JP2017123360A - 半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】半導体チップに含まれる要素の破壊を抑制できる半導体モジュールを提供する。【解決手段】実施形態に係る半導体モジュールは、複数の金属部材と、絶縁性の基板と、第１導電層と、第２導電層と、第１半導体チップと、第１端子と、第２端子と、封止部と、を有する。金属部材には、孔が形成されている。基板は、複数の金属部材の間に設けられている。基板は、それぞれの金属部材と接合されている。第１半導体チップは、第１電極と、第２電極と、を有する。第１電極は、第１導電層と電気的に接続されている。第２電極は、第２導電層と電気的に接続されている。第１端子は、第１導電層と電気的に接続されている。第２端子は、第２導電層と電気的に接続されている。封止部は、第１導電層と、第２導電層と、第１半導体チップと、第１端子の一部と、第２端子の一部と、を封止している。【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、半導体モジュールに関する。

放熱板の上にセラミック基板がはんだで接合され、このセラミック基板の上に半導体チップが実装された半導体モジュールがある。この半導体モジュールでは、半導体チップで発生した熱は、はんだおよび放熱板を介して放出される。
このとき、はんだには、セラミック基板の熱膨張量と放熱板の熱膨張量との差による負荷が加わる。はんだに加わる負荷が大きい場合や、はんだに繰り返し負荷が加えられた場合、はんだに亀裂が生じ、はんだの熱伝導性が低下する。この結果、セラミック基板の上に実装された半導体チップの温度が上昇し、熱による破壊が生じる場合がある。

特許第２９３９４４４号明細書

本発明が解決しようとする課題は、熱による破壊を抑制できる半導体モジュールを提供することである。

実施形態に係る半導体モジュールは、複数の金属部材と、絶縁性の基板と、第１導電層と、第２導電層と、第１半導体チップと、第１端子と、第２端子と、封止部と、を有する。
前記金属部材は、孔を有する。
前記基板は、前記複数の金属部材の間に設けられている。前記基板は、それぞれの前記金属部材と接合されている。
前記第１導電層は、前記基板の上に設けられている。
前記第２導電層は、前記基板の上に、前記第１導電層と離間して設けられている。
前記第１半導体チップは、前記第１導電層の上に設けられている。前記第１半導体チップは、第１電極と、第２電極と、を有する。前記第１電極は、前記第１導電層と電気的に接続されている。前記第２電極は、前記第２導電層と電気的に接続されている。
前記第１端子は、前記第１導電層と電気的に接続されている。
前記第２端子は、前記第２導電層と電気的に接続されている。
前記封止部は、前記第１導電層と、前記第２導電層と、前記第１半導体チップと、前記第１端子の一部と、前記第２端子の一部と、を封止している。

実施形態に係る半導体モジュールを表す平面図である。 図１のＡ−Ａ´断面図である。 実施形態に係る半導体モジュールを表す斜視図である。 参考例に係る半導体モジュールの一部を表す断面図である。 実施形態に係る他の半導体モジュールを表す斜視図である。

以下に、本発明の各実施形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
また、本願明細書と各図において、既に説明したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
各実施形態の説明には、ＸＹＺ直交座標系を用いる。基板１の主面に対して平行な方向であって相互に直交する２方向をＸ方向及びＹ方向とし、これらＸ方向及びＹ方向の双方に対して直交する方向をＺ方向とする。

図１〜図３を参照して、実施形態に係る半導体モジュールの一例について説明する。
図１は、実施形態に係る半導体モジュール１００を表す平面図である。
図２は、図１のＡ−Ａ´断面図である。
図３は、実施形態に係る半導体モジュール１００を表す斜視図である。
なお、図３では、半導体モジュール１００の内部構造を説明するために、封止部２０やケース２４、一部の端子４などが省略されている。また、図３では、各電極と各導電層とを接続するボンディングワイヤの一部が省略されている。

図１〜図３に表すように、半導体モジュール１００は、基板１と、金属部材２と、端子４Ｃ、４Ｅ、および４Ｇと、ナット５と、第１導電層１１と、第２導電層１２と、第３導電層１３と、封止部２０と、ケース２４と、第１半導体チップ３０と、第２半導体チップ４０と、を有する。

図３に表すように、基板１は、ＡｌＳｉＣまたはＳｉＮなどを含む絶縁性のセラミック基板である。
金属部材２は、銅、アルミニウム、またはニッケルなどの金属を含む、Ｘ方向に延びる部材である。金属部材２は複数の孔２Ｈを有し、これらの孔２ＨはＸ方向に並んでいる。

図２に表すように、基板１は、複数の金属部材２の間に設けられている。基板１と金属部材２とは、ろう付けにより接合されており、基板１と金属部材２との間には、ろう材を含む接合部３（第１接合部）が設けられている。金属部材２のうち基板１と接合される第２部分２ｂのＺ方向における厚みＴ２は、孔２Ｈが設けられた第１部分２ａのＺ方向における厚みＴ１よりも厚い。このため、金属部材２の上面には、第１部分２ａと第２部分２ｂとの間で段差が形成されている。

ろう材には、融点が４５０度以上の材料を用いることができる。具体的には、銀ろう、銅ろう、真鍮ろう、パラジウムろう、金ろう、またはニッケルろうなどを用いることが可能である。
なお、基板１と金属部材２は、ダイレクトボンディング法などにより、ろう材を用いずに接合されていてもよい。

基板１の上には、複数の第１導電層１１、複数の第２導電層１２、および複数の第３導電層１３が設けられている。これらの導電層は、互いに離間して設けられている。また、これらの導電層と基板１とは、ろう付けにより接合されており、それぞれの導電層と基板１との間にはろう材を含む接合部６（第２接合部）が設けられている。接合部６に含まれるろう材は、接合部３に含まれるろう材と同じでも良いし、異なっていてもよい。

それぞれの第１導電層１１の上には、複数の第１半導体チップ３０および複数の第２半導体チップ４０が設けられている。第１半導体チップ３０および第２半導体チップ４０は、はんだ２５により第１導電層１１に接合されている。

以下では、一例として、第１半導体チップ３０がＩＧＢＴであり、第２半導体チップ４０がダイオードである場合について説明する。
第１半導体チップ３０は、コレクタ電極３１（第１電極）、エミッタ電極３２（第２電極）、およびゲート電極３３（第３電極）を有している。
第２半導体チップ４０は、カソード電極４１（第４電極）およびアノード電極４２（第５電極）を有している。第２半導体チップ４０は、第１半導体チップ３０に対して逆並列に接続されている。すなわち、第２半導体チップ４０は、ＦＷＤ（Free Wheeling Diode）として機能する。

第１導電層１１は、コレクタ電極３１およびカソード電極４１と電気的に接続されている。エミッタ電極３２は、ボンディングワイヤを介して第２導電層１２と電気的に接続されている。ゲート電極３３は、ボンディングワイヤを介して第３導電層１３と電気的に接続されている。ゲート電極３３は、コレクタ電極３１およびエミッタ電極３２と電気的に分離されている。各電極と各導電層との間の電気抵抗を低減するために、図３に表す例よりも多くのボンディングワイヤを設けてもよい。

第１導電層１１は、端子４Ｃ（第１端子）と電気的に接続されている。第２導電層１２は、端子４Ｅ（第２端子）と電気的に接続されている。第３導電層１３は、不図示の配線およびプリント基板を介して、端子４Ｇ（第３端子）と電気的に接続されている。

ケース２４は、複数の第１半導体チップ３０および複数の第２半導体チップ４０を囲むように、基板１および金属部材２の上に、接着剤により取り付けられている。ケース２４の下端の一部は、金属部材２の第１部分２ａと第２部分２ｂとの間の段差に当接している。図１に表すように、ケース２４は、半導体モジュール１００をＺ方向から見た場合に、ケース２４と孔２Ｈが重ならないように、複数の湾曲部２４ａを有している。

図２に表すように、ケース２４の内側であって、基板１および金属部材２の上には、封止部２０が設けられている。各端子４の一部、第１導電層１１〜第３導電層１３、第１半導体チップ３０、および第２半導体チップ４０は、封止部２０に覆われて封止されている。
より具体的には、封止部２０は、第１樹脂部２１、第２樹脂部２２、および第３樹脂部２３を有し、基板１の上に設けられた構成要素は、第１樹脂部２１により封止されている。

第１樹脂部２１の上には、第２樹脂部２２が設けられている。第２樹脂部２２の少なくとも一部および第１樹脂部２１は、ケース２４の内側に設けられている。第２樹脂部２２の上にはさらに第３樹脂部２３が設けられ、第３樹脂部２３の上面には端子４の一部が露出している。図２に表す例では、第３樹脂部２３は、第２樹脂部２２の一部の上にのみ設けられている。ただし、第３樹脂部２３のＸ−Ｙ面に沿った面積は、図２に表す例より大きくてもよく、例えば、第３樹脂部２３が第２樹脂部２２の上面およびケース２４の上端を覆っていてもよい。
第１樹脂部２１は、例えば、シリコーン樹脂を含む。第２樹脂部２２は、例えば、エポキシ樹脂を含む。第３樹脂部２３およびケース２４は、例えば、ポリフェニレンスルファイド、ポリブチレンテレフタレート、またはナイロン９Ｔを含む。

図１に表すように、端子４Ｃ、４Ｅ、および４Ｇのそれぞれの一部は、封止部２０に覆われておらず、外部に露出している。各端子の露出した部分には孔が形成されている。また、第３樹脂部２３の上面には複数のナット５が設けられている。これらの孔およびナットは、外部回路に接続されたバスバーを、各孔を挿通してそれぞれのナットに取り付け可能に構成されている。

次に、半導体モジュール１００の製造方法の一例を説明する。
まず、基板１と、複数の孔２Ｈが形成された金属部材２と、を用意する。続いて、ろう付けにより、基板１の上面全体に導電層を接合するとともに、基板１の側面に金属部材２を接合する。続いて、基板１の上面に配された導電層の一部を除去し、所定の形状にパターニングすることで、複数の導電層１１〜１３を形成する。

それぞれの導電層１１の上に、第１半導体チップ３０および第２半導体チップ４０を、はんだを用いて実装する。続いて、ワイヤボンディングを行い、これらの半導体チップの各電極と各導電層とを電気的に接続する。

次に、端子４およびナット５が組み込まれた第３樹脂部２３を用意する。続いて、それぞれの端子４と、導電層１１〜１３のそれぞれと、をはんだにより接合する。続いて、シリコーン樹脂などを含む接着剤を用いて、基板１および金属部材２の上にケース２４を取り付ける。

次に、基板１、第３樹脂部２３、およびケース２４で囲まれた空間にシリコーン樹脂を注入する。このシリコーン樹脂に熱を加えて硬化させることで、第１樹脂部２１を形成する。続いて、ケース２４の内側であって、第１樹脂部２１と第３樹脂部２３との間にエポキシ樹脂を注入する。このエポキシ樹脂を硬化させることで、第２樹脂部２２を形成する。
以上の工程により、図１〜３に表す半導体モジュール１００が作製される。

なお、上述した製造方法において、ケース２４を取り付けた後に、ケース２４の上端に第３樹脂部２３の下面を当接させ、基板１、第３樹脂部２３、およびケース２４で囲まれた空間を、全て第１樹脂部２１で充填してもよい。この場合、第３樹脂部２３には、開口が形成されたものを用いる。この開口を通して、第１樹脂部２１を充填し、その後、当該開口をナット等の他の部材で閉塞することで、封止部２０が形成される。このプロセスにより半導体モジュール１００を作製した場合、封止部２０は、第２樹脂部２２を有しておらず、第１樹脂部２１および第３樹脂部２３のみを有する。

次に、本実施形態の作用および効果について、参考例に係る半導体モジュールを参照しつつ説明する。
図４は、参考例に係る半導体モジュール１５０の一部を表す断面図である。
半導体モジュール１５０では、基板１の裏面に第４導電層１４が設けられている。第４導電層１４は、はんだ５１によって放熱板５０と接合されている。放熱板５０には、金属部材２と同様に、不図示の複数の孔が形成されている。

半導体チップで生じた熱は、基板１およびはんだ５１を介して放熱板５０から放出される。半導体モジュール１５０の構成の場合、基板１および放熱板５０のそれぞれの面積が大きく、このため、これらの熱膨張量の差によって大きな負荷がはんだ５１に加わる。この負荷により、はんだ５１にクラックが生じ、はんだ５１の熱伝導性が低下する。この結果、半導体チップの温度が上昇し、半導体チップが熱によって破壊される場合がある。

これに対して、本実施形態に係る半導体モジュール１００によれば、基板１の側面に金属部材２がろう付けにより接合され、金属部材２に形成された孔２Ｈを用いて、半導体モジュール１００を外部の装置に取り付けることができる。すなわち、半導体モジュール１００には、放熱板５０、およびこの放熱板５０と基板１とを接合するためのはんだを用いる必要が無い。このため、本実施形態によれば、はんだのクラックに起因する半導体チップの熱による破壊を抑制することが可能となる。

また、本実施形態に係る半導体モジュール１００において、金属部材２は、基板１と接合される第２部分２ｂの厚みが、孔２Ｈが設けられた第１部分２ａの厚みよりも厚い。このため、基板１と金属部材２との接合面積を大きくし、基板１と金属部材２との間の接合の強度を高めることが可能である。

さらに、第２部分２ｂの厚みが第１部分２ａの厚みよりも厚く、第１部分２ａと第２部分２ｂとの間に段差が形成されていることで、ケース２４を基板１および金属部材２の上に取り付ける際に、ケース２４の位置合わせを容易にすることができる。

なお、それぞれの導電層の数およびそれぞれのチップの数は任意である。同様に、それぞれの導電層の形状や端子４の形状も任意である。また、第１導電層１１には、第１半導体チップ３０のみ、または第２半導体チップ４０のみが設けられていても良い。あるいは、これらの半導体チップに代えて、ＭＯＳＦＥＴなどの他の半導体チップが設けられていてもよい。第１導電層１１の上にダイオードである第２半導体チップ４０のみが設けられている場合、半導体モジュール１００は、第３導電層１３および端子４Ｇを有していなくてもよい。金属部材２に形成された孔２Ｈの数および孔２Ｈの形状は、図に表される例に限らず、適宜変更することが可能である。

また、金属部材２は、図１〜図３に表す構造に代えて、図５に表す構造を有していてもよい。
図５は、実施形態に係る他の半導体モジュール２００を表す斜視図である。
半導体モジュール２００において、金属部材２には、孔２Ｈが形成されるとともに、溝２Ｇが形成されている。溝２Ｇに、ケース２４の下端を当接させることで、ケース２４を基板１および金属部材２の上に取り付ける際に、ケース２４の位置合わせを容易に行うことが可能である。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。実施形態に含まれる、例えば、基板、金属部材、端子、ナット、各導電層、封止部、ケース、および半導体チップなどの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の技術から適宜選択することが可能である。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１００、２００…半導体モジュール １…基板 ２…金属部材 ４Ｃ、４Ｅ、４Ｇ…端子 １１、１２、１３…導電層 ２０…封止部 ２４…ケース ３０、４０…半導体チップ

Claims (5)

1. 孔を有する複数の金属部材と、
   前記複数の金属部材の間に設けられ、それぞれの前記金属部材と接合された絶縁性の基板と、
   前記基板の上に設けられた第１導電層と、
   前記基板の上に前記第１導電層と離間して設けられた第２導電層と、
   前記第１導電層の上に設けられ、第１電極と、第２電極と、を有し、前記第１電極が前記第１導電層と電気的に接続され、前記第２電極が前記第２導電層と電気的に接続された第１半導体チップと、
   前記第１導電層と電気的に接続された第１端子と、
   前記第２導電層と電気的に接続された第２端子と、
   前記第１導電層と、前記第２導電層と、前記第１半導体チップと、前記第１端子の一部と、前記第２端子の一部と、を封止する封止部と、
   を備えた半導体モジュール。
2. それぞれの前記金属部材は、
   前記孔が設けられた第１部分と、
   前記基板と接合され、前記第１部分の厚みよりも厚い第２部分と、
   を有する請求項１記載の半導体モジュール。
3. それぞれの前記金属部材と前記基板との間に設けられた第１接合部をさらに備え、
   前記第１接合部は、ろう材を含む請求項１または２に記載の半導体モジュール。
4. 前記基板の上に、前記第１導電層および前記第２導電層と離間して設けられた第３導電層と、
   前記第３導電層と接続された第３端子と、
   をさらに備え、
   前記第１半導体チップは、第３電極をさらに有し、
   前記第３電極は、前記第３導電層と電気的に接続され、
   前記封止部は、前記第３導電層と、前記第３端子の一部と、をさらに封止する請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体モジュール。
5. 前記第１導電層の上に設けられた第２半導体チップをさらに備え、
   前記第２半導体チップは、
   前記第１導電層と電気的に接続された第４電極と、
   前記第２導電層と電気的に接続された第５電極と、
   を有し、
   前記第１半導体チップは、ＩＧＢＴであり、
   前記第２半導体チップは、ダイオードである請求項４記載の半導体モジュール。

Images