(57)【要約】【課題】電力用半導体モジュールを樹脂封止する過程、ヒートシンクにハンダ接合する過程などで電力用半導体素子に大きな熱応力が生じると電力用半導体素子が割れてしまい、電気特性が異常となり、出荷不適合となるという問題があることから、電力用半導体素子の熱応力の低減が必要である。【解決手段】導電性と放熱性を有するヒートスプレッダ、このヒートスプレッダに固着された電力用半導体素子、及びこの電力用半導体素子にヒートスプレッダを介し接続された電極端子を有する電力用パワーモジュールであって、電力用半導体素子の側面領域を、保護樹脂で覆い、電力用パワーモジュールを冷却するヒートシンクを、固着層で一体化したものである。【選択図】図３
2012164697.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性と放熱性を有するヒートスプレッダ、このヒートスプレッダに固着された電力用半導体素子、及びこの電力用半導体素子に上記ヒートスプレッダを介し接続された電極端子を有する電力用パワーモジュールであって、
上記電力用半導体素子の側面領域を、保護樹脂で覆ったことを特徴とする電力用パワーモジュール。
【請求項２】
上記電力用半導体素子が固着されていない上記ヒートスプレッダ部分を、上記保護樹脂で覆ったことを特徴とする請求項１記載の電力用パワーモジュール。
【請求項３】
上記ヒートスプレッダ、上記電力用半導体素子、上記電極端子、及び上記保護樹脂で覆った保護樹脂部を、モールド樹脂で封止するとともに、上記電力用半導体素子が固着されていない上記ヒートスプレッダ部分を、上記保護樹脂で覆ったことを特徴とする請求項１記載の電力用パワーモジュール。
【請求項４】
請求項３記載の保護樹脂部に、上記モールド樹脂が充填される複数の凹状部を設けたことを特徴とする請求項３記載の電力用パワーモジュール。
【請求項５】
上記電力用半導体素子が固着されていないヒートスプレッダ部分に、上記保護樹脂を入り込ませる複数の凹部を設け、この凹部により上記保護樹脂が抜け出ないようにして上記保護樹脂が上記ヒートスプレッダ部分から剥離するのを防止したことを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれか１項に記載の電力用パワーモジュール。
【請求項６】
上記保護樹脂は、上記ヒートスプレッダと上記電力用半導体素子間を接合するハンダよりも弾性率が小さいことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電力用パワーモジュール。
【請求項７】
請求項１から請求項６記載のいずれか１項に記載の電力用パワーモジュールと、当該電力用パワーモジュールを冷却するヒートシンクを、固着層で一体化したことを特徴とする電力用半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電力用パワーモジュール及び電力用半導体装置に関し、特に金属製の冷却器に一体化されたものに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のこの種発明としては、特許文献１を挙げることができるが、この特許文献１では、金属製のヒートシンクに電力用半導体モジュールが、ハンダ接合されて電力用半導体装置を構成している。
このような構成の場合に問題となるのは、ヒートシンクと電力用半導体モジュール間の線膨張係数差に起因してハンダ層に発生する熱応力である。
特に特許文献１では、電力用半導体モジュール内にヒートスプレッダと呼ばれる金属ブロックを用いているが、この金属ブロックとヒートシンク間の線膨張係数に差が大きいと、ハンダ層に生じる歪量が増大するので、これが小さいことが望ましい。
又、特許文献１では、ヒートスプレッダの材質として銅又はアルミニウムに、めっき（ニッケルめっき）を施したものが提案されており、ヒートシンクにはアルミニウムが提案されている。
しかし、この特許文献１では、本発明が課題（後述）としている、ヒートスプレッダ（金属ブロック）とヒートシンクの材料を、線膨張係数を合わせ込んだ場合の線膨張係数差の合わせこみ効果の問題点の解消については言及されてはいない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１１４２５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
アルミニウムでヒートシンクを構成した従来の電力用半導体装置においては、電力用半導体モジュールのヒートスプレッダについてもアルミニウムとすることが提案されており、これには明示も示唆もされてはいないが、このヒートスプレッダによって、結果的にヒートシンクと電力用半導体モジュール間のハンダ層の歪量を低減している。
しかし、このような場合の問題点としては、電力用半導体素子がヒートスプレッダに固着している界面において、Cu系の材料よりも線膨張係数差が増大しており、その結果、電力用半導体素子に生じる熱応力が増大していることが挙げられる。
【０００５】
具体的には、電力用半導体モジュールを樹脂封止する時には、少なくとも１８０℃に加熱することが行われ、この他、電力用半導体モジュールをヒートシンクにハンダ接合する場合も、少なくともハンダの融点以上に温度を上昇させることが行われている。
このような場合、Cuなどよりもアルミニウムの方が、線膨張係数が大きいことに起因して、電力用半導体素子に、大きな熱応力が生じることが問題点として挙げられる。
具体的には、樹脂封止やハンダ接合する過程で電力用半導体素子が割れてしまい、電気特性が異常となり、出荷不適合となるという問題がある。
このようなことから、電力用半導体素子の熱応力の低減が課題となっていた。
【０００６】
又、電力用半導体素子の構成材料は、シリコン（Si）やSiCであり、これらの材料は脆
性材料である。このような脆性材料に、大きな熱応力が生じたことで、割れが発生することになる。
すなわち、通常の金属材料であれば、破断応力としては、ばらつきは１０〜２０％以内
となり、その分の応力マージンを持たせて設計すれば、実際上出荷不適合の発生は防止でき、検査も不要となる。
これに対して脆性材料においては、破断応力のばらつきは４０％以上にもなり、すなわち平均破壊応力の１／３程度でも破壊が発生しうることになり、それを防止する設計は非常に困難である。
このような脆性材料における破断応力のばらつきは、表面などに存在する微細欠陥によるものという説明がなされており、例えばセラミック板であれば、研磨をすることで破断応力が向上するなどの現象が知られている。
【０００７】
電力用半導体素子は、基本的に円筒形のインゴットから薄い円盤型に切り出したウェハに、リソグラフィ技術を用いて電子回路を作りこんで形成され、又ウェハを賽の目に切り出すダイシング工程を経て、個片化されるが、この時に、厚みを薄く削るグラインド工程と、賽の目に切り出すダイシング工程において、微細な欠陥が入ることが知られている。
すなわち、電力用半導体素子は、表面及びエッジ部に微細な欠陥を内在しており、ここに熱応力が作用すると、きわめて低い応力でも破壊が発生するという課題がある。
【０００８】
熱応力は、電力用半導体素子のサイズが大きいほど大きくなり、又電力用半導体素子の厚みが薄いほど割れやすくなるという関係がある。すなわち、電力用半導体素子の扱う電力をより大きくするためには、電流密度を下げること、つまりはサイズを大きくすることが必要となるし、損失を下げることで熱的制約をクリヤして、より電流密度を高めた使い方をしようとしたときに、厚みが薄いことが損失低減にきわめて効果的であるので、
より低い損失の素子を用いようとすればするほど、このような熱応力による電力用半導体素子の破壊が顕在化するという問題がある。
【０００９】
本発明は、このような脆性材料の破壊現象を防止することを目的としており、電力用半導体素子をよりサイズが大きい大出力としたり、又厚みが薄い低損失のものにした時でも、問題なく電力用半導体装置を製造でき、不必要な検査工程を省くことができるようにすることを目的としている。
【００１０】
又、本発明は、上述したヒートスプレッダとヒートシンクの材料を、線膨張係数を合わせ込んだ場合の問題点についての解消を目的としている。
具体的には、ヒートシンクをアルミニウムで構成し、ヒートスプレッダも同様にアルミニウムで構成した場合の問題点の解消を目的としている。すなわち、本発明は、電力用半導体素子１を、大きな面積や厚みがより薄いものにしたとき、上述のようなアルミニウムもしくはアルミ合金系ヒートシンク１１に固着したパワーモジュールに内蔵されるヒートスプレッダの材料に、アルミニウムもしくはアルミニウム合金を用いた場合でも、電力用半導体素子１の破壊を防止することを目的としている。
又本発明は、アルミニウム以外の材料でも、ヒートシンクと、電力用半導体モジュールの線膨張係数差を最小限にすることを目的としており、好ましくは同じ金属をベースとして配合された合金成分が異なる程度の近い線膨張係数の材料で構成する場合についても適用される。
したがって、当然ながら本発明が奏する作用は、アルミニウムを採用する場合に限定されるわけではなく、ヒートシンク材料がアルミニウム以外であっても、同様にヒートシンク材料と同種の金属及び同種の金属をベースとして合金化して得たヒートスプレッダ材料を用いた場合に対しても同様な作用を奏することは言うまでもない。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明に係わる電力用パワーモジュールは、導電性と放熱性を有するヒートスプレッダ、このヒートスプレッダに固着された電力用半導体素子、及びこの電力用半導体素子に上記ヒートスプレッダを介し接続された電極端子を有する電力用パワーモジュールであっ
て、上記電力用半導体素子１の側面領域を、保護樹脂で覆ったものである。
又、この発明に係わる電力用半導体装置は、電力用パワーモジュールと、この電力用パワーモジュールを冷却するヒートシンクを、固着層で一体化したものである。
【発明の効果】
【００１２】
この発明の電力用パワーモジュール及び電力用半導体装置によれば、保護樹脂部を設けたので、線膨張係数が大きく異なるヒートスプレッダと電力用半導体素子を組み合わせたものであっても、モールド封止工程などの加熱工程において、電力用半導体素子に生じる熱応力に対し、熱応力を低減もしくは、破断応力を増大させ、電力用半導体素子の破壊を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明による電力用パワーモジュールの基本的構成を示す斜視図である。
【図２】この発明の実施の形態１における電力用パワーモジュールを示す断面図である。
【図３】この発明の実施の形態１における電力用パワーモジュールによって構成した電力用半導体装置の断面図である。
【図４】この発明の実施の形態２における電力用半導体装置の断面図である。
【図５】この発明の実施の形態３における電力用半導体装置の断面図である。
【図６】この発明の実施の形態４における電力用パワーモジュールを示す断面図である。
【図７】この発明の実施の形態４における電力用パワーモジュールによって構成した電力用半導体装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面に基づいて、この発明の各実施の形態を説明する。
なお、各図間において、同一符号は同一あるいは相当部分を示す。
【００１５】
実施の形態１．
図１は、この発明による電力用パワーモジュール１００の基本的構成を示す斜視図である。
図１に示すように、ヒートスプレッダ２上に搭載、固着された電力用半導体素子１は、その露出側面部が全域にわたり後述する絶縁樹脂による保護樹脂部４で覆われている。
ヒートスプレッダ２の材質としては、例えばアルミニウムが挙げられる。例えば、厚み１〜５ｍｍ程度のアルミニウムもしくはアルミニウム合金を採用したヒートスプレッダ２の場合、電力用半導体素子搭載領域には、ハンダ濡れ性がアルミニウムよりも良好な金属層（例えばNiやSn、Auなど）を、例えばめっきなどで固着している。
電力用半導体素子１としては、シリコンやSiC、GaNなどが用いられる。
このため、電力用半導体素子１の材料とヒートスプレッダ２の材料は、線膨張係数の差が大きく、例えばアルミニウムとシリコンの場合１０倍程度の差があるとされている。
このような線膨張係数の差が大きい組み合わせで問題となるのが、熱応力である。
【００１６】
前述のように構成された電力用パワーモジュール１００は、例えば後述するモールド樹脂１０のモールド工程時に、少なくとも金型温度近傍にまで加熱されるが、ヒートスプレッダ２と電力用半導体素子１の線膨張係数の差が大きいため、ヒートスプレッダ２の伸びによって、電力用半導体素子１には水平方向に引っ張る熱応力が生じる。
このような熱応力は、電力用半導体素子１の面積が大きいほど大きく、又電力用半導体素子１が薄いほど大きくなる。
ところで、電力用半導体素子１の構成材料は、脆性材料であり、その特性として、引張応力による破断に関しては、表面の微細な欠陥や内在するマイクロクラックと呼ばれる加
工欠陥により大きく破断強度がばらつくことが知られている。
このような加工欠陥は、電力用半導体素子１がウェハの状態の時に、厚みを薄くするグラインド加工の時に生じたり、電力用半導体素子１をウェハから個片に切り出すダイシング加工の時に生じる。
【００１７】
このようなマイクロクラックの抑制は、困難で検査もきわめて難しいため、電力用半導体素子１を極端に薄くした場合に、電力用半導体素子１の加熱時の割れを抑制することは困難であった。
そのため、例えば、厚みが１００μｍ以下の電力用半導体素子１では、きわめてこの影響が大きくリーク試験などで破壊した電力用半導体素子を排除する必要が生じており工程が煩雑であった。
この発明によれば、電力用半導体素子の加熱時の割れの起点となるマイクロクラックを、後述する保護樹脂部４で覆っており、応力集中を軽減するため、割れの発生率を最小限に抑制できる。
【００１８】
以下、この実施の形態１における電力用パワーモジュール１００の構造を、図１〜図３に基づいて詳述する。
なお、この実施の形態１では、ヒートスプレッダ２の材料例として、アルミニウムを採り挙げているが、これは銅に比べて軽量であり、かつ低コストである代表的な良熱伝導性金属材料であるためである。しかしながら、アルミニウムは線膨張係数が銅に比べておよそ１．５倍と大きく、電力用半導体素子の熱応力に悪影響を及ぼすため、これが解決を目的としている。
又、ヒートスプレッダ２の材料に、アルミニウムを挙げている別の理由については、図３に示す本発明の電力用半導体装置２００の構造に関連して説明する。
【００１９】
図３に示す電力用半導体装置２００は、ヒートシンク１１に電力用パワーモジュール１００を、例えば、ハンダなどの良熱伝導率材料による固着層１２で固着したものである。
このような形態によれば、従来の熱伝導グリスを用いた構成の場合におけるグリース層の熱抵抗が大きい問題点を克服でき、又電力用パワーモジュールを固定するための固定部も省略できるというメリットがある。
ところで、ヒートシンク１１の材料としては、現在、加工性やコスト、重量の観点からアルミ系の材料が最も経済性が高いと言える。
ところで、電力用半導体素子１とヒートスプレッダ２の部材には、銅及び銅合金系材料を用いることが通常である。
すなわち、銅が、良導電性材料であり、かつ熱伝導率が大きく、かつ経済的であるため、大電流を扱う電力用パワーモジュールの構成材料としては、銅及び銅合金系材料を用いている。
【００２０】
前述のように、ヒートシンク１１に、アルミ材を用いても、電力用パワーモジュールに内蔵される配線材料には、通常銅材が多く用いられ、通常のパワーモジュールは、きわめて銅を多用して製造されている。これに対してヒートシンク１１は、ほぼアルミ材で製造され、従来の通常のパワーモジュールでは、このヒートシンクのアルミニウムとパワーモジュールの部材である銅の線膨張係数の差を、熱伝導グリースを間の面に塗布して、非接合（ただしネジ固定）とすることで吸収していた。
【００２１】
これに対し、この実施の形態１が念頭としているところは、アルミニウムのヒートシンク１１に、電力用パワーモジュール１００を直接接合する構成であり、その前提としては、アルミヒートスプレッダ２の内蔵による線膨張係数の差の低減が必要となる。
その場合、電力用半導体素子１への熱応力は、ヒートスプレッダ２が銅の場合に比べてアルミニウムの場合は大きくなり、この熱応力が増大することが問題となる。
すなわち、この実施の形態１では、アルミのヒートスプレッダ２を採用する場合でも脆性材料である電力用半導体素子１が壊れないものを得ることを目的としているわけである。そして、ヒートシンク１１と電力用パワーモジュール１００の接合の例として、ハンダ付けの場合と、樹脂接着の場合を採り上げ、電力用パワーモジュール１００をヒートシンク１１に固着した場合の問題の解決を目的としている。
【００２２】
例えば、電力用パワーモジュール１００とヒートシンク１１をハンダ層を介して固着した場合、この時、アルミ系の材料からなるヒートシンク１１と、電力用パワーモジュール１００の線膨張率の差が無視できないほど大きく、ハンダ層には電力用半導体装置２００の使用時の温度変化により熱応力が生じ、ハンダ層のひずみ量が大きい角部から金属疲労による亀裂進展が生じ放熱性が阻害されるという問題が生じる。
【００２３】
別の例としては、固着層として良熱伝導率の接着シートなどを用いる構成も可能であるが、このような接着シートを用いた場合、電力用半導体装置の使用時の温度変化による熱応力により、接着層の界面剥離が生じることになる。
この防止のためには、ヒートスプレッダ２の線膨張係数を、ヒートシンク１１の線膨張係数に近づけることが効果的である。このため、例えばアルミニウムもしくはアルミニウム合金をヒートスプレッダ２に用いることになる。
【００２４】
この場合の背反として、電力用半導体素子１とアルミ系材料を採用したヒートスプレッダ２の線膨張係数の差が更に大きくなってしまうという問題が生じる。すなわち、先に述べたような電力用半導体素子１に生じる応力が銅よりもアルミニウムを用いたことで増大してしまうことになる。
【００２５】
又、この実施の形態１は、ヒートスプレッダ２が銅よりも線膨張係数が大きいアルミニウムにした場合でも、大きな面積の電力用半導体素子１や厚みがより薄い電力用半導体素子１の熱応力の問題をなくすことを目的としている。
すなわち、前述のようなアルミニウム及びアルミ合金系ヒートシンク１１に固着したパワーモジュールに内蔵されるヒートスプレッダ２の材料に、アルミニウムもしくはアルミニウム合金を用いた場合でも、電力用半導体素子１の破壊を防止することを目的としている。
【００２６】
前述したように、脆性材料の破壊は、表面の微細なクラックによる影響が大であり、そのようなクラックは、応力集中部を電力用半導体素子１のグラインディングやダイシングの加工面から遠ざけることで、破壊の起点とならないように仕向けることができる。
すなわち、電力用半導体素子１の底面は、ハンダにてヒートスプレッダ２に全面固着されているが、この実施の形態１は、これに加えて電力用半導体素子１の側面領域に絶縁樹脂部、すなわち保護樹脂部４を更に設けたものである。
この保護樹脂部４の材料は、少なくともヒートスプレッダ２と電力用半導体素子１間を接合するハンダよりも弾性率の小さい絶縁樹脂で、例えばエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂であれば、モールド封止時の１８０℃においても軟化せず、良好な電力用半導体素子１の応力低減作用を得ることができる。
【００２７】
更に、保護樹脂部４を設けた理由について詳述する。
ハンダに生ずる熱応力は、電力用半導体素子１とヒートスプレッダ２の線膨張係数の差が存在することに起因する。例えばモールド樹脂封止時や、別の部材のハンダ付け工程などにおいて、温度変化に応じて、伸びの差が生じるが、接合界面において、接合を維持しようとして伸びの差をハンダ層が吸収する時に生じる。ところで、このような熱応力は端部に集中応力場を形成することがよく知られている。この応力場は、角度変化が起きている箇所で応力集中が大きいことがよく知られている。すなわち、電力用半導体素子１とヒ
ートスプレッダ２の間のハンダ層において、端部には応力集中部が形成され、その値が大きいことを避けることが必要である。
そこに、すなわち電力用半導体素子１の側面領域に、樹脂の保護部（保護樹脂部４）を設けることで、ハンダ応力集中を緩和する効果が生じる。すなわち空気との界面が保護部側に移動したことで、角度変化に対する応力集中が軽減されるのである。
ただし、保護部（保護樹脂部４）の弾性率がハンダよりも大きいと、電力用半導体素子１とヒートスプレッダ２の伸びの差は、ハンダ層が多く変形して吸収することになってしまう。これに対して、保護層（保護樹脂部４）の弾性率がハンダ層よりも小さく、より容易に変形してくれることで、上記応力集中の緩和効果を高めることができる。
【００２８】
前述のように、応力低減作用が有効に働く樹脂の弾性率としては、ヒートスプレッダ２よりも小さいことが必要であり、例えば１／２から１／１００程度の弾性率であれば有効に作用した。
このような絶縁樹脂としては、例えばエポキシ樹脂だけでなくポリイミド樹脂などでもよく、絶縁性があり耐熱性を有する材料であれば他のものでもよい。例えば、ポリイミド樹脂の場合おおよその弾性率はアルミニウムに対して１／１０である。
この絶縁樹脂は、電力用半導体素子１の側面領域およびハンダ及びヒートスプレッダ２のうち電力用半導体素子の周囲部を覆った状態を図１及び図２に示しているが、電力用半導体素子表面をも覆っていてもよく、同様に応力抑制効果を発揮する。
電力用半導体素子表面を覆う場合は、電力用半導体素子の外縁部を全て覆うように供給することで、応力集中を防ぐことができる。また電力用半導体素子全面を覆っていてもかまわない。また、配線用の材料を接続する電極部を露出させた状態で覆っていてもよい。
通常、樹脂封止型の電力用パワーモジュールにおいては、内部のハンダが溶融すると、ハンダが膨張してパワーモジュールの内部の界面を伝ったり、樹脂を破壊してハンダが流出し、破壊されてしまうため、少なくともパワーモジュールの内部のハンダの融点よりも、固着層１２のハンダの融点は低く構成する必要がある。
アルミニウムは、ハンダには濡れない材料であるため固着導体３に、ハンダを用いた場合は、ヒートスプレッダ２のアルミニウム表面の少なくとも電力用半導体素子１を固着する箇所には、良ハンダ濡れ性が得られる、ニッケルや銅の層を例えばめっきなどで設けておくことが必要である。
【００２９】
ヒートスプレッダ２と電力用半導体素子１、固着導体３、保護樹脂部４は、モールド樹脂１０により封止されるが、外部との配線接続のための電極端子を備えている。
例えば、図１では一対の主端子５ａ、５ｂが電力用半導体素子１の表面及び裏面に対して接続されている。
【００３０】
すなわち、一方の主端子５ｂがヒートスプレッダ２に例えば超音波接合やハンダ付けなど図示しない電気的接続手段により接合されており、もう一方の主端子５ａと電力用半導体素子１の表面を、アルミニウムワイヤ６で接続している。
電力用半導体素子１を任意にオンオフ動作させるためのゲート電極を備えた構成の場合には、別の制御電極を更に備え、同様にアルミニウムワイヤ６で制御端子７に配線している。
そのようなゲート電極を有する電力用半導体素子としては、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴなどが知られており、例えばシリコン（Ｓｉ）のみならず、ＧａＮやＳｉＮなどといった素材によっても構成可能である。ちなみにＳｉＣを用いるとより高温動作が可能であり、ロスも小さくなるため電力用パワーモジュールとして好適である。
【００３１】
これらのように複数の主端子５ａ、５ｂ及び制御端子７を備えた電力用パワーモジュール１００は、お互いの電極間の絶縁を維持する必要がある。
この電極間の絶縁維持をも兼ねたモールド樹脂１０は、絶縁性の封止材料であり、異な
る電位がかかる部位について絶縁性を保っている。
ところで電力用半導体装置を示す図３では、電力用パワーモジュール１００は、ヒートシンク１１に一体（一ユニット）が搭載された例を図示しているが、複数の電力用パワーモジュールが搭載されていてもよいし、又電力用パワーモジュールには、複数のヒートスプレッダ２が搭載されていてもよい。
そのように、高密度に配置する場合の妨げとなるのが、ヒートスプレッダ２が良電気伝導性の材料で構成されるということである。
一般に良熱伝導率の材料は、良電気伝導性であるため、これはいたし方がないことである。ここで異なる電位間の絶縁性を保つ必要があるが、この絶縁機能は、絶縁樹脂層８により実現されている。
すなわち、電力用パワーモジュールのヒートスプレッダ２の底面１００ａと放熱面１００ｂの間に、薄い絶縁樹脂層８を備えることで、ヒートスプレッダ２と電力用パワーモジュールの底面間の絶縁性を確保しているのである。
【００３２】
この例の場合は、ヒートシンク１１と電力用パワーモジュール１００間の固着層１２に、ハンダを使う場合についての技術を開示しているが、そのような場合、絶縁樹脂層８は、通常ハンダ濡れ性はないため、ハンダ濡れ性という機能を実現するために、保護層９を更にそなえている。
この保護層９は、例えば厚み１００μｍ程度の銅箔やアルミ箔である。ただし、ハンダ濡れ性を得るために、保護層９がアルミニウムの場合には、表面にめっきなどで、ハンダ濡れ性が得られる構成にしておく必要がある。
このように電力用パワーモジュール１００の底面部には、絶縁樹脂層８を介してハンダ濡れ性を有した保護層９を備え、この保護層９とヒートシンク１１間には更に固着層１２を備えて一体化されており電力用半導体装置２００が構成されている。
【００３３】
実施の形態１では、電力用半導体素子１の外縁部である側面領域を、保護樹脂部４が覆うことで、電力用パワーモジュール製造におけるモールド封止時のような加熱工程においても、マイクロクラックなどによる応力集中による電力用半導体素子の破壊を防止できた。
【００３４】
実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２における電力用半導体装置の断面図である。
図４において、保護樹脂部４は、ヒートスプレッダ２主面（電力用半導体素子搭載面）の電力用半導体素子１の周囲（側面領域）のみならず、広い範囲（電力用半導体素子１が固着されていないヒートスプレッダ２の上面）を覆っている。
このようにすることで、アルミ系の材料を採用したヒートスプレッダ２とモールド樹脂１０間の線膨張係数に差がある場合の熱応力を低減する作用が働く。すなわち、モールド樹脂１０は、通常銅及び銅合金、鉄合金などに合わせた材料設計をしているものがほとんどであり、アルミニウムのような線膨張係数が大きい材料に対しては線膨張係数の差が大きいという問題点がある。
【００３５】
アルミニウムに近い線膨張係数に近づけることは、例えばモールド樹脂１０に内包されるフィラー成分の割合を下げることなどで実現可能であるが、不経済であった。
ところで、銅に合わせた線膨張係数の材料とアルミニウムのヒートスプレッダ２を組み合わせた場合、線膨張係数の差が無視できず、電力用半導体装置２００の使用にともなう温度変化により、熱応力が生じ、モールド樹脂１０とヒートスプレッダ２間の樹脂が剥がれるなどの問題が発生する危険が高まり、長い寿命を保証することが困難となっていた。これに対してヒートスプレッダ２の主面（電力用半導体素子搭載面）の大半、ただし主端子５ａ、５ｂの接続部や電力用半導体素子１の表面の配線を行う部分を除いた部分を保護樹脂部４が覆うことでこのような線膨張係数が異なる材料の組み合わせにおいても剥離の
発生を制限でき、長い寿命を保証することができるようになった。
この絶縁樹脂は、電力用半導体素子１の側面領域およびハンダ及びヒートスプレッダ２のうち電力用半導体素子の周囲部を覆った状態を図１および図２に示しているが、電力用半導体素子表面をも覆っていてもよく、同様に応力抑制効果を発揮する。
この例では、ヒートシンク１１は、内部に流路１１ａを有する液冷式ヒートシンクの場合について示しており、固着層１２にて一体化されている。
【００３６】
実施の形態３．
図５は、この発明の実施の形態３における電力用半導体装置の断面図である。
この実施の形態３におけるヒートシンク１１では、図５のように、対面にヒートシンク１１の取付面を有し、かつそれぞれの取付面に電力用パワーモジュール１００を固着層１２によって搭載した形態を構成している。
このように電力用パワーモジュール１００をヒートシンク１１の両取付面に固着した場合、電力用パワーモジュール１００の線膨張係数とヒートシンク１１の線膨張係数の差による熱応力が、高まるという問題がある。
すなわち、ヒートシンク１１の片面に電力用パワーモジュール１００を固着した場合は、ヒートシンク１１が反ることで熱応力が開放され、結果電力用パワーモジュール１００に生じる熱応力は相対的に小さくなる。
これに対してヒートシンク１１の両面に、電力用パワーモジュール１００を搭載した場合、バランスが取れた結果反ることができず、電力用パワーモジュール１００に与えられる熱応力が増大してしまうという問題がある。
【００３７】
この時に、電力用パワーモジュール１００に内蔵されるヒートスプレッダ２とモールド樹脂１０間の熱応力も更に増大するという問題があり、より長い寿命を保証したいという意図を実現できなかった。
例えば、ヒートスプレッダ２とモールド樹脂１０間の剥離が生じると、その剥離の先端は応力特異場であるため、容易に剥離が進展し、電力用半導体素子１の周辺に剥離が達した場合、剥離は電力用半導体素子１の内部に移動して、電力用半導体素子１を破壊してしまうという不具合が生じるため、ヒートスプレッダ２とモールド樹脂１０の剥離進展の抑制は非常に重要であった。例えば、ハンダ付けを固着に用いた場合、両面に電力用パワーモジュール１００を搭載した場合、片面の場合の１／３程度の寿命になっていた。
【００３８】
この実施の形態３における電力用半導体装置は、上記の点に対処するため、ヒートスプレッダ部分を覆う保護樹脂部４に、複数の凹状部４ａを設けている。
そして、電力用半導体素子１、端子５ａ、５ａ、７、及び保護樹脂部４を、モールド樹脂１０で封止する時、複数の凹状部４ａにモールド樹脂１０が充填されるようにしたものである。
例えば、保護樹脂部４の厚みを２００μｍとすると、直径３００μｍ、深さ１５０μｍから２００μｍ程度の凹みを多数付与する。
この凹状部４ａを、ヒートスプレッダ２の主面（電力用半導体素子１が固着されていないヒートスプレッダ２の上面）に多数分布させることで、剥離を確実に防止することができる。
例えば８００μｍピッチで縦横に配置することで耐ヒートサイクル性を３倍以上拡大することができた。
【００３９】
又、絶縁樹脂による保護膜（保護樹脂部４）は、ヒートスプレッダ表面との接着が維持されないと作用を失うことになる。このため、電力用半導体素子１が固着されていないヒートスプレッダ部分に、保護樹脂を入り込ませる複数の凹部（図示せず）を設け、この凹部により保護樹脂が抜け出ないようにして保護樹脂がヒートスプレッダ部分から剥離するのを防止している。
すなわち、優先的な保護膜の変形と、外形としての角度変化が大きいことによる応力集中抑制などによる熱応力の低減は、保護膜が剥がれると失われてしまう。このことの防止のためには、保護膜（保護樹脂部４）のヒートスプレッダ表面への接着性の向上が有効である。この獲得のためには、例えばプライマ処理、ＵＶ処理などによる接着力の向上によっても得られるが、そのほかの手法として、上記のように電力用半導体素子１が固着されていないヒートスプレッダ部分に、保護樹脂を入り込ませる複数の凹部（図示せず）を設け、この凹部にアンカー効果をもたせることで実現できる。
【００４０】
アンカー効果とは、錨が海底に食い込むことで船の移動を阻止するように、物理的に引き剥がすことを防止する効果のことで、例えば蛸壺のような形状の凹部を多数ヒートスプレッダ表面に形成し、かつその凹部に保護膜（保護樹脂部４）を入り込ませることで実現できる。この時、単に凹み形状であれば、水平方向へのアンカー効果は得られるが、垂直方向には劇的な効果は得られない。好ましくは、凹部は、深くなるほど断面積が大きくなるような、庇のある形状にすることで、垂直方向へのアンカー効果を獲得できる。そのような蛸壺形状に類するような庇のある凹部は、例えば円筒形の突起をヒートスプレッダ表面に加圧して凹みを設けた後、より直径の大きい円筒形の突起で更に加圧することで形成できる。
【００４１】
庇が凹みの全周にある必要はないため、同じ形状の突起を半分ずらして加圧してもよい。又例えば四角柱の突起で加圧して凹みを設けた後、同じ中心をもち４５度角度が回転した突起で更に凹み部を形成することで、複数の庇が生じる形状も容易に実現可能である。加圧に用いる金型の加工のためには、このような方形の突起を縦横に配列して凹み部を形成した窪み部を複数設けることが産業的に低コストとなった。すなわち金型に溝を縦横に形成することで、縦横に方形の突起を複数形成することが比較的容易であり好ましかった。
【００４２】
実施の形態４．
図６は、この発明の実施の形態４における電力用パワーモジュールを示す断面図で、図７は、この電力用パワーモジュールによって構成した電力用半導体装置の断面図である。
この実施の形態４の例では、主端子５ａが電力用半導体素子１に覆いかぶさる位置に配置されており、固着導体３ａによって電力用半導体素子１と接続されている。
例えば、ハンダによって電力用半導体素子１を接続する場合において、まずヒートスプレッダ２に固着導体３で電力用半導体素子１を固着する工程、保護樹脂部４を付与する工程、主端子５ａと重ね合わせ、固着導体３ａによって主端子５ａと電力用半導体素子１を固着する工程を備えるが、この時、固着導体３ａに、ハンダを用いた場合の問題点として、電力用半導体素子１が、ヒートスプレッダ２に固着された状態で、ハンダの融点にまで加熱されるという問題点が生じる。
ハンダの融点は、モールド樹脂１０の融点より大きく設定することが、モールド時に電力用半導体素子１が動いたり破壊しないために必要である。
【００４３】
例えば、固着導体３ａが軟化状態にある時に、モールド樹脂１０による成形圧力が与えられると、通常の成形圧力は、１００気圧程度であるため電力用半導体素子１は破壊されてしまう。
この防止には、モールド樹脂１０よりも高い融点を持つハンダを用いることが必要である。そのため、この例のような電力用半導体素子１の両面に固着導体３、３ａによる接続を適用する場合、電力用半導体素子１がヒートスプレッダ２に固着された状態で、ハンダの融点にまで加熱されることになり、先に述べた例に対して、更に高い温度にまでさらされることになる。
このように内部に二層以上のハンダ層を有する場合、電力用半導体素子１に生じる熱応力は大きくなるため、層状の保護樹脂部４による保護作用は更に有効に作用する。
図７に、電力用半導体装置２００として構成した例を示しているが、このような場合においても剥離防止効果も有効に作用することは言うまでもない。
【符号の説明】
【００４４】
１  電力用半導体素子
２  ヒートスプレッダ（金属ブロック）
３、３ａ  固着導体
４  保護樹脂部
５ａ、５ｂ  主端子
６  アルミニウムワイヤ
７  制御端子
８絶縁樹脂層
９  保護層
１０  モールド樹脂
１１  ヒートシンク
１２  固着層
１００  電力用パワーモジュール
２００  電力用半導体装置。
【図１】
2012164697.tif 000003
【図２】
2012164697.tif 000004
【図３】
2012164697.tif 000005
【図４】
2012164697.tif 000006
【図５】
2012164697.tif 000007
【図６】
2012164697.tif 000008
【図７】
2012164697.tif 000009