JP2015133402A

JP2015133402A - 半導体モジュールの製造方法

Info

Publication number: JP2015133402A
Application number: JP2014004021A
Authority: JP
Inventors: 憲宗織本; Norimune Orimoto; 勇輝井手; Yuki Ide
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-01-14
Filing date: 2014-01-14
Publication date: 2015-07-23

Abstract

【課題】フィン表面の樹脂付着を防止しながら液冷式の冷却器を有する半導体モジュールを簡易に製造する技術を提供すること。
【解決手段】半導体モジュール１の製造方法は、フィン４４の周囲がカバー４６で囲まれた状態でモールド樹脂５０をモールド成形する工程を備える。
【選択図】図５

Description

本明細書は、液冷式の冷却器を有する半導体モジュールの製造方法に関する。

特許文献１は、フィンの周囲の平坦面に金型を当接させた状態で樹脂をモールド成形する技術を開示する。フィンの周囲の平坦面に金型を当接させることで、樹脂がその当接面を越えてフィン側に侵入することが防止される。これにより、フィン表面の樹脂付着が防止され、冷却能の低下が抑えられる。

特開２００９−２９５８０８号公報

フィン表面の樹脂付着を防止しながら液冷式の冷却器を有する半導体モジュールを簡易に製造する技術が必要とされている。

本明細書は、液冷式の冷却器を有する半導体モジュールの製造方法を開示する。本明細書で開示される製造方法は、フィンの周囲がカバーで囲まれた状態で樹脂をモールド成形する工程を備える。フィンの周囲を囲むカバーは、樹脂をモールド成形するときに、フィン表面の樹脂付着を防止することができる。さらに、フィンの周囲を囲むカバーは、液冷式の冷却器の流路を画定することができる。このように、樹脂をモールド成形する工程に先立ってフィンの周囲をカバーで囲むことにより、カバーが樹脂の侵入を防ぐ役割と流路を画定する役割を担うことができる。

半導体モジュールの要部断面図を模式的に示す。図１のII-II線に対応した断面図を示す（ただし、モールド樹脂から突出する端子の図示は省略）。半導体モジュールの製造方法の一工程を示す。半導体モジュールの製造方法の一工程を示す。半導体モジュールの製造方法の一工程を示す。変形例の半導体モジュールの製造方法の一工程を示す。変形例の半導体モジュールの製造方法の一工程を示す。図２に対応した断面図であり、変形例の半導体モジュールを示す。図２に対応した断面図であり、変形例の半導体モジュールを示す。

図１に示す半導体モジュール１は、車両（例えば、ハイブリッド車両、電気自動車）に搭載される三相交流モータ（図示省略）に交流電力を供給するインバータの上相に用いられる。半導体モジュール１は、回路部１０、配線部２０、一対の絶縁部３０、一対の冷却器４０及びモールド樹脂５０を備える。ここで、回路部１０及び配線部２０を間に置いて対向配置される一対の絶縁部３０は、共通形態であり、同一符号を付す。同様に、回路部１０、配線部２０及び一対の絶縁部３０を間に置いて対向配置される一対の冷却器４０は、共通形態であり、同一符号を付す。

回路部１０は、ＭＯＳＦＥＴ１２、第１金属ブロック１４、ダイオード１６及び第２金属ブロック１８を有する。ＭＯＳＦＥＴ１２は、炭化珪素を材料として形成されている。第１金属ブロック１４は、ＭＯＳＦＥＴ１２に対応した板状の形態を有しており、電気抵抗が低く、熱伝導性が高い材料で形成されている。一例では、第１金属ブロック１４の材料に銅が用いられる。第１金属ブロック１４は、鉛フリーはんだを介してＭＯＳＦＥＴ１２のソースに固定されている。ダイオード１６は、ＭＯＳＦＥＴ１２に並列に接続されており、還流ダイオードとして機能する。ダイオード１６は、炭化珪素を材料として形成されている。第２金属ブロック１８は、ダイオード１６に対応した板状の形態を有しており、電気抵抗が低く、熱伝導性が高い材料で形成されている。一例では、第２金属ブロック１８の材料に銅が用いられる。第２金属ブロック１８は、鉛フリーはんだを介してダイオード１６のアノードに固定されている。ＭＯＳＦＥＴ１２、第１金属ブロック１４、ダイオード１６及び第２金属ブロック１８は、モールド樹脂５０で封止されている。

配線部２０は、第１ヒートスプレッダー２２、高電位端子２３、出力端子２４、第２ヒートスプレッダー２５及び制御端子２６を有する。ヒートスプレッダー２２，２５は、板状の形態を有しており、電気抵抗が低く、熱伝導性が高い材料で形成されている。一例では、ヒートスプレッダー２２，２５の材料に銅が用いられる。

ＭＯＳＦＥＴ１２と第１金属ブロック１４の組が、第１ヒートスプレッダー２２と第２ヒートスプレッダー２５の間に配置されている。ＭＯＳＦＥＴ１２のドレインが鉛フリーはんだを介して第１ヒートスプレッダー２２に固定されており、第１金属ブロック１４が鉛フリーはんだを介して第２ヒートスプレッダー２５に固定されている。ダイオード１６と第２金属ブロック１８の組が、第１ヒートスプレッダー２２と第２ヒートスプレッダー２５の間に配置されている。ダイオード１６のカソードが鉛フリーはんだを介して第１ヒートスプレッダー２２に固定されており、第２金属ブロック１８が鉛フリーはんだを介して第２ヒートスプレッダー２５に固定されている。

高電位端子２３は、一端が第１ヒートスプレッダー２２に接続されており、他端が直流電源の正極に接続される。この例では、高電位端子２３は、第１ヒートスプレッダー２２と一体成形されている。出力端子２４は、一端が第２ヒートスプレッダー２５に接続されており、他端が三相交流モータ（図示省略）に接続される。この例では、出力端子２４は、第２ヒートスプレッダー２５と一体成形されている。制御端子２６は、一端がボンディングワイヤを介してＭＯＳＦＥＴ１２のゲートに接続されており、他端が制御ＩＣ（図示せず）に接続される。ヒートスプレッダー２２，２５は、モールド樹脂５０で封止されている。高電位端子２３、出力端子２４及び制御端子２６の各々は、一部がモールド樹脂５０で封止されている。

一対の絶縁部３０の各々は、絶縁基板として機能しており、配線部２０と冷却器４０を電気的に絶縁分離する。絶縁部３０は、第１金属層３２、絶縁層３４及び第２金属層３６を有する。第１金属層３２と絶縁層３４はロウ付けされており、第２金属層３６と絶縁層３４もロウ付けされている。一例では、第１金属層３２及び第２金属層３６の材料にアルミニウム又は銅が用いられる。一例では、絶縁層３４の材料に窒化アルミニウム又は窒化ケイ素が用いられる。第１金属層３２、絶縁層３４及び第２金属層３６は、モールド樹脂５０で封止されている。

一対の冷却器４０の各々は、天板４２、複数のフィン４４及びカバー４６を有する。天板４２は、板状の形態を有しており、熱伝導性が高い材料で形成されている。一例では、天板４２の材料にアルミニウム又は銅が用いられる。絶縁部３０は、天板４２の一方の面にロウ付けされている。複数のフィン４４は、天板４２の他方の面に固定されており、熱伝導性が高い材料で形成されている。一例では、フィン４４の材料にアルミニウム又は銅が用いられる。天板４２と複数のフィン４４が一体成形されていてもよい。カバー４６は、複数のフィン４４の周囲を囲むように、天板４２に固定されている。カバー４６と天板４２で構成される閉空間は、冷却用媒体の流路を画定する。一例では、カバー４６の材料にアルミニウム、銅又はエンジニアリングプラスチックが用いられる。

カバー４６は、複数のフィン４４を収容可能な深さを有する皿状の形態を有しており、底面４６ａ、側面４６ｂ及び接着面４６ｃを有する。図２に示されるように、一例では、カバー４６の平面形状は、多角形の形態を有している。破線４８ａ，４８ｂは、カバー４６の底面４６ａに形成されている貫通孔の位置を示す。貫通孔４８ａが冷却用媒体の流入口であり、貫通孔４８ｂが冷却用媒体の流出口である。なお、図１に示されるように、この例では、モールド樹脂５０は、カバー４６の底面４６ａを被覆していない。この例に代えて、モールド樹脂５０は、貫通孔４８ａ，４８ｂのみが露出するように、カバー４６の底面４６ａの大部分を被覆していてもよい。モールド樹脂５０がカバー４６の底面４６ａの大部分を被覆していると、カバー４６と天板４２の接合強度が向上する。

図１に示されるように、接着面４６ｃは、側面４６ｂの一端から側方へ突出した鍔状の形態を有している。接着面４６ｃは、モールド樹脂５０で被覆されている。このため、モールド樹脂５０が接着面４６ｃと天板４２の熱膨張を拘束するので、接着面４６ｃと天板４２の接合が補強される。さらに、接着面４６ｃがモールド樹脂５０で被覆されていると、接着面４６ｃと天板４２の接合部が外部に露出しないので、接合部の腐食が抑えられる。これにより、カバー４６と天板４２の接合強度が長期間に亘って維持される。さらに、接着面４６ｃがモールド樹脂５０で被覆されていると、接着面４６ｃと天板４２の接合部にクラックが生じたとしても、冷却用媒体が接合部から漏洩することが抑えられ、半導体モジュール１の信頼性が向上する。

次に、半導体モジュール１の製造方法を説明する。図３に示されるように、一対の天板４２の間に回路部１０、配線部２０及び一対の絶縁部３０を固定した後、複数のフィン４４の周囲を囲むように、カバー４６を天板４２に固定する。この段階では、冷却用媒体の流入出口である貫通孔４８ａ，４８ｂ（図２参照）がカバー４６に形成されていない。このため、複数のフィン４４は、カバー４６と天板４２によって外部から隔離される。カバー４６と天板４２は、導電性接着剤を用いて接着してもよい。あるいは、カバー４６と天板４２は、超音波接合、溶接又はロウ付け等の接合技術を利用して接合してもよい。なお、これら接合技術を利用する場合、一対の天板４２の間に回路部１０、配線部２０及び一対の絶縁部３０を固定する前に、カバー４６と天板４２を予め接合しておくのが望ましい。カバー４６と天板４２を予め接合することで、これら接合技術を実施するときに発生する熱又は振動が回路部１０等に伝達されることがない。

次に、図４に示されるように、上側金型６０ａと下側金型６０ｂで画定される充填空間６２に、モールド成形前の半導体モジュール１を配置する。上側金型６０ａと下側金型６０ｂは、各端子２３，２４，２６を矜持することでモールド成形前の半導体モジュール１を充填空間６２内に位置決めする。このように、金型６０ａ，６０ｂは、各端子２３，２４，２６及び各端子２３，２４，２６を含むリードフレームを製造する際に形成される枠やダイバー等と接触する。また、半導体モジュール１の重量が重い場合、下側金型６０ｂの一部がカバー４６と接触して半導体モジュール１を支えても良い。この結果、上側金型６０ａと下側金型６０ｂの間の押力（２０ton以上）が、回路部１０と配線部２０と絶縁部３０と冷却器４０が積層する部分に印加されない。この結果、ＭＯＳＦＥＴ１２、ダイオード１６及び鉛フリーはんだ等に加わる機械的負荷が軽減される。

次に、図５に示されるように、充填空間６２にモールド樹脂５０を充填する。次に、モールド樹脂５０が硬化した後、カバー４６の底面４６ａを被覆するモールド樹脂５０を除去し、カバー４６の底面４６ａに貫通孔４８ａ，４８ｂ（図２参照）を形成する。

このように、半導体モジュール１の製造方法では、金型６０ａ，６０ｂの充填空間６２にモールド樹脂５０を充填するのに先立って、複数のフィン４４の周囲を囲むようにカバー４６を天板４２に固定することを特徴としている。これにより、カバー４６は、モールド樹脂５０が複数のフィン４４の表面に付着するのを防止し、冷却能が低下するのを抑制する。さらに、モールド樹脂５０がモールド成形された後、カバー４６には冷却用媒体の流入出口である貫通孔４８ａ，４８ｂ（図２参照）が形成される。これにより、カバー４６は、冷却用媒体が流れる流路を画定することができる。このように、カバー４６は、複数のフィン４４の表面にモールド樹脂５０が付着することを防止する役割と冷却用媒体の流路を画定する役割を兼用することができる。また、この製造方法では、モールド樹脂５０がモールド成形された後にカバー４６を取付ける必要がなく、半導体モジュール１を容易に製造することができる。

以下、本実施形態の変形例を例示する。図６に示されるように、カバー４６は、支柱４６ｄをさらに有していてもよい。支柱４６ｄは、底面４６ａの裏面から突出しており、接着面４６ｃが存在する面を越えて伸びている。図７に示されるように、このような支柱４６ｄが設けられていると、カバー４６を天板４２に接合したときに、底面４６ａが天板４２に対して凸状に湾曲する。これにより、カバー４６は、モールド樹脂５０が充填空間６２に充填されるときに、天板４２及び絶縁部３０を介して配線部２０を回路部１０側に向けて押圧する。これにより、モールド樹脂５０が充填空間６２に充填されるときに、回路部１０と配線部２０の接合を維持する。

図８に示されるように、冷却用媒体の流入出口である貫通孔１４８ａ，１４８ｂは、カバー４６の側面４６ｂに形成されていてもよい。このように、冷却用媒体の流入出口の形成位置は、特に制限されるものではなく、適宜に設定することができる。

図９に示されるように、カバー４６は、側面４６ｂの一部から側方に向けて伸びる一対の筒状部２４８ａ，２４８ｂを有していてもよい。冷却用媒体の流入出口は、この筒状部２４８ａ，２４８ｂに形成されていてもよい。例えば、モールド樹脂５０をモールド成形した後に、この筒状部２４８ａ，２４８ｂを切断することで、冷却用媒体の流入出口を形成してもよい。あるいは、筒状部２４８ａ，２４８ｂに予め形成されている貫通孔を密栓した状態でモールド樹脂５０をモールド成形してもよい。この場合、筒状部２４８ａ，２４８ｂを被覆するモールド樹脂５０を除去した後に、密栓を取り除くことで、冷却用媒体の流入出口を形成することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１：半導体モジュール、１０：回路部、２０：配線部、３０：絶縁部、４０：冷却器、４６：カバー、５０：モールド樹脂、６０ａ：上側金型、６０ｂ：下側金型、６２：充填空間

Claims

液冷式の冷却器を有する半導体モジュールの製造方法であって、
フィンの周囲がカバーで囲まれた状態で樹脂をモールド成形する工程、を備える半導体モジュールの製造方法。