JP5875102B2 - 半導体モジュールの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、放熱性及び電気的絶縁性に優れる絶縁回路基板並びに半導体モジュール及びその製造方法に関し、特に、パワー半導体装置等の発熱量が大きい装置にも適用できる技術に関する。
従来、電源装置に使用される半導体モジュールは、家電製品などの民生機器から、インバータ、サーボコントローラなどの産業機器まで広く用いられている。特に、搭載したＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのパワー半導体素子を搭載したパワー半導体モジュールは、発熱量が大きいことから、放熱性に優れた金属板やセラミックス板を用いた絶縁回路基板が用いられている。この絶縁回路基板は、従来では数１００Ｖ程度の比較的低電圧が印加される用途に使用されていたが、省エネルギー化及び大容量化の要請により、近年では１ｋＶ以上の高電圧が印加されることもある。このため、絶縁回路基板の放熱性を高めるべく、有機材絶縁層に無機フィラーを充填すること、パワー半導体モジュールのフィン付金属ベースに直接冷却水を当てる構造（直接水冷構造）を設けることが提案されている。
図９は、特許文献１の図３で説明される従来の金属ベース配線基板の断面構造を示す図である。金属ベース配線基板は、ベース金属１０１と、このベース金属１０１上に形成された絶縁層１０２と、この絶縁層１０２上に形成された回路パターン１０３との３層構造になっている。ベース金属１０１は、アルミニウム板または銅板などの放熱性に優れた金属が用いられている。絶縁層１０２は、ＳｉＯ２，Ａｌ２Ｏ３，ＡｌＮなどの無機フィラーを含有したエポキシ樹脂などの有機材料からなっている。回路パターン１０３は、銅箔などにより形成されている。
図８は、特許文献１の図４で説明されるは従来のセラミックス配線基板の断面構造を示す図であって、（ａ）はセラミックス配線基板を示し、（ｂ）はベース金属が接合されたセラミックス配線基板を示している。このセラミックス配線基板は、セラミックス絶縁板１０４の両側に回路パターン１０３がろう材を介して貼り合わせられることによって構成され、例えば厚さ２〜３ｍｍ程度の銅板のベース金属１０１にはんだ層１０５を介して接合されている。
セラミックス絶縁板１０４は、その原料として、Ａｌ２Ｏ３，ＡｌＮ，Ｓｉ３Ｎ４などが用いられており、その熱伝導率は、原料がＡｌ２Ｏ３の場合は約２０Ｗ／ｍ・Ｋ、原料がＡｌＮの場合は１６０〜１８０Ｗ／ｍ・Ｋ、原料がＳｉ３Ｎ４の場合は８０Ｗ／ｍ・Ｋ程度であり、エポキシ樹脂に無機フィラーを配合した場合に比べて、１〜２桁高くなっているとされる。
セラミックス絶縁板１０４は、その原料として、Ａｌ２Ｏ３，ＡｌＮ，Ｓｉ３Ｎ４などが用いられており、その熱伝導率は、原料がＡｌ２Ｏ３の場合は約２０Ｗ／ｍ・Ｋ、原料がＡｌＮの場合は１６０〜１８０Ｗ／ｍ・Ｋ、原料がＳｉ３Ｎ４の場合は８０Ｗ／ｍ・Ｋ程度であり、エポキシ樹脂に無機フィラーを配合した場合に比べて、１〜２桁高くなっているとされる。
しかしながら、セラミックス配線基板の場合、セラミックス絶縁板を一度作製し、それに回路パターン層を接合し、エッチング加工し、このようにして作製されたセラミックス配線基板をベース金属にはんだで接合する、というように多くの工数が必要になっていることから、価格が高く、低価格化が困難であるという問題点があった。また、ヒートスプレッダ効果を高めるべく回路パターン用に厚い銅箔なし銅板を貼り付けるためには、約１０００℃以上の高温で銅板をセラミックス絶縁板に接合しなくてはならなかった。
図７は、特許文献２の図２で説明される従来のパワー半導体モジュールの直接水冷構造を示す図である。図７の構造では、フィン２０２をＩＧＢＴモジュール２００の金属ベース２０１に形製（フィン付ＩＧＢＴモジュール）し、アルミダイカスト製筐体２０５の開口部２０６より筐体２０５の外へ出し、直接冷却水を当てている。冷却用水路２０３は、アルミダイカスト製水路カバー２０４と金属ベース２０１で形製されている。
ところで、近年、狭小空間においても実装ができるように、封入された冷媒の気化及び凝縮によって発熱体を冷却するヒートパイプが提案されている。特許文献３では、気化した冷媒を拡散する蒸気拡散路及び凝縮した冷媒を還流させる毛細管流路を内部に有する平板状の本体部と、本体部の少なくとも２箇所の温度差を測定する温度測定部と、温度差を所定の閾値と比較して比較結果を出力する比較部と、比較結果に基づいて本体部の動作状態をヒートパイプの冷却能力を基準として判定し、判定結果を出力する判定部を備え、蒸気拡散路が気化した冷媒を水平方向に拡散し、毛細管流路が凝縮した冷媒を垂直もしくは垂直・水平方向に還流させるヒートパイプが提案されている。
従来の絶縁回路基板は、主にセラミックを用いているためコスト高という課題がある。また電気絶縁層が有機材料を主要な成分とする場合は、熱伝導性が悪いために、良好な放熱特性が得られないという課題がある。より詳細には、有機材料の放熱性は一般に０．３ｗ／ｍ・ｋ程度であり、無機材料（例えば、二酸化珪素（ＳｉＯ２）は１．５ｗ／ｍ・ｋ程度）と比べ、放熱性が劣っていた。
また、有機材料からなる絶縁層を有する配線基板は、耐熱性の問題や長時間の使用による劣化（耐久性）の問題がある。
本発明は、無機材料で且つ低コストで電気絶縁層を構成することを解決すべき課題とする。
また、有機材料からなる絶縁層を有する配線基板は、耐熱性の問題や長時間の使用による劣化（耐久性）の問題がある。
本発明は、無機材料で且つ低コストで電気絶縁層を構成することを解決すべき課題とする。
特許文献２に開示される直接水冷構造は、個別の素子に対応した個別の水冷構造を設け、また、水路を塞ぐためのネジ締め等の工程が必要であり、製造コストが嵩むという問題がある。
汎用部品の利用を可能とし、さらには製造プロセスを簡易化することで、製造コストを低減することも本発明が解決すべき課題である。
汎用部品の利用を可能とし、さらには製造プロセスを簡易化することで、製造コストを低減することも本発明が解決すべき課題である。
以上の課題を鑑み、本発明は、耐熱性、放熱性及び耐久性に優れた電気絶縁層を有し、しかもコスト性及びプロセス性に優れた絶縁回路基板並びに半導体モジュール及びその製造方法を提供することを目的とする。
発明者は、ナノ化された二酸化珪素（ＳｉＯ２）粒子とアルミナコートされた熱伝導率が１３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の導電粒子を含む液材（インク）を用いることにより、無機絶縁材料をインクジェット法やディスペンサー法あるいはスプレーコート法のインクとすることができ、任意のパターン形成や凹凸部への塗布を行うことを可能とした。また二酸化珪素（ＳｉＯ２）粒子がナノ化されたことにより、塗布対象の基板、例えば銅板などの微小な凹凸へのインクの周りこみが可能となり、密着性が大幅に向上し、無機材絶縁層と金属層の積層構造を形成することが可能となった。
すなわち、本発明は、以下の技術手段から構成される。
第１の発明は、半導体チップと、有機材絶縁層、前記有機材絶縁層上に形成された配線及び無機材絶縁層を有する絶縁回路基板を備える半導体モジュールの製造方法であって、放熱基板の表面に、前記有機材絶縁層を介して金属層を形成し、前記金属層をエッチング加工することにより前記配線を形成し、前記配線をマスクとして前記有機材絶縁層をエッチング加工し、前記放熱基板の少なくとも前記配線の形成されていない部分を含む表面に、ナノ化されたＳｉＯ２粒子およびアルミナコートされた熱伝導率が１３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の導電粒子を含む液材を塗布し、焼成することにより、前記無機材絶縁層を形成して前記絶縁回路基板を形成し、前記絶縁回路基板上に前記半導体チップを搭載し、前記半導体チップを前記配線に電気的に接続することを特徴とする半導体モジュールの製造方法である。
第２の発明は、半導体チップと、無機材絶縁層及び前記無機材絶縁層上に形成された配線を有する絶縁回路基板を備える半導体モジュールの製造方法であって、放熱基板の少なくとも表面の一部に、ナノ化されたＳｉＯ２粒子およびアルミナコートされた熱伝導率が１３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の導電粒子を含む液材を塗布し、焼成することにより、前記無機材絶縁層を形成し、導電性金属インクを塗布し、焼成することにより、前記無機材絶縁層上に前記配線を形成して前記絶縁回路基板を形成し、前記絶縁回路基板上に前記半導体チップを搭載し、前記半導体チップを前記配線に電気的に接続することを特徴とする半導体モジュールの製造方法である。ここで、第２の発明には、無機材絶縁層と配線の間にプライマー層が存在する態様も含まれる。
第３の発明は、第１または２の発明において、前記放熱基板に、前記放熱基板の表面が露出し半導体チップが載置される載置部を設けるように、前記配線及び前記無機材絶縁層を形成することを特徴とする。
第２の発明は、半導体チップと、無機材絶縁層及び前記無機材絶縁層上に形成された配線を有する絶縁回路基板を備える半導体モジュールの製造方法であって、放熱基板の少なくとも表面の一部に、ナノ化されたＳｉＯ２粒子およびアルミナコートされた熱伝導率が１３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の導電粒子を含む液材を塗布し、焼成することにより、前記無機材絶縁層を形成し、導電性金属インクを塗布し、焼成することにより、前記無機材絶縁層上に前記配線を形成して前記絶縁回路基板を形成し、前記絶縁回路基板上に前記半導体チップを搭載し、前記半導体チップを前記配線に電気的に接続することを特徴とする半導体モジュールの製造方法である。ここで、第２の発明には、無機材絶縁層と配線の間にプライマー層が存在する態様も含まれる。
第３の発明は、第１または２の発明において、前記放熱基板に、前記放熱基板の表面が露出し半導体チップが載置される載置部を設けるように、前記配線及び前記無機材絶縁層を形成することを特徴とする。
本発明によれば、放熱に関する部分のほぼ全ての成分が無機材料からなる層を基板上に形成することができるので、耐熱性、放熱性及び耐久性に優れた電気絶縁層を有する絶縁回路基板及び半導体モジュールを提供することが可能となる。
また、基板表面にナノ化されたＳｉＯ２粒子を含む液材を塗布し、焼成することにより、無機材絶縁層を形成するので、基板上の所望位置に所望の形状及び厚さの無機材絶縁層を構成することが可能である。
さらには、無機材絶縁層の形成は液材を塗布し、低温で焼成することにより行うので、製造プロセスを簡易であり、多様な市販部品を利用することが可能である。
以下、例示に基づき本発明を説明する。図１は、本発明を具体化するパワー半導体モジュールの第１の構成例を示す側面断面図である。図１のパワー半導体モジュール１は、市販の半導体チップ３と、有機材絶縁層１２、配線１３及び無機材絶縁層１４が形成された放熱基板２とを主要な構成要素とする。
（ａ）のパワー半導体モジュール１は、放熱基板２上に半導体チップ３が半田等の熱伝導性接着材により直接固定されている。半導体チップ３は、有機材絶縁層１２の上に設けられた配線１３の各々との間をワイヤボンド接続により電気的に接続されている。
（ｂ）のパワー半導体モジュール１は、放熱基板２上に形成された無機材絶縁層１４の上に半導体チップ３が熱伝導性接着材により固定されている。半導体チップ３は、（ａ）と同様に配線１３との間をワイヤボンド接続により電気的に接続されている。
なお、図１では、１個の半導体チップを配置する態様を図示しているが、複数個の半導体チップを設けることも当然可能である。
（ｂ）のパワー半導体モジュール１は、放熱基板２上に形成された無機材絶縁層１４の上に半導体チップ３が熱伝導性接着材により固定されている。半導体チップ３は、（ａ）と同様に配線１３との間をワイヤボンド接続により電気的に接続されている。
なお、図１では、１個の半導体チップを配置する態様を図示しているが、複数個の半導体チップを設けることも当然可能である。
半導体チップ３は、パワー半導体モジュールに使用可能なものであればよく、例えば、ＧＴＯサイリスタ、ＩＧＢＴ、ダイオド、ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）等のパワー半導体素子を使用することができる。
図示の放熱基板２は、表面が平面で内部に水冷構造（例えば、複数の微小開口を持つ薄銅板を積層し、上下を銅板で密閉した液室内で毛細管現象による環流が生じるヒートパイプ（特許文献３参照））を有するものである。放熱基板２は、熱伝導性及び電気特性に優れる材料であれば水冷構造を有するものに限定されず、例えば、銅板またはアルミ板により構成してもよい。
放熱基板２の表面には、無機材絶縁層１４が設けられている。無機材絶縁層１４は、無機材絶縁層１４は、二酸化珪素（ＳｉＯ２）とアルミナコートされた熱伝導率が１３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の導電粒子を主要な成分とし、有機リン酸を含むジエチレングリコールモノブチルエーテルの溶剤でこれらを混ぜたインクを塗布、焼成して形成される。ここで、インクの塗布は、例えば、スクリーン印刷法、スプレーコート法、インクジェット法またはディスペンサー法により行われる。無機材絶縁層１４の膜厚は、直接的な耐電圧の要請は無いため、最も厚い部分の膜厚が有機材絶縁層１２と配線１３との合計膜厚以上となるように適宜設定する。放熱基板２の表面に接触する領域の全てが、有機材絶縁層１２と配線１３との合計膜厚以上である必要はなく、部分的に他の箇所よりも薄い部分があってもよい。
図示の放熱基板２は、表面が平面で内部に水冷構造（例えば、複数の微小開口を持つ薄銅板を積層し、上下を銅板で密閉した液室内で毛細管現象による環流が生じるヒートパイプ（特許文献３参照））を有するものである。放熱基板２は、熱伝導性及び電気特性に優れる材料であれば水冷構造を有するものに限定されず、例えば、銅板またはアルミ板により構成してもよい。
放熱基板２の表面には、無機材絶縁層１４が設けられている。無機材絶縁層１４は、無機材絶縁層１４は、二酸化珪素（ＳｉＯ２）とアルミナコートされた熱伝導率が１３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の導電粒子を主要な成分とし、有機リン酸を含むジエチレングリコールモノブチルエーテルの溶剤でこれらを混ぜたインクを塗布、焼成して形成される。ここで、インクの塗布は、例えば、スクリーン印刷法、スプレーコート法、インクジェット法またはディスペンサー法により行われる。無機材絶縁層１４の膜厚は、直接的な耐電圧の要請は無いため、最も厚い部分の膜厚が有機材絶縁層１２と配線１３との合計膜厚以上となるように適宜設定する。放熱基板２の表面に接触する領域の全てが、有機材絶縁層１２と配線１３との合計膜厚以上である必要はなく、部分的に他の箇所よりも薄い部分があってもよい。
本発明の無機材絶縁層１４の主要な特徴は、次のとおりである。
第１の特徴は、成膜された無機材絶縁層の９０重量％以上（好ましくは９５重量％以上）が無機材料で構成されているということである。例えば、９０重量％以上が無機材料で構成されているインクを塗布し、焼成すると、有機材料が殆ど存在しない絶縁層を形成することができる。成膜された無機材絶縁層の組成は、例えば、ＳｉＯ２を２０〜４０重量％、アルミナコート導電粒子を６０〜８０重量％とする。
第１の特徴は、成膜された無機材絶縁層の９０重量％以上（好ましくは９５重量％以上）が無機材料で構成されているということである。例えば、９０重量％以上が無機材料で構成されているインクを塗布し、焼成すると、有機材料が殆ど存在しない絶縁層を形成することができる。成膜された無機材絶縁層の組成は、例えば、ＳｉＯ２を２０〜４０重量％、アルミナコート導電粒子を６０〜８０重量％とする。
第２の特徴は、無機材料を構成する二酸化珪素（ＳｉＯ２）の粒子が、ナノ化されていることである。ナノ粒子化することにより、これまで困難であった８５重量％以上が無機材料で構成される液材（インク）を塗布することが可能となる。ここで、ナノ粒子とは、直径が数ｎｍ〜数百ｎｍの粒子をいう。ＳｉＯ２は、平均粒径は５０ｎｍ以下のものを用いることが好ましく、これに粒径が２０ｎｍ以下のものを含んでいることがより好ましく、粒径が１０ｎｍ以下のものを含んでいることがさらに好ましい。
第３の特徴は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）でコートされた熱伝導率が１３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上（好ましくは１６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、より好ましくは１９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上）の導電粒子を用いていることである。熱伝導率が１３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の導電粒子としては、炭化珪素（１６０ｗ／ｍ・ｋ）、高純度炭化珪素（１４０ｗ／ｍ・ｋ）、銅（４００Ｗ／ｍ・Ｋ）、アルミニウム（２０４Ｗ／ｍＫ）、タングステン（１９８Ｗ／ｍＫ）、銀（４１８Ｗ／ｍＫ）が例示され、これらは高熱伝導フィラーとして機能する。導電粒子の平均粒径は、例えば１〜１０μｍであり、アルミナコート膜厚は２０〜５０ｎｍである。試作品では、中心が平均粒径は４μｍのＳｉＣ粒子でアルミナコートの膜厚は３０ｎｍのものを用いた。
上記で説明した導電粒子は、単独で、或いはこれらを組み合わせたものを用いることができるが、いずれのも導電粒子も絶縁性を確保するために表面をアルミナでコートすることが必要である。
上記で説明した導電粒子は、単独で、或いはこれらを組み合わせたものを用いることができるが、いずれのも導電粒子も絶縁性を確保するために表面をアルミナでコートすることが必要である。
このような絶縁材料からなるインクを金属板上に塗布し、例えば、１６０〜２００℃で加熱することで、溶剤中に分散したナノサイズ絶縁粒子が基材表面の凹凸に倣って配列すると共に、溶剤が蒸発して緻密な無機材絶縁層（膜）が形成される。すなわち、ナノサイズ粒子の混合粉末を金属表面に直接接触させたまま大気圧下で加熱し、その場で焼結させ、ナノサイズ効果による拡散状態を利用して接合界面で金属表面接合し、無機材絶縁層と金属層の積層構造を形成する。このように、本発明では、無機材絶縁層を構成する絶縁材料をインク化することにより、基板上の所望位置に所望の形状及び厚さの無機材絶縁層を構成することを可能としている。本発明によれば、例えば、基板表面に凹所を形成した後、半導体チップ３の載置部を除く基板表面部分に、無機材絶縁層を塗布形成することも可能である。
図２は、本発明を具体化するパワー半導体モジュールの第１の構成例（ａ）に使用する基板の製造工程を説明する側面断面図である。
まず、基板上に、有機材絶縁層（例えば、ポリイミド層）１２と銅箔層を形成する（ＳＴＥＰ１）。例えば金属板上に熱可塑性ポリイミド膜と銅箔を積層して、高温加圧（例えば３５０℃で２０分）して形成する。ポリイミドの耐電圧は２００〜５００Ｖ／μｍ程度であるので、厚さは少なくとも２０μｍ以上、好ましくは５０μｍ以上とする。配線１３の膜厚は大電流を可能とするため５０〜２００μｍの範囲で設定することが好ましいが、電流の少ない用途の場合はそれより薄くても構わない。
次に、貼り付けた銅箔の加工を行って、パターニング加工を行い、配線１３を形成する（ＳＴＥＰ２）。例えば、この加工のために、ホトリソグラフィ技術を用いる。銅箔の上にレジストを塗布し、パターンを露光、現像してさらにエッチングを行い、レジストを除去して、銅箔除去部を形成する。
次に、銅箔をマスクにして有機材絶縁層１２のエッチングを行う（ＳＴＥＰ３）。ポリイミドエッチング用の溶液としては例えばアミン系のものがよく使用される。
最後に、放熱基板２上の銅箔除去部を埋めるように、無機材を塗布し無機材絶縁層１４を形成する（ＳＴＥＰ４）。無機材の塗布法としては、スクリーン印刷法またはスプレーコート法が例示される。塗布された無機材を、大気圧下で１６０〜２００℃で焼成することにより、無機絶縁層を成膜する。放熱基板２の表面に接触する領域の無機材絶縁層１４の膜厚は、例えば７０〜３００μｍの範囲で設置する。半導体チップ３が載置される載置部１５には、無機絶縁層１４は形成しない。
なお、図２では、電気接続用の開口をのぞき、配線に一部乗り上げて無機材を塗布する態様を示したが、配線とほぼ同一面の高さまで無機材を塗布する態様としてもよい。
まず、基板上に、有機材絶縁層（例えば、ポリイミド層）１２と銅箔層を形成する（ＳＴＥＰ１）。例えば金属板上に熱可塑性ポリイミド膜と銅箔を積層して、高温加圧（例えば３５０℃で２０分）して形成する。ポリイミドの耐電圧は２００〜５００Ｖ／μｍ程度であるので、厚さは少なくとも２０μｍ以上、好ましくは５０μｍ以上とする。配線１３の膜厚は大電流を可能とするため５０〜２００μｍの範囲で設定することが好ましいが、電流の少ない用途の場合はそれより薄くても構わない。
次に、貼り付けた銅箔の加工を行って、パターニング加工を行い、配線１３を形成する（ＳＴＥＰ２）。例えば、この加工のために、ホトリソグラフィ技術を用いる。銅箔の上にレジストを塗布し、パターンを露光、現像してさらにエッチングを行い、レジストを除去して、銅箔除去部を形成する。
次に、銅箔をマスクにして有機材絶縁層１２のエッチングを行う（ＳＴＥＰ３）。ポリイミドエッチング用の溶液としては例えばアミン系のものがよく使用される。
最後に、放熱基板２上の銅箔除去部を埋めるように、無機材を塗布し無機材絶縁層１４を形成する（ＳＴＥＰ４）。無機材の塗布法としては、スクリーン印刷法またはスプレーコート法が例示される。塗布された無機材を、大気圧下で１６０〜２００℃で焼成することにより、無機絶縁層を成膜する。放熱基板２の表面に接触する領域の無機材絶縁層１４の膜厚は、例えば７０〜３００μｍの範囲で設置する。半導体チップ３が載置される載置部１５には、無機絶縁層１４は形成しない。
なお、図２では、電気接続用の開口をのぞき、配線に一部乗り上げて無機材を塗布する態様を示したが、配線とほぼ同一面の高さまで無機材を塗布する態様としてもよい。
以上に説明した本発明の絶縁回路基板は、有機材絶縁層（ポリイミド層）以外は無機材料で絶縁層を構成しているので、ポリイミド層の耐熱性能（例えば３５０℃）を有する基板を提供することが可能である。
また、ＳｉＯ２とアルミナコートされた導電粒子で構成される液材（インク）の焼成は２００℃以下の低温プロセスで行うことができるので、基板製造コストを削減することが可能である。そして、低温プロセスが可能であることから、水冷構造を有する市販の放熱基板（例えば、日本モレックス社のＦＧＨＰ（特許文献３参照））を利用することも可能となる。
また、ＳｉＯ２とアルミナコートされた導電粒子で構成される無機材絶縁層は熱膨張率が小さいため、半導体チップとの接合性も良好である。
さらに、無機材絶縁層は、ＳｉＯ２とアルミナコートされた導電粒子Ｃｕで構成されるので、高熱伝導性を有する。表１及び表２は、下記式１に示すＢｒｕｇｇｅｍａｎの式により算出した熱伝導率の一例である。
また、ＳｉＯ２とアルミナコートされた導電粒子で構成される液材（インク）の焼成は２００℃以下の低温プロセスで行うことができるので、基板製造コストを削減することが可能である。そして、低温プロセスが可能であることから、水冷構造を有する市販の放熱基板（例えば、日本モレックス社のＦＧＨＰ（特許文献３参照））を利用することも可能となる。
また、ＳｉＯ２とアルミナコートされた導電粒子で構成される無機材絶縁層は熱膨張率が小さいため、半導体チップとの接合性も良好である。
さらに、無機材絶縁層は、ＳｉＯ２とアルミナコートされた導電粒子Ｃｕで構成されるので、高熱伝導性を有する。表１及び表２は、下記式１に示すＢｒｕｇｇｅｍａｎの式により算出した熱伝導率の一例である。
［式１］
ここで、λｃは求める値、λｆはフィラーの熱伝導率、λｍはベース機材（ＳｉＯ２）の熱伝導率、Φは充填率である。
図３は、本発明を具体化するパワー半導体モジュールの第２の構成例を示す側面断面図である。第２の構成例では、第１の構成例（ａ）に、無機材絶縁層１６、無機材絶縁層１７及び放熱基板２０が付加されており、半導体チップ３の両面から放熱が行われる。
図３（ａ）に示すように、半導体チップ３周囲の空間に、無機絶縁層１６を例えばディスペンサー法により充填する。また、半導体チップ３の上面に無機材絶縁層１７を例えばディスペンサー法により形成する。無機材絶縁層１７に代え、ワイヤと干渉しない高熱伝導性の絶縁放熱板を用いてもよい。
続いて図３（ｂ）に示すように、無機材絶縁層２４と放熱基板２０とを、高熱伝導性接着材または放熱グリースにより接着する。このとき無機絶縁層２４を無くして直接半導体チップ上に放熱グリースを接着しても良い。放熱基板２０は、放熱基板２と同じ水冷構造を有するもの（特許文献３参照）であるが、これに限定されず、熱伝導性及び電気特性に優れる材料からなる板材（例えば、銅板またはアルミ板）により構成してもよい。
最後に図３（ｃ）に示すように、複数の固定部材１８により放熱基板２及び２０を固定する。固定部材１８には、ネジ留め等の簡易な固定手段を採用することが好ましい。なお、放熱基板２及び２０には、予め固定部材１８を挿通するための挿通孔（図示せず）が設けられている。
図３（ａ）に示すように、半導体チップ３周囲の空間に、無機絶縁層１６を例えばディスペンサー法により充填する。また、半導体チップ３の上面に無機材絶縁層１７を例えばディスペンサー法により形成する。無機材絶縁層１７に代え、ワイヤと干渉しない高熱伝導性の絶縁放熱板を用いてもよい。
続いて図３（ｂ）に示すように、無機材絶縁層２４と放熱基板２０とを、高熱伝導性接着材または放熱グリースにより接着する。このとき無機絶縁層２４を無くして直接半導体チップ上に放熱グリースを接着しても良い。放熱基板２０は、放熱基板２と同じ水冷構造を有するもの（特許文献３参照）であるが、これに限定されず、熱伝導性及び電気特性に優れる材料からなる板材（例えば、銅板またはアルミ板）により構成してもよい。
最後に図３（ｃ）に示すように、複数の固定部材１８により放熱基板２及び２０を固定する。固定部材１８には、ネジ留め等の簡易な固定手段を採用することが好ましい。なお、放熱基板２及び２０には、予め固定部材１８を挿通するための挿通孔（図示せず）が設けられている。
このように構成された第２の構成例では、半導体チップ３からの発熱が、無機絶縁層１６、無機材絶縁層１７及び放熱基板２０からも放熱されるため、第１の構成例と比べより高い放熱性能を得ることができる。
なお、図３では第１の構成例（ａ）に、無機材絶縁層１６、無機材絶縁層１７及び放熱基板２０を付加する態様を説明したが、第１の構成例（ｂ）にもこれらの構成を適用できることは言うまでもない。
なお、図３では第１の構成例（ａ）に、無機材絶縁層１６、無機材絶縁層１７及び放熱基板２０を付加する態様を説明したが、第１の構成例（ｂ）にもこれらの構成を適用できることは言うまでもない。
図４は、本発明を具体化するパワー半導体モジュールの第３の構成例を示す側面断面図である。第２の構成例では、第２の構成例に、ケース部材１９及びモールド樹脂２１が付加されている。
図４（ａ）に示すように、半導体チップ３周囲の空間に、無機絶縁層１６を例えばディスペンサー法により充填する。また、半導体チップ３の上面に無機材絶縁層１７を例えばディスペンサー法により形成する。そして、環状のケース部材１９を無機材絶縁層１４を介して放熱基板２に設置する。なお、ケース部材１９を、放熱基板２に直接固定するようにしてもよい。
続いて図４（ｂ）に示すように、ケース部材１９で囲まれた領域に、例えばエポキシ樹脂またはシリコーンゲルで充填する。無機材絶縁層１７の上面（放熱基板２０との当接面）は、熱伝導性を損なわないためにモールドしないようにする。
最後に図４（ｃ）に示すように、複数の固定部材１８により放熱基板２及び２０を固定する。
図４（ａ）に示すように、半導体チップ３周囲の空間に、無機絶縁層１６を例えばディスペンサー法により充填する。また、半導体チップ３の上面に無機材絶縁層１７を例えばディスペンサー法により形成する。そして、環状のケース部材１９を無機材絶縁層１４を介して放熱基板２に設置する。なお、ケース部材１９を、放熱基板２に直接固定するようにしてもよい。
続いて図４（ｂ）に示すように、ケース部材１９で囲まれた領域に、例えばエポキシ樹脂またはシリコーンゲルで充填する。無機材絶縁層１７の上面（放熱基板２０との当接面）は、熱伝導性を損なわないためにモールドしないようにする。
最後に図４（ｃ）に示すように、複数の固定部材１８により放熱基板２及び２０を固定する。
図５は、本発明を具体化するパワー半導体モジュールの第４の構成例を説明する側面断面図である。図５のパワー半導体モジュール１は、市販の半導体チップ３と、配線１３及び無機材絶縁層１４が形成された放熱基板２とを主要な構成要素とする。半導体チップ３と、配線１３及び無機材絶縁層１４の構成については、これまで述べた構成例と同様であるのでここでは説明を省略する。
図６は、本発明を具体化するパワー半導体モジュールの第４の構成例に使用する基板の製造工程を説明する側面断面図である。
まず、放熱基板２上に、上述したナノ化されたＳｉＯ２粒子およびアルミナコートされた熱伝導率が１３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の導電粒子を含む液材を塗布し無機材絶縁層１４を形成する（ＳＴＥＰ１）。放熱基板２は、表面が平面で内部に水冷構造（例えば、複数の微小開口を持つ薄銅板を積層し、上下を銅板で密閉した液室内で毛細管現象による環流が生じるヒートパイプ（特許文献３参照））を有するもの、銅板またはアルミ板から適宜選択される。無機材の塗布法としては、スクリーン印刷法またはスプレーコート法が例示される。塗布された無機材を、大気圧下で１６０〜２００℃で焼成することにより、無機絶縁層を成膜する。なお、半導体チップ３が載置される載置部１５には、無機絶縁層１４を形成しないようにしてもよい。
まず、放熱基板２上に、上述したナノ化されたＳｉＯ２粒子およびアルミナコートされた熱伝導率が１３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の導電粒子を含む液材を塗布し無機材絶縁層１４を形成する（ＳＴＥＰ１）。放熱基板２は、表面が平面で内部に水冷構造（例えば、複数の微小開口を持つ薄銅板を積層し、上下を銅板で密閉した液室内で毛細管現象による環流が生じるヒートパイプ（特許文献３参照））を有するもの、銅板またはアルミ板から適宜選択される。無機材の塗布法としては、スクリーン印刷法またはスプレーコート法が例示される。塗布された無機材を、大気圧下で１６０〜２００℃で焼成することにより、無機絶縁層を成膜する。なお、半導体チップ３が載置される載置部１５には、無機絶縁層１４を形成しないようにしてもよい。
次に、無機材絶縁層１４の表面の撥水性などにより配線１３の形成が困難である場合は、必要に応じて、プラズマ処理等で撥水性残渣を除去し表面活性化を行うと共に、素材間の密着性を向上させるプライマー（例えばエポキシプライマー）を塗布しプライマー層２２を形成する（ＳＴＥＰ２）。プライマーの塗布法としては、スピンコーティング法またはスプレーコート法が例示される。
最後に、無機材絶縁層１４の上に導電性金属インク（例えば、銀インクや銀と銅を混合したハイブリッドインク）をスクリーン印刷法、インクジェット法またはディスペンサー法により必要箇所に描画塗布した後、焼成して金属化させることにより配線１３を形成する。
最後に、無機材絶縁層１４の上に導電性金属インク（例えば、銀インクや銀と銅を混合したハイブリッドインク）をスクリーン印刷法、インクジェット法またはディスペンサー法により必要箇所に描画塗布した後、焼成して金属化させることにより配線１３を形成する。
以上、本開示にて幾つかの実施の形態を単に例示として詳細に説明したが、本発明の新規な教示及び有利な効果から実質的に逸脱せずに、その実施の形態には多くの改変例が可能である。
１ パワー半導体モジュール
２ 放熱基板
３ 半導体チップ
４ 熱伝導性接着材
１２ 有機材絶縁層
１３ 配線
１４ 無機材絶縁層
１５ 載置部
１６ 無機材絶縁層
１７ 無機材絶縁層
１８ 固定部材
１９ ケース部材
２０ 放熱基板
２１ モールド樹脂
２２ プライマー層
２ 放熱基板
３ 半導体チップ
４ 熱伝導性接着材
１２ 有機材絶縁層
１３ 配線
１４ 無機材絶縁層
１５ 載置部
１６ 無機材絶縁層
１７ 無機材絶縁層
１８ 固定部材
１９ ケース部材
２０ 放熱基板
２１ モールド樹脂
２２ プライマー層
Claims (3)
- 半導体チップと、有機材絶縁層、前記有機材絶縁層上に形成された配線及び無機材絶縁層を有する絶縁回路基板を備える半導体モジュールの製造方法であって、
放熱基板の表面に、前記有機材絶縁層を介して金属層を形成し、前記金属層をエッチング加工することにより前記配線を形成し、前記配線をマスクとして前記有機材絶縁層をエッチング加工し、
前記放熱基板の少なくとも前記配線の形成されていない部分を含む表面に、ナノ化されたＳｉＯ２粒子およびアルミナコートされた熱伝導率が１３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の導電粒子を含む液材を塗布し、焼成することにより、前記無機材絶縁層を形成して前記絶縁回路基板を形成し、
前記絶縁回路基板上に前記半導体チップを搭載し、前記半導体チップを前記配線に電気的に接続することを特徴とする半導体モジュールの製造方法。 - 半導体チップと、無機材絶縁層及び前記無機材絶縁層上に形成された配線を有する絶縁回路基板を備える半導体モジュールの製造方法であって、
放熱基板の少なくとも表面の一部に、ナノ化されたＳｉＯ２粒子およびアルミナコートされた熱伝導率が１３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の導電粒子を含む液材を塗布し、焼成することにより、前記無機材絶縁層を形成し、
導電性金属インクを塗布し、焼成することにより、前記無機材絶縁層上に前記配線を形成して前記絶縁回路基板を形成し、
前記絶縁回路基板上に前記半導体チップを搭載し、前記半導体チップを前記配線に電気的に接続することを特徴とする半導体モジュールの製造方法。 - 前記放熱基板に、前記放熱基板の表面が露出し半導体チップが載置される載置部を設けるように、前記配線及び前記無機材絶縁層を形成することを特徴とする請求項１または２の半導体モジュールの製造方法。
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