(57)【要約】【課題】放熱性が良く、実装も容易なパワーモジュールを実現する。【解決手段】パワーＭＯＳＦＥＴを二枚のヒートスプレッダーで挟み込んだヒートスプレッダー構造体において、ヒートスプレッダー構造体の間隙に絶縁性樹脂が形成され、ゲート電極とソース電極が接合するヒートスプレッダーは金属平板にビア絶縁体を有し、ビア絶縁体の内域にはゲート電極を接続するビア導電体が形成され、ビア絶縁体は接合面側からその反対面側に行くほど幅が広がる形状を有し、ドレイン電極側ヒートスプレッダーは金属平板であり、さらにコの字型の金属枠体を前記ドレイン電極側ヒートスプレッダーに被せて前記ヒートスプレッダー構造体をコの字型金属枠体の内域に納めたことを特徴とするヒートスプレッダー構造体素子を提供する。【選択図】図１
2017188635.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＯＳＦＥＴを二枚のヒートスプレッダーで挟み込んだヒートスプレッダー構造体において、ヒートスプレッダー構造体の間隙に絶縁性樹脂が形成され、ゲート電極とソース電極が接合するヒートスプレッダーは金属平板にビア絶縁体を有し、ビア絶縁体の内域にはゲート電極を接続するビア導電体が形成され、ビア絶縁体は接合面側からその反対面側に行くほど幅が広がる形状を有し、ドレイン電極側ヒートスプレッダーは金属平板であり、さらにコの字型の金属枠体を前記ドレイン電極側ヒートスプレッダーに被せて前記ヒートスプレッダー構造体をコの字型金属枠体の内域に納めたことを特徴とするヒートスプレッダー構造体素子。
【請求項２】
前記絶縁性樹脂のガラス転移温度が２００℃以上であることを特徴とする請求項１に記載のヒートスプレッダー構造体素子。
【請求項３】
前記二枚のヒートスプレッダーの材質がＣｕＭｏ合金であり、コの字型の金属枠体の材質がＣｕであることを特徴とする請求項１と２に記載のヒートスプレッダー構造体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、パワーＭＯＳＦＥＴを組み込んだヒートスプレッダー構造体素子とこれを実装したパワーモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】  電力変換するパワーモジュールの小型化、高性能化が要求されている。配線はワイヤボンディングを使用するのが一般的であるが、配線のインダクタンスが高周波ロスになること、複数のパワー半導体素子への配線がパワーモジュールの小型化を難しくする。【０００３】  他方、配線を使用しないフリップチップ実装技術が提案されている（特許文献１）。これはパワー半導体のチップをキャビティー状の缶に接合し、実装基板にフェイスダウンで実装するものである。ＭＯＳＦＥＴチップのドレイン電極面を予め缶に接合し、ゲート電極とソース電極、及びドレイン電極に電気接続している缶の鍔を実装基板に接合して電極を外部に取り出す。配線を使用しないので小型化は実現できるが、発熱体である半導体チップが小さいため実装基板における熱の広がりが期待できず放熱性が十分に良いとは言えない。またゲート電極とソース電極の実装基板への合わせも簡単ではない。とくに近年、ＳｉＣパワーＭＯＳＦＥＴが開発され、チップ面積当たりの電力密度が高く、高周波スイッチング動作も可能になり、パワーモジュールの小型化に弾みがついている。チップの発熱温度は極めて高くなることが予想されるため、有効な技術対策が望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００９−５３０８２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  放熱性が良く、実装も容易なパワーモジュールを実現する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】  上記課題を解決するために、パワーＭＯＳＦＥＴを二枚のヒートスプレッダーで挟み込んだヒートスプレッダー構造体において、ヒートスプレッダー構造体の間隙に絶縁性樹脂が形成され、ゲート電極とソース電極が接合するヒートスプレッダーは金属平板にビア絶縁体を有し、ビア絶縁体の内域にはゲート電極を接続するビア導電体が形成され、ビア絶縁体は接合面側からその反対面側に行くほど幅が広がる形状を有し、ドレイン電極側ヒートスプレッダーは金属平板であり、さらにコの字型の金属枠体を前記ドレイン電極側ヒートスプレッダーに被せて前記ヒートスプレッダー構造体をコの字型金属枠体の内域に納めたことを特徴とするヒートスプレッダー構造体素子を提供する。
【発明の効果】
【０００７】  本発明によるヒートスプレッダー構造体素子を使用することにより、放熱性が良く、モジュール基板への実装も容易にできる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態に係るヒートスプレッダー構造体素子の断面を示す図。
【図２】ＭＯＳＦＥＴの断面図。
【図３】本発明の実施形態に係るヒートスプレッダー構造体素子の外観を示す図。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】  以下、本発明の実施の形態を図１に示す実施例に基づいて説明する。図２はパワーＭＯＳＦＥＴの断面図であり、ドレイン電極１０、ゲート電極１２、ソース電極１１を示す。図１においてヒートスプレッダー３にはビア絶縁体４が形成され、この内域にビア導電体５が形成される。パワーＭＯＳＦＥＴ１のゲート電極（図２の１２）はビア導電体５に合せて接合され、ソース電極（図２の１１）はヒートスプレッダー３に接合される。ドレイン電極（図２の１０）にはもう一つのヒートスプレッダー２が接合されてサンドイッチ構造を成す。二枚のヒートスプレッダーの隙間にはパワーＭＯＳＦＥＴを封止するように樹脂５が挿入される。ここでビア絶縁体４は図１の７、８に示すように、パワーＭＯＳＦＥＴの実装面から下方に向けて幅が広くなるように形成する。こうすることにより回路基板への実装が容易になる。さらにヒートスプレッダー２にコの字型の金属枠体９を接合してヒートスプレッダー構造体素子が形成される。ヒートスプレッダー及びコの字型金属枠体の厚さは１ｍｍ程度であるが特に限定されない。【００１０】  ビア導電体のサイズはパワーＭＯＳＦＥＴのゲート電極のサイズで決めるべきである。一般的に２００μｍ□程度であるので、同程度の径の円形、あるいは矩形で形成される。ビア絶縁体のサイズはビア導電体のそれより大きく設計されるが、大きさについての制約は少ない。ビア絶縁体がパワーＭＯＳＦＥＴのソース電極にかかっても特に問題が発生することは少ないので、パワーＭＯＳＦＥＴの実装容易性で決めて良い。ビア絶縁体のサイズは半導体の実装面から反対面に向けて大きくなるようにする。ビア絶縁体のためのスルーホール形成は金属の化学エッチングで行うため、サイドエッチング効果で自然に裾広がりの形状が形成できるので製作は容易である。実装面の径に対して２倍から４倍程度が好ましい。【００１１】  ヒートスプレッダー２、３と金属枠体の材質は熱伝導率が高く、熱膨張係数が半導体のそれに近いＣｕＭｏ合金が好適であるが、特に限定されない。例えばＣｕ、Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕ、Ｃｕダイヤモンド複合材、４２アロイ合金、コバールなどを使用しても構わない。ビア絶縁体４は耐熱性の高い樹脂が好適である。例えばポリイミド系樹脂、テフロン系樹脂などであるが、しかし近年、ガラス転移温度が２００℃を超えるエポキシ樹脂やシリコン系樹脂も開発されている。ビア導電体はビア絶縁体にスルーホールを形成し金属ピンを挿入しても良いし、スルーホール充填めっきや焼結性金属ペーストで形成することができる。焼結性金属ペーストの場合、ビア絶縁体の耐熱性を超えないよう焼結温度が２００℃以下の低温焼結性Ａｇペーストが好ましい。Ａｇ粒子は粒子径が１ｎｍから１００ｎｍのナノ粒子と数μｍ径の微粒子が混合されたものが多いが、数μｍの微粒子のみで構成されたペーストでも低温焼結は可能である。スルーホールはレーザ、ドリルなどで精度良く、高速に形成することができる。封止樹脂５はパワーＭＯＳＦＥＴの発熱に耐える高いガラス転移温度を持つ耐熱性樹脂が好ましい。ビア絶縁体と同様にガラス転移温度が２００℃以上の絶縁性樹脂が好ましい。【００１２】  パワーＭＯＳＦＥＴとヒートスプレッダー（図１���２、３）接合には低温焼結性金属ペーストを使用するのが良い。Ｎｉ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕなどの金属微粒子、あるいは金属ナノ粒子、あるいはそれらの複合粒子ペーストが使用できる。微粒子とは数百ｎｍから数μｍの粒子径、ナノ粒子は１ｎｍから１００ｎｍの粒子径を指す。共晶合金半田を使用することもできるが、半田の濡れ、広がりに注意が必要になる。コの字型の金属枠体９も低温焼結性金属ペーストを使用してヒートスプレッダー２の上部に接合するのが好ましい。ペーストであれば、枠体や構造体に設計寸法からの誤差があってもヒートスプレッダー３の下面とコの字型の金属枠体の脚部面を面一に調整することができる。なお接合材に焼結性Ａｇペーストを使用する場合には、ヒートスプレッダー２，３とコの字型金属枠体９の材質が何であれ、ＡｕかＡｇの皮膜を形成する。【００１１】  図３に外観を示す。図１の断面図には示していないが、ヒートスプレッダー３に溝１３を形成しておくのが良い。ビア導電体（ゲート電極）はヒートスプレッダー３の内域に形成されるため、モジュール基板に形成されているゲート電極取り出しパターンがヒートスプレッダー３（つまりソース電極）に接触する。これを避けるための溝１３である。なおモジュール基板を多層基板で構成すれば短絡を回避するパターン構成は可能であり、溝は無くても良い。【００１３】  一般に半導体スイッチング素子は還流ダイオードを逆並列に接続して使用する必要があるが、多くの場合、パワーＭＯＳＦＥＴチップにダイオードも形成されている。したがって本考案に言うパワーＭＯＳＦＥＴはダイオードを含んだものを指す。含まれていない場合でもダイオードをパワーＭＯＳＦＥＴの隣に配置するだけで良く、本発明の構造と効果に何ら修正は無い。【００１４】  本発明のヒートスプレッダー構造体素子を複数個モジュール基板に実装するだけでワイヤボンディングを行うこと無くパワーモジュールが製作できる。その後パワーモジュールを樹脂封止することでパワーモジュールが完成する。コの字型金属枠体を採用することによりヒートスプレッダー構造体素子の隙間にも樹脂が流れ込み、封止は容易である。この封止樹脂は高温が予想されるパワーＭＯＳＦＥＴに接触しないのでガラス転移温度の低い、安価な汎用的なエポキシ樹脂が使用できる。汎用的なエポキシ樹脂はフェノール化合物を硬化剤としたものでありモールド性、流動性、密着性に優れており、ガラス転移温度の上限は１５０℃程度である。
【産業上の利用可能性】
【００１５】  モジュール基板への実装が容易なヒートスプレッダー構造体素子を使用することにより、放熱性が良く小型で高性能なパワーモジュールが実現できる。
【符号の説明】
【００１６】  １      パワーＭＯＳＦＥＴ
２、３  ヒートスプレッダー
４      ビア絶縁体
５      ビア導電体
６      封止樹脂
７、８  開口径
９      コの字型金属枠体
１０      ドレイン電極
１１      ソース電極
１２      ゲート電極
１３      溝
【図１】
2017188635.tif 000003
【図２】
2017188635.tif 000004
【図３】
2017188635.tif 000005