図１では一個の図を記載しているが、ＩＧＢＴとＦｗＤｉの組み合わせや、ＭＯＳＦＥＴとＤｉの組み合わせのように複数個の半導体素子を備えたり、または複数の金属ブロック３上にそれぞれ電力用半導体素子１を備えるなどして電気回路を構成してもよい。
また、電力用半導体素子１の材料としては、Ｓｉ以外にもＳｉＣやＧａＮなどの材料をベースにしたものでもよく、その場合、より高温での動作に耐えることができ、更に小型化が可能となるメリットも生じる。
またリードフレームの端子６は内はんだ５で接合された状態を示しているが、はんだ付けする例にこだわらず、ワイヤボンドによって構成してもよい。
【００１６】
ヒートシンク１１は、電力用半導体素子１からの熱を放熱する銅あるいはアルミニウム系材料で構成され、パワーモジュール１０の搭載面側の４隅には、パワーモジュールの角部で規定される位置決め部１２とはんだ流出止め部１３からなる段差を有した突起部１４が設けられ、ヒートシンク１１と同じ材質で一体に構成されている。
突起部１４の位置決め部１２は、少なくともパワーモジュール１０の主面に直交する面に接する部分を備え、パワーモジュール１０の前後左右方向の移動を規制している。突起部１４のはんだ流出止め部１３の上面は、パワーモジュール１０のはんだ付け面のはんだ付け領域の周囲に接する部分を備え、パワーモジュール１０の底面とヒートシンク１１の主面との間隔を所定値に保持するようにしている。すなわち、はんだ流出止め部１３の高さはモジュール外はんだ９の溶融時の厚さとほぼ同じとなっている。
【００１７】
パワーモジュール１０の底面のはんだ付け面には銅箔８が配置されて、はんだが濡れる領域となっているが、銅箔８の周囲ははんだが濡れない材料（図示せず）で構成された領域となっている。はんだが濡れない材料としては、具体的には、熱硬化性の樹脂であれば代表例としてはエポキシ樹脂、熱可塑性の樹脂であればＰＰＳなどを用いる。
そして、パワーモジュール１０とヒートシンク１１と突起部１４とで囲まれた空間であってモジュール外はんだ９の周囲には、はんだ９の溶融時に膨張する体積分以上の容積で、その表面がはんだに濡れない材質で構成された溶融はんだの体積膨張吸収部１５を形成している。
【００１８】
この溶融はんだの体積膨張吸収部１５は、少なくともパワーモジュール１０の底面に設けられる銅箔８以外の領域、ヒートシンク１１の主面、はんだ流出止め部１３の側面に囲まれて構成される。
なお、ヒートシンク１１とはんだ流出止め部１３は、はんだに濡れないアルミニウムで構成し、モジュール外はんだ９を濡らしたい領域のみに部分的にはんだに濡れる例えばニッケルめっきを施すなどすれば、この溶融はんだの体積膨張吸収部１５の表面は、はんだに濡れないものとなる。また体積膨張吸収部１５は、少なくともはんだが溶融している状態において、空間容積がはんだ溶融時に膨張する体積（約５％）以上である。
【００１９】
はんだ９を供給する工程は通常は常温で行うが、常温時に比べて、はんだ９が溶融する温度に達すると５％程度はんだの体積が膨張するという現象があり、結果として初期の空間にはんだが収まらず、この溶融はんだの体積膨張吸収部１５が存在しない場合ははんだ９が外部に流出してしまうが、この発明のように少なくともはんだが溶融する温度ではんだの体積膨張分以上の空間容積を確保しておくことで、はんだ９の流出を確実に防止できる。
【００２０】
また、複数個の突起部１４のうち、少なくとも１つの突起部１４とパワーモジュール１０の間には、図２に示すように、はんだ付け工程においてボイド除去のための減圧を行う際に空気が通過可能な隙間１６を有している。そのような隙間１６は、はんだ流出止め部１３の高さがはんだ融点温度以上でモジュール外はんだ９の厚みの高さより低く、位置決め部１２の高さがモジュール外はんだ９の厚みの高さよりも高いことで実現できる。
【００２１】
ここで、はんだ付け時のプロセスについて簡単に説明する。まず、はんだ付け槽内を不活性雰囲気のガスにする。この時、このガスは常温の気体で且つ低酸素濃度のガスである。例えば、Ｎ２、Ｈ２、もしくはこの混合物であればよい。次に、はんだ付け槽内を昇温し、はんだの融点以上に温度を上昇させる。その上で真空ポンプを動作させ、はんだ付け槽内を真空状態にする。すると、はんだの中に捉えられていた気体が膨張し、パワーモジュール１０の下から外部に移動し縁端部に到達すると、外側へ開放されボイドではなくなる。その後、はんだ付け槽内を常圧に戻し温度をはんだの融点以下に下げると、はんだがボイドがない状態で凝固される。その結果、低ボイドのはんだ付けが可能となる。パワーモジュール１０とヒートシンク１１の間のはんだ層には放熱機能が必要であるが、はんだ層にボイドが存在すると熱遮断により電力用半導体素子１の温度が許容を超えて温度上昇する危険があるため、最大ボイドの大きさを厳密に管理する必要がある。
【００２２】
このような実施の形態１の構成によれば、はんだ流出止め部１３を設けることにより、モジュール外はんだ９が融点を超えて溶融し液状になった後にも、体積膨張分を溶融はんだの体積膨張吸収部１５で吸収できるため、はんだ９が周辺の部品に接合することなく液状のまま維持される。その後減圧工程でボイドを除去する時には、ボイドははんだ流出止め部１３とパワーモジュール１０の底面との間に設けられた隙間１６まで到達し、はんだの外へ解放することが出来ると共に、液状のはんだははんだ流出止め部１３の壁が存在することで接合部外へ飛散することを抑止出来る。
【００２３】
更に、ボイド除去後に冷却する際には、はんだの融点以下ではんだが凝固するが、この時溶融はんだの体積膨張吸収部１５はヒートシンク１１の表面とパワーモジュール１０の銅箔８の周囲にはんだが濡れ拡がらないような処理を施しているため、はんだ接合箇所が必要な箇所に限定したはんだ付けが可能となる。また、位置決め部１２が、はんだが溶融した状態においてパワーモジュール１０の位置ずれを防止でき、パワーモジュール１０の位置を精度良く決めることを可能としている。
【００２４】
実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２における電力用半導体装置を図３に基づいて説明する。図３は電力用半導体装置の位置決め部１２とはんだ流出止め部１３からなる突起部１４における拡大断面図である。
実施の形態１においては、溶融はんだの体積膨張吸収部１５の表面をはんだに濡れないようにするために、ヒートシンク１１とはんだ流出止め部１３を単にアルミニウムで構成したものについて説明したが、実施の形態２の発明は、ソルダレジストなどではんだに濡れない処理を施すようにしたものである。
【００２５】
すなわち、図３（ａ）に示すように、例えば、少なくともヒートシンク１１に設けられるはんだ流出止め部１３と、その内側のヒートシンク１１の非接合面を覆うように、ソルダレジスト１７ａなどではんだに濡れない状態にすることで、モジュール外はんだ９が存在する空間領域と、溶融はんだの体積膨張吸収部１５が明確に分離できるため好都合である。
そして図３（ｂ）に示すように、パワーモジュール１０の底面の非接合面にも、外縁部にソルダレジスト１７ｂを有することで、モジュール外はんだ９の溶融時の形状を任意にコントロールでき、形状再現性が向上し、不良が低減するというメリットがある。
【００２６】
実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３における電力用半導体装置を図４に基づいて説明する。図４は電力用半導体装置の位置決め部１２とはんだ流出止め部１３からなる突起部１４における拡大断面図である。
実施の形態１においては、はんだ付け工程においてボイド除去のための減圧を行う際に空気が通過可能な隙間１６を設けた場合について説明したが、実施の形態３の発明は隙間１６の代わりに突起部１４に貫通穴を設けたものである。
【００２７】
図４において、ヒートシンク１１に設けられる突起部１４のはんだ流出止め部１３は、高さがモジュール外はんだ９の溶融時の厚みと同等であり、その高さのパワーモジュール１０の銅箔面に近い側には、気体は通すが溶融はんだは通さない貫通穴１８を設けて、体積膨張吸収部１５の空間と外側の空間とを繋ぐようにしている。
この時、特に貫通穴１８の内面は、はんだが濡れない材料で構成することで、ボイド除去のための減圧を行う際の気体を容易に通す機能を実現できる。
【００２８】
上記した構成以外は実施の形態１または２と同じである。即ち、パワーモジュールの角部で規定される位置決め部１２と、はんだ流出止め部１３とからなる突起部１４をヒートシンク１１に設け、突起部１４とパワーモジュール１０とヒートシンク１１で囲まれた空間であってモジュール外はんだ９の周囲には、はんだの溶融時に膨張する体積分以上の容積で、その表面がはんだに濡れない材質で構成された溶融はんだの体積膨張吸収部１５を形成している。
【００２９】
また、パワーモジュール１０とヒートシンク１１との接合面は、はんだに濡れる領域と濡れない領域を有し、たとえばヒートシンク１１の表面にはんだ接合を促進するためのメッキを施すが、はんだが溶融して膨張した時に接合しないようにメッキを部分的に施さないようにしている。また、体積膨張吸収部１５を形成する表面は、はんだに濡れないソルダレジストを塗布するなどの方法ではんだに濡れない領域を設けるようにしてもよい。
【００３０】
このような実施の形態３の構成によれば、はんだ流出止め部１３は厳密にモジュール外はんだ９の厚みを規定することができ、且つ減圧時には、溶融したはんだの体積膨張吸収部１５からボイドを外側へ逃がすパスを確実に確保できる。また減圧はんだ付けをした時の液状のはんだを接合部外へ流出することを抑止出来る。さらに位置決め部１２により、
はんだが溶融した状態において、パワーモジュール１０の位置ずれを防止できる。
【００３１】
実施の形態４．
次に、この発明の実施の形態４における電力用半導体装置を図５に基づいて説明する。図５は電力用半導体装置の位置決め部１２とはんだ流出止め部１３からなる突起部１４における拡大断面図である。
はんだ付け工程においてボイド除去のための減圧を行う際に逃がす空気の通過可能なものとして、実施の形態１においては隙間１６を、実施の形態３においては貫通穴１８を設けた場合について説明したが、実施の形態４の発明は突起部１４を、気体は通すが溶融はんだは通さない材質で構成することにより、同じ機能を実現したものである。
【００３２】
図５において、ヒートシンク１１に設けられる突起部１４の位置決め部１２とはんだ流出止め部１３は、気体は通すが溶融はんだは通さないスポンジ状の材料で構成されている。そして突起部１４はアルミニウムなどのヒートシンク１１に接着層１９で取り付けられている。この場合、はんだ流出止め部１３と接着層１９の厚みの合計の高さは、モジュール外はんだ９の溶融時の厚みと同等である。
【００３３】
上記した構成以外は実施の形態１または２と同じである。即ち、パワーモジュールの角部で規定される位置決め部１２と、はんだ流出止め部１３とからなる突起部１４をヒートシンク１１に設け、突起部１４とパワーモジュール１０とヒートシンク１１で囲まれた空間であってモジュール外はんだ９の周囲には、はんだの溶融時に膨張する体積分以上の容積で、その表面がはんだに濡れない材質で構成された溶融はんだの体積膨張吸収部１５を形成している。
【００３４】
このような実施の形態４の構成によれば、少なくともはんだ流出止め部１３がスポンジ状であるため、減圧時にはボイドの主要素となる気体を効率良くはんだの外へ開放しながら液状のはんだを接合部外へ飛散することを抑止出来る。
【００３５】
実施の形態５．
次に、この発明の実施の形態５における電力用半導体装置を図６により説明する。
図６は電力用半導体装置の位置決め部１２とはんだ流出止め部１３からなる突起部１４における拡大断面図である。
図６において、位置決め部１２とはんだ流出止め部１３からなる突起部１４は、ヒートシンク１１とは別の部材で接着層１９を介して構成され、はんだ流出止め部１３と接着層１９の厚みの合計が、モジュール外はんだ９の融点温度以上でモジュール外はんだ９の溶融時の厚みよりも小さくなるように配置されている。
【００３６】
上記した構成以外は実施の形態１または２と同じである。即ち、はんだ９とはんだ流出止め部１３の側面との間に、空間容積がはんだ溶融時に膨張する体積以上で、その表面がはんだに濡れない材質で構成された溶融はんだの体積膨張吸収部１５を形成している。
体積膨張吸収部１５の表面は、ヒートシンク１１のパワーモジュール１０側表面とパワーモジュール１０の銅箔８の周囲にはんだが濡れ拡がらないような処理、例えばヒートシンク１１の表面にはんだ接合を促進するメッキを施すことが通常使われる手法であるが、はんだが溶融して膨張した時に接合しないようにメッキを部分的に施さないこと、あるいははんだに濡れないソルダレジストを塗布するなどしている。
【００３７】
即ち、この実施の形態５の発明は、位置決め部１２とはんだ流出止め部１３からなる突起部１４を接着層１９によりヒートシンク１１に取り付ける点で、図５に示す実施の形態４と同じであるが、はんだ流出止め部１３が気体を通過する機能を持たない材料で構成された場合、ボイドの気体ははんだ接合部外へ抜け出る経路が絶たれてしまい気体を抜くこ
とができない。
そこで実施の形態５の発明は、はんだ流出止め部１３と接着層１９の厚みの合計が、モジュール外はんだ９の厚みよりも小さくなるように配置して、ボイドの気体をはんだ接合部外へ抜け出るようにしたものである。
このとき、この小さい隙間を設けることで、はんだ流出止め部１３の上面からはんだが流れ出てしまう懸念があるが、体積膨張吸収部１５を設けその表面がはんだに濡れない処理をしているため、減圧時（気体を抜く作業時）に体積膨張吸収部１５まで膨張して気体の端面が到達しても、はんだ流出止め部１３とパワーモジュール１０の隙間に溶融はんだは濡れていないため存在せず気体のみが抜け出ることになる。
【００３８】
このような構成によれば、例えばヒートシンク１１またはパワーモジュール１０のいずれかの形状変更等に、突起部１４がヒートシンク１１と一体の場合は、ヒートシンク１１またはパワーモジュール１０の金型の変更が必要となるが、突起部１４をヒートシンク１１に接着層１９で取り付けるようにすると、ヒートシンク１１またはパワーモジュール１０自体の金型変更が必要なくなり、位置決め部１２とはんだ流出止め部１３からなる突起部１４の変更のみで容易な対応が可能となり、部品の共通化によるコスト削減が可能となる。
また、突起部１４を接着層１９でヒートシンク１１に取り付ける場合、突起部１４はヒートシンク１１の材料と必ずしも異なる別材料で構成する必要はなく、ヒートシンク１１と同じ材料にしても、ヒートシンク１１またはパワーモジュール１０の形状変更時に、金型の変更が必要なくなる。
【００３９】
実施の形態６．
次に、この発明の実施の形態６における電力用半導体装置を図７および図８により説明する。
図７はこの発明の実施の形態６による電力用半導体装置を示す断面図である。図８は底面側パワーモジュールに設けられる位置決め部とはんだ流出止め部からなる突起部の拡大断面図である。
実施の形態１〜５はヒートシンク１１の上面のみにパワーモジュール１０をはんだで接合した例を説明したが、実施の形態６はヒートシンク１１の互いに対向する両側の主面にそれぞれパワーモジュール１０を接合するようにしたものである。
【００４０】
図７において、電力用半導体装置は、ヒートシンク１１の上面においては、電力用半導体素子１をモールド樹脂２で封入した上面側パワーモジュール１０と、パワーモジュール１０の底面にモジュール外はんだ９により接合されたヒートシンク１１とで構成されている。
上面側パワーモジュール１０の具体的な構成は図１の実施の形態１と同じであり、同一または相当部分には同じ符合を付して説明を省略する。
なお、ヒートシンク１１のパワーモジュール１０搭載面に設けられる突起部１４は、実施の形態１〜５のいずれの構成を用いてもよいが、図７では実施の形態４のように接着層１９を用いて固定した例で示している。
【００４１】
ヒートシンク１１の下面においては、電力用半導体素子１をモールド樹脂２で封入した底面側パワーモジュール１０がモジュール外はんだ９により接合されている。この底面側パワーモジュール１０の具体的な構成は上面側パワーモジュール１０と同じである。
ヒートシンク１１の下面に搭載される底面側パワーモジュール１０には、底面側パワーモジュールの角部で規定される位置決め部２０と、はんだ流出止め部２１とからなる段差を有した第２の突起部２２が接着層１９で取り付けられている。
この第２の突起部２２はヒートシンク１１とは別の部材となるので、実施の形態４で示したはんだに濡れないスポンジ状のものが好ましいが、必ずしもスポンジ状のものに限定
されず、ヒートシンク１１と同じ材質のものを使用してもよい。勿論その場合は、第２の突起部２１にボイド除去のための減圧を行う際に空気が通過可能な隙間や貫通穴を設ける必要がある。
【００４２】
第２の突起部２２と底面側パワーモジュール１０とヒートシンク１１の下面で囲まれた空間であってはんだの周囲には、はんだの溶融時に膨張する体積分以上の容積で、その表面がはんだに濡れない材質で構成された溶融はんだの第２の体積膨張吸収部２３が形成されている。
さらに、図８（ａ）に示すように、底面側パワーモジュール１０とヒートシンク１１の位置決め精度を向上させるため、ヒートシンク１１の下面に、底面側パワーモジュール１０に設けられた突起部２２を位置決めするため、突起部２２の外側面を規制する凸部の位置決め部２４を、ヒートシンク１１と一体に形成している。また、凸部の位置決め部２４の代わりに、図８（ｂ）に示すように、突起部２２の上面に嵌る凹部の位置決め部２５をヒートシンク１１と一体に形成してもよい。
【００４３】
このような実施の形態６の構成によれば、はんだ付けの生産能力が２倍になり効率が向上し、またパワーモジュール１０の１台に対して必要なヒートシンク１１の体積が半分になり、製品の体積、重量、コスト低減が出来、底面側パワーモジュール１０を精度良く位置決めすることが可能となる。
すなわち、この構成によれば、ヒートシンク１１の両面にパワーモジュール１０を同時にはんだ付けする時の問題点である、はんだの重力及び減圧時の体積膨張による流出と、モジュールの位置ズレという問題点を解消できる。
【００４４】
従来の多層はんだ付けにおいて、被はんだ付け物の重量により、はんだ層が薄くなる方向に圧縮力が働き、かつはんだは重力により垂れ下がりやすく、このような現象は、下側にある物体が面積が小さかったり、はんだ付けしたい面積とはんだ付けしたい物体の面積が近い場合などに、はんだの流出の危険が高くなるという問題点があるが、この発明によれば、モジュール外はんだ９の面積をパワーモジュールの面積にきわめて近づけても、はんだの流出止め部２１により、はんだが溶融時に収まる空間の高さを確実に確保でき、かつはんだの流出止め部、パワーモジュールの底面およびヒートシンクの面の一部で構成されるはんだの体積膨張吸収部２３によって、溶融したはんだの体積膨張も吸収でき、はんだの流出を確実に防止できた。もしこのようなはんだの体積膨張吸収部２３がなければ、膨張したはんだが流出するか、もしくは溶融時のはんだにより押し上げられて、位置ずれが発生するが、この発明の構成によれば、はんだの流出も、位置ずれも防止できた。
【００４５】
実施の形態７．
次に、この発明の実施の形態７における電力用半導体装置を図９および図１０により説明する。
図９はこの発明の実施の形態７による電力用半導体装置を示す断面図である。図１０は底面側パワーモジュールに設けられる位置決め部２０とはんだ流出止め部２１からなる突起部２２の拡大断面図である。
実施の形態７は実施の形態６と同じく、ヒートシンク１１の互いに対向する両側の主面にそれぞれパワーモジュール１０を接合するようにしたものであるが、底面側パワーモジュール１０に設けられる突起部２２の形状とヒートシンク１１に形成される位置決め部の形状を変更したものである。
【００４６】
ヒートシンク１１の上面側パワーモジュール１０搭載面に設けられる第１の突起部１４は実施の形態６と同じである。底面側パワーモジュール１０に設けられる第２の突起部２２は、実施の形態６でははんだ流出止め部２１と位置決め部２０の一端が同一面となっていたが、実施の形態７でははんだ流出止め部２１が位置決め部２０の高さ方向の中間に設けられ、突起部２２が凸形となった段差になっている。このような突起部２２が底面側パワーモジュール１０の側にヒートシンク１１とは別の部材で接着層１９を介して取り付けられている。
そして、底面側の溶融はんだの体積膨張吸収部２３は、突起部２２とヒートシンク１１と底面側パワーモジュール１０の間に確保されている。
【００４７】
さらに、図１０に示すように、底面側パワーモジュール１０とヒートシンク１１の位置決め精度を向上させるため、ヒートシンク１１の下面に、底面側パワーモジュール１０とヒートシンク１１の間の空間であって、突起部２２のはんだ流出止め部２１の側面に接した凸部の位置決め部２６を、ヒートシンク１１と一体に形成している。この場合、体積膨張吸収部２３の空間容積が狭くなるが、狭くなってもモジュール外はんだ９の溶融時に膨張する体積分以上の容積は確保されていることが必要となる。
【００４８】
このような構成によれば、はんだ付けの生産能力が２倍になり効率向上になること、またパワーモジュール１台に対して必要なヒートシンクの体積が半分になり製品の体積、重量、コスト低減が出来る。
なお、実施の形態６および７では、突起部２２は底面側パワーモジュール１０に接着層１９で固定して取り付けていたが、上面側パワーモジュール１０と同様に、突起部１４はヒートシンク１１に設けて底面側パワーモジュール１０をヒートシンク１１と接合するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１：電力用半導体素子、 ２：モールド樹脂、
３：はんだ ４：金属ブロック、
５：はんだ ６：リードフレームなどの端子、
７：絶縁層、 ８：銅箔、
９：モジュール外はんだ、 １０：パワーモジュール、
１１：ヒートシンク、 １２：位置決め部、
１３：はんだ流出止め部、 １４：突起部、
１５：溶融はんだの体積膨張吸収部、 １６：隙間、
１７ａ、１７ｂ：ソルダレジスト、 １８：貫通穴、
１９：接着層、 ２０：底面側位置決め部、
２１：底面側はんだ流出止め部、 ２２：第２の突起部
２３：溶融はんだの体積膨張吸収部、 ２４：凸部位置決め部、
２５：凹部位置決め部、 ２６：凸部位置決め部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属ブロックに取り付けられた電力用半導体素子をモールド樹脂で封入したパワーモジュールと、上記パワーモジュールにはんだにより接合されたヒートシンクとを有する電力用半導体装置において、上記ヒートシンクのパワーモジュール搭載面には、上記パワーモジュールの角部で規定される位置決め部と、はんだ流出止め部とからなる突起部を設け、上記突起部と上記パワーモジュールと上記ヒートシンクで囲まれた空間であって上記はんだの周囲には、上記はんだの溶融時に膨張する体積分以上の容積で、その表面がはんだに濡れない材質で構成された溶融はんだの体積膨張吸収部を形成した電力用半導体装置。
【請求項２】
上記突起部は、パワーモジュールのはんだ付け面のはんだ付け領域の周囲に接する部分と、少なくとも上記パワーモジュールの主面に直交する面に接する部分を備えた段差に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】
上記突起部は、上記ヒートシンクと同じ材質で一体に構成されてい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】
上記突起部は、上記ヒートシンクに接着剤で接着されて構成されてい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】
上記突起部は、上記ヒートシンク材料と異なるはんだに濡れない材質で構成されてい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】
上記体積膨張吸収部は、パワーモジュール底面に設けられる銅箔以外の領域、ヒートシンクの主面及びはんだ流出止め部の側面に囲まれて構成される請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項７】
上記はんだ流出止め部と位置決め部からなる突起部と上記パワーモジュールの間には、はんだ付け工程においてボイド除去のための減圧を行う際に空気が通過可能な隙間を有してなる請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項８】
上記隙間は、上記はんだ流出止め部の高さが上記はんだの厚みの高さより低く、上記位置決め部の高さが上記はんだの厚みの高さよりも高い段差で構成することにより実現した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】
上記突起部は、気体は通すが溶融はんだは通さない貫通穴を設けて、上記体積膨張吸収部の空間と外側の空間とを繋ぐようにした請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項１０】
上記突起部は、気体は通すが溶融したはんだは通さない材質で構成されていることを特徴とする請求項１、請求項２および請求項４乃至請求項６のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項１１】
上記パワーモジュールは、ヒートシンクの対抗する主面に夫々はんだにより接合されてなる請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項１２】
金属ブロックに取り付けられた電力用半導体素子をモールド樹脂で封入したパワーモジュールと、上記パワーモジュールにはんだにより接合されたヒートシンクとを有する電力用半導体装置において、上記パワーモジュールのヒートシンク側には、上記パワーモジュールの角部で規定される位置決め部と、はんだ流出止め部とからなる突起部を設け、上記突起部と上記パワーモジュールと上記ヒートシンクで囲まれた空間であって上記はんだの周囲には、上記はんだの溶融時に膨張する体積分以上の容積で、その表面がはんだに濡れない材質で構成された溶融はんだの体積膨張吸収部を形成した電力用半導体装置。
【請求項１３】
金属ブロックに取り付けられた電力用半導体素子をモールド樹脂で封入した複数のパワーモジュールを、ヒートシンクの対向する主面に夫々はんだにより接合してなる電力用半導体装置において、
上面側パワーモジュールを搭載する上記ヒートシンクの上面には、上記上面側パワーモジュールの角部で規定される位置決め部と、はんだ流出止め部とからなる第１の突起部を設け、上記第１の突起部と上記上面側パワーモジュールと上記ヒートシンク上面で囲まれた空間であって上記はんだの周囲には、上記はんだの溶融時に膨張する体積分以上の容積で、その表面がはんだに濡れない材質で構成された溶融はんだの第１の体積膨張吸収部を形成し、
上記ヒートシンクの下面に搭載される底面側パワーモジュールには、上記底面側パワーモジュールの角部で規定される位置決め部と、はんだ流出止め部とからなる第２の突起部を設け、上記第２の突起部と上記底面側パワーモジュールと上記ヒートシンク下面で囲まれた空間であって上記はんだの周囲には、上記はんだの溶融時に膨張する体積分以上の容積で、その表面がはんだに濡れない材質で構成された溶融はんだの第２の体積膨張吸収部を形成した電力用半導体装置。
【請求項１４】
上記底面側パワーモジュールに設けられた第２の突起部は、ヒートシンク材料と異なるはんだに濡れない材質で構成された請求項１３に記載の電力用半導体装置。
【請求項１５】
上記ヒートシンクの下面に、上記パワーモジュールに設けられた突起部を位置決めする凸部または凹部の位置決め部を設けた請求項１２乃至請求項１４のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項１】
金属ブロックに取り付けられた電力用半導体素子をモールド樹脂で封入したパワーモジュールと、上記パワーモジュールにはんだにより接合されたヒートシンクとを有する電力用半導体装置において、上記ヒートシンクのパワーモジュール搭載面には、上記パワーモジュールの角部で規定される位置決め部と、はんだ流出止め部とからなる突起部を設け、上記突起部と上記パワーモジュールと上記ヒートシンクで囲まれた空間であって上記はんだの周囲には、上記はんだの溶融時に膨張する体積分以上の容積で、その表面がはんだに濡れない材質で構成された溶融はんだの体積膨張吸収部を形成した電力用半導体装置。
【請求項２】
上記突起部は、パワーモジュールのはんだ付け面のはんだ付け領域の周囲に接する部分と、少なくとも上記パワーモジュールの主面に直交する面に接する部分を備えた段差に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】
上記突起部は、上記ヒートシンクと同じ材質で一体に構成されてい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】
上記突起部は、上記ヒートシンクに接着剤で接着されて構成されてい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】
上記突起部は、上記ヒートシンク材料と異なるはんだに濡れない材質で構成されてい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】
上記体積膨張吸収部は、パワーモジュール底面に設けられる銅箔以外の領域、ヒートシンクの主面及びはんだ流出止め部の側面に囲まれて構成される請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項７】
上記はんだ流出止め部と位置決め部からなる突起部と上記パワーモジュールの間には、はんだ付け工程においてボイド除去のための減圧を行う際に空気が通過可能な隙間を有してなる請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項８】
上記隙間は、上記はんだ流出止め部の高さが上記はんだの厚みの高さより低く、上記位置決め部の高さが上記はんだの厚みの高さよりも高い段差で構成することにより実現した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】
上記突起部は、気体は通すが溶融はんだは通さない貫通穴を設けて、上記体積膨張吸収部の空間と外側の空間とを繋ぐようにした請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項１０】
上記突起部は、気体は通すが溶融したはんだは通さない材質で構成されていることを特徴とする請求項１、請求項２および請求項４乃至請求項６のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項１１】
上記パワーモジュールは、ヒートシンクの対抗する主面に夫々はんだにより接合されてなる請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項１２】
金属ブロックに取り付けられた電力用半導体素子をモールド樹脂で封入したパワーモジュールと、上記パワーモジュールにはんだにより接合されたヒートシンクとを有する電力用半導体装置において、上記パワーモジュールのヒートシンク側には、上記パワーモジュールの角部で規定される位置決め部と、はんだ流出止め部とからなる突起部を設け、上記突起部と上記パワーモジュールと上記ヒートシンクで囲まれた空間であって上記はんだの周囲には、上記はんだの溶融時に膨張する体積分以上の容積で、その表面がはんだに濡れない材質で構成された溶融はんだの体積膨張吸収部を形成した電力用半導体装置。
【請求項１３】
金属ブロックに取り付けられた電力用半導体素子をモールド樹脂で封入した複数のパワーモジュールを、ヒートシンクの対向する主面に夫々はんだにより接合してなる電力用半導体装置において、
上面側パワーモジュールを搭載する上記ヒートシンクの上面には、上記上面側パワーモジュールの角部で規定される位置決め部と、はんだ流出止め部とからなる第１の突起部を設け、上記第１の突起部と上記上面側パワーモジュールと上記ヒートシンク上面で囲まれた空間であって上記はんだの周囲には、上記はんだの溶融時に膨張する体積分以上の容積で、その表面がはんだに濡れない材質で構成された溶融はんだの第１の体積膨張吸収部を形成し、
上記ヒートシンクの下面に搭載される底面側パワーモジュールには、上記底面側パワーモジュールの角部で規定される位置決め部と、はんだ流出止め部とからなる第２の突起部を設け、上記第２の突起部と上記底面側パワーモジュールと上記ヒートシンク下面で囲まれた空間であって上記はんだの周囲には、上記はんだの溶融時に膨張する体積分以上の容積で、その表面がはんだに濡れない材質で構成された溶融はんだの第２の体積膨張吸収部を形成した電力用半導体装置。
【請求項１４】
上記底面側パワーモジュールに設けられた第２の突起部は、ヒートシンク材料と異なるはんだに濡れない材質で構成された請求項１３に記載の電力用半導体装置。
【請求項１５】
上記ヒートシンクの下面に、上記パワーモジュールに設けられた突起部を位置決めする凸部または凹部の位置決め部を設けた請求項１２乃至請求項１４のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−１４２５２１（Ｐ２０１２−１４２５２１Ａ）
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１９５（Ｐ２０１１−１１９５）
【出願日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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