JP7523419B2 - 電力用半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本願は、電力用半導体装置の製造方法に関するものである。
主に電力変換に用いられるパワーモジュールは、半導体素子が接合材により熱伝導性を有したヒートスプレッダなどに接合され、半導体素子とヒートスプレッダとが樹脂部材により封止されたものである。パワーモジュールは、近年、大容量化及び小型化が進められており、小型で冷却効率が良く、信頼性の高いパワーモジュールが求められている。半導体素子のサイズを大型化させずにパワーモジュールの大容量化を実現するためには、半導体素子に大電流を流すので、半導体素子が発する熱を効率よく外部に拡散させる必要がある。そのため、半導体素子とヒートシンクなどの冷却器との間に設ける放熱部材、絶縁部材、及び接合部材の低熱抵抗化が図られている。
放熱部材、絶縁部材、及び接合部材の熱抵抗を比較すると、放熱部材と接合部材は主に電流を流す役割を担う部材であることから、一般的に熱抵抗は小さい。一方、絶縁部材は、冷却器を付与したパワーモジュールにおいて、冷却器と半導体素子との間を絶縁して切り離す役割を有する。そのため、絶縁部材の熱抵抗は高くなる傾向がある。絶縁部材の低熱抵抗化を実現する部材について開示されている（例えば特許文献１参照）。
開示された絶縁部材の構成は、気孔が三次元的に連続している多孔性の窒化物系セラミックス焼結体中に、熱硬化性樹脂組成物が不完全硬化状態で含浸している窒化物系セラミックス樹脂複合体の基板である。特許文献１の実施例では、開示した構成により、絶縁破壊電圧は１０．０ｋＶ、２５℃における熱伝導率は１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）であったと記載されている。これらの値は、冷却器と半導体素子との間を絶縁して切り離すと共に、冷却器と半導体素子との間を低熱抵抗化する絶縁部材に適用可能な値である。
従来の絶縁部材である絶縁樹脂層を有した半導体装置の構成が開示されている（例えば特許文献２参照）。絶縁樹脂層は、半導体素子を搭載したヒートスプレッダと銅板との間に設けられ、銅板に冷却器が熱的に接続されている。開示された絶縁樹脂層は、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂の中に熱伝導性の高いセラミック粒子などの無機粉末充填材が含有された構成を有している。高熱伝導性の無機充填材としては、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素、酸化アルミニウム（アルミナ）、酸化ケイ素（シリカ）、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、酸化チタンなどのセラミック粒子が適していると記載されている。
国際公開第２０１９／１１１９７８号 特開２０２１－１１１７６５号公報
上記特許文献１においては、窒化物系セラミックス樹脂複合体の基板は、優れた絶縁破壊電圧と熱伝導率を有している。しかしながら、窒化物系セラミックス樹脂複合体の基板をパワーモジュールに適用した具体的な構成の開示はなく、開示した窒化物系セラミックス樹脂複合体を熱伝導性絶縁接着シートに加工して、金属板または金属回路基板等の被着体に熱伝導性絶縁接着シートを加熱圧着させることのみが開示されている。絶縁性が確保された２枚の金属回路基板を構成するためには、半硬化状態の樹脂を含浸させたセラミックス樹脂複合体の基板を金属回路基板ではさみ、加熱して圧着し、絶縁された２枚の金属回路基板を構成するものと推測される。このような製造方法を用いると、加熱して圧着する際、セラミックス樹脂複合体の基板の金属回路基板と当接されていない外周部が解放状態のままで当接した箇所が加圧されることになる。半硬化状態の樹脂は、解放されている外周部の方向に流動する。この時、セラミックス樹脂複合体の内部に発生する圧力に注目すると、セラミックス樹脂複合体の重心で内圧が最大となり、セラミックス樹脂複合体の解放されている側面では側面部分にかかる圧力がゼロとなる。セラミックス樹脂複合体の基板の内部にかかる圧力は外周部に近いほど小さくなるため、セラミックス樹脂複合体の基板の内部の特に外周部近傍に存在する空隙に樹脂を充填させることができないので、空隙が残った箇所において放電の経路が形成されてセラミックス樹脂複合体の絶縁信頼性が低下するという課題があった。
上記特許文献２においては、絶縁樹脂層は、加圧により空隙が残る箇所はないため、半導体素子を搭載したヒートスプレッダと銅板との間を絶縁することはできる。しかしながら、開示された構成の樹脂絶縁層が実現できる熱伝導率は高くても１６Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度であるため、絶縁部材の低熱抵抗化が十分ではないという課題があった。また、樹脂部材による成形時に、熱硬化性樹脂とセラミック粒子との双方が周囲に流動するため、流れた樹脂により放電の経路が形成されて絶縁信頼性が低下するという課題があった。
そこで、本願は、絶縁信頼性の低下を抑制しつつ、高放熱化を実現したパワーモジュール、電力用半導体装置、及びこれらの製造方法を得ることを目的としている。
本願に開示される電力用半導体装置の製造方法は、熱伝導性を有する板状のヒートスプレッダと、ヒートスプレッダの一方の面に少なくとも熱的に接続された半導体素子と、一方の面が前記ヒートスプレッダの他方の面に熱的に接続される板状の高放熱絶縁接着シートと、一方の面が高放熱絶縁接着シートの他方の面に、外周端の位置が高放熱絶縁接着シートの外周端の位置と同等であるように熱的に接続され、他方の面が冷却器に熱的に接続される面である金属板と、複数の放熱フィンを有した冷却器とを用意する部材用意工程と、ヒートスプレッダ、半導体素子、高放熱絶縁接着シート、及び金属板を金型内に配置した状態で、金型内に硬化していない封止樹脂部材を加圧注入して、パワーモジュールを作製する封止樹脂部材注入工程と、冷却器を前記封止樹脂部材から露出した金属板の面に金属接合体を介して熱的に接続する冷却器接続工程とを備え、金属板は、封止樹脂部材注入工程の実行後において、金属板の他方の面が封止樹脂部材から露出し、高放熱絶縁接着シートは、セラミックス粒子が空隙を有し一体的に焼結された多孔性のセラミックス焼結体に樹脂が含浸された複合体であり、封止樹脂部材注入工程の実行前では、セラミックス焼結体は、樹脂が充填されていない空隙を有し、封止樹脂部材注入工程において、封止樹脂部材の注入圧力により、高放熱絶縁接着シートに圧力をかけ、樹脂が充填されていない空隙に前記樹脂を充填させ、冷却器接続工程では、冷却器は、金属板の外周端の位置よりも周囲に突出した部分を有する板状部、及び金属接合体とは反対側の冷却器の板状部の面に複数の冷却フィンを有し、板状部と複数の冷却フィンとは、一体的に形成された一体部材であり、板状部の金属接合体の側の面は、金属接合体を介して金属板の他方の面に熱的に接続され、パワーモジュールは、冷却器の前記突出した部分の端部よりも内側に設けられるように接続する。
本願に開示されるパワーモジュールによれば、板状のヒートスプレッダと、ヒートスプレッダの一方の面に少なくとも熱的に接続された半導体素子と、一方の面がヒートスプレッダの他方の面に熱的に接続された板状の高放熱絶縁接着シートと、一方の面が高放熱絶縁接着シートの他方の面に熱的に接続された金属板と、金属板の他方の面を露出させた状態で、これらの部材を封止した封止樹脂部材とを備え、高放熱絶縁接着シートは、セラミックス粒子が空隙を有し一体的に焼結された多孔性のセラミックス焼結体に樹脂が含浸された複合体であるため、セラミックス焼結体の空隙に放電の経路が形成されることがないので、パワーモジュールの絶縁信頼性の低下を抑制することができる。高放熱絶縁接着シートはセラミックス粒子が空隙を有し一体的に焼結された多孔性のセラミックス焼結体に樹脂が含浸された複合体であるため、パワーモジュールの高放熱化を実現することができる。
本願に開示されるパワーモジュールの製造方法によれば、板状のヒートスプレッダと、ヒートスプレッダの一方の面に少なくとも熱的に接続された半導体素子と、一方の面がヒートスプレッダの他方の面に熱的に接続される板状の高放熱絶縁接着シートと、一方の面が高放熱絶縁接着シートの他方の面に熱的に接続される金属板とを用意する部材用意工程と、ヒートスプレッダ、半導体素子、高放熱絶縁接着シート、及び金属板を金型内に配置した状態で、金型内に硬化していない封止樹脂部材を加圧注入する封止樹脂部材注入工程とを備え、高放熱絶縁接着シートは、セラミックス粒子が空隙を有し一体的に焼結された多孔性のセラミックス焼結体に樹脂が含浸された複合体であり、封止樹脂部材注入工程の実行前では、セラミックス焼結体は樹脂が充填されていない空隙を有し、封止樹脂部材注入工程において、封止樹脂部材の注入圧力により高放熱絶縁接着シートに圧力をかけ、樹脂が充填されていない空隙に樹脂を充填させるため、空隙に放電の経路が形成されることがないので、高放熱絶縁接着シートの端部を含む、高放熱絶縁接着シートの全体の絶縁信頼性を大きく向上させることができ、パワーモジュールの絶縁信頼性の低下を抑制することができる。
実施の形態１に係る電力用半導体装置の概略を示す斜視図である。 図１のＡ－Ａ断面位置で切断した電力用半導体装置の概略を示す断面図である。 実施の形態１に係る別の電力用半導体装置の概略を示す断面図である。 実施の形態１に係る別の電力用半導体装置の概略を示す断面図である。 実施の形態１に係る電力用半導体装置の製造工程を示す図である。 実施の形態１に係る電力用半導体装置の製造工程におけるパワーモジュール中間体の側面図である。 実施の形態１に係る電力用半導体装置の製造工程におけるパワーモジュール中間体の側面図である。 実施の形態１に係る電力用半導体装置の製造工程を説明する図である。 実施の形態１に係る電力用半導体装置の製造工程におけるパワーモジュール中間体の斜視図である。 図９のＢ－Ｂ断面位置で切断したパワーモジュール中間体の概略を示す断面図である。 実施の形態２に係る電力用半導体装置の概略を示す断面図である。 図１１のＣ－Ｃ断面位置で切断した電力用半導体装置の概略を示す断面図である。 実施の形態３に係る電力用半導体装置の概略を示す断面図である。 実施の形態４に係る電力用半導体装置の概略を示す斜視図である。 図１４のＤ－Ｄ断面位置で切断した電力用半導体装置の概略を示す断面図である。 高放熱絶縁接着シートを用いた構成の比較例を示す図である。
以下、本願の実施の形態によるパワーモジュール、電力用半導体装置、及びこれらの製造方法を図に基づいて説明する。なお、各図において同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。
実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る電力用半導体装置１００の概略を示す斜視図、図２は図１のＡ－Ａ断面位置で切断した電力用半導体装置１００の概略を示す断面図、図３は実施の形態１に係る別の電力用半導体装置１００の概略を示す断面図、図４は実施の形態１に係る別の電力用半導体装置１００の概略を示す断面図、図５は電力用半導体装置１００の製造工程を示す図である。電力用半導体装置１００は電力制御用半導体素子などの半導体素子１が搭載されたパワーモジュール２００を有し、電力変換を行う装置などに用いられる。本実施の形態で示す断面図において、各部材が上方向に有した面を一方の面とし、各部材が下方向に有した面を他方の面とする。
＜電力用半導体装置１００＞
電力用半導体装置１００は、パワーモジュール２００と冷却器９とを備える。冷却器９は、図２に示すように、封止樹脂部材５から露出した金属板７の面に金属接合体８を介して熱的に接続される。冷却器９は、例えば、熱伝導性に優れたアルミ合金または銅材により作製される。冷却器９の材料は、軽量なため電力用半導体装置１００の全体の重量の考慮が不要で、耐食性に優れるため腐食の影響を考慮しなくてよいアルミ合金が好ましい。具体的な材料としては、ダイカスト成形に適したＡＤＣ１２、または鍛造及び切削加工に適用でき、熱伝導率が高いＡ６０６３がより好適である。
冷却器９は、金属接合体８とは反対側の冷却器９の面に、平板状に形成された複数の放熱フィン９ａを備える。放熱フィン９ａは、パワーモジュール２００の内部の半導体素子１で生じた熱をさらに効率的に外部に排熱するために設けられる。放熱フィン９ａは、切削、ダイカスト成形、または鍛造などにより冷却器９に設けられる。冷却器９に付与する放熱構造は放熱フィン９ａに限るものではなく、冷却器９に水、不凍液等の冷却液を通すための流路を形成しても構わない。
金属接合体８は、例えば半田である。金属接合体８は、半田に限るものではなく、高熱伝導材である焼結Ａｇまたは焼結Ｃｕであってもよく、超音波接合または溶接等の接合方法を選択しても構わない。なお、金属接合体８は、後述するパワーモジュール２００の内部に用いる接合体４の材料とのバランスを考慮して選択する必要がある。例えば、接合体４と金属接合体８を共に半田とした場合、金属接合体８の半田が低融点で、双方の融点差は３０℃以上、量産性を考慮すると４０℃以上となるような材料を選定すべきである。金属接合体８が接合体４よりも高融点な半田の場合、金属接合体８による接続時に、パワーモジュール２００の内部に用いる接合体４の部分が溶融して不具合が生じるおそれがある。接合体４が焼結Ａｇまたは焼結Ｃｕである場合、金属接合体８は半田でも、焼結Ａｇまたは焼結Ｃｕでも構わない。
このように電力用半導体装置１００を構成することで、パワーモジュール２００の内部の半導体素子１で生じた熱を冷却器９から効率的に外部に排熱することができる。また、冷却器９に放熱フィン９ａを設けた場合、半導体素子１で生じた熱を冷却器９からさらに効率的に外部に排熱することができる。
＜パワーモジュール２００＞
パワーモジュール２００は、図２に示すように、熱伝導性を有する板状のヒートスプレッダ３と、ヒートスプレッダ３の一方の面に少なくとも熱的に接続された半導体素子１と、一方の面がヒートスプレッダ３の他方の面に熱的に接続された板状の高放熱絶縁接着シート６と、一方の面が高放熱絶縁接着シート６の他方の面に熱的に接続された金属板７と、金属板７の他方の面を露出させた状態で、半導体素子１とヒートスプレッダ３と高放熱絶縁接着シート６と金属板７とを封止した封止樹脂部材５とを備える。本実施の形態では、パワーモジュール２００は、２つの半導体素子１ａ、１ｂを有するが、パワーモジュール２００が備える半導体素子１の数はこれに限るものではない。また本実施の形態では、板状に形成された半導体素子１は双方の面に電極を有する。半導体素子１が双方の面に電極を有した場合、半導体素子１はヒートスプレッダ３の一方の面に熱的かつ電気的に接続される。半導体素子１が一方の面にのみ電極を有した場合、半導体素子１はヒートスプレッダ３の一方の面に熱的に接続される。
パワーモジュール２００は、さらに半導体素子１の一方の面に電気的に接続された第１のリードフレーム２ａと、ヒートスプレッダ３の一方の面に電気的に接続された第２のリードフレーム２ｂと、半導体素子１の一方の面に設けられた制御パッドに電気的に接続された第３のリードフレーム２ｃ（図２において図示せず）を備える。封止樹脂部材５は、第１のリードフレーム２ａの半導体素子１に接続された部分から離れる方向に延出した第1のリードフレーム２ａの端部と、第２のリードフレーム２ｂのヒートスプレッダ３に接続された部分から離れる方向に延出した第２のリードフレーム２ｂの端部と、第３のリードフレーム２ｃの半導体素子１に接続された部分から離れる方向に延出した第３のリードフレーム２ｃの端部とを露出させて、第1のリードフレーム２ａと第２のリードフレーム２ｂと第３のリードフレーム２ｃとを封止する。
半導体素子１ａ、１ｂのそれぞれは、接合体４ａにより、ヒートスプレッダ３の一方の面に接続される。第1のリードフレーム２ａと第２のリードフレーム２ｂには、主電流が通電される。第1のリードフレーム２ａは、接合体４ｂにより、半導体素子１ａ、１ｂの一方の面に接続される。第２のリードフレーム２ｂは、接合体４ｃにより、ヒートスプレッダ３の一方の面に接続される。第３のリードフレーム２ｃには制御電流が通電される。第３のリードフレーム２ｃは、接合体４ｄにより、制御パッドに接続される。接合体４ｄと第３のリードフレーム２ｃとは、後述する製造方法を説明した図７に示す。
このようにパワーモジュール２００を構成することで、半導体素子１ａ、１ｂが動作した際に発生する熱は、接合体４ａ、ヒートスプレッダ３、高放熱絶縁接着シート６、金属板７の順に伝わる。金属板７に伝わった熱は、金属接合体８を介して冷却器９に伝わり、冷却器９から外部に放熱される。
パワーモジュール２００において、高放熱絶縁接着シート６とヒートスプレッダ３、及び高放熱絶縁接着シート６と金属板７とが当接していて、高放熱絶縁接着シート６とヒートスプレッダ３との間、及び高放熱絶縁接着シート６と金属板７との間には、高放熱絶縁接着シート６の構成物のみが介在している構成が望ましい。封止樹脂部材５によりパワーモジュール２００の内部の構成材を封止する際、高放熱絶縁接着シート６とヒートスプレッダ３との間、及び高放熱絶縁接着シート６と金属板７との間に封止樹脂部材５が介在してしまうことがある。これらの間に封止樹脂部材５が介在した場合、封止樹脂部材５が介在した部分は、介在しない他の部分と比べて介在した封止樹脂部材５の分だけ厚くなる。そのため、封止樹脂部材５が介在した部分の放熱性が悪化する。高放熱絶縁接着シート６とヒートスプレッダ３、及び高放熱絶縁接着シート６と金属板７とを当接させた場合、高放熱絶縁接着シート６とヒートスプレッダ３との間、及び高放熱絶縁接着シート６と金属板７との間には高放熱絶縁接着シート６の構成物のみが介在しているので、パワーモジュール２００の放熱性の低下を防止することできる。
後述する封止樹脂部材注入工程における金型保持時間、封止樹脂部材５の注入圧力などの調整により、高放熱絶縁接着シート６とヒートスプレッダ３、及び高放熱絶縁接着シート６と金属板７とを当接させる構成を作製することができる。なお、高放熱絶縁接着シート６の外周に近い部分など絶縁性にも放熱性にも影響が小さい部分では、高放熱絶縁接着シート６の構成物ではない封止樹脂部材５などが介在しても絶縁性及び放熱性の観点からは構わない。ただし、封止樹脂部材５などの介在した部材が、金属回路基板などで生じるクラックの起点になる可能性がある。そのため、高放熱絶縁接着シート６とヒートスプレッダ３、及び高放熱絶縁接着シート６と金属板７とが当接している構成が望ましい。
＜パワーモジュール２００の構成材＞
パワーモジュール２００の構成材のそれぞれについて説明する。構成材の材料は一例であり、記載した材料に限るものではない。半導体素子１ａ、１ｂは、例えばＳｉによって形成される。半導体素子１ａ、１ｂは、ワイドバンドギャップを有した半導体材料から形成しても構わない。ワイドバンドギャップ半導体は、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＯ、ダイヤモンドからなる群から選択される材料により形成される。半導体素子１ａ、１ｂがワイドバンドギャップを有した半導体材料からなる場合、半導体素子１ａ、１ｂの損失を削減することができる。半導体素子１ａ、１ｂの損失が削減できるので、電力用半導体装置１００の大容量化を容易に行うことができる。
第１のリードフレーム２ａ、第２のリードフレーム２ｂ、第３のリードフレーム２ｃは、例えば、電気伝導度が高い銅、アルミニウム、銀、銅クラッド材から作製される。第１のリードフレーム２ａ及び第２のリードフレーム２ｂには大電流を通電する必要があるため、純銅（Ｃ１０２０）等の低い電気抵抗率を有した材料を選択することが好ましい。第１のリードフレーム２ａ、第２のリードフレーム２ｂ、第３のリードフレーム２ｃは、例えば、一定の厚みを有した金属平板をプレス金型などにより打ち抜いた板金により作製される。
本実施の形態では、半導体素子１はヒートスプレッダ３の一方の面に熱的かつ電気的に接続されるため、ヒートスプレッダ３は上述したリードフレームと同様に、例えば、電気伝導度が高い銅、アルミニウム、銀、銅クラッド材から作製される。ヒートスプレッダ３はリードフレームと比べて面積が大きいため、用いた材料の電気抵抗率がパワーモジュール２００の電気特性に与える影響は小さい。しかしながら、ヒートスプレッダ３はパワーモジュール２００の中で大きな体積と質量を占めるため、ヒートスプレッダ３の線膨張係数は、高放熱絶縁接着シート６及び金属接合体８の耐熱サイクル性に大きな影響を与える。耐熱サイクル性とは、熱サイクル試験後におけるパワーモジュール２００の絶縁性及び放熱性の劣化についての指標である。冷却器９の材料がＡ６０６３の場合、Ａ６０６３の線膨張係数は２１［ｐｐｍ／Ｋ］～２５［ｐｐｍ／Ｋ］である。Ａ６０６３の線膨張係数に近い材料を選ぶと、耐熱サイクル性は向上する。一方、放熱性の観点では、線膨張係数２１［ｐｐｍ／Ｋ］～２５［ｐｐｍ／Ｋ］を満足する材料よりも銅材を選ぶ方が高放熱化を実現しやすい。そのため、耐熱サイクル性と高放熱化のトレードオフの関係を考慮して、構成材を選択すると良い。
高放熱絶縁接着シート６は、セラミックス粒子が空隙を有し一体的に焼結された多孔性のセラミックス焼結体に樹脂が含浸された複合体である。セラミックス焼結体の空隙には、含浸された樹脂が充填されている。例えば、セラミックス焼結体における空隙の割合は１０％以下ならよく、理想的には０％である。樹脂は、例えば、熱硬化性樹脂組成物である。高放熱絶縁接着シート６は、半硬化状態の樹脂をセラミックス焼結体に含浸させた状態において封止樹脂部材５により封止される。封止後、アフターキュアにより、高放熱絶縁接着シート６と封止樹脂部材５とを硬化させる。例えば、高放熱絶縁接着シート６の絶縁破壊電圧は１０．０ｋＶ、２５℃における熱伝導率は１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。
金属板７は、例えば、ヒートスプレッダ３と同じ材料により作製される。金属板７とヒートスプレッダ３とを同じ材料にすることで、高放熱絶縁接着シート６が同じ材料で挟まれるため、耐熱サイクル性が向上する。金属接合体８でパワーモジュール２００と冷却器９とを接続する時の熱により発生する高放熱絶縁接着シート６の当接部の応力は緩和され、電力用半導体装置１００の使用時の熱サイクルに対する高放熱絶縁接着シート６の当接部の耐性が高くなる。理想的には、金属板７とヒートスプレッダ３とは同じ厚みであることが望ましい。金属板７の材料がヒートスプレッダ３と同じ無酸素銅であれば、０．３ｍｍ以上の厚みを有しても高放熱絶縁接着シート６に発生する応力は変化しないため、金属板７は０．３ｍｍ以上の厚みであることが好ましい。
封止樹脂部材５は、例えば、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂の中に無機充填剤を含有させた材料である。封止樹脂部材５は封止後に発生する応力が大きくなるため、パワーモジュール２００の構成材と封止樹脂部材５との間で剥離が発生しないように、構成材と線膨張係数が近い材料を封止樹脂部材５として選択するのが望ましい。具体的には、封止樹脂部材５は、パワーモジュール２００の中で大きな体積と質量を占めるヒートスプレッダ３の線膨張係数に近い材料が望ましい。例えば、ヒートスプレッダ３が無酸素銅であれば、封止樹脂部材５は１５［ｐｐｍ／Ｋ］～１９［ｐｐｍ／Ｋ］であるのがよい。また、封止樹脂部材５のガラス転移温度Ｔｇは、半導体素子１ａ、１ｂの最大定格温度以上であることが望ましく、例えば、１７５℃以上である。
接合体４ａ、４ｂ、４ｃは、例えば半田である。接合体４ａ、４ｂ、４ｃは、半田に限るものではなく、高熱伝導材である焼結Ａｇまたは焼結Ｃｕであっても構わない。同時に接続が可能であるという製造性の観点から、接合体４ｂ、４ｃは同じ材料としてもよく、接合体４ｂ、４ｃは超音波接合などの手法を用いて接合しても構わない。接合体４ａは、半導体素子１ａ、１ｂで発生した熱を冷却器９に伝える放熱経路に含まれる。そのため、焼結Ａｇまたは焼結Ｃｕのような高熱伝導材を接合体４ａとして選択することで、パワーモジュール２００のさらなる大容量化を実現することができる。また、本願に示す電力用半導体装置１００の構成は、後述する製造工程で説明するように高放熱絶縁接着シート６を設ける前に接合体４ａにより半導体素子１とヒートスプレッダ３とを接続する構成である。そのため、接合体４ａによる接続に対して温度及び加圧力などの制約条件を設けない点においても、電力用半導体装置１００の大容量化に寄与している。接合体４ｄは、図７に示すように、例えばボンディングワイヤである。制御電流は、主電流で扱う電力と比べてごくわずかであるため、接合体４ｄにボンディングワイヤを用いることができる。接合体４ｄをボンディングワイヤとした場合、ボンディングワイヤは、例えば、アルミニウム、銅、金などの材質を選択することができる。
＜比較例＞
高放熱絶縁接着シート６を利用した比較例について、図１６を用いて説明する。図１６は、高放熱絶縁接着シート６を用いた構成の比較例を示す側面図である。比較例では、板状に形成された高放熱絶縁接着シート６の両面のそれぞれに板状の金属回路基板２０が当接されている。絶縁性を確保した２枚の金属回路基板２０を構成するためには、半硬化状態の樹脂を含浸させた高放熱絶縁接着シート６を金属回路基板２０ではさみ、加熱して圧着し、絶縁された２枚の金属回路基板２０が構成される。圧着の際、圧力は図の矢印の方向に加えられる。
このような製造方法で金属回路基板２０を製造すると、加熱して圧着する際、高放熱絶縁接着シート６の金属回路基板２０と当接されていない外周部が解放状態のままで当接した箇所が加圧されることになる。半硬化状態の樹脂は、解放されている外周部の方向に流動する。この時、高放熱絶縁接着シート６の内部に発生する圧力に注目すると、高放熱絶縁接着シート６の重心で内圧が最大となり、高放熱絶縁接着シート６の解放されている外周部では外周部にかかる圧力がゼロとなる。高放熱絶縁接着シート６の基板の内部にかかる圧力は外周部に近いほど小さくなるため、高放熱絶縁接着シート６の基板の内部の特に外周部の近傍に存在する空隙に樹脂を充填させることができない。そのため、空隙が残った箇所において放電の経路が形成されるので、２枚の金属回路基板２０の絶縁信頼性は低下する。
＜本願の高放熱絶縁接着シート６の絶縁信頼性＞
加圧により空隙が残る箇所が存在する現象は、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂の中に熱伝導性の高いセラミック粒子などの無機粉末充填材を含有させた従来の絶縁樹脂層よりも、高放熱絶縁接着シート６において顕著に現れると考えられる。高放熱絶縁接着シート６の内圧は、流体力学に基づき、流動する樹脂の粘度及び流動速度によって変化する。樹脂の粘度が高いほど内圧は高くなるため、樹脂の粘度が高いほど空隙が樹脂で満たされるので高放熱絶縁接着シート６の絶縁性は高くなる。ただし、高放熱絶縁接着シート６の外周部が解放されている場合、前述の通り外周部にかかる圧力がゼロになる。従来の絶縁樹脂層も高放熱絶縁接着シート６でも、加熱して圧着する際、加熱により樹脂は軟化して流動する。従来の絶縁樹脂層では、樹脂とセラミック粒子とが一体になって流動する。一方、高放熱絶縁接着シート６では、セラミックス焼結体と含浸された樹脂とが一体になって流動することはない。そのため、仮に従来の絶縁樹脂層と高放熱絶縁接着シート６とで同じ樹脂を用いた場合でも、従来の絶縁樹脂層と比べ、高放熱絶縁接着シート６において樹脂の流動量が大きく、見かけの粘度が低くなる。よって、高放熱絶縁接着シート６では、内圧を高めつつ接着させる構造が重要である。
本願では、高放熱絶縁接着シート６などを金型内に配置した状態で、金型内に硬化していない封止樹脂部材５を加圧注入する。封止樹脂部材５により高放熱絶縁接着シート６を含む各部材を封止する際、閉空間で高放熱絶縁接着シート６をヒートスプレッダ３と金属板７に熱的に接続することにより、パスカルの原理に基づいて、高放熱絶縁接着シート６の全体に静水圧的な加圧力が発生する。封止樹脂部材５を金型に注入する前では、セラミックス焼結体は樹脂が充填されていない空隙を有する。封止樹脂部材５の注入時に、封止樹脂部材５の注入圧力により、高放熱絶縁接着シート６に圧力がかかり、樹脂が充填されていない空隙に樹脂は充填される。
このようにパワーモジュール２００を構成することで、高放熱絶縁接着シート６においてセラミックス焼結体の空隙には含浸された樹脂が充填されているため、空隙に放電の経路が形成されることがないので、パワーモジュール２００の絶縁信頼性の低下を抑制することができる。高放熱絶縁接着シート６は、セラミックス粒子が空隙を有し一体的に焼結された多孔性のセラミックス焼結体に樹脂が含浸された複合体であるため、例えば、２５℃における熱伝導率が１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）を有しているので、パワーモジュール２００の高放熱化を実現することができる。
＜パワーモジュール２００の電気的構成＞
パワーモジュール２００の電気的な接続構成について説明する。半導体素子１ａ、１ｂは、例えば、一方の面に能動面部と受動面部を有し、他方の面に能動面部を有する。これらの能動面部には、電力用半導体装置１００の主電流が通電される。半導体素子１ａ、１ｂの一方の面の能動面部は、接合体４ｂにより第１のリードフレーム２ａと接続され、パワーモジュール２００の外部へ電力を入出力する。半導体素子１ａ、１ｂの他方の面の能動面部は、接合体４ａによりヒートスプレッダ３と接続され、ヒートスプレッダ３に接続された第２のリードフレーム２ｂを介して、パワーモジュール２００の外部へ電力を入出力する。半導体素子１ａ、１ｂがスイッチング素子の場合、表面部の受動面部に、半導体素子１ａ、１ｂの動作に関わる制御パッドが設けられる。また、半導体素子１ａ、１ｂの過熱保護及び電流保護を目的とした保護用の制御パッドが設けられる場合もある。これらの制御パッドは、接合体４ｄにより第３のリードフレーム２ｃと接続される。接合体４ｄと第３のリードフレーム２ｃとは、後述する製造方法を説明した図７に示す。
半導体素子１ａ、１ｂの種類とパワーモジュール２００の電気的構成の例を、図２から図４を用いて説明する。図２では、半導体素子１ａはスイッチング素子であり、半導体素子１ｂはダイオードである。スイッチング素子は、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜型電界効果トランジスタ、Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ、Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）である。封止樹脂部材５から露出した第１のリードフレーム２ａの端部に線対称に、同様の構成のパワーモジュール２００をもう一つ配置して双方のリードフレームを接続した場合、２つのパワーモジュール２００により、例えばインバータ動作が可能となる。このような構成におけるそれぞれのパワーモジュール２００はアームと呼ばれ、一方のパワーモジュール２００を上アームと称し、他方のパワーモジュール２００を下アームと称する。アームでは、第２のリードフレーム２ｂから第１のリードフレーム２ａに通電する場合を順方向通電と称し、スイッチング素子側のみ通電される。一方、第１のリードフレーム２ａから第２のリードフレーム２ｂに通電する場合を還流通電と称し、ダイオードのみ通電される。
図３では、パワーモジュール２００は半導体素子１ａのみを有する。半導体素子１ａは、ダイオードの機能を内包したスイッチング素子で、例えば、ＲＣ－ＩＧＢＴまたはＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴである。この場合、順方向でも還流方向でも半導体素子１ａに電流が流れる。図２に示したスイッチング素子とダイオードとを組み合わせた構成と比べると、順方向でも還流方向でも同じ素子で発熱が生じることから発熱量が大きくなるため、より高放熱な構造が必要になる。
図４では、上アームと下アームを一つのパワーモジュール２００に一体化した構成を示す。半導体素子１ａ、１ｂの双方ともダイオードの機能を内包したスイッチング素子で、例えば、ＲＣ－ＩＧＢＴまたはＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴである。半導体素子１ａ、１ｂはそれぞれ別のヒートスプレッダ３に接続され、２つのヒートスプレッダ３の間は第４のリードフレーム２ｄにより接続される。このように構成することで、電力用半導体装置１００のサイズを小型化することができる。図４ではそれぞれ１素子のみが実装された例としたが、１つのヒートスプレッダ３に２つ以上のスイッチング素子が搭載された構成、または２つ以上のダイオードが搭載された構成でもよく、上下アームの複数が一体化された構成でも構わない。
電力用半導体装置１００の動作時、パワーモジュール２００と冷却器９と間に、最大で半導体素子１ａ、１ｂの素子耐圧と等しい電圧が発生する。冷却器９は、必ずベース（図示せず）に固定して設けられる。ベースの部分は人の手で触れられる部分であり、仮に電力用半導体装置１００に絶縁破壊が発生した場合、ベースの部分に高電圧が生じることになる。電力用半導体装置１００において、第１のリードフレーム２ａ及び第２のリードフレーム２ｂと冷却器９との間の絶縁性は、封止樹脂部材５の沿面放電耐性を考慮した空間絶縁距離で確保している。また、ヒートスプレッダ３と冷却器９との間の絶縁性は、高放熱絶縁接着シート６の固体絶縁耐圧で確保している。半導体素子１ａ、１ｂから発生した熱を冷却器９に放熱する際には、必ず高放熱絶縁接着シート６を介することになる。そのため、絶縁性を確保するために高放熱絶縁接着シート６の厚みを厚くすると、放熱性の低下につながる。絶縁性の確保と高放熱化にはトレードオフの関係があるので、双方の効果を鑑みた電力用半導体装置１００の設計が必要になる。
＜電力用半導体装置１００の製造方法＞
電力用半導体装置１００の製造方法について、図５を用いて説明する。電力用半導体装置１００の製造方法は、部材用意工程（Ｓ１１）、封止樹脂部材注入工程（Ｓ１２）、硬化工程（Ｓ１３）、及び冷却器接続工程（Ｓ１４）を備える。この４つの工程の中で、最初の３つの工程であるＳ１１、Ｓ１２、Ｓ１３は、パワーモジュール２００の製造方法である。
各工程の詳細を説明する。ここでは図２に示した構成の電力用半導体装置１００の製造方法について説明する。部材用意工程は、熱伝導性を有する板状のヒートスプレッダ３と、ヒートスプレッダ３の一方の面に少なくとも熱的に接続された半導体素子１ａ、１ｂと、一方の面がヒートスプレッダ３の他方の面に熱的に接続される板状の高放熱絶縁接着シート６と、一方の面が高放熱絶縁接着シート６の他方の面に熱的に接続される金属板７とを用意する工程である。図２に示した電力用半導体装置１００は、さらに第１のリードフレーム２ａ、第２のリードフレーム２ｂ、及び第３のリードフレーム２ｃを有するため、これらについても本工程にて用意する。
部材用意工程には、複数の工程が含まれる。図６及び図７は、電力用半導体装置１００の製造工程におけるパワーモジュール中間体１７０、１８０の側面図、図８は実施の形態１に係る電力用半導体装置１００の製造工程を説明する図である。パワーモジュール中間体１７０、１８０は、パワーモジュール２００の製造途中の構造体である。
部材用意工程における最初の工程において、図６に示すように、半導体素子１ａ、１ｂをヒートスプレッダ３の一方の面に接合体４ａを用いて熱的かつ電気的に接続し、パワーモジュール中間体１７０が形成される。次の工程で、図７に示すように、第１のリードフレーム２ａを半導体素子１ａ、１ｂの一方の面に接合体４ｂを用いて電気的に接続する。次に、第２のリードフレーム２ｂをヒートスプレッダ３の一方の面に接合体４ｃを用いて電気的に接続する。さらに、第３のリードフレーム２ｃを半導体素子１ａの一方の面の制御パッドに接合体４ｄを用いて電気的に接続する。これらのリードフレームを接続することで、図７に示したパワーモジュール中間体１８０が形成される。接合体４ｂ、４ｃによる第１のリードフレーム２ａ及び第２のリードフレーム２ｂの接続は同時に行っても構わないが、別工程であっても構わない。図７では、リードフレームのそれぞれは図の上方向に折り曲げられているが、後の工程において折り曲げても構わない。
次の工程で、図８に示すように、高放熱絶縁接着シート６の一方の面をヒートスプレッダ３の他方の面に熱的に接続し、金属板７の一方の面を高放熱絶縁接着シート６の他方の面に熱的に接続する。なお、次の封止樹脂部材注入工程においてパワーモジュール中間体１８０を金型に配置する際に、高放熱絶縁接着シート６とヒートスプレッダ３とを一体化しても構わない。また、図８では金属板７と高放熱絶縁接着シート６とが一体化されているが、次の封止樹脂部材注入工程においてこれらを金型に配置する際に、高放熱絶縁接着シート６と金属板７とを一体化しても構わない。
封止樹脂部材注入工程は、ヒートスプレッダ３、半導体素子１ａ、１ｂ、高放熱絶縁接着シート６、金属板７、第１のリードフレーム２ａ、第２のリードフレーム２ｂ、及び第３のリードフレーム２ｃを金型内に配置した状態で、金型内に硬化していない封止樹脂部材５を加圧注入する工程である。パワーモジュール中間体１８０、高放熱絶縁接着シート６、及び金属板７を一体化していない場合、金属板７、高放熱絶縁接着シート６、パワーモジュール中間体１８０の順に、金型内に配置する。金型は、予め一定の温度に保持されている。パワーモジュール中間体１８０、高放熱絶縁接着シート６、及び金属板７は、金型内に予め定めた時間保持される。予め定めた保持時間は、例えば、５秒以上である。予め定めた保持時間でこれらを保持した後に、封止樹脂部材５が一定の圧力で金型に注入される。封止樹脂部材注入工程は、トランスファーモールドでも、射出成形でも構わない。また、封止樹脂部材５の注入前に真空引きを行っても構わない。金属板７は、封止樹脂部材注入工程の実行後において、金属板７の他方の面が封止樹脂部材５から露出する。
封止樹脂部材５の注入が完了した時点から、パスカルの原理に基づき、高放熱絶縁接着シート６全体に静水圧的に内圧が発生する。発生する圧力は注入圧力である成形圧力と等しく、比較例のように側面が解放された状態で加圧する場合よりも高い内圧を高放熱絶縁接着シート６に発生させることができる。封止樹脂部材注入工程の実行前では、高放熱絶縁接着シート６のセラミックス焼結体は、樹脂が充填されていない空隙を有している。封止樹脂部材注入工程において、封止樹脂部材５の注入圧力により、高放熱絶縁接着シート６全体に圧力をかけ、樹脂が充填されていない空隙に樹脂を充填させる。例えば、セラミックス焼結体における空隙の割合は１０％以下ならよく、理想的には０％である。樹脂が充填されていない空隙に樹脂が充填されるため、空隙に放電の経路が形成されることがないので、高放熱絶縁接着シート６の端部を含む、高放熱絶縁接着シート６の全体の絶縁信頼性を大きく向上させることができる。高放熱絶縁接着シート６の絶縁信頼性が向上するので、パワーモジュール２００の絶縁信頼性の低下を抑制することができる。
封止樹脂部材注入工程における高放熱絶縁接着シート６の厚み変化率は、１％以上１１％以下であることが望ましい。高放熱絶縁接着シート６の厚みが変化しない条件において封止樹脂部材注入工程を行った場合、ヒートスプレッダ３と高放熱絶縁接着シート６との間、及び高放熱絶縁接着シート６と金属板７との間における凹部、突起部、及び反りに対して、高放熱絶縁接着シート６のセラミックス焼結体が追従せず、樹脂である熱硬化性樹脂組成物のみのエリアができる可能性がある。封止樹脂部材注入工程における高放熱絶縁接着シート６の厚み変化率を１％以上１１％以下とした場合、凹部、突起部、及び反りに対して高放熱絶縁接着シート６のセラミックス焼結体が追従するので、熱硬化性樹脂組成物のみのエリアを無くして電力用半導体装置１００の放熱性を向上させることができる。高放熱絶縁接着シート６の厚み変化率は、例えば、封止樹脂部材注入工程における成形圧力、保持時間の最適化により調整することができる。
硬化工程は、封止樹脂部材５と高放熱絶縁接着シート６の樹脂とを予め定めた温度で同時に硬化させるアフターキュアの工程である。封止樹脂部材５と高放熱絶縁接着シート６の樹脂が熱硬化性樹脂である場合、硬化工程が必要である。アフターキュアの温度は、例えば、１７５℃である。図９は封止樹脂部材注入工程後のパワーモジュール中間体１９０の斜視図、図１０は図９のＢ－Ｂ断面位置で切断したパワーモジュール中間体１９０の概略を示す断面図である。図１０に示すように、第１のリードフレーム２ａ、第２のリードフレーム２ｂ、及び第３のリードフレーム２ｃ（図１０において図示せず）の端部と、金属板７の他方の面とが封止樹脂部材５から露出した状態になる。なお、パワーモジュール中間体１９０において、リードフレームを切断するタイバーカット加工、及び端子曲げ加工を行っていない場合、封止樹脂部材注入工程と硬化工程との後に、タイバーカット加工と端子曲げ加工を行い、パワーモジュール２００が形成される。
冷却器接続工程は、冷却器９を封止樹脂部材５から露出した金属板７の他方の面に金属接合体８を介して熱的に接続する工程である。冷却器接続工程を経て、図１に示した電力用半導体装置１００が形成される。予め定めた温度に昇温して、金属接合体８を介してパワーモジュール２００と冷却器９とは接続される。例えば金属接合体８が半田の場合、２００℃以上に昇温して、パワーモジュール２００と冷却器９とは接続される。金属接合体８は、冷却器接続工程の際に接合体４ａ、４ｂ、４ｃが再溶融しない温度に昇温して用いる材料が選定される。金属接合体８を昇温した温度で、接合体４ａ、４ｂ、４ｃが再溶融した場合、パワーモジュール２００の絶縁信頼性が著しく低下する。
以上のように、実施の形態１によるパワーモジュール２００において、板状のヒートスプレッダ３と、ヒートスプレッダ３の一方の面に少なくとも熱的に接続された半導体素子１ａ、１ｂと、一方の面がヒートスプレッダ３の他方の面に熱的に接続された板状の高放熱絶縁接着シート６と、一方の面が高放熱絶縁接着シート６の他方の面に熱的に接続された金属板７と、金属板７の他方の面を露出させた状態で、これらの部材を封止した封止樹脂部材５とを備え、高放熱絶縁接着シート６は、セラミックス粒子が空隙を有し一体的に焼結された多孔性のセラミックス焼結体に樹脂が含浸された複合体であるため、セラミックス焼結体の空隙に放電の経路が形成されることがないので、パワーモジュール２００の絶縁信頼性の低下を抑制することができる。高放熱絶縁接着シート６はセラミックス粒子が空隙を有し一体的に焼結された多孔性のセラミックス焼結体に樹脂が含浸された複合体であるため、例えば、２５℃における熱伝導率は１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）を有しているので、パワーモジュール２００の高放熱化を実現することができる。
高放熱絶縁接着シート６とヒートスプレッダ３、及び高放熱絶縁接着シート６と金属板７とが当接している場合、高放熱絶縁接着シート６とヒートスプレッダ３との間、及び高放熱絶縁接着シート６と金属板７との間には高放熱絶縁接着シート６の構成物のみが介在しているので、パワーモジュール２００の放熱性の低下を防止することできる。また、半導体素子１ａ、１ｂがワイドバンドギャップを有した半導体材料からなる場合、半導体素子１ａ、１ｂの損失を削減することができる。半導体素子１ａ、１ｂの損失が削減できるので、電力用半導体装置１００の大容量化を容易に行うことができる。
実施の形態１による電力用半導体装置１００において、本願に開示されたパワーモジュール２００と、封止樹脂部材５から露出した金属板７の面に金属接合体８を介して熱的に接続された冷却器９とを備えているため、パワーモジュール２００の内部の半導体素子１ａ、１ｂで生じた熱を冷却器９から効率的に外部に排熱することができる。本願に開示されたパワーモジュール２００をマザー工場で生産し、冷却器と接続する冷却器接続工程を他の工場で行うことができるため、電力用半導体装置１００の生産性を向上させることができると共に、電力用半導体装置１００の製造コストを低減することができる。
実施の形態１によるパワーモジュール２００の製造方法において、板状のヒートスプレッダ３と、ヒートスプレッダ３の一方の面に少なくとも熱的に接続された半導体素子１ａ、１ｂと、一方の面がヒートスプレッダ３の他方の面に熱的に接続される板状の高放熱絶縁接着シート６と、一方の面が高放熱絶縁接着シート６の他方の面に熱的に接続される金属板７とを用意する部材用意工程と、ヒートスプレッダ３、半導体素子１ａ、１ｂ、高放熱絶縁接着シート６、及び金属板７を金型内に配置した状態で、金型内に硬化していない封止樹脂部材５を加圧注入する封止樹脂部材注入工程とを備え、金属板７は、封止樹脂部材注入工程の実行後において、金属板７の他方の面が封止樹脂部材５から露出し、高放熱絶縁接着シート６は、セラミックス粒子が空隙を有し一体的に焼結された多孔性のセラミックス焼結体に樹脂が含浸された複合体であり、封止樹脂部材注入工程の実行前では、セラミックス焼結体は樹脂が充填されていない空隙を有し、封止樹脂部材注入工程において、封止樹脂部材５の注入圧力により、高放熱絶縁接着シート６に圧力をかけ、樹脂が充填されていない空隙に樹脂を充填させるため、空隙に放電の経路が形成されることがないので、高放熱絶縁接着シート６の端部を含む、高放熱絶縁接着シート６の全体の絶縁信頼性を大きく向上させることができる。高放熱絶縁接着シート６の絶縁信頼性が向上するので、パワーモジュール２００及び電力用半導体装置１００の絶縁信頼性の低下を抑制することができる。
封止樹脂部材注入工程における高放熱絶縁接着シート６の厚み変化率を１％以上１１％以下とした場合、ヒートスプレッダ３と高放熱絶縁接着シート６との間、及び高放熱絶縁接着シート６と金属板７との間における凹部、突起部、及び反りに対して高放熱絶縁接着シート６のセラミックス焼結体が追従するので、樹脂である熱硬化性樹脂組成物のみのエリアを無くして電力用半導体装置１００の放熱性を向上させることができる。実施の形態１による電力用半導体装置１００の製造方法において、冷却器９を封止樹脂部材５から露出した金属板７の面に金属接合体８を介して熱的に接続する工程を備えたため、パワーモジュール２００の内部の半導体素子１ａ、１ｂで生じた熱を冷却器９から効率的に外部に排熱することができる電力用半導体装置１００を容易に製造することができる。
実施の形態２．
実施の形態２に係る電力用半導体装置１００について説明する。図１１は実施の形態２に係る電力用半導体装置１００の概略を示す断面図で、図１のＡ－Ａ断面位置と同等の位置で切断された図、図１２は図１１のＣ－Ｃ断面位置で切断した電力用半導体装置１００の概略を示す断面図で、封止樹脂部材５を省略して示した図ある。実施の形態２に係る電力用半導体装置１００は、高放熱絶縁接着シート６の大きさが実施の形態１とは異なる大きさに形成されている。
金属板７の一方の面に垂直な方向に見て、高放熱絶縁接着シート６の外周の部分は、金属板７の外周の部分よりも内側に設けられている。本実施の形態では、図１２に示すように、高放熱絶縁接着シート６は横方向のそれぞれの端部において、金属板７よりもＸだけ小さい。また、高放熱絶縁接着シート６は縦方向のそれぞれの端部において、金属板７よりもＹだけ小さい。Ｘ、Ｙの大きさは０よりも大きく、任意の大きさで高放熱絶縁接着シート６は形成される。高放熱絶縁接着シート６の外周の部分において、高放熱絶縁接着シート６から樹脂がはみ出していたとしても、はみ出した樹脂を含む高放熱絶縁接着シート６の外周の部分が金属板７の外周の部分よりも内側に設けられているものとする。高放熱絶縁接着シート６からセラミックス焼結体がはみ出していても同様である。
高放熱絶縁接着シート６の外周の部分が金属板７からはみ出した場合、パワーモジュール２００を封止する際の封止樹脂部材５の流動により、高放熱絶縁接着シート６に欠けが生じたり、高放熱絶縁接着シート６にクラックが生じることがある。高放熱絶縁接着シート６に欠けが生じた場合、欠けた高放熱絶縁接着シート６の破片が封止樹脂部材５の流動とともにパワーモジュール２００の内部に残存し、半導体素子１等の他の部材に傷をつけて、パワーモジュール２００の信頼性を低下させるおそれがあった。また、高放熱絶縁接着シート６にクラックが生じた場合、パワーモジュール２００の絶縁信頼性を低下させるおそれがあった。なお、高放熱絶縁接着シート６の樹脂のみがはみ出している場合、高放熱絶縁接着シート６に欠けが生じた場合と同様に、樹脂に起因した異物の発生によりパワーモジュール２００の信頼性を低下させるおそれがある。
以上のように、実施の形態２による電力用半導体装置１００において、金属板７の一方の面に垂直な方向に見て、高放熱絶縁接着シート６の外周の部分が金属板７の外周の部分よりも内側に設けられているため、高放熱絶縁接着シート６の外周の端部が金属板７からはみ出すことがないので、パワーモジュール２００を封止する際の封止樹脂部材５の流動により、高放熱絶縁接着シート６に欠けが生じるリスク、及び高放熱絶縁接着シート６にクラックが生じるリスクを抑制することができる。高放熱絶縁接着シート６に欠け及びクラックが生じるリスクが抑制されるので、パワーモジュール２００及び電力用半導体装置１００の信頼性を向上させることができる。
実施の形態３．
実施の形態３に係る電力用半導体装置１００について説明する。図１３は実施の形態３に係る電力用半導体装置１００の概略を示す断面図で、図１のＡ－Ａ断面位置と同等の位置で切断された図である。実施の形態３に係る電力用半導体装置１００は、ヒートスプレッダ３の側面に段差３ａが形成された構成になっている。
ヒートスプレッダ３の一方の面に垂直な方向に見て、ヒートスプレッダ３の高放熱絶縁接着シート６に接した面の外周の部分に、外周の部分からヒートスプレッダ３の内側の部分に向かって引っ込んだ少なくとも１つの段差３ａが形成されている。本実施の形態では段差３ａを１つ設けているが、段差３ａの数は１つに限るものではなく、段差３ａを２段以上設けても構わない。
電力用半導体装置１００において、金属接合体８を介してパワーモジュール２００と冷却器９とを接続する際、及び電力用半導体装置１００の使用時における熱サイクルに起因して、高放熱絶縁接着シート６に発生する応力は、ヒートスプレッダ３の高放熱絶縁接着シート６に接した面の外周の部分において最も大きくなる。応力が大きくなる箇所において、高放熱絶縁接着シート６に欠けが生じるリスク、及び高放熱絶縁接着シート６にクラックが生じるリスクが高くなる。
以上のように、実施の形態３による電力用半導体装置１００において、ヒートスプレッダ３の一方の面に垂直な方向に見て、ヒートスプレッダ３の高放熱絶縁接着シート６に接した面の外周の部分に、外周の部分からヒートスプレッダ３の内側の部分に向かって引っ込んだ少なくとも１つの段差３ａが形成されているため、応力が大きくなる箇所においてヒートスプレッダ３と封止樹脂部材５との接する面積が増加するので、高放熱絶縁接着シート６に発生する応力を低下させることができる。高放熱絶縁接着シート６に発生する応力が低下するので、高放熱絶縁接着シート６の耐熱サイクル性が向上し、絶縁信頼性が高い電力用半導体装置１００を得ることができる。
実施の形態４．
実施の形態４に係る電力用半導体装置１０１について説明する。図１４は実施の形態４に係る電力用半導体装置１０１の概略を示す斜視図、図１５は図１４のＤ－Ｄ断面位置で切断した電力用半導体装置１０１の概略を示す断面図である。実施の形態４に係る電力用半導体装置１０１は、２つの冷却器９、９ｂを備えた構成になっている。
パワーモジュール２０１は、パワーモジュール２００に加えて、ヒートスプレッダ３とは反対側の半導体素子１ａ、１ｂの面が熱的に接続された、熱伝導性を有する板状の追加のヒートスプレッダ３ｂと、半導体素子１ａ、１ｂとは反対側の追加のヒートスプレッダ３ｂの面が熱的に接続された、熱伝導性を有する板状の追加の高放熱絶縁接着シート６ａと、追加のヒートスプレッダ３ｂとは反対側の追加の高放熱絶縁接着シート６ａの面が熱的に接続された追加の金属板７ａとを有する。封止樹脂部材５は、追加の高放熱絶縁接着シート６ａとは反対側の追加の金属板７ａの面を露出させた状態で、追加のヒートスプレッダ３ｂと追加の高放熱絶縁接着シート６ａと追加の金属板７ａとを封止する。
本実施の形態では、パワーモジュール２０１は、半導体素子１ａ、１ｂと追加のヒートスプレッダ３ｂとの間に、第１のリードフレーム２ａと金属スペーサー１０とを備える。第1のリードフレーム２ａは、接合体４ｂにより、半導体素子１ａ、１ｂの一方の面に接続される。金属スペーサー１０は、接合体４ｅにより、第1のリードフレーム２ａに熱的に接続される。金属スペーサー１０は、接合体４ｅにより、追加のヒートスプレッダ３ｂに熱的に接続される。金属スペーサー１０は、例えば、第1のリードフレーム２ａと同様に、銅、アルミニウム、銀、または銅クラッド材から作製される。接合体４ｅは、例えば、接合体４ａと同様に、半田、焼結Ａｇ、または焼結Ｃｕである。
電力用半導体装置１０１は、パワーモジュール２０１と、冷却器９、９ｂとを備える。冷却器９ｂは、封止樹脂部材５から露出した追加の金属板７ａの面に金属接合体８ａを介して熱的に接続される。冷却器９ｂは、例えば、冷却器９と同様に、熱伝導性に優れたアルミ合金または銅材により作製される。金属接合体８ａは、例えば、金属接合体８と同様に、半田、焼結Ａｇ、または焼結Ｃｕであるがこれらに限るものではない。
パワーモジュール２０１の製造方法について、実施の形態１で説明したパワーモジュール２００の製造方法に追加する部分について説明する。部材用意工程では、さらに、ヒートスプレッダ３とは反対側の半導体素子１ａ、１ｂの面が熱的に接続される、熱伝導性を有する板状の追加のヒートスプレッダ３ｂと、半導体素子とは反対側の追加のヒートスプレッダ３ｂの面が熱的に接続される、熱伝導性を有する板状の追加の高放熱絶縁接着シート６ａと、追加のヒートスプレッダ３ｂとは反対側の追加の高放熱絶縁接着シート６ａの面が熱的に接続される追加の金属板７ａとを用意する。図１５に示したように、パワーモジュール２０１がさらに金属スペーサー１０を備える場合、金属スペーサー１０も用意する。
封止樹脂部材注入工程では、ヒートスプレッダ３、半導体素子１ａ、１ｂ、高放熱絶縁接着シート６、金属板７、追加のヒートスプレッダ３ｂ、追加の高放熱絶縁接着シート６ａ、及び追加の金属板７ａを金型内に配置した状態で、金型内に硬化していない封止樹脂部材５を加圧注入する。追加の金属板７ａは、封止樹脂部材注入工程の実行後において、追加の高放熱絶縁接着シート６ａの面が熱的に接続された面とは反対側の面が封止樹脂部材５から露出している。封止樹脂部材５と、高放熱絶縁接着シート６及び追加の高放熱絶縁接着シート６ａの樹脂とが熱硬化性樹脂である場合、さらに硬化工程を行う。
電力用半導体装置１０１の製造方法について説明する。冷却器接続工程において、冷却器９を封止樹脂部材５から露出した金属板７の面に金属接合体８を介して熱的に接続し、冷却器９ｂを封止樹脂部材５から露出した追加の金属板７ａの面に金属接合体８ａを介して熱的に接続する。冷却器９、９ｂは同時に接続してもよく、別々に接続しても構わない。このように製造することで、パワーモジュール２００の内部の半導体素子１ａ、１ｂで生じた熱を冷却器９、９ｂから効率的に外部に排熱することができる電力用半導体装置１０１を容易に製造することができる。
以上のように、実施の形態４による電力用半導体装置１０１において、パワーモジュール２０１がヒートスプレッダ３とは反対側の半導体素子１ａ、１ｂの面が熱的に接続された、熱伝導性を有する板状の追加のヒートスプレッダ３ｂと、半導体素子１ａ、１ｂとは反対側の追加のヒートスプレッダ３ｂの面が熱的に接続された、熱伝導性を有する板状の追加の高放熱絶縁接着シート６ａと、追加のヒートスプレッダ３ｂとは反対側の追加の高放熱絶縁接着シート６ａの面が熱的に接続された追加の金属板７ａとを有し、封止樹脂部材５が追加の高放熱絶縁接着シート６ａとは反対側の追加の金属板７ａの面を露出させた状態で、追加のヒートスプレッダ３ｂと追加の高放熱絶縁接着シート６ａと追加の金属板７ａとを封止したため、パワーモジュール２００のさらなる高放熱化を実現することができる。パワーモジュール２００のさらなる高放熱化が実現されるので、電力用半導体装置１０１をさらに大出力化、及び小型化することができる。
実施の形態４によるパワーモジュール２０１の製造方法において、部材用意工程では、さらに、ヒートスプレッダ３とは反対側の半導体素子１ａ、１ｂの面が熱的に接続される、熱伝導性を有する板状の追加のヒートスプレッダ３ｂと、半導体素子とは反対側の追加のヒートスプレッダ３ｂの面が熱的に接続される、熱伝導性を有する板状の追加の高放熱絶縁接着シート６ａと、追加のヒートスプレッダ３ｂとは反対側の追加の高放熱絶縁接着シート６ａの面が熱的に接続される追加の金属板７ａとを用意し、ヒートスプレッダ３、半導体素子１ａ、１ｂ、高放熱絶縁接着シート６、金属板７、追加のヒートスプレッダ３ｂ、追加の高放熱絶縁接着シート６ａ、及び追加の金属板７ａを金型内に配置した状態で、金型内に硬化していない封止樹脂部材５を加圧注入し、追加の金属板７ａは、封止樹脂部材注入工程の実行後において、追加の高放熱絶縁接着シート６ａの面が熱的に接続された面とは反対側の面が封止樹脂部材５から露出しているため、さらなる高放熱化が実現したパワーモジュール２００を容易に製造することができる。
実施の形態４による電力用半導体装置１０１の製造方法において、冷却器９を封止樹脂部材５から露出した金属板７の面に金属接合体８を介して熱的に接続し、冷却器９ｂを封止樹脂部材５から露出した追加の金属板７ａの面に金属接合体８ａを介して熱的に接続する工程を備えたため、パワーモジュール２００の内部の半導体素子１ａ、１ｂで生じた熱を冷却器９、９ｂから効率的に外部に排熱することができる電力用半導体装置１０１を容易に製造することができる。
また本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
１ 半導体素子、２ａ 第１のリードフレーム、２ｂ 第２のリードフレーム、２ｃ 第３のリードフレーム、２ｄ 第４のリードフレーム、３ ヒートスプレッダ、３ａ 段差、３ｂ 追加のヒートスプレッダ、４ 接合体、５ 封止樹脂部材、６ 高放熱絶縁接着シート、６ａ 追加の高放熱絶縁接着シート、７ 金属板、７ａ 追加の金属板、８ 金属接合体、８ａ 金属接合体、９ 冷却器、９ａ 放熱フィン、９ｂ 冷却器、１０ 金属スペーサー、２０ 金属回路基板、１００ 電力用半導体装置、１０１ 電力用半導体装置、１７０ パワーモジュール中間体、１８０ パワーモジュール中間体、１９０ パワーモジュール中間体、２００ パワーモジュール、２０１ パワーモジュール

Claims (3)

  1. 熱伝導性を有する板状のヒートスプレッダと、前記ヒートスプレッダの一方の面に少なくとも熱的に接続された半導体素子と、一方の面が前記ヒートスプレッダの他方の面に熱的に接続される板状の高放熱絶縁接着シートと、一方の面が前記高放熱絶縁接着シートの他方の面に、外周端の位置が前記高放熱絶縁接着シートの外周端の位置と同等であるように熱的に接続され、他方の面が冷却器に熱的に接続される面である金属板と、複数の放熱フィンを有した冷却器と、を用意する部材用意工程と、
    前記ヒートスプレッダ、前記半導体素子、前記高放熱絶縁接着シート、及び前記金属板を金型内に配置した状態で、前記金型内に硬化していない封止樹脂部材を加圧注入して、パワーモジュールを作製する封止樹脂部材注入工程と、
    前記冷却器を前記封止樹脂部材から露出した前記金属板の面に金属接合体を介して熱的に接続する冷却器接続工程と、を備え、
    前記金属板は、前記封止樹脂部材注入工程の実行後において、前記金属板の他方の面が前記封止樹脂部材から露出し、
    前記高放熱絶縁接着シートは、セラミックス粒子が空隙を有し一体的に焼結された多孔性のセラミックス焼結体に樹脂が含浸された複合体であり、前記封止樹脂部材注入工程の実行前では、前記セラミックス焼結体は、前記樹脂が充填されていない空隙を有し、前記封止樹脂部材注入工程において、前記封止樹脂部材の注入圧力により、前記高放熱絶縁接着シートに圧力をかけ、前記樹脂が充填されていない空隙に前記樹脂を充填させ、
    前記冷却器接続工程では、前記冷却器は、前記金属板の外周端の位置よりも周囲に突出した部分を有する板状部、及び前記金属接合体とは反対側の前記冷却器の前記板状部の面に前記複数の冷却フィンを有し、前記板状部と前記複数の冷却フィンとは、一体的に形成された一体部材であり、前記板状部の前記金属接合体の側の面は、前記金属接合体を介して前記金属板の他方の面に熱的に接続され、前記パワーモジュールは、前記冷却器の前記突出した部分の端部よりも内側に設けられるように接続する電力用半導体装置の製造方法。
  2. 前記部材用意工程では、さらに、前記ヒートスプレッダとは反対側の前記半導体素子の面が熱的に接続される、熱伝導性を有する板状の追加の前記ヒートスプレッダと、前記半導体素子とは反対側の追加の前記ヒートスプレッダの面が熱的に接続される、熱伝導性を有する板状の追加の前記高放熱絶縁接着シートと、追加の前記ヒートスプレッダとは反対側の追加の前記高放熱絶縁接着シートの面が熱的に接続される追加の前記金属板と、追加の複数の放熱フィンを有した追加の冷却器と、を用意し、
    前記封止樹脂部材注入工程では、前記ヒートスプレッダ、前記半導体素子、前記高放熱絶縁接着シート、前記金属板、追加の前記ヒートスプレッダ、追加の前記高放熱絶縁接着シート、及び追加の前記金属板を金型内に配置した状態で、前記金型内に硬化していない前記封止樹脂部材を加圧注入し、
    追加の前記金属板は、前記封止樹脂部材注入工程の実行後において、追加の前記高放熱絶縁接着シートの面が熱的に接続された面とは反対側の面が前記封止樹脂部材から露出し、
    前記冷却器接続工程では、前記追加の冷却器を前記封止樹脂部材から露出した前記追加の金属板の面に追加の金属接合体を介して熱的に接続し、
    前記冷却器接続工程では、前記追加の冷却器は、前記追加の金属板の外周端の位置よりも周囲に突出した部分を有する追加の板状部、及び前記追加の金属接合体とは反対側の前記追加の冷却器の前記追加の板状部の面に前記追加の複数の冷却フィンを有し、前記追加の板状部と前記追加の複数の冷却フィンとは、一体的に形成された一体部材であり、前記追加の板状部の前記追加の金属接合体の側の面は、前記追加の金属接合体を介して前記追加の金属板の他方の面に熱的に接続され、前記パワーモジュールは、前記追加の冷却器の前記突出した部分の端部よりも内側に設けられるように接続する請求項１に記載の電力用半導体装置の製造方法。
  3. 前記封止樹脂部材注入工程における前記高放熱絶縁接着シートの厚み変化率が、１％以上１１％以下である請求項１または２に記載の電力用半導体装置の製造方法。
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