(57)【要約】【課題】パワー半導体素子の良好な放熱性を確保し、信頼性を高めることができるパワーモジュールとその製造方法を提供する。【解決手段】冷却ブロック２と、この冷却ブロック２の上面に設けられたはんだ金属層３と、このはんだ金属層３の上面に設けられた樹脂薄層４と、この樹脂薄層４の上面に設けられたパワー半導体素子パッケージ６とを備えることを特徴としている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却ブロックと、この冷却ブロックの上面に設けられたはんだ金属層と、このはんだ金属層の上面に設けられた樹脂薄層と、この樹脂薄層の上面に設けられたパワー半導体素子パッケージとを備えることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項２】
前記冷却ブロックの前記はんだ金属層との接合面には、前記はんだ金属層のはんだとの濡れ性を有するめっきが施されていることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
【請求項３】
前記樹脂薄層は、エポキシ樹脂の硬化層であることを特徴とする請求項１または２に記載のパワーモジュール。
【請求項４】
冷却ブロックの上面に、はんだ粒子および熱硬化性樹脂バインダーを含有する熱硬化性樹脂組成物を塗布する工程と、
前記冷却ブロックの上面に塗布した前記熱硬化性樹脂組成物を前記はんだ粒子の融点以上の温度で加熱することにより、前記冷却ブロックにはんだを溶融接合してはんだ金属層とし、かつ、前記はんだ金属層の上面に前記熱硬化性樹脂バインダーを分離し樹脂薄層としてＢステージ化する工程と、
このＢステージ化した前記樹脂薄層の上面に、パワー半導体素子パッケージを実装する工程と、
前記パワー半導体素子パッケージを実装した前記樹脂薄層を前記はんだ粒子の融点未満の温度で加熱することにより、前記樹脂薄層を硬化してＣステージ化する工程とを含むことを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
【請求項５】
前記冷却ブロックの前記はんだ金属層の接合面には、前記はんだ金属層のはんだとの濡れ性を有するめっきが施されていることを特徴とする請求項４に記載のパワーモジュールの製造方法。
【請求項６】
前記熱硬化性樹脂組成物は、エポキシ樹脂組成物であることを特徴とする請求項４または５に記載のパワー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、パワーモジュールとその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、電力制御やモーターの回転制御に使用されるパワーデバイスは、実装面積の削減、半導体素子間距離の短縮による性能向上、ユーザー側の設計負荷低減を目的として、複数の半導体素子を一つのパッケージに収めたモジュール化された製品が増加している。
【０００３】
このようにパッケージ化された製品はパワーモジュールと呼ばれ、スイッチングを行うパワー半導体素子と、このパワー半導体素子を駆動するドライバ素子を複数搭載し、必要な場合にはさらに複数の受動素子を搭載している。
【０００４】
近年では、パワーモジュールを搭載する製品の小型化、低コスト化を目的に、パワーモジュールそのものにも小型化が求められている。パワーモジュールの形態として、その生産性の高さからリードフレームを使用したトランスファーモールドによるパッケージ形態が増加しつつある。
【０００５】
パワーモジュールは、パワー半導体素子の動作により発熱し高温となるため、パワーモジュールの安全動作温度以下に保つために、冷却ブロックなどの冷却部材に接触させるなどの熱設計が行われている（特許文献１〜３）。
【０００６】
例えば、ハイブリッド車や電気自動車の普及には、パワーモジュールとして構成されるインバーターの小型化、高性能化が必要であり、そのためには、インバーターから発生する熱をいかに効率よく逃がすかということが重要になってくる。
【０００７】
半導体素子パッケージと冷却ブロックとの間には、高熱伝導の絶縁材料が必要とされるが、従来、ハイブリッド車や電気自動車のインバーターの構造として、高熱伝導性の絶縁ゴムを介してインバーターの熱を冷却ブロックに逃がす技術などが検討されている。
【０００８】
なお、本発明者らは、電子部品の電極間の電気接続と補強を兼ねた樹脂組成物として、はんだ粒子、エポキシ樹脂、および硬化剤を含有する熱硬化性樹脂組成物を提案しているが（特許文献４〜６）、パワーモジュールの冷却構造への適用に関する検討はなされていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１２−１９１１６７号公報
【特許文献２】再表２００８／０３５６１４号公報
【特許文献３】特開２０１２−０３３９６６号公報
【特許文献４】特開２０１２−０７２２１３号公報
【特許文献５】特開２０１２−０２５９１８号公報
【特許文献６】特開２０１１−１７６０５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、前記したように、ハイブリッド車や電気自動車の普及には、インバーターの小型化、高性能化が必要であり、そのためには、インバーターから発生する熱をいかに効率よく逃がすかということが重要になってくる。このような背景において、効率的な放熱を可能とする新規な技術が望まれていた。
【００１１】
本発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、パワー半導体素子の良好な放熱性を確保し、信頼性を高めることができるパワーモジュールとその製造方法を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この課題を解決するために、本発明のパワーモジュールは、冷却ブロックと、この冷却ブロックの上面に設けられたはんだ金属層と、このはんだ金属層の上面に設けられた樹脂薄層と、この樹脂薄層の上面に設けられたパワー半導体素子パッケージとを備えることを特徴としている。
【００１３】
このパワーモジュールにおいて、冷却ブロックのはんだ金属層との接合面には、はんだ金属層のはんだとの濡れ性を有するめっきが施されていることが好ましい。
【００１４】
このパワーモジュールにおいて、樹脂薄層は、エポキシ樹脂の硬化層であることが好ましい。
【００１５】
本発明のパワーモジュールの製造方法は、冷却ブロックの上面に、はんだ粒子および熱硬化性樹脂バインダーを含有する熱硬化性樹脂組成物を塗布する工程と、この冷却ブロックの上面に塗布した熱硬化性樹脂組成物をはんだ粒子の融点以上の温度で加熱することにより、冷却ブロックにはんだを溶融接合してはんだ金属層とし、かつ、はんだ金属層の上面に熱硬化性樹脂バインダーを分離し樹脂薄層としてＢステージ化する工程と、このＢステージ化した樹脂薄層の上面に、パワー半導体素子パッケージを実装する工程と、このパワー半導体素子パッケージを実装した樹脂薄層をはんだ粒子の融点未満の温度で加熱することにより、樹脂薄層を硬化してＣステージ化する工程とを含むことを特徴としている。
【００１６】
このパワーモジュールの製造方法において、冷却ブロックのはんだ金属層の接合面には、はんだ金属層のはんだとの濡れ性を有するめっきが施されていることが好ましい。
【００１７】
このパワーモジュールの製造方法において、熱硬化性樹脂組成物は、エポキシ樹脂組成物であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のパワーモジュールとその製造方法によれば、パワー半導体素子の良好な放熱性を確保し、信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明のパワーモジュールの実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明のパワーモジュールの製造方法の実施形態を工程順に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明のパワーモジュールの実施形態を示す断面図、図２は、本発明のパワーモジュールの製造方法の実施形態を工程順に示す断面図である。
【００２１】
図１に示すように、この実施形態のパワーモジュール１は、冷却ブロック２と、この冷却ブロック２の上面に設けられたはんだ金属層３と、このはんだ金属層３の上面に設けられた樹脂薄層４と、この樹脂薄層４の上面に設けられたパワー半導体素子パッケージ６とを備えている。
【００２２】
冷却ブロック２は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金などを材料として、内部に水などの冷却媒体を流通させる冷媒流路が形成されている。冷却ブロック２は、横長の矩形断面をなしており、その内部には横長の矩形断面をなす冷媒流路が形成されている。冷媒流路内には上下方向に延びる複数のフィンが形成され、これらによって冷媒流路が冷却媒体と接触する接触面積が増やされている。
【００２３】
パワー半導体素子パッケージ６は、パワー半導体素子７と、パワー半導体素子７を駆動する不図示のドライバ素子を複数搭載し、必要な場合にはさらに複数の受動素子が搭載される。リードフレームにパワー半導体素子７などを実装し、ワイヤボンディングなどで接続した後、放熱板と合わせて、エポキシモールド樹脂などの封止樹脂を用いて低圧トランスファ成形法などによってモールド成形し硬化することで、パワー半導体素子パッケージ６が製造される。
【００２４】
パワー半導体素子７は、パワーモジュール１を動作させると多くの熱を発して高温となる部品である。パワー半導体素子７は、特に限定されることなく公知の半導体素子を用いることができ、例えば、整流ダイオード、パワートランジスタ（パワーＭＯＳＦＥＴ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、サイリスタ、ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）、トライアック）などを用いることができる。
【００２５】
また、パワー半導体素子７は、炭化珪素（ＳｉＣ）、ＧａＮ・ＡｌＮなどのIII族窒化物やダイヤモンドなどのワイドバンドギャップ半導体素子などを用いることができる。
【００２６】
はんだ金属層３と、このはんだ金属層３の上面に設けられた樹脂薄層４は、後述のように、冷却ブロック２の上面に、はんだ粒子および熱硬化性樹脂バインダーを含有する熱硬化性樹脂組成物を塗布し、加熱することによって形成されたものである。この実施形態のパワーモジュール１は、パワー半導体素子パッケージ６と冷却ブロック２との接合に、この熱硬化性樹脂組成物を用いたことを特徴としている。
【００２７】
次に、以上のような構成を備えたパワーモジュール１の製造方法を、図２を参照しながら説明する。
【００２８】
最初の工程として、図２（ａ）に示すように、冷却ブロック２の上面に、はんだ粒子および熱硬化性樹脂バインダーを含有する熱硬化性樹脂組成物５を塗布する。
【００２９】
冷却ブロック２のはんだ金属層３との接合面２ａには、はんだ金属層３のはんだとの濡れ性を有するめっきが施されていることが好ましい。接合面２ａをはんだ金属と濡れの良い状態にしておくと、溶融したはんだを接合面２ａの全面に広げることができる。例えば、冷却ブロック２の材料としてアルミニウムを用いた場合、はんだとの濡れ性が非常に悪いが、はんだとの濡れ性を有するめっきを施すことでこれを改善することができる。
【００３０】
熱硬化性樹脂組成物５は、はんだ粒子および熱硬化性樹脂バインダーを含有する。はんだ粒子としては、特に限定されないが、例えば、Ｓｎをベースとした合金などを用いることができる。具体的は、例えば、ＳｎとＰｂ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ｉｎなどの金属との合金などを用いることができる。
【００３１】
はんだ粒子の融点は、特に限定されないが、例えば、２４０℃以下である。下限は特に限定されないが、パワーモジュール１の使用時の温度で溶融しない程度の融点を持つものを使用する必要がある。
【００３２】
はんだ粒子としては、凝集性と充填性のバランスから、通常は平均粒径５〜４０μｍのものが用いられる。
【００３３】
はんだ粒子の含有量は、熱硬化性樹脂組成物５の全量に対して、５０〜９７質量％であることが好ましい。この範囲内にすると、はんだ粒子が溶融一体化して形成されたはんだ金属層３と、樹脂薄層４を適切に形成することができる。
【００３４】
また、はんだの熱伝導率はＳＡＣ３０５の場合で６０Ｗ／ｍ・Ｋであり、高熱伝導率を維持するためには、樹脂薄層４の厚みははんだ金属層３の１／３００以下にすることが考慮される。
【００３５】
熱硬化性樹脂バインダーとしては、特に限定されないが、例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、シアン酸エステル樹脂、ベンゾオキサジン樹脂、ポリエステル樹脂などを用いることができる。
【００３６】
特に、エポキシ樹脂および硬化剤を必須成分とするエポキシ樹脂組成物を用いて、樹脂薄層４をエポキシ樹脂の硬化層とすることが好ましい。熱硬化性樹脂バインダーとしてエポキシ樹脂組成物を用いることで、絶縁性や接着性を良好なものとすることができる。
【００３７】
そしてエポキシ樹脂組成物を熱硬化性樹脂バインダーとして用いる場合には、エポキシ樹脂（通常は液状エポキシ樹脂）に硬化剤、さらに必要に応じて硬化剤の硬化補助成分である硬化促進剤を配合する。
【００３８】
ここで、液状エポキシ樹脂としては、例えば、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、水添ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、水添ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂、ノボラック型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂などを用いることができる。
【００３９】
また、固形のエポキシ樹脂を併用することで液状化されたものも用いることができる。固形のエポキシ樹脂としては、例えば、ビフェニル型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、トリアジン骨格エポキシ樹脂などを用いることができる。
【００４０】
硬化剤としては、特に限定されないが、例えば、アミン類、イミダゾール類、フェノール類、酸無水物類、ヒドラジド類、ポリメルカプタン類、ルイス酸−アミン錯体などを用いることができる。
【００４１】
アミン類としては、分子内に１級または２級アミノ基を少なくとも一つ有している化合物を用いることができ、特に限定されないが、例えば、ジアミノジフェニルメタン、ジアミノジフェニルスルホン、ジアミノジフェニルスルフィド、メタキシレンジアミン、３、３’−ジエチル−４、４’−ジアミノジフェニルメタン、３、３’、５、５’−テトラエチル−４、４'−ジアミノジフェニルメタン、４、４'−ジアミノジフェニルスルホン、４、４’−ジアミノジフェニルスルフィド、２、２−ビス−[４−（４−アミノフェノキシ）フェニル]−ヘキサフルオロプロパン、２、２−ビス（４−アミノフェニル）−ヘキサフルオロプロパン、２、４−ジアミノトルエン、１、４−ジアミノベンゼン、１、３−ジアミノベンゼン、ジエチルトルエンジアミン、ジメチルトルエンジアミン、アニリン類、アルキル化アニリン類、Ｎ−アルキル化アニリン類などを用いることができる。
【００４２】
イミダゾール類としては、例えば、２ＭＺ、Ｃ１１Ｚ、２ＰＺ、２Ｅ４ＭＺ、２Ｐ４ＭＺ、１Ｂ２ＭＺ、１Ｂ２ＰＺ、２ＭＺ−ＣＮ、２Ｅ４ＭＺ−ＣＮ、２ＰＺ−ＣＮ、Ｃ１１Ｚ−ＣＮ、２ＰＺ−ＣＮＳ、Ｃ１１Ｚ−ＣＮＳ、２ＭＺ−Ａ、Ｃ１１Ｚ−Ａ、２Ｅ４ＭＺ−Ａ、２Ｐ４ＭＨＺ、２ＰＨＺ、２ＭＡ−ＯＫ、２ＰＺ−ＯＫ（四国化成工業社製、製品名）などや、これらのイミダゾール類をエポキシ樹脂と付加させた化合物などを用いることができる。また、これらの硬化剤をポリウレタン系、ポリエステル系の高分子物質などで被覆してマイクロカプセル化したものを用いることもできる。
【００４３】
フェノール類としては、例えば、ビスフェノール樹脂、フェノールノボラック樹脂、ナフトールノボラック樹脂、アリル化フェノールノボラック樹脂、ビフェノール樹脂、クレゾールノボラック樹脂、フェノールアラルキル樹脂、クレゾールナフトールホルムアルデヒド重縮合物、トリフェニルメタン型多官能フェノール樹脂、キシリレン変性フェノールノボラック樹脂、キシリレン変性ナフトールノボラック樹脂、各種多官能フェノール樹脂などを用いることができる。
【００４４】
酸無水物類としては、例えば、メチルテトラヒドロフタル酸無水物、メチルヘキサヒドロフタル酸無水物、ヘキサヒドロフタル酸無水物、メチルハイミック酸無水物、ピロメリット酸二無水物、ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、３、４−ジメチル−６−（２−メチル−１−プロペニル）−１、２、３、６−テトラヒドロフタル酸無水物、１−イソプロピル−４−メチル−ビシクロ［２．２．２］オクト−５−エン−２、３−ジカルボン酸無水物などを用いることができる。
【００４５】
硬化剤の使用量は、特に限定されないが、エポキシ樹脂のエポキシ当量に対する硬化剤の化学量論上の当量比が０．８〜１．２の範囲となるようにすることが好ましい。
【００４６】
また、硬化促進剤としては、例えば、各種イミダゾール類、各種アミン類、各種リン化合物、Ｆｅアセチルアセトナートなどの金属錯体およびそれらのアダクト化合物などを用いることができる。
【００４７】
これらの硬化促進剤の配合量はゲル化時間や保存安定性を考慮して適宜に設定される。
【００４８】
熱硬化性樹脂組成物には、上記の成分のほか、各種の添加剤、例えば、活性剤を含むフラックス成分、通常用いられる改質剤、熱硬化性樹脂組成物５の粘度を低減し、流動性を付与する目的で、低沸点の溶剤や可塑剤、印刷形状を保持するためのチクソ性付与剤などを配合してもよい。
【００４９】
この熱硬化性樹脂組成物５は、はんだ粒子、熱硬化性樹脂バインダー、および必要に応じてその他の成分を、ディスパーなどを用いて均一に混合または混練することによってペースト状の組成物として調製することができる。
【００５０】
この実施形態では、次の工程として、この冷却ブロック２の上面に塗布した熱硬化性樹脂組成物５をはんだ粒子の融点以上の温度で加熱することにより、図２（ｂ）に示すように、冷却ブロック２にはんだを溶融接合してはんだ金属層３とし、かつ、はんだ金属層３の上面に熱硬化性樹脂バインダーを分離し樹脂薄層４ａとしてＢステージ化する。
【００５１】
熱硬化性樹脂組成物５を加熱し、はんだ粒子を溶融させると、金属であるはんだの強い表面張力のため、熱硬化性樹脂バインダーの樹脂成分ははんだ金属層３の上面（および側面）に分離し、樹脂薄層４ａになる。
【００５２】
熱硬化性樹脂組成物５の加熱は、リフロー炉のような乾燥機などで行うことができる。加熱温度は、はんだの溶融のみとなる最小限にとどめることで、樹脂の硬化をＢステージ状態にとどめることができる。例えば、ＳＡＣ３０５の融点は２２０℃であるが、この場合は２２０℃以上の温度で加熱し、かつ、樹脂がＢステージを維持できるように、加熱は短時間で行う。Ｂステージを維持するためには、できるだけ昇温速度の速い加熱方式が好ましい。樹脂配合においても、例えば、潜在性の高い硬化促進剤を低添加量で用いるなど硬化時間が長めとなる設計が考慮される。
【００５３】
次の工程として、このＢステージ化した樹脂薄層４ａの上面に、パワー半導体素子パッケージ６を実装する。
【００５４】
次の工程として、このパワー半導体素子パッケージ６を実装した樹脂薄層４ａをはんだ粒子の融点未満の温度で加熱することにより、樹脂薄層４ａを硬化してＣステージ化する。
【００５５】
はんだ金属層３を再溶融させないようにするため、その融点未満の温度で加熱し、かつ、樹脂薄層４ａを硬化してＣステージ化することで、実装したパワー半導体素子パッケージ６と接合する。
【００５６】
熱硬化性樹脂組成物５の加熱は、リフロー炉のような乾燥機などで行うことができる。加熱時間は、前記のＢステージ化のための加熱と、このＣステージ化のための加熱との合計で、例えば１０分程度で行うことができる。
【００５７】
Ｃステージ化した樹脂薄層４は、パワー半導体素子パッケージ６の下面と冷却ブロック２との間を電気的に接続しないように、絶縁部材として機能し、ショートの発生を防止することができる。
【００５８】
以上に、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において各種の変更が可能である。
【符号の説明】
【００５９】
１      パワーモジュール
２      冷却ブロック
２ａ    接合面
３      はんだ金属層
４      樹脂薄層
４ａ    樹脂薄層（Ｂステージ）
５      熱硬化性樹脂組成物
６      パワー半導体素子パッケージ
７      パワー半導体素子
【図１】
2014116565.tif 000003
【図２】
2014116565.tif 000004