JP2012009569A - 半導体モジュールの製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】樹脂モールド部の隙間に起因する冷媒漏れを抑制できる半導体モジュールの製造方法を提供する。
【解決手段】半導体モジュール１を構成するユニット１０の樹脂モールド部２０を形成する際に、熱硬化性樹脂モールド部２１よりも先に熱可塑性樹脂モールド部２を形成しておき、その後、熱硬化性樹脂モールド部２１を形成する。これにより、硬化前の熱硬化性樹脂の高い密着力に基づいて、熱硬化性樹脂モールド部２１と熱可塑性樹脂モールド部２２との間の界面の密着力を高くすることが可能となり、これらの界面の隙間を無くすことが可能となる。したがって、この界面を通じての冷却水漏れを抑制することが可能となる。
【選択図】図４

Description

本発明は、ヒートスプレッダ（放熱板）による放熱が行われる半導体パワー素子が形成された半導体チップとヒートスプレッダとを樹脂モールドして一体構造とした半導体モジュールの製造方法に関するもので、例えば、インバータの上アーム（ハイサイド側素子）と下アーム（ローサイド側素子）のいずれかの半導体パワー素子を樹脂モールド部にてモールドした１ｉｎ１構造や、上下アームの二つの半導体パワー素子を一つの樹脂モールド部にてモールドした２ｉｎ１構造等の半導体モジュールに適用すると好適である。
従来より、半導体モジュールでは、半導体パワー素子が形成された半導体チップと半導体チップの放熱を行うためのヒートスプレッダとを樹脂モールドして一体化構造とすることが一般的である。このような半導体モジュールでは、通常、耐熱性を重視して、エポキシ樹脂等の耐熱性の高い熱硬化性樹脂をモールド用の樹脂として使用している。
しかしながら、熱硬化性樹脂は、一旦硬化してしまうと分解することが難しいため、一部の半導体パワー素子が故障した場合、半導体モジュール全体を廃棄しなければならず、リユースすることができない。
そこで、特許文献１において、一部の半導体パワー素子が故障した場合にも、故障していない他の部分をリユースすることが可能な半導体モジュールが提案されている。この半導体モジュールでは、半導体チップとヒートスプレッダに加えて、半導体チップを冷却するための冷媒となる冷却水の水路を樹脂モールドして一体化している。半導体チップとヒートスプレッダを樹脂モールドすると共に、その樹脂モールド部にて水路の一部を構成することで板状のユニットを形成し、さらにそのユニットを複数枚積層することで、各ユニットに形成された水路の一部同士を連結させて水路が形成されるようにしている。
このような構造の半導体モジュールでは、例えば１ユニット中の半導体パワー素子が故障した場合に、積層した複数枚のユニットを分解し、故障した１ユニットのみを良品に交換したのち、再度、複数枚のユニットを積層して組み直すことで、半導体モジュールをリユースすることができる。
特開２００６−１６５５３４号公報
近年、環境に対する意識の高まりにより、半導体パワー素子が内蔵された半導体モジュールについても、リユースの要求が高まっている。上記特許文献１に開示されている半導体モジュールでは、リユースを可能としているが、故障したユニットを良品に交換する際の分解時にユニット表面が傷つき易く、正常であったユニットも分解作業中に傷つけてしまい、不良品としてしまうことがある。このような場合には、正常である高価な半導体チップまでユニットごと廃棄しなければならないという問題がある。
そこで、本発明者らは、鋭意検討の上、ユニットの表面が傷ついたとしても、中身の半導体チップ等についてはリユースすることができる構造の半導体モジュールを考え出した。具体的には、樹脂モールド部を熱硬化性樹脂モールド部と熱可塑性樹脂モールド部とによって構成し、半導体チップ等の構成部品を熱硬化性樹脂モールド部によって覆うと共に、熱硬化性樹脂モールド部の外縁部を熱可塑性樹脂モールド部で覆い、熱可塑性樹脂モールド部にて水路などを構成する構造とした。このような構造とすることで、一部のユニットが傷ついたとしても、そのユニットを取り出したのち、加熱処理によって熱可塑性樹脂モールド部を溶融させて除去すれば、熱硬化性樹脂モールド部で覆った状態で半導体チップ等の構成部品を取り出すことができる。そして、熱硬化性樹脂モールド部で覆った状態の半導体チップ等の構成部品を成形型に設置し、再び熱可塑性樹脂モールド部を形成すれば、良品のユニットのリビルト品を形成できる。これにより、ユニット表面が傷ついたとしても、中身の半導体チップ等についてはリユースすることが可能となる。特に、故障したユニットを良品に交換する際の分解時等に他のユニットの表面を傷つけてしまうことがあり、このような場合にリユースできるようにすることは有効である。
ところが、上記のように熱硬化性樹脂モールド部と熱可塑性樹脂モールド部とを組み合わせて樹脂モールド部を構成する場合、熱硬化性樹脂モールド部を形成してから熱可塑性樹脂モールド部を形成するという順番にすると、これらの界面の密着力が比較的弱くなることを確認した。このように密着力が弱くなると、熱硬化性樹脂モールド部と熱可塑性樹脂モールド部との界面に隙間が生じ、その間から冷却水が漏れるという問題を発生させる可能性がある。
図１０は、冷却水漏れの一例を示した図であり、図１０（ａ）は、半導体モジュールの１つのユニット１０での冷却水漏れの様子を示した図、図１０（ｂ）は、半導体モジュールの断面から見た冷却水漏れの様子を示した図である。図１０（ａ）に示されるように、各ユニット１０からは半導体パワー素子のコレクタに繋がる正極リード１５やエミッタに繋がる負極リード１６およびゲートやセンス用の制御端子１７等が露出させられる。このような構成では、例えば、図１０（ｂ）の矢印で示すように、熱硬化性樹脂モールド部２１と熱可塑性樹脂モールド部２２との界面を通じて冷却水が浸入すると、各リード１５、１６や制御端子１７の露出部分に冷却水が漏れる。そして、図１０（ａ）中の矢印で示したように、正極リード１５と負極リード１６の間もしくは制御端子１７間においてリークを発生させる可能性がある。
本発明は上記点に鑑みて、ユニット表面が傷ついたとしても、中身の半導体チップ等についてはリユースすることができる構造の半導体モジュールとする場合に、樹脂モールド部の隙間に起因する冷媒漏れを抑制できる半導体モジュールの製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、半導体チップ（１１）、第１、第２ヒートスプレッダ（１３、１４）、端子（１５〜１７）を樹脂モールド部（２０）にてモールド化したものを１つのユニット（１０）として、該ユニット（１０）を蓋部（４０、４１）にて挟み込み、かつ、ユニット（１０）と蓋部（４０、４１）を固定具（４３）にて固定した半導体モジュールの製造方法であって、樹脂モールド部（２０）を形成する工程として、半導体パワー素子に電気的に接続された端子（１５〜１７）の一部を露出させると共に、第１、第２ヒートスプレッダ（１３、１４）のうち半導体チップ（１１）と反対側の面を露出させつつ、半導体チップ（１１）、第１、第２ヒートスプレッダ（１３、１４）および端子（１５〜１７）を覆うように、熱硬化性樹脂により熱硬化性樹脂モールド部（２１）を形成する工程と、熱硬化性樹脂モールド部（２１）の外縁部に配置され、冷媒通路（３０）の一部を構成し、かつ、熱硬化性樹脂よりもガラス転位点が低い熱可塑性樹脂により熱可塑性樹脂モールド部（２２）を形成する工程とを行い、熱硬化性樹脂モールド部（２１）を形成する工程よりも前に、熱可塑性樹脂モールド部（２２）を形成する工程を行うことを特徴としている。
このように、半導体モジュールを構成するユニット（１０）の樹脂モールド部（２０）を形成する際に、熱硬化性樹脂モールド部（２１）よりも先に熱可塑性樹脂モールド部（２）を形成しておき、その後、熱硬化性樹脂モールド部（２１）を形成するようにしている。このため、硬化前の熱硬化性樹脂の高い密着力に基づいて、熱硬化性樹脂モールド部（２１）と熱可塑性樹脂モールド部（２２）との間の界面の密着力を高くすることが可能となり、これらの界面の隙間を無くすことが可能となる。これにより、この界面を通じての冷媒漏れを抑制することが可能となる。
例えば、請求項２に記載したように、熱可塑性樹脂モールド部（２２）を形成する工程では、熱可塑性樹脂を成形することにより、熱可塑性樹脂モールド部（２２）を形成しておき、熱硬化性樹脂モールド部（２１）を形成する工程では、成形型（５０）内に熱可塑性樹脂モールド部（２２）と半導体チップ（１１）、第１、第２ヒートスプレッダ（１３、１４）、端子（１５〜１７）を配置したのち、成形型（５０）内に熱硬化性樹脂を注入し、熱硬化性樹脂モールド部（２１）を成形することができる。これにより、熱硬化性樹脂モールド部（２１）よりも先に熱可塑性樹脂モールド部（２）を形成しておき、その後、熱硬化性樹脂モールド部（２１）を形成することができる。
請求項３に記載の発明では、熱硬化性樹脂モールド部（２１）を形成する工程では、熱可塑性樹脂モールド部（２２）を端子（１５〜１７）から離間させ、熱可塑性樹脂モールド部（２２）と端子（１５〜１７）との間に熱硬化性樹脂モールド部（２１）が形成されるようにすることを特徴としている。
このように、熱可塑性樹脂モールド部（２２）を端子（１５〜１７）から離間させ、これらと接する部分が熱硬化性樹脂モールド部（２１）で構成されるようにしている。このため、端子（１５〜１７）と樹脂モールド部（２０）との接触箇所に関しても、高い密着力を発揮させることが可能となる。
例えば、請求項４に記載したように、熱硬化性樹脂としてエポキシ、フェノール、シリコーン、ウレタン樹脂を用いることができるが、不純物含有量、コスト、接着機能を考えるとエポキシ、またはシリコーンが好ましい。実施形態中ではエポキシ樹脂を用いる例を挙げてある。また、請求項５に記載したように、熱可塑性樹脂をポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリブチレンテレフタレート、ナイロン、ポリエチレン、ポリプロピレン樹脂にて構成することができる。実施形態中では、耐熱性の高いＰＰＳを用いる例を挙げてある。
請求項６に記載の発明では、ユニット（１０）を複数個形成し、該複数個のユニット（１０）を積層することで積層体を構成すると共に、該積層体の両先端部を蓋部（４０、４１）にて覆った状態で固定具（４３）にて固定することで半導体モジュールを完成させる工程を含んでいることを特徴としている。
このように、複数個のユニット（１０）を積層した積層体とする構造についても、ユニット表面が傷ついたときに、中身の半導体チップ（１１）等についてリユースすることができる構造の半導体モジュールにできる。特に、複数個のユニット（１０）を積層して半導体モジュールを構成する場合には、そのうちの一部の表面が傷ついただけですべてのユニット（１０）を廃棄するのは好ましくない。したがって、故障したユニット（１０）だけを取り替えることができるようにすることで、より資源の有効活用を可能とすることができる。
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
本発明の第１実施形態にかかる半導体モジュール１の断面図である。 図１に示す半導体モジュール１を構成するユニット１０の１つを取り出した図であり、（ａ）はユニット１０の正面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ’断面図、（ｃ）は（ａ）のＤ−Ｄ’断面図である。 図１に示す半導体モジュール１の製造工程を示した断面図である。 図３に続く半導体モジュール１の製造工程を示した断面図である。 図４に続く半導体モジュール１の製造工程を示した断面図である。 熱硬化性樹脂モールド部２１と熱可塑性樹脂モールド部２２との界面の密着部２３の様子を示した図である。 半導体モジュール１を構成するユニット１０のうち熱硬化性樹脂モールド部２１の外縁が熱可塑性樹脂モールド部２２の外縁よりも内側に配置されるようにした場合の断面図である。 本発明の第２実施形態にかかる半導体モジュール１に備えられる１つのユニット１０の断面図である。 本発明の第３実施形態にかかる半導体モジュール１に備えられる１つのユニット１０の断面図である。 冷却水漏れの一例を示した図であり、（ａ）は、半導体モジュールの１つのユニット１０での冷却水漏れの様子を示した図、（ｂ）は、半導体モジュールの断面から見た冷却水漏れの様子を示した図である。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態にかかる冷却機構を備えた半導体モジュールについて説明する。この半導体モジュールは、例えば車両用の三相モータの駆動を行うためのインバータ等に適用される。
図１（ａ）、（ｂ）は、本実施形態にかかる半導体モジュール１の断面図である。図１（ａ）は、図１（ｂ）のＡ−Ａ’断面に相当しており、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＢ−Ｂ’断面に相当している。図１（ａ）、（ｂ）に示すように、半導体モジュール１は、例えばインバータを構成する半導体パワー素子などが形成された半導体チップ１１などの各種構成部品を樹脂モールドしたものを１つのユニット１０として、ユニット１０を複数個積層することによって構成されている。
図２は、半導体モジュール１を構成するユニット１０の１つを取り出した図であり、（ａ）はユニット１０の正面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ’断面図、（ｃ）は（ａ）のＤ−Ｄ’断面図である。
図２（ａ）〜（ｃ）に示されるように、各ユニット１０は、半導体パワー素子が形成された半導体チップ１１に加えて、金属ブロック１２、ヒートスプレッダ１３、１４、正極リード１５、負極リード１６および制御端子１７等を備え、これらが樹脂モールド部２０によって樹脂封止されることで一体化された構造とされている。なお、ここでは各ユニット１０に、半導体パワー素子が形成された半導体チップ１１を１つのみ備えた１ｉｎ１構造について説明するが、半導体チップ１１を２つ備える２ｉｎ１構造、半導体チップ１１を３つ備える３ｉｎ１構造など、他の構造についても１ユニットとすることができる。例えば、インバータの場合、２ｉｎ１構造としては上下アームを構成する２つの半導体チップ１１をモールドして一体構造とする場合が想定され、３ｉｎ１構造としては三相分の上アームもしくは下アームを構成する３つの半導体チップ１１をモールドして一体構造とする場合が想定される。
半導体チップ１１には、ＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴなどの半導体パワー素子が形成されている。例えば、半導体モジュール１が三相モータ駆動用のインバータに適用される場合、上アームもしくは下アームのいずれか一方を構成する半導体パワー素子とフリーホイールダイオード（以下、ＦＷＤという）とが１チップ化されたものが半導体チップ１１とされる。本実施形態では、半導体パワー素子を基板厚み方向に電流を流す縦型の半導体素子としており、半導体チップ１１の表面側や裏面側には、各種パッドが形成された構造とされている。具体的には、半導体チップ１１の表面側には、半導体パワー素子のゲート等に接続されるパッドが形成されていると共に、半導体パワー素子のエミッタに接続されるパッドが形成され、裏面側は、裏面全面が半導体パワー素子のコレクタに繋がるパッドとされている。
なお、図２では半導体チップ１１を１チップ化した構造として図示してあるが、半導体パワー素子とＦＷＤとが別々のチップに形成されているような構造であっても良い。また、半導体チップ１１に基板横方向に電流を流す横型の半導体パワー素子が形成された構造であっても構わない。
金属ブロック１２は、熱伝達率の高い金属で構成され、例えば銅やアルミニウム等によって構成される。この金属ブロック１２は、半導体チップ１１の表面側に形成された半導体パワー素子のエミッタに接続されるパッド上にはんだ等を介して電気的および物理的に接続されている。この金属ブロック１２が半導体チップ１１の表面側に備えられることにより、半導体チップ１１の表面からヒートスプレッダ１４までの距離が所定間隔空けられている。
ヒートスプレッダ１３、１４は、半導体チップ１１から伝えられる熱を広範囲に拡散させて放出する放熱板として機能する。一方のヒートスプレッダ１３は、半導体チップ１１の裏面側のパッドに物理的にだけでなく電気的にも接続されることで、放熱板としての機能に加えて、半導体パワー素子のコレクタに接続される配線としても機能している。また、他方のヒートスプレッダ１４は、金属ブロック１２に対して電気的および物理的に接続されることで、放熱板としての機能に加えて、半導体パワー素子のエミッタに接続される配線としても機能している。これらヒートスプレッダ１３、１４は、銅などの熱伝達率の高い金属にて構成され、例えば所定厚さの四角形の金属板にて構成されている。ヒートスプレッダ１３、１４のうち半導体チップ１１と反対側の面は、樹脂モールド部２０から露出させられており、後述する冷却水に曝されている。なお、ヒートスプレッダ１３、１４のうち冷却水に曝される側の表面には、図示しない絶縁材が備えられており、この絶縁材によって冷却水との絶縁が図られていることから、ヒートスプレッダ１３、１４が冷却水に接することによるリークの発生については防止されている。
正極リード１５は、半導体チップ１１の正極端子を構成するものである。この正極リード１５は、ヒートスプレッダ１３に対して一体成形もしくははんだや溶接等によって接合され、ヒートスプレッダ１３を介して半導体チップ１１の裏面側に備えられた半導体パワー素子のコレクタに繋がるパッドに電気的に接続されている。また、正極リード１５におけるヒートスプレッダ１３に接合された端部と反対側の端部は、樹脂モールド部２０から露出させられており、この露出部分を通じて外部との接続が行えるように構成されている。
負極リード１６は、半導体チップ１１の負極端子を構成するものである。この負極リード１６は、ヒートスプレッダ１４に対して一体成形もしくははんだや溶接等によって接合され、ヒートスプレッダ１４を介して半導体チップ１１の表面側に備えられた半導体パワー素子のエミッタに繋がるパッドに電気的に接続されている。また、負極リード１６におけるヒートスプレッダ１４に接合された端部と反対側の端部は、樹脂モールド部２０から露出させられており、この露出部分を通じて外部との接続が行えるように構成されている。
制御端子１７は、半導体パワー素子のゲート配線や半導体パワー素子に流れる電流のセンス、半導体チップ１１の温度のセンス等に用いられるもので、半導体チップ１１の表面側に形成された半導体パワー素子のゲート等に接続されるパッドにボンディングワイヤ１８を介して電気的に接続されている。制御端子１７における半導体チップ１１と接続される端部と反対側の端部は、樹脂モールド部２０から露出させられており、この露出部分を通じて外部との接続が行えるように構成されている。なお、半導体チップ１１の表面とヒートスプレッダ１４との間が金属ブロック１２によって所定間隔空けられていることから、ボンディングワイヤ１８はヒートスプレッダ１４と干渉することなく、良好に半導体チップ１１と制御端子１７との電気的接続が行えるようになっている。
樹脂モールド部２０は、上述したユニット１０内に備えられる各構成部品（半導体チップ１１、金属ブロック１２、ヒートスプレッダ１３、１４、正極リード１５、負極リード１６および制御端子１７）の接続を終えたものを成形型内に設置したのち、その成形型内に樹脂を注入してモールド化することで構成される。具体的には、樹脂モールド部２０は、各構成部品を熱硬化性樹脂にてモールド化した熱硬化性樹脂モールド部２１と、熱硬化性樹脂モールド部２１の外縁部を覆うように配置された熱可塑性樹脂モールド部２２とによって構成されている。
熱硬化性樹脂モールド部２１は、例えばエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂にて構成されており、上述した各構成部品を覆いつつ、正極リード１５や負極リード１６および制御端子１７の一端側を露出させ、かつ、ヒートスプレッダ１３、１４の一面側を露出させるように構成されている。そして、樹脂モールド部２０のうち、この熱硬化性樹脂モールド部２１のみによって各構成部品の防水が行えるようになっている。また、熱硬化性樹脂モールド部２１は、一方向が長手方向となる長方板状とされ、その長辺を構成する一側面から正極リード１５および負極リード１６が引き出されており、その長辺と対向する長辺を構成する一側面から制御端子１７が引き出されている。このため、各構成部品を熱硬化性樹脂モールド部２１によって覆ったものによってパワーカードが構成され、このパワーカードの部分のみでもリユースが可能な構成とされている。
一方、熱可塑性樹脂モールド部２２は、例えばポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂等の熱硬化性樹脂にて構成されており、熱硬化性樹脂モールド部２１の外縁を覆いつつ、各構成部品のうち熱硬化性樹脂モールド部２１から露出させられている部分、すなわち正極リード１５や負極リード１６および制御端子１７の一端側やヒートスプレッダ１３、１４の一面側を露出させている。熱可塑性樹脂モールド部２２は、分離された上ピース２２１と下ピース２２２とによって構成され、これら各ピース２２１、２２２が熱硬化性樹脂モールド部２１の外縁部（コーナー部）を囲んでいる。熱可塑性樹脂モールド部２２のうちヒートスプレッダ１３、１４と対応する箇所には窓部２２ａ、２２ｂが形成されており、この窓部２２ａ、２２ｂを通じてヒートスプレッダ１３、１４が露出させられている。
また、熱可塑性樹脂モールド部２２は、半導体モジュール１の冷却機構を構成する冷媒通路としての水路３０（図１参照）の一部を構成している。具体的には、本実施形態の熱可塑性樹脂モールド部２２も、熱硬化性樹脂モールド部２１の長手方向と同方向を長手方向とする長円形板状部材にて構成されている。熱可塑性樹脂モールド部２２には、熱硬化性樹脂モールド部２１の長手方向両端よりも外側に突き出している部分に形成された主水路を構成する通路穴２２ｃと、熱可塑性樹脂モールド部２２の両面において外縁部よりも凹ませた凹部２２ｄとが形成されている。これら通路穴２２ｃや凹部２２ｄが水路３０の一部を構成しており、複数のユニット１０を積層したときに各通路穴２２ｃと凹部２２ｄとを含む水路３０が構成されるようになっている。
さらに、熱可塑性樹脂モールド部２２には、凹部２２ｄを囲むように形成されたシール部材セット用の溝部２２ｅが形成されている。この溝部２２ｅには後述するＯリング４２（図１参照）が嵌め込まれる。そして、複数のユニット１０を積層したときに、Ｏリング４２によりユニット１０同士の間のシールが為され、水路３０に流される冷媒としての冷却水が樹脂モールド部２０の外部に漏れることを防止している。このような構造により、各ユニット１０が構成されている。
さらに、半導体モジュール１には、図１に示すように蓋部４０、パイプ付蓋部４１、Ｏリング４２および固定具４３が備えられている。
蓋部４０およびパイプ付蓋部４１は、上記のように構成されたユニット１０を複数個積層したときの積層体の両先端部にそれぞれ配置されるものである。蓋部４０は、各ユニット１０の樹脂モールド部２０と対応する形状の板状部材で構成されている。蓋部４０を複数個積層したユニット１０の積層体の一方の先端部に配置したときに、蓋部４０とユニット１０との間には、凹部２２ｄによる隙間が形成されるようになっている。一方、パイプ付蓋部４１は、各ユニット１０の樹脂モールド部２０と対応する形状の板状部材に対して２本のパイプ４１ａ、４１ｂを備えた構成とされている。２本のパイプ４１ａ、４１ｂの一方は冷却水の入口、他方は冷却水の出口とされ、それぞれ各ユニット１０に形成された通路穴２２ｃと対応する位置に配置されている。また、パイプ付蓋部４１のうちユニット１０側の面には、シール部材セット用の溝部４１ｃが形成されている。
Ｏリング４２は、各ユニット１０に形成されたシール部材セット用の溝部２２ｅやパイプ付蓋部４１に形成されたシール部材セット用の溝部４１ｃ内に嵌め込まれ、積層された各ユニット１０の間やユニット１０と蓋部４０およびパイプ付蓋部４１の間をシールする。
固定具４３は、溝部２２ｅおよび溝部４１ｃ内にＯリング４２を嵌め込みつつ、積層した複数個のユニット１０の両先端部に蓋部４０およびパイプ付蓋部４１を配置したのち、蓋部４０およびパイプ付蓋部４１の両側から挟み込むことで固定するものである。この固定具４３によって固定されることで、パイプ４１ａ、４１ｂおよび各ユニット１０に形成した通路穴２２ｃおよび凹部２２ｄによる水路３０が構成された半導体モジュール１が構成されている。この固定具４３は着脱可能に構成されており、固定具４３を取り外すことにより、各ユニット１０や蓋部４０およびパイプ付蓋部４１が分解できるようになっている。本実施形態では、固定具４３は、両端がフックとされており、両端のフックの間の間隔が蓋部４０と複数個のユニット１０およびパイプ付蓋部４１を積層したときの幅よりも狭く、両フックの弾性力によって固定できるようになっている。なお、ここでは固定具４３を両端にフックを設けた構造としたが、勿論、固定具４３をネジ締め固定できるような構造としても構わない。
以上のような構造により、本実施形態にかかる半導体モジュール１が構成されている。このような構成の半導体モジュール１は、各ユニット１０の間やユニット１０と蓋部４０およびパイプ付蓋部４１の間がＯリング４２によってシールされているため、水路３０からの冷却水漏れを防止しつつ、冷却水による高い冷却効果により各ユニット１０に備えられた半導体チップ１１を冷却することができる。具体的には、パイプ４１ａおよび各ユニット１０に形成された２つの通路穴２２ｃのうちの一方にて一方の主水路３１が構成されると共に、各ユニット１０に形成された２つの通路穴２２ｃのうちの他方およびパイプ４１ｂにて構成されるもう一方の主水路３２が構成される。また、各ユニット１０の凹部２２ｄにて分岐水路３３が構成される。このため、図１中に矢印で示したように、パイプ４１ａから供給された冷却水が一方の主水路３１を通じて各ユニット１０に行き渡った後、分岐水路３３を通じてもう一方の主水路３２側に移動し、さらにその主水路３２からパイプ４１ｂを通じて排出される。このとき、各ユニット１０に備えられたヒートスプレッダ１３、１４が冷却水に接して冷却されるため、半導体チップ１１で発した熱を効果的に放出することが可能となる。
次に、上記のように構成される半導体モジュール１の製造方法について説明する。図３〜図４は、図１に示す半導体モジュール１の製造工程を示した断面図である。これらの図を参照して、半導体モジュール１の製造方法を説明する。なお、図３、図４では、図１（ｂ）と同断面における半導体モジュール１の製造工程を示しており、図５では、図１（ａ）と同断面における半導体モジュール１の製造工程を示してある。
〔図３（ａ）の工程〕
まず、正極リード１５や負極リード１６および制御端子１７が一体化されたリードフレーム付きヒートスプレッダ１３の表面側に、はんだ等を介してＩＧＢＴやＦＷＤなどの半導体パワー素子が形成された半導体チップ１１を実装したのち、半導体チップ１１の表面に形成された半導体パワー素子のゲート等に繋がるパッドと制御端子１７とをボンディングワイヤ１８にて接続する。そして、半導体チップ１１の表面にはんだ等を介して金属ブロック１２を接合する。
〔図３（ｂ）の工程〕
金属ブロック１２や負極リード１６の表面にはんだ等を設置した後、その上にリードフレーム付きヒートスプレッダ１４を配置し、金属ブロック１２とヒートスプレッダ１４とを接合する。
〔図３（ｃ）の工程〕
樹脂モールド部２０のうちの熱可塑性樹脂モールド部２２に対応する部分を用意する。熱可塑性樹脂モールド部２２は、分離された上ピース２２１と下ピース２２２とによって構成され、それぞれを図示しない成形型によって形成している。
〔図３（ｄ）の工程〕
トランスファー成形機などの成形型５０のうちの下型５１を用意する。下型５１には、下ピース２２２と対応する形状の凹部５１ａが形成されており、この凹部５１ａ内に下ピース２２２を配置する。また、下型５１の内部に、図３（ｂ）の工程まで行った各構成部品、つまり半導体チップ１１、金属ブロック１２、リードフレーム付きヒートスプレッダ１３、１４および制御端子１７の接続を終えたものを設置する。
〔図４（ａ）の工程〕
上ピース２２１をセットする。図示されていないが、上ピース２２１と下ピース２２２には両者の間隔を保ち、位置合わせをする柱とそれを受ける穴が形成されている。これら柱および穴はリードフレームおよび制御端子１７以外の位置に形成されている。
〔図４（ｂ）の工程〕
成形型５０のうちの上型５２を用意する。そして、下ピース２２２および各構成部品を配置した下型５１の上に上ピース２２１を配置し、上型５２を設置する。これにより、成形型５０内において、熱硬化性樹脂モールド部２１と対応する部分が空間として残った状態となる。
〔図４（ｃ）の工程〕
成形型５０内に備えられた図示しない樹脂注入口を通じて熱硬化性樹脂、例えばエポキシ樹脂を注入する。これにより、成形型５０内に残っていた空間内が熱硬化性樹脂にて埋め込まれ、熱硬化性樹脂モールド部２１が形成される。この後、成形型５０からの型抜きを行うことで、１つのユニット１０が完成する。
このように、熱硬化性樹脂モールド部２１を形成してから熱可塑性樹脂モールド部２２を形成するのではなく、熱可塑性樹脂モールド部２２を形成してから熱硬化性樹脂モールド部２１を形成するようにしている。このため、硬化前の熱硬化性樹脂の高い密着力を利用して、熱硬化性樹脂モールド部２１と熱可塑性樹脂モールド部２２との界面を高い密着力で貼り合わせることが可能となる。図６は、熱硬化性樹脂モールド部２１と熱可塑性樹脂モールド部２２との界面の密着部２３の様子を示した図である。この図中太線で示したように、熱硬化性樹脂モールド部２１と熱可塑性樹脂モールド部２２との界面全域が高い密着力で貼り合わせられた密着部２３となる。このため、熱硬化性樹脂モールド部２１と熱可塑性樹脂モールド部２２との界面に隙間が形成されないようにすることができる。
また、熱可塑性樹脂モールド部２２を正極リード１５や負極リード１６および制御端子１７から離間させ、これらと接する部分が熱硬化性樹脂モールド部２１で構成されるようにしている。このため、正極リード１５や負極リード１６および制御端子１７と樹脂モールド部２０との接触箇所に関しても、高い密着力を発揮させることが可能となる。
〔図５（ａ）の工程〕
図３および図４に示した工程を経て形成したユニット１０を必要数用意し、各ユニット１０における熱可塑性樹脂モールド部２２の溝部２２ｅ内にＯリング４２を嵌め込む。Ｏリング４２を溝部２２ｅに嵌め込んだユニット１０を複数個（図１中では３個）積層する。
〔図５（ｂ）の工程〕
蓋部４０およびパイプ付蓋部４１を用意し、パイプ付蓋部４１に形成されたシール部材セット用の溝部４１ｃにＯリング４２を嵌め込む。そして、積層した複数のユニット１０の積層方向の一方の先端部に蓋部４０を配置すると共に、他方の先端部にパイプ付蓋部４１を配置する。
〔図５（ｃ）の工程〕
蓋部４０と複数のユニット１０およびパイプ付蓋部４１を積層したものを固定具４３にて固定する。これにより、図１に示した本実施形態の半導体モジュール１が完成する。
以上のように構成された半導体モジュール１の一部のユニット１０が製造工程中や市場において故障した場合には、そのユニット１０を取替えることで半導体モジュール１をリユースする。
具体的には、一部のユニット１０に傷が付くなどによって故障したときには、まず、固定具４３を蓋部４０と複数のユニット１０およびパイプ付蓋部４１の積層構造から取り外す。例えば、固定具４３が上述したように両端にフックが備えられた構造とされている場合には、フックを弾性変形させることで固定具４３を上記積層構造から容易に取り外すことができる。また、固定具４３がネジ締めによって上記積層構造に固定されている構造であれば、固定具４３に備えられたネジを緩めることにより上記積層構造から容易に取り外すことができる。
続いて、故障したユニット１０、例えば図示したように樹脂モールド部２０に傷がついたユニット１０を選定し、蓋部４０と複数のユニット１０およびパイプ付蓋部４１を分割して、故障したユニット１０を取り外す。そして、故障したユニット１０を加熱炉などの加熱処理装置内に設置したのち、加熱処理装置による加熱を行う。このときの加熱温度としては、樹脂を加熱して行くと、急激に剛性と粘度が低下し、流動性が出るガラス転移点を指標に温度を決定する。熱可塑性樹脂モールド部２２のガラス転移点（軟化温度）以上、かつ、熱硬化性樹脂モールド部２１のガラス転移点（軟化温度）未満の温度とする。例えば、熱可塑性樹脂モールド部２２をポリフェニレンサルファイド樹脂で構成しており、熱硬化性樹脂モールド部２１をエポキシ樹脂で構成している場合には、ポリフェニレンサルファイド樹脂のガラス転移点以上かつエポキシ樹脂のガラス転移点未満である１２０℃に加熱する。なお、ガラス転位点は、樹脂およびフィラー量によって決まることから、それらを選択することにより、所望のガラス転位点となるように調整することができる。
そして、加熱処理装置内での加熱処理を続けることにより、故障したユニット１０のうち熱可塑性樹脂モールド部２２のみが軟化して除去可能となり、熱硬化性樹脂モールド部２１にて各構成部品が覆われたパワーカードのみとすることができる。なお、この温度での熱可塑性樹脂は液体と固体の中間状態であるため、自然に除去される訳ではないが、何らかの外力をかけることで、除去することができる。その後、熱可塑性樹脂パーツ間の接触に使われていた熱硬化性樹脂部（図２（ｂ）中に破線で示した領域Ａ）を機械的に除去する。
その後、熱硬化性樹脂モールド部２１にて各構成部品が覆われたパワーカードを熱可塑性樹脂モールド部２２を形成するための成形型内に配置したのち、成形型内に熱可塑性樹脂を注入し、パワーカードの外縁部を再び熱可塑性樹脂モールド部２２によって覆う。これにより、ユニット１０のリビルト品が完成する。このようなユニット１０のリビルト品を用いて、再びユニット１０を複数個積層したのち、積層した複数個のユニット１０の両先端部それぞれに蓋部４０およびパイプ付蓋部４１を配置し、さらに固定具４３にて固定する。これにより、故障したユニット１０をリビルト品に交換した半導体モジュール１が完成する。
このように、故障したユニット１０をリビルト品として再び用いることで、熱可塑性樹脂モールド部２２以外の部分が故障していない半導体チップ１１等の構成部品を廃棄することなく、リユースすることが可能となる。なお、リユースする際には熱硬化性樹脂モールド部２１がある状態で熱可塑性樹脂モールド部２２を形成することになるため、これらの間に高い密着力が得られなくなる可能性がある。冷却水圧が高いなど、液漏れが懸念される場合には、傷ついたユニット１０を上記図３〜図４に示した製造方法にて製造したユニット１０に置き換え、傷ついたユニット１０については熱可塑性樹脂モールド部２２を除去したパワーカードとして、他の製品のリビルト品として用いるようにしても良い。
以上説明したように、本実施形態の半導体モジュール１によれば、半導体チップ１１等の構成部品を熱硬化性樹脂モールド部２１にて覆うことで耐熱性を確保しつつ、熱硬化性樹脂モールド部２１の外縁部を熱可塑性樹脂モールド部２２にて覆うようにしている。また、熱可塑性樹脂モールド部２２によって水路３０の一部を構成し、半導体チップ１１等の構成部品を熱硬化性樹脂モールド部２１および熱可塑性樹脂モールド部２２にて覆ったユニット１０を積層することで、冷却機構を構成する水路３０が内蔵された構造を構成している。
このような構成の半導体モジュール１では、故障したユニット１０を良品のユニット１０に取り替えることにより、半導体モジュール１をリユースすることが可能となる。また、故障したユニット１０のうち熱可塑性樹脂モールド部２２以外の部分が故障していないような場合、例えば熱可塑性樹脂モールド部２２のみに傷がついたような場合には、熱可塑性樹脂モールド部２２を加熱して軟化させて除去し、熱可塑性樹脂モールド部２２以外の部分を用いてリビルト品を製造し、リユースできるようにしている。このため、故障していない半導体チップ１１等の構成部品を廃棄することなく、リユースすることが可能となる。
このように、ユニット１０の表面が傷ついたとしても、中身の半導体チップ１１等についてはリユースすることができる構造の半導体モジュール１とすることが可能となる。
特に、本実施形態のように複数個のユニット１０を積層した積層体とする構造において、そのうちの一部の表面が傷ついただけですべてのユニット１０を廃棄するのは好ましくない。したがって、本実施形態のように、故障したユニット１０を良品に交換する際の分解時等にユニット表面が傷ついたとしても、中身の半導体チップ１１等についてリユースできるようにすることで、より資源の有効活用を可能とすることができる。
そして、このような構造の半導体モジュール１を構成するユニット１０の樹脂モールド部２０を形成する際に、熱硬化性樹脂モールド部２１よりも先に熱可塑性樹脂モールド部２を形成しておき、その後、熱硬化性樹脂モールド部２１を形成するようにしている。このため、硬化前の熱硬化性樹脂の高い密着力に基づいて、熱硬化性樹脂モールド部２１と熱可塑性樹脂モールド部２２との間の界面の密着力を高くすることが可能となり、これらの界面の隙間を無くすことが可能となる。これにより、この界面を通じての冷却水漏れを抑制することが可能となる。
なお、本実施形態のような構造の場合、熱硬化性樹脂モールド部２１がユニット１０の外周において部分的に露出することになる。露出している熱硬化性樹脂の傷が問題になる場合は、図７に示すように熱硬化性樹脂モールド部２１の外縁部分が、熱可塑性樹脂モールド部２２の外縁部分よりも内側に形成されるような構造にすることにより、外力による傷が付かないようにすることは可能である。
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態の半導体モジュール１は、第１実施形態に対してヒートスプレッダ１３、１４の構成を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なっている部分についてのみ説明する。
図８は、本実施形態にかかる半導体モジュール１に備えられる１つのユニット１０の断面図である。この図に示されるように、本実施形態では、ヒートスプレッダ１３、１４のうち半導体チップ１１とは反対側の面を含めて、ヒートスプレッダ１３、１４における電気的な接続が行われない面の表面に絶縁膜１３ａ、１４ａを成膜している。
第１実施形態で説明したように、ヒートスプレッダ１３、１４のうち半導体チップ１１と反対側の面を樹脂モールド部２０から露出させ、この部分において冷却水に接することで、高い冷却効果が得られるようにしている。しかしながら、冷却用の冷媒として冷却水のように電気を流すようなものが用いられる場合には、ヒートスプレッダ１３、１４からのリークが生じる。例えば、ヒートスプレッダ１３、１４のうち樹脂モールド部２０から露出する部分を絶縁していないと、隣り合うユニット１０の間において対向するヒートスプレッダ１３、１４間が導通する可能性がある。
このため、本実施形態では、少なくともヒートスプレッダ１３、１４のうちの樹脂モールド部２０から露出する側の面に絶縁膜１３ａ、１４ａを形成している。この絶縁膜１３ａ、１４ａについては、例えば溶射などによって形成することができる。
このように、ヒートスプレッダ１３、１４のうちの樹脂モールド部２０から露出する側の面に絶縁膜１３ａ、１４ａを形成することで、ヒートスプレッダ１３、１４からのリークを防止できる。また、隣り合うユニット１０の間において対向するヒートスプレッダ１３、１４間が導通することも防止できる。さらに、ヒートスプレッダ１３、１４のうちの樹脂モールド部２０から露出する側の面に加えて側面にも絶縁膜１３ａ、１４ａを形成しているため、より確実にヒートスプレッダ１３、１４からのリークやヒートスプレッダ１３、１４間での導通を防止することが可能となる。
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態の半導体モジュール１は、第２実施形態と同様にヒートスプレッダ１３、１４の構成を変更しつつ、さらに、より冷却効果を高めるための構成を採用したものであり、その他に関しては第２実施形態と同様であるため、第２実施形態と異なっている部分についてのみ説明する。
図９は、本実施形態にかかる半導体モジュール１に備えられる１つのユニット１０の断面図である。この図に示されるように、本実施形態では、ヒートスプレッダ１３、１４のうち半導体チップ１１とは反対側の面に形成した絶縁膜１３ａ、１４ａの上に金属膜６０を介して金属フィン６１を配置している。
金属膜６０は、例えばアルミニウムなどによって構成されており、金属フィン６１もアルミニウム等で構成されている。金属フィン６１は、複数本のピンが備えられたピンフィン、ウェーブ状の突起部が備えられたウェーブフィン、直線状の突起部が備えられたストレートフィンなど、どのようなタイプのフィンであっても構わない。
このように、金属フィン６１を備えることにより、冷却水と接する面積が増大され、より冷却効果を高めることが可能となる。また、冷却フィン６１によって冷却水の流れに乱流を発生させることができるため、より冷却効果を高められる。
このように、ヒートスプレッダ１３、１４のうちの樹脂モールド部２０から露出する側の面に絶縁膜１３ａ、１４ａを形成することで、第２実施形態と同様の効果を得つつ、金属フィン６１を備えることで、より冷却効果を高めることができる。
また、金属フィン６１については、導電性接着剤のように熱伝導率の高い接着剤を介して絶縁膜１３ａ、１４ａに接着されるようにできるが、フィン形状によっては接着が難しい。これに対して、本実施形態では、ヒートスプレッダ１３、１４に形成した絶縁膜１３ａ、１４ａに金属膜６０を貼り付け、この金属膜６０に対して金属フィン６１を接合するようにしているため、超音波接合などによって容易に金属フィン６１を接合することができる。なお、金属膜６０については複雑な形状ではないため、導電性接着剤等の熱伝達率の高いものによってヒートスプレッダ１３、１４の絶縁膜１３ａ、１４ａに容易に貼り付けることができる。
（他の実施形態）
上記実施形態では、三相モータを駆動するインバータに対して半導体モジュール１を適用する場合を例に挙げて説明したが、インバータに限らず、他の装置に本発明の半導体モジュール１を適用しても良い。
上記実施形態では、冷媒として冷却水を例に挙げて説明したが、他の冷媒を用いても構わない。
１ 半導体モジュール
１０ ユニット
１１ 半導体チップ
１３、１４ ヒートスプレッダ
１５ 正極リード
１６ 負極リード
１７ 制御端子
２１ 熱硬化性樹脂モールド部
２２ 熱可塑性樹脂モールド部
２２ｃ 通路穴
２２ｄ 凹部
２２ｅ 溝部
３０ 水路
４０ 蓋部
４１ パイプ付蓋部
４１ｃ 溝部
４２ Ｏリング
４３ 固定具
６０ 金属膜
６１ 金属フィン

Claims (6)

  1. 表面および裏面を有し、半導体パワー素子が形成された半導体チップ（１１）と、
    前記半導体チップ（１１）の裏面側に接続される第１ヒートスプレッダ（１３）と、
    前記半導体チップ（１１）の表面側に接続される第２ヒートスプレッダ（１４）と、
    前記半導体パワー素子に電気的に接続される端子（１５〜１７）と、
    前記半導体パワー素子に電気的に接続された前記端子（１５〜１７）の一部を露出させると共に、前記第１、第２ヒートスプレッダ（１３、１４）のうち前記半導体チップ（１１）と反対側の面を露出させつつ、前記半導体チップ（１１）、前記第１、第２ヒートスプレッダ（１３、１４）および前記端子（１５〜１７）を覆い、かつ、冷媒が流される冷媒通路の一部を構成する樹脂モールド部（２０）と、を有し、
    前記半導体チップ（１１）、前記第１、第２ヒートスプレッダ（１３、１４）、前記端子（１５〜１７）を前記樹脂モールド部（２０）にてモールド化したものを１つのユニット（１０）として、該ユニット（１０）の両端を蓋部（４０、４１）にて挟み込んで固定部（４３）にて固定した半導体モジュールの製造方法であって、
    前記樹脂モールド部（２０）を形成する工程として、
    前記半導体パワー素子に電気的に接続された前記端子（１５〜１７）の一部を露出させると共に、前記第１、第２ヒートスプレッダ（１３、１４）のうち前記半導体チップ（１１）と反対側の面を露出させつつ、前記半導体チップ（１１）、前記第１、第２ヒートスプレッダ（１３、１４）および前記端子（１５〜１７）を覆うように、熱硬化性樹脂により熱硬化性樹脂モールド部（２１）を形成する工程と、
    前記熱硬化性樹脂モールド部（２１）の外縁部に配置され、前記冷媒通路（３０）の一部を構成し、かつ、前記熱硬化性樹脂よりもガラス転位点が低い熱可塑性樹脂により熱可塑性樹脂モールド部（２２）を形成する工程とを行い、
    前記熱硬化性樹脂モールド部（２１）を形成する工程よりも前に、前記熱可塑性樹脂モールド部（２２）を形成する工程を行うことを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
  2. 前記熱可塑性樹脂モールド部（２２）を形成する工程では、前記熱可塑性樹脂を成形することにより、前記熱可塑性樹脂モールド部（２２）を形成しておき、
    前記熱硬化性樹脂モールド部（２１）を形成する工程では、成形型（５０）内に前記熱可塑性樹脂モールド部（２２）と前記半導体チップ（１１）、前記第１、第２ヒートスプレッダ（１３、１４）、前記端子（１５〜１７）を配置したのち、前記成形型（５０）内に前記熱硬化性樹脂を注入し、前記熱硬化性樹脂モールド部（２１）を成形することを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュールの製造方法。
  3. 前記熱硬化性樹脂モールド部（２１）を形成する工程では、前記熱可塑性樹脂モールド部（２２）を前記端子（１５〜１７）から離間させ、前記熱可塑性樹脂モールド部（２２）と前記端子（１５〜１７）との間に前記熱硬化性樹脂モールド部（２１）が形成されるようにすることを特徴とする請求項２に記載の半導体モジュールの製造方法。
  4. 前記熱硬化性樹脂としてエポキシ、フェノール、シリコーン、ウレタン樹脂を用いることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の半導体モジュールの製造方法。
  5. 前記熱可塑性樹脂としてポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリブチレンテレフタレート、ナイロン、ポリエチレン、ポリプロピレンを用いることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の半導体モジュールの製造方法。
  6. 前記ユニット（１０）を複数個形成し、該複数個のユニット（１０）を積層することで積層体を構成すると共に、該積層体の両先端部を前記蓋部（４０、４１）にて覆った状態で前記固定具（４３）にて固定することで前記半導体モジュールを完成させる工程を含んでいることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の半導体モジュールの製造方法。
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