JP3371874B2 - パワーモジュール - Google Patents

パワーモジュール

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体パワー素子の
実装方法に係わり、特に銅複合材料を用いたパワーモジ
ュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】本発明に係わる半導体パワー素子のモジ
ュールにおいて、パワー素子の発熱温度を抑制するため
のヒートシンクやヒートスプレッダ材料として銅（Ｃ
ｕ），アルミニウム（Ａｌ），モリブデン（Ｍｏ）など
の金属，Ａｌ−ＳｉＣ，Ｃｕ−Ｗなどの導電性複合材
料，窒化アルミニウム（ＡｌＮ），炭化ケイ素（Ｓｉ
Ｃ），酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）などの絶縁性セラ
ミック材料が特願平3−104862号他多数の特許で知られ
ている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】パワーモジュールの信
頼性やコストなどの種々の要求仕様に応じて、パワー素
子のヒートシンクやヒートスプレッダ材料として前述し
た種々の材料が選択され、使用されている。一般的に
は、パワーモジュールの信頼性を向上させるために、以
下の特性を有する材料が選択される。即ち、半導体パワ
ー素子の発熱温度をより効率的に低下させるために、高
熱伝導性の材料が使用される。また、シリコンよりなる
半導体パワー素子を半田などでヒートシンク部材やヒー
トスプレッダ部材へ接合するために、シリコンにより近
い低熱膨張係数の材料が使用される。なお、パワーモジ
ュールを樹脂で封止するときは、封止構造体の信頼性を
向上させるために、樹脂の熱膨張係数も考慮してその材
料が選択されねばならない。高熱伝導，低熱膨張でしか
も低コストな万能のヒートシンクやヒートスプレッダの
ための材料は存在しない。例えば、銅やアルミニウムは
熱膨張係数が大きく、酸化アルミニウムは熱伝導率が小
さい。一方、Ｍｏ，Ａｌ−ＳｉＣ，Ｃｕ−Ｗ，ＡｌＮ，
ＳｉＣなどの材料は適度な高熱伝導率と低熱膨張係数を
持っているが、高コストで加工性が悪いなどの欠点を有
している。結果として、信頼性でコストパフォーマンス
に優れたパワーモジュールを得ることができなかった。
【０００４】本発明の目的は、低熱膨張，高熱伝導性を
有し、加工性に優れたパワーモジュールを提供するにあ
る。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、通電部材上に
搭載された半導体素子及び前記通電部材の一部が樹脂に
よって封止されているパワーモジュール、通電部材上に
搭載された半導体素子と、前記通電部材の前記素子搭載
部反対面側に絶縁材を介して接合されたヒートシンクと
を有し、前記素子，通電部材の一部及びヒートシンクの
一部が樹脂によって封止されているパワーモジュール、
又は、通電部材上に搭載された半導体素子と、前記通電
部材の前記素子搭載部反対面側に接合されたセラミック
基体とを有し、前記素子及び通電部材の一部がキャップ
によって封止されているパワーモジュールにおいて、前
記通電部材の少なくとも前記素子が搭載される部分が酸
化銅を含む銅複合部材よりなることを特徴とする。
【０００６】銅複合材料を半導体パワー素子のヒートシ
ンクやヒートスプレッダ用材料として用いることによ
り、低コストで高信頼性のパワーモジュールが得られ
る。また、銅複合材料の形状と実装方法に工夫を施し、
本材料へ半導体パワー素子の通電機能とヒートシンク機
能を兼ね備えさせることにより、よりコストパフォーマ
ンスの高いパワーモジュールが得られる。また、封止用
樹脂の熱膨張係数を８〜１５ppm／Ｋ の範囲に設定する
ことによって、樹脂と本銅複合材料との熱膨張係数の差
が小さくなり、封止構造体へのクラック発生を防止で
き、信頼性の高いパワーモジュールが得られる。このと
き、ヒートシンクやヒートスプレッダ部材の一部を樹脂
構造体から露出させることによって、半導体パワー素子
で発生した熱を外部に効率良く逃がすことができるた
め、半導体パワー素子の発熱温度の上昇を抑制でき、信
頼性の高いパワーモジュールが得られる。なお、封止用
樹脂の熱膨張係数は樹脂中に入れるフィラーの量で調節
される。
【０００７】銅複合部材と半導体パワー素子が半田ある
いは熱圧着で接合されていることが好ましい。
【０００８】本発明に係る前述の通電部材は全体を複合
材とするのが好ましく、また前述のパワー半導体素子搭
載部以外を純銅又は４２合金などの室温での膨張係数が
１×１０-6／℃以下の銅合金とした一体のもの、その純
銅又は銅合金部分が折曲げられていること、樹脂から露
出していることが好ましい。
【０００９】本発明に係るヒートシンクは前述の銅複合
部材よりなることが好ましく、特に樹脂より露出してい
る部分をフィン構造とすることが好ましい。
【００１０】本発明に係るセラミックス基板は熱膨張係
数が６×１０-6／℃以下が好ましく、特に室温の熱伝導
率が０.２５cal／cm・sec ℃以上の窒素アルミニウム焼
結体が好ましい。セラミックス基板を用いた通電部材は
前述と同様に構成されるのが好ましい。キャップには樹
脂又は上述と同じセラミックスを用いることができる。
【００１１】本発明に係る複合材料は以下の焼結合金又
はその熱間，冷間での鍛造，圧延による塑性加工材から
なるものが好ましい。
【００１２】（１）金属と該金属よりも熱膨張係数が小
さい無機化合物粒子とを有し、前記化合物粒子は断面の
面積率で前記粒子の全体の９５％以上が互いに連なった
複雑形状の塊となって分散している。
【００１３】（２）金属と該金属よりも熱膨張係数が小
さい無機化合物粒子とを有し、前記化合物粒子は単独で
存在する粒子の数が断面で１００μｍ四方内に１００個
以下であり、残りの前記化合物粒子は互いに連なった複
雑形状の塊となって分散している。
【００１４】（３）金属と該金属よりも熱膨張係数が小
さい無機化合物粒子とを有し、前記化合物粒子はヴィッ
カース硬さが３００以下である。
【００１５】（４）金属と該金属よりも熱膨張係数が小
さい無機化合物粒子とを有し、２０℃での熱伝導率１Ｗ
／ｍ・Ｋ当りの２０〜１５０℃での平均熱膨張係数の増
加率が０.０２５〜０.０３５ppm／℃ である。
【００１６】（５）金属と該金属よりも熱膨張係数が小
さい無機化合物粒子とを有し、前記化合物粒子は互いに
連なり塊となって分散しており、前記塊は塑性加工によ
って伸ばされた方向に延びている。
【００１７】（６）銅と酸化銅粒子とを有し、前記酸化
銅粒子は断面の面積率で前記粒子の全体の９５％以上が
互いに連なった複雑形状の塊となって分散している。
【００１８】更に、本発明に係る複合材料は以下の鋳造
合金又はその熱間，冷間での鍛造，圧延による塑性加工
材からなるものが好ましい。
【００１９】（１）金属と好ましくは該金属よりも熱膨
張係数が小さい無機化合物を有し、前記化合物は大部分
が好ましくは粒径５０μｍ以下の粒状及びデンドライト
状に形成されている。
【００２０】前記化合物は棒状の幹に粒子状の枝が形成
されたデンドライト状に形成されているのが好ましい。
【００２１】（２）金属と無機化合物とを有し、前記化
合物は大部分が粒径５〜５０μｍ以下の粒状及びデンド
ライト状に形成され、かつ前記化合物全体の１〜１０％
が粒径１μｍ以下の微細粒子を形成している。
【００２２】（３）金属と無機化合物とを有し、熱膨張
係数又は熱伝導率が凝固方向がその方向に水平な方向よ
りも大きい値を有する。
【００２３】（４）銅と酸化銅とを有する複合材料にお
いて特に好ましいものである。
【００２４】（５）金属と直径が５〜３０μｍである棒
状の無機化合物とを有し、好ましくは前記無機化合物は
その全体に対して、断面の面積率で９０％以上が直径５
〜３０μｍである棒状である。
【００２５】（６）銅と酸化銅とを有し、塑性加工され
ている。
【００２６】（７）銅，酸化銅と不可避的不純物を有
し、前記酸化銅は１０〜５５体積％でデンドライトを形
成し、かつ室温から３００℃の線膨張係数が５×１０-6
〜１７×１０-6／℃及び室温の熱伝導率が１００〜３８
０Ｗ／ｍ・ｋであり、異方性を有する。
【００２７】（８）銅，酸化銅好ましくは第一酸化銅
（Ｃｕ2Ｏ)と不可避的不純物を有し、前記酸化銅は好ま
しくは１０〜５５体積％有し、一方向に配向した棒状で
あり、かつ室温から３００℃の線膨張係数が５×１０-6
〜１７×１０-6／℃及び室温の熱伝導率が１００〜３８
０Ｗ／ｍ・ｋであり、さらに配向方向の熱伝導率が配向
方向に直角方向の熱伝導率より高く、好ましくはその差
が５〜１００Ｗ／ｍ・ｋである。
【００２８】（９）金属と該金属に対して共晶組織を形
成する無機化合物とを溶解し凝固する製造方法にあり、
特に銅と酸化銅を有する複合材料の製造方法において、
銅または銅及び酸化銅を原料とし、酸素分圧が１０-2Ｐ
ａ〜１０3 Ｐａの雰囲気中で溶解後鋳造する工程と、８
００℃〜１０５０℃で熱処理する工程及び冷間もしくは
熱間で塑性加工する工程を含むことが好ましい。
【００２９】
【発明の実施の形態】（実施例１）図１は本発明に係わ
るパワーモジュールの断面図を示したものである。図に
示すように、ＩＧＢＴなどの半導体パワー素子５は以下
に示す銅複合材料からなる通電部材３の上へ半田６で接
合されている。本図における半導体パワー素子５の接合
は半田６による例を示しているが、必ずしも半田接合で
なくても良く、数百度の高温で荷重を加えながら接合す
る技術、即ち熱圧着技術で半導体パワー素子５を通電部
材３へ固着しても良い。半導体パワー素子５導線８，７
を介して、銅複合材料からなる通電部材３と２へそれぞ
れ結線されている。こうすることによって、通電部材
３，２から半導体パワー素子５へ電圧，電流が供給され
る。通電部材３と２は樹脂からなる絶縁シート４を介し
て、通電部材３と同じ銅複合材料からなるヒートシンク
部材１へ固着されている。なお、絶縁シート４は比較的
高い熱伝導性を有し、その厚さは少なくとも数十ミクロ
ン以下と薄いものである。通電部材３と２及びヒートシ
ンク部材１の一部が露出するように、半導体パワー素子
５は通電部材３と２及びヒートシンク部材１と共に樹脂
９で封止される。通電部材３は低熱膨張係数を有する銅
複合材料で構成されるため、半導体パワー素子５と通電
部材３の半田６による接合部の信頼性が向上する。ま
た、通電部材３は高熱伝導率を有する銅複合材料で構成
されるため、半導体パワー素子５で発生した熱を半田６
から通電部材３を介して外部に効率良く逃がすことがで
きる。このように、通電部材３は通電機能とヒートシン
ク機能を兼ね備えている。同様に、半導体パワー素子５
で発生した熱を半田６からヒートシンク部材１を介して
外部に効率良く逃がすことができる。このように、半導
体パワー素子５を樹脂９でコンパクトな樹脂構造体に封
止しても、半導体パワー素子５の発熱温度の上昇を抑制
でき、信頼性の高いパワーモジュールが得られる。な
お、封止用樹脂９についても後述するようにその熱膨張
係数を樹脂中に入れるフィラーの量で８〜１５ppm／Ｋ
の範囲に調節することにより、過酷な熱衝撃や高温高湿
の環境下でも、樹脂９中や樹脂９と通電部材３と２及び
ヒートシンク部材１との境界部分にクラックや剥離など
が発生することはなかった。本実施例によって、信頼性
が高く、製造容易なパワーモジュールが得られる。
【００３０】本実施例に用いた銅複合材は次の（Ａ)〜
(Ｅ）によって製造したものを用いることができる。
【００３１】（Ａ）原料粉として、７５μｍ以下の電解
Ｃｕ粉末と純度３Ｎ，粒径１〜２μｍのＣｕ2Ｏ 粉末を
用いた。Ｃｕ粉末とＣｕ2Ｏ 粉末を表２に示す比率で14
00ｇ調合した後、スチールボールを入れた乾式のポット
ミル中で１０時間以上混合した。混合粉末を直径１５０
mmの金型に注入し、Ｃｕ2Ｏ 含有量に応じて４００〜１
０００kg／cm2 の圧力で冷間プレスして直径１５０mm×
高さ１７〜１９mmの予備成形体を得た。その後、予備成
形体をアルゴンガス雰囲気中で焼結させて化学分析，組
織観察，熱膨張係数，熱伝導率及びヴィッカース硬さの
測定に供した。なお、焼結温度はＣｕ2Ｏ 含有量に応じ
て９００℃〜１０００℃の間で変化させ、各温度で３時
間保持した。熱膨張係数は室温から３００℃の温度範囲
でTMA（Thermal Mechanical Analysis)装置を用いて行
い、熱伝導率はレーザーフラッシュ法により測定した。
その結果を表１に併記した。また、得られた試料Ｎo.４
焼結成形体のミクロ組織を図３に示す。
【００３２】焼結体組成は化学分析の結果、配合組成と
一致していた。また、熱膨張係数及び熱伝導率は、表１
より明らかなように、ＣｕとＣｕ2Ｏ の組成比を調整す
ることによって、広範囲に亘って変化しており、放熱板
に求められる熱的特性にコントロールできることがわか
った。
【００３３】図２は熱伝導率，熱膨張係数，固有抵抗と
Ｃｕ2Ｏ 含有量との関係を示す線図である。図に示すよ
うに、第一酸化銅(ＣｕＯ2）の量が増加するに従って、
熱伝導率と熱膨張係数の値が小さくなり、逆に固有抵抗
は大きくなる。第一酸化銅（Ｃｕ2Ｏ)の量をどの値に設
定するかは半導体装置の実装形態や使用される環境によ
って異なるが、例えば５０体積％などに設定される。こ
の場合、本銅複合材料の熱膨張係数は約９.７ppm／Ｋで
あり、アルミ（Ａｌ）とほぼ同等の高い熱伝導率を有す
る。なお、本材料は絶縁体ではなく、導体であるため通
電材料としても使用することができる。
【００３４】
【表１】
【００３５】一方、ミクロ組織は図３(３００倍）より
明らかなように、Ｃｕ2Ｏは混合工程において凝集，焼
結工程において肥大成長するが、粒径は５０μｍ以下で
あり、Ｃｕ相とＣｕ2Ｏ 相が均一に分散した緻密な組織
となっている。なお、写真中の白い部分がＣｕ相、黒い
部分がＣｕ2Ｏ 相である。
【００３６】図に示す様に、Ｃｕ2Ｏ 粒子は断面の面積
率でその全体の９９％以上が連らなった不規則な形状の
塊となって分散していることが明らかである。
【００３７】硬さ測定の結果、Ｃｕ相はＨｖ７５〜８
０、Ｃｕ2Ｏ がＨｖ２１０〜２３０の硬さであった。ま
た、機械加工性を旋盤及びドリル加工で評価した結果、
加工性は非常に良好であり、形状付与が容易であること
がわかった。
【００３８】尚、本実施例では原料粉として第一酸化銅
（Ｃｕ2Ｏ)を用いたが、第二酸化銅（ＣｕＯ）を用いて
も大気中で焼結することによりＣｕ2Ｏ に変化し、複合
材はＣｕ2Ｏ が分散したものとなる。
【００３９】（Ｂ）前述の（Ａ）と同じ原料粉を用い、
Ｃｕ粉末とＣｕ2Ｏ 粉末をＣｕ−５５体積％Ｃｕ2Ｏ の
組成比で５５０ｇ調合した後、Ｖミキサー中で混合し
た。混合粉末を直径８０mmの金型に注入し、６００kg／
cm2 の圧力で冷間プレスして直径８０mm×２２mmの予備
成形体を得た。その後、予備成形体をアルゴンガス雰囲
気中で９７５℃×３時間の焼結を行った。次いで、得ら
れた焼結体を８００℃に加熱して２００トンプレスで鍛
練比１.８ まで鍛造した後５００℃で軟化焼鈍し、実施
例１と同様に組織観察，熱伝達係数及び熱伝導率の測定
に供した。
【００４０】鍛造材は、側面に多少の耳割れが観察され
たが、それ以外の部分は健全であり、本発明の銅複合材
料は、塑性加工性に優れることが判明した。
【００４１】図４は、鍛造材の鍛伸方向に平行な断面の
ミクロ組織（３００倍）を示す。
【００４２】Ｃｕ相及びＣｕ2Ｏ 相は、変形して鍛伸方
向に配向しているが、クラック等の欠陥は認められな
い。図に示す様にＣｕ2Ｏ 粒子は９５％以上が連らなっ
た塊となり、塑性加工によって伸ばされた方向に延ばさ
れていることが分かる。
【００４３】表２は、レーザーフラッシュ法による熱伝
導率の測定結果を示すが、鍛造しない焼結ままの状態で
は、熱伝導率の異方性は認められない。しかし、鍛造す
ることによって異方性が生じ、Ｃｕ相及びＣｕ2Ｏ 相の
配向方向（鍛伸方向）に対して平行なＬ方向の熱伝導率
は、それに直角なＣ方向(鍛造方向)の２倍以上の値を示
している。また、室温から３００℃までの熱膨張係数を
測定した結果、異方性はほとんど認められず、実施例１
の同一組成のものと同等であった。
【００４４】
【表２】
【００４５】（Ｃ）銅と純度２ＮのＣｕ2Ｏ 粉末を表３
に示す比率で調合した原料を大気溶解後に鋳造した複合
材料に関して、線膨張係数，熱伝導率及び硬さを測定し
た。熱膨張係数は、標準試料をＳｉＯ2 とし、押し棒式
測定装置を用いて室温から３００℃の温度範囲で測定し
た。また熱伝導率はレーザーフラッシュ法により測定し
た。その結果を表１に併記した。また、得られた試料Ｎ
o.３のミクロ組織（１００倍）を図５に示す。視野は７
２０×９５０μｍである。図に示す様に酸化銅はデンド
ライト状に形成されており、更に粒径１０〜５０μｍの
粒状のものが大部分で、径１００μｍの塊のものが１個
見られる。また、径が３０μｍ以下で長さが５０μｍ以
上の棒状とデンドライト状のものが約１０個であり、更
に基地に０.２ μｍ以下の粒状のものが前述の棒状及び
デンドライト状の形成した部分から０.５μｍ 程度の幅
の非形成帯があり、その部分を除分散しており、またそ
れが糸状に連らなったものも形成されている。
【００４６】熱膨張係数及び熱伝導率は、表３より明ら
かなように、ＣｕとＣｕ2Ｏ の組成比を調整することに
よって、広範囲にわたって変化しており、放熱板に求め
られる熱的特性に制御できることがわかった。
【００４７】
【表３】
【００４８】一方、ミクロ組織は図５より明らかなよう
に、Ｃｕ2Ｏ はデンドライトを形成し、Ｃｕ相とＣｕ2
Ｏ 相が均一に分散した緻密な組織となっている。な
お、写真中の白い部分がＣｕ相，黒い部分がＣｕ2Ｏ 相
である。
【００４９】硬さ測定の結果、Ｃｕ相はＨｖ７５〜８
０，Ｃｕ2Ｏ がＨｖ２１０〜２３０の硬さであった。ま
た、機械加工性を旋盤及びドリル加工で評価した結果、
加工性は非常に良好であり、形状付与が容易であること
がわかった。
【００５０】（Ｄ）一方向凝固法を用いて、銅と純度３
ＮのＣｕ2Ｏ 粉末を表４に示す比率で調合した原料を、
種々の酸素分圧下で溶解後に鋳造し、複合材料を作製し
た。酸素分圧１０-2Ｐａの雰囲気下で溶解後に鋳造した
試料Ｎo.７のミクロ組織（１００倍）を観察した結果Ｃ
ｕ2Ｏ 相はデンドライトを形成し、さらに粒径５〜５０
μｍの粒状のものが大部分である。また、径が３０μｍ
以下で長さ５０μｍ以上の直線状に連らなった棒状及び
デンドライト状のものが約１６個形成された組織となっ
ている。粒径１００μｍ以上の塊が１個見られる。基地
にはほとんどが粒径０.２μｍ 以下のもの、またそれが
糸状になって互いに網目状に連らなったものも形成され
ている。その基地での微細なＣｕ2Ｏ 粒子の形成は図５
と同様に非形成帯がある。
【００５１】
【表４】
【００５２】また、酸素分圧１０3Ｐａ の雰囲気下で溶
解後に鋳造した試料Ｎo.８のミクロ組織（１００倍）を
図６に示す。写真から明らかなように、Ｃｕ2Ｏ 相はデ
ンドライトを形成し、さらに一方向に配向した組織とな
っており、さらに原料及び酸素分圧を変化させることに
より、Ｃｕ2Ｏ 相の形状及び密度を制御できることがわ
かった。図に示す様に粒径５〜３０μｍの粒状のもの、
径が３０μｍ以下，長さ５０μｍ以上の棒状及びデンド
ライト状のものが約３３個形成されている。最も長いも
ので約２００μｍである。基地には図５と同様に粒径
０.２ μｍ以下の微細な粒子は前述の粒状，棒状，デン
ドライト状の形成周辺には図１と同様の非形成帯があ
り、本実施例ではこれらが全体に形成されているので、
微細粒子の形成域は少なくなっている。
【００５３】表４に、上記２種類の複合材料の線膨張係
数及び熱伝導率の測定結果を示す。その結果、いずれの
複合材料においても、線膨張係数と熱伝導率に異方性が
認められた。縦方向は鋳物の凝固方向であり、横方向は
凝固方向に水平な方向である。熱膨張係数はＣｕ2Ｏの
含有量が３０vol％以上になると縦方向が横方向より若
干大きくなる。また、熱伝導率は縦方向が横方向よりも
１.１ 倍以上大きくなる。
【００５４】なお、原料溶湯中に酸素ガスをバブリング
することによっても、雰囲気ガスとして酸素を用いた場
合と同様の結果が得られた。
【００５５】（Ｅ）前述の（Ｄ）試料Ｎo.８を９００℃
において９０％の加工度まで熱間加工した結果、加工性
は健全であり、本発明の複合材料は、塑性加工性に優れ
ることが判明した。図７は表５に示す試料Ｎo.９加工方
向に平行な断面のミクロ組織（１００倍）である。鋳造
のままのものに比較して配向性が顕著となり、またＣｕ
2Ｏ 相は塑性加工方向に伸ばされ一方向に伸長し、かつ
１から２０の範囲でアスペクト比を有する組織となっ
た。棒径は２０μｍ以下で、１〜１０μｍがほとんどで
ある。また、長さが１００μｍ以上のものは約１５個で
ある。更に、鋳造時の０.２μｍ 以下の微細粒子２〜５
μｍ程度の粒子に成長して消失している。また表５に併
記するように、上記試料Ｎo.９の線膨張係数及び熱伝導
率には、いっそう顕著な異方性が認められた。特に、熱
伝導率は棒状に沿った縦方向が横方向の１.２２ 倍の値
を示した。また、熱膨張係数は縦方向が横方向よりも若
干大きくなっている。
【００５６】
【表５】
【００５７】本発明に係る樹脂封止半導体装置は、樹脂
及び７０重量％以上、好ましくは８０〜９５重量％の球
形石英粉を含む組成物により封止され、前記樹脂はエポ
キシ樹脂を主とし、シリコーン重合体を前記エポキシ樹
脂１００重量部当り２０重量部以下、好ましくは１０重
量部以下（但し、０重量部を含む）含む樹脂が好まし
く、特に面付実装型樹脂封止半導体装置が好ましい。
【００５８】更に、本発明は、前述の組成物を用いてト
ランスファ成形するのが好ましい。球状石英粉はその９
０重量％以上が０.５〜１００μｍ の粒径を有するこ
と、その粒度分布がＲＲＳ粒度線図で表示した場合に直
線で、その勾配ｎが０.６〜０.９５であること、封止硬
化物の線膨張係数が１×１０-6以下、好ましくは１.３
×１０-5 ／℃以下が好ましい。
【００５９】本発明で用いる球状の溶融石英粉は、予め
所定の粒度分布に粉砕した溶融石英粉は、プロパン，ブ
タン，アセチレン，水素などの可燃性ガスを燃料とする
溶射装置から発生させた高温火炎中に一定量ずつ供給し
て溶融して球形化し、冷却したものが好ましい。
【００６０】本発明で用いるシリコーン重合体は、アミ
ノ基，カルボキシル基，エポキシ基，水酸基，ピリミジ
ン基等の官能基を末端あるいは側鎖に持つポリジメチル
シロキサンが好ましい。
【００６１】常温で固体のエポキシ樹脂は、クレゾール
ノボラック型エポキシ樹脂，フェノールノボラック型エ
ポキシ樹脂，ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂等、硬化
剤としてフェノールノボラックやクレゾールノボラック
等のノボラック樹脂，無水ピロメリット酸や無水ベンゾ
フェノン等の酸無水物等、さらに硬化促進剤，可撓化
剤，カップリング剤，着色剤，難燃化剤，離型剤等を必
要に応じて配合することができる。
【００６２】このエポキシ樹脂組成物は、各素材を７０
〜１００℃に加熱した二軸ロールや押出機で混練し、ト
ランスファプレスで金型温度１６０〜１９０℃，成形圧
力３０〜１００kg／cm2，硬化時間１〜３分で成形する
ことができる。
【００６３】充填材としてn＝０.９５ の球状充填材を
用い、表６に示すエポキシ樹脂組成物を８０℃に加熱し
た二軸ロールで１０分間混練した。
【００６４】
【表６】
【００６５】本実施例によれば、用いられる半導体封止
用樹脂組成物が、流動性に優れ、硬化後の線膨張係数が
小さく、弾性率も小さいので、半導体素子との線膨張係
数の差によって生じる熱応力を小さくすることができ、
耐クラック性及び接続信頼性に優れた面付実装型樹脂封
止半導体装置が得られる優れた効果を有する。
【００６６】（実施例２）本発明によるパワーモジュー
ルの他の実施例を図８に示す。なお、図１と後述する同
一番号の要素は全て同じ機能を有するものとして、また
番号の記載しなかった要素は図１と同一のものとして、
以下の説明を行うことにする。本図は、通電部材３の領
域３ａのみを実施例１に示した銅複合材料(Ｃｕ／Ｃｕ2
Ｏ）で、その他の部分を純銅（Ｃｕ）あるいは銅合金で
構成している。即ち、通電部材３を（Ｃｕ−Ｃｕ／Ｃｕ
2Ｏ）あるいは（銅合金−Ｃｕ／Ｃｕ2Ｏ）で構成したも
のである。一方、通電部材２はその全体を純銅（Ｃｕ）
あるいは銅合金で構成している。半導体パワー素子５は
通電部材３の領域３ａの上へ半田６で接合されている。
ここで、通電部材３の一部は銅複合材料より高い熱伝導
率を有する純銅あるいは銅合金で構成されているため、
半導体パワー素子５で発生した熱を半田６から通電部材
３を介して外部へより効率的に逃がすことができる。ま
た、純銅(Ｃｕ)は銅複合材料(Ｃｕ／Ｃｕ2Ｏ）よりその
固有抵抗が小さいので、半導体パワー素子へ通電したと
き電流によって通電部材部分で発生する熱量を、図１の
場合よりも少なくすることができる。ヒートシンク部材
１及び樹脂９も実施例１と同様である。
【００６７】（実施例３）本発明によるパワーモジュー
ルの他の実施例を図９に示す。本図は通電部材３と２を
純銅（Ｃｕ）あるいは銅合金のみで構成し、通電部材３
の上に半田（図中には省略）や熱圧着技術などで固着し
た実施例１に示した銅複合材料（Ｃｕ／Ｃｕ2Ｏ)からな
る銅複合部材１０へ半田６で半導体パワー素子５を実装
した例である。銅複合部材１０は低熱膨張係数を有する
ため、半導体パワー素子５と銅複合部材１０の半田６に
よる接合部の信頼性が向上する。前図と同様に、通電部
材３は銅複合材料より高い熱伝導率を有する純銅あるい
は銅合金で構成されているため、半導体パワー素子５で
発生した熱を半田６から銅複合部材１０，通電部材３を
介して外部へより効率的に逃がすことができる。また、
通電部材３と２の固有抵抗が小さいので、半導体パワー
素子５へ通電したとき電流によって前記通電部材部分で
発生する熱量を、図１の場合よりも少なくすることがで
きる。ヒートシンク部材１及び樹脂９は実施例１と同じ
である。
【００６８】（実施例４）本発明によるパワーモジュー
ルの他の実施例を図１０に示す。本図はパワーモジュー
ルの使用される環境がそれほど過酷でない場合の実施例
で、この場合は純銅（Ｃｕ）あるいは銅合金のみで構成
した通電部材３の上に、半導体パワー素子５を直接、半
田６で接合しても良い。即ち、使用条件が過酷でなけれ
ば素材の熱膨張係数の差に起因した半田接合部の信頼性
が許容できるからである。ヒートシンク部材１及び樹脂
９は実施例１と同じである。
【００６９】（実施例５）本発明によるパワーモジュー
ルの他の実施例を図１１に示す。本図は実施例１に示し
た銅複合材よりなる通電部材３と２を図に示すように折
曲げた形状にしているのが、図１に示した実施例と異な
る点である。通電部材３と２を種々の形状に折曲げるこ
とによって、パワーモジュールの他の電子機器への装着
性が向上する。但し、銅複合材料はその内部に第一酸化
銅(Ｃｕ2Ｏ）を含有しているため、通常の金属より伸び
が少ない材料である。そこで、本材料を折曲げる作業は
冷間では割れが発生するため、高温下の熱間で行われ
る。ヒートシンク部材１及び樹脂９も前述の銅複合部材
が用いられる。
【００７０】（実施例６）本発明によるパワーモジュー
ルの他の実施例を図１２に示す。本図はパワー半導体素
子を搭載する部分の通電部材３の領域３ａのみを及びヒ
ートシンク部材１を実施例１に示した銅複合材料(Ｃｕ
／Ｃｕ2Ｏ)で、その他の部分を純銅(Ｃｕ)あるいは銅合
金で構成したこと、通電部材２の全体を純銅（Ｃｕ）あ
るいは銅合金で構成したことが前図の図１１に示した実
施例と異なる点である。純銅(Ｃｕ)は銅複合材料(Ｃｕ
／Ｃｕ2Ｏ）よりその固有抵抗が小さいので、図８と同
様に半導体パワー素子へ通電したとき電流によって通電
部材部分で発生する熱量を少なくすることができる。本
図の場合、通電部材３を(Ｃｕ−Ｃｕ／Ｃｕ2Ｏ）複合材
料あるいは(銅合金−Ｃｕ／Ｃｕ2Ｏ）複合材料で構成し
ているため、図に示すようにその折曲げ部分が純銅（Ｃ
ｕ）あるいは銅合金であれば、本材料を折曲げる作業は
低温下の冷間でも可能になる。樹脂９も実施例１と同じ
である。
【００７１】通電部材の断面図と平面図を図１３に示
す。本図は図１２に示した通電部材３の断面図を図１３
（ａ），平面図を図１３（ｂ）に示したものである。図
に示すように、通電部材３の領域３ａのみを銅複合材料
(Ｃｕ／Ｃｕ2Ｏ）で、その他の部分を純銅（Ｃｕ）ある
いは銅合金で構成している。このように、通電部材３は
（Ｃｕ−Ｃｕ／Ｃｕ2Ｏ）あるいは（銅合金−Ｃｕ／Ｃ
ｕ2Ｏ）で構成され、純銅（Ｃｕ）あるいは銅合金の部
分で折曲げている。なお、領域１００は半導体パワー素
子の半田接合部の位置を示したものである。
【００７２】（実施例７）本発明によるパワーモジュー
ルの他の実施例を図１４に示す。本図は通電部材３と２
を図に示すように折曲げた形状にしているのが、図９に
示した実施例と異なる点である。本図の場合、通電部材
３と２の全体部が純銅（Ｃｕ）あるいは銅合金で構成さ
れるため、図に示すように折曲げることに関しては何ら
問題がない。
【００７３】（実施例８）本発明によるパワーモジュー
ルの他の実施例を図１５に示す。本図は通電部材３と２
を図に示すように折曲げた形状にしているのが、図１０
に示した実施例と異なる点である。本図の場合も同様
に、通電部材３と２の全体部が純銅（Ｃｕ）あるいは銅
合金で構成されるため、通電部材自体を折曲げることに
関しては何ら問題がない。
【００７４】（実施例９）本発明によるパワーモジュー
ルの他の実施例を図１６に示す。本図は、通電部材３の
領域３ａのみを実施例１に示した銅複合材料(Ｃｕ／Ｃ
ｕ2Ｏ）とし、その他の部分を純銅（Ｃｕ）あるいは銅
合金で構成している。一方、通電部材２は純銅（Ｃｕ）
あるいは銅合金のみで構成している。通電部材３の領域
３ａに半導体パワー素子５を半田６で接合し、半導体パ
ワー素子５と通電部材３，２間をそれぞれ導線８，７を
介して結線した後、これらを樹脂９で封止したものであ
る。即ち、図８の実施例から銅複合材料で構成されるヒ
ートシンク部材１を除去した実装方法である。半導体パ
ワー素子５の容量がそれほど大きくなければ、即ち発熱
量がそれほどでなければ通電部材３からの放熱だけで、
半導体パワー素子５の発熱による上昇温度を低い値に抑
制することができる。その結果、コストパフォーマンス
の高いパワーモジュールを得ることができる。樹脂９は
実施例１と同じである。
【００７５】（実施例１０）本発明によるパワーモジュ
ールの他の実施例を図１７に示す。本図は通電部材３と
２を図に示すように折曲げた形状にしているのが、図１
６に示した実施例と異なる点である。通電部材３と２を
種々の形状に折曲げることによって、パワーモジュール
の他の電子機器への装着性が向上する場合がある。
【００７６】（実施例１１）本発明によるパワーモジュ
ールの他の実施例を図１８に示す。本図において通電部
材３は領域３ａのみを実施例１に示した銅複合材料(Ｃ
ｕ／Ｃｕ2Ｏ）、その他の部分を純銅（Ｃｕ）あるいは
銅合金としている。一方、通電部材２はその全体を純銅
（Ｃｕ）あるいは銅合金で構成している。半導体パワー
素子５を通電部材３の領域３ａの部分へ半田６で接合し
ている。通電機能とヒートシンク機能を兼ね備えた通電
部材３と通電機能を有する通電部材２を樹脂性の絶縁シ
ート１２などでセラミックス基板１１へ接着した後、半
導体パワー素子５の上部へ空間１５を形成するようにセ
ラミックス基板１１の表面にキャップ１３を樹脂あるい
は低融点ガラスなどの接着材１４で接着したパワーモジ
ュールである。なお、キャップ１３は樹脂あるいはセラ
ミックスで構成される。セラミックス基板１１は窒化ア
ルミニウム焼結体からなる絶縁性の高い材料であるた
め、耐圧の高いパワーモジュールに適している。キャッ
プ１３も同じセラミックス焼結材を用いた。 （実施例１２）本発明によるパワーモジュールの他の実
施例を図１９に示す。本図は通電部材３と２を図に示す
ように折曲げた形状にしているのが、図１８に示した実
施例と異なる点である。通電部材３と２を種々の形状に
折曲げることによって、パワーモジュールの他の電子機
器への装着性が向上する場合がある。更に、セラミック
ス基板１１は平板ではなくキャップと同様の構造にした
点が異なるものである。 （実施例１３）本発明によるパワーモジュールの他の実
施例を図２０に示す。図に示すように、実施例１で示し
た銅複合材料で構成されるヒートシンク部材１６の樹脂
性の絶縁シート１７などを用いてセラミックス基板１８
が固着され、このセラミックス基板１８の上にＩＧＢＴ
などの半導体パワー素子２１を実装し、その周囲を樹脂
２６で封止したパワーモジュールである。ここで、絶縁
シート１７は比較的高い熱伝導性を有し、その厚さは少
なくとも数十ミクロン以下と薄いたものである。なお、
セラミックス基板１８には低熱膨張，高熱伝導の窒化ア
ルミニウム(AlN)などが用いられる。セラミックス基板
１８には厚い銅箔あるいは銅合金箔よりなるパターン化
された導体部材１９ａ，１９ｂ，１９ｃ及び１９ｄが形
成されており、半導体パワー素子２１をその他の電子部
品２２と共に、それぞれ半田２０ａ，２０ｂを介して導
体部材１９ｂ，１９ｃの上に接合している。純銅あるい
は銅合金などで構成される通電部材２３と半導体パワー
素子２１は導線２５ａ，導体部材１９ａ，導線２５ｂを
経由して電気的に結線される。同様に、電子部品２２は
導体部材１９ｄ，導線２５ｃを介して通電部材２４と電
気的に結線されている。なお、パワーモジュールには多
数の通電部材が使用されるが、図中には通電部材２３と
２４の２個しか記載しておらず、その他は省略してあ
る。図に示すように、本パワーモジュールはヒートシン
ク部材１６と通電部材２３，２４の一部が露出するよう
に樹脂２６で封止される。封止用樹脂２６の熱膨張係数
を８〜１５ppm／Ｋ の範囲に設定することによって、樹
脂２６とヒートシンク部材１６間の熱膨張係数の差が小
さくなり、封止構造体へのヒートシンク発生を防止で
き、信頼性の高いパワーが得られる。ヒートシンク部材
１６はその一部が樹脂２６から露出していること且つ高
い熱伝導率を有する銅複合材料で構成されていることに
より、半田２０ａ，導体部材１９ｂ，高熱伝導性のセラ
ミックス基板１８，ヒートシンク部材１６を介して半導
体パワー素子２１で発生した熱を外部に効率良く逃がす
ことができる。セラミックス基板１８は絶縁性の材料で
あり、信頼性の高い高耐圧のパワーモジュールが得られ
る。樹脂２６は実施例１と同じである。
【００７７】（実施例１４）本発明によるパワーモジュ
ールの他の実施例を図２１に示す。本図は、ヒートシン
ク部材１６の露出部分をフィン形状にしている点が、前
図に示した実施例と異なる点である。即ち、ヒートシン
ク部材１６の露出部分にフィン２７を設けることによっ
て、前図の場合よりも半導体パワー素子２１で発生した
熱を外部へより効率的に逃がすことができるので、信頼
性の高い高耐圧のパワーモジュールが得られる。
【００７８】（実施例１５）本発明によるパワーモジュ
ールの他の実施例を図２２に示す。図に示すように、実
施例１で示した銅複合材料よりなるヒートシンク部材１
６へ樹脂性の絶縁シート１７などを用いて厚い銅箔ある
いは銅合金箔を固着した後、この銅箔あるいは銅合金箔
をエッチング加工でパターン化することによって導体部
材１９ａ，１９ｂ，１９ｃ及び１９ｄが形成する。この
導体部材の一部にＩＧＢＴなどの半導体パワー素子２１
を実装し、その周囲を樹脂２６で封止したパワーモジュ
ールである。ここで、絶縁シート１７は比較的高い熱伝
導性を有し、その厚さは少なくとも数十ミクロン以下と
薄いものである。半導体パワー素子２１はその他の電子
部品２２と共に、それぞれ半田２０ａ,２０ｂを介して
導体部材１９ｂ,１９ｃの上に接合される。純銅あるい
は銅合金などで構成される通電部材２３と半導体パワー
素子２１は導線２５ａ，導体部材１９ａ，導線２５ｂを
経由して電気的に結線される。同様に、電子部品２２は
導体部材１９ｄ，導線２５ｃを介して通電部材２４と電
気的に結線されている。図に示すように、本パワーモジ
ュールはヒートシンク部材１６と通電部材２３，２４の
一部が露出するように樹脂２６で封止される。ヒートシ
ンク部材１６はその一部が樹脂２６から露出しているこ
と且つ高い熱伝導率を有する銅複合材料で構成されてい
ることにより、半田２０ａ，導体部材１９ｂ，ヒートシ
ンク部材１６を介して半導体パワー素子２１で発生した
熱を外部に効率良く逃がすことができる。このような構
成で、信頼性の高い低容量用パワーモジュールが得るこ
とができる。樹脂２６は実施例１と同じである。
【００７９】（実施例１６）本発明によるパワーモジュ
ールの他の実施例を図２３に示す。本図は、ヒートシン
ク部材１６の露出部分をフィン形状にしている点が、前
図に示した実施例と異なる点である。即ち、ヒートシン
ク部材１６の露出部分にフィン２７を設けることによっ
て、前図の場合よりも半導体パワー素子２１で発生した
熱を外部へより効率的に逃がすことができるので、高信
頼でコストパフォーマンスの高い低容量のパワーモジュ
ールが得られる。
【００８０】本発明によるパワーモジュールは低熱膨張
で高熱伝導の銅複合材料をヒートシンクや通電部材に用
いているため、高信頼に優れている。
【００８１】
【発明の効果】本発明によれば、信頼性が高く、製造容
易なパワーモジュールを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる銅複合材料を用いたパワーモジ
ュールの一実施例を示した図。
【図２】銅複合材料の材料特性を示した図。
【図３】本発明の銅複合材料の断面の顕微鏡写真。
【図４】本発明の銅複合材料の断面の顕微鏡写真。
【図５】本発明の銅複合材料の断面の顕微鏡写真。
【図６】本発明の銅複合材料の断面の顕微鏡写真。
【図７】本発明の銅複合材料の断面の顕微鏡写真。
【図８】本発明によるパワーモジュールの他の実施例を
示した図。
【図９】本発明によるパワーモジュールの他の実施例を
示した図。
【図１０】本発明によるパワーモジュールの他の実施例
を示した図。
【図１１】本発明によるパワーモジュールの他の実施例
を示した図。
【図１２】本発明によるパワーモジュールの他の実施例
を示した図。
【図１３】通電部材の断面と平面を示した図。
【図１４】本発明によるパワーモジュールの他の実施例
を示した図。
【図１５】本発明によるパワーモジュールの他の実施例
を示した図。
【図１６】本発明によるパワーモジュールの他の実施例
を示した図。
【図１７】本発明によるパワーモジュールの他の実施例
を示した図。
【図１８】本発明によるパワーモジュールの他の実施例
を示した図。
【図１９】本発明によるパワーモジュールの他の実施例
を示した図。
【図２０】本発明によるパワーモジュールの他の実施例
を示した図。
【図２１】本発明によるパワーモジュールの他の実施例
を示した図。
【図２２】本発明によるパワーモジュールの他の実施例
を示した図。
【図２３】本発明によるパワーモジュールの他の実施例
を示した図。
【符号の説明】
１，１６…ヒートシンク部材、２，３，２３，２４…通
電部材、３ａ，１００…領域、４，１２，１７…絶縁シ
ート、５，２１…半導体パワー素子、６，20ａ，２０ｂ
…半田、７，８，２５ａ，２５ｂ，２５ｃ…導線、９，
２６…樹脂、１０…銅複合部材、１１，１８…セラミッ
クス基板、１３…キャップ、１４…接着材、１５…空
間、１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄ…導体部材、２２
…電子部品、２７…フィン。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 近藤 保夫 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (72)発明者 岡本 和孝 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (72)発明者 渡部 典行 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (72)発明者 青野 泰久 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (56)参考文献 特開 昭54−139475（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−59338（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/52

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】通電部材上に搭載された半導体素子及び前
    記通電部材の一部が樹脂によって封止されているパワー
    モジュールにおいて、前記通電部材の少なくとも前記素
    子が搭載される部分が酸化銅を含む銅複合部材よりなる
    ことを特徴とするパワーモジュール。
  2. 【請求項２】通電部材上に搭載された半導体素子と、前
    記通電部材の前記素子搭載部反対面側に絶縁材を介して
    接合されたヒートシンクとを有し、前記素子，通電部材
    の一部及びヒートシンクの一部が樹脂によって封止され
    ているパワーモジュールにおいて、前記通電部材の少な
    くとも前記素子が搭載されている部分が酸化銅を含む銅
    複合部材よりなることを特徴とするパワーモジュール。
  3. 【請求項３】通電部材上に搭載された半導体素子と、前
    記通電部材の前記素子搭載部反対面側に接合されたセラ
    ミック基体とを有し、前記素子及び通電部材の一部がキ
    ャップによって封止されているパワーモジュールにおい
    て、前記通電部材の少なくとも前記素子が搭載されてい
    る部分が酸化銅を含む銅複合部材よりなることを特徴と
    するパワーモジュール。
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