(57)【要約】【課題】半導体チップの熱を効果的に放熱できる構造の半導体装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】放熱板７の他方の主面部７ｂを工具等を用いて部分的に削り、この削った部分を除去することなく放熱板７の他方の主面部７ｂから立設させて放熱フィン８とする。【選択図】　　　図１
2004031483.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動時に発熱する半導体チップが実装された絶縁基板を、放熱板の一方の主面部上に搭載してなる半導体装置において、
前記放熱板の他方の主面部を部分的に削り、この削った部分を当該放熱板の他方の主面部から立設させて放熱フィンとしたこと
を特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記放熱フィンは、前記半導体チップの直下に位置する部分に形成されていること
を特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記放熱板は、前記放熱フィンが形成された部分を冷媒に接触させることで前記半導体チップからの熱を前記冷媒に放熱すること
を特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記半導体チップが、インバータ回路を構成するスイッチング素子であること
を特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の半導体装置。
【請求項５】
作動時に発熱する半導体チップが実装された絶縁基板を、放熱板の一方の主面部上に搭載してなる半導体装置の製造方法であって、
前記絶縁基板に前記半導体チップを実装して前記放熱板の一方の主面部上に搭載するチップ搭載工程と、
前記チップ搭載工程を経た前記放熱板の他方の主面部を部分的に削り、この削った部分を当該放熱板の他方の主面部から立設させて放熱フィンを形成する放熱フィン形成工程とを有すること
を特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、作動時に発熱する半導体チップを有するパワーモジュール等の半導体装置に関し、特に、半導体チップからの熱を放熱する機構を備えた半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力制御素子として知られるＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の半導体チップは、一般に、絶縁容器内に密封されてパワーモジュールとして使用される。このようなパワーモジュールは、半導体チップの作動時における発熱量が大きいことから、通常、半導体チップの熱を外部に放熱するための放熱機構を備えている。
【０００３】
このような放熱機構としては、例えば特開平９−２５２０６６号公報にて開示されるようなヒートシンク構造のものが広く知られている。このヒートシンク構造の放熱機構は、熱伝導性に優れた材料よりなるフィンベースの主面部に、同様の材料よりなる多数の放熱フィンを立設させてなるものである。多数の放熱フィンは、通常、フィンベースとは別部材として構成され、フィンベースに設けられた装着溝に差し込まれて接着剤等により固定されることで、フィンベースと一体とされているのが一般的である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、以上のようにフィンベースと放熱フィンとを別部材として構成し、これらを接合して一体化させる構造では、フィンベースと放熱フィンとの接合部分における熱抵抗が大きくなり、フィンベースから放熱フィンへ良好に熱を伝達できない場合がある。このため、このような構造の放熱機構をパワーモジュールに採用した場合、半導体チップの作動時に発生する熱を外部に効果的に放熱できないといった問題が生じる。
【０００５】
本発明は、以上のような従来の実情に鑑みて創案されたものであって、半導体チップの熱を効果的に放熱できる構造の半導体装置及びその製造方法を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体装置は、作動時に発熱する半導体チップが実装された絶縁基板を放熱板の一方の主面部上に搭載してなるものであって、半導体チップ及び絶縁基板が搭載された放熱板の他方の主面部を部分的に削って、この削った部分を放熱板から切り離すことなく放熱板の他方の主面部から立設させて放熱フィンとしたものである。この半導体装置では、半導体チップの作動時に発生する熱が放熱板に伝達され、この放熱板に立設された放熱フィンから外部に効果的に放熱される。
【０００７】
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、以上のような半導体装置を製造する方法であって、チップ搭載工程と、このチップ搭載工程の後に行われる放熱フィン形成工程とを有している。チップ搭載工程では、絶縁基板に半導体チップを実装し、この半導体チップが実装された絶縁基板を放熱板の一方の主面部上に搭載する。また、放熱フィン形成工程では、半導体チップ及び絶縁基板が搭載された放熱板の他方の主面部を部分的に削って、この削った部分を放熱板から切り離すことなく、放熱板の他方の主面部から立設させて放熱フィンを形成する。
【０００８】
【発明の効果】
本発明によれば、放熱板の一部が削られて、この部分が放熱板の他方の主面部から立設されて放熱フィンとされているので、放熱板と放熱フィンとを別部材で構成した場合に比べて、これらの間での熱抵抗が小さく熱伝達効率が格段に向上する。したがって、半導体チップの作動時に発生する熱を、これら放熱板及び放熱フィンから外部に効果的に放熱することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、ここではインバータ装置に用いられるパワーモジュールに対して本発明を適用した例について具体的に説明するが、本発明は、ここで説明する例に限らず、作動時に発熱する半導体チップを備えるあらゆる半導体装置に対して有効に適用可能である。
【００１０】
本発明を適用したパワーモジュールの全体構成を図１に示す。この図１に示すパワーモジュール１は、直流電流を交流電流に変換してモータ等を駆動制御するためのインバータ装置に用いられるものであり、ＩＧＢＴ等の半導体チップ２を備えている。この半導体チップ２は、インバータ回路のスイッチング素子を構成するものであり、作動時の負荷によって発熱する。
【００１１】
半導体チップ２は、熱伝導性に優れた窒化アルミニウム等よりなる絶縁基板３上に、半田膜等のマウント用導電膜４を介して実装され、ボンディングワイヤ５により結線されている。また、絶縁基板３は、半田膜等の裏面導電膜６を介して放熱板７の一方の主面部７ａ上に搭載されている。なお、マウント用導電膜４は電気回路の一部として機能するものであり、裏面導電膜６は絶縁基板３から放熱板７への熱輸送に利用されるものである。
【００１２】
放熱板７は、半導体チップ２の作動時に発生する熱を外部に放熱させるためのものであり、熱伝導性に優れた金属材料が、例えば矩形の板状に成形されてなる。この放熱板７の一方の主面部７ａ上には、半導体チップ２が実装された絶縁基板３が裏面導電膜６を介して搭載されており、半導体チップ２からの熱が絶縁基板３及び裏面導電膜６を介して伝達されるようになっている。そして、この放熱板７の他方の主面部７ｂに、本発明の特徴である放熱フィン８が形成されている。
【００１３】
放熱フィン８は、図２に示すように、放熱板７の他方の主面部７ｂを工具９等を用いて部分的に削って、この削った部分を放熱板７から切り離すことなく、放熱板７の他方の主面部７ｂから立設させることで形成されるものである。放熱板７は、他方の主面部７ｂにこのような放熱フィン８が形成されることで、放熱に寄与する部分の表面積が大きくなり、放熱効果の拡大が図られている。
【００１４】
半導体チップ２の動作時に発生する熱が放熱板７に伝達されたとき、放熱板７は半導体チップ２の直下に位置する部分が他の部分よりも高温となる温度分布を有することになる。したがって、放熱フィン８は、放熱板７の他方の主面部７ｂにおける半導体チップ２の直下に位置する部分に形成することが特に効果的である。このように、半導体チップ２の直下に位置する部分に放熱フィン８を形成することで、半導体チップ２からの熱を極めて効率的に外部に放熱することができる。なお、図１及び図２においては本発明の特徴を分かり易く示すために放熱フィン８の数を限定して示しているが、放熱効果を高めるためには、より多数の放熱フィン８を形成することが望ましい。このように多数の放熱フィン８を形成する場合には、半導体チップ２の直下に位置する部分の形成密度が他の部分に比べて高くなるように放熱フィン８を配置することで、半導体チップ２からの熱をより効率的に外部に放熱することが可能となる。
【００１５】
また、放熱板７の一方の主面部７ａ上には、半導体チップ２が搭載された絶縁基板３を囲むように、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等の絶縁樹脂材料よりなるモジュールケース１０が組み付けられており、このモジュールケース１０と放熱板７とで囲まれた内部に、半導体チップ２が搭載された絶縁基板３が収容された構造となっている。そして、モジュールケース１０の内外に亘って外部端子用リード１１が挿通されて、その一端側が絶縁基板３の回路部分に接続され、モジュールケース１０の外部に露出する他端側が外部端子に利用されるようになっている。また、モジュールケース１０と放熱板７とで囲まれた内部にはシリコーンゲル１２が充填されており、このシリコーンゲル１２によって各部品間の絶縁及び保護が図られている。
【００１６】
以上のように構成される本発明を適用したパワーモジュール１は、図３に示すように、インバータ装置の筐体１３等に設置されて使用される。この図３に示すインバータ装置は、沸騰冷却型の冷却機構を備えたものであり、筐体１３には、低沸点液相冷媒１４が充填された冷媒収容部１５が設けられている。そして、本発明を適用したパワーモジュール１は、放熱フィン８が形成された放熱板７の他方の主面部７ｂをこの冷媒収容部１５内の冷媒１４に接触させるようにして、インバータ装置の筐体１３等に取り付けられる。これにより、パワーモジュール１は、半導体チップ２の作動時に発生した熱を放熱板７及びこれに形成された放熱フィン８から冷媒１４に効果的に放熱し、極めて良好な冷却性能を実現することができる。
【００１７】
特に、本発明を適用したパワーモジュール１では、上述したように、放熱板７の他方の主面部７ｂを部分的に削って、この削った部分を放熱板７の他方の主面部７ｂから立設させて放熱フィン８としているので、放熱板７と放熱フィン８とを別部材で構成した場合に比べて、これらの間での熱抵抗が小さく熱伝達効率が格段に良好なものとなっている。
【００１８】
すなわち、放熱板７と放熱フィン８とを別部材で構成し、これらを接着剤等を用いて接合し一体化させるようにした場合には、接着剤に熱伝導率の高いものを用いたとしても放熱板７と放熱フィン８との接合部分における熱抵抗が大きくなって、放熱板７から放熱フィン８へ良好に熱を伝達できない場合がある。これに対して、本発明を適用したパワーモジュール１では、放熱フィン８が放熱板７の一部を削ることで形成された放熱板７と一体のものであるので、放熱板７から放熱フィン８へ良好に熱を伝達できる。したがって、図４の冷却系等価回路図で示される冷媒１４と半導体チップ２との間での熱抵抗を極力抑え、高い冷却性能を発揮させて半導体チップ２のチップ損失を大幅に抑制することができる。
【００１９】
なお、放熱フィン８を放熱板７と一体に形成する方法としては、例えばダイキャスト等によりこれらを予め一体のものとして成型する方法も考えられるが、このように放熱フィン８を予め放熱板７と一体成型した場合には、図５に示すように、パワーモジュール１の製造過程における温度変化によって放熱板７に大きな変形が生じ、半田歪み等を誘発させてしまう場合がある。
【００２０】
すなわち、パワーモジュール１を製造する際は、半田炉を用いて、放熱板７の一方の主面部７ａ上に絶縁基板３、絶縁基板３上に半導体チップ２をそれぞれ半田付けする工程が行われるが、放熱板７に放熱フィン８が予め一体成型されていると、この工程で高温に加熱された放熱板７がその後常温に戻る過程で大きく変形し、放熱板７と絶縁基板３及び絶縁基板３と半導体チップ２とを接着する半田、すなわち、マウント用導電膜４及び裏面導電膜６に歪みを生じさせてしまうといった問題がある。これに対して、本発明を適用したパワーモジュール１では、放熱フィン８が放熱板７の一部を削ることで形成されるようになっており、後述するように、加熱を伴う工程が終了した後に放熱フィン８を形成することができるようになっているので、以上のような放熱板７の変形を抑制して、半田歪み等の問題を未然に回避することができる。
【００２１】
また、本発明を適用したパワーモジュール１では、以上のような高い冷却効果が実現されることによって、以下に示すような副次的な効果も得られるようになっている。
【００２２】
すなわち、半導体チップ２の温度（発熱量）は、この半導体チップ２に供給する電流の大きさに比例して上昇することになるが、本発明を適用したパワーモジュール１では高い冷却効果が実現されるので、図６に示すように、供給電流値に対する温度上昇率（図６における傾き）が低く抑えられ、半導体チップ２の許容上限温度を超えない範囲でより多くの電流を半導体チップ２に供給することが可能となる。なお、図６中実線で示すグラフが本発明を適用した例であり、図６中破線で示すグラフは、放熱板に放熱フィンが設けられていない場合の比較例である。
【００２３】
また、半導体チップ２に供給する電流値を変えない場合は、半導体チップ２の温度上昇が抑えられて温度変化（ΔＴ）が小さくなるので放熱板７と絶縁基板３及び絶縁基板３と半導体チップ２とを接着する半田、すなわち、マウント用導電膜４及び裏面導電膜６の強度が保たれ、図７に示すように、繰り返し応力に対して強くなる。
【００２４】
また、半導体チップ２の温度上昇は半導体チップ２のサイズにも依存するが、半導体チップ２に供給する電流値を変えず、また、半導体チップ２に従来と同程度の温度上昇を許容する場合には、図８に示すように、半導体チップ２のサイズを小型化でき、その分、パワーモジュール１全体の小型化や低コスト化を図る上で有利となる。なお、図８中実線で示すグラフが本発明を適用した例であり、図６中破線で示すグラフは、放熱板に放熱フィンが設けられていない場合の比較例である。
【００２５】
ここで、以上のような本発明を適用したパワーモジュール１の製造方法について、図９のフローチャートを参照して説明する。
【００２６】
本発明を適用したパワーモジュール１を製造する際は、まず、準備工程Ｓ１において、当該パワーモジュール１を構成する各部品を用意する。次に、チップ搭載工程Ｓ２において、用意した放熱板７、絶縁基板３及び半導体チップ２をそれぞれ半田炉に投入し、放熱板７の一方の主面部７ａ上に絶縁基板３を半田付けすると共に、絶縁基板３上の所定の箇所に半導体チップ２を半田付けする。これにより、半導体チップ２が半田膜よりなるマウント用導電膜４を介して絶縁基板３上に実装され、絶縁基板３が半田膜よりなる裏面導電膜６を介して放熱板７の一方の主面部７ａ上に搭載されることになる。
【００２７】
次に、半導体チップ２、絶縁基板３が搭載された放熱板７を半田炉から搬出し、組み立て工程Ｓ３において、半導体チップ２が実装された絶縁基板３を囲むようにして、この放熱板７の一方の主面部７ａ上にモジュールケース１０を組み付ける。そして、このモジュールケース１０の内外に亘って外部端子用リード１１を挿通し、その一端側を絶縁基板３の回路部分に接続させる。
【００２８】
次に、この放熱板７をボンディングマシンに投入し、ワイヤボンディング工程Ｓ４において、半導体チップ２をボンディングワイヤ５により結線する。そして、ゲル注入・硬化工程Ｓ５において、ボンディングマシンから搬出された放熱板７及びモジュールケース１０の内部にシリコーンゲル１２を注入し、このシリコーンゲル１２により半導体チップ２等の各部品を覆うようにし、必要に応じて加熱等を行ってこのシリコーンゲル１２を硬化させる。
【００２９】
そして、最後に、放熱フィン形成工程Ｓ６において、以上の各工程を経た放熱板７の他方の主面部７ｂを工具９等を用いて部分的に削り、この削った部分を放熱板７から切り離すことなく放熱板７の他方の主面部７ｂから立設させて放熱フィン８を形成する。これにより、本発明を適用したパワーモジュール１が完成することになる。そして、完成したパワーモジュール１は、動作試験が行われて良品が選別された上で、良品のみが出荷されることになる。
【００３０】
以上のようにパワーモジュール１を製造するようにすれば、加熱を伴うチップ搭載工程Ｓ２等の各工程が終了した後に、放熱フィン形成工程Ｓ６において放熱板７の他方の主面部７ｂに放熱フィン８が形成されるので、上述したように、放熱板７と放熱フィン８とを予め一体成型した場合に懸念される製造時の温度変化に起因する放熱板７の変形を有効に抑制し、半田歪み等の問題を生じさせることなく適切にパワーモジュール１を製造することができる。
【００３１】
また、半田炉を使用するチップ搭載工程Ｓ２やボンディングマシンを使用するワイヤボンディング工程Ｓ４等、放熱板７を治具で固定する必要がある各工程を経た後に、放熱フィン形成工程Ｓ６において放熱板７の他方の主面部７ｂに放熱フィン８が形成されるので、既存の治具を変更することなくそのまま使用することができる。すなわち、既存の治具は、放熱板７の他方の主面部７ｂを支持するようになっているため、これらの治具を使用する工程の前に、放熱板７の他方の主面部７ｂに放熱フィン８が形成された場合には、放熱フィン８が治具と干渉しないように、治具の構造を変更する必要がある。しかしながら、以上のような方法でパワーモジュール１を製造した場合には、治具を使用する各工程では放熱板７の他方の主面部７ｂは放熱フィン８が形成されていないフラットな面となっているので、既存の治具をそのまま使用することができ、製造コストの観点から有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したパワーモジュールの一例を示す断面図である。
【図２】前記パワーモジュールを放熱板の他方の主面部側から見た斜視図である。
【図３】前記パワーモジュールをインバータ装置の筐体に取り付けた状態を示す側面図である。
【図４】前記パワーモジュールを使用したインバータ装置の冷却系を等価回路的に示す図である。
【図５】放熱板に予め放熱フィンを一体成型した場合に問題となる温度変化に起因する放熱板の変形を説明する模式図である。
【図６】チップ供給電流に対するチップ温度の上昇率を示すグラフ図である。
【図７】マウント用導電膜及び裏面導電膜を構成する半田の繰り返し応力に対する強度を説明するグラフ図である。
【図８】チップサイズの小型化が実現できることを説明するためのグラフ図である。
【図９】前記パワーモジュールの製造方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１　パワーモジュール
２　半導体チップ
３　絶縁基板
７　放熱板
８　放熱フィン
【図１】
2004031483.tif 000003
【図２】
2004031483.tif 000004
【図３】
2004031483.tif 000005
【図４】
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【図５】
2004031483.tif 000007
【図６】
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【図７】
2004031483.tif 000009
【図８】
2004031483.tif 000010
【図９】
2004031483.tif 000011