(57)【要約】【課題】優れた放熱性能を有し、製造コストの低いヒートシンク一体型の電力変換用パワー半導体モジュールを提供する。【解決手段】組立ての完了した半導体装置の金属ベース板と、ヒートシンクとの間に、はんだ板と熱源となる反応性金属箔を挿入して加圧し、反応性金属箔に電流を通電して発火させてはんだ板を溶融させ、室温下で瞬時に金属ベース板とヒートシンクを接合する。【選択図】図１
2013016525.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒートシンクと、反応性金属箔を熱源として溶融、凝固したはんだ又はめっきによりヒートシンクの一の主面に接合された、半導体チップを含む部材と、を備えることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載されたパワー半導体モジュールにおいて、前記部材は、金属ベース板と、金属ベース板の一の主面に接合された絶縁基板と、絶縁基板の一の主面に固定された前記半導体チップと、を備え、
前記金属ベース板の他の主面に前記ヒートシンクが接合されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項３】
請求項１に記載されたパワー半導体モジュールにおいて、前記部材は、絶縁基板と、絶縁基板の一の主面に固定された前記半導体チップと、を備え、
前記絶縁基板の他の主面に前記ヒートシンクが接合されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項４】
請求項１に記載されたパワー半導体モジュールにおいて、前記反応性金属箔は、ニッケルとアルミニウムがスパッタ蒸着によって交互に積層されたものであることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項５】
請求項４に記載されたパワー半導体モジュールにおいて、前記反応性金属箔の厚さは、０．０５ｍｍ以上０．１ｍｍ以下であることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項６】
請求項２または３に記載されたパワー半導体モジュールにおいて、前記絶縁基板は絶縁板と、絶縁板の両面に接合された金属板とからなり、前記絶縁板の厚さは、０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項７】
請求項６に記載されたパワー半導体モジュールにおいて、前記絶縁板はアルミナ、ジルコニアが添加されたアルミナ、窒化珪素または窒化アルミニウムであることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項８】
請求項７に記載されたパワー半導体モジュールにおいて、前記金属板は銅、銅合金、アルミニウムまたはアルミニウム合金であることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項９】
請求項１に記載されたパワー半導体モジュールにおいて、前記ヒートシンクは銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、銅−モリブデンまたはアルミニウム−炭化珪素であることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項１０】
請求項９に記載されたパワー半導体モジュールにおいて、前記ヒートシンクの表面はニッケルめっき、金めっき又はスズめっきが施されることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項１１】
請求項２に記載されたパワー半導体モジュールにおいて、前記金属ベース板は銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、銅・モリブデン、鉄または鉄合金であることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項１２】
請求項１１に記載されたパワー半導体モジュールにおいて、前記金属ベース板の表面はニッケルめっき、金めっき又はスズめっきが施されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項１３】
請求項２に記載されたパワー半導体モジュールにおいて、前記半導体チップと絶縁基板の間、および絶縁基板と金属ベース板の間が、夫々はんだにより接合されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項１４】
請求項３に記載されたパワー半導体モジュールにおいて、前記半導体チップと絶縁基板の間がはんだにより接合されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項１５】
請求項１３または１４に記載されたパワー半導体モジュールにおいて、前記はんだが反応性金属箔を熱源として溶融、凝固したものであることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項１６】
請求項１３または１４に記載されたパワー半導体モジュールにおいて、前記はんだの主成分はスズ（Ｓｎ）−鉛（Ｐｂ）合金、スズ（Ｓｎ）−銀（Ａｇ）合金、スズ（Ｓｎ）−ビスマス（Ｂｉ）合金、スズ（Ｓｎ）−アンチモン（Ｓｂ）合金、スズ（Ｓｎ）−銅（Ｃｕ）合金またはスズ（Ｓｎ）−インジウム（ｌｎ）合金であることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項１７】
絶縁基板の一の主面に半導体チップを固定する工程１と、前記半導体チップにワイヤもしくはリードフレームを接合する工程２と、これらの工程の後、反応性金属箔を熱源としてはんだ又はめっきを溶融、凝固させ、前記絶縁基板の他の主面側にヒートシンクを接合する工程３と、を備えることを特徴とするパワー半導体モジュールの製造方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載されたパワー半導体モジュールの製造方法において、前記工程１において、絶縁基板の他の主面に金属ベース板を接合し、前記工程３において、金属ベース板に前記ヒートシンクを接合することを特徴とするパワー半導体モジュールの製造方法。
【請求項１９】
請求項１７に記載されたパワー半導体モジュールの製造方法において、前記工程３において、前記絶縁基板にヒートシンクを接合することを特徴とするパワー半導体モジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気自動車、電鉄、工作機械などにおいて大電流を制御するためのパワー半導体モジュールに関し、特にヒートシンクと一体化したパワー半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１０は、一般的なパワー半導体モジュールを示す要部断面模式図である。ここでパワー半導体モジュール５は金属ベース板５０を備え、金属ベース板５０上にははんだ３３で絶縁基板６０が接合されている。絶縁基板６０は絶縁板６１の両面に金属板６２，６３が接合されており、回路パターンとしての金属板６２には半導体チップ４０がはんだ３４で接合されている。半導体チップ４０と金属板６２はボンディングワイヤ８１で接続されている。また、金属ベース板５０の周縁には、半導体チップ４０等を囲むように、外部導出端子８２がインサート成型された樹脂ケース７０が装着され、樹脂ケース７０内側にはシリコーンゲル７１およびエポキシ樹脂７２が充填され、その上方には蓋７３が固定されている。
【０００３】
このようなパワー半導体モジュール５は、ユーザー側で用意されるヒートシンク２０に放熱グリース９０を介してネジなどにより固定され、使用されている。放熱グリース９０は、パワー半導体モジュール５とヒートシンク２０との間に生じる隙間を埋めることにより、空気層による熱伝導の妨げを抑制して半導体チップ４０で発生した熱をヒートシンク２０に伝えている（例えば、特許文献１の図７参照）。
【０００４】
この放熱グリース９０に接しているのは、パワー半導体モジュール５の金属ベース板５０と前述のヒートシンク２０である。一般的に金属ベース板５０は銅、ヒートシンク２０はアルミニウムでできており、銅とアルミニウムの熱伝導率はそれぞれ約３９０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、約２２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。これに対して、放熱グリース９０の熱伝導率は約１．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。このため放熱グリース９０の部分が大きな熱抵抗となる。
【０００５】
昨今、省エネやクリーンエネルギーが注目されており、風力発電や電気自動車が市場の牽引役となりつつある。これらの用途に使用されるパワー半導体モジュール５では大電流を制御し、半導体チップ４０が高温となるため、半導体チップ４０で発生した熱を効率良くヒートシンクに伝え、系外に放熱する必要がある。そのため、特に電気自動車用途においては、冷却方式として水冷却が採用されており、熱抵抗となる放熱グリース９０を省くため、ヒートシンク２０上に絶縁基板６０をはんだなどにより直接接合する構造がとられつつある（例えば、特許文献１の図１参照）。
【０００６】
絶縁基板６０とヒートシンク２０とを接合する方法としては、はんだによる接合が一般的である。この場合、はんだ付けに際して、熱容量の大きいヒートシンク２０をはんだの溶融温度以上（２５０〜３５０℃程度）に加熱する必要があるため、はんだ付け時間が長くなり生産効率の低下が生じる。また、フラックスを用いてはんだ付けする場合は、その洗浄が必要となるが、体積の大きいヒートシンク２０を洗浄すると作業効率が低下する。
【０００７】
さらに、はんだ付け後にワイヤボンディングによりモジュール内の回路配線を実施する場合、ヒートシンク２０が付いた状態でワイヤボンディングすることになり、超音波の伝わりが不完全になり、ワイヤ接合不良やシリコンチップへのダメージを引き起こすことが懸念される。
【０００８】
このように、パワー半導体モジュールの製造において、工程の初期段階で絶縁基板とヒートシンクを接合し、続く工程でこのヒートシンクと一体となった構造体を加工すると、良品率の低下と組立コストの増大を引き起こし問題となる。
【０００９】
また、特許文献２には、反応性多層フォイルを使用して半導体デバイスをプリント基板等に接合する方法が開示されている（２２頁３〜８行参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平９−２７５１７０号公報
【特許文献２】国際公開第０１／８３１８２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、このような事情を鑑みなされたもので、放熱グリースを使わず金属ベース板とヒートシンクが熱的に接合され、優れた放熱性能を備え、製造コストの低い、ヒートシンク一体型の電力変換用パワー半導体モジュールおよびその製造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するため、請求項１のパワー半導体モジュールは、ヒートシンクと、反応性金属箔を熱源として溶融、凝固したはんだ又はめっきによりヒートシンクの一の主面に接合された、半導体チップを含む部材と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
したがって、半導体チップを含む部材とヒートシンクは、反応性金属箔の発する熱により瞬時に溶融、凝固したはんだ又はめっきにより接合されている。
また、請求項２の発明は、請求項１に記載されたパワー半導体モジュールにおいて、前記部材が、金属ベース板と、金属ベース板の一の主面に接合された絶縁基板と、絶縁基板の一の主面に固定された前記半導体チップと、を備え、前記金属ベース板の他の主面に前記ヒートシンクが接合されていることを特徴とする。
【００１４】
したがって、ヒートシンクは、反応性金属箔の発する熱により瞬時に溶融、凝固したはんだ又はめっきにより、半導体チップを含む部材の金属ベース板と接合されている。
また、請求項３の発明は、請求項１に記載されたパワー半導体モジュールにおいて、前記部材が、絶縁基板と、絶縁基板の一の主面に固定された前記半導体チップと、を備え、前記絶縁基板の他の主面に前記ヒートシンクが接合されていることを特徴とする。
【００１５】
したがって、ヒートシンクは、反応性金属箔の発する熱により瞬時に溶融、凝固したはんだ又はめっきにより、半導体チップを含む部材の絶縁基板と接合されている。
また、請求項４の発明は、請求項１に記載されたパワー半導体モジュールにおいて、前記反応性金属箔が、ニッケルとアルミニウムがスパッタ蒸着によって交互に積層されたものであることを特徴とする。
【００１６】
したがって、ニッケルとアルミニウムを交互に積層された反応性金属箔は、はんだ又はめっきを溶融する熱源として作用している。
また、請求項５の発明は、請求項４に記載されたパワー半導体モジュールにおいて、前記反応性金属箔の厚さが、０．０５ｍｍ以上０．１ｍｍ以下であることを特徴とする。
【００１７】
厚さが０．０５ｍｍ以上０．１ｍｍ以下である反応性金属箔は、はんだ又はめっきを溶融する熱源として作用し、半導体チップを含む部材とヒートシンクの接合を形成している。
【００１８】
さらに、請求項１７のパワー半導体モジュールの製造方法は、絶縁基板の一の主面に半導体チップを固定する工程１と、前記半導体チップにワイヤもしくはリードフレームを接合する工程２と、これらの工程の後、反応性金属箔を熱源としてはんだ又はめっきを溶融、凝固させ、前記絶縁基板の他の主面側にヒートシンクを接合する工程３と、を備えることを特徴とする。
【００１９】
したがって、反応性金属箔を熱源として用いることにより、工程１，２が終了した後、工程３において絶縁基板の他の主面側にヒートシンクを接合することができる。
また、請求項１８の発明は、請求項１７に記載されたパワー半導体モジュールの製造方法において、前記工程１において、絶縁基板の他の主面に金属ベース板を接合し、前記工程３において、金属ベース板に前記ヒートシンクを接合することを特徴とする。
【００２０】
したがって、工程１において用意された金属ベース板は、反応性金属箔を熱源として溶融するはんだ又はめっきにより、工程３においてヒートシンクと接合する。
また、請求項１９の発明は、請求項１７に記載されたパワー半導体モジュールの製造方法において、前記工程３において、前記絶縁基板にヒートシンクを接合することを特徴とする。
【００２１】
したがって、工程１において用意された絶縁基板は、反応性金属箔を熱源として溶融するはんだ又はめっきにより、工程３においてヒートシンクと接合する。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、半導体チップを含む部材とヒートシンクとの接合に、それ自体が熱源（イグナイタ）となる反応性金属箔を用いたことにより、両者を外部から加熱等することなく、室温で瞬時に接合することができる。また、グリース等の代わりに、反応性金属箔を熱源として溶融、凝固したはんだ又はめっきにより両者を接合するので、両者間の熱抵抗を小さくできる。このため、効率的に、放熱性に優れたヒートシンク一体型パワー半導体モジュールを提供することができる。さらに、反応性金属箔を用いることにより、複数の半導体チップを含む部材を電気特性試験によって選別した後、良品のみをヒートシンクと接合することも可能となる。このため、良品率が高く、放熱性に優れたヒートシンク一体型パワー半導体モジュールを提供することができる。
【００２３】
また、本発明によれば、半導体チップを含む部材を組み立てる工程の後、この工程とは別に、それ自体が熱源となる反応性金属箔を用いて半導体チップを含む部材とヒートシンクを接合する工程を設けるので、接合のためにヒートシンク全体を外部から加熱する必要がなく、製造工程の簡素化、効率化を実現できる。また、グリース等を用いないので、放熱性に優れたヒートシンク一体型パワー半導体モジュールの製造方法を提供することができる。さらに、半導体装置の電気特性を試験する工程の後、反応性金属箔を用いて接合する工程を実施することにより、良品率が高いヒートシンク一体型パワー半導体モジュールの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】第１の実施の形態に係るパワー半導体モジュールを示す要部断面模式図である。
【図２】第１の実施の形態に係るパワー半導体モジュールの製造方法を表すフローチャートである。
【図３】第２の実施の形態に係るパワー半導体モジュールを示す要部断面模式図である。
【図４】第３の実施の形態に係るパワー半導体モジュールを示す要部断面模式図である。
【図５】第４の実施の形態に係るパワー半導体モジュールを示す要部断面模式図である。
【図６】絶縁基板および金属ベース板が反った状態を示す要部断面模式図である。
【図７】絶縁基板の厚さと金属ベース板−ヒートシンク間の隙間量との関係を示す特性図である。
【図８】金属ベース板−ヒートシンク間の隙間量とはんだ厚さとの関係を示す特性図である。
【図９】フィン熱伝導率と熱抵抗との関係を示す特性図である。
【図１０】従来のパワー半導体モジュールを示す要部断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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、以下の図面において、同じ機能を有する部材には同一の符号を付した。
本発明を実施するための最良の形態は、電気特性試験を終了した半導体装置とヒートシンクとの間に反応性金属箔とはんだ板を重ねて挿入し、反応性金属箔を熱源として発火させることによりはんだ板を溶融、凝固させ、室温で瞬時に接合させることである。
（第１の実施の形態）
図１は第１の実施の形態に係るパワー半導体モジュールを示す要部断面模式図、図２は第１の実施の形態に係るパワー半導体モジュールの製造方法を表すフローチャートである。
【００２６】
本実施の形態に係るヒートシンク一体型パワー半導体モジュール１は、主に半導体チップ４０を含む部材、すなわち半導体装置１０と、ヒートシンク２０とからなる。半導体装置１０はヒートシンク２０の一方の主面に反応性金属箔３０を熱源として溶融したはんだ３１，３２により接合されている。半導体チップ４０を含む部材は、金属ベース板５０と、金属ベース板５０の一方の主面にはんだ３３により接合された絶縁基板６０とを備え、さらに、絶縁基板６０の一方の主面にはんだ３４により固定された半導体チップ４０を備えている。
【００２７】
さらに、パワー半導体モジュール１は、半導体チップ４０および金属板（回路パターン）６２に電気的に接続されたワイヤ８１、外部導出端子８２を備え、加えて、半導体チップ４０等を包囲し、金属ベース板５０の周縁に固定された樹脂ケース７０、樹脂ケース７０内に充填されたシリコーンゲル７１、シリコーンゲル７１の上部に注入されたエポキシ樹脂７２および蓋７３を備える。
【００２８】
ここで、半導体チップ４０は、例えば、大電力の高速スイッチングが可能なパワー半導体素子であるＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ：Insulated Gate Bipolar Transistor）チップ、ＩＧＢＴチップのオフ動作時に発生する誘起電流を環流させるＦＷＤ（フリーホイーリングダイオード：Free Wheeling Diode）チップなどである。
【００２９】
絶縁基板６０は、セラミック製の絶縁板６１の両面に金属板６２，６３を接合して構成される。例えば、ＤＣＢ（Direct Copper Bonding）基板である。絶縁板６１の一方の主面に形成された金属板６２には、回路パターン加工が施されている。絶縁基板６０の厚さは０．６ｍｍ以上２．０ｍｍ以下である。絶縁板６１の材質は、各種セラミックス、好ましくは、アルミナ、ジルコニアが添加されたアルミナ、窒化珪素または窒化アルミニウムである。また、その厚さは０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であり、好ましくは０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ以下である。金属板６２，６３は、銅、銅合金、アルミニウムまたはアルミニウム合金である。
【００３０】
金属ベース板５０は、銅、銅合金、純アルミニウム、アルミニウム合金、銅・モリブデン、純鉄または鉄合金からなり、さらに、好ましくはその表面にニッケルめっき、金めっきまたはスズめっきが施されている。
【００３１】
ヒートシンク２０は、例えば銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、銅−モリブデン、アルミニウム−炭化珪素のいずれかからなり、さらに、その表面にニッケルめっき、金めっきまたはスズめっきが施される。また、ヒートシンク２０は、図示しないフィンを備えていてもよい。フィンは板状、波状、カルゲート等いずれの形状でもよい。
【００３２】
はんだ３１，３２，３３，３４は、その主成分として、スズ（Ｓｎ）−鉛（Ｐｂ）合金、スズ（Ｓｎ）−銀（Ａｇ）合金、スズ（Ｓｎ）−ビスマス（Ｂｉ）合金、スズ（Ｓｎ）−アンチモン（Ｓｂ）合金、スズ（Ｓｎ）−銅（Ｃｕ）合金、スズ（Ｓｎ）−インジウム（ｌｎ）合金のいずれかを含み、さらに添加剤や不可避的な不純物を含むものである。半導体装置１０とヒートシンク２０を接合するはんだ３１，３２として、Ｓｎ−Ｓｂ合金が好ましく、その厚さは０．２ｍｍ以上０．５ｍｍ以下が好ましい。
【００３３】
反応性金属箔３０は、ニッケル層とアルミニウム層を真空蒸着やスパッタリング等の物理蒸着法により交互に積層したものであり、例えば、ＮａｎｏＦｏｉｌ（登録商標）の商品名でＲｅａｃｔｉｖｅ  ＮａｎｏＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社より入手できる。反応性金属箔３０の厚さは好ましくは０．０５ｍｍ以上０．１ｍｍ以下である。
【００３４】
反応性金属箔３０およびはんだ３１，３２を用いて接合すると、自己発火する反応性金属箔３０によりはんだ３１，３２が瞬時に溶融し、ヒートシンク２０とはんだ３１の界面、はんだ３２と金属ベース板５０の界面にそれぞれ金属接合が形成されると考えられる。この結果、ヒートシンク２０と金属ベース板５０は、はんだ３１、反応性金属箔３０、はんだ３２の３層構造で接合される。なお、熱源として作用した反応性金属箔３０は、例えばそれがニッケル膜とアルミニウム膜を積層したものである場合は、アルミニウム−ニッケル合金の層となる。
【００３５】
このようなパワー半導体モジュール１は、図２に示した工程を経て製造される。
すなわち、まず、金属ベース板５０の一方の主面に、絶縁板６１および金属板６２，６３からなる絶縁基板６０をはんだ３３により接合し、絶縁基板６０の一方の主面の金属板６２上に半導体チップ４０をはんだ３４で接合する（ステップＳ１）。
【００３６】
通常、これらのはんだ３３，３４による接合（固着）は同時に行われる。すなわち、金属ベース板５０の上面にはんだ３３、絶縁基板６０、はんだ３４および半導体チップ４０をこの順に重ねたものを用意し、これを窒素（Ｎ２）又は水素（Ｈ２）ガスで還元された雰囲気中で加熱する。はんだ３３，３４が溶融したら真空引きを行ってはんだ層中に残存する気泡を除去し、所定時間後、冷却してはんだ３３，３４を再凝固する。金属ベース板５０、絶縁基板６０および半導体チップ４０が接合される。
【００３７】
次に、外部導出端子８２がインサート成型またはアウトサート成型された樹脂ケース７０（外囲器）を接着剤を用いて金属ベース板５０の周縁に嵌合、固定する（ステップＳ２）。
【００３８】
続いて、半導体チップ４０上に形成された表面電極、例えばＩＧＢＴチップの場合はエミッタ電極を、金属板６２および外部導出端子８２にワイヤ８１またはリードフレームによって電気的に接続する。この他の電極、例えばＩＧＢＴチップの場合はコレクタ電極およびゲート電極を所定の回路を構成するように電気的に接続する。この後、樹脂ケース７０内にシリコーンゲル７１を充填し、その上部をエポキシ樹脂７２で封止して、蓋７３を固定する（ステップＳ３）。
【００３９】
このようにして半導体チップを含む部材、すなわち半導体装置１０が完成する。半導体装置１０の組み立てが終了したら、必要に応じ、その回路の電気的特性、動作特性試験をおこなう（ステップＳ４）。
【００４０】
最後に、ヒートシンク２０を用意し、このヒートシンク２０の一方の主面にはんだ３１、反応性金属箔３０、はんだ３２および半導体装置１０の金属ベース板５０の他方の主面を重ね、加圧する。この状態で反応性金属箔３０に電流を流し、刺激を与えて自己発火させ、はんだ３１，３２を溶融させる。このようにして絶縁基板６０の他方の主面側において、半導体装置１０の金属ベース板５０がヒートシンク２０に接合され、ヒートシンク一体型のパワー半導体モジュール１が完成する（ステップＳ５）。
（第２の実施の形態）
図３は第２の実施の形態に係るパワー半導体モジュールを示す要部断面模式図である。第２の実施の形態に係るパワー半導体モジュールは第１の実施の形態の変形例であり、共通するところが多いので、以下、共通部分については説明を省略し、異なる部分について説明する。なお、第１の実施の形態に示した要素と同じ要素には同じ符号を付している。
【００４１】
第１の実施の形態では、半導体装置１０とヒートシンク２０の接合に、反応性金属箔３０をはんだ３１，３２で挟んだものを用いた。これに対し本実施の形態においては、はんだ３１，３２に代えて、ヒートシンク２０と金属ベース板５０の対向する面に夫々施されためっき３５，３６を接合材として用いる。
【００４２】
めっき３５，３６としてスズを主成分とするめっきが好ましい。ニッケルめっき等の場合には、反応性金属箔３０の他に接合材としてはんだが必要であるが、スズめっきであれば、反応性金属箔３０の発火・発熱によりスズめっき自身が溶融し、接合材となるからである。めっき３５，３６の厚さは、スズめっきの場合、ヒートシンク２０と金属ベース板５０を接合できる程度にめっきがあれば良いが、０．００５ｍｍ以上０．０５ｍｍ以下が好ましい。
【００４３】
なお、めっき３５，３６ははんだ３１，３２に比べて薄く、また、金属ベース板が反る場合があることから、めっき３５，３６を用いて接合する場合、金属ベース板５０とヒートシンク２０間の隙間はできるかぎり小さい方が望ましい。したがって、上記のステップＳ４において半導体装置１０の組み立てが終了したら、ステップ５へ進む前に、金属ベース板５０に平坦加工を施すことが好ましい。さらに、金属ベース板５０とヒートシンク２０間の隙間を小さくするため、金属ベース板５０の平面寸法を７０ｍｍ×７０ｍｍ以下とすることが特に好ましい。
（第３の実施の形態）
図４は第３の実施の形態に係るパワー半導体モジュールを示す要部断面模式図である。第３の実施の形態に係るパワー半導体モジュールは第１の実施の形態の変形例であり、共通するところが多いので、以下、共通部分については説明を省略し、異なる部分について説明する。なお、第１の実施の形態に示した要素と同じ要素には同じ符号を付している。
【００４４】
第１の実施の形態では、半導体チップ４０を含む部材、すなわち半導体装置１０は、金属ベース板５０と、金属ベース板５０の一方の主面にはんだ３３により接合された絶縁基板６０とを備え、絶縁基板６０の一方の主面に半導体チップ４０がはんだ３４により固定されている。これに対し本実施の形態において、半導体装置１２は金属ベース板５０を省略している。半導体装置１２は、その絶縁基板６０の一方の主面に半導体チップ４０が接合され、他方の主面に反応性金属箔３０とはんだ３１，３２を介してヒートシンク２０が接合されている。
【００４５】
本実施の形態のパワー半導体モジュール１の製造方法では、第１の実施の形態のステップＳ１において金属ベース板５０と絶縁基板６０の接合を省略し（ステップＳ１’）、ステップＳ２において樹脂ケース７０を接着剤を用いて絶縁基板６０の周縁に嵌合、固定し（ステップＳ２’）、ステップＳ５においてヒートシンク２０の一方の主面にはんだ３１、反応性金属箔３０、はんだ３２および半導体装置１２の絶縁基板６０の他の主面を重ね、押圧する（ステップＳ５’）。
【００４６】
金属ベース板５０およびはんだ３３を省略した構成により、半導体チップ４０とヒートシンク２０の間の熱抵抗を低減できる。また、金属ベース板５０を使わないことにより、金属ベース板５０および絶縁基板６０を接合した際に生じる反りを回避することができる。反応性金属箔３０を用いて絶縁基板６０とヒートシンク２０を接合することにより、両者間にグリースを挟みネジ止めして固定する場合に比べ、絶縁基板６０のクラック、割れを防止することができる。
【００４７】
なお、本実施の形態において、はんだ３１，３２の代わりに、第２の実施の形態と同様に、絶縁基板６０の金属板６３、およびヒートシンク２０にスズめっきを施し、これを接合材として半導体装置１２とヒートシンク２０を接合してもよい。上述のように絶縁基板６０の底面が平坦であるので、平坦加工を施すことなく両者を接合できる。
（第４の実施の形態）
図５は第４の実施の形態に係るパワー半導体モジュールを示す要部断面模式図である。第４の実施の形態に係るパワー半導体モジュールは第３の実施の形態の変形例であり、共通するところが多いので、以下、共通部分については説明を省略し、異なる部分について説明する。なお、第３の実施の形態に示した要素と同じ要素には同じ符号を付している。
【００４８】
第３の実施の形態では、半導体チップ４０を含む部材、すなわち半導体装置１２において、絶縁基板６０と半導体チップ４０がはんだに３４より固定されている。これに対し本実施の形態において、絶縁基板６０と半導体チップ４０は、反応性金属箔３０およびはんだ３１，３２により接合されている。
【００４９】
本実施の形態のパワー半導体モジュール４の製造方法では、第１の実施の形態におけるステップＳ１のリフロー工程に代えて、絶縁基板６０の一方の主面にはんだ３１、反応性金属箔３０、はんだ３２および半導体チップ４０を重ね、押圧し、この状態で反応性金属箔３０に刺激を与えて自己発火させ、はんだ３１，３２を溶融させ、絶縁基板６０と半導体チップ４０を接合する（ステップＳ１”）。
【００５０】
絶縁基板６０と半導体チップ４０を反応性金属箔３０を用いて接合することにより、パワー半導体モジュール４の製造方法においてリフロー工程を省略することができる。
【実施例１】
【００５１】
以下、実施例により本発明をさらに説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
本発明における、ヒートシンク２０と金属ベース板５０を接合するはんだ３１，３２の厚さの好適範囲を調査した。金属ベース板５０の表面にニッケルめっきが施された半導体装置１０と、金属ベース板５０との接合面にニッケルめっきが施されたヒートシンク２０を用意した。金属ベース板５０とヒートシンク２０の間に、厚さ０．０５ｍｍで、ニッケルとアルミニウムを交互に積層した反応性金属箔３０と、はんだ３１，３２として厚さを０．１ｍｍから０．７ｍｍまで変化させたＳｎ−Ｓｂはんだ板とを各々挿入し、上下から加圧した。この状態で反応性金属箔３０に電流を流し、発火させ、接合した後、はんだのボイド状態（接合性）とはみ出しの有無について調べた。表１に、はんだの厚さと接合性およびはみ出しの関係を示す。
【００５２】
【表１】
2013016525.tif 000003
【００５３】
その結果、はんだ板厚が０．２ｍｍより薄いとはんだが金属ベース板とヒートシンクの隙間を埋めることができず、隙間が残ってしまい、一方、はんだ板が０．５ｍｍより厚いと加圧によるはんだのはみ出しが多くなってしまうことが分かった。したがって、ニッケルめっき処理した金属ベース板とヒートシンクの接合において、はんだ板の厚さは０．２ｍｍ以上０．５ｍｍ以下が望ましい。なお、接合の前後でＳｎ−Ｓｂはんだ板の厚さとはんだ３１，３２の厚さにほとんど変化はなかった。
【００５４】
また、ニッケルめっきの替わりに金めっき、または金蒸着を用いてもよい。
【実施例２】
【００５５】
図６は、絶縁基板および金属ベース板が反った状態を示す要部断面模式図である。金属ベース板５０とセラミックス絶縁基板６０は熱膨張率が異なる。このため両者をはんだにより接合すると、金属ベース板５０は熱膨張率の差により上に凸の状態に反る。したがって、この金属ベース板５０をヒートシンク２０の上に置いた場合に両者の間には隙間（金属ベース板隙間量ｔ）が存在することになり、接合に際してはこの隙間を埋めるのに十分な厚さのはんだが必要となる。
【００５６】
金属ベース板５０の反り（ｔ）は、上面にはんだ付けされるセラミックス絶縁板６１の厚さにも影響される。パワー半導体モジュール１の性能を考慮すると、絶縁板６１の最適な厚さは０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ以下であるので、この範囲で絶縁板６１の厚さと金属ベース板隙間量ｔとの関係を調べた。この結果を図７に示す。この図から明らかなように絶縁板６１の厚さにほぼ比例して金属ベース板５０の反り（ｔ）は大きくなる。
【００５７】
次に、反応性金属箔３０およびはんだ３１，３２として実施例１と同じものを用い、金属ベース板隙間量ｔと接合に必要なはんだの厚さを調べた。この結果を図８に示す。この図から、絶縁板６１の厚さが０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ以下である場合、金属ベース板５０とヒートシンク２０を接合するのに必要なはんだの厚さは、約０．２ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であることが読み取れる。これは実施例１の結果と一致している。
【実施例３】
【００５８】
第２の実施の形態で説明したパワー半導体モジュール２における熱抵抗を調査した。
ヒートシンク２０と金属ベース板５０の夫々の接合面にスズめっき３３，３４が施されている。実施例１のニッケルめっき同士の接合では、反応性金属箔３０の他に接合材としてはんだ３１，３２が必要であるが、本実施例のようにスズめっき３５，３６を施すと、反応性金属箔３０のみで接合できる。反応性金属箔３０の発火・発熱によりスズめっき自身が溶融し、接合材として働くものである。スズめっきの厚さは０．０５ｍｍ以下とした。また、反応性金属箔３０の厚さは０．０６ｍｍとした。
【００５９】
図９は、本実施例のヒートシンク一体型パワー半導体モジュールと、金属ベース板とヒートシンクとの間に放熱グリスを介してネジ締め付けした従来構造のパワー半導体モジュールと、について放熱性を評価した結果である。横軸はヒートシンクの熱伝導率（Ｗ／（ｍ・Ｋ））、縦軸はジャンクション−冷媒問の熱抵抗Ｒｔｈ（ｊ−ｗ）（Ｋ／Ｗ）である。ヒートシンクの熱伝導率として、その材料となるアルミニウム合金の種類を変え、４条件を取った。
【００６０】
これによると、熱伝導率が１３８Ｗ／（ｍ・Ｋ）のヒートシンクを用いた場合、従来構造での熱抵抗は約０．４３５Ｋ／Ｗであるのに対し（同図中「基準」を参照）、本実施例の構造では約０．４２２Ｋ／Ｗで、約３％の低減である。さらに、熱伝導率を２０９Ｗ／（ｍ・Ｋ）とした場合、本実施例の構造での熱抵抗は約０．３５５Ｋ／Ｗであり、従来構造（基準）に対し約２０％低減でき、放熱性に優れることが明らかである。このように絶縁基板とヒートシンクを、金属ベース板と放熱グリスを介さず、直接金属材料で接合することにより放熱性を大きく向上することができる。
【００６１】
なお、図９ではヒートシンクの熱伝導率が１３８Ｗ／（ｍ・Ｋ）より小さくなると従来構造の方が熱抵抗が小さくなっている。これは本実施例の構造では金属ベース板がなく、熱抵抗におけるヒートシンクの熱伝導の寄与が大きいためと考えられる。したがって、本発明においてはヒートシンクの熱伝導率は１３８Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが好ましい。なお、この結果ははんだと反応性金属を用いて接合する場合も同様である。
【符号の説明】
【００６２】
１    パワー半導体モジュール
１０    半導体チップを含む部材（半導体装置）
２０    ヒートシンク
３０    反応性金属箔
３１，３２，３３，３４    はんだ
４０    半導体チップ
５０    金属ベース板
６０    絶縁基板
６１    絶縁板
６２，６３    金属板
７０    樹脂ケース
７１    シリコーンゲル
７２    エポキシ樹脂
７３    蓋
８１    ワイヤ
８２    外部導出端子
【図１】
2013016525.tif 000004
【図２】
2013016525.tif 000005
【図３】
2013016525.tif 000006
【図４】
2013016525.tif 000007
【図５】
2013016525.tif 000008
【図６】
2013016525.tif 000009
【図７】
2013016525.tif 000010
【図８】
2013016525.tif 000011
【図９】
2013016525.tif 000012
【図１０】
2013016525.tif 000013