JP5246143B2 - 半導体モジュールおよびその製造方法ならびに電気機器 - Google Patents

Description

本発明は、半導体モジュールおよびその製造方法ならびに電気機器に関する。より詳細には、本発明は、絶縁と放熱とを両立させ得る半導体モジュールおよびその製造方法ならびに電気機器に関する。

近年、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）やＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）などのパワー半導体素子を含む回路モジュールすなわちパワーモジュールが、民生用機器や産業用機器に広範に使用されている。このようなパワーモジュールを用いる民生用機器には、例えば、家庭用エアコン、冷蔵庫などの電源装置がある一方、産業用機器には、インバータ電源回路中のコンバータ部やインバータ部などの電源装置、電動機の出力制御装置やサーボコントローラなどが含まれる。パワーモジュール以外にも、例えば能動回路素子を１つまたは集積して複数個含む半導体回路素子にコンデンサなどの受動回路素子を組み合わせることによって１つのモジュールとするハイブリッドＩＣ（集積回路）も広範に用いられる。さらに、発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザーなどの発光素子が単体でまたは複数個組み合わされることによって、光源モジュールが作製されている。これらの半導体素子を用いる各種のモジュール（以下、「半導体モジュール」という）の中には、扱う電力が大きい場合、回路の集積度が高い場合、または回路の動作周波数が高い場合などのさまざまな理由から、搭載している半導体素子によって生成される熱を適切に放熱しなくてはならないものがある。

ところで、上述のような半導体モジュールは、その性能上の要求や実装上の要求に加えて流通の便宜のために、さまざまな形態をとるように作製される。それらの形態は、半導体パッケージ、あるいは単にパッケージとも呼ばれる。発熱量が問題となる半導体モジュールのパッケージにあっては、その電気的な特性のみならず、上述のように放熱に対しても適切な対処がなされなくてはならない。

一方、製造コストを低減するために、半導体モジュールのパッケージの表面において端子以外の部分をエポキシ樹脂などの樹脂によってモールド成型としたもの、すなわちフルモールド半導体モジュールが用いられている（例えば、特許文献１参照）。このフルモールド半導体モジュールは、モールド成型のための樹脂によって、リードフレームおよびヒートシンクなどの各要素を物理的または機械的に保持するとともに、端子以外の表面において外界から電気的に絶縁するように構成されている。上述のような放熱が課題となる半導体モジュールのパッケージには、しばしば、金属を用いた基板（以下、「金属ベース基板」という）やセラミックスの基板などの何らかの基板（以下、総称して「配線基板」という）が用いられる。その配線基板には、半導体回路素子や受動回路素子が搭載され、例えば封止剤によって回路素子を封止することによって半導体モジュールが作製される。なお、この封止は、シリコーンゲルなどの定まった形状のない材質のものを配線基板に取り付けたプラスティックの枠に保持するようにして行なわれることもある。上述のとおり、放熱が課題となる半導体モジュールには、電気的な特性と放熱とを両立させるような種々のパッケージが用いられている。

図７および図８は、フルモールドの半導体モジュールを含むいくつかの半導体モジュールの従来例の構成を示す断面図である。図７は、従来例の第１の構成のモールド半導体モジュールであるフルモールド半導体モジュール７００の構成を示している。このフルモールド半導体モジュール７００においては、リードフレーム６の上にパワー半導体（半導体回路素子）２ａおよび駆動ＩＣ３が実装され、リードフレーム６、パワー半導体２ａ、および駆動ＩＣ３が、ボンデイングワイヤー４ａ，４ｂにより相互に接続される。そして、これらの部品が封止剤である成型樹脂５によって封止されることにより、フルモールド半導体モジュール７００が形成される。こうして、フルモールド半導体モジュール７００の表面は、端子として用いるリードフレーム６の端部を除いて絶縁材料に覆われることにより、外界から絶縁される。

また、図８は、もう１つの従来例の第２の構成の半導体モジュール８００を示している。半導体モジュール８００は、図７に示すフルモールド半導体モジュール７００のように、端子を除くすべての外面が絶縁表面となるようには形成されていない。この例では、図８に示すように、半導体モジュール８００は、金属製のヒートシンク８を設けられたときにヒートシンク８の面の一部が外界に露出するように形成されている。

特開平９−１３９４６１号公報（段落番号００３８、第１図）

しかしながら、上述の従来のようなパッケージを採用する半導体モジュールでは、出力できる電圧値および電流値に上限が生じる。例えば、上述のような従来のパッケージをパワー半導体モジュールに用いると、出力電圧および電流の上限がそれぞれ２００Ｖおよび５０Ａ程度となる。これは、その電圧よりも高い電圧になれば電気的な絶縁性の問題が生じる一方、その電流よりも大きい電流が流れると、半導体モジュールの内部のパワー半導体回路素子２ａからの発熱を十分に放熱することができなくなる可能性が高まるためである。しかし、従来の半導体モジュールにおいては、このような電圧や電流の上限をこれまで以上に高めたいという産業界の強い要求がある。なお、上述の電圧および電流の上限値の具体的な値は、種々の条件、すなわち半導体回路素子の種類をパワー半導体とするか上述のハイブリッドＩＣとするかＬＥＤとするかに依存するだけでなく、設計される形状等にも依存する。

ここで、許容される電流値の上限を増大させる、すなわち半導体モジュールの電流容量を大きくするための手法として、例えば、フルモールド半導体モジュールの放熱経路となる成型樹脂の部分を薄くすることが考えられる。図７のフルモールド半導体モジュール７００に即していえば、これは、放熱量が多いパワー半導体２ａの直下のリードフレーム６から図７の下方に向かったときの表面までの樹脂の部分５２の厚みを薄くすることに相当する。しかしながら、製作条件からこの部分５２の厚みには下限がある。というのは、通常、トランスファー成型方式によって行なわれる成型樹脂５による封止処理では、フルモールド半導体モジュール７００は、互いに接続したリードフレーム６、パワー半導体２ａ、および駆動ＩＣ３を成型用の金型内にセットして、予め融解させた成型樹脂５をその金型内に流し込むことにより製造される。このような製造手法において部分５２を薄くしすぎると、成型金型の内部においてリードフレーム６の下方に成型樹脂の未充填部が形成される。その結果、例えばリードフレーム６と金属製の外部ヒートシンク（図示しない）との間において十分な絶縁性が確保できなくなる。このため、部分５２の厚みを薄くするのには限界が生じるのである。これを防止するための厚みの下限の数値例を挙げれば、フルモールド半導体モジュール７００の成型樹脂の厚さの下限値は、概ね３００μｍである。

なお、この部分５２を薄くしたときに樹脂を適切に充填するための対処法として、成型時の樹脂注入圧力を高くすることも考えられる。しかし、樹脂注入圧力を高くすると、一方で、ボンデイングワイヤー４ａ，４ｂの変形や断線も生じやすくなる。

電流の上限を増大させるための別の対処法として、成型樹脂５に無機フィラーを混入させて放熱経路の熱伝導率を向上させることも考えられる。この無機フィラーとしては、例えば、酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素からなるフィラー群の１種類以上を成型時に樹脂に混入させることが知られている。しかしながら、これらの無機フィラーを混入した成型樹脂５であっても、その熱伝導率は３〜４Ｗ／ｍ・Ｋ程度が限界である。必然的に、上述の厚みの下限値とあいまって、放熱経路の熱抵抗には下限が存在することとなる。なお、本出願の記載における「熱抵抗」とは、（温度差ΔＴ）＝（熱抵抗Ｒ）×（熱流Ｑ）として表現されるＲであり、例えば℃／Ｗを単位として数値によって表現される量である。

これらの事情は、図８に示した半導体モジュール８００の場合にも当てはまる。半導体モジュール８００において未充填部が生じ得るのは、成型樹脂５のうち、リードフレーム６とヒートシンク８との間隙の部分５４である。この部分５４に生じた未充填部分は半導体モジュール８００の絶縁不良の原因となる。ここで、未充填部分の生成を防止するために成型時の成型樹脂５の注入圧力を高めるようとしても限界があり、さらに、成型樹脂５にフィラーを混入させても熱抵抗が十分に低減できるわけではない。従って、半導体モジュール８００も半導体モジュール７００と同様の問題が生じ得る。

以上のような課題への従来の対処方法として、熱伝導率を向上させるためのセラミックスの絶縁性基板（図示しない）を用いることも知られている。この絶縁性基板としては、酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウムなどの焼結体が用いられる。この場合には、その絶縁性基板のいずれかの面にパワー半導体などの回路素子が接するように配置することにより、絶縁性と放熱性を両立させることが試みられている。

しかし、上述のような絶縁性基板を用いると、上述のフルモールド半導体モジュール７００や半導体モジュール８００と比べて、材料コストが大幅に増大してしまうため、市場に受け入れられない可能性が高い。その理由の１つとして、上記のような焼結体のセラミックスを絶縁性基板として作製する工程が複雑なことが挙げられる。一例としてその工程を説明すれば、まず、セラミックス原料がバインダーなどと混練されて、グリーンシートと呼ばれる薄層状の状態が形成される。その薄膜を焼成することによってセラミックス基板を作製した後、そのセラミックス基板上に電極が形成される。熱伝導率の観点から言えばセラミックス基板を薄くするのが好ましいが、セラミックス基板は脆いため、そのような基板を安定的に製造することは容易ではない。

さらに、これらのパッケージに加えて、絶縁層を予め形成した金属基板をヒートシンクとして用いるパッケージが知られている。図９は、このような金属基板を用いる従来例（第３の構成）の半導体モジュール９００を示している。半導体モジュール９００は、図８に示す第２の構成の半導体モジュール８００におけるヒートシンク８として機能しつつ絶縁層を備えるような金属ベース基板９を備えている。すなわち、金属ベース基板９は、主に各回路素子の導通基板として作用する銅箔からなる導電層９ａと、主に絶縁層として作用し、樹脂とセラミックスのフィラーとからなる絶縁層９ｂと、主に伝熱層として作用する金属からなるヒートシンク９ｃとによって構成されている。この金属ベース基板９において、絶縁層９ｂの厚みは、１００〜１５０μｍという薄い膜とすることができる。このため、半導体モジュール９００においては、パワー半導体２ａからの主な放熱経路（図９における下方）の熱抵抗を比較的小さくすることができる。

この構成を実現するためには、薄層状すなわち厚み方向（換言すれば、高さ方向）の距離が短い空間に成型樹脂を充填する必要は無いものの、その代わりに、金属ベース基板９に配置する絶縁層９ｂに高い熱伝導率と高い絶縁性とが必要となる。しかしながら、このような性質を備えた絶縁層９ｂを低コストで製造する方法は知られていない。

本発明は、上記問題点の少なくともいくつかを解決することにより、十分な絶縁性と放熱性をもつ低コストのパッケージを用いる半導体モジュールを実現することに大きく貢献するものである。

本願発明者は、上述の金属ベース基板のような金属基材に絶縁層を形成する処理を低コストで実現できれば十分な絶縁性と放熱性を併せ持つ理想的な半導体モジュールのパッケージが得られると考えた。このために、絶縁層の形成に溶射法を用いることに着目して検討を行った。本願発明者が溶射法に着目したのは、層の形成コストが低廉であるばかりでなく、パターン形成も容易なためである。具体的には、本願発明者は、まず、絶縁層に適する材料である酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３、アルミナ）の粉末をプラズマ溶射法によって層状または膜状になるように金属基材に形成した。その上で、その溶射された絶縁層を利用することにより、半導体モジュールとして望ましい絶縁性と熱伝導率とが確保され得るかどうかについて調査を行った。その結果、本願発明者は、溶射によって形成した酸化アルミニウムの絶縁層を利用して最終的な半導体モジュールを作製した多くの場合に、絶縁層自体の熱伝導率が概ね３〜４Ｗ／ｍ・Ｋにとどまるという問題があることを見出した。ちなみに、溶射ではなく焼成によって作られるタイプの酸化アルミニウム（アルミナの焼結体）における熱伝導率は、通常約２０Ｗ／ｍ・Ｋ程度となる。それにもかかわらず溶射されたままの絶縁層では、上述のように熱伝導率が３〜４Ｗ／ｍ・Ｋ、すなわちアルミナ焼結体の約１／５以下にとどまってしまう。従って、たとえ簡便かつ低コストな溶射法を用いたとしても、この程度の熱伝導率の絶縁層を利用して十分に小さい熱抵抗を実現することは難しい。というのは、絶縁層の厚みを薄くしなければならず、その結果、十分な絶縁性を確保し得ないからである。

上述のような問題を生じさせるメカニズムを明らかにするために、本願発明者は溶射によって形成された絶縁層の構造に着目してさらに調査と解析を行なった。まず、溶射によって生成された層には一般に気孔が多く含まれる点に注目した。気孔が含まれることは、原料粉末を加熱して溶融した原料粉末の噴流を形成し、その噴流を対象物に吹き付けるという溶射法の手法を採用する限り、避けがたい。ここで、このような気孔が上述の熱伝導率の低下の原因といえるなら、気孔率を小さくするような層の形成条件を採用することによって熱伝導率の低下は緩和されるはずである。ところが実際には、気孔率の増大が熱伝導率の低下にある程度関連はするものの、気孔だけでは上述のような大幅な熱伝導率の低下を説明できないことが判明した。すなわち、上述の熱伝導率低下の主たる原因は気孔の生成以外にあるようであった。

この調査結果を受けて、本願発明者は、溶射によって形成された絶縁層においては、材質そのものが何らかの影響を受けているとの考えに至った。特に、本願発明者は、酸化アルミニウムの粉末が溶射の際に瞬間的に融解してそのまま基材に吹き付けられるために熱的および機械的なストレスを受けていて、これが絶縁層の材質の熱伝導率を低下させている原因であると推測している。

さらに、本願発明者は、絶縁層が溶射によって形成される際に受ける作用を考慮して、絶縁層の熱伝導率の値を高める手法を鋭意検討した。その結果、本願発明者は、溶射によって形成した絶縁層に対して熱処理またはアニール処理（以下、単に「熱処理」ともいう）を施すことにより、その絶縁層の熱伝導率が上昇することを見出した。より具体的には、溶射によって熱伝導率が一旦３〜４Ｗ／ｍ・Ｋとなった絶縁層であっても、その後に熱処理を施すことにより、熱伝導率を約１０Ｗ／ｍ・Ｋにまで高めることができることを確認した。絶縁層に熱処理を施して熱伝導率を上昇させた絶縁層を用いれば、半導体モジュールの熱抵抗を容易に低減させることが可能となる。本発明は、上述のような視点で創出された。

すなわち、本発明の態様として、第１面および第２面を有する金属基材と、前記金属基材の前記第１面上に酸化アルミニウムの粉末を溶射して形成され、熱処理によって熱伝導率が高められている絶縁層と、前記金属基材の前記第２面に直接的または間接的に接して搭載されている半導体回路素子とを備える半導体モジュールが提供される。

なお、本願発明者の推測によれば、熱伝導率が溶射によって低下し、熱処理によって上昇する現象には、以下のような機構が作用しているようである。まず、上述の溶射によって形成したままの酸化アルミニウムの層では、原料の粉末に比べて結晶構造が変化している。より詳しくは、酸化アルミニウムの原子配列が、もともとの溶射前の原料である酸化アルミニウムの粉末（すなわちコランダム）の構造である六方晶系から、溶射によってアモルファス状態または立方晶またはγ−アルミナへと変化している。この状態では、熱伝導率は小さい値となる。そして、その後の熱処理によって、溶射された絶縁層の結晶構造が六方晶系となる。この六方晶系になっている絶縁層では、熱伝導率が本来の値に近づき、の熱伝導率が高まる。なお、ここでは、絶縁層の結晶構造がすべて六方晶系となるとは限らず、原子配列をアモルファス状態や軸長の長い立方晶といった種類ごとに分類したときに、六方晶系となっている結晶構造の割合、特に、α−アルミナの割合が熱処理によって増加することによって熱伝導率が上昇している可能性もあると考えている。すなわち、本願の発明者は、絶縁層の結晶構造を六方晶系とするもしくはその割合を高めることによって、絶縁層を用いる半導体モジュールの熱抵抗が低減されることを見出した。

すなわち、本発明によれば、第１面および第２面を有する金属基材と、前記金属基材の前記第１面上に酸化アルミニウムの粉末を溶射して形成され、六方晶系の結晶構造を有する絶縁層と、前記金属基材の前記第２面に直接的または間接的に接して搭載されている半導体回路素子とを備える半導体モジュールが提供される。

これらの態様により、酸化アルミニウムの絶縁層の熱伝導率は、溶射して形成したのみの場合（３〜４Ｗ／ｍ・Ｋ程度）に比べて高くなり、例えば１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上となる。このような絶縁層を放熱経路に有する半導体モジュールは良好な放熱性を実現することができる。なお、上述のように、金属基材の第１面と第２面に分かれて絶縁層と半導体回路素子とが備えられると、半導体回路素子と金属基材との間の熱抵抗を低減することができるため、小さな金属基材を用いても金属基材を通過する放熱経路全体の熱抵抗を小さくすることができる。

また、これらの態様において、前記第１面または前記第２面に含まれない前記金属基材の面の少なくとも一部に酸化アルミニウムの粉末を溶射して形成された、前記絶縁層につながる追加絶縁層をさらに備えると好適である。金属基材の第１面でも第２面でもない面の少なくとも一部に追加絶縁層を備え、その追加絶縁層が上述の絶縁層とつながっていると、絶縁性を一層高めることができる。なお、溶射によってこのような追加絶縁層を形成することは、容易に実施することができる。

さらに、これらの態様において、前記金属基材の前記第１面以外の面が、前記第２面に搭載されている半導体回路素子とともに絶縁材料である封止剤によって封止されており、前記封止剤と前記第１面上に形成した前記絶縁層とによって前記金属基材を覆う絶縁表面を有していると好適である。このような構成においては、金属基材が外界から絶縁されているため、従来の半導体モジュールのように回路素子を搭載したリードフレームもしくは金属ブロックの下部に樹脂からなる絶縁層を形成する必要がなくなり、成型自体が容易になる。

本発明においては、半導体モジュールを製造する製造方法も提供される。すなわち、第１面と第２面とを有する金属基材の前記第１面上に酸化アルミニウムの粉末を溶射することにより絶縁層を形成するステップと、前記絶縁層を熱処理することによって前記絶縁層の熱伝導率を上昇させるステップと、前記金属基材の前記第２面に直接的または間接的に接するように半導体回路素子を搭載するステップとを含む半導体モジュールの製造方法が提供される。また、第１面と第２面とを有する金属基材の前記第１面上に酸化アルミニウムの粉末を溶射することにより絶縁層を形成するステップと、前記絶縁層の結晶構造を六方晶系にするステップと、前記金属基材の前記第２面に直接的または間接的に接するように半導体回路素子を搭載するステップとを含む半導体モジュールの製造方法が提供される。

本発明のいずれかの態様によれば、金属基材には熱伝導性に優れた絶縁層が備えられるので、良好な絶縁性を保ちつつ、半導体回路素子が生成する熱を効率よく放熱させ得る半導体モジュールを実現することができる。

本発明の実施形態にかかる半導体モジュールの構成を示す断面図である。 本発明の実施形態にかかる半導体モジュールの構成を示す断面図である。 本発明の実施形態にかかる半導体モジュールの構成を示す断面図である。 本発明の実施形態にかかる半導体モジュールの製造工程における各段階の構造を示す断面図である。 本発明の実施形態にかかる半導体モジュールの製造工程における各段階の構造を示す断面図である。 本発明の実施形態にかかる半導体モジュールの作製方法において、絶縁層と追加絶縁層とを形成する工程における金属基材の状態を示す断面図である モールド半導体モジュールの従来例（第１例）を示す断面図である。 モールド半導体モジュールの従来例（第２例）を示す断面図である。 モールド半導体モジュールの従来例（第３例）を示す断面図である。

次に、本発明の実施態様について説明する。以下の説明に際し、全図にわたり、特に言及がない限り、共通する部分または要素には、共通する参照符号が付されている。また、図中、各実施形態の要素のそれぞれは、必ずしも互いの縮尺比を保って示されていない。

＜第１実施形態＞
以下、図面を参照しながら本発明の半導体モジュールの実施形態である第１の実施形態について詳細に説明する。図１は、本実施形態において提供される半導体モジュール１００の構成を示す断面図である。半導体モジュール１００には、金属基材1が備えられている。この金属基材１の図における下面すなわち第１面１Ａには、絶縁層７が形成されている。これに対し、金属基材１の図における上面すなわち第２面１Ｂには、直接的または間接的に接するように半導体回路素子２，２が搭載されている。

より具体的には、本実施形態の半導体モジュール１００においては、この金属基材１は銅板によって作製される。金属基材１の形状は、例えば、概ね１ｍｍ以上４ｍｍ以下の厚みを有する平板状であり、その平面視において正方形または長方形である。絶縁層７は、酸化アルミニウムの粉末を溶射法により堆積させて形成された層または膜（以下、総称して、単に「層」ともいう）である。すなわち、絶縁層７は、金属基材１の第１面１Ａに酸化アルミニウムの粉末を溶射することによって２００μｍの厚みを有するように形成され、その後に熱処理が施されて熱伝導率が高められている。ここで、絶縁層７の結晶構造をＸ線回折装置によって分析すると、酸化アルミニウムの六方晶系の回折ピークを確認することができる。

図１に示すように、半導体回路素子２，２は、例えばＩＧＢＴなどのパワー半導体であって、はんだによって金属基材１の第２面１Ｂに接合され、直接的または間接的に金属基材１の第２面１Ｂに接している。そして、半導体回路素子２，２の接続用端子（図示しない）は、ボンデイングワイヤー４によりリードフレーム６に電気的に接続されている。このボンデイングワイヤー４には、１２５〜５００μｍの線径のアルミワイヤーが使用される。そして、上述の各要素、すなわち、絶縁層７が形成された金属基材１、半導体回路素子２，２、リードフレーム６、およびボンデイングワイヤー４が封止剤５によって封止されている。この封止剤５は、エポキシ樹脂に無機フィラーを混入させたものが用いられる。

このようにして構成される半導体モジュール１００は、絶縁材料である封止剤５によって、金属基材１の第１面１Ａ以外のすべての面が半導体回路素子２，２とともに覆われることにより封止されている。このため、この半導体モジュール１００の表面には、電気的な接続のためのリードフレーム６の端部６２を除き、封止剤５及び第１面１Ａに形成した絶縁層７のみが外界と接している。すなわち、半導体モジュール１００の表面は金属基材１を外界から絶縁する絶縁表面となっている。

＜第１実施形態の変形例１＞
上述の第１実施形態の変形例１として、複数の金属基材を集積して用いる半導体モジュール２００について説明する。図２は、半導体モジュール２００の構造を示す断面図である。半導体モジュール２００は、第１実施形態の金属基材１と同様に作製されたそれぞれの金属基材１２，１４上に、金属基材１と同様に半導体回路素子２２，２４が搭載されている。半導体回路素子２２，２４は、ボンデイングワイヤー４によって相互にまたはリードフレーム６に接続され、金属基材１上の半導体回路素子２２，２４、リードフレーム６、およびボンデイングワイヤー４が封止剤５によって封止されることにより、単一の半導体モジュール２００が形成されている。それぞれの金属基材１２，１４を覆うように、絶縁層７２，７４が形成されている。半導体モジュール２００の表面には、端子となるリードフレーム６の端部６２以外には、封止剤５か絶縁層７２，７４かのいずれかが外界と接している。つまり、半導体モジュール２００の表面は、金属基材１を外界から絶縁する絶縁表面となっている。

なお、これらの絶縁層７２，７４は、絶縁層７（図１）と同様に、金属基材１２，１４のそれぞれに酸化アルミニウムを溶射することによって形成され、その後に熱処理を施して熱伝導率が高められている。絶縁層７２，７４をＸ線回折装置によって分析すると、酸化アルミニウムの六方晶の回折ピークを確認することができる。

このような構成の半導体モジュール２００では、半導体回路素子２２によって生成される熱が主として金属基材１２および絶縁層７２を通じて放熱される。また、半導体回路素子２４によって生成される熱は、主として金属基材１４および絶縁層７４を通じて放熱される。このように、半導体モジュール２００において複数の金属基材１２，１４を用いることができるのは、絶縁層７２，７４それぞれに十分な絶縁性と十分な熱伝導率とを実現することができているからである。その結果、本実施形態によれば、熱伝導率の小さい絶縁層を用いる場合との比較の上で金属基材１２，１４の大きさを小さくすることが可能になる。すなわち、熱伝導率が高められたまたは六方晶となった絶縁層を用いると、熱伝導率の不十分な絶縁層を大きな面積の金属基板または基板上に形成して熱抵抗を低下させるような半導体モジュールと比較して、金属基材１２，１４のみならずパッケージ全体をも小型化することができる。その結果、半導体モジュールの省資源化および軽量化を図ることができる。

また、このように小型化された金属基材１２，１４を用いることができると、金属基材１２，１４を相互に絶縁することもできる。このため、半導体回路素子２２，２２と半導体回路素子２４，２４とが相互に絶縁されているような構成とすることもできる。つまり、これまで別個の半導体モジュールとして供給されていたような構成を単一のパッケージに実装するといった柔軟な構成を有する半導体モジュールを実現することができる。そうすると、上述のような絶縁層を用いることは、例えば、放熱のために電気機器に備えられる外部ヒートシンク（図示しない）などの放熱用の外部の部材を共有するような利用方法にもつながるため、半導体モジュールを利用する電気機器の省資源化および軽量化にも資することとなる。

＜第１実施形態の変形例２＞
上述の第１実施形態の変形例２として、金属基材の第１面からも第２面からも区別される別の面に追加絶縁層が形成される半導体モジュール３００について説明する。図３は、半導体モジュール３００の構造を示す断面図である。半導体モジュール３００は、図１の金属基材１と同様に作製された金属基材１を備えている。この金属基材１の第２面１Ｂには、半導体モジュール１００の金属基材１と同様に半導体回路素子２６，２６が搭載されている。半導体回路素子２６，２６は、ボンデイングワイヤー４によって相互にまたはリードフレーム６に接続され、これらが封止剤５によって封止されて半導体モジュール３００となっている。

この金属基材１の第１面１Ａまたは第２面１Ｂ以外の面、具体的には、図３に示した金属基材１の側面１Ｃの一部には、追加絶縁層７６が設けられている。この追加絶縁層７６は、第１面１Ａに加えてその側面１Ｃにも酸化アルミニウムを溶射することによって、第１面１Ａの絶縁層７とつながるように形成される。追加絶縁層７６にも、絶縁層７と同様に熱処理が施されて、追加絶縁層７６も絶縁層７と同様に高い熱伝導率を示すようにされている。追加絶縁層７６をＸ線回折装置によって分析すると、酸化アルミニウムの六方晶の回折ピークが確認できる。ここで、金属基材１の絶縁層７は半導体モジュール３００の表面（図の下方）に露出していて、半導体モジュール３００のリードフレーム６の端部６２以外の表面は金属基材１を外界から絶縁する絶縁表面となっている。これに対して、金属基材１の追加絶縁層７６は封止剤５に覆われていて外界と接していない。

このような構成の半導体モジュール３００では、金属基材１と外界のヒートシンク（図示しない）との間での放電経路となり得る金属基材１の側面１Ｃにも追加絶縁層７６が配置されるため、良好な絶縁性が実現され得る。さらに、第１面１Ａと側面１Ｃとの稜線部分をすべて絶縁層により覆う構成にすることもできる。この構成は放電経路となりやすい稜線部分を適切に絶縁することができるため特に有用である。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の半導体モジュールの製造方法の実施形態について図４および図５を参照して説明する。図４および図５は、本実施形態にかかる半導体モジュール１００の製造工程における各段階の構造を示す断面図である。

半導体モジュール１００を作製するには、まず、金属基材１を作製する（図４（ａ））。この金属基材１は、例えばプレス加工（打ち抜き加工）によって必要な形状に成形される。次に、マスクＭによって適宜遮蔽しながら、金属基材１の第１面１Ａ上に絶縁層７ａを形成する（図４（ｂ））。この絶縁層７ａは、酸化アルミニウムの粉末を溶射法を用いて堆積させることにより形成される。具体的には、大気もしくは減圧下の雰囲気において、マスク６によって不要な部位への付着を防止しつつ、金属基材１に向けて一方向から原料粉末７Ａが溶射される。この際の原料粉末としては、代表的には、α−アルミナ粉末すなわちコランダム（例えば９９．７％の純度のアルミナ粉）が用いられる。こうして金属基材１の一方の面（第１面）上に絶縁層７ａが形成された絶縁金属ブロック１ｂが作製される。この処理に用いる溶射法としては絶縁材料の溶射に適するプラズマ溶射方法が採用されることが望ましいが、他の溶射法を用いることもできる。絶縁層７ａの厚みは、溶射処理の条件のうち、原料粉末の供給速度と溶射時間とによって適宜調整され得る。

次に、絶縁金属ブロック１ｂが、炉または対流式オーブンによって加熱される（図４（ｄ））。この熱処理は、大気または窒素を雰囲気として、５００℃以上１０８４℃（銅の融点）以下のいずれかの温度によって行なわれる。なお、前述の温度は、熱処理中に絶縁層７ａが到達する温度である。この熱処理によって、絶縁層７ａの原子配列が六方晶となり、その熱伝導率が高められる。こうして絶縁層７が得られる。

次に、金属基材１のもう一方の面すなわち図において上方に記載される第２面上に半導体回路素子２，２が搭載される（図５（ａ））。ここで、半導体回路素子２，２は、金属基材１の第２面にはんだ付けにより接合させる。このはんだ付けは、ペレット状のはんだを用いて水素還元が可能な炉において行なわれる。水素還元が可能な炉を使う理由は、水素還元によって金属基材１のもう一方の面（第２面）の酸化膜を除去して表面を活性化することにより、はんだとの濡れ性を向上させるためである。はんだ材料として、例えば、ＳｎＰｂＡｇからなる高温はんだ、ＳｎＡｇＣｕ系やＳｎＣｕＮｉ系からなる鉛フリーはんだが用いられる。はんだ付けの温度は、接合工程に用いられるはんだの融点に応じて適宜設定される。また、この接合のはんだ層にボイド（気泡）が残留すると熱抵抗が高くなる。そこで、本実施形態では、ボイドが生成されないように、はんだが溶融している状態で到達真空度が１０Ｔｏｒｒすなわち約１３３０Ｐａ以下となるように減圧し、そのまま温度を下げてはんだを固化させて接合を完了する。

次に、ボンデイングワイヤー４によりパワー半導体２とリードフレーム６との接続を行なう（図５（ｂ））。このボンデイングワイヤー４による接続処理は、リードフレーム６および半導体回路素子２，２それぞれの接続パッド（図示しない）を公知の超音波接合法によって接続して行なわれる。最後に、トランスファー成型方式によって樹脂による封止処理を行う（図５（ｃ））。この封止処理は、まず、図５（ｂ）に示した回路部品を金型（図示しない）の内部に配置する。この際、金型の温度を予め１７０〜１８０℃程度にしておく。次いで、適切な温度に予熱しておいた成型用樹脂をプランジャーにてその金型内に流し込む。この成型樹脂の材料は公知の任意の樹脂材料を用いることができる。本実施形態では、エポキシ樹脂に無機フィラーを混入させたものが採用される。なお、この成型樹脂の材料は、成型前にはタブレット状の外観になっている。無機フィラーとしては、酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素からなる群の１種類以上の材質の粒子または粉体が適用可能である。成型樹脂の材質としては、他の要求性能を満たす限り熱伝導率が高いものほど望ましい。その一例としては、熱伝導率が０．５〜５Ｗ／ｍ・Ｋの材質が好適な材料として挙げられる。成型用樹脂を流し込んだ数十秒後には成型樹脂の硬化が開始する。この直後に成型樹脂によって封止された回路部品を金型から取り外した上で、後硬化（ボストキュア）処理が行われる。この後硬化処理は、成型樹脂によって封止された回路部品を恒温槽によって加熱することによって行なわれる。以上のようにして、封止処理が完了し、半導体モジュール１００の製造工程が完了する（図５（ｃ）、図１）。

＜第２実施形態の変形例１＞
本実施形態は、半導体モジュール３００（図３）のように追加絶縁層７６が採用された変形例１について説明する。この追加絶縁層７６を得るためには、上述の図４（ｃ）に対応する工程において、マスクＭによって被覆する範囲と溶射ノズル（図示しない）によって膜を堆積させる方向とを適宜調整することによって、所望の範囲に追加絶縁層７６ａが形成される。

図６は、上述の様子を示している。金属基材１の側面１Ｃの一部をマスクＭから露出させた状態で、酸化アルミニウムの粉末が原料粉末７Ａ及び７Ｂとして溶射される。この際、溶射ノズルの方向を調整して、金属基材１の第１面１Ａに正対する原料粉末７Ａの方向に加えて斜め方向の原料粉末７Ｂも利用することによって、金属基材１上には、絶縁層７ａに加えて側面１Ｃに追加絶縁層７６ａも形成される。この金属基材１の側面のうち、絶縁層によって覆う範囲は、例えば、側面と第１面との間の稜線からマスクＭから溶射の噴流に曝露させる範囲として定まる。この範囲は、金属基材１と、図示しないヒートシンクなどの放熱手段との間に生じ得る電位差など、絶縁のための条件を勘案して決定される。この絶縁金属ブロック１ｃの絶縁層７ａおよび追加絶縁層７６ａの熱伝導率は、上述の熱処理と同様に熱処理を施すことによって高められる。こうして、金属基材１の第１面１Ａ上に絶縁層７が形成され、側面１Ｃに追加絶縁層７６が形成された絶縁金属ブロック１ｃが作製される。

＜他の変形例＞
以上に説明した本発明の第１実施形態および第２実施形態及びそれらの変形例は、具体的な実施の態様に応じて種々の変形を行なうことができる。

まず、絶縁層７の厚みは、半導体モジュールの用途に依存して適宜調整される。例えば、パワー半導体の半導体モジュールでは、絶縁層７の厚みの下限値として好ましい値は１０μｍである。また、絶縁層７の厚みの上限値として好ましい値は、特に高電圧にて用いる半導体モジュールでは、例えば５００μｍであり、それ以外の場合には、例えば２００μｍである。より具体的には、絶縁層７が厚み２００μｍとなるように形成されると、５ｋＶ以上の交流破壊電圧と、１２００Ｖの定格電圧とを共に実現するようなパワー素子の半導体モジュールを実現することができる。

また、絶縁層７の熱伝導率は、典型的には、熱処理の条件を変更することによって種々変更することができる。例えば、炉において熱処理を行なう場合に熱処理の温度を高めると、一般に、絶縁層の熱伝導率が高くなる。また、仮に同じ温度であっても、熱処理の時間を長くすると、その熱伝導率が高くなる。

この熱処理による絶縁層の到達温度は、例えば１０００℃とすることができる。それ以外にも、例えば１５００℃とすることができる。また、ここでの熱処理は、典型的には、金属基材に絶縁層が溶射された後に行われるが、本発明の実施の形態は、そのような順序を限定するものではない。

金属基材１の材質、形状および製法は、半導体回路素子に流す電流量などの電気的要件、発熱量などの熱的要件、重量やサイズなどの形状的要件などに応じて変更することができる。この金属基材１の材質の決定には、上述の絶縁層の熱処理の温度を考慮することもできる。すなわち、上述の実施形態では銅板を用いる金属基材を説明したが、金属基材はこれに限定されない。典型的には、アルミニウム基板、鉄基板、モリブデン基板、銅の合金による基板、あるいは板状ではない基材が用いられ得る。これらの基材の材質は、熱伝導率や熱膨張率など作製時または動作時の熱物性観点など種々の条件を加味して選択される。

また、上述の各実施形態では、金属基材は、板状で正方形または長方形の形状のものを用いて説明したが、金属基材の形状がそれらの形状に限定されるものではない。板状でないものとしては、ブロック形状またはアングル形状の基材が用いられ得る。さらに、金属基材の形状を板状のものに限ったとしても、その平面形状はさまざまな形状とすることができる。例示すれば、正方形の個別の領域を頂点部分で互いにつなげた形状、あるいは長方形の外形とくり貫いた開口部とを持つ形状を採用することも可能である。そして、このような基材は、上述のプレス加工を用いて形状が切り出されてもよいが、その加工方法も特に限定されない。また、金属基材における第１面と第２面は、必ずしも板状基板の厚みを規定する二つの主面に限定されるものではない。

上述の各実施形態において、半導体回路素子を金属基材に接合する態様は特段限定されない。上述のはんだペレットによる接合のほか、クリームはんだによる接合、銀ペーストなどのダイボンド樹脂材による接合、ダイボンドフィルムによる接合、導電性接着剤による接合などの任意の接合手法を用いることができる。

上述の各実施形態は、半導体回路素子（チップまたはダイ）の種類を特段限定するものではない。例えば、半導体ウエハーからＩＧＢＴやＭＯＳ等のトランジスタ素子、またはダイオード素子といった回路要素を切り出すことにより、単一の回路要素を搭載する半導体モジュールを形成することができる。また、図１に示す半導体モジュール１００のように、複数の半導体回路素子が単一片の金属基材に搭載されるときであっても、半導体回路素子の種類は任意に組み合わせることができる。例えば、同一種類の半導体を並列や直列またはそれらの組み合わせの形態によって接続して、電流容量をさまざまに設定することができる。種類の異なる半導体素子を用いる例として、ＩＰＭ（インテリジェントパワーモジュール）とすることができる。すなわち、インバータ用途のＩＧＢＴと、そのＩＧＢＴとは別種の半導体回路素子である還流ダイオードまたはフリーホイーリングダイオードとを単一片の金属基材に搭載する構成とすることができる。また、種類の異なる半導体素子を用いる別の例として、コンバータのためのダイオードとインバータのためのトランジスタとを同一の基材に搭載することにより、小型の半導体モジュールを実現することができる。

上述の各実施形態において、封止剤５による封止を説明したが、他の封止手法を用いるように実施することができる。具体的には、例えば、固化される樹脂のみならず、シリコーンゲルなどの流動性を有する封止剤を用いることができる。

そして、上述のいずれかの実施形態やその変形例を含む半導体モジュールそれ自体や製造方法によって製造された半導体モジュールを用いる電気機器も本発明の実施形態の一態様である。この電気機器によれば、例えば、放熱のために電気機器に備えられる外部ヒートシンク（図示しない）などの放熱用の部材を簡易なものとすることができるため、電気機器の省資源化および軽量化にも資することとなる。

以上、本発明の実施形態について、具体的に説明した。上述の各実施形態は、発明を説明するために記載されたものであり、本出願の発明の範囲は、特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきものである。また、各実施形態の他の組合せを含む本発明の範囲内に存在する変形例もまた、特許請求の範囲に含まれるものである。

本発明は、低コストで製造し得る熱伝導率の高い絶縁層を提供することにより、半導体モジュールの放熱性を高めて、半導体装置の高性能化に大きく貢献するものである。

１，１２，１４ 金属基材
１ｂ 絶縁金属ブロック
１Ａ 第１面
１Ｂ 第２面
２ 半導体回路素子
３ 駆動ＩＣ
４ ボンデイングワイヤー
５ 成型樹脂
６ リードフレーム
６２ 端部
７，７２，７４ 絶縁層
７ａ 絶縁層（熱処理前）
７６ 追加絶縁層
７６ａ 追加絶縁層（熱処理前）
７Ａ，７Ｂ 原料粉末
８ ヒートシンク
Ｍ マスク

Claims (15)

1. 第１面および第２面を有する金属基材と、
   前記金属基材の前記第１面上に酸化アルミニウムの粉末を溶射して形成され、六方晶系の結晶構造を有する絶縁層と、
   前記金属基材の前記第２面に直接的または間接的に接して搭載されている半導体回路素子と
   を備える
   半導体モジュール。
2. 複数の半導体回路素子が１つの金属基材に搭載される
   請求項１に記載の半導体モジュール。
3. 半導体回路素子を搭載した前記金属基材が複数集積されて１つの半導体モジュールをなしている
   請求項１または請求項２に記載の半導体モジュール。
4. 前記第１面または前記第２面に含まれない前記金属基材の面の少なくとも一部に酸化アルミニウムの粉末を溶射して形成された、前記絶縁層につながる追加絶縁層をさらに備える
   請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の半導体モジュール。
5. 前記金属基材の前記第１面以外の面が、前記第２面に搭載されている半導体回路素子とともに絶縁材料である封止剤によって封止されており、
   前記封止剤と前記第１面上に形成した前記絶縁層とによって前記金属基材を覆う絶縁表面を有している
   請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の半導体モジュール。
6. 前記絶縁層は、熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ以上３０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であり、厚さが１０μｍ以上５００μｍ以下である
   請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の半導体モジュール。
7. 前記絶縁層は、熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上３０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であり、厚さが１０μｍ以上３００μｍ以下である
   請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の半導体モジュール。
8. 第１面と第２面とを有する金属基材の前記第１面上に酸化アルミニウムの粉末を溶射することにより絶縁層を形成するステップと、
   前記絶縁層の結晶構造を六方晶系にするステップと、
   前記金属基材の前記第２面に直接的または間接的に接するように半導体回路素子を搭載するステップと
   を含む
   半導体モジュールの製造方法。
9. 半導体回路素子を搭載する前記ステップにおいて、複数の半導体回路素子が１つの金属基材に搭載される
   請求項８に記載の半導体モジュールの製造方法。
10. 半導体回路素子を搭載した前記金属基材を複数集積して、１つの半導体モジュールを形成するステップをさらに含む
    請求項８または請求項９に記載の半導体モジュールの製造方法。
11. 絶縁層を形成する前記ステップが、前記第１面または前記第２面に含まれない前記金属基材の面の少なくとも一部に酸化アルミニウムの粉末を溶射して、前記絶縁層につながる追加絶縁層を形成するものである
    請求項８乃至請求項１０のいずれかに記載の半導体モジュールの製造方法。
12. 半導体回路素子を搭載する前記ステップより後に、前記金属基材の前記第１面以外の面を、前記第２面に搭載されている半導体回路素子とともに絶縁材料である封止剤によって封止し、前記封止剤と前記第１面に形成した前記絶縁層とによって前記金属基材を覆う絶縁表面を形成するステップをさらに含む
    請求項８乃至請求項１１のいずれかに記載の半導体モジュールの製造方法。
13. 絶縁層を形成する前記ステップが、前記絶縁層の厚さを１０μｍ以上５００μｍ以下にするものであり、
    前記絶縁層の熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ以上３０Ｗ／ｍ・Ｋ以下である
    請求項８乃至請求項１２のいずれかに記載の半導体モジュールの製造方法。
14. 絶縁層を形成する前記ステップが、前記絶縁層の厚さを１０μｍ以上３００μｍ以下にするものであり、
    前記絶縁層の熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上３０Ｗ／ｍ・Ｋ以下である
    請求項８乃至請求項１２のいずれかに記載の半導体モジュールの製造方法。
15. 請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の半導体モジュール、または、請求項８乃至請求項１４のいずれかに記載の製造方法によって製造された半導体モジュールを備える
    電気機器。

Images