JP3770164B2

JP3770164B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof

Info

Publication number: JP3770164B2
Application number: JP2002014583A
Authority: JP
Inventors: 幹夫成瀬
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-01-23
Filing date: 2002-01-23
Publication date: 2006-04-26
Anticipated expiration: 2022-01-23
Also published as: JP2003218291A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モールド部材により一体化されたバスバー上に半導体素子を実装した半導体装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
バスバー上に半導体素子を実装し、そのバスバーを樹脂でモールドした半導体装置として特開２００１−１１０９８５号公報に開示されているようなものが知られている。複数のバスバーは樹脂モールドにより一体とされ、一つのモジュールを形成している。各バスバーの表裏面は露出しており、バスバーの表面には半導体素子がハンダ等により接合され、裏面側はヒートシンク等の冷却面に固定されている。バスバーと冷却面との間には、電気絶縁性の放熱シートが設けられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、各バスバーは、バスバーと放熱シートとの接触が確実となるように、バスバーの裏面がモールド部材よりも突出するようにモールドされている。そのため、モジュールの裏面は平坦ではなく凹凸形状となっている。その結果、放熱シートとバスバーとの密着性が損なわれ、バスバーと放熱シートとの間に空気層が生じてしまうという欠点があった。また、バスバー、放熱シートおよびヒートシンクの各接触面は、微視的に見ると平滑ではなく凹凸面となっており、接触状態は実質的に多数の点接触部から成るとみなすことができる。
【０００４】
その結果、実質的な接触面積は見かけよりも小さくなり、微視的凹凸面の隙間にも空気層が介在することになる。空気の熱伝導率は放熱シートと比較すると非常に小さいため、バスバーからヒートシンクへの熱伝達を効率良く行うことができず、半導体素子の発熱に対して十分な放熱性能が得られないことがあった。
【０００５】
本発明の目的は、放熱性能に優れた半導体装置およびその製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
発明の実施の形態を示す図３，４，８〜１０に対応付けて説明する。
（１）請求項１の発明による半導体装置の製造方法は、複数のバスバー１１〜１３をそれらの表面および裏面が露出するようにモールド部材１でモールドして一体化する第１の工程（図４（ａ））と、一体化されたバスバー１１〜１３およびモールド部材１の裏面全体を、高熱伝導性の未硬化状態の放熱用樹脂８により覆う第２の工程（図４（ｂ））と、未硬化状態の放熱用樹脂８を硬化させる第３の工程と、バスバー１２の表面に半導体素子２２を実装する第４の工程（図４（ｃ））と、放熱用樹脂８の表面８ａに冷却装置２の冷却面２ｂを固設する第５の工程とを備えて上述の目的を達成する。
（２）請求項２の発明は、請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、放熱用樹脂８の表面８ａに加熱装置１５の加熱面１５ａを当接させて放熱用樹脂８を加熱処理する工程（図４（ｃ））を、第３の工程と第４の工程との間に設けたものである。
（３）請求項３の発明による半導体装置は、複数のバスバー１１〜１３をそれらの表面および裏面が露出するようにモールド部材でモールドして一体化した半導体実装部１０と、バスバー１２の表面に実装される半導体素子２２と、半導体実装部１０のバスバー１１〜１３およびモールド部材１の裏面全体を覆う高熱伝導性の放熱用樹脂８と、放熱用樹脂８の表面が冷却面２ｂに接触するように半導体実装部１０が装着される冷却装置２とを備え、放熱用樹脂８の厚みは、その中央部より他の部分が薄くなるような凸面としたことを特徴とする。
（４）請求項４の発明は、請求項３に記載の半導体装置において、モールド部材１の裏面１ｅに凹凸を形成したものである。
（５）請求項５の発明は、請求項３または４に記載の半導体装置において、放熱用樹脂８の表面８ａと冷却面２ｂとで挟持されるように熱伝導性材料の箔１７を設けたものである。
【０００７】
【発明の効果】
（１）請求項１〜５の発明によれば、バスバーおよびモールド部材の裏面全体に放熱用樹脂が密着するため、半導体実装部から放熱用樹脂への熱伝達性能が向上する。
（２）請求項２の発明では、放熱用樹脂を加熱処理することにより、バスバーおよびモールド部材の裏面全体を覆う放熱用樹脂とバスバーおよびモールド部材との密着性が向上する。また、放熱用樹脂の表面を加熱面によって平坦化することができ、冷却面との密着性の向上が図れる。その結果、半導体実装部から冷却装置への放熱効果の向上を図ることができる。
（３）請求項３の発明では、放熱用樹脂と冷却面との間における空気の残留を防止することができ、放熱用樹脂から冷却装置への熱伝達性能が向上する。
（４）請求項４の発明では、モールド部材と放熱用樹脂との接触面積が増加し、モールド部材を介した放熱用部材への熱伝達性能がさらに向上する。
（５）請求項５の発明では、異物等の挟み込みに対して箔が緩衝材となることにより、バスバーと冷却装置との間の電気的短絡の発生を防止することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、半導体素子２１，２２を用いて直流Ｐ，Ｎを交流Ｕ，Ｖ，Ｗに変換するインバータの電力変換部回路の一部を示す図であり、Ｕ，Ｖ，Ｗの内の１相分、例えばＵ相、に関する部分を示したものである。図１に示す例では、半導体素子２１，２２としてMOSFETが用いられている。１１はＰ極用のバスバー、１２はインバータ出力用のバスバー、１３はＮ極用のバスバーである。また、５１，５２は、半導体素子２１，２２の各々のゲートＧに駆動信号を印加するゲート端子である。
【０００９】
図２は図１に示した回路に相当する部分の実装構造を示した斜視図である。半導体素子２１はＰ極用バスバー１１の上面に実装され、半導体素子２２はインバータ出力用バスバー１２の上面に実装されている。バスバー１１〜１３はモールド部材であるモールド樹脂１により一体とされ、半導体実装部であるモジュールケース１０が形成されている。各バスバー１１〜１３は電位が異なるので、互いに接触しないような間隔で配置されている。モールド樹脂１はバスバー１１〜１３間を電気的に絶縁する機能も果たしている。バスバー１１〜１３の材質には熱伝導率が大きく、また、体積抵抗率が小さいものが良く、例えば、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）やこれらを含む合金などが用いられる。
【００１０】
各半導体素子２１，２２は接合材であるハンダ３１，３２によりバスバー１１，１２上に面接合されており、各半導体素子２１，２２の裏面側に形成されたドレインＤはそれぞれハンダ３１，３２を介してバスバー１１，１２と電気的に接続されている。ハンダ３２は電気的接続だけでなく半導体素子２２の熱をバスバー１２に伝達する機能も担っており、ハンダに代えて銀フィラーを含む導電ペーストを用いても良い。
【００１１】
半導体素子２１，２２の上面側にはソースＳおよびゲートＧが形成されている。半導体素子２１のソースＳは金属ワイヤ４１によりバスバー１２の上面に接続され、ゲートＧは金属ワイヤ６１によりゲート端子５１に接続されている。一方、半導体素子２２のソースＳは金属ワイヤ４２によりＮ極用バスバー１３の上面に接続され、ゲートＧは金属ワイヤ６２によりゲート端子５２に接続されている。このように、半導体素子２１，２２が実装されることにより、一相分のモジュールＭが形成される。
【００１２】
モジュールＭの裏面側には放熱樹脂８が設けられており、モジュールＭは放熱樹脂８を挟むようにヒートシンク２に固定される。ヒートシンク２内には冷却水等の冷媒が流れる流路２ａが形成されている。半導体素子２１，２２で発生した熱はバスバー１１，１２および放熱樹脂８を介してヒートシンク２に伝えられ、流路２ａを流れる冷媒に放熱される。
【００１３】
図３は図２のＡ−Ａ断面図であり、分かりやすいようにモジュールＭとヒートシンク２とを離して図示した。モールド樹脂１の周辺部分に形成されたフランジ部１ａにはボルト取付用の貫通穴１ｂが複数形成されており、モールド樹脂１により一体化されたバスバー１１〜１３はボルト９によりヒートシンク２の冷却面２ｂに固定される。２ｃはヒートシンク２に形成された取付用ネジ穴である。モールド樹脂１により形成された素子空間にはシリコーンを主成分としたゲル部材４が充填され、図２に示した半導体素子２１，２２および金属ワイヤ４１，４２，６１，６２はゲル部材４によって封止されている。なお、図２ではゲル部材４の図示を省略した。
【００１４】
バスバー１１〜１３の裏面はモールド樹脂１の裏面よりも突出しており、本実施の形態では、バスバー１１〜１３およびモールド樹脂１の裏面を覆うように放熱樹脂８の層が形成される。放熱樹脂８はエポキシ等の耐熱性が高い樹脂が主成分であって、樹脂中にはアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミ（ＡｌＮ）等のセラミックスやガラスのフィラーが含有されている。これらのフィラーを含有させることにより、放熱樹脂８の熱伝導率を樹脂だけのものよりも大きくすることができる。また、放熱樹脂８の厚さに関しては放熱の観点からは薄い方が良いが、絶縁性の観点からは厚い方が良い。本実施の形態では、厚さを０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍ程度とすることにより、耐熱性、放熱性および絶縁性を確保している。
【００１５】
次に、図４を参照して半導体装置の製造手順について説明する。図４（ａ）に示す工程では、バスバー１１〜１３およびモールド樹脂１から成るモジュールケース１０を射出成形により形成する。すなわち、バスバー１１〜１３を樹脂成型用金型にインサートしてモールド用の樹脂を射出することにより、一体のモジュールケース１０が形成される。このとき、バスバー裏面（図示上側の面）がモールド樹脂１よりも突出するように成型する。
【００１６】
図４（ｂ）に示す工程では、モジュールケース１０の裏面に放熱樹脂８の層を形成する。放熱樹脂８の層を形成する際には、メタルマスクまたはシルク印刷によりペースト状の放熱樹脂８を印刷し、その後硬化させることにより得られる。このときの放熱樹脂８の厚さは、メタルマスクまたはシルクの厚さを管理することにより行われる。放熱樹脂８の他の形成方法としては、予め所定厚さのシート状未硬化放熱樹脂を形成し、そのシート状未硬化放熱樹脂をモジュールケース１０の裏面に貼り合わせた後に硬化させるようにしても良い。このように、未硬化の放熱樹脂８でもモジュールケース１０の裏面全体を覆うようにしたので、放熱樹脂８とバスバー１１〜１３およびモールド樹脂１の各裏面との密着性は、従来の放熱シートを用いる場合に比べて向上する。
【００１７】
図４（ｃ）に示す工程では、バスバー１２上にハンダ３２および半導体素子２２の順に載置し、放熱樹脂８の表面８ａをヒータ１５の加熱面１５ａに接触させて加熱する。この加熱によりハンダ３２が溶融し、半導体素子２２とバスバー１２とが接合される。同時に、加熱によって放熱樹脂８の表面がヒータ面に倣って平坦となるとともに、モジュールケース１０の裏面側との密着性がさらに向上する。すなわち、加熱により放熱樹脂８が若干軟化して、隙間を埋めるような作用が働く。その後、ワイヤボンディングおよびゲル部材４の充填を行うことにより、図２に示すようなモジュールＭが形成される。放熱樹脂８の表面８ａは平坦化されているため、図３に示すようにモジュールＭをボルト９によりヒートシンク２に固定すると、放熱樹脂８の表面８ａとヒートシンク２の冷却面２ｂとが密着する。
【００１８】
図５は、バスバー１１，１２およびモールド樹脂１からヒートシンク２への熱の流れを定性的に示した図である。放熱樹脂８はバスバー１１，１２の微小凹部に密着し、さらに、モールド樹脂１の裏面部分の凹部にも放熱樹脂８が入り込んでモールド樹脂１の裏面に密着している。また、放熱樹脂８の表面８ａも加熱時に加熱面１５ａに倣って平坦化されているため、放熱樹脂８からヒートシンク２への放熱が効率良く行われる。加えて、バスバー１１，１２の端面１１ａ，１２ａに放熱樹脂８が密着しているため、熱移動経路１６に示すようにこの端面１１ａ，１２ａからもヒートシンク２へと放熱され、放熱効率の向上が図られる。
【００１９】
また、半導体素子接合時の加熱の際には、バスバー１１〜１３の裏面にヒータを直接接触させるため、モールド時のバスバー同士の平面度を高い精度で合わせる必要があった。しかし、本実施の形態では、上述したようにヒータ１５と接触するのは放熱樹脂８であって、その放熱樹脂８は加熱により接触面が平坦化される。そのため、バスバー同士の平面度に対する要求精度が緩和されるとともに、加熱効率の向上および加熱時間の短縮が図れる。その結果、モジュール毎の実装時間のばらつきの回避、および実装時間の短縮を図ることができる。
【００２０】
また、バスバー１１，１２とモールド樹脂１との境界面からゲル部材４が漏れ出すようなことがあった場合でも、モジュールケース１０の裏面側に形成された放熱樹脂８によってゲル部材４がモジュールケース１０外に漏れるのを防止することができる。さらに、モジュールケース１０の裏面側の凹凸を埋めるように放熱樹脂８が形成されているため、モジュールＭをヒートシンク２に固定した際の圧力分布の均一化を図ることができる。その結果、絶縁層としての圧力に対する信頼性が向上する。
【００２１】
なお、上述したようにバスバー端面からの放熱を考慮すると、樹脂モールド１の裏面側に露出する端面の面積を、すなわち、図５の突出寸法ｔを大きくした方が良い。すなわち、バスバー１１〜１３の板厚を厚くして突出寸法ｔを大きくする。その結果、放熱性能の向上に加えてバスバー自体の剛性アップを図ることができる。例えば、板厚が薄い場合にはモールド成形時にバスバーが反ったりしてしまい、バスバーの実装面やヒートシンク２との接触面に回り込んでしまうおそれがある。板厚を厚くすることによりこのような不具合を避けることができる。バスバー１１〜１３に銅系の材料を用いる場合には、その板厚を０．５ｍｍ以上とすることが望ましい。また、板厚が厚くなることによりバスバーの熱容量が大きくなり、半導体素子作動時の温度を低く抑えることができる。その結果、従来、半導体素子の下に別体で配置していたヒートスプレッダを省略することも可能となる。さらに、バスバー断面積が増えることから、電流経路における抵抗値が減少し、バスバー自体の発熱による損失を抑えることができる。
【００２２】
一方、従来の半導体装置のようにモジュールＭを放熱シートを介してヒートシンクに取り付ける場合には、以下に説明するように放熱性能の点で問題がある。図６は放熱シート３を用いた場合の断面図であり、図３と同様の図である。放熱樹脂８の場合と同様に、放熱シート３は半導体素子２１，２２からバスバー１１，１２に伝達された熱をヒートシンク２に伝達するとともに、バスバー１１，１２とヒートシンク２との間の電気的絶縁を確保する役割を担っている。
【００２３】
図７は、図６の符号Ｂで示した部分の拡大図であり、バスバー１１，１２、放熱シート３およびヒートシンク２の互いの接触状況を模式的に示したものである。モジュールＭの裏面は平坦ではなく凹凸形状となっているため、モールド樹脂１の裏面側には空気層５が形成されてしまい、バスバー１１，１２の端面１１ａ，１２ａからの放熱は期待できなかった。
【００２４】
さらに、バスバー１１，１２、放熱シート３およびヒートシンク２の各接触面は、微視的に見ると平滑ではなく凹凸面となっており、接触状態は実質的に多数の点接触部から成るとみなすことができる。そのため、実質的な接触面積は見かけよりも小さくなり、微視的凹凸面の隙間にも空気層５が介在することになる。その結果、バスバー１１，１２の熱は、図７の熱移動経路６で示すように、バスバー１１と放熱シートの点接触部から放熱シート３とヒートシンク２との点接触部へと伝達されことになり、放熱性能の低下を招いていた。
【００２５】
［第１変形例］
図８は上述した実施の形態の第１変形例を示す図であり、図５と同様の部分を示す断面図である。第１変形例では、モールド樹脂１の下面１ｅ、すなわち、放熱樹脂８との接触面を凹凸形状とした。例えば、モジュールケース１０を成形する際の成形金型に凹凸形成することにより、面１ｅを凹凸形状とすることができる。その結果、モールド樹脂１と放熱樹脂８との接触面積が増大し、バスバー→モールド樹脂１→放熱樹脂８→ヒートシンク２という経路での放熱が増加する。
【００２６】
また、これによってモールド樹脂１と放熱樹脂８との間にファンデルワールス力およびアンカー効果が発生するため、例えば、モールド樹脂１にポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）を放熱樹脂８にエポキシをそれぞれ使用した場合のように、接合が困難な樹脂を組み合わせて用いても、接触面における密着状態を維持することができ、剥離等を防止することができる。
【００２７】
［第２変形例］
図９は第２変形例を示す図であり、図３と同様の断面図である。第２変形例では放熱樹脂８のヒートシンク２と接触する面に箔１７を付加した。箔１７としては比較的柔らかい材質でかつ熱伝導率の大きいものが良く、また、容易に入手可能なものが好ましい。例えば、アルミ（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、若しくはこれらを主成分とした合金の箔が良い。このような箔１７を設けたことにより、モジュール４をヒートシンク２への取り付ける際に微細な異物（特に導電性の異物）を挟み込んでしまった場合でも、箔１７が塑性変形することによりモジュールケース１０の底面をヒートシンク２の表面に密着させることができる。また、箔１７が緩衝材となるため、異物を挟み込んだ部分に応力が集中して放熱樹脂８に亀裂等が生じるおそれが無い。そのため、導電性の異物を挟み込んだ場合であっても、モジュールＭとヒートシンク２との間に電気的短絡が生じるおそれがない。
【００２８】
［第３変形例］
図１０は第３変形例を示す断面図である。第３変形例では、放熱樹脂１８の形状が上述した放熱樹脂８と異なっている。放熱樹脂１８の場合、ヒートシンク２と接触する表面１８ａの形状は、モジュールケース１０の中央部が最も厚くなるような凸面となっている。メタルマスクやシルク印刷を用いて放熱樹脂１８を製作する場合には、マスクの厚さを変えることでこのような凸面とすることができる。また、シート状の放熱樹脂１８を別に製作する場合には、モジュール中央部に向かって凸となるように加工された成形型を用いれば良い。
【００２９】
なお、バスバー上に半導体素子を実装する際には、放熱樹脂１８の凸面１８ａと密着する凹面形状の専用治具をモジュールＭに装着し、その専用治具をヒータで加熱して半導体素子をバスバー上に接合すれば良い。専用治具はカーボンや熱伝導率の高い銅（Ｃｕ）等で形成される。
【００３０】
モジュールＭをヒートシンク２に固定する際には、ボルト９を締め付けることにより放熱樹脂１８が変形して表面１８ａは平面状となり、モジュールＭとヒートシンク２との隙間の空気は、モジュール中央部分から周辺部分へと押し出される。よって、モジュールＭとヒートシンク２との間に空気が残留するのを防止することができ、放熱性能を向上させることができる。なお、モジュールＭをヒートシンク２に固定する際に、モジュールＭをヒートシンク２方向に付勢しつつボルト９を締め付けるようにしても良い。
【００３１】
上述した実施の形態では、インバータの１相分の回路を例に説明したが、複数のバスバーが樹脂モールドによって一体成形され、そのバスバーを冷却装置で冷却する構造であれば、本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】インバータにおける一相分の回路を示す図である。
【図２】図１に示した回路に相当する部分の、実装構造を示す斜視図である。
【図３】図２に示した半導体装置の断面図である。
【図４】半導体装置の製造手順を説明する図であり、（ａ）〜（ｃ）に各工程を示す。
【図５】バスバー１１，１２およびモールド樹脂１からヒートシンク２への熱の流れを定性的に示した図である。
【図６】放熱シート３を用いた場合の断面図である。
【図７】図６の符号Ｂで示した部分の拡大図である。
【図８】第１変形例を示す断面図である。
【図９】第２変形例を示す断面図である。
【図１０】第３変形例を示す断面図である。
【符号の説明】
１モールド樹脂
２ヒートシンク
２ｂ冷却面
３放熱シート
４ゲル部材
５空気層
８，１８放熱樹脂
１０モジュールケース
１１〜１３バスバー
１５ヒータ
１７箔
２１，２２半導体素子
Ｍモジュール[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device in which a semiconductor element is mounted on a bus bar integrated with a mold member, and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
As a semiconductor device in which a semiconductor element is mounted on a bus bar and the bus bar is molded with resin, a semiconductor device disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-110985 is known. The plurality of bus bars are integrated by a resin mold to form one module. The front and back surfaces of each bus bar are exposed, a semiconductor element is bonded to the surface of the bus bar with solder or the like, and the back surface side is fixed to a cooling surface such as a heat sink. An electrically insulating heat dissipation sheet is provided between the bus bar and the cooling surface.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, each bus bar is molded so that the back surface of the bus bar protrudes from the molding member so that the contact between the bus bar and the heat dissipation sheet is ensured. Therefore, the back surface of the module is not flat but has an uneven shape. As a result, the adhesion between the heat dissipation sheet and the bus bar is impaired, and an air layer is generated between the bus bar and the heat dissipation sheet. Further, the contact surfaces of the bus bar, the heat radiation sheet, and the heat sink are not smooth when viewed microscopically, but are uneven surfaces, and the contact state can be regarded as substantially consisting of a large number of point contact portions.
[0004]
As a result, the substantial contact area becomes smaller than apparent, and an air layer is also interposed in the gap between the microscopic uneven surfaces. Since the thermal conductivity of air is very small compared to the heat dissipation sheet, heat transfer from the bus bar to the heat sink cannot be performed efficiently, and sufficient heat dissipation performance may not be obtained for the heat generation of the semiconductor element. It was.
[0005]
An object of the present invention is to provide a semiconductor device having excellent heat dissipation performance and a method for manufacturing the same.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The embodiment of the invention will be described in association with FIGS.
(1) In the semiconductor device manufacturing method according to the first aspect of the present invention, a first step of integrating a plurality of bus bars 11 to 13 by molding with the molding member 1 so that the front and back surfaces thereof are exposed (FIG. 4). (A)) and a second step (FIG. 4 (b)) of covering the integrated bus bars 11 to 13 and the entire back surface of the mold member 1 with a highly thermally conductive uncured heat radiation resin 8; A third step of curing the uncured heat radiation resin 8, a fourth step (FIG. 4C) of mounting the semiconductor element 22 on the surface of the bus bar 12, and cooling to the surface 8 a of the heat radiation resin 8 And the fifth step of fixing the cooling surface 2b of the device 2 to achieve the above-mentioned object.
(2) The invention of claim 2 is the method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the heat-dissipating resin 8 is heat-treated by bringing the heating surface 15a of the heating device 15 into contact with the surface 8a of the heat-dissipating resin 8. The step to be performed (FIG. 4C) is provided between the third step and the fourth step.
(3) The semiconductor device according to the invention of claim 3 is formed on the surface of the bus bar 12 and the semiconductor mounting portion 10 in which a plurality of bus bars 11 to 13 are molded and integrated with a molding member so that the front and back surfaces thereof are exposed. The semiconductor element 22 to be mounted, the bus bars 11 to 13 of the semiconductor mounting portion 10 and the heat-dissipating resin 8 covering the entire back surface of the mold member 1, and the surface of the heat-dissipating resin 8 are in contact with the cooling surface 2b. And the cooling device 2 to which the semiconductor mounting portion 10 is mounted, and the thickness of the heat-dissipating resin 8 is convex so that the other portion is thinner than the central portion .
(4) According to a fourth aspect of the present invention, in the semiconductor device according to the third aspect, irregularities are formed on the back surface 1 e of the mold member 1.
(5) According to the invention of claim 5, in the semiconductor device according to claim 3 or 4, the heat conductive material foil 17 is provided so as to be sandwiched between the surface 8a of the heat radiation resin 8 and the cooling surface 2b. Is.
[0007]
【The invention's effect】
(1) According to the inventions of claims 1 to 5 , since the heat radiation resin is in close contact with the entire back surface of the bus bar and the mold member, the heat transfer performance from the semiconductor mounting portion to the heat radiation resin is improved.
(2) In the invention of claim 2, by heat-treating the heat-dissipating resin, the adhesion between the heat-dissipating resin covering the entire back surface of the bus bar and the mold member and the bus bar and the mold member is improved. Further, the surface of the heat radiation resin can be flattened by the heating surface, and the adhesion to the cooling surface can be improved. As a result, it is possible to improve the heat dissipation effect from the semiconductor mounting portion to the cooling device.
(3) In the invention of claim 3, it is possible to prevent air from remaining between the heat radiation resin and the cooling surface, and the heat transfer performance from the heat radiation resin to the cooling device is improved.
(4) In the invention of claim 4, the contact area between the mold member and the heat radiation resin is increased, and the heat transfer performance to the heat radiation member via the mold member is further improved.
(5) In the invention of claim 5, the occurrence of an electrical short circuit between the bus bar and the cooling device can be prevented by using the foil as a cushioning material against the trapping of foreign matter or the like.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a part of a power converter circuit of an inverter that converts direct currents P and N into alternating currents U, V, and W using semiconductor elements 21 and 22, and 1 of U, V, and W The portion related to the phase component, for example, the U phase is shown. In the example shown in FIG. 1, MOSFETs are used as the semiconductor elements 21 and 22. 11 is a bus bar for P pole, 12 is a bus bar for inverter output, and 13 is a bus bar for N pole. Reference numerals 51 and 52 denote gate terminals for applying drive signals to the gates G of the semiconductor elements 21 and 22, respectively.
[0009]
FIG. 2 is a perspective view showing a mounting structure of a portion corresponding to the circuit shown in FIG. The semiconductor element 21 is mounted on the upper surface of the P-pole bus bar 11, and the semiconductor element 22 is mounted on the upper surface of the inverter output bus bar 12. The bus bars 11 to 13 are integrated with a mold resin 1 that is a mold member, and a module case 10 that is a semiconductor mounting portion is formed. Since the bus bars 11 to 13 have different potentials, they are arranged at intervals so as not to contact each other. The mold resin 1 also functions to electrically insulate the bus bars 11 to 13. The bus bars 11 to 13 are preferably made of a material having a high thermal conductivity and a low volume resistivity. For example, copper (Cu), aluminum (Al), or an alloy containing them is used.
[0010]
The semiconductor elements 21 and 22 are surface-bonded onto the bus bars 11 and 12 by solders 31 and 32, which are bonding materials, and the drains D formed on the back surfaces of the semiconductor elements 21 and 22 respectively connect the solders 31 and 32. The bus bars 11 and 12 are electrically connected to each other. The solder 32 has not only an electrical connection but also a function of transferring the heat of the semiconductor element 22 to the bus bar 12, and a conductive paste containing a silver filler may be used instead of the solder.
[0011]
A source S and a gate G are formed on the upper surface side of the semiconductor elements 21 and 22. The source S of the semiconductor element 21 is connected to the upper surface of the bus bar 12 by a metal wire 41, and the gate G is connected to the gate terminal 51 by a metal wire 61. On the other hand, the source S of the semiconductor element 22 is connected to the upper surface of the N-pole bus bar 13 by a metal wire 42, and the gate G is connected to the gate terminal 52 by a metal wire 62. Thus, the module M for one phase is formed by mounting the semiconductor elements 21 and 22.
[0012]
A heat radiating resin 8 is provided on the back side of the module M, and the module M is fixed to the heat sink 2 so as to sandwich the heat radiating resin 8. A flow path 2 a through which a coolant such as cooling water flows is formed in the heat sink 2. The heat generated in the semiconductor elements 21 and 22 is transmitted to the heat sink 2 through the bus bars 11 and 12 and the heat radiation resin 8, and is radiated to the refrigerant flowing in the flow path 2a.
[0013]
FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 2, and the module M and the heat sink 2 are shown separated for easy understanding. A plurality of through holes 1b for mounting bolts are formed in the flange portion 1a formed in the peripheral portion of the mold resin 1, and the bus bars 11 to 13 integrated by the mold resin 1 are cooled by the bolt 9 on the cooling surface of the heat sink 2. Fixed to 2b. Reference numeral 2 c denotes a mounting screw hole formed in the heat sink 2. The element space formed by the mold resin 1 is filled with a gel member 4 mainly composed of silicone, and the semiconductor elements 21 and 22 and the metal wires 41, 42, 61 and 62 shown in FIG. 2 are sealed by the gel member 4. It has been stopped. In FIG. 2, the gel member 4 is not shown.
[0014]
The back surfaces of the bus bars 11 to 13 protrude from the back surface of the mold resin 1. In the present embodiment, a layer of the heat radiation resin 8 is formed so as to cover the bus bars 11 to 13 and the back surface of the mold resin 1. The heat radiation resin 8 is mainly composed of a resin having high heat resistance such as epoxy, and the resin contains ceramic or glass fillers such as alumina (Al ₂ O ₃ ) and aluminum nitride (AlN). By containing these fillers, the thermal conductivity of the heat radiation resin 8 can be made larger than that of the resin alone. Further, the thickness of the heat radiation resin 8 is preferably thin from the viewpoint of heat radiation, but thick from the viewpoint of insulation. In the present embodiment, heat resistance, heat dissipation, and insulation are ensured by setting the thickness to about 0.05 mm to 0.5 mm.
[0015]
Next, a manufacturing procedure of the semiconductor device will be described with reference to FIG. In the step shown in FIG. 4A, the module case 10 made of the bus bars 11 to 13 and the mold resin 1 is formed by injection molding. That is, by inserting the bus bars 11 to 13 into a resin molding die and injecting a molding resin, the integrated module case 10 is formed. At this time, molding is performed so that the rear surface of the bus bar (the upper surface in the drawing) protrudes from the mold resin 1.
[0016]
In the step shown in FIG. 4B, a layer of heat radiation resin 8 is formed on the back surface of the module case 10. When the layer of the heat radiation resin 8 is formed, the paste-like heat radiation resin 8 is printed by a metal mask or silk printing, and then cured. The thickness of the heat radiation resin 8 at this time is performed by managing the thickness of the metal mask or silk. As another method of forming the heat radiation resin 8, a sheet-shaped uncured heat radiation resin having a predetermined thickness is formed in advance, and the sheet-shaped uncured heat radiation resin is bonded to the back surface of the module case 10 and then cured. good. As described above, since the entire back surface of the module case 10 is covered with the uncured heat radiation resin 8, the adhesion between the heat radiation resin 8, the bus bars 11 to 13 and the back surfaces of the mold resin 1 is the same as that of the conventional heat radiation sheet. It improves compared with the case of using.
[0017]
4C, the solder 32 and the semiconductor element 22 are placed on the bus bar 12 in this order, and the surface 8a of the heat radiation resin 8 is brought into contact with the heating surface 15a of the heater 15 to be heated. By this heating, the solder 32 is melted, and the semiconductor element 22 and the bus bar 12 are joined. At the same time, the surface of the heat radiating resin 8 becomes flat following the heater surface by heating, and the adhesion to the back side of the module case 10 is further improved. In other words, the heat radiation resin 8 is slightly softened by heating, and acts to fill the gap. Thereafter, wire bonding and filling of the gel member 4 are performed to form a module M as shown in FIG. Since the surface 8a of the heat radiation resin 8 is flattened, the surface 8a of the heat radiation resin 8 and the cooling surface 2b of the heat sink 2 are in close contact with each other when the module M is fixed to the heat sink 2 with bolts 9 as shown in FIG.
[0018]
FIG. 5 is a view qualitatively showing the flow of heat from the bus bars 11 and 12 and the mold resin 1 to the heat sink 2. The heat radiating resin 8 is in close contact with the minute concave portions of the bus bars 11 and 12, and further, the heat radiating resin 8 enters the concave portion of the back surface portion of the mold resin 1 and is in close contact with the back surface of the mold resin 1. Further, since the surface 8a of the heat radiation resin 8 is also flattened following the heating surface 15a during heating, heat radiation from the heat radiation resin 8 to the heat sink 2 is efficiently performed. In addition, since the heat radiation resin 8 is in close contact with the end surfaces 11a and 12a of the bus bars 11 and 12, heat is also radiated from the end surfaces 11a and 12a to the heat sink 2 as shown by the heat transfer path 16, thereby improving the heat radiation efficiency. Figured.
[0019]
Further, when heating at the time of semiconductor element bonding, the heaters are brought into direct contact with the back surfaces of the bus bars 11 to 13, so that the flatness of the bus bars at the time of molding must be matched with high accuracy. However, in the present embodiment, as described above, the heat dissipation resin 8 is in contact with the heater 15, and the contact surface of the heat dissipation resin 8 is flattened by heating. Therefore, the required accuracy with respect to the flatness between the bus bars can be relaxed, and the heating efficiency can be improved and the heating time can be shortened. As a result, it is possible to avoid variations in the mounting time for each module and shorten the mounting time.
[0020]
Even when the gel member 4 leaks from the boundary surface between the bus bars 11 and 12 and the mold resin 1, the gel member 4 is removed from the module case by the heat radiation resin 8 formed on the back side of the module case 10. 10 can be prevented from leaking outside. Furthermore, since the heat radiation resin 8 is formed so as to fill the irregularities on the back side of the module case 10, the pressure distribution when the module M is fixed to the heat sink 2 can be made uniform. As a result, the reliability with respect to the pressure as the insulating layer is improved.
[0021]
As described above, in consideration of heat radiation from the end face of the bus bar, it is better to increase the area of the end face exposed on the back side of the resin mold 1, that is, the protruding dimension t in FIG. That is, the protrusion thickness t is increased by increasing the thickness of the bus bars 11 to 13. As a result, the rigidity of the bus bar itself can be increased in addition to the improvement of the heat dissipation performance. For example, when the plate thickness is thin, the bus bar may be warped during molding, and the bus bar may be mounted on the mounting surface or the contact surface with the heat sink 2. Such a problem can be avoided by increasing the plate thickness. When a copper-based material is used for the bus bars 11 to 13, it is desirable that the plate thickness be 0.5 mm or more. Moreover, the heat capacity of the bus bar is increased by increasing the plate thickness, and the temperature during operation of the semiconductor element can be kept low. As a result, it is possible to omit the heat spreader that has been conventionally arranged separately under the semiconductor element. Furthermore, since the bus bar cross-sectional area increases, the resistance value in the current path decreases, and loss due to heat generation of the bus bar itself can be suppressed.
[0022]
On the other hand, when the module M is attached to the heat sink via a heat dissipation sheet as in a conventional semiconductor device, there is a problem in terms of heat dissipation performance as described below. FIG. 6 is a cross-sectional view when the heat dissipation sheet 3 is used, and is the same view as FIG. As in the case of the heat radiating resin 8, the heat radiating sheet 3 transmits the heat transmitted from the semiconductor elements 21 and 22 to the bus bars 11 and 12 to the heat sink 2 and electrically insulates between the bus bars 11 and 12 and the heat sink 2. Has a role to secure.
[0023]
FIG. 7 is an enlarged view of the portion indicated by reference numeral B in FIG. 6, and schematically shows the contact state between the bus bars 11, 12, the heat radiation sheet 3 and the heat sink 2. Since the back surface of the module M is not flat but has an uneven shape, an air layer 5 is formed on the back surface side of the mold resin 1, and heat radiation from the end surfaces 11a and 12a of the bus bars 11 and 12 cannot be expected. .
[0024]
Further, the contact surfaces of the bus bars 11, 12, the heat radiation sheet 3, and the heat sink 2 are not smooth when viewed microscopically, but are uneven surfaces, and the contact state is regarded as substantially consisting of a large number of point contact portions. be able to. Therefore, the substantial contact area is smaller than it appears, and the air layer 5 is also interposed in the gap between the microscopic uneven surfaces. As a result, the heat of the bus bars 11 and 12 is transferred from the point contact portion between the bus bar 11 and the heat radiation sheet to the point contact portion between the heat radiation sheet 3 and the heat sink 2 as shown by the heat transfer path 6 in FIG. As a result, the heat dissipation performance was reduced.
[0025]
[First Modification]
FIG. 8 is a diagram showing a first modification of the above-described embodiment, and is a cross-sectional view showing the same part as in FIG. In the first modification, the lower surface 1e of the mold resin 1, that is, the contact surface with the heat radiation resin 8 is formed in an uneven shape. For example, the surface 1e can be formed into a concavo-convex shape by forming a concavo-convex shape in a molding die for molding the module case 10. As a result, the contact area between the mold resin 1 and the heat radiating resin 8 is increased, and heat radiation through the path of bus bar → mold resin 1 → heat radiating resin 8 → heat sink 2 is increased.
[0026]
In addition, since van der Waals force and an anchor effect are generated between the mold resin 1 and the heat radiating resin 8, for example, when polyphenylene sulfide (PPS) is used for the mold resin 1 and epoxy is used for the heat radiating resin 8, respectively. As described above, even when a combination of resins that are difficult to join is used, it is possible to maintain a close contact state on the contact surface and prevent peeling and the like.
[0027]
[Second Modification]
FIG. 9 is a view showing a second modification and is a cross-sectional view similar to FIG. In the second modification, a foil 17 is added to the surface of the heat radiating resin 8 that contacts the heat sink 2. The foil 17 is preferably made of a relatively soft material and high thermal conductivity, and is preferably easily available. For example, aluminum (Al), copper (Cu), or an alloy foil containing these as a main component is preferable. By providing such a foil 17, even when a fine foreign matter (particularly conductive foreign matter) is sandwiched when the module 4 is attached to the heat sink 2, the module case 10 is caused by the plastic deformation of the foil 17. Can be brought into close contact with the surface of the heat sink 2. Further, since the foil 17 serves as a cushioning material, there is no possibility that stress concentrates on the portion where the foreign material is sandwiched and cracks or the like occur in the heat radiation resin 8. Therefore, there is no possibility that an electrical short circuit occurs between the module M and the heat sink 2 even when a conductive foreign object is sandwiched.
[0028]
[Third Modification]
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a third modification. In the third modification, the shape of the heat radiation resin 18 is different from that of the heat radiation resin 8 described above. In the case of the heat radiating resin 18, the shape of the surface 18 a in contact with the heat sink 2 is a convex surface such that the central portion of the module case 10 is thickest. When the heat radiation resin 18 is manufactured using a metal mask or silk printing, such a convex surface can be obtained by changing the thickness of the mask. In the case where the sheet-like heat radiation resin 18 is separately manufactured, a molding die processed so as to be convex toward the center of the module may be used.
[0029]
When mounting the semiconductor element on the bus bar, a concave jig dedicated to the convex surface 18a of the heat radiating resin 18 is attached to the module M, and the special jig is heated by a heater so that the semiconductor element is mounted on the bus bar. What is necessary is just to join on top. The dedicated jig is made of carbon, copper (Cu) having high thermal conductivity, or the like.
[0030]
When the module M is fixed to the heat sink 2, the heat radiating resin 18 is deformed by tightening the bolt 9, and the surface 18a becomes flat, and the air in the gap between the module M and the heat sink 2 flows from the central portion of the module to the peripheral portion. Pushed out. Therefore, it is possible to prevent air from remaining between the module M and the heat sink 2, and to improve the heat dissipation performance. Note that when the module M is fixed to the heat sink 2, the bolt 9 may be tightened while urging the module M toward the heat sink 2.
[0031]
In the embodiment described above, the circuit for one phase of the inverter has been described as an example. However, the present invention is applied to a structure in which a plurality of bus bars are integrally formed by a resin mold and the bus bars are cooled by a cooling device. be able to.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a circuit for one phase in an inverter.
2 is a perspective view showing a mounting structure of a portion corresponding to the circuit shown in FIG. 1. FIG.
3 is a cross-sectional view of the semiconductor device shown in FIG.
FIGS. 4A to 4C are diagrams illustrating a manufacturing procedure of a semiconductor device, and FIGS.
FIG. 5 is a view qualitatively showing the heat flow from the bus bars 11 and 12 and the mold resin 1 to the heat sink 2;
FIG. 6 is a cross-sectional view when a heat dissipation sheet 3 is used.
7 is an enlarged view of a portion indicated by reference sign B in FIG.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a first modification.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a second modification.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a third modification.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Mold resin 2 Heat sink 2b Cooling surface 3 Heat radiation sheet 4 Gel member 5 Air layer 8, 18 Heat radiation resin 10 Module cases 11-13 Bus bar 15 Heater 17 Foil 21, 22 Semiconductor element M Module

Claims

複数のバスバーをそれらの表面および裏面が露出するようにモールド部材でモールドして一体化する第１の工程と、
一体化された前記バスバーおよび前記モールド部材の裏面全体を、高熱伝導性の未硬化状態の放熱用樹脂により覆う第２の工程と、
前記未硬化状態の放熱用樹脂を硬化させる第３の工程と、
前記バスバーの表面に半導体素子を実装する第４の工程と、
前記放熱用樹脂の表面に冷却装置の冷却面を固設する第５の工程とを備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。 A first step of molding and integrating a plurality of bus bars with a molding member such that the front and back surfaces thereof are exposed;
A second step of covering the entire back surface of the integrated bus bar and the mold member with a highly heat-conductive uncured heat radiation resin;
A third step of curing the uncured heat radiation resin;
A fourth step of mounting a semiconductor element on the surface of the bus bar;
And a fifth step of fixing a cooling surface of the cooling device on the surface of the heat radiation resin .

請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
前記放熱用樹脂の表面に加熱装置の加熱面を当接させて前記放熱用樹脂を加熱処理する工程を、前記第３の工程と前記第４の工程との間に設けたことを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 1,
The step of heat-treating the heat-dissipating resin by bringing the heating surface of the heating device into contact with the surface of the heat-dissipating resin is provided between the third step and the fourth step. A method for manufacturing a semiconductor device .

複数のバスバーをそれらの表面および裏面が露出するようにモールド部材でモールドして一体化した半導体実装部と、
前記バスバーの表面に実装される半導体素子と、
前記半導体実装部のバスバーおよびモールド部材の裏面全体を覆う高熱伝導性の放熱用樹脂と、
前記放熱用樹脂の表面が冷却面に接触するように前記半導体実装部が装着される冷却装置とを備え、
前記放熱用樹脂の厚みは、その中央部より他の部分が薄くなるような凸面としたことを特徴とする半導体装置。 A semiconductor mounting portion in which a plurality of bus bars are integrated with a molding member so that the front and back surfaces thereof are exposed; and
A semiconductor element mounted on the surface of the bus bar;
A heat-dissipating resin with high thermal conductivity covering the entire back surface of the bus bar and the mold member of the semiconductor mounting portion;
A cooling device on which the semiconductor mounting portion is mounted so that the surface of the heat-dissipating resin is in contact with the cooling surface;
The semiconductor device according to claim 1, wherein the heat radiation resin has a convex surface such that the other part is thinner than the central part .

請求項３に記載の半導体装置において、The semiconductor device according to claim 3.
前記モールド部材の裏面に凹凸を形成したことを特徴とする半導体装置。 An unevenness is formed on the back surface of the mold member.

請求項３または４に記載の半導体装置において、The semiconductor device according to claim 3 or 4,
前記放熱用樹脂の表面と前記冷却面とで挟持されるように熱伝導性材料の箔を設けたことを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device, wherein a foil of a heat conductive material is provided so as to be sandwiched between a surface of the heat radiation resin and the cooling surface.