JP5925052B2 - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、半導体装置に関わり、特に、冷媒循環型の冷却器を備えた半導体装置に関する。

車載用装置においては、近年、電力用回路の大出力化が進行する一方で、小型軽量化が求められるようになってきた。このため、車載用の半導体装置では、冷却能力の高い水冷方式が一般的な冷却方法になりつつある。冷却に使用するポンプには大きさの制約が設けられているうえに、冷却器の腐食を防止して長期信頼性を確保する観点から冷媒の圧力損失や流速には厳しい制限が課されている。

仮に、ポンプ容量を上げて流速を大きくすると、圧力損失が流速の約２乗に比例して増大するので、冷却器の放熱性能は一定の流速を越えると改善幅が小さくなる。このため、流速を上げて放熱性能を改善する方法には限界がある。冷却器の性能がある一定以上良くなると冷却器の性能を上げるだけでは半導体装置の冷却性能に大幅な改善が見込めないため、半導体素子から冷却器までの熱抵抗を改善し、冷却器の放熱面積を増大させる必要がある。

高放熱化のために、金属ブロックを半導体素子の両面に配置して半導体モールドモジュールの両面に放熱面を設け、放熱面積を増大させて冷却している半導体装置が知られている（例えば特許文献１）。このような半導体装置にあっては、半導体装置が大型化し重量が増すだけでなく、冷却器の実装時や回路動作時の線膨張により半導体素子に大きな力が加わり、半導体素子が破損することが考えられる。また、冷却器に電流が流れる場合は、金属ブロックが絶縁されていないため、冷却器に他の電子部品が搭載できずに半導体装置が大型化する。

両面に冷却器を装着するために、扁平な接触受熱面を持つ放熱チューブをつづら折り形状に配置し、絶縁スペーサを介して半導体装置の両面に接触させて実装する方法が知られている（たとえば特許文献２）。このような半導体装置の実装方法では、放熱面の平面度と半導体モールドモジュールの平面度、さらには挟圧が厳密に管理されていなければ、絶縁スペーサが厚くなり熱抵抗が増大する。半導体モールドモジュールに過剰な力が加われば、半導体モールドモジュールに損傷が生じる。

特開平６−２９１２２３号公報 特開２００１−３５２０２３号公報

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、高放熱化を実現するのに加えて、安価で信頼性が高く、生産性の良い半導体装置を得ることを目的としている。

本願にかかわる半導体装置は、冷媒が循環する第１の冷却器と、第１の冷却器と間隔を隔てて対向配置された放熱板と、放熱板に接合されている半導体素子と、放熱板と半導体素子を囲繞し、第１の冷却器に当接する熱可塑性のモールド樹脂と、冷媒が循環し、モールド樹脂に当接する第２の冷却器と、第１の冷却器と第２の冷却器を連絡する複数のスペーサとを備えているものである。

この発明によれば、モールド樹脂の表面を溶かし、冷却器と半導体モールドモジュールを融着させるので、半導体モールドモジュールを冷却器で挟圧をかけて固定する必要がなく、半導体モールドモジュールへの機械的ストレスを軽減できる。

本発明の実施の形態１による半導体装置の要部を示す断面図である。 本発明の実施の形態１による半導体モールドモジュールの構成を表す断面図である。 本発明の実施の形態１による半導体モジュールのモールド方法を説明する図である。 本発明の実施の形態１による半導体装置の融着方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態２による半導体装置の要部を示す断面図である。 本発明の実施の形態３による半導体装置の要部を示す断面図である。 本発明の実施の形態４による半導体装置の要部を示す断面図である。 本発明の実施の形態４による半導体装置の製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態５による半導体装置の要部を示す断面図である。

以下に本発明にかかる半導体装置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、本発明は以下の既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１．
図１は、本発明の実施の形態１による半導体装置の要部を示す断面図である。半導体装置１０は、半導体モールドモジュール７と冷却器８から構成されている。２個の冷却器８には冷媒が循環するように、入り口と出口が設けられている。モールド樹脂６は、半導体素子１、放熱板２、端子４、制御端子５などを被覆し、高熱伝導性と絶縁性を備えた熱可塑性エラストマーからなる。半導体モールドモジュール７は半導体素子１に接合された放熱板２の下面までモールド樹脂６により覆われている。端子４は、平角状の金属からなる。制御端子５は、平角線の金属からなる。

図２に半導体モールドモジュール７の構成を示す。半導体モールドモジュール７は、スイッチング素子１ａ、ダイオード１ｂ、放熱板２、端子４、制御端子５、モールド樹脂６などを備えている。スイッチング素子１ａおよびダイオード１ｂは、モールド樹脂６を用いてモールドされている。スイッチング素子１ａには、IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）やMOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などが含まれる。放熱板２には、銅、アルミなどの金属板を一般的に用いるが、平板状の金属に回路が形成されている配線部材や、アルミナや窒化アルミなどのセラミック部材に回路が形成されたセラミック基板を用いることもある。接合材３には、はんだや導電性ペーストを用いる。

制御端子５はスイッチング素子１ａのゲート電極に実装されている。制御端子５にはスイッチング素子１ａの制御信号が入出力される。スイッチング素子１ａがIGBTの場合、スイッチング素子１ａのコレクタ側、およびダイオード１ｂのカソード側が、放熱板２に接合材３を介して接合される。スイッチング素子１ａのエミッタ側、ダイオード１ｂのアノード側には接合材３を介して端子４が実装される。半導体モールドモジュール７は、絶縁性のモールド樹脂６によってモールドされている。モールドの際、モールド樹脂６と放熱板２、端子４、制御端子５、半導体素子１（スイッチング素子１ａおよびダイオード１ｂ）との接着強度が必要な場合、放熱板２、端子４、制御端子５、半導体素子1に接着用プライマーを塗布して強固な接着層を形成することで、接着性を確保できる。

次に、図３に基づいて、半導体モールドモジュールの製造方法を説明する。先に、半導体素子１、放熱板２、端子４、制御端子５を接合材３により接合し、半導体モジュール１３を作成する。端子４と制御端子５を金型２０で押えることによって放熱板２の下面に空間を設けるため、放熱板２の下面への熱可塑性エラストマーの流れ込みは、流路が確保される。放熱板２と冷却器８に挟まれたモールド樹脂６の厚みは、通常、絶縁スペーサの厚みが２５０μm以下であることから、２５０μm以下にする事が望ましい。ただし、樹脂モールド時は２５０μm以上あっても、融着の際に厚みの調整は可能である。

次に、図４に基づいて、冷却器８の融着方法を説明する。予め半導体モールドモジュール７をモールド樹脂６の融点まで加熱し、冷却器８をモールド樹脂６に軽く押し当てる。モールド樹脂６を溶かすことで冷却器８と融着させ、半導体装置を構成する。半導体モールドモジュール７を冷却器８で挟んだあと、冷却器８に加熱した流体を流すことで冷却器８を加熱し、モールド樹脂６と冷却器８を融着させても良い。冷却器８と半導体モールドモジュール７間の接着強度が必要な場合は、融着させる際に接着用プライマーを塗布したり、冷却器８側に微細な凹凸を設けてアンカー効果を設けたりすることが有効である。

端子４は必ずしも平坦である必要はなく、高さの差を吸収したり、立体的な交差部を持たせて凹凸があってもよい。そのような場合に、冷却器がモールド樹脂の厚みをほぼ均一にするように、冷却器も凹凸を有してもよい。半導体モジュールを熱可塑性エラストマーでモールドし、冷却器８を半導体モールドモジュール７の両面に配置することにより、半導体モールドモジュール７の両面から放熱が可能になり、放熱面積が拡大することで放熱性能が向上する。

本願では、放熱板２を半導体素子１の片側に設ける。放熱板２を半導体素子の両面に設ける構造では、半導体モールドモジュールの構造が複雑になるだけでなく、接合材３の厚みや放熱板２の平行度の管理が難しくなる。モールドを行う場合には、必ず一方の放熱板２の表面にモールド樹脂が被るため、モールド樹脂の除去工程が必要となり、生産性が低い。また、放熱板を半導体素子の両面に設けると、半導体モールドモジュールを実装する際の挟圧が、放熱板２の平行度や反りなどから半導体モールドモジュール７に不均等な力がかかりスイッチング素子１ａ、ダイオード１ｂにダメージを与えるだけでなく、絶縁スペーサの厚みが厚くなり熱抵抗が増大する。

本願では、モールド樹脂６の表面を溶かし、冷却器８と半導体モールドモジュール７を融着させるため、半導体モールドモジュール７を冷却器８で挟圧をかけて固定する必要がない。半導体モールドモジュール７への機械的ストレスを軽減できるだけでなく、融着の工程で加える力はモールド樹脂６の表面が溶けることで開放されるため、半導体モールドモジュール７には残留応力が残りにくい。また、融着させると半導体モールドモジュール７や冷却器８に反りや凹凸があっても形状に追従しやすい。樹脂の厚み管理が容易なため、熱抵抗の増大を抑え小型で安価な半導体装置１０を実現できる。従来技術で用いられているような絶縁スペーサも不要になり、安価で生産性が良い。モールド樹脂６は弾性に富むため、半導体素子１の発熱による熱応力を効果的に緩和することが可能である。

一般的に注形タイプの樹脂はボイドが残りやすい。モールド樹脂６の流動性、耐電圧性、破壊性などを考慮すると、モールド樹脂６の厚みは通常０．５〜２ｍｍ程度にする。この時に冷却器８と端子４の間に絶縁距離を大きくするための絶縁紙や絶縁フィルムを挟むことで、高電圧まで使用できるようになるメリットを奏する。挟むものの端面が冷却器８と端子４間に直線的なパスを有すると、界面を伝った放電パスが形成されやすいので、高い電圧での使用に際しては冷却器８と端子４の間を直線的に繋ぐパスがないように配置することが好ましい。例えば冷却器８と熱可塑エラストマーには接するが、端子４には接しないように配置すると、高電圧での使用にも適する。

モールド樹脂６は弾性に富む。ワイヤ線で配線すると、モールド樹脂６が変形した際、ワイヤ線も変形するため、接合部に応力が集中する可能性がある。そこで、平角状の金属からなる端子４や平角線の金属からなる制御端子５を半導体素子１に接合材３を用いて配線することで、接合部の信頼性向上を実現した。また、モールド樹脂６の弾性により、冷却器８から伝わる振動が減衰し、半導体装置１０の耐震性が向上する。なお、現時点で入手可能なモールド樹脂６の熱伝導率は１０Ｗ/Ｋ・ｍ程度である。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２による半導体装置を示す断面図である。実施の形態２では、熱可塑性エラストマーによってモールドされた半導体モールドモジュール７において、放熱板２の半導体素子１が実装されている面と対の面を露出させる。半導体モールドモジュール７の放熱板２が露出した面には接着性と放熱性を備えた絶縁性シート９を介してアルミなどの金属製の冷却器８が取り付けられる。

一般的に、高放熱樹脂は流動性が悪いため射出成形などのモールド工程で薄肉化が困難である。そこで、あらかじめ薄く加工された絶縁性シート９を、放熱板２の下面に用いることで、より高放熱化が可能になる。すなわち、多くのフィラーを配合して熱伝導率を高くする作用を利用して熱伝導率を向上させる場合、モールド樹脂６の粘度が高くなり、充填が困難になる。コンマコーター（株式会社ヒラノテクシード製）などの設備を利用した塗工プロセスを用いれば、薄い絶縁層を形成可能であり、これを真空中で熱プレスすることで、ボイドをなくして高い絶縁性を獲得することが可能である。このような工程を経ることで、モールド樹脂に比べて薄い厚みで、熱伝導性が高い絶縁性シートを工業的に利用することができる。

モールド樹脂６の熱伝導率λ１は、絶縁性シート９の熱伝導率λ２に対し、λ１≦λ２の関係が望ましい。すなわち、主に絶縁性シート９を介して放熱板２から冷却器に放熱するが、絶縁性シート９の熱抵抗は、厚みに比例し、面積に反比例する関係にあるため、放熱板２が半導体素子１からの放熱面積を拡大する作用を有する。このような水平方向への熱の拡大作用は厚みが大きいほど優れている。よって、モールド樹脂６と絶縁性シート９の厚みが同じで、かつλ１＝λ２の時は絶縁性シート９を介した放熱パスと、モールド樹脂６を介した放熱パスでは、絶縁性シート９を介した放熱パス側の放熱性が高い。

そのため、絶縁性シート９の熱伝導率λ２を上げていったほうが、モールド樹脂６の熱伝導率λ１を上げるよりも放熱性は向上する。ただし、熱伝導率λ２側に高い耐電圧を要求される場合、絶縁性シート９の熱伝導率を犠牲にし、λ２≦λ１の関係する場合も想定される。さらに、熱伝導率λ１が限りなく０に近づくと、モールド樹脂６の面からの放熱量が極めて小さくなり、両面から冷却する効果は小さくなる。そこで、少なくとも熱伝導率λ１は０．５Ｗ／Ｋ・ｍ以上を用いることが好ましい。

絶縁性シート９が熱硬化性の場合、モールド樹脂６の融点と絶縁性シート９の接合温度をあわせておくことが好ましい。絶縁性シート９が硬化したあとにモールド樹脂６の融点以下の温度に冷却することで、半導体モールドモジュール７の両面に一度に冷却器８を実装することが可能であり、生産性に優れる。なお、放熱板２が絶縁性のあるセラミック基板の場合、絶縁性シート９を接合材３にて実装することが可能であり、絶縁シート接着面
は平坦であることが、圧力の均一性を高めるために好ましい。

実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３による半導体装置を示す断面図である。実施の形態３では、放熱板２に異なる２種類以上の金属板を張り合わせたクラッド材を用いる。図に示されたクラッド材１２は銅とアルミからなる放熱板を示している。一般的に、冷却器８はアルミからなる場合が多く、放熱板２は銅やセラミックである場合が多い。そのため、放熱板２の下の絶縁性シート９、接合材３もしくはモールド樹脂６は、放熱板２と冷却器８の素材の線膨張差の違いにより剥離や破壊することが想定される。

たとえば、放熱板２が銅製である場合、冷却器８を銅にするとコストが高くなるうえに、重量が重くなる。放熱板２をアルミにすると、半導体素子１とアルミの線膨張係数が大きく違うため、半導体素子１と接合材３との信頼性低下が懸念される。そこで、放熱板２と冷却器８の線膨張差を合わせるためにクラッド材を用いて絶縁性シート９の信頼性向上を図る。放熱板２に銅とアルミのクラッド材１２を用いる場合、冷却器８に接するほうにクラッド材１２のアルミ面を、半導体素子１を実装する面を銅となるように半導体モールドモジュール７を作製する。

一方、モールド樹脂は放熱板２の線膨張係数や接着性を考慮して選択するため、クラッド材１２を用いると放熱板２の線膨張係数に合う樹脂の選定が困難になる。しかし、モールド樹脂に熱可塑性エラストマーを用いるため、モールド樹脂６の弾性により線膨張の違いによるストレスを緩和することが可能であり、良好な接着性を確保できる。

なお、銅とアルミは脆い金属間化合物を生成する。特に高温化では、金属間化合物の成長が進むことから、常時高温での使用が想定される環境下では、銅とアルミの間にチタンなどの金属を挟むことで金属間化合物の生成を防止する。

実施の形態４．
実施の形態４にかかわる半導体装置では、冷却器同士の平行度を保つために冷却器の間にスペーサを設ける。図７には、半導体装置が複数組の半導体モールドモジュールを備えている場合を示している。金属や樹脂で作成されたスペーサ１１は冷却器８の両端および半導体モールドモジュール７の間に設けられている。冷却器８は必ずしも平坦でなければいけないわけではなく、突起などが存在してもかわない。図８は、融着される前の、複数の半導体モールドモジュール７とスペーサ１１の関係を表している。

冷却器８同士の平行度を保つために冷却器８の間にスペーサ１１を設けることで、半導体モールドモジュール７が必要以上に押しつぶされることを防止し、絶縁性能や信頼性を確保できる。また、スペーサ１１を半導体モールドモジュール７の位置決めに用いることで、精度よく半導体モールドモジュール７を実装できる。さらに、冷却器８の平行度が悪いと冷却性能の低下につながり易いが、平行度を保つことで設計通りの冷却性能が得られる。半導体装置が単数の半導体モールドモジュールを備えている場合も同様の効果を奏する。

実施の形態５．
実施の形態５にかかわる半導体装置の構造を図９に示す。実施の形態１〜４では、一層のみの半導体モールドモジュールを備えた半導体装置を描いているが、半導体モールドモジュールを多層に配設することも可能である。図９では、半導体モールドモジュール７が３段にわたって、冷却器を挟んで、層状に積み上げられている。この場合、両面から冷却できる冷却器８を用いて、前述した冷却器８に加熱した流体を流すことで冷却器８を加熱する方法を用いれば、同時に多層の組立てが可能となり生産性が良い。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ 半導体素子、１ａ スイッチング素子、１ｂ ダイオード、２ 放熱板、３ 接合材、４ 端子、５ 制御端子、６ モールド樹脂、７ 半導体モールドモジュール、８ 冷却器、９ 絶縁性シート、１０ 半導体装置、１１ スペーサ、１２ クラッド材、１３ 半導体モジュール

Claims (4)

1. 冷媒が循環する第１の冷却器と、
   前記第１の冷却器と間隔を隔てて対向配置された放熱板と、
   前記放熱板に接合されている半導体素子と、
   前記放熱板と前記半導体素子を囲繞し、前記第１の冷却器に当接する熱可塑性のモールド樹脂と、
   冷媒が循環し、前記モールド樹脂に当接する第２の冷却器と、
   前記第１の冷却器と前記第２の冷却器を連絡する複数のスペーサとを備えている半導体装置。
2. 冷媒が循環する第１の冷却器と、
   前記第１の冷却器の片側を被覆する絶縁性シートと、
   前記絶縁性シートに当接する放熱板と、
   前記放熱板に接合されている半導体素子と、
   前記放熱板と前記半導体素子を囲繞し、前記絶縁性シートに当接する熱可塑性のモールド樹脂と、
   冷媒が循環し、前記モールド樹脂に当接する第２の冷却器と、
   前記第１の冷却器と前記第２の冷却器を連絡する複数のスペーサとを備えている半導体装置。
3. 前記放熱板は、クラッド材からなることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 放熱板が半導体素子に接合されてなる半導体モジュールを熱可塑性の樹脂でモールドする工程と、
   前記樹脂でモールドされた半導体モジュールを、前記樹脂の融点まで昇温する工程と、
   前記樹脂でモールドされていて、しかも樹脂の融点まで昇温されている半導体モジュールを第１の冷却器および第２の冷却器で挟み、この半導体モジュールを前記第１の冷却器および前記第２の冷却器と融着する工程と、を備えている半導体装置の製造方法。