(57)【要約】【課題】信頼性の向上を図ることができる半導体装置、及び半導体装置の製造方法を得る。【解決手段】半導体モジュール３は、モジュール本体６と、モジュール本体６から突出する端子突出部３１とを有している。モジュール本体６には、ヒートシンク２の実装面２３に対向するモジュール底面６１が形成されている。接着層４は、モジュール底面６１と実装面２３との間に介在している。保護部材５は、接着層４の外側でモジュール底面６１と実装面２３との間に介在しているとともに、端子突出部３１と実装面２３との間に介在している。また、保護部材は、モジュール底面６１、実装面２３及び接着層４に接着されている。【選択図】図１
2020115495.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
実装面が形成されたヒートシンク、
前記実装面に対向するモジュール底面が形成されたモジュール本体と、前記モジュール本体から突出する端子突出部とを有し、前記実装面に設けられた半導体モジュール、
前記モジュール底面と前記実装面との間に介在しており、前記モジュール本体を前記実装面に接着している接着層、及び
前記接着層の外側で前記モジュール底面と前記実装面との間に介在しているとともに、前記端子突出部と前記実装面との間にも介在している保護部材
を備え、
前記保護部材は、前記モジュール底面、前記実装面及び前記接着層に接着されている半導体装置。
【請求項２】
前記保護部材の線膨張率は、前記接着層の線膨張率よりも大きくなっている請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記保護部材は、前記接着層よりも柔らかくなっている請求項１又は請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記保護部材は、前記実装面に設けられた第１層と、前記第１層に重なった第２層とを有しており、
前記第１層の一部は、前記モジュール底面と前記実装面との間に介在しており、
前記第２層は、前記端子突出部と前記第１層との間に介在しており、
前記第１層の硬さは、前記第２層の硬さよりも硬くなっている請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記実装面には、第１の凹部が形成されており、
前記第１の凹部には、前記保護部材が嵌っている請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第１の凹部の底面には、第２の凹部が形成されており、
前記第２の凹部には、前記接着層が嵌っている請求項５に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記保護部材の外面には、凸部が設けられている請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記ヒートシンクに接合されたジャケット部材を備え、
前記ヒートシンクと前記ジャケット部材との間には、冷却媒体が流れる流路が形成されている請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記ヒートシンクに対する前記ジャケット部材の接合部は、前記ヒートシンク及び前記ジャケット部材のそれぞれの材料のみで構成されている請求項８に記載の半導体装置。
【請求項１０】
請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の半導体装置を製造する半導体装置の製造方法であって、
前記実装面に前記保護部材を取り付ける保護部材工程、
前記保護部材工程の後、前記モジュール底面と前記実装面との間に前記接着層を介在させた状態で前記接着層及び前記モジュール本体を前記保護部材の内側に配置する部品配置工程、及び
前記部品配置工程の後、前記接着層を加熱しながら前記半導体モジュールを前記接着層に加圧する加熱加圧工程
を備えている半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ヒートシンクに接着層を介して半導体モジュールを接着した半導体装置、及び半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数の半導体チップが固定された銅製の導体をアルミニウム製のヒートシンクに絶縁樹脂シートを介して接着したインバータ装置が知られている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許３６４１２３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に示されている従来のインバータ装置では、インバータ装置の温度が変化したときに、導体とヒートシンクとの線膨張率の差に起因して絶縁樹脂シートに熱応力が作用する。従って、従来のインバータ装置では、絶縁樹脂シートの少なくとも一部が熱応力によって導体又はヒートシンクから剥がれるおそれがある。絶縁樹脂シートの少なくとも一部が導体又はヒートシンクから剥がれた場合、導体とヒートシンクとの間で電気絶縁性能の低下及び熱伝導性能の低下が生じてしまい、インバータ装置の信頼性が低下してしまう。
【０００５】
また、半導体チップの端子とヒートシンクとの間に導電性異物が挟まると、端子とヒートシンクとの間の電気絶縁性能が低下してしまい、インバータ装置の信頼性がさらに低下してしまう。
【０００６】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、信頼性の向上を図ることができる半導体装置、及び半導体装置の製造方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明による半導体装置は、実装面が形成されたヒートシンク、実装面に対向するモジュール底面が形成されたモジュール本体と、モジュール本体から突出する端子突出部とを有し、実装面に設けられた半導体モジュール、モジュール底面と実装面との間に介在しており、モジュール本体を実装面に接着している接着層、及び接着層の外側でモジュール底面と実装面との間に介在しているとともに、端子突出部と実装面との間にも介在している保護部材を備え、保護部材は、モジュール底面、実装面及び接着層に接着されている。
【発明の効果】
【０００８】
この発明による半導体装置、及び半導体装置の製造方法によれば、半導体装置の信頼性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】この発明による実施の形態１の半導体装置を示す断面図である。
【図２】図１の半導体装置を示す上面図である。
【図３】図１の半導体モジュールを示す断面図である。
【図４】図１のヒートシンクを示す断面図である。
【図５】図４のヒートシンクの実装面に保護部材が設けられた状態を示す断面図である。
【図６】図５の保護部材の内側で実装面に接着層を配置した状態を示す断面図である。
【図７】図６の保護部材の内側にモジュール本体を配置するときの状態を示す断面図である。
【図８】図７の半導体モジュールを加圧している状態を示す断面図である。
【図９】この発明の実施の形態２による半導体装置を示す断面図である。
【図１０】この発明の実施の形態３による半導体装置を示す断面図である。
【図１１】この発明の実施の形態４による半導体装置を示す断面図である。
【図１２】この発明の実施の形態５による半導体装置を示す断面図である。
【図１３】この発明の実施の形態６による半導体装置を示す断面図である。
【図１４】図１３の接合部を示す拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明による実施の形態１の半導体装置を示す断面図である。また、図２は、図１の半導体装置を示す上面図である。さらに、図３は、図１の半導体モジュールを示す断面図である。図において、半導体装置１は、ヒートシンク２と、ヒートシンク２に設けられた半導体モジュール３と、半導体モジュール３をヒートシンク２に接着している接着層４と、半導体モジュール３及び接着層４を囲む保護部材５とを有している。この例では、インバータ装置などの電力変換装置に用いられる電力用半導体装置が半導体装置１とされている。また、この例では、電力用半導体装置に含まれるパワーモジュールが半導体モジュール３とされている。
【００１１】
半導体モジュール３は、図２に示すように、モジュール本体６と、モジュール本体６に複数の端子として設けられた第１の端子７、第２の端子８及び第３の端子９とを有している。
【００１２】
モジュール本体６には、モジュール底面６１と、モジュール天面６２と、モジュール側面６３とが形成されている。モジュール天面６２は、モジュール本体６を挟んでモジュール底面６１と対向している。モジュール側面６３は、モジュール底面６１とモジュール天面６２との間でモジュール本体６を囲む外周面である。この例では、モジュール底面６１に直交する方向に沿ってモジュール本体６を見たとき、図２に示すように、モジュール本体６の形状が矩形状になっている。
【００１３】
モジュール本体６は、発熱部品である電力用の半導体素子１１と、半導体素子１１が設けられた板状の放熱部材１２と、半導体素子１１及び放熱部材１２を覆うモールド部材１３とを有している。
【００１４】
放熱部材１２は、導電性及び熱伝導性を持つ材料で構成されている。放熱部材１２を構成する材料としては、銅、アルミニウムなどの金属材料が用いられている。
【００１５】
放熱部材１２には、放熱面１２１と、接合面１２２とが形成されている。接合面１２２は、放熱部材１２を挟んで放熱面１２１と対向している。放熱面１２１は、モールド部材１３から露出している。モジュール底面６１は、放熱面１２１と、放熱面１２１の周囲に形成されたモールド部材１３の面とによって構成されている。モジュール天面６２及びモジュール側面６３は、モールド部材１３に形成されている。モールド部材１３は、電気絶縁性を持つ樹脂で構成されている。
【００１６】
半導体素子１１は、はんだなどの導電性接合部材１４を介して接合面１２２に接合されている。第１の端子７は、はんだなどの導電性接合部材１５を介して半導体素子１１に接合されている。第２の端子８は、はんだなどの導電性接合部材１６を介して接合面１２２に接合されている。第３の端子９は、はんだなどの図示しない導電性接合部材を介して接合面１２２に接合されている。これにより、放熱部材１２には、半導体素子１１の動作中に電位が発生する。半導体素子１１としては、炭化ケイ素（ＳｉＣ）を材料として構成されたワイドギャップ半導体素子、シリコン（Ｓｉ）を用いた素子などが用いられている。
【００１７】
第１の端子７、第２の端子８及び第３の端子９のそれぞれは、モジュール本体６から突出する端子突出部３１を有している。第１の端子７、第２の端子８及び第３の端子９のそれぞれの端子突出部３１は、モジュール側面６３から突出している。この例では、第１の端子７及び第２の端子８がモジュール本体６に電力を供給するための端子であり、第３の端子９がモジュール本体６から外部へ電力を供給するための端子である。
【００１８】
ヒートシンク２は、天板２１と、天板２１から突出する複数のフィン２２とを有している。天板２１には、実装面２３が形成されている。複数のフィン２２は、天板２１の実装面２３とは反対側の部分から突出している。また、複数のフィン２２は、互いに間隔をあけて配置されている。
【００１９】
ヒートシンク２は、導電性及び熱伝導性を持つ材料で構成されている。ヒートシンク２を構成する材料としては、アルミニウム、銅などの金属材料が用いられている。この例では、導電性溶液が各フィン２２に接触しながら冷却媒体として流れる水冷式のヒートシンクがヒートシンク２として用いられている。また、この例では、ヒートシンク２を流れる導電性溶液を通じて例えばラジエータなどの周辺部品とヒートシンク２とが電気的に接続される。
【００２０】
ここで、実装面２３に電位が発生してヒートシンク２に電流が流れた場合には、ヒートシンク２から周辺部品にも電流が流れる。これにより、半導体モジュール３がアースと短絡する故障が発生するおそれがある。従って、ヒートシンク２は、半導体モジュール３から電気的に絶縁する必要がある。
【００２１】
モジュール本体６は、モジュール底面６１を実装面２３に対向させた状態で配置されている。接着層４は、実装面２３とモジュール底面６１との間に介在している。モジュール底面６１に対する接着層４の範囲は、放熱面１２１をすべて含む範囲である。また、モジュール底面６１の外周部分は、接着層４の範囲の外側で接着層４から露出している。
【００２２】
接着層４は、熱伝導性及び電気絶縁性を持つ材料で構成されている。接着層４を構成する材料としては、熱伝導性フィラーと熱硬化型樹脂とを複合化した材料が用いられる。熱伝導性フィラーとしては、窒化ホウ素、窒化ケイ素、アルミナなどが用いられる。熱硬化型樹脂としては、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂などが用いられる。
【００２３】
熱伝導性フィラーと熱硬化型樹脂とを複合化する方法としては、以下の方法が用いられる。即ち、予め粒子状に形成された熱伝導性フィラーと、熱硬化型樹脂とを混ぜ合わせて混合ペーストを作製する。この後、銅箔、ＰＥＴ（Polyethyleneterehthalate）製シートなどの基材に混合ペーストを塗布する。この後、混合ペーストをプレスなどによって平坦化することにより、混合ペースト内のボイドが縮小化される。この後、基材から剥がした混合ペーストが接着用シートとして接着層４に用いられる。
【００２４】
接着層４は、半導体装置１における必要な耐電圧に応じて、複数の接着層用シートを貼り合わせて構成してもよい。このようにすれば、接着層４内のボイドが接着層４を厚さ方向へ貫通する確率を低下させることができる。従って、接着層用シートの製造工程に起因してピンホールが接着層用シートに発生した場合でも、接着層４を貫通するボイドの発生を抑制することができる。
【００２５】
また、熱伝導性フィラーと熱硬化型樹脂とを複合化する別の方法として、以下の方法が用いられる。即ち、予め粒子状に形成された熱伝導性フィラー同士を焼結させることにより、熱伝導性フィラー同士の接触面積を増加させる。この後、熱伝導性フィラー間の隙間に熱硬化型樹脂を充填することにより、接着層用シートを作製する。
【００２６】
この方法を用いた場合、熱伝導性フィラー同士の接触状態を向上させることができるので、熱硬化型樹脂の充填比率を調整して接着層用シートの熱伝導性能の向上を図ることができる。
【００２７】
第１の端子７、第２の端子８及び第３の端子９のそれぞれの端子突出部３１は、モジュール側面６３から突出しているアーム部３１１と、ヒートシンク２から離れる方向へアーム部３１１の先端部から延びる立ち上がり部３１２とを有している。各アーム部３１１は、実装面２３から離れた位置に配置されている。この例では、各アーム部３１１が実装面２３と平行に配置されている。各アーム部３１１の裏面は、実装面２３に対向している。
【００２８】
保護部材５は、実装面２３上で接着層４及びモジュール本体６を全周にわたって囲んでいる。また、保護部材５は、接着層４の外側で実装面２３とモジュール底面６１との間に介在しているとともに、各アーム部３１１と実装面２３との間にも介在している。この例では、接着層４の外側に配置された保護部材５が、実装面２３とモジュール底面６１との間、及び各アーム部３１１と実装面２３との間に、隙間なく充填されている。
【００２９】
保護部材５では、接着層４の外側で実装面２３とモジュール底面６１との間に介在する部分が挟み込み部５１とされ、各アーム部３１１と実装面２３との間に介在する部分が保護本体部５２とされている。挟み込み部５１の厚さは、保護本体部５２の厚さよりも小さくなっている。また、保護部材５は、実装面２３、接着層４、モジュール本体６及び端子突出部３１に接着されている。具体的には、実装面２３と、接着層４の外周面と、モジュール底面６１と、モジュール側面６３と、各アーム部３１１の裏面とに保護部材５が接着されている。
【００３０】
ここで、ヒートシンク２を構成する材料は、熱伝導性、重量、コスト、加工の容易性、耐腐食性などの観点から、アルミニウムとされることが好ましい。一方、放熱部材１２を構成する材料は、導電性、熱伝導性などの観点から、銅とされることが好ましい。従って、ヒートシンク２を構成する材料と、放熱部材１２を構成する材料とが互いに異なる場合がある。
【００３１】
放熱部材１２を構成する材料が銅である場合、モールド部材１３の材料の線膨張率を銅の線膨張率に合わせることで、モジュール本体６内の導電性接合部材１４，１５，１６の信頼性が確保される。従って、モジュール本体６の線膨張率は、放熱部材１２を構成する銅の線膨張率とほぼ等価になる。なお、銅の線膨張率は、１６×１０−６／℃である。
【００３２】
ヒートシンク２を構成する材料がアルミニウムである場合、アルミニウムの線膨張率が２３×１０−６／℃であるため、実装面２３とモジュール底面６１との間に介在している接着層４が銅及びアルミニウムの線膨張率の差を吸収する必要がある。
【００３３】
接着層４には、半導体装置１の温度変化によって熱応力が生じる。例えば−４０℃と１２５℃との間での温度変化に応じた熱応力が接着層４に生じる。また、接着層４に生じる熱応力の大きさは、接着層４の端部、即ち接着層４の外周部で最も大きくなる。接着層４に生じる熱応力は、実装面２３及びモジュール底面６１と平行なせん断方向に作用する。微視的には、せん断方向と平行な切欠きが接着層４の端部に存在している。従って、接着層４の端部を起点として接着層４がモジュール底面６１及び実装面２３から剥離しやすい。
【００３４】
接着層４の端部には、保護部材５が接着されている。保護部材５は、モジュール底面６１及び実装面２３のそれぞれにも接着されている。これにより、接着層４に保護部材５を繋げることができ、接着層４の端部が接着層４の剥離の起点にならないようにすることができる。また、保護部材５によって接着層４の熱応力に逆らう方向への力を接着層４に作用させることができる。これにより、接着層４の端部における熱応力が保護部材５によって緩和される。この例では、保護部材５の線膨張率が接着層４の線膨張率よりも大きくなっている。また、この例では、保護部材５が接着層４よりも柔らかくなっている。
【００３５】
保護部材５は、電気絶縁性を持つ材料で構成されている。保護部材５を構成する材料としては、シリコーンゴム、シリコーン接着剤、エポキシ接着剤などが用いられる。保護部材５をエポキシ接着剤で構成する場合、エポキシ接着剤の弾性率が１ＧＰａ以下の低い弾性率とされる。また、保護部材５を構成する材料として、シリコーンゲルを用いることもできる。保護部材５を構成する材料としてシリコーンゲルを用いた場合、各アーム部３１１の高さ位置よりも高い寸法を持つ壁を実装面２３に設けることにより保護部材５の外部への流出を防止することができる。
【００３６】
次に、半導体装置１の製造方法について説明する。図４〜図８は、図１の半導体装置１を製造するときの手順を説明するための図である。
【００３７】
（保護部材工程）
図４は、図１のヒートシンク２を示す断面図である。また、図５は、図４のヒートシンク２の実装面２３に保護部材５が設けられた状態を示す断面図である。半導体装置１を製造するときには、図４及び図５に示すように、ヒートシンク２の実装面２３に環状の保護部材５を取り付ける保護部材工程を行う。保護部材５は、環状の保護本体部５２の下部から挟み込み部５１が内側へ突出した状態で実装面２３に取り付けられる。このとき、保護部材５の内側では、実装面２３が露出している。
【００３８】
（部品配置工程）
保護部材工程の後、予め作製しておいた半導体モジュール３を実装面２３に接着層４を介して配置する部品配置工程を行う。部品配置工程では、モジュール底面６１と実装面２３との間に接着層４を介在させた状態で接着層４及びモジュール本体６を保護部材５の内側に配置する。また、部品配置工程には、保護部材５の内側で実装面２３に接着層４を配置する接着層工程と、予め作製しておいた半導体モジュール３のモジュール本体６を保護部材５の内側に配置する半導体モジュール工程とが含まれている。
【００３９】
（接着層工程）
図６は、図５の保護部材５の内側で実装面２３に接着層４を配置した状態を示す断面図である。部品配置工程では、接着層工程を行った後、半導体モジュール工程を行う。接着層工程では、予め作製しておいた接着層用シートを接着層４に用いる。このとき、接着層４の外周面が保護部材５の挟み込み部５１の内周面に接触するように接着層４を配置する。接着層４として用いられる接着層用シートの厚さは、挟み込み部５１の厚さよりも僅かに小さくされている。
【００４０】
（半導体モジュール工程）
図７は、図６の保護部材５の内側にモジュール本体６を配置するときの状態を示す断面図である。接着層工程の後に行う半導体モジュール工程では、モジュール本体６のモジュール底面６１を接着層４に向けてモジュール本体６を配置する。また、半導体モジュール工程では、第１の端子７、第２の端子８及び第３の端子９のそれぞれのアーム部３１１を保護部材５の保護本体部５２に載せる。
【００４１】
（加熱加圧工程）
図８は、図７の半導体モジュール３を加圧している状態を示す断面図である。部品配置工程の後、接着層４を加熱しながら半導体モジュール３を接着層４に加圧する加熱加圧工程を行う。この例では、ヒータプレス装置によって接着層４を加熱しながら半導体モジュール３を接着層４に加圧する。これにより、接着層４が完全に硬化する。接着層４には、常温から硬化温度に昇温して半硬化状態から本硬化状態に変化させる過程で一旦軟化する特性がある。接着層４に対する加圧は、接着層４が軟化するタイミングで行う。
【００４２】
半導体モジュール３が接着層４に加圧されると、モジュール底面６１が接着層４及び挟み込み部５１に密着するとともに、モジュール側面６３が保護本体部５２の内周面に密着する。また、各端子突出部３１のそれぞれのアーム部３１１が保護本体部５２の上面に密着する。これにより、モジュール底面６１が接着層４及び挟み込み部５１に接着される。また、モジュール側面６３及び各アーム部３１１が保護本体部５２に接着される。このとき、接着層４及び保護部材５は、実装面２３にも接着される。
【００４３】
半導体モジュール３が接着層４に加圧されたときには、接着層４が外側へ押し出されようとする。しかし、接着層４の周囲に挟み込み部５１が存在することから、接着層４が外側へ押し出されることが挟み込み部５１によって防止される。このとき、接着層４として用いられる接着層用シートの厚さが挟み込み部５１の厚さよりも僅かに小さいことから、接着層４の全体が潰れて外側へ押し出されようとしても、挟み込み部５１が破壊されることはない。本硬化後の接着層４の厚さと目標の厚さとの誤差を小さくするためには、接着層４の本硬化状態での圧縮変化率が加圧力に対してできる限り小さくなるように、接着層４の半硬化状態において予め加圧により圧縮しておく必要がある。
【００４４】
接着層４の電気絶縁性能、即ち接着層４の耐電圧特性は、接着層４内のボイドのサイズが小さくなるほど向上する。加熱加圧工程では、接着層４が加圧されることにより、接着層４内のボイドが潰れてボイドのサイズが小さくなる。これにより、接着層４の電気絶縁性能が飛躍的に高まる。このようにして、半導体装置１が製造される。
【００４５】
このような半導体装置１では、保護部材５が、接着層４の外側でモジュール底面６１と実装面２３との間に介在しているとともに、各端子突出部３１と実装面２３との間にも介在している。また、保護部材５の一部は、モジュール底面６１、実装面２３及び接着層４に接着されている。このため、半導体装置１の温度変化によって接着層４に生じる熱応力を保護部材５によって緩和することができる。これにより、接着層４がモジュール底面６１及び実装面２３のそれぞれから剥がれにくくすることができる。従って、モジュール本体６とヒートシンク２との間での電気絶縁性能の低下及び放熱性能の低下を抑制することができ、半導体装置１の信頼性の向上を図ることができる。
【００４６】
また、保護部材５が各端子突出部３１と実装面２３との間に介在していることから、各端子突出部３１とヒートシンク２とが導電性異物によって短絡することを防止することができる。これにより、半導体装置１の信頼性の向上をさらに図ることができる。
【００４７】
即ち、半導体装置１を製造するときに発生する導電性異物が端子突出部３１と実装面２３との間に挟まってしまうと、端子突出部３１とヒートシンク２との間の絶縁沿面距離及び絶縁空間距離が不足する。これにより、絶縁耐圧検査で半導体装置１の不良が発生してしまう。特に、複数の半導体モジュール３がヒートシンク２の実装面２３に並べて配置されている半導体装置１では、互いに隣接する半導体モジュール３同士の隙間が小さいことから、端子突出部３１と実装面２３との間の状態を目視確認することが困難になってしまう。このような場合、端子突出部３１と実装面２３との間に挟まった導電性異物を検出できずに半導体装置１の不良が発生してしまう場合がある。しかし、保護部材５が各端子突出部３１と実装面２３との間に介在していることから、端子突出部３１と実装面２３との間への導電性異物の侵入を保護部材５によって防止することができ、半導体装置１の信頼性の向上をさらに図ることができる。
【００４８】
また、保護部材５の線膨張率は、接着層４の線膨張率よりも大きくなっている。このため、半導体装置１の温度変化によって接着層４に生じる熱応力をさらに確実に緩和することができる。これにより、半導体装置１の信頼性の向上をさらに確実に図ることができる。
【００４９】
また、保護部材５は、接着層４よりも柔らかくなっている。このため、保護部材５が外力を受けたときに保護部材５を緩衝材として機能させることができる。これにより、保護部材５に外力を吸収させることができ、接着層４を損傷しにくくすることができる。
【００５０】
また、このような半導体装置１の製造方法では、保護部材５の内側にモジュール本体６を配置した後に、接着層４を加熱しながら半導体モジュール３を接着層４に加圧する。このため、半導体モジュール３が加圧されるときにモジュール底面６１と実装面２３との間から接着層４が外側へ押し出されることを保護部材５によって防止することができる。これにより、接着層４に十分な加圧力を与えて接着層４を圧縮することができ、接着層４内のボイドのサイズを小さくすることができる。従って、接着層４の電気絶縁性能及び熱伝導性能のそれぞれの向上を図ることができ、半導体装置１の信頼性の向上をさらに図ることができる。
【００５１】
実施の形態２．
図９は、この発明の実施の形態２による半導体装置を示す断面図である。接着層４の外側に配置された保護部材５は、実装面２３に設けられた第１層５５と、第１層５５に重なった第２層５６とを有している。
【００５２】
第１層５５の厚さは、第２層５６の厚さよりも小さくなっている。第１層５５の一部は、実装面２３とモジュール底面６１との間に介在する挟み込み部となっている。第１層５５は、実装面２３、接着層４の外周面及びモジュール底面６１に接着されている。第１層５５の圧縮破壊面圧の大きさは、第２層５６の圧縮破壊面圧よりも大きくなっている。即ち、第１層５５の硬さは、第２層５６の硬さよりも硬くなっている。この例では、保護部材５における第１層５５及び第２層５６のそれぞれが接着層４よりも柔らかくなっている。また、この例では、保護部材５における第１層５５及び第２層５６のそれぞれの線膨張率が接着層４の線膨張率よりも大きくなっている。
【００５３】
第１層５５は、金属系の材料で構成されている。この例では、第１層５５としてメタルガスケットが用いられている。第１層５５は、放熱部材１２から離して配置されている。
【００５４】
第２層５６は、第１層５５と各アーム部３１１との間に介在している。また、第２層５６は、第１層５５、モジュール側面６３及び各アーム部３１１に接着されている。
【００５５】
第２層５６は、電気絶縁性を持つ材料で構成されている。第２層５６を構成する材料としては、シリコーンゴム、シリコーン接着剤、エポキシ接着剤などが用いられる。第２層５６をエポキシ接着剤で構成する場合、エポキシ接着剤の弾性率が１ＧＰａ以下の低い弾性率とされる。他の構成及び製造方法は、実施の形態１と同様である。
【００５６】
このような半導体装置１では、実装面２３に設けられた第１層５５の一部がモジュール底面６１と実装面２３との間に介在している。また、第１層５５の硬さは、第２層５６の硬さよりも硬くなっている。このため、半導体装置１を製造するときの加熱加圧工程において接着層４を加圧するときに、実装面２３とモジュール底面６１との間から押し出されようとする接着層４の樹脂成分を、第２層５６よりも硬い第１層５５で受けることができる。これにより、接着層４の樹脂成分が保護部材５の外側へ染み出すことをより確実に防止することができ、接着層４の電気絶縁性能の向上をさらに確実に図ることができる。
【００５７】
例えば、接着層４に対する加圧力が１ＭＰａ以下であれば、保護部材５の全体を構成する材料としてシリコーンゴム、ＰＴＦＥ（Poly Tetra Fluoro Ethylene）などを用いることによって、接着層４の樹脂成分が保護部材５の外側へ染み出さないようにすることができる。しかし、シリコーンゴム、ＰＴＦＥなどの材料に無機充填材を混入したシートを保護部材５として用いたとしても、保護部材５が耐えられる加圧力の大きさの限界は３ＭＰａ程度である。従って、接着層４に対する加圧力が５ＭＰａ以上になる場合には、メタルガスケットなどの金属系の材料を保護部材５の材料として用いざるを得ない。保護部材５の全体を構成する材料を金属系の材料とすると、第１の端子７、第２の端子８及び第３の端子９のそれぞれと、ヒートシンク２との間の絶縁耐性を確保することができなくなってしまう。
【００５８】
そこで、本実施の形態では、保護部材５を第１層５５と第２層５６とに分け、第１層５５の硬さを第２層５６の硬さよりも硬くすることにより、各端子７，８，９とヒートシンク２との間の電気絶縁耐性を確保しながら、接着層４に対する加圧力を高めることができる。
【００５９】
実施の形態３．
図１０は、この発明の実施の形態３による半導体装置を示す断面図である。ヒートシンク２の実装面２３には、第１の凹部２４が形成されている。第１の凹部２４の外形及び大きさは、保護部材５の外形及び大きさに合わせた形状になっている。従って、この例では、第１の凹部２４の外形が矩形状になっている。
【００６０】
第１の凹部２４には、保護部材５が嵌っている。具体的には、保護部材５の外周面の下部が第１の凹部２４の内周面に隙間なく嵌っている。これにより、実装面２３に対する保護部材５の位置決めが行われている。第１の凹部２４の深さが０．０５ｍｍ以上であれば、第１の凹部２４は、実装面２３に対する保護部材５の位置決めの機能を発揮することができる。ただし、各アーム部３１１と実装面２３との間での保護部材５の絶縁沿面距離が確保される必要がある。
【００６１】
第１の凹部２４の底面は、ヒートシンク２の実装面として機能している。第１の凹部２４の底面には、接着層４及び保護部材５が接着されている。他の構成及び製造方法は、実施の形態１と同様である。
【００６２】
このような半導体装置１では、保護部材５が嵌る第１の凹部２４がヒートシンク２の実装面２３に形成されている。このため、実装面２３に対する保護部材５の位置決めを行うことができる。これにより、半導体装置１を設置するときの端子接続作業を容易にかつより確実に行うことができる。
【００６３】
即ち、実装面２３に対する保護部材５の位置がすれると、実装面２３に対する半導体モジュール３の位置もずれてしまう。実装面２３に対する半導体モジュール３の位置がずれると、各立ち上がり部３１２の位置もずれてしまい、外部接続用端子に立ち上がり部３１２を接続することができなくなるおそれがある。本実施の形態では、実装面２３に対する保護部材５の位置決めを行うことができるので、外部接続用端子に立ち上がり部３１２を容易にかつより確実に接続することができる。
【００６４】
実施の形態４．
図１１は、この発明の実施の形態４による半導体装置を示す断面図である。ヒートシンク２の実装面２３に形成された第１の凹部２４の底面には、第２の凹部２５が形成されている。第２の凹部２５の外形及び大きさは、接着層４の外形及び大きさに合わせた外形及び大きさになっている。
【００６５】
第２の凹部２５には、接着層４が嵌っている。具体的には、接着層４の外周面の下部が第２の凹部２５の内周面に隙間なく嵌っている。これにより、実装面２３に対する接着層４の位置決めが行われている。第２の凹部２５の深さが接着層４の厚さの１／６以上であれば、第２の凹部２５は、実装面２３に対する接着層４の位置決めの機能を発揮することができる。従って、例えば、接着層４の厚さが０．３００ｍｍである場合、第２の凹部２５の深さが０．０５ｍｍ以上であればよい。
【００６６】
第２の凹部２５の深さが深いほど、実装面２３に対する接着層４の位置ずれの頻度を下げることができる。ただし、第２の凹部２５の底面と接着層４との間、及びモジュール底面６１と接着層４との間に、隙間が生じないようにする必要がある。
【００６７】
第１の凹部２４及び第２の凹部２５のそれぞれの底面は、ヒートシンク２の実装面として機能している。第１の凹部２４の底面には、保護部材５が接着されている。第２の凹部２５の底面には、接着層４が接着されている。他の構成及び製造方法は、実施の形態３と同様である。
【００６８】
このような半導体装置１では、保護部材５が嵌る第１の凹部２４がヒートシンク２の実装面２３に形成され、接着層４が嵌る第２の凹部２５が第１の凹部２４の底面に形成されている。このため、実装面２３に対する保護部材５の位置決めと、実装面２３に対する接着層４の位置決めとを行うことができる。これにより、半導体装置１の信頼性の向上をさらに確実に図ることができる。
【００６９】
即ち、半導体装置１を製造するときの接着層工程において、保護部材５の内側で接着層４を配置する位置がずれて接着層４が保護部材５上に乗りあがってしまうと、接着層４が保護部材５に乗りあがった状態でモジュール本体６が保護部材５の内側に配置されることになる。従って、加熱加圧工程において半導体モジュール３を接着層４に加圧したときに、保護部材５に乗りあがった側の接着層４の部分に圧力が集中して接着層４が破損してしまうおそれがある。また、半導体モジュール３を接着層４に加圧したときに、保護部材５に乗りあがっていない側の接着層４の部分に必要な圧力がかからず、モジュール底面６１及び実装面２３に接着層４が密着せずに隙間が生じ、モジュール底面６１及び実装面２３に接着層４を接着することができなくなるおそれがある。
【００７０】
接着層４が破損すると、モジュール底面６１と実装面２３との間に接着層４の厚さ方向に亀裂が生じ、接着層４による電気的な絶縁耐圧を確保することができなくなるおそれがある。また、モジュール底面６１と接着層４との間、又は実装面２３と接着層４との間に隙間が生じてしまうと、放熱部材１２からヒートシンク２への放熱経路が遮断されたり、接着層４での部分放電開始電圧が低下したりするおそれがある。従って、接着層４が保護部材５上に乗りあがってしまうと、半導体装置１の信頼性が低下してしまう。
【００７１】
本実施の形態では、接着層４が保護部材５に乗りあがってしまうことをより確実に防止することができる。このため、接着層４が保護部材５に乗りあがることによる不具合をより確実に回避することができ、半導体装置１の信頼性の向上をさらに確実に図ることができる。
【００７２】
なお、上記の例では、モジュール底面６１が平面になっている。しかし、モジュール底面６１の形状を、第２の凹部２５側に盛り上がる凸形状にしてもよい。このようにすれば、第２の凹部２５の深さを接着層４の厚さよりも深くすることもできる。実験では、接着層４の厚さに対する第２の凹部２５の深さの比率が１．１倍〜１．２倍程度になるまでは、ヒートシンク２の実装面及びモジュール底面６１に接着層４が接着不足なく接着されることを確認した。例えば、接着層４の厚さが０．３００ｍｍである場合、第２の凹部２５の深さが０．３３０ｍｍ〜０．３６０ｍｍ程度の深さになるまでは、ヒートシンク２の実装面及びモジュール底面６１に接着層４が接着不足なく接着される。
【００７３】
実施の形態５．
図１２は、この発明の実施の形態５による半導体装置を示す断面図である。第１の端子７と実装面２３との間では、第１の端子７のアーム部３１１の端面を通りかつ実装面２３に直交する直線、即ち第１の基準線の位置に保護部材５の外面の位置が一致している。第２の端子８と実装面２３との間では、第２の端子８のアーム部３１１の端面を通りかつ実装面２３に直交する直線、即ち第２の基準線の位置に保護部材５の外面の位置が一致している。第３の端子９と実装面２３との間では、第３の端子９のアーム部３１１の端面を通りかつ実装面２３に直交する直線、即ち第３の基準線の位置に保護部材５の外面の位置が一致している。
【００７４】
第１の端子７と実装面２３との間の絶縁沿面距離は、第１の基準線上で最短距離となる。第２の端子８と実装面２３との間の絶縁沿面距離は、第２の基準線上で最短距離となる。第３の端子９と実装面２３との間の絶縁沿面距離は、第３の基準線上で最短距離となる。
【００７５】
保護部材５の外面には、凸部５７が設けられている。凸部５７は、各アーム部３１１と実装面２３との間に位置している。また、凸部５７は、モジュール本体６からみて第１〜第３の基準線よりも外側へ保護部材５の外面から突出している。これにより、半導体装置１では、各端子７，８，９と実装面２３との間の絶縁沿面距離が、凸部５７によって第１〜第３の基準線から外れた分だけ最短距離よりも長くなっている。
【００７６】
この例では、凸部５７が保護部材５の外周面に保護部材５の周方向に沿って設けられている。また、この例では、保護部材５の周方向に直交する平面での凸部５７の断面形状が三角形状になっている。さらに、この例では、保護部材５及び凸部５７が同一材料で一体成形されている。他の構成及び製造方法は、実施の形態１と同様である。
【００７７】
このような半導体装置１では、保護部材５の外面に凸部５７が設けられている。このため、保護部材５の外側の面を辿って各端子７，８，９から実装面２３に達するまでの距離を凸部５７の表面の増加分だけ長くすることができる。これにより、各端子７，８，９のそれぞれの位置を実装面２３から遠ざけることなく、各端子７，８，９と実装面２３との間の絶縁沿面距離を確保することができる。従って、半導体装置１の大型化を回避することができる。
【００７８】
なお、上記の例では、保護部材５の周方向に直交する平面での凸部５７の断面形状が三角形状になっている。しかし、凸部５７の断面形状は、三角形状に限定されない。例えば、四角形以上の多角形、半円、半楕円などの形状であってもよい。
【００７９】
また、上記の例では、保護部材５及び凸部５７が一体成形により形成されている。しかし、保護部材５を形成した後に、保護部材５とは別個に形成された凸部５７を保護部材５の外面に接合してもよい。
【００８０】
実施の形態６．
図１３は、この発明の実施の形態６による半導体装置を示す断面図である。半導体装置１は、ヒートシンク２に接合されたジャケット部材１０をさらに有している。ジャケット部材１０は、熱伝導性及び導電性を持つ材料で構成されている。ジャケット部材１０を構成する材料としては、アルミニウム、銅などの金属材料が用いられている。この例では、ジャケット部材１０がヒートシンク２と同じ材料で構成されている。
【００８１】
ジャケット部材１０は、ヒートシンク２に対して実装面２３側とは反対側に配置されている。また、ヒートシンク２とジャケット部材１０との間には、冷却媒体としての導電性溶液を流す複数の流路１０１が形成されている。各流路１０１は、複数のフィン２２の間に形成されている。ヒートシンク２は、各流路１０１に導電性溶液が流れることにより冷却される。
【００８２】
天板２１の幅方向両端部とジャケット部材１０との間には、導電性溶液が外部へ漏れることを防止する図示しないシール部材が介在している。また、ジャケット部材１０は、天板２１の幅方向両端部に位置する複数の接合部１０２によってヒートシンク２に接合されている。各接合部１０２は、シール部材を避けて設けられている。
【００８３】
図１４は、図１３の接合部１０２を示す拡大図である。各接合部１０２は、天板２１及びジャケット部材１０にエネルギを局所的に与えることにより、天板２１及びジャケット部材１０のそれぞれの母材同士を軟化させて形成されている。具体的には、レーザ溶接、電子ビーム溶接、摩擦撹拌接合などによって各接合部１０２が形成されている。これにより、各接合部１０２は、ヒートシンク２及びジャケット部材１０のそれぞれの材料のみで構成されている。各接合部１０２では、ヒートシンク２及びジャケット部材１０のそれぞれの材料が混合された状態になっている。他の構成及び製造方法は、実施の形態１と同様である。
【００８４】
ここで、ヒートシンク２とジャケット部材１０との間の流路１０１を流れる冷却媒体が外部に漏れださないようにする構成として、ヒートシンク２の天板２１の幅方向両端部とジャケット部材１０との間にメタルガスケット、Ｏリンクなどを介在させ、天板２１にジャケット部材１０をねじによって固定する構成が考えられる。
【００８５】
また、ヒートシンク２とジャケット部材１０との間の流路１０１を流れる冷却媒体が外部に漏れださないようにする別の構成として、例えばアルミニウム系又は銅系で同種の材料を用いて天板２１及びジャケット部材１０を構成し、天板２１の幅方向両端部にシール部材としてのろう材を介してジャケット部材１０を接合する構成も考えられる。
【００８６】
しかし、メタルガスケット、Ｏリンクなどを用いた場合、ねじによる固定に必要なスペースが半導体装置１全体のサイズに大きく影響してしまう場合がある。また、ろう材を用いた場合、例えばアルミニウムでそれぞれ構成されたヒートシンク２及びジャケット部材１０同士を接合するためには、６００℃前後の温度まで昇温させる必要がある。
【００８７】
部材を６００℃の温度に昇温させるためには、部材の耐熱温度が６００℃以上である必要がある。一方、半導体モジュール３の耐熱温度は、半導体モジュール３内の半導体素子１１、導電性接合部材１４，１５，１６、モールド部材１３などの耐熱温度の観点から、２５０℃程度が限界である。従って、半導体モジュール３をヒートシンク２の実装面２３に接着した後にジャケット部材１０をヒートシンク２にろう材で接合することは、非現実的である。
【００８８】
このような半導体装置１では、冷却媒体が流れる流路１０１がヒートシンク２とジャケット部材１０との間に形成されている。このため、ヒートシンク２を効果的に冷却することができ、半導体モジュール３の放熱効果をさらに高めることができる。
【００８９】
また、ヒートシンク２の天板２１に対するジャケット部材１０の接合部１０２は、天板２１及びジャケット部材１０のそれぞれの材料のみで構成されている。このため、ヒートシンク２及びジャケット部材１０にエネルギを局所的に与えて接合部１０２を形成することができる。これにより、接合部１０２を形成するときに発生する熱及び応力を小さくすることができる。従って、半導体モジュール３をヒートシンク２の実装面２３に接着した後でも、ジャケット部材１０をヒートシンク２に接合することができる。
【００９０】
ヒートシンク２及びジャケット部材１０にエネルギを局所的に与えて接合部１０２を形成する場合、母材を軟化させることから、金属スパッタ、金属ヒューム、金属バリなどの導電性異物が発生しやすくなる。各端子７，８，９と実装面２３との間に導電性異物が挟まってしまうと、上述したように、各端子７，８，９とヒートシンク２との間の絶縁耐圧を確保することができなくなる。また、エネルギを局所的に与える条件を調整して導電性異物の発生を抑制することはできるが、導電性異物を発生させないようにすることは非常に困難である。しかし、本実施の形態では、各端子７，８，９と実装面２３との間に保護部材５が介在していることから、各端子７，８，９とヒートシンク２との間への導電性異物の侵入を保護部材５によって防止することができ、半導体装置１の信頼性の向上を図ることができる。
【００９１】
なお、各上記実施の形態では、減圧環境下で接着層４を加熱しながら半導体モジュール３を加圧する真空式ヒータプレス装置を加熱加圧工程で用いてもよい。このようにすれば、接着層４内のボイドのサイズをさらに小さくすることができる。また、実装面２３と接着層４との間、及びモジュール底面６１と接着層４との間のそれぞれに空気層が生じることを抑制することもできる。
【００９２】
また、各上記実施の形態では、接着層４の外側で、ヒートシンク２の実装面２３と、接着層４と、モジュール底面６１と、モジュール側面６３と、各アーム部３１１の裏面とに保護部材５が接着されている。しかし、モジュール側面６３及び各アーム部３１１の裏面には保護部材５を接触させるだけで接着せず、実装面２３、接着層４及びモジュール底面６１にのみ保護部材５が接着されていてもよい。
【００９３】
また、各上記実施の形態では、部品配置工程において保護部材５の内側で接着層４を実装面２３に配置する接着層工程の後に、保護部材５の内側にモジュール本体６を配置する半導体モジュール工程が行われている。しかし、部品配置工程では、接着層工程と半導体モジュール工程とを同時に行ってもよい。この場合、接着層４をモジュール底面６１に取り付けた状態でモジュール本体６を保護部材５の内側に配置する。
【００９４】
また、各上記実施の形態では、保護部材５の線膨張率が接着層４の線膨張率よりも大きくなっている。しかし、保護部材５の線膨張率は、接着層４の線膨張率よりも小さくてもよいし、接着層４の線膨張率と同じであってもよい。
【００９５】
また、各上記実施の形態では、保護部材５が接着層４よりも柔らかくなっている。しかし、保護部材５が接着層４よりも硬くてもよいし、保護部材５及び接着層４のそれぞれの硬さが同じでもよい。
【００９６】
また、実施の形態２では、第１層５５及び第２層５６を有する保護部材５が実施の形態１の半導体装置１に適用されている。しかし、第１層５５及び第２層５６を有する保護部材５を実施の形態３〜６の半導体装置１に適用してもよい。
【００９７】
また、実施の形態５では、凸部５７が設けられた保護部材５が実施の形態１の半導体装置１に適用されている。しかし、凸部５７が設けられた保護部材５を実施の形態２〜４及び６の半導体装置１に適用してもよい。
【００９８】
また、実施の形態６では、ジャケット部材１０が接合部１０２によってヒートシンク２に接合された構成が実施の形態１の半導体装置１に適用されている。しかし、ジャケット部材１０が接合部１０２によってヒートシンク２に接合された構成を実施の形態２〜５の半導体装置１に適用してもよい。
【符号の説明】
【００９９】
１  半導体装置、２  ヒートシンク、３  半導体モジュール、４  接着層、５  保護部材、６  モジュール本体、７  第１の端子、８  第２の端子、９  第３の端子、１０  ジャケット部材、２３  実装面、２４  第１の凹部、２５  第２の凹部、３１  端子突出部、５５  第１層、５６  第２層、５７  凸部、６１  モジュール底面、１０１  流路、１０２  接合部。
【図１】
2020115495.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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