JP2023040345A - 半導体モジュール及び半導体モジュールの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】湾曲した取付面上にモジュールを固定すること。【解決手段】半導体モジュール（１）は、上面と下面を有する絶縁板（２０）と、絶縁板の下面に配置された放熱板（２１）と、絶縁板の上面に配置された複数の回路板（２２）と、を積層して構成された積層基板（２）と、それぞれの回路板の上面に配置された半導体素子（３、４）と、を備える。複数の回路板は、平面視で所定方向に並んで配置されている。放熱板の下面は、隣接する回路板の境界線に沿って分離され、平面視で所定方向に並んで配置された複数の放熱領域を有する。絶縁板は、所定方向に沿って厚み方向一方側に凸となるように湾曲している。【選択図】図３

Description

本発明は、半導体モジュール及び半導体モジュールの製造方法に関する。

半導体モジュールは、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。

この種の半導体モジュールにおいて、例えば特許文献１では、板状のフレーム上に複数のパワーモジュールが一列に並んで配置されている。板状のフレームは、良熱伝導材料であるアルミニウムや銅等の金属によって形成されている。

国際公開第２０１５／１８２３０１号

通常、構造の大部分が積層体で構成される半導体モジュールにおいては、平坦な板形状を有している。そのため、半導体モジュールの取付先（取付面）も平坦な形状であることが多い。しかしながら、取付面は必ずしも平坦であるとは限らず、例えば、湾曲した取付面上に半導体モジュールを取り付けたい場合も想定される。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、湾曲した取付面上にも適切に固定することが可能な半導体モジュール及び半導体モジュールの製造方法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、上面と下面を有する絶縁板と、前記絶縁板の下面に配置された放熱板と、前記絶縁板の上面に配置された複数の回路板と、を積層して構成された積層基板と、それぞれの前記回路板の上面に配置された半導体素子と、を備え、複数の前記回路板は、平面視で所定方向に並んで配置されており、前記放熱板の下面は、隣接する前記回路板の境界線に沿って分離され、平面視で前記所定方向に並んで配置された複数の放熱領域を有し、前記絶縁板は、前記所定方向に沿って厚み方向一方側に凸となるように湾曲している。

また、本発明の一態様の半導体モジュールの製造方法は、上面と下面を有する絶縁板と、前記絶縁板の上面において平面視で所定方向に並んで配置された複数の回路板と、前記絶縁板の下面に配置され、下面が、隣接する前記回路板の境界線に沿って分離され、平面視で前記所定方向に並んで配置された複数の放熱領域を有する放熱板と、を積層して構成された積層基板を準備する積層基板準備工程と、それぞれの前記回路板の上面に半導体素子を配置するチップ配置工程と、前記絶縁板を前記所定方向に沿って厚み方向一方側に凸となるように湾曲させる湾曲工程と、を備える。

本発明によれば、湾曲した取付面上にモジュールを固定することが可能である。

本実施の形態に係る半導体モジュールの平面図である。 図１のモールド樹脂を透過した平面図である。 図１のＺＸ平面に平行する平面に沿って切断した断面図である。 本実施の形態に係る半導体モジュールの回路構成の一例を示す模式図である。 本実施の形態に係る半導体モジュールの製造方法の一工程例（積層基板準備工程）を示す模式図である。 本実施の形態に係る半導体モジュールの製造方法の一工程例（チップ配置工程）を示す模式図である。 本実施の形態に係る半導体モジュールの製造方法の一工程例（ボンディング工程）を示す模式図である。 本実施の形態に係る半導体モジュールの製造方法の一工程例（湾曲工程）を示す模式図である。 本実施の形態に係る半導体モジュールの製造方法の一工程例（湾曲工程）を示す模式図である。 本実施の形態に係る半導体モジュールの製造方法の一工程例（成型工程）を示す模式図である。 本実施の形態に係る半導体モジュールの製造方法の一工程例（成型工程）を示す模式図である。 本実施の形態に係る半導体モジュールの製造方法の一工程例（成型工程）を示す模式図である。 本実施の形態に係る半導体モジュールの製造方法の一工程例（端子成型工程）を示す模式図である。 本実施の形態に係る半導体モジュールの製造方法の一工程例（回路基板配置工程）を示す模式図である。 変形例に係る半導体モジュール（放熱板）のバリエーションを示す（回路基板実装工程）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平面図である。図２は、図１のモールド樹脂を透過した平面図である。図３は、図１のＺＸ平面に平行する平面に沿って切断した断面図である。図４は、本実施の形態に係る半導体モジュールの回路構成の一例を示す模式図である。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（冷却器）の長手方向をＸ方向、半導体モジュール（冷却器）の短手方向をＹ方向、高さ方向（基板の厚み方向）をＺ方向と定義することにする。また、半導体モジュールの長手方向は、複数の回路板が並ぶ方向を示している。図示されたＸ、Ｙ、Ｚの各軸は互いに直交し、右手系を成している。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又は下面をＺ方向からみた場合を意味する。また、本明細書において、「湾曲」とは、曲線だけで構成された形状に限らず、一部に直線を有していてもよい。「湾曲」した形状とは、例えば、複数の直線部分と複数の曲線部分からなる形状であってもよい。

本実施の形態に係る半導体モジュール１は、例えば車載用モータのパワーコントロールユニット等の電力変換装置に適用されるものであり、インバータ回路（図４参照）を構成するパワー半導体モジュールである。図１から図５に示すように、半導体モジュール１は、積層基板２と、複数の半導体素子３、４と、これらを封止するモールド樹脂５と、含んで構成される。半導体モジュール１は、例えば車載用コンプレッサに設けられたヒートシンク１０の取付面１１（図３参照）にサーマルコンパウンド（不図示）を介して取り付けられる。なお、半導体モジュール１の取付先の構成については後述する。

本実施の形態では、半導体モジュール１が全体として図４に示す三相インバータ回路を形成する。図１に示すように半導体モジュール１では、Ｘ方向正側から順番にＵ相、Ｖ相、Ｗ相が並んで配置されている。

積層基板２は、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。積層基板２は、絶縁板２０と複数の放熱板２１と複数の回路板２２とを積層して構成され、全体として平面視矩形状に形成されている。

具体的に絶縁板２０は、上面と下面を有する板状体で形成され、Ｘ方向に長い平面視矩形状を有している（図２参照）。絶縁板２０の厚さは、０．０５ｍｍ以上、２．０ｍｍ以下であってよい。好ましくは、０．１ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下である。薄すぎると、電気絶縁性が確保できず、厚すぎると、放熱性が確保できない。絶縁板２０は、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）と酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）等のセラミックス材料によって形成されてよい。また、絶縁板２０は、例えば、エポキシ樹脂やポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂、又は、熱硬化性樹脂にガラスやセラミックス材料をフィラーとして用いた複合材料によって形成されてよい。絶縁板２０は、好ましくは、可撓性を有し、例えば、熱硬化性樹脂を含む材料によって形成されてよい。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。詳細は後述するが、絶縁板２０は、図３に示す断面視において、各回路板２２の間（５箇所）で曲げられており、全体として上方（＋Ｚ向き）に凸となる円弧状に湾曲した形状を有している。より具体的には、絶縁板２０は、断面視において、複数の回路板２２が配置された直線形状からなる平面部（６箇所）と各回路板２２の間で上方（＋Ｚ向き）に凸となる方向に湾曲した曲げ部（５箇所）が交互に形成され、全体として上方（＋Ｚ向き）に凸となる円弧状に湾曲した形状を有している。

放熱板２１は、所定の厚みを有し、Ｙ方向に長い平面視矩形状を有している（図２参照）。放熱板２１の厚さは、０．１ｍｍ以上、４．０ｍｍ以下であってよい。好ましくは、０．２ｍｍ以上、１．０ｍｍ以下である。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は、絶縁板２０の下面に配置されている。本実施の形態では、複数（６つ）の放熱板２１が、所定の間隔を空けて配置されている。具体的には、図２の破線のように、平面視でＸ方向に並んで配置され、図３のように、Ｙ方向から見た断面視で、全体として上方（＋Ｚ向き）に凸となる円弧状に湾曲して配置されている。

詳細は後述するが、複数の放熱板２１は、複数の回路板２２に対応して配置されている。また、放熱板２１の下面は、半導体モジュール１の下面に露出していてよい。さらに好ましくは、モールド樹脂５の下面より下方に突出してよい。放熱板２１の下面は、半導体モジュール１の取付先であるヒートシンク１０（図３参照）に対する被取付面であると共に、半導体モジュール１の熱を放出するための放熱面（放熱領域）としても機能する。

回路板２２は、放熱板２１と同様に、所定の厚みを有し、Ｙ方向に長い平面視矩形状を有している（図２参照）。回路板２２の厚さは、０．１ｍｍ以上、４．０ｍｍ以下であってよい。好ましくは、０．２ｍｍ以上、１．０ｍｍ以下である。回路板２２の厚さは、放熱板２１の厚さと同じであってよい。回路板２２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。回路板２２は、回路層、回路パターンと呼ばれてもよい。回路板２２は、絶縁板２０の上面に配置されている。本実施の形態では、複数（６つ）の回路板２２が、所定の間隔を空けて配置されている。具体的には、図２のように、平面視でＸ方向に並んで配置され、図３のように、Ｙ方向から見た断面視で、全体として上方（＋Ｚ向き）に凸となる円弧状に湾曲して配置されている。

詳細は後述するが、図１、２に示すように、６つの回路板２２のうち、Ｘ方向正側に並ぶ２つの回路板２２は、Ｕ相の回路を構成する。また、中央に並ぶ２つの回路板２２は、Ｖ相の回路を構成する。更にＸ方向負側に並ぶ２つの回路板２２は、Ｗ相の回路を構成する。また、各相において、Ｘ方向正側の回路板２２が上アーム（ハイサイドと呼ばれてもよい）を構成し、Ｘ方向負側の回路板２２が下アーム（ローサイドと呼ばれてもよい）を構成する。

上記した各放熱板２１は、各回路板２２の直下（絶縁板２０を挟んで反対側）に対応する箇所に配置されている。対応する箇所とは、各回路板２２の直下（絶縁板２０を挟んで反対側）の領域を含む箇所である。また、放熱板２１は、平面視で回路板２２よりも大きい面積を有することが好ましい。さらに好ましくは、各放熱板２１は、各回路板２２の直下（絶縁板２０を挟んで反対側）の領域を全て含むように配置されている。

隣接する放熱板２１の間隙は、隣接する回路板２２の間隙の直下（絶縁板２０を挟んで反対側）に対応する箇所に配置されている。対応する箇所とは、隣接する回路板２２の間隙の直下（絶縁板２０を挟んで反対側）の領域を含む箇所である。また、隣接する放熱板２１の間隙は、平面視で隣接する回路板２２の間隙よりも小さい面積を有することが好ましい。さらに好ましくは、隣接する放熱板２１の間隙は、隣接する回路板２２の間隙の直下（絶縁板２０を挟んで反対側）の領域に全て含まれるように配置されている。

各回路板２２のＹ方向負側の端部には、主電流用の配線を構成する端子部材２３（第１端子部材）が連結されている。端子部材２３は、回路板２２の端部からＹ方向負側に向かって延びた長尺形状を有している。各端子部材２３は、各回路板２２の幅（Ｘ方向）の内側に形成されている。

各相の上アーム側の端子部材２３は、高電位の入力端子（Ｐ端子）を構成する。一方で、各相の下アーム側の端子部材２３は、各相の出力端子（Ｕ端子、Ｖ端子、又はＷ端子）を構成する。

各相の下アーム側の回路板２２のＹ方向負側の側方には、長尺状の端子部材２４（第２端子部材）が配置されている。端子部材２４は、回路板２２の端部からＹ方向負側に向かって延びた長尺形状を有している。端子部材２４は、端子部材２３のＸ方向負側に並んで配置されている。端子部材２３、２４は、Ｙ方向に沿って互いに隣接して平行に延びている。各端子部材２４は、各回路板２２の幅（Ｘ方向）の内側に形成されている。端子部材２４は、低電位の入力端子（Ｎ端子）を構成する。

また、各相の下アーム側の回路板２２のＹ方向正側の側方には、長尺状の端子部材２５（第３端子部材）が配置されている。端子部材２５は、Ｙ方向正側に向かって延びている。各端子部材２５は、各回路板２２の幅（Ｘ方向）の内側に形成されている。端子部材２５は、ゲート端子（Ｇ端子）を構成する。図２に示すように、端子部材２５は、平面視において、半導体素子３、４を挟んで端子部材２３の反対側に配置されている。

詳細は後述するが、上記した複数の回路板２２、複数の端子部材２３、２４、２５は、１つの金属板によって形成され、製造工程の途中においては、矩形枠状のランナー部２６によって連結された状態となっている（図５Ｂ参照）。後の工程において、ランナー部２６が除去されることにより、各回路板２２及び各端子部材２３、２４、２５に分離される（切り離される）。一体化された金属板は、リードフレーム又は金属配線板と呼ばれてもよい。

各回路板２２の上面には、半導体素子３、４が半田等の接合材Ｓを介して配置されている。半導体素子３、４は、Ｙ方向に並んで配置されている。半導体素子３、４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矩形状に形成される。半導体素子には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等のスイッチング素子、ＦＷＤ（Free Wheeling Diode）等のダイオードが用いられる。

本実施の形態では、Ｙ方向正側に位置する半導体素子３がＩＧＢＴ素子で構成され、Ｙ方向負側に位置する半導体素子４がＦＷＤ素子で構成される。半導体素子３、４は互いに逆並列接続されてもよい。なお、本実施の形態では、ＩＧＢＴ素子とＦＷＤ素子とが別体で構成される場合について説明しているが、これに限定されず、半導体素子として、ＩＧＢＴ素子とＦＷＤ素子を一体化したＲＣ（Reverse Conducting）－ＩＧＢＴ、逆バイアスに対して十分な耐圧を有するＲＢ（Reverse Blocking）－ＩＧＢＴ等が用いられてもよい。

また、半導体素子３、４の形状、配置数、配置箇所等は適宜変更が可能である。なお、本実施の形態における半導体素子３、４は、半導体基板にトランジスタなどの機能素子を形成した、いわゆる縦型のスイッチング素子であるが、これに限らず、横型のスイッチング素子であってもよい。

上記した半導体素子３、４、回路板２２、端子部材２３、２４により、図４に示すようなインバータ回路が構成される。図４では、ＩＮ（Ｐ）は正極端子（高電位側入力端子）、ＩＮ（Ｎ）は負極端子（低電位側入力端子）、ＯＵＴ（Ｕ）、ＯＵＴ（Ｖ）、ＯＵＴ（Ｗ）は各相の出力端子を表している。また、２つの半導体素子３、４が逆並列接続された例を示している。

半導体素子３、４の上面電極は配線部材Ｗによって電気的に接続される。また、半導体素子４の上面電極と端子部材２４の一端部も配線部材Ｗによって電気的に接続される。更に半導体素子３のゲート電極３０と端子部材２５の一端部も配線部材Ｗによって電気的に接続される。

これらの配線部材Ｗには、導電性のワイヤ（ボンディングワイヤ）が用いられる。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。

上記した積層基板２、複数の半導体素子３、端子部材、及び配線部材Ｗは、モールド樹脂５によってパッケージ（封止）される。詳細は後述するが、モールド樹脂５は、トランスファー成形により成形可能である。モールド樹脂５は、例えば、エポキシ樹脂やシリコーンゴム等の熱硬化性樹脂材料であってよく、さらに、ガラスやセラミックス材料がフィラーとして添加されていてもよい。モールド樹脂５は、好ましくは、可撓性を有し、例えば、シリコーンゴム等の熱硬化性エラストマーを含む材料である。こうすることで、後述するように円筒状の外形を有するヒートシンク１０に半導体モジュール１を沿わせて配置することが容易になる。

ところで、一般的な半導体モジュールでは、組立性、放熱性等を考慮するため、半導体素子が実装される基板（積層基板）は平らであることが通常である。そのため、半導体モジュールが設置される場所も平坦な面の上であることが好ましい。

しかしながら、取付先の構造体（例えば自動車のコンプレッサやモータ）の形状によっては、円筒面等、湾曲した取付面上に半導体モジュールを取り付けたいことが想定される。この場合、取り付ける対象となる構造体に平坦部を形成することも考えられるが、装置全体の取付スペースを考慮すると、取付先の構造体に対応した形状で半導体モジュールを大型化することなく取り付けることが望まれる。このように、取付先の形状に対応した取付構造を有する半導体モジュールが望まれている。

従来では、平板状のヒートシンクの上面に複数の半導体モジュールを並べて配置し、ヒートシンクを湾曲させて曲面上に取り付けることも考えられていた。しかしながら、このような構造は複数の半導体モジュールを備えた構成に特化したものであり、しかも金属製のヒートシンク自体を湾曲させる必要がある。このため、従来構造は必ずしも取付性の柔軟性を確保したものとはいえず、その構造には改善の余地があった。

そこで、本件発明者は、単一の半導体モジュールにおいて、湾曲し取付面上に設置可能な構造を実現すべく、本発明に想到した。具体的に本実施の形態では、三相インバータ回路を構成する回路板を各相の各上下アーム毎に６つの回路板２２に分割し、連続した１枚の絶縁板２０の長手方向（Ｘ方向）に並べて配置した。また、通常絶縁板２０の下面に配置される放熱板も、６つに分割された回路板２２の直下に対応するように６つの放熱板２１に分割して配置した。

すなわち、放熱板２１の下面は、隣接する回路板２２の境界線Ｌに沿って分離されている。より具体的に放熱板２１は、境界線Ｌに沿って複数に分断されている。このように、複数の分断された放熱板２１の下面は、平面視でＸ方向に並んで配置された複数の放熱領域を構成する。

これにより、積層基板２単体では、図２に示すように、隣接する回路板２２又は放熱板２１の境界線Ｌに沿う箇所で絶縁板２０が露出されている。すなわち、境界線Ｌの上面では回路板２２が存在せず、境界線Ｌの下面では放熱板２１が存在しない。境界線Ｌは、複数の回路板２２が並ぶ方向（積層基板２の長手方向、Ｘ方向）とは直交する方向（積層基板２の短手方向、Ｙ方向）に沿って延びている。このため、境界線Ｌの近傍では、長手方向における積層基板２の曲げ剛性（撓みにくさ）が三層分（絶縁板２０、放熱板２１、及び回路板２２）ではなく、絶縁板２０一層分の曲げ剛性に調整（低減）されている。したがって、積層基板２（絶縁板２０）は、複数の境界線Ｌを起点に湾曲しやすくなっている。このため、図３に示すように、積層基板２をモールド樹脂５で封止する際に湾曲させた状態で成型することが可能である。

具体的には、積層基板２は、回路板２２、絶縁板２０、放熱板２１がこの順番に形成されている。絶縁板２０は、Ｘ方向に長手を有する矩形状の１枚の連続した板で形成されている。絶縁板２０の上面側に、Ｘ方向に並ぶ複数（６つ）に分割された回路板２２を有し、Ｘ方向に並ぶ複数（５つ）の間隙を有する。また、絶縁板の下面側に、回路板２２に対応したＸ方向に並ぶ複数（６つ）に分割された放熱板２１を有し、回路板２２の間隙に対応したＸ方向に並ぶ複数（５つ）の間隙を有する。そして、積層基板２は、放熱板２１および回路板２２の対向する複数（５つ）の間隙を湾曲させて、全体として上方（＋Ｚ向き）に凸となる円弧状に湾曲して配置されている。

より具体的には、積層基板２は、回路板２２または放熱板２１の少なくともいずれかが配置された平面部分と、回路板２２および放熱板２１のいずれも配置されていない曲げ部を備える。そして、それぞれの曲げ部は、上方（＋Ｚ向き）に凸となる方向に曲がっている。このため、半導体モジュール１は、下面が全体として上方（＋Ｚ向き）に凸となる円弧状に湾曲している。この結果、湾曲した取付面１１を有する円筒状の外形を有するヒートシンク１０に半導体モジュール１を沿わせて配置することが可能である。

また、平面視における放熱板２１の面積は、対応する回路板２２の面積よりも大きい。この構成によれば、回路板２２上に配置された半導体素子３、４が発熱した際の熱の拡散範囲に応じて放熱板２１がその熱をヒートシンク１０に向けて拡散する。この結果、効果的に半導体素子３、４の熱を放出することが可能である。

このように、本実施の形態に係る半導体モジュール１では、各相のアーム毎に回路板２２及び放熱板２１を分割したことにより、隣接するアームの境界線Ｌを起点に積層基板２を湾曲しやすくすることが可能である。この結果、湾曲した取付面１１の形状に合わせた半導体モジュール１を得ることができ、省スペースを考慮した半導体モジュール１の取付が可能となっている。

また、本実施の形態に係る半導体モジュール１では、絶縁板２０が１枚の連続したものであることにより、回路板２２と放熱板２１との間の沿面距離を十分に確保することができる。そのため、隣接する回路板２２及び隣接する放熱板２１のそれぞれの間隔を小さくすることができる。この結果、湾曲した取付面１１の形状に合わせつつ、小型の半導体モジュール１を得ることができ、省スペースを考慮した半導体モジュール１が可能となっている。

次に、図５から図１３を参照して、本実施の形態に係る半導体モジュールの製造方法について説明する。図５から図１４は、本実施の形態に係る半導体モジュールの製造方法の一工程例を示す模式図である。図５Ａ、図６Ａ、図７Ａは断面模式図であり、図５Ｂ、図６Ｂ、図７Ｂは平面模式図である。なお、以下に示す半導体モジュールの製造方法は、あくまで一例であり、この構成に限定されず、適宜変更が可能である。

本実施の形態に係る半導体モジュール１の製造方法は、積層基板準備工程（図５参照）と、チップ配置工程（図６参照）と、ボンディング工程（図７参照）と、湾曲工程（図８－９参照）と、成型工程（図１０－１２参照）と、端子成型工程（図１３参照）と、回路基板配置工程（図１４参照）と、を備えている。これらの各工程は、矛盾のない限り、実施する順序を変更したり、まとめたりしてもよい。

先ず、図５Ａ、図５Ｂに示すように、積層基板準備工程においては、上面と下面を有する絶縁板２０と、絶縁板２０の上面において所定方向（Ｘ方向）に並んで配置された複数の回路板２２と、絶縁板２０の下面において複数の回路板２２に対応する箇所に配置された複数の放熱板２１と、を積層して構成された積層基板２を準備する。

特に図５Ｂに示すように、複数の回路板２２、複数の端子部材２３、２４、２５は、１つの金属板によって形成されている。より具体的には、複数の回路板２２、複数の端子部材２３、２４、２５は矩形枠状のランナー部２６によって一体に連結された状態となっている。

次に、チップ配置工程が実施される。図６Ａ、図６Ｂに示すように、チップ配置工程では、それぞれの回路板２２の上面に半導体素子３、４が配置される。具体的に１つの回路板２２につき、半導体素子３、４が１つずつ、接合材Ｓを介して回路板２２の上面に配置される。

次に、ボンディング工程が実施される。図７Ａ、図７Ｂに示すように、ボンディング工程では、半導体素子３、４の上面電極が配線部材Ｗによって電気的に接続される。また、半導体素子４の上面電極と端子部材２４の一端部も配線部材Ｗによって電気的に接続される。更に半導体素子３のゲート電極３０と端子部材２５の一端部も配線部材Ｗによって電気的に接続される。この場合、ボンディング工程では、後の湾曲工程で積層基板２が湾曲されることを見越して、配線部材Ｗを長めにたるませてボンディングすることが好ましい。これにより、湾曲後も配線部材Ｗが突っ張ることなく断線を防止することが可能である。

次に、湾曲工程が実施される。図８、図９に示すように、チップ配置工程後の積層基板２は、金型（下金型１２及び上金型１３）内に収容される。下金型１２及び上金型１３には、上方に凸となる湾曲した窪み（凹部）が形成されている。積層基板２は、下金型１２の窪みに向かって押し付けられ、窪みの湾曲形状に沿うように湾曲される。すなわち、湾曲工程では、積層基板２（絶縁板２０）が所定方向（Ｘ軸方向）に沿って厚み方向（Ｚ軸方向）一方側に凸となるように湾曲される。なお、本実施の形態では、積層基板２がＺ方向正側に向かって凸となるように湾曲される場合について説明しているが、これに限定されず、適宜変更が可能である。例えば積層基板２はＺ方向負側に向かって凸となるように湾曲されてもよい。また、積層基板２は、Ｚ方向正側に向かって凸となるように湾曲される部分とＺ方向負側に向かって凸に湾曲される部分を両方含んでいてもよい。あるいは、積層基板２は、凸となるように湾曲される部分と平面部分と含んでいてよい。また、本実施の形態では、円弧状に湾曲している場合について説明しているが、これに限定されず、適宜変更が可能である。例えば積層基板２は楕円の一部に対応する弧に湾曲されてもよい。

次に、成型工程が実施される。図１０に示すように、成型工程では、下金型１２と上金型１３が接近して閉じられることにより、金型内に所定の閉空間が形成される。そして、図１１に示すように、金型内の閉空間にモールド樹脂５が充填されることにより、積層基板２及び半導体素子３、４がパッケージされる。このモールド樹脂５は、例えばトランスファー成形により成形される。トランスファー成形を採用することで、専用のケースを用意する必要がなく、全ての構成部品を実装した後で一度にこれらの構成部品を封止して一体化することが可能である。その後、モールド樹脂５が完全に硬化したら、下金型１２と上金型１３が互いに退避して開かれ、構成部品が一体化された１つの半導体モジュール１を得ることが可能である。

次に、端子成型工程が実施される。図１３に示すように、ランナー部２６（図５－図７参照）が除去されることにより、各回路板２２及び各端子部材２３－２５に分離される（切り離される）。更に、各端子部材２３－２５が図１３に示す曲げ線Ｂに沿って直角に曲げられる。これにより、各端子部材２３－２５がＺ方向正側に向かって延びるように成型される。

次に、回路基板配置工程が実施される。図１４に示すように、回路基板配置工程では、複数の端子部材２３－２５に回路基板６（プリント基板又は制御基板と呼ばれてもよい）が配置される。具体的に回路基板６は、平面視矩形状のプリント基板で構成され、複数の端子部材２３－２５の先端に対応する箇所に貫通穴（不図示）が形成されている。当該貫通穴に各端子部材の先端が挿入され、半田付けされることにより、回路基板６上の回路パターンと各端子部材とが電気的に接続される。

なお、図１４に示すように、半導体モジュール１と、取付先である冷却器の一部を構成するヒートシンク１０と、回路基板６と、を含んで、半導体装置１００（電力変換装置）が構成されてもよい。

以上説明したように、本実施形態によれば、アーム毎に回路板２２及び放熱板２１を分割したことにより、積層基板２を湾曲しやすくすることができ、湾曲した取付面１１の形状に合わせた半導体モジュール１を得ることができる。

なお、上記実施の形態では、トランスファー成型によって半導体モジュール１の構成部品が封止される構成としたが、この構成に限定されない。例えば、樹脂製のケースと金属製の端子が別々に形成され、ケース内に各種構成部品を配置し、そのケース内に別途封止樹脂を充填する構成としてもよい。

また、上記実施の形態では、６つの回路板２２の直下に対応して６つの放熱板２１を配置する構成としたが、この構成限定されない。例えば、図１５に示す構成であってもよい。図１５は、変形例に係る放熱板のバリエーションを示す図である。

上記実施の形態では、境界線Ｌによって放熱板２１が複数（６つ）に分断されている場合について説明した。ここで、「分断」とは、隣り合う放熱板２１が所定の間隔を空けて完全に分離された状態を表している。一方で変形例では、図１５Ａに示すように、絶縁板２０の下面には、隣接する２つの放熱板２１の間に、厚さの薄くＹ方向に延在する溝部（放熱板２１ａ）が形成されていてもよい。すなわち、放熱板２１の下面は、所定の厚みを残すように境界線Ｌに沿って形成された溝部によって複数の放熱領域に分離されてよい。ここで「分離」とは、放熱板２１が完全に分断された状態に限らず、放熱板２１の厚みをわずかに残して下面の放熱領域が複数に分割された状態も含むものとする。溝部によって、周囲の放熱板２１よりも厚みが小さい放熱板２１ａが形成されてよい。この場合、隣接する放熱板２１の境界線Ｌは、真上に位置する回路板２２の境界線Ｌと一致していることが好ましい。また、境界線Ｌは、放熱板２１の溝部（放熱板２１ａ）と重なる箇所に位置していることが好ましい。このため、境界線Ｌの近傍では、曲げ剛性が低減されている。したがって、積層基板２（絶縁板２０）は、複数の境界線Ｌを起点に湾曲しやすくなっている。また、絶縁板２０の下面には、隣接する２つの放熱板２１の間に別の放熱板２１ａを配置してもよい。この場合、別の放熱板２１ａの剛性（硬度等）は、放熱板２１よりも小さいことが好ましい。この場合も、放熱板２１ａの厚みは、放熱板２１の厚みより小さいことが好ましい。このように、放熱板の構成を変更することで積層基板２全体としての撓みやすさ（曲げ剛性）を調整（低減）することが可能である。

また、図１５Ｂに示すように、同一形状の放熱板２７をＸ方向にずらして一部をＺ方向で重なるように配置し、全体として伸縮可能なシャッター形状で放熱板２７を形成してもよい。この場合、隣接する放熱板２１の境界線Ｌは、隣接する回路板２２の隙間に対向する領域のシャッター部分であってよい。また、図１５ｃに示すように、同一形状の放熱板２８をＸ方向にずらすだけでなく、Ｙ方向にも複数ずらして配置し、Ｙ方向で交互に連結することにより、湾曲可能な放熱板を形成してもよい。更には、図１５Ｄに示すように、Ｙ方向に長い円筒状の放熱部材２９をＸ方向に沿って複数並べて連結することにより、簾のように湾曲可能な放熱板を形成してもよい。この場合、隣接する放熱板２１の境界線Ｌは、隣接する回路板２２の隙間に対向する部分の領域にあってよい。すなわち、図１５Ａ～Ｄでは、境界線Ｌに対応して、絶縁板２０の上面には回路板２２が存在せず、絶縁板２０の下面の放熱板２１（２１ａ）、２７～２９には１つまたは複数の溝部が存在する。このため、境界線Ｌの近傍では、曲げ剛性が低減されている。したがって、積層基板２（絶縁板２０）は、複数の境界線Ｌを起点に湾曲しやすくなっている。

また、上記実施の形態において、半導体素子３、４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、積層基板２、半導体素子３、４が平面視矩形状又は方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。これらの構成は、上記以外の多角形状に形成されてもよい。

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、上記の実施の形態における特徴点を整理する。
上記実施の形態に係る半導体モジュールは、上面と下面を有する絶縁板と、前記絶縁板の下面に配置された放熱板と、前記絶縁板の上面に配置された複数の回路板と、を積層して構成された積層基板と、それぞれの前記回路板の上面に配置された半導体素子と、を備え、複数の前記回路板は、平面視で所定方向に並んで配置されており、前記放熱板の下面は、隣接する前記回路板の境界線に沿って分離され、平面視で前記所定方向に並んで配置された複数の放熱領域を有し、前記絶縁板は、前記所定方向に沿って厚み方向一方側に凸となるように湾曲している。

また、上記実施の形態に係る半導体モジュールにおいて、複数の前記放熱領域は、複数の前記回路板の直下に対応する箇所に配置され、前記絶縁板は、隣接する前記回路板又は前記放熱領域の境界線を起点に湾曲されている。

また、上記実施の形態に係る半導体モジュールにおいて、前記境界線は、前記所定方向に交差する方向に延びている。

また、上記実施の形態に係る半導体モジュールにおいて、前記放熱板は、前記境界線に沿って複数に分断されている。

また、上記実施の形態に係る半導体モジュールにおいて、前記放熱板の下面は、所定の厚みを残すように前記境界線に沿って形成された溝部によって複数の前記放熱領域に分離されている。

また、上記実施の形態に係る半導体モジュールにおいて、複数の前記回路板及び前記回路板の上面に配置された半導体素子によって三相インバータ回路が構成され、前記三相インバータ回路の各相を構成する前記回路板は、前記所定方向に並んで配置されている。

また、上記実施の形態に係る半導体モジュールにおいて、前記三相インバータ回路の各相において、上アームを構成する前記回路板と下アームを構成する前記回路板は、前記所定方向に並んで配置されている。

また、上記実施の形態に係る半導体モジュールは、前記回路板に連結され、主電流用の配線を構成する第１端子部材を更に備え、前記第１端子部材は、前記所定方向と交差する方向に延びる長尺体で形成され、それぞれの前記回路板に設けられた前記第１端子部材は、前記所定方向に並んで配置されている。

また、上記実施の形態に係る半導体モジュールは、前記下アームを構成する前記回路板の側方に配置された第２端子部材を更に備え、前記第２端子部材は、前記所定方向と交差する方向に延びる長尺体で形成され、前記第１端子部材に隣接して平行に延びるように配置されている。

また、上記実施の形態に係る半導体モジュールは、前記回路板に対して、前記第１端子部材の反対側の側方に配置された第３端子部材を更に備え、前記第３端子部材は、前記所定方向とは交差する方向に延びる長尺体で形成される。

また、上記実施の形態に係る半導体モジュールにおいて、前記上アーム側の前記第１端子部材は、高電位側の入力端子を構成し、前記下アーム側の前記第１端子部材は、各相の出力端子を構成し、前記第２端子部材は、低電位側の入力端子を構成し、前記第３端子部材は、ゲート端子を構成し、前記第３端子部材は、前記半導体素子のゲート電極に電気的に接続される。

また、上記実施の形態に係る半導体モジュールにおいて、平面視における前記放熱板の面積は、対応する前記回路板の面積よりも大きい。

また、上記実施の形態に係る半導体モジュールにおいて、平面視における前記放熱板は、対応する前記回路板の直下の領域を全て含む。

また、上記実施の形態に係る半導体モジュールの製造方法は、上面と下面を有する絶縁板と、前記絶縁板の上面において平面視で所定方向に並んで配置された複数の回路板と、前記絶縁板の下面に配置され、下面が、隣接する前記回路板の境界線に沿って分離され、平面視で前記所定方向に並んで配置された複数の放熱領域を有する放熱板と、を積層して構成された積層基板を準備する積層基板準備工程と、それぞれの前記回路板の上面に半導体素子を配置するチップ配置工程と、前記絶縁板を前記所定方向に沿って厚み方向一方側に凸となるように湾曲させる湾曲工程と、を備える。

また、上記実施の形態に係る半導体モジュールの製造方法は、前記湾曲工程の後、前記積層基板及び前記半導体素子をモールド樹脂で封止する成型工程を更に備える。

また、上記実施の形態に係る半導体モジュールの製造方法は、前記積層基板準備工程において、複数の前記回路板及び複数の端子部材がランナー部を介して一体に連結された金属配線板で構成され、前記ランナー部を除去して複数の前記端子部材を成型する端子成型工程を更に備える。

また、上記実施の形態に係る半導体モジュールの製造方法は、前記端子成型工程の後、複数の前記端子部材に回路基板を配置する回路基板配置工程を更に備える。

以上説明したように、本発明は、湾曲した取付面上にも半導体モジュールを適切に固定することができるという効果を有し、特に、湾曲した取付面に取り付けられる半導体モジュールに有用である。

１００ ：半導体装置
１ ：半導体モジュール
２ ：積層基板
３ ：半導体素子
４ ：半導体素子
５ ：モールド樹脂
６ ：回路基板
１０ ：ヒートシンク
１１ ：取付面
１２ ：下金型
１３ ：上金型
２０ ：絶縁板
２１ ：放熱板
２１ａ ：放熱板
２２ ：回路板
２３ ：端子部材
２４ ：端子部材
２５ ：端子部材
２６ ：ランナー部
２７ ：放熱板
２８ ：放熱板
２９ ：放熱部材
３０ ：ゲート電極
Ｂ ：曲げ線
Ｌ ：境界線
Ｓ ：接合材
Ｗ ：配線部材

Claims (17)

1. 上面と下面を有する絶縁板と、前記絶縁板の下面に配置された放熱板と、前記絶縁板の上面に配置された複数の回路板と、を積層して構成された積層基板と、
   それぞれの前記回路板の上面に配置された半導体素子と、を備え、
   複数の前記回路板は、平面視で所定方向に並んで配置されており、
   前記放熱板の下面は、隣接する前記回路板の境界線に沿って分離され、平面視で前記所定方向に並んで配置された複数の放熱領域を有し、
   前記絶縁板は、前記所定方向に沿って厚み方向一方側に凸となるように湾曲している、半導体モジュール。
2. 複数の前記放熱領域は、複数の前記回路板の直下に対応する箇所に配置され、
   前記絶縁板は、隣接する前記回路板又は前記放熱領域の境界線を起点に湾曲されている、請求項１に記載の半導体モジュール。
3. 前記境界線は、前記所定方向に交差する方向に延びている、請求項２に記載の半導体モジュール。
4. 前記放熱板は、前記境界線に沿って複数に分断されている、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. 前記放熱板の下面は、所定の厚みを残すように前記境界線に沿って形成された溝部によって複数の前記放熱領域に分離されている、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。
6. 複数の前記回路板及び前記回路板の上面に配置された半導体素子によって三相インバータ回路が構成され、前記三相インバータ回路の各相を構成する前記回路板は、前記所定方向に並んで配置されている、請求項１から請求項５のいずれかに記載の半導体モジュール。
7. 前記三相インバータ回路の各相において、上アームを構成する前記回路板と下アームを構成する前記回路板は、前記所定方向に並んで配置されている、請求項６に記載の半導体モジュール。
8. 前記回路板に連結され、主電流用の配線を構成する第１端子部材を更に備え、
   前記第１端子部材は、前記所定方向と交差する方向に延びる長尺体で形成され、
   それぞれの前記回路板に設けられた前記第１端子部材は、前記所定方向に並んで配置されている、請求項７に記載の半導体モジュール。
9. 前記下アームを構成する前記回路板の側方に配置された第２端子部材を更に備え、
   前記第２端子部材は、前記所定方向と交差する方向に延びる長尺体で形成され、前記第１端子部材に隣接して平行に延びるように配置されている、請求項８に記載の半導体モジュール。
10. 前記回路板に対して、前記第１端子部材の反対側の側方に配置された第３端子部材を更に備え、
    前記第３端子部材は、前記所定方向とは交差する方向に延びる長尺体で形成される、請求項９に記載の半導体モジュール。
11. 前記上アーム側の前記第１端子部材は、高電位側の入力端子を構成し、
    前記下アーム側の前記第１端子部材は、各相の出力端子を構成し、
    前記第２端子部材は、低電位側の入力端子を構成し、
    前記第３端子部材は、ゲート端子を構成し、
    前記第３端子部材は、前記半導体素子のゲート電極に電気的に接続される、請求項１０に記載の半導体モジュール。
12. 平面視における前記放熱板の面積は、対応する前記回路板の面積よりも大きい、請求項１から請求項１１のいずれかに記載の半導体モジュール。
13. 平面視における前記放熱板は、対応する前記回路板の直下の領域を全て含む、請求項１から請求項１２のいずれかに記載の半導体モジュール。
14. 上面と下面を有する絶縁板と、前記絶縁板の上面において平面視で所定方向に並んで配置された複数の回路板と、前記絶縁板の下面に配置され、下面が、隣接する前記回路板の境界線に沿って分離され、平面視で前記所定方向に並んで配置された複数の放熱領域を有する放熱板と、を積層して構成された積層基板を準備する積層基板準備工程と、
    それぞれの前記回路板の上面に半導体素子を配置するチップ配置工程と、
    前記絶縁板を前記所定方向に沿って厚み方向一方側に凸となるように湾曲させる湾曲工程と、を備える、半導体モジュールの製造方法。
15. 前記湾曲工程の後、前記積層基板及び前記半導体素子をモールド樹脂で封止する成型工程を更に備える、請求項１４に記載の半導体モジュールの製造方法。
16. 前記積層基板準備工程において、複数の前記回路板及び複数の端子部材がランナー部を介して一体に連結された金属配線板で構成され、
    前記ランナー部を除去して複数の前記端子部材を成型する端子成型工程を更に備える、請求項１４又は請求項１５に記載の半導体モジュールの製造方法。
17. 前記端子成型工程の後、複数の前記端子部材に回路基板を配置する回路基板配置工程を更に備える、請求項１６に記載の半導体モジュールの製造方法。

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