(57)【要約】      （修正有）【課題】縦型ＳｉＣ  ＦＥＴの高電力動作が可能なパワーモジュールを提供する。【解決手段】縦型ＳｉＣ  ＦＥＴ７の一方の主面に金属基板３を接合し、もう一方の主面に金属基板６を接合し、これを回路基板１、２に接合した両面冷却型パワーモジュールである。金属基板３に接合する縦型ＳｉＣ  ＦＥＴ７にはゲート電極とソース電極が形成されており、これを回路基板１に接合するが、各電極を取り出すために金属基板３にはビア絶縁体４とビア導体５が形成される。縦型ＳｉＣ  ＦＥＴ７のもう一方の主面はドレイン電極であり、ここに金属基板６を接合してサンドイッチ構造としたものをヒートスプレッダー構造体と称する。ヒートスプレッダー構造体の両面を回路基板１、２に接合し、パワーモジュールを強制冷却する場合には水冷機構を備えた固定板に取り付ける。ヒートスプレッダー構造体において金属基板３、６に挟まれた間隙には、ガラス転移温度が２００°Ｃ超の高耐熱性樹脂８を充填する。【選択図】図１
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【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
ゲート電極とソース電極が形成された縦型ＳｉＣ  ＦＥＴの主面とドレイン電極が形成されたもう一方の主面にそれぞれ金属基板が接合され、その間隙に高耐熱性樹脂が充填されたヒートスプレッダー構造体が構成され、前記ヒートスプレッダー構造体の両面を二枚の回路基板で挟み込んで構成されたパワーモジュールにおいて、前記高耐熱性樹脂のガラス転移温度が２００℃超であることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項２】
請求項１に記載のパワーモジュールにおいてガラス転移温度が２００℃以下のモールド樹脂で封止されたことを特徴とするパワーモジュール。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本考案は、両面冷却型パワーモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】  縦型ＦＥＴであるＳｉＣ  ＦＥＴを使用した小型で低損失なパワーモジュールが期待されている。これを実現する一つの手段として両面冷却型のパワーモジュールがある。ＦＥＴの表裏面にヒートスプレッダーを貼り合わせた構造体を製作し、冷却機構を備えた回路基板や固定板に固着させることで放熱を効率良く行い、低損失で高周波・高電力動作が可能になる。【０００３】  パワーモジュールは樹脂封止されるが、樹脂封止の目的は高電圧動作による放電を抑制することにある。一方で縦型ＳｉＣ  ＦＥＴには高温動作が期待されていることから、耐熱性の高い樹脂が必要となる。これまでモールド樹脂として実績のあるエポキシ樹脂はフェノール化合物を硬化剤としたものであり、柔軟性があり、金属面への接着力も強く、硬化時の容積縮小が小さいので広範に使用されているが、ガラス転移温度は１５０℃が限界である。縦型ＳｉＣ  ＦＥＴを２００℃以上で動作させる場合、縦型ＳｉＣ  ＦＥＴを被覆する樹脂のガラス転移温度も２００℃超が必要であり、長期信頼性も含めると３００℃近いガラス転移温度が好ましい。このことから高耐熱性のエポキシ樹脂が盛んに提案されており、ガラス転移温度が３００℃に近いエポキシ樹脂も出てきている（特許文献１、特許文献２）。しかしモールドによる成形性の問題に加えて、新規の樹脂を被覆した半導体素子の信頼性を確認するには十分な時間を要する。一方でエポキシ樹脂を超える高耐熱性樹脂としてポリイミド樹脂が知られており、既に半導体素子の保護膜などに使用されているが、薄膜形成が主でありモールド成形性については課題がある。このように低損失、高周波・高電力動作が可能なＳｉＣ半導体を使用したパワーモジュールの実現に対して大きな障壁となっているのが高耐熱性のモールド樹脂の完成度合いである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−２５８００号公報
【特許文献２】特開２０１４−１３２０５８号公報
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００５】  モールド成形性を特に問題にせずに高耐熱性樹脂の使用を可能にしたパワーモジュールを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】  上記課題を解決するために、ゲート電極とソース電極が形成された縦型ＳｉＣ  ＦＥＴの主面とドレイン電極が形成されたもう一方の主面にそれぞれ金属基板が接合され、その間隙に高耐熱性樹脂が充填されたヒートスプレッダー構造体が構成され、前記ヒートスプレッダー構造体の両面を二枚の回路基板で挟み込んで構成されたパワーモジュールにおいて、前記絶縁樹脂のガラス転移温度が２００℃超であることを特徴とし、このパワーモジュールをモールドによる成形性の良い樹脂で封止するものである。
【考案の効果】
【０００７】  本考案による両面冷却型パワーモジュールの構造では、二つの金属基板に挟まれた間隙にのみ高耐熱性樹脂を充填し、パワーモジュールの封止樹脂はモールド成形性が良好な樹脂を選択すれば良いので、低損失で動作温度の高いパワーモジュールが容易に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本考案の実施形態に係るパワーモジュールの部分断面図。
【図２】本考案の実施形態に係るパワーモジュールの部分断面図。
【図３】本考案の実施形態に係るパワーモジュールの外観図。
【図４】（Ａ）（Ｂ）は製作の一部を示す断面図。
【考案を実施するための最良の形態】
【０００９】  以下、本考案の実施の形態を図１に示す実施例に基づいて説明する。図１は縦型ＳｉＣ  ＦＥＴ７の一方の主面に金属基板（３）を接合し、もう一方の主面に金属基板６を接合し、これを回路基板１、２に接合した両面冷却型パワーモジュールの部分断面図である。金属基板３に接合する縦型ＳｉＣ  ＦＥＴにはゲート電極とソース電極が形成されており（図示していない）、これを回路基板１に接合するが、各電極を取り出すために金属基板３にはビア絶縁体４とビア導体５が形成される。縦型ＳｉＣ  ＦＥＴのもう一方の主面はドレイン電極であり、ここに金属基板６を接合してサンドイッチ構造としたものをヒートスプレッダー構造体と称する。ヒートスプレッダー構造体の両面を回路基板１、２に接合し、パワーモジュールを強制冷却する場合には水冷機構を備えた固定板に取り付ける。なお縦型ＳｉＣ  ＦＥＴはＳｉＣ  ＪＦＥＴとＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴを指す。【００１０】  ヒートスプレッダー構造体において金属基板に挟まれた間隙には高耐熱性樹脂８を充填する。高耐熱性樹脂８は主に高電圧動作での放電を抑制するために使用する。この間隙は縦型ＳｉＣ  ＦＥＴの厚さであるためこの部位の容積はパワーモジュールを樹脂封止する場合の容積に比べて遥かに小さい。後述するように、樹脂モールドの成形性に対する要件は大幅に緩和できる。パワーモジュールの発熱源は縦型ＳｉＣ  ＦＥＴであり、縦型ＳｉＣ  ＦＥＴがもっとも温度が高い。縦型ＳｉＣ  ＦＥＴの熱は速やかに金属基板３、６に伝わり、横方向に熱拡散し、回路基板１、２に放熱される。従ってもっとも温度の高い部分は縦型ＳｉＣ  ＦＥＴとこれに接触する金属基板であるが、金属基板の横方向に熱拡散する効果を考えると縦型ＳｉＣ  ＦＥＴとその近傍においてのみ温度が高くなることが想定できる。金属基板の材質としては、Ｃｕ、ＣｕＭｏの焼結体、Ｃｕ板とＭｏ板の積層体などが熱伝導率が高く好適である。回路基板１、２は窒化ケイ素をＣｕで貼り合わせたものが強度もあり好適である。【００１０】  縦型ＳｉＣ  ＦＥＴはＳｉに比べて高温動作時の性能低下が小さく、チャネル温度が２００℃を超えて動作させることが期待されている。従って高耐熱性樹脂のガラス転移温度も２００℃超であることが必要である。樹脂の耐熱性はガラス転移温度が指標となっており、ガラス転移温度を超えると、樹脂は軟化し体積抵抗率が低下し、絶縁耐圧も低下する。またこの近傍で熱サイクルがあると樹脂にクラックが入り、接着性も著しく低下し、局所的に剥離したりする。縦型ＳｉＣ  ＦＥＴにチャネル温度２００℃超を許容する場合、少なくとも高耐熱性樹脂のガラス転移温度は２００℃超であることが必要になるが、信頼性の観点からより好ましくは２５０℃超となる。なお縦型ＳｉＣ  ＦＥＴの動作温度はパワーモジュールの放熱構造とその熱解析から決まるものであり、動作温度をパラメータにすると可能な動作電力（スイッチング電力）が決められる。放熱特性の良いパワーモジュールでは高電流でしかもＫＶ級の動作電圧が可能になる。【００１１】  エポキシ樹脂はモールド成形性が良く広範に使用されるが、これらはフェノール化合物を硬化剤としており、そのガラス転移温度は１５０℃が限界である。モール���成形性は流動性、接着性、硬化時の容積縮小度合い、硬化樹脂の熱膨張係数、硬化物の硬さなどを考慮する。ガラス転移温度を上げる施策としては、多官能化により架橋密度を向上させる、剛直骨格を導入する、ナノ粒子を分散してナノコンポジット化を図る、などが採られる。種々研究されてきた結果、ガラス転移温度が２００℃から３００℃に近いエポキシ樹脂が提案されるようになってきた（特許文献２）。しかしモールド成形性と信頼性確認は未だ十分に為されていない。一方で半導体素子の保護膜として広範に使用されているものにポリイミド樹脂がある。ポリイミド樹脂は高耐熱性樹脂として知られており、ガラス転移温度を３００℃に設計することができるが、薄膜形成が主でありモールド成形性に対する課題がある。シアネート樹脂もガラス転移温度を３００℃近くに設計することが可能であるが、同様にモールド成形性については課題が多い。【００１２】  本考案は、高耐熱性樹脂を金属基板の間隙に充填する構造を採るため容積も極めて小さく、モールド成形性を問題にせずに高耐熱性樹脂の使用を可能にする。図１に示すように高耐熱性樹脂８は主にＳｉＣ  ＦＥＴの側面に密着しており、樹脂の存在が縦型ＳｉＣ  ＦＥＴの信頼性に悪影響を与えることは考えられない。従って、前述の高耐熱性樹脂は問題なく使用することができる。図２と図３にはパワーモジュールの樹脂封止９を示しているが、樹脂封止される領域は温度が低いので、高耐熱性樹脂を使用する必要は無い。モールド成形性の良い汎用のエポキシ樹脂を使用することができる。ヒートスプレッダーとなる金属基板の間隙に充填する高耐熱性樹脂のガラス転移温度は２００℃超であることが望ましく、より好ましくは２５０℃超である。パワーモジュールの封止樹脂のガラス転移温度は２００℃以下であれば良く、モールド成形性の観点から選択すれば良い。【００１３】  本考案における高耐熱性樹脂の充填は図４（Ａ）（Ｂ）に示すように行うことができる。ヒートスプレッダーとなる金属基板１２に接合材を印刷し縦型ＳｉＣ  ＦＥＴを複数個マウントし接合する。縦型ＳｉＣ  ＦＥＴの反対面に金属基板１３を同様に接合する（（Ａ））。接合材としては熱伝導率の高い焼結Ａｇ層が形成できるＡｇナノペーストが好適である。その後、金属基板の隙間に樹脂を流し込む（（Ｂ））。隙間無く樹脂を充填するためには、金属基板１３の適当な箇所に穴を開け、溶液状樹脂を吸引するのが良い。樹脂を加熱硬化した後、半導体素子毎にダイシングする。金属基板の材質は先述したように、Ｃｕ、ＣｕＭｏの焼結体、ＣｕとＭｏの積層体が好適である。これらの金属板は溶液エッチングが可能であるためエッチングして各半導体素子毎に分離しても良いし、レーザでダイシングすることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００１４】  本考案によれば、縦型ＳｉＣ  ＦＥＴの高電力動作が可能なパワーモジュールが容易に実現できる。
【符号の説明】
【００１６】  １、２    回路基板
３        金属基板
４        ビア絶縁体
５        ビア導体
６        金属基板
７        縦型ＳｉＣ  ＦＥＴ
８        高耐熱性樹脂
９        モールド樹脂
１０        パワーモジュール
１１        端子
１２、１３  金属基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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