JP2021064707A - 半導体モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体素子の本来の性能に影響を与えることなく、半導体素子の温度検知精度を高めること。【解決手段】半導体モジュール（１）は、絶縁板（２０）の上面に回路板（２２）が配置され、絶縁板の下面に放熱板（２１）が配置された積層基板（２）と、回路板の上面に配置される半導体素子（３）と、半導体素子の上面に配置される金属配線板（４）と、金属配線板の上面に配置され、半導体素子の温度を検出する温度センサ（６）と、を備える。金属配線板は、半導体素子の熱を遮蔽する切欠き部（４０）を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体モジュールに関する。
半導体装置は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＦＷＤ（Free Wheeling Diode）等の半導体素子が設けられた基板を有し、インバータ装置等に利用されている。
民生・産業用のモータ駆動用等に広く用いられるインバータ装置は、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子（スイッチング素子）と、その半導体スイッチング素子を駆動する駆動用集積回路（ＩＣチップ）から構成される。また、機器の小型化と保護回路内蔵のための手段として、上記したスイッチング素子とＩＣチップを１パッケージ化したＩＰＭ（Intelligent Power Module）が用いられる。
この種の半導体装置（半導体モジュール）においては、半導体素子の温度を検出するための温度センサ（サーミスタ）が設けられる。例えば特許文献１では、金属ベースの表面に絶縁層を介して銅回路が形成された回路基板に、半導体素子及びサーミスタが配置されている。半導体素子とサーミスタはそれぞれ独立した銅回路上に配置されており、半導体素子のゲートにサーミスタがボンディングワイヤを介して接続されている。また、特許文献２では、ベース板上にパワー半導体チップ及びサーミスタが配置されている。更に特許文献３では、半導体チップ上に温度センサが取り付けられている。
特開２００３−１８８３３６号公報 特開２０１７−４９９９号公報 特開２００４−１２７９８３号公報
しかしながら、特許文献１では、半導体素子とサーミスタが互いに独立した銅回路上に配置されることで、半導体素子とサーミスタの位置が離れている。このため、サーミスタが半導体素子の熱をダイレクトに受けることができず、感知精度に影響を与えるおそれがある。また、特許文献２のように同じベース板上に半導体素子とサーミスタを配置した場合、ベース板上の回路板の配置に制約が生じる。また、特許文献３のように、感知精度を考慮して半導体素子に直接温度センサを配置することも考えられるが、温度センサの専有面積だけ半導体素子の活性面積が削減される。すなわち、半導体素子の活性面積の一部が犠牲となる結果、半導体装置の性能に影響を与えるおそれがある。
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、半導体素子の本来の性能に影響を与えることなく、半導体素子の温度検知精度を高めることができる半導体モジュールを提供することを目的の１つとする。
本発明の一態様の半導体モジュールは、絶縁板の上面に回路板が配置され、前記絶縁板の下面に放熱板が配置された積層基板と、前記回路板の上面に配置される半導体素子と、前記半導体素子の上面に配置される金属配線板と、前記金属配線板の上面に配置され、前記半導体素子の温度を検出する温度センサと、を備え、前記金属配線板は、前記半導体素子の熱を遮蔽する熱遮蔽部を有する。
本発明によれば、半導体素子の本来の性能に影響を与えることなく、半導体素子の温度検知精度を高めることができる。
本実施の形態に係る半導体モジュールの一例を示す平面模式図である。 図１のＡ−Ａ線に沿って切断した断面模式図である。 図１のＢ−Ｂ線に沿って切断した断面模式図である。 図１の熱遮蔽部を示す部分拡大図である。 変形例に係る熱遮蔽部を示す平面模式図である。 他の変形例に係る熱遮蔽部を示す平面模式図である。 熱遮蔽部の配置例のバリエーションを示す平面模式図である。 温度センサと熱遮蔽部との位置関係を示す模式図である。 本実施の形態の他の例に係る半導体モジュールを示す平面模式図である。 図９のＣ−Ｃ線に沿って切断した断面模式図である。 図９の熱遮蔽部を示す部分拡大図である。 他の実施の形態に係る半導体モジュールの模式図である。
以下、本発明を適用可能な半導体モジュールについて説明する。図１は、本実施の形態に係る半導体モジュールの一例を示す平面模式図である。図２は、図１のＡ−Ａ線に沿って切断した断面模式図である。図３は、図１のＢ−Ｂ線に沿って切断した断面模式図である。なお、以下に示す半導体モジュールはあくまで一例にすぎず、これに限定されることなく適宜変更が可能である。
また、以下の図において、半導体モジュールの長手方向（後述する金属配線板が半導体素子から延びる方向）をＸ方向、短手方向（前記Ｘ方向に直交する方向）をＹ方向、高さ方向をＺ方向と定義することにする。図示されたＸ、Ｙ、Ｚの各軸は互いに直交し、右手系をなしている。また、場合によっては、Ｘ方向を左右方向、Ｙ方向を前後方向、Ｚ方向を上下方向と呼ぶことがある。これらの方向（前後左右上下方向）は、説明の便宜上用いる文言であり、半導体モジュールの取付姿勢によっては、ＸＹＺ方向のそれぞれとの対応関係が変わることがある。例えば、半導体モジュールの放熱面側（冷却器側）を下面側とし、その反対側を上面側と呼ぶことにする。また、本明細書において、平面視は、半導体モジュールの上面をＺ方向正側からみた場合を意味する。
半導体モジュール１は、例えばパワーモジュール等の電力変換装置に適用されるものである。図１から図３に示すように、半導体モジュール１は、ケース部材１０内に積層基板２、半導体素子３、金属配線板４、５及び温度センサ６等を配置して構成される。
積層基板２は、金属層と絶縁層とを積層して形成され、例えば、ＤＣＢ（Direct Copper Bonding）基板やＡＭＢ（Active Metal Brazing）基板、あるいは金属ベース基板で構成される。具体的に積層基板２は、絶縁板２０と、絶縁板２０の下面に配置された放熱板２１と、絶縁板２０の上面に配置された複数の回路板２２と、を有する。積層基板２は、例えばＹ方向に比べてＸ方向が長い平面視矩形状に形成される。
絶縁板２０は、Ｚ方向に所定の厚みを有し、上面と下面を有する平板状に形成される。絶縁板２０は、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）等のセラミックス材料、エポキシ等の樹脂材料、又はセラミックス材料をフィラーとして用いたエポキシ樹脂材料等の絶縁材料によって形成される。なお、絶縁板２０は、絶縁層又は絶縁フィルムと呼ばれてもよい。
放熱板２１は、Ｚ方向に所定の厚みを有し、絶縁板２０の下面全体を覆うように形成される。放熱板２１は、例えば銅やアルミニウム等の熱伝導性の良好な金属板によって形成される。放熱板２１の下面は放熱面となっており、放熱面には図示しない冷却器が取り付けられる。
絶縁板２０の主面には、複数の回路板２２が島状（電気的に互いに絶縁された状態）に形成されている。図１では便宜上、１つの回路板２２のみ示している。回路板２２は、銅箔等によって形成される所定厚みの金属層で構成される。
回路板２２の上面には、半田等の接合材Ｓを介して半導体素子３が配置される。半導体素子３は、例えばシリコン（Ｓｉ）、炭化けい素（ＳｉＣ）等の半導体基板によって平面視方形状に形成される。本実施の形態において、半導体素子３は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）素子とＦＷＤ（Free Wheeling Diode）素子の機能を一体化したＲＣ（Reverse Conducting）−ＩＧＢＴ素子で構成される。
なお、半導体素子３は、これに限定されず、ＩＧＢＴ、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等のスイッチング素子、ＦＷＤ（Free Wheeling Diode）等のダイオードを組み合わせて構成されてもよい。また、半導体素子３として逆バイアスに対して十分な耐圧を有するＲＢ（Reverse Blocking）−ＩＧＢＴ等を用いてもよい。半導体素子３は縦型のスイッチング素子およびダイオードであってよい。また、半導体素子３の形状、配置数、配置箇所等は適宜変更が可能である。
また、積層基板２の外周側の上面には、枠状のケース部材１０が配置される。ケース部材１０は、例えば合成樹脂によって成形され、接着剤（不図示）を介して絶縁板２０の上面に接合される。ケース部材１０は、積層基板２の外周を囲う環状壁部１１を有している。環状壁部１１は、積層基板２の外形に沿う平面視四角環状に形成されている。
環状壁部１１は、半導体モジュール１の厚み方向（Ｚ方向）に立ち上がっている。環状壁部１１の下面側には、積層基板２の外周縁が係合可能な所定深さの凹部１２が形成されている。凹部１２は、積層基板２の厚み（絶縁板２０と放熱板２１の合計厚み）に対応した深さを有している。積層基板２が凹部１２に係合した状態において、回路板２２は環状壁部１１の内側に位置している。
また、環状壁部１１の上面の内周側には、一段下がった段部１３が形成されている。段部１３は、四角環状の凸部で形成され、環状壁部１１の上面に対して段部１３の上面（底面）が低い位置に設けられている。
ケース部材１０には、端子部材が一体成型により埋め込まれている。具体的に端子部材は、主端子１４、１５、制御端子１６、及び温度センサ端子１７によって構成される。これらの端子部材は、銅素材、銅合金系素材、アルミニウム合金系素材、鉄合金系素材等の金属素材により形成された板状体で構成される。
主端子１４、１５は、環状壁部５０の長手方向（Ｘ方向）で対向する一対の壁部にそれぞれ埋め込まれている。半導体素子３のエミッタ側に接続される側（図１の紙面左側）の端子部材が主端子１４であり、回路板２２を介して半導体素子３のコレクタ側に接続される側（図１の紙面右側）の端子部材が主端子１５である。
主端子１４及び主端子１５は、例えばＸ方向に延びる長尺体で形成される。主端子１４の一端側は、環状壁部１１の内側で段部１３の上面（底面）に露出している。主端子１４の他端側は、環状壁部１１を貫通してケース部材１０の外側に突出している。同様に主端子１５の一端側は、環状壁部１１の内側で段部１３の上面（底面）に露出している。主端子１５の他端側は、環状壁部１１を貫通してケース部材１０の外側に突出している。
制御端子１６及び温度センサ端子１７は、Ｘ方向に延びる環状壁部１１の一壁部に埋め込まれている。制御端子１６及び温度センサ端子１７は、例えばＹ方向に延びる長尺体で形成され、それぞれＸ方向に並んで一対ずつ設けられている。制御端子１６及び温度センサ端子１７の一端側は、環状壁部１１の内側で段部１３の上面（底面）に露出している。制御端子１６及び温度センサ端子１７の他端側は、環状壁部１１を貫通してケース部材１０の外側に突出している。
半導体素子３と主端子１４は、金属配線板４によって電気的に接続される。また、回路板２２と主端子１５は、金属配線板５によって電気的に接続される。金属配線板４、５は、上面と下面を有する板状体で構成され、例えば、銅素材、銅合金系素材、アルミニウム合金系素材、鉄合金系素材等の金属素材により形成される。金属配線板４、５は、例えばプレス加工により、所定の形状に形成される。なお、以下に示す金属配線板４、５の形状はあくまで一例を示すものであり、適宜変更が可能である。また、金属配線板は、リードフレームと呼ばれてもよい。
金属配線板４は、Ｘ方向に長い長尺体であり、側面視Ｌ字状に屈曲した形状を有している。金属配線板４の一端側（後述する第１端部４ａ）は、例えば半田等の接合材（不図示）を介して半導体素子３の上面に接合されている。金属配線板４が接合される半導体素子３の上面電極はエミッタおよびアノード電極である。半導体素子３がＭＯＳＦＥＴまたはダイオードの場合、上面電極はそれぞれソース電極、アノード電極であってよい。接合材は焼結材であってもよい。金属配線板４の他端側（後述する第２端部４ｂ）は、主端子１４の上方において下方に屈曲して主端子１４の上面に接合されている。また、金属配線板４のＹ方向の幅は、第１端部４ａから第２端部４ｂに至るまで一様な大きさとなっている。
詳細は後述するが、特に第１端部４ａのＹ方向の幅は、半導体素子３の幅よりも小さくなっている。なお、第１端部４ａの幅は、これに限定されず、半導体素子３の主電極とエッジ構造が短絡しないよう処理したうえで、例えば半導体素子３の幅と同じ、又はそれよりも大きく設定されてもよい。また、図１では、第１端部４ａから第２端部４ｂに至るまで金属配線板４のＹ方向の幅が一様な場合を例示しているが、これに限定されない。金属配線板４のＹ方向の幅は、第１端部４ａから第２端部４ｂに至る間で部分的に変化してもよい。以下に示す金属配線板５も同様である。
金属配線板５は、Ｘ方向に長い長尺体であり、側面視で複数回屈曲されたクランク形状を有している。金属配線板５の一端側は、回路板２２の上面に接合されている。金属配線板５の他端側は、主端子１５の上面に接合されている。上記したように金属配線板５のＹ方向の幅は、一端側から他端側に至るまで一様な大きさとなっているが、これに限定されず、途中で部分的に変化してもよい。
図１に示すように、金属配線板４からはみ出た半導体素子３の上面には、電極パッド３ａ、３ｂが設けられている。電極パッド３ａ、３ｂは、それぞれ配線部材Ｗ１を介して制御端子１６に電気的に接続される。
金属配線板４の上面には、接合材Ｓを介して温度センサ６が配置されている。この場合、温度センサ６の２電極はそれぞれが離れており、且つ、温度センサ６と金属配線板４は例えば接合材Ｓにより電気的に絶縁されていることが好ましい。また、金属配線板４と温度センサ６を接合する接合材Ｓは、接着剤であってもよい。
温度センサ６は、金属配線板４の一端側（第１端部４ａ側）において、平面視で半導体素子３と重なるように配置される。すなわち、温度センサ６は、半導体素子３の真上に位置している。温度センサ６は、半導体素子３の温度を検出する。具体的に温度センサ６は、サーミスタで構成される。なお、温度センサ６は、サーミスタに限定されず、他のタイプの測温抵抗体、又は熱電対で構成されてもよい。
温度センサ６は、半導体素子３に比べて十分に小さい面積を有し、例えば平面視でＸ方向に長い長尺形状を有する。温度センサ６は、例えば、半導体素子３（金属配線板４）の幅方向（Ｘ方向又はＹ方向）の中央に配置されている。なお、温度センサ６の形状及び配置箇所はこれに限定されず、適宜変更が可能である。
温度センサ６の一端側（例えばＸ方向の一端部）は、配線部材Ｗ２を介して一方の温度センサ端子１７に電気的に接続される。温度センサ６の他端側（Ｘ方向反対側の他端部）は、配線部材Ｗ２を介して他方の温度センサ端子１７に電気的に接続される。
上記した配線部材Ｗ１、Ｗ２には、導体ワイヤ（ボンディングワイヤ）が用いられる（後述する配線部材Ｗ３も含む）。導電ワイヤの材質は、金、銅、アルミニウム、金合金、銅合金、アルミニウム合金のいずれか１つ又はそれらの組み合わせを用いることができる。また、配線部材として導電ワイヤ以外の部材を用いることも可能である。例えば、配線部材としてリボンを用いることができる。
なお、温度センサ６の電気的な出力の取出し方は、上記した配線方法に限定されず、適宜変更が可能である。例えば、金属配線板４上に、半導体素子３のカソード電極及びアノード電極に対応した２つの電極パッドを形成してもよい。２つの電極パッドは、金属配線板４とは、電気的に独立した状態で配置される。例えば、各電極パッドとリードフレームとの間に絶縁板が配置されることが好ましい。この場合、温度センサ６の一端は一方の電極パッドに電気的に接続され、温度センサ６の他端は他方の電極パッドに電気的に接続される。
また、環状壁部１１により規定されるケース部材１０の内部空間に、封止樹脂７が充填される。これにより、積層基板２、半導体素子３、主端子１４、主端子１５、金属配線板４、５、温度センサ６、及び配線部材Ｗ１、Ｗ２が封止される。ケース部材１０は積層基板２、半導体素子３、金属配線板４、５、温度センサ６、配線部材Ｗ１、Ｗ２、及び封止樹脂７を収容する空間を画定する。なお、封止樹脂７には、エポキシ樹脂やシリコーンゲルを用いることが可能である。封止樹脂７の種類によってケース部材１０への充填量は適宜設定される。例えば、封止樹脂７が、エポキシなどの非軟質の樹脂である場合、環状壁部１１の上面に至るまで封止樹脂７を充填することが多く、シリコーンゲルなどの軟質の樹脂である場合、内部の部材を包埋する範囲で充填することが多い。
また、上記構成に限らず、ケース部材１０と封止樹脂７とが一体化したフルモールド構造であってもよい。この場合、ケース部材１０は、半導体モジュールの環状壁部１１を形成すると共に、積層基板、半導体素子３、主端子１４、主端子１５、金属配線板４、５及び温度センサ６を封止する。このようなフルモールド構造は、トランスファー成型等により形成することができる。なお、封止樹脂７が一体化したケース部材１０には、エポキシ樹脂を用いることが好適である。
ところで、一般に半導体モジュールにおいては、半導体素子の動作を適切に制御するために半導体素子の温度を検出する必要がある。半導体素子の温度を検出する温度センサとして、例えばサーミスタが採用される。温度センサは、例えば上面に複数の回路板が形成された積層基板上に配置される。より具体的に温度センサは、半導体素子が配置される回路板とは独立した回路板上に配置される。また、温度センサは、半導体素子上の所定領域に配置されることもある。
しかしながら、温度センサが半導体素子と独立した回路板に配置される場合、温度センサと半導体素子が離れてしまう。このため、温度センサは、半導体素子の熱をダイレクトに受けることができず、感知精度に影響を与えるおそれがある。また、半導体素子内部に温度センサを配置した場合、温度センサの専有面積だけ半導体素子の活性面積が削減されてしまう。すなわち、半導体素子の活性面積の一部が犠牲となる結果、半導体装置の性能に影響を与えるおそれがある。
一方で、従来より、半導体素子と絶縁基板上の回路板との電気的な接続は、ボンディングワイヤ等の配線部材によって実現されていた。昨今では、ワイヤによる配線に代わり、板状の金属配線板構造が採用された半導体モジュールが開発されている。金属配線板構造によれば、表面積が増えることで放熱量が拡大され、チップ温度を低減することが可能である。更にワイヤ配線に比べて接続が単純であり、生産性に優れている等のメリットがある。
そこで、本件発明者は、金属配線板が板状体で形成され、金属配線板が半導体素子の上面に配置されると金属配線板の上面に所定のスペースが確保される点に着目して本発明に想到した。本実施の形態では、半導体素子３の上面に配置された金属配線板４の上面に温度センサ６を配置している。
この構成によれば、温度センサ６と半導体素子３を近づけて配置することができ、半導体素子３の熱が金属配線板４を介して温度センサ６に伝わり易くなる。したがって、熱の損失が少なく温度センサ６の検知精度を向上することが可能である。
ところが、金属配線板４は、熱伝導性のよい金属材料で形成されているため、半導体素子３の熱が金属配線板４の伝熱方向下流側の主端子１４に向かって拡散し、半導体素子と温度センサの温度が乖離するおそれがある。このため、更に本実施の形態では、半導体素子３の熱の拡散を抑制するための熱遮蔽部として、金属配線板４に切欠き部４０を形成している。
この構成によれば、半導体素子３から金属配線板４に伝わった熱が切欠き部４０によって遮られる。この結果、熱の拡散が抑制され、温度センサ６の周囲に半導体素子３の熱が留まることになる。よって、半導体素子３上の金属配線板４の温度が半導体素子３の温度に近づき、温度センサ６の温度検知精度を高めることが可能である。
このように、本実施の形態では、金属配線板４の上面に温度センサ６を配置したことで金属配線板４上のスペースを有効活用している。これにより、温度センサ６を半導体素子３上に直に配置する必要がなくなる。このため、半導体素子３の活性面積の一部が犠牲とならず、活性面積を最大限に活用して半導体素子３の性能を向上することが可能である。また、金属配線板４に熱遮蔽部として切欠き部４０を設けたことで、温度センサ６の周囲の熱の拡散を防止することが可能である。すなわち、半導体素子３の本来の性能に影響を与えることなく、半導体素子３の温度検知精度を高めることが可能である。
ここで、熱遮蔽部としての切欠き部４０の具体的な形状及びレイアウトについて説明する。図４は、図１の熱遮蔽部を示す部分拡大図である。上記したように、金属配線板４は、一端側である第１端部４ａのＹ方向の幅が半導体素子３のＹ方向の幅より小さくなっている。図１から図４に示すように、切欠き部４０は、金属配線板４を厚み方向（Ｚ方向）に貫通してＹ方向に延びる矩形穴で形成される。切欠き部４０は、少なくとも一部が温度センサ６よりも伝熱方向下流側に配置されている。
伝熱方向下流側とは、発熱源である半導体素子３の熱が金属配線板４の延在方向に沿って伝わる方向（図３の矢印Ｔの方向）の下流側を意味している。言い換えると、伝熱方向とは、金属配線板４の第１端部４ａから第２端部４ｂに向かう方向を表している。上記したように、第１端部４ａは、半導体素子３の真上に位置し、接合材（不図示）を介して半導体素子３に接合されている。第２端部４ｂは、切欠き部４０を挟んで第１端部４ａの反対側に位置している。本実施の形態では、半導体素子３から主端子１４に向かう方向（Ｘ方向負側）が伝熱方向となっている。なお、伝熱方向は、上記した例に限らず、金属配線板４や切欠き部４０の形状、配置箇所等に応じて適宜変更される概念である。また、図１から図４では、温度センサ６が平面視で半導体素子３と重なるように配置される一方、切欠き部４０が温度センサ６の伝熱方向下流側で平面視で半導体素子３と重ならないように配置されている。
また、図４においては、切欠き部４０は短冊形であり、切欠き部４０が金属配線板４の幅方向（Ｙ方向）の両端部を残すように金属配線板４のＹ方向の幅より小さい幅で形成されている。このように、切欠き部４０は、半導体素子３の伝熱経路の一部を遮るように形成される。
切欠き部４０が温度センサ６よりも伝熱方向下流側に配置されることで、切欠き部４０よりも伝熱方向上流側、すなわち温度センサ６及び半導体素子３の近傍において、半導体素子３から金属配線板４に伝わった熱を温度センサ６の周囲に留まらせて熱拡散を防止することが可能である。これにより、温度センサ６は、半導体素子３の温度に近い金属配線板４の温度を検知することができ、その検知精度を高めることが可能である。
また、切欠き部４０が金属配線板４の両端部を残すように形成されている。すなわち、切欠き部４０は金属配線板４の幅方向における伝熱経路を全て分断するのではなく、伝熱経路の一部のみを遮って他の一部を残すように形成されている。このため、温度センサ６の周囲に熱をこもらせつつも、一部の熱は切欠き部４０よりも伝熱方向下流側に放出して半導体素子３の過熱を防止することが可能である。すなわち、図４の矢印Ｔは、残された他の一部の伝熱経路Ｔを表している。なお、詳細は後述するが、切欠き部４０の幅は、温度センサ６の温度検知精度を向上しつつ、半導体素子３の放熱性を阻害しない程度に設定されることが好ましい。また、伝熱経路とは、モジュールの駆動によって半導体素子３で発生した熱が金属配線板４内を伝わる経路を示している。図４では、半導体素子３が接合された第１端部４ａから第２端部４ｂに向かう方向（Ｘ方向）に対して交差する方向（Ｙ方向）に切欠き部４０が延びるように形成されている。なお、切欠き部４０は、Ｘ方向に対して直交する方向ではなく、違う方向に延びてもよい。
なお、上記実施形態において、切欠き部４０は、金属配線板４に両端部を残すように形成される場合について説明したが、この構成に限定されない。例えば、図５及び図６のような構成としてもよい。図５は、変形例に係る熱遮蔽部を示す平面模式図である。図６は、他の変形例に係る熱遮蔽部を示す平面模式図である。
図５に示す変形例では、Ｙ方向に延びる一対の切欠き部４１が金属配線板４に形成されている。一対の切欠き部４１は、温度センサ６よりも伝熱方向下流側において、平面視で半導体素子３と重ならないように配置されている。また、一対の切欠き部４１は、金属配線板４のＹ方向の端部から中央に向かって延び、金属配線板４の中央部分を残すように形成されている。すなわち、一対の切欠き部４１は、Ｙ方向で対向配置されている。これにより、金属配線板４のＹ方向中央に所定幅の伝熱経路Ｔが形成される。このような構成においても、図４と同様の効果を得ることが可能である。
また、図６に示す変形例では、Ｙ方向に並んで断続的に配置された複数の切欠き部４２が金属配線板４に形成されている。複数の切欠き部４２は、温度センサ６よりも伝熱方向下流側において、平面視で半導体素子３と重ならないように配置されている。Ｙ方向で隣接する２つの切欠き部４２の間に所定幅の伝熱経路Ｔが形成される。なお、切欠き部４２の数は、適宜変更が可能である。このような構成においても、図４及び図５と同様の効果を得ることが可能である。複数の切欠き部４２はそれぞれ平面視において矩形の孔であってよく、また円形の孔であってもよい。
なお、図４から図６に示す伝熱経路Ｔの幅は金属配線板４上の導電性を確保できる程度の幅であることが好ましい。すなわち、伝熱経路Ｔは半導体素子３の放熱経路であると共に、金属配線板４上で電流が流れる電流経路でもある。
また、図４から図６に示す例では、熱遮蔽部としての切欠き部４０〜４２が、平面視で半導体素子３と重ならないように配置される場合について説明したが、この構成に限定されない。また、上記の例では、金属配線板４のＹ方向の幅が半導体素子３のＹ方向の幅よりも小さい場合について説明したが、この構成に限定されない。例えば、図７に示す構成としてもよい。図７（図７Ａ及び図７Ｂ）は、熱遮蔽部の配置例のバリエーションを示す平面模式図である。
図７Ａ及び図７Ｂに示すように、金属配線板４のＹ方向の幅が半導体素子３のＹ方向の幅よりも大きくなっている。また、金属配線板４には、温度センサ６の周囲を囲うように複数の切欠き部４３が形成されている。複数の切欠き部４３は、平面視で半導体素子３と重なるように配置されている。各切欠き部４３は、図７Ａのように所定方向に延びる長尺形状の貫通穴で形成されてもよいし、図７Ｂに示すように平面視Ｌ字状の貫通穴で形成されてもよい。複数の切欠き部４３により温度センサ６が囲われることで、温度センサ６の周囲に熱が留まり易くなり、温度センサ６による温度検知精度を高めることが可能である。なお、図７では、温度センサ６の周囲を囲うように複数の切欠き部４３が形成される場合、すなわち、複数の切欠き部４３が断続的に形成される場合について説明したが、この構成に限定されない。切欠き部４３は、温度センサ６の周囲を囲うように、連続的な環状に形成されてもよい。すなわち、図７において、「温度センサ６の周囲を囲う」とは、連続的に形成された環状の切欠き部４３で温度センサ６の周囲を囲うだけでなく、断続的に形成される複数の切欠き部４３で温度センサ６の周囲を囲う態様も含み得る概念である。したがって、温度センサ６は、切欠き部４３によって完全に囲われなくてもよく、少なくとも一部が囲われていればよい。また、図７の場合、複数の切欠き部４３のうち、少なくとも一部が温度センサ６よりも伝熱方向下流側（第１端部４ａから第２端部４ｂに向かう方向の下流側）に位置している。
また、上記実施の形態において、切欠き部４０の幅は、温度センサ６の温度検知精度を向上しつつ、半導体素子３の放熱性を阻害しない程度に設定されることが好ましい。ここで、図８を参照して切欠き部４０の幅Ｄ１と、切欠き部４０及び温度センサ６間の距離Ｄ２について説明する。図８は、温度センサと熱遮蔽部との位置関係を示す模式図である。具体的に、図８Ａは熱遮蔽部周辺の平面模式図であり、図８Ｂは熱遮蔽部周辺の断面模式図である。
図８Ａ及び図８Ｂに示すように、半導体素子３で発生した熱は、所定の拡散範囲を有している。例えば、図８Ａに示す平面視において、半導体素子３から金属配線板４を介して温度センサ６に伝わった熱、すなわち温度センサ６を通過した半導体素子３の熱は、切欠き部４０に近い側の端部から所定の角度範囲θ１で拡散する傾向がある。角度範囲θ１は、例えば９０度である。
この場合、切欠き部４０の幅Ｄ１は、温度センサ６から見て角度範囲θ１以上であることが好ましい。この構成によれば、半導体素子３の熱の拡散を許容しつつも、温度センサ６の熱の拡散を抑制して温度検知精度を効果的に高めることが可能である。なお、切欠き部４０の幅Ｄ１は、温度センサ６の温度検知精度よりも半導体素子３の熱拡散を優先して、角度範囲θ１の内側に収まるようにしてもよい。
この場合、切欠き部４０の幅Ｄ１が角度範囲θ１よりも極端に小さすぎると、熱の遮蔽が不十分となってしまう。一方で、切欠き部４０の幅Ｄ１が角度範囲θ１以上で金属配線板４のＹ方向の幅まで近すぎると、センシングに必要とする以上に熱を遮蔽し放熱も阻害してしまうおそれがある。したがって、切欠き部４０の幅Ｄ１は、上記した温度センサ６の温度検知精度の確保と半導体素子３の熱拡散を両立する範囲で設定されることが好ましい。
また、図８Ｂに示す断面視において、半導体素子３の熱は、上面側に配置される金属配線板４に対して上方に向かって所定の角度範囲θ２で拡散する傾向がある。角度範囲θ２は、例えば９０度である。
この場合、切欠き部４０と温度センサ６の対向間隔（距離Ｄ２）は、切欠き部４０が角度範囲θ２よりも外側に配置されるように設定されることが好ましい。この構成によれば、半導体素子３の熱の拡散を許容しつつも、温度センサ６を通過した熱の拡散を抑制して温度検知精度を効果的に高めることが可能である。なお、切欠き部４０は、半導体素子３の放熱よりも温度センサ６を通過した熱の拡散防止を優先して、角度範囲θ２内に収まるように配置してもよい。
次に、図９から図１１を参照して、他の例に係る半導体モジュールについて説明する。図９は、本実施の形態の他の例に係る半導体モジュールを示す平面模式図である。図１０は、図９のＣ−Ｃ線に沿って切断した断面模式図である。図１１は、図９の熱遮蔽部を示す部分拡大図である。図９から図１１の態様では、図１から図４に示す半導体モジュールに対して、回路板及び一部の端子部材のレイアウトが相違すると共に、金属配線板の一部形状が相違する。このため、主に相違点のみ説明し、共通する構成は同一の符号を付して適宜説明を省略する。
図９から図１１に示す半導体モジュール１において、絶縁板２０の主面には、２つの回路板２２ａ、２２ｂが島状に形成されている。２つの回路板２２ａ、２２ｂは、Ｙ方向に長い矩形状を有し、Ｘ方向に並んで配置されている。回路板２２ａの上面には、接合材Ｓを介して半導体素子３が配置されている。半導体素子３の上面には、半導体素子３の外形より僅かに小さい矩形状の主電極３０が形成されている。また、半導体素子３の上面には、主電極３０の外側に電極パッド３ａ、３ｂが形成されている。
半導体素子３の上面には、金属配線板４が配置されている。金属配線板４は、平面視において２つの回路板２２ａ、２２ｂを跨ぐようにＸ方向に延びた長尺体であり、側面視で複数回屈曲されたクランク形状を有している。金属配線板４の一端側（第１端部４ａ）は、半田等の接合材Ｓを介して半導体素子３の主電極３０の上面に電気的に接合される。金属配線板４の他端側（第２端部４ｂ）は、半田等の接合材Ｓを介して回路板２２ｂの上面に電気的に接合される。金属配線板４は、平面視において、第１端部４ａのＹ方向の幅が半導体素子３（主電極３０）のＹ方向の幅よりも小さく、第２端部４ｂのＹ方向の幅が第１端部４ａの幅よりも大きくなるように形成されている。
金属配線板４の第１端部４ａ側の上面には、厚み方向に貫通する切欠き部４０が形成されている。切欠き部４０は、Ｙ方向に延びる長尺形状を有し、半導体素子３（主電極３０）の真上に配置されている。また、金属配線板４の第１端部４ａ側の上面には、接合材（不図示）を介して温度センサ６が配置されている。切欠き部４０及び温度センサ６は、平面視で半導体素子３（主電極３０）に重なるように配置される。また、切欠き部４０は、金属配線板４の第１端部４ａから第２端部４ｂに向かう方向において、温度センサ６よりも下流側に配置されている。
特に切欠き部４０の少なくとも一部は、接合材Ｓによって満たされており、接合材Ｓの上面がフィレット形状を成している（図１０参照）。このような構成においては、切欠き部４０が温度センサ６よりも伝熱方向下流側に配置され、切欠き部４０に満たされた接合材Ｓ（半田）の熱伝導率が金属配線板４の熱伝導率よりも小さいため、温度センサ６の直下に位置する半導体素子３から発生する熱を遮蔽する効果が得られる。すなわち、切欠き部４０及び切欠き部４０内に入り込んだ接合材Ｓが、熱遮蔽部として機能する。
また、図１１に示すように、金属配線板４のＹ方向の幅を幅Ｗとし、金属配線板４のＹ方向の両端部から切欠き部４０の端部までの距離をそれぞれＹ１、Ｙ２とする。また、切欠き部４０と温度センサ６との対向間隔をＸ１とし、金属配線板４の第１端部４ａから温度センサ６の一端部までの距離をＸ２とする。更に、温度センサ６のＸ方向負側の端部と、切欠き部４０の端部とを接続する一対の直線が成す角をθ３とする。この場合、Ｘ１≦Ｘ２、８５°≦θ３≦９５°、Ｙ１≧Ｘ１、Ｙ２≧Ｘ１であることが好ましい。これらの範囲は、切欠き部４０の寸法、配置箇所を設定する上で、温度センサ６の温度検知精度の確保と半導体素子３の熱拡散を両立可能な範囲を表している。
次に、図１２を参照して他の実施の形態について説明する。図１２は、他の実施の形態に係る半導体モジュールの模式図である。
図１から図１１の例では、金属配線板４の上面に温度センサ６を配置した場合について説明した。これに対し、図１２に示す例では、温度センサ６に対応する箇所に熱遮蔽部として切欠き部４4（開口）を金属配線板４に形成している。切欠き部４４は、温度センサ６よりも大きい面積を有している。温度センサ６は、切欠き部４４内において、接合材Ｓを介して直接半導体素子３に接合されている。
この構成によれば、温度センサ６が直接半導体素子３に接合されるため、温度センサ６は、半導体素子３の熱を直接受けることが可能である。このため、温度センサ６による温度検知精度を高めることが可能である。また、温度センサ６に対応して温度センサ６よりも大きい切欠き部４４を金属配線板４に形成したことで、温度センサ６と金属配線板４が直接触れることがない。このため、半導体素子３から温度センサ６に伝わった熱が、金属配線板４に拡散することを防止できる。よって、上記と同様に温度センサ６による温度検知精度をより高めることが可能である。
以上説明したように、本発明によれば、半導体素子３から温度センサ６に伝わった熱の金属配線板を介した拡散を熱遮蔽部によって遮蔽することで、半導体素子の本来の性能に影響を与えることなく、半導体素子の温度検知精度を高めることが可能である。
なお、上記実施の形態において、積層基板２に配置される半導体素子３や金属配線板４に配置される温度センサ６の個数及び配置箇所は、上記構成に限定されず、適宜変更が可能である。
また、上記実施の形態において、回路板２２の個数及びレイアウトは、上記構成に限定されず、適宜変更が可能である。
また、上記実施の形態では、半導体素子３が平面視矩形状に形成される構成としたが、この構成に限定されない。半導体素子３は、矩形以外の多角形状に形成されてもよい。
また、上記実施の形態では、温度センサ６がＸ方向に長い長尺形状を有する場合について説明したが、この構成に限定されない。温度センサ６はＹ方向に長い長尺形状であってよく、また長尺形状に限らず、その形状及び配置箇所は適宜変更が可能である。
また、本実施の形態及び変形例を説明したが、他の実施の形態として、上記実施の形態及び変形例を全体的又は部分的に組み合わせたものでもよい。
また、本実施の形態は上記の実施の形態及び変形例に限定されるものではなく、技術的思想の趣旨を逸脱しない範囲において様々に変更、置換、変形されてもよい。さらに、技術の進歩又は派生する別技術によって、技術的思想を別の仕方で実現することができれば、その方法を用いて実施されてもよい。したがって、特許請求の範囲は、技術的思想の範囲内に含まれ得る全ての実施態様をカバーしている。
下記に、上記実施の形態における特徴点を整理する。
上記実施の形態に記載の半導体モジュールは、絶縁板の上面に回路板が配置され、前記絶縁板の下面に放熱板が配置された積層基板と、前記回路板の上面に配置される半導体素子と、前記半導体素子の上面に配置される金属配線板と、前記金属配線板の上面に配置され、前記半導体素子の温度を検出する温度センサと、を備え、前記金属配線板は、前記半導体素子の熱を遮蔽する熱遮蔽部を有する。
また、上記実施の形態に記載の半導体モジュールにおいて、前記金属配線板は、前記半導体素子が接合される第１端部と、前記第１端部とは反対側に位置する第２端部と、を有し、前記熱遮蔽部は、少なくとも一部が前記温度センサよりも前記第１端部から前記第２端部に向かう方向の下流側に配置される。
また、上記実施の形態に記載の半導体モジュールにおいて、前記熱遮蔽部は、前記第１端部から前記第２端部に向かう方向に対して交差する方向に延びる切欠き部で形成される。
また、上記実施の形態に記載の半導体モジュールにおいて、前記温度センサは、平面視で前記半導体素子に重なるように配置される。
また、上記実施の形態に記載の半導体モジュールにおいて、前記熱遮蔽部は、平面視で前記半導体素子に重なるように配置される。
また、上記実施の形態に記載の半導体モジュールにおいて、前記熱遮蔽部は、前記温度センサの周囲を囲うように配置される。
また、上記実施の形態に記載の半導体モジュールにおいて、前記熱遮蔽部は、平面視における前記半導体素子の熱の拡散範囲内に配置される。
また、上記実施の形態に記載の半導体モジュールにおいて、前記熱遮蔽部は、断面視における前記半導体素子の熱の拡散範囲よりも外側に配置される。
また、上記実施の形態に記載の半導体モジュールは、絶縁板の上面に回路板が配置され、前記絶縁板の下面に放熱板が配置された積層基板と、前記回路板の上面に配置される半導体素子と、前記半導体素子の上面に配置される金属配線板と、前記半導体素子の上面に設けられた前記金属配線板の開口に配置され、前記半導体素子の温度を検出する温度センサと、を備える。
以上説明したように、本発明は、半導体素子の本来の性能に影響を与えることなく、半導体素子の温度検知精度を高めることができるという効果を有し、特に、半導体モジュールに有用である。
１ ：半導体モジュール
２ ：積層基板
３ ：半導体素子
３ａ ：電極パッド
３ｂ ：電極パッド
４ ：金属配線板
４ａ ：第１端部
４ｂ ：第２端部
５ ：金属配線板
６ ：温度センサ
７ ：封止樹脂
１０ ：ケース部材
１１ ：環状壁部
１２ ：凹部
１３ ：段部
１４ ：主端子
１５ ：主端子
１６ ：制御端子
１７ ：温度センサ端子
２０ ：絶縁板
２１ ：放熱板
２２ ：回路板
４０ ：切欠き部
４１ ：切欠き部
４２ ：切欠き部
４３ ：切欠き部
４４ ：切欠き部
Ｄ１ ：切欠き部の幅
Ｄ２ ：距離
Ｓ ：接合材
Ｔ ：伝熱経路
θ１ ：角度範囲
θ２ ：角度範囲
θ３ ：角度範囲

Claims (8)

  1. 絶縁板の上面に回路板が配置され、前記絶縁板の下面に放熱板が配置された積層基板と、
    前記回路板の上面に配置される半導体素子と、
    前記半導体素子の上面に配置される金属配線板と、
    前記金属配線板の上面に配置され、前記半導体素子の温度を検出する温度センサと、を備え、
    前記金属配線板は、前記半導体素子の熱を遮蔽する熱遮蔽部を有する半導体モジュール。
  2. 前記金属配線板は、
    前記半導体素子が接合される第１端部と、
    前記第１端部とは反対側に位置する第２端部と、を有し、
    前記熱遮蔽部は、少なくとも一部が前記温度センサよりも前記第１端部から前記第２端部に向かう方向の下流側に配置される請求項１に記載の半導体モジュール。
  3. 前記熱遮蔽部は、前記第１端部から前記第２端部に向かう方向に対して交差する方向に延びる切欠き部で形成される請求項２に記載の半導体モジュール。
  4. 前記温度センサは、平面視で前記半導体素子に重なるように配置される請求項１から請求項３のいずれかに記載の半導体モジュール。
  5. 前記熱遮蔽部は、平面視で前記半導体素子に重なるように配置される請求項４に記載の半導体モジュール。
  6. 前記熱遮蔽部は、前記温度センサの周囲を囲うように配置される請求項５に記載の半導体モジュール。
  7. 前記熱遮蔽部は、平面視における前記半導体素子の熱の拡散範囲内に配置される請求項１から請求項３のいずれかに記載の半導体モジュール。
  8. 前記熱遮蔽部は、断面視における前記半導体素子の熱の拡散範囲よりも外側に配置される請求項７に記載の半導体モジュール。
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