JP2013165122A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高温でも安定した半導体モジュールの放熱特性を有するとともに、寸法精度が良好な半導体装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】半導体素子４と、半導体素子４が第１の面に配置され、第１の面と反対側の第２の面に第１の凹凸部９が形成されたモジュール側ベース板６と、を含む半導体モジュール２と、第２の面に対向する第３の面に、第１の凹凸部９と嵌合する第２の凹凸部１２が形成され、半導体素子４が発する熱を放熱する放熱体３と、を備え、モジュール側ベース板６と放熱体３は異なる材質の金属から構成され、第１の凹凸部９と第２の凹凸部１２のうち、いずれか一方が塑性変形することによって、半導体モジュール２と放熱体３が固着されることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特に通電により発熱する半導体モジュールとその熱を放熱する放熱体とを有する半導体装置およびその製造方法に関するものである。

近年、車載用のオルターネータ等の各種の交流電動機を用いる機器が増えている。そのような機器は、センサなどから得られた外部状況と発電機の現在の作動状態とから随時電動機に適切なＡＣ電源を供給し、電動機を効率よく制御することによって、電力の有効利用に貢献している。電動機に適切なＡＣ電源を供給するために必要不可欠な部品が、インバータ（以下電力変換器と称す）などを含む半導体装置であり、機器の演算回路からの指令によって、外部供給電源からの電力を適切なＡＣ電力に変換して電動機に供給している。

電力変換器は、一般に電流のスイッチング機能を有した半導体素子を実装した半導体モジュールを用いてブリッジ回路を構成している。半導体モジュールに実装された半導体素子は、電力変換の際に電力を損失するため大きく発熱する。そこで、これらの半導体素子を含む半導体モジュールは、発生した熱を外部に逃がすための放熱体と接続されている。

このような放熱体と接続された半導体モジュールの例として以下の文献が開示されている。例えば特許文献１に記載の半導体モジュールとヒートシンクの接合構造では、発熱体である半導体モジュールの裏面の接合電極板と放熱体であるヒートシンクの半導体モジュール搭載面との双方に、傾斜した方向に突出する複数の接合フィンを設け、それらが噛み合う状態で接続される構成が開示されている。

上記半導体モジュールでは、接合電極板と放熱体は同じアルミ材で成形され、少なくともいずれか一方の接合フィンの基部に切欠き部が形成されている。これによって、接合フィンの基部が基部以外の部分より剛性を低くすることにより、弾性変形を利用して加工精度を低くしても発熱体と放熱体を密着して接合されるように構成されている。この場合、まず、半導体モジュールと放熱体の接合フィンの厚みは、かみ合う隙間よりも大きいとかみ合わせできないため、隙間よりもマイナス公差で設計する。よって両者の突出部と隙間の寸法のばらつきによって、接合部には種々の大きさの隙間ができる。

これらの隙間は弾性変形により吸収するようにしているのであるが、一般に弾性変形領域では僅かな変位の変化で応力が大きく変化する。上記ばらつきによって弾性変形時の接合部の変位が異なるため、接合部の押圧力は大きくばらつくことになる。結果として接合部の接触抵抗が大きくばらつくため、放熱体への全体としての熱抵抗も大きくばらついてしまうという問題があった。さらに、基部の弱い剛性部分の弾性変形によって接触させるため、片当たり状態になりやすく面接触が得られにくい。そのため、放熱面積が制限されてしまい、十分な放熱能力を有することが難しい。さらには、弾性変形によるかみ合わせのため、使用時などの振動が考慮されて、外部をネジで固定する必要がある。

そこで、例えば特許文献２に記載のヒートシンクでは、押し出し材の接合面に複数の凹凸部を設け、押し出し材同士の凹部と凸部とが、圧入時において塑性変形が十分起きる公差にて圧入することを特徴とする、ヒートシンクの結合方法が開示されている。この場合、押し出し材同士の凹部と凸部とが塑性変形により密着するので片当たり状態になり難く、放熱面積が制限されることを抑制できる。

特開２００９−１２４０５４号公報 特開平９−１９７２８号公報

しかしながら、特許文献２に記載のヒートシンクにおいては、同じ材料から形成された押し出し材同士の凹部と凸部を結合させる。そのため、圧入後に除加した場合に、同種金属では両方の金属ひずみが同じように緩和されるため、凹部と凸部の密着が弱くなる。また、両者が塑性変形する場合、締結面だけではなく全体が塑性変形を起こすため、形状精度が悪くなる。

このため、特許文献１に記載の接合構造に特許文献２に記載のヒートシンクの結合方法を適用しても、放熱特性が金属ひずみの熱的緩和により劣化するとともに、ヒートシンクを他の部品に組み付ける際の寸法ばらつきが大きくなり、組み立て性が悪くなるという問題があった。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、高温でも安定した半導体モジュールの放熱特性を有するとともに、寸法精度が良好で組み立て性の良い半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る半導体装置においては、半導体素子が第１の面に配置され、第１の面と反対側の第２の面に第１の凹凸部が形成されたモジュール側ベース板を含む半導体モジュールと、第２の面に対向する第３の面に第１の凹凸部と嵌合する第２の凹凸部が形成され、半導体素子が発する熱を放熱する放熱体とを備えた半導体装置であって、モジュール側ベース板と放熱体とは異なる材質の金属から構成され、第１の凹凸部と第２の凹凸部とのうち、いずれか一方が塑性変形することによって、半導体モジュールと前記放熱体が接合されることを特徴とするものである。

また、本発明に係る半導体装置の製造方法においては、半導体素子が第１の面に配置され、第１の面と反対側の第２の面に第１の凹凸部が形成されたモジュール側ベース板を含む半導体モジュールと、第２の面に対向する第３の面に第１の凹凸部と嵌合する第２の凹凸部が形成され、モジュール側ベース板と異なる材質の金属から構成された半導体素子が発する熱を放熱する放熱体とを備える半導体装置の製造方法であって、第１の凹凸部と第２の凹凸部とが嵌合可能に位置決めする位置決め工程と、位置決めされた第１の凹凸部と第２の凹凸部とを接触させる工程と、モジュール側ベース板と放熱体とが接合されるように加圧する工程とを備えることを特徴とするものである。

本発明に係る半導体装置およびその製造方法によれば、モジュール側ベース板と放熱体は異なる材質の金属から構成され、いずれか一方の凹凸部の塑性変形によって、固着される。それによって、高温でも安定した半導体モジュールの放熱特性を有するとともに、寸法精度が良好で組み立て性の良い半導体装置とその製造方法を得ることができる。

本発明の実施の形態１の半導体装置の構造を示す断面模式図である。 本発明の実施の形態１の半導体モジュールと放熱体とが接合される前の状態を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１の半導体モジュールと放熱体とが接合される場合の凹凸部の変形を示す断面模式図である。 本発明の実施の形態１における降伏点を説明するための応力−ひずみ線図である。 本発明の実施の形態１の半導体モジュールと放熱体の凹凸部に空隙部を備えた場合と備えない場合との断面模式図と、変位と応力の関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態２の半導体モジュールと放熱体とが接合される場合の凹凸部の変形を説明するための断面模式図である。 本発明の実施の形態３の半導体モジュールと放熱体とが接合される場合の凹凸部の変形を示す断面模式図である。 本発明の実施の形態４の半導体装置の構造を説明するための斜視図と断面模式図である。 本発明の実施の形態５の半導体装置の構造を示す断面模式図である。 本発明の実施の形態６の半導体装置の構造を説明するための斜視図と側面図である。 本発明の実施の形態７の半導体モジュールと放熱体とが結合される前の状態を示す斜視図である。

以下において、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、同一の部品、相当部品に対しては、同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合がある。

実施の形態１．
（半導体装置の構成）
図1は、本発明を実施するための実施の形態１における半導体装置１の構造を示す断面模式図である。図２は、半導体モジュール２と放熱体３とが接合される前の状態を示す斜視図である。図１は、図２の半導体モジュール２と放熱体３とが接合された後の線分Ａ−Ａにおける断面を示している。

図１に示すように、半導体装置１は、半導体モジュール２と、半導体モジュール２に接合されて半導体モジュール２の熱を放熱する放熱体３から構成されている。

半導体モジュール２は、金属からなるモジュール側ベース板６と、このモジュール側ベース板６の上に絶縁シート７を介して載置された配線部材５と、この配線部材５の上に配置された半導体素子４とを備え、モールド樹脂８によって封止されている。

半導体素子４は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Biporlar Transistor）、もしくはＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）のようなパワー半導体素子であり、はんだやＡｇペーストなどによって、外部と電気的に接続するための配線部材５に接合されている。そして、これらの半導体素子４を含む半導体装置１は、例えばインバータ等の電力変換器として機能する。なお、半導体素子４は、パワー半導体素子（電力半導体素子）に限られるわけではなく、通電により発熱するものであれば同様の効果が得られるのは言うまでもない。

図１に示されるように、モジュール側ベース板６は、上記のように半導体素子４と配線部材５とが載置された面（第１の面６ａ）と、その裏面すなわち半導体素子４と配線部材５とが載置された面と反対側の面（第２の面６ｂ）とを有している。すなわち、モジュール側ベース板６は、第１の面６ａと第２の面６ｂとを有している。そして、図２に示されるように、モジュール側ベース板６は、第２の面にストレートフィン形状（溝形状）のモジュール側凹凸部９（第１の凹凸部）が設けられ、この第２の面において放熱体３と接合している。

モジュール側ベース板６は、例えばアルミニウム合金等の熱伝導の良好な金属板が用いられ、特に剛性が低い純アルミからなる鍛造製が好ましい。

モールド樹脂８は、例えばエポキシ系の熱硬化性樹脂が用いられる。半導体モジュール２は、モージュール側ベース板６の放熱体３と接合する側の面（第２の面６ｂ）の一部が露出するように、すなわちモジュール側凹凸部９が露出するように、トランスファーモールド法によりモールド樹脂８で樹脂封止されている。また、モールド樹脂８の上面は、平坦な平面となるように形成されている。

一方、放熱体３は、半導体モジュール２に対向する面（第３の面３ａ）と、その裏面すなわち、半導体モジュール２と反対側の面（第４の面３ｂ）とを有している。すなわち、放熱体３は、第３の面３ａと第４の面３ｂとを有している。そして、第３の面３ａには、放熱体側凹凸部１２（第２の凹凸部）が設けられ、第４の面３ｂには、放熱フィン１１が配置されている。放熱体３は、例えばアルミニウム合金等の熱伝導の良好な金属材であって、モジュール側ベース板６の材料よりも剛性が高いとともに降伏点（降伏応力）が大きく塑性変形しにくい材質が用いられる。特に、アルミ鋳造材として最も一般的なＪＩＳ規格ＡＤＣ１２等のアルミニウム合金が用いたダイキャスト製が好ましい。

そして、図２に示されるように、半導体モジュール２と放熱体３とは、それぞれモジュール側凹凸部９と放熱体側凹凸部１２とが、嵌合して固着されることによって、接合されている。本実施の形態では、モジュール側凹凸部９と放熱体側凹凸部１２として、ストレートフィン形状が用いられる。

また、本実施の形態では、上述のように、モジュール側ベース板６には、添加剤を含まない例えばＪＩＳ規格Ａ１０５０やＡ１１００等の純アルミを用いる一方、放熱体３には、ＳｉやＣｕなどの添加物を含む例えばＪＩＳ規格ＡＤＣ１２等のダイキャスト用のアルミ鋳造材を用いることによって、モジュール側ベース板６と放熱体３の金属の材質を異ならせている。そして、この材質の違いによって、モジュール側ベース板６のモジュール側凹凸部９と放熱体３の放熱体側凹凸部１２との剛性を異ならせているとともに、塑性変形のし易さを異ならせている。すなわち、モジュール側凹凸部９は、剛性が放熱体側凹凸部１２より小さいとともに、放熱体側凹凸部１２より降伏点（降伏応力）が小さく塑性変形し易い。

本実施の形態では、この性質を利用して、剛性の小さいモジュール側凹凸部９を優先的に塑性変形させることによって、モジュール側凹凸部９と放熱体側凹凸部１２を固着させている。

次に、これらのモジュール側凹凸部９および放熱体側凹凸部１２が、外部圧力によりかしめられて固着される際のメカニズムについて、図３を用いて詳述する。図３は、本実施の形態における半導体装置の製造方法の一部として、図２に示された固着前の状態から半導体モジュール２と放熱体３とがかしめられて接合される場合の凹凸部（以下フィンとも称す）の変形を示す断面模式図である。

図２および図３（ａ）に示すように、モジュール側凹凸部９は、互いに凸部と凹部が隣り合うように並んで形成されたモジュール側凸部９ａとモジュール側凹部９ｂとを有している。同様に、放熱体側凹凸部１２も、互いに凸部と凹部が隣り合うように並んで形成された放熱体側凸部１２ａと放熱体側凹部１２ｂとを有している。

ここで、モジュール側凹凸部９の凸部が凹部を挟んで他の凸部と隣り合うピッチ（すなわち、モジュール側凸部９ａを構成する凸部が並ぶピッチ）と放熱体側凹凸部１２の凸部が凹部を挟んで他の凸部と隣り合うピッチ（すなわち、放熱体側凸部１２ａを構成する凸部が並ぶピッチ）とは、等しくなるように形成されている。図３（ａ）では、モジュール側凹凸部９とモジュール側凹凸部１２との位置関係において、対応するそれぞれの凸部と凹部とを一箇所抜き出して示している。先ず、図３（ａ）に示すように、モジュール側凸部９ａと放熱体側凹部１２ｂとが、互いに嵌り合うように対向した状態で位置決めして保持される。ここで、剛性の低い純アルミ製のフィンであるモジュール側凸部９ａの側壁面には、潰し代１３が設けられている。

次に、半導体モジュール２と放熱体３とを接近する方向に移動させる。図３（ｂ）に示すように、半導体モジュール２が放熱体３と接触した状態、すなわち、モジュール側凹凸部９と放熱体側凹凸部１２とが接触した状態で停止させる。

次に、図３（ｃ）に示すように、この状態から、外部圧力２１を半導体モジュール２の上部及び放熱体３の下部から印加する。外部圧力印加装置は、半導体装置１の高さのばらつきを低減するため、所定の高さに来ると止まるように位置を基準に制御されている。

図３（ｃ）に示すように、外部圧力２１が印加されると、剛性が低くかつ降伏点が小さいモジュール側凸部９ａの側壁面に設けられた潰し代１３が、剛性が高くかつ降伏点が大きい放熱体３側の放熱体側凹部１２ｂとせん断しながら圧縮されて塑性変形を起こす。そして、所定の高さまで圧縮された時点で、外部圧力印加装置を停止させる。

ここで、本実施の形態におけるモジュール側凹凸部９の剛性と放熱体側凹凸部１２の剛性について、材料の強度を表すために一般的に用いられる応力−ひずみ線図を用いて説明する。図４は、モジュール側ベース板６の材料と放熱体３の材料に関する応力−ひずみ線図の例である。なお、引張試験における材質の違いによる降伏点の大小関係は、本実施の形態のような圧縮時においても同様の大小関係となるので、以下では、引張試験における材料の応力−ひずみ特性を用いて説明する。

図４において、横軸は、引張ひずみを表し、縦軸は引張応力を表す。曲線（Ａ）はモジュール側ベース板６の材料（ここでは一例として純アルミ）の応力−ひずみ線を示し、曲線（Ｂ）は放熱体３の材料（ここでは一例としてダイキャスト用のアルミ鋳造材）の応力−ひずみ線を示す。

降伏点は、材料の機械的強度を表す最も基本的な指標のうちの１つであり、引張試験で得られる機械的性質である。応力−ひずみ線において、降伏点は、材料が引張力を受け塑性ひずみを開始して応力が一旦降下する点である。しかし、材料によっては明確な降伏点を示さないものもある。その場合は、塑性ひずみ量が０．２％に相当する応力値を０．２％耐力と称し、降伏点のかわりに用いる。

本実施の形態において、モジュール側凹凸部９および放熱体３の材料として用いられるアルミ（Ａｌ）材は、引張試験において軟鋼のような明確な降伏点を示さない。このため、上記のように０．２％の永久ひずみを生じる点の応力を０．２％耐力として、降伏点のかわりに用いている。

図４に示すように、モジュール側ベース板６の降伏点（０．２％耐力）Ｐ（Ａ）は、放熱体３の降伏点（０．２％耐力）Ｐ（Ｂ）よりも小さい。そして、本実施の形態では、放熱体３の降伏点Ｐ（Ｂ）より小さく、かつモジュール側ベース板６の降伏点Ｐ（Ａ）より大きい応力が、モジュール側凹凸部９の潰し代１３にかかることによって、塑性変形を起こし、モジュール側凹凸部９と放熱体側凹凸部１２が固着する。

図５（ａ）は、半導体モジュール２のモジュール側凹凸部９と放熱体３の放熱体側凹凸部１２同士が接合されたときに、一方の凸部の先端と他方の凹部の底面との間に空隙部１４を有する場合について、外部圧力印加前後の断面を示す断面模式図である。一方、図５（ｂ）は、本実施の形態の比較例として、空隙部１４を有さない場合についての外部圧力印加前後の断面を示す比較のための断面模式図である。また、図５（ｃ）は、図５（ａ）および（ｂ）の構成を備えた場合の外部圧力印加装置のそれぞれの変位と、それに伴う外部圧力印加方向に生じるそれぞれの応力をそれぞれ曲線（Ａ）および（Ｂ）で示したグラフである。この空隙部１４の効果について図５（ａ）〜（ｃ）を用いて詳述する。

図５（ａ）および（ｂ）における上側の図がそれぞれ図５（ｃ）のグラフの変位０の時点を表し、下側の図（以下では下図と呼ぶ）が図５（ｃ）の変位ｘの時点を表している。図５（ａ）の下図に示すように、モジュール側凸部９ａの先端と放熱体側凹部１２ｂの底面の間には外部圧力印加後も隙間が空くように設定され、空隙部１４が配置されている。一方、図５（ｂ）は、外部圧力印加後には空隙部１４が配置されない場合を示している。

外部圧力印加装置は位置を基準に制御されており、目標位置は図５（ｃ）に示すグラフ中のｘ２の位置である。なお、外部圧力印加装置を位置を基準に制御するのは、半導体モジュール２の高さ方向のばらつきを抑制するためである。半導体モジュール２は外部配線との接続が必要であるため、それら外部配線との位置ずれを考慮して接合する必要がある。たとえば外部圧力印加装置を一定圧力で押すような制御をした場合、高さ方向のばらつきが大きくなるため許容高さばらつき範囲に安定して入れることは難しい。

図５（ａ）および（ｂ）の下図と、図５（ｃ）に示すように、変位ｘ１まで外部圧力を印加した時点で、空隙部１４がない場合（曲線（Ｂ））、側面垂直応力２２に加え、凸部の先端部に圧力印加方向の垂直応力２３が働く。そして、変位ｘ１から変位ｘ２に向かうにつれて、曲線（Ｂ）では、圧力印加方向に変化代がないため、わずかな変位で圧力印加方向の応力が急激に上昇する。一方、曲線（Ａ）では、変位ｘから変位ｘ２に到達しても圧力印加方向にまだ変化代（変化可能な余裕領域）が残っているため、側面垂直応力２２の働きによって圧力印加方向の応力が緩やかに増加するのみである。

最終的に目標位置ｘ２まで外部印加装置を動作させると、グラフ中に示すように曲線（Ｂ）は曲線（Ａ）よりもＰ_d大きい応力Ｐ（Ｂ）がかかることになる。グラフでは説明のため簡略化して描いており、曲線（Ｂ）は変位ｘ１以降も弧を描いて応力が上昇しているが、実際には変位ｘ１以降は垂直に近い。そのため、応力Ｐ（Ａ）とＰ（Ｂ）の差は数十倍の差になる。圧力印加方向の応力は半導体モジュール２から放熱体３まで全体にかかっているため、曲線（Ｂ）のような過大な応力は、半導体モジュール２のモールド樹脂８のクラックや放熱体３の損傷、半導体素子４の特性劣化、さらにはチップの破壊などの原因となり得る。

（作用効果）
本実施の形態における半導体装置１においては、モジュール側ベース板６と放熱体３を異なる材質の金属から構成することによって、剛性が低くかつ降伏点が小さいモジュール側凹凸部９を塑性変形させて、半導体モジュール２と放熱体３を結合させている。すなわち、降伏点が異なる材料を用いて、降伏点が小さい方の凹凸部を優先的に塑性変形させて、凹凸部同士を固着させている。

そのため、外部圧力が取り除かれても、接合面では潰し代１３が圧縮されたことによる応力が強固に作用しており、半導体モジュール２と放熱体３はネジ等の外力を使用しなくても実用上十分な程、強固に結合される。よって、外部をネジで固定する必要がないため、部品点数が減ることにより組み立て工数の削減を図ることが可能であり、低コストな半導体装置を提供することができる。さらに、半導体モジュール２にネジ穴を設ける方法に比べネジ穴に伴う面積を低減できるため、半導体モジュール２を縮小でき、しいては半導体装置自体を小型化することができると共に、軽量化を図ることができる。

一方、ネジ止めによって半導体モジュールと放熱体とを結合させている従来の例として、例えば特開２００４−８７５５２号公報に記載の半導体装置では、半導体モジュールの中央部に設けた貫通穴とペントルーフ型の板バネ等を用いて、半導体モジュールと放熱体であるヒートシンクとをネジによって締結して接続する構成が開示されている。このような場合、一般に半導体モジュールの放熱面とヒートシンクとの接触面は、熱伝達性を向上させるため熱伝導性グリスを介して接続される。

しかしながら、上記半導体装置によれば、ペントルーフ型の板バネにより半導体モジュール上面に均一に圧力がかかるようにし、反りを強制することでグリスの薄型化を図っている。そのため部品点数の増大、部品増加分の重量化、ネジ穴を確保するために半導体モジュールのサイズが大きくなるという問題があった。さらに放熱体側にも高い平面度が求められるため、コストがかかるという問題もあった。

また、このとき接触面は、図３（ｃ）に示すように、接触面に垂直な応力成分（側面垂直応力２２）によっていわゆる接触熱伝達面となる。接触熱伝達面の熱伝達特性は垂直応力と接触面積に比例する。潰し代１３を適切に設定することで垂直応力が拡大でき、ストレートフィン形状を適切に設定することで接触面積が拡大でき、放熱性能を向上することができる。

また、各凹凸部が寸法公差によって凹凸間の位置ずれを起こした場合でも、剛性の低い方が優先的に変形することで、位置ずれを吸収し安定した結合状態および熱抵抗を実現できる。

モジュール側凹凸部９と放熱体側凹凸部１２のストレートフィン形状については、高さを高くするほど接触面積が拡大でき放熱性能を向上できるが、その分、半導体モジュール２の高さ方向に装置が大きくなることが懸念される。しかし、半導体モジュール２をネジ穴で固定する場合は半導体モジュール２上部に押さえ部材が必要であったが、本発明の方式ではこれらの部材が必要なく、従来方法よりもトータルとしては低くなる程度のわずかなフィン高さでグリスと同等の熱抵抗を実現しうることを発明者の実験により確認されている。

また、接触熱抵抗は接触面間の面粗さにも依存するが、発明者による実験ではダイキャスト鋳肌の面粗さで行っており、ダイキャストの面粗さをさらに向上させるような後処理も必要ないことが確認されている。よって、グリスレスかつネジ止め不要で、小型軽量な半導体装置を構成することができる。そして、ダイキャストの面粗さ向上のための後処理が必要ないことに加えて、半導体モジュール２を固定するためのネジ穴を加工する必要がないため、ダイキャスト成型後の機械加工工数も低減でき低コスト化が図れる。

ここで本実施の形態ようにグリスレスであることの利点をＳｉＣ半導体への適用性を考慮して詳細に説明する。熱伝導性グリスは、半導体モジュールおよび放熱体の線膨張係数差によって、フィラーとペーストが分離するいわゆるブリードが起こりやすい。ブリードが起こると熱伝導を担うフィラー量が低下することで熱抵抗が増大し、長期信頼性に問題がある。次世代の半導体材料として実用化が勧められているSiCチップを用いた半導体モジュールを使う場合、SiCは高温でも電気的特性が安定しているため、現在主流のSiチップの半導体モジュールを使用した電力変換器よりも高温で使われることが求められる。

熱伝導グリスは樹脂を用いているため現在よりも高温の環境下においては熱伝導性が悪化することも報告されておりSiC半導体モジュールの使用においても問題がある。例えば、ヒートシンク温度１００℃程度までの使用であれば、２０年程度の寿命を満たすが、本発明者が、２５℃温度範囲を拡大して試験を行ったところ、数年程度でグリスが排斥される実験結果を得た。このように、高温動作に対応するためには、グリスを用いない放熱技術が必要となる。従って、本実施の形態の半導体装置は、半導体素子としてＳｉＣ半導体が好適である。

さらに、本実施の形態における半導体モジュール２は、トランスファーモールド法により封止されたモールド樹脂８を用いている。この理由としては、モジュール全体が剛体となり、かしめ時に外部圧力をモールド樹脂８の上面に付与することで、内部に封止された半導体素子４への応力が軽減されるという効果がある。

一方、トランスファーモールド法による封止ではなく、従来のゲル封止の場合、半導体素子４を直接加圧すると半導体素子４が破損してしまう危険があるため、半導体素子４の周囲を加圧することになる。しかし、かしめ時の反力を考慮すると半導体素子４の周囲が押し込まれ、半導体素子４の直下が押し上げられるような力のかかり方になるため、半導体素子４が撓む力が与えらる。それによって、配線部材５にはんだ付けされた素子端部に応力が集中し、半導体素子４が端部から割れてしまう危険がある。

これに対して本実施の形態による半導体モジュール２は、熱硬化性のモールド樹脂８で封止されているため、そのような応力集中が緩和される。さらに、半導体モジュール２の上面が平面となるように構成されているため、かしめ時の外部圧力を面一に与えることができる。よって、半導体素子４に対して余分な反りを生じさせることがなく、かつ半導体素子４端部の段差部にも封止樹脂が一体化していることから応力集中が大幅に軽減されるという作用がある。計算によれば応力の低減効果は数分の１以下となる。この結果半導体素子４の破損の危険が小さくなり、信頼性が向上する。

また本実施の形態による半導体装置１は、接合部に空隙部１４を有する。接合部に複数のフィン（凹凸部）を有する場合、モジュール側凹凸部９および放熱体凹凸部１２ともフィン高さにばらつきが存在することが多い。しかし、空隙部１４を設けた場合は多少の寸法ばらつきがあっても、応力は各フィンが分散して受け持つ。そのため、変位に対する応力の上昇は図５（ｃ）のグラフに示した曲線（Ａ）よりもさらに緩やかになり、上記で説明した空隙（空隙部１４）を有する場合と有さない場合の現象の差はより顕著になる。

よって、上記空隙部１４を設けることにより、半導体モジュールを放熱体に組み付けるときの極端な応力上昇を抑制でき、安定して半導体モジュールを放熱体に組み付けることができる。そして、半導体モジュール２に損傷を与えにくく、半導体モジュール２の高さが安定した半導体装置１を構成することができる。なお、本実施の形態では、空隙部１４の圧力印加方向の寸法は、フィン高さのばらつき以上に設定することが好ましい。

さらに本実施の形態の半導体装置１の利点として、半導体モジュール２の反りを許容できることがあげられる。上述の特開２００４−８７５５２号公報に記載のネジ止めによる半導体装置の例では、半導体モジュールとヒートシンクとは、通常熱伝導性グリスを介して接続されるが、熱伝導性グリスは、熱伝導率が数Ｗ/mKと低いため、結合状態ではできるだけ薄くする必要があった。しかしながら、半導体モジュールを樹脂封止する際には硬化時の樹脂の収縮によって反りを生じやすく、樹脂を薄くするためには樹脂の改良が必要であったり、モジュール構造の制約となたりしていた。

例えば、従来の熱伝導性グリスを使用する場合は、グリス厚を薄く安定した厚さにするため、半導体モジュール２に数十μm単位の高度な平面度が求められた。半導体モジュール２の反りは主にモールド成型後の冷却時にモールド樹脂８と内部の金属部材との収縮率の差によって起こるため、反りを低減するモールド樹脂８を用いる必要があり、コストアップの要因となっていた。しかし、本発明ではこのような高度な反り制御は必要ないため、反りを低減する必要のない安価なモールド樹脂８を使用できるため低コスト化が図れるとともに、半導体モジュール内部の設計的制約を緩和することができる。

また、本実施の形態では半導体モジュール２のモジュール側ベース板６には純アルミ（ＪＩＳ規格１０００系アルミ）を、また放熱体３には鋳物用アルミを用いている。これらはどちらも母材がアルミニウムである。すなわち、主要な構成元素がアルミニウムであり、添加物を含有させることによって、材質を異ならせている。半導体装置１は用途によっては、装置外部から進入する塩水分に晒されることも想定される。本実施の形態の結合部は、先に述べたように母材が同じ金属であるため、イオン化傾向が同等で塩水分に対する耐腐食性が高いという効果を有する。さらに、組み立て前後での耐腐食性を向上させるための処理が不要となり、大幅に生産性を向上できる。また、母材が同じであるため熱膨張係数も同等であるため、ヒートサイクルに対する結合部分の接続信頼性を向上させることができる。

上述したように、本実施の形態の半導体装置によれば、半導体素子４への応力を不必要に高めずにモジュール側凹凸部９および放熱体側凹凸部１２の結合面において、モジュール側凹凸部９の塑性変形をともなうかしめ加工により、熱伝導グリスを用いずとも十分に固定でき、必要な放熱性を確保することが可能である。

実施の形態２．
（半導体装置の構成）
図６は、本発明を実施するための実施の形態２における半導体装置１の半導体モジュール２と放熱体３とが接合される場合の凹凸部の変形を説明するための断面模式図である。図６（ａ）および（ｂ）において、点線は、凸部と凹部の中心を示しており、図６（ａ）および（ｂ）は、いずれも隣り合うモジュール側凸部９ａのピッチＡと、隣り合う放熱体側凹部１２ｂのピッチＢが異なる場合を示している。また、図６（ａ）および（ｂ）の左側の図は、外部圧力２１の印加前を示し、右側の図は、外部圧力２１の印加後を示している。

図６（ａ）は、本実施の形態の比較例として本実施の形態１と同様の構成において、対向する凹凸部のピッチが、寸法公差による位置ずれによってばらつき、互いに異なった場合を示している。一方、図６（ｂ）は、同様にピッチがばらついた場合に、本実施の形態において、剛性が低くかつ降伏点が小さい材質からなるモジュール側凸部９ａと隣り合う他のモジュール側凸部９ａとの間、すなわちモジュール側凹部９ｂの底部に切欠き部１５を有する構成を示している。なお、上記以外の構成については、上述した実施の形態１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。

図６（ａ）および（ｂ）に示されるように、いずれの場合も接合する凹凸部同士のピッチが異なると、剛性が低い側の金属が剛性が高い側の金属のピッチに倣うように変形し、図の右側で示されるように、圧力印加後にはほぼ同等のピッチとなる。上記変形の過程において、図６（ａ）および（ｂ）とも、図中に矢印で示した変形領域２４が、変形に寄与し、矢印の始点を支点として塑性変形により凸部の谷間（凹部）が広がっていく。

（作用効果）
本実施の形態における半導体装置１においては、図中の変形領域２４の矢印の長さから明らかなように、切欠き部１５を有する図６（ｂ）の場合は、図６（ａ）の場合に比べ変形に寄与する変形領域２４が長くなるため、より小さな外部圧力２１で、対向する凹部のピッチに追従することができ、全体の印加加重を小さくできることで、半導体モジュール２の損傷をより抑制することができる。また、寸法公差による位置ずれへの追随性がさらによくなるため、寸法公差の大幅な緩和が可能となる。

実施の形態３．
（半導体装置の構成）
図７は、本発明を実施するための実施の形態３における半導体装置１の半導体モジュール２と放熱体３とが接合される場合の凹凸部の変形を示す断面模式図である。図７の左側の図は、外部圧力２１の印加前において、放熱体凹部１２ｂに熱伝導性ペースト１６が塗布された状態を示している。また、図７の右側の図は、外部圧力２１の印加後を示している。なお、上記以外の構成については、上述した実施の形態１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。

（作用効果）
本実施の形態においては、放熱体凹部１２ｂに熱伝導性ペースト１６を塗布することによって、外部圧力印加時の接触面の摩擦力を低減し、低荷重、低圧力で安定して嵌合させることができる。さらに、熱伝導性ペースト１６は、外部圧力印加時の摺動により接触面のミクロの隙間に介在するため、接触熱伝達面の熱伝導性を向上する伝熱体として作用する。また、図７に示すようにモジュール側凸部９ａの先端と放熱体側凹部１２ｂの底面との間の空隙部１４に熱伝導性ペースト１６が溜まることによって、空隙部１４が満たされて伝熱体として作用するため、空隙部１４の内部が空間の状態で保持されるよりも熱伝導性を向上することができる。

実施の形態４．
（半導体装置の構成）
図８は、本発明を実施するための実施の形態４における半導体装置４０の構造を説明するための斜視図と断面模式図である。図８（ａ）は放熱体３０に、半導体モジュール２を接合する前の状態を示した斜視図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）で結合した後の線分Ｂ−Ｂにおける断面を示している。

本実施の形態においては、図８（ａ）および（ｂ）に示すように、１つの放熱体３０に、２つの半導体モジュール２が接合され、図８（ｂ）に示すように、半導体モジュール２に搭載される半導体素子４が、絶縁シート７を介さずにモジュール側ベース板６に搭載されている。なお、上記以外の構成については、上述した実施の形態１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。

本実施の形態では、図８（ｂ）に示すように、半導体素子４の裏面と金属からなるモジュール側ベース板６が、絶縁体を介さずに直接接触するように配置されている。よって、半導体素子４の裏面とモジュール側ベース板６は同電位となり、さらには結合後の放熱体３０全体が同電位となる。従って、放熱体３０は、複数の半導体モジュール２と結合することによって、半導体モジュール２間の配線としての役割を担う。ここで、放熱体３０は、粉体塗装によってエポキシ樹脂などの絶縁塗料で覆われている。

通常、複数の半導体モジュール２を結線する場合、外部接続配線１７間を直接、あるいは配線材などを介して間接的に接続する必要がある。一般に外部接続配線１７は数が少なく、また、結線箇所も少ないほうが、装置の小型化には有利である。

また、図８（ａ）および（ｂ）で示すように、２つの半導体モジュールの凹凸部は、ストレートフィン形状（複数の溝形状）を有しており、同じ方向に延在しているが、半導体モジュール毎に溝の方向を変更することも可能である。これは、本実施の形態の放熱体３０は、押し出し整形ではなく、ダイキャスト製であるため可能となる。例えば、二つの溝方向が直角をなすように配置してもよいし、複数のモジュールを円形に配置した場合に、溝方向が放射状になるように配置してもよい。

（作用効果）
本実施の形態においては、先に述べたように放熱体３０が半導体モジュール２との結合によって配線の役割も担うため、半導体モジュール２の外部接続配線１７を少なくでき、構造を簡素化できる。また、絶縁シート７を樹脂封止するための余分な領域(絶縁シート７を抑える領域等)も削減でき、半導体モジュール２を小型化できる。

また、放熱体３０が配線材をかねることにより、配線材を削減できるため、装置の軽量化が図れ、かつ配線材を使う場合よりも電流密度が緩和できるため、通電ロスも低く抑えることができ、放熱構造の簡素化も図ることができる。

さらには、本実施の形態のモジュール側ベース板６は、ダイキャスト製であるため、ストレートフィン形状（複数の溝形状）の方向を自由に設定でき、設計の自由度が高い放熱体３０を得ることができる。

実施の形態５．
（半導体装置の構成）
図９は、本発明を実施するための実施の形態５における半導体装置５０の構造を説明するための断面模式図である。本実施の形態においては、半導体モジュール２の内部に絶縁シート７を介して半導体素子４と配線部材５をモジュール側ベース板６上に配置し、樹脂封止した複数の半導体モジュール２を、一つの放熱体３１に搭載している。なお、上記以外の構成については、上述した実施の形態１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、図９で示すように、本実施の形態においても、２つの半導体モジュールの凹凸部は、ストレートフィン形状（複数の溝形状）を有しており、同じ方向に延在しているが、半導体モジュール毎に溝の方向を変更することも可能である。これは、本実施の形態の放熱体３１は、押し出し成形ではなく、ダイキャスト製であるため可能となる。例えば、二つの溝方向が直角をなすように配置してもよいし、複数のモジュールを円形に配置した場合に、溝方向が放射状になるように配置してもよい。

（作用効果）
本実施の形態においては、上記のように構成しているため、放熱体３１を例えば外部のモータのハウジングなどに接続することによって、半導体装置１のアース電位とすることができる。そして、放熱体３１がアース電位であることから、図示しない放熱体３１の周りのアース電位部材との絶縁距離を考慮する必要がないため半導体装置１全体の小型化を図ることができる。

さらには、本実施の形態のモジュール側ベース板６は、ダイキャスト製であるため、ストレートフィン形状（複数の溝形状）の方向を自由に設定でき、設計の自由度が高い放熱体３１を得ることができる。

実施の形態６．
（半導体装置の構成）
図１０は、本発明を実施するための実施の形態６における半導体装置６０の構造を説明するための斜視図と側面図である。図１０（ａ）は本実施の形態における半導体モジュール２２と放熱体３２の結合前の状態を示す斜視図であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）において、ストレートフィンの延在する方向に対して、垂直方向（矢印Ｃの方向）から見た半導体モジュール２２の側面図である。本実施の形態では、モジュール側ベース板６および放熱体３２の結合面における凹凸部の形状がストレートフィン形状（複数の溝形状）であり、さらに図１０（ｂ）に示すように剛性が低い側のモジュール側凸部９０のストレートフィン（凸部）が分断され、複数の切欠き状の凸部除去部１８を有している。

（作用効果）
本実施の形態においては、凹凸部がストレートフィン形状であることによって、接触面積をより大きくすることができ、高い放熱性能を得ることができる。一方、放熱体３２側のストレートフィン形状は、ダイキャストにより成型されるため、成型後常温に下がる間の収縮によってストレートフィンがうねることが懸念される。しかし、ダイキャストによって形成される放熱体側凹凸部１２のストレートフィン形状がうねった場合でも、モジュール側凹凸部９０のストレートフィン形状は、切欠き状の凸部除去部１８により分断されているため、うねりにも追従しやすくなり、安定した結合状態を得ることができる。

実施の形態７．
（半導体装置の構成）
図１１は、本発明を実施するための実施の形態７における半導体装置７０の半導体モジュール２３と放熱体３３とが結合される前の状態を示す斜視図である。図１１に示すように、本実施の形態においては、半導体モジュール２３と放熱体３３の結合面におけるモジュール側凹凸部の形状が、円錐状のピンフィン１９となっている。また、放熱体側凹凸部は、ピンフィン１９と嵌合するように、円錐状の穴部２０となっている。

（作用効果）
本実施の形態においても、放熱体３３側の円錐状の穴部２０はダイキャストで成型されるため、成型後の収縮によってモジュール側凹凸部であるピンフィン１９との位置ずれ等が懸念される。しかし、モジュール側凹凸部が円錐形状のピンフィン１９であることによって、結合面方向のどのような方向へのずれに対しても容易に追従することができ、安定した結合状態を得ることができる。

さらに、図１０ではピンフィン１９は、放熱体３３の外形に沿った格子状に配置されているが、千鳥状に配置することによって、ピンフィン１９の密度を高くすることができ、さらに接触面積の増大による高い放熱性と、先に述べた高い追従性とを両立させることができる。

１、４０、５０、６０、７０ 半導体装置、２、２１、２２ 半導体モジュール、３、３０、３１、３２、３３ 放熱体、３ａ 第３の面、３ｂ 第４の面、４ 半導体素子、５ 配線部材、６ モジュール側ベース板、６ａ 第１の面、６ｂ 第２の面、７ 絶縁シート、８ モールド樹脂、９、９０ モジュール側凹凸部、９ａ モジュール側凸部、９ｂ モジュール側凹部、１１ 放熱フィン、１２ 放熱体側凹凸部、１２ａ 放熱体側凸部、１２ｂ 放熱体側凹部、１３ 潰し代、１４ 空隙部、１５ 切欠き部、１６ 熱伝導性ペースト、１７ 外部配線、１８ 凸部除去部、１９ ピンフィン、２０ 穴部、２１ 外部圧力、２２ 側面垂直応力、２３ 圧力印加方向の垂直応力、２４ 変形領域。

Claims (16)

1. 半導体素子が第１の面に配置され、前記第１の面と反対側の第２の面に第１の凹凸部が形成されたモジュール側ベース板を含む半導体モジュールと、
   前記第２の面に対向する第３の面に前記第１の凹凸部と嵌合する第２の凹凸部が形成され、前記半導体素子が発する熱を放熱する放熱体とを備えた半導体装置であって、
   前記モジュール側ベース板と前記放熱体とは異なる材質の金属から構成され、
   前記第１の凹凸部と前記第２の凹凸部とのうち、いずれか一方が塑性変形することによって、前記半導体モジュールと前記放熱体が接合されることを特徴とする半導体装置。
2. 前記モジュール側ベース板の材質と前記放熱体の材質とは、材料の降伏点が異なる金属であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記第１の凹凸部と前記第２の凹凸部とのうち、前記降伏点が小さい方の材質の金属で形成された凹凸部が塑性変形することを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記第１の凹凸部と前記第２の凹凸部とのうち、塑性変形する方の凹凸部の凹部の底面に、切欠き部を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 前記第１の凹凸部と前記第２の凹凸部とは、一方の凸部と他方の凹部との間に空隙を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体装置。
6. 前記空隙は、空気よりも熱伝導率が大きい伝熱体で埋め込まれていることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
7. 前記伝熱体は、熱伝導性ペーストであることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
8. 前記第３の面上に複数の前記半導体モジュールが配置されることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の半導体装置。
9. 前記半導体素子は、前記モジュール側ベース板の第１の面に絶縁体を介して配置されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の半導体装置。
10. 前記モジュール側ベース板の金属と前記放熱体の金属とは、主要構成元素が同じことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の半導体装置。
11. 前記第１の凹凸部と前記第２の凹凸部とは、それぞれ前記第２の面および第３の面と平行な方向に延在する溝であることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の半導体装置。
12. 前記第１の凹凸部と前記第２の凹凸部とのうち、塑性変形するいずれか一方の溝は、前記溝が延在する方向に分断された複数の溝を含むことを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置。
13. 前記第１の凹凸部と前記第２の凹凸部とのうち、塑性変形するいずれか一方の凸部は柱状であり、他方の凹部は穴状であることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の半導体装置。
14. 前記柱状の凸部と前記穴状の凹部とは、千鳥状に配置されていることを特徴とする請求項１３に記載の半導体装置。
15. 半導体素子が第１の面に配置され、前記第１の面と反対側の第２の面に第１の凹凸部が形成されたモジュール側ベース板を含む半導体モジュールと、
    前記第２の面に対向する第３の面に前記第１の凹凸部と嵌合する第２の凹凸部が形成され、前記モジュール側ベース板と異なる材質の金属から構成された前記半導体素子が発する熱を放熱する放熱体とを備える半導体装置の製造方法であって、
    前記第１の凹凸部と前記第２の凹凸部とが嵌合可能に位置決めする位置決め工程と、
    位置決めされた前記第１の凹凸部と前記第２の凹凸部とを接触させる工程と、
    前記モジュール側ベース板と前記放熱体とが接合されるように加圧する工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
16. 前記加圧工程においては、前記第１の凹凸部および前記第２の凹凸部のいずれか一方が塑性変形するまで加圧することを特徴とする請求項１５に記載の半導体装置の製造方法。

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