JP2017017189A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、半導体素子を収容しており表面に金属製の放熱板が露出しているパワーカードの放熱板が露出している面が放熱材を介して冷却部材と対向しているとともにパワーカードと冷却部材の積層方向に荷重が加えられている半導体装置において、パワーカードから冷却部材への伝熱性を高める技術を提供する。
【解決手段】本明細書が開示する製造方法は、塗布工程と、硬化工程と、積層押圧工程を備える。塗布工程は、熱又は光を与えると硬化する放熱材２２ａを、流動性を維持している状態でパワーカード１０の平坦面１０ａに塗布する工程である。硬化工程は、凹部３０ａが設けられている型３０を当該凹部３０ａの開口が平坦面１０ａと対向するようにパワーカード１０に押し付けつつ当該凹部３０ａの中で放熱材２２ａを硬化する工程である。そして、積層押圧工程は、硬化後の放熱材に冷却部材を積層し、積層方向に荷重を加える工程である。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関する。特に、半導体素子を収容しており表面に金属製の放熱板が露出しているパワーカードの放熱板が露出している面が放熱材を介して冷却部材と対向しているとともにパワーカードと冷却部材の積層方向に荷重が加えられている半導体装置の製造方法に関する。

上記したタイプの半導体装置は、半導体素子に対する冷却性能が高く、例えば電気自動車の駆動系のインバータに用いられている。そのような半導体装置の一例が特許文献１に開示されている。

特許文献１の半導体装置では、パワーカードの放熱板の表面と冷却器（冷却部材）の表面の微視的な隙間を埋めるために、パワーカードと冷却器の間に放熱材であるグリスが充填されている。パワーカードと冷却器は、いずれも平板型であり、幅広面の法線が水平方向を向く姿勢で保持されている。パワーカード（特に放熱板）と冷却器の間からグリスが垂れ落ちることを防止するために、パワーカードの表面の下方に、水平方向に伸びる突条が設けられている。

特開２０１４−０７５５３７号公報

流動性を有するグリスを使用する場合、パワーカードの放熱板の熱変形の繰り返しによってもパワーカードと冷却部材の間からグリスが流出する。グリスが流出すると、放熱板から冷却部材への伝熱性が低下する。流動性を有するグリスの代わりに非流動性の放熱材、例えば柔軟な放熱シートを放熱板と冷却部材の間に挟むことが考えられる。しかし、柔軟であるとはいえ、非流動性の放熱材を挟むだけでは、放熱板の表面、あるいは、冷却部材の表面の微視的な隙間を十分には埋められず、放熱板から冷却部材への伝熱性が向上しない。発明者は、当初は流動性を有しており、熱あるいは光などを与えると硬化する放熱材を放熱板と冷却部材の間に充填することも検討した。以下、当初は流動性を有しており、熱あるいは光などを与えると硬化する放熱材を硬化性放熱材と称する。硬化性放熱材を塗布してパワーカードと冷却部材を積層して荷重を加えると、硬化性放熱材が流動性を有している間に荷重によってその厚みが薄くなりすぎる。放熱材の厚みが薄すぎると、金属製の放熱板が熱変形したときに対向している冷却部材と接触し、放熱板の表面に酸化金属の被膜が形成されてしまう。酸化金属の被膜は放熱板から冷却部材への伝熱性を低下させる。本明細書は、上記課題に鑑みて創作された。本明細書は、放熱材を挟んでパワーカードと冷却部材が積層されている半導体装置において、パワーカード表面の放熱板から冷却部材への伝熱性を高める技術を提供する。

本明細書が開示する技術は、半導体素子を収容しており表面に金属製の放熱板が露出しているパワーカードの放熱板が露出している面が放熱材を挟んで冷却部材と対向しているとともにパワーカードと冷却部材の積層方向に荷重が加えられている半導体装置の製造方法に関する。本明細書が開示する製造方法では、塗布工程と、硬化工程と、積層押圧工程を備える。塗布工程は、熱又は光を与えると硬化する放熱材を、流動性を維持している状態でパワーカードの表面に塗布する工程である。硬化工程は、深さ一定の凹部が設けられている型を当該凹部の開口がパワーカードの表面と対向するようにパワーカードに押し付けつつ当該凹部の中で放熱材を硬化する工程である。そして、積層押圧工程は、硬化後の放熱材に冷却部材を積層し、積層方向に荷重を加える工程である。

このような構成によれば、流動性を維持している放熱材をパワーカードの表面に塗布することにより、パワーカードの放熱板表面の微視的な隙間を放熱材で満たすことができる。一方、硬化工程により、型の凹部の深さに規定された一定の厚みを有する非流動性の放熱材がパワーカードの表面に形成される。凹部の深さは、完成した半導体装置において放熱板が熱変形したときに冷却部材に接触しないだけの値に規定されている。そして、硬化工程の後に、硬化後の放熱材に冷却部材を積層することにより、非流動性でありながら、パワーカードの表面の微視的な隙間を満たしているとともに、型の凹部の深さに規定された一定の厚みの放熱材をパワーカードと冷却部材の間に形成することができる。そのような放熱材を備えることにより、パワーカードから冷却部材への伝熱性が向上する。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の半導体装置の斜視図である。 図１の座標系におけるＸＹ平面でカットした半導体装置の断面図である。 半導体装置の製造工程を示す図である（塗布工程）。 半導体装置の製造工程を示す図である（硬化工程）。

図面を参照して実施例の半導体装置の製造方法を説明する。先に、本実施例の製造方法により製造される半導体装置の構成について説明する。図１は、本実施例の製造方法により製造された半導体装置２の斜視図である。半導体装置２は、複数のパワーカード１０と複数の冷却器３が積層されたユニットである。なお、図１では、一つのパワーカードだけに符号１０を付し、他のパワーカードには符号を省略している。同様に一つの冷却器だけに符号３を付し、他の冷却器には符号を省略している。また、半導体装置２の全体が見えるように、半導体装置２を収容するケース３１は仮想線で描いてある。１個のパワーカード１０は、２個の冷却器３に挟まれる。パワーカード１０と一方の冷却器３との間に絶縁板６ａが挟まれており、パワーカード１０と他方の冷却器３との間に絶縁板６ｂが挟まれている。パワーカード１０と絶縁板６ａ、６ｂの間に後述する非流動性の放熱材（以下、放熱シートと称する）が挟まれる。絶縁板６ａ、６ｂと冷却器３の間に後述する流動性の放熱材（以下、グリスと称する）が塗布される。本実施例では、放熱シートの成形工程に特徴がある。放熱シートの成形工程を含む半導体装置２の製造方法については、後述する。なお、図１では各放熱材の図示は省略している。また、図１は、理解し易いように、１個のパワーカード１０と絶縁板６ａ、６ｂを半導体装置２から抜き出して描いてある。

一つのパワーカード１０には４個の半導体素子が収容されている。４個の半導体素子は、具体的には、２個のトランジスタＴａ、Ｔｂと、２個のダイオードＤａ、Ｄｂである。冷却器３を通る冷媒により、半導体素子が冷却される。冷媒は液体であり、典型的には水である。

パワーカード１０と冷却器３は、共に平板型であり、複数の側面のうち最大面積の平坦面が対向するように積層されている。パワーカード１０と冷却器３は交互に積層されており、ユニットの積層方向の両端には冷却器が位置している。複数の冷却器３は、連結パイプ５ａ、５ｂで連結されている。ユニットの積層方向の一端に位置する冷却器３には、冷媒供給管４ａと冷媒排出管４ｂが連結されている。冷媒供給管４ａを通じて供給される冷媒は、連結パイプ５ａを通じて全ての冷却器３に分配される。冷媒は各冷却器３を通る間に隣接するパワーカード１０から熱を吸収する。各冷却器３を通った冷媒は連結パイプ５ｂを通り、冷媒排出管４ｂから排出される。

半導体装置２はケース３１に収容される際、ユニットの積層方向の他端側に板バネ３２が挿入される。その板バネ３２により、パワーカード１０と絶縁板６ａ、６ｂと冷却器３が積層されたユニットには、積層方向の両側から荷重が加えられる。その荷重は、例えば３［ｋＮ］である。パワーカードと絶縁板の間には放熱シートが挟まれ、絶縁板と冷却器の間にはグリスが塗布されている。３［ｋＮ］という高い荷重は、放熱シートのパワーカードと絶縁板に対する密着性を高め、グリスの層を薄く引き延ばす。これにより、パワーカード１０から冷却器３への伝熱効率が高まる。パワーカード１０は、直接的には絶縁板６ａ、６ｂに熱を奪われる。それゆえ、絶縁板６ａ、６ｂは冷却部材に相当する。半導体装置２は、各素子Ｔａ、Ｔｂ、Ｄａ、Ｄｂ（半導体素子）を収容したパワーカード１０が放熱シート（放熱材）を介して絶縁板６ａ、６ｂ（冷却部材）に接しているとともに、積層方向に荷重が加えられているデバイスである。

パワーカード１０を説明する。パワーカード１０において、絶縁板６ａと対向する一方の平坦面１０ａには、放熱板１６ａ、１６ｂが露出している。平坦面１０ａとは反対側の平坦面１０ｂには、別の放熱板１７（図１では不図示）が露出している。平坦面１０ｂには、放熱シートを挟んで絶縁板６ｂが接している。パワーカード１０の上面（図中Ｚ軸の正方向を向く面）からは３本の電極端子７ａ、７ｂ、７ｃが伸びており、下面（図中Ｚ軸方向の負方向を向く面）からは制御端子２９が伸びている。

図２を参照してパワーカード１０と冷却器３との間の構造について説明する。図２は、図１のパワーカード１０を図中の座標系のＸＹ面に平行な平面であってトランジスタＴａとＴｂを横切る平面でカットした断面図である。

先に、パワーカード１０の内部構造を説明する。４個の各素子Ｔａ、Ｔｂ、Ｄａ、Ｄｂは、樹脂製のパッケージ１３に収容されている。パッケージ１３は、射出成形により形成され、半導体素子を封止する。なお、以下では、パワーカード１０の平坦面１０ａ、１０ｂをパッケージ１３の平坦面１０ａ、１０ｂと称する場合がある。

いずれの半導体素子も平坦なチップである。トランジスタＴａ（Ｔｂ）のチップの一方の平坦面にはコレクタ電極が露出しており、他方の平坦面にはエミッタ電極が露出している。トランジスタＴａの一方の平坦面の電極はハンダ１５により放熱板１６ａの裏面に接合している。放熱板１６ａの表面は、パッケージ１３の平坦面１０ａに露出している。トランジスタＴａの他方の平坦面の電極は、導電性のスペーサ１４を介してハンダ１５により放熱板１７の裏面に接合している。放熱板１７の表面は、パッケージ１３の平坦面１０ｂに露出している。なお、トランジスタＴａ（Ｔｂ）のゲート電極は、チップの一方の平坦面の端に設けられている。また、トランジスタＴｂの各電極もトランジスタＴａと同様に、ハンダ１５とスペーサ１４を利用して放熱板１６ｂと放熱板１７に接合している。

放熱板１６ａは、電極端子７ａの一部である。トランジスタＴａの電極を外部の他のデバイスと接続するための電極端子７ａにおいて、パッケージ１３の平坦面１０ａに露出している部位が放熱板１６ａに相当する。電極端子７ａはトランジスタＴａの電極と接しているので、トランジスタＴａの内部の熱を伝えやすい。一方、冷却器３はアルミニウム（導電性の金属）で作られているので、放熱板１６ａと絶縁する必要がある。それゆえ、半導体装置２は、冷却器３と放熱板１６ａ（パワーカード１０）との間に絶縁板６ａを挟んでいる。絶縁板６ａ、６ｂは、薄くて絶縁性が高く、伝熱性も良いセラミックスで作られている。放熱板１６ａ（電極端子７ａ）及びスペーサ１４は、導電性と伝熱性に優れた銅で作られている。放熱板１６ｂ、放熱板１７も同様である。

放熱板１６ｂ、１７も夫々、放熱板１６ａと同様に、電極端子７ｂ、７ｃの一部である。また、ダイオードＤａ、Ｄｂも、トランジスタＴａ、Ｔｂと同様に、平坦なチップである。ダイオードＤａ、Ｄｂの平坦面に露出している電極は、トランジスタＴａ、Ｔｂと同様に、放熱板１６ａ、１６ｂ、１７に接続している。

パワーカード１０の平坦面１０ａと絶縁板６ａの間には、放熱シート２０ａが挟まれている。放熱シート２０ａは、当初は流動性を有しており、加熱することにより硬化する放熱材がシート状に硬化したものであり、柔軟性を有するゴム状のシートである。同様に、パワーカード１０の平坦面１０ｂと絶縁板６ｂの間にも、放熱シート２０ｂが挟まれている。放熱シート２０ａ、２０ｂの厚みは、１００ミクロン以下である。

放熱板１６ａ、１６ｂの表面は、パワーカード１０の平坦面１０ａに対して面一となっている。放熱シート２０ａは、パワーカード１０の平坦面１０ａと絶縁板６ａの間に挟まれており、パワーカード１０と絶縁板６ａの積層方向には、荷重が加えられている。よって、放熱シート２０ａは、放熱板１６ａ、１６ｂと絶縁板６ａに密着する。同様に、放熱板１７の表面も、パワーカード１０の平坦面１０ｂに対して面一となっている。放熱シート２０ｂも、パワーカード１０と絶縁板６ｂの積層方向に荷重が加えられることにより、放熱板１７と絶縁板６ｂに密着する。

絶縁板６ａと冷却器３の間には、流動性の放熱材であるグリス９が塗布されている。同様に、絶縁板６ｂと冷却器３の間にも、グリス９が塗布されている。なお、グリス９の層の厚みは、１００ミクロン以下である。

図３、図４を参照して、半導体装置２の製造方法について説明する。図３は、パワーカードの表面に流動性を維持している放熱材を塗布する塗布工程を示す図である。図４は、塗布工程の後に、その流動性を有する放熱材を硬化する硬化工程を示す図である。

図３の塗布工程では、先ず、パワーカード１０の平坦面１０ａに、後に硬化して放熱シート２０ａとなる放熱材２２ａを塗布する。放熱材２２ａは、当初は流動性を有する放熱材であり、加熱することにより硬化する熱硬化性の放熱材である。放熱材２２ａは、流動性を維持している状態で、放熱板１６ａ、１６ｂの全面を覆うようにパワーカード１０の平坦面１０ａに塗布される。放熱材２２ａは、流動性を有しているので、放熱板１６ａ、１６ｂの表面の微視的な隙間にも入り込む。

次に、放熱材２２ａを塗布したパワーカード１０の平坦面１０ａに型３０を押し付けつつ、放熱材を硬化させる（硬化工程）。図３には、押し付ける前の型３０も描いてある。型３０には、凹部３０ａが設けられている。凹部３０ａの深さは一定である。図３では、凹部３０ａの深さに符号Ｄが付されている。深さＤは、銅製の放熱板１６ａ、１６ｂが半導体素子（ダイオードＤａ、Ｄｂも、トランジスタＴａ、Ｔｂ）の発熱により熱変形したときの面外変形量の推定値よりも大きい値に設定されている。図４に示すように、型３０は、凹部３０ａの開口がパワーカード１０の平坦面１０ａと対向するようにパワーカード１０の平坦面１０ａに押し付けられる。凹部３０ａの開口は、放熱板１６ａ、１６ｂの全面を覆う広さである。別言すれば、型３０をパワーカード１０に押し付けている状態で押し付ける方向（即ち、Ｘ軸方向）から見たときに、放熱板１６ａ、１６ｂが凹部３０ａの内側に位置している。

型３０をパワーカード１０に押し付けると、凹部３０ａの中に平坦面１０ａに塗布されている放熱材２２ａが収容される。放熱材２２ａは、凹部３０ａとパワーカード１０の平坦面１０ａにより形成される空間に充填される。別言すれば、パワーカード１０の平坦面１０ａには、凹部３０ａとパワーカード１０の平坦面１０ａにより形成される空間に充填されるのに十分な量の放熱材２２ａが塗布される。

図３の塗布工程の後に図４の硬化工程が行われる。上述したように、放熱材２２ａは熱硬化性である。型３０をパワーカード１０に押し付けた状態で、型３０に熱を加えることにより、凹部３０ａの中に収容されている放熱材２２ａにも熱が伝わり、放熱材２２ａが硬化する。放熱材２２ａは凹部３０ａとパワーカード１０の平坦面１０ａにより形成される空間に充填されているので、放熱材２２ａは凹部３０ａの深さＤに規定されて厚みＤのシートとなるように硬化する。図４に示す硬化工程により厚みＤの放熱シート２０ａが成形される。また、型３０で成形されることにより、放熱シート２０ａは、放熱板１６ａ、１６ｂの全面を覆う大きさに成形される。

図４に示す硬化工程の後に、型３０を放熱シート２０ａから離型することにより、パワーカード１０の平坦面１０ａに放熱シート２０ａが配置される。その後、配置された放熱シート２０ａに絶縁板６ａを積層する積層工程が実施される。なお、型３０は、放熱シート２０ａから離形し易いように、テフロン（登録商標）コート型を使用するとよい。

パワーカード１０の平坦面１０ｂと絶縁板６ｂの間に挟まれる放熱シート２０ｂも、上述の放熱シート２０ａと同様の工程により成形される。絶縁板６ｂも、上述の積層工程と同様の工程により、放熱シート２０ｂに積層される。

上述の工程が実施された後に、絶縁板６ａ、６ｂ夫々のパワーカード１０が位置する側と反対側の面にグリス９が塗布され、図１に示すように、隣接する冷却器３の間にパワーカード１０、絶縁板６ａ、６ｂの組みが挿入される。そして、板バネ３２によりパワーカード１０と冷却器３との積層方向（即ち、Ｘ軸方向）に荷重が加えられて、半導体装置２が製造される。

本実施例の効果について説明する。流動性を維持している放熱材２２ａを放熱板１６ａ、１６ｂの表面に塗布することにより、放熱板１６ａ、１６ｂの表面の微視的な隙間が放熱材２２ａで満たされる。当該微視的な隙間が満たされた状態で放熱材２２ａが硬化するので、硬化後の放熱材２２ａ（即ち、放熱シート２０ａ）を介した放熱板１６ａ、１６ｂから絶縁板６ａ（冷却部材）への伝熱性が高まる。また、流動性を有する放熱材２２ａを型３０の中で硬化させることにより、放熱材２２ａを型３０の深さＤに規定された厚みＤを有するシートとなるように硬化させることができる。即ち、型３０の深さＤにより規定された厚みＤを有する放熱シート２０ａを成形することができる。先に述べたように、深さＤは、放熱板１６ａ、１６ｂの熱変形時の面外変形量の推定値よりも大きく設定されている。これにより、完成された半導体装置において放熱板１６ａ、１６ｂが熱変形しても絶縁板６ａ（冷却部材）に触れることがない。即ち、放熱板１６ａ、１６ｂが絶縁板６ａ（冷却部材）に接触して放熱板表面に、伝熱性を阻害する酸化金属（酸化銅）が形成されることがない。すなわち、時間が経過しても、放熱材２２ａを介した放熱板１６ａ、１６ｂから絶縁板６ａ（冷却部材）への高い伝熱性が維持される。また、流動性のグリスと異なり、放熱シート２０ａは流動性を有しないので、放熱板１６ａ、１６ｂの熱変形の繰り返しによっても放熱板１６ａ、１６ｂと絶縁板６ａ（冷却部材）の間から放熱シート２０ａが排除されることはない。放熱シート２０ｂでも同様の効果が得られる。

また、凹部３０ａの底面の面粗度を低くすることにより、放熱シート２０ａの絶縁板６ａと接触する面を低い面粗度で成形できる。当該接触する面の面粗度が低くなることで、放熱シート２０ａの絶縁板６ａに対する追従性が向上し、放熱シート２０ａと絶縁板６ａの間の熱伝達率の向上に寄与し得る。放熱シート２０ｂと絶縁板６ｂでも同様の効果が得られる。

硬化工程の後に、放熱シート２０ａ、２０ｂの夫々に絶縁板６ａ、６ｂを積層し、パワーカード１０と絶縁板６ａ、６ｂの組みを隣接する冷却器３の間に挿入し、板バネ３２により積層方向に荷重を加える工程が、「積層押圧工程」の一例である。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。図では、理解を助けるため、グリスの層の厚み、放熱シートの厚み、などを強調して描いることに留意されたい。

図２に示したように、冷却器３の内部は単純な空洞である。冷却器３の内部空間には、絶縁板６ａ、６ｂと接する側板の裏面に接するフィンを設けてもよい。

絶縁板６ａ、６ｂと、絶縁板６ａ、６ｂと冷却器３の間に挟まれているグリス９は無くてもよい。この場合、冷却器３が「冷却部材」の一例である。

塗布工程により塗布する放熱材２２ａは、熱硬化性の放熱材に限らない。放熱材２２ａは、光を与えると硬化する放熱材であってもよい。

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。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。

２：半導体装置
３：冷却器
４ａ：冷媒供給管
４ｂ：冷媒排出管
５ａ、５ｂ：連結パイプ
６ａ、６ｂ：絶縁板
７ａ、７ｂ、７ｃ：電極端子
９：グリス
１０：パワーカード
１０ａ、１０ｂ：平坦面
１３：パッケージ
１４：スペーサ
１５：ハンダ
１６ａ、１６ｂ、１７：放熱板
２０ａ、２０ｂ：放熱シート
２２ａ：放熱材
２９：制御端子
３０：型
３０ａ：凹部
３１：ケース
３２：板バネ
Ｄａ、Ｄｂ：ダイオード
Ｔａ、Ｔｂ：トランジスタ

Claims (1)

1. 半導体素子を収容しており表面に金属製の放熱板が露出しているパワーカードの前記放熱板が露出している面が放熱材を挟んで冷却部材と対向しているとともに前記パワーカードと前記冷却部材の積層方向に荷重が加えられている半導体装置の製造方法であって、
   熱又は光を与えると硬化する放熱材を、流動性を維持している状態で前記パワーカードの表面に塗布する塗布工程と、
   深さ一定の凹部が設けられている型を当該凹部の開口が前記パワーカードの前記表面と対向するように前記パワーカードに押し付けつつ当該凹部の中で前記放熱材を硬化する硬化工程と、
   硬化後の前記放熱材に前記冷却部材を積層し、前記積層方向に荷重を加える積層押圧工程と、
   を備える半導体装置の製造方法。

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