JP2012138475A

JP2012138475A - 半導体モジュールおよび半導体モジュールの製造方法

Info

Publication number: JP2012138475A
Application number: JP2010290032A
Authority: JP
Inventors: Takashi Atsumi; 貴司渥美
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2010-12-27
Publication date: 2012-07-19

Abstract

【課題】冷却部材と絶縁樹脂層との接合が強固で、冷却部材と絶縁樹脂層との間の熱抵抗が小さく、絶縁樹脂層の面内の膜厚分布が小さい半導体モジュールおよび製造方法を提供する。
【解決手段】表面に突起部１２が設けられた冷却部材１０と、突起部に囲まれた領域に形成された絶縁樹脂層１４と、絶縁樹脂層の表面に形成され、半導体素子１６を備える金属放熱板１８と、を有する半導体モジュールである。また、金属放熱板を前記絶縁樹脂層の表面に加圧加熱プレスする加圧加熱プレス工程と、を含む半導体モジュールの製造方法である
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体モジュールおよび半導体モジュールの製造方法に関する。

ハイブリッド自動車や電気自動車等の車両に車載される高耐圧、大電流用の半導体モジュールは、半導体素子の動作時の自己発熱量が大きい。そのため、車載用の半導体モジュールは、高放熱性を有する冷却構造を具備することが望ましい。

図３は、従来の半導体モジュールの製造方法の一例を示す概略図である。まず、図３（ａ）に示すように、金属箔５２等の支持板の一方の面に絶縁樹脂原料を塗布し、加熱により硬化（半硬化）させ、所定の形状に裁断して、金属箔５２の一方の面に半硬化の絶縁樹脂層５４が形成された絶縁基板５６を形成する（絶縁基板形成工程）。一方、図３（ｂ）に示すような半導体素子５８を接合材等により形成した接合層６０を介して金属放熱板６２の一方の面に接合して、半導体素子５８を備える金属放熱板６２を形成する（放熱板接合工程）。次に、図３（ａ）の絶縁基板５６の半硬化の絶縁樹脂層５４の表面に、図３（ｃ）に示すように、図３（ｂ）の半導体素子５８を備える金属放熱板６２を高加圧条件でプレスしながら、ホットプレート等の加熱装置７２による加熱により半硬化の絶縁樹脂層５４を硬化して絶縁樹脂層６４とし、絶縁樹脂層６４の表面に金属放熱板６２を接合する（加圧加熱プレス工程）。そして、図３（ｄ）に示すように、内部に冷媒流路６６を備えた冷却部材６８に、図３（ｃ）の金属放熱板６２が絶縁樹脂層６４の表面に接合された絶縁基板５６をグリース等の接着剤層７０により接合する（冷却器接合工程）。

図３に示す従来の方法では、図３（ａ）に示すように、絶縁樹脂層の形成用の絶縁樹脂原料を塗布するための金属箔５２等の支持板が必要となる。また、取り扱い性を高めるために、絶縁樹脂原料を半硬化状態にするための加熱処理が必要となる。さらに、半硬化の絶縁樹脂層５４の端部において膜厚のばらつきが大きいため、切断除去が必要となる。また、図３（ａ）で絶縁樹脂原料を半硬化状態にするため、図３（ｃ）に示すように、高加圧条件でプレスしないと、金属放熱板６２と絶縁樹脂層６４との密着性が悪くなる場合があり、高加圧条件でプレスするために絶縁樹脂層６４の面内の膜厚分布が大きくなる場合がある。さらに、図３（ｄ）に示すように、絶縁基板５６と冷却部材６８との接合のためにグリース等の接着剤層７０を用いるために熱抵抗が大きくなる。

一方、半導体モジュールの構造として、例えば、特許文献１〜３のような構造が提案されている。

例えば、特許文献１には、放熱基板なしに配線部材とヒートシンクとを絶縁樹脂層により固着し、ヒートシンクおよび配線部材における絶縁樹脂層との接触領域の端部には、それぞれ凹部が形成され、ヒートシンクの上面上に、樹脂絶縁層の一端部を覆う壁部およびひさし部を形成して、ひさし部の下面にも凹部を設けることにより、絶縁樹脂層とヒートシンクおよび絶縁樹脂層と配線部材との接着面の剥離の発生や進行を抑制するパワーモジュール（半導体モジュール）が記載されている。

特許文献２には、冷却器上の金属ブロック上面に凹部を設け、その凹部内に半導体素子を実装する基板を備え、基板の下側金属配線層の端部と凹部の側壁との間の領域に上部からモールド樹脂を塗布して充填することにより、金属配線層のクラックを抑制し、高放熱性を確保する半導体モジュールが記載されている。

特許文献３には、金属製の熱伝導板と、フィンと熱伝導板の金属と異なる金属の基部とで構成される基部付フィンとを備え、熱伝導板と基部とを接合し、熱伝導板および基部の接合側の面の少なくとも一方に、相手方の位置を規制する位置規制機構を設けることにより、異種金属を高い信頼性で接合する放熱部品が記載されている。

特開２００８−３００３７９号公報特開２００９−２００２５８号公報特開２００８−２２６９０８号公報

本発明の目的は、冷却部材と絶縁樹脂層との接合が強固で、冷却部材と絶縁樹脂層との間の熱抵抗が小さい半導体モジュールを提供することにある。

また、本発明の目的は、冷却部材と絶縁樹脂層との接合が強固で、冷却部材と絶縁樹脂層との間の熱抵抗が小さく、絶縁樹脂層の面内の膜厚分布が小さい半導体モジュールの製造方法を提供することにある。

本発明は、表面に突起部が設けられた冷却部材と、前記突起部に囲まれた領域に形成された絶縁樹脂層と、前記絶縁樹脂層の表面に形成され、半導体素子を備える金属放熱板と、を有する半導体モジュールである。

また、本発明は、冷却部材の表面に設けられた突起部に囲まれた領域に絶縁樹脂層を形成する絶縁樹脂層形成工程と、半導体素子を備える金属放熱板を前記絶縁樹脂層の表面に加圧加熱プレスする加圧加熱プレス工程と、を含む半導体モジュールの製造方法である。

本発明では、冷却部材の表面に設けられた突起部に囲まれた領域に絶縁樹脂層が形成され、その絶縁樹脂層の表面に、半導体素子を備える金属放熱板が形成されることにより、冷却部材と絶縁樹脂層との接合が強固で、冷却部材と絶縁樹脂層との間の熱抵抗が小さい半導体モジュールを提供することができる。

本発明では、冷却部材の表面に設けられた突起部に囲まれた領域に絶縁樹脂層を形成し、その絶縁樹脂層の表面に、半導体素子を備える金属放熱板を形成することにより、冷却部材と絶縁樹脂層との接合が強固で、冷却部材と絶縁樹脂層との間の熱抵抗が小さく、絶縁樹脂層の面内の膜厚分布が小さい半導体モジュールの製造方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係る半導体モジュールの一例を示す概略構成図である。本発明の実施形態に係る半導体モジュールの製造方法の一例を示す概略図である。従来の半導体モジュールの製造方法の一例を示す概略図である。

本発明の実施の形態について以下説明する。本実施形態は本発明を実施する一例であって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。

本発明の実施形態に係る半導体モジュールの一例の概略を図１に示し、その構成について説明する。半導体モジュール１は、表面に突起部１２が設けられた冷却部材１０と、突起部１２に囲まれた領域に形成された絶縁樹脂層１４と、絶縁樹脂層１４の表面に形成された、半導体素子１６を備える金属放熱板１８と、を有する。半導体素子１６と金属放熱板１８との間に接合層２０を有していてもよい。

図１の半導体モジュール１において、動作時に半導体素子１６から発生する熱が金属放熱板１８および絶縁樹脂層１４を介して冷却部材１０に放熱される。冷却部材１０は、その内部に列状に略等間隔に配置された冷却フィン２４を有し、隣り合う冷却フィン２４の間に冷媒流路２２が形成される。冷媒流路２２には冷媒が流通されて冷却部材１０が冷却される。

図１の半導体モジュール１において、冷却部材１０と絶縁樹脂層１４との間に金属箔等の支持板を有さないため、金属箔等の支持板を有する場合に比較して、冷却部材１０と絶縁樹脂層１４との接合が強固である。また、冷却部材１０と絶縁樹脂層１４とが直接接合されているため、冷却部材１０と絶縁樹脂層１４との間にグリース等の接着剤層を有さず、グリース等の接着剤層を有する場合に比較して冷却部材１０と絶縁樹脂層１４との間の熱抵抗が小さい。さらに、冷却部材１０の突起部１２に囲まれた領域に形成された絶縁樹脂層１４の面内の膜厚分布が小さく、その結果、絶縁性能が向上する。

冷却部材１０は、半導体素子１６の動作時の発熱等を冷却するために放熱性を有するものであればよく、構成、形状等に特に制限はない。冷却部材１０は、例えば、図１に示すように内部に冷媒流路２２を備えるものである。冷却部材１０を構成する材料としては、特に制限はないが、例えば、アルミニウム、銅等の金属、あるいは合金である。高熱伝導性を有し、軽量である等の点からアルミニウムが好ましい。

冷却部材１０の冷媒流路２２に流通される冷媒としては、水等の液体および空気等の気体のいずれを用いてもよい。

突起部１２は、絶縁樹脂層１４を形成する領域を画定するためのものであり、冷却部材１０の絶縁樹脂層１４を形成する面から上方に伸びる壁状のものである。突起部１２を構成する材料は、冷却部材１０と同じ材料でもよいし、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）等の耐熱性を有する樹脂材料等であってもよい。

突起部１２の高さは、形成する絶縁樹脂層１４の膜厚以上であればよく、特に制限はないが、例えば、０．０１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度とすればよい。

絶縁樹脂層１４は、絶縁性を有する樹脂の層であればよく、特に制限はない。絶縁性の樹脂としては、例えば、エポキシ、ポリイミド、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）等が挙げられる。これらのうち、絶縁性に優れ、セラミックフィラー等の添加によって熱伝導性を改善しうるエポキシ、ポリイミドが好ましい。これらの絶縁性樹脂のうち、１種を用いてもよいし、２種以上を混合して用いてもよい。

絶縁樹脂層１４の膜厚は、特に制限はないが、例えば、１０μｍ〜５００μｍの範囲である。絶縁樹脂層１４の膜厚が１０μｍ未満であると、浮遊容量によりノイズ源となる場合があり、５００μｍを超えると、熱伝導性が低下する場合がある。

金属放熱板１８を構成する材料としては、特に制限はないが、例えば、アルミニウム、銅等の金属、あるいは合金である。

半導体素子１６は、例えば、インバータ回路等を構成する電子部品（ＩＧＢＴやダイオード等）である。半導体素子１６は、例えば、基板上に１つまたは複数の半導体素子が実装され、はんだ付け等によって固定されているものである。

接合層２０を構成する材料としては、特に制限はないが、例えば、はんだ材、Ａｇペースト等の合金、導電性接着剤等の樹脂である。

次に、本実施形態に係る半導体モジュールの製造方法について説明する。

図２は、本発明の実施形態に係る半導体モジュールの製造方法の一例を示す概略図である。

まず、図２（ａ）に示すように、冷却部材１０の表面に絶縁樹脂層を形成する領域を画定するための突起部１２を形成する（突起部形成工程）。突起部１２は、例えば、アルミニウム、銅等の金属の場合はプレス法、ＰＰＳ等の樹脂の場合は射出成形法等の方法により形成すればよい。図２（ｂ）に示すように、冷却部材１０の表面に設けられた突起部１２に囲まれた領域に所定の量の絶縁樹脂原料２６を塗布する（絶縁樹脂原料塗布工程）。図２（ｃ）に示すように、低温加熱により硬化（半硬化）させ、冷却部材１０の表面に半硬化の絶縁樹脂層２８を形成する（低温加熱工程）。一方、図２（ｄ）に示すような半導体素子１６を接合材により金属放熱板１８の一方の面に接合して、接合層２０を介して半導体素子１６を備える金属放熱板１８を形成する（放熱板接合工程）。次に、図２（ｅ）に示すように、図２（ｃ）の冷却部材１０上の半硬化の絶縁樹脂層２８の表面に、図２（ｄ）の半導体素子１６を備える金属放熱板１８を低加圧条件でプレスしながら、ホットプレート等の加熱装置３０による加熱により半硬化の絶縁樹脂層２８を硬化して、絶縁樹脂層１４の表面に金属放熱板１８を接合する（加圧加熱プレス工程）。

絶縁樹脂原料塗布工程における絶縁樹脂原料２６の塗布において、冷却部材１０の表面に設けられた突起部１２によって絶縁樹脂層１４を形成する領域が囲まれているため、絶縁樹脂原料２６の流れ出しが防止され、また、硬化後の絶縁樹脂層１４の膜厚が制御される。冷却部材１０と絶縁樹脂層１４とを直接接合するため、冷却部材１０と絶縁樹脂層１４との間に金属箔等の支持板を有さなくてもよく、金属箔等の支持板を有する場合に比較して、冷却部材１０と絶縁樹脂層１４との接合が強固となり、加熱硬化条件および加熱硬化度が大幅に緩和される。その結果、加圧加熱プレス工程において、より低圧条件でプレスが可能となるため、絶縁樹脂層１４の面内の膜厚分布の制御が容易となって、絶縁樹脂層１４の面内の膜厚分布が小さくなり、絶縁性能が向上する。また、冷却部材１０と絶縁樹脂層１４とを直接接合するため、冷却部材１０と絶縁樹脂層１４との間のグリース等の接着剤層がなくてもよく、グリース等の接着剤層を有する場合に比較して冷却部材１０と絶縁樹脂層１４との間の熱抵抗が小さくなる。

低温加熱工程における加熱温度は、例えば、図３に示す従来の半導体モジュールの製造方法における加熱温度に比べて、５０℃〜２００℃低い温度である。また、加圧加熱プレス工程における加圧条件は、例えば、図３に示す従来の半導体モジュールの製造方法における加圧条件に比べて、２０％以上低い圧力である。

このように、本実施形態に係る半導体モジュールの製造方法によれば、冷却部材１０の表面に設けられた突起部１２に囲まれた領域に絶縁樹脂層１４を形成し、その絶縁樹脂層１４の表面に、半導体素子１６を備える金属放熱板１８を形成することにより、冷却部材１０と絶縁樹脂層１４との接合が強固で、冷却部材１０と絶縁樹脂層１４との間の熱抵抗が小さく、絶縁樹脂層１４の面内の膜厚分布が小さくなる。

本実施形態に係る半導体モジュールは、例えば、内燃機関とモータとを動力源とするハイブリッド車、電気自動車、燃料電池車等の車両等に搭載される。本実施形態に係る半導体モジュールの車両等における配置位置には特に制限はない。

１半導体モジュール、１０，６８冷却部材、１２突起部、１４，６４絶縁樹脂層、１６，５８半導体素子、１８，６２金属放熱板、２０，６０接合層、２２，６６冷媒流路、２４冷却フィン、２６絶縁樹脂原料、２８半硬化の絶縁樹脂層、３０，７２加熱装置、５２金属箔、５４半硬化の絶縁樹脂層、５６基板、７０接着剤層。

Claims

表面に突起部が設けられた冷却部材と、
前記突起部に囲まれた領域に形成された絶縁樹脂層と、
前記絶縁樹脂層の表面に形成され、半導体素子を備える金属放熱板と、
を有することを特徴とする半導体モジュール。
冷却部材の表面に設けられた突起部に囲まれた領域に絶縁樹脂層を形成する絶縁樹脂層形成工程と、
半導体素子を備える金属放熱板を前記絶縁樹脂層の表面に加圧加熱プレスする加圧加熱プレス工程と、
を含むことを特徴とする半導体モジュールの製造方法。