表面コートフィラー，複合接着剤およびパワーモジュール
【課題】高充填率で接着剤に混入するのに適したフィラー構造、およびこれを用いた複合接着剤およびパワーモジュールを提供する。
【解決手段】パワーモジュール１０は、半導体チップ１１と、ヒートシンク２１と、金属配線２３と、金属配線２３とヒートシンク２１との間に設けられた複合接着剤２６と、半田層１４とを備えている。複合接着剤２６は、接着剤Ｅに大径表面コートフィラーＣＦ１と、小径表面コートフィラーＣＦ２とを混入して構成されている。各表面コートフィラーＣＦ１，ＣＦ２は、無機絶縁性物質からなるフィラーＦと、フィラーＦの表面を覆う樹脂皮膜Ｌとからなり、全体の外形が実質的に球面体である。大径表面コートフィラーＣＦ１は、整列しており、大径表面コートフィラーＣＦ１同士の間隙に小径表面コートフィラーＣＦ２が入り込んでいて、高充填率でフィラーＦが充填されている。
【解決手段】パワーモジュール１０は、半導体チップ１１と、ヒートシンク２１と、金属配線２３と、金属配線２３とヒートシンク２１との間に設けられた複合接着剤２６と、半田層１４とを備えている。複合接着剤２６は、接着剤Ｅに大径表面コートフィラーＣＦ１と、小径表面コートフィラーＣＦ２とを混入して構成されている。各表面コートフィラーＣＦ１，ＣＦ２は、無機絶縁性物質からなるフィラーＦと、フィラーＦの表面を覆う樹脂皮膜Ｌとからなり、全体の外形が実質的に球面体である。大径表面コートフィラーＣＦ１は、整列しており、大径表面コートフィラーＣＦ１同士の間隙に小径表面コートフィラーＣＦ２が入り込んでいて、高充填率でフィラーＦが充填されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面コートフィラー，複合接着剤およびパワーモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
図８は、従来のＩＧＢＴチップを搭載したパワーモジュールの構造を示す断面図である。同図に示すように、ＣｕＭｏ等により構成されている放熱基板１０１の主面側には、放熱基板１０１に、半田層１０２により固定されたＡｌ板１０４と、Ａｌ板１０４の主面にＡｌろうによって固定されたＡｌＮ板１０６と、ＡｌＮ板１０６の主面にＡｌろうによって固定されたＡｌ配線１０８と、Ａｌ配線１０８の上に、半田層１０９により固定された半導体チップ１２０とを備えている。また、放熱基板１０１の裏面側には、グリース１１２によりフィン付きのヒートシンク１１３が取り付けられている。上記Ａｌ板１０４，ＡｌＮ板１０６およびＡｌ配線１０８は、ＤＢＡ基板として一体的に用いられている。
【０００３】
このように、Ａｌ板１０４，ＡｌＮ板１０６およびＡｌ配線１０８をＤＢＡ基板（絶縁層を含む配線部材）として用いたパワーモジュールの構造は、たとえば、特許文献１に記載されている（同文献の図５参照）。同図には、チップ直下の半田層（同図の符号１２２）には、液相点が３００℃〜３３０℃の高融点半田（Ｓｎ−90%Ｐｂ）を用い、下方の半田層（同図の符号１２５）には、液相点が２１６℃程度の低融点半田（Ｓｎ−50%Ｐｂ）を用いている例が開示されている。なお、本明細書においては、組成割合を表す「％」は、重量％を示すものとする。
【特許文献１】特開２００１−１６８２５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記図８に開示される構造では、互いに融点が異なる２つの半田層１０２，１０９が設けられている。一般に、コストの上昇を回避したい場合には、できるだけ高融点のろう材（たとえば、特許文献１に記載されているような，融点が６００℃程度のＡｌ−11%Ｓｉ−2%Ｍｇ）の使用を避けて、リフロー炉を利用できる半田を用いる。そこで、図８に示す下方の半田層１０２には、たとえば特許文献１における低融点半田（Ｓｎ−50%Ｐｂ）や、液相点が１８３℃程度の共晶半田（Ｓｎ−37%Ｐｂ）を用い、上方の半田層１０９には、たとえば液相点が３００℃〜３３０℃の高融点半田（Ｓｎ−90%Ｐｂなど）を用いるのが一般的である。すなわち、先の半田付け工程では高融点半田を用い、後の半田付け工程では、先の工程で形成された半田層がリフロー炉内で融解しないように、低融点半田を用いるのである。
【０００５】
しかしながら、上記従来のパワーモジュールのように、２つの半田層を設けると、半田材料のコストと、２回のリフロー工程を行うことによる製造コストとによって、パワーモジュールのコストが多大となる。
【０００６】
そこで、一方の半田層に代えて、接着剤を用いることが考えられる。その場合、熱抵抗を小さく維持するためには、無機絶縁性フィラーを接着剤に混入する必要があるが、熱伝導率の高い無機絶縁性フィラーを高充填率で接着剤に混入すると、粘度が極端に高くなり、樹脂絶縁層を形成するのが困難であるという問題がある。
【０００７】
本発明の目的は、高充填率で接着剤に混入するのに適したフィラー構造、およびこれを用いた複合接着剤およびパワーモジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の表面コートフィラーは、無機絶縁性物質からなるフィラーの表面を覆う樹脂被膜を設けて、外形を曲面体にしたものである。
【０００９】
無機絶縁性物質からなるフィラーのうちでも、熱伝導率が高い材料は高硬度であるために、表面の凹凸を平滑化することが困難である。そのために、接着剤に直接フィラーを高充填率で混入すると、高粘度となって印刷等で層状に形成することが困難となる。それに対し、本発明の表面コートフィラーによると、外形が曲面体であるので、接着剤中に高充填率で混入したときにも、粘度の上昇を抑制することができ、複合接着剤を形成するのに適したものとなる。特に、球面体とすることにより、表面コートフィラーが複合接着剤中で自由に移動できるので、粘度をより小さくすることができる。
【００１０】
本発明の複合接着剤は、充填剤として、本発明の表面コートフィラーを混入したものである。
【００１１】
これにより、上述のように、表面コートフィラーを高充填率で混入しても、接着剤の粘度の上昇を抑制することができるので、高充填率のフィラーによる，高い熱伝導率を有する複合接着剤が得られる。
【００１２】
本発明の複合接着剤において、表面コートフィラーの粒径が所定範囲である３０〜６０μｍの範囲内に収まっていて、表面コートフィラーが整列していることにより、フィラーの充填率の高い複合接着剤が得られる。
【００１３】
また、大径の表面コートフィラーと小径の表面コートフィラーとに区分けされていて、小径の表面コートフィラーが大径の表面コートフィラー同士の間隙に入っていることにより、さらにフィラーの充填率の高い複合接着剤が得られる。そのためには、大径の表面コートフィラーの径が上記所定範囲内に収まっていて、小径の表面コートフィラーの径がその０．２倍（６〜１２μｍ）の範囲内に収まっていればよい。
【００１４】
フィラーがＡｌＮ，ＢＮ，ＳｉＮ，ＳｉＣ，Ａｌ２Ｏ３およびダイヤモンドから選ばれた少なくとも１種の材料であることにより、特に、熱伝導率の高い複合接着剤が得られる。
【００１５】
本発明の複合接着剤は、接着剤を熱可塑性の状態で固化させて、固体シート状に形成することができ、これにより、各種機器中の複合接着剤を形成するために便利な接着剤シートが得られる。
【００１６】
本発明のパワーモジュールは、半導体チップ用の配線部材と支持基材との間に、本発明の複合接着剤を介在させたものである。
【００１７】
これにより、半田層を形成する工程の削減により、製造コストの削減を図りつつ、複合接着剤中のフィラーの充填率を高めることが可能になるので、放熱性能の高いパワーモジュールが得られる。
【００１８】
特に、支持部材が、フィンを有するヒートシンク部材であることにより、構造が簡素化されてコストの低減を図ることができるとともに、半導体チップから熱交換媒体に至る経路の熱抵抗が小さくなるので、放熱性能がより高くなる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の表面コートフィラー、またはこれを用いた複合接着剤によると、フィラーの充填率を高めつつ、製造工程を円滑に進めることが可能な複合接着剤を提供することができる。
そして、本発明の複合接着剤を用いたパワーモジュールにより、放熱性能の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
−パワーモジュールの構造−
図１は、実施の形態におけるパワーモジュールセットの構造を示す斜視図である。同図に示すように、本実施形態のパワーモジュールセットは、放熱器５０の上に、複数のパワーモジュール１０を取り付けて構成されている。放熱器５０は、天板５０ａと天板５０ａに接合された容器５０ｂとからなり、天板５０ａには、パワーモジュール１０を組み込むための多数の矩形状貫通穴が設けられている。本実施形態においては、矩形状貫通穴が多数設けられているが、１つだけでもよい。放熱器５０を構成する天板５０ａと容器５０ｂとは、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、ダイキャスト，押し出し，鍛造，鋳造，機械加工等によって組み立てることができる。
【００２１】
本実施の形態では、放熱器５０は天板５０ａと容器５０ｂとを個別に形成してから両者を接合しているが、天板と容器とを一体に形成してもよい。その場合、たとえば一体型を用いたダイキャストにより放熱器を形成することができる。
【００２２】
図２は、実施の形態に係るパワーモジュールセットのII-II線における断面図である。ただし、図２において配線構造の図示は省略されている。図３は、図２の一部を拡大して示す断面図である。図２および図３に示すように、本実施の形態のパワーモジュールセットにおいて、放熱器５０の天板５０ａと容器５０ｂとの間の空間５１には、熱交換媒体としての冷却水が図２の紙面に直交する方向に流れている。パワーモジュール１０は、Ｏリング２５により気密を保持しつつボルト５４により天板５０ａにネジ止めされている。また、パワーモジュール１０は、主要部材として、ＩＧＢＴなどの半導体素子が形成された半導体チップ１１と、半導体チップ１１内の半導体素子と外部部材とを電気的に接続するための金属配線２３と、金属配線２３と半導体チップ１１とを接合する，Ｐｂフリー半田を含む半田層１４と、半導体チップ１１で発生した熱を外方に放出するためのヒートシンク２１と、金属配線２３をヒートシンク２１に固着する複合接着剤２６とを備えている。図３に示すように、半導体チップ１１の上面および下面には、それぞれ、ＩＧＢＴなどの半導体素子の活性領域に接続される上面電極１２および裏面電極１３が設けられている。そして、半導体チップ１１の裏面電極１３が、半田層１４によって、金属配線２３に導通状態で接合されている。
【００２３】
ヒートシンク２１は、平板部２１ａと、平板部２１ａの裏面側から突出するフィン部２１ｂとからなり、平板部２１ａは、金属配線２３を支持する支持部材として機能している。そして、フィン部２１ｂは、熱交換媒体である冷却水にさらされて、熱交換効率を高めるように構成されている。ただし、フィン部２１ｂは必ずしも必要ではなく、また、フィン部２１ｂに代えて、他の放熱構造体を備えていてもよい。
【００２４】
また、放熱器５０の天板５０ａ上に、半導体チップ１１等を囲むモジュール樹脂枠５３が設けられていて、モジュール樹脂枠５３がボルト５４によって天板５０ａに固定されている。モジュール樹脂枠５３の内部および外表面には電極端子層５６が形成されている。この電極端子層５６と金属配線２３とは、大電流用配線１８によって接続されており、電極端子層５６と半導体チップ１１の上面電極１２の一部とは、信号配線１７によって接続されている。これによって、パワーモジュール１０と外部機器との電気的な接続が可能になっている。また、モジュール樹脂枠５３の内方には、シリコンゲルからなるゲル層４０が設けられていて、ヒートシンク２１の上面側で半導体チップ１１，信号配線１７，大電流用配線１８，金属配線２３，半田層１４，複合接着剤２６などの部材がゲル層４０内に埋設されている。
【００２５】
ここで、図３の拡大部分に示すように、複合接着剤２６は、接着剤Ｅに充填剤を混入して構成されている。充填剤は、大径表面コートフィラーＣＦ１と、小径表面コートフィラーＣＦ２とに区分けされている。同図に示すように、各表面コートフィラーＣＦ１，ＣＦ２は、無機絶縁性物質からなるフィラーＦと、フィラーＦの表面を覆う樹脂皮膜Ｌとからなり、全体の外形が実質的に球面体である。「実質的に球面体である」とは、製造工程などにおいて生じうる，真球面からの誤差を有するものは、球面体とする意味である。なお、１つの表面コートフィラーＣＦ１，ＣＦ２中に複数のフィラーＦが含まれていてもよい。
【００２６】
そして、複合接着剤２６内において、大径表面コートフィラーＣＦ１同士の間隙に小径表面コートフィラーＣＦ２が入り込んでいる。本実施の形態においては、大径表面コートフィラーＣＦ１の径（最大部）は、所定範囲である３０〜６０μｍの範囲内にあり、小径表面コートフィラーＣＦ２の径は、大径表面コートフィラーＣＦ１の径の約０．２倍（６〜１２μｍ）程度の範囲内にある。たとえば、大径表面コートフィラーＣＦ１の径が４０±１０μｍであり、小径表面コートフィラーＣＦ２の径が、８±３μｍである。また、小径表面コートフィラーＣＦ２よりもさらに径の小さい微細表面コートフィラー（図示せず）を加えることにより、大径表面コートフィラーＣＦ１と小径表面コートフィラーＣＦ２との間隙に微細表面コートフィラーを入り込ませて、フィラーの充填率をさらに向上させることができる。
【００２７】
図４（ａ），（ｂ）は、実施の形態における大径表面コートフィラーＣＦ１の積み重なり構造を示す斜視図、および大径表面コートフィラーＣＦ１と小径表面コートフィラーＣＦ２との積み重なり状態を示す平面図である。図４（ａ）では、小径表面コートフィラーＣＦ２の図示は省略されている。
【００２８】
図４（ａ），（ｂ）に示すように、大径表面コートフィラーＣＦ１は、理想的には、稠密六方構造や面心立方構造などの単結晶構造に類似した積み重ね状態で整列されている。大径表面コートフィラーＣＦ１の第１層ＣＦ１（１）は、ハニカム状に整列しており、大径表面コートフィラーＣＦ１の第２層ＣＦ１（２）は、第１層ＣＦ１（１）中の３つの大径表面コートフィラーＣＦ１の中間位置（安定位置）に整列する。さらに、大径表面コートフィラーＣＦ１の第３層ＣＦ１（３）は、第２層ＣＦ１（２）中の３つの大径表面コートフィラーＣＦ２の中間位置（安定位置）に整列する。そして、小径表面コートフィラーＣＦ２は、大径表面コートフィラーＣＦ１の第１層ＣＦ１（１）と第２層ＣＦ１（２）との間の間隙に入り込んでいる。
【００２９】
以上のような整列状態は、後述するように、充填剤を混入した接着剤をスクリーン印刷などによって、塗布する際に圧力を印加することによって、各表面コートフィラーＣＦ１，ＣＦ２が最小の体積を占めるように移動する結果、実現される。ただし、部分的な整列状態の乱れはあっても、全体としての充填率がそれほど低下するわけではないので、ここにいう整列状態に含まれる。
【００３０】
表面コートフィラーＣＦ１，ＣＦ２のフィラーＦの材質は、高硬度の無機絶縁性材料であって、たとえばＡｌＮ，ＳｉＣ，Ａｌ２Ｏ３，ＢＮ，窒化珪素，ダイヤモンドなどが好ましい。高硬度の無機絶縁性材料は、熱伝導率が高いので、複合接着剤２６全体の熱抵抗を小さくすることができる。たとえばＡｌＮの熱伝導率は約２００（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、ＳｉＣの熱伝導率は約２００〜５００（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、Ａｌ２Ｏ３の熱伝導率は約１７（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、ＢＮの熱伝導率は約６０〜２００（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、窒化珪素の熱伝導率は約８０（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、ダイヤモンドの熱伝導率は最大２０００（Ｗ／ｍ・Ｋ）である。
【００３１】
しかしながら、このような高硬度の無機絶縁性材料は、現実的な製造コストを維持しうる加工では、表面を滑らかにして球状に近づけることが困難で、表面が細かな凹凸を有している。そのため、フィラーを高充填率（たとえば６０〜７０％）で混入した接着剤は、極めて高粘度状態になって、スクリーン印刷などで塗布することが困難である。
【００３２】
それに対し、本発明の表面コートフィラーＣＦ１，ＣＦ２は、表面の凹凸の大きいフィラーＦであっても、その表面を樹脂被膜Ｌで被覆して、全体の外形を実質的に球面体にしているので、表面コートフィラーＣＦ１，ＣＦ２を混入しても、接着剤の粘度上昇を抑制することができる。その結果、本発明の表面コートフィラーＣＦ１，ＣＦ２を混入した接着剤を、スクリーン印刷などで、塗布することが可能になる。
【００３３】
ただし、表面コートフィラーＣＦ１，ＣＦ２の外形は必ずしも球状である必要はない。表面コートフィラーＣＦ１，ＣＦ２の外形が曲面体であれば、スクリーン印刷などが可能な程度に粘度を小さく抑えることはできる。特に、表面の任意の部分が凸であれば（言い換えると、曲率半径が正の値であれば）、接着剤の中で表面コートフィラーＣＦ１，ＣＦ２がスムーズに移動可能であるので、接着剤の粘度低減という本発明の効果を確実に発揮することができる。曲面体の例としては、球面体以外に、ラグビーボールのような２軸方向で径が異なる楕円体、３軸方向で径が異なる楕円体、多面体の表面を滑らかにしたもの、などがある。
【００３４】
本実施形態の表面コートフィラーＣＦ１，ＣＦ２の樹脂被膜Ｌは、エポキシ樹脂であり、接着剤に混入される前に、エポキシ樹脂は硬化されている。ただし、エポキシ樹脂を硬化前の熱可塑性状態で接着剤に混入してもよい。また、樹脂皮膜Ｌの材料が、エポキシ樹脂以外の熱硬化型樹脂や熱可塑性樹脂であってもよい。
【００３５】
表面コートフィラーＣＦ１，ＣＦ２の作製は、フィラーＦを樹脂皮膜Ｌの融液に浸漬した後、取り出して、相対向する平板間で転動させる、などの方法によって行うことができる。転動させる際に、エポキシ樹脂等が硬化していてもよいし、熱可塑性状態であってもよい。熱可塑性状態のものを転動させて球面体にする場合、球面体にしてから硬化させてもよいし、硬化させないままで接着剤に混入してもよい。なお、フィラーＦの径を所定範囲内に収める場合には、篩いなどで予め粒度を区分けしておく。
【００３６】
加えて、本実施の形態では、大径表面コートフィラーＣＦ１の径が所定範囲に収まっているので、大径表面コートフィラーＣＦ１が整列することで、フィラーの充填率を高めることができる。さらに、小径表面コートフィラーＣＦ２が大径表面コートフィラーＣＦ１の間隙に入り込む寸法に収まっていることで、より充填率を高めることができる。
【００３７】
ただし、表面コートフィラーＣＦの径がランダムに分布していても、表面コートフィラーＣＦの外形が任意の部分で凸状の曲面体であれば、表面コートフィラーＣＦが複合接着剤中で自由に移動できるので、複合接着剤をスクリーン印刷などによって塗布する際に、複合接着剤に加わる圧力によって、各表面コートフィラーＣＦが最小の体積を占めるように移動する結果、一定の充填率の向上効果を発揮することができる。
【００３８】
複合接着剤２６中の接着剤Eには、本実施の形態では、エポキシ樹脂が用いられているが、エポキシ樹脂以外の熱硬化性接着剤や熱可塑性接着剤を用いることができる。
【００３９】
複合接着剤２６の厚みは、０．４ｍｍ以下であることが好ましく、０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ以下であることがより好ましい。複合接着剤２６の熱抵抗は、熱伝導率と厚みに依存して定まるが、厚みが薄いほど熱抵抗が小さくなる。したがって、厚みが０．４ｍｍ以下であることにより、放熱性能が高くなることになる。
【００４０】
本実施の形態では、半田層１４は、Ｐｂフリー半田を用いて形成されている。一般に、Ｐｂフリー半田には、以下のものがある。たとえば、Ｓｎ（液相点２３２℃），Ｓｎ−3.5%Ａｇ（液相点２２１℃），Ｓｎ−3.0%Ａｇ（液相点２２２℃），Ｓｎ−3.5%Ａｇ−0.55%Ｃｕ（液相点２２０℃），Ｓｎ−3.0%Ａｇ−0.5%Ｃｕ（液相点２２０℃），Ｓｎ−1.5%Ａｇ−0.85%Ｃｕ−2.0Ｂｉ（液相点２２３℃），Ｓｎ−2.5%Ａｇ−0.5%Ｃｕ−1.0Ｂｉ（液相点２１９℃），Ｓｎ−5.8Ｂｉ（液相点１３８℃），Ｓｎ−0.55%Ｃｕ（液相点２２６℃），Ｓｎ−0.55%Ｃｕ−その他（液相点２２６℃），Ｓｎ−0.55%Ｃｕ−0.3%Ａｇ（液相点２２６℃），Ｓｎ−5.0%Ｃｕ（液相点３５８℃），Ｓｎ−3.0%Ｃｕ−0.3%Ａｇ（液相点３１２℃），Ｓｎ−3.5%Ａｇ−0.5%Ｂｉ−3.0Ｉｎ（液相点２１６℃），Ｓｎ−3.5%Ａｇ−0.5%Ｂｉ−4.0Ｉｎ（液相点２１１℃），Ｓｎ−3.5%Ａｇ−0.5%Ｂｉ−8.0Ｉｎ（液相点２０８℃），Ｓｎ−8.0%Ｚｎ−3.0%Ｂｉ（液相点１９７℃）等がある。本実施の形態では、液相点が２５０℃以下の低融点のＰｂフリー半田、たとえば、Ｓｎ−3.0%Ａｇ−0.5%Ｃｕ（液相点２２０℃）を用いているが、これに限定されるものではない。
【００４１】
本実施の形態では、複合接着剤２６中の、接着剤Ｅおよび樹脂皮膜Ｌとして、エポキシ樹脂を用い、Ｐｂフリー半田の液相点よりも高いものを用いている。したがって、後述するパワーモジュールの組み立て工程において、複合接着剤２６を形成した後で、Ｐｂフリー半田のリフロー工程を行うことが可能になる。本実施の形態によると、従来用いられていた２つの半田層に代えて、１つの半田層１４と、樹脂接着剤からなる複合接着剤２６とを用いているので、工程の先後に応じて低融点のＰｂフリー半田と高融点のＰｂフリー半田とを用いる必要はなく、低融点のＰｂフリー半田だけで済むことになる。したがって、本実施の形態により、半田層１４をＰｂフリー化して、接続信頼性を確保しつつ、Ｐｂフリー化を図ることができる利点もある。
【００４２】
本実施の形態では、ヒートシンク２１の材料として、焼結アルミニウム（焼結Ａｌ）を用いているが、これに限定されるものではない。たとえば、Ａｌ，Ａｌ合金，Ｃｕ，Ｃｕ合金などの他の金属、ＡｌＮ，ＳｉＮ，ＢＮ，ＳｉＣ，ＷＣなどのセラミックス、或いは、Ａｌ−ＳｉＣ，Ｃｕ−Ｗ，Ｃｕ−Ｍｏなどの複合材料を用いてもよい。
【００４３】
本実施の形態では、金属配線２３の材料として、ＣｕまたはＣｕ合金を用いているが、これに限定されるものではない。たとえば、Ａｌ，Ａｌ合金，ＤＢＡ基板，ＤＢＣ基板や、Ａｌ−ＳｉＣ，Ｃｕ−Ｗ，Ｃｕ−Ｍｏなどの複合材料を用いてもよい。ただし、ＤＢＡ基板やＤＢＣ基板を用いると、製造コストが高くつく。本発明では、ＤＢＡ基板やＤＢＣ基板を用いなくても接合の信頼性を維持することができるので、金属配線２３をＣｕやＣｕ合金などの金属板単体構造とすることにより、製造コストの削減を図ることができる。
【００４４】
−パワーモジュールの製造工程−
次に、図５（ａ）〜（ｄ），図６（ａ）〜（ｄ）および図７（ａ）〜（ｃ）を参照しながら、本実施の形態のパワーモジュールの製造方法について説明する。図５（ａ）〜（ｄ）は、本実施の形態の製造工程における，樹脂接着剤の塗布からモジュール樹脂枠の取付までの工程を示す断面図である。図６（ａ）〜（ｄ）は、本実施の形態の製造工程における，チップマウントからポッティングまでの工程を示す断面図である。図７（ａ）〜（ｃ）は、本実施の形態の製造工程における，Ｏリングの設置からボルトの締結までの工程を示す断面図である。
【００４５】
まず、図５（ａ）に示す工程で、焼結Ａｌからなり、平板部２１ａとフィン部２１ｂとを有するヒートシンク２１を準備する。そして、ヒートシンク２１の平板部２１ａの上面上に、充填材として表面コートフィラーＣＦ１，ＣＦ２を混入したエポキシ樹脂を、たとえばスクリーン印刷により塗布し、厚みがたとえば１００〜１５０μｍの複合接着剤２６を形成する。
【００４６】
また、この工程で、ヒートシンク２１の平板部２１ａの上面上に表面コートフィラーＣＦ１，ＣＦ２を混入したエポキシ樹脂を塗布する代わりに、予め他の基板の上に表面コートフィラーＣＦ１，ＣＦ２を混入したエポキシ樹脂を塗布し、エポキシシートを作成しておいて、このエポキシシートをヒートシンク２１の平板部２１ａの上面上に載置してもよい。予めエポキシシートにしておくことにより、目視によって複合接着剤２６となるエポキシシートに気泡がないことを確認することができる。気泡が存在すると、複合接着剤２６の熱抵抗が増大するおそれがあるが、エポキシシートにしておくことにより、複合接着剤２６の熱抵抗が気泡によって増大するのを未然に防止することができる。
【００４７】
次に、図５（ｂ）に示す工程で、所定形状にパターニングされた金属配線２３を複合接着剤２６の上にマウントし、図５（ｃ）に示す工程で、複合接着剤２６により、金属配線２３をヒートシンク２１の平板部２１の上面に固着する。
【００４８】
次に、図５（ｄ）に示す工程で、ヒートシンク２１の平板部２１ａの上に、モジュール樹脂枠５３を取り付ける。モジュール樹脂枠５３の内部および外表面には、電極端子層５６が一体成形により形成されている。そして、モジュール樹脂枠５３の内側には、電極端子層５６の一部が露出している。
【００４９】
次に、図６（ａ）に示す工程で、金属配線２３の上に、Ｐｂフリー半田を吐出または印刷し、Ｐｂフリー半田の上に、半導体チップ１１をマウントする。半導体チップ１１には、パワーデバイスとして機能するＩＧＢＴ、あるいはダイオードが形成されている。さらに、図６（ｂ）に示す工程で、パワーモジュールをリフロー炉に投入し、半導体チップ１１と金属配線２３とを接合する半田層１４を形成する。このときのリフロー炉の雰囲気は不活性ガス雰囲気または還元性雰囲気で、炉内の最高温度は２６０℃である。その後、フラックス洗浄を行なって、フラックス残渣を除去する。
【００５０】
次に、図６（ｃ）に示す工程で、比較的大径（たとえば４００μｍ径）のＡｌワイヤを用いたワイヤボンディングを行う。そして、半導体チップ１１の上面電極１２（図３参照）同士や、上面電極１２と金属配線２３との間、金属配線２３と電極端子層５６との間を接続する大電流用配線１８を形成する。その後、小径（たとえば１２５μｍ径）のＡｌワイヤを用いたワイヤボンディングを行なって、半導体チップ１１の上面電極１２と電極端子層５６との間を接続する信号配線１７を形成する。
【００５１】
次に、図６（ｄ）に示す工程で、シリコンゲルを用いたポッティングにより、モジュール樹脂枠５３の内方を埋めるゲル層４０を形成する。これにより、ヒートシンク２１の上面に設けられている、半導体チップ１１，信号配線１７，大電流用配線１８，金属配線２３，半田層１４，複合接着剤２６などの部材が、ゲル層４０内に埋め込まれる。
【００５２】
次に、図７（ａ）に示す工程で、準備されている天板５０ａの矩形状貫通穴の周縁部に設けられた環状溝にＯリング２５を設置する。
【００５３】
次に、図７（ｂ）に示す工程で、天板５０ａの矩形状貫通穴にヒートシンク２１のフィン部２１ｂを挿通させて、パワーモジュール１０を放熱器５０にマウントし、図７（ｃ）に示す工程で、ボルト５４により、パワーモジュール１０を天板５０ａに固定する。同様にして、複数のパワーモジュールを、放熱器５０の複数の矩形状貫通穴に、それぞれ取り付ける。
【００５４】
上述の工程により、放熱器５０の天板５０ａにパワーモジュール１０が実装された後、天板５０ａが容器５０ｂに接合される（図１および図２参照）。この接合は、機械かしめ等によって行なってもよい。これより、パワーモジュールセットが形成される。なお、先に天板５０ａと容器５０ｂとを接合してから、天板５０ａに各パワーモジュール１０を取り付けてもよい。
【００５５】
本実施の形態のパワーモジュールの製造方法によると、先に、樹脂接着剤を用いて複合接着剤２６を形成してから、Ｐｂフリー半田を用いて半田層１４を形成しているので、下方の部材の固着から上方の部材の固着までを、順次、効率よく行うことができる。すなわち、複合接着剤２６の形成時には、金属配線２３のみを把持して樹脂接着剤の上に載置すればよく、半田層１４の形成時には、半導体チップ１１のみを把持してＰｂフリー半田の上に載置すればよいので、先に半田層１４を形成して半導体チップ１１および金属配線２３をヒートシンク２１上に載置するのに比べ、組立作業のための装置が簡素化され、作業能率も高くなる。よって、製造コストの低減を図ることができる。
【００５６】
（他の実施の形態）
本発明のパワーモジュールに配置される半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体（ＳｉＣ，ＧａＮなど）を用いたパワーデバイスでもよいし、Ｓｉを用いたパワーデバイスでもよい。
【００５７】
上記実施の形態では、半導体チップ１１に、ＩＧＢＴが形成されているが、ＭＯＳＦＥＴ，ダイオード，ＪＦＥＴなどが形成された半導体チップを用いてもよい。
【００５８】
上記実施の形態では、天板５０ａに多数のパワーモジュール１０を取り付ける構造を採ったが、天板を兼ねる単一のヒートシンク上に多数の半導体チップを搭載してもよい。
【００５９】
ヒートシンク２１との熱交換を行う熱交換媒体は、冷却能やコストを考慮すると、フロリナートや水などの液体であることが好ましい。ただし、ヘリウム，アルゴン，窒素，空気などの気体であってもよい。
【００６０】
上記開示された本発明の実施の形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明のパワーモジュールは、ＭＯＳＦＥＴ，ＩＧＢＴ，ダイオード，ＪＦＥＴ等を搭載した各種機器に利用することができ、本発明の表面コートフィラーや複合接着剤はこのようなパワーモジュールの要素として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】実施の形態におけるパワーモジュールセットの構造を示す斜視図である。
【図２】実施の形態に係るパワーモジュールセットのII-II線における断面図である。
【図３】図２の一部を拡大して示す断面図である。
【図４】（ａ），（ｂ）は、実施の形態における大径表面コートフィラーの積み重なり構造を示す斜視図、および大径表面コートフィラーと小径表面コートフィラーとの積み重なり状態を示す平面図である。
【図５】（ａ）〜（ｄ）は、実施の形態の製造工程における，樹脂接着剤の塗布からモジュール樹脂枠の取付までの工程を示す断面図である。
【図６】（ａ）〜（ｄ）は、実施の形態の製造工程における，チップマウントからポッティングまでの工程を示す断面図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は、本実施の形態の製造工程における，Ｏリングの設置からボルトの締結までの工程を示す断面図である。
【図８】従来のＩＧＢＴチップを搭載したパワーモジュールの構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６３】
ＣＦ１ 大径表面コートフィラー
ＣＦ２ 小径表面コートフィラー
Ｅ 接着剤
Ｆ フィラー
Ｌ 樹脂皮膜
１０ パワーモジュール
１１ 半導体チップ
１２ 上面電極
１３ 裏面電極
１４ 半田層
１７ 信号配線
１８ 大電流用配線
２１ ヒートシンク
２１ａ 平板部
２１ｂ フィン部
２３ 金属配線
２５ Ｏリング
２６ 複合接着剤
４０ ゲル層
５０ 放熱器
５０ａ 天板
５０ｂ 容器
５３ モジュール樹脂枠
５６ 電極端子層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面コートフィラー，複合接着剤およびパワーモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
図８は、従来のＩＧＢＴチップを搭載したパワーモジュールの構造を示す断面図である。同図に示すように、ＣｕＭｏ等により構成されている放熱基板１０１の主面側には、放熱基板１０１に、半田層１０２により固定されたＡｌ板１０４と、Ａｌ板１０４の主面にＡｌろうによって固定されたＡｌＮ板１０６と、ＡｌＮ板１０６の主面にＡｌろうによって固定されたＡｌ配線１０８と、Ａｌ配線１０８の上に、半田層１０９により固定された半導体チップ１２０とを備えている。また、放熱基板１０１の裏面側には、グリース１１２によりフィン付きのヒートシンク１１３が取り付けられている。上記Ａｌ板１０４，ＡｌＮ板１０６およびＡｌ配線１０８は、ＤＢＡ基板として一体的に用いられている。
【０００３】
このように、Ａｌ板１０４，ＡｌＮ板１０６およびＡｌ配線１０８をＤＢＡ基板（絶縁層を含む配線部材）として用いたパワーモジュールの構造は、たとえば、特許文献１に記載されている（同文献の図５参照）。同図には、チップ直下の半田層（同図の符号１２２）には、液相点が３００℃〜３３０℃の高融点半田（Ｓｎ−90%Ｐｂ）を用い、下方の半田層（同図の符号１２５）には、液相点が２１６℃程度の低融点半田（Ｓｎ−50%Ｐｂ）を用いている例が開示されている。なお、本明細書においては、組成割合を表す「％」は、重量％を示すものとする。
【特許文献１】特開２００１−１６８２５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記図８に開示される構造では、互いに融点が異なる２つの半田層１０２，１０９が設けられている。一般に、コストの上昇を回避したい場合には、できるだけ高融点のろう材（たとえば、特許文献１に記載されているような，融点が６００℃程度のＡｌ−11%Ｓｉ−2%Ｍｇ）の使用を避けて、リフロー炉を利用できる半田を用いる。そこで、図８に示す下方の半田層１０２には、たとえば特許文献１における低融点半田（Ｓｎ−50%Ｐｂ）や、液相点が１８３℃程度の共晶半田（Ｓｎ−37%Ｐｂ）を用い、上方の半田層１０９には、たとえば液相点が３００℃〜３３０℃の高融点半田（Ｓｎ−90%Ｐｂなど）を用いるのが一般的である。すなわち、先の半田付け工程では高融点半田を用い、後の半田付け工程では、先の工程で形成された半田層がリフロー炉内で融解しないように、低融点半田を用いるのである。
【０００５】
しかしながら、上記従来のパワーモジュールのように、２つの半田層を設けると、半田材料のコストと、２回のリフロー工程を行うことによる製造コストとによって、パワーモジュールのコストが多大となる。
【０００６】
そこで、一方の半田層に代えて、接着剤を用いることが考えられる。その場合、熱抵抗を小さく維持するためには、無機絶縁性フィラーを接着剤に混入する必要があるが、熱伝導率の高い無機絶縁性フィラーを高充填率で接着剤に混入すると、粘度が極端に高くなり、樹脂絶縁層を形成するのが困難であるという問題がある。
【０００７】
本発明の目的は、高充填率で接着剤に混入するのに適したフィラー構造、およびこれを用いた複合接着剤およびパワーモジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の表面コートフィラーは、無機絶縁性物質からなるフィラーの表面を覆う樹脂被膜を設けて、外形を曲面体にしたものである。
【０００９】
無機絶縁性物質からなるフィラーのうちでも、熱伝導率が高い材料は高硬度であるために、表面の凹凸を平滑化することが困難である。そのために、接着剤に直接フィラーを高充填率で混入すると、高粘度となって印刷等で層状に形成することが困難となる。それに対し、本発明の表面コートフィラーによると、外形が曲面体であるので、接着剤中に高充填率で混入したときにも、粘度の上昇を抑制することができ、複合接着剤を形成するのに適したものとなる。特に、球面体とすることにより、表面コートフィラーが複合接着剤中で自由に移動できるので、粘度をより小さくすることができる。
【００１０】
本発明の複合接着剤は、充填剤として、本発明の表面コートフィラーを混入したものである。
【００１１】
これにより、上述のように、表面コートフィラーを高充填率で混入しても、接着剤の粘度の上昇を抑制することができるので、高充填率のフィラーによる，高い熱伝導率を有する複合接着剤が得られる。
【００１２】
本発明の複合接着剤において、表面コートフィラーの粒径が所定範囲である３０〜６０μｍの範囲内に収まっていて、表面コートフィラーが整列していることにより、フィラーの充填率の高い複合接着剤が得られる。
【００１３】
また、大径の表面コートフィラーと小径の表面コートフィラーとに区分けされていて、小径の表面コートフィラーが大径の表面コートフィラー同士の間隙に入っていることにより、さらにフィラーの充填率の高い複合接着剤が得られる。そのためには、大径の表面コートフィラーの径が上記所定範囲内に収まっていて、小径の表面コートフィラーの径がその０．２倍（６〜１２μｍ）の範囲内に収まっていればよい。
【００１４】
フィラーがＡｌＮ，ＢＮ，ＳｉＮ，ＳｉＣ，Ａｌ２Ｏ３およびダイヤモンドから選ばれた少なくとも１種の材料であることにより、特に、熱伝導率の高い複合接着剤が得られる。
【００１５】
本発明の複合接着剤は、接着剤を熱可塑性の状態で固化させて、固体シート状に形成することができ、これにより、各種機器中の複合接着剤を形成するために便利な接着剤シートが得られる。
【００１６】
本発明のパワーモジュールは、半導体チップ用の配線部材と支持基材との間に、本発明の複合接着剤を介在させたものである。
【００１７】
これにより、半田層を形成する工程の削減により、製造コストの削減を図りつつ、複合接着剤中のフィラーの充填率を高めることが可能になるので、放熱性能の高いパワーモジュールが得られる。
【００１８】
特に、支持部材が、フィンを有するヒートシンク部材であることにより、構造が簡素化されてコストの低減を図ることができるとともに、半導体チップから熱交換媒体に至る経路の熱抵抗が小さくなるので、放熱性能がより高くなる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の表面コートフィラー、またはこれを用いた複合接着剤によると、フィラーの充填率を高めつつ、製造工程を円滑に進めることが可能な複合接着剤を提供することができる。
そして、本発明の複合接着剤を用いたパワーモジュールにより、放熱性能の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
−パワーモジュールの構造−
図１は、実施の形態におけるパワーモジュールセットの構造を示す斜視図である。同図に示すように、本実施形態のパワーモジュールセットは、放熱器５０の上に、複数のパワーモジュール１０を取り付けて構成されている。放熱器５０は、天板５０ａと天板５０ａに接合された容器５０ｂとからなり、天板５０ａには、パワーモジュール１０を組み込むための多数の矩形状貫通穴が設けられている。本実施形態においては、矩形状貫通穴が多数設けられているが、１つだけでもよい。放熱器５０を構成する天板５０ａと容器５０ｂとは、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、ダイキャスト，押し出し，鍛造，鋳造，機械加工等によって組み立てることができる。
【００２１】
本実施の形態では、放熱器５０は天板５０ａと容器５０ｂとを個別に形成してから両者を接合しているが、天板と容器とを一体に形成してもよい。その場合、たとえば一体型を用いたダイキャストにより放熱器を形成することができる。
【００２２】
図２は、実施の形態に係るパワーモジュールセットのII-II線における断面図である。ただし、図２において配線構造の図示は省略されている。図３は、図２の一部を拡大して示す断面図である。図２および図３に示すように、本実施の形態のパワーモジュールセットにおいて、放熱器５０の天板５０ａと容器５０ｂとの間の空間５１には、熱交換媒体としての冷却水が図２の紙面に直交する方向に流れている。パワーモジュール１０は、Ｏリング２５により気密を保持しつつボルト５４により天板５０ａにネジ止めされている。また、パワーモジュール１０は、主要部材として、ＩＧＢＴなどの半導体素子が形成された半導体チップ１１と、半導体チップ１１内の半導体素子と外部部材とを電気的に接続するための金属配線２３と、金属配線２３と半導体チップ１１とを接合する，Ｐｂフリー半田を含む半田層１４と、半導体チップ１１で発生した熱を外方に放出するためのヒートシンク２１と、金属配線２３をヒートシンク２１に固着する複合接着剤２６とを備えている。図３に示すように、半導体チップ１１の上面および下面には、それぞれ、ＩＧＢＴなどの半導体素子の活性領域に接続される上面電極１２および裏面電極１３が設けられている。そして、半導体チップ１１の裏面電極１３が、半田層１４によって、金属配線２３に導通状態で接合されている。
【００２３】
ヒートシンク２１は、平板部２１ａと、平板部２１ａの裏面側から突出するフィン部２１ｂとからなり、平板部２１ａは、金属配線２３を支持する支持部材として機能している。そして、フィン部２１ｂは、熱交換媒体である冷却水にさらされて、熱交換効率を高めるように構成されている。ただし、フィン部２１ｂは必ずしも必要ではなく、また、フィン部２１ｂに代えて、他の放熱構造体を備えていてもよい。
【００２４】
また、放熱器５０の天板５０ａ上に、半導体チップ１１等を囲むモジュール樹脂枠５３が設けられていて、モジュール樹脂枠５３がボルト５４によって天板５０ａに固定されている。モジュール樹脂枠５３の内部および外表面には電極端子層５６が形成されている。この電極端子層５６と金属配線２３とは、大電流用配線１８によって接続されており、電極端子層５６と半導体チップ１１の上面電極１２の一部とは、信号配線１７によって接続されている。これによって、パワーモジュール１０と外部機器との電気的な接続が可能になっている。また、モジュール樹脂枠５３の内方には、シリコンゲルからなるゲル層４０が設けられていて、ヒートシンク２１の上面側で半導体チップ１１，信号配線１７，大電流用配線１８，金属配線２３，半田層１４，複合接着剤２６などの部材がゲル層４０内に埋設されている。
【００２５】
ここで、図３の拡大部分に示すように、複合接着剤２６は、接着剤Ｅに充填剤を混入して構成されている。充填剤は、大径表面コートフィラーＣＦ１と、小径表面コートフィラーＣＦ２とに区分けされている。同図に示すように、各表面コートフィラーＣＦ１，ＣＦ２は、無機絶縁性物質からなるフィラーＦと、フィラーＦの表面を覆う樹脂皮膜Ｌとからなり、全体の外形が実質的に球面体である。「実質的に球面体である」とは、製造工程などにおいて生じうる，真球面からの誤差を有するものは、球面体とする意味である。なお、１つの表面コートフィラーＣＦ１，ＣＦ２中に複数のフィラーＦが含まれていてもよい。
【００２６】
そして、複合接着剤２６内において、大径表面コートフィラーＣＦ１同士の間隙に小径表面コートフィラーＣＦ２が入り込んでいる。本実施の形態においては、大径表面コートフィラーＣＦ１の径（最大部）は、所定範囲である３０〜６０μｍの範囲内にあり、小径表面コートフィラーＣＦ２の径は、大径表面コートフィラーＣＦ１の径の約０．２倍（６〜１２μｍ）程度の範囲内にある。たとえば、大径表面コートフィラーＣＦ１の径が４０±１０μｍであり、小径表面コートフィラーＣＦ２の径が、８±３μｍである。また、小径表面コートフィラーＣＦ２よりもさらに径の小さい微細表面コートフィラー（図示せず）を加えることにより、大径表面コートフィラーＣＦ１と小径表面コートフィラーＣＦ２との間隙に微細表面コートフィラーを入り込ませて、フィラーの充填率をさらに向上させることができる。
【００２７】
図４（ａ），（ｂ）は、実施の形態における大径表面コートフィラーＣＦ１の積み重なり構造を示す斜視図、および大径表面コートフィラーＣＦ１と小径表面コートフィラーＣＦ２との積み重なり状態を示す平面図である。図４（ａ）では、小径表面コートフィラーＣＦ２の図示は省略されている。
【００２８】
図４（ａ），（ｂ）に示すように、大径表面コートフィラーＣＦ１は、理想的には、稠密六方構造や面心立方構造などの単結晶構造に類似した積み重ね状態で整列されている。大径表面コートフィラーＣＦ１の第１層ＣＦ１（１）は、ハニカム状に整列しており、大径表面コートフィラーＣＦ１の第２層ＣＦ１（２）は、第１層ＣＦ１（１）中の３つの大径表面コートフィラーＣＦ１の中間位置（安定位置）に整列する。さらに、大径表面コートフィラーＣＦ１の第３層ＣＦ１（３）は、第２層ＣＦ１（２）中の３つの大径表面コートフィラーＣＦ２の中間位置（安定位置）に整列する。そして、小径表面コートフィラーＣＦ２は、大径表面コートフィラーＣＦ１の第１層ＣＦ１（１）と第２層ＣＦ１（２）との間の間隙に入り込んでいる。
【００２９】
以上のような整列状態は、後述するように、充填剤を混入した接着剤をスクリーン印刷などによって、塗布する際に圧力を印加することによって、各表面コートフィラーＣＦ１，ＣＦ２が最小の体積を占めるように移動する結果、実現される。ただし、部分的な整列状態の乱れはあっても、全体としての充填率がそれほど低下するわけではないので、ここにいう整列状態に含まれる。
【００３０】
表面コートフィラーＣＦ１，ＣＦ２のフィラーＦの材質は、高硬度の無機絶縁性材料であって、たとえばＡｌＮ，ＳｉＣ，Ａｌ２Ｏ３，ＢＮ，窒化珪素，ダイヤモンドなどが好ましい。高硬度の無機絶縁性材料は、熱伝導率が高いので、複合接着剤２６全体の熱抵抗を小さくすることができる。たとえばＡｌＮの熱伝導率は約２００（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、ＳｉＣの熱伝導率は約２００〜５００（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、Ａｌ２Ｏ３の熱伝導率は約１７（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、ＢＮの熱伝導率は約６０〜２００（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、窒化珪素の熱伝導率は約８０（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、ダイヤモンドの熱伝導率は最大２０００（Ｗ／ｍ・Ｋ）である。
【００３１】
しかしながら、このような高硬度の無機絶縁性材料は、現実的な製造コストを維持しうる加工では、表面を滑らかにして球状に近づけることが困難で、表面が細かな凹凸を有している。そのため、フィラーを高充填率（たとえば６０〜７０％）で混入した接着剤は、極めて高粘度状態になって、スクリーン印刷などで塗布することが困難である。
【００３２】
それに対し、本発明の表面コートフィラーＣＦ１，ＣＦ２は、表面の凹凸の大きいフィラーＦであっても、その表面を樹脂被膜Ｌで被覆して、全体の外形を実質的に球面体にしているので、表面コートフィラーＣＦ１，ＣＦ２を混入しても、接着剤の粘度上昇を抑制することができる。その結果、本発明の表面コートフィラーＣＦ１，ＣＦ２を混入した接着剤を、スクリーン印刷などで、塗布することが可能になる。
【００３３】
ただし、表面コートフィラーＣＦ１，ＣＦ２の外形は必ずしも球状である必要はない。表面コートフィラーＣＦ１，ＣＦ２の外形が曲面体であれば、スクリーン印刷などが可能な程度に粘度を小さく抑えることはできる。特に、表面の任意の部分が凸であれば（言い換えると、曲率半径が正の値であれば）、接着剤の中で表面コートフィラーＣＦ１，ＣＦ２がスムーズに移動可能であるので、接着剤の粘度低減という本発明の効果を確実に発揮することができる。曲面体の例としては、球面体以外に、ラグビーボールのような２軸方向で径が異なる楕円体、３軸方向で径が異なる楕円体、多面体の表面を滑らかにしたもの、などがある。
【００３４】
本実施形態の表面コートフィラーＣＦ１，ＣＦ２の樹脂被膜Ｌは、エポキシ樹脂であり、接着剤に混入される前に、エポキシ樹脂は硬化されている。ただし、エポキシ樹脂を硬化前の熱可塑性状態で接着剤に混入してもよい。また、樹脂皮膜Ｌの材料が、エポキシ樹脂以外の熱硬化型樹脂や熱可塑性樹脂であってもよい。
【００３５】
表面コートフィラーＣＦ１，ＣＦ２の作製は、フィラーＦを樹脂皮膜Ｌの融液に浸漬した後、取り出して、相対向する平板間で転動させる、などの方法によって行うことができる。転動させる際に、エポキシ樹脂等が硬化していてもよいし、熱可塑性状態であってもよい。熱可塑性状態のものを転動させて球面体にする場合、球面体にしてから硬化させてもよいし、硬化させないままで接着剤に混入してもよい。なお、フィラーＦの径を所定範囲内に収める場合には、篩いなどで予め粒度を区分けしておく。
【００３６】
加えて、本実施の形態では、大径表面コートフィラーＣＦ１の径が所定範囲に収まっているので、大径表面コートフィラーＣＦ１が整列することで、フィラーの充填率を高めることができる。さらに、小径表面コートフィラーＣＦ２が大径表面コートフィラーＣＦ１の間隙に入り込む寸法に収まっていることで、より充填率を高めることができる。
【００３７】
ただし、表面コートフィラーＣＦの径がランダムに分布していても、表面コートフィラーＣＦの外形が任意の部分で凸状の曲面体であれば、表面コートフィラーＣＦが複合接着剤中で自由に移動できるので、複合接着剤をスクリーン印刷などによって塗布する際に、複合接着剤に加わる圧力によって、各表面コートフィラーＣＦが最小の体積を占めるように移動する結果、一定の充填率の向上効果を発揮することができる。
【００３８】
複合接着剤２６中の接着剤Eには、本実施の形態では、エポキシ樹脂が用いられているが、エポキシ樹脂以外の熱硬化性接着剤や熱可塑性接着剤を用いることができる。
【００３９】
複合接着剤２６の厚みは、０．４ｍｍ以下であることが好ましく、０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ以下であることがより好ましい。複合接着剤２６の熱抵抗は、熱伝導率と厚みに依存して定まるが、厚みが薄いほど熱抵抗が小さくなる。したがって、厚みが０．４ｍｍ以下であることにより、放熱性能が高くなることになる。
【００４０】
本実施の形態では、半田層１４は、Ｐｂフリー半田を用いて形成されている。一般に、Ｐｂフリー半田には、以下のものがある。たとえば、Ｓｎ（液相点２３２℃），Ｓｎ−3.5%Ａｇ（液相点２２１℃），Ｓｎ−3.0%Ａｇ（液相点２２２℃），Ｓｎ−3.5%Ａｇ−0.55%Ｃｕ（液相点２２０℃），Ｓｎ−3.0%Ａｇ−0.5%Ｃｕ（液相点２２０℃），Ｓｎ−1.5%Ａｇ−0.85%Ｃｕ−2.0Ｂｉ（液相点２２３℃），Ｓｎ−2.5%Ａｇ−0.5%Ｃｕ−1.0Ｂｉ（液相点２１９℃），Ｓｎ−5.8Ｂｉ（液相点１３８℃），Ｓｎ−0.55%Ｃｕ（液相点２２６℃），Ｓｎ−0.55%Ｃｕ−その他（液相点２２６℃），Ｓｎ−0.55%Ｃｕ−0.3%Ａｇ（液相点２２６℃），Ｓｎ−5.0%Ｃｕ（液相点３５８℃），Ｓｎ−3.0%Ｃｕ−0.3%Ａｇ（液相点３１２℃），Ｓｎ−3.5%Ａｇ−0.5%Ｂｉ−3.0Ｉｎ（液相点２１６℃），Ｓｎ−3.5%Ａｇ−0.5%Ｂｉ−4.0Ｉｎ（液相点２１１℃），Ｓｎ−3.5%Ａｇ−0.5%Ｂｉ−8.0Ｉｎ（液相点２０８℃），Ｓｎ−8.0%Ｚｎ−3.0%Ｂｉ（液相点１９７℃）等がある。本実施の形態では、液相点が２５０℃以下の低融点のＰｂフリー半田、たとえば、Ｓｎ−3.0%Ａｇ−0.5%Ｃｕ（液相点２２０℃）を用いているが、これに限定されるものではない。
【００４１】
本実施の形態では、複合接着剤２６中の、接着剤Ｅおよび樹脂皮膜Ｌとして、エポキシ樹脂を用い、Ｐｂフリー半田の液相点よりも高いものを用いている。したがって、後述するパワーモジュールの組み立て工程において、複合接着剤２６を形成した後で、Ｐｂフリー半田のリフロー工程を行うことが可能になる。本実施の形態によると、従来用いられていた２つの半田層に代えて、１つの半田層１４と、樹脂接着剤からなる複合接着剤２６とを用いているので、工程の先後に応じて低融点のＰｂフリー半田と高融点のＰｂフリー半田とを用いる必要はなく、低融点のＰｂフリー半田だけで済むことになる。したがって、本実施の形態により、半田層１４をＰｂフリー化して、接続信頼性を確保しつつ、Ｐｂフリー化を図ることができる利点もある。
【００４２】
本実施の形態では、ヒートシンク２１の材料として、焼結アルミニウム（焼結Ａｌ）を用いているが、これに限定されるものではない。たとえば、Ａｌ，Ａｌ合金，Ｃｕ，Ｃｕ合金などの他の金属、ＡｌＮ，ＳｉＮ，ＢＮ，ＳｉＣ，ＷＣなどのセラミックス、或いは、Ａｌ−ＳｉＣ，Ｃｕ−Ｗ，Ｃｕ−Ｍｏなどの複合材料を用いてもよい。
【００４３】
本実施の形態では、金属配線２３の材料として、ＣｕまたはＣｕ合金を用いているが、これに限定されるものではない。たとえば、Ａｌ，Ａｌ合金，ＤＢＡ基板，ＤＢＣ基板や、Ａｌ−ＳｉＣ，Ｃｕ−Ｗ，Ｃｕ−Ｍｏなどの複合材料を用いてもよい。ただし、ＤＢＡ基板やＤＢＣ基板を用いると、製造コストが高くつく。本発明では、ＤＢＡ基板やＤＢＣ基板を用いなくても接合の信頼性を維持することができるので、金属配線２３をＣｕやＣｕ合金などの金属板単体構造とすることにより、製造コストの削減を図ることができる。
【００４４】
−パワーモジュールの製造工程−
次に、図５（ａ）〜（ｄ），図６（ａ）〜（ｄ）および図７（ａ）〜（ｃ）を参照しながら、本実施の形態のパワーモジュールの製造方法について説明する。図５（ａ）〜（ｄ）は、本実施の形態の製造工程における，樹脂接着剤の塗布からモジュール樹脂枠の取付までの工程を示す断面図である。図６（ａ）〜（ｄ）は、本実施の形態の製造工程における，チップマウントからポッティングまでの工程を示す断面図である。図７（ａ）〜（ｃ）は、本実施の形態の製造工程における，Ｏリングの設置からボルトの締結までの工程を示す断面図である。
【００４５】
まず、図５（ａ）に示す工程で、焼結Ａｌからなり、平板部２１ａとフィン部２１ｂとを有するヒートシンク２１を準備する。そして、ヒートシンク２１の平板部２１ａの上面上に、充填材として表面コートフィラーＣＦ１，ＣＦ２を混入したエポキシ樹脂を、たとえばスクリーン印刷により塗布し、厚みがたとえば１００〜１５０μｍの複合接着剤２６を形成する。
【００４６】
また、この工程で、ヒートシンク２１の平板部２１ａの上面上に表面コートフィラーＣＦ１，ＣＦ２を混入したエポキシ樹脂を塗布する代わりに、予め他の基板の上に表面コートフィラーＣＦ１，ＣＦ２を混入したエポキシ樹脂を塗布し、エポキシシートを作成しておいて、このエポキシシートをヒートシンク２１の平板部２１ａの上面上に載置してもよい。予めエポキシシートにしておくことにより、目視によって複合接着剤２６となるエポキシシートに気泡がないことを確認することができる。気泡が存在すると、複合接着剤２６の熱抵抗が増大するおそれがあるが、エポキシシートにしておくことにより、複合接着剤２６の熱抵抗が気泡によって増大するのを未然に防止することができる。
【００４７】
次に、図５（ｂ）に示す工程で、所定形状にパターニングされた金属配線２３を複合接着剤２６の上にマウントし、図５（ｃ）に示す工程で、複合接着剤２６により、金属配線２３をヒートシンク２１の平板部２１の上面に固着する。
【００４８】
次に、図５（ｄ）に示す工程で、ヒートシンク２１の平板部２１ａの上に、モジュール樹脂枠５３を取り付ける。モジュール樹脂枠５３の内部および外表面には、電極端子層５６が一体成形により形成されている。そして、モジュール樹脂枠５３の内側には、電極端子層５６の一部が露出している。
【００４９】
次に、図６（ａ）に示す工程で、金属配線２３の上に、Ｐｂフリー半田を吐出または印刷し、Ｐｂフリー半田の上に、半導体チップ１１をマウントする。半導体チップ１１には、パワーデバイスとして機能するＩＧＢＴ、あるいはダイオードが形成されている。さらに、図６（ｂ）に示す工程で、パワーモジュールをリフロー炉に投入し、半導体チップ１１と金属配線２３とを接合する半田層１４を形成する。このときのリフロー炉の雰囲気は不活性ガス雰囲気または還元性雰囲気で、炉内の最高温度は２６０℃である。その後、フラックス洗浄を行なって、フラックス残渣を除去する。
【００５０】
次に、図６（ｃ）に示す工程で、比較的大径（たとえば４００μｍ径）のＡｌワイヤを用いたワイヤボンディングを行う。そして、半導体チップ１１の上面電極１２（図３参照）同士や、上面電極１２と金属配線２３との間、金属配線２３と電極端子層５６との間を接続する大電流用配線１８を形成する。その後、小径（たとえば１２５μｍ径）のＡｌワイヤを用いたワイヤボンディングを行なって、半導体チップ１１の上面電極１２と電極端子層５６との間を接続する信号配線１７を形成する。
【００５１】
次に、図６（ｄ）に示す工程で、シリコンゲルを用いたポッティングにより、モジュール樹脂枠５３の内方を埋めるゲル層４０を形成する。これにより、ヒートシンク２１の上面に設けられている、半導体チップ１１，信号配線１７，大電流用配線１８，金属配線２３，半田層１４，複合接着剤２６などの部材が、ゲル層４０内に埋め込まれる。
【００５２】
次に、図７（ａ）に示す工程で、準備されている天板５０ａの矩形状貫通穴の周縁部に設けられた環状溝にＯリング２５を設置する。
【００５３】
次に、図７（ｂ）に示す工程で、天板５０ａの矩形状貫通穴にヒートシンク２１のフィン部２１ｂを挿通させて、パワーモジュール１０を放熱器５０にマウントし、図７（ｃ）に示す工程で、ボルト５４により、パワーモジュール１０を天板５０ａに固定する。同様にして、複数のパワーモジュールを、放熱器５０の複数の矩形状貫通穴に、それぞれ取り付ける。
【００５４】
上述の工程により、放熱器５０の天板５０ａにパワーモジュール１０が実装された後、天板５０ａが容器５０ｂに接合される（図１および図２参照）。この接合は、機械かしめ等によって行なってもよい。これより、パワーモジュールセットが形成される。なお、先に天板５０ａと容器５０ｂとを接合してから、天板５０ａに各パワーモジュール１０を取り付けてもよい。
【００５５】
本実施の形態のパワーモジュールの製造方法によると、先に、樹脂接着剤を用いて複合接着剤２６を形成してから、Ｐｂフリー半田を用いて半田層１４を形成しているので、下方の部材の固着から上方の部材の固着までを、順次、効率よく行うことができる。すなわち、複合接着剤２６の形成時には、金属配線２３のみを把持して樹脂接着剤の上に載置すればよく、半田層１４の形成時には、半導体チップ１１のみを把持してＰｂフリー半田の上に載置すればよいので、先に半田層１４を形成して半導体チップ１１および金属配線２３をヒートシンク２１上に載置するのに比べ、組立作業のための装置が簡素化され、作業能率も高くなる。よって、製造コストの低減を図ることができる。
【００５６】
（他の実施の形態）
本発明のパワーモジュールに配置される半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体（ＳｉＣ，ＧａＮなど）を用いたパワーデバイスでもよいし、Ｓｉを用いたパワーデバイスでもよい。
【００５７】
上記実施の形態では、半導体チップ１１に、ＩＧＢＴが形成されているが、ＭＯＳＦＥＴ，ダイオード，ＪＦＥＴなどが形成された半導体チップを用いてもよい。
【００５８】
上記実施の形態では、天板５０ａに多数のパワーモジュール１０を取り付ける構造を採ったが、天板を兼ねる単一のヒートシンク上に多数の半導体チップを搭載してもよい。
【００５９】
ヒートシンク２１との熱交換を行う熱交換媒体は、冷却能やコストを考慮すると、フロリナートや水などの液体であることが好ましい。ただし、ヘリウム，アルゴン，窒素，空気などの気体であってもよい。
【００６０】
上記開示された本発明の実施の形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明のパワーモジュールは、ＭＯＳＦＥＴ，ＩＧＢＴ，ダイオード，ＪＦＥＴ等を搭載した各種機器に利用することができ、本発明の表面コートフィラーや複合接着剤はこのようなパワーモジュールの要素として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】実施の形態におけるパワーモジュールセットの構造を示す斜視図である。
【図２】実施の形態に係るパワーモジュールセットのII-II線における断面図である。
【図３】図２の一部を拡大して示す断面図である。
【図４】（ａ），（ｂ）は、実施の形態における大径表面コートフィラーの積み重なり構造を示す斜視図、および大径表面コートフィラーと小径表面コートフィラーとの積み重なり状態を示す平面図である。
【図５】（ａ）〜（ｄ）は、実施の形態の製造工程における，樹脂接着剤の塗布からモジュール樹脂枠の取付までの工程を示す断面図である。
【図６】（ａ）〜（ｄ）は、実施の形態の製造工程における，チップマウントからポッティングまでの工程を示す断面図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は、本実施の形態の製造工程における，Ｏリングの設置からボルトの締結までの工程を示す断面図である。
【図８】従来のＩＧＢＴチップを搭載したパワーモジュールの構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６３】
ＣＦ１ 大径表面コートフィラー
ＣＦ２ 小径表面コートフィラー
Ｅ 接着剤
Ｆ フィラー
Ｌ 樹脂皮膜
１０ パワーモジュール
１１ 半導体チップ
１２ 上面電極
１３ 裏面電極
１４ 半田層
１７ 信号配線
１８ 大電流用配線
２１ ヒートシンク
２１ａ 平板部
２１ｂ フィン部
２３ 金属配線
２５ Ｏリング
２６ 複合接着剤
４０ ゲル層
５０ 放熱器
５０ａ 天板
５０ｂ 容器
５３ モジュール樹脂枠
５６ 電極端子層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無機絶縁性物質からなるフィラーと、
前記フィラーの表面を覆う樹脂被膜とを備え、
外形が曲面体である、表面コートフィラー。
【請求項２】
請求項１記載の表面コートフィラーにおいて、
外形が球面体である、表面コートフィラー。
【請求項３】
充填剤および接着剤を含む複合接着剤であって、
前記充填剤は、請求項１または２記載の表面コートフィラーである、複合接着剤。
【請求項４】
請求項３記載の複合接着剤において、
前記表面コートフィラーの粒径が所定範囲内に収まっており、
前記表面フィラーが整列している、複合接着剤。
【請求項５】
請求項４記載の複合接着剤において、
前記表面コートフィラーの径が、大径の表面コートフィラーと小径の表面コートフィラーとに区分けされており、
前記小径の表面コートフィラーが、前記大径の表面コートフィラー同士の間隙に入っている、複合接着剤。
【請求項６】
請求項３〜５のうちいずれか１つに記載の複合接着剤において、
前記フィラーは、ＡｌＮ，ＢＮ，ＳｉＮ，ＳｉＣ，Ａｌ２Ｏ３およびダイヤモンドから選ばれた少なくとも１種の材料からなる、複合接着剤。
【請求項７】
請求項３〜６のうちいずれか１つに記載の複合接着剤において、
前記接着剤が熱可塑性の状態で固化されていて、
固体シート状に形成されている、複合接着剤。
【請求項８】
半導体チップ内の半導体素子と外部とを電気的に接続するための配線部材と、
前記配線部材を支持する支持部材と、
前記配線部材と前記支持部材との間に介在する，請求項３〜６のうちいずれか１つに記載の複合接着剤と、
を備えているパワーモジュール。
【請求項９】
請求項８記載のパワーモジュールにおいて、
前記支持部材は、フィンを有するヒートシンク部材である、パワーモジュール。
【請求項１】
無機絶縁性物質からなるフィラーと、
前記フィラーの表面を覆う樹脂被膜とを備え、
外形が曲面体である、表面コートフィラー。
【請求項２】
請求項１記載の表面コートフィラーにおいて、
外形が球面体である、表面コートフィラー。
【請求項３】
充填剤および接着剤を含む複合接着剤であって、
前記充填剤は、請求項１または２記載の表面コートフィラーである、複合接着剤。
【請求項４】
請求項３記載の複合接着剤において、
前記表面コートフィラーの粒径が所定範囲内に収まっており、
前記表面フィラーが整列している、複合接着剤。
【請求項５】
請求項４記載の複合接着剤において、
前記表面コートフィラーの径が、大径の表面コートフィラーと小径の表面コートフィラーとに区分けされており、
前記小径の表面コートフィラーが、前記大径の表面コートフィラー同士の間隙に入っている、複合接着剤。
【請求項６】
請求項３〜５のうちいずれか１つに記載の複合接着剤において、
前記フィラーは、ＡｌＮ，ＢＮ，ＳｉＮ，ＳｉＣ，Ａｌ２Ｏ３およびダイヤモンドから選ばれた少なくとも１種の材料からなる、複合接着剤。
【請求項７】
請求項３〜６のうちいずれか１つに記載の複合接着剤において、
前記接着剤が熱可塑性の状態で固化されていて、
固体シート状に形成されている、複合接着剤。
【請求項８】
半導体チップ内の半導体素子と外部とを電気的に接続するための配線部材と、
前記配線部材を支持する支持部材と、
前記配線部材と前記支持部材との間に介在する，請求項３〜６のうちいずれか１つに記載の複合接着剤と、
を備えているパワーモジュール。
【請求項９】
請求項８記載のパワーモジュールにおいて、
前記支持部材は、フィンを有するヒートシンク部材である、パワーモジュール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−１９１８２（Ｐ２００９−１９１８２Ａ）
【公開日】平成２１年１月２９日（２００９．１．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１８５０１７（Ｐ２００７−１８５０１７）
【出願日】平成１９年７月１３日（２００７．７．１３）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１月２９日（２００９．１．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年７月１３日（２００７．７．１３）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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