電力用半導体装置
【課題】この発明は熱伝導性が安定して確保されかつボイドが抑制されて良好な電気絶縁性が確保された熱伝導性絶縁樹脂層を有する電力用半導体装置を提供するものである。
【解決手段】半導体素子と金属配線部材とがはんだ接合され、金属配線部材の少なくとも1面が表面に露出するようモールド樹脂で覆われて構成されたパワーモジュールと、金属
配線部材の露出面側のパワーモジュール面と相対して配置されたヒートシンクと、パワーモジュールとヒートシンクとの間に設けられた熱伝導性絶縁樹脂シートと、パワーモジュールおよびヒートシンクの少なくとも一方側に設けられ、熱伝導性絶縁樹脂シートの厚みを規定するシート厚み規定部材と、熱伝導性絶縁樹脂シートの周縁部近傍に設けられた絶縁性を有するシート体積増減吸収部とを設けたものである。
【解決手段】半導体素子と金属配線部材とがはんだ接合され、金属配線部材の少なくとも1面が表面に露出するようモールド樹脂で覆われて構成されたパワーモジュールと、金属
配線部材の露出面側のパワーモジュール面と相対して配置されたヒートシンクと、パワーモジュールとヒートシンクとの間に設けられた熱伝導性絶縁樹脂シートと、パワーモジュールおよびヒートシンクの少なくとも一方側に設けられ、熱伝導性絶縁樹脂シートの厚みを規定するシート厚み規定部材と、熱伝導性絶縁樹脂シートの周縁部近傍に設けられた絶縁性を有するシート体積増減吸収部とを設けたものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば発熱体から放熱部材へ熱を伝達させるために用いる熱伝導性絶縁部材を用いた電力用半導体装置に関し、特に電力用半導体素子等の発熱体からの熱を放熱部材に伝達させ、かつ絶縁層としても機能する熱伝導性樹脂層を形成するための電力用半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、電気・電子機器の発熱部から放熱部材へ熱を伝達させる熱伝導性樹脂層には、高熱伝導性、絶縁性、接着性の要求から、熱硬化性樹脂に無機充填材を添加した熱伝導性樹脂組成物が用いられている。
【０００３】
電力用半導体装置においては、電力用半導体素子を搭載したパワーモジュールの金属電極の裏面と放熱部となるヒートシンクとの間に設ける熱伝導性樹脂層として、無機充填材を含有した熱硬化性樹脂シートや塗布膜が用いられている。
【０００４】
このとき、ヒートシンクの固着面の少なくとも一部に凹凸部を形成することにより、熱伝導性絶縁樹脂シートとの接触面の表面積が増大するので、パワーモジュールとヒートシンクとの固着強度が高くなり、接続の信頼性の向上を図るようにしている。（特許文献１参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２４３８７７号公報
【特許文献２】特開２００４−１６５２８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した電力用半導体装置においての熱伝導性絶縁樹脂シートは、高耐圧特性が要求され、熱伝導性絶縁樹脂シート中のボイドが耐圧を低下させる要因となっている。
【０００７】
この対策として、例えば、トランスファーモールド型パワーモジュールの熱伝導性絶縁樹脂シートの生成工程においては、未硬化状態の熱伝導性樹脂を加熱して硬化させる際に、１０ＭＰａにも及ぶ圧力を印加して熱伝導性絶縁樹脂シート内に内在するボイドを潰すことにより耐圧を向上させている。（特許文献２参照）
【０００８】
すなわち、所謂パッショエンの法則に示されているように、絶縁層中の気泡サイズと、放電電圧の相関関係があるため、ボイドサイズを小さくすることが放電が起きる電圧を高めることにつながるためである。このためにはボイドを小さく潰しこむ工程を経ることが有効である。また、熱伝導性絶縁樹脂シートが硬化するまえの軟化しているタイミングでの加圧が有効である。
【０００９】
また、高放熱性も要求され、放熱性能は熱伝導性絶縁樹脂シートの熱伝導率と厚みでほぼ決定されることから、この両パラメータの管理も重要な要素となる。
【００１０】
パワーモジュールとヒートシンクとの間における熱伝導性絶縁樹脂シートによる接着工程においても、ボイドによる耐圧低下防止のため熱伝導性絶縁樹脂シートを加熱しながら
加圧する必要がある。
【００１１】
この時、パワーモジュール及びヒートシンクは変形することが想定されるが、この変形に対して熱伝導絶縁樹脂シートが体積的に吸収しながらパワーモジュールの金属電極の裏面及びヒートシンクの表面と接着し、更に硬化後のシート形状を規定しなければならないという問題がある。
【００１２】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、熱伝導性が安定して確保され、かつボイドが抑制されて良好な電気絶縁性が確保された熱伝導性絶縁樹脂層を有する電力用半導体装を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この発明に係わる電力用半導体装置は、半導体素子と金属配線部材とがはんだ接合され、前記金属配線部材の少なくとも1面が表面に露出するようモールド樹脂で覆われて構成されたパワーモジュールと、前記金属配線部材の露出面側の前記パワーモジュール面と相対して配置されたヒートシンクと、前記パワーモジュールと前記ヒートシンクとの間に設けられた熱伝導性絶縁樹脂シートと、前記パワーモジュールおよび前記ヒートシンクの少なくとも一方側に設けられ、前記熱伝導性絶縁樹脂シートの厚みを規定するシート厚み規定部材と、前記熱伝導性絶縁樹脂シートの周縁部近傍に設けられた絶縁性を有するシート体積増減吸収部とを設けたものである。
【００１４】
また、この発明に係わる電力用半導体装置は、半導体素子と金属配線部材とがはんだ接合され、前記金属配線部材の少なくとも1面が表面に露出するようモールド樹脂で覆われ
て構成されたパワーモジュールと、前記金属配線部材の露出面側の前記パワーモジュール面と相対して配置されたヒートシンクと、前記パワーモジュールと前記ヒートシンクとの間に設けられた熱伝導性絶縁樹脂シートと、前記パワーモジュールおよび前記ヒートシンクの少なくとも一方側に設けられ、前記熱伝導性絶縁樹脂シートの厚みを規定するシート厚み規定部材と、前記熱伝導性絶縁樹脂シートの周縁部に設けられ、前記ヒートシンクの被接着面に対して平行方向に伸展され、その高さが前記熱伝導性絶縁樹脂シートの厚みと同等以下である絶縁性を有するシート体積増減吸収部とを設けたものである。
【００１５】
また、この発明に係わる電力用半導体装置は、半導体素子と金属配線部材とがはんだ接合され、前記金属配線部材の少なくとも1面が表面に露出するようモールド樹脂で覆われ
て構成されたパワーモジュールと、前記金属配線部材の露出面側の前記パワーモジュール面と相対して配置されたヒートシンクと、前記パワーモジュールと前記ヒートシンクとの間に設けられた熱伝導性絶縁樹脂シートと、前記パワーモジュールおよび前記ヒートシンクの少なくとも一方側に設けられ、前記熱伝導性絶縁樹脂シートの厚みを規定するシート厚み規定部材と、前記熱伝導性絶縁樹脂シートの周縁部に設けられ、前記ヒートシンクの被接着面に対して垂直方向に伸展され、前記パワーモジュールの側面に接着された絶縁性を有するシート体積増減吸収部とを設けたものである。
【００１６】
また、この発明に係わる電力用半導体装置は、半導体素子と金属配線部材とがはんだ接合され、前記金属配線部材の少なくとも1面が表面に露出するようモールド樹脂で覆われ
て構成されたパワーモジュールと、前記金属配線部材の露出面側の前記パワーモジュール面と相対して配置されたヒートシンクと、前記パワーモジュールと前記ヒートシンクとの間に設けられた熱伝導性絶縁樹脂シートと、前記パワーモジュールおよび前記ヒートシンクの少なくとも一方側に設けられ、前記熱伝導性絶縁樹脂シートの厚みを規定するシート厚み規定部材と、前記パワーモジュールの側面に位置する前記ヒートシンクの被接着面に形成されたヒートシンク凹部と、前記熱伝導性絶縁樹脂シートの周縁部に設けられ、前記ヒートシンクに形成されたヒートシンク凹部に一方側が挿着され、他方側が前記ヒートシ
ンクの被接着面に対して垂直方向に伸展され、前記パワーモジュールの側面に接着された絶縁性を有するシート体積増減吸収部とを設けたものである。
【発明の効果】
【００１７】
この発明に係わる電力用半導体装置によれば、熱伝導性が安定して確保され、かつボイドが抑制されて良好な電気絶縁性が確保された熱伝導性絶縁樹脂層を有する電力用半導体装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】この発明の実施の形態１に係わる電力用半導体装置を示す断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係わる電力用半導体装置を示す断面図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係わる電力用半導体装置を示す断面図である。
【図４】この発明の実施の形態２に係わる電力用半導体装置を示す断面図である。
【図５】この発明の実施の形態３に係わる電力用半導体装置を示す断面図である。
【図６】この発明の実施の形態４に係わる電力用半導体装置を示す断面図である。
【図７】この発明の実施の形態５に係わる電力用半導体装置を示す断面図である。
【図８】この発明の実施の形態６に係わる電力用半導体装置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図１ないし図３に基づいて説明するが、各図において、同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。図１はこの発明の実施の形態１に係わる電力用半導体装置を示す断面図である。図２はこの発明の実施の形態１に係わる電力用半導体装置を示す断面図である。図３はこの発明の実施の形態１に係わる電力用半導体装置を示す断面図である。
【００２０】
これら各図において、半導体素子１は例えばインバータやコンバータ等を構成するＩＧＢＴ素子のような発熱性の電力用素子からなる構成されている。半導体素子１の上面と主端子２ａは半田３によりはんだ付けされており、半導体素子１の下面と金属配線部材４とは半田５によりはんだ付けされている。また、主端子２ｂと金属配線部材４もはんだ付けされている。
【００２１】
これら半導体素子１、主端子２ａ，２ｂ、金属配線部材４をモールド樹脂６に覆ってパワーモジュール７を形成している。なお、金属配線部材４の反半導体素子側の面はパワーモジュール７より露出しており、主端子２ａ，２ｂの他端部はパワーモジュール７の外部、すなわち、モールド樹脂６より外側へ突出されている。
【００２２】
金属配線部材４は、電極としての役割と、ヒートスプレッダとしての役割とを有する。すなわち、上述のように半田５にて金属配線部材４に接合された半導体素子１にて発生した熱は、半田５を介して金属配線部材４の全体に広がり、金属配線部材４は放熱性を向上させる。
【００２３】
また、この金属配線部材４に主端子２ａを電気的に接続することによって、半導体素子１に通電が行われる。このような２つの役割から、金属配線部材４の材料としては、熱伝導性及び電気伝導性の良いものが好ましく、例えば銅や、半田付け可能なようにニッケルメッキされたアルミニウム等を用いることができる。もちろん、これらの材料に限らず、熱及び電気を伝える材料であれば、他の材料を用いてもよい。なお、金属配線部材４には半導体素子１の動作中に電位が発生する構成となっている。
【００２４】
一方、金属配線部材４の露出面側のパワーモジュール７面と相対して配置されたヒート
シンク８は、例えばアルミニウムや銅など導電性の金属で構成されており、更に、ヒートシンク８内を流れる導電性溶液を通じて例えばラジエターなど周辺部品とも接続されている状態で冷却を行うのが水冷方式の通例である。
【００２５】
ここで、ヒートシンク８の金属面に電位が発生し電流が流れると、上述の通り周辺部品とも導通し、最悪の場合、アースと短絡故障する可能性があるため、ヒートシンク８はパワーモジュール７と絶縁する必要がある。
【００２６】
そこで、パワーモジュール７とヒートシンク８との間に熱伝導性絶縁樹脂シート９を設けている。この熱伝導性絶縁樹脂シート９は、パワーモジュール７とヒートシンク８のいずれかの面に設置され、図示しない真空式ヒータープレス装置などで減圧下において加熱しながら加圧し、樹脂を完全に硬化させる。
【００２７】
真空式ヒータープレス装置を用いる理由としては、熱伝導性絶縁樹脂シート９を加熱して、軟化させた期間に加圧力を加え、ボイドを潰しこみながら接着するためである。また、真空式ヒータープレス装置を用いる理由としては、減圧化で圧力を加えることで、熱伝導性絶縁樹脂シート９とヒートシンク８や、熱伝導性絶縁樹脂シート９とパワーモジュール７の間に空気層の挟みこみを防止できるためである。
【００２８】
パワーモジュール７およびヒートシンク８の少なくとも一方側に熱伝導性絶縁樹脂シート９の厚みを規定するシート厚み規定部材１０が設けられている。図は一例として、パワーモジュール７の裏面に一体的に設けられた場合を示している。なお、シート厚み規定部材１０はパワーモジュール７と相対するヒートシンク８の面に設けてもよいことは勿論のことである。
【００２９】
熱伝導性絶縁樹脂シート９の周縁部近傍に絶縁性を有するシート体積増減吸収部１１が設けられている。図１においては、熱伝導性絶縁樹脂シート９の周縁部がパワーモジュール７の側部に位置し、シート体積増減吸収部１１がパワーモジュール７の側部に位置する熱伝導性絶縁樹脂シート９の周縁部に配置されている。すなわち、パワーモジュール７の側部の外側でヒートシンク８の被接着面に対して平行方向に伸展された場合を示している。また、シート体積増減吸収部１１は絶縁性を有する熱伝導樹脂シートで構成された場合を示している。
【００３０】
熱伝導性絶縁樹脂シート９は、所定のシート厚みに応じた例えばパワーモジュール７の裏面に少なくとも３ヶ所に設けたシート厚み規定凸部１０の高さでシート厚みを規定し、硬化プロセス中に発生するパワーモジュール７、またはヒートシンク８の面内分布によるシート厚みの増減を、加熱加圧中にシート体積増減吸収部１１側へ滲み出すことによりその増減分を吸収することで、所定のシート厚み範囲内に収めながら接着面の全面に熱伝導性絶縁樹脂シート９が充填され、垂直方向の絶縁性も確保出来るようにしている。
【００３１】
この時、熱伝導性絶縁樹脂シート９が軟化して加圧によりパワーモジュール７の周囲にはみ出す程度の加圧力を加えることで、熱伝導性絶縁樹脂シート９はボイドの潰しこみ作用が発揮され、絶縁性が飛躍的に高まるが、反面厚みが薄くなっていき、結果的に貫通方向の絶縁距離が小さくなり、より短い期間や低い電圧で絶縁破壊するような絶縁状態しか得られなくなっては問題外である。この防止のためには、この発明のように、少なくともシート厚み規定凸部１０の高さでシート厚みを規定するなど、熱伝導性絶縁樹脂シート９の潰れすぎを防止することが必要である。
【００３２】
ここで、シート体積増減吸収部１１の高さは接着面のシート厚みと同等または小さくし、水平方向の距離を熱伝導性絶縁樹脂シート９の増減分の最悪想定値で設定することで、
滲み出し量がシート体積増減吸収部１１で収まるように設定する。なお、シート体積増減吸収部１１とは、例えばパワーモジュール７の底面に周囲に設けた段差であり、例えばシート厚み規定凸部１０と同じか若干低い壁のような領域を設けることで構成される。
【００３３】
このようなシート体積増減吸収部１１を設ける理由としては、パワーモジュール７の底面から熱伝導性絶縁樹脂シート９がはみ出すほどにまで変形すると、圧力が開放されてしまい、ボイド低減効果がないことが挙げられる。
【００３４】
すなわち、軟化した絶縁樹脂はパワーモジュール７の底面の外に出て行き続けることで、パワーモジュール７の底面の下にとどまる樹脂の重量は減ってしまい、結果として熱伝導性絶縁樹脂シート９にかかる圧力が抜けてしまい、ボイドを潰しこむ作用が不十分となってしまう。
【００３５】
これに対して、シート体積増減吸収部１１を設けた場合、シート体積増減吸収部１１を絶縁樹脂が満たし、その外側へはみ出すまでの期間は、パワーモジュール７の底面に接した部分の絶縁樹脂には加圧力が十分かかり、圧力抜けが防止できる。
【００３６】
そして、シート厚み規定凸部１０により規定される隙間量およびシート体積増減吸収部１１により規定される空間の体積が、熱伝導性絶縁樹脂シート９のもともとの体積と同等程度にしておくことで、そのようなシート体積増減吸収部１１を超えた時の熱伝導性絶縁樹脂シート９の大量流出を防止することができる。
【００３７】
ここで、シート体積増減吸収部１１はモールド樹脂６で形成するか、絶縁性樹脂枠１２のように別部材の枠を構成するほうが、絶縁距離の損がなく有利であるが、シート体積増減吸収部１１は、図２に示すように、モールド樹脂６底面を突出させてパワーモジュール裏面凸部１３を形成してもよいし、図３に示すように、ヒートシンク８の一部を突出させてヒートシンク凸部１４を形成してもよい。
【００３８】
熱伝導性絶縁樹脂シート９の材料としては、例えばエポキシ樹脂やシリコーン樹脂、ポリイミド樹脂のような熱硬化性の樹脂が好ましい。熱伝導性絶縁樹脂シート９にはフィラーを含浸させることで、熱伝導率を格段に向上させることができるが、そのような材料としては、アルミナ、窒化ボロン、窒化シリコン、窒化アルミなどがある。フィラーの含有率としては、体積％で５０％〜８０％程度が良好であった。
【００３９】
すなわち、５０％以下であると熱伝導率が低い。８０％以上、特に９０％以上では、ボロボロと脆い物質となり、容易に成形できなかった。８０％以上では、適切なフィラー粒径分布の配合比を選択しないと、十分な混ぜ込みができず、ボイドが残りやすかった。熱伝導性絶縁樹脂シート９の厚みとしては、およそ１００μｍから５００μｍ程度が好ましかった。
【００４０】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２を図４に基づいて説明するが、図において、同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。図４はこの発明の実施の形態２に係る電力用半導体装置を示す断面図である。
【００４１】
この実施の形態２の電力用半導体装置によれば、シート体積増減吸収部１１とパワーモジュール７の側面、およびシート体積増減吸収部１１とヒートシンク８のとの交差部を完全に覆い、その外形が変曲点をもたない滑らかな面の応力緩和樹脂層１５を設けている。
【００４２】
この応力緩和樹脂層１５を設けることにより、パワーモジュール７の角部と熱伝導性絶
縁樹脂シート９界面の角部がほぼ90°で接着しており、形状変化が急峻なことによる熱応力集中を緩和でき、接着界面の信頼性が向上する。ここでの応力緩和樹脂層１５の材料としては、ポリイミド系樹脂などが好ましい。
【００４３】
このような応力緩和樹脂層１５は、熱伝導性絶縁樹脂シート９を接着後に、パワーモジュール７の周囲に例えばディスペンスなどで供給し、キュアを行う。工程簡略化のために熱伝導性絶縁樹脂シート９と応力緩和樹脂層１５のキュアを同時に行うなどしてもよい。
【００４４】
熱伝導性絶縁樹脂シート９の端部がパワーモジュール７の端部と同じか内側に入り込んでいるときが、熱応力が高い状態であるが、熱伝導性絶縁樹脂シート９がパワーモジュール７の底面からはみ出していると、熱伝導性絶縁樹脂シート９に与える圧力を低減させることにもなるため、熱伝導性絶縁樹脂シート９の端部には熱応力の集中する部分が形成される。ところで、応力緩和樹脂層１５を設けることにより、そのような熱伝導性絶縁樹脂シート９の端部の応力集中を緩和させることができる。
【００４５】
すなわち、ここで問題としているのは、パワーモジュール７とヒートシンク８の線膨張係数の差により生じる熱応力によって、熱伝導性絶縁樹脂シート９が剥離する現象である。その防止のためには熱応力の低減が必要であり、そのような作用を実現するために、応力緩和樹脂層１５の追加が有効である。この場合、熱伝導性絶縁樹脂シート９の剥離代を追加しなくても所定のサイクル数の耐久性を実現できるため、電力用半導体装置を小型化することができる。
【００４６】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３を図５に基づいて説明するが、図において、同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。図５はこの発明の実施の形態２に係る電力用半導体装置を示す断面図である。
【００４７】
この実施の形態３の電力用半導体装置によれば、シート体積増減吸収部１１はパワーモジュール７の側面に沿って厚み方向の高さをシート増減分のパラメータと置き換えることで吸収する構造としている。
【００４８】
その利点は以下の２点のような理由による。第1は、電力用半導体装置で自動車のモー
ター駆動用途などの場合には、小型化、軽量化が自動車の基本性能である燃費に直結するため重要な要素となってくる。通常、半導体素子１が２個または４個搭載されているパワーモジュール７は、複数台を並べて３相モーター駆動用とすることで成立しているため、各パワーモジュール７間の距離は可能な限り近付けることが必須となるためである。
【００４９】
第２は、シート部への熱応力に対する信頼性、絶縁性に関与する。パワーモジュール７とヒートシンク８は必ずしも同材料の構成とはならず、例えばパワーモジュール７内の金属配線部材４が銅の場合は、モールド樹脂６も銅の線膨張率に合わせることでパワーモジュール７内の半田３，５の信頼性を確保することが一般的であるため、パワーモジュール７としてはほぼ銅の線膨張率（16*10^-6/℃）と等価なのに対し、ヒートシンク８がアルミニウム（23*10^-6/℃）であった場合にはその間に挟まれる熱伝導性絶縁樹脂シート９がその線膨張率差を吸収する必要がある。
【００５０】
この時、上述した実施の形態１におけるシート体積増減吸収部１１とモールド樹脂６の端部から剥離が進展し、電位の発生する金属配線部材４まで到達した場合、金属配線部材４とヒートシンク８間は沿面距離次第で放電する可能性がある。
【００５１】
ここで、この沿面距離確保のために、この実施の形態３においては、熱伝導性絶縁樹脂
シート９の周縁部に設けられ、ヒートシンク８の被接着面に対して垂直方向に伸展され、パワーモジュール７の側面に接着された絶縁性を有するシート体積増減吸収部１６としている。なお、シート体積増減吸収部１６は絶縁性を有する熱伝導樹脂シートで構成された場合を示している。また、シート体積増減吸収部１６には絶縁性樹脂枠１７が設けられている。
【００５２】
このように、シート体積増減吸収部１６をヒートシンク８の被接着面に対して垂直方向に配置することにより、シート体積増減吸収部１６の水平方向への距離を抑えながら沿面距離の確保が可能になる。以上の理由より、シート体積増減吸収部１６のパワーモジュール７の水平方向へのサイズ拡大を抑えることで、商品力の向上に繋がる。
【００５３】
実施の形態４．
この発明の実施の形態４を図６に基づいて説明するが、図において、同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。図６はこの発明の実施の形態２に係る電力用半導体装置を示す断面図である。
【００５４】
この実施の形態４の電力用半導体装置によれば、シート体積増減吸収部１６とパワーモジュール７の側面、およびシート体積増減吸収部１６とヒートシンク８のとの交差部を完全に覆い、その外形が変曲点をもたない滑らかな面の応力緩和樹脂層１８を設けている。
【００５５】
この応力緩和樹脂層１８を設けることにより、パワーモジュール７の角部と熱伝導性絶縁樹脂シート９界面の角部がほぼ90°で接着しており、形状変化が急峻なことによる熱応力集中を緩和でき、接着界面の信頼性が向上する。ここでの応力緩和樹脂層１８の材料としては、ポリイミド系樹脂などが好ましい。
【００５６】
実施の形態５．
この発明の実施の形態５を図７に基づいて説明するが、図において、同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。図７はこの発明の実施の形態２に係る電力用半導体装置を示す断面図である。
【００５７】
この実施の形態５の電力用半導体装置によれば、パワーモジュール７の側面に位置するヒートシンク８の被接着面にヒートシンク凹部１９が形成されている。シート体積増減吸収部１６の一方側が挿着され、他方側がヒートシンク８の被接着面に対して垂直方向に伸展されている。
【００５８】
ヒートシンク８の被接着面に形成されたヒートシンク凹部１９にシート体積増減吸収部１６の垂直方向下部の一方側が挿着されることにより、シート体積増減吸収部１６とモールド樹脂６の端部から剥離が進展し、電位の発生する金属配線部材４まで到達した場合に、ヒートシンク８のシート被着面と垂直方向分の沿面距離を確保出来るため、ヒートシンク８のシート被着面の水平方向距離を更に縮めることが可能となり、シート体積増減吸収部１６の水平方向への必要なサイズを最小限に抑えながら沿面距離を確保出来る。
【００５９】
実施の形態６．
この発明の実施の形態６を図８に基づいて説明するが、図において、同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。図８はこの発明の実施の形態２に係る電力用半導体装置を示す断面図である。
【００６０】
この実施の形態６の電力用半導体装置によれば、シート体積増減吸収部１６とパワーモジュール７の側面、およびシート体積増減吸収部１６とヒートシンク８のとの交差部を完全に覆い、その外形が変曲点をもたない滑らかな面の応力緩和樹脂層１８を設けている。
【００６１】
この応力緩和樹脂層１８を設けることにより、パワーモジュール７の角部と熱伝導性絶縁樹脂シート９界面の角部がほぼ90°で接着しており、形状変化が急峻なことによる熱応力集中を緩和でき、接着界面の信頼性が向上する。ここでの応力緩和樹脂層１８の材料としては、ポリイミド系樹脂などが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
この発明は、熱伝導性が安定して確保され、かつボイドが抑制されて良好な電気絶縁性が確保された熱伝導性絶縁樹脂層を有する電力用半導体装置の実現に好適である。
【符号の説明】
【００６３】
１ 半導体素子
４ 金属配線部材
６ モールド樹脂
７ パワーモジュール
８ ヒートシンク
９ 熱伝導性絶縁樹脂シート
１０ シート厚み規定部材
１１ シート体積増減吸収部
１５ 応力緩和樹脂層
１６ シート体積増減吸収部
１８ 応力緩和樹脂層
１９ ヒートシンク凹部
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば発熱体から放熱部材へ熱を伝達させるために用いる熱伝導性絶縁部材を用いた電力用半導体装置に関し、特に電力用半導体素子等の発熱体からの熱を放熱部材に伝達させ、かつ絶縁層としても機能する熱伝導性樹脂層を形成するための電力用半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、電気・電子機器の発熱部から放熱部材へ熱を伝達させる熱伝導性樹脂層には、高熱伝導性、絶縁性、接着性の要求から、熱硬化性樹脂に無機充填材を添加した熱伝導性樹脂組成物が用いられている。
【０００３】
電力用半導体装置においては、電力用半導体素子を搭載したパワーモジュールの金属電極の裏面と放熱部となるヒートシンクとの間に設ける熱伝導性樹脂層として、無機充填材を含有した熱硬化性樹脂シートや塗布膜が用いられている。
【０００４】
このとき、ヒートシンクの固着面の少なくとも一部に凹凸部を形成することにより、熱伝導性絶縁樹脂シートとの接触面の表面積が増大するので、パワーモジュールとヒートシンクとの固着強度が高くなり、接続の信頼性の向上を図るようにしている。（特許文献１参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２４３８７７号公報
【特許文献２】特開２００４−１６５２８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した電力用半導体装置においての熱伝導性絶縁樹脂シートは、高耐圧特性が要求され、熱伝導性絶縁樹脂シート中のボイドが耐圧を低下させる要因となっている。
【０００７】
この対策として、例えば、トランスファーモールド型パワーモジュールの熱伝導性絶縁樹脂シートの生成工程においては、未硬化状態の熱伝導性樹脂を加熱して硬化させる際に、１０ＭＰａにも及ぶ圧力を印加して熱伝導性絶縁樹脂シート内に内在するボイドを潰すことにより耐圧を向上させている。（特許文献２参照）
【０００８】
すなわち、所謂パッショエンの法則に示されているように、絶縁層中の気泡サイズと、放電電圧の相関関係があるため、ボイドサイズを小さくすることが放電が起きる電圧を高めることにつながるためである。このためにはボイドを小さく潰しこむ工程を経ることが有効である。また、熱伝導性絶縁樹脂シートが硬化するまえの軟化しているタイミングでの加圧が有効である。
【０００９】
また、高放熱性も要求され、放熱性能は熱伝導性絶縁樹脂シートの熱伝導率と厚みでほぼ決定されることから、この両パラメータの管理も重要な要素となる。
【００１０】
パワーモジュールとヒートシンクとの間における熱伝導性絶縁樹脂シートによる接着工程においても、ボイドによる耐圧低下防止のため熱伝導性絶縁樹脂シートを加熱しながら
加圧する必要がある。
【００１１】
この時、パワーモジュール及びヒートシンクは変形することが想定されるが、この変形に対して熱伝導絶縁樹脂シートが体積的に吸収しながらパワーモジュールの金属電極の裏面及びヒートシンクの表面と接着し、更に硬化後のシート形状を規定しなければならないという問題がある。
【００１２】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、熱伝導性が安定して確保され、かつボイドが抑制されて良好な電気絶縁性が確保された熱伝導性絶縁樹脂層を有する電力用半導体装を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この発明に係わる電力用半導体装置は、半導体素子と金属配線部材とがはんだ接合され、前記金属配線部材の少なくとも1面が表面に露出するようモールド樹脂で覆われて構成されたパワーモジュールと、前記金属配線部材の露出面側の前記パワーモジュール面と相対して配置されたヒートシンクと、前記パワーモジュールと前記ヒートシンクとの間に設けられた熱伝導性絶縁樹脂シートと、前記パワーモジュールおよび前記ヒートシンクの少なくとも一方側に設けられ、前記熱伝導性絶縁樹脂シートの厚みを規定するシート厚み規定部材と、前記熱伝導性絶縁樹脂シートの周縁部近傍に設けられた絶縁性を有するシート体積増減吸収部とを設けたものである。
【００１４】
また、この発明に係わる電力用半導体装置は、半導体素子と金属配線部材とがはんだ接合され、前記金属配線部材の少なくとも1面が表面に露出するようモールド樹脂で覆われ
て構成されたパワーモジュールと、前記金属配線部材の露出面側の前記パワーモジュール面と相対して配置されたヒートシンクと、前記パワーモジュールと前記ヒートシンクとの間に設けられた熱伝導性絶縁樹脂シートと、前記パワーモジュールおよび前記ヒートシンクの少なくとも一方側に設けられ、前記熱伝導性絶縁樹脂シートの厚みを規定するシート厚み規定部材と、前記熱伝導性絶縁樹脂シートの周縁部に設けられ、前記ヒートシンクの被接着面に対して平行方向に伸展され、その高さが前記熱伝導性絶縁樹脂シートの厚みと同等以下である絶縁性を有するシート体積増減吸収部とを設けたものである。
【００１５】
また、この発明に係わる電力用半導体装置は、半導体素子と金属配線部材とがはんだ接合され、前記金属配線部材の少なくとも1面が表面に露出するようモールド樹脂で覆われ
て構成されたパワーモジュールと、前記金属配線部材の露出面側の前記パワーモジュール面と相対して配置されたヒートシンクと、前記パワーモジュールと前記ヒートシンクとの間に設けられた熱伝導性絶縁樹脂シートと、前記パワーモジュールおよび前記ヒートシンクの少なくとも一方側に設けられ、前記熱伝導性絶縁樹脂シートの厚みを規定するシート厚み規定部材と、前記熱伝導性絶縁樹脂シートの周縁部に設けられ、前記ヒートシンクの被接着面に対して垂直方向に伸展され、前記パワーモジュールの側面に接着された絶縁性を有するシート体積増減吸収部とを設けたものである。
【００１６】
また、この発明に係わる電力用半導体装置は、半導体素子と金属配線部材とがはんだ接合され、前記金属配線部材の少なくとも1面が表面に露出するようモールド樹脂で覆われ
て構成されたパワーモジュールと、前記金属配線部材の露出面側の前記パワーモジュール面と相対して配置されたヒートシンクと、前記パワーモジュールと前記ヒートシンクとの間に設けられた熱伝導性絶縁樹脂シートと、前記パワーモジュールおよび前記ヒートシンクの少なくとも一方側に設けられ、前記熱伝導性絶縁樹脂シートの厚みを規定するシート厚み規定部材と、前記パワーモジュールの側面に位置する前記ヒートシンクの被接着面に形成されたヒートシンク凹部と、前記熱伝導性絶縁樹脂シートの周縁部に設けられ、前記ヒートシンクに形成されたヒートシンク凹部に一方側が挿着され、他方側が前記ヒートシ
ンクの被接着面に対して垂直方向に伸展され、前記パワーモジュールの側面に接着された絶縁性を有するシート体積増減吸収部とを設けたものである。
【発明の効果】
【００１７】
この発明に係わる電力用半導体装置によれば、熱伝導性が安定して確保され、かつボイドが抑制されて良好な電気絶縁性が確保された熱伝導性絶縁樹脂層を有する電力用半導体装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】この発明の実施の形態１に係わる電力用半導体装置を示す断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係わる電力用半導体装置を示す断面図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係わる電力用半導体装置を示す断面図である。
【図４】この発明の実施の形態２に係わる電力用半導体装置を示す断面図である。
【図５】この発明の実施の形態３に係わる電力用半導体装置を示す断面図である。
【図６】この発明の実施の形態４に係わる電力用半導体装置を示す断面図である。
【図７】この発明の実施の形態５に係わる電力用半導体装置を示す断面図である。
【図８】この発明の実施の形態６に係わる電力用半導体装置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図１ないし図３に基づいて説明するが、各図において、同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。図１はこの発明の実施の形態１に係わる電力用半導体装置を示す断面図である。図２はこの発明の実施の形態１に係わる電力用半導体装置を示す断面図である。図３はこの発明の実施の形態１に係わる電力用半導体装置を示す断面図である。
【００２０】
これら各図において、半導体素子１は例えばインバータやコンバータ等を構成するＩＧＢＴ素子のような発熱性の電力用素子からなる構成されている。半導体素子１の上面と主端子２ａは半田３によりはんだ付けされており、半導体素子１の下面と金属配線部材４とは半田５によりはんだ付けされている。また、主端子２ｂと金属配線部材４もはんだ付けされている。
【００２１】
これら半導体素子１、主端子２ａ，２ｂ、金属配線部材４をモールド樹脂６に覆ってパワーモジュール７を形成している。なお、金属配線部材４の反半導体素子側の面はパワーモジュール７より露出しており、主端子２ａ，２ｂの他端部はパワーモジュール７の外部、すなわち、モールド樹脂６より外側へ突出されている。
【００２２】
金属配線部材４は、電極としての役割と、ヒートスプレッダとしての役割とを有する。すなわち、上述のように半田５にて金属配線部材４に接合された半導体素子１にて発生した熱は、半田５を介して金属配線部材４の全体に広がり、金属配線部材４は放熱性を向上させる。
【００２３】
また、この金属配線部材４に主端子２ａを電気的に接続することによって、半導体素子１に通電が行われる。このような２つの役割から、金属配線部材４の材料としては、熱伝導性及び電気伝導性の良いものが好ましく、例えば銅や、半田付け可能なようにニッケルメッキされたアルミニウム等を用いることができる。もちろん、これらの材料に限らず、熱及び電気を伝える材料であれば、他の材料を用いてもよい。なお、金属配線部材４には半導体素子１の動作中に電位が発生する構成となっている。
【００２４】
一方、金属配線部材４の露出面側のパワーモジュール７面と相対して配置されたヒート
シンク８は、例えばアルミニウムや銅など導電性の金属で構成されており、更に、ヒートシンク８内を流れる導電性溶液を通じて例えばラジエターなど周辺部品とも接続されている状態で冷却を行うのが水冷方式の通例である。
【００２５】
ここで、ヒートシンク８の金属面に電位が発生し電流が流れると、上述の通り周辺部品とも導通し、最悪の場合、アースと短絡故障する可能性があるため、ヒートシンク８はパワーモジュール７と絶縁する必要がある。
【００２６】
そこで、パワーモジュール７とヒートシンク８との間に熱伝導性絶縁樹脂シート９を設けている。この熱伝導性絶縁樹脂シート９は、パワーモジュール７とヒートシンク８のいずれかの面に設置され、図示しない真空式ヒータープレス装置などで減圧下において加熱しながら加圧し、樹脂を完全に硬化させる。
【００２７】
真空式ヒータープレス装置を用いる理由としては、熱伝導性絶縁樹脂シート９を加熱して、軟化させた期間に加圧力を加え、ボイドを潰しこみながら接着するためである。また、真空式ヒータープレス装置を用いる理由としては、減圧化で圧力を加えることで、熱伝導性絶縁樹脂シート９とヒートシンク８や、熱伝導性絶縁樹脂シート９とパワーモジュール７の間に空気層の挟みこみを防止できるためである。
【００２８】
パワーモジュール７およびヒートシンク８の少なくとも一方側に熱伝導性絶縁樹脂シート９の厚みを規定するシート厚み規定部材１０が設けられている。図は一例として、パワーモジュール７の裏面に一体的に設けられた場合を示している。なお、シート厚み規定部材１０はパワーモジュール７と相対するヒートシンク８の面に設けてもよいことは勿論のことである。
【００２９】
熱伝導性絶縁樹脂シート９の周縁部近傍に絶縁性を有するシート体積増減吸収部１１が設けられている。図１においては、熱伝導性絶縁樹脂シート９の周縁部がパワーモジュール７の側部に位置し、シート体積増減吸収部１１がパワーモジュール７の側部に位置する熱伝導性絶縁樹脂シート９の周縁部に配置されている。すなわち、パワーモジュール７の側部の外側でヒートシンク８の被接着面に対して平行方向に伸展された場合を示している。また、シート体積増減吸収部１１は絶縁性を有する熱伝導樹脂シートで構成された場合を示している。
【００３０】
熱伝導性絶縁樹脂シート９は、所定のシート厚みに応じた例えばパワーモジュール７の裏面に少なくとも３ヶ所に設けたシート厚み規定凸部１０の高さでシート厚みを規定し、硬化プロセス中に発生するパワーモジュール７、またはヒートシンク８の面内分布によるシート厚みの増減を、加熱加圧中にシート体積増減吸収部１１側へ滲み出すことによりその増減分を吸収することで、所定のシート厚み範囲内に収めながら接着面の全面に熱伝導性絶縁樹脂シート９が充填され、垂直方向の絶縁性も確保出来るようにしている。
【００３１】
この時、熱伝導性絶縁樹脂シート９が軟化して加圧によりパワーモジュール７の周囲にはみ出す程度の加圧力を加えることで、熱伝導性絶縁樹脂シート９はボイドの潰しこみ作用が発揮され、絶縁性が飛躍的に高まるが、反面厚みが薄くなっていき、結果的に貫通方向の絶縁距離が小さくなり、より短い期間や低い電圧で絶縁破壊するような絶縁状態しか得られなくなっては問題外である。この防止のためには、この発明のように、少なくともシート厚み規定凸部１０の高さでシート厚みを規定するなど、熱伝導性絶縁樹脂シート９の潰れすぎを防止することが必要である。
【００３２】
ここで、シート体積増減吸収部１１の高さは接着面のシート厚みと同等または小さくし、水平方向の距離を熱伝導性絶縁樹脂シート９の増減分の最悪想定値で設定することで、
滲み出し量がシート体積増減吸収部１１で収まるように設定する。なお、シート体積増減吸収部１１とは、例えばパワーモジュール７の底面に周囲に設けた段差であり、例えばシート厚み規定凸部１０と同じか若干低い壁のような領域を設けることで構成される。
【００３３】
このようなシート体積増減吸収部１１を設ける理由としては、パワーモジュール７の底面から熱伝導性絶縁樹脂シート９がはみ出すほどにまで変形すると、圧力が開放されてしまい、ボイド低減効果がないことが挙げられる。
【００３４】
すなわち、軟化した絶縁樹脂はパワーモジュール７の底面の外に出て行き続けることで、パワーモジュール７の底面の下にとどまる樹脂の重量は減ってしまい、結果として熱伝導性絶縁樹脂シート９にかかる圧力が抜けてしまい、ボイドを潰しこむ作用が不十分となってしまう。
【００３５】
これに対して、シート体積増減吸収部１１を設けた場合、シート体積増減吸収部１１を絶縁樹脂が満たし、その外側へはみ出すまでの期間は、パワーモジュール７の底面に接した部分の絶縁樹脂には加圧力が十分かかり、圧力抜けが防止できる。
【００３６】
そして、シート厚み規定凸部１０により規定される隙間量およびシート体積増減吸収部１１により規定される空間の体積が、熱伝導性絶縁樹脂シート９のもともとの体積と同等程度にしておくことで、そのようなシート体積増減吸収部１１を超えた時の熱伝導性絶縁樹脂シート９の大量流出を防止することができる。
【００３７】
ここで、シート体積増減吸収部１１はモールド樹脂６で形成するか、絶縁性樹脂枠１２のように別部材の枠を構成するほうが、絶縁距離の損がなく有利であるが、シート体積増減吸収部１１は、図２に示すように、モールド樹脂６底面を突出させてパワーモジュール裏面凸部１３を形成してもよいし、図３に示すように、ヒートシンク８の一部を突出させてヒートシンク凸部１４を形成してもよい。
【００３８】
熱伝導性絶縁樹脂シート９の材料としては、例えばエポキシ樹脂やシリコーン樹脂、ポリイミド樹脂のような熱硬化性の樹脂が好ましい。熱伝導性絶縁樹脂シート９にはフィラーを含浸させることで、熱伝導率を格段に向上させることができるが、そのような材料としては、アルミナ、窒化ボロン、窒化シリコン、窒化アルミなどがある。フィラーの含有率としては、体積％で５０％〜８０％程度が良好であった。
【００３９】
すなわち、５０％以下であると熱伝導率が低い。８０％以上、特に９０％以上では、ボロボロと脆い物質となり、容易に成形できなかった。８０％以上では、適切なフィラー粒径分布の配合比を選択しないと、十分な混ぜ込みができず、ボイドが残りやすかった。熱伝導性絶縁樹脂シート９の厚みとしては、およそ１００μｍから５００μｍ程度が好ましかった。
【００４０】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２を図４に基づいて説明するが、図において、同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。図４はこの発明の実施の形態２に係る電力用半導体装置を示す断面図である。
【００４１】
この実施の形態２の電力用半導体装置によれば、シート体積増減吸収部１１とパワーモジュール７の側面、およびシート体積増減吸収部１１とヒートシンク８のとの交差部を完全に覆い、その外形が変曲点をもたない滑らかな面の応力緩和樹脂層１５を設けている。
【００４２】
この応力緩和樹脂層１５を設けることにより、パワーモジュール７の角部と熱伝導性絶
縁樹脂シート９界面の角部がほぼ90°で接着しており、形状変化が急峻なことによる熱応力集中を緩和でき、接着界面の信頼性が向上する。ここでの応力緩和樹脂層１５の材料としては、ポリイミド系樹脂などが好ましい。
【００４３】
このような応力緩和樹脂層１５は、熱伝導性絶縁樹脂シート９を接着後に、パワーモジュール７の周囲に例えばディスペンスなどで供給し、キュアを行う。工程簡略化のために熱伝導性絶縁樹脂シート９と応力緩和樹脂層１５のキュアを同時に行うなどしてもよい。
【００４４】
熱伝導性絶縁樹脂シート９の端部がパワーモジュール７の端部と同じか内側に入り込んでいるときが、熱応力が高い状態であるが、熱伝導性絶縁樹脂シート９がパワーモジュール７の底面からはみ出していると、熱伝導性絶縁樹脂シート９に与える圧力を低減させることにもなるため、熱伝導性絶縁樹脂シート９の端部には熱応力の集中する部分が形成される。ところで、応力緩和樹脂層１５を設けることにより、そのような熱伝導性絶縁樹脂シート９の端部の応力集中を緩和させることができる。
【００４５】
すなわち、ここで問題としているのは、パワーモジュール７とヒートシンク８の線膨張係数の差により生じる熱応力によって、熱伝導性絶縁樹脂シート９が剥離する現象である。その防止のためには熱応力の低減が必要であり、そのような作用を実現するために、応力緩和樹脂層１５の追加が有効である。この場合、熱伝導性絶縁樹脂シート９の剥離代を追加しなくても所定のサイクル数の耐久性を実現できるため、電力用半導体装置を小型化することができる。
【００４６】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３を図５に基づいて説明するが、図において、同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。図５はこの発明の実施の形態２に係る電力用半導体装置を示す断面図である。
【００４７】
この実施の形態３の電力用半導体装置によれば、シート体積増減吸収部１１はパワーモジュール７の側面に沿って厚み方向の高さをシート増減分のパラメータと置き換えることで吸収する構造としている。
【００４８】
その利点は以下の２点のような理由による。第1は、電力用半導体装置で自動車のモー
ター駆動用途などの場合には、小型化、軽量化が自動車の基本性能である燃費に直結するため重要な要素となってくる。通常、半導体素子１が２個または４個搭載されているパワーモジュール７は、複数台を並べて３相モーター駆動用とすることで成立しているため、各パワーモジュール７間の距離は可能な限り近付けることが必須となるためである。
【００４９】
第２は、シート部への熱応力に対する信頼性、絶縁性に関与する。パワーモジュール７とヒートシンク８は必ずしも同材料の構成とはならず、例えばパワーモジュール７内の金属配線部材４が銅の場合は、モールド樹脂６も銅の線膨張率に合わせることでパワーモジュール７内の半田３，５の信頼性を確保することが一般的であるため、パワーモジュール７としてはほぼ銅の線膨張率（16*10^-6/℃）と等価なのに対し、ヒートシンク８がアルミニウム（23*10^-6/℃）であった場合にはその間に挟まれる熱伝導性絶縁樹脂シート９がその線膨張率差を吸収する必要がある。
【００５０】
この時、上述した実施の形態１におけるシート体積増減吸収部１１とモールド樹脂６の端部から剥離が進展し、電位の発生する金属配線部材４まで到達した場合、金属配線部材４とヒートシンク８間は沿面距離次第で放電する可能性がある。
【００５１】
ここで、この沿面距離確保のために、この実施の形態３においては、熱伝導性絶縁樹脂
シート９の周縁部に設けられ、ヒートシンク８の被接着面に対して垂直方向に伸展され、パワーモジュール７の側面に接着された絶縁性を有するシート体積増減吸収部１６としている。なお、シート体積増減吸収部１６は絶縁性を有する熱伝導樹脂シートで構成された場合を示している。また、シート体積増減吸収部１６には絶縁性樹脂枠１７が設けられている。
【００５２】
このように、シート体積増減吸収部１６をヒートシンク８の被接着面に対して垂直方向に配置することにより、シート体積増減吸収部１６の水平方向への距離を抑えながら沿面距離の確保が可能になる。以上の理由より、シート体積増減吸収部１６のパワーモジュール７の水平方向へのサイズ拡大を抑えることで、商品力の向上に繋がる。
【００５３】
実施の形態４．
この発明の実施の形態４を図６に基づいて説明するが、図において、同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。図６はこの発明の実施の形態２に係る電力用半導体装置を示す断面図である。
【００５４】
この実施の形態４の電力用半導体装置によれば、シート体積増減吸収部１６とパワーモジュール７の側面、およびシート体積増減吸収部１６とヒートシンク８のとの交差部を完全に覆い、その外形が変曲点をもたない滑らかな面の応力緩和樹脂層１８を設けている。
【００５５】
この応力緩和樹脂層１８を設けることにより、パワーモジュール７の角部と熱伝導性絶縁樹脂シート９界面の角部がほぼ90°で接着しており、形状変化が急峻なことによる熱応力集中を緩和でき、接着界面の信頼性が向上する。ここでの応力緩和樹脂層１８の材料としては、ポリイミド系樹脂などが好ましい。
【００５６】
実施の形態５．
この発明の実施の形態５を図７に基づいて説明するが、図において、同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。図７はこの発明の実施の形態２に係る電力用半導体装置を示す断面図である。
【００５７】
この実施の形態５の電力用半導体装置によれば、パワーモジュール７の側面に位置するヒートシンク８の被接着面にヒートシンク凹部１９が形成されている。シート体積増減吸収部１６の一方側が挿着され、他方側がヒートシンク８の被接着面に対して垂直方向に伸展されている。
【００５８】
ヒートシンク８の被接着面に形成されたヒートシンク凹部１９にシート体積増減吸収部１６の垂直方向下部の一方側が挿着されることにより、シート体積増減吸収部１６とモールド樹脂６の端部から剥離が進展し、電位の発生する金属配線部材４まで到達した場合に、ヒートシンク８のシート被着面と垂直方向分の沿面距離を確保出来るため、ヒートシンク８のシート被着面の水平方向距離を更に縮めることが可能となり、シート体積増減吸収部１６の水平方向への必要なサイズを最小限に抑えながら沿面距離を確保出来る。
【００５９】
実施の形態６．
この発明の実施の形態６を図８に基づいて説明するが、図において、同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。図８はこの発明の実施の形態２に係る電力用半導体装置を示す断面図である。
【００６０】
この実施の形態６の電力用半導体装置によれば、シート体積増減吸収部１６とパワーモジュール７の側面、およびシート体積増減吸収部１６とヒートシンク８のとの交差部を完全に覆い、その外形が変曲点をもたない滑らかな面の応力緩和樹脂層１８を設けている。
【００６１】
この応力緩和樹脂層１８を設けることにより、パワーモジュール７の角部と熱伝導性絶縁樹脂シート９界面の角部がほぼ90°で接着しており、形状変化が急峻なことによる熱応力集中を緩和でき、接着界面の信頼性が向上する。ここでの応力緩和樹脂層１８の材料としては、ポリイミド系樹脂などが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
この発明は、熱伝導性が安定して確保され、かつボイドが抑制されて良好な電気絶縁性が確保された熱伝導性絶縁樹脂層を有する電力用半導体装置の実現に好適である。
【符号の説明】
【００６３】
１ 半導体素子
４ 金属配線部材
６ モールド樹脂
７ パワーモジュール
８ ヒートシンク
９ 熱伝導性絶縁樹脂シート
１０ シート厚み規定部材
１１ シート体積増減吸収部
１５ 応力緩和樹脂層
１６ シート体積増減吸収部
１８ 応力緩和樹脂層
１９ ヒートシンク凹部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と金属配線部材とがはんだ接合され、前記金属配線部材の少なくとも1面が
表面に露出するようモールド樹脂で覆われて構成されたパワーモジュールと、前記金属配線部材の露出面側の前記パワーモジュール面と相対して配置されたヒートシンクと、前記パワーモジュールと前記ヒートシンクとの間に設けられた熱伝導性絶縁樹脂シートと、前記パワーモジュールおよび前記ヒートシンクの少なくとも一方側に設けられ、前記熱伝導性絶縁樹脂シートの厚みを規定するシート厚み規定部材と、前記熱伝導性絶縁樹脂シートの周縁部近傍に設けられた絶縁性を有するシート体積増減吸収部とを備えたことを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項２】
半導体素子と金属配線部材とがはんだ接合され、前記金属配線部材の少なくとも1面が
表面に露出するようモールド樹脂で覆われて構成されたパワーモジュールと、前記金属配線部材の露出面側の前記パワーモジュール面と相対して配置されたヒートシンクと、前記パワーモジュールと前記ヒートシンクとの間に設けられた熱伝導性絶縁樹脂シートと、前記パワーモジュールおよび前記ヒートシンクの少なくとも一方側に設けられ、前記熱伝導性絶縁樹脂シートの厚みを規定するシート厚み規定部材と、前記熱伝導性絶縁樹脂シートの周縁部に設けられ、前記ヒートシンクの被接着面に対して平行方向に伸展され、その高さが前記熱伝導性絶縁樹脂シートの厚みと同等以下である絶縁性を有するシート体積増減吸収部とを備えたことを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項３】
前記シート体積増減吸収部と前記パワーモジュールの側面、および前記シート体積増減吸収部と前記ヒートシンクの交差部を覆う応力緩和樹脂層を設けたことを特徴とする請求項２に記載の電力用半導体装置。
【請求項４】
半導体素子と金属配線部材とがはんだ接合され、前記金属配線部材の少なくとも1面が
表面に露出するようモールド樹脂で覆われて構成されたパワーモジュールと、前記金属配線部材の露出面側の前記パワーモジュール面と相対して配置されたヒートシンクと、前記パワーモジュールと前記ヒートシンクとの間に設けられた熱伝導性絶縁樹脂シートと、前記パワーモジュールおよび前記ヒートシンクの少なくとも一方側に設けられ、前記熱伝導性絶縁樹脂シートの厚みを規定するシート厚み規定部材と、前記熱伝導性絶縁樹脂シートの周縁部に設けられ、前記ヒートシンクの被接着面に対して垂直方向に伸展され、前記パワーモジュールの側面に接着された絶縁性を有するシート体積増減吸収部とを備えたことを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項５】
前記シート体積増減吸収部と前記パワーモジュールの側面、および前記シート体積増減吸収部と前記ヒートシンクの交差部を覆う応力緩和樹脂層を設けたことを特徴とする請求項４に記載の電力用半導体装置。
【請求項６】
半導体素子と金属配線部材とがはんだ接合され、前記金属配線部材の少なくとも1面が
表面に露出するようモールド樹脂で覆われて構成されたパワーモジュールと、前記金属配線部材の露出面側の前記パワーモジュール面と相対して配置されたヒートシンクと、前記パワーモジュールと前記ヒートシンクとの間に設けられた熱伝導性絶縁樹脂シートと、前記パワーモジュールおよび前記ヒートシンクの少なくとも一方側に設けられ、前記熱伝導性絶縁樹脂シートの厚みを規定するシート厚み規定部材と、前記パワーモジュールの側面に位置する前記ヒートシンクの被接着面に形成されたヒートシンク凹部と、前記熱伝導性絶縁樹脂シートの周縁部に設けられ、前記ヒートシンクに形成されたヒートシンク凹部に一方側が挿着され、他方側が前記ヒートシンクの被接着面に対して垂直方向に伸展され、前記パワーモジュールの側面に接着された絶縁性を有するシート体積増減吸収部とを備えたことを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項７】
前記シート体積増減吸収部と前記パワーモジュールの側面、および前記シート体積増減吸収部と前記ヒートシンクの交差部を覆う応力緩和樹脂層を設けたことを特徴とする請求項６に記載の電力用半導体装置。
【請求項１】
半導体素子と金属配線部材とがはんだ接合され、前記金属配線部材の少なくとも1面が
表面に露出するようモールド樹脂で覆われて構成されたパワーモジュールと、前記金属配線部材の露出面側の前記パワーモジュール面と相対して配置されたヒートシンクと、前記パワーモジュールと前記ヒートシンクとの間に設けられた熱伝導性絶縁樹脂シートと、前記パワーモジュールおよび前記ヒートシンクの少なくとも一方側に設けられ、前記熱伝導性絶縁樹脂シートの厚みを規定するシート厚み規定部材と、前記熱伝導性絶縁樹脂シートの周縁部近傍に設けられた絶縁性を有するシート体積増減吸収部とを備えたことを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項２】
半導体素子と金属配線部材とがはんだ接合され、前記金属配線部材の少なくとも1面が
表面に露出するようモールド樹脂で覆われて構成されたパワーモジュールと、前記金属配線部材の露出面側の前記パワーモジュール面と相対して配置されたヒートシンクと、前記パワーモジュールと前記ヒートシンクとの間に設けられた熱伝導性絶縁樹脂シートと、前記パワーモジュールおよび前記ヒートシンクの少なくとも一方側に設けられ、前記熱伝導性絶縁樹脂シートの厚みを規定するシート厚み規定部材と、前記熱伝導性絶縁樹脂シートの周縁部に設けられ、前記ヒートシンクの被接着面に対して平行方向に伸展され、その高さが前記熱伝導性絶縁樹脂シートの厚みと同等以下である絶縁性を有するシート体積増減吸収部とを備えたことを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項３】
前記シート体積増減吸収部と前記パワーモジュールの側面、および前記シート体積増減吸収部と前記ヒートシンクの交差部を覆う応力緩和樹脂層を設けたことを特徴とする請求項２に記載の電力用半導体装置。
【請求項４】
半導体素子と金属配線部材とがはんだ接合され、前記金属配線部材の少なくとも1面が
表面に露出するようモールド樹脂で覆われて構成されたパワーモジュールと、前記金属配線部材の露出面側の前記パワーモジュール面と相対して配置されたヒートシンクと、前記パワーモジュールと前記ヒートシンクとの間に設けられた熱伝導性絶縁樹脂シートと、前記パワーモジュールおよび前記ヒートシンクの少なくとも一方側に設けられ、前記熱伝導性絶縁樹脂シートの厚みを規定するシート厚み規定部材と、前記熱伝導性絶縁樹脂シートの周縁部に設けられ、前記ヒートシンクの被接着面に対して垂直方向に伸展され、前記パワーモジュールの側面に接着された絶縁性を有するシート体積増減吸収部とを備えたことを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項５】
前記シート体積増減吸収部と前記パワーモジュールの側面、および前記シート体積増減吸収部と前記ヒートシンクの交差部を覆う応力緩和樹脂層を設けたことを特徴とする請求項４に記載の電力用半導体装置。
【請求項６】
半導体素子と金属配線部材とがはんだ接合され、前記金属配線部材の少なくとも1面が
表面に露出するようモールド樹脂で覆われて構成されたパワーモジュールと、前記金属配線部材の露出面側の前記パワーモジュール面と相対して配置されたヒートシンクと、前記パワーモジュールと前記ヒートシンクとの間に設けられた熱伝導性絶縁樹脂シートと、前記パワーモジュールおよび前記ヒートシンクの少なくとも一方側に設けられ、前記熱伝導性絶縁樹脂シートの厚みを規定するシート厚み規定部材と、前記パワーモジュールの側面に位置する前記ヒートシンクの被接着面に形成されたヒートシンク凹部と、前記熱伝導性絶縁樹脂シートの周縁部に設けられ、前記ヒートシンクに形成されたヒートシンク凹部に一方側が挿着され、他方側が前記ヒートシンクの被接着面に対して垂直方向に伸展され、前記パワーモジュールの側面に接着された絶縁性を有するシート体積増減吸収部とを備えたことを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項７】
前記シート体積増減吸収部と前記パワーモジュールの側面、および前記シート体積増減吸収部と前記ヒートシンクの交差部を覆う応力緩和樹脂層を設けたことを特徴とする請求項６に記載の電力用半導体装置。
【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２０１２−１７４９６５（Ｐ２０１２−１７４９６５Ａ）
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３６９１８（Ｐ２０１１−３６９１８）
【出願日】平成２３年２月２３日（２０１１．２．２３）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２３日（２０１１．２．２３）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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