JP2023039565A - 半導体モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】絶縁層の損傷を回避する半導体モジュールを提供する。【解決手段】半導体モジュール１００は、絶縁層４０１、金属層４０２及び金属層４０３からなる積層基板４００に搭載された半導体素子４と、半導体素子４の主電極Ｅに電気的に接続されたリードフレーム２０と、半導体素子４及びリードフレーム２０を封止する第１樹脂８０と、リードフレーム２０の部分を覆う第２樹脂９０と、を備える。第２樹脂９０の熱分解温度又は融点は、半導体素子４の動作保証温度の最大値を超え、且つ、第１樹脂８０の熱分解温度又は融点未満である。【選択図】図２

Description

本開示は、半導体モジュールに関する。
半導体モジュールは、絶縁基板に搭載された半導体素子と、半導体素子の主電極に接続されたリードフレームと、半導体素子を収納する筐体とを備える（例えば、特許文献１～３参照）。半導体素子は、絶縁基板や端子に接合されて回路を形成する。半導体モジュールでは、筐体内の半導体素子及びリードフレーム等は樹脂材料によって封止されている。半導体素子を封止する樹脂材料としては、ゲルなど比較的柔らかいものや、エポキシ樹脂など比較的硬いものがある。
特開２０１５－４１６７６号公報 特開２０１９－１６１９６７号公報 特開２０１９－４７５４９号公報
例えば、過電流や過電圧などで半導体素子が破壊されると、半導体素子は単純な導体として振る舞うこととなる。この場合、半導体素子の複数の電極が導体と接合している限り、半導体素子に電流が流れ続けることになる。半導体素子が破壊された際に、この衝撃によって、半導体素子に接続されている配線部材が溶断されると、半導体素子に電流が流れなくなる。半導体素子及び配線部材が柔らかい樹脂によって封止されている場合には、半導体素子が破壊される際の衝撃によって、樹脂が破損し、半導体素子の破壊による衝撃は絶縁基板とは反対側の外部に放出される。そのため、絶縁基板の絶縁層が破壊されることは少ない。
半導体素子が比較的硬い樹脂によって封止されている場合には、半導体素子が破壊しても、半導体素子及び配線部材が樹脂によって固められているため、配線部材の形状が維持されて溶断されず、半導体素子に電流が流れ続けることになる。これにより、半導体素子が高温となり、半導体素子の破壊による衝撃が、絶縁基板側に解放されると、絶縁基板の絶縁層が破壊されるおそれがある。本開示は、異常時において、絶縁層の破壊を抑制することが可能な半導体モジュールを提供する。
本開示の半導体モジュールは、絶縁層と、絶縁層に搭載された半導体素子と、半導体素子の主電極に電気的に接続された配線部材と、半導体素子及び配線部材を封止する第１樹脂と、配線部材の部分を覆う第２樹脂と、を備え、第２樹脂の熱分解温度又は融点は、半導体素子の動作保証温度の最大値を超え、且つ、第１樹脂の熱分解温度又は融点未満である。
実施形態に係る半導体モジュールの一部を示す平面図である。 半導体モジュールの一部を示す断面図であり、図１中のＩＩ－ＩＩ線に沿う断面を示す図である。 リードフレーム及び封止部を示す断面図であり、図１中のＩＩＩ－ＩＩＩ線を示す図である。 変形例に係る半導体モジュールの封止部を示す断面図である。 半導体チップの主電極とリードフレームとの接合部を拡大して示す断面図である。
以下、本開示の実施形態について図面を参照して説明する。なお、図面において各部の寸法及び縮尺は実際のものと適宜に異ならせてある。また、以下に記載する実施形態は、本開示の好適な具体例である。このため、本実施形態には、技術的に好ましい種々の限定が付されている。しかし、本開示の範囲は、以下の説明において特に本開示を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるものではない。
図１は、実施形態に係る半導体モジュール１００の一部を示す平面図である。図２は、半導体モジュール１００の一部を示す断面図であり、図１中のＩＩ－ＩＩ線に沿う断面を示す図である。各図において、互いに直交する、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向が示されている。Ｘ軸方向は、互いに逆向きであるＸ１方向及びＸ２方向を含む。Ｙ軸方向は、互いに逆向きであるＹ１方向及びＹ２方向を含む。Ｚ軸方向は、互いに逆向きであるＺ１方向及びＺ２方向を含む。Ｚ軸方向は、例えば上下方向に沿う。以下の説明において、「上」、「下」との用語を使用する場合がある。なお、Ｚ軸方向は上下方向に沿うものに限定されない。Ｚ軸方向は、第１方向の一例である。Ｙ軸方向は、第２方向の一例である。Ｘ軸方向は、第３方向の一例である。また、ＸＹ面は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に平行な面である。ＸＺ面は、Ｘ軸方向及びＺ軸方向に平行な面である。ＹＺ面は、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に平行な面である。
図１及び図２に示されるように、半導体モジュール１００は、ケース１１０、リードフレーム２０、及び半導体ユニット３を備える。半導体モジュール１００は、例えばパワー半導体モジュールである。図１及び図２では、１つのリードフレーム２０を示しているが、半導体モジュール１００は、複数のリードフレーム２０を備えていてもよい。
ケース１１０は、絶縁性を有する樹脂材料から形成されている。樹脂材料は、例えば熱可塑性の樹脂である。ケース１１０の樹脂材料としては、例えば、ＰＢＴ及びＰＰＳが挙げられる。ＰＢＴは、ポリブチレンテレフタレートの略称である。ＰＰＳは、ポリフォニレンサルファイドの略称である。ケース１１０は第３樹脂の一例である。
ケース１１０は、Ｚ軸方向に見て、半導体ユニット３を囲むように形成されている。ケース１１０は、Ｚ軸方向に見て、例えば矩形状の枠体を成す。ケース１１０は、Ｚ軸方向に所定の厚さを有する。図１及び図２では、ケース１１０のうち、半導体ユニット３のＹ１方向に配置され、Ｘ軸方向に延在する部分が図示されている。半導体ユニット３は、ケース１１０に囲まれた領域内に配置されている。
リードフレーム２０は、板状を成し、導電性を有する金属材料から形成されている。リードフレーム２０は、例えば銅である。リードフレーム２０は、銅に限定されず、例えば、銅を８５重量％以上含む銅合金、アルミニウム、アルミニウムを８５重量％以上含むアルミニウム合金などその他の金属でもよい。リードフレーム２０の融点は、例えば１０８４℃である。リードフレーム２０の融点は、例えば５００℃以上、１１００℃以下でもよい。また、リードフレーム２０は、表面がニッケルやニッケル合金で被覆されていてもよい。リードフレーム２０は、図示しない外部端子と、半導体ユニット３とを電気的に接続する。リードフレーム２０は、配線部材の一例である。
半導体ユニット３は、積層基板４００及び半導体チップ４を備える。積層基板４００は、半導体チップ４を搭載する基板である。積層基板４００の板厚方向は、Ｚ軸方向に沿う。図２に示されるように、積層基板４００は、絶縁層４０１及び金属層４０２，４０３を有する。
絶縁層４０１は、樹脂絶縁層である。絶縁層４０１を構成する樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂を採用できる。なお、絶縁層４０１を構成する樹脂には、例えば酸化シリコン又は酸化アルミニウム、酸化ホウ素、窒化ホウ素等の各種のフィラーが含まれてもよい。絶縁層４０１を構成する樹脂は、エポキシ樹脂に限定されず、例えば、ポリイミド樹脂などその他の熱硬化性樹脂でもよい。このような、絶縁層４０１を構成する樹脂の熱分解温度は、例えば２００℃以上、５００℃以下でもよい。なお、「熱分解温度」とは、加熱により分解が始まり、ガスや残渣などへの状態変化が始まる温度である。絶縁層４０１を構成する樹脂は、第４樹脂の一例である。
絶縁層４０１の板厚方向はＺ軸方向に沿う。金属層４０２，４０３は、絶縁層４０１を挟んでＺ軸方向に対向する。金属層４０２，４０３は、絶縁層４０１に貼り付けられた金属板でもよい。金属層４０２，４０３は、導電性及び熱伝導率が高い金属からなる。金属層４０２，４０３は、例えば、銅又はアルミから形成される。金属層４０２は、例えばアルミ板又は銅板でもよい。金属層４０３は、例えば銅箔でもよい。金属層４０２は接地されている。
金属層４０２は、絶縁層４０１の下側に配置され、金属層４０３は、絶縁層４０１の上側に配置される。金属層４０３上には導体パターン４１１が形成されている。導体パターン４１１は、導電膜である。導体パターン４１１は、低抵抗な導電材料から形成される。導体パターン４１１は例えば銅又は銅合金から形成される。
半導体チップ４は、大電流をスイッチング可能なパワー半導体素子である。半導体チップ４は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）又はＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）等のトランジスタでもよい。半導体チップ４は、ＲＣ－ＩＧＢＴ（Reverse Conducting IGBT）またはＦＷＤ（Free Wheeling Diode）でもよい。本実施形態においては、半導体チップ４が、ＩＧＢＴ部分とＦＷＤ部分とを含むＲＣ－ＩＧＢＴである構成を例示する。
図１に示されるように、半導体チップ４は、主電極Ｅ、主電極Ｃ、及び制御電極Ｇを備える。主電極Ｅ及び主電極Ｃは、制御対象となる電流が入力又は出力される電極である。主電極Ｅは、半導体チップ４の上面４ａに形成されたエミッタ電極である。主電極Ｃは、半導体チップ４の下面４ｂに形成されたコレクタ電極である。主電極ＣはＦＷＤ部分のアノード電極としても機能し、主電極ＥはＦＷＤ部分のカソード電極としても機能する。
制御電極Ｇは、半導体チップ４の上面４ａに形成され、半導体チップ４のオン／オフを制御するための電圧が印加されるゲート電極である。なお、制御電極Ｇは、電流検出又は温度検出等の検出電極を含んでもよい。
図２に示されるように、半導体チップ４は、例えば半田等の接合材４２０を利用して積層基板４００に接合される。半導体チップ４の主電極Ｃは、Ｚ軸方向に対向する導体パターン４１１に接合される。半導体モジュールは、絶縁層４０１に搭載された半導体チップ４を備える。「絶縁層４０１に搭載され」とは、絶縁層４０１に直接搭載されている場合、金属層４０３など他の積層体を介して間接的に絶縁層４０１に搭載されている場合を含む。
図１に示されるように、半導体モジュール１００は、複数の制御端子５を備える。制御端子５は、ケース１１０に設けられている。複数の制御端子５は、各半導体チップ４の制御電極Ｇを電気的に外部接続するためのリード端子である。複数の制御端子５は、例えばインサート成形によりケース１１０と一体に形成される。各制御端子５は、例えば複数のワイヤ６により半導体チップ４の制御電極Ｇに電気的に接続される。
次に、リードフレーム２０について説明する。リードフレーム２０は、金属板から形成される。リードフレーム２０は、例えばプレス加工によって成形される。リードフレーム２０は、本体部２１、屈曲片２２、及び接続片２３を備える。リードフレーム２０は、クランク構造を有する。クランク構造は、屈曲形成された本体部２１，屈曲片２２及び接続片２３を含む。
本体部２１の板厚方向は、Ｚ軸方向に沿う。本体部２１は、Ｙ軸方向に延在する。本体部２１は、ケース１１０に埋め込まれた基部２４と、基部２４に連続し、ケース１１０からＹ２方向に突出する突出部２５と、図示しない締結部とを有する。突出部２５は、Ｙ軸方向に延在する。締結部は外部端子が接続される部分である。締結部は、ケース１１０の外部に対して露出されている。締結部は、ケース１１０に埋め込まれている部分を含んでもよく、ケース１１０から突出する部分を含んでよい。締結部は、基部２４に対して、突出部２５とは反対側の端部に接続されている。
基部２４は、本体部２１のうち、ケース１１０に埋め込まれた部分である。基部２４は、図示しない屈曲部を含んでもよい。基部２４は、締結部と突出部２５との間に位置する。突出部２５は、ケース１１０の内壁面１１０ａからＹ２方向に突出する。突出部２５は、Ｚ軸方向に見て、半導体チップ４に重なる位置まで延びている。突出部２５の板厚方向は、Ｚ軸方向に沿う。突出部２５は、Ｚ軸方向に離間する第１面２５ａ及び第２面２５ｂを含む。第１面２５ａは、上面であり、第２面２５ｂは、下面である。
突出部２５と半導体チップ４とは、Ｚ軸方向に離間している。突出部２５は、半導体チップ４のＺ１方向に位置する。突出部２５の先端部２５ｆは、Ｚ軸方向に見て、半導体チップ４と重なる位置に配置されている。突出部２５の先端部２５ｆは、Ｙ２方向の端部であり、ケース１１０の内壁面１１０ａから遠い方の端部である。
屈曲片２２は、突出部２５から屈曲されてＺ２方向に延びる。屈曲片２２の板厚方向はＹ軸方向に沿う。屈曲片２２は、Ｙ軸方向に延在し、突出部２５から半導体チップ４の主電極Ｅに接近するように配置されている。接続片２３は、屈曲片２２から屈曲されて、Ｙ２方向に突出する。接続片２３の板厚方向はＺ軸方向に沿う。接続片２３の下面は、半導体チップ４の主電極Ｅに接合される接続面２３ｂを含む。リードフレーム２０は、半導体チップ４の主電極Ｅに電気的に接続されている。リードフレーム２０は、半導体チップ４の主電極Ｅに直接接続されていてもよい。リードフレーム２０は、半導体チップ４の主電極Ｅに対して他の部材を介して間接的に接続されていてもよい。屈曲片２２は、第１方向部の一例である。
図３は、図２中のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿う断面図である。図２及び図３に示されるように、半導体モジュール１００は、封止部８を備える。なお、図１では、封止部８の図示が省略されている。封止部８は、ケース１１０に囲まれた内側の空間に充填されることで半導体ユニット３を封止する。封止部８は、樹脂８０及び樹脂９０を備える。樹脂８０は、第１樹脂の一例であり、樹脂９０は、第２樹脂の一例である。樹脂９０は、少なくとも６面を有する樹脂の塊である樹脂ブロックでもよい。
樹脂８０は、封止部８の大部分を占める。樹脂８０は、積層基板４００のＺ１方向に配置され、積層基板４００、半導体チップ４、リードフレーム２０、及び樹脂８２を封止する。樹脂８０は、熱硬化性樹脂であってよく、例えばエポキシ樹脂である。なお、例えば酸化シリコン又は酸化アルミニウム、酸化ホウ素、窒化ホウ素等の各種のフィラーが樹脂８０に含まれてもよい。樹脂８０は、エポキシ樹脂に限定されず、例えば、フェノール樹脂、マレイミド樹脂、ポリエステル樹脂などその他の熱硬化性樹脂でもよい。樹脂８０は、例えば、樹脂９０よりも硬い樹脂である。
樹脂９０は、リードフレーム２０の一部を覆うように配置される。樹脂９０は、本体部２１の突出部２５の一部を覆うように配置される。樹脂９０はブロック状を成す。ブロック状とは、少なくとも６面を有する樹脂９０の塊を含み、例えば直方体状でもよい。樹脂９０は、半導体モジュール１００の内部にあって、外部に露出していない。樹脂９０は、周囲を樹脂８０で覆われている。つまり、樹脂９０は樹脂８０によって封止されている。そうすることで、半導体モジュール１００の機械的強度の低下を抑え、また、半導体モジュール１００の封止性の低下を抑えることができる。
樹脂９０は、図３に示されるように、部分９１～９４を有する。樹脂９０は、突出部２５の横断面を全周にわたり包囲する形状である。部分９１，９２は、Ｚ軸方向に離間する。部分９１は、リードフレーム２０の突出部２５の第１面２５ａよりも上側に位置する。部分９１は、突出部２５の第１面２５ａを覆うように配置される。部分９１は、第１面２５ａのＸ軸方向の全てを覆う。Ｘ軸方向は、リードフレーム２０の第１面２５ａの幅方向の一例である。部分９２は、突出部２５の第２面２５ｂよりも下側に位置する。部分９２は、突出部２５の第２面２５ｂを覆うように配置される。
部分９３，９４は、Ｘ軸方向に離間する。突出部２５は、Ｘ軸方向に離間する側面２５ｃ，２５ｄを有する。側面２５ｃは、側面２５ｃのＸ１方向に配置される。部分９３は、側面２５ｃのＸ１方向に位置する。部分９３は、側面２５ｃを覆うように配置される。部分９４は、側面２５ｄのＸ２方向に位置する。部分９４は、側面２５ｄを覆うように配置される。側面２５ｃは、リードフレーム２０の本体部２１の第３面の一例であり、側面２５ｄは、本体部２１の第４面の一例である。
樹脂９０は、図２に示されるように、Ｙ軸方向にそって所定の長さを有する。樹脂９０は、Ｚ軸方向に見て、半導体チップ４及び金属層４０３に重なる位置に配置されている。樹脂９０は、Ｙ軸方向において、ケース１１０の内壁面１１０ａよりも屈曲片２２及び接続片２３に近い位置に配置されている。樹脂９０は、Ｙ軸方向において、半導体チップ４に近い位置に配置されている。

樹脂９０は、熱硬化性樹脂であってよく、例えば、エポキシ樹脂である。樹脂９０は、エポキシ樹脂に限定されず、例えば、フェノール樹脂、マレイミド樹脂、ポリエステル樹脂などその他の熱硬化性樹脂でもよい。樹脂９０は、シリコーンゴム、ウレタンゴムなどの熱硬化性エラストマーでもよい。また、樹脂９０は、熱可塑性樹脂であってよく、例えば、ポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）樹脂である。樹脂９０は、ＰＰＳ樹脂に限定されず、例えば、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）樹脂、ポリブチレンサクシネート（ＰＢＳ）樹脂、または、ポリアミド（ＰＡ）樹脂などその他の熱可塑性樹脂でもよい。樹脂９０は、ポリスチレン系（ＴＰＳ）、オレフィン系（ＴＰＯ）、ポリウレタン系（ＴＰＵ）、ポリエステル系（ＴＰＥＥ）、ポリアミド系（ＴＰＡＥ）などの熱可塑性エラストマーでもよい。なお、樹脂９０は、例えば酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ホウ素、窒化ホウ素の各種のフィラーが含まれていてもよい。
ここでは、樹脂９０が熱硬化性樹脂である場合について説明する。樹脂９０が熱可塑性樹脂である場合については後述する。樹脂９０の熱硬化性樹脂の熱分解温度は、半導体チップ４の動作保証温度の最大値を超え、且つ、樹脂８０の熱分解温度未満である。好ましくは、樹脂９０の熱分解温度は、半導体チップ４の動作保証温度より１０℃以上高く、且つ、樹脂８０の熱分解温度より、１０℃以上低い。半導体チップ４の動作保証温度は、半導体チップが正常に動作する温度である。半導体チップ４の動作保証温度の最大値は、例えば１７５℃である。半導体チップ４の動作保証温度の最大値は、例えば１４０℃以上、１８０℃以下でもよい。樹脂８０であるエポキシ樹脂の熱分解温度は、例えば３２０℃である。樹脂８０の熱分解温度は、例えば１８０℃以上、５００℃以下でもよい。樹脂９０の熱分解温度と樹脂８０の熱分解温度との差は、例えば、１０℃以上、３００℃以下でもよい。
樹脂９０の架橋密度は、樹脂８０の架橋密度より小さくてもよい。樹脂９０のエポキシ基濃度は、樹脂８０のエポキシ基濃度より小さくてもよい。換言すると、樹脂９０のエポキシ当量は、樹脂８０のエポキシ当量より大きくてもよい。
樹脂８０のエポキシ樹脂のタイプは、樹脂９０のエポキシ樹脂のタイプと異なっていてもよい。例えば、樹脂８０がノボラック型のエポキシ樹脂であって、樹脂９０がビスフェノールＡ型あるいはビスフェノールＦ型のエポキシ樹脂であってもよい。一般的に、ノボラック型のエポキシ樹脂の耐熱温度は、ビスフェノール型のエポキシ樹脂の耐熱温度より高い。
例えば、樹脂８０がフェノールノボラック型のエポキシ樹脂であって、樹脂９０がクレゾールノボラック型のエポキシ樹脂であってもよい。ノボラック型のエポキシ樹脂の場合、一般的に、フェノールノボラック型のエポキシ樹脂の耐熱温度は、クレゾールノボラック型のエポキシ樹脂の耐熱温度より高い。
樹脂９０の熱硬化性樹脂の熱分解温度は、ケース１１０の樹脂の融点よりも低い。好ましくは、樹脂９０の熱分解温度は、ケース１１０の樹脂の融点より、１０℃以上低い。ケース１１０を形成する材料に含まれるＰＢＴ樹脂の融点は、例えば２２５℃でもよい。ケース１１０を形成する樹脂の融点は、例えば１６０℃以上、３００℃以下でもよい。ケース１１０を形成する樹脂は、融点が低すぎるとリードフレーム２０の基部２４からの熱により、樹脂が劣化する恐れがある。また、融点が高すぎると、ケース成形時の温度が高くなり成形性が低下する。樹脂９０の熱分解温度とケース１１０の樹脂の融点との差は、例えば、１０℃以上、１００℃以下でもよい。
樹脂９０の熱分解温度は、絶縁層４０１を形成する樹脂の熱分解温度よりも低い。好ましくは、樹脂９０の熱分解温度は、絶縁層４０１を形成する樹脂の熱分解温度より、１０℃以上低い。絶縁層４０１を形成するエポキシ樹脂の熱分解温度は、例えば３２０℃である。絶縁層４０１を形成する樹脂の熱分解温度は、例えば１８０℃以上、５００℃以下でもよい。絶縁層４０１を形成する樹脂は、熱分解温度が低すぎると半導体チップ４からの熱により、樹脂が劣化する恐れがある。また、熱分解温度が高すぎると、基板４００の作成時の温度が高くなり、応力により基板に反り等が発生しやすくなる。樹脂９０の熱分解温度と絶縁層４０１を形成する樹脂の熱分解温度との差は、例えば、１０℃以上、３００℃以下でもよい。
図２及び図３に示されるように、樹脂８０は、Ｚ軸方向において、樹脂９０に対して積層基板４００の絶縁層４０１から遠い方に位置する部分８１と、樹脂９０に対して絶縁層４０１に近い位置に位置する部分８２と、を有する。部分８１は、第１樹脂の第１部分の一例であり、部分８２は、第１樹脂の第２部分の一例である。樹脂８０の部分８１，８２は、Ｚ軸方向に見て、樹脂９０に重なる位置に存在する。樹脂８０の部分８１は、樹脂９０の部分９１の上側に位置する。樹脂８０の部分８２は、樹脂９０の部分９２の下側に位置する。
Ｚ軸方向において、部分８１の厚さＴ１は、部分８２の厚さＴ２より薄い。厚さＴ１，Ｔ２は、Ｚ軸方向における寸法である。部分８１の厚さＴ１は、樹脂９０の上面９０ａから樹脂８０の部分８１の上面８１ａまでの距離である。部分８１の厚さＴ１は、部分８１のうち最も薄い部分の厚さでもよい。部分８２の厚さＴ２は、半導体チップ４の上面４ａから樹脂９０の下面９０ｂまでの距離である。部分８２の厚さＴ２は、部分８２のうち最も薄い部分の厚さでもよい。好ましくは、厚さＴ１は、厚さＴ２の０．１倍以上、０．９倍以下である。小さすぎると、半導体モジュール１００の機械的強度や封止性が低下する恐れがある。大きすぎると、半導体チップ４の割れ等により絶縁層４０１が破損し、リードフレームと金属層４０２が導通され、地絡する恐れがある。
図２及び図３には、第１基準位置Ｐ１が図示されている。第１基準位置Ｐ１は、Ｚ軸方向において、樹脂８０の最大厚さＴ４の５０％の位置とする。最大厚さＴ４は、Ｚ軸方向に沿う厚さのうち最も厚い部分である。最大厚さＴ４は、例えば積層基板４００の上面から樹脂８０の上面８０ａまでの厚さでもよい。最大厚さＴ４の５０％は、樹脂８０の上面８０ａからみて最大厚さＴ４の５０％の位置である。図２及び図３に示される厚さＴ５は、最大厚さＴ４の５０％の値である。樹脂９０は、第１基準位置Ｐ１に対して、絶縁層４０１とは反対側に位置する。樹脂９０は、第１基準位置Ｐ１の上方に位置する。
Ｚ軸方向において、樹脂９０の厚さＴ３は、リードフレーム２０の突出部２５の厚さｔ１よりも厚い。厚さｔ１は、突出部２５の第１面２５ａと第２面２５ｂとの間の距離である。リードフレーム２０の突出部２５の厚さｔ１は、０．２ｍｍ以上、３．０ｍｍ以下であって、例えば１．０ｍｍである。樹脂９０の厚さＴ３は、樹脂９０の下面９０ｂから上面９０ａまでの距離である。突出部２５の厚さｔ１に対する樹脂９０の厚さＴ３は、例えば、１．５倍以上、１０倍以下である。樹脂９の部分９１の厚さＴ６は、例えば１．０ｍｍ程度である。
樹脂９０のＸ軸方向に沿う幅Ｗ２は、リードフレーム２０の突出部２５のＸ軸方向に沿う幅Ｗ１よりも大きい。樹脂９０の幅Ｗ２は、突出部２５の幅Ｗ１よりも小さくてもよい。樹脂９０の幅Ｗ２は、例えば、突出部２５の幅Ｗ１の１１０％以上、２００％以下でもよい。
図１に示されるように、樹脂９０のＹ軸方向に沿う長さＬ１は、リードフレーム２０の突出部２５のＹ軸方向の長さＬ２の５％以上、５０％以下でもよい。
次に、半導体モジュール１００の製造方法について簡単に説明する。リードフレーム２０を金型に対して配置し、樹脂を用いてモールド成形を行い、ケース１１０を形成する。ケース１１０内に、半導体ユニット３を配置して、リードフレーム２０と半導体ユニット３の主電極Ｅとを接合する。次に、インサート成形により樹脂９０を形成し、ケース１１０内に樹脂８０を充填する。このようにして、半導体モジュール１００を製造してもよい。半導体モジュール１００の製造方法はこれに限定されず、任意の方法によって半導体モジュール１００を製造できる。
次に、半導体モジュール１００の動作について説明する。半導体モジュール１００では、リードフレーム２０を介して、外部電極から半導体チップ４に電流が供給される。通常の使用時においては、樹脂８０及び樹脂９０はリードフレーム２０からの熱により熱分解することはない。同様に、リードフレーム２０からの熱によってケース１１０の樹脂は溶融しない。通常時において、樹脂８０、樹脂９０、及びケース１１０の樹脂は、半導体チップ４の動作保証温度の最大値未満の温度であり、熱分解しない。
例えば、使用時において、何らかの異常が発生し、半導体チップ４が接続されている回路に過剰な電流が流れるおそれがある。このような異常時において、リードフレーム２０が発熱し、樹脂９０の温度が樹脂９０の熱分解温度を超えると、樹脂９０が熱分解して、この部分の空間Ｓが膨張する。このとき、リードフレーム２０の突出部２５も溶融する。例えば、半導体チップ４が発熱し、高温となると、半導体チップ４に近い突出部２５の先端部２５ｆ及びその周辺部分は、溶融する。リードフレーム２０のうち、半導体チップ４に近い部分は、半導体チップ４の熱により溶融される。
樹脂９０の熱分解により樹脂９０が存在していた空間Ｓが膨張する。また、樹脂９０が存在していた空間Ｓ内の空気が膨張する。この時、樹脂９０の周囲に配置されていた樹脂８０が破損する。樹脂９０の周囲に配置されていた樹脂８０において、強度が低い部分が破損する。具体的には、樹脂９０の部分９１の上方に位置する樹脂８０の部分８１が破損する。換言すると、半導体チップ４とは反対側の樹脂８０の部分８１が破損する。このとき、リードフレーム２０の突出部２５は、溶融しており、溶融している部分は、樹脂８１が破損する際に、外部に飛び散る。これにより、リードフレーム２０の一部は、外部に飛び散り存在しなくなる。そのため、外部電極から、半導体チップ４への電流の供給が停止される。半導体チップ４への電流の供給が停止されるので、半導体チップ４の発熱が停止される。なお、空間Ｓ内の空気は、例えば、樹脂９０と樹脂８０との界面の微細な隙間、樹脂９０とリードフレーム２０との界面の微細な隙間に存在し得る。
半導体モジュール１００では、異常時において、半導体チップ４への電流の供給が停止されるので、半導体チップ４における発熱が抑制される。そのため、半導体チップ４のさらなる温度上昇が抑制され、絶縁層４０１が高温によって損傷されることが回避される。半導体モジュール１００では、異常時において、絶縁層４０１が破壊されず存在しつづけるので、地絡が防止される。なお、金属層４０２は接地されている。半導体モジュール１００では、樹脂８０を備える構成において、地絡を防止できる。
半導体モジュール１００では、部分８２の厚さＴ２よりも部分８１の厚さＴ１が薄いので、部分８１が部分８２より壊れやすい。また、樹脂９０は、Ｚ軸方向において、封止部８の中間位置である第１基準位置Ｐ１よりも、おもて面側にリードフレーム２０の突出部２５及び樹脂９０が存在するので、おもて面側の部分８１を破損させて、積層基板４００への衝撃を緩和できる。なお、おもて面は、Ｚ１方向の面であり、樹脂８０の上面８０ａが存在する方の面である。おもて面は、Ｚ軸方向において、積層基板４００とは反対側の面でもよい。
半導体モジュール１００では、異常時において、半導体チップ４とは離れた位置の部分８１が破損されるので、積層基板４００の破損が防止される。積層基板４００の絶縁層４０１の破損が防止されるので、地絡が防止される。
半導体モジュール１００では、樹脂９０が設けられ、異常時において樹脂９０が溶断して、半導体チップ４への電流の供給が停止されるので、半導体モジュール１００の外部に、ヒューズを設ける必要がない。
なお、半導体モジュール１００では、図示していないが、金属層４０３には、リードフレーム２０とは異なるリードフレームが接続されている場合がある。この金属層４０３に接続されるリードフレームに対して、樹脂９０を設ける必要はない。
次に、変形例に係る半導体モジュール１００の封止部８Ｂについて説明する。図４は、変形例に係る半導体モジュール１００の封止部８Ｂを示す断面図である。変形例に係る封止部８Ｂが、図２及び図３に示される封止部８と違う点は、リードフレーム２０の突出部２５の第２面２５ｂを覆う部分９２を有していない点である。封止部８Ｂは、樹脂８０及び樹脂９０Ｂを備える。樹脂９０Ｂは、部分９１、部分９３及び部分９４を有する。変形例に係る半導体モジュール１００は、部分９２を有しておらず、突出部２５の第２面２５ｂは、樹脂８０によって覆われている。
このような封止部８Ｂを備える半導体モジュール１００においても、上記の実施形態の半導体モジュール１００と同様の作用効果を奏する。異常時において、樹脂９０Ｂが熱分解し、樹脂９０Ｂの熱分解により樹脂９０Ｂが存在していた空間Ｓが膨張したり空間Ｓ内の空気が急激に膨張して、樹脂８０の部分８１が破損するので、リードフレーム２０の突出部２５が溶断して、半導体チップ４への電流の供給が停止される。これにより、絶縁層４０１の破損が防止され、半導体モジュール１００における地絡が防止される。このような半導体モジュール１００では、異常時において、おもて面側の部分８１が破損するので、絶縁層４０１に近い方の部分８２の破損が抑制され、絶縁層４０１の破壊が回避される。
図４の樹脂９０Ｂは、予め成形されたものでよい。例えば、成形された樹脂９０Ｂをリードフレーム２０の突出部２５に取り付けることができる。樹脂９０Ｂが取り付けられたリードフレーム２０をモールド成形して、図２に示されるケース１１０が成形されてもよい。リードフレーム２０をモールド成形してケース１１０を成形した後に、突出部２５に樹脂９０Ｂを取り付けてもよい。また、その他の方法により、突出部２５に対して、樹脂９０Ｂを形成してもよい。例えば、金型に対してリードフレーム２０をセットし、金型内に樹脂を注入して、リードフレーム２０に対して樹脂９０Ｂを成形してもよい。上記実施形態の樹脂９０も、樹脂９０Ｂと同様に成形できる。予め成形された樹脂９０をリードフレーム２０に対して取り付けてもよく、金型を用いてリードフレーム２０に対して樹脂９０を成形してもよい。リードフレーム２０に対して樹脂９０，９０Ｂを設けた後に、ケース１１０内に樹脂８０を注入して、ケース１１０内の半導体ユニット３、リードフレーム２０及び樹脂９０，９０Ｂを封止できる。
次に、図５を参照して、半導体チップ４の主電極Ｅとリードフレーム２０との接合部について説明する。図５は、半導体チップ４の主電極Ｅとリードフレーム２０との接合部を拡大して示す断面図である。図５に示されるように、リードフレーム２０の接続面２３ｂは、接合部材２６を介して、半導体チップ４の主電極Ｅに接合されている。接合部材２６は、例えばはんだでもよく、金属焼結材でもよい。はんだは、例えばスズ（Ｓｎ）系のはんだでもよい。金属焼結材は、例えば銀（Ａｇ）ナノ粒子等の金属焼結材でもよい。このように、リードフレーム２０は、接合部材２６を介して、半導体チップ４の主電極Ｅと接合されていてもよい。
次に、樹脂９０が熱可塑性樹脂である場合について説明する。なお、熱可塑性樹脂である樹脂９０の説明において、熱硬化性樹脂である樹脂９０と同様の説明は省略する。樹脂９０は、熱可塑性樹脂を含むものでもよい。樹脂９０は、熱可塑性エラストマーでもよい。熱可塑性樹脂や熱可塑性エラストマーでは、融点および熱分解温度の両方が存在する。一般的には、融点で液状化し、その後（更に温度が上昇した後に）、熱分解温度で、ガス化等が開始する。樹脂９０が融点に達すると大きな体積変化が生じる。樹脂９０の融点は、半導体チップ４の動作保証温度の最大値を超え、且つ、樹脂８０の熱分解温度又は融点未満である。
半導体モジュール１００は、熱可塑性樹脂である樹脂９０を備えるものでもよい。このような半導体モジュール１００においても、上記の実施形態の半導体モジュール１００と同様の作用効果を奏する。
通常の使用時においては、樹脂８０及び樹脂９０はリードフレーム２０からの熱により溶融あるいは熱分解することはない。通常時において、樹脂８０、樹脂９０、及びケース１１０の樹脂は、半導体チップ４の動作保証温度の最大値未満の温度であり、溶融あるい熱分解しない。
例えば、異常時において、リードフレーム２０が発熱し、樹脂９０の温度が樹脂９０の融点を超えると、樹脂９０が溶融して、この部分の空間Ｓが膨張する。このとき、リードフレーム２０の突出部２５も溶融する。また、樹脂９０が存在していた空間Ｓ内の空気が膨張する。この時、樹脂９０の周囲に配置されていた樹脂８０が破損する。樹脂９０の周囲に配置されていた樹脂８０において、強度が低い部分が破損する。
具体的には、樹脂９０の部分９１の上方に位置する樹脂８０の部分８１が破損する。換言すると、半導体チップ４とは反対側の樹脂８０の部分８１が破損する。このとき、リードフレーム２０の突出部２５は、溶融しており、溶融している部分は、樹脂８１が破損する際に、外部に飛び散る。これにより、リードフレーム２０の一部は、外部に飛び散り存在しなくなる。そのため、外部電極から、半導体チップ４への電流の供給が停止される。
半導体モジュール１００では、異常時において、半導体チップ４への電流の供給が停止されるので、半導体チップ４における発熱が抑制される。そのため、半導体チップ４のさらなる温度上昇が抑制され、絶縁層４０１が高温によって損傷されることが回避される。半導体モジュール１００では、異常時において、絶縁層４０１が破壊されず存在しつづけるので、地絡が防止される。
なお、前述した実施例は、本開示の代表的な形態を示したに過ぎず、本開示は、前述した実施例に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において、種々の変更、付加が可能である。
上記の実施形態では、配線部材として、リードフレーム２０を備える構成について説明しているが、配線部材はリードフレーム２０に限定されない。配線部材は、その他の構成のリードフレームでもよく、ワイヤ等の線状の導体でもよい。半導体モジュール１００は、ワイヤ等の配線部材を備え、ワイヤに対して、樹脂９０が設けられていてもよい。
上記の実施形態では、リードフレーム２０が半導体チップ４に直接接合されている場合について例示しているが、リードフレーム２０は、他の部材を介して、半導体チップ４に電気的に接続されていてもよい。例えば、Ｚ軸方向に所定の長さを有する導電性のブロック体である接続端子を介して、リードフレーム２０と半導体チップ４とが電気的に接続されていてもよい。
上記の実施形態では、突出部２５から屈曲された屈曲片２２を有するリードフレーム２０について例示しているが、リードフレーム２０は、屈曲片２２を有していないものでもよい。屈曲片２２を有する場合には、リードフレーム２０の突出部２５と、半導体チップ４とをＺ軸方向に離間させやすい。突出部２５が半導体チップ４から離間し、おもて面側の上面８１ａの近くに突出部２５及び樹脂９０が位置する方が、絶縁層４０１が損傷する可能性がより低くなる。
上記の実施形態では、樹脂９０の熱分解あるいは溶融により樹脂９０が存在していた空間Ｓが膨張したり、空間Ｓ内の空気が膨張して、樹脂８０の部分８１が破損する場合について例示しているが、本開示はこの場合に限定されない。例えば、リードフレーム２０の溶融により空間Ｓが膨張したり、空間Ｓ内のその他のガスにより膨張して、部分８１が破損してもよい。例えば、樹脂９０から発生するガスによる圧力によって部分８１が破損してもよい。
上記の実施形態では、１つのリードフレーム２０に対して、１つのブロック状の樹脂９０が設けられているが、樹脂９０はこれに限定されない。１つのリードフレーム２０に対して、複数のブロック状の樹脂９０が設けられていてもよい。例えば、Ｙ軸方向において異なる位置に、複数のブロック状の樹脂９０が配置されていてもよい。また、樹脂９０は、Ｚ軸方向に積層された複数の板状のブロックを有するものでもよい。
また、樹脂９０は、複数の部分９１～９４の全てが一体的に形成されたものに限定されない。例えば、樹脂９０は、複数の部分９１，９３，９４が一体的に形成されたブロックと、部分９２からなる板状のブロックとから構成されていてもよい。
上記の実施形態では、樹脂９０が、リードフレーム２０の第１面２５ａ、第２面２５ｂ、及び側面２５ｃ，２５ｄを覆う場合について例示しているが、樹脂９０は、リードフレーム２０の第１面２５ａ、第２面２５ｂ、及び側面２５ｃ，２５ｄを覆うものに限定されない。樹脂９０は、例えば、リードフレーム２０の少なくとも第１面２５ａの一部を覆うものでもよい。樹脂９０は、部分９１を備え、部分９２～９４を備えていないものでもよい。
上記の実施形態では、樹脂９０の部分９１が、リードフレーム２０の第１面２５ａのＸ軸方向の全てを覆う場合について例示しているが、部分９１はこれに限定されない。部分９１は、Ｘ軸方向において第１面２５ａの一部を覆うものでもよい。Ｘ軸方向において、部分９１の幅は、第１面２５ａの幅Ｗ１よりも小さくてもよい。
また、半導体モジュール１００は、複数の配線部材を備えていてもよく、この場合に、樹脂９０は、複数の配線部材に対して共通に設けられていてもよい。例えば、半導体モジュール１００は、複数のワイヤを有し、樹脂９０は複数のワイヤを共通に覆うように設けられていてもよい。樹脂９０は、複数のワイヤに対してそれぞれ設けられていてもよい。
上記の実施形態では、樹脂９０の上面９０ａが平面である場合について例示しているが、上面９０ａは平面に限定されない。上面９０ａは、例えば湾曲面、傾斜面、凹凸面を含んでもよい。同様に、樹脂９０の下面９０ｂなどその他の面も平面に限定されず、湾曲面、傾斜面、凹凸面を含んでもよい。樹脂９０の厚さＴ３は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向において、均一でなくてもよい。同様に、樹脂８０の部分８１の厚さＴ１は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向において均一でなくてもよい。
上記の実施形態では、樹脂９０の上面９０ａが樹脂８０の部分８１によって封止されている構成について例示しているが、樹脂９０はこれに限定されない。樹脂９０の上面９０ａは樹脂８０によって封止されていない構成でもよい。樹脂９０の上面９０は、半導体モジュール１００の外部に対して露出している構成でもよい。例えば、Ｚ軸方向において、樹脂８０の上面８１ａと同様に、半導体モジュール１００のおもて面側に露出している構成でもよい。なお、樹脂９０が封止されていると、樹脂９０と樹脂８０との境界を通じて、封止部８の内部に水分等が進入するおそれが抑制される。これにより、リードフレーム２０の腐食のおそれが抑制され、半導体モジュール１００の信頼性の向上を図ることができる。
上記の実施形態においては、半導体チップ４がＲＣ－ＩＧＢＴを含む構成について例示しているが、半導体チップ４の構成は以上の例示に限定されない。例えば、半導体チップ４がＩＧＢＴまたはＭＯＳＦＥＴを含む形態も想定される。半導体チップ４がＭＯＳＦＥＴを含む形態において、主電極Ｃはソース電極およびドレイン電極の一方であり、主電極Ｅはソース電極およびドレイン電極の他方である。また、半導体ユニット３に含まれる半導体チップ４の個数は１個に限定されない。例えば、半導体ユニット３が２個以上の半導体チップ４を含む形態も想定される。
上記の形態において、半導体モジュール１００が１個の半導体ユニット３を備える構成について例示したが、半導体ユニット３の個数は１個に限定されない。例えば、半導体モジュール１００が２個以上の半導体ユニット３を備える形態も想定される。
上記の形態において、半導体モジュール１００がケース１１０を備えている構成について例示した。半導体モジュール１００は、ケース１１０を備える構成に限定されない。半導体モジュール１００は、ケース１１０を備えていなくてもよい。半導体モジュール１００は、ケース１１０に代えて、その他の収容体を備える構成でもよい。
１００…半導体モジュール、４…半導体チップ（半導体素子）、２０…リードフレーム（配線部材）、２１…本体部、２２…屈曲片（第１方向部）、２５…本体部、２６…接合部材、８０…樹脂（第１樹脂）、８１…部分（第１樹脂の第１部分）、８２…（第１樹脂の第２部分）、９０，９０Ｂ…樹脂（第２樹脂）、１１０…ケース、４０１…絶縁層、Ｐ１…第１基準位置、ｔ１…厚さ（リードフレームの本体部の厚さ）、Ｔ１…厚さ（第１樹脂の第１部分の厚さ）、Ｔ２…厚さ（第１樹脂の第２部分の厚さ）、Ｔ３…厚さ（第２樹脂の厚さ）、Ｔ４…最大厚さ（第１樹脂の最大厚さ）、Ｘ…Ｘ軸方向（第３方向）、Ｙ…Ｙ軸方向（第２方向）、Ｚ…Ｚ軸方向（第１方向）。

Claims (17)

  1. 絶縁層と、
    前記絶縁層に搭載された半導体素子と、
    前記半導体素子の主電極に電気的に接続された配線部材と、
    前記半導体素子及び前記配線部材を封止する第１樹脂と、
    前記配線部材の部分を覆う第２樹脂と、を備え、
    前記第２樹脂の熱分解温度又は融点は、前記半導体素子の動作保証温度の最大値を超え、且つ、前記第１樹脂の熱分解温度又は融点未満である、半導体モジュール。
  2. 前記絶縁層に対して前記半導体素子が搭載される方向を第１方向とし、
    前記第１樹脂は、前記第１方向において、前記第２樹脂に対して前記絶縁層から遠い方に位置する第１部分と、前記第２樹脂に対して前記絶縁層に近い方に位置する第２部分とを有し、
    前記第１方向において、前記第１樹脂の前記第１部分の厚さは、前記第１樹脂の前記第２部分の厚さより薄い、請求項１に記載の半導体モジュール。
  3. 前記第１方向から見て、前記第２樹脂は、前記半導体素子に重なる位置に配置され、
    前記第１方向において、前記第１樹脂の前記第２部分の厚さは、前記半導体素子と前記第２樹脂との間の厚さであり、
    前記第１方向において、前記第１樹脂の前記第１部分の厚さは、前記第１樹脂の前記第２部分の厚さより薄い、請求項２に記載の半導体モジュール。
  4. 前記絶縁層に対して前記半導体素子が搭載される方向を第１方向とし、
    前記第１方向において、前記第１樹脂の最大厚さの５０％の位置を第１基準位置とし、
    前記第１方向において、前記第２樹脂は、前記第１基準位置に対して、前記絶縁層とは反対側に位置する、請求項１～３の何れか一項に記載の半導体モジュール。
  5. 前記絶縁層に対して前記半導体素子が搭載される方向を第１方向とし、
    前記配線部材は、板状を成すリードフレームであり、
    前記リードフレームは、前記第１方向と交差する第２方向に延在する本体部を有し、
    前記第２樹脂は、前記本体部の部分を覆うように設けられている、請求項１～４の何れか一項に記載の半導体モジュール。
  6. 前記リードフレームの前記本体部は、前記第１方向に離間する第１面及び第２面を有し、
    前記第１面は、前記第１方向において、前記絶縁層から遠い方の面であり、
    前記第２面は、前記第１方向において、前記絶縁層に近い方の面であり、
    前記第２樹脂は、少なくとも前記第１面の一部を覆うように設けられている、請求項５に記載の半導体モジュール。
  7. 前記リードフレームの前記本体部は、前記第１方向及び前記第２方向に交差する第３方向に離間する第３面及び第４面を有し、
    前記第２樹脂は、ブロック状を成し、前記第１面のうち前記第３方向の全てを覆うと共に、前記第３面及び前記第４面を覆うように設けられている、請求項６に記載の半導体モジュール。
  8. 前記第２樹脂は、前記第２面を更に覆うように設けられている、請求項７に記載の半導体モジュール。
  9. 絶縁性を有する第３樹脂から形成され、前記リードフレームを保持するケースを備え、
    前記リードフレームの前記本体部は、前記ケースから突出して、前記第２方向に延在し、
    前記リードフレームは、前記本体部から屈曲されて前記第１方向に延び、前記半導体素子と電気的に接続される第１方向部を有し、
    前記第２樹脂は、前記第２方向において、前記ケースよりも前記第１方向部に近い位置に配置される、請求項５～８の何れか一項に記載の半導体モジュール。
  10. 前記第２樹脂の熱分解温度又は融点は、前記第３樹脂の熱分解温度又は融点よりも低い、請求項９に記載の半導体モジュール。
  11. 前記第１方向において、前記第２樹脂の厚さは、前記リードフレームの前記本体部の厚さよりも厚い、請求項５～１０の何れか一項に記載の半導体モジュール。
  12. 前記第１樹脂は、熱硬化性樹脂を含み、
    前記第２樹脂は、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を含む、請求項１～１１の何れか一項に記載の半導体モジュール。
  13. 絶縁性を有する第３樹脂から形成され、前記配線部材を保持するケースを備え、
    前記第２樹脂は、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を含み、
    前記第３樹脂は、熱可塑性樹脂を含む、請求項１～１２の何れか一項に記載の半導体モジュール。
  14. 前記配線部材は、前記半導体素子の前記主電極に直接接続されている請求項１～１３の何れか一項に記載の半導体モジュール。
  15. 前記配線部材は、前記半導体素子の前記主電極に接合部材を介して接続されている請求項１～１４の何れか一項に記載の半導体モジュール。
  16. 前記絶縁層は、第４樹脂を含む材料から形成され、
    前記第２樹脂の熱分解温度又は融点は、前記第４樹脂の熱分解温度又は融点よりも低い、請求項１～１５の何れか一項に記載の半導体モジュール。
  17. 前記第４樹脂は、熱硬化性樹脂を含み、
    前記第２樹脂は、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を含む、請求項１６に記載の半導体モジュール。
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