(57)【要約】【課題】高い熱伝導率を有するヒートシンク板を用いつつ、パワー半導体素子の実装後にパワー半導体モジュールを速やかに完成させることができるパッケージを提供する。【解決手段】本実施の形態のパッケージ１００は、蓋体３００が取り付けられることによってパワー半導体素子２００をグロスリークなしに封止する封止空間９５０を構成するためのものであり、外部端子電極９０と、枠体８０と、ヒートシンク板５０と、接着層４１とを有している。枠体８０は、第１の材料からなり、外部端子電極９０が取り付けられている。ヒートシンク板５０は、枠体８０を支持しており、パワー半導体素子２００が実装されることになる未実装領域５５Ｕを枠体８０内に有しており、純度９５．０重量パーセント以上で銅を含有する非複合材料からなる。接着層４１は、第１の材料と異なる第２の材料からなり、枠体８０とヒートシンク板５０とを互いに接着している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓋体が取り付けられることによってパワー半導体素子をグロスリークなしに封止する封止空間を構成するためのパッケージであって、
外部端子電極と、
第１の材料からなり前記外部端子電極が取り付けられた枠体と、
前記枠体を支持し、前記パワー半導体素子が実装されることになる未実装領域を前記枠体内に有し、純度９５．０重量パーセント以上で銅を含有する非複合材料からなるヒートシンク板と、
前記第１の材料と異なる第２の材料からなり、前記枠体と前記ヒートシンク板とを互いに接着する接着層と、
を備えるパッケージ。
【請求項２】
前記ヒートシンク板と前記枠体との間の気密性は、２６０℃２時間の熱処理に対して耐熱性を有している、請求項１に記載のパッケージ。
【請求項３】
前記封止空間は、−６５℃と＋１５０℃との間での５００サイクルの温度変化に対して耐環境性を有している、請求項１または２に記載のパッケージ。
【請求項４】
前記未実装領域は露出されている、請求項１から３のいずれか１項に記載のパッケージ。
【請求項５】
前記枠体の前記第１の材料は第１の樹脂を含む、請求項１から４のいずれか１項に記載のパッケージ。
【請求項６】
前記第１の樹脂は熱可塑性樹脂である、請求項５に記載のパッケージ。
【請求項７】
前記第１の樹脂中には第１の無機フィラーが分散されている、請求項５または６に記載のパッケージ。
【請求項８】
前記第１の無機フィラーは繊維状粒子および板状粒子の少なくともいずれかを含む、請求項７に記載のパッケージ。
【請求項９】
前記接着層の前記第２の材料は第２の樹脂を含む、請求項１から８のいずれか１項に記載のパッケージ。
【請求項１０】
前記第２の樹脂は熱硬化性樹脂である、請求項９に記載のパッケージ。
【請求項１１】
前記第２の樹脂中には第２の無機フィラーが分散されている、請求項９または１０に記載のパッケージ。
【請求項１２】
前記第２の無機フィラーはシリカガラスおよびシリカの少なくともいずれかを含有する、請求項１１に記載のパッケージ。
【請求項１３】
外部端子電極と、第１の材料からなり前記外部端子電極が取り付けられた枠体と、前記枠体を支持し、未実装領域を前記枠体内に有し、純度９５．０重量パーセント以上で銅を含有する非複合材料からなるヒートシンク板と、前記第１の材料と異なる第２の材料からなり前記枠体と前記ヒートシンク板とを互いに接着する接着層と、を含むパッケージを準備する工程と、
前記ヒートシンク板の前記未実装領域上へパワー半導体素子を実装する工程と、
前記枠体上に蓋体を取り付けることによって前記パワー半導体素子をグロスリークなしに封止する工程と、
を備えるパワー半導体モジュールの製造方法。
【請求項１４】
前記パワー半導体素子を実装する工程は、熱硬化性樹脂と金属とを含有する接合層を介して前記ヒートシンク板の前記未実装領域と前記パワー半導体素子とを互いに接合する工程を含む、請求項１３に記載のパワー半導体モジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パッケージ、およびパワー半導体モジュールの製造方法に関し、特に、蓋体が取り付けられることによってパワー半導体素子をグロスリークなしに封止する封止空間を構成するためのパッケージと、グロスリークなしに封止されたパワー半導体素子と、に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
パワー半導体素子を封止する封止空間を構成する容器には、パワー半導体素子の種類および用途によっては、グロスリークを生じない程度に高い気密性が求められることがある。特に、高周波用半導体素子には、グロスリークなしの封止が求められることが多い。なお、蓋体が取り付けられることによってパワー半導体素子を封止する封止空間を構成する容器のことを、本明細書においてはパッケージとも称する。パッケージはキャビティを有しており、このキャビティが蓋体によって封止されることによって封止空間が得られる。パワー半導体素子は、蓋体をパッケージに取り付ける前に、キャビティ内においてパッケージ上に実装される。
【０００３】
特開２００５−１５０１３３号公報（特許文献１）の技術によれば、まず、ヒートシンク板と、セラミック枠体と、外部接続端子とが互いに接続される。これにより、キャビティを有するパッケージが準備される。ヒートシンク板は複合材料からなる。複合材料としては、Ｃｕ−Ｗ系の複合金属板、Ｃｕ−Ｍｏ系の複合金属板、および、Ｃｕ−Ｍｏ系の合金金属板の両面にＣｕ板を貼り合わせたクラッドの複合金属板、が例示されている。ヒートシンク板とセラミック枠体とは、約７８０℃〜９００℃でのＡｇ−Ｃｕろう付けによって接合される。このパッケージ上に高周波用半導体素子が実装される。そして、セラミック枠体の上面部に蓋体が接着されることによってキャビティが封止される。言い換えれば、封止空間内に高周波用半導体素子が気密に封止される。
【０００４】
ヒートシンク板の材料として上記のように複合材料を用いることによって、ヒートシンク板の熱膨張係数をセラミック枠体および半導体素子の熱膨張係数に近づけることができる。これにより、熱膨張収縮の差異に起因しての破壊を防止することができる。よって、ヒートシンク板上へセラミック枠体および半導体素子を高温で接合することが許容される。上記技術においては、半導体素子を実装するときに、ヒートシンク板とセラミック枠体とが既に、互いに接合されている。この接合が損なわれないように半導体素子を実装するためには、セラミック枠体の接合温度よりも低い温度で半導体素子を実装しなければならないという制約がある。上記技術においてはセラミック枠体の接合は約７８０℃〜９００℃の高温で行われるので、この接合は、半導体素子の実装温度程度の加熱では、悪影響をほとんど受けない。また、ヒートシンク板の熱膨張係数が半導体素子の熱膨張係数に近いので、実装温度が多少高くても、実装時の熱応力に起因して半導体素子が破壊することは避けられる。よって半導体素子の実装は、例えば、４００℃程度の、実装温度としては比較的高温での、ろう付けによって行われ得る。
【０００５】
特開２００３−２８２７５１号公報（特許文献２）の技術によれば、ヒートシンク板として、ＣｕまたはＣｕ系金属板が用いられる。Ｃｕは、比較的安価でありながら、３００Ｗ／ｍ・Ｋを超える高い熱伝導率が容易に得られる点において、極めて優れた材料である。よって、ヒートシンク板が複合材料からなる前述した特開２００５−１５０１３３号公報の技術とは異なり、高い熱伝導率を有するヒートシンク板を低コストで得ることができる。この技術によれば、まず、ヒートシンク板上に半導体素子が、ろう付けによって実装される。次に、予め外部接続端子が接合されている枠体がヒートシンク板上に、半導体素子を囲むように接合される。この接合に低融点接合材を用いることによって、半導体素子のろう付け温度未満の温度で枠体が接合される。次に、枠体の上面側に蓋体が接合されることによって、キャビティが封止される。言い換えれば、封止空間内に半導体素子が気密に封止される。これにより高周波用パワーモジュールが得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１５０１３３号公報
【特許文献２】特開２００３−２８２７５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特開２００３−２８２７５１号公報の技術によれば、半導体素子の実装後にヒートシンク板に枠体を接合することによって、パッケージのキャビティが形成される。よってこの技術においては、前述した特開２００５−１５０１３３号公報の技術に比して、半導体素子の実装後の工程が煩雑である。このことは、半導体素子の実装後に半導体モジュールを速やかに完成させることの妨げとなる。これは、半導体モジュールの製造者にとって、好ましいことではない。
【０００８】
本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、高い熱伝導率を有するヒートシンク板を用いつつ、パワー半導体素子の実装後にパワー半導体モジュールを速やかに完成させることができる、パッケージ、および、パワー半導体モジュールの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のパッケージは、蓋体が取り付けられることによってパワー半導体素子をグロスリークなしに封止する封止空間を構成するためのものであり、外部端子電極と、枠体と、ヒートシンク板と、接着層とを有している。枠体は、第１の材料からなり外部端子電極が取り付けられている。ヒートシンク板は、枠体を支持しており、パワー半導体素子が実装されることになる未実装領域を枠体内に有しており、純度９５．０重量パーセント以上で銅を含有する非複合材料からなる。接着層は、第１の材料と異なる第２の材料からなり、枠体とヒートシンク板とを互いに接着している。
【００１０】
本発明のパワー半導体モジュールの製造方法は、以下の工程を有している。外部端子電極と、第１の材料からなり外部端子電極が取り付けられた枠体と、枠体を支持し、未実装領域を枠体内に有し、純度９５．０重量パーセント以上で銅を含有する非複合材料からなるヒートシンク板と、第１の材料と異なる第２の材料からなり枠体とヒートシンク板とを互いに接着する接着層と、を含むパッケージが準備される。ヒートシンク板の未実装領域上へパワー半導体素子が実装される。枠体上に蓋体を取り付けることによってパワー半導体素子がグロスリークなしに封止される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ヒートシンク板は、純度９５．０重量パーセント以上で銅を含有する非複合材料からなる。これにより、高い熱伝導率が容易に得られる。また、パワー半導体素子の実装前においては、ヒートシンク板は、パワー半導体素子が実装されることになる未実装領域を枠体内に有している。言い換えれば、パワー半導体素子が実装されるときに、ヒートシンク板上に枠体が既に取り付けられている。よって、パワー半導体素子を実装した後にヒートシンク板上に枠体を取り付ける工程を要しない。以上から、高い熱伝導率を有するヒートシンク板を用いつつ、パワー半導体素子の実装後にパワー半導体モジュールを速やかに完成させることができる。
【００１２】
この発明の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施の形態におけるパワー半導体モジュールの構成を概略的に示す断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態における、パワー半導体モジュール用のパッケージの構成を概略的に示す断面図である。
【図３】本発明の一実施の形態におけるパワー半導体モジュールの製造方法の第１の工程を概略的に示す断面図である。
【図４】本発明の一実施の形態におけるパワー半導体モジュールの製造方法の第２の工程を概略的に示す断面図である。
【図５】本発明の一実施の形態におけるパッケージの製造方法の一工程を概略的に示す断面図である。
【図６】一の比較例のパワー半導体モジュールの構成を概略的に示す断面図である。
【図７】他の比較例のパワー半導体モジュールの構成を概略的に示す断面図である。
【図８】図７に示されたパワー半導体モジュールの製造方法の第１の工程を概略的に示す断面図である。
【図９】図７に示されたパワー半導体モジュールの製造方法の第２の工程を概略的に示す断面図である。
【図１０】図５に示されたパッケージの製造方法の一工程の変形例を概略的に示す断面図である。
【図１１】図２に示されたパッケージの構成の変形例を概略的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。
【００１５】
（構成）
図１は、本実施の形態におけるパワー半導体モジュール９００の構成を概略的に示す断面図である。パワー半導体モジュール９００は、パッケージ１００（詳しくは、図２を参照して後述する）と、パワー半導体素子２００と、蓋体３００とを有している。
【００１６】
パワー半導体素子２００は高周波用半導体素子であってよい。高周波用半導体素子はおおよそ、数十ＭＨｚ（例えば３０ＭＨｚ）以上３０ＧＨｚ以下の周波数で動作する半導体素子である。この場合、パワー半導体モジュール９００は高周波モジュールである。高周波用途に適したパワー半導体素子２００は、典型的には、ＬＤＭＯＳ（横方向拡散ＭＯＳ：Ｌａｔｅｒａｌ  Ｄｉｆｆｕｓｅｄ  ＭＯＳ）トランジスタ、またはＧａＮ（窒化ガリウム）トランジスタである。
【００１７】
パワー半導体素子２００は、パッケージ１００のヒートシンク板５０の実装領域５５Ｍ上に配置されている。実装領域５５Ｍとパワー半導体素子２００とは、熱硬化性樹脂と金属とを含有する接合層４２を介して互いに接合されていることが好ましい。接合層４２の熱硬化性樹脂は、エポキシ樹脂を含むことが好ましい。接合層４２の金属は、銀を含むことが好ましい。
【００１８】
パッケージ１００には蓋体３００が取り付けられている。これにより、パワー半導体素子２００をグロスリークなしに封止する封止空間９５０が構成されている。よってパワー半導体素子２００は、高い気密性で、水蒸気その他の大気中のガスが侵入しないように外部環境から保護されている。封止空間９５０は、−６５℃と＋１５０℃との間での５００サイクルの温度変化に対して耐環境性を有していることが好ましい。具体的には、上記温度変化にさらされた後においても、封止空間９５０はグロスリークを有しないことが好ましい。
【００１９】
図２は、本実施の形態におけるパッケージ１００の構成を概略的に示す断面図である。パッケージ１００は、パワー半導体モジュール９００（図１）の製造用に用いられることになる。パッケージ１００は、蓋体３００（図１）が取り付けられることによって封止空間９５０（図１）を構成するためのものである。封止空間９５０（図１）はパワー半導体素子２００（図１）をグロスリークなしに封止する。パッケージ１００は、封止空間９５０（図１）となるキャビティ１１０を有している。パッケージ１００は、外部端子電極９０と、枠体８０と、ヒートシンク板５０と、接着層４１とを有している。
【００２０】
枠体８０は第１の材料（以下、「枠体８０の材料」とも称する）からなる。枠体８０の材料は、２６０℃２時間の熱処理に対して耐熱性を有していることが好ましい。枠体８０の材料は第１の樹脂（以下、「枠体８０の樹脂」とも称する）を含むことが好ましい。枠体８０の樹脂は熱可塑性樹脂であることが好ましい。
【００２１】
枠体８０の樹脂中には無機フィラー（第１の無機フィラー）が分散されていることが好ましい。枠体８０の樹脂中の無機フィラーは、好ましくは、繊維状粒子および板状粒子の少なくともいずれかを含む。形状が繊維状または板状であることによって、枠体８０が射出成形技術等によって形成される際に、フィラーが樹脂の流動を阻害することが抑制される。このような無機フィラーの材料としては、例えば、シリカガラス繊維、アルミナ繊維、炭素繊維、タルク（３ＭｇＯ・４ＳｉＯ２・Ｈ２Ｏ）、ウォラストナイト、マイカ、グラファイト、炭酸カルシウム、ドロマイト、ガラスフレーク、ガラスビーズ、硫酸バリウム、酸化チタンが用いられる。タルクからなる無機フィラーの平板上での大きさは、例えば、粒径１μｍ〜５０μｍである。ここで粒径は、樹脂の断面観察によって得られた長径の算術平均値である。無機フィラーの熱膨張係数は、銅の熱膨張係数に鑑みて、１７ｐｐｍ／Ｋ以下が好ましい。無機フィラーの含有量は３０ｗｔ％〜７０ｗｔ％であることが好ましい。
【００２２】
枠体８０には外部端子電極９０が取り付けられている。外部端子電極９０は、金属からなり、好ましくは純度９０ｗｔ％（重量パーセント）以上で銅を含有している。なお、このように高純度で銅を含有する材料に代わって、コバール（商標）または鉄・ニッケル合金などが用いられてもよい。なお外部端子電極９０の表面には、ボンディングワイヤ２０５などとの接合性を確保する目的で、ニッケルめっき、およびこのニッケルめっき上の金めっきが施されていてよい。
【００２３】
ヒートシンク板５０は枠体８０を支持している。ヒートシンク板５０は、純度９５．０ｗｔ％以上、好ましくは純度９９．８ｗｔ％以上、で銅を含有する非複合材料からなる。なお、耐熱性の観点からは、ヒートシンク板５０の銅含有量は、１００ｗｔ％未満であることが好ましい。
【００２４】
ヒートシンク板５０は枠体８０に囲まれた内面５１を有している。内面５１は、パワー半導体素子２００（図１）が実装されることになる未実装領域５５Ｕと、パワー半導体素子２００が実装されることにはならない周辺領域５４とを有している。未実装領域５５Ｕは、パワー半導体素子２００が実装されてはいないもののパワー半導体素子２００が実装されることになる領域である。言い換えれば、パッケージ１００の内面５１のうち、パワー半導体素子２００（図１）が実装されることによって実装領域５５Ｍ（図１）となる部分が未実装領域５５Ｕである。未実装領域５５Ｕは露出されていることが好ましい。ヒートシンク板５０は、内面５１と反対の外面（図２における下面）を有している。外面は、パワー半導体モジュール９００の使用時においては、通常、他の部材に取り付けられているが、パワー半導体モジュール９００の製造時においては露出されていてよい。
【００２５】
接着層４１は、枠体８０とヒートシンク板５０とを互いに接着している。接着層４１は、枠体８０の材料と異なる第２の材料（以下、「接着層４１の材料」とも称する）からなる。接着層４１の材料は第２の樹脂（以下、「接着層４１の樹脂」とも称する）を含むことが好ましい。接着層４１の樹脂は、耐熱性と、硬化前の高流動性との観点で、熱硬化性樹脂であることが好ましい。
【００２６】
接着層４１の樹脂中には無機フィラー（第２の無機フィラー）が分散されていることが好ましい。接着層４１の樹脂中の無機フィラーは、好ましくはシリカガラスおよびシリカの少なくともいずれかを含有し、より好ましくはシリカガラスからなる。典型的には、シリカガラスの熱膨張係数は０．５ｐｐｍ／Ｋ程度であり、結晶性シリカの熱膨張係数は１５ｐｐｍ／Ｋ程度であり、よって、無機フィラーの熱膨張係数を１７ｐｐｍ／Ｋ以下とすることができる。このことは、接着層４１の樹脂としてエポキシ樹脂またはフッ素樹脂が用いられる場合、特に望まれる。この場合、無機フィラーの含有量は５０ｗｔ％〜９０ｗｔ％であることが好ましい。シリカガラスおよびシリカの少なくともいずれかに代わって、またはそれと共に、アルミナ、水酸化アルミニウム、タルク、酸化鉄、ウォラストナイト、炭酸カルシウム、マイカ、酸化チタン、炭素繊維の少なくともいずれかが用いられてもよい。無機フィラーの形状は、例えば、球状、繊維状、または板状である。一方、接着層４１の樹脂としてシリコーン樹脂が用いられる場合は、枠体８０がゴム弾性を有するので、無機フィラーの熱膨張係数の制約はほぼ無視できる。この場合、無機フィラーの含有量は、接着層４１の流動性制御等の観点で調整されてよく、１ｗｔ％〜１０ｗｔ％であることが好ましい。硬化前の接着層４１の流動性を確保する観点では、粒径１μｍ〜５０μｍの球状シリカガラス（非結晶性シリカ）が最適である。ここで粒径は、樹脂の断面観察により測定した、算術平均径を示す。
【００２７】
接着層４１による接着は気密性を有している。この気密性は、２６０℃２時間の熱処理に対して耐熱性を有していることが好ましい。言い換えれば、ヒートシンク板５０と枠体８０との間の気密性は、２６０℃２時間の熱処理に対して耐熱性を有していることが好ましい。なお、ヒートシンク板５０と枠体８０との間の気密性が２６０℃２時間の熱処理に対して耐熱性を有するか否かの試験は、パッケージ１００（図２）へ２６０℃２時間の熱処理を施した後に、パッケージ１００へ十分な気密性で蓋体３００を取り付けてグロスリーク試験を行うことによってなされてよい。蓋体３００およびその取り付け構造が十分な耐熱性を有している場合は、熱処理前に蓋体３００が取り付けられてもよい。
【００２８】
（製造方法）
次にパワー半導体モジュール９００（図１）の製造方法について説明する。最初にパッケージ１００（図２）が準備される。
【００２９】
次に、ヒートシンク板５０の未実装領域５５Ｕ上へパワー半導体素子２００が実装される。これにより、露出されていた未実装領域５５Ｕ（図２）は、パワー半導体素子２００によって覆われた実装領域５５Ｍ（図３）となる。パワー半導体素子２００が実装される際は、熱硬化性樹脂と金属とを含有する接合層４２を介してヒートシンク板５０の未実装領域５５Ｕとパワー半導体素子２００とが互いに接合されることが好ましい。この接合は、好ましくは、熱硬化性樹脂と金属とを含有するペースト状の接着剤の塗布と、その硬化とによって行われる。接合層４２の熱硬化性樹脂はエポキシ樹脂を含むことが好ましい。接合層４２の金属は銀を含むことが好ましい。
【００３０】
図４を参照して、次に、キャビティ１１０内において、パワー半導体モジュール９００と外部端子電極９０とがボンディングワイヤ２０５によって接続される。これにより、パワー半導体モジュール９００と外部端子電極９０との間の電気的接続が確保される。なお、パワー半導体モジュール９００と外部端子電極９０との間の電気的接続は、ボンディングワイヤ２０５以外の方法によって確保されてもよく、その場合、ボンディングワイヤ２０５は必ずしも必要ではない。
【００３１】
再び図１を参照して、次に、枠体８０上に蓋体３００を取り付けることによってパワー半導体素子２００がグロスリークなしに封止される。これによりパワー半導体モジュール９００が得られる。パッケージ１００への蓋体３００の取り付けは、パワー半導体素子２００が実装されたパッケージ１００に対して、グロスリークの原因となるほどの熱ダメージを与えないように行われる。言い換えれば、パッケージ１００への蓋体３００の取り付けは、接着層４１に対して、グロスリークの原因となるほどの熱ダメージを与えないように行われる。例えば、蓋体３００はパッケージ１００へ、前述した熱ダメージにつながらない程度に低い硬化温度で硬化させられた接着層４６を介して取り付けられる。この硬化温度は、例えば２６０℃未満である。
【００３２】
次にパッケージ１００（図２）の製造方法について説明する。図５を参照して、まず、ヒートシンク板５０と、外部端子電極９０が取り付けられた枠体８０とが準備される。外部端子電極９０が取り付けられた枠体８０は、金属からなる外部端子電極９０と、樹脂からなる枠体８０との一体成型によって形成され得る。次に、枠体８０の下面に接着剤４１ｈが塗布される。次に、図中、破線矢印で示されているように、ヒートシンク板５０の上面上へ接着剤４１ｈを介して枠体８０の下面が取り付けられる。接着剤４１ｈが硬化されることによって接着層４１（図２）が形成される。これによりパッケージ１００が得られる。
【００３３】
（比較例）
図６を参照して、比較例のパワー半導体モジュール９００Ａはパッケージ１００Ａを有している。パッケージ１００Ａは、枠体８０Ａと、ヒートシンク板５０Ａと、接着層４１Ａとを有している。枠体８０Ａは、セラミックからなり、よって高い耐熱性を有している。ヒートシンク板５０Ａは複合材料からなる。具体的には、ヒートシンク板５０Ａは、Ｃｕ−Ｍｏ層５８Ｂと、その上面および下面に設けられたＣｕ層５９Ａとによって構成された積層構造を有している。
【００３４】
ヒートシンク板５０Ａの材料として上記のような複合材料を用いることによって、ヒートシンク板５０Ａの熱膨張係数を、セラミックからなる枠体８０Ａ、およびパワー半導体素子２００との熱膨張係数に近づけることができる。これにより、熱膨張収縮の差異に起因しての破壊を防止することができる。よって、ヒートシンク板５０Ａ上へ枠体８０Ａおよびパワー半導体素子２００を高温で接合することが許容される。
【００３５】
この比較例においては、パワー半導体素子２００を実装するときに、前述した本実施の形態と同様、ヒートシンク板と枠体とは既に、互いに接合されている。この接合が損なわれないようにパワー半導体素子２００を実装するためには、枠体８０Ａの接合温度よりも低い温度でパワー半導体素子２００を実装しなければならないという制約がある。本比較例においては、枠体８０Ａ自体が高い耐熱性を有し、かつ、枠体８０Ａの熱膨張係数とヒートシンク板５０Ａの熱膨張係数との差異が小さいので、枠体８０Ａとヒートシンク板５０Ａとの接合を、約７８０℃〜９００℃の高温で実施し得る。よってこの接合は、より低い温度であるパワー半導体素子２００の実装温度にさらされる程度では、悪影響をほとんど受けない。また、ヒートシンク板５０Ａの熱膨張係数がパワー半導体素子２００の熱膨張係数に近いので、実装温度が多少高くても、実装時の熱応力に起因してパワー半導体素子２００が破壊することは避けられる。よってパワー半導体素子２００の実装のための接合層４２Ａは、例えば、４００℃程度の高温での、ろう付けによって形成され得る。
【００３６】
この比較例においては、熱膨張係数の調整のため、ヒートシンク板５０Ａの材料として複合材料を用いる必要がある。よって、ヒートシンク板５０（図１：本実施の形態）の場合とは異なり、主成分として銅を有する非複合材料を用いることができない。高純度の銅からなる非複合材料は、比較的安価でありながら、３００Ｗ／ｍ・Ｋを超える高い熱伝導率が容易に得られる点において、極めて優れた材料である。このように優れた材料を本比較例においては用いることができない。よって本比較例においては、ヒートシンク板５０Ａの熱伝導率を３００Ｗ／ｍ・Ｋよりも高くすることは容易ではない。
【００３７】
次に、他の比較例のパワー半導体モジュール９００Ｂ（図７）の製造方法について、以下に説明する。図８を参照して、まず、ヒートシンク板５０上にパワー半導体素子２００が接合層４２を用いて実装される。次に、枠体８０Ｂの下面に接着剤４１Ｂｈが塗布される。次に、図中、破線矢印で示されているように、ヒートシンク板５０の上面上へ接着剤４１Ｂｈを介して枠体８０Ｂの下面が取り付けられる。接着剤４１Ｂｈが硬化されることによって接着層４１Ｂ（図９）が形成される。これによりパッケージ１００が得られる。次に、前述した本実施の形態と同様に枠体８０Ｂの上面側に蓋体３００が接合されることによって、パワー半導体モジュール９００Ｂが得られる。
【００３８】
この比較例においては、接着層４１Ｂ（図９）によって枠体８０Ｂが取り付けられる前に既に、接合層４２（図８）によってパワー半導体素子２００が実装されている。よって接着層４１Ｂおよび枠体８０Ｂは、パワー半導体素子２００の実装のための高温処理にさらされない。よって、接着層４１Ｂおよび枠体８０Ｂの構造および材料を、耐熱性についての考慮をさほど要することなく、決定することができる。このような利点がある一方で、この比較例においては、パワー半導体素子２００の実装後に、枠体８０Ｂを接着する工程を要する。よって、パワー半導体素子２００の実装後の工程が煩雑である。このことは、パワー半導体素子２００の実装後にパワー半導体モジュール９００Ｂを速やかに完成させることの妨げとなる。これは、パワー半導体モジュール９００Ｂの製造者にとって、好ましいことではない。
【００３９】
（効果のまとめ）
本実施の形態によれば、ヒートシンク板５０（図１）は、純度９５．０ｗｔ％以上で銅を含有する非複合材料からなる。これにより、３００Ｗ／ｍ・Ｋを超える高い熱伝導率が容易に得られる。例えば、日本工業規格（ＪＩＳ）Ｃ１５１０の材料（純度９９．８２ｗｔ％以上で銅を含有）により、３４７Ｗ／ｍ・Ｋの高い熱伝導率が得られる。また、パワー半導体素子２００の実装前においては、ヒートシンク板５０は、パワー半導体素子２００が実装されることになる未実装領域５５Ｕ（図２）を枠体８０内に有している。言い換えれば、パワー半導体素子２００が実装されるときに、ヒートシンク板５０上に枠体８０が既に取り付けられている。よって、パワー半導体素子２００を実装した後にヒートシンク板５０上に枠体８０を取り付ける工程を要しない。以上から、高い熱伝導率を有するヒートシンク板５０を用いつつ、パワー半導体素子２００の実装後にパワー半導体モジュール９００を速やかに完成させることができる。
【００４０】
ヒートシンク板５０と枠体８０との間の気密性は、２６０℃２時間の熱処理に対して耐熱性を有していることが好ましい。これにより、２６０℃２時間の熱処理に相当する熱的負荷がパワー半導体素子２００の実装時に加わっても、それが封止空間９５０（図１）のグロスリークの原因となることが避けられる。
【００４１】
封止空間９５０（図１）は、−６５℃と＋１５０℃との間での５００サイクルの温度変化に対して耐環境性を有していることが好ましい。これにより、比較的厳しい温度変化の下でもパワー半導体素子２００を気密雰囲気内に保持することができる。よって、パワー半導体素子２００の信頼性を、より確実に保つことができる。
【００４２】
未実装領域５５Ｕ（図２）は露出されていることが好ましい。これにより、パワー半導体素子２００（図１）を未実装領域５５Ｕ（図２）上に容易に実装することができる。
【００４３】
枠体８０の材料は樹脂を含むことが好ましい。これにより、ヒートシンク板５０から枠体８０への熱応力に起因しての脆性破壊が起こりにくくなる。枠体８０の樹脂は熱可塑性樹脂であることが好ましい。これにより枠体８０を、射出成形技術等を用いて、高い生産性で形成することができる。枠体８０の樹脂中には無機フィラーが分散されていることが好ましい。これにより枠体８０の熱膨張係数をヒートシンク板５０の熱膨張係数に近づけることができる。枠体８０の樹脂中の無機フィラーは繊維状粒子および板状粒子の少なくともいずれかを含むことが好ましい。これにより、枠体８０が射出成形技術等によって形成される際に、フィラーが樹脂の流動を阻害することが抑制される。
【００４４】
接着層４１の材料は樹脂を含むことが好ましい。これにより、ヒートシンク板５０から接着層４１を介して枠体８０に加わる熱応力が緩和される。よって、熱応力に起因しての枠体８０の破壊が起こりにくくなる。接着層４１の樹脂は熱硬化性樹脂であることが好ましい。これにより、接着層４１の耐熱性を高めることができ、かつ、硬化前においては流動性を確保しやすい。この流動性は、接着層４１を形成する工程の生産性を確保する上で重要である。もしも流動性が低いと、印刷、ディスペンス、噴霧といった工法を用いることが困難である。接着層４１の樹脂中には無機フィラーが分散されていることが好ましい。これにより接着層４１の熱膨張係数をヒートシンク板５０の熱膨張係数に近づけることができる。よって、高温下または温度サイクル下での、熱応力に起因した破壊を防止することができる。接着層４１の樹脂中の無機フィラーは前述したように、シリカガラスおよびシリカの少なくともいずれかを含有することが好ましく、シリカガラスからなることがより好ましい。これにより無機フィラーの熱膨張係数を、銅の熱膨張係数に鑑みて、１７ｐｐｍ／Ｋ以下とすることができる。
【００４５】
パワー半導体素子２００が実装される際は、熱硬化性樹脂と金属とを含有する接合層４２（図１）を介してヒートシンク板５０の未実装領域５５Ｕ（図２）とパワー半導体素子２００とが互いに接合されることが好ましい。接合層４２が金属を含有することによって、パワー半導体素子２００からヒートシンク板５０への放熱性を高めることができる。また接合層４２が樹脂を含有することによって、ヒートシンク板５０から接合層４２を介してパワー半導体素子２００へ加わる熱応力が緩和される。これにより、熱応力に起因してのパワー半導体素子２００の破壊が起こりにくくなる。
【００４６】
（変形例）
図１０は、パッケージ１００の製造方法の一工程（図５）の変形例を概略的に示す断面図である。本変形例においては、接着剤４１ｈが、枠体８０の下面ではなく、ヒートシンク板５０の上面に塗布される。これ以外は、前述した本実施の形態と同様の工程が行われる。なお、枠体８０の下面とヒートシンク板５０の上面との両方に接着剤４１ｈが塗布されてもよい。
【００４７】
図１１は、パッケージ１００（図２）の変形例のパッケージ１００ｖを概略的に示す断面図である。本変形例においては、枠体８０ｖに外部端子電極９０の下面が接着層４４ｖによって取り付けられている。また外部端子電極９０の上面に接着層４４ｕによって付加枠体８０ｕが取り付けられている。本変形例によれば、金属からなる外部端子電極９０と、樹脂からなる枠体８０とを一体成型する技術を要しない。なお、蓋体３００（図１）の十分な強度での取り付けが可能である限り、付加枠体８０ｕは省略されてもよい。
【００４８】
（実施例および参考例）
以下の表１および表２のそれぞれに、実施例（番号１〜２５）および参考例（番号１０１〜１２０）のパッケージの構成と、それらに対して行われたグロスリーク試験の結果とを示す。表中、「接着層」はヒートシンク板と枠体との間の接着層のことであり、「電極」は外部端子電極のことである。
【００４９】
【表１】
2020155699.tif 000003
【００５０】
【表２】
2020155699.tif 000004
【００５１】
接着層のフィラー含有量は、シリカガラスの場合は８２ｗｔ％とされ、シリカの場合は５ｗｔ％とされた。なお、詳しい記載は省略するが、シリカガラスの含有量が８２ｗｔ％に代わって５０ｗｔ％〜９０ｗｔ％の範囲内で変更されても、大きな影響はないと考えられる。また、シリカの含有量が５ｗｔ％に代わって１ｗｔ％〜１０ｗｔ％の範囲内で変更されても、大きな影響はないと考えられる。枠体用のフィラーが「有」の場合、タルクからなるフィラーが４６ｗｔ％で添加された。このフィラーの含有量が４６ｗｔ％に代わって３０ｗｔ％〜７０ｗｔ％の範囲内で変更されても、大きな影響はないと考えられる。電極の材料としては、銅合金（日本工業規格（ＪＩＳ）Ｃ１９４０）またはコバールが用いられた。ヒートシンク板は、平面視における寸法３２ｍｍ×１０ｍｍと、厚み寸法１．７ｍｍとを有していた。
【００５２】
表１のパッケージについては、高温放置後にグロスリーク試験が行われ、その後の温度サイクル後にグロスリーク試験が再度行われた。表２のパッケージについては、高温放置後にのみグロスリーク試験が行われた。高温放置は、パッケージを２６０℃２時間の環境に放置することによって行われた。この加熱条件は、パワー半導体素子の実装工程における加熱条件に近い。温度サイクルは、−６５℃と＋１５０℃との間での５００サイクルの温度変化により行われた。この温度サイクルは、過酷な外部環境に設置されたパワー半導体モジュールがさらされる温度変化を模している。よって、温度サイクル後にグロスリークが見られるパッケージであっても、比較的穏やかな環境下であれば、実用上は使用可能である。一方で、過酷な外部環境下で用いられるパッケージは、温度サイクル後にグロスリークが見られない必要がある。
【００５３】
高温放置後のグロスリーク試験は、蓋体が取り付けられていないパーケージを２６０℃２時間の環境に放置した後に、液晶ポリマー製の蓋体を１９０℃の接着温度で接着剤を用いて取り付けることによって構成された構造体について実施された。この接着剤としては、ヒートシンクと枠体との接合に使用された接着層の樹脂（第２の樹脂）と同じものを用いた。温度サイクル後のグロスリーク試験は、高温放置後のグロスリーク試験に合格した構造体について実施された。グロスリーク試験は、具体的には、高沸点溶剤であるフロリナート（商標）が１２０℃±１０℃に加熱され、この溶剤中に上記構造体が３０秒間浸漬された。この浸漬中にバブルが発生するか否かによって、リークの有無が判定された。
【００５４】
上記表１の結果について補足すると、Ｎｏ．１およびＮｏ．３のうち前者のみが、温度サイクル後にグロスリークが見られなかった。この理由は、接着層中のフィラーが接着層の熱膨張を抑制したからと推測される。
【００５５】
Ｎｏ．１およびＮｏ．２のうち前者のみが、温度サイクル後にグロスリークが見られなかった。この理由は、比較的小さな熱膨張係数を有するコバールではなく比較的大きな熱膨張係数を有する銅合金を用いた方が、外部端子電極９０の熱膨張と他の部材の熱膨張との差異を小さくすることができるためと推測される。
【００５６】
Ｎｏ．５およびＮｏ．６は、高温放置後においては両方ともグロスリークが見られなかったが、温度サイクル後においては後者のみグロスリークが見られなかった。この理由は、Ｎｏ．６においては、接着層中のフィラーが接着層中でのガスの透過を抑制したからと推測される。
【００５７】
Ｎｏ．１３は温度サイクル後にグロスリークが見られた。この理由は、テフロン（登録商標）の熱膨張係数が１００ｐｐｍ／Ｋ程度と大きいためと推測される。よって枠体の材料の熱膨張係数は、テフロンの熱膨張係数（約１００ｐｐｍ／Ｋ）よりも小さいことが好ましいと推測される。
【００５８】
Ｎｏ．２３〜Ｎｏ．２５のうちＮｏ．２３およびＮｏ．２４のみが、温度サイクル後にグロスリークが見られなかった。この理由は、アルミナの熱膨張係数７〜８ｐｐｍ／Ｋに比して、ジルコニアおよびフォルステライトの熱膨張係数１０ｐｐｍ／Ｋの方が大きいためと推測される。なお、熱膨張係数の最適化が容易である観点からは、枠体は、セラミックではなく、樹脂または無機フィラー含有樹脂の方が好ましいと考えられる。
【００５９】
上記表２の結果について補足すると、Ｎｏ．１０１〜Ｎｏ．１２０の各々は、高温放置後にグロスリークが見られた。したがって、その後の温度サイクル試験は省略された。高温放置のみでグロスリークが引き起こされた理由は、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．２５（表１）の接着層に比して、Ｎｏ．１０１〜Ｎｏ．１２０（表２）の接着層の耐熱性が低いためと推測される。
【００６０】
この発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。
【符号の説明】
【００６１】
４１  接着層
４１ｈ  接着剤
４２  接合層
５０  ヒートシンク板
５１  内面
５４  周辺領域
５５Ｍ  実装領域
５５Ｕ  未実装領域
８０，８０ｖ  枠体
９０  外部端子電極
１００，１００ｖ  パッケージ
１１０  キャビティ
２００  パワー半導体素子
２０５  ボンディングワイヤ
３００  蓋体
９００  パワー半導体モジュール
９５０  封止空間
【図１】
2020155699.tif 000005
【図２】
2020155699.tif 000006
【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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