JP4363324B2 - 半導体モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、半導体モジュールに関するものである。詳しくは、半導体素子を固定しているはんだ層の周囲に、硬化樹脂が充填されている半導体モジュールに関するものである。
表面に表面側電極が形成されており、裏面に裏面側電極が形成されている半導体素子を活用するために、表面側電極に表面側はんだ層によって表面側導電板を固定し、裏面側電極に裏面側はんだ層によって裏面側導電板を固定した半導体モジュールが知られている。表面側導電板と裏面側導電板は、半導体素子に通電する機能を有する。半導体素子は、通電されると発熱する。表面側導電板と裏面側導電板は、半導体素子の発熱を放熱する機能をも兼ね備えている。
表面側導電板および裏面側導電板の線膨張係数と、半導体素子の線膨張係数は、異なっている。表面側導電板と裏面側導電板は、半導体素子を効率良く冷却するために、熱伝導率が大きい金属材料（例えば、銅）から形成されており、線膨張係数が大きい。半導体素子は、シリコン等の半導体を主体に構成されており、線膨張係数が小さい。このため、半導体素子が発熱して半導体素子と表面側導電板と裏面側導電板が高温になった場合に、半導体素子と表面側導電板、および半導体素子と裏面側導電板の熱膨張差によって、表面側導電板と裏面側導電板が変形する。表面側導電板と裏面側導電板が変形すると、表面側はんだ層と裏面側はんだ層に応力が集中する。このため、半導体素子が発熱と放熱を繰り返すと、表面側はんだ層と裏面側はんだ層に応力集中が繰り返される。表面側はんだ層と裏面側はんだ層に応力集中が繰り返されると、表面側はんだ層や裏面側はんだ層が疲労破断してしまう。
表面側はんだ層や裏面側はんだ層の疲労破断を抑制するために、表面側導電板と裏面側導電板の間に形成される空間に樹脂を充填して補強した半導体モジュールが知られている。樹脂を充填して補強すると、表面側はんだ層や裏面側はんだ層に生じる応力集中が緩和され、表面側はんだ層や裏面側はんだ層が疲労破断するのを抑制することができる。
表面側導電板と裏面側導電板の間の空間に硬化樹脂を充填して補強するためには、その空間に液状の樹脂を充填する。樹脂は、その特性上、硬化に伴って体積が収縮する（硬化収縮）。また樹脂は、高温度で硬化し、それが室温に冷却されることによって収縮する（熱収縮）。このような収縮が起きると、硬化樹脂と表面側導電板の内面、あるいは硬化樹脂と裏面側導電板の内面が剥離することがある。すると、空間に樹脂を充填して補強する効果が低減してしまう。
特許文献１には、液状樹脂を充填する前に、表面側導電板と裏面側導電板の内面に、硬化樹脂との接着力を強くするためのコーティング層を形成する技術が記載されている。
特開２００２−３２９８２８号公報
しかしながら、表面側導電板と裏面側導電板の内面に、硬化樹脂との接着力を強くするためのコーティング層を形成しても、硬化樹脂と表面側導電板内面の剥離、あるいは硬化樹脂と裏面側導電板内面の剥離を確実に防止するのは難しい。硬化樹脂の収縮する力は大きく、コーティング層を形成しても剥離が発生し、表面側はんだ層や裏面側はんだ層が疲労破断してしまうことがある。
本発明は、その問題を解決するためになされたものであり、空間に樹脂を充填して補強する効果が確実に得られるようにして、表面側はんだ層や裏面側はんだ層が疲労破断するのをより効果的に抑制することができる技術を提供する。
本発明の半導体モジュールは、半導体素子と、表面側導電板と、裏面側導電板と、硬化樹脂と、ポリイミド樹脂層を備えている。半導体素子の表面には表面側電極が形成されている。半導体素子の裏面には、裏面側電極が形成されている。表面側導電板は、表面側電極が表面側はんだ層によって固定されているとともに、表面側はんだ層よりも外方に延びている。裏面側導電板は、裏面側電極が裏面側はんだ層によって固定されているとともに、裏面側はんだ層よりも外方に延びている。硬化樹脂とポリイミド樹脂層は、表面側導電板と裏面側導電板の間に形成されている。表面側導電板の内面に、残余の範囲よりも半導体素子側に接近する段差形状が形成されており、その段差形状の端面に表面側電極が固定されている。ポリイミド樹脂層は、段差形状の側面、並びに、表面側はんだ層、半導体素子、裏面側はんだ層、及び、裏面側導電板の表面に形成されており、表面側導電板の前記残余の範囲における内面には形成されていない。硬化樹脂は、ポリイミド樹脂層に密着しており、表面側導電板の前記残余の範囲における内面から剥離している。
また、本発明の半導体モジュールは、以下のように構成されていてもよい。この半導体モジュールは、半導体素子と、表面側電極板と、裏面側電極板と、硬化樹脂と、ポリイミド樹脂層と、弾性材層を備えている。半導体素子の表面には表面側電極が形成されている。半導体素子の裏面には、裏面側電極が形成されている。表面側導電板は、表面側電極が表面側はんだ層によって固定されているとともに、表面側はんだ層よりも外方に延びている。裏面側導電板は、裏面側電極が裏面側はんだ層によって固定されているとともに、裏面側はんだ層よりも外方に延びている。硬化樹脂とポリイミド樹脂層と弾性材層は、表面側導電板と裏面側導電板の間に形成されている。表面側導電板の内面に、残余の範囲よりも半導体素子側に接近する段差形状が形成されており、その段差形状の端面に表面側電極が固定されている。ポリイミド樹脂層は、段差形状の側面、並びに、表面側はんだ層、半導体素子、裏面側はんだ層、及び、裏面側導電板の表面に形成されている。硬化樹脂は、ポリイミド樹脂層に密着している。弾性材層は、硬化樹脂と表面側導電板の前記残余の範囲における内面の間に形成されている。
また、本発明の半導体モジュールは、以下のように構成されていてもよい。この半導体モジュールは、半導体素子と、表面側電極板と、裏面側電極板と、硬化樹脂を備えている。半導体素子の表面には表面側電極が形成されている。半導体素子の裏面には、裏面側電極が形成されている。表面側導電板は、表面側電極が表面側はんだ層によって固定されているとともに、表面側はんだ層よりも外方に延びている。裏面側導電板は、裏面側電極が裏面側はんだ層によって固定されているとともに、裏面側はんだ層よりも外方に延びている。硬化樹脂は、表面側導電板と裏面側導電板の間に形成されている。表面側導電板の内面に、残余の範囲よりも半導体素子側に接近する段差形状が形成されており、その段差形状の端面に表面側電極が固定されている。裏面側導電板の内面の一部に凹凸形状が形成されており、凹凸形状が形成されていない範囲における裏面側導電板の内面に裏面側電極が固定されている。硬化樹脂が、段差形状の側面、並びに、表面側はんだ層、半導体素子、裏面側はんだ層、及び、裏面側導電板の表面に密着しており、表面側導電板の前記残余の範囲における内面から剥離している。
また、本発明の半導体モジュールは、以下のように構成されていてもよい。この半導体モジュールは、半導体素子と、表面側電極板と、裏面側電極板と、第１硬化樹脂と、第２硬化樹脂を備えている。半導体素子の表面には表面側電極が形成されている。半導体素子の裏面には、裏面側電極が形成されている。表面側導電板は、表面側電極が表面側はんだ層によって固定されているとともに、表面側はんだ層よりも外方に延びている。裏面側導電板は、裏面側電極が裏面側はんだ層によって固定されているとともに、裏面側はんだ層よりも外方に延びている。第１硬化樹脂と第２硬化樹脂は、表面側導電板と裏面側導電板の間に形成されている。表面側導電板の内面に、残余の範囲よりも半導体素子側に接近する段差形状が形成されており、その段差形状の端面に表面側電極が固定されている。第１硬化樹脂は、段差形状の側面、並びに、表面側はんだ層、半導体素子、裏面側はんだ層、及び、裏面側導電板の表面に密着している。第２硬化樹脂は、表面側導電板の前記残余の範囲における内面、及び、段差形状の側面に密着している。第１硬化樹脂は第２硬化樹脂から剥離している。
上記の何れの半導体モジュールにおいても、樹脂の収縮を許容する部位が設けられており、樹脂が収縮したときに、表面側はんだ層や裏面側はんだ層が疲労破断してしまうのが抑制される。
すなわち、発明では、導電板の内面と硬化樹脂の接着力を向上させてそれらが剥離しないようにするのではなく、硬化樹脂の収縮を許容する部位を設けるという発想の転換によって、表面側はんだ層や裏面側はんだ層が疲労破断してしまうのを抑制することに成功した。
ここで、「表面／裏面」は相対的な位置関係を意味しており、半導体モジュールの表面／裏面と必ずしも一致しない。
上記の半導体モジュールにおいて、半導体素子の表面に制御電極がさらに形成されており、制御用導電体によって制御電極に接続されている制御用端子をさらに備えていることが好ましい。
本発明の半導体モジュールは、下記のように製造することができる。
第１の製造方法は、表面側電極と裏面側電極を備えている半導体素子と、内面に残余の範囲よりも突出する段差形状が形成されている表面側導電板と、裏面側導電板を用いて半導体モジュールを製造する。この製造方法は、表面側電極板の段差形状の端面を半導体素子の表面側電極にはんだ付けするとともに、裏面側導体板を半導体素子の裏面側電極にはんだ付けする工程と、ポリイミド樹脂層を、表面側導電板の前記残余の範囲における内面に形成することなく、段差形状の側面、並びに、表面側はんだ層、半導体素子、裏面側はんだ層、及び、裏面側導電板の表面に形成する工程と、ポリイミド樹脂層と裏面側導電板の間に樹脂を充填する工程と、充填した樹脂を硬化させて、熱収縮により、樹脂を表面側導電板の前記残余の範囲における内面から剥離させる工程を有している。
第２の製造方法は、表面側電極と裏面側電極を備えている半導体素子と、内面に残余の範囲よりも突出する段差形状が形成されている表面側導電板と、裏面側導電板を用いて半導体モジュールを製造する。この製造方法は、表面側電極板の段差形状の端面を半導体素子の表面側電極にはんだ付けするとともに、裏面側導体板を半導体素子の裏面側電極にはんだ付けする工程と、表面側導電板の前記残余の範囲における内面に弾性材の層を形成する工程と、弾性材の層と裏面側電極板の間に樹脂を充填する工程と、充填した樹脂を硬化させる工程を有している。
第３の製造方法は、表面側電極と裏面側電極を備えている半導体素子と、内面に残余の範囲よりも突出する段差形状が形成されている表面側導電板と、内面の一部に凹凸形状が形成されている裏面側導電板を用いて半導体モジュールを製造する。この製造方法は、表面側電極板の段差形状の端面を半導体素子の表面側電極にはんだ付けするとともに、凹凸形状が形成されていない範囲における裏面側導電板の内面を半導体素子の裏面側電極にはんだ付けする工程と、表面側電極板と裏面側電極板の間に樹脂を充填する工程と、充填した樹脂を硬化させて、熱収縮により、樹脂を表面側導電板の前記残余の範囲における内面から剥離させる工程を有している。
第４の製造方法は、表面側電極と裏面側電極を備えている半導体素子と、内面に残余の範囲よりも突出する段差形状が形成されている表面側導電板と、裏面側導電板を用いて半導体モジュールを製造する。この製造方法は、表面側電極板の段差形状の端面を半導体素子の表面側電極にはんだ付けするとともに、裏面側導体板を半導体素子の裏面側電極にはんだ付けする工程と、段差形状の側面、並びに、表面側はんだ層、半導体素子、裏面側はんだ層、及び、裏面側導電板の表面に密着するように第１硬化樹脂層を形成する工程と、
表面側導電板の前記残余の範囲における内面に密着するように第２硬化樹脂層を形成する工程を有しており、第１硬化樹脂層を形成する工程、または、第２硬化樹脂層を形成する工程では、樹脂を硬化させて、熱収縮により、第１硬化樹脂層を第２硬化樹脂層から剥離させる。
後述する実施例の主要な特徴を記載する。
（第１実施形態）
（１）コレクタ導電板、パワー素子、エミッタ導電板、封止樹脂によって、パワーモジュールが形成されている。
（２）パワー素子は、複数個のパワートランジスタを内蔵しており、一塊のブロック状に形成されており、表面にはエミッタ電極と制御電極が形成されており、裏面にはコレクタ電極が形成されている。
（３）エミッタ導電板は、パワー素子のブロックを超えて拡がるエミッタ大型導電板とエミッタ電極にほぼ対応する大きさのエミッタ小型導電板とで構成されており、両者がはんだ層で固定されている。
（４）コレクタ導電板の内面には、ポリイミド樹脂層が形成されている。ポリイミド樹脂層は、封止樹脂を充填する前に塗布しておく。ポリイミド樹脂層を形成しておくと、封止樹脂が、コレクタ導電板の内面と強く接着する。
（５）コレクタ導電板にパワー素子をはんだ付けし、パワー素子にエミッタ小型導電板をはんだ付けした状態で、コレクタ導電板の内面とはんだ層の側面とパワー素子の側面とはんだ層の側面とエミッタ小型導電板の側面に、ポリイミド樹脂層を形成する。次いでエミッタ小型導電板にエミッタ大型導電板をはんだ付けし、エミッタ大型導電板とコレクタ導電板の間隔に液状樹脂を充填して硬化させる。
充填された液状樹脂が収縮する場合、硬化樹脂は、コレクタ導電板の内面、はんだ層の側面、パワー素子の側面、はんだ層の側面、エミッタ小型導電板の側面に間隙なく密着する。代わって、エミッタ大型導電板の内面と硬化樹脂との間で剥離する。剥離しても、コレクタ導電板とパワー素子を固定するはんだ層と、パワー素子とエミッタ大型導電板を固定するはんだ層の周囲には硬化樹脂が充填され、機械的に補強されている。
（第２実施形態）
（１）第１実施形態と重複する内容は省略する（後述する「第３実施形態」、「第４実施形態」についても同様である）。
（２）封止樹脂を充填する前に、エミッタ小型導電板からはみ出ているエミッタ大型導電板の内面に、低弾性材の層を形成しておく。樹脂が収縮すると、樹脂によって低弾性材が引き伸ばされ、エミッタ大型導電板の内面と硬化樹脂との間に低弾性材の充満部が形成される。
（第３実施形態）
（１）コレクタ導電板の内面に、深部で拡大する凹部を複数設ける。凹部を設けておくと、コレクタ導電板の内面と硬化樹脂が強く接着する。優先的にエミッタ小型導電板からはみ出ているエミッタ大型導電板の内面から樹脂が剥離し、コレクタ導電板からエミッタ小型導電板に至るまでの範囲は、硬化樹脂で固定される。
（第４実施形態）
（１）コレクタ導電板からパワー素子の途中の高さまでを下方硬化樹脂で補強し、続いて残りの部分に液状樹脂を注入して硬化する。硬化樹脂同士の接着力は弱い。このため、樹脂が収縮すると、下方加工樹脂と上方硬化樹脂との間が必ず剥離する。はんだ層は硬化樹脂で完全に取囲まれる。
（第１実施例）
本発明を半導体モジュールの一種であるパワーモジュールに適用した第１実施例について、図面を参照しながら説明する。
図１に示すように、パワーモジュール１０は、コレクタ導電板１２、パワー素子１５、エミッタ大型導電板２１、エミッタ小型導電板１７、制御用端子２４、封止樹脂２５を備えている。
コレクタ導電板１２は、略矩形平板状に形成されている。コレクタ導電板１２には、バスバー１４が設けられている。
パワー素子１５は、略直方体状に形成されており、大電力をスイッチングするトランジスタ（例えば「ＩＧＢＴ」）やダイオードを複数収容している。パワー素子１５の一方側の面にはコレクタ電極（図示省略）が設けられており、他方側の面にはエミッタ電極（図示省略）が設けられている。コレクタ導電板１２の内面２７は、パワー素子１５のコレクタ電極に、コレクタ側はんだ層１６によって固定されている。
エミッタ小型導電板１７は、矩形ブロック状に形成されている。エミッタ小型導電板１７は、エミッタ側はんだ層２０によってパワー素子１５のエミッタ電極に固定されている。はんだ層１６、２０には、例えば、Ｐｂフリーはんだ材を用いる。エミッタ大型導電板２１の内面２８とエミッタ小型導電板１７は、はんだ層（図示省略）によって固定されている。
パワー素子１５の端部には、複数の制御用電極（図示省略）が設けられている。その各制御用電極には、配線２３の一端が接続されている。制御用端子２４は、配線２３の他端に接続されている。配線２３には、例えば、アルミボンディングワイヤー（例えば、線径１５０μｍ）を用いる。
コレクタ導電板１２には、バスバー１４が設けられている。エミッタ大型導電板２１には、バスバー２２が設けられている。コレクタ導電板１２、エミッタ大型導電板２１、エミッタ小型導電板１７、制御用端子２４は、銅製である。
コレクタ導電板１２は、請求項に記載の裏面側導電板に相当する。パワー素子１５は、請求項に記載の半導体素子に相当する。エミッタ大型導電板２１は、請求項に記載の表面側導電板に相当する。エミッタ小型導電板１７は、請求項に記載の表面側導電板の段差形状の部位に相当する。封止樹脂２５は、請求項に記載の硬化樹脂に相当する。コレクタ側はんだ層１６は、請求項に記載の裏面側はんだ層に相当する。エミッタ側はんだ層２０は、請求項に記載の表面側はんだ層に相当する。
封止樹脂２５は、液状樹脂が硬化したものであり、コレクタ導電板１２とエミッタ大型導電板２１との間、およびコレクタ導電板１２とエミッタ大型導電板２１の外周部に充填され、それらの空間を封止している。封止樹脂２５は、充填された液状樹脂が硬化することによって形成されている。詳しくは、制御用端子２４と、固定されて一体となった「コレクタ導電板１２、パワー素子１５、エミッタ小型導電板１７、エミッタ大型導電板２１」等を成形型内に配置し、その成形型内に高温の液状樹脂を注入する。成形型内に注入された液状樹脂は、高温の金型の中で硬化反応が進み、硬化して封止樹脂２５になる。封止樹脂２５には、例えばエポキシ樹脂を用いる。
コレクタ導電板１２の内面２７と、コレクタ側はんだ層１６の側部３３と、エミッタ側はんだ層２０の側部３４と、パワー素子１５の側部３５と、パワー素子１５のエミッタ大型導電板２１側の面におけるエミッタ側はんだ層２０に覆われていない面（以下、パワー素子１５のエミッタ大型導電板２１側の面におけるエミッタ側はんだ層２０に覆われていない面を含めて、「側部３５」と記載する）、エミッタ小型導電板１７の側部３６には、ポリイミド樹脂層２６が形成されている。ポリイミド樹脂層２６は、封止樹脂２５を充填する前に塗布しておく。ポリイミド樹脂層２６を形成しておくと、封止樹脂２５が、「コレクタ導電板１２の内面２７と、コレクタ側はんだ層１６の側部３３と、エミッタ側はんだ層２０の側部３４と、パワー素子１５の側部３５と、エミッタ小型導電板１７の側部３６」と、強く接着する。ポリイミド樹脂層２６以外の樹脂層（例えば、ポリアミド樹脂層）を形成し、コレクタ導電板１２等と封止樹脂２５を強く接着することもできる。エミッタ大型導電板２１の内面２８には、接着力を強くする処理は、特に施されていない。
コレクタ導電板１２の外面３１とエミッタ大型導電板２１の外面３２は外部から冷却されており、作動中のパワーモジュール１０が極度に高温になるのが防止されている。コレクタ導電板１２、エミッタ大型導電板２１、エミッタ小型導電板１７が熱伝導率の大きい銅製なので、パワーモジュール１０は効率的に冷却される。
封止樹脂２５の硬化温度は、一般的に１００〜１８０（℃）である。封止樹脂２５は、特性上、硬化するときに０．１〜数（％）ほど体積が収縮する（硬化収縮）。また、封止樹脂２５は、硬化温度（１００〜１８０（℃））から常温まで温度が低下するときに、線膨張係数（１０〜３０（ｐｐｍ／Ｋ）程度）によって定まる分だけ体積が収縮する（熱収縮）。これに対して、コレクタ導電板１２やエミッタ大型導電板２１やエミッタ小型導電板１７を銅製とした場合、その線膨張係数は、１７（ｐｐｍ／Ｋ）程度である。また、パワー素子１５の線膨張係数は、２〜３（ｐｐｍ／Ｋ）程度である。封止樹脂２５が硬化することによって収縮し、さらに硬化してから常温に温度低下することによって収縮すると、そのトータルの収縮量は、コレクタ導電板１２とエミッタ大型導電板２１とエミッタ小型導電板１７とパワー素子１５が温度低下によって収縮する量よりも大きい。
上述したように、コレクタ導電板１２の内面２７と、コレクタ側はんだ層１６の側部３３と、エミッタ側はんだ層２０の側部３４と、パワー素子１５の側部３５と、エミッタ小型導電板１７の側部３６には、封止樹脂２５と強く接着するために、ポリイミド樹脂層２６が形成されている。エミッタ大型導電板２１の内面２８には、ポリイミド樹脂層２６のように、接着力を強くする処理は施されていない。このため、封止樹脂２５が収縮した場合、エミッタ大型導電板２１の内面２８と封止樹脂２５が必ず剥離し、「コレクタ導電板１２の内面２７と、コレクタ側はんだ層１６の側部３３と、エミッタ側はんだ層２０の側部３４と、パワー素子１５の側部３５と、エミッタ小型導電板１７の側部３６」と封止樹脂２５は接着された状態を維持する。エミッタ大型導電板２１の内面２８と封止樹脂２５が剥離すると、内面２８と封止樹脂２５との間に剥離空間３０が形成される。
封止樹脂２５が設けられていない場合を想定する。パワーモジュール１０は、動作すると高温になり、動作を停止すると常温に戻る。既に説明したように、銅製のコレクタ導電板１２やエミッタ大型導電板２１やエミッタ小型導電板１７の線膨張係数は、１７（ｐｐｍ／Ｋ）程度である。また、パワー素子１５の線膨張係数は、２〜３（ｐｐｍ／Ｋ）程度である。このため、パワーモジュール１０が高温になったり常温になったりすると、コレクタ導電板１２とパワー素子１５、および「エミッタ大型導電板２１とエミッタ小型導電板１７」とパワー素子１５の熱膨張量／熱収縮量に差が生じる。このため、コレクタ導電板１２とパワー素子１５、および「エミッタ大型導電板２１とエミッタ小型導電板１７」とパワー素子１５が相対的に変形し、コレクタ側はんだ層１６の側部３３とエミッタ側はんだ層２０の側部３４に応力が集中する。パワーモジュール１０が高温と常温になることを繰り返すと、コレクタ側はんだ層１６の側部３３とエミッタ側はんだ層２０の側部３４にも応力の集中が繰り返される。このため、コレクタ側はんだ層１６の側部３３とエミッタ側はんだ層２０の側部３４を起点としてその内部に疲労クラックが進展してしまうことがある。疲労クラックが進展すると、最終的には、はんだ層１６、２０が破断する。
エミッタ小型導電板１７とエミッタ大型導電板２１は、共に銅製である。このため、エミッタ小型導電板１７とエミッタ大型導電板２１の線膨張係数は等しく、パワーモジュール１０が高温と常温になることを繰り返しても、エミッタ小型導電板１７とエミッタ大型導電板２１は同量だけ膨張／収縮する。よって、エミッタ小型導電板１７とエミッタ大型導電板２１とを固定しているはんだ層（図示省略）の側部に応力は集中しない。
コレクタ導電板１２の内面２７と、コレクタ側はんだ層１６の側部３３と、エミッタ側はんだ層２０の側部３４と、パワー素子１５の側部３５と、エミッタ小型導電板１７の側部３６は、ポリイミド樹脂層２６を介して封止樹脂２５と強く接着されている。このため、コレクタ導電板１２と、コレクタ側はんだ層１６と、エミッタ側はんだ層２０と、パワー素子１５と、エミッタ小型導電板１７は、封止樹脂２５によって強く拘束されている。この場合、封止樹脂２５の線膨張係数は、フィラー等を配合することによって、コレクタ導電板１２やエミッタ大型導電板２１やエミッタ小型導電板１７の線膨張係数と同等程度になるように調整するのが好ましい。
コレクタ導電板１２と、コレクタ側はんだ層１６と、エミッタ側はんだ層２０と、パワー素子１５と、エミッタ小型導電板１７が封止樹脂２５によって強く拘束され、かつそれらの間の線膨張係数の差が小さいと、温度変化によるコレクタ導電板１２の変形量が小さくなる。従って、パワーモジュール１０が高温と常温になることを繰り返しても、コレクタ側はんだ層１６の側部３３とエミッタ側はんだ層２０の側部３４に集中する応力が緩和される。よって、コレクタ側はんだ層１６の側部３３とエミッタ側はんだ層２０の側部３４を起点として疲労クラックが発生するのが防止される。
エミッタ大型導電板２１の内面２８と封止樹脂２５との間に剥離空間３０が形成されていると、封止樹脂２５は、エミッタ大型導電板２１を拘束しない。上述したように、エミッタ小型導電板１７とエミッタ大型導電板２１を固定しているはんだ層の側部には、応力が集中しない。このため、封止樹脂２５がエミッタ大型導電板２１を拘束していなくても、エミッタ小型導電板１７とエミッタ大型導電板２１を固定しているはんだ層の側部から疲労クラックが発生することはない。
なお、剥離空間３０は、明瞭化のために実際よりも大きく図示されている。
コレクタ導電板１２の内面２７、コレクタ側はんだ層１６、エミッタ側はんだ層２０、パワー素子１５、エミッタ小型導電板１７に施すポリイミド樹脂層２６は、種々の手法によって形成することができる。以下、それらについて説明する。
まず、コレクタ導電板１２とパワー素子１５がコレクタ側はんだ層１６によって固定され、パワー素子１５とエミッタ小型導電板１７がエミッタ側はんだ層２０によって固定されている状態、すなわち、エミッタ大型導電板２１を固定する前に、ポリイミド樹脂層２６を形成する場合について説明する。
（１）図２に示すように、コレクタ導電板１２の外面と側面、バスバー１４の上下面と側面、エミッタ小型導電板１７の上面にマスキング４０を施す。その状態で、コレクタ導電板１２とパワー素子１５とエミッタ小型導電板１７を、エミッタ小型導電板１７が浸かる深さまでポリイミド樹脂液４１に沈める。ポリイミド樹脂液４１からコレクタ導電板１２とパワー素子１５とエミッタ小型導電板１７を引き上げ、マスキング４０を除去すれば、コレクタ導電板１２の内面２７と、コレクタ側はんだ層１６の側部３３と、エミッタ側はんだ層２０の側部３４と、パワー素子１５の側部３５と、エミッタ小型導電板１７の側部３６のみにポリイミド樹脂層が形成される。
（２）図３に示すように、コレクタ導電板１２の外面と側面、バスバー１４の上下面と側面、エミッタ小型導電板１７の上面にマスキング４０を施す。そして、ディスペンサーノズル４２から、それを水平方向に移動させながら、ポリイミド樹脂液４１を垂らす。その後にマスキング４０を除去すれば、コレクタ導電板１２の内面２７と、コレクタ側はんだ層１６の側部３３と、エミッタ側はんだ層２０の側部３４と、パワー素子１５の側部３５と、エミッタ小型導電板１７の側部３６のみにポリイミド樹脂層が形成される。
（３）図４に示すように、エミッタ小型導電板１７の上面に、マスキング４０を施しておく。コレクタ導電板１２の上方には、開口４５が形成されたマスク板４４を配置する。エミッタ小型導電板１７とパワー素子１５は、マスク板４４の開口４５に入り込むようにする。そして、スプレーノズル４３から、それをマスク板４４の上方を移動させながら、下方に向けてポリイミド樹脂４６を噴霧する。このようにすると、マスク板４４にマスクされて、コレクタ導電板１２の内面２７と、コレクタ側はんだ層１６の側部３３と、エミッタ側はんだ層２０の側部３４と、パワー素子１５の側部３５と、エミッタ小型導電板１７の側部３６のみにポリイミド樹脂層が形成される。
（４）図５に示すように、下方が開放された凹部５０を持つスタンプ４７を用意する。スタンプ４７の下面には、ポリイミド樹脂４８が塗布されている。図５に示す状態からスタンプ４７を降下させると、スタンプ４７の下面に塗布されているポリイミド樹脂４８がコレクタ導電板１２の上面２７に接触する。そして、スタンプ４７を上昇させると、ポリイミド樹脂４８がコレクタ導電板１２に残ることによって、コレクタ導電板１２の上面２７にポリイミド樹脂層が形成される。
次に、コレクタ導電板１２とパワー素子１５がコレクタ側はんだ層１６によって固定され、パワー素子１５とエミッタ小型導電板１７がエミッタ側はんだ層２０によって固定され、エミッタ小型導電板１７とエミッタ大型導電板２１が固定されている状態でポリイミド樹脂層を形成する場合について説明する。
（５）図６に示すように、コレクタ導電板１２の外面と側面、バスバー１４の上下面と側面にマスキング４０を施す。その状態で、一体になっているコレクタ導電板１２とパワー素子１５とエミッタ小型導電板１７とエミッタ大型導電板２１を、エミッタ小型導電板１７が浸かる深さまでポリイミド樹脂液４１に沈める。ポリイミド樹脂液４１からコレクタ導電板１２とパワー素子１５とエミッタ小型導電板１７とエミッタ大型導電板２１を引き上げ、マスキング４０を除去すれば、コレクタ導電板１２の内面２７と、コレクタ側はんだ層１６の側部３３と、エミッタ側はんだ層２０の側部３４と、パワー素子１５の側部３５と、エミッタ小型導電板１７の側部３６のみにポリイミド樹脂層が形成される。
エミッタ大型導電板２１の内面２８にポリイミド樹脂液４１が付着するのを確実に防止するために、内面２８にマスキングを施してもよい。
（６）図７に示すように、コレクタ導電板１２の外面と側面、バスバー１４の上下面と側面にマスキング４０を施す。そして、ディスペンサーノズル５１をコレクタ導電板１２とエミッタ大型導電板２１の間に差し込んで移動させながら、ディスペンサーノズル５１からポリイミド樹脂液５２を垂らす。その後に、マスキング４０を除去すれば、コレクタ導電板１２の内面２７と、コレクタ側はんだ層１６の側部３３と、エミッタ側はんだ層２０の側部３４と、パワー素子１５の側部３５と、エミッタ小型導電板１７の側部３６のみにポリイミド樹脂層が形成される。
エミッタ大型導電板２１の内面２８にポリイミド樹脂液５２が付着するのを確実に防止するために、内面２８にマスキングを施してもよい。
ポリイミド樹脂層２６等の樹脂層を形成しなくても、封止樹脂２５を強く接着することができる。例えば、「コレクタ導電板１２の内面２７と、コレクタ側はんだ層１６の側部３３と、エミッタ側はんだ層２０の側部３４と、パワー素子１５の側部３５と、エミッタ小型導電板１７の側部３６」に、エッチング等の薬品処理を施したり、サンドブラスト処理を施したり、粗ズリ研磨処理を施したり、銅製の網をろう付けしたり、酸化処理を施したり、還元処理を施したり、酸化処理と還元処理を交互に繰り返し施したりしてもよい。また、コレクタ導電板１２を、処理を施していない銅製、あるいは鉄やアルミを含む処理を施していない銅合金製としてもよい。処理を施していない銅、あるいは処理を施していない銅合金は、エポキシ樹脂等の封止樹脂と強く接着するからである。さらには、ＵＶ洗浄等によって、「コレクタ導電板１２の内面２７と、コレクタ側はんだ層１６の側部３３と、エミッタ側はんだ層２０の側部３４と、パワー素子１５の側部３５と、エミッタ小型導電板１７の側部３６」の表面をクリーニングし、封止樹脂２５との接着力を強めることもできる。
エミッタ大型導電板２１の内面２８と封止樹脂２５が強く接着されないように（接着力を低下させるために）、エミッタ大型導電板２１を圧延板等の表面が平滑な素材から製作することもできる。エミッタ大型導電板２１の内面２８を研磨して平滑にしたり、ニッケルメッキ等のメッキ処理を施しても、封止樹脂２５との接着力を低下させることができる。また、接着阻害物質（例えば、油膜、テフロン（登録商標）コート）を塗布したり、離型シート（例えば、ポリエチレンシート）を貼付しても、封止樹脂２５との接着力を低下させることができる。
（第２実施例）
第１実施例と重複する内容は省略し、本実施例として特徴的な内容のみを記載する（後述する「第３実施例」、「第４実施例」についても同様である）。
封止樹脂２５を充填する前に、エミッタ大型導電板２１の内面２８に、低弾性材（例えば、ウレタン樹脂やシリコン樹脂）の層を形成しておく。このようにすると、封止樹脂２５が収縮したときに、封止樹脂２５によって低弾性材が引き伸ばされ、図８に示すように、エミッタ大型導電板２１の内面２８と封止樹脂２５との間に低弾性材の充満部５４が形成される。低弾性材が引き伸ばされることによって、「コレクタ導電板１２の内面２７と、コレクタ側はんだ層１６の側部３３と、エミッタ側はんだ層２０の側部３４と、パワー素子１５の側部３５と、エミッタ小型導電板１７の側部３６」と、封止樹脂２５が剥離してしまうことが防止される。充満部５４が形成されていると、封止樹脂２５が収縮することによって形成された空間に、水等が入り込むことが防止される。
（第３実施例）
本第３実施例のパワーモジュール１０は、コレクタ導電板１２の内面２７にポリイミド樹脂層を形成しない。図９に示すように、コレクタ導電板１２の内面２７に、横断面が円形状の凹部５５を複数設ける。凹部５５を設けておくと、凹部５５に封止樹脂２５が入り込むことによって、コレクタ導電板１２の内面２７と封止樹脂２５が強く接着される。コレクタ導電板１２の内面２７と封止樹脂２５が強く接着されると、充填した封止樹脂２５が収縮したときに、内面２７と封止樹脂２５は接着された状態を維持し、エミッタ大型導電板２１の内面２８と封止樹脂２５が必ず剥離する。
凹部５５を成形する場合、図１０に示すように、円柱状のプレスピン５６でコレクタ導電板１２の内面２７をプレスして小型の凹部５７を作り、さらに図１１に示すように、径がより大きいプレスピン６０でプレスしてもよい。プレスピン６０の先端は、略スリ鉢状に形成されている。このようにして成形された凹部５５は、図１１に示すように、凹部５７と、それよりも径が大きい凹部６１から構成される。凹部６１の底部に連通する凹部５７の開口部６２は、プレスピン６０にプレスされたことによって、窄まったように（深部が拡大したように）成形される。このため、充填された封止樹脂２５が凹部５５に入り込んで硬化した場合、封止樹脂２５は窄まっている開口部６２に掛止される。従って、コレクタ導電板１２と封止樹脂２５がより強く接着される。
コレクタ導電板１２の内面２７に凹部５５を設け、さらに内面２７にポリイミド樹脂層やポリアミド樹脂層等を形成し、コレクタ導電板１２と封止樹脂２５をより強く接着することもできる。
（第４実施例）
本実施例では、封止樹脂を２回に分けて形成する。具体的には、図１２に示すように、コレクタ導電板１２からエミッタ小型導電板１７の途中までの高さの封止樹脂６４（以下「下方封止樹脂６４」と言う）を形成する。続いて、図１３に示すように、残りの部分に封止樹脂６５（以下「上方封止樹脂６５」と言う）を形成する。なお、ポリイミド樹脂層は形成しない。
封止樹脂６４、６５に用いられる樹脂（例えば、エポキシ樹脂）は、樹脂同士の接着力が弱い特性を有している。従って、コレクタ導電板１２の内面２７と下方封止樹脂６４、およびエミッタ大型導電板２１の内面２８と上方封止樹脂６５の接着力よりも、下方封止樹脂６４と上方封止樹脂６５の接着力の方が小さい。このため、上方封止樹脂６５が収縮するときに、上方封止樹脂６５と下方封止樹脂６４が剥離する。図１３は、上方封止樹脂６５と下方封止樹脂６４が剥離した状態を図示している。
より確実に上方封止樹脂６５と下方封止樹脂６４を剥離させるために、下方封止樹脂６４を形成した後に、その上面に接着阻害物質（例えば、油膜やテフロン（登録商標）コート）を塗布してもよい。
上方封止樹脂６５と下方封止樹脂６４が剥離しても、コレクタ導電板１２とコレクタ側はんだ層１６は、下方封止樹脂６４によって拘束されているので変形しにくい。エミッタ大型導電板２１とエミッタ側はんだ層２０は、上方封止樹脂６５によって拘束されているので変形しにくい。よって、コレクタ側はんだ層１６の側部３３と、エミッタ側はんだ層２０の側部３４に疲労クラックが発生するのが防止される。
下方封止樹脂６４を形成した後に上方封止樹脂６５を形成するときに、下方封止樹脂６４と上方封止樹脂６５との間に低弾性材（例えば、ウレタン樹脂やシリコン樹脂）の層を形成しておいてもよい。この場合、上方封止樹脂６５が収縮すると、下方封止樹脂６４と上方封止樹脂６５との間に、低弾性材が引き伸ばされた充満部が形成される。充満部が形成されると、パワーモジュール１０の内部に水が貯まるのを防止することができる。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
第１実施例に係るパワーモジュールの断面図。 ポリイミド樹脂層を形成している状態の断面図。 ポリイミド樹脂層を形成している状態の断面図。 ポリイミド樹脂層を形成している状態の断面図。 ポリイミド樹脂層を形成している状態の断面図。 ポリイミド樹脂層を形成している状態の断面図。 ポリイミド樹脂層を形成している状態の断面図。 第２実施例に係るパワーモジュールの断面図。 第３実施例に係るパワーモジュールの断面図。 コレクタ導電板の内面に凹部を形成している状態の断面図。 コレクタ導電板の内面に凹部を形成している状態の断面図。 第４実施例に係るパワーモジュールに、下方封止樹脂が形成された状態の断面図。 第４実施例に係るパワーモジュールの断面図。
符号の説明
１０：パワーモジュール
１２：コレクタ導電板
１４：バスバー
１５：パワー素子
１６：コレクタ側はんだ層
１７：エミッタ小型導電板
２０：エミッタ側はんだ層
２１：エミッタ大型導電板
２２：バスバー
２３：配線
２４：制御用端子
２５：封止樹脂
２６：ポリイミド樹脂層
２７、２８：内面
３０：剥離空間
３１、３２：外面
３３、３４、３５、３６：側部
４０：マスキング
４１：ポリイミド樹脂液
４２：ディスペンサーノズル
４３：スプレーノズル
４４：マスク板
４５：開口
４６：ポリイミド樹脂
４７：スタンプ
４８：ポリイミド樹脂
５０：凹部
５１：ディスペンサーノズル
５２：ポリイミド樹脂液
５４：充満部
５５：凹部
５６：プレスピン
５７：凹部
６０：プレスピン
６１：凹部
６２：開口部
６４：下方封止樹脂
６５：上方封止樹脂

Claims (9)

  1. 表面側電極と裏面側電極を備えている半導体素子と、
    表面側電極が表面側はんだ層によって固定されているとともに、表面側はんだ層よりも外方に延びている表面側導電板と、
    裏面側電極が裏面側はんだ層によって固定されているとともに、裏面側はんだ層よりも外方に延びている裏面側導電板と、
    表面側導電板と裏面側導電板の間に形成されている硬化樹脂とポリイミド樹脂層を備えており、
    表面側導電板の内面に、残余の範囲よりも半導体素子側に接近する段差形状が形成されており、その段差形状の端面に表面側電極が固定されており、
    ポリイミド樹脂層が、段差形状の側面、並びに、表面側はんだ層、半導体素子、裏面側はんだ層、及び、裏面側導電板の表面に形成されており、表面側導電板の前記残余の範囲における内面には形成されておらず、
    硬化樹脂が、ポリイミド樹脂層に密着しており、表面側導電板の前記残余の範囲における内面から剥離していることを特徴とする半導体モジュール。
  2. 表面側電極と裏面側電極を備えている半導体素子と、
    表面側電極が表面側はんだ層によって固定されているとともに、表面側はんだ層よりも外方に延びている表面側導電板と、
    裏面側電極が裏面側はんだ層によって固定されているとともに、裏面側はんだ層よりも外方に延びている裏面側導電板と、
    表面側導電板と裏面側導電板の間に形成されている硬化樹脂とポリイミド樹脂層と弾性材層を備えており、
    表面側導電板の内面に、残余の範囲よりも半導体素子側に接近する段差形状が形成されており、その段差形状の端面に表面側電極が固定されており、
    ポリイミド樹脂層が、段差形状の側面、並びに、表面側はんだ層、半導体素子、裏面側はんだ層、及び、裏面側導電板の表面に形成されており、
    硬化樹脂が、ポリイミド樹脂層に密着しており、
    弾性材層が、硬化樹脂と表面側導電板の前記残余の範囲における内面の間に形成されていることを特徴とする半導体モジュール。
  3. 表面側電極と裏面側電極を備えている半導体素子と、
    表面側電極が表面側はんだ層によって固定されているとともに、表面側はんだ層よりも外方に延びている表面側導電板と、
    裏面側電極が裏面側はんだ層によって固定されているとともに、裏面側はんだ層よりも外方に延びている裏面側導電板と、
    表面側導電板と裏面側導電板の間に形成されている硬化樹脂を備えており、
    表面側導電板の内面に、残余の範囲よりも半導体素子側に接近する段差形状が形成されており、その段差形状の端面に表面側電極が固定されており、
    裏面側導電板の内面の一部に凹凸形状が形成されており、凹凸形状が形成されていない範囲における裏面側導電板の内面に裏面側電極が固定されており、
    硬化樹脂が、段差形状の側面、並びに、表面側はんだ層、半導体素子、裏面側はんだ層、及び、裏面側導電板の表面に密着しており、表面側導電板の前記残余の範囲における内面から剥離していることを特徴とする半導体モジュール。
  4. 表面側電極と裏面側電極を備えている半導体素子と、
    表面側電極が表面側はんだ層によって固定されているとともに、表面側はんだ層よりも外方に延びている表面側導電板と、
    裏面側電極が裏面側はんだ層によって固定されているとともに、裏面側はんだ層よりも外方に延びている裏面側導電板と、
    表面側導電板と裏面側導電板の間に形成されている第１硬化樹脂と第２硬化樹脂を備えており、
    表面側導電板の内面に、残余の範囲よりも半導体素子側に接近する段差形状が形成されており、その段差形状の端面に表面側電極が固定されており、
    第１硬化樹脂が、段差形状の側面、並びに、表面側はんだ層、半導体素子、裏面側はんだ層、及び、裏面側導電板の表面に密着しており、
    第２硬化樹脂が、表面側導電板の前記残余の範囲における内面、及び、段差形状の側面に密着しており、
    第１硬化樹脂が第２硬化樹脂から剥離していることを特徴とする半導体モジュール。
  5. 半導体素子の表面に制御電極がさらに形成されており、
    制御用導電体によって制御電極に接続されている制御用端子をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
  6. 表面側電極と裏面側電極を備えている半導体素子と、内面に残余の範囲よりも突出する段差形状が形成されている表面側導電板と、裏面側導電板を用いて半導体モジュールを製造する方法であって、
    表面側電極板の段差形状の端面を半導体素子の表面側電極にはんだ付けするとともに、裏面側導体板を半導体素子の裏面側電極にはんだ付けする工程と、
    ポリイミド樹脂層を、表面側導電板の前記残余の範囲における内面に形成することなく、段差形状の側面、並びに、表面側はんだ層、半導体素子、裏面側はんだ層、及び、裏面側導電板の表面に形成する工程と、
    ポリイミド樹脂層と裏面側導電板の間に樹脂を充填する工程と、
    充填した樹脂を硬化させて、熱収縮により、樹脂を表面側導電板の前記残余の範囲における内面から剥離させる工程、
    を有していることを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
  7. 表面側電極と裏面側電極を備えている半導体素子と、内面に残余の範囲よりも突出する段差形状が形成されている表面側導電板と、裏面側導電板を用いて半導体モジュールを製造する方法であって、
    表面側電極板の段差形状の端面を半導体素子の表面側電極にはんだ付けするとともに、裏面側導体板を半導体素子の裏面側電極にはんだ付けする工程と、
    表面側導電板の前記残余の範囲における内面に弾性材の層を形成する工程と、
    弾性材の層と裏面側電極板の間に樹脂を充填する工程と、
    充填した樹脂を硬化させる工程、
    を有していることを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
  8. 表面側電極と裏面側電極を備えている半導体素子と、内面に残余の範囲よりも突出する段差形状が形成されている表面側導電板と、内面の一部に凹凸形状が形成されている裏面側導電板を用いて半導体モジュールを製造する方法であって、
    表面側電極板の段差形状の端面を半導体素子の表面側電極にはんだ付けするとともに、凹凸形状が形成されていない範囲における裏面側導電板の内面を半導体素子の裏面側電極にはんだ付けする工程と、
    表面側電極板と裏面側電極板の間に樹脂を充填する工程と、
    充填した樹脂を硬化させて、熱収縮により、樹脂を表面側導電板の前記残余の範囲における内面から剥離させる工程、
    を有していることを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
  9. 表面側電極と裏面側電極を備えている半導体素子と、内面に残余の範囲よりも突出する段差形状が形成されている表面側導電板と、裏面側導電板を用いて半導体モジュールを製造する方法であって、
    表面側電極板の段差形状の端面を半導体素子の表面側電極にはんだ付けするとともに、裏面側導体板を半導体素子の裏面側電極にはんだ付けする工程と、
    段差形状の側面、並びに、表面側はんだ層、半導体素子、裏面側はんだ層、及び、裏面側導電板の表面に密着するように第１硬化樹脂層を形成する工程と、
    表面側導電板の前記残余の範囲における内面に密着するように第２硬化樹脂層を形成する工程、
    を有しており、
    第１硬化樹脂層を形成する工程、または、第２硬化樹脂層を形成する工程では、樹脂を硬化させて、熱収縮により、第１硬化樹脂層を第２硬化樹脂層から剥離させることを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
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