JP6382784B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体モジュールに冷却部材が押し付けられている半導体装置の製造方法に関する。

半導体素子を収容した半導体モジュールの表面に冷却部材が押し付けられている半導体装置が知られている。その例が特許文献１、２に開示されている。いずれの文献の半導体モジュールも、半導体素子を収容している樹脂製の収容部の一側面の一部にヒートシンクが露出している。露出している面が放熱面に相当する。冷却部材は、ヒートシンクの放熱面とその放熱面の周囲の樹脂面に対向しつつ半導体モジュールに押し付けられている。特許文献１に開示された半導体装置では、半導体モジュールと冷却部材の間にグリス（非固体の伝熱材）が充填されている。グリスは冷却部材の表面の微細な凹凸の間に入り込むとともに、ヒートシンクの放熱面の微細な凹凸の間に入り込み、ヒートシンクから冷却部材への伝熱性を高める。冷却部材を半導体モジュールに押し付けることによって、グリス層が薄く延ばされる。

半導体素子の熱サイクルに応じてヒートシンクの温度も上昇と降下を繰り返す。ヒートシンクが熱膨張するとヒートシンクの放熱面はその中央が膨らむように変形し、グリスが放熱面の周囲の樹脂面上へ押し出される。ヒートシンクの温度が下がると放熱面は平坦に戻るが、そのときにグリスの一部が元の位置まで戻らないことがある。即ち、半導体素子が熱サイクルを繰り返すにつれてヒートシンクの放熱面と冷却部材の間から周囲へグリスが流出することがある。なお、以下では、説明の便宜上、ヒートシンクの放熱面と冷却部材の間から周囲へグリスが流出することを「グリス抜け」と称する。

一方、特許文献２の半導体装置は、ヒートシンクの放熱面と冷却部材の間に固体の伝熱層を備える。固体の伝熱層は流動性を有しないので、上記したグリス抜けが生じることがない。なお、特許文献２に開示された半導体装置では、ヒートシンクの一部分がその周囲の樹脂面から突出しており、ヒートシンクの突出している部分の頭頂面と冷却部材の間に伝熱層が挟まれている。ヒートシンクの一部分が樹脂面から突出しているので、樹脂面は冷却部材から離れており、樹脂面と冷却部材の間には伝熱層が設けられていない。

特開２００７−１７３３７２号公報 特開２００１−２６７４７５号公報

特許文献２の半導体装置では、ヒートシンクの一部が周囲の樹脂面から突出している。一方、製造コストなどの事情により、ヒートシンクの放熱面が周囲の樹脂面に対して窪んでいる半導体モジュールを採用する場合がある。ヒートシンクの一部が樹脂製の収容部から露出している半導体モジュールは、例えば次の工程を経て作られる。半導体素子とヒートシンクを埋設している樹脂製の収容部は樹脂の射出成形工程で製造される。射出成形の際には、ヒートシンクは完全に収容部に埋設されている。射出成形後、収容部の一面を研磨し、ヒートシンクの一部を露出させる。露出した部分が放熱面となる。そのような製造工程を含む場合、研磨の摩擦熱によって金属製のヒートシンクは温度が上昇して膨張する。研磨によって、膨張したヒートシンクの表面が周囲の樹脂面と面一になる。研磨後にヒートシンクが収縮すると、収容部の樹脂面に対して窪んだ放熱面が形成される。収容部を射出成形する際にヒートシンクの一部を露出させるのはコストが嵩む。上記したように、ヒートシンクが埋設されている収容部を製造した後に収容部の一面全体を研磨してヒートシンクシンクを露出させる方が、製造コストが節約できる。

本願の発明者らは、ヒートシンクの放熱面が樹脂面に対して窪んでいる半導体モジュールを採用し、上記したグリス抜けを防止するために、ヒートシンクの放熱面とその周囲の樹脂面を含む収容部の一面全体に固体の伝熱層を設け、その伝熱層を挟んで冷却部材を半導体モジュールに押し付けた半導体装置を検討した。伝熱層を介したヒートシンクから冷却部材への伝熱性を高めるには、伝熱層は薄く圧縮された状態でヒートシンクと冷却部材の間に保持されることが望ましい。しかしながら、半導体モジュールの一面全体に固体の伝熱層を設けると、伝熱層の反発力が大きいため、伝熱層が所望の厚みとなるまで圧縮するのに大きな荷重が必要となる。本明細書は、ヒートシンクの放熱面の少なくとも一部がその周囲の樹脂面に対して窪んでいる半導体モジュールに冷却部材を押し当てた半導体装置の製造方法に関し、ヒートシンクと冷却部材の間に挟む固体の伝熱層を圧縮するための荷重を抑える技術を提供する。

本明細書が開示する半導体装置は、半導体モジュールと冷却部材を備える。半導体モジュールは、半導体素子を収容している樹脂製の収容部を備えている。収容部の一側面の一部にヒートシンクが露出している。ヒートシンクの露出している面は放熱面に相当する。冷却部材は、ヒートシンクの放熱面とその放熱面の周囲の樹脂面に対向しているとともに半導体モジュールに押し付けられている。放熱面の少なくとも一部は、周囲の樹脂面に対して窪んでいる。そして、放熱面の窪んでいる領域と冷却部材の間に固体の伝熱層が挟まれている。一方、樹脂面と冷却部材の間には伝熱層が挟まれていない。この半導体装置は、収容部の樹脂面と冷却部材の間には伝熱層を挟んでいないので、放熱面と冷却部材の間の伝熱層を所望の厚さまで圧縮するのに要する押し付け荷重（冷却部材を半導体モジュールに押し付ける荷重）の大きさが抑えられる。

本明細書は、上記した半導体装置に好適な製造方法を開示する。その方法は、（１）ヒートシンクの放熱面まで樹脂で覆うように収容部を形成する工程、（２）収容部の放熱面を覆っている部分を研磨して放熱面を収容部から露出させる研磨工程を備える。なお、研磨工程では、研磨の際に研磨熱によって放熱面の少なくとも一部に窪みが形成される。この製造方法は、さらに、（３）ヒートシンクの放熱面の窪んでいる領域に固化前の伝熱材を塗布し、保持部材を用いて伝熱材が樹脂面に広がらないように保持するとともに伝熱材の表面を平坦化する工程、（４）伝熱材を固化させる工程、（５）放熱面に対向するように冷却部材を半導体モジュールに押し付けた状態で半導体モジュールと冷却部材を固定する工程を備える。

放熱面の湾曲した領域に一定の厚みの伝熱シート（伝熱層）を載せると、放熱面の湾曲に応じて伝熱シート（伝熱層）の表面も湾曲する。表面が湾曲している伝熱シート（伝熱層）に冷却部材を押し付けると、放熱面を平面視したときの伝熱シート（伝熱層）における応力分布が不均一となる。一方、上記した製造方法では、放熱面に均一に接しているとともにその表面が平坦な伝熱層が得られる。表面が平坦な伝熱層に冷却部材を押し付けるので、厚みが一定の伝熱シート（伝熱層）を採用する場合と比較して、均一な応力分布が得られる。放熱面を平面視したときの伝熱層における応力分布が一定であると、伝熱層の全体に渡って均一な伝熱特性が得られる。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

半導体装置の斜視図である。 半導体モジュールの平面図である。 図２のIII−III線矢視における断面図である。 図３の破線IVが示す範囲の拡大断面図である。 変形例を説明するための半導体モジュールの平面図である。 図５のVI−VI線矢視における断面図である。 別の変形例を説明する拡大断面図である。 さらに別の変形例を説明する拡大断面図である。 半導体装置の製造方法を説明する図である（１）。 半導体装置の製造方法を説明する図である（２）。 半導体装置の製造方法を説明する図である（３）。 半導体装置の製造方法を説明する図である（４）。 半導体装置の製造方法を説明する図である（５）。

図面を参照して実施例の半導体装置を説明する。図１は、実施例の半導体装置２の斜視図である。半導体装置２は、複数の半導体モジュール１０と複数の冷却器３が積層されたユニット（積層ユニット４）を備える。なお、図１では、積層ユニット４の全体が見えるように、積層ユニット４を収容するケース３１は仮想線で描いてある。半導体モジュール１０と冷却器３の間には絶縁板６が挟まれている。図１は、理解し易いように、一つの半導体モジュール１０とその両側の絶縁板６を積層ユニット４から抜き出して描いてある。説明の便宜のため、半導体モジュール１０の一方側に位置する絶縁板を符号６ａで表し、他方側に位置する絶縁板を符号６ｂで表す。絶縁板６ａ、６ｂの一方を区別なく示すときには、「絶縁板６」と表記する。また、半導体モジュール１０と絶縁板６の間には伝熱層が挟まれており、絶縁板６と冷却器３の間にはグリスが充填されているが、図１と図２では伝熱層とグリスの図示は省略している。伝熱層とグリスの層については、図３以降で説明する。

一つの半導体モジュール１０には４個の半導体素子が収容されている。４個の半導体素子は、具体的には、２個のトランジスタ１３ａ、１３ｂと、２個のダイオード１４ａ、１４ｂである。半導体モジュール１０の内部構造は後に詳しく説明する。

複数の半導体モジュール１０と複数の冷却器３は、共に平板型であり、半導体モジュール１０の主平面（複数の側面のうち最大面積の側面）と冷却器３の主平面が対向するように積層されている。複数の半導体モジュール１０と複数の冷却器３は、一つずつ交互に積層されており、積層ユニット４の積層方向の両端には冷却器３が位置している。半導体モジュール１０と冷却器３の間には絶縁板６が挟まれている。各半導体モジュール１０は、夫々の主平面に、絶縁板６を挟んで冷却器３が対向している。

隣り合う冷却器３は、連結パイプ５ａ、５ｂで連結されている。図１では、一対の連結パイプのみに符号「５ａ」、「５ｂ」を付し、他の連結パイプには符号を省略した。積層方向の一端の冷却器３には、冷媒供給管３３ａと冷媒排出管３３ｂが連結されている。冷媒は液体であり、典型的には水である。冷媒供給管３３ａを通じて供給される冷媒は、連結パイプ５ａを通じて全ての冷却器３に分配される。冷媒は各冷却器３を通る間に隣接する半導体モジュール１０から絶縁板６を通じて熱を吸収する。各冷却器３を通った冷媒は連結パイプ５ｂを通り、冷媒排出管３３ｂから排出される。

半導体装置２はケース３１に収容される際、積層方向の一端側に板バネ３２が挿入される。その板バネ３２により、積層ユニット４には、積層方向の両側から荷重が加えられる。その荷重は、例えば３［ｋＮ］である。後述するように絶縁板６と半導体モジュール１０の間には伝熱層が挟まれている。即ち、板バネ３２が加える荷重により、各絶縁板６は、対向している半導体モジュール１０に強く押し付けられている。３［ｋＮ］という高い荷重は、伝熱層が所定の厚みになるまで圧縮し、半導体モジュール１０から冷却器３への伝熱性を高める。半導体モジュール１０は、伝熱層を介して絶縁板６に熱を奪われる。それゆえ、絶縁板６は冷却部材に相当する。

半導体モジュール１０を説明する。半導体モジュール１０は、半導体素子（トランジスタ１３ａ、１３ｂ、ダイオード１４ａ、１４ｂ）を収容したモールド部１２を備える。モールド部１２は樹脂で作られており、半導体素子（トランジスタ１３ａ、１３ｂ、ダイオード１４ａ、１４ｂ）は、モールド部１２に埋設されている。モールド部１２の上面から３本のパワー端子７ａ、７ｂ、７ｃが延びており、下面から制御端子１９が延びている。モールド部１２の内部でトランジスタ１３ａ、１３ｂは直列に接続されており、パワー端子７ａは直列接続の高電位側に接続しており、パワー端子７ｂは直列接続の低電位側に接続している。パワー端子７ｃは、直列接続の中点に接続している。制御端子１９は、トランジスタ１３ａ、１３ｂのゲートに接続しているゲート端子、及び、不図示の温度センサの端子などである。なお、ダイオード１４ａは、モールド部１２の内部でトランジスタ１３ａに逆並列に接続されており、ダイオード１４ｂは、モールド部１２の内部でトランジスタ１３ｂに逆並列に接続されている。

モールド部１２には、ヒートシンク２０、２１、及び、後述するヒートシンク２２、２３が埋設されている。冷却器３と対向しているモールド部１２の一つの主平面には、ヒートシンク２０の表面の一部と、ヒートシンク２１の表面の一部が露出している。説明の便宜上、ヒートシンク２０、２１の表面を除くモールド部１２の主平面をモールド部１２の樹脂面１２ａと称する。ヒートシンク２０のモールド部１２から露出している面を放熱面２０ａと称し、ヒートシンク２１のモールド部１２から露出している面を放熱面２１ａと称する。樹脂面１２ａは、放熱面２０ａ、２１ａの周囲に隣接する面である。半導体モジュール１０の他方の主平面（Ｘ軸の負方向を向く面）には、後述するヒートシンク２２の表面の一部（放熱面２２ａ）と、ヒートシンク２３の表面の一部（放熱面２３ａ）が露出している。他方の主平面のうち、ヒートシンク２２の放熱面２２ａとヒートシンク２３の放熱面２３ａを除く面を他方の樹脂面１２ｂと称する。半導体モジュール１０は、モールド部１２の一方の主平面（モールド部１２の一側面）にヒートシンク２０、２１の放熱面２０ａ、２１ａを備え、他方の主平面（半導体モジュール１０の他方の側面）にヒートシンク２２、２３の放熱面２２ａ、２３ａを備える。

半導体モジュール１０と絶縁板６ａ、６ｂの積層体の平面図を図２に示す。図中の座標系のＸ軸の方向は、モールド部１２の一側面の法線方向に相当する。それゆえ、図２は、半導体モジュール１０と絶縁板６ａ、６ｂの積層体を一側面の法線方向（図中の座標系のＸ方向）に沿ってみた図に相当する。図２は、モールド部１２の一側面を平面視した図にも相当する。さらに、図２は、ヒートシンク２０、２１の放熱面２０ａ、２１ａを平面視した図にも相当する。

図２には、冷却器３を仮想線で描いてある。また、図２のIII−III線に沿った断面を図３に示す。図３は、トランジスタ１３ａ、１３ｂを横断する断面を示している。図３には、積層ユニットにおいて半導体モジュール１０の両側の冷却器の一部も示してある。説明の便宜上、図２と図３では、絶縁板６ａに隣り合う冷却器を符号３ａで表し、絶縁板６ｂに隣り合う冷却器を符号３ｂで表す。ただし、冷却器３ａ、３ｂの一方を区別なく示すときには「冷却器３」と表記する。先に述べたように、絶縁板６ａ、６ｂの一方を区別なく示すときには「絶縁板６」と表記する。

まず、図３を参照してモールド部１２の内部構造を説明する。先に述べたように、モールド部１２の内部には、トランジスタ１３ａ、１３ｂ（及びダイオード１４ａ、１４ｂ）が埋設されている。トランジスタ１３ａ、１３ｂは平板型のチップであり、一方の平坦面にコレクタ電極が露出しており、他方の平坦面にエミッタ電極とゲート電極が露出している。トランジスタ１３ａのコレクタ電極にヒートシンク２０が接続している。先に述べたように、ヒートシンク２０の表面の一部は、モールド部１２の樹脂面１２ａから露出しており、その面が放熱面２０ａに相当する。トランジスタ１３ａのエミッタ電極にスペーサ１５ａの一方の面が接続している。スペーサ１５ａの他方の面にヒートシンク２２が接続している。ヒートシンク２２の表面の一部は、モールド部１２の他方の樹脂面１２ｂから露出しており、その面が放熱面２２ａに相当する。

トランジスタ１３ｂのコレクタ電極にヒートシンク２１が接続している。先に述べたように、ヒートシンク２１の表面の一部は、モールド部１２の樹脂面１２ａから露出しており、その面が放熱面２１ａに相当する。トランジスタ１３ｂのエミッタ電極にスペーサ１５ｂの一方の面が接続している。スペーサ１５ｂの他方の面にヒートシンク２３が接続している。ヒートシンク２３の表面の一部は、モールド部１２の他方の樹脂面１２ｂから露出しており、その面が放熱面２３ａに相当する。別言すれば、半導体モジュール１０は、半導体素子（トランジスタ、ダイオード）を収容している樹脂製のモールド部１２を備えており、モールド部１２の内部で半導体素子と接続しているヒートシンク２０−２３の一部がモールド部１２の一側面の一部に露出している。

ヒートシンク２０、２１、２２、２３とスペーサ１５ａ、１５ｂは銅で作られている。なお、スペーサ１５ａはヒートシンク２２に接合されており、ヒートシンク２２の一部とみなせる。スペーサ１５ｂはヒートシンク２３に接合されており、ヒートシンク２３の一部とみなせる。以下では、ヒートシンク２２とスペーサ１５ａを合わせて改めてヒートシンク２２と表記し、ヒートシンク２３とスペーサ１５ｂを合わせて改めてヒートシンク２３と表記する。

図３に示されているように、ヒートシンク２１とヒートシンク２２はモールド部１２の内部で接続している。トランジスタ１３ａのエミッタとトランジスタ１３ｂのコレクタが、ヒートシンク２１、ヒートシンク２２を介して導通している。即ち、トランジスタ１３ａと１３ｂが直列に接続されている。図示されていないが、モールド部１２の内部でヒートシンク２０はパワー端子７ａと導通しており、ヒートシンク２３はパワー端子７ｂと導通している。ヒートシンク２１、２２はパワー端子７ｃと導通している。即ち、ヒートシンク２０−２３は、トランジスタ１３ａ、１３ｂの電極を外部のデバイスと接続する端子の一部に相当する。一方、冷却器３は導電性の金属で作られている。冷却器３をヒートシンク２０−２３から絶縁するために、冷却器３とヒートシンク２０−２３の間に絶縁板６が挟まれている。

図３に示されているように、絶縁板６ａは、モールド部１２の樹脂面１２ａ及びヒートシンク２０、２１の放熱面２０ａ、２１ａと対向している。絶縁板６ｂは、モールド部１２の他方の樹脂面１２ｂ及びヒートシンク２２、２３の放熱面２２ａ、２３ａと対向している。絶縁板６ａ、６ｂは、板バネ３２（図１参照）によって、半導体モジュール１０に押し付けられている。別言すれば、絶縁板６ａは、樹脂面１２ａと放熱面２０ａ、２１ａと対向しつつ、半導体モジュール１０に押し付けられている。絶縁板６ｂは、他方の樹脂面１２ｂと放熱面２２ａ、２３ａと対向しつつ、半導体モジュール１０に押し付けられている。

放熱面２０ａと絶縁板６ａの間、及び、放熱面２１ａと絶縁板６ａの間には、伝熱層２５が挟まれている。図２と図３から理解されるように、伝熱層２５は、放熱面２０ａ、２１ａと絶縁板６ａとの間に挟まれており、放熱面２０ａ、２１ａの周囲の樹脂面１２ａと絶縁板６ａの間には挟まれていない。別言すれば、伝熱層２５は、モールド部１２を平面視したときに放熱面２０ａ、２１ａの領域にとどまっており、放熱面２０ａ、２１ａの周囲の樹脂面１２ａには拡がっていない。同様に、放熱面２２ａと絶縁板６ｂの間、及び、放熱面２３ａと絶縁板６ｂの間には、伝熱層２５が挟まれている。放熱面２２ａ、２３ａの周囲の樹脂面１２ｂと絶縁板６ｂの間には伝熱層２５は挟まれていない。伝熱層２５は、高い熱伝導率を有しており、固体であって流動性は有しないが、柔軟である。伝熱層２５は、例えば、シリコンゲルで形成されている。絶縁板６と冷却器３の間には、非固体のグリス２６が塗布されている。グリス２６は、伝熱材として用いている。

先に述べたように、ヒートシンク２０−２３は、モールド部１２の内部でトランジスタに接続しており、ヒートシンク２０−２３の夫々の表面の一部（放熱面２０ａ−２３ａ）がモールド部１２の樹脂面１２ａ、１２ｂから露出している。放熱面２０ａ−２３ａと絶縁板６との間には固体で柔軟な伝熱層２５が挟まれており、絶縁板６と冷却器３との間にはグリス２６が挟まれている。この構造により、モールド部１２に埋設されたトランジスタ１３ａ、１３ｂの熱は、ヒートシンク２０−２３、伝熱層２５、絶縁板６、グリス２６を通じて冷却器３に吸収される。

図２を参照して伝熱層２５の存在範囲について捕捉する。図２は、モールド部１２の一側面を平面視した図に相当する。図２の平面図において、放熱面２０ａ、２１ａの外周と伝熱層２５の外周との間には、伝熱層が存在しない余白領域が設けられている。図２において右上がりの斜線の範囲が余白領域２０ｘ、２１ｘを示す。余白領域２０ｘ、２１ｘは、固体の伝熱層２５が確実に放熱面２０ａ、２１ａと絶縁板６の間に収まるようにするために設けられている。余白領域は、ヒートシンク２２、２３の放熱面２２ａ、２３ａと絶縁板６ｂの伝熱層２５についても設けられている。

伝熱層２５をヒートシンク２０−２３の放熱面２０ａ−２３ａと絶縁板６の間に限定したことによる利点を説明する。図３において符号IVが示す矩形破線の範囲の拡大図を図４に示す。図４の拡大断面図を使って放熱面２０ａと伝熱層２５についてさらに説明する。以降の図では、絶縁板は符号６で表す。なお、放熱面２１ａ、２２ａ、２３ａと伝熱層２５の関係も、放熱面２０ａと伝熱層２５の関係と同じである。図４（及び、後述する図７−図１０）では、理解を助けるために、図の縦方向の長さを拡大して描いてある。

放熱面２０ａは、放熱面２０ａの周囲の樹脂面１２ａからなだらかに湾曲しつつ窪んでいる。なお、放熱面２０ａと樹脂面１２ａとの境界近傍（図４において符号２０ｂが示す領域）では、放熱面２０ａは樹脂面１２ａと面一で平坦である。そして、平坦な領域の内側（図４において符号２０ｃが示す範囲）が、樹脂面１２ａに対して窪んでいる。より詳しく表現すると、放熱面２０ａと樹脂面１２ａとの境界近傍（図４において符号２０ｂが示す範囲）では、放熱面２０ａは樹脂面１２ａと面一で平坦であり、平坦な部分よりも内側（図４において符号２０ｃが示す範囲）が樹脂面１２ａに対してなだらかに湾曲しつつ窪んでいる。以下では、放熱面２０ａの窪んでいる部分を窪み２０ｃと称する場合がある。

窪み２０ｃの深さＨ２は、概ね１０〜５０ミクロンである。窪み２０ｃの深さＨ２とは、別言すれば、樹脂面１２ａから窪み２０ｃの底までの距離に相当する。半導体モジュール１０から絶縁板６への伝熱性を高めるには、伝熱層２５は、その厚みを薄く保持するとともに、相応の圧力で絶縁板６と半導体モジュール１０に密着しているのが好ましい。それゆえ、先に述べたように、絶縁板６は、放熱面２０ａと樹脂面１２ａに対向しつつ半導体モジュール１０に押し付けられている。その押し付け力により、伝熱層２５は圧縮される。伝熱層２５は固体であり相応の弾力性を有する。押し付け力と伝熱層２５の反発力のつり合いにより、樹脂面１２ａと絶縁板６との間に幅Ｈ１の隙間が形成される。放熱面２０ａの窪み２０ｃの底と絶縁板６の間で伝熱層２５の厚みを薄くするには、樹脂面１２ａと絶縁板６の間の隙間幅Ｈ１をできるだけ小さくすることが望ましい。なお、隙間幅Ｈ１は、概ね１０ミクロン程度が好ましい。他方、半導体モジュール１０の一平面を平面視したときの伝熱層の範囲が広いほど、伝熱層の反発力が増加し、伝熱層を所定の厚みにするのに大きな荷重を要する。即ち、伝熱層２５が樹脂面１２ａにまで広がっていると、伝熱層を薄くするのに大きな荷重を要する。絶縁板６を半導体モジュール１０に押し付ける荷重が大きいと、伝熱層２５の厚みを薄くしたまま保持するためのコストが増大する。実施例の半導体装置２では、伝熱性の高いヒートシンク２０（及び２１−２３）の放熱面２０ａ（及び２１ａ−２３ａ）と絶縁板６の間にのみ固体の伝熱層２５を設け、ヒートシンク２０−２３と比べて伝熱性の低いモールド部１２の樹脂面１２ａ、１２ｂと絶縁板６の間には固体の伝熱層を挟まない。そうすることで、伝熱層２５の反発力を小さくすることができる。その結果、伝熱層２５の厚みを薄くするのに要する押し付け荷重（絶縁板６を半導体モジュール１０に押し付ける荷重）を小さくすることができる。これによって、伝熱層２５の厚みを薄くしたまま保持するためのコストの増加も抑えられる。

図４に示されているように、伝熱層２５は、放熱面２０ａの窪んでいる領域内（図４において符号２０ｃが示す範囲内）に設けられており、放熱面２０ａと樹脂面１２ａの境界付近で放熱面２０ａの平坦な部分（樹脂面１２ａと面一で平坦な部分であり、図４において符号２０ｂが示す範囲）と絶縁板６の間には挟まれていない。伝熱層２５を放熱面２０ａの湾曲面の範囲に限定することで、放熱面２０ａから絶縁板６への伝熱性をさほど低下させることなく、伝熱層２５を薄くするための押し付け荷重をより効果的に抑えることができる。なお、図４において、樹脂面１２ａと放熱面２０ａとの境界から伝熱層２５までの領域が、先に述べた余白領域２０ｘに相当する。

次に、図５と図６を参照して、変形例の半導体装置を説明する。図５は、変形例の半導体装置における絶縁板６と半導体モジュール１０の平面図であり、図６は図５のVI−VI線に沿った断面図である。図５は図２に対応し、図６は図３に対応する。それゆえ、図２と図３で説明した部品と同じ部品については、一部符号を省略した。図５では、冷却器３ａが仮想線で描かれている。図５、図６の変形例では、半導体モジュール１０を平面視したとき（図５）に、伝熱層２５の周囲に、グリス１２６が充填されている。グリス１２６は、非固体の伝熱材であり流動性を有している。図５において右下がりの斜線の領域がグリス１２６を示している。グリス１２６は、モールド部１２の一側面（ヒートシンクの放熱面を含むモールド部１２の一側面）を平面視したときに伝熱層２５を囲むように、モールド部１２と絶縁板６ａの間に充填されている。グリス１２６は、モールド部１２と絶縁板６ｂの間にも同様に充填されている。グリス１２６は、伝熱層２５が挟まれていない領域において、モールド部１２から絶縁板６への熱輸送を補助する。グリス１２６は流動性を有しているので、押し付け荷重（絶縁板６を半導体モジュール１０へ押し付ける荷重）を大きく増大させることはない。別言すれば、非固体のグリス１２６は、伝熱層２５の厚みを薄くするための押し付け荷重を増大させることはない。

次に、図７を用いて別の変形例を説明する。図７は、図３において破線矩形IVが示す範囲に相当する変形例の拡大断面図である。この変形例では、先の変形例と同様に、モールド部１２の一側面を平面視したときに固体の伝熱層２５を囲むように、絶縁板６とモールド部１２の間にグリス２２６ａが充填されている。この変形例ではさらに、伝熱層２５と絶縁板６の間にも非固体のグリス２２６ｂが充填されている。グリス２２６ａ、２２６ｂは、ともに、非固体の伝熱材であり流動性を有している。伝熱層２５は固体であるので、その表面にわずかながら凹凸が存在する。グリス２２６ｂは、その凹凸の間に入り込み、伝熱層２５から絶縁板６への熱伝達を促進する。グリス２２６ａ、２２６ｂは、流動性を有しているので、押し付け荷重を大きく増大させることはない。なお、グリス２２６ａとグリス２２６ｂは、同じタイプのグリスであってもよいし、異なるタイプのグリスであってもよい。たとえば、グリス２２６ｂとして、グリス２２６ａよりも粘性の低いグリスを採用することも好適である。粘性の低いグリスを採用することで、伝熱層２５と絶縁板６の間のグリスの層を薄くすることができる。また、周囲の粘性の高いグリス２２６ａが、粘性の低いグリス２２６ｂが周囲に拡散することを防止する。

次に、図８を用いてさらに別の変形例を説明する。図８は、図３において破線矩形IVが示す範囲に相当する変形例（図５−図７とは別の変形例）の拡大断面図である。図８の変形例では、樹脂面１２ａと面一の平坦部分（図８において符号２０ｂが示す範囲）も含め、放熱面２０ａ全体と絶縁板６の間に伝熱層１２５が設けられている。なお、モールド部１２の樹脂面１２ａと絶縁板６の間には伝熱層１２５は挟まれていない。すなわち、伝熱層１２５は、放熱面２０ａの窪んでいる領域（図８において符号２０ｃが示す範囲）に設けられているとともに、放熱面２０ａの樹脂面１２ａと面一の領域（符号２０ｂが示す範囲）にも設けられている。この変形例では、図４の場合と比較すると押し付け荷重が増えるが、放熱面２０ａを最大限に有効に使うので、ヒートシンク２０から絶縁板６への伝熱性能は高い。

次に、図９−図１３を参照して、半導体装置２の製造方法を説明する。まず、ヒートシンクやトランジスタ等の部品のアセンブリを準備し、そのアセンブリを封止する樹脂製のモールド部（半完成モールド部）を射出成形で形成する（形成工程）。図９は、アセンブリ２９を入れた金型４０に樹脂を射出し、アセンブリ２９の全体を覆うモールド部（半完成モールド部１１２）が形成された状態の断面図である。アセンブリ２９は、先に説明したヒートシンク２０―２３、トランジスタ１３ａ、１３ｂ、ダイオード１４ａ、１４ｂ、スペーサ１５ａ、１５ｂで構成されている。なお、図９の断面では、ダイオード１４ａ、１４ｂは見えていない。また、アセンブリ２９は、図９の断面には表れない箇所において、図２に示したパワー端子７ａ−７ｃが支持されている。金型４０の湯口４１から溶融した樹脂を射出し、金型４０を冷却すると、ヒートシンク２０−２３の放熱面２０ａ−２３ａまで覆ったモールド部（半完成モールド部１１２）が形成される。

次に、半完成モールド部１１２を金型から取出し、放熱面２０ａ−２３ａを覆っている部分を研磨し、放熱面２０ａ−２３ａを半完成モールド部１１２から露出させる（研磨工程）。図１０は、半完成モールド部１１２の上面をグラインダ４２で削り、放熱面２０ａと２１ａが露出した状態を示している。なお、放熱面２０ａ、２１ａとは反対側の下面１１２ｂはまだ削られていないので、放熱面２２ａ、２３ａは半完成モールド部１１２から露出していない。下面１１２ｂも削られると、放熱面２０ａ−２３ａが露出したモールド部１２が完成する。

以下、研磨工程について、ヒートシンク２０を例に説明する。グラインダ４２で樹脂製のモールド部（半完成モールド部１１２）とともにヒートシンク２０の表面を研磨することにより、ヒートシンク２０の放熱面２０ａとその周囲の樹脂面１２ａが面一となる。ただし、ヒートシンク２０の表面を研磨すると、研磨の摩擦熱によって金属製のヒートシンク２０は温度が上昇して膨張する。ヒートシンク２０は膨張した状態で表面が削られ、樹脂面１２ａと面一となる。研磨後、ヒートシンク２０の温度が下がるとヒートシンク２０が収縮し、樹脂面１２ａよりも窪んだ曲面が放熱面２０ａに形成される。樹脂面１２ａとの境界近傍には、放熱面２０ａに樹脂面１２ａと面一の部分が残る場合もある。ヒートシンク２１―２３でも同様であり、放熱面２１ａ−２３ａには、湾曲した窪み２０ｃが形成される。すなわち、研磨工程では、研磨の際に放熱面の少なくとも一部に窪み２０ｃが形成される。

図１０において破線矩形XIが示す範囲に相当する拡大断面図（図１１―図１３）を参照しつつ、以降の工程を説明する。以下では、ヒートシンク２０の放熱面２０ａに密着する伝熱層２５の形成方法を中心に半導体装置の製造方法を説明する。他の放熱面と絶縁板の間の伝熱層も同様に形成することができる。

次の工程では、ヒートシンク２０の放熱面２０ａの窪んでいる領域（窪み２０ｃ）に固化前の伝熱材を塗布し、保持部材を用いて伝熱材が樹脂面１２ａに広がらないように保持するとともに伝熱材の表面を平坦化する（塗布工程）。モールド部１２の樹脂面１２ａに、放熱面２０ａに対応する開口を有するマスク５１を載せ、その開口を通じて放熱面２０ａの上に伝熱材２５１を塗布する（図１１）。図１１において、符号２０ｂは、放熱面２０ａのうち、樹脂面１２ａと面一の領域を示している。マスク５１は、モールド部１２の樹脂面１２ａを完全に覆っているとともに、放熱面２０ａのうち、樹脂面１２ａと面一の領域も覆っている。マスク５１は、放熱面２０ａの窪んでいる領域（窪み２０ｃ）に開口を有している。マスク５１は、伝熱材２５１が樹脂面１２ａに広がらないように保持する。マスク５１は、放熱面２０ａの樹脂面１２ａと面一の領域にも広がらないように伝熱材２５１を保持する。伝熱材２５１は、流動性と高い粘度を有するペースト状の物質である。伝熱材２５１は粘度が高いので、マスク５１の表面よりも盛り上がった状態を保持する。伝熱材２５１は、加温すると固化する材料で作られている。即ち、塗布するのは固化前の伝熱材である。マスク５１で伝熱材２５１が広がらないように保持したまま、スキージ５２でマスク５１の表面を一掃する（図１２）。スキージ５２は、ゴム製のブレードが先端に取り付けられたワイパである。マスク５１の表面を一掃すると、ペースト状の伝熱材２５１の表面２５１ａは、マスク５１の表面と同じ平面に平坦化される。

次に、伝熱材２５１を固化させる（固化工程）。すなわち、マスク５１を付けたまま、伝熱材２５１を加温し、固化させる。伝熱材２５１が樹脂面１２ａに広がらないように保持するとともに伝熱材２５１の表面２５１ａを平坦に保持しながら、伝熱材２５１は固化される。伝熱材２５１が固化した後にマスク５１を除去すると、表面２５２ａが平坦な固体の伝熱層２５２が放熱面２０ａの上に形成される（図１３）。マスク５１により、固体の伝熱層２５２は、モールド部１２の樹脂面１２ａと絶縁板６の間には拡がっていない。伝熱層２５２は、放熱面２０ａにおいて窪んでいる領域（窪み２０ｃ）にとどまっており、樹脂面１２ａと面一の領域（図中の符号２０ｂが示す範囲）には拡がっていない。なお、全てのヒートシンクの放熱面に対して伝熱層２５２が形成される。伝熱層２５２は、固体であるが、柔軟である。

次に、複数の冷却器３を平行に並べ、隣り合う冷却器３の間に、絶縁板６とともに半導体モジュール１０を挟み込む。そして、図１を参照して説明したように、複数の冷却器３と複数の半導体モジュール１０を積層した積層ユニット４を、板バネ３２によって積層方向に荷重しつつケース３１に収容する。即ち、伝熱層２５２が形成された放熱面２０ａ（及び他の放熱面）と樹脂面１２ａに対向するように絶縁板６を半導体モジュール１０に押し付けた状態で半導体モジュール１０と絶縁板６を固定する（固定工程）。図１３に示したように、荷重前の伝熱層２５２は、その表面２５２ａが平坦である。その平坦な表面２５２ａに平坦な絶縁板６が押し付けられるので、モールド部１２の一側面（放熱面２０ａを含む側面）を平面視したときの伝熱層２５２の全域にわたって均一な応力分布が得られる。その結果、モールド部１２の一側面を平面視したときの伝熱層２５２の全域に渡って均一な伝熱特性が得られる。また、ヒートシンクの放熱面の上に流動性の伝熱材を塗布して固化させるので、形成される伝熱層は、放熱面に密着する。この点も、ヒートシンクから絶縁板への伝熱特性の向上に寄与する。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。まず、図５−図７で示した変形例について捕捉する。図５−図７の変形例では、固体の伝熱層２５を囲むように、モールド部１２と絶縁板６の間にグリス１２６が充填されている。半導体モジュール１０においては、ヒートシンクの放熱面に隣接する樹脂面１２ａと絶縁板６の間の隙間（図４における隙間幅Ｈ１）は、放熱面の窪み２０ｃの底と絶縁板６までの隙間（図４における隙間幅Ｈ２＋Ｈ１）よりも狭い。それゆえ、グリス１２６の層の厚みは、伝熱層２５の厚みよりも薄い。グリス１２６の層が薄いので、グリス１２６による半導体モジュール１０から絶縁板６への伝熱補助の寄与も大きい。この点、例えば、ヒートシンクの一部をモールド部から突出させる半導体モジュールでは、ヒートシンクの突出部の周囲の樹脂面と絶縁板（冷却部材）との隙間が大きくなってしまう。それゆえ、モールド部の樹脂面と絶縁板（冷却部材）との間にグリスを充填しても、図５−図７で説明した変形例ほどには、グリスによる半導体モジュールから絶縁板への伝熱補助の寄与は小さい。図５−図７で示した変形例は、固体の伝熱層とその周囲に充填されたグリスにより、半導体モジュールから絶縁板への高い伝熱特性が得られる。すなわち、図５−図７で説明した変形例の半導体装置は、半導体モジュールの冷却性能が高い。

実施例の固体の伝熱層は、加熱によって固化する伝熱材で作られている。固体の伝熱層は、２液を混合することで固化する伝熱材、あるいは、光を照射すると固化する伝熱材で作られていてもよい。固化前の伝熱材としては、例えば、粘度＝４０［Ｐａ・ｓ］、熱伝導率＝１．１［Ｗ／ｍｋ］という特性を有する伝熱材が好ましい。また、固体の伝熱層は、例えば、デュロメータ（タイプＡ）による計測値が２１という特性を有するものが好ましい。

図２に示したように、実施例の半導体装置では、モールド部１２の一側面を平面視したときに、放熱面２０ａ、２１ａの外周と伝熱層２５の外周との間に、伝熱層を挟まない余白領域２０ｘ、２１ｘが設けられている。余白領域２０ｘ、２１ｘは、固体の伝熱層２５が確実に放熱面２０ａ、２１ａと絶縁板６の間に収まるようにするために設けられている。さらに、余白領域２０ｘ、２１ｘを設けることによって、絶縁板６と接する伝熱層の大きさを抑え、伝熱層の反発力をさらに小さくすることができ、押し付け荷重をさらに小さくするという利点も得られる。

先に述べたように、放熱面２０ａ、２１ａは、樹脂面１２ａとの境界近傍では樹脂面１２ａと面一であり、面一の領域よりも内側で湾曲して窪んでいる。モールド部１２を平面視したときに、余白領域２０ｘ、２１ｘは、樹脂面１２ａと面一の領域を含んでいるとよい。即ち、伝熱層２５は、放熱面の窪んでいる領域内に設けられており、放熱面の樹脂面と面一の領域と冷却部材の間には挟まれていない。伝熱層の範囲を狭めることで、伝熱層を所望の厚みにするための押し付け荷重を抑えることができる。

一方、図８に示したように、伝熱層は、放熱面の窪んでいる領域と、放熱面の樹脂面と面一の領域の双方に拡がっている態様は、別の利点を与える。伝熱層はグリス抜けを生じない。それゆえ、樹脂面と面一の領域まで固体の伝熱層が拡がっていることで、伝熱層を介した放熱面から冷却部材への高い冷却効率が長期間維持できる。樹脂面と面一の領域まで固体の伝熱層を拡げるか否かは、押し付け荷重の低減を重視するか、冷却効率の長期間維持を重視するか、目的に応じて定めればよい。

図９−図１３を使った説明した製造方法では、伝熱層は、放熱面２０ａのうち、窪んでいる領域に形成され、樹脂面１２ａと面一の領域には形成されていない。マスク５１の開口を広げ、放熱面２０ａの窪んでいる領域と面一の領域の双方に固体の伝熱層を形成してもよい。ただし、伝熱層は、樹脂面１２ａの上には拡がらないように形成される。

半導体モジュール１０と絶縁板６を固定する工程に先立って、伝熱層２５の周囲や表面にグリスを塗布する工程を追加してもよい。伝熱層２５の周囲にグリスを塗布すると、図５、図６に示した変形例の半導体装置が得られる。伝熱層２５の周囲と表面にグリスを塗布すると、図７に示した変形例の半導体装置が得られる。

モールド部１２が請求項の「収容部」の一例に相当する。絶縁板６が請求項の「冷却部材」の一例に相当する。冷却部材は絶縁板に限られない。実施例の半導体装置における半導体モジュール１０は、その両面の夫々に絶縁板６（冷却部材）が押し付けられている。本明細書が開示する技術は、半導体モジュールの一方の面のみに冷却部材が押し付けられている半導体装置に適用されてもよい。また、本明細書が開示する技術は、放熱面に段差状の窪みが設けられている半導体装置に適用されてもよい。

以上、本発明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。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合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合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し得るものであり、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
３、３ａ、３ｂ：冷却器
４：積層ユニット
５ａ、５ｂ：連結パイプ
６、６ａ、６ｂ：絶縁板
７ａ−７ｃ：パワー端子
１０：半導体モジュール
１２：モールド部
１２ａ、１２ｂ：樹脂面
１３ａ、１３ｂ：トランジスタ
１４ａ、１４ｂ：ダイオード
１５ａ、１５ｂ：スペーサ
２０−２３：ヒートシンク
２０ａ−２３ａ：放熱面
２０ｘ、２１ｘ：余白領域
２５、１２５：伝熱層
２６、１２６、２２６ａ、２２６ｂ：グリス
３１：ケース
５１：マスク
５２：スキージ
１１２：半完成モールド部
２５１：伝熱材
２５２：伝熱層

Claims (5)

1. 半導体装置の製造方法であり、
   前記半導体装置は、
   半導体素子を収容している樹脂製の収容部を備えており、当該収容部の一側面の一部にヒートシンクの放熱面が露出している半導体モジュールと、
   当該放熱面の周囲の樹脂面及び前記放熱面に対向しているとともに前記半導体モジュールに押し付けられている冷却部材と、
   を備えており、
   前記放熱面の少なくとも一部は前記樹脂面に対して窪んでおり、
   前記放熱面の窪んでいる領域と前記冷却部材の間に固体の伝熱層が挟まれており、前記樹脂面と前記冷却部材の間には前記伝熱層が挟まれておらず、
   当該製造方法は、
   前記ヒートシンクの前記放熱面まで樹脂で覆うように前記収容部を形成する工程と、
   前記収容部の前記放熱面を覆っている部分を研磨して前記放熱面を収容部から露出させる研磨工程であって、研磨の際に放熱面の少なくとも一部に窪みが形成される研磨工程と、
   前記ヒートシンクの前記放熱面の窪んでいる領域に固化前の伝熱材を塗布し、保持部材を用いて前記伝熱材が前記樹脂面に広がらないように保持するとともに前記伝熱材の表面を平坦化する工程と、
   前記伝熱材を固化させる工程と、
   前記放熱面に対向するように前記冷却部材を前記半導体モジュールに押し付けた状態で前記半導体モジュールと前記冷却部材を固定する工程と、
   を備えている製造方法。
2. 前記放熱面は、前記樹脂面との境界近傍では前記樹脂面に対して面一であり、面一の領域よりも内側で湾曲して窪んでおり、
   前記伝熱層は、前記放熱面の窪んでいる領域内に設けられており、前記放熱面の前記面一の領域と前記冷却部材の間には前記伝熱層が挟まれていない、
   請求項１に記載の製造方法。
3. 前記放熱面は、前記樹脂面との境界近傍では前記樹脂面に対して面一であり、面一の領域よりも内側で湾曲して窪んでおり、
   前記伝熱層は、前記放熱面の窪んでいる領域に設けられているとともに、前記放熱面の前記面一の領域にも設けられている、請求項１に記載の製造方法。
4. 前記収容部の前記一側面を平面視したときに前記伝熱層を囲むように、前記収容部と前記冷却部材の間に非固体の伝熱材が充填されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の製造方法。
5. 前記伝熱層と前記冷却部材の間に非固体の伝熱材が充填されている、請求項１から４のいずれか１項に記載の製造方法。

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