(57)【要約】      （修正有）【課題】熱伝導性と電気絶縁性に優れた接合部材で電力用半導体モジュールと冷却フィンとが接合され、電力用半導体素子の発熱を冷却フィンに効率よく伝導できる、小型・大容量化が可能な電力用半導体装置を提供する。【解決手段】電力用半導体モジュール１に接合部材７を介して冷却フィン６が接合された電力用半導体装置１００であって、マトリックス樹脂と、マトリックス樹脂に充填された表面に電気絶縁性のアルマイト層を有するアルミニウム繊維のワイヤー束とで形成された接合部材で、電力用半導体モジュールにおける封止樹脂５からのリードフレーム２の露出面と冷却フィンの接合面とが接合されたものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力用半導体モジュールに接合部材を介して冷却フィンが接合された電力用半導体装置であって、上記接合部材が、マトリックス樹脂と、上記マトリックス樹脂に充填された表面に電気絶縁性のアルマイト層を有するアルミニウム繊維のワイヤー束とから形成された電力用半導体装置。
【請求項２】
電力用半導体モジュールが、半導体素子搭載部と端子部を備えたリードフレームと、上記リードフレームの半導体素子搭載部に搭載された電力用半導体素子と、上記電力用半導体素子と上記リードフレームの端子部とを接続するワイヤーボンドと、上記リードフレームの上記電力用半導体素子が搭載された面に対向する面と上記リードフレームの上記ワイヤーボンドが接合された面に対向する面とを露出させて、上記リードフレームと上記電力用半導体素子と上記ワイヤーボンドとを封止する封止樹脂とで形成され、上記電力用半導体モジュールにおける上記封止樹脂からの上記リードフレームの露出面が接合部材と接着していることを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
【請求項３】
接合部材のマトリックス樹脂が、熱硬化性樹脂であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力用半導体装置。
【請求項４】
接合部材中に、アルミナ、酸化マグネシューム、窒化硼素、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウムのうちの少なくとも１種類の無機フィラーを含有していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力用半導体装置。
【請求項５】
リードフレームに、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金のうちのいずれか１種類の金属を用いたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力用半導体装置。
【請求項６】
冷却フィンに、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金のうちのいずれか１種類の金属を用いたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力用半導体装置。
【請求項７】
アルミニウム繊維のワイヤー束を硫酸中に浸漬し、上記アルミニウム繊維のワイヤー束のアルミニウム表面を酸化する酸化処理工程と、
上記酸化処理工程で得られた酸化処理アルミニウム繊維のワイヤー束を純水で洗浄し、上記酸化処理アルミニウム繊維のワイヤー束の酸化層を封孔処理する封孔処理工程と、
上記封孔処理工程で得られた封孔処理アルミニウム繊維のワイヤー束を乾燥する乾燥工程と、
上記乾燥工程で得られたアルマイト層形成ワイヤー束を、上板と下板とが所定の間隔で設置された型の隙間に配置するセット工程と、
上記型にセットされた上記アルマイト層形成ワイヤー束に、液状熱硬化性樹脂を真空下で注入して、上記アルマイト層形成ワイヤー束の空隙に上記液状熱硬化性樹脂を含浸させる含浸処理工程と、
上記含浸処理工程で得られた液状熱硬化性樹脂含浸ワイヤー束を予備加熱して、上記液状熱硬化性樹脂をＢステージ化するＢステージ化工程と、
上記Ｂステージ化工程で得られたシート状の接合部材前駆体を、所定の大きさに打ち抜き、電力用半導体モジュールのリードフレームが露出した面と冷却フィンの接合面との間に配設する接合部材前駆体配設工程と、
上記接合部材前駆体配設工程で上記電力用半導体モジュールのリードフレームが露出した面と上記冷却フィンの接合面とに挟まれた上記シート状の接合部材前駆体を、加熱・加圧して硬化させる接合部材前駆体硬化工程とを備え、
上記接合部材前駆体硬化工程により上記接合部材前駆体を硬化させて形成した接合部材で、上記電力用半導体モジュールと上記冷却フィンとを接合する電力用半導体装置の製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載の製造方法で得られたアルマイト層形成ワイヤー束を、所定の大きさに打ち抜き、電力用半導体モジュールのリードフレームが露出した面と冷却フィンの接合面との間に配設するアルマイト層形成ワイヤー束配設工程と、
上記アルマイト層形成ワイヤー束配設工程で上記電力用半導体モジュールのリードフレームが露出した面と上記冷却フィンの接合面とに挟まれた上記アルマイト層形成ワイヤー束に、液状熱硬化性樹脂を真空化下で注入して、上記アルマイト層形成ワイヤー束の空隙に上記液状熱硬化性樹脂を含浸させる含浸処理工程と、
上記含浸処理工程で得られた液状熱硬化性樹脂含浸ワイヤー束を、加熱・加圧して硬化させる含浸樹脂硬化工程とを備え、
上記含浸樹脂硬化工程により、上記液状熱硬化性樹脂含浸ワイヤー束を硬化させて形成した接合部材で、上記電力用半導体モジュールと上記冷却フィンとを接合する電力用半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はリードフレームを用いた電力用半導体モジュールに冷却フィンを一体化させた電力用半導体装置とその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車や産業用機器のモータの駆動装置に用いられる電力用半導体装置としてインバータ装置がある。インバータ装置は、大電流を高速にスイッチングして、直流からモータを駆動する交流を得ており、電力用半導体素子としてのＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）チップとダイオードチップ等が用いられている。
近年、インバータ装置等の電力用半導体装置は、小型・大容量化が要求されており、電力用半導体素子からの発熱を効率的に放散させることが要望されている。そのため、電力用半導体装置には、熱をよく放散させる放熱用の冷却フィンが用いられる。冷却フィンは電力用半導体装置を構成する電力用半導体モジュールのヒートシンクに取り付けられるが、冷却フィンは電力用半導体モジュールの回路と電気的に絶縁する必要がある。
【０００３】
従来の電力用半導体モジュールとして、セラミック板の一方の面に電力用半導体素子の搭載部が形成され、他方の面に金属板が設けられたセラミック基板を、回路基板として用いたパワーモジュール装置がある。このパワーモジュール装置へ冷却フィンを取り付ける場合は、パワーモジュール装置のセラミック基板の金属板に冷却フィンを接合することになる。そして、パワーモジュール装置の回路と冷却フィンとの間の電気的絶縁は、セラミック基板のセラミック板により行われる（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、従来の電力用半導体モジュールとして、金属板の一方の面に樹脂絶縁層を介して電力用半導体素子を搭載する回路パターンが形成された樹脂絶縁金属基板を、回路基板として用いたパワー半導体モジュールがある。このパワー半導体モジュールでは、樹脂絶縁金属基板の金属板に冷却体である冷却フィンが接合されている。そして、パワー半導体モジュールの回路と冷却体との間の電気的絶縁は、樹脂絶縁金属基板の樹脂絶縁層により行われる（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
また、従来の電力用半導体モジュールとして、金属板の一方の面に樹脂絶縁層を介して電力用半導体素子を搭載するリードフレームが設けられた電子パッケージがある。この電子パッケージへ冷却フィンを取り付ける場合は、電子パッケージの金属板に冷却フィンを接合することになる。電子パッケージの回路と冷却フィンとの間の電気的絶縁は、金属板上の樹脂絶縁層により行われる（例えば、特許文献３参照）。
【０００６】
また、従来の電力用半導体モジュールとして、金属板のヒートシンクに半導体素子を搭載した半導体装置がある。この半導体装置は、金属板のヒートシンクに、表面に絶縁酸化膜であるアルマイトが形成されたアルミニウムの冷却部材（冷却フィンに相当する）が接合されており、半導体装置の回路と冷却部材との間の電気的絶縁は、冷却部材の表面に形成された絶縁酸化膜であるアルマイトにより行われる（例えば、特許文献４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許平８−３１６３５７号公報（第２頁、第１図）
【特許文献２】特開２００７−４３０９８号公報（第４頁、第１図）
【特許文献３】特開２００１−１９６４９５号公報（第３頁、第１図）
【特許文献４】特開２００５−３２７７９１号公報（第３頁、第３図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記特許文献１〜３に記載の電力用半導体モジュールに冷却フィンを設けた電力用半導体装置において、電力用半導体素子の放熱性を向上させるには、電力用半導体素子で発生した熱を冷却フィンに効率良く伝導する必要がある。
そのため、特許文献１に記載の電力用半導体モジュールを用いた電力用半導体装置では、電気絶縁を維持するセラミック板の熱抵抗を低減させる必要がある。セラミック板の熱抵抗を低減させる手段には、セラミック板の厚さを薄くするか、高熱伝導率のセラミック板を用いることが挙げられる。
しかし、厚さの薄いセラミック板を用いると、金属板との接合時に金属板との熱膨張率の違いにより割れてしまうとの問題があった。また、高熱伝導率のセラミック板は高価であり、電力用半導体装置がコストアップとなるとの問題があった。
【０００９】
また、特許文献２と特許文献３とに記載の電力用半導体モジュールを用いた電力用半導体装置では、電気絶縁を維持する樹脂絶縁層の熱抵抗を低減させる必要がある。
樹脂絶縁層の熱抵抗を低減させる手段には、樹脂絶縁層に無機フィラーを充填し、樹脂絶縁層の熱伝導率を高くすることが挙げられる。
しかし、樹脂絶縁層への無機フィラーの充填量には限界があり、樹脂絶縁層の熱伝導率の向上には限界があるとの問題があった。
【００１０】
また、上記特許文献１〜３に記載の電力用半導体モジュールを用いた電力用半導体装置では、電力用半導体モジュールと冷却フィンとの接合には、シリコーングリースが用いられるのが一般的である。
しかし、シリコーングリースは、電力用半導体モジュールにおける、電力用半導体素子から冷却フィンにいたる熱伝導路を形成する他の部材に比べて、熱伝導率が低く、１〜３Ｗ／ｍＫの範囲であり、シリコーングリース接合部で熱抵抗が上昇する。そのため、冷却フィンへの熱流量を大きくするには、シリコーングリース接合部の面積を大きくする必要があり、電力用半導体モジュールと冷却フィンとが大きくなり、電力用半導体装置の小型・大容量化が図りにくいとの問題があった。
【００１１】
また、特許文献４に記載の電力用半導体モジュールでは、金属板のヒートシンクへの冷却部材の接合が接着剤で行われている。しかし、接着剤は、電力用半導体モジュールにおいて、半導体素子から冷却部材にいたる熱伝導路を形成する他の部材に比べて熱伝導率が低い。このため、接着材接合部で熱抵抗が上昇するので、この接合部の面積を大きくする必要があり、半導体装置と冷却部材とが大きくなり、半導体装置の小型・大容量化が図りにくいとの問題があった。
【００１２】
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、その目的は、熱伝導性と電気絶縁性に優れた接合部材で電力用半導体モジュールと冷却フィンとが接合され、電力用半導体素子の発熱を冷却フィンに効率よく伝導できるとともに、電力用半導体モジュールの回路と放熱フィンとが電気的に絶縁された、小型・大容量化が可能な電力用半導体装置およびそ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】
【００１３】
本発明に係わる電力用半導体装置は、電力用半導体モジュールに接合部材を介して冷却フィンが接合された電力用半導体装置であって、接合部材が、マトリックス樹脂と、マトリックス樹脂に充填された表面に電気絶縁性のアルマイト層を有するアルミニウム繊維のワイヤー束とから形成されたものである。
【００１４】
また、本発明に係わる電力用半導体装置の製造方法は、アルミニウム繊維のワイヤー束を硫酸中に浸漬し、アルミニウム繊維のワイヤー束のアルミニウム表面を酸化する酸化処理工程と、酸化処理工程で得られた酸化処理アルミニウム繊維のワイヤー束を純水で洗浄し、酸化処理アルミニウム繊維のワイヤー束の酸化層を封孔処理する封孔処理工程と、封孔処理工程で得られた封孔処理アルミニウム繊維のワイヤー束を乾燥する乾燥工程と、乾燥工程で得られたアルマイト層形成ワイヤー束を、上板と下板とが所定の間隔で設置された型の隙間に配置するセット工程と、型にセットされたアルマイト層形成ワイヤー束に、液状熱硬化性樹脂を真空下で注入して、アルマイト層形成ワイヤー束の空隙に液状熱硬化性樹脂を含浸させる含浸処理工程と、含浸処理工程で得られた液状熱硬化性樹脂含浸ワイヤー束を予備加熱して、液状熱硬化性樹脂をＢステージ化するＢステージ化工程と、Ｂステージ化工程で得られたシート状の接合部材前駆体を、所定の大きさに打ち抜き、電力用半導体モジュールのリードフレームが露出した面と冷却フィンの接合面との間に配設する接合部材前駆体配設工程と、接合部材前駆体配設工程で電力用半導体モジュールのリードフレームが露出した面と冷却フィンの接合面とに挟まれたシート状の接合部材前駆体を、加熱・加圧して硬化させる接合部材前駆体硬化工程とを備え、接合部材前駆体硬化工程により接合部材前駆体を硬化させて形成した接合部材で、電力用半導体モジュールと冷却フィンとを接合するものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係わる電力用半導体装置は、電力用半導体モジュールに接合部材を介して冷却フィンが接合された電力用半導体装置であって、接合部材が、マトリックス樹脂と、マトリックス樹脂に充填された表面に電気絶縁性のアルマイト層を有するアルミニウム繊維のワイヤー束とから形成されたものであり、電力用半導体素子の発熱を冷却フィンに効率よく伝導できるとともに、電力用半導体モジュールの回路と放熱フィンとが電気的に絶縁されており、小型・大容量化が可能なものである。
【００１６】
また、本発明に係わる電力用半導体装置の製造方法は、アルミニウム繊維のワイヤー束を硫酸中に浸漬し、アルミニウム繊維のワイヤー束のアルミニウム表面を酸化する酸化処理工程と、酸化処理工程で得られた酸化処理アルミニウム繊維のワイヤー束を純水で洗浄し、酸化処理アルミニウム繊維のワイヤー束の酸化層を封孔処理する封孔処理工程と、封孔処理工程で得られた封孔処理アルミニウム繊維のワイヤー束を乾燥する乾燥工程と、乾燥工程で得られたアルマイト層形成ワイヤー束を、上板と下板とが所定の間隔で設置された型の隙間に配置するセット工程と、型にセットされたアルマイト層形成ワイヤー束に、液状熱硬化性樹脂を真空下で注入して、アルマイト層形成ワイヤー束の空隙に液状熱硬化性樹脂を含浸させる含浸処理工程と、含浸処理工程で得られた液状熱硬化性樹脂含浸ワイヤー束を予備加熱して、液状熱硬化性樹脂をＢステージ化するＢステージ化工程と、Ｂステージ化工程で得られたシート状の接合部材前駆体を、所定の大きさに打ち抜き、電力用半導体モジュールのリードフレームが露出した面と冷却フィンの接合面との間に配設する接合部材前駆体配設工程と、接合部材前駆体配設工程で電力用半導体モジュールのリードフレームが露出した面と冷却フィンの接合面とに挟まれたシート状の接合部材前駆体を、加熱・加圧して硬化させる接合部材前駆体硬化工程とを備え、接合部材前駆体硬化工程により接合部材前駆体を硬化させて形成した接合部材で、電力用半導体モジュールと冷却フィンとを接合するものであり、電力用半導体素子の発熱を冷却フィンに効率よく伝導できるとともに、電力用半導体モジュールの回路と放熱フィンとが電気的に絶縁されており、小型・大容量化が可能な電力用半導体装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態１に係わる電力用半導体装置の断面模式図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係わる電力用半導体装置に用いられる接合部材の断面模式図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係わる電力用半導体装置の製造に用いられる接合部材前駆体の製造工程を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係わる電力用半導体装置の製造における電力用半導体モジュールと冷却フィンとの接合工程を説明する図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係わる電力用半導体装置の製造における電力用半導体モジュールと冷却フィンとの接合工程を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係わる電力用半導体装置の断面模式図である。
図１に示すように、本実施の形態の電力用半導体装置１００には、リードフレーム２と電力用半導体素子３とワイヤーボンド４と封止樹脂５とで形成される電力用半導体モジュール１が用いられる。
本実施の形態の電力用半導体モジュール１では、電力用半導体素子３はリードフレーム２の半導体素子搭載部２ａに接合され、また、電力用半導体素子３はリードフレーム２の端子部２ｂの一端部とワイヤーボンド４で接続されている。
【００１９】
封止樹脂５は、リードフレーム２と電力用半導体素子３とワイヤーボンド４とを封止している。しかし、リードフレーム２における、半導体素子搭載部２ａの半導体素子搭載面に対向する面と端子部２ｂのワイヤーボンド接続面に対向する面とが封止樹脂５から露出しており、封止樹脂５からのリードフレーム２の露出面を形成している。
また、リードフレーム２の端子部２ｂにおける、端子部２ｂのワイヤーボンド４が接続された一端部の反対側の端部である他端部は、封止樹脂４から突出しており、この突出部が外部回路に接続される。図１では、突出部は、折り曲げられ、封止樹脂５の上面に接しているが、折り曲げられず、封止樹脂５の上面に対して垂直に延出していても良い。
【００２０】
本実施の形態の電力用半導体装置１００は、電力用半導体モジュール１と、冷却フィン６と、電力用半導体モジュール１と冷却フィン６とを接合するとともに、電力用半導体モジュール１の回路と冷却フィン６との間を電気絶縁する接合部材７とで形成されている。
そして、接合部材７の一方の面は、電力用半導体モジュール１における、封止樹脂５からのリードフレーム２の露出面とこの露出面がある封止樹脂面とに接着しており、接合部材７の一方の面に対向する他方の面は、冷却フィン６に接着している。
【００２１】
本実施の形態において、リードフレーム２には、例えば、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等のうちのいずれか１種類の金属が用いられるが、電力用半導体素子３をはんだで実装する場合は、銅または銅合金が好ましい。
また、冷却フィン６には、例えば、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等のうちのいずれか１種類の金属が用いられるが、軽量化の面ではアルミニウムまたはアルミニウム合金が好ましく、冷却効率を高めるためには銅または銅合金が好ましい。
また、ワイヤーボンド４には、例えば、アルミニウム線が用いられる。
【００２２】
図２は、本発明の実施の形態１に係わる電力用半導体装置に用いられる接合部材の断面模式図である。
図２に示すように、本実施の形態の接合部材７は、主に電力用半導体モジュール１と冷却フィン６との接合に寄与するマトリックス樹脂８に、主に電力用半導体モジュール１の熱を冷却フィン６へ伝導するのに寄与する表面に電気絶縁性のアルマイト層を有するアルミニウム繊維のワイヤーの束（アルマイト層形成ワイヤー束と記す）１０とで形成されている。そして、マトリックス樹脂８とアルマイト層形成ワイヤー束１０とで形成されている接合部材７は、電気絶縁性を有している。
本実施の形態では、接合部材７のマトリックス樹脂８には、例えば、熱硬化性の、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂等のうちのいずれか１種類の樹脂が用いられるが、接着性と耐熱性の面からエポキシ樹脂が好ましい。
【００２３】
本実施の形態では、接合部材７中における、アルマイト層形成ワイヤー束１０の体積分率は、４０％〜９５％の範囲が好ましい。アルマイト層形成ワイヤー束１０の体積分率が４０％未満では、接合部材７の熱伝導率が小さくなり、電力用半導体素子３で発生した熱を放熱フィン６に効率よく伝達できない。アルマイト層形成ワイヤー束１０の体積分率が９５％より大きいと、後述するアルマイト層形成ワイヤー束１０の空隙へのマトリックス樹脂８の充填が不十分になり、接合部材７の接着性が低下するとともに、耐電圧も低下する。
【００２４】
次に、本実施の形態の電力用半導体装置の製造方法について説明する。
図３は、本発明の実施の形態１に係わる電力用半導体装置の製造に用いられる接合部材前駆体の製造工程を示す図である。
第１の接合部材前駆体製造工程では、図３（ａ）に示すように、厚みが約１００μｍのアルミニウムのワイヤーが稠密に入り組んで構成されたアルミニウム繊維のワイヤー束１１を準備する。
第２の接合部材前駆体製造工程は、図３（ｂ）に示すように、アルミニウム繊維のワイヤー束１１を硫酸３０中に約１時間浸漬し、アルミニウム繊維のワイヤー束１１のアルミニウム表面を酸化する酸化処理工程である。
第３の接合部材前駆体製造工程は、図３（ｃ）に示すように、酸化処理工程で得られた、表面が酸化されたアルミニウム繊維のワイヤー束（酸化処理アルミニウム繊維のワイヤー束と記す）１２を純水３１で洗浄して、酸化処理アルミニウム繊維のワイヤー束１２の酸化層を封孔する封孔処理工程である。
【００２５】
第４の接合部材前駆体製造工程は、図３（ｄ）に示すように、封孔処理で得られたアルミニウム繊維のワイヤー束（封孔処理アルミニウム繊維のワイヤー束と記す）１３を、乾燥装置１５にて乾燥する乾燥工程である。
第５の接合部材前駆体製造工程は、図３（ｅ）に示すように、乾燥工程で得られた、表面に厚みが約２０〜４０μｍのアルマイト層を有するワイヤーが入り組んで構成されたアルマイト層形成ワイヤー束１０を、上板２１と下板２２とが所定の間隔で設置された型２０の隙間に配置するセット工程である。
第６の接合部材前駆体製造工程は、図３（ｆ）に示すように、セット工程で、型２０の隙間にセットされたアルマイト層形成ワイヤー束１０に、液状熱硬化性樹脂９を真空下で注入して、アルマイト層形成ワイヤー束１０の空隙に液状熱硬化性樹脂９を含浸する含浸工程である。
【００２６】
第７の接合部材前駆体製造工程は、図３（ｇ）に示すように、含浸工程で、液状熱硬化性樹脂９が空隙に含浸されたアルマイト層形成ワイヤー束（液状熱硬化性樹脂含浸ワイヤー束と記す）７ａを、型２０の上板２１と下板２２とで予備加熱して、液状熱硬化性樹脂９をＢステージ化するＢステージ化工程である。
このような一連の接合部材前駆体製造工程により、図３（ｈ）に示されるシート状の接合部材前駆体７ｂを得る。
本実施の形態の電力用半導体装置に用いられる接合部材前駆体７ｂは、液状熱硬化性樹脂９をＢステージ化して形成したプリプレグであるので、液状熱硬化性樹脂９には、プリプレグ化が容易なエポキシ樹脂を用いるのが好ましい。
【００２７】
図４は、本発明の実施の形態１に係わる電力用半導体装置の製造における電力用半導体モジュールと冷却フィンとの接合工程を説明する図である。
第１の接合工程は、図４（ａ）に示すように、所定の大きさに打ち抜かれたシート状の接合部材前駆体７ｂを、一方の面が電力用半導体モジュール１におけるリードフレーム２が露出した面と対向し、他方の面が冷却フィン６の接合面と対向するように配設する接合部材前駆体配設工程である。
【００２８】
第２の接合工程は、図４（ｂ）に示すように、電力用半導体モジュール１のリードフレーム２が露出した面と冷却フィン６の接合面とで挟まれたシート状の接合部材前駆体７ｂを、加熱装置２３を用い真空下で、矢印方向に加圧しながら加熱して、シート状の接合部材前駆体７ｂのＢステージ状熱硬化性樹脂を硬化させる接合部材前駆体硬化工程である。
このＢステージ状熱硬化性樹脂の硬化物がマトリックス樹脂８であり、接合部材前駆体７ｂの硬化物が接合部材７となる。
このような一連の接合工程により、図４（ｃ）に示す、電力用半導体モジュール１に冷却フィン６を接合部材７で接合して一体化させた電力用半導体装置１００が得られる。
【００２９】
また、本実施の形態において、接合部材前駆体７ｂに用いられる液状熱硬化性樹脂９に、無機フィラーを充填しても良い。無機フィラーを充填した液状熱硬化性樹脂を用いると、接合部材前駆体７ｂを硬化して得られた接合部材７が、アルマイト層形成ワイヤー束１０に加え無機フィラーも含有したものとなり、接合部材７の熱膨張率を低下させることができる。無機フィラーとしては、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、酸化マグネシューム（ＭｇＯ）、窒化硼素（ＢＮ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等が挙げられ、これらのうちの少なくとも１種類の無機フィラーが用いられる。
【００３０】
例えば、銅のリードフレーム２にアルミニウム製の冷却フィン６を接合する場合は、接合部材７の熱膨張率を、銅の熱膨張率とアルミニウムの熱膨張率との中間の値にするのが好ましい。具体的には、アルマイト層形成ワイヤー束１０の体積分率が５０％の接合部材７には、体積分率で約６０％のアルミナフィラーを含有する熱硬化性樹脂が好ましい。無機フィラーにはアルミナ以外のものも用いることができ、窒化アルミニウムのフィラーを用いると接合部材７の熱伝導率を向上できる。
【００３１】
本実施の形態の電力用半導体装置１００は、接合部材７に、アルマイト層形成ワイヤー束、すなわち、表面にアルマイト層を有するアルミニウム繊維のワイヤーの束１０が用いられている。そのため、接合部材７では、アルマイト層形成ワイヤー束１０を形成するワイヤーの一端がリードフレーム２の接合部材７との接着面と接し、アルマイト層形成ワイヤー束１０を形成するワイヤーの他端が冷却フィン６の接合部材７との接着面と接している。すなわち、接合部材７中に、リードフレーム２から冷却フィン６に至る、アルミニウム繊維ワイヤーの熱伝導路が形成されており、接合部材７の熱伝導性が極めて高い。
そして、アルミニウム繊維の表面には、電気絶縁性のアルマイト層が形成されており、接合部材７は電気絶縁性を保持している。しかも、アルマイト層は、熱伝導率が約７０Ｗ／ｍＫと大きく、接合部材７の高熱伝導性が維持される。
また、本実施の形態の電力用半導体装置１００は、電力用半導体素子を搭載したリードフレーム２と冷却フィン６とが高熱伝導性の接合部材７のみで接合されているので、この面からも、電力用半導体素子から冷却フィン６への熱伝導性を向上できる。それと、電力用半導体装置１００の高さを低くでき、電力用半導体装置１００の小型化にも有効である。
【００３２】
また、アルミニウム繊維の表面に形成されたアルマイト層に、アルミニウムとの熱膨張差によって、クラックが発生しても、このクラックにマトリックス樹脂８（本実施の形態では、エポキシ樹脂）が充填され、接合部材７の電気絶縁性と耐電圧性とは低下しない。
すなわち、本実施の形態の電力用半導体装置１００は、高熱伝導性と電気絶縁性を有する接合部材７で、電力用半導体モジュール１と冷却フィン６とが一体化された、放熱性に優れ、小型・大容量化が可能な電力用半導体装置である。
また、本実施の形態の電力用半導体装置の製造方法では、プリプレグ状の接合部材前駆体７ｂを用いるので、電力用半導体モジュール１と冷却フィン６との間への配設が容易である。電力用半導体モジュール１と冷却フィン６との接合に、Ｂステージ状の熱硬化性樹脂と、内部にアルミニウムが存在し屈曲性を有するアルマイト層形成ワイヤー束１０とで形成されたプリプレグ状の接合部材前駆体７ｂを用いるので、接合時の圧力を変化させることにより、接合部材７の厚みを制御することができる。
【００３３】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係わる電力用半導体装置２００は、接合部材の形成方法と接合部材による電力用半導体モジュール１と冷却フィン６との接合方法が異なる以外、実施の形態１の電力用半導体装置１００と同様である。
次に、本実施の形態の電力用半導体装置の製造方法について説明する。
まず、アルマイト層形成ワイヤー束１０の製造工程について説明する。
アルマイト層形成ワイヤー束１０の製造は、実施の形態１に示した接合部材前駆体の製造工程における、第１〜第４の工程により行われる。
【００３４】
図５は、本発明の実施の形態２に係わる電力用半導体装置の製造における電力用半導体モジュールと冷却フィンとの接合工程を説明する図である。
第１の接合工程は、図５（ａ）に示すように、所定の大きさに切断されたシート状のアルマイト層形成ワイヤー束１０を、一方の面が電力用半導体モジュール１におけるリードフレーム２が露出した面と対向し、他方の面が冷却フィン６の接合面と対向するように配設するアルマイト層形成ワイヤー束配設工程である。
第２の接合工程は、図５（ｂ）に示すように、アルマイト層形成ワイヤー束配設工程で電力用半導体モジュール１と冷却フィン６との間に配設したアルマイト層形成ワイヤー束１０を所定の圧力で加圧保持するとともに、真空下で液状熱硬化性樹脂９を注入し、アルマイト層形成ワイヤー束１０の空隙に液状熱硬化性樹脂９を含浸する含浸処理工程である。
【００３５】
第３の接合工程は、図５（ｃ）に示すように、含浸処理工程で液状熱硬化性樹脂９が含浸されたアルマイト層形成ワイヤー束、すなわち、液状熱硬化性樹脂含浸ワイヤー束７ａを、加熱装置２４を用い真空下で、矢印方向に加圧しながら加熱して、液状熱硬化性樹脂９を硬化させる含浸樹脂硬化工程である。
この液状熱硬化性樹脂９の硬化物がマトリックス樹脂８であり、液状熱硬化性樹脂含浸ワイヤー束７ａの硬化物が接合部材７となる。
このような一連の工程により、図５（ｄ）に示す電力用半導体モジュール１に冷却フィン６を接合部材７で接合して一体化させた電力用半導体装置２００が得られる。
本実施の形態の電力用半導体装置２００に用いられた接合部材７中のアルマイト層形成ワイヤー束１０の体積分率も、実施の形態１の電力用半導体装置１００に用いられた接合部材６のそれと同様である。
【００３６】
本実施の形態で用いられる液状熱硬化性樹脂９にも、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂等のうちのいずれか１種類の樹脂が用いられる。
また、本実施の形態で用いられる液状熱硬化性樹脂９にも、無機フィラーを充填しても良い。無機フィラーを充填した液状熱硬化性樹脂を用いると、接合部材７がアルマイト層形成ワイヤー束１０に加え無機フィラーも含有したものとなり、接合部材７の熱膨張率を低下させることができる。無機フィラーとしては、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、酸化マグネシューム（ＭｇＯ）、窒化硼素（ＢＮ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等が挙げられ、これらのうちの少なくとも１種類の無機フィラーが用いられる。
【００３７】
例えば、銅のリードフレーム２にアルミニウム製の冷却フィン６を接合する場合は、接合部材７の熱膨張率を、銅の熱膨張率とアルミニウムの熱膨張率との中間の値にするのが好ましい。具体的には、アルマイト層形成ワイヤー束１０の体積分率が５０％の接合部材７には、体積分率で約６０％のアルミナフィラーを含有する熱硬化性樹脂が好ましい。無機フィラーにはアルミナ以外のものも用いることができ、窒化アルミニウムのフィラーを用いると接合部材７の熱伝導率を向上できる。
【００３８】
本実施の形態の電力用半導体装置２００も、電力用半導体モジュール１と冷却フィン６とが、マトリックス樹脂８とアルマイト層形成ワイヤー束１０とで形成された接合部材７で接合されており、実施の形態１の電力用半導体装置１００と同様な効果がある。
本実施の形態の電力用半導体装置の製造方法では、電力用半導体モジュール１と冷却フィン６との間に保持されたアルマイト層形成ワイヤー束１０に、液状熱硬化性樹脂９を、直接に注入硬化して形成した接合部材７で、電力用半導体モジュール１と冷却フィン６とを接合しているので、製造工程が少なく、生産性が優れている。
また、本実施の形態の電力用半導体装置の製造方法では、電力用半導体モジュール１と冷却フィン６とを、屈曲性を有するアルマイト層形成ワイヤー束１０の空隙に充填した液状熱硬化性樹脂で接合するので、接合時の圧力を変化させることにより、接合部材７の厚みを制御することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明に係わる電力用半導体装置とその製造方法は、電力用半導体素子の発熱を冷却フィンに効率よく伝導できる電力用半導体装置を得ることができるので、小型・大容量化が要求される電気自動車や産業用機器等のモータの駆動装置に用いることができる。
【符号の説明】
【００４０】
１  電力用半導体モジュール、２  リードフレーム、２ａ  半導体素子搭載部、
２ｂ  端子部、３  電力用半導体素子、４  ワイヤーボンド、５  封止樹脂、
６  冷却フィン、７  接合部材、７ａ  液状熱硬化性樹脂含浸ワイヤー束、
７ｂ  接合部材前駆体、８  マトリックス樹脂、９  液状熱硬化性樹脂、
１０  アルマイト層形成ワイヤー束、１１  アルミニウム繊維のワイヤー束、
１２  酸化処理アルミニウム繊維のワイヤー束、
１３  封孔処理アルミニウム繊維のワイヤー束、１５  乾燥装置、２０  型、
２１  上板、２２  下板、２３，２４  加熱装置、３０  硫酸、３１  純水、
１００，２００  電力用半導体装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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