JP5141061B2 - パワーモジュール - Google Patents

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Description

本発明は、半導体チップの発熱に対する冷却機能を有するパワーモジュールおよびその製造方法に関する。
図９は、従来のＩＧＢＴチップを搭載したパワーモジュールの構造を示す断面図である。同図に示すように、ＣｕＭｏ等により構成されている放熱基板１０１の主面側には、放熱基板１０１に、半田層１０２により固定されたＡｌ板１０４と、Ａｌ板１０４の主面にＡｌろうによって固定されたＡｌＮ板１０６と、ＡｌＮ板１０６の主面にＡｌろうによって固定されたＡｌ配線１０８と、Ａｌ配線１０８の上に、半田層１０９により固定された半導体チップ１２０とを備えている。また、放熱基板１０１の裏面側には、グリース１１２によりフィン付きのヒートシンク１１３が取り付けられている。上記Ａｌ板１０４，ＡｌＮ板１０６およびＡｌ配線１０８は、ＤＢＡ基板として一体的に用いられている。
このように、Ａｌ板１０４，ＡｌＮ板１０６およびＡｌ配線１０８をＤＢＡ基板（絶縁層を含む配線部材）として用いたパワーモジュールの構造は、たとえば、特許文献１に記載されている（同文献の図５参照）。
特開２００１−１６８２５６号公報
しかしながら、図９に示すパワーモジュールの構造では、部品数が多く必要であり、製造コストが高くなるという不具合があった。反面、部品数を低減すると、部材間の熱膨張率差に起因する熱応力が増大したり、各部材間の接続部の信頼性が損なわれるおそれがある。
本発明の目的は、接合部の信頼性を確保しつつ、部品数が少なくて製造コストの安価なパワーモジュールを提供することにある。
本発明のパワーモジュールは、ヒートシンク上に樹脂接着剤により半導体チップの配線部材を固着した構造を有しており、ヒートシンクの固着面の少なくとも一部に凹凸部を形成したものである。
これにより、ＤＢＡ基板等の部品が不要となり、部品数が低減されるとともに、凹凸部によって絶縁樹脂層との接触面の表面積が増大するので、配線部材とヒートシンクとの固着強度が高くなり、接続の信頼性の向上を図ることができる。
凹凸部が、半導体チップからの熱伝導を受ける所定領域の外側のみに形成されていることにより、凹凸部による熱伝導の悪化を回避しつつ、配線部材とヒートシンクとの接続の信頼性を高く維持することができる。
凹凸部がサンドブラスト面であることにより、凹凸部の高低差を小さくできるので、絶縁樹脂層の局部的な熱抵抗の増大を回避でき、冷却機能の大幅な低下を回避することができる。
配線部材の絶縁樹脂層との接触面のうち少なくとも一部にも凹凸部が形成されていることにより、配線部材とヒートシンクとの固着強度がさらに向上する。
その場合には、配線部材およびヒートシンクの凹凸部の少なくとも一部を互いに係合する位置決め部とすることもできる。
配線部材と半導体チップとの接合部が、半田によって構成されていることにより、パワーモジュール全体として単一の半田層を用いるだけでよいので、比較的低融点で接続信頼性の高いＰｂフリー半田のみを用いることができる。よって、接続の信頼性を確保しつつ、Ｐｂフリー化を図ることができる。
本発明のパワーモジュールによると、部材間の接続の信頼性を保持しつつ、部品数の少ない、製造コストの安価なパワーモジュールの提供を図ることができる。
（実施の形態１）
−パワーモジュールの構造−
図１は、実施の形態におけるパワーモジュールセットの構造を示す斜視図である。同図に示すように、本実施形態のパワーモジュールセットは、放熱器５０の上に、複数のパワーモジュール１０を取り付けて構成されている。放熱器５０は、天板５０ａと天板５０ａに接合された容器５０ｂとからなり、天板５０ａには、パワーモジュール１０を組み込むための多数の矩形状貫通穴が設けられている。本実施形態においては、矩形状貫通穴が多数設けられているが、１つだけでもよい。放熱器５０を構成する天板５０ａと容器５０ｂとは、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、ダイキャスト，押し出し，鍛造，鋳造，機械加工等によって組み立てることができる。
本実施の形態では、放熱器５０は天板５０ａと容器５０ｂとを個別に形成してから両者を接合しているが、天板と容器とを一体に形成してもよい。その場合、たとえば一体型を用いたダイキャストにより放熱器を形成することができる。
図２は、実施の形態に係るパワーモジュールセットのII-II線における断面図である。ただし、図２において配線構造の図示は省略されている。図３は、図２の一部を拡大して示す断面図である。本実施の形態のパワーモジュールセットにおいて、放熱器５０の天板５０ａと容器５０ｂとの間の空間５１には、熱交換媒体としての冷却水が図２の紙面に直交する方向に流れている。パワーモジュール１０は、Ｏリング２５により気密を保持しつつボルト５４により天板５０ａにネジ止めされている。また、パワーモジュール１０は、主要部材として、ＩＧＢＴなどの半導体素子が形成された半導体チップ１１と、半導体チップ１１内の半導体素子と外部部材とを電気的に接続するための金属配線２３と、金属配線２３と半導体チップ１１とを接合する，Ｐｂフリー半田を含む半田層１４と、焼結Ａｌ合金からなり半導体チップ１１で発生した熱を外方に放出するためのヒートシンク２１と、金属配線２３をヒートシンク２１に固着する絶縁樹脂層２６とを備えている。図３に示すように、半導体チップ１１の上面および下面には、それぞれ、ＩＧＢＴなどの半導体素子の活性領域に接続される上面電極１２および裏面電極１３が設けられている。そして、半導体チップ１１の裏面電極１３が、半田層１４によって、金属配線２３に導通状態で接合されている。
ヒートシンク２１は、平板部２１ａと、平板部２１ａの裏面側から突出するフィン部２１ｂとからなり、平板部２１ａは、金属配線２３を支持する支持部材として機能している。そして、フィン部２１ｂは、熱交換媒体である冷却水にさらされて、熱交換効率を高めるように構成されている。ただし、フィン部２１ｂは必ずしも必要ではなく、また、フィン部２１ｂに代えて、他の放熱構造体を備えていてもよい。
また、ヒートシンク２１の絶縁樹脂層２６との接触面のうち図２の部分平面図および図３に示す熱伝導領域Ｒhtを除く外方領域Ｒohには、凹凸部２２が形成されている。本実施の形態の凹凸部２２は、ヒートシンク２１の上面に形成された多くの凹部によって構成されている。この凹凸部２２の表面積は、フラットな熱伝導領域Ｒhtの表面積に比べおおきく、これによって絶縁樹脂層２６による固着強度が向上する。
ここで、熱伝導領域Rhtとは、半導体チップ１１の下端部から立体角４５°で下方に広がる範囲内の領域をいう。半導体チップ１１の下方に、熱伝導率が大きく異なることのない部材が配置されている場合には、半導体チップ１１で生じた熱がほぼこの範囲でヒートシンクに伝導されると、近似的に仮定することができる。そして、本実施の形態では、ヒートシンク２１の絶縁樹脂層２６との接触面のうち、熱伝導領域Ｒhtを除く非熱伝導領域Ｒohのみに凹凸部２２が形成されている。
なお、ヒートシンク２１の絶縁樹脂層２６との接触面の全体に、つまり、熱伝導領域Ｒhtにも、凹凸部２２が形成されていてもよいものとする。また、ヒートシンク２１の上面全体に凹凸部２２が形成されていてもよい。さらに、凹凸部２２がサンドブラスト面であってもよい。
また、放熱器５０の天板５０ａ上に、半導体チップ１１等を囲むモジュール樹脂枠５３が設けられていて、モジュール樹脂枠５３がボルト５４によって天板５０ａに固定されている。モジュール樹脂枠５３の内部および外表面には、一体成形により、電極端子層５６（バスバー）が設けられている。モジュール樹脂枠５３は、電極端子層５６（バスバー）を支持するための絶縁支持部材として機能する。この電極端子層５６と金属配線２３とは、大電流用配線１８によって接続されており、電極端子層５６と半導体チップ１１の上面電極１２の一部とは、信号配線１７によって接続されている。これによって、パワーモジュール１０と外部機器との電気的な接続が可能になっている。また、モジュール樹脂枠５３の内方には、シリコンゲルからなるゲル層４０が設けられていて、ヒートシンク２１の上面側で半導体チップ１１，信号配線１７，大電流用配線１８，金属配線２３，半田層１４，絶縁樹脂層２６などの部材がゲル層４０内に埋設されている。
本実施の形態のパワーモジュール１０の特徴は、Ｐｂフリー半田からなる半田層１４と、絶縁樹脂層２６とを備えている点にある。一般に、Ｐｂフリー半田には、以下のものがある。たとえば、Ｓｎ（液相点２３２℃），Ｓｎ−3.5%Ａｇ（液相点２２１℃），Ｓｎ−3.0%Ａｇ（液相点２２２℃），Ｓｎ−3.5%Ａｇ−0.55%Ｃｕ（液相点２２０℃），Ｓｎ−3.0%Ａｇ−0.5%Ｃｕ（液相点２２０℃），Ｓｎ−1.5%Ａｇ−0.85%Ｃｕ−2.0Ｂｉ（液相点２２３℃），Ｓｎ−2.5%Ａｇ−0.5%Ｃｕ−1.0Ｂｉ（液相点２１９℃），Ｓｎ−5.8Ｂｉ（液相点１３８℃），Ｓｎ−0.55%Ｃｕ（液相点２２６℃），Ｓｎ−0.55%Ｃｕ−その他（液相点２２６℃），Ｓｎ−0.55%Ｃｕ−0.3%Ａｇ（液相点２２６℃），Ｓｎ−5.0%Ｃｕ（液相点３５８℃），Ｓｎ−3.0%Ｃｕ−0.3%Ａｇ（液相点３１２℃），Ｓｎ−3.5%Ａｇ−0.5%Ｂｉ−3.0Ｉｎ（液相点２１６℃），Ｓｎ−3.5%Ａｇ−0.5%Ｂｉ−4.0Ｉｎ（液相点２１１℃），Ｓｎ−3.5%Ａｇ−0.5%Ｂｉ−8.0Ｉｎ（液相点２０８℃），Ｓｎ−8.0%Ｚｎ−3.0%Ｂｉ（液相点１９７℃）等がある。本実施の形態では、液相点が２５０℃以下の低融点のＰｂフリー半田、たとえば、Ｓｎ−3.0%Ａｇ−0.5%Ｃｕ（液相点２２０℃）を用いているが、これに限定されるものではない。ただし、Ｓｎ−5.0%Ｃｕ（液相点３５８℃），Ｓｎ−3.0%Ｃｕ−0.3%Ａｇ（液相点３１２℃）等の高融点のＰｂフリー半田（液相点が２５０℃を超えるもの）は除くものとする。
絶縁樹脂層２６には、本実施の形態では、金属やセラミクスの充填剤を含むエポキシ樹脂が用いられている。エポキシ樹脂の使用可能温度は、種類によって異なるが、２５０℃を超えるものを選択することは容易であり、本実施の形態では、Ｐｂフリー半田の液相点よりも高いものを用いている。したがって、後述するパワーモジュールの組み立て工程において、絶縁樹脂層２６を形成した後で、Ｐｂフリー半田のリフロー工程を行うことが可能になる。たとえば、エポキシ樹脂に、アルミナ，シリカ，アルミニウム，窒化アルミニウムなどを充填したものを用いることができ、熱伝導率が３．０（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上であることが好ましく、５．０（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上であることがより好ましい。
絶縁樹脂層２６の厚みは、０．４ｍｍ以下であることが好ましく、０．２ｍｍ以下であることがより好ましい。絶縁樹脂層２６の熱抵抗は、熱伝導率と厚みに依存して定まるが、厚みが薄いほど熱抵抗が小さくなる。したがって、厚みが０．４ｍｍ以下であることにより、放熱性能が高くなることになる。
本実施の形態では、ヒートシンク２１の材料として、焼結アルミニウム（焼結Ａｌ）を用いているが、これに限定されるものではない。たとえば、Ａｌ，Ｃｕ，Ｃｕ合金，Ａｌ合金などの他の金属や、ＡｌＮ，ＳｉＮ，ＢＮ，ＳｉＣ，ＷＣなどのセラミックス、或いは、Ａｌ−ＳｉＣ，Ｃｕ−Ｗ，Ｃｕ−Ｍｏなどの複合材料を用いてもよい。
本実施の形態では、金属配線２３の材料として、ＣｕまたはＣｕ合金を用いているが、これに限定されるものではない。たとえば、Ａｌ，Ａｌ合金，ＤＢＡ基板，ＤＢＣ基板や、Ａｌ−ＳｉＣ，Ｃｕ−Ｗ，Ｃｕ−Ｍｏなどの複合材料を用いてもよい。ただし、ＤＢＡ基板やＤＢＣ基板を用いると、製造コストが高くつく。本発明では、ＤＢＡ基板やＤＢＣ基板を用いなくても接合の信頼性を維持することができるので、金属配線２３をＣｕやＣｕ合金などの金属板単体構造とすることにより、製造コストの削減を図ることができる。
本実施の形態によると、図９に示される放熱基板１０１やＤＢＡ基板などの部材を用いることなく、金属配線２３を、絶縁樹脂層２６を挟んでヒートシンク２１に接続する構造としているので、部品数の低減により、製造コストの低減を図ることができる。しかも、ヒートシンク２１の絶縁樹脂層２６との接触面に凹凸部２２を形成しているので、絶縁樹脂層２６によるヒートシンク２１と金属配線２３との固着強度が向上し、ヒートシンク２１と金属配線２３との接続の信頼性を高く維持することができる。
一方、凹凸部２２を形成することにより、絶縁樹脂層２６による固着強度は向上する反面、凹部における絶縁樹脂層２６の厚みが増大することで、熱伝導率が低下するおそれがある。それに対し、上記実施の形態のごとく、熱伝導にあまり寄与しない非熱伝導領域Ｒohのみに凹凸部２２を形成することにより、ヒートシンク２１による冷却機能をほとんど損なうことなく、絶縁樹脂層２６によるヒートシンク２１と金属配線２３との固着強度を向上させることが可能になる。
また、従来用いられていた２つの半田層に代えて、１つの半田層１４と、樹脂接着剤からなる絶縁樹脂層２６とを用いているので、工程の先後に応じて低融点のＰｂフリー半田と高融点のＰｂフリー半田とを用いる必要はなく、低融点のＰｂフリー半田だけで済むことになる。現在、Ｐｂフリー半田として、比較的Ｃｕ組成比の高いＰｂフリー半田（たとえば液相点が３００℃以上のＳｎ−5.0%Ｃｕ，Ｓｎ−3.0%Ｃｕ−0.3%Ａｇ）も開発されているが、銅喰われ問題，酸化物問題はじめ多くの問題が重なって、確実な接続信頼性を有する高融点のＰｂフリー半田を得ることは困難である。一方、低融点のＰｂフリー半田としては、たとえば液相点が２２０℃のＳｎ−3.0%Ａｇ−0.5%Ｃｕ（ＪＥＩＴＡ推奨合金）などの接続信頼性の高いものが得られている。また、樹脂接着剤としては、使用可能温度が２５０℃を超えるエポキシ樹脂など、低融点のＰｂフリー半田の液相点よりも高温に耐えうるものは容易に得られる。したがって、本実施の形態により、半田層１４をＰｂフリー化して、接続信頼性を確保しつつ、Ｐｂフリー化を図ることができるのである。
すなわち、特許文献１の図８には、チップ直下の半田層（同図の符号１２２）には、液相点が３００℃〜３３０℃の高融点半田（Ｓｎ−90%Ｐｂ）を用い、下方の半田層（同図の符号１２５）には、液相点が２１６℃程度の低融点半田（Ｓｎ−50%Ｐｂ）を用いている例が開示されている。その場合、下方の半田層には低融点の半田を用い、上方の半田層には高融点半田（Ｓｎ−90%Ｐｂなど）を用いるのが一般的である。すなわち、先の半田付け工程では高融点半田を用い、後の半田付け工程では、先の工程で形成された半田層がリフロー炉内で融解しないように、低融点半田を用いるのである。
一方、環境問題から各種製品として、Ｐｂ（鉛）を使わない、いわゆるＰｂフリー（鉛フリー）部品を用いることが義務づけられつつあるが、低融点半田（Ｓｎ−50%Ｐｂ）を、たとえば（Ｓｎ−3.0%Ａｇ−0.5%Ｃｕ）などの低融点のＰｂフリー半田に置き換えることは現在の技術で可能であるが、従来の高融点半田（Ｓｎ−90%Ｐｂ）に代わる，接続信頼性の高い高融点のＰｂフリー半田が存在しないのが現状である。
それに対し、本実施の形態のごとく、ヒートシンク２１と金属配線２３（配線部材）との接続には絶縁樹脂層２６を用いることにより、半導体チップ１１と金属配線２３との接合のみに半田層１４を用いることができる。よって、半田層１４を低融点のＰｂフリー半田を用いて、接続信頼性を確保しつつ、Ｐｂフリー化を図ることができるのである。
−パワーモジュールの製造工程−
次に、図４（ａ）〜（ｄ），図５（ａ）〜（ｄ）および図６（ａ）〜（ｃ）を参照しながら、本実施の形態のパワーモジュールの製造方法について説明する。図４（ａ）〜（ｄ）は、本実施の形態の製造工程における，樹脂接着剤の塗布からモジュール樹脂枠の取付までの工程を示す断面図である。図５（ａ）〜（ｄ）は、本実施の形態の製造工程における，チップマウントからポッティングまでの工程を示す断面図である。図６（ａ）〜（ｃ）は、本実施の形態の製造工程における，Ｏリングの設置からボルトの締結までの工程を示す断面図である。
まず、図４（ａ）に示す工程で、焼結Ａｌからなり、平板部２１ａとフィン部２１ｂとを有するヒートシンク２１を準備する。ヒートシンク２１の平板部２１ａの上面のうち上述の非熱伝導領域Ｒohには、凹凸部２２が形成されている。そして、ヒートシンク２１の平板部２１ａの上面上に、高熱伝導率を有する絶縁性エポキシ樹脂をスクリーン印刷等により塗布して、絶縁樹脂層２６を形成する。
次に、図４（ｂ）に示す工程で、絶縁樹脂層２６の上に、所定形状にパターニングされた金属配線２３をマウントし、図４（ｃ）に示す工程で、絶縁樹脂層２６を硬化させる。そして、このように、絶縁樹脂層２６により、金属配線２３をヒートシンク２１の平板部２１の上面に固着する。なお、２層の接着剤層からなる絶縁樹脂層２６によって、金属配線２３をヒートシンク２１に固着してもよい。
次に、図４（ｄ）に示す工程で、ヒートシンク２１の平板部２１ａの上に、モジュール樹脂枠５３を取り付ける。モジュール樹脂枠５３の内部および外表面には、電極端子層５６が一体成形により形成されている。そして、モジュール樹脂枠５３の内側には、電極端子層５６の一部が露出している。
次に、図５（ａ）に示す工程で、金属配線２３の上に、Ｐｂフリー半田を吐出または印刷し、Ｐｂフリー半田の上に、半導体チップ１１をマウントする。半導体チップ１１には、パワーデバイスとして機能するＩＧＢＴ、あるいはダイオードが形成されている。さらに、図５（ｂ）に示す工程で、パワーモジュールをリフロー炉に投入し、半導体チップ１１と金属配線２３とを接合する半田層１４を形成する。このときのリフロー炉の雰囲気は不活性ガス雰囲気または還元性雰囲気で、炉内の最高温度は２６０℃である。その後、フラックス洗浄を行なって、フラックス残渣を除去する。なお、この工程は、金属配線２３を絶縁樹脂層２６によってヒートシンク２１に固着する前に行なってもよい。
次に、図５（ｃ）に示す工程で、比較的大径（たとえば４００μｍ径）のＡｌワイヤを用いたワイヤボンディングを行う。そして、半導体チップ１１の上面電極１２（図３参照）同士や、上面電極１２と金属配線２３との間、金属配線２３と電極端子層５６との間を接続する大電流用配線１８を形成する。その後、小径（たとえば１２５μｍ径）のＡｌワイヤを用いたワイヤボンディングを行なって、半導体チップ１１の上面電極１２と電極端子層５６との間を接続する信号配線１７を形成する。
次に、図５（ｄ）に示す工程で、シリコンゲルを用いたポッティングにより、モジュール樹脂枠５３の内方を埋めるゲル層４０を形成する。これにより、ヒートシンク２１の上面に設けられている、半導体チップ１１，信号配線１７，大電流用配線１８，金属配線２３，半田層１４，絶縁樹脂層２６などの部材が、ゲル層４０内に埋め込まれる。
次に、図６（ａ）に示す工程で、準備されている天板５０ａの矩形状貫通穴の周縁部に設けられた環状溝にＯリング２５を設置する。
次に、図６（ｂ）に示す工程で、天板５０ａの矩形状貫通穴にヒートシンク２１のフィン部２１ｂを挿通させて、パワーモジュール１０を放熱器５０にマウントし、図６（ｃ）に示す工程で、ボルト５４により、パワーモジュール１０を天板５０ａに固定する。同様にして、複数のパワーモジュールを、放熱器５０の複数の矩形状貫通穴に、それぞれ取り付ける。
上述の工程により、放熱器５０の天板５０ａにパワーモジュール１０が実装された後、天板５０ａが容器５０ｂに接合される（図１および図２参照）。この接合は、機械かしめ等によって行なってもよい。これより、パワーモジュールセットが形成される。なお、先に天板５０ａと容器５０ｂとを接合してから、天板５０ａに各パワーモジュール１０を取り付けてもよい。
本実施の形態の製造方法では、図４（ｂ）〜（ｄ）に示すように、ヒートシンク２１上に、絶縁樹脂層２６により金属配線２３を固着してから、電極端子層５６およびモジュール樹脂枠５３を、ヒートシンク２１上に取り付けているので、絶縁樹脂層２６（下部接着剤層２６ａおよび上部接着剤層２６ｂ）を形成する際には、スクリーン印刷を用いることができる。また、シート状のエポキシ樹脂を用いることもできる。一方、電極端子層５６およびモジュール樹脂枠５３の取付を先に行なってから、金属配線２３を固着する場合には、スクリーン印刷法を用いるのは困難である。つまり、本実施の形態のように、電極端子層５６およびモジュール樹脂枠５３の取付を、金属配線２３の固着の後に行うことにより、接着剤を塗布する方法の選択範囲が拡大することになる。
なお、絶縁樹脂層２６を下部接着剤層と、上部接着剤層とに分けて、２回塗りを行なってもよい。その場合には、以下の効果を発揮することができる。エポキシ樹脂を塗布して、その上に金属配線２３を設置すると、硬化前に真空引きなどによっても気泡を十分に抜くことは困難である。そこで、下部接着剤層を塗布した後、金属配線２３を設置せずに、真空引きを行うことにより、硬化前に下部接着剤層中の気泡を十分抜くことができる。空気の耐圧は、約１ｋＶ／ｍｍであるが、エポキシ樹脂の耐圧は１０ｋＶ／ｍｍ以上である。したがって、パワーモジュールが配置される機器において、種々のサージが印加されることを想定すると、接着剤層の気泡を十分に抜いておくことが好ましい。したがって、本実施の形態のごとく、２層塗りの接着剤層からなる絶縁樹脂層２６を形成することにより、下部接着剤層により電気的耐圧を維持しつつ、上部接着剤層により金属配線２３とヒートシンク２１との固着強度を確保することができる。
（実施の形態２）
図７は、本実施の形態のパワーモジュールの断面図である。本実施の形態のパワーモジュールにおいては、ヒートシンク２１の上面（絶縁樹脂層２６との接触面）の非熱伝導領域Ｒohにサンドブラストによる凹凸部２２が形成されているとともに、金属配線２３の下面（絶縁樹脂層２６との接触面）の非熱伝導領域Ｒohにも、サンドブラストによる凹凸部２７が形成されている。さらに、金属配線２３の上面（半田層１４との接触面）全体にもサンドブラストによる凹凸部２８が形成されている。その他の部材は、実施の形態１について説明したとおりであり、実施の形態１と同じ符号を付して、説明を省略する。
本実施の形態によると、ヒートシンク２１に加えて、金属配線２３の絶縁樹脂層２６との接触面にも凹凸部２７が形成されているので、絶縁樹脂層２６によるヒートシンク２１と金属配線２３との固着強度を、実施の形態１よりも向上させることができる。
なお、凹凸部２２，２７がこのようなサンドブラスト面の場合には、比較的深い凹部を設けなくても、絶縁樹脂層２６との接触面の表面積を拡大することができるので、絶縁樹脂層２６の局部的な厚みの増大を抑えることができる。したがって、熱伝導領域Ｒhtを含む領域に凹凸部２２，２７を形成しても、絶縁樹脂層２６における熱抵抗の大幅な増大を抑制することはできる。ただし、凹凸部２２，２７がサンドブラスト面であっても、非熱伝導領域Ｒhtのみに凹凸部２２，２７を形成する方が、絶縁樹脂層２６における熱抵抗がより小さくなることに変わりはない。
また、金属配線２３の半田層１４との接触面にも凹凸部２８が形成されているので、半田層１４による半導体チップ１１（下部電極１３）と金属配線２３との接合強度を向上させるこことができる。
（実施の形態３）
図８は、実施の形態３におけるパワーモジュールの断面図である。同図に示すように、本実施の形態では、ヒートシンク２１の絶縁樹脂層２６との接触面のうちの非熱伝導領域Ｒohには、多数の凹部からなる凹凸部２２が形成されている。凹凸部２２の多数の凹部のうちの２つの凹部２２ａ（図８には、１つの凹部２２ａのみ表示）は、特に深さおよび径が大きく形成されている。一方、金属配線２３の２つの部位には、コイニング加工によって下方に突出するように形成された２つの凸部２９が設けられている。そして、ヒートシンク２１の凹凸部２２のうちの２つの凹部２２ａと、金属配線２３の２つの凸部２９とは、互いに係合している。つまり、この係合関係を利用して、金属配線２３をヒートシンク２１に設置する際の位置決め機能を持たせている。
本実施の形態によると、ヒートシンク２１の凹凸部２２中の凹部２２ａを、金属配線２３の凸部２９と係合させて金属配線２３の位置決め機能を持たせたので、実施の形態１の効果に加えて、金属配線２３とヒートシンクと２１との相対的な位置精度の向上を図ることができる。
（他の実施の形態）
本発明のパワーモジュールに配置される半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体（ＳｉＣ，ＧａＮなど）を用いたパワーデバイスでもよいし、Ｓｉを用いたパワーデバイスでもよい。
上記実施の形態では、半導体チップ１１に、ＩＧＢＴが形成されているが、ＭＯＳＦＥＴ，ダイオード，ＪＦＥＴなどが形成された半導体チップを用いてもよい。
上記実施の形態では、天板５０ａに多数のパワーモジュール１０を取り付ける構造を採ったが、天板を兼ねる単一のヒートシンク部材２４上に多数の半導体チップを搭載してもよい。
ヒートシンク部材２４との熱交換を行う熱交換媒体は、冷却能やコストを考慮すると、フロリナートや水などの液体であることが好ましい。ただし、ヘリウム，アルゴン，窒素，空気などの気体であってもよい。
上記各実施の形態では、絶縁樹脂層２６を熱硬化樹脂であるエポキシ樹脂によって構成したが、ＰＰＳなどの熱可塑性樹脂によって構成してもよい。その場合には、絶縁樹脂層２６の上に金属配線２３を設置した状態でも、気泡を抜くことが容易であるので、接着剤層の１回塗りで済み、製造コストがより安価になる。
上記開示された本発明の実施の形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。
本発明のパワーモジュールは、ＭＯＳＦＥＴ，ＩＧＢＴ，ダイオード，ＪＦＥＴ等を搭載した各種機器に利用することができる。
実施の形態におけるパワーモジュールセットの構造を示す斜視図である。 実施の形態に係るパワーモジュールセットのII-II線における断面図である。 図２の一部を拡大して示す断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、実施の形態１の製造工程における，樹脂接着剤の塗布からモジュール樹脂枠の取付までの工程を示す断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、実施の形態１の製造工程における，チップマウントからポッティングまでの工程を示す断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、実施の形態１の製造工程における，Ｏリングの設置からボルトの締結までの工程を示す断面図である。 実施の形態２におけるパワーモジュールの断面図である。 実施の形態３におけるパワーモジュールの断面図である。 従来のＩＧＢＴチップを搭載したパワーモジュールの構造を示す断面図である。
符号の説明
１０ パワーモジュール
１１ 半導体チップ
１２ 上面電極
１３ 裏面電極
１４ 半田層
１７ 信号配線
１８ 大電流用配線
２１ ヒートシンク
２１ａ 平板部
２１ｂ フィン部
２２ 凹凸部
２２ａ 凹部
２３ 金属配線
２５ Ｏリング
２６ 絶縁樹脂層
２７ 凹凸部
２８ 凹凸部
２９ 凸部
４０ ゲル層
５０ 放熱器
５０ａ 天板
５０ｂ 容器
５１ 空間
５３ モジュール樹脂枠
５６ 電極端子層
Ｒht 熱伝導領域
Ｒoh 非熱伝導領域

Claims (5)

  1. 半導体素子が形成された半導体チップと、
    前記半導体素子と外部機器とを電気的に接続するための配線部材と、
    前記半導体チップと配線部材とを接合する接合部と、
    ヒートシンクと、
    前記配線部材と前記ヒートシンクとを固着する絶縁樹脂層とを備え、
    前記ヒートシンクの絶縁樹脂層との接触面のうち少なくとも一部には、凹凸部が形成されており、
    且つ前記凹凸部は、前記半導体チップからの熱伝導を受ける所定領域の外側のみに形成されている、パワーモジュール。
  2. 請求項１記載のパワーモジュールにおいて、
    前記凹凸部は、サンドブラスト面である、パワーモジュール。
  3. 請求項１または２記載のパワーモジュールにおいて、
    前記配線部材の絶縁樹脂層との接触面のうち少なくとも一部には、凹凸部が形成されており、
    且つ前記凹凸部は、前記半導体チップからの熱伝導を受ける所定領域の外側のみに形成されている、パワーモジュール。
  4. 請求項３記載のパワーモジュールにおいて、
    前記配線部材およびヒートシンクの凹凸部の少なくとも一部は、互いに係合する位置決め部である、パワーモジュール。
  5. 請求項１〜４のいずれかに記載のパワーモジュールにおいて、
    前記配線部材と半導体チップとの接合部は、半田によって構成されている、パワーモジュール。
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