JP2016018993A - 半導体モジュールおよび半導体モジュールの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】フェールセーフであり、信頼性が高く、低コストな半導体モジュールを提供する。
【解決手段】半導体モジュール１０は、台板１２上の基板１４と、台板１２に取り付けられ、基板１４を少なくとも部分的に囲い込むハウジング１６と、一方の端部がハウジング１６から突出し、他方の端部に端子足部３６を有し、端子足部３６が超音波溶接によって金属被覆部２８の端子パッド３８上に取り付けられる、少なくとも１つの端子３４とを含む。端子３４を囲い込む保護壁４２は、ハウジング１６の内部空間２２を非保護領域４６および保護領域４４に分割する。保護壁４２は、隙間４８が基板１４と保護壁４２との間に形成される態様で形成され、隙間４８は、端子パッド３８に対する端子足部３６の超音波溶接時に作り出される粒子が非保護領域４６から保護領域４４内へ入り込むことを防止するような態様で流体の流れ６０を担持するように設計される。
【選択図】図３

Description

発明の分野
本発明は、半導体モジュール、および半導体モジュールの製造方法に関する。

発明の背景
ハウジングに加え、半導体モジュールは、半導体チップが取り付けられる金属化基板（たとえば、セラミックからなる）と、半導体モジュールもしくはそのチップをさらなる構成部品に電気的に接続することが可能な電気端子とを含み得る。通常は銅から製造されるこれらの端子は、たとえば、超音波溶接によって基板の金属層に接続され得る。

銅端子を基板に超音波溶接する際において、粒子が作り出され得て、たとえば半導体チップの接触子または絶縁セラミック上など、モジュール内の臨界点にこの粒子が残った場合に問題が生じ得る。

これらの粒子は、たとえばポリイミドなどのポリマー材料に付着し続ける傾向があることから、溶接作業の後にモジュールから粒子を取り除くことは困難となり得る。

好適なハウジングによって端子の足部まわりの領域に粒子を囲い込むことは可能であるが、このために囲い込み構造を配置することができるようにするには、金属化端子溶接点が非常に大きくなるように設計しなければならない。囲い込み構造が絶縁セラミック上に配置されると、絶縁効果が減少し得る。さらに、動くプラスチック部品によって、周囲のシリコーンゲルが金属およびセラミックから引き剥がされ得て、絶縁が損なわれ得る。

国際公開第２０１４／０００９７５号Ａ１は、たとえば、端子要素を電子部品の基板に対して超音波溶接する方法を開示しており、ここで溶接点は、溶接作業時に作り出され得る粒子による基板の汚れを防止することを意図した構造によって囲い込まれる。

また、日本特許出願公開第２０１０−０４０６１５号Ａ２は、超音波溶接時に作り出される粒子による半導体装置の汚れを防止することを意図している。この目的のために、溶接点まわりにプラスチックが加えられる。

発泡材内で超音波溶接を行うことも提案されており、これにより、作り出された粒子を発泡材とともに溶接後に洗い流すことが可能である。通常、これは費用のかかる製造方法となる。

米国特許第４，９７０，６１８号は、超音波溶接されたハウジングを有するコンピュータディスクを開示している。このハウジングは、超音波溶接時に作り出される粒子がディスクに到達できないよう防止するために、磁気ディスクの回転時に気流を制御する部分を有する。

本発明の目的は、フェールセーフであり、信頼性が高く、低コストな半導体モジュールを提供することにある。

この目的は、独立請求項の主題によって実現される。本発明のさらなる実施形態は、従属請求項および以下の記載によって提供される。

本発明の一局面は、半導体モジュールに関する。半導体モジュールは、たとえば、複数のトランス、ダイオード、および／またはサイリスタを含むブリッジ回路を担持し得る。これらは、１つ以上の半導体チップ上に設けられる。特に、半導体モジュールは、１０Ａおよび／または１０００Ｖを超える電流および電圧を扱うように設計された高出力半導体を含み得る。

本発明の一実施形態によれば、半導体モジュールは、台板（たとえば、銅またはＡｌＳｉからなる）と、少なくとも一方側に金属被覆部（たとえば、銅からなる）を有し、少なくとも１つの半導体チップを担持する、台板上の基板と、台板に取り付けられ、基板を少なくとも部分的に囲い込むハウジング（たとえば、プラスチックからなる）と、一方の端部がハウジングから突出し、他方の端部に端子足部を有し、端子足部が超音波溶接によって金属被覆部の端子パッド上に取り付けられる、少なくとも１つの端子（たとえば、銅からなる）とを含む。

ハウジングは保護壁を有し、保護壁は、端子足部まわりで端子を囲み、ハウジングの内部空間を非保護領域および保護領域に分割する。保護壁は、基板と保護壁との間に隙間が形成される態様で形成され、隙間は、端子パッドに対する端子足部の超音波溶接時に作り出される粒子が非保護領域から保護領域内へ入り込むことを防止する態様で流体の流れ（たとえば、気流）を担持するよう設計される。

半導体モジュールのハウジングは、結果として、超音波溶接時にモジュールの保護領域と非保護領域との間に連続的な気流を作り出すことができる態様で構成される。この方法により、粒子は保護領域に到達することができない。さらに、粒子は、気流によって半導体モジュールから吹き出され得る。ハウジング内に粒子が残らないことから、半導体モジュールの故障率は低い。

要するに、ハウジングの保護壁は、ハウジングの内部空間において保護領域および非保護領域を分離し、保護壁は基板上に取り付けられないが明瞭な隙間もしくはスリットを残している。この方法により、保護壁は気流とともに、溶接時に作り出される粒子から保護領域を保護している。隙間により、保護壁は基板に取り付けなくてもよく、潜在的な金属被覆部の弱まりまたは絶縁の減少に関する問題が引き起こされない。保護壁は、溶接後にモジュール内に残り得る。

なお、モジュールは、１つのみの保護領域または複数の保護領域を有し得ることを理解すべきである。同様に、モジュールは、１つのみの非保護領域または複数の非保護領域を有し得る。

本発明の一実施形態によれば、ハウジングは入口開口を有する。入口開口は、保護領域内へ開き、この入口開口を通って流体が保護領域内に吹き込まれ得る。保護領域は、流体を中に入れるための開口を有する。空気または他の気体（窒素、不活性ガス）を入口開口内へ吹き込ませるブロワ―の出口は、たとえば、超音波溶接時においてこの開口の上に配置され得る。

本発明の一実施形態によれば、入口開口はハウジング挿入物によって閉じられる。ハウジングは、プラスチックから一体に作られ、溶接の前に台板に接続され得る。溶接の後、入口開口は挿入物（プラグ）によって閉じられ得る。

本発明の一実施形態によれば、ハウジングは出口開口を有し、出口開口は、保護壁によって形成されるチャネルによって、非保護領域内へ、および／または端子足部へ導かれる。たとえば、出口開口における吸引によって流体の流れを作り出すことができる。非保護領域は、結果として、粒子を吹き出すための開口を有する。この開口は、端子が端子パッドに配置される開口、または端子がソノトロードを介して端子足部に配置される開口であってもよい。

本発明の一実施形態によれば、出口開口は、ハウジング挿入物によって閉じられる。両方の開口（出口開口および入口開口）は、追加のハウジング挿入物によって閉じられ得る。

本発明の一実施形態によれば、端子は出口開口から突出する。たとえば、端子は、ハウジングの外で電気的に結合され得る金属片から形成され得る。

本発明の一実施形態によれば、ハウジングは、入口開口から完全に離して保護領域を覆う、または入口開口から完全に離してこの領域を囲う。保護領域は、吹き出された粒子が落下して半導体モジュール内に再び戻ることを防止するためにハウジングによって実質的に覆われる。

本発明の一実施形態によれば、ハウジングは、ハウジングの側壁によって台板に取り付けられる蓋板を有する。ハウジングは、結果として、箱の態様で基板を覆い得る。保護壁は、蓋板に接続され、ハウジングの内部空間内へ突出し得る。結果として、保護壁は、蓋板から端子パッドへ延在するチャネルを形成し得る。

本発明の一実施形態によれば、出口開口および／または入口開口は、蓋板に設けられる。これらの開口は、すべてモジュールの生産時において一方側から（上方から）アクセス可能である。

本発明の一実施形態によれば、半導体チップのすべて、および／または金属被覆部のない基板の露出領域のすべては、保護領域内に配置される。言い換えると、端子パッドのみが非保護領域内に配置され得る。

本発明の一実施形態によれば、隙間は、端子足部の０．２倍から４倍の厚さを有する。たとえば、隙間は、端子足部の０．４倍から２倍の厚さを有する。端子足部は、たとえば１ｍｍから１．５ｍｍの厚さを有し得る。この方法により、超音波溶接時に１０ｍ／ｓの速度に到達し得る粒子が隙間を通って入り込むことができないことを確実にする速度に隙間内の流体が達することを実現することができる。

本発明の一実施形態によれば、２つ以上の端子が保護壁によって囲まれる。保護壁は、たとえば、長形の断面を有するチャネルを形成し得る。

本発明の一実施形態によれば、端子は、ハウジングから突出する端部において離れる方向に角度付けされ、ハウジングまわりに到達する。たとえば、端子足部および／または突出端部を形成するために、端子は、すでに溶接前に離れる方向への角度付けが一度以上なされた金属片から作られ得る。これにより、端子が既に最終形態にある状態で端子をモジュールに溶接することができる。

本発明のさらなる局面は、上記および下記のような半導体モジュールの製造方法に関する。なお、上記および下記のような方法の特徴は、半導体モジュールの特徴でもあり得て、その逆もまた同じであることを理解すべきである。

本発明の一実施形態によれば、方法は、台板と、台板上の基板と、台板に取り付けられるハウジングとを有する半導体モジュールを設けるステップと、ハウジングの保護壁によって囲まれる基板の端子パッド上に端子の端子足部を配置するステップとを含み、ハウジングは端子足部まわりで端子を囲み、保護壁は、ハウジングの内部空間を非保護領域および保護領域に分割し、方法はさらに、端子足部上にソノトロードを配置し、端子足部を基板に対して超音波溶接するステップと、超音波溶接時に作り出される粒子が非保護領域から保護領域内へ通過することを防止するように、保護壁と基板との間の隙間において保護領域から非保護領域への流体の流れを作り出すステップとを含む。

要するに、超音波溶接時において、隙間を通って流体の流れが作り出され、流体の流れは（保護壁とともに）、粒子が保護領域内に入り込むことを防止する。この方法により、ハウジングの残りの部分とともに保護壁を同時に作ることができ、溶接後に保護壁がモジュール内に残ることができるため、半導体モジュールの製造方法が相対的に安価となる。溶接時において、流体の流れの源を設けるだけでよい。

本発明の一実施形態によれば、流体の流れは、たとえばハウジングの入口開口を通るブロワ―を用いて、保護領域内へ流体を吹き込むことによって作り出され、非保護領域への隙間によって均等化された保護領域における高い圧力が作り出される。

本発明の例示的な実施形態は、添付の図面を参照して以下に詳細に記載される。

本発明の一実施形態に係る半導体モジュールを示す概略断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体モジュールを示す平面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体モジュールの製造方法を説明するために図１の断面図に流体の流れを付した断面図である。

図面において使用される符号およびそれらの意味は、符号の一覧において要約して示される。原則的に、同一または同様の部品には、同じ符号が付される。

例示的な実施形態の詳細な説明
図１は、台板１２と、基板１４と、台板１２の側部に取り付けられるハウジング１６とを有する半導体モジュール１０を示す。ハウジング１６は、ハウジング１６を台板１２に取り付ける側壁１８と、側壁１８および台板１２とともに内部空間２２を形成する蓋板２０とを含み、基板１４および基板１４に取り付けられる半導体チップ２４が内部空間２２内に取り付けられる。

基板１４は、金属被覆部２８を用いて両側にコーティングされるセラミック２６のコアを有する。基板１４は、金属被覆部２８によって台板１２に接続される。金属被覆部２８は、反対側に構築され、セラミック２６の領域が露出される。この側において、チップ２４が金属被覆部２８に接続される。チップ２４は、たとえば結合線３２によって金属被覆部２８の他の領域に接続され得る。

半導体モジュール１０は、さらなる端子３４を含む。端子３４は、それぞれ足部３６によって金属皮膜部２８上の端子パッド３８に対して溶接される。端子３４は、ハウジング１６から突出し、さらに蓋板２０の開口４０から突出し、たとえば、離れる方向に角度が付けられた銅片から作られ得る。

開口４０を囲い、ハウジングは、保護壁４２を含む。保護壁４２は、蓋板２０から内部空間２２内へ突出し、ほぼ端子パッド３８まで到達する。保護壁４２は、内部空間２２または基板１４の表面を保護領域４４および非保護領域４６に分割する。保護壁４２と基板１４との間には隙間４８がある。隙間４８は、保護領域４４と非保護領域４６との間での流体の交換を可能とする。

各保護壁４２は、内部空間２２内にチャネル５０を形成する。チャネル５０は、隙間４８によって内部空間２２の残りの部分に接続されるのみである。非保護領域４６は、実質的にチャネル５０によって形成される。保護領域４４は、内部空間２２の残りの部分を囲い込み、チップ２４、結合線３２、および基板１４の露出領域３０を受ける。

開口４０は、半導体モジュール１０の生産時において出口開口４０として使用され、超音波溶接時に作り出された粒子がここから吹き出される。

流体を吹き込むために、ハウジング１６は、保護領域４４に対して開いた入口開口５２を蓋板２０に有する。ひとたび端子３４が基板１４に対して溶接されると、開口４０および／または開口５２は、挿入物または閉止部５４を用いて閉じられ得る。

図２は、上記からの半導体モジュール１０（たとえば、図１からのモジュール）を示す。複数の端子３４を受けるために開口４０およびチャネル５０が長形の断面を有していることが分かる。

図３は、溶接時における半導体モジュール１０を示し、製造方法のこの段階を例示している。入口開口５２の上には、ブロワ―５６がある。ソノトロード５８は、開口４０の一方および関連するチャネル５０へ下げられ、端子３４の足部３６上に配置される。

方法の第１のステップにおいて、端子３４のない半導体モジュールが設けられ、台板１２、台板１２上の基板１４、および台板１２に既に取り付けられたハウジング１６を有している。

その後、端子３４は開口４０を通ってチャネル５０内に挿入され、端子足部３６が基板１４のそれぞれの端子パッド３８上に配置される。

ソノトロード５８は、端子足部上に配置され、端子足部３６は、基板１４またはそれぞれの端子パッド３８に対して溶接される。

超音波溶接時において、１ｍｍまでのサイズの銅粒子が作り出される。これらは、約１０ｍ／ｓの速度で飛び出す。

同時に、流体の流れ６０がブロワ―５６によって作り出され、流体は開口５２を通って保護領域４４内へ吹き込まれる。正圧が作り出される結果、保護領域４４から非保護領域４６への隙間を通って圧力の均等化が起こり、超音波溶接時に作り出された粒子は、非保護領域４６から保護領域４４へ通過することが防止される。

試験および理論上の研究では、数ｍｍ内の気流を伴う粒子を減速させるには粒子の速度の３０倍に至る気流が必要であることが分かった。対応する気流速度は、気流を制限するために隙間４８を使用することによって端子パッド３８まわりで局所的に実現され得る。重力に対して半導体モジュール１０から粒子を運び出すことを可能とするためには、約１５ｍ／ｓの気流速度が必要となり得る。

流体の流れ６０は、隙間４８を通って高速で保護領域と非保護領域との間を流れる。溶接処理時に作り出される粒子は、流体の流れ６０に対して隙間を通って保護領域４４に到達することはできない。さらに、粒子は出口開口４０を通って流体の流れ６０によって外へ吹き出される。開口４０，５２は、閉止物または挿入物５４によって端部において閉じられる。

なお、「備える／含む（comprising）」は他の要素またはステップを排除するものではなく、「１つの（one）」または「不定冠詞（a(n)）」は、２つ以上を排除するものではないことを加えて注記する。さらに、上記の例示的な実施形態の一つを参照して記載された特徴またはステップは、上記の他の例示的な実施形態の他の特徴またはステップと組み合わせて使用され得ることを注記する。請求項における符号は、限定とみなすべきではない。

符号の一覧
１０ 半導体モジュール、１２ 台板、１４ 基板、１６ ハウジング、１８ 側壁、２０ 蓋板、２２ 内部空間、２４ 半導体チップ、２６ セラミック、２８ 金属被覆部、３０ 露出領域、３２ 結合線、３４ 端子、３６ 端子足部、３８ 端子パッド、４０ 出口開口、４２ 保護壁、４４ 保護領域、４６ 非保護領域、４８ 隙間、５０ チャネル、５２ 入口開口、５４ 挿入物、５６ ブロワー、５８ ソノトロード、６０ 流体の流れ。

Claims (15)

1. 半導体モジュール（１０）であって、
   台板（１２）と、
   少なくとも一方側に金属被覆部（２８）を有し、少なくとも１つの半導体チップ（２４）を担持する、前記台板（１２）上の基板（１４）と、
   前記台板（１２）に取り付けられ、前記基板（１４）を少なくとも部分的に囲い込むハウジング（１６）と、
   一方の端部が前記ハウジング（１６）から突出し、他方の端部に端子足部（３６）を有し、前記端子足部（３６）が超音波溶接によって前記金属被覆部（２８）の端子パッド（３８）上に取り付けられる、少なくとも１つの端子（３４）とを備え、
   前記ハウジング（１６）は保護壁（４２）を有し、前記保護壁（４２）は、前記端子（３４）を囲い込み、前記ハウジング（１６）の内部空間（２２）を非保護領域（４６）および保護領域（４４）に分割し、
   前記保護壁（４２）は、前記基板（１４）と前記保護壁（４２）との間に隙間（４８）が形成される態様で形成され、隙間（４８）は、前記端子パッド（３８）に対する前記端子足部（３６）の超音波溶接時において作り出される粒子が前記非保護領域（４６）から前記保護領域（４４）内へ入り込むことを防止する態様で流体の流れ（６０）を担持するように設計される、半導体モジュール（１０）。
2. 前記ハウジング（１６）は入口開口（５２）を有し、前記入口開口（５２）は、前記保護領域（４４）内へ開き、この入口開口（５２）を通って流体が前記保護領域（４４）内に吹き込まれ得る、請求項１に記載の半導体モジュール（１０）。
3. 前記入口開口（５２）はハウジング挿入物（５４）によって閉じられる、請求項２に記載の半導体モジュール（１０）。
4. 前記ハウジング（１６）は出口開口（４０）を有し、前記開口（４０）は、前記保護壁（４２）によって形成されるチャネル（５０）によって、前記非保護領域（４６）内へ、および／または前記端子足部（３６）へ導かれる、請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体モジュール（１０）。
5. 前記出口開口（４０）は、ハウジング挿入物（５４）によって閉じられる、請求項４に記載の半導体モジュール（１０）。
6. 前記端子（３４）は前記出口開口（４０）から突出する、請求項４または５に記載の半導体モジュール（１０）。
7. 前記ハウジング（１６）は、入口開口（５２）から完全に離して前記保護領域（４４）を囲い込む、請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体モジュール（１０）。
8. 前記ハウジング（１６）は、前記ハウジング（１６）の側壁（１８）によって前記台板（１２）に対して固定される蓋板（２０）を有し、
   前記保護壁（４２）は、前記蓋板（２０）に接続され、前記ハウジング（１６）の前記内部空間（２２）内へ突出する、請求項１から７のいずれか１項に記載の半導体モジュール（１０）。
9. 出口開口（４０）および／または入口開口（５２）は、前記蓋板（２０）に設けられる、請求項８に記載の半導体モジュール（１０）。
10. 半導体チップ（２４）、および／または金属被覆部（２８）のない前記基板（１６）の露出領域（３０）は、前記保護領域（４４）内に配置される、請求項１から９のいずれか１項に記載の半導体モジュール（１０）。
11. 前記隙間（４８）は、前記端子足部（３６）の０．２倍から４倍の厚さを有する、または、
    前記隙間（４８）は、前記端子足部（３６）の０．４倍から２倍の厚さを有する、請求項１から１０のいずれか１項に記載の半導体モジュール（１０）。
12. ２つ以上の端子（３４）が前記保護壁（４２）によって囲まれる、請求項１から１１のいずれか１項に記載の半導体モジュール（１０）。
13. 前記端子（３４）は、前記 ハウジング（１６）から突出する前記端部において離れる方向に角度付けされ、前記ハウジング（１６）まわりに到達する、請求項１から１２のいずれか１項に記載の半導体モジュール（１０）。
14. 請求項１から１３のいずれか１項に記載の半導体モジュール（１０）を製造する方法であって、
    台板（１２）と、前記台板（１２）上の基板（１４）と、前記台板（１２）に取り付けられるハウジング（１６）とを有する半導体モジュール（１０）を設けるステップと、
    前記ハウジング（１６）の保護壁（４２）によって囲まれる前記基板（１４）の端子パッド（３８）上に端子（３４）の端子足部（３６）を配置するステップとを備え、前記保護壁（４２）は、前記ハウジング（１６）の内部空間（２２）を非保護領域（４６）および保護領域（４４）に分割し、方法はさらに、
    前記端子足部（３６）上にソノトロード（５８）を配置し、前記端子足部（３６）を前記基板（１４）に対して超音波溶接するステップと、
    超音波溶接時に作り出される粒子が前記非保護領域（４６）から前記保護領域（４４）内へ通過することを防止するように、前記保護壁（４２）と前記基板（１４）との間の隙間（４８）おいて前記保護領域（４４）から前記非保護領域（４６）内への流体の流れ（６０）を作り出すステップとを備える、方法。
15. 前記流体の流れ（６０）は、流体を前記保護領域（４４）内へ吹き込むことによって作り出される、請求項１４に記載の方法。

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