JP6700119B2 - 電力用半導体装置および電力用半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、導電性接合層を介してヒートシンクに接合された半導体モジュールを備えた電力用半導体装置、および電力用半導体装置の製造方法に関する。

近年、電力用半導体装置は、一般産業用、電鉄用のみならず車載用にも広く使用されるようになってきた。自動車では、限られたスペースの中で各部品を小型化することが車両性能に直結することから、特に車載用の電力用半導体装置では、その小型化が求められている。また、一般的に、電力用半導体装置では、その高出力密度化が求められている。

電力用半導体装置の高出力密度化、具体的には半導体素子の高電流密度化に伴って、半導体素子の通電時の温度も上昇する。そこで、車載用の電力用半導体装置では、１つ以上の半導体素子を含む半導体モジュールの下面にはんだ材を介してヒートシンクを取り付け、放熱性の向上を図っている。

一般に、はんだ材を溶融させる方法として、特許文献１には、誘導加熱を用いることが記載されており、特許文献２には、レーザ光を用いることが記載されている。

特開２００５−２２２９６４号公報

特開２０１０−５１９８８号公報

ところで、はんだ材などの導電性接合材を加熱する方法として、特許文献１，２に記載された方法の他に、赤外線を用いた輻射熱方式が存在する。ヒートシンクの上に導電性接合材を介して半導体モジュールを配置し、赤外線を照射して導電性接合材を加熱する場合、ヒートシンクの表面に温度のばらつきが生じると、形成される導電性接合層の質が低下し、ヒートシンクと半導体モジュールとの接合部の信頼性が低下するという問題がある。特に、車載用の電力用半導体装置では、ヒートシンクの表面の面積が大きくなるため、この問題が顕著になる。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、導電性接合層を介してヒートシンクに接合された半導体モジュールを備えた電力用半導体装置において、接合部の信頼性を従来技術よりも向上させることを課題とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る電力用半導体装置は、
表面および裏面を有するヒートシンクと、
導電性接合層を介して前記ヒートシンクの表面に接合された半導体モジュールと、を備え、
前記ヒートシンクの裏面には、所定波長の赤外線に対して第１放射率を有する第１面部と、前記所定波長の赤外線に対して前記第１放射率より小さい第２放射率を有する平滑な第２面部とが設けられ、
前記ヒートシンクの表面には、温度監視用の高放射率部が設けられている。

本発明によれば、ヒートシンクの表面に温度監視用の高放射率部が設けられていることにより、高質の導電性接合層を設けることができ、これにより、接合部の信頼性を向上させることができる。

本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置の半導体モジュールを示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置の半導体モジュールの一部を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置を示す側面図である。 図３のＡ−Ａ線断面図である。 本発明の実施の形態に係る電力用半導体装置が構成するインバータ回路を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置の製造方法を示す図である。 本発明の実施の形態５に係る電力用半導体装置を示す斜視図である。 本発明の実施の形態５に係る電力用半導体装置を示す側面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。以下の説明では、必要に応じて特定の方向を示す用語（上、下など）を用いるが、これらは本発明の理解を容易にするために用いているのであって、こられの用語により本発明の範囲が限定さると理解すべきでない。以下の説明では、符号「Ｘ」を付した方向を幅方向、符号「Ｙ」を付した方向を長さ方向、符号「Ｚ」を付した方向を高さ方向という。Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向は、互いに直交している。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による電力用半導体装置１０００を示す斜視図である。電力用半導体装置１０００は、６つの半導体モジュール１０１，１０２，１０３，１０４，１０５，１０６を備えている。半導体モジュール１０１〜１０６は、ヒートシンク１１０の表面１２０の上に接合されている。ヒートシンク１１０の上には、長さ方向Ｙに延びる主回路配線５１〜５５が配置されている。

６つの半導体モジュール１０１〜１０６は、主回路配線５１〜５５を挟んで、３個ずつ配置されている。半導体モジュール組１０１〜１０３および半導体モジュール組１０４〜１０６は、それぞれ長さ方向Ｙに並べて配置されている。

［半導体モジュール１０１］
図２は、本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置１０００の半導体モジュール１０１を示す斜視図である。図２に示すように、半導体モジュール１０１は、基板１０と、基板１０の上に配置された半導体素子２１，２２と、半導体素子の配線を行う第１主端子３０および第２主端子４０と、半導体素子２１，２２を囲む枠部材７０と、枠部材７０に固定された制御端子８０などを備えている。図３には、半導体モジュール１０１から枠部材７０などを除いた状態を示している。

半導体モジュール１０２〜１０６は、第１、第２主端子３０，４０以外は半導体モジュール１０１と大略同じ構成を有するので、以下では半導体モジュール１０１の構成について説明し、半導体モジュール１０２〜１０６については、半導体モジュール１０１と異なる部分のみを説明する。

（基板１０）
基板１０は、絶縁層１１と、表面導体層１２と、裏面導体層１３（図３、図５を参照）とを有する。基板１０の裏面は、第１接合層６１を介してヒートシンク１１０の表面１２０に接合されている（図４、図５を参照）。

絶縁層１１は、絶縁性があり且つ熱伝導性の高い材料でできていることが好ましい。絶縁層１１を構成する材料の例は、セラミック材料（ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化ケイ素）、Ａｌ_２Ｏ_３（酸化アルミニウム）など）、および、ＢＮ（窒化ホウ素）フィラーなどを含有したエポキシ樹脂絶縁層である。絶縁層１１の例示的な厚さは、約０．３ｍｍ以上約１ｍｍ以下である。表面導体層１２と裏面導体層１３を構成する材料の例は、Ｃｕ（銅）、Ａｌ（アルミニウム）、およびＣｕとＡｌとの積層体である。表面導体層１２と裏面導体層１３の例示的な厚さは、約０．２ｍｍ以上約１ｍｍ以下である。

（半導体素子２１，２２）
実施形態１で、半導体素子２１はＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）であり、半導体素子２２はＦＷＤ（フリーホイールダイオード）である。半導体素子２１，２２は、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）など、他の半導体素子であってもよい。

半導体素子２１，２２は、幅方向Ｘに並べて配置されている。半導体素子２１，２２は、それぞれ第２接合層６２を介して、基板１０の表面導体層１２の表面に接合されて実装されている。半導体素子２１，２２の材料は、Ｓｉ（ケイ素）であってもよいし、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＳｉＣ（炭化ケイ素）、ダイヤモンドなど、バンドギャップの大きい半導体材料であってもよい。

ＩＧＢＴである半導体素子２１の表面２１ａには、図示していないが、主電極であるエミッタと、制御電極であるゲートが設けられ、半導体素子２１の裏面（符号なし）には、主電極であるコレクタが設けられている。ゲートは、制御端子８０からゲート電流を受ける。ＦＷＤである半導体素子２２は、図示していないが、表面２２ａ、裏面（符号なし）に設けられた電極を有する。本明細書では、ＦＷＤの電極もまた、主電極という。以下、半導体素子２１，２２の表面、裏面に設けられた主電極を、それぞれ、表面主電極、裏面主電極という。半導体素子２１，２２の主電極と、第１主端子３０と、第２主端子４０と、主回路配線５１〜５５とにより、電力用半導体装置１０００の主回路が構成される。

（第１、第２主端子３０，４０）
第１、第２主端子３０，４０は、板状である。第１主端子３０は、電極部３１と配線部３２とを有する。第１主端子３０の電極部３１は、幅方向Ｘに延び、かつ、第３接合層６３を介して半導体素子２１，２２の表面２１ａ，２２ａに接合され、これにより半導体素子２１，２２の表面主電極に電気的に接続されている。第１主端子３０の配線部３２は、主回路配線５１に接合されている。第２主端子４０は、電極部４１と配線部４２とを有する。第２主端子４０の電極部４１は、第４接合層６４を介して基板１０の表面導体層１２に接合され、これにより半導体素子２１，２２の裏面主電極に電気的に接続されている。第２主端子４０の配線部４２は、主回路配線５４に接合されている。第１、第２主端子３０，４０の例示的な厚さは、約０．２ｍｍ以上約１．０ｍｍ以下である。

第１主端子３０の電極部３１は、凹部３３を有する。凹部３９は、第１主端子３０の幅方向Ｘの中央付近を切り欠いて形成されている。凹部３３の機能については後述する。また、第１主端子３０の厚さ方向（高さ方向Ｚ）に沿って延び且つ半導体素子２１，２２の表面２１ａ，２２ａに対向して設けられた突起部３４と貫通孔３５とを有する。突起部３４は、第３接合層６３の最低厚さを規定する機能を有する。貫通孔３５は、第３接合層６３の形成時（接合材の溶融時）に接合材を吸収して半導体素子２１，２２の傾きを抑制する機能を有する。

第１、第２主端子３０，４０は、Ｃｕの単層であってもよいし、例えばＣｕ層／インバー（Ｆｅ−３６％Ｎｉ合金）層／Ｃｕ層からなる積層体であってもよい。各層の厚さを変更することにより、第１、第２主端子３０，４０の見かけの線膨張係数を変更できる。第１、第２主端子３０，４０は、Ｃｕ−Ｍｏ（銅−モリブデン）合金またはＣｕ−Ｗ（銅−タングステン）合金でできていてもよい。

（主回路配線５１〜５５）
主回路配線５１〜５５は、電力用半導体装置１０００の外部へ導出されている。上述のとおり、主回路配線５１には、半導体モジュール１０１〜１０３の第１主端子３０が接合されている（図５を参照）。主回路配線５２，５３，５４には、それぞれ半導体モジュール１０３，１０１，１０３の第２主端子４０が接合されている。図示していないが、主回路配線５２，５３，５４には、半導体モジュール１０６，１０４，１０５の第２主端子４０も接合されている。主回路配線５５には、半導体モジュール１０４〜１０６の第１主端子３０が接合されている。

これにより、６つの半導体モジュール１０１〜１０６により、図６に示すインバータ回路６００が構成される。各半導体モジュールにより、インバータ回路６００の１つのアームが構成される。主回路配線５１〜５５を挟んで設けられた一対の半導体モジュール１０１，１０４、一対の半導体モジュール１０２，１０５、および、一対の半導体モジュール１０３，１０６により、それぞれインバータ回路６００のレッグが構成される。インバータ回路６００は、例えばかご型三相誘導モータを駆動する駆動回路として用いられる。このとき、主回路配線５１，５５は、一方が外部電源の正極に、他方が外部電源の負極に接続される。主回路配線５２〜５４は、モータに接続される。

（枠部材７０、制御端子８０）
枠部材７０は、筐体部７１と、筐体部７１から長さ方向Ｙに突出する凸部７２とを有する。枠部材７０の筐体部７１は、半導体素子２１，２２を囲むように設けられている。幅方向Ｙで筐体部７１の主回路配線側は、第１、第２主端子３０，４０の配線部３２，４２に干渉しないように切り欠かれている。

枠部材７０の凸部７２は、第１主端子３０の電極部３１に形成された凹部３３に相補的な形状を有する。枠部材７０の凸部７２は、第１主端子３０の凹部３３と略等しい寸法を有しており、両者は互いに係合するように構成されている。基板１０に固定された枠部材７０の凸部７２と第１主端子３０の凹部３３とが係合していることにより、第３接合層６３を介して主端子３０を半導体素子２１，２２および主回路配線５１に接合する際に生じる主端子３０の位置ずれが抑制される。

枠部材７０の壁面の外側には、ヒートシンク１１０に向かって延びる突出部７３が設けられている。突出部７３は、ヒートシンク１１０に設けられた凹部１１６と嵌合している。突出部７３が凹部１１６に嵌合することにより、電力用半導体装置１０００の製造時における半導体モジュール１０１の位置ずれが抑制される。

枠部材７０は、例えば射出成形可能で耐熱性の高い樹脂でできている。枠部材７０は、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、液晶樹脂、フッ素系樹脂でできていてもよい。図示していないが、枠部材７０の内側には封止樹脂が注入され、半導体素子２１，２２、第１、第２主端子３０，４０の電極部３１，４１などが樹脂封止される。枠部材７０は、基板１０の表面導体層１２の表面に図示しない第５接合層を介して接合されている。第５接合層を構成する接合材は、シリコーン系の柔らかい接着剤であってもよい。

制御端子８０は、枠部材７０から高さ方向Ｚに突出して延びている。制御端子８０は、半導体素子２１の表面２１ａに設けられたゲートに、ボンディングワイヤ８１（図２を参照）またはボンディングリボンを介して接合されている。

［ヒートシンク１１０］
（全体構成）
ヒートシンク１１０は、これに限定されないが、大略、直方体形状を有している。ヒートシンク１１０は、基板１０の裏面に第１接合層６１を介して接合された天板１１１と、天板１１１に取り付けられた複数の放熱フィン１１２と、冷媒が流通する冷媒ジャケット１１３とを有する。冷媒ジャケット１１３は、外部のラジエータへ冷媒を循環させるための入口部１１４と出口部１１５を有する。

ヒートシンク１１０は、熱伝導率が高く且つ入手しやすいものであることが好ましく、例えばＣｕまたはＡｌでできていてもよい。電力用半導体装置１００００を車載用に用いる場合、ヒートシンク１１０は、軽量化ひいては燃費向上のために、Ａｌでできていることが好ましい。また、電力用半導体装置１０００を大容量モータの駆動に用いる場合、冷媒ジャケット１１３を流通する冷媒は水であることが好ましい。冷媒が水である場合、耐腐食性の観点から、ヒートシンク１１０はＡｌでできていることが好ましい。

電力用半導体装置１０００において、冷媒ジャケット１１３は、構造部材として機能するように、その厚さを大きくしている。また、冷媒ジャケット１１３には、半導体モジュール１０１〜１０６の設計に応じて、配線経路などを通す穴を設ける必要がある。そこで、冷媒ジャケット１１３は、アルミダイカスト法など、型成形によって製造することが好ましい。

冷媒ジャケット１１３は、天板１１１と冷媒ジャケット１１３との気密性が確保されてヒートシンク外部への冷媒の漏れが防止されるように、天板１１１に固定されている。

冷媒ジャケット１１３と天板１１１との固定は、アルミニウムロウ付けにより行ってもよい。具体的には、天板１１１、放熱フィン１１２、冷媒ジャケット１１３、入口部１１４および出口部１１５を別部材で準備し、ＡｌＳｉロウ材などを各部材の間に配置し、約６００℃まで昇温させ、ロウ材を溶融させてＡｌと接合する。

あるいは、冷媒ジャケット１１３と天板１１１との固定は、ゴム製Ｏリングとねじ止め、またはシール材塗布とねじ止めにより行ってもよい。具体的には、天板１１１、放熱フィン１１２、冷媒ジャケット１１３、入口部１１４および出口部１１５を別部材で準備し、天板１１１と冷媒ジャケット１１３の外周部に溝を設け、ゴム製のＯリング、シール材で充填した状態でネジ止めを行ってもよい。

あるいは、冷媒ジャケット１１３と天板１１１との固定は、摩擦撹拌接合により行ってもよい。このとき、天板１１１と放熱フィン１１２とをあらかじめ切削加工などで一体化し、はんだ付けに必要なＮｉ（ニッケル）めっきを施しておく。そして、Ｎｉめっきされた天板１１１と放熱フィン１１２を、冷媒ジャケット１１３と合わせて摩擦撹拌接合し、入口部１１４と出口部１１５を冷媒ジャケット１１３に圧入する。

（ヒートシンク１１０の裏面１３０）
図４、図５に示すように、ヒートシンク１１０の裏面１３０には、第１面部１３１と第２面部１３２とが設けられている。第１面部１３１は、例えばダイカスト成形により形成される凹凸のある粗面であり、所定波長の赤外線に対して第１放射率を有する。例えば、第１面部１３１は、波長１μｍ以上１０μｍの赤外線に対して、例えば０．２以上０．３未満の第１放射率を有する。ただし、第１面部１３１は製造上形成される面であって、第１面部１３１の全体に亘って放射率が均一ではないことがあり、したがって、第１放射率の大きさには幅があってよい。第２面部１３２は、例えばダイカスト成形により形成される粗面に対して切削加工が施された平滑面であり、前記所定波長の赤外線に対して第２放射率を有する。第２面部１３２は、光沢面であってもよい。

ここで、一般に、物体の面に光を照射する場合、物体の放射率は、物体を構成する材料と照射する光の波長だけでなく、光を照射する面の平滑度に応じて変化する。面の平滑度が小さい、すなわち面が粗いほど、物体の放射率は大きくなる。したがって、ヒートシンク１１０の裏面１３０において、粗い第１面部１３１の第１放射率は、平滑な第２面部１３２の第２放射率と比較して大きい。

ヒートシンク１１０の裏面１３０の第２面部１３２には、リアクトル３１０、ステップダウンコンバータ３２０などの電子部品が実装される（図９、図１０を参照）。第２面部１３２の形状は、実装される電子部品の形状に応じて変更されてよい。

リアクトル３１０は、例えば自動車に搭載される高圧バッテリ（直流電源）からの電圧を大きくするための昇圧回路（または昇圧コンバータ）に組み込まれる。リアクトル３１０は、大型のコイル部品であって、昇圧回路に組み込まれるスイッチング素子をスイッチングしてリアクトル３１０の磁気エネルギーの蓄積と放出を繰り返すことにより、昇圧機能を果たす。リアクトル３１０では、コイルへの通電により銅損が発生し、コアに磁束が生じるため鉄損が発生して熱が生じる。したがって、電力用半導体装置全体を小型化するためには、リアクトル３１０の小型化に加えて、リアクトル３１０の損失により発生する熱を効率良く処理する必要がある。

本実施形態１では、ヒートシンク１１０の表面１２０に電力変換部であるインバータ回路６００（半導体モジュール１０１〜１０６）を設け、ヒートシンク１１０の裏面１３０にリアクトル３１０を密着させる。これにより、リアクトル３１０の損失により発生する熱は、ヒートシンク１１０を介して効率良く装置外部へ放出される。

ステップダウンコンバータ３２０は、例えば、高圧バッテリ（例えば定格電圧である２８８Ｖ）から補機バッテリ（例えば１２Ｖ）への変換装置であるＤＣ／ＤＣコンバータとして機能する。ステップダウンコンバータ３２０を電力用半導体装置内に組み込むことにより、配線経路の削減による低コスト化および小型化が可能となる。

ステップダウンコンバータ３２０には、高い放熱性が必要になる電子回路部品が内蔵されている。ステップダウンコンバータ３２０もヒートシンク１１０の裏面１３０に密着させるので、上述のとおり、ステップダウンコンバータ３２０から発生する熱も、ヒートシンク１１０を介して効率良く装置外部へ放出される。

（ヒートシンク１１０の表面１２０）
ヒートシンク１１０の表面１２０には、高放射率部１２１が設けられている。ヒートシンク１１０の表面１２０であって半導体モジュール１０１〜１０６が接合されていない面において、高放射率部１２１は、他の領域と比較して放射率が大きい。高放射率部１２１は、波長１μｍ以上１０μｍの赤外線に対して、０．３以上の放射率を有することが好ましい。

高放射率部１２１は、これに限定されないが、平面視円形であって、長方形状の表面１２０の四隅に設けられている。高放射率部１２１は、好ましくは、半導体モジュール１０１〜１０６の直ぐ外側に設けられる。高放射率部１２１の形状および配置は、図１に示したものに限定されず、例えば長方形の表面１２０の四辺に沿って、線状または枠状に設けられていてもよい。

高放射率部１２１の面積を小さくし且つ半導体モジュール１０１〜１０６に近づけて配置することにより、電力用半導体装置１０００を面内方向に小型化できる。高放射率部１２１の面積は、例えば１箇所当たり３ｍｍ^２以下であってもよい。

高放射率部１２１には、高放射率テープが貼付されている。高放射率テープの放射率は、後述する検出精度を向上させるために、大きい方がよい。高放射率テープは、放射率の大きい黒体テープであってもよい。高放射率テープは、耐熱性の高いものであることが好ましい。後述するように、他の手段によっても、高放射率部１２１を設けることができる。

［第１から第４接合層６１〜６４］
第１接合層６１は、ヒートシンク１１０と基板１０との間に設けられている。接合層６１を構成する接合材は、Ａｌでできているヒートシンク１１０への直接の接合を可能とするＡｌ−Ｓｉろう材であってもよいし、Ｓｎ系はんだ材であってもよい。ここで、本明細書において、Ｓｎ系はんだ材は、Ｓｎ（錫）を主成分とするはんだ材であって、例えばＡｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、Ｂｉ（ビスマス）、Ｉｎ（インジウム）、Ｓｂ（アンチモン）またはＰｂ（鉛）が添加されたものを指す。以下、例えばＳｎにＣｕが添加されたＳｎ系はんだ材をＳｎ−Ｃｕはんだ材、のように示す。

第１接合層６１を構成する接合材がＳｎ系はんだ材であってヒートシンク１１０を構成する材料がＡｌであれば、ヒートシンク１１０に、例えばＮｉめっきまたはＳｎめっきを予め施しておくことにより、Ｓｎ系はんだとの合金化により、両者を直接に接合しやすくなる。めっき層の厚さは、約２μｍ以上約１０μｍ以下であれば、はんだ材の濡れ性と接合部の信頼性とを十分に満足させられることがわかっている。

ここで、ヒートシンク１１０を構成する材料がＡｌであり、基板１０の絶縁層１１が厚さ０．３２ｍｍのＳｉ_３Ｎ_４、表面導体層１２と裏面導体層１３がそれぞれ厚さ０．５ｍｍのＣｕであるとする。ヒートシンク１１０を構成するＡｌの線膨張係数が２３ｐｐｍ／Ｋであるのに対し、基板１０の見かけの線膨張係数は約７ｐｐｍ／Ｋ以上約８ｐｐｍ／Ｋ以下であり、両者の線膨張係数差が大きくなる。このように、ヒートシンク１１０を構成する材料と基板１０を構成する材料との線膨張係数差が大きいとき、第１接合層６１を構成する接合材に、降伏応力または０．２％耐力が大きい接合材を用いることにより、第１接合層６１のき裂進展速度（負荷１サイクルあたりのき裂進展量）を小さくすることが好ましい。

また、後述するように、第１接合層６１を構成する接合材は、フラックスレスはんだ材であってもよい。

第２接合層６２は、基板１０と半導体素子２１，２２との間に設けられている。第３接合層６３は、半導体素子２１，２２の表面２１ａ，２２ａと第１主端子３０との間に設けられている。第４接合層６４は、基板１０の表面導体層１２と第２主端子４０との間に設けられている。

第２から第４接合層６２〜６４を構成する接合材は、はんだ材であってもよい。当該接合材は、導電性フィラー（銀またはグラファイト）を混合したエポキシ樹脂系の接着剤であってもよい。はんだ材などの低融点材料は、接合時の加熱温度が低いため使いやすいという利点がある。

また、第２から第４接合層６２〜６４を構成する接合材は、Ａｇ系シンター材、Ｃｕ系シンター材およびＣｕＳｎ（銅錫合金）系シンター材などの焼結性接合材であってもよい。ここで、焼結性金属接合材は、骨材である金属微粒子が有機成分中に分散されてペースト状になった接合材であり、金属微粒子がその金属の融点よりも低い温度で焼結する現象を利用したものである。焼結性金属接合材では、接合後の接合材の融点が金属としての本来の融点にまで高くなることにより、接合部の耐熱温度を高くすることができる。

一般的に、金属は再結晶温度以上で使用していると、結晶粒界が拡散により移動して結晶粒が粗大化し、金属疲労に対して弱くなる。そこで、特に、半導体素子２１，２２に直接に接する場所に設けられた第２、第３接合層６２，６３を構成する接合材は、長期信頼性の観点から、焼結性金属接合材であることが好ましい。

［電力用半導体装置１０００の製造方法］
電力用半導体装置１０００の例示的な製造方法は、ヒートシンク１１０を準備するステップ１１００と、ヒートシンク１１０の表面１２０に半導体モジュール１０１〜１０６を接合するステップ１２００と、ヒートシンク１１０の裏面１３０に電子部品を実装するステップ１３００とを含む。

（ヒートシンク１１０を準備するステップ１１００）
ステップ１１００では、製造コストを低下させる観点から、ダイカスト成形によりヒートシンク１１０の冷媒ジャケット１１３を製造する（ステップ１１１０）。ヒートシンク１１０の天板１１１、放熱フィン１１２、入口部１１４および出口部１１５は、例えば押出成形により製造する。

ダイカスト成形した冷媒ジャケット１１３の裏面（ヒートシンク１１０の裏面１３０）は、凹凸のある粗面である。ヒートシンク１１０の裏面１３０に電子部品を接合する場合、裏面１３０に凹凸があると、電子部品の安定性が損なわれる。そこで、ステップ１１００では、ヒートシンク１１０の裏面１３０の一部（電子部品を接合する部分）に切削加工を施し、電子部品の接合に適した平滑な第２面部１３２を形成する（ステップ１１２０）。また、ヒートシンク１１０の表面１２０に高放射率テープを貼付することにより、ヒートシンク１１０の表面１２０に高放射率部１２１を設ける（ステップ１１３０）。

高放射率部１２１を設けるステップ１１３０では、高放射率テープを貼付する代わりに、例えばスプレーを用いて高放射率コーティングを設けてもよい。また、高放射率部１２１を設ける部分でヒートシンク１１０の天板１１１を構成する材料の酸化度を高くしてもよい。また、当該部分に切削工具を接触させて粗面化してもよい。また、耐久性のある白色耐熱ソルダーレジストインクを印刷および硬化させて当該部分に密着させてもよい。また、耐熱性のあるポリイミドを印刷、ディスペンスなどの方法で供給し、硬化させて当該部分に密着させてもよい。

（ヒートシンク１１０の表面１２０に半導体モジュール１０１〜１０６を接合するステップ１２００）
ステップ１２００では、例えば、ヒートシンク１１０の表面に主回路配線５１〜５５を固定し、ヒートシンク１１０の表面に接合材を用いて基板１０を接合し、基板１０の表面に接合材を用いて半導体素子２１，２２を接合し、基板１０の表面に接合材を用いて枠部材７０を接合し、半導体素子２１，２２の表面２１ａ，２２ａおよび主回路配線５１に接合材を用いて第１主端子３０を接合し、基板１０の表面導体層１２および主回路配線５４に接合材を用いて第２主端子４０を接合する。

接合材を用いる各ステップでは、接合材がはんだ材であれば、接合材を加熱して溶融させて冷却することにより、接合材が焼結性接合材であれば、接合材を加熱して焼結させることにより、接合層を形成する。複数の接合部にはんだ材を配置し、公知のリフロー工程により一括で複数の接合層を形成してもよい。

ステップ１２００では、フラックスレスはんだ材を用いて接合を行ってもよい。具体的には、フラックスを用いずに還元雰囲気を低酸素濃度にして、還元力を有するギ酸、水素などのガスで置換し、さらに、はんだ溶融中に真空引きを行う。

フラックスレスはんだ材の加熱方法として、１）リフロー槽に熱風を送り込む雰囲気加熱方式、２）加熱ブロックからワークへの伝熱方式、および、３）ハロゲンランプなど赤外線を用いた輻射熱方式の３つの方式が主として存在する。

フラックスレスはんだ材を用いる場合、フラックスの代わりに還元力を有するギ酸、水素などの還元ガスを用いることが一般的である。雰囲気加熱方式の場合、熱風を効率良く送り込むリフロー槽を設ける必要があるが、ギ酸、水素ガスを用いた場合、酸性のギ酸を含むガスによる異臭の発生、水素爆発などを防止するため、リフロー槽に気密性を持たせることが必要となる。しかし、リフロー槽の気密性を確保しつつ熱風を効率良く送りこむことは、困難であるか、リフロー槽の製造コストが高くなる。

次に、伝熱方法の場合、はんだ接合部品として、他の部品に比べて大型であるヒートシンク１１０と基板１０とのはんだ接合を行う際に、ヒートシンク１１０の反り量によっては、放熱経路に空気層が介在することになる。空気は熱伝導率が低いことから、被接合面同士の間での温度差、および、各被接合面内での温度のばらつきが解消されないことも考えられる。

次に、輻射熱方式の場合、ヒートシンク１１０の反りなど形状因子に起因する熱伝達不足、熱伝達分布は発生しない。また、雰囲気加熱方式のように、気密性が確保され且つ効率良く熱風を送り込むことが可能なリフロー槽を設ける必要はない。

そこで、本実施形態１では、ヒートシンク１１０の表面１２０に半導体モジュール１０１〜１０６を接合するステップ１２００において、輻射熱方式を採用する。具体的には、赤外線ヒータ装置２３０を用いてヒートシンク１１０の裏面１３０に所定波長の赤外線２３２を放射する（ステップ１２１０）。

赤外線２３２は、単一波長であってもよいが、一般的には所定の波長域を有する。赤外線２３２が所定の波長域を有する場合、「照射する赤外線の波長」は、所定の波長域におけるピーク波長を指す。

赤外線ヒータ装置２３０は、長さ方向Ｙに並べて配置された複数の棒ヒータ２３１を含む。各棒ヒータ２３１は、例えば、波長１μｍ以上１０μｍ以下の赤外線を放出する。各棒ヒータ２３１から放出される赤外線の強度は、マイクロコンピュータ、メモリなどで構成された制御装置２２０により制御される。

ヒートシンク１１０の裏面１３０に赤外線２３２を放射することにより、ヒートシンク１１０の表面１２０に配置されたフラックスレスはんだ材が加熱されて溶融する。

このとき、ステップ１２１０で赤外線２３２を照射しつつ、放射温度計２１０を用いて高放射率部１２１の温度を非接触で測定する（ステップ１２２０）。放射温度計２１０は、高放射率部１２１から放出される赤外線放射エネルギーを、赤外線センサを用いて検出する。高放射率部１２１から放出される赤外線放射エネルギーは、近似的には、高放射率部１２１の放射率を比例定数として、絶対温度の４乗に比例する。この関係に基づいて、放射温度計２１０は高放射率部１２１の温度を測定する。予め高放射率部１２１の放射率を測定し、放射温度計２１０を補正してもよい。

放射温度計２１０により測定された各高放射率部１２１の温度は、放射温度計２１０から制御装置２２０にフィードバックされる（ステップ１２３０）。制御装置２２０は、フィードバックされた高放射率部１２１の温度に基づいて、各棒ヒータ２３１から照射される赤外線２３２の強度を制御する（ステップ１２４０）。例えば、ある位置に設けられた高放射率部１２１の温度が低い場合、当該位置の下方（および、選択的にその周辺）の棒ヒータ２３１から放出される赤外線の強度を大きくする制御を行う。

赤外線２３２を一定時間照射した後、フラックスレスはんだ材を冷却して固化させることにより、ヒートシンク１１０の表面１２０に半導体モジュール１０１が接合される。

（ヒートシンク１１０の裏面１３０に電子部品を実装するステップ１３００）
ヒートシンク１１０と電子部品との間の熱抵抗を小さくするため、ヒートシンク１１０の裏面１３０と電子部品との間には、ヒートシンク１１０の表面１２０と半導体モジュール１０１〜１０６と同様に、はんだ材などの熱伝導率の高い導電性接合材を用いて薄い接合層を設けることが好ましい。しかし、ヒートシンク１１０の表面１２０と裏面１３０の両方ではんだ接合を行うと、裏面側ではんだ材が自重で溢れ出すのを防止する手段を設ける必要がある。さらに、裏面側の電子部品を保持しつつはんだ接合を行う必要がある。このように、ヒートシンク１１０の両面ではんだ接合工程を実施すると、工程が複雑になる。なお、表面側を一旦はんだ付けした後に、反転し、裏面側をはんだ付けしても、同様の問題が生じる。

そこで、本実施形態１では、先に、より高い放熱性が必要とされる表面側では、ヒートシンク１１０と半導体モジュール１０１〜１０６とをはんだ接合し、裏面側で、ヒートシンク１１０と電子部品とを、はんだ付け以外の方法で接合する。例えば、電子部品は、放熱グリースを介してヒートシンク１１０の裏面にねじ止めされてもよいし、樹脂接着シートを用いてヒートシンク１１０の裏面に固着されてもよい。

［効果］
本実施形態１の効果について具体的に説明する。まず、本実施形態１に係る電力用半導体装置１０００において想定される課題を説明する。

上述のとおり、本実施形態１では、ダイカスト成形によりヒートシンク１１０の冷媒ジャケット１１３を製造する。また、冷媒ジャケット１１３の裏面（ヒートシンク１１０の裏面１３０）において電子部品を実装する部分は、切削加工により平滑化して第２面部１３２を形成する。

また、本実施形態１では、赤外線を用いた輻射熱方式により、フラックスレスはんだ材を加熱して溶解させる。しかし、ヒートシンク１１０の裏面１３０において、平滑な第２面部１３２と粗い第１面部１３１とでは、所定波長の赤外線２３２に対する放射率が異なる。したがって、ヒートシンク１１０の裏面１３０は、第１面部１３１において第２面部１３２よりも赤外線２３２の吸収率が大きくなる。その結果、ヒートシンク１１０の裏面１３０から表面１２０に熱伝導したときに、表面１２０の温度にばらつきが生じることが考えられる。

ヒートシンク１１０の表面１２０の温度にばらつきが生じると、フラックスレスはんだ材が表面全体に均一に濡れ広がらず、さらに、フラックスレスはんだ材が冷却されて形成された接合層に、引け巣、ボイドが生じやすくなり、ヒートシンク１１０と半導体モジュール１０１〜１０６との接合部の信頼性が低下する。

本実施形態１では、ヒートシンク１１０の表面１２０に半導体モジュール１０１〜１０６を接合するステップ１２００（１２１０〜１２４０）において、放射温度計２１０により測定された各高放射率部１２１の温度がフィードバックされ、各高放射率部１２１の温度に基づいて、各棒ヒータ２３１から放出される赤外線の強度が制御される。これにより、ヒートシンク１１０の表面１２０に配置されたフラックスレスはんだ材を均一に加熱でき、フラックスレスはんだ材を表面全体に均一に濡れ広がらせることができる。このようにして、ヒートシンク１１０と半導体モジュール１０１〜１０６との接合部の信頼性を従来技術よりも向上させることができる。

実施の形態２．
本実施形態２の説明では、実施形態１と同一または対応する構成には同じ符号を付して、当該構成の説明を省略する。

本実施形態２に係る電力用半導体装置では、第１、第３、第４接合層６１，６３，６４を構成する接合材としてＳｎ系はんだ材を用い、第２接合層６２を構成する接合材として、Ｓｎ系はんだ材よりも降伏応力または０．２％耐力が大きい焼結性接合材を用いる。

本実施形態２に係る電力用半導体装置の製造方法では、第１、第３、第４接合層６１，６３，６４は、実施形態１で説明したように、公知のリフロー工程により一括で形成する。

次に、本実施形態２の効果を説明する。基板１０の表面導体層１２と半導体素子２１，２２とを接合する第２接合層６２は、他の接合層に比べてき裂に対する感度が大きい。したがって、本実施形態２によれば、第２接合層６２を構成する接合材として焼結性接合材を用い、かつ、第１、第３、第４接合層６１，６３，６４を構成する接合材としてＳｎ系はんだ材を用いて一括でこれらの接合層を形成することにより、生産性の向上を図りつつ、各接合部の高い信頼性を確保できる。

実施の形態３．
本実施形態３の説明では、実施形態１，２と同一または対応する構成には同じ符号を付して、当該構成の説明を省略する。

本実施形態３に係る電力用半導体装置では、第１、第２接合層６１，６２を構成する接合材として、降伏応力または０．２％耐力が第３、第４接合層６３，６４を構成する接合材よりも大きいＳｎ−Ｓｂはんだ材を用いる。第３、第４接合層６３，６４を構成する接合材としては、例えばＰｂフリーのＳｎ−Ｃｕはんだ材を用いる。

本実施形態３に係る電力用半導体装置の製造方法では、第１から第４接合層６１〜６４は、実施形態１で説明したように、公知のリフロー工程により一括で形成する。

次に、本実施形態３の効果を説明する。第１接合層６１では、接合部材同士（ヒートシンク１１０と基板１０）の間の厚さの差と線膨張係数差が大きくなる。基板１０と半導体素子２１，２２とを接合する第２接合層６２は、上述のとおり、き裂に対する感度が大きい。

本実施形態３では、第１、第２接合層６１，６２を構成する接合材としてＳｎ−Ｓｂはんだ材を用い、かつ、第１から第４接合層６１〜６４を構成する接合材としてＳｎ系はんだ材を用いて一括でこれらの接合層を形成することにより、生産性の向上を図りつつ、各接合部の高い信頼性を確保できる。

実施形態４．
図９、図１０は、本発明の実施の形態５に係る電力用半導体装置を示す斜視図、側面図である。本実施形態４の説明では、実施形態１から３と同一または対応する構成には同じ符号を付して、当該構成の説明を省略する。

本実施形態４で、ヒートシンク１１０の裏面１３０の第１面部１３１には、高い熱伝導率と可撓性を有する樹脂シート１３３が貼付され、これを介して電子部品、具体的にはリアクトル３１０とステップダウンコンバータ３２０が実装されている。

可撓性を有する樹脂シート１３３は、例えばシリコーン樹脂でできている。樹脂シート１３３の例示的な熱伝導率は、２Ｗ／ｍ・Ｋ以上１０Ｗ／ｍ・Ｋ以下である。

次に、本実施形態４の効果を説明する。上述のとおり、ヒートシンク１１０の冷媒ジャケット１１３は、好ましくはダイカスト成形により製造される。ダイカスト成形された冷媒ジャケット１１３の裏面（ヒートシンク１１０の裏面１３０）は、粗さが大きくなり、凝固収縮時に蓄積された歪が、時間を経ると解放されて反りが生じることがある。

ヒートシンク１１０の裏面１３０に生じた反りが例えば０．１ｍｍ程度であれば、樹脂シート１３３に吸収されるので、第２面部１３２に電子部品を安定して保持できる。また、樹脂シートを粗面に貼付した場合は、接触熱抵抗が増大するところ、樹脂シート１３３が貼付される第２面部１３２は平滑化されている。したがって、ヒートシンク１１０の裏面１３０の第２面部１３２に樹脂シート１３３を貼付することにより、電子部品の保持性を確保しつつ、放熱性の向上による電力用半導体装置１０００の小型化を図ることができる。

本実施形態４では、樹脂シート１３３に代えて放熱グリースが塗布されていてもよい。放熱グリースは、親水性（有極性）を有する絶縁物のフィラーと油性のオイル（無極性）の混合物であってもよい。放熱グリースの例示的な熱伝導率は、０．５Ｗ／ｍ・Ｋ以上５Ｗ／ｍ・Ｋ以下である。

なお、放熱グリースを用いる場合、表面に形成された凹凸の凸部に沿って厚さが決定されるため、厚さの増大による熱抵抗が増大する。また、ヒートシンク１１９０が親水性の物質に汚染されていると、放熱グリースとの馴染みが悪くなるなどの不具合が生じる。そこで、好ましくは、ギャップの変化に追従できる濡れ性と粘度を有する放熱グリースが用いられる。好ましくはダイカスト成形された表面に親油性のコーティングまたは表面処理をすることで、より効果的に放熱性を確保できる。

以上、複数の実施形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は実施形態に限定されないと理解すべきである。また、各実施形態に記載された特徴は、自由に組み合わせられてよい。また、実施形態には、種々の改良、設計上の変更および削除が加えられてよい。

例えば、上述の実施形態では、ヒートシンク１１０をダイカスト成形することにより、ヒートシンク１１０の裏面に、粗面である第１面部１３１を設ける例について説明した。本発明はこれに限定されることなく、例えば、ヒートシンク１１０のダイカスト成形に代えて（またはこれに加えて）ヒートシンク１１０の裏面にサンドブラスト処理もしくはレーザ粗化処理を施すことにより、ヒートシンク１１０の裏面に第１面部１３１を設けてもよい。

また、上述の実施形態では、切削加工を施すことにより、ヒートシンク１１０の裏面に、平滑面である第２面部１３２を設ける例について説明した。本発明はこれに限定されることなく、例えば、切削加工に代えて（または切削加工に加えて）めっき処理を施すことにより、ヒートシンク１１０の裏面に第２面部１３２を設けてもよい。

また、上述の実施形態では、各棒ヒータ２３１が同一波長の赤外線を放出するように構成された例について説明した。本発明はこれに限定されることなく、例えば第１波長の赤外線を放射する棒ヒータと、第１波長と異なる第２波長の赤外線を放射する棒ヒータとが交互に並べて配置されていてもよい。赤外線の波長に応じてヒートシンク１１０の裏面１３０の放射率は変化するので、２種類の棒ヒータを選択的に動作させることにより、各棒ヒータ２３１から照射される赤外線の強度を変更するのと同様の作用が得られる。

１０ 基板、 ２１，２２ 半導体素子、 ３０ 第１主端子、 ４０ 第２主端子、 ５１〜５５ 主回路配線、 ６１〜６４ 第１から第４接合層、 ７０ 枠部材、 ８０ 制御端子、 １０１〜１０６ 半導体モジュール、 １１０ ヒートシンク、 １１１ 天板、 １１２ 放熱フィン、 １１３ 冷媒ジャケット、 １１４ 入口部、 １１５ 出口部、 １２０ （ヒートシンクの）表面、 １２１ 高放射率部、 １３０ （ヒートシンクの）裏面、 １３１ 第１面部、 １３２ 第２面部、 ２１０ 放射温度計、 ２２０ 制御装置、 ２３０ 赤外線ヒータ装置、 ２３１ 棒ヒータ、 ２３２ 赤外線、 ３１０ リアクトル、 ３２０ ステップダウンコンバータ、 １０００ 電力用半導体装置

Claims (10)

1. 表面および裏面を有するヒートシンクと、
   導電性接合層を介して前記ヒートシンクの表面に接合された半導体モジュールと、を備え、
   前記ヒートシンクの裏面には、所定波長の赤外線に対して第１放射率を有する第１面部と、前記所定波長の赤外線に対して前記第１放射率より小さい第２放射率を有する平滑な第２面部とが設けられ、
   前記ヒートシンクの表面には、温度監視用の高放射率部が設けられている、
   電力用半導体装置。
2. 前記ヒートシンクの表面は、長方形状を有し、
   前記高放射率部は、前記ヒートシンクの表面の隅部に設けられている、
   請求項１に記載の電力用半導体装置。
3. 前記高放射率部には、高放射率テープが貼付されている、
   請求項１または２に記載の電力用半導体装置。
4. 前記所定波長は、１μｍ以上１０μｍ以下であり、
   前記第１放射率は、０．２以上０．３未満であり、
   前記高放射率部は、所定波長の赤外線に対して０．３以上の放射率を有する、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
5. 前記ヒートシンクの裏面の第２面部には、樹脂シートまたは放熱グリースを介して電子部品が実装されている、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
6. 前記ヒートシンクは、アルミニウムでできている、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
7. 表面および裏面を有するヒートシンクを準備するステップと、
   導電性接合材を介して前記ヒートシンクの表面に半導体モジュールを配置するステップと、
   前記ヒートシンクの裏面に所定波長の赤外線を照射して前記導電性接合材を加熱することにより、前記ヒートシンクの表面に前記半導体モジュールを接合するステップと、を含み、
   前記ヒートシンクを準備するステップでは、
   前記所定波長の赤外線に対して第１放射率を有する裏面を有するヒートシンクを準備し、
   前記ヒートシンクの裏面に、前記所定波長の赤外線に対して前記第１放射率より小さい第２放射率を有する平滑な第２面部を設け、
   前記ヒートシンクの表面に、高放射率部を設け、
   前記ヒートシンクの表面に前記半導体モジュールを接合するステップでは、
   放射温度計を用いて、前記ヒートシンクの表面に設けられた前記高放射率部の温度を測定し、
   測定された前記高放射率部の温度に基づいて、前記ヒートシンクの裏面に照射する前記赤外線を制御して、前記導電性接合材を均一に加熱する、
   電力用半導体装置の製造方法。
8. 前記ヒートシンクを準備するステップでは、
   前記ヒートシンクの少なくとも一部をダイカスト成形することにより、または、前記ヒートシンクの裏面にサンドブラスト処理もしくはレーザ粗化処理を施すことにより、前記ヒートシンクの裏面に第１面部を設け、
   前記ヒートシンクの裏面の一部に切削加工またはめっき処理を施すことにより、該裏面に前記第２面部を設ける、
   請求項７に記載の電力用半導体装置の製造方法。
9. 前記所定波長は、１μｍ以上１０μｍ以下であり、
   前記第１放射率は、０．２以上０．３未満であり、
   前記高放射率部は、所定波長の赤外線に対して０．３以上の放射率を有する、
   請求項７または８に記載の電力用半導体装置の製造方法。
10. 前記導電性接合材は、フラックスレスはんだ材である、
    請求項７から９のいずれか１項に記載の電力用半導体装置の製造方法。

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