JP2010267663A - パワーモジュール製造方法およびその方法により製造したパワーモジュールおよびパワーモジュール製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】特性の信頼性が高いパワーモジュールを安定的に製造することができるパワーモジュール製造方法等を提供する。
【解決手段】冷却器５、絶縁樹脂シート４、放熱ブロック３、半導体チップ２を積層してパワーモジュール１を製造するパワーモジュール製造方法であって、最初に、冷却器５と放熱ブロック３との間に絶縁樹脂シート４を介在させて冷却器５と放熱ブロック３とを互いに熱圧着する。次いで、放熱ブロック３の上に半導体チップ２をはんだ接合する。これにより、押圧による半導体チップ２の破損を防ぎつつ、冷却器５と絶縁樹脂シート４との接着界面４ａ、および絶縁樹脂シート４と放熱ブロック３との接着界面４ｂの接着不良を防止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体チップと、放熱ブロックと、絶縁樹脂シートと、冷却器を有するパワーモジュールのパワーモジュール製造方法およびその方法により製造したパワーモジュールおよびパワーモジュール製造装置に関する。

インバータ装置等のパワーモジュールを製造する方法として、まず、半導体チップを放熱板にはんだ接合し、その後に、放熱板と冷却器との間に絶縁樹脂シートを介在させて放熱板と冷却器とを熱圧着するパワーモジュール製造方法が知られている（例えば特許文献１を参照）。

図１２は、従来のパワーモジュール製造方法を説明する模式図である。まず、図１２（ａ）に示すように、半導体チップ１０１を放熱ブロック１０２にはんだ付けする（はんだ接合工程）。放熱ブロック１０２は、半導体チップ１０１よりも大きな板状の部材からなり、一方面の略中央位置に半導体チップ１０１がはんだ付けされる。はんだ付けは、例えばリフロー炉内で半導体チップ１０１および放熱ブロック１０２の全体をはんだの溶融温度まで均一に加熱（全体加熱）する、はんだリフローによって行われる。

次に、図１２（ｂ）に示すように、放熱ブロック１０２と冷却器１０４との間に絶縁樹脂シート１０３を介在させて、放熱ブロック１０２を冷却器１０４に熱圧着させる工程が行われる（熱圧着工程）。絶縁樹脂シート１０３は、放熱ブロック１０２よりも大きなシート状の部材からなり、絶縁樹脂シート１０３の略中央に放熱ブロック１０２が熱圧着される。熱圧着は、加熱状態の下で放熱ブロック１０２を冷却器１０４に押圧することによって行われる。

そして、図１２（ｃ）に示すように、半導体チップ１０１と端子との間をワイヤ１０５で接続し（ワイヤボンディング工程）、封止材１０６によってハウジング１０７内に半導体チップ１０１を埋める工程（モールド工程）が行われる。

特開２００３−１５３５５４号公報

熱圧着工程において、放熱ブロック１０２とともに半導体チップ１０１を押圧すると、半導体チップ１０１が破損するおそれがある。従って、放熱ブロック１０２と冷却器１０４とを熱圧着させる際に、半導体チップ１０１を押圧することができず、従来は、図１２（ｂ）に矢印で示すように、半導体チップ１０１よりも側方に突出した放熱ブロック１０２の縁部のみを部分的に押圧していた。

従って、放熱ブロック１０２全体を均一の圧力で押圧することができず、放熱ブロック１０２と絶縁樹脂シート１０３との間の接着面や、絶縁樹脂シート１０３と冷却器１０４との間の接着面に、未着部や接着ムラが発生するおそれがあり、パワーモジュール１００の絶縁耐性や熱抵抗等の特性の信頼性が低くなるという問題があった。また、半導体チップ１０１を避けながら放熱ブロック１０２の縁部のみを部分的に押圧する必要があることから、半導体チップ１０１と放熱ブロック１０２の形状に応じた専用の押圧治具が必要となり、治具製作の分だけコスト高を招いていた。

また、絶縁樹脂シート１０３の熱圧着およびキュアにより、はんだ１０１ａの耐熱信頼性が低下するおそれがあった。例えば、絶縁樹脂シート１０３の熱圧着およびキュアの温度は１５０℃から２００℃の間であって、現在主流のＳｉ半導体（半導体チップ）の駆動上限温度（実使用時にはんだにかかる温度）である１５０℃よりも高温であることから、はんだ１０１ａの劣化が加速的に進むおそれがある。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、特性の信頼性が高いパワーモジュールを安定的に製造することができるパワーモジュール製造方法、およびその方法により製造されたパワーモジュール、およびパワーモジュール製造装置を提供することである。

上記課題を解決する本発明のパワーモジュール製造方法は、冷却器、絶縁樹脂シート、放熱ブロック、半導体チップを積層してパワーモジュールを製造するパワーモジュール製造方法において、冷却器と放熱ブロックとの間に絶縁樹脂シートを介在させて冷却器と放熱ブロックとを熱圧着する熱圧着工程と、放熱ブロックの上に半導体チップをはんだ接合するはんだ接合工程とを含むことを特徴としている。

本発明のパワーモジュール製造方法によれば、先に冷却器と放熱ブロックとを熱圧着するので、熱圧着する際に、放熱ブロックの全面を均一に押圧することができ、絶縁樹脂シートと放熱ブロックとの接着性を向上させることができる。従って、絶縁樹脂シートと放熱ブロックとの間の接着界面に、未接着部分や接着ムラが発生するのを防ぎ、特性の信頼性が高いパワーモジュールを製造することができる。

そして、本発明のパワーモジュール製造方法は、熱圧着工程において、冷却器に絶縁樹脂シートを熱圧着し、次いで、絶縁樹脂シートに放熱ブロックを熱圧着することが好ましい。本発明によれば、絶縁樹脂シートを冷却器に熱圧着する際に、絶縁樹脂シート全体を冷却器に均一に押圧することができる。従って、冷却器と絶縁シートとの間の接着界面に未接着部分や接着ムラが発生するのを防ぐことができる。そして、放熱ブロックを絶縁樹脂シートに熱圧着する際に、放熱ブロック全体を絶縁樹脂シートに均一に押圧することができる。従って、絶縁樹脂シートと放熱ブロックとの間の接着界面に、未接着部分や接着ムラが発生するのを防ぐことができる。

そして、冷却器と絶縁樹脂シートとの間を完全に密着させた状態で絶縁樹脂シートに放熱ブロックを押圧することができるので、放熱ブロックの押圧によって、絶縁樹脂シートの縁部が冷却器の上面から離間する浮き上がりや、絶縁樹脂シートの割れが発生するのを防ぐことができる。従って、特性の信頼性が高いパワーモジュールを製造することができる。

本発明のパワーモジュール製造方法は、はんだ接合工程において、積層方向半導体チップ側を冷却器側よりも高温化する温度差加熱処理により、半導体チップのはんだ接合を行うことが好ましい。本発明によれば、はんだ接合時に絶縁樹脂シートに加えられる熱応力を低減して、冷却器と絶縁樹脂シートとの間、および絶縁樹脂シートと放熱ブロックとの間における各接着界面の剥離を防ぐことができる。従って、特性の信頼性が高いパワーモジュールを製造することができる。

本発明のパワーモジュール製造方法によれば、先に冷却器と放熱ブロックとを熱圧着するので、熱圧着する際に、放熱ブロックの全面を均一に押圧することができ、絶縁樹脂シートと放熱ブロックとの接着性を向上させることができる。従って、絶縁樹脂シートと放熱ブロックとの間の接着界面に、未接着部分や接着ムラが発生するのを防ぎ、特性の信頼性が高いパワーモジュールを製造することができる。

本実施の形態におけるパワーモジュール製造方法を説明する図。 熱圧着工程における熱圧着方法の他の例を説明する図。 実施例１におけるはんだ接合装置の模式図。 実施例１におけるリフロー前とリフロー後における接着率の測定結果を示す表。 比較例１−１においてリフロー温度を変化させた場合の接着率の測定結果を示す表。 実施例１において上ヒータと下ヒータの温度を変化させた場合の接着率の測定結果を示す表。 実施例２におけるはんだ接合装置の模式図である。 実施例２におけるリフロー前とリフロー後における接着率の測定結果を示す表。 リフロー時のピーク温度を示す表。 熱圧着工程における２段階方式の熱圧着方法を説明する図。 第１段階目と第２段階目の押圧力と絶縁樹脂シートの状態との関係を示す表。 従来のパワーモジュール製造方法を説明する図。

次に、本発明の実施の形態について図１および図２を用いて説明する。
図１は、本実施の形態におけるパワーモジュール製造方法を説明する図である。

パワーモジュール１は、図１（ｃ）に示すように、半導体チップ２、放熱ブロック３、絶縁樹脂シート４、冷却器５を積層することによって構成される。半導体チップ２は、平面視略矩形の薄板形状を有しており、下面には予めはんだ２ａが盛られている。

放熱ブロック３は、半導体チップ２よりも大きな平板部材からなり、絶縁樹脂シート４は、放熱ブロック３よりも大きなシート状の部材からなる。そして、冷却器５は、絶縁樹脂シート４よりも大きな板状部材によって構成されている。

放熱ブロック３および冷却器５の材料は、特に限定されないが、コスト、重量、熱伝導性の点から、放熱ブロック３は銅、冷却器５はアルミニウム合金とすることが好ましい。放熱ブロック３は、半導体チップ２の熱を拡散して絶縁樹脂シート４に伝えるための十分な厚さとして１ｍｍ以上が好ましい。また、放熱ブロック３と冷却器５を同一材料によって構成して、線膨張係数を同一とし、はんだ接合時における熱応力を低減する構成としてもよい。

絶縁樹脂シート４は、放熱ブロック３よりも大きなシート状の部材からなり、熱可塑性樹脂もしくは熱硬化性樹脂（エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、シリコン樹脂等）を使用し、高熱伝導率の絶縁性無機フィラー（アルミナ、窒化ホウ素等）を充填材として入れたものからなる。そして、熱伝導率λが５Ｗ／ｍＫ以上であり、厚さは、電気絶縁性の信頼性と低熱抵抗の両立の点から、０．１〜０．３ｍｍであることが好ましい。

本実施の形態におけるパワーモジュールの製造方法は、図１に示すように、まず、放熱ブロック３と冷却器５との間に絶縁樹脂シート４を介在させた状態で、放熱ブロック３と冷却器５とを互いに熱圧着する熱圧着工程（図１（ａ））が行われ、次いで、半導体チップ２を放熱ブロック３にはんだ接合するはんだ接合工程（図１（ｂ））が行われる。

熱圧着工程（図１（ａ））では、冷却器５の上面略中央に絶縁樹脂シート４を載せ、さらにその絶縁樹脂シート４の上面略中央に放熱ブロック３を載せることによって、放熱ブロック３と冷却器５との間に絶縁樹脂シート４を介在させた状態とする。

そして、これら冷却器５、絶縁樹脂シート４、放熱ブロック３を所定温度まで加熱して、放熱ブロック３および絶縁樹脂シート４を冷却器５に押圧する。これにより、冷却器５と放熱ブロック３との熱圧着が行われ、冷却器５と絶縁樹脂シート４との間、および絶縁シート４と放熱ブロック３との間が接着される。上記した冷却器５と放熱ブロック３との熱圧着は、加熱手段と押圧手段を有するプレス機等の熱圧着装置（いずれも図示せず）によって行われる。

上記の熱圧着方法によれば、絶縁樹脂シート４全体を冷却器５に均一な押圧力で押圧することができ、かつ放熱ブロック３全体を絶縁樹脂シート４に均一な押圧力で押圧することができる。従って、冷却器５と絶縁樹脂シート４との間、および絶縁樹脂シート４と放熱ブロック３との間を、完全に密着させた状態で接着することができ、これらの間に、押圧力不足による未接着部分や接着ムラが発生するのを防ぐことができる。

上記の熱圧着方法の説明では、絶縁樹脂シート４全体を冷却器５に押圧し、かつ放熱ブロック３全体を絶縁樹脂シート４に押圧する場合、すなわち絶縁樹脂シート４と放熱ブロック３を冷却器５に対して同時に押圧する場合を例に説明したが、他の例として、図２に示すように、最初に絶縁樹脂シート４を冷却器５に熱圧着し、次いで、放熱ブロック３を絶縁樹脂シート４に熱圧着する２段階方式によって、冷却器５と放熱ブロック３とを熱圧着してもよい。上記した２段階方式の場合、第１段階目の押圧力と第２段階目の押圧力は、第１段階目の押圧力Ｐ１が第２段階目の押圧力Ｐ２以上となるように、設定される（Ｐ１≧Ｐ２）。

例えば、絶縁樹脂シート４は、絶縁性の無機フィラーを高充填して高熱伝導率としていることから、熱圧着温度においても硬く、可撓性が低い。従って、熱圧着時に放熱ブロック３の押圧によって、絶縁樹脂シート４の縁部が冷却器５の上面から離間する浮き上がりや、放熱ブロック３の外縁との境界部分に沿って絶縁樹脂シート４の割れが発生することが懸念される。

また、放熱ブロック３の上面と絶縁樹脂シート４の縁部の両方を同一の押圧力で押圧するには、プレス治具に形状の工夫が必要となる。そして、絶縁樹脂シート４の可撓性を高めるべく、無機フィラーの充填量を下げると、熱伝導率が小さくなり、冷却性能が下がり、パワーモジュール全体の性能も低下するおそれがある。

一方、本実施の形態における２段階方式による熱圧着方法によれば、図２（ａ）に示す第１段階目で冷却器５と絶縁樹脂シート４との間を完全に密着させた状態で接着した後に、図２（ｂ）に示す第２段階目で絶縁樹脂シート４に放熱ブロック３を押圧するので、放熱ブロック３の押圧により、絶縁樹脂シート４の縁部が冷却器５の上面から離間する浮き上がりや、放熱ブロック３の縁部との境界部分に沿って絶縁樹脂シート４の割れが発生するのを防ぐことができる。

次に、図１に戻り、図１（ｂ）に示すはんだ接合工程では、はんだリフローによってはんだ接合がなされる。まず、放熱ブロック３の上面略中央に半導体チップ２を載せて、図示していないはんだ接合装置のリフロー炉内に入れる。そして、リフロー炉内で加熱し、半導体チップ２の下面に予め盛られているはんだ２ａを溶融させて、放熱ブロック３の上面に半導体チップ２をはんだ接合する。

はんだ接合では、はんだ接合時に絶縁樹脂シート４に付与される熱応力を低減するために、冷却器５、絶縁樹脂シート４、放熱ブロック３、半導体チップ２からなるワークＷ全体を均一に加熱するのではなく冷却器５側よりも半導体チップ２側を高温化する温度差加熱処理が行われる。

温度差加熱処理では、例えば、リフロー炉内のヒータ側に半導体チップ２が位置するようにワークＷ全体を配置して、半導体チップ２側を加熱してもよい。また、高周波誘導加熱等により半導体チップ２を局所的に加熱してもよい。そして、冷却器５側の昇温を防ぐために、例えば上記したヒータよりも加熱温度の低い低温ヒータを設ける、あるいは、熱容量の大きな金属ブロック等の冷却手段を配置してもよい。

はんだ接合温度（２００℃以上）は、絶縁樹脂シート４の熱圧着温度よりも高く、エポキシ系の樹脂の分解開始温度（２５０℃から３００℃程度）とほぼ同等であり、ガラス転移点（ともに１５０℃から２００℃程度）よりも高い温度となっている。従って、はんだ接合工程において、ワークＷ全体を加熱する全体加熱処理を行うと、放熱ブロック３および冷却器５との線膨張差による応力が急激に大きくなり、接着界面４ａ、４ｂに剥離が生じるおそれがある。

そこで、本実施の形態では、温度差加熱処理によってはんだ接合を行い、はんだ接合時に絶縁樹脂シート４に加えられる熱応力を低減して、絶縁樹脂シート４の接着界面４ａ、４ｂの信頼性を向上させている。

また、現在主流の信頼性の高いＰｂフリーはんだを使用する場合には、Ｐｂフリーはんだは通常のはんだよりも溶融温度が高温であるので、従来のはんだリフローのように、ワークＷ全体をはんだ接合温度まで加熱して製造することはできないが、本実施の形態では、温度差加熱処理によって、絶縁樹脂シート４の高温化を防ぐことができ、半導体チップ２を適切にはんだ接合することができる。

また、ワークＷ全体を加熱して熱圧着を行うと、絶縁樹脂シート４の樹脂が揮発し、チップ表面に付着して、次工程であるワイヤボンディング工程（図１（ｃ））において、接合不良等が起こる可能性があるが、本実施の形態では、温度差加熱処理によって、絶縁樹脂シート４の樹脂の揮発を抑制でき、ワイヤボンディング工程における接合不良等の発生を防ぐことができる。

そして、ワイヤボンディング工程とモールド工程（図１（ｃ））が行われる。ワイヤボンディング工程では、半導体チップ２と端子との間がワイヤ６で接続され、モールド工程では、ハウジング８内で封止材７によって半導体チップ２、放熱ブロック３、絶縁樹脂シート４が埋められる。なお、ワイヤボンディング工程とモールド工程については、既知の技術と同様であるので、その詳細な説明を省略する。

上記したパワーモジュール製造方法によれば、放熱ブロック３と冷却器５との間に絶縁樹脂シート４を介在させて、放熱ブロック３と冷却器５とを互いに熱圧着させる熱圧着工程を行い、その後にはんだ接合工程を行うので、絶縁樹脂シート４全体を冷却器５に均一に押圧することができ、かつ放熱ブロック３全体を絶縁樹脂シート４に均一に押圧することができる。従って、冷却器５と絶縁樹脂シート４との間の接着性、および絶縁樹脂シート４と放熱ブロック３との間の接着性を向上させることができる。従って、これらの各接着界面４ａ、４ｂを完全に密着させた状態で接着することができ、接着界面４ａ、４ｂに、押圧力不足による未接着部分や接着ムラが発生するのを防ぐことができる。

そして、熱圧着工程において、最初に絶縁樹脂シート４を冷却器５に熱圧着し（図２（ａ）を参照）、次いで、放熱ブロック３を絶縁樹脂シート４に熱圧着（図２（ｂ）を参照）する２段階方式を採用することによって、放熱ブロック３の押圧により、絶縁樹脂シート４の縁部が冷却器５の上面から離間する浮き上がりや、放熱ブロック３の外縁との境界部分に沿って絶縁樹脂シート４の割れが発生するのを防ぐことができる。

また、はんだ接合工程において、全体加熱処理ではなく、温度差加熱処理によってはんだ接合を行うことによって、はんだ接合時に絶縁樹脂シート４に加えられる熱応力を低減して、接着界面４ａ、４ｂの剥離を防ぐことができる。従って、特性の信頼性が高いパワーモジュール１を製造することができる。

上記したパワーモジュール製造方法によれば、熱圧着のプレス機、治具等として、従来から存在する既存の装置を使用することができ、実施化が容易である。

［実施例１］
次に、本発明の実施例１について図３から図６を用いて説明する。

図３は、はんだ接合装置の模式図である。はんだ接合装置１１は、はんだリフローによって半導体チップ２を放熱ブロック３にはんだ接合するものであり、図示していないリフロー炉内に、図３に示すように、下ヒータ（低温ヒータ）１２と、下ヒータ１２の上方位置で上下に移動する上ヒータ（高温ヒータ）１３を有している。

下ヒータ１２の上面には、冷却器５、絶縁樹脂シート４、放熱ブロック３、半導体チップ２の順番で積層されたワークＷが配置される。上ヒータ１３の下面には、カーボン製の押圧治具１４が取り付けられており、上ヒータ１３の下方への移動によって、ワークＷの放熱ブロック３を所定の押圧力（本実施例では１ＭＰａ）で下方に押圧するようになっている。

１．熱圧着工程
冷却器５、絶縁樹脂シート４、放熱ブロック３を１８０℃、５ＭＰａで１０分間、熱圧着し、その後、１８０℃で２時間キュアして接着した。

２．はんだ接合工程（はんだリフロー工程）
図３に示すはんだ接合装置１１を用いてはんだリフローを実施した。実施例１では、上ヒータ１３の温度を３００℃、下ヒータ１２の温度を１００℃にセットして、温度差加熱処理を行った。最高温度の保持時間は、設定温度に到達した後、約５分間に設定した。

３．使用材料
・材料：放熱ブロック…銅、冷却器…アルミニウム合金
・厚さ：放熱ブロック…ｔ３ｍｍ、冷却器…ｔ３ｍｍ、絶縁樹脂シート…ｔ０．２ｍｍ、
・絶縁樹脂シート：フィラー…ＢＮ、バインダー…エポキシ樹脂、熱伝導率…１０Ｗ／ｍＫ、
・はんだ融点≒２３０℃（Ｐｂフリーはんだ）

そして、比較例１−１、１−２として、全体を３００℃に均一に加熱してはんだリフローを実施した。比較例１−１では、熱圧着工程の後に、はんだ接合工程を実施し、はんだ接合工程において、ワークＷ全体を均一に加熱する均一加熱処理によってはんだ接合を行った。そして、比較例１−２では、はんだ接合工程の後に、熱圧着工程を実施し、熱圧着時に半導体チップ２以外の部分、すなわち、放熱ブロック３の縁部のみを部分加圧して熱圧着した。

図４から図６の表に示す各接着率は、冷却器５と絶縁樹脂シート４との接着界面（冷却器側の接着界面）４ｂ、および絶縁樹脂シート４と放熱ブロック３との接着界面（放熱ブロック側の接着界面）４ａについて、それぞれ超音波探傷画像の画像解析を行い、算出した。

図４は、リフロー前とリフロー後における接着率の測定結果を示す表である。図４に示すように、実施例１における放熱ブロック３側の接着界面４ａの接着率と冷却器５側の接着界面４ｂの接着率は、リフロー後においてもそれぞれ１００％であり、接着界面４ａ、４ｂの接着性が良好であるという結果が得られた。

一方、比較例１−１では、リフロー前は、放熱ブロック３側の接着界面４ａと冷却器５側の接着界面４ｂのいずれも接着率が１００％であったが、リフロー後は、放熱ブロック３側の接着界面４ａの接着率が２％、冷却器５側の接着界面４ｂの接着率が４６％に低下した。これは、はんだ接合工程において、均一加熱処理を行ったことにより、放熱ブロック３と冷却器５との線膨張差による応力が作用し、各接着界面４ａ、４ｂに剥離が生じたものと把握できる。

また、比較例１−２では、はんだ接合工程後に熱圧着を行ったものであるので、リフロー前の接着率はデータがなく、リフロー後の接着率は、放熱ブロック３側の接着界面４ａが５３％、冷却器５側の接着界面４ｂが６２％であった。これは、放熱ブロック３全体を均一の圧力で押圧することができず、放熱ブロック３側の接着界面４ａや、冷却器５側の接着界面４ｂに、未着部や接着ムラが発生し、接着界面４ａ、４ｂの接着率が低い値になったものと考えられる。

図５は、比較例１−１においてリフロー温度を変化させた場合の接着率の測定結果を示す表である。図５に示すように、リフロー温度が３００℃の場合は、放熱ブロック３側の接着界面４ａの接着率が２％、冷却器５側の接着界面４ｂの接着率が４６％であるのに対し、リフロー温度が２３０℃の場合は、放熱ブロック３側の接着界面４ａの接着率が８３％、冷却器５側の接着界面４ｂの接着率が９６％であり、リフロー温度が高いほど接着率が低下している。これは、はんだ接合工程における均一加熱処理において、リフロー温度が高いほど、放熱ブロック３と冷却器５との線膨張差による応力が大きく作用して、各接着界面４ａ、４ｂの剥離が進行したものと考えられる。

図６は、実施例１において上ヒータと下ヒータの温度を変化させた場合の接着率の測定結果を示す表である。図６に示すように、上ヒータ１３のリフロー温度を３００℃とし、下ヒータ１２のリフロー温度を１００℃とした場合は、放熱ブロック３側の接着界面４ａと冷却器５側の接着界面４ｂのいずれも１００％であった。これに対して、上ヒータ１３のリフロー温度を３００℃とし、下ヒータ１２のリフロー温度を１５０℃とした場合は、放熱ブロック３側の接着界面４ａの接着率は９３％、冷却器５側の接着界面４ｂの接着率は７６％であった。

従って、はんだ接合工程における温度差加熱処理（温度差加熱処理）では、各接着界面４ａ、４ｂの良好な接着率を得るには、上ヒータ１３と下ヒータ１２との間に所定値以上の温度差が必要であることがわかる。

また、図６に示すように、上ヒータ１３のリフロー温度を３００℃とし、下ヒータ１２のリフロー温度を１５０℃とした場合は、放熱ブロック３側の接着界面４ａの接着率は９３％、冷却器５側の接着界面４ｂの接着率は７６％であった。これに対して、上ヒータ１３のリフロー温度を２７０℃とし、下ヒータ１２のリフロー温度を１５０℃とした場合は、放熱ブロック３側の接着界面４ａの接着率は９５％、冷却器５側の接着界面４ｂの接着率は８７％であった。

従って、はんだ接合工程における温度差加熱処理（温度差加熱処理）では、上ヒータ１３と下ヒータ１２のリフロー温度の平均値が低い方が接着率がよいことがわかる。すなわち、はんだ接合装置１１全体におけるリフロー温度が低いほど、放熱ブロック３と冷却器５との線膨張差による応力が小さく、各接着界面４ａ、４ｂの剥離が抑制されたものと考えられる。

但し、図６に示すように、上ヒータ１３のリフロー温度を３００℃とし、下ヒータ１２のリフロー温度を５０℃とした場合や、上ヒータ１３のリフロー温度を２７０℃とし、下ヒータ１２のリフロー温度を１００℃とした場合等、リフロー温度の平均値が所定値よりも低いと、はんだ融点以下となり、はんだ接合ができないので、上ヒータ１３と下ヒータ１２のリフロー温度の平均値が所定値以上となるように設定する必要がある。

［実施例２］
次に、本発明の実施例２について図７から図９を用いて説明する。

図７は、はんだ接合装置の模式図である。はんだ接合装置２１は、図示していないリフロー炉内に、図７に示すように、下ヒータ（加熱ヒータ）２２を有している。下ヒータ２２の上面には、カーボン製の位置決め治具２３が取り付けられており、ワークＷが半導体チップ２側を下とし冷却器５側を上とする上下逆さまの姿勢状態で配置された場合に、半導体チップ２と嵌合して、ワークＷ全体を位置決めするようになっている。

そして、ワークＷの上には、熱容量の大きい金属ブロック（実施例２では鉄ブロック）２４が載せられる。従って、下ヒータ２２の加熱時に、冷却器５の昇温を防ぎ、冷却器５側よりも半導体チップ２側が高温となるように、ワークＷの積層方向に温度差を設けて加熱することができる。

１．熱圧着工程
冷却器５、絶縁樹脂シート４、放熱ブロック３を１８０℃、５ＭＰａで１０分間、熱圧着し、その後、１８０℃で２時間キュアして接着した。

２．はんだ接合工程（はんだリフロー工程）
図７に示すはんだ接合装置２１を用いてはんだリフローを実施した。実施例２では、下ヒータ２２の温度を３００℃にセットして、温度差加熱処理を行った。

３．使用材料（実施例１と同一）
・材料：放熱ブロック…銅、冷却器…アルミニウム合金
・厚さ：放熱ブロック…ｔ３ｍｍ、冷却器…ｔ３ｍｍ、絶縁樹脂シート…ｔ０．２ｍｍ、
・絶縁樹脂シート：フィラー…ＢＮ、バインダー…エポキシ樹脂、熱伝導率…１０Ｗ／ｍＫ、
・はんだ融点≒２３０℃（Ｐｂフリーはんだ）

そして、比較例２−１、２−２として、全体を３００℃に均一に加熱してはんだリフローを実施した。比較例２−１では、熱圧着工程の後に、はんだ接合工程を実施し、はんだ接合工程において、ワークＷ全体を均一に加熱する均一加熱処理によってはんだ接合を行った。そして、比較例２−２では、はんだ接合工程の後に、熱圧着工程を実施し、熱圧着時に半導体チップ２以外の部分、すなわち、放熱ブロック３の縁部のみを部分加圧して熱圧着した。

図８の表に示す各接着率は、冷却器５と絶縁樹脂シート４との接着界面（冷却器側の接着界面）４ｂ、および絶縁樹脂シート４と放熱ブロック３との接着界面（放熱ブロック側の接着界面）４ａについて、それぞれ超音波探傷画像の画像解析を行い、算出した。

図８は、リフロー前とリフロー後における接着率の測定結果を示す表である。図８に示すように、実施例２における放熱ブロック側の接着界面４ａの接着率と冷却器側の接着界面４ｂの接着率は、リフロー後においてもそれぞれ１００％であり、絶縁樹脂シート４の接着界面４ａ、４ｂの接着性が良好であるという結果が得られた。

一方、比較例２−１では、リフロー前は、放熱ブロック３側の接着界面４ａと冷却器５側の接着界面４ｂのいずれも接着率が１００％であったが、リフロー後は、放熱ブロック３側の接着界面４ａの接着率が２％、冷却器５側の接着界面４ｂの接着率が４６％に低下した。これは、はんだ接合工程において、均一加熱処理を行ったことにより、放熱ブロック３と冷却器５との線膨張差による応力が作用し、各接着界面４ａ、４ｂに剥離が生じたものと把握できる。

また、比較例２−２では、はんだ接合工程後に熱圧着を行ったものであるので、リフロー前の接着率はデータがなく、リフロー後の接着率は、放熱ブロック３側の接着界面４ａが５３％、冷却器５側の接着界面４ｂが６２％であった。これは、放熱ブロック３全体を均一の圧力で押圧することができず、放熱ブロック３側の接着界面４ａや、冷却器５側の接着界面４ｂに、未着部や接着ムラが発生し、接着界面４ａ、４ｂの接着率が低い値になったものと考えられる。

図９は、リフロー時におけるピーク温度の測定結果を示す表である。図９に示すように、下ヒータ２２の設定温度を３００℃に設定した場合、下ヒータ２２のピーク温度は３０３℃、放熱ブロック３のピーク温度は２５７℃、冷却器５のピーク温度は１３６℃、金属ブロック（鉄ブロック）２４のピーク温度は１１３℃であった。

従って、はんだフロー装置２１によって、ワークＷの積層方向に所定値以上の温度差を設けることができ、半導体チップ２のはんだ２ａを溶かして放熱ブロック３にはんだ接合するとともに、絶縁樹脂シート４の昇温を抑えて、各接着界面４ａ、４ｂの剥離を抑制することができる。

［実施例３］
次に、本発明の実施例３について図１０および図１１を用いて説明する。
図１０は、熱圧着工程における２段階方式の熱圧着方法を説明する図である。

実施例３では、熱圧着工程における熱圧着を２段階方式の熱圧着方法により行った。具体的には、最初に、図１０（ａ）に示すように絶縁樹脂シート４を冷却器５に熱圧着し（第１段階）、次いで、図１０（ｂ）に示すように放熱ブロック３を絶縁樹脂シート４に熱圧着（第２段階）した。

第１段階において、基材または離型材料（以下、基材等９）に取り付けられた状態の絶縁樹脂シート４を冷却器５に加圧（図１０（ａ）の矢印を参照）して熱圧着し、熱圧着後に基材等９のみが取り外される。そして、第２段階において、放熱ブロック３のみを絶縁樹脂シート４に加圧（図１０（ｂ）の矢印を参照）して熱圧着した。

そして、第１段階目の押圧力と第２段階目の押圧力を種々変更して、冷却器５からの絶縁樹脂シート４の縁部が冷却器５から浮き上がる、いわゆる裏面の浮きの有無、および絶縁樹脂シート４の割れの有無を確認し、図１１の表に示した。

なお、その他は、下記の条件とした。

第１段階目：雰囲気…大気圧、温度…１２０℃、時間…５分
第２段階目：雰囲気…大気圧、温度…１８０℃、時間…１０分
そして、図１１の表に示すように、例２、例３、例１０において、裏面の浮きおよび絶縁樹脂シートの割れの両方が「なし」という結果を得た。この結果から、第１段階目の押圧力Ｐ１が第２段階目の押圧力Ｐ２以上（Ｐ１≧Ｐ２）でかつ、押圧力が５ＭＰａ〜７ＭＰａの範囲内であることという条件を導き出すことができる。

１ パワーモジュール
２ 半導体チップ
２ａ はんだ部分
３ 放熱ブロック
４ 絶縁樹脂シート
４ａ 接着界面（放熱ブロック側）
４ｂ 接着界面（冷却器側）
５ 冷却器
９ 基材等
１１ はんだ接合装置（実施例１）
１２ 下ヒータ（低温ヒータ）
１３ 上ヒータ（高温ヒータ）
１４ 押圧治具
２１ はんだ接合装置（実施例２）
２２ 下ヒータ
２４ 金属ブロック（鉄ブロック）
Ｗ ワーク

Claims (8)

1. 冷却器、絶縁樹脂シート、放熱ブロック、半導体チップを積層してパワーモジュールを製造するパワーモジュール製造方法であって、
   前記冷却器と前記放熱ブロックとの間に前記絶縁樹脂シートを介在させて前記冷却器と前記放熱ブロックとを熱圧着する熱圧着工程と、
   該放熱ブロックの上に前記半導体チップをはんだ接合するはんだ接合工程と、
   を含むことを特徴とするパワーモジュール製造方法。
2. 前記熱圧着工程において、前記冷却器に前記絶縁樹脂シートを熱圧着し、次いで、前記絶縁樹脂シートに前記放熱ブロックを熱圧着することを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール製造方法。
3. 前記はんだ接合工程において、積層方向半導体チップ側を冷却器側よりも高温化する温度差加熱処理により、前記半導体チップのはんだ接合を行うことを特徴とする請求項１または２に記載のパワーモジュール製造方法。
4. 前記請求項１から請求項３のいずれか一項に記載したパワーモジュール製造方法により製造されたパワーモジュール。
5. 冷却器、絶縁樹脂シート、放熱ブロック、半導体チップを積層してパワーモジュールを製造するパワーモジュール製造装置であって、
   前記冷却器と前記放熱ブロックとの間に前記絶縁樹脂シートを介在させて前記冷却器と前記放熱ブロックとを熱圧着する熱圧着手段と、
   該熱圧着手段により熱圧着された前記放熱ブロックの上に前記半導体チップをはんだ接合するはんだ接合手段と、
   を有することを特徴とするパワーモジュール製造装置。
6. 前記はんだ接合手段は、積層方向半導体チップ側を冷却器側よりも高温化する温度差加熱処理を行うことを特徴とする請求項５に記載のパワーモジュール製造装置。
7. 前記はんだ接合手段は、前記積層方向半導体チップ側に配置される高温ヒータと、前記積層方向冷却器側に配置される低温ヒータを有することを特徴とする請求項６に記載のパワーモジュール製造装置。
8. 前記はんだ接合手段は、前記積層方向半導体チップ側を加熱する加熱ヒータと、前記積層方向冷却器側を冷却する冷却手段を有することを特徴とする請求項６に記載のパワーモジュール製造装置。

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