JP2018032879A - 半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子を封止している樹脂成形品の外部に絶縁シートを配置し、その絶縁シートに損傷が生じることを抑制する。
【解決手段】半導体モジュール１０は、半導体装置５と絶縁シート４６と冷却器１３が積層された構造を有する。半導体装置５は、半導体素子５６と、半導体素子５６に接続されている伝熱板４６と、半導体素子５６と伝熱板４６を封止している樹脂成形品４８で構成されている。樹脂成形品４８の側面４８ｂは、樹脂成形品４８の絶縁シート４６に接触する接触面４８ａと直交する直交方向に対して、樹脂成形品４８の中心から離れるように傾斜している。直交方向に対する側面４８ｂの傾斜角は、３°以上１７°以下である。
【選択図】図３

Description

本明細書では、半導体装置と絶縁シートと冷却器が積層されている半導体モジュールを開示する。

特許文献１に、樹脂成形品で封止された半導体素子を備える半導体装置と冷却器とを積層し、発熱する半導体素子を冷却する技術が開示されている。特許文献１の技術では、半導体素子の熱を伝達する伝熱板が半導体装置（樹脂成形品）の表面に露出しており、その伝熱板を冷却器に固定している。

特開２０１１−２１６５６４号公報

伝熱性が良好な伝熱板は電気伝導性が高いことが多く、冷却性が良好な冷却器も電気伝導性が高いことが多い。特許文献１の技術では、半導体素子の電極と冷却器を電気的に絶縁するために、半導体素子の電極（実際には電極と導通しているヒートスプレッダ）と伝熱板の間に絶縁シートを設けている。すなわち、半導体素子を封止している樹脂成形品の内部に絶縁シートを配置している。絶縁シートは、樹脂製であり、半導体素子を樹脂成形品で封止するときに硬化される。

特許文献１は、半導体装置を冷却器に固定するために、接合材を用いて両者を固定している。樹脂製の絶縁シートを半導体装置の外部に配置し、その絶縁シートを硬化させることにより半導体装置と冷却器を固定すれば、接合材の使用を不要とすることができる。

しかしながら、絶縁シートを半導体装置（樹脂成形品）の外部に配置すると、樹脂成形品が熱膨張したときに、樹脂成形品から絶縁シートに引張応力あるいは剪断応力が加わり易くなる。絶縁シートに引張応力，剪断応力が加わると、絶縁シートが剥離したり、クラックが生じたりすることがある。本明細書では、半導体装置の外部に配置した絶縁シートに損傷が生じることを抑制する技術を開示する。

樹脂成形品は、絶縁シートに接触する接触面と、接触面に連続しているとともに絶縁シートから離反する向きに延びている側面を備えている。その側面の傾斜角が、絶縁シートに作用する応力に影響し、絶縁シートに損傷が発生し易いのか発生し難いのかに密接に影響することが判明した。

図６は、樹脂成形品４８と絶縁シート４６と冷却器１３の積層構造を例示している。樹脂成形品４８は、接触面４８ａ（その一部には図示しない伝熱板が露出している）と側面４８ｂを備えている。本明細書では、側面４８ｂの傾斜角について、接触面４８ａに直交する直交方向５７を基準にする（傾斜角をゼロとする）。そして直交方向５７に対して側面４８ｂが樹脂成形品４８の中心に向かうように傾斜しているときの傾斜角を負とし、直交方向５７に対して側面４８ｂが樹脂成形品４８の外側に向かうように傾斜しているときの傾斜角を正とする。研究の結果、図６に例示した側面４８ｂが３°以上１７°以下の角度範囲で正方向に傾斜しているときに、絶縁シート４６に損傷が発生し難く、高品質な樹脂成形品４８を量産できることが判明した。本明細書に記載の技術は、上記の知見に基づいて創作された。

本明細書で開示する半導体モジュールは、半導体装置と絶縁シートと冷却器が積層されている。半導体装置は、半導体素子と、その半導体素子に接続されている伝熱板と、半導体素子と伝熱板を封止している樹脂成形品で構成されている。樹脂成形品は、絶縁シートに接触する接触面と、絶縁シートから離反する側面を備えている。伝熱板は、接触面の一部に露出している。本明細書で開示する半導体モジュールでは、樹脂成形品の側面が、接触面と直交する直交方向に対して樹脂成形品の中心から離れるように傾斜している。直交方向に対する樹脂成形品の側面の傾斜角は、３°以上１７°以下である。

研究の結果、樹脂成形品の側面の傾斜角が＋１７°以下であると、樹脂成形品の熱膨張によって樹脂成形品から絶縁シートに加わる応力が低下し、絶縁シートの耐力以下に抑制されることが判明した。実際に、樹脂成形品の側面の傾斜角が＋１７°以下であると、絶縁シートの損傷を抑制することができる。樹脂成形品の側面の傾斜角が＋３°以上であれば、樹脂成形品を成形型から容易に抜き出すことができる。樹脂成形品の側面が３°以上１７°以下の角度範囲で正方向に傾斜していれば、絶縁シートに損傷が発生し難く、高品質な樹脂成形品（半導体装置）を量産できる。

本明細書で開示する半導体モジュールでは、樹脂成形品の側面と絶縁シートの双方に接触する樹脂部材を付加してもよい。その場合、半導体装置は、半導体素子と、その半導体素子に接続されている伝熱板と、半導体素子と伝熱板を封止している樹脂成形品で構成されている。樹脂成形品は、絶縁シートに接触する第１接触面と、絶縁シートから離反する側面を備えている。伝熱板は、第１接触面の一部に露出している。この場合、樹脂成形品の側面が、第１接触面と直交する直交方向に対して樹脂成形品の中心から離れるように傾斜している。また、直交方向に対する樹脂成形品の側面の傾斜角が、３°以上である。また、樹脂部材は、絶縁シートに接触する第２接触面と、絶縁シートにも樹脂成形品にも接しない表面を備えている。樹脂部材の表面が第２接触面と直交する方向に対して樹脂成形品の中心から離れる方向に傾斜しているときの傾斜角を正としたときに、直交方向に対する樹脂部材の表面の傾斜角が、１７°以下である。樹脂部材の表面の傾斜角が１７°以下であれば、絶縁シートに生じる応力の大きさが低下し、絶縁シートが損傷することを抑制することができる。この場合、樹脂成形品の側面の傾斜角を１７°より大きく成形することができる。

実施例１の半導体モジュールを用いた装置の斜視図を示す。 図１の装置の一部について、分解斜視図を示す。 図１のIII-III線に沿った断面図を示す。 実施例２の半導体モジュールの断面図を示す。 実施例３の半導体モジュールの断面図を示す。 樹脂成形品から絶縁シートに加わる応力の関係を説明するための図を示す。 樹脂成形品と絶縁シートが形成する角度と、成形品から絶縁シートに加わる力の関係を示す。

（第１実施例）
図１から図３を参照し、半導体モジュール１０と半導体モジュール１０を用いた電力変換器１００について説明する。なお、以下の説明では、実質的に同じ構造を有する部品について説明する場合、参照番号に付しているアルファベットを省略して説明することがある。

図１に示す力変換器１００は、直流電流を交流電流に変換する装置であり、例えば電気自動車に搭載される。電力変換器１００は、バッテリの出力電圧を昇圧する電圧コンバータと、昇圧された直流を交流に変換して走行用モータに供給するインバータを含んでいる。電力変換器１００は、複数の半導体装置５ａ〜５ｄを備えている。半導体装置５ａ〜５ｄの内部には、上記した電圧コンバータ，インバータ等を構成する半導体素子が収容されている。詳細は後述するが、半導体装置５ａ〜５ｄは、本実施例の半導体装置１０の一部を構成している。なお、半導体装置５の数は、必要に応じて増減することができる。詳細は後述するが、半導体装置５は、半導体素子と、半導体素子に接続されている伝熱板と、半導体素子と伝熱板を封止している樹脂成形品で構成されている。このような半導体装置は、パワーカードと呼ばれることもある。

電力変換器１００は、４個の半導体装置５（半導体装置５ａ〜５ｄ）と、５個の冷却器３（冷却器３ａ〜３ｅ）を備えている。Ｘ方向（積層方向）において、半導体装置５と冷却器３は、交互に積層されている。冷却器３ａの半導体装置が接していない面には、カバー４ａが取り付けられている。また、冷却器３ｅの半導体装置が接してない面には、カバー４ｂが取り付けられている。カバー４ａとカバー４ｂに対してＸ方向に圧縮力を加えることにより、冷却器３と半導体装置５が固定されている。詳細は後述するが、冷却器３の内部は空洞であり、冷却器３ａ〜３ｅは連通している。冷却器３には、冷媒供給管９１と冷媒排出管９２が接続されている。冷媒供給管９１から供給された冷媒は、冷却器３の内部を循環する間に半導体装置５を冷却し、冷媒排出管９２から排出される。冷媒は、典型的に、水あるいはＬＬＣ（Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）が用いられる。

図２は、図１の半導体装置５ａ，冷却器３ｂ及び半導体装置５ｂが積層している部分の分解斜視図である。なお、半導体装置５ａと半導体装置５ｂは仮想線で示している。冷却器３ｂは、樹脂製の冷却器本体３０と、一対の金属板１３ａ，１３ｂと、一対のガスケット１２ａ，１２ｂを備えている。金属板１３の材料として、銅，アルミニウム（Ａｌ），銅及び／又はアルミニウムを含む合金が用いられる。冷却器本体３０の内部に、冷媒が流れる流路Ｐｓが形成されている。冷却器本体３０には、両側の半導体装置５と対向する位置に開口３２ａ、３２ｂが設けられている。開口３２ａ、３２ｂは、流路Ｐｓと連通している。なお、図２では、後述する絶縁シート４６の図示を省略している。

冷却器本体３０のＹ方向（Ｘ方向に直交する方向であり、冷媒供給管９１と冷媒排出管９２を結ぶ方向）の一方の端部に、筒部３５ａが設けられている。筒部３５ａには、Ｘ方向の一端から他端に至る連通孔３４ａが設けられている。また、冷却器本体３０のＹ方向の他方の端部に、筒部３５ｂが設けられている。筒部３５ｂには、Ｘ方向の一端から他端に至る連通孔３４ｂが設けられている。連通孔３４ａ，３４ｂは、隣接する冷却器３（図１の冷却器３ａ，３ｃ）の筒部に設けられている連通孔と連通している。冷却器３ａ〜３ｅの構造は同一である。そのため、全ての冷却器３が連通しており、冷媒供給管９１から導入された冷媒が全ての冷却器に行き渡る。

金属板１３ａは、半導体装置５ａに固定されている。同様に、金属板１３ｂは、半導体装置５ｂに固定されている。なお、図２では図示を省略しているが、半導体装置５ａには、金属板１３ａの反対側に、冷却器３ａを構成する金属板１３ｂが固定されている（図１も参照）。半導体装置５ｂには、金属板１３ｂの反対側に、冷却器３ｃを構成する金属板１３ａが固定されている。半導体装置５と金属板１３との関係については後述する。

冷却器開口３２ａは、ガスケット１２ａを挟んで金属板１３ａによって塞がれる。冷却器開口３２ｂは、ガスケット１２ｂを挟んで金属板１３ｂによって塞がれる。金属板１３ａの流路Ｐｓ側の表面１５には、複数のフィン１４ａが設けられている。金属板１３ｂの流路Ｐｓ側の表面１５には、複数のフィン１４ｂが設けられている。フィン１４は、冷媒の流れの中に配置される。フィン１４を設けることにより、金属板１３と冷媒の接触面積が増大する。半導体装置５の熱は、金属板１３を介して冷媒に吸収される。

図３を参照し、半導体モジュール１０について説明する。図３は、図１の半導体装置５ｂの周囲の断面図を示している。半導体モジュール１０は、半導体装置５ｂと、絶縁シート４６ａ，４６ｂと、金属板１３ａ，１３ｂを備えている（図２も参照）。すなわち、半導体モジュール１０は、半導体装置５と、絶縁シート４６と、冷却器３の構成部品の一部（金属板１３）を備えている。金属板１３ａ，絶縁シート４６ａ，半導体装置５ｂ，絶縁シート４６ｂ，金属板１３ｂの順に積層されている。

半導体装置５ｂは、半導体素子５６ａと半導体素子５６ｂを備えている。半導体素子５６ａは、伝熱板４０ａと伝熱板５２ａの間に配置されている。半導体素子５６ｂは、伝熱板４０ｂと伝熱板５２ｂの間に配置されている。半導体素子５６ａ，５６ｂの各々は、ＩＧＢＴと、そのＩＧＢＴに並列に接続された帰還ダイオードを備えている。図示は省略するが、ＩＧＢＴのエミッタと帰還ダイオードのアノードが共通の電極に接続しており、ＩＧＢＴのコレクタと帰還ダイオードのカソードが共通の電極に接続している。

半導体素子５６ａのアノード電極（エミッタ電極）は、金属製の接合部材５４ａを介して伝熱板５２ａに接合されている。半導体素子５６ａのカソード電極（コレクタ電極）は、金属製の接合部材５８ａを介して金属製のスペーサ４４ａに接合されている。スペーサ４４ａは、金属製の接合部材４２ａを介して伝熱板４０ａに接合されている。半導体素子５６ｂのアノード電極（エミッタ電極）は、金属製の接合部材５４ｂを介して伝熱板５２ｂに接合されている。半導体素子５６ｂのカソード電極（コレクタ電極）は、金属製の接合部材５８ａを介して金属製のスペーサ４４ｂに接合されている。スペーサ４４ｂは、金属製の接合部材４２ｂを介して伝熱板４０ｂに接合されている。伝熱板４０ａは金属製の接合部材６０ａを介して金属製のリード４５に接合されている。また、伝熱板５２ｂは接合部材６０ｂを介して金属製のリード４５に接合されている。すなわち、伝熱板４０ａと伝熱板５２ｂは、電気的に接続されている。半導体素子５６ａと半導体素子５６ｂは、直列に接続されている。接合部材４２，５４，５８及び６０は、はんだである。伝熱板４０，５２及びスペーサ４４の材料は銅（Ｃｕ）である。

半導体素子５６ａ，５６ｂは、樹脂製の第１成形品４８で封止されている。第１成形品４８の一方の表面が、絶縁シート４６ａを介して金属板１３ａ（冷却器３の一部）に接合されている。また、第１成形品４８の他方の表面が、絶縁シート４６ｂを介して金属板１３ｂに接合されている。すなわち、第１成形品４８の両面が、絶縁シート４６を介して金属板１３に接合されている。これにより、半導体装置５の両面が冷却器３によって冷却される。伝熱板４０ａ，４０ｂ，５２ａ及び５２ｂは、表面を除くほぼ全体が第１成形品４８に覆われている。伝熱板４０ａ，４０ｂ，５２ａ及び５２ｂは、一部が第１成形品４８に覆われているとともに、金属板１３に対向する表面（絶縁シート４６に接する表面）が第１成形品４８から露出している。すなわち、伝熱板４０ａ，４０ｂ，５２ａ及び５２ｂは、半導体装置５と絶縁シート４６が接触する接触面４８ａの一部に露出している。第１成形品４８は、樹脂成形品の一例である。金属板１３の材料として、銅，アルミニウム（Ａｌ），銅及び／又はアルミニウムを構成元素として含む合金が用いられる。

第１成形品４８の側面４８ｂ（第１成形品４８のＹ方向の面）は、絶縁シート４６から離反している。側面４８ｂは、Ｘ方向の中心に向かうに従って、Ｙ方向のサイズが大きくなっている。より具体的には、第１成形品４８のＹ方向のサイズは、Ｘ方向の端部で最も小さく、Ｘ方向の中点で最も大きい。側面４８ｂは、接触面４８ａに対してテーパー状である。すなわち、第１成形品４８のＹ方向のサイズは、接触面４８ａの外縁からＸ方向の中点に向けて、一定の割合で増加している。第１成形品４８のＸ方向の両端部（接触面４８ａ）の面積は等しい。第１成形品４８の材料として、エポキシ系樹脂，ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂が用いられる。

絶縁シート４６（絶縁シート４６ａ，４６ｂ）は、樹脂製である。絶縁シートは、伝熱板４０と金属板１３（冷却器３の一部）の間に配置されている。絶縁シート４６は、伝熱板４０と金属板１３を絶縁している。また、絶縁シート４６は、金属板１３と、第１成形品４８及び伝熱板４０とを接合している。絶縁シート４６のサイズは、第１成形品４８の接触面４８ａのサイズより大きい。すなわち、絶縁シート４６の第１成形品４８と接する側の面積は、第１成形品４８の表面（接触面４８ａ）の面積より大きい。また、絶縁シート４６の金属板１３と接する側の面積は、金属板１３の表面（絶縁シート４６と接する面）の面積より小さい。絶縁シート４６の材料として、エポキシ系樹脂，ポリイミド系樹脂等が用いられる。

絶縁シート４６は、金属板１３と伝熱板４０を絶縁しているとともに、金属板１３と半導体装置５を接合している。金属板１３と半導体装置５の間に絶縁シート４６を配置し、金属板１３と半導体装置５の間に荷重を加えることにより、金属板１３と半導体装置５を接合することができる。より具体的には、半導体装置５（半導体装置５ａ〜５ｄ）と、冷却器３（冷却器３ａ〜３ｅ）を交互に積層した状態で、冷却器３ａと冷却器３ｅの間（より正確には、カバー４ａとカバー４ｂの間）に圧縮力を加えることにより、金属板１３と半導体装置５を接合することができる（図１も参照）。上記したように、金属板１３は、冷却器３の一部である。そのため、半導体装置５は、冷却器３に固定されているといえる。なお、第１成形品４８のＸ方向の両端部の面積は等しいので、第１成形品４８と絶縁シート４６ａの接触面４８ａの面積と、第１成形品４８と絶縁シート４６ｂの接触面４８ａの面積は等しい。

図３の仮想線７０は、第１成形品４８と絶縁シート４６の接触面４８ａに直交する直交方向に伸びる線分を示している。また、仮想線７２は、第１成形品４８の側面４８ｂに沿って伸びる線分を示している。半導体モジュール１０では、第１成形品４８の側面４８ｂが、接触面４８ａに直交する直交方向（仮想線７０が伸びる方向）に対して第１成形品４８の中心から離れるように傾斜している。また、第１成形品４８は、側面４８ｂの傾斜角θ１が３°以上１７°以下になるように形成されている。なお、本明細書でいう「角度，傾斜角」は鋭角のことをいう。

半導体モジュール１０の利点について説明する。上記したように、半導体モジュール１０では傾斜角θ１が３°以上１７°以下に調整されている。半導体素子５６を第１成形品４８で封止する場合、金属板１３と対向する面を平坦にするために、Ｘ方向に分割する金型の内部に樹脂を注入して半導体素子５６を封止する。この場合、例えば傾斜角θ１が３°より小さいと、半導体装置５（樹脂が硬化した後の第１成形品４８）を金型から分離することが困難になる。傾斜角θ１を３°以上にすることによって、半導体装置５と金型の離型性を良好にすることができる。また、傾斜角θ１を１７度以下にすることにより、絶縁シート４６が損傷することを抑制することができる。以下、傾斜角θ１を１７度以下にすることによって絶縁シート４６の損傷が抑制できる理由について、図７を参照して説明する。

図７は、ポリイミド系の樹脂シートを絶縁シート４６として用いたときの、傾斜角θ１と第１成形品４８が熱膨張したときに第１成形品から絶縁シート４６に加わる応力の関係を示している。横軸は傾斜角θ１（度）を示し、縦軸は絶縁シート４６に加わる応力（Ｍｐａ）を示している。直線８０は絶縁シート４６に加わる垂直引張応力を示し、直線８２は絶縁シート４６に加わる剪断応力を示している。

図７に示すように、傾斜角θ１が１７度以下の場合、絶縁シート４６に加わる応力（垂直引張応力及び剪断応力）が１８Ｍｐａより小さい。上記したように、絶縁シート４６は、金属板１３と第１成形品４８を絶縁するとともに、両者を接合している。このような特性を有する絶縁シートとして、ポリイミド系の樹脂シート，エポキシ系の樹脂シートが挙げられる。ポリイミド系の樹脂シートの強度（引張強度、剪断強度）は１８ＭＰａであり、ポリイミド系の樹脂シートの強度は２０ＭＰａである。そのため、例えば絶縁シート４６としてポリイミド系の樹脂シートを用いた場合、絶縁シート４６に１８Ｍｐａより大きい力が加わると、絶縁シート４６が破損することがある。図７から明らかなように、傾斜角θ１が１７度以下であれば、絶縁シート４６に加わる力を、絶縁シート４６に破損が生じる力（ポリイミド系の樹脂シートの強度）より小さくすることができる。なお、絶縁シート４６としてエポキシ系の樹脂シートを用いた場合であっても、傾斜角θ１を１７度以下であれば、絶縁シート４６に加わる力を、絶縁シート４６に破損が生じる力（２０ＭＰａ）より小さくすることができる。傾斜角θ１が１７度以下に調整することにより、絶縁シート４６が破損すことを防止することができる。

図３に示すように、半導体モジュール１０には、冷却器３の一部（金属板１３，フィン１４）が予め取り付けられている。そのため、冷却器３を組み立てると、冷却器３に対する半導体装置５の位置が一義的に決定する。冷却器３に対する半導体装置５の位置合わせを不要にすることができる。なお、上記したように、半導体装置５と冷却器３は、積層方向の両端に存在する冷却器３（冷却器３ａと冷却器３ｅ）の間に圧縮力を加えることにより接合されている。積層方向の両端に存在する冷却器の間に圧縮力を加える工程は、絶縁シートが樹脂成形品の内部に配置されている形態（従来技術）でも実施される。本実施例で開示する半導体モジュール１０は、従来技術に対して工程数を増やすことなく、絶縁シート４６を樹脂成形品４８の外部に配置し、絶縁シート４６の硬化を利用して半導体装置５の両面に冷却器３を固定することができる。半導体装置５と冷却器３の間に、両者を接合するためのだけの接合材（グリス等）を用いることを省略することができる。また、絶縁シート４６を樹脂成形品４８の外部に配置することにより、絶縁シート４６の材料として熱伝導率の高い材料を選択したり、絶縁シート４６の厚みを薄くする等、絶縁シート４６そのものの熱伝導性を高くすることができる。

（第２実施例）
図４を参照し、半導体モジュール２１０について説明する。半導体モジュール２１０は、半導体モジュール１０の変形例である。そのため、半導体モジュール２１０については、半導体モジュール１０と同じ部品には同一又は下二桁が同じ参照番号を付し、説明を省略することがある。半導体モジュール２１０は、半導体装置５（５ｂ）の周囲の構造が、半導体モジュール１０と異なる。なお、半導体モジュール２１０は、半導体モジュール１０と同様に、電力変換器の部品として使用することができる（図１も参照）。

半導体モジュール２１０は、第１成形品４８と第２成形品７８を備えている。第１成形品４８，及び、第１成形品４８の内部の構造は、半導体モジュール１０と同一である。第２成形品７８は、第１成形品４８の側面４８ｂと絶縁シート４６の双方に接触している。より具体的には、第２成形品７８は、絶縁シート４６の表面と、第１成形品４８の側面４８ｂの一部を覆っている。また、第２成形品７８は、絶縁シート４６と第１成形品４８のどちらにも接しない表面７８ａを備えている。第２成形品７８は、半導体装置５と絶縁シート４６の接触範囲（すなわち接触面４８ａ）の周りを一巡している。第２成形品７８は、樹脂部材の一例である。

半導体モジュール２１０では、第１成形品４８が絶縁シート４６と接触している部分において、第２成形品７８が、第１成形品４８の周りを覆っている。第２成形品７８は、絶縁シート４６を用いて第１成形品４８と金属板１３を接合した後、第１成形品４８と絶縁シート４６の接触部分にポッティング樹脂を塗布することにより形成される。すなわち、第２成形品７８は、半導体素子５６を第１成形品４８で封止し、封止後の半導体素子５６（すなわち、第１成形品４８）を金型から取り出した後に形成される。なお、第２成形品７８（ポッティング樹脂）の材料として、エポキシ系樹脂，ポリイミド系樹脂等が用いられる。

上記したように、第１成形品４８が絶縁シート４６と接触している部分において、第１成形品４８が第２成形品７８に覆われている。そのため、第１成形品４８及び第２成形品７８が熱膨張すると、第１成形品４８及び第２成形品７８の熱膨張による力は、第２成形品７８と絶縁シート４８の接触面７８ａの外縁部分に集中する。

図４の仮想線７１は、第２成形品７８と絶縁シート４６の接触面７８ａに直交する直交方向に伸びる線分を示している。また、仮想線７３は、第２成形品７８の表面４８ｂに沿って伸びる線分を示している。ここで、表面４８ｂが直交方向に対して第１成形品４８の中心から離れる方向に傾斜しているときの傾斜角を正とし、表面４８ｂが直交方向に対して第１成形品４８の中心に向かう方向に傾斜しているときの傾斜角を負とすると、表面４８ｂの傾斜角θ２は負の値となる。上記したように、半導体モジュール１０において、傾斜角θ１が１７°以下の場合、第１成形品４８から絶縁シート４６に加わる力を、絶縁シート４６に破損が生じる力より小さくすることができる（図７も参照）。この現象は、第２成形品７８と絶縁シート４６にも当てはまる。すなわち、傾斜角θ２が１７°以下であれば、第２成形品７８から絶縁シート４６に加わる力を、絶縁シート４６に破損が生じる力より小さくすることができる。

図７から明らかなように、傾斜角θ（θ１，θ２）と絶縁シートに加わる力は比例関係にある。この現象は、傾斜角θが負の値であっても当てはまる。特に、傾斜角θ２が−１５°以下になると、成形品（第１成形品４８，第２成形品７８）から絶縁シート４６に対して圧縮力が加わり、成形品と絶縁シート４６を剥離し難くすることができる。なお、上記したように、半導体モジュール２１０は、傾斜角θ１が３°以上に調整されている。そのため、半導体モジュール１０と同様に、第１成形品４８と金型の離型性を良好にすることができる。また、半導体モジュール２１０は、第１成形品４８及び第２成形品７８の熱膨張による力は、第２成形品７８の外縁部分に集中する。そのため、傾斜角θ１が１７°以上であっても、絶縁シート４６が破損することを防止することができる。換言すると、第２成形品７８を用いることにより、第１成形品４８の傾斜角θ１を１７°以上にすることができる。第１成形品４８と金型の離型性をより良好にすることができる。

（第３実施例）
図５を参照し、半導体モジュール３１０について説明する。半導体モジュール３１０は、半導体モジュール２１０の変形例であり、半導体装置５（５ｂ）の周囲の構造が、半導体モジュール２１０と異なる。半導体モジュール３１０について、半導体モジュール２１０と同一の構造については、同一又は下二桁が同一の参照番号を付すことにより、説明を省略することがある。

図５に示すように、第２成形品３７８は、絶縁シート４６の表面全体を覆い、金属板１３の表面の一部も覆っている。換言すると、絶縁シート４６は、第２成形品３７８よって封止されている。そのため、第２成形品３７８の端部は、絶縁シート４６の表面に位置しない。そのため、第１成形品４８及び第２成形品３７８が熱膨張しても、絶縁シート４６の表面に力が集中しない。絶縁シート４６が損傷することをより確実に抑制することができる。また、第２成形品３７８が第１成形品４８と金属板１３の双方に接触し、第１成形品４８と金属板１３の接合強度をより高くすることができる。

上記したように、第２成形品７８（ポッティング樹脂）の材料として、エポキシ系樹脂，ポリイミド系樹脂等が用いられる。第２成形品７８として、線膨張係数が第１成形品４８の線膨張係数より大きく、金属板１３の線膨張係数より小さい材料を用いている。例えば、第１成形品４８の材料がエポキシ系樹脂であり、金属板１３の材料がアルミニウムの場合、エポキシ系樹脂（線膨張係数１４ｐｐｍ／Ｋ）とアルミニウム（線膨張係数２３ｐｐｍ／Ｋ）の間の熱膨張係数を有するポリイミド系樹脂を用いる。なお、第２成形品３７８は、ポッティング樹脂を半導体モジュール２１０よりも多く使用することにより形成することができる。

なお、上記実施例では、半導体装置５の両面に冷却器３（金属板１３）が固定されている形態について説明した。しかしながら、本明細書で開示する技術は、半導体装置５の片面に絶縁シート４６を介して冷却器３が固定されている形態にも適用することができる。重要なことは、半導体モジュール１０の場合、第１成形品４８の側面４８ｂが、第１成形品４８と絶縁シート４６の接触面４８ａに直交する直交方向に対して第１成形品４８の中心から離れるように傾斜しており、直交方向に対する側面４８ｂの傾斜角θ１が、３°以上で１７°以下になるように第１成形品４８が形成されていることである。また、半導体モジュール２１０，３１０の場合、第１成形品４８の側面４８ｂの傾斜角θ１が３°以上であり、第２成形品７８（３７８）と絶縁シート４６の接触面７８ａ（３７８ａ）に直交する直交方向に対して、第２成形品４８の表面７８ｂ（３７８ｂ）の傾斜角θ２が１７°以下であることである。

以下、本明細書で開示する半導体モジュールの技術的特徴の幾つかを記す。なお、以下に記す事項は、各々単独で技術的な有用性を有している。

半導体モジュールは、半導体装置と絶縁シートと冷却器が積層されている。半導体装置は、半導体素子と、その半導体素子に接続されている伝熱板と、半導体素子と伝熱板を封止している樹脂成形品で構成されていてよい。樹脂成形品は、絶縁シートに接触する接触面と絶縁シートから離反する側面を備えていてよい。伝熱板は、樹脂成形品と絶縁シートの接触面の一部に露出していてよい。伝熱板は、半導体素子の電極と導通していてもよい。なお、伝熱板は、半導体素子の電極と直接接続されていてもよいし、他の部品を介して間接的に接続されていてもよい。半導体装置は、完成した冷却器ではなく、冷却器を構成する部品の一部に固定されていてよい。絶縁シートの面積は、半導体装置の絶縁シートに接触する接触面より広くてよい。また、冷却器の面積は、絶縁シートの冷却器に接触する接触面より広くてよい。

樹脂成形品の側面（半導体装置の側面）は、テーパー状であってよい。樹脂成形品の側面は、樹脂成形品と絶縁シートの接触面に直交する直交方向に対して、樹脂成形品の中心から離れるように傾斜していてよい。直交方向に対する樹脂成形品の側面の傾斜角は、ら３°以上１７°以下であってよい。換言すると、樹脂成形品の絶縁シートに接触する表面と、樹脂成形品の側面との角度が、９３°以上１０７°以下であってよい。

半導体モジュールは、樹脂成形品の側面と絶縁シートの表面の双方に接触する樹脂部材を備えていてもよい。樹脂部材は、樹脂成形品の側面を一巡していてもよい。あるいは、樹脂部材は、樹脂成形品の側面に部分的に設けられていてもよい。この樹脂部材は、絶縁シートに接触する接触面と、絶縁シートにも樹脂成形品にも接しない表面を備えていてよい。樹脂部材は、冷却器に接していてもよい。この場合、樹脂部材は、樹脂成形品と絶縁シートの接触面の外側において、絶縁シートを覆っていてよい。樹脂部材の線膨張係数は、樹脂成形品の線膨張係数より大きく、冷却器の線膨張係数のより小さくてよい。

樹脂部材を備える半導体モジュールにおいて、樹脂成形品と絶縁シートの接触面を第１接触面とし、樹脂部材と絶縁シートの接触面を第２接触面としたときに、樹脂成形品の側面が、第１接触面と直交する直交方向に対して樹脂成形品の中心から離れるように傾斜しており、直交方向に対する樹脂成形品の側面の傾斜角が３°以上であってよい。また、樹脂部材の表面が第２接触面と直交する直交方向に対して樹脂成形品の中心から反れる方向に傾斜しているときの傾斜角を正（樹脂部材の表面が第２接触面と直交する直交方向に対して樹脂成形品の中心に向かう方向に傾斜しているときの傾斜角を負）としたときに、直交方向に対する樹脂部材の表面の傾斜角が、１７°以下であってよい。換言すると、樹脂成形品の絶縁シートに接触する表面と樹脂成形品の側面との角度が９３°以上であり、樹脂部材の絶縁シートに接触する表面と樹脂部材絶縁シートにも樹脂成形品にも接しない表面との角度が１０７°以下であってよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、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み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組み合わ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の目的を同時に達成するものであり、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。

３：冷却器
５：半導体装置
１０：半導体モジュール
４０：伝熱板
４６：絶縁シート
４８：樹脂成形品
４８ａ：接触面
４８ｂ：樹脂成形品の側面
５２：伝熱板

しかしながら、絶縁シートを半導体装置（樹脂成形品）の外部に配置すると、樹脂成形品が熱膨張したときに、樹脂成形品から絶縁シートに引張応力あるいは剪断応力が加わり易くなる。絶縁シートに引張応力，剪断応力が加わると、絶縁シートが剥離したり、クラックが生じたりすることがある。特許文献１の半導体装置は、半導体素子を表裏面から冷却するタイプである。本明細書では、半導体素子を表裏面から冷却するタイプの半導体装置において、半導体装置の外部に配置した絶縁シートに損傷が生じることを抑制する技術を開示する。

図６は、樹脂成形品４８と絶縁シート４６と冷却器１３の積層構造を例示している。樹脂成形品４８は、接触面４８ａ（その一部には図示しない伝熱板が露出している）と側面４８ｂを備えている。本明細書では、側面４８ｂの傾斜角について、接触面４８ａに直交する直交方向５７を基準にする（傾斜角をゼロとする）。そして直交方向５７に対して側面４８ｂが樹脂成形品４８の中心に向かうように傾斜しているときの傾斜角を負とし、直交方向５７に対して側面４８ｂが樹脂成形品４８の外側に向かうように傾斜しているときの傾斜角を正とする。研究の結果、図６に例示した側面４８ｂが３°以上１７°以下の角度範囲で正方向に傾斜しているときに、絶縁シート４６に損傷が発生し難く、高品質な樹脂成形品４８を量産できることが判明した。本明細書に記載の技術の一形態は、上記の知見に基づいて創作された。

本明細書で開示する半導体モジュールの一形態は、半導体装置と絶縁シートと冷却器が積層されている。半導体装置は、半導体素子と、その半導体素子に接続されている伝熱板と、半導体素子と伝熱板を封止している樹脂成形品で構成されている。樹脂成形品は、絶縁シートに接触する接触面と、絶縁シートから離反する側面を備えている。伝熱板は、接触面の一部に露出している。本明細書で開示する半導体モジュールでは、樹脂成形品の側面が、接触面と直交する直交方向に対して樹脂成形品の中心から離れるように傾斜している。直交方向に対する樹脂成形品の側面の傾斜角は、３°以上１７°以下である。

本明細書で開示する半導体モジュールでは、樹脂成形品の側面と絶縁シートの双方に接触する樹脂部材を付加してもよい。その場合、半導体装置は、半導体素子と、その半導体素子に接続されている伝熱板と、半導体素子と伝熱板を封止している樹脂成形品で構成されている。樹脂成形品は、絶縁シートに接触する第１接触面と、絶縁シートから離反する側面を備えている。伝熱板は、第１接触面の一部に露出している。この場合、樹脂成形品の側面が、第１接触面と直交する直交方向に対して樹脂成形品の中心から離れるように傾斜している。また、直交方向に対する樹脂成形品の側面の傾斜角が、３°以上である。また、樹脂部材は、絶縁シートに接触する第２接触面と、絶縁シートにも樹脂成形品にも接しない表面を備えている。樹脂部材の表面が第２接触面と直交する方向に対して樹脂成形品の中心から離れる方向に傾斜しているときの傾斜角を正としたときに、直交方向に対する樹脂部材の表面の傾斜角が、１７°以下である。樹脂部材の表面の傾斜角が１７°以下であれば、絶縁シートに生じる応力の大きさが低下し、絶縁シートが損傷することを抑制することができる。この場合、樹脂成形品の側面の傾斜角を１７°より大きく成形することができる。
また、本明細書で開示する半導体モジュールの他の一形態は、半導体装置と絶縁シートと冷却器が第１方向に積層されている。半導体装置は、半導体素子と、その半導体素子の第１方向の表裏面に配置されているとともにその半導体素子に接続されている一対の伝熱板と、半導体素子と伝熱板を封止している樹脂成形品で構成されている。樹脂成形品は、第１方向において絶縁シートに接触する接触面と、絶縁シートから離反する側面を備えている。一対の伝熱板の各々が、第１方向において接触面の一部に露出している。本明細書で開示する半導体モジュールの他の一形態では、樹脂成形品の側面が、第１方向に対して樹脂成形品の中心から離れるように傾斜している。

Claims (4)

1. 半導体装置と絶縁シートと冷却器が積層されており、
   前記半導体装置は、半導体素子と、その半導体素子に接続されている伝熱板と、前記半導体素子と前記伝熱板を封止している樹脂成形品で構成されており、
   前記樹脂成形品は、前記絶縁シートに接触する接触面と前記絶縁シートから離反する側面を備えており、
   前記伝熱板が、前記接触面の一部に露出しており、
   前記側面が、前記接触面と直交する直交方向に対して前記樹脂成形品の中心から離れるように傾斜しており、
   前記直交方向に対する前記側面の傾斜角が、３°以上１７°以下である半導体モジュール。
2. 半導体装置と絶縁シートと冷却器が積層されており、
   前記半導体装置は、半導体素子と、その半導体素子に接続されている伝熱板と、前記半導体素子と前記伝熱板を封止している樹脂成形品で構成されており、
   前記樹脂成形品は、前記絶縁シートに接触する第１接触面と前記絶縁シートから離反する側面を備えており、
   前記伝熱板が、前記第１接触面の一部に露出しており、
   前記側面が、前記第１接触面と直交する直交方向に対して前記樹脂成形品の中心から離れるように傾斜しており、
   前記直交方向に対する前記側面の傾斜角が、３°以上であり、
   前記側面と前記絶縁シートの双方に接触する樹脂部材が設けられており、
   前記樹脂部材は、前記絶縁シートに接触する第２接触面と、前記絶縁シートにも前記樹脂成形品にも接しない表面を備えており、
   前記表面が前記第２接触面と直交する直交方向に対して前記樹脂成形品の中心から離れる方向に傾斜しているときの傾斜角を正としたときに、前記直交方向に対する前記表面の傾斜角が、１７°以下である半導体モジュール。
3. 前記第１接触面より前記絶縁シートが広く、前記絶縁シートより前記冷却器が広く、
   前記樹脂部材が、前記樹脂成形品と前記絶縁シートと前記冷却器に接している請求項２に記載の半導体モジュール。
4. 前記樹脂部材の線膨張係数が、前記樹脂成形品の線膨張係数より大きく、前記冷却器の線膨張係数のより小さい請求項３に記載の半導体モジュール。

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