(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の熱伝導部材の表面に搭載された樹脂製絶縁材と、この樹脂製絶縁材の表面に搭載された第２の熱伝導部材と、この第２の熱伝導部材の表面に半田を介して搭載された半導体素子とを備えた半導体モジュールの製造方法において、前記第１の熱伝導部材にフィンを設け、この樹脂製絶縁材を前記第１の熱伝導部材にプレスする際、前記フィン間のフィンベース部を型に載置することを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体モジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体モジュールは、一般消費者の省エネルギーやランニングコスト低減への意識が高まるにつれ、従来用いられてきた鉄道車両用などの用途だけでなく、家電製品などへの使用用途が広がっている。
この使用用途の広がりによって、半導体モジュールには、より一層の高付加価値化や、家電製品に搭載可能な小型化と低価格化への要求が高まっている。
【０００３】
高付加価値化としては、従来の半導体モジュールに対して、インテリジェントパワー  モジュール（Intelligent Power module）と呼ばれるドライバ回路や保護回路を内蔵した半導体モジュールが実用化されており、今後も更なる高付加価値化が要求されている。
尚、半導体モジュールの従来技術として、例えば特開平１１−２０４７００号公報がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術の特開平１１−２０４７００号公報に放熱フィンを取付けた半導体モジュールを図６にて詳細に説明する。図６は、半導体モジュールの断面図である。
図６において、１は、半導体モジュールである。この半導体モジュール１は、金属ベース２３の表面に絶縁樹脂シート１６を配置し、この絶縁樹脂シート１６の上部にＡｌ（アルミニウム）やCu（銅）の合金などの高熱伝導の導電層１２を接着している。この導電層１２の上部に半導体素子１３が半田１７により接合されている。
この半導体モジュール１は、放熱フィン１１を一体に成形した台座２０と金属ベース２３との間に熱伝導グリース２２を介して固定用ボルト２１をもって放熱フィン１１を固定している。１４は、回路基板１５上に搭載されたマイクロコンピュータである。このマイクロコンピュータ１４は、基板１５に搭載され、この基板が前記絶縁樹脂シート１６を介して金属ベース２３上に搭載されている。
この構造によれば、半導体素子１３から発生した熱は、半田１７、導電層１２、絶縁樹脂シート１６、金属ベース２３、熱伝導グリース２２および台座２０を介して放熱フィン１１に伝達されて放熱される。
上記従来技術によると、この半導体モジュール１は、導電層１２は半導体素子１３からの熱を受け、中央部が半田１７方向に突出する反りや、逆に絶縁樹脂シート１６方向に突出する反りが発生してしまう。しかしながら、この反りは半田にとって、むしろ良好に作用する。
即ち、導電層１２の半田１７側の面は、熱によって半導体素子１３側に反り、広がるが、導電層１２自体は収縮するので、この収縮に倣って半田１７も収縮することになり、半田１７への弊害は少ない。
【０００５】
ところが、絶縁樹脂シート１６と熱伝導グリース２２とは、他の材料と比較して熱伝導率が低いため、放熱フィン１１への熱伝達が悪く、熱が導電層１２にこもりやすい。
熱が導電層１２内にこもってしまうと、上述したように導電層１２が反ってしまい、フィン１１を一体に設けた台座２０の中央部に対して導電層１２の中央部が浮き上がり、熱伝導グリース２２の層が厚くなってしまう。これにより、フィン１１からの放熱性が低下し、熱によって半田１７の寿命が低下するという問題がある。
【０００６】
本発明の目的は、フィンからの放熱性を向上させ、マイクロコンピュータへの熱影響を押さえた信頼性の高い半導体モジュールを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、第１の熱伝導部材の表面に搭載された樹脂製絶縁材と、この樹脂製絶縁材の表面に搭載された第２の熱伝導部材と、この第２の熱伝導部材の表面に半田を介して搭載された半導体素子とを備えた半導体モジュールにおいて、前記第１の熱伝導部材にフィンを設け、前記第１の熱伝導部材の材料が前記第２の熱伝導部材の材料よりも線膨張係数が大きく、前記第１の熱伝導部材の縦弾性係数と板厚の積が、前記第２の熱伝導部材の縦弾性係数と板厚の積の３倍以下であることにより達成される。
【０００８】
また、上記目的は、第１の熱伝導部材の表面に搭載された樹脂製絶縁材と、この樹脂製絶縁材の表面に搭載された第２の熱伝導部材と、この第２の熱伝導部材の表面に半田を介して搭載された半導体素子とを備えた半導体モジュールにおいて、前記樹脂製絶縁材の表面に基板を搭載し、この基板の表面にマイクロコンピュータを搭載してなり、このマイクロコンピュータの搭載位置と対向する第１の熱伝導部材位置と前記樹脂製絶縁材との間に空間を設けたことにより達成される。
【０００９】
また、上記目的は、前記第１の熱伝導部材にフィンを設け、このフィンの長さは前記半導体素子と対向する側が前記マイクロコンピュータと対向する側より長いことにより達成される。
【００１０】
また、上記目的は、前記空間を前記第１の熱伝導部材の表面に設けたことにより達成される。
【００１１】
また、上記目的は、前記空間内に樹脂を充填したことにより達成される。
【００１２】
また、上記目的は、第１の熱伝導部材の表面に搭載された樹脂製絶縁材と、この樹脂製絶縁材の表面に搭載された第２の熱伝導部材と、この第２の熱伝導部材の表面に半田を介して搭載された半導体素子とを備えた半導体モジュールにおいて、前記第１の熱伝導部材にフィンを設け、この樹脂製絶縁材を前記第１の熱伝導部材にプレスする際、前記フィン間のフィンベース部を型に載置することにより達成される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を、図を参照して説明する。
図１（ａ）は、本発明の第1の実施例である半導体モジュールの断面図である。
図１（ｂ）は、本発明の第1の実施例である半導体モジュールの上面図である。
図１（ａ）において、半導体モジュール１は、絶縁樹脂シート１６を熱圧着により放熱フィン１１のベース１１ａ表面に配置している。この絶縁樹脂シート１６は、熱伝導率を上げるために、エポキシ樹脂にアルミナフィラーを混練したものを用いている。絶縁樹脂シート１６の上部には、半導体素子１３を搭載する導電層１２とマイコン１４を搭載する回路基板１５が接着剤を介して配置される。
【００１４】
本実施例では、導電層１２にＣｕ（銅）を用い、放熱フィン１１にＡｌ（アルミニウム）を用いた。この放熱フィン１１は、ベース１１ａに取付け（この場合、ベース１１ａと一体若しくは半田等で接続し、一体的にしたものでもかまわない）られている。２１は、ボルトであり、ベース１１ａを貫通し、取付板２５に固定される。２４は、接着剤であり、導電層２と絶縁樹脂シート１６を接着するものである。
【００１５】
図１（ｂ）に、本実施例である半導体モジュールの平面図を示す。
図１（ｂ）において、半導体素子１３は、放熱フィン１１の上部に絶縁樹脂シート１６、導電層１２を介して６個配置されている。また、マイクロコンピュータ１４は放熱フィン１１の上部に回路基板１５を介して１個配置されている。
本実施例による半導体モジュール１を家電製品等に搭載した場合、外部からの衝撃、或いは移動などによる振動によって取付板２５のボルト孔周囲に応力が集中する可能性がある。従って、本実施例では、ベース１１ａの角部１１ｂに曲率を持たせて応力集中を緩和し、振動や熱応力によって放熱フィン１１及び外部ケース２０が破損することを防止している。
【００１６】
図２（ａ）は、導電層と放熱フィンの温度がΔＴ低下したときの変形の様子を示した図である。
図２（ａ）においは、導電層にＣｕを用い、放熱フィンにＡｌを用いている。Ｃｕは、Ａｌよりも線膨張係数が小さいため、温度が低下した場合、上方に凸状の反り変形が生じる。したがって、ΔＴの温度低下が起きた場合の半田の接合面である導電層上面のひずみεｕは、水平方向の収縮による熱ひずみεｔと反り変形によるひずみεｂの組み合わせによって表される。
ここで、導電層の縦弾性係数をＥ１、線膨張係数をα１、板厚をｈ１、放熱フィンの縦弾性係数をＥ２、線膨張係数をα２、板厚をｈ２として導電層と放熱フィンとの積層構造と考えると、積層構造の全体の線膨張係数α’は、
α’＝（α１Ｅ１ｈ１＋α２Ｅ２ｈ２）／（Ｅ１ｈ１＋Ｅ２ｈ２）
で表される。したがって、ΔＴ温度低下したときに生じる熱ひずみεｔは、
εｔ＝α’・ΔＴ
となる。温度が低下する場合、εｔは圧縮ひずみとなる。
【００１７】
次に、反り変形によって導電層上面に生じるひずみεｂは以下の様に求まる。反り変形の曲率半径をＲ、反り変形の中立軸（反り変形によるひずみが生じない軸）から導電層上面までの距離をＬとする、εｂは、
εｂ＝Ｌ／Ｒ
となる。本実施例のようにα１がα２よりも小さい場合、温度が低下するときのεｂは引張りひずみとなる。したがって、εｔとεｂは互いに打ち消す方向に働き、導電層上面のひずみεｕは、
εｕ＝εｔ−εｂ
と表される。一般に、εｔはεｂよりも絶対値が大きいため、温度が低下するときのひずみεｕは圧縮ひずみとなる。
【００１８】
ところで、半田は半導体素子と導電層上面の接合に用いられて、半導体素子は線膨張係数が小さいので、熱ひずみは非常に小さい。したがって、半田に生じる歪みを低減するためには、導電層上面のひずみεｕを小さくする必要がある。
【００１９】
図２（ｂ）は、半田にとって最も効果的なＣｕとＡｌの関係を示すグラフである。
図２（ｂ）において、縦軸は、導電層上面の見かけの線膨張係数、すなわち単位温度変化したときの導電層上面のひずみεｕを示している。この値が小さいほど半田の歪みが低減でき、半田の寿命が向上することを示す。横軸は、放熱フィンの縦弾性係数と板厚の積に対する導電層の縦弾性係数と板厚の積の比率を示す。
すなわち、横軸が０のときは放熱フィンの厚さｈ２＝０であり、積層構造の全体の線膨張係数α’は上記式より、α’＝α１、したがって、水平方向の熱ひずみ
εｔ＝α１・ΔＴとなる。また、このとき放熱フィンの厚さは０であり反り変形が生じない（曲率半径Ｒ＝∞）ために、反り変形による歪みεｂ＝０となるため、導電層上面のひずみεｕはＣｕ単体の場合の熱ひずみと一致する。
【００２０】
次に、横軸の値が増加して、ＣｕとＡｌの板厚が同程度になった場合を考える。この場合、Ｃｕに対してＡｌの板厚が相対的に大きくなるため、積層構造の全体の線膨張係数α’は、Ｃｕの線膨張係数α１からＡｌの線膨張係数α２に近づきεｔが大きくなる。一方、反り変形も大きくなる（曲率半径Ｒが小さくなる）ため、εｂが大きくなる。そして、εｂの増加量がεｔの増加量よりも大きいとき、εｕはＣｕ単体のときよりも小さくなる。
【００２１】
次に、横軸の値がさらに増加して、Ｃｕに対してＡｌの板厚が十分に大きい場合を考える。この場合、積層構造の全体の線膨張係数α’はＡｌの線膨張係数α２にさらに近づきεｔが大きくなる。一方、Ａｌに対してＣｕの板厚が小さいために反り変形が小さくなりεｂは減少する。この結果、εｕはＣｕ単体のときよりも大きくなり、Ａｌ単体の状態に近づく。
したがって、ＣｕとＡｌの組み合わせによって、導電層上面の見かけの線膨張係数をＣｕの線膨張係数以下にして半田の寿命を向上させるためには、ＣｕとＡｌの板厚や縦弾性係数の関係が一定の範囲内にあることが必要である。
図２（ｂ）のグラフによれば、放熱フィン１１の縦弾性係数と板厚の積が、導電層の縦弾性係数と板厚の積の３倍以下（図２（ｂ）ではハッチング部分）であれば、Ｃｕ単体のときよりも見かけの線膨張係数が小さくなり、半田の寿命を延長するのに効果的であることが分かる。
【００２２】
上記説明は、温度が低下する場合について行った。温度上昇する場合は、歪みの符号が逆になるのみであり、歪みの絶対値を低減させる効果については温度低下する場合と同様である。
本実施例では、導電層にＣｕ、放熱フィンにＡｌを用いたが、上記効果は放熱フィンの線膨張係数が導電層の線膨張係数よりも大きければ得ることができるので、Ｃｕ、Ａｌに限らず他の組み合わせを用いることは可能である。
【００２３】
ところで、本実施例ではモジュール全体が反り変形するが、熱伝導グリース２２を用いていないため、反り変形に伴って熱伝導グリース層が厚くなって熱抵抗が増加することはない。
また、一般に線膨張係数が小さい金属材料は高価であるので、体積の大きい放熱フィン１１に線膨張係数の大きい材料を用いることは、半導体モジュールのコスト低減には有効である。また、本実施例ではベース１１ａと放熱フィン１１が一体となっているが、従来技術のように、ベース１１ａと放熱フィン１１を別体とした場には、ベース１１ａの縦弾性係数と板厚の積が、導電層の縦弾性係数と板厚の積の３倍以下とすることで、半田の熱歪みを低減することができる。
【００２４】
本実施例では、導電層１２は接着剤を用いて絶縁樹脂シート１６に固定しているが、導電層１２と絶縁樹脂シート１６を熱圧着によって固定しても良い。
また、導電層１２の上部には、半導体素子１３が半田１７によって固定され、導電層１２の表面には、Ｎｉめっきを施して半田１７の濡れ性を向上している。回路基板１５の上部には、半導体モジュールを制御するマイクロコンピュータ１４が搭載される。
ここで、本半導体モジュール１稼動時のマイクロコンピュータ１４における発熱量は、半導体素子１３における発熱量よりもはるかに小さい。また、マイクロコンピュータ１４は熱に弱いため、マイクロコンピュータ１４の温度が上昇した場合、誤作動や故障を起こすことが考えられが、マイクロコンピュータ１４の搭載位置下部で、かつ放熱フィン１１上面に窪み１９を設け、回路基板と放熱フィンの間に空間を設けることによって、半導体素子１３の発熱によるマイクロコンピュータ１４の温度上昇を防止できる。
【００２５】
この実施例では、窪み１９に樹脂を充填して、湿気などによる結露や腐食を防止しているが、使用環境によっては樹脂を充填しなくても良い。樹脂を充填しない場合に生じる空間は、絶縁樹脂シート１６、又は回路基板１５によって蓋をされるため、外部に露出することはない。
また、半導体１３の発熱量が小さい場合や、半導体１３とマイクロコンピュータ１４の距離が長い場合であって、半導体１３の発熱によるマイクロコンピュータ１４の温度上昇が小さい場合は、窪み１９を設けなくても良い。
窪み１９に樹脂を充填する場合、絶縁樹脂シートの硬化温度と同等、又はそれ以下の温度で硬化する樹脂を用いることで、樹脂と絶縁樹脂シート１６を同時に硬化させることができる。また、放熱フィン１１のベース１１ａに窪み１９を設けたが、ベース１１ａの上面に突起を設けることで回路基板と放熱フィンの間に空間を設けても良い。
【００２６】
半導体モジュールは、接続用ボルト２１によって外部ケース２０と接続されている。
ここで、外部ケース２０には、放熱フィン１１にボルト２１をを挿入するための穴が設けられており、穴の周囲の厚みｔ１を、穴から接続部長さｘの３倍以上離れた位置の厚さｔ２と比較して大きくすることで、穴を設けたことによる外部ケース２０の強度低下を防止している。
半導体モジュールと外部ケース２０を接続用ボルト２１によって接続した後は、放熱フィン１１が外部ケース２０の一部となり、放熱フィン１１は空気によって冷却される。一方、放熱フィン１１が冷却水によって冷却される場合は、放熱フィン１１と外部ケース２０の接合部において水分の浸入が考えられるため、放熱フィン１１と外部ケース２０にそれぞれ溝を設け、この溝内にＯリング１８を挿入することによって、水の浸入を防止している。尚、このＯリング１８に代用されるものとして、ゴム板やシリコーンなどを用いても良い。この場合は、Ｏリングを挿入するための溝は不要である。
【００２７】
図３に、本発明の第２の実施例である半導体モジュールの断面図を示す。
図３において、本実施例では、マイクロコンピュータ１４の搭載位置下部に位置する放熱フィン１１の長さに対し、半導体素子１３の搭載位置下部に位置する放熱フィン１１の長さを長くしたものである。
本実施例は、半導体モジュールの実装位置による制約や冷却媒体の流れを適正化するために、放熱フィンの長い位置に半導体素子１３を搭載し、放熱フィンの短い部分にマイクロコンピュータ１４を搭載したものである。これにより、半導体素子からの熱を長い放熱フィンで効率良く放熱し、マイクロコンピュータ側への熱移動を押さえたものである。
以上のように、半導体素子１３から発生した熱を、主として放熱フィン１１で放熱するので、熱に弱いマイクロコンピュータ１４の温度上昇を軽減できる。
【００２８】
次に、本発明による半導体モジュールの製造方法を図４で説明する。
図４において、４１は、放熱フィン１１間に挿入され、先端がベース１１ａの内面に当接する型であり、図４（ａ）は、その型４１が放熱フィン間に挿入された状態を示している。
図４（ｂ）は、型１４の先端がベース１１ａの内面に当接した状態を示している。
図４（ｃ）は、型１４の先端によって残された接触部４２ａを示している。
【００２９】
本実施例による半導体モジュール１は、放熱フィン１１に絶縁樹脂シート１６を密着させて半導体素子１３の熱を放熱フィン１１側の効率良く伝達する必要がある。
そこで、本実施例では、絶縁シート１６を放熱フィン１１にプレスで熱圧着するものである。しかし、放熱フィン１１をプレスする場合、プレスの荷重によってフィンが座屈し、製造過程で破損することが考えられため、放熱フィン１１をプレスする場合に図４（ａ）に示す型４１を用い、この型４１と放熱フィン１１を組み合わさせることで、プレス時のフィンの座屈を防止して均一なプレスを可能にするものである。
【００３０】
図４（ｂ）は、放熱フィン１１と型４１を組み合わせた図である。放熱フィン１１と型４１は、プレス時接触部４２ａ、４２ｂで接触しており、フィン１１の横方向には隙間を有する。この時、放熱フィン１１には荷重が加わらないため放熱フィン１１が座屈することはない。また、横方向に隙間を有することで、プレス時に型４１の弾性範囲でのたわみ変形を許容し押しムラが軽減される。
特に、複数の放熱フィンや絶縁樹脂シートを同時にプレス加工する場合に生じる各放熱フィン１１や絶縁樹脂シート１６の厚みの違いを型４１のたわみ変形によって吸収し、押しムラを軽減することができる。
本実施例では、製造時に放熱フィン１１と型４１が接触部４２ａ、４２ｂにおいて接触するため、接触部４２aには図４（ｃ）に示すようなプレス時に押し跡が残る。しかし、このプレス跡は放熱フィン１１の放熱性能に影響を及ぼすものではない。
【００３１】
次に、図５は、本発明における第３の実施例に対応した型を示した図である。図５において、放熱フィン１１長さが異なる半導体モジュールの製造においは、最も長い放熱フィン１１長さに合わせた型４１を用いることで、放熱フィン１１と絶縁樹脂シート１６の熱圧着が可能となる。
【００３２】
本発明は、以上説明したように、半導体モジュールの高付加価値化として、半導体モジュールにドライバ回路や保護回路、さらには制御回路となるマイクロコンピュータ等を搭載した場合、マイクロコンピュータを半導体素子からの熱から保護し、誤作動や故障を防止することが出来る。
一方、家電製品用の小型で、低価格な半導体モジュールを提供できる。
【００３３】
また、絶縁樹脂シートを放熱フィンに密着させる際、放熱フィンをプレスで押圧してもフィンに負担がかからな製造方法を提供できる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、  本発明の目的は、フィンからの放熱性を向上させ、マイクロコンピュータへの熱影響を押さえた信頼性の高い半導体モジュールを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明を備えた半導体モジュールの第一の実施例を説明する図である。
【図２】図２は、本発明の効果の範囲を説明するためのグラフ図である。
【図３】図３は、本発明による半導体モジュールの第二の実施例を説明する図である。
【図４】図４は、本発明による半導体モジュールの第三の実施例を説明する図である。
【図５】図５は、図４に示した実施例による半導体モジュールの応用例を説明する図である。
【図６】図６は、絶縁樹脂シートを用いた従来の半導体モジュールを説明する図である。
【符号の説明】
１…半導体モジュール、１１…放熱フィン、１２…導電層、１３…半導体素子、１４…マイクロコンピュータ、１５…回路基板、１６…絶縁樹脂シート、１７…半田、１８…Ｏリング、１９…窪み、２０…台座、２１…固定用ボルト、２２…熱伝導グリース、２３…金属ベース、２４…接着剤、２５…取付板、４１…型、４２ａ、４２ｂ…プレス時接触部。
【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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