(57)【要約】【課題】パワーモジュールにおいては、１ｋＶを超える高電圧のものや、半導体の動作温度が１００℃を超えるものでは、半導体素子と放熱体との間の放熱性及び絶縁性が重要な特性となっている。このようなパワーモジュールに使用されるセラミックス基板の割れを防ぎ、絶縁性を有しながら、効率的に放熱する半導体装置が望まれていた。【解決手段】放熱する放熱部材と、筐体に半導体を含む電子部品を収容し、該電子部品を接合する金属部材と、通電する電極と、を備える半導体装置であって、該金属部材と、セラミックス粉体層と、放熱部材とが、順次接してなることを備える、半導体装置。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
放熱する放熱部材と、筐体に半導体を含む電子部品を収容し、該電子部品を搭載する金属部材と、通電する電極とを備える半導体装置であって、該金属部材と、セラミックス粉体層と、放熱部材とが、順次接してなることを備える、半導体装置。
【請求項２】
放熱する放熱部材と、筐体に半導体を含む電子部品を収容し、該電子部品を搭載する金属部材と、通電する電極とを備える半導体装置であって、該金属部材と、セラミックス基板と、セラミックス粉体層と、放熱部材とが、順次接してなることを備える、半導体装置。
【請求項３】
前記放熱部材がアルミニウム、アルミニウム合金、銅、または銅合金であることを特徴とする、請求項１乃至２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記放熱部材がアルミニウム、またはアルミニウム合金の少なくとも１種であって、表面にアルマイト処理してなる放熱部材である請求項１乃至３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記放熱部材が、放熱板、放熱フィン付き放熱板、水冷放熱体であることを特徴とする、請求項１乃至４に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に係わり、より詳しくはパワー半導体を搭載するインバータ、サイリスタ、パワーモジュールなどのパワー半導体モジュール装置及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
パワー半導体モジュール装置（以下パワーモジュールという）は、エアコン等の各種家電機器や、エレベーター、産業機械、電車、ハイブリッド電気自動車や電気自動車等、各種インバータ制御の電力機器などに用いられ、パワーデバイスと称されている。
【０００３】
従来より、比較的大容量のパワーモジュールに適用されているパワー半導体モジュールは通常絶縁樹脂が用いられた外装ケースと金属板からなる放熱体が組合された筐体をなし、この外装ケースの中に各電子部品が納められている。この放熱体は熱伝導性グリースを介して冷却放熱フィンや水冷放熱体などの冷却器上に取り付けられる。
【０００４】
外装ケースの内側において、放熱体上には表裏に金属板（箔）が形成されたセラミックス製絶縁基板が半田により接合されている。通常、裏側（放熱体側）の金属板（箔）はセラミックス製絶縁基板のほぼ全面を覆っており、表側（放熱体を半田付けしない側）は金属板（箔）により回路パターンが形成されており、セラミックス金属絶縁回路基板をなしている。前記回路パターン上には、パワー半導体素子やチップ部品等が半田付けされる。また、外装ケースに配置された、外部接続端子と前記回路パターンはボンディングワイヤによって接続されている。
【０００５】
前記各電子部品を設置した上で、外装ケース内側にはシリコンゲル、エポキシ樹脂などの封止樹脂が充填されている。封止樹脂は更にエポキシ樹脂などの固型樹脂により封止され、この固型樹脂上に外装ケースと同種又は異なる材質の端子ホルダが固定されている。
【０００６】
前記構成のパワーモジュールにおいては、１ｋＶを超える高電圧のものや、半導体の動作温度が１００℃を超えるものでは、半導体素子と放熱体との間の放熱性及び絶縁性が重要な特性となっている。
【０００７】
このため、従来の構成においては、絶縁基板として熱伝導性と絶縁特性に優れた、アルミナや窒化アルミニウムなどの材質のセラミックス基板が用いられている。また、放熱体と冷却器との間には熱伝導性グリースを介在させて、放熱体から冷却器へ効率よく熱を逃がすようにしている。なお、放熱体と冷却器は通常ネジ止めされ固定されている。
【０００８】
特許文献１では、前記従来の構成の電気的特性（特に絶縁性）と耐久性、信頼性を改善するために、半導体素子が配置される金属板（マウント用導電体）と放熱体との間を、シート状放熱絶縁体により接続し、且つ前記金属板の端部に接して絶縁樹脂を配置する構造を開示している。
【０００９】
前記特許文献１の構造により、前記金属板と放熱手段との接続部分の熱伝導率３Ｗ／ｍ・Ｋ以上で、且つ、絶縁破壊強度３０ｋＶ／ｍｍ以上を共に得ることができるようにしている。
【００１０】
さらに従来の構成との対比で述べれば、従来のセラミックス絶縁基板の代わりに樹脂製のシート状放熱絶縁体を配置し、絶縁特性を確保するために、前記金属板の端部を絶縁樹脂で封止したものである。これにより、従来セラミックス絶縁基板では、熱衝撃などでセラミックス絶縁基板が割れ、絶縁破壊を起こすなどの問題を排除しているものである。
【００１１】
また、特許文献２では、簡易な構造にて十分な放熱性能を確保できるパワーモジュールとして、半導体素子等が配置される金属板（配線）と放熱体（ヒートシンク）が絶縁性接着剤（絶縁性樹脂）で接着されている。これにより、電気自動車、ハイブリッドカー等、パワーモジュールの設置スペースの制約が大きい分野において友好利用でき、特に、半導体素子温度が１５０〜２５０℃程度、使用電源電圧２００〜７５０Ｖ、最大電圧７００〜１５００Ｖ程度でのインバータへの利用が期待される。
【００１２】
【特許文献１】特開２００５−２１０００６号
【特許文献２】特開２００５−１５９０４８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、従来の技術では半導体装置をアセンブリする時や半導体装置の通電時に発生する熱や熱サイクル（ヒートサイクル）によって、セラミックス基板と金属板の熱膨張係数の差から発生する熱応力により、セラミックス基板が割れるといった信頼性が劣化するおそれがあった。また、前記熱膨張係数の差より放熱体が反り、冷却器との密着が良好でなくなり放熱性に問題が発生するおそれがあった。
また、特許文献１、２ではセラミックス基板を使用しないためにセラミックス基板が割れる心配はなくなり信頼性は得ることができるが、樹脂のシートや樹脂の接着剤を使用するために、セラミックス基板と比べて熱伝導率が１０分の１以下となり十分ではなかった。
このようにセラミックス基板の割れを防ぎ、絶縁性を有しながら、効率的に放熱する半導体装置が望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者は鋭意研究を行った結果、上記課題についてセラミックス粉体を放熱体と（回路用）金属板との間に使用することで解決することができた。
【００１５】
すなわち、第１の発明は、放熱する放熱部材と、筐体に半導体を含む電子部品を収容し、該電子部品を接合する金属部材と、通電する電極と、を備える半導体装置であって、該金属部材と、セラミックス粉体層と、放熱部材とが、順次接してなることを備える、半導体装置である。
【００１６】
第２の発明は、放熱する放熱部材と、筐体に半導体を含む電子部品を収容し、該電子部品を搭載する金属部材と、通電する電極と、を備える半導体装置であって、該金属部材と、セラミックス基板と、セラミックス粉体層と、放熱部材とが、順次接してなることを備える、半導体装置である。
【００１７】
第３の発明は、前記放熱部材がアルミニウム、アルミニウム合金、銅、または銅合金であることが好ましい。第４の発明は、前記放熱部材がアルミニウム、またはアルミニウム合金の少なくとも１種であって、表面にアルマイト処理してなる放熱部材を有する、半導体装置である。第５の発明は、前記放熱部材が、放熱板、放熱フィン付き放熱板、水冷放熱体である半導体装置である。また、端子が直接回路金属板に半田付けされているものもある。
【発明の効果】
【００１８】
本発明により、放熱性が顕著に向上し、ヒートサイクルにも十分に耐える信頼性が大幅に向上した半導体装置を得ることができた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の一例を図１を用いて説明する。本発明はこの形態に限るものではない。
筐体である外装ケース３には、電極２、電子部品６、金属部材７、セラミックス粉体層５，ボンディングワイヤー８、絶縁樹脂９、蓋１０が備えてなり、外装ケース３の下部には、放熱部材４が接合され配置されてある。電子部品６、電極部材７，セラミックス粉体層５、放熱部材４は、この順番にて順次接してある。
【００２０】
放熱部材４は金属からなり、金属としてはアルミニウム、アルミニウム合金、銅、または銅合金であることが好ましい。さらに、放熱部材４としては熱伝導率の高いものが要求され、１５０Ｗ/ｍＫ以上の熱伝導率を持つものが良い。大気等に半導体等より発生した熱を伝熱し、放熱するためである。また、前記放熱部材４が、放熱板、放熱フィン付き放熱板、水冷放熱体であることが好ましく、少なくとも外装ケースを接着する側は平面であることが好ましい。さらに、前記放熱部材４のセラミックス粉体５と接する表面に、絶縁層が形成されていることが好ましく（図示なし）、前記放熱部材がアルミニウムまたはアルミニウム合金であって、前記絶縁層がアルミナであることが好ましい。アルミナはアルミニウムの陽極酸化により、アルマイト処理を施すことが好ましい。
【００２１】
筐体として、外装ケース３は樹脂からなり、前記放熱部材４の上に略垂直な壁を４方面に持っており、樹脂系接着材で接合されている。ネジ止目によってもよい。また、樹脂の中に無機質フィラーを充填したものが好適に使用される。
前記放熱部材４に接着された前記外装ケース３により、略直方体の形状の上方が開放された空間であり、電子部品の収容可能とする空間である収容部が形成する（図示なし）。収容部には、絶縁のためのセラミックス粉体層５とセラミックス粉体層５に接している金属部材７と、該金属部材７の上に搭載された電子部品６等が収容され、該収容部から該収容部の外部に通じる電極２を有している。
【００２２】
セラミックス粉体層５は、セラミックス粉体を主な成分としてなる。セラミックス粉体層は、セラミックス粉体を収容部に放熱部材４から約０．５〜５ｍｍ程度の厚さで、隙間なく充填されており、平らになるように圧力をかけてあることが好ましい。このようにしてセラミックス粉体層が形成可能である。セラミックス粉体５の平均粒径は５０μｍ以下が好ましく、２５μｍ以下がさらに好ましい。これらの厚さ、粒径により、金属部材７と放熱部材４間において、１ｋＶ以上の絶縁性を持たせることができる。また、厚さは１ｍｍ〜３ｍｍがさらに好ましい。セラミックス粉体の材質は、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素などがよいが、特に熱伝導率の高く絶縁性に優れた窒化アルミニウムが好ましい。粉体層の厚さを測定する際は、断面を１０倍程度に拡大した写真により計測、または、長さを測定できる高さ測定機を用いれば良い。
【００２３】
熱は、主に電子部品６により発生した発熱であり、この熱は、金属部材７に伝熱し、金属部材と接するセラミックス粉体層５へ、セラミックス粉体層５が接する放熱部材４へ伝熱され、外気である大気に放熱される他、水冷などによりさらなる放熱機器に伝熱される。このようにセラミックする粉体層５では、伝熱がより効率良く可能であるように伝熱する各部材には平面で接していることが望ましく、接触面積が大きい方が望ましい。また、直接接していてもよい。
【００２４】
金属部材７は、アルミニウムや銅などの導電率および熱伝導率が高いものが好ましい。前記金属部材７は半導体素子などのチップ部品を搭載する回路として用いられるため、板形状が好ましい。
【００２５】
前記電極２は内部の収容部と外部に通じており、外部は外部電極となっている。前記電極２は前記外装ケースに取り付けられていても良く、前記金属部材７または電子部品６とボンディングワイヤによって、電気的接続がとられることが好ましい。
【００２６】
また、前記外装ケース３の収容部に、セラミックス粉５、金属部材７、電子部品６、電極２、ボンディングワイヤ８などを収容した後に絶縁樹脂９で封止され、前記収容部が蓋１０で覆われていることが好ましい。なお、金属部材７とセラミックス粉体層５が密接に接するために、金属部材７を押圧しながら絶縁樹脂９を充填してもよい。押圧は、上方からガイドピンやバネを用いても良い。
【００２７】
図３に例示するように、セラミックス基板１１を金属部材７とセラミックス粉体層５との間に挟持してもよい。セラミックス基板と金属部材７を接合し、この金属部材の上に電子部品６を配置した電気基板部品を用いれば、より効率的に生産可能である。また、セラミックス粉体の緩衝作用のためセラミック基板が熱応力によっては割れなくなる。なお、セラミックス基板は、セラミックス粉体を、シート状にし、焼成して得る市販のものでよく、アルミナ、窒化アルミなどを原料とする基板でよい。
【００２８】
このように、電子部品等による熱を大気等へ放熱する放熱部材と、筐体に半導体を含む電子部品を収容し、該電子部品に通電する金属部材と電極と、を備える半導体装置であって、該金属部材と、セラミックス粉体層と、放熱部材とが、このような順序にて順次接してなることにより、従来にはない放熱効率の高い半導体装置を得ることができ、より大電流を通電するパワートランジスターを用いた電気制御において、有効である。また、同様な半導体装置であって、該金属部材と、セラミックス基板と、セラミックス粉体層と、放熱部材とが、このような順番にて順次接してなることを備える半導体装置であれば、電子部品を搭載する際に基板が必要な、より多数か、複雑な構造を有する電子部品においても、十分放熱可能となり、より多様な優れた半導体装置を得ることが可能となる。絶縁にセラミックス粉を使用したので熱伝導率の低下も抑制し、前記熱膨張係数の差より放熱体が反ることもなく、半導体装置を外部の装置組み込んだ際にも反りによる装置の破壊や、故障を抑制できる。
【実施例】
【００２９】
（実施例１）
図２（a）に示すように、まず、放熱部材４としてアルミニウム板材と、電極２が予め組みこまれた略直方体の上下が開放された筒状の樹脂外装ケース３を準備した。放熱部材４のアルミニウム板材と樹脂外装ケース３をエポキシ系の熱可塑性樹脂で接合してある。
図２（ｂ）に示すように、放熱板と外装ケースとでできた内部の空間、すなわち電子部品などの収容部に、セラミックス粉５として粒径が１０μｍ以下の窒化アルミニウム粉を準備し、収容部に放熱板から１ｍｍの高さになるように入れた。その後に略水平になるように、押圧した。ここで、放熱部材４とセラミックス粉５上に金属部材７を置いて、これらの間の絶縁耐圧を測定したところ、１．２ｋＶ以上であった（図示なし）。
図２（ｃ）に示すように、一方、所定の回路を形成するような金属板を準備し、その上に半導体素子やチップ部品を予め半田で接合した。その電子部品６が接合された金属部材７を前記セラミックス粉の上に設置した。さらに、半導体チップの電極または金属部材７と、前記樹脂外装ケース３に形成された電極をアルミニウムのボンディングワイヤー８により電気的に接続した。なお、このワイヤーボンディングに用いたボンディング装置は、前記外装ケースに接触しないように、設計されている。
さらに、この上に絶縁用のエポキシ樹脂９を入れ、さらに固体樹脂を入れ外装ケースに蓋１０をして、半導体装置を完成させた（図１）。
【００３０】
この半導体装置に通電し、電子部品６による発熱によって生じる半導体装置の放熱性と絶縁性について評価した。放熱性の評価には、電子部品６の温度を測定した。絶縁性の評価は、絶縁破壊が生じれば、直ちに装置から信号が断絶することから信号の有無を測定して行った。結果、温度は、１００℃を超えることなく、信号を発進し、電子部品は良好な状態で作動した。すなわち、良好な放熱状態であり、絶縁性も維持できた。また、ヒートサイクル試験を実施した。室温＋１２５℃  ３０分間、室温  １０分間、―４０℃  ３０分間、室温  １０分間を１サイクルの条件とした。結果、１０００サイクル後であっても、絶縁破壊がなかった。
【００３１】
（実施例２）
放熱部材４に陽極酸化によるアルマイト処理を施した以外は、実施例１と同様の半導体装置を作製した。このとき、実施例１と同様に放熱部材４と金属部材７との絶縁耐圧を測定したところ、２ｋＶ以上をクリアした。
【００３２】
この半導体装置に通電し、電子部品６による発熱によって生じる半導体装置の放熱性と絶縁性について実施例１と同様に評価した。結果、温度は、１００℃を超えることなく、信号を発進し、電子部品は良好な状態で作動した。すなわち、良好な放熱状態であり、絶縁性も維持できた。また、ヒートサイクル試験を実施した。室温＋１２５℃  ３０分間、室温  １０分間、―４０℃  ３０分間、室温  １０分間を１サイクルの条件とした。結果、１０００サイクル後であっても、絶縁破壊がなかった。
【００３３】
（実施例３）
図３に示すように、実施例１におけるセラミックス粉の高さを０．５ｍｍとして、その上に、厚さ０．５ｍｍのセラミックス基板１１を設置した。このセラミックス基板１１の上には、予め接合された電子部品６を搭載されている。これ以外の手順は、実施例１と同様である。なお、実施例１と同様に放熱部材４と金属部材７との絶縁耐圧を測定したところ、２ｋＶ以上をクリアした。
【００３４】
この半導体装置に通電し、電子部品６による発熱によって生じる半導体装置の放熱性と絶縁性について実施例１と同様に評価した。結果、温度は、１００℃を超えることなく、信号を発進し、電子部品は良好な状態で作動した。すなわち、良好な放熱状態であり、絶縁性も維持できた。また、ヒートサイクル試験を実施した。室温＋１２５℃  ３０分間、室温  １０分間、―４０℃  ３０分間、室温  １０分間を１サイクルの条件とした。結果、１０００サイクル後であっても、絶縁破壊がなかった。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明にかかる半導体装置の概略図
【図２】本発明の実施例１にかかる半導体装置の中間体概略図
【図３】本発明の実施例３にかかる半導体装置の概略図
【符号の説明】
【００３６】
１：半導体装置
２：電極
３：外装ケース
４：放熱部材
５：セラミックス粉体層
６：電子部品（半導体チップ等）
７：金属部材
８：ボンディングワイヤー
９：絶縁樹脂
１０：蓋
１１：セラミックス基板
（ａ）：実施例にかかる中間体
（ｂ）：実施例にかかる中間体
（ｃ）：実施例にかかる中間体
【図１】
2009088172.tif 000003
【図２】
2009088172.tif 000004
【図３】
2009088172.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成19年10月4日(2007.10.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2009088172.tif 000006
【図２】
2009088172.tif 000007
【図３】
2009088172.tif 000008