JP5928324B2 - 電力用半導体装置 - Google Patents
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Description
この発明は、モールド樹脂封止型の電力用半導体装置に関するものである。
電力用半導体装置の封止形態として、半導体素子、金属板からなるヒートスプレッダー、有機材料からなる絶縁層等をトランスファーモールドより封止するモールド樹脂封止型の構造がある。
従来のモールド樹脂封止型の電力用半導体装置は、表面に半導体素子が搭載されたヒートスプレッダーの裏面に、この裏面よりも面積の大きい積層シートが固着されている。積層シートは、絶縁層と厚みが２００μｍ未満の金属層が積層形態で複合化されて形成される。ヒートスプレッダーを介して半導体素子が搭載された積層シートを樹脂封止する際、積層シートを構成する金属層と封止樹脂との接合領域は密着性が悪くなる。そこで、積層シートは、金属層の表面全面に絶縁層の原料を溶剤に溶かして塗布し、封止樹脂との接合領域は絶縁層の表面となるようにしている。つまり、金属層の表面全面に絶縁層が形成されるので、積層シートの絶縁層と金属層の表面積は同一となっている（例えば、特許文献１参照）。
電力用半導体装置を適用する製品は、一般的に放熱フィンを取り付けた構成で使用される。従来の電力用半導体装置は、積層シートの金属層の裏面に放熱フィンが取り付けられるが、放熱フィンと積層シートを簡単に固定ネジでネジ止めしようとすると、固定ネジは絶縁層の上からネジ止めされることになる。ここで、絶縁層はセラミック材料などの無機材料に比べて圧縮応力に対してクリープし易い有機材料をマトリックスとする有機無機複合材料からなるため、固定ネジが緩みやすいという問題がある。そこで、放熱フィンと積層シートとを固定するために、特殊な取り付け治具や加工が必要で複雑な作業が必要となっていた。また、固定ネジが緩まないように、ネジ止めする領域に金属層の表面に絶縁層が形成されないようにすると、金属層の表面に封止樹脂が接合する領域ができる。このとき、金属層と封止樹脂の密着性が悪いために金属層と封止樹脂の接合界面で剥がれが生じると、金属層と封止樹脂の剥がれが絶縁層と金属層の接合界面に達して、絶縁層と金属層の接合界面でも剥離が生じる。このため、電力用半導体装置の信頼性が低下するという問題があった。
この発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、電力用半導体装置に放熱フィンを簡単かつ強固にネジ止めでき、かつ信頼性の高い電力用半導体装置を提供することを目的とする。
本発明における電力用半導体装置は、第１の表面と第１の裏面とを有し、前記第１の表面上に半導体素子を接合した金属製のヒートスプレッダーと、前記第１の裏面より面積が大きい第２の表面と、第２の裏面と、を有し、前記第２の表面の一部が、前記第１の裏面と接合した有機無機複合材料からなる絶縁層と、前記第２の裏面より面積が大きい第３の表面と、第３の裏面と、を有し、前記第３の表面の一部が、前記第２の裏面と接合した金属ベース板と、前記半導体素子と前記ヒートスプレッダーと前記絶縁層と前記金属ベース板とを樹脂封止する封止樹脂とを備え、前記ヒートスプレッダーは、厚さが２ｍｍ以上４ｍｍ以下であり、前記金属ベース板は、厚さが２ｍｍ以上４ｍｍ以下であり、前記第３の表面は、放熱フィンがネジ固定される貫通孔が含まれる前記封止樹脂との接合領域では粗面であり、前記第２の裏面との接合領域では平滑面であり、前記平滑面の表面粗さＲａの値が１μｍ以上４μｍ以下であり、さらに、前記粗面の表面粗さＲａの値が５μｍ以上２５μｍ以下であることを特徴とする。
本発明における電力用半導体装置は、金属ベース板の第３の表面が絶縁層の第２の裏面より大きく、金属ベース板の第３の表面は、放熱フィンがネジ固定される貫通孔が含まれる封止樹脂と接合する接合領域では粗面であるので、放熱フィンを取り付けるために、金属ベース板上の絶縁層が形成されない領域に締めた固定ネジの緩みを抑制することが、簡単かつ強固に放熱フィンを取り付けできるという効果がある。さらに、ヒートスプレッダーの厚さが２ｍｍ以上４ｍｍ以下であり、金属ベース板の厚さが２ｍｍ以上４ｍｍ以下であり、金属ベース板の第３の表面のうち封止樹脂と接合する領域を粗面とし、金属ベース板の第３の表面のうち絶縁層と接合する領域を平滑面とし、この平滑面の表面粗さＲａの値が１μｍ以上４μｍ以下、さらに、粗面の表面粗さの値が５μｍ以上２５μｍ以下であるため、金属ベース板と封止樹脂および絶縁層との密着性を向上できるので、信頼性の高い電力用半導体装置を得ることができる。
実施の形態１．
まず、この発明の実施の形態１における電力用半導体装置の構成を説明する。図１は、実施の形態１における電力用半導体装置の断面図である。本実施の形態では、絶縁層として高熱伝導性の無機材料を充填材とし有機材料である樹脂をマトリックスとする有機無機複合材料が用いられた、高熱伝導でかつ絶縁性の絶縁シート２を用いる。図１に示すように、本実施の形態の電力用半導体装置１００は、第１の表面と第１の裏面とを有し、第１の表面上に半導体素子４を接合した金属製のヒートスプレッダー３と、第２の表面と第２の裏面とを有し、第２の表面の一部がヒートスプレッダー３の第１の裏面に接合した絶縁シート２と、第３の表面と第３の裏面を有し、第３の表面の一部が絶縁シート２の第２の裏面に接合した金属ベース板１と、封止樹脂７とを備える。
まず、この発明の実施の形態１における電力用半導体装置の構成を説明する。図１は、実施の形態１における電力用半導体装置の断面図である。本実施の形態では、絶縁層として高熱伝導性の無機材料を充填材とし有機材料である樹脂をマトリックスとする有機無機複合材料が用いられた、高熱伝導でかつ絶縁性の絶縁シート２を用いる。図１に示すように、本実施の形態の電力用半導体装置１００は、第１の表面と第１の裏面とを有し、第１の表面上に半導体素子４を接合した金属製のヒートスプレッダー３と、第２の表面と第２の裏面とを有し、第２の表面の一部がヒートスプレッダー３の第１の裏面に接合した絶縁シート２と、第３の表面と第３の裏面を有し、第３の表面の一部が絶縁シート２の第２の裏面に接合した金属ベース板１と、封止樹脂７とを備える。
つまり、電力用半導体装置１００の熱を放熱する金属ベース板１の一方の面である第３の表面に、絶縁シート２が設けられている。したがって、絶縁シート２の第２の裏面は、金属ベース板１の第３の表面と接合されていることになる。一方、絶縁シート２の第２の裏面と対向する第２の表面側には、ヒートスプレッダー３が設けられている。したがって、ヒートスプレッダー３の第１の裏面は、絶縁シート２の第２の表面と接合されていることになる。さらに、ヒートスプレッダー３の第１の表面上には、複数の半導体素子４と円筒状上出し電極５が、はんだで接合されている。また、複数の半導体素子４間が、金属製のワイヤ６で電気的に接続されている。
そして、図１で示されるように金属ベース板１上に絶縁シート２及びヒートスプレッダー３を介して搭載された半導体素子４は、封止樹脂７で封止されている。しかし、円筒状上出し電極５の孔部には封止樹脂７は充填されていない。円筒状上出し電極５の孔部には、任意形状の外部端子８が挿入される。また、金属ベース板１の第３の表面のうち、絶縁シート２の第２の裏面と接していない領域では封止樹脂７と接合しているが、放熱フィン１２を取り付けるためにネジ止めされる貫通孔１３には封止樹脂７は設けられていない。
絶縁シート２は金属ベース板１の外形サイズより小さく、ヒートスプレッダー３の外形サイズより大きい。つまり絶縁シート２の第２の表面の面積はヒートスプレッダー３の第１の裏面の面積より大きく、絶縁シート２の第２の裏面の面積は金属ベース板１の第３の表面の面積より小さい。
ここで、本実施の形態において、絶縁シート２には、例えば、各種セラミックスや無機粒子、ガラス繊維を充填材として含有し、有機材料をマトリックスとする有機無機複合材料を用いることができる。つまり、有機無機複合材料からなる絶縁層を絶縁シート２として用いることができる。上記絶縁シート２に含有される無機粒子としては、アルミナ、ボロンナイトライド、シリカ、窒化珪素、窒化アルミニウムが挙げられるが、熱伝導率を確保するため、無機粒子としてはボロンナイトライドが好ましく、ボロンナイトライドの配合量は６５ｗｔ％〜８０ｗｔ％であることが好ましい。そして、絶縁シート２の厚みは、例えば、１００〜６００μｍであり、絶縁特性と熱伝導性を両立するため２００μｍ以上４００μｍ以下が好ましい。
金属ベース板１の第３の表面は、絶縁シート２の第２の裏面との接合領域は平滑面であり、封止樹脂７との接合領域は粗化された粗面である。
図１の断面視において、金属ベース板１の第３の表面上で、絶縁シート２が接合されていない両端の領域には、後述する図３に示された放熱フィン１２を取り付けるためのネジ穴である貫通孔１３が設けられている。また、貫通孔１３の上部には封止樹脂７も形成されていない。
本実施の形態において、金属ベース板１には熱伝導性に優れた金属である。例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、鉄、鉄合金等を用いることができる。また、銅／鉄−ニッケル合金／銅、アルミニウム／鉄−ニッケル合金／アルミニウム等の金属複合材料であっても良い。
特に、電鉄用など電流容量が大きい電力用の半導体素子４を用いる場合には熱伝導性に優れた銅を用いるのが好ましい。また、金属ベース板１の厚み、長さ、幅については、半導体素子４の電流容量により決められるが、放熱性の観点から、ヒートスプレッダー３の外形サイズより大きいことが好ましく、厚さは、放熱性および半導体装置の製造プロセス性の観点から２ｍｍ以上４ｍｍ以下が好ましい。
２ｍｍより薄い場合は、放熱性が不足し、また４ｍｍより厚い場合は、重量が重くなり製造時の搬送等のプロセス性や半導体装置のサイズが大きくなるため問題となる。ここで、金属ベース板１の厚さを変えた時の放熱性について実験結果を説明する。
表面積が５０ｍｍ×１００ｍｍ、厚さ１〜５ｍｍの金属ベース板１を用いて、図１に示す電力用半導体装置１００を作製した。ここで、金属ベース板１には銅ベース板を用いた。５０ｍｍｘ７０ｍｍ、厚さ３ｍｍの銅製のヒートスプレッダー３の所定の位置に、半導体素子４及び円筒状上出し電極５をはんだ接合する。そして、導通が必要な半導体素子４間をアルミ製のワイヤ６でボンド接続する。
金属ベース板１の第３の表面に５０ｍｍ×８０ｍｍ、厚さ０．３ｍｍの絶縁シート２を７０℃、圧力５０ｋｇｆ/ｃｍ２で３分間熱圧着して、金属ベース板１にボロンナイトライド粒子（７５ｗｔ％）を充填材として含有するエポキシ樹脂製の絶縁シート２を固定する。
トランスファーモールド金型（図示せず）に、絶縁シート２を熱圧着した銅製の金属ベース板１、半導体素子４と円筒状上出し電極５とを搭載した銅製のヒートスプレッダー３の順に位置決めしてセット後、トランスファーモールド装置（図示せず）により、シリカ粒子が充填されたエポキシ樹脂系の封止樹脂７で１８０℃−３分間の条件でトランスファー成形すると共に、絶縁シート２を介して銅製の金属ベース板１とヒートスプレッダー３を接合した。その後、封止樹脂７を１７５℃―６時間硬化させて評価用電力用半導体装置１００の基本構造を作製した。
次に評価用電力用半導体装置１００の放熱特性評価方法を示す。
上記で作成した評価用電力用半導体装置１００の銅製の金属ベース板１に貫通孔１３を開け、固定ネジ１１で、１００μｍ厚の熱伝導性グリースを塗布した放熱部材である放熱フィン１２に評価用電力用半導体装置１００を取り付けた。図２に貫通孔１３を開けた銅ベース板の上面からみた平面図を示す。図２中、粗化された粗面９と平滑化された平滑面１０のうち、粗面９の領域に貫通孔１３が設けられている。また、図３に固定ネジ１１で放熱フィン１２が取り付けられた電力用半導体装置１００の断面図を示す。
本実施の形態では金属ベース板１の第３の表面を、図２のように粗面９と平滑面１０とし、平滑面１０にのみ絶縁シート２の第２の裏面を接合している。従って、図３のように放熱フィン１２を取り付ける際には、固定ネジ１１は絶縁シート２が接合されていない粗面９に設けられた貫通孔１３を通してネジ止めされるので、金属ベース板１と放熱フィン１２が直接ネジ止めされ、簡単に、かつ強固に放熱フィン１２を取り付けることができる。
熱伝導性グリースの熱伝導率が１．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）であるものを用いた。電力用半導体装置１００の発熱量が２００Ｗの銅製の金属ベース板１と放熱フィン１２の温度を実測することにより熱抵抗を測定し、熱抵抗が基準値を満たす場合は○、基準値を満たさない場合は×で表わした。表１に結果を示す。
表１の結果、金属ベース板１の厚さが２〜５ｍｍである電力用半導体装置１００は熱抵抗が基準値を満たし、銅ベース板の板厚が２ｍｍ以上であれば放熱特性が確保可能なことが確認できた。ここで、銅ベース板が４ｍｍより厚い場合は、重量が重くなり製造時の搬送等のプロセス性や電力用半導体装置１００の全体のサイズが大きくなるため問題となり、金属ベース板１の厚さは、４ｍｍ以下が好ましい。つまり、放熱性とプロセス性の観点から、金属ベース板１の厚さは２ｍｍ以上４ｍｍ以下であることが必要と分かった。
金属ベース板１の厚さは２ｍｍ以上４ｍｍ以下が望ましいが、ヒートスプレッダー３についても、放熱性及びプロセス性の観点から２ｍｍ以上４ｍｍ以下が望ましい。
以上のように、放熱特性を確保するためには、金属ベース板１とヒートスプレッダー３はいずれも２ｍｍ以上４ｍｍ以下厚の金属板とする必要がある。
金属ベース板１が２００μｍ以下と２ｍｍ以上の場合では、絶縁シート２の形成方法が異なる。２ｍｍ以上の厚さの金属ベース板１に絶縁シート２を形成する場合では、従来は絶縁シート２と金属ベース板１の接着強度が低下する課題があった。
金属ベース板１が従来のように２００μｍ以下である場合、絶縁シート２は金属ベース板１に樹脂組成物を溶剤に分散させたスラリーを直接金属ベース板１に塗工してロール状に巻き取り、次に、溶剤を揮発させて製造する。これに対して、厚さが２ｍｍ以上の金属ベース板１では板厚が厚く巻取りが出来ないことや、熱容量が大きくて溶剤の加熱乾燥が困難等の製造工程の制約から直接塗工が出来ないことから、金属ベース板１に別途製造した絶縁シート２を熱圧着する方法で金属ベース板１に絶縁シート２の貼付を行う。しかし、絶縁シート２を金属ベース板１に熱圧着する場合、金属ベース板１にスラリーを塗工した場合に比較して、従来は絶縁シート２と金属ベース板１の接着強度が低下する課題があった。
また、金属ベース板１とヒートスプレッダー３の板厚が厚いため、板厚が薄い場合に比べて、金属ベース板１とヒートスプレッダー３の間の絶縁シート２には、非常に大きな応力が発生し、従来は金属ベース板１と絶縁シート２の間の剥離につながる課題があった。
さらに、封止樹脂７が金属ベース板１との密着性が弱いと、封止樹脂７と金属ベース板１の界面での剥離が発生し、剥離が絶縁シート２まで進展すると、さらに大きな応力が絶縁シート２に発生することになり、従来は絶縁シート２が金属ベース板１と剥離して、絶縁特性、放熱特性が低下する課題があった。
それに対して、本実施の形態では、金属ベース板１の第３の表面のうち、封止樹脂７と接合する領域を粗化することにより、金属ベース板１と封止樹脂７との密着性を改善できるため、金属ベース板１を厚くしても金属ベース板１と封止樹脂７との剥離を抑制することができ、金属ベース板１と封止樹脂７との剥離から生じる金属ベース板１と絶縁シート２との剥離も防止することができる。
また、金属ベース板１と絶縁シート２との接合界面を平滑化することにより、金属ベース板１と絶縁シート２との密着性を改善できるため、金属ベース板１の厚みが増加して絶縁シート２に加わる応力が大きくなっても、金属ベース板１と絶縁シート２との接合界面での剥離を防止することができる。
さらに、金属ベース板１を厚くしたことによる製造方法起因の金属ベース板１と絶縁シート２との接着強度の低下も、金属ベース板１と絶縁シート２との界面を平滑化することにより抑制することができる。
以上の効果により、本実施の形態を用いれば、放熱性を高くするために板厚を厚くした金属ベース板１を用いても、金属ベース板１と絶縁シート２との接合界面で剥離が生じないので絶縁特性や放熱特性の低下が生じない、信頼性の高い電力用半導体装置１００を得ることができる。
また、本実施の形態では金属ベース板１の第３の表面を、粗面９と平滑面１０とし、平滑面１０にのみ絶縁シート２の第２の裏面を接合している。従って、放熱フィン１２を取り付ける際には、固定ネジ１１は絶縁シート２が接合されていない粗面９に設けられた貫通孔１３を通してネジ止めされるので、金属ベース板１と放熱フィン１２が直接ネジ止めされ、簡単に、かつ強固に放熱フィン１２を取り付けることができる。
尚、本実施の形態では絶縁シート２を金属ベース板１に熱圧着することにより接合しているので、面積の異なる絶縁シート２と金属ベース板１の接合を容易に行うことができる。
金属ベース板１の第３の表面のうち封止樹脂７と接合している部分は粗化された粗面９である。金属ベース板１と封止樹脂７との接着強度は機械的結合が支配的であり、金属ベース板１表面の表面粗さを適正化することが接着強度を上げるのに有効で、封止樹脂７と接合している部分の表面粗さは後述するようにＲａの値が５μｍ以上２５μｍ以下であることが好ましい。
モールド樹脂封止型の封止樹脂７は、トランスファーモールドの工程で一旦溶融して液状化するため、金属ベース板１の第３の表面の凹凸である孔や谷間に封止樹脂７が入り込んで、そこで硬化することによって接着強度が向上する。本実施の形態で用いる厚さが２ｍｍ以上４ｍｍ以下の金属ベース板１では、表面粗さのＲａの値が５μｍより小さい場合は機械的結合が不足して良好な接着強度が得られない。表面粗さのＲａの値が２５μｍより大きい場合は、孔や谷間に封止樹脂７の未充填が発生したり、また粗化のための加工時間と加工費が膨大となり問題点となる。
金属ベース板１の表面粗さのＲａの値を５μｍ以上２５μｍ以下とする方法としては、機械加工、ブラスト、エッチング、転写加工が上げられ、いずれの方法も適用可能である。
本実施の形態では金属ベース板１の厚さを２ｍｍ以上４ｍｍ以下としたので、上記の方法で容易に表面粗さのＲａの値を５μｍ以上２５μｍ以下に加工することが可能である。
金属ベース板１の絶縁シート２との接合面は平滑面１０である。金属ベース板１と絶縁シート２との接合は、まず、絶縁シート２の第２の裏面を金属ベース板１の第３の表面に熱圧着して、次に、トランスファーモールド金型に絶縁シート２を熱圧着した金属ベース板１、ヒートスプレッダー３をセットして、トランスファーモールドにより、封止樹脂７で封止すると共に、絶縁シート２を介して金属ベース板１の第３の表面とヒートスプレッダー３の第１の裏面を接着する。
絶縁シート２の金属ベース板１への熱圧着は、生産性からの制約および絶縁シート２の硬化反応の進行を最小限とするため、低温低圧、短時間で行う必要がある。一般的な熱圧着条件は、温度は７０〜１００℃、圧力は４０〜８０ｋｇｆ／ｃｍ２、時間は２〜５分である。
絶縁シート２は、放熱特性と絶縁特性を両立するためトランスファーモールド後にも均一な厚さを保持する必要がある。このため、絶縁シート２はトランスファーモールド工程の高温高圧条件でもほとんど変形しないシート特性を有しているため、低温領域では硬く脆く、流動性が低い。
一般的なトランスファーモールド条件は、温度は１７０〜１８０℃、圧力は８０〜１２０ｋｇｆ／ｃｍ２、時間は２〜３分である。この硬く脆く流動性の低い絶縁シート２を金属ベース板１に低温低圧、短時間の熱圧着で接着するためには、金属ベース板１の絶縁シート２との接合面の表面粗さを適正化することが有効であることが後述する実験結果により判った。
金属ベース板１に凹凸があると、絶縁シート２が硬く流動性が低いために絶縁シート２が熱圧着時に凹凸に追従できず、剥離やボイドが発生する。絶縁シート２を接合する金属ベース板１の表面領域は、表面粗さのＲａの値が１μｍ以上４μｍ以下であることが好ましい。表面粗さのＲａの値が１μｍより小さい場合は、金属ベース板１の平滑化の加工時間と加工費が膨大となり問題となる。表面粗さのＲａの値が４μｍより大きい場合は絶縁シート２が熱圧着時に凹凸に追従できず、剥離やボイドが発生して問題点となる。
また、本実施の形態において、ヒートスプレッダー３には、金属ベース板１同様に熱伝導性に優れた金属、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、鉄、鉄合金等、あるいは、銅／鉄−ニッケル合金／銅、アルミニウム／鉄−ニッケル合金／アルミニウム等の金属複合材料を用いることができる。特に、電流容量が大きい電力用などの半導体素子４を用いる場合には電気伝導性に優れた銅を用いるのが好ましい。
また、ヒートスプレッダー３の厚み、長さ、幅とは、半導体素子４の電流容量により決められるが、放熱性の観点から、厚さは、放熱性および電力用半導体装置１００の製造プロセス性の観点から２ｍｍ以上４ｍｍ以下が好ましい。２ｍｍより薄い場合は、放熱性が不足し、また４ｍｍより厚い場合は、重量が重くなり製造時の搬送等のプロセス性や半導体装置のサイズが大きくなるため問題となる。
また、金属製のワイヤ６には、アルミニウム線、銅線、銅金線や被服銅線が用いられる。金属製のワイヤ６に用いられる線径は、半導体素子４の電流容量により、適宜決められる。
さらに、本実施の形態において、円筒状上出し電極５には、例えば、金属筒が用いられ、その材質は、熱伝導性と電気伝導性とに優れ、ヒートスプレッダー３とはんだで接合できる金属、例えば、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等のめっき品を用いるのが好ましい。
円筒状上出し電極５の厚みは、トランスファーモールド時の成形圧力により潰れない厚みであれば良い。円筒状上出し電極５の高さは、後で挿入接続する外部端子８が十分に接続できる高さであれば良い。円筒状上出し電極５の内径は、後で挿入接続する外部端子８の挿入部の外径から決まり、少なくとも、外部端子８を取り付けることができる内径であれば良い。
また、本実施の形態において、封止樹脂７には、例えば、フィラーとしてシリカ粒子が充填されたエポキシ樹脂組成物が用いられる。封止樹脂７において、充填されるシリカ粒子の含有率は、電力用半導体装置１００に用いられる部材の熱膨張係数などを考慮して最適な量が選定される。例えば、金属ベース板１とヒートスプレッダー３に銅を用いた場合、封止樹脂７の熱膨張係数を銅の熱膨張係数である１６ｐｐｍ／℃に合わすように、エポキシ樹脂へのシリカ粒子の充填量が設定される。このようにすることにより、反りのない電力用半導体装置１００が得られる。
ここで、例えばヒートスプレッダー３と金属ベース板１の熱膨張係数が大きく異なる構造を用いるとする。たとえば熱膨張係数が非常に小さいセラミック基板（３〜７ｐｐｍ／℃）をヒートスプレッダー３として用いると、金属ベース板１、ヒートスプレッダー３及び封止樹脂７の熱膨張係数が大きく異なるため、温度サイクル時の熱容量が大きくなり、界面剥離やクラック発生の原因となる。
本実施の形態では、封止樹脂７、ヒートスプレッダー３および金属ベース板１を熱膨張係数差の近い材料で電力用半導体装置１００を構成することができるため、温度サイクル時の熱応力が小さくなり、界面剥離やクラックの防止が可能となり、金属製のヒートスプレッダー３の代わりに熱膨係数が非常に小さいセラミック基板（３〜７ｐｐｍ／℃）を用いる場合よりも、高い信頼性確保が可能となる。
次に、本実施の形態における電力用半導体装置１００の製造方法の一例について説明する。
本実施の形態の電力用半導体装置１００は、銅製のヒートスプレッダー３上の所定の位置に半導体素子４および円筒状上出し電極５を各々はんだを用いて接合する。そして、導通が必要な半導体素子４間をアルミニウムのワイヤ６で接続する。
次に、銅製の金属ベース板１に、絶縁シート２を熱圧着して、金属ベース板１に絶縁シート２を固定する。
次に、トランスファーモールド金型に、絶縁シート２を熱圧着した金属ベース板１、金属製のワイヤ６で接続された複数の半導体素子４と円筒状上出し電極５とを搭載したヒートスプレッダー３の順にセットして、トランスファーモールドにより、絶縁シート２を介して金属ベース板１とヒートスプレッダー３が接着される。
本実施の形態の電力半導体装置１００を適用する製品では、電力用半導体装置１００の金属ベース板１を固定ネジ１１で、熱伝導性グリースを塗布した（図示せず）別の放熱部材である放熱フィン１２に取り付けた図３のような構成で使用する。
ここで、金属ベース板１と放熱フィン１２間を固定した固定ネジ１１が緩むことを防ぐためには、封止樹脂７や絶縁シート２のように圧縮でクリープし易い有機材料を介さず、金属ベース板１を直接固定ネジ１１で放熱フィン１２に固定する必要がある。
本実施の形態では絶縁シート２を金属ベース板１の外形サイズ、つまり絶縁シート２の第２の裏面の面積を金属ベース板１の第３の表面の面積より小さくして、貫通孔１３部近傍には絶縁シート２を貼付けない構造となっている。
また、封止樹脂７も金属ベース板１の全側面と、第３の表面のうち絶縁シート２の第２の裏面が接合されない領域を覆うようにモールドされているが、貫通孔１３付近は金属ベース板１が露出した構造となっている。
このような構造とすることにより、電力用半導体装置１００に従来製法のように金属ベース板１と絶縁シート２との表面の面積が同じである場合に、絶縁シート２の上から特殊なネジ固定用の貫通穴を設ける加工や、放熱フィン１２を固定するための特殊な取り付け治具を用いた複雑な作業を必要とすることなく、放熱フィン１２と電力用半導体装置１００の金属ベース板１との信頼性の高い熱的接触の確保が可能となる。
さらに、本実施の形態では半導体素子４を接合したヒートスプレッダー３が熱拡散の良好な金属ベース板１に接合信頼性高く絶縁シート２で接着されているため放熱特性が高い。
また、モールド樹脂封止した電力用半導体装置１００において、絶縁シート２が金属ベース板１の外形サイズより小さく、ヒートスプレッダー３の外形サイズより大きい、つまり絶縁シート２の第２の裏面の面積が金属ベース板１の第３の表面の面積より小さく、絶縁シート２の第２の表面の面積がヒートスプレッダー３の第１の裏面の面積より大きくなっており、さらに金属ベース板１の表面で封止樹脂７と接合している部分は粗化されているため、金属ベース板１と封止樹脂７との界面の密着性が高いことから、金属ベース板１と封止樹脂７との剥離が防止可能となる。
また、絶縁シート２と接合している金属ベース板１の表面部分は平滑であるため、絶縁シート２と金属ベース板１との接合界面の剥離やボイドが防止可能となる。封止樹脂７と金属ベース板１の界面の剥離を防止することにより、脆くて、低強度の絶縁シート２と金属ベース板１界面の剥離やボイドが防止可能となるため、高放熱性で信頼性の高い電力用半導体装置を得ることができる。
以下、本実施の形態を用いた電力用半導体装置１００の試作結果について詳細を説明する。
表１の実験で用いた電力用半導体装置１００を、表１の実験について説明したのと同じ方法で作成する。ただし、銅製の金属ベース板の厚さは３ｍｍとした。
ここで、銅製の金属ベース板１の封止樹脂７との界面である接合領域の表面粗さのＲａの値を４μｍから２６μｍの間で変化させ、また、絶縁シート２との界面である接合領域の表面粗さＲａの値を１μｍから５μｍの間で変化させ、それぞれの界面での剥離を観察した。
次に、銅製の金属ベース板１の表面粗さＲａおよび剥離評価方法を示す。
まず、銅製の金属ベース板１の表面粗さＲａは、形状測定レーザマイクロスコープＶＫ９５１０（キーエンス社製）で測定した。
電力用半導体装置１００の封止樹脂７と銅製の金属ベース板１との界面、銅製の金属ベース板１と絶縁シート２との界面の剥離の有無判断は、超音波映像装置ＦｉｎｅＳＡＴ（日立エンジニアリングアンドサービス社製）を用いて行った。剥離観察は、温度サイクル試験を行う前の初期と、温度サイクル試験（−４０〜１５０℃、各３０分）５００サイクル後に行った。
表２に結果を示す。
表２に示すように、封止樹脂７との界面の表面粗さＲａの値が５μｍ以上２５μｍ以下で、絶縁シート２と界面の表面粗さＲａが１μｍ以上４μｍ以下であるケース２１から２５の場合、初期および温度サイクル後いずれも剥離発生はなかった。
封止樹脂７との界面の表面粗さＲａが４μｍで、絶縁シート２との界面の表面粗さＲａが２μｍのケース２６の場合、初期に銅製の金属ベース板１と封止樹脂７の界面で剥離が発生し、温度サイクル後は銅製の金属ベース板１と封止樹脂７との界面で剥離が進展して絶縁シート２との界面にも剥離が発生した。ケース２１で剥離が発生しなかったことから、ケース２６で上記のように剥離が発生したのは、封止樹脂７との界面の表面粗さＲａが４μｍと小さいためであることが分かる。
ケース２７の電力用半導体装置１００は、初期に剥離発生は見られなかったが、温度サイクル後に銅製の金属ベース板１と封止樹脂７との界面の剥離が発生し、更に進展して絶縁シート２μｍとの界面にも剥離が発生した。ケース３では剥離の発生は生じなかったことから、封止樹脂７との界面の表面粗さＲａが２６μｍと大きいため、銅製の金属ベース板１の表面の孔や谷間の微細な封止樹脂７の未充填を起点に、金属ベース板１と封止樹脂７との界面で剥離が発生して、剥離がさらに進展して絶縁シート２との界面での剥離が生じたことが分かる。
ケース２８の電力用半導体装置１００は、初期も温度サイクル後も、絶縁シート２との界面でのみ剥離が生じている。ケース２４では剥離が生じていないことから、絶縁シート２との界面の表面粗さＲａが５μｍと大きいため、初期に銅製の金属ベース板１と絶縁シート２との界面で剥離が発生したことが分かる。
以上のように、本実施の形態で密着性を確保するために必要な金属ベース板１の表面粗さは、実験結果から、封止樹脂７と接合部分の表面粗さＲａが５μｍ以上２５μｍ以下で、絶縁シート２と接合する部分の表面粗さＲａが１μｍ以上４μｍ以下であれば、剥離の発生がなく十分な接合信頼性が確保可能となることが分かった。
上記の範囲内であれば、高い放熱性を得るために金属ベース板１を厚くしても、剥離が発生せず、信頼性の高い電力用半導体装置１００を得ることができる。
１ 金属ベース板、２ 絶縁シート、３ ヒートスプレッダー、４ 半導体素子、５ 円筒状上出し電極、６ ワイヤ、７ 封止樹脂、８ 外部端子、９ 粗面、１０ 平滑面、１１ 固定ネジ、１２ 放熱フィン、１３ 貫通孔
Claims (3)
- 第１の表面と第１の裏面とを有し、前記第１の表面上に半導体素子を接合した金属製のヒートスプレッダーと、
前記第１の裏面より面積が大きい第２の表面と、第２の裏面と、を有し、前記第２の表面の一部が、前記第１の裏面と接合した有機無機複合材料からなる絶縁層と、
前記第２の裏面より面積が大きい第３の表面と、第３の裏面と、を有し、前記第３の表面の一部が、前記第２の裏面と接合した金属ベース板と、
前記半導体素子と前記ヒートスプレッダーと前記絶縁層と前記金属ベース板とを樹脂封止する封止樹脂と
を備え、
前記ヒートスプレッダーは、厚さが２ｍｍ以上４ｍｍ以下であり、
前記金属ベース板は、厚さが２ｍｍ以上４ｍｍ以下であり、
前記第３の表面は、放熱フィンがネジ固定される貫通孔が含まれる前記封止樹脂との接合領域では粗面であり、前記第２の裏面との接合領域では平滑面であり、
前記平滑面の表面粗さＲａの値が１μｍ以上４μｍ以下であり、
さらに、前記粗面の表面粗さＲａの値が５μｍ以上２５μｍ以下である
ことを特徴とする電力用半導体装置。 - 前記金属ベース板が銅ベース板であること
を特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。 - 前記貫通孔をネジ穴として、前記金属ベース板の第３の裏面に前記金属ベース板とネジ固定した放熱フィンを備えた請求項１または２に記載の電力用半導体装置。
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