JP2017135144A - 半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、より安価に絶縁破壊電圧を向上させた半導体モジュールの提供を目的とする。
【解決手段】本発明に係る半導体モジュールは、表面と裏面とを有し、表面及び裏面上に回路パターンを有する絶縁基板と、表面上の回路パターンに接合される半導体素子と、裏面上の回路パターンに接合されるベース板とを備えている。絶縁基板とベース板との距離は、表面上の回路パターンの厚さよりも長い。これにより、より安価に半導体モジュールの絶縁破壊電圧を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子を用いたモジュール、より具体的にはパワー半導体素子を用いたパワーモジュールに関する。

高電圧、大電流に対応するために半導体素子として、パワー半導体素子が一般に知られている。パワー半導体素子には、例えば縦型ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等がある。

従来のパワー半導体素子を用いたパワーモジュールのパッケージ構造は、主としてケース構造を有している。ケース構造を有するパワー半導体モジュールは、絶縁基板と、パワー半導体素子と、ベース板と、主電極とを有している。

絶縁基板は、その表面及び裏面上に回路パターンを有している。パワー半導体素子の裏面電極は、絶縁基板の表面上の回路パターンに接合されている。パワー半導体素子の表面電極は、ボンディングワイヤ等により、主電極に接合されている。ベース板は、絶縁基板の裏面上の回路パターンに接合されている（例えば、特許文献１）。

特開２００１−１７７０５３号公報

パワーモジュールの絶縁破壊電圧は、絶縁基板端部とベース板との距離が長くなるにつれて高くなる。特許文献１記載のパワーモジュールにおいては、ベース板上の絶縁基板端部の下方の位置に、溝を形成する加工が行われている。これにより、特許文献１記載のパワーモジュールは、絶縁基板端部とベース板との距離を確保している。

ベース板には、通常、熱伝導性、重量、強度等の観点から、例えばアルミニウム等の金属と、炭化珪素（ＳｉＣ）等のセラミックスの複合材が用いられる。このような材料により構成されるベース板は加工性が乏しい。そのため、上記のような溝を設けることは、コスト高につながる。

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものである。具体的には、本発明は、より安価に絶縁破壊電圧を向上させた半導体モジュールの提供を目的とする。

本発明に係る半導体モジュールは、表面と裏面とを有し、表面及び裏面上に回路パターンを有する絶縁基板と、表面上の回路パターンに接合される半導体素子と、裏面上の回路パターンに接合されるベース板とを備えている。絶縁基板とベース板の距離は、表面上の回路パターンの厚さよりも長い。

本発明に係る半導体モジュールは、より安価に絶縁破壊電圧を向上させることが可能となる。

第１の実施形態に係る半導体モジュールの断面図である。 比較例に係る半導体モジュールの断面図である。 比較例に係る半導体モジュールにおける絶縁破壊のメカニズムを示す模式図である。 第２の実施形態に係る半導体モジュールの断面図である。 第３の実施形態に係る半導体モジュールの断面図である。 第１の実施形態に係る半導体モジュールにおける絶縁破壊のメカニズムを示す模式図である。 第４の実施形態に係る半導体モジュールの断面図である。 第５の実施形態に係る半導体モジュールの断面図である。 第６の実施形態に係る半導体モジュールの断面図である。

以下、実施形態について、図を参照して説明する。なお、各図中同一または相当部分には同一符号を付している。また、以下に記載する実施の形態の少なくとも一部を任意に組み合わせてもよい。

（第１の実施形態）
以下に、第１の実施形態に係る半導体モジュールの構造について説明する。

図１は、第１の実施形態に係る半導体モジュールの断面図である。図１に示すように、第１の実施形態に係る半導体モジュールは、絶縁基板１と、半導体素子２と、ベース板３とを主として有している。

絶縁基板１は、絶縁層１１を有している。絶縁層１１は、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化珪素（ＳｉＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のセラミックス、エポキシ樹脂等の絶縁性の材料である。

絶縁層１１は、表面１ａ及び裏面１ｂを有している。絶縁基板１は、表面１ａ及び裏面１ｂ上に回路パターン１２を有している。回路パターン１２には、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）等の導電性が高い金属材料が用いられる。表面１ａ側の回路パターン１２は、厚さＴ１を有している。裏面１ｂ側の回路パターン１２は、厚さＴ２を有している。好ましくは、厚さＴ２は、厚さＴ１よりも大きい。厚さＴ２は、好ましくは０．５ｍｍ以上である。

半導体素子２は、例えば縦型ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等のパワー半導体素子である。半導体素子２は、例えばシリコン（Ｓｉ）、炭化珪素（ＳｉＣ）等の半導体材料を用いて形成されている。

半導体素子２は、表面電極２１と、裏面電極２２とを有している。裏面電極２２は、絶縁基板１の表面１ａ側の回路パターン１２に、第１の接合部材２３を用いて接合されている。第１の接合部材２３は、例えばはんだ、焼結銀、導電性接着材等である。なお、裏面電極２２は、液相拡散接合法により、絶縁基板１の裏面１ｂ側の回路パターン１２に接合されていてもよい。

ベース板３は、放熱性を有する部材である。ベース板３は、表面３ａ及び裏面３ｂを有している。ベース板３の表面３ａは、平坦な形状を有していることが好ましい。換言すれば、ベース板３の表面３ａには、溝等は形成されていない。ベース板３は、例えばアルミニウム等の金属と、炭化珪素等のセラミックスの複合材である。ベース板３は、第２の接合部材３１を介して、絶縁基板１の裏面１ｂ側の回路パターン１２と接合されている。第２の接合部材３１は、例えばはんだ、焼結銀、導電性接着材等である。なお、ベース板３は、液相拡散接合法により、絶縁基板１の裏面１ｂ側の回路パターン１２に接合されていてもよい。

第２の接合部材３１は、厚さＴ３を有している。すなわち、絶縁基板１とベース板３との距離Ｌは、厚さＴ２と厚さＴ３の和となる。好ましくは、距離Ｌは、厚さＴ１よりも大きい。好ましくは、距離Ｌは、０．５ｍｍ以上である。厚さＴ３を増加させることで距離Ｌを確保する場合には、第２の接合部材３１として熱伝導性の高い焼結銀を用いることが好ましい。

第１の実施形態に係る半導体モジュールは、好ましくは、ケース４と、封止樹脂５と、蓋６とをさらに有していてもよい。

ケース４は、絶縁基板１と半導体素子とを取り囲む形状を有している。ケース４の底面には、接着剤等を用いてベース板３が接合されている。ケース４の材質は、例えばＰＰＳ（Polyphenylenesulfide）樹脂、ＰＢＴ（polybutyleneterephthalate）樹脂である。

ケース４は、その内部に、端子４１を有している。端子４１は、例えばケース４にインサート成型又はアウトサート成型されている。端子４１は、配線部材４２を介して、半導体素子２の表面電極２１に接続している。配線部材４２は、例えばボンディングワイヤである。ボンディングワイヤの材質は、例えばアルミニウム合金、銅合金等である。ボンディングワイヤの線径は、例えば０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である。なお、配線部材４２としては、ボンディングリボンを用いることも可能である。

封止樹脂５は、ベース板３及びケース４により画される領域の内部に充填されている。封止樹脂５は、例えばシリコーンゲルである。封止樹脂５は、好ましくは、絶縁基板１、半導体素子２及び配線部材４２が覆われる高さまでに充填されている。これにより、半導体モジュール内部の絶縁性が向上する。

蓋６は、半導体モジュールの内部と外部を分離している。蓋６は、例えば接着剤、ネジ等を用いてケース４の上面に固定されている。これにより、半導体モジュール内部への粉塵等の侵入が抑制される。

以下に、第１の実施形態に係る半導体モジュールの効果について説明する。
第１に、比較例に係る半導体モジュールの構造について説明する。図２は、比較例に係る半導体モジュールの断面図である。図２に示すように、比較例に係る半導体モジュールは、第１の実施形態に係る半導体モジュールと同様に、回路パターン１２を有する絶縁基板１と、絶縁基板１の表面１ａ側の回路パターン１２に第１の接合部材２３を介して接合されている半導体素子２と、絶縁基板１の裏面１ｂ側の回路パターン１２に第２の接合部材３１を介して接合されているベース板３とを有している。

しかしながら、比較例に係る半導体モジュールは、第１の実施形態に係る半導体モジュールと異なり、厚さＴ２＞Ｔ１、距離Ｌ＞Ｔ１との関係を満たしていない。また、比較例に係る半導体モジュールにおいては、厚さＴ１、距離Ｌは、０．５ｍｍ未満である。

第２に、比較例に係る半導体モジュールの絶縁破壊のメカニズムについて説明する。図３は、比較例に係る半導体モジュールの絶縁破壊のメカニズムを示す模式図である。半導体モジュール、特にパワーモジュールは、高温で動作する。シリコーンゲル等の封止樹脂５の線膨張係数は、比較例に係る半導体モジュールの他の構成部材よりもはるかに大きいため、封止樹脂５は、動作中に大きく熱膨張する。

このような熱膨張に起因して、封止樹脂５と絶縁基板１との界面において、気泡、剥離等の絶縁不良が発生する。これにより、図３に示すように、絶縁破壊Ｂはかかる絶縁不良箇所に沿って進展する。

絶縁破壊Ｂが絶縁基板１の側面まで進展すると、絶縁破壊Ｂは、ベース板３に向かって進展する。かかる絶縁破壊Ｂは、絶縁基板１とベース板３との距離が大きくなるほど、また絶縁基板１とベース板３の間における気泡等の絶縁不良が少ないほど、進展しにくくなる。

第１の実施形態に係る半導体モジュールにおいては、厚さＴ２＞厚さＴ１又は距離Ｌ＞厚さＴ１との関係を満たしている。また、第１の実施形態に係る半導体モジュールにおいては、好ましくは厚さＴ１又は距離Ｌが０．５ｍｍ以上である。

そのため、第１の実施形態に係る半導体モジュールにおいては、絶縁基板１とベース板３との距離を確保することができ、また封止樹脂５が絶縁基板１とベース板３との間に気泡を巻き込むことなく充填できる。すなわち、第１の実施形態に係る半導体モジュールにおいては、絶縁破壊電圧を確保することが可能となる。

他方、比較例に係る半導体モジュールは、厚さＴ２＞厚さＴ１、距離Ｌ＞厚さＴ１との関係を満たしていない。さらに、絶縁基板１とベース板３との距離Ｌは、０．５ｍｍ未満である。距離Ｌが０．５ｍｍ未満であると、絶縁基板１とベース板３との間に、封止樹脂５が回り込みにくい。すなわち、絶縁基板１とベース板３との間に、封止樹脂５を気泡なく充填することは困難である。

そのため、比較例に係る半導体モジュールにおいては、高い絶縁破壊電圧を確保することが困難である。

（第２の実施形態）
以下に、第２の実施形態に係る半導体モジュールの構造について説明する。なお、ここでは、第１の実施形態と異なる点について主に説明する。

図４は、第２の実施形態に係る半導体モジュールの断面図である。図４に示すように、第２の実施形態に係る半導体モジュールは、第１の実施形態に係る半導体モジュールと同様に、絶縁基板１と、半導体素子２と、ベース板３と、ケース４と、封止樹脂５と、蓋６とを有している。これに加え、第２の実施形態に係る半導体モジュールは、コーティング部材７をさらに有している。

コーティング部材７は、好ましくは、絶縁基板１の裏面１ｂとベース板３の間に充填されている。換言すれば、コーティング部材７は、絶縁基板１とベース板３の間における絶縁破壊Ｂの進展経路上に充填されている。

コーティング部材７は、封止樹脂５よりも、絶縁破壊電圧が高い材料であることが好ましい。また、コーティング部材７は、封止樹脂５よりも、絶縁基板１から剥離しにくい材料であることが好ましい。さらに、コーティング部材７は、絶縁基板１とベース板３との間に充填される際に気泡を巻き込みにくい材料であることが好ましい。コーティング部材７に用いられる材質は、例えば、シリコーンゲルと同等以上の絶縁特性を有するシリコーンゴム、ポリイミド等の有機絶縁材料である。

以下に、第２の実施形態に係る半導体モジュールの効果について説明する。第２の実施形態に係る半導体モジュールにおいては、コーティング部材７が、絶縁基板１とベース板３の間における絶縁破壊Ｂの進展経路上に充填されている。コーティング部材７は、封止樹脂５よりも、絶縁破壊電圧が高い。また、コーティング部材７は、封止樹脂５よりも、絶縁基板１とベース板３との間において、絶縁不良が発生させにくい。そのため、第２の実施形態に係る半導体モジュールは、第１の実施形態に係る半導体モジュールよりも、高い絶縁破壊電圧を確保することが可能になる。

（第３の実施形態）
以下に、第３の実施形態に係る半導体モジュールの構造について説明する。なお、ここでは、第１の実施形態と異なる点について主に説明する。

図５は、第３の実施形態に係る半導体モジュールの断面図である。図５に示すように、第３の実施形態に係る半導体モジュールは、第１の実施形態に係る半導体モジュールと同様に、絶縁基板１と、半導体素子２と、ベース板３と、ケース４と、封止樹脂５と、蓋６とを有している。

しかしながら、第３の実施形態に係る半導体モジュールにおいては、第１の実施形態に係る半導体モジュールと異なり、絶縁基板１の裏面１ｂ側における回路パターン１２の端部は、絶縁基板１の表面１ａ側における回路パターン１２の端部よりも内側に位置している。換言すれば、絶縁基板１の裏面１ｂ側における回路パターン１２の端部は、絶縁基板１の表面１ａ側における回路パターン１２の端部よりも絶縁基板１の端部との距離が長くなっている。

以下に、第３の実施形態に係る半導体モジュールの効果について説明する。
図６は、第１の実施形態に係る半導体モジュールにおける絶縁破壊のメカニズムを示す模式図である。図６に示すように、第１の実施形態に係る半導体モジュールにおいては、絶縁破壊Ｂが、絶縁基板１の裏面１ｂと封止樹脂５の界面に沿って進展する場合がある。

このような場合の絶縁破壊電圧は、絶縁基板１の端部と絶縁基板１の裏面１ｂ側における回路パターン１２の端部との距離が大きくなるにつれて高くなる。

第３の実施形態においては、絶縁基板１の裏面１ｂ側における回路パターン１２の端部は、絶縁基板１の表面１ａ側における回路パターン１２の端部より内側に位置している。すなわち、第３の実施形態に係る半導体モジュールにおいては、絶縁基板１の端部と絶縁基板１の裏面１ｂ側における回路パターン１２の端部との距離が確保されている。そのため、第３の実施形態に係る半導体モジュールの構成によると、第１の実施形態に係る半導体モジュールと比較して、より絶縁破壊電圧を高めることが可能となる。

（第４の実施形態）
以下に、第４の実施形態に係る半導体モジュールの構造について説明する。なお、ここでは、第３の実施形態と異なる点について主に説明する。

図７は、第４の実施形態に係る半導体モジュールの断面図である。図７に示すように、第４の実施形態に係る半導体モジュールは、第３の実施形態に係る半導体モジュールと同様に、絶縁基板１と、半導体素子２と、ベース板３と、ケース４と、封止樹脂５と、蓋６とを有している。

また、第４の実施形態に係る半導体モジュールは、第３の実施形態に係る半導体モジュールと同様に、絶縁基板１の裏面１ｂ側における回路パターン１２の端部が、絶縁基板１の表面１ａ側における回路パターン１２の端部より内側に位置している。

しかしながら、第４の実施形態に係る半導体モジュールにおいては、第３の実施形態に係る半導体モジュールと異なり、コーティング部材７をさらに有している。コーティング部材７は、好ましくは、絶縁基板１の裏面１ｂとベース板３の間に充填されている。

以下に、第４の実施形態に係る半導体モジュールの効果について説明する。
第４の実施形態に係る半導体モジュールにおいては、コーティング部材７が、絶縁基板１とベース板３の間における絶縁破壊Ｂの進展経路上に充填されている。コーティング部材７は、封止樹脂５よりも、絶縁破壊電圧が高い。また、コーティング部材７は、封止樹脂５よりも、絶縁基板１とベース板３との間において、絶縁不良が発生させにくい。そのため、第４の実施形態に係る半導体モジュールは、第３の実施形態に係る半導体モジュールよりも、より高い絶縁破壊電圧を確保することが可能になる。

（第５の実施形態）
以下に、第５の実施形態に係る半導体モジュールの構造について説明する。なお、ここでは、第１の実施形態と異なる点について主に説明する。

図８は、第５の実施形態に係る半導体モジュールの断面図である。図８に示すように、第５の実施形態に係る半導体モジュールは、第１の実施形態に係る半導体モジュールと同様に、絶縁基板１と、半導体素子２と、ベース板３と、ケース４と、封止樹脂５と、蓋６とを有している。

これに加え、第５の実施形態に係る半導体モジュールにおけるベース板３は、第１の実施形態に係る半導体モジュールと異なり、凸状段差部３２を有している。凸状段差部３２は、その周囲に対して、凸状の段差となる形状を有している。凸状段差部３２は、第２の接合部材３１を介して、絶縁基板１の裏面１ｂ側の回路パターン１２と接合されている。好ましくは、凸状段差部３２は、絶縁基板１の裏面１ｂ側の回路パターン１２と、平面視において同一の形状を有している。

凸状段差部３２は、ベース板３を加工することにより形成してもよい。また、凸状段差部３２は、低コスト化の観点から、ベース板３と別の部材を、ベース板３に接合することにより形成してもよい。なお、この場合、凸状段差部３２に用いられる材料として、例えば銅が用いられる。

以下に、第５の実施形態に係る半導体モジュールの効果について説明する。
上記のとおり、絶縁破壊Ｂが絶縁基板１の側面まで進展すると、絶縁破壊Ｂは、ベース板３に向かって進展する。かかる絶縁破壊Ｂは、絶縁基板１とベース板３との距離が大きくなるほど進展しにくくなる。

第５の実施形態に係る半導体モジュールにおいては、第１の実施形態に係る半導体モジュールと比較して、絶縁基板１とベース板３との距離Ｌが長くなる。そのため、第５の実施形態に係る半導体モジュールにおいては、第１の実施形態に係る半導体モジュールよりも、より絶縁破壊電圧を高めることが可能となる。

（第６の実施形態）
以下に、第６の実施形態に係る半導体モジュールの構造について説明する。なお、ここでは、第５の実施形態と異なる点について主に説明する。

図９は、第６の実施形態に係る半導体モジュールの断面図である。図９に示すように、第６の実施形態に係る半導体モジュールは、第５の実施形態に係る半導体モジュールと同様に、絶縁基板１と、半導体素子２と、ベース板３と、ケース４と、封止樹脂５と、蓋６とを有している。また、第６の実施形態に係る半導体モジュールにおけるベース板３は、第５の実施形態における半導体モジュールと同様に、凸状段差部３２を有している。

しかしながら、第６の実施形態に係る半導体モジュールにおいては、第５の実施形態に係る半導体モジュールと異なり、コーティング部材７をさらに有している。コーティング部材７は、好ましくは、絶縁基板１の裏面１ｂとベース板３の間に充填されている。

以下に、第６の実施形態に係る半導体モジュールの効果について説明する。
第６の実施形態に係る半導体モジュールにおいては、コーティング部材７が、絶縁基板１とベース板３の間における絶縁破壊Ｂの進展経路上に充填されている。コーティング部材７は、封止樹脂５よりも、絶縁破壊電圧が高い。また、コーティング部材７は、封止樹脂５よりも、絶縁基板１とベース板３との間において、絶縁不良が発生させにくい。そのため、第６の実施形態に係る半導体モジュールは、第５の実施形態に係る半導体モジュールよりも、より高い絶縁破壊電圧を確保することが可能になる。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 絶縁基板、１ａ 表面、１ｂ 裏面、１１ 絶縁層、１２ 回路パターン、２ 半導体素子、２１ 表面電極、２２ 裏面電極 ２３ 第１の接合部材、３ ベース板、３ａ 表面、３ｂ 裏面、３１ 第２の接合部材、３２ 凸状段差部、４ ケース、４１ 端子、４２ 配線部材、５ 封止樹脂、６ 蓋、７ コーティング部材、Ｂ 絶縁破壊、Ｌ 絶縁部材とベース板の距離、Ｔ１ 絶縁基板の表面側の回路パターンの厚さ、Ｔ２ 絶縁基板の裏面側の回路パターンの厚さ、Ｔ３ 第２の接合部材の厚さ。

Claims (8)

1. 表面と裏面とを有し、前記表面上及び前記裏面上に回路パターンを有する絶縁基板と、
   前記表面上の前記回路パターンに接合された半導体素子と、
   前記裏面上の前記回路パターンに接合されたベース板とを備え、
   前記裏面と前記ベース板との距離が、前記表面上の前記回路パターンの厚さよりも大きい、半導体モジュール。
2. 表面と裏面とを有し、前記表面上及び前記裏面上に回路パターンを有する絶縁基板と、
   前記表面上の前記回路パターンに接合された半導体素子と、
   前記裏面上の前記回路パターンに接合されたベース板とを備え、
   前記裏面上の前記回路パターンは、前記表面上の前記回路パターンよりも厚い、半導体モジュール。
3. 前記裏面と前記ベース板との距離が、０．５ｍｍ以上である、請求項１記載の半導体モジュール。
4. 前記裏面上の前記回路パターンの厚さが０．５ｍｍ以上である、請求項２記載の半導体モジュール。
5. 前記ベース板は、凸状段差部を有しており、
   前記ベース板は前記凸状段差部において前記裏面上の前記回路パターンと接合されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
6. 前記ベース板と接合され、前記絶縁基板及び前記半導体素子を取り囲むケースと、
   前記ケース及び前記ベース板により画される領域の内部を充填する封止樹脂とをさらに備えている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
7. 前記裏面と前記ベース板との間に充填されたコーティング材をさらに備える、請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
8. 前記裏面上の前記回路パターンの端は、前記表面上の前記回路パターンの端よりも内側に位置している、請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
   

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