JP6984631B2

JP6984631B2 - 電気装置の製造方法

Info

Publication number: JP6984631B2
Application number: JP2019082028A
Authority: JP
Inventors: 潔高橋
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2019-04-23
Filing date: 2019-04-23
Publication date: 2021-12-22
Anticipated expiration: 2039-04-23
Also published as: JP2020181844A

Description

本開示は、電気装置の製造方法に関する。

電力変換装置等の半導体装置に含まれる半導体モジュールは、大規模な発熱をする。このため、半導体モジュールにヒートシンクが取り付けられている。また、半導体モジュールとヒートシンクとの間の隙間を埋めるために、半導体モジュールとヒートシンクとの間には、シリコーン等の熱伝導材（thermal interface material：ＴＩＭ）が挟まれている。

これまで、放熱性の向上のために種々のヒートシンクが提案されている。また、３Ｄプリンタを用いてヒートシンクを製造する方法も提案されている。

しかしながら、ＴＩＭの熱伝導率はヒートシンクの熱伝導率より低いため、十分な放熱性が得られないことがある。また、半導体装置の使用時間が長くなると、熱サイクルによってＴＩＭのポンプアウトが生じて、放熱性が低下することもある。

特開２０１６−２７５９５号公報

本開示の目的は、優れた放熱性を得ることができる電気装置の製造方法を提供することにある。

本開示の一形態によれば、第１の面に伝熱体を有する電気部品を準備する工程と、三次元焼結金属印刷機を用いて、前記伝熱体と直接接触し、前記伝熱体に焼結により結合するヒートシンクを形成する工程と、を有し、前記ヒートシンクを形成する工程の前に、第２の面に収納部を有する保持治工具を準備する工程と、前記伝熱体が前記第２の面から露出するようにして前記電気部品を前記収納部内に収納する工程と、前記三次元焼結金属印刷機の印刷テーブル上に前記保持治工具を固定する工程と、を有する電気装置の製造方法が提供される。

本開示によれば、優れた放熱性を得ることができる。

本開示の実施形態に係る半導体装置を示す斜視図（その１）である。本開示の実施形態に係る半導体装置を示す斜視図（その２）である。本開示の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図（その１）である。本開示の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図（その２）である。本開示の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図（その３）である。本開示の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図（その４）である。本開示の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図（その５）である。本開示の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図（その６）である。本開示の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図（その７）である。本開示の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図（その８）である。本開示の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図（その９）である。参考例の半導体装置の製造方法を示す図（その１）である。参考例の半導体装置の製造方法を示す図（その２）である。参考例の半導体装置の製造方法を示す図（その３）である。本開示の実施形態の変形例に係る半導体装置の製造方法を示す図である。

以下、実施形態について添付の図面を参照しながら具体的に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省くことがある。また、本開示においては、Ｘ１−Ｘ２方向、Ｙ１−Ｙ２方向、Ｚ１−Ｚ２方向を相互に直交する方向とする。なお、便宜上、Ｚ１−Ｚ２方向を上下方向とする。また、平面視とは、Ｚ１側から対象物を見ることをいう。

図１及び図２は、本開示の実施形態に係る半導体装置を示す斜視図である。図１と図２との間では、Ｘ１−Ｘ２方向に延びる直線を軸にして、視点を１８０度回転させている。図１及び図２に示すように、本開示の実施形態に係る半導体装置１は、半導体モジュール１００と、ヒートシンク２００とを有する。なお、半導体装置１は、特許請求の範囲の「電気装置」の一例である。また、半導体モジュール１００は、特許請求の範囲の「電気部品」の一例である。

半導体モジュール１００は、例えば、電界効果トランジスタ（field effect transistor：ＦＥＴ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（insulated gate bipolar transistor：ＩＧＢＴ）等を含むパワーモジュールである。半導体モジュール１００のＺ１側の面１１０（図３参照）には、金属の伝熱体１１１（図３参照）が設けられている。伝熱体１１１は、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金製である。伝熱体１１１が、銅又は銅合金製であってもよい。また、伝熱体１１１は、高熱伝導性を有していれば、金属以外の部材であってもよい。半導体モジュール１００のＺ２側の面１２０には、外部端子１２１、１２２及び１２３が設けられている。面１１０は第１の面の一例である。

ヒートシンク２００は、ベース部２１０と、放熱部２２０とを有する。放熱部２２０は、ベース部２１０からＺ１側に立ち上がる複数のフィン２２１を備える。詳細は後述するが、ベース部２１０は半導体モジュール１００の面１１０上に、直接、三次元印刷法により形成されている。このため、ヒートシンク２００は伝熱体１１１に焼結により結合している。例えば、ヒートシンク２００の伝熱体１１１と接する部分の材料は、伝熱体１１１の材料と同一であることが好ましい。ヒートシンク２００の全体の材料が伝熱体１１１の材料と同一でもよい。また、ヒートシンク２００の材料が、連続的に又は段階的に変化していてもよい。例えば、伝熱体１１１の材料がアルミニウムである場合、ヒートシンク２００の全体の材料がアルミニウムであってもよく、ヒートシンク２００の伝熱体１１１と接する部分の材料がアルミニウムで、この部分から離間するにつれて組成が変化するアルミニウム合金であってもよい。

半導体装置１においては、ヒートシンク２００が伝熱体１１１に焼結により結合している。つまり、例えば、ＴＩＭ等のヒートシンク２００よりも熱伝導率が低い部材がヒートシンク２００と伝熱体１１１との間に介在しない。このため、伝熱体１１１の熱がヒートシンク２００に直接伝わり、優れた放熱性を得ることができる。

例えば、半導体モジュール１００はパワーモジュールであり、半導体装置１は電力変換装置であるが、これらに限定されない。半導体モジュール１００が通信モジュール等であってもよく、半導体装置１が通信装置等であってもよい。

次に、半導体装置１の製造方法について説明する。図３〜図１１は、半導体装置１の製造方法を示す図である。この製造方法では、印刷ステージ及びレーザを備えた三次元焼結金属印刷機を用いた三次元印刷法によりヒートシンク２００を形成する。

先ず、図３及び図４に示すように、半導体モジュール１００を準備する。図３と図４との間では、Ｘ１−Ｘ２方向に延びる直線を軸にして、視点を１８０度回転させている。上記のように、半導体モジュール１００のＺ１側の面１１０に伝熱体１１１が設けられ、Ｚ２側の面１２０に外部端子１２１、１２２及び１２３が設けられている。半導体モジュール１００の準備では、例えば、半導体基板上に素子を形成し、その後に、トランスファ成形により、素子が形成された半導体基板を樹脂で封止する。半導体モジュール１００は、インジェクション成形やポッティング成形などにより、素子が形成された半導体基板が樹脂で封止されてもよい。

次いで、図５に示すように、三次元焼結金属印刷機の印刷ステージ上に半導体モジュール１００を保持する保持治工具３００を準備する。保持治工具３００は、印刷ステージに接する面３２０と、面３２０とは反対側の面３１０とを有する。面３１０には、半導体モジュール１００を収納する溝状の収納部３１１が形成されている。収納部３１１は、例えば面３１０を彫り込むことで形成することができる。また、収納部３１１の内側には、収納部３１１内で半導体モジュール１００を支持する支持部３１２が設けられている。面３１０は第２の面の一例である。

図６に示すように、収納部３１１に半導体モジュール１００を収納する。このとき、半導体モジュール１００の面１１０と保持治工具３００の面３１０とが同一の方向（Ｚ１側）を向くようにし、好ましくは、面１１０と面３１０とを面一とする。

続いて、図７に示すように、半導体モジュール１００を収納した保持治工具３００を三次元焼結印刷機の印刷ステージ４００上に固定する。例えば、印刷ステージ４００の表面は鉛直上方を向くが、印刷ステージ４００の表面が鉛直上方から傾斜する方向を向いていてもよい。

次いで、図８に示すように、保持治工具３００の面３１０上に剥離シート５００を貼り付ける。剥離シート５００の材料としては、例えば、ポリイミド、フッ素樹脂、シリコーン等の耐熱性樹脂を用いることができる。

その後、ヒートシンク２００の形成を開始する。ヒートシンク２００の形成では、図９に示すように、半導体モジュール１００の面１１０上に金属粉末２３０を塗布し、塗布した金属粉末２３０に、三次元焼結印刷機のレーザ４１０からレーザ光４２０を照射することで、金属粉末２３０を焼結して焼結金属を得る。このとき、金属粉末２３０を、形成しようとするヒートシンク２００の立体形状に積層していくことで、図１０に示すように、ベース部２１０及び放熱部２２０を備えたヒートシンク２００が形成される。

ヒートシンク２００の形成後には、図１１に示すように、半導体モジュール１００を収納した保持治工具３００を印刷ステージ４００から取り外す。

次いで、半導体モジュール１００を収納部３１１から取り出す。このとき、保持治工具３００の面３１０上に剥離シート５００が設けられているため、ヒートシンク２００が平面視で半導体モジュール１００からはみ出すように形成されていても、ヒートシンク２００が一体的に形成された半導体モジュール１００は、収納部３１１から容易に取り出すことができる。剥離シート５００は保持治工具３００上に残存してもよく、ヒートシンク２００上に残存してもよく、いずれに残存する場合でも、剥離シート５００を容易に剥すことができる。

このようにして半導体装置１を製造することができる。そして、このような方法で製造された半導体装置１では、ヒートシンク２００が伝熱体１１１に焼結により結合している。

なお、ヒートシンク２００の形成に用いる金属粉末２３０の材料は特に限定されないが、伝熱体１１１と接する部分に用いる金属粉末２３０の材料は、伝熱体１１１の材料と同一とすることが好ましい。その後に、伝熱体１１１の材料と同一の材料の金属粉末２３０を継続して使用してもよく、また、ヒートシンク２００の形成に連れて金属粉末２３０の材料の組成を、連続的に又は段階的に変化させてもよい。

ここで、上記の実施形態との比較のために、参考例について説明する。図１２〜図１４は、参考例の半導体装置の製造方法を示す図である。この参考例では、半導体モジュール１００とは別に、図１２に示すように、単体のヒートシンク２００を作製する。そして、下記のように、長手方向（Ｘ１−Ｘ２方向）の両端２箇所でねじを用いてヒートシンク２００を半導体モジュール１００に固定する。

半導体モジュール１００は、トランスファ成形などにより、素子が形成された半導体基板を樹脂で封止することで作製することができる。ヒートシンク２００が半導体モジュール１００にねじ留めされると、ねじ留めの荷重によって面１１０が凹状に反りやすい。面１１０が凹状に湾曲すると、ＴＩＭが設けられても熱伝導性が低下する。そこで、図１３に示すように、トランスファ成形の後に面１１０を凸状に加工する。

ヒートシンク２００は、例えば、鋳造により作製することができる。三次元焼結印刷機を用いた三次元印刷法により単体のヒートシンク２００を作製することもできる。鋳造により作製したヒートシンク２００も、三次元印刷法により作製したヒートシンク２００も、そのままでは、ベース部２１０の半導体モジュール１００側となる面の平坦度は低い。そこで、この面を研磨して、平坦度を高める。

半導体モジュール１００及びヒートシンク２００を個別に作製した後、図１４に示すように、ベース部２１０上にＴＩＭ６００を５０μｍ〜２００μｍの厚さで設け、その上に半導体モジュール１００を載置し、ねじ７００により２箇所でヒートシンク２００を半導体モジュール１００に固定する。

この参考例では、ＴＩＭ６００が介在するため、ヒートシンク２００が焼結により伝熱体１１１に直接結合した実施形態に係る半導体装置１ほどの熱伝導性は得られない。また、熱サイクルによってＴＩＭ６００のポンプアウトが生じて、熱伝導性が低下し得る。

更に、半導体モジュール１００の面１１０を凸状に加工する工程、ヒートシンク２００のベース部２１０の半導体モジュール１００側となる面を研磨する工程の分だけ、半導体装置１の製造方法よりも工数が多くなる。上述の半導体装置１の製造方法では、三次元印刷法により面１１０上にヒートシンク２００を形成するため、ねじ留めに伴う反りは生じない。また、ベース部２１０の半導体モジュール１００側の面は、自己整合的に半導体モジュール１００側の面に倣う。例えば、半導体モジュール１００側の面に荒れが存在していたとしても、金属粉末２３０が荒れの凹部を埋めていき、ベース部２１０の半導体モジュール１００側の面は、半導体モジュール１００側の面に倣うようになる。

なお、図９では、ヒートシンク２００を半導体モジュール１００の面１１０上のみに形成しているが、図１５に示すように、ヒートシンク２００を剥離シート５００上にはみ出すように形成してもよい。この場合でも、ヒートシンク２００のベース部２１０の保持治工具３００側の面と保持治工具３００の面３１０との間に剥離シート５００が介在しているため、ヒートシンク２００が一体的に形成された半導体モジュール１００は、収納部３１１から容易に取り出すことができる。剥離シート５００はベース部２１０上に残存してもよく、保持治工具３００上に残存してもよく、いずれに残存する場合でも、剥離シート５００を容易に剥すことができる。ヒートシンク２００を剥離シート５００上にはみ出すように形成した場合、製造される半導体装置１では、平面視で、ヒートシンク２００が半導体モジュール１００からはみ出すこととなる。

また、保持治工具３００に設ける収納部３１１は複数でもよい。複数の収納部３１１の各々に半導体モジュール１００を収納した状態で、半導体モジュール１００の各々にヒートシンク２００を三次元印刷法により形成することで、複数の半導体装置１を同時並行で形成することができる。あるいは、複数の半導体モジュール１００を共通に冷却するためのヒートシンク２００を、複数の半導体モジュール１００の伝熱体１１１に跨って、三次元印刷法により形成することができる。

また、上記実施形態では、電気部品が半導体モジュール１００である例を示したが、本発明はこれに限られない。例えば、電気部品は、抵抗器やコンデンサあるは銅などで形成された導体あるいはトランス、インダクタなど、伝熱体１１１を有する発熱部品であればよい。

以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。

１半導体装置
１００半導体モジュール
１１０、１２０面
１１１伝熱体
２００ヒートシンク
２１０ベース部
２２０放熱部
２２１フィン
２３０金属粉末
３００保持治工具
３１０、３２０面
３１１収納部
３１２支持部
４００印刷ステージ
４１０レーザ
４２０レーザ光
５００剥離シート

Claims

第１の面に伝熱体を有する電気部品を準備する工程と、
三次元焼結金属印刷機を用いて、前記伝熱体と直接接触し、前記伝熱体に焼結により結合するヒートシンクを形成する工程と、
を有し、
前記ヒートシンクを形成する工程の前に、
第２の面に収納部を有する保持治工具を準備する工程と、
前記伝熱体が前記第２の面から露出するようにして前記電気部品を前記収納部内に収納する工程と、
前記三次元焼結金属印刷機の印刷テーブル上に前記保持治工具を固定する工程と、
を有することを特徴とする電気装置の製造方法。
前記伝熱体の材料は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅又は銅合金であることを特徴とする請求項１に記載の電気装置の製造方法。
前記ヒートシンクを形成する工程は、
金属粉末を塗布する工程と、
前記金属粉末にレーザ光を照射して焼結する工程と、
を繰り返す工程を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の電気装置の製造方法。
前記金属粉末の材料は、少なくとも前記ヒートシンクの前記伝熱体と接触する部分を形成する段階において、前記伝熱体の材料と同一とすることを特徴とする請求項３に記載の電気装置の製造方法。
前記第１の面を前記第２の面と面一にすることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電気装置の製造方法。