特許 6972622 半導体装置および半導体装置の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6972622

(24)【登録日】2021年11月8日

(45)【発行日】2021年11月24日

(54)【発明の名称】半導体装置および半導体装置の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/36 20060101AFI20211111BHJP

【ＦＩ】

   H01L23/36 D

【請求項の数】12

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2017-74069(P2017-74069)

(22)【出願日】2017年4月3日

(65)【公開番号】特開2018-181893(P2018-181893A)

(43)【公開日】2018年11月15日

【審査請求日】2020年3月13日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005234

【氏名又は名称】富士電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100104190

【弁理士】

【氏名又は名称】酒井 昭徳

(72)【発明者】

【氏名】磯 亜紀良

【審査官】 豊島 洋介

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−２２８２７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−２５１４７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１７−０１７２１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０７３９５０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ２３／２９

２３／３４ −２３／３６

２３／３７３−２３／４２７

２３／４４

２３／４６７−２３／４７３

２５／００ −２５／０７

２５／１０ −２５／１１

２５／１６ −２５／１８

Ｈ０５Ｋ ７／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体チップを搭載した積層基板が接合されたベース板と、
前記ベース板に、サーマルペーストおよび金属リングを介して取り付けられたヒートシンクと、
を備え、
前記金属リングの中穴は、前記半導体チップと対向する部分に設けられ、前記中穴の部分に前記サーマルペーストが充填され、
前記金属リングは、前記ヒートシンクと同程度の硬度の材料、または、より硬度が低い材料で形成され、前記ヒートシンクの表面の凹凸に沿ってつぶれていることを特徴とする半導体装置。

【請求項2】

前記金属リングは、前記ヒートシンクより熱伝導率がよい材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。

【請求項3】

前記ヒートシンクは、ＳＵＳ（ステンレス鋼）で形成され、前記金属リングは、銅、アルミニウムもしくはこれらを一つ以上含む合金で形成される、または、
前記ヒートシンクは、銅もしくは銅を含む合金で形成され、前記金属リングは、銅、アルミニウムもしくはこれらを一つ以上含む合金で形成される、または、
前記ヒートシンクは、アルミニウムもしくはアルミニウムを含む合金で形成され、前記金属リングは、アルミニウムもしくはアルミニウムを含む合金で形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。

【請求項4】

前記ベース板は、マグネシウム合金に炭化珪素が含まれる複合材からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の半導体装置。

【請求項5】

前記ベース板は、前記金属リングと接触する部分に、途切れのない突起が設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の半導体装置。

【請求項6】

前記ベース板は、前記金属リングと接触する部分に、途切れのない溝が設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の半導体装置。

【請求項7】

前記金属リングは、前記ベース板と接触する部分および前記ヒートシンクと接触する部分のいずれか一つまたは両方に、途切れのない突起が設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の半導体装置。

【請求項8】

前記金属リングは、断面が楕円形であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の半導体装置。

【請求項9】

半導体チップを搭載した積層基板をベース板に接合する第１工程と、
前記ベース板またはヒートシンクに、サーマルペーストを塗布する第２工程と、
前記ベース板またはヒートシンクに、前記サーマルペーストの厚さ以下の厚さの、前記半導体チップと対向する部分に中穴が設けられた金属リングを、前記中穴の部分に前記サーマルペーストが充填されるように取り付ける第３工程と、
前記ベース板とヒートシンクの間に、前記サーマルペーストおよび前記金属リングを挟んで前記ヒートシンクを取り付ける第４工程と、
を含み、
前記金属リングは、前記ヒートシンクと同程度の硬度の材料、または、より硬度が低い材料で形成され、前記ヒートシンクの表面の凹凸に沿ってつぶれていることを特徴とする半導体装置の製造方法。

【請求項10】

前記金属リングは、前記ヒートシンクより熱伝導率がよい材料で形成されていることを特徴とする請求項９に記載の半導体装置の製造方法。

【請求項11】

前記ヒートシンクは、ＳＵＳ（ステンレス鋼）で形成され、前記金属リングは、銅、アルミニウムもしくはこれらを一つ以上含む合金で形成される、または、
前記ヒートシンクは、銅もしくは銅を含む合金で形成され、前記金属リングは、銅、アルミニウムもしくはこれらを一つ以上含む合金で形成される、または、
前記ヒートシンクは、アルミニウムもしくはアルミニウムを含む合金で形成され、前記金属リングは、アルミニウムもしくはアルミニウムを含む合金で形成されることを特徴とする請求項９に記載の半導体装置の製造方法。

【請求項12】

前記金属リングは突起を有し、
前記突起の高さは、前記金属リングの突起のない部分の厚さの半分以下であり、
前記突起を含む前記金属リングの厚さは、前記サーマルペーストの厚さの１．５倍以下であることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を中心として、パワー半導体モジュールが電力変換装置に広く用いられるようになっている。パワー半導体モジュールは１つまたは複数のパワー半導体チップを内蔵して変換接続の一部または全体を構成し、かつ、パワー半導体チップとベース板または冷却面との間が電気的に絶縁された構造を持つパワー半導体デバイスである。

【0003】

図１１は、従来構造のパワー半導体モジュールのヒートシンク取り付け前の構成を示す断面図である。図１２は、従来構造のパワー半導体モジュールのヒートシンク取り付け後の構成を示す断面図である。図１１、１２に示すように、パワー半導体モジュールは、パワー半導体チップ１と、積層基板２と、ベース板３と、ケース４と、金属端子５と、金属ワイヤ６と、蓋７と、封止材８と、ヒートシンク１１と、を備える。

【0004】

パワー半導体チップ１は、ＩＧＢＴまたはダイオード等のパワー半導体チップであり、積層基板２上に搭載される。なお、積層基板２は、セラミック基板等の絶縁基板２１のおもて面および裏面に銅などの導電性板２２が備えられたものである。積層基板２は、ベース板３にはんだ接合されている。ベース板３には、ケース４が接着剤で接着されている。ケース４は、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ：Ｐｏｌｙ Ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ Ｓｕｌｆｉｄｅ）等の熱可塑性樹脂で成形されている。金属端子５は、積層基板２上にはんだ付けで固定され、蓋７を貫通して外部に突き出ている。金属ワイヤ６は、パワー半導体チップ１と金属端子５とを電気的に接続している。蓋７は、ケース４と同一の熱可塑性樹脂で構成されている。封止材８は、積層基板２の沿面およびパワーチップを搭載した基板上のパワー半導体チップ１を絶縁保護する封止材として、ケース４内に充填されている。この封止材８は、通常エポキシ樹脂が用いられている。エポキシ封止樹脂は、寸法安定性や、耐水性・耐薬品性および電気絶縁性が高く、封止材として適している。

【0005】

ヒートシンク１１は、パワー半導体チップ１で発生した熱を、積層基板２、ベース板３を介して外部に放出するためのものである。従来、電鉄等で使用されるＩＧＢＴパワー半導体モジュールは、一般産業用のＩＧＢＴパワー半導体モジュールと比較して、高信頼性が要求されている。この要求の一つに、温度変動に対する信頼性評価がある。信頼性評価として、例えば、ΔＴｃパワーサイクルがある。ΔＴｃパワーサイクルは、ケース温度（Ｔｃ）が任意の温度に到達するまで通電し、ケース温度が任意の温度に到達した時点で通電を止め、ケース温度が通電前の状態に戻るまでの周期を１サイクルとして繰り返す試験である。

【0006】

このため、一般産業用のＩＧＢＴパワー半導体モジュールでは、ベース板３は安価で熱伝導性の高い銅（Ｃｕ）および銅合金を使用しているが、電鉄用などの高信頼性が要求されているＩＧＢＴパワー半導体モジュールでは、ベース板３はＡｌＳｉＣ（アルミニウム合金に炭化珪素が含まれる複合材）を使用している。以下、ＡｌＳｉＣを使用したベース板３をＡｌＳｉＣベース板と記載する。

【0007】

ＡｌＳｉＣは銅よりも熱膨張係数が低いため、温度変動に対する形状変化に対して良好である。ＡｌＳｉＣベース板はプロセスの制約のために、図１１に示すように、最表面が２００μｍ程度の軟質アルミニウム（Ａｌ）金属層１０で覆われている。一方、ヒートシンク１１は、図１１に示すように、表面粗さに基づく凹凸９が存在している。ヒートシンク１１の表面は硬化処理がなされているため、例え、ヒートシンク１１がＡｌで形成されている場合でも、ベース板３の押圧によってもつぶれにくいものである。しかし、ＡｌＳｉＣベース板は、軟質Ａｌ金属層１０がある。そのため、ＡｌＳｉＣベース板を用いたパワー半導体モジュールにヒートシンク１１を取り付けると、図１２に示すように、ベース板３の押圧によって軟質Ａｌ金属層１０がつぶれることで、凹凸９による隙間を埋めることができる。これにより、ヒートシンク１１とパワー半導体モジュールとの密着性がよくなる。

【0008】

また、パワー半導体モジュールにおいて、ネジ止めによってそりを生じた放熱板とヒートシンクの間隙に、金属箔を挿入するとともに高熱伝導性のグリースを充填し、Ｓｉ（シリコン）チップにより生じた熱の流路に金属箔が配置されるようにすることで、放熱板とヒートシンク間での熱抵抗を低減する技術がある（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特開２００３−８６７４５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

上述のように、ＡｌＳｉＣベース板は温度変動による形状変化に対して良好である。しかし、ＡｌＳｉＣベース板は熱伝導率が銅に比べ大幅に低下する欠点がある。近年、この欠点を改良した材料として、ＭｇＳｉＣ（マグネシウム合金に炭化珪素が含まれる複合材）が提案されている。以下、ＭｇＳｉＣを使用したベース板３をＭｇＳｉＣベース板と記載する。ＭｇＳｉＣベース板は、熱膨張係数等の機械的特性がＡｌＳｉＣベース板と同程度であり、熱電導率がＡｌＳｉＣベース板よりも２０％程度向上した材料である。

【0011】

図１３は、ＭｇＳｉＣベース板を用いた従来構造のパワー半導体モジュールのヒートシンク取り付け前の構成を示す断面図である。図１４はＭｇＳｉＣベース板を用いた従来構造のパワー半導体モジュールのヒートシンク取り付け後の構成を示す断面図である。図１３に示すように、ＭｇＳｉＣベース板は、ＭｇＳｉＣ材のみで構成され、表面には軟質金属層は存在しない。さらに、ＭｇＳｉＣベース板は、ＳｉＣの粉末が表面に露出するため、最表面が硬質であり、図１４に示すように、ＭｇＳｉＣベース板はつぶれることがない。

【0012】

このため、ヒートシンク１１の凹凸９による隙間を埋めることができず、ＭｇＳｉＣベースを使用すると、ＡｌＳｉＣベースよりベース板３とヒートシンク１１との間に隙間が多くできる。隙間が多くできると、パワー半導体チップ１の発熱により、サーマルペースト（不図示）が熱膨張して、隙間からサーマルペーストが外側に押し出される（ポンプアウト）。そのため、パワー半導体チップ１の発熱の繰り返しにより、サーマルペーストが枯渇するおそれがある。サーマルペーストは、グリースのような高粘度の液体に、熱伝導性の高い粒子を混ぜ込んだサーマルグリースである。サーマルペーストは、発熱体、例えば、ベース板３と放熱器、例えば、ヒートシンク１１間の微細な隙間を埋め、伝熱性を向上させるためのものである。このため、サーマルペーストが枯渇するとベース板３からヒートシンク１１への熱伝導が十分に行われず、パワー半導体チップ１が熱により故障する場合がある。

【0013】

この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、ポンプアウトによるサーマルペーストの枯渇を抑制し、熱によるパワー半導体チップの故障を抑制できる半導体装置および半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0014】

上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置は、次の特徴を有する。半導体チップを搭載した積層基板が接合されたベース板と、前記ベース板に、サーマルペーストおよび金属リングを介して取り付けられたヒートシンクと、を備える。前記金属リングの中穴は、前記半導体チップと対向する部分に設けられ、前記中穴の部分に前記サーマルペーストが充填される。前記金属リングは、前記ヒートシンクと同程度の硬度の材料、または、より硬度が低い材料で形成され、前記ヒートシンクの表面の凹凸に沿ってつぶれている。

【0015】

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記金属リングは、前記ヒートシンクより熱伝導率がよい材料で形成されていることを特徴とする。

【0017】

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記ヒートシンクは、ＳＵＳ（ステンレス鋼）で形成され、前記金属リングは、銅、アルミニウムもしくはこれらを一つ以上含む合金で形成される、または、前記ヒートシンクは、銅もしくは銅を含む合金で形成され、前記金属リングは、銅、アルミニウムもしくはこれらを一つ以上含む合金で形成される、または、前記ヒートシンクは、アルミニウムもしくはアルミニウムを含む合金で形成され、前記金属リングは、アルミニウムもしくはアルミニウムを含む合金で形成されることを特徴とする。

【0018】

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記ベース板は、マグネシウム合金に炭化珪素が含まれる複合材からなることを特徴とする。

【0019】

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記ベース板は、前記金属リングと接触する部分に、途切れのない突起が設けられていることを特徴とする。

【0020】

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記ベース板は、前記金属リングと接触する部分に、途切れのない溝が設けられていることを特徴とする。

【0021】

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記金属リングは、前記ベース板と接触する部分および前記ヒートシンクと接触する部分のいずれか一つまたは両方に、途切れのない突起が設けられていることを特徴とする。

【0022】

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記金属リングは、断面が楕円形であることを特徴とする。

【0023】

上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、次の特徴を有する。まず、半導体チップを搭載した積層基板をベース板に接合する第１工程を行う。次に、前記ベース板またはヒートシンクに、サーマルペーストを塗布する第２工程を行う。次に、前記ベース板またはヒートシンクに、前記サーマルペーストの厚さ以下の厚さの、前記半導体チップと対向する部分に中穴が設けられた金属リングを、前記中穴の部分に前記サーマルペーストが充填されるように取り付ける第３工程を行う。次に、前記ベース板とヒートシンクの間に、前記サーマルペーストおよび前記金属リングを挟んで前記ヒートシンクを取り付ける第４工程を行う。前記金属リングは、前記ヒートシンクと同程度の硬度の材料、または、より硬度が低い材料で形成され、前記ヒートシンクの表面の凹凸に沿ってつぶれている。

【0024】

また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記金属リングは、前記ヒートシンクより熱伝導率がよい材料で形成されていることを特徴とする。また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記ヒートシンクは、ＳＵＳ（ステンレス鋼）で形成され、前記金属リングは、銅、アルミニウムもしくはこれらを一つ以上含む合金で形成される、または、前記ヒートシンクは、銅もしくは銅を含む合金で形成され、前記金属リングは、銅、アルミニウムもしくはこれらを一つ以上含む合金で形成される、または、前記ヒートシンクは、アルミニウムもしくはアルミニウムを含む合金で形成され、前記金属リングは、アルミニウムもしくはアルミニウムを含む合金で形成されることを特徴とする。また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記金属リングは突起を有し、前記突起の高さは、前記金属リングの突起のない部分の厚さの半分以下であり、前記突起を含む前記金属リングの厚さは、前記サーマルペーストの厚さの１．５倍以下であることを特徴とする。

【0025】

上述した発明によれば、ヒートシンクは、ベース板にサーマルペーストおよび金属リングを介して取り付けられる。金属リングが、ヒートシンクの表面の凹凸によりつぶれることで、凹凸による隙間を埋め、ヒートシンクとベース板の密着性がよくなる。このため、サーマルペーストがポンプアウトにより枯渇することを抑制し、熱によるパワー半導体チップの故障を抑制できる。

【発明の効果】

【0026】

本発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法によれば、ポンプアウトによるサーマルペーストの枯渇を抑制し、熱によるパワー半導体チップの故障を抑制できるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの構成を示す断面図である。

【図2】実施の形態にかかるパワー半導体モジュールのベース板と金属リングを示す斜視図である。

【図3】実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの金属リングの図２のＡ−Ａ’部分の断面図である。

【図4】実施の形態にかかるパワー半導体モジュールのベース板の裏面を示す斜視図である。

【図5】実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの図４にＢ−Ｂ’部分の断面図である（その１）。

【図6】実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの図４にＢ−Ｂ’部分の断面図である（その２）。

【図7】実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの金属リングの図２のＡ−Ａ’部分の他の断面図である。

【図8】実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの製造途中の状態を示す断面図である（その１）。

【図9】実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの製造途中の状態を示す断面図である（その２）。

【図10】実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの製造途中の状態を示す断面図である（その３）。

【図11】従来構造のパワー半導体モジュールのヒートシンク取り付け前の構成を示す断面図である。

【図12】従来構造のパワー半導体モジュールのヒートシンク取り付け後の構成を示す断面図である。

【図13】ＭｇＳｉＣベース板を用いた従来構造のパワー半導体モジュールのヒートシンク取り付け前の構成を示す断面図である。

【図14】ＭｇＳｉＣベース板を用いた従来構造のパワー半導体モジュールのヒートシンク取り付け後の構成を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0028】

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。図１は、実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの構成を示す断面図である。

【0029】

（実施の形態）
図１に示すように、パワー半導体モジュールは、パワー半導体チップ１と、積層基板２と、ベース板３と、ケース４と、金属端子５と、金属ワイヤ６と、蓋７と、封止材８と、ヒートシンク１１と、金属リング１２と、を備える。

【0030】

パワー半導体チップ１は、ＩＧＢＴ、ＭＯＳ−ＦＥＴあるいはダイオード等である。積層基板２は、絶縁性を確保するセラミック基板等の絶縁基板２１と、そのおもて面（パワー半導体チップ１側）や裏面（ベース板３側）に形成された銅（Ｃｕ）板などからなる導電性板２２と、からなる。なお、積層基板２の少なくとも片面に導電性板２２が設けられた基板を積層基板２とする。導電性板２２上には、はんだ等の接合材（不図示）によりパワー半導体チップ１が接合される。裏面の導電性板２２上には、はんだ等の接合材（不図示）によりベース板３が接合される。ベース板３は、ＭｇＳｉＣベースからなる放熱用の冷却体である。

【0031】

また、パワー半導体チップ１の上面（導電性板２２と接する面と反対側の面）には、電気接続用の配線として金属ワイヤ６の一端が接合される。金属ワイヤ６の他端は、金属端子５が固定された導電性板２２と接合される。図１では、金属ワイヤ６を用いて、パワー半導体チップ１と導電性板２２とを接続しているが、リードフレームを用いて、接続してもよい。

【0032】

ベース板３には、ケース４が接着剤で接着されている。ケース４は、ＰＰＳ等の熱可塑性樹脂で形成された樹脂ケースであり、接着剤は、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂等が用いられている。また、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂等からなる封止材８がケース４内に充填されている。そして、封止材８を保護する蓋７が設けられている。

【0033】

ヒートシンク１１は、パワー半導体チップ１で発生した熱を外部に放出するためのものである。ヒートシンク１１は、熱を多く放出できるように、フィンと呼ばれる板や棒の生えた剣山状や蛇腹状により、表面積が広くなるような形状とすることができる。ヒートシンク１１は、例えば、ＳＵＳ（Ｓｔｅｅｌ Ｕｓｅ Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ：ステンレス鋼）、アルミニウム（Ａｌ）、Ａｌ合金、銅またはＣｕ合金により形成される。ヒートシンク１１には、表面粗さに基づく凹凸９が存在している。

【0034】

実施の形態では、ヒートシンク１１は、ベース板３に、サーマルペースト（不図示）および金属リング１２を介して取り付けられる。サーマルペーストは、ベース板３とヒートシンク１１間にぬれ広がり微細な隙間を埋め、伝熱性を向上させるために設けられる。サーマルペーストは、シリコーンオイル等の高粘度の液体に、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）または酸化アルミニウム等の熱伝導性の高い粒子を混ぜ込んだグリースである。金属リング１２は、ベース板３とヒートシンク１１の押圧によってヒートシンク１１の表面の凹凸９に沿ってつぶれることで、凹凸９による隙間を埋め、密着性をよくするために設けられる。このように、硬度が高く、変形の少ないＭｇＳｉＣベースのベース板３では埋めることのできないヒートシンク１１の表面粗さに基ずく凹凸９による隙間を、金属リング１２により埋めることができる。隙間を埋めることでサーマルペーストがベース板３とヒートシンク１１間に密封され、ポンプアウトによるサーマルペーストの枯渇を防止できる。

【0035】

金属リング１２は、ヒートシンク１１の表面粗さに基ずく凹凸９によりつぶれるようにするため、ヒートシンク１１と同程度の硬度の材料、または、より硬度が低い材料で形成されている。ここで、同程度の硬度とは、ヒートシンク１１のビッカース硬度の１．０倍以上、１．５倍以下の硬度である。これより硬いと、金属リング１２が、ヒートシンク１１の表面粗さに基ずく凹凸９に沿ってつぶれることができずに、サーマルペーストのポンプアウトが発生する。また、金属リング１２は、熱を伝導するために熱伝導率のよい金属が好ましい。例えば、ヒートシンク１１がビッカース硬度１５０Ｈｖ程度のＳＵＳで形成されている場合、金属リング１２は、それより柔らかく熱伝導率のよい、ビッカース硬度４６Ｈｖ程度のＣｕまたはＣｕ合金、ビッカース硬度２５Ｈｖ程度のＡｌ、またはＡｌ合金により形成されることが好ましい。ヒートシンク１１がＣｕまたはＣｕ合金で形成されている場合、金属リング１２は、同程度の硬度またはそれより柔らかく熱伝導率のよいＣｕ、Ｃｕ合金、ＡｌまたはＡｌ合金により形成されることが好ましい。また、ヒートシンク１１がＡｌまたはＡｌ合金で形成されている場合、金属リング１２は、同程度の硬度またはそれより柔らかく熱伝導率のよいＡｌ、またはＡｌ合金により形成されることが好ましい。金属リング１２は、ヒートシンク１１より硬度が低く、熱伝導率がよければ他の金属、例えば銀（Ａｇ）や金（Ａｕ）、またはこれらを一つ以上含む合金であってもかまわない。

【0036】

図２は、実施の形態にかかるパワー半導体モジュールのベース板と金属リングを示す斜視図である。図２に示すように、金属リング１２は、外周がベース板３と同じ程度である。外周がベース板３と同じ程度であることより、金属リング１２の外で、ポンプアウトによるサーマルペーストの枯渇が発生し、この部分で放熱性が悪化することを防ぐことができる。また、金属リング１２の外周を広く取ることで、以下に示すサーマルペースト塗布エリア１３を広く取ることができる。

【0037】

また、金属リング１２の中穴は、パワー半導体チップ１の直下（パワー半導体チップ１のまっすぐ下側、つまりヒートシンク１１側）に設けられ、この中穴は、サーマルペーストが塗布されるサーマルペースト塗布エリア１３となっている。つまり、パワー半導体チップ１と対向する部分は、サーマルペースト塗布エリア１３となっている。このため、パワー半導体チップ１からの熱をサーマルペーストを通して効率的にヒートシンク１１に逃すことができる。なお、図２では、金属リング１２の中穴は１つであるが複数あってもかまわない。また、図２では、金属リング１２の中穴は四角形状であるが、円形や楕円形であってもかまわない。いずれの場合でも、少なくともパワー半導体チップ１の直下に金属リング１２の中穴が設けられていれば良い。

【0038】

図３は、実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの金属リングの図２のＡ−Ａ’部分の断面図である。金属リングの断面は、四角形、円形だけでなく様々な形状でよい。図３に示すように、金属リング１２の断面は、楕円形であることがより好ましい。楕円形とすることで、金属リング１２がつぶれやすくなり、サーマルペーストのシールド性が高くなる。

【0039】

また、金属リング１２の厚さｗは、塗布するサーマルペーストの厚さと同じまたはそれより薄いことが好ましい。例えば、サーマルペーストの厚さは、５０〜１００μｍであるため、金属リング１２の厚さｗは、５０〜１００μｍ以下となる。金属リング１２の厚さｗが厚すぎると、塗布するサーマルペーストの量が多くなり、熱伝導性が低下するためである。金属リング１２の厚さｗが薄すぎると、ヒートシンク１１の凹凸９を吸収できず、ヒートシンク１１との間に隙間ができるため、金属リング１２の厚さｗは、ヒートシンク１１の凹凸９より大きいことが好ましい。

【0040】

図４は、実施の形態にかかるパワー半導体モジュールのベース板３の裏面を示す斜視図である。図４に示すように、ベース板３の裏面に、途切れのない突起３１または溝３２が設けられてもよい。ここで、途切れのない突起３１とは、突起３１が途中で隙間がないように設けられていることである。途切れのない溝３２も同様である。これらの突起３１または溝３２は、金属リング１２が設けられる箇所に設けられる。突起３１または溝３２が、金属リング１２に噛み込むことで金属リング１２とベース板３との隙間を埋め込み、隙間をさらに少なくすることができ、シールド性がさらに向上する。突起３１または溝３２に途切れがないため、突起３１または溝３２からサーマルペーストが外側に押し出されることを防止できる。なお、図４では、突起３１または溝３２は１つであるが、複数あってもかまわない。また、１つが突起３１で、もう一つが溝３２等の組合せであってもかまわない。

【0041】

図５、６は、実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの図４にＢ−Ｂ’部分の断面図である。図５は突起３１の場合の断面図であり、図６は溝３２の場合の断面図である。突起３１の高さｈは、塗布するサーマルペーストの厚さより低い高さであり、金属リング１２の厚さの半分以下であることが好ましい。また、溝３２の深さｄは、金属リング１２の厚さの半分以上、金属リング１２の厚さ以下であることが好ましい。上記の突起３１または溝３２を形成することで、金属リング１２の千切れ等の破損を防ぎつつ、サーマルペーストのシールド性がさらに向上する。

【0042】

また、図５では突起３１は三角形状であるが、金属リング１２と噛みやすい形状であれば他の形状でもかまわない。例えば、逆Ｕ字形状でもかまわない。同様に、図６では、溝３２はＶ字形状であるが、金属リング１２と噛みやすい形状であれば他の形状でもかまわない。例えば、Ｕ字形状でもかまわない。

【0043】

図７は、実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの金属リングの図２のＡ−Ａ’部分の他の断面図である。図７に示すように、金属リング１２においても、ベース板３と同様に途切れのない突起１２１が設けられてもよい。例えば、図７に示すように、ベース板３と接触する部分およびヒートシンク１１と接触する部分の両方に、途切れのない突起１２１が設けられてもよい。図示しないが、金属リング１２において、ベース板３と接触する部分およびヒートシンク１１と接触する部分のいずれかに、途切れのない突起１２１が設けられてもよい。なお、図７では、突起１２１は接触する１面に１つずつであるが、接触する１面に対して複数の突起１２１があってもかまわない。突起１２１が金属リング１２とベース板３との隙間、または、金属リング１２とヒートシンク１１との隙間を埋め込み、隙間をさらに少なくすることができ、シールド性がさらに向上する。同様に、突起の形状は金属リング１２と噛みやすい形状であればよい。例えば、三角形状や逆Ｕ字形状でかまわない。

【0044】

また、金属リング１２の突起１２１の高さｈは、金属リング１２の突起１２１のない部分の厚さｗの半分以下であることが好ましい。また、突起１２１を含む金属リング１２の厚さ（ｗ＋ｈ）は、サーマルペーストの厚さの１．５倍以下であることが好ましい。このような突起１２１を形成することで、金属リング１２の千切れ等の破損を防ぎつつ、サーマルペーストのシールド性がさらに向上する。

【0045】

次に、実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの製造方法について説明する。図８〜１０は、実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの製造途中の状態を示す断面図である。まず、はんだ等の接合材を用いて、パワー半導体チップ１を積層基板２の導電性板２２に接合することで、積層基板２にパワー半導体チップ１を実装する。次に、パワー半導体チップ１と、積層基板２の導電性板２２とを、金属ワイヤ６で電気的に接続する。次に、金属ワイヤ６が接続された導電性板２２に金属端子５を取り付ける。次に、はんだ等の接合材を用いて、これらを実装した積層基板２をベース板３に接合して、パワー半導体チップ１、積層基板２およびベース板３からなる積層組立体を組み立てる。また、金属ワイヤ６の代わりに、リードフレームを接合してもよい。

【0046】

次に、この積層組立体にケース４をシリコーン接着剤などの接着剤で接着する。次に、ケース４内にエポキシなどの硬質樹脂等の封止材８を充填する。この後、所定の条件で熱処理を行って硬化させる。次に、封止材８が外に漏れないようにするため、蓋７を取り付ける。ここまでの状態が図８に記載される。

【0047】

次に、ベース板３の裏面のサーマルペースト塗布エリア１３にサーマルペースト１６を所定の厚さで塗布する。ここまでの状態が図９に記載される。次に、ベース板３の裏面の金属リング１２を取り付ける。ここまでの状態が図１０に記載される。なお、金属リング１２を取り付けた後に、サーマルペースト１６を塗布してもかまわない。

【0048】

次に、ベース板３に、サーマルペースト１６および金属リング１２を挟んでヒートシンク１１を取り付ける。ヒートシンク１１は、例えば、ベース板３にネジで固定してもよい。以上のようにして、本発明の実施の形態にかかるパワー半導体モジュールを製造することができる。

【0049】

なお、上記製造方法では、ベース板３の裏面のサーマルペースト塗布エリア１３にサーマルペースト１６を塗布したが、ヒートシンク１１にサーマルペースト１６を塗布してもよい。この場合、ヒートシンク１１のサーマルペースト塗布エリア１３と対向する領域にサーマルペースト１６を所定の厚さで塗布する。次に、ベース板３の裏面に金属リング１２を取り付ける。この場合も、金属リング１２を取り付けた後に、サーマルペースト１６を塗布してもかまわない。次に、ベース板３に、サーマルペースト１６および金属リング１２を挟んでヒートシンク１１を取り付ける。

【0050】

以上、説明したように、実施の形態にかかるパワー半導体モジュールによれば、ヒートシンクは、ベース板にサーマルペーストおよび金属リングを介して取り付けられる。金属リングが、ヒートシンクの表面の凹凸によりつぶれることで、凹凸による隙間を埋め、ヒートシンクとベース板の密着性がよくなる。このため、サーマルペーストがポンプアウトにより枯渇することを抑制し、熱によるパワー半導体チップの故障を抑制できる。

【0051】

また、金属リングは、外周がベース板と同じ程度である。これにより、金属リングの外で、ポンプアウトによるサーマルペーストの枯渇が発生し、この部分で放熱性が悪化することを防ぐことができる。また、パワー半導体チップの直下は、サーマルペーストが塗布された領域となっている。このため、パワー半導体チップからの熱をサーマルペーストを通して効率的にヒートシンクに逃すことができる。

【0052】

また、金属リングの裏面に、途切れのない突起または溝が設けられてもよい。突起または溝が、金属リングに噛み込むことで金属リングとベース板との隙間を埋め込み、隙間をさらに少なくし、シールド性を向上させることができる。

【産業上の利用可能性】

【0053】

以上のように、本発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法は、インバータなどの電力変換装置や種々の産業用機械などの電源装置や自動車のイグナイタなどに使用されるパワー半導体装置に有用である。

【符号の説明】

【0054】

１ パワー半導体チップ
２ 積層基板
２１ 絶縁基板
２２ 導電性板
３ ベース板
３１ 突起
３２ 溝
４ ケース
５ 金属端子
６ 金属ワイヤ
７ 蓋
８ 封止材
９ 凹凸
１０ 軟質Ａｌ金属層
１１ ヒートシンク
１２ 金属リング
１２１ 突起
１３ サーマルペースト塗布エリア
１６ サーマルペースト

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】