JP2019145573A - 半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 温度検出ダイオードと上部電極の外周縁に加わる熱応力を抑制することが可能な半導体モジュールを提案する。【解決手段】 半導体モジュールは、半導体チップ、第１導体板、第２導体板、はんだ層、放熱板を有している。半導体チップは、半導体基板、半導体基板の上面に設けられた温度検出ダイオード、温度検出ダイオードを覆うように半導体基板の上面に設けられた上部電極を備えている。第１導体板は、温度検出ダイオードを覆うように上部電極上に配置されている。第２導体板は、第１導体板の上面に接続されている第１部分と、第１導体板に覆われていない範囲の上部電極に対向している第２部分とを備えている。はんだ層は、上部電極を、第１導体板の下面及び第２部分の下面に接続している。放熱板は、第２導体板の上面に接続されている。第２部分が上部電極の外周縁に対向している。【選択図】図１

Description

本明細書に開示の技術は、半導体モジュールに関する。

特許文献１の半導体モジュールは、半導体チップの上部電極が導体板を介して放熱板に接続された構造を有している。上部電極は、はんだ層を介して導体板に接続されている。導体板と半導体チップとの線膨張係数の差によって、導体板と半導体チップの間で熱応力が生じる。上部電極の外周縁は、熱応力に対して弱く、クラックが発生し易い。この半導体モジュールでは、導体板を上部電極の面積よりも小さくすることで、上部電極の外周縁に加わる熱応力を抑制している。

特開２０１６−１９７７０６号公報

半導体チップが、温度検出ダイオードを有している場合がある。この種の温度検出ダイオードは、半導体基板と上部電極との間に設けられる。温度検出ダイオードを有する半導体チップの上部電極に対して、上部電極よりも面積が小さい導体板を接続すると、半導体チップの厚さ方向に沿って見たときに導体板の外周縁が温度検出ダイオードと重なる場合がある。導体板の外周縁近傍では、高い熱応力が生じやすい。導体板の外周縁が温度検出ダイオードと重なると、温度検出ダイオードに高い熱応力が加わる。これによって、温度検出ダイオードの信頼性が低下する。本明細書では、温度検出ダイオードに加わる熱応力を抑制するとともに、上部電極の外周縁に加わる熱応力を抑制することが可能な半導体モジュールを提案する。

本明細書が開示する半導体モジュールは、半導体チップと、第１導体板と、第２導体板と、はんだ層と、放熱板を有している。半導体チップは、半導体基板と、前記半導体基板の上面に設けられた温度検出ダイオードと、前記温度検出ダイオードを覆うように前記半導体基板の上面に設けられた上部電極を備えている。第１導体板は、前記温度検出ダイオードを覆うように前記上部電極上に配置されている。第２導体板は、前記第１導体板よりも広い面積を有している。第２導体板は、前記第１導体板の上面に接続されている第１部分と、前記第１導体板に覆われていない範囲の前記上部電極に対向している第２部分とを備えている。はんだ層は、前記上部電極を、前記第１導体板の下面及び前記第２部分の下面に接続している。前記放熱板は、前記第２導体板の上面に接続されている。前記第２部分が前記上部電極の外周縁に対向している。

この半導体モジュールでは、面積が小さい第１導体板が、温度検出ダイオードを覆うように配置されている。つまり、第１導体板の外周縁は、温度検出ダイオードの外周縁と重ならない位置に配置されている。このため、温度検出ダイオードに加わる応力が抑制される。また、第２導体板の第２部分は第１導体板に覆われていない範囲の上部電極に対向している。このため、第２部分と上部電極の間に配置されているはんだ層は厚い。厚いはんだ層によって、熱応力が緩和される。したがって、厚いはんだ層を介して第２部分に接続されている範囲の上部電極（特に、上部電極の外周縁）に加わる応力が抑制される。このように、この半導体モジュールの構成によれば、温度検出ダイオードに加わる熱応力を抑制するとともに、上部電極の外周縁に加わる熱応力を抑制することができる。また、この半導体モジュールでは、上部電極の外周縁と対向する位置まで第２導体板が配置されているので、上部電極の広範囲を介して半導体チップから放熱することができる。したがって、この構成によれば、半導体チップから効率的に放熱することができる。

半導体モジュール１０の縦断面図。 半導体チップ３０の平面図。 半導体チップ３０上における第１導体板２６の位置を示す平面図。 半導体チップ３０上における第２導体板２４の位置を示す平面図。

図１に示す実施形態の半導体モジュール１０は、上部放熱板２０、第１導体板２６、第２導体板２４、半導体チップ３０、下部放熱板３４、封止樹脂３６を有している。

半導体チップ３０は、半導体基板４０、上部電極４２、下部電極４４、及び、温度検出ダイオード４６を有している。半導体基板４０は、シリコン等の半導体によって構成された基板である。半導体基板４０の内部には、スイッチング素子等が形成されている。

温度検出ダイオード４６は、半導体基板４０の上面に設けられている。より詳細には、温度検出ダイオード４６は、半導体基板４０の上面に設けられたポリシリコン層によって構成されている。温度検出ダイオード４６の順方向電圧降下は、温度によって変化する。したがって、温度検出ダイオード４６は、半導体基板４０の温度を検出する温度センサとして機能する。

上部電極４２は、半導体基板４０の上面に設けられている。上部電極４２は、温度検出ダイオード４６を覆っている。上部電極４２は、半導体基板４０の上面において半導体基板４０に対して電気的に接続されている。

図２は、半導体チップ３０の上面図を示している。図２に示すように、半導体基板４０の上面の略中央に、上部電極４２が設けられている。温度検出ダイオード４６は、上部電極４２の角部近傍に配置されている。また、半導体基板４０の上面には、上部電極４２の隣に複数の信号電極４８が設けられている。図示していないが、各信号電極４８は、ボンディングワイヤー等によって、図示しない端子に接続されている。

下部電極４４は、半導体基板４０の下面全体を覆っている。下部電極４４は、半導体基板４０の下面において半導体基板４０に対して電気的に接続されている。

下部放熱板３４は、はんだ層３２を介して、下部電極４４に接続されている。下部放熱板３４は、半導体チップ３０から放熱する放熱板として機能するとともに、半導体チップ３０に電流を流すための導体板としても機能する。

第１導体板２６は、略矩形の板状の金属板（例えば、銅板）である。第１導体板２６は、半導体チップ３０の上方に配置されている。図３に示すように、半導体基板４０の厚み方向に沿って見たときに、第１導体板２６の面積は、上部電極４２の面積よりも小さい。半導体基板４０の厚み方向に沿って見たときに、第１導体板２６は、温度検出ダイオード４６全体と重なるように配置されている。したがって、半導体基板４０の厚み方向に沿って見たときに、第１導体板２６の外周縁は、温度検出ダイオード４６と重ならない（すなわち、第１導体板２６の外周縁は、温度検出ダイオード４６を横切らない）。半導体基板４０の厚み方向に沿って見たときに、第１導体板２６の外周縁の一部が上部電極４２の外周縁の一部と重なる、または、第１導体板２６の一部が上部電極４２の外周縁よりも外側にはみ出すように、第１導体板２６は配置されている。すなわち、第１導体板２６は、上部電極４２の外周縁と重なるように配置されている。

第２導体板２４は、略矩形の板状の金属板（例えば、銅板）である。第２導体板２４は、第１導体板２６の上方に配置されている。図３、４に示すように、半導体基板４０の厚み方向に沿って見たときに、第２導体板２４の面積は、第１導体板２６の面積よりも大きい。図４に示すように、半導体基板４０の厚み方向に沿って見たときに、第２導体板２４の外周縁が上部電極４２の外周縁と一致する、または、第２導体板２４が上部電極４２の外周縁よりも外側にはみ出すように、第２導体板２４は配置されている。すなわち、第２導体板２４は、上部電極４２の外周縁全体と重なるように配置されている。図１に示すように、第２導体板２４は、その下部に第１導体板２６が存在する第１部分２４ａと、その下部に第１導体板２６が存在しない第２部分２４ｂを有している。第１部分２４ａは、第１導体板２６の上面に接続されている。第１部分２４ａは、はんだ等の接続部材によって第１導体板２６の上面に接続されていてもよいし、他の接続方法によって第１導体板２６の上面に接続されていてもよい。第２部分２４ｂは、第１導体板２６に覆われていない範囲の上部電極４２に対向している。第２部分２４ｂは、第１導体板２６の外周縁に対向している。

上部電極４２上には、はんだ層２８が配置されている。はんだ層２８によって、上部電極４２が、第１導体板２６の下面及び第２導体板２４の第２部分２４ｂの下面に接続されている。図１に示すように、第２部分２４ｂと上部電極４２の間の間隔は、第１導体板２６と上部電極４２の間の間隔よりも大きい。したがって、第２部分２４ｂと上部電極４２の間のはんだ層２８の厚みは、第１導体板２６と上部電極４２の間のはんだ層２８の厚みよりも大きい。

上部放熱板２０は、第２導体板２４の上方に配置されている。上部放熱板２０は、はんだ層２２を介して第２導体板２４の上面に接続されている。上部放熱板２０は、半導体チップ３０から放熱する放熱板として機能するとともに、半導体チップ３０に電流を流すための導体板としても機能する。

封止樹脂３６は、絶縁性樹脂である。封止樹脂３６は、半導体チップ３０、第１導体板２６及び第２導体板２４を封止している。また、封止樹脂３６は、上部放熱板２０の上面と下部放熱板３４の下面を除いて、上部放熱板２０と下部放熱板３４を覆っている。

半導体モジュール１０の使用時には、半導体チップ３０に繰り返し電流が流れ、半導体チップ３０が繰り返し発熱する。半導体チップ３０で生じた熱は、第１導体板２６、第２導体板２４及び上部放熱板２０を介して放熱されるとともに、下部放熱板３４を介して放熱される。半導体チップ３０が高温になると、伝熱経路である第１導体板２６及び第２導体板２４も高温となる。各部材の線膨張係数が異なるので、各部材の界面において熱応力が発生する。温度検出ダイオード４６に繰り返し熱応力が加わると、温度検出ダイオード４６の特性が劣化する。また、上部電極４２の外周縁に繰り返し熱応力が加わると、その外周縁から上部電極４２にクラックが生じやすい。本実施形態の半導体モジュール１０では、以下に説明するように、温度検出ダイオード４６及び上部電極４２の外周縁に熱応力が加わることが抑制される。

第１導体板２６の外周縁では、高い熱応力が生じやすい。本実施形態では、図３に示すように、温度検出ダイオード４６の全体が第１導体板２６に覆われており、第１導体板２６の外周縁が温度検出ダイオード４６と重複していない。これによって、温度検出ダイオード４６に高い応力が加わることが抑制される。また、第１導体板２６はサイズ（面積）が小さいので、上部電極４２と第１導体板２６の間にはそれほど高い熱応力は生じない。このため、第１導体板２６が上部電極４２の外周縁と重なるように配置されていても、第１導体板２６と重なる範囲の上部電極４２の外周縁にはそれほど高い熱応力は加わらない。

第２導体板２４の第２部分２４ｂと上部電極４２の間に存在するはんだ層２８は厚い。軟らかいはんだ層２８が厚く設けられているので、第２部分２４ｂと上部電極４２の間にはそれほど高い熱応力は生じない。このため、第２導体板２４が上部電極４２の外周縁と重なるように配置されていても、上部電極４２と重なる範囲の上部電極４２の外周縁にはそれほど高い熱応力は加わらない。

以上に説明したように、本実施形態の半導体モジュール１０では、温度検出ダイオード４６及び上部電極４２の外周縁に熱応力が加わることが抑制される。

第２導体板２４は、上部電極４２の全体を覆うように配置されている。このため、半導体基板４０から、上部電極４２の略全体を通して放熱することができる。このため、本実施形態の半導体モジュール１０では、従来の半導体モジュール（すなわち、上部電極４２の一部に対してのみ導体板が接続されている半導体モジュール）よりも、伝熱経路が広い。また、本実施形態の半導体モジュール１０では、第１導体板２６と上部電極４２の間のはんだ層２８が薄いので、半導体チップ３０から第１導体板２６へ効率的に熱が伝わる。したがって、第１導体板２６近傍では、より効率的に半導体チップ３０から放熱することができる。したがって、本実施形態の半導体モジュール１０は、高い放熱性能を有する。

以上、実施形態について詳細に説明したが、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さまざまに変形、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、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項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目的を同時に達成するものであり、そのうちの１つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。

１０ ：半導体モジュール
２０ ：上部放熱板
２２ ：はんだ層
２４ ：第２導体板
２４ａ：第１部分
２４ｂ：第２部分
２６ ：第１導体板
２８ ：はんだ層
３０ ：半導体チップ
３２ ：はんだ層
３４ ：下部放熱板
３６ ：封止樹脂
４０ ：半導体基板
４２ ：上部電極
４４ ：下部電極
４６ ：温度検出ダイオード

Claims (1)

1. 半導体モジュールであって、
   半導体基板と、前記半導体基板の上面に設けられた温度検出ダイオードと、前記温度検出ダイオードを覆うように前記半導体基板の上面に設けられた上部電極を備えている半導体チップと、
   前記温度検出ダイオードを覆うように前記上部電極上に配置されている第１導体板と、
   前記第１導体板よりも広い面積を有する第２導体板であって、前記第１導体板の上面に接続されている第１部分と、前記第１導体板に覆われていない範囲の前記上部電極に対向している第２部分とを備える第２導体板と、
   前記上部電極を、前記第１導体板の下面及び前記第２部分の下面に接続しているはんだ層と、
   前記第２導体板の上面に接続されている放熱板、
   を有し、
   前記第２部分が前記上部電極の外周縁に対向している半導体モジュール。

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