(57)【要約】【課題】簡易な構造の段差冶具を用いた半導体モジュールの製造方法を提供する。【解決手段】フィン一体型の半導体モジュールの製造方法であって、フィン一体型の放熱ベースを段差冶具により段差を付けて加圧固定する段階と、放熱ベース上で半導体セルをはんだ接合する段階とを備える半導体モジュールの製造方法を提供する。フィン一体型の放熱ベースと、放熱ベース上に設けられた半導体セルとを備え、放熱ベースの反り幅が２００μｍ以下である半導体モジュールを提供する。【選択図】図３
2020188152.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フィン一体型の半導体モジュールの製造方法であって、
フィン一体型の放熱ベースを段差冶具により段差を付けて加圧固定する段階と、
前記放熱ベース上で半導体セルをはんだ接合する段階と
を備える半導体モジュールの製造方法。
【請求項２】
前記放熱ベースを加圧固定する段階は、
前記放熱ベースの長手方向に配置された複数の第１加圧固定部を第１高さに固定する段階と、
前記長手方向において前記複数の第１加圧固定部の間に配置された第２加圧固定部を、前記第１高さよりも低い第２高さに固定する段階と
を有する
請求項１に記載の半導体モジュールの製造方法。
【請求項３】
前記加圧固定する段階は、
前記段差冶具の第１冶具を提供する段階と、
前記第１冶具上に前記放熱ベースを載置する段階と、
前記第１冶具と前記段差冶具の第２冶具とを連結させて、前記放熱ベースを前記第１高さおよび前記第２高さに固定する段階と
を有する
請求項２に記載の半導体モジュールの製造方法。
【請求項４】
前記加圧固定する段階は、前記放熱ベースを点加圧により加圧固定する段階を有し、
前記放熱ベースは、
前記段差冶具によって固定された前記複数の第１加圧固定部および前記第２加圧固定部と、
前記段差冶具によって固定されていない自由部と
を有する
請求項２または３に記載の半導体モジュールの製造方法。
【請求項５】
前記加圧固定する段階は、前記放熱ベースを面加圧により加圧固定する段階を有し、
前記放熱ベースは、
前記段差冶具によって固定された前記複数の第１加圧固定部および前記第２加圧固定部と、
前記第２冶具によって面加圧された面加圧部と
を有する
請求項３に記載の半導体モジュールの製造方法。
【請求項６】
前記第２冶具を用いて、前記放熱ベース上に絶縁基板を位置決めして載置する段階をさらに備える
請求項５に記載の半導体モジュールの製造方法。
【請求項７】
前記半導体セルをはんだ接合する段階の前に、冷却フィンを収容するための冷却ケースを前記放熱ベースに取り付ける段階を有する
請求項１から６のいずれか一項に記載の半導体モジュールの製造方法。
【請求項８】
前記放熱ベースは、前記段差冶具と同じ線膨張係数を有する
請求項１から７のいずれか一項に記載の半導体モジュールの製造方法。
【請求項９】
フィン一体型の放熱ベースと、
前記放熱ベース上に設けられた半導体セルと
を備え、
前記放熱ベースの反り幅が２００μｍ以下である
半導体モジュール。
【請求項１０】
冷却フィンを収容するための冷却ケースと、
前記冷却ケースに設けられた開口部を有し、前記開口部により前記冷却ケースの内部に冷媒を流通させる冷媒流通部と
をさらに備え、
前記放熱ベースの第１端部と、前記放熱ベースの長手方向において前記第１端部と反対側の第２端部とを通る仮想平面を規定したとき、前記仮想平面の垂線に対して、前記開口部を通る中心軸のずれが５度以内である
請求項９に記載の半導体モジュール。
【請求項１１】
半導体モジュールを製造するための段差冶具であって、
前記半導体モジュールの放熱ベースを載置するための第１冶具と、
前記第１冶具と連結して、前記放熱ベースを加圧固定する第２冶具と
を備え、
前記第１冶具は、
前記放熱ベースの長手方向に配置された複数の第１加圧固定部を第１高さに位置決めする第１突起部と、
前記長手方向において前記複数の第１加圧固定部に挟まれた第２加圧固定部を、前記第１高さよりも低い第２高さに位置決めする第２突起部と
を有し、
前記第２冶具は、
前記第１突起部と連結して、前記複数の第１加圧固定部を前記第１高さに加圧固定する第１連結部と、
前記第２突起部と連結して、前記第２加圧固定部を前記第２高さに加圧固定する第２連結部と
を有する段差冶具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体モジュール、半導体モジュールの製造方法および段差冶具に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体モジュールの放熱ベースの反りを低減する方法として、曲面状の加圧冶具を用いて、予め放熱ベースを曲面状に加圧固定する方法が知られている（例えば、特許文献１および２参照）。
特許文献１  特開２０１５−１５３９２５号公報
特許文献２  特開２０１３−１９７２４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の曲面状の加圧冶具は、加工および管理が困難である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１の態様においては、フィン一体型の半導体モジュールの製造方法であって、フィン一体型の放熱ベースを段差冶具により段差を付けて加圧固定する段階と、放熱ベース上で半導体セルをはんだ接合する段階とを備える半導体モジュールの製造方法を提供する。
【０００５】
放熱ベースを加圧固定する段階は、放熱ベースの長手方向に配置された複数の第１加圧固定部を第１高さに固定する段階と、長手方向において複数の第１加圧固定部の間に配置された第２加圧固定部を、第１高さよりも低い第２高さに固定する段階とを有してよい。
【０００６】
加圧固定する段階は、段差冶具の第１冶具を提供する段階と、第１冶具上に放熱ベースを載置する段階と、第１冶具と段差冶具の第２冶具とを連結させて、放熱ベースを第１高さおよび第２高さに固定する段階とを有してよい。
【０００７】
加圧固定する段階は、放熱ベースを点加圧により加圧固定する段階を有してよい。放熱ベースは、段差冶具によって固定された複数の第１加圧固定部および第２加圧固定部と、段差冶具によって固定されていない自由部とを有してよい。
【０００８】
加圧固定する段階は、放熱ベースを面加圧により加圧固定する段階を有してよい。放熱ベースは、段差冶具によって固定された複数の第１加圧固定部および第２加圧固定部と、第２冶具によって面加圧された面加圧部とを有してよい。
【０００９】
半導体モジュールの製造方法は、第２冶具を用いて、放熱ベース上に絶縁基板を位置決めして載置する段階をさらに備えてよい。
【００１０】
半導体モジュールの製造方法は、半導体セルをはんだ接合する段階の前に、冷却フィンを収容するための冷却ケースを放熱ベースに取り付ける段階を有してよい。
【００１１】
放熱ベースは、段差冶具と同じ線膨張係数を有してよい。
【００１２】
本発明の第２の態様においては、フィン一体型の放熱ベースと、放熱ベース上に設けられた半導体セルとを備え、放熱ベースの反り幅が２００μｍ以下である半導体モジュールを提供する。
【００１３】
半導体モジュールは、冷却フィンを収容するための冷却ケースと、冷却ケースに設けられた開口部を有し、開口部により冷却ケースの内部に冷媒を流通させる冷媒流通部とをさらに備えてよい。放熱ベースの第１端部と、放熱ベースの長手方向において第１端部と反対側の第２端部とを通る仮想平面を規定したとき、当該仮想平面の垂線に対して、開口部を通る中心軸のずれが５度以内であってよい。
【００１４】
本発明の第３の態様においては、半導体モジュールを製造するための段差冶具であって、半導体モジュールの放熱ベースを載置するための第１冶具と、第１冶具と連結して、放熱ベースを加圧固定する第２冶具とを備える段差冶具を提供する。第１冶具は、放熱ベースの長手方向に配置された複数の第１加圧固定部を第１高さに位置決めする第１突起部と、長手方向において複数の第１加圧固定部に挟まれた第２加圧固定部を、第１高さよりも低い第２高さに位置決めする第２突起部とを有してよい。第２冶具は、第１突起部と連結して、複数の第１加圧固定部を第１高さに加圧固定する第１連結部と、第２突起部と連結して、第２加圧固定部を第２高さに加圧固定する第２連結部とを有してよい。
【００１５】
なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１Ａ】実施例に係る半導体モジュール１００の上面図の一例を示す。
【図１Ｂ】図１ＡにおけるＡ−Ａ'断面の一例を示す図である。
【図１Ｃ】半導体モジュール１００の下面図の一例である。
【図１Ｄ】図１ＣにおけるＢ−Ｂ'断面の一例を示す図である。
【図２Ａ】第１冶具３１０の上面図の一例である。
【図２Ｂ】図２ＡにおけるＣ−Ｃ'断面の一例を示す図である。
【図３】点加圧により加圧固定された放熱ベース１０の断面図の一例を示す。
【図４Ａ】第２冶具３２０の上面図の一例を示す。
【図４Ｂ】面加圧により加圧固定された放熱ベース１０の側面図の一例を示す。
【図５】リフロー後の半導体モジュール１００の断面図の一例を示す。
【図６】半導体モジュール１００の製造方法の一例を示す。
【図７Ａ】他の実施例に係る半導体モジュール１００の上面図の一例を示す。
【図７Ｂ】図７ＡにおけるＤ−Ｄ'断面の一例を示す図である。
【図８】点加圧により加圧固定された放熱ベース１０の側面図の一例を示す。
【図９Ａ】比較例に係る方法により製造された半導体モジュール５００の断面図の一例を示す。
【図９Ｂ】比較例に係る方法により製造された半導体モジュール５００の断面図の一例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１８】
図１Ａは、実施例に係る半導体モジュール１００の上面図の一例を示す。図１Ａの上面視における矩形状の筐体６０の長手方向をＸ軸とし、短手方向をＹ軸とする。Ｚ軸は、Ｘ軸およびＹ軸と右手系を成す。
【００１９】
半導体モジュール１００は、放熱ベース１０と、筐体６０と、半導体セル１１０とを備える。本例の半導体モジュール１００は、３つの半導体セル１１０を備える。
【００２０】
筐体６０は、樹脂製の端子ケースである。筐体６０は、半導体セル１１０を収容する領域を画し、上面視で半導体セル１１０を囲うように設けられる。
【００２１】
フィン一体型ベース２０５は、放熱ベース１０および後述する冷却フィン２１０を有する。フィン一体型ベース２０５は、放熱ベース１０および冷却フィン２１０が一体に形成されたフィン一体型構造を有する。本明細書においては、フィン一体型の放熱ベース１０を備える半導体モジュール１００をフィン一体型の半導体モジュールと称する。フィン一体型の半導体モジュール１００は、フィン一体型の放熱ベース１０を予め反り付けしてリフローすることにより、完成品での反りを低減することができる。
【００２２】
放熱ベース１０は、半導体モジュール１００の下面側に設けられる。放熱ベース１０は、ＸＹ面と平行な平面を有する板状の金属板であってよい。例えば、放熱ベース１０の材料は、アルミニウムまたは銅を含む金属材料である。放熱ベース１０は、上面視で筐体６０と重なって設けられる。
【００２３】
半導体セル１１０は、放熱ベース１０の上面に搭載される。半導体セル１１０は、はんだ等の接合材料により放熱ベース１０の上面に固定される。これにより、半導体セル１１０で発生した熱は、放熱ベース１０に伝達される。本例の半導体セル１１０は、長手方向であるＸ軸方向に３つ並んで配置されているが、本例に限定されない。半導体セル１１０は、絶縁基板２０および半導体チップ３０を有する組立て品である。
【００２４】
絶縁基板２０は、放熱ベース１０上にはんだ接合される。絶縁基板２０は、ＤＣＢ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｃｏｐｐｅｒ  Ｂｏｎｄｉｎｇ）基板またはＡＭＢ（Ａｃｔｉｖｅ  Ｍｅｔａｌ  Ｂｒａｚｉｎｇ）基板であってよい。絶縁基板２０は、導電板２１および絶縁板２２を有する。
【００２５】
絶縁板２２は、セラミック等の絶縁材料で形成される。例えば、絶縁板２２の材料は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）または窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）である。
【００２６】
導電板２１は、絶縁板２２の上面に設けられた配線パターンである。例えば、導電板２１の材料は、銅または銅合金などの金属材料である。導電板２１は、はんだを用いて、半導体チップ３０とはんだ接合されている。これにより、導電板２１は、半導体チップ３０と電気的に接続されている。半導体セル１１０において、半導体チップ３０、導電板２１および金属配線板４０は、ハーフブリッジ回路を構成するよう電気的に接続されてよい。
【００２７】
半導体チップ３０は、トランジスタおよびダイオードの少なくとも１つを含む縦型パワー半導体素子であってよい。一例において、半導体チップ３０は、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）またはＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）である。半導体チップ３０は、ＩＧＢＴおよび還流ダイオード（ＦＷＤ：Ｆｒｅｅ  Ｗｈｅｅｌ  Ｄｉｏｄｅ）を１チップ上に形成したＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｒｅｖｅｒｓｅ  ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  −  ＩＧＢＴ）であってよい。半導体チップ３０は、シリコン、炭化ケイ素または窒化ガリウム等の半導体基板を用いて形成されてよい。本例の半導体チップ３０は、３つの半導体セル１１０それぞれに対して２個２組の４つずつ設けられている。
【００２８】
金属配線板４０は、半導体チップ３０と電気的に接続される。例えば、金属配線板４０は、半導体チップ３０のコレクタまたはエミッタを配線する。金属配線板４０の一端は、はんだを介して半導体チップ３０の電極と接続されてよい。金属配線板４０の他端は、半導体モジュール１００の外部と接続するための外部接続端子と接続されてよい。金属配線板４０は、プレス加工などにより金属板を成型した導電性の接続部材であってよい。金属板は銅または銅合金の板であってよい。金属配線板４０はニッケルなどのめっき膜を表面に有してよい。金属配線板４０の断面（Ｚ−Ｘ断面）は矩形の部分を有してよい。
【００２９】
なお、筐体６０は、複数の主端子６２を有する。主端子６２は、例えば３相インバータ回路におけるＵ相、Ｖ相およびＷ相をそれぞれ駆動するための、Ｕ相端子、Ｖ相端子およびＷ相端子を含む。また、主端子６２は、例えば３相インバータ回路に電源を供給するための電源端子を含む。
【００３０】
図１Ｂは、図１ＡにおけるＡ−Ａ'断面の一例を示す図である。Ａ−Ａ'断面は、筐体６０および半導体セル１１０を通るＸＺ断面である。半導体モジュール１００は、冷却部２００を有する。
【００３１】
冷却部２００は、半導体セル１１０の下方に配置されている。冷却部２００は、外部から冷媒が供給され得る。冷却部２００は、冷媒を流して半導体モジュール１００を冷却する。冷却部２００は、フィン一体型ベース２０５および冷却ケース２２０を有する。半導体チップ３０の動作により発生した熱は、冷却部２００および冷媒を介して半導体モジュール１００の外部に放出される。
【００３２】
冷却フィン２１０は、冷媒を流通させるための複数の流路を形成する。冷却フィン２１０は、Ｚ軸方向に延伸して設けられる。冷却フィン２１０のＺ軸正側の一端は、放熱ベース１０の下面に接続して設けられる。冷却フィン２１０のＺ軸負側の一端は、冷却ケース２２０の下面に接してよい。冷却フィン２１０は、Ｘ軸方向に任意の間隔をおいて複数配置されている。冷却フィン２１０は、ストレートフィンのほか、波型フィン、ピンフィン、コルゲートフィンまたは積層フィンであってもよい。冷却フィン２１０は、冷却ケース２２０と同一組成の金属で形成されてよい。冷却フィン２１０は、例えばアルミニウムまたは銅を含む金属で形成される。冷却フィン２１０の材料は、軽量化のためにアルミニウムを含む金属であってよい。
【００３３】
放熱ベース１０は、冷却フィン２１０と一体型構造を有する。即ち、放熱ベース１０は、冷却フィン２１０と連結して設けられている。一例において、フィン一体型の放熱ベース１０は、切削、ロウ付け、プレス加工、鍛造、植設およびカシメ等によりフィンを形成することよって製造される。フィン一体型構造では、１枚板の放熱ベースと比較して反りの制御が困難である。同様に、予め反り付けしようとすると、製造自体が困難になったり、製造ができなくなったりする場合がある。
【００３４】
冷却ケース２２０は、冷却フィン２１０を収容する。冷却ケース２２０は、冷却フィン２１０の下面および側面を覆う。冷却フィン２１０の上面は、放熱ベース１０により覆われる。冷却ケース２２０は、放熱ベース１０と同一の材料で形成されてよい。冷却ケース２２０は、底板および側壁を有する箱型の部品であってよい。冷却ケース２２０は、側壁に接続するフランジを有してもよい。フランジは放熱ベース１０と接合され得る。
【００３５】
絶縁基板２０は、基板下はんだ部２５により放熱ベース１０にはんだ接合されている。絶縁基板２０は、導電板２１と、絶縁板２２と、導電板２３とを有する。
【００３６】
導電板２３は、絶縁板２２の下面に設けられる。導電板２１および導電板２３は、例えば銅または銅合金等の導電材料、金属材料で形成されている。導電板２３は、絶縁板２２の下面のほぼ全面に設けられている。
【００３７】
封止樹脂５０は、筐体６０の内部を封止する。封止樹脂５０は、半導体セル１１０の周囲を覆う。封止樹脂５０の材料は、エポキシ樹脂およびシリコーンゲルのいずれかであってよい。封止樹脂５０の下面は、放熱ベース１０の上面と接して設けられてよい。封止樹脂５０の側面は、筐体６０と接して設けられてよい。封止樹脂５０の上面は、筐体６０の上面よりも下方に設けられる。
【００３８】
冷却ケース２２０および冷却フィン２１０は、プレス加工、鍛造または押し出し加工により成形されてよい。冷却ケース２２０および冷却フィン２１０は、ロウ付け加工により組み立てられてもよい。ロウ材は、冷却ケース２２０よりも融点の低い金属で形成されてよい。ロウ材には、低融点の金属として銅またはアルミニウムを含む金属が用いられてよい。
【００３９】
図１Ｃは、半導体モジュール１００の下面図の一例である。半導体モジュール１００の下面において、放熱ベース１０には、後述する段差冶具を取り付けるための開口部１６が設けられている。
【００４０】
冷却フィン２１０は、冷却ケース２２０の内側において、Ｙ軸方向に沿って延伸し、Ｘ軸方向に並んで設けられている。本例において、冷却フィン２１０は、Ｙ軸方向を長手方向とする短冊形状を有するストレートフィンである。冷却フィン２１０の個数および形状は、本例に限られない。
【００４１】
冷媒流通部２３０は、冷却ケース２２０の下面に設けられる。冷媒流通部２３０は、冷却ケース２２０の内部に冷媒を流通させる。一例において、冷媒は、冷媒流通部２３０ａから冷却ケース２２０の内部に流入して、冷媒流通部２３０ｂから冷却ケース２２０の外部へと流出する。冷媒流通部２３０ａおよび冷媒流通部２３０ｂは、長手方向における冷却ケース２２０の端部に設けられているが、中央付近に設けられてもよい。
【００４２】
図１Ｄは、図１ＣにおけるＢ−Ｂ'断面の一例を示す図である。Ｂ−Ｂ'断面は、冷媒流通部２３０ａを通るＸＺ断面である。冷媒流通部２３０は、冷媒流通部２３０ａと冷媒流通部２３０ｂとを有する。
【００４３】
冷媒流通部２３０ａは、外部の装置等と連結され、冷媒を冷却ケース２２０の内部に流入させる。冷媒流通部２３０ａには、冷媒を流入させるための開口部２３２ａが設けられる。
【００４４】
冷媒流通部２３０ｂは、外部の装置等と連結され、冷媒を冷却ケース２２０から外部に流出させる。冷媒流通部２３０ｂには、冷媒を流出させるための開口部２３２ｂが設けられる。冷媒は、外部の装置と冷却部２００の間を循環してよい。
【００４５】
冷媒流通部２３０は、冷却ケース２２０の下面から突出した構造を有する。冷媒流通部２３０は、外部の装置と連結するためのフランジまたはパイプを有してよい。冷媒流通部２３０は、外部の装置の開口部に挿入するために、外部の装置の開口部と角度が一致するように製造される。しかしながら、放熱ベース１０に反りが発生すると、冷媒流通部２３０の角度が傾いて、外部の装置と連結できなくなる場合がある。特に、冷媒流通部２３０がフランジまたはパイプのように突起状の構造を有すると、放熱ベース１０の反りの影響によって位置ずれが生じやすくなる。なお、放熱ベース１０の反りとは、冷却フィン２１０の影響を考慮した、フィン一体型ベース２０５の反りと考えてもよい。
【００４６】
図２Ａは、第１冶具３１０の上面図の一例である。第１冶具３１０は、段差冶具３００の一例である。
【００４７】
第１冶具３１０は、放熱ベース１０を載置して、段差を付けて加圧固定するために用いられる。第１冶具３１０は、本体部３１１と、突起部３１２と、突起部３１４とを備える。本例の第１冶具３１０は、４つの突起部３１２および４つの突起部３１４を備える。
【００４８】
突起部３１２は、第１冶具３１０の上面に設けられる。突起部３１２は、本体部３１１の上面からＺ軸方向に延伸する。突起部３１２は、放熱ベース１０を予め定められた第１高さＴ１に位置決めする。突起部３１２ａおよび突起部３１２ｂは、放熱ベース１０の長手方向に配置される。突起部３１２ａおよび突起部３１２ｂは、放熱ベース１０を第１高さＴ１に固定する第１突起部の一例である。突起部３１２は、放熱ベース１０を挟んで加圧固定するための雌ネジを有していてよい。
【００４９】
突起部３１４は、第１冶具３１０の上面に設けられる。突起部３１４は、本体部３１１の上面からＺ軸方向に延伸する。突起部３１４は、放熱ベース１０を第１高さＴ１よりも低い第２高さＴ２に位置決めする。突起部３１４は、放熱ベース１０を第２高さＴ２に固定する第２突起部の一例である。突起部３１４は、放熱ベース１０を挟んで加圧固定するための雌ネジを有していてよい。突起部３１４は、放熱ベース１０の長手方向において突起部３１２ａおよび突起部３１２ｂに間に配置されてよい。
【００５０】
なお、第１冶具３１０の上面には、カーボンシート等の伝熱用の部材が設けられてよい。第１冶具３１０上に伝熱部材を設けることにより、リフロー時に第１冶具３１０から半導体セル１１０に熱が伝わりやすくなる。本体部３１１は主面を有する平板であってよいし、さらに、冷媒流通部２３０を収容するためのザグリ３１５を備えてもよい。ザグリ３１５ａは、冷媒流通部２３０ａに対応した位置に設けられる。ザグリ３１５ｂは、冷媒流通部２３０ｂに対応した位置に設けられる。
【００５１】
図２Ｂは、図２ＡにおけるＣ−Ｃ'断面の一例を示す図である。Ｃ−Ｃ'断面は、第１冶具３１０の突起部３１２および突起部３１４を通るＸＺ断面である。
【００５２】
第１高さＴ１は、突起部３１２の高さである。第２高さＴ２は、突起部３１４の高さである。第２高さＴ２は、第１高さＴ１よりも低い。第２高さＴ２は、冷却フィン２１０および冷却ケース２２０の高さに応じて決定される。例えば、第２高さＴ２は、冷却フィン２１０が本体部３１１と接触できる高さに設定される。また、第２高さＴ２は、冷却ケース２２０が本体部３１１と接触できる高さに設定されてもよい。
【００５３】
反り幅Ｗは、第１高さＴ１および第２高さＴ２の差分である。第１冶具３１０は、高さの異なる突起部３１２、３１４を備え、反り幅Ｗの段差を有する。反り幅Ｗによって、放熱ベース１０の反り幅が調整される。段差冶具３００は、リフロー時の反りの発生方向と逆方向に反り付けすることにより、リフロー後の放熱ベース１０の反りを低減する。反り幅Ｗは、リフロー後の反り幅がより小さくなるように調整される。一例において、反り幅Ｗは、放熱ベース１０と絶縁基板２０の線膨張係数差に応じて調整されてよい。また、反り幅Ｗは、放熱ベース１０および絶縁基板２０の形状等に応じて調整されてよい。例えば、反り幅Ｗは、０．２ｍｍ以上、２．０ｍｍ以下である。
【００５４】
図３は、点加圧により加圧固定された放熱ベース１０の側面図の一例を示す。当該側面図は、放熱ベース１０が反り付けされている状態を示す。本例の第１冶具３１０および第２冶具３２０の構造は、放熱ベース１０を点加圧により加圧固定する場合の一例であり、これに限定されない。放熱ベース１０は、加圧固定部１１と、加圧固定部１２と、自由部１３とを有する。第２冶具３２０は、連結部３２２および連結部３２４を有する。
【００５５】
連結部３２２は、突起部３１２と連結することにより、放熱ベース１０を加圧固定する。連結部３２２は、ネジ等の固定用の部品である。例えば、連結部３２２は、開口部１６を通って、突起部３１２の雌ネジに挿入される雄ネジである。加圧固定部１１は雄ネジの頭により点加圧される。
【００５６】
連結部３２４は、突起部３１４と連結することにより、放熱ベース１０を加圧固定する。連結部３２４は、ネジ等の固定用の部品である。例えば、連結部３２４は、開口部１６を通って、突起部３１４の雌ネジに挿入される雄ネジである。加圧固定部１２は雄ネジの頭により点加圧される。
【００５７】
加圧固定部１１は、突起部３１２により第１高さＴ１に位置決めされている。加圧固定部１１は、突起部３１２および連結部３２２により加圧固定される領域である。即ち、加圧固定部１１は、突起部３１２および連結部３２２の両方に挟まれている。
【００５８】
加圧固定部１２は、突起部３１４により第２高さＴ２に位置決めされている。加圧固定部１２は、突起部３１４および連結部３２４により加圧固定される領域である。即ち、加圧固定部１２は、突起部３１４および連結部３２４の両方に挟まれている。加圧固定部１２は、放熱ベース１０の長手方向において複数の加圧固定部１１に挟まれている。これにより、放熱ベース１０の長手方向の両端が高く、当該長手方向の中央が低い曲面形状が得られる。
【００５９】
自由部１３は、段差冶具３００によって固定されていない放熱ベース１０の領域である。即ち、自由部１３は、第１冶具３１０および第２冶具３２０に接触していない。しかしながら、自由部１３は、加圧固定部１１および加圧固定部１２が異なる高さに加圧固定されることにより、間接的に固定される。
【００６０】
図４Ａは、第２冶具３２０の上面図の一例を示す。本例の第２冶具３２０の構造は、放熱ベース１０を面加圧により加圧固定する場合の一例である。
【００６１】
第２冶具３２０は、第１冶具３１０に固定され、放熱ベース１０上に半導体チップ３０を載置するために用いられる。第２冶具３２０は、筐体６０の形状に応じた位置に連結部３２２および連結部３２４を備える。本例の第２冶具３２０は、４つの連結部３２２および４つの連結部３２４を備える。
【００６２】
開口部３２６は、半導体セル１１０を位置決めして、放熱ベース１０上に載置するための開口である。本例の第２冶具３２０は、３つの開口部３２６を有する。即ち、本例の第２冶具３２０は、放熱ベース１０上に絶縁基板２０を位置決めして載置する組立冶具を兼ねている。これにより、冶具の個数を増加させることなく、放熱ベース１０の反り付けを実現できる。
【００６３】
突起部３２８は、開口部３２６の端部に設けられる。複数の突起部３２８は、絶縁基板２０等の位置を任意の位置に誘導する。複数の突起部３２８を設けることにより、隣り合う突起部３２８の間に、リフロー時に溶融したはんだ等の接合部材が広がる領域を設けることができる。複数の突起部３２８の断面には、半導体チップ３０等を所定の位置に誘導するための傾斜が設けられてよい。開口部３２６は、本体部３２１と異なる部材、例えばカーボンによって形成されてよい。
【００６４】
図４Ｂは、面加圧により加圧固定された放熱ベース１０の側面図の一例を示す。本例の第１冶具３１０および第２冶具３２０の構造は、放熱ベース１０を面加圧により加圧固定する場合の一例であり、これに限定されない。
【００６５】
第２冶具３２０は、連結部３２２および連結部３２４によって、第１冶具３１０と連結される。これにより、第２冶具３２０の本体部３２１が段差に応じて変形して、放熱ベース１０を面加圧する。
【００６６】
面加圧部１４は、第２冶具３２０によって面加圧される領域である。即ち、面加圧部１４は、本体部３２１と接しているものの、第１冶具３１０と接していない領域である。面加圧部１４は、第２冶具３２０を第１冶具３１０と連結する際に第２冶具３２０によって加圧される。
【００６７】
本例の第２冶具３２０は、複雑な加工をすることなく、放熱ベース１０を曲面形状に近い形状で加圧固定できる。第２冶具３２０は、様々な形状およびサイズの放熱ベース１０に対応することができる。
【００６８】
なお、段差冶具３００は、放熱ベース１０と同じ線膨張係数を有してよい。これにより、放熱ベース１０と段差冶具３００との線膨張係数差に起因する反りの発生を抑制できる。
【００６９】
図５は、リフロー後の半導体モジュール１００の断面図の一例を示す。本例の断面図は、図１ＣにおけるＢ−Ｂ'断面に対応する。
【００７０】
放熱ベース１０は、平坦か、あるいは段差冶具３００によってリフロー前に反り付けされた方向と逆方向に反っている。即ち、放熱ベース１０は、断面において、凸状に変形している。冷却ケース２２０も同様に凸状に変形しており、冷媒流通部２３０が内側を向くように傾いている。
【００７１】
反り幅Ｗａは、リフロー後の放熱ベース１０の反りである。段差冶具３００の反り幅Ｗを適切に設定することにより、リフロー後の放熱ベース１０の反り幅Ｗａを調整できる。半導体モジュール１００は、反り幅Ｗａのないフラットな放熱ベース１０を有してよい。例えば、反り幅Ｗａは、２００μｍ以下である。反り幅Ｗａはさらに０μｍ以上であってよい。
【００７２】
仮想平面Ｖｐは、放熱ベース１０の長手方向の端部１５ａおよび端部１５ｂを通る仮想平面である。端部１５ｂは、放熱ベース１０の長手方向において、端部１５ａと反対側の端部である。放熱ベース１０は、仮想平面Ｖｐに平行なフラットな平面を有することが好ましい。本例の仮想平面Ｖｐは、ＸＹ平面と一致する。
【００７３】
反り角Ｒは、放熱ベース１０の反りによって生じた中心軸Ａｃの角度のずれである。中心軸Ａｃは、冷媒流通部２３０の開口部の中心を通る軸である。反りのない状態では、中心軸Ａｃが仮想平面Ｖｐと直交する。反り角Ｒは、仮想平面Ｖｐの垂線に対する中心軸Ａｃの角度となる。反り角Ｒは、５度以内であることが好ましい。
【００７４】
段差冶具３００を用いることで、半導体モジュール１００の反りを制御しやすくなり、許容できる放熱ベース１０の初期反りの範囲が広がる。また、初期反りによって完成品の反りを制御できるので、放熱ベース１０の材料を反りの少ない高強度材とする必要がなくなる。よって、放熱ベース１０の材料強度の選択範囲が広くなる。
【００７５】
そして、反りの制御が容易になると、製造工程による制約が少なくなり、冷却効率の向上に最適な構造を選択することができる。以上の通り、本例の製造方法を用いることで、冷却効率の優れた半導体モジュール１００を、簡易な構造の段差冶具３００で製造することができる。
【００７６】
図６は、半導体モジュール１００の製造方法の一例を示す。ステップＳ１００〜ステップＳ１１０により、半導体モジュール１００の完成品の反りを低減しつつ製造できる。
【００７７】
ステップＳ１００において、第１冶具３１０を提供する。ステップＳ１０２において、フィン一体型ベース２０５を第１冶具３１０上に載置する。また、冷却ケース２２０が放熱ベース１０に一体となっている場合、第１冶具３１０上には、冷却ケース２２０が載置されてよい。
【００７８】
ステップＳ１０４において、第１冶具３１０と第２冶具３２０とを連結させて、放熱ベース１０に段差を付けて加圧固定する。放熱ベース１０に段差を付けて加圧固定する段階は、複数の加圧固定部１１を第１高さＴ１に固定する段階と、加圧固定部１２を第２高さＴ２に固定する段階を含む。放熱ベース１０の加圧固定は、点加圧であっても面加圧であってもよい。
【００７９】
ステップＳ１０６において、半導体セル１１０を放熱ベース１０上に載置する。ステップＳ１０６では、第２冶具３２０により位置決めして、放熱ベース１０上に絶縁基板２０を載置してよい。また、第２冶具３２０とは別に、半導体セル１１０の位置決め用の組立冶具が用いられてもよい。
【００８０】
ステップＳ１０８において、リフローにより半導体セル１１０をはんだ接合する。半導体モジュール１００は、第１冶具３１０および第２冶具３２０が取り付けられた状態でリフローされる。つまり、放熱ベース１０が加圧固定された状態でリフローされる。なお、半導体セル１１０をはんだ接合する段階の前に、冷却フィン２１０を収容するための冷却ケース２２０を放熱ベース１０に取り付けてよい。ステップＳ１０２において、放熱ベース１０、冷却フィン２１０および冷却ケース２２０を含む冷却部２００を第１冶具３１０上に載置し、続くステップ１０４において、放熱ベース１０を加圧固定してもよい。
【００８１】
ステップＳ１１０において、第１冶具３１０および第２冶具３２０が取り外される。第１冶具３１０および第２冶具３２０は、放熱ベース１０の冷却後に取り外されてよい。これらのステップにより、半導体モジュール１００の反りを低減することができる。
【００８２】
図７Ａは、他の実施例に係る半導体モジュール１００の上面図の一例を示す。本例では、図１Ａの半導体モジュール１００と相違する点について特に説明する。本例の半導体モジュール１００は、図１Ａの実施例と異なる形状の筐体６０を備えるが、筐体６０の形状は本例に限られない。
【００８３】
開口２３４は、筐体６０の端部に設けられる。開口２３４は、筐体６０、放熱ベース１０および冷却ケース２２０を貫通する貫通孔である。本例の半導体モジュール１００には、２つの開口２３４ａおよび開口２３４ｂが設けられる。
【００８４】
締結部７０は、開口２３４の内部に設けられ、筐体６０、放熱ベース１０および冷却ケース２２０を共締めする。締結部７０は、半導体モジュール１００を外部の装置に固定するために用いられてもよい。本例の半導体モジュール１００は、２つの締結部７０ａおよび締結部７０ｂを備える。締結部７０ａおよび締結部７０ｂは、複数の開口２３４ａおよび開口２３４ｂにそれぞれ設けられる。
【００８５】
図７Ｂは、図７ＡにおけるＤ−Ｄ'断面の一例を示す図である。Ｄ−Ｄ'断面は、筐体６０および半導体セル１１０を通る断面であって、開口２３４ａおよび開口２３４ｂのそれぞれを通る。
【００８６】
締結部７０は、筐体６０と、放熱ベース１０と、冷却ケース２２０とを締結する。一例として、締結部７０は、放熱ベース１０および冷却ケース２２０が、直接または間接に密着してｚ軸方向において重なって配置された領域であって、放熱ベース１０および冷却ケース２２０を貫通する開口２３４が形成された領域に設けられる。締結部７０を設けることにより、図１Ｂの実施例の場合よりも冷却ケース２２０を固定しやすくなる。
【００８７】
枠部２２２は、冷却ケース２２０の外縁に設けられる。枠部２２２は、ｘｙ面において冷却フィン２１０を囲んで配置されている。枠部２２２は、冷却ケース２２０の外縁を取り巻く板状の突出（即ち、フランジ）であってよい。板状の突出の上面は放熱ベース１０の下面と並行であってよい。枠部２２２の上面は、放熱ベース１０の下面に直接または間接に密着して配置されている。枠部２２２の上面と、放熱ベース１０の下面との間には、シール材または他の部材が設けられていてよい。
【００８８】
図８は、点加圧により加圧固定された放熱ベース１０の側面図の一例を示す。当該側面図は、放熱ベース１０が反り付けされている状態を示す。即ち、本例は、図６のステップＳ１０２において、フィン一体型ベース２０５が冷却ケース２２０と一体となっている場合の実施例である。フィン一体型ベース２０５は、冷却ケース２２０に取り付けられた状態で加圧固定される。これにより、冷却ケース２２０は、フィン一体型ベース２０５の変形に応じて反り付けされる。冷却ケース２２０が予め反り付けされることによって、完成品の反りを低減しやすくなる。
【００８９】
本例の第１冶具３１０および第２冶具３２０の構造は、放熱ベース１０を点加圧により加圧固定する場合の一例である。冷却ケース２２０が取り付けられたフィン一体型ベース２０５は、図４Ｂで示したような第１冶具３１０および第２冶具３２０を用いて、面加圧により加圧固定されてもよい。
【００９０】
図９Ａは、比較例に係る方法により製造された半導体モジュール５００の断面図の一例を示す。本例の半導体モジュール５００は、リフロー時に冷却ケース５２０が取り付けられていない場合の例である。冷却ケース５２０は、半導体セル１１０をリフローした後に取り付けられる。また、ベース基板５０５は、初期反り付けがなされていないので、リフロー後に凸状の反りを有する。ベース基板５０５の反りは、絶縁基板２０との線膨張係数の違いによって、はんだ融点から室温への冷却時に生じる。
【００９１】
ギャップＧ１は、ベース基板５０５の反りによって生じた冷却フィン５１０の高さの差分である。ギャップＧ１が生じると、冷却フィン５１０と冷却ケース５２０との隙間が大きくなるので、冷媒の流速が変化して、冷却性能が低下する場合がある。また、ベース基板５０５の反りに応じた冷却ケース５２０を作製することも考えられるが、加工に手間がかかりコストアップしてしまう。
【００９２】
図９Ｂは、比較例に係る方法により製造された半導体モジュール５００の断面図の一例を示す。本例の半導体モジュール５００は、リフロー時に冷却ケース５２０が取り付けられている場合の例である。冷却ケース５２０は、冷却ケース５２０と一体に設けられてよい。また、ベース基板５０５は、初期反り付けがなされていないので、リフロー後に凸状の反りを有する。
【００９３】
また、半導体モジュール５００は、冷却ケース５２０が冷却フィン５１０と一体型の構造を有する。冷却ケース５２０は、リフロー後に凸状の反りを有する。冷却ケース５２０が反りを有すると、半導体モジュール１００の裏面に設けられた他の部材の冷却効率が悪化する場合がある。
【００９４】
ギャップＧ２は、ベース基板５０５の反りによって生じた冷却ケース５２０の反り幅である。ギャップＧ２が生じると、冷却ケース５２０に対してベース基板５０５と反対側に設けられた外部装置と接触できなくなる。そのため、冷却フィン５１０による外部装置の冷却効率が低下する。
【００９５】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【００９６】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【００９７】
１０・・・放熱ベース、１１・・・加圧固定部、１２・・・加圧固定部、１３・・・自由部、１４・・・面加圧部、１５・・・端部、１６・・・開口部、２０・・・絶縁基板、２１・・・導電板、２２・・・絶縁板、２３・・・導電板、２５・・・基板下はんだ部、３０・・・半導体チップ、４０・・・金属配線板、５０・・・封止樹脂、６０・・・筐体、６２・・・主端子、７０・・・締結部、１００・・・半導体モジュール、１１０・・・半導体セル、２００・・・冷却部、２０５・・・フィン一体型ベース、２１０・・・冷却フィン、２２０・・・冷却ケース、２２２・・・枠部、２３０・・・冷媒流通部、２３２・・・開口部、２３４・・・開口、３００・・・段差冶具、３１０・・・第１冶具、３１１・・・本体部、３１２・・・突起部、３１４・・・突起部、３１５・・・ザグリ、３２０・・・第２冶具、３２１・・・本体部、３２２・・・連結部、３２４・・・連結部、３２６・・・開口部、３２８・・・突起部、５００・・・半導体モジュール、５０５・・・ベース基板、５１０・・・冷却フィン、５２０・・・冷却ケース
【図１Ａ】
2020188152.tif 000003
【図１Ｂ】
2020188152.tif 000004
【図１Ｃ】
2020188152.tif 000005
【図１Ｄ】
2020188152.tif 000006
【図２Ａ】
2020188152.tif 000007
【図２Ｂ】
2020188152.tif 000008
【図３】
2020188152.tif 000009
【図４Ａ】
2020188152.tif 000010
【図４Ｂ】
2020188152.tif 000011
【図５】
2020188152.tif 000012
【図６】
2020188152.tif 000013
【図７Ａ】
2020188152.tif 000014
【図７Ｂ】
2020188152.tif 000015
【図８】
2020188152.tif 000016
【図９Ａ】
2020188152.tif 000017
【図９Ｂ】
2020188152.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】令和2年4月6日(2020.4.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
【図１Ａ】実施例に係る半導体モジュール１００の上面図の一例を示す。
【図１Ｂ】図１ＡにおけるＡ−Ａ'断面の一例を示す図である。
【図１Ｃ】半導体モジュール１００の下面図の一例である。
【図１Ｄ】図１ＣにおけるＢ−Ｂ'断面の一例を示す図である。
【図２Ａ】第１冶具３１０の上面図の一例である。
【図２Ｂ】図２ＡにおけるＣ−Ｃ'断面の一例を示す図である。
【図３】点加圧により加圧固定された放熱ベース１０の側面図の一例を示す。
【図４Ａ】第２冶具３２０の上面図の一例を示す。
【図４Ｂ】面加圧により加圧固定された放熱ベース１０の側面図の一例を示す。
【図５】リフロー後の半導体モジュール１００の断面図の一例を示す。
【図６】半導体モジュール１００の製造方法の一例を示す。
【図７Ａ】他の実施例に係る半導体モジュール１００の上面図の一例を示す。
【図７Ｂ】図７ＡにおけるＤ−Ｄ'断面の一例を示す図である。
【図８】点加圧により加圧固定された放熱ベース１０の側面図の一例を示す。
【図９Ａ】比較例に係る方法により製造された半導体モジュール５００の断面図の一例を示す。
【図９Ｂ】比較例に係る方法により製造された半導体モジュール５００の断面図の一例を示す。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３２】
冷却フィン２１０は、冷媒を流通させるための複数の流路を形成する。冷却フィン２１０は、Ｚ軸方向に延伸して設けられる。冷却フィン２１０のＺ軸正側の一端は、放熱ベース１０の上面に接続して設けられる。冷却フィン２１０のＺ軸負側の一端は、冷却ケース２２０の上面に接してよい。冷却フィン２１０は、Ｘ軸方向に任意の間隔をおいて複数配置されている。冷却フィン２１０は、ストレートフィンのほか、波型フィン、ピンフィン、コルゲートフィンまたは積層フィンであってもよい。冷却フィン２１０は、冷却ケース２２０と同一組成の金属で形成されてよい。冷却フィン２１０は、例えばアルミニウムまたは銅を含む金属で形成される。冷却フィン２１０の材料は、軽量化のためにアルミニウムを含む金属であってよい。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４９】
突起部３１４は、第１冶具３１０の上面に設けられる。突起部３１４は、本体部３１１の上面からＺ軸方向に延伸する。突起部３１４は、放熱ベース１０を第１高さＴ１よりも低い第２高さＴ２に位置決めする。突起部３１４は、放熱ベース１０を第２高さＴ２に固定する第２突起部の一例である。突起部３１４は、放熱ベース１０を挟んで加圧固定するための雌ネジを有していてよい。突起部３１４は、放熱ベース１０の長手方向において突起部３１２ａおよび突起部３１２ｂの間に配置されてよい。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６３】
突起部３２８は、開口部３２６の端部に設けられる。複数の突起部３２８は、絶縁基板２０等の位置を任意の位置に誘導する。複数の突起部３２８を設けることにより、隣り合う突起部３２８の間に、リフロー時に溶融したはんだ等の接合部材が広がる領域を設けることができる。複数の突起部３２８の断面には、半導体チップ３０等を所定の位置に誘導するための傾斜が設けられてよい。突起部３２８は、本体部３２１と異なる部材、例えばカーボンによって形成されてよい。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９２】
図９Ｂは、比較例に係る方法により製造された半導体モジュール５００の断面図の一例を示す。本例の半導体モジュール５００は、リフロー時に冷却ケース５２０が取り付けられている場合の例である。冷却ケース５２０は、ベース基板５０５と一体に設けられてよい。また、ベース基板５０５は、初期反り付けがなされていないので、リフロー後に凸状の反りを有する。