JP7006015B2 - 半導体モジュールの製造方法 - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、半導体モジュールの製造方法に関する。

特許文献１に、半導体モジュールとその製造方法が開示されている。半導体モジュールは、両面冷却構造を有しており、一対の放熱板の間に、半導体素子がヒートシンクグロックとともに配置されている。半導体素子の上面は、ヒートシンクブロックにはんだを介して接合されており、半導体素子の下面は、放熱板にはんだを介して接合されている。この半導体モジュールの製造方法では、半導体素子とヒートシンクブロックとの間をはんだ付けする際に、ヒートシンクブロックに予め迎えはんだが設けられており、それによって、はんだ付けの位置精度が向上すると説明されている。

特開２００８－１３５６１３号公報

上記した製造方法では、半導体素子とヒートシンクブロックとの間のはんだ付けと、半導体素子と放熱板との間のはんだ付けが、同じリフロー工程によって同時に実施されている。このような手法であると、リフロー工程後の温度低下に伴って、半導体素子がヒートシンクブロックに向けて凸状に変形することがある。これは、半導体素子と、それに接合されるヒートシンクブロックや放熱板との間で、線膨張係数が異なることに起因する。このような変形が生じると、凹状となった半導体素子の下面と放熱板との間では、例えば半導体素子から生じたガスが滞留して、はんだ内にボイドが生じやすくなる。はんだ内に生じたボイドは、半導体素子からの放熱を妨げる要因となって、半導体モジュールの冷却性能を低下させてしまう。このような問題は、はんだに限られず、他の接合材でも同様に生じ得る。従って、本明細書は、半導体素子を接合するはんだ又はその他の接合材に発生するボイドを抑制し得る技術を提供する。

上記の課題を解決するために、本明細書は、半導体モジュールの製造方法を開示する。この製造方法は、半導体素子の一方の面に、接合材を介して第１導体板を接合する第１工程と、第１工程後の半導体素子の他方の面を、接合材を介して第２導体板に接合する第２工程とを備える。ここで、第１導体板の線膨張係数は、半導体素子の線膨張係数よりも大きい。

上記した製造方法では、先ず、半導体素子の一方の面に、接合材を介して第１導体板を接合する。第１導体板の線膨張係数が、半導体素子の線膨張係数よりも大きいので、第１工程後の温度低下では、第１導体板の方が半導体素子よりも大きく熱収縮する。その結果、第１工程後の半導体素子は、前記した他方の面に向けて凸状に変形している。これにより、半導体素子を第２導体板に接合する第２工程では、半導体素子の表面が凸状に湾曲していることから、半導体素子から生じるガス等が外部へ排出されやすく、接合材内に発生するボイドが抑制される。

実施例１の半導体モジュール１０を示す断面図である。 実施例１の半導体モジュール１０の製造方法の一工程であって、金属ブロック１８の両面１８ａ、１８ｂにはんだ２８、３０（迎えはんだ）を設ける工程を説明する図。 実施例１の半導体モジュール１０の製造方法の一工程であって、半導体素子１２の上面１２ａに、はんだ３０を介して金属ブロック１８を接合する工程を説明する図。 実施例１の半導体モジュール１０の製造方法の一工程であって、金属ブロック１８が接合された後の半導体素子１２の下面１２ｂを、はんだ３２を介して下側放熱板２２に接合する工程を説明する図。 実施例１の半導体モジュール１０の製造方法の一工程であって、金属ブロック１８の上面１８ａに、はんだ２８を介して上側放熱板２０を接合する工程を説明する図。 実施例２の半導体モジュール１１０の製造方法の一工程であって、各金属ブロック１１８の両面１１８ａ、１１８ｂに、はんだ１２８、１３０（迎えはんだ）を設ける工程を説明する図。 実施例２の半導体モジュール１１０の製造方法の一工程であって、各半導体素子１１２の上面１１２ａに、はんだ１３０を介して金属ブロック１１８を接合する工程を説明する図。 実施例２の半導体モジュール１１０の製造方法の一工程であって、金属ブロック１１８が接合された後の各半導体素子１１２の下面１１２ｂを、はんだ１３２を介してリードフレーム１０８に接合する工程を説明する図。 実施例２の半導体モジュール１１０の製造方法の一工程であって、金属ブロック１１８の上面１１８ａに、はんだ１２８を介して上側放熱板１２０を接合する工程を説明する図。 実施例２の半導体モジュール１１０の製造方法の一工程であって、リードフレーム１０８にプライマ１０６を塗布する工程を説明する図。 実施例２の半導体モジュール１１０の製造方法の一工程であって、モールド樹脂１２６をモールド成形する工程を説明する図。 実施例２の半導体モジュール１１０の製造方法の一工程であって、モールド樹脂１２６の両面を切削して、放熱板１２０、１２２を露出させる工程を説明する図。 実施例２の半導体モジュール１１０の製造方法の一工程であって、リードフレーム１０８の余分な部分を切除する工程を説明する図。

（実施例１）図面を参照して、実施例１の半導体モジュール１０とその製造方法を説明する。本実施例の半導体モジュール１０は、パワー半導体モジュールの一種であり、例えば電気自動車、ハイブリッド車、燃料電池車といった電動自動車において、コンバータやインバータといった電力変換回路に用いることができる。但し、半導体モジュール１０の用途は特に限定されない。半導体モジュール１０は、様々な装置や回路に広く採用することができる。

図１に示すように、半導体モジュール１０は、半導体素子１２、金属ブロック１８、上側放熱板２０、下側放熱板２２、及びモールド樹脂２６を備える。半導体素子１２は、モールド樹脂２６内に封止されている。モールド樹脂２６は、絶縁性を有する材料で構成されている。特に限定されないが、モールド樹脂２６を構成する材料には、エポキシ樹脂といった熱硬化性の樹脂材料を採用することができる。

半導体素子１２は、上面電極１４と下面電極１６とを備える。上面電極１４は、半導体素子１２の上面１２ａに位置しており、金属ブロック１８の下面１８ｂにはんだ３０を介して接合されている。下面電極１６は、半導体素子１２の下面１２ｂに位置しており、下側放熱板２２の上面２２ａにはんだ３２を介して接合されている。半導体素子１２は、上下の両面１２ａ、１２ｂに電極１４、１６を有する縦型の半導体素子である。半導体素子１２は、例えばＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）又はダイオードといったパワー半導体素子である。半導体素子１２は、例えばシリコン（Ｓｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、又は窒化ガリウム（ＧａＮ）といった各種の半導体材料を用いて構成されることができる。なお、半導体素子１２の具体的な構成は特に限定されず、本実施例の半導体モジュール１０には、各種の半導体素子を採用することができる。

金属ブロック１８は、例えば銅又はその他の金属といった導電性を有する材料を用いて構成されている。金属ブロック１８の線膨張係数は、半導体素子１２の線膨張係数よりも大きい。金属ブロック１８は、概して板形状あるいはブロック形状の部材であり、上面１８ａと、上面１８ａとは反対側に位置する下面１８ｂと、上面１８ａと下面１８ｂとの間に広がる四つの側面１８ｃを有する。金属ブロック１８は、モールド樹脂２６内に位置している。金属ブロック１８の上面１８ａは、上側放熱板２０の下面２０ｂとはんだ２８を介して接続されている。前述したように、金属ブロック１８の下面１８ｂは、半導体素子１２の上面電極１４とはんだ３０を介して接合されている。これにより、半導体素子１２の上面電極１４は、金属ブロック１８を介して上側放熱板２０に電気的に接続されている。

上側放熱板２０は、例えば銅又はその他の金属といった導電性を有する材料を用いて構成されている。上側放熱板２０は、概して板形状の部材であり、上面２０ａと、上面２０ａとは反対側に位置する下面２０ｂとを有する。前述したように、上側放熱板２０の下面２０ｂは、モールド樹脂２６の内部において、金属ブロック１８の上面１８ａとはんだ２８を介して接合されている。これにより、上側放熱板２０は、金属ブロック１８を介して、半導体素子１２の上面電極１４と電気的に接続されている。一方、上側放熱板２０の上面２０ａは、モールド樹脂２６の外部に露出している。上側放熱板２０は、金属ブロック１８を介して半導体素子１２と熱的にも接続されており、半導体素子１２で発生した熱を外部に放出する。

同様に、下側放熱板２２もまた、概して板形状の部材であり、上面２２ａと、上面２２ａとは反対側に位置する下面２２ｂとを有する。下側放熱板２２の上面２２ａは、モールド樹脂２６の内部において、半導体素子１２の下面電極１６とはんだ３２を介して接合されている。これにより、下側放熱板２２は、半導体素子１２の下面電極１６と電気的に接続されている。一方、下側放熱板２２の下面２２ｂは、モールド樹脂２６の外部に露出している。下側放熱板２２は、半導体素子１２と熱的にも接続されており、半導体素子１２で発生した熱を外部に放出する。このように、本実施例の半導体モジュール１０は、モールド樹脂２６の両面に放熱板２０、２２がそれぞれ露出する両面冷却構造を有する。

半導体モジュール１０はさらに、二つの接続端子４０、４２を備える。一方の接続端子４０は、モールド樹脂２６の内部で上側放熱板２０に接続されており、他方の接続端子４２は、モールド樹脂２６の内部で下側放熱板２２に接続されている。二つの接続端子４０、４２は、モールド樹脂２６の外部へ突出しており、外部の電気回路へ電気的に接続されるように構成されている。各々の接続端子４０、４２は、それぞれ放熱板２０、２２と一体に設けられていてもよいし、放熱板２０、２２とは独立した部品で構成されていてもよい。

以下では、図２－図５を参照して、半導体モジュール１０の製造方法について説明する。先ず、図２に示すように、金属ブロック１８の上面１８ａ及び下面１８ｂに、はんだ２８、３０を事前に形成する。このようなはんだ２８、３０は、迎えはんだと称される。なお、この工程は任意であり、金属ブロック１８にはんだ２８、３０を予め設けておく必要は必ずしもない。

次に、図３に示すように、半導体素子１２の上面１２ａに、はんだ３０を介して金属ブロック１８を接合する。この工程は、本明細書が開示する技術における第１工程の一例である。即ち、半導体素子１２の上面１２ａは「半導体素子の一方の面」の一例であり、金属ブロック１８は「第１導体板」の一例であり、はんだ３０は「接合材」の一例である。この工程後、半導体素子１２と金属ブロック１８のそれぞれは、自身の温度低下に伴って熱収縮する。ここで、金属ブロック１８の線膨張係数は、半導体素子１２の線膨張係数よりも大きい。従って、金属ブロック１８は半導体素子１２よりも大きく熱収縮する。その結果、この工程後の半導体素子１２は、下面１２ｂに向けて凸状に変形することになる。

次に、図４に示すように、半導体素子１２の下面１２ｂを、はんだ３２を介して下側放熱板２２に接合する。この工程は、本明細書が開示する技術における第２工程の一例である。即ち、半導体素子１２の下面１２ｂは「半導体素子の他方の面」の一例であり、下側放熱板２２は「第２導体板」の一例であり、はんだ３２は「接合材」の一例である。前述したように、金属ブロック１８が予め接合された半導体素子１２は、下面１２ｂに向けて凸状に変形している。半導体素子１２の下面１２ｂが凸状に変形していることで、半導体素子１２の下面１２ｂを下側放熱板２２に接合するときに、半導体素子１２から生じるガス等が外部へ排出されやすく、はんだ３２内に発生するボイドが抑制される。

次に、図５に示すように、金属ブロック１８の上面１８ａに、はんだ２８を介して上側放熱板２０を接合する。ここで、半導体素子１２がＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴである場合は、この工程に先立って、信号端子（図示省略）等のワイヤボンディングを実施しておくとよい。上側放熱板２０を接合した後、モールド樹脂２６のモールド成形及びその他の必要な工程を実施することによって、図１に示す半導体モジュール１０は完成する。

以上のように、本実施例の製造方法では、先ず半導体素子１２の上面１２ａに金属ブロック１８を接合し、次いで半導体素子１２の下面１２ｂを下側放熱板２２へ接合する。このような手順によると、金属ブロック１８に生じる熱収縮を利用して、半導体素子１２を下面１２ｂ側へ凸状に変形させることができ、その後の半導体素子１２と下側放熱板２２との接合において、はんだ３２に生じるボイドを低減することができる。半導体素子１２からの放熱を妨げるボイドが抑制されることから、意図した冷却性能を発揮する半導体モジュール１０を製造することができる。

（実施例２）図６－図１３を参照して、実施例２の半導体モジュール１１０（図１３参照）の製造方法を説明する。本実施例の半導体モジュール１１０も同様に、パワー半導体モジュールの一種であり、例えば電気自動車、ハイブリッド車、燃料電池車といった電動自動車において、コンバータやインバータといった電力変換回路に用いることができる。但し、半導体モジュール１１０の用途についても特に限定されない。

本実施例の半導体モジュール１１０は、例えば図８に示すように、四つの半導体素子１１２を有する。四つの半導体素子１１２には、二つのＩＧＢＴ１１２ｐ、１１２ｑと、二つのダイオード１１２ｒ、１１２ｓが含まれる。なお、半導体素子１１２の数にかかわらず、本実施例で説明する半導体モジュール１１０の製造方法は、実施例１で説明した半導体モジュール１０の製造方法と基本的に共通している。即ち、実施例１、２で説明される製造方法は、半導体素子１２、１１２の数にかかわらず、様々な半導体モジュール１０、１１０に採用することができる。

先ず、図６に示すように、先ず、四つの金属ブロック１１８を用意し、各々の金属ブロック１１８の上面１１８ａ及び下面１１８ｂに、はんだ１２８、１３０を事前に形成する。即ち、各々の金属ブロック１１８に迎えはんだを設ける。次に、図７に示すように、四つの半導体素子１１２を用意し、各々の半導体素子１１２の上面１１２ａに、はんだ１３０を介して金属ブロック１１８を接合する。この工程は、本明細書が開示する技術における第１工程の一例である。即ち、各々の半導体素子１１２の上面１１２ａは「半導体素子の一方の面」の一例であり、各々の金属ブロック１１８は「第１導体板」の一例であり、各々のはんだ１３０は「接合材」の一例である。実施例１の説明から明らかなように、この工程後の半導体素子１１２は、それぞれ下面１２ｂに向けて凸状に変形することになる。

次に、図８に示すように、各々の半導体素子１１２の下面１１２ｂ（図７参照）を、はんだ１３２を介してリードフレーム１０８に接合する。この工程は、本明細書が開示する技術における第２工程の一例である。即ち、各々の半導体素子１１２の下面１１２ｂは「半導体素子の他方の面」の一例であり、リードフレーム１０８は「第２導体板」の一例であり、各々のはんだ１３２は「接合材」の一例である。前述したように、金属ブロック１１８が予め接合された半導体素子１１２は、下面１１２ｂに向けて凸状に変形している。半導体素子１１２の下面１１２ｂが凸状に変形していることで、半導体素子１１２の下面１１２ｂをリードフレーム１０８に接合するときに、半導体素子１１２から生じるガス等が外部へ排出されやすく、はんだ１３２内に発生するボイドが抑制される。

一例ではあるが、リードフレーム１０８には、二つの下側放熱板１２２と、複数の電力用接続端子１４０、１４２、１４４と、複数の信号用接続端子１４６が一体に設けられている。そして、四つの半導体素子１１２のうち、一方のＩＧＢＴ１１２ｐと一方のダイオード１１２ｒは、一方の下側放熱板１２２上に接合され、他方のＩＧＢＴ１１２ｑと他方のダイオード１１２ｓは、他方の下側放熱板１２２上に接合される。なお、リードフレーム１０８の構造については、特に限定されず、適宜変更することができる。

次に、図９に示すように、二つの上側放熱板１２０を用意し、四つの金属ブロック１１８の上面１１８ａに、はんだ２８を介して二つの上側放熱板１２０を接合する。このとき、一方の上側放熱板１２０は、一方の下側放熱板１２２と向かい合うように、二つの半導体素子１１２ｐ、１１２ｒ上の金属ブロック１１８上に接合され、他方の上側放熱板１２０は、他方の下側放熱板１２２と向かい合うように、二つの半導体素子１１２ｑ、１１２ｓ上の金属ブロック１１８上に接合される。なお、この工程に先立って、複数の信号用接続端子１４６は、ＩＧＢＴ１１２ｐ、１１２ｒの信号パッド（図示省略）とワイヤボンディングによって接続される。

次に、図１０に示すように、リードフレーム１０８や上側放熱板１２０へプライマ１０６の塗布が行われる。プライマ１０６の塗布は、プライマ槽への浸漬によって行われてもよいし、ディスペンサ等を用いて行われてもよい。その手法については特に限定されない。プライマ１０６を塗布しておくことにより、後述するモールド成形においてモールド樹脂１２６との密着性が改善される。

次に、図１１に示すように、モールド樹脂１２６のモールド成形を実施して、モールド樹脂１２６内に四つの半導体素子１１２を封止する。このモールド成形では、モールド樹脂１２６の材料として、エポキシ樹脂といった各種の熱硬化性樹脂を採用することができる。次に、図１２に示すように、モールド樹脂１２６の両面を研削することによって、上側放熱板１２０及び下側放熱板１２２を露出させる。最後に、リードフレーム１０８の不要な部分（例えばタイバーの部分）を切除するとともに、その他の必要な工程を実施することによって、半導体モジュール１１０は完成する。

本実施例の製造方法においても、先ず半導体素子１１２の上面１１２ａに金属ブロック１１８を接合し、次いで半導体素子１１２の下面１１２ｂをリードフレーム１０８へ接合する。このような手順によると、金属ブロック１１８に生じる熱収縮を利用して、半導体素子１１２を下面１１２ｂ側へ凸状に変形させることができ、その後の半導体素子１１２とリードフレーム１０８との接合において、はんだ１３２に生じるボイドを低減することができる。半導体素子１１２からの放熱を妨げるボイドが抑制されることから、意図した冷却性能を発揮する半導体モジュール１１０を製造することができる。

以上、いくつか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。本明細書又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る。

１０、１１０：半導体モジュール
１２、１１２：半導体素子
１２ａ、１１２ａ：半導体素子の上面
１２ｂ、１１２ｂ：半導体素子の下面
１８：金属ブロック
２０、１２０：上側放熱板
２２、１２２：下側放熱板
２６、１２６：モールド樹脂
２８、３０、３２、１２８、１３０、１３２：はんだ
１０６：プライマ
１０８：リードフレーム

Claims (1)

1. 半導体モジュールの製造方法であって、
   半導体素子の一方の面に、はんだを介して第１導体板を接合する第１工程と、
   前記第１工程後の前記半導体素子の他方の面を、はんだを介して第２導体板に接合する第２工程と、を備え、
   前記第１導体板のサイズは、前記半導体素子のサイズよりも小さく、前記第２導体板のサイズは、前記半導体素子のサイズよりも大きく、
   前記第１導体板の線膨張係数は、前記半導体素子の線膨張係数よりも大きい、半導体モジュールの製造方法。

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