JP5747737B2 - 半導体装置とその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、例えば、大電力の制御などに用いられる半導体装置とその製造方法に関する。
特許文献１には、半導体素子を樹脂封止した半導体モジュールを、冷却フィン（冷却体）にねじ止めした半導体装置が開示されている。
特開２００６−１００３２７号公報 特開２００１−２５０８９０号公報
半導体装置の部品点数を削減するためには、ねじなどを用いずに半導体モジュールを冷却体に固定することが望ましい。ねじなどを用いない場合は、何らかの材料を介して半導体モジュールを冷却体に固定しなければならない。ところが、半導体モジュールを冷却体に固定するために好適な材料を用いると半導体モジュールの冷却が不十分となることがある。他方、半導体モジュールの冷却に好適な材料で半導体モジュールを冷却体に固定しようとするとその固定が不十分となることがある。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、部品点数を削減しつつ、十分な接合強度で半導体モジュールを冷却体に固定でき、かつ半導体モジュールを十分に冷却できる半導体装置とその製造方法を提供することを目的とする。
本願の発明に係る半導体装置は、金属で形成された熱伝導部と、該熱伝導部を表面に
露出させるモールド樹脂を有する半導体モジュールと、接合材により該半導体モジュールに固定された冷却体と、該熱伝導部と該冷却体の間に形成され、該熱伝導部と該冷却体を熱接続する熱伝導材と、を備え、該冷却体には冷却体溝が形成され、該熱伝導材と該接合材は、該冷却体溝を介して離間することを特徴とする。
本願の発明に係る他の半導体装置は、金属で形成された熱伝導部と、該熱伝導部を表面に露出させるモールド樹脂を有する半導体モジュールと、接合材により該半導体モジュールに固定された冷却体と、該熱伝導部と該冷却体の間に形成され、該熱伝導部と該冷却体を熱接続する熱伝導材と、を備え、該接合材は、該モールド樹脂の側面に及ぶことを特徴とする。
本願の発明に係る半導体装置の製造方法は、冷却体の表面に熱伝導材を形成する工程と、該冷却体の表面に突起部を有する接合材を形成する工程と、金属で形成された熱伝導部と該熱伝導部を表面に露出させるモールド樹脂を有する半導体モジュールの該モールド樹脂に、樹脂溝を形成する工程と、該突起部が該樹脂溝の内壁に接し、かつ該熱伝導材が該熱伝導部と重なるように該冷却体と該半導体モジュールを一体化する工程と、を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、半導体モジュールと冷却体の間に、接合材と熱伝導材を形成するので、部品点数を削減しつつ、十分な接合強度で半導体モジュールを冷却体に固定でき、かつ半導体モジュールを十分に冷却できる。
本発明の実施の形態１に係る半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体装置の半導体モジュールを冷却体に固定することを示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体装置の変形例を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体装置の他の変形例を示す断面図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体装置の冷却体を示す斜視図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体装置の冷却体、熱伝導材、及び接合材を示す斜視図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体装置の変形例を示す断面図である。 本発明の実施の形態４に係る半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態５に係る半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態５に係る半導体装置の冷却体と半導体モジュールを一体化することを示す断面図である。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置の断面図である。半導体装置１０は、冷却体１２を備えている。冷却体１２は、例えば銅などの金属で形成されている。冷却体１２の上方には、半導体モジュール１４が形成されている。半導体モジュール１４は、金属で形成された熱伝導部１６と、熱伝導部１６を表面に露出させるモールド樹脂１８を有している。半導体モジュール１４は、例えばＩＧＢＴなどの半導体素子をトランスファーモールド法により樹脂封止して形成されるものである。
半導体モジュール１４と冷却体１２の間の部分について説明する。半導体モジュール１４と冷却体１２の間には、接合材２０と熱伝導材２２が形成されている。接合材２０は、半導体モジュール１４のモールド樹脂１８を冷却体１２に固定している。接合材２０は絶縁材料で形成されている。熱伝導材２２は、熱伝導部１６と冷却体１２の間に形成され、熱伝導部１６と冷却体１２を熱接続している。熱伝導材２２は、導電性を有する熱伝導に優れた材料で形成されている。
図２は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置の半導体モジュールを冷却体に固定することを示す斜視図である。接合材２０は、熱伝導材２２を囲むように形成されている。半導体モジュール１４を矢印方向に移動させて冷却体１２に固定すると、接合材２０により、熱伝導部１６と熱伝導材２２は外部と遮断される。
本発明の実施の形態１に係る半導体装置によれば、半導体モジュール１４を冷却体１２に固定するために好適な材料である接合材２０を用いるため、十分な接合強度で半導体モジュール１４を冷却体１２に固定できる。さらに、半導体モジュール１４の冷却に好適な材料である熱伝導材２２を用いて熱伝導部１６と冷却体１２を熱接続しているので、半導体モジュール１４を十分に冷却できる。また、ねじなどを用いないので、半導体装置１０の部品点数を削減できる。よって、本発明の実施の形態１に係る半導体装置によれば、部品点数を削減しつつ、十分な接合強度で半導体モジュール１４を冷却体１２に固定でき、かつ半導体モジュール１４を十分に冷却できる。
ところで、導電性の高い材料ほど熱伝導性に優れることが知られている。本発明の実施の形態１に係る半導体装置では、熱伝導材２２は、導電性を有する熱伝導に優れた材料で形成したため、良好な熱伝導が期待できる。しかも、絶縁材料で形成された接合材２０が熱伝導部１６と熱伝導材２２を外部と遮断するので、熱伝導材２２の外部に対する絶縁を確保できる。半導体モジュールの絶縁性を確保することは、高電圧駆動するパワー半導体を有する半導体モジュールなどにおいて特に有効である。
図３は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置の変形例を示す断面図である。モールド樹脂１８の接合材２０と接する部分には、アンカー部２４を形成して表面粗さを高めている。そのため、モールド樹脂１８の接合材２０と接する部分は、モールド樹脂１８が接合材２０と接しない部分と比較して表面粗さが大きい。よって、接合材２０による半導体モジュール１４と冷却体１２の接合を強化することができる。
図４は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置の他の変形例を示す断面図である。モールド樹脂１８の接合材２０と接する部分は、親水処理が施されることにより親水部２６が形成されている。そのため、モールド樹脂１８の接合材２０と接する部分は、モールド樹脂１８が接合材２０と接しない部分と比較して親水性が高い。よって、接合材２０による半導体モジュール１４と冷却体１２の接合を強化することができる。なお、上述したもの以外の表面処理をモールド樹脂１８に施して、接合材２０による半導体モジュール１４と冷却体１２の接合を強化してもよい。
その他、本発明の特徴を逸脱しない範囲において様々な変形が可能である。例えば、接合材２０は絶縁材料以外の材料で形成してもよい。熱伝導材２２は、導電性を有する材料で形成したが、例えば、シリコングリースなどで形成してもよい。熱伝導材２２をシリコングリースなどの絶縁体で形成すると、半導体モジュール１４の絶縁確保が容易になる。また、モールド樹脂１８の内部の半導体素子と熱伝導部１６を絶縁体で絶縁すると、半導体モジュールの絶縁を確保できる。
実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る半導体装置については、説明の重複を避けるために、前述した実施の形態１に係る半導体装置との相違点を中心に説明する。図５は、本発明の実施の形態２に係る半導体装置の断面図である。冷却体１２には冷却体溝１２ａが形成されている。熱伝導材２２と接合材３０は、冷却体溝１２ａを介して離間している。
図６は、本発明の実施の形態２に係る半導体装置の冷却体を示す斜視図である。冷却体１２には、枠状に冷却体溝１２ａが形成されている。図７は、本発明の実施の形態２に係る半導体装置の冷却体、熱伝導材、及び接合材を示す斜視図である。接合材３０は、熱伝導材２２を囲むように形成されている。
本発明の実施の形態１において説明した通り、熱伝導材２２は半導体モジュール１４の冷却のために形成され、接合材３０は半導体モジュール１４と冷却体１２との接合のために形成される。熱伝導材２２と接合材３０は異なる機能を有しており、混合すると機能を維持できなくなるおそれがある。しかしながら、本発明の実施の形態２に係る半導体装置によれば、熱伝導材２２と接合材３０は冷却体溝１２ａを介して離間しているため、両者が混合することを回避できる。
実施の形態３．
本発明の実施の形態３に係る半導体装置については、説明の重複を避けるために、前述した実施の形態１に係る半導体装置との相違点を中心に説明する。図８は、本発明の実施の形態３に係る半導体装置の断面図である。接合材４０は、モールド樹脂１８の側面１８ａに及ぶように形成されている。また、熱伝導部１６の熱伝導材２２と接する面と、モールド樹脂１８の底面１８ｂは一平面を形成している。
本発明の実施の形態３に係る半導体装置によれば、接合材４０が側面１８ａに及ぶように形成されているので、接合材４０による半導体モジュール１４と冷却体１２の接合を強化することができる。また、熱伝導部１６の熱伝導材２２と接する面と、モールド樹脂１８の底面１８ｂは一平面を形成するため、底面１８ｂと冷却体１２の間隙が狭くなる。よって、容易に接合材４０を側面１８ａに及ぼすことができる。
図９は、本発明の実施の形態３に係る半導体装置の変形例を示す断面図である。モールド樹脂１８の底面外周に切り欠きを形成することで、側面１８ｃが表れている。接合材５０はこの側面１８ｃに及ぶように形成されている。このように構成すると、図８を参照して説明した半導体装置よりも接合材の使用量を抑制しつつ、半導体モジュール１４と冷却体１２の接合を強化することができる。
実施の形態４．
本発明の実施の形態４に係る半導体装置については、説明の重複を避けるために、前述した実施の形態１に係る半導体装置との相違点を中心に説明する。図１０は、本発明の実施の形態４に係る半導体装置の断面図である。モールド樹脂１８の冷却体１２に対向する面には、樹脂溝１８ｄが形成されている。接合材６０は樹脂溝１８ｄを埋めるように形成されている。本発明の実施の形態４に係る半導体装置によれば、接合材６０が樹脂溝１８ｄを埋めるように形成されているので接合材６０による半導体モジュール１４と冷却体１２の接合を強化することができる。
実施の形態５．
本発明の実施の形態５に係る半導体装置とその製造方法については、説明の重複を避けるために、前述した実施の形態１に係る半導体装置との相違点を中心に説明する。図１１は、本発明の実施の形態５に係る半導体装置の断面図である。接合材７０の突起部７０ａは、樹脂溝１８ｄの内壁の一部に接している。
本発明の実施の形態５に係る半導体装置の製造方法について説明する。図１２は、本発明の実施の形態５に係る半導体装置の冷却体と半導体モジュールを一体化することを示す断面図である。冷却体１２の表面に熱伝導材２２を形成する。そして、冷却体１２の表面に突起部７０ａを有する接合材７０を形成する。接合材７０は熱伝導材２２と離間するように形成する。金属で形成された熱伝導部１６と、熱伝導部１６を表面に露出させるモールド樹脂１８を有する半導体モジュール１４を形成する。モールド樹脂１８に樹脂溝１８ｄを形成する。ここまでの工程の順序は適宜入れ替えてもよい。
次いで、冷却体１２と半導体モジュール１４を一体化する。この工程では、突起部７０ａが樹脂溝１８ｄの内壁に接し、かつ熱伝導材２２が熱伝導部１６と重なるように冷却体１２と半導体モジュール１４を一体化する。このとき、突起部７０ａが樹脂溝１８ｄの内部に入るようにすることで、冷却体１２と半導体モジュール１４を位置合わせする。
本発明の実施の形態５に係る半導体装置の製造方法によれば、突起部７０ａを位置合わせの基準として用いて冷却体１２と半導体モジュール１４を一体化するので半導体装置の組み立て精度を高めることができる。また、突起部７０ａは樹脂溝１８ｄの内壁に接するので、半導体モジュール１４と冷却体１２の接合を強化することができる。また、接合材７０は熱伝導材２２と離間しているため、接合材７０が熱伝導材２２の方向に拡散したとしても、樹脂溝１８ｄが当該拡散分を格納し接合材７０と熱伝導材２２の混合を防止できる。
本発明の実施の形態５に係る半導体装置の製造方法は、冷却体１２と半導体モジュール１４の一体化の際の位置合わせに突起部７０ａを活用しつつ、その突起部７０ａを樹脂溝１８ｄに接合することで半導体モジュール１４と冷却体１２の接合を強化することを特徴とする。なお、接合材７０を熱伝導材２２と離間して形成することは必須ではない。
本発明の実施の形態２以降で説明した半導体装置は、少なくとも本発明の実施の形態１に係る半導体装置と同程度の変形が可能である。また、各実施の形態で説明した特徴を適宜組み合わせてもよい。
１０ 半導体装置、 １２ 冷却体、 １２ａ 冷却体溝、 １４ 半導体モジュール、 １６ 熱伝導部、 １８ モールド樹脂、 １８ａ 側面、 １８ｂ 底面、 １８ｄ 樹脂溝、 ２０ 接合材、 ２２ 熱伝導材、２４ アンカー部、 ２６ 親水部、 ７０ 接合材、 ７０ａ 突起部

Claims (9)

  1. 金属で形成された熱伝導部と、前記熱伝導部を表面に露出させるモールド樹脂を有する半導体モジュールと、
    接合材により前記半導体モジュールに固定された冷却体と、
    前記熱伝導部と前記冷却体の間に形成され、前記熱伝導部と前記冷却体を熱接続する熱伝導材と、を備え、
    前記冷却体には冷却体溝が形成され、
    前記熱伝導材と前記接合材は、前記冷却体溝を介して離間することを特徴とする半導体装置。
  2. 金属で形成された熱伝導部と、前記熱伝導部を表面に露出させるモールド樹脂を有する半導体モジュールと、
    接合材により前記半導体モジュールに固定された冷却体と、
    前記熱伝導部と前記冷却体の間に形成され、前記熱伝導部と前記冷却体を熱接続する熱伝導材と、を備え、
    前記接合材は、前記モールド樹脂の側面に及ぶことを特徴とする半導体装置。
  3. 前記半導体モジュールは、前記モールド樹脂で樹脂封止された半導体素子を備え、
    前記接合材は絶縁材料で形成され、
    前記接合材は、前記熱伝導部と前記熱伝導材を外部と遮断するように形成され、
    前記熱伝導部は、前記半導体素子と絶縁されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
  4. 前記モールド樹脂の前記冷却体に対向する面には樹脂溝が形成され、
    前記接合材は前記樹脂溝を埋めるように形成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置。
  5. 前記接合材は前記モールド樹脂に接し、
    前記モールド樹脂の前記接合材と接する部分は、前記モールド樹脂が前記接合材と接しない部分と比較して表面粗さが大きいことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置。
  6. 前記接合材は前記モールド樹脂に接し、
    前記モールド樹脂の前記接合材と接する部分は、前記モールド樹脂が前記接合材と接しない部分と比較して親水性が高いことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置。
  7. 前記熱伝導材は導電性の材料で形成されたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の半導体装置。
  8. 前記熱伝導材はシリコングリースで形成されたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の半導体装置。
  9. 冷却体の表面に熱伝導材を形成する工程と、
    前記冷却体の表面に突起部を有する接合材を形成する工程と、
    金属で形成された熱伝導部と前記熱伝導部を表面に露出させるモールド樹脂を有する半導体モジュールの前記モールド樹脂に、樹脂溝を形成する工程と、
    前記突起部が前記樹脂溝の内壁に接し、かつ前記熱伝導材が前記熱伝導部と重なるように前記冷却体と前記半導体モジュールを一体化する工程と、
    を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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