JP6091225B2 - 電力用半導体装置の製造方法および電力用半導体装置 - Google Patents
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Description
本発明は、電力用半導体素子がヒートスプレッダに接合されている電力用半導体装置の特に製造方法に関する。
産業機器から家電・情報端末まであらゆる製品に電力用半導体装置が普及しつつあり、家電に搭載される電力用半導体装置については、とくに小型化と高機能化が求められる。また、とくに大電流を流すことができ、高温動作も可能なワイドバンドギャップ半導体材料である炭化珪素（ＳｉＣ）が、シリコン（Ｓｉ）に代わる半導体材料として開発が進められている。
一方、電力用半導体装置としては、放熱性と絶縁性を両立させるため、セラミック基材の回路基板を用いた構造が一般的に採用されているが、セラミック基板は加工が容易ではない。そこで、容易に加工できる絶縁シートを用いてヒートスプレッダと金属ベース板を熱圧接し、金属ベース板から絶縁されたヒートスプレッダに、電力用半導体素子を直接搭載する構造が検討されている。
しかしながら、絶縁シートは、熱伝導率の高いフィラーを熱硬化性樹脂のバインダーに分散させたものであり、所望の性能（放熱性・絶縁性・接着強度）を発揮させるためには、接合工程において所定の荷重をかけた状態で加熱をする必要がある。そのため、ヒートスプレッダと金属ベース板からはみ出た部分には荷重がかからないため、必要とされる絶縁性を得ることが困難となる。つまり、絶縁シートでも、荷重をかける際にはみ出た部分は障壁として機能させることができず、ヒートスプレッダと金属ベース板の実質的な絶縁距離（空間距離）は、絶縁シートの厚さ分しか得られないことになる。この場合、例えば、絶縁シートのはみ出し部分を樹脂によって被覆する手法（例えば、特許文献１参照。）を取り入れることも考えられる。しかし、所定の荷重をかけて得られた絶縁シートに匹敵する絶縁性能を、単に被覆した樹脂で得ることは困難であった。
そのため、空間距離を延ばすためには、絶縁シートを厚く形成する必要があり、熱抵抗が大きくなって、放熱性が阻害される。つまり、絶縁性と放熱性を両立させた信頼性の高い電力用半導体装置を容易に製造することは困難であった。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、容易に製造できるとともに、信頼性の高い電力用半導体装置を得ることを目的としている。
本発明の電力用半導体装置の製造方法は第１の金属板の一方の面に電力用半導体素子を導電接合する工程と、前記第１の金属板の他方の面に、絶縁シートを介して第２の金属板を熱圧接する工程と、前記第１の金属板の前記熱圧接された領域の一部を含む周縁部を除去または前記第２の金属板から離れるように傾斜させる工程と、を含むことを特徴とする。
本発明の電力用半導体装置は、一方の面に電力用半導体素子が導電接合された第１の金属板と、絶縁シートを介して、前記第１の金属板の他方の面に圧接された第２の金属板とを備えた電力用半導体装置であって、前記絶縁シートの絶縁性能を有する部分が、前記第１の金属板の前記第２の金属板との圧接された部分よりも広い範囲に拡大され、前記第１の金属板は、前記電力用半導体素子の外周部に対応する位置に、前記第１の金属板の中央部よりも厚さが薄い領域と前記厚さが薄い領域の外側に前記中央部と同等の厚さの領域があり、前記厚さが薄い領域から外側の領域が傾斜して前記絶縁シートと接触していないことを特徴とする。
本発明の電力用半導体装置は、一方の面に電力用半導体素子が導電接合された第１の金属板と、絶縁シートを介して、前記第１の金属板の他方の面に圧接された第２の金属板とを備えた電力用半導体装置であって、前記絶縁シートの絶縁性能を有する部分が、前記第１の金属板の前記第２の金属板との圧接された部分よりも広い範囲に拡大され、前記第１の金属板は、前記電力用半導体素子の外周部に対応する位置に、前記第１の金属板の中央部よりも厚さが薄い領域と前記厚さが薄い領域の外側に前記中央部と同等の厚さの領域があり、前記厚さが薄い領域から外側の領域が傾斜して前記絶縁シートと接触していないことを特徴とする。
本発明の電力用半導体装置の製造方法によれば、所望の絶縁性能を有する絶縁シートの領域をヒートスプレッダの伝熱部より外側まで延長させることができるので、絶縁シートの厚みを増大させることなく、絶縁距離を延ばし、絶縁性と放熱性を両立させた信頼性の高い電力用半導体装置を容易に得ることができる。
実施の形態１．
図１と図２は、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の製造方法およびその製造方法で得た電力用半導体装置の構成を説明するためのものであり、図１（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の製造方法における主要な工程ごとの断面を示す模式図であり、図１（ａ）は金属ベース板に絶縁シートを形成するためのＢステージ膜が配置されている状態、図１（ｂ）は絶縁シートを介在させてヒートスプレッダと金属ベース板とを熱圧接した状態、図１（ｃ）はヒートスプレッダの周縁部を金属ベース板から離れる方向に折り曲げた状態、図１（ｄ）は配線と樹脂による封止を行った状態をそれぞれ示す。そして、図２（ａ）〜（ｂ）は、図１で示す電力用半導体装置に用いるヒートスプレッダの構成を説明するためのもので、図２（ａ）はヒートスプレッダの電力用半導体装置を載置する面側の平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）におけるＢ−Ｂ線による断面図であり、視点は図１（ａ）〜（ｄ）の断面図と同様である。
図１と図２は、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の製造方法およびその製造方法で得た電力用半導体装置の構成を説明するためのものであり、図１（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の製造方法における主要な工程ごとの断面を示す模式図であり、図１（ａ）は金属ベース板に絶縁シートを形成するためのＢステージ膜が配置されている状態、図１（ｂ）は絶縁シートを介在させてヒートスプレッダと金属ベース板とを熱圧接した状態、図１（ｃ）はヒートスプレッダの周縁部を金属ベース板から離れる方向に折り曲げた状態、図１（ｄ）は配線と樹脂による封止を行った状態をそれぞれ示す。そして、図２（ａ）〜（ｂ）は、図１で示す電力用半導体装置に用いるヒートスプレッダの構成を説明するためのもので、図２（ａ）はヒートスプレッダの電力用半導体装置を載置する面側の平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）におけるＢ−Ｂ線による断面図であり、視点は図１（ａ）〜（ｄ）の断面図と同様である。
また、図３（ａ）と図３（ｂ）は、比較例にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための製造工程ごとの断面を示す模式図であり、図３（ａ）は金属ベース板に絶縁シートを形成するためのＢステージ膜が配置されている状態、図３（ｂ）はヒートスプレッダを金属ベース板に接合した状態をそれぞれ示す。
本実施の形態１にかかる電力用半導体装置の製造方法の対象となる電力用半導体装置は、図１（ｂ）に示すように、冷却器に固定するための金属ベース板３と、金属ベース板３に絶縁シート４を介して熱圧接されたヒートスプレッダ２と、ヒートスプレッダ２に裏面電極を接合された縦型の電力用半導体素子１と、を備えたものである。そして、本製造方法を用いたことによって、図１（ｃ）に示すように、絶縁シート４の所定の絶縁性能を有する部分４ｐがヒートスプレッダ２の金属ベース板３との熱圧接部分２ｊよりも広い範囲に拡大されている。以下、詳細に説明する。
図１（ａ）に示すように、金属ベース板３は、厚さ２ｍｍで２０ｍｍ角の銅板製で、図における下側が、図示しない冷却器を取り付けるための面である。その反対側の面である図中上側の面３ｆには、絶縁シート４を形成するための厚さ０．２ｍｍ、１６ｍｍ角のＢステージ膜４Ｂ（絶縁シート４の硬化前の状態）が設置されている。Ｂステージ膜４Ｂは、エポキシ樹脂のような熱硬化性樹脂を主成分とするバインダーに、熱伝導性のフィラーを分散させたものである。
一方、ヒートスプレッダ２は、厚さ２ｍｍで１５ｍｍ角の銅板で形成され、図２に示すように、金属ベース板３との接合面２ｆの反対側の面（回路面）には、工程としての説明は省略するが、外周（側部２ｓ）から内側に１ｍｍの位置を中心として、幅１ｍｍ、深さ１．５ｍｍのスリット２ｇが形成されている。スリット２ｇは、外周を形成する４つの辺のうち、図２（ａ）における横方向の辺に平行な横方向のスリット２ｇｈと、縦方向の辺に平行な縦方向のスリット２ｇｈとによって井桁状に形成されている。そして、ヒートスプレッダ２のうち、スリット２ｇよりも内側に位置する部分（１２ｍｍ角）を伝熱部２ｃとし、伝熱部２ｃの面方向における中央に、縦型の電力用半導体素子１（シリコン製、厚さ０．２ｍｍ、１０ｍｍ角）の裏面電極が導電接合されている。
上記のように構成したヒートスプレッダ２を金属ベース板３上のＢステージ膜４Ｂに対して、図１（ｂ）に示すように、電力用半導体素子１を搭載したヒートスプレッダ２の接合面２ｆを対向させるように位置を合わせて載置する。そして、ヒートスプレッダ２に所定の荷重をかけながら１５０℃まで加熱することで、Ｂステージ膜４Ｂを構成するエポキシ樹脂に硬化反応が生じ、ヒートスプレッダ２と金属ベース板３間が絶縁シート４を介して熱圧接される。
そして、図１（ｃ）に示すように、例えば、折り曲げ工具５により、ヒートスプレッダ２の側部２ｓを挟み込んでスリット２ｇの部分を変形させることで、スリット２ｇよりも外側の周縁部２ｍが金属ベース板３から浮き上がる（離れる）ように折り曲がる。これを縦方向のスリット２ｇｖ、横方向のスリット２ｇｈともに行うことで、ヒートスプレッダ２の外周側に位置する周縁部２ｍ全体が、金属ベース板３から遠ざかる。これにより、実質的にヒートスプレッダ２から絶縁シート４を介して金属ベース板３に熱伝導が行われる部分、つまり、ヒートスプレッダ２と金属ベース板３との熱圧接部分２ｊ、３ｊは、接合面２ｆ、３ｆのうち、伝熱部２ｃに対応する部分となる。
最後に、図１（ｄ）に示すように、電力用半導体素子１の主電極、制御電極、および電力用半導体素子１の裏面電極と導電接合されたヒートスプレッダ２と外部端子７（銅リードフレーム、厚さ０．６ｍｍ）との間をそれぞれワイヤボンド８（アルミニウム製、主電極のような電力系統には直径０．４ｍｍ、制御電極のような制御系統には０．２ｍｍのものを使用）によって配線を行う。最後に、樹脂（例えば、エポキシ樹脂）を用いた封止体６により、電力用半導体素子１等の回路部材を含む金属ベース板３の回路面側を封止して電力用半導体装置１０となる。
上記のようなヒートスプレッダ２と金属ベース板３とを絶縁シート４を用いて熱圧接する場合、図１（ｂ）に示すように、絶縁シート４には、ヒートスプレッダ２からはみ出したはみ出し部４ｍが生じる。このはみ出し部４ｍは、圧力がかけられない状態でバインダーである熱硬化性樹脂の硬化が生じる。そのため、内部に隙間が残り、ヒートスプレッダ２と金属ベース板３との間で加圧された圧着部４ｐ比較すると、絶縁性能が劣り、絶縁距離を計算する上での障壁としては期待できない。さらに、内包する熱伝導性のフィラー間の接触度合も低下するので、放熱性能も劣るようになる。
一方、本実施の形態１にかかる製造方法によれば、接合時に金属ベース板３とヒートスプレッダ２との間で所定の荷重がかけられる圧着部４ｐは、周縁部２ｍの部分を含めたヒートスプレッダ２全体（側部２ｓまで）におよぶ。そのため、絶縁シート４のうち、熱圧接部分２ｊに対応する部分はもちろんのこと、折り曲げによって金属ベース板３から離反させた周縁部２ｍがあった領域まで、絶縁性、絶縁性、熱伝導性、接着性等において所望の性能を実現させることができる圧着部４ｐとして機能する。つまり、絶縁シート４のうち、熱圧接部分２ｊに対応する部分を含む、周縁部２ｍがあった領域の部分（圧着部４ｐ）まで、絶縁距離を考慮した場合の障壁（絶縁物）として機能させることができる。
そのため、ヒートスプレッダ２と金属ベース板３との絶縁距離（空間距離：Clearance）において、ヒートスプレッダ２に対する、金属ベース板３の最接近部は、図１（ｃ）に示すように、接合時において側部２ｓに対向する位置（ヒートスプレッダ２の伝熱部２ｃよりも外側にあるポイントＰ３）になる。
ここで、周縁部２ｂが金属ベース板３から十分に離れている場合、金属ベース板３に対するヒートスプレッダ２の最接近部は、伝熱部２ｃの端部（ポイントＰ２ａ）となる。そのため、ヒートスプレッダ２と金属ベース板３との空間距離は、絶縁シート４の厚さＤｔに、圧着部４ｐのうち、周縁部２ｍの下で十分な荷重を受けて硬化した部分の面方向における距離Ｄａ（＝金属ベース板３から遠ざけた部分の幅）を合わせたものとなる。
一方、周縁部２ｂが金属ベース板３からの十分離れていない場合、金属ベース板３に対するヒートスプレッダ２の最接近部は、周縁部２ｍの端部（ポイントＰ２ｂ）となる。そのため、ヒートスプレッダ２と金属ベース板３との空間距離は、絶縁シート４の厚さＤｔに、周縁部２ｍの端部までの距離Ｄｂを合わせたものとなる。なお、上述した「十分に離れている場合」とは、例えば、図１（ｃ）においてポイントＰ２ａとポイントＰ２ｂを結ぶ線が金属ベース板に対して６０度以上の角度で傾いており、Ｄａ＜Ｄｂとなる場合を指す。
いずれの場合にせよ、絶縁シート４の厚さをシート自体の絶縁に必要な最低限の厚みまで薄くしても、距離ＤａまたはＤｂを稼ぐことにより、十分な絶縁距離（空間距離）を得ることが可能となる。つまり、取扱いの容易な絶縁シート４を用いても、放熱性と絶縁性を両立させることができる。
一方、従来のように単純にヒートスプレッダ２Ｔと金属ベース板３とで絶縁シート４を金属ベース板３との間に挟む場合の、ヒートスプレッダ２Ｔと金属ベース板３との空間距離について説明する。この場合、図３に示すように、ヒートスプレッダ２Ｔ（ポイントＰ２Ｔ）に対する、金属ベース板３の最接近部は、ともに圧着部４ｐの端部である、面方向におけるポイントＰ２Ｔと同じ位置（ポイントＰ３Ｔ）になる。そのため、ヒートスプレッダ２Ｔと金属ベース板３との空間距離は、絶縁シート４の厚さＤｔ分しかなく、十分な絶縁距離（空間距離）を得るためには、絶縁シート４の厚みを増大させる必要が生じ、放熱性が犠牲となる。
ここで、例えば、Ｂステージ膜４Ｂをヒートスプレッダ２Ｔよりも小さくし、ヒートスプレッダ２Ｔと金属ベース板３間に絶縁シート４の存在しない隙間を生じさせ、生じた隙間に後から封止体６を構成する樹脂を流し込むことも考えられる。しかし、一般的に封止体６を構成する樹脂は絶縁シート４に比較すると絶縁性が低いため、絶縁シート４の厚さＤｔ分のみが空間距離となる。したがって、この場合にも空間距離を大きくするためには、絶縁シート４を厚く形成する必要があり、熱抵抗が大きくなって放熱性能が低下する。
なお、本実施の形態１にかかる電力用半導体装置１０では、ヒートスプレッダ２や金属ベース板３に銅を用いた例を示したが、アルミニウムや鉄などの熱伝導率の高い金属や、金属導体を有する基板を用いても同様の効果が得られる。
スリット部の変形例．
上記実施の形態では、ヒートスプレッダ２に設けるスリット２ｇについて、底面が平らで断面形状が矩形の例について説明したが、これに限ることはない。例えば、図４（ａ）に示すように底面を円弧状にしたり、深くなるにつれ幅が狭くなるように勾配をつけて、図４（ｂ）に示すような断面形状が楔形（三角形）になるようにしたり、図４（ｃ）に示すように底面部のみに勾配を設けるなどさまざまな形状が可能である。とくに、図４（ｂ）、（ｃ）に示すように、スリット２ｇの底部を角状にすると、応力が角状の部分に集中して曲げやすくなる。
上記実施の形態では、ヒートスプレッダ２に設けるスリット２ｇについて、底面が平らで断面形状が矩形の例について説明したが、これに限ることはない。例えば、図４（ａ）に示すように底面を円弧状にしたり、深くなるにつれ幅が狭くなるように勾配をつけて、図４（ｂ）に示すような断面形状が楔形（三角形）になるようにしたり、図４（ｃ）に示すように底面部のみに勾配を設けるなどさまざまな形状が可能である。とくに、図４（ｂ）、（ｃ）に示すように、スリット２ｇの底部を角状にすると、応力が角状の部分に集中して曲げやすくなる。
また、製造工程において、「金属ベース板３とヒートスプレッダ２の絶縁シート４を介した熱圧接を行ってから周縁部２ｍを折り曲げる」順序を守れば、例えば、金属ベース板３とヒートスプレッダ２の絶縁シート４を介した熱圧接と周縁部２ｍの折り曲げの後で、電力用半導体素子１を搭載するようにしてもよい。また、金属ベース板３とヒートスプレッダ２との接合と、周縁部２ｍの折り曲げの後に、ヒートスプレッダ２をパターニングすることで、絶縁基板を形成することも可能である。また、周縁部２ｍの折り曲げの際、両側から挟み込んで折り曲げた例を示したが、片側ずつ側面を工具で押すことでも、同様の効果が得られる。
なお、本実施の形態および以降の実施の形態では、ヒートスプレッダ２を内包するように絶縁シート４をヒートスプレッダ２よりも広い範囲に拡大している例について説明したがこれに限ることはない。例えば、ヒートスプレッダ２の、絶縁シート４を介して金属ベース板３に接合された部分のうち、外周から所定幅の領域を金属ベース板３から離反させることができれば、絶縁シート４の領域が元のヒートスプレッダ２と同等以下の範囲であってもよい。
以上のように本実施の形態１にかかる電力用半導体装置の製造方法によれば、第１の金属板であるヒートスプレッダ２の一方の面に電力用半導体素子１を導電接合する工程と、第１の金属板（ヒートスプレッダ２）の他方の面２ｆに絶縁シート４を介して第２の金属である金属ベース板３を熱圧接する工程と、第１の金属板（ヒートスプレッダ２）の熱圧接された領域２ｆの一部を含む周縁部２ｍ（および２ｇ）を第２の金属板（金属ベース板３）から離れるように傾斜させる工程と、を含むように構成したので、絶縁シート４（とくに、熱硬化性樹脂のバインダー中にフィラーを分散させたもの）の所望の絶縁性能を発揮する領域を金属ベース板３から離反させた周縁部２ｍがあった部分まで延長させることができる。そのため、距離ＤａまたはＤｂ分、絶縁距離（空間距離）を延ばすことができるので、絶縁シート４の厚みを増大させる必要がない。その結果、絶縁性と放熱性を両立させた信頼性の高い電力用半導体装置１０を容易に得ることができる。
とくに、傾斜させられた領域である熱圧接された領域２ｆの一部は、熱圧接された領域２ｆのうちの外周から内側に向かって所定以上の幅（Ｄａ）を有する環状の領域に設定されているので、余裕をもって絶縁距離を稼ぐことができる。
また、周縁部２ｍを第２の金属板（金属ベース板３）から離れるように傾斜させる工程に先行して、第１の金属板（ヒートスプレッダ２）の電力用半導体素子１が接合された（または、される）面に、周縁部２ｍと中央部（伝熱部２ｃ）を区切るように直線状に延びた複数のスリット２ｇを形成する工程を含むようにしたので、確実に周縁部２ｍを第２の金属板（金属ベース板３）から離れるように傾斜させることができる。
実施の形態２．
本実施の形態２では、ヒートスプレッダに、絶縁シートが剥離しやすいように離型剤を設けたものである。それ以外の構成については、実施の形態１と同様である。
本実施の形態２では、ヒートスプレッダに、絶縁シートが剥離しやすいように離型剤を設けたものである。それ以外の構成については、実施の形態１と同様である。
図５（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態２にかかる電力用半導体装置の製造方法における主要な工程ごとの断面を示す模式図であり、図５（ａ）は金属ベース板に絶縁シートを形成するためのＢステージ膜が配置されている状態、図５（ｂ）は絶縁シートを介在させてヒートスプレッダと金属ベース板とを熱圧接した状態、図５（ｃ）はヒートスプレッダの周縁部を金属ベース板から離れる方向に折り曲げた状態、図５（ｄ）は配線と樹脂による封止を行った状態をそれぞれ示す。図中、実施の形態１で説明したものと同様のものには同様の符号を付し、説明を省略する。以下、説明する。
本実施の形態２にかかる電力用半導体装置の製造方法で使用するヒートスプレッダ２も実施の形態１と同様に、図５（ａ）に示すように、金属ベース板３との接合面２ｆの反対側の面（回路面）には、外周（側部２ｓ）から内側に１ｍｍの位置を中心として、幅１ｍｍ、深さ１．５ｍｍのスリット２ｇが形成されている。そして、本実施の形態２における特徴としては、接合面２ｆ側のスリット２ｇに相当する部分より外側の部分に、シリコンの離型剤９が塗布されていることである。その他の構成については、実施の形態１と同様である。
上記のように構成したヒートスプレッダ２を金属ベース板３上のＢステージ膜４Ｂに対して、図５（ｂ）に示すように、電力用半導体素子１を搭載したヒートスプレッダ２の接合面２ｆを対向させるように位置を合わせて載置する。そして、ヒートスプレッダ２に所定の荷重をかけながら１５０℃まで加熱することで、Ｂステージ膜４Ｂを構成するエポキシ樹脂に硬化反応が生じ、ヒートスプレッダ２と金属ベース板３間が絶縁シート４を介して熱圧接される。このとき、離型剤９が塗布された部分においても、当然のことながら、実施の形態１と同様に、Ｂステージ膜４Ｂには所定の圧力が加えられている。
そして、図５（ｃ）に示すように、例えば、折り曲げ工具５により、ヒートスプレッダ２の側部２ｓを挟み込んでスリット２ｇの部分を変形させることで、スリット２ｇよりも外側の周縁部２ｍが金属ベース板３から浮き上がる（離れる）ように折り曲がる。これを縦方向のスリット２ｇｖ、横方向のスリット２ｇｈともに行うことで、ヒートスプレッダ２の周縁部に位置する周縁部２ｍ全体が、金属ベース板３から遠ざかる。
このとき、ヒートスプレッダ２の離型剤９が塗布されている領域は、絶縁シート４から容易に剥離できるので、無理な力を加えなくても、ヒートスプレッダ２の周縁部に位置する周縁部２ｍ（および２ｇ）を、金属ベース板３から容易に離反させることができる。
最後に、図５（ｄ）に示すように、電力用半導体素子１の主電極、制御電極、および電力用半導体素子１の裏面電極と導電接合されたヒートスプレッダ２と外部端子７との間をそれぞれワイヤボンド８によって配線を行う。そして、樹脂を用いた封止体６により、電力用半導体素子１等の回路部材を含む金属ベース板３の回路面側を封止して電力用半導体装置１０となる。
上記のように、離型剤９を塗布した場合でも、実施の形態１と同様に、接合時に金属ベース板３とヒートスプレッダ２との間で所定の荷重がかけられる圧着部４ｐは、離型剤９が塗布された周縁部２ｍの領域も含め、ヒートスプレッダ２全体におよぶ。そのため、絶縁シート４のうち、熱圧接部分２ｊに対応する部分はもちろんのこと、離型剤９が塗布され、後に折り曲げによって金属ベース板３から遠ざかる周縁部２ｍのあった領域まで、絶縁性、絶縁性、熱伝導性、接着性等において所望の性能を実現させることができる圧着部４ｐとして機能する。
そのため、障壁（絶縁物）として機能する圧着部４ｐが、熱圧接部分２ｊよりも外側の領域まで延長している。そのため、ヒートスプレッダ２と金属ベース板３との空間距離において、ヒートスプレッダ２に対する、金属ベース板３の最接近部は、熱圧接の際にヒートスプレッダ２の周縁部２ｍがあった部分まで延びた圧着部４ｐの端部（ポイントＰ３）になる。つまり、ヒートスプレッダ２と金属ベース板３との空間距離は、絶縁シート４の厚さＤｔに、距離ＤａまたはＤｂを加えた距離となり、十分な絶縁距離（空間距離）を得ることが可能となる。
さらに、離型剤９を少なくとも周縁部２ｍに対応する領域に塗布したことにより、絶縁シート４にかかるストレスを抑制し、容易に周縁部２ｍを金属ベース板３から離すことができる。
なお、ヒートスプレッダ２と絶縁シート４との離形を容易にするものであれば、シリコンの離型剤に限らず、例えばフッ素系の離型剤でも同様の効果が得られる。また、離形を容易にするのであれば、離型剤９を用いなくとも、例えば、離形したい部分（本例では、ヒートスプレッダ２の周縁部）について、表面粗さを低減する方法や、鏡面処理を施すという方法でも同等の効果が得られる。また、離形したい部分の表面に酸化膜を形成させたりしてもよく、例えば、酸化膜が形成されやすくなるように、その部分の材質をアルミニウムにするなどしてもよい。
その他、本実施の形態２においても、実施の形態１で説明した、工程、材料、および形状等の変形例等を適用できるのは言うまでもない。
以上のように、本実施の形態２にかかる電力用半導体装置の製造方法によれば、熱圧接する工程に先行して、第１の金属板（ヒートスプレッダ２）の面２ｆの周縁部２ｍに対応する領域（２ｍ、２ｇの直下）に、離型剤９を塗布する工程を含むように構成したので、周縁部２ｍを金属ベース板３から離反させるときに、絶縁シート４にかかるストレスを抑制することができる。
実施の形態３．
上記実施の形態１、２では、周縁部が金属ベース板から離れるようにヒートスプレッダを変形させる例について説明したが、本実施の形態においては、周縁部を伝熱部（中央部）から切り離すようにしたものである。それ以外の構成については、上述した各実施の形態と同様である。
上記実施の形態１、２では、周縁部が金属ベース板から離れるようにヒートスプレッダを変形させる例について説明したが、本実施の形態においては、周縁部を伝熱部（中央部）から切り離すようにしたものである。それ以外の構成については、上述した各実施の形態と同様である。
図６（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態３にかかる電力用半導体装置の製造方法における主要な工程ごとの断面を示す模式図であり、図６（ａ）は金属ベース板に絶縁シートを形成するためのＢステージ膜が配置されている状態、図６（ｂ）は絶縁シートを介在させてヒートスプレッダと金属ベース板とを熱圧接した状態、図６（ｃ）はヒートスプレッダの周縁部を金属ベース板から切り離した状態、図６（ｄ）は配線と樹脂による封止を行った状態をそれぞれ示す。図中、実施の形態１または実施の形態２で説明したものと同様のものには同様の符号を付し、説明を省略する。以下、説明する。
本実施の形態３にかかる電力用半導体装置の製造方法で使用するヒートスプレッダ２も実施の形態１と同様に、図６（ａ）に示すように、金属ベース板３との接合面２ｆの反対側の面（回路面）には、外周（側部２ｓ）から内側に１ｍｍの位置を中心として、幅１ｍｍ、深さ１．５ｍｍのスリット２ｇが形成されている。その他の構成については、実施の形態１と同様である。
上記のように構成したヒートスプレッダ２を金属ベース板３上のＢステージ膜４Ｂに対して、図６（ｂ）に示すように、電力用半導体素子１を搭載したヒートスプレッダ２の接合面２ｆを対向させるように位置を合わせて載置する。そして、ヒートスプレッダ２に所定の荷重をかけながら１５０℃まで加熱することで、Ｂステージ膜４Ｂを構成するエポキシ樹脂に硬化反応が生じ、ヒートスプレッダ２と金属ベース板３間が絶縁シート４を介して熱圧接される。
そして、実施の形態１における図１（ｃ）で説明したように、例えば、折り曲げ工具５により、ヒートスプレッダ２の側部２ｓを挟み込み、スリット２ｇの部分を変形させ、戻すという動作を繰り返す。これにより、図６（ｃ）に示すように、スリット２ｇよりも外側の周縁部２ｍを金属ベース板３から切り離すことができる。これを縦方向のスリット２ｇｖ、横方向のスリット２ｇｈともに行うことで、ヒートスプレッダ２の周縁部に位置する周縁部２ｍ全体を、金属ベース板３から切り離すことができる。
最後に、図６（ｄ）に示すように、電力用半導体素子１の主電極、制御電極、および電力用半導体素子１の裏面電極と導電接合されたヒートスプレッダ２と外部端子７との間をそれぞれワイヤボンド８によって配線を行う。最後に、樹脂を用いた封止体６により、電力用半導体素子１等の回路部材を含む金属ベース板３の回路面側を封止して電力用半導体装置１０となる。
上記のように、接合後に周縁部２ｍを切り離した場合でも、実施の形態１と同様に、接合時に金属ベース板３とヒートスプレッダ２との間で所定の荷重がかけられる圧着部４ｐは、周縁部２ｍの領域も含め、ヒートスプレッダ２全体におよぶ。そのため、絶縁シート４のうち、熱圧接部分２ｊに対応する部分はもちろんのこと、後に伝熱部２ｃから切り離される周縁部２ｍのあった領域まで、絶縁性、絶縁性、熱伝導性、接着性等において所望の性能を実現させることができる圧着部４ｐとして機能する。
そのため、障壁（絶縁物）として機能する圧着部４ｐが、熱圧接部分２ｊよりも外側の領域まで延長している。そのため、ヒートスプレッダ２と金属ベース板３との空間距離において、ヒートスプレッダ２に対する、金属ベース板３の最接近部は、熱圧接の際にヒートスプレッダ２の周縁部２ｍがあった部分まで延びた圧着部４ｐの端部（ポイントＰ３）になる。そして、周縁部２ｍは、もはや存在しないので、ヒートスプレッダ２と金属ベース板３との空間距離は、絶縁シート４の厚さＤｔに、距離Ｄｐを加えた距離となり、十分な絶縁距離（空間距離）を得ることが可能となる。
なお、周縁部２ｍの切り離しについては、折り曲げの繰り返しで切り離す方法について説明したが、これに限られることはない。例えば、スリット２ｇより外側の部分全体をエッチングすることでも、スリット２ｇ部分が最初になくなるため、周縁部２ｍを切り離すことが可能となる。
実施の形態３の変形例．
なお、上記実施の形態３においては、周縁部を切り離すためにスリットを設けた例について説明したが、これに限ることはない。例えば、図７（ａ）〜（ｄ）に示すように、スリットを形成せず、熱圧接後に、機械加工やレーザー加工によりヒートスプレッダの周縁部を伝熱部から切り離す（あるいは除去）ことでも、同様の効果が得られる。
なお、上記実施の形態３においては、周縁部を切り離すためにスリットを設けた例について説明したが、これに限ることはない。例えば、図７（ａ）〜（ｄ）に示すように、スリットを形成せず、熱圧接後に、機械加工やレーザー加工によりヒートスプレッダの周縁部を伝熱部から切り離す（あるいは除去）ことでも、同様の効果が得られる。
これら、切り離しの際、例えば、実施の形態２のように、切り離す部分に離型剤を塗布するようにすれば、絶縁シートへのストレスを抑制して、容易に切り離しができる。
また、製造工程において、「金属ベース板３とヒートスプレッダ２の絶縁シート４を介した熱圧接を行ってから周縁部２ｍを除去する」順序を守れば、例えば、金属ベース板３とヒートスプレッダ２の絶縁シート４を介した熱圧接と周縁部２ｍの除去の後で、電力用半導体素子１を搭載するようにしてもよい。また、金属ベース板３とヒートスプレッダ２との接合と、周縁部２ｍの除去の後に、ヒートスプレッダ２をパターニングすることで、絶縁基板を形成することも可能である。
その他、本実施の形態３においても、実施の形態１または２で説明した、工程、材料、および形状等の変形例等を適用できるのは言うまでもない。
以上のように本実施の形態１にかかる電力用半導体装置の製造方法によれば、第１の金属板であるヒートスプレッダ２の一方の面に電力用半導体素子１を導電接合する工程と、第１の金属板（ヒートスプレッダ２）の他方の面２ｆと第２の金属である金属ベース板３との間に絶縁シート４を介在させ、所定の圧力をかけて第１の金属板（ヒートスプレッダ２）と第２の金属板（金属ベース板３）とを熱圧接する工程と、第１の金属板（ヒートスプレッダ２）の熱圧接された領域２ｆの一部を含む周縁部２ｍ（および２ｇ）を除去する工程と、を含むように構成したので、絶縁シート４（とくに、熱硬化性樹脂のバインダー中にフィラーを分散させたもの）の所望の絶縁性能を発揮する領域を、除去した周縁部２ｍがあった部分まで延長させることができる。そのため、距離Ｄｐ分、絶縁距離（空間距離）を延ばすことができるので、絶縁シート４の厚みを増大させる必要がない。その結果、絶縁性と放熱性を両立させた信頼性の高い電力用半導体装置１０を容易に得ることができる。
なお、上記各実施の形態においては、スイッチング素子（トランジスタ）や整流素子（ダイオード）として機能する電力用半導体素子１には、シリコンウエハを基材とした一般的な素子について説明した。しかし、本発明においては炭化ケイ素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料、またはダイヤモンドといったシリコンと較べてバンドギャップが広い、いわゆるワイドバンドギャップ半導体材料を用い、電流許容量および高温動作が可能な電力用半導体素子を用いた場合に、特に顕著な効果が現れる。とくに炭化ケイ素を用いた電力用半導体素子に好適に用いることができる。
ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子や整流素子（各実施の形態における電力用半導体素子１）は、ケイ素で形成された素子よりも電力損失が低いため、スイッチング素子や整流素子における高効率化が可能であり、ひいては、電力用半導体装置の高効率化が可能となる。さらに、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、スイッチング素子や整流素子の小型化が可能であり、これら小型化されたスイッチング素子や整流素子を用いることにより、電力用半導体装置も小型化が可能となる。また耐熱性が高いので、高温動作が可能であり、ヒートスプレッダの放熱フィンの小型化や、水冷部の空冷化も可能となるので、電力用半導体装置の一層の小型化が可能になる。
このとき、本発明を適用すれば、金属ベース板３とヒートスプレッダ２間の放熱性を阻害することなく、十分な絶縁距離を保つことができるので、絶縁性と放熱性を両立させた信頼性の高い電力用半導体装置１０を容易に製造することができる。つまり、本発明による効果を発揮することで、ワイドバンドギャップ半導体の特性を活かすことができるようになる。
なお、スイッチング素子及び整流素子の両方がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていても、いずれか一方の素子がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていてもよい。また、縦型半導体素子としては、例えば、スイッチング素子であれば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、あるいは、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect-Transistor）等が適用できる。
１：電力用半導体素子、２：ヒートスプレッダ（第１の金属板）、３：金属ベース板（第２の金属板）、４：絶縁シート、５：工具、６：封止体（封止樹脂）、７：リードフレーム、８：ワイヤボンド、１０：電力用半導体装置、 ２ｆ：ヒートスプレッダの金属ベース板に対向す面、２ｃ：伝熱部（中央部）、２ｇ：スリット、２ｊ：ヒートスプレッダの熱圧接部分、２ｍ：周縁部、
３ｆ：金属ベース板のヒートスプレッダに対向する面、３ｊ：金属ベース板の熱圧接部分、４ｍ：はみ出し部、４ｐ：圧着部、Ｄａ，Ｄｐ：（面方向における）距離、Ｄｂ：距離、 Ｄｔ：絶縁シートの厚み、Ｐ２：ヒートスプレッダの金属ベース板に対する空間距離における最接近部、Ｐ３：金属ベース板のヒートスプレッダに対する空間距離における最接近部。
３ｆ：金属ベース板のヒートスプレッダに対向する面、３ｊ：金属ベース板の熱圧接部分、４ｍ：はみ出し部、４ｐ：圧着部、Ｄａ，Ｄｐ：（面方向における）距離、Ｄｂ：距離、 Ｄｔ：絶縁シートの厚み、Ｐ２：ヒートスプレッダの金属ベース板に対する空間距離における最接近部、Ｐ３：金属ベース板のヒートスプレッダに対する空間距離における最接近部。
Claims (7)
- 第１の金属板の一方の面に電力用半導体素子を導電接合する工程と、
前記第１の金属板の他方の面に、絶縁シートを介して第２の金属板を熱圧接する工程と、
前記第１の金属板の前記熱圧接された領域の一部を含む周縁部を除去または前記第２の金属板から離れるように傾斜させる工程と、
を含むことを特徴とする電力用半導体装置の製造方法。 - 前記熱圧接された領域の一部は、前記熱圧接された領域のうちの外周から内側に向かって所定以上の幅を有する環状の領域であることを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置の製造方法。
- 前記周縁部を除去または前記第２の金属板から離れるように傾斜させる工程に先行して、
前記第１の金属板の前記一方の面に、前記周縁部と中央部を区切るように直線状に延びた複数のスリットを形成する工程を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の電力用半導体装置の製造方法。 - 前記熱圧接する工程に先行して、
前記第１の金属板の前記他方の面の前記周縁部に対応する領域に、離型剤を塗布する工程を含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電力用半導体装置の製造方法。 - 一方の面に電力用半導体素子が導電接合された第１の金属板と、
絶縁シートを介して、前記第１の金属板の他方の面に圧接された第２の金属板と
を備えた電力用半導体装置であって、
前記絶縁シートの絶縁性能を有する部分が、前記第１の金属板の前記第２の金属板との圧接された部分よりも広い範囲に拡大され、
前記第１の金属板は、前記電力用半導体素子の外周部に対応する位置に、前記第１の金属板の中央部よりも厚さが薄い領域と前記厚さが薄い領域の外側に前記中央部と同等の厚さの領域があり、前記厚さが薄い領域から外側の領域が傾斜して前記絶縁シートと接触していないことを特徴とする電力用半導体装置。 - 前記電力用半導体素子がワイドバンドギャップ半導体材料により形成されていることを特徴とする請求項５に記載の電力用半導体装置。
- 前記ワイドバンドギャップ半導体材料は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料、およびダイヤモンド、のうちのいずれかであることを特徴とする請求項６に記載の電力用半導体装置。
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