(57)【要約】【課題】簡易な構成で装置の小型化を可能とし、熱抵抗を抑制して、優れた熱伝導性を有する絶縁層を設けた半導体装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】半導体装置１は、半導体チップ５を内蔵した非絶縁型半導体モジュール２と、該半導体チップの冷却を行う冷却器３と、該冷却器３と非絶縁型半導体モジュール２との間に配置され、冷却器３に直接形成された絶縁層４を備え、該絶縁層４は、ポリマー及び該ポリマーよりも熱伝導率の高い充填材を含有したものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップを内蔵した非絶縁型半導体モジュールと、該半導体チップの冷却を行う冷却器と、該冷却器と非絶縁型半導体モジュールとの間に、上記冷却器に直接形成された絶縁層を備え、該絶縁層は、ポリマー及び該ポリマーよりも熱伝導率の高い充填材を含有したことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
上記絶縁層の厚さｄ（ｍ）と上記絶縁層の熱伝導率λ（Ｗ／ｍ・Ｋ）との比（ｄ／λ）が、５０×１０−６ｍ２・Ｋ／Ｗ以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
上記ポリマーが、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂及びゴムから成る群より選ばれた少なくとも１種であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
上記熱硬化性樹脂が、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、アリル樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂及びシリコーン樹脂から成る群より選ばれた少なくとも１種であることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
上記充填材が電気絶縁性を有するものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の半導体装置。
【請求項６】
上記絶縁層の交流耐電圧が１．５ｋＶ以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の半導体装置。
【請求項７】
上記絶縁層の熱伝導率が０．４Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つの項に記載の半導体装置。
【請求項８】
上記絶縁層の厚さｄ（ｍ）と上記絶縁層の熱伝導率λ（Ｗ／ｍ・Ｋ）との比（ｄ／λ）が、３３×１０−６ｍ２・Ｋ／Ｗ以下であることを特徴とする１〜７のいずれか１つの項に記載の半導体装置。
【請求項９】
上記絶縁層の厚さが２５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つの項に記載の半導体装置。
【請求項１０】
上記絶縁層と冷却器を構成する材料との線膨張係数の差が、３．０×１０−５／Ｋ以下であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つの項に記載の半導体装置。
【請求項１１】
上記絶縁層と非絶縁型半導体モジュールとの間に、グリースオイルを含有するグリース層を有することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つの項に記載の半導体装置。
【請求項１２】
上記グリース層が、上記グリースオイルよりも熱伝導率の高い充填材を含有するものであることを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置。
【請求項１３】
上記冷却器の、絶縁層を形成する側の表面が、粗面化処理されていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１つの項に記載の半導体装置。
【請求項１４】
上記表面の面粗度Ｒａが０．３〜１０．０μｍであることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１つの項に記載の半導体装置。
【請求項１５】
ポリマーと、該ポリマーよりも熱伝導率の高い充填材とを含有したシート状の絶縁材を、上記冷却器に直接接触するように載置し、上記絶縁材を冷却器の方向に加熱しながらプレスして、絶縁層を形成す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、半導体チップを内蔵した非絶縁型半導体モジュールを有する半導体装置及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、トランジスタやサイリスタなどの半導体チップを用いた半導体装置としては、直流電力を交流電力に変換するインバータがあるほか、交流電力を直流電力に変換するコンバータなどがある（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
このような半導体装置においては、電力が大きくなるにつれて半導体チップからの放熱量が多くなり、高温（６０〜９０℃）になるので、上記半導体チップに冷却器を取り付けて、冷却する必要がある。この半導体チップと冷却器との間には、絶縁性を確保するために絶縁材料を設けている。
【０００４】
半導体モジュールと冷却器との間に設けられる絶縁材料としては、樹脂やゴム等が用いられており、これらの絶縁材料は、一般的に金属に対する熱伝導性が低い。そのため、絶縁部分の熱抵抗が高くなる傾向があり、チップ温度の上昇につながっている。
絶縁型半導体モジュールを用いた半導体装置では、チップ温度の上昇につながる絶縁部分の熱抵抗を抑制するために、一般的な絶縁材料である樹脂やゴムなどと比較して、熱伝導性の高いセラミックス基板を絶縁材料として使用している。しかし、絶縁材料としてセラミックス基板を用いると、装置が大型化する傾向があった。
【０００５】
一方、非絶縁型半導体モジュールを用いた半導体装置では、チップ電極と接合するバスバーと冷却器との間に絶縁シートを配置して絶縁性を確保している。絶縁シートを用いた場合は、絶縁材料としてセラミックス基板を使用している絶縁型半導体モジュールと比較して、装置の小型化及び低コスト化を実現することが可能である（特許文献１）。
【非特許文献１】「機械工学便覧」社団法人  日本機械学会  発行  昭和６３年５月１５日  Ａ８−６２〜Ａ８−６５
【特許文献１】特開２００５−２５１９２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記特許文献１の半導体装置にあっては、絶縁材料として金属やセラミックスなどに比べ、熱伝導性の劣るシリコーンゴムなどから成る絶縁シートを用いているため、熱伝導性が低く、絶縁部分の熱抵抗を抑制し難い問題があった。
上記半導体装置は、半導体モジュールのバスバーと絶縁シートの間、及び、冷却器と絶縁シートの間の両方にグリース層を存在させて、バスバー及び冷却器の表面の微細な凹凸を埋めて接触効率を上げている。しかし、この２層の界面（グリース層）が存在することによって、このグリース層に熱抵抗が発生し、熱伝導性が低くなる場合があった。
【０００７】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、簡易な構成で装置の小型化を可能とし、熱抵抗を抑制して、優れた熱伝導性を有する絶縁層を設けた半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、非絶縁型半導体モジュールと冷却器との間に配置される絶縁層として、ポリマー及びポリマーよりも熱伝導率の高い充填材を含有したものを用いて、この絶縁層を冷却器に直接形成したことによって、上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
即ち、本発明の半導体装置は、半導体チップを内蔵した非絶縁型半導体モジュールと、該半導体チップの冷却を行う冷却器と、該冷却器と非絶縁型半導体モジュールとの間に、上記冷却器に直接形成された絶縁層を備え、該絶縁層は、ポリマー及び該ポリマーよりも熱伝導率の高い充填材を含有したものである。
【００１０】
また、本発明の半導体装置の製造方法は、ポリマーと、該ポリマーよりも熱伝導率の高い充填材とを含有したシート状の絶縁材を、上記冷却器に直接接触するように載置し、上記絶縁材を冷却器の方向に加熱しながらプレスして、絶縁層を形成する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ポリマー及び該ポリマーよりも熱伝導率の高い充填材を含有した絶縁層を、冷却器上に直接形成したことによって、簡易な構成で装置の小型化を可能とし、絶縁層における熱抵抗率を抑制して、優れた熱伝導性により高い熱交性能を有し、単位体積当たりの高出力密度が可能な半導体装置及びその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の半導体装置及びその製造方法につき図面を参照にして、詳細に説明する。なお、本明細書において、含有量などのついての「％」は、特記しない限り質量百分率を表すものとする。
【００１３】
図１は、本発明の半導体装置の実施形態の一例を示す断面図である。
図１に示すように、本発明の半導体装置１は、非絶縁型半導体モジュール２と冷却器３の間に、冷却器３上に直接接触させて絶縁層４を形成している。
非絶縁型半導体モジュール２は、半導体チップ５と、バスバー７とを備え、半導体チップ５のチップ電極（図示略）とバスバー７は、はんだ６を介して接合されている。
また、絶縁層４と、非絶縁型半導体モジュール２のバスバー７とは、グリース層８を介して接合されており、グリース層８でバスバー７の表面の微細な凹凸を埋めて、バスバー７と絶縁層４とを密着させている。
次に、上述の非絶縁型半導体モジュール２と冷却器３との間に配置された、絶縁層４について詳細に説明する。
【００１４】
絶縁層４は、ポリマーと、このポリマーよりも熱伝導率の高い充填材を含むものである。絶縁層は、上記ポリマーを母材として、このポリマー中に充填材を含有させたものであることが好ましい。
ポリマーとしては、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂及びゴムから成る群より選ばれた少なくとも１種を使用することができる。これらの中でも、絶縁性、成型性、直接接触する冷却器への密着性を考慮して、熱硬化性樹脂を使用することが好ましい。
【００１５】
熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、アリル樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂及びシリコーン樹脂から成る群より選ばれた少なくとも１種を使用することが、耐熱性の観点から好ましい。特に、エポキシ樹脂は入手し易いので好適に使用することができる。
絶縁層が、熱硬化性樹脂から成るポリマーを含有するものである場合は、半硬化状態のポリマーを含有するシート状の絶縁材を冷却器に直接接触するように載置して、加熱プレスすることにより、冷却器の表面の微細な凹凸をポリマーで埋めて、絶縁層の熱抵抗を上昇させる原因となる空隙をなくして、絶縁層を冷却器に密着させることができる。
【００１６】
熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、アクリル樹脂、ポリアミド、ポリアセタール、ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルスルホン、フッ素樹脂、ポリアリレート、液晶ポリマー、ポリエーテルケトン、ポリイミド、ポリアミドイミド、熱可塑性エラストマー等から成る群より選ばれた少なくとも１種を使用することができ、２種類以上を使用してもよい。
【００１７】
ゴムとしては、例えばブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、クロロプレンゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、ニトリルゴム、水素化ニトリルゴム、ウレタンゴム、アクリルゴム、エチレンアクリルゴム、エピクロルヒドリンゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム等から成る群より選ばれた少なくとも１種を使用することができ、２種類以上を使用してもよい。
【００１８】
絶縁層に含まれる充填材は、上述のポリマーよりも熱伝導率の高いものである。また、充填材は、電気絶縁性を有するものであることが好ましい。
熱伝導率が高く、電気絶縁性を有する充填材としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、酸化ニッケル、酸化チタン、酸化バナジウム、酸化銅、酸化鉄、酸化銀等の金属酸化物、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、炭化ケイ素、窒化ケイ素等の無機化合物及びダイヤモンド等の無機物等から成る群より選ばれた少なくとも１種を使用することができ、２種以上を併用してもよい。
【００１９】
絶縁層を構成するポリマーが、例えば熱硬化性樹脂のエポキシ樹脂である場合は、その熱伝導率λは０．２Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。また、絶縁層を構成するポリマーが、例えばシリコーンゴムである場合も、その熱伝導率λは０．２Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。
一方、絶縁層を構成する充填材が、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）である場合は、その熱伝導率λは３０Ｗ／ｍ・Ｋである。また、絶縁層を構成する充填材が、例えばＳｉＯ２である場合は、その熱伝導率λは１〜１０Ｗ／ｍ・Ｋである。
一般的に絶縁層を構成するポリマーと、該ポリマーよりも熱伝導率の高い充填材とは、熱伝導率λが５〜１５０倍程度の差がある。
【００２０】
本発明の半導体装置に設けられた絶縁層は、ポリマーと該ポリマーよりも熱伝導率の高い充填材を含有するものであるため、ポリマーによる優れた電気絶縁性と、充填材による高い熱伝導性を得ることができる。
この絶縁層により、非絶縁型半導体モジュール（具体的には、バスバー）と冷却器との間で電気の絶縁が行われると共に、良好な熱交換が行われ、半導体モジュールに用いた半導体チップの温度上昇を抑制し、単位体積当たりの高出力密度化が可能である。
なお、充填材の含有率は、充填材の熱伝導率等を考慮して適宜設定することができる。
【００２１】
絶縁層の交流耐電圧は、好ましくは１．５ｋＶ以上、より好ましくは２．０ｋＶ以上、更に好ましくは２．５ｋＶ以上である。
【００２２】
また、絶縁層の熱伝導率λは、好ましくは０．４Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、より好ましくは１．５Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、更に好ましくは２．０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、特に好ましくは２．５W／ｍ・K以上である。
絶縁層の熱伝導率λが０．４Ｗ／ｍ・Ｋ以上であると、非絶縁型半導体モジュールと冷却器との間の熱交換が良好に行われ、非絶縁型半導体モジュールを内蔵した半導体チップの温度上昇を抑制することができる。
【００２３】
絶縁層の厚さｄ（ｍ）と、絶縁層の熱伝導率λ（Ｗ／ｍ・Ｋ）との比（ｄ／λ）は、好ましくは５０×１０−６ｍ２・Ｋ／Ｗ以下、より好ましくは４０×１０−６ｍ２・Ｋ／Ｗ以下、更に好ましくは３３×１０−６ｍ２・Ｋ／Ｗ以下、特に好ましくは２０×１０−６ｍ２・Ｋ／Ｗ以下である。
絶縁層の厚さｄ（ｍ）と、絶縁層の熱伝導率λ（Ｗ／ｍ・Ｋ）との比（ｄ／λ）は、絶縁層における熱の伝わりにくさを示し、数値が低いほど熱が伝わり易いので、優れた熱交換性能を有することになる。
【００２４】
半導体装置の絶縁層の厚さｄ（ｍ）と、絶縁層の熱伝導率λ（Ｗ／ｍ・Ｋ）との比（ｄ／λ）が３３×１０−６ｍ２・Ｋ／Ｗ以下であれば、非絶縁型半導体モジュール２と冷却器３とを備えた半導体装置１の体積当たりの出力を高めることができ、単位体積当たりの高出力密度化が可能であるので、自動車などの限られたスペース内に搭載する半導体装置として好適に用いることができる。
【００２５】
絶縁層の厚さｄ（ｍ）は、絶縁性の観点から２０×１０−６ｍ以上が好ましく、また、熱抵抗の観点から、絶縁層の厚さｄ（ｍ）と絶縁層の熱伝導率λ（Ｗ／ｍ・Ｋ）との比（ｄ／λ）が５０×１０−６ｍ２・Ｋ／Ｗ以下の確保可能となるように、なるべく厚さｄ（ｍ）が薄いことが望ましい。この厚さｄと熱伝導率λの比（ｄ／λ）が５０×１０−６ｍ２・Ｋ／Ｗ以下となるように、例えば、絶縁層の厚さは２５０×１０−６ｍ以下であることが好ましい。
【００２６】
絶縁層と冷却器を構成する材料との線膨張係数の差は、好ましくは３．０×１０−５／Ｋ以下、より好ましくは１．０×１０−５／Ｋ以下である。
絶縁層と冷却器を構成する材料との線膨張係数の差が、３．０×１０−５／Ｋ以下（±３．０×１０−５／Ｋ以内）であると、冷却器上に直接形成された絶縁層と冷却器との密着性が向上され、低温（例えば−４０℃）及び高温（例えば１２０℃）の環境下に交互におかれた場合であっても、温度サイクル時に絶縁層に亀裂が発生する、剥離が生じるなどの劣化が抑制されて、半導体装置の絶縁層の耐クラック性が向上される。
【００２７】
冷却器を構成する一般的な材料としては、アルミニウムが挙げられる。
アルミニウムは、ＡＳＴＭＤ６９６に準拠して測定した線膨張係数が約２．５×１０−５／Ｋである。
【００２８】
冷却器は、絶縁層との密着性を向上させるために、絶縁層を形成する側の表面が、粗面化処理されているものであることが好ましい。
粗面化処理の方法としては、例えばショットブラスト、サンドブラスト、機械切削等の機械的処理を行う方法が挙げられる。
【００２９】
冷却器の粗面化処理した表面（絶縁層が形成される側の表面）は、その面粗度Ｒａが、０．３〜１０．０μｍであることが好ましい。
冷却器の絶縁層を形成する側の表面の面粗度Ｒａが０．３μｍ以上であれば、冷却器と絶縁層との間で良好な密着性が得られる。
一方、冷却器の絶縁層を形成する側の表面の面粗度Ｒａが１０．０μｍを超えると、絶縁層の厚さに対して、冷却器の表面の面粗度が大きすぎて、局部的に絶縁層が薄くなる等によって、局部的に絶縁層の絶縁性能や熱性能（熱伝導性）が低下する場合がある。
【００３０】
図１に示すように、半導体装置１の絶縁層４は、冷却器３に直接接触するように設けられるものであるが、絶縁層４と非絶縁型半導体モジュール２（具体的には、バスバー７）との間には、グリース層８を介在させるものであることが好ましい。
このように、絶縁層４と非絶縁型半導体モジュール２の間にグリース層８を介在させることにより、非絶縁型半導体モジュール２（具体的には、バスバー７）の表面の微細な凹凸がグリース層８で埋められるため、空隙の断熱作用に起因する接触熱抵抗の上昇を抑制することができる。
【００３１】
このグリース層８は、このグリースオイル中に、グリースオイルよりも熱伝導率の高い充填材を含有するものであることが好ましい。また、充填材は電気絶縁性を有するものであることが好ましい。
グリース層８が充填材を含有するものである場合は、充填材によってグリース層８の放熱性（熱伝導性）が向上し、絶縁層４及びグリース層８によって、半導体モジュール２と冷却器３との間の熱交換性能を向上させることができる。
【００３２】
グリースオイルとしては、例えば、鉱油系のパラフィン系オイル及びナフテン系オイルが挙げられ、また、合成油系のαオレフィンポリマー又はオリゴマー、ポリアルキレングリコール、ジエステル（二塩基酸エステル）、トリメット酸エステル、ポリオールエステル、パーフルオロポリエーテル、ポリフェニルエーテル、液状シリコーン等が挙げられる。
【００３３】
グリース層に含有させる充填材としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、酸化ニッケル、酸化チタン、酸化バナジウム、酸化銅、酸化鉄、酸化銀等の金属酸化物、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、炭化ケイ素、窒化ケイ素等の無機化合物及びダイヤモンド等の無機物から成る群より選ばれた少なくとも１種を使用することができ、２種以上を併用してもよい。なお、グリース層に含有させる充填材と、絶縁層に含有させる充填材は同じものを用いてもよく、異なるものを用いてもよい。
【００３４】
次に、本発明の半導体装置の製造方法を図面に基づき説明する。
図２（ａ）及び（ｂ）は、本発明の半導体装置の実施形態の一例を示し、半導体装置の一部を拡大した断面図である。
まず、図２（ａ）に示すように、熱硬化性樹脂を含むポリマー及び該ポリマーよりも熱伝導率の高い充填材を含有した絶縁層４を構成する絶縁材４’を、冷却器３上に直接接触  するように載置する。
本例では、絶縁材４’として、熱硬化性樹脂を半硬化させた状態でシート状に形成したものを用いている。
冷却器３の表面には、微細な凹凸が存在し、シート状の絶縁材４’を冷却器３上に載置しただけでは、この微細な凹凸により冷却器３と絶縁材４’との間に微細な空隙３ａが存在する。この空隙３ａの断熱作用により、熱伝導性が阻害され、絶縁層４の接触熱抵抗が上昇する。
【００３５】
次に、図２（ｂ）に示すように、冷却器３の上に直接接触するように載置した絶縁材４’を冷却器３の方向に加熱しながらプレスして、溶融した絶縁材４’で冷却器３の表面の微細な凹凸を埋めるようにして、絶縁材４’を熱硬化させ、絶縁層４を形成する。
この製造方法によれば、絶縁層４は、冷却器３の表面の微細な凹凸を埋めるように、冷却器３に密着して形成されているので、絶縁層４の接触熱抵抗を抑制することができる。
【００３６】
その後、図１に示すように、絶縁層４の上に、グリースオイル及び該グリースオイルよりも熱伝導率の高い充填材を含有するグリース材を塗布して、グリース層８を形成し、更にグリース層８の上に半導体モジュール２を載置しボルト締結などにより、半導体装置１を製造する。
【００３７】
本例の半導体装置は、半導体モジュールと冷却器との間に、冷却器上に直接接触させて、絶縁層を形成したので、簡易な構成であり、装置の小型化が可能である。また、絶縁層は、ポリマー及び該ポリマーよりも熱伝導率の高い充填材を含有するものであるので、優れた絶縁性を有すると共に、絶縁層の熱抵抗が抑制され、優れた熱伝導性を有し、高い熱交換性能を有する。
このように、本例の半導体装置は、小型化が可能であり、高い熱交換性能を有するものであるので、単位体積当たりの高出力密度化が可能であり、自動車に搭載する半導体装置として好適に用いることができる。
【実施例】
【００３８】
以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００３９】
（実施例１）
図２に示す製造方法により、実施例１の半導体装置を作製した（図１参照）。
実施例１の半導体装置１は、絶縁層４として、エポキシ樹脂をポリマーとし、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を充填材とし、この充填材の含有率が絶縁層を構成する材料全量に対して８６％となるものを用いた。絶縁層４の材料組成を表１に示す。
冷却器３としては、アルミニウムから成り、絶縁層４を形成する側の表面が粗面化処理されて、この表面の面粗度Ｒａが１．０μｍであるものを用いた。冷却器３を構成する材料であるアルミニウムは、ＡＳＴＭＤ６９６に準拠して測定した線膨張係数が２．５×１０−５／Ｋである。
実施例１の半導体装置１の絶縁層４の厚さｄ（×１０−６ｍ）、絶縁層４の熱伝導率λ（Ｗ／ｍ・Ｋ）、厚さｄと熱伝導率λ（Ｗ／ｍ・Ｋ）との比ｄ／λ（×１０−６ｍ２・Ｋ／Ｗ）、交流耐電圧（ｋＶ）、線膨張係数（１／Ｋ）を下記方法で測定した。また、冷却器の絶縁層を形成する表面の面粗度Ｒａを下記方法で測定した。更に、半導体装置１の部品性能として、絶縁性と熱伝導性を下記のように評価した。なお、半導体装置１の部品性能として、初期と耐久性（温度サイク試験）の両方の評価を行った。測定及び評価の結果を表１に示す。
【００４０】
［熱伝導率の測定方法］
絶縁層の熱伝導率は、京都電子工業製  ＬＦＡ−５０２を用いたレーザーフラッシュ法にて測定した。
【００４１】
［交流耐電圧の測定方法］
絶縁層の交流耐電圧は、ＪＩＳ  Ｃ２１１０に準拠して、絶縁破壊試験機（日本テクナート社製）を用いて測定した。
【００４２】
[線膨張係数の測定方法]
絶縁層の線膨張係数は、ＡＳＴＭＤ６９６に準拠して、熱機械測定装置（セイコーインスツルメンツ社製）を用いて測定した
【００４３】
［表面粗さ］
冷却器の絶縁層を形成する側の表面の面粗度は、ＪＩＳ  Ｂ０６０１（２００１）に基づき粗さ曲線の算術平均高さ（Ｒａ）を、接触式表面粗さ測定機（ミツトヨ社製）を用いて測定した。
【００４４】
［性能評価］
（１）絶縁性能
半導体装置のパワーモジュールのバスバーと冷却器間の交流絶縁耐圧が、１．５ｋＶ以上の場合は「○」とし、１．５ｋＶ未満の場合は「×」と評価した。
（２）熱性能
半導体装置のパワーモジュールのバスバーと冷却器間の熱抵抗が、１ｃｍ２あたり、０．４５Ｋ／Ｗ未満の場合は「◎」とし、０．４５Ｋ／Ｗ以上０．６０Ｋ／Ｗ未満の場合は「○」とし、０．６０Ｋ／Ｗ以上０．７５Ｋ／Ｗ未満の場合は「△」とし、０．７５Ｋ／Ｗ以上１．００Ｋ／Ｗ未満の場合の場合は「×」とし、１．００Ｋ／Ｗ以上の場合は「××」と評価した。
【００４５】
［耐久性：温度サイクル試験］
最低温度を−４０℃とし、最高温度を１２０℃として、それぞれの温度で６０分間、半導体装置１を保持して、これを所定のサイクル数繰り返した後、上記性能評価を行った。
【００４６】
（実施例２）
絶縁層の充填材として、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を用い、この酸化ケイ素の含有率を変えたこと以外は、実施例１と同様にして半導体装置を作製した。この半導体装置について、実施例１と同様にして、測定及び評価を行った。結果を表１に示す。
【００４７】
（実施例３）
絶縁層の充填材の含有率を変えたこと以外は、実施例１と同様にして、半導体装置を作製した。この半導体装置について、実施例１と同様にして、測定及び評価を行った。結果を表１に示す。
【００４８】
（実施例４）
絶縁層の厚さを変えたこと以外は、実施例１と同様にして、半導体装置を作製した。この半導体装置について、実施例１と同様にして、測定及び評価を行った。結果を表１に示す。
【００４９】
（実施例５）
冷却器３として、絶縁層４が形成される側の表面が粗面化処理されておらず、この表面の面粗度Ｒａが０．０５μｍであるものを用いたこと以外は、実施例１と同様にして、半導体装置を作製した。この半導体装置について、実施例１と同様にして、測定及び評価を行った。結果を表１に示す。
【００５０】
（比較例１）
比較例１として、絶縁層としてシリコーンゴムから成るゴムシートを用いて、このゴムシートを冷却器上に直接形成せず、ゴムシートと冷却器との間にグリース層を介在させた半導体装置を作製した。
以下に、比較例１の半導体装置の構成を図３に基づき説明する。図３は、比較例１の半導体装置の概略構成を示す説明図である。なお、図３において、図１に示す半導体装置と同一の部材には、同一の符号を付した。
図３に示すように、比較例１の半導体装置１１は、絶縁層として、充填材（Ａｌ２Ｏ３）を含有するシリコーンゴムから成るゴムシート１２を設けている。また、ゴムシート１２は、冷却器３上に直接形成しておらず、ゴムシート１２と冷却器３との間に、グリース層８ｂを介在させている。即ち、比較例１の半導体装置１１は、ゴムシート１２と冷却器３、ゴムシート１２と半導体モジュール２との界面に、それぞれグリース層８ａ，８ｂを介在させている。
比較例１の半導体装置１１について、実施例１と同様にして、測定及び評価を行った。結果を表１に示す。
【００５１】
（比較例２）
比較例２として、充填材を含有しない絶縁層を用いたこと以外は、実施例１と同様にして、半導体装置を作製した。
図４は、比較例２の半導体装置の概略構成を示す説明図である。図４において、図１に示す半導体装置と同一の部材には、同一の符号を付した。
図４に示すように、比較例２の半導体装置１３は、絶縁層１４として、充填材を含有していないものを用いている。
比較例２の半導体装置１３について、実施例１と同様にして、測定及び評価を行った。結果を表１に示す。
【００５２】
（比較例３）
比較例３として、絶縁層として、冷却器の上に成膜したアルマイト（Ａｌ２Ｏ３）を用いたこと以外は、実施例１と同様にして、半導体装置を作製した。
図５は、比較例３の半導体装置の概略構成を示す説明図である。図５において、図１に示す半導体装置と同一の部材には、同一の符号を付した。
図５に示すように、比較例３の半導体装置１５は、絶縁層として、冷却器３の上に成膜したアルマイト（Ａｌ２Ｏ３）１６を設けている。
比較例３の半導体装置１５について、実施例１と同様にして、測定及び評価を行った。結果を表１に示す。
【００５３】
（比較例４）
比較例４として、絶縁層を冷却器上に直接形成せず、絶縁層と冷却器との間にグリース層を介在させたこと以外は、実施例１と同様の半導体装置を作製した。
図６は、比較例４の半導体装置の概略構成を示す説明図である。図６において、図１に示す半導体装置と同一の部材には、同一の符号を付した。
図６に示すように、比較例４の半導体装置１７は、絶縁層４を冷却器３上に直接形成しておらず、絶縁層４と冷却器３との間に、グリース層８ｂを介在させている。即ち、比較例４の半導体装置１７は、絶縁層４と冷却器３、絶縁層４と半導体モジュール２との界面にそれぞれグリース層８ａ，８ｂを介在させている。
比較例４の半導体装置１７について、実施例１と同様にして、測定及び評価を行った。結果を表１に示す。
【００５４】
【表１】
2009158919.tif 000003
【００５５】
［結果の考察］
表１に示すように、本例の半導体装置（実施例１〜５）の絶縁層は、交流耐電圧が１．５ｋＶ以上と高く、熱伝導率が１．０Ｗ／ｍ・Ｋ以上と高く、絶縁層の厚さｄ（ｍ）と熱伝導率λ（Ｗ／ｍ・Ｋ）との比（ｄ／λ）も５０×１０−６ｍ２・Ｋ／Ｗ以下と低かった。本例の半導体装置（実施例１〜５）は、絶縁層を冷却器上に直接形成していることによって装置の小型化が可能であり、しかも絶縁層の熱抵抗が抑制されて低くなっており、高い絶縁性能び熱性能（熱伝導性）を有していることが確認できた。
特に、実施例１の半導体装置は、熱性能が初期及び温度サイクル試験後も共に非常に良好であった。
冷却器の絶縁層を直接形成する側の表面の面粗度が小さい実施例５の半導体装置は、初期の熱性能は非常に優れていたが、温度サイクル試験後には、熱抵抗がやや高くなっていた。
【００５６】
比較例１の半導体装置は、シリコーンゴムから成る絶縁層の熱伝導率が５．０×１０−６Ｗ／ｍ・Ｋと高いにも拘わらず、ｄ／λが４０×１０−６ｍ２・Ｋ／Ｗと比較的大きい。また、比較例１の半導体装置は、絶縁層と冷却器の間と、絶縁層と半導体モジュールの間に、それぞれグリース層が介在しており、この２層のグリース層の熱抵抗によって熱性能が低下していた。
【００５７】
比較例２の半導体装置は、実施例の半導体装置に用いた絶縁層と同じポリマーを用いているものの、絶縁層中に充填材が含有されていないために、ｄ／λが２５０×１０−６ｍ２・Ｋ／Ｗと非常に大きく、半導体チップからの発熱が、絶縁層を介して効率的に冷却器に伝達されておらず、熱性能が非常に低下していた。また、比較例２の半導体装置は、絶縁層と冷却器を構成する材料との線膨張係数の差が３．５×１０−５／Ｋと大きいため、温度サイクル試験において、２００サイクル未満で絶縁層にクラックが生じていた。なお、比較例２の絶縁層の線膨張係数は６．０×１０−５／Ｋであり（表１参照）、冷却器を構成する材料（アルミニウム）の線膨張係数は２．５×１０−５／Ｋである。
【００５８】
比較例３の半導体装置は、絶縁層が成膜したアルマイト１６であるため、一般的にポリマーを用いた絶縁層よりも熱伝導性が良好であると考えられる。しかし、図５に示すとおり、アルマイト１６は、均質に成膜することが困難であり、アルマイト１６に微細な凹凸が形成された。また、比較例３の半導体装置は、絶縁層が１．５ｋＶ以上の交流耐電圧を確保し難いため、実用化が困難である。
【００５９】
比較例４の半導体装置は、絶縁層を冷却器上に直接形成していないこと以外は、実施例１と同様の構成であるが、絶縁層と冷却器の間にグリース層が介在していることによって、熱抵抗が抑制されず、熱性能が初期及び温度サイクル試験後共に実施例１よりも低下していた。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の半導体装置の一実施形態の概略構成を示す説明図である。
【図２】本発明の半導体装置の製造方法の一例を示し、（ａ）は絶縁材を冷却器上に載置した状態を説明する半導体装置の一部拡大断面図であり、（ｂ）は絶縁材を熱硬化させた状態を説明する半導体装置の一部拡大断面図である。
【図３】比較例１の半導体装置の概略構成を示す説明図である。
【図４】比較例２の半導体装置の概略構成を示す説明図である。
【図５】比較例３の半導体装置の概略構成を示す説明図である。
【図６】比較例４の半導体装置の概略構成を示す説明図である。
【符号の説明】
【００６１】
１，１１，１３，１５，１７    半導体装置
２    非絶縁型半導体モジュール
３    冷却器
３ａ  空隙
４    絶縁層
４’  絶縁材
５    半導体チップ
６    はんだ
７    バスバー
８    グリース層
８ａ  絶縁層と非絶縁型半導体モジュールの間のグリース層
８ｂ  絶縁層と冷却器の間のグリース層
１２  ゴムシート（絶縁層）
１４  絶縁層
１６  アルマイト（絶縁層）
【図１】
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【図２】
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【図３】
2009158919.tif 000006
【図４】
2009158919.tif 000007
【図５】
2009158919.tif 000008
【図６】
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