(57)【要約】【課題】本明細書は、製造コストを抑制することのできる半導体装置の製造方法を開示する。【解決手段】第１工程は、絶縁板と放熱板と冷却プレートとフィン１４を同時に接合し、冷却部材を形成する。第２工程は、半導体チップの両面の夫々に放熱板が対向するように一対の冷却部材で半導体チップを挟み込んでそれらを接合する。第３工程は、一対の冷却部材の間で半導体チップを封止する樹脂筐体１０を形成する。樹脂筐体１０は、一対の冷却部材の夫々のフィン１４を囲む周壁１２ａを備えているとともに、周壁の内側に貫通孔１２ｃ、１２ｄを備えている。第４工程は、複数の樹脂筐体１０を積層方向に積層する工程である。第４工程では、隣接する樹脂筐体１０の夫々から露出するフィン１４同士が対向するとともに夫々の周壁１２ａの上面同士がガスケット１８を挟んで密着するように複数の樹脂筐体１０を積層する。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁板の一方の面に放熱板を接合し他方の面に冷却プレートを接合すると同時に前記冷却プレートの前記絶縁板とは反対側の面にフィンを接合して冷却部材を形成する第１工程と、
半導体チップの両面の夫々に前記放熱板が対向するように一対の前記冷却部材で前記半導体チップを挟み込んで一対の前記冷却部材と前記半導体チップを接合する第２工程と、
一対の前記冷却部材の間で前記半導体チップを封止する樹脂筐体を形成する工程であって、一対の前記冷却部材の夫々の前記フィンを囲む周壁を備えているとともに、当該周壁の内側に、一対の前記冷却部材の積層方向に当該樹脂筐体を貫通する貫通孔を備えている樹脂筐体を形成する第３工程と、
複数の前記樹脂筐体を前記積層方向に積層する工程であって、隣接する前記樹脂筐体の夫々から露出するフィン同士が対向するとともに夫々の前記周壁の上面同士がガスケットを挟んで密着するように複数の前記樹脂筐体を積層する第４工程と、
を備えている、半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書は、半導体装置の製造方法を開示する。
【背景技術】
【０００２】
半導体チップを樹脂で封止した複数のモジュールと複数の冷却器を積層した半導体装置が知られている（例えば特許文献１）。複数のモジュールと複数の冷却器は、一つずつ交互に積層されている。モジュールの表面には放熱板が露出している。放熱板のモジュールに埋設している面はモジュールの内部で半導体チップと熱的に接続している。放熱板は絶縁板を挟んで冷却器と熱的に接している。放熱板と絶縁板を介して半導体チップの熱が冷却器に吸収される。
【０００３】
モジュールの両側の冷却器は２か所にて連結パイプで接続されている。複数のモジュールと複数の冷却器の積層体の端の冷却器には冷媒供給管と冷媒排出管が接続されており、夫々が連結パイプと連通している。一方の連結パイプを通じて冷媒が冷却器に供給される。冷却器に供給された冷媒は隣接するモジュールを冷却する。モジュールから熱を吸収した冷媒は他方の連結パイプを通じて冷却器から排出される。冷却器は、周壁を有する２枚の側板が周壁の上面（頭頂面）を対向させ、間にガスケットを挟んで接合される構造を有している。また冷却性能を高めるため、冷却器の絶縁板と接している側板の内側には多数のフィンが設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１５２８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記した半導体装置の製造には、様々な部材を接合する必要がある。モジュールは、まず半導体チップと放熱板が接合され、その後に半導体チップを封止するようにモジュールの本体（パッケージ）が形成される。冷却器の製造工程では、前述したように２枚の側板が接合される。最後に、各冷却器に連結パイプが接合されるとともに、複数の冷却器と複数のモジュールが積層され、接合される。このように従来は、多数の接合工程が必要であり、半導体装置の製造コストが嵩む一因となっていた。本明細書は、冷却器とモジュールを同時に製造できるようにして半導体装置の製造コストを抑制する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本明細書が開示する製造方法は、次の４工程を備えている。第１工程では、絶縁板の一方の面に放熱板を接合し他方の面に冷却プレートを接合すると同時に冷却プレートの絶縁板とは反対側の面にフィンを接合して冷却部材を形成する。第２工程では、半導体チップの両面の夫々に放熱板が対向するように一対の冷却部材で半導体チップを挟み込み、一対の冷却部材と半導体チップを接合する。第３工程は、一対の冷却部材の間で半導体チップを封止する樹脂筐体を形成する工程である。樹脂筐体は、一対の冷却部材の夫々のフィンを囲む周壁を備えているとともに、その周壁の内側に、一対の冷却部材の積層方向に樹脂筐体を貫通する貫通孔を備えている。第４工程は、複数の樹脂筐体を積層方向に積層する工程である。第４工程では、隣接する樹脂筐体の夫々から露出するフィン同士が対向するとともに夫々の周壁の上面同士がガスケットを挟んで密着するように複数の樹脂筐体を積層する。なお、上面同士がガスケットを挟んで密着した周壁で囲まれた空間が冷媒流路を形成する。周壁の内側に設けられた貫通孔が冷媒を供給／排出する連結パイプに対応する。
【０００７】
上記した製造方法は次の利点を有する。まず、第１工程では、絶縁板と放熱板と冷却プレートとフィンが同時に接合される。第３工程では、半導体チップを封止するモジュールのパッケージと冷却器が一体化した樹脂筐体が製造される。第４工程では、複数の樹脂筐体を積層すると同時に冷媒流路が形成される。このように本明細書が開示する製造方法は、いくつかの工程を同時進行できるようにしたので、半導体装置の製造コストを抑制することができる。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施例の半導体装置の斜視図である。
【図２】樹脂筐体の斜視図である。
【図３】半導体装置の製造工程（第１工程）を説明する図である。
【図４】半導体装置の製造工程（第２工程）を説明する図である。
【図５】半導体装置の製造工程（第３工程）を説明する図である。
【図６】半導体装置の製造工程（第４工程）を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図面を参照して実施例の半導体装置２を説明する。図１に、半導体装置２の斜視図を示す。半導体装置２は、不図示の複数のトランジスタチップを内蔵しており、例えば直流電力を３相交流電力に変換するインバータの主要部として用いられる。
【００１０】
半導体装置２は、複数の樹脂筐体１０が積層された構造を有している。樹脂筐体１０の内部構造の詳しい説明は後述する。ここでは樹脂筐体１０の概要を説明する。各樹脂筐体１０は、内部に２個のトランジスタチップを備えているとともに、図のＸ方向に延びる２個の貫通孔を備えている。複数の樹脂筐体１０の積層体の端は、前端カバー３１と後端カバー３２で塞がれている。前端カバー３１には冷媒供給口３３と冷媒排出口３４が設けられている。冷媒供給口３３は、半導体装置２の内部でＸ方向からみて一方の貫通孔と重なっており、冷媒排出口３４は、半導体装置２の内部でＸ方向からみて他方の貫通孔と重なっている。冷媒供給口３３から供給される冷媒は一方の貫通孔を通じて各樹脂筐体１０の内部を通過する。冷媒は樹脂筐体１０の内部を通過している間にトランジスタチップの熱を奪い、他方の貫通孔を通じ、冷媒排出口３４から排出される。
【００１１】
各樹脂筐体１０の外周から３個のパワー端子３ａ、３ｂ、３ｃが延びているとともに、複数の制御端子４が延びている。２個のトランジスタチップは、樹脂筐体１０の内部で直列に接続されており、パワー端子３ａは、直列接続の高電位側と導通している。パワー端子３ｂは直列接続の低電位側と導通している。パワー端子３ｃは、直列接続の中点と導通している。複数の制御端子４は、トランジスタチップのゲートと接続しているゲート端子、トランジスタチップの内部温度を計測するセンスエミッタと接続しているセンサ端子などである。
【００１２】
なお、複数の樹脂筐体１０の積層体は、不図示のバネで積層方向に加圧され、隣接する樹脂筐体１０同士が密着する。図中の座標系のＸ方向が複数の樹脂筐体１０の積層方向に相当する。以降の図でも同様である。
【００１３】
図２に、一つの樹脂筐体１０の斜視図を示す。樹脂筐体１０は、外枠１２とパッケージ１３で構成されている。パッケージ１３は、外枠１２の対向する内面に掛け渡されている。なお、外枠１２とパッケージ１３は一続きの樹脂ブロックであり、樹脂の射出成形で同時に形成される。パッケージ１３の内部に２個のトランジスタチップが封止されている。２個のトランジスタチップはパッケージ１３の内部で直列に接続されている。パッケージ１３の積層方向を向く面には、後述する放熱板が露出しており、その放熱板に複数のフィン１４が接合されている。外枠１２の積層方向の幅はフィン１４を含むパッケージ１３の積層方向の幅よりも大きく、外枠１２の積層方向の両端の部分は、フィン１４を囲んでいる。外枠１２において、フィン１４を囲んでいる部分を周壁１２ａと称する。
【００１４】
周壁１２ａの上面１２ｂには、二重のガスケット１８が備えられており、２個の樹脂筐体１０が隣接するとき、ガスケット１８が２個の外枠１２の上面１２ｂ同士を密着させ、外枠１２同士が繋がる。２個の樹脂筐体１０が密着すると、周壁１２ａで囲まれた部分が冷媒の流路となる。
【００１５】
周壁１２ａの内側で、パッケージ１３のＹ方向の両横に、樹脂筐体１０を貫通する貫通孔１２ｃ、１２ｄが設けられている。貫通孔１２ｃは、半導体装置２を積層方向（Ｘ方向）からみたときに冷媒供給口３３（図１参照）と重なり、貫通孔１２ｄは、半導体装置２を積層方向（Ｘ方向）からみたときに冷媒排出口３４と重なる。冷媒供給口３３から供給された冷媒は、複数の樹脂筐体１０の貫通孔１２ｃを通じて各樹脂筐体１０の流路に導かれる。冷媒は流路を流れる間に放熱板（後述）とフィン１４を介してトランジスタチップから熱を吸収する。熱を吸収した冷媒は、他方の貫通孔１２ｄと冷媒排出口３４を通じて半導体装置２の外部へと排出される。以下、半導体装置２の製造方法を説明する。
【００１６】
（第１工程）図３を参照して第１工程を説明する。第１工程では、複数のフィン１４と冷却プレート１５と絶縁板１６と放熱板１７を同時に接合する。図３（Ａ）は、結合前の複数のフィン１４と冷却プレート１５と絶縁板１６と放熱板１７を示している。図３（Ｂ）は、複数のフィン１４と冷却プレート１５と絶縁板１６と放熱板１７が結合された状態を示している。複数のフィン１４と冷却プレート１５と絶縁板１６と放熱板１７が接合されたアセンブリを以下では冷却部材２０と称する。
【００１７】
フィン１４と冷却プレート１５は、熱伝導率の高いアルミニウムで作られている。絶縁板１６は、熱伝導率の高いセラミックスで作られている。放熱板１７は、熱伝導率が高いとともに内部抵抗の小さい銅で作られている。第１工程では、絶縁板１６の一方の面（図中の下面）に放熱板１７が接合され、他方の面（図中の上面）に冷却プレート１５が接合される。同時に冷却プレート１５の絶縁板１６とは反対側の面にフィン１４が接合される。フィン１４は冷却プレート１５にろう付けされる。冷却プレート１５と絶縁板１６は、拡散結合により接合される。絶縁板１６と放熱板１７も拡散結合により接合される。こうして、冷却部材２０が作られる。
【００１８】
なお、後述するトランジスタチップはその表面に電極が露出している。放熱板１７は、トランジスタチップの電極と導通する。それゆえ、トランジスタチップの電極同士（あるいは電極と他の部品）が短絡しないように、放熱板１７とアルミニウム製の冷却プレート１５の間に絶縁板１６を挟む構造が採用されている。
【００１９】
（第２工程）図４を参照して第２工程を説明する。第２工程では、平板型のトランジスタチップ２１ａ、２１ｂの両面の夫々に放熱板１７が対向するように一対の冷却部材２０ａ、２０ｂでトランジスタチップ２１ａ、２１ｂを挟み込み、一対の冷却部材２０ａ、２０ｂとトランジスタチップ２１ａ、２１ｂを接合する。なお、トランジスタチップ２１ａ、２１ｂの一方の面（図中の上面）と一方の冷却部材２０ａの間には銅ブロック２２が挟まれる。図４（Ａ）は、結合前の冷却部材２０ａ、２０ｂとトランジスタチップ２１ａ、２１ｂを示している。図４（Ｂ）は、冷却部材２０ａ、２０ｂとトランジスタチップ２１ａ、２１ｂが接合された状態を示している。冷却部材２０ｂの放熱板１７は、トランジスタチップ２１ａ、２１ｂに直接に接合される。冷却部材２０ａの放熱板１７は、銅ブロック２２を介してトランジスタチップ２１ａ、２１ｂに接合される。トランジスタチップ２１ａ、２１ｂと放熱板１７は、ハンダ付けにより接合される。トランジスタチップ２１ａ、２１ｂと銅ブロック２２も、ハンダ付けにより接合される。銅ブロック２２と放熱板１７も、ハンダ付けにより接合される。一対の冷却部材２０ａ、２０ｂとトランジスタチップ２１ａ、２１ｂと銅ブロック２２も同時に接合される。具体的には、ハンダ材を間に挟んで積層された一対の冷却部材２０ａ、２０ｂとトランジスタチップ２１ａ、２１ｂと銅ブロック２２を熱炉に入れ、高温で所定時間保持する。炉内の熱でハンダ材が溶ける。一対の冷却部材２０ａ、２０ｂ等を冷却すると、一対の冷却部材２０ａ、２０ｂとトランジスタチップ２１ａ、２１ｂと銅ブロック２２が同時に接合される。一対の冷却部材２０ａ、２０ｂにトランジスタチップ２１ａ、２１ｂと銅ブロック２２が接合された部品をチップアセンブリ２５と称する。
【００２０】
（第３工程）図５を参照して第３工程を説明する。なお、図５は、樹脂筐体１０を図２のＺ方向の中央にてＸＹ平面でカットした断面を示している。第３工程は、一対の冷却部材２０ａ、２０ｂの間でトランジスタチップ２１ａ、２１ｂを封止する樹脂筐体１０を形成する工程である。第３工程では、第２工程で作成したチップアセンブリ２５を金型に入れ、樹脂を射出成形し、樹脂筐体１０を形成する。先に述べたように、樹脂筐体１０は、トランジスタチップ２１ａ、２１ｂを封止するパッケージ１３と、パッケージ１３を囲む外枠１２を備えている。パッケージ１３と外枠１２は一続きの樹脂のかたまりであり、射出成形で同時に形成される。
【００２１】
パッケージ１３は、外枠１２の対向する内面の２か所で接続されている。図５では、パッケージ１３と外枠１２の接続箇所は、示されていないが、図２に、パッケージ１３と外枠１２の一方の接続箇所が表されている。外枠１２のＸ方向（積層方向）の両端は、パッケージ１３よりも突出している。図５に示されているように、外枠１２の両端はフィン１４を囲んでいる。外枠１２のうち、フィン１４を囲む部分を周壁１２ａと称する。また、図中のＹ方向で外枠１２とパッケージ１３の間には、樹脂筐体１０を図中のＸ方向（積層方向）に貫通する貫通孔１２ｃ、１２ｄが設けられている。貫通孔１２ｃ、１２ｄは、樹脂筐体１０を積層方向からみてパッケージ１３の両側に設けられている。
【００２２】
（第４工程）図６を参照して第４工程を説明する。なお、図６も、図５と同じ断面を示している。第４工程は、複数の樹脂筐体１０を図中のＸ方向（先の積層方向）に積層する工程である。第４工程では、隣接する樹脂筐体１０の夫々から露出するフィン１４同士が対向するとともに夫々の周壁１２ａの上面同士がガスケット１８を挟んで密着するように複数の樹脂筐体１０が積層される。なお、図６では、一部のガスケットにのみ、符号１８を付し、他のガスケットの符号は省略した。
【００２３】
隣接する樹脂筐体１０が合体すると、周壁１２ａで囲まれた部分が、冷媒が通る閉空間（流路）となる。フィン１４は、流路に面することになる。複数の樹脂筐体１０の積層体の一端の開口部（周壁１２ａで囲まれた開口）は前端カバー３１で塞がれ、他端の開口部（周壁１２ａで囲まれた開口）は後端カバー３２で塞がれる。積層体の一端の樹脂筐体１０の周壁１２ａと前端カバー３１で流路が形成され、積層体の他端の樹脂筐体１０の周壁１２ａと後端カバー３２で別の流路が形成される。図６の太線矢印線は、冷媒の流れを示している。先に述べたように、冷媒供給口３３から供給される冷媒は一方の貫通孔１２ｃを通じて各樹脂筐体１０の内部を通過する。冷媒は樹脂筐体１０の内部を通過している間にトランジスタチップ２１ａ、２１ｂ（パワートランジスタ）の熱を奪い、他方の貫通孔１２ｄを通じ、冷媒排出口３４から排出される。すなわち、樹脂筐体１０の全体が冷却器であり、特に、外枠１２が冷媒を閉じ込める容器となる。
【００２４】
実施例で説明した製造方法の利点を述べる。第１工程において、絶縁板１６の一方の面に放熱板１７を接合し他方の面に冷却プレート１５を接合すると同時に冷却プレート１５の絶縁板１６とは反対側の面にフィン１４を接合する。複数の部品を同時に接合するので、製造コストが抑えられる。
【００２５】
第３工程では、一対の冷却部材２０ａ、２０ｂの間でトランジスタチップ２１ａ、２１ｂを封止する樹脂筐体１０を形成する。樹脂筐体１０は、一対の冷却部材２０ａ、２０ｂの夫々のフィン１４を囲む周壁１２ａを備えているとともに、その周壁１２ａの内側に、貫通孔１２ｃ、１２ｄが設けられている。貫通孔１２ｃ、１２ｄは、一対の冷却部材２０ａ、２０ｂの積層方向（図中のＸ方向）に樹脂筐体１０を貫通する。第３工程は、トランジスタチップ２１ａ、２１ｂを封止すると同時に、トランジスタチップ２１ａ、２１ｂを冷却する冷却器の容器（外枠１２）が形成される。第３工程は、トランジスタチップ２１ａ、２１ｂの封止と、冷却器の容器（外枠１２）の形成が同時に行われる。この点も、製造コスト低減に寄与する。第４工程では、複数の樹脂筐体１０を積層すると同時に冷媒流路が形成される。
【００２６】
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例のトランジスタチップ２１ａ、２１ｂが、請求項の「半導体チップ」の一例に相当する。「半導体チップ」は、トランジスタチップに限られず、ダイオードやコンデンサなどであってもよい。実施例では、フィン１４は冷却プレート１５にろう付けされる。冷却プレート１５と絶縁板１６は、拡散結合により接合される。絶縁板１６と放熱板１７も拡散結合により接合される。部品の結合方法は、上記の方法に限られない。
【００２７】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００２８】
２：半導体装置
１０：樹脂筐体
１２：外枠
１２ａ：周壁
１２ｂ：上面
１２ｃ、１２ｄ：貫通孔
１３：パッケージ
１４：フィン
１５：冷却プレート
１６：絶縁板
１７：放熱板
１８：ガスケット
２０、２０ａ、２０ｂ：冷却部材
２１ａ、２１ｂ：トランジスタチップ
２２：銅ブロック
２５：チップアセンブリ
３１：前端カバー
３２：後端カバー
３３：冷媒供給口
３４：冷媒排出口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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