JP7167574B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関する。

一般に、半導体素子は、その作動に伴い発熱する。特に、出力電力が比較的大きい半導体素子の発熱量は大きい。そのため、例えば、下記特許文献１の半導体装置では、半導体素子の熱破壊を防止するため、半導体素子に、放熱器（例えば、放熱フィン）が装着され、その冷却効率が高められている。

従来の半導体装置は、例えば、次のようにして製造されている。まず、薄板状の半導体素子の両面（上面及び下面）に電極板がそれぞれ接合される。つぎに、半導体素子及び電極板の耐衝撃性を向上させるため、及び電極間の沿面放電を防止するため、半導体素子及び電極板の一部が合成樹脂材で封止される。具体的には、前記電極板が接合された半導体素子が、所定の金型（枠部材）内に載置され、その金型内に合成樹脂材（例えば、熱硬化性樹脂材）が流し込まれ、合成樹脂材が固化される。これにより、半導体素子の上面部及び外周部が合成樹脂材によって覆われる。なお、半導体素子の下側の電極板の下面は露出している。

つぎに、放熱器の表面に、電気絶縁シートが載置され、その電気絶縁シートの上に、半導体素子が載置される。つまり、半導体素子の下側の電極板の下面が電気絶縁シートの上面に当接される。なお、電気絶縁シートは、電気絶縁材（例えば、熱可塑性樹脂材）で構成され、半導体素子に接合された電極板と放熱器との間を電気的に絶縁する。最後に、電気絶縁シート（又は装置全体）が加熱されて、電気絶縁シートの表面が軟化され、電気絶縁シートと、電極板及び放熱器とが密着される。その後、電気絶縁シートが冷却されて固化し、電気絶縁シートと、電極板及び放熱器とが接着される。

特開平１１－２０４７００号公報

半導体装置において、半導体素子の熱を放熱器へ効率的に伝達させるため、例えば、熱伝導率の高い材料（フィラー）を含む電気絶縁シートを用いるとよい。フィラーの種類によっては、熱を伝達させる方向（つまり、電気絶縁シートの板厚方向）に、フィラーの結晶を配列させる（配向させる）ことにより、熱伝導率を高く設定できる。しかし、このようにフィラーを予め配向させた電気絶縁シートを用いたとしても、その接着工程にて、電気絶縁シートの表面を軟化させた際に、フィラーの配向が崩れてしまい、電気絶縁シートの熱伝導率が低下していた。そのため、半導体装置の冷却効率が低く、出力電力が制限される。

本発明は上記課題に対処するためになされたもので、その目的は、冷却効率を向上させて、出力電力を増大させた半導体装置を提供することにある。なお、下記本発明の各構成要件の記載においては、本発明の理解を容易にするために、実施形態の対応箇所の符号を括弧内に記載しているが、本発明の各構成要件は、実施形態の符号によって示された対応箇所の構成に限定解釈されるべきものではない。

上記目的を達成するために、本発明の特徴は、板状の半導体素子（１１１Ａ，１１１Ｂ）と、前記半導体素子の両側面にそれぞれ電気的に接続された第１電極板（１１２）及び第２電極板（１２Ｐ，１２Ｎ）と、前記第１電極板の側面部であって、前記半導体素子とは反対側の側面部に電気絶縁シート（３０）を介して装着された放熱器（２０）と、を備えた半導体装置（１）であって、前記電気絶縁シートは、所定の方向へ配向された熱伝達材を含み、前記電気絶縁シートの外周縁部を拘束して前記電気絶縁シートの変形を抑制しつつ、前記半導体素子、前記第１電極板、前記第２電極板及び前記電気絶縁シートを前記放熱器に固定する接合部材を備え、前記接合部材は熱硬化性樹脂材を含み、前記電気絶縁シートの前記熱伝達材が、熱可塑性樹脂材により前記所定の方向へ配向された状態に保持されており、前記熱可塑性樹脂材の軟化温度が、前記熱硬化性樹脂材の２次硬化温度以下である、半導体装置としたことにある。

また、この場合、前記放熱器の側面部の外周縁部に沿って延びる周壁部が設けられ、前記周壁部によって囲まれた領域に、前記半導体素子、前記第１電極板、前記第２電極板及び前記電気絶縁シートが配置されているとよい。

また、本発明の特徴は、所定の方向へ配向された熱伝達材を含む電気絶縁シートを、放熱器の上面に配置する工程と、前記電気絶縁シートの上面に、未封止状態の半導体回路を載置する工程と、前記半導体回路及び前記電気絶縁シートの周囲に熱硬化性樹脂を充填した状態で、前記熱硬化性樹脂を加熱して硬化させる工程と、を含み、前記電気絶縁シートの前記熱伝達材が、熱可塑性樹脂材により前記所定の方向へ配向された状態に保持されており、前記熱可塑性樹脂材の軟化温度が、前記熱硬化性樹脂材の２次硬化温度以下である、半導体装置の製造方法としたことにある。

本発明に係る半導体装置では、絶縁シートの外周部が接合部材により拘束されている。そのため、電気絶縁シートを電極板及び放熱器に接着するために、電気絶縁シートを少し軟化させたとしても、電気絶縁シートの外形が維持され、電気絶縁シート内の熱伝達材（フィラー）の配向も、崩されること無く維持される。よって、電気絶縁シートの伝熱性能（熱伝導率）が損なわれない。つまり、本発明によれば、半導体装置の冷却効率を向上させることができる。そのため、半導体装置の出力電力を増大させることができる。

本発明の一実施形態に係る半導体装置（インバータ装置）の回路図である。 半導体装置の斜視図である。 半導体装置の分解斜視図である。 スイッチング回路の分解斜視図である。 アーム回路の分解斜視図である。 図２のＡ－Ａ断面図である。

本発明の一実施形態に係る半導体装置１について説明する。半導体装置１は、インバーター装置である。なお、本実施形態は、本発明をインバーター装置に適用した例であるが、本発明は、他の半導体装置にも適用可能である。

半導体装置１は、図１に示すように、例えばハイブリッド車の走行用の電動モータＭＴ（三相交流モータ）を駆動する。すなわち、半導体装置１は、制御回路ＣＴＬから供給された駆動信号に基づいて、直流電力を三相交流電力に変換して電動モータＭＴに供給する。

半導体装置１は、図２及び図３に示すように、インバーター回路１０、放熱器２０及び電気絶縁シート３０を備える。インバーター回路１０は、図４に示すように、アーム回路１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ、バスバー１２Ｐ，１２Ｎを備える。

つぎに、アーム回路１１Ｕの構成について説明する。なお、アーム回路１１Ｖ，１１Ｗの構成は、アーム回路１１Ｕの構成と同一であるので、以下、アーム回路１１Ｕについて説明し、アーム回路１１Ｖ，１１Ｗの説明を省略する。

アーム回路１１Ｕは、図５に示すように、半導体素子（トランジスタ）１１１Ａ_，１１１Ｂ及びバスバー１１２を備える。半導体素子１１１Ａと半導体素子１１１Ｂの構成は同一である。半導体素子１１１Ａ，１１１Ｂは、薄板状に形成されている。半導体素子１１１Ａ，１１１Ｂは、平面視において略正方形を呈する。半導体素子１１１Ａ，１１１Ｂの１辺の寸法は、例えば１０ｍｍである。半導体素子１１１Ａ，１１１Ｂの厚さは、例えば、０．１ｍｍで ある。以下の説明において、半導体素子１１１Ａ（１１１Ｂ）の厚さ方向を上下方向と呼ぶ。また、半導体素子１１１Ａ（１１１Ｂ）の一方の辺に沿う方向を左右方向と呼び、他方の辺に沿う方向（すなわち、上下方向及び左右方向に垂直な方向）を前後方向と呼ぶ。

半導体素子１１１Ａ，１１１Ｂの表面Ｓ１には、ソース電極ＳＰが形成されている（図５参照）。また、半導体素子１１１Ａ，１１１Ｂの裏面Ｓ２には、ドレイン電極ＤＰが形成されている。なお、図示しないゲート電極が半導体素子１１１Ａの表面Ｓ１又は裏面Ｓ２に形成されている。

バスバー１１２は、板状にそれぞれ形成された上段部１１２Ｕ、下段部１１２Ｌ及び接続部１１２Ｃを有する。上段部１１２Ｕ及び下段部１１２Ｌは前後方向に延設されている。上段部１１２Ｕが下段部１１２Ｌの後方且つ上方に位置している。上段部１１２Ｕ及び下段部１１２Ｌの板厚方向が上下方向に平行である。接続部１１２Ｃは、上段部１１２Ｕと下段部１１２Ｌとの間に位置している。接続部１１２Ｃの板厚方向が前後方向に平行である。接続部１１２Ｃの上端が上段部１１２Ｕの前端に接続され、接続部１１２Ｃの下端が下段部１１２Ｌの後端に接続されている。

下段部１１２Ｌの上面には、半導体素子１１１Ａの裏面Ｓ２（ドレイン電極）が接続されている。また、上段部１１２Ｕの下面には、半導体素子１１１Ｂの表面Ｓ１（ソース電極）が接続されている。

上記のように構成された、アーム回路１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗが左右方向に等間隔に配置されている。

バスバー１２Ｐ，１２Ｎは、左右方向に延びる長方形の平板部材である（図４参照）。アーム回路１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗの各半導体素子１１１Ａの表面Ｓ１（ソース電極）が、バスバー１２Ｐを介して接続されている。また、アーム回路１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗの各半導体素子１１１Ｂの裏面Ｓ２（ドレイン電極）が、バスバー１２Ｎを介して接続されている。なお、インバーター回路１０の下面（バスバー１１２の下段部１１２Ｌの下面及びバスバー１２Ｎの下面）は、同一平面内に位置している。

放熱器２０は、角筒部２１、複数のフィン２２及び周壁部２３を備える（図３参照）。角筒部２１及び複数のフィン２２は、金属製（例えば、アルミニウム合金製）であり、周壁部２３は、合成樹脂製である。角筒部２１は、上下一対の上壁部２１１及び下壁部２１２と、左右一対の左壁部２１３及び右壁部２１４を有する。上壁部２１１及び下壁部２１２は、左右方向にそれぞれ延びる長方形の板状部である。上壁部２１１及び下壁部２１２の壁厚方向が上下方向に一致している。左壁部２１３及び右壁部２１４は、前後方向にそれぞれ延びる長方形の板状部である。左壁部２１３及び右壁部２１４の壁厚方向が左右方向に一致している。左壁部２１３の上端部が、上壁部２１１の左端部に接続され、左壁部２１３の下端部が、下壁部２１２の左端部に接続されている。右壁部２１４の上端部が、上壁部２１１の右端部に接続され、右壁部２１４の下端部が、下壁部２１２の右端部に接続されている。

各フィン２２は、左壁部２１３（右壁部２１４）に対して平行な板状部である。各フィン２２は、角筒部２１内にて、左右方向に等間隔に配置されている。各フィン２２の上端部が、上壁部２１１に接続され、各フィン２２の下端部が、下壁部２１２に接続されている。

周壁部２３は、角筒部２１の上面に配置されている。周壁部２３は、角筒部２１の外周縁部に沿って延びる枠状の壁部である。周壁部２３は、合成樹脂製である。周壁部２３は、角筒部２１の上面に接着されている。この周壁部２３によって囲まれた領域に、インバーター回路１０が配置されている。そして、アーム回路１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗの各下段部１１２Ｌの下面、及びバスバー１２Ｎの下面が、上壁部２１１の上面に、電気絶縁シート３０を介して接着されている。

電気絶縁シート３０は、熱可塑性樹脂製のシート状部材である。電気絶縁シート３０は、インバーター回路１０と放熱器２０との間に挟みこまれて、インバーター回路１０と放熱器２０とを、電気的に絶縁する。電気絶縁シート３０は、フィラー（例えば、六方晶窒化ホウ素）を含む。電気絶縁シート３０内において、フィラーが所定の方向に配列されている。これにより、電気絶縁シート３０のシート厚方向の熱伝導率が高く設定されている。なお、アーム回路１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗの半導体素子１１１Ａ、１１１Ｂの下方に、電気絶縁シート３０がそれぞれ配置されている。

インバーター回路１０は、熱硬化性樹脂材（例えば、エポキシ樹脂材）によって、放熱器２０に固定されている。前記熱硬化性樹脂材は、電気絶縁シート３０の外周部に達しており、これにより、電気絶縁シート３０が固定されている。また、電気絶縁シート３０の上面及び下面は、インバーター回路１０及び上壁部２１１にそれぞれ密着している。

なお、アーム回路１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗのバスバー１１２が、電動モータＭＴのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の端子にそれぞれ接続される。また、バスバー１２Ｐ，１２Ｎが直流電源回路の出力端子にそれぞれ接続される。また、アーム回路１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗの図示しないゲート電極が、制御回路ＣＴＬに接続される。

つぎに、半導体装置１の製造手順について説明する。

インバーター回路１０は次のようにして製造される。まず、半導体素子１１１Ａ，１１１Ｂにバスバー１１２が接合されて、アーム回路１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗが製造される（図５参照）。つぎに、アーム回路１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗが左右方向に等間隔に配置され、各回路の半導体素子ー１１１Ａ，１１１Ｂにバスバー１２Ｐ，１２Ｎが接合されて、インバーター回路１０が製造される（図４参照）。

また、放熱器２０は、次のようにして製造される。まず、押出成形法を用いて、角筒部２１及び複数のフィン２２が一体的に製造される。一方、周壁部２３が、押出成形法、射出成形法などを用いて製造される。つぎに、上壁部２１１の上面に、周壁部２３が接着される。なお、周壁部２３が、角筒部２１、複数のフィン２２と同様のアルミニウム合金製であってもよい。この場合、角筒部２１、複数のフィン２２及び周壁部２３が一体的に製造されてもよい。

電気絶縁シート３０は、周知の製造方法（例えば、特開２０１７－３７８３３号公報）を用いて製造される。

つぎに、アーム回路１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗの半導体素子１１１Ａ，１１１Ｂに対応した６枚の電気絶縁シート３０が、上壁部２１１の上面（周壁部２３によって囲まれた領域）に配置される（図３参照）。つぎに、インバーター回路１０（未封止状態の半導体回路）が、電気絶縁シート３０の上に載置される。つまり、インバーター回路１０と上壁部２１１との間に電気絶縁シート３０が挟みこまれる。つぎに、インバーター回路１０が下方へ押圧される。例えば、図示しない錘がインバーター回路１０の上に載置される。これにより、電気絶縁シート３０が上壁部２１１及びインバーター回路１０の下面に密着される。

つぎに、上記のように設定された装置が、真空チャンバー内に搬入される。そして、インバーター回路１０の周囲に熱硬化性樹脂材（例えば、エポキシ樹脂材）が真空注入される。この状態では、エポキシ樹脂材の液面が、インバーター回路１０の略上端に達している（図６参照）。つぎに、真空チャンバー内にて熱硬化性樹脂材が加熱されて硬化される。具体的には、まず、１次硬化温度（例えば、１５０℃）にて、熱硬化性樹脂材が加熱されて、仮硬化される。この１次硬化処理の時間は、例えば、３０分である。これにより、インバーター回路１０及び電気絶縁シート３０が仮固定される。なお、１次硬化温度では、電気絶縁シート３０を構成している熱可塑性樹脂材は軟化しない。

つぎに、２次硬化温度（例えば、２５０℃）にて、熱硬化性樹脂材が加熱されて硬化される。この２次硬化処理の時間が、例えば、２時間である。この２次硬化処理において、電気絶縁シート３０を構成している熱可塑性樹脂材が少し軟化する。そして、その後、真空チャンバーから半導体装置１が取り出されて冷却されることにより、電気絶縁シート３０が固化する。上記のようにして、インバーター回路１０（半導体素子１１１Ａ，１１１Ｂ）が封止されるとともに、インバーター回路１０が放熱器２０に固定され、且つ電気絶縁シート３０が、上壁部２１１及びインバーター回路１０の下面に接着される。なお、本実施形態では、電気絶縁シート３０によるインバーター回路１０と放熱器２０との接合力は比較的小さく、インバーター回路１０は、主に、熱硬化性樹脂材によって放熱器２０に接合されている。

上記のように、本実施形態では、１次硬化処理により、電気絶縁シート３０の周囲の熱硬化性樹脂材が仮硬化している。よって、２次硬化処理において、電気絶縁シート３０を構成している熱可塑性樹脂材が少し軟化した際、電気絶縁シート３０の外形が維持され、電気絶縁シート３０内のフィラーの配向も、崩されること無く維持される。よって、電気絶縁シート３０の伝熱性能（熱伝導率）が損なわれない。つまり、半導体装置１の冷却効率を、従来の半導体装置に比べて向上させることができる。そのため、半導体装置１の出力電力を増大させることができる。

さらに、本発明の実施にあたっては、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

例えば、上記の熱硬化性樹脂材に替えて、シリコーン材を用いても良い。また、例えば、上記の熱硬化性樹脂材に熱伝達材としてのフィラーが含有されていても良い。この場合、電気絶縁シート３０のフィラー含有量（体積密度）が、熱硬化性樹脂材のフィラー含有量（体積密度）に比べて大きいとよい。

１・・・半導体装置、１０・・・インバーター回路、１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ・・・アーム回路、１１１Ａ，１１１Ｂ・・、半導体素子、１１２・・・バスバー、１２Ｐ，１２Ｎ・・・バスバー、２０・・・放熱器、２１・・・角筒部、２２・・・フィン、２３・・・周壁部、３０・・・電気絶縁シート、２１１・・・上壁部、２１２・・・下壁部、２１３・・・左壁部、２１４・・・右壁部、ＣＴＬ・・・制御部、ＤＰ・・・ドレイン電極、ＭＴ・・・電動モータ、ＳＰ・・・ソース電極

Claims (3)

1. 板状の半導体素子と、
   前記半導体素子の両側面にそれぞれ電気的に接続された第１電極板及び第２電極板と、
   前記第１電極板の側面部であって、前記半導体素子とは反対側の側面部に電気絶縁シートを介して装着された放熱器と、を備えた半導体装置であって、
   前記電気絶縁シートは、所定の方向へ配向された熱伝達材を含み、
   前記電気絶縁シートの外周縁部を拘束して前記電気絶縁シートの変形を抑制しつつ、前記半導体素子、前記第１電極板、前記第２電極板及び前記電気絶縁シートを前記放熱器に固定する接合部材を備え、
   前記接合部材は熱硬化性樹脂材を含み、
   前記電気絶縁シートの前記熱伝達材が、熱可塑性樹脂材により前記所定の方向へ配向された状態に保持されており、
   前記熱可塑性樹脂材の軟化温度が、前記熱硬化性樹脂材の２次硬化温度以下である、半導体装置。
2. 請求項１に記載の半導体装置において、
   前記放熱器の側面部の外周縁部に沿って延びる周壁部が設けられ、
   前記周壁部によって囲まれた領域に、前記半導体素子、前記第１電極板、前記第２電極板及び前記電気絶縁シートが配置されている、半導体装置。
3. 所定の方向へ配向された熱伝達材を含む電気絶縁シートを、放熱器の上面に配置する工程と、
   前記電気絶縁シートの上面に、未封止状態の半導体回路を載置する工程と、
   前記半導体回路及び前記電気絶縁シートの周囲に熱硬化性樹脂材を充填した状態で、前記熱硬化性樹脂材を加熱して硬化させる工程と、を含み、
   前記電気絶縁シートの前記熱伝達材が、熱可塑性樹脂材により前記所定の方向へ配向された状態に保持されており、
   前記熱可塑性樹脂材の軟化温度が、前記熱硬化性樹脂材の２次硬化温度以下である、半導体装置の製造方法。

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