JP2008243877A - Power module and its manufacturing method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power module that is inexpensive with a small number of parts and high in connection reliability. <P>SOLUTION: The power module 10 is provided with metal wiring 23 that is secured to a heat sink 21 by an insulation resin layer 26 and a semiconductor chip 11 that is bonded to the metal wiring 23 by a solder layer 14. An uneven part 22 is formed in a non-thermal conductive area Roh of the contact face of the heat sink 21 with the insulation resin layer 26. By the increased area of the contact face of the heat sink 21 with the insulation resin layer 26, adhesion strength to the metal wiring 23 is enhanced and the connection reliability is improved. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体チップの発熱に対する冷却機能を有するパワーモジュールおよびその製造方法に関する。   The present invention relates to a power module having a cooling function against heat generation of a semiconductor chip and a method for manufacturing the same.

図９は、従来のＩＧＢＴチップを搭載したパワーモジュールの構造を示す断面図である。同図に示すように、ＣｕＭｏ等により構成されている放熱基板１０１の主面側には、放熱基板１０１に、半田層１０２により固定されたＡｌ板１０４と、Ａｌ板１０４の主面にＡｌろうによって固定されたＡｌＮ板１０６と、ＡｌＮ板１０６の主面にＡｌろうによって固定されたＡｌ配線１０８と、Ａｌ配線１０８の上に、半田層１０９により固定された半導体チップ１２０とを備えている。また、放熱基板１０１の裏面側には、グリース１１２によりフィン付きのヒートシンク１１３が取り付けられている。上記Ａｌ板１０４，ＡｌＮ板１０６およびＡｌ配線１０８は、ＤＢＡ基板として一体的に用いられている。   FIG. 9 is a cross-sectional view showing the structure of a power module on which a conventional IGBT chip is mounted. As shown in the figure, on the main surface side of the heat radiating substrate 101 made of CuMo or the like, an Al plate 104 fixed to the heat radiating substrate 101 by a solder layer 102 and an Al solder on the main surface of the Al plate 104. The AlN plate 106 fixed by the above, the Al wiring 108 fixed to the main surface of the AlN plate 106 by Al solder, and the semiconductor chip 120 fixed by the solder layer 109 on the Al wiring 108 are provided. Further, a heat sink 113 with fins is attached to the rear surface side of the heat dissipation substrate 101 with grease 112. The Al plate 104, AlN plate 106, and Al wiring 108 are integrally used as a DBA substrate.

このように、Ａｌ板１０４，ＡｌＮ板１０６およびＡｌ配線１０８をＤＢＡ基板（絶縁層を含む配線部材）として用いたパワーモジュールの構造は、たとえば、特許文献１に記載されている（同文献の図５参照）。
特開２００１−１６８２５６号公報 Thus, the structure of the power module using the Al plate 104, the AlN plate 106, and the Al wiring 108 as a DBA substrate (wiring member including an insulating layer) is described in, for example, Patent Document 1 (FIG. 1). 5).
JP 2001-168256 A

しかしながら、図９に示すパワーモジュールの構造では、部品数が多く必要であり、製造コストが高くなるという不具合があった。反面、部品数を低減すると、部材間の熱膨張率差に起因する熱応力が増大したり、各部材間の接続部の信頼性が損なわれるおそれがある。   However, the structure of the power module shown in FIG. 9 has a disadvantage that a large number of parts are required and the manufacturing cost becomes high. On the other hand, if the number of parts is reduced, thermal stress due to the difference in thermal expansion coefficient between members may increase, or the reliability of the connecting portion between the members may be impaired.

本発明の目的は、接合部の信頼性を確保しつつ、部品数が少なくて製造コストの安価なパワーモジュールを提供することにある。   An object of the present invention is to provide a power module that has a small number of parts and is inexpensive to manufacture while ensuring the reliability of the joint.

本発明のパワーモジュールは、ヒートシンク上に樹脂接着剤により半導体チップの配線部材を固着した構造を有しており、ヒートシンクの固着面の少なくとも一部に凹凸部を形成したものである。   The power module of the present invention has a structure in which a wiring member of a semiconductor chip is fixed on a heat sink by a resin adhesive, and an uneven portion is formed on at least a part of the fixing surface of the heat sink.

これにより、ＤＢＡ基板等の部品が不要となり、部品数が低減されるとともに、凹凸部によって絶縁樹脂層との接触面の表面積が増大するので、配線部材とヒートシンクとの固着強度が高くなり、接続の信頼性の向上を図ることができる。   This eliminates the need for parts such as a DBA substrate, reduces the number of parts, and increases the surface area of the contact surface with the insulating resin layer due to the uneven parts, thus increasing the bonding strength between the wiring member and the heat sink, and connecting. It is possible to improve the reliability.

凹凸部がサンドブラスト面であることにより、凹凸部の高低差を小さくできるので、絶縁樹脂層の局部的な熱抵抗の増大を回避でき、冷却機能の大幅な低下を回避することができる。   Since the uneven portion is a sandblasted surface, the height difference of the uneven portion can be reduced, so that an increase in local thermal resistance of the insulating resin layer can be avoided, and a significant decrease in cooling function can be avoided.

配線部材の絶縁樹脂層との接触面のうち少なくとも一部にも凹凸部が形成されていることにより、配線部材とヒートシンクとの固着強度がさらに向上する。   By forming uneven portions on at least a part of the contact surface of the wiring member with the insulating resin layer, the fixing strength between the wiring member and the heat sink is further improved.

その場合には、配線部材およびヒートシンクの凹凸部の少なくとも一部を互いに係合する位置決め部とすることもできる。   In that case, at least a part of the concavo-convex portions of the wiring member and the heat sink may be a positioning portion that engages with each other.

凹凸部が、半導体チップからの熱伝導を受ける所定領域の外側のみに形成されていることにより、凹凸部による熱伝導の悪化を回避しつつ、配線部材とヒートシンクとの接続の信頼性を高く維持することができる。   Since the uneven part is formed only outside the predetermined region that receives heat conduction from the semiconductor chip, the reliability of the connection between the wiring member and the heat sink is kept high while avoiding deterioration of the heat conduction due to the uneven part. can do.

配線部材と半導体チップとの接合部が、半田によって構成されていることにより、パワーモジュール全体として単一の半田層を用いるだけでよいので、比較的低融点で接続信頼性の高いＰｂフリー半田のみを用いることができる。よって、接続の信頼性を確保しつつ、Ｐｂフリー化を図ることができる。   Since the joint between the wiring member and the semiconductor chip is made of solder, it is only necessary to use a single solder layer for the entire power module, so that only Pb-free solder with a relatively low melting point and high connection reliability can be used. Can be used. Therefore, Pb-free can be achieved while ensuring connection reliability.

本発明のパワーモジュールによると、部材間の接続の信頼性を保持しつつ、部品数の少ない、製造コストの安価なパワーモジュールの提供を図ることができる。   According to the power module of the present invention, it is possible to provide a power module with a small number of components and low manufacturing cost while maintaining the reliability of connection between members.

（実施の形態１）
−パワーモジュールの構造−
図１は、実施の形態におけるパワーモジュールセットの構造を示す斜視図である。同図に示すように、本実施形態のパワーモジュールセットは、放熱器５０の上に、複数のパワーモジュール１０を取り付けて構成されている。放熱器５０は、天板５０ａと天板５０ａに接合された容器５０ｂとからなり、天板５０ａには、パワーモジュール１０を組み込むための多数の矩形状貫通穴が設けられている。本実施形態においては、矩形状貫通穴が多数設けられているが、１つだけでもよい。放熱器５０を構成する天板５０ａと容器５０ｂとは、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、ダイキャスト，押し出し，鍛造，鋳造，機械加工等によって組み立てることができる。 (Embodiment 1)
-Power module structure-
FIG. 1 is a perspective view showing a structure of a power module set in the embodiment. As shown in the figure, the power module set of the present embodiment is configured by attaching a plurality of power modules 10 on a radiator 50. The radiator 50 includes a top plate 50a and a container 50b joined to the top plate 50a. The top plate 50a is provided with a number of rectangular through holes for incorporating the power module 10 therein. In the present embodiment, a large number of rectangular through holes are provided, but only one may be provided. The top plate 50a and the container 50b constituting the radiator 50 are made of aluminum or an aluminum alloy, and can be assembled by die casting, extrusion, forging, casting, machining, or the like.

本実施の形態では、放熱器５０は天板５０ａと容器５０ｂとを個別に形成してから両者を接合しているが、天板と容器とを一体に形成してもよい。その場合、たとえば一体型を用いたダイキャストにより放熱器を形成することができる。   In the present embodiment, the radiator 50 is formed by individually forming the top plate 50a and the container 50b and then joining the two. However, the top plate and the container may be integrally formed. In that case, the radiator can be formed, for example, by die casting using an integral type.

図２は、実施の形態に係るパワーモジュールセットのII-II線における断面図である。ただし、図２において配線構造の図示は省略されている。図３は、図２の一部を拡大して示す断面図である。本実施の形態のパワーモジュールセットにおいて、放熱器５０の天板５０ａと容器５０ｂとの間の空間５１には、熱交換媒体としての冷却水が図２の紙面に直交する方向に流れている。パワーモジュール１０は、Ｏリング２５により気密を保持しつつボルト５４により天板５０ａにネジ止めされている。また、パワーモジュール１０は、主要部材として、ＩＧＢＴなどの半導体素子が形成された半導体チップ１１と、半導体チップ１１内の半導体素子と外部部材とを電気的に接続するための金属配線２３と、金属配線２３と半導体チップ１１とを接合する，Ｐｂフリー半田を含む半田層１４と、焼結Ａｌ合金からなり半導体チップ１１で発生した熱を外方に放出するためのヒートシンク２１と、金属配線２３をヒートシンク２１に固着する絶縁樹脂層２６とを備えている。図３に示すように、半導体チップ１１の上面および下面には、それぞれ、ＩＧＢＴなどの半導体素子の活性領域に接続される上面電極１２および裏面電極１３が設けられている。そして、半導体チップ１１の裏面電極１３が、半田層１４によって、金属配線２３に導通状態で接合されている。   FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II of the power module set according to the embodiment. However, the illustration of the wiring structure is omitted in FIG. FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of a part of FIG. In the power module set of the present embodiment, cooling water as a heat exchange medium flows in a space 51 between the top plate 50a and the container 50b of the radiator 50 in a direction perpendicular to the paper surface of FIG. The power module 10 is screwed to the top plate 50 a by bolts 54 while being kept airtight by the O-ring 25. The power module 10 includes, as main members, a semiconductor chip 11 on which a semiconductor element such as an IGBT is formed, a metal wiring 23 for electrically connecting the semiconductor element in the semiconductor chip 11 and an external member, a metal A solder layer 14 containing Pb-free solder for joining the wiring 23 and the semiconductor chip 11, a heat sink 21 made of a sintered Al alloy for releasing heat generated in the semiconductor chip 11 to the outside, and a metal wiring 23 And an insulating resin layer 26 fixed to the heat sink 21. As shown in FIG. 3, an upper surface electrode 12 and a back surface electrode 13 connected to an active region of a semiconductor element such as an IGBT are provided on the upper surface and the lower surface of the semiconductor chip 11, respectively. The back electrode 13 of the semiconductor chip 11 is joined to the metal wiring 23 in a conductive state by the solder layer 14.

ヒートシンク２１は、平板部２１ａと、平板部２１ａの裏面側から突出するフィン部２１ｂとからなり、平板部２１ａは、金属配線２３を支持する支持部材として機能している。そして、フィン部２１ｂは、熱交換媒体である冷却水にさらされて、熱交換効率を高めるように構成されている。ただし、フィン部２１ｂは必ずしも必要ではなく、また、フィン部２１ｂに代えて、他の放熱構造体を備えていてもよい。   The heat sink 21 includes a flat plate portion 21 a and fin portions 21 b protruding from the back surface side of the flat plate portion 21 a, and the flat plate portion 21 a functions as a support member that supports the metal wiring 23. And the fin part 21b is exposed to the cooling water which is a heat exchange medium, and is comprised so that heat exchange efficiency may be improved. However, the fin part 21b is not necessarily required, and may be provided with another heat dissipation structure instead of the fin part 21b.

また、ヒートシンク２１の絶縁樹脂層２６との接触面のうち図２の部分平面図および図３に示す熱伝導領域Ｒhtを除く外方領域Ｒohには、凹凸部２２が形成されている。本実施の形態の凹凸部２２は、ヒートシンク２１の上面に形成された多くの凹部によって構成されている。この凹凸部２２の表面積は、フラットな熱伝導領域Ｒhtの表面積に比べおおきく、これによって絶縁樹脂層２６による固着強度が向上する。   Further, in the contact surface of the heat sink 21 with the insulating resin layer 26, an uneven portion 22 is formed in the outer region Roh excluding the partial plan view of FIG. 2 and the heat conduction region Rht shown in FIG. The concavo-convex portion 22 of the present embodiment is constituted by a number of concave portions formed on the upper surface of the heat sink 21. The surface area of the concavo-convex portion 22 is larger than the surface area of the flat heat conduction region Rht, whereby the fixing strength by the insulating resin layer 26 is improved.

ここで、熱伝導領域Rhtとは、半導体チップ１１の下端部から立体角４５°で下方に広がる範囲内の領域をいう。半導体チップ１１の下方に、熱伝導率が大きく異なることのない部材が配置されている場合には、半導体チップ１１で生じた熱がほぼこの範囲でヒートシンクに伝導されると、近似的に仮定することができる。そして、本実施の形態では、ヒートシンク２１の絶縁樹脂層２６との接触面のうち、熱伝導領域Ｒhtを除く非熱伝導領域Ｒohのみに凹凸部２２が形成されている。   Here, the heat conduction region Rht refers to a region within a range extending downward from the lower end portion of the semiconductor chip 11 at a solid angle of 45 °. When a member whose thermal conductivity is not greatly different is arranged below the semiconductor chip 11, it is approximately assumed that the heat generated in the semiconductor chip 11 is conducted to the heat sink in this range. be able to. And in this Embodiment, the uneven | corrugated | grooved part 22 is formed only in the non-thermal conductive area | region Roh except the heat conductive area | region Rht among the contact surfaces with the insulating resin layer 26 of the heat sink 21. FIG.

なお、ヒートシンク２１の絶縁樹脂層２６との接触面の全体に、つまり、熱伝導領域Ｒhtにも、凹凸部２２が形成されていてもよいものとする。また、ヒートシンク２１の上面全体に凹凸部２２が形成されていてもよい。さらに、凹凸部２２がサンドブラスト面であってもよい。   It is assumed that the uneven portion 22 may be formed on the entire contact surface of the heat sink 21 with the insulating resin layer 26, that is, also in the heat conduction region Rht. Further, the uneven portion 22 may be formed on the entire upper surface of the heat sink 21. Furthermore, the uneven portion 22 may be a sandblast surface.

また、放熱器５０の天板５０ａ上に、半導体チップ１１等を囲むモジュール樹脂枠５３が設けられていて、モジュール樹脂枠５３がボルト５４によって天板５０ａに固定されている。モジュール樹脂枠５３の内部および外表面には、一体成形により、電極端子層５６（バスバー）が設けられている。モジュール樹脂枠５３は、電極端子層５６（バスバー）を支持するための絶縁支持部材として機能する。この電極端子層５６と金属配線２３とは、大電流用配線１８によって接続されており、電極端子層５６と半導体チップ１１の上面電極１２の一部とは、信号配線１７によって接続されている。これによって、パワーモジュール１０と外部機器との電気的な接続が可能になっている。また、モジュール樹脂枠５３の内方には、シリコンゲルからなるゲル層４０が設けられていて、ヒートシンク２１の上面側で半導体チップ１１，信号配線１７，大電流用配線１８，金属配線２３，半田層１４，絶縁樹脂層２６などの部材がゲル層４０内に埋設されている。   A module resin frame 53 surrounding the semiconductor chip 11 and the like is provided on the top plate 50 a of the radiator 50, and the module resin frame 53 is fixed to the top plate 50 a by bolts 54. An electrode terminal layer 56 (bus bar) is provided on the inner and outer surfaces of the module resin frame 53 by integral molding. The module resin frame 53 functions as an insulating support member for supporting the electrode terminal layer 56 (bus bar). The electrode terminal layer 56 and the metal wiring 23 are connected by a large current wiring 18, and the electrode terminal layer 56 and a part of the upper surface electrode 12 of the semiconductor chip 11 are connected by a signal wiring 17. As a result, the power module 10 and the external device can be electrically connected. Further, a gel layer 40 made of silicon gel is provided on the inner side of the module resin frame 53, and the semiconductor chip 11, the signal wiring 17, the high current wiring 18, the metal wiring 23, the solder on the upper surface side of the heat sink 21. Members such as the layer 14 and the insulating resin layer 26 are embedded in the gel layer 40.

本実施の形態のパワーモジュール１０の特徴は、Ｐｂフリー半田からなる半田層１４と、絶縁樹脂層２６とを備えている点にある。一般に、Ｐｂフリー半田には、以下のものがある。たとえば、Ｓｎ（液相点２３２℃），Ｓｎ−3.5%Ａｇ（液相点２２１℃），Ｓｎ−3.0%Ａｇ（液相点２２２℃），Ｓｎ−3.5%Ａｇ−0.55%Ｃｕ（液相点２２０℃），Ｓｎ−3.0%Ａｇ−0.5%Ｃｕ（液相点２２０℃），Ｓｎ−1.5%Ａｇ−0.85%Ｃｕ−2.0Ｂｉ（液相点２２３℃），Ｓｎ−2.5%Ａｇ−0.5%Ｃｕ−1.0Ｂｉ（液相点２１９℃），Ｓｎ−5.8Ｂｉ（液相点１３８℃），Ｓｎ−0.55%Ｃｕ（液相点２２６℃），Ｓｎ−0.55%Ｃｕ−その他（液相点２２６℃），Ｓｎ−0.55%Ｃｕ−0.3%Ａｇ（液相点２２６℃），Ｓｎ−5.0%Ｃｕ（液相点３５８℃），Ｓｎ−3.0%Ｃｕ−0.3%Ａｇ（液相点３１２℃），Ｓｎ−3.5%Ａｇ−0.5%Ｂｉ−3.0Ｉｎ（液相点２１６℃），Ｓｎ−3.5%Ａｇ−0.5%Ｂｉ−4.0Ｉｎ（液相点２１１℃），Ｓｎ−3.5%Ａｇ−0.5%Ｂｉ−8.0Ｉｎ（液相点２０８℃），Ｓｎ−8.0%Ｚｎ−3.0%Ｂｉ（液相点１９７℃）等がある。本実施の形態では、液相点が２５０℃以下の低融点のＰｂフリー半田、たとえば、Ｓｎ−3.0%Ａｇ−0.5%Ｃｕ（液相点２２０℃）を用いているが、これに限定されるものではない。ただし、Ｓｎ−5.0%Ｃｕ（液相点３５８℃），Ｓｎ−3.0%Ｃｕ−0.3%Ａｇ（液相点３１２℃）等の高融点のＰｂフリー半田（液相点が２５０℃を超えるもの）は除くものとする。   The power module 10 according to the present embodiment is characterized in that a solder layer 14 made of Pb-free solder and an insulating resin layer 26 are provided. In general, Pb-free solder includes the following. For example, Sn (liquid phase point 232 ° C.), Sn-3.5% Ag (liquid phase point 221 ° C.), Sn-3.0% Ag (liquid phase point 222 ° C.), Sn-3.5% Ag−0.55% Cu (liquid phase point) 220 ° C.), Sn-3.0% Ag-0.5% Cu (liquid phase point 220 ° C.), Sn-1.5% Ag-0.85% Cu-2.0 Bi (liquid phase point 223 ° C.), Sn-2.5% Ag-0.5% Cu -1.0Bi (liquid phase point 219 ° C), Sn-5.8Bi (liquid phase point 138 ° C), Sn-0.55% Cu (liquid phase point 226 ° C), Sn-0.55% Cu-others (liquid phase point 226 ° C) , Sn-0.55% Cu-0.3% Ag (liquid phase point 226 ° C), Sn-5.0% Cu (liquid phase point 358 ° C), Sn-3.0% Cu-0.3% Ag (liquid phase point 312 ° C), Sn- 3.5% Ag-0.5% Bi-3.0In (liquid phase point 216 ° C), Sn-3.5% Ag-0.5% Bi-4.0In (liquid phase point 211 ° C), Sn-3.5% Ag-0.5% Bi-8.0In (Liquid phase point 208 ° C), Sn-8.0% Zn 3.0% Bi (liquidus point 197 ° C.), and the like. In this embodiment, a low-melting point Pb-free solder having a liquidus point of 250 ° C. or lower, for example, Sn-3.0% Ag-0.5% Cu (liquidus point 220 ° C.) is used. It is not a thing. However, high melting point Pb-free solder such as Sn-5.0% Cu (liquid phase point 358 ° C), Sn-3.0% Cu-0.3% Ag (liquid phase point 312 ° C) (liquid phase point exceeding 250 ° C) Shall be excluded.

絶縁樹脂層２６には、本実施の形態では、金属やセラミクスの充填剤を含むエポキシ樹脂が用いられている。エポキシ樹脂の使用可能温度は、種類によって異なるが、２５０℃を超えるものを選択することは容易であり、本実施の形態では、Ｐｂフリー半田の液相点よりも高いものを用いている。したがって、後述するパワーモジュールの組み立て工程において、絶縁樹脂層２６を形成した後で、Ｐｂフリー半田のリフロー工程を行うことが可能になる。たとえば、エポキシ樹脂に、アルミナ，シリカ，アルミニウム，窒化アルミニウムなどを充填したものを用いることができ、熱伝導率が３．０（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上であることが好ましく、５．０（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上であることがより好ましい。   In the present embodiment, an epoxy resin containing a metal or ceramic filler is used for the insulating resin layer 26. Although the usable temperature of the epoxy resin varies depending on the type, it is easy to select a temperature exceeding 250 ° C. In this embodiment, a temperature higher than the liquid phase point of Pb-free solder is used. Therefore, it becomes possible to perform a Pb-free solder reflow process after the insulating resin layer 26 is formed in the power module assembly process described later. For example, an epoxy resin filled with alumina, silica, aluminum, aluminum nitride, or the like can be used, and the thermal conductivity is preferably 3.0 (W / m · K) or more, and 5.0 ( W / m · K) or more is more preferable.

絶縁樹脂層２６の厚みは、０．４ｍｍ以下であることが好ましく、０．２ｍｍ以下であることがより好ましい。絶縁樹脂層２６の熱抵抗は、熱伝導率と厚みに依存して定まるが、厚みが薄いほど熱抵抗が小さくなる。したがって、厚みが０．４ｍｍ以下であることにより、放熱性能が高くなることになる。   The thickness of the insulating resin layer 26 is preferably 0.4 mm or less, and more preferably 0.2 mm or less. The thermal resistance of the insulating resin layer 26 is determined depending on the thermal conductivity and thickness, but the thermal resistance decreases as the thickness decreases. Therefore, heat dissipation performance will become high because thickness is 0.4 mm or less.

本実施の形態では、ヒートシンク２１の材料として、焼結アルミニウム（焼結Ａｌ）を用いているが、これに限定されるものではない。たとえば、Ａｌ，Ｃｕ，Ｃｕ合金，Ａｌ合金などの他の金属や、ＡｌＮ，ＳｉＮ，ＢＮ，ＳｉＣ，ＷＣなどのセラミックス、或いは、Ａｌ−ＳｉＣ，Ｃｕ−Ｗ，Ｃｕ−Ｍｏなどの複合材料を用いてもよい。   In the present embodiment, sintered aluminum (sintered Al) is used as the material of the heat sink 21, but the material is not limited to this. For example, other metals such as Al, Cu, Cu alloy, Al alloy, ceramics such as AlN, SiN, BN, SiC, WC, or composite materials such as Al—SiC, Cu—W, Cu—Mo are used. May be.

本実施の形態では、金属配線２３の材料として、ＣｕまたはＣｕ合金を用いているが、これに限定されるものではない。たとえば、Ａｌ，Ａｌ合金，ＤＢＡ基板，ＤＢＣ基板や、Ａｌ−ＳｉＣ，Ｃｕ−Ｗ，Ｃｕ−Ｍｏなどの複合材料を用いてもよい。ただし、ＤＢＡ基板やＤＢＣ基板を用いると、製造コストが高くつく。本発明では、ＤＢＡ基板やＤＢＣ基板を用いなくても接合の信頼性を維持することができるので、金属配線２３をＣｕやＣｕ合金などの金属板単体構造とすることにより、製造コストの削減を図ることができる。   In the present embodiment, Cu or Cu alloy is used as the material of the metal wiring 23, but the material is not limited to this. For example, a composite material such as Al, Al alloy, DBA substrate, DBC substrate, Al—SiC, Cu—W, or Cu—Mo may be used. However, using a DBA substrate or a DBC substrate increases the manufacturing cost. In the present invention, since the reliability of bonding can be maintained without using a DBA substrate or a DBC substrate, manufacturing costs can be reduced by making the metal wiring 23 a single metal plate structure such as Cu or Cu alloy. Can be planned.

本実施の形態によると、図９に示される放熱基板１０１やＤＢＡ基板などの部材を用いることなく、金属配線２３を、絶縁樹脂層２６を挟んでヒートシンク２１に接続する構造としているので、部品数の低減により、製造コストの低減を図ることができる。しかも、ヒートシンク２１の絶縁樹脂層２６との接触面に凹凸部２２を形成しているので、絶縁樹脂層２６によるヒートシンク２１と金属配線２３との固着強度が向上し、ヒートシンク２１と金属配線２３との接続の信頼性を高く維持することができる。   According to the present embodiment, the metal wiring 23 is connected to the heat sink 21 with the insulating resin layer 26 interposed therebetween without using members such as the heat dissipation substrate 101 and the DBA substrate shown in FIG. By reducing the manufacturing cost, the manufacturing cost can be reduced. In addition, since the uneven portion 22 is formed on the contact surface of the heat sink 21 with the insulating resin layer 26, the fixing strength between the heat sink 21 and the metal wiring 23 by the insulating resin layer 26 is improved. The reliability of the connection can be kept high.

一方、凹凸部２２を形成することにより、絶縁樹脂層２６による固着強度は向上する反面、凹部における絶縁樹脂層２６の厚みが増大することで、熱伝導率が低下するおそれがある。それに対し、上記実施の形態のごとく、熱伝導にあまり寄与しない非熱伝導領域Ｒohのみに凹凸部２２を形成することにより、ヒートシンク２１による冷却機能をほとんど損なうことなく、絶縁樹脂層２６によるヒートシンク２１と金属配線２３との固着強度を向上させることが可能になる。   On the other hand, by forming the concavo-convex portion 22, the fixing strength by the insulating resin layer 26 is improved, but the thickness of the insulating resin layer 26 in the concave portion increases, so that the thermal conductivity may be lowered. On the other hand, as in the above-described embodiment, the uneven portion 22 is formed only in the non-thermally conductive region Roh that does not contribute much to heat conduction, so that the cooling function by the heat sink 21 is hardly impaired, and the heat sink 21 by the insulating resin layer 26 is used. It is possible to improve the adhesion strength between the metal wiring 23 and the metal wiring 23.

また、従来用いられていた２つの半田層に代えて、１つの半田層１４と、樹脂接着剤からなる絶縁樹脂層２６とを用いているので、工程の先後に応じて低融点のＰｂフリー半田と高融点のＰｂフリー半田とを用いる必要はなく、低融点のＰｂフリー半田だけで済むことになる。現在、Ｐｂフリー半田として、比較的Ｃｕ組成比の高いＰｂフリー半田（たとえば液相点が３００℃以上のＳｎ−5.0%Ｃｕ，Ｓｎ−3.0%Ｃｕ−0.3%Ａｇ）も開発されているが、銅喰われ問題，酸化物問題はじめ多くの問題が重なって、確実な接続信頼性を有する高融点のＰｂフリー半田を得ることは困難である。一方、低融点のＰｂフリー半田としては、たとえば液相点が２２０℃のＳｎ−3.0%Ａｇ−0.5%Ｃｕ（ＪＥＩＴＡ推奨合金）などの接続信頼性の高いものが得られている。また、樹脂接着剤としては、使用可能温度が２５０℃を超えるエポキシ樹脂など、低融点のＰｂフリー半田の液相点よりも高温に耐えうるものは容易に得られる。したがって、本実施の形態により、半田層１４をＰｂフリー化して、接続信頼性を確保しつつ、Ｐｂフリー化を図ることができるのである。   In addition, since one solder layer 14 and an insulating resin layer 26 made of a resin adhesive are used in place of the two solder layers conventionally used, a low-melting point Pb-free solder is used depending on the process before and after the process. It is not necessary to use high melting point Pb-free solder, and only low melting point Pb-free solder is required. Currently, Pb-free solder having a relatively high Cu composition ratio (for example, Sn-5.0% Cu, Sn-3.0% Cu-0.3% Ag having a liquidus point of 300 ° C. or higher) has been developed as a Pb-free solder. It is difficult to obtain high melting point Pb-free solder having reliable connection reliability due to many problems such as copper erosion problem and oxide problem. On the other hand, as the low melting point Pb-free solder, for example, a solder having high connection reliability such as Sn-3.0% Ag-0.5% Cu (JEITA recommended alloy) having a liquidus point of 220 ° C. has been obtained. As the resin adhesive, an epoxy resin having a usable temperature exceeding 250 ° C. can easily be obtained that can withstand a higher temperature than the liquid phase point of the low melting point Pb-free solder. Therefore, according to the present embodiment, the solder layer 14 can be made Pb-free and Pb-free can be achieved while ensuring connection reliability.

すなわち、特許文献１の図８には、チップ直下の半田層（同図の符号１２２）には、液相点が３００℃〜３３０℃の高融点半田（Ｓｎ−90%Ｐｂ）を用い、下方の半田層（同図の符号１２５）には、液相点が２１６℃程度の低融点半田（Ｓｎ−50%Ｐｂ）を用いている例が開示されている。その場合、下方の半田層には低融点の半田を用い、上方の半田層には高融点半田（Ｓｎ−90%Ｐｂなど）を用いるのが一般的である。すなわち、先の半田付け工程では高融点半田を用い、後の半田付け工程では、先の工程で形成された半田層がリフロー炉内で融解しないように、低融点半田を用いるのである。   That is, in FIG. 8 of Patent Document 1, a high melting point solder (Sn-90% Pb) having a liquidus point of 300 ° C. to 330 ° C. is used for the solder layer (reference numeral 122 in the figure) immediately below the chip. An example in which a low melting point solder (Sn-50% Pb) having a liquidus point of about 216 ° C. is used for the solder layer (reference numeral 125 in the figure). In that case, it is common to use low melting point solder for the lower solder layer and high melting point solder (Sn-90% Pb or the like) for the upper solder layer. That is, high melting point solder is used in the previous soldering process, and low melting point solder is used in the subsequent soldering process so that the solder layer formed in the previous process does not melt in the reflow furnace.

一方、環境問題から各種製品として、Ｐｂ（鉛）を使わない、いわゆるＰｂフリー（鉛フリー）部品を用いることが義務づけられつつあるが、低融点半田（Ｓｎ−50%Ｐｂ）を、たとえば（Ｓｎ−3.0%Ａｇ−0.5%Ｃｕ）などの低融点のＰｂフリー半田に置き換えることは現在の技術で可能であるが、従来の高融点半田（Ｓｎ−90%Ｐｂ）に代わる，接続信頼性の高い高融点のＰｂフリー半田が存在しないのが現状である。   On the other hand, it is being obliged to use so-called Pb-free (lead-free) parts that do not use Pb (lead) as various products due to environmental problems. For example, low melting point solder (Sn-50% Pb) is used as (Sn). It is possible to replace with low melting point Pb-free solder such as -3.0% Ag-0.5% Cu), but it is possible to replace with conventional high melting point solder (Sn-90% Pb). At present, there is no high melting point Pb-free solder.

それに対し、本実施の形態のごとく、ヒートシンク２１と金属配線２３（配線部材）との接続には絶縁樹脂層２６を用いることにより、半導体チップ１１と金属配線２３との接合のみに半田層１４を用いることができる。よって、半田層１４を低融点のＰｂフリー半田を用いて、接続信頼性を確保しつつ、Ｐｂフリー化を図ることができるのである。   On the other hand, as in the present embodiment, the insulating resin layer 26 is used for the connection between the heat sink 21 and the metal wiring 23 (wiring member), so that the solder layer 14 is only bonded to the semiconductor chip 11 and the metal wiring 23. Can be used. Therefore, the solder layer 14 can be made Pb-free while using Pb-free solder having a low melting point while ensuring connection reliability.

−パワーモジュールの製造工程−
次に、図４（ａ）〜（ｄ），図５（ａ）〜（ｄ）および図６（ａ）〜（ｃ）を参照しながら、本実施の形態のパワーモジュールの製造方法について説明する。図４（ａ）〜（ｄ）は、本実施の形態の製造工程における，樹脂接着剤の塗布からモジュール樹脂枠の取付までの工程を示す断面図である。図５（ａ）〜（ｄ）は、本実施の形態の製造工程における，チップマウントからポッティングまでの工程を示す断面図である。図６（ａ）〜（ｃ）は、本実施の形態の製造工程における，Ｏリングの設置からボルトの締結までの工程を示す断面図である。 -Power module manufacturing process-
Next, a method for manufacturing the power module of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 4 (a) to (d), FIGS. 5 (a) to (d) and FIGS. 6 (a) to (c). . FIGS. 4A to 4D are cross-sectional views showing steps from application of a resin adhesive to attachment of a module resin frame in the manufacturing process of the present embodiment. 5A to 5D are cross-sectional views showing steps from chip mounting to potting in the manufacturing process of the present embodiment. FIGS. 6A to 6C are cross-sectional views showing steps from installation of an O-ring to fastening of a bolt in the manufacturing process of the present embodiment.

まず、図４（ａ）に示す工程で、焼結Ａｌからなり、平板部２１ａとフィン部２１ｂとを有するヒートシンク２１を準備する。ヒートシンク２１の平板部２１ａの上面のうち上述の非熱伝導領域Ｒohには、凹凸部２２が形成されている。そして、ヒートシンク２１の平板部２１ａの上面上に、高熱伝導率を有する絶縁性エポキシ樹脂をスクリーン印刷等により塗布して、絶縁樹脂層２６を形成する。   First, in the step shown in FIG. 4A, a heat sink 21 made of sintered Al and having a flat plate portion 21a and fin portions 21b is prepared. An uneven portion 22 is formed in the above-described non-thermal conductive region Roh on the upper surface of the flat plate portion 21a of the heat sink 21. Then, an insulating epoxy resin having a high thermal conductivity is applied on the upper surface of the flat plate portion 21a of the heat sink 21 by screen printing or the like to form the insulating resin layer 26.

次に、図４（ｂ）に示す工程で、絶縁樹脂層２６の上に、所定形状にパターニングされた金属配線２３をマウントし、図４（ｃ）に示す工程で、絶縁樹脂層２６を硬化させる。そして、このように、絶縁樹脂層２６により、金属配線２３をヒートシンク２１の平板部２１の上面に固着する。なお、２層の接着剤層からなる絶縁樹脂層２６によって、金属配線２３をヒートシンク２１に固着してもよい。   Next, in the step shown in FIG. 4B, the metal wiring 23 patterned in a predetermined shape is mounted on the insulating resin layer 26, and the insulating resin layer 26 is cured in the step shown in FIG. 4C. Let In this way, the metal wiring 23 is fixed to the upper surface of the flat plate portion 21 of the heat sink 21 by the insulating resin layer 26. Note that the metal wiring 23 may be fixed to the heat sink 21 by an insulating resin layer 26 composed of two adhesive layers.

次に、図４（ｄ）に示す工程で、ヒートシンク２１の平板部２１ａの上に、モジュール樹脂枠５３を取り付ける。モジュール樹脂枠５３の内部および外表面には、電極端子層５６が一体成形により形成されている。そして、モジュール樹脂枠５３の内側には、電極端子層５６の一部が露出している。   Next, in the step shown in FIG. 4D, the module resin frame 53 is attached on the flat plate portion 21 a of the heat sink 21. Electrode terminal layers 56 are integrally formed on the inner and outer surfaces of the module resin frame 53. A part of the electrode terminal layer 56 is exposed inside the module resin frame 53.

次に、図５（ａ）に示す工程で、金属配線２３の上に、Ｐｂフリー半田を吐出または印刷し、Ｐｂフリー半田の上に、半導体チップ１１をマウントする。半導体チップ１１には、パワーデバイスとして機能するＩＧＢＴ、あるいはダイオードが形成されている。さらに、図５（ｂ）に示す工程で、パワーモジュールをリフロー炉に投入し、半導体チップ１１と金属配線２３とを接合する半田層１４を形成する。このときのリフロー炉の雰囲気は不活性ガス雰囲気または還元性雰囲気で、炉内の最高温度は２６０℃である。その後、フラックス洗浄を行なって、フラックス残渣を除去する。なお、この工程は、金属配線２３を絶縁樹脂層２６によってヒートシンク２１に固着する前に行なってもよい。   Next, in a step shown in FIG. 5A, Pb-free solder is discharged or printed on the metal wiring 23, and the semiconductor chip 11 is mounted on the Pb-free solder. The semiconductor chip 11 is formed with an IGBT or a diode that functions as a power device. Further, in the step shown in FIG. 5B, the power module is put into a reflow furnace, and the solder layer 14 for joining the semiconductor chip 11 and the metal wiring 23 is formed. The atmosphere of the reflow furnace at this time is an inert gas atmosphere or a reducing atmosphere, and the maximum temperature in the furnace is 260 ° C. Thereafter, flux cleaning is performed to remove the flux residue. This step may be performed before the metal wiring 23 is fixed to the heat sink 21 by the insulating resin layer 26.

次に、図５（ｃ）に示す工程で、比較的大径（たとえば４００μｍ径）のＡｌワイヤを用いたワイヤボンディングを行う。そして、半導体チップ１１の上面電極１２（図３参照）同士や、上面電極１２と金属配線２３との間、金属配線２３と電極端子層５６との間を接続する大電流用配線１８を形成する。その後、小径（たとえば１２５μｍ径）のＡｌワイヤを用いたワイヤボンディングを行なって、半導体チップ１１の上面電極１２と電極端子層５６との間を接続する信号配線１７を形成する。   Next, in the step shown in FIG. 5C, wire bonding using a relatively large diameter (for example, 400 μm diameter) Al wire is performed. Then, the large current wiring 18 is formed to connect the upper surface electrodes 12 (see FIG. 3) of the semiconductor chip 11, between the upper surface electrode 12 and the metal wiring 23, and between the metal wiring 23 and the electrode terminal layer 56. . Thereafter, wire bonding using an Al wire having a small diameter (for example, 125 μm diameter) is performed to form the signal wiring 17 that connects the upper surface electrode 12 of the semiconductor chip 11 and the electrode terminal layer 56.

次に、図５（ｄ）に示す工程で、シリコンゲルを用いたポッティングにより、モジュール樹脂枠５３の内方を埋めるゲル層４０を形成する。これにより、ヒートシンク２１の上面に設けられている、半導体チップ１１，信号配線１７，大電流用配線１８，金属配線２３，半田層１４，絶縁樹脂層２６などの部材が、ゲル層４０内に埋め込まれる。   Next, in the step shown in FIG. 5D, the gel layer 40 that fills the inside of the module resin frame 53 is formed by potting using silicon gel. Thereby, members such as the semiconductor chip 11, the signal wiring 17, the large current wiring 18, the metal wiring 23, the solder layer 14, and the insulating resin layer 26 provided on the upper surface of the heat sink 21 are embedded in the gel layer 40. It is.

次に、図６（ａ）に示す工程で、準備されている天板５０ａの矩形状貫通穴の周縁部に設けられた環状溝にＯリング２５を設置する。   Next, in the step shown in FIG. 6A, an O-ring 25 is installed in an annular groove provided at the peripheral edge of the rectangular through hole of the prepared top plate 50a.

次に、図６（ｂ）に示す工程で、天板５０ａの矩形状貫通穴にヒートシンク２１のフィン部２１ｂを挿通させて、パワーモジュール１０を放熱器５０にマウントし、図６（ｃ）に示す工程で、ボルト５４により、パワーモジュール１０を天板５０ａに固定する。同様にして、複数のパワーモジュールを、放熱器５０の複数の矩形状貫通穴に、それぞれ取り付ける。   Next, in the step shown in FIG. 6B, the fin portion 21b of the heat sink 21 is inserted into the rectangular through hole of the top plate 50a, and the power module 10 is mounted on the radiator 50. In the illustrated process, the power module 10 is fixed to the top board 50a by the bolt 54. Similarly, the plurality of power modules are respectively attached to the plurality of rectangular through holes of the radiator 50.

上述の工程により、放熱器５０の天板５０ａにパワーモジュール１０が実装された後、天板５０ａが容器５０ｂに接合される（図１および図２参照）。この接合は、機械かしめ等によって行なってもよい。これより、パワーモジュールセットが形成される。なお、先に天板５０ａと容器５０ｂとを接合してから、天板５０ａに各パワーモジュール１０を取り付けてもよい。   After the power module 10 is mounted on the top plate 50a of the radiator 50 by the above-described steps, the top plate 50a is joined to the container 50b (see FIGS. 1 and 2). This joining may be performed by mechanical caulking or the like. Thus, a power module set is formed. In addition, after joining the top plate 50a and the container 50b previously, you may attach each power module 10 to the top plate 50a.

本実施の形態の製造方法では、図４（ｂ）〜（ｄ）に示すように、ヒートシンク２１上に、絶縁樹脂層２６により金属配線２３を固着してから、電極端子層５６およびモジュール樹脂枠５３を、ヒートシンク２１上に取り付けているので、絶縁樹脂層２６（下部接着剤層２６ａおよび上部接着剤層２６ｂ）を形成する際には、スクリーン印刷を用いることができる。また、シート状のエポキシ樹脂を用いることもできる。一方、電極端子層５６およびモジュール樹脂枠５３の取付を先に行なってから、金属配線２３を固着する場合には、スクリーン印刷法を用いるのは困難である。つまり、本実施の形態のように、電極端子層５６およびモジュール樹脂枠５３の取付を、金属配線２３の固着の後に行うことにより、接着剤を塗布する方法の選択範囲が拡大することになる。   In the manufacturing method of the present embodiment, as shown in FIGS. 4B to 4D, after the metal wiring 23 is fixed on the heat sink 21 by the insulating resin layer 26, the electrode terminal layer 56 and the module resin frame are fixed. Since 53 is attached on the heat sink 21, screen printing can be used when forming the insulating resin layer 26 (the lower adhesive layer 26a and the upper adhesive layer 26b). A sheet-like epoxy resin can also be used. On the other hand, when the metal wiring 23 is fixed after the electrode terminal layer 56 and the module resin frame 53 are first attached, it is difficult to use the screen printing method. That is, the selection range of the method for applying the adhesive is expanded by attaching the electrode terminal layer 56 and the module resin frame 53 after the metal wiring 23 is fixed as in the present embodiment.

なお、絶縁樹脂層２６を下部接着剤層と、上部接着剤層とに分けて、２回塗りを行なってもよい。その場合には、以下の効果を発揮することができる。エポキシ樹脂を塗布して、その上に金属配線２３を設置すると、硬化前に真空引きなどによっても気泡を十分に抜くことは困難である。そこで、下部接着剤層を塗布した後、金属配線２３を設置せずに、真空引きを行うことにより、硬化前に下部接着剤層中の気泡を十分抜くことができる。空気の耐圧は、約１ｋＶ／ｍｍであるが、エポキシ樹脂の耐圧は１０ｋＶ／ｍｍ以上である。したがって、パワーモジュールが配置される機器において、種々のサージが印加されることを想定すると、接着剤層の気泡を十分に抜いておくことが好ましい。したがって、本実施の形態のごとく、２層塗りの接着剤層からなる絶縁樹脂層２６を形成することにより、下部接着剤層により電気的耐圧を維持しつつ、上部接着剤層により金属配線２３とヒートシンク２１との固着強度を確保することができる。   The insulating resin layer 26 may be divided into a lower adhesive layer and an upper adhesive layer, and coating may be performed twice. In that case, the following effects can be exhibited. When an epoxy resin is applied and the metal wiring 23 is placed thereon, it is difficult to sufficiently remove bubbles even by evacuation before curing. Therefore, after applying the lower adhesive layer, by performing evacuation without installing the metal wiring 23, the bubbles in the lower adhesive layer can be sufficiently removed before curing. The pressure resistance of air is about 1 kV / mm, but the pressure resistance of epoxy resin is 10 kV / mm or more. Therefore, assuming that various surges are applied to the device in which the power module is disposed, it is preferable to sufficiently remove bubbles from the adhesive layer. Therefore, as in the present embodiment, by forming the insulating resin layer 26 formed of the two-layered adhesive layer, the upper adhesive layer and the metal wiring 23 are connected to the lower adhesive layer while maintaining the electric breakdown voltage. The fixing strength with the heat sink 21 can be ensured.

（実施の形態２）
図７は、本実施の形態のパワーモジュールの断面図である。本実施の形態のパワーモジュールにおいては、ヒートシンク２１の上面（絶縁樹脂層２６との接触面）の非熱伝導領域Ｒohにサンドブラストによる凹凸部２２が形成されているとともに、金属配線２３の下面（絶縁樹脂層２６との接触面）の非熱伝導領域Ｒohにも、サンドブラストによる凹凸部２７が形成されている。さらに、金属配線２３の上面（半田層１４との接触面）全体にもサンドブラストによる凹凸部２８が形成されている。その他の部材は、実施の形態１について説明したとおりであり、実施の形態１と同じ符号を付して、説明を省略する。 (Embodiment 2)
FIG. 7 is a cross-sectional view of the power module of the present embodiment. In the power module of the present embodiment, an uneven portion 22 is formed by sandblasting in the non-thermal conductive region Roh on the upper surface of the heat sink 21 (contact surface with the insulating resin layer 26), and the lower surface (insulating) of the metal wiring 23 An uneven portion 27 by sandblasting is also formed in the non-thermal conductive region Roh on the contact surface with the resin layer 26. Furthermore, uneven portions 28 are formed by sandblasting on the entire upper surface of the metal wiring 23 (contact surface with the solder layer 14). The other members are the same as those described in the first embodiment, and the same reference numerals as those in the first embodiment are given and the description thereof is omitted.

本実施の形態によると、ヒートシンク２１に加えて、金属配線２３の絶縁樹脂層２６との接触面にも凹凸部２７が形成されているので、絶縁樹脂層２６によるヒートシンク２１と金属配線２３との固着強度を、実施の形態１よりも向上させることができる。   According to the present embodiment, since the uneven portion 27 is formed on the contact surface of the metal wiring 23 with the insulating resin layer 26 in addition to the heat sink 21, the heat sink 21 and the metal wiring 23 formed by the insulating resin layer 26 are formed. The fixing strength can be improved as compared with the first embodiment.

なお、凹凸部２２，２７がこのようなサンドブラスト面の場合には、比較的深い凹部を設けなくても、絶縁樹脂層２６との接触面の表面積を拡大することができるので、絶縁樹脂層２６の局部的な厚みの増大を抑えることができる。したがって、熱伝導領域Ｒhtを含む領域に凹凸部２２，２７を形成しても、絶縁樹脂層２６における熱抵抗の大幅な増大を抑制することはできる。ただし、凹凸部２２，２７がサンドブラスト面であっても、非熱伝導領域Ｒhtのみに凹凸部２２，２７を形成する方が、絶縁樹脂層２６における熱抵抗がより小さくなることに変わりはない。   In the case where the concavo-convex portions 22 and 27 are such sandblasted surfaces, the surface area of the contact surface with the insulating resin layer 26 can be increased without providing a relatively deep concave portion. The increase in local thickness can be suppressed. Therefore, even if the uneven portions 22 and 27 are formed in the region including the heat conduction region Rht, it is possible to suppress a significant increase in the thermal resistance in the insulating resin layer 26. However, even if the concavo-convex portions 22 and 27 are sandblasted surfaces, the formation of the concavo-convex portions 22 and 27 only in the non-thermally conductive region Rht does not change the thermal resistance in the insulating resin layer 26.

また、金属配線２３の半田層１４との接触面にも凹凸部２８が形成されているので、半田層１４による半導体チップ１１（下部電極１３）と金属配線２３との接合強度を向上させるこことができる。   Further, since the uneven portion 28 is also formed on the contact surface of the metal wiring 23 with the solder layer 14, the bonding strength between the semiconductor chip 11 (lower electrode 13) and the metal wiring 23 by the solder layer 14 is improved. Can do.

（実施の形態３）
図８は、実施の形態３におけるパワーモジュールの断面図である。同図に示すように、本実施の形態では、ヒートシンク２１の絶縁樹脂層２６との接触面のうちの非熱伝導領域Ｒohには、多数の凹部からなる凹凸部２２が形成されている。凹凸部２２の多数の凹部のうちの２つの凹部２２ａ（図８には、１つの凹部２２ａのみ表示）は、特に深さおよび径が大きく形成されている。一方、金属配線２３の２つの部位には、コイニング加工によって下方に突出するように形成された２つの凸部２９が設けられている。そして、ヒートシンク２１の凹凸部２２のうちの２つの凹部２２ａと、金属配線２３の２つの凸部２９とは、互いに係合している。つまり、この係合関係を利用して、金属配線２３をヒートシンク２１に設置する際の位置決め機能を持たせている。 (Embodiment 3)
FIG. 8 is a cross-sectional view of the power module according to the third embodiment. As shown in the drawing, in the present embodiment, the non-thermally conductive region Roh in the contact surface of the heat sink 21 with the insulating resin layer 26 is formed with a concavo-convex portion 22 composed of a large number of concave portions. Two recesses 22a (only one recess 22a is shown in FIG. 8) among the many recesses of the concavo-convex portion 22 are formed to have a particularly large depth and diameter. On the other hand, two convex portions 29 formed so as to protrude downward by coining are provided at two portions of the metal wiring 23. And the two recessed parts 22a of the uneven | corrugated | grooved part 22 of the heat sink 21 and the two convex parts 29 of the metal wiring 23 are mutually engaged. In other words, this engagement relationship is used to provide a positioning function when the metal wiring 23 is installed on the heat sink 21.

本実施の形態によると、ヒートシンク２１の凹凸部２２中の凹部２２ａを、金属配線２３の凸部２９と係合させて金属配線２３の位置決め機能を持たせたので、実施の形態１の効果に加えて、金属配線２３とヒートシンクと２１との相対的な位置精度の向上を図ることができる。   According to the present embodiment, the concave portion 22a in the concave and convex portion 22 of the heat sink 21 is engaged with the convex portion 29 of the metal wiring 23 so as to have the positioning function of the metal wiring 23. Therefore, the effect of the first embodiment is achieved. In addition, the relative positional accuracy between the metal wiring 23 and the heat sink 21 can be improved.

（他の実施の形態）
本発明のパワーモジュールに配置される半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体（ＳｉＣ，ＧａＮなど）を用いたパワーデバイスでもよいし、Ｓｉを用いたパワーデバイスでもよい。 (Other embodiments)
The semiconductor element disposed in the power module of the present invention may be a power device using a wide band gap semiconductor (SiC, GaN, etc.) or a power device using Si.

上記実施の形態では、半導体チップ１１に、ＩＧＢＴが形成されているが、ＭＯＳＦＥＴ，ダイオード，ＪＦＥＴなどが形成された半導体チップを用いてもよい。   In the above embodiment, the IGBT is formed on the semiconductor chip 11, but a semiconductor chip on which a MOSFET, a diode, a JFET, or the like is formed may be used.

上記実施の形態では、天板５０ａに多数のパワーモジュール１０を取り付ける構造を採ったが、天板を兼ねる単一のヒートシンク部材２４上に多数の半導体チップを搭載してもよい。   In the above embodiment, a structure in which a large number of power modules 10 are attached to the top plate 50a is adopted. However, a large number of semiconductor chips may be mounted on a single heat sink member 24 that also serves as a top plate.

ヒートシンク部材２４との熱交換を行う熱交換媒体は、冷却能やコストを考慮すると、フロリナートや水などの液体であることが好ましい。ただし、ヘリウム，アルゴン，窒素，空気などの気体であってもよい。   The heat exchange medium for exchanging heat with the heat sink member 24 is preferably a liquid such as fluorinate or water in consideration of cooling ability and cost. However, it may be a gas such as helium, argon, nitrogen or air.

上記各実施の形態では、絶縁樹脂層２６を熱硬化樹脂であるエポキシ樹脂によって構成したが、ＰＰＳなどの熱可塑性樹脂によって構成してもよい。その場合には、絶縁樹脂層２６の上に金属配線２３を設置した状態でも、気泡を抜くことが容易であるので、接着剤層の１回塗りで済み、製造コストがより安価になる。   In each of the above embodiments, the insulating resin layer 26 is made of an epoxy resin that is a thermosetting resin, but may be made of a thermoplastic resin such as PPS. In that case, even when the metal wiring 23 is placed on the insulating resin layer 26, it is easy to remove the bubbles, so that the adhesive layer only needs to be applied once and the manufacturing cost becomes lower.

上記開示された本発明の実施の形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。   The structure of the embodiment of the present invention disclosed above is merely an example, and the scope of the present invention is not limited to the scope of these descriptions. The scope of the present invention is indicated by the description of the scope of claims, and further includes meanings equivalent to the description of the scope of claims and all modifications within the scope.

本発明のパワーモジュールは、ＭＯＳＦＥＴ，ＩＧＢＴ，ダイオード，ＪＦＥＴ等を搭載した各種機器に利用することができる。   The power module of the present invention can be used for various devices equipped with MOSFET, IGBT, diode, JFET and the like.

実施の形態におけるパワーモジュールセットの構造を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the power module set in embodiment. 実施の形態に係るパワーモジュールセットのII-II線における断面図である。It is sectional drawing in the II-II line of the power module set which concerns on embodiment. 図２の一部を拡大して示す断面図である。It is sectional drawing which expands and shows a part of FIG. （ａ）〜（ｄ）は、実施の形態１の製造工程における，樹脂接着剤の塗布からモジュール樹脂枠の取付までの工程を示す断面図である。(A)-(d) is sectional drawing which shows the process from application | coating of a resin adhesive to attachment of a module resin frame in the manufacturing process of Embodiment 1. FIG. （ａ）〜（ｄ）は、実施の形態１の製造工程における，チップマウントからポッティングまでの工程を示す断面図である。(A)-(d) is sectional drawing which shows the process from the chip mounting to potting in the manufacturing process of Embodiment 1. FIG. （ａ）〜（ｃ）は、実施の形態１の製造工程における，Ｏリングの設置からボルトの締結までの工程を示す断面図である。(A)-(c) is sectional drawing which shows the process from installation of an O ring in the manufacturing process of Embodiment 1 to the fastening of a volt | bolt. 実施の形態２におけるパワーモジュールの断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view of a power module in a second embodiment. 実施の形態３におけるパワーモジュールの断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of a power module in a third embodiment. 従来のＩＧＢＴチップを搭載したパワーモジュールの構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the power module carrying the conventional IGBT chip | tip.

符号の説明Explanation of symbols

１０ パワーモジュール
１１ 半導体チップ
１２ 上面電極
１３ 裏面電極
１４ 半田層
１７ 信号配線
１８ 大電流用配線
２１ ヒートシンク
２１ａ 平板部
２１ｂ フィン部
２２ 凹凸部
２２ａ 凹部
２３ 金属配線
２５ Ｏリング
２６ 絶縁樹脂層
２７ 凹凸部
２８ 凹凸部
２９ 凸部
４０ ゲル層
５０ 放熱器
５０ａ 天板
５０ｂ 容器
５１ 空間
５３ モジュール樹脂枠
５６ 電極端子層
Ｒht 熱伝導領域
Ｒoh 非熱伝導領域 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Power module 11 Semiconductor chip 12 Upper surface electrode 13 Back surface electrode 14 Solder layer 17 Signal wiring 18 High current wiring 21 Heat sink 21a Flat plate part 21b Fin part 22 Uneven part 22a Concavity 23 Metal wiring 25 O-ring 26 Insulating resin layer 27 Uneven part 28 Concavity and convexity 29 Convex 40 Gel layer 50 Radiator 50a Top plate 50b Container 51 Space 53 Module resin frame 56 Electrode terminal layer Rht Thermal conduction region Roh Non-thermal conduction region

Claims (6)

半導体素子が形成された半導体チップと、
前記半導体素子と外部機器とを電気的に接続するための配線部材と、
前記半導体チップと配線部材とを接合する接合部と、
ヒートシンクと、
前記配線部材と前記ヒートシンクとを固着する絶縁樹脂層とを備え、
前記ヒートシンクの絶縁樹脂層との接触面のうち少なくとも一部には、凹凸部が形成されている、パワーモジュール。 A semiconductor chip on which a semiconductor element is formed;
A wiring member for electrically connecting the semiconductor element and an external device;
A joint for joining the semiconductor chip and the wiring member;
A heat sink,
An insulating resin layer for fixing the wiring member and the heat sink;
A power module, wherein an uneven portion is formed on at least a part of a contact surface of the heat sink with the insulating resin layer. 請求項１記載のパワーモジュールにおいて、
前記凹凸部は、サンドブラスト面である、パワーモジュール。 The power module according to claim 1,
The uneven part is a power module, which is a sandblast surface. 請求項１または２記載のパワーモジュールにおいて、
前記配線部材の絶縁樹脂層との接触面のうち少なくとも一部には、凹凸部が形成されている、パワーモジュール。 The power module according to claim 1 or 2,
A power module, wherein an uneven portion is formed on at least a part of a contact surface of the wiring member with the insulating resin layer. 請求項３記載のパワーモジュールにおいて、
前記配線部材およびヒートシンクの凹凸部の少なくとも一部は、互いに係合する位置決め部である、パワーモジュール。 The power module according to claim 3, wherein
The power module, wherein at least part of the uneven portions of the wiring member and the heat sink is a positioning portion that engages with each other. 請求項１〜４のいずれかに記載のパワーモジュールにおいて、
前記凹凸部は、前記半導体チップからの熱伝導を受ける所定領域の外側のみに形成されている、パワーモジュール。 In the power module according to any one of claims 1 to 4,
The concavo-convex portion is a power module formed only outside a predetermined region that receives heat conduction from the semiconductor chip. 請求項１〜５のいずれかに記載のパワーモジュールにおいて、
前記配線部材と半導体チップとの接合部は、半田によって構成されている、パワーモジュール。 In the power module according to any one of claims 1 to 5,
The power module, wherein a joint between the wiring member and the semiconductor chip is configured by solder.
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