JP3269745B2 - モジュール型半導体装置 - Google Patents

モジュール型半導体装置

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新 木村
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和弘 鈴木
行雄 紙田
勇雄 小林
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直弘 門馬
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、絶縁ゲート型トランジ
スタチップ及びダイオードチップ等の複数のパワー半導
体素子を搭載した構成単位を複数配列するモジュール型
半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】絶縁ゲート型トランジスタは、たとえ
ば、電子技術１９９１年８月号pp.１７−７１に解説さ
れているように、MOSFETの高速性及び高入力インピーダ
ンス特性とバイポーラトランジスタの低飽和電圧特性を
兼ね備えた電力スイッチング素子であり、（１）電圧駆
動である、（２）高速動作ができる、という大きな特徴
を有している。すなわち、使いやすい上に高性能な素子
であり、注目されている。その反面、（ａ）高耐圧化が
難しい、（ｂ）チップの単位面積当たりの電流が小さ
い、という問題も併せ持っている。
【０００３】上記した問題点を解決するためには、大電
力のスイッチングを行う際、チップの直列並列接続が不
可欠になるので、モジュール化、さらにはモジュールの
多重接続が行われる。
【０００４】絶縁ゲート型トランジスタをモジュール化
する際に考慮しなければならないのは、モジュールのシ
リーズ化である。モジュール内に、一つの回路を形成す
るユニットを設け、必要に応じてユニット数を増減す
る。モジュール内での２並列は一般に行われており、特
開平2−178959 号公報のように開示例がある。本開示例
では、２並列の各ユニットは線対称に配置されている。
この配列は、２並列では理想的であるが、３並列，４並
列といった、多重並列に対応するのが難しい。
【０００５】上述のとおり、絶縁ゲート型トランジスタ
モジュールでは、モジュール単独での使用では耐圧，電
流容量の不足する場合が多い。その場合、モジュール内
のユニットの多重接続にとどまらず、モジュールの多重
接続が必要になる。そのためには、端子をモジュールの
上面に集中する構造が望ましい。さらに、モジュール間
の主回路配線の影響を受けにくいゲート配線の引き回し
が要求される。モジュールのゲート端子の配置次第で主
回路を流れる電流の影響の程度が大きく左右されるので
ある。たとえば、特開昭57−15453 号公報に上面配置の
構成例が示される。これは、モジュールの並列接続を念
頭に置いているため、ベース（本例はトランジスタモジ
ュールであるため、ゲートでなくベースである）をモジ
ュールの端に配置している。ところが、これを直列に接
続すると、ベース端子の上を主回路の配線が通ることに
なり主回路を流れる電流の影響をベース回路が受け、不
都合である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、従
来技術には、モジュール内のユニット、すなわち構成単
位の数が２を越えても対応可能な構造、及び、モジュー
ルを多重接続する際の問題点を解消した構造について考
慮がされていない。
【０００７】本発明の目的は、シリーズ展開が可能な、
絶縁ゲート型トランジスタ，ダイオード等のパワー半導
体素子を搭載した電力用モジュール型半導体装置の構造
を提供することにある。
【０００８】本発明の他の目的は、信頼性の高い、絶縁
ゲート型トランジスタ，ダイオード等のパワー半導体素
子を搭載した電力用モジュール型半導体装置の構造を提
供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、基板上
に複数のパワー半導体素子及び配線用金属銅箔を非対称
に配置した同一の構成単位を複数同一方向に配置し、各
構成単位上に同一間隔で電極端子を配置し、これらを連
結端子で連結することで、モジュール内の多重接続を実
現する。
【００１０】本発明の実施態様によれば、モジュール外
の多重接続に対応するために、主端子及び補助端子をす
べてモジュールの上面に配置する。補助端子は主端子間
に配置することが望ましい。
【００１１】さらに、本発明の実施態様によれば、高信
頼化のために、直接パワー半導体素子を固定する個所に
は錫とアンチモンを主成分とするはんだを使用し、同時
に、モジュール内の、パワー半導体素子を支える部材の
接着個所には錫と鉛を主成分とするはんだを使用する。
【００１２】さらに、本発明の実施態様によれば、シリ
コーンゲルの膨張収縮による過大な応力発生を避けるた
めにモジュール内に空気層を設ける構造を採用すること
により、高信頼化を達成する。
【００１３】
【作用】
｛１｝モジュール内多重接続 本発明の基本的な構成は、モジュール内の並列接続数が
２である場合に必要かつ十分な電気的性能を得られる構
造にあると同時に、モジュール内の並列接続数が３以上
の場合にも、必要かつ十分な電気的性能を得られる構造
にある。大電流を制御する場合、並列回路のインダクタ
ンスを極力揃えることが肝要である。インダクタンスの
不整合があると、インダクタンス成分によってスイッチ
ング時に発生する逆起電力が不揃いになる。そのため、
一部の回路に電流が集中するという不都合を生じるので
ある。インダクタンスは、配線長にもっとも影響を受け
る。従って、内部の並列接続部同士の配線長を揃える配
置が重要になる。二つの並列接続においては、パワー半
導体素子及び配線を線対称に配置すれば、配線長を揃え
ることができ、その結果、容易にインダクタンスを揃え
ることができる。しかし、三つの並列接続においては困
難が生じる。本発明による構成単位の配列は、二つの並
列接続にとどまらず、三つ以上の並列にも対応できる、
優れたものである。
【００１４】図３に、本発明による配列例（図３（ａ）
及び図３（ｂ））を示す。ここで構成単位とは、１枚の
窒化アルミニウム基板４２０上に二つの絶縁ゲート型ト
ランジスタチップ４０１及び一つのダイオードチップ３
０１及び配線用銅箔（４０８，４０９，４１０）を搭載
し、アルミニウムワイヤ（エミッタワイヤ４０２，ゲー
トワイヤ４０３、及びアノードワイヤ３３６）で内部配
線を行ったものを指す。本発明による配列（図３（ａ）
及び図３（ｂ））では、同一種類の構成単位をすべて同
じ方向を向いて配列している。すなわち、基板上に複数
のパワー半導体素子及び配線用金属箔を非対称に配置し
てた構成単位を同じ方向に複数配置している。この配置
を採用することによって、三つの構成単位の並列接続
(図３(ｂ))を容易に出来る。パワー半導体素子の特性
は、他の半導体素子と同様、ばらつきを持っているた
め、構成単位の特性もばらつく。本発明のように同一パ
ターンの構成単位を使用することにより、近い特性の構
成単位を組み合わせやすくなる。また、本発明によれば
各構成単位で、電流の取りだし位置（端子足のはんだ付
け位置）を同じにするため、並列接続する端子足間のピ
ッチが、構成単位のピッチと同じになり、一定になるた
めインダクタンスのバランスを調整することが出来る。
すなわち、コレクタ端子足３０６と３０７，３０７と３
０８の間隔、エミッタ端子足３２３と３２４，３２４と
３２５の間隔が同じになるのである。従って、少なくと
も両端の構成単位に関しては、コレクタ合流端子足３１
５のコレクタインダクタンス調整端子足３１２との接点
から各構成単位を経てエミッタ合流端子足３３２のエミ
ッタインダクタンス調整端子足３２９との接点までの経
路では、インダクタンスが揃っている。従って、両端の
構成単位に至るインダクタンスに対して中央の構成単位
に至るインダクタンスを合わせれば、三つの構成単位に
至るインダクタンスがすべて揃うことになる。
【００１５】また、図３の例では両端と中央の構成単位
に至るインダクタンスを揃えるためにコレクタインダク
タンス調整端子足３１２とエミッタインダクタンス調整
端子足３２９を設けた。コレクタ連結端子足３１１とコ
レクタインダクタンス調整端子足３１２が近接している
ので、相互インダクタンスを発生する。両者の間隔及び
近接長さを調整することで、中央の構成単位に至る経路
のインダクタンスを両端の２構成単位に合わせることが
可能になる。
【００１６】もちろん、四つ以上の並列接続も、同様に
可能であり、直列接続も可能である。
【００１７】｛２｝モジュール外多重接続 本発明の複数モジュールの多重接続によれば、外部端子
をすべてモジュールの上面に配置し、しかも、ゲートを
駆動するための端子であるゲート端子及び補助エミッタ
端子をコレクタ端子とエミッタ端子の間に配置してい
る。このような構成によって、使い勝手が良いだけでな
く電気的特性も良好で、構造として理想的である。図２
にその一例を示す。図２は、本発明による絶縁ゲート型
トランジスタを搭載したモジュール型半導体装置を、直
流電源から三相交流を発生するインバータに適用した例
である。入力は、直流プラス側入力２０１及び直流マイ
ナス側入力２０２である。出力は、Ｕ相２０３，Ｖ相２
０４及びＷ相２０５である。単一のモジュールでは電流
容量が不足するので、２モジュールを並列に接続してい
る。それぞれのモジュールには、コレクタ端子２０７，
エミッタ端子２０８，ゲート端子２０９及び補助エミッ
タ端子２１０と、すべての外部端子が樹脂ケース２１１
の上面に載置されている。樹脂ケース２１１上のコレク
タ端子２０７及びエミッタ端子２０８は、モジュール上
面のほぼ中心線上に位置し、これら主端子、すなわちコ
レクタ端子２０７とエミッタ端子２０８の間にゲート端
子２０９及び補助エミッタ端子２１０がある。そのた
め、ゲート駆動用のゲート配線213及び補助エミッタ配
線２１４が板状配線２１５と重ならない。この配置は、
主電流の流れる回路と制御電圧を供給するゲート回路が
空間的に分離されているため、作業性が良いばかりでな
く、ゲート回路への主電流の干渉が少なくなるという電
気的性能上の利点もある。
【００１８】電流のアンバランスによる影響は、大きい
電流の回路部分より小さい電流の回路部分の方が小さ
い。本発明によるモジュールを使用すれば、モジュール
内で三つの並列を実現して、モジュールの並列数を、電
流バランスの良い２とする構成を実現することができ
る。この構成は、電流のアンバランスをモジュール内で
吸収するという点で、システム全体のバランスとして、
より優れている。本発明は、上記したように内部で３並
列が可能であるので、システム全体としてのバランスを
取りやすい、柔軟なシステム設計ができる。
【００１９】｛３｝高信頼化接着構造 本発明のモジュール内の構造によれば、直接パワー半導
体素子を固定する個所には錫（Ｓｎ）とアンチモン（Ｓ
ｂ）を主成分とするはんだを使用する。このはんだは、
Ｓｎの含有量の多い、比較的硬いはんだであり、これを
シリコーンチップ下に使用することにより、接着部の耐
熱疲労性が向上する。はんだが硬いため、熱疲労歪がは
んだに掛かりにくくなるからである。とくに、我々の知
見では、Ｓｂの含有量を４〜６重量％にすると、良好な
はんだ付け性及び接着部の信頼性が得られている。反応
性の高いＳｎ含有量が９０重量％以上のはんだを使用す
ると、チップ裏面のメタライズが侵食されやすい。そこ
で、比較的侵食されにくいニッケル（Ｎｉ）をメタライ
ズの多層膜中に使用し、さらに、反応抑制のために微量
のＮｉをはんだに添加するとよい。同様に、チップ下は
んだが触れるコレクタ配線用銅箔にも銅箔ニッケルめっ
きを施して、はんだによる侵食を極力抑えるとよい。モ
ジュール内の構造の例を図４に示す。図４は、本発明に
よる標準的なモジュールの断面の一部である。外壁は、
金属板ニッケルめっき４２３で表面を覆った金属板２１
２と、樹脂ケース２１１で構成されている。絶縁ゲート
型トランジスタチップ４０１は窒化アルミニウム基板４
２０表面に銀ろう４２１で接着されたコレクタ配線用銅
箔４０８上に、チップ下はんだ４０６で接着されてい
る。
【００２０】絶縁ゲート型トランジスタチップ４０１の
ゲート接続用アルミニウムパッド４０５からは、ゲート
ワイヤ４０３を通してゲート配線用銅箔４０９に、ま
た、エミッタ接続用アルミニウムパッド４０４からは、
エミッタワイヤ４０２を通してエミッタ配線用銅箔４１
０に、それぞれ接続されている。これらは、最終的には
ゲート端子２０９及びエミッタ端子（図示せず）並びに
補助エミッタ端子（図示せず）につながる。図では、主
端子（すなわち、主電流が流れる端子）を表示していな
い。主端子のモジュール内配線は、すべて端子足群で行
われる。これに対して、ゲート配線及び補助エミッタ配
線は、端子足群と、絶縁被覆を施した撚り線による配線
の併用構造である。構成単位間を構成単位間ゲート接続
線４１５及び構成単位間補助エミッタ接続線４１６で接
続し、外部に出る端子としては、ゲート端子２０９と補
助エミッタ端子（図示せず）の２個となる。なお、ゲー
ト及び補助エミッタの接続線には、テフロン被覆の撚り
線を使用する。
【００２１】絶縁ゲート型トランジスタチップ４０１
は、シリコーンゲル４２４で覆われ、樹脂ケース２１１
を通して侵入してくる水により電気特性が変化しないよ
うにしている。また、樹脂ケース２１１と接着性の良い
エポキシ樹脂４２５をシリコーンゲル４２４と樹脂ケー
ス２１１との間に充填し、水の侵入速度を下げる役割を
担わせている。
【００２２】端子足は、予め熱処理によって柔らかくし
た銅を素材とし、表面に端子足ニッケルめっき４１９を
施したものを使用する。樹脂ケース２１１，エポキシ樹
脂４２５及びシリコーンゲル４２４は、熱膨張係数が金
属より大きい。とくに、シリコーンゲルは、液体並みの
膨張係数を有しているので、温度変化で、外部端子接続
用ゲート端子足４１４や内部結線用補助エミッタ端子足
４１３には大きな変位が加わる。そこで、端子足先端は
んだ４１８近傍に端子足曲折部４１７を設け、端子足先
端はんだ４１８に過大な熱応力が掛からないようにす
る。この対策は、図示していないが、主端子でも同様に
行われる。また、端子足には外部の端子をねじ締めする
際にも力が加わる。端子足曲折部４１７には、このよう
な外力を直接端子足先端はんだ４１８に及ぼさない効果
もある。
【００２３】更に、本発明のモジュール内構造によれば
パワー半導体素子を支える部材の接着個所に錫と鉛を主
成分とするはんだを使用する。
【００２４】本発明のモジュール型半導体装置のもう一
つの接着個所である、窒化アルミニウム基板４２０の裏
面接着用銅箔４１１と金属板２１２の接着個所について
述べる。窒化アルミニウム基板固定用はんだ４２２の接
着部の特徴は、接着面積が大きいことである。従って、
この部分のはんだには、なによりもぬれ性が良く、気泡
（ボイド）の発生が少ないことが求められる。前述のＳ
ｎ−Ｓｂ系はんだはぬれ性があまり良くない。従って、
この部分のはんだとしては適さない。さらに、この部分
には柔軟性が要求される。絶縁ゲート型トランジスタチ
ップ４０１から金属板２１２に至る層構造全体で見る
と、チップ下はんだ４０６が硬いので柔軟な部分が他に
はない。熱歪は小さいが熱応力が比較的大きくなりやす
い構造である。従って、熱応力の緩和のため、窒化アル
ミニウム基板固定用はんだ４２２には、柔らかいはんだ
の使用が望ましい。
【００２５】以上の二つの要件、すなわち、大面積であ
るためぬれ性が要求されること、及び、Ｓｎ−Ｓｂが硬
いので、この部分には柔らかいはんだが要求されるこ
と、この、両方を満足する材料、そして、もちろん、耐
熱疲労性が高いはんだである、Ｓｎと鉛（Ｐｂ）を主成
分とするはんだを採用した。この系のはんだは、共晶に
近い組成の、比較的硬いものでもＳｎ−Ｓｂ系に比べる
と、ヤング率が半分程度であり、充分に柔らかい。従っ
て、層構造全体の中での応力吸収層としての機能を充分
果たすことができる。しかも、ぬれ性が良好である。こ
の部分に使用するはんだとしては、他の系で適するもの
はない。具体的には、この部分の接着はＳｎ−Ｓｂより
後工程になるので、融点の低い、共晶に近い組成のもの
を選んでいる。
【００２６】｛４｝高信頼化モジュール構造 本発明のモジュール内の構造によれば、モジュール内部
に空気層を設けている。このことによりシリコーンゲー
ルの膨張収縮による過大な応力発生を避けることが可能
となる。図５にモジュール内部の構造例を示す。なお、
説明に直接関係のない、はんだ，ボンディングワイヤ，
端子足群等は表示を省略した。
【００２７】図において、樹脂蓋５０２は端子足群を固
定する役割も担っており、樹脂壁５０４が金属板２１２
に接着される前に、端子足群のはんだ付け時に固定され
る。その後、樹脂壁５０４が固定され、エポキシ樹脂４
２５が樹脂蓋５０２と樹脂壁５０４がお互いに噛み合う
部分に注入され、硬化される。その後、シリコーンゴム
キャップ５０３を取り付ける前の状態の樹脂蓋５０２の
穴からシリコーンゲル４２４を注入し、硬化する。上部
に空気層５０１を残すように、量を調節する。最後に、
シリコーンゴムキャップ５０３を圧入し、完成する。
【００２８】シリコーンゲルは、１℃当たり数１００pp
m の非常に大きな熱膨張係数を有しているため、その膨
張，収縮による圧力変化をどのように躱すかがパッケー
ジの信頼性に直接関係する。また、ゲルの硬化時に発生
するガスが、ケース材料の表面をコーティングすること
によって、ケース材料とエポキシの接着力を低下させ、
パッケージの信頼性を下げている。本構造は、その両方
の問題を解決する。すなわち、膨張に関しては、パッケ
ージ内に空気層を設けて充分な緩衝効果を得ている。ま
た、ゲルの硬化時のガス発生によるケース表面汚染に関
しては、ゲルの硬化以前にエポキシを硬化することで対
処している。
【００２９】以上の説明で明らかなように、本構造はエ
ポキシとケースとの接着性を確保しつつシリコーンゲル
上に空間を確保しており、信頼性の高いパッケージであ
る。
【００３０】
【実施例】以下、本発明を、実施例によりさらに具体的
に説明する。なお、本発明はこれら実施例に限定されな
い。
【００３１】本発明の実施例１乃至７を、図１乃至図２
及び図４乃至図２９に従って説明する。
【００３２】（実施例１）本発明の第１の実施例につい
て、図１乃至図２，図４及び図７乃至図１３を参照して
説明する。
【００３３】図１２は、本発明の第１の実施例を斜め上
方から眺めたところである。ヒートシンク（図示せず）
に取り付けるためのベースとなる金属板には、モリブデ
ンを使用した。モリブデン基板１０７には、はんだ付け
の便宜を図るため及び、モリブデンの耐湿性を補うため
にニッケルめっきを施した（図示せず）。底面以外の、
側壁及び上面は樹脂で構成した。主端子及び補助端子を
すべてモジュールの上面に配置した。主端子であるコレ
クタ端子１１９及びエミッタ端子１２０を、モジュール
の中心線上に配置し、補助端子であるゲート端子１２９
及び補助エミッタ端子１３０を両主端子の間に配置し
た。外形寸法を小さく保ちつつ、内部の寸法を確保する
ために、ケース壁１２０１の四隅を円弧状にえぐり、そ
の部分に取り付け用穴１１６を開けた。図１２は、一部
を切って、内部が見えるようにしてある。内部にはシリ
コーンゲル１２０３とエポキシレジン１２０２が層状に
充填されている。絶縁ゲート型トランジスタチップ１０
１上をシリコーンゲル1203が覆い、エポキシレジン１２
０２がその上に重なっている。エポキシレジン1202の一
部は上面において外壁の一部を構成している。
【００３４】本発明によるモジュール型半導体装置は大
電流を扱うので、モジュール外の配線と相互干渉を発生
する要因を極力避ける必要がある。そのためには不必要
な電磁誘導の原因になる余計な端子類をモジュール外に
出さない方が良い。従って、構成単位内の配線はもちろ
ん、構成単位間の配線も、モジュール型半導体装置内で
行う。モジュール外の端子は、主端子２個（コレクタ端
子１１９及びエミッタ端子１２０）及びゲート端子１２
９及び補助エミッタ端子１３０各１個の合計４個であ
る。外部端子を必要最小限にすると、使い勝手も良くな
る。
【００３５】図１０は、本発明の第１の実施例の製作過
程における外観及び断面を示している。本発明の第１の
実施例は、構成単位が２個で、各構成単位が１個の窒化
アルミニウム基板１０６からなっている。それぞれの構
成単位について、同じく製作過程の外観及び断面を示す
図８で説明する。構成単位である窒化アルミニウム基板
１０６には、４個のシリコーンチップが搭載されてい
る。一番上の１個がフリーホイールダイオードチップ１
０２であり、下の３個が絶縁ゲート型トランジスタチッ
プ１０１である。３個の絶縁ゲート型トランジスタチッ
プ１０１とフリーホイールダイオードチップ１０２は、
同じ外形寸法で、一辺１０mmである。基本的には、構成
単位内のチップは一列にならんでいる。しかし、フリー
ホイールダイオードチップ１０２は、絶縁ゲート型トラ
ンジスタチップ１０１より少し右にずれた配置になって
いる。その結果、フリーホイールダイオードチップ１０
２の左のコレクタ配線用銅箔パターン１０３に比較的広
い領域を確保することができた。その反面、フリーホイ
ールダイオードチップ１０２の右横のエミッタ配線用銅
箔パターン１０４は、絶縁ゲート型トランジスタチップ
１０１の右より幅が狭くなっている。しかし、狭くなっ
ても幅が８mmあり、図８の後工程であるアルミニウム細
線のワイヤボンディングを施した状態、すなわち図９を
参照して分かるように、ワイヤボンディングに支障はな
い。むしろ、絶縁ゲート型トランジスタチップ１０１の
右側のエミッタ配線用銅箔パターン１０４の幅にゆとり
がある。これら、コレクタ配線用銅箔パターン１０３及
びエミッタ配線用銅箔パターン１０４のゆとりのスペー
スは、図１に示すように、コレクタ端子足１０８及びエ
ミッタ端子足１１０、さらに、補助エミッタ端子足１１
４の接着場所として使われる。本実施例のように、窒化
アルミニウム基板１０６の長辺側に接着場所を配置する
と、窒化アルミニウム基板１０６の対角長を小さくする
ことができる。本実施例と、接着個所を短辺側に配置し
た場合の比較をする。本実施例では、窒化アルミニウム
基板１０６の長辺寸法が５８mm、短辺寸法が４２mmで、
面積は約２４００平方mm、また、対角長は７１.６mm で
ある。これに対して、接着場所を短辺側に配置すると、
長辺寸法が７４mm、短辺寸法が３８mmで、面積は約２８
００平方mm、また、対角長は８３.２mm となる。窒化ア
ルミニウムは脆い材料であり、できるだけ応力の掛から
ない構造にする必要がある。対角長を小さくすること
は、最も効果的な対策である。従って、本実施例のよう
に、窒化アルミニウム基板１０６の長辺側に接着個所を
配置することは、重要である。また、エミッタ端子足１
１０が、３個の絶縁ゲート型トランジスタチップの両端
の重心を結んだ線分の垂直二等分線上に接着されてい
る。この構成は、エミッタ側配線のインダクタンスを揃
えるのに有効である。絶縁ゲート型トランジスタチップ
は電圧駆動であるため、点弧直後の絶縁ゲート型トラン
ジスタチップ１０１間の電流上昇カーブを揃えるには、
ゲート−エミッタ間電圧を揃えなければならない。その
ためには、各絶縁ゲート型トランジスタチップ１０１の
エミッタに至る配線のインダクタンスを揃えることが必
要である。インダクタンスを揃えれば、各絶縁ゲート型
トランジスタチップ１０１のエミッタ電位が揃い、ゲー
ト−エミッタ間電圧が揃うのである。この配置も、端子
足の接着場所を長辺側にすることによって初めて実現で
きる。
【００３６】銅の端子足群とは、軟化のための熱処理を
施した銅を素材とする細長い板状の棒を必要本数樹脂の
蓋に挿入し、先端の位置及び高さを揃えたものである。
先端にクリームはんだあるいは溶融はんだを付着させ、
一つのモジュールで必要とする端子足をすべて一括して
はんだ付けする。この端子足の先端は、すべて窒化アル
ミニウム基板の金属化パターン表面と接着される。こ
の、接着位置を窒化アルミニウム基板の長辺側の端部に
配置するのである。すでに述べたように、窒化アルミニ
ウム、とくに、本発明で扱う、両面に銅箔を貼りつけた
窒化アルミニウムは、割れやすい。主な原因は、窒化ア
ルミニウムと銅の熱膨張係数の違いである。従って、窒
化アルミニウムの寸法を小さく抑えなければならない。
ここで述べているはんだ付け位置は、結果として窒化ア
ルミニウムの対角寸法を低減できる、実用的な対策であ
る。もちろん、寸法を小さくすることは、アルミナに対
しても有効である。
【００３７】絶縁ゲート型トランジスタは電圧駆動型で
あるので、点弧直前のみならず、点弧直後の電流がまだ
安定しない時間領域ではエミッタとゲート間の電圧を、
各チップで揃えておく必要がある。ゲートには、ほとん
ど電流が流れないので、ゲートの電位は各チップでそん
なに変わるものではない。ところが、エミッタには主電
流が流れるので、電源から各チップのエミッタまでの誘
導成分（インダクタンス）が揃っていないと、点弧直後
の電圧が揃わなくなる。点弧特性は、各チップに掛かる
ゲート電圧、すなわち、ゲートとエミッタの間の電圧で
左右されるので、エミッタの主電流が流れる配線のイン
ダクタンスの整合は重要である。インダクタンスは、基
本的に配線長に比例するので、エミッタ端子から各絶縁
ゲート型トランジスタのエミッタまでの距離を揃える必
要がある。エミッタ端子足１１０から各絶縁ゲート型ト
ランジスタチップ１０１を厳密に等距離に置くには、エ
ミッタ端子足１１０を中心とする円弧上に各絶縁ゲート
型トランジスタチップ101を配置しなければならない。
これは、現実問題としては不可能である。そこで、本実
施例のように、現実的には、最遠（両端）の絶縁ゲート
型トランジスタチップ１０１に至る距離を揃える配置を
取らざるを得ない。
【００３８】図８に戻って、窒化アルミニウム基板１０
６及び、その上のシリコーンチップについて、さらに説
明する。まず、チップの配置である。基本的にすべての
シリコーンチップがほぼ一列に配置されている。先程述
べた、エミッタ配線のインダクタンスを考慮すると、絶
縁ゲート型トランジスタチップ１０１が、エミッタ端子
足１１０の接着部を中心にした、同一の円周上に配置さ
れるのが理想である。ところが、このような配置にする
と、窒化アルミニウム基板１０６に無駄な場所ができて
しまい、接着部の熱応力が大きくなって、信頼性を低下
させてしまう。また、絶縁ゲート型トランジスタチップ
１０１は、３端子素子であるので、エミッタ配線とゲー
ト配線が両立する配列でなければならない。以上の両方
の理由から、直線配置が最も合理的である。
【００３９】すでに何度も述べているように、窒化アル
ミニウムは脆い材料である。従って、亀裂の発生原因を
極力排除しなければならない。そのために、窒化アルミ
ニウム基板の四隅を曲率０.５mm 以上の円弧で、いわゆ
る面取りをする。さらに、銅箔パターンの角部にも曲率
０.１mm 以上の面取りを施す。亀裂のスタートは鋭い角
部であることが多いので、この構造は有効である。
【００４０】窒化アルミニウムはシリコーンに近い熱膨
張係数を有していることが特徴である。このことが、表
面を金属化する際の制約になっている。すなわち、金属
との熱膨張係数の差が大きいために、亀裂が発生しやす
い。すでに述べたように、窒化アルミニウムは脆いの
で、ますます亀裂の発生が起こりやすくなる。程度の差
はあるが、アルミナも銅の数分の１という小さい熱膨張
係数を有しており、同様の問題がある。
【００４１】そこで、必ず両面に金属化層を設け、両面
で発生する熱応力をバランスさせるようにする。ところ
が、片面は金属板に接着するために全面単一のパターン
（べた）であるが、もう片面は、チップへの配線の一部
を担うため、いくつかの分かれたパターンになる。従っ
て、全面パターン側の方が金属化層の応力が大きくな
る。そこで、全面側をパターン面より薄くしてバランス
を取ることにする。
【００４２】外部と絶縁を保ちつつ熱を逃がすために、
高熱伝導で絶縁性の良い窒化アルミニウム基板１０６を
使用する。窒化アルミニウムの熱膨張係数はシリコーン
に近いので、絶縁ゲート型トランジスタチップ１０１及
びフリーホイールダイオードチップ１０２のはんだ付け
個所の熱疲労寿命を伸ばすのに有効である。
【００４３】また、窒化アルミニウム基板１０６の表面
を、モリブデン基板１０７との接着のために全面金属化
する。同時に、逆の面も金属化する。この逆の面の金属
化部分は、先に述べた面のように全面ではなく、いくつ
かの部分に分かれている。絶縁ゲート型トランジスタチ
ップ１０１及びフリーホイールダイオードチップ102の
接着のみならず、電流あるいは電圧を供給する作用、す
なわち、配線の機能を併せ持つ。
【００４４】窒化アルミニウムは脆いので、熱応力を小
さく抑えるために、対角サイズを小さく抑え、さらに、
基板端部に曲率を持たせたり、銅箔パターンの端部にも
曲率を持たせる必要がある。
【００４５】つぎに、本実施例で、絶縁ゲート型トラン
ジスタチップ１０１とフリーホイールダイオードチップ
１０２を同じサイズにした理由を述べる。まず、絶縁ゲ
ート型トランジスタチップ１０１とフリーホイールダイ
オードチップ１０２に掛かる負荷を考える。ピーク電流
は、両者でほぼ同じである。また、電流が流れる時間
（デューティ）は、フリーホイールダイオードが絶縁ゲ
ート型トランジスタのほぼ半分である。また、飽和電圧
は、フリーホイールダイオードの方が小さい。以上のこ
とを考慮すると、フリーホイールダイオードチップ１０
２の発熱は、絶縁ゲート型トランジスタチップ１０１の
約３分の１になる。つぎに、チップの構造について考え
る。本発明が対象としているモジュールは、高耐圧，大
電力用である。従って、チップの周辺には、耐圧を維持
するための、別の表現をすれば、電界を緩和するための
構造が施される。この部分は、チップサイズに無関係に
チップの周辺部に一定の幅で配置される。この幅は、絶
縁ゲート型トランジスタチップ１０１でもフリーホイー
ルダイオードチップ１０２でも同じである。先程述べた
ように、フリーホイールダイオードチップ１０２は絶縁
ゲート型トランジスタチップ１０１の約３分の１の負荷
であるので、チップ数を同じにすればフリーホイールダ
イオードチップ１０２を小さくすることになる。ところ
が、チップを小さくすると、電界を緩和するための構造
がチップに占める割り合いが増すので、電流容量（すな
わち、チップ内のアクティブ領域の面積）を３分の１に
しても、チップサイズはあんまり小さくならない。チッ
プ製作時の歩留まりもそれほど上がらない。また、フリ
ーホイールダイオードチップ１０２を絶縁ゲート型トラ
ンジスタチップ１０１と同じサイズにすると、チップ配
置がシンプルになり、有利である。以上の理由で、本実
施例では、絶縁ゲート型トランジスタチップ１０１とフ
リーホイールダイオードチップ１０２を同じサイズにし
た。
【００４６】つぎに、図１０を参照して、高信頼性接着
構造について説明する。本実施例では、チップ下はんだ
８０１として、５重量％のＳｂ、若干のＮｉ及びＰ（リ
ン）を含む、主成分がＳｎの、いわゆるＳｎ−Ｓｂはん
だを使用している。このはんだは、低融点ろう材の中で
は比較的硬く、従来はチップの接着に向くとは考えられ
ていなかった。しかし、近年では、チップとその下地を
強固に一体化することで、熱疲労寿命を増すことが明ら
かになり、このはんだは、チップ下はんだとして多用さ
れている。しかし、このはんだを使うと、絶縁ゲート型
トランジスタチップ１０１から窒化アルミニウム基板１
０６までが一体化されるので、熱応力が主に曲げ応力と
して、その下、すなわちモリブデン基板１０７に及ぶ。
ところが、モリブデン基板１０７は非常に硬い材料であ
るので、曲がることを拒否する。その結果、絶縁ゲート
型トランジスタチップ１０１に大きな応力となって跳ね
返り、通電、一日の温度変化，年間の温度変化等による
熱応力により、比較的短時間で破壊に至る。従来は、チ
ップ下はんだとして、比較的柔らかいＳｎ−Ｐｂ系の高
温はんだを使用していたので、基板が硬く、曲がること
を拒否しても、チップに大きな応力として跳ね返ること
はなかった。従って、チップのみを考慮すると、Ｓｎ−
Ｓｂはんだを使用するより高信頼性ではあった。しか
し、チップ下のはんだ付け部がすべての歪を吸収するた
め、はんだ付け部の信頼性レベルが充分ではなかった。
チップだけでなく、接着構造全体としての信頼性の向上
が望まれていた。潜在的に高信頼性を期待できるＳｎ−
Ｓｂ系はんだを使用しつつ、全体として高信頼になるは
んだ付け構造が必要とされた。
【００４７】そこで、本実施例では、窒化アルミニウム
基板固定用はんだ１００１として、４０重量％のＰｂを
含むＳｎ−Ｐｂはんだを使用することにした。このはん
だは、チップ下はんだ８０１に使用しているＳｎ−Ｓｂ
はんだの約半分のヤング率を持っている。充分なはんだ
厚さを確保すれば、Ｓｎ−Ｓｂによる応力を緩和する効
果が期待できる。窒化アルミニウム基板固定用はんだ１
００１として、Ｓｎ−４０重量％Ｐｂはんだに粒径が５
０μｍから８０μｍのＮｉ粒を体積比率で１％圧入した
シートを使用することにした。はんだ付け時にＮｉ粒が
はんだ付け面に分散し、はんだ付け部の厚さを最低８０
μｍ確保している。その結果、このはんだ付け部の柔軟
性が増し、チップ下はんだ８０１で生じた曲げ応力を窒
化アルミニウム基板固定用はんだ１００１の層で完全に
吸収することができている。
【００４８】図４を使用して、モジュール内の縦構造を
概説し、同時に高信頼性はんだ接着構造についてもう少
し詳しく説明する。図４は、本発明による標準的なモジ
ュールの断面の一部である。外壁は、金属板ニッケルめ
っき４２３で表面を覆った金属板２１２と，樹脂ケース
２１１で構成されている。絶縁ゲート型トランジスタチ
ップ４０１は窒化アルミニウム基板４２０表面に銀ろう
４２１で接着されたコレクタ配線用銅箔４０８上に、チ
ップ下はんだ４０６で接着されている。
【００４９】絶縁ゲート型トランジスタチップ４０１の
ゲート接続用アルミニウムパッド４０５からは、ゲート
ワイヤ４０３を通してゲート配線用銅箔４０９に、ま
た、エミッタ接続用アルミニウムパッド４０４からは、
エミッタワイヤ４０２を通してエミッタ配線用銅箔４１
０に、それぞれ接続されている。これらは、最終的には
ゲート端子２０９及びエミッタ端子（図示せず）並びに
補助エミッタ端子（図示せず）につながる。図では、主
端子（すなわち、主電流が流れる端子）を表示していな
い。主端子のモジュール内配線は、すべて端子足群で行
われる。これに対して、ゲート配線及び補助エミッタ配
線は、端子足群と、絶縁被覆を施した撚り線による配線
の併用構造である。構成単位間を構成単位間ゲート接続
線４１５及び構成単位間補助エミッタ接続線４１６で接
続し、外部に出る端子としては、ゲート端子２０９と補
助エミッタ端子（図示せず）の２個となる。なお、ゲー
ト及び補助エミッタの接続線には、テフロン被覆の撚り
線を使用する。
【００５０】絶縁ゲート型トランジスタチップ４０１
は、シリコーンゲル４２４で覆われ、樹脂ケース２１１
を通して侵入してくる水により電気特性が変化しないよ
うにしている。また、樹脂ケース２１１と接着性の良い
エポキシ樹脂４２５をシリコーンゲル４２４と樹脂ケー
ス２１１との間に充填し、水の侵入速度を下げる役割を
担わせている。
【００５１】端子足は、予め熱処理によって柔らかくし
た銅を素材とし、表面に端子足ニッケルめっき４１９を
施したものを使用する。樹脂ケース２１１，エポキシ樹
脂４２５及びシリコーンゲル４２４は、熱膨張係数が金
属より大きい。とくに、シリコーンゲルは、液体並みの
膨張係数を有しているので、温度変化で、外部端子接続
用ゲート端子足４１４や内部結線用補助エミッタ端子足
４１３には大きな変位が加わる。そこで、端子足先端は
んだ４１８近傍に端子足曲折部４１７を設け、端子足先
端はんだ４１８に過大な熱応力が掛からないようにす
る。この対策は、図示していないが、主端子でも同様に
行われる。また、端子足には外部の端子をねじ締めする
際にも力が加わる。端子足曲折部４１７には、このよう
な外力を直接端子足先端はんだ４１８に及ぼさない効果
もある。
【００５２】ここで、はんだについて触れる。チップ下
はんだ４０６には、錫（Ｓｎ）とアンチモン（Ｓｂ）を
主成分とするはんだを使用している。このはんだは、Ｓ
ｎの含有量の多い、比較的硬いはんだである。このはん
だをシリコーンチップ下に使用すると、接着部の耐熱疲
労性が向上することが知られている。はんだが硬いた
め、熱疲労歪がはんだに掛かりにくくなることが主要因
の一つである。とくに、我々の知見では、Ｓｂの含有量
を４〜６重量％にすると、良好なはんだ付け性及び接着
部の信頼性が得られている。反応性の高いＳｎ含有量が
９０重量％以上になるので、このはんだを使用すると、
チップ裏面のメタライズが侵食されやすい。そこで、比
較的侵食されにくいニッケル（Ｎｉ）をメタライズの多
層膜中に使用し、さらに、反応抑制のために微量のＮｉ
をはんだに添加している。同様に、チップ下はんだ４０
６が触れるコレクタ配線用銅箔４０８にも銅箔ニッケル
めっき４１２を施して、はんだによる侵食を極力抑えて
いる。
【００５３】つぎに、本発明のモジュール型半導体装置
のもう一つの接着個所である、窒化アルミニウム基板４
２０の裏面接着用銅箔４１１と金属板２１２の接着個所
について述べる。窒化アルミニウム基板固定用はんだ４
２２の接着部の特徴は、接着面積が大きいことである。
従って、この部分のはんだには、なによりもぬれ性が良
く、気泡（ボイド）の発生が少ないことが求められる。
前述のＳｎ−Ｓｂ系はんだはぬれ性があまり良くない。
従って、この部分のはんだとしては適さない。さらに、
この部分には柔軟性が要求される。絶縁ゲート型トラン
ジスタチップ４０１から金属板２１２に至る層構造全体
で見ると、チップ下はんだ４０６が硬いので柔軟な部分
が他にはない。熱歪は小さいが熱応力が比較的大きくな
りやすい構造である。従って、熱応力の緩和のため、窒
化アルミニウム基板固定用はんだ４２２には、柔らかい
はんだの使用が望ましい。
【００５４】以上の二つの要件、すなわち、大面積であ
るためぬれ性が要求されること、及び、Ｓｎ−Ｓｂが硬
いので、この部分には柔らかいはんだが要求されるこ
と、この、両方を満足する材料、そして、もちろん、耐
熱疲労性が高いはんだである、Ｓｎと鉛（Ｐｂ）を主成
分とするはんだを採用した。この系のはんだは、共晶に
近い組成の、比較的硬いものでもＳｎ−Ｓｂ系に比べる
と、ヤング率が半分程度であり、充分に柔らかい。従っ
て、層構造全体の中での応力吸収層としての機能を充分
果たすことができる。しかも、ぬれ性が良好である。こ
の部分に使用するはんだとしては、他の系で適するもの
はない。具体的には、この部分の接着はＳｎ−Ｓｂより
後工程になるので、融点の低い、共晶に近い組成のもの
を選んでいる。
【００５５】図７に示すように、本発明による多層構造
では、Ｓｎ−Ｓｂ系の硬いはんだと、Ｓｎ−Ｐｂ系の柔
らかいはんだの性質を利用している。チップと窒化アル
ミニウム又はアルミナの間は、熱疲労に対する信頼性の
高い、硬いＳｎ−Ｓｂ系のはんだで接着しているので、
チップと窒化アルミニウム基板又はアルミナ基板は一体
に近い状態で膨張収縮をする。すなわち、バイメタルの
ようになり、熱応力を曲げ方向７０１で示すように、曲
げで吸収する。この曲げに窒化アルミニウム又はアルミ
ナまでは追従するが、金属板は抵抗をする。また、外部
のヒートシンクへの取り付けを考慮すると、金属板は曲
がらない方がよい。そこで、ニッケル粒を入れる等の工
夫により厚さを一定以上に保ち、柔軟性を確保した、Ｓ
ｎ−Ｐｂの層がチップ下で生じた曲げを引っ張り及び圧
縮として、図に引っ張り方向702と表示している方向で
吸収する。さらに、大面積である窒化アルミニウム又は
アルミナと金属板の接着部に生じる熱応力は、曲がりに
くい、しかも、曲がらない方がよい金属板が自由に伸び
縮みするように、曲げでなく、はんだ内での剪断歪で回
避する。図中に剪断方向７０３と、表示した。このよう
にして、チップ下では曲げ、チップ下の窒化アルミニウ
ム又はアルミナと金属板の間では引っ張り及び圧縮、金
属板と窒化アルミニウム又はアルミナとの熱応力では剪
断と、それぞれに都合のよい応力緩和策を取った、理想
的な層構造になっている。
【００５６】これは、Ｓｎ−Ｓｂ系はんだとＳｎ−Ｐｂ
系はんだの連携で初めて可能になる作用である。
【００５７】何度も述べているように、チップ下のはん
だに、高信頼性ではあるが硬いＳｎ−Ｓｂはんだを使用
したため、窒化アルミニウム又はアルミナ基板と金属板
の間が唯一の柔軟な層になる。しかも、接続相手が窒化
アルミニウムである場合には、脆いので、信頼性を確保
することが難しい。層構造全体の熱膨張係数の差に基づ
く応力を緩和する役割を担っているこの部分には、はん
だに柔らかいＳｎ−Ｐｂ系を使用することは当然である
が、それだけでは不充分であり、積極的に柔軟性を確保
しなければならない。はんだ付け厚さを確保することが
必須要件である。
【００５８】そこで、はんだ材料に一定量のニッケル粒
を混入させ、はんだ厚を確保することにする。この際、
はんだ付け個所でニッケル粒が二つ以上重ならないよう
に、しかも、はんだ付け部に最低３個入るように、混入
比率を調整する。我々の検討の結果によると、ニッケル
の粒径を４０ミクロン〜１００ミクロンとし、混入比率
としては体積比率で０.１％〜３％ が望ましい。
【００５９】チップのはんだ付け部は、窒化アルミニウ
ムあるいはアルミナと金属板のはんだ付け部に比較する
と面積が小さいので、ニッケル粒を入れることによる、
はんだの機械的性質の変化が信頼性に大きく影響する。
しかも、この部分は硬いＳｎ−Ｓｂはんだで一体化され
ているため、はんだ厚が大きいことが必ずしも高信頼性
につながるわけではない。従って、この部分には、ニッ
ケル粒の混入は望ましくない。
【００６０】本実施例の構成単位の表面の配線パター
ン、及び、それに伴う表面の部品配置は、上下，左右と
も非対称である。上下が非対称なのは、主に、絶縁ゲー
ト型トランジスタチップ１０１とフリーホイールダイオ
ードチップ１０２が実装されていることによる。また、
左右が非対称な主な理由は、絶縁ゲート型トランジスタ
チップ１０１が３端子素子であるため、エミッタ配線と
ゲート配線があるためである。図１０で分かるように、
本実施例では二つの構成単位を同じ方向で並べている。
その結果、図１に示すように、コレクタ端子足１０８及
びエミッタ端子足１１０が左右対称でない。このこと
は、インダクタンスのアンバランスを生じ、本実施例の
不利な点である。しかし、後で述べるように、アンバラ
ンスの量が少なく、問題にはならない。手段及び作用の
項ですでに述べたように、この構造には効果があるた
め、採用した。
【００６１】図１に示すように、構成単位間のゲート配
線及び補助エミッタ配線には、耐熱樹脂被覆の撚り線を
使用した。すなわち、構成単位間ゲート接続線１１７及
び構成単位間補助エミッタ接続線１１８である。撚り線
を使用することで、配線経路の自由度が増し、また、誘
導を避けるために構成単位間ゲート接続線１１７と構成
単位間補助エミッタ接続線１１８とを撚り合わせること
も可能になった。
【００６２】上記したように、絶縁ゲート型トランジス
タは電圧駆動型であるので、電流駆動型の素子に比べて
ゲート駆動回路の配線の引き回しは、ラフでよい。しか
し、これは、モジュール外のことである。モジュール内
では、主電流回路とゲート駆動回路が近接することが多
い。電圧駆動であるのでゲートは高インピーダンスであ
る。従って、ゲート駆動の配線は誘導ノイズを拾いやす
い。そのため、ゲート配線と補助エミッタ配線はお互い
に極力近づけて誘導ノイズによる電圧変動を抑えること
が望ましい。できれば、お互いに撚り合わせるのがよ
い。その点で、本実施例の構造は、望ましい姿である。
【００６３】さらに、主電流回路に近接する場所では、
極力誘導の影響を避けるため、主電流回路と垂直に近い
角度で交叉するようにするべきである。
【００６４】図１３に従って、本実施例の製法を説明す
る。なお、図１３は、左に工程、右に各工程終了後の簡
易断面図、右端には、より詳細な図面の番号を記してい
る。 （１）チップはんだ付け 窒化アルミニウム基板１０６にチップ（絶縁ゲート型ト
ランジスタチップ101及びフリーホイールダイオードチ
ップ１０２）をはんだ付けする。はんだはすでに述べた
Ｓｎ−５ｗｔ％Ｓｂはんだであり、露点−４０℃以下に
管理された純水素雰囲気中で、最高温度２８０℃ではん
だ付けする。
【００６５】（２）ワイヤボンディング 熱処理で柔らかくした直径０.４mm の純アルミニウム細
線を用いて、超音波による固相接合を行う。絶縁ゲート
型トランジスタチップ１０１のエミッタには、チップ当
たり４本、ゲートには１本、フリーホイールダイオード
チップ１０２のアノードには１２本のワイヤをボンディ
ングする。
【００６６】（３）窒化アルミニウム基板はんだ付け １体積％のＮｉ粒を含むＳｎ−４０重量％Ｐｂはんだシ
ートを使用して、露点−４０℃以下に管理された純水素
雰囲気中で、最高温度２３０℃ではんだ付けする。この
最高温度は、Ｓｎ−Ｓｂはんだが再溶融しない条件であ
る。
【００６７】（４）端子足はんだ付け 端子足は、ケース蓋１２１に固定されている。各端子足
の先端には、ケース材料とモリブデン基板１０７や窒化
アルミニウム基板１０６との熱膨張係数差に伴う応力を
緩和する目的で曲折部が設けてある。すなわち、図１に
示すコレクタ端子足曲折部１０９，エミッタ端子足曲折
部１１１，ゲート端子足曲折部１１３、及び補助エミッ
タ端子足曲折部１１５である。Ｓｎ−４０重量％Ｐｂは
んだ粒をはんだ付けフラックスでペースト状にした、ペ
ーストはんだをすべての端子足の先端に付け、全端子足
を一括してはんだ付けする。雰囲気は空気、最高温度は
２２０℃である。はんだ付け後、水で残留フラックスを
洗浄する。
【００６８】（５）ケース壁接着 耐熱性の接着剤で、ケース壁１２０１をモリブデン基板
１０７に接着する。接着温度は１５０℃、雰囲気は空気
である。
【００６９】（６）シリコーンゲル注入，硬化 シリコーンゲルを注入し、空気中、１５０℃で硬化す
る。ゲル中には大量のガスが含まれているので、硬化前
に真空中で脱泡をする。シリコーンゲル１２０３は、ボ
ンディングワイヤの最大高さより上まで注入される。
【００７０】（７）エポキシレジン注入，硬化 エポキシレジンを注入し、硬化する。硬化雰囲気は空
気、温度は１５０℃である。これで、本実施例によるモ
ジュール型半導体装置が完成する。
【００７１】つぎに、本実施例による効果について述べ
る。
【００７２】モジュールの信頼性を左右するのは、はん
だ付け部である。はんだ付け部、とくに、チップ下はん
だ８０１には、絶縁ゲート型トランジスタチップ１０１
のコレクタ電流及びフリーホイールダイオードチップ１
０２のカソード電流が流れる。同時に、絶縁ゲート型ト
ランジスタチップ１０１及びフリーホイールダイオード
チップ１０２で発生した熱が流れる。この部分に亀裂が
入ると、電気特性及び熱特性に大きな影響がある。もち
ろん、窒化アルミニウム基板固定用はんだ1001の亀裂、
とくに、絶縁ゲート型トランジスタチップ１０１及びフ
リーホイールダイオードチップ１０２直下の亀裂も、熱
特性に与える影響が大きい。
【００７３】定格通電の断続によりモリブデン基板１０
７の底面の温度を７０℃の幅で振る試験を繰り返した結
果、本実施例によるモジュール型半導体装置は、従来の
モジュールより２倍以上の信頼性の向上が認められた。
なお、従来モジュールでは、チップ下にもＳｎ−Ｐｂ系
はんだを使用していた。
【００７４】つぎに、電気特性について触れる。大電流
を制御するモジュールであるので、エミッタ配線の誘導
成分をできるだけ揃えなければならない。モジュールの
外部端子から眺めて、各チップまでのインダクタンスの
差が１０ナノヘンリー(ｎＨ)を越えると、各チップの点
弧時のばらつきが大きくなり、一部のチップに電流が集
中する。その結果、チップの破壊を招く場合もある。従
って、エミッタ回路のインダクタンスの差を１０ナノヘ
ンリー（ｎＨ）以下に抑えなければならない。すでに述
べたように、モジュール内の端子が左右対称でないの
で、インダクタンスのバランスが若干狂う。左の構成単
位と右の構成単位で違いが約５ｎＨであった。コレクタ
については、左の構成単位が、エミッタについては、右
の構成単位が大きく、コレクタからエミッタまでの合計
では、ほぼ同じであった。ただし、ゲート駆動に直接影
響するエミッタ配線のインダクタンスが構成単位間で少
し違うので点弧の際のバランスは少し悪い。また、構成
単位内の３チップ間のエミッタ配線では、約３ｎＨの差
があった。すでに述べたように、エミッタ配線を両端の
絶縁ゲート型トランジスタチップ１０１から等しい距離
に配置したため、アンバランスを小さくすることができ
た。合計で、エミッタ配線のインダクタンスのアンバラ
ンスは最大約８ｎＨであった。
【００７５】本発明のモジュールは、後程述べるが、多
数が並列及び直列に接続され、全体として大きなスイッ
チングシステムになる。その際、全体が同期してスイッ
チングしないと、一部のチップに電流が集中し、破壊に
至る場合がある。全体システムを考えると、電流のアン
バランスは、大きな部分、すなわち、大電流が流れる、
まとまった部分では、致命的になるが、小さな部分、す
なわち、電流値の小さい部分では、比較的許される。従
って、全体から眺めて比較的小さい部分である、構成単
位間では、電流の相違を１.５ 倍以内に抑え、モジュー
ル間では、ほぼバランスが取れるようにするのが良い。
【００７６】通電開始から１０μ（マイクロ）秒の間で
構成単位間の電流のバランスを測定した。その結果、左
右の構成単位間の電流のアンバランスは、最大で１.３
倍であった。この程度だと、一部のチップに大きな負担
を掛けることが少なく、充分実用に耐えるバランスであ
る。なお、１０μ秒を過ぎると、インダクタンスによる
影響が無視できるほど小さくなり、構成単位間の電流バ
ランスを問題にする必要がなくなった。
【００７７】本実施例では、窒化アルミニウム基板を使
用したが、もちろん、アルミナ基板を使用することも可
能である。モリブデンとアルミナの熱膨張差は、モリブ
デンと窒化アルミニウムとほぼ同じであり、窒化アルミ
ニウム基板あるいはアルミナ基板とモリブデン基板の間
のはんだ（図示せず）に掛かる熱応力の絶対値はほぼ同
じである。さらに、アルミナは窒化アルミニウムより弾
力性に富んでいるので、基板の亀裂発生は生じにくい。
そのため、たとえば図８に示すような、窒化アルミニウ
ム基板１０６の角に付けた丸み（ここでは、半径１mmで
ある）並びにコレクタ配線用銅箔パターン１０３，エミ
ッタ配線用銅箔パターン１０４及びゲート配線用銅箔パ
ターン１０５の角につけた丸み（ここでは、半径０.１m
mである)が不要となる。
【００７８】本実施例は構成単位が２個であるが、もち
ろん、３個に対してでも４個に対してでも、まったく同
様の構成で対応ができることは言うまでもない。
【００７９】最後に、本実施例を多重接続した例を、図
２に従って説明する。図２は、本発明による絶縁ゲート
型トランジスタを搭載したモジュール型半導体装置を、
直流電源から三相交流を発生するインバータに適用した
例である。入力は、直流プラス側入力２０１及び直流マ
イナス側入力２０２である。出力は、Ｕ相２０３，Ｖ相
２０４及びＷ相２０５である。スイッチング時に絶縁ゲ
ート型トランジスタに過大の電流が流れないようにする
ため、スナバ回路を挿入している。しかし、この図で
は、表現の簡略化のため省略している。また、単一のモ
ジュールでは電流容量が不足するので、２モジュールを
並列に接続している。直列に４モジュールがつながって
いるが、３レベルインバータであるためである。各モジ
ュールは、直列方向には単独に動作する。３レベルイン
バータとするため、一番上のモジュールのエミッタと一
番下のモジュールのコレクタをクランプダイオードで接
続しているが、図中では省略した。各モジュールからの
発熱を逃がすため、モジュール底面の金属板２１２を共
通のヒートシンク２０６上に熱伝導グリースを介してネ
ジで締め付ける構造になっている。それぞれのモジュー
ルには、コレクタ端子２０７，エミッタ端子２０８，ゲ
ート端子２０９及び補助エミッタ端子２１０と、すべて
の外部端子が樹脂ケース２１１の上面に載置されてい
る。コレクタ端子２０７及びエミッタ端子２０８は、モ
ジュール上面のほぼ中心線上に位置し、これらの主端子
の間にゲート端子２０９及び補助エミッタ端子２１０が
ある。そのため、ゲート駆動用のゲート配線２１３及び
補助エミッタ配線２１４が板状配線２１５と重ならな
い。この配置は作業性が良いばかりでなく、ゲート回路
への主電流の干渉が少なくなるという利点もある。
【００８０】以上、説明したように、本発明によるモジ
ュール型半導体装置は、複数個をグループ化して使用す
る場合、図２に示すように外部端子をすべてモジュール
の上面に配置し、しかも、ゲートを駆動するための端子
であるゲート端子２０９及び補助エミッタ端子２１０を
コレクタ端子２０７とエミッタ端子２０８の間に配置し
てあり、使い勝手が良く、性能的にも良好で、理想的構
造である。
【００８１】（実施例２）本発明の第２の実施例につい
て、図５及び図１４乃至図１９を参照して説明する。
【００８２】図１４は、本発明の第２の実施例の製作過
程における外観及び断面を示している。図１５は、図１
４と同じく、本発明の第２の実施例の製作過程における
外観であり、ケース蓋１５０１を透明に表現している。
本発明の第２の実施例は、構成単位が３個で、各構成単
位が１個の窒化アルミニウム基板１０６からなってい
る。それぞれの構成単位については、第１の実施例と同
じであるので、説明を省略する。
【００８３】各構成単位内のパワー半導体チップの配列
及び配線パターンは左右上下とも非対称である。第１の
実施例と同じく、すべてが同じ方向を向いている。この
配列は、第１の実施例では若干の不利な要因を持ってい
たが、本実施例では有利さが際立っている。すなわち、
図１５に示すように、３本のコレクタ端子足１５０８が
同じ間隔で並んでいる。同様に、エミッタ端子足１６０
１も同じ間隔で並んでいる。このことは、中央の端子足
から眺めて、左右の端子足が同じ距離に配置されている
ことになる。インダクタンスは、配線長に直接影響され
る。そのため、３端子の並列接続ではインダクタンスの
整合を取ることが難しい。このことは、すでに述べた。
しかし、この配置では、少なくとも左右の両端の端子足
に至るインダクタンスについては最初から整合が取れて
いる。そのため、中心の端子足と両端の端子足のインダ
クタンスの整合を考慮するだけでよい。これが、本配置
の大きなメリットである。中心の端子足と左右の端子足
とのインダクタンスの整合について、とくにインダクタ
ンスの整合が必要なエミッタ端子について、図１６を使
用して説明する。
【００８４】エミッタ端子足１６０１は、３本が同じ間
隔で一直線上に並んでいる。その先端には、温度変化に
よる応力を緩和するためにエミッタ端子足曲折部１６０
２が設けられている。エミッタ端子１６０８から電流が
流れ込む状況を想定する。電流は、エミッタ合流端子足
１６０７，エミッタ位置調整端子足１６０６，エミッタ
合流端子足１６０５を経由して、半分ずつに分かれてエ
ミッタインダクタンス調整端子足１６０４に流れ込む。
電流の方向を図中に太い矢印で示した。全電流の内、３
分の１は端のエミッタ端子足１６０１に流れ、残りであ
る全体の６分の１がエミッタ連結端子足１６０３に流れ
る。ここを流れる電流も、図中に太い矢印で示した。図
から明らかなように、エミッタインダクタンス調整端子
足1604を流れる電流の方向とエミッタ連結端子足１６０
３を流れる電流の方向は逆である。エミッタインダクタ
ンス調整端子足１６０４とエミッタ連結端子足１６０３
の間隔（図中のＭ）が充分大きいと、中央のエミッタ端
子足１６０１への経路の方が、両端のエミッタ端子足１
６０１への経路より長くなるので、中央のエミッタ端子
足１６０１へのインダクタンスが両端のエミッタ端子足
１６０１へのインダクタンスより大きくなる。反対に、
Ｍがゼロになると、距離関係が逆転し、中央のエミッタ
端子足１６０１へのインダクタンスの方が小さくなる。
Ｍは、モジュールの形状によるが、１０mm以下に最適値
がある。本実施例では、Ｍを８mmにした時、エミッタ合
流端子足１６０５から各端子足先端までのインダクタン
スが、３本とも同じになった。その理由は、エミッタイ
ンダクタンス調整端子足1604を流れる電流とエミッタ連
結端子足１６０３を流れる電流が逆向きであるため、相
互インダクタンスがマイナスになるためである。
【００８５】また、コレクタ端子１５１１及びエミッタ
端子１６０８をモジュールの中心線上に配置したため、
エミッタではエミッタ位置調整端子足１６０６が必要に
なった。その結果、第１の実施例と同じく左右の端子足
に至るインダクタンスにアンバランスが生じた。しか
し、わずかなアンバランスに過ぎない。エミッタ端子１
６０８から左のエミッタ端子足１６０１に至るインダク
タンスは、エミッタ端子１６０８から右のエミッタ端子
足１６０１に至るインダクタンスより約５ｎＨ小さかっ
た。エミッタ位置調整端子足１６０６の長さが２０mmと
比較的短いためと、図中の距離Ｇが１５mmと比較的大き
いため、この程度に収めることができた。
【００８６】構成単位を並列につなぐ数が２で始まる公
比２の等比数列の場合には、構成単位二つからなるグル
ープを作り、さらに二つのグループで上位のグループを
作る。このように、階層的にグループを構成すれば、絶
縁ゲート型トランジスタのエミッタへの主電流の流れる
配線のモジュール外壁に配置されたエミッタ端子と構成
単位の間で、該端子足群を階層構造にすることで、各構
成単位に至るまでのインダクタンスを同じか同じに近づ
けることができる。ところが、構成単位を並列につなぐ
数が２で始まる公比２の等比数列以外の場合には、どこ
かでこの階層構造が崩れる。ようするに、３構成単位を
並列に接続する部分が発生する。この部分では、本質的
にインダクタンスのアンバランスを生じる。これを回避
するため、端子足群の一部に、近接して電流の一部が逆
方向に流れる部分を構成する。逆方向に流れる電流によ
って、インダクタンスが相殺される。逆方向に流れる電
流量と距離を調節することによって、本実施例のように
三つの構成単位のエミッタに至るインダクタンスを同じ
か同じに近づけることができる。
【００８７】本実施例の特徴の一つとして、金属板に銅
−モリブデン−銅クラッド基板1401を使用したことを挙
げることができる。その効果について、図１７を使用し
て説明する。なお、図１７では、主にセラミックス基板
とシリコーンチップからなる部材を、熱源１７０１とし
て単純化した。図１７（ａ）は、第１の実施例を示し、
同図（ｂ）は、第２の実施例を示している。もちろん、
熱の流れ方は、金属板が取り付けられるヒートシンクの
熱的な性能及び、ヒートシンクと金属板の熱的な結合の
大小に依存することは当然である。ここでは、両実施例
の違いに注目する。図（ａ）では、モリブデン基板１７
０２が、単一の材料でできているため、熱は滑らかな曲
線を描いて流れる。これに対して、図（ｂ）では、熱伝
導率の小さいモリブデン層１７０４の熱源１７０１側に
熱伝導率の大きい上側銅層1703があるため、この層の中
で熱が水平方向に強制的に広げられる。下側銅層1705の
下面、すなわち、ヒートシンク（図示せず）と接触する
面の熱流束の密度が下がる。一般に、ヒートシンクとの
熱接触部には、伝熱性のグリースを塗布する。空気より
熱伝導率が飛躍的に大きいため使われるのであるが、金
属に比べると２桁ほど熱伝導率が小さい。従って、グリ
ース層の熱流の密度が重要になる。下側銅層１７０５の
下面における熱流束密度が小さいと、グリース中の温度
差を小さく抑えることができる。その結果、ヒートシン
クまで含めたトータルの熱抵抗を小さく抑えることがで
きる。換言すればシリコーンチップの温度上昇を小さく
することができるのである。また、グリース部での温度
の分担が少ないので、ヒートシンク及び金属板の微細な
うねりによるグリース厚さのばらつきに伴う局部的なグ
リース厚さの増加やグリースのボイドによるグリース部
の温度上昇が小さくなり、シリコーンチップの温度上昇
を低く抑えることもできる。なお、下側銅層1705は、熱
的にはとくに関与しない。下側銅層１７０５は、上側銅
層１７０３と共同で、熱膨張の違うモリブデンと銅とを
クラッドした場合のバイメタル効果、すなわち、温度変
化による板の曲がりを防止している。
【００８８】また、上側銅層１７０３，モリブデン層１
７０４、及び下側銅層１７０５は、それぞれ３mmの板厚
であり、３層全体としての横方向（板の表面に平行な方
向）の熱膨張係数は、１０ppm／℃ である。金属板がモ
リブデン単独である第１の実施例よりは、金属板と窒化
アルミニウムとの熱膨張係数の差が大きくなるので、は
んだ付け部の信頼性は第１の実施例より劣るが、その程
度はわずかで、ほぼ同等と言える。なお、金属板の熱膨
張係数が１０ppm／℃ を越えると、信頼性が目に見えて
落ちてくる。
【００８９】金属板に要求される機能は、(１)機械的に
支えること、(２)熱を外部に効率的に逃がすこと、(３)
水を通さないこと、の３点である。さらに、望ましい性
質としては、窒化アルミニウムあるいはアルミナとのは
んだ付け部で、熱応力の発生が少ないことである。熱膨
張係数としては、１℃当たり１０ppm 以下が望ましい。
この条件を満たす性質を有する単一の材料は、タングス
テン及びモリブデンである。
【００９０】金属板内で板に平行な方向に熱の流れを促
し、モジュール外底面での温度分布を小さくするために
は、単一の材料では効果が小さい。熱伝導率の異なる材
料の積層構造が望ましい。熱膨張係数が１℃当たり１０
ppm 以下で、この条件を満たす材料としては、銅−タン
グステン−銅の３層構造、タングステン−銅−タングス
テンの３層構造、銅−モリブデン−銅の３層構造及びモ
リブデン−銅−モリブデンの３層構造を挙げることがで
きる。３層にする理由は、バイメタル効果、すなわち温
度変化による曲がりの防止である。
【００９１】図１５において、本実施例のケース蓋１５
０１に第１の実施例と異なる二つの特徴が認められる。
すなわち、周辺に溝１５０２が掘られていることと、注
入孔１５０３が開いていることである。これは、モジュ
ール内の樹脂の充填構造が第１の実施例と異なるためで
ある。図１８を使って説明する。図１８は、図１５から
さらに工程が進んだ状態の第２の実施例を示している。
この図では、ケース蓋１５０１を不透明にすると同時
に、ケース壁１８０１を透明に描いた。また、ケース蓋
１５０１とケース壁１８０１の重なる部分では、陰にな
る部分のケース蓋１５０１を破線で、また、ケース壁１
８０１を細い実線で表した。さらに、表現の省略のた
め、図の左半分と右半分で違う工程の状態を表した。す
なわち、図１５の次の工程の状態を左半分、最終工程終
了後、すなわち、本実施例の完成時の状態を右半分に示
した。
【００９２】本実施例では、ケース蓋１５０１とケース
壁１８０１が噛み合う構造になっている。すなわち、図
中の断面図で分かるように、ケース蓋１５０１の周囲の
溝１５０２の部分にケース壁１８０１の上側先端の楔状
突起１８０３が嵌めこまれる。この部分に、エポキシレ
ジン１８０５が流しこまれ、ケース蓋１５０１とケース
壁１８０１が接着される。図の右半分に注目すると、シ
リコーンゲル1804がモジュール内部に充填されている。
注入の際には、注入孔１５０３を利用する。また、シリ
コーンゲル１８０４の上表面とケース蓋１５０１下面と
の間は空気層１８０６になっている。注入孔１５０３
は、最終的にシリコーンゴムキャップ１８０２で塞がれ
る。シリコーンゲル１８０４は熱膨張係数が大きく、製
作過程や使用中の温度変化でモジュール内部に大きな圧
力変化をもたらす。液体に比べて膨張収縮に伴う圧力変
化の少ない空気層をモジュール内に設けることで、モジ
ュール内の圧力変化を小さくした。１５０℃に加熱した
場合、モジュール内部の圧力上昇は、わずか０.５ 気圧
に止まった。また、本実施例ではシリコーンゲル１８０
４の表面ほぼ全体を空気層にしたことで、ゲル内の応力
発生を極力小さく抑えることもでき、モジュールの信頼
性向上が図れた。
【００９３】さらに、この構造について、図５を使用し
て説明する。図５は、本実施例のように高信頼性ケース
構造を採用した場合の、モジュール型半導体装置の断面
の一部を示す。なお、説明に直接関係のない、はんだ，
ボンディングワイヤ，端子足群等は表示を省略した。
【００９４】樹脂蓋５０２は端子足群を固定する役割も
担っており、樹脂壁５０４が金属板２１２に接着される
前に、端子足群のはんだ付け時に固定される。その後、
樹脂壁５０４が固定され、エポキシ樹脂４２５が樹脂蓋
５０２と樹脂壁５０４がお互いに噛み合う部分に注入さ
れ、硬化される。その後、シリコーンゴムキャップ５０
３を取り付ける前の状態の樹脂蓋５０２の穴からシリコ
ーンゲル４２４を注入し、硬化する。上部に空気層５０
１を残すように、量を調節する。最後に、シリコーンゴ
ムキャップ５０３を圧入し、完成する。
【００９５】シリコーンゲルは、１℃当たり数１００pp
m の非常に大きな熱膨張係数を有しているため、その膨
張、収縮による圧力変化をどのように躱すかがパッケー
ジの信頼性に直接関係する。また、ゲルの硬化時に発生
するガスが、ケース材料の表面をコーティングすること
によって、ケース材料とエポキシの接着力を低下させ、
パッケージの信頼性を下げている。本構造は、その両方
の問題を解決する。すなわち、膨張に関しては、パッケ
ージ内に空気層を設けて充分な緩衝効果を得ている。ま
た、ゲルの硬化時のガス発生によるケース表面汚染に関
しては、ゲルの硬化以前にエポキシを硬化することで対
処している。
【００９６】以上の説明で明らかなように、本構造はエ
ポキシとケースとの接着性を確保しつつシリコーンゲル
上に空間を確保しており、信頼性の高いパッケージであ
る。図５に示すように、本発明による高信頼性ケース構
造では、空気層５０１がモジュール内のシリコーンゲル
４２４の表面のほぼ全体に存在する。応力計算によれ
ば、シリコーンゲル４２４上の空気層５０１の体積の大
小は、もちろんシリコーンゲル４２４の膨張収縮に伴う
応力緩和の大小に影響するが、シリコーンゲル４２４の
表面の空気層５０１の面積が、それ以上に大きく効いて
いることが分かった。すなわち、上面を空気層にする場
合、シリコーンゲルの膨張収縮は、主に上下方向にな
る。シリコーンゲルの表面の内、空気層５０１に接して
いない部分は、上下方向の動きを制限されるので、大き
な応力を発生するのである。もちろん、ゲル４２４は左
右前後にも変形するため、完全密封に比べると応力発生
は少ない。しかし、左右前後への動きは小さいので、空
気層５０１の体積がたとえ同じでも、ゲル４２４上の空
気層５０１の面積の大小が信頼性に直接影響するのであ
る。
【００９７】その意味で、本構造は、シリコーンゲル４
２４の上面ほぼ全体を空気層５０１にしているので、応
力緩和が有効に働き、信頼性の高いパッケージ構造にな
っている。
【００９８】本実施例の構造上のもう一つの特徴は、取
り付け用穴１４０２のピッチが窒化アルミニウム基板１
０６のピッチと一致していることである。窒化アルミニ
ウム基板１０６は、脆いため四隅に曲率を持たせてあ
る。しかも、窒化アルミニウム基板１０６のはんだ付け
時のはんだのはみ出し対策やはんだ付け治具の加工精
度，はんだ付けの作業性等の都合で窒化アルミニウム基
板１０６同士を密着して配置することはなく、隙間（本
実施例では２mm）を開けている。そのため、２枚の窒化
アルミニウム基板１０６に挟まれた場所には、上下の寸
法に少しゆとりが生まれる。この部分に取り付け用穴１
４０２を配置した。その結果、モジュール全体の寸法を
小さく抑えることができた。図１８で、ケース壁１８０
１が、窒化アルミニウム基板１０６の隙間に入りこんで
いるので、その効果を直接確認できる。
【００９９】つぎに、図１９を使用して、本実施例の製
造工程を説明する。なお、図１９は、左に工程、右に、
各工程終了後の簡易断面図、右端には、より詳細な図面
の番号を記している。
【０１００】（１）チップはんだ付け 第１の実施例と同じであるので、省略する。
【０１０１】（２）ワイヤボンディング 第１の実施例と同じであるので、省略する。
【０１０２】（３）窒化アルミニウム基板はんだ付け 金属板がモリブデン基板１０７から銅−モリブデン−銅
クラッド基板１４０１に変わっただけで、その他は第１
の実施例と同じであるので、省略する。
【０１０３】（４）端子足はんだ付け 端子足は、ケース蓋１５０１に固定されている。ケース
蓋１５０１には、周辺に溝１５０２が掘ってあり、中央
に近い部分には注入孔１５０３が開いている。各端子足
の先端には、ケース材料と銅−モリブデン−銅クラッド
基板１４０１や窒化アルミニウム基板１０６との熱膨張
係数差に伴う応力を緩和する目的で曲折部が設けてあ
る。Ｓｎ−４０重量％Ｐｂはんだ粒をはんだ付けフラッ
クスでペースト状にした、ペーストはんだをすべての端
子足の先端に付け、全端子足を一括してはんだ付けす
る。雰囲気は空気、最高温度は２２０℃である。はんだ
付け後、水で残留フラックスを洗浄する。
【０１０４】（５）ケース壁接着 耐熱性の接着剤で、ケース壁１８０１を銅−モリブデン
−銅クラッド基板1401に接着する。接着温度は１５０
℃、雰囲気は空気である。この時、ケース壁1801先端の
楔状突起１８０３が、ケース蓋１５０１周辺の溝１５０
２に嵌まる。
【０１０５】（６）エポキシレジン注入，硬化 エポキシレジン１８０５を溝１５０２に注入し、硬化す
る。硬化雰囲気は空気，温度は１５０℃である。この時
点で、ケース蓋１５０１とケース壁１８０１とが接着す
る。
【０１０６】（７）シリコーンゲル注入，硬化 第１の実施例では、ケース蓋１２１とケース壁１２０１
との隙間（幅２０mm程度）からシリコーンゲル１２０３
及びエポキシレジン１２０２を注入した。しかし、本実
施例では溝１５０２に楔状突起１８０３が嵌まっている
ため、第１の実施例のようにケース蓋とケース壁の間に
隙間がない。従って、シリコーンゲルの注入には、注入
孔１５０３を利用する。ゲルの硬化は、空気中、１５０
℃である。ゲル中には大量のガスが含まれているので、
硬化前に真空中で脱泡をする。脱泡時及び硬化時にゲル
からガスが出て、ケース壁１８０１の内面を汚染する場
合がある。汚染された部分では、エポキシレジン１８０
５とケース壁１８０１の接着性が悪くなる。本実施例で
は、エポキシレジンの接着をシリコーンゲルの工程より
前にしてこの欠点を回避した点が一つの特徴である。シ
リコーンゲル1804は、ボンディングワイヤの最大高さよ
り上まで注入される。その上部は空気層1806である。
【０１０７】（８）シリコーンゴムキャップ挿入 最後に、シリコーンゴムキャップ１８０２を常温で注入
孔１５０３に圧入し、注入孔１５０３を閉じる。これ
で、本実施例によるモジュール型半導体装置が完成す
る。なお、シリコーンゴムキャップ１８０２は、モジュ
ール内外の圧力差２気圧まで耐えることができる。
【０１０８】（実施例３）本発明の第３の実施例につい
て、図６及び図２０乃至図２２を参照して説明する。
【０１０９】図２０は、本発明の第３の実施例の製作過
程における外観及び断面を示している。また、図２１
は、図２０と同じく、本発明の第３の実施例の製作過程
における外観であり、ケース蓋２１０１を透明に表現し
ている。図２０から分かるように、本実施例は６個の構
成単位から成り立っている。図２１を参照すると、３構
成単位を並列に接続し、まとまった３構成単位同士を直
列に接続していることが分かる。従って、機能は実施例
２のモジュールを２個、直列に接続したのと同じであ
る。ここで、本発明の共通の特徴である、すべての構成
単位を同一方向に向けて搭載する形態を、本実施例でも
採用している。
【０１１０】本実施例の、材料面での特徴の一つは、ア
ルミナ基板２００１を採用していることである。図２０
−（ｂ）に示すように、金属板接着用銅箔２００２は、
ろう材を介さないで直接アルミナ基板２００１に接着し
ている。銅の酸化物を利用した、直接接着法による基板
である。同様に、エミッタ配線用銅箔パターン2004，ゲ
ート配線用銅箔パターン２００５、及びコレクタ配線用
銅箔パターン２００６も、アルミナ基板２００１に直接
接着されている。
【０１１１】アルミナは、窒化アルミニウムに比べて靭
性に富んでいるので、実施例１あるいは２のように、基
板端部に曲率を持たせる必要がない。同様に、パターン
の端部にも曲率を必要としない。この点が、アルミナ基
板２００１の形態上の特徴になる。
【０１１２】もう一つの材料面の特徴は、銅−タングス
テン−銅クラッド基板２００９を使用していることであ
る。この材料は、第２の実施例で使用した銅−モリブデ
ン−銅クラッド基板１４０１に比べて、（１）板厚方向
の熱伝導率が良い、板に平行な方向の熱膨張係数が小さ
いという特徴がある。それは、タングステンの性質によ
る。モリブデンは、熱伝導率が銅の約３分の１と、小さ
いのに対して、タングステンは約半分と、比較的大きい
ことである。また、熱膨張係数はタングステンの方が小
さい。本実施例で使用した銅−タングステン−銅クラッ
ド基板２００９は、上下の表面の銅が１mm、中央のタン
グステンが１mmの厚さである。板に平行な方向の熱膨張
係数は、９ppm／℃ 、また、板厚方向の熱伝導率は、
０.６cal／cm・ｓ・℃である。
【０１１３】銅−タングステン−銅クラッド基板２００
９は、熱膨張係数がアルミナ(７ppm／℃）とほぼ等しい
ことから、アルミナ基板固定用はんだ２００３のほとん
どの部分には熱疲労が発生しない。しかも、タングステ
ンが銅でサンドイッチされているため基板単独でのバイ
メタル効果がないのと同時に、銅−タングステン−銅ク
ラッド基板２００９とアルミナ基板２００１との熱膨張
係数がほぼ等しいことからこの両者の間にもバイメタル
効果がない。従って、アルミナ基板２００１に曲げ応力
がほとんど掛からない。その結果、チップ下はんだ２０
０７に掛かる熱応力も小さくなる。ただし、シリコーン
とアルミナの熱膨張係数が少し離れているので、チップ
下はんだ２００７には、熱膨張係数差に基づく、ある程
度の剪断応力が発生する。この部分のはんだは、第１の
実施例及び第２の実施例と同じくＳｎ−５ｗｔ％Ｓｂは
んだであるので、熱疲労耐量が大きい。その反面、この
はんだは硬いので、剪断応力がアルミナ基板２００１を
通じてアルミナ基板固定用はんだ２００３に達する。従
って、アルミナ基板固定用はんだ２００３の絶縁ゲート
型トランジスタチップ２００８及びフリーホイールダイ
オードチップ2010の直下の部分にはチップ下はんだ２０
０７で発生した熱応力の影響が現れる。柔軟性があり、
しかも、熱応力耐量の優れているＳｎ−４０重量％Ｐｂ
はんだを使用しているため、この熱応力をアルミナ基板
固定用はんだ２００３で吸収できる。本実施例でも、Ｓ
ｎ−ＳｂとＳｎ−Ｐｂの２種類のはんだによる、連携作
用が奏効している。
【０１１４】また、銅−タングステン−銅クラッド基板
２００９の板厚方向の熱伝導率がモリブデン単独あるい
は銅−モリブデン−銅クラッド基板より大きいという性
質により、窒化アルミニウムに比べて熱伝導率の小さい
アルミナを使用しても、モジュール全体の熱抵抗を０.
０１℃／Ｗ と、他の実施例並みに小さく抑えることが
できた。
【０１１５】なお、本実施例で使用した銅−タングステ
ン−銅クラッド基板の代わりに、タングステン−銅−タ
ングステンクラッド基板を使用することは可能であり、
その効果も同等である。
【０１１６】図２１に示すように、本実施例は、構成単
位６個からなるモジュールである。しかも、３個ずつ並
列に接続した構成単位を２個直列に接続している。３個
並列については第２の実施例と同じであるので、ここで
は説明を省略する。外部端子として、上側コレクタ端子
２１０２，上側エミッタ端子２１０３，上側ゲート端子
２１０６、及び上側補助エミッタ端子２１０７からなる
上側構成単位集合と、下側コレクタ端子２１０４，下側
エミッタ端子２１０５，下側ゲート端子2108、及び下側
補助エミッタ端子２１０９からなる下側構成単位集合
は、まったく同じものである。本実施例では、直列接続
バー２１３２で予め直列に接続されているため、使用す
る際には、耐圧が２倍の一つのモジュールとして外部の
主回路を構成することができる。もちろん、直列接続バ
ー２１３２を取り外せる構造にしておくことで、別々に
動作する二つのモジュールとして使用できるようにして
もよいことは自明である。
【０１１７】図６を使用して、さらに詳しく説明する。
図６は、図３（ｃ）を直列に二つつないだ形態になって
いる。図３（ｃ）の配列に直列接続用端子足６０１を追
加するだけで、並列３接続，直列２接続ができている。
この図に示すように、全く同一の構成単位を、同じ方向
に並べると、二つ以上の任意の並列接続、さらに、二つ
以上の任意の直列接続を円滑に行うことができる。すで
に述べたように、同一の構成単位を同じ方向で配置する
構成は、二つの構成単位を並列に接続する際には大きな
メリットを生むわけではない。しかし、この図に示すよ
うに、並列，直列の構成単位数が増すにつれて、メリッ
トが大きくなる。
【０１１８】もちろん、各構成単位が全く同じであるた
め、電気特性が揃いやすく、二つだけの並列接続でも、
メリットがある。従来例にあるように、左右対称にする
ために反転パターンの構成単位を使用する場合でも、本
来ならば電気特性が揃うはずであるが、はんだ付け，ワ
イヤボンディング等、パターンが異なると全く同じ作り
方をすることが難しくなる。さらに、半導体チップは特
性にばらつきを持つものであるため、構成単位間で特性
を揃えるためには構成単位が同じものである方が選別時
の無駄が少なくなる。そのため、本発明のように全く同
じパターンを採用した方が、各構成単位の電気特性が揃
い易くなるのである。
【０１１９】もう一つの本実施例の特徴は、上側補助エ
ミッタ端子足２１２３の下に上側チップ抵抗２１３０が
配置され、下側補助エミッタ端子足２１２５の下に下側
チップ抵抗２１３１が配置されていることである。一般
に、ゲート回路の直列抵抗は、各チップのゲートワイヤ
２０１２とゲート配線用銅箔パターン２００５との間に
挿入される。チップ毎の特性のばらつきや、エミッタ配
線の各チップに至るインダクタンスの不整合を調節する
のに、直列抵抗は有効である。これに対して、本実施例
では上側補助エミッタ端子足２１２３あるいは下側補助
エミッタ端子足２１２５とエミッタ配線用銅箔パターン
２００４との間に直列抵抗、すなわち上側チップ抵抗２
１３０あるいは下側チップ抵抗２１３１を配置してい
る。この構成の利点を、図２２を参照しながら説明す
る。
【０１２０】図２２では、簡単のために、構成単位２個
を抜きだしている。通電開始直後、インダクタンスの不
整合により、左側の構成単位に右側より多くの主電流が
流れたと仮定する。図では、左側エミッタ主電流２２０
１を２本の矢印で、右側エミッタ主電流２２０２を１本
の矢印で表示し、大小関係を示している。なお、黒く太
い線は、エミッタ主配線２２０３である。その結果、左
側の構成単位のエミッタ配線用銅箔パターン２００４の
電位（Ｅ１）の方が右側の構成単位のエミッタ配線用銅
箔パターン２００４の電位（Ｅ２）より高くなる。エミ
ッタ主配線2203の脇に表示した白抜きの線は、補助エミ
ッタ配線２２０４であり、ここでは、エミッタ配線用銅
箔パターン２００４に直接接続されている。Ｅ１＞Ｅ２
であるから、補助エミッタ配線２２０４内を左側の構成
単位から右側の構成単位に向かって主電流の一部、すな
わち補助エミッタ配線内主電流２２０５が流れる。この
電流は、もともと考慮されたものではないので、場合に
よっては、上側構成単位間補助エミッタ接続線２１２７
あるいは下側構成単位間補助エミッタ接続線2129を焼き
切る可能性もある。そのような極端な状況に至らなくて
も、補助エミッタ配線内主電流２２０５により不要な電
圧降下が発生し、ゲートエミッタ間電圧が変動を受け
る。この有害な補助エミッタ配線内主電流２２０５を制
限し、上側構成単位間補助エミッタ接続線２１２７及び
下側構成単位間補助エミッタ接続線2129を保護するため
に上側チップ抵抗２１３０及び下側チップ抵抗２１３１
を配置した。
【０１２１】絶縁ゲート型トランジスタは電圧駆動型で
あるので、多くのモジュールを直列，並列に接続する場
合、サイリスタやトランジスタのように電流駆動型のス
イッチング素子に比べて各ゲートにスイッチングの信号
を供給することが比較的容易である。すなわち、スイッ
チングの電源に大きな負担が掛からない。同時に、ゲー
ト駆動回路の配線の引き回しも、比較的ラフでよい。し
かし、途中のインピーダンスが高いと、ゲート駆動用配
線に主電流からのノイズが混入し、誤動作の原因にな
る。ところが、ゲート回路のインピーダンスを下げる
と、ゲート駆動時に、各チップの特性のアンバランス
や、主電流の流れるエミッタ配線のインダクタンスの不
整合がそのままゲート駆動電圧に反映され、スイッチン
グのタイミングばらつきの原因になる。
【０１２２】この、相反する必要特性を同時にカバーす
るため、各チップ毎あるいは各構成単位毎に、ゲート回
路に抵抗を挿入することは、一般的に行われている。し
かし、構成単位間でアンバランスが生じていると、各構
成単位の補助エミッタ間で電位の違いを生じ、補助エミ
ッタ回路に主電流が流れる恐れがある。そこで、補助エ
ミッタ回路に抵抗を挿入する。実装上、端子足群の先端
と窒化アルミニウム又はアルミナ上の金属化パターンの
間にチップ抵抗を挿入し、チップ抵抗と端子足群を同時
にはんだ付けするのがよい。
【０１２３】また、各絶縁ゲート型トランジスタチップ
のゲートに個別にゲート抵抗を挿入する、一般的な方法
と併用すると、安定化効果が増す。さらに、モジュール
外部に取りまとめのゲート抵抗を挿入する方法との併用
も有効である。
【０１２４】（実施例４）本発明の第４の実施例につい
て、図２３を参照して説明する。
【０１２５】図２３は、本発明の第４の実施例の製作過
程における外観を示す。なお、他の実施例と同様、ケー
ス蓋２３１３を透明に表現した。本実施例は、（１）主
端子のインダクタンスを小さくする構造、（２）絶縁ゲ
ート型トランジスタチップ一つずつのゲートに挿入した
抵抗、（３）ゲート配線及び補助エミッタ配線を金属板
で接続する、主端子と同じ形態、（４）アルミナ基板と
銅基板を使用、という４点で、第１乃至第３の実施例と
異なる。以下、本実施例の特徴的な部分について説明す
る。
【０１２６】まず、主端子の構造について述べる。実施
例１乃至実施例３では、インダクタンスのバランスに関
して様々の構造上の工夫を行ったが、本実施例では、さ
らにインダクタンスの絶対値を下げる工夫を行ってい
る。主端子の基本的な構造は、図１５に示した第２の実
施例とほぼ同じである。しかし、一部に、コレクタ配線
とエミッタ配線の接近した部分がある。すなわち、対エ
ミッタ近接部２３０２及び対コレクタ近接部２３０５で
ある。両者を流れる電流が反対方向を向いているので、
この部分を近接させると、相互誘導によりインダクタン
スが小さくなる。また、コレクタ端子２３０１脇のモジ
ュール外部に出ている部分とコレクタ平行通電部２３０
３との間、そして、エミッタ端子２３０４脇のモジュー
ル外部に出ている部分とエミッタ平行通電部２３０６と
の間でも、電流が逆に流れることを利用して相互誘導に
よりインダクタンスを相殺している。対エミッタ近接部
2302と対コレクタ近接部２３０５の間隔は、約８mmであ
り、約１０ｎＨのインダクタンスの低減効果があった。
【０１２７】つぎに、ゲート抵抗について述べる。本実
施例では、各絶縁ゲート型トランジスタチップ２００８
のゲートごとにチップ抵抗２３１４を挿入した。この構
成の利点は、チップ間の特性のばらつきによる点弧タイ
ミングのずれを最小限に抑えることができることであ
る。実施例１乃至実施例３では、各モジュールごとに搭
載する絶縁ゲート型トランジスタチップのゲート感度を
測定し、似通ったもの同士を搭載するようにしている
が、本実施例ではその必要がなくなった。
【０１２８】つぎに、構成単位間のゲート配線及び補助
エミッタ配線の形態について述べる。本実施例では、主
端子の配線と同じく金属板で構成単位間を結んでいる。
すなわち、構成単位間ゲート接続板２３０８及び構成単
位間補助エミッタ接続板2311である。この構造の利点
は、今まで述べた実施例より接続部が少ないことであ
る。今まで述べた実施例では、構成単位間の配線にテフ
ロン被覆のリード線を使用したため、その両端をはんだ
付けする必要があった。この、はんだ付けが不要にな
り、モジュールとしての信頼性が向上した。さらに、リ
ード線をはんだ付けしなくてよいため、ゲート端子足２
３０９及び補助エミッタ端子足２３１２の表面のめっき
材料を自由に選べるようになった。リード線のはんだ付
けが良好に行われるように、実施例１乃至３では、ゲー
ト端子足２３０９及び補助エミッタ端子足２３１２に錫
めっきを施している。主端子は、ねじ止めをする都合
上、ニッケルめっきを採用している。そこで、両者のは
んだに対するぬれ性に大きな差を生じ、端子足のはんだ
付けに支障を来すことがあった。本実施例では、すべて
の端子足をニッケルめっきに統一することができ、はん
だ付けが円滑に行われるようになった。
【０１２９】最後に、アルミナ基板と銅基板の組み合わ
せについて説明する。モジュールの底面を構成する材料
としては、熱伝導率，剛性及び価格から、銅が適当であ
る。しかし、銅は熱膨張係数が大きく、シリコーンとの
間で大きな熱膨張の不整合を発生する。それを緩和する
ために、熱膨張係数がシリコーンと銅の中間であるアル
ミナを両者の間に挟んだ。アルミナを選んだのは、つぎ
の理由による。すなわち、シリコーンと銅の熱膨張係数
差が大きいので、脆い窒化アルミニウムでは熱応力に耐
えることが困難であり、しかも、熱膨張係数がシリコー
ンと銅の中間というよりシリコーンに近すぎるので、銅
と窒化アルミニウムの接着部分に集中的に応力が発生
し、全体として信頼性が下がってしまうのである。絶縁
ゲート型トランジスタチップ２００８とアルミナ基板２
３１５との間に発生する熱応力は、第３の実施例とほぼ
等しく、熱疲労に強いＳｎ−５重量％Ｓｂはんだで吸収
できる。第３の実施例より信頼性の面で問題になるの
は、アルミナ基板２３１５と銅基板２３１６の間の熱膨
張の不整合である。この部分には、柔軟性に富むＳｎ−
４０重量％Ｐｂはんだを使用し、さらに、はんだ厚さを
最低２００μｍとすることで、信頼性を確保した。因み
に、実施例１乃至３では、はんだの厚さを１００μｍ程
度としている。
【０１３０】もちろん、アルミナ基板２３１５と銅基板
２３１６の間の不整合に伴うバイメタル作用が発生し、
曲げ応力が絶縁ゲート型トランジスタチップ２００８と
アルミナ基板２３１５との間のＳｎ−５重量％Ｓｂはん
だに及ぶ。その点、第３の実施例より信頼性が低下する
要因を持っている。しかし、Ｓｎ−４０重量％Ｐｂはん
だを２００μｍ以上と厚くしたため、その影響は小さく
とどめられ、モジュール全体としての信頼性はわずかな
低下に止まった。
【０１３１】また、銅基板の大きな熱膨張係数は、樹脂
でできたケース（図示せず）及びケース蓋２３１３の熱
膨張係数に近いので、モジュール全体としての熱膨張係
数の不整合が少ないというメリットがある。さらに、銅
はタングステン，モリブデンやそれらと銅との複合材よ
り熱膨張係数が大きいので、ヒートシンク(図示せず)の
材料（本実施例ではアルミニウム、一般にアルミニウム
が多い）に熱膨張が近い。従って、ヒートシンクに搭載
する際に、熱膨張差に基づく熱伝導グリースの流出等の
弊害を生じにくいというメリットもある。
【０１３２】（実施例５）本発明の第５の実施例につい
て、図２４乃至図２７を参照して説明する。
【０１３３】図２５は、本発明の第５の実施例の製作過
程における外観を示している。本発明の第５の実施例
は、第１の実施例と同じく構成単位が２個である。しか
し、第１乃至第４の実施例と異なり、各構成単位が２個
の窒化アルミニウム基板からなっている。すなわち、絶
縁ゲート型トランジスタチップ２４０１を搭載した第１
窒化アルミニウム基板２４０６及びフリーホイールダイ
オードチップ２４０２を搭載した第２窒化アルミニウム
基板２４０９である。それぞれの構成単位について、図
２５より前の段階の製作過程の外観を示す図２４で説明
する。構成単位である２枚の窒化アルミニウム基板のう
ち、図中上側に位置する第１窒化アルミニウム基板２４
０６には、３個の絶縁ゲート型トランジスタチップ２４
０１が搭載されている。また、下側の第２窒化アルミニ
ウム基板２４０９には、１個のフリーホイールダイオー
ドチップ２４０２が搭載されている。絶縁ゲート型トラ
ンジスタチップ２４０１とフリーホイールダイオードチ
ップ２４０２は同じ外形寸法で、一辺１０mmである。第
１窒化アルミニウム基板２４０６上の絶縁ゲート型トラ
ンジスタチップ２４０１の配列は、上下のチップより中
央のチップが少し左に寄った「く」の字型である。この
配列には、図２６に示すように、エミッタ端子足２６０
４から各絶縁ゲート型トランジスタチップ２４０１まで
の距離の差を縮めて、インダクタンスを揃えるという目
的がある。なお、図２６は、簡略化のために補助端子
（ゲート及び補助エミッタ端子）の接続構造を省略し
た。さらに、この配列には、図２６で分かるように、エ
ミッタ端子足２６０４，コレクタ端子足上２６０１及び
コレクタ端子足下２６０２をはんだ付けする場所を確保
するという目的もある。なお、コレクタ端子足をコレク
タ端子足上２６０１及びコレクタ端子足下２６０２に分
割したのは、コレクタ配線のインダクタンスを揃えるた
めである。二つのコレクタ端子足を結ぶため、コレクタ
連結バー２６０６を設けた。なお、図面の理解を助ける
ため、コレクタ連結バー２６０６に斜線を施した。断面
ではないので、注意されたい。窒化アルミニウム基板を
二つに分解した結果、端子足の数が増えている。本実施
例では、各構成単位ごとに５個になっている。また、同
時に、構成単位内の相互接続も必要になる。本実施例で
は、コレクタ・カソード連結バー２６０７及びエミッタ
・アノード連結バー２６０８がこれに当たる。いずれ
も、図面の理解を助けるため、斜線を施した。エミッタ
・アノード連結バー２６０８では、インダクタンスを揃
えるために、左右のエミッタ端子足２６０４及びアノー
ド端子足２６０５から厳密に等距離の位置同士を結んで
いる。これに対して、コレクタ連結バー２６０６及びコ
レクタ・カソード連結バー２６０７では、エミッタ回路
にぶつからないことを最優先にして配置している。
【０１３４】ここで、窒化アルミニウム基板を二つにし
たことによる利点について触れる。利点は、個々の窒化
アルミニウム基板サイズの縮小である。第１の実施例で
は、窒化アルミニウム基板１０６の長辺寸法、すなわ
ち、図８の配置に於いて縦寸法が５８mmであった。本実
施例では、基板を２枚構成にしたため、第１窒化アルミ
ニウム基板２４０６の縦寸法が４６mm，第２窒化アルミ
ニウム基板２４０９の縦寸法が２８mmと、何れも第１の
実施例より小さくなった。ただし、当然であるが、両者
を足した合計寸法は大きくなっている。また、それぞれ
の横寸法は、第１の実施例と同じ４２mmである。はんだ
付け部の最大の熱応力は、はんだ付け部材の一体になっ
ている部分の最大寸法にほぼ比例すると考えて差し支え
ない。この場合は、窒化アルミニウム基板の対角寸法が
最大寸法に当たる。大きい方の第１窒化アルミニウム基
板２４０６の対角寸法は６２.３mm であるので、はんだ
付け部の最大熱応力は第１の実施例の０.８７ 倍、小さ
い方の第２窒化アルミニウム基板２４０９では対角寸法
は５０.５mm であるので、最大熱応力は０.７ 倍と、そ
れぞれ大幅に小さくなっている。一般的に、金属にかか
る繰り返し応力と破壊に至る繰り返し数との間には、図
２７に示すような関係がある。この関係は、材料によっ
て若干の傾きの違いはあるが、はんだについても同様で
ある。図２７から、応力が１０％程度下がっただけで熱
疲労寿命が大きく延びることが容易に分かる。従って、
本実施例では、第１の実施例より耐熱疲労性が大幅に向
上していることが明らかである。また、基板寸法の縮小
に伴って窒化アルミニウム基板と銅箔パターンとの熱膨
張差による応力発生も小さくなり、窒化アルミニウム基
板そのものの耐熱疲労性も向上している。
【０１３５】つぎに、窒化アルミニウム基板を二つに分
けたことによる欠点について触れる。図２６から明らか
なように、窒化アルミニウム基板を分割すると、端子足
の配線が複雑になる。本実施例は構成単位が二つなの
で、複雑さはさほどでもないが、構成単位が増すと複雑
になる。複雑なだけでは特性上のデメリットは少ない
が、端子足のはんだ付け個所が多くなるので、はんだ付
け部の信頼性が低下するという問題がある。第１の実施
例の構造を選ぶか、本実施例の構造を選ぶかは、モジュ
ール全体の信頼性レベルに、窒化アルミニウム基板の信
頼性，窒化アルミニウムのはんだ付け部の信頼性、及び
端子足のはんだ付け部の信頼性がどの程度寄与している
かによって決まる。いずれの構造にしても、チップ下の
Ｓｎ−Ｓｂ系はんだ、窒化アルミニウム下のＳｎ−Ｐｂ
系はんだの相互作用による高信頼構造である点は、共通
している。
【０１３６】(１)構成単位内の配線：絶縁ゲート型トラ
ンジスタのコレクタ及びフリーホイールダイオードのカ
ソードは、はんだ付け，絶縁ゲート型トランジスタのエ
ミッタ及びゲート並びにフリーホイールダイオードのア
ノードは、アルミニウム細線によるワイヤボンディング
を採用する。電流容量が大きいので、アルミニウム細線
の線径は、０.３mm 以上である。構成単位を２枚の窒化
アルミニウム基板で構成する場合、２枚の基板の間をつ
なぐ配線は、アルミニウム細線によるワイヤボンディン
グを採用してもよい。また、銅箔（あるいは、表面をＮ
ｉめっきした銅箔）をはんだ付けする構造もありうる。
もちろん、外部端子への接続手段である銅の端子足を利
用してもよい。(２)構成単位間の配線：主たる実現手段
は、銅の端子足を窒化アルミニウム表面の金属化パター
ンへはんだ付けすることである。その他の手段として
は、構成単位内の２枚の配線基板間の配線と同じ構造を
採ることもできる。すなわち、アルミニウム細線による
ワイヤボンディングあるいは、銅箔をはんだ付けする構
造である。ただし、各構成単位とそれに至る接続手段と
の接続位置は、電気特性を揃える目的から、かならず各
構成単位で同じにしなければならない。
【０１３７】もちろん、構成単位が１枚の基板で構成さ
れる場合には、構成単位内の配線は含まれない。
【０１３８】窒化アルミニウムセラミックスは脆いの
で、できるだけ小さい方がよい。対角長１００mm以下が
望ましい。同時に、各構成単位が数多くの窒化アルミニ
ウムセラミックス基板で構成されると、構成単位内の基
板間の配線が複雑になるので、３枚以上は実用的でな
い。従って、１枚あるいは２枚が適当である。
【０１３９】アルミナは、窒化アルミニウムに比べて機
械的衝撃に強いので、対角長１００mmの制約はない。従
って、基板サイズの制約、及び、それに伴う構成単位内
の基板数を要件としていない。
【０１４０】（実施例６）本発明の第６の実施例につい
て、図２８を参照して説明する。図２８は、第６の実施
例によるモジュールからエミッタ端子足を取りだしたと
ころを示している。第６の実施例によるモジュールは、
第２の実施例と同じく、構成単位が３個で構成され、そ
れらが並列に接続されている。従って、エミッタ端子足
には等間隔で並んだ３組の端子足先端部２８０６があ
る。
【０１４１】本実施例は、他の実施例と異なり端子足先
端部２８０６の屈曲に特徴がある。すなわち、図２８に
示すように、端子足先端２８０８から、第１屈曲部２８
０１，第２屈曲部２８０２、そして第３屈曲部２８０３
と、少なくとも三つの屈曲部がある。これらの屈曲部が
端子足先端２８０８のはんだ付け部を、熱膨張係数差に
よる応力から守っている。第１屈曲部２８０１は、屈曲
の軸が図の左右方向であるので、それと直角の、紙面に
ほぼ垂直の方向（前後方向）の変位を吸収する機能を持
つ。第２屈曲部２８０２は、屈曲の軸が図の上下方向で
あるので、それと直角である左右方向の変位を吸収する
機能を持つ。最後に、第２屈曲部2802と第３屈曲部２８
０３の間の梁２８０９で上下方向の変位を吸収する。こ
のように、少なくとも３個所の直角に曲がる屈曲部を備
え、そのうち１個所の屈曲中心の方向が基板面に平行で
あり、残りの屈曲個所のうちの少なくとも１個所の屈曲
中心の方向が基板面に垂直であることによって、基板面
に垂直な方向のみならず基板面に平行な、互いに垂直な
２方向に対しても、すなわち、互いに垂直な３軸方向に
柔軟な端子足を実現した。なお、両端の端子足先端部２
８０６には、さらに第４屈曲部２８０７がある。この屈
曲部の存在により、さらに柔軟性が増しているが、とく
に、この屈曲部が必須というわけではない。
【０１４２】銅の端子足群は、樹脂の蓋に固定されてい
るため、樹脂ケースの熱膨張による変位を直接受ける。
信頼性確保のため、できるだけ熱膨張を小さく、金属に
近く調整した材料を用いるが、それでも、樹脂の熱膨張
係数は大きく、金属との熱膨張係数の違いは大きい。さ
らに、窒化アルミニウム、あるいはアルミナの熱膨張係
数は、銅，アルミニウム、あるいは鉄のような金属に比
較してもかなり小さい。従って、端子足先端のはんだ付
け部には、平面方向の大きな熱応力が発生する。さら
に、樹脂の蓋が樹脂のケースに接着される構造であるた
め、上下方向にも樹脂（ケース）と銅（端子足群）との
熱膨張の差が現れる。従って、はんだ付け部に発生する
熱応力は、左右前後及び上下の三次元的に複雑なもので
ある。
【０１４３】これを吸収するために、はんだ付け部直下
の窒化アルミニウムあるいはアルミナ表面から銅箔を浮
かせる対策を施すことも可能であり、有効である。しか
し、変位量が１０ミクロンを越える場合があるので、端
子足に曲折部を設けることは必須である。もちろん、予
め熱処理をして、端子足の素材を柔軟にしておく対策も
採られている。とくに、三次元的な相対変位を吸収する
ために、端子足先端近傍に三次元的な曲折を設けること
が有効である。
【０１４４】（実施例７）本発明の第７の実施例につい
て、図２９を参照して説明する。図２９は、第７の実施
例の完成時の外観形状を示している。モジュール上面２
９０１に、主端子が二つ配置されている。すなわち、上
方がコレクタ端子２９０２，下方がエミッタ端子２９０
３である。両主端子の間に補助端子、すなわち、補助エ
ミッタ端子２９０４及びゲート端子２９０５が配置され
ている。すでに述べたように、この配置には、モジュー
ルを直列あるいは並列に複数個並べる場合ゲート配線が
容易になるという利点がある。
【０１４５】さらに、本実施例では、補助ゲート端子２
９０６を設けたことが特徴である。この端子は、モジュ
ールの内部と電気的につながっていない。図に示すよう
に、ゲートに至る配線中に外付け抵抗２９０７を取り付
けるための端子である。外付け抵抗をつける目的は、ゲ
ート配線のインピーダンス調整である。すなわち、各モ
ジュールに近い場所までは低インピーダンスで配線し、
各モジュールに至るまでの比較的長い配線経路での電気
的な撹乱を受けにくくする。ところが、低インピーダン
スのまま、モジュールに接続すると、モジュールごとの
ゲート感度の違いをうまく吸収することが難しい。そこ
で、インピーダンスを調整するために、外付け抵抗２９
０７を挿入するのである。本実施例では抵抗値として
０.５Ω を採用した。さらに、モジュール内では、第４
の実施例で説明したように、各チップごとの感度のばら
つきを調整するために、チップごとにゲート抵抗を挿入
する（図示せず）。ここの抵抗値は、絶縁ゲート型トラ
ンジスタチップ１個あたり６Ωである。以上、簡単に説
明したように、モジュールごとに取り付ける外付け抵抗
２９０７は、モジュール間の性能のばらつきを吸収し、
モジュールごとのスイッチング時刻のずれを最小限に食
い止めるために使用される。
【０１４６】本実施例による、補助ゲート端子２９０６
の配置は、モジュールごとのゲート抵抗の実装を容易に
するという利点を持っている。
【０１４７】主端子とは、主電流の流れる外部端子のこ
とであり、補助端子とは、ゲート駆動のために主電流に
よる電圧降下（変動）の影響を受けないように配線され
たエミッタへ通じる外部端子、すなわち、補助エミッタ
端子及びゲート端子のことである。モジュールを直列及
び／又は並列に接続するには、すでに述べたように、こ
れらの外部端子をすべてモジュールの上面、すなわち、
ベース金属と反対の面に配置することが必須である。そ
れだけでなく、主端子で補助端子を挟む配列が有効であ
る。
【０１４８】また、ゲートに直列抵抗を入れてスイッチ
ングのばらつきを低減する際に、モジュール内ばかりで
なくモジュール外にも抵抗を取り付けると、動作がさら
に安定することがある。そのために、モジュールに補助
ゲート端子を設ける、本実施例で述べている構造もスイ
ッチングの安定化に有効な解決策である。
【０１４９】
【発明の効果】本発明によれば、シリーズ展開が可能
な、絶縁ゲート型トランジスタ，ダイオード等のパワー
半導体素子を搭載した電力用モジュール型半導体装置を
実現することができる。
【０１５０】さらに本発明によれば、信頼性の高い、絶
縁ゲート型トランジスタ，ダイオード等のパワー半導体
素子を搭載した電力用モジュール型半導体装置を実現す
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示す一部透視斜視図で
ある。
【図２】本発明の作用及び第１の実施例を示す斜視図で
ある。
【図３】本発明の作用を示す平面模式図である。
【図４】本発明の作用及び第１の実施例を示す断面図で
ある。
【図５】本発明の作用及び第２の実施例を示す断面図で
ある。
【図６】本発明の第３の実施例を示す平面模式図であ
る。
【図７】本発明の第１の実施例を示す断面図である。
【図８】本発明の第１の実施例を示す斜視図及び断面図
である。
【図９】本発明の第１の実施例を示す斜視図である。
【図１０】本発明の第１の実施例を示す斜視図及び断面
図である。
【図１１】本発明の第１の実施例を示す斜視図である。
【図１２】本発明の第１の実施例を示す斜視図である。
【図１３】本発明の第１の実施例を示す工程模式図であ
る。
【図１４】本発明の第２の実施例を示す斜視図及び断面
図である。
【図１５】本発明の第２の実施例を示す一部透視斜視図
である。
【図１６】本発明の第２の実施例を示す斜視図である。
【図１７】本発明の第２の実施例の効果を示す断面説明
図である。
【図１８】本発明の第２の実施例を示す斜視図である。
【図１９】本発明の第２の実施例を示す工程模式図であ
る。
【図２０】本発明の第３の実施例を示す斜視図及び断面
図である。
【図２１】本発明の第３の実施例を示す一部透視斜視図
である。
【図２２】本発明の第３の実施例の効果を示す説明図で
ある。
【図２３】本発明の第４の実施例を示す一部透視斜視図
である。
【図２４】本発明の第５の実施例を示す斜視図である。
【図２５】本発明の第５の実施例を示す斜視図である。
【図２６】本発明の第５の実施例を示す斜視図である。
【図２７】本発明の第５の実施例の効果を説明するグラ
フである。
【図２８】本発明の第６の実施例を示す斜視図である。
【図２９】本発明の第７の実施例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０１，４０１，２００８，２４０１…絶縁ゲート型ト
ランジスタチップ、１０２，２０１０，２４０２…フリ
ーホイールダイオードチップ、１０６，420…窒化アル
ミニウム基板、１０７，１７０２，２５０１…モリブデ
ン基板、108,３０２，１５０８…コレクタ端子足、１１
０，３１９，１６０１，２６０４…エミッタ端子足、１
１２，１５０４，２３０９…ゲート端子足、１１４，１
５０６，２３１２…補助エミッタ端子足、１１７，４１
５，１５０５…構成単位間ゲート接続線、１１８，４１
６，１５０７…構成単位間補助エミッタ接続線、１１
９，２０７，３１８，１５１１，２３０１，２６０９，
２９０２…コレクタ端子、１２０，２０８，３３５，１
６０８，２３０４，２６１０，２９０３…エミッタ端
子、１２１，１５０１，２１０１，２３１３…ケース
蓋、１２２，３３６，２０１３，２５０２…アノードワ
イヤ、１２３，４０２，２０１１，２５０３…エミッタ
ワイヤ、１２４，４０３，２０１２，２５０４…ゲート
ワイヤ、１２９，２０９，１５１２，２３０７，２９０
５…ゲート端子、１３０，２１０，1513，２３１０，２
９０４…補助エミッタ端子、２０１…直流プラス側入
力、２０２…直流マイナス側入力、２０３…Ｕ相、２０
４…Ｖ相、２０５…Ｗ相、２０６…ヒートシンク、２１
１…樹脂ケース、２１２…金属板、２１３…ゲート配
線、２１４，２２０４…補助エミッタ配線、２１５…板
状配線、３０１…ダイオードチップ、３０９…コレクタ
連結端子足、３１２…コレクタインダクタンス調整端子
足、３１３…コレクタ合流端子足、３１６…コレクタ位
置調整端子足、３２６，１６０３，２８０４…エミッタ
連結端子足、３２９，１６０４，２８０５…エミッタイ
ンダクタンス調整端子足、３３０，３３２，１６０５，
１６０７…エミッタ合流端子足、３３３，１６０６…エ
ミッタ位置調整端子足、４０６，８０１，２００７…チ
ップ下はんだ、４０８…コレクタ配線用銅箔、４０９…
ゲート配線用銅箔、４１０…エミッタ配線用銅箔、４１
１…裏面接着用銅箔、４１２…銅箔ニッケルめっき、４
１３…内部結線用補助エミッタ端子足、４１４…外部端
子接続用ゲート端子足、４２１，８０２…銀ろう、４２
２，１００１…窒化アルミニウム基板固定用はんだ、４
２４，１２０３，１８０４…シリコーンゲル、425…エ
ポキシ樹脂、５０１，１８０６…空気層、５０２…樹脂
蓋、５０３…シリコーンゴムキャップ、５０４…樹脂
壁、６０１…直列接続用端子足、７０１…曲げ方向、７
０２…引っ張り方向、７０３…剪断方向、８０３，２０
０２…金属板接着用銅箔、１１０１…金属リング、１２
０１，１８０１…ケース壁、１２０２…エポキシレジ
ン、１４０１…銅−モリブデン−銅クラッド基板、１５
０２…溝、１５０３…注入孔、１５０９…コレクタ連結
端子足、１５１０…コレクタインダクタンス調整端子
足、１６０２…エミッタ端子足曲折部、１７０１…熱
源、1703…上側銅層、１７０４…モリブデン層、１７０
５…下側銅層、１８０２…シリコーンゴムキャップ、１
８０３…楔状突起、１８０５…エポキシレジン、２００
１，２３１５…アルミナ基板、２００３…アルミナ基板
固定用はんだ、２００９…銅−タングステン−銅クラッ
ド基板、２１０２…上側コレクタ端子、２１０３…上側
エミッタ端子、２１０４…下側コレクタ端子、２１０５
…下側エミッタ端子、２１０６…上側ゲート端子、２１
０７…上側補助エミッタ端子、２１０８…下側ゲート端
子、２１０９…下側補助エミッタ端子、２１１０…上側
コレクタ端子足、２１１１…上側コレクタ連結端子足、
２１１２…上側コレクタインダクタンス調整端子足、２
１１３…上側エミッタ端子足、２１１４…上側エミッタ
連結端子足、２１１５…上側エミッタインダクタンス調
整端子足、２１１６…下側コレクタ端子足、２１１７…
下側コレクタ連結端子足、２１１８…下側コレクタイン
ダクタンス調整端子足、２１１９…下側エミッタ端子
足、２１２０…下側エミッタ連結端子足、２１２１…下
側エミッタインダクタンス調整端子足、２１２２…上側
ゲート端子足、２１２３…上側補助エミッタ端子足、２
１２４…下側ゲート端子足、２１２５…下側補助エミッ
タ端子足、２１２６…上側構成単位間ゲート接続線、２
１２７…上側構成単位間補助エミッタ接続線、２１２８
…下側構成単位間ゲート接続線、２１２９…下側構成単
位間補助エミッタ接続線、２１３０…上側チップ抵抗、
２１３１…下側チップ抵抗、２１３２…直列接続バー、
2201…左側エミッタ主電流、２２０２…右側エミッタ主
電流、２２０３…エミッタ主配線、２２０５…補助エミ
ッタ配線内主電流、２３０２…対エミッタ近接部、2303
…コレクタ平行通電部、２３０５…対コレクタ近接部、
２３０６…エミッタ平行通電部、２３０８…構成単位間
ゲート接続板、２３１１…構成単位間補助エミッタ接続
板、２３１４…チップ抵抗、２３１６…銅基板、２４０
６…第１窒化アルミニウム基板、２４０９…第２窒化ア
ルミニウム基板、２６０１…コレクタ端子足上、２６０
２…コレクタ端子足下、２６０３…カソード端子足、２
６０５…アノード端子足、２６０６…コレクタ連結バ
ー、２６０７…コレクタ・カソード連結バー、２６０８
…エミッタ・アノード連結バー、２８０１…第１屈曲
部、2802…第２屈曲部、２８０３…第３屈曲部、２８０
６…端子足先端部、２８０７…第４屈曲部、２８０８…
端子足先端、２８０９…梁、２９０１…モジュール上
面、２９０６…補助ゲート端子、２９０７…外付け抵
抗。
フロントページの続き (72)発明者 森 睦宏 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (72)発明者 栗原 保敏 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (72)発明者 大貫 仁 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (72)発明者 木村 新 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (72)発明者 嶋田 智 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (72)発明者 鈴木 和弘 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (72)発明者 紙田 行雄 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式 会社 日立製作所 日立工場内 (72)発明者 小林 勇雄 茨城県ひたちなか市大字高場字鹿島谷津 2477番地３日立オートモティブエンジニ アリング株式会社内 (72)発明者 山田 一二 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (72)発明者 門馬 直弘 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (56)参考文献 特開 平３−97257（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−292764（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−185954（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−350957（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−13920（ＪＰ，Ａ) 独国特許出願公開4316639（ＤＥ，Ａ １) 欧州特許出願公開629464（ＥＰ，Ａ １) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 23/52 - 23/538 H01L 25/00 - 25/18 H01L 23/28 - 23/31

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】基板上に複数のパワー半導体素子と、配線
    用の金属箔とを配置してユニットを形成し、このユニッ
    トを放熱用の金属基板上に複数配置し、各ユニット上に
    これらのユニットを電気的に接続するための電極端子足
    を配置し、上記電極端子足を連結端子足によって電気的
    に接続し、上記配線用の金属箔はユニットが形成される
    基板上に銀ろうで固定され、上記配線用の金属箔上には
    んだによりパワー半導体素子が接着されているモジュー
    ル型半導体装置において、 上記パワー半導体素子の裏面には、ニッケルめっきが施
    されていることを特徴とするパワー半導体装置。
  2. 【請求項２】基板上に複数のパワー半導体素子と、配線
    用の金属箔とを配置してユニットを形成し、このユニッ
    トを放熱用の金属基板上に複数配置し、各ユニット上に
    これらのユニットを電気的に接続するための電極端子足
    を配置し、上記電極端子足を連結端子足によって電気的
    に接続し、上記配線用の金属箔はユニットが形成される
    基板上に銀ろうで固定され、この金属箔上にはんだによ
    りパワー半導体素子が接着されているモジュール型半導
    体装置において、 上記配線用の金属箔上にパワー半導体素子を接着するは
    んだには、ニッケルが添加されていることを特徴とする
    モジュール型半導体装置。
  3. 【請求項３】基板上に複数のパワー半導体素子と、配線
    用の金属箔とを配置してユニットを形成し、このユニッ
    トを放熱用の金属基板上に複数配置し、各ユニット上に
    これらのユニットを電気的に接続するための電極端子足
    を配置し、上記電極端子足を連結端子足によって電気的
    に接続し、上記配線用の金属箔はユニットが形成される
    基板上に銀ろうで固定され、上記配線用の金属箔上には
    んだによりパワー半導体素子が接着されているモジュー
    ル型半導体装置において、 上記配線用の金属箔には、ニッケルめっきが施されてい
    ることを特徴とするモジュール型半導体装置。
  4. 【請求項４】基板上に複数のパワー半導体素子と、配線
    用の金属箔とを配置してユニットを形成し、このユニッ
    トを放熱用の金属基板上に複数配置し、各ユニット上に
    これらのユニットを電気的に接続するための電極端子足
    を配置し、上記電極端子足を連結端子足によって電気的
    に接続し、上記配線用の金属箔は上記ユニットが形成さ
    れる基板上に銀ろうで固定され、上記配線用の金属箔上
    にはんだにより上記パワー半導体素子が接着され、上記
    基板の裏面には接着用の銅箔が銀ろうにより接着され、
    上記接着用の銅箔と上記放熱用の金属基板ははんだによ
    り接着されるモジュール型半導体装置において、 上記接着用の銅箔と放熱用の金属基板を接着するはんだ
    には、ニッケル粒を混入させたことを特徴とするモジュ
    ール型半導体装置。
  5. 【請求項５】基板上に複数のパワー半導体素子と、配線
    用の金属箔とを配置してユニットを形成し、このユニッ
    トを放熱用の金属基板上に複数配置し、各ユニット上に
    これらのユニットを電気的に接続するための電極端子足
    を配置し、上記電極端子足は連結端子足によって、各ユ
    ニットが電気的に接続され、上記金属基板上に上記ユニ
    ットを囲うように設けられた樹脂壁と、上記金属基板の
    上空にこの金属基板に対抗するように設けられ上記樹脂
    壁と接続される樹脂蓋とを有し、上記金属基板、樹脂壁
    及び樹脂蓋により形成された空間にはシリコーン層と空
    気層とが形成されているモジュール型半導体装置の製造
    方法において、 上記樹脂蓋を形成する製造工程を、シリコーン層を形成
    する製造工程より先に行うことを特徴とするモジュール
    型半導体装置の製造方法。
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