パワーモジュール製造方法およびその方法により製造したパワーモジュール
【課題】特性の信頼性が高いパワーモジュールを安定的に製造することができるパワーモジュール製造方法等を提供する。
【解決手段】冷却器５、絶縁樹脂シート４、放熱ブロック３、半導体チップ２を積層してパワーモジュール１を製造するパワーモジュール製造方法であって、最初に、冷却器５に絶縁樹脂シート４の下層を形成する第１の絶縁樹脂シート４１を熱圧着する。次いで、第１の絶縁樹脂シート４１と放熱ブロック３との間に絶縁樹脂シート４の上層を形成する第２の絶縁樹脂シート４２を介在させて、第２の絶縁樹脂シート４２を第１の絶縁樹脂シート４１に熱圧着しかつ第２の絶縁樹脂シート４２に放熱ブロック３を熱圧着する。そして、放熱ブロック３の上に半導体チップ２をはんだ接合する。これにより、各接着界面の接着不良を防止し、絶縁樹脂シート４の絶縁破壊を防ぐ。
【解決手段】冷却器５、絶縁樹脂シート４、放熱ブロック３、半導体チップ２を積層してパワーモジュール１を製造するパワーモジュール製造方法であって、最初に、冷却器５に絶縁樹脂シート４の下層を形成する第１の絶縁樹脂シート４１を熱圧着する。次いで、第１の絶縁樹脂シート４１と放熱ブロック３との間に絶縁樹脂シート４の上層を形成する第２の絶縁樹脂シート４２を介在させて、第２の絶縁樹脂シート４２を第１の絶縁樹脂シート４１に熱圧着しかつ第２の絶縁樹脂シート４２に放熱ブロック３を熱圧着する。そして、放熱ブロック３の上に半導体チップ２をはんだ接合する。これにより、各接着界面の接着不良を防止し、絶縁樹脂シート４の絶縁破壊を防ぐ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体チップと、放熱ブロックと、絶縁樹脂シートと、冷却器を有するパワーモジュールのパワーモジュール製造方法およびその方法により製造したパワーモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
インバータ装置等のパワーモジュールを製造する方法として、まず、半導体チップを放熱板にはんだ接合し、その後に、放熱板と冷却器との間に絶縁樹脂シートを介在させて放熱板と冷却器とを熱圧着するパワーモジュール製造方法が知られている（例えば特許文献１を参照）。
【０００３】
図３は、従来のパワーモジュール製造方法を説明する模式図である。まず、図３（ａ）に示すように、半導体チップ１０１を放熱ブロック１０２にはんだ付けする（はんだ接合工程）。放熱ブロック１０２は、半導体チップ１０１よりも大きな板状の部材からなり、一方面の略中央位置に半導体チップ１０１がはんだ付けされる。はんだ付けは、例えばリフロー炉内で半導体チップ１０１および放熱ブロック１０２の全体をはんだの溶融温度まで均一に加熱（全体加熱）する、はんだリフローによって行われる。
【０００４】
次に、図３（ｂ）に示すように、放熱ブロック１０２と冷却器１０４との間に絶縁樹脂シート１０３を介在させて、放熱ブロック１０２を冷却器１０４に熱圧着させる工程が行われる（熱圧着工程）。絶縁樹脂シート１０３は、放熱ブロック１０２よりも大きなシート状の部材からなり、絶縁樹脂シート１０３の略中央に放熱ブロック１０２が熱圧着される。熱圧着は、加熱状態の下で放熱ブロック１０２と放熱ブロック１０２から側方に突出した絶縁樹脂シート１０３の沿面部分を冷却器１０４に押圧することによって行われる。
【０００５】
そして、図３（ｃ）に示すように、半導体チップ１０１と端子との間をワイヤ１０５で接続し（ワイヤボンディング工程）、封止材１０６によってハウジング１０７内に半導体チップ１０１を埋める工程（モールド工程）が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１５３５５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
熱圧着工程において、放熱ブロック１０２とともに半導体チップ１０１を押圧すると、半導体チップ１０１が破損するおそれがある。従って、放熱ブロック１０２と冷却器１０４とを熱圧着させる際に、半導体チップ１０１を押圧することができず、従来は、図３（ｂ）に矢印で示すように、半導体チップ１０１よりも側方に突出した放熱ブロック１０２の縁部と、放熱ブロック１０２よりも側方に突出した絶縁樹脂シート１０３の沿面部分を部分的に押圧していた。
【０００８】
従って、放熱ブロック１０２全体を均一の圧力で押圧することができず、放熱ブロック１０２と絶縁樹脂シート１０３との間の接着面や、絶縁樹脂シート１０３と冷却器１０４との間の接着面に、未着部や接着ムラが発生するおそれがあり、パワーモジュール１００の絶縁耐性や熱抵抗等の特性の信頼性が低くなるという問題があった。
【０００９】
また、半導体チップ１０１を避けながら、放熱ブロック１０２の縁部と絶縁樹脂シート１０３の沿面部分を部分的に押圧するのは技術的に困難であり、そして、半導体チップ１０１と放熱ブロック１０２の形状に応じた専用の押圧治具が必要で治具製作の分だけコスト高を招いていた。
【００１０】
図４は、図３（ｂ）のＡ部を拡大して示す図である。放熱ブロック１０２は、コストの面から、プレス打ち抜きによって製造されることが多い。プレス打ち抜きによって製造された放熱ブロック１０２は、一方面側の端縁が断面直角とはならず、ある程度の曲率を有して凸状に湾曲した断面円弧状のＲ（アール）面１０２ａになる。そして、放熱ブロック１０２は、応力緩和のために、Ｒ面１０２ａの端縁を有する一方面が絶縁樹脂シート１０３に接面するように配置される。
【００１１】
したがって、放熱ブロック１０２の端縁と絶縁樹脂シート１０３との間には隙間が形成され、熱圧着すべく専用の押圧治具１１１を用いて放熱ブロック１０２と絶縁樹脂シート１０３の沿面部分を同時に押圧した場合に、物理的に押圧できない領域１０３ａが放熱ブロック１０２の端縁に沿って絶縁樹脂シート１０３に局所的に発生する。
【００１２】
そして、絶縁樹脂シート１０３の領域１０３ａの近辺に位置する樹脂が押圧による圧力から逃れるために、領域１０３ａに集まろうとして応力が集中し、絶縁樹脂シート１０３の領域１０３ａにクラック１０３ｂが発生して、絶縁破壊の起点になり、パワーモジュール１００の絶縁信頼性が低下するおそれがある。
【００１３】
また、絶縁樹脂シート１０３の熱圧着およびキュアにより、はんだ１０１ａの耐熱信頼性が低下するおそれがあった。例えば、絶縁樹脂シート１０３の熱圧着およびキュアの温度は１５０℃から２００℃の間であって、現在主流のＳｉ半導体（半導体チップ）の駆動上限温度（実使用時にはんだにかかる温度）である１５０℃よりも高温であることから、はんだ１０１ａの劣化が加速的に進むおそれがある。
【００１４】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、特性の信頼性が高いパワーモジュールを安定的に製造することができるパワーモジュール製造方法、およびその方法により製造されたパワーモジュールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決する本発明のパワーモジュール製造方法は、冷却器、絶縁樹脂シート、放熱ブロック、半導体チップを積層してパワーモジュールを製造するパワーモジュール製造方法であって、絶縁樹脂シートの下層を形成する第１の絶縁樹脂シートを冷却器に熱圧着する第１の熱圧着工程と、第１の絶樹脂縁シートと放熱ブロックとの間に絶縁樹脂シートの上層を形成する第２の絶縁樹脂シートを介在させて、第２の絶縁樹脂シートを第１の絶縁樹脂シートに熱圧着しかつ第２の絶縁樹脂シートに放熱ブロックを熱圧着する第２の熱圧着工程と、放熱ブロックの上に半導体チップをはんだ接合するはんだ接合工程とを含むことを特徴としている。
【００１６】
本発明のパワーモジュール製造方法によれば、先に熱圧着工程を行い、その後に、はんだ接合工程を行うので、冷却器に第１の絶縁樹脂シートを熱圧着する際に、第１の絶縁樹脂シート全体を均一に押圧することができる。そして、第１の絶樹脂縁シートと放熱ブロックとの間に第２の絶縁樹脂シートを介在させて第１の絶縁樹脂シートに第２の絶縁樹脂シートを熱圧着しかつ第２の絶縁樹脂シートに放熱ブロックを熱圧着する際に、放熱ブロック全体を均一に押圧することができる。
【００１７】
したがって、冷却器と第１の絶縁樹脂シートとの間、第１の絶縁樹脂シートと第２の絶縁樹脂シートとの間、第２の絶縁樹脂シートと放熱ブロックとの間の各接着界面に押圧力不足による未接着部分や接着ムラが発生するのを防ぐことができる。
【００１８】
特に、第２の接着工程では、第１の絶縁樹脂シートが冷却器に完全に熱圧着された状態で放熱ブロックを押圧することができるので、放熱ブロックの押圧に起因して第１の絶縁樹脂シートの縁部が冷却器の上面から離間する浮き上がりの発生や、第１の絶縁樹脂シートの割れが発生するのを防ぐことができる。
【００１９】
また、第２の接着工程では放熱ブロックのみを押圧することができる。したがって、従来のように放熱ブロックと絶縁樹脂シートの沿面部分の両方を同時に押圧した場合のように、放熱ブロックの端縁に沿って絶縁樹脂シートに局所的に応力が集中するのを防ぐことができる。したがって、応力集中箇所にクラックが発生して絶縁破壊の起点となるのを防ぐことができ、絶縁耐性を高めることができる。また、はんだ接合工程の前に熱圧着工程を行うので、熱圧着の熱によるはんだの耐熱信頼性の低下を防ぐことができる。したがって、特性の信頼性が高いパワーモジュールを製造することができる。
【００２０】
本発明のパワーモジュール製造方法において、第１の絶縁樹脂シートと第２の絶縁樹脂シートはそれぞれ熱硬化性樹脂材料によって構成されており、第１の熱圧着工程では、第１の絶縁樹脂シートが熱硬化する温度まで加熱して熱圧着を行い、第２の熱圧着工程では、第２の絶縁樹脂シートが熱硬化する温度まで加熱して熱圧着を行うことが好ましい。
【００２１】
そして、本発明のパワーモジュール製造方法において、第１の絶縁樹脂シートは、放熱ブロックよりも広い大きさと、第２の絶縁樹脂シートの層厚以上の層厚を有していることが好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明のパワーモジュール製造方法によれば、先に熱圧着工程を行い、その後に、はんだ接合工程を行うので、冷却器に第１の絶縁樹脂シートを熱圧着する際に第１の絶縁樹脂シート全体を均一に押圧することができる。そして、第１の絶樹脂縁シートと放熱ブロックとの間に第２の絶縁樹脂シートを介在させて第１の絶縁樹脂シートに第２の絶縁樹脂シートを熱圧着しかつ第２の絶縁樹脂シートに放熱ブロックを熱圧着する際に、放熱ブロック全体を均一に押圧することができる。したがって、冷却器と第１の絶縁樹脂シートとの間、第１の絶縁樹脂シートと第２の絶縁樹脂シートとの間、第２の絶縁樹脂シートと放熱ブロックとの間の各接着界面に押圧力不足による未接着部分や接着ムラが発生するのを防ぎ、特性の信頼性が高いパワーモジュールを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本実施の形態におけるパワーモジュール製造方法を説明する図。
【図２】本発明品と従来品の冷熱耐久試験の試験結果を対比表として示す図。
【図３】従来のパワーモジュール製造方法を説明する図。
【図４】図３のＡ部を拡大して示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
次に、本発明の実施の形態について図１を用いて説明する。
【００２５】
図１は、本実施の形態におけるパワーモジュール製造方法を説明する図である。
パワーモジュール１は、図１（ｄ）に示すように、半導体チップ２、放熱ブロック３、絶縁樹脂シート４、冷却器５を積層することによって構成される。半導体チップ２は、平面視略矩形の薄板形状を有しており、下面には予めはんだ２ａが盛られている。放熱ブロック３は、半導体チップ２よりも広い大きさの平板部材によって構成されている。絶縁樹脂シート４は、絶縁樹脂シート４の下層を形成する第１の絶縁樹脂シート４１と、絶縁樹脂シート４の上層を形成する第２の絶縁樹脂シート４２によって構成されている。第１の絶縁樹脂シート４１は、放熱ブロック３よりも広い大きさのシート状部材からなり、第２の絶縁樹脂シート４２は、放熱ブロック３以上の大きさを有するシート状部材からなる。冷却器５は、第１の絶縁樹脂シート４１よりも広い大きさの板状部材によって構成されている。
【００２６】
放熱ブロック３および冷却器５の材料は、特に限定されないが、コスト、重量、熱伝導性の点から、放熱ブロック３は銅（Ｃｕ）、冷却器５はアルミニウム合金（Ａｌ）とすることが好ましい。放熱ブロック３は、半導体チップ２の熱を拡散して絶縁樹脂シート４に伝えるための十分な厚さとして１ｍｍ以上が好ましい。また、放熱ブロック３と冷却器５を同一材料によって構成して、線膨張係数を同一とし、はんだ接合時における熱応力を低減する構成としてもよい。
【００２７】
絶縁樹脂シート４は、例えばバインダーとして熱可塑性樹脂もしくは熱硬化性樹脂（エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、シリコン樹脂等）を１０〜７０ｗｔ％使用し、充填材として高熱伝導率の絶縁性無機フィラー（アルミナ、窒化ホウ素等）を３０〜９０ｗｔ％入れたものからなる。そして、熱伝導率λが５Ｗ／ｍＫ以上であり、厚さは、電気絶縁性の信頼性と低熱抵抗の両立の点から、第１の絶縁樹脂シート４１と第２の絶縁樹脂シート４２を重ね合わせて所定必要厚さ０．１〜０．３ｍｍを有することが好ましい。
【００２８】
次に、本実施の形態におけるパワーモジュール１の製造方法について説明する。パワーモジュール１の製造方法は、図１に示すように、第１の熱圧着工程（図１（ａ））、第２の熱圧着工程（図１（ｂ））、はんだ接合工程（図１（ｃ））、ワイヤボンディング工程およびモールド工程（図１（ｄ））を有している。
【００２９】
第１の熱圧着工程では、冷却器５に第１の絶縁樹脂シート４１を熱圧着する作業が行われる。具体的には、冷却器５の上面略中央に第１の絶縁樹脂シート４１を載せて、冷却器５と第１の絶縁樹脂シート４１を所定温度（第１の絶縁樹脂シート４１が熱硬化性樹脂の場合にはその熱硬化温度）まで加熱し、第１の絶縁樹脂シート４１を冷却器５に押圧して、冷却器５に第１の絶縁樹脂シート４１を接着する。第１の絶縁樹脂シート４１は、熱圧着される際に、第１の絶縁樹脂シート４１全体が均一に押圧される。したがって、冷却器５と第１の絶縁樹脂シート４１との間の接着界面に、押圧力不足による未接着部分や接着ムラが発生するのを防ぐことができる。
【００３０】
第２の熱圧着工程では、第１の絶樹脂縁シート４１と放熱ブロック３との間に第２の絶縁樹脂シート４２を介在させて、第２の絶縁樹脂シート４２を第１の絶縁樹脂シート４１に熱圧着すると共に、第２の絶縁樹脂シート４２に放熱ブロック３を熱圧着する作業が行われる。
【００３１】
具体的には、第１の絶縁樹脂シート４１の上面略中央に第２の絶縁樹脂シート４２を載せ、更に、その第２の絶縁樹脂シート４２の上面に放熱ブロック３を載せて、第１の絶縁樹脂シート４１と放熱ブロック３との間に第２の絶縁樹脂シート４２を介在させた状態とする。
【００３２】
そして、冷却器５、第１の絶縁樹脂シート４１、第２の絶縁樹脂シート４２、放熱ブロック３を所定温度（第２の絶縁樹脂シート４２が熱硬化性樹脂の場合にはその熱硬化温度）に加熱しながら放熱ブロック３を冷却器５に押圧し、第２の絶縁樹脂シート４２を第１の絶縁樹脂シート４１に接着し、放熱ブロック３を第２の絶縁樹脂シート４２に接着する。
【００３３】
放熱ブロック３は、熱圧着される際に、放熱ブロック３全体が均一に押圧される。したがって、第１の絶縁樹脂シート４１と第２の絶縁樹脂シート４２との間の接着界面、および第２の絶縁樹脂シート４２と放熱ブロック３との間の接着界面に、押圧力不足による未接着部分や接着ムラが発生するのを防ぐことができる。上記した図１（ａ）、（ｂ）の第１の熱圧着工程と第２の熱圧着工程は、加熱手段と押圧手段を有するプレス機等の熱圧着装置（いずれも図示せず）によって行われる。
【００３４】
次に、図１（ｃ）に示すはんだ接合工程では、半導体チップ２を放熱ブロック３にはんだ接合する作業が行われる。はんだ接合は、はんだリフローによって行われる。はんだリフローでは、まず、放熱ブロック３の上面略中央に半導体チップ２を載せて、図示していないはんだ接合装置のリフロー炉内に入れる。そして、リフロー炉内で加熱し、半導体チップ２の下面に予め盛られているはんだ２ａを溶融させて、放熱ブロック３の上面に半導体チップ２をはんだ接合する。
【００３５】
本実施の形態のはんだ接合工程では、はんだ接合時に絶縁樹脂シート４に付与される熱応力を低減するために、冷却器５、絶縁樹脂シート４、放熱ブロック３、半導体チップ２からなるワークＷ全体を均一に加熱するのではなく冷却器５側よりも半導体チップ２側を高温化する温度差加熱処理が行われる。
【００３６】
温度差加熱処理では、例えば、リフロー炉内のヒータ側に半導体チップ２が位置するようにワークＷ全体を配置して、半導体チップ２側を加熱してもよい。また、高周波誘導加熱等により半導体チップ２を局所的に加熱してもよい。そして、冷却器５側の昇温を防ぐために、例えば上記したヒータよりも加熱温度の低い低温ヒータを設ける、あるいは、熱容量の大きな金属ブロック等の冷却手段を配置してもよい。
【００３７】
はんだ接合温度（２００℃以上）は、絶縁樹脂シート４の熱圧着温度よりも高く、エポキシ系の樹脂の分解開始温度（２５０℃から３００℃程度）とほぼ同等であり、ガラス転移点（ともに１５０℃から２００℃程度）よりも高い温度となっている。従って、はんだ接合工程において、ワークＷ全体を加熱する全体加熱処理を行うと、放熱ブロック３および冷却器５との線膨張差による応力が急激に大きくなり、冷却器５と第１の絶縁樹脂シート４１との間の接着面、もしくは、第１の絶縁樹脂シート４１と第２の絶縁樹脂シート４２との間の接着面に剥離が生じるおそれがある。
【００３８】
そこで、本実施の形態では、温度差加熱処理によってはんだ接合を行い、はんだ接合時に第１の絶縁樹脂シート４１と第２の絶縁樹脂シート４２に加えられる熱応力を低減して、接着面の信頼性を向上させている。
【００３９】
また、現在主流の信頼性の高いＰｂフリーはんだを使用する場合には、Ｐｂフリーはんだは通常のはんだよりも溶融温度が高温であるので、従来のはんだリフローのように、ワークＷ全体をはんだ接合温度まで加熱して製造することはできないが、本実施の形態では、温度差加熱処理によって、絶縁樹脂シート４の高温化を防ぐことができ、半導体チップ２を適切にはんだ接合することができる。
【００４０】
また、ワークＷ全体を加熱して熱圧着を行うと、絶縁樹脂シート４の樹脂が揮発し、チップ表面に付着して、次工程であるワイヤボンディング工程（図１（ｄ））において、接合不良等が起こる可能性があるが、本実施の形態では、温度差加熱処理によって、絶縁樹脂シート４の樹脂の揮発を抑制でき、ワイヤボンディング工程における接合不良等の発生を防ぐことができる。
【００４１】
そして、ワイヤボンディング工程とモールド工程（図１（ｄ））が行われる。ワイヤボンディング工程では、半導体チップ２と端子との間がワイヤ６で接続され、モールド工程では、ハウジング８内で封止材７によって半導体チップ２、放熱ブロック３、絶縁樹脂シート４が埋められる。なお、ワイヤボンディング工程とモールド工程については、既知の技術と同様であるので、その詳細な説明を省略する。
【００４２】
上記した本発明のパワーモジュール製造方法によれば、先に冷却器５と放熱ブロック３とを熱圧着し、その後に放熱ブロック３の上に半導体チップ２をはんだ接合するので、冷却器５に第１の絶縁樹脂シート４１を熱圧着する際に第１の絶縁樹脂シート４１全体を均一に押圧することができる。そして、第１の絶樹脂縁シート４１と放熱ブロック３との間に第２の絶縁樹脂シート４２を介在させて第１の絶縁樹脂シート４１に第２の絶縁樹脂シート４２を熱圧着しかつ第２の絶縁樹脂シート４２に放熱ブロック３を熱圧着する際に、放熱ブロック３全体を均一に押圧することができる。
【００４３】
したがって、冷却器５と第１の絶縁樹脂シート４１との間、第１の絶縁樹脂シート４１と第２の絶縁樹脂シート４２との間、第２の絶縁樹脂シート４２と放熱ブロック３との間の各接着面に押圧力不足による未接着部分や接着ムラが発生するのを防ぐことができる。
【００４４】
特に、第２の接着工程（図１（ｂ））では、冷却器５と第１の絶縁樹脂シート４１との間を完全に接着させた状態で放熱ブロック３を押圧することができるので、放熱ブロック３の押圧に起因して第１の絶縁樹脂シート４１の縁部が冷却器５の上面から離間する浮き上がりや、第１の絶縁樹脂シート４１の割れが発生するのを防ぐことができる。
【００４５】
また、第２の接着工程において、放熱ブロック３のみを押圧することができる。したがって、従来のように放熱ブロックと絶縁樹脂シートの沿面部分の両方を同時に押圧した場合のように、放熱ブロックの端縁に沿うように絶縁樹脂シートに部分的に応力が集中するのを防ぐことができる。したがって、応力集中箇所にクラックが発生して絶縁破壊の起点となるのを防ぐことができ、絶縁耐性を高めることができる。したがって、特性の信頼性が高いパワーモジュールを製造することができる。
【００４６】
また、はんだ接合工程（図１（ｃ））の前に、第１および第２の熱圧着工程（図１（ａ）、（ｂ））を行うので、熱圧着の熱によるはんだの耐熱信頼性の低下を防ぐことができる。
【００４７】
また、はんだ接合工程において、全体加熱処理ではなく、温度差加熱処理によってはんだ接合を行うことによって、はんだ接合時に絶縁樹脂シート４に加えられる熱応力を低減して、各接着界面の剥離を防ぐことができる。従って、特性の信頼性が高いパワーモジュール１を製造することができる。
【００４８】
上記したパワーモジュール製造方法によれば、熱圧着のプレス機、治具等として、従来から存在する既存の装置を使用することができ、実施化が容易である。
【実施例】
【００４９】
次に、本発明の実施例について説明する。本実施例では、下記の条件によってパワーモジュール１を製造した。
【００５０】
（１）第１の熱圧着工程
１８０℃、５分間、５ＭＰａの条件で、第１の絶縁樹脂シート４１を冷却器５に熱圧着した。第１の絶縁樹脂シート４１は、熱硬化性樹脂からなり、放熱ブロック３よりも側方に２ｍｍ突出する沿面部分を確保するために、放熱ブロック３よりも一辺が４ｍｍ大きい、厚さｔが０．１ｍｍのものを用いた。第１の絶縁樹脂シート４１は、絶縁樹脂シート４として必要な厚さである所定必要厚さの２分の１の厚さを有している。
【００５１】
（２）第２の熱圧着工程
第１の絶樹脂縁シート４１と放熱ブロック３との間に第２の絶縁樹脂シート４２を介在させて、１８０℃、５分間、５ＭＰａの条件で、第１の絶縁樹脂シート４１に第２の絶縁樹脂シート４２を熱圧着しかつ第２の絶縁樹脂シート４２に放熱ブロック３を熱圧着した。第２の絶縁樹脂シート４２は、熱硬化性樹脂からなり、放熱ブロック３と同じ大きさで厚さｔが０．１ｍｍのものを用いた。第２の絶縁樹脂シート４２は、絶縁樹脂シート４として必要な厚さである所定必要厚さの２分の１の厚さを有している。
【００５２】
なお、第２の絶縁樹脂シート４２の大きさは、放熱ブロック３以上の大きさを有していればよく、同一である必要はない。また、第１の絶縁樹脂シート４１と第２の絶縁樹脂シート４２の厚さは、所定必要厚さの２分の１に限定されるものではなく、第１の絶縁樹脂シート４１の厚さが第２の絶縁樹脂シート４２の厚さ以上であればよい。
【００５３】
（３）はんだ接合工程（はんだリフロー工程）
図示していないはんだ接合装置を用いてはんだリフローを実施した。
【００５４】
第１の絶縁樹脂シート４１と第２の絶縁樹脂シート４２の各接着界面が剥離しない条件（今回は２５０℃×３分）で、はんだと素子を放熱ブロック３の上に実装した。
【００５５】
（４）ワイヤボンディング工程およびモールド工程
冷却器５の上にハウジング８を接着剤にて接着し、素子等の必要な部分にワイヤをボンディングした。そして、電子工業向け封止エポキシ樹脂を封止材７として用いて、ハウジング８内で半導体チップ２、放熱ブロック３、絶縁樹脂シート４を埋めて封止した。
【００５６】
パワーモジュール１の使用材料および形状を下記に示す。
【００５７】
・材料：放熱ブロック…銅（Ｃｕ）、冷却器…銅（Ｃｕ）
・厚さ：放熱ブロック…ｔ３ｍｍ、冷却器…ｔ３ｍｍ、第１の絶縁樹脂シート…ｔ０．１ｍｍ、第２の絶縁樹脂シート…ｔ０．１ｍｍ
・絶縁樹脂シート：フィラー…ＢＮ、バインダー…エポキシ樹脂、熱伝導率…１０Ｗ／ｍＫ
・はんだ：Ｐｂフリーはんだ（融点約２３０℃）
・ハウジング：ＰＰＳ樹脂製でバスバーは銅（Ｃｕ）製
・接着剤：シリコーン系汎用接着剤
・ワイヤー：アルミニウム（Ａｌ）
・封止材料：電子工業向け封止エポキシ樹脂
【００５８】
本実施例では、本発明品と従来品の冷熱耐久性を評価する冷熱耐久試験を行った。
図２は、本発明品と従来品の冷熱耐久試験の試験結果を対比表として示す図である。
【００５９】
本発明品は、本発明のパワーモジュール製造方法により製造したパワーモジュールであり、従来品は、図３に示す従来方法により製造したパワーモジュールである。冷熱耐久試験は、本発明品と従来品を、液槽内に貯留された−４０℃の液体に５分間浸漬する工程と、１０５℃に加熱された加熱炉内に５分間保持する工程を１サイクル（ｃｙｃ）として、３０００サイクル（ｃｙｃ）繰り返して実施し、初期と３０００サイクル後における、接着界面の接着率、絶縁樹脂シートの内部クラック、絶縁破壊電圧の評価を行った。
【００６０】
図２の表に示す各接着率は、冷却器５と第１の絶縁樹脂シート４１との接着界面、および、第２の絶縁樹脂シート４２と放熱ブロック３との接着界面について、それぞれ超音波探傷画像の画像解析を行い、算出した。
【００６１】
図２に示すように、本発明品の冷却器５と第１の絶縁樹脂シート４１との接着率、および、第２の絶縁樹脂シート４２と放熱ブロック３との接着率は、３０００サイクル（ｃｙｃ）後においてもそれぞれ１００％であり、接着界面の耐久性が良好であるという結果が得られた。
【００６２】
一方、従来品では、初期は冷却器５と第１の絶縁樹脂シート４１との接着率、および、第２の絶縁樹脂シート４２と放熱ブロック３との接着率のいずれもが１００％であったが、３０００サイクル（ｃｙｃ）後は、冷却器５と第１の絶縁樹脂シート４１との接着率が９３％まで低下し、第２の絶縁樹脂シート４２と放熱ブロック３との接着率が８６％まで低下した。これは、冷熱処理を行ったことにより、放熱ブロック３と冷却器５との線膨張差による応力が作用し、各接着界面に剥離が生じたものと把握できる。したがって、本発明品は、従来品よりも接着率が向上していることがわかる。
【００６３】
そして、本発明品は、初期および３０００サイクル（ｃｙｃ）後のいずれにおいて絶縁樹脂シート４に内部クラックが発生しておらず（無し）、絶縁樹脂シート４の耐久性が良好であるという結果が得られた。一方、従来品は、初期および３０００サイクル後のいずれにおいても絶縁樹脂シート４に内部クラックが発生していた（有り）。これは、放熱ブロック３と絶縁樹脂シート４の沿面部分を押圧することによって、放熱ブロック３の端縁に沿って絶縁樹脂シート４に局所的に応力が集中し、内部クラックが発生したものと把握できる。
【００６４】
そして、本発明品は、ＡＣ５０Ｈｚの絶縁破壊電圧を印加した場合に初期および３０００サイクル後のいずれにおいても５Ｋｖより高い電圧でも絶縁破壊が生じていない。これに対して、従来品は、初期および３０００サイクル後のいずれにおいても２Ｋｖよりも小さい電圧で絶縁破壊が生じていた。したがって、本発明品は、従来品よりも絶縁耐久性が向上していることがわかる。
【符号の説明】
【００６５】
１ パワーモジュール
２ 半導体チップ
２ａ はんだ部分
３ 放熱ブロック
４ 絶縁樹脂シート
４１ 第１の絶縁樹脂シート
４２ 第２の絶縁樹脂シート
５ 冷却器
Ｗ ワーク
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体チップと、放熱ブロックと、絶縁樹脂シートと、冷却器を有するパワーモジュールのパワーモジュール製造方法およびその方法により製造したパワーモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
インバータ装置等のパワーモジュールを製造する方法として、まず、半導体チップを放熱板にはんだ接合し、その後に、放熱板と冷却器との間に絶縁樹脂シートを介在させて放熱板と冷却器とを熱圧着するパワーモジュール製造方法が知られている（例えば特許文献１を参照）。
【０００３】
図３は、従来のパワーモジュール製造方法を説明する模式図である。まず、図３（ａ）に示すように、半導体チップ１０１を放熱ブロック１０２にはんだ付けする（はんだ接合工程）。放熱ブロック１０２は、半導体チップ１０１よりも大きな板状の部材からなり、一方面の略中央位置に半導体チップ１０１がはんだ付けされる。はんだ付けは、例えばリフロー炉内で半導体チップ１０１および放熱ブロック１０２の全体をはんだの溶融温度まで均一に加熱（全体加熱）する、はんだリフローによって行われる。
【０００４】
次に、図３（ｂ）に示すように、放熱ブロック１０２と冷却器１０４との間に絶縁樹脂シート１０３を介在させて、放熱ブロック１０２を冷却器１０４に熱圧着させる工程が行われる（熱圧着工程）。絶縁樹脂シート１０３は、放熱ブロック１０２よりも大きなシート状の部材からなり、絶縁樹脂シート１０３の略中央に放熱ブロック１０２が熱圧着される。熱圧着は、加熱状態の下で放熱ブロック１０２と放熱ブロック１０２から側方に突出した絶縁樹脂シート１０３の沿面部分を冷却器１０４に押圧することによって行われる。
【０００５】
そして、図３（ｃ）に示すように、半導体チップ１０１と端子との間をワイヤ１０５で接続し（ワイヤボンディング工程）、封止材１０６によってハウジング１０７内に半導体チップ１０１を埋める工程（モールド工程）が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１５３５５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
熱圧着工程において、放熱ブロック１０２とともに半導体チップ１０１を押圧すると、半導体チップ１０１が破損するおそれがある。従って、放熱ブロック１０２と冷却器１０４とを熱圧着させる際に、半導体チップ１０１を押圧することができず、従来は、図３（ｂ）に矢印で示すように、半導体チップ１０１よりも側方に突出した放熱ブロック１０２の縁部と、放熱ブロック１０２よりも側方に突出した絶縁樹脂シート１０３の沿面部分を部分的に押圧していた。
【０００８】
従って、放熱ブロック１０２全体を均一の圧力で押圧することができず、放熱ブロック１０２と絶縁樹脂シート１０３との間の接着面や、絶縁樹脂シート１０３と冷却器１０４との間の接着面に、未着部や接着ムラが発生するおそれがあり、パワーモジュール１００の絶縁耐性や熱抵抗等の特性の信頼性が低くなるという問題があった。
【０００９】
また、半導体チップ１０１を避けながら、放熱ブロック１０２の縁部と絶縁樹脂シート１０３の沿面部分を部分的に押圧するのは技術的に困難であり、そして、半導体チップ１０１と放熱ブロック１０２の形状に応じた専用の押圧治具が必要で治具製作の分だけコスト高を招いていた。
【００１０】
図４は、図３（ｂ）のＡ部を拡大して示す図である。放熱ブロック１０２は、コストの面から、プレス打ち抜きによって製造されることが多い。プレス打ち抜きによって製造された放熱ブロック１０２は、一方面側の端縁が断面直角とはならず、ある程度の曲率を有して凸状に湾曲した断面円弧状のＲ（アール）面１０２ａになる。そして、放熱ブロック１０２は、応力緩和のために、Ｒ面１０２ａの端縁を有する一方面が絶縁樹脂シート１０３に接面するように配置される。
【００１１】
したがって、放熱ブロック１０２の端縁と絶縁樹脂シート１０３との間には隙間が形成され、熱圧着すべく専用の押圧治具１１１を用いて放熱ブロック１０２と絶縁樹脂シート１０３の沿面部分を同時に押圧した場合に、物理的に押圧できない領域１０３ａが放熱ブロック１０２の端縁に沿って絶縁樹脂シート１０３に局所的に発生する。
【００１２】
そして、絶縁樹脂シート１０３の領域１０３ａの近辺に位置する樹脂が押圧による圧力から逃れるために、領域１０３ａに集まろうとして応力が集中し、絶縁樹脂シート１０３の領域１０３ａにクラック１０３ｂが発生して、絶縁破壊の起点になり、パワーモジュール１００の絶縁信頼性が低下するおそれがある。
【００１３】
また、絶縁樹脂シート１０３の熱圧着およびキュアにより、はんだ１０１ａの耐熱信頼性が低下するおそれがあった。例えば、絶縁樹脂シート１０３の熱圧着およびキュアの温度は１５０℃から２００℃の間であって、現在主流のＳｉ半導体（半導体チップ）の駆動上限温度（実使用時にはんだにかかる温度）である１５０℃よりも高温であることから、はんだ１０１ａの劣化が加速的に進むおそれがある。
【００１４】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、特性の信頼性が高いパワーモジュールを安定的に製造することができるパワーモジュール製造方法、およびその方法により製造されたパワーモジュールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決する本発明のパワーモジュール製造方法は、冷却器、絶縁樹脂シート、放熱ブロック、半導体チップを積層してパワーモジュールを製造するパワーモジュール製造方法であって、絶縁樹脂シートの下層を形成する第１の絶縁樹脂シートを冷却器に熱圧着する第１の熱圧着工程と、第１の絶樹脂縁シートと放熱ブロックとの間に絶縁樹脂シートの上層を形成する第２の絶縁樹脂シートを介在させて、第２の絶縁樹脂シートを第１の絶縁樹脂シートに熱圧着しかつ第２の絶縁樹脂シートに放熱ブロックを熱圧着する第２の熱圧着工程と、放熱ブロックの上に半導体チップをはんだ接合するはんだ接合工程とを含むことを特徴としている。
【００１６】
本発明のパワーモジュール製造方法によれば、先に熱圧着工程を行い、その後に、はんだ接合工程を行うので、冷却器に第１の絶縁樹脂シートを熱圧着する際に、第１の絶縁樹脂シート全体を均一に押圧することができる。そして、第１の絶樹脂縁シートと放熱ブロックとの間に第２の絶縁樹脂シートを介在させて第１の絶縁樹脂シートに第２の絶縁樹脂シートを熱圧着しかつ第２の絶縁樹脂シートに放熱ブロックを熱圧着する際に、放熱ブロック全体を均一に押圧することができる。
【００１７】
したがって、冷却器と第１の絶縁樹脂シートとの間、第１の絶縁樹脂シートと第２の絶縁樹脂シートとの間、第２の絶縁樹脂シートと放熱ブロックとの間の各接着界面に押圧力不足による未接着部分や接着ムラが発生するのを防ぐことができる。
【００１８】
特に、第２の接着工程では、第１の絶縁樹脂シートが冷却器に完全に熱圧着された状態で放熱ブロックを押圧することができるので、放熱ブロックの押圧に起因して第１の絶縁樹脂シートの縁部が冷却器の上面から離間する浮き上がりの発生や、第１の絶縁樹脂シートの割れが発生するのを防ぐことができる。
【００１９】
また、第２の接着工程では放熱ブロックのみを押圧することができる。したがって、従来のように放熱ブロックと絶縁樹脂シートの沿面部分の両方を同時に押圧した場合のように、放熱ブロックの端縁に沿って絶縁樹脂シートに局所的に応力が集中するのを防ぐことができる。したがって、応力集中箇所にクラックが発生して絶縁破壊の起点となるのを防ぐことができ、絶縁耐性を高めることができる。また、はんだ接合工程の前に熱圧着工程を行うので、熱圧着の熱によるはんだの耐熱信頼性の低下を防ぐことができる。したがって、特性の信頼性が高いパワーモジュールを製造することができる。
【００２０】
本発明のパワーモジュール製造方法において、第１の絶縁樹脂シートと第２の絶縁樹脂シートはそれぞれ熱硬化性樹脂材料によって構成されており、第１の熱圧着工程では、第１の絶縁樹脂シートが熱硬化する温度まで加熱して熱圧着を行い、第２の熱圧着工程では、第２の絶縁樹脂シートが熱硬化する温度まで加熱して熱圧着を行うことが好ましい。
【００２１】
そして、本発明のパワーモジュール製造方法において、第１の絶縁樹脂シートは、放熱ブロックよりも広い大きさと、第２の絶縁樹脂シートの層厚以上の層厚を有していることが好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明のパワーモジュール製造方法によれば、先に熱圧着工程を行い、その後に、はんだ接合工程を行うので、冷却器に第１の絶縁樹脂シートを熱圧着する際に第１の絶縁樹脂シート全体を均一に押圧することができる。そして、第１の絶樹脂縁シートと放熱ブロックとの間に第２の絶縁樹脂シートを介在させて第１の絶縁樹脂シートに第２の絶縁樹脂シートを熱圧着しかつ第２の絶縁樹脂シートに放熱ブロックを熱圧着する際に、放熱ブロック全体を均一に押圧することができる。したがって、冷却器と第１の絶縁樹脂シートとの間、第１の絶縁樹脂シートと第２の絶縁樹脂シートとの間、第２の絶縁樹脂シートと放熱ブロックとの間の各接着界面に押圧力不足による未接着部分や接着ムラが発生するのを防ぎ、特性の信頼性が高いパワーモジュールを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本実施の形態におけるパワーモジュール製造方法を説明する図。
【図２】本発明品と従来品の冷熱耐久試験の試験結果を対比表として示す図。
【図３】従来のパワーモジュール製造方法を説明する図。
【図４】図３のＡ部を拡大して示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
次に、本発明の実施の形態について図１を用いて説明する。
【００２５】
図１は、本実施の形態におけるパワーモジュール製造方法を説明する図である。
パワーモジュール１は、図１（ｄ）に示すように、半導体チップ２、放熱ブロック３、絶縁樹脂シート４、冷却器５を積層することによって構成される。半導体チップ２は、平面視略矩形の薄板形状を有しており、下面には予めはんだ２ａが盛られている。放熱ブロック３は、半導体チップ２よりも広い大きさの平板部材によって構成されている。絶縁樹脂シート４は、絶縁樹脂シート４の下層を形成する第１の絶縁樹脂シート４１と、絶縁樹脂シート４の上層を形成する第２の絶縁樹脂シート４２によって構成されている。第１の絶縁樹脂シート４１は、放熱ブロック３よりも広い大きさのシート状部材からなり、第２の絶縁樹脂シート４２は、放熱ブロック３以上の大きさを有するシート状部材からなる。冷却器５は、第１の絶縁樹脂シート４１よりも広い大きさの板状部材によって構成されている。
【００２６】
放熱ブロック３および冷却器５の材料は、特に限定されないが、コスト、重量、熱伝導性の点から、放熱ブロック３は銅（Ｃｕ）、冷却器５はアルミニウム合金（Ａｌ）とすることが好ましい。放熱ブロック３は、半導体チップ２の熱を拡散して絶縁樹脂シート４に伝えるための十分な厚さとして１ｍｍ以上が好ましい。また、放熱ブロック３と冷却器５を同一材料によって構成して、線膨張係数を同一とし、はんだ接合時における熱応力を低減する構成としてもよい。
【００２７】
絶縁樹脂シート４は、例えばバインダーとして熱可塑性樹脂もしくは熱硬化性樹脂（エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、シリコン樹脂等）を１０〜７０ｗｔ％使用し、充填材として高熱伝導率の絶縁性無機フィラー（アルミナ、窒化ホウ素等）を３０〜９０ｗｔ％入れたものからなる。そして、熱伝導率λが５Ｗ／ｍＫ以上であり、厚さは、電気絶縁性の信頼性と低熱抵抗の両立の点から、第１の絶縁樹脂シート４１と第２の絶縁樹脂シート４２を重ね合わせて所定必要厚さ０．１〜０．３ｍｍを有することが好ましい。
【００２８】
次に、本実施の形態におけるパワーモジュール１の製造方法について説明する。パワーモジュール１の製造方法は、図１に示すように、第１の熱圧着工程（図１（ａ））、第２の熱圧着工程（図１（ｂ））、はんだ接合工程（図１（ｃ））、ワイヤボンディング工程およびモールド工程（図１（ｄ））を有している。
【００２９】
第１の熱圧着工程では、冷却器５に第１の絶縁樹脂シート４１を熱圧着する作業が行われる。具体的には、冷却器５の上面略中央に第１の絶縁樹脂シート４１を載せて、冷却器５と第１の絶縁樹脂シート４１を所定温度（第１の絶縁樹脂シート４１が熱硬化性樹脂の場合にはその熱硬化温度）まで加熱し、第１の絶縁樹脂シート４１を冷却器５に押圧して、冷却器５に第１の絶縁樹脂シート４１を接着する。第１の絶縁樹脂シート４１は、熱圧着される際に、第１の絶縁樹脂シート４１全体が均一に押圧される。したがって、冷却器５と第１の絶縁樹脂シート４１との間の接着界面に、押圧力不足による未接着部分や接着ムラが発生するのを防ぐことができる。
【００３０】
第２の熱圧着工程では、第１の絶樹脂縁シート４１と放熱ブロック３との間に第２の絶縁樹脂シート４２を介在させて、第２の絶縁樹脂シート４２を第１の絶縁樹脂シート４１に熱圧着すると共に、第２の絶縁樹脂シート４２に放熱ブロック３を熱圧着する作業が行われる。
【００３１】
具体的には、第１の絶縁樹脂シート４１の上面略中央に第２の絶縁樹脂シート４２を載せ、更に、その第２の絶縁樹脂シート４２の上面に放熱ブロック３を載せて、第１の絶縁樹脂シート４１と放熱ブロック３との間に第２の絶縁樹脂シート４２を介在させた状態とする。
【００３２】
そして、冷却器５、第１の絶縁樹脂シート４１、第２の絶縁樹脂シート４２、放熱ブロック３を所定温度（第２の絶縁樹脂シート４２が熱硬化性樹脂の場合にはその熱硬化温度）に加熱しながら放熱ブロック３を冷却器５に押圧し、第２の絶縁樹脂シート４２を第１の絶縁樹脂シート４１に接着し、放熱ブロック３を第２の絶縁樹脂シート４２に接着する。
【００３３】
放熱ブロック３は、熱圧着される際に、放熱ブロック３全体が均一に押圧される。したがって、第１の絶縁樹脂シート４１と第２の絶縁樹脂シート４２との間の接着界面、および第２の絶縁樹脂シート４２と放熱ブロック３との間の接着界面に、押圧力不足による未接着部分や接着ムラが発生するのを防ぐことができる。上記した図１（ａ）、（ｂ）の第１の熱圧着工程と第２の熱圧着工程は、加熱手段と押圧手段を有するプレス機等の熱圧着装置（いずれも図示せず）によって行われる。
【００３４】
次に、図１（ｃ）に示すはんだ接合工程では、半導体チップ２を放熱ブロック３にはんだ接合する作業が行われる。はんだ接合は、はんだリフローによって行われる。はんだリフローでは、まず、放熱ブロック３の上面略中央に半導体チップ２を載せて、図示していないはんだ接合装置のリフロー炉内に入れる。そして、リフロー炉内で加熱し、半導体チップ２の下面に予め盛られているはんだ２ａを溶融させて、放熱ブロック３の上面に半導体チップ２をはんだ接合する。
【００３５】
本実施の形態のはんだ接合工程では、はんだ接合時に絶縁樹脂シート４に付与される熱応力を低減するために、冷却器５、絶縁樹脂シート４、放熱ブロック３、半導体チップ２からなるワークＷ全体を均一に加熱するのではなく冷却器５側よりも半導体チップ２側を高温化する温度差加熱処理が行われる。
【００３６】
温度差加熱処理では、例えば、リフロー炉内のヒータ側に半導体チップ２が位置するようにワークＷ全体を配置して、半導体チップ２側を加熱してもよい。また、高周波誘導加熱等により半導体チップ２を局所的に加熱してもよい。そして、冷却器５側の昇温を防ぐために、例えば上記したヒータよりも加熱温度の低い低温ヒータを設ける、あるいは、熱容量の大きな金属ブロック等の冷却手段を配置してもよい。
【００３７】
はんだ接合温度（２００℃以上）は、絶縁樹脂シート４の熱圧着温度よりも高く、エポキシ系の樹脂の分解開始温度（２５０℃から３００℃程度）とほぼ同等であり、ガラス転移点（ともに１５０℃から２００℃程度）よりも高い温度となっている。従って、はんだ接合工程において、ワークＷ全体を加熱する全体加熱処理を行うと、放熱ブロック３および冷却器５との線膨張差による応力が急激に大きくなり、冷却器５と第１の絶縁樹脂シート４１との間の接着面、もしくは、第１の絶縁樹脂シート４１と第２の絶縁樹脂シート４２との間の接着面に剥離が生じるおそれがある。
【００３８】
そこで、本実施の形態では、温度差加熱処理によってはんだ接合を行い、はんだ接合時に第１の絶縁樹脂シート４１と第２の絶縁樹脂シート４２に加えられる熱応力を低減して、接着面の信頼性を向上させている。
【００３９】
また、現在主流の信頼性の高いＰｂフリーはんだを使用する場合には、Ｐｂフリーはんだは通常のはんだよりも溶融温度が高温であるので、従来のはんだリフローのように、ワークＷ全体をはんだ接合温度まで加熱して製造することはできないが、本実施の形態では、温度差加熱処理によって、絶縁樹脂シート４の高温化を防ぐことができ、半導体チップ２を適切にはんだ接合することができる。
【００４０】
また、ワークＷ全体を加熱して熱圧着を行うと、絶縁樹脂シート４の樹脂が揮発し、チップ表面に付着して、次工程であるワイヤボンディング工程（図１（ｄ））において、接合不良等が起こる可能性があるが、本実施の形態では、温度差加熱処理によって、絶縁樹脂シート４の樹脂の揮発を抑制でき、ワイヤボンディング工程における接合不良等の発生を防ぐことができる。
【００４１】
そして、ワイヤボンディング工程とモールド工程（図１（ｄ））が行われる。ワイヤボンディング工程では、半導体チップ２と端子との間がワイヤ６で接続され、モールド工程では、ハウジング８内で封止材７によって半導体チップ２、放熱ブロック３、絶縁樹脂シート４が埋められる。なお、ワイヤボンディング工程とモールド工程については、既知の技術と同様であるので、その詳細な説明を省略する。
【００４２】
上記した本発明のパワーモジュール製造方法によれば、先に冷却器５と放熱ブロック３とを熱圧着し、その後に放熱ブロック３の上に半導体チップ２をはんだ接合するので、冷却器５に第１の絶縁樹脂シート４１を熱圧着する際に第１の絶縁樹脂シート４１全体を均一に押圧することができる。そして、第１の絶樹脂縁シート４１と放熱ブロック３との間に第２の絶縁樹脂シート４２を介在させて第１の絶縁樹脂シート４１に第２の絶縁樹脂シート４２を熱圧着しかつ第２の絶縁樹脂シート４２に放熱ブロック３を熱圧着する際に、放熱ブロック３全体を均一に押圧することができる。
【００４３】
したがって、冷却器５と第１の絶縁樹脂シート４１との間、第１の絶縁樹脂シート４１と第２の絶縁樹脂シート４２との間、第２の絶縁樹脂シート４２と放熱ブロック３との間の各接着面に押圧力不足による未接着部分や接着ムラが発生するのを防ぐことができる。
【００４４】
特に、第２の接着工程（図１（ｂ））では、冷却器５と第１の絶縁樹脂シート４１との間を完全に接着させた状態で放熱ブロック３を押圧することができるので、放熱ブロック３の押圧に起因して第１の絶縁樹脂シート４１の縁部が冷却器５の上面から離間する浮き上がりや、第１の絶縁樹脂シート４１の割れが発生するのを防ぐことができる。
【００４５】
また、第２の接着工程において、放熱ブロック３のみを押圧することができる。したがって、従来のように放熱ブロックと絶縁樹脂シートの沿面部分の両方を同時に押圧した場合のように、放熱ブロックの端縁に沿うように絶縁樹脂シートに部分的に応力が集中するのを防ぐことができる。したがって、応力集中箇所にクラックが発生して絶縁破壊の起点となるのを防ぐことができ、絶縁耐性を高めることができる。したがって、特性の信頼性が高いパワーモジュールを製造することができる。
【００４６】
また、はんだ接合工程（図１（ｃ））の前に、第１および第２の熱圧着工程（図１（ａ）、（ｂ））を行うので、熱圧着の熱によるはんだの耐熱信頼性の低下を防ぐことができる。
【００４７】
また、はんだ接合工程において、全体加熱処理ではなく、温度差加熱処理によってはんだ接合を行うことによって、はんだ接合時に絶縁樹脂シート４に加えられる熱応力を低減して、各接着界面の剥離を防ぐことができる。従って、特性の信頼性が高いパワーモジュール１を製造することができる。
【００４８】
上記したパワーモジュール製造方法によれば、熱圧着のプレス機、治具等として、従来から存在する既存の装置を使用することができ、実施化が容易である。
【実施例】
【００４９】
次に、本発明の実施例について説明する。本実施例では、下記の条件によってパワーモジュール１を製造した。
【００５０】
（１）第１の熱圧着工程
１８０℃、５分間、５ＭＰａの条件で、第１の絶縁樹脂シート４１を冷却器５に熱圧着した。第１の絶縁樹脂シート４１は、熱硬化性樹脂からなり、放熱ブロック３よりも側方に２ｍｍ突出する沿面部分を確保するために、放熱ブロック３よりも一辺が４ｍｍ大きい、厚さｔが０．１ｍｍのものを用いた。第１の絶縁樹脂シート４１は、絶縁樹脂シート４として必要な厚さである所定必要厚さの２分の１の厚さを有している。
【００５１】
（２）第２の熱圧着工程
第１の絶樹脂縁シート４１と放熱ブロック３との間に第２の絶縁樹脂シート４２を介在させて、１８０℃、５分間、５ＭＰａの条件で、第１の絶縁樹脂シート４１に第２の絶縁樹脂シート４２を熱圧着しかつ第２の絶縁樹脂シート４２に放熱ブロック３を熱圧着した。第２の絶縁樹脂シート４２は、熱硬化性樹脂からなり、放熱ブロック３と同じ大きさで厚さｔが０．１ｍｍのものを用いた。第２の絶縁樹脂シート４２は、絶縁樹脂シート４として必要な厚さである所定必要厚さの２分の１の厚さを有している。
【００５２】
なお、第２の絶縁樹脂シート４２の大きさは、放熱ブロック３以上の大きさを有していればよく、同一である必要はない。また、第１の絶縁樹脂シート４１と第２の絶縁樹脂シート４２の厚さは、所定必要厚さの２分の１に限定されるものではなく、第１の絶縁樹脂シート４１の厚さが第２の絶縁樹脂シート４２の厚さ以上であればよい。
【００５３】
（３）はんだ接合工程（はんだリフロー工程）
図示していないはんだ接合装置を用いてはんだリフローを実施した。
【００５４】
第１の絶縁樹脂シート４１と第２の絶縁樹脂シート４２の各接着界面が剥離しない条件（今回は２５０℃×３分）で、はんだと素子を放熱ブロック３の上に実装した。
【００５５】
（４）ワイヤボンディング工程およびモールド工程
冷却器５の上にハウジング８を接着剤にて接着し、素子等の必要な部分にワイヤをボンディングした。そして、電子工業向け封止エポキシ樹脂を封止材７として用いて、ハウジング８内で半導体チップ２、放熱ブロック３、絶縁樹脂シート４を埋めて封止した。
【００５６】
パワーモジュール１の使用材料および形状を下記に示す。
【００５７】
・材料：放熱ブロック…銅（Ｃｕ）、冷却器…銅（Ｃｕ）
・厚さ：放熱ブロック…ｔ３ｍｍ、冷却器…ｔ３ｍｍ、第１の絶縁樹脂シート…ｔ０．１ｍｍ、第２の絶縁樹脂シート…ｔ０．１ｍｍ
・絶縁樹脂シート：フィラー…ＢＮ、バインダー…エポキシ樹脂、熱伝導率…１０Ｗ／ｍＫ
・はんだ：Ｐｂフリーはんだ（融点約２３０℃）
・ハウジング：ＰＰＳ樹脂製でバスバーは銅（Ｃｕ）製
・接着剤：シリコーン系汎用接着剤
・ワイヤー：アルミニウム（Ａｌ）
・封止材料：電子工業向け封止エポキシ樹脂
【００５８】
本実施例では、本発明品と従来品の冷熱耐久性を評価する冷熱耐久試験を行った。
図２は、本発明品と従来品の冷熱耐久試験の試験結果を対比表として示す図である。
【００５９】
本発明品は、本発明のパワーモジュール製造方法により製造したパワーモジュールであり、従来品は、図３に示す従来方法により製造したパワーモジュールである。冷熱耐久試験は、本発明品と従来品を、液槽内に貯留された−４０℃の液体に５分間浸漬する工程と、１０５℃に加熱された加熱炉内に５分間保持する工程を１サイクル（ｃｙｃ）として、３０００サイクル（ｃｙｃ）繰り返して実施し、初期と３０００サイクル後における、接着界面の接着率、絶縁樹脂シートの内部クラック、絶縁破壊電圧の評価を行った。
【００６０】
図２の表に示す各接着率は、冷却器５と第１の絶縁樹脂シート４１との接着界面、および、第２の絶縁樹脂シート４２と放熱ブロック３との接着界面について、それぞれ超音波探傷画像の画像解析を行い、算出した。
【００６１】
図２に示すように、本発明品の冷却器５と第１の絶縁樹脂シート４１との接着率、および、第２の絶縁樹脂シート４２と放熱ブロック３との接着率は、３０００サイクル（ｃｙｃ）後においてもそれぞれ１００％であり、接着界面の耐久性が良好であるという結果が得られた。
【００６２】
一方、従来品では、初期は冷却器５と第１の絶縁樹脂シート４１との接着率、および、第２の絶縁樹脂シート４２と放熱ブロック３との接着率のいずれもが１００％であったが、３０００サイクル（ｃｙｃ）後は、冷却器５と第１の絶縁樹脂シート４１との接着率が９３％まで低下し、第２の絶縁樹脂シート４２と放熱ブロック３との接着率が８６％まで低下した。これは、冷熱処理を行ったことにより、放熱ブロック３と冷却器５との線膨張差による応力が作用し、各接着界面に剥離が生じたものと把握できる。したがって、本発明品は、従来品よりも接着率が向上していることがわかる。
【００６３】
そして、本発明品は、初期および３０００サイクル（ｃｙｃ）後のいずれにおいて絶縁樹脂シート４に内部クラックが発生しておらず（無し）、絶縁樹脂シート４の耐久性が良好であるという結果が得られた。一方、従来品は、初期および３０００サイクル後のいずれにおいても絶縁樹脂シート４に内部クラックが発生していた（有り）。これは、放熱ブロック３と絶縁樹脂シート４の沿面部分を押圧することによって、放熱ブロック３の端縁に沿って絶縁樹脂シート４に局所的に応力が集中し、内部クラックが発生したものと把握できる。
【００６４】
そして、本発明品は、ＡＣ５０Ｈｚの絶縁破壊電圧を印加した場合に初期および３０００サイクル後のいずれにおいても５Ｋｖより高い電圧でも絶縁破壊が生じていない。これに対して、従来品は、初期および３０００サイクル後のいずれにおいても２Ｋｖよりも小さい電圧で絶縁破壊が生じていた。したがって、本発明品は、従来品よりも絶縁耐久性が向上していることがわかる。
【符号の説明】
【００６５】
１ パワーモジュール
２ 半導体チップ
２ａ はんだ部分
３ 放熱ブロック
４ 絶縁樹脂シート
４１ 第１の絶縁樹脂シート
４２ 第２の絶縁樹脂シート
５ 冷却器
Ｗ ワーク
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却器、絶縁樹脂シート、放熱ブロック、半導体チップを積層してパワーモジュールを製造するパワーモジュール製造方法であって、
前記絶縁樹脂シートの下層を形成する第１の絶縁樹脂シートを前記冷却器に熱圧着する第１の熱圧着工程と、
前記第１の絶樹脂縁シートと前記放熱ブロックとの間に前記絶縁樹脂シートの上層を形成する第２の絶縁樹脂シートを介在させて、前記第２の絶縁樹脂シートを前記第１の絶縁樹脂シートに熱圧着しかつ前記第２の絶縁樹脂シートに前記放熱ブロックを熱圧着する第２の熱圧着工程と、
該放熱ブロックの上に前記半導体チップをはんだ接合するはんだ接合工程と、
を含むことを特徴とするパワーモジュール製造方法。
【請求項２】
前記第１の絶縁樹脂シートと前記第２の絶縁樹脂シートは、それぞれ熱硬化性樹脂材料によって構成されており、
前記第１の熱圧着工程では、前記第１の絶縁樹脂シートが熱硬化する温度まで加熱し、
前記第２の熱圧着工程では、前記第２の絶縁樹脂シートが熱硬化する温度まで加熱することを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール製造方法。
【請求項３】
前記第１の絶縁樹脂シートは、前記放熱ブロックよりも広い大きさと、前記第２の絶縁樹脂シートの厚さ以上の厚さを有していることを特徴とする請求項１又は２に記載のパワーモジュール製造方法。
【請求項４】
前記請求項１から請求項３のいずれか一項に記載したパワーモジュール製造方法により製造されたパワーモジュール。
【請求項１】
冷却器、絶縁樹脂シート、放熱ブロック、半導体チップを積層してパワーモジュールを製造するパワーモジュール製造方法であって、
前記絶縁樹脂シートの下層を形成する第１の絶縁樹脂シートを前記冷却器に熱圧着する第１の熱圧着工程と、
前記第１の絶樹脂縁シートと前記放熱ブロックとの間に前記絶縁樹脂シートの上層を形成する第２の絶縁樹脂シートを介在させて、前記第２の絶縁樹脂シートを前記第１の絶縁樹脂シートに熱圧着しかつ前記第２の絶縁樹脂シートに前記放熱ブロックを熱圧着する第２の熱圧着工程と、
該放熱ブロックの上に前記半導体チップをはんだ接合するはんだ接合工程と、
を含むことを特徴とするパワーモジュール製造方法。
【請求項２】
前記第１の絶縁樹脂シートと前記第２の絶縁樹脂シートは、それぞれ熱硬化性樹脂材料によって構成されており、
前記第１の熱圧着工程では、前記第１の絶縁樹脂シートが熱硬化する温度まで加熱し、
前記第２の熱圧着工程では、前記第２の絶縁樹脂シートが熱硬化する温度まで加熱することを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール製造方法。
【請求項３】
前記第１の絶縁樹脂シートは、前記放熱ブロックよりも広い大きさと、前記第２の絶縁樹脂シートの厚さ以上の厚さを有していることを特徴とする請求項１又は２に記載のパワーモジュール製造方法。
【請求項４】
前記請求項１から請求項３のいずれか一項に記載したパワーモジュール製造方法により製造されたパワーモジュール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−１４６４７１（Ｐ２０１１−１４６４７１Ａ）
【公開日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−４９０８（Ｐ２０１０−４９０８）
【出願日】平成２２年１月１３日（２０１０．１．１３）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月１３日（２０１０．１．１３）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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