(57)【要約】【課題】複数の接合材を有する両面冷却構造の半導体モジュールに関し、接合材と封止樹脂体の密着性が高く、接合材と封止樹脂体の剥離が生じ難い半導体モジュールを提供する。【解決手段】第一のリードフレーム１、接合材５、半導体素子３、接合材６、金属製冷却ブロック４、接合材７、第二のリードフレーム２、が順に積層され、封止樹脂体８で全体が封止されてなる半導体モジュール１０であって、接合材５，６，７の表面であって封止樹脂体８との界面に凹部５ｂ、６ｂ、７ｂと凸部５ａ、６ａ、７ａがそれぞれ形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一のリードフレーム、接合材、半導体素子、接合材、金属製冷却ブロック、接合材、第二のリードフレーム、が順に積層され、封止樹脂体で全体が封止されてなる半導体モジュールであって、
前記接合材の表面であって前記封止樹脂体との界面に凹部と凸部が形成されてい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、二つのリードフレームの間に半導体素子が配設されている、両面冷却構造の半導体モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の半導体素子を搭載した半導体モジュール（パワーモジュールもしくはパワーカード）は、リードフレームと半導体素子が接合材であるはんだ層を介して接合されて構成された積層体がケース内に収容され、さらにこのケース内に封止樹脂体が形成された構成のものや、ケースレス構造であって、比較的硬質の封止樹脂体で上記積層体が封止された構成のものなど、多様な形態が存在している。なお、ケースレス構造のもの、ケースを具備する構造のもののいずれであっても、ヒートシンクや冷媒を還流させる冷却器などがさらに配されて半導体素子からの熱をこれらに放熱させる構造が一般に適用されている。ここで、特許文献１にも、半導体素子と接合材が封止樹脂体にて封止された構造の半導体装置が開示されている。
【０００３】
上記各種の構造の半導体モジュールの他にも、二つのリードフレームが上下に存在し、その間に半導体素子が接合材を介して配設されるとともに、これらの積層体が封止樹脂体で一体化された両面冷却構造の半導体モジュールも存在している。
【０００４】
より具体的には、両面冷却構造の半導体モジュールの構造として、第一のリードフレーム、接合材、半導体素子、接合材、金属製冷却ブロック、接合材、第二のリードフレーム、が順に積層され、封止樹脂体で全体が封止されてなる構造の半導体モジュールを挙げることができる。
【０００５】
このような構造の半導体モジュールでは、半導体素子を挟んで二種の接合材が存在し、金属製冷却ブロックを挟んで二種の接合材（そのうちの一種は半導体素子を挟む一方の接合材となる）が存在しており、計三種の接合材が存在している。
【０００６】
上記する両面冷却構造の半導体モジュールに関し、封止樹脂体で積層体の全体を一体化する目的の一つは、接合材に生じ得る歪抑制による信頼性を向上させることである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−１１１４３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
この接合材の歪抑制には、接合材と封止樹脂体が密着していることが重要であるが、たとえば、半導体素子から発生する熱によって半導体素子とリードフレームや金属製冷却ブロックを繋ぐ接合材とその周辺の封止樹脂体に熱応力が生じ、この熱応力に起因して接合材と封止樹脂体が剥離することが懸念される。仮に接合材と封止樹脂体が剥離してしまうと、接合材に大きな歪が生じてしまい、半導体モジュールの信頼性が著しく低下する。
【０００９】
本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、複数の接合材を有する両面冷却構造の半導体モジュールに関し、接合材と封止樹脂体の密着性が高く、接合材と封止樹脂体の剥離が生じ難い半導体モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記目的を達成すべく、本発明による半導体モジュールは、第一のリードフレーム、接合材、半導体素子、接合材、金属製冷却ブロック、接合材、第二のリードフレーム、が順に積層され、封止樹脂体で全体が封止されてなる半導体モジュールであって、前記接合材の表面であって前記封止樹脂体との界面に凹部と凸部が形成されているものである。
【００１１】
本発明の半導体モジュールは、両面冷却構造の半導体モジュールを構成する複数の接合材が、それらの表面に凹部と凸部を有していることにより、表面の凹部に封止樹脂体が入り込み、表面の凸部が封止樹脂体に埋設されることで、接合材と封止樹脂体の密着性が高められ、接合材と封止樹脂体の間で剥離が生じ難い半導体モジュールである。
【００１２】
この剥離は半導体素子からの熱に起因して接合材とその周辺の封止樹脂体に熱応力が生じることが主たる要因である。したがって、表面に凹部と凸部が形成される接合材は、上記する三つの接合材の全てであってもよいし、半導体素子と直接接続される当該半導体素子の上下二つの接合材であってもよい。
【００１３】
凹部と凸部の形態や形成方法は多様であるが、たとえば、はんだ箔が収容されるとともにその内壁面に凸部と凹部が形成された溝を備えた治具をリードフレームの上に載置し、はんだ箔の上に半導体素子を載置し、リフローを実施してはんだ箔を溶融させ、治具の溝の内壁面に密着させる。溶融したはんだ箔が硬化した後、治具を取り外すことにより、はんだ層からなる接合材の表面に凹部と凸部を形成することができる。
【００１４】
あるいは、リフロー工程を経て表面に凹部も凸部もないはんだ層からなる接合材を形成した後、当該接合材の表面に、銀ペーストやナノ金属粒子等を塗布し、硬化させることにより、はんだ層からなる接合材の表面に凹部と凸部を形成することができる。
【００１５】
このように、凹部と凸部が形成されている接合材の表面は、「粗面」と称することもできる。
【００１６】
本明細書において「リードフレーム」とは、文字通りのリードフレームのほか、ダイパッド、回路基板や応力緩和基板等の基板、純ＡＬからなる基板とＡＩＮ(窒化アルミニウム)からなる基板を積層してなるＤＢＡ（絶縁基板）、ヒートシンクなども包含されるものであり、たとえばＣｕ素材のリードフレームが適用できる。なお、第一のリードフレームをコレクタリードフレーム、第二のリードフレームをエミッタリードフレームと称することもできる。
【００１７】
また、「接合材」としては、Ｐｂ系はんだやＰｂフリーはんだ等からなるはんだ層が挙げられる。
【００１８】
また、「金属製冷却ブロック」としては、たとえば銅製の冷却ブロックが挙げられ、ターミナルやスペーサと称することもできる。
【００１９】
さらに、「封止樹脂体」としては、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂やポリアミドイミド等の熱可塑性樹脂が挙げられる。
【発明の効果】
【００２０】
以上の説明から理解できるように、本発明の半導体モジュールは、二つのリードフレームの間に半導体素子と金属製冷却ブロックが配設され、それらが複数の接合材で接合され、全体が封止樹脂体で一体化された構成の両面冷却構造の半導体モジュールにおいて、接合材の表面に凹部と凸部が形成されていることにより、表面の凹部に封止樹脂体が入り込み、表面の凸部が封止樹脂体に埋設されることで、接合材と封止樹脂体の密着性が高められる。そのため、接合材と封止樹脂体の間で剥離が生じ難い半導体モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の半導体モジュールの実施の形態を説明した縦断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）の順に、接合材の表面に凸部と凹部を形成するフローの実施の形態１を説明した図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）の順に、接合材の表面に凸部と凹部を形成するフローの実施の形態２を説明した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照して本発明の半導体モジュールの実施の形態を説明する。なお、半導体モジュールは両面冷却構造の半導体モジュールであれば図示例のものに何等限定されるものではなく、図示する形態のリードフレーム以外にも、絶縁基板や応力緩和板などからなる基材やこれら二種以上の基材が積層したものの表面に半導体素子が搭載される形態であってもよい。また、図示例は冷却器等の図示を省略している。
【００２３】
（半導体モジュールの実施の形態）
図１は本発明の半導体モジュールの実施の形態を説明した縦断面図である。図示する半導体モジュール１０は、第一のリードフレーム１、半導体素子３、金属製冷却ブロック４、第二のリードフレーム２、が順に積層され、第一のリードフレーム１と半導体素子３、半導体素子３と金属製冷却ブロック４、金属製冷却ブロック４と第二のリードフレーム２がそれぞれ、はんだ層からなる接合材５，６，７で接合されて積層体を構成し、積層体の周囲に封止樹脂体８が形成されて全体が構成されている。なお、図示する半導体モジュール１０では、二つの半導体素子３が並列に搭載された形態である。
【００２４】
二つのリードフレーム１，２はアルミニウムやその合金、銅やその合金などから形成されており、表面にＮｉめっき層が形成されたり、さらにＮｉめっき層の表面にＡｕめっき層が形成されることで接合材５，７との濡れ性が良好になる。
【００２５】
金属製冷却ブロック４は銅製であり、半導体素子３シリコン製であり、ＩＧＢＴやダイオードからなる。
【００２６】
接合材５，６，７を構成するはんだ層は、Ｐｂ系はんだ、Ｐｂフリーはんだのいずれであってもよいが、環境影響負荷低減を図るべく、Ｓｎ−Ａｇ系はんだ、Ｓｎ−Ｃｕ系はんだ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ、Ｓｎ−Ｚｎ系はんだ、Ｓｎ−Ｓｂ系はんだなどのＰｂフリーはんだからなるものが好ましい。
【００２７】
封止樹脂体８の素材として、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂やポリアミドイミド等の熱可塑性樹脂が挙げられる。
【００２８】
エポキシ樹脂に関しては、その末端に反応性のエポキシ基を持つ熱硬化型の合成樹脂であり、ビスフェノールＡとエピクロルヒドリンとの縮合反応により製造されるビスフェノールＡ型エポキシ樹脂や、ノボラック系エポキシ樹脂、トリスフェノールメタン型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、多官能エポキシ樹脂、可撓性エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、高分子型エポキシ樹脂およびグリシジルエステル型エポキシ樹脂などを挙げることができ、これらを単独で、もしくは、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂とその他の一種もしくは二種以上の樹脂を混合して使用することもできる。熱可塑性樹脂に関しては、ポリアミドイミド以外にも、ポリフェニレンサルファイドやポリブチレンテレフタレート等のエンジニアリングプラスチック、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル等が挙げられる。
【００２９】
また、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂の中には、熱伝導性と熱膨張の改善を目的としてシリカやアルミナ、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸化マグネシウム等の無機フィラーが含有されていてもよい。
【００３０】
接合材５の表面には、凸部５ａと凹部５ｂが形成されており、したがって、凹部５ｂに封止樹脂体８が入り込み、凸部５ａは封止樹脂体８に埋設されることとになる。
【００３１】
接合材６の表面にも同様に凸部６ａと凹部６ｂが形成されており、接合材７の表面にも同様に凸部７ａと凹部７ｂが形成されている。
【００３２】
このように、それぞれの接合材５，６，７に凸部５ａ、６ａ、７ａと凹部５ｂ、６ｂ、７ｂが形成されていることで、接合材５，６，７と封止樹脂体８の密着性が高められ、接合材５，６，７と封止樹脂体８の間で剥離が生じ難くなる。
【００３３】
なお、半導体素子３から発生する熱によって半導体素子３の上下にある接合材５，６とその周辺の封止樹脂体８にのみ熱応力が生じ、この熱応力に起因して接合材５，６と封止樹脂体８が剥離する場合、すなわち、半導体素子３から離れている接合材７が半導体素子３から発生する熱による影響を受けない場合は、接合材７の表面に凸部や凹部を設ける必要は必ずしもない。
【００３４】
次に、図２、３を参照して、接合材の表面に凸部と凹部を形成する方法を説明する。なお、以下の説明では、第一のリードフレーム１と半導体素子３を繋ぐ接合材５を取り上げ、接合材５の表面に凸部５ａと凹部５ｂを形成する方法を説明するが、他の接合材６，７においても同様の方法で凸部６ａ、７ａと凹部６ｂ、７ｂを形成できる。
【００３５】
図２は治具を使用して凸部と凹部を形成する方法を示している。まず、図２（ａ）で示すように、はんだ箔が収容されるとともにその内壁面に凸部と凹部が形成された溝Ｍを備えた治具Ｊをリードフレーム１の上面に載置する。
【００３６】
次に、図２（ｂ）で示すように、治具Ｊの溝Ｍにはんだ箔５’を収容し、はんだ箔５’の上に半導体素子３を載置する。
【００３７】
次に、図２（ｃ）で示すように、リフローを実施してはんだ箔５’を溶融させ、治具Ｊの溝Ｍの内壁面に密着させる。
【００３８】
図２（ｄ）で示すように、溶融したはんだ箔が硬化した後、治具Ｊを取り外すことにより、はんだ層からなる接合材５の表面に凸部５ａと凹部５ｂを形成することができる。
【００３９】
一方、図３は治具を使用せず、既に形成されている接合材の表面に事後的に凸部と凹部を形成する方法を示している。まず、図３（ａ）で示すように、一般的なリフロー工程を経てリードフレーム１と半導体素子３をはんだ層からなる接合材５で繋ぐ。
【００４０】
次に、図３（ｂ）で示すように、接合材５の表面に金属粒子が分散されたナノ金属粒子ペーストＰを塗布する。
【００４１】
最後に、図３（ｃ）で示すように、熱処理してペーストを硬化させ、接合材５の表面に金属粒子を合金化させることにより、はんだ層からなる接合材５の表面に凸部５ａと凹部５ｂを形成することができる。
【００４２】
このように、はんだ層からなる接合材５，６，７の表面には、簡易な方法で所望の凸部５ａ、６ａ、７ａと凹部５ｂ、６ｂ、７ｂを形成することができる。
【００４３】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４４】
１…第一のリードフレーム（リードフレーム）、２…第二のリードフレーム（リードフレーム）、３…半導体素子、４…金属製冷却ブロック、５，６，７…接合材（はんだ層）、５ａ、６ａ、７ａ…凸部、５ｂ、６ｂ、７ｂ…凹部、８…封止樹脂体、１０…半導体モジュール、Ｊ…治具、Ｍ…溝、Ｐ…ナノ金属粒子ペースト
【図１】
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【図２】
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【図３】
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