JP2013046016A - 半導体装置とその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、部品点数を削減しつつ、十分な接合強度で半導体モジュールを冷却体に固定でき、かつ半導体モジュールを十分に冷却できる半導体装置とその製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】本願の発明に係る半導体装置10は、金属で形成された熱伝導部16と、該熱伝導部を表面に露出させるモールド樹脂18を有する半導体モジュール14と、接合材20により該半導体モジュール14に固定された冷却体12と、該熱伝導部16と該冷却体12の間に形成され、該熱伝導部16と該冷却体12を熱接続する熱伝導材22と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】図1

Description

本発明は、例えば、大電力の制御などに用いられる半導体装置とその製造方法に関する。
特許文献1には、半導体素子を樹脂封止した半導体モジュールを、冷却フィン(冷却体)にねじ止めした半導体装置が開示されている。
特開2006−100327号公報 特開2001−250890号公報
半導体装置の部品点数を削減するためには、ねじなどを用いずに半導体モジュールを冷却体に固定することが望ましい。ねじなどを用いない場合は、何らかの材料を介して半導体モジュールを冷却体に固定しなければならない。ところが、半導体モジュールを冷却体に固定するために好適な材料を用いると半導体モジュールの冷却が不十分となることがある。他方、半導体モジュールの冷却に好適な材料で半導体モジュールを冷却体に固定しようとするとその固定が不十分となることがある。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、部品点数を削減しつつ、十分な接合強度で半導体モジュールを冷却体に固定でき、かつ半導体モジュールを十分に冷却できる半導体装置とその製造方法を提供することを目的とする。
本願の発明に係る半導体装置は、金属で形成された熱伝導部と、該熱伝導部を表面に露出させるモールド樹脂を有する半導体モジュールと、接合材により該半導体モジュールに固定された冷却体と、該熱伝導部と該冷却体の間に形成され、該熱伝導部と該冷却体を熱接続する熱伝導材と、を備えたことを特徴とする。
本願の発明に係る半導体装置の製造方法は、冷却体の表面に熱伝導材を形成する工程と、該冷却体の表面に突起部を有する接合材を形成する工程と、金属で形成された熱伝導部と該熱伝導部を表面に露出させるモールド樹脂を有する半導体モジュールの該モールド樹脂に、樹脂溝を形成する工程と、該突起部が該樹脂溝の内壁に接し、かつ該熱伝導材が該熱伝導部と重なるように該冷却体と該半導体モジュールを一体化する工程と、を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、半導体モジュールと冷却体の間に、接合材と熱伝導材を形成するので、部品点数を削減しつつ、十分な接合強度で半導体モジュールを冷却体に固定でき、かつ半導体モジュールを十分に冷却できる。
本発明の実施の形態1に係る半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態1に係る半導体装置の半導体モジュールを冷却体に固定することを示す斜視図である。 本発明の実施の形態1に係る半導体装置の変形例を示す断面図である。 本発明の実施の形態1に係る半導体装置の他の変形例を示す断面図である。 本発明の実施の形態2に係る半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態2に係る半導体装置の冷却体を示す斜視図である。 本発明の実施の形態2に係る半導体装置の冷却体、熱伝導材、及び接合材を示す斜視図である。 本発明の実施の形態3に係る半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態3に係る半導体装置の変形例を示す断面図である。 本発明の実施の形態4に係る半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態5に係る半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態5に係る半導体装置の冷却体と半導体モジュールを一体化することを示す断面図である。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る半導体装置の断面図である。半導体装置10は、冷却体12を備えている。冷却体12は、例えば銅などの金属で形成されている。冷却体12の上方には、半導体モジュール14が形成されている。半導体モジュール14は、金属で形成された熱伝導部16と、熱伝導部16を表面に露出させるモールド樹脂18を有している。半導体モジュール14は、例えばIGBTなどの半導体素子をトランスファーモールド法により樹脂封止して形成されるものである。
半導体モジュール14と冷却体12の間の部分について説明する。半導体モジュール14と冷却体12の間には、接合材20と熱伝導材22が形成されている。接合材20は、半導体モジュール14のモールド樹脂18を冷却体12に固定している。接合材20は絶縁材料で形成されている。熱伝導材22は、熱伝導部16と冷却体12の間に形成され、熱伝導部16と冷却体12を熱接続している。熱伝導材22は、導電性を有する熱伝導に優れた材料で形成されている。
図2は、本発明の実施の形態1に係る半導体装置の半導体モジュールを冷却体に固定することを示す斜視図である。接合材20は、熱伝導材22を囲むように形成されている。半導体モジュール14を矢印方向に移動させて冷却体12に固定すると、接合材20により、熱伝導部16と熱伝導材22は外部と遮断される。
本発明の実施の形態1に係る半導体装置によれば、半導体モジュール14を冷却体12に固定するために好適な材料である接合材20を用いるため、十分な接合強度で半導体モジュール14を冷却体12に固定できる。さらに、半導体モジュール14の冷却に好適な材料である熱伝導材22を用いて熱伝導部16と冷却体12を熱接続しているので、半導体モジュール14を十分に冷却できる。また、ねじなどを用いないので、半導体装置10の部品点数を削減できる。よって、本発明の実施の形態1に係る半導体装置によれば、部品点数を削減しつつ、十分な接合強度で半導体モジュール14を冷却体12に固定でき、かつ半導体モジュール14を十分に冷却できる。
ところで、導電性の高い材料ほど熱伝導性に優れることが知られている。本発明の実施の形態1に係る半導体装置では、熱伝導材22は、導電性を有する熱伝導に優れた材料で形成したため、良好な熱伝導が期待できる。しかも、絶縁材料で形成された接合材20が熱伝導部16と熱伝導材22を外部と遮断するので、熱伝導材22の外部に対する絶縁を確保できる。半導体モジュールの絶縁性を確保することは、高電圧駆動するパワー半導体を有する半導体モジュールなどにおいて特に有効である。
図3は、本発明の実施の形態1に係る半導体装置の変形例を示す断面図である。モールド樹脂18の接合材20と接する部分には、アンカー部24を形成して表面粗さを高めている。そのため、モールド樹脂18の接合材20と接する部分は、モールド樹脂18が接合材20と接しない部分と比較して表面粗さが大きい。よって、接合材20による半導体モジュール14と冷却体12の接合を強化することができる。
図4は、本発明の実施の形態1に係る半導体装置の他の変形例を示す断面図である。モールド樹脂18の接合材20と接する部分は、親水処理が施されることにより親水部26が形成されている。そのため、モールド樹脂18の接合材20と接する部分は、モールド樹脂18が接合材20と接しない部分と比較して親水性が高い。よって、接合材20による半導体モジュール14と冷却体12の接合を強化することができる。なお、上述したもの以外の表面処理をモールド樹脂18に施して、接合材20による半導体モジュール14と冷却体12の接合を強化してもよい。
その他、本発明の特徴を逸脱しない範囲において様々な変形が可能である。例えば、接合材20は絶縁材料以外の材料で形成してもよい。熱伝導材22は、導電性を有する材料で形成したが、例えば、シリコングリースなどで形成してもよい。熱伝導材22をシリコングリースなどの絶縁体で形成すると、半導体モジュール14の絶縁確保が容易になる。また、モールド樹脂18の内部の半導体素子と熱伝導部16を絶縁体で絶縁すると、半導体モジュールの絶縁を確保できる。
実施の形態2.
本発明の実施の形態2に係る半導体装置については、説明の重複を避けるために、前述した実施の形態1に係る半導体装置との相違点を中心に説明する。図5は、本発明の実施の形態2に係る半導体装置の断面図である。冷却体12には冷却体溝12aが形成されている。熱伝導材22と接合材30は、冷却体溝12aを介して離間している。
図6は、本発明の実施の形態2に係る半導体装置の冷却体を示す斜視図である。冷却体12には、枠状に冷却体溝12aが形成されている。図7は、本発明の実施の形態2に係る半導体装置の冷却体、熱伝導材、及び接合材を示す斜視図である。接合材30は、熱伝導材22を囲むように形成されている。
本発明の実施の形態1において説明した通り、熱伝導材22は半導体モジュール14の冷却のために形成され、接合材30は半導体モジュール14と冷却体12との接合のために形成される。熱伝導材22と接合材30は異なる機能を有しており、混合すると機能を維持できなくなるおそれがある。しかしながら、本発明の実施の形態2に係る半導体装置によれば、熱伝導材22と接合材30は冷却体溝12aを介して離間しているため、両者が混合することを回避できる。
実施の形態3.
本発明の実施の形態3に係る半導体装置については、説明の重複を避けるために、前述した実施の形態1に係る半導体装置との相違点を中心に説明する。図8は、本発明の実施の形態3に係る半導体装置の断面図である。接合材40は、モールド樹脂18の側面18aに及ぶように形成されている。また、熱伝導部16の熱伝導材22と接する面と、モールド樹脂18の底面18bは一平面を形成している。
本発明の実施の形態3に係る半導体装置によれば、接合材40が側面18aに及ぶように形成されているので、接合材40による半導体モジュール14と冷却体12の接合を強化することができる。また、熱伝導部16の熱伝導材22と接する面と、モールド樹脂18の底面18bは一平面を形成するため、底面18bと冷却体12の間隙が狭くなる。よって、容易に接合材40を側面18aに及ぼすことができる。
図9は、本発明の実施の形態3に係る半導体装置の変形例を示す断面図である。モールド樹脂18の底面外周に切り欠きを形成することで、側面18cが表れている。接合材50はこの側面18cに及ぶように形成されている。このように構成すると、図8を参照して説明した半導体装置よりも接合材の使用量を抑制しつつ、半導体モジュール14と冷却体12の接合を強化することができる。
実施の形態4.
本発明の実施の形態4に係る半導体装置については、説明の重複を避けるために、前述した実施の形態1に係る半導体装置との相違点を中心に説明する。図10は、本発明の実施の形態4に係る半導体装置の断面図である。モールド樹脂18の冷却体12に対向する面には、樹脂溝18dが形成されている。接合材60は樹脂溝18dを埋めるように形成されている。本発明の実施の形態4に係る半導体装置によれば、接合材60が樹脂溝18dを埋めるように形成されているので接合材60による半導体モジュール14と冷却体12の接合を強化することができる。
実施の形態5.
本発明の実施の形態5に係る半導体装置とその製造方法については、説明の重複を避けるために、前述した実施の形態1に係る半導体装置との相違点を中心に説明する。図11は、本発明の実施の形態5に係る半導体装置の断面図である。接合材70の突起部70aは、樹脂溝18dの内壁の一部に接している。
本発明の実施の形態5に係る半導体装置の製造方法について説明する。図12は、本発明の実施の形態5に係る半導体装置の冷却体と半導体モジュールを一体化することを示す断面図である。冷却体12の表面に熱伝導材22を形成する。そして、冷却体12の表面に突起部70aを有する接合材70を形成する。接合材70は熱伝導材22と離間するように形成する。金属で形成された熱伝導部16と、熱伝導部16を表面に露出させるモールド樹脂18を有する半導体モジュール14を形成する。モールド樹脂18に樹脂溝18dを形成する。ここまでの工程の順序は適宜入れ替えてもよい。
次いで、冷却体12と半導体モジュール14を一体化する。この工程では、突起部70aが樹脂溝18dの内壁に接し、かつ熱伝導材22が熱伝導部16と重なるように冷却体12と半導体モジュール14を一体化する。このとき、突起部70aが樹脂溝18dの内部に入るようにすることで、冷却体12と半導体モジュール14を位置合わせする。
本発明の実施の形態5に係る半導体装置の製造方法によれば、突起部70aを位置合わせの基準として用いて冷却体12と半導体モジュール14を一体化するので半導体装置の組み立て精度を高めることができる。また、突起部70aは樹脂溝18dの内壁に接するので、半導体モジュール14と冷却体12の接合を強化することができる。また、接合材70は熱伝導材22と離間しているため、接合材70が熱伝導材22の方向に拡散したとしても、樹脂溝18dが当該拡散分を格納し接合材70と熱伝導材22の混合を防止できる。
本発明の実施の形態5に係る半導体装置の製造方法は、冷却体12と半導体モジュール14の一体化の際の位置合わせに突起部70aを活用しつつ、その突起部70aを樹脂溝18dに接合することで半導体モジュール14と冷却体12の接合を強化することを特徴とする。なお、接合材70を熱伝導材22と離間して形成することは必須ではない。
本発明の実施の形態2以降で説明した半導体装置は、少なくとも本発明の実施の形態1に係る半導体装置と同程度の変形が可能である。また、各実施の形態で説明した特徴を適宜組み合わせてもよい。
10 半導体装置、 12 冷却体、 12a 冷却体溝、 14 半導体モジュール、 16 熱伝導部、 18 モールド樹脂、 18a 側面、 18b 底面、 18d 樹脂溝、 20 接合材、 22 熱伝導材、24 アンカー部、 26 親水部、 70 接合材、 70a 突起部

Claims (10)

  1. 金属で形成された熱伝導部と、前記熱伝導部を表面に露出させるモールド樹脂を有する半導体モジュールと、
    接合材により前記半導体モジュールに固定された冷却体と、
    前記熱伝導部と前記冷却体の間に形成され、前記熱伝導部と前記冷却体を熱接続する熱伝導材と、
    を備えたことを特徴とする半導体装置。
  2. 前記半導体モジュールは、前記モールド樹脂で樹脂封止された半導体素子を備え、
    前記接合材は絶縁材料で形成され、
    前記接合材は、前記熱伝導部と前記熱伝導材を外部と遮断するように形成され、
    前記熱伝導部は、前記半導体素子と絶縁されたことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記冷却体には冷却体溝が形成され、
    前記熱伝導材と前記接合材は、前記冷却体溝を介して離間することを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。
  4. 前記接合材は、前記モールド樹脂の側面に及ぶように形成されたことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体装置。
  5. 前記モールド樹脂の前記冷却体に対向する面には樹脂溝が形成され、
    前記接合材は前記樹脂溝を埋めるように形成されたことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の半導体装置。
  6. 前記接合材は前記モールド樹脂に接し、
    前記モールド樹脂の前記接合材と接する部分は、前記モールド樹脂が前記接合材と接しない部分と比較して表面粗さが大きいことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の半導体装置。
  7. 前記接合材は前記モールド樹脂に接し、
    前記モールド樹脂の前記接合材と接する部分は、前記モールド樹脂が前記接合材と接しない部分と比較して親水性が高いことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の半導体装置。
  8. 前記熱伝導材は導電性の材料で形成されたことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の半導体装置。
  9. 前記熱伝導材はシリコングリースで形成されたことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の半導体装置。
  10. 冷却体の表面に熱伝導材を形成する工程と、
    前記冷却体の表面に突起部を有する接合材を形成する工程と、
    金属で形成された熱伝導部と前記熱伝導部を表面に露出させるモールド樹脂を有する半導体モジュールの前記モールド樹脂に、樹脂溝を形成する工程と、
    前記突起部が前記樹脂溝の内壁に接し、かつ前記熱伝導材が前記熱伝導部と重なるように前記冷却体と前記半導体モジュールを一体化する工程と、
    を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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