JP6245229B2 - 半導体装置と半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本明細書で開示する技術は、半導体装置と半導体装置の製造方法に関する。

特許文献１に、半導体素子と、放熱板と、モールド樹脂と、冷却器を備える半導体装置が開示されている。半導体素子は放熱板の上面に固定される。モールド樹脂は、放熱板の下面が露出するように、半導体素子の近傍と放熱板の上面側を封止する。放熱板の下面には電気絶縁体であるセラミック板が貼付され、そのセラミック板は、放熱グリスを介して冷却器上に固定される。

特開２０１２−２２２２９１号公報

特許文献１の技術では、放熱板の下面と冷却器の間に、セラミック板と放熱グリスが介在している。放熱グリスには、熱伝導性を高める工夫が施されているものの、熱伝導性が十分に高いとはいえず、放熱板と冷却器間の熱抵抗をさらに低下させたい要求が存在する。セラミック板と放熱グリスに代えて、絶縁性の樹脂をシート状に形成した接合材を利用することができれば、熱抵抗を減少させられる可能性がある。しかしながら、通常のシートでは、問題が生じる。

通常は、放熱板よりも広く広がっている冷却器に放熱板を接合する。放熱板と冷却器の間に存在する接合材には２機能が必要とされる。
（１）発熱する半導体素子に重なり合う範囲では、接合材の法線方向に伝熱して半導体素子を冷却する。
（２）発熱する半導体素子の周囲に位置する範囲では、接合材の沿面方向に伝熱し、半導体素子の熱を冷却器の広い範囲に伝熱する。

上記のように、接合材には、熱伝導性能の異なる部分を合わせて持っていることが期待されているが、通常のシートではそれに応えることができない。

本明細書では、絶縁性の樹脂をシート状に形成した接合材を利用して、高い放熱性を実現することができる技術を開示する。

本明細書が開示する半導体装置は、半導体モジュールと、接合材と、冷却器を備えている。半導体モジュールは、放熱板と、放熱板の内面側に配置されている半導体素子と、放熱板の内面側と半導体素子の周囲を封止しているモールド樹脂を有しており、接合材を介して冷却器に接合する面に放熱板の外面が露出しているとともに放熱板の周囲をモールド樹脂が囲繞している。接合材は、絶縁性の樹脂でシート状に形成されており、放熱板の法線方向から見たときに、半導体素子と重なる第１部分と、モールド樹脂と重なる第２部分を有しており、第１部分における法線方向の熱伝導率が第２部分における法線方向の熱伝導率より大きく、法線方向に直交する方向を沿面方向としたときに、第２部分における沿面方向の熱伝導率が第１部分における沿面方向の熱伝導率より大きく、第１部分における法線方向の熱伝導率が第１部分における沿面方向の熱伝導率より大きい。放熱板の外面とその周囲を囲繞するモールド樹脂とが接合材を介して冷却器に接合されている。

上記の構成によると、法線方向から見たときに半導体素子と重なる第１部分では、法線方向の熱伝導率が沿面方向の熱伝導率よりも大きい。そのため、第１部分では接合材の法線方向に伝熱して半導体素子を冷却する。一方、法線方向から見たときにモールド樹脂と重なる第２部分では、法線方向の熱伝導率は第１部分よりも小さいが、沿面方向の熱伝導率は第１部分よりも大きい。そのため、第２部分では、第１部分と比べて、接合材の沿面方向により多くの熱を伝熱させることができ、半導体素子の熱を冷却器の広い範囲に伝熱させることができる。即ち、上記の半導体装置では、絶縁性の樹脂をシート状に形成した接合材を利用して、高い放熱性を実現することができる。

さらに本明細書は半導体装置の製造方法も開示する。この製造方法は、放熱板の内面側に半導体素子を配置する工程と、半導体素子の周囲と放熱板の内面側を封止して放熱板の周囲を囲繞するとともに、その囲繞部が放熱板の外面よりも接合材側に突出するモールド樹脂を形成する工程と、放熱板の外面とその周囲を囲繞するモールド樹脂の端面と、冷却器の間に、法線方向の熱伝導率を沿面方向の熱伝導率よりも大きくする姿勢の分散材が分散している接合材を配置する工程と、接合材を介して、放熱板の外面及びモールド樹脂の端面を冷却器に圧接し、モールド樹脂の端面と冷却器の間に位置する範囲の接合材に含まれる分散材の姿勢を変化させる工程、を有する。

この方法によると、モールド樹脂が放熱板の外面よりも接合材側に突出する。そのため、接合材を介して、放熱板の外面及びモールド樹脂の端面を冷却器に圧接すると、接合材のうち、モールド樹脂に対向する部分には、放熱板に対向する部分に比べて大きい圧力が加わる。この結果、モールド樹脂に対向する部分では、放熱板に対向する部分に比べて、より多くの分散材の姿勢を変化させることができる。その結果、法線方向の熱伝導率を大きくする姿勢の分散材の存在割合が、モールド樹脂に対向する部分よりも放熱板の外面に対向する部分で高く、沿面方向の熱伝導率を大きくする姿勢の分散材の存在割合が、放熱板の外面に対向する部分よりもモールド樹脂に対向する部分で高い接合材が形成される。そのため、この方法によって形成される半導体装置では、接合材のうち、放熱板に対向する部分では、接合材の法線方向に伝熱して半導体を冷却する。一方、接合材のうち、モールド樹脂に対向する部分では、接合材の沿面方向により多くの熱を伝熱させることができ、半導体素子の熱を冷却器の広い範囲に伝熱させることができる。上記の製造方法によると、高い放熱性を備える半導体装置を製造することができる。

第１実施例の半導体装置２を模式的に示す断面説明図。 第１実施例の半導体装置２の一部を拡大した部分断面説明図。 第１実施例の半導体装置２の製造工程を説明する部分断面説明図。 第２実施例の半導体装置１０２を模式的に示す断面説明図。 第３実施例の半導体装置２０２を模式的に示す断面説明図。 第４実施例の半導体装置３０２を模式的に示す断面説明図。 第５実施例の半導体装置４０２を模式的に示す断面説明図。

（第１実施例）
図１に示すように、本実施例の半導体装置２は、半導体モジュール１０と接合材３０と冷却器５０を有する。半導体装置２では、半導体モジュール１０が、接合材３０を介して冷却器５０に接合されている。

半導体モジュール１０は、放熱板１２と、半導体素子１４と、モールド樹脂１６を有する。

放熱板１２は、板状の金属部材である。放熱板１２は、例えば、Ｃｕ又はＡｌによって形成することができる。

半導体素子１４は、電力用のスイッチング素子である。本実施例では、半導体素子１４に縦型のＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を用いている。半導体素子１４の上面（図１の上側の面）にはエミッタ電極及びゲート電極パッド（図示しない）が形成されており、下面（図１の下側の面）にはコレクタ電極（図示しない）が形成されている。半導体素子１４の下面のコレクタ電極は、図示しないはんだを介して、放熱板１２の内面１２ａ（図１の上側の面）に接続されている。放熱板１２、半導体素子１４のエミッタ電極及び半導体素子１４のゲート電極パッドは、それぞれ、図示しない位置で他の導電部材と接続されている。

モールド樹脂１６は、放熱板１２の内面１２ａ側と半導体素子１４の周囲を封止する電気絶縁性を有する樹脂である。また、モールド樹脂１６は、放熱板１２の周囲を囲繞する。

半導体モジュール１０のうち、接合材３０を介して冷却器５０に接合する側の面である下面（図１の下側の面）には、放熱板１２の外面１２ｂと、モールド樹脂１６のうちの放熱板１２の周囲を囲繞する部分の端面１６ａとが露出する。図２に示すように、本実施例では、半導体モジュール１０の下面に露出するモールド樹脂１６の端面１６ａは、放熱板１２の外面１２ｂよりも接合材３０側に突出している。

接合材３０は、電気絶縁性の樹脂で形成されたシート状の部材である。放熱板１２と冷却器５０は、接合材３０によって電気的に絶縁されている。図１に示すように、本実施例では、接合材３０は、中心部分３２と、周辺部分３４とを有する。中心部分３２は、放熱板１２の法線方向（図１中の矢印Ａ方向）から見たときに、放熱板１２と重なる部分であり、周辺部分３４は、モールド樹脂１６の端面１６ａと重なる部分である。中心部分３２と周辺部分３４とでは熱伝導性能が異なる。

図１のグラフ６０Ａは、接合材３０の各部における法線方向の熱伝導率を示す。また、グラフ６０Ｂは、法線方向に直交する方向を沿面方向（図１中の矢印Ｂ方向）としたときにおいて、接合材３０の各部における沿面方向の熱伝導率を示す。グラフ６０Ａ、６０Ｂでは、グラフの位置が上方にあるほど熱伝導率が大きいことを示す。グラフ６０Ａ、６０Ｂに示すように、中心部分３２における法線方向の熱伝導率Ａ３２は、周辺部分３４における法線方向の熱伝導率Ａ３４よりも大きい。また、法線方向に直交する方向を沿面方向（図１中の矢印Ｂ方向）としたときに、周辺部分３４における沿面方向の熱伝導率Ｂ３４は、中心部分３２における沿面方向の熱伝導率Ｂ３２よりも大きい。また、中心部分３２では、法線方向の熱伝導率Ａ３２が沿面方向の熱伝導率Ｂ３２よりも大きい。さらに、周辺部分３４では、沿面方向の熱伝導率Ｂ３４が法線方向の熱伝導率Ａ３４よりも大きい。

接合材３０について、図２を参照してさらに詳しく説明する。接合材３０は、基材３１と、基材３１中に分散された分散材４０とによって構成されている。基材３１は、電気絶縁性を有する樹脂で形成されている。分散材４０は、基材３１よりも熱伝導率が高い樹脂で形成されている。分散材４０は、細長形状を有している。分散材４０の長手方向（図２中の矢印Ｘ方向）の熱伝導率は、分散材４０の短手方向（図２中の矢印Ｙ方向）の熱伝導率よりも大きい。本実施例では、基材３１の熱伝導率は１Ｗ／ｍ・ｋである。分散材４０の長手方向の熱伝導率及び短手方向の熱伝導率は、それぞれ１００Ｗ／ｍ・ｋ、２Ｗ／ｍ・ｋである。即ち、本実施例の接合材３０は、分散材４０の姿勢によって法線方向の熱伝導率と沿面方向の熱伝導率が変化する特性を備えている。

図２では、接合材３０の各部位における分散材４０の姿勢を模式的に示している。中心部分３２では、長手方向が法線方向に沿って延びている分散材４０の割合が高く、周辺部分３４では、長手方向が沿面方向に沿って延びている分散材４０の割合が高い。もっとも、実際には、中心部分３２にも上記以外の姿勢の分散材４０はある程度存在し、周辺部分３４にも上記以外の姿勢の分散材４０はある程度存在する。

即ち、本実施例では、長手方向（矢印Ｘ方向）が法線方向（矢印Ａ方向）に沿って延びる分散材４０の存在割合は、周辺部分３４よりも中心部分３２で高く、長手方向（矢印Ｘ方向）が沿面方向（矢印Ｂ方向）に沿って延びる分散材４０の存在割合は、中心部分３２よりも周辺部分３４で高い。言い換えると、法線方向の熱伝導率を大きくする姿勢の分散材４０の存在割合は、周辺部分３４よりも中心部分３２で高く、沿面方向の熱伝導率を大きくする姿勢の分散材４０の存在割合は、中心部分３２よりも周辺部分３４で高い。これにより、本実施例の接合材３０の中心部分３２と周辺部分３４は、上述の熱伝導性の異方性を発揮する。

冷却器５０は、Ａｌ製の板材である。図１に示すように、法線方向から見たときに、冷却器５０の面積は、半導体モジュール１０の面積よりも大きい。

上記の半導体装置２を動作させると、半導体素子１４が熱を発生する。半導体素子１４から発生した熱は、放熱板１２と接合材３０を介して冷却器５０に放熱される。この際、接合材３０の中心部分３２では、法線方向の熱伝導率Ａ３２が沿面方向の熱伝導率Ｂ３２よりも大きい。そのため、中心部分３２では、接合材３０の法線方向に伝熱して半導体素子１４を冷却することができる。一方、接合材３０の周辺部分３４では、法線方向の熱伝導率Ａ３４は中心部分３２よりも小さいが、沿面方向の熱伝導率Ｂ３４は中心部分３２よりも大きい。そのため、周辺部分３４では、中心部分３２と比べて、接合材３０の沿面方向により多くの熱を伝熱させることができ、半導体素子１４の熱を冷却器５０の広い範囲に伝熱させることができる。即ち、本実施例の半導体装置２では、絶縁性の樹脂をシート状に形成した接合材３０を利用して、高い放熱性を実現することができる。

（第１実施例の半導体装置２の製造方法）
続いて、本実施例の半導体装置２の製造方法を説明する。まず、放熱板１２を準備し、その内面１２ａにはんだを介して半導体素子１４の下面のコレクタ電極を接続する。さらに、放熱板１２、半導体素子１４のエミッタ電極及び半導体素子１４のゲート電極パッドに、所定の導電部材を接続する。

次いで、半導体素子１４の周囲と放熱板１２の内面１２ａ側を含む周囲をモールド樹脂１６によって封止して、半導体モジュール１０を製造する。これにより、放熱板１２の周囲がモールド樹脂１６によって囲繞される。また、この際、放熱板１２の外面１２ｂと、モールド樹脂１６の端面１６ａとを、半導体モジュール１０の下面（即ち、接合材３０を介して冷却器５０に接合させる面）に露出させる。この際、半導体モジュール１０の下面に露出するモールド樹脂１６の端面１６ａを、放熱板１２の外面１２ｂよりも接合材３０側に突出させる（図３参照）。

次いで、冷却器５０を準備する。そして、図３に示すように、冷却器５０の上面（即ち、接合材３０を介して半導体モジュール１０に接合させる面）に、接合材３０を配置する。図３に示すように、この時点の接合材３０には、中心部分３２と周辺部分３４の２部分が形成されていない。この時点の接合材３０は、基材３１中に、長手方向（矢印Ｘ方向）が法線方向（矢印Ａ方向）に沿って延びる分散材４０（即ち、法線方向の熱伝導率を沿面方向の熱伝導率よりも大きくする姿勢の分散材４０）が分散している。

次いで、接合材３０を介して、半導体モジュール１０と冷却器５０を圧接する。この際、接合材３０に熱を加える。上記の通り、半導体モジュール１０は、モールド樹脂１６の端面１６ａが放熱板１２の外面１２ｂよりも接合材３０側に突出している。そのため、接合材３０を介して半導体モジュール１０と冷却器５０を圧接すると、接合材３０のうち、モールド樹脂１６の端面１６ａに対向する部分には、放熱板１２の外面１２ｂに対向する部分に比べて大きい圧力が加わる。この結果、接合材３０のうち、端面１６ａに対向する部分では、外面１２ｂに対向する部分に比べて多くの分散材４０の姿勢が変化する（図２参照）。即ち、図２に示すように、端面１６ａに対向する部分では、長手方向（矢印Ｘ方向）が沿面方向（矢印Ｂ方向）に沿って延びる分散材４０の割合が高くなる。一方、外面１２ｂに対向する部分では、端面１６ａに対向する部分に比べ、分散材４０の姿勢は大きく変化しない。そのため、外面１２ｂに対向する部分では、長手方向（矢印Ｘ方向）が法線方向（矢印Ａ方向）に沿って延びる分散材４０の割合が依然高い。上記の圧接により、図２に示すように、接合材３０のうち外面１２ｂに対向する部分が中心部分３２を形成し、端面１６ａに対向する部分が周辺部分３４を形成する。これにより、半導体モジュール１０が、接合材３０を介して冷却器５０と接合される。

上記の各工程を行うことにより、本実施例の半導体装置２が製造される。本実施例の製造方法によると、予め部位ごとに分散材４０の姿勢が異なる接合材を準備しておかなくても、本実施例の半導体装置２を製造することができる。

以下、本実施例と請求項との対応関係を説明する。中心部分３２のうち、放熱板１２を法線方向から見たときに半導体素子１４と重なる部分が「第１部分」の一例である。周辺部分３４が「第２部分」の一例である。

（第２実施例）
図４を参照して、本実施例の半導体装置１０２について、第１実施例と異なる点を中心に説明する。図４では、第１実施例の半導体装置２（図１参照）と同様の構成を備える要素は図１と同様の符号で示している。

本実施例の接合材１３０も、電気絶縁性の樹脂で形成されたシート状の部材である。本実施例でも、放熱板１２と冷却器５０は、接合材１３０によって電気的に絶縁されている。本実施例でも、図５に示すように、接合材１３０は、中心部分１３２と、周辺部分１３４とを有する。

本実施例では、中心部分１３２は、法線方向（図４の矢印Ａ方向）から見たときに、半導体素子１４と重なる部分である。周辺部分１３４は、中心部分１３２の外側の部分である。

図４には示していないが、本実施例では、半導体モジュール１０の放熱板１２の外面１２ｂのうちの周辺部分１３４と対向する部分は、中心部分１３２に対向する部分よりも接合材１３０側に突出している。放熱板１２の外面１２ｂのうちの周辺部分１３４と対向する部分は、モールド樹脂１６の端面１６ａと略面一に形成されている。

本実施例でも、図４のグラフ１６０Ａ、１６０Ｂに示すように、中心部分１３２と周辺部分１３４とでは熱伝導性能が異なる。中心部分１３２における法線方向の熱伝導率Ａ１３２は、周辺部分１３４における法線方向の熱伝導率Ａ１３４よりも大きい。また、周辺部分１３４における沿面方向（図５中の矢印Ｂ方向）の熱伝導率Ｂ１３４は、中心部分１３２における沿面方向の熱伝導率Ｂ１３２よりも大きい。また、中心部分１３２では、法線方向の熱伝導率Ａ１３２が沿面方向の熱伝導率Ｂ１３２よりも大きい。さらに、周辺部分１３４では、沿面方向の熱伝導率Ｂ１３４が法線方向の熱伝導率Ａ１３４よりも大きい。

中心部分１３２、周辺部分１３４の詳しい内部構造（即ち、各部における分散材４０の姿勢等）は、第１実施例の中心部分３２、周辺部分３４の内部構造（図２参照）と同様であるため、詳しい説明を省略する。

上記の半導体装置１０２を動作させると、半導体素子１４が熱を発生する。半導体素子１４から発生した熱は、放熱板１２と接合材１３０を介して冷却器５０に放熱される。この際、中心部分１３２では、法線方向の熱伝導率Ａ１３２が沿面方向の熱伝導率Ｂ１３２よりも大きい。そのため、中心部分１３２では、接合材１３０の法線方向に伝熱して半導体素子１４を冷却することができる。一方、接合材１３０の周辺部分１３４では、法線方向の熱伝導率Ａ１３４は中心部分１３２よりも小さいが、沿面方向の熱伝導率Ｂ１３４は中心部分１３２よりも大きい。そのため、周辺部分１３４では、中心部分１３２と比べて、接合材１３０の沿面方向により多くの熱を伝熱させることができ、半導体素子１４の熱を冷却器５０の広い範囲に伝熱させることができる。即ち、本実施例の半導体装置１０２でも、絶縁性の樹脂をシート状に形成した接合材１３０を利用して、高い放熱性を実現することができる。

以下、本実施例と請求項との対応関係を説明する。中心部分１３２が「第１部分」の一例である。周辺部分１３４のうち、モールド樹脂１６の端面１６ａと重なる部分が「第２部分」の一例である。

（第３実施例）
図５を参照して、本実施例の半導体装置２０２について、第１実施例と異なる点を中心に説明する。図５でも、第１実施例の半導体装置２（図１参照）と同様の構成を備える要素は図１と同様の符号で示している。

本実施例の接合材２３０も、電気絶縁性の樹脂で形成されたシート状の部材である。本実施例でも、放熱板１２と冷却器５０は、接合材２３０によって電気的に絶縁されている。図５に示すように、接合材２３０も、中心部分２３２と、周辺部分２３４とを有する。

本実施例では、中心部分２３２と周辺部分２３４の境界は、法線方向から見たときに、半導体素子１４から放熱板１２の厚さＴ１分の距離離れた位置に存在する。後で詳しく説明するように、本実施例では、中心部分２３２は、半導体素子１４の熱が放熱板１２を介して伝熱される部分であると言い換えることができる。

図５には示していないが、本実施例では、半導体モジュール１０の放熱板１２の外面１２ｂのうち、周辺部分２３４と対向する部分は、中心部分２３２に対向する部分よりも接合材２３０側に突出している。放熱板１２の外面１２ｂのうちの周辺部分２３４と対向する部分は、モールド樹脂１６の端面１６ａと略面一に形成されている。

本実施例でも、中心部分２３２と周辺部分２３４とでは熱伝導性能が異なる。グラフ２６０Ａ、２６０Ｂに示すように、中心部分２３２における法線方向（図５中の矢印Ａ方向）の熱伝導率Ａ２３２は、周辺部分２３４における法線方向の熱伝導率Ａ２３４よりも大きい。また、周辺部分２３４における沿面方向（図５中の矢印Ｂ方向）の熱伝導率Ｂ２３４は、中心部分２３２における沿面方向の熱伝導率Ｂ２３２よりも大きい。また、中心部分２３２では、法線方向の熱伝導率Ａ２３２が沿面方向の熱伝導率Ｂ２３２よりも大きい。さらに、周辺部分２３４では、沿面方向の熱伝導率Ｂ２３４が法線方向の熱伝導率Ａ２３４よりも大きい。

中心部分２３２、周辺部分２３４の詳しい内部構造（即ち、各部における分散材４０の姿勢等）は、第１実施例の中心部分３２、周辺部分３４の内部構造（図２参照）と同様であるため、詳しい説明を省略する。

上記の半導体装置２０２を動作させると、半導体素子１４が熱を発生する。半導体素子１４から発生した熱は、放熱板１２と接合材２３０を介して冷却器５０に放熱される。この際、半導体素子１４から発生する熱は、図５の矢印Ｈに示すように、放熱板１２の厚み方向に伝熱するとともに、放熱板１２の面と平行な方向にも広がりながら伝熱する。即ち、半導体素子１４の熱は放熱板１２内を放射状に伝熱する。その際の放射角度θが４５°程度であることも知られている。上記の通り、中心部分２３２と周辺部分２３４との境界は、法線方向から見たときに、半導体素子１４から放熱板１２の厚さＴ１分の距離離れた位置に存在する。即ち、半導体素子１４の熱は、放熱板１２を介して中心部分２３２に伝熱される。中心部分２３２では、法線方向の熱伝導率Ａ２３２が沿面方向の熱伝導率Ｂ２３２よりも大きいため、中心部分２３２では、接合材２３０の法線方向に伝熱して半導体素子１４を冷却することができる。一方、周辺部分２３４では、法線方向の熱伝導率Ａ２３４は中心部分２３２よりも小さいが、沿面方向の熱伝導率Ｂ２３４は中心部分２３２よりも大きい。そのため、周辺部分２３４では、中心部分２３２と比べて、接合材２３０の沿面方向により多くの熱を伝熱させることができ、半導体素子１４の熱を冷却器５０の広い範囲に伝熱させることができる。即ち、本実施例の半導体装置２０２でも、絶縁性の樹脂をシート状に形成した接合材２３０を利用する場合において、高い放熱性を実現することができる。

以下、本実施例と請求項との対応関係を説明する。中心部分２３２のうち、法線方向から見たときに半導体素子１４と重なる部分が「第１部分」の一例である。中心部分２３２のうち、法線方向から見たときに半導体素子１４と重ならない部分（即ち、半導体素子１４から放熱板１２の厚さＴ１分の距離離れた位置との間に存在する部分）が「第３部分」の一例である。周辺部分１３４のうち、モールド樹脂１６の端面１６ａと重なる部分が「第２部分」の一例である。

（第４実施例）
図６を参照して、本実施例の半導体装置３０２について、第１実施例と異なる点を中心に説明する。図６でも、第１実施例の半導体装置２（図１参照）と同様の構成を備える要素は図１と同様の符号で示している。

本実施例の接合材３３０も、電気絶縁性の樹脂で形成されたシート状の部材である。本実施例でも、放熱板１２と冷却器５０は、接合材３３０によって電気的に絶縁されている。図６に示すように、接合材３３０は、中心部分３３２と、外側部分３３４と、周辺部分３３６を有する。

中心部分３３２は、放熱板１２の法線方向から見たときに、半導体素子１４と重なる部分である。外側部分３３４は、中心部分３３２の外側の部分であり、法線方向から見たときに半導体素子１４とは重ならないが放熱板１２と重なる部分である。周辺部分３３６は、外側部分３３４の外側の部分であり、法線方向から見たときにモールド樹脂１６の端面１６ａと重なる部分である。

図６には示していないが、本実施例では、半導体モジュール１０の放熱板１２の外面１２ｂのうち、外側部分３３４と対向する部分が、中心部分３３２に対向する部分よりも接合材３３０側に突出している。また、モールド樹脂１６の端面１６ａは、放熱板１２の外面１２ｂのうちの外側部分３３４と対向する部分よりも接合材３３０側に突出している。

本実施例では、中心部分３３２と、外側部分３３４と、周辺部分３３６とでは熱伝熱性能が異なる。グラフ３６０Ａに示すように、各部分３３２〜３３６における法線方向（図６の矢印Ａ方向）の熱伝導率Ａ３３２、Ａ３３４、Ａ３３６は、大きい方から順にＡ３３２、Ａ３３４、Ａ３３６である。一方、グラフ３６０Ｂに示すように、各部分３３２〜３３６における沿面方向（図６の矢印Ｂ方向）の熱伝導率Ｂ３３２、Ｂ３３４、Ｂ３３６は、大きい方から順にＢ３３６、Ｂ３３４、Ｂ３３２である。また、中心部分３３２では、法線方向の熱伝導率Ａ３３２が沿面方向の熱伝導率Ｂ３３２よりも大きい。さらに、周辺部分３３６では、沿面方向の熱伝導率Ｂ３３６が法線方向の熱伝導率Ａ３３６よりも大きい。外側部分３３４では、法線方向の熱伝導率Ａ３３４は、沿面方向の熱伝導率Ｂ３３４よりも大きい。ただし変形例では、熱伝導率Ａ３３４は、熱伝導率Ｂ３３４よりも小さくてもよいし、等しくてもよい。

中心部分３３２、周辺部分３３６の詳しい内部構造（即ち、各部における分散材４０の姿勢等）は、第１実施例の中心部分３２、周辺部分３４の内部構造（図２参照）とそれぞれ同様である。外側部分３３４では、長手方向が法線方向に沿って延びている分散材４０の割合は、中心部分３３２より低く、周辺部分３３６より高い。

上記の半導体装置３０２を動作させると、半導体素子１４が熱を発生する。半導体素子１４から発生した熱は、放熱板１２と接合材３３０を介して冷却器５０に放熱される。この際、中心部分３３２では、法線方向の熱伝導率Ａ３３２が沿面方向の熱伝導率Ｂ３３２よりも大きい。そのため、中心部分３３２では、接合材３３０の法線方向に伝熱して半導体素子１４を冷却することができる。外側部分３３４では、法線方向の熱伝導率Ａ３３４は中心部分３３２よりも小さいが、沿面方向の熱伝導率Ｂ３３４は中心部分３３２よりも大きい。そのため、外側部分３３４では、接合材３３０の法線方向に伝熱するとともに、沿面方向に伝熱することができる。さらに、周辺部分３３６では、法線方向の熱伝導率Ａ３３６は外側部分３３４よりも小さいが、沿面方向の熱伝導率Ｂ３３６は外側部分３３４よりも大きい。そのため、周辺部分３３６では、外側部分３３４と比べて、接合材３３０の沿面方向により多くの熱を伝熱させることができ、半導体素子１４の熱を冷却器５０の広い範囲に伝熱させることができる。即ち、本実施例の半導体装置３０２でも、絶縁性の樹脂をシート状に形成した接合材３３０を利用する場合において、高い放熱性を実現することができる。

以下、本実施例と請求項との対応関係を説明する。中心部分３３２が「第１部分」の一例である。周辺部分３３６が「第２部分」の一例である。

（第５実施例）
本実施例は第３実施例（図５参照）の変形例である。図７を参照して、本実施例の半導体装置４０２について、第３実施例と異なる点を中心に説明する。図７でも、第３実施例の半導体装置２０２（図５参照）と同様の構成を備える要素は図５と同様の符号で示している。

本実施例の接合材４３０も、電気絶縁性の樹脂で形成されたシート状の部材である。本実施例でも、放熱板１２と冷却器５０は、接合材４３０によって電気的に絶縁されている。図７に示すように、接合材４３０は、中心部分４３２と、第１外側部分４３４と、第２外側部分４３６と、周辺部分４３８と、を有する。

中心部分４３２は、法線方向から見たときに半導体素子１４と重なる部分である。第１外側部分４３４は、中心部分４３２の外側の部分であり、法線方向（図７の矢印Ａ方向）から見たときに、半導体素子１４と、半導体素子１４から放熱板１２の厚さＴ１分の距離離れた位置との間の部分である。言い換えると、第１外側部分４３４は、半導体素子１４の熱が放熱板１２を介して伝熱される部分である。第２外側部分４３６は、第１外側部分４３４の外側の部分であり、法線方向から見たときに、放熱板１２と重なっているが、半導体素子１４の熱が放熱板１２を介して法線方向に伝熱されない部分である。周辺部分４３８は、第２外側部分４３６の外側の部分であり、法線方向から見たときに、モールド樹脂１６の端面１６ａと重なる部分である。

図７には示していないが、本実施例では、半導体モジュール１０の放熱板１２の外面１２ｂのうち、第１外側部分４３４と対向する部分は、中心部分４３２に対向する部分よりも接合材４３０側に突出している。また、放熱板１２の外面１２ｂのうち、第２外側部分４３６と対向する部分は、第１外側部分４３４に対向する部分よりも接合材４３０側に突出している。また、モールド樹脂１６の端面１６ａは、放熱板１２の外面１２ｂのうちの第２外側部分４３６と対向する部分よりも接合材４３０側に突出している。

本実施例では、中心部分４３２と、第１外側部分４３４と、第２外側部分４３６と、周辺部分４３８との間で熱伝熱性能が異なる。グラフ４６０Ａに示すように、各部分４３２〜４３８における法線方向の熱伝導率Ａ４３２、Ａ４３４、Ａ４３６、Ａ４３８は、大きい方から順にＡ４３２、Ａ４３４、Ａ４３６、Ａ４３８である。一方、グラフ４６０Ｂに示すように、各部分４３２〜４３８における沿面方向（図７の矢印Ｂ方向）の熱伝導率Ｂ４３２、Ｂ４３４、Ｂ４３６、Ｂ４３８は、大きい方から順にＢ４３８、Ｂ４３６、Ｂ４３４、Ｂ４３２である。また、中心部分４３２では、法線方向の熱伝導率Ａ４３２が沿面方向の熱伝導率Ｂ４３２よりも大きい。さらに、周辺部分４３８では、沿面方向の熱伝導率Ｂ４３８が法線方向の熱伝導率Ａ４３８よりも大きい。第１外側部分４３４では、法線方向の熱伝導率Ａ４３４は、沿面方向の熱伝導率Ｂ４３４よりも大きい。第２外側部分４３６では、沿面方向の熱伝導率Ｂ４３６が法線方向の熱伝導率Ａ４３６よりも大きい。

中心部分４３２、周辺部分４３８の詳しい内部構造（即ち、各部における分散材４０の姿勢等）は、第１実施例の中心部分３２、周辺部分３４の内部構造（図２参照）とそれぞれ同様である。本実施例の第１外側部分４３４では、長手方向が法線方向に沿って延びている分散材４０の割合は、中心部分４３２より低く、第２外側部分４３６より高い。第２外側部分４３６では、長手方向が法線方向に沿って延びている分散材４０の割合は、第１外側部分４３４より低く、周辺部分４３８より高い。

上記の半導体装置４０２を動作させると、半導体素子１４が熱を発生する。半導体素子１４から発生した熱は、放熱板１２と接合材４３０を介して冷却器５０に放熱される。この際、中心部分４３２では、法線方向の熱伝導率Ａ４３２が沿面方向の熱伝導率Ｂ４３２よりも大きい。そのため、中心部分４３２では、接合材４３０の法線方向に伝熱して半導体素子１４を冷却することができる。第１外側部分４３４では、法線方向の熱伝導率Ａ４３４は中心部分４３２よりも小さいが、沿面方向の熱伝導率Ｂ４３４は中心部分４３２よりも大きい。第１外側部分４３４では、接合材４３０の法線方向に伝熱するとともに、沿面方向に伝熱することもできる。第２外側部分４３６では、第１外側部分４３４よりも、さらに多くの熱を沿面方向に伝熱することができる。さらに、周辺部分４３８では、第２外側部分４３６よりも、接合材４３０の沿面方向により多くの熱を伝熱させることができ、半導体素子１４の熱を冷却器５０の広い範囲に伝熱させることができる。即ち、本実施例の半導体装置４０２でも、絶縁性の樹脂をシート状に形成した接合材４３０を利用する場合において、高い放熱性を実現することができる。

以下、本実施例と請求項との対応関係を説明する。中心部分４３２が「第１部分」の一例である。周辺部分４３８が「第２部分」の一例である。第１外側部分４３４が「第３部分」の一例である。

以上、本明細書に開示の技術の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。例えば、以下の変形例を採用してもよい。

（変形例１）上記の第１〜第３実施例では、接合材３０（１３０、２３０）は、中心部分３２（１３２、２３２）と周辺部分３４（１３４、２３４）とを備える一つのシート材である。同様に、第４実施例では、接合材３３０は、中心部分３３２と外側部分３３４と周辺部分３３６とを備える一つのシート材である。また、第５実施例では、接合材４３０は、中心部分４３２と第１外側部分４３４と第２外側部分４３６と周辺部分４３８とを備える一つのシート材である。これに限られず、上記の各実施例において、各部分（中心部分、周辺部分、外側部分等）が、それぞれ別個のシート材で構成されていてもよい。従って、例えば、接合材が、中心部分を構成するシート材と周辺部分を構成するシート材とを組み合わせたものであってもよい。

（変形例２）上記の変形例１を採用する場合において、モールド樹脂１６の端面１６ａと放熱板１２の外面１２ｂとがほぼ面一に形成されていてもよい。

（変形例３）上記の各実施例では、接合材３０（１３０、２３０、３３０、４３０）は、分散材４０の姿勢によって法線方向の熱伝導率と沿面方向の熱伝導率が変化する特性を備えている。接合材は、上記の各部分がそれぞれ備える熱伝導性能を実現できる樹脂製のシート材であれば、分散材を含むものに限られず、任意の構造を備えるものであってもよい。

（変形例４）上記の各実施例では、周辺部分３４（１３４、２３４、３３６、４３８）では、沿面方向の熱伝導率が法線方向の熱伝導率よりも大きい。これに限られず、周辺部分３４（１３４、２３４、３３６、４３８）では、沿面方向の熱伝導率が法線方向の熱伝導率よりも大きくなくてもよい。即ち、周辺部分でも、法線方向の熱伝導率が沿面方向の熱伝導率以上であってもよい。その場合、中心部分３２（１３２、２３２、３３２、４３２）における法線方向の熱伝導率が、周辺部分３４（１３４、２３４、３３６、４３８）における法線方向の熱伝導率よりも大きく、周辺部分３４（１３４、２３４、３３６、４３８）における沿面方向の熱伝導率が、中心部分３２（１３２、２３２、３３２、４３２）における沿面方向の熱伝導率よりも大きく、かつ、中心部分３２（１３２、２３２、３３２、４３２）における法線方向の熱伝導率が中心部分３２（１３２、２３２、３３２、４３２）の沿面方向の熱伝導率よりも大きければよい。

（変形例５）上記の各実施例では、スイッチング素子としてＩＧＢＴを用いる例を説明した。これに限られず、スイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴ等、他のスイッチング素子を用いてもよい。

本明細書が開示する技術要素について、以下に列記する。なお、以下の各技術要素は、それぞれ独立して有用なものである。

本明細書が開示する半導体装置において、接合材が、電気絶縁材料より熱伝導率が高い分散材が分散している電気絶縁材料で形成されており、その分散材の姿勢によって法線方向の熱伝導率と沿面方向の熱伝導率が変化する特性を備えており、法線方向の熱伝導率を大きくする姿勢の分散材の存在割合が、第２部分よりも第１部分で高く、沿面方向の熱伝導率を大きくする姿勢の分散材の存在割合が、第１部分よりも第２部分で高くてもよい。

この構成によると、接合材が、分散材の姿勢によって法線方向の熱伝導率と沿面方向の熱伝導率が変化する特性を備える場合においても、高い放熱性を実現することができる。

本明細書が開示する半導体装置において、接合材が、第１部分に隣接し、法線方向から見たときに、半導体素子と、半導体素子から放熱板の厚さ分の距離離れた位置との間に存在する第３部分をさらに有していてもよい。第３部分における法線方向の熱伝導率が第２部分における法線方向の熱伝導率より大きく、第３部分における沿面方向の熱伝導率が第２部分における沿面方向の熱伝導率より小さく、第３部分における法線方向の熱伝導率が第３部分における沿面方向の熱伝導率より大きくてもよい。

半導体素子から発生した熱は、放熱板内を放射状に伝熱する。また、その際の放射角度が４５°程度であることも知られている。上記の構成によると、第３部分は、法線方向から見たときに、半導体素子と、半導体素子から放熱板の厚さ分の距離離れた位置との間に存在する。即ち、半導体素子の熱は、放熱板を介して、第１部分及び第３部分に伝熱される。第１部分及び第３部分では、接合材の法線方向に効率良く伝熱して半導体素子を効果的に冷却する。一方、法線方向から見たときにモールド樹脂と重なり、半導体素子の熱が法線方向に伝熱されない第２部分では、第１部分と比べて、接合材の沿面方向により多くの熱を伝熱させ、半導体素子の熱を冷却器の広い範囲に伝熱させることができる。

本明細書が開示する半導体装置において、放熱板の周囲を囲繞するモールド樹脂の接合材側の端面が、放熱板の外面よりも接合材側に突出していてもよい。法線方向に沿って延びる分散材の存在割合が、第２部分よりも第１部分で高く、沿面方向に沿って延びる分散材の存在割合が、第１部分よりも第２部分で高くてもよい。

この構成によると、半導体装置の製造過程において、放熱板の外面とその周囲を囲繞するモールド樹脂の端面と、冷却器との間に、法線方向の熱伝導率を沿面方向の熱伝導率よりも大きくする姿勢の分散材が分散している接合材を配置し、接合材を介して半導体モジュールと冷却器を圧接すると、接合材のうち、モールド樹脂に対向する部分には、放熱板に対向する部分に比べて大きい圧力が加わる。この結果、モールド樹脂に対向する部分では、放熱板に対向する部分に比べて、より多くの分散材の姿勢を変化させることができる。その結果、法線方向の熱伝導率を大きくする姿勢の分散材の存在割合が、モールド樹脂に対向する部分よりも放熱板の外面に対向する部分で高く、沿面方向の熱伝導率を大きくする姿勢の分散材の存在割合が、放熱板の外面に対向する部分よりもモールド樹脂に対向する部分で高い接合材が形成される。この構成によると、予め、部位ごとに分散材の姿勢が異なる接合材を準備しておかなくても、上記の半導体装置を製造することができる。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：半導体装置
１０：半導体モジュール
１２：放熱板
１２ａ：内面
１２ｂ：外面
１４：半導体素子
１６：モールド樹脂
１６ａ：端面
３０：接合材
３１：基材
３２：中心部分
３４：周辺部分
４０：分散材
５０：冷却器
６０Ａ：法線方向の熱伝導率のグラフ
６０Ｂ：沿面方向の熱伝導率のグラフ
１０２：半導体装置
１３０：接合材
１３２：中心部分
１３２ａ：第１中心部分
１３２ｂ：第２中心部分
１３４：周辺部分
１３４ａ：第１周辺部分
１３４ｂ：第２周辺部分
１６０Ａ：法線方向の熱伝導率のグラフ
１６０Ｂ：沿面方向の熱伝導率のグラフ
２０２：半導体装置
２３０：接合材
２３２：中心部分
２３４：周辺部分
２６０Ａ：法線方向の熱伝導率のグラフ
２６０Ｂ：沿面方向の熱伝導率のグラフ
３０２：半導体装置
３３０：接合材
３３２：中心部分
３３４：外側部分
３３６：周辺部分
３６０Ａ：法線方向の熱伝導率のグラフ
３６０Ｂ：沿面方向の熱伝導率のグラフ
４０２：半導体装置
４３０：接合材
４３２：中心部分
４３４：第１外側部分
４３６：第２外側部分
４３８：周辺部分
４６０Ａ：法線方向の熱伝導率のグラフ
４６０Ｂ：沿面方向の熱伝導率のグラフ

Claims (5)

1. 半導体モジュールと、接合材と、冷却器を備えており、
   前記半導体モジュールは、放熱板と、前記放熱板の内面側に配置されている半導体素子と、前記放熱板の内面側と前記半導体素子の周囲を封止しているモールド樹脂を有しており、前記接合材を介して前記冷却器に接合する面に前記放熱板の外面が露出しているとともに前記放熱板の周囲を前記モールド樹脂が囲繞しており、
   前記接合材は、絶縁性の樹脂でシート状に形成されており、前記放熱板の法線方向から見たときに、前記半導体素子と重なる第１部分と、前記モールド樹脂と重なる第２部分を有しており、前記第１部分における前記法線方向の熱伝導率が前記第２部分における前記法線方向の熱伝導率より大きく、前記法線方向に直交する方向を沿面方向としたときに、前記第２部分における前記沿面方向の熱伝導率が前記第１部分における前記沿面方向の熱伝導率より大きく、前記第１部分における前記法線方向の熱伝導率が前記第１部分における前記沿面方向の熱伝導率より大きく、
   前記放熱板の外面とその周囲を囲繞する前記モールド樹脂とが前記接合材を介して前記冷却器に接合されている半導体装置。
2. 前記接合材が、電気絶縁材料より熱伝導率が高い分散材が分散している電気絶縁材料で形成されており、その分散材の姿勢によって前記法線方向の熱伝導率と前記沿面方向の熱伝導率が変化する特性を備えており、
   前記法線方向の熱伝導率を大きくする姿勢の前記分散材の存在割合が、前記第２部分よりも前記第１部分で高く、
   前記沿面方向の熱伝導率を大きくする姿勢の前記分散材の存在割合が、前記第１部分よりも前記第２部分で高い、
   請求項１の半導体装置。
3. 前記接合材が、前記第１部分に隣接し、前記法線方向から見たときに、前記半導体素子と、前記半導体素子から前記放熱板の厚さ分の距離離れた位置との間に存在する第３部分をさらに有しており、前記第３部分における前記法線方向の熱伝導率が前記第２部分における前記法線方向の熱伝導率より大きく、前記第３部分における前記沿面方向の熱伝導率が前記第２部分における前記沿面方向の熱伝導率より小さく、前記第３部分における前記法線方向の熱伝導率が前記第３部分における前記沿面方向の熱伝導率より大きい、
   請求項１または２の半導体装置。
4. 前記放熱板の周囲を囲繞する前記モールド樹脂の前記接合材側の端面が、前記放熱板の前記外面よりも前記接合材側に突出しており、
   前記法線方向に沿って延びる前記分散材の存在割合が、前記第２部分よりも前記第１部分で高く、
   前記沿面方向に沿って延びる前記分散材の存在割合が、前記第１部分よりも前記第２部分で高い、
   請求項２の半導体装置。
5. 半導体装置の製造方法であって、
   放熱板の内面側に半導体素子を配置する工程と、
   前記半導体素子の周囲と前記放熱板の内面側を封止して前記放熱板の周囲を囲繞するとともに、その囲繞部が前記放熱板の外面よりも接合材側に突出するモールド樹脂を形成する工程と、
   前記放熱板の外面とその周囲を囲繞する前記モールド樹脂の端面と、冷却器の間に、法線方向の熱伝導率を沿面方向の熱伝導率よりも大きくする姿勢の分散材が分散している前記接合材を配置する工程と、
   前記接合材を介して、前記放熱板の外面及び前記モールド樹脂の端面を前記冷却器に圧接し、前記モールド樹脂の端面と前記冷却器の間に位置する範囲の前記接合材に含まれる前記分散材の姿勢を変化させる工程、
   を有する半導体装置の製造方法。

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