JP5659935B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

この発明は、電力変換を行うパワーモジュールとそのパワーモジュールを冷却する冷却器とから構成される半導体装置に係り、そのパワーモジュールと冷却器の接合構造に関するものである。

電力変換に使用されるパワーモジュールは、例えば特許文献１の図３に開示されたような構成を有している。このようなパワーモジュールは、電力変換時にパワー半導体素子からの発熱を伴うので、一般的に冷却器に取り付けられ、パワー半導体素子からの発熱を放散させている。上記特許文献１の図３に示されるようなパワーモジュールでは、冷却面に露出している金属層と冷却器の取り付け面とを半田により固着するのが一般的である。

特開２００４−１６５２８１号公報 （図３）

このような固定方法によれば、半田が金属層の全面にいきわたるため、金属層の周辺においては、半田からの引っ張り応力により、金属層及び金属層に接合された絶縁樹脂層が周辺部においてベース板より剥離する恐れがあった。絶縁樹脂層がベース板より剥離すると、ベース板と金属層との間の電気的絶縁が不十分となるだけでなく、ベース板と金属層との間の熱抵抗が増大し、半導体装置の絶縁性能及び冷却性能を低下させる、という課題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、絶縁性能及び冷却性能を低下させることなく、パワーモジュールに冷却器を半田接合して構成される半導体装置を得ることを目的としている。

上記課題を解決するため、この発明に係る半導体装置では、ベース板と、前記ベース板の一方の主面上に設けられたパワー半導体素子と、前記ベース板の他方の主面にその一方の主面が固着された絶縁樹脂層と、前記絶縁樹脂層の他方の主面にその一方の主面が固着された金属層と、前記金属層の他方の主面が露出するように前記ベース板、前記パワー半導体素子及び前記絶縁樹脂層を被覆して筐体を形成する樹脂筐体とを有するパワーモジュールと、一主面に少なくとも１つの凸状段差部が形成され、前記凸状段差部の少なくとも上面において前記金属層の露出面に半田により接合される冷却器とを備えた半導体装置であって、前記凸状段差部の上面の面積が前記金属層の他方の主面の面積より小さく、前記冷却器の凸状段差部以外の部分は前記半田に対して濡れにくい材料で構成されていることを特徴とする。

上記のような構成としたため、本発明に係る半導体装置は、パワーモジュールに冷却器を半田接合した場合においても、半田からの引っ張り応力により、金属層及び金属層に接合された絶縁樹脂層が周辺部においてベース板より剥離することを防止でき、高い絶縁性能及び冷却性能を有するという効果を奏する。

本発明の実施の形態１に係る半導体装置の一実施例の構造を模式的に示す平面図及びそのＡ−Ａ断面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体装置の一変形例の構造を模式的に示す平面図及びそのＢ−Ｂ断面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体装置の他の変形例の構造を模式的に示す平面図及びそのＣ−Ｃ断面図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体装置の一実施例の冷却器７を模式的に示す平面図、冷却器７に複数のパワーモジュール１を接合して構成された半導体装置を模式的に示す平面図及びその正面図である。

＜実施の形態１＞
図１は本発明の実施の形態１に係る半導体装置の一実施例の構造を模式的に示す平面図（ａ）及びそのＡ−Ａ断面図（ｂ）である。パワーモジュール１の冷却面には、パワーモジュール１を冷却するための冷却器７が半田８により接合されており、半田８の厚みを制御するために、アルミニウム等の金属からなるスペーサ９が半田８中に埋め込まれている。

まず、パワーモジュール１の構成について説明する。パワーモジュール１は、ベース板２、パワー半導体素子３、絶縁シート４、樹脂筐体５、外部端子６及び図示省略している他の要素から構成されている。ベース板２の一方の主面上には、パワー半導体素子３が半田（図示省略）により固着されている。ベース板２の他方の主面上には、絶縁樹脂層４ａと金属層４ｂとの積層構造体（複合体）からなる絶縁シート４が配置され、ベース板２の他方の主面に絶縁樹脂層４ａの一方の主面が固着されている。絶縁シート４は絶縁樹脂層４ａの他方の主面と金属層４ｂの一方の主面が固着されて構成されている。更に、モールド樹脂が、金属層４ｂの他方の主面が露出するように、ベース板２、パワー半導体素子３、絶縁樹脂層４ａを被覆してパワーモジュール１の樹脂筐体５を形成している。樹脂筐体５からは外部回路への電気的接続のための複数の外部端子６が出ている。露出している金属層４ｂの他方の主面は、パワーモジュール１の冷却面となっている。

ベース板２は、例えば銅のような熱伝導性の良好な金属から構成されている。パワー半導体素子３は、例えばシリコン又は炭化シリコンのような半導体材料からなるＩＧＢＴ又はパワーＭＯＳＦＥＴである。絶縁樹脂層４ａは、例えば窒化ホウ素粉末のフィラーが質量百分率５０％の割合でその中に含まれているエポキシ樹脂であり、その厚みは１００μｍ〜５００μｍの範囲内の値に設定されている。金属層４ｂは、例えば厚み約１００μｍの銅箔である。モールド樹脂は、例えばシリカのフィラーが質量百分率７０％程度の割合でその中に含まれているエポキシ樹脂である。

次に、冷却器７の構成について説明する。冷却器７は、基体部７ａ、凸状段差部７ｂ及びパイプ７ｃから構成されている。基体部７ａは複数のアルミニウムブレージングシートを積層し、中空に成型されている。基体部７ａの一方の端と他方の端には、冷媒を導入又は排出するためのパイプ７ｃが設けられており、冷媒は一方のパイプ７ｃから基体部７ａの中空部分に導入され、他方のパイプ７ｃから排出されるようになっている。

ここでアルミニウムブレージングシートとしては、Ａ３００３としてＪＩＳに記載されているＡｌ−Ｍｎ系合金（Ａｌ−1.0〜1.5wt％Ｍｎ）を芯材とし、該芯材の両側の面にＡｌ−Ｓｉ系合金（Ａｌ−7.5wt％Ｓｉ）又はＡｌ−Ｓｉ系合金（Ａｌ−6.0wt％Ｓｉ）をろう材としてクラッドしたものを用いている。代表的なアルミニウムブレージングシートの厚みは０．３〜０．６ｍｍで、ろう材クラッド率は表裏併せて５％である。それぞれ適切な形状に加工された複数のアルミニウムブレージングシートを、クラッド材であるろう材により相互に接合することにより、所望の形状の基体部７ａが得られる。

冷却器７のパワーモジュール１と接合する側の面には平面視形状が四角形の凸状段差部７ｂが設けられており、この凸状段差部７ｂを介して冷却器７とパワーモジュール１とが半田８により接合されている。半田はペースト材又は板材で供給でき、ペースト材の場合は冷却器７側に印刷する。このようにすることにより、半田濡れ不足、空孔等の半田付け不良を低減できる。

凸状段差部７ｂのパワーモジュール１と接合する面、すなわち凸状段差部７ｂの上面の面積は、金属層４ｂの他方の主面の面積より小さくなるように設定されており、凸状段差部７ｂの上面が金属層４ｂの他方の主面に包含されるように、凸状段差部７ｂの上面と金属層４ｂの他方の主面は接合されている。

凸状段差部７ｂは、基体部７ａと同様に、所望の形状に加工されたアルミニウムブレージングシートを冷却器７のパワーモジュール１と接合する側の面に接合することにより形成されている。このような形成方法であれば、積層型の冷却器の製造工程において、基体部７ａと同時に形成することができ、製造工程が簡略化できる。このようなアルミニウムブレージングシートは半田の濡れにくい材料であるので、凸状段差部７ｂの上面は、半田８が十分にいきわたるように、ニッケルめっきのような表面処理が施されている。

凸状段差部７ｂは、それ自体をニッケルのような半田に対して濡れ性の良い材料で構成することも可能であるが、基体部７ａへの接合の容易さ及び基体部７ａへの接合に伴う線膨張係数の相違による冷却器７の反りの影響を考慮すると、本実施例のように基体部７ａと同じ材料で構成し、表面処理を施す方が望ましい。

また、本実施例においては、凸状段差部７ｂの上面だけでなく、凸状段差部７ｂの側面にもニッケルめっきのような表面処理が施されている。但し、冷却器７の基体部７ａの表面にはニッケルめっきのような表面処理は施されていない。このようにすることにより半田８は、その周辺に厚いフィレットを形成している。

すなわち、図１（ｂ）に示されるように、半田８は凸状段差部７ｂの上面だけでなく、凸状段差部７ｂの断面視した場合の角部（以下断面角部と称する）を覆って、凸状段差部７ｂの側面まで拡がっており、半田８の周辺部分は厚みが大きくなっている。但し、基体部７ａの表面は表面処理されず、半田の濡れにくい材料であるアルミニウムブレージングシートが剥き出しのままになっているので、半田８の拡がりは基体部７ａの表面には至っていない。

図１（ａ）に示されているように、凸状段差部７ｂを平面視した場合の４つの角部（以下平面角部と称する）は所定の半径Ｒで丸み付けされている。平面角部における半田８の応力集中を緩和するためである。

本実施例によれば、冷却器７の凸状段差部７ｂの上面の面積をパワーモジュール１の金属層４ｂの他方の主面の面積より小さくなるように設定したことにより、半田８が金属層４ｂの周辺まで拡がらず、半田８からの引っ張り応力による周辺における絶縁シート４のベース板２からの剥離を防止できる。

本実施例によれば、さらに冷却器７の凸状段差部７ｂ以外の部分、すなわち基体部７ａをアルミニウムブレージングシートのような半田の濡れにくい材料で構成したため、半田８の拡がりが更に抑制され、半田８からの引っ張り応力による周辺における絶縁シート４のベース板２からの剥離を防止できる。

加えて本実施例によれば、さらに冷却器７の凸状段差部７ｂの上面及び側面は、ニッケルのような半田に対して濡れ性の良い材料で表面処理が施されているので、パワーモジュール１の金属層４ｂと冷却器７の凸状段差部７ｂとの接合面に半田８が十分にいきわたるだけでなく、半田８が凸状段差部７ｂの断面角部を覆って凸状段差部７ｂの側面まで拡がり、半田８の周辺部分は厚みが大きくなっている。これにより温度サイクルによる半田クラックの進行が抑制されると共に、周辺における半田８からの引っ張り応力が軽減され、周辺における絶縁シート４のベース板２からの剥離が防止される。

図２は本発明の実施の形態１に係る半導体装置の一変形例の構造を模式的に示す平面図（ａ）及びそのＢ−Ｂ断面図（ｂ）である。図１に示された半導体装置との相違点は、凸状段差部７ｂの側面が傾斜を有している点で、その他の点は図１と同様の構成であるので説明を省略する。

本変形例では、凸状段差部７ｂは、側面に傾斜付けを施した所望の形状のアルミニウムブレージングシートを冷却器７のパワーモジュール１と接合する側の面に接合することにより形成され、半田８の周辺部分の厚みが大きくなっている。このような側面に傾斜付けを施した構造は、アルミニウムブレージングシートを例えばエッチングにより所望の形状に形成する際に、サイドエッチング部分として同時に形成することができる。凸状段差部７ｂの上面及び側面は、同様にニッケルめっきのような表面処理が施されている。

本変形例によれば、凸状段差部７ｂの側面に傾斜を設けたことにより、半田８の周辺部分は厚みが大きくすることが可能となるため、温度サイクルによる半田クラックの進行が更に抑制されると共に、周辺における半田８からの引っ張り応力が更に軽減され、周辺における絶縁シート４のベース板２からの剥離が防止される。

図３は本発明の実施の形態１に係る半導体装置の他の変形例の構造を模式的に示す平面図（ａ）及びそのＣ−Ｃ断面図（ｂ）である。図１に示された半導体装置との相違点は、凸状段差部７ｂの断面角部に丸みを設けた点で、その他の点は図１と同様の構成であるので説明を省略する。本変形例においても、図２の変形例と同様に半田８の周辺部分の厚みが大きくなっている。

本変形例では、凸状段差部７ｂは、プレス加工により所望の形状に成形されたアルミニウムブレージングシートを冷却器７のパワーモジュール１と接合する側の面に接合することにより形成され、プレス加工時のダレが断面角部の丸みとなっている。凸状段差部７ｂの上面及び側面は、同様にニッケルめっきのような表面処理が施されている。

本変形例によれば、凸状段差部７ｂの断面角部に丸みを設けたことにより、上述の変形例の効果に加えて、凸状段差部７ｂの断面角部を起点とした半田クラックの発生も抑制できる。

＜実施の形態２＞
実施の形態１においては、単一のパワーモジュールを冷却器に接合して構成される半導体装置について述べたが、複数のパワーモジュールを互いに結線して、単一の冷却器に接合する場合もあり、このような半導体装置について実施の形態２において説明する。図４は本発明の実施の形態２に係る半導体装置の一実施例の冷却器７を模式的に示す平面図（ａ）、冷却器７に複数（本実施例の場合は６個）のパワーモジュール１を接合して構成された半導体装置を模式的に示す平面図（ｂ）及びその正面図（ｃ）である。但し、結線は図示を省略している。

パワーモジュール１の構成は、実施の形態１と同様なので、説明を省略する。

図４において冷却器７は、基体部７ａ、凸状段差部７ｂ及びパイプ７ｃから構成されている。基体部７ａは複数のアルミニウムブレージングシートを積層し、中空に成型されている。基体部７ａの一方の端と他方の端には、冷媒を導入又は排出するためのパイプ７ｃが設けられており、冷媒は一方のパイプ７ｃから基体部７ａの中空部分に導入され、他方のパイプ７ｃから排出されるようになっている。

図４からわかるように、冷却器７のパワーモジュール１と接合する側の面には、各パワーモジュール１に対応してそれぞれ平面視形状が四角形の凸状段差部７ｂが設けられており、この凸状段差部７ｂを介して冷却器７と複数（本実施例の場合は６個）のパワーモジュール１とが半田（図示省略した）により接合されている。

各凸状段差部７ｂのパワーモジュール１と接合する面、すなわち凸状段差部７ｂの上面の面積は、実施の形態１の場合と同様に、金属層４ｂの他方の主面の面積より小さくなるように設定されており、凸状段差部７ｂの上面が金属層４ｂの他方の主面に包含されるように、凸状段差部７ｂの上面と金属層４ｂの他方の主面は接合されている。また、図示を省略しているが、実施の形態１の場合と同様に、半田の応力集中の緩和を目的として、凸状段差部７ｂの平面角部は所定の半径Ｒで丸み付けされている。

各凸状段差部７ｂは、図４（ａ）に示されるように、平面角部を避けて辺部において、連接部７ｄにより互いに連接されている。平面角部を避けることにより、凸状段差部７ｂの平面角部における丸み付けの効果を維持するためである。このように連接された凸状段差部７ｂは、基体部７ａと同様に、所望の形状に加工されたアルミニウムブレージングシートを冷却器７のパワーモジュール１と接合する側の面に接合することにより形成されている。各凸状段差部７ｂはこのように連接部７ｄにより互いに連接されているので、積層型の冷却器の製造工程において、基体部７ａと同時に一括して形成することがでる。また、実施の形態１の場合と同様の理由により、凸状段差部７ｂの上面は、半田が十分にいきわたるように、ニッケルめっきのような表面処理が施されている。

本実施例によれば、複数のパワーモジュール１を単一の冷却器７に接合して構成した半導体装置において、各パワーモジュールに対応した複数の凸状段差部７ｂを連接部７ｄにより互いに連接して構成したため、製造工程が簡略化できる。

なお、以上の実施の形態の説明においては、冷却器７は液冷型の冷却器であったが、これに限るものではなく、空冷型の冷却器であっても構わない。冷却器７の基体部７ａはアルミニウムブレージングシートを積層して成型したものであったが、半田の濡れにくい材料で構成してあればよい。凸状段差部７ｂの上面の表面処理は、ニッケルめっきとしたが、他の半田の濡れ性の良い材料、例えば錫めっきや金めっきであっても構わない。また、実施の形態の説明においては、半導体装置としてパワーモジュールを例にとって説明したが、パワーモジュール以外の樹脂筐体を有する半導体装置であっても、本発明の効果が発揮されることは言うまでもない。

この発明に係る半導体装置は、交流から直流への変換、直流から交流への変換、あるいは周波数変換等の電力変換を行う機器に適用することにより、その機器の電力変換効率の向上に寄与することができる。

１ パワーモジュール
２ ベース板
３ パワー半導体素子
４ 絶縁シート
４ａ 絶縁樹脂層
４ｂ 金属層
５ 樹脂筐体
６ 外部端子
７ 冷却器
７ａ 基体部
７ｂ 凸状段差部
７ｃ パイプ
７ｄ 連接部
８ 半田
９ スペーサ

Claims (4)

1. ベース板と、前記ベース板の一方の主面上に設けられたパワー半導体素子と、前記ベース板の他方の主面にその一方の主面が固着された絶縁樹脂層と、前記絶縁樹脂層の他方の主面にその一方の主面が固着された金属層と、前記金属層の他方の主面が露出するように前記ベース板、前記パワー半導体素子及び前記絶縁樹脂層を被覆して筐体を形成する樹脂筐体とを有するパワーモジュールと、
   一主面に少なくとも１つの凸状段差部が形成され、前記凸状段差部の少なくとも上面において前記金属層の露出面に半田により接合される冷却器と、
   を備えた半導体装置であって、
   前記凸状段差部の上面の面積が前記金属層の他方の主面の面積より小さく、前記冷却器の凸状段差部以外の部分は前記半田に対して濡れにくい材料で構成されていることを特徴とする半導体装置。
2. 前記冷却器の凸状段差部の上面及び側面は前記半田に対して濡れ性の良い材料で表面処理されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記冷却器の凸状段差部の側面は傾斜を有していることを特徴とする請求項１及び請求項２のいずれかに記載の半導体装置。
4. 前記凸状段差部は前記冷却器の一主面に複数個形成され、前記複数個の凸状段差部は連接部により連接され、前記複数個の凸状段差部にはそれぞれ前記パワーモジュールが接合されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。

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