JPWO2014013705A1 - 半導体モジュール - Google Patents

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茜 渡辺
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Abstract

金属ブロック１と、金属ブロック１の少なくとも第１面１ａ側に直接セラミックス材料を積層して形成された放熱用絶縁層２と、金属ブロック１の第２面１ｂの一部分に直接セラミックス材料を積層して形成された中継電極用絶縁層４と、中継電極用絶縁層４の上面に金属材料を積層して形成された中継電極３と、金属ブロック１の第２面１ｂにはんだ２３により接合された回路素子７と、外部リード端子９とを備え、回路素子７からのボンディングワイヤ１１ａまたはリードフレーム１３を中継電極３に接合するとともに、中継電極３と外部リード端子９とを接続した構成とする。

Description

本発明は、パワー半導体素子などの回路素子を搭載した半導体モジュールに関する。
電源装置に使用される半導体モジュールは、家庭用エアコン、冷蔵庫などの民生機器から、インバータ、サーボコントローラなどの産業機器まで、広範囲に渡って適用されている。半導体モジュールでは、消費電力の点から、パワー半導体素子などは金属ベース基板やセラミックス基板などの配線板に搭載される。この配線板にパワー半導体素子などの１つまたは複数の回路素子を搭載し、プラスチックケース枠を接着し、シリコーンゲルやエポキシ樹脂などで封止することによって半導体モジュールを構成する。
一方、製造コストを低減するために、トランスファー成形方式によるフルモールド半導体モジュールが用いられている（例えば、特許文献１参照）。フルモールド半導体モジュールでは、リードフレームとヒートシンクとを固定的に連結するとともに、電気的絶縁を確保している。
図７に従来のフルモールド半導体モジュールの第１例を示す。外部接続用リードフレーム９Ｂ、９Ｃの上にはそれぞれパワー半導体素子７、駆動ＩＣ３１が実装され、ボンディングワイヤ１１、１２により相互に接続されている。これらの部品を金型にセットして、成形樹脂１４を流し込むことにより、フルモールド半導体モジュールを構成する。
図８に従来のフルモールド半導体モジュールの第２例を示す。図７に示したフルモールド半導体モジュールに加えて、ヒートシンク３２を設けたものである。パワー半導体素子７、駆動ＩＣ３１がボンディングワイヤ１１、１２により相互に接続されているとともに、パワー半導体素子７側からのボンディングワイヤ１１が外部接続用リードフレーム９Ｄに接合されている。
さらに、図９に従来のフルモールド半導体モジュールの第３例を示す。第３例では絶縁基板３３を用いて絶縁層とヒートシンクとの２つの機能を兼ねるようにしている。絶縁基板３３には、図示のように金属板３４と銅箔３５とを樹脂からなる絶縁層３６を介して積層した構造の金属ベース基板、もしくは、絶縁層３６がセラミックスからなるＤＢＣ（Direct Bond Copper）基板などが用いられる。パワー半導体素子７、駆動ＩＣ３１がボンディングワイヤ１１、１２により相互に接続されているとともに、パワー半導体素子７がボンディングワイヤ１１および銅箔３５を介して外部接続用リードフレーム９Ｅに接続されている。
また、図１０に従来のフルモールド半導体モジュールの第４例を示す。第４例は、図９における絶縁基板３３の代わりに、金属ブロック１の片面にセラミックスを溶射し絶縁層２を形成した絶縁金属ブロック３７を用いる構成である。金属ブロック１に直接パワー半導体素子７を接合するので、第３例より冷却性に優れたものが開発されている。パワー半導体素子７からのボンディングワイヤ１１が外部接続用リードフレーム９Ｆに接合されている。
特開平９−１３９４６１号公報（段落番号００３８，第１図）
しかしながら，従来の第１〜４例のフルモールド半導体モジュールの場合、パワー半導体素子７にボンディングワイヤ１１を直接接合して、その一端を外部接続用リードフレーム９Ｂなどの外部リード端子に接合し、この外部リード端子から電流を取り出すため、パワー半導体素子７の動作時に発生する熱が、ボンディングワイヤ１１および外部リード端子を伝わり、外部リード端子と接続される外部のプリント基板を加熱することになる。
プリンド基板を加熱してしまうと、プリント基板を収納している例えばインバータなど電力変換機器のケース内の温度が上昇してしまい、使用している部材の耐熱温度を超えてしまう。このような温度上昇に対しては、空冷もしくは水冷方式で冷却する対策も可能であるが、電力変換機器の寸法増大やコスト増大に繋がってしまう。このため、電力変換機器の寸法増大やコスト増大なしに上述のような電力変換機器のケース内の温度上昇を効果的に抑制可能な対策が必要となっており、そのような対策の一つとして、半導体モジュールから外部リード端子を介して外部のプリント基板側に流れ出す熱を効果的に抑制することが求められている。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、上述のような電力変換機器内の温度上昇対策に関する要求に応えて、外部リード端子を介して外部のプリント基板側に流れ出す熱を効果的に抑制できる、放熱性に優れた半導体モジュールを提供することにある。
本発明は、このような目的を達成するために、第１面および第２面を有する金属ブロックと、前記金属ブロックの少なくとも第１面に直接セラミックス材料を積層して形成された放熱用絶縁層と、前記金属ブロックの第２面の一部分に直接セラミックス材料を積層して形成された中継電極用絶縁層と、前記中継電極用絶縁層の上面に金属材料を積層して形成された中継電極と、前記金属ブロックの第２面に接合された回路素子と、外部リード端子とを備え、前記回路素子からのボンディングワイヤまたはリードフレームを前記中継電極に接合するとともに、前記中継電極と前記外部リード端子とを接続した構成とする（請求項１の発明）。
この構成によれば、回路素子からのボンディングワイヤまたはリードフレームを中継電極に接合するとともに、中継電極と外部リード端子とを接続していることにより、回路素子と外部リード端子とは上記中継電極を介して接続されている。
このため、パワー半導体素子などの回路素子が動作時に発生し、回路素子からのボンディングワイヤまたはリードフレームに沿って伝達される熱は、主に中継電極およびセラミックス材料からなる中継電極用絶縁層を介して熱容量が高く放熱性に優れた金属ブロックの方に伝わるので、外部リード端子の方に伝わる熱量は十分に抑制することができる。
このため、本発明による半導体モジュールでは、その外部リード端子から当該外部リード端子に接続された外部の例えばプリント基板などに流れ出す熱量を効果的に抑制することができるので、外部のプリント基板などに対する加熱を効果的に抑制することができる。
そして、前記放熱用絶縁層は、前記金属ブロックの第１面に連接する側面の少なくとも一部を覆う構成とすることができる（請求項２の発明）。
また、前記放熱用絶縁層および前記中継電極用絶縁層は、熱伝導率が１〜２００Ｗ／ｍ・Ｋであり、かつ厚さが１０〜５００μｍである構成とすることができる（請求項３の発明）。
また、前記放熱用絶縁層および前記中継電極用絶縁層は、酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素からなるフィラー群の少なくとも１種類からなる構成とすることができ（請求項４の発明）、さらに、前記放熱用絶縁層および前記中継電極用絶縁層は、前記フィラー群の少なくとも１種によるセラミックス微粒子をプラズマ溶射法にて堆積させること（請求項５の発明）や、前記放熱用絶縁層および前記中継電極用絶縁層は、前記フィラー群の少なくとも１種によるセラミックス微粒子をエアロゾルデポジション法にて堆積させることにより形成した構成とすることもできる（請求項６の発明）。
また、前記中継電極は、金属材料として銅粒子を溶射して形成した構成とすることができる（請求項７の発明）。
また、前記中継電極と外部リード端子とをボンディングワイヤまたはリードフレームを介して接続した構成とすることができる（請求項８の発明）。
そして、前記回路素子は、パワー半導体素子である構成とすることができる（請求項９の発明）。
本発明によれば、半導体モジュールにおけるパワー半導体素子などの回路素子が動作時に発生し、回路素子からのボンディングワイヤまたはリードフレームに沿って伝達される熱は、主に中継電極およびセラミックス材料からなる中継電極用絶縁層を介して熱容量が高く放熱性に優れた金属ブロックの方に伝わるので、外部リード端子の方に伝わる熱量は十分に抑制することができる。
したがって、本発明によれば、外部リード端子から当該外部リード端子に接続された外部の例えばプリント基板などに流れ出す熱量を効果的に抑制することができ、これにより、外部のプリント基板などに対する加熱を効果的に抑制することができる。
このため、本発明による半導体モジュールは、電力変換機器の寸法増大やコスト増大なしに電力変換機器のケース内の温度上昇を効果的に抑制する上で好適なものとなっている。
本発明の実施形態にかかる半導体モジュールの構成例を示す断面図である。 本発明の実施形態にかかる半導体モジュールにおける熱の流れを模式的に示す図である。 本発明の実施形態にかかる半導体モジュールの製造工程における各段階の構造を示す断面図である。 本発明の実施形態にかかる半導体モジュールの製造工程における各段階の構造を示す断面図である。 本発明の実施形態にかかる半導体モジュールの製造工程における各段階の構造を示す断面図である。 本発明の実施形態にかかる半導体モジュールの異なる構成例を示す断面図である。 従来技術による半導体モジュールの第１例を示す断面図である。 従来技術による半導体モジュールの第２例を示す断面図である。 従来技術による半導体モジュールの第３例を示す断面図である。 従来技術による半導体モジュールの第４例を示す断面図である。 従来技術による半導体モジュールにおける熱の流れを模式的に示す図である。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、本発明は、下記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形して実施することができるものである。また、以下の説明に際し、全図にわたり、特に言及がない限り、共通する部分または要素には、共通する参照符号が付されている。
図１は本発明の実施形態にかかる半導体モジュールの構成例を示す断面図であり、図１（ａ）〜（ｃ）に３通りの構成例を示している。
図１（ａ）の構成例では、図における下面すなわち第１面１ａおよび図における上面すなわち第２面１ｂを有する金属ブロック１と、金属ブロック１の第１面１ａおよびこれに連接する側面１ｃの一部を覆うように形成された放熱用絶縁層２と、金属ブロック１の第２面１ｂの一部分に形成された中継電極用絶縁層４と、中継電極用絶縁層４の上面に形成された中継電極３と、金属ブロック１の第２面１ｂにはんだ２３により接合されたパワー半導体素子７と、外部接続用リードフレーム９とを備え、パワー半導体素子７からのボンディングワイヤ１１ａを中継電極３に接合するとともに、中継電極３と外部接続用リードフレーム９とをボンディングワイヤ１１ｂで接続して、半導体モジュール５１が構成されている。ここで、外部接続用リードフレーム９は半導体モジュール５１の外部リード端子として機能するものである。また、図１では、説明の便宜上、パワー半導体素子７と中継電極３とを接続するボンディングワイヤを１１ａとし、中継電極３と外部接続用リードフレーム９とを接続するボンディングワイヤを１１ｂとしている。
半導体モジュール５１では、金属ブロック１を、導電性および熱伝導性のよい金属材料の銅で構成するとともに、その厚さを１．０〜４．０ｍｍ程度として、熱容量が高く放熱性に優れたものとしている。
そして、半導体モジュール５１では、金属ブロック１の第１面１ａ側に形成される放熱用絶縁層２を例えば酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素など熱伝導性に優れたセラミックス材により形成するようにしている。なお、放熱用絶縁層２では、熱伝導率は１〜２００Ｗ／ｍ・Ｋであることが好ましく、また、厚さは１０〜５００μｍであることが好ましい。
このように、半導体モジュール５１では、第２面１ｂ側にパワー半導体素子７が実装された、熱容量が高く放熱性に優れた金属ブロック１の第１面１ａ側に、熱伝導性に優れたセラミックス材よりなる放熱用絶縁層２を形成しているので、金属ブロック１の第１面１ａが放熱用絶縁層２を介して図示しない外部の冷却用ヒートシンクに直接接するようにすることにより、パワー半導体素子７下部の熱抵抗を十分に小さくすることができ、優れた放熱性を備えたものとすることができる。
なお、図１では金属ブロック１にパワー半導体素子７が１個実装された構成例を示しているが、金属ブロック１に実装されるパワー半導体素子７の個数は、２個でもよく、また、３個以上であってもよい。また、金属ブロック１を形成する金属材料は銅に限るものではなく、例えば銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金なども適用可能である。
また、半導体モジュール５１では、金属ブロック１の第２面１ｂ側に形成される中継電極用絶縁層４も例えば酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素など熱伝導性に優れたセラミックス材により形成するようにしている。なお、中継電極用絶縁層４では、熱伝導率は１〜２００Ｗ／ｍ・Ｋであることが好ましく、また、厚さは１０〜５００μｍであることが好ましい。
そして、中継電極用絶縁層４の上面に形成される中継電極３は例えば銅などの熱伝導性に優れた金属材料により形成するようにしている。なお、中継電極３を形成する金属材料は銅に限るものではなく、例えば銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金なども適用可能である。
また、半導体モジュール５１はエポキシ樹脂などの成形樹脂１４により封止されている。
図２は、本発明の実施形態にかかる半導体モジュールにおける熱の流れを模式的に示す図であって、特に半導体モジュール５１を電力変換機器１０１に組み込んだ場合について説明するものである。
図２において、半導体モジュール５１は冷却用ヒートシンク１０２上に放熱用絶縁層２が当接するようにして搭載されるとともに、外部接続リードフレーム９が半導体モジュール５１の上部に配置されたプリント配線板部１１１に接続されて、電力変換機器１０１を構成している。
電力変換機器１０１では、半導体モジュール５１におけるパワー半導体素子７により主回路が構成されるとともに、プリント配線板部１１１におけるプリント配線板１１４に実装された電子回路部品１１５ａ，１１５ｂ，１１５ｃなどにより、その他の電源回路や制御用の回路が構成されている。電子回路部品１１５ａ，１１５ｂ，１１５ｃとしては例えばＩＣ、ＬＳＩ、抵抗、コンデンサ、リアクトルなどの各種部品が用いられる。
図２では一部分だけが図示されているプリント配線板１１４はプリント基板本体１１２に回路パターン１１３が形成されたものであり、このプリント配線板１１４に電子回路部品１１５ａ，１１５ｂ，１１５ｃなどがはんだ１１６による接合で実装されて、プリント配線板部１１１を構成している。半導体モジュール５１の外部接続用リードフレーム９はプリント配線板１１４の挿入孔１１８に挿入されて回路パターン１１３にはんだ１１７による接合で接続される。
なお、本発明の実施形態にかかる半導体モジュールとプリント配線板部との接続構造は図２に示された構成に限定されるものではない。
また、図２において、半導体モジュール５１におけるパワー半導体素子７として例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate
Bipolar Transistor）を実装した構成では、ＩＧＢＴの下面のコレクタ電極が金属ブロック１の第２面１ｂに接合され、ＩＧＢＴの上面に形成されているエミッタ電極とゲート電極とがそれぞれボンディングワイヤ１１ａにより中継電極３に接続される。
図２において、半導体モジュール５１におけるパワー半導体素子７が動作時に発熱した場合の熱の流れを白抜き矢印ｈ１〜ｈ５により模式的に示している。白抜き矢印ｈ１〜ｈ５の幅は流れる熱量の大小を定性的に示している。なお、図２では、パワー半導体素子７から左側のボンディングワイヤ１１ａに沿って流れる熱の流れのみを示している。また、図２では、説明の便宜上、パワー半導体素子７と中継電極３とを接続するボンディングワイヤを１１ａとし、中継電極３と外部接続用リードフレーム９とを接続するボンディングワイヤを１１ｂとしている。
図２において、半導体モジュール５１内のパワー半導体素子７が動作時に発生する熱は、パワー半導体素子７からはんだ層２３、金属ブロック１および放熱用絶縁層２を介して冷却用ヒートシンク１０２に伝達されるとともに、パワー半導体素子７からボンディングワイヤ１１ａを介して外部接続用リードフレーム９側にも伝達される。しかしながら、本発明による半導体モジュール５１では、金属ブロック１上に中継電極用絶縁層４を介して形成された中継電極３を備え、パワー半導体素子７からのボンディングワイヤ１１ａを中継電極３に接合した上で、中継電極３から別のボンディングワイヤ１１ｂを介して外部接続用リードフレーム９に接続するようにしている。このため、半導体モジュール５１では、パワー半導体素子７からボンディングワイヤ１１ａを経由して流れてくる熱は大部分が中継電極３、熱伝導性に優れたセラミックス材料からなる中継電極用絶縁層４および金属ブロック１を介して冷却用ヒートシンク１０２に伝達され、中継電極３からボンディングワイヤ１１ｂを介して外部接続用リードフレーム９側に伝達される熱量は十分に小さく抑制されたものとなる。これにより、半導体モジュール５１の外部接続用リードフレーム９と接続されるプリント配線板部１１１側に伝わる熱量を抑制することができ、プリント配線板部１１１を形成するプリント配線板１１４に対する加熱を効果的に抑制することができる。
なお、上述のような半導体モジュール５１は、図２に示されるように、パワー半導体素子７が動作時に発生する熱を、パワー半導体素子７→はんだ層２３→金属ブロック１といいう第１の伝熱経路と、パワー半導体素子７→ボンディングワイヤ１１ａ→中継電極３→中継電極用絶縁層４→金属ブロック１という第２伝熱経路との２つの伝熱経路で効率良く金属ブロック１に伝達できるので、熱容量が高く放熱性に優れた金属ブロック１の機能をより有効に生かしたものとなっている。
次に、図１１は、比較例として、従来技術による半導体モジュールにおける熱の流れを模式的に示す図であって、特に、図１０で説明した構成の半導体モジュールを半導体モジュール１５１として、この半導体モジュール１５１を電力変換機器２０１に組み込んだ場合について説明するものである。
図１１において、半導体モジュール１５１は冷却用ヒートシンク２０２上に放熱用絶縁層２が当接するようにして搭載されるとともに、外部接続用リードフレーム９が半導体モジュール１５１の上部に配置されたプリント配線板部１１１Ａに接続されて、電力変換機器２０１を構成している。なお、プリント配線板部１１１Ａの構成は、回路パターンおよび電子回路部品の配置が半導体モジュール１５１における外部接続用リードフレーム９の配置に対応したものとなっている点以外は、図２に示したプリント配線板部１１１と同様である。また、図１１における半導体モジュール１５１とプリント配線板部１１１Ａとの接続構造は、図２における半導体モジュール５１とプリント配線板部１１１との接続構造と同様である。
図１１において、半導体モジュール１５１におけるパワー半導体素子７が動作時に発熱した場合の熱の流れを白抜き矢印ｈ１１〜ｈ１３により模式的に示している。白抜き矢印ｈ１１〜ｈ１３の幅は流れる熱量の大小を定性的に示している。なお、図１１では、パワー半導体素子７から左側のボンディングワイヤ１１に沿って流れる熱の流れのみを示している。
図１１において、半導体モジュール１５１内のパワー半導体素子７が動作時に発生する熱は、パワー半導体素子７からはんだ層２３、金属ブロック１および放熱用絶縁層２を介して冷却用ヒートシンク２０２に伝達されるとともに、パワー半導体素子７からボンディングワイヤ１１を介して外部接続用リードフレーム９側にも伝達される。
従来技術による半導体モジュール１５１では、パワー半導体素子７からのボンディングワイヤ１１を直接外部接続用リードフレーム９に接続するようにしているので、パワー半導体素子７からボンディングワイヤ１１を経由して流れてくる熱はそのまま外部接続用リードフレーム９を流れていく。これにより、半導体モジュール１５１では、半導体モジュール１５１の外部接続用リードフレーム９と接続されるプリント配線板部１１１Ａ側に伝わる熱量を抑制することができないため、プリント配線板部１１１Ａを形成するプリント配線板１１４Ａに対する加熱を抑制することができない。
これに対して、本発明による半導体モジュールでは、上述のように、電力変換機器などの電気機器に組み込まれた状態において、半導体モジュール内のパワー半導体素子が動作時に発生する熱のうち、半導体モジュールに接続されたプリント配線板部側に伝わる熱量を抑制し、プリント配線板などに対する加熱を効果的に抑制することができる。
次に、図１に戻って、図１（ｂ）〜図１（ｃ）の構成例について説明する。
図１（ｂ）に示す半導体モジュール５１Ａは、上述の図１（ａ）に示した半導体モジュール５１に対して、中継電極３と外部接続リードフレーム９とをボンディングワイヤ１１ｂで接続する代わりに、外部接続リードフレーム９Ａを中継電極３に直接接合するようにした点が異なるものであり、それ以外の点は同様である。
図１（ｃ）に示す半導体モジュール５１Ｂは、上述の図１（ｂ）に示した半導体モジュール５１Ａに対して、パワー半導体素子７と中継電極３とをボンディングワイヤ１１ａで接続する代わりに、リードフレーム１３で接続するようにした点が異なるものであり、それ以外の点は同様である。
続いて、本発明の実施形態にかかる半導体モジュールの製造方法について図３ないし図５を参照して説明する。図３ないし図５は、本発明の実施形態にかかる半導体モジュールの製造工程における各段階の構造を示す断面図であり、特に図１（ａ）に示した半導体モジュール５１を対象として説明するものである。
最初に、１．０〜４．０ｍｍ程度の銅板を、プレス加工により、正方形または長方形に打ち抜いて、金属ブロック１を製作する（図３（ａ））。
次に、マスク２１をあてて、溶射法もしくはエアロゾルデポジション法により例えば酸化アルミニウム粉などのセラミックス粉末２２を積層することにより、金属ブロック１の第１面１ａ側に放熱用絶縁層２を形成する。
放熱用絶縁層２としては、金属ブロック１の第１面１ａに第１面部絶縁層２ａを形成するとともに金属ブロック１の側面１ｃの一部に側面部絶縁層２ｂを形成する。側面部絶縁層２ｂは第１面部絶縁層２ａにつながるように形成する（図３（ｂ）〜図３（ｃ））。
溶射法のうち、例えばプラスマ溶射法で金属ブロック１の第１面１ａ側に絶縁層を形成する場合は、セラミックス粉末には酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素からなる１種類以上を用いる。雰囲気としては大気圧もしくは減圧下でマスク２１を介して金属ブロック１に溶射を行い、放熱用絶縁層２を堆積させる。
なお、プラスマ溶射法により金属ブロック１上に放熱用絶縁層２として第１面部絶縁層２ａに加えて側面部絶縁層２ｂも形成するため、例えば図３（ｂ）に示すように金属ブロック１の側面１ｃの一部をマスク２１から露出させた状態で、セラミックス粉末を原料粉末２２及び２２Ａとして溶射する。この際、（図示されない）溶射ノズルの方向を調整して、金属ブロック１の第１面１ａに正対する原料粉末２２の方向に加えて斜め方向の原料粉末２２Ａも利用することによって、金属ブロック１上に、第１面１ａの第１面部絶縁層２ａに加えて、側面１ｃの一部にも第１面部絶縁層２ａとつながる側面部絶縁層２ｂを形成する。金属ブロック１の側面１ｃのうち、側面部絶縁層２ｂによって覆う範囲は、金属ブロック１と図示しない外部の冷却用ヒートシンクとの間に生じ得る電位差などの絶縁設計条件を勘案して決定される。
放熱用絶縁層２の厚みは溶射時間をコントロールすることにより調整できる。絶縁層の厚みは１０〜５００μｍが好ましい。上記のようにして形成された放熱用絶縁層２は、絶縁特性として、例えば厚み２００μｍで交流破壊電圧５ｋＶ以上を有しており、耐電圧定格が１２００Ｖのパワー素子にも用いることができる。
次に、エアロゾルデポジション法で金属ブロック１の第１面１ａ側に放熱用絶縁層２を堆積させる場合について説明する。エアロゾルデポジション法とは、微粒子あるいは超微粒子原料をガスと混合してエアロゾル化し、ノズルを通して基板に皮膜を形成する技術である。ガスにはヘリウムもしくは空気が用いられる。装置は、図示しないエアロゾル化チャンバーと成膜チャンバーから構成することができる。成膜チャンバーは、真空ポンプで５０Ｐａ〜１ｋＰａ前後に減圧する。原料である微粒子または超微粒子材料は乾燥された状態でエアロゾル化チャンバー内でガスと攪拌・混合してエアロゾル化され、両チャンバーの圧力差により生じるガスの流れにより成膜チャンバーに搬送され、スリット状のノズルを通過することで加速され、成膜対象である金属ブロック１の第１面１ａ側に噴射される。原料微粒子には、機械的に粒径０．１〜２μｍに粉砕したセラミックス粉末を用いる。ガス搬送された超微粒子は、減圧されたチャンバー内の微小開口のノズルを通すことで数百ｍ／secまで加速される。成膜速度や成膜体の密度は使用されるセラミックス微粒子の粒径や凝集状態、乾燥状態などに大きく依存するため、エアロゾル化チャンバーと成膜チャンバーとの間に凝集粒子の解砕器や分級装置を用いている。
そして、放熱用絶縁層２を膜として形成するためには、粒径０．１〜２μｍの微粒子のセラミックスを高速で基板上に吹き付け、その時の衝突エネルギーにて１０〜３０ｎｍ前後の微結晶粒子に破砕され、新生面が形成されて表面が活性化され、粒子同士が結合されることで、ち密なナノ結晶組織のセラミックス膜が形成される。また、エアロゾルデポジション法では特に温度をかけることなく常温でセラミックス膜を形成可能である。
エアロゾルデポジションの微粒子には、粒子径が０．１〜２μｍ程度の酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素のいずれかを用いることが好ましい。必要な膜厚を得るため、所定の時間、マスク２１を用い微粒子を吹き付け、図３（ｃ）に示す放熱用絶縁層２を形成する。
なお、エアロゾルデポジション法により金属ブロック１上に絶縁層２として第１面部絶縁層２ａに加えて側面部絶縁層２ｂも形成するため、上述のプラスマ溶射法の場合と同様に、例えば図３（ｂ）に示すように金属ブロック１の側面１ｃの一部をマスク２１から露出させた状態で、セラミックス微粒子を原料粉末２２及び２２Ａとして吹き付ける。この際、（図示されない）ノズルの方向を調整して、金属ブロック１の第１面１ａに正対する原料粉末２２の方向に加えて斜め方向の原料粉末２２Ａも利用することによって、金属ブロック１上に、第１面１ａの第１面部絶縁層２ａに加えて、側面１ｃの一部にも第１面部絶縁層２ａとつながる側面部絶縁層２ｂを形成する。金属ブロック１の側面１ｃのうち、側面部絶縁層２ｂによって覆う範囲は、金属ブロック１と図示しない外部の冷却用ヒートシンクとの間に生じ得る電位差など絶縁設計条件を勘案して決定される。
ここで、微粒子には窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素いずれかのフィラーに酸化アルミニウムの皮膜を形成したもの、もしくは、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素いずれかのフィラーに酸化珪素の皮膜を形成したものも適用可能である。これらの微粒子を用いれば、２種類以上のセラミックスを複合した絶縁層が形成できる。
放熱用絶縁層２の厚みは、溶射法と同様の１０〜５００μｍが好ましい。上記のようにして形成された絶縁層２は、絶縁特性として、例えば厚み２００μｍで交流破壊電圧５ｋＶ以上を有しており、耐電圧定格が１２００Ｖのパワー素子にも用いることができる。
次に、金属ブロック１の第２面１ｂにもマスク２１Ａをあてて、溶射法もしくはエアロゾルデポジション法により例えば酸化アルミニウム粉などのセラミックス粉末２２を積層することにより、金属ブロック１の第２面１ｂ側に中継電極用絶縁層４を形成する（図３（ｄ）〜図４（ａ））。この中継電極用絶縁層２は金属ブロック１の第２面１ｂにおける全面ではなく一部分に形成する。
中継電極用絶縁層４の形成に用いるセラミックス微粒子の材料、および絶縁層の形成方法は、溶射法もしくはエアロゾルデポジション法とも上述の放熱用絶縁層２と同様である。
中継電極用絶縁層２の厚みは、溶射法またはエアロゾルデポジション法のいずれで形成したものでも、放熱用絶縁層２と同様に１０〜５００μｍが好ましい。
次に、中継電極用絶縁層４の上に銅製の中継電極３を積層する。銅を堆積させる方法は、絶縁層と同様にプラズマ溶射法を用いる。すなわち、金属ブロック１の第２面１ｂに形成されている中継電極用絶縁層４にマスク２１Ｂをあてて、銅粒子２４を溶射し、中継電極３を形成する（図４（ｂ）〜（ｃ））。
これにより、金属ブロック１の第１面１ａ側に放熱用絶縁層２が形成されるとともに、第２面１ｂの一部には中継電極３が中継電極用絶縁層４を介して形成された絶縁金属ブロック５が完成する（図４（ｄ））。
次に、絶縁金属ブロック５における金属ブロック１の第２面１ｂにパワー半導体素子７をはんだ２３での接合により接合する（図５（ａ））。はんだ付けは、ペレット状のはんだを利用し、水素還元が可能な炉において行なう。水素還元が可能な炉を使うのは、金属ブロック１の表面の酸化膜を水素還元により除去し、活性化させることにより、はんだとの濡れ性を向上させるためである。はんだ材料には例えば、ＳｎＰｂＡｇからなる高温はんだ、ＳｎＡｇＣｕ系からなる鉛フリーはんだを用いる。はんだ付けの温度は、はんだの融点に応じて設定される。
パワー半導体素子７と金属ブロック１との間のはんだ層２３にボイドが残留すると、熱抵抗が高くなり、パワー半導体素子７から生じる熱を効率よく放熱することができない。そこで、ボイドを発生しないように、はんだが溶融している状態で、１．３ｋＰａ（１０Ｔｏｒｒ）以下の真空引きを行なう。
次に、ボンディングワイヤ１１ａによりパワー半導体素子７と中継電極３との接続を行なう（図５（ｂ））。ボンディングワイヤ１１ａは、線径が１２５〜５００μｍのＡｌワイヤを使用して超音波接合する。なお、パワー半導体素子７と中継電極３との接続には、ボンディングワイヤ１１ａの代わりに、図１（ｃ）に示したようにリードフレーム１３を使用しても良い。
さらに、ボンディングワイヤ１１ｂにより中継電極３と外部リード端子９との接続を行なう（図５（ｃ））。ボンディングワイヤ１１ｂは、上述のボンディングワイヤ１１ａと同様に線径が１２５〜５００μｍのＡｌワイヤを使用して超音波接合する。なお、中継電極３と外部接続用リードフレーム９との接続には、ボンディングワイヤ１１ｂの代わりに、図１（ｃ）に示したリードフレーム１３と同様なリードフレームを使用しても良く、さらには、図１（ｂ）〜（ｃ）に示したように中継電極３に外部接続用リードフレーム９を直接接合しても良い。
次に、図５（ｃ）に示した組立体を、トランスファー成形機に取り付けられた金型にセットする。金型は１７０〜１８０℃程度に保温されており、予熱後にタブレット状のエポキシ樹脂１４をプランジャーにて金型内に流し込む。エポキシ樹脂１４は、酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素からなるフィラー群の１種類以上を含むエポキシ樹脂からなり、熱伝導率は０．５〜５Ｗ／ｍ・Ｋの樹脂を用いる。
エポキシ樹脂１４の注入を行なうと数十秒で硬化するので、直ぐに金型から取り出し、恒温槽で後硬化を行なって封止を完了する（図５（ｄ））。
図６は本発明の実施形態にかかる半導体モジュールの異なる構成例を示す断面図である。本発明による半導体モジュールは、金属ブロック１と図示しない外部の冷却用ヒートシンクとの間に生じ得る電位差など絶縁設計条件との関係で問題のない場合には、図６（ａ）〜図６（ｃ）に示す半導体モジュール５１Ｃ、５１Ｄ、５１Ｅのように、放熱用絶縁層２が第１面にのみ形成された構成であってもよい。半導体モジュール５１Ｃ、５１Ｄ、５１Ｅの各構成は、上記以外の点では、図１（ａ）〜図１（ｃ）に示した半導体モジュール５１、５１Ａ、５１Ｂの各構成にそれぞれ対応している。
以上説明した本発明による半導体モジュールでは、特に、金属ブロックの第２面に接合されたパワー半導体素子など回路素子からのボンディングワイヤまたはリードフレームを中継電極に接合した上で、この中継電極と外部リード端子とを接続していることにより、回路素子が動作時に発生し、回路素子からのボンディングワイヤまたはリードフレームに沿って伝達される熱は、主に中継電極および熱伝導性に優れたセラミックス材料からなる中継電極用絶縁層を介して熱容量が高く放熱性に優れた金属ブロックの方に伝わるので、外部リード端子の方に伝わる熱量は十分に抑制することができる。
これにより、本発明による半導体モジュールでは、その外部リード端子から当該外部リード端子に接続された外部の例えばプリント基板などに流れ出す熱量を効果的に抑制することができるため、外部のプリント基板などに対する加熱を効果的に抑制することができるので、このような半導体モジュールを用いることによって、電力変換機器の寸法増大やコスト増大なしに電力変換機器のケース内の温度上昇を効果的に抑制することができる。
１：金属ブロック
１ａ:第１面
１ｂ：第２面
１ｃ：側面
２：放熱用絶縁層
２ａ：第１面部絶縁層
２ｂ：側面部絶縁層
３：中継電極
４：中継電極用絶縁層
５：絶縁金属ブロック
７：パワー半導体素子
９，９Ａ，９Ｂ，９Ｃ，９Ｄ，９Ｅ，９Ｆ：外部接続用リードフレーム
１１，１１ａ，１１ｂ：ボンディングワイヤ
１２：ＩＣ用ボンディングワイヤ
１３：リードフレーム
１４：成形樹脂（エポキシ樹脂）
２１，２１Ａ，２１Ｂ：マスク
２２，２２Ａ：セラミックス粒子
２３：はんだ
２４：銅粒子
３１：駆動ＩＣ
３２：ヒートシンク
３３：絶縁基板
３４：金属板
３５：銅箔
３６：絶縁層
３７：絶縁金属ブロック
５１，５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ，５１Ｄ，５１Ｅ：半導体モジュール
１０１：電力変換機器
１０２：冷却用ヒートシンク
１１１，１１１Ａ：プリント配線板部
１１２，１１２Ａ：プリント基板本体
１１３，１１３Ａ：回路パターン
１１４，１１４Ａ：プリント配線板
１１５ａ，１１５ｂ，１１５ｃ：電子回路部品
１１６：はんだ
１１７：はんだ
１１８：挿入孔
１５１：半導体モジュール
２０１：電力変換機器
２０２：冷却用ヒートシンク
ｈ１，ｈ２，ｈ３，ｈ４，ｈ５，ｈ１１，ｈ１２，ｈ１３：熱の流れ
本発明は、このような目的を達成するために、第１面および第２面を有する金属ブロックと、前記金属ブロックの少なくとも第１面に直接セラミックス材料を積層して形成された放熱用絶縁層と、前記金属ブロックの第２面の一部分に直接セラミックス材料を積層して形成された中継電極用絶縁層と、前記中継電極用絶縁層の上面に金属材料を積層して形成された中継電極と、前記金属ブロックの第２面に接合された回路素子と、外部リード端子とを備え、前記回路素子からの第１のボンディングワイヤまたはリードフレームを前記中継電極に接合するとともに、前記中継電極と前記外部リード端子とを第２のボンディングワイヤにより接続した構成とする（請求項１の発明）。また、回路素子と金属ブロックとが直接はんだにより接合される構成とする（請求項２の発明）。
この構成によれば、回路素子からのボンディングワイヤまたはリードフレームを中継電極に接合するとともに、中継電極と外部リード端子とを接続していることにより、回路素子と外部リード端子とは上記中継電極を介して接続されている。
このため、パワー半導体素子などの回路素子が動作時に発生し、回路素子からのボンディングワイヤまたはリードフレームに沿って伝達される熱は、主に中継電極およびセラミックス材料からなる中継電極用絶縁層を介して熱容量が高く放熱性に優れた金属ブロックの方に伝わるので、外部リード端子の方に伝わる熱量は十分に抑制することができる。
このため、本発明による半導体モジュールでは、その外部リード端子から当該外部リード端子に接続された外部の例えばプリント基板などに流れ出す熱量を効果的に抑制することができるので、外部のプリント基板などに対する加熱を効果的に抑制することができる。
そして、前記放熱用絶縁層は、前記金属ブロックの第１面に連接する側面の少なくとも一部を覆う構成とすることができる（請求項３の発明）。
また、前記放熱用絶縁層および前記中継電極用絶縁層は、熱伝導率が１〜２００Ｗ／ｍ・Ｋであり、かつ厚さが１０〜５００μｍである構成とすることができる（請求項４の発明）。
また、前記放熱用絶縁層および前記中継電極用絶縁層は、酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素からなるフィラー群の少なくとも１種類からなる構成とすることができ（請求項５の発明）、さらに、前記放熱用絶縁層および前記中継電極用絶縁層は、前記フィラー群の少なくとも１種によるセラミックス微粒子をプラズマ溶射法にて堆積させること（請求項６の発明）や、前記放熱用絶縁層および前記中継電極用絶縁層は、前記フィラー群の少なくとも１種によるセラミックス微粒子をエアロゾルデポジション法にて堆積させることにより形成した構成とすることもできる（請求項７の発明）。
また、前記中継電極は、金属材料として銅粒子を溶射して形成した構成とすることができる（請求項８の発明）。
そして、前記回路素子は、パワー半導体素子である構成とすることができる（請求項９の発明）。また、前記放熱用絶縁層の下面に、冷却用ヒートシンクが形成された構成とすることができる（請求項１０の発明）。

Claims (9)

  1. 第１面および第２面を有する金属ブロックと、
    前記金属ブロックの少なくとも第１面に直接セラミックス材料を積層して形成された放熱用絶縁層と、
    前記金属ブロックの第２面の一部分に直接セラミックス材料を積層して形成された中継電極用絶縁層と、
    前記中継電極用絶縁層の上面に金属材料を積層して形成された中継電極と、
    前記金属ブロックの第２面に接合された回路素子と、
    外部リード端子とを備え、
    前記回路素子からのボンディングワイヤまたはリードフレームを前記中継電極に接合するとともに、
    前記中継電極と前記外部リード端子とを接続した
    ことを特徴とする半導体モジュール。
  2. 請求項１に記載の半導体モジュールにおいて、
    前記放熱用絶縁層は、前記金属ブロックの第１面に連接する側面の少なくとも一部を覆うことを特徴とする半導体モジュール。
  3. 請求項１に記載の半導体モジュールにおいて、
    前記放熱用絶縁層および前記中継電極用絶縁層は、熱伝導率が１〜２００Ｗ／ｍ・Ｋであり、かつ厚さが１０〜５００μｍであることを特徴とする半導体モジュール。
  4. 請求項１に記載の半導体モジュールにおいて、
    前記放熱用絶縁層および前記中継電極用絶縁層は、酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素からなるフィラー群の少なくとも１種類からなることを特徴とする半導体モジュール。
  5. 請求項４に記載の半導体モジュールにおいて、
    前記放熱用絶縁層および前記中継電極用絶縁層は、前記フィラー群の少なくとも１種によるセラミックス微粒子をプラズマ溶射法にて堆積させることにより形成したことを特徴とする半導体モジュール。
  6. 請求項４に記載の半導体モジュールにおいて、
    前記放熱用絶縁層および前記中継電極用絶縁層は、前記フィラー群の少なくとも１種によるセラミックス微粒子をエアロゾルデポジション法にて堆積させることにより形成したことを特徴とする半導体モジュール。
  7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体モジュールにおいて、
    前記中継電極は、金属材料として銅粒子を溶射して形成したことを特徴とする半導体モジュール。
  8. 請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体モジュールにおいて、
    前記中継電極と外部リード端子とをボンディングワイヤまたはリードフレームを介して接続したことを特徴とする半導体モジュール。
  9. 請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体モジュールにおいて、
    前記回路素子は、パワー半導体素子であることを特徴とする半導体モジュール。
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