JP2023134143A - 半導体モジュール、半導体装置、及び車両 - Google Patents

半導体モジュール、半導体装置、及び車両 Download PDF

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Abstract

【課題】セラミックス基板の表面上で隣接する導体パターン間の絶縁を担保する【解決手段】半導体モジュール（１）は、セラミックス基板（２０）の第１の表面（２０ａ）に導体パターン（２２～２４）が設けられた配線板（２）と、配線板におけるセラミックス基板の第１の表面上に配置された半導体素子（３１、３２）と、配線板及び半導体素子を封止する封止絶縁体（５）と、を含み、配線板は、セラミックス基板の第１の表面のうちの隣接する導体パターンの間隙（Ｇ）の部分に、間隙の延伸方向に沿って延伸し、間隙の部分におけるセラミックス基板と封止絶縁体とが接触した領域を分離する絶縁部材（２５）を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体モジュール、半導体装置、及び車両に関する。
半導体モジュールには、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ものがある。
この種の半導体モジュールには、セラミックス基板の表面に銅等を用いた導体パターンを設けた配線板に半導体素子を実装し、半導体素子が実装された配線板を、外部端子を設けた樹脂ケース内に収容したものがある。樹脂ケース内に収容された半導体素子の電極は、リードやボンディングワイヤ等の配線用の導体材料により、配線板の導体パターンや樹脂ケースの外部端子と接続されている。樹脂ケース内の半導体素子及び配線板の導体パターンは、例えば、エポキシ樹脂等の絶縁樹脂で封止されている。このような半導体モジュールでは、セラミックス基板の表面に設けられた導体パターン間の絶縁を封止用の絶縁樹脂により担保することで導体パターン間の距離（間隙）を狭くし、半導体モジュールの小型化を実現している。
セラミックス基板を用いた半導体モジュールでは、動作時の半導体素子の発熱に起因する熱的な応力により、例えば、セラミックス基板に曲げ変形が生じてクラック等が発生することがある。このような熱的な応力による半導体モジュールの信頼性の低下を防ぐ技術として、特許文献１には、セラミックス基板の表面内で隣接する導体パターン間に沿って絶縁材料により補強をしたセラミックス回路基板が記載されている。
特開２０００－０３６５５０号公報
上述した半導体モジュールにおける、セラミックス基板の表面に設けられた導体パターン間の絶縁は、セラミックス基板の表面のうちの導体パターン間の露出した部分（間隙部分）と単一の絶縁樹脂とが密着することにより担保されている。このような半導体モジュールでは、動作時の半導体素子の発熱に起因する熱的な応力によりセラミックス基板と絶縁樹脂との界面に剥離が生じた場合、剥離が導体パターン間の間隙部分全体に広がり、導体パターン間の絶縁が担保されなくなるおそれがある。このため、導体パターン間の距離（間隙）を更に狭くすることによる半導体モジュールの更なる小型化が難しくなっている。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、セラミックス基板の表面上で隣接する導体パターン間の絶縁を担保することが可能な半導体モジュール、半導体装置、及び車両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、セラミックス基板の第１の表面に導体パターンが設けられた配線板と、前記配線板における前記セラミックス基板の前記第１の表面上に配置された半導体素子と、前記配線板及び前記半導体素子を封止する封止絶縁体と、を含み、前記配線板は、前記セラミックス基板の前記第１の表面のうちの隣接する導体パターンの間隙の部分に、前記間隙の延伸方向に沿って延伸し、前記間隙の部分における前記セラミックス基板と前記封止絶縁体とが接触した領域を分離する絶縁部材を備える。
本発明によれば、セラミックス基板の表面上で隣接する導体パターン間の絶縁を担保することができる。
一実施の形態に係る半導体装置の構成例を示す上面図である。 図１の半導体装置をＡ－Ａ’線に沿って切断した断面図である。 図２の断面図における主要部分を拡大した部分断面図である。 従来の半導体モジュールで起こり得る剥離の例を説明する部分断面図である。 一実施の形態に係る半導体モジュールで起こり得る剥離の第１の例を説明する部分断面図である。 一実施の形態に係る半導体モジュールで起こり得る剥離の第２の例を説明する部分断面図である。 分離絶縁部材の第１の変形例を説明する部分上面図である。 分離絶縁部材の第２の変形例を説明する部分断面図である。 分離絶縁部材の第３の変形例を説明する部分断面図である。 分離絶縁部材の第４の変形例を説明する部分断面図である。 本発明に係る半導体装置を適用した車両の一例を示す平面模式図である。
以下、図面を参照しながら、本発明に係る半導体装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、参照する各図におけるＸ、Ｙ、Ｚの各軸は、例示する半導体装置等における平面や方向を定義する目的で示されており、Ｘ、Ｙ、Ｚの各軸は互いに直交し、右手系を成している。以下の説明では、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。また、Ｘ軸及びＹ軸を含む面をＸＹ面と呼び、Ｙ軸及びＺ軸を含む面をＹＺ面と呼び、Ｚ軸及びＸ軸を含む面をＺＸ面と呼ぶことがある。これらの方向（前後左右上下方向）や面は、説明の便宜上用いる文言であり、半導体装置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、半導体装置の放熱面側（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、半導体装置等の上面又は下面（ＸＹ面）をＺ方向からみた場合を意味する。また、各図における縦横比や各部材同士の大小関係は、あくまで模式的に表されており、実際に製造される半導体装置等における関係とは必ずしも一致しない。説明の便宜上、各部材同士の大小関係を誇張して表現している場合も想定される。
また、以下の説明で例示する半導体装置は、例えば、産業用又は車載用モータのインバータ等の電力変換装置に適用されるものである。このため、以下の説明では、既知の半導体装置と同一の、又は類似した構成、機能、及び動作等についての詳細な説明を省略する。
図１は、一実施の形態に係る半導体装置の構成例を示す上面図である。図２は、図１の半導体装置をＡ－Ａ’線に沿って切断した断面図である。図３は、図２の断面図における主要部分を拡大した部分断面図である。なお、図３では、物体（固体）の断面であることを示すハッチングを省略している。
図１及び図２に例示したように、本実施の形態に係る半導体装置１００は、冷却器１０の上面に半導体モジュール１を配置して構成される。なお、半導体モジュール１に対して、冷却器１０は任意の構成である。
冷却器１０は、半導体モジュール１の熱を外部に放出するものであり、全体として直方体形状を有している。特に図示はしないが、冷却器１０は、ベース板の下面側に複数のフィンを設け、これらのフィンをウォータジャケットに収容して構成される。なお、冷却器１０は、これに限らず適宜変更が可能である。
半導体モジュール１は、ケース１１内に積層基板２、半導体素子３、及び金属配線板４等を配置して構成される。
積層基板２は、例えば、ＤＣＢ（Direct Copper Bonding）基板やＡＭＢ（Active Metal Brazing）基板であり得る。積層基板２は、セラミックス基板２０に放熱板２１と複数の導体板（図１では、第１の導体板２２、第２の導体板２３、及び第３の導体板２４の３個）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。積層基板２は、セラミックス基板の第１の表面に導体パターンが設けられた配線板の一例である。
セラミックス基板２０は、上面（第１の表面）２０ａと下面を有する、平面視矩形状の絶縁部材である。セラミックス基板２０は、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）と酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）等のセラミックス材料によって形成される。
セラミックス基板２０の下面には、放熱板２１が配置されている。放熱板２１は、セラミックス基板２０と略同一の平面視矩形状を有している。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、半導体モジュール１の取付先である冷却器１０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。放熱板２１は、半田等の接合材（不図示）を介して冷却器１０の上面に接合される。放熱板２１は、サーマルグリスやサーマルコンパウンドなどの熱伝導材を介して冷却器１０の上面に配置されてもよい。
セラミックス基板２０の上面には、複数の導体板が配置されている。図１に例示した積層基板２では、セラミックス基板２０の上面２０ａに、第１の導体板２２、第２の導体板２３、及び第３の導体板２４が、互いに重ならないように、所定の間隙で配置されている。複数の導体板は、それぞれが所定の厚みを有し、電気的に独立した島状に形成されている。第１の導体板２２及び第３の導体板２４は、それぞれ平面視略矩形状であり、セラミックス基板２０の上面にＹ方向に並んで配置されている。第２の導体板２３は、平面視略逆Ｌ字形状であり、セラミックス基板２０の上面における、第１の導体板２２及び第３の導体板２４の右方（Ｘ方向正側）に配置されている。
なお、導体板の数は、３個に限らず、適宜変更が可能である。また、導体板の形状、配置箇所等も、これらに限定することなく適宜変更が可能である。これらの導体板は、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。導体板は、導体層又は導体パターンと呼ばれてもよい。
更に、本実施の形態に係る半導体モジュール１では、セラミックス基板２０の上面２０ａのうちの隣接する導体板の間隙の部分に、間隙の延伸方向に沿って延伸する分離絶縁部材２５が設けられている。間隙の延伸方向は、互いに向かい合う導体板の側面間の距離と対応する間隙の方向に対して直交する方向である。分離絶縁部材２５は、例えば、図３に例示したように、横断面が長方形状の絶縁部材であり、接着剤２６によりセラミックス基板２０に接着されている。横断面は、分離絶縁部材２５の延伸方向を法線とする平面で切断した断面である。分離絶縁部材２５の詳細は、図３を参照して後述する。
第１の導体板２２の上面には、接合材Ｓを介して第１の半導体素子３１が配置されている。第２の導体板２３の上面には、接合材Ｓを介して第２の半導体素子３２が配置されている。接合材Ｓは、導電性を有する材料であればよく、例えば、半田、または金属焼結材であってよい。第１の半導体素子３１及び第２の半導体素子３２は、例えば、シリコン（Ｓｉ）等の半導体基板によって平面視矩形状に形成される。
また、第１の半導体素子３１及び第２の半導体素子３２は、上記のシリコンの他、炭化けい素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、及びダイヤモンド等のワイドバンドギャップ半導体基板によって形成されたワイドバンドギャップ半導体素子（ワイドギャップ半導体素子と呼ばれてもよい）で構成されてもよい。
第１の半導体素子３１及び第２の半導体素子３２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てもよい。
本実施の形態では、第１の半導体素子３１及び第２の半導体素子３２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。例えば、第１の半導体素子３１は低圧側の半導体素子であり、第２の半導体素子３２は高圧側の半導体素子である。
なお、積層基板２の上面に配置する半導体素子は、これに限定されず、上記したスイッチング素子、ダイオード等を組み合わせて構成されてもよい。例えば、ＩＧＢＴ素子とＦＷＤ素子とが別体で構成されてもよい。また、半導体素子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。また、半導体素子の形状、配置数、配置箇所等は適宜変更が可能である。
第１の半導体素子３１及び第２の半導体素子３２は、ＸＹ面に上面及び下面を有し、それぞれの面に電極（不図示）が形成されている。例えば、第１の半導体素子３１及び第２の半導体素子３２は、それぞれ、上面に主電極及びゲート電極が形成され、下面にも主電極が形成されている。
第１の半導体素子３１がＭＯＳＦＥＴ素子の場合、上面側の主電極はソース電極と呼ばれてもよく、下面側の主電極はドレイン電極と呼ばれてもよい。また、第１の半導体素子３１がＩＧＢＴ素子の場合、上面側の主電極はエミッタ電極と呼ばれてもよく、下面側の主電極はコレクタ電極と呼ばれてもよい。また、素子の種類に限らず、ゲート電極は、そのままゲート電極と呼ばれてよい。また、第１の半導体素子３１の上面には、主電極とは別に補助電極が設けられてもよい。例えば、補助電極は、上面側の主電極と電気的に接続され、ゲート電位に対する基準電位となる補助ソース電極あるいは補助エミッタ電極であってよい。また、補助電極は、後述する温度センス部と電気的に接続され、半導体素子の温度を測定する温度センス電極であってよい。このような、第１の半導体素子３１の上面に形成された電極（主電極、ゲート電極及び補助電極）は、総じて上面電極と呼ばれてもよく、第２の半導体素子３２の下面に形成された電極は、下面電極と呼ばれてもよい。また、上面電極のうち、ゲート電極及び補助電極は、制御電極と呼ばれてもよい。
本実施の形態において、主電極は、主電流が流れる電極であり、ゲート電極は、主電流をオンオフするためのゲートを制御するための電極である。なお、第１の半導体素子３１について上述した各電極の構成は、第２の半導体素子３２にも適用され得る。
また、本実施の形態における第１の半導体素子３１及び第２の半導体素子３２は、半導体基板にトランジスタのような機能素子を厚み方向に形成した、いわゆる縦型のスイッチング素子であってもよく、また、これらの機能素子を面方向に形成した横型のスイッチング素子であってもよい。
第１の半導体素子３１の下面側の主電極は、接合材Ｓにより第１の導体板２２と電気的に接続されている。第１の導体板２２は、第１の金属配線板４１により、ケース１１に設けられた第１の端子（入力電極）６１と電気的に接続されている。第１の半導体素子３１の上面側の主電極は、第２の金属配線板４２により第３の導体板２４と電気的に接続されている。第３の導体板２４は、第３の金属配線板４３により、ケース１１に設けられた第２の端子（低電位側電極）６２と電気的に接続されている。また、第１の半導体素子３１の上面側に設けられている不図示の制御電極（ゲート電極及び補助電極）は、例えば、ボンディングワイヤ（不図示）により、ケース１１に設けられた制御端子（不図示）と電気的に接続される。
第２の半導体素子３２の下面側の主電極は、接合材（不図示）により第２の導体板２３と電気的に接続されている。第２の導体板２３は、第５の金属配線板４５により、ケース１１に設けられた第３の端子（高電位側電極）６３と電気的に接続されている。第２の半導体素子３２の上面側の主電極は、第４の金属配線板４４により第１の導体板２２と電気的に接続されている。また、第２の半導体素子３２の上面側に設けられた不図示の制御電極（ゲート電極及び補助電極）は、例えば、ボンディングワイヤ（不図示）により、ケース１１に設けられた制御端子（不図示）と電気的に接続される。
第１の金属配線板４１～第５の金属配線板４５は、主電流配線部材を構成し、半導体モジュール１内を流れる主電流の経路（主電流経路）の一部として機能する。これらの金属配線板は、上面と下面を有する板状体で構成される。各金属配線板の厚さは、例えば、０．１ｍｍ以上、２．５ｍｍ以下であってよい。各金属配線板は、例えば、銅、銅合金、アルミニウム合金、鉄合金等の金属により形成される。各金属配線板は、例えば、プレス加工により、所定の形状に形成される。各金属配線板は、例えば、リードフレームにおける複数のリード部をプレス加工により所定の形状に成形し、各リード部をフレーム部から切り離すことにより、電気的に独立した配線部材となる。
ケース１１により規定された内部空間には、封止樹脂５が充填される。封止樹脂５は、上面がケース１１の上端に至るまで充填されてよい。封止樹脂５は、積層基板２の導体板２２～２４、半導体素子３１及び３２、並びに金属配線板４１～４５及びボンディングワイヤ（不図示）を封止する。
封止樹脂５は、例えば、熱硬化性の樹脂により構成されてよい。封止樹脂５は、エポキシ、シリコーン、ウレタン、ポリイミド、ポリアミド、及びポリアミドイミドのいずれかを少なくとも含むことが好ましい。封止樹脂５には、例えば、フィラーを混入したエポキシ樹脂が、絶縁性、耐熱性及び放熱性の点から好適である。
ケース１１に設けられた主電流用の複数の主端子（図１では、第１の端子６１、第２の端子６２、及び第３の端子６３）は、それぞれが、板状の長尺体で形成されている。各主端子は、ケース１１の側壁に埋め込まれ、一端がケース１１の側壁から内部空間へ延伸し、他端がケース１１の側壁から外部へ延伸している。各主端子の一端は、半導体素子３１及び３２の所定の主電極に電気的に接続される。
また、制御端子（不図示）は、Ｙ方向正側に位置するケース１１の側壁に埋め込まれている。図１に例示した制御端子は、一端がケース１１の内部空間における上方（Ｚ方向正側）を向いた面内で露出しており、他端がケース１１の上面で露出している。各制御端子の一端は、半導体素子３１及び３２の所定の制御電極にボンディングワイヤ（不図示）等の配線部材を介して電気的に接続される。
ケース１１に設ける主端子及び制御端子は、銅、銅合金、アルミニウム合金、鉄合金等の金属により形成され、所定の電気伝導度及び所定の機械的強度を有する。主端子及び制御端子の形状、個数、配置箇所等は、これらに限定されず、適宜変更が可能である。
本実施の形態の半導体モジュール１は、上述のように、セラミックス基板２０の上面２０ａのうちの導体板の間隙の部分に、間隙の延伸方向に沿って延伸する分離絶縁部材２５が配置されている。図１に例示した半導体モジュール１における分離絶縁部材２５は、第１の分離部分２５ａと、第２の分離部分２５ｂと、第３の分離部分２５ｃとを含む。第１の分離部分２５ａは、第１の導体板２２と第２の導体板２３との間隙に位置し、その間隙の延伸方向（Ｙ方向）に延伸している。第２の分離部分２５ｂは、第１の導体板２２と第３の導体板２４との間隙に位置し、その間隙の延伸方向（Ｘ方向）に延伸しており、一端が第１の分離部分２５ａと結合している。第３の分離部分２５ｃは、第２の導体板２３と第３の導体板２４との間隙に位置し、その間隙の延伸方向（Ｙ方向）に延伸しており、一端が第２の分離部分２５ｂと結合している。
分離絶縁部材２５は、接着剤２６によりセラミックス基板２０の上面２０ａに接着されている。接着剤２６には、セラミックス基板２０の上面２０ａとの密着性が、封止樹脂５とセラミックス基板２０の上面２０ａとの密着性よりも高い絶縁樹脂を用いる。封止樹脂５がエポキシ樹脂の場合、接着剤２６には、例えば、ＲＴＶ（Room Temperature Vulcanizing）シリコーン接着剤を用いることができる。なお、接着剤２６は、特定の絶縁樹脂に限定されない。
分離絶縁部材２５における各分離部分は、導体板の間隙の部分におけるセラミックス基板２０の上面２０ａと封止樹脂５とが密着した部分を間隙Ｇの方向（図３ではＹ方向）で分離するように配置される。一方の導体板から分離部分までの距離（間隙）と、他方の導体板から分離部分までの距離とは、図３に例示したように同一又は略同一であってもよいし、異なっていても（偏りがあっても）よい。例えば、図３に例示した第１の導体板２２と第３の導体板２４との間隙に配置される分離絶縁部材２５の第２の分離部分２５ｂは、図３に例示した位置よりも第１の導体板２２側、又は第３の導体板２４側であってもよい。
分離絶縁部材２５は、例えば、窒化ケイ素、アルミナ、窒化アルミニウム等の絶縁材料によって形成される。分離絶縁部材２５は、第１の分離部分２５ａ、第２の分離部分２５ｂ、及び第３の分離部分２５ｃを含む一体物として形成された部材であってよい。分離絶縁部材２５は、例えば、図７を参照して後述するように、第１の分離部分２５ａ、第２の分離部分２５ｂ、及び第３の分離部分２５ｃがそれぞれ別個に形成された絶縁部材であり、それらを組み合わせて一体化したものであってもよい。また、分離絶縁部材２５は、図１に例示したような平面視形状に限らず、セラミックス基板２０の上面２０ａにおける導体板の配置に応じて適宜変更される。また、導体板の配置に応じて、例えば、セラミックス基板２０の上面２０ａに２個以上の分離絶縁部材２５が配置されてもよい。
分離絶縁部材２５は、例えば、各分離部分の横断面が長方形状であるように形成される。図３には、Ｘ方向に延伸する第２の分離部分２５ｂの横断面（ＹＺ面と平行な断面）が例示されている。各分離部分の横断面における幅Ｗは、特定の幅に限定されるものではなく、その分離部分が配置される導体板間の距離（間隙Ｇ）に応じて適宜設定することができる。例えば、図３に例示した第１の導体板２２と第３の導体板２４との間隙Ｇが約１ｍｍ～２ｍｍである場合、第２の分離部分の幅Ｗは約０．５ｍｍにすることができる。１つの分離絶縁部材２５における各分離部分の幅Ｗは、同一であってもよいし、各分離部分が配置される導体板間の距離（間隙Ｇ）に応じて２通り以上であってもよい。
各分離部分の横断面における高さＨは、特定の高さに限定されるものではなく、その分離部分が配置される間隙Ｇの周囲における半導体素子や金属配線板等の配置に応じて適宜設定することができる。例えば、図３では、接着剤２６によりセラミックス基板２０に接着されたときのセラミックス基板２０の上面２０ａから分離絶縁部材２５の上面までの距離（高さ）が、セラミックス基板２０の上面２０ａから第１の導体板２２及び第３の導体板２４の上面までの距離（導体板の厚さＴ）と略同一になっている。しかしながら、セラミックス基板２０の上面２０ａから分離絶縁部材２５の上面までの距離は、導体板の厚さＴと対応する距離よりも長くてもよいし、短くてもよい。積層基板２の上面に半導体素子３１及び３２を配置して金属配線板４１～４５及びボンディングワイヤ等による配線接続を行う工程において、各種部品が分離絶縁部材２５と接触しないように、かつ効率よくハンドリングするためには、セラミックス基板２０の上面２０ａから分離絶縁部材２５の上面までの距離は、導体板の厚さＴと対応する距離と略同一、又はそれよりも短いことが好ましい。一方、図６を参照して後述する沿面距離を長くするという観点では、セラミックス基板２０の上面から分離絶縁部材２５の上面までの距離は、導体板の厚さＴと対応する距離よりも長いことが好ましい。
上述した分離絶縁部材２５を設けることの作用効果を説明する前に、まず、分離絶縁部材２５を設けていない従来の半導体モジュール（半導体装置）で起こり得る封止樹脂の剥離の例を説明する。
図４は、従来の半導体モジュールで起こり得る剥離の例を説明する部分断面図である。図４には、図１～図３に例示した半導体モジュール１から分離絶縁部材２５を省略した半導体モジュールにおける、第１の導体板２２と第３の導体板２４との間隙部分の、ＹＺ面と平行な断面を拡大して示している。
従来の半導体モジュールでは、セラミックス基板２０の上面２０ａのうちの第１の導体板２２と第３の導体板２４との間隙の部分は、その全体が封止樹脂５と密着している。一般に、封止樹脂５には、絶縁性の高いエポキシ樹脂が用いられる。しかしながら、封止樹脂５として用いるエポキシ樹脂は、セラミックス基板２０の上面２０ａとの密着性が必ずしも高いとは限らない。このため、動作時の半導体素子の発熱に起因する熱的な応力により、例えば、セラミックス基板２０に曲げ変形が生じて、セラミックス基板２０における導体板の間隙の部分で封止樹脂５の剥離が発生することがある。そして、封止樹脂５とセラミックス基板２０との間に十分な密着力がない場合、図４に例示したように、封止樹脂５の剥離が導体板の間隙の部分全体に広がり、セラミックス基板２０と封止樹脂５との間に、第１の導体板２２から第３の導体板２４に至る空間９０が生じてしまうことがある。このような空間が生じてしまうと、封止樹脂５による導体板間の絶縁が破れて動作不良が生じる原因となる。このため、従来の半導体モジュールでは、第１の導体板２２から第３の導体板２４に至る空間９０に沿った導体板間の距離（沿面距離）を、半導体モジュールの動作等に応じた所定の値よりも大きくすることで、封止樹脂５が剥離した場合にも導体板間の絶縁を担保している。従って、従来の半導体モジュールでは、導体板間の距離（間隙Ｇ）を更に短くし、半導体モジュールを更に小型化することが難しい。
図５は、一実施の形態に係る半導体モジュールで起こり得る剥離の第１の例を説明する部分断面図である。図６は、一実施の形態に係る半導体モジュールで起こり得る剥離の第２の例を説明する部分断面図である。図５及び図６には、図４に例示した半導体モジュールにおける第１の導体板２２と第３の導体板２４との間隙部分に分離絶縁部材２５を設けた場合の断面を示している。
本実施の形態の半導体モジュール１では、セラミックス基板２０との密着性（接着強度）が封止樹脂５よりも高い接着剤２６により、セラミックス基板２０の上面２０ａのうちの導体板間の間隙の部分に分離絶縁部材２５を接着している。このため、例えば、熱的な応力により、図５に例示したように、第１の導体板２２と分離絶縁部材２５との間隙の部分、及び第３の導体板２４と分離絶縁部材２５との間隙の部分で封止樹脂５がセラミックス基板２０から剥離した場合、それぞれの部分における剥離の進行は、分離絶縁部材２５及び接着剤２６により遮られる。分離絶縁部材２５は、図１に例示したように、第１の導体板２２と第３の導体板２４との間隙の部分に、間隙の延伸方向（Ｙ方向）に沿って延伸している。このため、第１の導体板２２と分離絶縁部材２５との間隙部分に生じた空間９０ａと第３の導体板２４と分離絶縁部材２５との間隙部分に生じた空間９０ｂとが通じて、第１の導体板２２から第３の導体板２４に至る空間になってしまうことを防げる。従って、本実施の形態の半導体モジュール１では、封止樹脂５がセラミックス基板２０から剥離した場合の導体板間の絶縁を分離絶縁部材２５により担保することができる。よって、本実施の形態の半導体モジュール１は、導体板間の距離を更に短くし、半導体モジュールを更に小型化することが可能になる。
なお、本実施の形態の半導体モジュール１においても、例えば、応力が繰り返し印加された場合や、より大きな応力が分離絶縁部材２５の周囲に集中した場合等には、図６に例示したように、封止樹脂５と分離絶縁部材２５との界面が剥離し、第１の導体板２２から第３の導体板２４に至る空間９０が生じてしまうことがあり得る。しかしながら、この場合の空間９０に沿った距離（沿面距離）は、第１の導体板２２と第３の導体板２４との距離（間隙Ｇ）と比べて、分離絶縁部材２５の高さを２倍した値と対応する長さと略同一の距離だけ長くなる。このため、封止樹脂５の剥離により第１の導体板２２から第３の導体板２４に至る空間９０が生じてしまったとしても、間隙Ｇよりも長い沿面距離によって、導体板間の絶縁を担保することができる。
更に、本実施の形態の半導体モジュール１では、分離絶縁部材２５と導体板との間に封止樹脂５がセラミックス基板２０と密着する区間が設けられる。すなわち、封止樹脂５として用いられる絶縁性の高い絶縁材料が導体板の間隙の部分に存在するため、導体板の間隙を狭くしたときの導体板間の絶縁をより確実に担保することができる。
図７は、分離絶縁部材の第１の変形例を説明する部分上面図である。図７では、図１に例示した分離絶縁部材２５における第１の変形例に関連した部分を拡大して示している。
図１を参照して上述した分離絶縁部材２５は、第１の分離部分２５ａ、第１の分離部分２５ａに結合した第２の分離部分２５ｂ、及び第２の分離部分２５ｂに結合した第３の分離部分２５ｃとが一体物として形成されたものであってよい。しかしながら、各分離部分の横断面での幅Ｗが１ｍｍ以下となり、かつ延伸方向の長さが数ｍｍ～数ｃｍとなる場合、枝分かれした複数の分離部分を有する分離絶縁部材２５をハンドリングして各導体板の間隙の部分に接着することが難しいことがある。このため、分離絶縁部材２５は、上述したように、複数の分離部分を組み合わせて（結合して）形成してもよい。
図７には、図１に例示した分離絶縁部材２５における第１の分離部分２５ａ、第２の分離部分２５ｂ、及び第３の分離部分２５ｃが、それぞれ別個の分離部材として形成されたものである場合の、分離部材同士の結合部の構成例を示している。第１の分離部分２５ａと第２の分離部分２５ｂとの結合部２５ｄは、各分離部分における横断面と平行な単一の平面ではなく、第１の分離部分２５ａの横断面（ＸＺ面）と平行な面と、第２の分離部分２５ｂの横断面（ＹＺ面）と平行な面との組み合わせによる平面視階段状になっている。同様に、第２の分離部分２５ｂと第３の分離部分２５ｃとの結合部２５ｅは、各分離部分における横断面と平行な単一の平面ではなく、第２の分離部分２５ｂの横断面（ＹＺ面）と平行な面と、第３の分離部分２５ｃの横断面（ＸＺ面）と平行な面との組み合わせによる平面視階段状になっている。
このように、２個の分離部分の結合部が平面視階段状になるようにすることで、各分離部分を接着するときの他の分離部分との位置合わせを行いやすくなる。また、２個の分離部分の結合部が平面視階段状になるようにすることで、例えば、封止樹脂５の剥離及び分離部分の結合部のずれにより結合部に生じた空間を通じて一方の導体板から他方の導体板に至る空間が生じてしまった場合の沿面距離を、単一の平面で結合したもの（結合面が平面視で直線になるもの）で空間が生じたときの沿面距離よりも長くすることができ、絶縁を担保することが容易になる。
なお、別個に設けられた複数の分離部分を組み合わせて分離絶縁部材２５を形成する場合の分離部分の結合部の構成は、図７に例示したような平面視階段状に限らず、他の構成であってもよい。分離部分の結合部は、例えば、木工の分野における既知の継手等を適用又は応用した構成であってもよい。また、別個に設けられた複数の分離部分は、例えば、１つの間隙における間隙の延伸方向に延伸する１つの分離部分を形成するための２つ以上の分離部分を含んでもよい。例えば、分離絶縁部材２５における第１の分離部分２５ａは、単一の絶縁部材に限らず、複数の分離部分を間隙の延伸方向に並べて一体化したものであってもよい。このようにすると、例えば、長さの異なる数種類の分離部分の組み合わせにより、平面視形状や寸法が異なる種々の分離絶縁部材２５を形成することができ、半導体モジュール１毎に導体板のレイアウトに基づいて専用の分離絶縁部材２５を形成する場合に比べて、製造効率の向上や製造コストの低減が可能になる。
図８Ａは、分離絶縁部材の第２の変形例を説明する部分断面図である。図８Ｂは、分離絶縁部材の第３の変形例を説明する部分断面図である。図８Ｃは、分離絶縁部材の第４の変形例を説明する部分断面図である。図８Ａ～図８Ｃには、それぞれ、図５の部分断面図と同じ断面における分離絶縁部材２５の横断面の形状の変形例を示している。なお、図８Ａ～図８Ｃの断面図は、物体（固体）の断面であることを示すハッチングを省略している。
図８Ａに例示した分離絶縁部材２５の横断面は、分離絶縁部材２５の上面側に、導体板の間隙の方向（すなわち横断面内で導体板に向かう方向）に張り出したヒレ部２５ｆを有する略Ｔ字型の断面形状になっている。ヒレ部２５ｆは、セラミックス基板２０の上面２０ａと対向する面２５ｇを有する。このため、封止樹脂５がセラミックス基板２０から剥離したときに、セラミックス基板２０の上面２０ａから離間する方向への封止樹脂５の変位を、分離絶縁部材２５のヒレ部２５ｆの面２５ｇにより規制（抑制）することができ、封止樹脂５の剥離の進行を阻止することができる。
図８Ｂに例示した分離絶縁部材２５の横断面は、分離絶縁部材２５の上面側に導体板の間隙の方向に張り出したヒレ部２５ｆを有し、下面側にも導体板の間隙の方向に張り出したヒレ部２５ｈを有する、略Ｉ字型の断面形状（又は略Ｈ型の断面形状を横断面内で９０度回転させた断面形状）になっている。上面側のヒレ部２５ｆは、セラミックス基板２０の上面２０ａの方向（Ｚ方向負側）を向いた面２５ｇを有する。このため、封止樹脂５がセラミックス基板２０から剥離したときに、セラミックス基板２０の上面２０ａから離間する方向への封止樹脂５の変位を、上面側のヒレ部２５ｆの面２５ｇにより規制（抑制）することができ、封止樹脂５の剥離の進行を阻止することができる。
また、図８Ｂに例示した分離絶縁部材２５は、下面側にヒレ部２５ｈを設けた分、下面の面積が広くなる。このため、図８Ｂに例示した分離絶縁部材２５を用いることにより、分離絶縁部材２５とセラミックス基板２０との接着面積が広くなり、密着力（接着強度）が高くなる。このため、セラミックス基板２０の上面２０ａから離間する方向に変位しようとする封止樹脂５から分離絶縁部材２５のヒレ部２５ｆの面２５ｇが受ける力に対する耐性が高くなり、分離絶縁部材２５がセラミックス基板２０から剥離することを防ぐことができる。
更に、図８Ｂに例示した分離絶縁部材２５は、上面側のヒレ部２５ｆと下面側のヒレ部２５ｈとの間にある幅が狭くなっている区間に封止樹脂５が充填される。このため、例えば、図８Ｂに例示した略Ｉ字型の断面形状を有する分離絶縁部材２５を用いることにより、長方形状の断面形状における幅を広くした分離絶縁部材２５を用いた場合と比べて、導体板間に存在する封止樹脂５の量が多くなり、導体板間の絶縁性を高くしやすくなる。
図８Ｃに例示した分離絶縁部材２５の横断面は、図８Ａに例示した略Ｔ字型の横断面と類似しているが、分離絶縁部材２５の上面側に導体板の間隙の方向に張り出したヒレ部２５ｆの側面は、テーパ２５ｉによって下面側の側面と連結している。このような分離絶縁部材２５を用いた場合にも、封止樹脂５の剥離の進行を阻止することができる。
また、本実施の形態に係る半導体モジュール１の製造方法における封止樹脂５でケース１１内を封止する工程は、一般的に、減圧環境下で行われるが、図８Ａ及び図８Ｂに例示した分離絶縁部材２５のヒレ部２５ｆのような、セラミックス基板２０と対向する面２５ｇがある場合、面２５ｇとその下方の側面とが接続する角部において封止樹脂５の充填不良が起こる可能性がある。図８Ｃに例示したように、セラミックス基板２０と対向する面２５ｇが生じないようにすることで、封止絶縁体の充填不良が起こる可能性を低減することができる。
更に、図を参照した説明は省略するが、本実施の形態に係る半導体モジュール１では、例えば、分離絶縁部材２５における下面側にのみヒレ部２５ｈを設け、分離絶縁部材２５とセラミックス基板２０との密着力（接着強度）を高くしてもよい。また、分離絶縁部材２５に設けるヒレ部２５ｆ及び２５ｈは、それぞれ、延伸方向の全体に渡って設けられていてもよいし、間欠的に設けられていてもよい。更に、本実施の形態に係る半導体モジュール１では、分離絶縁部材２５を接着剤２６でセラミックス基板２０に接着する代わりに、例えば、セラミックス基板の上面に接着剤２６として利用可能な絶縁樹脂を塗布又は印刷し、接着剤２６と一体の分離絶縁部材２５を形成してもよい。
本実施の形態の半導体モジュール１を含む半導体装置１００は、上述したように、車載用モータのインバータ等の電力変換装置に適用され得る。図９を参照して、本発明の半導体装置１００が適用された車両について説明する。
図９は、本発明に係る半導体装置を適用した車両の一例を示す平面模式図である。図９に示す車両１０１は、例えば、４つの車輪１０２を備えた四輪車で構成される。車両１０１は、例えば、モータ等によって車輪を駆動させる電気自動車、モータの他に内燃機関の動力を用いたハイブリッド車であってもよい。
車両１０１は、車輪１０２に動力を付与する駆動部１０３と、駆動部１０３を制御する制御装置１０４と、を備える。駆動部１０３は、例えば、エンジン、モータ、エンジンとモータのハイブリッドの少なくとも１つで構成されてよい。
制御装置１０４は、上記した駆動部１０３の制御（例えば電力制御）を実施する。制御装置１０４は、上記した半導体装置１００を備えている。半導体装置１００は、駆動部１０３に対する電力制御を実施するように構成されてよい。
また、上記実施の形態において、半導体素子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。
以下、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、セラミックス基板の第１の表面に導体パターンが設けられた配線板と、前記配線板における前記セラミックス基板の前記第１の表面上に配置された半導体素子と、前記配線板及び前記半導体素子を封止する封止絶縁体と、を含み、前記配線板は、前記セラミックス基板の前記第１の表面のうちの隣接する導体パターンの間隙の部分に、前記間隙の延伸方向に沿って延伸し、前記間隙の部分における前記セラミックス基板と前記封止絶縁体とが接触した領域を分離する絶縁部材を備える。
上記実施の態様に係る半導体モジュールにおいて、前記絶縁部材は、絶縁性の接着剤により前記セラミックス基板に接着されている。
上記実施の態様に係る半導体モジュールにおいて、前記絶縁部材は、前記セラミックス基板の前記第１の表面から遠方側の端部に、前記導体パターンに向けて突出したヒレ部を有する。
上記実施の態様に係る半導体モジュールにおいて、前記絶縁部材は、前記セラミックス基板の前記第１の表面と対向する端部側に、前記導体パターンに向けて突出したヒレ部を有する。
上記実施の態様に係る半導体モジュールにおいて、前記絶縁部材は、単一の部材である。
上記実施の態様に係る半導体モジュールにおいて、前記絶縁部材は、別個に設けられた複数の分離部材を組み合わせて形成されている。
上記実施の態様に係る半導体モジュールにおいて、前記絶縁部材は、第１の方向に延伸する第１の分離部材と、前記第１の分離部材から前記第１の方向とは異なる第２の方向に延伸する第２の分離部材とを含み、前記第１の分離部材と前記第２の分離部材との結合部における前記第１の分離部材と前記第２の分離部材との接触面の、前記セラミックス基板の前記第１の表面内での経路の長さが、前記経路の両端の直線距離よりも長い。
上記実施の態様に係る半導体モジュールにおいて、前記第１の分離部材と前記第２の分離部材との結合部における前記第１の分離部材と前記第２の分離部材との接触面の、前記セラミックス基板の前記第１の表面内での経路は、前記第１の方向に延伸する区間と、前記第２の方向に延伸する区間とを含む階段状である。
上記実施の態様に係る半導体モジュールにおいて、前記絶縁部材は、前記セラミックス基板の前記第１の表面からの高さと対応する距離が、前記導体パターンの厚さと対応する距離以下である。
上記実施の態様に係る半導体装置は、上記の半導体モジュールと、前記セラミックス基板の前記第１の表面とは反対側の第２の表面に配置された冷却器と、を備える。
上記実施の態様に係る車両は、上記の半導体モジュール、又は半導体装置を備える。
以上説明したように、本発明は、セラミックス基板の表面内で隣接する導体パターン間の絶縁を担保することができるという効果を有し、特に、産業用又は電装用の半導体モジュール、半導体装置、及び車両に有用である。
１００ 半導体装置
１ 半導体モジュール
１０ 冷却器
１１ ケース
２ 積層基板
２０ セラミックス基板
２１ 放熱板
２２、２３、２４ 導体板
２５ 分離絶縁部材
２５ａ、２５ｂ、２５ｃ 分離部分
２５ｄ、２５ｅ 結合部
２５ｆ、２５ｈ ヒレ部
２６ 接着剤
３１、３２ 半導体素子
４１、４２、４３、４４、４５ 金属配線板
５ 封止樹脂
６１、６２、６３ 端子
９０、９０ａ、９０ｂ 空間
１０１ 車両
１０２ 車輪
１０３ 駆動部
１０４ 制御装置

Claims (11)

  1. セラミックス基板の第１の表面に導体パターンが設けられた配線板と、
    前記配線板における前記セラミックス基板の前記第１の表面上に配置された半導体素子と、
    前記配線板及び前記半導体素子を封止する封止絶縁体と、
    を含み、
    前記配線板は、前記セラミックス基板の前記第１の表面のうちの隣接する導体パターンの間隙の部分に、前記間隙の延伸方向に沿って延伸し、前記間隙の部分における前記セラミックス基板と前記封止絶縁体とが接触した領域を分離する絶縁部材を備える、
    半導体モジュール。
  2. 前記絶縁部材は、絶縁性の接着剤により前記セラミックス基板に接着されている、請求項１に記載の半導体モジュール。
  3. 前記絶縁部材は、前記セラミックス基板の前記第１の表面から遠方側の端部に、前記導体パターンに向けて突出したヒレ部を有する、請求項１又は請求項２に記載の半導体モジュール。
  4. 前記絶縁部材は、前記セラミックス基板の前記第１の表面と対向する端部側に、前記導体パターンに向けて突出したヒレ部を有する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
  5. 前記絶縁部材は、単一の部材である、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
  6. 前記絶縁部材は、別個に設けられた複数の分離部材を組み合わせて形成されている、請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
  7. 前記絶縁部材は、第１の方向に延伸する第１の分離部材と、前記第１の分離部材から前記第１の方向とは異なる第２の方向に延伸する第２の分離部材とを含み、
    前記第１の分離部材と前記第２の分離部材との結合部における前記第１の分離部材と前記第２の分離部材との接触面の、前記セラミックス基板の前記第１の表面内での経路の長さが、前記経路の両端の直線距離よりも長い、
    請求項６に記載の半導体モジュール。
  8. 前記第１の分離部材と前記第２の分離部材との結合部における前記第１の分離部材と前記第２の分離部材との接触面の、前記セラミックス基板の前記第１の表面内での経路は、前記第１の方向に延伸する区間と、前記第２の方向に延伸する区間とを含む階段状である、請求項７に記載の半導体モジュール。
  9. 前記絶縁部材は、前記セラミックス基板の前記第１の表面からの高さと対応する距離が、前記導体パターンの厚さと対応する距離以下である、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
  10. 請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の半導体モジュールと、
    前記セラミックス基板の前記第１の表面とは反対側の第２の表面に配置された冷却器と、
    を備える半導体装置。
  11. 請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の半導体モジュール、又は請求項１０に記載の半導体装置を備える車両。
JP2022039505A 2022-03-14 2022-03-14 半導体モジュール、半導体装置、及び車両 Pending JP2023134143A (ja)

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