JP6841367B1 - 半導体モジュール、電力変換装置及び半導体モジュールの製造方法 - Google Patents

半導体モジュール、電力変換装置及び半導体モジュールの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】グリースの流出及びポンプアウトを抑制し、放熱性能が高い半導体モジュールを提供する。【解決手段】本発明の半導体モジュール１００は、半導体チップ１が載置された積層基板５と冷却器３０との間に設けられた熱伝導部２０を備えている。熱伝導部２０は、枠体２１と開口部２２を備えており、開口部２２は、開口部２２内に部分的に設けられ、積層基板５と冷却器３０に接触するグリース部２２ａと、グリース部２２ａと枠体２１との間に部分的かつ帯状に設けられた空間部２２ｂを有している。【選択図】図３

Description

本発明は、半導体の回路基板とその冷却器とを接続する熱伝導層を有する半導体モジュール、当該半導体モジュールを含む電力変換装置及び当該半導体モジュールの製造方法に関する。
電力変換用のスイッチングデバイスとして用いられるパワー半導体等は、半導体チップから発生する熱によって悪影響を受けることがある。これを抑制するため、パワー半導体を有するパワー半導体モジュールには、放熱のための熱伝導層、冷却器等が用いられている。
例えば、パワー半導体素子のパワー半導体の動作時に発生した熱は、半導体モジュールと冷却器（放熱フィン）との間の熱伝導層を介して冷却器へと伝わり、発熱したパワー半導体素子を冷却する。
熱伝導層を設けない場合、半導体モジュールと冷却器の接触面には、反りや凹凸があるため、熱伝導性の低い空気層ができてしまい、チップで発生する熱を放熱することができない場合がある。そのため、通常、半固体状等のグリース等の熱伝導層が用いられるが、動作温度Ｔｊｍａｘの上昇に伴い、ΔＴｊＰ／Ｃ、ΔＴｃＰ／Ｃ試験時にグリースの流出等（ポンプアウト）が発生して、熱抵抗が増大することがある。
下記の特許文献１には、グリースの塗布時と塗布後の粘度を変化させることで、塗布時には塗布し易く、信頼性試験時及び実機使用時にはポンプアウトが起こり難い粘度の高いグリースが開示されている。
特許第５３８３５９９号
しかしながら、塗布時にトルエン等を混合する工程、及び塗布後に蒸発させる工程が追加で必要となり、工程が増えるため、コストが増加するという課題がある。また、２０℃におけるグリース粘度の降伏値を４０Ｐａ以上、３００Ｐａ以下にすることでポンプアウトを抑制できるとされているが、回路基板のサイズ、使用環境によってはグリースが晒される温度が変化する。そのため、状況に応じたグリース粘度の最適化が必要となる。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、グリースの流出等（ポンプアウト）を抑制し、放熱性能の高い半導体モジュール、及びその製造方法を提供することにある。
上記目的を達成するため、第１発明は、半導体素子が設けられた積層基板と、前記積層基板を冷却する冷却器とからなる半導体モジュールであって、前記積層基板と前記冷却器との間に設けられた熱伝導部を備え、前記熱伝導部は、枠体と開口部とを備え、前記開口部は、前記開口部内に部分的に設けられ、前記積層基板と前記冷却器との間を充填するグリース部と、前記グリース部と前記枠体との間に部分的かつ帯状に設けられた空間部とを有していることを特徴とする。
本発明の半導体モジュールでは、熱伝導部が積層基板と冷却器との間に設けられ、半導体素子で発生した熱が熱伝導部を介して冷却器に伝導する。熱伝導部は枠体と開口部を備え、開口部は、開口部内に部分的に設けられたグリース部を有している。グリース部は、積層基板と冷却器との間を充填し、放熱を促進する。
半導体モジュールは、例えばインバータに搭載される際、重力方向に対して平行に設置されることが多い。また、グリース部のグリースは半固体状であるため、重力によってグリースの流出やポンプアウト現象が生じる。これを防止するため、グリース部と枠体との間に帯状の空間部を設けておき、移動したグリースを収容できるようにする。これにより、グリースの流出やポンプアウト現象を防止しつつ、放熱性能も高い半導体モジュールとすることができる。
第１発明の半導体モジュールにおいて、前記開口部は、対向する二辺を有し、前記空間部は、前記二辺のうちの一辺に接し、前記一辺の一端から他端に亘って設けられていることが好ましい。
枠体の開口部は、例えば矩形であり、対向する二辺を有する。空間部は、前記二辺のうちの一辺に接し、当該一辺の一端から他端（端から端まで）に亘って、途切れず設けられている。これにより、グリースを受け入れる帯状の所定空間ができるため、グリースの流出を防止することができる。
また、第１発明の半導体モジュールにおいて、前記半導体素子は、上面視において、前記空間部に隣接する前記グリース部の端部から前記グリース部の中心方向に離間して配置されていることが好ましい。
半導体素子は、上面視において、グリース部の端部からグリース部の中心方向に離間して配置されており、空間部とは重ならない。半導体素子は、上面視において、グリース部と重なっているため、半導体素子（積層基板）の放熱を効率的に行うことができる。
また、第１発明の半導体モジュールにおいて、前記空間部は、前記開口部の５〜１０％の領域を占めることが好ましい。
この構成によれば、熱伝導部の空間部は、移動したグリースを収容する十分な空間を確保することができる。
また、第１発明の半導体モジュールにおいて、前記熱伝導部は、前記開口部の前記空間部が設けられている側の周縁から前記グリース部に向けて突出する櫛状部を備える枠体を有していることが好ましい。
この構成によれば、枠体の櫛状部は、開口部の空間部が設けられている側の周縁からグリース部に向けて突出している。これにより、圧縮され、押し広げられたグリースが櫛状部に沿って移動するため、グリースが均一化され、流出が起こり難くなる。
また、第１発明の半導体モジュールにおいて、前記枠体のヤング率Ｙ１は、前記グリース部のヤング率Ｙ２よりも高いことが好ましい。
この構成によれば、枠体はカーボンシート等のヤング率Ｙ１の高く、熱伝導性の良い材料で構成することが好ましい。また、グリース部はヤング率Ｙ２が枠体よりも低く、熱伝導性、流動性の高いグリースを用いることができる。
また、第１発明の半導体モジュールにおいて、前記ヤング率Ｙ１は、５ＧＰａ≦Ｙ１≦１５ＧＰａの条件を満たすことが好ましく、前記ヤング率Ｙ２は、１Ｐａ≦Ｙ２≦２００Ｐａの条件を満たすことが好ましい。
熱伝導部は、上記条件を満たす材料を使用することで、当該熱伝導部が押圧され、変形した場合や回路基板に反りが生じた場合に、それに追従するようにして、回路基板で発生した熱を確実に冷却器に伝導することができる。
また、第１発明の半導体モジュールにおいて、前記グリース部の粘度Ｇは、６０Ｐａ・ｓ≦Ｇ≦５００Ｐａ・ｓの条件を満たすことが好ましい。
グリース部が上記条件を満たすようにすることで、熱伝導部が押圧され、変形した場合や回路基板に反りが生じた場合に、それに追従するようにして、回路基板で発生した熱を確実に冷却器に伝導することができる。
また、第２発明は、第１発明の何れか１つの半導体モジュールを、前記空間部が上方となるように立てて設置したことを特徴とする電力変換装置である。
この構成によれば、半導体モジュールを電力変換装置の内部に搭載する場合、枠体の空間部が上方となるように立てて設置する。これにより、グリース部のグリースは重力により垂れ下がる力を受けるが、グリースが空間部に受け入れられるため、その流出が防止される。
また、第３発明は、半導体素子が設けられた積層基板と、前記積層基板を冷却する冷却器とからなる半導体モジュールの製造方法であって、前記積層基板と前記冷却器との間に設けられる熱伝導部を作製する工程と、前記熱伝導部が有する枠体の開口部内に部分的に設けられ、前記積層基板と前記冷却器との間を充填するグリース部を形成する工程と、前記グリース部と前記枠体との間に部分的かつ帯状に設けられた空間部を形成する工程と、を少なくとも備えていることを特徴とする。
本発明の半導体モジュールの製造方法では、まず、積層基板と冷却器との間に設けられる熱伝導部を作製する。その後、熱伝導部の開口部内に、部分的にグリース部を形成する。グリース部は、積層基板と冷却器との間を充填するので、半導体素子で発生した熱を冷却器に伝導して、放熱することができる。
さらに、当該製造方法では、グリース部と枠体との間に空間部を、部分的かつ帯状に形成する。半導体モジュールの配置によっては、重力によってグリースが流出したり、ポンプアウト現象が生じたりする。これを防止するため、予め開口部に前記空間部を設けておき、当該空間部にグリースが移動するようにする。これにより、グリースの流出やポンプアウト現象を防止することができる。
本発明の実施形態に係る半導体モジュールの断面図である。 図１の領域Ｒの断面図である。 （ａ）半導体モジュールの実際の配置を説明する図である。（ｂ）半導体モジュールの熱伝導部を上面視したときの図である。 半導体モジュールの製造方法を説明するフローチャートである。 図３（ｂ）の熱伝導部のVA−VA断面図である。 図３（ｂ）の熱伝導部のVB−VBの断面図である。 半導体モジュールの熱伝導部の変更形態を説明する図である。
以下、図面を参照しながら、本発明の半導体モジュールの実施形態を説明する。実施形態は適宜変更し、組合せて適用することができる。また、以下の説明及び添付図面において、実質的に同一又は等価な構成には同一の符号を付して説明する。なお、本発明は、以下で説明する実施形態に限定されるものではない。
以下では、半導体モジュール１００が、半導体素子としてパワー半導体素子を実装したパワー半導体モジュールである場合について説明するが、本発明は、種々の半導体素子を実装した半導体モジュールに適用することができる。
図１は、本発明の実施形態に係る半導体モジュール１００の断面図を示している。半導体モジュール１００は、内部に半導体チップ１、配線基板２、ピン４、積層基板５が配置され、樹脂部１１で封止されたモジュール部１０と、モジュール部１０で発生した熱を放熱する冷却器３０と、モジュール部１０と冷却器３０の間に配置され、当該発生した熱を冷却器３０に伝導する熱伝導部２０とで構成されている。
半導体チップ１は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、或いはダイオードチップ等のパワーチップであり、種々のＳｉデバイス、ＳｉＣデバイス、ＧａＮデバイス等を用いることができる。また、これらのデバイスを組み合わせて用いてもよい。例えば、Ｓｉ−ＩＧＢＴとＳｉＣ−ＳＢＤを用いたハイブリッドモジュール等を用いることができる。半導体チップ１の搭載数は、図示する形態に限定されるものではなく、複数搭載することもできる。
配線基板２は、半導体チップ１の上面側に配設されている。配線基板２は、絶縁基板の両面側に金属箔（金属配線板）が形成された構造であり、下面側の金属箔は半導体チップ１に対向するように形成されている。配線基板２は、いわゆる、プリント基板でもよい。絶縁基板は誘電率が低く、熱伝導率の高い材料が好ましく、例えば絶縁性樹脂が用いられ、Ｓｉ3Ｎ4，ＡｌＮ，Ａｌ2Ｏ3を使用することができる。また、金属箔は電気抵抗が低く、熱伝導率の高い材料が好ましく、例えば、Ｃｕを使用することができる。
ピン４は、その一端がはんだによって半導体チップ１の上面側に接合され、他端は配線基板２等との接続に用いられる。ピン４は、電気抵抗が低く、熱伝導率の高い金属、例えば、Ｃｕを使用することができる。また、ピン４は、上面側の配線基板２に接続される場合や、取り出し端子に接続される場合がある。なお、ピン４は、リードフレームに接続されてもよい。また、半導体チップ１の上面からの配線はピン４の他、リードフレームやＡｌ等からなるワイヤを用いてもよい。
積層基板５は、中央の絶縁基板５２と、その一方の面に形成される第１導電性板５１と、他方の面に形成される第２導電性板５３とで構成されている。絶縁基板５２としては、電気絶縁性、熱伝導性に優れた材料を用いることができ、例えば、Ａｌ2Ｏ3、ＡｌＮ、ＳｉＮ等が挙げられる。特に、高耐圧用途では、電気絶縁性と熱伝導率を両立した材料が好ましく、ＡｌＮ、ＳｉＮを用いることができるが、これらには限定されない。
第１導電性板５１、第２導電性板５３としては、導電性及び加工性の優れたＣｕ、Ａｌ等の金属材料を用いることができる。本明細書において、半導体チップ１に対向する導電性板を第１導電性板５１とし、冷却器３０に対向する導電性板を第２導電性板５３とする。また、第２導電性板５３を裏面銅箔と指称することがある。また、防錆等の目的で、Ｎｉめっき等の処理を行ったＣｕ、Ａｌであってもよい。絶縁基板５２上に導電性板を配設する方法としては、直接接合法（Direct Copper Bonding法）もしくは、ろう材接合法（Active Metal Brazing法）が挙げられる。
図示するように、積層基板５は、半導体チップ１の下面側に配設されている。積層基板５は、絶縁基板５２の絶縁性により、導電性板５１，５３とは電気的に分離されている。なお、絶縁基板５２の周縁は、導電性板の周縁よりも外側に突出していることが好ましい。
半導体チップ１の下面側と積層基板５の上面側の導電性板（第１導電性板５１）とは、はんだ等によって電気的及び熱的に接合されている。積層基板５の上面側、下面側の導電性板は電気的に分離されているが、両導電性板間の熱伝導は良好である。また、積層基板５の下面側の裏面銅箔と冷却器３０の外壁とは、熱伝導部２０を介して接着、接触している状態である。
モジュール部１０は、ケース８の内部に半導体チップ１、配線基板２、ピン４、積層基板５が複数配置されている。これらの部材は、ポッティングやモールド工法によりケース８内に樹脂封止（樹脂部１１）される。また、モジュール部１０は、上面側からねじ９により冷却器３０に固定されている。なお、モジュール部１０に対面する冷却器３０の面を冷却面ともいう。
樹脂部１１で封止されたモジュール部１０は、熱伝導部２０を介して冷却器３０に接続される。熱伝導部２０は枠体２１と開口部２２とを備え、熱伝導性の高い材料で構成されていることが好ましい。開口部２２は、開口部２２内に部分的に設けられたグリース部２２ａと空間部２２ｂとを有している。なお、モジュール部１０において、第２導電性板５３が露出する側をモジュール部１０の裏面ともいう。
開口部２２は、少なくとも第２導電性板５３が収まり、さらに、グリース部２２ａと空間部２２ｂとが設けられる大きさが必要である。なお、開口部２２は、積層基板５の面積より小さくてもよい。
本実施形態の枠体２１は、所定のヤング率（詳細は後述）を有することが好ましく、高い熱伝導性を有することがさらに好ましい。本実施形態の枠体２１は、カーボンシート等を加工して作製される。カーボンシートは、硬質かつ熱伝導性の高いシートであり、その厚みは２００μｍから１０００μｍ程度が好ましく、熱抵抗及び剛性の点から３００μｍから５００μｍがより好ましい。カーボンシートの熱伝導率は１０〜４０Ｗ／ｍｋと、グリース等の軟質の熱伝導材料（熱伝導率：１〜４Ｗ／ｍｋ）と比較しても、その値が高いことが特徴である。
カーボンシートは、カーボンを主体とする材料を圧縮加工したシート状の部材であり、グラファイトシート等であってもよい。ここで、「主体」とは不可避不純物を除き、カーボンが９０ｗｔ％以上の意味であり、カーボンのみからなってもよい。また、ＰＡＮ（Polyacylonitrile）系やピッチ系等のカーボンファイバー、或いはカーボンナノファイバーをシート状に固めたものでもよい。その際、カーボンファイバーの線径は稠密性の点から５μｍから１０μｍが好ましく、カーボンナノファイバーの線径は１ｎｍから５０ｎｍが好ましい。
また、グラッシーカーボンのみからなるシートでもよいし、カーボン以外に樹脂を含んだシートを用いてもよい。当該樹脂を含む場合は、カーボンの含有率が８０ｗｔ％から９９ｗｔ％であることが好ましく、熱伝導性及び弾性の点から９０ｗｔ％から９５ｗｔ％がより好ましい。なお、これより含有率が少ない場合には形成性が損なわれ、含有率が多い場合には熱伝導性が悪化するため、好ましくない。また、樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、マレイミド樹脂等が用いられる。
また、本実施形態の枠体２１は、樹脂にカーボン以外の熱伝導性のフィラーを配合した材料であってもよい。具体的には、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、マレイミド樹脂、シリコーン樹脂等の材料に、シリカ（ＳｉＯ2）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、窒化珪素（ＳｉＮ）、窒化アルミ（ＡｌＮ）等の熱伝導性の無機材料粒子や、ＣｕやＡｌ等の金属粒子をフィラーとして樹脂材料に対して５０ｗｔ％から９０Ｗｔ％配合し、硬化させて枠状にした材料である。
グリース（サーマルグリース）は、シリコーン樹脂、ノンシリコーン樹脂、アクリル樹脂等を主成分とし、熱導電性フィラーとして、絶縁性の窒化ケイ素（ＳｉＮ）やアルミナ（Ａｌ2０3）等の粒子を混ぜ込んだ半固体状（流動性）の材料である。グリース部２２ａは、半導体チップ１の存在する領域と冷却器３０のそれぞれに接触するため、半導体チップ１で発生した熱を冷却器３０に伝導して、放熱することができる。
熱導電性フィラーを含むグリースは、電気的に絶縁性であることが好ましい。グリースが飛散して、モジュール部１０の端子等が短絡することを防止するためである。そのため、熱導電性フィラーは、銅やアルミニウム等の金属よりもセラミックの方が好ましい。
なお、グリースの代わりに、熱伝導性ゲルのようなペースト状のＴＩＭ(Thermal Interface Material)材を採用してもよい。
冷却器３０は、例えば、Ａｌ、Ｃｕ等の熱伝導性の良好な材料で作られた放熱フィンである。冷却器３０として、板状フィンを多数並列させた、複数の流路からなる放熱フィンを用いてもよいし、金属板を用いてもよい。
以上で説明した半導体モジュール１００は、インバータ制御部に設置される。この際、縦置き配置されることが多い（図３参照）。なお、縦置きとは、半導体モジュール１００の裏面、つまり長辺乃至短辺が重力方向を向き、冷却器３０の冷却面も重力方向を向く配置のことをいう。
図２は、図１の領域Ｒの拡大図を示している。
半導体モジュール１００は、例えば電力変換のために用いられるが、この際、半導体チップ１が発熱する。そのため、半導体チップ１及び積層基板５の温度を一定以下に保つ必要があり、モジュール部１０（樹脂部１１）の裏面側に冷却器３０が取り付けられている。
モジュール部１０と冷却器３０とが接触する面は、マクロ的には反りやうねり等があり、ミクロ的には接触面の粗さによる細かい凹凸があり、平滑ではない。また、半導体チップ１の発熱による部材の熱膨張によって、モジュール部１０の冷却器３０に対向する面（モジュール部１０の裏面）の形状（反りやうねり、微小な凹凸）が変形する。従って、モジュール部１０と冷却器３０との間に熱伝導部２０がなく、熱伝導率の低い空気層２４ができた場合、熱を伝導することはできず、熱抵抗が上昇してしまう。そのため、熱伝導部２０は、空気層２４を埋めて良好に密着する、半固体状のグリースからなるグリース部２２ａを有する。
図３は、使用時の半導体モジュール１００の配置の様子を示している。
例えば、半導体モジュール１００をインバータ内に配置する際、図３（ａ）に示すように、半導体モジュール１００は縦置きされることがある。これにより、熱伝導部２０のグリース部２２ａが、重力の影響で垂れ下がる力を受ける。半導体モジュール１００は、インバータの動作時に温度負荷を受け、温度上昇したモジュール部１０が変形し、冷却器３０に対向する面に反りが生じる。そして、グリースの熱膨張と、この反りによりグリースが外部に押し出され、グリース部２２ａに空隙が発生（ポンプアウト）する。
そこで、熱伝導部２０の開口部２２に、グリース部２２ａのグリースが移動できる空間部２２ｂを予め設けている。特に、開口部２２のうち、重力方向とは反対側（上方）の端部周縁に、帯状に空間部２２ｂを設けると、開口部２２の下方は密閉されているので、グリースの流出を防止することができる。なお、「帯状」とは長方形形状を含み、グリース部２２ａの空間部２２ｂ側の外縁が円弧状、波状等の曲線形状である場合には、当該外縁形状に応じた形状を含む。
また、図３（ｂ）は、熱伝導部２０を半導体チップ１の上面側から透視して見た例を示している（紙面上では左側から見た例）。図示するように、グリース部２２ａの上面側に２つの積層基板５があり、その上面側に、それぞれ半導体チップ１ａ〜１ｄ、半導体チップ１ｅ〜１ｇが配置されている。なお、積層基板５はモジュール部１０内に１つ又は複数あってもよく、半導体チップ１は積層基板５に１つ又は複数搭載されていてもよい。
熱伝導部２０の枠体２１は、図３（ｂ）に示す通り、モジュール部１０の形状に即した形状であり、短手方向の辺Ｌ１，Ｌ２のような対向する二辺を有する形状となっている。枠体２１は、長方形（矩形）に限られず、多角形であってもよいが、モジュール部１０の形状、より具体的には、モジュール部１０の裏面の形状と同じ形状が好ましい。
開口部２２は、空間部２２ｂを除いて、枠体２１（ヤング率Ｙ１）よりもヤング率の低い（ヤング率Ｙ２）グリース（グリース部２２ａ）で充填されている。
また、空間部２２ｂは、半導体モジュール１００を縦置き配置した場合における、枠体２１の重力方向とは反対側（上方）の端部周縁に形成されている。図３（ｂ）の例では、空間部２２ｂは、枠体２１の上辺Ｌ１に接する形で、かつ短手方向の上辺Ｌ１の一端から他端に亘って、途切れず帯状に設けられている。空間部２２ｂは、枠体が多角形の場合に、少なくとも短手方向の一辺に接して設けられていればよい。
なお、図３では、半導体モジュール１００の長手方向と重力方向が平行な配置の場合を示したが、短手方向と重力方向が平行な場合も同様である。具体的には、重力方向と反対側に空間部２２ｂを設けることができる。
次に、図３（ｂ）の半導体チップ１、グリース部２２ａ及び空間部２２ｂに跨る部分（断面線VA-VA部分）について説明する。半導体チップ１ａは、上面視において（透視して見たとき）、空間部２２ｂに隣接するグリース部２２ａの端部からグリース部２２ａの中心方向に離間して、配置されている（詳細は後述する）。このような配置とすることで、半導体チップ１ａと重なるようにグリース部２２ａが存在し、半導体チップ１ａと空間部２２ｂとは離間した、重ならない位置関係となる。半導体チップ１ａの下方にはグリース部２２ａがあり、空間部２２ｂが存在しないようにすることが好ましい。これにより、モジュール部１０側が冷却器３０側に押圧され、または、冷却器３０が半導体チップ１ａ側へ押圧されることによりグリースが圧縮され、押し広げられたとき、余剰のグリースを空間部２２ｂに収容することができる。
図３（ａ）において、空間部２２ｂの下端が半導体チップ１の上端より上方にあり、半導体チップ１の下方には空間部２２ｂはなく（図１参照）、グリース部２２ａが絶えず配置されている必要がある。半導体チップ１で発生した熱は、半導体チップ１の下方に配置された積層基板５を経て、グリース部２２ａを介して冷却器３０により放熱される。なお、図３における下方とは、重力方向であり、上方とは重力方向とは逆方向である。
図３（ａ）において、積層基板５も、その上端が空間部２２ｂの下端よりも下方に配置されていることが好ましい。例えば、絶縁基板５２の上端である。また、上面視において（透視して見たとき）、積層基板５の第２導電性板５３は、空間部２２ｂに重ならない（露出しない）ように配置されることが好ましい。
枠体２１のヤング率Ｙ１については５ＧＰａ≦Ｙ１≦１５ＧＰａの条件を満たすことが好ましく、グリース部２２ａのヤング率Ｙ２は、１Ｐａ≦Ｙ２≦２００Ｐａの条件を満たすことが好ましい。なお、グリースの粘度Ｇは、２５℃の環境で６０Ｐａ・ｓ≦Ｇ≦５００Ｐａ・ｓの条件を満たすものであればよい。枠体２１とグリース部２２ａが以上の条件を満たすようにすることで、熱伝導部２０（枠体２１）が押圧され、変形した場合や半導体チップ１に反りが生じた場合に、それに追従するようにして、半導体チップ１で発生した熱を確実に冷却器３０に伝導することができる。
また、上述の熱伝導部２０の構成により、グリースの垂れ下がりを防止することができる。モジュール部１０の変形により、グリースは、一時的に空間部２２ｂに移動する。しかしながら、その後、重力（自重）によって徐々に元の位置に戻るため、ポンプアウトによる問題も生じない。これらにより、グリースの流出及びポンプアウトを抑制し、熱抵抗の上昇をおさえる熱伝導部２０を提供することができる。
ここで、図４を参照して、本発明の半導体モジュール１００の製造方法を簡単に説明する。
まず、熱伝導部２０の材料を枠状に加工する（ＳＴＥＰ１０）。例えば、カーボンシートを、複数の半導体チップ１を配置可能な大きさの開口部２２を有する枠状に加工する。また、当該材料にねじ等の締結部用の穴部を形成する。カーボンシートは、厚みが３００μｍから５００μｍ程度で柔軟性が高く、Ｃｕの熱伝導率（４００Ｗ／ｍｋ）と同程度であることがより好ましい（図３（ｂ）参照）。
次に、モジュール部１０の下面にグリースを塗布する（ＳＴＥＰ２０）。具体的には、専用のマスクを用いてモジュール部１０の所定の位置にグリースが塗布されるようにする。
次に、熱伝導部２０（枠体２１）をモジュール部１０の下面に配置する（ＳＴＥＰ３０）。ここでは、開口部２２にグリースが配置されるように調整する。なお、空間部２２ｂは、開口部２２の５〜１０％の領域を占めるようにする。これにより、空間部２２ｂは、移動したグリースを十分収容することができる。
次に、熱伝導部２０（グリース有り）を配置したモジュール部１０を、冷却器３０の冷却面に配置し（ＳＴＥＰ４０）、最後に、モジュール部１０、熱伝導部２０、冷却器３０をねじ９で締結する（ＳＴＥＰ５０）。このとき、グリース、熱伝導部２０は接合面に応じて多少変形する。そして、熱伝導部２０の厚みは、２０μｍから１００μｍ程度となる。以上により、図１に示すような、本発明に係る半導体モジュール１００が完成する。
以下では、半導体モジュール１００の好ましい形態について説明する。図５Ａは、図３（ｂ）の熱伝導部２０のVA−VA断面図を示している。
図５Ａに示すように、グリース部２２ａの空間部２２ｂに隣接する側の端部をＥ、端部Ｅに近い半導体チップ１ａの端部をＦとし、端部Ｆからグリース部２２ａに下した垂線とグリース部２２ａとの交点を点Ｈとする。このとき、距離ＥＨをｄ１（半導体チップ１ａと空間部２２ｂの離間距離）、距離ＦＨをｄ２とする。
半導体チップ１ａで発生した熱を効率良く冷却器３０に伝導するためには、上面視したとき、少なくとも半導体チップ１ａをグリース部２２ａの端部Ｅからグリース部２２ａの中心方向（図中の右方向）に離間して配置する必要がある（ｄ１≠０）。空間部２２ｂには、熱を伝導する効果がないためである。好ましくは、熱伝導の性質を考慮して、∠ＥＦＨが４５度よりも大きくなるように、半導体チップ１ａの端部Ｆの位置を決定するとよい。すなわち、距離ｄ１は、距離ｄ２以上となるように、グリース量を決める。または、半導体チップ１ａを配置するとよい。そして、放熱性の点から、さらに積層基板５の第２導電性板５３の裏面全体がグリース部２２ａに接し、空間部２２ｂに露出していないことが好ましい。
また、図５Ｂは、図３（ｂ）の熱伝導部２０のVB−VB断面図を示している。図示するように、グリース部２２ａの枠体２１に隣接する側の端部をＩ、端部Ｉに近い半導体チップ１ｇの端部をＪとし、端部Ｊからグリース部２２ａに下した垂線とグリース部２２ａとの交点を点Ｋとする。このとき、距離ＩＫをｄ３（半導体チップ１ｇとグリース部２２ａの端部（空間部２２ｂがない側）との離間距離）、距離ＪＫをｄ４とする。
VA−VA断面と同様であるが、半導体チップ１ｇで発生した熱を効率良く冷却器３０に伝導するためには、上面視したとき、少なくとも半導体チップ１ｇをグリース部２２ａの端部Ｉからグリース部２２ａの中心方向（図中の左方向）に離間して配置する必要がある（ｄ３≠０）。枠体２１よりも、グリース部２２ａの方が熱を伝導する効果が高いためである。好ましくは、∠ＩＪＨが４５度よりも大きくなるように、半導体チップ１ｇの端部Ｊの位置を決定するとよい。すなわち、距離ｄ３は、距離ｄ４以上となるように、半導体チップ１ｇを配置するとよい。
図５Ａ、図５Ｂでは、開口部２２の長手方向の端部について、断面図を示して説明したが、モジュール部１０を短手方向が重力方向となるようにインバータ制御部に配置される場合については、短手方向の端部についても同様である。例えば、半導体チップ１ｇの短手方向の端部から空間部２２ｂの短手方向の端部（近い方）までの距離をｄ５としたとき、距離ｄ５は、距離ｄ２，ｄ４以上とすることが好ましい。
最後に、図６を参照して、半導体モジュール１００の熱伝導部の変更形態を説明する。
熱伝導部２５を上面視したとき、開口部２２の空間部２２ｂが設けられている側の周縁からグリース部２２ａに向けて突出する櫛状部２３を有している。なお、櫛状部２３のうち、積層基板５の下方に位置する部分については、破線で示した。
櫛状部２３は、グリース部２２ａの一部及び空間部２２ｂの上方を覆うようにスリット部を設けて配設されている。そのため、冷却器３０が半導体チップ１ａ側へ押圧されることにより、グリースが押し広げられたときグリースが櫛状部２３の隙間（スリット部）に沿って移動する。
なお、図３（ａ）のように、半導体モジュール１００を断面方向から見た場合、半導体チップ１ａの左側には空間部２２ｂは存在せず、グリース部２２ａが絶えず配置されることが好ましい。そのため、スリット部の下端は、図６においては、半導体チップ１ａの上方に配置されることが好ましい。
また、スリット部の下端は、図６においては、第２導電性板５３の上方に配置されることが好ましい。スリット部の下端は、図６においては、積層基板５の上端の上方に配置されることがさらに好ましい。
櫛状部２３が存在することで、細いスリットが形成され、当該スリット中をグリースがスムーズに移動するので、グリースの移動が均一化される。これにより、グリースが外部に流出し難くなると共に、ポンプアウトを抑制することができる。なお、櫛状部２３のスリット部を含む空間部２２ｂも、開口部２２の５〜１０％の領域を占めることが好ましい。
以上、本発明を実施するための実施形態を説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、適宜変更することができる。
上記の実施形態では、熱伝導部２０の空間部２２ｂは、半導体モジュール１００を縦置き配置したときの上方側に存在していたが、これに限られるものではない。例えば、予め半導体チップ１が反る方向が予め分かっている場合には、開口部２２の周縁の当該反る方向の一部分に帯状に空間部を設けるようにすればよい。
１，１ａ〜１ｇ 半導体チップ
２ 配線基板
４ ピン
５ 積層基板
８ ケース
９ ねじ
１０ モジュール部
１１ 樹脂部
２０，２５ 熱伝導部
２１ 枠体
２２ 開口部
２２ａ グリース部
２２ｂ 空間部
２３ 櫛状部
２４ 空気層
３０ 冷却器
５１ 第１導電性板
５２ 絶縁基板
５３ 第２導電性板
１００ 半導体モジュール

Claims (11)

  1. 半導体素子が設けられた積層基板と、前記積層基板を冷却する冷却器とからなる半導体モジュールであって、
    前記積層基板と前記冷却器との間に設けられた熱伝導部を備え、
    前記熱伝導部は、枠体と開口部とを備え、
    前記開口部は、前記開口部内に部分的に設けられ、前記積層基板と前記冷却器との間を充填するグリース部と、前記グリース部と前記枠体との間に部分的かつ帯状に設けられた空間部を有していることを特徴とする半導体モジュール。
  2. 前記開口部は、対向する二辺を有し、
    前記空間部は、前記二辺のうちの一辺に接し、前記一辺の一端から他端に亘って設けられていることを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
  3. 前記半導体素子は、上面視において、前記空間部に隣接する前記グリース部の端部から前記グリース部の中心方向に離間して配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体モジュール。
  4. 前記空間部は、前記開口部の５〜１０％の領域を占めることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の半導体モジュール。
  5. 前記熱伝導部は、前記開口部の前記空間部が設けられている側の周縁から前記グリース部に向けて突出する櫛状部を備える枠体を有していることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の半導体モジュール。
  6. 前記枠体のヤング率Ｙ１は、前記グリース部のヤング率Ｙ２よりも高いことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の半導体モジュール。
  7. 前記ヤング率Ｙ１は、５ＧＰａ≦Ｙ１≦１５ＧＰａの条件を満たすことを特徴とする請求項６に記載の半導体モジュール。
  8. 前記ヤング率Ｙ２は、１Ｐａ≦Ｙ２≦２００Ｐａの条件を満たすことを特徴とする請求項６又は７に記載の半導体モジュール。
  9. 前記グリース部の粘度Ｇは、６０Ｐａ・ｓ≦Ｇ≦５００Ｐａ・ｓの条件を満たすことを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載の半導体モジュール。
  10. 請求項１から９の何れか１項に記載の半導体モジュールを、前記空間部が上方となるように立てて設置したことを特徴とする電力変換装置。
  11. 半導体素子が設けられた積層基板と、前記積層基板を冷却する冷却器とからなる半導体モジュールの製造方法であって、
    前記積層基板と前記冷却器との間に設けられる熱伝導部を作製する工程と、
    前記熱伝導部が有する枠体の開口部内に部分的に設けられ、前記積層基板と前記冷却器との間を充填するグリース部を形成する工程と、
    前記グリース部と前記枠体との間に部分的かつ帯状に設けられた空間部を形成する工程と、
    を少なくとも備えていることを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
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