JP2015230913A - 半導体モジュールおよび半導体モジュールの製造方法ならびに電子制御装置 - Google Patents
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Abstract
Description
請求項8に記載の半導体モジュールの製造方法は、半導体素子と、半導体素子が接合された導体部材と、半導体素子に熱伝導可能に設けられた放熱部材と、放熱部材とは異なる材質からなり、放熱部材の一面を露出して半導体素子を封止する封止材とを備える半導体構造体を準備し、少なくとも冷媒の接触領域内における放熱部材と封止材との境界を覆う被覆層を形成し、被覆層の表面に被覆層とは異なる材質からなる防水層を形成する。
−第1の実施の形態−
図1は、ハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図である。エンジンEGNおよびモータジェネレータMG1は車両の走行用トルクを発生する。モータジェネレータMG1は回転トルクを発生するだけでなく、モータジェネレータMG1に外部から加えられる機械エネルギーを電力に変換する機能を有する。
あり、純銅もしくは銅合金等の熱伝導率が高くて電気抵抗の低い材料からなり、厚さは0.5mm以上がよい。
−被覆層形成工程−
図8(b)に示すように、被覆層形成工程S110は、塗布溶液作製工程S112、浸漬工程S115、および、加熱硬化工程S118を含む。
市販のポリアミドイミドを6重量%で、かつ粘度が0.3Pa・sになるようにN−メチル−2−ピロリドンで希釈、調整した塗布溶液を作製する。
塗布領域以外の部分、たとえば端子面348aや端子面近傍の各端子を養生テープや養生シート、養生用の治具などの養生部材(不図示)を用いて覆った後、ディップ法により、半導体構造体302を塗布溶液に浸漬し、塗膜する。この際、端子面348aは浸漬しないように塗布溶液の量および浸漬させる高さなどを調整する。
浸漬塗膜後、100℃、170℃で各々1時間加熱することで溶媒(N−メチル−2−ピロリドン)を除去するとともに樹脂(ポリアミドイミド)を硬化させ、図4のA部拡大図で示される被覆層601を形成する。
Z1=Z0+C・Y−C(Y+Z0)
=Z0+C・Y−C・Y−C・Z0
=Z0−C・Z0
=Z0(1−C) ・・・(1)
図8(c)に示すように、防水層形成工程S120は、無電解銅めっき工程S122、および、無電解ニッケルめっき工程S125を含む。
−無電解銅めっき工程S122−
無電解銅めっきにより0.5μmの銅膜を下地膜として形成する。
−無電解ニッケルめっき工程S125−
下地膜の上に、無電解ニッケルめっきにより20μmのニッケル膜を形成し、図4のA部拡大図で示されるように、銅膜とニッケル膜とからなる防水層602を形成する。下地膜については省略することもできるが、下地膜を形成することで有機化合物からなる被覆層601との密着力を向上できるため、下地膜を形成することが好ましい。防水層602の形成後、養生部材を取り外し、半導体モジュール300Aが完成する。
(1)半導体モジュール300Aは、半導体素子328,330,156,166と、半導体素子が接合された導体板318,319と、半導体素子に導体板318,319および絶縁板389を介して熱伝導可能に固着された放熱フィン371と、放熱フィン371とは異なる材質からなり、放熱フィン371の一面を露出して半導体素子を封止する封止樹脂348とを備える半導体構造体302と、少なくとも冷媒121の接触領域内における放熱フィン371と封止樹脂348との境界を覆う被覆層601と、被覆層601とは異なる材質からなり、被覆層601の表面に形成される防水層602とを備える。
被覆層601を形成することによって、封止樹脂348と放熱フィン371との境界に沿って形成される隙間(窪み)が覆われる。
防水層602を形成することによって、冷媒121が封止樹脂348内に浸入することを防止することができるため、半導体モジュール300Aの長寿命化を図ることができる。
これは、複数種の異なる部材で構成される表面に被膜する際には、部材ごとに密着性が異なることから不均一になるのに対して、異種部材同士の境界に被覆層601を形成することで、その表面が単一材料となり、防水層602を均一に密着させることができるためである。これにより、長期に亘って正常に動作する信頼性の高い半導体モジュール300Aおよび電力変換装置200を提供することができる。
図13および図14を参照して第2の実施の形態に係る半導体モジュール300Bについて説明する。図13は、図3(a)と同様の図であり、第2の実施の形態に係る半導体モジュール300Bの斜視図である。図14は、図4と同様の図であり、第2の実施の形態に係る半導体モジュール300Bの断面模式図である。図中、第1の実施の形態と同一もしくは相当部分には同一符号を付し、説明を省略する。以下、第1の実施の形態との相違点について詳しく説明する。
図15を参照して第3の実施の形態に係る半導体モジュール300Cについて説明する。図15は、図4と同様の図であり、第3の実施の形態に係る半導体モジュール300Cの断面模式図である。図中、第1の実施の形態と同一もしくは相当部分には同一符号を付し、説明を省略する。以下、第1の実施の形態との相違点について詳しく説明する。
図16を参照して第4の実施の形態に係る半導体モジュール300Dについて説明する。図16は、図4と同様の図であり、第4の実施の形態に係る半導体モジュール300Dの断面模式図である。図中、第1の実施の形態と同一もしくは相当部分には同一符号を付し、説明を省略する。以下、第1の実施の形態との相違点について詳しく説明する。
(変形例1)
フィン板371a、補強板371bおよび絶縁板389の位置関係は、上述した実施の形態に限定されない。たとえば、図17(a)に示すように、補強板371bの外形をフィン板371aの外形よりも一回り大きくしてもよい。上述した実施の形態では、封止樹脂348と補強板371bの境界において、封止樹脂348、補強板371b、フィン板371aおよび被覆層601の4種類の異なる材料からなる4つの構成部材が交わる部分が存在していた(図4のA部拡大図参照)。これに対して、本変形例では、補強板371bの大きさをフィン板371aよりも大きくすることで、封止樹脂348と補強板371bの境界(B1部)において、封止樹脂348、補強板371bおよび被覆層601の3つの異種部材が交わる部分とすることができる。これにより4つの異種部材が交わる第1の実施の形態に比べて、交点の部分(B1部)における応力集中を緩和することができる。
フィン板371a、補強板371bおよび絶縁板389の材料をそれぞれ異なるものとする場合に限定されない。たとえば、図17(b)に示すように、補強板371bとフィン板371aとを同じ材料で形成することで、封止樹脂348と補強板371bの境界(B1部)において、3つの異種部材が交わることになる。このため、4つの異種部材が交わる構造に比べ、応力集中を緩和することができる。なお、図17(c)に示すように、補強板371bを省略した場合も同様にB1部における応力集中を緩和することができる。
上述した実施の形態では、ポリアミドイミドにより被覆層601を形成する例について説明したが、本発明はこれに限定されない。ポリアミドイミドに代えて、ポリイミド、ポリイミダゾール、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂など、種々の熱硬化性樹脂により被覆層601を形成することができる。塗布溶液は、少なくとも溶剤と樹脂成分から構成されている。なお、無機フィラーを配合してもよい。なお、防水層602を金属で形成することを考慮し、耐薬品性や耐熱性に優れたものを選択することが好適である。
上述した実施の形態では、塗布溶液に浸漬するディップ法により被覆層601を形成する例について説明したが、本発明はこれに限定されない。塗布溶液の塗布の方法は、浸漬に限定されず、スプレーや刷毛により塗布溶液を半導体構造体302に塗布して、被覆層601を形成してもよい。ディップ(浸漬)、スプレー、はけ塗り、あるいは、それらの組み合わせを用いることもできる。埋め込み性が不十分な場合には、重ね塗りを行うことで改善できる。
上述した実施の形態では、溶媒としてN−メチル−2−ピロリドンを採用した例について説明したが、本発明はこれに限定されない。室温で被覆層601を構成する樹脂との相溶性に優れる種々の溶媒を採用できる。たとえば、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジエチレングリコールジメチルエーテル、メチルエチルケトンなどの極性溶媒を用いることができる。
上述した実施の形態では、有機化合物により被覆層601を形成する例について説明したが、本発明はこれに限定されない。無機化合物により被覆層601を形成してもよい。窪みS0,Gの幅や深さが小さい場合には、無機化合物により薄い被覆層601を形成することで、無駄なく被覆層601を形成することができる。たとえば、酸化ケイ素、酸化チタン、酸化ジルコニウム等の無機化合物により被覆層601を形成することができる。これらは、テトラエトキシシラン、テトラブトキシチタン、ジルコニウム(IV)プロポキシドなどを用いて、熱硬化させることにより酸化膜が形成される。熱硬化には使用した溶媒の沸点程度の加熱で十分なことから、ガラス被膜と異なり、半導体チップや封止樹脂348にダメージを与えることなく形成可能である。
上述した実施の形態では、非金属により被覆層601を形成する例について説明したが、本発明はこれに限定されない。クロム、チタン、銅およびそれらの合金などの金属により被覆層601を形成してもよい。金属からなる被覆層(金属膜)は、スパッタ、蒸着、無電解めっき等によって形成することができる。金属膜は、窪みS0,Gを埋めるように覆う機能だけでなく、金属からなる防水層602との密着性を向上させる機能を有する。
上述した実施の形態では、銅膜(下地膜)の上にニッケル膜を形成し、銅膜とニッケル膜とからなる防水層602を形成する例について説明したが、本発明はこれに限定されない。下地膜を形成せずに、無電解ニッケルめっきを施してニッケル膜のみで防水層602を形成してもよい。材料については、銅(Cu)やニッケル(Ni)に限定されず、錫(Sn)、亜鉛(Zn)や、銅、ニッケル、錫、亜鉛を含む合金(たとえば、ニッケルリン(Ni−P)合金、ニッケルボロン(Ni−B)合金、ニッケルリンボロン(Ni−P−B)多元合金)を用いることができる。ニッケルは耐食性に特に優れており、銅は熱伝導性に特に優れているため、用途に応じて選択することが好ましい。
上述した実施の形態では、無電解めっきにより防水層602を形成する例について説明したが、本発明はこれに限定されない。電気めっき、あるいは無電解めっきと電気めっきの組み合わせにより防水層602を形成してもよい。無電解めっきや電気めっきは、量産に適しているだけでなく、コールドスプレーや溶射と言った方法に比べて、半導体構造体302に与えるダメージが小さいためである。
上述した実施の形態では、封止樹脂348における冷媒121の接触領域の全体に被覆層601および防水層602が形成されている例について説明したが、本発明はこれに限定されない。少なくとも、封止樹脂348と放熱フィン371との境界を覆うように被覆層601が設けられ、この被覆層601を覆うように防水層602を設ければよい。
上述した実施の形態では、放熱フィン371および絶縁板389が、導体板318,319,315,320の熱を伝える伝熱部材として構成されている例について説明したが、本発明はこれに限定されない。絶縁板389に代えてシート状の絶縁シートを設けてもよい。上述したように、放熱フィン371の補強板371bを、絶縁性を有する材料により形成し、絶縁板389を省略してもよい。放熱フィン371のフィン形状は円柱形状に限定されず、種々のフィン形状を採用できる。さらに、放熱フィン371に代えて、フィンを有していない平板状の放熱板を採用してもよい。
上述した実施の形態では、電子制御装置の一例として電力変換装置(インバータ)を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されない。半導体モジュールを備える種々の電子制御装置に本発明を適用できる。
Claims (12)
- 半導体素子と、前記半導体素子が接合された導体部材と、前記半導体素子に熱伝導可能に設けられた放熱部材と、前記放熱部材とは異なる材質からなり、前記放熱部材の一面を露出して前記半導体素子を封止する封止材とを備える半導体構造体と、
少なくとも冷媒の接触領域内における前記放熱部材と前記封止材との境界を覆う被覆層と、
前記被覆層とは異なる材質からなり、前記被覆層の表面に形成される防水層とを備える半導体モジュール。 - 請求項1に記載の半導体モジュールにおいて、
前記被覆層は、前記封止材における冷媒の接触領域の全体に形成されている半導体モジュール。 - 請求項1または2に記載の半導体モジュールにおいて、
前記被覆層は、有機化合物からなる半導体モジュール。 - 請求項1または2に記載の半導体モジュールにおいて、
前記被覆層は、無機化合物からなる半導体モジュール。 - 請求項1または2に記載の半導体モジュールにおいて、
前記被覆層は、金属からなる半導体モジュール。 - 請求項1または2に記載の半導体モジュールにおいて、
前記防水層は、厚みが500μm以下の金属膜である半導体モジュール。 - 請求項1または2に記載の半導体モジュールを備える電子制御装置。
- 半導体素子と、前記半導体素子が接合された導体部材と、前記半導体素子に熱伝導可能に設けられた放熱部材と、前記放熱部材とは異なる材質からなり、前記放熱部材の一面を露出して前記半導体素子を封止する封止材とを備える半導体構造体を準備し、
少なくとも冷媒の接触領域内における前記放熱部材と前記封止材との境界を覆う被覆層を形成し、
前記被覆層の表面に前記被覆層とは異なる材質からなる防水層を形成する半導体モジュールの製造方法。 - 請求項8に記載の半導体モジュールの製造方法において、
前記被覆層を形成する際、前記封止材における冷媒の接触領域の全体に前記被覆層を形成する半導体モジュールの製造方法。 - 請求項8または9に記載の半導体モジュールの製造方法において、
前記被覆層を形成する際、樹脂の含有量が5重量%以上100重量%以下の塗布溶液を塗布することで、前記被覆層を形成する半導体モジュールの製造方法。 - 請求項8または9に記載の半導体モジュールの製造方法において、
前記被覆層を形成する際、粘度が0.1Pa・s以上100Pa・s以下の塗布溶液を塗布することで、前記被覆層を形成する半導体モジュールの製造方法。 - 請求項8または9に記載の半導体モジュールの製造方法において、
前記被覆層を形成する際、無機元素比率が2重量%以下の塗布溶液を塗布することで、前記被覆層を形成する半導体モジュールの製造方法。
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