(57)【要約】【課題】  樹脂シートを用いることなくヒートシンクに導電材料層が接合される半導体装置の提供を目的とする。【解決手段】  本発明による半導体装置１，２は、ヒートシンク４０と、ヒートシンク４０上に直接、樹脂を含まない絶縁材料を溶射して形成した絶縁層３０と、絶縁層３０上に直接、導電材料を溶射して形成した導電材料層２０と、導電材料層２０上に設けられる半導体素子を含むチップ１０と、を備えることを特徴とする。絶縁材料は、好ましくは、ＡｌＮ、ＳｉＮ又はＡｌ２Ｏ３である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒートシンクと、
前記ヒートシンク上に直接、樹脂を含まない絶縁材料を溶射して形成した絶縁層と、
前記絶縁層上に直接、導電材料を溶射して形成した導電材料層と、
前記導電材料層上に設けられる半導体素子を含むチップと、を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記絶縁材料は、ＡｌＮ、ＳｉＮ又はＡｌ２Ｏ３である、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記導電材料層上に前記導電材料を溶射して前記導電材料層上に突設した電極端子であって、前記半導体素子に電気的に接続される電極端子を更に備える、請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記ヒートシンク上に直接、樹脂を含まない絶縁材料を溶射して絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層上に直接、導電材料を溶射して導電材料層を形成する工程と、
前記導電材料層上に、半導体素子を含むチップを配置する工程と、を備え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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートシンクに絶縁層を介して導電材料層を備える半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、この種の半導体装置は知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、ヒートシンク上に熱伝導シートを介してヒートスプレッダが接合されている。この熱伝導シートは、ポリベンゾビスオキサゾール樹脂を主成分とする樹脂硬化物のシートであり、電気的絶縁性を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２６８５１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載されるような樹脂シートを用いて、ヒートスプレッダとヒートシンクを接合する場合、樹脂シート(絶縁層)の厚みが接合面内で均一にならず、それに応じてヒートスプレッダが僅かな傾きをもってヒートシンク上に接合される場合がある。このような傾きが発生すると、ヒートスプレッダに接合される半導体素子の電極端子の高さのばらつきが大きくなるので、電極端子とバスバーをレーザー溶接等で接合する際、溶接不良を起こす虞がある。
【０００５】
そこで、本発明は、樹脂シートを用いることなくヒートシンクに導電材料層が接合される半導体装置及びその製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明の一局面によれば、ヒートシンクと、
前記ヒートシンク上に直接、樹脂を含まない絶縁材料を溶射して形成した絶縁層と、
前記絶縁層上に直接、導電材料を溶射して形成した導電材料層と、
前記導電材料層上に設けられる半導体素子を含むチップと、を備えることを特徴とする半導体装置が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、樹脂シートを用いることなくヒートシンクに導電材料層が接合される半導体装置及びその製造方法が得られる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施例による半導体装置１の要部を示す断面図である。
【図２】比較例１による半導体装置１００の要部を示す断面図である。
【図３】比較例２による半導体装置２００の要部を示す断面図である。
【図４】本発明の他の一実施例による半導体装置２の要部を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。
【００１０】
図１は、本発明の一実施例による半導体装置１の要部を示す断面図である。尚、半導体装置１の上下方向は、半導体装置１の搭載状態に応じて上下方向が異なるが、以下では、便宜上、半導体装置１のチップ１０側を上方とする。半導体装置１は、例えば、ハイブリッド車又は電気自動車で使用されるモータ駆動用のインバータを構成するものであってよい。
【００１１】
半導体装置１は、図1に示すように、チップ１０と、ヒートスプレッダ２０と、絶縁層３０と、ヒートシンク４０とを含む。
【００１２】
チップ１０は、パワー半導体素子を含み、本例ではＩＧＢＴ（Insulated  Gate  Bipolar  Transistor）を含む。尚、チップ１０が含むパワー半導体素子の種類や数は、任意である。チップ１０は、ＩＧＢＴに代えて、ＭＯＳＦＥＴ（Metal  Oxide  Semiconductor  Field−Effect  Transistor)のような他のスイッチング素子を含んでもよい。チップ１０は、ヒートスプレッダ２０上に半田５０により接合される。尚、チップ１０には、エミッタ端子１２が半田５０により接合される。
【００１３】
ヒートスプレッダ２０は、チップ１０で発生する熱を吸収し拡散する部材である。ヒートスプレッダ２０は、導電性材料を溶射して形成される。具体的には、ヒートスプレッダ２０は、絶縁層３０上に直接、導電性材料を溶射して形成される。即ち、ヒートスプレッダ２０は、導電性材料の溶射皮膜として絶縁層３０上に直接形成される。尚、溶射とは、典型的には、燃焼ガス・アーク・プラズマ等の熱源により溶融した導電性材料やセラミック材料を対象表面に吹き付けることにより対象表面上に溶射皮膜を生成するコールドスプレーやエアロゾルデポジション等によるコーティング技術である。尚、導電性材料としては、銅やアルミなどの熱拡散性の優れた材料であってよい。また、導電性材料としては、伝導率が銅材の中で最も高い無酸素銅(Ｃ１０２０)が好適であるが、任意の銅材であってもよい。
【００１４】
ヒートスプレッダ２０上には、コレクタ端子１４が立設される。コレクタ端子１４は、銅などの導電性材料を溶射して形成される。具体的には、コレクタ端子１４は、ヒートスプレッダ２０上に直接、導電性材料を溶射して形成される。即ち、コレクタ端子１４は、導電性材料の溶射皮膜としてヒートスプレッダ２０上に直接形成される。コレクタ端子１４は、ヒートスプレッダ２０と同一の導電性材料で形成されてもよい。この場合、コレクタ端子１４は、ヒートスプレッダ２０の溶射による形成と同一の工程で形成することができる。例えば、絶縁層３０上に導電性材料を溶射して上面が平らなヒートスプレッダ２０を形成し、次いで、ヒートスプレッダ２０上の所定位置に導電性材料を溶射して所定高さの凸部としてコレクタ端子１４を形成する。尚、コレクタ端子１４やエミッタ端子１２は、上端がバスバー（図示せず）に溶接され、外部(例えば他のアームのパワー半導体素子や、モータ、電源)に接続される。
【００１５】
絶縁層３０は、ヒートスプレッダ２０とヒートシンク４０の間に設けられ、ヒートスプレッダ２０とヒートシンク４０に接合する。絶縁層３０は、ヒートスプレッダ２０とヒートシンク４０との間の電気的な絶縁性を確保しつつ、ヒートスプレッダ２０からヒートシンク４０への高い熱伝導性を確保する。絶縁層３０は、ヒートシンク４０上に直接、樹脂を含まない絶縁材料を溶射して形成される。即ち、絶縁層３０は、樹脂を含まない絶縁材料の溶射皮膜としてヒートシンク４０上に直接形成される。樹脂を含まない絶縁材料は、好ましくはセラミック材料であり、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＳｉＮ（窒化ケイ素）又はＡｌ２Ｏ３（アルミナ）である。特にＡｌＮ及びＳｉＮは好適である。これは、ＡｌＮ及びＳｉＮは熱伝導性及び電気絶縁性が高いためである。尚、Ａｌ２Ｏ３は、ＡｌＮ及びＳｉＮに比べて熱伝導性及び電気絶縁性が劣るものの、溶射に適した材料である。
【００１６】
ヒートシンク４０は、熱伝導性の良い材料から形成され、例えば、銅やアルミなどの金属により形成される。ヒートシンク４０は、上述の如く、上面がヒートスプレッダ２０に接合される。ヒートシンク４０は、図１に示すように、下面側にフィン４２を備える。フィン４２の数や配列態様は任意である。フィン４２は、図示のようなストレートフィンであってもよいし、その他、ピンフィンの千鳥配置等で実現されてもよい。半導体モジュール１の実装状態では、フィン４２は、冷却水や冷却油のような冷却媒体と接触する。ヒートシンク４０は、２つ以上の部材で構成されてもよい。例えば、ヒートシンク４０は、第１の金属板と、フィン４２を備えた第２の金属板とを結合して構成されてもよい。
【００１７】
かかる構成によれば、半導体装置１の駆動時に生じるチップ１０からの熱は、ヒートスプレッダ２０、絶縁層３０を介して、ヒートシンク４０のフィン４２から冷却媒体へと伝達される。このようにして半導体装置１の冷却が実現される。
【００１８】
ここで、比較例１，２と対比しつつ、本実施例の作用効果について説明する。
【００１９】
図２は、比較例１による半導体装置１００の要部を示す断面図である。尚、図２において、上述の実施例による半導体装置１と同様の構成については、同一の参照符号を付している。
【００２０】
比較例１による半導体装置１００は、上述の実施例による半導体装置１に対して、溶射皮膜からなる絶縁層３０に代えて樹脂シート３２が使用され、溶射皮膜からなるヒートスプレッダ２０に代えて銅ブロックからなるヒートスプレッダ２２が使用されている点が主に異なる。ヒートスプレッダ２２は、樹脂シート３２をヒートスプレッダ２２及びヒートシンク４０に接合させることにより、ヒートシンク４０に接合される。樹脂シート３２は、例えばアルミナをフィラーとしたエポキシ樹脂により形成される。また、比較例１では、コレクタ端子１４１は、ヒートスプレッダ２２に半田５０により接合される。
【００２１】
このような比較例１では、樹脂シート３２の厚みが接合面内で一定に維持されず、それに応じてヒートスプレッダ２２が僅かな傾きをもってヒートシンク４０上に接合される場合がある。このような傾きが発生すると、ヒートスプレッダ２２上の接合されるコレクタ端子１４１やエミッタ端子１２の上端の高さ公差(図２の矢印Ｐ参照)が大きくなるので、コレクタ端子１４１やエミッタ端子１２とバスバーをレーザー溶接等で接合する際、高さ公差によってはこれらの高さ方向の隙間が大きくなり溶接不良を起こす虞がある。
【００２２】
これに対して、本実施例によれば、上述の如く、樹脂シート３２を使用せずに、ヒートシンク４０上に絶縁層３０及びヒートスプレッダ２０を順に溶射皮膜としてそれぞれ形成する。ここで、溶射皮膜は、熱及び圧力を印加して接合させる樹脂シート３２に比べて厚さ方向の寸法公差を小さくすることができる。即ち、溶射皮膜は、樹脂シート３２に比べて、接合面全体に亘ってより均一な厚さで形成することができる。従って、本実施例によれば、比較例１で生じうるようなヒートスプレッダ２０の傾きを防止することができる。これにより、ヒートスプレッダ２０上の接合されるコレクタ端子１４やエミッタ端子１２の上端の高さ公差を少なくすることができ、溶接不良を適切に防止することができる。
【００２３】
また、本実施例によれば、上述の如く、樹脂シート３２を使用せずに、ヒートシンク４０上に絶縁層３０及びヒートスプレッダ２０を順に溶射皮膜としてそれぞれ形成するので、比較例１に比べて、製造工程を効率化することができる。即ち、本実施例では、絶縁層３０の形成と接合が同時に実現され、且つ、ヒートスプレッダ２０の形成と接合が同時に実現されるので、製造工程を効率化することができる。
【００２４】
また、本実施例において、ＡｌＮ又はＳｉＮの溶射皮膜により絶縁層３０を形成する場合には、樹脂シート３２の熱伝導性よりも顕著に高いＡｌＮ又はＳｉＮの熱伝導性に起因して、ヒートスプレッダ２０とヒートシンク４０との間の熱伝導性を高めることができる。また、ＡｌＮ又はＳｉＮの高い絶縁性により、樹脂シート３２の厚みに比べて絶縁層３０の厚みを薄くすることも可能である。
【００２５】
また、本実施例によれば、上述の如く、コレクタ端子１４は、半田付けによらず、溶射皮膜として立体的にヒートスプレッダ２０上に形成される。これにより、比較例１で必要とされるコレクタ端子１４１の半田付けを廃止することができる。また、コレクタ端子１４は、ヒートスプレッダ２０上に溶射により形成されるので、コレクタ端子１４の上端の高さ公差を少なくすることができ、溶接不良を適切に防止することができる。
【００２６】
図３は、比較例２による半導体装置２００の要部を示す断面図である。
【００２７】
比較例２による半導体装置２００は、上述の実施例による半導体装置１に対して、溶射皮膜からなる絶縁層３０及びヒートスプレッダ２０に代えて、基板２４が使用されている点が主に異なる。基板２４は、セラミック基板の両面にアルミ板を備えたＤＢＡ（Direct  Bonding  Aluminum）基板や、セラミック基板の両面に銅板を備えたＤＢＣ（Direct  Bonding  Copper）基板であってよい。基板２４は、ヒートシンク４０に半田５０により接合される。また、比較例２では、コレクタ端子１４１は、基板２４に半田５０により接合される。
【００２８】
このような比較例２では、比較例１と同様、基板２４とヒートシンク４０とを接合する半田５０の層の厚みが接合面内で一定に維持されず、それに応じて基板２４が僅かな傾きをもってヒートシンク４０上に接合される場合がある。このような傾きが発生すると、基板２４上の接合されるコレクタ端子１４１やエミッタ端子１２の上端の高さ公差(図３の矢印Ｐ参照)が大きくなるので、コレクタ端子１４１やエミッタ端子１２とバスバーをレーザー溶接等で接合する際、これらの高さ方向の隙間が大きくなり溶接不良を起こす虞がある。
【００２９】
これに対して、本実施例によれば、上述の如く、基板２４のヒートシンク４０への半田付けを行うことなく、ヒートシンク４０上に絶縁層３０及びヒートスプレッダ２０を順に溶射皮膜としてそれぞれ形成する。これにより、半田付けを廃止することができ、且つ、ヒートスプレッダ２０上の接合されるコレクタ端子１４やエミッタ端子１２の上端の高さ公差を少なくすることができ、溶接不良を適切に防止することができる。
【００３０】
また、比較例２では、チップ１０の熱は複数層からなる基板２４を介してヒートシンク４０に伝導されるので、その分だけ熱抵抗が大きくなる。
【００３１】
これに対して、本実施例によれば、上述の如く、ヒートシンク４０上に直接、絶縁層３０及びヒートスプレッダ２０を溶射により形成するので、チップ１０からヒートシンク４０までの間の中間部材を低減することができ、低い熱抵抗を実現することができる。
【００３２】
図４は、本発明の他の一実施例による半導体装置２の要部を示す断面図である。
【００３３】
本実施例による実施例による半導体装置２は、上述の実施例による半導体装置１に対して、コレクタ端子１４１が半田５０によりヒートスプレッダ２０に接合されている点だけが異なる。このような実施例によっても、ヒートシンク４０上に絶縁層３０及びヒートスプレッダ２０が溶射皮膜としてそれぞれ形成されることによる上述の作用効果を奏することができる。
【００３４】
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
【００３５】
例えば、上述の実施例では、半導体装置１、２は、車両用のインバータに適用されるものであったが、半導体装置１は、他の用途（鉄道、エアコン、エレベータ、冷蔵庫等）で使用されるインバータに使用されてもよい。更に、半導体装置１は、インバータ以外の装置、例えば、コンピューター用のＭＰＵ（Microprocessor  Unit）や、無線通信機の送信部の電力増幅回路に使用される高周波パワーモジュールに使用されてもよい。
【００３６】
また、上述の実施例では、ヒートスプレッダ２０がＩＧＢＴのコレクタ電極と等電位になることから、コレクタ端子１４をヒートスプレッダ２０上に溶射により形成しているが、例えば、ＩＧＢＴに代えてＭＯＳＦＥＴを含むチップ１０を用いる場合には、ヒートスプレッダ２０がＭＯＳＦＥＴのドレイン電極と等電位になることから、同様のドレイン端子をヒートスプレッダ２０上に溶射により形成すればよい。
【符号の説明】
【００３７】
１，２    半導体装置
１０    チップ
１２    エミッタ端子
１４    コレクタ端子
２０    ヒートスプレッダ
３０    絶縁層
４０    ヒートシンク
４２    フィン
５０    半田
１４１    コレクタ端子
【図１】
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【図２】
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【図３】
2012222327.tif 000005
【図４】
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