JPWO2013099545A1 - 電力用半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
電気的絶縁性の問題は、電力用半導体素子を実装した金属配線部材と、ヒートシンクとの間で生じる。即ち、金属配線部材とヒートシンクとの間の電気的絶縁を図るため、電力用半導体装置における熱伝導性樹脂層には、高い耐電圧特性が要求されるが、熱伝導性樹脂層に含まれるボイドが耐電圧特性を低下させる要因となる。つまり、所謂パッショエンの法則に示されるように、絶縁層内のボイドサイズと放電電圧との間には相関関係があるため、ボイドサイズを小さくすることは、放電が発生する電圧を高めることにつながる。このため、ボイドを小さく潰し込む工程を経ることが有効であり、また、熱伝導性樹脂層が硬化する前の軟化状態での加圧が有効である。具体的には、例えば特開2004−165281号公報では、例えばトランスファーモールド型パワーモジュールの製造工程において、未硬化の熱伝導性樹脂層を加熱して硬化させる際に、10MPaにも及ぶ注入圧力を加えることで熱伝導性樹脂層内のボイドを潰し、耐電圧特性の向上を図ることが提案されている。
ヒートシンクの材質は、熱伝導の観点から例えばアルミニウムであり、一方、金属配線部材は、導電性の観点から銅で作製される。よって、例えば−40℃から125℃の温度変化に応じた、ヒートシンクと金属配線部材との線膨張係数の差に起因して、両部材に挟まれる熱伝導性樹脂層には、熱応力が作用する。このとき、最も大きな熱応力が作用する箇所は、熱伝導性樹脂層と金属配線部材の角部との間、或いは熱伝導性樹脂層とヒートシンクの角部との間であり、ここには、せん断方向の応力が作用する。上述の各角部では、単にそれぞれの部材が積層された構成であり、微視的には、角部にせん断方向と平行に切り欠きが存在するため、剥離の起点となる。熱伝導性樹脂層の角部、或いは熱伝導性樹脂層とヒートシンクの角部との箇所から剥離が進展した場合、金属配線部材とヒートシンクとの間の電気的絶縁性の低下、放熱性の低下が発生することから、せん断方向と平行な剥離起点を作らないようにする必要がある。
即ち、本発明の一態様における電力用半導体装置は、パワーモジュールと、パワーモジュールに接続される放熱部材とを備えた電力用半導体装置で、ここで上記パワーモジュールは、電力用半導体素子を実装面に実装した金属配線部材と、金属配線部材において実装面と反対側の対向面を露出させた状態で上記電力用半導体素子及び上記金属配線部材を封止するモールド樹脂部とを有し、上記放熱部材は、上記対向面に熱伝導性絶縁樹脂シートを介して配置される、電力用半導体装置において、上記モールド樹脂部又は上記放熱部材は、当該電力用半導体装置の厚み方向において、上記熱伝導性絶縁樹脂シートの厚みよりも僅かに低い高さにて突出する凸部を有し、この凸部は、モールド樹脂部ではその周縁部に形成され、放熱部材では、モールド樹脂部の周縁部に対向して形成され、上記熱伝導性絶縁樹脂シートは、上記厚み方向に直交する方向において、モールド樹脂部の周縁部を越えてモールド樹脂部の外側まで延在する樹脂染み出し部を有することを特徴とする。
図1は、本発明の実施の形態1における電力用半導体装置101の断面図である。
電力用半導体装置101は、パワーモジュール7と、放熱部材8と、パワーモジュール7及び放熱部材8の間に介在する熱伝導性絶縁樹脂シート9とを備える。
さらに本実施の形態1では、対向面4bが露出するモールド樹脂部6の裏面側において、モールド樹脂部6は、モールド樹脂部6の周縁部6aの全周に沿って、凸部11を有する。凸部11は、詳細後述する熱伝導性絶縁樹脂シート9の厚みよりも僅かに低い高さを有し、方形状の断面を有する。尚、凸部11の高さとは、金属配線部材4の対向面4bが露出するモールド樹脂部6の裏面からの、電力用半導体装置101の厚み方向81に沿った寸法である。
尚、放熱部材8の金属面に電位が発生し電流が流れることも想定されるため、放熱部材8は、パワーモジュール7と電気的に絶縁する必要がある。
このように熱伝導性絶縁樹脂シート9の厚みを規定することで、以下に詳しく説明するが、電力用半導体装置101を作製するときに、熱伝導性絶縁樹脂シート9は、凸部11と放熱部材8との隙間に充填されながらモールド樹脂部6の外壁に至るまで延在する。このように、熱伝導性絶縁樹脂シート9は、厚み方向81に直交する直交方向82において、モールド樹脂部6の周縁部6aを越えてモールド樹脂部6の外側まで、換言するとパワーモジュール7の側面7aまで、あるいは側面7aを越えるところまで延在する樹脂染み出し部9cを有する。
熱伝導性絶縁樹脂シート9は、パワーモジュール7及び放熱部材8のいずれかの面に設けられる。真空式ヒータープレス装置などで、減圧環境下において、電力用半導体装置101の厚み方向81において、パワーモジュール7と放熱部材8とを相対的に圧縮する方向に、電力用半導体装置101を加熱しながら加圧し、熱伝導性絶縁樹脂シート9を完全に硬化させる。ヒータープレスを用いる理由としては、熱伝導性絶縁樹脂シート9を加熱して、軟化させた期間に加圧力を加え、熱伝導性絶縁樹脂シート9に含まれるボイドを潰しこみながら接着するためである。また、真空式ヒータープレスを用いる理由としては、減圧環境下で圧力を加えることで、熱伝導性絶縁樹脂シート9と放熱部材8との間や、熱伝導性絶縁樹脂シート9とパワーモジュール7との間に空気層の挟み込みを防止できるためである。
パワーモジュール7の周囲に、はみ出す程度の加圧力を加えることで、つまり熱伝導性絶縁樹脂シート9が樹脂染み出し部9cを有することで、熱伝導性絶縁樹脂シート9は、ボイドの潰しこみ作用が発揮され、電気絶縁性を飛躍的に高めることができる。
上述したように、熱伝導性絶縁樹脂シート9が樹脂染み出し部9cを有することで、図示するように、パワーモジュール7の側面7aまで熱伝導性絶縁樹脂シート9が達する。このように本実施形態では、熱伝導性絶縁樹脂シート9は、パワーモジュール7と放熱部材8との隙間における、側面7aの延長線部分に相当する開口部85(図2内、bの図)を完全に覆い、その外形が変曲点をもたない滑らかな面となる。よって、パワーモジュール7の角部と、熱伝導性絶縁樹脂シート9の界面の角部とがほぼ90°で接着し、その結果、両者間の形状変化が急峻となることに起因する、熱応力集中を緩和することができ、接着界面の信頼性を向上させることができる。
図3は、本実施の形態2における電力用半導体装置102の断面図である。電力用半導体装置102の基本的構成は、上述した実施形態1の電力用半導体装置101の構成に同じであり、同一構成部分についてのここでの詳しい説明は省略する。電力用半導体装置102と電力用半導体装置101との相違点は、さらに樹脂被覆部材20を設けた点である。
このような樹脂被覆部材20を設けることで以下の利点が得られる。
図4は、本実施の形態3における電力用半導体装置103の断面図である。電力用半導体装置103においても、その基本的構成は、上述した実施形態1の電力用半導体装置101の構成に同じである。よって、ここでも同一構成部分についての詳しい説明は省略する。
尚、樹脂被覆部材20の材料及び設置方法は、実施の形態2にて説明した内容に同じである。
即ち、凸部11と放熱部材8との隙間に樹脂被覆部材20を充填し確実に接着させることで、応力集中部となる熱伝導性絶縁樹脂シート9の端部において、切り欠き形状が形成されることを防止することができる。さらに、樹脂被覆部材20は、パワーモジュール7と放熱部材8との隙間の開口部85を完全に覆い、その外形が変曲点をもたない滑らかな面21となる。よって、パワーモジュール7の角部と、熱伝導性絶縁樹脂シート9の界面の角部とがほぼ90°で接着し、形状変化が急峻となることに起因する、熱応力集中が緩和でき、接着界面の信頼性を向上させることができる。
図5は、本実施の形態4における電力用半導体装置104の断面図である。上述した実施の形態1〜3では、パワーモジュール7のモールド樹脂部6に凸部11を形成している。これに対し、本実施の形態4では、放熱部材8に凸部12を形成している。即ち、放熱部材8は、電力用半導体装置104の厚み方向81において、熱伝導性絶縁樹脂シート9の厚みよりも僅かに低い高さにて突出する凸部12を、モールド樹脂部6の周縁部6aに対向して有する。尚、本実施形態4では、放熱部材8における凸部12は、図示するように、周縁部6aに対向する部分から、厚み方向81に直交する直交方向82において、放熱部材8の周縁領域に至るまでの範囲で設けられている。また、このような放熱部材8の構成に対して、モールド樹脂部6は、金属配線部材4の対向面4bである露出面と同一面となる平坦な裏面を有する。
上述したように、熱伝導性絶縁樹脂シート9には、常温から硬化温度に昇温して半硬化状態から本硬化させる過程で一旦軟化する特性があり、このタイミングで加圧を開始する。一方、半硬化状態の熱伝導性絶縁樹脂シート9は、接着性及び密着性をほとんど有しない。また、既に説明したように、加圧プロセスでは、減圧状態にて熱伝導性絶縁樹脂シート9を加圧してもよい。しかしながら、この減圧過程において、急峻な気圧変化が起こると、熱伝導性絶縁樹脂シート9と放熱部材8との間に存在する空気層が急激に膨張し、熱伝導性絶縁樹脂シート9及びパワーモジュール7の位置が定まらない恐れがある。
このように、放熱部材8に凸部12を設けることは、熱伝導性絶縁樹脂シート9の位置決めを最小限の工程数で実現するのに有効な手段である。
図6は、本実施の形態5における電力用半導体装置105の断面図である。電力用半導体装置105の基本的構成は、上述した実施形態4の電力用半導体装置104の構成に同じである。よって、同一構成部分についての詳しい説明は省略する。
図9は、本実施の形態6における電力用半導体装置106の断面図である。この電力用半導体装置106の基本的構成は、上述した実施形態1の電力用半導体装置101の構成に同じである。よって、同一構成部分についての詳しい説明は省略する。
上述した電力用半導体装置101では、パワーモジュール7のモールド樹脂部6に凸部11を形成している。これに対し、本実施の形態6における電力用半導体装置106では、パワーモジュール7において、凸部11、及びこの凸部11に隣接してモールド樹脂部6に凹部13を形成している。即ち、パワーモジュール7は、電力用半導体装置106の厚み方向81において、熱伝導性絶縁樹脂シート9の厚みよりも僅かに低い高さにて突出する凸部11を、モールド樹脂部6の周縁部6aに有し、かつ、モールド樹脂部6において、凸部11よりも内側で金属配線部材4に至るまでの間に、熱伝導性絶縁樹脂シート9の厚みよりも大きい深さの凹部13を有する。
実施の形態1において、樹脂染み出し部9cを有することが熱伝導性絶縁樹脂シート9の端部への熱応力低減効果をもたらすことを説明したが、電力用半導体装置を用いて構成される例えばインバータ等の出力性能向上要求から、パワーモジュール7や放熱部材8の厚みを大きくすることや、平面方向サイズを大きくする必要が生じる。また、放熱性能向上を図るため、熱伝導性絶縁樹脂シート9の厚みを小さくする必要が生じる。これらの要求に応えた場合、熱伝導性絶縁樹脂シート9に対する熱応力は大きくなり、樹脂染み出し部9cでの応力低減効果だけでは良好な信頼性は得られない可能性がある。
図10は、本実施の形態7における電力用半導体装置107の断面図である。この電力用半導体装置107の基本的構成は、上述した実施形態4の電力用半導体装置104の構成に同じである。よって、同一構成部分についての詳しい説明は省略する。
上述した実施の形態4では、放熱部材8に凸部12を形成している。これに対し、本実施の形態7の電力用半導体装置107では、放熱部材8に凸部12、及び凹部14を形成している。
即ち、電力用半導体装置107における放熱部材8は、厚み方向81において、熱伝導性絶縁樹脂シート9の厚みよりも僅かに低い高さにて突出する凸部12を、モールド樹脂部6の周縁部6aに対向して有し、かつ、この凸部12よりも内側で凸部12に隣接し周縁部6aに対向した位置に凹部14を有する。この凹部14は、金属配線部材4と放熱部材8との間に挟まれる熱伝導性絶縁樹脂シート9の厚みよりも大きい深さを有する。
また、凸部12を有する放熱部材8とパワーモジュール7とに挟まれて設けられる熱伝導性絶縁樹脂シート9は、直交方向82において、モールド樹脂部6の周縁部6aを越えてモールド樹脂部6の外側まで延在する樹脂染み出し部9cを有する。
実施の形態1では、樹脂染み出し部9cを有することが熱伝導性絶縁樹脂シート9の端部への熱応力低減効果をもたらす旨を説明した。一方、実施の形態6で説明したように、電力用半導体装置を用いて構成されるインバータ等の出力性能向上、及び放熱性能向上の要求に応えた場合、樹脂染み出し部9cによる応力低減効果だけでは良好な信頼性は得られない可能性がある。
図13は、本実施の形態8における電力用半導体装置108の断面図である。この電力用半導体装置108の基本的構成は、図9に示され上述した実施の形態6の電力用半導体装置106の構成に同じである。よって、同一構成部分についての詳しい説明は省略する。
上述した実施の形態6における電力用半導体装置106では、パワーモジュール7のモールド樹脂部6に凸部11及び凹部13を形成している。ここで凹部13は、図9に示すように、直交方向82において凸部11と金属配線部材4との間に形成され、凹部13と金属配線部材4との間には、モールド樹脂部6の壁が存在する。
即ち、放熱に寄与する金属配線部材4と放熱部材8とによって挟まれた範囲では、熱伝導性絶縁樹脂シート9の厚みを必要最低限に抑えつつ、金属配線部材4とモールド樹脂6と熱伝導性絶縁樹脂シート9とが1箇所で交わる部分、つまり凹部15に相当する部分、のみの熱伝導性絶縁樹脂シート9のシート厚みを厚くすることができる。したがって、金属配線部材4とモールド樹脂6と熱伝導性絶縁樹脂シート9とが1箇所で交わる部分の熱伝導性絶縁樹脂シート9の熱応力をさらに低減することができる。
又、2011年12月26日に出願された、日本国特許出願No.特願2011−283800号の明細書、図面、特許請求の範囲、及び要約書の開示内容の全ては、参考として本明細書中に編入されるものである。
7 パワーモジュール、8 放熱部材、
9 熱伝導性絶縁樹脂シート、9c 樹脂染み出し部、
11 凸部、12 凸部、20 樹脂被覆部材、13 凹部、14 凹部、15 凹部
101〜108 電力用半導体装置。
Claims (12)
- パワーモジュールと、パワーモジュールに接続される放熱部材とを備えた電力用半導体装置で、ここで上記パワーモジュールは、電力用半導体素子を実装面に実装した金属配線部材と、金属配線部材において実装面と反対側の対向面を露出させた状態で上記電力用半導体素子及び上記金属配線部材を封止するモールド樹脂部とを有し、上記放熱部材は、上記対向面に熱伝導性絶縁樹脂シートを介して配置される、電力用半導体装置において、
上記モールド樹脂部又は上記放熱部材は、当該電力用半導体装置の厚み方向において、上記熱伝導性絶縁樹脂シートの厚みよりも僅かに低い高さにて突出する凸部を有し、この凸部は、モールド樹脂部ではその周縁部に形成され、放熱部材では、モールド樹脂部の周縁部に対向して形成され、
上記熱伝導性絶縁樹脂シートは、上記厚み方向に直交する方向において、モールド樹脂部の周縁部を越えてモールド樹脂部の外側まで延在する樹脂染み出し部を有する、
ことを特徴とする電力用半導体装置。 - パワーモジュールと、パワーモジュールに接続される放熱部材とを備えた電力用半導体装置で、ここで上記パワーモジュールは、電力用半導体素子を実装面に実装した金属配線部材と、金属配線部材において実装面と反対側の対向面を露出させた状態で上記電力用半導体素子及び上記金属配線部材を封止するモールド樹脂部とを有し、上記放熱部材は、上記対向面に熱伝導性絶縁樹脂シートを介して配置される、電力用半導体装置において、
上記モールド樹脂部は、当該電力用半導体装置の厚み方向において、上記熱伝導性絶縁樹脂シートの厚みよりも僅かに低い高さにて突出する凸部を、その周縁部に有し、
上記熱伝導性絶縁樹脂シートは、上記厚み方向に直交する方向において、モールド樹脂部の周縁部を越えてモールド樹脂部の外側まで延在する樹脂染み出し部を有する、
ことを特徴とする電力用半導体装置。 - 上記樹脂染み出し部を覆い、変曲点の無い滑らかな外面を有する樹脂被覆部材をさらに備える、請求項1又は2記載の電力用半導体装置。
- パワーモジュールと、パワーモジュールに接続される放熱部材とを備えた電力用半導体装置で、ここで上記パワーモジュールは、電力用半導体素子を実装面に実装した金属配線部材と、金属配線部材において実装面と反対側の対向面を露出させた状態で上記電力用半導体素子及び上記金属配線部材を封止するモールド樹脂部とを有し、上記放熱部材は、上記対向面に熱伝導性絶縁樹脂シートを介して配置される、電力用半導体装置において、
上記モールド樹脂部は、当該電力用半導体装置の厚み方向において、上記熱伝導性絶縁樹脂シートの厚みよりも僅かに低い高さにて突出する凸部を、その周縁部に有し、
上記熱伝導性絶縁樹脂シートは、上記厚み方向に直交する方向において、モールド樹脂部の周縁部の範囲内で延在し、
モールド樹脂部の周縁部の範囲内にある熱伝導性絶縁樹脂シートを覆いモールド樹脂部の外側まで延在し、かつ、変曲点の無い滑らかな外面を有する樹脂被覆部材をさらに備える、
ことを特徴とする電力用半導体装置。 - パワーモジュールと、パワーモジュールに接続される放熱部材とを備えた電力用半導体装置で、ここで上記パワーモジュールは、電力用半導体素子を実装面に実装した金属配線部材と、金属配線部材において実装面と反対側の対向面を露出させた状態で上記電力用半導体素子及び上記金属配線部材を封止するモールド樹脂部とを有し、上記放熱部材は、上記対向面に熱伝導性絶縁樹脂シートを介して配置される、電力用半導体装置において、
上記放熱部材は、当該電力用半導体装置の厚み方向において、上記熱伝導性絶縁樹脂シートの厚みよりも僅かに低い高さにて突出する凸部を、上記モールド樹脂部の周縁部に対向して有し、
上記熱伝導性絶縁樹脂シートは、上記厚み方向に直交する方向において、モールド樹脂部の周縁部を越えてモールド樹脂部の外側まで延在する樹脂染み出し部を有する、
ことを特徴とする電力用半導体装置。 - 上記樹脂染み出し部を覆い、変曲点の無い滑らかな外面を有する樹脂被覆部材をさらに備える、請求項5記載の電力用半導体装置。
- 上記凸部は、その角部に丸みを有する、請求項1から6のいずれか1項に記載の電力用半導体装置。
- パワーモジュールと、パワーモジュールに接続される放熱部材とを備えた電力用半導体装置で、ここで上記パワーモジュールは、電力用半導体素子を実装面に実装した金属配線部材と、金属配線部材において実装面と反対側の対向面を露出させた状態で上記電力用半導体素子及び上記金属配線部材を封止するモールド樹脂部とを有し、上記放熱部材は、上記対向面に熱伝導性絶縁樹脂シートを介して配置される、電力用半導体装置において、
上記モールド樹脂部は、当該電力用半導体装置の厚み方向において、金属配線部材と放熱部材との間に挟まれる熱伝導性絶縁樹脂シートの厚みよりも僅かに低い高さにて突出する凸部をその周縁部に有し、かつ、上記凸部よりも内側に、金属配線部材と放熱部材との間に挟まれる熱伝導性絶縁樹脂シートの厚みよりも大きい深さの凹部を有し、
上記熱伝導性絶縁樹脂シートは、上記厚み方向に直交する方向において、モールド樹脂部の周縁部を越えてモールド樹脂部の外側まで延在する樹脂染み出し部を有する、
ことを特徴とする電力用半導体装置。 - パワーモジュールと、パワーモジュールに接続される放熱部材とを備えた電力用半導体装置で、ここで上記パワーモジュールは、電力用半導体素子を実装面に実装した金属配線部材と、金属配線部材において実装面と反対側の対向面を露出させた状態で上記電力用半導体素子及び上記金属配線部材を封止するモールド樹脂部とを有し、上記放熱部材は、上記対向面に熱伝導性絶縁樹脂シートを介して配置される、電力用半導体装置において、
上記放熱部材は、当該電力用半導体装置の厚み方向において、金属配線部材と放熱部材との間に挟まれる熱伝導性絶縁樹脂シートの厚みよりも僅かに低い高さにて突出する凸部をその周縁部に有し、かつ、放熱部材の上記凸部よりも内側に、金属配線部材と放熱部材との間に挟まれる熱伝導性絶縁樹脂シートの厚みよりも大きい深さの凹部を有し、
上記熱伝導性絶縁樹脂シートは、上記厚み方向に直交する方向においてモールド樹脂部の周縁部を越えてモールド樹脂部の外側まで延在する樹脂染み出し部を有する、
ことを特徴とする電力用半導体装置。 - パワーモジュールと、パワーモジュールに接続される放熱部材とを備えた電力用半導体装置で、ここで上記パワーモジュールは、電力用半導体素子を実装面に実装した金属配線部材と、金属配線部材において実装面と反対側の対向面を露出させた状態で上記電力用半導体素子及び上記金属配線部材を封止するモールド樹脂部とを有し、上記放熱部材は、上記対向面に熱伝導性絶縁樹脂シートを介して配置される、電力用半導体装置において、
上記モールド樹脂部は、当該電力用半導体装置の厚み方向において、金属配線部材と放熱部材との間に挟まれる熱伝導性絶縁樹脂シートの厚みよりも僅かに低い高さにて突出する凸部をその周縁部に有し、かつ、上記厚み方向に直交する方向において上記凸部から上記金属配線部材の端面に至る樹脂部側凹部を有し、この樹脂部側凹部は、金属配線部材と放熱部材との間に挟まれる熱伝導性絶縁樹脂シートの厚みよりも大きい深さを有し、
上記金属配線部材は、上記樹脂部側凹部に接する当該金属配線部材の角部に位置する金属配線部材側凹部を有し、この金属配線部材側凹部は、金属配線部材と放熱部材との間に挟まれる熱伝導性絶縁樹脂シートの厚みよりも大きい深さを有して上記樹脂部側凹部と一体に形成され、
上記熱伝導性絶縁樹脂シートは、上記厚み方向に直交する方向において、モールド樹脂部の周縁部を越えてモールド樹脂部の外側まで延在する樹脂染み出し部を有することを特徴とする電力用半導体装置。 - 上記凸部及び凹部は、その角部に丸みを有する、請求項8から10のいずれか1項に記載の電力用半導体装置。
- パワーモジュールと、パワーモジュールに接続される放熱部材とを備えた電力用半導体装置で、ここで上記パワーモジュールは、電力用半導体素子を実装面に実装した金属配線部材と、金属配線部材において実装面と反対側の対向面を露出させた状態で上記電力用半導体素子及び上記金属配線部材を封止するモールド樹脂部とを有し、上記放熱部材は、上記対向面に熱伝導性絶縁樹脂シートを介して配置され、上記モールド樹脂部は、当該電力用半導体装置の厚み方向において、上記熱伝導性絶縁樹脂シートの厚みよりも僅かに低い高さにて突出する凸部を周縁部に有する、電力用半導体装置の製造方法において、
上記対向面と上記放熱部材との間に上記熱伝導性絶縁樹脂シートを配置し、
減圧環境下で、熱伝導性絶縁樹脂シートを加熱して、熱伝導性絶縁樹脂シートが半硬化状態から軟化するタイミングで上記厚み方向に本加圧を開始し、
この本加圧によって、厚み方向に直交する方向において、モールド樹脂部の周縁部を越えてモールド樹脂部の外側まで熱伝導性絶縁樹脂シートを延在させて樹脂染み出し部を形成し、
加熱の続行によって熱伝導性絶縁樹脂シートを本硬化させ、パワーモジュールと放熱部材とを接続する、
ことを特徴とする電力用半導体装置の製造方法。
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