JP5776328B2 - 冶具、半導体モジュールの製造方法及び半導体モジュール - Google Patents

Description

本明細書は、半導体モジュールを製造するための技術を開示する。

特許文献１に、放熱板の表面に接着されたトランジスタが樹脂材料によって被覆されている半導体モジュールが開示されている。この半導体モジュールの放熱板の裏面（即ちトランジスタが接着されている面の反対側の面）には、裏面から突出する複数個のフィンが配置されている。

特開２００９−２９６７０８号公報

トランジスタ等の半導体素子を樹脂材料で被覆する際、通常、半導体素子が放熱板に接着された状態で成形型のキャビティ内に配置され、キャビティ内に樹脂材料が注入される。この構成では、キャビティ内への注入時の樹脂材料の圧力によって放熱板が変形し、放熱板と半導体素子との間の接着力が低下する場合がある。本明細書では、半導体素子を樹脂で適切に被覆する技術を提供する。

本明細書が開示する技術は、半導体装置を支持するための冶具である。半導体装置は、放熱板と半導体素子部とを備える。放熱板は、第１の平板部と第１の平板部の一方の面から突出する複数個のフィンとを備える第１の部分と、第１の平板部の周囲に隣接する第２の平板部を備える第２の部分と、を備える。半導体素子部は、放熱板の複数個のフィンが配置される面とは反対側の面に接着される。冶具は、半導体素子部を樹脂材料で被覆する際に、半導体装置を支持する。この冶具は、第１の支持部と第２の支持部とを備える。第１の支持部は、複数個のフィンが配置される側から第１の部分に接触することによって、半導体装置を支持する。第２の支持部は、複数個のフィンが配置される側から第２の部分に接触することによって、半導体装置を支持する。第１の支持部は、半導体装置を支持した状態で、半導体装置と離間して対向する基部と、基部から第１の部分に向かって突出する複数個の突起部と、を備える。第１の支持部は、複数個の突起部が第１の部分に接触することによって、半導体装置を支持する。複数個の突起部のそれぞれは、基部から離間するのに従って、基部から第１の部分に向かう方向に垂直な方向の断面の面積が小さくなっている。
本明細書が開示する他の技術は、半導体装置を支持するための冶具である。半導体装置は、放熱板と半導体素子部とを備える。放熱板は、第１の平板部と第１の平板部の一方の面から突出する複数個のフィンとを備える第１の部分と、第１の平板部の周囲に隣接する第２の平板部を備える第２の部分と、を備える。半導体素子部は、放熱板の複数個のフィンが配置される面とは反対側の面に接着される。冶具は、半導体素子部を樹脂材料で被覆する際に、半導体装置を支持する。この冶具は、第１の支持部と第２の支持部とを備える。第１の支持部は、複数個のフィンが配置される側から第１の部分に接触することによって、半導体装置を支持する。第２の支持部は、複数個のフィンが配置される側から第２の部分に接触することによって、半導体装置を支持する。

上記の冶具は、放熱板の第１の部分と第1の部分の周囲に位置する第２の部分との両方を支持する。この結果、半導体素子部を樹脂材料で被覆する際に、樹脂材料の圧力によって、放熱板が変形することを抑制することができる。その結果、放熱板の変形によって、半導体素子部と放熱板との間の接着力が低下することを抑制することができる。

第１の支持部は、半導体装置を支持した状態で、半導体装置と離間して対向する基部と、基部から第１の部分に向かって突出する複数個の突起部と、を備えていてもよい。第１の支持部は、複数個の突起部が第１の部分に接触することによって、半導体装置を支持してもよい。複数個の突起部のそれぞれは、基部から離間するのに従って、基部から第１の部分に向かう方向に垂直な方向の断面の面積が小さくなっていてもよい。この構成によれば、第１の支持部が平板で形成されており、当該平板の一方の面で半導体装置を支持する場合と比較して、複数個のフィンが形成されている第１の部分を適切に支持し得る。

第１の支持部は、複数個の突起部のそれぞれが隣り合うフィンの間に位置し、当該突起部の先端部分が第１の平板部に接触することによって半導体装置を支持してもよい。この構成によれば、突起部の先端部分がフィンに接触することによって、半導体装置を支持する場合と比較して、第１の部分を適切に支持し得る。

上記の冶具を用いた半導体モジュールの製造方法も新規で有用である。この製造方法は、半導体素子部が樹脂材料で被覆された半導体モジュールを製造する製造方法である。この半導体モジュールの製造方法は、半導体準備工程と載置工程と型セット工程と注入工程とを備える。半導体準備工程では、半導体装置を準備する。半導体装置は、放熱板と半導体素子部とを備える。放熱板は、第１の部分と第２の部分とを備える。第１の部分は、第１の平板部と第１の平板部の一方の面から突出する複数個のフィンとを備える。第２の部分は、第１の平板部の周囲に隣接する第２の平板部を備える。半導体素子部は、放熱板の複数個のフィンとは反対側の面に接着される。載置工程では、上記の冶具に、半導体装置を載置する。型セット工程では、放熱板に接着された半導体素子部の周囲に成形型をセットする。注入工程では、成形型のキャビティ内に樹脂材料を注入する。

上記の製造方法によれば、注入工程での樹脂材料の圧力によって、放熱板が変形することを抑制することができる。この結果、半導体素子と放熱板との間の接着力が低下することを抑制することができる。なお、上記の製造方法によって製造された半導体モジュールは、従来の半導体モジュールと比較して、放熱板の変形が抑制されており、新規で有用である。

また、上記の冶具に好適に用いられる半導体モジュールも新規で有用である。この半導体モジュールは、放熱板と、放熱板に接着されており、樹脂材料によって被覆される半導体素子部と、を備える。放熱板は、第１の平板部と第１の平板部の一方の面から突出する複数個のフィンとを備える第１の部分と、第１の平板部の周囲に隣接する第２の平板部を備える第２の部分と、を備える。半導体素子部は、放熱板の複数個のフィンが配置される面とは反対側の面に接着されている。複数個のフィンのそれぞれは、一方の面から離間するのに従って、一方の面に平行な断面の面積が小さくなっている。第１の平板部は、隣り合うフィンの間に、半導体素子部を樹脂材料で被覆する際に半導体装置を支持する冶具が当接する当接部を有している。この構成によれば、隣り合うフィンの間に、冶具の第１の支持部に形成されている突起部を配置し易く、放熱板が変形することを好適に抑制することができる。

本明細書が提供する技術によれば、放熱板の変形が抑制されるため、放熱板と半導体素子との接着状態を適切に維持することができる。これにより、半導体モジュールの耐久性を向上することができる。

実施例１の半導体モジュールの縦断面図を示す。 半導体モジュールの製造工程を示すフローチャートを示す。 実施例１の半導体装置が冶具に載置された状態を示す縦断面図を示す。 実施例２の半導体装置が冶具に載置された状態を示す縦断面図を示す。 変形例の半導体装置が冶具に載置された状態を示す縦断面図を示す。

（半導体モジュールの構成）
図１に示すように、半導体モジュール１０は、半導体装置１２と冷却器５０とを備える。半導体装置１２は、半導体素子部２０と放熱板４０とを備える。

半導体素子部２０は、複数個（図１では２個）の半導体素子２２，２４と、絶縁材２６と、複数本（図１では５本）のバスバー２８ａ〜２８ｅを備える。半導体素子２２の一方の面の電極（図１の上面側の電極）は、バスバー２８ａを介して外部に接続される。以下では、図面の上側を単に「上」、下側を単に「下」と呼ぶ。例えば、バスバー２８ａに接触している半導体素子２２の一方の面を、半導体素子２２の上面と呼ぶ。半導体素子２２の下面の電極は、バスバー２８ｂ，２８ｃを介して、半導体素子２４の上面の電極に接続されている。半導体素子２４の下面の電極は、バスバー２８ｄ，２８ｅを介して、外部に接続される。なお、半導体素子２２，２４とバスバー２８ａ〜２８ｅとは、図示省略された半田によって接着されている。

バスバー２８ｂ，２８ｄの下面は、絶縁材２６の上面に接着されている。絶縁材２６の下面は、放熱板４０の上面に接着されている。即ち、放熱板４０には、半導体素子部２０が載置されている。バスバー２８ｂ，２８ｄと放熱板４０とは、絶縁材２６によって電気的に絶縁されている。

半導体素子部２０は、絶縁材２６の下面を除いて、樹脂材料３０によって被覆されている。これにより、外部からの湿気、汚染物質等から半導体素子２２，２４が保護される。

放熱板４０は、第１の部分４６と第２の部分４８とを備える。半導体素子部２０は、第１の部分４６上に接着されている。第１の部分４６は、平板部４２と複数個（図１では１０個）のフィン４４とを備える。平板部４２は、矩形状の平板である。なお、バスバー２８ｂ，２８ｄは、平板部４２の上面に接着されている。平板部４２の下面には、複数個のフィン４４が形成されている。フィン４４は、平板部４２の下面から下方に突出している。フィン４４は、図１の紙面と垂直方向に直線状に伸びている。フィン４４は、図１の紙面と垂直方向において、平板部４２の長さと略同一の長さを有する。第２の部分４８は、第１の部分４６の周囲を一巡して囲っている。第２の部分４８は、平板部４２に連続する平板形状を有する。

フィン４４は、平板部４２の下面に平行な断面で見たときに、平板部４２から離間するに従って、即ち、図１の下方に向かうに従って、その断面積が徐々に小さくなっている。言い換えると、フィン４４は、図１の紙面に平行な断面において、下方の辺が上方の辺よりも短い台形形状を有する。複数個のフィン４４は、図１の左右方向に、等間隔に配置されている。なお、隣接するフィン４４は互いに離間しており、隣接するフィン４４の間は、平面形状になっている（即ち平板部４２が位置している）。

放熱板４０の下面側には、冷却器５０が配置されている。即ち、半導体装置１２は、冷却器５０に載置されている。冷却器５０には、冷却水が通過する冷媒流路５２が形成されている。放熱板４０は、冷媒流路５２内に複数個のフィン４４が配置されている状態で、冷却器５０に固定される。放熱板４０は、第２の部分４８において、冷却器５０に支持されている。なお、放熱板４０は、複数個（図１では２個）のボルト７０によって、冷却器５０に固定されている。

半導体モジュール１０の使用時には、冷却水が冷媒流路５２を通過する。これにより、半導体素子部２０が冷却される。

（半導体モジュールの製造方法）
図２に示すように、半導体モジュール１０の製造方法では、まず、半導体装置１２を準備する。具体的には、複数個の半導体素子２２，２４を、絶縁材２６を介して放熱板４０に接着する。さらに、複数個の半導体素子２２，２４に、バスバー２８ａ〜２８ｅを接着して、半導体装置１２を準備する（Ｓ１２）。

次いで、半導体装置１２を、冶具６０に載置する（Ｓ１４）。図３を参照して冶具６０を説明する。冶具６０は、第１の支持部６２と、第２の支持部６４と、を備える。第２の支持部６４は、放熱板４０の第２の部分４８の下面の全域に亘って対向している。第２の支持部６４は、放熱板４０の第２の部分４８の下面に面接触することによって、半導体装置１２を支持する。

第１の支持部６２は、放熱板４０の第１の部分４６に対向している。第１の部分４６が第２の部分４８に一巡して囲まれている関係から、第１の部分４６に対向する第１の支持部６２は、第２の部分４８に対向する第２の支持部６４に一巡して囲まれている。

第１の支持部６２は、基部６６と、複数個（図３では９個）の突起部６８と、を備える。基部６６は、矩形状の平板である。基部６６は、その全周において、第２の支持部６４に接続されている。半導体装置１２が載置された状態で、基部６６は、複数個のフィン４４の下端から離間した位置で、半導体装置１２と対向する。

複数個の突起部６８は、基部６６の上面から上方に向かって突出している。突起部６８は、図３の紙面に垂直な方向に沿った突条である。突起部６８の上端部は、第２の支持部６４の上面よりも上方に位置する。なお、突起部６８の上端は、鋭角に尖っている。複数個の突起部６８は、図３の左右方向に等間隔に配置されている。詳しくは、突起部６８は、半導体装置１２が載置された状態で、隣り合うフィン４４の間に位置する。

半導体装置１２は、突起部６８が、隣り合うフィン４４の間に位置するように載置される。この結果、突起部６８の上端が、第１の部分４６の平板部４２に接触する。平板部４２と突起部６８の上端とが接触し始めた位置では、第２の支持部６４と第２の部分４８とは、未だ接触していない。半導体装置１２は、第２の支持部６４と第２の部分４８とが接触するまで、冶具６０に向かって押圧される。この結果、半導体装置１２は、突起部６８の上端が平板部４２に食い込んだ状態で、冶具６０に支持される。上記の構成によれば、突起部６８の寸法精度を厳密に管理しなくても、冶具６０を用いて、半導体装置１２を、安定して支持することができる。

また、フィン４４は、平板部４２の下面に平行な断面で見たときに、下方に向かうに従って、その断面積が徐々に小さくなっている。即ち、隣り合うフィン４４の間隔は、下方に向かって広がっている。この結果、突起部６８の基部６６側の端部を幅広くすることができる。これにより、突起部６８の強度を確保することができる。また、半導体装置１２が冶具６０に載置される際に、フィン４４と突起部６８とが干渉することを抑制することができる。

図２に戻って、Ｓ１６では、半導体素子部２０の周りに成形型８０をセットする。次いで、Ｓ１８では、成形型８０のキャビティ８２内に樹脂材料を注入する。樹脂材料が凝固すると、成形型８０と冶具６０とを取り外す（Ｓ２０）。その後、冷却器５０が取り付けられて、半導体モジュール１０が製造される。

樹脂注入工程（Ｓ１６）では、樹脂材料が凝固する前に、樹脂材料をキャビティ８２の全体に行き渡らせるため、加圧された樹脂材料がキャビティ８２に注入される。この結果、半導体装置１２の下方に位置する放熱板４０の第１の部分４６は、樹脂材料に押圧される。

従来では、放熱板４０には複数個のフィン４４が配置されているため、樹脂注入工程時に、第１の部分４６が支持されていなかった。従って、樹脂注入工程において、第１の部分４６が下方に撓んだ状態に変形することがあった。これに対して、放熱板４０に接着されている絶縁材２６は、放熱板４０の変形に追従することができない。この結果、絶縁材２６と放熱板４０との接着力が低下することによって、絶縁材２６と放熱板４０との間の密着性が維持されない場合があった。このような構成では、半導体装置１２の熱が放熱板４０にスムースに伝達されず、半導体装置１２の熱が適切に放熱されない等によって、半導体モジュール１０の耐久性が低下する場合があった。

本実施例の冶具６０を用いると、樹脂注入工程において、第１の部分４６が突起部６８に支持されているため、第１の部分４６が下方に撓んで変形することが抑制される。この結果、絶縁材２６と放熱板４０との間の密着性が維持された半導体モジュール１０を製造することができる。

上記の製造方法で製造された半導体モジュール１０では、第１の部分４６の平板部４２に、複数個の突起部６８の上端が食い込んだ際に、複数個の凹溝４９が形成される。この構成によれば、第１の部分４６の表面積を大きくすることができると共に、冷媒流路５２を流れる冷却水が乱流となるため、半導体素子部２０の冷却効果を向上することができる。

実施例１と異なる点について説明する。図４に示すように、平板部２４２の下面に形成されている複数個のフィン２４４は、平板部２４２から下方に突出している。フィン２４４の第１の平板部２４６の下面に平行な断面の面積は一定である。言い換えると、フィン２４４の図２の紙面に平行な断面は、長方形である。なお、隣り合うフィン２４４の間には、凹溝４９は形成されておらず、フィン２４４の下面に、凹溝２４９が形成される。その他の半導体装置２００の各部の構成は、半導体装置１２の構成の各部と同様である。

冶具２６０は、複数個の突起部６８を備えていない。冶具２６０は、第１の支持部２６２の基部２６６から上方に突出する複数個（図４では１０個）の突起部２６８を備える。突起部２６８の上端部は、第２の支持部２６４の上面よりも下方に位置する。突起部２６８の上端は尖っている。複数個の突起部２６８は、半導体装置２２０が載置された状態で、複数個のフィン２４４に対向するように、図４の左右方向に等間隔に配置されている。その他の冶具２６０の各部の構成は、冶具６０の構成の各部と同様である。

半導体装置２２０が冶具２６０に載置されると、フィン２４４の下端は、突起部２６８の上端に接触する。フィン２４４と突起部２６８とが接触し始めた位置では、第２の支持部２６４と第２の部分２４８とは、未だ接触していない。半導体装置２２０は、第２の支持部２６４と第２の部分２４８とが接触するまで、冶具２６０に向かって押圧される。この結果、半導体装置２２０は、突起部２６８の上端部がフィン２４４に食い込んだ状態で冶具２６０に支持される。上記の構成によれば、突起部２６８の寸法精度を厳密に管理しなくても、冶具２６０を用いて、半導体装置２２０を安定して支持することができる。この結果、実施例１と同様に、絶縁材２６と放熱板２４０との間の密着性が維持された半導体モジュールを製造することができる。

なお、突起部２６８の上端部がフィン２４４に食い込んだ際に形成される複数個の凹溝２４９により、凹溝４９と同様に、第１の部分２４６の表面積を大きくすることができると共に、冷媒流路を流れる冷却水が乱流となるため、半導体素子部の冷却効果を向上することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。

上記の実施例１では、半導体装置１２が冶具６０に載置された状態で、隣り合うフィン４４の１個の間隔に対して、１個の突起部６８が位置する。しかしながら、例えば、図５に示すように、隣り合うフィン４４の全ての間に、突起部５６８が設けられていなくてもよい。この場合、複数個のフィン４４は、図５の左右方向に一定の間隔で設けられていなくてもよい。具体的には、隣り合うフィン４４の間隔のうち、突起部５６８が位置するフィン４４の間隔を、突起部５６８が位置されないフィン４４の間隔よりも広くしてもよい。この構成によれば、図５の左右方向における突起部５６８の幅を広くすることができ、突起部５６８の強度を高くすることができる。

上記の実施例２では、冶具２６０に設けられた突起部２６８が、放熱板２４０に接触し、かつ、食い込むことによって、冶具２６０は、半導体装置２００を支持している。しかしながら、冶具２６０は、突起部２６８を備えていなくてもよい。例えば、冶具２６０は、基部２６６の上面（平面状である）がフィン２４４の下端に接触することによって、半導体装置２００を支持してもよい。この変形例では、複数個のフィン２４４の下端面が、同一平面上に位置するように、フィン２４４の寸法精度を管理する必要がある。一方で、上記の各実施例では、本変形例と比較して、フィン２４４の寸法精度を適切に管理しなくて済む。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：半導体モジュール
１２：半導体装置
２０：半導体素子部
２２，２４：半導体素子
２６：絶縁材
２８ａ〜２８ｅ：バスバー
３０：樹脂材料
４０：放熱板
４２：平板部
４４：フィン
４６：第１の部分
４８：第２の部分
４９：凹溝
５０：冷却器
５２：冷媒流路
６０：冶具
６２：第１の支持部
６４：第２の支持部
６６：基部
６８：突起部
８０：成形型
８２：キャビティ

Claims (5)

1. 第１の平板部と前記第１の平板部の一方の面から突出する複数個のフィンとを備える第１の部分と、前記第１の平板部の周囲に隣接する第２の平板部を備える第２の部分と、を備える放熱板と、前記放熱板の前記複数個のフィンが配置される面とは反対側の面に接着される半導体素子部と、を備える半導体装置のうち、前記半導体素子部を樹脂材料で被覆する際に、前記半導体装置を支持するための冶具であって、
   前記複数個のフィンが配置される側から前記第１の部分に接触することによって、前記半導体装置を支持する第１の支持部と、
   前記複数個のフィンが配置される側から前記第２の部分に接触することによって、前記半導体装置を支持する第２の支持部と、を備え、
   前記第１の支持部は、前記半導体装置を支持した状態で、前記半導体装置と離間して対向する基部と、前記基部から前記第１の部分に向かって突出する複数個の突起部と、を備え、
   前記第１の支持部は、前記複数個の突起部が前記第１の部分に接触することによって、前記半導体装置を支持し、
   前記複数個の突起部のそれぞれは、前記基部から離間するのに従って、前記基部から前記第１の部分に向かう方向に垂直な方向の断面の面積が小さくなっている、冶具。
2. 前記第１の支持部は、前記複数個の突起部のそれぞれが、隣り合うフィンの間に位置し、当該突起部の前記先端部分が前記第１の平板部に接触することによって、前記半導体装置を支持する、請求項１に記載の冶具。
3. 半導体素子部が樹脂材料で被覆された半導体モジュールを製造する製造方法であって、
   第１の平板部と前記第１の平板部の一方の面から突出する複数個のフィンとを備える第１の部分と、前記第１の平板部の周囲に隣接する第２の平板部を備える第２の部分と、を備える放熱板と、前記放熱板の前記複数個のフィンとは反対側の面に接着される半導体素子部と、を備える半導体装置を準備する半導体準備工程と、
   請求項１または２に記載の冶具に、前記半導体装置を載置する載置工程と、
   前記放熱板に接着された前記半導体素子部の周囲に成形型をセットする型セット工程と、
   前記成形型のキャビティ内に樹脂材料を注入する注入工程と、を備える、半導体モジュールの製造方法。
4. 放熱板と、
   前記放熱板に接着されており、樹脂材料によって被覆される半導体素子部と、
   を備える半導体装置を備え、
   前記放熱板は、
   第１の平板部と前記第１の平板部の一方の面から突出する複数個のフィンとを備える第１の部分と、
   前記第１の平板部の周囲に隣接する第２の平板部を備える第２の部分と、
   を備え、
   前記半導体素子部は、前記放熱板の前記複数個のフィンが配置される面とは反対側の面に接着されており、
   請求項１または２に記載の冶具に載置された状態で前記半導体素子が樹脂材料に被覆されることによって製造され、
   前記放熱板は、前記第１の部分に、前記治具の複数個の突起部が当接する凹溝を有する半導体モジュール。
5. 放熱板と、
   前記放熱板に接着されており、樹脂材料によって被覆される半導体素子部と、
   を備える半導体装置を備え、
   前記放熱板は、
   第１の平板部と前記第１の平板部の一方の面から突出する複数個のフィンとを備える第１の部分と、
   前記第１の平板部の周囲に隣接する第２の平板部を備える第２の部分と、
   を備え、
   前記半導体素子部は、前記放熱板の前記複数個のフィンが配置される面とは反対側の面に接着されており、
   前記複数個のフィンのそれぞれは、前記一方の面から離間するのに従って、前記一方の面に平行な断面の面積が小さくなっており、
   前記第１の平板部は、隣り合うフィンの間に、前記半導体素子部を前記樹脂材料で被覆する際に前記半導体装置を支持する冶具が当接する当接部を有している、半導体モジュール。

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