JP4830326B2 - 半導体モジュールおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体モジュールおよびその製造方法に関し、特にパワー半導体素子を内蔵する半導体モジュールおよびその製造方法に関する。

近年、電気自動車やハイブリッド自動車などが注目されているが、このようなモータ駆動の自動車用途では、小型で効率がよく信頼性の高いパワー半導体素子が求められている。ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）等のパワー半導体素子は、扱う電流が大きいので動作時の放熱が重要である。

特開２００１−３０５５８４号公報（特許文献１）には、放熱効果を実現するため絶縁膜の一部としてダイアモンドライクカーボン（ＤＬＣ）の熱伝導膜を設ける半導体装置について開示されている。
特開２００１−３０５５８４号公報 特開２００３−２８２９７２号公報 特開平１０−２２３６２５号公報 特開２０００−１７３９８７号公報 特開２００２−１０００１１号公報

パワー半導体素子を搭載する半導体モジュールは、冷却のための放熱板が設けられる場合が多い。自動車用のパワー半導体素子には高圧の電圧が印加されるので、放熱板とパワー半導体素子との間は絶縁されていることが好ましい。

絶縁膜としてのＤＬＣやＤＬＣ−Ｓｉが半導体モジュールへ適用されることが検討されている。しかし、ＤＬＣ−Ｓｉ膜は、シリコンＳｉと炭素Ｃのアモルファスによって構成されており、現在の技術ではアモルファスを稠密に構成することが困難で、微細な欠陥が残ってしまう。

このため、パワー半導体素子のように高耐圧が要求される素子を含む半導体モジュールに使用するには絶縁性が不十分であるという問題があった。

一方、絶縁性の樹脂によって放熱板とパワー半導体素子との間の絶縁を行なうことも考えられる。しかし、絶縁性の樹脂を放熱板に直接コーティングすると放熱板の材質であるアルミや銅と絶縁樹脂との間の線膨張係数の違いによって放熱板からの絶縁樹脂のはがれが発生してしまうという問題があった。

また、熱伝導性が良く、かつ絶縁性が良くさらに樹脂のはがれも発生しにくいものとして絶縁樹脂を銅板でサンドイッチしたクラッド材があるが、クラッド材を放熱板と半導体モジュールの間の絶縁に用いるにはクラッド材を放熱板にはんだ付けする必要があり手間であった。

この発明の目的は、絶縁性が高められ信頼性が向上した半導体モジュールおよびその製造方法を提供することである。

この発明は、要約すると、半導体モジュールであって、パワー半導体素子と、放熱板と、パワー半導体素子と放熱板との間に設けられるダイアモンドライクカーボン膜と、ダイアモンドライクカーボン膜の表面に重ねて設けられ、パワー半導体素子と放熱板との間を絶縁する絶縁樹脂層とを備える。

好ましくは、半導体モジュールは、絶縁樹脂層上に設けられパワー半導体素子と電気的に接続される電極をさらに備える。

好ましくは、ダイアモンドライクカーボン層は、絶縁樹脂が設けられる側の面の表面粗さを強調する処理が施されて形成される。

この発明は他の局面においては、半導体モジュールであって、パワー半導体素子と、放熱板と、パワー半導体素子と放熱板との間に設けられる、絶縁性アモルファス素材と絶縁樹脂の複合材とを備える。

この発明はさらに他の局面においては、半導体モジュールであって、パワー半導体素子と、放熱板と、パワー半導体素子と放熱板との間に設けられる、ダイアモンドライクカーボンと絶縁樹脂の複合材とを備える。

好ましくは、絶縁樹脂は、複合材においてダイアモンドライクカーボン層の欠陥を封孔する。

この発明はさらに他の局面においては、半導体モジュールの製造方法であって、放熱板上に絶縁性アモルファス素材の層を形成するステップと、絶縁性アモルファス素材の層の表面に絶縁樹脂を形成するステップと、絶縁樹脂の表面に電極を形成するステップと、電極にパワー半導体素子を接合するステップとを備える。

この発明はさらに他の局面においては、半導体モジュールの製造方法であって、放熱板上にダイアモンドライクカーボン層を形成するステップと、ダイアモンドライクカーボン層の表面に絶縁樹脂を形成するステップと、絶縁樹脂の表面に電極を形成するステップと、電極にパワー半導体素子を接合するステップとを備える。

本発明によれば、パワー半導体モジュールの絶縁性能が向上し信頼性を高めることができる。

以下、本発明について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一の符号を付してその説明は繰返さない。

図１は、本発明の実施の形態にかかる半導体モジュール１の構成を示した断面図である。

図１を参照して、半導体モジュール１は、パワー半導体素子２と、放熱板１２と、パワー半導体素子２と放熱板１２との間に設けられるダイアモンドライクカーボン膜１０と、ダイアモンドライクカーボン膜１０の上に重ねて設けられ、パワー半導体素子２と放熱板１２との間を絶縁する絶縁樹脂層８とを含む。

放熱板１２には、たとえば銅Ｃｕや銅とモリブデンの合金Ｃｕ−Ｍｏの熱伝導性の良い金属が用いられる。放熱板の裏面には、熱伝導を良くするためにシリコングリース１８が塗布され、放熱板の裏面はアルミ冷却器１４に密着されている。アルミ冷却器１４には冷却媒体に浸漬された冷却フィン１６が形成されている。なお、冷却フィン１６は、空冷のためのものであっても良い。

ダイアモンドライクカーボン膜１０は、ＤＬＣ−Ｓｉ膜またはＤＬＣ膜のいずれであっても良い。主たる絶縁を目的としてダイアモンドライクカーボン膜１０が設けられ、ダイアモンドライクカーボン膜１０の欠陥部分の絶縁性の向上を目的として絶縁樹脂層８が設けられている。絶縁樹脂層８は、ポリイミド等の絶縁樹脂を用いることができる。絶縁樹脂層８は、複合材においてダイアモンドライクカーボン膜１０の欠陥を封孔する。

ダイアモンドライクカーボン膜１０は、いくつかの方法で形成できる。たとえば吹き付け、低温化学蒸着、プラズマＣＶＤ法等で形成でき、放熱板１２の表面にも密着性良く形成可能である。

また、放熱板１２に絶縁樹脂層８を直接コーティングすると線膨張係数の違いにより絶縁樹脂層８にはがれが生じやすいという問題があったが、ＤＬＣ−Ｓｉ膜等を放熱板１２に形成してから絶縁樹脂層８をコーティングすると、ＤＬＣ−Ｓｉ膜表面の粗さによって絶縁樹脂層８の密着性が向上する。したがって絶縁樹脂層８は、はがれにくくなる。

ダイアモンドライクカーボン膜１０と絶縁樹脂層８とを複合的に使用することで、薄く熱伝導性がよくかつ信頼性の高い絶縁膜を実現することができる。たとえば、ＤＬＣ−Ｓｉ膜の厚さを２５μｍ、絶縁樹脂層８の厚さをポリイミド膜で３０μｍとすれば薄く信頼性の高い絶縁膜が実現する。

半導体モジュール１は、絶縁樹脂層８上に設けられパワー半導体素子２とはんだ層４によって電気的に接続されるアルミ箔電極６をさらに備える。パワー半導体素子２およびアルミ箔電極６は必要に応じてシリコンゲル等によって防水が施される。

アルミ箔電極６は、厚さが従来の１００〜２００μｍであればポリイミド等の樹脂との線膨張係数の違いによってはがれる恐れがあるが、厚さを４０μｍ程度に薄くすれば伸縮性が増しはがれにくくなる。アルミ箔電極６は、はんだ層４によってパワー半導体素子２に接合される。

以上説明したように、放熱板１２上にダイアモンドライクカーボン膜１０を形成し、そしてダイアモンドライクカーボン膜１０の表面に絶縁樹脂層８を形成して絶縁性を高めた後、絶縁樹脂層８の表面に電極６を形成し、電極６にパワー半導体素子２を接合することで、半導体モジュールを製造することができる。

［変形例］
図２は、実施の形態の変形例を説明するための図である。

実施の形態の変形例は、図１で説明した実施の形態の構成において、絶縁樹脂層８とダイアモンドライクカーボン膜１０との界面が、図２に示すように絶縁樹脂層８Ａとダイアモンドライクカーボン膜１０Ａに示すようになっている点が異なる。他の部分については図１で説明した半導体モジュール１と同様であるので説明は繰返さない。

図２に示すように、ダイアモンドライクカーボン膜１０Ａは、絶縁樹脂層８Ａが設けられる側の面の表面粗さを強調する処理すなわち粗面形成処理が施される。

たとえば、ダイアモンドライクカーボン膜１０Ａを吹き付けによって形成する場合には、所定膜厚まで均一にダイアモンドライクカーボン膜１０Ａを形成した後に、マスクパターンをつけて部分的にダイアモンドライクカーボン膜１０Ａが付着しないようにすればよい。また、プラズマＣＶＤ等の放電による方法によって形成する場合には、所定膜厚まで均一にダイアモンドライクカーボン膜１０Ａを形成した後に、表面に絶縁性の高い樹脂を部分的に付着させればよい。なお、マスクパターンを形成する方法によらなくても、ガス組成を調整することにより粗面にしても良い。

このようにすることで、ダイアモンドライクカーボン膜１０Ａに対する絶縁樹脂層８Ａの密着性がさらに向上する。

以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、ＤＬＣ膜の欠陥部分が樹脂層で補われ、信頼性が高く熱伝導性がよくかつ薄い絶縁膜を形成する。このため高性能でかつ簡単な構成の半導体モジュールが実現できる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態にかかる半導体モジュール１の構成を示した断面図である。 実施の形態の変形例を説明するための図である。

符号の説明

１ 半導体モジュール、２ パワー半導体素子、４ はんだ層、６ アルミ箔電極、８，８Ａ 絶縁樹脂層、１０，１０Ａ ダイアモンドライクカーボン膜、１２ 放熱板、１４ アルミ冷却器、１６ 冷却フィン、１８ シリコングリース。

Claims (4)

1. パワー半導体素子と、
   放熱板と、
   前記パワー半導体素子と前記放熱板との間に設けられるダイアモンドライクカーボン膜と、
   前記ダイアモンドライクカーボン膜の表面に重ねて設けられ、前記パワー半導体素子と前記放熱板との間を絶縁する絶縁樹脂層とを備え、
   前記ダイアモンドライクカーボン膜は、
   均一膜厚の第１層と、
   表面粗さを強調するために前記第１層上に部分的に形成される第２層とを含む、半導体モジュール。
2. 前記絶縁樹脂層上に設けられ前記パワー半導体素子と電気的に接続される電極をさらに備える、請求項１に記載の半導体モジュール。
3. 前記絶縁樹脂層は、前記ダイアモンドライクカーボン膜の欠陥を封孔する、請求項１に記載の半導体モジュール。
4. 放熱板上にダイアモンドライクカーボンの均一な第１層を形成するステップと、
   前記第１層を形成した後に部分的にダイアモンドライクカーボンの第２層を形成するステップと、
   前記第１層および前記第２層で形成されたダイアモンドライクカーボン層の表面に絶縁樹脂を形成するステップと、
   前記絶縁樹脂の表面に電極を形成するステップと、
   前記電極にパワー半導体素子を接合するステップとを備える、半導体モジュールの製造方法。

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