JP2015037131A - 配線基板および半導体モジュール - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、本発明の一実施形態としての半導体モジュールの構成を示す断面図である。半導体モジュール100は、本発明の一実施形態としての配線基板10と、半導体素子200と、接合層54と、絶縁層55と、放熱器300とを備えている。本実施形態において、半導体モジュール100は、いわゆるパワーモジュールであり、電気自動車や電車や工作機械等における電力制御等に用いられる。
r/Rが上記式(1)を満たすことにより、各ビアにおける電流密度のばらつきを抑制できることを確認するために、また、r/Rが、上記式(1)を満たすための第1抵抗値rおよび第2抵抗値Rの制御方法を確認するために、以下に説明するようなシミュレーションによる検討を行った。
図3は、単位表面電極110の厚さTを変化させた場合の各ビアv11〜v17,v21〜v27の電流密度を、シミュレーションにより求めた結果を示す説明図である。図3では、説明の便宜上、配線基板10の断面図をシミュレーション結果と共に表わしている。なお、図3に示す配線基板10では、図2と同様に、第1絶縁部13、第2絶縁部23、および絶縁接合部56を、図示の便宜上省略している。
数値範囲b1:1.0000e+004(アンペア毎平方センチメートル)よりも小さい。
数値範囲b2〜b15:下方に記載の数値以上、かつ、上方に記載の数値よりも小さい。
数値範囲b16:3.7277e+004以上。
[条件1]ビアの直径D=0.2ミリメートル
[条件2]ビアピッチvp=500マイクロメートル
[条件3]ビアの高さH=1.0ミリメートル
[条件4]ビアの導電率σ=2700000ジーメンス毎メートル(S/m)
[条件5]単位表面電極の導電率=58000000ジーメンス毎メートル(S/m)
図4は、ビアピッチvpを変化させた場合の各ビアv11〜v17,v21〜v27の電流密度を、シミュレーションにより求めた結果を示す説明図である。図4では、図3と同様に、配線基板10の断面図をシミュレーション結果と共に表わしている。
[条件6]単位表面電極110の厚さT=20マイクロメートル
図5は、各ビアの導電率σを変化させた場合の各ビアv11〜v17,v21〜v27の電流密度を、シミュレーションにより求めた結果を示す説明図である。図5では、図3と同様に、配線基板10の断面図をシミュレーション結果と共に表わしている。
C1.変形例1:
図8は、変形例の配線基板10aの詳細構成を示す斜視図である。上記実施形態の配線基板10では、各ビア群VG1,VG2を構成するビアは、図2に示すように、X軸方向に沿って線状に並んで配置されていた。しかしながら、本発明のビアの配列は、このように線状に並ぶ配列に限定されるものではなく、図8に示すように、面状に並ぶ配列を採用してもよい。
上記実施形態では、第1表面電極11における単位表面電極110と、第2表面電極21における単位表面電極110と、第3表面電極22における単位表面電極110とは、互いに同じであったが、これら3つの表面電極11,21,22における単位表面電極のうち、少なくとも2つは互いに異なる構成としてもよい。
上記実施形態では、電流の流れc1は、第2配線層52(第2表面電極21)からセラミックス層53(第1ビア群VG1)を通って第1配線層51(第1表面電極11)に至り、また、第1配線層51(第1表面電極11)からセラミックス層53(第2ビア群VG2)を通って第2配線層52(第3表面電極22)に至る流れであったが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、第2配線層52(第2表面電極21)からセラミックス層53(第1ビア群VG1)をとおって第1配線層51(第1表面電極11)に至り、その後、半導体素子200を介して第1表面電極11から外部への出力する流れを採用してもよい。この構成においては、第2ビア群VG2を省略すると共に、第1表面電極11に電流出力部を設けることが望ましい。このような構成においても、第1ビア群VG1を構成する各ビア間の電流密度のばらつきを抑制し、配線基板10におけるクラックの発生等を抑制できる。
上記実施形態では、配線基板10には、電力供給用の配線(2つのビア群VG1,VG2、第1表面電極11、第2表面電極21、および第3表面電極22)のみが形成されていたが、電力供給用の配線に加えて、制御用信号(半導体素子200駆動用の信号)の伝達用の配線が形成されていてもよい。また、上記実施形態では、配線基板10に含まれるセラミックス層53の数は一層であったが、複数層とすることもできる。この構成においては、複数のセラミックス層53を積層させ、得られた積層体の表面に、第1表面電極11、第2表面電極21および第3表面電極22を形成することが望ましい。なお、このような複数のセラミックス層53が積層された構造を有する配線基板においては、予め各層においてビアホールを形成し、かつ、ビアホールを導電材料で埋めておき、その後に各層を積層させることにより、各ビアを形成することができる。なお、ビアホールを導電材料で埋める方法としては、例えば、導電材料をめっきや印刷することにより実現できる。
上記実施形態では、第1ビア群VG1および第2ビア群VG2を構成するビアの数は、いずれも7つであったが、それぞれ複数の任意の数としてもよい。また、第1ビア群VG1と第2ビア群VG2とで互い異なる数のビアを含む構成としてもよい。
10a…配線基板
10b…配線基板
10c…配線基板
11…第1表面電極
11a…第1表面電極
13…第1絶縁部
21…第2表面電極
21a…第2表面電極
22…第3表面電極
22a…第3表面電極
23…第2絶縁部
51…第1配線層
52…第2配線層
52a…第2配線層
53…セラミックス層
53a…セラミックス層
54…接合層
55…絶縁層
56…絶縁接合部
91…近似直線
92…近似直線
100…半導体モジュール
110…単位表面電極
110a…単位表面電極
110b…単位表面電極
110c…単位表面電極
121a…第2表面電極
200…半導体素子
300…放熱器
310…フィン
320…筐体
r…第1抵抗値
R…第2抵抗値
Ar1…領域
Ar2…領域
VG1…第1ビア群
VG2…第2ビア群
VG11…第3ビア群
VG12…第4ビア群
VG21…第1ビア群
S1…第1表面
S2…第2表面
b1〜b16…数値範囲
e1…端部
e2…端部
e11…端部
e12…端部
e101…端部
Ra…第3抵抗値
Rb…抵抗値
Rc…抵抗値
vp…ビアピッチ
vpa…ビアピッチ
v11〜v17,v21〜v27…ビア
Claims (8)
- セラミックス層と、
前記セラミックス層の厚さ方向の一端に位置する第1表面に配置されている第1表面電極と、
前記セラミックス層の厚さ方向の他端に位置する第2表面に配置されている第2表面電極と、
前記セラミックス層の内部に配置され、前記第1表面電極と前記第2表面電極とに接触し、互いに同じ第1抵抗値を有する少なくとも2つのビアを有する第1ビア群と、
を備える配線基板であって、
前記第1表面電極において、前記第1ビア群のうちの隣り合う2つのビアと接触する2つの接触部の間は、第2抵抗値を有し、
前記第2表面電極において、前記第1ビア群のうちの隣り合う2つのビアと接触する2つの接触部の間は、第3抵抗値を有し、
(前記第1抵抗値)/(前記第2抵抗値)>10と、(前記第1抵抗値)/(前記第3抵抗値)>10とのうち、少なくとも一方を満たすこと、
を特徴とする配線基板。 - 請求項1に記載の配線基板において、
(前記第1抵抗値)/(前記第2抵抗値)>10と、(前記第1抵抗値)/(前記第3抵抗値)>10とをいずれも満たすこと、
を特徴とする配線基板。 - 請求項2に記載の配線基板において、
前記第1ビア群を構成するビアは、前記厚さ方向に沿って互いに平行に配置され、
前記第2抵抗値と前記第3抵抗値とは互いに等しいこと、
を特徴とする配線基板。 - 請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の配線基板において、
前記第2表面電極は、前記第2表面に沿って互いに所定の距離だけ離れて配置されている第3表面電極および第4表面電極を含み、
前記第1ビア群は、前記第1表面電極と前記第3表面電極とに接触する少なくとも2つのビアからなる第2ビア群と、前記第1表面電極と前記第4表面電極とに接触する少なくとも2つのビアからなる第3ビア群とを含むこと、
を特徴とする配線基板。 - 請求項4に記載の配線基板において、
前記第2ビア群は、
前記第1表面電極における電流の流れる方向と前記第3表面電極における電流の流れる方向とのいずれにも平行な方向に並ぶ複数のビアと、
前記第1表面電極における電流の流れる方向と前記第3表面電極における電流の流れる方向とのいずれにも垂直な方向に並ぶ複数のビアと、
からなり、
前記第3ビア群は、
前記第1表面電極における電流の流れる方向と前記第4表面電極における電流の流れる方向とのいずれにも平行な方向に並ぶ複数のビアと、
前記第1表面電極における電流の流れる方向と前記第4表面電極における電流の流れる方向とのいずれにも垂直な方向に並ぶ複数のビアと、
からなること、
を特徴とする配線基板。 - 請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載の配線基板において、
前記第1ビア群を構成するビアは、タングステンとモリブデンとのうち、少なくとも一方を含む金属により形成されていること、
を特徴とする配線基板。 - 請求項1から請求項6までのいずれか一項に記載の配線基板において、
前記第1表面電極と前記第2表面電極とのうち、少なくとも一方は、銅を含む金属により形成されていることを、
を特徴とする配線基板。 - 請求項1から請求項7までのいずれか一項に記載の配線基板と、電力用半導体素子とを有し、20アンペア以上の電流が通電される、半導体モジュール。
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