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WO2024048371A1 - 半導体装置 - Google Patents

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Publication number
WO2024048371A1
WO2024048371A1 PCT/JP2023/030170 JP2023030170W WO2024048371A1 WO 2024048371 A1 WO2024048371 A1 WO 2024048371A1 JP 2023030170 W JP2023030170 W JP 2023030170W WO 2024048371 A1 WO2024048371 A1 WO 2024048371A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
solder
conductor
semiconductor element
electrode
semiconductor device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2023/030170
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
充季 川野
信之 加藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Denso Corp
Original Assignee
Denso Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Denso Corp filed Critical Denso Corp
Priority to CN202380062937.9A priority Critical patent/CN119816945A/zh
Publication of WO2024048371A1 publication Critical patent/WO2024048371A1/ja
Priority to US19/067,182 priority patent/US20250201679A1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K1/00—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K1/00—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering
    • B23K1/14—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering specially adapted for soldering seams
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output
    • H02M7/003—Constructional details, e.g. physical layout, assembly, wiring or busbar connections
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output
    • H02M7/42—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/53—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/537—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/5387—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration
    • H10W70/442—
    • H10W70/461—
    • H10W70/466—
    • H10W70/481—
    • H10W72/30—
    • H10W90/00—
    • H10W90/811—
    • H10W72/01308—
    • H10W72/352—
    • H10W90/736—
    • H10W90/755—

Definitions

  • the disclosure in this specification relates to a semiconductor device.
  • Patent Document 1 discloses a semiconductor device including a semiconductor element that constitutes an upper arm of an upper and lower arm circuit, and a semiconductor element that constitutes a lower arm.
  • the contents of the prior art documents are incorporated by reference as explanations of technical elements in this specification.
  • the conductor connected to the main electrode on the low potential side of the semiconductor element constituting the upper arm and the conductor connected to the main electrode on the high potential side of the semiconductor element constituting the lower arm are soldered. It is equipped with a joint conductor that connects through. The joint area of the solder joint of the joint conductor is small.
  • a Ni layer is provided on the joint conductor in order to suppress the progression of EM at the solder joint portion of the joint conductor.
  • EM is an abbreviation for ElectroMigration.
  • semiconductor devices are required to be further downsized and have larger currents. In other words, further improvements are required to extend the EM life. Further improvements in semiconductor devices are required from the above-mentioned viewpoints and from other viewpoints not mentioned.
  • the present disclosure has been made in view of such problems, and aims to provide a semiconductor device that can improve the EM life.
  • the semiconductor device which is one of the disclosures, is It has a signal pad and an upper electrode, which is the main electrode, on the upper surface, and the main electrode is on the lower surface, which is the opposite surface in the thickness direction from the upper surface, and has a larger area than the upper electrode when viewed in plan from the thickness direction.
  • a plurality of semiconductor elements each having a lower electrode; a plurality of conductors electrically connected to the main electrode via solder;
  • the plurality of semiconductor elements include a first semiconductor element that constitutes the upper arm of the upper and lower arm circuits, and a first semiconductor element that constitutes the lower arm of the upper and lower arm circuits, and one semiconductor element that is perpendicular to the plate thickness direction so that the upper surfaces are on the same side in the plate thickness direction.
  • the plurality of conductors include a first upper conductor connected to an upper electrode of the first semiconductor element via a first upper solder, and a first lower conductor connected to a lower electrode of the first semiconductor element via a first lower solder. a second upper conductor connected to the upper electrode of the second semiconductor element via the second upper solder; and a second lower conductor connected to the lower electrode of the second semiconductor element via the second lower solder.
  • each solder contains Cu and Sn,
  • Each of the connection targets of each solder has a Ni layer,
  • the particle size of at least one of the first upper solder, the second upper solder, and the relay solder is smaller than the particle size of the first lower solder and the second lower solder.
  • the current density in the first upper solder, the second upper solder, and the relay solder is higher than the current density in the first lower solder and the second lower solder.
  • the grain size of at least one of the first upper solder, the second upper solder, and the relay solder, which have a high current density is smaller than the grain size of the first lower solder and the second lower solder. This makes it possible to slow down the disappearance of the Ni layer due to EM. As a result, it is possible to provide a semiconductor device that can improve the EM life.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a vehicle drive system to which a semiconductor device according to a first embodiment is applied.
  • FIG. 1 is a plan view showing a semiconductor device according to a first embodiment.
  • 3 is a sectional view taken along line III-III in FIG. 2.
  • FIG. 3 is a sectional view taken along the line IV-IV in FIG. 2.
  • FIG. 3 is a plan view with the sealing body omitted.
  • FIG. 3 is a plan view in which a heat sink on the emitter electrode side is omitted. It is a figure showing an output current and a return current.
  • 4 is an enlarged cross-sectional view of region VIII in FIG. 3.
  • FIG. FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of the vicinity of the solder joint surface of the joint.
  • FIG. 7 is an enlarged cross-sectional view of the vicinity of the solder joint surface of the joint in the semiconductor device according to the second embodiment.
  • FIG. 7 is a plan view showing a heat sink including a joint portion in a semiconductor device according to a third embodiment.
  • 15 is an enlarged view of region XV in FIG. 14.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing a solder joint structure of a joint portion in a semiconductor device according to a fourth embodiment. It is a sectional view showing a modification.
  • the semiconductor device of this embodiment is applied, for example, to a power conversion device for a moving object that uses a rotating electric machine as a drive source.
  • mobile objects include electric vehicles such as electric vehicles (BEV), hybrid vehicles (HEV), and plug-in hybrid vehicles (PHEV), flying vehicles such as electric vertical takeoff and landing aircraft and drones, ships, construction machinery, and agricultural machinery.
  • BEV electric vehicles
  • HEV hybrid vehicles
  • PHEV plug-in hybrid vehicles
  • flying vehicles such as electric vertical takeoff and landing aircraft and drones, ships, construction machinery, and agricultural machinery.
  • a vehicle drive system 1 includes a DC power source 2, a motor generator 3, and a power converter 4.
  • the DC power supply 2 is a DC voltage source composed of a rechargeable and dischargeable secondary battery.
  • the secondary battery is, for example, a lithium ion battery or a nickel metal hydride battery.
  • the motor generator 3 is a three-phase AC rotating electric machine.
  • the motor generator 3 functions as a driving source for the vehicle, that is, an electric motor.
  • the motor generator 3 functions as a generator during regeneration.
  • Power conversion device 4 performs power conversion between DC power supply 2 and motor generator 3 .
  • the power conversion device 4 includes a power conversion circuit. As shown in FIG. 1, the power conversion device 4 includes a smoothing capacitor 5 and an inverter 6 that is a power conversion circuit.
  • the smoothing capacitor 5 mainly smoothes the DC voltage supplied from the DC power supply 2.
  • the smoothing capacitor 5 is connected to a P line 7 which is a power line on the high potential side and an N line 8 which is a power line on the low potential side.
  • the P line 7 is connected to the positive pole of the DC power supply 2
  • the N line 8 is connected to the negative pole of the DC power supply 2.
  • a positive terminal of the smoothing capacitor 5 is connected to a P line 7 between the DC power supply 2 and the inverter 6.
  • the negative electrode is connected to the N line 8 between the DC power supply 2 and the inverter 6.
  • Smoothing capacitor 5 is connected in parallel to DC power supply 2 .
  • the inverter 6 is a DC-AC conversion circuit. Inverter 6 converts the DC voltage into three-phase AC voltage and outputs it to motor generator 3 according to switching control by a control circuit (not shown). Thereby, the motor generator 3 is driven to generate a predetermined torque. During regenerative braking of the vehicle, the inverter 6 converts the three-phase AC voltage generated by the motor generator 3 in response to the rotational force from the wheels into a DC voltage under switching control by the control circuit, and outputs the DC voltage to the P line 7. In this way, the inverter 6 performs bidirectional power conversion between the DC power supply 2 and the motor generator 3.
  • the inverter 6 is configured with three-phase upper and lower arm circuits 9.
  • the upper and lower arm circuits 9 are sometimes referred to as legs.
  • the upper and lower arm circuits 9 each have an upper arm 9H and a lower arm 9L.
  • the upper arm 9H and the lower arm 9L are connected in series between the P line 7 and the N line 8, with the upper arm 9H on the P line 7 side.
  • a connection point between upper arm 9H and lower arm 9L is connected to a corresponding phase winding 3a of motor generator 3 via output line 10.
  • Inverter 6 has six arms. At least a portion of each of the P line 7, the N line 8, and the output line 10 is constituted by a conductive member such as a bus bar.
  • each arm includes an IGBT 11 that is a switching element and a diode 12 for freewheeling.
  • IGBT is an abbreviation for Insulated Gate Bipolar Transistor.
  • an n-channel type IGBT 11 is used.
  • the diode 12 is connected in antiparallel to the corresponding IGBT 11.
  • the collector of the IGBT 11 is connected to the P line 7.
  • the emitter of the IGBT 11 is connected to the N line 8.
  • the emitter of the IGBT 11 in the upper arm 9H and the collector of the IGBT 11 in the lower arm 9L are connected to each other.
  • the anode of the diode 12 is connected to the emitter of the corresponding IGBT 11, and the cathode is connected to the collector.
  • the power conversion device 4 may further include a converter as a power conversion circuit.
  • a converter is a DC-DC conversion circuit that converts DC voltage to DC voltages of different values.
  • a converter is provided between DC power supply 2 and smoothing capacitor 5.
  • the converter includes, for example, a reactor and the above-mentioned upper and lower arm circuits 9. According to this configuration, it is possible to raise and lower the voltage.
  • the power conversion device 4 may include a filter capacitor that removes power supply noise from the DC power supply 2.
  • a filter capacitor is provided between the DC power supply 2 and the converter.
  • the power conversion device 4 may include a drive circuit for switching elements that constitute the inverter 6 and the like.
  • the drive circuit supplies a drive voltage to the gate of the IGBT 11 of the corresponding arm based on a drive command from the control circuit.
  • the drive circuit drives the corresponding IGBT 11 by applying a drive voltage, that is, turns it on and turns it off.
  • a drive circuit is sometimes referred to as a driver.
  • the power conversion device 4 may include a control circuit for switching elements.
  • the control circuit generates a drive command for operating the IGBT 11 and outputs it to the drive circuit.
  • the control circuit generates a drive command based on a torque request input from a host ECU (not shown) and signals detected by various sensors.
  • Various sensors include, for example, a current sensor, a rotation angle sensor, and a voltage sensor.
  • the current sensor detects the phase current flowing through the winding 3a of each phase.
  • the rotation angle sensor detects the rotation angle of the rotor of the motor generator 3.
  • the voltage sensor detects the voltage across the smoothing capacitor 5.
  • the control circuit outputs, for example, a PWM signal as a drive command.
  • the control circuit includes, for example, a processor and a memory.
  • ECU is Electronic It is an abbreviation of Control Unit.
  • PWM is an abbreviation for Pulse Width Modulation.
  • FIG. 2 is a plan view showing the semiconductor device 20.
  • FIG. 2 is a top plan view of the semiconductor device 20.
  • FIG. 3 is a sectional view taken along line III-III in FIG. 2.
  • FIG. 4 is a sectional view taken along line IV-IV in FIG. 2.
  • FIG. 5 is a diagram in which the sealing body 30 is omitted from FIG. 2.
  • FIG. 6 is a diagram in which the heat sink 50 on the emitter electrode 42 side is omitted from FIG.
  • the thickness direction of the semiconductor element is referred to as the Z direction.
  • One direction perpendicular to the Z direction is defined as the X direction.
  • the direction perpendicular to both the Z direction and the X direction is defined as the Y direction.
  • the planar shape is the shape viewed from the Z direction, in other words, the shape along the XY plane defined by the X direction and the Y direction. Further, a planar view from the Z direction may be simply referred to as a planar view.
  • the semiconductor device 20 includes a sealing body 30, a semiconductor element 40, heat sinks 50 and 60, a conductive spacer 70, joints 80 to 82, and an external connection terminal 90. ing.
  • the semiconductor device 20 further includes bonding wires 97 and solder 100.
  • the semiconductor device 20 constitutes the upper and lower arm circuit 9 for one phase described above.
  • the sealing body 30 seals some of the other elements constituting the semiconductor device 20. The remaining parts of the other elements are exposed outside the sealing body 30.
  • the sealing body 30 is made of resin, for example.
  • An example of the resin is an epoxy resin.
  • the sealing body 30 is molded from resin by, for example, a transfer molding method. Such a sealing body 30 is sometimes referred to as a sealing resin body, a mold resin, a resin molded body, or the like.
  • the sealing body 30 may be formed using gel, for example. The gel is filled (arranged) in opposing areas of the heat sinks 50 and 60, for example.
  • the sealing body 30 has a substantially rectangular shape in plan view.
  • the sealing body 30 has one surface 30a and a back surface 30b, which is a surface opposite to the one surface 30a in the Z direction, as a surface forming an outline.
  • One surface 30a and back surface 30b are, for example, substantially flat surfaces.
  • It also has side surfaces 30c, 30d, 30e, and 30f that are continuous with the one surface 30a and the back surface 30b.
  • the side surface 30c is a surface from which the main terminals 91 to 93 of the external connection terminal 90 protrude.
  • the side surface 30d is a surface opposite to the side surface 30c in the Y direction.
  • the side surface 30d is a surface from which the signal terminal 94 projects.
  • the side surfaces 30e and 30f are surfaces from which the external connection terminal 90 does not protrude.
  • the side surface 30e is a surface opposite to the side surface 30f in the X direction.
  • the semiconductor element 40 includes a semiconductor substrate 41, an emitter electrode 42, a collector electrode 43, and a pad 44.
  • the semiconductor element 40 is sometimes referred to as a semiconductor chip.
  • the semiconductor substrate 41 is made of a material such as silicon (Si) or a wide bandgap semiconductor having a wider bandgap than silicon, and has a vertical element formed thereon. Examples of wide bandgap semiconductors include silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN), gallium oxide (Ga 2 O 3 ), and diamond.
  • the vertical element is configured to allow a main current to flow in the thickness direction of the semiconductor substrate 41 (semiconductor element 40), that is, in the Z direction.
  • the vertical elements of this embodiment are the IGBT 11 and the diode 12 that constitute one arm.
  • the vertical element is an IGBT in which diodes 12 are connected in antiparallel, that is, an RC-IGBT. RC is an abbreviation for Reverse Conducting.
  • the vertical element is a heating element that generates heat when energized.
  • a gate electrode (not shown) is formed on the semiconductor substrate 41.
  • the gate electrode has, for example, a trench structure.
  • the semiconductor substrate 41 has a substantially rectangular planar shape.
  • the emitter electrode 42 which is one of the main electrodes, is arranged on one surface of the semiconductor substrate 41.
  • a collector electrode 43 which is another main electrode, is arranged on the back surface of the semiconductor substrate 41.
  • One surface of the semiconductor substrate 41 is a surface of the main surface of the semiconductor substrate 41 that is on the one surface 30a side of the sealing body 30 in the thickness direction.
  • the back surface of the semiconductor substrate 41 is the surface of the main surface of the semiconductor substrate 41 that is on the back surface 30b side of the sealing body 30 in the semiconductor substrate 41 in the thickness direction.
  • a current flows between the main electrodes, that is, between the emitter electrode 42 and the collector electrode 43.
  • the emitter electrode 42 also serves as an anode electrode of the diode 12.
  • the collector electrode 43 also serves as the cathode electrode of the diode 12.
  • the collector electrode 43 is formed on almost the entire back surface of the semiconductor substrate 41.
  • the emitter electrode 42 is formed on a portion of one surface of the semiconductor substrate 41. That is, in plan view, the collector electrode 43 has a larger area than the emitter electrode 42.
  • the emitter electrode 42 corresponds to the upper electrode
  • the collector electrode 43 corresponds to the lower electrode.
  • the emitter electrode 42 has a Ni layer formed using a material whose main component is Ni (nickel).
  • the emitter electrode 42 of this embodiment is formed using a material whose main component is Al (aluminum), and includes an Al layer and a Ni layer stacked on the Al layer.
  • the collector electrode 43 also has an Al layer and a Ni layer.
  • the pad 44 is a signal electrode.
  • the pad 44 is formed on one surface of the semiconductor substrate 41 in a region different from the region where the emitter electrode 42 is formed.
  • the pad 44 is formed at the end opposite to the region where the emitter electrode 42 is formed in the Y direction.
  • the pad 44 is provided in parallel with the emitter electrode 42 in the Y direction.
  • the number of pads 44 is not particularly limited.
  • Pad 44 includes at least a pad for a gate electrode.
  • the semiconductor element 40 has five pads 44. Specifically, it has a gate electrode, an emitter potential detection, a cathode potential detection of a temperature-sensitive diode (not shown) included in the semiconductor element 40, an anode potential detection, and a current sensing.
  • the five pads 44 are lined up along the X direction.
  • the semiconductor device 20 includes two semiconductor elements 40. Specifically, it includes a semiconductor element 40H that constitutes an upper arm 9H, and a semiconductor element 40L that constitutes a lower arm 9L.
  • the semiconductor element 40H is sometimes referred to as a first semiconductor element, an upper arm element, or the like.
  • the semiconductor element 40L is sometimes referred to as a second semiconductor element, a lower arm element, or the like.
  • the semiconductor elements 40H and 40L have similar specifications, that is, they are common members.
  • Semiconductor elements 40H and 40L are lined up in the X direction.
  • the semiconductor elements 40H and 40L are arranged at substantially the same position in the Z direction.
  • the semiconductor elements 40H and 40L are arranged so that their surfaces, that is, their emitter electrodes 42 are located on the same side in the Z direction.
  • the heat sink 50 is electrically connected to the emitter electrode 42 and provides a wiring function.
  • heat sink 60 is electrically connected to collector electrode 43 and provides a wiring function.
  • the heat sinks 50 and 60 provide a heat dissipation function for dissipating heat generated by the semiconductor element 40.
  • the heat sinks 50 and 60 are sometimes referred to as wiring members, conductive members, heat radiating members, and the like.
  • the heat sinks 50 and 60 are arranged to sandwich the semiconductor element 40 in the Z direction.
  • the heat sinks 50 and 60 are arranged so that at least a portion thereof faces each other in the Z direction.
  • the heat sinks 50 and 60 enclose the semiconductor element 40 in a plan view.
  • the heat sinks 50 and 60 are metal plates made of a metal with good conductivity such as Cu or Cu alloy.
  • the metal plate is provided, for example, as part of a lead frame.
  • the heat sinks 50 and 60 have a Ni layer formed by plating or the like on their surfaces.
  • the heat sinks 50 and 60 have a Ni layer on at least the solder joint surface.
  • the wiring member instead of the heat sinks 50 and 60, a substrate having metal bodies arranged on both sides of an insulating base material such as ceramic or resin may be used.
  • the metal body on the semiconductor element 40 side corresponds to a conductor to be soldered, that is, an upper conductor and a lower conductor.
  • the metal body on the semiconductor element 40 side has a Ni layer on the surface.
  • the heat sink 50 has a facing surface 50a that is a surface on the semiconductor element 40 side, and a back surface 50b that is a surface opposite to the facing surface 50a.
  • the heat sink 60 also has a facing surface 60a and a back surface 60b.
  • the back surfaces 50b and 60b of the heat sinks 50 and 60 are exposed from the sealing body 30, respectively.
  • the back surfaces 50b and 60b are sometimes referred to as heat radiation surfaces, exposed surfaces, and the like.
  • the back surface 50b of the heat sink 50 is substantially flush with the one surface 30a of the sealing body 30.
  • the back surface 60b of the heat sink 60 is substantially flush with the back surface 30b of the sealing body 30.
  • the semiconductor device 20 includes two heat sinks 50. Specifically, it includes a heat sink 50H that constitutes the upper arm 9H and a heat sink 50L that constitutes the lower arm 9L.
  • the heat sink 50H corresponds to the first main body of the first upper conductor
  • the heat sink 50L corresponds to the second main body of the second upper conductor.
  • the heat sinks 50H and 50L have a substantially rectangular planar shape.
  • the heat sinks 50H and 50L are arranged in the X direction.
  • the heat sinks 50H and 50L have substantially the same thickness and are arranged at substantially the same position in the Z direction.
  • the heat sinks 50H and 50L include the corresponding semiconductor elements 40 and conductive spacers 70 in plan view.
  • Grooves 51 for accommodating overflowing solder are formed in the opposing surfaces 50a of each of the heat sinks 50H and 50L. Groove 51 surrounds the solder joint on opposing surface 50a.
  • the groove 51 is formed, for example, in an annular shape.
  • the back surfaces 50b of the heat sinks 50H and 50L exposed from the sealing body 30 are aligned in the X direction.
  • the semiconductor device 20 includes two heat sinks 60. Specifically, it includes a heat sink 60H that constitutes the upper arm 9H and a heat sink 60L that constitutes the lower arm 9L.
  • the heat sink 60H corresponds to the first lower conductor
  • the heat sink 60L corresponds to the second lower conductor.
  • the heat sinks 60H and 60L have a substantially rectangular shape in plan.
  • the heat sinks 60H and 60L are arranged in the X direction.
  • the heat sinks 60H and 60L have substantially the same thickness and are arranged at substantially the same position in the Z direction.
  • the heat sinks 60H and 60L include corresponding semiconductor elements 40 in a plan view.
  • the back surfaces 60b of the heat sinks 60H and 60L exposed from the sealing body 30 are aligned in the X direction.
  • the conductive spacer 70 is interposed between the semiconductor element 40 and the heat sink 50 in the Z direction.
  • the conductive spacer 70 provides a spacer function to ensure a predetermined distance between the semiconductor element 40 and the heat sink 50.
  • the conductive spacer 70 ensures a height for electrically connecting the corresponding signal terminal 94 to the pad 44 of the semiconductor element 40 .
  • the conductive spacer 70 is located in the middle of the electrical and thermal conduction path between the emitter electrode 42 of the semiconductor element 40 and the heat sink 50, and provides a wiring function and a heat dissipation function.
  • the conductive spacer 70 constitutes an upper conductor together with the heat sink 50.
  • the conductive spacer 70 is a metal member made of a metal with good electrical conductivity and thermal conductivity, such as Cu.
  • the conductive spacer 70 is sometimes referred to as a terminal, a terminal block, a metal block, or the like.
  • the conductive spacer 70 has a Ni layer formed by plating or the like on its surface.
  • the conductive spacer 70 has a Ni layer on at least the solder joint surface.
  • the conductive spacer 70 of this embodiment is a columnar body having a substantially rectangular planar shape and having substantially the same size as the emitter electrode 42 in plan view.
  • the semiconductor device 20 includes two conductive spacers 70. Specifically, it includes a conductive spacer 70H that constitutes an upper arm 9H and a conductive spacer 70L that constitutes a lower arm 9L.
  • the conductive spacer 70H corresponds to a first spacer portion of the first upper conductor
  • the conductive spacer 70L corresponds to a second spacer portion of the second upper conductor.
  • the joint parts 80 to 82 connect the elements that make up the upper and lower arm circuit 9.
  • the joints 80 to 82 connect the elements constituting the semiconductor device 20.
  • the joints 80 to 82 are metal members made of a metal with good electrical conductivity and thermal conductivity, such as Cu.
  • the joint parts 80 to 82 have a Ni layer formed by plating or the like on their surfaces.
  • the joints 80 to 82 have a Ni layer on at least the solder joint surfaces.
  • the joint portion 80 is connected to the heat sink 60L.
  • the thickness of the joint portion 80 is thinner than the heat sink 60L.
  • the joint portion 80 is, for example, substantially flush with the opposing surface 60a of the heat sink 60L, and continues to the opposing surface (side surface) of the heat sink 60H.
  • the joint portion 80 has two bent portions and has a substantially crank shape in the ZX plane.
  • the joint portion 80 is covered by the sealing body 30.
  • the joint portion 80 may be continuously and integrally provided with respect to the heat sink 60L, or may be provided as a separate member and connected by bonding.
  • the joint portion 80 of this embodiment is provided integrally with the heat sink 60L as a part of the lead frame.
  • the Ni layer is continuously and integrally provided to the heat sink 60L and the joint portion 80.
  • the joint parts 81 and 82 are connected to the corresponding heat sinks 50.
  • the joint portion 81 is connected to the heat sink 50H.
  • the joint portion 82 is connected to the heat sink 50L.
  • the thickness of the joint parts 81 and 82 is thinner than that of the corresponding heat sink 50.
  • the joint parts 81 and 82 are covered with the sealing body 30.
  • the joint parts 81 and 82 may be connected by being continuously provided integrally with the heat sink 50, or may be provided as separate members and connected by joining.
  • the joint parts 81 and 82 of this embodiment are provided integrally with the corresponding heat sinks 50H and 50L.
  • the joint parts 81 and 82 extend in the X direction from the mutually opposing side surfaces of the heat sinks 50H and 50L.
  • the Ni layer is continuously and integrally provided to the heat sink 50H and the joint portion 81.
  • the Ni layer is continuously and integrally provided to the heat sink 50L and the joint portion 82.
  • the heat sink 50H including the joint portion 81 and the heat sink 50L including the joint portion 82 are common members.
  • the arrangement of the heat sink 50H including the joint portion 81 and the heat sink 50L including the joint portion 82 is two-fold symmetrical with respect to the Z axis as the rotation axis.
  • Solder is interposed between the opposing surfaces of the joint portion 80 and the joint portion 81 to form a solder joint.
  • the joint parts 81 and 82 are arranged between the heat sinks 50H and 50L in plan view.
  • the joint parts 81 and 82 are arranged in the Y direction between the heat sinks 50H and 50L.
  • a groove 83 is formed in the joint surfaces of the joint parts 81 and 82 to accommodate overflowing solder.
  • the groove 83 is formed in an annular shape so as to surround the solder joint.
  • the groove 83 is formed, for example, by press working.
  • the joint parts 80 and 81 correspond to a joint conductor and a first joint conductor.
  • the joint portion 82 corresponds to a second joint conductor.
  • the external connection terminal 90 is a terminal for electrically connecting the semiconductor device 20 to external equipment.
  • the external connection terminal 90 is formed using a metal material with good conductivity, such as copper.
  • the external connection terminal 90 is, for example, a plate material.
  • the external connection terminal 90 is sometimes called a lead.
  • the external connection terminal 90 includes main terminals 91 , 92 , 93 and a signal terminal 94 .
  • the main terminals 91 , 92 , and 93 are external connection terminals 90 electrically connected to the main electrodes of the semiconductor element 40 .
  • the main terminal 91 is electrically connected to the collector electrode 43 of the semiconductor element 40H.
  • Main terminal 91 is electrically connected to the positive terminal of smoothing capacitor 5 .
  • the main terminal 91 is sometimes referred to as a P terminal, a high potential power supply terminal, or the like.
  • the main terminal 91 is connected to the collector electrode 43 of the semiconductor element 40H via the heat sink 60H.
  • the main terminal 91 is connected to one end of the heat sink 60H in the Y direction.
  • the thickness of the main terminal 91 is thinner than the heat sink 60H.
  • the main terminal 91 is connected to the heat sink 60H, for example, so as to be substantially flush with the opposing surface 60a.
  • the main terminal 91 may be continuously and integrally provided with respect to the heat sink 60H, or may be provided as a separate member and connected by bonding.
  • the main terminal 91 of this embodiment is provided integrally with the heat sink 60H as part of the lead frame.
  • the main terminal 91 extends from the heat sink 60H in the Y direction and projects outward from the side surface 30c of the sealing body 30.
  • the main terminal 91 has a bent part in the middle of the portion covered by the sealing body 30, and protrudes from near the center in the Z direction on the side surface 30c.
  • the main terminal 92 is electrically connected to the emitter electrode 42 of the semiconductor element 40L.
  • Main terminal 92 is electrically connected to the negative terminal of smoothing capacitor 5 .
  • the main terminal 92 is sometimes referred to as an N terminal, a low potential power supply terminal, or the like.
  • the main terminal 92 is connected to the emitter electrode 42 of the semiconductor element 40L via the joint portion 82, the heat sink 50L, and the conductive spacer 70L.
  • the main terminal 92 extends in the Y direction and protrudes outside the sealing body 30 from the same side surface 30c as the main terminal 91.
  • the main terminal 92 has a connecting portion 920 with the joint portion 82 near one end in the Y direction. A portion of the main terminal 92 including the connection portion 920 is covered by the sealing body 30, and the remaining portion protrudes from the sealing body 30.
  • the connecting portion 920 is thicker than the portion protruding from the sealing body 30.
  • the plate thickness of the connecting portion 920 is, for example, approximately the same thickness as the heat sink 50L.
  • the main terminal 92 also has a bent portion like the main terminal 91, and protrudes from near the center in the Z direction on the side surface 30c.
  • the main terminal 92 has a Ni layer formed by plating or the like on its surface.
  • the main terminal 92 has a Ni layer at least on the solder joint surface of the connecting portion 920 .
  • the main terminal 93 is connected to the connection point between the upper arm 9H and the lower arm 9L.
  • the main terminal 93 is electrically connected to the emitter electrode 42 of the semiconductor element 40H and the collector electrode 43 of the semiconductor element 40L.
  • Main terminal 93 is electrically connected to winding 3 a of the corresponding phase of motor generator 3 .
  • the main terminal 93 is sometimes referred to as an output terminal, an AC terminal, an O terminal, or the like.
  • the main terminal 93 is electrically connected to the emitter electrode 42 of the semiconductor element 40H via the heat sink 60L, the joints 80 and 81, the heat sink 50H, and the conductive spacer 70H.
  • the main terminal 93 is connected to the collector electrode 43 of the semiconductor element 40L via the heat sink 60L.
  • the main terminal 93 is connected to one end of the heat sink 60L in the Y direction.
  • the thickness of the main terminal 93 is thinner than the heat sink 60L.
  • the main terminal 93 is connected to the heat sink 60L, for example, so as to be substantially flush with the opposing surface 60a.
  • the main terminal 93 may be continuously and integrally provided with respect to the heat sink 60L, or may be provided as a separate member and connected by bonding.
  • the main terminal 93 of this embodiment is provided integrally with the heat sink 60L as a part of the lead frame.
  • the main terminal 93 extends from the heat sink 60L in the Y direction, and protrudes outside the sealing body 30 from the same side surface 30c as the main terminal 91.
  • the main terminal 93 also has a bent portion like the main terminal 91, and protrudes from near the center in the Z direction on the side surface 30c.
  • the three main terminals 91 to 93 are arranged in the order of main terminal 91, main terminal 92, and main terminal 93 in the X direction.
  • the signal terminals 94 are electrically connected to the corresponding pads 44 of the semiconductor element 40.
  • the signal terminal 94 of this embodiment is electrically connected to the pad 44 via a bonding wire 97.
  • the signal terminal 94 extends in the Y direction and projects outward from the side surface 30d of the sealing body 30.
  • the semiconductor device 20 includes five signal terminals 94 for one semiconductor element 40, that is, a total of ten signal terminals 94.
  • the plurality of signal terminals 94 are arranged in line in the X direction.
  • the signal terminal 94 is configured, for example, on a common lead frame with the heat sink 60 and the main terminals 91 to 93.
  • the semiconductor device 20 is equipped with a hanging lead 95.
  • the heat sink 60 (60H, 60L), the joint portion 81, the main terminals 91 to 93, and the signal terminal 94 are configured in a lead frame that is a common member.
  • the lead frame is a irregularly shaped strip with partially different thicknesses.
  • the signal terminal 94 is supported by a hanging lead 95 via a tie bar (not shown) before being cut. Unnecessary parts of the lead frame, such as the tie bars and the outer peripheral frame, are cut (removed) after the sealing body 30 is molded.
  • the semiconductor device 20 includes a plurality of solders 100 for connecting elements.
  • Solder 100 includes solders 101H, 101L, 102H, 102L, 103H, 103L, 104, and 105.
  • Solder 101H is interposed between emitter electrode 42 of semiconductor element 40H and conductive spacer 70H, and joins emitter electrode 42 and conductive spacer 70H.
  • Solder 102H is interposed between conductive spacer 70H and heat sink 50H, and joins conductive spacer 70H and heat sink 50H.
  • Solders 101H and 102H correspond to the first upper solder.
  • Solder 103H is interposed between collector electrode 43 of semiconductor element 40H and heat sink 60H, and joins collector electrode 43 and heat sink 60H.
  • Solder 103H corresponds to the first lower solder.
  • solder 101L is interposed between the emitter electrode 42 of the semiconductor element 40L and the conductive spacer 70L, and joins the emitter electrode 42 and the conductive spacer 70L.
  • Solder 102L is interposed between conductive spacer 70L and heat sink 50L, and joins conductive spacer 70L and heat sink 50L.
  • Solders 101L and 102L correspond to second upper solder.
  • the solder 103L is interposed between the collector electrode 43 of the semiconductor element 40L and the heat sink 60L, and joins the collector electrode 43 and the heat sink 60L.
  • the solder 103L corresponds to the second lower solder.
  • solders 101H and 101L are sometimes referred to as on-device solder.
  • the solders 102H and 102L are sometimes referred to as solder on the spacer.
  • Solders 103H and 103L are sometimes referred to as under-element solder.
  • the solder 104 electrically connects the heat sink 50H and the heat sink 60L together with the joint parts 80 and 81.
  • the solder 104 of this embodiment is interposed between the joint part 80 connected to the heat sink 60L and the joint part 81 connected to the heat sink 50H, and joins the joint parts 80 and 81.
  • the solder 104 corresponds to a relay solder, a first relay solder.
  • Solder 105 electrically connects heat sink 50L and main terminal 92 together with joint portion 82 .
  • the solder 105 of this embodiment is interposed between the joint part 82 connected to the heat sink 50L and the connection part 920 of the main terminal 92, and joins the joint part 82 and the main terminal 92.
  • Solder 105 corresponds to second relay solder.
  • Each of the plurality of solders 100 contains Cu and Sn.
  • the solder 100 is, for example, a multi-component lead-free solder containing Cu, Bi, Sb, etc., with the remainder being Sn.
  • the thickness of each solder 100 is, for example, about 100 ⁇ m.
  • the sealing body 30 includes a plurality of semiconductor elements 40, a portion of each of the heat sinks 50, a portion of each of the heat sinks 60, a conductive spacer 70, a portion of each of the joints 80 to 82, main terminals 91 to 93, and a portion of each of the signal terminals 94. , integrally sealed.
  • the semiconductor element 40 is arranged between the heat sinks 50 and 60 in the Z direction.
  • the semiconductor element 40 is sandwiched between heat sinks 50 and 60 that are arranged opposite to each other. Thereby, the heat of the semiconductor element 40 can be radiated to both sides in the Z direction.
  • the semiconductor device 20 has a double-sided heat dissipation structure.
  • the back surface 50b of the heat sink 50 is substantially flush with the one surface 30a of the sealing body 30.
  • the back surface 60b of the heat sink 60 is substantially flush with the back surface 30b of the sealing body 30. Since the back surfaces 50b and 60b are exposed surfaces, heat dissipation can be improved.
  • an Au layer may be provided on the above-mentioned Ni layer by plating or the like.
  • Au suppresses oxidation of Ni and improves wettability with solder. Since Au diffuses into the solder during soldering, it exists in the state before bonding and does not exist in the bonded state.
  • FIG. 7 shows, as an example, the output current and return current regarding the semiconductor element 40H on the upper arm 9H side.
  • the output current is shown by a dashed arrow
  • the return current is shown by a dashed-dotted arrow.
  • the output current flows during IGBT operation.
  • the output current on the upper arm 9H side flows from the main terminal 91 to the motor generator 3 via the IGBT 11 of the semiconductor element 40H and the main terminal 93.
  • main terminal 91 P terminal
  • heat sink 60H ⁇ semiconductor element 40H IGBT11
  • Freewheeling current flows when the diode operates.
  • the return current on the upper arm 9H side flows in the opposite direction to the output current, that is, from the main terminal 93 to the DC power supply 2 side via the diode 12 of the semiconductor element 40H and the main terminal 91.
  • the main terminal 93 (O terminal) ⁇ heat sink 60L ⁇ joint part 80 ⁇ joint part 81 ⁇ heat sink 50H ⁇ conductive spacer 70H ⁇ semiconductor element 40H (diode 12) It flows through the path of ⁇ heat sink 60H ⁇ main terminal 91 (P terminal).
  • the output current flows along a path from the main terminal 93 to the IGBT 11 of the semiconductor element 40L to the main terminal 92.
  • the return current flows along a path from the main terminal 92 to the diode 12 of the semiconductor element 40L to the main terminal 93.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing the joint structure of the joint parts 80 and 81 in the semiconductor device 20 according to this embodiment.
  • FIG. 8 is an enlarged cross-sectional view of region VIII indicated by a dashed line in FIG. 3.
  • FIG. 8 For convenience, the wire piece 120 is not shown in FIG. 8 .
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing the wire piece 120 provided on the surface of the joint portion 80. In FIG. 9, the alloy layer 110 is omitted for convenience.
  • FIG. 10 is a sectional view showing a reference example.
  • FIG. 10 corresponds to FIG. 8. In the reference example, the reference numeral of each element is such that r is added to the end of the reference numeral of the related element of the semiconductor device 20.
  • the joint portion 80 has a Cu-based base material 800 and a Ni layer 801 provided on the base material 800.
  • the joint portion 81 also has a Cu base material 810 and a Ni layer 811 provided on the base material 810.
  • the Ni layers 801 and 811 are NiP formed by electroless plating.
  • the Ni layers 801 and 811 are Ni plating films containing P.
  • the semiconductor device 20 includes an alloy layer 110 interposed between the Ni layer 801 and the solder 104, and an alloy layer 111 interposed between the Ni layer 801 and the solder 104. Alloy layers 110, 111 are sometimes referred to as IMC. IMC is an abbreviation for Intermetallic Compound. The alloy layers 110, 111 are formed during solder bonding. Alloy layers 110 and 111 contain Ni, Cu, and Sn. The composition of the alloy layers 110 and 111 is, for example, (Ni—Cu) 3 Sn 4 .
  • the semiconductor device 20 further includes P-rich layers 802 and 812.
  • P-rich layer 802 is formed on the surface of Ni layer 801.
  • P-rich layer 812 is formed on the surface of Ni layer 811.
  • the P-rich layers 802 and 812 are formed by partially diffusing Ni in the Ni layers 801 and 811 to the solder 104 side during bonding.
  • the P-rich layers 802 and 812 are layers richer in P than the Ni layers 801 and 811 (NiP).
  • the composition of the P-rich layers 802 and 812 is, for example, Ni 3 P.
  • At least one of the joint parts 80, 81 has a plurality of wire pieces 120 on the solder joint surface.
  • the wire piece 120 is a small piece of bonding wire.
  • the wire piece 120 is sometimes referred to as a protrusion or stud bond.
  • Wire piece 120 is placed within solder 104 .
  • a plurality of wire pieces 120 are distributed within the solder 104. By appropriately setting the height of the wire piece 120, it is also possible to guarantee the minimum thickness of the solder 104.
  • the plurality of wire pieces 120 are fixed (bonded) to a first opposing surface, which is one of the opposing surfaces constituting the solder joint, and protrude toward a second opposing surface, which is the other opposing surface.
  • a wire piece 120 is provided on the solder joint surface of the joint portion 80.
  • the wire pieces 120 are provided, for example, at a predetermined pitch.
  • the surface of the joint portion 80 has an uneven shape.
  • the solder 104 begins to grow in grains starting from the wire piece 120 when the solder 104 solidifies. Grain boundaries 106 are formed by collision of adjacent grains. The crystal grains grow starting from a corner of the wire piece 120, for example, an upper corner. Therefore, the particle size of the solder 104 is smaller than, for example, the particle size of the solders 103H and 103L. As described above, the thickness of the solder 104 is about 100 ⁇ m. The particle size of the solder 104 is smaller than the thickness of the solder 104, that is, 100 ⁇ m.
  • the particle size of the solder 104 is not controlled.
  • the particle size of the solder 104r is approximately 100 ⁇ m. Only one or two crystal grains of the solder 104r exist in the thickness direction (Z direction) of the solder 104.
  • wire pieces 120 are not placed on solders 103H and 103L among the plurality of solders 100.
  • the particle diameters of the solders 103H and 103L are the same as those of the comparative example shown in FIG.
  • the particle size of the solder 103H and 103L is larger than that of the solder 104 on which the wire piece 120 is placed.
  • FIG. 11 is a reference diagram showing the mechanism of EM progression. Also in FIG. 11, the reference numeral of each element is such that r is added to the end of the reference numeral of the related element of the semiconductor device 20. In the example shown in the reference diagram, the particle size of the solder 104r is not controlled, similar to the configuration shown in FIG. The other configurations are the same as the semiconductor device 20 of this embodiment.
  • FIG. 11 shows the initial stage before energization.
  • An alloy layer 110r is interposed between the Ni layer 801r and the solder 104r. Furthermore, a P-rich layer 802r is formed on the surface of the Ni layer 801r.
  • 2nd, 3rd, and 4th in FIG. 11 indicate when the output current is applied.
  • the dashed arrow indicates the direction in which electrons (e-) flow.
  • Cu of the alloy layer 110r moves (diffuses) toward the joint portion 81r.
  • metal such as Cu is ionized and moves toward the joint portion 81r.
  • the alloy layer 110r gradually becomes thinner and disappears as shown at 3rd in FIG. 11.
  • Ni in the Ni layer 801r moves (diffuses) toward the joint part 81r due to the movement of electrons, the Ni layer 801r decreases, and the P-rich layer 802r decreases. To increase. Then, as shown at 4th in FIG. 11, the Ni layer 801r disappears, and the P-rich layer 802r reaches the base material 800r. In other words, the P-rich layer 802r replaces the Ni layer 801r.
  • the adhesion deteriorates and, for example, voids occur. Furthermore, cracks occur along the interface starting from the voids. Furthermore, cracks may also occur in the P-rich layer 802r.
  • the particle size of the solder 104r is large. There are few grain boundaries in the Cu movement path. Therefore, Cu in the alloy layer 110r is likely to move as electrons move.
  • the particle size of the solder 104 at the junction of the joint parts 80 and 81 where the current density is high is smaller than the particle size of the solder 103H and 103L, which do not control the solder particle size. . Therefore, Cu in the alloy layers 110 and 111 is difficult to move as electrons move. In other words, the alloy layers 110 and 111 are difficult to disappear. It takes longer for the alloy layers 110 and 111 to disappear. This delays the time when the Ni layers 801 and 811 become P-rich layers 802 and 812 and begin to decrease. It takes a long time for the Ni layers 801 and 811 to disappear.
  • the area of the collector electrode 43 which is the main electrode on the high potential side, is larger than the area of the emitter electrode 42, which is the main electrode on the low potential side. Furthermore, because of the miniaturization of the semiconductor device 20, it is difficult to increase the area of the solder joints of the joints 80 and 81 and the solder joint of the joint 82. As a result, in the semiconductor device 20 constituting the upper and lower arm circuit 9 for one phase, the current density of the solders 101H, 101L, 102H, 102L, 104, and 105 becomes higher than the current density of the solders 103H and 103L.
  • EM tends to progress at the joints of the solders 101H, 101L, 102H, 102L, 104, and 105 among the plurality of solders 100.
  • EM is difficult to progress at the joint between the solders 103H and 103L.
  • the particle size of the solder 104 (relay solder, first relay solder) is smaller than the particle size of the solders 103H and 103L (first lower solder and second lower solder).
  • Solder 104 has more grain boundaries 106 between connection targets. The grain boundaries 106 inhibit the movement of Cu. Therefore, Cu in the alloy layers 110 and 111 is difficult to move as electrons move. Therefore, the time required for the alloy layers 110 and 111 to disappear can be lengthened. Furthermore, the time required for the Ni layers 801 and 811 to disappear can be lengthened. As described above, the EM life can be improved.
  • the current density of the semiconductor device 20, that is, the current density of the current-carrying path connected to the main electrode, is maximum at the solder joints of the joints 80 and 81, for example.
  • the particle size of the solder 104 is made small, the EM life can be improved.
  • the effect of the particle size of the solder 104 has been confirmed through trial production. It was confirmed that by reducing the grain size of the solder 104, the disappearance of the alloy layers 110 and 111 was slowed down, that is, the progress of EM could be slowed down. At this time, Ni layers 801 and 811 were formed by electroless NiP plating. The composition of the alloy layers 110 and 111 was (Ni—Cu) 3 Sn 4 .
  • the joint portion 80 has a plurality of wire pieces 120 on the solder joint surface.
  • Solder 104 solidifies starting from wire piece 120 .
  • the wire piece 120 is the starting point for solidification.
  • a wire piece 120 may be provided on the solder joint surface of the joint portion 81. This also causes the solder 104 to solidify starting from the wire piece 120 and become small particles.
  • a wire piece 120 may be provided in each of the joint parts 80 and 81. In other words, it may be provided for at least one of the connection targets.
  • solder 104 is shown as a small particle solder with a small particle size, the present invention is not limited to this. At least one of the plurality of solders 100 other than solders 103H and 103L can be used as the small-grain solder.
  • the solder 105 may be small-grain solder.
  • the particle size of the solder 105 can be made smaller than the particle size of the solders 103H and 103L. Thereby, progress of EM at the joint of the solder 105 can be suppressed.
  • the solders 101H and 101L may be small-grain solder.
  • the particle size of the solder 101H, 101L can be made smaller than the particle size of the solder 103H, 103L. Thereby, it is possible to suppress the progress of EM at the joint between the solders 101H and 101L. This is effective in reducing the size of the semiconductor element 40.
  • the solders 102H and 102L may be small-grain solder.
  • the particle size of the solder 102H, 102L can be made smaller than the particle size of the solder 103H, 103L. Thereby, it is possible to suppress the progress of EM at the joint between the solders 102H and 102L. Similar to reducing the size of the solder particles 101H and 101L, this is effective in reducing the size of the semiconductor element 40.
  • the arrangement of the plurality of wire pieces 120 is not particularly limited.
  • a plurality of wire pieces 120 may be provided at a portion of the solder joint surface of the conductive spacer 70 that overlaps with the vicinity of the center of the semiconductor element 40. EM progresses as the temperature becomes higher and the current density becomes higher.
  • EM progresses as the temperature becomes higher and the current density becomes higher.
  • a plurality of wire pieces 120 may be provided on the solder joint surface of the conductive spacer 70 at portions that overlap with the four corners of the emitter electrode 42. The temperature at the four corners is low and the solder solidifies easily. This can promote particle size reduction.
  • the arrangement of the wire pieces 120 shown in FIG. 12 is not limited to the conductive spacer 70.
  • the emitter electrode 42 may be provided near the center of the element or may be provided at the four corners. In the heat sink 50, it may be provided in a portion that overlaps with the vicinity of the element center, or may be provided in a portion that overlaps with the four corners.
  • the present invention is not limited to this.
  • the heat sink 50 may be provided with a protrusion that provides a spacer function.
  • the heat sink 50 corresponds to the upper conductor.
  • Top solder is interposed between emitter electrode 42 and heat sink 50 and joins emitter electrode 42 and heat sink 50 together.
  • a plurality of wire pieces 120 may be provided on the solder joint surface of the emitter electrode 42 and/or the heat sink 50 to refine the top solder.
  • the present invention is not limited to this.
  • the heat sink 50L, the joint portion 82, and the main terminal 92 may be continuously and integrally provided.
  • the semiconductor device 20 may be configured without the solder 105.
  • the semiconductor device 20 includes two joint parts 80 and 81 for connecting the upper arm 9H and the lower arm 9L
  • the present invention is not limited to this. Only one of the joint parts 80 and 81 may be provided.
  • a configuration may be adopted in which only the joint portion 80 is provided, and the joint portion 80 is connected to the heat sink 50H via the solder 104.
  • a configuration may be adopted in which only the joint portion 81 is provided, and the joint portion 81 is connected to the heat sink 60L via the solder 104.
  • This embodiment is a modification based on the previous embodiment, and the description of the previous embodiment can be used.
  • multiple pieces of wire were provided as starting points for solidification.
  • an uneven oxide film may be provided by laser irradiation.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view showing the uneven oxide film 803 provided on the surface of the joint portion 80 in the semiconductor device 20 according to this embodiment.
  • FIG. 13 corresponds to FIG. 9.
  • the P-rich layer 802 and the alloy layer 110 are omitted for convenience.
  • the joint portion 80 includes a base material 800 and a Ni layer 801 provided on the surface of the base material 800. As shown in FIG. 13, the joint portion 80 further includes an uneven oxide film 803 provided on the Ni layer 801. The uneven oxide film 803 is dispersedly formed at a plurality of locations on the solder joint surface of the joint portion 80 by irradiating the Ni layer 801 with a laser beam.
  • the uneven oxide film 803 is an oxide film containing Ni as a main component.
  • 80% is NI 2 O 3
  • 10% is NiO
  • 10% is Ni.
  • the recess 801a on the surface of the Ni layer 801 is formed by irradiation with pulsed laser light. One recess 801a is formed for each pulse.
  • the uneven oxide film 803 is formed by melting and vaporizing the surface layer portion of the Ni layer 801 by irradiating it with laser light, and then depositing it.
  • the uneven oxide film 803 is an oxide film derived from the Ni layer 801.
  • the uneven oxide film 803 is an oxide film of metal (Ni), which is the main component of the Ni layer 801 .
  • the uneven oxide film 803 is formed to follow the unevenness of the surface of the Ni layer 801 having the recesses 801a. On the surface of the uneven oxide film 803, unevenness is formed at a pitch finer than the width of the recess 801a. That is, very fine irregularities (roughened portions) are formed.
  • the pulsed laser beam is adjusted to have an energy density of greater than 0 J/cm 2 and less than 100 J/cm 2 and a pulse width of 1 ⁇ sec or less.
  • a YAG laser, a YVO 4 laser, a fiber laser, or the like can be used.
  • the energy density is 1 J/cm 2 or more.
  • the Ni layer 801 can be processed even at about 5 J/cm 2 , for example.
  • the oxide film (uneven oxide film 803) has lower wettability to solder than a metal film. Since the uneven oxide film 803 has fine unevenness on its surface, the contact area with the solder becomes small, and a portion of the solder becomes spherical due to surface tension. In other words, the contact angle is large and the wettability to solder is low.
  • the uneven oxide film 803 has low wettability with respect to the solder 104. Therefore, as shown in FIG. 13, voids 121 are formed so as to cover the uneven oxide film 803. A void 121 is formed around the uneven oxide film 803. In the semiconductor device 20, a plurality of voids 121 exist near the solder joint surface of the joint portion 80. The other configurations are the same as those described in the preceding embodiment.
  • a plurality of voids 121 originating from the uneven oxide film 803 exist within the solder 104 .
  • the void 121 is the starting point of solidification.
  • the present invention is not limited thereto.
  • the conductors to be connected it can be provided on other conductors other than the heat sink 60.
  • an uneven oxide film may be provided on the solder joint surface of the joint portion 81.
  • An uneven oxide film may be provided on each of the joint portions 80 and 81.
  • An uneven oxide film may be provided on the solder joint surface of the heat sink 50.
  • An uneven oxide film may be provided on the solder joint surface of the conductive spacer 70.
  • the arrangement of the uneven oxide film is not particularly limited. They may be distributed at a predetermined pitch. As shown in FIG. 12, the heat sink 50 or the conductive spacer 70 may be provided in a portion that overlaps with the vicinity of the center of the element, or may be provided in a portion that overlaps with the four corners.
  • solder particle size was reduced by providing wire pieces and uneven oxide films.
  • unevenness may be provided at the inner circumferential end of the groove for accommodating overflowing solder.
  • FIG. 14 is a plan view showing the heat sink 50H including the joint portion 81 in the semiconductor device 20 according to the present embodiment.
  • FIG. 14 is a plan view seen from the facing surface 50a side.
  • FIG. 15 is an enlarged view of region XV indicated by a dashed line in FIG. 14.
  • FIG. 15 shows the solder 104 placed on the joint portion 81. In FIG. 15, only part of the grain boundary 106 is shown.
  • the joint portion 81 is continuously and integrally provided with the heat sink 50H.
  • the heat sink 50H has a groove 51.
  • the joint portion 81 has a groove 83.
  • the inner peripheral end 830 of the groove 83 has a continuous uneven shape.
  • the joint portion 81 has an uneven portion 831 at the inner peripheral end 830 of the groove 83 .
  • the uneven portion 831 is provided over the entire length of the groove 83.
  • the solder 104 grows in grains during solidification, starting from the recesses and/or projections of the uneven portion 831 provided at the inner peripheral end 830 of the groove 83. Since the crystal grains in the solder 104 grow from the irregularities as starting points, they become smaller.
  • the other configurations are the same as those described in the preceding embodiment.
  • the inner peripheral end 830 of the groove 83 that accommodates the overflowing solder 104 has a continuous uneven shape.
  • the uneven portion 831 is the starting point of solidification.
  • the uneven portion 831 is provided over the entire length of the groove 83
  • the present invention is not limited to this.
  • the uneven portion 831 may be provided on at least a portion of the entire length of the groove 83 .
  • the grain size of the solder 104 can be made smaller than the grain size of the solders 103H and 103L.
  • the joint portion 82 will also have an uneven portion 831 at the inner peripheral end 830 of the groove 83.
  • the solder 105 can also be made smaller in size.
  • the uneven portion 831 may be provided at the inner peripheral end of the groove 51 of the heat sink 50. It may be provided at the inner peripheral end of the groove 51 of the heat sink 50H, or may be provided at the inner peripheral end of the groove 51 of the heat sink 50L. An uneven portion may be provided in each of the grooves 51 and 83.
  • FIG. 16 is a cross-sectional view showing the joint structure of the joint parts 80 and 81 in the semiconductor device 20 according to the present embodiment.
  • FIG. 16 corresponds to FIG. 8.
  • conductive balls 122 are added to the solder 104.
  • the ball 122 has Ni or Cu as its main component.
  • Such a ball 122 is sometimes referred to as a Ni ball or a Cu ball.
  • the solder 104 grows grains starting from the balls 122 during solidification. Since the ball 122 is the starting point, the crystal grains of the solder 104 are smaller than in a configuration in which the ball 122 is not added.
  • the other configurations are the same as those described in the preceding embodiment.
  • ⁇ Summary of the fourth embodiment> According to the configuration described in this embodiment, it is possible to achieve the same effects as the configuration described in the preceding embodiment. Specifically, balls 122 are added to the solder 104. When the solder 104 solidifies, grains grow starting from the balls 122. The ball 122 is the starting point of solidification. By providing the balls 122, the particle size of the solder 104 can be made smaller than the particle size of the solders 103H and 103L, and the EM life can be improved.
  • the effect of the ball 122 has also been confirmed in a prototype. It was confirmed that the particle size of the solder 104 was reduced by adding the balls 122. Furthermore, it was confirmed that the disappearance of the alloy layers 110 and 111 was slowed down, that is, the progress of EM could be slowed down. At this time, Ni layers 801 and 811 were formed by electroless NiP plating. The composition of the alloy layers 110 and 111 was (Ni—Cu) 3 Sn 4 .
  • the solder 104 may have a multilayer structure, and the occupancy rate of the balls 122 per unit volume may vary depending on the layer.
  • the solder 104 has a first layer 104a and a second layer 104b.
  • the first layer 104a is a layer on the joint portion 80 side
  • the second layer 104b is a layer on the joint portion 81 side.
  • FIG. 17 corresponds to FIG. 16.
  • grain boundaries 106 are omitted for convenience.
  • the occupation rate of the balls 122 in the first layer 104a is higher than the occupation rate of the balls 122 in the second layer 104b.
  • the first layer 104a has more balls 122 than the second layer 104b.
  • the occupation rate of the balls 122 in the first layer 104a can be made higher than the occupation rate of the balls 122 in the second layer 104b. Good too. Both the amount and diameter of the balls may be varied.
  • the occupation rate of the balls 122 in the second layer 104b may be higher than the occupation rate of the balls 122 in the first layer 104a.
  • the two-layer structure of the solder 104 can be realized, for example, by arranging two layers of solder foil with different ball contents. Alternatively, three layers of solder foil without balls may be stacked, and the amount and/or diameter of the balls 122 disposed between the solder foils may be varied.
  • the number of layers of solder 104 is not limited to two layers. It may have three or more layers.
  • the ball 122 may be placed on at least one of the plurality of solders 100 other than the solders 103H and 103L.
  • Spatial relative terms such as “in”, “out”, “behind”, “below”, “low”, “above”, “high” etc. refer to a single element or feature as illustrated. It is used herein to facilitate descriptions that describe relationships to other elements or features. Spatially relative terms may be intended to encompass different orientations of the device during use or operation in addition to the orientation depicted in the figures. For example, when the device in the figures is turned over, elements described as being “below” or “beneath” other elements or features are oriented “above” the other elements or features. Thus, the term “bottom” can encompass both orientations, top and bottom. The device may be oriented in other directions (rotated 90 degrees or other orientations) and the spatially relative descriptors used in this specification shall be interpreted accordingly. .
  • the vehicle drive system 1 is not limited to the above configuration.
  • one motor generator 3 is provided, the present invention is not limited to this.
  • a plurality of motor generators may be provided.
  • the power conversion device 4 includes the inverter 6 as a power conversion section, the present invention is not limited to this.
  • a configuration may include a plurality of inverters.
  • the configuration may include at least one inverter and a converter. It may also include only a converter.
  • the switching element is not limited to the IGBT 11.
  • a MOSFET may be used.
  • MOSFET is an abbreviation for Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor.
  • the source electrode corresponds to the upper electrode
  • the drain electrode corresponds to the lower electrode.
  • a parasitic diode body diode
  • an external diode may be used.
  • the semiconductor device 20 may include a plurality of semiconductor elements 40 forming each arm. That is, a plurality of semiconductor elements 40H may be connected in parallel to each other to form one arm 9H, and a plurality of semiconductor elements 40L may be connected to each other in parallel to form one arm 9L.
  • the present invention is not limited to this. At least one of the back surfaces 50b and 60b may be covered with the sealing body 30. At least one of the back surfaces 50b and 60b may be covered with an insulating member (not shown) that is separate from the sealing body 30.
  • the semiconductor device 20 may be configured without the sealing body 30.
  • the semiconductor device 20 includes the sealing body 30, the semiconductor device 20 is not limited to this. It is also possible to adopt a configuration in which the sealing body 30 is excluded.
  • ⁇ Technical philosophy 1> It has a signal pad and an upper electrode which is a main electrode on the upper surface, and a main electrode is on the lower surface which is the opposite surface in the plate thickness direction from the upper surface, and the area when viewed from the plate thickness direction is the upper electrode.
  • the plurality of semiconductor elements constitute a first semiconductor element (40H) constituting an upper arm (9H) of the upper and lower arm circuit (9) and a lower arm (9L) of the upper and lower arm circuit, and are arranged in the thickness direction.
  • the plurality of conductors include a first upper conductor (50H, 70H) connected to the upper electrode of the first semiconductor element via a first upper solder (101H, 102H), and a lower electrode of the first semiconductor element.
  • Each solder contains Cu and Sn, Each of the solder connection targets has a Ni layer (801, 811), A semiconductor device, wherein a grain size of at least one of the first upper solder, the second upper solder, and the relay solder is smaller than the grain size of the first lower solder and the second lower solder.
  • the first upper conductor has a first body portion (50H) and a first spacer portion (70H) interposed between the upper electrode of the first semiconductor element and the first body portion
  • the second upper conductor has a second body portion (50L) and a second spacer portion (70L) interposed between the upper electrode of the second semiconductor element and the second body portion
  • the first upper solder is interposed between the upper electrode of the first semiconductor element and the first spacer portion, and between the first spacer portion and the first body portion
  • the second upper solder is interposed between the upper electrode of the second semiconductor element and the second spacer part, and between the second spacer part and the second main body part.
  • the joint conductor is a first joint conductor that connects the first upper conductor and the second lower conductor via a first relay solder that is the relay solder
  • the plurality of conductors include a main terminal (92) and a second joint conductor (82) that connects the second upper conductor and the main terminal via a second relay solder (105),
  • a solidification starting point for reducing the particle size is provided inside the small-grain solder, which is the solder smaller in particle size than the first lower solder and the second lower solder, or on the surface of the object to be connected with the small-grain solder.
  • the semiconductor device according to any one of Technical Ideas 1 to 3.
  • the conductor to which the small-grain solder is connected has an uneven oxide film (803) on the Ni layer, the main component of which is Ni and whose surface is continuously uneven;
  • the semiconductor device according to technical idea 4 wherein the starting point is a void (121) covering the uneven oxide film.
  • the conductor to which the small grain solder is connected has a groove (83) for accommodating overflowing solder,
  • the inner peripheral end of the groove has a continuous uneven shape,
  • the semiconductor device according to technical idea 4 wherein the starting point is a concave portion and/or a convex portion at an inner peripheral end of the groove.

Landscapes

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Abstract

一相分の上下アーム回路を構成する半導体装置は、はんだ（１０４）を介して接続された継手部（８０、８１）を備える。半導体素子の主電極に電気的に接続された複数のはんだのそれぞれは、ＣｕおよびＳｎを含む。各はんだの接続対象のそれぞれは、Ｎｉ層を有する。はんだ（１０４）はＣｕおよびＳｎを含み、継手部（８０、８１）はＮｉ層（８０１、８１１）を有する。はんだ（１０４）の粒径は、コレクタ電極を接続対象とするはんだの粒径よりも小さい。

Description

半導体装置 関連出願の相互参照
　この出願は、２０２２年９月２日に日本に出願された特許出願第２０２２－１４０１６８号を基礎としており、基礎の出願の内容を、全体的に、参照により援用している。
　この明細書における開示は、半導体装置に関する。
　特許文献１は、上下アーム回路の上アームを構成する半導体素子と、下アームを構成する半導体素子を備えた半導体装置を開示している。先行技術文献の記載内容は、この明細書における技術的要素の説明として、参照により援用される。
特開２０１６－９２１６６号公報
　上記した半導体装置は、上アームを構成する半導体素子の低電位側の主電極に接続された導体と、下アームを構成する半導体素子の高電位側の主電極に接続された導体とを、はんだを介して接続する継手導体を備える。継手導体のはんだ接合部の接合面積は小さい。特許文献１では、継手導体のはんだ接合部のＥＭ進行を抑制するために、継手導体にＮｉ層を設けている。ＥＭは、ElectroMigrationの略称である。
　カーボンニュートラルが提唱され、車両のＥＶ化が進む中で、半導体装置にはさらなる小型化、大電流化が求められている。つまり、ＥＭ寿命を向上するためのさらなる改善が求められている。上述の観点において、または言及されていない他の観点において、半導体装置にはさらなる改良が求められている。
　本開示はこのような課題に鑑みてなされたものであり、ＥＭ寿命を向上できる半導体装置を提供することを目的とする。
　開示のひとつである半導体装置は、
　上面に信号用のパッドと主電極である上部電極を有し、上面とは板厚方向において反対の面である下面に主電極であり、板厚方向から平面視した面積が上部電極よりも大きい下部電極を有する複数の半導体素子と、
　はんだを介して主電極に電気的に接続された複数の導体と、を備え、
　複数の半導体素子は、上下アーム回路の上アームを構成する第１半導体素子と、上下アーム回路の下アームを構成し、板厚方向において上面が同じ側となるように板厚方向に直交する一方向において第１半導体素子と並んで配置された第２半導体素子と、を含み、
　複数の導体は、第１半導体素子の上部電極に第１上部はんだを介して接続された第１上部導体と、第１半導体素子の下部電極に第１下部はんだを介して接続された第１下部導体と、第２半導体素子の上部電極に第２上部はんだを介して接続された第２上部導体と、第２半導体素子の下部電極に第２下部はんだを介して接続された第２下部導体と、第１上部導体と第２下部導体とを中継はんだを介して接続する継手導体と、を含み、
　各はんだは、ＣｕおよびＳｎを含み、
　各はんだの接続対象のそれぞれは、Ｎｉ層を有し、
　第１上部はんだ、第２上部はんだ、および中継はんだの少なくともひとつの粒径が、第１下部はんだおよび第２下部はんだの粒径よりも小さい。
　上部電極が下部電極よりも小さく、継手導体を備える構成の場合、第１上部はんだ、第２上部はんだ、中継はんだにおける電流密度は、第１下部はんだおよび第２下部はんだにおける電流密度よりも高くなる。開示の半導体装置によれば、電流密度が高い第１上部はんだ、第２上部はんだ、および中継はんだの少なくともひとつの粒径が、第１下部はんだおよび第２下部はんだの粒径よりも小さい。これにより、ＥＭによるＮｉ層の消失を遅くすることができる。この結果、ＥＭ寿命を向上できる半導体装置を提供することができる。
　この明細書における開示された複数の態様は、それぞれの目的を達成するために、互いに異なる技術的手段を採用する。請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態の部分との対応関係を例示的に示すものであって、技術的範囲を限定することを意図するものではない。この明細書に開示される目的、特徴、および効果は、後続の詳細な説明、および添付の図面を参照することによってより明確になる。
第１実施形態に係る半導体装置が適用される車両の駆動システムの概略構成を示す図である。 第１実施形態に係る半導体装置を示す平面図である。 図２のIII-III線に沿う断面図である。 図２のIV-IV線に沿う断面図である。 封止体を省略した平面図である。 エミッタ電極側のヒートシンクを省略した平面図である。 出力電流および還流電流を示す図である。 図３の領域VIIIを拡大した断面図である。 継手部のはんだ接合面付近を拡大した断面図である。 参考例を示す断面図である。 ＥＭ進行のメカニズムを示す参考図である。 変形例を示す平面図である。 第２実施形態に係る半導体装置において、継手部のはんだ接合面付近を拡大した断面図である。 第３実施形態に係る半導体装置において、継手部を含むヒートシンクを示す平面図である 図１４の領域XVを拡大した図である。 第４実施形態に係る半導体装置において、継手部のはんだ接合構造を示す断面図である。 変形例を示す断面図である。
　以下、図面に基づいて複数の実施形態を説明する。なお、各実施形態において対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明を省略する場合がある。各実施形態において構成の一部分のみを説明している場合、当該構成の他の部分については、先行して説明した他の実施形態の構成を適用することができる。また、各実施形態の説明において明示している構成の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても複数の実施形態の構成同士を部分的に組み合せることができる。
　本実施形態の半導体装置は、たとえば、回転電機を駆動源とする移動体の電力変換装置に適用される。移動体は、たとえば、電気自動車（ＢＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＥＶ）などの電動車両、電動垂直離着陸機やドローンなどの飛行体、船舶、建設機械、農業機械である。以下では、車両に適用される例について説明する。
　（第１実施形態）
　先ず、図１に基づき、車両の駆動システム１の概略構成について説明する。
　＜車両の駆動システム＞
　図１に示すように、車両の駆動システム１は、直流電源２と、モータジェネレータ３と、電力変換装置４を備えている。
　直流電源２は、充放電可能な二次電池で構成された直流電圧源である。二次電池は、たとえばリチウムイオン電池、ニッケル水素電池である。モータジェネレータ３は、三相交流方式の回転電機である。モータジェネレータ３は、車両の走行駆動源、すなわち電動機として機能する。モータジェネレータ３は、回生時に発電機として機能する。電力変換装置４は、直流電源２とモータジェネレータ３との間で電力変換を行う。
　＜電力変換装置＞
　次に、図１に基づき、電力変換装置４の回路構成について説明する。電力変換装置４は、電力変換回路を備えている。図１に示すように電力変換装置４は、平滑コンデンサ５と、電力変換回路であるインバータ６を備えている。
　平滑コンデンサ５は、主として、直流電源２から供給される直流電圧を平滑化する。平滑コンデンサ５は、高電位側の電力ラインであるＰライン７と低電位側の電力ラインであるＮライン８とに接続されている。Ｐライン７は直流電源２の正極に接続され、Ｎライン８は直流電源２の負極に接続されている。平滑コンデンサ５の正極は、直流電源２とインバータ６との間において、Ｐライン７に接続されている。同じく負極は、直流電源２とインバータ６との間において、Ｎライン８に接続されている。平滑コンデンサ５は、直流電源２に並列に接続されている。
　インバータ６は、ＤＣ－ＡＣ変換回路である。インバータ６は、図示しない制御回路によるスイッチング制御にしたがって、直流電圧を三相交流電圧に変換し、モータジェネレータ３へ出力する。これにより、モータジェネレータ３は、所定のトルクを発生するように駆動する。インバータ６は、車両の回生制動時、車輪からの回転力を受けてモータジェネレータ３が発電した三相交流電圧を、制御回路によるスイッチング制御にしたがって直流電圧に変換し、Ｐライン７へ出力する。このように、インバータ６は、直流電源２とモータジェネレータ３との間で双方向の電力変換を行う。
　インバータ６は、三相分の上下アーム回路９を備えて構成されている。上下アーム回路９は、レグと称されることがある。上下アーム回路９は、上アーム９Ｈと、下アーム９Ｌをそれぞれ有している。上アーム９Ｈと下アーム９Ｌは、上アーム９ＨをＰライン７側として、Ｐライン７とＮライン８との間で直列接続されている。上アーム９Ｈと下アーム９Ｌとの接続点は、出力ライン１０を介して、モータジェネレータ３における対応する相の巻線３ａに接続されている。インバータ６は、６つのアームを有している。Ｐライン７、Ｎライン８、および出力ライン１０それぞれの少なくとも一部は、たとえばバスバーなどの導電部材により構成されている。
　各アームを構成する素子は、スイッチング素子であるＩＧＢＴ１１と、還流用のダイオード１２を備えている。ＩＧＢＴは、Insulated Gate Bipolar Transistorの略称である。本実施形態では、ｎチャネル型のＩＧＢＴ１１を採用している。ダイオード１２は、対応するＩＧＢＴ１１に対して逆並列に接続されている。上アーム９Ｈにおいて、ＩＧＢＴ１１のコレクタが、Ｐライン７に接続されている。下アーム９Ｌにおいて、ＩＧＢＴ１１のエミッタが、Ｎライン８に接続されている。そして、上アーム９ＨにおけるＩＧＢＴ１１のエミッタと、下アーム９ＬにおけるＩＧＢＴ１１のコレクタが相互に接続されている。ダイオード１２のアノードは対応するＩＧＢＴ１１のエミッタに接続され、カソードはコレクタに接続されている。
　電力変換装置４は、電力変換回路として、コンバータをさらに備えてもよい。コンバータは、直流電圧を異なる値の直流電圧に変換するＤＣ－ＤＣ変換回路である。コンバータは、直流電源２と平滑コンデンサ５との間に設けられる。コンバータは、たとえばリアクトルと、上記した上下アーム回路９を備えて構成される。この構成によれば、昇降圧が可能である。電力変換装置４は、直流電源２からの電源ノイズを除去するフィルタコンデンサを備えてもよい。フィルタコンデンサは、直流電源２とコンバータとの間に設けられる。
　電力変換装置４は、インバータ６などを構成するスイッチング素子の駆動回路を備えてもよい。駆動回路は、制御回路の駆動指令に基づいて、対応するアームのＩＧＢＴ１１のゲートに駆動電圧を供給する。駆動回路は、駆動電圧の印加により、対応するＩＧＢＴ１１を駆動、すなわちオン駆動、オフ駆動させる。駆動回路は、ドライバと称されることがある。
　電力変換装置４は、スイッチング素子の制御回路を備えてもよい。制御回路は、ＩＧＢＴ１１を動作させるための駆動指令を生成し、駆動回路に出力する。制御回路は、図示しない上位ＥＣＵから入力されるトルク要求、各種センサにて検出された信号に基づいて、駆動指令を生成する。各種センサとして、たとえば電流センサ、回転角センサ、電圧センサがある。電流センサは、各相の巻線３ａに流れる相電流を検出する。回転角センサは、モータジェネレータ３の回転子の回転角を検出する。電圧センサは、平滑コンデンサ５の両端電圧を検出する。制御回路は、駆動指令として、たとえばＰＷＭ信号を出力する。制御回路は、たとえばプロセッサとメモリを備えて構成されている。ＥＣＵは、Electronic
 Control Unitの略称である。ＰＷＭは、Pulse Width Modulationの略称である。
　＜半導体装置＞
　次に、図２～図６に基づき、半導体装置２０の概略構成について説明する。図２は、半導体装置２０を示す平面図である。図２は、半導体装置２０の上面視平面図である。図３は、図２のIII-III線に沿う断面図である。図４は、図２のIV-IV線に沿う断面図である。図５は、図２に対して封止体３０を省略した図である。図６は、図５に対してエミッタ電極４２側のヒートシンク５０を省略した図である。
　半導体装置を構成する要素の一部について、符号末尾に上アーム９Ｈ側を示す「Ｈ」を付与し、下アーム９Ｌ側を示す「Ｌ」を付与している。要素の他の一部について、便宜上、上アーム９Ｈと下アーム９Ｌとで共通の符号を付与している。
　以下において、半導体素子（半導体基板）の板厚方向をＺ方向とする。Ｚ方向に直交する一方向をＸ方向とする。Ｚ方向およびＸ方向の両方向に直交する方向をＹ方向とする。特に断わりのない限り、Ｚ方向から平面視した形状、換言すればＸ方向およびＹ方向により規定されるＸＹ面に沿う形状を平面形状とする。また、Ｚ方向からの平面視を、単に平面視と示すことがある。
　図２～図６に示すように、半導体装置２０は、封止体３０と、半導体素子４０と、ヒートシンク５０、６０と、導電スペーサ７０と、継手部８０～８２と、外部接続端子９０を備えている。半導体装置２０は、さらにボンディングワイヤ９７と、はんだ１００を備えている。半導体装置２０は、上記した一相分の上下アーム回路９を構成する。
　封止体３０は、半導体装置２０を構成する他の要素の一部を封止している。他の要素の残りの部分は、封止体３０の外に露出している。封止体３０は、たとえば樹脂を材料とする。樹脂の一例は、エポキシ系樹脂である。封止体３０は、樹脂を材料として、たとえばトランスファモールド法により成形されている。このような封止体３０は、封止樹脂体、モールド樹脂、樹脂成形体などと称されることがある。封止体３０は、たとえばゲルを用いて形成されてもよい。ゲルは、たとえばヒートシンク５０、６０の対向領域に充填（配置）される。
　図２～図４に示すように、封止体３０は平面略矩形状をなしている。封止体３０は、外郭をなす表面として、一面３０ａと、Ｚ方向において一面３０ａとは反対の面である裏面３０ｂを有している。一面３０ａおよび裏面３０ｂは、たとえば略平坦な面である。また、一面３０ａおよび裏面３０ｂに連なる側面３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ、３０ｆを有している。側面３０ｃは、外部接続端子９０のうち、主端子９１～９３が突出する面である。側面３０ｄは、Ｙ方向において側面３０ｃとは反対の面である。側面３０ｄは、信号端子９４が突出する面である。側面３０ｅ、３０ｆは、外部接続端子９０が突出していない面である。側面３０ｅは、Ｘ方向において側面３０ｆとは反対の面である。
　半導体素子４０は、半導体基板４１と、エミッタ電極４２と、コレクタ電極４３と、パッド４４を備えている。半導体素子４０は、半導体チップと称されることがある。半導体基板４１は、シリコン（Ｓｉ）、シリコンよりもバンドギャップが広いワイドバンドギャップ半導体などを材料とし、縦型素子が形成されてなる。ワイドバンドギャップ半導体としては、たとえばシリコンカーバイド（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）、ダイヤモンドがある。
　縦型素子は、半導体基板４１（半導体素子４０）の板厚方向、すなわちＺ方向に主電流を流すように構成されている。本実施形態の縦型素子は、ひとつのアームを構成するＩＧＢＴ１１およびダイオード１２である。縦型素子は、ダイオード１２が逆並列に接続されたＩＧＢＴ、つまりＲＣ－ＩＧＢＴである。ＲＣは、Reverse Conductingの略称である。縦型素子は、通電により発熱する発熱素子である。半導体基板４１には、図示しないゲート電極が形成されている。ゲート電極は、たとえばトレンチ構造をなしている。
　半導体基板４１は、平面略矩形状をなしている。主電極のひとつであるエミッタ電極４２は、半導体基板４１の一面上に配置されている。主電極の他のひとつであるコレクタ電極４３は、半導体基板４１の裏面上に配置されている。半導体基板４１の一面は、半導体基板４１の主面のうち、板厚方向において封止体３０の一面３０ａ側の面である。半導体基板４１の裏面は、半導体基板４１の主面のうち、板厚方向において半導体基板４１において封止体３０の裏面３０ｂ側の面である。
　ＩＧＢＴ１１がオンすることで、主電極間、つまりエミッタ電極４２とコレクタ電極４３との間に、電流（主電流）が流れる。エミッタ電極４２は、ダイオード１２のアノード電極を兼ねている。コレクタ電極４３は、ダイオード１２のカソード電極を兼ねている。コレクタ電極４３は、半導体基板４１の裏面のほぼ全体に形成されている。エミッタ電極４２は、半導体基板４１の一面の一部分に形成されている。つまり平面視において、コレクタ電極４３は、エミッタ電極４２よりも面積が大きい。エミッタ電極４２が上部電極に相当し、コレクタ電極４３が下部電極に相当する。
　エミッタ電極４２は、Ｎｉ（ニッケル）を主成分とする材料を用いて形成されたＮｉ層を有している。本実施形態のエミッタ電極４２は、Ａｌ（アルミニウム）を主成分とする材料を用いて形成されＡｌ層と、Ａｌ層上に積層されたＮｉ層を有している。コレクタ電極４３も、エミッタ電極４２同様、Ａｌ層と、Ｎｉ層を有している。
　パッド４４は、信号用の電極である。パッド４４は、半導体基板４１の一面において、エミッタ電極４２の形成領域とは異なる領域に形成されている。パッド４４は、Ｙ方向において、エミッタ電極４２の形成領域とは反対側の端部に形成されている。パッド４４は、Ｙ方向においてエミッタ電極４２と並んで設けられている。パッド４４の個数は特に限定されない。パッド４４は、ゲート電極用のパッドを少なくとも含む。
　一例として半導体素子４０は、５つのパッド４４を有している。具体的には、ゲート電極用、エミッタ電位の検出用、半導体素子４０が備える図示しない感温ダイオードのカソード電位検出用、同じくアノード電位検出用、電流センス用を有している。５つのパッド４４は、Ｘ方向に沿って並んでいる。
　半導体装置２０は、２つの半導体素子４０を備えている。具体的には、上アーム９Ｈを構成する半導体素子４０Ｈと、下アーム９Ｌを構成する半導体素子４０Ｌを備えている。半導体素子４０Ｈは、第１半導体素子、上アーム素子などと称されることがある。半導体素子４０Ｌは、第２半導体素子、下アーム素子などと称されることがある。半導体素子４０Ｈ、４０Ｌは、互いに同様の仕様、つまり共通部材である。半導体素子４０Ｈ、４０Ｌは、Ｘ方向に並んでいる。半導体素子４０Ｈ、４０Ｌは、Ｚ方向において互いにほぼ同じ位置に配置されている。半導体素子４０Ｈ、４０Ｌは、一面同士、つまりエミッタ電極４２同士が、Ｚ方向において同じ側に位置するように配置されている。
　ヒートシンク５０は、エミッタ電極４２に電気的に接続され、配線機能を提供する。同様に、ヒートシンク６０は、コレクタ電極４３に電気的に接続され、配線機能を提供する。ヒートシンク５０、６０は、半導体素子４０の生じた熱を放熱する放熱機能を提供する。このためヒートシンク５０、６０は、配線部材、導電部材、放熱部材などと称されることがある。ヒートシンク５０、６０は、Ｚ方向において、半導体素子４０を挟むように配置されている。ヒートシンク５０，６０は、Ｚ方向において互いに少なくとも一部が対向するように配置されている。ヒートシンク５０、６０は、平面視において半導体素子４０を内包している。
　ヒートシンク５０、６０は、Ｃｕ、Ｃｕ合金などの導電性が良好な金属を材料とする金属板である。金属板は、たとえばリードフレームの一部として提供される。ヒートシンク５０、６０は、表面に、めっき処理などにより形成されたＮｉ層を有している。ヒートシンク５０、６０は、Ｎｉ層を、少なくともはんだ接合面に有している。
　配線部材としては、ヒートシンク５０、６０に代えて、セラミックや樹脂などの絶縁基材の両面に金属体が配置された基板を採用してもよい。この場合、半導体素子４０側の金属体がはんだ接合される導体、つまり上部導体や下部導体に相当する。半導体素子４０側の金属体は、表面にＮｉ層を有する。
　ヒートシンク５０は、半導体素子４０側の面である対向面５０ａと、対向面５０ａとは反対の面である裏面５０ｂを有している。同様に、ヒートシンク６０も、対向面６０ａと裏面６０ｂを有している。ヒートシンク５０、６０それぞれの裏面５０ｂ、６０ｂは、封止体３０から露出している。裏面５０ｂ、６０ｂは、放熱面、露出面などと称されることがある。ヒートシンク５０の裏面５０ｂは、封止体３０の一面３０ａと略面一である。ヒートシンク６０の裏面６０ｂは、封止体３０の裏面３０ｂと略面一である。
　半導体装置２０は、２つのヒートシンク５０を備えている。具体的には、上アーム９Ｈを構成するヒートシンク５０Ｈと、下アーム９Ｌを構成するヒートシンク５０Ｌを備えている。ヒートシンク５０Ｈが第１上部導体の第１本体部に相当し、ヒートシンク５０Ｌが第２上部導体の第２本体部に相当する。
　図５に示すように、ヒートシンク５０Ｈ、５０Ｌは、平面略矩形状をなしている。ヒートシンク５０Ｈ、５０Ｌは、Ｘ方向に並んでいる。図３および図４に示すように、ヒートシンク５０Ｈ、５０Ｌは、互いにほぼ同じ厚みを有し、Ｚ方向において互いにほぼ同じ位置に配置されている。ヒートシンク５０Ｈ、５０Ｌは、平面視において対応する半導体素子４０および導電スペーサ７０を内包している。ヒートシンク５０Ｈ、５０Ｌそれぞれの対向面５０ａには、溢れたはんだを収容する溝５１が形成されている。溝５１は、対向面５０ａにおいてはんだ接合部を取り囲んでいる。溝５１は、たとえば環状に形成されている。封止体３０から露出するヒートシンク５０Ｈ、５０Ｌの裏面５０ｂは、Ｘ方向に並んでいる。
　半導体装置２０は、２つのヒートシンク６０を備えている。具体的には、上アーム９Ｈを構成するヒートシンク６０Ｈと、下アーム９Ｌを構成するヒートシンク６０Ｌを備えている。ヒートシンク６０Ｈが第１下部導体に相当し、ヒートシンク６０Ｌが第２下部導体に相当する。
　図６に示すように、ヒートシンク６０Ｈ、６０Ｌは、平面略矩形状をなしている。ヒートシンク６０Ｈ、６０Ｌは、Ｘ方向に並んでいる。図３および図４に示すように、ヒートシンク６０Ｈ、６０Ｌは、互いにほぼ同じ厚みを有し、Ｚ方向において互いにほぼ同じ位置に配置されている。ヒートシンク６０Ｈ、６０Ｌは、平面視において対応する半導体素子４０を内包している。封止体３０から露出するヒートシンク６０Ｈ、６０Ｌの裏面６０ｂは、Ｘ方向に並んでいる。
　導電スペーサ７０は、Ｚ方向において半導体素子４０とヒートシンク５０との間に介在している。導電スペーサ７０は、半導体素子４０とヒートシンク５０との間に所定の間隔を確保するスペーサ機能を提供する。たとえば導電スペーサ７０は、半導体素子４０のパッド４４に、対応する信号端子９４を電気的に接続するための高さを確保する。導電スペーサ７０は、半導体素子４０のエミッタ電極４２とヒートシンク５０との電気伝導、熱伝導経路の途中に位置し、配線機能および放熱機能を提供する。導電スペーサ７０は、ヒートシンク５０とともに上部導体を構成する。
　導電スペーサ７０は、Ｃｕなどの導電性、熱伝導性が良好な金属を材料とする金属部材である。導電スペーサ７０は、ターミナル、ターミナルブロック、金属ブロック体などと称されることがある。導電スペーサ７０は、表面に、めっき処理などにより形成されたＮｉ層を有している。導電スペーサ７０は、Ｎｉ層を、少なくともはんだ接合面に有している。本実施形態の導電スペーサ７０は、平面視においてエミッタ電極４２とほぼ同じ大きさを有する平面略矩形状の柱状体である。
　半導体装置２０は、２つの導電スペーサ７０を備えている。具体的には、上アーム９Ｈを構成する導電スペーサ７０Ｈと、下アーム９Ｌを構成する導電スペーサ７０Ｌを備えている。導電スペーサ７０Ｈが第１上部導体の第１スペーサ部に相当し、導電スペーサ７０Ｌが第２上部導体の第２スペーサ部に相当する。
　継手部８０～８２は、上下アーム回路９を構成する要素間をつないでいる。継手部８０～８２は、半導体装置２０を構成する要素間をつないでいる。継手部８０～８２は、Ｃｕなどの導電性、熱伝導性が良好な金属を材料とする金属部材である。継手部８０～８２は、表面に、めっき処理などにより形成されたＮｉ層を有している。継手部８０～８２は、Ｎｉ層を、少なくともはんだ接合面に有している。
　図３および図６に示すように、継手部８０は、ヒートシンク６０Ｌに連なっている。継手部８０の厚みは、ヒートシンク６０Ｌよりも薄い。継手部８０は、たとえばヒートシンク６０Ｌの対向面６０ａと略面一の状態で、ヒートシンク６０Ｈとの対向面（側面）に連なっている。継手部８０は、２つの屈曲部を有することで、ＺＸ平面において略クランク状をなしている。継手部８０は、封止体３０によって覆われている。
　継手部８０は、ヒートシンク６０Ｌに対して連続して一体的に設けられることで連なってもよいし、別部材として設けられ、接合により連なってもよい。本実施形態の継手部８０は、リードフレームの一部として、ヒートシンク６０Ｌと一体的に設けられている。Ｎｉ層は、ヒートシンク６０Ｌおよび継手部８０に対して、連続して一体的に設けられている。
　図３、図４、および図５に示すように、継手部８１、８２は、対応するヒートシンク５０に連なっている。継手部８１は、ヒートシンク５０Ｈに連なっている。継手部８２は、ヒートシンク５０Ｌに連なっている。継手部８１、８２の厚みは、対応するヒートシンク５０よりも薄い。継手部８１、８２は、封止体３０によって覆われている。
　継手部８１、８２は、ヒートシンク５０に対して連続して一体的に設けられることで連なってもよいし、別部材として設けられ、接合により連なってもよい。本実施形態の継手部８１、８２は、対応するヒートシンク５０Ｈ、５０Ｌに対して一体的に設けられている。継手部８１、８２は、ヒートシンク５０Ｈ、５０Ｌの互いに対向する側面から、Ｘ方向に延びている。Ｎｉ層は、ヒートシンク５０Ｈおよび継手部８１に対して、連続して一体的に設けられている。Ｎｉ層は、ヒートシンク５０Ｌおよび継手部８２に対して、連続して一体的に設けられている。
　一例として継手部８１を含むヒートシンク５０Ｈと継手部８２を含むヒートシンク５０Ｌは、共通部材である。継手部８１を含むヒートシンク５０Ｈと、継手部８２を含むヒートシンク５０Ｌとの配置は、Ｚ軸を回転軸とする２回対称となっている。継手部８０と継手部８１との対向面間にはんだが介在し、はんだ接合部が形成されている。図５に示すように継手部８１、８２は、平面視においてヒートシンク５０Ｈ、５０Ｌの間に配置されている。継手部８１、８２は、ヒートシンク５０Ｈ、５０Ｌの間で、Ｙ方向に並んでいる。
　継手部８１、８２の接合面には、溢れたはんだを収容する溝８３が形成されている。溝８３は、はんだ接合部を取り囲むように環状に形成されている。溝８３は、たとえばプレス加工により形成されている。継手部８０、８１が、継手導体、第１継手導体に相当する。継手部８２が、第２継手導体に相当する。
　外部接続端子９０は、半導体装置２０を外部機器と電気的に接続するための端子である。外部接続端子９０は、銅などの導電性が良好な金属材料を用いて形成されている。外部接続端子９０は、たとえば板材である。外部接続端子９０は、リードと称されることがある。外部接続端子９０は、主端子９１、９２、９３と、信号端子９４を備えている。主端子９１、９２、９３は、半導体素子４０の主電極に電気的に接続された外部接続端子９０である。
　図５および図６に示すように、主端子９１は、半導体素子４０Ｈのコレクタ電極４３に電気的に接続されている。主端子９１は、平滑コンデンサ５の正極端子に電気的に接続される。主端子９１は、Ｐ端子、高電位電源端子などと称されることがある。主端子９１は、ヒートシンク６０Ｈを介して、半導体素子４０Ｈのコレクタ電極４３に接続されている。主端子９１は、ヒートシンク６０ＨにおけるＹ方向の一端に連なっている。主端子９１の厚みは、ヒートシンク６０Ｈよりも薄い。主端子９１は、たとえば対向面６０ａと略面一となるように、ヒートシンク６０Ｈに連なっている。主端子９１は、ヒートシンク６０Ｈに対して連続して一体的に設けられることで連なってもよいし、別部材として設けられ、接合により連なってもよい。
　本実施形態の主端子９１は、リードフレームの一部として、ヒートシンク６０Ｈと一体的に設けられている。主端子９１は、ヒートシンク６０ＨからＹ方向に延び、封止体３０の側面３０ｃから外部に突出している。主端子９１は、封止体３０により覆われる部分の途中に屈曲部を有し、側面３０ｃにおいてＺ方向の中央付近から突出している。
　図５および図６に示すように、主端子９２は、半導体素子４０Ｌのエミッタ電極４２に電気的に接続されている。主端子９２は、平滑コンデンサ５の負極端子に電気的に接続される。主端子９２は、Ｎ端子、低電位電源端子などと称されることがある。主端子９２は、継手部８２、ヒートシンク５０Ｌ、および導電スペーサ７０Ｌを介して、半導体素子４０Ｌのエミッタ電極４２に接続されている。主端子９２は、Ｙ方向に延び、主端子９１と同じ側面３０ｃから封止体３０の外に突出している。
　主端子９２は、Ｙ方向の一端付近に継手部８２との接続部９２０を有している。主端子９２のうち、接続部９２０を含む一部分が封止体３０により覆われ、残りの部分が封止体３０から突出している。接続部９２０は、封止体３０から突出した部分よりも板厚が厚い。接続部９２０の板厚は、たとえばヒートシンク５０Ｌとほぼ同じ厚みである。主端子９２も、主端子９１同様に屈曲部を有し、側面３０ｃにおいてＺ方向の中央付近から突出している。主端子９２は、表面に、めっき処理などにより形成されたＮｉ層を有している。主端子９２は、Ｎｉ層を、少なくとも接続部９２０のはんだ接合面に有している。
　主端子９３は、上アーム９Ｈと下アーム９Ｌとの接続点に接続されている。主端子９３は、半導体素子４０Ｈのエミッタ電極４２および半導体素子４０Ｌのコレクタ電極４３に電気的に接続されている。主端子９３は、モータジェネレータ３の対応する相の巻線３ａに電気的に接続される。主端子９３は、出力端子、交流端子、Ｏ端子などと称されることがある。主端子９３は、ヒートシンク６０Ｌ、継手部８０、８１、ヒートシンク５０Ｈ、導電スペーサ７０Ｈを介して、半導体素子４０Ｈのエミッタ電極４２に電気的に接続されている。主端子９３は、ヒートシンク６０Ｌを介して、半導体素子４０Ｌのコレクタ電極４３に接続されている。
　主端子９３は、ヒートシンク６０ＬにおけるＹ方向の一端に連なっている。主端子９３の厚みは、ヒートシンク６０Ｌよりも薄い。主端子９３は、たとえば対向面６０ａと略面一となるように、ヒートシンク６０Ｌに連なっている。主端子９３は、ヒートシンク６０Ｌに対して連続して一体的に設けられることで連なってもよいし、別部材として設けられ、接合により連なってもよい。
　本実施形態の主端子９３は、リードフレームの一部として、ヒートシンク６０Ｌと一体的に設けられている。主端子９３は、ヒートシンク６０ＬからＹ方向に延び、主端子９１と同じ側面３０ｃから封止体３０の外に突出している。主端子９３も、主端子９１同様に屈曲部を有し、側面３０ｃにおいてＺ方向の中央付近から突出している。３本の主端子９１～９３は、Ｘ方向において主端子９１、主端子９２、主端子９３の順に並んでいる。
　信号端子９４は、半導体素子４０の対応するパッド４４に電気的に接続されている。本実施形態の信号端子９４は、ボンディングワイヤ９７を介してパッド４４に電気的に接続されている。信号端子９４は、Ｙ方向に延び、封止体３０の側面３０ｄから外部に突出している。半導体装置２０は、ひとつの半導体素子４０に対して５本の信号端子９４、つまり計１０本の信号端子９４を備えている。複数の信号端子９４は、Ｘ方向に並んで配置されている。信号端子９４は、たとえばヒートシンク６０および主端子９１～９３と共通のリードフレームに構成されている。
　なお、半導体装置２０は、吊りリード９５を備えている。ヒートシンク６０（６０Ｈ、６０Ｌ）と、継手部８１と、主端子９１～９３と、信号端子９４は、共通部材であるリードフレームに構成される。リードフレームは、部分的に厚みが異なる異形条である。信号端子９４は、カット前の状態で、図示しないタイバーを介して吊りリード９５に支持される。タイバーや外周フレームなど、リードフレームの不要部分は、封止体３０の成形後にカット（除去）されている。
　半導体装置２０は、要素間を接続するための複数のはんだ１００を備えている。はんだ１００は、はんだ１０１Ｈ、１０１Ｌ、１０２Ｈ、１０２Ｌ、１０３Ｈ、１０３Ｌ、１０４、１０５を含んでいる。はんだ１０１Ｈは、半導体素子４０Ｈのエミッタ電極４２と導電スペーサ７０Ｈとの間に介在し、エミッタ電極４２と導電スペーサ７０Ｈとを接合している。はんだ１０２Ｈは、導電スペーサ７０Ｈとヒートシンク５０Ｈとの間に介在し、導電スペーサ７０Ｈとヒートシンク５０Ｈとを接合している。はんだ１０１Ｈ、１０２Ｈが、第１上部はんだに相当する。はんだ１０３Ｈは、半導体素子４０Ｈのコレクタ電極４３とヒートシンク６０Ｈとの間に介在し、コレクタ電極４３とヒートシンク６０Ｈとを接合している。はんだ１０３Ｈが、第１下部はんだに相当する。
　はんだ１０１Ｌは、半導体素子４０Ｌのエミッタ電極４２と導電スペーサ７０Ｌとの間に介在し、エミッタ電極４２と導電スペーサ７０Ｌとを接合している。はんだ１０２Ｌは、導電スペーサ７０Ｌとヒートシンク５０Ｌとの間に介在し、導電スペーサ７０Ｌとヒートシンク５０Ｌとを接合している。はんだ１０１Ｌ、１０２Ｌが、第２上部はんだに相当する。はんだ１０３Ｌは、半導体素子４０Ｌのコレクタ電極４３とヒートシンク６０Ｌとの間に介在し、コレクタ電極４３とヒートシンク６０Ｌとを接合している。はんだ１０３Ｌが、第２下部はんだに相当する。
　なお、はんだ１０１Ｈ、１０１Ｌは、素子上はんだと称されることがある。はんだ１０２Ｈ、１０２Ｌは、スペーサ上はんだと称されることがある。はんだ１０３Ｈ、１０３Ｌは、素子下はんだと称されることがある。
　はんだ１０４は、継手部８０、８１とともに、ヒートシンク５０Ｈとヒートシンク６０Ｌとを電気的に接続する。本実施形態のはんだ１０４は、ヒートシンク６０Ｌに連なる継手部８０と、ヒートシンク５０Ｈに連なる継手部８１との間に介在し、継手部８０、８１を接合している。はんだ１０４が、中継はんだ、第１中継はんだに相当する。はんだ１０５は、継手部８２とともに、ヒートシンク５０Ｌと主端子９２とを電気的に接続する。本実施形態のはんだ１０５は、ヒートシンク５０Ｌに連なる継手部８２と、主端子９２の接続部９２０との間に介在し、継手部８２と主端子９２を接合している。はんだ１０５が、第２中継はんだに相当する。
　複数のはんだ１００のそれぞれは、ＣｕおよびＳｎを含む。はんだ１００は、一例としてＣｕ、Ｂｉ、Ｓｂなどを含み、残部がＳｎからなる多元系の鉛フリーはんだである。各はんだ１００の厚みは、たとえば１００μｍ程度である。
　上記したように、半導体装置２０では、封止体３０によって一相分の上下アーム回路９を構成する複数の半導体素子４０が封止されている。封止体３０は、複数の半導体素子４０、ヒートシンク５０それぞれの一部、ヒートシンク６０それぞれの一部、導電スペーサ７０、継手部８０～８２、主端子９１～９３および信号端子９４それぞれの一部を、一体的に封止している。
　半導体素子４０は、Ｚ方向においてヒートシンク５０、６０の間に配置されている。半導体素子４０は、対向配置されたヒートシンク５０、６０によって挟まれている。これにより、半導体素子４０の熱を、Ｚ方向において両側に放熱することができる。半導体装置２０は、両面放熱構造をなしている。ヒートシンク５０の裏面５０ｂは、封止体３０の一面３０ａと略面一となっている。ヒートシンク６０の裏面６０ｂは、封止体３０の裏面３０ｂと略面一となっている。裏面５０ｂ、６０ｂが露出面であるため、放熱性を高めることができる。
　なお、上記したＮｉ層上に、めっき処理などによってＡｕ層を設けてもよい。Ａｕは、たとえば、Ｎｉの酸化を抑制してはんだとの濡れ性を向上する。Ａｕは、はんだ付け時にはんだ中に拡散するため、接合前の状態で存在し、接合した状態で存在しない。
　＜出力電流と還流電流＞
　次に、図７に基づき、出力電流および還流電流について説明する。図７は、一例として上アーム９Ｈ側の半導体素子４０Ｈに関する出力電流と還流電流を示している。図７では、出力電流を破線の矢印で示し、還流電流を一点鎖線の矢印で示している。
　出力電流（主電流）は、ＩＧＢＴ動作時に流れる。上アーム９Ｈ側の出力電流は、主端子９１から、半導体素子４０ＨのＩＧＢＴ１１、および主端子９３を介して、モータジェネレータ３に流れる。具体的には、図７に破線の矢印で示すように、主端子９１（Ｐ端子）→ヒートシンク６０Ｈ→半導体素子４０Ｈ（ＩＧＢＴ１１）→導電スペーサ７０Ｈ→ヒートシンク５０Ｈ→継手部８１→継手部８０→ヒートシンク６０Ｌ→主端子９３（Ｏ端子）の経路で流れる。
　還流電流は、ダイオード動作時に流れる。上アーム９Ｈ側の還流電流は、出力電流と逆向き、つまり主端子９３から、半導体素子４０Ｈのダイオード１２、および主端子９１を介して直流電源２側に流れる。具体的には、図７に一点鎖線の矢印で示すように、主端子９３（Ｏ端子）→ヒートシンク６０Ｌ→継手部８０→継手部８１→ヒートシンク５０Ｈ→導電スペーサ７０Ｈ→半導体素子４０Ｈ（ダイオード１２）→ヒートシンク６０Ｈ→主端子９１（Ｐ端子）の経路で流れる。
　なお、下アーム９Ｌ側についても同様である。出力電流は、主端子９３→半導体素子４０ＬのＩＧＢＴ１１→主端子９２の経路で流れる。還流電流は、主端子９２→半導体素子４０Ｌのダイオード１２→主端子９３の経路で流れる。
　＜接合構造およびはんだの粒径＞
　次に、図８～図１０に基づき、接合構造およびはんだ粒径について説明する。図８は、本実施形態に係る半導体装置２０において、継手部８０、８１の接合構造を示す断面図である。図８は、図３に一点鎖線で示す領域VIIIを拡大した断面図である。便宜上、図８では、ワイヤ片１２０を省略して図示している。図９は、継手部８０の表面に設けたワイヤ片１２０を示す断面図である。図９では、便宜上、合金層１１０を省略している。図１０は、参考例を示す断面図である。図１０は、図８に対応している。参考例では、各要素の符号を、半導体装置２０の関連する要素の符号の末尾にｒを付加したものとしている。
　図８に示すように継手部８０は、Ｃｕ系の母材８００と、母材８００上に設けられたＮｉ層８０１を有している。同様に、継手部８１も、Ｃｕ系の母材８１０と、母材８１０上に設けられたＮｉ層８１１を有している。一例としてＮｉ層８０１、８１１は、無電解めっき法により成膜されたＮｉＰである。Ｎｉ層８０１、８１１は、Ｐを含むＮｉめっき膜である。
　半導体装置２０は、Ｎｉ層８０１とはんだ１０４との間に介在する合金層１１０と、Ｎｉ層８０１とはんだ１０４との間に介在する合金層１１１を備えている。合金層１１０、１１１は、ＩＭＣと称されることがある。ＩＭＣは、Intermetallic Compoundの略称である。合金層１１０、１１１は、はんだ接合時に形成される。合金層１１０、１１１は、Ｎｉ、Ｃｕ、およびＳｎを含む。合金層１１０、１１１の組成は、たとえば（Ｎｉ－Ｃｕ）３Ｓｎ４である。
　半導体装置２０は、さらにＰリッチ層８０２、８１２を備えている。Ｐリッチ層８０２は、Ｎｉ層８０１の表面に形成されている。Ｐリッチ層８１２は、Ｎｉ層８１１の表面に形成されている。Ｐリッチ層８０２、８１２は、接合時にＮｉ層８０１、８１１のＮｉの一部がはんだ１０４側に拡散することで形成される。Ｐリッチ層８０２、８１２は、Ｎｉ層８０１、８１１（ＮｉＰ）よりもＰがリッチな層である。Ｐリッチ層８０２、８１２の組成は、たとえばＮｉ３Ｐである。
　図９に示すように、継手部８０、８１の少なくともひとつは、はんだ接合面に、複数のワイヤ片１２０を有している。ワイヤ片１２０は、ボンディングワイヤの小片部である。ワイヤ片１２０は、突起部、スタッドボンディングと称されることがある。ワイヤ片１２０は、はんだ１０４内に配置されている。複数のワイヤ片１２０が、はんだ１０４内において分散配置されている。ワイヤ片１２０の高さを適宜設定することで、はんだ１０４の最低厚を保証することも可能である。複数のワイヤ片１２０は、はんだ接合部を構成する対向面のひとつである第１対向面に固定（接合）され、対向面の他のひとつである第２対向面に向けて突起している。一例として本実施形態では、継手部８０のはんだ接合面に、ワイヤ片１２０が設けられている。ワイヤ片１２０は、たとえば所定ピッチで設けられている。
　ワイヤ片１２０を有することで、継手部８０の表面は凹凸形状をなしている。はんだ１０４は、ワイヤ片１２０を起点として、はんだ１０４の凝固時に粒成長し始める。隣接する粒が衝突することで、粒界１０６が形成される。結晶粒は、ワイヤ片１２０の角部、たとえば上端の角部を起点として成長する。このため、はんだ１０４の粒径は、たとえばはんだ１０３Ｈ、１０３Ｌの粒径よりも小さい。上記したようにはんだ１０４の厚みは、１００μｍ程度である。はんだ１０４の粒径は、はんだ１０４の厚み、つまり１００μｍよりも小さい。
　図１０に示す比較例では、継手部８０ｒ、８１ｒのはんだ接合面に、ワイヤ片を設けていない。つまり、はんだ１０４の粒径を制御していない。その他の構成については、本実施形態の半導体装置２０と同様である。このような場合、はんだ１０４ｒの粒径は、１００μｍ程度となる。はんだ１０４ｒの結晶粒は、はんだ１０４の厚み方向（Ｚ方向）において、１個または２個存在する程度である。
　本実施形態では、複数のはんだ１００のうち、はんだ１０３Ｈ、１０３Ｌにワイヤ片１２０が配置されない。はんだ１０３Ｈ、１０３Ｌの粒径は、図１０に示した比較例と同等である。はんだ１０３Ｈ，１０３Ｌの粒径は、ワイヤ片１２０が配置されたはんだ１０４よりも粒径が大きい。
　＜ＥＭ＞
　次に、図１１に基づき、ＥＭ（エレクトロマイグレーション）について説明する。図１１は、ＥＭ進行のメカニズムを示す参考図である。図１１でも、各要素の符号を、半導体装置２０の関連する要素の符号の末尾にｒを付加したものとしている。参考図に示す例では、図１０に示した構成同様、はんだ１０４ｒの粒径制御を行っていない。その他の構成については、本実施形態の半導体装置２０と同様である。
　図１１の１ｓｔは、通電前の初期段階を示している。Ｎｉ層８０１ｒとはんだ１０４ｒとの間には、合金層１１０ｒが介在している。また、Ｎｉ層８０１ｒの表面には、Ｐリッチ層８０２ｒが形成されている。
　図１１の２ｎｄ、３ｒｄ、および４ｔｈは、出力電流の印加時を示している。破線矢印は電子（ｅ－）の流れる方向を示している。図１１の２ｎｄに示すように、電子の移動にともなって合金層１１０ｒのＣｕなどが継手部８１ｒ側に移動（拡散）する。具体的には、Ｃｕなどの金属がイオン化し、継手部８１ｒ側に移動する。これにより合金層１１０ｒは徐々に薄くなり、図１１の３ｒｄに示すように消失する。
　合金層１１０ｒが消失すると、図１１の３ｒｄに示すように、電子の移動にともなってＮｉ層８０１ｒのＮｉが継手部８１ｒ側に移動（拡散）し、Ｎｉ層８０１ｒが減少、Ｐリッチ層８０２ｒが増加する。そして、図１１の４ｔｈに示すように、Ｎｉ層８０１ｒが消失し、Ｐリッチ層８０２ｒが母材８００ｒに到達する。つまり、Ｐリッチ層８０２ｒがＮｉ層８０１ｒに置き換わる。
　Ｐリッチ層８０２ｒが母材８００ｒに到達した後、さらに経過すると密着性が低下し、たとえばボイドが生じる。また、ボイドを起点として、界面に沿うクラックが生じる。また、Ｐリッチ層８０２ｒにもクラックが生じ得る。
　上記したように、はんだ粒径を制御しない構成（図１０参照）では、はんだ１０４ｒの粒径が大きい。Ｃｕの移動経路に粒界が少ない。このため、電子の移動にともなって合金層１１０ｒのＣｕが移動し易い。
　なお、出力電流の例を示したが、還流電流の場合にも同様である。還流電流の印加時には、まず継手部８１ｒ側の合金層１１１ｒが消失し、次いでＰリッチ層８１２ｒがＮｉ層８１１ｒに置き換わる。Ｐリッチ層８１２ｒが母材８１０ｒに到達した後、さらに経過すると密着性が低下し、たとえばボイドやクラックが生じる。はんだ１０４ｒの粒径が大きいため、電子の移動にともなって合金層１１１ｒのＣｕが移動し易い。
　一方、本実施形態の構成（図８参照）では、電流密度が高い継手部８０、８１の接合部におけるはんだ１０４の粒径が、はんだ粒径を制御しないはんだ１０３Ｈ、１０３Ｌの粒径よりも小さい。このため、電子の移動にともなって合金層１１０、１１１のＣｕが移動し難い。つまり、合金層１１０、１１１が消失し難い。合金層１１０、１１１が消失するまでにかかる時間が長くなる。これにより、Ｎｉ層８０１、８１１がＰリッチ層８０２、８１２になって減少し始める時間が遅くなる。Ｎｉ層８０１、８１１が消失するまでにかかる時間が長くなる。
　＜第１実施形態のまとめ＞
　平面視において、高電位側の主電極であるコレクタ電極４３の面積は、低電位側の主電極であるエミッタ電極４２の面積よりも大きい。また、半導体装置２０の小型化のため、継手部８０、８１のはんだ接合部や継手部８２のはんだ接合部の面積を大きくとることが困難である。これにより、一相分の上下アーム回路９を構成する半導体装置２０においては、はんだ１０１Ｈ、１０１Ｌ、１０２Ｈ、１０２Ｌ、１０４、１０５の電流密度が、はんだ１０３Ｈ、１０３Ｌの電流密度よりも高くなる。つまり、複数のはんだ１００のうち、はんだ１０１Ｈ、１０１Ｌ、１０２Ｈ、１０２Ｌ、１０４、１０５の接合部において、ＥＭが進行しやすい。複数のはんだ１００のうち、はんだ１０３Ｈ、１０３Ｌの接合部において、ＥＭが進行し難い。
　一例として本実施形態では、はんだ１０４（中継はんだ、第１中継はんだ）の粒径が、はんだ１０３Ｈ、１０３Ｌ（第１下部はんだおよび第２下部はんだ）の粒径よりも小さい。はんだ１０４のほうが、接続対象間において粒界１０６が多い。粒界１０６は、Ｃｕの移動を阻害する。このため、電子の移動にともなって合金層１１０、１１１のＣｕが移動し難い。よって、合金層１１０、１１１が消失するまでにかかる時間を長くすることができる。また、Ｎｉ層８０１、８１１が消失するまでにかかる時間を長くすることができる。以上より、ＥＭ寿命を向上することができる。
　半導体装置２０の電流密度、つまり主電極に連なる通電経路の電流密度は、たとえば継手部８０、８１のはんだ接合部において最大となる。本実施形態では、はんだ１０４の粒径を小さくするため、ＥＭ寿命を向上することができる。
　なお、はんだ１０４の粒径の効果については、試作にて確認済みである。はんだ１０４の粒径を小さくすることで、合金層１１０、１１１の消失が遅くなる、つまりＥＭの進行を遅くできることを確認できた。このとき、無電解ＮｉＰめっきによりＮｉ層８０１、８１１を形成した。合金層１１０、１１１の組成は、（Ｎｉ－Ｃｕ）３Ｓｎ４であった。
　本実施形態では、継手部８０は、はんだ接合面に複数のワイヤ片１２０を有している。はんだ１０４は、ワイヤ片１２０を起点として凝固する。ワイヤ片１２０は、凝固の起点部である。ワイヤ片１２０を設けることで、はんだ１０４の粒径を小さくし、ＥＭ寿命を向上することができる。
　＜変形例＞
　ワイヤ片１２０を継手部８０に設ける例を示したが、これに限定されない。ワイヤ片１２０を継手部８１のはんだ接合面に設けてもよい。これによっても、ワイヤ片１２０を起点にはんだ１０４が凝固し、小粒化する。継手部８０、８１のそれぞれにワイヤ片１２０を設けてもよい。つまり、接続対象の少なくともひとつに設ければよい。
　粒径の小さい小粒はんだとして、はんだ１０４の例を示したがこれに限定されない。小粒はんだとして、複数のはんだ１００のうち、はんだ１０３Ｈ、１０３Ｌを除いたほかのはんだの少なくともひとつを採用することができる。
　たとえば、はんだ１０５を小粒はんだとしてもよい。継手部８２および／または主端子９２の接続部９２０のはんだ接合面に複数のワイヤ片１２０を設けることで、はんだ１０５の粒径をはんだ１０３Ｈ、１０３Ｌの粒径よりも小さくすることができる。これにより、はんだ１０５の接合部でＥＭが進行するのを抑制することができる。
　たとえば、はんだ１０１Ｈ、１０１Ｌを小粒はんだとしてもよい。エミッタ電極４２および／または導電スペーサ７０のはんだ接合面に複数のワイヤ片１２０を設けることで、はんだ１０１Ｈ、１０１Ｌの粒径をはんだ１０３Ｈ、１０３Ｌの粒径よりも小さくすることができる。これにより、はんだ１０１Ｈ、１０１Ｌの接合部でＥＭが進行するのを抑制することができる。半導体素子４０の小型化において有効である。
　たとえば、はんだ１０２Ｈ、１０２Ｌを小粒はんだとしてもよい。導電スペーサ７０および／またはヒートシンク５０のはんだ接合面に複数のワイヤ片１２０を設けることで、はんだ１０２Ｈ、１０２Ｌの粒径をはんだ１０３Ｈ、１０３Ｌの粒径よりも小さくすることができる。これにより、はんだ１０２Ｈ、１０２Ｌの接合部でＥＭが進行するのを抑制することができる。はんだ１０１Ｈ、１０１Ｌの小粒化同様、半導体素子４０の小型化において有効である。
　複数のワイヤ片１２０の配置は特に限定されない。たとえば図１２に示すように、複数のワイヤ片１２０を、導電スペーサ７０のはんだ接合面において半導体素子４０の中心付近と重なる部分に設けてもよい。ＥＭは、温度が高いほど、電流密度が高いほど進行する。平面視において素子中心付近と重なる部分にワイヤ片１２０を設けることで、温度が高くなる部分において確実に小粒化することができる。よって、ＥＭの進行を抑制することができる。また、複数のワイヤ片１２０を、導電スペーサ７０のはんだ接合面において、エミッタ電極４２の四隅と重なる部分に設けてもよい。四隅は、温度が低く、はんだが凝固しやすい。これにより、小粒化を促進できる。
　図１２に示すワイヤ片１２０の配置は、導電スペーサ７０に限定されない。エミッタ電極４２において、素子中心付近に設けてもよいし、四隅に設けてもよい。ヒートシンク５０において、素子中心付近と重なる部分に設けてもよいし、四隅と重なる部分に設けてもよい。
　半導体装置２０が導電スペーサ７０を備える例を示したが、これに限定されない。導電スペーサ７０に代えて、ヒートシンク５０にスペーサ機能を提供する凸部を設けてもよい。この場合、ヒートシンク５０が上部導体に相当する。上部はんだが、エミッタ電極４２とヒートシンク５０との間に介在し、エミッタ電極４２とヒートシンク５０とを接合する。上部はんだを細粒化するために、エミッタ電極４２および／またはヒートシンク５０のはんだ接合面に、複数のワイヤ片１２０を設けてもよい。
　半導体装置２０が継手部８２を備える例を示したが、これに限定されない。ヒートシンク５０Ｌ、継手部８２、および主端子９２が、連続して一体的に設けられてもよい。つまり半導体装置２０が、はんだ１０５を備えない構成としてもよい。
　半導体装置２０が、上アーム９Ｈと下アーム９Ｌとを接続するために２つの継手部８０、８１を備える例を示したが、これに限定されない。継手部８０、８１の一方のみを備えてもよい。たとえば継手部８０のみを備え、継手部８０がはんだ１０４を介してヒートシンク５０Ｈに接続される構成としてもよい。継手部８１のみを備え、継手部８１がはんだ１０４を介してヒートシンク６０Ｌに接続される構成としてもよい。
　（第２実施形態）
　この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例であり、先行実施形態の記載を援用できる。先行実施形態では、凝固の起点部として複数のワイヤ片を設けた。これに代えて、レーザ照射による凹凸酸化膜を設けてもよい。
　＜凹凸酸化膜＞
　図１３は、本実施形態に係る半導体装置２０において、継手部８０の表面に設けた凹凸酸化膜８０３を示す断面図である。図１３は、図９に対応している。図１３では、便宜上、Ｐリッチ層８０２および合金層１１０を省略している。
　上記したように、継手部８０は、母材８００と、母材８００の表面上に設けられたＮｉ層８０１を有している。図１３に示すように、継手部８０はＮｉ層８０１上に設けられた凹凸酸化膜８０３をさらに有している。凹凸酸化膜８０３は、Ｎｉ層８０１にレーザ光を照射することで、継手部８０のはんだ接合面において、複数箇所に分散形成されている。
　凹凸酸化膜８０３は、Ｎｉを主成分とする酸化物の膜である。たとえば、凹凸酸化膜８０３を構成する成分のうち、８０％がＮＩ２Ｏ３、１０％がＮｉＯ、１０％がＮｉとなっている。
　Ｎｉ層８０１の表面の凹部８０１ａは、パルス発振のレーザ光の照射により形成される。１パルスごとに、ひとつの凹部８０１ａが形成される。凹凸酸化膜８０３は、レーザ光の照射により、Ｎｉ層８０１の表層部分が溶融、気化し、蒸着することで形成される。凹凸酸化膜８０３は、Ｎｉ層８０１由来の酸化膜である。凹凸酸化膜８０３は、Ｎｉ層８０１の主成分の金属（Ｎｉ）の酸化物の膜である。凹凸酸化膜８０３は、凹部８０１ａを有するＮｉ層８０１の表面の凹凸に倣って形成されている。凹凸酸化膜８０３の表面には、凹部８０１ａの幅よりも細かいピッチで凹凸が形成されている。すなわち、非常に微細な凹凸（粗化部）が形成されている。
　パルス発振のレーザ光は、エネルギー密度が０Ｊ／ｃｍ２より大きく１００Ｊ／ｃｍ２以下で、パルス幅が１μ秒以下となるように調整される。この条件を満たすには、ＹＡＧレーザ、ＹＶＯ４レーザ、ファイバレーザなどを採用することができる。たとえばＹＡＧレーザの場合、エネルギー密度が１Ｊ／ｃｍ２以上であればよい。無電解Ｎｉめっきの場合、たとえば５Ｊ／ｃｍ２程度でもＮｉ層８０１を加工することができる。
　＜ボイド＞
　酸化膜（凹凸酸化膜８０３）は、金属膜に較べて、はんだに対する濡れ性が低い。凹凸酸化膜８０３は、表面に微細な凹凸を有しているため、はんだとの接触面積が小さくなり、はんだの一部は表面張力によって球状になる。つまり接触角が大きくなり、はんだに対する濡れ性が低い。
　上記したように凹凸酸化膜８０３は、はんだ１０４に対する濡れ性が低い。このため、図１３に示すように、凹凸酸化膜８０３を覆うようにボイド１２１が形成される。ボイド１２１は、凹凸酸化膜８０３の周囲に形成される。半導体装置２０において、継手部８０のはんだ接合面近傍には、複数のボイド１２１が存在する。その他の構成については、先行実施形態に記載の構成と同様である。
　＜第２実施形態のまとめ＞
　本実施形態に記載の構成によれば、先行実施形態に記載の構成と同等の効果を奏することができる。具体的には、はんだ１０４内に、凹凸酸化膜８０３由来の複数のボイド１２１が存在する。はんだ１０４は、凝固する際に、ボイド１２１を起点として粒成長する。ボイド１２１は、凝固の起点部である。凹凸酸化膜８０３、ひいてはボイド１２１を設けることで、はんだ１０４の粒径をはんだ１０３Ｈ、１０３Ｌの粒径よりも小さくし、ＥＭ寿命を向上することができる。
　＜変形例＞
　凹凸酸化膜８０３を継手部８０に設ける例を示したが、これに限定されない。接続対象である導体のうち、ヒートシンク６０を除いた他の導体に設けることができる。たとえば、凹凸酸化膜を継手部８１のはんだ接合面に設けてもよい。継手部８０、８１のそれぞれに凹凸酸化膜を設けてもよい。凹凸酸化膜をヒートシンク５０のはんだ接合面に設けてもよい。凹凸酸化膜を導電スペーサ７０のはんだ接合面に設けてもよい。
　凹凸酸化膜の配置は特に限定されない。所定ピッチで分散配置してもよい。図１２に示したように、ヒートシンク５０や導電スペーサ７０において、素子中心付近と重なる部分に設けてもよいし、四隅と重なる部分に設けてもよい。
　（第３実施形態）
　この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例であり、先行実施形態の記載を援用できる。先行実施形態では、ワイヤ片や凹凸酸化膜を設けることで、はんだ粒径を小さくした。これに代えて、溢れたはんだを収容する溝の内周端に凹凸を設けてもよい。
　図１４は、本実施形態に係る半導体装置２０において、継手部８１を含むヒートシンク５０Ｈを示す平面図である。図１４は、対向面５０ａ側から見た平面図である。図１５は、図１４に一点鎖線で示す領域XVを拡大した図である。図１５では、継手部８１上に配置されたはんだ１０４を示している。図１５では、粒界１０６について一部のみを示している。
　先行実施形態同様、継手部８１は、ヒートシンク５０Ｈに対して連続して一体的に設けられている。図１４に示すように、ヒートシンク５０Ｈは溝５１を有している。また、継手部８１は、溝８３を有している。図１５に示すように、平面視において、溝８３の内周端８３０は、連続する凹凸状をなしている。継手部８１は、溝８３の内周端８３０に凹凸部８３１を有している。一例として凹凸部８３１は、溝８３の全長にわたって設けられている。
　はんだ１０４は、溝８３の内周端８３０に設けられた凹凸部８３１の凹部および／または凸部を起点に、凝固時において粒成長する。このように凹凸を起点として成長するため、はんだ１０４において結晶粒は小さくなる。その他の構成については、先行実施形態に記載の構成と同様である。
　＜第３実施形態のまとめ＞
　本実施形態に記載の構成によれば、先行実施形態に記載の構成と同等の効果を奏することができる。具体的には、溢れたはんだ１０４を収容する溝８３の内周端８３０が、連続する凹凸状をなしている。はんだ１０４は、凝固する際に、内周端８３０の凹凸を起点として粒成長する。凹凸部８３１は、凝固の起点部である。溝８３の内周端８３０を凹凸状にすることで、はんだ１０４の粒径をはんだ１０３Ｈ、１０３Ｌの粒径よりも小さくし、ＥＭ寿命を向上することができる。
　凹凸部８３１を、溝８３の全長にわたって設ける例を示したが、これに限定されない。凹凸部８３１は、溝８３の全長のうち、少なくとも一部に設けられればよい。溝８３の内周端８３０の少なくとも一部を凹凸状とすることで、はんだ１０４の粒径をはんだ１０３Ｈ、１０３Ｌの粒径よりも小さくすることができる。
　なお、継手部８１を含むヒートシンク５０Ｈと、継手部８２を含むヒートシンク５０Ｌとが共通部材の場合には、継手部８２も、溝８３の内周端８３０に凹凸部８３１を有することになる。この場合、はんだ１０５についても小粒化することができる。
　＜変形例＞
　凹凸部８３１を溝８３に設ける例を示したが、これに限定されない。凹凸部を、ヒートシンク５０の溝５１の内周端に設けてもよい。ヒートシンク５０Ｈの溝５１の内周端に設けてもよいし、ヒートシンク５０Ｌの溝５１の内周端に設けてもよい。溝５１、溝８３のそれぞれに凹凸部を設けてもよい。
　（第４実施形態）
　この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例であり、先行実施形態の記載を援用できる。先行実施形態では、はんだの接続対象の工夫により、はんだの粒径を小さくした。これに代えて、はんだの工夫により、はんだの粒径を小さくしてもよい。
　図１６は、本実施形態に係る半導体装置２０において、継手部８０、８１の接合構造を示す断面図である。図１６は、図８に対応している。
　図１６に示すように、はんだ１０４には、導電性のボール１２２が添加されている。ボール１２２は、ＮｉまたはＣｕを主成分とする。このようなボール１２２は、Ｎｉボール、Ｃｕボールと称されることがある。ボール１２２の径を適宜設定することで、たとえばはんだ１０４の最低厚を保証することが可能である。
　ボール１２２が存在することで、はんだ１０４は、凝固時においてボール１２２を起点に粒成長する。ボール１２２を起点とするため、ボール１２２が添加されない構成に較べて、はんだ１０４の結晶粒は小さくなる。その他の構成については、先行実施形態に記載の構成と同様である。
　＜第４実施形態のまとめ＞
　本実施形態に記載の構成によれば、先行実施形態に記載の構成と同等の効果を奏することができる。具体的には、はんだ１０４にボール１２２が添加されている。はんだ１０４は、凝固する際に、ボール１２２を起点として粒成長する。ボール１２２は、凝固の起点部である。ボール１２２を設けることで、はんだ１０４の粒径をはんだ１０３Ｈ、１０３Ｌの粒径よりも小さくし、ＥＭ寿命を向上することができる。
　なお、ボール１２２の効果についても試作にて確認済みである。ボール１２２を添加することで、はんだ１０４の粒径が小さくなることを確認できた。また、合金層１１０、１１１の消失が遅くなる、つまりＥＭの進行を遅くできることを確認できた。このとき、無電解ＮｉＰめっきによりＮｉ層８０１、８１１を形成した。合金層１１０、１１１の組成は、（Ｎｉ－Ｃｕ）３Ｓｎ４であった。
　＜変形例＞
　はんだ１０４を多層構造とし、単位体積当たりのボール１２２の占有率を層によって異ならせてもよい。図１７に示す例では、はんだ１０４が、第１層１０４ａと、第２層１０４ｂを有している。第１層１０４ａは継手部８０側の層であり、第２層１０４ｂは継手部８１側の層である。図１７は、図１６に対応している。図１７では、便宜上、粒界１０６を省略している。
　図１７に示す例では、第１層１０４ａにおけるボール１２２の占有率は、第２層１０４ｂにおけるボール１２２の占有率よりも高い。第１層１０４ａのほうが、第２層１０４ｂよりもボール１２２の量が多い。このような構成とすると、第２層１０４ｂの粒径を小さくしつつ、第１層１０４ａの粒径をさらに小さくすることができる。よって、出力電流によりＥＭが進行しやすい構成において、ＥＭ寿命を向上することができる。
　なお、第１層１０４ａと第２層１０４ｂとで、ボール１２２の径を異ならせることで、第１層１０４ａにおけるボール１２２の占有率を、第２層１０４ｂにおけるボール１２２の占有率より高くしてもよい。ボールの量および径の両方を異ならせてもよい。
　第２層１０４ｂにおけるボール１２２の占有率を、第１層１０４ａにおけるボール１２２の占有率より高くしてもよい。このような構成とすると、第１層１０４ａの粒径を小さくしつつ、第２層１０４ｂの粒径をさらに小さくすることができる。よって、還流電流によりＥＭが進行しやすい構成において、ＥＭ寿命を向上することができる。
　はんだ１０４の二層構造は、たとえばボール含有率の異なるはんだ箔を二層配置することで実現可能である。これに代えて、ボールなしのはんだ箔を三層積層し、はんだ箔間のそれぞれに配置するボール１２２の量および／または径を異ならせてもよい。はんだ１０４の層数は、２層に限定されない。３層以上でもよい。
　はんだ１０４にボール１２２が配置される例を示したが、これに限定されない。ボール１２２は、複数のはんだ１００のうち、はんだ１０３Ｈ、１０３Ｌを除いた他のはんだの少なくともひとつに配置され得る。
　（他の実施形態）
　この明細書および図面等における開示は、例示された実施形態に制限されない。開示は、例示された実施形態と、それらに基づく当業者による変形態様を包含する。たとえば、開示は、実施形態において示された部品および／または要素の組み合わせに限定されない。開示は、多様な組み合わせによって実施可能である。開示は、実施形態に追加可能な追加的な部分をもつことができる。開示は、実施形態の部品および／または要素が省略されたものを包含する。開示は、ひとつの実施形態と他の実施形態との間における部品および／または要素の置き換え、または組み合わせを包含する。開示される技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示されるいくつかの技術的範囲は、請求の範囲の記載によって示され、さらに請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものと解されるべきである。
　明細書および図面等における開示は、請求の範囲の記載によって限定されない。明細書および図面等における開示は、請求の範囲に記載された技術的思想を包含し、さらに請求の範囲に記載された技術的思想より多様で広範な技術的思想に及んでいる。よって、請求の範囲の記載に拘束されることなく、明細書および図面等の開示から、多様な技術的思想を抽出することができる。
　ある要素または層が「上にある」、「連結されている」、「接続されている」または「結合されている」と言及されている場合、それは、他の要素、または他の層に対して、直接的に上に、連結され、接続され、または結合されていることがあり、さらに、介在要素または介在層が存在していることがある。対照的に、ある要素が別の要素または層に「直接的に上に」、「直接的に連結されている」、「直接的に接続されている」または「直接的に結合されている」と言及されている場合、介在要素または介在層は存在しない。要素間の関係を説明するために使用される他の言葉は、同様のやり方で（例えば、「間に」対「直接的に間に」、「隣接する」対「直接的に隣接する」など）解釈されるべきである。この明細書で使用される場合、用語「および／または」は、関連する列挙されたひとつまたは複数の項目に関する任意の組み合わせ、およびすべての組み合わせを含む。
　空間的に相対的な用語「内」、「外」、「裏」、「下」、「低」、「上」、「高」などは、図示されているような、ひとつの要素または特徴の他の要素または特徴に対する関係を説明する記載を容易にするためにここでは利用されている。空間的に相対的な用語は、図面に描かれている向きに加えて、使用または操作中の装置の異なる向きを包含することを意図することができる。例えば、図中の装置をひっくり返すと、他の要素または特徴の「下」または「真下」として説明されている要素は、他の要素または特徴の「上」に向けられる。したがって、用語「下」は、上と下の両方の向きを包含することができる。この装置は、他の方向に向いていてもよく（９０度または他の向きに回転されてもよい）、この明細書で使用される空間的に相対的な記述子はそれに応じて解釈される。
　車両の駆動システム１は、上記した構成に限定されない。たとえば、モータジェネレータ３をひとつ備える例を示したが、これに限定されない。複数のモータジェネレータを備えてもよい。電力変換装置４が、電力変換部としてインバータ６を備える例を示したが、これに限定されない。たとえば、複数のインバータを備える構成としてもよい。すくなくともひとつのインバータと、コンバータを備える構成としてもよい。コンバータのみを備えてもよい。
　スイッチング素子は、ＩＧＢＴ１１に限定されない。たとえばＭＯＳＦＥＴを採用してもよい。ＭＯＳＦＥＴは、Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistorの略称である。ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴの場合、ソース電極が上部電極に相当し、ドレイン電極が下部電極に相当する。ＭＯＳＦＥＴの場合、還流用のダイオードとして寄生ダイオード（ボディダイオード）を用いてもよいし、外付けのダイオードを用いてもよい。
　半導体装置２０が、各アームを構成する半導体素子４０をひとつのみ備える例を示したが、これに限定されない。半導体装置２０が、各アームを構成する半導体素子４０を複数備えてもよい。つまり、複数の半導体素子４０Ｈが互いに並列接続されてひとつのアーム９Ｈを構成し、複数の半導体素子４０Ｌが互いに並列接続されてひとつのアーム９Ｌを構成してもよい。
　ヒートシンク５０、６０の裏面５０ｂ、６０ｂが、封止体３０から露出する例を示したが、これに限定されない。裏面５０ｂ、６０ｂの少なくとも一方が、封止体３０によって覆われた構成としてもよい。裏面５０ｂ、６０ｂの少なくとも一方が、封止体３０とは別の図示しない絶縁部材によって覆われた構成としてもよい。半導体装置２０が封止体３０を備えない構成としてもよい。
　半導体装置２０が、封止体３０を備える例を示したが、これに限定されない。封止体３０を排除した構成としてもよい。
　（技術的思想の開示）
　この明細書は、以下に列挙する複数の項に記載された複数の技術的思想を開示している。いくつかの項は、後続の項において先行する項を択一的に引用する多項従属形式（a multiple dependent form）により記載されている場合がある。さらに、いくつかの項は、他の多項従属形式の項を引用する多項従属形式（a multiple dependent form referring to another multiple dependent form）により記載されている場合がある。これらの多項従属形式で記載された項は、複数の技術的思想を定義している。
　＜技術的思想１＞
　上面に信号用のパッドと主電極である上部電極を有し、前記上面とは板厚方向において反対の面である下面に主電極であり、前記板厚方向から平面視した面積が前記上部電極よりも大きい下部電極を有する複数の半導体素子（４０）と、
　はんだを介して前記主電極に電気的に接続された複数の導体（５０、６０、７０、８０、８１、８２、９２）と、を備え、
　前記複数の半導体素子は、上下アーム回路（９）の上アーム（９Ｈ）を構成する第１半導体素子（４０Ｈ）と、前記上下アーム回路の下アーム（９Ｌ）を構成し、前記板厚方向において前記上面が同じ側となるように前記板厚方向に直交する一方向において前記第１半導体素子と並んで配置された第２半導体素子（４０Ｌ）と、を含み、
　前記複数の導体は、前記第１半導体素子の上部電極に第１上部はんだ（１０１Ｈ、１０２Ｈ）を介して接続された第１上部導体（５０Ｈ、７０Ｈ）と、前記第１半導体素子の下部電極に第１下部はんだ（１０３Ｈ）を介して接続された第１下部導体（６０Ｈ）と、前記第２半導体素子の上部電極に第２上部はんだ（１０１Ｌ、１０２Ｌ）を介して接続された第２上部導体（５０Ｌ、７０Ｌ）と、前記第２半導体素子の下部電極に第２下部はんだ（１０３Ｌ）を介して接続された第２下部導体（６０Ｌ）と、前記第１上部導体と前記第２下部導体とを中継はんだ（１０４）を介して接続する継手導体（８０、８１）と、を含み、
　各はんだは、ＣｕおよびＳｎを含み、
　各はんだの接続対象のそれぞれは、Ｎｉ層（８０１、８１１）を有し、
　前記第１上部はんだ、前記第２上部はんだ、および前記中継はんだの少なくともひとつの粒径が、前記第１下部はんだおよび前記第２下部はんだの粒径よりも小さい、半導体装置。
　＜技術的思想２＞
　前記第１上部導体は、第１本体部（５０Ｈ）と、前記第１半導体素子の上部電極と前記第１本体部との間に介在する第１スペーサ部（７０Ｈ）と、を有し、
　前記第２上部導体は、第２本体部（５０Ｌ）と、前記第２半導体素子の上部電極と前記第２本体部との間に介在する第２スペーサ部（７０Ｌ）と、を有し、
　前記第１上部はんだは、前記第１半導体素子の上部電極と前記第１スペーサ部との間、および、前記第１スペーサ部と前記第１本体部との間にそれぞれ介在し、
　前記第２上部はんだは、前記第２半導体素子の上部電極と前記第２スペーサ部との間、および、前記第２スペーサ部と前記第２本体部との間にそれぞれ介在している、技術的思想１に記載の半導体装置。
　＜技術的思想３＞
　前記継手導体は、前記中継はんだである第１中継はんだを介して前記第１上部導体と前記第２下部導体とを接続する第１継手導体であり、
　前記複数の導体は、主端子（９２）と、前記第２上部導体と前記主端子とを第２中継はんだ（１０５）を介して接続する第２継手導体（８２）と、を含み、
　前記第２中継はんだの粒径が、前記第１下部はんだおよび前記第２下部はんだの粒径よりも小さい、技術的思想１または技術的思想２に記載の半導体装置。
　＜技術的思想４＞
　前記第１下部はんだおよび前記第２下部はんだの粒径よりも小さい前記はんだである小粒はんだの内部、もしくは、前記小粒はんだの接続対象の表面に、粒径を小さくするための凝固の起点部を有する、技術的思想１～３いずれかひとつに記載の半導体装置。
　＜技術的思想５＞
　前記起点部は、前記小粒はんだ内に配置され、前記小粒はんだの接続対象の表面に固定された複数のワイヤ片（１２０）である、技術的思想４に記載の半導体装置。
　＜技術的思想６＞
　前記小粒はんだの接続対象である前記導体は、前記Ｎｉ層上に、Ｎｉを主成分とし、表面が連続して凹凸をなす凹凸酸化膜（８０３）を有し、
　前記起点部は、前記凹凸酸化膜を覆うボイド（１２１）である、技術的思想４に記載の半導体装置。
　＜技術的思想７＞
　前記小粒はんだの接続対象である前記導体は、溢れたはんだを収容する溝（８３）を有し、
　前記溝の内周端は、連続する凹凸状をなしており、
　前記起点部は、前記溝の内周端の凹部および／または凸部である、技術的思想４に記載の半導体装置。
　＜技術的思想８＞
　前記小粒はんだには、導電性のボール（１２２）が添加されており、
　前記起点部は、前記ボールである、技術的思想４に記載の半導体装置。
　＜技術的思想９＞
　前記ボールは、ＮｉまたはＣｕを含む、技術的思想８に記載の半導体装置。

Claims (9)

  1. 　上面に信号用のパッドと主電極である上部電極を有し、前記上面とは板厚方向において反対の面である下面に主電極であり、前記板厚方向から平面視した面積が前記上部電極よりも大きい下部電極を有する複数の半導体素子（４０）と、
    　はんだを介して前記主電極に電気的に接続された複数の導体（５０、６０、７０、８０、８１、８２、９２）と、を備え、
    　前記複数の半導体素子は、上下アーム回路（９）の上アーム（９Ｈ）を構成する第１半導体素子（４０Ｈ）と、前記上下アーム回路の下アーム（９Ｌ）を構成し、前記板厚方向において前記上面が同じ側となるように前記板厚方向に直交する一方向において前記第１半導体素子と並んで配置された第２半導体素子（４０Ｌ）と、を含み、
    　前記複数の導体は、前記第１半導体素子の上部電極に第１上部はんだ（１０１Ｈ、１０２Ｈ）を介して接続された第１上部導体（５０Ｈ、７０Ｈ）と、前記第１半導体素子の下部電極に第１下部はんだ（１０３Ｈ）を介して接続された第１下部導体（６０Ｈ）と、前記第２半導体素子の上部電極に第２上部はんだ（１０１Ｌ、１０２Ｌ）を介して接続された第２上部導体（５０Ｌ、７０Ｌ）と、前記第２半導体素子の下部電極に第２下部はんだ（１０３Ｌ）を介して接続された第２下部導体（６０Ｌ）と、前記第１上部導体と前記第２下部導体とを中継はんだ（１０４）を介して接続する継手導体（８０、８１）と、を含み、
    　各はんだは、ＣｕおよびＳｎを含み、
    　各はんだの接続対象のそれぞれは、Ｎｉ層（８０１、８１１）を有し、
    　前記第１上部はんだ、前記第２上部はんだ、および前記中継はんだの少なくともひとつの粒径が、前記第１下部はんだおよび前記第２下部はんだの粒径よりも小さい、半導体装置。
  2. 　前記第１上部導体は、第１本体部（５０Ｈ）と、前記第１半導体素子の上部電極と前記第１本体部との間に介在する第１スペーサ部（７０Ｈ）と、を有し、
    　前記第２上部導体は、第２本体部（５０Ｌ）と、前記第２半導体素子の上部電極と前記第２本体部との間に介在する第２スペーサ部（７０Ｌ）と、を有し、
    　前記第１上部はんだは、前記第１半導体素子の上部電極と前記第１スペーサ部との間、および、前記第１スペーサ部と前記第１本体部との間にそれぞれ介在し、
    　前記第２上部はんだは、前記第２半導体素子の上部電極と前記第２スペーサ部との間、および、前記第２スペーサ部と前記第２本体部との間にそれぞれ介在している、請求項１に記載の半導体装置。
  3. 　前記継手導体は、前記中継はんだである第１中継はんだを介して前記第１上部導体と前記第２下部導体とを接続する第１継手導体であり、
    　前記複数の導体は、主端子（９２）と、前記第２上部導体と前記主端子とを第２中継はんだ（１０５）を介して接続する第２継手導体（８２）と、を含み、
    　前記第２中継はんだの粒径が、前記第１下部はんだおよび前記第２下部はんだの粒径よりも小さい、請求項１に記載の半導体装置。
  4. 　前記第１下部はんだおよび前記第２下部はんだの粒径よりも小さい前記はんだである小粒はんだの内部、もしくは、前記小粒はんだの接続対象の表面に、粒径を小さくするための凝固の起点部を有する、請求項１～３いずれか１項に記載の半導体装置。
  5. 　前記起点部は、前記小粒はんだ内に配置され、前記小粒はんだの接続対象の表面に固定された複数のワイヤ片（１２０）である、請求項４に記載の半導体装置。
  6. 　前記小粒はんだの接続対象である前記導体は、前記Ｎｉ層上に、Ｎｉを主成分とし、表面が連続して凹凸をなす凹凸酸化膜（８０３）を有し、
    　前記起点部は、前記凹凸酸化膜を覆うボイド（１２１）である、請求項４に記載の半導体装置。
  7. 　前記小粒はんだの接続対象である前記導体は、溢れたはんだを収容する溝（８３）を有し、
    　前記溝の内周端は、連続する凹凸状をなしており、
    　前記起点部は、前記溝の内周端の凹部および／または凸部である、請求項４に記載の半導体装置。
  8. 　前記小粒はんだには、導電性のボール（１２２）が添加されており、
    　前記起点部は、前記ボールである、請求項４に記載の半導体装置。
  9. 　前記ボールは、ＮｉまたはＣｕを含む、請求項８に記載の半導体装置。
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