(57)【要約】【課題】簡易な方法で半導体モジュールの筐体と放熱板との密着性を向上させることのできる半導体モジュールの製造方法およびその方法で製造された半導体モジュールを提供する。【解決手段】筐体４の下部に放熱板５を嵌め込み（図１の（ａ））、半導体チップ１およびＤＢＡ基板３を放熱板５上に半田２により固定する（図１の（ｂ））し、半導体チップ１等を保護するために、筐体４で囲まれた内部の空間に封止材６を充填する（図１の（ｃ））。その後、筐体４の下部から真空引きを行う工程を、さらに加える（図１の（ｄ））。すなわち、筐体４の下部から、真空ポンプ等で吸引することで、筐体４と放熱板５との接合箇所にまで封止材６を充填させることが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筐体に備わった開口部に放熱板が嵌合し、前記放熱板上には半導体素子が搭載され、前記筐体内の前記半導体素子は封止材によって覆われている半導体モジュールの製造方法であって、
前記筐体内に前記封止材を充填した工程の後に、前記筐体と前記放熱板との嵌合箇所で前記筐体の外側から前記封止材を吸引する工程を備える、半導体モジュールの製造方法。
【請求項２】
前記筐体の嵌合面には凸条または凹条が形成されており、
前記放熱板の嵌合面には前記筐体の凸条と嵌合する凹条、または前記筐体の凹条と嵌合する凸条が形成されており、
前記凸条と前記凹条は、前記筐体と前記放熱板とが嵌合したときに嵌合し、当該凸条と当該凹条は、互いが嵌合したときに嵌合面間における前記筐体の外側から内側への水分の侵入経路を長くする方向に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の方法で製造される半導体モジュール。
【請求項３】
前記封止材は多層構造であり、少なくとも一層に水分不透過層を有することを特徴とする、請求項１に記載の方法で製造される半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体モジュールおよびその製造方法に関し、より具体的には、筐体内に半導体素子を備えた半導体モジュールおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電動モーターを制御するための電子制御ユニットには、パワー半導体モジュールが備わっている。また、パワー半導体モジュールは、当該パワー半導体モジュール内のパワー半導体素子が通電時に発熱するため、放熱板が設けられている。以下、図１３を参照して、従来のパワー半導体モジュールについて説明する。図１３は、従来のパワー半導体モジュールの構成例を示す断面図である。
【０００３】
図１３に示すように、パワー半導体に相当する半導体チップ１は、ＤＢＡ（Direct Brazed Aluminum）基板３上に半田２により固定されている。そして、半導体チップ１を搭載した当該ＤＢＡ基板３は、半田２により固定され、筐体４内に収納されている。なお、筐体４の内部には、半導体チップ１等を保護するために、ゲル状の樹脂などの封止材６が充填されるのが一般的である。
【０００４】
また、半導体チップ１を搭載した当該ＤＢＡ基板３の底部には、半導体チップ１から発生した熱を筐体４の外部に排出するための放熱板５が半田２により取り付けられている。つまり、筐体４の底部に取り付けられた放熱板５を介して、半導体チップ１から発生した熱を当該筐体４の外部に排出することができるようになっている。
【０００５】
ところで、例えば、上述したパワー半導体モジュールが、電気自動車のモーターを制御するための電子ユニット内に搭載されることを想定すると（上述したパワー半導体モジュールが車載されることを想定すると）、半導体モジュール内への水分侵入対策を十分なものにしないといけない。言い換えると、半導体モジュール内部に大気中の水分が侵入し半導体チップ１表面に水分が到達すると、ワイヤボンド間、表面配線間でショートが生じ、場合によっては、半導体チップ１自体を焼損させてしまうといった問題が生じる。さらに、半導体チップ表面を腐食させてしまう場合もある。
【０００６】
具体的には、水分は、筐体４と放熱板５と隙間（図１３の矢印ＡＡ１３に示した箇所）から、当該筐体４内部に侵入してくる。そのため、筐体４と放熱板５との接着性の向上が望まれる。
【０００７】
このような問題を解決する技術として、例えば、特許文献１に開示されている技術がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平０９−２３２５１２号広報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記特許文献１に開示されている半導体モジュールは、上記放熱板５に相当する金属ベースと上記筐体４に相当する樹脂ケースとが接合する面の金属ベースに溝が形成されている。そして、樹脂ケースに設けられた突起を金属ベースの溝に嵌めることによって、樹脂ケースと金属ベースとの接着性を向上させ、樹脂ケースと金属ベースとの接合箇所からの封止材の漏洩を防いでいる。
【００１０】
しかしながら、特許文献１に開示されているように、金属ベースと樹脂ケースとを接合しても、金属ベースと樹脂ケースとの密着性は十分ではなかった。つまり、金属ベースと樹脂ケースとが接合する面の金属ベースに溝を形成し、樹脂ケースに設けられた突起を金属ベースの溝に嵌めても、例えば、当該半導体モジュールが劣悪な環境で使用される場合、当該金属ベースと当該樹脂ケースとの接合箇所には隙間が生じ、樹脂ケースと金属ベースとの接合箇所からの封止材の漏洩や水分の侵入がすることがある。また、金属ベースと樹脂ケースとの密着性を向上させるために、当該金属ベースと当該樹脂ケースとの接合箇所に接着剤を塗布することも考えられるが、当該金属ベースと当該樹脂ケースとの接合箇所の全面にもれなく接着剤を塗布する困難であるため、当該接合箇所にどこかしらに隙間が生じてしまうといった問題点もある。
【００１１】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、簡易な方法で半導体モジュールの筐体と放熱板との密着性を向上させることのできる半導体モジュールの製造方法およびその方法で製造された半導体モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するための、本発明は以下の構成を採用した。すなわち、第１の発明は、筐体に備わった開口部に放熱板が嵌合し、上記放熱板上には半導体素子が搭載され、上記筐体内の上記半導体素子は封止材によって覆われている半導体モジュールの製造方法である。上記半導体モジュールの製造方法は、上記筐体内に上記封止材を充填した工程の後に、上記筐体と上記放熱板との嵌合箇所で上記筐体の外側から上記封止材を吸引する工程を備える。
【００１３】
第２の発明は、上記第１の発明において、上記筐体の嵌合面には凸条または凹条が形成されている。また、上記放熱板の嵌合面には上記筐体の凸条と嵌合する凹条、または上記筐体の凹条と嵌合する凸条が形成されている。そして、上記凸条と上記凹条は、上記筐体と上記放熱板とが嵌合したときに嵌合し、当該凸条と当該凹条は、互いが嵌合したときに嵌合面間における上記筐体の外側から内側への水分の侵入経路を長くする方向に形成されていることを特徴とする。
【００１４】
第３の発明は、上記第１の発明において、上記封止材は多層構造であり、少なくとも一層に水分不透過層を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
上記第１の発明によれば、筐体と放熱板との間に、わずかに生じた隙間にまで封止材が充填された半導体モジュールを製造することができる。従って、筐体と放熱板との密着性を向上させることのでき、これによって、筐体で囲まれた内部の空間への水分侵入の防止が可能となる。
【００１６】
上記第２の発明によれば、凸条および凹条を設けた分だけ筐体と放熱版との嵌合箇所から筐体で囲まれた内部の空間へ距離がのびるので、半導体素子への水分の到達を遅らせることができるようになり、水分の侵入を防ぐことが可能となる。
【００１７】
上記第３の発明によれば、外部に接している封止材の一面からの水分の侵入を押さえることができ、半導体素子への水分の侵入を防ぐことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１の実施形態に係る半導体モジュールの構成例を示す断面図
【図２】図１の（ｂ）に示した矢印Ａ１方向から見た半導体モジュール
【図３】図１の（ｄ）の破線で囲んだ箇所を拡大した図
【図４】第２の実施形態に係る半導体モジュールの構成例を示す断面図
【図５】図４の破線で囲んだ箇所と同様の箇所を拡大した図
【図６】第２の実施形態に係る半導体モジュールの筐体４と放熱板５とを示す図
【図７】図５に示した矢印Ａ５の方向から、放熱板５のみを見たときの様子を示した図
【図８】図１の（ｄ）の破線で囲んだ箇所を拡大した図
【図９】第２の実施形態に係る半導体モジュールの筐体４と放熱板５とを示す図
【図１０】図８に示した矢印Ａ８の方向から、放熱板５のみを見たときの様子を示した図
【図１１】第３の実施形態に係る半導体モジュールの構成例を示す断面図
【図１２】筐体４の底部上面に放熱板５を嵌め込む形態を示す図
【図１３】従来のパワー半導体モジュールの構成例を示す断面図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
（第１の実施形態）
以下、図面を参照しつつ、第１の実施形態に係る半導体モジュールについて説明する。まず、本実施形態に係る半導体モジュールの断面を示しながら、図１を参照して、当該実施形態に係る半導体モジュールの製造工程を説明する。
【００２０】
図１は、第１の実施形態に係る半導体モジュールの製造工程の一例を示した図である。図１に示すように、まず、筐体４の下部に放熱板５を嵌め込み（図１の（ａ））、半導体チップ１およびＤＢＡ基板３を放熱板５上に半田２により固定する（図１の（ｂ））。なお、放熱板５に予め半導体チップ１およびＤＢＡ基板３を放熱板５上に半田２により固定した後、当該放熱板５を筐体４の下部に嵌め込んでもよい。
【００２１】
ここで、図１の（ｂ）に示した矢印Ａ１方向から見た半導体モジュールを図２に示す。図２に示すように、筐体４の下部には放熱板５を嵌めるための開口部がある。そして、図２に示すように、筐体４で囲まれた内部の空間には、ＤＢＡ基板３に固定された半導体チップ１が備わっている。さらに、当該半導体チップ１およびＤＢＡ基板３の下部（筐体４の下部）には放熱板５が取り付けられている。
【００２２】
図１の説明に戻って、次に、図１の（ｃ）に示すように、半導体チップ１等を保護するために、筐体４で囲まれた内部の空間に封止材６を充填する。
【００２３】
なお、本実施形態に係る半導体モジュールを製造する際には、図１の（ｃ）に示した処理を行った後、筐体４の下部から真空引きを行う工程を、さらに加える（図１の（ｄ））。すなわち、筐体４の下部から、真空ポンプ等で吸引することで、筐体４と放熱板５との嵌合箇所にまで封止材６を充填させることが可能となる。
【００２４】
以下、図３を参照して、より具体的に説明する。図３は、図１の（ｄ）の破線で囲んだ箇所を拡大した図である。図３に示すように、筐体４の下部から真空引きを行うことにより、図３に示した矢印ＡＡ３方向に封止材６が引っ張り込まれる。つまり、筐体４と放熱板５との間に生じる隙間にまで封止材６を充填させることが可能となる。
【００２５】
このように、本実施形態に係る半導体モジュールは、筐体４で囲まれた内部の空間に封止材６が充填された後に、筐体４の下部から真空引きを行う工程を経て製造される。つまり、筐体４と放熱板５との間に、わずかに生じた隙間にまで封止材６が充填された半導体モジュールを製造することができる。従って、筐体４と放熱板５との密着性を向上させることができ、筐体４で囲まれた内部の空間への水分侵入の防止を可能となる。
【００２６】
（第２の実施形態）
次に、図面を参照しつつ、第２の実施形態に係る半導体モジュールを説明する。図４は、第２の実施形態に係る半導体モジュールの構成例を示す断面図である。なお、以下の説明において、半導体モジュールの横方向とは図４に示したｘ軸と平行な向きを、縦方向とは図４に示したｙ軸と平行な向きのことをいう。
【００２７】
なお、図４に示すように、本実施形態に係る半導体モジュールの構成は、上述した第１の実施形態に係る半導体モジュールの構成、および製造工程とおおよそ同じである。つまり、図４に示すように、本実施形態に係る半導体モジュールは、筐体４の内側の空間に、半田２によって放熱板５上に固定された半導体チップ１およびＤＢＡ基板３が封止材６によって保護されている構造をとっている。そして、本実施形態に係る半導体モジュールについても上述した第１の実施形態と同様に、筐体４で囲まれた内部の空間に封止材６を充填した後、当該筐体４の下部から真空引きを行う工程を経て製造される。
【００２８】
ここで、本実施形態に半導体モジュールにおいて、上述した第１の実施形態に係る半導体モジュールと異なる点は、筐体４と放熱板５との嵌合箇所に凸条および凹条を設けた点である。
【００２９】
以下、図５を参照して、より具体的に説明する。図５は、図４の破線で囲んだ箇所と同様の箇所を拡大した図である。図５に示すように、本実施形態に係る半導体モジュールは、筐体４と放熱板５とが接触する面に、凸条および凹条が設けてあることに特徴がある。より具体的には、図６に示すように、筐体４と放熱板５との嵌合面において、当該筐体４の嵌合面に凸条８が形成されている。一方、図６に示すように、筐体４と放熱板５との嵌合面において、当該放熱板５の嵌合面に凹条９が形成されている。そして、凸条８および凹条９は、筐体４と放熱板５とが嵌合したときに嵌るようになっている（なお、図６においては、説明のため端面図として示している）。
【００３０】
さらに、図５に示した矢印Ａ５の方向から、放熱板５のみを見たときの様子を図７に示した。図７に示すように、放熱板５の上面には、その周囲に沿って環状の凹条９が設けてある。また、筐体４には、放熱板５の凹条９に対応した環状の凸条８が設けてある（図示せず）。この放熱板５の上面の周囲に沿って設けられた凹条９が、筐体４に設けられた凸条８に嵌るようになっている。
【００３１】
このようにして、筐体４と放熱版５とを嵌合させると、当該筐体４と当該放熱板５との嵌合端（図５の矢印ＡＡ５で示した箇所）から筐体４で囲まれた内部の空間までの距離は、例えば、凸条８および凹条９を有しない図３で示した半導体モジュールにおける当該距離に比べて長くなる。したがって、図５に示したように、筐体４と放熱板５にそれぞれ凸条８および凹条９を設け、当該凸条８と当該凹条９を嵌め込むようすれば、半導体チップ１への水分の到達を遅らせることができるようになり、水分の侵入を防ぐことが可能となる。
【００３２】
また、図５に示した例では、筐体４と放熱板５とが接触する、当該筐体４と放熱板５との横方向の一面にそれぞれ凸条８と凹条９を設けたが、これに限られるものではない。例えば、図８に示すように、筐体４と放熱板５とが接触する、当該筐体４と放熱板５との水平方向（つまり、縦方向の一面）にそれぞれ凸条８と凹条９を設けてもよい。
【００３３】
具体的には、図８に示すように、半導体モジュールにおいて、筐体４と放熱板５とが接触する縦方向の一面にそれぞれ凸条８と凹条９を設ける。より具体的には、図９に示すように、筐体４と放熱板５との嵌合面において、当該筐体４の嵌合面に凸条８が形成されている。一方、図９に示すように、筐体４と放熱板５との嵌合面において、当該放熱板５の嵌合面に凹条９が形成されている。そして、凸条８および凹条９は、筐体４と放熱板５とが嵌合したときに嵌るようになっている。なお、図９においては、説明のため端面図として示している。
【００３４】
さらに、図８に示した矢印Ａ８の方向から、放熱板５のみを見たときの様子を図１０に示した。図１０に示すように、放熱板５の側面には、環状の凹条９が設けてある。また、筐体４には、放熱板５の凹条９に対応した凸条８が設けてある（図示せず）。この放熱板５の側面の周回に設けられた凹条９が、筐体４に設けられた凸条８に嵌るようになっている。
【００３５】
なお、図８に示した半導体モジュール、つまり筐体４と放熱板５とが接触する水平方向（つまり、縦方向の一面）にそれぞれ凸条８と凹条９が設けられた半導体モジュールを製造するには、図１に示した製造工程を一部変更してもよい。
【００３６】
図１に示した工程では、既に成形された筐体４の下部から放熱板５を嵌め込む形態をとっている。そのため、筐体４と放熱板５とが接触する縦方向の一面にそれぞれ凸条８と凹条９を設けると、筐体４の下部から放熱板５をはめ込むのが（具体的には、図１の（ａ）に示した工程）困難な場合が考えられる。この場合、例えば、放熱板５をインサート部品として筐体４の金型内に装填した後、筐体用樹脂を注入して放熱板５を溶融樹脂で包んで固化させ、筐体４と一体化すればよい。また、図１０に示した放熱板５に備わっている凹条９は、当該放熱板５の４つの側面に設けてあるが、（向かい合う側面ではなく）隣り合う２つの側面にのみ凹条９を設けてもよい。
【００３７】
このようにしても、図５に示した半導体モジュールと同様に、水分の侵入経路を長くすることができ、半導体チップ１への水分の到達を遅らせることができるようになり、水分の侵入を防ぐことが可能となる。
【００３８】
さらに、図８に示した半導体モジュール、つまり筐体４と放熱板５とが接触する水平方向（縦方向の一面）にそれぞれ凸条８と凹条９が設けられた半導体モジュールは、筐体４に放熱板５を嵌め込んだ後、当該放熱板５が脱落するのを防ぐこともできる。
【００３９】
なお、図５および図８に示した、筐体４および放熱板５に備わっている凸条８および凹条９の数は、当該図５および図８に示した数に限られない。
【００４０】
（第３の実施形態）
次に、図面を参照しつつ、第３の実施形態に係る半導体モジュールを説明する。図１１は、第３の実施形態に係る半導体モジュールの構成例を示す断面図である。
【００４１】
図１１に示すように、本実施形態に係る半導体モジュールの構成は、上述した第１の実施形態に係る半導体モジュールの構成、および製造工程とおおよそ同じである。つまり、図１１に示すように、本実施形態に係る半導体モジュールは、筐体４の内側の空間に、半田２によって放熱板５上に固定された半導体チップ１およびＤＢＡ基板３が封止材６によって保護されている構造をとっている。
【００４２】
ここで、本実施形態に半導体モジュールにおいて、上述した第１の実施形態に係る半導体モジュールと異なる点は、封止材６内に中間層材７を設けて、当該封止材６を層構造とした点である。
【００４３】
一般的に、テストピースを製造する際に用いられる封止材６（例えば、ゲル等）は、わずかながらではあるが、水分を吸収することがある。そのため、図９に示したように、封止材６内に中間層材７を設けて層構造にして、半導体モジュールの上部からの、つまり外部に接している封止材６の一面からの水分の侵入を押さえる。
【００４４】
具体的には、図１の（ｂ）から（ｃ）の封止材６を充填する工程において、中間層材７として、例えば、ＰＥＴ（Polyethylene terephthalate）フィルム等の固形物を挿入し、さらに封止材６を充填するようにすればよい。また、図１の（ｂ）から（ｃ）の封止材６を充填する工程において、加熱して当該封止材６の表面（外部に接している封止材６の一面）を酸化させた後、再び封止材６を充填することにより、上記固形物を挿入することなく中間層材７を形成することもできる。
【００４５】
なお、本実施形態に係る半導体モジュールについても上述した第１の実施形態と同様に、当該筐体４の下部から真空引きを行う工程を経て製造される。
【００４６】
また、本実施形態に係る半導体モジュールについても、上述した第２の実施形態と同様に、当該筐体４と放熱板５とが接触している横方向および縦方向の少なくとも一面にそれぞれ凸条８と凹条９を設けてもよい。
【００４７】
以上説明したように、第１の実施形態によれば、筐体４と放熱板５との間に、わずかに生じた隙間にまで封止材が充填された半導体モジュールを製造することができる。従って、筐体４と放熱板５との密着性を向上させることのでき、これによって、筐体４で囲まれた内部の空間への水分侵入の防止が可能となる。また、第２および第３の実施形態によれば、筐体４で囲まれた内部の空間への水分侵入の防止の効果がさらに得られる。
【００４８】
また、上述した第２の実施形態で説明した図８に示した半導体モジュール、つまり筐体４と放熱板５とが接触する縦方向の一面にそれぞれ凸条８と凹条９が設けられた半導体モジュールは、筐体４に放熱板５を嵌め込んだ後、当該放熱板５が脱落するのを防ぐこともできる。したがって、例えば、振動するような環境で半導体モジュールを使用する場合でも、放熱板５が外れることがなくなる。
【００４９】
なお、図８に示した例の他に、放熱板５の脱落を防止するような構造の例として、例えば図１２に示す半導体モジュールの構造も考えられる。図１２に示すように、筐体４の底部上面に放熱板５を嵌め込んでもよい。なお、この場合も、真空引きを行ってもよいし、筐体４と放熱板５とが接触する面に、凸条８および凹条９を設けてもよい。
【００５０】
上記各実施形態で説明した態様は、単に具体例を示すものであり、本願発明の技術的範囲を何ら限定するものではない。よって、本願の効果を奏する範囲において、任意の構成を採用することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明に係る半導体モジュールおよびその製造方法は、簡易な方法で半導体モジュールの筐体と放熱板との密着性を向上させることができ、各種半導体素子を備える半導体モジュール等をはじめとする各種製品（完成品）だけではなく、例えば、半導体素子の信頼性試験を行うために組み立てられる半導体テストピース等にも好適に利用できる。
【符号の説明】
【００５２】
１…半導体チップ
２…半田
３…ＤＢＡ基板
４…筐体
５…放熱板
６…封止材
７…中間層材
８…凸条
９…凹条
【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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【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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