JP2014130894A - 半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、２個の半導体チップを封止した半導体モジュールの製造性を高める技術を提供する。
【解決手段】半導体モジュール１０は、第１及び第２半導体チップ２ａ、２ｂを樹脂で封止したデバイスである。夫々の半導体チップは、おもて面に第１表面電極３と制御パッド５が露出しているとともに、裏面に第２表面電極４が露出している。樹脂内にて、第１電極１３ｂ、第１半導体チップ２ａ、出力電極１３ａ、第２半導体チップ２ｂ、及び、第２電極１３ｃがこの順序で積層している。第１制御電極１４が第１半導体チップ２ａの制御パッド５にボンディングワイヤを介して電気的に接続しており、第２制御電極１４ｂが第２半導体チップ２ｂの制御パッド５にボンディングワイヤを介して電気的に接続している。第１及び第２電極、出力電極、第１及び第２制御電極のうち、制御パッドが向いている側に位置する電極が、積層方向から見て制御パッドと重ならないように配置されている。
【選択図】図５

Description

本発明は、平板型の第１及び第２半導体チップが樹脂で封止されている半導体モジュールに関する。半導体チップは、典型的には、縦型半導体素子のＩＧＢＴを含んでおり、そのような半導体モジュールは、典型的にはインバータの部品に用いられる。

ハイブリッド車を含む電気自動車の普及が拡大している。電気自動車は、バッテリの直流電力をモータ駆動に適した周波数の交流電力に変換するインバータを備える。電気自動車のインバータは大電流を扱うため、発熱が大きい。そこで、特に発熱の大きい半導体素子（典型的にはＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）を内蔵する半導体チップを樹脂でモールドして平板型の半導体モジュールを構成し、複数の半導体モジュールと複数の冷却プレートを交互に積層した積層ユニットが提案されている。インバータの回路では、同種の２個のＩＧＢＴをセットで用いることが多いので、ＩＧＢＴを内蔵した同種の半導体チップを２個、一つの半導体モジュールに収められることが少なくない。そのような半導体モジュールが例えば特許文献１乃至３に開示されている。

本明細書が開示する技術は、そのような同種の２個の半導体チップを樹脂でモールドして一つの筐体とした半導体モジュールに関する。ただし、本明細書が開示する技術は、３個以上の半導体チップを一つの半導体モジュールに収容したものを排除するものではないことに留意されたい。また、一つの半導体チップの中に複数の同種の半導体素子（複数の同種のＩＧＢＴ）が並列に電気的に接続している場合もあることに留意されたい。即ち、本明細書において、「半導体チップ」は、物理的な一つの半導体片を意味し、「半導体素子」は、電気回路上の一つの素子を意味する。別言すれば、一つの半導体チップの中には複数の半導体素子（典型的にはＩＧＢＴとダイオード）が含まれ得る。

特開２００９−１７７０３８号公報 特開２００４−１４００６８号公報 特開２００２−０２６２５１号公報

半導体モジュールの小型化を図るには、縦型半導体素子を含む平板型の半導体チップを積層してパッケージ化する（モールドする）のがよい。縦型の半導体素子は平板の両面に電極が露出しているので、そのような縦半導体素子を含む半導体チップも、その両面に電極を備えることができる。そこで、３枚の平板状の電極と２個の平板型の半導体チップを交互に積層することで、電極と半導体チップとの電気的接続を確保できる。

他方、縦型半導体素子の典型であるＩＧＢＴは、コレクタ、エミッタ、ゲートの３つの電極を有しており、ＩＧＢＴを含む半導体チップを２個、一つにパッケージ化する場合には、３枚の電極をモジュールの外へ引き出す必要がある。さらには、夫々のＩＧＢＴのゲートに通じる電極（制御電極）もモジュールから外へ引き出す必要がある。半導体チップを積層した上でいくつもの電極をモジュールの外へ引き出すのは製造工程が複雑になりがちである。本明細書は、２個の半導体チップを封止した（パッケージ化した）半導体モジュールについて、パッケージ外部に取り出す電極の製造性を高める技術を提供する。

本明細書が開示する技術は、一つには、製造性の高い半導体モジュールに具現化できる。本明細書が対象とする半導体モジュールは、平板型の第１及び第２半導体チップが樹脂で封止されているとともに、樹脂内部にて、いずれかの半導体チップと電気的に接続している第１電極と第２電極と出力電極と第１制御電極と第２制御電極が樹脂から露出しているデバイスである。なお、前述したように、半導体モジュールは３個以上の半導体チップを内蔵していてもよい。

夫々の半導体チップは、第１面に第１表面電極と制御パッドが露出しているとともに、第１面とは反対側の第２面に第２表面電極が露出している。別言すれば、平板型の半導体チップの対向する平面の夫々に表面電極（第１表面電極と第２表面電極）が露出しているとともに、いずれか一方の面に制御パッドが露出している。本明細書が開示する半導体モジュールは、また、樹脂内にて、第１電極、第１半導体チップ、出力電極、第２半導体チップ、及び、第２電極がこの順序で積層している。ここで、その積層体において、第１電極と第１半導体チップの第１表面電極が対向するとともに電気的に接続し、第１半導体チップの第２表面電極が出力電極と対向するとともに電気的に接続し、第２半導体チップの第１表面電極が出力電極と対向するとともに電気的に接続し、第２半導体チップの第２表面電極と第２電極が対向するとともに電気的に接続している。また、第１制御電極が第１半導体チップの制御パッドにボンディングワイヤを介して電気的に接続しており、第２制御電極が第２半導体チップの制御パッドにボンディングワイヤを介して電気的に接続している。そして、本明細書が開示する半導体モジュールは、第１及び第２電極、出力電極、第１及び第２制御電極のうち、制御パッドが向いている側に位置する電極が、積層方向から見て制御パッドと重ならないように配置されている。

第１表面電極と制御パッドが露出している面を便宜上「おもて面」と称し、第２表面電極が露出している面を「裏面」と称する。また、樹脂の外部に延出されている第１及び第２電極、第１及び第２制御電極、出力電極を「外部取出し電極」と総称することがある。

第１半導体チップと第２半導体チップの一例は、同種の半導体チップであってＩＧＢＴが含まれている半導体チップである。この場合、第１表面電極がＩＧＢＴのエミッタとコレクタの一方と電気的に接続し、第２表面電極がエミッタとコレクタの他方と電気的に接続する。そのような半導体モジュールでは、間に出力電極を挟んだ２つの半導体チップの積層体は、一方のＩＧＢＴのエミッタと他方のＩＧＢＴのコレクタが共に出力電極に電気的に接続する構成となる。すなわち、そのような半導体モジュールは２つのＩＧＢＴを内蔵しており、インバータ等の上アームと下アームを構成するのに適したデバイスとなる。そのような半導体モジュールが電気自動車用のインバータなど、大電流を扱う装置に用いられる場合、第１表面電極と第２表面電極の間に大電流が流れるため、第１及び第２表面電極は半導体チップの平坦面に広く露出している。そして、半導体チップの表面からも放熱を促進するため、第１あるいは第２表面電極に接続する導電体にも、いわゆるバスバと呼ばれる金属板状の導電部材が用いられることがある。他方、ゲートなどの制御パッドには大電流が流れないのでバスバを使う必要がなく、制御パッドと制御電極は、モジュールの小型化のためにボンディングワイヤで接続されることが多い。

一つの典型的な適用例として、上記の半導体モジュールはインバータに使われる。その場合、一つの半導体チップがＩＧＢＴとダイオードの並列回路を構成しており、２個の半導体チップが出力電極を挟んで積層しており、その積層体の両側に第１電極と第２電極が配置される。そして、第１電極と第２電極の一方（コレクタ側）には高電圧が印加され、他方（エミッタ側）は基準電位（典型的にはグランド）に接続される。一つの半導体チップがスイッチング回路を構成し、第１電極と出力電極とその間の半導体チップがいわゆる「下アーム」を構成する。また、第２電極と出力電極とその間の半導体チップがいわゆる「上アーム」を構成する。

上記の構造を有する半導体モジュールでは、第１電極、第１半導体チップ、出力電極、第２半導体チップ、及び、第２電極がこの順序で積層しているが、制御パッドが向いている側に位置する外部取出し電極及び半導体チップは、外部取出し電極と半導体チップの積層方向からみて制御パッドと重ならないように配置される。別言すれば、複数の電極と半導体チップの積層方向のいずれか一方から見ると、制御パッドの上には電極も半導体チップも重なっていない。それゆえ上記の構造を有する半導体モジュールは、２個の半導体チップと第１電極、第２電極、及び、出力電極を半田付けした後に、ボンディングワイヤを制御パッドに固着する作業がやり易い。上記の半導体モジュールは、ボンディングワイヤを固着させる作業の作業性が良い。

本明細書は、上記の半導体モジュールを製造するのに好適な方法も提供する。一つの製造方法は以下に記すプレ接合工程と積層工程と溶融工程を含む。積層工程では、第１電極、第１半導体チップ、出力電極、第２半導体チップ、及び、第２電極を、間に半田材を挟んで上からこの順序で鉛直方向に重ねて積層体を作る。溶融工程は、積層体を加熱して半田材を溶融させる。その後、積層体を冷却して半田材を固着させる。そして、プレ接合工程は、積層体を作る工程に先立って行われる工程であり、第１電極と出力電極の少なくとも一方の電極と、重ねたときにその少なくとも一方の電極の直下に位置することになる半田材を接合させる。即ち、積層体を作る工程を実施する前に、第１電極又は出力電極にはその下面に半田材が固定される。半導体チップと外部取出し電極を積層する際、一番下の外部取出し電極以外は治具で端部が支持される。その電極の下面に予め半田材を固定しておくことで、積層体を加熱して半田材を溶かす際に、電極と半田材との間にボイド（気泡）が生じ難くなる。

本明細書は、さらに、上記の半導体モジュールを製造するのに好適な別の方法も提供する。その方法は、以下に示す第１、第２半田工程を含む。第１半田工程は、高温溶融半田材を挟んで第１電極と第１半導体チップを半田付けするとともに、高温溶融半田材を挟んで出力電極と第２半導体チップを半田付けする。第２半田工程は、第２電極の上に低温溶融半田材を載せ、その上に出力電極と第２半導体チップのセットを載せ、その上に低温溶融半田材を載せ、その上に第１電極と第１半導体チップのセットを載せて加熱して低温溶融半田材を溶融させる。ここで、低温溶融半田材として、その融点が高温溶融半田材の融点よりも低いものが選ばれる。最後に、低温溶融半田材を冷却して固着させる。

上記工程では、第１電極と第１半導体チップを予め半田付けし、出力電力と第２半導体チップも予め半田付けする（第１半田工程）。そして、第２半田工程にて、それらと第２電極を半田付けする。第２半田工程で用いる半田材（低温溶融半田材）は、第１半田工程で用いる半田材（高温溶融半田材）よりも融点が低い。それゆえ、第２半田工程で半田材を溶融する際、第１半田工程で溶融させた半田（高温溶融半田材）が再び溶けることはない。この製造方法では、全ての外部取出し電極と半導体チップを同時に半田付けするのではなく、２回に分けて半田付けすることで、半田付けの品質が向上する。

本明細書が開示する技術は、半導体モジュールにモールドされる２個の半導体チップの少なくとも一方は、一方の面に制御パッドを有するＩＧＢＴ等のスイッチング素子を含む半導体チップであることが好ましい。さらに、本明細書が開示する技術は、２個の半導体チップが同種の半導体チップであってＩＧＢＴが含まれている半導体チップであることも好適である。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

本明細書が開示する半導体モジュールが使われるインバータの構造を示す斜視図である。 半導体モジュールの外観を示す斜視図である。 半導体モジュール内部の電極とトランジスタの積層構造を示す分解斜視図である。 半導体モジュールの等価回路図である。 図５（Ａ）は、半導体モジュールの平面図である（樹脂の図示を省いた図）。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）のＢ−Ｂ矢視での断面図である。 トランジスタ素子へのワイヤボンディングの様子を示す図である。 半導体モジュールの製造工程（プレ接合工程）を説明する図である。 半導体モジュールの製造工程（積層工程）を説明する図である。 積層体の完成図を示す側面図である。 制御電極を固定する工程を説明する図である。 ボンディング工程を説明する図である。 樹脂充填工程を説明する図である。 別の製造方法における第１半田工程を説明する図である。 別の製造方法における第２半田工程を説明する図である。 第１変形例の半導体モジュールの断面図である。 図１１（Ａ）は、第２変形例の半導体モジュールの平面図である。図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）のＢＢ矢視における断面図である。 第３変形例の半導体モジュールの平面図である（樹脂の図示を省いた図）。 第４変形例の半導体モジュールの平面図である（樹脂の図示を省いた図）。 第４変形例の半導体モジュールの等価回路図である。 第５変形例の半導体モジュールの断面図である。 第５変形例の半導体モジュールの等価回路図である。 図１７（Ａ）は、第６変形例の半導体モジュールの平面図である。図１７（Ｂ）は、図１７（Ａ）のＢＢ矢視における断面図である。

実施例の半導体モジュールを説明する前に、半導体モジュールの適用例を説明する。図１に、複数の半導体モジュール１０を利用した電気自動車用のパワーコントロールユニット１００の分解斜視図を示す。以下、パワーコントロールユニット１００を単純にＰＣＵ１００と称する。ＰＣＵ１００は、バッテリの電圧を昇圧する電圧コンバータ回路と、昇圧した直流電力を交流電力に変換するインバータ回路を含む。回路の具体的な説明は省略するが、電圧コンバータ回路とインバータ回路は、多数のトランジスタ素子（典型的にはＩＧＢＴ）をスイッチング素子として備えることは良く知られている。各々のスイッチング素子には逆流する電流をバイパスさせるダイオード（還流ダイオードと呼ばれる）が逆並列に接続されている。インバータの回路では、３相交流電流の各相を生成するのにスイッチング素子とダイオードの逆並列の回路が２個セットで用いられ、いわゆる上アームと下アームを構成する。

一つの半導体モジュール１０には、２個の半導体チップがモールドされている。一つの半導体チップには、一つのスイッチング素子（ＩＧＢＴ）と一つのダイオードの逆並列回路が実装されている。ここで、モールドとは、樹脂で封止することを意味する。半導体チップは平板型であり、半導体モジュール１０もまた平板型である。複数の半導体モジュール１０は、平板型の複数の冷却プレート１５と交互に積層されて積層ユニット１２を構成する。冷却プレート１５は内部を冷媒が流れる中空の平板型の流路であり、一つの半導体モジュール１０の両面の夫々に接し、半導体モジュール１０を両面から冷却する。

夫々の半導体モジュール１０から第１電極１３ｂ、第２電極１３ｃ、出力電極１３ａ、第１制御電極１４ａ、及び、第２制御電極１４ｂが延出している。半導体モジュール１０から延出している電極群を、以下、外部取出し電極と総称することがある。外部取出し電極については後に詳しく説明する。図１では、出力電極１３ａにバスバ３５の一端が接続しており、バスバ３５の他端は端子台３０の側面にて端子面３５ａとして露出している。積層ユニット１２と端子台３０がケース２０に収容されると、バスバ３５の端子面３５ａは、ケースの開口部２０ａから露出する。端子面３５ａには、モータに繋がるパワーケーブルが接続される。

端子台３０には、夫々のバスバ３５に対してバスバを流れる電流を計測する電流センサが内蔵されており、そのセンサの信号は信号線３６を介して、積層ユニット１２や端子台３０の上方に位置する制御基板２４に送られる。制御基板２４は、種々のセンサデータに基づいて、インバータ回路に供給するゲート駆動信号を生成する。ゲート駆動信号は、半導体モジュール１０の上方に延出している制御電極１４ａ、１４ｂを通じてスイッチング素子に供給される。

ＰＣＵ１０には、上記の部品のほかに、バッテリからモータまでの間で電流を平滑化するコンデンサ２１、２３と、電圧コンバータ回路で用いられるリアクトル２２（インダクタ）が備えられている。

図２に半導体モジュール１０の外観を表す斜視図を示し、図３に半導体モジュール１０の内部における外部取出し電極と半導体チップ２ａ、２ｂの積層構造を示す分解斜視図を示す。半導体モジュール１０からは、平板タイプの３個の電極（第１電極１３ｂ、第２電極１３ｃ、及び、出力電極１３ａ）と、金属細線タイプの４本の制御電極１４ａ、１４ｂが伸びている。

図３に示すように、半導体モジュール１０の内部には、２個の平板型の半導体チップ２ａ、２ｂと、それらを挟むように３個の外部取出し電極１３ａ、１３ｂ、及び、１３ｃが含まれる（制御電極１４ａ、１４ｂについては後述）。それらは樹脂で封止される。すなわち、モールドされる。なお、図３では、樹脂を除き、半導体チップと電極のみを示している。また、図を理解し易くするため、図２と図３では各部の相対的な大きさが異なることに留意されたい（即ち、図２と図３はノットスケールである）。

半導体モジュール１０の内部では、上から第１電極１３ｂ、第１半導体チップ２ａ、出力電極１３ａ、第２半導体チップ２ｂ、及び、第２電極１３ｃがこの順に積層しており、第１電極１３ｂが積層体の最上位に位置し、第２電極１３ｃが積層体の最下位に位置する。図２に示すように、第１電極１３ｂは、半導体モジュール１０の一方の平坦面に露出しており、第２電極１３ｃは他方の平坦面に露出している。出力電極１３ａは、半導体モジュール１０の積層方向の厚み方向のほぼ中間から延びている。

詳しくは後述するが、半導体チップ２ａ、２ｂは、平板型であり、表裏の平面に平板状の表面電極３と４が露出している。一方の面に露出している表面電極を第１表面電極３と称し、一方の面とは反対側の面に露出している表面電極を第２表面電極４と称する。以下、便宜上、一方の面を「おもて面」と称し、他方の面を「裏面」と称する。なお、「おもて面」、「裏面」とは、平板状の半導体チップの２つの平面を区別するための便宜上の呼称であることに留意されたい。

おもて面には、第１表面電極３とともに制御パッド５が露出している。おもて面に露出する第１表面電極３は、半導体チップ２ａ（２ｂ）が内蔵する回路において低電位に接続する電極に相当し、裏面に露出する第２表面電極４は、高電位に接続する電極に相当する。詳しくは後述するが、半導体チップ２ａ、２ｂはそれぞれトランジスタ（ＩＧＢＴ）とダイオードの逆並列回路を含んでおり、図３の上側に位置する第１電極１３ｂ、第１半導体チップ２ａ、出力電極１３ａが下アーム６２を構成し、図３の下側に位置する第２電極１３ｃ、第２半導体チップ２ｂ、出力電力１３ａが上アーム６１を構成する。ダイオードが逆並列に接続されたＩＧＢＴは、ＲＣ−ＩＧＢＴ（Reverse Conduction diode搭載のＩＧＢＴ）と呼ばれることがある。

図４に、半導体モジュール１０の等価回路９５を示す。２個の半導体チップ２ａ、２ｂは同じ回路構成を有しており、トランジスタ９１ａ（９１ｂ）とダイオード９２ａ（９２ｂ）の逆並列回路を内蔵している。以下、特に半導体チップ２ａ、２ｂを区別なく扱うときには、半導体チップ２と称し、また、トランジスタ９１ａ、９１ｂを区別なく扱うときにはトランジスタ９１と称し、ダイオード９２ａ、９２ｂを区別なく扱う場合にはダイオード９２と称する。さらに、第１制御電極１４ａと第２制御電極１４ｂを区別なく扱う場合には制御電極１４と称する。後の図においても、第１制御電極１４ａと第２制御電極１４ｂを区別なく扱う場合には制御電極に符号１４を付してある。

トランジスタ９１はＩＧＢＴである。トランジスタ９１は、２個の表面電極を有するが、高電位に接続される第２表面電極４は、トランジスタ９１のコレクタに電気的に接続している。また、第２表面電極４には、ダイオード９２のカソードが電気的に接続している。低電位に接続される第１表面電極３は、トランジスタ９１のエミッタに電気的に接続している。また、第１表面電極３には、ダイオード９２のアノードが電気的に接続している。また、トランジスタ９１は２個の制御パッド５を備えるが、一つはゲートに電気的に接続しており、他の一つはエミッタに電気的に接続している。なお、エミッタに繋がる制御パッド５は、制御基板２４（図１参照）に繋がっており、ゲート電圧を決めるための基準電位として利用される。制御基板２４では、制御パッド５の接続端が高抵抗（高インピーダンス）に維持されているので、制御パッド５には大電流が流れることはなく、そのため、制御パッド５はボンディングワイヤ９で制御電極１４に接続される。

図３に示すように、第１半導体チップ２ａと第２半導体チップ２ｂは、出力電極１３ａを挟んで積層している。より詳しくは、出力電極１３ａは、第１半導体チップ２ａの裏面に露出している第２表面電極４と、第２半導体チップ２ｂのおもて面に露出している第１表面電極３で挟まれている。２個の半導体チップ２ａ、２ｂのうち、半導体チップ２ａが低電位側に位置し、半導体チップ２ｂが高電位側に位置する。図３、図４に示されているように、２個の半導体チップ２ａ、２ｂは、間に出力電極１３ａを挟んでおり、第１半導体チップ２ａの第１表面電極３に第１電極１３ｂが電気的に接続しており、第２半導体チップ２ｂの第２表面電極４に第２電極１３ｃが電気的に接続している。インバータ全体としては、第１電極１３ｂが基準電位側に相当し、第２電極１３ｃが高電位側に相当する。そして、出力電極１３ａから交流電力が出力される。図４において出力電極１３ａより上側が上アーム６１に相当し、下側が下アーム６２に相当する。図３の物理的な上アーム６１と下アーム６２の上下関係と、図４の回路図における上アーム６１と下アーム６２の上下関係が逆である点に注意されたい。

第１及び第２半導体チップ２ａ、２ｂ、第１及び第２電極１３ｂ、１３ｃ、及び、出力電力１３ａの物理的な積層関係と電気的接続関係をまとめると次の通りである。第１電極１３ｂ、第１半導体チップ２ａ、出力電極１３ａ、第２半導体チップ２ｂ、及び、第２電極１３ｃは、この順序で積層している。第１電極１３ｂと第１半導体チップ２ａの第１表面電極３が対向するとともに電気的に接続している。第１半導体チップ２ａの第２表面電極４が出力電極１３ａと対向するとともに電気的に接続している。第２半導体チップ２ｂの第１表面電極３が出力電極１３ａと対向するとともに電気的に接続している。第２半導体チップ２ｂの第２表面電極４と第２電極１３ｃが電気的に接続している。なお、外部取出し電極と半導体チップは、半田材７で接合される。

夫々の半導体チップ２のおもて面には２個の制御パッド５が露出している。第１半導体チップ２ａの制御パッド５は、ボンディングワイヤ９を介して第１制御電極１４ａと電気的に接続している。第２半導体チップ２ｂの制御パッド５は、ボンディングワイヤ９を介して第２制御電極１４ｂと電気的に接続している。

図５（Ａ）に半導体モジュール１０の平面図を示し、図５（Ｂ）に、図５（Ａ）のＢＢ矢視での断面図を示す。なお、図５（Ｂ）、及び、以後の断面図では、表面電極の図示は省略しているが、半導体チップの表面で半田材と接する領域に表面電極が存在することに留意されたい。また、半導体モジュール１０は、半導体チップ２ａ、２ｂを樹脂で封止しているが、図５（Ａ）は、内部構造を示すために、樹脂６は外枠だけを示している。また、図５（Ｂ）では、樹脂６には、断面を示すハッチングを省略している。また、図５（Ａ）、図５（Ｂ）において、グレーのハッチングは、半田材を示している。以後の図でも、グレーのハッチングは半田材を示す。

図５（Ａ）、（Ｂ）によく表されているように、ボンディングワイヤ９にて制御電極１４と接続される制御パッド５が向いている側では、積層方向から見たときに、他の外部取出し電極（第１、第２電極１３ｂ、１３ｃ）と半導体チップ２ａあるいは２ｂが制御パッド５と重ならないように配置されている。それゆえ、半導体モジュール１０は、半導体チップと平板型の外部取出し電極（電極１３ａ、１３ｂ、１３ｃ）を積層して接合した後に、制御パッド５にボンディングワイヤ９を取り付ける作業が容易である。

このことを、図６を参照して説明する。ボンディングワイヤ９を制御パッド５に接合する一つの方法は、ボンディングワイヤ９に金属製で先細りのボンディングツール４１を押し当て、ツール４１を超音波振動させることによって接合する。従って、ボンディングワイヤ９で接合する際、制御パッド５の上方からボンディングツール４１を接近させる必要がある。半導体モジュール１０では、平板型の外部取出し電極（出力電極１３ａ、第１電極１３ｂ、及び、第２電極１３ｃ）と半導体チップ２ａ、２ｂを積層する際、制御パッド５が面している側では、積層方向から見て、外部取出し電極や半導体チップが制御パッド５と重ならないように配置される。それゆえ、ボンディングツール４１を制御パッド５へ接近させるのが容易である。

上記した技術は、下記の構造を有する半導体モジュールの製造性を高める。その半導体モジュールは、おもて面に第１表面電極と制御パッド５が露出しており裏面に第２表面電極４が露出している２個の平板型の半導体チップ２ａ、２ｂ（半導体素子）が間に出力電極１３ａを挟んで配置されているとともに樹脂６で封止されたデバイスである。積層される２個の半導体チップの少なくとも一方には、トランジスタ素子が内蔵され、その制御パッド（ゲートパッド）が露出している。さらに詳しくは、半導体モジュール１０は、樹脂の内部で、２個の平板型の半導体チップ（２ａ、２ｂ）と３個の平板型の外部取出し電極（１３ａ、１３ｂ、１３ｃ）が、交互に積層しているとともに、半導体チップ２ａ、２ｂは、その一方の面にボンディングワイヤが接合する制御パッドを備えている。

次に、半導体モジュール１０の製造方法を説明する。以後、２つの製造方法を説明するが、いずれの方法も、３個の外部取出し電極（出力電極１３ａ、第１電極１３ｂ、第２電極１３ｃ）と２個の半導体チップ２ａ、２ｂを積層した後に、ボンディングワイヤ９を接合し、最後に全体を樹脂で封止する。外部取出し電極と半導体チップは、半田材で接合される。また、半田材で接合する前に、半田材がよく接合するように、各電極の半田材接合面を、ニッケルや金などのメッキやスパッタで表面処理を施しておく。

第１の製造方法を図７Ａ−図７Ｃ、図８Ａ−図８Ｃを参照して説明する。第１の製造方法は、３個の外部取出し電極（出力電極１３ａ、第１電極１３ｂ、第２電極１３ｃ）と２個の半導体チップ２ａ、２ｂを積層する前に、全体を重ねたときに第１電極１３ｂの直下に位置することになる半田材を第１電極１３ｂに接合する。同様に、重ねたときに出力電極１３ａの直下に位置することになる半田材を出力電極１３ａに接合する。この工程を「プレ接合工程」と称する。図７Ａに、プレ接合工程にて、半田材７ａが接合された第１電極１３ｂと、半田材７ａが接合された出力電極１３ａを示す。電極と半導体チップを積層する際には半田材７ａは第１電極１３ｂあるいは出力電極１３ａの下方に位置することになるが、プレ接合工程では、第１電極１３ｂ、出力電極１３ａを裏返して、それらの電極の上で半田材７ａを接合すればよい。

次に、上から、第１電極１３ｂ、第１半導体チップ２ａ、出力電極１３ａ、第２半導体チップ２ｂ、第２電極１３ｃを、間に半田材７ｂを挟んでこの順に積層する（積層工程）。ここで、第１電極１３ｂと第１半導体チップ２ａの間、及び出力電極１３ａと第２半導体チップ２ｂの間にはプレ接合工程で半田材７ａが接合されているので、積層工程で半田材７ｂを配置するのは、第１半導体チップ２ａと出力電極１３ａの間、及び、第２半導体チップ２ｂと第２電極１３ｃの間だけでよい。図７Ｂに、積層工程において電極と半導体チップを積層した様子を示す。符号８０が示すブロックは、電極や半導体チップの位置を決めるための治具である。治具８０は、半田付け時の温度で形状変化が小さいカーボンで作られている。図では、治具８０を判別し易いように斜のハッチングを付してある。

次に、積層した電極と半導体チップを治具８０とともに加熱炉に入れ、半田材の融点以上の温度に加熱し、半田材７ａ、７ｂが溶融したら加熱を停止し、冷却する（加熱工程）。そうすると、半田材７ａ、７ｂが溶融し、上下の電極と半導体チップが半田材を介して接合する。半田材７ａ、７ｂは同じ材料であるので、溶融し固着した後は両者を符号７で表す。ここで、図７Ｂに示されているように、電極と半導体チップを積層する際、治具８０を幾層にも積み重ねる。出力電極１３ａは治具８０によりその高さが規定される。別言すると、出力電極１３ａと第２半導体チップ２ｂの間の隙間は治具８０により規定される。その隙間に半田材が配置されるが、半田材の厚みが電極と半導体チップの間の隙間よりも薄いと、半田材と出力電極１３ａとの間に隙間が生じ、半田を溶融した際にボイド（気泡）が発生する虞がある。しかし、上記の方法では、第１電極１３ｂの下面、及び、出力電極１３ａの下面に半田材７ａが予め接合されている。従って、加熱工程にて半田材が溶融した際に半田材が出力電極１３ａから剥がれ難い。結果、出力電極１３ａの下面と半田材との間に隙間が生じ難くなり、ボイド（気泡）の発生が抑制される。

なお、積層体を加熱する際、加熱炉内の雰囲気は水素などの還元雰囲気あるいは真空状態であることが望ましい。

図７Ｃに、加熱工程で出来上がった積層体５０を示す。次に、積層体５０に制御電極１４を固定する（図８Ａ）。ここでは、最終的に積層体を封止する樹脂と同じ成分の樹脂６ａを用いて積層体５０に制御電極１４を固定する。具体的には、出力電極１３ａの端の上に樹脂６ａを載せ、その上に制御電極１４を固定する。同様に、第２電極１３ｃの端の上に樹脂６ａを載せ、その上に制御電極１４を固定する。その状態で、図６で示したようにボンディングツール４１を制御電極１４あるいは、半導体チップ上の制御パッド５の上にボンディングワイヤ９とともに押し付ける。ボンディングツール４１を超音波振動させると、ボンディングワイヤ９が制御電極１４及び制御パッド５に接合し、制御電極１４と制御パッド５が電気的に接続される（図８Ｂ）。最後に、積層体５０とボンディングワイヤ９、及び、制御電極１４の一部を樹脂６により封止する（図８Ｃ）。樹脂の表面から第１電極１３ｂ、第２電極１３ｃが突出している場合には、樹脂の表面を研磨し、半導体モジュールの両面の平行度を調整する。こうして、半導体モジュール１０が完成する。

次に、図９Ａ、図９Ｂを参照して、半導体モジュール１０の別の製造方法を説明する。第２の製造方法は、先のプレ接合工程と積層工程に代えて、第１半田工程と第２半田工程を有する。第１半田工程は、第１電極１３ｂと第１半導体チップ２ａ、及び、出力電極１３ａと第２半導体チップ２ｂを、高温溶融半田材７ｃで接合する（図９Ａ）。次に、第２半田工程では、第２電極１３ｃの上に低温溶融半田材７ｄを載せ、その上に出力電極１３ａと第２半導体チップ２ｂのセットを載せ、その上に低温溶融半田材７ｄを載せ、その上に第１電極１３ｂと第１半導体チップ２ｂのセットを載せ、高温溶融半田材７ｃの融点よりも低く、低温溶融半田材７ｄの融点よりも高い温度まで加熱する。加熱によって低温溶融半田材７ｄが溶融し、その後、加熱を停止し温度を下げることにより低温溶融半田材７ｄが接合する（図９Ｂ）。ここで、低温溶融半田材７ｄの融点は、高温溶融半田材７ｃの融点よりも低い。それゆえ、第２半田工程では、低温溶融半田材７ｄは溶けて上下の電極と半導体チップを接合するが、第１半田工程で溶融／固着した高温溶融半田材７ｃは溶融しない。

第２半田工程が終了すると、先に説明した第１製造方法における積層体５０が完成する（図７Ｃ）。その後は、第１の製造方法と同様に、制御電極１４を固定し、ボンディングワイヤ９を接合し、全体を樹脂６で封止して半導体モジュール１０が完成する。

第２の製造方法では、３個の外部取出し電極（第１、第２電極１３ｂ、１３ｃ、及び、出力電極１３ａ）と、２個の半導体チップ２ａ、２ｂを２つの組に分けて半田材により接合する。一度に５枚の部品を積層して半田付けするよりも、１回に半田付けする際に積層する枚数が少ないので、半田付けの接合精度が向上する。

以下、半導体モジュールの変形例を説明する。図１０は、第１変形例の半導体モジュール１０ａの断面図である。半導体モジュール１０ａは、前記した半導体モジュール１０の第１電極１３ｂ、第２電極１３ｃ、出力電極１３ａ、第１、第２半導体チップ２ａ、２ｂの他に、スペーサ５１を備える。スペーサ５１は、第１電極１３ｂと第１半導体チップ２ａの間、及び、出力電極１３ａと第２半導体チップ２ｂの間に挟まれる。スペーサ５１は、導電性の物質（例えば銅やアルミニウム）で作られており、半田材が濡れ易いように表面処理を施しておく。スペーサ５１は、高さ調整や熱容量を増加させるために備えられる。

図１１（Ａ）に、第２変形例の半導体モジュール１０ｂの平面図を示し、図１１（Ｂ）に、図１１（Ａ）のＢＢ矢視における断面図を示す。理解を助けるため、図１１（Ａ）では半導体チップ２ａ、２ｂを封止する樹脂６はその枠のみを示しており、図１１（Ｂ）では樹脂６にはハッチングを省略している。

半導体モジュール１０ｂでは、２個の半導体チップ２ａ、２ｂが、積層方向に伸びる軸線周りに相対的に９０度回転して積層される。半導体モジュール１０ｂは、そのように積層されているとともに、半導体モジュール１０と同様に、いずれの半導体チップにおいても、制御パッド５が向いている側に位置する外部取出し電極が積層方向に見て制御パッド５と重ならないように配置されている。半導体チップ２ａ、２ｂは、ＲＣ−ＩＧＢＴである。

図１２に、第３変形例の半導体モジュール１０ｃの平面図を示す。半導体モジュール１０ｃは、半導体チップを４個内蔵している。第１半導体チップ２ａと第２半導体チップ２ｂは出力電極１３ａを挟んで積層されており、接している面で互いに電気的に接続されている。第３半導体チップ２ｃと第４半導体チップ２ｄも出力電極１３ａを挟んで積層されており、接している面で互いに電気的に接続されている。半導体チップ２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは同じ構成を有しており、内部でトランジスタとダイオードが逆並列に接続されている。

図１３に、第４変形例の半導体モジュール１０ｄの平面図を示す。半導体モジュール１０ｄは、平板型の２個の半導体チップ１０２ａ、１０２ｂと、平板型の２個の半導体チップ１０３ａ、１０３ｂを封止している。半導体チップ１０ａ、１０２ｂは、トランジスタを内蔵しており、半導体チップ１０３ａ、１０３ｂは、ダイオードを内蔵している。先に述べた半導体チップ２ａ、２ｂは、内部にトランジスタとダイオードの逆並列回路を有していたが、第４変形例の半導体モジュール１０ｄではトランジスタとダイオードが個別のチップとなっている。図１４に、半導体モジュール１０ｄの等価回路９６を示す。

半導体モジュール１０ｄの内部では、第１半導体チップ１０２ａ（トランジスタ）と半導体チップ１０３ａ（ダイオード）が、第１電極１３ｂと出力電極１３ａの間で逆並列に接続されており、第２半導体チップ１０２ｂと半導体チップ１０３ｂが出力電極１３ａと第２電極１３ｃの間で逆並列に接続されている。第１半導体チップ素子１０２ａの第１表面電極と第２半導体チップ素子１０２ｂの第２表面電極は、出力電極１３ａを挟んで電気的に接続されている。図１３に示すように、積層方向からみたときに、制御パッド５が面している側では、他の外部取出し電極、あるいは半導体チップが制御パッド５と重ならないように外部取出し電極と半導体素子が積層されている。

図１５に、第５変形例の半導体モジュール１０ｅの断面図を示し、図１６に半導体モジュール１０ｅの等価回路９７を示す。半導体モジュール１０ｅの内部では、Ｐチャンネル型パワーＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｕｒｆａｃｅ トランジスタ）２０２ａと、Ｎチャンネル型のパワーＭＯＳ２０２ｂが直列に接続されている。Ｐチャンネル型とＮチャンネル型は極性が逆である。それゆえ、直列接続は、Ｎチャンネル型パワーＭＯＳ２０２ａのエミッタと、Ｐチャンネル型パワーＭＯＳ２０２ｂのエミッタが接続する。

Ｎチャンネル型パワーＭＯＳ２０２ａもＰチャンネル型パワーＭＯＳ２０２ｂも、エミッタ電極と制御パッド（ゲート端子）が平板型のチップの一方の面に露出している。それゆえ、図１５に示すように、それぞれの半導体チップの制御パッドは互いに逆方向を向いて配置される。そのような構成であっても、積層方向からみて制御パッド５が向いている側では、外部取出し電極や他方の半導体チップが積層方向に見て制御パッドと重ならないように配置されている。それゆえ、平板の外部取出し電極（第１電極１３ｂ、第２電極１３ｃ、及び、出力電極１３ａ）と半導体チップ２０２ａ、２０２ｂを積層した後にボンディングワイヤ９の接合作業が可能となる。

図１７（Ａ）に第６実施例の半導体モジュール１０ｆの平面図を示し、図１７（Ｂ）に、図１７（Ａ）のＢＢ矢視での断面図を示す。半導体モジュール１０ｆでは、２個の半導体チップの組が３セット、第１電極１３ｂと第２電極１３ｃで挟まれている。また、２個の半導体チップは、間に出力電極１３ａを挟んで積層されている。半導体モジュール１０ｆの場合、第１電極１３ｂにおいて、制御パッド５と制御電極１４（ボンディングワイヤ９が接合されるパッド部分）に対応するエリアに開口１０４が設けられている。開口１０４によって、制御パッド５が向いている側に位置する外部取出し電極（第１電極１３ｂ）が積層方向に見て制御パッド５と重ならないようにしている。図１７の半導体モジュール１０ｆも、ボンディングワイヤ９を接合する制御パッド５の上方が他の電極等で覆われていないので、平板状の外部取出し電極（１３ａ、１３ｂ、１３ｃ）と半導体チップを積層した後にボンディングワイヤを制御パッドに接合可能となる。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例はいずれも、一つのトランジスタから２本の制御電極が引き出されていた。制御線は、ゲート用の１本でもよいし、複数でもよい。制御線が３本の場合は、例えば、ゲート用に並列に１本と、エミッタの電位の１本と、電流センスの１本の合計３本である。また、制御線は、さらに、２本の温度センスを加えた５本であってもよい。実施例の半導体モジュールは、トランジスタとダイオードの逆並列接続を収容した２個の半導体チップ、あるいは、２個のトランジスタチップを封止している。半導体モジュールが封止する２個の半導体チップは、少なくとも一方が制御パッドを有する半導体チップであればよい。

スイッチング素子と並列にダイオード素子を逆接続した回路を１セットとして、２セットを直列に接続し、かつその両端に電極を設け、かつ前記直列に接続した回路の中間接続点には出力電極を設け、さらにスイッチング素子の制御電極を設けて一つのパッケージにしたモジュールを「２ｉｎ１構成のモジュール」と呼ぶことがある。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ：半導体チップ（半導体素子）
３：第１表面電極
４：第２表面電極
５：制御パッド
６：樹脂
７、７ａ、７ｂ：半田材
７ｃ：高温溶融半田材
７ｄ：低温溶融半田材
９：ボンディングワイヤ
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ：半導体モジュール
１２：積層ユニット
１３ａ：出力電極
１３ｂ：第１電極
１３ｃ：第２電極
１４：制御電極
１５：冷却プレート
４１：ボンディングツール
８０：カーボン治具

Claims (7)

1. 平板型の第１及び第２半導体チップが樹脂で封止されているとともに、樹脂内部にて、いずれかの半導体チップと電気的に接続している第１電極と第２電極と出力電極と第１制御電極と第２制御電極が樹脂から露出している半導体モジュールであり、
   夫々の半導体チップは、第１面に第１表面電極と制御パッドが露出しているとともに、第１面とは反対側の第２面に第２表面電極が露出しており、
   樹脂内にて、第１電極、第１半導体チップ、出力電極、第２半導体チップ、及び、第２電極がこの順序で積層しており、
   第１電極と第１半導体チップの第１表面電極が対向するとともに電気的に接続し、第１半導体チップの第２表面電極が出力電極と対向するとともに電気的に接続し、第２半導体チップの第１表面電極が出力電極と対向するとともに電気的に接続し、第２半導体チップの第２表面電極と第２電極が対向するとともに電気的に接続しており、
   第１制御電極が第１半導体チップの制御パッドにボンディングワイヤを介して電気的に接続しており、第２制御電極が第２半導体チップの制御パッドにボンディングワイヤを介して電気的に接続しており、
   第１及び第２電極、出力電極、第１及び第２制御電極のうち、制御パッドが向いている側に位置する電極が、積層方向から見て制御パッドと重ならないように配置されている、
   ことを特徴とする半導体モジュール。
2. 第１半導体チップと第２半導体チップの少なくとも一方がＩＧＢＴを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
3. 第１半導体チップと第２半導体チップは、同種の半導体チップであってＩＧＢＴが含まれている半導体チップであり、第１表面電極がＩＧＢＴのエミッタとコレクタの一方と電気的に接続しており、第２表面電極がエミッタとコレクタの他方と電気的に接続していることを特徴とする請求項２に記載の半導体モジュール。
4. 制御電極はＩＧＢＴのゲートと電気的に接続されていることを特徴とする請求項３に記載の半導体モジュール。
5. 半導体チップは、ゲートと電気的に接続されている制御電極の他に、エミッタとワイヤボンディングを介して電気的に接続されている別の制御電極を備えていることを特徴とする請求項４に記載の半導体モジュール。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体モジュールの製造方法であり、
   第１電極、第１半導体チップ、出力電極、第２半導体チップ、第２電極を、間に半田材を挟んで上からこの順序で鉛直方向に重ねて積層体を作る工程と、
   積層体を加熱して半田材を溶融させる工程と、
   積層体を冷却して半田材を固着させる工程と、を備えるとともに、
   積層体を作る工程に先立って、第１電極と出力電極の少なくとも一方の電極と、重ねたときに前記少なくとも一方の電極の直下に位置する半田材を接合させるプレ接合工程と、
   を備えていることを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
7. 請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体モジュールの製造方法であり、
   高温溶融半田材を挟んで第１電極と第１半導体チップを半田付けするとともに、高温溶融半田材を挟んで出力電極と第２半導体チップを半田付けする第１半田工程と、
   第２電極の上に低温溶融半田材を載せ、その上に出力電極と第２半導体チップのセットを載せ、その上に低温溶融半田材を載せ、その上に第１電極と第１半導体チップのセットを載せて、低温溶融半田材の融点以上かつ高温溶融半田材の融点未満の温度まで加熱して低温溶融半田材を溶融させる第２半田工程と、
   低温溶融半田材を冷却して固着させる工程と、
   を備えており、
   低温溶融半田材の融点が高温溶融半田材の融点よりも低いことを特徴とする半導体モジュールの製造方法。

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