特許 7290723 パッケージ、および、パワー半導体モジュールの製造方法

(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】

(24)【登録日】2023-06-05

(45)【発行日】2023-06-13

(54)【発明の名称】パッケージ、および、パワー半導体モジュールの製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/04 20060101AFI20230606BHJP

   H01L 25/07 20060101ALI20230606BHJP

   H01L 25/18 20230101ALI20230606BHJP

   H01L 23/10 20060101ALI20230606BHJP

   H01L 23/34 20060101ALI20230606BHJP

【ＦＩ】

H01L23/04 E

H01L25/04 C

H01L23/10 B

H01L23/34 A

【請求項の数】 15

(21)【出願番号】P 2021527413

(86)(22)【出願日】2020-04-20

(86)【国際出願番号】 JP2020017028

(87)【国際公開番号】W WO2020261730

(87)【国際公開日】2020-12-30

【審査請求日】2021-10-18

(31)【優先権主張番号】P 2019117393

(32)【優先日】2019-06-25

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】391039896

【氏名又は名称】ＮＧＫエレクトロデバイス株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000004064

【氏名又は名称】日本碍子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088672

【弁理士】

【氏名又は名称】吉竹 英俊

(74)【代理人】

【識別番号】100088845

【弁理士】

【氏名又は名称】有田 貴弘

(74)【代理人】

【識別番号】100134991

【弁理士】

【氏名又は名称】中尾 和樹

(74)【代理人】

【識別番号】100148507

【弁理士】

【氏名又は名称】喜多 弘行

(72)【発明者】

【氏名】築山 良男

(72)【発明者】

【氏名】山口 哲平

【審査官】正山 旭

(56)【参考文献】

【文献】特開２００４－１７９５８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００７／００９０５１４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特表２００９－５１３０２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１４２６１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－３２２６９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１６５４８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１８／２２５５１１（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２３／０４

Ｈ０１Ｌ ２５／０７

Ｈ０１Ｌ ２３／１０

Ｈ０１Ｌ ２３／３４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

蓋体が取り付けられることによってパワー半導体素子をグロスリークなしに封止する封止空間を構成するためのパッケージであって、
外部端子電極と、
第１の樹脂を含有し、前記外部端子電極が取り付けられ、第１の被接着面を有する枠体と、
前記枠体を支持し、前記パワー半導体素子が実装されることになる未実装領域を平面視において前記枠体内に有し、金属からなり、第２の被接着面を有するヒートシンク板と、
前記第１の樹脂と異なる第２の樹脂を含有し、前記枠体と前記ヒートシンク板とを互いに隔てつつ前記枠体の前記第１の被接着面と前記ヒートシンク板の前記第２の被接着面とを互いに接着する接着層と、
を備え、前記第１の被接着面および前記第２の被接着面の一方は、平坦部と、前記平坦部から突き出て、前記接着層を介して前記第１の被接着面および前記第２の被接着面の他方と向かい合う突起部とを有しており、
前記未実装領域は、前記パワー半導体素子が実装されることになる領域であるものの、前記パワー半導体素子がまだ実装されていない、パッケージ。

【請求項2】

前記第２の樹脂はエポキシ樹脂である、請求項１に記載のパッケージ。

【請求項3】

前記ヒートシンク板と前記枠体との間の気密性は、２６０℃２時間の熱処理に対して耐熱性を有している、請求項１または２に記載のパッケージ。

【請求項4】

前記ヒートシンク板の前記金属は、純度９５．０重量パーセント以上で銅を含有する非複合材料である、請求項１から３のいずれか１項に記載のパッケージ。

【請求項5】

前記未実装領域は露出されている、請求項１から４のいずれか１項に記載のパッケージ。

【請求項6】

前記枠体の前記第１の被接着面は前記平坦部および前記突起部を有している、請求項１から５のいずれか１項に記載のパッケージ。

【請求項7】

前記突起部は、前記突起部が突き出る方向に向かってテーパ形状を有している、請求項１から６のいずれか１項に記載のパッケージ。

【請求項8】

前記接着層は、前記ヒートシンク板と前記枠体とをつなぐ凹状の側面を有している、請求項１から７のいずれか１項に記載のパッケージ。

【請求項9】

蓋体が取り付けられることによってパワー半導体素子をグロスリークなしに封止する封止空間を構成するためのパッケージであって、
外部端子電極と、
第１の樹脂を含有し、前記外部端子電極が取り付けられ、第１の被接着面を有する枠体と、
前記枠体を支持し、前記パワー半導体素子が実装されることになる未実装領域を平面視において前記枠体内に有し、金属からなり、第２の被接着面を有するヒートシンク板と、
前記第１の樹脂と異なる第２の樹脂を含有し、前記枠体の前記第１の被接着面と前記ヒートシンク板の前記第２の被接着面とを互いに接着する接着層と、
前記接着層の内部に配置された挿入部材と、
を備え、
前記未実装領域は、前記パワー半導体素子が実装されることになる領域であるものの、前記パワー半導体素子がまだ実装されていない、パッケージ。

【請求項10】

前記挿入部材は樹脂を含有している、請求項９に記載のパッケージ。

【請求項11】

前記挿入部材は、１ｍｍより大きな最大寸法を有している、請求項１０に記載のパッケージ。

【請求項12】

パッケージを準備する工程を備え、前記パッケージは、
外部端子電極と、
第１の樹脂を含有し、前記外部端子電極が取り付けられ、第１の被接着面を有する枠体と、
前記枠体を支持し、未実装領域を平面視において前記枠体内に有し、金属からなり、第２の被接着面を有するヒートシンク板と、
前記第１の樹脂と異なる第２の樹脂を含有し、前記枠体の前記第１の被接着面と前記ヒートシンク板の前記第２の被接着面とを互いに接着する接着層と、
を含み、前記第１の被接着面および前記第２の被接着面の一方は、平坦部と、前記平坦部から突き出て前記接着層を介して前記第１の被接着面および前記第２の被接着面の他方と向かい合う突起部とを有しており、さらに
前記パッケージが準備された後に、前記ヒートシンク板の前記未実装領域上へパワー半導体素子を実装する工程と、
前記枠体上に蓋体を取り付けることによって前記パワー半導体素子をグロスリークなしに封止する工程と、
を備え、
前記パッケージを準備する工程は、前記枠体を準備した後に、前記枠体と前記ヒートシンク板とを互いに接着する前記接着層を形成する工程を含む、パワー半導体モジュールの製造方法。

【請求項13】

前記パワー半導体素子を実装する工程は、熱硬化性樹脂と金属とを含有する接合層を介して前記ヒートシンク板の前記未実装領域と前記パワー半導体素子とを互いに接合する工程を含む、請求項１２に記載のパワー半導体モジュールの製造方法。

【請求項14】

パッケージを準備する工程を備え、前記パッケージは、
外部端子電極と、
第１の樹脂を含有し、前記外部端子電極が取り付けられ、第１の被接着面を有する枠体と、
前記枠体を支持し、未実装領域を平面視において前記枠体内に有し、金属からなり、第２の被接着面を有するヒートシンク板と、
前記第１の樹脂と異なる第２の樹脂を含有し、前記枠体の前記第１の被接着面と前記ヒートシンク板の前記第２の被接着面とを互いに接着する接着層と、
前記接着層の内部に配置された挿入部材と、
を含み、さらに
前記パッケージが準備された後に、前記ヒートシンク板の前記未実装領域上へパワー半導体素子を実装する工程と、
前記枠体上に蓋体を取り付けることによって前記パワー半導体素子をグロスリークなしに封止する工程と、
を備えるパワー半導体モジュールの製造方法。

【請求項15】

前記パワー半導体素子を実装する工程は、熱硬化性樹脂と金属とを含有する接合層を介して前記ヒートシンク板の前記未実装領域と前記パワー半導体素子とを互いに接合する工程を含む、請求項１４に記載のパワー半導体モジュールの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、パッケージ、および、パワー半導体モジュールの製造方法に関し、特に、蓋体が取り付けられることによってパワー半導体素子をグロスリークなしに封止する封止空間を構成するためのパッケージと、グロスリークなしに封止されたパワー半導体素子を有するパワー半導体モジュールの製造方法と、に関するものである。

【背景技術】

【0002】

パワー半導体素子を封止する封止空間を構成する容器には、パワー半導体素子の種類および用途によっては、グロスリークを生じない程度に高い気密性が求められることがある。特に、高周波用半導体素子には、グロスリークなしの封止が求められることが多い。なお、蓋体が取り付けられることによってパワー半導体素子を封止する封止空間を構成する容器のことを、本明細書においてはパッケージとも称する。パッケージはキャビティを有しており、このキャビティが蓋体によって封止されることによって封止空間が得られる。

【0003】

特開２００５－１５０１３３号公報（特許文献１）の技術によれば、まず、ヒートシンク板と、セラミック枠体と、外部接続端子とが互いに接続される。これにより、キャビティを有するパッケージが準備される。ヒートシンク板は複合材料からなる。複合材料としては、Ｃｕ－Ｗ系の複合金属板、Ｃｕ－Ｍｏ系の複合金属板、および、Ｃｕ－Ｍｏ系の合金金属板の両面にＣｕ板を貼り合わせたクラッドの複合金属板、が例示されている。ヒートシンク板とセラミック枠体とは、約７８０℃～９００℃でのＡｇ－Ｃｕろう付けによって接合される。このパッケージ上に高周波用半導体素子が実装される。そして、セラミック枠体の上面部に蓋体が接着されることによってキャビティが封止される。言い換えれば、封止空間内に高周波用半導体素子が気密に封止される。

【0004】

ヒートシンク板の材料として上記のように複合材料を用いることによって、ヒートシンク板の熱膨張係数をセラミック枠体および半導体素子の熱膨張係数に近づけることができる。これにより、熱膨張収縮の差異に起因しての破壊を防止することができる。よって、ヒートシンク板上へセラミック枠体および半導体素子を高温で接合することが許容される。上記技術においては、半導体素子を実装するときに、ヒートシンク板とセラミック枠体とが既に、互いに接合されている。この接合が損なわれないように半導体素子を実装するためには、セラミック枠体の接合温度よりも低い温度で半導体素子を実装しなければならないという制約がある。上記技術においてはセラミック枠体の接合は約７８０℃～９００℃の高温で行われるので、この接合は、半導体素子の実装温度程度の加熱では、悪影響をほとんど受けない。また、ヒートシンク板の熱膨張係数が半導体素子の熱膨張係数に近いので、実装温度が多少高くても、実装時の熱応力に起因して半導体素子が破壊することは避けられる。よって半導体素子の実装は、例えば、４００℃程度の、実装温度としては比較的高温での、ろう付けによって行われ得る。

【0005】

特開２００３－２８２７５１号公報（特許文献２）の技術によれば、ヒートシンク板として、ＣｕまたはＣｕ系金属板が用いられる。Ｃｕは、比較的安価でありながら、３００Ｗ／ｍ・Ｋを超える高い熱伝導率が容易に得られる点において、極めて優れた材料である。よって、ヒートシンク板が複合材料からなる前述した特開２００５－１５０１３３号公報の技術とは異なり、高い熱伝導率を有するヒートシンク板を低コストで得ることができる。この技術によれば、まず、ヒートシンク板上に半導体素子が、ろう付けによって実装される。次に、予め外部接続端子が接合されている枠体がヒートシンク板上に、半導体素子を囲むように接合される。この接合に低融点接合材を用いることによって、半導体素子のろう付け温度未満の温度で枠体が接合される。次に、枠体の上面側に蓋体が接合されることによって、キャビティが封止される。言い換えれば、封止空間内に半導体素子が気密に封止される。これにより高周波用パワーモジュールが得られる。

【0006】

特開２０１２－４９２２４号公報（特許文献３）は実装構造体の製造方法を開示している。この製造方法によれば、電子部品の実装領域を有する放熱基板が準備される。放熱基板上に、実装領域を取り囲むように熱硬化性樹脂を介してセラミック枠体が接合される。実装領域に熱硬化性樹脂の熱分解温度よりも低い温度で、低融点合金を介して電子部品が接合される。放熱基板は、例えば、銅、鉄、タングステン、モリブデン、ニッケルまたはコバルト等の金属材料、あるいはこれらの金属材料を含有する合金、あるいはこれらの複合材料からなり、例えば、１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上４５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下の熱伝導率を有する。熱硬化性樹脂の熱伝導率は低融点合金の熱伝導率よりも小さい。この公報の記載によれば、放熱基板に伝わった熱が熱硬化性樹脂に伝わりにくいため、熱硬化性樹脂が熱膨張を起こしにくくすることができ、熱硬化性樹脂にクラックが発生するのを抑制することができる。そしてこの公報の記載によれば、その結果、セラミック枠体と放熱基板との間の剥離を効果的に抑えることで、セラミック枠体で囲まれる領域の気密性を良好に維持することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特開２００５－１５０１３３号公報

【文献】特開２００３－２８２７５１号公報

【文献】特開２０１２－４９２２４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

上記特開２００３－２８２７５１号公報の技術によれば、半導体素子の実装後にヒートシンク板に枠体を接合することによって、パッケージのキャビティが形成される。よってこの技術においては、前述した特開２００５－１５０１３３号公報の技術に比して、半導体素子の実装後の工程が煩雑である。このことは、半導体素子の実装後に半導体モジュールを速やかに完成させることの妨げとなる。これは、半導体モジュールの製造者にとって、好ましいことではない。また、パッケージを用いた半導体モジュールは、その使用時に熱膨張収縮を受けることが多い。よって、パワー半導体素子の実装後にパワー半導体モジュールを速やかに完成させることができるだけでなく、使用時の熱膨張収縮の差異に起因したダメージによるグロスリークの発生を防止することができることも望まれる。上記特開２０１２－４９２２４号公報の技術によれば、枠体がセラミックであることから、枠体と放熱基板（ヒートシンク板）との間の熱膨張係数の差異が大きくなりやすい。熱膨張係数の大きな差異は、大きな熱応力の原因となり得る。よって、仮に半導体素子の実装時の熱応力が気密性低下の原因にならなかったとしても、その後の実際の使用時に外部環境の変化等に起因して温度変化を繰り返し受けると、熱応力に起因しての気密性低下が生じやすい。

【0009】

本発明は以上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、パワー半導体素子の実装後にパワー半導体モジュールを速やかに完成させることができ、かつ、パッケージに対して繰り返し温度変化が加わることに起因しての気密性低下を抑制することができる、パッケージ、および、パワー半導体モジュールの製造方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明の一の態様に従うパッケージは、蓋体が取り付けられることによってパワー半導体素子をグロスリークなしに封止する封止空間を構成するためのものであって、外部端子電極と、枠体と、ヒートシンク板と、接着層とを有している。枠体は、第１の樹脂を含有しており、外部端子電極が取り付けられており、第１の被接着面を有している。ヒートシンク板は、枠体を支持しており、パワー半導体素子が実装されることになる未実装領域を平面視において枠体内に有しており、金属からなり、第２の被接着面を有している。接着層は、第１の樹脂と異なる第２の樹脂を含有しており、枠体とヒートシンク板とを互いに隔てつつ枠体の第１の被接着面とヒートシンク板の第２の被接着面とを互いに接着している。第１の被接着面および第２の被接着面の一方は、平坦部と、平坦部から突き出て、接着層を介して第１の被接着面および第２の被接着面の他方と向かい合う突起部とを有している。未実装領域は、パワー半導体素子が実装されることになる領域であるものの、パワー半導体素子がまだ実装されていない。

【0011】

本発明の他の態様に従うパッケージは、蓋体が取り付けられることによってパワー半導体素子をグロスリークなしに封止する封止空間を構成するためのものであって、外部端子電極と、枠体と、ヒートシンク板と、接着層と、挿入部材とを有している。枠体は、第１の樹脂を含有しており、外部端子電極が取り付けられており、第１の被接着面を有している。ヒートシンク板は、枠体を支持しており、パワー半導体素子が実装されることになる未実装領域を平面視において枠体内に有しており、金属からなり、第２の被接着面を有している。接着層は、第１の樹脂と異なる第２の樹脂を含有しており、枠体の第１の被接着面とヒートシンク板の第２の被接着面とを互いに接着している。挿入部材は接着層の内部に配置されている。未実装領域は、パワー半導体素子が実装されることになる領域であるものの、パワー半導体素子がまだ実装されていない。

【0012】

本発明の一の態様に従うパワー半導体モジュールの製造方法は、以下の工程を有している。パッケージが準備される。パッケージは、外部端子電極と、枠体と、ヒートシンク板と、接着層とを含む。枠体は、第１の樹脂を含有しており、外部端子電極が取り付けられており、第１の被接着面を有している。ヒートシンク板は、枠体を支持しており、未実装領域を平面視において枠体内に有しており、金属からなり、第２の被接着面を有している。接着層は、第１の樹脂と異なる第２の樹脂を含有しており、枠体の第１の被接着面とヒートシンク板の第２の被接着面とを互いに接着している。第１の被接着面および第２の被接着面の一方は、平坦部と、平坦部から突き出て接着層を介して第１の被接着面および第２の被接着面の他方と向かい合う突起部とを有している。パッケージが準備された後に、ヒートシンク板の未実装領域上へパワー半導体素子が実装される。次に、枠体上に蓋体を取り付けることによってパワー半導体素子がグロスリークなしに封止される。パッケージを準備する工程は、枠体を準備した後に、枠体とヒートシンク板とを互いに接着する接着層を形成する工程を含む。

【0013】

本発明の他の態様に従うパワー半導体モジュールの製造方法は、以下の工程を有している。パッケージが準備される。パッケージは、外部端子電極と、枠体と、ヒートシンク板と、接着層と、挿入部材とを含む。枠体は、第１の樹脂を含有しており、外部端子電極が取り付けられており、第１の被接着面を有している。ヒートシンク板は、枠体を支持しており、未実装領域を平面視において枠体内に有しており、金属からなり、第２の被接着面を有している。接着層は、第１の樹脂と異なる第２の樹脂を含有しており、枠体の第１の被接着面とヒートシンク板の第２の被接着面とを互いに接着している。挿入部材は接着層の内部に配置されている。パッケージが準備された後に、ヒートシンク板の未実装領域上へパワー半導体素子が実装される。次に、枠体上に蓋体を取り付けることによってパワー半導体素子がグロスリークなしに封止される。

【発明の効果】

【0014】

本発明の一の態様に従うパッケージによれば、第１の被接着面および第２の被接着面の一方は、平坦部と、平坦部から突き出て、接着層を介して第１の被接着面および第２の被接着面の他方と向かい合う突起部とを有している。これにより、突起部上に比して平坦部上で、接着層の厚みをより大きくすることができる。よって接着層に容易かつ確実に、十分に厚い部分を設けることができる。この十分に厚い部分が弾性変形することによって、枠体とヒートシンク板との間での熱膨張の差異に起因しての応力が緩和される。よって、パッケージに対して繰り返し温度変化が加わることに起因しての気密性低下を抑制することができる。

【0015】

本発明の他の態様に従うパッケージによれば、枠体の第１の被接着面とヒートシンク板の第２の被接着面とを互いに接着している接着層の内部に挿入部材が配置されている。これにより、第１の被接着面および第２の被接着面の各々と挿入部材との間に比して、挿入部材から外れた第１の被接着面と第２の被接着面との間において、接着層の厚みをより大きくすることができる。よって接着層に容易かつ確実に、十分に厚い部分を設けることができる。この十分に厚い部分が弾性変形することによって、枠体とヒートシンク板との間での熱膨張の差異に起因しての応力が緩和される。よって、パッケージに対して繰り返し温度変化が加わることに起因しての気密性低下を抑制することができる。

【0016】

本発明の一の態様に従うパワー半導体モジュールの製造方法によれば、枠体およびヒートシンク板を互いに接着する接着層が形成された後に、ヒートシンク板上へパワー半導体素子が実装される。この実装には加熱を要することから、接着層の温度も上昇する。よって仮に、十分に厚い部分を接着層が有していなかったとすると、枠体とヒートシンク板との間での熱膨張の差異に起因しての応力が接着層によって緩和される作用が低くなりやすい。その結果、パッケージに対して繰り返し温度変化が加わることに起因しての気密性低下が発生しやすい。これに対して本発明の一の態様に従うパワー半導体モジュールの製造方法によれば、第１の被接着面および第２の被接着面の一方は、平坦部と、平坦部から突き出て、接着層を介して第１の被接着面および第２の被接着面の他方と向かい合う突起部とを有している。これにより、突起部上に比して平坦部上で、接着層の厚みをより大きくすることができる。よって接着層に容易かつ確実に、十分に厚い部分を設けることができる。この十分に厚い部分が弾性変形することによって、枠体とヒートシンク板との間での熱膨張の差異に起因しての応力が緩和される。よって、パッケージに対して繰り返し温度変化が加わることに起因しての気密性低下を抑制することができる。

【0017】

本発明の他の態様に従うパワー半導体モジュールの製造方法によれば、枠体およびヒートシンク板を互いに接着する接着層が形成された後に、ヒートシンク板上へパワー半導体素子が実装される。この実装には加熱を要することから、接着層の温度も上昇する。よって仮に、十分に厚い部分を接着層が有していなかったとすると、枠体とヒートシンク板との間での熱膨張の差異に起因しての応力が接着層によって緩和される作用が低くなりやすい。その結果、パッケージに対して繰り返し温度変化が加わることに起因しての気密性低下が発生しやすい。これに対して本発明の他の態様に従うパワー半導体モジュールの製造方法によれば、枠体の第１の被接着面とヒートシンク板の第２の被接着面とを互いに接着している接着層の内部に挿入部材が配置されている。これにより、第１の被接着面および第２の被接着面の各々と挿入部材との間に比して、挿入部材から外れた第１の被接着面と第２の被接着面との間において、接着層の厚みをより大きくすることができる。よって接着層に容易かつ確実に、十分に厚い部分を設けることができる。この十分に厚い部分が弾性変形することによって、枠体とヒートシンク板との間での熱膨張の差異に起因しての応力が緩和される。よって、パッケージに対して繰り返し温度変化が加わることに起因しての気密性低下を抑制することができる。

【0018】

この発明の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の実施の形態１におけるパワー半導体モジュールの構成を概略的に示す上面図である。

【図2】図１の線ＩＩ－ＩＩに沿う概略的な断面図である。

【図3】本発明の実施の形態１におけるパッケージの構成を概略的に示す上面図である。

【図4】図３の線ＩＶ－ＩＶに沿う概略的な断面図である。

【図5】図３の線Ｖ－Ｖに沿う概略的な部分断面図である。

【図6】本発明の実施の形態１における枠体の構成を概略的に示す底面図である。

【図7】比較例のパッケージの構成を、図４に対応する視野で示す断面図である。

【図8】図５の変形例を概略的に示す部分断面図である。

【図9】図６の変形例を概略的に示す底面図である。

【図10】本発明の実施の形態２におけるパッケージの構成を概略的に示す部分断面図である。

【図11】本発明の実施の形態３におけるパッケージの構成を概略的に示す部分断面図である。

【図12】図１１の第１の変形例を概略的に示す部分断面図である。

【図13】図１１の第２の変形例を概略的に示す部分断面図である。

【図14】本発明の実施の形態４におけるパッケージの構成を概略的に示す上面図である。

【図15】図１４の線ＸＶ－ＸＶに沿う概略的な断面図である。

【図16】図１４の線ＸＶＩ－ＸＶＩに沿う概略的な部分断面図である。

【図17】本発明の実施の形態４における挿入部材の構成を概略的に示す底面図である。

【図18】図１７の変形例を概略的に示す底面図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。

【0021】

＜実施の形態１＞
図１は、本実施の形態１におけるパワー半導体モジュール９００の構成を概略的に示す上面図である。図２は、図１の線ＩＩ－ＩＩに沿う概略的な断面図である。パワー半導体モジュール９００は、パッケージ１０１と、パワー半導体素子２００と、蓋体３００とを有している。またパワー半導体モジュール９００は、接着層４６と、接合層４２とを有している。

【0022】

パワー半導体素子２００は高周波用半導体素子であってよい。高周波用半導体素子はおおよそ、数十ＭＨｚ（例えば３０ＭＨｚ）以上３０ＧＨｚ以下の周波数で動作する半導体素子である。この場合、パワー半導体モジュール９００は高周波モジュールである。高周波用途に適したパワー半導体素子２００は、典型的には、ＬＤＭＯＳ（横方向拡散ＭＯＳ：Ｌａｔｅｒａｌ Ｄｉｆｆｕｓｅｄ ＭＯＳ）トランジスタ、またはＧａＮ（窒化ガリウム）トランジスタである。

【0023】

パワー半導体素子２００は、パッケージ１０１のヒートシンク板５０Ｃの実装領域５５Ｍ上に配置されている。実装領域５５Ｍとパワー半導体素子２００とは、熱硬化性樹脂と金属とを含有する接合層４２を介して互いに接合されていることが好ましい。接合層４２の熱硬化性樹脂は、エポキシ樹脂を含むことが好ましい。接合層４２の金属は、銀を含むことが好ましい。

【0024】

パッケージ１０１は、詳しくは後述するが、ヒートシンク板５０Ｃおよび枠体８１を有している。ヒートシンク板５０Ｃは、平面視において実装領域５５Ｍを枠体８１内に有している。言い換えれば、ヒートシンク板５０Ｃは、平面視において枠体８１に囲まれた実装領域５５Ｍを有している。パワー半導体素子２００はヒートシンク板５０Ｃの実装領域５５Ｍ上へ実装されている。

【0025】

パッケージ１０１には蓋体３００が取り付けられている。具体的には、接着層４６がパッケージ１０１と蓋体３００とを互いに接着している。これにより、パワー半導体素子２００をグロスリークなしに封止する封止空間９５０が構成されている。よってパワー半導体素子２００は、高い気密性で、水蒸気その他の大気中のガスが侵入しないように外部環境から保護されている。封止空間９５０は、－６５℃と＋１５０℃との間での５００サイクルの温度変化に対して耐環境性を有していることが好ましい。具体的には、上記温度変化にさらされた後においても、封止空間９５０はグロスリークを有しないことが好ましい。

【0026】

図３は、本実施の形態１におけるパッケージ１０１の構成を概略的に示す上面図である。図４および図５のそれぞれは、図３の線ＩＶ－ＩＶおよび線Ｖ－Ｖに沿う概略的な部分断面図である。図６は、枠体８１（図４および図５）の構成を概略的に示す底面図である。パッケージ１０１は、パワー半導体モジュール９００（図１および図２）の製造用に用いられることになる。パッケージ１０１は、蓋体３００（図１および図２）が取り付けられることによって封止空間９５０（図２）を構成するためのものである。封止空間９５０はパワー半導体素子２００をグロスリークなしに封止する。パッケージ１０１は、封止空間９５０となるキャビティとして、ヒートシンク板５０Ｃ上において枠体８１に囲まれた空間を有している。パッケージ１０１は、具体的には、外部端子電極９０と、枠体８１と、ヒートシンク板５０Ｃと、接着層４１とを有している。さらに、パッケージ１０１は、電極接着層６１と、電極接着層６２と、上部枠体８２とを有していてよく、その場合パッケージ１０１は、上部枠体８２に接着層４６を介して蓋体３００が取り付けられることによって封止されてよい。あるいは、電極接着層６２および上部枠体８２は省略されていてもよく、その場合パッケージ１０１は、枠体８１に取り付けられた外部端子電極９０と、電極接着層６１の露出面とに、接着層４６を介して蓋体３００が取り付けられることによって封止されてよい。さらに電極接着層６１が外部端子電極９０と枠体８１との間にのみ設けられている場合は、パッケージ１０１は、枠体８１に取り付けられた外部端子電極９０と、枠体８１の露出面とに、接着層４６を介して蓋体３００が取り付けられることによって封止されてよい。

【0027】

枠体８１は樹脂（第１の樹脂）を含有している。この樹脂は、熱可塑性樹脂であることが好ましい。この樹脂中には無機フィラー（第１の無機フィラー）が分散されていることが好ましい。この無機フィラーは、好ましくは、繊維状粒子および板状粒子の少なくともいずれかを含む。形状が繊維状または板状であることによって、枠体８１が射出成形技術等によって形成される際に、フィラーが樹脂の流動を阻害することが抑制される。このような無機フィラーの材料としては、例えば、シリカガラス繊維、アルミナ繊維、炭素繊維、タルク（３ＭｇＯ・４ＳｉＯ_２・Ｈ_２Ｏ）、ウォラストナイト、マイカ、グラファイト、炭酸カルシウム、ドロマイト、ガラスフレーク、ガラスビーズ、硫酸バリウム、酸化チタンが用いられる。タルクからなる無機フィラーの平板上での大きさは、例えば、粒径１μｍ～５０μｍである。ここで粒径は、樹脂の断面観察によって得られた長径の算術平均値である。無機フィラーの含有量は３０ｗｔ％～７０ｗｔ％であることが好ましい。ヒートシンク板５０Ｃの熱膨張係数が銅のものまたはそれに近い場合、銅の熱膨張係数に鑑みて、無機フィラーの熱膨張係数は１７ｐｐｍ／Ｋ以下が好ましい。枠体８１の材料は、２６０℃２時間の熱処理に対して耐熱性を有していることが好ましい。なお、パッケージ１０１が２６０℃２時間の熱処理に対して耐熱性を有する場合、熱硬化性樹脂と金属とを含有するペースト状の接着剤を用いてのパワー半導体素子２００（図２）の実装工程における典型的な熱処理に耐えることが可能である。

【0028】

外部端子電極９０は枠体８１に取り付けられている。本実施の形態においては、この取り付けに電極接着層６１および電極接着層６２が用いられている。なお変形例として、外部端子電極９０は枠体８１に直接取り付けられていてもよい。言い換えれば、金属からなる外部端子電極９０と、樹脂からなる枠体８１および上部枠体８２との一体成形が行われてもよい。外部端子電極９０は、金属からなり、好ましくは純度９０ｗｔ％（重量パーセント）以上で銅を含有している。なお、このように高純度で銅を含有する材料に代わって、コバール（商標）または鉄・ニッケル合金などが用いられてもよい。なお外部端子電極９０の表面には、ボンディングワイヤ２０５（図２）などとの接合性を確保する目的で、ニッケルめっき、およびこのニッケルめっき上の金めっきが施されていてよい。

【0029】

ヒートシンク板５０Ｃは枠体８１を支持している。ヒートシンク板５０Ｃは、平面視において枠体８１に囲まれた内面５１を有している。内面５１は、パワー半導体素子２００（図２）が実装されることになる未実装領域５５Ｕ（図４）を有している。未実装領域５５Ｕは、パワー半導体素子２００がまだ実装されていないものの、パワー半導体素子２００が実装されることになる領域である。言い換えれば、パッケージ１０１の内面５１のうち、パワー半導体素子２００が実装されることによって実装領域５５Ｍ（図２）となる部分が未実装領域５５Ｕ（図４）である。未実装領域５５Ｕは露出されていることが好ましい。また内面５１は、パワー半導体素子２００が実装されることにはならない周辺領域５４も有していてよい。ヒートシンク板５０Ｃは、内面５１と反対の外面（図４における下面）を有している。外面は、パワー半導体モジュール９００（図２）の使用時においては、通常、他の部材に取り付けられているが、パワー半導体モジュール９００の製造時においては露出されていてよい。

【0030】

ヒートシンク板５０Ｃは金属からなる。この金属は、純度９５．０ｗｔパーセント以上で銅を含有する非複合材料であることが好ましく、純度９９．８ｗｔ％以上で銅を含有する非複合材料であることがより好ましい。なお、このように銅を主成分とするヒートシンク板に、例えばニッケル層および金層といった、めっき層が付加されていてもよい。

【0031】

接着層４１は、枠体８１が有する被接着面Ｓ１（第１の被接着面）と、ヒートシンク板５０Ｃが有する被接着面Ｓ２（第２の被接着面）とを互いに接着している。接着層４１によってヒートシンク板５０Ｃと枠体８１との間の気密性が確保されている。ヒートシンク板５０Ｃと枠体８１との間の気密性は、２６０℃２時間の熱処理に対して耐熱性を有していることが好ましい。なお、ヒートシンク板５０Ｃと枠体８１との間の気密性が２６０℃２時間の熱処理に対して耐熱性を有するか否かの試験は、パッケージ１０１（図４）へ２６０℃２時間の熱処理を施した後に、パッケージ１０１へ十分な気密性で蓋体３００（図２）を取り付けてグロスリーク試験を行うことによってなされてよい。蓋体３００およびその取り付け構造が十分な耐熱性を有している場合は、熱処理前に蓋体３００が取り付けられてもよい。

【0032】

接着層４１は、図４に示されているように、ヒートシンク板５０Ｃと枠体８１とをつなぐ凹状の側面を有していることが好ましい。この凹状の形状は、硬化されることによって接着層４１となる流動層の表面張力によって形成することができる。ただしこの凹状の形状は、当該流動層が押しつぶされるほど乱される。よって、凹状の側面を有する接着層４１を得るためには、上記流動層があまり強く押しつぶされないようにすることが望ましい。

【0033】

接着層４１は、枠体８１の材料と異なる材料からなる。接着層４１は、枠体８１の樹脂（第１の樹脂）と異なる樹脂（第２の樹脂）を含有している。接着層４１の樹脂は、耐熱性と、硬化前の高流動性との観点で、熱硬化性樹脂であることが好ましく、例えばエポキシ樹脂である。

【0034】

接着層４１の樹脂中には無機フィラーが分散されていることが好ましい。この無機フィラーは、好ましくはシリカガラスおよび結晶性シリカの少なくともいずれかを含有し、より好ましくはシリカガラスからなる。典型的には、シリカガラスの熱膨張係数は０．５ｐｐｍ／Ｋ程度であり、結晶性シリカの熱膨張係数は１５ｐｐｍ／Ｋ程度であり、よって、無機フィラーの熱膨張係数を１７ｐｐｍ／Ｋ以下とすることができる。このことは、接着層４１の樹脂としてエポキシ樹脂またはフッ素樹脂が用いられる場合、特に望まれる。この場合、無機フィラーの含有量は５０ｗｔ％～９０ｗｔ％であることが好ましい。シリカガラスおよび結晶性シリカの少なくともいずれかに代わって、またはそれと共に、アルミナ、水酸化アルミニウム、タルク、酸化鉄、ウォラストナイト、炭酸カルシウム、マイカ、酸化チタン、炭素繊維の少なくともいずれかが用いられてもよい。無機フィラーの形状は、例えば、球状、繊維状、または板状である。一方、接着層４１の樹脂としてシリコーン樹脂が用いられる場合は、シリコーン樹脂がゴム弾性を有するので、無機フィラーの熱膨張係数の制約はほぼ無視できる。この場合、無機フィラーの含有量は、接着層４１の流動性制御等の観点で調整されてよく、１ｗｔ％～１０ｗｔ％であることが好ましい。硬化前の接着層４１の流動性を確保する観点では、粒径１μｍ～５０μｍの球状シリカガラス（非結晶性シリカ）が最適である。

【0035】

枠体８１の被接着面Ｓ１およびヒートシンク板５０Ｃの被接着面Ｓ２の一方は、平坦部と、平坦部から突き出て、接着層４１を介して被接着面Ｓ１および被接着面Ｓ２の他方と向かい合う突起部とを有している。本実施の形態においては、被接着面Ｓ１が、平坦部Ｓ１ｆと、平坦部Ｓ１ｆから突き出て、接着層４１を介して被接着面Ｓ２と向かい合う突起部Ｓ１ｐとを有している。言い換えると、枠体８１は、平坦な底面を有する主部８１ｍと、この底面から突出するように配置された副部８１ｐとを有している。突起部Ｓ１ｐの高さＧ（図５）は、０．０２ｍｍ以上が好ましく、０．０５ｍｍ以上がより好ましい。また本実施の形態においては、被接着面Ｓ２は平坦である。また本実施の形態においては、突起部Ｓ１ｐは、突起部Ｓ１ｐが突き出る方向、すなわち図５における下方向、に向かってテーパ形状を有している。

【0036】

次にパワー半導体モジュール９００（図２）の製造方法について説明する。最初にパッケージ１０１（図４）が準備される。

【0037】

続いて、ヒートシンク板５０Ｃの未実装領域５５Ｕ上へパワー半導体素子２００が実装される。これにより、露出されていた未実装領域５５Ｕ（図４）は、パワー半導体素子２００によって覆われた実装領域５５Ｍ（図２）となる。パワー半導体素子２００が実装される際は、熱硬化性樹脂と金属とを含有する接合層４２を介してヒートシンク板５０Ｃの未実装領域５５Ｕとパワー半導体素子２００とが互いに接合されることが好ましい。言い換えれば、熱硬化性樹脂と金属とを含有するペースト状の接着剤の塗布と、その硬化とによる接合が行われることが好ましい。接合層４２の熱硬化性樹脂はエポキシ樹脂を含むことが好ましい。接合層４２の金属は銀を含むことが好ましい。

【0038】

次に、パッケージ１０１のキャビティ内において、パワー半導体素子２００と外部端子電極９０とがボンディングワイヤ２０５（図２）によって接続される。これにより、パワー半導体素子２００と外部端子電極９０との間の電気的接続が確保される。なお、パワー半導体素子２００と外部端子電極９０との間の電気的接続は、ボンディングワイヤ２０５以外の方法によって確保されてもよく、その場合、ボンディングワイヤ２０５は必ずしも必要ではない。

【0039】

次に、パッケージ１０１に蓋体３００を取り付けることによって、パワー半導体素子２００がグロスリークなしに封止される。これによりパワー半導体モジュール９００が得られる。具体的には、上部枠体８２と蓋体３００とが接着層４６によって互いに接着される。パッケージ１０１への蓋体３００の取り付けは、パワー半導体素子２００が実装されたパッケージ１０１に対して、グロスリークの原因となるほどの熱ダメージを与えないように行われる。言い換えれば、パッケージ１０１への蓋体３００の取り付けは、接着層４１に対して、グロスリークの原因となるほどの熱ダメージを与えないように行われる。例えば、蓋体３００はパッケージ１０１へ、前述した熱ダメージにつながらない程度に低い硬化温度で硬化させられた接着層４６を介して取り付けられる。この硬化温度は、例えば２６０℃未満である。

【0040】

図７は、比較例のパッケージ１００の構成を、図４（本実施の形態のパッケージ１０１）に対応する視野で示す断面図である。パッケージ１００の枠体８１Ｃは、枠体８１（図５）と異なり、副部８１ｐを有しておらず、よって突起部Ｓ１ｐを有していない。この場合、枠体８１Ｃとヒートシンク板５０Ｃとの間での接着層４１の厚みはおおよそ均一であり、この厚みを安定的に大きくすることには、通常、限界がある。単純に接着剤を多量に塗布したとすると、ブリード、すなわち、未実装領域５５Ｕの方へ接着剤が流れる現象、が生じることによって、実装工程に差支えが生じてしまう。また、接着剤に加わる荷重条件に依存して接着層４１の厚みが大きく変動しやすい。一方で、この厚みが十分でない場合、枠体８１Ｃとヒートシンク板５０Ｃとの間での熱膨張の差異に起因しての応力が接着層４１の弾性変形によって緩和される効果が小さくなる。その結果、パッケージ１００に対して繰り返し温度変化が加わることに起因しての気密性低下が発生しやすい。

【0041】

（効果）
本実施の形態によれば、被接着面Ｓ１（図５）は、平坦部Ｓ１ｆと、平坦部Ｓ１ｆから突き出て、接着層４１を介して被接着面Ｓ２と向かい合う突起部Ｓ１ｐとを有している。これにより、被接着面Ｓ１の突起部Ｓ１ｐと被接着面Ｓ２との間に比して、被接着面Ｓ１の平坦部Ｓ１ｆと被接着面Ｓ２との間で、接着層４１の厚みをより大きくすることができる。よって接着層４１に容易かつ確実に、十分に厚い部分を設けることができる。この十分に厚い部分が弾性変形することによって、枠体８１とヒートシンク板５０Ｃとの間での熱膨張の差異に起因しての応力が緩和される。よって、パッケージ１０１に対して繰り返し温度変化が加わることに起因しての気密性低下を抑制することができる。

【0042】

特に、接着層４１（図５）がフィラーを含有している場合は、厚みＡと高さＧとの差異は、通常、フィラーの粒径よりも大きくなる。よって、接着層４１の厚みＡを、フィラーの粒径と、高さＧとの和よりも大きくすることが容易に可能である。

【0043】

このように、接着層４１の、上述した厚い部分の厚みは、突起部Ｓ１ｐの形状と接着層４１の材料とによっておおよそ決定され、硬化前の接着層４１への荷重条件にはあまり依存しない。これにより、接着層４１の厚みのばらつきが抑制される。よって、接着層４１による応力緩和効果を安定的に得ることができる。

【0044】

また突起部は、金属からなるヒートシンク板５０に形成するよりも、本実施の形態のように、主に樹脂からなる枠体８１に形成する方が、製造上、容易である。特に枠体８１が樹脂成形によって形成される場合は、突起部Ｓ１ｐに対応する形状を予め金型に付与しておくだけで、突起部Ｓ１ｐを有する枠体８１を容易に得ることができる。

【0045】

さらに、突起部Ｓ１ｐが設けられることによって、接着層４１となる流動層が突起部Ｓ１ｐ上に界面張力によって保持される。これにより、この流動層が未実装領域５５Ｕへは流れにくくなる。よって、ブリードの発生を抑制することができる。

【0046】

ヒートシンク板５０Ｃと枠体８１との間の気密性は、２６０℃２時間の熱処理に対して耐熱性を有していることが好ましい。これにより、２６０℃２時間の熱処理に相当する熱的負荷がパワー半導体素子２００の実装時に加わっても、それが封止空間９５０（図２）のグロスリークの原因となることが避けられる。具体的には、熱硬化性樹脂と金属とを含有するペースト状の接着剤を用いてのパワー半導体素子２００の実装工程における典型的な熱処理に耐えることが可能である。

【0047】

ヒートシンク板５０Ｃは、純度９５．０ｗｔ％以上で銅を含有する非複合材料からなることが好ましい。これにより、３００Ｗ／ｍ・Ｋを超える高い熱伝導率が容易に得られる。例えば、日本工業規格（ＪＩＳ）Ｃ１５１０の材料（純度９９．８２ｗｔ％以上で銅を含有）により、３４７Ｗ／ｍ・Ｋの高い熱伝導率が得られる。また、パワー半導体素子２００の実装前においては、ヒートシンク板５０Ｃは、パワー半導体素子２００が実装されることになる未実装領域５５Ｕ（図４）を枠体８１内に有している。言い換えれば、パワー半導体素子２００が実装されるときに、ヒートシンク板５０Ｃ上に枠体８１が既に取り付けられている。よって、パワー半導体素子２００を実装した後にヒートシンク板５０Ｃ上に枠体８１を取り付ける工程を要しない。以上から、高い熱伝導率を有するヒートシンク板５０Ｃを用いつつ、パワー半導体素子２００の実装後にパワー半導体モジュール９００（図２）を速やかに完成させることができる。

【0048】

未実装領域５５Ｕ（図４）は露出されていることが好ましい。これにより、パワー半導体素子２００（図２）を未実装領域５５Ｕ（図４）上に容易に実装することができる。

【0049】

接着層４１（図４）は、ヒートシンク板５０Ｃと枠体８１とをつなぐ凹状の側面を有していることが好ましい。これにより、接着層４１による応力緩和の効果を高めることができる。

【0050】

本実施の形態のパワー半導体モジュール９００（図２）の製造方法によれば、パッケージ１０１（図４）が形成された後にそのヒートシンク板５０Ｃ上へパワー半導体素子２００が実装される。よって、枠体８１およびヒートシンク板５０Ｃを互いに接着する接着層４１が形成された後に、ヒートシンク板５０Ｃ上へパワー半導体素子２００が実装される。この実装には加熱を要することから、接着層４１の温度も上昇する。よって仮に、十分に厚い部分を接着層４１が有していなかったとすると、枠体８１とヒートシンク板５０Ｃとの間での熱膨張の差異に起因しての応力が接着層４１によって緩和される作用が低くなりやすい。その結果、パッケージ１０１に対して繰り返し温度変化が加わることに起因しての気密性低下が発生しやすい。これに対して本実施の形態のパワー半導体モジュール９００の製造方法によれば、突起部Ｓ１ｐ上に比して平坦部Ｓ１ｆ上で、接着層４１の厚みをより大きくすることができる。よって接着層４１に容易かつ確実に、十分に厚い部分を設けることができる。この十分に厚い部分が弾性変形することによって、枠体８１とヒートシンク板５０Ｃとの間での熱膨張の差異に起因しての応力が緩和される。よって、パッケージ１０１に対して繰り返し温度変化が加わることに起因しての気密性低下を抑制することができる。

【0051】

パワー半導体素子２００が実装される際は、熱硬化性樹脂と金属とを含有する接合層４２（図２）を介してヒートシンク板５０Ｃの未実装領域５５Ｕ（図４）とパワー半導体素子２００とが互いに接合されることが好ましい。接合層４２が金属を含有することによって、パワー半導体素子２００からヒートシンク板５０Ｃへの放熱性を高めることができる。また接合層４２が樹脂を含有することによって、ヒートシンク板５０Ｃから接合層４２を介してパワー半導体素子２００へ加わる熱応力が緩和される。これにより、熱応力に起因してのパワー半導体素子２００の破壊が起こりにくくなる。

【0052】

図８は、図５（パッケージ１０１）の変形例としてのパッケージ１０１Ａを概略的に示す部分断面図である。この変形例においては、枠体８１Ａの突起部Ｓ１ｐは突起部Ｓ１ｐが突き出る方向に向かって、テーパ形状ではなく逆テーパ形状を有している。これにより、接着層４１中での突起部Ｓ１ｐのアンカー効果が高められる。よって、接着層４１と枠体８１Ａとの間の接着力を高めることができる。一方でこの変形例においては、突起部Ｓ１ｐの付け根（図８における矢印ＲＴ）に気泡が溜まりやすくなる。気泡は、ガスの発生源となり得ることから、好ましくない。気泡の発生を抑制するためには、テーパ形状の突起部Ｓ１ｐを有する枠体８１（図５）が用いられることが好ましい。なお突起部Ｓ１ｐの形状は、テーパ形状および逆テーパ形状とは異なる他の形状であってもよい。

【0053】

図９は、図６（枠体８１）の変形例としての枠体８１Ｂを概略的に示す底面図である。突起部Ｓ１ｐは、枠体８１においては枠体８１の周に沿って離散的なパターンを有しているが、枠体８１Ｂにおいては枠体８１Ｂの周に沿って連続的なパターンを有している。この変形例によっても、突起部Ｓ１ｐの内側または外側において接着層４１が相対的に厚い部分を有するので、上記本実施の形態とほぼ同様の効果が得られる。また特に本変形例においては、上述した本実施の形態（図６）と異なり、隣り合う突起部Ｓ１ｐ間の隙間が形成されない。よって接着層４１の埋め込みが不十分とはなりにくい。よって、不十分な埋め込みに起因してのリークを、より確実に避けることができる。

【0054】

＜実施の形態２＞
図１０は、本実施の形態２におけるパッケージ１０２の構成を概略的に示す部分断面図である。本実施の形態においては、ヒートシンク板５０Ｃおよび枠体８１（図４：実施の形態１）のそれぞれに代わって、ヒートシンク板５０および枠体８１Ｃが用いられている。ヒートシンク板５０の被接着面Ｓ２は、平坦部Ｓ２ｆと、平坦部Ｓ２ｆから突き出て、接着層４１を介して被接着面Ｓ１と向かい合う突起部Ｓ２ｐとを有している。一方、枠体８１Ｃの被接着面Ｓ１は平坦である。言い換えると、ヒートシンク板５０は、平坦な上面を有する主部５０ｍと、この上面から突出するように配置された副部５０ｐとを有している。一方、枠体８１Ｃは、平坦な底面を有している。なお、上記以外については、ヒートシンク板５０は実施の形態１のヒートシンク板５０Ｃとほぼ同様であり、かつ、枠体８１Ｃは実施の形態１の枠体８１とほぼ同様である。

【0055】

本実施の形態によれば、被接着面Ｓ２の突起部Ｓ２ｐと被接着面Ｓ１との間に比して、被接着面Ｓ２の平坦部Ｓ２ｆと被接着面Ｓ１との間で、接着層４１の厚みをより大きくすることができる。よって接着層４１に容易かつ確実に、十分に厚い部分を設けることができる。この十分に厚い部分が弾性変形することによって、枠体８１Ｃとヒートシンク板５０との間での熱膨張の差異に起因しての応力が緩和される。よって、パッケージ１０２に対して繰り返し温度変化が加わることに起因しての気密性低下を抑制することができる。

【0056】

＜実施の形態３＞
図１１は、本実施の形態３におけるパッケージ１０３の構成を概略的に示す部分断面図である。パッケージ１０３は、共に突起部および平坦部を有する部材である、枠体８１およびヒートシンク板５０を有している。特に本実施の形態においては、平面レイアウトにおいて、枠体８１の突起部Ｓ１ｐと、ヒートシンク板５０の突起部Ｓ２ｐとが、実質的に全部重なっている。

【0057】

本実施の形態によれば、突起部Ｓ１ｐと突起部Ｓ２ｐとの間に比して、平坦部Ｓ１ｆと平坦部Ｓ２ｆとの間において、接着層４１の厚みをより大きくすることができる。よって接着層４１に容易かつ確実に、十分に厚い部分を設けることができる。この十分に厚い部分が弾性変形することによって、枠体８１とヒートシンク板５０との間での熱膨張の差異に起因しての応力が緩和される。よって、パッケージ１０３に対して繰り返し温度変化が加わることに起因しての気密性低下を抑制することができる。

【0058】

図１２は、第１の変形例としてのパッケージ１０４を概略的に示す部分断面図である。本変形例においては、平面レイアウトにおいて、枠体８１の突起部Ｓ１ｐと、ヒートシンク板５０の突起部Ｓ２ｐとが、部分的にのみ重なっている。この変形例によっても、上記本実施の形態とほぼ同じ効果が得られる。

【0059】

図１３は、第２の変形例としてのパッケージ１０５を概略的に示す部分断面図である。本変形例においては、平面レイアウトにおいて、枠体８１の突起部Ｓ１ｐと、ヒートシンク板５０の突起部Ｓ２ｐとが、互いに外れて配置されている。この変形例によっても、上記本実施の形態に近い効果が得られる。そして特に本変形例によれば、枠体８１の突起部Ｓ１ｐとヒートシンク板５０の突起部Ｓ２ｐとが平面レイアウトにおいて互いに外れていることから、枠体８１の被接着面Ｓ１とヒートシンク板５０の被接着面Ｓ２とが、より噛み合うように配置され得る。これにより、隣り合う突起部Ｓ２ｐの間（または隣り合う突起部Ｓ１ｐの間）における接着層４１の体積が抑制される。よって接着層４１の埋め込みが不十分となりにくいという利点がある。

【0060】

＜実施の形態４＞
図１４は、本実施の形態４におけるパッケージ１０６の構成を概略的に示す上面図である。図１５および図１６のそれぞれは、図１４の線ＸＶ－ＸＶおよび線ＸＶＩ－ＸＶＩに沿う概略的な部分断面図である。本実施の形態のパッケージ１０６は、パッケージ１０１（図２：実施の形態１）と同様に、蓋体３００が取り付けられることによってパワー半導体素子２００をグロスリークなしに封止する封止空間９５０を構成するためのものである。

【0061】

パッケージ１０６は挿入部材８８を有している。挿入部材８８は接着層４１の内部に配置されている。平面レイアウトにおいて、挿入部材８８の面積は、枠体８１Ｃの面積よりも小さい。挿入部材８８の材料は特に限定されず、挿入部材８８は、例えば、金属、樹脂、または、無機フィラーが分散された樹脂からなっていてよい。この樹脂は、挿入部材８８の生産性の観点で、熱硬化性樹脂であることが好ましい。熱硬化性樹脂は、射出成形などを用いた製造プロセスに適している。

【0062】

図１７は、挿入部材８８（図１５および図１６）の構成を概略的に示す底面図であり、平面レイアウトにおける枠体８１Ｃの配置も仮想線で示されている。本実施の形態においては、挿入部材８８は、開口部と、その周りを連続的に囲む枠部とを有している。言い換えれば、挿入部材８８は、枠体８１Ｃの周に沿って延びる閉じた形状を有している。この場合、枠体８１Ｃの大きさを鑑みれば、挿入部材８８の最大寸法は１ｍｍよりも大きい。図１８は、図１７の変形例を概略的に示す底面図である。この変形例においては、複数の挿入部材８８ｖが用いられている。挿入部材８８ｖの各々は、１ｍｍより大きな最大寸法を有していることが好ましい。

【0063】

次に、パッケージ１０６の製造方法について説明する。まずヒートシンク板５０Ｃ上に、硬化されることによって接着層４１となるペースト層が塗布される。このペースト層上に挿入部材８８が配置される。挿入部材８８は、自重によってペースト層中へと徐々に沈み込む。ペースト層は、界面張力によって挿入部材８８の上面上にも広がる。次に、ペースト層上に枠体８１Ｃが載置される。次に、枠体８１Ｃ上に、硬化されることによって電極接着層６１となるペースト層と、外部端子電極９０と、硬化されることによって電極接着層６２となるペースト層と、上部枠体８２との積層構造が形成される。次に、上記各ペースト層が２００℃３時間の熱処理によって一括して硬化される。以上によりパッケージ１０６が得られる。

【0064】

なお、上記以外の構成については、上述した実施の形態１または２の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。また、本実施の形態のパッケージ１０６を用いてパワー半導体モジュールを製造する方法は、パッケージ１０１を用いてパワー半導体モジュール９００（図１および図２）を製造する方法とほぼ同様であるため、その説明を省略する。

【0065】

（効果）
本実施の形態のパッケージ１０６によれば、枠体８１Ｃの被接着面Ｓ１とヒートシンク板５０Ｃの被接着面Ｓ２とを互いに接着している接着層４１の内部に挿入部材８８が配置されている。これにより、被接着面Ｓ１および被接着面Ｓ２の各々と挿入部材８８との間に比して、挿入部材８８から外れた被接着面Ｓ１と被接着面Ｓ２との間において、接着層４１の厚みをより大きくすることができる。よって接着層４１に容易かつ確実に、十分に厚い部分を設けることができる。この十分に厚い部分が弾性変形することによって、枠体８１Ｃとヒートシンク板５０Ｃとの間での熱膨張の差異に起因しての応力が緩和される。よって、パッケージ１０６に対して繰り返し温度変化が加わることに起因しての気密性低下を抑制することができる。

【0066】

さらに、挿入部材８８が設けられることによって、接着層４１が、より大きな厚みＡ（図１５）を有する状態で硬化され得る。これにより、硬化されることによって接着層４１となる流動層を、未実装領域５５Ｕへ押し出されにくくすることができる。よって、ブリードの発生を抑制することができる。

【0067】

挿入部材８８は樹脂を含有していてよい。その場合、挿入部材８８が弾性変形しやすい。これにより、枠体８１Ｃとヒートシンク板５０Ｃとの間での熱膨張の差異に起因しての応力が、より緩和される。

【0068】

挿入部材８８（挿入部材８８ｖ）は、１ｍｍより大きな最大寸法を有していることが好ましい。これにより、多数の挿入部材を配置する工程を要することなく、挿入部材による効果を得ることができる。

【0069】

本実施の形態のパワー半導体モジュールの製造方法によれば、パッケージ１０６が形成された後にそのヒートシンク板５０Ｃ上へパワー半導体素子２００（図２参照）が実装される。よって、枠体８１Ｃおよびヒートシンク板５０Ｃを互いに接着する接着層４１が形成された後に、ヒートシンク板５０Ｃ上へパワー半導体素子２００が実装される。この実装には加熱を要することから、接着層４１の温度も上昇する。よって仮に、十分に厚い部分を接着層４１が有していなかったとすると、枠体８１Ｃとヒートシンク板５０Ｃとの間での熱膨張の差異に起因しての応力が接着層４１によって緩和される作用が低くなりやすい。その結果、パッケージに対して繰り返し温度変化が加わることに起因しての気密性低下が発生しやすい。これに対して本実施の形態のパワー半導体モジュールの製造方法によれば、枠体８１Ｃの被接着面Ｓ１とヒートシンク板５０Ｃの被接着面Ｓ２とを互いに接着している接着層４１の内部に挿入部材８８が配置されている。これにより、被接着面Ｓ１および被接着面Ｓ２の各々と挿入部材８８との間に比して、挿入部材８８から外れた被接着面Ｓ１と被接着面Ｓ２との間において、接着層４１の厚みをより大きくすることができる。よって接着層４１に容易かつ確実に、十分に厚い部分を設けることができる。この十分に厚い部分が弾性変形することによって、枠体８１Ｃとヒートシンク板５０Ｃとの間での熱膨張の差異に起因しての応力が緩和される。よって、パッケージ１０６に対して繰り返し温度変化が加わることに起因しての気密性低下を抑制することができる。

【0070】

パワー半導体素子２００（図２参照）が実装される際は、熱硬化性樹脂と金属とを含有する接合層４２（図２参照）を介してヒートシンク板５０Ｃの未実装領域５５Ｕ（図１５）とパワー半導体素子２００とが互いに接合されることが好ましい。接合層４２が金属を含有することによって、パワー半導体素子２００からヒートシンク板５０Ｃへの放熱性を高めることができる。また接合層４２が樹脂を含有することによって、ヒートシンク板５０Ｃから接合層４２を介してパワー半導体素子２００へ加わる熱応力が緩和される。これにより、熱応力に起因してのパワー半導体素子２００の破壊が起こりにくくなる。

【0071】

＜実験＞
パッケージ１００（図７）に対応する比較例１～３について検討した。各例として１０個のサンプルが作製された。その結果を、以下の表１に示す。

【0072】

【表1】

【0073】

比較例１～３のそれぞれにおいて、接着層４１の厚みＡは、０．０５ｍｍ、０．１０ｍｍおよび０．１５ｍｍとされた。比較例１の接着層４１は、ヒートシンク板５０Ｃ上にペーストを１回塗布することによってペースト層を形成し、このペースト層上に枠体８１Ｃを配置し、そしてペースト層を硬化することによって形成された。比較例２の接着層４１は、ヒートシンク板５０Ｃ上にペーストを１回塗布した後に加熱して半硬化させ、この半硬化層上に再度ペーストを塗布することによってペースト層を形成し、このペースト層上に枠体８１Ｃを配置し、そしてペースト層を硬化することによって形成された。比較例３の接着層４１は、半硬化層上に塗布されるペーストの量を多くすることによって、より厚く形成された。なお接着層４１、電極接着層６１および電極接着層６２の材料としては、熱硬化性樹脂としてのエポキシ樹脂と、フィラーとしてのほぼ球形で最大直径３５μｍのシリカガラスとの混合物が用いられた。接着層４１の完全な硬化は、２００℃３時間の熱処理によって行われた。なおこの熱処理時に、電極接着層６１および電極接着層６２の硬化も同時に行われた。

【0074】

枠体８１Ｃ（図７）について、厚みＢは０．３ｍｍ、幅Ｃは２．１ｍｍとされた。枠体８１Ｃおよび上部枠体８２の材料としては、熱可塑性樹脂としての液晶ポリマーが用いられた。ヒートシンク板５０Ｃとしては、ニッケルめっき層および金めっき層が設けられた銅板が用いられた。外部端子電極９０としては、ニッケルめっき層および金めっき層が設けられた銅の薄板が用いられた。

【0075】

上記のように形成されたパッケージ１００についての外観検査として、ブリードおよび隙間が観察された。ブリードについての外観検査は、接着層４１が未実装領域５５Ｕまで流れてしまっていた場合を不良と判定する検査である。上記表１に示すように、比較例１～３の各々について、１０サンプルすべてでブリードが見られた。隙間についての外観検査は、未実装領域５５Ｕから外部へと通じる接着層４１の隙間が発生してしまっていた場合を不良と判定する検査である。上記表１に示すように、比較例１～３の各々について、１０サンプルすべてで隙間が見られなかった。

【0076】

次に、蓋体３００（図２参照）が、エポキシ樹脂からなる接着層４６（図２参照）を用いてパッケージ１００に取り付けられた。これにより封止空間９５０（図２参照）が形成された。なお接着層４６の硬化のためには、１９０℃での熱処理が行われた。

【0077】

次に、温度サイクル後のグロスリーク試験が行われた。温度サイクルとしては、－６５℃と＋１５０℃との間での温度変化が、まず１０サイクル与えられ、さらに１００サイクルまで与えられ、そしてさらに５００サイクルまで与えられた。この温度変化は、過酷な外部環境に設置されたパワー半導体モジュールがさらされる温度変化を模している。よって、過酷な外部環境下で用いられるパッケージは、上記温度サイクル後にグロスリークが見られない必要がある。グロスリーク試験は、具体的には、１２０℃±１０℃に加熱された、高沸点溶剤であるフロリナート（商標）中にサンプルを３０秒間浸漬し、この浸漬中にバブルが発生する場合を不良と判定する試験である。上記表１のように、グロスリーク試験への耐性は、おおむね厚みＡに比例して向上していた。しかしながら、比較例２および３においては、大きな厚みＡを有する接着層４１を形成するためにペーストが複数回塗布されており、これは工程上の負担が大きい。

【0078】

また、パッケージ１０１（図４）に対応する実施例４～１６について検討した。各例として１０個のサンプルが作製された。その結果を、以下の表２に示す。

【0079】

【表2】

【0080】

上記表２における、厚みＡ、厚みＢ、幅Ｃ、幅Ｄ、長さＥ、間隔Ｆ、および高さＧは、図４～図６に示された寸法である。なお各部材の材料は、上記比較例において対応するものと同じとされた。

【0081】

実施例４～１６について、比較例１～３と同様の方法で、評価が行われた。その結果について、以下に説明する。

【0082】

ブリードの外観検査に関して、比較例１～３と異なり、実施例４～１６の各々においては、少なくともある程度の割合で、ブリードを免れたサンプルが得られた。具体的には、実施例７および実施例１６においては、ある程度の割合で不良が見られた。この原因は、接着層４１の厚みＡ（図５）が過大であったために、硬化されることによって接着層４１となる流動層が未実装領域５５Ｕ（図４）へ流れ出しやすかったからと推測される。実施例９～１１においても、ある程度の割合で不良が見られた。この原因は、枠体の幅Ｃに対し、突起部Ｓ１ｐの幅Ｄ（図４）が過大であったために、硬化されることによって接着層４１となる流動層が未実装領域５５Ｕへ押し出されやすかったからと推測される。

【0083】

隙間の外観検査に関して、実施例７において、１／１０の不良が見られた。この原因は、突起部Ｓ１ｐの高さＧ（図５）が過大であったために、隣り合う突起部Ｓ１ｐの間での接着層４１の充填が不完全になりやすかったからと推測される。また実施例１４および実施例１５のそれぞれにおいて、３／１０および７／１０の不良が見られた。この原因は、突起部Ｓ１ｐの間隔Ｆ（図５）が過大であったために、隣り合う突起部Ｓ１ｐの間での接着層４１の充填が不完全になりやすかったからと推測される。また実施例１６において、８／１０の不良が見られた。これは、上述した２つの原因の両方によるものと推測される。

【0084】

温度サイクル後のグロスリーク試験は、外観検査において隙間が見られなかったサンプルについて実施された。実施例４～６を参照して、突起部Ｓ１ｐの高さＧの増大につれて、接着層４１の厚みＡが増大し、グロスリーク試験への耐性が向上した。実施例９および１０は、実施例８に比して、グロスリーク試験への耐性が、やや低かった。この原因は、突起部Ｓ１ｐの幅Ｄが過大であったために、接着層４１の体積が減少し、その結果、接着層４１による応力緩和の効果が減少したからと推測される。

【0085】

また、パッケージ１０６（図１５）に対応する実施例１７～２２について検討した。各例として１０個のサンプルが作製された。その結果を、以下の表３に示す。

【0086】

【表3】

【0087】

上記表３における、厚みＡ、厚みＢ、幅Ｃは、比較例１～３の場合（図７）と同様の寸法である。また、幅Ｈおよび厚さＩは、図１５に示された寸法である。挿入部材８８（図１５）の材料としては、表３に示されたものが用いられた。それ以外の各部材の材料は、上記比較例におけるものと同じとされた。

【0088】

パッケージ１０６の製造方法は、実施例１７～２０においては、実施の形態４で説明した方法が用いられた。実施例２１および２２においては、おおよそ同様の方法が採用されつつも、硬化されることによって接着層４１となるペースト層上に挿入部材８８が載置された後に、追加のペースト層が塗布された。よって実施例２１および２２においては、硬化されることによって接着層４１となるペースト層の塗布が２回行われた。

【0089】

実施例１７～２２について、比較例１～３と同様の方法で、評価が行われた。その結果について、以下に説明する。

【0090】

ブリードの外観検査に関して、比較例１～３と異なり、実施例１７～２２の各々においては、少なくともある程度の割合で、ブリードを免れたサンプルが得られた。具体的には、実施例２１および実施例２２においては、ある程度の割合で不良が見られた。この原因は、枠体の幅Ｃ（図４参照）に対し、挿入部材８８の幅Ｈ（図１５）が過大であったために、硬化されることによって接着層４１となる流動層が未実装領域５５Ｕ（図４）へ押し出されやすかったからと推測される。なお、隙間の外観検査に関しては、不良が見られなかった。

【0091】

温度サイクル後のグロスリーク試験に関して、実施例１７～２１の各々においてはまったく不良が見られなかった。実施例２２においては１／１０のみ不良が見られた。実施例２２の結果が実施例１７～２１に比して若干劣った理由は、樹脂に比して高い剛性を有するＣｕからなる挿入部材８８の幅Ｈが過大であったために、挿入部材８８および接着層４１の総体としての弾性がやや乏しくなり、その結果、弾性によって熱応力を緩和する効果が減少したからと推測される。

【0092】

この発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。

【符号の説明】

【0093】

４１ 接着層
５０，５０Ｃ ヒートシンク板
５５Ｍ 実装領域
５５Ｕ 未実装領域
６１，６２ 電極接着層
８１，８１Ａ～８１Ｃ 枠体
８２ 上部枠体
８８，８８ｖ 挿入部材
９０ 外部端子電極
１０１，１０１Ａ，１０２～１０６ パッケージ
２００ パワー半導体素子
２０５ ボンディングワイヤ
３００ 蓋体
９００ パワー半導体モジュール
９５０ 封止空間
Ｓ１ 被接着面（第１の被接着面）
Ｓ１ｆ，Ｓ２ｆ 平坦部
Ｓ１ｐ，Ｓ２ｐ 突起部
Ｓ２ 被接着面（第２の被接着面）

【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】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】