JP2011176121A - 半導体装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性の低下を抑制しつつ作製に要する手間を削減しうる半導体装置と半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】平板状の半導体モジュール２，３と半導体モジュールを冷却するための平板状の冷却体４，５，６とが交互に積層されてなる積層モジュール１を有している半導体装置であって、積層モジュールの半導体モジュールと冷却体とが、液晶ポリマーがベースポリマーとして用いられてなるホットメルト接着剤によって接着されて積層されていることを特徴とする半導体装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、平板状の半導体モジュールと該半導体モジュールを冷却するための平板状の冷却体とが交互に積層されてなる積層モジュールを有している半導体装置とその製造方法に関する。

従来、半導体モジュールは、電気電子機器におけるインバータなどのパワー制御の用途において広く用いられている。
この半導体モジュールにおいて、特に、上記のようなパワー制御に用いられるような用途においては、動作時における内部発熱が大きくなることから、より素早い放熱を行うことが求められている。

そのため半導体モジュールは、放熱フィンなどといった冷却のための部材（以下「冷却体」ともいう）が取り付けられて用いられることが多く、前記放熱フィンを取り付けて自然冷却を行わせたり、冷却ブロックを取り付けて、この冷却ブロックに冷媒を循環させることによって強制冷却を行わせたりすることが従来実施されている。
なお、この半導体モジュールへの冷却体の取り付けは、放熱シートなどと呼ばれる無機フィラーが高充填された弾性体シートや放熱グリースを介して実施されており、このような場合における放熱性には、放熱シートや放熱グリースの熱伝導率とともに放熱シートや放熱グリースと半導体モジュール、あるいは、冷却体との接触界面における熱伝達率が大きな影響を与えることが知られている。

このような点において、放熱グリースは、半導体モジュールや冷却体との間に放熱シートに比べて良好な接触状態を形成させやすい。
しかし、放熱グリースは、半固形状であり、しかも、高温において粘度を低下させやすいことなどから必要箇所以外に付着物を発生させるおそれを有する。

また、半導体モジュールと冷却体との間に位置ずれを生じさせるような応力が不用意に作用した場合に、放熱シートであれば、半導体モジュールと冷却体との間に静止摩擦力を発生させて位置ずれの抑止力とすることが可能であるものの放熱グリースには、このような作用を期待することが困難である。
すなわち、放熱グリースを用いる場合には、半導体モジュールと放熱器との固定をより確実に実施させることが求められることになり、確実な固定のための慎重な作業が要求されることになる。

ところで、例えば、下記特許文献１のように、複数の半導体モジュールを間に冷却体を挟んで積層させてパワースタックなどと呼ばれる積層モジュールを形成させることが従来行われている。
このように複数の半導体モジュールを冷却体と交互に積層させる場合には、放熱グリースを用いる場合に求められる作業の慎重さがより顕著なものとなって、その作製に多くの手間を発生させるおそれを有する。

一方で、従来の放熱シートを介装させる方法において、単に半導体モジュールと冷却体との間に挟持させるだけでは接触界面の一部に隙間が形成されるなどして熱伝達率が十分なものにならないおそれがあり、例えば、積層モジュールの中央部の半導体モジュールにおいて十分な接触がなされていないと、動作時にこの半導体モジュールが高温となって故障を発生させるおそれを有する。
そして、このような積層モジュールでは、半導体モジュールと冷却体とが交互に積層されていることから、例えば、一旦積層モジュールを形成させた後に中央部の半導体モジュールにおいて放熱シートとの接触状態を改善すべく位置あわせや、接触界面における圧力の加わり方を調整しようとすると、この冷却体の次に積層されている半導体モジュールとの間の接触状態に影響を与えるおそれがあり、結局、全体を再調整しなければならなくなるおそれを有する。

特開２００７−２８１５２２号公報

このような従来の問題点に関し、例えば、接着剤によって半導体モジュールと冷却体とを接着させることで当該接着シートと半導体モジュールや冷却体との間に不用意に隙間が形成されてしまうおそれを低減することが可能である。
ただし、このような接着剤は、当然それ自体の熱伝導率において優れた値を有していることが重要な要素となる。
また、仮に熱伝導性に優れているような接着剤を用いるような場合でも、常温で液体のようなものは放熱グリースと同様に取り扱いに慎重な作業を要する。
従来、このような用途に適した接着剤が見出されていないため積層モジュールを有する半導体装置は、その信頼性の低下を抑制しつつ作製に要する手間を削減することが難しい状況となっている。
本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、信頼性の低下を抑制しつつ作製に要する手間を削減しうる半導体装置と半導体装置の製造方法との提供を課題としている。

本発明は、前記課題を解決すべく、平板状の半導体モジュールと該半導体モジュールを冷却するための平板状の冷却体とが交互に積層されてなる積層モジュールを有している半導体装置であって、前記積層モジュールの前記半導体モジュールと前記冷却体とが、液晶ポリマーがベースポリマーとして用いられてなるホットメルト接着剤によって接着されて積層されていることを特徴とする半導体装置を提供する。

また、本発明は、平板状の半導体モジュールと該半導体モジュールを冷却するための平板状の冷却体とを交互に積層させてなる積層モジュールを有する半導体装置の製造方法であって、液晶ポリマーがベースポリマーとして用いられてなるホットメルト接着剤がシート状に形成されてなるホットメルト接着シートを、前記半導体モジュールと前記冷却体との間に介装させて積層体を作製し、該積層体が前記液晶ポリマーの融点以上の温度で、その積層方向に加圧された状態となるようにして、前記半導体モジュールと前記冷却体との接着を実施して前記積層モジュールを作製することを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。

本発明の半導体装置は、積層モジュールにおける半導体モジュールと冷却体とがホットメルト接着剤によって接着されて積層されている。
このホットメルト接着剤は、加熱することで接着性が発揮されるもので、通常、加熱する前においては接着性が発揮されるものではない。
したがって、液状の接着剤などと違って、予期せぬ箇所に付着したりする可能性が低く、該付着を防止するために慎重に作業する必要性も低減させ得る。
しかも、このホットメルト接着剤をシート状に形成させたホットメルト接着シートを用いるような場合には、予め接着領域と同じ形になるように外形加工を施しておけば、接着させる部材間において加熱するだけで所望の接着状態を形成させることができ、接着に要する手間の簡略化を図ることができるものである。
したがって、放熱グリースを用いる従来の場合などに比べて積層モジュールの作製に要する手間を軽減させうるとともに、半導体モジュールや冷却体の表面との間に隙間が形成されて十分な放熱がなされなくなるおそれを抑制させ得る。

さらには、このホットメルト接着剤は、液晶ポリマーがベースポリマーとして用いられていることからポリマーの配向性が高い状態で半導体モジュールと冷却体との間に介在されている。
すなわち、ポリマーの配向性が高いことによって分子振動による熱伝導が良好となって、半導体モジュールと冷却体との間において良好なる熱伝導状態が形成され得る。
このことからも、動作時における半導体モジュールの過度の温度上昇を防止でき、故障の発生を抑制することができる。
したがって、本発明によれば信頼性の低下を抑制しつつ作製に要する手間が削減されうる半導体装置を提供しうる。

また、半導体装置の製造方法においては、半導体モジュールと冷却体との積層にホットメルト接着シートを利用することから簡便に積層モジュールを作製することができる。
しかも、半導体モジュールと冷却体との間にホットメルト接着シートを介装させて積層体を作製し、該積層体を前記液晶ポリマーの融点以上の温度で、その積層方向に加圧された状態となるようにして、前記半導体モジュールと前記冷却体との接着を実施することによって複数の半導体モジュールと冷却体との接着が一括して実施されることとなり、作業の手間がより一層簡略化されうる。
また、ホットメルト接着シートのベースポリマーに液晶ポリマーが採用されていることから半導体モジュールと冷却体との間に良好なる熱伝導を実施させることができ、過度に温度上昇することが抑制された半導体装置とすることができる。

すなわち、本発明の半導体装置の製造方法によれば作製される半導体装置の信頼性の低下を抑制しつつ作製に要する手間を削減しうる。

一実施形態に係る半導体装置の積層モジュールを示す（ａ）平面図及び（ｂ）正面図。 図１（ａ）中のＸ−Ｘ’線（（ｂ）中の破線Ａで示される箇所）の矢視断面図。

以下に、本発明の好ましい実施の形態について図を参照しつつ説明する。
図１（ａ）は、本実施形態に係る半導体装置に備えられている積層モジュールを示す平面図であり、（ｂ）は正面図である。
また、図２は、図１（ｂ）中の破線Ｘで示される箇所における積層モジュールの部分断面を示す断面図（図１（ａ）中のＸ−Ｘ’線矢視断面図）である。

これらの図にも示されているように、積層モジュール１には、平板状に形成された２つの半導体モジュール２，３とこれらの半導体モジュール２，３を冷却するための３つの平板状の冷却体４，５，６とが備えられている。
これらの半導体モジュール２，３と冷却体４，５，６とは、交互に積層されて積層モジュール１を形成しており、しかも、半導体モジュール２，３と冷却体４，５，６とがホットメルト接着シートＡＤによって接着されて積層されて前記積層モジュール１を形成している。

また、本実施形態の積層モジュール１には、前記半導体モジュール２，３と冷却体４，５，６との積層体Ｌを外側から挟む１対のエンドプレートＰ１，Ｐ２と該エンドプレートＰ１，Ｐ２を連結するための連結棒Ｃとが備えられている。
前記一対のエンドプレートＰ１，Ｐ２は、ともに同形の矩形板状に形成されており、前記冷却体４，５，６は、前記エンドプレートＰ１，Ｐ２よりも一回り小さな矩形板状に形成されている。
なお、３つの冷却体４，５，６どうしは同形に形成されている。
前記２つの半導体モジュール２，３は、前記冷却体４，５，６よりも一回り小さな矩形板状に形成されている。

前記エンドプレートＰ１，Ｐ２は、四隅に前記連結棒Ｃを挿通可能な貫通孔を有し、前記半導体モジュール２，３や前記冷却体４，５，６を間に挟んだ状態で前記貫通孔に前記連結棒Ｃを挿通させて、該連結棒Ｃの両端部に設けられた螺子山にナットを螺合させ、該ナットを締め付けることによって前記半導体モジュール２，３や前記冷却体４，５，６に外側から圧力を付加し得るように形成されている。
そして、図１（ｂ）正面図に示すように、本実施形態の積層モジュール１は、一方のエンドプレートＰ２を最下位に位置させ、該エンドプレートＰ２の上に、下から順番に冷却体６、半導体モジュール３、冷却体５、半導体モジュール２、冷却体４の順に積層体Ｌを形成し、この積層体Ｌの上にもう一方のエンドプレートＰ１を配して、前記連結棒Ｃとナットによって２枚のエンドプレートＰ１，Ｐ２の間に加圧状態で前記積層体を挟持させて形成されている。

そして、この半導体モジュール２，３と冷却体４，５，６との間に、ホットメルト接着シートＡＤが介装されており、前記半導体モジュール２，３及び前記冷却体４，５，６は、該ホットメルト接着シートＡＤによって互いに接着されている。

このホットメルト接着シートＡＤは、その大きさや厚みに特に限定がされるものではないが、通常、冷却体４，５，６以下の大きさとされ、半導体モジュール２，３と同形か、または、半導体モジュール２，３よりも一回り小さい大きさに形成されていることが好ましい。
また、厚みについては、通常、１０〜５００μｍとされる。

該ホットメルト接着シートＡＤは、加熱することで接着可能となるホットメルト接着剤がシート状に形成されたものであり、このホットメルト接着剤のベースポリマーとして液晶ポリマーが採用されていることが熱伝導率の観点から重要である。
なお、液晶ポリマーは、溶融時に液晶性を示す芳香族ポリエステルが代表的であり、通常、芳香族ジオール、芳香族カルボン酸、ヒドロキシカルボン酸等のモノマーから合成されるものである。
この液晶ポリマーとしては、パラヒドロキシ安息香酸、テレフタル酸、及び４，４’−ビフェノール（下記一般式（１））を主たる構成単位とするもの、パラヒドロキシ安息香酸、及び２，６−ヒドロキシナフトエ酸を主たる構成単位とするもの（下記一般式（２））、ならびに、エチレンテレフタレートとパラヒドロキシ安息香酸を主たる構成単位とするもの（下記一般式（３））などが挙げられる。

なかでも、液晶ポリマーとしては、アモルファスな状態での溶融温度が１００℃以下であり、結晶化した際の溶融温度が１８０℃以上のものが好適である。
また、結晶化した際の熱伝導率が０．３Ｗ／ｍＫ以上となるものが好適である。
なお、重合反応によって上記液晶ポリマーとなるモノマーやオリゴマーを、この液晶ポリマーの一部又は全部に変えてホットメルト接着シートＡＤを構成させて使用時に前記重合反応を生じさせることも可能である。
さらに、液晶ポリマーは、熱可塑性のものであっても熱硬化性のものであってもよく、該熱硬化性の液晶ポリマーを採用する場合においては、前記結晶化の状態を硬化反応によって保持させることができる点において好適である。
また、熱硬化性の液晶ポリマーを採用する場合には、このホットメルト接着シートＡＤは、硬化前の液晶ポリマーで構成させてもよく、例えば、１８０℃程度の温度以上に加熱することによってある程度の弾性や粘着性がホットメルト接着シートに発揮されるようであれば、液晶ポリマーが硬化された状態でホットメルト接着シートを構成させても良い。

なお、この液晶ポリマー以外にホットメルト接着シートを構成する成分としては無機フィラー、粘着性付与剤、着色剤などが挙げられるが、液晶ポリマーの性能を阻害しないものであれば、各種特性付与の添加物として採用可能である。

なかでも、無機フィラーは、ホットメルト接着シートＡＤに高熱伝導性（例えば、１５Ｗ／ｍＫ以上）を発揮させる上において有効な成分であり採用することが好ましい。
無機フィラーとして窒化ホウ素粒子を採用する場合には、ホットメルト接着シートＡＤに対して上記のような優れた熱伝導性をより確実に発揮させうる点において液晶ポリマー１００重量部に対して２５０重量部以上となる配合割合で使用することが好適である。

このような成分によるホットメルト接着シートＡＤの形成方法は、特に限定されず、一般的なホットメルト接着シートの形成に用いられている手段を採用することができる。
例えば、単軸又は二軸混練機によって上記成分を加熱混合してホットメルト接着剤を調整し、該ホットメルト接着剤を離型処理の施されたキャリアフィルム状にフラットダイで連続的に押出してホットメルト接着シートＡＤを形成させる方法などを採用することができる。

なお、要すれば、上記のような成分を基材シートに担持させてホットメルト接着シートＡＤとすることも可能である。
例えば、ポリマーフィルムの両面に上記成分による接着層を形成させ、接着層／ポリマーフィルム層／接着層となる積層構造を有するホットメルト接着シートとすることも可能である。
なお、その場合には、基材シートを上記のようなポリマーフィルムではなく、セラミックスシートなどを採用することでホットメルト接着シートＡＤに、より優れた熱伝導性を発揮させ得る点において好適である。
例えば、アルミナペーパーやアルミナ繊維織物などを基材シートとして採用し、この基材シートの表面に上記成分からなるホットメルト接着剤を担持させたり、基材シートの内部に含浸させたりしてホットメルト接着シートＡＤを形成させることも可能である。

また、前記半導体モジュール２，３や前記冷却体４，５，６については特に限定されず、例えば、前記積層モジュール１を構成すべく用いられる半導体モジュールとしては、半導体チップを有するパワー回路と、制御回路とがケーシング内に収容されたインバータモジュールやハイブリッドＩＣなどが挙げられる。
また、前記冷却体としては、例えば、内部に冷媒の流通路を形成させたアルミニウムブロックなどが上げられる。

なお、このような積層モジュール１以外に半導体装置を形成する機器類としては、例えば、前記積層モジュール１に電源コードＥＬを通じて電力を供給する電源装置や、前記半導体モジュール２、３からバスケーブルＢＣなどを通じて制御信号が送信される制御機器類、前記冷却体に配管ＣＤを通じて冷媒を供給し、その内部に前記冷媒を循環させるための循環装置などが挙げられる。

次いで、半導体装置の製造方法において前記積層モジュール１を作製する方法について説明する。
まず、積層モジュール１の下方に位置させるエンドプレートＰ２を平置きして、その上面中央部に冷却体６を載置し、該冷却体６の中央部に、半導体モジュールと略同形に形成されたホットメルト接着シートＡＤを載置する。
そして、当該ホットメルト接着シートＡＤと、その外縁を揃えるようにして半導体モジュール３を載置し、次いで、ホットメルト接着シートＡＤ、冷却体５、ホットメルト接着シートＡＤ、半導体モジュール２、ホットメルト接着シートＡＤ、冷却体４の順に積層して、３つの冷却体４，５，６と２つの半導体モジュール２，３とを間にホットメルト接着シートＡＤを介装させつつ交互に積層した積層体Ｌを形成させ、最後に、上部のエンドプレートＰ１を載置し、連結棒Ｃによって固定を行う。
このとき、エンドプレートＰ１，Ｐ２どうしが近接する方向に前記積層体Ｌを上下から加圧する状態となるように連結棒Ｃによる固定を実施する。

そして、この状態でホットメルト接着シートＡＤに用いられている液晶ポリマーの融点以上の温度に積層体Ｌを加熱して、冷却体４，５，６と半導体モジュール２，３とをホットメルト接着シートＡＤによって加熱接着させた後、冷却することで積層モジュール１を形成させることができる。

なお、液晶ポリマーは、通常、一般的な熱可塑性樹脂に比べて融点以上の温度において低粘度となって高い流動性を示すことから、例えば、前記積層体Ｌを形成させた際に、半導体モジュールや冷却体との間に隙間が形成されていたとしても、この高い流動性によって前記隙間にホットメルト接着剤が充填され得る。

また、液晶ポリマーは、融点以上の温度において主鎖に導入されているメソゲン基による配向性が発揮され、分子の並びが整った状態となる。
そして、冷却時にその配向状態が保持されることによってホットメルト接着シートＡＤの中を分子振動によって効率よく熱を伝達することが可能となって半導体モジュールから冷却体へと優れた熱の伝導が行われることとなる。
特に、液晶ポリマーは、薄肉な状態において配向性が顕著になり、全体に占める配向部分の割合が向上される傾向にあることからも半導体モジュールと冷却体との間における熱伝導に有利である。
すなわち、半導体モジュールや冷却体の表面に十分接着され、しかも、熱伝導性が良好となることから半導体モジュールから冷却体への放熱もスムーズに行われることとなり、半導体装置の信頼性向上を図ることができる。

また、半導体モジュールが通電されて発熱が生じた場合には、その熱が冷却体や半導体モジュールに熱膨張による歪みを生じさせるおそれがある。
このとき従来の放熱グリースや放熱シートには、その歪みを抑制する作用を期待することができず、例えば、放熱シートと半導体モジュールとの間に予期せぬ隙間を形成させるおそれを有するが、このホットメルト接着剤を用いる場合は、その接着力によって歪みの発生を抑制させ得る。
したがって、従来の半導体装置に比べて、信頼性向上を期待することができる。

しかも、上記のように、積層体を形成させて加圧、加熱を実施することで、積層モジュール１を形成させることができ、放熱グリースを用いる場合のように、周囲への付着防止に努力を払うような煩わしさを伴うこと無く、簡便に積層モジュール１を形成させることができる。

このように本実施形態の半導体装置とその製造方法においては、作製に要する手間を削減しつつも、作製される半導体装置の信頼性を従来の半導体装置に比べて向上させることができる。

なお、ここでは詳述しないが、ホットメルト接着剤（ホットメルト接着シート）や、半導体装置を構成する各構成機器類などについては、上記例示以外のものであっても、本発明の効果が著しく損なわれない範囲においては、従来公知の技術事項を適宜採用することが可能である。

１ 積層モジュール
２，３ 半導体モジュール
４，５，６ 冷却体
ＡＤ ホットメルト接着シート
ＢＣ バスケーブル
Ｃ 連結棒
ＣＤ 配管
ＥＬ 電源コード
Ｌ 積層体
Ｐ１，Ｐ２ エンドプレート

Claims (2)

1. 平板状の半導体モジュールと該半導体モジュールを冷却するための平板状の冷却体とが交互に積層されてなる積層モジュールを有している半導体装置であって、
   前記積層モジュールの前記半導体モジュールと前記冷却体とが、液晶ポリマーがベースポリマーとして用いられてなるホットメルト接着剤によって接着されて積層されていることを特徴とする半導体装置。
2. 平板状の半導体モジュールと該半導体モジュールを冷却するための平板状の冷却体とを交互に積層させてなる積層モジュールを有する半導体装置の製造方法であって、
   液晶ポリマーがベースポリマーとして用いられてなるホットメルト接着剤がシート状に形成されてなるホットメルト接着シートを、前記半導体モジュールと前記冷却体との間に介装させて積層体を作製し、該積層体が前記液晶ポリマーの融点以上の温度で、その積層方向に加圧された状態となるようにして、前記半導体モジュールと前記冷却体との接着を実施して前記積層モジュールを作製することを特徴とする半導体装置の製造方法。

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