JP2013038105A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ミドルサイド電極の界面について、封止樹脂との接合やはんだ接合の状態を正確に検査することができる半導体装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】第１の半導体素子１０を両面から挟むように、ローサイド電極４０及び第１のミドルサイド電極５０が設けられ、ローサイド電極４０及び第１のミドルサイド電極５０の外側の面が露出するように封止樹脂１００によりモールド成形された第１の樹脂モールド１１０と、第２の半導体素子１１を両面から挟むように、ハイサイド電極６０及び第２のミドルサイド電極５１が設けられ、ハイサイド電極６０及び第２のミドルサイド電極５１の外側の面が露出するように封止樹脂によりモールド成形された第２の樹脂モールド１２０とを有し、第１のミドルサイド電極５０と第２のミドルサイド電極５１の外側の面同士が、接合又は圧接により一体的に固定されるとともに、電気的に接続されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に、第１の半導体素子及び第２の半導体素子を有する半導体装置及びその製造方法に関する。

従来から、直流電圧の電圧変換又は電力変換を行うパワーモジュールであって、直流電圧の高位側及び低位側をそれぞれ受けるハイサイド電極板及びローサイド電極板と、ハイサイド電極板とローサイド電極板との間に直列接続される第１及び第２のスイッチング素子と、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子の中間点に接続されるミドルサイド電極板とを備え、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子とは、共通のミドルサイド電極板を挟んで積層されて構成され、各素子を高密度に積層配置するようにしたパワーモジュールが知られている（例えば、特許文献１参照）。かかるパワーモジュールにおいては、ミドルサイド電極を挟む上下アームが一体的に封止樹脂によりモールド成形されている。

特開２００６−４９５４２号公報

しかしながら、上述の特許文献１に記載の構成では、ミドルサイド電極の表面付近のはんだ接合の良否、及び封止樹脂とミドルサイド電極との接合の良否を超音波探傷により検査する場合に、超音波は幾層にも積層されたはんだ層、電極、半導体素子を通過して検査対象領域に到達するため、反射波が著しく減衰し、正確にミドルサイド電極付近のはんだ接合の良否や封止樹脂とミドルサイド電極の接合の良否を検査するのが困難であるという問題があった。

図１は、特許文献１に記載された従来の２段積層型パワーモジュールを示した図である。図１（Ａ）は、従来の２段積層型パワーモジュールの断面構成図である。図１（Ａ）において、上アーム３２０の上に、下アーム３１０が積層された構成となっている。上アーム３２０は、ハイサイド電極２６０上にはんだ２９０により半導体スイッチング素子２１１及び整流素子２２１が接合され、更にその上にはんだ２９０を介してスペーサ電極２３０が積層され、更にその上にはんだ２９０を介してミドルサイド電極２５０が積層されている。また、半導体スイッチング素子２１１には、ボンディングワイヤ２８０を介して制御用端子２７１が接続されている。

ミドルサイド電極２５０の上には、やはりはんだ２９０により接合されて、半導体スイッチング素子２１０及び整流素子２２０と、スペーサ電極２３０と、ローサイド電極２４０が積層されて下アーム３１０が構成されている。また、半導体スイッチング素子２１０には、ボンディングワイヤ２８０を介して制御端子２７０が接続されている。そして、側方に延びたローサイド電極２４０、ミドルサイド電極２５０、ハイサイド電極２６０及び制御用端子２７０、２７１以外は、封止樹脂３００によりモールド成形されて一体化されている。かかる構成は、上アーム３２０と下アーム３１０を積層するとともに、両者のミドルサイド電極２５０を共有することにより、小型に構成することができる。

図１（Ｂ）は、従来の２段積層型パワーモジュールの超音波探傷による検査の問題点を説明するための図である。図１（Ｂ）に示すように、超音波探傷においては、超音波がパワーモジュールに向けて照射される。超音波の入射波は、発振子から出力された数十ＭＨｚの超音波で、封止樹脂３００と電極２４０、２５０、２６０界面から反射してくる反射波をセンサで検出し、その強度を検出する。被検査物が、超音波の伝播速度の異なる物質から構成されていると、超音波は伝播速度が変化する界面で反射する性質を有する。そして、界面を挟んだ物質の伝播速度差が大きい程、反射波強度が大きくなる。一般に、固体同士と比較して、空気等の気体は、伝播速度が著しく異なる。よって、構成物質間の界面に密着していない剥離層があると、空気層があるので、剥離層が無い正常な場合に比べて強い反射波が発生し、明確にこれを検出できる。超音波探傷は、この性質を利用して、封止樹脂と電極等との密着性を検査する。

ところで、封止樹脂３００には、半導体周辺、ボンディングワイヤ等の高電圧が印加される部位の絶縁、外部からの半導体周辺、ボンディングワイヤ等への水や汚染物質の侵入の防止、熱変形の抑制の３つの機能がある。なお、熱変形の抑制とは、半導体（シリコン）と電極（銅）の線膨張係数が異なるため、温度変化により両者の界面に応力が発生し、半導体と電極を接合するはんだ層２９０に破損が発生する現象を、銅に線膨張係数が近い封止樹脂で抑制することである。これらの３つの機能は、封止樹脂３００と電極２４０〜２６０とが密着しないと発現しない。よって、超音波探傷により、封止樹脂３００と電極２４０〜２６０との密着性を検査することは、極めて重要である。また、はんだ２９０にボイド等が発生しないかを検査することも、同様に重要である。

図１（Ｂ）に示すように、封止樹脂３００と電極２４０〜２６０の界面の検査は、ローサイド電極２４０側又はハイサイド電極２６０側から超音波を入射させることにより行われる。ここで、ローサイド電極２４０と封止樹脂３００との界面は、ローサイド電極２４０しか通過しない入射波Ｃ及び反射波Ｄにより行われるので、伝播距離は短く、また大きな形状変化も無いので、十分なＳ／Ｎの信号を得て検査できる。ハイサイド電極２６０と封止樹脂３００との界面も、伝播距離の短い入射波Ｃ’及び反射波Ｄ’により行われるので、何ら問題は無い。

しかしながら、ミドルサイド電極２５０の両面の封止樹脂３００との界面については、入射波Ａ及び反射波Ｂ、入射波Ａ’及び反射波Ｂ’が、３層のはんだ層２９０、スペーサ電極２３０、半導体スイッチング素子２１０、整流素子２２０等を通過する必要があるため、この間、超音波は減衰してしまうという現象が生じる。また、超音波が、積層された複数層を通過するため、信号が乱れてしまうという現象も生じる。その結果、十分なＳ／Ｎの信号を得ることができず、ミドルサイド電極２５０と封止樹脂３００との密着性を正確に検査できないという問題があった。

そこで、本発明は、ミドルサイド電極の界面について、封止樹脂との接合やはんだ接合の状態を正確に検査することができる半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る半導体装置は、第１の半導体素子を有し、該第１の半導体素子を両面から挟むように、該第１の半導体素子の各面に導通してローサイド電極及び第１のミドルサイド電極が設けられ、該ローサイド電極及び第１のミドルサイド電極の外側の面が露出するように封止樹脂によりモールド成形された第１の樹脂モールドと、
第２の半導体素子を有し、該第２の半導体素子を両面から挟むように、該第２の半導体素子の各面に導通してハイサイド電極及び第２のミドルサイド電極が設けられ、該ハイサイド電極及び第２のミドルサイド電極の外側の面が露出するように封止樹脂によりモールド成形された第２の樹脂モールドとを有し、
前記第１のミドルサイド電極と前記第２のミドル電極の外側の面同士が、接合又は圧接により一体的に固定されるとともに、電気的に接続されたことを特徴とする。

また、本発明の他の態様に係る半導体装置の製造方法は、ローサイド電極と第１のミドルサイド電極との間に第１の半導体素子が配置され、はんだ接合により該第１の半導体素子の２面と前記ローサイド電極及び前記第１のミドルサイド電極が導通固定された状態で、前記ローサイド電極及び前記第１のミドルサイド電極の外側の面が露出するように封止樹脂によりモールド成形し、第１の樹脂モールドを形成する第１の樹脂モールド形成工程と、
ハイサイド電極と第２のミドルサイド電極との間に第２の半導体素子が配置され、はんだ接合により該第１の半導体素子の２面と前記ローサイド電極及び前記第２のミドルサイド電極が導通固定された状態で、前記ハイサイド電極及び前記第２のミドルサイド電極の外側の面が露出するように封止樹脂によりモールド成形し、第２の樹脂モールドを形成する第２の樹脂モールド形成工程と、
前記第１の樹脂モールドの前記ローサイド電極と前記封止樹脂の界面及び前記第１のミドルサイド電極と前記封止樹脂との界面を超音波探傷により検査する第１の樹脂モールド検査工程と、
前記第１の樹脂モールドの前記ローサイド電極と前記封止樹脂の界面及び前記第１のミドルサイド電極と前記封止樹脂との界面を超音波探傷により検査する第２の樹脂モールド検査工程と、
前記第１の樹脂モールド検査工程及び前記第２の樹脂モールド検査工程において、良品と判定された前記第１の樹脂モールド及び前記第２の樹脂モールドの前記第１のミドルサイド電極と前記第２のミドルサイド電極の外側の面同士を、接合又は圧接により一体的に固定するとともに、前記第１のミドルサイド電極と前記第２のミドルサイド電極とを導通させる一体化工程と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、ミドルサイド電極の界面の状態を正確に検査でき、半導体装置の信頼性を高めることができる。

従来の２段積層型パワーモジュールを示した図である。図１（Ａ）は、従来の２段積層型パワーモジュールの断面構成図である。図１（Ｂ）は、従来の２段積層型パワーモジュールの超音波探傷による検査の問題点を説明するための図である。 本発明の実施例１に係る半導体装置の一例を示した断面図である。 実施例１に係る半導体装置の超音波探傷による検査を説明するための図である。図３（Ａ）は、下アームの超音波探傷による検査を説明するための図である。図３（Ｂ）は、上アームの超音波探傷による検査を説明するための図である。 実施例１に係る半導体装置の上アームと下アームとの接合方法の説明図である。 実施例１に係る半導体装置のはんだ付け及びモールド成形の手順を説明するための図である。図５（Ａ）は、下アーム１１０の素子はんだ付け工程の一例を示した図である。図５（Ｂ）は、ローサイド電極はんだ付け工程の一例を示した図である。図５（Ｃ）は、樹脂モールド形成工程の一例を示した図である。 比較例として、従来の半導体装置のはんだ付け工程を示した図である。図６（Ａ）は、素子はんだ付け工程を示した図である。図６（Ｂ）は、電極はんだ付け工程を示した図である。 本発明の実施例２に係る半導体装置の上アームと下アームの構成及び接合工程の一例を示した図である。 本発明の実施例３に係る半導体装置の一例を示した図である。 本発明の実施例４に係る半導体装置の一例を示した図である。 本発明の実施例５に係る半導体装置の一例を示した図である。 実施例５の第２モータ駆動回路における接合部の構成の一例を示した図である。 実施例５の第２モータ駆動回路における接合部の構成の他の例を示した図である。 実施例５の１段パワーモジュール単体の構成を示した図である。図１３（Ａ）は、１段パワーモジュール単体の外観を示した斜視図である。図１３（Ｂ）は、１段パワーモジュール単体の回路図である。図１３（Ｃ）は、両面冷却型パワーモジュールの断面図である。 実施例５の第２モータ駆動回路のインバータ回路の一例を示した図である。 実施例５の第２モータ駆動回路のインバータ回路の断面構成を示した図である。図１５（Ａ）は、インバータ回路の断面構成図である。図１５（Ｂ）は、インバータ回路の斜視図である。 実施例５に係る半導体装置の分解斜視図である。 本発明の実施例６に係る半導体装置の接合前の一例を示した断面図である。 実施例６に係る半導体装置の接合後の一例を示した図である。 本発明の実施例７に係る半導体装置の一例を示した断面図である。 本発明の実施例８に係る半導体装置の一例を示した断面図である。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態の説明を行う。

図２は、本発明の実施例１に係る半導体装置の一例を示した断面図である。図２において、実施例１に係る半導体装置は、下アーム１１０と、上アーム１２０とを備える。下アーム１１０は、ローサイド回路を搭載した樹脂モールド体であり、上アーム１２０は、ハイサイド回路を搭載した樹脂モールド体である。ローサイド回路は、回路が低電位側と高電位側の２段で構成されている場合の低電位側の回路を意味し、ハイサイド回路は高電位側の回路を意味する。実施例１に係る半導体装置は、２段積層型のパワーモジュールとして構成された例を挙げて説明する。

下アーム１１０は、第１の半導体素子１０と、第１の整流素子２０と、スペーサ電極３０と、ローサイド電極４０と、第１のミドルサイド電極５０と、第１の制御用端子７０と、ボンディングワイヤ８０と、はんだ９０と、封止樹脂１００とを備える。

また、上アーム１２０は、第２の半導体素子１１と、第２の整流素子２１と、スペーサ電極３０と、第２のミドル電極５１と、ハイサイド電極６０と、第２の制御用端子７１と、ボンディングワイヤ８０と、はんだ９０と、封止樹脂１００とを備える。

ここで、スペーサ電極３０、ボンディングワイヤ８０、はんだ９０及び封止樹脂１００は、上アーム１１０と下アーム１２０とで特に相違点が無く共通であるので、同一の参照符号を付している。

本実施例に係る半導体装置は、上アーム１１０及び下アーム１２０がそれぞれミドルサイド電極５０、５１を個別に備え、各々が個別に樹脂封止されている。図１において説明したように、従来の２段積層型パワーモジュールは、ミドルサイド電極２５０が共通であり、ローサイド電極２４０及びハイサイド電極２５０とともに総て一体となった状態で樹脂封止がなされていたが、本実施例に係る半導体装置は、下アーム１１０と上アーム１２０で個別に樹脂封止がなされ、別体として構成されている点で異なっている。

下アーム１１０において、第１のミドルサイド電極５０上に、はんだ９０により第１の半導体素子１０及び第１の整流素子２０が接合されている。また、第１の半導体素子１０及び第１の整流素子２０の上には、はんだ９０によりスペーサ電極３０が接合されて積層されている。スペーサ電極３０の上には、やはりはんだ９０を介してローサイド電極４０が第１の半導体素子１０及び第１の整流素子２０の両方を覆うように積層されている。そして、ローサイド電極４０及び第１のミドルサイド電極５０の外側の表面が露出するように、封止樹脂１００でモールド成形され、第１の樹脂モールド体が形成されている。また、第１のミドルサイド電極５０は、右側に水平に延び、封止樹脂１００より外側に突出して露出した第１の引き出し電極部５０ａを有する。更に、第１のミドルサイド電極５０の左側には、第１の制御用端子７０が、ミドルサイド電極５０とほぼ水平の高さで、封止樹脂１００から先端が突き出て露出するように配置され、残りの部分は封止樹脂１００で封止されている。また、第１の制御用端子７０と第１の半導体素子１０とは、ボンディングワイヤ８０により接続されている。

上アーム１２０は、ほぼ下アーム１１０と同様の構成を有するが、下端にハイサイド電極６０が配置され、その上にはんだ９０を用いた接合により、第２の半導体素子１１及び第２の整流素子２１、スペーサ電極３０、第２のミドルサイド電極５１が下から順に積層された構成となっている。第２のミドルサイド電極５１は、引き出し電極部を有しない点で、第１のミドルサイド電極５０と異なっている。また、第２の制御用端子７１がハイサイド電極６０の左側に配置され、先端が封止樹脂１００から突き出して露出しており、封止樹脂１００内の部分はボンディングワイヤ８０により第２の半導体素子１１と接続されている点は、下アーム１１０と同様である。

このように、下アーム１１０と上アーム１２０は、一旦別個に独立して形成される。そして、最終的には、第１のミドルサイド電極５０と第２のミドルサイド電極５１同士が接合又は圧接され、一体化して固定される。下アーム１１０と上アーム１２０が接合又は圧接して固定された状態が、パワーモジュールとして完成した状態となる。

図２において、第１及び第２の半導体素子１０、１１には、半導体を用いたスイッチング素子が用いられる。例えば、第１及び第２の半導体素子１０、１１には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor、絶縁ゲートトランジスタ）や、パワーＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタ等の半導体スイッチング素子が用いられてよい。また、第１の半導体素子１０と第２の半導体素子１１には、同一の半導体素子が用いられてもよい。

第１及び第２の整流素子２０、２１には、整流作用のあるダイオードが用いられてよい。第１及び第２の整流素子２０、２１は、例えば、第１及び第２の半導体素子１０、１１のコレクタ−エミッタ間（又はドレイン−ソース間）と並列に接続されてもよい。第１及び第２の半導体素子１０、１１がＩＧＢＴであり、本実施例に係る半導体装置がインバータとして構成される場合には、第１及び第２の整流素子２０、２１は、第１及び第２の半導体素子１０、１１の各々のコレクタ−エミッタ間に並列に接続される。

スペーサ電極３０は、ローサイド電極５０と第１のミドルサイド電極５０との間隔、及びハイサイド電極６０と第２のミドルサイド電極５１との間隔を確保し、第１及び第２の半導体素子１０、１１の発熱を放出し易くするための電極である。また、スペーサ電極３０も電極の１つであるので、第１の半導体素子１０とローサイド電極４０との導通、及び第２の半導体素子１１と第２のミドルサイド電極５１との導通も確保する。スペーサ電極３０は、第１及び第２の半導体素子１０、１１、第１及び第２の整流素子２０、２１よりも面積が小さい、柱状のブロックのような電極として構成されてよい。よって、スペース電極３０を、ブロック電極と呼んでもよい。また、スペース電極３０は、種々の金属から構成されてよいが、銅、アルミニウム等の配線用金属で構成されることが好ましい。

ローサイド電極４０は、下アーム１１０のローサイド回路の低電位側の電位線と同電位となる電極である。ローサイド電極４０は、例えば、接地電位に設定される。ローサイド電極４０は、第１の半導体素子１０及び第１の整流素子２０の双方を覆うように、第１の半導体素子１０及び第１の整流素子２０よりも大きい面積を有して、平板状の電極として形成される。また、ローサイド電極４０も、種々の金属から構成されてよいが、銅、アルミニウム等の配線用金属で構成されることが好ましい。

第１のミドルサイド電極５０は、ローサイド回路の出力端子となる電極であり、ローサイド回路の高電位側の電位線と同電位となる。第１のミドルサイド電極５０も、ローサイド電極４０と同様に、第１の半導体素子１０及び第１の整流素子２０の双方を覆う面積を有して、平板状の電極として形成される。また、第１のミドルサイド電極５０も、種々の金属から構成されてよいが、銅、アルミニウム等の配線用金属で構成されることが好ましい。

第２のミドルサイド電極５１は、ハイサイド回路の出力端子となる電極であり、ハイサイド回路の低電位側の電位線と同電位となる。第２のミドルサイド電極５１も、第２の半導体素子１１及び第２の整流素子２１の双方を覆う面積を有し、平板状の電極として形成される。また、第２のミドルサイド電極５１も、種々の金属から構成されてよいが、銅、アルミニウム等の配線用金属で構成されることが好ましい。

第１のミドルサイド電極５０と第２のミドルサイド電極５１は、物理的に接合又は圧接により一体化して固定されるとともに、電気的にも接続される。そのため、第１のミドルサイド電極５０と第２のミドルサイド電極５１は同電位の出力端子を構成する。図２においては、第１のミドルサイド電極５０にのみ引き出し電極部５０ａが設けられており、この引き出し電極部５０ａが下アーム１１０及び上アーム１２０の共通の出力端子となる。また、第１のミドルサイド電極５０と第２のミドルサイド電極５１とは、接合又は圧接されるため、外側の接合面は合同に形成されることが好ましい。

ハイサイド電極６０は、ハイサイド回路の高電位側の電位線と同電位となる電極である。ハイサイド電極６０は、例えば、電源と同じ電位に設定される。なお、ハイサイド電極６０も、第２の半導体素子１１及び第２の整流素子２１の双方を覆うことができる面積を有して、平板状の電極として形成される。また、ハイサイド電極６０も、種々の金属から構成されてよいが、銅、アルミニウム等の配線用金属で構成されることが好ましい。

第１の制御用端子７０は、第１の半導体素子１０に制御信号を供給するための端子である。第１の半導体素子１０がＩＧＢＴ又はパワーＭＯＳトランジスタの場合には、第１の制御用端子７０は、第１の半導体素子１０のゲートに接続され、第１の半導体素子１０のオン・オフを制御する。

第２の制御用端子７１は、第２１の半導体素子１１に制御信号を供給するための端子であり、その構成及び機能は、第１の制御用端子と同じであってよい。

ボンディングワイヤ８０は、第１及び第２の制御用端子７０、７１と第１及び第２の半導体素子１０、１１とをそれぞれ接続するための配線用ワイヤである。具体的には、例えば、第１及び第２の半導体素子１０、１１のゲートと、第１及び第２の制御用端子７０、７１を各々ワイヤボンディングにより接続する。

はんだ９０は、積層方向に各部品同士を接合する接合材である。はんだ９０は、導電性の接合材であるので、物理的な接合だけではなく、電気的にも各部品同士を接続する。具体的には、下アーム１１０においてはんだ９０は、第１のミドルサイド電極５０と第１の半導体素子１０及び第１の整流素子２０、第１の半導体素子１０及び第１の整流素子２０とスペーサ電極３０、スペーサ電極３０とローサイド電極４０とを接合し、電気的にもそれらを接続している。同様に、上アーム１２０においてはんだ９０は、ハイサイド電極６０と第２の半導体素子１１及び第２の整流素子２１、第２の半導体素子１０及び第２の整流素子２０とスペーサ電極３０、スペーサ電極３０と第２のミドルサイド電極５１とを物理的に接合するとともに、電気的に接続している。

封止樹脂１００は、下アーム１１０及び上アーム１２０の各部品を封止し、各部品間の絶縁を確保するとともに、外部の水分、湿気、塵等から部品を保護するための材料である。封止樹脂１００は、モールド成形により図２に示すような形状に形成される。なお、封止樹脂１００は、各電極３０〜６０の線膨張係数に近くなるように材料が選択され、調整されていることが好ましい。例えば、電極３０〜６０に銅が用いられた場合には、エポキシ樹脂を封止樹脂１００に用い、他の無機物質又は有機物質を混合して銅の線膨張係数に近くなるように構成してもよい。

図３は、実施例１に係る半導体装置の超音波探傷による検査を説明するための図である。図３（Ａ）は、下アーム１１０の超音波探傷による検査を説明するための図である。図３（Ａ）において、下アーム１１０が、ローサイド電極４０を上側、第１のミドルサイド電極５０を下側に配置して構成されている。この状態で、ローサイド電極４０の表面に向けて超音波を発射すると、入射波Ｃはローサイド電極４０のみを通過し、ローサイド電極４０と封止樹脂１００との界面で反射して反射波Ｄが得られる。よって、十分なＳ／Ｎの信号を反射波Ｄとして得ることができる。この点は、図１で説明した従来のパワーモジュールと同様である。

一方、第１のミドルサイド電極５０の表面に向けて超音波を発射した場合も、入射波Ａは第１のミドルサイド電極５０のみを通過し、第１のミドルサイド電極５０と封止樹脂１００との界面で反射して反射波Ｂを得ることができる。つまり、第１のミドルサイド電極５０の界面についても、はんだ９０、第１の半導体素子１０、スペーサ電極３０等を通過することなく、第１のミドルサイド電極５０の界面からの直接的な反射波Ｂを得ることができる。よって、反射波Ｂは、十分なＳ／Ｎを有する信号であり、第１のミドルサイド電極５０の界面の封止樹脂１００との密着性を正確に検査することが可能となる。

このように、下アーム１１０においては、ローサイド電極４０及び第１のミドルサイド電極５０の表面が両方とも露出しているため、両方の電極４０、５０の界面の封止樹脂１００との密着性を正確に検査することができる。

図３（Ｂ）は、上アーム１２０の超音波探傷による検査を説明するための図である。図３（Ｂ）において、上アーム１２０が、第２のミドルサイド電極５１が上側、ハイサイド電極６０が下側となるように配置されている。この場合においても、第２のミドルサイド電極５１の表面は露出しているため、第２のミドルサイド電極５１に向けて超音波を発射することにより、入射波Ａ’及び反射波Ｂ’は、第２のミドルサイド電極５１のみを通過して反射する。よって、反射波Ｂ’は、十分なＳ／Ｎを有する信号であり、これをセンサで検出することにより、第２のミドルサイド電極５１の界面の封止樹脂１００との密着性を正確に検査することができ、その信頼性を高めることができる。

なお、ハイサイド電極６０の界面についても、入射波Ｃ’及び反射波Ｄ’はハイサイド電極６０しか通過しないので、高Ｓ／Ｎで信号を検出することができ、正確にハイサイド電極６０の界面における封止樹脂１００との密着性を検査することができる。

このように、本実施例に係る半導体装置によれば、下アーム１１０及び上アーム１２０の双方とも、ミドルサイド電極５０、５１を露出させた状態で樹脂封止を行っているので、ミドルサイド電極５０、５１と封止樹脂１００との密着性を正確に検査することができ、高い信頼性の半導体装置を提供することができる。

図４は、実施例１に係る半導体装置の上アーム１２０と下アーム１１０との接合方法の一例を説明するための図である。なお、図４において、各構成要素には図２と同一の参照符号を付し、その説明を省略するものとする。

図４において、上側に配置された下アーム１１０の第１のミドルサイド電極５０と、下側に配置された上アーム１２０の第２のミドルサイド電極５１が対向し、接合層１３０を介して接合されている。このように、上アーム１２０と下アーム１１０は、接合材を用いて、接合層１３０を介して接合されてもよい。

接合材は、用途に応じて種々の接合材を用いることができるが、例えば、低融点はんだ、導電性接着剤、Ａｇナノペースト材、Ｉｎ拡散層等を、用途に応じて用いることができる。これらの接合材は、総て導電性を有する材料であるので、接合層１３０により、第１のミドルサイド電極５０と第２のミドルサイド電極５１が導通した状態となっている。よって、導電性の接合材を用いる場合には、上アーム１２０と下アーム１１０を一体化して固定する物理的接合と、第１のミドルサイド電極５０と第２のミドルサイド電極５１同士の電気的接続の両方を接合層１３０のみで行うことができる。

なお、上アーム１２０と下アーム１１０の接合は、樹脂封止を行った後の工程となるので、接合材には、封止樹脂１００の耐熱温度以下で接合できる接合材を用いる。例えば、封止樹脂１００の耐熱温度以下で接合できる低融点はんだ、導電性接着剤、Ａｇナノペースト材、Ｉｎ拡散層等を用い、接合材を第１のミドルサイド電極５０と第２のミドルサイド電極５１との間に挿入し、全体を加温して接合材を溶融又は硬化させることにより、接合を行うことができる。接合材は、接合後は図４に示すように接合層１３０となる。

次に、図５を用いて、実施例１に係る半導体装置の製造方法について説明する。図５は、実施例１に係る半導体装置のはんだ付け及びモールド成形の手順を説明するための図である。

図５（Ａ）は、下アーム１１０の素子はんだ付け工程（又は素子接合工程）の一例を示した図である。素子はんだ付け工程においては、まず、第１のミドルサイド電極５０の表面上に、第１の半導体素子１０及び第１の整流素子２０、更にそれらの上にスペーサ電極３０をはんだ付けする。その際、はんだ９０の位置にはんだ箔を挿入し、治具等で位置決め固定して加熱し、はんだ箔を溶融させれば、図５（Ａ）に示すように、第１のミドルサイド電極５０上に素子１０、２０及び電極３０が積層接合される。その際、スペーサ電極３０の上面をはんだ材で覆っておく。また、その後、ワイヤボンディングで第１の半導体素子１０と制御用端子７０とをアルミワイヤで接続しておく。また、その状態で、ローサイド電極４０を準備しておく。

図５（Ｂ）は、ローサイド電極はんだ付け工程（又はローサイド電極接合工程）の一例を示した図である。ローサイド電極はんだ付け工程においては、ローサイド電極４０をスペーサ電極３０の上面上に重ね、治具等で位置決め固定し、スペーサ電極３０の上面上のはんだ材の溶融点以上まで加熱する。そうすると、図５（Ｂ）に示すように、ローサイド電極４０がスペーサ電極３０の上面上にはんだ付けされて接合される。これにて、下アーム１１０の配線は完了する。

図５（Ｃ）は、樹脂モールド形成工程の一例を示した図である。樹脂モールド成形工程においては、封止樹脂１００を用いて、モールド成形を行う。モールド成形は、例えば、トランスファーモールド成形機の金型中にはんだ付け完了品を設置し、トランスファーモールド成形を行い、封止樹脂１００を電極周囲に形成する。その際、第１の半導体素子１０の通電時に発生する熱の放熱を促進するため、ローサイド電極４０と第１のミドルサイド電極５０の非半導体素子実装面側（外面側）を露出させるように成形するか、又は封止樹脂１００が電極４０、５０の一部を覆ってしまった場合には、切削加工等で、ローサイド電極４０及び第１のミドルサイド電極５０の非半導体素子実装面（外側面）を露出させるようにする。

例えば、このようにして、下アーム１１０は形成される。なお、上アーム１２０についても、第１のミドルサイド電極５０をハイサイド電極６０、ローサイド電極４０を第２のミドルサイド電極５１に置き換えれば、下アーム１１０と同様に上アーム１２０を形成することができる。

この後は、例えば、図４で説明したように、上アーム１２０と下アーム１１０との接合を、接合材を用いて行い、図４に示した半導体装置を完成させることができる。

図６は、比較例として、従来の半導体装置のはんだ付け工程を示した図である。図６（Ａ）は、素子はんだ付け工程を示した図である。素子はんだ付け工程においては、ハイサイド電極２６０上には半導体素子２１１及び整流素子２２１と、スペーサ電極２３０とを順次積層させてはんだ２９０により接合する。そして、制御用端子２７１もボンディングワイヤ２８０を介して半導体素子２１０に接続される。同様に、ミドルサイド電極２５０上には、半導体素子２１０及び整流素子２２０と、スペーサ電極２３０とが順次積層され、はんだ２９０により接合される。半導体素子２１０には、ボンディングワイヤ２８０を介して制御用端子２７０が接続される。そして、下から、ハイサイド電極２６０、ミドルサイド電極２５０、ローサイド電極２４０の順に積み重ねられ、位置決め固定される。

図６（Ｂ）は、電極はんだ付け工程を示した図である。ハイサイド電極２６０、ミドルサイド電極２５０及びローサイド電極２４０が、重ね合わせられた状態で位置決め固定され、スペーサ電極３０の上面上のはんだ２９０が溶融する温度で加熱されると、図６（Ｂ）に示すように、下アーム３１０と上アーム３２０が接合され、一体化されて配線が完了する。この状態で、トランスファーモールド成形を行うことにより、全体を樹脂封止することができる。その際、ローサイド電極２４０及びハイサイド電極２６０の非半導体素子実装面（外側面）は露出させるようにする。しかしながら、ミドルサイド電極２５０は、構造上、封止樹脂３００の中に封止されることになる（図１参照）。

このように、従来の半導体装置では、工程的に、半導体装置の配線が完了してからモールド成形が行われるので、中段に配置されたミドルサイド電極２５０については、樹脂封止がされてから封止樹脂３００の中段に埋設されてから検査を行わざるを得ない構成となってしまう。

それと比較して、本実施例に係る半導体装置は、樹脂封止が半導体装置全体の接合が終了する前に終了するので、ミドルサイド電極５０、５１を露出させた状態で超音波探傷による検査を行うことができ、高精度で界面の封止樹脂１００との密着性を検査することができる。

図７は、本発明の実施例２に係る半導体装置の上アームと下アームの構成及び接合工程の一例を示した図である。なお、実施例２においても、実施例１の図２及び図４と同様の構成要素には、同一の参照符号を付してその説明を省略する。

図７において、図４と同様に、上アーム１２１の上に下アーム１１０が配置され、第２のミドルサイド電極５２と第１のミドルサイド電極５０の間に、接合層１３０が形成されている。

しかしながら、実施例２においては、第２のミドルサイド電極５２が、右方向に延びて封止樹脂１００の外側まで突き出した引き出し電極部５２ａを有する点で、実施例１の図４に係る半導体装置と異なっている。また、第１のミドルサイド電極５０と第２のミドルサイド電極５２との接合のために、電源１４０が半導体装置の外部に設けられ、第１及び第２のミドルサイド電極５０、５２に接続されている点で、実施例１に係る半導体装置及びその製造方法と異なっている。

実施例２に係る半導体装置においては、上アーム１２１と下アーム１１０との接合は、接合材を用いる点では共通するが、実施例１のような全体加熱ではなく、通電加熱によりは接合材を溶融又は硬化して接合を行う点で異なっている。

図７において、電源１４０が設けられ、第１のミドルサイド電極５０と第２のミドルサイド電極５２に接続されて電圧が印加されている。このように、第１及び第２のミドルサイド電極５０、５２間に電圧を印加して通電することにより、第１及び第２のミドルサイド電極５０、５２間にジュール熱が発生し、接合材を溶融又は硬化することができる。このように、接合材の溶融又は硬化は、通電により行うようにしてもよい。

実施例２に係る半導体装置の上アーム１２０と接合方法においては、短時間の通電加熱により、封止樹脂１００の温度が上昇するまでに接合処理が完結するので、封止樹脂１００の耐熱以上の接合材も使用することができる。なお、第１及び第２のミドルサイド電極５０、５２への通電は、図７に示すように、ミドルサイド電極５０、５２の一部を封止樹脂１００の外側に延ばして引き出し電極部５２ａを形成するか、又は封止樹脂１００の一部に穴を開けて、ミドルサイド電極５０、５２に接触するように電源供給用電極を挿入する等して、上アーム１２１のミドルサイド電極５２に外部から通電してもよい。

このように、実施例２に係る半導体装置及びその製造方法によれば、上アーム１２１を、外部からミドルサイド電極５２への通電が可能な形状に構成し、ミドルサイド電極５０、５２間への通電により接合材を溶融又は硬化させて接合を行うことにより、接合材の許容幅を拡大し、溶融温度又は硬化温度がはんだ材の耐熱温度よりも高い接合材を用いることが可能となる。

図８は、本発明の実施例３に係る半導体装置の一例を示した図である。実施例３に係る半導体装置は、下部アーム１２２の第２のミドルサイド電極５３の構成が実施例１及び実施例２と異なるが、その他の構成要素は、実施例１及び実施例２と同様であるので、その他の構成要素には実施例１及び実施例２と同一の参照符号を付してその説明を省略する。

実施例３に係る半導体装置においては、第２のミドルサイド電極５３が、封止樹脂１００の外側まで突き出して延びた引き出し電極部５３ａを有し、引き出し電極部５３ａの先端部が第１のミドルサイド電極５０の先端部と接合部１３５において接続され、第１のミドルサイド電極５０と第２のミドルサイド電極５３との電気的接続が行われている。なお、第１及び第２のミドルサイド電極５０、５３同士の先端部の接続は、例えば、溶接、リベット止め、カシメ等により行われてよい。

この場合、第１のミドルサイド電極５０と第２のミドルサイド電極５３の電気的接続は、先端部の接続で保証されているので、第１のミドルサイド電極５０と第２のミドルサイド電極５３の物理的接合は、必ずしも導電性の接合材を用いる必要は無い。よって、導電性を有しない一般的な樹脂の接着剤を使用することも可能となる。また、導電性を有する接合材を用いる場合でも、電気的接続をあまり考慮に入れず、接合のための最小限の接合層１３１を形成することができる。

よって、接合層１３１を形成する接合材としては、低融点はんだ、導電性接着剤、Ａｇナノペースト材、Ｉｎ拡散層の他、導電性を有しない接着剤や粘着剤も用いることができる。

実施例３に係る半導体装置によれば、ミドルサイド電極５０、５３の先端部で電気的接続を行うことにより、非導電性の接着剤や粘着剤を含めた広い接合材を接合工程に用いることができる。

図９は、本発明の実施例４に係る半導体装置の一例を示した図である。実施例４においても、実施例１と同様の構成要素には、実施例１と同一の参照符号を付してその説明を省略する。

図９において、実施例４に係る半導体装置は、構成要素としては、実施例１に係る半導体装置とほぼ同様であるが、接合層１３０を有せず、圧接接触界面１３２のみが示されている点で、実施例１に係る半導体装置と異なっている。

実施例４に係る半導体装置においては、下側に配置された上アーム１２０の第２のミドルサイド電極５１と、上側に配置された下アーム１１０の第１のミドルサイド電極５０とが対向して圧接されている。この場合、圧接接触界面１３２には、接合材は存在せず、第１のミドルサイド電極５０と第２のミドルサイド電極５１とは接触して押圧された状態である。このような圧接状態であっても上アーム１２０と下アーム１１０が固定され、第１のミドルサイド電極５０と第２のミドルサイド電極５１同士の接触が十分になされていれば、パワーモジュールとして機能することができる。

なお、上アーム１２０と下アーム１１０の圧接は、例えば、ローサイド電極４０又はハイサイド電極６０の一方の外側表面を壁のような固定支持体に押し付け、反対側からローサイド電極４０又はハイサイド電極６０を弾性力等で押圧するようにして行われてもよい。そのような圧接を可能とする治具、フレーム、ハイジング、ケーシング等を用いることにより、第１及び第２のミドルサイド電極５０、５１同士を必ずしも接合せずに、パワーモジュールを構成することができる。

図９においては、そのような治具やフレームは示されていないが、例えば、ローサイド電極４０及びハイサイド電極６０の両側から、中央に向かって挟み込むように押圧力を加えれば、そのような圧接固定を実現することができる。

実施例４に係る半導体装置によれば、接合材を用いることなく半導体装置を構成することができ、半導体装置が用いられる用途に応じた治具、フレーム、ケーシング、ハウジング等に挿入されて用いられることにより、簡潔な構造でありながら、高い信頼性のパワーモジュールを構成することができる。

図１０は、本発明の実施例５に係る半導体装置の一例を示した図である。実施例５においては、実施例４に係る半導体装置を、３相交流モータの駆動回路として構成した例を説明する。実施例４に係る半導体装置は、ハイブリッド車の主軸駆動用モータと発電用モータを駆動するための車載用半導体装置として構成されている。

実施例５に係る半導体装置は、第１モータ駆動回路１５０と、第２モータ駆動回路１６０と、冷却器固定用ハウジング１７０と、押さえバネ保持用ボス１７１と、押さえバネ１７５と、冷却チューブ１８０とを有する。

第１モータ駆動回路１５０は、ハイブリッド車の主軸駆動用モータを駆動するインバータであり、Ｕ相回路部１５１、Ｖ相回路部１５２及びＷ相回路部１５３を有する。

第２モータ駆動回路１６０は、ハイブリッド車の発電用モータ（発電機）を駆動するインバータであり、実施例４に係る半導体装置がＵ相、Ｖ相、Ｗ相に対応して備えられている。

冷却固定用ハウジング１７０は、冷却チューブ１８０を固定するためのハウジングである。

押さえバネ保持用ボス１７１は、押さえバネ１７５を固定するためのボスであり、冷却器固定用ハウジングに固定されている。

押さえバネ１７５は、冷却チューブ１８０を介して、第１モータ駆動回路１５０及び第２モータ駆動回路１６０を冷却器固定用ハイジング１７０側に弾性力により押圧し、第１モータ駆動回路１５０及び第２モータ駆動回路１６０を固定するための押圧手段である。

冷却チューブ１８０は、第１モータ駆動回路１５０及び第２モータ駆動回路１６０の駆動回路を冷却する手段である。冷却チューブ１８０の内部を冷却水が循環し、各回路から発生された熱を熱交換し、駆動回路を冷却する。冷却チューブ１８０は、その内部にフィン１８１を有し、熱交換の効率を高めている。

実施例５に係る半導体装置において、第１モータ駆動回路１５０のＵ相回路部１５１、Ｖ相回路部１５２及びＷ相回路部１５３を両側から挟むように冷却チューブ１８０が設けられ、同様に、第２モータ駆動回路１６０のやはり両側から挟むように冷却チューブ１８０が設けられている。

また、図１０において、第１モータ駆動回路１５０のＵ相回路部１５１、Ｖ相回路部１５２及びＷ相回路部１５３は、実施例１乃至４に係る半導体装置とは異なり、１段型パワーモジュールとして構成されている。これは、主軸駆動用モータは、大電流容量モータなので、第１モータ駆動回路１５０の各回路１５１〜１５３は通電量が多くなり、発熱量が多いので、比較的高価ではあるが、冷却性能が高い両面冷却方式を用いる必要があるからである。

一方、第２モータ駆動回路１６０は、実施例１乃至４で説明したように、２段積層型パワーモジュールとして構成されている。一般に、発電用モータは小電流容量で、各駆動用のパワーモジュールの通電量が少なく、従って駆動回路の発熱量が少ない。よって、高価で高効率の冷却性能を有する両面冷却方式が必ずしも必要とは限らない。そのような場合には、小電流容量の駆動用パワーモジュールだけ、２段積層型を採用し、これに両面冷却方式を用いると、発熱量と冷却効果及び費用とのバランスがとれる。また、２段積層型のパワーモジュールは、小型化、低インダクタンス化によるエネルギー効率改善等の効果が得られるため、非常にバランスの良い構成とすることができる。

図１１は、第２モータ駆動回路１６０における接合部の構成の一例を示した図である。図１１において、各構成要素には、実施例４と同様の参照符号を付す。

図１１において、第１のミドルサイド電極５０と第２のミドルサイド電極５１が対向する面において、封止樹脂１００に凸部１０１ａと凹部１０１ｂからなる嵌合構造１０１が形成されている。図１１においては、下アーム１１０側に凹部１０１ｂが形成され、上アーム１２０側に凸部１０１ａが形成されている。これにより、下アーム１１０と上アーム１２０の位置決めを適切に行うことができる。

また、図１１において、封止樹脂１００の表面が、ミドルサイド電極５０、５１よりも数μｍ〜数十μｍ低く削られている。これにより、ミドルサイド電極５０、５１同士の密着を高めることができ、圧接のみで十分な接触を保つことができる。

図１２は、実施例５の第２モータ駆動回路１６０における接合部の構成の他の例を示した図である。図１２において、各構成要素には、実施例４と同様の参照符号を付す。

図１２において、ミドルサイド電極５０、５１同士の対向面に、凸部５４ａと凹部５４ｂからなる嵌合構造５４が形成されている。これにより、ミドルサイド電極５０、５１同士の位置決めを適切に行うことができる。また、第２のミドルサイド電極５１の封止樹脂１００の表面が、ミドルサイド電極５０、５１より低くなっている点は、図１１と同様である。これにより、ミドルサイド電極５０、５１同士の十分な接触を得ることができる。なお、図１２に示すように、ミドルサイド電極５０、５１の一方についてのみ、封止樹脂１００の表面を削る場合であっても、ミドルサイド電極５０、５１同士の密着性を高めることができるので、このような構成としてもよい。

このように、上アーム１２０と下アーム１１０の接合面に嵌合構造５４を形成し、封止樹脂１００の高さをミドルサイド電極５０、５１より低くすることにより、圧接によっても、十分な接触を得ることができる。

なお、図１２では、凸部５４ａと凹部５４ｂの嵌合構造５４を２組示したが、１組以上あれば位置決めを行うことができるので、嵌合構造５４は、少なくとも１組の凸部５４ａと凹部５４ｂを備えていればよい。

また、凸部５４ａ及び凹部５４ｂの嵌合構造５４は、必ずしも必須の構成ではなく、例えば、外部から治具等により保持することでパワーモジュールの位置決めを行うようにしてもよく、その場合には、凸部５４ａ及び凹部５４ｂからなる嵌合構造５４は不要となる。

図１３は、実施例５の１段パワーモジュール単体の構成を示した図である。図１３（Ａ）は、１段パワーモジュール単体の外観を示した斜視図である。図１３（Ａ）においては、パワーモジュール本体１５５が、ヒートシンク兼電極Ｃによって両面から挟まれ、バスバＢと制御端子７９が外側に突出した構成となっている。

図１３（Ｂ）は、１段パワーモジュール単体の回路図である。図１３（Ｂ）において、半導体素子１９と整流素子２９が並列に接続され、入力電極Ｂｉｎと出力電極Ｂｏｕｔが示されている。

図１３（Ｃ）は、両面冷却型パワーモジュールの断面図である。図１３（Ｃ）において、パワーモジュールは、半導体素子１０とブロック電極３９が積層され、コレクタ電極Ｃとエミッタ電極Ｅとの間に挟まれ、封止樹脂１００で封止された構成を有する。また、入力バスバＢｉｎ、出力バスバＢｏｕｔ、信号線８９及び制御端子７９を備えている。

図１４は、実施例５の第２モータ駆動回路１６０等の３相交流モータを駆動するインバータ回路の一例を示した図である。図１４において、下アーム１１１に搭載されたローサイド回路は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に対応して半導体素子１２ｕ、１２ｖ、１２ｗ及び整流素子２２ｕ、２２ｖ、２２ｗを備えている。同様に、上アーム１２３に搭載されたハイサイド回路は、半導体素子１３ｕ、１３ｖ、１３ｗ及び整流素子２３ｕ、２３ｖ、２３ｗを備えている。下アーム１１１と上アーム１２３は、ミドルサイド電極５５ｕ、５５ｖ、５５ｗにおいてそれぞれ接続され、Ｕ，Ｖ、Ｗ相の各相において、２段のインバータ回路を構成している。

図１５は、実施例５の第２モータ駆動回路１６０に搭載されたインバータ回路の構成を示した図である。図１５（Ａ）は、実施例５の第２モータ駆動回路１６０に搭載されたインバータ回路の断面構成を示した図である。図１５（Ａ）において、下アーム１１１と上アーム１２３が圧接されているが、下アーム１１１はＵ相、Ｖ相、Ｗ相に各々対応した半導体素子１２ｕ、１２ｖ、１２ｗ、スペーサ電極３１、第１のミドルサイド電極５６ｕ、５６ｖ、５６ｗ及び３相共通のローサイド電極４１を備える。同様に、上アーム１２３は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に各々対応した半導体素子１３ｕ、１３ｖ、１３ｗ、スペーサ電極３１、第２のミドルサイド電極５７ｕ、５７ｖ、５７ｗ及び３相共通のハイサイド電極６１を備える。第１のミドルサイド電極５６ｕ、５６ｖ、５６ｗと第２のミドルサイド電極５７ｕ、５７ｖ、５７ｗは圧接されている。そして、ローサイド電極４１及びハイサイド電極６１の両外側から冷却チューブ１８０で冷却することにより、第２モータ駆動回路１６０を冷却することができる。

図１５（Ｂ）は、実施例５の第２モータ駆動回路１６０に搭載されたインバータ回路の斜視図である。図１５（Ｂ）に示すように、下アーム１１１のローサイド電極４１と、第１のミドルサイド電極５６ｕ、５６ｖ、５６ｗは、引き出し電極部を有している。一方、上アーム１２３は、ハイサイド電極６１が示されているが、第２のミドルサイド電極５７ｕ、５７ｖ、５７ｗは、上アーム１２３の裏面側に形成されており、示されない状態となっている。また、ハイサイド電極６１は引き出し電極部を有しているが、第２のミドルサイド電極５７ｕ、５７ｖ、５７ｗは引き出し電極部を有さず、下アーム１１１との接合により、第１のミドルサイド電極５６ｕ、５６ｖ、５６ｗの引き出し電極部が第１のミドルサイド電極５６ｕ、５６ｖ、５６ｗと第２のミドルサイド電極５７ｕ、５７ｖ、５７ｗに共通の引き出し電極部となるように構成されている。

図１６は、実施例５に係る半導体装置の分解斜視図である。図１６に示すように、１段パワーモジュール１５６は、絶縁板１９０で挟まれ、冷却チューブ１８０で両面から挟まれて高効率で冷却されるように構成されている。一方、２段パワーモジュールとして構成される第２モータ駆動用回路１６０は、２段積層状態で両面から冷却される。また、第２モータ駆動回路１６０は、冷却器加圧用バネ１７５で圧接され、パワーモジュールとしての機能を果たす。

なお、実施例５においては、圧接により固定する例を挙げて説明したが、実施例１乃至３に係る半導体装置を、第２モータ駆動回路１６０に適用することもできる。

図１７は、本発明の実施例６に係る半導体装置の接合前の一例を示した断面図である。図１７において、下アーム１１０と、上アーム１２４が示されているが、下アーム１１０の構成は、実施例１に係る半導体装置と同様であるので、各構成要素に同一の参照符号を付してその説明を省略する。

一方、上アーム１２４は、ハイサイド電極６０と、第２の半導体素子１１と、第２の整流素子２１と、制御用端子７１と、ボンディングワイヤ８０と、はんだ９０と、封止樹脂１００を備えている点は、実施例１に係る半導体装置の上アーム１２０と同様であるが、平板状のミドルサイド電極５１が無くなり、柱状のミドルサイド電極５８となっている点で、実施例１に係る半導体装置と異なっている。ミドルサイド電極５８は、実施例１においては、スペーサ電極３０として用いられていた電極であるが、実施例６においては、その柱状のスペーサ電極３０を露出させ、ミドルサイド電極５８として用いている。ミドルサイド電極５８は、下アーム１１０のミドルサイド電極５０と同電位の中間電位であれば、その形状は問わない。よって、実施例６においては、柱状のスペーサ電極３０を露出させ、上アーム１２４のミドルサイド電極５８としている。かかる構成により、平板状のミドルサイド電極５１、５２、５３を除去して半導体装置をより小型に構成することができ、小型高出力の要請に応えることができる。また、平板状の第１のミドルサイド電極５０よりも面積の小さいミドルサイド電極５８で構成することができ、低コストで半導体装置を構成することができる。

なお、この場合、封止樹脂１００の高さは、ミドルサイド電極５８の高さよりも低く構成し、ミドルサイド電極５８が確実にミドルサイド電極５０と接合又は圧接できる構成としている。つまり、ミドルサイド電極５８は、封止樹脂１００からの表面から露出するように設けられるとともに、突出した形状を有している。よって、ミドルサイド電極５８を、突出電極と呼んでもよい。

また、上アーム１２４及び下アーム１１０とも、接合前から樹脂封止されているので、ミドルサイド電極５０、５８の界面の封止樹脂１００との密着度を正確に検査できる点は、実施例１乃至５と同様である。

図１８は、実施例６に係る半導体装置の接合後の一例を示した図である。図１８において、実施例６に係る半導体装置は、下アーム１１０のミドルサイド電極５０と上アーム１２４のミドルサイド電極５８が接合されており、一体化されている。このように、平板状のミドルサイド電極を上アーム１２４側に設けなくても、２段積層型のパワーモジュールを構成することができる。

なお、図１８において、封止樹脂１００の下アーム１１０と上アーム１２４との間隙を埋めるように、シール１０５材が設けられている。実施例６に係る半導体装置の上アーム１２４のミドルサイド電極５８については、側面の界面における封止樹脂１００との密着性を検査する必要があるが、上述の超音波探傷では、超音波が上から入射されるため、側面の検査は行うことができない。よって、実施例６に係る半導体装置においては、封止樹脂１００の外側の面において、水等の侵入を防ぐ構成を用意する必要がある。かかる観点から、図１８においては、上アーム１２４と下アーム１１０との境界の隙間を、シール材１０５で覆うことにより、水分の侵入を防いでいる。図１８に示すように、シール材１０５は、パワーモジュールの外周面にシール材１０５を塗布することにより形成されている。シール材１０５は、透水性が低い材料であれば、種々の材料を用いることができ、例えば、ＦＩＰＧ、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂等を用いることができる。また、密着性が無くても、ゴム系のパッキン、ガスケット、Ｏ−リング、ＣＩＰＧ等でも機能する。ミドルサイド電極５８の側面の剥離は、半導体素子１０、１１の実装面とは異なり、半導体素子１０、１１周辺の応力の発生や、絶縁破壊に繋がらないので、シール材１０５の塗布で十分に信頼性を確保できる。

図１９は、本発明の実施例７に係る半導体装置の一例を示した断面図である。実施例７に係る半導体装置は、上アーム１２５のシール材１０６の位置が異なる以外は、実施例６に係る半導体装置と同様の構成を有するので、同様の構成要素に同一の参照符号を付してその説明を省略する。

図１９において、実施例７に係る半導体装置は、ミドルサイド電極５８の側面周辺にシール材１０６が塗布されている。この場合も、実施例６のシール材１０５とほぼ同様の効果が得られる。また、シール材１０６の材料も、シール材１０５と同様の材料を使用することができる。

実施例６及び実施例７に係る半導体装置によれば、上アーム１２４、１２５の平板状のミドルサイド電極を無くすことにより、小型化及びコスト低減を図ることができる。

図２０は、本発明の実施例８に係る半導体装置の一例を示した断面図である。実施例８に係る半導体装置は、下アーム１１０と上アーム１２６とを備える。下アーム１１０の構成は、実施例１に係る半導体装置と同様であるので、各構成要素に同一の参照符号を付してその説明を省略する。

一方、上アーム１２６においては、第２の半導体素子１１及び第２の整流素子２１の直上の電極がミドルサイド電極５９となっている点で実施例６に係る半導体装置のミドルサイド電極５８と共通するが、その形状が実施例６のミドルサイド電極５８と異なっている。ミドルサイド電極５９は、第２の半導体素子１１上と第２の整流素子２１上とを跨いで接続するようなコの字型の断面形状を有している。このように、第２の半導体素子１１と第２の整流素子２１同士を統合するようなスペーサ電極を設け、これをミドルサイド電極５９としてもよい。なお、その他の上アーム１２６の構成要素は、実施例６に係る半導体装置の下アーム１２４と同様であるので、同一の参照符号を付してその説明を省略する。

ミドルサイド電極５９は、実施例６のように、スペーサ電極３０をそのまま用いる訳ではないが、実施例１に係る半導体装置の平板状の第２のミドルサイド電極５１よりは面積が大幅に小さくなっている。また、ミドルサイド電極５９は、第２の半導体素子１１及び第２の整流素子２１と接合する部分は、スペーサ電極３０と同様に、第２の半導体素子１１及び第２の整流素子２１よりも面積の小さい柱状の形状を有しているので、一種のスペーサ電極として機能している。このように、第２の半導体素子１１及び第２の整流素子２１の直上に設けられたスペーサ電極を、表面が露出した接合用のミドルサイド電極５９として用いることにより、ミドルサイド電極を１枚減らすことができるため、小型に構成することができるとともに、製造コストを低減することができる。また、ミドルサイド電極５９は、実施例１乃至３で示した第２の半導体素子１１及び第２の整流素子２１の全体を覆う平板状の第２のミドルサイド電極５１、５２、５３より面積が大幅に小さいので、この点からも更に低コスト化を図ることができる。

また、ミドルサイド電極５９は、実施例６と同様に、その表面が封止樹脂１００から露出するように設けられ、封止樹脂１００の表面から突出している。つまり、封止樹脂１００は、ミドルサイド電極５９の表面よりも高さが低くなるように構成されている。このように、ミドルサイド電極５９を、封止樹脂１００の表面よりも表面が突出した突出電極として構成することにより、小さい面積でも下アーム１００側の第１のミドルサイド電極５０との接合を確実に行うことができる。

なお、実施例８に係る半導体装置においては、実施例６、７と同様に、シール材１０５、１０６を封止樹脂１００の外側又はミドルサイド電極５９の側面に設けることが好ましい。これにより、水の浸入を確実に防止することができる。

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。

特に、実施例１乃至８においては、下アームの上に上アームを接合する例を挙げて説明したが、ミドルサイド電極同士を接合する限り、上アームと下アームは逆にして構成することができ、この場合でも、本実施例を好適に適用することができる。

本発明は、半導体素子を用いたインバータ等のパワーモジュールに利用することができる。

１０、１１ 半導体素子
２０、２１ 整流素子
３０ スペーサ電極
４０、４１ ローサイド電極
５０〜５３、５５ｕ〜ｗ、５６ｕ〜ｗ、５７ｕ〜ｗ、５８、５９ ミドルサイド電極
５４、１０１ 嵌合構造
５４ａ、１０１ａ 凸部
５４ｂ、１０１ｂ 凹部
６０、６１ ハイサイド電極
７０、７１、７９ 制御用端子
８０、８９ ボンディングワイヤ
９０ はんだ
１００ 封止樹脂
１０５、１０６ シール材
１１０、１１１ 下アーム
１２０〜１２５ 上アーム
１３０、１３１ 接合層
１３２ 圧接接触界面
１３５ 接合部
１４０ 電源
１５０ 第１モータ駆動回路
１６０ 第２モータ駆動回路
１７０ 冷却器固定用ハウジング
１７１ 押さえバネ保持ボス
１７５ 押さえバネ
１８０ 冷却チューブ
１８１ フィン
１９０ 絶縁板

Claims (16)

1. 第１の半導体素子を有し、該第１の半導体素子を両面から挟むように、該第１の半導体素子の各面に導通してローサイド電極及び第１のミドルサイド電極が設けられ、該ローサイド電極及び第１のミドルサイド電極の外側の面が露出するように封止樹脂によりモールド成形された第１の樹脂モールドと、
   第２の半導体素子を有し、該第２の半導体素子を両面から挟むように、該第２の半導体素子の各面に導通してハイサイド電極及び第２のミドルサイド電極が設けられ、該ハイサイド電極及び第２のミドルサイド電極の外側の面が露出するように封止樹脂によりモールド成形された第２の樹脂モールドとを有し、
   前記第１のミドルサイド電極と前記第２のミドル電極の外側の面同士が、接合又は圧接により一体的に固定されるとともに、電気的に接続されたことを特徴とする半導体装置。
2. 前記接合は、導電性を有する接合材により行われることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記接合材は、はんだ、導電性接着剤、Ａｇナノペースト材又はＩｎ拡散層であることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記圧接は、弾性力の印加による接触固定であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
5. 前記接触固定は、前記第１の樹脂モールドの前記封止樹脂と前記第２の樹脂モールドの前記封止樹脂との対向面に形成された凹凸の嵌合構造により位置決めされて行われることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
6. 前記接触固定は、前記第１のミドルサイド電極と前記第２のミドルサイド電極との対向面に形成された凹凸の嵌合構造により位置決めされて行われることを特徴とする請求項４又は５に記載の半導体装置。
7. 前記第１のミドルサイド電極及び前記第２のミドルサイド電極は、前記封止樹脂の側面よりも外側に飛び出した第１の引き出し電極部及び第２の引き出し電極部を各々有し、
   該第１の引き出し電極部と該第２の引き出し電極部との接合により電気的に接続されたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の半導体装置。
8. 前記ローサイド電極と前記第１のミドルサイド電極との間及び前記ハイサイド電極と前記第２のミドルサイド電極との間には、前記第１の半導体素子及び前記第２の半導体素子よりも面積が小さい柱状のスペーサ電極が各々設けられ、
   前記ローサイド電極と前記第１のミドルサイド電極の少なくとも一方は、前記スペーサ電極を介して前記第１の半導体素子に導通し、前記ハイサイド電極と前記第２のミドルサイド電極の少なくとも一方は、前記スペーサ電極を介して前記第２の半導体素子に導通していることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の半導体装置。
9. 前記第１のミドルサイド電極及び前記第２のミドルサイド電極のいずれか一方は、前記第１の樹脂モールド又は前記第２の樹脂モールドから表面が露出するように設けられたスペーサ電極であり、
   前記第１のミドルサイド電極及び前記第２のミドルサイド電極の他方は、前記スペーサ電極よりも面積が大きい板状の電極であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の半導体装置。
10. 前記スペーサ電極は、前記第１の半導体素子及び前記第２の半導体素子よりも面積が小さい柱状の形状を含み、前記第１の樹脂モールド又は前記第２の樹脂モールドよりも表面が突出していることを特徴とする請求項９に記載の半導体装置。
11. 前記第１の樹脂モールドと前記第２の樹脂モールドとの間の側面が、シール材により封止されたことを特徴とする請求項９又は１０に記載の半導体装置。
12. 前記スペーサ電極の側面と前記封止樹脂との間が、シール材により封止されたことを特徴とする請求項９又は１０に記載の半導体装置。
13. 前記第１の樹脂モジュールは、前記第１の半導体素子に前記ローサイド電極側で並列に接続された第３及び第４の半導体素子を含んで３相のローサイド回路を構成し、
    前記第２の樹脂モジュールは、前記第２の半導体素子に前記第ハイサイド電極側で並列に接続された第５及び第６の半導体素子を含んで３相のハイサイド回路を構成し、
    前記第３の半導体素子の第３のミドルサイド電極と前記第５の半導体素子の第５のミドルサイド電極同士、前記第４の半導体素子の第４のミドルサイド電極と前記第６の半導体素子の第６のミドルサイド電極同士が接合又は圧接され、３相交流モータを駆動するインバータ回路を構成したことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の半導体装置。
14. ローサイド電極と第１のミドルサイド電極との間に第１の半導体素子が配置され、はんだ接合により該第１の半導体素子の２面と前記ローサイド電極及び前記第１のミドルサイド電極が導通固定された状態で、前記ローサイド電極及び前記第１のミドルサイド電極の外側の面が露出するように封止樹脂によりモールド成形し、第１の樹脂モールドを形成する第１の樹脂モールド形成工程と、
    ハイサイド電極と第２のミドルサイド電極との間に第２の半導体素子が配置され、はんだ接合により該第１の半導体素子の２面と前記ローサイド電極及び前記第２のミドルサイド電極が導通固定された状態で、前記ハイサイド電極及び前記第２のミドルサイド電極の外側の面が露出するように封止樹脂によりモールド成形し、第２の樹脂モールドを形成する第２の樹脂モールド形成工程と、
    前記第１の樹脂モールドの前記ローサイド電極と前記封止樹脂の界面及び前記第１のミドルサイド電極と前記封止樹脂との界面を超音波探傷により検査する第１の樹脂モールド検査工程と、
    前記第１の樹脂モールドの前記ローサイド電極と前記封止樹脂の界面及び前記第１のミドルサイド電極と前記封止樹脂との界面を超音波探傷により検査する第２の樹脂モールド検査工程と、
    前記第１の樹脂モールド検査工程及び前記第２の樹脂モールド検査工程において、良品と判定された前記第１の樹脂モールド及び前記第２の樹脂モールドの前記第１のミドルサイド電極と前記第２のミドルサイド電極の外側の面同士を、接合又は圧接により一体的に固定するとともに、前記第１のミドルサイド電極と前記第２のミドルサイド電極とを導通させる一体化工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
15. 前記一体化工程における前記接合は、前記第１のミドルサイド電極と前記第のミドルサイド電極の外側の面同士の間に接合材を設け、前記第１のミドルサイド電極と前記第２のミドルサイド電極との間に電圧を印加して通電し、前記接合材を溶融することにより行われることを特徴とする請求項１４に記載の半導体装置の製造方法。
16. 前記第１のミドルサイド電極及び前記第２のミドルサイド電極は、前記封止樹脂の側面よりも外側に飛び出した第１の引き出し電極部及び第２の引き出し電極部を各々有し、
    前記一体化工程における前記第１のミドルサイド電極と前記第２のミドルサイド電極との導通は、該第１の引き出し電極部と該第２の引き出し電極部との接合により行われることを特徴とする請求項１４に記載の半導体装置の製造方法。

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