半導体装置及びその製造方法
【課題】半導体モジュールにおける半導体素子の損傷を抑制することが可能な半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体装置１は、２つの半導体モジュール４と、２つの半導体モジュール４を挟み込み、２つの半導体モジュール４を冷却する第１及び第２の冷却器２,３と、を備え、半導体モジュール４は、半導体素子４１と、半導体素子４１を挟み込み、半導体素子４１と接続される第１及び第２の導電板４４,４４と、半導体素子４１と第１及び第２の導電板４４,４５を封止するモールド部４６と、を有し、モールド部４６は、第２の導電板４５の第２の露出面４５２と比較して第２の冷却器３に向って相対的に突出する突起部４６１を有し、第１の導電板４４の第１の露出面４４２は、第１の冷却器２により押圧され、突起部４６１は、第２の冷却器３に押圧されて、塑性変形している。
【解決手段】半導体装置１は、２つの半導体モジュール４と、２つの半導体モジュール４を挟み込み、２つの半導体モジュール４を冷却する第１及び第２の冷却器２,３と、を備え、半導体モジュール４は、半導体素子４１と、半導体素子４１を挟み込み、半導体素子４１と接続される第１及び第２の導電板４４,４４と、半導体素子４１と第１及び第２の導電板４４,４５を封止するモールド部４６と、を有し、モールド部４６は、第２の導電板４５の第２の露出面４５２と比較して第２の冷却器３に向って相対的に突出する突起部４６１を有し、第１の導電板４４の第１の露出面４４２は、第１の冷却器２により押圧され、突起部４６１は、第２の冷却器３に押圧されて、塑性変形している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却機能を有する半導体装置及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一対の扁平冷媒管部の間に一つの半導体モジュールを挟み込んで、半導体モジュールの冷却を図った冷媒冷却型両面冷却半導体装置が知られている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２１４６２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の冷媒冷却型両面冷却半導体装置では、一対の扁平冷媒管部の間に一つの半導体モジュールを挟み込んで押圧する際に、扁平冷媒管部のヘッダ部を変形させることで、半導体モジュールの厚さのバラツキを吸収しているので、半導体素子に局所的な押圧力が印加され、半導体素子が損傷してしまう恐れがあった。
特に、一対の扁平冷媒管部の間に複数の半導体モジュールを挟み込むと、複数の半導体モジュールの厚さのバラツキがあるため、厚い半導体モジュールに対してこうした問題が顕著に発生する。
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、半導体モジュールにおける半導体素子の損傷を抑制することが可能な半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、半導体モジュールの第１の露出面を、第１の冷却器により押圧し、モールド部の突起部を、第２の冷却器により押圧して塑性変形させることで上記課題を解決する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、突起部を塑性変形させて、複数の半導体モジュールにおける半導体素子の厚さのバラツキを吸収することで、半導体素子の損傷を抑制することを可能としている。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本発明の実施形態における半導体装置の断面図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態における半導体モジュールの拡大断面図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態における半導体モジュールの平面図である。
【図４】図４は、本発明の実施形態における突起部の第１変形例を示す半導体モジュールの平面図である。
【図５】図５は、本発明の実施形態における突起部の第２変形例を示す半導体モジュールの平面図である。
【図６】図６は、本発明の実施形態の効果を説明するためのグラフである。
【図７】図７は、本発明の実施形態における半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。
【図８】図８は、本発明の実施形態における半導体装置の製造方法の成形工程を示す断面図である。
【図９】図９は、本発明の実施形態における半導体装置の製造方法の載置工程を示す断面図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施形態における半導体装置の製造方法の押圧工程を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１０】
図１は本実施形態における半導体装置の断面図、図２は本実施形態における半導体モジュールの拡大断面図、図３は本実施形態における半導体モジュールの平面図、図４及び図５は本実施形態における突起部の変形例を示す半導体モジュールの平面図、図６は本実施形態の効果を説明するためのグラフである。
【００１１】
本実施形態における半導体装置１は、例えば、自動車に搭載される三相電圧型ＰＭＷ（Pulse Width Modulation）インバータ等の電力変換装置（電力制御装置）に組み込まれる装置である。
【００１２】
この半導体装置１は、図１に示すように、第１の冷却器２と、第２の冷却器３と、２つの半導体モジュール４と、放熱グリス５と、を備えている。
【００１３】
第１及び第２の冷却器２,３は、２つの半導体モジュール４を挟み込んで、当該半導体モジュール４を冷却している。なお、冷却する半導体モジュール４の数は特に限定されない。例えば、第１及び第２の冷却器２,３の間に、３つ以上の複数の半導体モジュール４を挟み込んで、それらの半導体モジュール４を冷却してもよい。
【００１４】
まず、第１の冷却器２から説明する。第１の冷却器２は、第１の冷却器本体２１と、第１の絶縁シート２２と、を有している。
【００１５】
この第１の冷却器本体２１は、例えば、熱伝導性に優れたアルミニウム等の材料で構成されており、図１に示すように、第１の当接面２１１と、収容部２１２と、第１の冷媒流路２１３と、を有している。
【００１６】
本実施形態における第１の当接面２１１は、第１の冷却器本体２１の図中上面に位置し、第２の冷却器３と当接している。本実施形態では、このように第１の当接面２１１に第２の冷却器３を当接させることで、第１の冷却器２に対する第２の冷却器３の接近を規制している。
【００１７】
収容部２１２は、同図に示すように、第１の冷却器本体２１の第１の当接面２１１に形成された凹部であり、２つの半導体モジュール４を収容可能としている。なお、収容部２１２は、特に凹部に限定されず、例えば、図中Ｙ方向に沿った溝であってもよい。また、収容部２１２の大きさについても、特に限定されず、例えば、３つ以上の複数の半導体モジュール４を収容可能な大きさとしてもよい。
【００１８】
この収容部２１２の底面２１２ａは、第１の絶縁シート２２を介して、半導体モジュール４の第１の露出面４４２を押圧しており、第２の冷却器３との間で半導体モジュール４を挟み込んでいる。
【００１９】
第１の冷媒流路２１３は、第１の冷却器本体２１において、冷却媒体ｗを流通させることが可能な中空の孔である。この冷却媒体ｗとしては、例えば水を挙げることができる。
【００２０】
第１の冷媒流路２１３は、図１に示すように、流路孔２１４と、連通孔２１５と、を有している。
【００２１】
流路孔２１４は、収容部２１２の図中Ｘ方向に沿って形成されている。この流路孔２１４は、第１の冷却器本体２１の図中右側面で開口する第１の外部開口部２１４ａを有しており、この第１の外部開口部２１４ａを介して、外部から冷却媒体ｗを受け入れ可能としている。なお、この流路孔２１４は、第１の冷却器本体２１の図中左側面では、開口しておらず、第１の冷却器本体２１内で連通孔２１５と接続している。
【００２２】
連通孔２１５は、収容部２１２の図中左隣に配置され、図中Ｚ方向に沿って形成されている。この連通孔２１５は、第１の当接面２１１で開口する第１の接続開口部２１５ａを有している。本実施形態では、この第１の接続開口部２１５ａを介して、流路孔２１４及び連通孔２１５を通過した冷却媒体ｗを、後述する第２の冷媒流路３１２に流出させるようにしている。
【００２３】
第１の絶縁シート２２は、収容部２１２の底面２１２ａに配置されており、第１の冷却器本体２１と半導体モジュール４を電気的に絶縁している。この第１の絶縁シート２２は、例えば、エポキシ系樹脂で構成されている。
【００２４】
第２の冷却器３は、第１の冷却器２と共に、半導体モジュール４を冷却する機器であり、特に図示しないボルトによって第１の冷却器２に締結されている。この第２の冷却器３は、図１に示すように、第２の冷却器本体３１と、第２の絶縁シート３２と、を有している。
【００２５】
第２の冷却器本体３１は、図１に示すように、第１の冷却器２と当接する第２の当接面３１１と、冷却媒体ｗが流通可能な第２の冷媒流路３１２を有している。なお、この第２の冷却器本体３１も、第１の冷却器本体２１と同様に、例えば、熱伝導性に優れたアルミニウム等の材料で構成されている。
【００２６】
第２の当接面３１１は、第２の絶縁シート３２を介して半導体モジュール４を押圧し、第１の冷却器２との間で半導体モジュール４を挟み込んでいる。
【００２７】
第２の冷媒流路３１２は、同図に示すように、第２の冷却器本体３１の内部において図中Ｘ方向に沿って形成された中空の孔であり、第２の冷却器本体３１の図中右側面で開口する第２の外部開口部３１２ａと、第１の冷媒流路２１３の第１の接続開口部２１５ａと連通する第２の接続開口部３１２ｂと、を有している。
【００２８】
本実施形態における第２の冷却器３では、第２の接続開口部３１２ｂで、第１の冷却器２の第１の冷媒流路２１３を通過した冷却媒体ｗを受け入れて、第２の外部開口部３１２ａを介して外部に当該冷却媒体ｗを流出させている。
【００２９】
第２の絶縁シート３２は、第２の冷却器本体３１の第２の当接面３１１と半導体モジュール４との間に介在しており、第２の冷却器本体３１と半導体モジュール４を電気的に絶縁している。この第２の絶縁シート３２も、第１の絶縁シート２２と同様に、例えば、エポキシ系樹脂で構成されている。
【００３０】
半導体モジュール４は、図１及び図２に示すように、半導体素子４１と、第１のはんだ接続部４２と、第２のはんだ接続部４３と、第１の導電板４４と、第２の導電板４５と、モールド部４６と、を有している。
【００３１】
半導体素子４１には、図２に示すように、第１及び第２の電極４１ａ,４１ｂが設けられている。第１の電極４１ａは、例えば、半導体素子４１のコレクタ側の電極であり、半導体素子４１の図中下面に設けられている。一方、第２の電極４１ｂは、例えば、半導体素子４１のエミッタ側の電極であり、半導体素子４１の図中上面に設けられている。
【００３２】
このような半導体素子４１としては、整流ダイオード、サイリスタ、バイポーラトランジスタ、MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）、IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のパワーデバイスを挙げることができる。
【００３３】
例えば、本実施形態では、半導体モジュール４における２つの半導体素子４１の一方が整流ダイオードであり、他方がIGBTである。なお、半導体モジュール４に組み込む半導体素子４１の種類や数については特に限定されない。
【００３４】
また、図示を省略するが、例えば、半導体素子４１がIGBTである場合には、半導体素子４１に制御信号（スイッチON／OFFの信号）を出力するための駆動基板を設けて、この駆動基板と半導体素子４１を、ワイヤー等で電気的に接続させる。なお、このワイヤー（駆動基板と半導体素子４１の間）には、数ボルトの低い電圧が印加される。
【００３５】
第１のはんだ接続部４２は、図２に示すように、半導体素子４１の第１の電極４１ａと、第１の導電板４４の第１の接続面４４１（後述）との間に介在して、両者を接続している。すなわち、第１のはんだ接続部４２は、半導体素子４１と第１の導電板４４を電気的に接続していると共に、半導体素子４１の熱を第１の導電板４４への熱伝達させることを可能としている。
【００３６】
第２のはんだ接続部４３は、図２に示すように、半導体素子４１の第２の電極４１ｂと、第２の導電板４５の第２の接続面４５１（後述）との間に介在して、両者を接続している。すなわち、第２のはんだ接続部４３は、半導体素子４１と第２の導電板４５を電気的に接続していると共に、半導体素子４１の熱を第２の導電板４５への熱伝達させることを可能としている。
【００３７】
第１の導電板４４は、銅等の導電性の材料で構成された板状の部材であり、特に図示しないが、モータ、コンデンサ又はバッテリー等の強電回路に電気的に接続されている。本実施形態における第１の導電板４４は、半導体モジュール４の電極として機能していると共に、半導体素子４１の熱を第１の冷却器２へ放熱させる放熱板としても機能している。
【００３８】
この第１の導電板４４は、図２に示すように、第１の接続面４４１と、第１の露出面４４２と、を有している。
【００３９】
第１の接続面４４１は、上記のように、第１のはんだ接続部４２と接続された状態で、モールド部４６によって封止されている。
【００４０】
一方、第１の露出面４４２は、図２に示すように、モールド部４６から露出して、第１の冷却器２と対向している。この第１の露出面４４２は、第１の冷却器２（第１の絶縁シート２２）と接触した状態で、第１の冷却器２によって押圧されている。
【００４１】
本実施形態では、図１に示すように、半導体装置１内に設けられた２つの半導体モジュール４において、それぞれの第１の露出面４４２が、略同一平面Ｌ上に位置している。
【００４２】
第２の導電板４５は、第１の導電板４４と同様に、銅等の導電性の材料で構成された板状の部材であり、特に図示しないが、モータ、コンデンサ又はバッテリー等の強電回路に電気的に接続されている。本実施形態における第２の導電板４５も、半導体モジュール４の電極として機能していると共に、半導体素子４１の熱を第２の冷却器３へ放熱させる放熱板としても機能している。
【００４３】
この第２の導電板４５は、図２に示すように、第２の接続面４５１と、第２の露出面４５２と、を有している。第２の接続面４５１は、上述したように、第２のはんだ接続部４３と接続されており、モールド部４６によって封止されている。一方、第２の露出面４５２は、モールド部４６から露出して、第２の冷却器３と対向している。
【００４４】
モールド部４６は、図１及び図２に示すように、塑性変形可能な絶縁体で構成されており、半導体素子４１と第１及び第２の導電板４４,４５を封止している。なお、モールド部４６を構成する材料としては、例えば、エポキシ系樹脂を挙げることができる。
【００４５】
このモールド部４６は、第２の導電板４５の第２の露出面４５２と比較して、第２の冷却器３に向って相対的に突出した突起部４６１を有している。本実施形態では、この突起部４６１によって、第２の導電板４５の第２の露出面４５２と、第２の冷却器３との間に十分な間隔が形成されるので、第２の冷却器３の押圧力が、第２の導電板４５を介して半導体素子４１に伝達され難くなっている。
【００４６】
このような突起部４６１は、図１及び図２に示すように、半導体モジュール４が第１及び第２の冷却器２,３の間に挟み込まれた状態において、第２の冷却器３によって押圧され、圧縮されて塑性変形している。
【００４７】
この突起部４６１は、図３に示す平面視において、第２の導電板４５を取り囲む枠形状を有している。これにより、突起部４６１が第２の冷却器３の押圧力をバランスよく受け止めることができるので、第１及び第２の冷却器２,３の間における半導体モジュール４の固定を安定させることができる。
【００４８】
さらに、本実施形態では、この突起部４６１が、半導体モジュール４の中心Ｏを通る中心線ＣＬを基準として、対称に形成されている。これにより、第２の冷却器３の押圧力をよりバランスよく受け止めることができるので、半導体モジュール４の固定をより安定させることが可能となる。
【００４９】
なお、この突起部４６１の形状や数については特に限定されない。例えば、図４に示すように、複数の柱形状の突起部４６１を、第２の導電板４５の周囲に配置させてもよい。このように複数の突起部４６１を設けることでも、突起部４６１によって第２の冷却器３の押圧力をバランスよく受け止めることができるので、第１及び第２の冷却器２,３の間における半導体モジュール４の固定を安定させることができる。
【００５０】
この場合においては、複数の突起部４６１を、平面視において、半導体モジュール４の中心Ｏを通る中心線ＣＬを基準として、対称となるように配置させることで、第２の冷却器３の押圧力をよりバランスよく受け止めることができる。これにより、半導体モジュール４の固定をより安定させることが可能となる。
【００５１】
また、突起部４６１は、図５に示す平面視のように、第２の導電板４５の第１の辺４５ａに沿って延在する線条の第１の突起部４６１ａと、第１の辺４５ａと対向する第２の辺４５ｂに沿って延在する線条の第２の突起部４６１ｂと、を含んでいてもよい。このように突起部４６１を構成することでも、第２の冷却器３の押圧力をバランスよく受け止めることができるので、第１及び第２の冷却器２,３の間に半導体モジュール４を安定して固定させることができる。
【００５２】
また、この場合には、突起部４６１ａ,４６１ｂを、同図に示すように、半導体モジュール４の中心Ｏを通る中心線ＣＬを基準として、対称に配置させることで、第２の冷却器３の押圧力をよりバランスよく受け止めることができる。これにより、半導体モジュール４の固定をより安定させることができる。
【００５３】
放熱グリス５は、図１に示すように、第２の導電板４５と第２の冷却器３との間に介在して、第２の導電板４５の熱を第２の冷却器３に伝達させている。この放熱グリス５は、例えば、シリコーングリスで構成されている。
【００５４】
また、特に図示しないが、放熱グリス５は、第１の導電板４４と第１の冷却器２との間にも介在して、第１の導電板４４の熱を第１の冷却器２に熱伝達させている。なお、第１の導電板４４と第１の冷却器２との間に介在する放熱グリス５は、非常に薄く積層されている。
【００５５】
以上に説明した半導体装置１では、図１に示すように、半導体素子４１→第１のはんだ接続部４２→第１の導電板４４（→放熱グリス５）→第１の冷却器２の経路で、半導体素子４１の熱を第１の冷却器２へ放熱させていると共に、半導体素子４１→第２のはんだ接続部４３→第２の導電板４５→放熱グリス５→第２の冷却器３の経路で、半導体素子４１の熱を第２の冷却器３へ放熱させている。そして、第１及び第２の冷却器２,３では、内部の第１及び第２の冷媒流路２１２,３１１に冷却媒体を流通させて、上記の熱を冷却している。
【００５６】
次に本実施形態における半導体装置１の作用について説明する。
【００５７】
本実施形態における半導体装置１では、第１の導電板４４の第１の露出面４４２が、第１の冷却器２によって押圧され、モールド部４６の突起部４６１が、第２の冷却器３によって押圧され、圧縮されて塑性変形している。
【００５８】
つまり、本実施形態では、第１及び第２の冷却器２,３に挟まれた複数の半導体モジュール４が、それぞれの突起部４６１の塑性変形（圧縮）によって第１及び第２の冷却器２,３の押圧力を吸収している。これにより、一部の半導体モジュール４の半導体素子４１に対して、局所的な押圧力が印加され難くなるので、半導体素子４１の損傷を抑制することが可能となる。
【００５９】
さらに、本実施形態では、それぞれの半導体モジュール４の突起部４６１を塑性変形させることで、複数の半導体モジュール４における半導体素子４１の厚さのバラツキを吸収している。これにより、第１の冷却器２が、それぞれの第１の露出面４４２を均一に押圧できるようになるので、第１の冷却器２を介して、複数の半導体モジュール４に対する均一な冷却を図ることが可能となる。
【００６０】
例えば、図１に示すように、図中右側の半導体モジュール４の半導体素子４１の厚さＡ１が、図中左側の半導体モジュール４の半導体素子４１の厚さＡ２よりも厚くなっている場合においても（Ａ１＞Ａ２）、それぞれの半導体モジュール４に突起部４６１を設けて、当該突起部４６１を塑性変形させることで、突起部４６１によって、半導体素子４１の厚さのバラツキを吸収させ、第１の冷却器２によって、それぞれの第１の露出面４４２を均一に押圧させている。これにより、それぞれの半導体モジュール４に対する均一な冷却が図られている。
【００６１】
また、本実施形態では、複数の半導体モジュール４の第１の露出面４４２を、第１の冷却器２によって押圧することで、それぞれの第１の露出面４４２と第１の冷却器２を、密着させている。これにより、半導体モジュール４の冷却効率を向上させることができる。
【００６２】
例えば、図６を参照すると、第１の露出面４４２と第１の冷却器２の間の放熱グリス５の厚さが薄くなるほど、熱抵抗が小さくなる（冷却効率を向上する）様子が図示されている。なお、図６は、本実施形態において、第１の露出面４４２と第１の冷却器２の間の放熱グリス５の厚さを変化させ、ジャンクションj（半導体素子４１と第１のはんだ接続部４２の接合部分である。図２参照。）と、冷却媒体w（水）との間の熱抵抗（Rth（j-w））をシュミレーションした結果を示している。
【００６３】
ここで、図６における一番左端の点は、第１の露出面４４２と第１の冷却器２が密着した状態の熱抵抗を示しており、同図の一番右端の点は、第２の導電板４５の第２の露出面４５２と第２の冷却器３が密着した状態の熱抵抗を示している。第２の露出面４５２と第２の冷却器３が密着した状態の熱抵抗が、第１の露出面４４２と第１の冷却器２が密着した状態の熱抵抗と比較して相対的に高くなっているのは、半導体素子４１（ＩＧＢＴ）の上面に、駆動基板と半導体素子４１を電気的に接続するワイヤーのための電極を設けたことに伴って、第２のはんだ接続部４３と第２の導電板４５との接触面積が、第１のはんだ接続部４２と第１の導電板４４との接触面積よりも狭くなっていることに基づくものである。
【００６４】
ここで、本実施形態において、「第１の露出面４４２を第１の冷却器２に接触させる」や「第１の露出面４４２と第１の冷却器２を密着させる」の意味は、「薄く積層した放熱グリス５を介して、第１の露出面４４２を第１の冷却器２に接触（密着）させる」の意味を含むものであり、第１の露出面４４２と第１の冷却器２の間にグリスや絶縁部材等を介在させることを包含するものである。
【００６５】
また、本実施形態では、突起部４６１を塑性変形させているので、第１及び第２の冷却器２,３に対する過剰な反力が生じ難くなっている。
【００６６】
この点について詳細に説明すると、仮に、突起部を弾性変形させると、元の形状に復元しようとする反力が生じてしまうので、このような反力によって、冷却器が反ってしまったり、歪んでしまうことで、冷却器と半導体モジュール（特に、第１の導電板）との間に隙間が生じる恐れがある。このような隙間が生じると、冷却器と半導体モジュールの間の熱抵抗が大きくなってしまうため、半導体モジュールの冷却効率が悪化してしまう恐れがある。
【００６７】
これに対し、本実施形態では、突起部４６１を塑性変形させることで、上記のような反力を小さくさせ、第１の露出面４４２と第１の冷却器２との間に隙間が生じることを抑制している。これにより、第１の露出面４４２と第１の冷却器２を密着させて、半導体モジュール４を効率よく冷却することを可能としている。
【００６８】
また、本実施形態では、複数の半導体モジュール４において、それぞれの第１の露出面４２２と第１の冷却器２を、略同一平面Ｌ上で密着させている。これにより、第１の冷却器を介して、複数の半導体モジュール４を均一に冷却することが可能となる。
【００６９】
また、本実施形態では、第１の露出面４４２と第１の冷却器２との間に放熱グリス５を介在させている。これにより、仮に、第１の導電板４４の反りや歪みにより、第１の露出面４４２と第１の冷却器２との間に隙間が生じたとしても、放熱グリス５によって、第１の導電板４４の熱を第１の冷却器２に熱伝達させることができるので、半導体モジュール４を効率よく冷却させることが可能となる。
【００７０】
また、本実施形態では、突起部４６１が第２の冷却器３と当接しているので、第２の導電板４５の第２の露出面４５２と、第２の冷却器３との間には、隙間が形成される。そこで、本実施形態では、この隙間に放熱グリス５を介在させることで、放熱グリス５を介して、第２の導電板４５から第２の冷却器３への熱伝達を可能としている。すなわち、本実施形態では、第１の導電板４４を介して半導体素子４１を冷却することのみならず、第２の導電板４５を介して半導体素子４１を冷却することも可能としている。
【００７１】
また、本実施形態では、一対の冷却器２,３で複数の半導体モジュール４を冷却しているので、一対の冷却器で一つの半導体モジュールを冷却する場合と比較して、半導体装置１の低コスト化が図られている。
【００７２】
なお、本実施形態では、第１の冷却器２に第１の露出面４４２を当接させ、第２の冷却器３に突起部４６１を当接させているが、これらの関係を反対にしてもよい。すなわち、第１の冷却器２を突起部４６１に当接させ、第２の冷却器３を第１の露出面４４２に当接させてもよい。半導体装置１を、このように構成することでも、上記の効果を奏することができる。
【００７３】
次に、本実施形態における半導体装置１の製造方法について説明する。
【００７４】
図７は本実施形態における半導体装置の製造方法を示すフローチャート、図８は本実施形態における半導体装置の製造方法の成形工程を示す断面図、図９は本実施形態における半導体装置の製造方法の載置工程を示す断面図、図１０は本実施形態における半導体装置の製造方法の押圧工程を示す断面図である。
【００７５】
本実施形態における半導体装置１の製造方法は、図７に示すように、接続工程Ｓ１と、成形工程Ｓ２と、載置工程Ｓ３と、押圧工程Ｓ４と、を備えている。
【００７６】
接続工程Ｓ１では、ダイボンディングによって、半導体素子４１と第１及び第２の導電板４４,４５（第１及び第２の接続面４４１,４５１）をはんだ接続する。すなわち、半導体素子４１と第１の導電板４４の間に、上述した第１のはんだ接続部４２を設け、さらに、半導体素子４１と第２の導電板４５の間に、第２のはんだ接続部４３を設ける。
【００７７】
また、この接続工程Ｓ１では、ワイヤーボンディングによって、半導体素子４１と、特に図示しない駆動基板とを接続する。
【００７８】
次いで、成形工程Ｓ２では、トランスファーモールドによって、モールド部４６を形成する。具体的には、図８に示すように、突起部４６１に対応する凹部６１が形成された金型６内に、第１及び第２のはんだ接続部４２,４３を介して第１及び第２の導電板４４,４５に接続された半導体素子４１をセットする。
【００７９】
この際に、第１の導電板４４の第１の露出面４４２を金型６内の壁面と接触させた状態で、金型６の固定部材６２を、第２の導電板４５に当接させることで、金型６内に半導体素子４１を固定する。
【００８０】
この固定部材６２について説明すると、固定部材６２は、固定プレート６２１と、付勢部材６２２を有しており、付勢部材６２２で固定プレート６２１を付勢して、第２の導電板４５の第２の露出面４５２の全面に固定プレート６２１を当接させている。なお、この付勢部材６２としては、例えばバネを挙げることができる。
【００８１】
この状態で、金型６内を樹脂で充填することで、半導体素子４１と第１及び第２の導電板４４,４５を封止するモールド部４６を形成する。この際に、樹脂が上記の凹部６１に入り込むことで、突起部４６１が形成される。なお、この成形工程Ｓ２で用いられる樹脂としては、例えば、エポキシ系樹脂を挙げることができる。
【００８２】
ここで、本実施形態では、金型６の凹部６１によって、突起部４６１の形状を決定しているため、複数の半導体モジュール４の突起部４６１の高さを均一にすることができる。なお、突起部４６１は、後述する載置工程Ｓ３において、第１の冷却器２の第１の当接面２１１から突出する高さを有していればよいため、複数の半導体モジュール４の突起部４６１を均一な高さにすることに特に限定されない。
【００８３】
この成形工程Ｓ２では、第１の導電板４４の第１の露出面４４２を、金型６の壁面と接触させることで、第１の露出面４４２に樹脂を付着させないようにしている。また、第２の導電板４５の第２の露出面４５２を、固定部材６２に接触させることで、第２の露出面４５２に樹脂を付着させないようにしている。つまり、この成形工程Ｓ２では、第１及び第２の露出面４４２,４５２が露出するように、モールド部４６を成形している。
【００８４】
このように、本実施形態では、接続工程Ｓ１及び成形工程Ｓ２によって、半導体モジュール４を製造する。
【００８５】
次いで、載置工程Ｓ３では、第１の絶縁シート２２に薄く放熱グリスを積層し、図９に示すように、２つの半導体モジュール４を、第１の絶縁シート２２上に載置する。これにより、それぞれの半導体モジュール４の第１の露出面４４２が略同一平面Ｌ上で、第１の絶縁シート２２（第１の冷却器２）に接触する。なお、第１の絶縁シート２２上に、３つ以上の複数の半導体モジュール４を載置してもよく、載置させる半導体モジュール４の数は特に限定されない。
【００８６】
この状態では、突起部４６１が、第１の冷却器２の第１の当接面２１１よりも突出した状態となっている。詳細に説明すると、第１の露出面４４２から突起部４６１の先端までの高さＨ１が、第１の絶縁シート２２から第１の当接面２１１までの高さＨ２よりも、相対的に高くなっている（Ｈ１＞Ｈ２）。
【００８７】
次いで、押圧工程Ｓ４では、図１０に示すように、第１の冷却器２の第１の接続開口部２１５ａと、第２の冷却器３の第２の接続開口部３１２ｂと、を位置合わせした状態で、第１及び第２の冷却器２,３をボルト（不図示）で締結し、第２の冷却器３で突起部４６１を押圧する。
【００８８】
これにより、半導体モジュール４の突起部４６１が、同図に示すように、第２の冷却器３によって押圧されて塑性変形（圧縮）し、突起部４６１の高さが、上記のＨ１からＨ３に低くなる。詳細に説明すると、この高さＨ３に第２の絶縁シート３２の厚さを加算した高さＨ３′が、上記の第１の当接面２１１の高さＨ２と実質的に等しくなるように（Ｈ３′≒Ｈ２）、突起部４６１が圧縮されて塑性変形する。
【００８９】
その結果、第１及び第２の冷却器２,３の間に、半導体モジュール４が固定され、半導体装置１が完成する。
【００９０】
以上に説明した本実施形態における半導体装置１の製造方法では、第１及び第２の冷却器２,３で複数の半導体モジュール４を挟み込む際に、それぞれの突起部４６１を塑性変形させることで、第１及び第２の冷却器２,３の押圧力を吸収させている。これにより、一部の半導体モジュール４の半導体素子４１に対して、局所的な押圧力が印加され難くなるので、半導体素子４１の損傷を抑制することが可能となる。
【００９１】
また、本実施形態では、それぞれの半導体モジュール４の突起部４６１を塑性変形させることで、半導体素子４１の厚さのバラツキを吸収している。これにより、第１の冷却器２によって、それぞれの第１の露出面４４２を均一に押圧させることができるので、第１の冷却器２を介して、複数の半導体モジュール４に対する均一な冷却を図ることが可能となる。
【００９２】
また、本実施形態では、上記のように、金型６内に樹脂を充填させること（成形工程Ｓ２）で突起部４６１を形成するので、複数の半導体モジュール４における突起部４６１の高さを均一にすることができる。このため、第１及び第２の冷却器２,３の間に半導体モジュール４を挟み込む際に、突起部４６１を均一に圧縮させることができる。これにより、第１及び第２の冷却器２,３の間に、複数の半導体モジュール４を安定して固定させることができる。
【００９３】
なお、本実施形態における接続工程Ｓ１及び成形工程Ｓ２が本発明の第１の工程の一例に相当し、本実施形態における載置工程Ｓ３及び押圧工程Ｓ４が本発明の第２の工程の一例に相当する。
【００９４】
以上に説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【符号の説明】
【００９５】
１…半導体装置
２…第１の冷却器
２１２…収容部
２１３…第１の冷媒流路
２２…第１の絶縁シート
３…第２の冷却器
３１２…第２の冷媒流路
３２…第２の絶縁シート
４…半導体モジュール
４１…半導体素子
４２…第１のはんだ接続部
４３…第２のはんだ接続部
４４…第１の導電板
４４１…第１の接続面
４４２…第１の露出面
４５…第２の導電板
４５１…第２の接続面
４５２…第２の露出面
４６…モールド部
４６１…突起部
５…放熱グリス
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却機能を有する半導体装置及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一対の扁平冷媒管部の間に一つの半導体モジュールを挟み込んで、半導体モジュールの冷却を図った冷媒冷却型両面冷却半導体装置が知られている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２１４６２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の冷媒冷却型両面冷却半導体装置では、一対の扁平冷媒管部の間に一つの半導体モジュールを挟み込んで押圧する際に、扁平冷媒管部のヘッダ部を変形させることで、半導体モジュールの厚さのバラツキを吸収しているので、半導体素子に局所的な押圧力が印加され、半導体素子が損傷してしまう恐れがあった。
特に、一対の扁平冷媒管部の間に複数の半導体モジュールを挟み込むと、複数の半導体モジュールの厚さのバラツキがあるため、厚い半導体モジュールに対してこうした問題が顕著に発生する。
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、半導体モジュールにおける半導体素子の損傷を抑制することが可能な半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、半導体モジュールの第１の露出面を、第１の冷却器により押圧し、モールド部の突起部を、第２の冷却器により押圧して塑性変形させることで上記課題を解決する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、突起部を塑性変形させて、複数の半導体モジュールにおける半導体素子の厚さのバラツキを吸収することで、半導体素子の損傷を抑制することを可能としている。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本発明の実施形態における半導体装置の断面図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態における半導体モジュールの拡大断面図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態における半導体モジュールの平面図である。
【図４】図４は、本発明の実施形態における突起部の第１変形例を示す半導体モジュールの平面図である。
【図５】図５は、本発明の実施形態における突起部の第２変形例を示す半導体モジュールの平面図である。
【図６】図６は、本発明の実施形態の効果を説明するためのグラフである。
【図７】図７は、本発明の実施形態における半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。
【図８】図８は、本発明の実施形態における半導体装置の製造方法の成形工程を示す断面図である。
【図９】図９は、本発明の実施形態における半導体装置の製造方法の載置工程を示す断面図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施形態における半導体装置の製造方法の押圧工程を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１０】
図１は本実施形態における半導体装置の断面図、図２は本実施形態における半導体モジュールの拡大断面図、図３は本実施形態における半導体モジュールの平面図、図４及び図５は本実施形態における突起部の変形例を示す半導体モジュールの平面図、図６は本実施形態の効果を説明するためのグラフである。
【００１１】
本実施形態における半導体装置１は、例えば、自動車に搭載される三相電圧型ＰＭＷ（Pulse Width Modulation）インバータ等の電力変換装置（電力制御装置）に組み込まれる装置である。
【００１２】
この半導体装置１は、図１に示すように、第１の冷却器２と、第２の冷却器３と、２つの半導体モジュール４と、放熱グリス５と、を備えている。
【００１３】
第１及び第２の冷却器２,３は、２つの半導体モジュール４を挟み込んで、当該半導体モジュール４を冷却している。なお、冷却する半導体モジュール４の数は特に限定されない。例えば、第１及び第２の冷却器２,３の間に、３つ以上の複数の半導体モジュール４を挟み込んで、それらの半導体モジュール４を冷却してもよい。
【００１４】
まず、第１の冷却器２から説明する。第１の冷却器２は、第１の冷却器本体２１と、第１の絶縁シート２２と、を有している。
【００１５】
この第１の冷却器本体２１は、例えば、熱伝導性に優れたアルミニウム等の材料で構成されており、図１に示すように、第１の当接面２１１と、収容部２１２と、第１の冷媒流路２１３と、を有している。
【００１６】
本実施形態における第１の当接面２１１は、第１の冷却器本体２１の図中上面に位置し、第２の冷却器３と当接している。本実施形態では、このように第１の当接面２１１に第２の冷却器３を当接させることで、第１の冷却器２に対する第２の冷却器３の接近を規制している。
【００１７】
収容部２１２は、同図に示すように、第１の冷却器本体２１の第１の当接面２１１に形成された凹部であり、２つの半導体モジュール４を収容可能としている。なお、収容部２１２は、特に凹部に限定されず、例えば、図中Ｙ方向に沿った溝であってもよい。また、収容部２１２の大きさについても、特に限定されず、例えば、３つ以上の複数の半導体モジュール４を収容可能な大きさとしてもよい。
【００１８】
この収容部２１２の底面２１２ａは、第１の絶縁シート２２を介して、半導体モジュール４の第１の露出面４４２を押圧しており、第２の冷却器３との間で半導体モジュール４を挟み込んでいる。
【００１９】
第１の冷媒流路２１３は、第１の冷却器本体２１において、冷却媒体ｗを流通させることが可能な中空の孔である。この冷却媒体ｗとしては、例えば水を挙げることができる。
【００２０】
第１の冷媒流路２１３は、図１に示すように、流路孔２１４と、連通孔２１５と、を有している。
【００２１】
流路孔２１４は、収容部２１２の図中Ｘ方向に沿って形成されている。この流路孔２１４は、第１の冷却器本体２１の図中右側面で開口する第１の外部開口部２１４ａを有しており、この第１の外部開口部２１４ａを介して、外部から冷却媒体ｗを受け入れ可能としている。なお、この流路孔２１４は、第１の冷却器本体２１の図中左側面では、開口しておらず、第１の冷却器本体２１内で連通孔２１５と接続している。
【００２２】
連通孔２１５は、収容部２１２の図中左隣に配置され、図中Ｚ方向に沿って形成されている。この連通孔２１５は、第１の当接面２１１で開口する第１の接続開口部２１５ａを有している。本実施形態では、この第１の接続開口部２１５ａを介して、流路孔２１４及び連通孔２１５を通過した冷却媒体ｗを、後述する第２の冷媒流路３１２に流出させるようにしている。
【００２３】
第１の絶縁シート２２は、収容部２１２の底面２１２ａに配置されており、第１の冷却器本体２１と半導体モジュール４を電気的に絶縁している。この第１の絶縁シート２２は、例えば、エポキシ系樹脂で構成されている。
【００２４】
第２の冷却器３は、第１の冷却器２と共に、半導体モジュール４を冷却する機器であり、特に図示しないボルトによって第１の冷却器２に締結されている。この第２の冷却器３は、図１に示すように、第２の冷却器本体３１と、第２の絶縁シート３２と、を有している。
【００２５】
第２の冷却器本体３１は、図１に示すように、第１の冷却器２と当接する第２の当接面３１１と、冷却媒体ｗが流通可能な第２の冷媒流路３１２を有している。なお、この第２の冷却器本体３１も、第１の冷却器本体２１と同様に、例えば、熱伝導性に優れたアルミニウム等の材料で構成されている。
【００２６】
第２の当接面３１１は、第２の絶縁シート３２を介して半導体モジュール４を押圧し、第１の冷却器２との間で半導体モジュール４を挟み込んでいる。
【００２７】
第２の冷媒流路３１２は、同図に示すように、第２の冷却器本体３１の内部において図中Ｘ方向に沿って形成された中空の孔であり、第２の冷却器本体３１の図中右側面で開口する第２の外部開口部３１２ａと、第１の冷媒流路２１３の第１の接続開口部２１５ａと連通する第２の接続開口部３１２ｂと、を有している。
【００２８】
本実施形態における第２の冷却器３では、第２の接続開口部３１２ｂで、第１の冷却器２の第１の冷媒流路２１３を通過した冷却媒体ｗを受け入れて、第２の外部開口部３１２ａを介して外部に当該冷却媒体ｗを流出させている。
【００２９】
第２の絶縁シート３２は、第２の冷却器本体３１の第２の当接面３１１と半導体モジュール４との間に介在しており、第２の冷却器本体３１と半導体モジュール４を電気的に絶縁している。この第２の絶縁シート３２も、第１の絶縁シート２２と同様に、例えば、エポキシ系樹脂で構成されている。
【００３０】
半導体モジュール４は、図１及び図２に示すように、半導体素子４１と、第１のはんだ接続部４２と、第２のはんだ接続部４３と、第１の導電板４４と、第２の導電板４５と、モールド部４６と、を有している。
【００３１】
半導体素子４１には、図２に示すように、第１及び第２の電極４１ａ,４１ｂが設けられている。第１の電極４１ａは、例えば、半導体素子４１のコレクタ側の電極であり、半導体素子４１の図中下面に設けられている。一方、第２の電極４１ｂは、例えば、半導体素子４１のエミッタ側の電極であり、半導体素子４１の図中上面に設けられている。
【００３２】
このような半導体素子４１としては、整流ダイオード、サイリスタ、バイポーラトランジスタ、MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）、IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のパワーデバイスを挙げることができる。
【００３３】
例えば、本実施形態では、半導体モジュール４における２つの半導体素子４１の一方が整流ダイオードであり、他方がIGBTである。なお、半導体モジュール４に組み込む半導体素子４１の種類や数については特に限定されない。
【００３４】
また、図示を省略するが、例えば、半導体素子４１がIGBTである場合には、半導体素子４１に制御信号（スイッチON／OFFの信号）を出力するための駆動基板を設けて、この駆動基板と半導体素子４１を、ワイヤー等で電気的に接続させる。なお、このワイヤー（駆動基板と半導体素子４１の間）には、数ボルトの低い電圧が印加される。
【００３５】
第１のはんだ接続部４２は、図２に示すように、半導体素子４１の第１の電極４１ａと、第１の導電板４４の第１の接続面４４１（後述）との間に介在して、両者を接続している。すなわち、第１のはんだ接続部４２は、半導体素子４１と第１の導電板４４を電気的に接続していると共に、半導体素子４１の熱を第１の導電板４４への熱伝達させることを可能としている。
【００３６】
第２のはんだ接続部４３は、図２に示すように、半導体素子４１の第２の電極４１ｂと、第２の導電板４５の第２の接続面４５１（後述）との間に介在して、両者を接続している。すなわち、第２のはんだ接続部４３は、半導体素子４１と第２の導電板４５を電気的に接続していると共に、半導体素子４１の熱を第２の導電板４５への熱伝達させることを可能としている。
【００３７】
第１の導電板４４は、銅等の導電性の材料で構成された板状の部材であり、特に図示しないが、モータ、コンデンサ又はバッテリー等の強電回路に電気的に接続されている。本実施形態における第１の導電板４４は、半導体モジュール４の電極として機能していると共に、半導体素子４１の熱を第１の冷却器２へ放熱させる放熱板としても機能している。
【００３８】
この第１の導電板４４は、図２に示すように、第１の接続面４４１と、第１の露出面４４２と、を有している。
【００３９】
第１の接続面４４１は、上記のように、第１のはんだ接続部４２と接続された状態で、モールド部４６によって封止されている。
【００４０】
一方、第１の露出面４４２は、図２に示すように、モールド部４６から露出して、第１の冷却器２と対向している。この第１の露出面４４２は、第１の冷却器２（第１の絶縁シート２２）と接触した状態で、第１の冷却器２によって押圧されている。
【００４１】
本実施形態では、図１に示すように、半導体装置１内に設けられた２つの半導体モジュール４において、それぞれの第１の露出面４４２が、略同一平面Ｌ上に位置している。
【００４２】
第２の導電板４５は、第１の導電板４４と同様に、銅等の導電性の材料で構成された板状の部材であり、特に図示しないが、モータ、コンデンサ又はバッテリー等の強電回路に電気的に接続されている。本実施形態における第２の導電板４５も、半導体モジュール４の電極として機能していると共に、半導体素子４１の熱を第２の冷却器３へ放熱させる放熱板としても機能している。
【００４３】
この第２の導電板４５は、図２に示すように、第２の接続面４５１と、第２の露出面４５２と、を有している。第２の接続面４５１は、上述したように、第２のはんだ接続部４３と接続されており、モールド部４６によって封止されている。一方、第２の露出面４５２は、モールド部４６から露出して、第２の冷却器３と対向している。
【００４４】
モールド部４６は、図１及び図２に示すように、塑性変形可能な絶縁体で構成されており、半導体素子４１と第１及び第２の導電板４４,４５を封止している。なお、モールド部４６を構成する材料としては、例えば、エポキシ系樹脂を挙げることができる。
【００４５】
このモールド部４６は、第２の導電板４５の第２の露出面４５２と比較して、第２の冷却器３に向って相対的に突出した突起部４６１を有している。本実施形態では、この突起部４６１によって、第２の導電板４５の第２の露出面４５２と、第２の冷却器３との間に十分な間隔が形成されるので、第２の冷却器３の押圧力が、第２の導電板４５を介して半導体素子４１に伝達され難くなっている。
【００４６】
このような突起部４６１は、図１及び図２に示すように、半導体モジュール４が第１及び第２の冷却器２,３の間に挟み込まれた状態において、第２の冷却器３によって押圧され、圧縮されて塑性変形している。
【００４７】
この突起部４６１は、図３に示す平面視において、第２の導電板４５を取り囲む枠形状を有している。これにより、突起部４６１が第２の冷却器３の押圧力をバランスよく受け止めることができるので、第１及び第２の冷却器２,３の間における半導体モジュール４の固定を安定させることができる。
【００４８】
さらに、本実施形態では、この突起部４６１が、半導体モジュール４の中心Ｏを通る中心線ＣＬを基準として、対称に形成されている。これにより、第２の冷却器３の押圧力をよりバランスよく受け止めることができるので、半導体モジュール４の固定をより安定させることが可能となる。
【００４９】
なお、この突起部４６１の形状や数については特に限定されない。例えば、図４に示すように、複数の柱形状の突起部４６１を、第２の導電板４５の周囲に配置させてもよい。このように複数の突起部４６１を設けることでも、突起部４６１によって第２の冷却器３の押圧力をバランスよく受け止めることができるので、第１及び第２の冷却器２,３の間における半導体モジュール４の固定を安定させることができる。
【００５０】
この場合においては、複数の突起部４６１を、平面視において、半導体モジュール４の中心Ｏを通る中心線ＣＬを基準として、対称となるように配置させることで、第２の冷却器３の押圧力をよりバランスよく受け止めることができる。これにより、半導体モジュール４の固定をより安定させることが可能となる。
【００５１】
また、突起部４６１は、図５に示す平面視のように、第２の導電板４５の第１の辺４５ａに沿って延在する線条の第１の突起部４６１ａと、第１の辺４５ａと対向する第２の辺４５ｂに沿って延在する線条の第２の突起部４６１ｂと、を含んでいてもよい。このように突起部４６１を構成することでも、第２の冷却器３の押圧力をバランスよく受け止めることができるので、第１及び第２の冷却器２,３の間に半導体モジュール４を安定して固定させることができる。
【００５２】
また、この場合には、突起部４６１ａ,４６１ｂを、同図に示すように、半導体モジュール４の中心Ｏを通る中心線ＣＬを基準として、対称に配置させることで、第２の冷却器３の押圧力をよりバランスよく受け止めることができる。これにより、半導体モジュール４の固定をより安定させることができる。
【００５３】
放熱グリス５は、図１に示すように、第２の導電板４５と第２の冷却器３との間に介在して、第２の導電板４５の熱を第２の冷却器３に伝達させている。この放熱グリス５は、例えば、シリコーングリスで構成されている。
【００５４】
また、特に図示しないが、放熱グリス５は、第１の導電板４４と第１の冷却器２との間にも介在して、第１の導電板４４の熱を第１の冷却器２に熱伝達させている。なお、第１の導電板４４と第１の冷却器２との間に介在する放熱グリス５は、非常に薄く積層されている。
【００５５】
以上に説明した半導体装置１では、図１に示すように、半導体素子４１→第１のはんだ接続部４２→第１の導電板４４（→放熱グリス５）→第１の冷却器２の経路で、半導体素子４１の熱を第１の冷却器２へ放熱させていると共に、半導体素子４１→第２のはんだ接続部４３→第２の導電板４５→放熱グリス５→第２の冷却器３の経路で、半導体素子４１の熱を第２の冷却器３へ放熱させている。そして、第１及び第２の冷却器２,３では、内部の第１及び第２の冷媒流路２１２,３１１に冷却媒体を流通させて、上記の熱を冷却している。
【００５６】
次に本実施形態における半導体装置１の作用について説明する。
【００５７】
本実施形態における半導体装置１では、第１の導電板４４の第１の露出面４４２が、第１の冷却器２によって押圧され、モールド部４６の突起部４６１が、第２の冷却器３によって押圧され、圧縮されて塑性変形している。
【００５８】
つまり、本実施形態では、第１及び第２の冷却器２,３に挟まれた複数の半導体モジュール４が、それぞれの突起部４６１の塑性変形（圧縮）によって第１及び第２の冷却器２,３の押圧力を吸収している。これにより、一部の半導体モジュール４の半導体素子４１に対して、局所的な押圧力が印加され難くなるので、半導体素子４１の損傷を抑制することが可能となる。
【００５９】
さらに、本実施形態では、それぞれの半導体モジュール４の突起部４６１を塑性変形させることで、複数の半導体モジュール４における半導体素子４１の厚さのバラツキを吸収している。これにより、第１の冷却器２が、それぞれの第１の露出面４４２を均一に押圧できるようになるので、第１の冷却器２を介して、複数の半導体モジュール４に対する均一な冷却を図ることが可能となる。
【００６０】
例えば、図１に示すように、図中右側の半導体モジュール４の半導体素子４１の厚さＡ１が、図中左側の半導体モジュール４の半導体素子４１の厚さＡ２よりも厚くなっている場合においても（Ａ１＞Ａ２）、それぞれの半導体モジュール４に突起部４６１を設けて、当該突起部４６１を塑性変形させることで、突起部４６１によって、半導体素子４１の厚さのバラツキを吸収させ、第１の冷却器２によって、それぞれの第１の露出面４４２を均一に押圧させている。これにより、それぞれの半導体モジュール４に対する均一な冷却が図られている。
【００６１】
また、本実施形態では、複数の半導体モジュール４の第１の露出面４４２を、第１の冷却器２によって押圧することで、それぞれの第１の露出面４４２と第１の冷却器２を、密着させている。これにより、半導体モジュール４の冷却効率を向上させることができる。
【００６２】
例えば、図６を参照すると、第１の露出面４４２と第１の冷却器２の間の放熱グリス５の厚さが薄くなるほど、熱抵抗が小さくなる（冷却効率を向上する）様子が図示されている。なお、図６は、本実施形態において、第１の露出面４４２と第１の冷却器２の間の放熱グリス５の厚さを変化させ、ジャンクションj（半導体素子４１と第１のはんだ接続部４２の接合部分である。図２参照。）と、冷却媒体w（水）との間の熱抵抗（Rth（j-w））をシュミレーションした結果を示している。
【００６３】
ここで、図６における一番左端の点は、第１の露出面４４２と第１の冷却器２が密着した状態の熱抵抗を示しており、同図の一番右端の点は、第２の導電板４５の第２の露出面４５２と第２の冷却器３が密着した状態の熱抵抗を示している。第２の露出面４５２と第２の冷却器３が密着した状態の熱抵抗が、第１の露出面４４２と第１の冷却器２が密着した状態の熱抵抗と比較して相対的に高くなっているのは、半導体素子４１（ＩＧＢＴ）の上面に、駆動基板と半導体素子４１を電気的に接続するワイヤーのための電極を設けたことに伴って、第２のはんだ接続部４３と第２の導電板４５との接触面積が、第１のはんだ接続部４２と第１の導電板４４との接触面積よりも狭くなっていることに基づくものである。
【００６４】
ここで、本実施形態において、「第１の露出面４４２を第１の冷却器２に接触させる」や「第１の露出面４４２と第１の冷却器２を密着させる」の意味は、「薄く積層した放熱グリス５を介して、第１の露出面４４２を第１の冷却器２に接触（密着）させる」の意味を含むものであり、第１の露出面４４２と第１の冷却器２の間にグリスや絶縁部材等を介在させることを包含するものである。
【００６５】
また、本実施形態では、突起部４６１を塑性変形させているので、第１及び第２の冷却器２,３に対する過剰な反力が生じ難くなっている。
【００６６】
この点について詳細に説明すると、仮に、突起部を弾性変形させると、元の形状に復元しようとする反力が生じてしまうので、このような反力によって、冷却器が反ってしまったり、歪んでしまうことで、冷却器と半導体モジュール（特に、第１の導電板）との間に隙間が生じる恐れがある。このような隙間が生じると、冷却器と半導体モジュールの間の熱抵抗が大きくなってしまうため、半導体モジュールの冷却効率が悪化してしまう恐れがある。
【００６７】
これに対し、本実施形態では、突起部４６１を塑性変形させることで、上記のような反力を小さくさせ、第１の露出面４４２と第１の冷却器２との間に隙間が生じることを抑制している。これにより、第１の露出面４４２と第１の冷却器２を密着させて、半導体モジュール４を効率よく冷却することを可能としている。
【００６８】
また、本実施形態では、複数の半導体モジュール４において、それぞれの第１の露出面４２２と第１の冷却器２を、略同一平面Ｌ上で密着させている。これにより、第１の冷却器を介して、複数の半導体モジュール４を均一に冷却することが可能となる。
【００６９】
また、本実施形態では、第１の露出面４４２と第１の冷却器２との間に放熱グリス５を介在させている。これにより、仮に、第１の導電板４４の反りや歪みにより、第１の露出面４４２と第１の冷却器２との間に隙間が生じたとしても、放熱グリス５によって、第１の導電板４４の熱を第１の冷却器２に熱伝達させることができるので、半導体モジュール４を効率よく冷却させることが可能となる。
【００７０】
また、本実施形態では、突起部４６１が第２の冷却器３と当接しているので、第２の導電板４５の第２の露出面４５２と、第２の冷却器３との間には、隙間が形成される。そこで、本実施形態では、この隙間に放熱グリス５を介在させることで、放熱グリス５を介して、第２の導電板４５から第２の冷却器３への熱伝達を可能としている。すなわち、本実施形態では、第１の導電板４４を介して半導体素子４１を冷却することのみならず、第２の導電板４５を介して半導体素子４１を冷却することも可能としている。
【００７１】
また、本実施形態では、一対の冷却器２,３で複数の半導体モジュール４を冷却しているので、一対の冷却器で一つの半導体モジュールを冷却する場合と比較して、半導体装置１の低コスト化が図られている。
【００７２】
なお、本実施形態では、第１の冷却器２に第１の露出面４４２を当接させ、第２の冷却器３に突起部４６１を当接させているが、これらの関係を反対にしてもよい。すなわち、第１の冷却器２を突起部４６１に当接させ、第２の冷却器３を第１の露出面４４２に当接させてもよい。半導体装置１を、このように構成することでも、上記の効果を奏することができる。
【００７３】
次に、本実施形態における半導体装置１の製造方法について説明する。
【００７４】
図７は本実施形態における半導体装置の製造方法を示すフローチャート、図８は本実施形態における半導体装置の製造方法の成形工程を示す断面図、図９は本実施形態における半導体装置の製造方法の載置工程を示す断面図、図１０は本実施形態における半導体装置の製造方法の押圧工程を示す断面図である。
【００７５】
本実施形態における半導体装置１の製造方法は、図７に示すように、接続工程Ｓ１と、成形工程Ｓ２と、載置工程Ｓ３と、押圧工程Ｓ４と、を備えている。
【００７６】
接続工程Ｓ１では、ダイボンディングによって、半導体素子４１と第１及び第２の導電板４４,４５（第１及び第２の接続面４４１,４５１）をはんだ接続する。すなわち、半導体素子４１と第１の導電板４４の間に、上述した第１のはんだ接続部４２を設け、さらに、半導体素子４１と第２の導電板４５の間に、第２のはんだ接続部４３を設ける。
【００７７】
また、この接続工程Ｓ１では、ワイヤーボンディングによって、半導体素子４１と、特に図示しない駆動基板とを接続する。
【００７８】
次いで、成形工程Ｓ２では、トランスファーモールドによって、モールド部４６を形成する。具体的には、図８に示すように、突起部４６１に対応する凹部６１が形成された金型６内に、第１及び第２のはんだ接続部４２,４３を介して第１及び第２の導電板４４,４５に接続された半導体素子４１をセットする。
【００７９】
この際に、第１の導電板４４の第１の露出面４４２を金型６内の壁面と接触させた状態で、金型６の固定部材６２を、第２の導電板４５に当接させることで、金型６内に半導体素子４１を固定する。
【００８０】
この固定部材６２について説明すると、固定部材６２は、固定プレート６２１と、付勢部材６２２を有しており、付勢部材６２２で固定プレート６２１を付勢して、第２の導電板４５の第２の露出面４５２の全面に固定プレート６２１を当接させている。なお、この付勢部材６２としては、例えばバネを挙げることができる。
【００８１】
この状態で、金型６内を樹脂で充填することで、半導体素子４１と第１及び第２の導電板４４,４５を封止するモールド部４６を形成する。この際に、樹脂が上記の凹部６１に入り込むことで、突起部４６１が形成される。なお、この成形工程Ｓ２で用いられる樹脂としては、例えば、エポキシ系樹脂を挙げることができる。
【００８２】
ここで、本実施形態では、金型６の凹部６１によって、突起部４６１の形状を決定しているため、複数の半導体モジュール４の突起部４６１の高さを均一にすることができる。なお、突起部４６１は、後述する載置工程Ｓ３において、第１の冷却器２の第１の当接面２１１から突出する高さを有していればよいため、複数の半導体モジュール４の突起部４６１を均一な高さにすることに特に限定されない。
【００８３】
この成形工程Ｓ２では、第１の導電板４４の第１の露出面４４２を、金型６の壁面と接触させることで、第１の露出面４４２に樹脂を付着させないようにしている。また、第２の導電板４５の第２の露出面４５２を、固定部材６２に接触させることで、第２の露出面４５２に樹脂を付着させないようにしている。つまり、この成形工程Ｓ２では、第１及び第２の露出面４４２,４５２が露出するように、モールド部４６を成形している。
【００８４】
このように、本実施形態では、接続工程Ｓ１及び成形工程Ｓ２によって、半導体モジュール４を製造する。
【００８５】
次いで、載置工程Ｓ３では、第１の絶縁シート２２に薄く放熱グリスを積層し、図９に示すように、２つの半導体モジュール４を、第１の絶縁シート２２上に載置する。これにより、それぞれの半導体モジュール４の第１の露出面４４２が略同一平面Ｌ上で、第１の絶縁シート２２（第１の冷却器２）に接触する。なお、第１の絶縁シート２２上に、３つ以上の複数の半導体モジュール４を載置してもよく、載置させる半導体モジュール４の数は特に限定されない。
【００８６】
この状態では、突起部４６１が、第１の冷却器２の第１の当接面２１１よりも突出した状態となっている。詳細に説明すると、第１の露出面４４２から突起部４６１の先端までの高さＨ１が、第１の絶縁シート２２から第１の当接面２１１までの高さＨ２よりも、相対的に高くなっている（Ｈ１＞Ｈ２）。
【００８７】
次いで、押圧工程Ｓ４では、図１０に示すように、第１の冷却器２の第１の接続開口部２１５ａと、第２の冷却器３の第２の接続開口部３１２ｂと、を位置合わせした状態で、第１及び第２の冷却器２,３をボルト（不図示）で締結し、第２の冷却器３で突起部４６１を押圧する。
【００８８】
これにより、半導体モジュール４の突起部４６１が、同図に示すように、第２の冷却器３によって押圧されて塑性変形（圧縮）し、突起部４６１の高さが、上記のＨ１からＨ３に低くなる。詳細に説明すると、この高さＨ３に第２の絶縁シート３２の厚さを加算した高さＨ３′が、上記の第１の当接面２１１の高さＨ２と実質的に等しくなるように（Ｈ３′≒Ｈ２）、突起部４６１が圧縮されて塑性変形する。
【００８９】
その結果、第１及び第２の冷却器２,３の間に、半導体モジュール４が固定され、半導体装置１が完成する。
【００９０】
以上に説明した本実施形態における半導体装置１の製造方法では、第１及び第２の冷却器２,３で複数の半導体モジュール４を挟み込む際に、それぞれの突起部４６１を塑性変形させることで、第１及び第２の冷却器２,３の押圧力を吸収させている。これにより、一部の半導体モジュール４の半導体素子４１に対して、局所的な押圧力が印加され難くなるので、半導体素子４１の損傷を抑制することが可能となる。
【００９１】
また、本実施形態では、それぞれの半導体モジュール４の突起部４６１を塑性変形させることで、半導体素子４１の厚さのバラツキを吸収している。これにより、第１の冷却器２によって、それぞれの第１の露出面４４２を均一に押圧させることができるので、第１の冷却器２を介して、複数の半導体モジュール４に対する均一な冷却を図ることが可能となる。
【００９２】
また、本実施形態では、上記のように、金型６内に樹脂を充填させること（成形工程Ｓ２）で突起部４６１を形成するので、複数の半導体モジュール４における突起部４６１の高さを均一にすることができる。このため、第１及び第２の冷却器２,３の間に半導体モジュール４を挟み込む際に、突起部４６１を均一に圧縮させることができる。これにより、第１及び第２の冷却器２,３の間に、複数の半導体モジュール４を安定して固定させることができる。
【００９３】
なお、本実施形態における接続工程Ｓ１及び成形工程Ｓ２が本発明の第１の工程の一例に相当し、本実施形態における載置工程Ｓ３及び押圧工程Ｓ４が本発明の第２の工程の一例に相当する。
【００９４】
以上に説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【符号の説明】
【００９５】
１…半導体装置
２…第１の冷却器
２１２…収容部
２１３…第１の冷媒流路
２２…第１の絶縁シート
３…第２の冷却器
３１２…第２の冷媒流路
３２…第２の絶縁シート
４…半導体モジュール
４１…半導体素子
４２…第１のはんだ接続部
４３…第２のはんだ接続部
４４…第１の導電板
４４１…第１の接続面
４４２…第１の露出面
４５…第２の導電板
４５１…第２の接続面
４５２…第２の露出面
４６…モールド部
４６１…突起部
５…放熱グリス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の半導体モジュールと、
複数の前記半導体モジュールを挟み込み、複数の前記半導体モジュールを冷却する第１及び第２の冷却器と、を備え、
前記半導体モジュールは、
半導体素子と、
前記半導体素子を挟み込み、前記半導体素子と接続される第１及び第２の導電板と、
前記半導体素子と前記第１及び第２の導電板を封止するモールド部と、を有し、
前記第１の導電板は、前記モールド部から露出して、前記第１の冷却器と対向する第１の露出面を有し、
前記第２の導電板は、前記モールド部から露出して、前記第２の冷却器と対向する第２の露出面を有し、
前記モールド部は、前記第２の露出面と比較して前記第２の冷却器に向って相対的に突出する突起部を有し、
それぞれの前記半導体モジュールにおける前記第１の露出面は、前記第１の冷却器により押圧され、
それぞれの前記半導体モジュールにおける前記突起部は、前記第２の冷却器に押圧されて、塑性変形していることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置であって、
前記モールド部は、平面視において、前記第２の導電板の周囲に配置された複数の前記突起部を有し、
前記突起部は、柱形状を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１記載の半導体装置であって、
前記突起部は、平面視において、前記第２の導電板を取り囲む枠形状を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１記載の半導体装置であって、
前記突起部は、
平面視において、前記第２の導電板の第１の辺に沿って延在する第１の突起部と、
平面視において、前記第２の導電板の前記第１の辺と対向する第２の辺に沿って延在する第２の突起部と、有していることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１〜４の何れかに記載の半導体装置であって、
前記第２の露出面と前記第２の冷却器の間に介在する放熱グリスをさらに備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
第１及び第２の冷却器の間に複数の半導体モジュールを挟み込んだ半導体装置の製造方法であって、
前記第１及び第２の導電板の間に半導体素子を挟み込み、前記第１の導電板の第１の露出面及び前記第２の導電板の第２の露出面を露出させた状態で、前記第１及び第２の導電板と前記半導体素子を封止するモールド部を成形して、前記半導体モジュールを製造する第１の工程と、
前記第１及び第２の冷却器の間に複数の前記半導体モジュールを挟み込む第２の工程と、を備え、
前記第１の工程は、前記第２の露出面よりも突出した突起部をモールド部に設けることを含み、
前記第２の工程は、前記第１の冷却器が前記第１の露出面を押圧し、前記第２の露出面が前記突起部を押圧して、前記突起部を塑性変形させることを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１】
複数の半導体モジュールと、
複数の前記半導体モジュールを挟み込み、複数の前記半導体モジュールを冷却する第１及び第２の冷却器と、を備え、
前記半導体モジュールは、
半導体素子と、
前記半導体素子を挟み込み、前記半導体素子と接続される第１及び第２の導電板と、
前記半導体素子と前記第１及び第２の導電板を封止するモールド部と、を有し、
前記第１の導電板は、前記モールド部から露出して、前記第１の冷却器と対向する第１の露出面を有し、
前記第２の導電板は、前記モールド部から露出して、前記第２の冷却器と対向する第２の露出面を有し、
前記モールド部は、前記第２の露出面と比較して前記第２の冷却器に向って相対的に突出する突起部を有し、
それぞれの前記半導体モジュールにおける前記第１の露出面は、前記第１の冷却器により押圧され、
それぞれの前記半導体モジュールにおける前記突起部は、前記第２の冷却器に押圧されて、塑性変形していることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置であって、
前記モールド部は、平面視において、前記第２の導電板の周囲に配置された複数の前記突起部を有し、
前記突起部は、柱形状を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１記載の半導体装置であって、
前記突起部は、平面視において、前記第２の導電板を取り囲む枠形状を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１記載の半導体装置であって、
前記突起部は、
平面視において、前記第２の導電板の第１の辺に沿って延在する第１の突起部と、
平面視において、前記第２の導電板の前記第１の辺と対向する第２の辺に沿って延在する第２の突起部と、有していることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１〜４の何れかに記載の半導体装置であって、
前記第２の露出面と前記第２の冷却器の間に介在する放熱グリスをさらに備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
第１及び第２の冷却器の間に複数の半導体モジュールを挟み込んだ半導体装置の製造方法であって、
前記第１及び第２の導電板の間に半導体素子を挟み込み、前記第１の導電板の第１の露出面及び前記第２の導電板の第２の露出面を露出させた状態で、前記第１及び第２の導電板と前記半導体素子を封止するモールド部を成形して、前記半導体モジュールを製造する第１の工程と、
前記第１及び第２の冷却器の間に複数の前記半導体モジュールを挟み込む第２の工程と、を備え、
前記第１の工程は、前記第２の露出面よりも突出した突起部をモールド部に設けることを含み、
前記第２の工程は、前記第１の冷却器が前記第１の露出面を押圧し、前記第２の露出面が前記突起部を押圧して、前記突起部を塑性変形させることを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−４８５０（Ｐ２０１３−４８５０Ａ）
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３６２１６（Ｐ２０１１−１３６２１６）
【出願日】平成２３年６月２０日（２０１１．６．２０）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２０日（２０１１．６．２０）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]