JP2022144201A - 半導体装置、半導体モジュール、車両、および、半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置、半導体モジュール、車両、および、半導体装置の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】回路層、絶縁板および金属層がこの順に積層された積層基板と、回路層上に実装された半導体素子とを備える半導体モジュールにおいて、半導体素子に通電すると、回路層の回路パターン間では絶縁板から離れる方向に電界強度分布が広まるため、当該回路パターン間付近の回路層と金属層との間で電界強度に偏りが生じ、回路層には電界強度が相対的に高くなる箇所があった。【解決手段】半導体チップと、回路層、絶縁層および金属層が順に積層された積層基板とを備え、回路層にはスリットが形成されており、金属層には絶縁層に対向する一面側から他面側に向かって陥凹している窪みが形成されており、平面視において金属層の窪みは回路層のスリットと少なくとも部分的に重なり、積層基板は窪みに設けられた緩和部を有し、緩和部は半導体チップの駆動中に絶縁層における少なくともスリットに隣接する部分の電界強度を緩和する、半導体装置を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置、半導体モジュール、車両、および、半導体装置の製造方法に関する。
従来、パワー半導体チップ等の複数の半導体素子が実装された積層基板を含む半導体モジュールが知られている（例えば、特許文献１－２参照）。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］特開２０１６－１９５２０６号公報
［特許文献２］特開２０１６－１９５２２４号公報
上記の半導体モジュールにおける積層基板は、平板状である絶縁板の両面に例えば銅箔である回路層および金属層がそれぞれ設けられ、回路層には回路パターンが形成されている。半導体素子に通電すると、回路層と金属層との間に電場が生じるが、当該回路パターン間では絶縁板から離れる方向に電界強度分布が広まるため、当該回路パターン間付近の回路層と金属層との間で電界強度に偏りが生じ、絶縁層には電界強度が相対的に高くなる箇所があった。
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、回路層、絶縁層および金属層が順に積層された積層基板を備える半導体モジュールを提供する。回路層には、スリットが形成されていてもよい。金属層には、絶縁層に対向する一面側から他面側に向かって陥凹している窪みが形成されていてもよい。平面視において、金属層の窪みは、回路層のスリットと少なくとも部分的に重なる緩和部を有してもよい。
緩和部は、絶縁層と一体的に形成されていてもよい。
緩和部は、樹脂材料によって絶縁層と一体的に形成されていてもよい。
半導体モジュールは、積層基板を少なくとも部分的に封止する封止部を更に備えてもよい。緩和部は、樹脂材料によって封止部および絶縁層と一体的に形成されていてもよい。
樹脂材料によって形成されている絶縁層の厚みは０．１ｍｍ以下であってもよい。
半導体モジュールは、半導体チップおよび積層基板を少なくとも部分的に封止する封止部を更に備えてもよい。絶縁層はセラミック材料によって形成された板材であってもよい。
積層基板の積層方向の断面において、緩和部に隣接する金属層の内側端部の形状、および、回路層のスリットに隣接する回路層の内側端部の形状は、断面内で一方向に延在している絶縁層の延在方向を中心として、少なくとも部分的に互いに線対称であってもよい。
積層基板の積層方向の断面において、金属層の外周部分における外側端部の形状、および、回路層の外周部分における外側端部の形状は、断面内で一方向に延在している絶縁層の延在方向を中心として、少なくとも部分的に互いに線対称であってもよい。
積層基板の積層方向の断面において、緩和部に隣接する金属層の内側端部、および、回路層のスリットに隣接する回路層の内側端部、のうちの少なくとも一方の端部の厚みは絶縁層に隣接する一側から他側に向かって徐々に薄くなり、且つ、少なくとも一方の端部の他側が緩和部またはスリットに向かって突出している形状を有してもよい。
積層基板の積層方向の断面において、金属層の外周部分における外側端部、および、回路層の外周部分における外側端部、のうちの少なくとも一方の端部の厚みは絶縁層に隣接する一側から他側に向かって徐々に薄くなり、且つ、少なくとも一方の端部の他側が金属層または回路層の外側に向かって突出している形状を有してもよい。
積層基板は、回路基板と、回路基板に対向する配線基板とを含んでもよい。配線基板は、回路基板と電気的および熱的に接続されていてもよい。
本発明の第２の態様においては、第１の態様に係る半導体モジュールと、半導体モジュールにおける積層基板の金属層と熱的に接合された冷却装置とを備える半導体装置を提供する。
本発明の第３の態様においては、第２の態様に係る半導体装置を備える車両を提供する。
本発明の第４の態様においては、回路層、絶縁層および金属層が順に積層された積層基板を有する半導体モジュールの製造方法を提供する。半導体モジュールの製造方法は、金属層を形成する段階を備えてもよい。半導体モジュールの製造方法は、金属層の上面側から下面側に向かって陥凹している窪みを形成する段階を備えてもよい。半導体装置の製造方法は、金属層の上面側に樹脂材料の層を設け、これにより、絶縁層を形成し、且つ、絶縁層と一体的な緩和部を金属層の窪みに設ける段階を備えてもよい。半導体モジュールの製造方法は、絶縁層の上面に回路層を形成する段階を備えてもよい。半導体装置の製造方法は、回路層にスリットを形成する段階を備えてもよい。平面視において、金属層の窪みは、回路層のスリットと少なくとも部分的に重なってもよい。
本発明の第５の態様においては、回路層、絶縁層および金属層が順に積層された積層基板を有する半導体モジュールの製造方法を提供する。半導体モジュールの製造方法は、金属層を形成する段階を備えてもよい。半導体モジュールの製造方法は、金属層の上面側から下面側に向かって陥凹している窪みを形成する段階を備えてもよい。半導体モジュールの製造方法は、回路層を形成する段階を備えてもよい。半導体モジュールの製造方法は、回路層にスリットを形成する段階を備えてもよい。半導体モジュールの製造方法は、回路層の上面に半導体チップを設ける段階を備えてもよい。半導体モジュールの製造方法は、金属層の上面と回路層の下面との間に隙間を開けて配置し、隙間に樹脂材料を充填して硬化させることにより、絶縁層を形成する段階を備えてもよい。平面視において、金属層の窪みは、回路層のスリットと少なくとも部分的に重なってもよい。
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
本発明の一つの実施形態に係る半導体装置１００の一例を示す模式的な断面図である。 図１に破線で示す領域［Ａ］に関する比較例の説明図である。 図１に破線で示す領域［Ａ］に関する実施例の説明図である。 図１に破線で示す領域［Ａ］に関する実施例と変形例の説明図である。 図１に破線で示す領域［Ａ］に関する他の変形例の説明図である。 図１に破線で示す領域［Ｂ］に関する変形例の説明図である。 図１に破線で示す領域［Ｃ］に関する実施例と変形例の説明図である。 本発明の一つの実施形態に係る半導体装置１００の製造方法の一例を示すフロー図である。 本発明の一つの実施形態に係る半導体装置１００の製造方法の一例を示すフロー図である。 本発明の一つの実施形態に係る半導体装置１００の製造方法の一例を示すフロー図である。 本発明の一つの実施形態に係る半導体装置１００の製造方法の他の一例を示すフロー図である。 本発明の一つの実施形態に係る半導体装置１００の製造方法の他の一例を示すフロー図である。 本発明の一つの実施形態に係る車両２００の概要を示す図である。 本発明の一つの実施形態に係る半導体装置１００の主回路図である。
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
図１は、本発明の一つの実施形態に係る半導体装置１００の一例を示す模式的な断面図である。図１において、半導体装置１００における領域Ａ、領域Ｂおよび領域Ｃのそれぞれを破線で示す。
半導体装置１００は、半導体モジュール７０と、冷却装置１０とを備える。本実施形態による半導体装置１００は、一例として、２つの冷却装置１０によって半導体モジュール７０の両面を冷却する。これに代えて、半導体装置１００は、１つの冷却装置１０によって半導体モジュール７０の片面を冷却してもよい。
本実施形態による半導体モジュール７０は、冷却装置１０に載置されている。なお、本実施形態の説明において、平面視とは、半導体装置１００の主面の側から半導体装置１００や半導体モジュール７０等を見た場合を意味する。図１においては、平面視は、紙面に向かって上側から半導体装置１００等を見た場合を意味する。
半導体モジュール７０は、積層基板７１を備える。本実施形態による半導体モジュール７０は更に、半導体チップ７８を備える。また、本実施形態において、積層基板７１は、回路基板７６と、回路基板７６に対向する配線基板９６とを含む。本実施形態による半導体モジュール７０は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の各ユニットにおいて、回路基板７６および配線基板９６の組を備える。
本実施形態による半導体モジュール７０は更に、積層基板７１を少なくとも部分的に封止する封止部７４と、封止部７４を囲う収容部７２と、導電性ポスト７５とを備える。なお、本実施例は収容部７２を備えるが、備えなくてもよい。収容部７２を備えない場合は、封止部７４はトランスファーモールド等により成形されてもよい。後述する収容部７２の機能は、封止部７４で代替されてもよい。
本実施形態による半導体モジュール７０は、パワー半導体装置として、Ｕ相ユニット、Ｖ相ユニットおよびＷ相ユニットを備え、各ユニットは、複数の半導体チップ７８を実装した回路基板７６と配線基板９６とを含む。
本実施形態による半導体モジュール７０は更に、Ｐ端子およびＮ端子である入力端子６１および入力端子６２と、出力端子６３との組を備える。例えば、半導体モジュール７０はＵ相、Ｖ相およびＷ相の各ユニットにおいて当該組を有し、この場合、半導体装置１００は三相交流インバータを構成する装置として機能する。なお、半導体モジュール７０における出力端子６３は、負荷、例えば車などのモーターに電気的に接続されてもよい。
半導体チップ７８は、縦型の半導体素子であり、上面電極および下面電極を有する。半導体チップ７８は、一例として、シリコン等の半導体基板に形成された絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、ＭＯＳ電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）および還流ダイオード（ＦＷＤ）等の素子を含む。半導体チップ７８は、ＩＧＢＴおよびＦＷＤが一枚の半導体基板に形成された逆導通ＩＧＢＴ（ＲＣ－ＩＧＢＴ）であってもよい。ＲＣ－ＩＧＢＴにおいてＩＧＢＴとＦＷＤは逆並列に接続されてよい。
半導体チップ７８の上面電極はエミッタ、ソースあるいはアノード電極であってよく、下面電極はコレクタ、ドレインあるいはカソード電極であってよい。半導体チップ７８における半導体基板は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）であってもよい。
ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子を含む半導体チップ７８は、制御電極を有する。半導体装置１００は、半導体チップ７８の制御電極に接続される制御端子を有してもよい。スイッチング素子は、制御端子を介し、外部の制御回路により制御され得る。
積層基板７１は、回路層８３、絶縁層８１および金属層８５が順に積層されている。本実施形態では、回路基板７６および配線基板９６のそれぞれが、回路層８３、絶縁層８１および金属層８５を有する。
回路基板７６および配線基板９６はそれぞれ、金属層８５の側において、冷却装置１０に固定されている。配線基板９６は、回路基板７６に対向して設けられ、回路基板７６と電気的および熱的に接続される。本実施形態では、配線基板９６は、複数の導電性ポスト７５および半導体チップ７８を介して、回路基板７６と電気的および熱的に接続される。
回路層８３は、回路パターンを有し、すなわち、回路層８３には、１又は複数のスリット８４が形成されている。また、本実施形態では、回路基板７６の回路層８３に、１つ又は複数の半導体チップ７８が実装される。回路基板７６の回路層８３の上面には、半導体チップ７８の下面電極が接続される。半導体チップ７８の上面電極は、導電性ポスト７５を介して、配線基板９６の回路層８３に接続される。なお、各基板の回路層８３は、ワイヤー等により、他の導電部材と電気的に接続されてもよい。
金属層８５には、１又は複数の窪み８６が形成されている。窪み８６は、絶縁層８１に対向する金属層８５の一面側から、金属層８５の他面側に向かって、陥凹している。平面視において、金属層８５の窪み８６は、回路層８３のスリット８４と少なくとも部分的に重なる緩和部８８を有する。回路層８３および金属層８５は、例えば銅あるいは銅合金などの導電材料を含む板材であってよい。
絶縁層８１は、例えばエポキシ系樹脂のような樹脂材料を含む板材であってもよい。樹脂材料は、セラミックスに比べて熱伝導率が低い。そのため、絶縁層８１を樹脂材料で形成する場合、絶縁層８１の厚さを薄くする必要がある。具体的な一例として、樹脂材料によって形成されている絶縁層８１の厚みは、０．１ｍｍ以下である。なお、絶縁層８１が樹脂材料を含む板材である場合、回路層８３および金属層８５は、例えば回路層８３および金属層８５の間に未硬化状態の樹脂材料を充填した状態で樹脂材料が硬化することにより、絶縁層８１の各面に固定されてもよい。
なお、絶縁層８１は、樹脂材料を含む板材に代えて、セラミックスを含む板材であってもよく、より具体的には、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）等のセラミックス材料を用いて形成されてよい。具体的な一例として、セラミックスを含む板材である絶縁層８１の厚みは、０．３２ｍｍ程度である。なお、絶縁層８１がセラミックスを含む板材である場合、回路層８３および金属層８５は、例えばロウやはんだ等によって絶縁層８１の各面に固定される。
緩和部８８は、例えばエポキシ系樹脂のような樹脂材料によって構成される。緩和部８８は、半導体チップ７８の駆動中に、絶縁層８１における、少なくともスリット８４に隣接する部分の電界強度を緩和する。
本実施形態において、緩和部８８は、平面視において、スリット８４に沿って延在している。これにより、緩和部８８は、絶縁層８１における、少なくともスリット８４に沿って延在する部分の電界強度を緩和することができる。
なお、緩和部８８の一部は、平面視において、スリット８４に沿って延在していなくてもよい。例えば、緩和部８８の一部は、平面視において、回路層８３において連続的に延びるスリット８４に対して、断続的であってもよく、すなわち、スリット８４の延伸方向に沿って途切れたり続いたりするように延在してもよい。
封止部７４は、例えばシリコーンゲルまたはエポキシ樹脂等の樹脂を含む絶縁部材である。収容部７２は、例えば熱硬化型樹脂、紫外線硬化型樹脂等の絶縁材料で形成された枠体である。本実施形態の収容部７２は、冷却装置１０上において、回路基板７６等が配置された領域を囲んで設けられる。換言すると、本実施形態の収容部７２は、半導体チップ７８、回路基板７６およびその他の回路要素を収容し得る内部空間を有する。
収容部７２は、上述した入力端子６１、６２および出力端子６３と一体的に設けられてもよい。また、収容部７２は、冷却装置１０上に接着されてもよい。なお、上述した封止部７４は、一例として、収容部７２の内部空間に上記の樹脂が充填され、硬化することによって形成される。
冷却装置１０は、半導体モジュール７０に隣接するベースプレート４０を有し、半導体モジュール７０における積層基板７１の金属層８５と熱的に接合される。本実施形態による両面冷却型の半導体装置１００においては、各冷却装置１０は、回路基板７６および配線基板９６のそれぞれの金属層８５と接合されている。冷却装置１０は、半導体装置１００が通電状態（オン状態）である間、すなわち半導体チップ７８の駆動中に、積層基板７１を介して半導体チップ７８から伝達される熱を冷却する。
本実施形態による半導体装置１００において、図１に示すように、緩和部８８は、絶縁層８１と一体的に形成されている。より具体的には、緩和部８８は、樹脂材料によって絶縁層８１と一体的に形成されている。更に具体的には、緩和部８８は、樹脂材料によって封止部７４および絶縁層８１と一体的に形成されている。なお、緩和部８８は、絶縁層８１および封止部７４の何れかを樹脂材料で形成する場合、これらの構成は互いに同じ樹脂材料で形成されてもよく、互いに異なる樹脂材料で形成されてもよい。
なお、緩和部８８は、絶縁層８１および封止部７４の何れかと一体的に形成されていなくてもよい。緩和部８８、絶縁層８１および封止部７４は、それぞれ個別に形成されていてもよい。
具体的な一例として、絶縁層８１はセラミック材料によって形成された板材であってもよく、この場合、緩和部８８は、樹脂材料によって封止部７４と一体的に形成されていてもよい。この場合、例えば、金属層８５の窪み８６は、平面視において、金属層８５の外周部分における外側端部８５－２まで延在し、緩和部８８は、当該窪み８６に設けられる。これにより、例えば、当該窪み８６が形成された金属層８５を含む積層基板７１を作った後に、未硬化状態の樹脂材料で積層基板７１および半導体チップ７８を封止することで、未硬化状態の樹脂材料を金属層８５の外側端部８５－２から当該窪み８６内へと充填することができる。
他の具体的な一例として、絶縁層８１および緩和部８８は、セラミックス材料によって一体的に形成された板材であってもよい。この場合、例えば、当該板材には、緩和部８８を構成する部分として、金属層８５の窪み８６に嵌入するように位置合わせされた凸部が形成される。絶縁の強度としては、空気の方がセラミックスよりも弱いので、窪み８６内に空洞が残ってしまうと絶縁上の弱点となってしまう。これに対して、セラミックス材料によって一体的に形成された板材の、緩和部８８を成す当該凸部を、金属層８５の窪み８６に嵌入させることにより、窪み８６内に空洞が残って絶縁上の弱点となることを回避することができる。なお、本実施形態のように、緩和部８８を樹脂材料で形成する場合も、これと同様の効果を有する。
図２は、図１に破線で示す領域［Ａ］に関する比較例の説明図である。比較例において、単に説明を簡略化する目的で、図１に示した本実施形態による半導体装置１００の構成と対応する構成には、半導体装置１００の構成の参照番号と対応する参照番号を用いる。なお、以降の図においても同様とし、重複する説明を省略する。
図２の左側に示す回路基板７６の部分拡大図において、等電位線を細線で示す。また、図２の右側には、回路基板７６の回路層８３のスリット８４に隣接する回路層８３の内側端部８３－１における、最も絶縁層８１側に位置する角部から、金属層８５までの最短経路上の位置［ｍｍ］と、半導体チップ７８の駆動中の電界強度［ｋｖ／ｍｍ］との関係を表すグラフを示す。グラフの横軸である当該位置［ｍｍ］は、回路層８３の上記の角部を０［ｍｍ］とし、金属層８５の絶縁層８１側の面上を０．１［ｍｍ］としている。なお、以降で説明する図３においても同様であり、重複する説明を省略する。
図２に示すように、半導体チップ７８の駆動中に、回路層８３と金属層８５との電位差に起因して、回路層８３および金属層８５の間に介在する絶縁層８１内に電界が生じる。電界強度を示す複数の等電位線は、絶縁層８１内の、回路層８３と金属層８５とによって挟まれる領域においては、互いに略等間隔であり、すなわち、電界強度に偏りが殆ど無い。
しかしながら、図２の比較例では、回路層８３の回路パターン間に位置するスリット８４において、絶縁層８１から離れる方向に電界強度分布が広まっており、これにより、スリット８４付近の回路層８３と金属層８５との間で電界強度に偏りが生じている。
図２の左側において、等電位線の間隔が狭いほど、すなわち等電位線が密であるほど、図２の右側のグラフに示す通り、電界強度が高い。図２に示す通り、回路層８３のスリット８４に隣接する回路層８３の内側端部８３－１における、最も絶縁層８１側に位置する角部に隣接する絶縁層８１において（位置０［ｍｍ］）、等電位線が最も密になり、絶縁層８１内の電界強度が最大となる（電界強度２５０［ｋｖ／ｍｍ］）。また、絶縁層８１内では、回路層８３側の位置０［ｍｍ］の電界強度は、金属層８５側の位置０．１［ｍｍ］の電界強度よりも約２００［ｋｖ／ｍｍ］高い。
なお、絶縁層８１内では、電界強度は、回路層８３の外周部分における外側端部８３－２側の部分よりも、回路層８３のスリット８４に隣接する回路層８３の内側端部８３－１側の部分の方が高い。これは、内側端部８３－１側の部分の方が、回路層８３等に形成された背面電極の面積が大きいためである。よって、絶縁破壊は、絶縁層８１内の内側端部８３－１側の部分、特に上記の角部付近において最も生じ易い。
図３は、図１に破線で示す領域［Ａ］に関する実施例の説明図である。図１に示した、本実施形態に係る半導体モジュール７０によれば、積層基板７１の金属層８５には、絶縁層８１に対向する一面側から他面側に向かって陥凹している窪み８６が形成されている。本実施形態に係る半導体モジュール７０によれば更に、平面視において、当該窪み８６は回路層８３のスリット８４と少なくとも部分的に重なり、当該窪み８６には、絶縁層８１における、少なくともスリット８４に隣接する部分の電界強度を緩和する緩和部８８が設けられる。
図３の実施例では、回路層８３のスリット８４だけでなく、当該緩和部８８においても、絶縁層８１から離れる方向に電界強度分布が広まっており、これにより、図２の比較例で生じていた電界強度の偏りが緩和されている。
図３に示す通り、回路層８３のスリット８４に隣接する回路層８３の内側端部８３－１における、最も絶縁層８１側に位置する角部に隣接する絶縁層８１において（位置０［ｍｍ］）、等電位線が最も密になり、絶縁層８１内の電界強度が最大となる。ただし、その電界強度は約１８０［ｋｖ／ｍｍ］であり、図２の比較例における最大電界強度２５０［ｋｖ／ｍｍ］よりも低い。
また、絶縁層８１内では、回路層８３側の位置０［ｍｍ］の電界強度は、金属層８５側の位置０．１［ｍｍ］の電界強度よりも約５０［ｋｖ／ｍｍ］高い。当該電界強度差は、図２の比較例と比べて、１５０［ｋｖ／ｍｍ］程度小さい。すなわち、図２の比較例で生じていた電界強度の偏りが緩和されていることが理解される。これは、図３の実施例では、図２の比較例と比べて、絶縁層８１内の最大電界強度が低下し、且つ、緩和部８８に隣接する金属層８５の内側端部８５－１側の等電位線が図２の比較例よりも密になり、絶縁層８１内の内側端部８５－１側の部分における電界強度が高まった為である。
以上、図２および図３を用いて、回路基板７６の緩和部８８がもたらす効果を説明した。回路基板７６と対応する積層構造を有する配線基板９６の緩和部８８も、当該効果と同様の効果をもたらすため、重複する説明を省略する。
なお、上述の通り、絶縁層８１を樹脂材料で形成する場合は、樹脂材料がセラミックスに比べて熱伝導性が低いため、絶縁層８１をセラミックスで形成する場合に比べて、絶縁層８１の厚みを３分の１以下程度に小さくする必要がある。絶縁層８１の厚みを小さくすることにより、絶縁層８１内の電界強度はより一層高まるため、緩和部８８がもたらす効果はより一層顕著となる。
図４は、図１に破線で示す領域［Ａ］に関する実施例と変形例の説明図である。図４の上段における（Ａ）は、図１の実施形態における構成を示し、図４の中段における（Ｂ）および下段における（Ｃ）には、図１の実施形態における構成の変形例を示す。
何れの例においても、金属層８５の内側端部８５－１は鈍角に形成されている。これに対して、図４の上段に示す実施例では、回路層８３の内側端部８３－１が鋭角に形成されている。また、図４の中段に示す変形例では、回路層８３の内側端部８３－１が直角に形成されている。また、図４の下段に示す変形例では、回路層８３の内側端部８３－１が鈍角に形成されている。
積層基板７１の積層方向の断面において、緩和部８８に隣接する金属層８５の内側端部８５－１の形状、および、回路層８３のスリット８４に隣接する回路層８３の内側端部８３－１の形状は、断面内で一方向に延在している絶縁層８１の延在方向を中心として、少なくとも部分的に互いに線対称であることが好ましい。図４の上段、中段および下段を比較すると明らかなように、当該断面における、金属層８５の内側端部８５－１の形状と回路層８３の内側端部８３－１の形状との対称性が高まるほど、絶縁層８１内の電界強度の偏りが緩和される。
また、積層基板７１の積層方向の断面において、緩和部８８に隣接する金属層８５の内側端部８５－１、および、回路層８３のスリット８４に隣接する回路層８３の内側端部８３－１、のうちの少なくとも一方の端部の厚みは絶縁層８１に隣接する一側から他側に向かって徐々に薄くなり、且つ、少なくとも一方の端部の他側が緩和部８８またはスリット８４に向かって突出している形状を有することが好ましい。すなわち、当該断面における金属層８５の内側端部８５－１の形状および回路層８３の内側端部８３－１の形状は、鈍角であることが好ましい。なお、更に換言すると、当該断面における、スリット８４および緩和部８８のそれぞれの断面幅が、絶縁層８１から離れる各方向に向かって徐々に小さくなっていることが好ましい。
図４の上段、中段および下段を比較すると明らかなように、これらの形状が共に鈍角である図４の下段では、回路層８３の内側端部８３－１の形状のみが鋭角である図４の上段と比べて、等電位線の、回路層８３の半導体チップ７８が実装されている面側への回り込みが緩やかである。よって、当該断面における金属層８５の内側端部８５－１の形状および回路層８３の内側端部８３－１の形状は、鋭角から鈍角になるに連れて、絶縁層８１内の電界強度の偏りがより緩和される。
なお、図４においては、何れの例においても、金属層８５の内側端部８５－１は鈍角としたが、金属層８５の内側端部８５－１は、図４の回路層８３の例ように、鋭角、直角、鈍角の何れであってもよい。また、金属層８５の内側端部８５－１の形状と、回路層８３の内側端部８３－１の形状とは、任意に組み合わされてもよい。
図５は、図１に破線で示す領域［Ａ］に関する他の変形例の説明図である。図５の上段における（Ａ）、中段における（Ｂ）および下段における（Ｃ）のそれぞれには、図４の上段、中段および下段のそれぞれにおける、金属層８５の内側端部８５－１の角部および回路層８３の内側端部８３－１の角部をＲ面取りした変形例を示す。図５に示すように、積層基板７１の積層方向の断面において、緩和部８８に隣接する金属層８５の内側端部８５－１の角部、および、回路層８３のスリット８４に隣接する回路層８３の内側端部８３－１の角部は、面取りされていることが好ましい。これらの角部が面取りされている場合、これらの角部が面取りされていない場合に比べて、等電位線の、回路層８３の半導体チップ７８が実装されている面側および金属層８５の窪み８６の底側への回り込みが緩やかである。よって、当該断面における金属層８５の内側端部８５－１の角部および回路層８３の内側端部８３－１の角部は、角ばった形状から丸みを有する形状になるに連れて、絶縁層８１内の電界強度の偏りがより緩和される。
図６は、図１に破線で示す領域［Ｂ］に関する変形例の説明図である。図６の上段における（Ａ）には、積層基板７１の積層方向の断面において、回路層８３のスリット８４と金属層８５の緩和部８８とが互いに入れ子の状態にある変形例を示す。また、図６の中段における（Ｂ）には、当該断面において、回路層８３のスリット８４の幅が、金属層８５の緩和部８８の幅よりも大きい変形例を示す。また、図６の下段における（Ｃ）には、当該断面において、回路層８３のスリット８４の幅が、金属層８５の緩和部８８の幅よりも小さい変形例を示す。図６に示すように、平面視において、スリット８４と緩和部８８とは互いにずれていてもよく、互いに大小関係にあってもよい。好適な一例として、平面視におけるスリット８４と緩和部８８とのずれ幅は、絶縁層８１の厚みを１００％とした場合に、２０％以下である。
図７は、図１に破線で示す領域［Ｃ］に関する実施例と変形例の説明図である。図７の上段における（Ａ）には、図１の実施形態における構成を示し、図７の中段における（Ｂ）および下段における（Ｃ）には、図１の実施形態における構成の変形例を示す。
図７の各例に示すように、図４を用いて説明した理由と同じ理由で、積層基板７１の積層方向の断面において、金属層８５の外周部分における外側端部８５－２の形状、および、回路層８３の外周部分における外側端部８５－２の形状は、当該断面内で一方向に延在している絶縁層８１の延在方向を中心として、少なくとも部分的に互いに線対称であることが好ましい。
また、図４を用いて説明した理由と同じ理由で、積層基板７１の積層方向の断面において、金属層８５の外周部分における外側端部８５－２、および、回路層８３の外周部分における外側端部８３－２、のうちの少なくとも一方の端部の厚みは絶縁層８１に隣接する一側から他側に向かって徐々に薄くなり、且つ、少なくとも一方の端部の他側が金属層８５または回路層８３の外側に向かって突出している形状を有することが好ましい。
以上、図４から図７に示した何れの変形例の半導体モジュール７０も、図１に示した実施形態による半導体モジュール７０が有する効果と、同様の効果を有する。
図８から図１０は、本発明の一つの実施形態に係る半導体装置１００の製造方法の一例を示すフロー図である。当該フローは、半導体モジュール７０の製造方法の一例も示す。
当該フローを開始すると、図８に示すように、回路基板７６および配線基板９６のそれぞれについて、金属層８５を形成し、金属層８５の上面側から下面側に向かって陥凹している窪み８６を形成する（ステップＳ１０１）。
回路基板７６および配線基板９６のそれぞれについて、金属層８５の上面側に樹脂材料の層を設け、これにより、絶縁層８１を形成し、且つ、絶縁層８１と一体的な緩和部８８を金属層８５の窪み８６に設ける（ステップＳ１０３）。なお、図８に示すように、絶縁層８１と一体的な緩和部８８は、樹脂材料で一気に形成したことにより、互いに一繋がりになっている。
図９に示すように、絶縁層８１の上面に回路層８３を形成し、回路層８３にスリット８４を形成する（ステップＳ１０５）。このように形成された回路基板７６の金属層８５および配線基板９６の金属層８５をそれぞれ、冷却装置１０のベースプレート４０と接合する（ステップＳ１０７）。
図１０に示すように、回路基板７６の回路層８３の上面に半導体チップ７８を設け、半導体チップ７８が設けられた回路層８３の上面にワイヤボンディング配線および端子、すなわち入力端子６１、６２を取り付ける（ステップＳ１０９）。ステップＳ１０９では、配線基板９６についても同様に、ワイヤボンディング配線および出力端子６３を取り付ける。
冷却装置１０のベースプレート４０の上面に、半導体チップ７８、回路基板７６および配線基板９６を収容する内部空間を有する収容部７２を取り付け、収容部７２の内部空間に樹脂材料を充填して硬化させることにより、半導体チップ７８、回路基板７６および配線基板９６を少なくとも部分的に封止する封止部７４を形成することにより（ステップＳ１１１）、半導体装置１００が製造され、当該フローは終了する。
図１１から図１２は、本発明の一つの実施形態に係る半導体装置１００の製造方法の他の一例を示すフロー図である。当該フローは、半導体モジュール７０の製造方法の一例も示す。
当該フローを開始すると、図１１に示すように、回路基板７６および配線基板９６のそれぞれについて、金属層８５を形成し、金属層８５の上面側から下面側に向かって陥凹している窪み８６を形成する（ステップＳ２０１）。回路層８３を形成し、回路層８３にスリット８４を形成し、回路基板７６の回路層８３の上面に半導体チップ７８を設け、半導体チップ７８が設けられた回路層８３の上面にワイヤボンディング配線および端子、すなわち入力端子６１、６２を取り付ける（ステップＳ２０３）。ステップＳ２０３では、配線基板９６についても同様に、ワイヤボンディング配線および出力端子６３を取り付ける。
金属層８５の上面と回路層８３の下面との間に隙間を開けて配置し、隙間に樹脂材料を充填して硬化させることにより、絶縁層８１を形成し、且つ、絶縁層８１と一体的な緩和部８８を金属層８５の窪み８６に設ける（ステップＳ２０５）。
図１２に示すように、ステップＳ２０５で形成された回路基板７６の金属層８５および配線基板９６の金属層８５をそれぞれ、冷却装置１０のベースプレート４０と接合する（ステップＳ２０７）。
冷却装置１０のベースプレート４０の上面に、半導体チップ７８、回路基板７６および配線基板９６を収容する内部空間を有する収容部７２を取り付け、収容部７２の内部空間に樹脂材料を充填して硬化させることにより、半導体チップ７８、回路基板７６および配線基板９６を少なくとも部分的に封止する封止部７４を形成することにより（ステップＳ１１１）、半導体装置１００が製造され、当該フローは終了する。
図１３は、本発明の一つの実施形態に係る車両２００の概要を示す図である。車両２００は、少なくとも一部の推進力を、電力を用いて発生する車両である。一例として車両２００は、全ての推進力をモーター等の電力駆動機器で発生させる電気自動車、または、モーター等の電力駆動機器と、ガソリン等の燃料で駆動する内燃機関とを併用するハイブリッド車である。
車両２００は、モーター等の電力駆動機器を制御する制御装置２１０（外部装置）を備える。制御装置２１０には、半導体装置１００が設けられている。半導体装置１００は、電力駆動機器に供給する電力を制御してよい。
図１４は、本発明の複数の実施形態に係る半導体装置１００の主回路図である。半導体装置１００は、出力端子Ｕ、ＶおよびＷを有する三相交流インバータ回路として機能し、車両のモーターを駆動する車載用ユニットの一部であってよい。
半導体装置１００において、半導体チップ７８－１、７８－２および７８－３は上アームを、半導体チップ７８－４、７８－５および７８－６は下アームを構成してよい。一組の半導体チップ７８－１、７８－４はレグ（Ｕ相）を構成してよい。一組の半導体チップ７８－２、７８－５、一組の半導体チップ７８－３、７８－６も同様にレグ（Ｖ相、Ｗ相）を構成してよい。半導体チップ７８－４において、エミッタ電極が入力端子Ｎ１に、コレクタ電極が出力端子Ｕに、それぞれ電気的に接続してよい。半導体チップ７８－１において、エミッタ電極が出力端子Ｕに、コレクタ電極が入力端子Ｐ１に、それぞれ電気的に接続してよい。同様に、半導体チップ７８－５、７８－６において、エミッタ電極がそれぞれ入力端子Ｎ２、Ｎ３に、コレクタ電極がそれぞれ出力端子Ｖ、Ｗに、電気的に接続してよい。さらに、半導体チップ７８－２、７８－３において、エミッタ電極がそれぞれ出力端子Ｖ、Ｗに、コレクタ電極がそれぞれ入力端子Ｐ２、Ｐ３に、電気的に接続してよい。
各半導体チップ７８－１から７８－６は、対応する制御端子に入力される信号により交互にスイッチングされてよい。本実施形態において、各半導体チップ７８はスイッチング時に発熱してよい。入力端子Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３は外部電源の正極に、入力端子Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３は外部電源の負極に、出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗは負荷にそれぞれ接続してよい。入力端子Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３は互いに電気的に接続されてよく、また、他の入力端子Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３も互いに電気的に接続されてよい。
半導体装置１００において、複数の半導体チップ７８－１から７８－６は、それぞれＲＣ‐ＩＧＢＴ（逆導通ＩＧＢＴ）半導体チップであってよい。また、半導体チップ７８－１から７８－６は、それぞれＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどのトランジスタとダイオードとの組み合わせを含んでよい。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
１０ 冷却装置
４０ ベースプレート
６１、６２ 入力端子
６３ 出力端子
７０ 半導体モジュール
７１ 積層基板
７２ 収容部
７４ 封止部
７５ 導電性ポスト
７６ 回路基板
７８、７８－１、７８－２、７８－３、７８－４、７８－５、７８－６ 半導体チップ
８１ 絶縁層
８３ 回路層
８３－１ 内側端部
８３－２ 外側端部
８４ スリット
８５ 金属層
８５－１ 内側端部
８５－２ 外側端部
８６ 窪み
８８ 緩和部
９６ 配線基板
１００ 半導体装置
２００ 車両
２１０ 制御装置

Claims (15)

  1. 回路層、絶縁層および金属層が順に積層された積層基板を備え、
    前記回路層には、スリットが形成されており、
    前記金属層には、前記絶縁層に対向する一面側から他面側に向かって陥凹している窪みが形成されており、
    平面視において、前記金属層の前記窪みは、前記回路層の前記スリットと少なくとも部分的に重なる緩和部を有する、
    半導体モジュール。
  2. 前記緩和部は、前記絶縁層と一体的に形成されている、
    請求項１に記載の半導体モジュール。
  3. 前記緩和部は、樹脂材料によって前記絶縁層と一体的に形成されている、
    請求項２に記載の半導体モジュール。
  4. 前記積層基板を少なくとも部分的に封止する封止部を更に備え、
    前記緩和部は、前記樹脂材料によって前記封止部および前記絶縁層と一体的に形成されている、
    請求項３に記載の半導体モジュール。
  5. 前記樹脂材料によって形成されている前記絶縁層の厚みは０．１ｍｍ以下である、
    請求項３または４に記載の半導体モジュール。
  6. 前記積層基板を少なくとも部分的に封止する封止部を更に備え、
    前記絶縁層はセラミック材料によって形成された板材である、
    請求項１に記載の半導体モジュール。
  7. 前記積層基板の積層方向の断面において、前記緩和部に隣接する前記金属層の内側端部の形状、および、前記回路層の前記スリットに隣接する前記回路層の内側端部の形状は、前記断面内で一方向に延在している前記絶縁層の延在方向を中心として、少なくとも部分的に互いに線対称である、
    請求項１から６の何れか一項に記載の半導体モジュール。
  8. 前記積層基板の積層方向の断面において、前記金属層の外周部分における外側端部の形状、および、前記回路層の外周部分における外側端部の形状は、前記断面内で一方向に延在している前記絶縁層の延在方向を中心として、少なくとも部分的に互いに線対称である、
    請求項１から７の何れか一項に記載の半導体モジュール。
  9. 前記積層基板の積層方向の断面において、前記緩和部に隣接する前記金属層の内側端部、および、前記回路層の前記スリットに隣接する前記回路層の内側端部、のうちの少なくとも一方の端部の厚みは前記絶縁層に隣接する一側から他側に向かって徐々に薄くなり、且つ、前記少なくとも一方の端部の前記他側が前記緩和部または前記スリットに向かって突出している形状を有する、
    請求項１から８の何れか一項に記載の半導体モジュール。
  10. 前記積層基板の積層方向の断面において、前記金属層の外周部分における外側端部、および、前記回路層の外周部分における外側端部、のうちの少なくとも一方の端部の厚みは前記絶縁層に隣接する一側から他側に向かって徐々に薄くなり、且つ、前記少なくとも一方の端部の前記他側が前記金属層または前記回路層の外側に向かって突出している形状を有する、
    請求項１から９の何れか一項に記載の半導体モジュール。
  11. 前記積層基板は、回路基板と、前記回路基板に対向する配線基板とを含み、
    前記配線基板は、前記回路基板と電気的および熱的に接続されている、
    請求項１から１０の何れか一項に記載の半導体モジュール。
  12. 請求項１から１１の何れか一項に記載の半導体モジュールと、
    前記半導体モジュールにおける前記積層基板の前記金属層と熱的に接合された冷却装置と
    を備える、半導体装置。
  13. 請求項１２に記載の半導体装置を備える車両。
  14. 回路層、絶縁層および金属層が順に積層された積層基板を有する半導体モジュールの製造方法であって、
    前記金属層を形成する段階と、
    前記金属層の上面側から下面側に向かって陥凹している窪みを形成する段階と、
    前記金属層の前記上面側に樹脂材料の層を設け、これにより、前記絶縁層を形成し、且つ、前記絶縁層と一体的な緩和部を前記金属層の前記窪みに設ける段階と、
    前記絶縁層の上面に前記回路層を形成する段階と、
    前記回路層にスリットを形成する段階と、

    を備え、
    平面視において、前記金属層の前記窪みは、前記回路層の前記スリットと少なくとも部分的に重なる、
    半導体モジュールの製造方法。
  15. 回路層、絶縁層および金属層が順に積層された積層基板と
    を有する半導体モジュールの製造方法であって、
    前記金属層を形成する段階と、
    前記金属層の上面側から下面側に向かって陥凹している窪みを形成する段階と、
    前記回路層を形成する段階と、
    前記回路層にスリットを形成する段階と、
    前記金属層の前記上面と前記回路層の下面との間に隙間を開けて配置し、前記隙間に樹脂材料を充填して硬化させることにより、前記絶縁層を形成する段階と
    を備え、
    平面視において、前記金属層の前記窪みは、前記回路層の前記スリットと少なくとも部分的に重なる、
    半導体モジュールの製造方法。
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