JP2017054877A - 半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子に発生した熱を効率よく放散させることができる半導体モジュールを提供する。
【解決手段】この発明に係る半導体モジュールの実施形態であるパワー半導体モジュール１００は、第１の電極１Ｆ、第２の電極１Ｓおよび第３の電極１Ｔを備えたパワー半導体素子１と、ブロック導体２と、第１の導体３と、第２の導体６と、第３の導体９と、接続部材１０とを備える。第１の導体３とブロック導体２の一方主面、第１の電極１Ｆとブロック導体２の他方主面、および第３の電極１Ｔと第２の導体６とが、接合材により接合されている。第２の電極１Ｓと第３の導体９とは接続部材１０を介して接続されている。厚み方向におけるブロック導体２の最大断面積は、パワー半導体素子１の一方主面の面積より大きく、ブロック導体２は、第２の電極１Ｓおよび接続部材１０に対して非接触となるように形成された空間ＳＰ１を備えている。
【選択図】図１

Description

この発明は、半導体モジュールに関するものであり、特にパワー半導体素子の放熱に寄与するブロック導体を備えたパワー半導体モジュールに関する。

パワー半導体モジュールは、電力の制御および供給を行なうために用いられる半導体装置である。パワー半導体モジュールは、大きな電力が入力されることが多く、その際にはパワー半導体素子が発熱して高温となりやすい。したがって、パワー半導体モジュールには、放熱のための工夫が必要となる。特開２００１−３０８２３７号公報（特許文献１）には、そのような工夫の施されたパワー半導体モジュールの一例が提案されている。

図１５は、特許文献１に記載されているパワー半導体モジュール２００の断面図である。パワー半導体モジュール２００は、パワー半導体素子２０１Ａと、半導体素子２０１Ｂと、第１のブロック導体２０２Ａと、第２のブロック導体２０２Ｂと、第１の導体２０３と、第２の導体２０６と、第３の導体２０９と、ワイヤ２１０とを備えている。

パワー半導体素子２０１Ａと第１のブロック導体２０２Ａ、および半導体素子２０１Ｂと第２のブロック導体２０２Ｂとは、例えばはんだのような接合材Ｓで接合されている。パワー半導体素子２０１Ａおよび半導体素子２０１Ｂと第２の導体２０６、ならびに第１のブロック導体２０２Ａおよび第２のブロック導体２０２Ｂと第１の導体２０３も、同様に接合材Ｓで接合されている。また、ワイヤ２１０は、パワー半導体素子２０１Ａと第３の導体２０９とを接続している。

パワー半導体モジュール２００では、パワー半導体素子２０１Ａから発生する熱は、パワー半導体素子２０１Ａの下面から第２の導体２０６を介してパワー半導体モジュール２００の下部から外部に放散される。それと同時に、パワー半導体素子２０１Ａから発生する熱は、パワー半導体素子２０１Ａの上面から第１のブロック導体２０２Ａと第１の導体２０３とを介してパワー半導体モジュール２００の上部から外部に放散される。

この構成により、パワー半導体モジュール２００では、パワー半導体素子２０１Ａに発生した熱を効率よく放散させることができるとされている。

特開２００１−３０８２３７号公報

ところで、パワー半導体素子２０１Ａ上には、ワイヤ２１０と接続された不図示の電極がある。すなわち、第１のブロック導体２０２Ａは、ワイヤ２１０およびその電極と接触しないようにする必要がある。そのため、第１のブロック導体２０２Ａの厚み方向（主面に直交する方向）において、第１のブロック導体２０２Ａの断面積をパワー半導体素子２０１Ａの主面の面積より小さくしてある。

一方、上記の構造により、パワー半導体モジュール２００では、パワー半導体素子２０１Ａの上面からの熱の放散量が小さいと考えられる。したがって、パワー半導体素子２０１Ａに発生した熱を効率よく放散させることができない虞がある。

そこで、この発明の目的は、半導体素子（特に、パワー半導体素子）に発生した熱を効率よく放散させることができる半導体モジュールを提供することである。

この発明では、半導体素子（特に、パワー半導体素子）に発生した熱を効率よく放散させるため、ブロック導体の形状の改良が図られる。

この発明に係る半導体モジュールは、一方主面に第１の電極および第２の電極を備え、他方主面に第３の電極を備えた半導体素子と、互いに平行な一方主面および他方主面と、その一方主面と他方主面とを接続する側面とを備えたブロック導体と、第１の導体と、第２の導体と、第３の導体と、接続部材とを備えている。

第１の導体とブロック導体の一方主面、第１の電極とブロック導体の他方主面、および第３の電極と第２の導体とは、接合材により接合されている。また、第２の電極と第３の導体とが接続部材を介して接続されている。

そして、ブロック導体の一方主面と直交する方向をブロック導体の厚み方向としたとき、厚み方向におけるブロック導体の最大断面積は、半導体素子の一方主面の面積より大きい。また、ブロック導体は、第２の電極および接続部材に対して非接触となるように形成された空間を備えている。

上記の半導体モジュールでは、接続部材は、ブロック導体が第２の電極および接続部材に対して非接触となるように形成された空間を通るようにしてあるため、第１の電極とブロック導体の他方主面との接合面積を大きくすることができる。そして、厚み方向におけるブロック導体の最大断面積が半導体素子の一方主面の面積より大きいため、ブロック導体中の熱抵抗が小さくなり、半導体素子の上面からの熱の放散量を大きくすることができる。したがって、半導体素子に発生した熱を効率よく放散させることができる。

この発明に係る半導体モジュールは、以下の特徴を備えることが好ましい。すなわち、上記の空間は、ブロック導体の側面のうちの少なくとも１つと、ブロック導体の一方主面および他方主面とに露出するように形成された凹部である。

上記の半導体モジュールでは、第２の電極および接続部材に対して、ブロック導体を確実に非接触とすることができる。また、ブロック導体中に凹部を容易に形成することができる。

この発明に係る半導体モジュールは、以下の特徴を備えることも好ましい。すなわち、上記の空間は、ブロック導体の側面のうちの少なくとも１つと、ブロック導体の他方主面とに露出し、ブロック導体の一方主面には露出しないように形成された凹部である。

上記の半導体モジュールでは、ブロック導体中に占める凹部の体積が小さく、ブロック導体の熱抵抗がさらに小さくなっている。そのため、半導体素子の上面からの熱の放散量をさらに大きくすることができる。したがって、半導体素子に発生した熱をさらに効率よく放散させることができる。

この発明に係る半導体モジュール、及びその好ましい実施形態は、以下の特徴を備えることが好ましい。すなわち、第１の導体とブロック導体の一方主面とが第１の接合材により接合され、第１の電極とブロック導体の他方主面とが第２の接合材により接合され、第３の電極と第２の導体とが第３の接合材により接合されている。

そして、第１の接合材および第２の接合材のうち少なくとも一方は、銀、銅、金、またはそれらの中から選ばれる少なくとも２種類の金属の合金のナノ粒子の焼結体であり、第３の接合材は、銀、銅、金、またはそれらの中から選ばれる少なくとも２種類の金属の合金のナノ粒子の焼結体、または固化したはんだである。

上記の半導体モジュールでは、第１の接合材および第２の接合材のうち少なくとも一方の材質が熱伝導性に優れる銀、銅、金、またはそれらの中から選ばれる少なくとも２種類の金属の合金であるため、半導体素子の上面からの熱を第１の導体に伝えやすくなっている。したがって、半導体素子に発生した熱をさらに効率よく放散させることができる。

この発明に係る半導体モジュールの好ましい実施形態は、以下の特徴を備えることが好ましい。すなわち、第３の接合材は、銀、銅、金、またはそれらの中から選ばれる少なくとも２種類の金属の合金のナノ粒子の焼結体である。また、第２の導体は、半導体素子と接合される面に環状の凹部を備えている。そして、第２の導体が備えている環状の凹部と半導体素子とをブロック導体の厚み方向から見たときに、半導体素子の他方主面の外周縁は、第２の導体が備えている環状の凹部の内周縁と外周縁との間に位置している。

第３の接合材である銀、銅、金、またはそれらの中から選ばれる少なくとも２種類の金属の合金のナノ粒子の焼結体は、第３の電極と第２の導体との間にそれらの金属のナノ粒子ペーストを介在させた状態で、焼結させることによって形成される。すなわち、第３の接合材は、その形成過程において溶融し、液状となることがない。そのため、例えば上記の金属のナノ粒子ペーストの供給量が多く、半導体素子の側面への付着量が多くなった場合、はんだのように溶融して流れ落ちることがなく、付着したままの状態となる。したがって、半導体素子の第１の電極と第３の電極とが電気的に近接することになり、絶縁性が劣化する虞がある。

一方、上記の半導体モジュールでは、上記の金属のナノ粒子ペーストのうち、余分なものが第２の導体が備えている環状の凹部に移動するので、半導体素子の側面への付着量を少なくすることができる。したがって、半導体素子の第１の電極と第３の電極とが電気的に近接することが避けられ、高い絶縁性を維持することができる。

この発明に係る半導体モジュールの好ましい実施形態は、以下の特徴を備えることも好ましい。すなわち、第２の接合材は、銀、銅、金、またはそれらの中から選ばれる少なくとも２種類の金属の合金のナノ粒子の焼結体である。また、ブロック導体は、他方主面側に凸部を備えている。そして、ブロック導体と半導体素子とをブロック導体の厚み方向から見たときに、半導体素子の一方主面の外周縁は、ブロック導体が備えている凸部の外周縁と、ブロック導体に前述の空間が備えられていないと仮定した場合のブロック導体の他方主面の外周縁との間に位置している。

第２の接合材が銀、銅、金、またはそれらの中から選ばれる少なくとも２種類の金属の合金のナノ粒子の焼結体である場合も、上記と同様の懸念がある。一方、上記の半導体モジュールでは、上記の金属のナノ粒子ペーストのうち、余分なものが凸部の側面に移動するので、半導体素子の側面への付着量を少なくすることができる。したがって、半導体素子の第１の電極と第３の電極とが電気的に近接することが避けられ、高い絶縁性を維持することができる。

また、第２の導体が環状の凹部を備えている場合、第３の接合材となる上記の金属のナノ粒子ペーストのうち、余分なものが環状の凹部に移動する。すなわち、両方の効果により半導体素子の側面への付着量をさらに少なくすることができる。したがって、半導体素子の第１の電極と第３の電極とが電気的に近接することが確実に避けられ、高い絶縁性を確実に維持することができる。

この発明に係る半導体モジュールの実施形態は、以下の特徴を備えることが好ましい。すなわち、ブロック導体は、互いに平行な一方主面および他方主面を備えている。この場合、ブロック導体は平板状であるため、ブロック導体と半導体モジュールおよび各導体との接合を容易に行なうことができる。

この発明に係る半導体モジュールでは、第１の電極とブロック導体の他方主面との接合面積を大きくすることができる。そして、ブロック導体中の熱抵抗が小さくなり、半導体素子の上面からの熱の放散量を大きくすることができる。したがって、半導体素子（特に、パワー半導体素子）に発生した熱を効率よく放散させることができる。

この発明に係る半導体モジュールの第１の実施形態であるパワー半導体モジュール１００の、図２に示したＡ３−Ａ３線を含む切断面における矢視断面図である。 パワー半導体モジュール１００の、図１に示したＡ１−Ａ１線を含む切断面、およびＡ２−Ａ２線を含む切断面における矢視断面図である。 この発明に係る半導体モジュールの第２の実施形態であるパワー半導体モジュール１００Ａの、図４に示したＡ６−Ａ６線を含む切断面における矢視断面図である。 パワー半導体モジュール１００Ａの、図３に示したＡ４−Ａ４線を含む切断面、およびＡ５−Ａ５線を含む切断面における矢視断面図である。 この発明に係る半導体モジュールの第３の実施形態であるパワー半導体モジュール１００Ｂの、図６に示したＡ９−Ａ９線を含む切断面における矢視断面図である。 パワー半導体モジュール１００Ｂの、図５に示したＡ７−Ａ７線を含む切断面、およびＡ８−Ａ８線を含む切断面における矢視断面図である。 この発明に係る半導体モジュールの第４の実施形態であるパワー半導体モジュール１００Ｃの、図８に示したＡ１２−Ａ１２線を含む切断面における矢視断面図である。 パワー半導体モジュール１００Ｃの、図７に示したＡ１０−Ａ１０線を含む切断面、およびＡ１１−Ａ１１線を含む切断面における矢視断面図である。 パワー半導体モジュールにおいて、第２の接合材Ｓ２と第３の接合材Ｓ３とが接触して短絡する可能性について説明するための、図１の矢視断面図に相当する断面図である。 この発明に係る半導体モジュールの第５の実施形態であるパワー半導体モジュール１００Ｄの、図１の矢視断面図に相当する断面図、およびパワー半導体素子１の外周縁と第２の導体６が備えている環状の凹部Ｔ１との位置関係を説明するための模式図である。 この発明に係る半導体モジュールの第６の実施形態であるパワー半導体モジュール１００Ｅの、図１の矢視断面図に相当する断面図、およびパワー半導体素子１の外周縁とブロック導体２が備えている凸部Ｔ２との位置関係を説明するための模式図である。 この発明に係る半導体モジュールの第７の実施形態であるパワー半導体モジュール１００Ｆの、図１の矢視断面図に相当する断面図である。 この発明に係る半導体モジュールの第８の実施形態であるパワー半導体モジュール１００Ｇの、図１の矢視断面図に相当する断面図である。 この発明に係る半導体モジュールの第９の実施形態であるパワー半導体モジュール１００Ｈの、図１の矢視断面図に相当する断面図である。 背景技術のパワー半導体モジュール２００の断面図である。

以下にこの発明の実施形態を示して、この発明の特徴とするところをさらに詳しく説明する。

−半導体モジュールの第１の実施形態−
この発明に係る半導体モジュールの第１の実施形態であるパワー半導体モジュール１００について、図１および図２を用いて説明する。この発明が適用される半導体モジュールとしては、例えば自動車のパワーステアリング機構などの電装機器を駆動するためのインバータに用いられるパワー半導体モジュール、または電気自動車およびハイブリッド自動車用のモータを駆動するためのインバータに用いられるパワー半導体モジュールなどが挙げられるが、これらに限られるものではない。

図１は、パワー半導体モジュール１００の、図２に示したＡ３−Ａ３線を含む切断面における矢視断面図である。図２（Ａ）は、パワー半導体モジュール１００の、図１に示したＡ１−Ａ１線を含む切断面における矢視断面図である。図２（Ｂ）は、パワー半導体モジュール１００の、図１に示したＡ２−Ａ２線を含む切断面における矢視断面図である。

パワー半導体モジュール１００は、パワー半導体素子１と、ブロック導体２と、第１の導体３と、第２の導体６と、第３の導体９と、接続部材１０とを備えている。

パワー半導体素子１は、一方主面に第１の電極１Ｆおよび第２の電極１Ｓを備え、他方主面に第３の電極１Ｔを備えている。パワー半導体素子１としては、例えばパワーＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）およびＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）などを用いることができる。第１の電極１Ｆ、第２の電極１Ｓおよび第３の電極１Ｔは、パワー半導体素子１がパワーＭＯＳＦＥＴである場合、それぞれエミッタ電極、ベース電極およびコレクタ電極となる。一方、パワー半導体素子１がパワーＭＯＳＦＥＴである場合、それぞれソース電極、ゲート電極およびドレイン電極となる。

ブロック導体２は、この実施形態においては、互いに平行な一方主面および他方主面と、その一方主面と他方主面とを接続する側面とを備えている。すなわち、ブロック導体２の形状は、後述する凹部を除いて考えると直方体であり、一方主面はブロック導体２の上面であり、他方主面は下面である。

ブロック導体２の形状は、後述する凹部を除いて考えた場合、直方体に限らず、角錐台、円柱、および円錐台など任意の形状のものを用いることができる。なお、ブロック導体２の一方主面と他方主面とは、互いに平行ではなく、例えば一方主面に対して他方主面が傾斜していてもよく、あるいは曲面の一方主面と平面の他方主面との組み合わせなどでもよい。ブロック導体２は、電気伝導率および熱伝導率の大きな金属である、アルミニウムまたはその合金、銅およびその合金、ならびに銀およびその合金を好ましく用いることができる。

第１の導体３は、この実施例においては、第１の絶縁層４の一方主面上に形成されている。また、第１の絶縁層４の他方主面上には、放熱効率をさらに向上させるための第１の放熱板５が備えられている。ただし、第１の絶縁層４および第１の放熱板５は、パワー半導体モジュールの設計により不要となることもあるため、この発明における必須の構成要素ではない。

第２の導体６は、この実施例においては、第２の絶縁層７の一方主面上に形成されている。また、第２の絶縁層７の他方主面上には、放熱効率をさらに向上させるための第２の放熱板８が備えられている。第２の絶縁層７および第２の放熱板８は、第１の絶縁層４および第１の放熱板５と同様に、この発明における必須の構成要素ではない。

第１の絶縁層４および第２の絶縁層７は、例えばエポキシ系樹脂にガラスまたはセラミックのフィラーを分散させた樹脂材料を用いたものや、ガラスセラミック、酸化アルミニウム、窒化アルミニウムおよび窒化ケイ素などのセラミック材料を用いたものから、パワー半導体モジュールの設計に合わせて適宜選択することができる。また、第１の放熱板５および第２の放熱板８は、熱伝導率の大きな金属である、アルミニウムまたはその合金、銅およびその合金、ならびに銀およびその合金を用いることが好ましい。

第３の導体９は、この実施例においては、第２の絶縁層７の一方主面上に形成されている。第３の導体９は、パワー半導体素子１の第２の電極１Ｓと接続部材１０を介して接続されている。第１の導体３、第２の導体６、および第３の導体９としては、銅または銅合金を用いることが好ましい。

接続部材１０は、この実施例においては、ワイヤが用いられている。なお、接続部材１０は、後述する第８の実施形態（図１３）に示すように、クリップ（板状部材）を用いてもよい。

第１の導体３とブロック導体２の一方主面とは、第１の接合材Ｓ１により接合されており、両者は電気的および熱的に接続されている。第１の電極１Ｆとブロック導体２の他方主面とは、第２の接合材Ｓ２により接合されており、同様に電気的および熱的に接続されている。第３の電極１Ｔと第２の導体６とは、第３の接合材Ｓ３により接合されており、同様に電気的および熱的に接続されている。

第１の接合材Ｓ１、第２の接合材Ｓ２、および第３の接合材Ｓ３としては、固化したはんだ、銀、銅、金、またはそれらの中から選ばれる少なくとも２種類の金属の合金のナノ粒子などの金属ナノ粒子の焼結体、および導電性樹脂材を用いることができる。後述するように、パワー半導体素子１からの熱の放散を向上させるためには、第１の接合材Ｓ１、第２の接合材Ｓ２、および第３の接合材Ｓ３のうち少なくとも１つは、熱伝導性に優れる銀、銅、金、またはそれらの中から選ばれる少なくとも２種類の金属の合金のナノ粒子の焼結体を用いることが好ましい。第１の接合材Ｓ１、第２の接合材Ｓ２、および第３の接合材Ｓ３は、同一の接合材としてもよいが、後述するように接合箇所において最適な接合材を使い分けるようにすることが好ましい。

そして、ブロック導体２の一方主面と直交する方向をブロック導体２の厚み方向としたとき、厚み方向におけるブロック導体２の最大断面積は、パワー半導体素子１の一方主面の面積より大きくなっている。また、ブロック導体２は、図２（Ｂ）に示すように、第２の電極１Ｓおよび接続部材１０に対して非接触となるように形成された空間ＳＰ１を備えている。

この実施例においては、空間ＳＰ１は、図１および図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、ブロック導体２の第３の導体９が存在する側に向いている側面と、一方主面および他方主面とに露出するように形成された溝状の凹部である。また、ブロック導体２は、前述のように空間ＳＰ１を除いて考えた場合に直方体であり、ブロック導体２の最大断面積は、一方主面および他方主面の面積と等しい。

また、図２（Ａ）に示すように、ハッチング部（凹型の八角形）の面積で表されるブロック導体２の最大断面積は、外側の点線内の領域の面積で表されたパワー半導体素子１の一方主面の面積より大きくなっている。

パワー半導体モジュール１００では、図１および図２（Ａ）に示すように、接続部材１０がブロック導体２に形成されている上記の空間ＳＰ１通るようにしてあるため、第１の電極１Ｆとブロック導体２の他方主面との接合面積を大きくすることができる。そして、厚み方向におけるブロック導体２の最大断面積がパワー半導体素子１の一方主面の面積より大きいため、ブロック導体２中の熱抵抗が小さくなり、パワー半導体素子１の上面からの熱の放散量を大きくすることができる。したがって、パワー半導体素子１に発生した熱を効率よく放散させることができる。

−半導体モジュールの第２の実施形態−
この発明に係る半導体モジュールの第２の実施形態であるパワー半導体モジュール１００Ａについて、図３および図４を用いて説明する。

図３は、パワー半導体モジュール１００Ａの、図４に示したＡ６−Ａ６線を含む切断面における矢視断面図である。図４（Ａ）は、パワー半導体モジュール１００Ａの、図３に示したＡ４−Ａ４線を含む切断面における矢視断面図である。図４（Ｂ）は、パワー半導体モジュール１００Ａの、図３に示したＡ５−Ａ５線を含む切断面における矢視断面図である。

パワー半導体モジュール１００Ａは、空間ＳＰ１の形成位置が第１の実施形態であるパワー半導体モジュール１００と異なる。それ以外はパワー半導体モジュール１００と共通であるため、共通する箇所の説明については省略する。

図４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、空間ＳＰ１は、ブロック導体２の第３の導体９が存在する側に向いている側面と、その片側に接続されている側面と、一方主面および他方主面とに露出するように形成された溝状の凹部であってもよい。

この場合でも、図４（Ａ）に示すように、ハッチング部（凹型の六角形）の面積で表されるブロック導体２の最大断面積は、外側の点線内の領域の面積で表されたパワー半導体素子１の一方主面の面積より大きくなっている。

パワー半導体モジュール１００Ａでも、図４（Ａ）に示すように、接続部材１０がブロック導体２に形成されている空間ＳＰ１を通るようにしてあるため、第１の電極１Ｆとブロック導体２の他方主面との接合面積を大きくすることができる。したがって、パワー半導体モジュール１００と同様の効果を得ることができる。

−半導体モジュールの第３の実施形態−
この発明に係る半導体モジュールの第３の実施形態であるパワー半導体モジュール１００Ｂについて、図５および図６を用いて説明する。

図５は、パワー半導体モジュール１００Ｂの、図６に示したＡ９−Ａ９線を含む切断面における矢視断面図である。図６（Ａ）は、パワー半導体モジュール１００Ｂの、図５に示したＡ７−Ａ７線を含む切断面における矢視断面図である。図６（Ｂ）は、パワー半導体モジュール１００Ｂの、図５に示したＡ８−Ａ８線を含む切断面における矢視断面図である。

パワー半導体モジュール１００Ｂは、パワー半導体モジュール１００Ａと同様に、空間ＳＰ１の形成位置が第１の実施形態であるパワー半導体モジュール１００と異なる。それ以外はパワー半導体モジュール１００と共通であるため、共通する箇所の説明については省略する。

図５および図６（Ａ）、（Ｂ）に示すように、空間ＳＰ１は、ブロック導体２の第３の導体９が存在する側に向いている側面と、他方主面とに露出するように形成された溝状の凹部であってもよい。

この場合でも、図６（Ａ）に示すように、ハッチング部（矩形）の面積で表されるブロック導体２の最大断面積は、外側の点線内の領域の面積で表されたパワー半導体素子１の一方主面の面積より大きくなっている。

パワー半導体モジュール１００Ｂでも、図５および図６（Ａ）、（Ｂ）に示すように、接続部材１０がブロック導体２に形成されている空間ＳＰ１を通るようにしてあるため、第１の電極１Ｆとブロック導体２の他方主面との接合面積を大きくすることができる。また、ブロック導体２中に占める空間ＳＰ１の体積が小さいため、ブロック導体２の熱抵抗がさらに小さくなっている。したがって、パワー半導体素子１に発生した熱をさらに効率よく放散させることができる。

なお、空間ＳＰ１は、ブロック導体２の第３の導体９が存在する側に向いている側面と、その片側に接続されている側面と、他方主面とに露出するように形成されるようにしてもよい。

−半導体モジュールの第４の実施形態−
この発明に係る半導体モジュールの第４の実施形態であるパワー半導体モジュール１００Ｃについて、図７および図８を用いて説明する。

図７は、パワー半導体モジュール１００Ｃの、図８に示したＡ１２−Ａ１２線を含む切断面における矢視断面図である。図８（Ａ）は、パワー半導体モジュール１００Ｃの、図７に示したＡ１０−Ａ１０線を含む切断面における矢視断面図である。図８（Ｂ）は、パワー半導体モジュール１００Ｃの、図７に示したＡ１１−Ａ１１線を含む切断面における矢視断面図である。

パワー半導体モジュール１００Ｃは、パワー半導体モジュール１００Ａ、１００Ｂと同様に、空間ＳＰ１の形成位置が第１の実施形態であるパワー半導体モジュール１００と異なる。それ以外はパワー半導体モジュール１００と共通であるため、共通する箇所の説明については省略する。

図７および図８（Ａ）、（Ｂ）に示すように、空間ＳＰ１は、ブロック導体２の第３の導体９が存在する側に向いている側面と、その両側に接続されている側面と、他方主面とに露出するように形成された、横倒しの三角柱状の切り欠き部であってもよい。

この場合でも、図８（Ａ）に示すように、ハッチング部（矩形）の面積で表されるブロック導体２の最大断面積は、外側の点線内の領域の面積で表されたパワー半導体素子１の一方主面の面積より大きくなっている。

パワー半導体モジュール１００Ｃでは、図７および図８（Ａ）、（Ｂ）に示すように、ブロック導体２中に占める空間ＳＰ１の体積が小さいため、ブロック導体２の熱抵抗がさらに小さくなっている。したがって、パワー半導体素子１に発生した熱をさらに効率よく放散させることができる。

−半導体モジュールの第５の実施形態−
この発明に係る半導体モジュールの第５の実施形態であるパワー半導体モジュール１００Ｄについて、図９および図１０を用いて説明する。

図９は、パワー半導体モジュールにおいて、第２の接合材Ｓ２と第３の接合材Ｓ３とが接触して短絡する可能性について説明するための、図１の矢視断面図に相当する断面図である。

パワー半導体モジュール１００Ｄは、第３の接合材Ｓ３が銀、銅、金、またはそれらの中から選ばれる少なくとも２種類の金属の合金のナノ粒子の焼結体であって、第２の導体６のパワー半導体素子１と接合される面に環状の凹部Ｔ１が形成されていることが第１の実施形態であるパワー半導体モジュール１００と異なる。それ以外はパワー半導体モジュール１００と共通であるため、共通する箇所の説明については省略する。

第３の接合材Ｓ３を銀、銅、金、またはそれらの中から選ばれる少なくとも２種類の金属の合金のナノ粒子の焼結体とした場合、第３の接合材Ｓ３の形成は、第３の電極１Ｔと第２の導体６との間に上記の金属のナノ粒子ペーストを介在させた状態で、焼結させることによって行なわれる。すなわち、第３の接合材Ｓ３は、その形成過程において溶融し、液状となることがない。

第３の接合材Ｓ３がはんだのような形成過程において溶融し、液状となるものである場合、加熱して溶融させる前にパワー半導体素子１の側面への付着量が多くなっていても、パワー半導体素子１の材質はケイ素または炭化ケイ素などであるため、液状のはんだに対する濡れ性が低い。したがって、液状のはんだは第２の導体６の方に流れ、固化して第３の接合材Ｓ３となった状態では、第１の電極１Ｆと第３の電極１Ｔとの絶縁性が問題となるほど、パワー半導体素子１の側面に残らない。

一方、第３の接合材Ｓ３を銀、銅、金、またはそれらの中から選ばれる少なくとも２種類の金属の合金のナノ粒子の焼結体とした場合は、例えばそれらの金属のナノ粒子ペーストの供給量が多く、パワー半導体素子１の側面への付着量が多くなった場合、はんだのように溶融して流れ落ちることがなく、付着したままの状態となる。したがって、パワー半導体素子１の第１の電極と第３の電極とが電気的に近接することになり、甚だしくは図９に示すように、両者が接触して短絡した状態になり、絶縁性が確保できない虞がある。

そのため、第３の接合材Ｓ３を銀、銅、金、またはそれらの中から選ばれる少なくとも２種類の金属の合金のナノ粒子の焼結体とした場合には、絶縁性の維持を図ることが好ましい。図１０（Ａ）は、そのような絶縁性の維持が図られたパワー半導体モジュール１００Ｄの、図１の矢視断面図に相当する断面図である。図１０（Ｂ）は、パワー半導体モジュール１００Ｄにおいて、パワー半導体素子１の外周縁と第２の導体６が備えている環状の凹部Ｔ１との位置関係を説明するための模式図である。

図１０（Ａ）、（Ｂ）に示すように、第２の導体６は、パワー半導体素子１と接合される面に環状の凹部Ｔ１を備えている。そして、第２の導体６が備えている環状の凹部Ｔ１とパワー半導体素子１とをブロック導体の厚み方向から見たときに、パワー半導体素子１の他方主面の外周縁（図１０（Ｂ）において点線で図示）は、第２の導体が備えている環状の凹部の内周縁と外周縁との間に位置している。

パワー半導体モジュール１００Ｄでは、上記の金属のナノ粒子ペーストのうち、余分なものが第２の導体６が備えている環状の凹部Ｔ１に移動するので、パワー半導体素子１の第１の電極１Ｆと第３の電極１Ｔとが電気的に近接または短絡することが確実に避けられ、高い絶縁性を確実に維持することができる。

−半導体モジュールの第６の実施形態−
この発明に係る半導体モジュールの第６の実施形態であるパワー半導体モジュール１００Ｅについて、図１１を用いて説明する。

図１１（Ａ）は、そのような絶縁性の維持が図られたパワー半導体モジュール１００Ｅの、図１の矢視断面図に相当する断面図である。図１１（Ｂ）は、パワー半導体モジュール１００Ｅにおいて、パワー半導体素子１の外周縁とブロック導体２が備えている凸部Ｔ２との位置関係を説明するための模式図である。

パワー半導体モジュール１００Ｅは、第２の接合材Ｓ２が銀、銅、金、またはそれらの中から選ばれる少なくとも２種類の金属の合金のナノ粒子の焼結体であって、ブロック導体２が他方主面側に凸部を備えていることが第１の実施形態であるパワー半導体モジュール１００と異なる。それ以外はパワー半導体モジュール１００と共通であるため、共通する箇所の説明については省略する。

図１１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、ブロック導体２は、他方主面側に凸部を備えている。そして、ブロック導体２とパワー半導体素子１とをブロック導体２の厚み方向から見たときに、パワー半導体素子１の一方主面の外周縁は、ブロック導体２が備えている凸部Ｔ２の外周縁と、ブロック導体２に前述の空間ＳＰが備えられていない、すなわちブロック導体２が単なる直方体であると仮定した場合の、ブロック導体２の他方主面の外周縁との間に位置している。

第２の接合材Ｓ２が銀、銅、金、またはそれらの中から選ばれる少なくとも２種類の金属の合金のナノ粒子の焼結体である場合も、第５の実施形態で説明したものと同様の懸念がある。一方、パワー半導体モジュール１００Ｅでは、上記の金属のナノ粒子ペーストのうち、余分なものが凸部Ｔ２の側面（段差部）に移動するので、パワー半導体素子の第１の電極と第３の電極とが電気的に近接または短絡することが確実に避けられ、高い絶縁性を確実に維持することができる。

−半導体モジュールの第７の実施形態−
この発明に係る半導体モジュールの第７の実施形態であるパワー半導体モジュール１００Ｆについて、図１２を用いて説明する。図１２は、パワー半導体モジュール１００Ｆの、図１の矢視断面図に相当する断面図である。

パワー半導体モジュール１００Ｆは、第２の接合材Ｓ２および第３の接合材Ｓ３が銀、銅、金、またはそれらの中から選ばれる少なくとも２種類の金属の合金のナノ粒子の焼結体であって、第５の実施形態で説明したパワー半導体素子１と接合される面に環状の凹部Ｔ１を備えている第２の導体６と、第６の実施形態で説明した他方主面側に凸部を備えているブロック導体２とを共に構成要素として含むパワー半導体モジュールである。

パワー半導体モジュール１００Ｆでは、第２の接合材Ｓ２となる上記の金属のナノ粒子ペーストのうち、余分なものが凸部Ｔ２の側面に移動する。また、第３の接合材Ｓ３となる上記の金属のナノ粒子ペーストのうち、余分なものが第２の導体６が備えている環状の凹部Ｔ１に移動する。すなわち、両方の効果により、パワー半導体素子１の第１の電極１Ｆと第３の電極１Ｔとが電気的に近接することがより確実に避けられ、高い絶縁性をより確実に維持することができる。

−半導体モジュールの第８の実施形態−
この発明に係る半導体モジュールの第８の実施形態であるパワー半導体モジュール１００Ｇについて、図１３を用いて説明する。図１３は、パワー半導体モジュール１００Ｇの、図１の矢視断面図に相当する断面図である。

パワー半導体モジュール１００Ｇは、接続部材１０の形態および空間ＳＰの体積が第３の実施形態であるパワー半導体モジュール１００Ｂと異なる。それ以外はパワー半導体モジュール１００Ｂと共通であるため、共通する箇所の説明については省略する。

図１３に示すように、接続部材１０としてワイヤの代わりにクリップ（板状部材）を用いてもよい。クリップの材質としては銅または銅合金が好ましい。接続部材１０をクリップとした場合、例えば衝撃が加わった際にも位置が変わることがない。また、金属板を屈曲させて形成されるため、低背化することができる。その結果、空間ＳＰ１の体積を小さくすることができる。

そのため、第１の電極１Ｆとブロック導体２の他方主面との接合面積を大きくすることができる。また、ブロック導体２中に占める空間ＳＰ１の体積が小さいため、ブロック導体２の熱抵抗がさらに小さくなっている。したがって、パワー半導体素子１に発生した熱をさらに効率よく放散させることができる。

−半導体モジュールの第９の実施形態−
この発明に係る半導体モジュールの第９の実施形態であるパワー半導体モジュール１００Ｈについて、図１４を用いて説明する。図１４は、パワー半導体モジュール１００Ｈの、図１の矢視断面図に相当する断面図である。

パワー半導体モジュールは、前述したように、例えば自動車のパワーステアリング等の電装機器を駆動するためのインバータなどに用いられる。近年、自動車の電装化が進むにつれ、多様な電装機器が搭載されるようになり、設置スペースの制約が厳しくなっている。さらに、電装機器を冗長系として安全性および信頼性を向上させるため、複数のパワー半導体モジュールの設置が要求される場合がある。そのため、パワー半導体モジュールの小型化が強く要求されている。

その際、パワー半導体モジュールを小型化するため、すなわち実装面積を削減するため、複数の経路および部品を平面配置するのではなく、多段配置とすることが好ましい。すなわち、パワー半導体モジュール１００Ｈは、この発明に係る半導体モジュールの第１の実施形態であるパワー半導体モジュール１００を冗長系とするために、上記の趣旨に則って多段配置としたものである。

パワー半導体モジュール１００Ｈは、パワー半導体モジュール１００における第２の導体６および第３の導体９と、第２の絶縁層７との間に、別のパワー半導体素子１１と、別のブロック導体１２と、第４の導体１６と、第５の導体１９と、別の接続部材２０とを挿入した構造となっている。なお、前述のようにパワー半導体モジュール１００と共通する箇所の説明については省略する。

パワー半導体素子１１は、パワー半導体素子１と同様に、一方主面に第１の電極１１Ｆおよび第２の電極１１Ｓを備え、他方主面に第３の電極１１Ｔを備えている。また、パワー半導体素子１と同様に、パワーＭＯＳＦＥＴおよびＩＧＢＴなどを用いることができる。

ブロック導体１２の一方主面と直交する方向をブロック導体１２の厚み方向としたとき、厚み方向におけるブロック導体１２の最大断面積は、パワー半導体素子１１の一方主面の面積より大きくなっている。また、ブロック導体１２は、ブロック導体２と同様に、第２の電極１１Ｓおよび接続部材２０に対して非接触となるように形成された空間ＳＰ２を備えている。

この実施例においては、空間ＳＰ２は、空間ＳＰ１と同様に、ブロック導体１２の第６の導体１９が存在する側に向いている側面と、一方主面および他方主面とに露出するように形成された溝状の凹部である。また、ブロック導体１２は、前述のように凹部を除いて考えた場合に直方体であり、ブロック導体１２の最大断面積は、一方主面および他方主面の面積と等しく、かつパワー半導体素子１１の一方主面の面積より大きくなっている。

その他、第４の導体１６と、第５の導体１９と接続部材２０も、それぞれ第２の導体６と、第３の導体９と、接続部材１０に準じたものとすることができる。一方、パワー半導体モジュール１００Ｈの設計によっては、適宜変更することもできる。

第２の導体６とブロック導体１２の一方主面とは、第４の接合材Ｓ４により接合されており、両者は電気的および熱的に接続されている。第１の電極１１Ｆとブロック導体１２の他方主面とは、第５の接合材Ｓ５により接合されており、同様に電気的および熱的に接続されている。第３の電極１１Ｔと第４の導体１６とは、第６の接合材Ｓ６により接合されており、同様に電気的および熱的に接続されている。第４の接合材Ｓ４、第５の接合材Ｓ５、および第６の接合材Ｓ６としては、それぞれ第１の接合材Ｓ１、第２の接合材Ｓ２、および第３の接合材Ｓ３に準じたものとすることができる。

パワー半導体モジュール１００Ｈでは、図１４に示すように、接続部材１０がブロック導体２に形成されている空間ＳＰ１を通り、接続部材２０がブロック導体１２に形成されている空間ＳＰ２を通るようにしてある。そのため、パワー半導体素子１の第１の電極１Ｆとブロック導体２の他方主面との接合面積、およびパワー半導体素子１１の第１の電極１１Ｆとブロック導体１２の他方主面との接合面積を、それぞれ大きくすることができる。

そして、厚み方向におけるブロック導体２の最大断面積がパワー半導体素子１の一方主面の面積より大きく、ブロック導体１２の最大断面積がパワー半導体素子１１の一方主面の面積より大きいため、ブロック導体２およびブロック導体１２中の熱抵抗が小さくなる。その結果、パワー半導体素子１の上面からの熱の放散量、および第３の導体６と介した熱の放散量を大きくすることができる。したがって、パワー半導体素子１およびパワー半導体素子１１に発生した熱を効率よく放散させることができる。

なお、この発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内において、種々の応用、変形を加えることができる。また、この明細書に記載の各実施形態は、例示的なものであり、異なる実施形態間において、構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることを指摘しておく。

１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ、１００Ｅ、１００Ｆ、１００Ｇ、１００Ｈ パワー半導体モジュール
１、１１ パワー半導体素子
１Ｆ 第１の電極
１Ｓ 第２の電極
１Ｔ 第３の電極
２、１２ ブロック導体
３ 第１の導体
６ 第２の導体
９ 第３の導体
１６ 第４の導体
１９ 第５の導体
１０、２０ 接続部材
Ｓ１ 第１の接合材
Ｓ２ 第２の接合材
Ｓ３ 第３の接合材
Ｓ４ 第４の接合材
Ｓ５ 第５の接合材
Ｓ６ 第６の接合材
ＳＰ１、ＳＰ２ 空間

Claims (7)

1. 一方主面に第１の電極および第２の電極を備え、他方主面に第３の電極を備えた半導体素子と、一方主面および他方主面と、該一方主面と該他方主面とを接続する側面とを備えたブロック導体と、第１の導体と、第２の導体と、第３の導体と、接続部材とを備えた半導体モジュールであって、
   前記第１の導体と前記ブロック導体の一方主面、前記第１の電極と前記ブロック導体の他方主面、および前記第３の電極と前記第２の導体とが、接合材により接合されており、
   前記第２の電極と前記第３の導体とが前記接続部材を介して接続されており、
   前記ブロック導体の一方主面と直交する方向を前記ブロック導体の厚み方向としたとき、前記厚み方向における前記ブロック導体の最大断面積は、前記半導体素子の一方主面の面積より大きく、
   前記ブロック導体は、前記第２の電極および前記接続部材に対して非接触となるように形成された空間を備えていることを特徴とする、半導体モジュール。
2. 前記空間は、前記ブロック導体の側面のうちの少なくとも１つと、前記ブロック導体の一方主面および他方主面とに露出するように形成された凹部であ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. 前記空間は、前記ブロック導体の側面のうちの少なくとも１つと、前記ブロック導体の他方主面とに露出し、前記ブロック導体の一方主面には露出しないように形成された凹部であ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。
4. 前記第１の導体と前記ブロック導体の一方主面とが第１の接合材により接合され、前記第１の電極と前記ブロック導体の他方主面とが第２の接合材により接合され、前記第３の電極と前記第２の導体とが第３の接合材により接合されており、
   前記第１の接合材および前記第２の接合材のうち少なくとも一方は、銀、銅、金、またはそれらの中から選ばれる少なくとも２種類の金属の合金のナノ粒子の焼結体であり、前記第３の接合材は、銀、銅、金、またはそれらの中から選ばれる少なくとも２種類の金属の合金のナノ粒子の焼結体、または固化したはんだであることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
5. 前記第３の接合材は、銀、銅、金、またはそれらの中から選ばれる少なくとも２種類の金属の合金のナノ粒子の焼結体であり、
   前記第２の導体は、前記半導体素子と接合される面に環状の凹部を備えており、
   前記第２の導体が備えている環状の凹部と前記半導体素子とを前記ブロック導体の厚み方向から見たときに、前記半導体素子の他方主面の外周縁は、前記第２の導体が備えている環状の凹部の内周縁と外周縁との間に位置し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. 前記第２の接合材は、銀、銅、金、またはそれらの中から選ばれる少なくとも２種類の金属の合金のナノ粒子の焼結体であり、
   前記ブロック導体は、他方主面側に凸部を備えており、
   前記ブロック導体と前記半導体とを前記ブロック導体の厚み方向から見たときに、前記半導体素子の一方主面の外周縁は、前記ブロック導体が備えている凸部の端部の外周縁と、前記ブロック導体に前記空間が備えられていないと仮定した場合の前記ブロック導体の他方主面の外周縁との間に位置していることを特徴とする、請求項４または５に記載の半導体モジュール。
7. 前記ブロック導体は、互いに平行な一方主面および他方主面を備えることを特徴とする、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の半導体モジュール。