JP2009033065A

JP2009033065A - フィン一体型半導体モジュールおよびその製造方法

Info

Publication number: JP2009033065A
Application number: JP2007198128A
Authority: JP
Inventors: Kiyofumi Kitai; 清文北井; Yoichi Goto; 洋一五藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-07-30
Filing date: 2007-07-30
Publication date: 2009-02-12

Abstract

【課題】作製時の応力や駆動時の熱履歴に起因した基板や実装部品におけるクラックや破損の発生が防止された高品質のフィン一体型半導体モジュールを提供する。
【解決手段】金属またはセラミックスからなり一面側の表面に溝１１ａを備えるとともに他面側の表面上に回路パターン１５を形成した基板１１と、前記回路パターン上にはんだ２５を介して実装された半導体チップ１９と、前記半導体チップを含めた前記基板の他面側の表面上を覆って設けられたエポキシ系樹脂からなるモールド部材２１と、を備え、前記基板の溝に放熱フィン２３をはめ込んでいる。
【選択図】図１

Description

本発明は、フィン一体型半導体モジュールおよびその製造方法に関するものであり、特に、簡単な構造で良好な放熱特性および品質を備えたフィン一体型半導体モジュールおよびその製造方法に関するものである。

従来、半導体モジュールとして、発熱部品である半導体チップを実装したパワーモジュールが広く用いられている。このようなパワーモジュールは、駆動の際に半導体チップからの発熱を伴い、この熱の放熱性を高めるために回路パターンを備えた厚い金属基板（またはセラミックス基板）を使用している。また、さらに放熱面積を広げて放熱性を高めるために、絶縁性のシリコーン系の樹脂材料（たとえばグリース）を介して放熱フィンを備えたフィンベースを金属基板にねじ止めして接合していた。

しかし、このような構成の半導体モジュールの場合には、金属基板（またはセラミックス基板）または放熱部材の表面へのシリコーン系の樹脂材料の塗布工程が必要となるため、製造工程数が多くなる。また、このような構成の半導体モジュールの場合には、金属基板（またはセラミックス基板）とフィンベースとの間にシリコーン系の樹脂材料が介在するため、放熱性が良くない。

そこで、上記のような樹脂材料を介在させない技術として、たとえばフィンベースの金属板の表面に溝が形成され、この溝に金属板の羽部材（放熱フィン）が圧入・固定されて形成され、フィンベース面が直接、絶縁層に貼着されているものが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

特開平８−２０４２９４号公報

しかしながら、上記従来の技術によれば、フィンベースの金属板の表面の溝に金属板の羽部材（放熱フィン）をはめ込む際に機械的応力が発生する。そして、他の部材や基板にこの応力が印加されて悪影響を与える。たとえば、上記の構造を、金属からなり一面側の表面に溝を備えた基板と、基板の溝にはめ込まれた放熱フィンと、基板の他面側の表面上に設けられた絶縁層と、絶縁層上に実装された半導体チップと、を備える構造のパワーモジュールに適用した場合には、基板や実装部品に機械的応力が掛かり、これらの部材にクラックや破損が生じる、という問題がある。

通常、このようなパワーモジュールにおいては、基板周囲をケースで囲った後、基板上を柔らかいシリコンゲルの封止材で覆って封止しているが、該シリコンゲルの封止材では羽部材（放熱フィン）をはめ込む際に発生する機械的応力を緩和することができず、上記のように基板や実装部品などの構成部材に機械的応力が加わってクラックや破損が生じる。

また、このようなパワーモジュールにおいては、駆動を繰り返すうちに半導体チップの発熱の熱履歴により、部材同士を接続しているはんだにクラックや破損が発生する場合がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、作製時の応力や駆動時の熱履歴に起因した基板や実装部品におけるクラックや破損の発生が防止された高品質のフィン一体型半導体モジュールおよびその製造方法を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかるフィン一体型半導体モジュールは、金属またはセラミックスからなり一面側の表面に溝を備えるとともに他面側の表面上に回路パターンを形成した基板と、前記回路パターン上にはんだを介して実装された半導体チップと、前記半導体チップを含めた前記基板の他面側の表面上を覆って設けられたエポキシ系樹脂からなるモールド部材と、を備え、前記基板の溝に放熱フィンをはめ込んだこと、を特徴とする。

この発明によれば、放熱性および耐久性に優れ、作製時の応力や駆動時の熱履歴に起因した基板や実装部品におけるクラックや破損の発生が防止された高品質のフィン一体型半導体モジュールを得ることができる、という効果を奏する。

以下に、本発明にかかるフィン一体型半導体モジュールおよびその製造方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。

実施の形態
図１は、本発明の実施の形態にかかるフィン一体型半導体モジュールであるパワーモジュールの概略構成を示す図である。本実施の形態にかかるフィン一体型半導体モジュール１は、図１に示すように、かしめベース板付き金属基板１１と、絶縁層１３と、回路パターン１５と、電極板１７と、半導体チップ１９と、樹脂モールド２１と、放熱フィン２３と、を備える。

かしめベース板付き金属基板１１は、フィン一体型半導体モジュール１のベース基板であるとともに、放熱フィンがかしめ装着されるフィンベースを兼ねた基板である。かしめベース板付き金属基板１１は、たとえばアルミニウム等の熱伝導率が高く放熱性の良好な金属材料からなり、その一面側にエポキシ系樹脂である絶縁層１３が直接接着されている。なお、ここでは、基板として金属基板を用いる場合について説明しているが、基板としてセラミックス基板を用いても良い。

回路パターン１５は、エッチング加工等により絶縁層１３上にパターン形成された例えば銅からなる回路パターンである。この回路パターン１５上に、はんだ２５により半導体チップ１９などの電子部品が実装されている。回路パターン１５と半導体チップ１９とは、ボンディングワイヤ２７により電気的に接続されている。また、回路パターン１５は、電極板１７に接続している。

樹脂モールド２１は、半導体チップ１９等の部材を含めた絶縁層１３上を覆って設けられたエポキシ系樹脂からなるモールド部材であり、半導体モジュール１のケースを兼ねる。樹脂モールド２１の外周部には、回路パターン１５を電極板１７を介して外部と接続するための接続部３１を備える。接続部３１内部には電極板１７が引き込まれており、該接続部３１にコネクタ２９が装着される。ここで、本実施の形態に掛かる樹脂モールド２１は、樹脂モールド２１形成後に、放熱フィンをかしめる際の応力にて割れない程度の機械的強度を有するエポキシ系樹脂である。エポキシ系樹脂は熱硬化性樹脂なので、粘度が低粘度であるため絶縁層１３上を隙間無く充填することができる。図１では、回路パターン１５を外部と接続するための接続部３１に電極板１７を介して接続する例を示したが、回路パターン１５から接続部３１に直接接続するようにしても良い。また、図１では樹脂モールド２１の外周部に接続部３１を備え、接続部３１にコネクタ２９を装着される例を示したが、樹脂モールド２１でケース、カバー、接続部３１およびコネクタ２９を一体に成形しても良い。

また、回路パターン１５とかしめベース板付き金属基板１１との間に使用する絶縁層１３がエポキシ系樹脂であるため、樹脂モールド２１と絶縁層１３との接着が可能である。また、エポキシ系樹脂は金属との密着性も良いため、回路パターン１５との接着性も良い。また、エポキシ系樹脂は加熱温度が比較的低温で、さらに低粘度であるため流動性が比較的良く、扱いやすい。

放熱フィン２３は、アルミニウム等の熱伝導率が高く放熱性の良好な金属板からなり、かしめベース板付き金属基板１１の他面側（絶縁層１３が接着されていない側）に装着されている。かしめベース板付き金属基板１１の他面側には、所定の間隔でライン状の溝１１ａが形成されている。そして、端部が溝１１ａに対応した形状とされた放熱フィン２３がこの溝１１ａに圧入・固定されてフィンが構成されている。すなわち、このフィン一体型半導体モジュール１では、かしめベース板付き金属基板１１と放熱フィン２３とにより冷却用のフィンが構成されている。

つぎに、上記のように構成された本実施の形態にかかるフィン一体型半導体モジュール１の製造方法について図３を参照して説明する。図３は、本実施の形態にかかるフィン一体型半導体モジュール１の製造方法を説明するためのフローチャートである。

まず、アルミニウム等の基板の一方の面（他面側）に所定の間隔でライン状の溝１１ａを形成してかしめベース板付き金属基板１１を形成する（ステップＳ１１０）。そして、かしめベース板付き金属基板１１の一面側にエポキシ系樹脂を塗布して絶縁層１３を形成し、エッチング加工等を用いて絶縁層１３上に例えば銅からなる回路パターン１５を形成し、さらに電極板１７を形成する（ステップＳ１２０）。

つぎに、この回路パターン１５上の所定の位置にはんだペーストを塗布し（ステップＳ１３０）、該はんだペーストの上に半導体チップ１９などの電子部品を実装する（ステップＳ１４０）。その後、リフローを行う（ステップＳ１５０）。すなわち、かしめベース板付き金属基板１１を高温に加熱して、かしめベース板付き金属基板１１に塗布したはんだペーストを高温下で溶解して、半導体チップ１９などの電子部品と回路パターン１５とを電気的に接続する。

つぎに、回路パターン１５と半導体チップ１９とをボンディングワイヤ２７により電気的に接続する。この時点における、半導体モジュールの状態（樹脂モールド２１形成前）を図２に示す。つぎに、エポキシ系樹脂を半導体チップ１９等の部材を含めた絶縁層１３上に流し込む。このとき、減圧雰囲気中においてエポキシ系樹脂を流し込むことにより、エポキシ系樹脂中に空隙が生じることを防止することができる。その後、所定の温度に加熱してエポキシ系樹脂を硬化させて樹脂モールド２１を形成し、かしめベース板付き金属基板１１上の部材をエポキシ系樹脂により封止する（ステップＳ１６０）。

樹脂モールド２１の形成後、かしめベース板付き金属基板１１に形成した溝１１ａに放熱フィン２３をかしめて取り付ける（ステップＳ１７０）。最後に、かしめベース板付き金属基板１１および樹脂モールド２１の外周部における不要部分を除去し、コネクタ２９が装着される接続部３１を形成して、図１に示すような本実施の形態にかかるフィン一体型半導体モジュール１が完成する。

上述したように、本実施の形態にかかるフィン一体型半導体モジュール１は、従来の半導体モジュールのように基板上を柔らかいシリコンゲルではなく、硬く強度の高いエポキシ系樹脂からなる樹脂モールド２１により封止しているため、かしめベース板付き金属基板１１や半導体チップ１９等の部材を樹脂モールド２１の機械的強度で保持することができる。これにより、放熱フィン２３をかしめベース板付き金属基板１１にはめ込む際に発生する機械的応力を緩和することができ、該応力がかしめベース板付き金属基板１１や半導体チップ１９等の部材に加わることを防止して、これらの部材における上記機械適応力に起因したクラックや破損の発生を効果的に防止することができる。

また、本実施の形態にかかるフィン一体型半導体モジュール１は、従来の半導体モジュールのように基板上を柔らかいシリコンゲルではなく、硬く強度の高いエポキシ系樹脂からなる樹脂モールド２１により封止しているため、部材同士を接続しているはんだ２５を物理的に確実に固定することができる。これにより、フィン一体型半導体モジュール１が駆動を繰り返す際の半導体チップの発熱の熱履歴に起因したはんだ２５の熱膨張・収縮を物理的に防止して、はんだ２５における上記熱履歴に起因したクラックや破損の発生を効果的に防止することができる。

すなわち、本実施の形態にかかるフィン一体型半導体モジュール１は、硬く強度の高いエポキシ系樹脂からなる樹脂モールド２１を用いることにより、従来と同様に絶縁作用および実装部材の酸化防止作用を有するとともに、フィン一体型半導体モジュール１の強度向上による上記機械適応力および上記熱履歴に起因した内部部材におけるクラックや破損の発生を効果的に防止することができ、長期に及ぶ使用が可能な、耐久性に優れた高品質な半導体モジュールを実現することができる。

また、本実施の形態にかかるフィン一体型半導体モジュール１は、硬く強度の高いエポキシ系樹脂からなる樹脂モールド２１を用いることにより、該樹脂モールド２１は封止部材としてだけでなく、従来のケース、カバーおよび端子台として使用することができる。これにより、部品数を削減するとともに製造工程を削減することができるため、安価な半導体モジュールを実現することができる。

以上のように、本発明にかかるフィン一体型半導体モジュールは、小型化や耐久性が要求される用途に有用である。

本発明の実施の形態にかかるフィン一体型半導体モジュールであるパワーモジュールの概略構成を示す図である。本発明の実施の形態にかかるフィン一体型半導体モジュールの製造工程を説明する図であって、樹脂モールド形成前の状態を示す斜視図である。本実施の形態にかかるフィン一体型半導体モジュールの製造方法を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１フィン一体型半導体モジュール
１１金属基板
１１ａ溝
１３絶縁層
１５回路パターン
１７電極板
１９半導体チップ
２１樹脂モールド
２３放熱フィン
２５はんだ
２７ボンディングワイヤ
２９コネクタ
３１接続部

Claims

金属またはセラミックスからなり一面側の表面に溝を備えるとともに他面側の表面上に回路パターンを形成した基板と、
前記回路パターン上にはんだを介して実装された半導体チップと、
前記半導体チップを含めた前記基板の他面側の表面上を覆って設けられたエポキシ系樹脂からなるモールド部材と、
を備え、
前記基板の溝に放熱フィンをはめ込んだこと、
を特徴とするフィン一体型半導体モジュール。
前記モールド部材は、自フィン一体型半導体モジュールの内部を外部と電気的に接続するための接続部を備えること、
を特徴とする請求１に記載のフィン一体型半導体モジュール。
前記接続部に接続されるコネクタが前記樹脂モールドの一部として一体形成されていること、
を特徴とする請求１に記載のフィン一体型半導体モジュール。
金属板またはセラミックス板の一面側の表面に溝を形成するとともに他面側の表面上に回路パターンを形成して基板を形成する基板形成工程と、
前記回路パターン上にはんだを介して半導体チップを実装する工程と、
前記半導体チップを含めた前記基板の他面側の表面上を覆うようにエポキシ系樹脂からなるモールド部材を形成するモジュール部材形成工程と、
前記基板の溝に放熱フィンをはめ込んで装着する放熱フィン装着工程と、
を含むこと、
を特徴とするフィン一体型半導体モジュールの製造方法。