JP6421549B2 - パワーモジュール - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子と放熱部材とを封止したパワーモジュールに関する。

半導体素子と放熱部材とを封止したパワーモジュールが、例えば特許文献１および２に記載されている。これらの特許文献に記載されたパワーモジュールは、半導体素子と接合された放熱部材の一部がモールドパッケージの外側に露出している。そして、パワーモジュールは、露出している放熱部材の一部に、熱伝導性部材の１つである冷却器（ヒートシンク）が絶縁樹脂シートを介して接合された構造をしている。

特開２０１３−２１１９４２号公報 国際公開第２０１３／０９９５４５号

上記特許文献に記載された構造のようなパワーモジュールでは、モールドパッケージから一部が露出した放熱部材と冷却器との接合を、ヒータープレス処理で行っている。このヒータープレス処理では、例えば図６（ａ）に示すように、絶縁樹脂シート１１４を挟んで、モールドパッケージの放熱部材１１３と冷却器１１５との両側から圧力をかける。しかし、この処理の際、加圧によって冷却器が受ける荷重が冷却器の端部に集中してしまう現象が生じる。

この冷却器１１５の端部に荷重が集中した状態でヒータープレス処理を行うと、図６（ｂ）に示すように、冷却器１１５が内部応力を蓄積した状態で変形して、モールドパッケージの放熱部材１１３と冷却器１１５とを接着する絶縁樹脂シート１１４の厚みは中央部よりも端部（矢印部）が薄くなってしまう。この状態では、冷却器１１５の内部応力によって、薄くなった絶縁樹脂シート１１４の端部（矢印部）が剥離するおそれがある。

本発明は、上記課題に鑑みて、絶縁樹脂シートの端部における厚みの減少を抑制させたパワーモジュールを提供することを目的とする。

本発明の一態様は、上記課題を解決するために、本発明は、半導体素子の少なくとも１つの主面に、放熱部材、絶縁樹脂シート、および熱伝導性部材が順に接合されており、当該半導体素子、放熱部材、絶縁樹脂シート、および熱伝導性部材が封止されたパワーモジュールであって、放熱部材は、その側面が絶縁樹脂シートと接する一方の底面から他方の底に向かって細くなる順テーパー状になった錐台形状をしており、かつ、熱伝導性部材は、その側面が絶縁樹脂シートと接する一方の底面から他方の底面に向かって細くなる順テーパー状になった錐台形状をしている、ことを特徴とする。

この本発明のパワーモジュールによれば、錐台形状をした放熱部材（例えば、半導体素子に接合される放熱板など）および熱伝導性部材（例えば、放熱部材に接合される金属部材や冷却器など）の側面に、それぞれテーパーがつけられている。このテーパーは、絶縁樹脂シートと接する一方の底面から他方の底面に向かって細くなる順テーパー状となっている。このテーパーは、放熱部材、絶縁樹脂シート、および熱伝導性部材を重ねた構成をヒータープレス処理した際に、各部材に加えられる圧力を分散させ、各部材の外周エッジに近づくほど圧力が低下するように作用する。この作用により、ヒータープレス処理において各部材にかかる荷重が端部に集中することを抑制でき、また各部材に蓄積される内部応力を低減させることができる。従って、ヒータープレス処理後の絶縁樹脂シートにおいて、中央部より端部の厚みが減少する（薄くなる）ことを防ぐことができる。

以上述べたように、本発明のパワーモジュールによれば、ヒータープレス処理において放熱部材または熱伝導性部材の端部への荷重が集中することを抑制できるので、絶縁樹脂シートの端部における厚みの減少を抑制できる。

本発明の一実施形態に係るパワーモジュール１の全体構造の断面を示す概略図 モールドパッケージ化される前のパワーモジュール１の構成の一部を拡大して説明する図 パワーモジュール１を製造する手法の一例を説明する図 パワーモジュール１の様々な変形例を説明する図 本発明に関わる参考例のパワーモジュール２を説明する図 従来のパワーモジュールの一例を説明する断面図

以下、図面を参照しながら、本発明に係るパワーモジュールの実施形態について詳細に説明する。

本発明に係るパワーモジュールは、放熱部材および熱伝導性部材の少なくとも一方を特徴的な形状とすることで、ヒータープレス処理時の加圧によって端部に荷重が集中しないようにする。この形状により、本発明に係るパワーモジュールは、放熱部材と熱伝導性部材との間に挿入される絶縁樹脂シートの端部の厚みが減少することを抑制する。

図１は、本発明の一実施形態に係るパワーモジュール１の全体構造の断面を示す概略図である。図２は、モールドパッケージ化される前の本実施形態に係るパワーモジュール１の構成の一部を拡大して説明する図である。図３は、本実施形態に係るパワーモジュール１を製造する手法の一例を説明する図である。

［パワーモジュールの全体構造］
図１を参照する。本実施形態に係るパワーモジュール１は、半導体素子１０、リード端子１２、放熱板１３、絶縁樹脂シート１４、および金属板１５の構成を備えている。これらのパワーモジュール１の構成は、例えばエポキシ樹脂などの材料からなる樹脂部材１６によって封止され、１つの部品としてモールドパッケージ化されている。

半導体素子１０は、例えばパワートランジスタなどの、動作時に発熱する発熱性を持った電力用半導体素子である。半導体素子１０の一方の主面（図１では上面）の端子は、例えば半田などの接合部材１１ａによって、リード端子１２の一方端と電気的に接合されている。リード端子１２は、導電性を有する材料で構成されている。このリード端子１２は、他方端が樹脂部材１６からパッケージ外部に突出しており、例えば外部回路基板（図示せず）と他方端とを電気的に接続することで、半導体素子１０に通電を行う。半導体素子１０の他方の主面（図１では下面）は、例えば半田などの接合部材１１ｂによって、放熱板１３と接合されている。

放熱板１３は、例えば銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）などの熱伝導性に優れた材料で構成される、放熱部材である。この放熱板１３は、半導体素子１０で発生した熱を後述する金属板１５に逃がす、いわゆるヒートスプレッダーとしての役割を有する。放熱板１３の半導体素子１０が接合されている面と反対側の面には、絶縁樹脂シート１４を挟んで金属板１５が接合されている。

金属板１５は、例えば銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）などの熱伝導性に優れた材料で構成される、熱伝導性部材である。この金属板１５も、半導体素子１０で発生した熱を、放熱板１３を通じて、パワーモジュール１のモールドパッケージ外部に逃がす、ヒートスプレッダーとしての役割を有する。金属板１５の放熱板１３が接合されていない面は、樹脂部材１６で覆われておらず、パワーモジュール１のモールドパッケージ外部に露出している。本実施形態に係るパワーモジュール１は、この露出部分から熱を発散させる。

放熱板１３と金属板１５とは、同じ材料で形成されても異なる材料で形成されてもよい。半導体素子１０の発熱に伴うパワーモジュール１の温度上昇を考慮すれば、線膨張係数が同じまたは近い材料で放熱板１３および金属板１５を形成することが好ましい。なお、金属板１５のモールドパッケージ外部に露出している部分に、冷却器（ヒートシンク）などをさらに接続してもよい。

絶縁樹脂シート１４は、例えば高い熱伝導性を有した熱硬化樹脂材料で構成され、放熱板１３の熱を金属板１５に伝える役割を担う。加えて、絶縁樹脂シート１４は、放熱板１３と金属板１５とを電気的に絶縁する役割をも担う。高い熱伝導性を有した樹脂としては、高熱伝導セラミックを含有したアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などが挙げられる。この絶縁樹脂シート１４は、樹脂部材１６で封止されてモールドパッケージ化された完成後のパワーモジュール１では、すでに硬化している状態である。硬化前の絶縁樹脂シート１４は、後述する製造過程におけるヒータープレス処理にて、放熱板１３と金属板１５との間に挿入された状態で加熱しながら圧力がかけられ、硬化することにより放熱板１３と金属板１５とを接着させる。

［パワーモジュールにおける特徴的な構成］
図２を参照する。図２（ａ）は、樹脂部材１６で封止されてモールドパッケージ化される前、より具体的にはヒータープレス処理が行われる前のパワーモジュール１における、放熱板１３、絶縁樹脂シート１４、および金属板１５の構成を拡大した図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す構成の放熱板１３、絶縁樹脂シート１４、および金属板１５をヒータープレス処理したときの作用を説明する図である。

図２（ａ）に示すように、放熱板１３には、半導体素子１０が接合される面１３ａと絶縁樹脂シート１４が接合される面１３ｂとの間の側面が、面１３ｂから面１３ａに向かって順テーパー状になっている（Ａ部）。つまり、放熱板１３は、錐台の形状をしている。また、金属板１５には、樹脂部材１６で覆われておらずパワーモジュール１のモールドパッケージ外部に露出する面１５ａと絶縁樹脂シート１４が接合される面１５ｂとの間の側面が、面１５ｂから面１５ａに向かって順テーパー状になっている（Ｂ部）。つまり、金属板１５は、錐台の形状をしている。これらのテーパーの勾配については、特に限定はない。これらの放熱板１３の側面のテーパー（Ａ部）および金属板１５の側面のテーパー（Ｂ部）は、ヒータープレス処理において次のように作用する。

［パワーモジュールの作用および効果］
ヒータープレス処理では、図２（ｂ）に示すように、放熱板１３の半導体素子１０が接合される面１３ａと金属板１５のパワーモジュール１のモールドパッケージ外部に露出する面１５ａとの間に、クッション材３０などを介して圧力が加えられる。

放熱板１３では、ヒータープレス処理で加えられる圧力は、側面のテーパー（Ａ部）の作用によって、放熱板１３の端部で（外周エッジに近づくほど）低下する。また同様に、金属板１５では、ヒータープレス処理で加えられる圧力は、側面のテーパー（Ｂ部）の作用によって、金属板１５の端部で（外周エッジに近づくほど）低下する。すなわち、側面が順テーパー状となっている放熱板１３および金属板１５では、ヒータープレス処理で加えられる圧力が分散する。従って、放熱板１３および金属板１５にかかる荷重が端部に集中することを抑制でき、放熱板１３および金属板１５の外周エッジ部分に発生する集中的な接触応力を低減させることができる。

これにより、放熱板１３および金属板１５の変形を抑えることができ、放熱板１３および金属板１５に蓄積される内部応力を低減させることができる。また、絶縁樹脂シート１４において、中央部より端部の厚みが減少する（薄くなる）ことを防ぐことができる（図１を参照）。さらに、絶縁樹脂シート１４の端部の厚み確保と、放熱板１３および金属板１５の内部応力の低減との作用によって、絶縁樹脂シート１４の端部が起点となって剥離することを抑制できる。また、放熱板１３および金属板１５の端部に集中する熱応力に対しても、剥離の耐久性が向上する。

なお、発明者が行った実験では、本実施形態に係るパワーモジュール１の構造において、絶縁樹脂シート１４の端部の厚みの減少幅を低減できることが確認された。具体的には、絶縁樹脂シート１４の厚み減少幅は、従来と比べて、外周エッジ部分に近づくにつれて徐々に改善されていき、外周エッジ部分において最大「応力×１／２以下」まで低減することが確認できた。

また、本実施形態に係るパワーモジュール１の構造では、ヒータープレス処理で加えられる圧力を上昇させても絶縁樹脂シート１４の端部の厚みが変化しないので、圧力を上昇させて放熱板１３と金属板１５との貼り付けをさらに強くすることができる。また、絶縁樹脂シート１４中のボイドも少なくでき、絶縁性能も向上する。

［パワーモジュールの製造方法］
図３を参照して、本実施形態に係るパワーモジュール１の製造方法の一例を説明する。まず、放熱板１３および金属板１５の側面を、順テーパー状にそれぞれ加工する（図３（ａ））。次に、絶縁樹脂シート１４を間に挟んで、放熱板１３の面１３ｂと金属板１５の面１５ｂとを合わせて、ヒータープレス処理を行う（図３（ｂ））。この処理により、硬化した絶縁樹脂シート１４によって放熱板１３と金属板１５とが接着される。次に、放熱板１３と金属板１５との間の絶縁性を向上させるために、放熱板１３および金属板１５のどちらか一方の側面をエッチングして少なくとも側面の一部を除去し、沿面距離ｄを増加させる（図３（ｃ））。すなわち、側面を除去した放熱板１３の面１３ｂ（または金属板１５の面１５ｂ）の長さは、垂直断面視において、絶縁樹脂シート１４の長さよりも短くなり、また側面を除去していない金属板１５の面１５ｂ（または放熱板１３の面１３ｂ）の長さよりも短くなる。そして、放熱板１３の面１３ａの上に接合部材１１ｂを介して半導体素子１０を実装し、その半導体素子１０の上に接合部材１１ａを介してリード端子１２を実装して、金属板１５の面１５ａを露出させつつ全体を樹脂部材１６によって封止する（図３（ｄ））。以上の処理により、本実施形態に係るパワーモジュール１が完成する。

上述したエッチング処理（図３（ｃ））では、放熱板１３または金属板１５の側面のテーパー部分をエッチングするので、テーパー状ではない垂直な側面（平板の厚み）をエッチングすることに比べて、時間の短縮が図れる。なお、放熱板１３と金属板１５との間の絶縁性を向上させる（沿面距離ｄを増加させる）必要がなければ、放熱板１３または金属板１５の側面をエッチングする工程を削除することもできる。

［変形例１］
上記実施形態では、放熱板１３および金属板１５の側面が、それぞれ順テーパー状である構成を説明した。しかし、この構成以外に、放熱板１３の側面だけを順テーパー状にした構成（図４（ａ））、または金属板１５の側面だけを順テーパー状にした構成（図４（ｂ））でもよい。これらの構成であっても、放熱板１３または金属板１５にかかる荷重が端部に集中することを抑制できる。

［変形例２］
また、上記実施形態では、放熱板１３の側面を、面１３ｂから面１３ａまでのすべてにテーパーをつけた構成を説明した。しかし、この構成以外に、放熱板１３の側面の途中までにテーパーをつけて平坦部１３ｆを残した構成（図４（ｃ１））でもよい。この構成の場合、放熱板１３の側面のエッチング処理は、平坦部１３ｆだけを除去すればよい（図４（ｃ２））。

［変形例３］
また、上記実施形態では、垂直断面視において、放熱板１３の面１３ｂの長さと金属板１５の面１５ｂの長さとが同じである構成を説明した。しかし、この構成以外に、放熱板１３の面１３ｂの長さを、金属板１５の面１５ｂの長さよりも短くした構成（図４（ｄ１））でもよい。絶縁樹脂シート１４の長さは、垂直断面視において、放熱板１３の面１３ｂより大きくかつ金属板１５の面１５ｂ以下であることが望ましい。この構成の場合、放熱板１３の側面につけられたテーパーの作用により、ヒータープレス処理によって放熱板１３よりも金属板１５が長い部分（図中の楕円箇所）の接着が可能となる。よって、この構成の場合、沿面距離が確保できるので、放熱板１３の側面のエッチング処理を省略することができる（図４（ｄ２））。

［変形例４］
また、上記実施形態では、半導体素子１０の片側だけに絶縁樹脂シート１４で接着された放熱板１３および金属板１５の構成を有する構造を説明した。しかし、この構造以外に、半導体素子１０の両側にそれぞれ絶縁樹脂シート１４で接着された放熱板１３および金属板１５の構成を有した構造（図４（ｅ））でもよい。この構造の場合、放熱効果がさらに向上する。

［変形例５］
また、上記実施形態では、放熱板１３の側面が順テーパー状である構成を説明した。しかし、この構成以外に、放熱板１３の側面にはテーパーをつけず、テーパーと同等の作用がある部品１３ｗで放熱板１３の側面を囲む構成（図４（ｆ））でもよい。この部品１３ｗとしては、例えば、テーパーの勾配と同じ角度の斜辺を持つ直角三角形を垂直断面とする部品である。この構成の場合、放熱板１３と共に囲い部品１３ｗもヒータープレス処理される。

［本発明に関わる参考例］
上記実施形態とは異なる手法を用いて、ヒータープレス処理後の絶縁樹脂シートの端部の厚みが減少することを抑制する例を、図５を用いて説明する。

図５（ａ）は、本発明に関わる参考例のパワーモジュール２の全体構造の断面を示す概略図である。パワーモジュール２は、半導体素子１０、リード端子１２、２つの放熱板２３、２つの絶縁樹脂シート２４、および２つの冷却天板２７の構成を備えている。半導体素子１０、リード端子１２、および２つの放熱板２３の構成は、例えばエポキシ樹脂などの材料からなる樹脂部材１６によって封止され、１つの部品としてモールドパッケージ化されている。

図５（ａ）に示すように、パワーモジュール２は、半導体素子１０の一方の主面（図５では上面）に、例えば半田などの接合部材１１ａによってリード端子１２が接合されている。半導体素子１０の一方の主面および／またはリード端子１２には、一方の放熱板２３が配置されている。また、半導体素子１０の他方の主面（図５では下面）に、他方の放熱板２３が配置されている。放熱板２３は、例えば半田などの接合部材１１ａおよび１１ｂによって、半導体素子１０やリード端子１２と接合されている。

放熱板２３の半導体素子１０が配置されている面と反対側の面は、樹脂部材１６で覆われておらず、パワーモジュール２のモールドパッケージ外部に露出している。放熱板２３のモールドパッケージ外部に露出している面には、絶縁樹脂シート２４を介して冷却天板２７が接合されている。冷却天板２７の絶縁樹脂シート２４が配置された面と反対側の面には、凹部２７ａが形成されている。この凹部２７ａは、ヒータープレス処理時のクッション材３０が嵌まる形状を有している。

図５（ｂ）は、パワーモジュール２を製造する手法の一例を示す図である。ヒータープレス処理では、モールドパッケージ化されたパワーモジュール２の冷却天板２７の凹部２７ａに、クッション材３０をそれぞれ嵌めた状態で、圧力が加えられる。この場合における各構成の垂直断面視の幅寸法の関係は、「放熱板２３＜凹部２７ａ＜絶縁樹脂シート２４＜樹脂部材１６（モールドパッケージ）」となる。

ヒータープレス処理で加えられる圧力は、冷却天板２７の凹部２７ａに嵌め込まれたクッション材３０に依存して分散する。これにより、冷却天板２７にかかる荷重が端部に集中することを抑制できる。これによって、放熱板２３と冷却天板２７とを接着する絶縁樹脂シート２４において、中央部より端部の厚みが減少する（薄くなる）ことを防ぐことができる。

変形例を説明する。図５（ｃ）に示す変形例の構成は、凹部２７ａに替えて、冷却天板２７の絶縁樹脂シート２４が配置された側と反対側に突出した複数のフィン２７ｂを設ける。この複数のフィン２７ｂは、フィンの先端に向けてテーパー状になっている（拡大図を参照）。このテーパー状のフィン２７ｂを有することによって、冷却天板２７にかかる荷重は、フィン２７ｂの勾配に沿って分散されることとなる。

本発明は、半導体素子と放熱部材とを封止したパワーモジュールなどに利用可能である。

１、２ パワーモジュール
１１ａ、１１ｂ 接合部材
１０ 半導体素子
１２ リード端子
１３、２３ 放熱板（放熱部材）
１３ａ、１３ｂ 面
１４、２４ 絶縁樹脂シート
１５ 金属板（熱伝導性部材）
１５ａ、１５ｂ 面
１６ 樹脂部材
２７ 冷却天板（熱伝導性部材）
２７ａ 凹部
３０ クッション材

Claims (1)

1. 半導体素子の少なくとも１つの主面に、放熱部材、絶縁樹脂シート、および熱伝導性部材が順に接合されており、当該半導体素子、放熱部材、絶縁樹脂シート、および熱伝導性部材が封止されたパワーモジュールであって、
   前記放熱部材は、その側面が前記絶縁樹脂シートと接する一方の底面から他方の底面に向かって細くなる順テーパー状になった錐台形状をしており、かつ、
   前記熱伝導性部材は、その側面が前記絶縁樹脂シートと接する一方の底面から他方の底面に向かって細くなる順テーパー状になった錐台形状をしている、パワーモジュール。

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