JP5279632B2

JP5279632B2 - 半導体モジュール

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Publication number: JP5279632B2
Application number: JP2009150752A
Authority: JP
Inventors: 裕米田; 建一林; 信義木本; 進吾須藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-06-25
Filing date: 2009-06-25
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2029-06-25
Also published as: JP2011009410A

Description

本発明は、半導体素子を樹脂封止した半導体モジュールに関し、特にパワー半導体素子を封止した半導体モジュールに関する。

半導体素子の中でも、例えばＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)や、パワーＭＯＳＦＥＴなどのパワー半導体素子は、絶縁耐圧が高く、且つ熱抵抗の小さい半導体パッケージが必要である。このようなパワー半導体素子を備えた、従来の半導体モジュールの構造として以下のものがある。

リード部と素子搭載部とを有するリードフレームを用い、上記素子搭載部にはパワー半導体素子が搭載された半導体モジュールが存在する。該半導体モジュールでは、パワー半導体素子の電極とリードフレームのリード部とは、ボンディングワイヤにて電気的に接続され、上記素子搭載部は、絶縁シートの主面に載置されている。又、絶縁シートの上記主面に対向する面に表面を接して金属シートが設けられる。さらに、上記リード部の一部、上記絶縁シートの主面、上記素子搭載部、上記パワー半導体素子、及び上記金属シートの上記表面に対向する裏面は、樹脂封止体にて封止されて、半導体モジュールが構成されている。

このような半導体モジュールでは、リードフレームの素子搭載部と金属シートとの間に設けた上記絶縁シートの熱伝導率を、上記樹脂封止体の熱伝導率よりも高くすることで、絶縁耐圧を保ちながら半導体モジュールの放熱性を向上させている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−３５３８０５号公報（図３）

上述したような樹脂封止型の半導体モジュールでは、放熱性を向上させるために、絶縁シートは、金属シートと一体で形成され熱硬化性樹脂に無機質フィラーを混入した絶縁シートを用いている。このような絶縁シートを、素子搭載部と金属シートとの間に介在させた場合、絶縁性を保つためには沿面絶縁距離を確保しなければならない。この場合、沿面絶縁距離は、絶縁シートに搭載されたリードフレームの素子搭載部の端から、金属シートまでの最短距離となる。そのため、絶縁性を保つためには、絶縁シートの大きさを、絶縁シートに搭載されたリードフレームの素子搭載部に加えて、そこから絶縁性を保つために必要な沿面絶縁距離分だけ大きくする必要がある。

しかしながら、特許文献１の図３に示されるような樹脂封止型の半導体モジュールでは、金属シートを平面状に延在した状態で樹脂封止が行われるため、半導体モジュールを小型化する上で、絶縁シートの大きさ、さらには沿面絶縁距離が制約となっていた。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、絶縁耐圧及び放熱性能を維持しながら小型化及び信頼性の向上を図る半導体モジュールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の一態様における半導体モジュールは、金属ブロックと、上記金属ブロックの実装面に実装された半導体素子と、シート状にてなり上記実装面に対向する上記金属ブロックの裏面に接して上記金属ブロックを載置する絶縁シートと、シート状にてなり上記絶縁シートと同形状で一体的に構成され上記絶縁シートを介在させて上記金属ブロックとは反対側に位置する金属シートと、封止樹脂部と、を備えた半導体モジュールにおいて、上記絶縁シート及び上記金属シートは、載置された上記金属ブロックの投影面以外の領域に対応し上記金属ブロックに接触することなく上記金属ブロック側へ折り曲げられる沿面形成用領域を有し、上記封止樹脂部は、上記絶縁シート及び上記金属シートにおける上記沿面形成用領域を折り曲げ、かつ上記金属シートにおける上記金属ブロックの投影面に相当する露出面を露出させた状態で、上記金属ブロック、上記半導体素子、並びに、上記絶縁シート及び上記金属シートにおける上記沿面形成用領域を封止し、上記金属シートは、上記沿面形成用領域として折り曲げられ封止される部分と上記露出面との境界部分に対応して、凹部を有し、この凹部は、封止樹脂にて充填され上記金属シートを固定することを特徴とする。

本発明の一態様における半導体モジュールによれば、絶縁シート及び金属シートは沿面形成用領域を有し、該沿面形成用領域が金属ブロック側へ折り曲げられた状態にて封止樹脂にて封止される。よって、従来のように絶縁シート及び金属シートが展延された状態に比べて半導体モジュールを小型化することができる。又、このとき、沿面形成用領域は、金属ブロックに接触することなく折り曲げられることから、沿面距離を確保することができ金属ブロックの絶縁性を確保することができる。さらに又、金属シートにおける露出面が封止樹脂部から露出しているので、半導体モジュールの放熱性も確保することができる。さらに、絶縁シート及び金属シートにおける沿面形成用領域が上述のように折り曲げられた状態で封止樹脂部内に封止されることから、衝撃等によって絶縁シート及び金属シートが金属ブロックの端部から剥離するのを防ぐことができる。よって、半導体モジュールの信頼性を向上することもできる。

本発明の実施の形態１における半導体モジュールの構成を示す断面図である。図１に示す半導体モジュールが小型化を達成可能なことを説明するための図であり、（ａ）は従来の半導体モジュールの断面図であり、（ｂ）は図１に示す半導体モジュールに対応した図である。本発明の実施の形態２における半導体モジュールの構成を示す断面図である。本発明の実施の形態３における半導体モジュールの構成を示す図であり、主電極配線部分での平面図である。図４に示す半導体モジュールの変形例における構成を示す平面図である。本発明の実施の形態４における半導体モジュールの構成を示す断面図である。図６に示す半導体モジュールの変形例における構成を示す断面図である。本発明の実施の形態５における半導体モジュールの構成を示す断面図である。本発明の実施の形態６における半導体モジュールの構成を示す断面図である。

本発明の実施形態である半導体モジュール、及び該半導体モジュールの製造方法について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。又、各図間で、対応する各構成部分のサイズや縮尺は、それぞれの図にて独立している。よって、例えば構成の一部のみを変更した図同士において、変更されていない同一構成部分の図示が異なる場合もある。また、本発明の実施形態の半導体モジュールにおいて、例えばダイオード素子等、本発明の構成に必要のない部分については図示を省略している。

実施の形態１．
図１を参照して、本実施の形態１における半導体モジュール１０１について説明する。
半導体モジュール１０１は、基本的な構成部分として、半導体素子１と、絶縁シート２と、金属ブロック３と、金属シート５と、封止樹脂部８とを備える。勿論、半導体モジュールとして機能するための構成部分、例えば主電極配線等を備えている。これらの構成部分について、以下に詳しく説明する。

半導体素子１は、ＳｉやＳｉＣ等を基材とし、本実施形態では例えばＩＧＢＴや、パワーＭＯＳＦＥＴなどのパワー半導体素子で、インバータやコンバータ等を構成する電力用素子である。よって、半導体素子１は、作動により発熱し、放熱が必要となる半導体素子である。尚、半導体素子１は、上記電力用素子に限定するものではない。又、半導体モジュール１０１は、１個以上の半導体素子１を有すれば良く、その数を問わない。

このような半導体素子１は、金属ブロック３の実装面３ａに半田４を用いて実装される。半田４は、半導体素子１と金属ブロック３とを電気的及び熱的に接続し、本実施形態では、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の半田であり、厚さ１５０μｍ程度である。尚、半田４として、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉ系、Ｓｎ−Ｓｂ系、等の半田を用いることもできる。
又、半導体素子１の電極は、金属ワイヤ９を介して半導体モジュール１０１の主電極配線６の一端に電気的に接続されている。尚、主電極配線６は、本実施形態では銅にてなる。

金属ブロック３は、本実施形態では厚みが約３ｍｍの直方体形状の銅材にてなり、電極としての役割と、ヒートスプレッダとしての役割を果たす。即ち、半導体素子１で発生した熱が半田４を介して金属ブロック３に伝わることから、放熱性の向上に寄与する。又、金属ブロック３に、本実施形態では銅にてなる主電極配線７の一端を電気的に接続することで、半導体素子１への通電を行う。このような役割のため、金属ブロック３は、熱伝導性、電気伝導性が良好な部材が好ましく、例えば、本実施形態のようにＣｕや、半田付け可能なＮｉメッキされたＡｌ等が用いられる。勿論、これらに限定するものではなく、熱伝導性、電気伝導性が良好であれば他の材料を用いてもよい。また、金属ブロック３の形状は、図１に示したようなブロック形に限らず、目的に応じて様々な形状を取ることができる。

絶縁シート２は、金属ブロック３の実装面３ａに対向する金属ブロック３の裏面３ｂに接して金属ブロック３を載置するシート状の電気的絶縁物であり、放熱性を向上させるために、熱伝導率の大きい材料のものが好ましい。例えば、エポキシ樹脂に高い熱伝導率を有する絶縁性材料のフィラーを混ぜた材料を用いたシート構造のもの等が用いられる。しかしながら、電気的な絶縁物で、かつ、ある程度、変形、例えば曲げる等を行っても絶縁性を保てる部材であれば、他のものを用いてもよい。尚、本実施形態では、絶縁シート２として、平面形状が方形状であり、エポキシ樹脂にセラミックフィラーを充填した厚さ２００μｍのシートを用いている。

金属シート５は、上述の絶縁シート２と同形状で、絶縁シート２を介在させて金属ブロック３とは反対側に位置する金属材のシート材であり、絶縁シート２と機械的及び熱的に接続されて一体的に構成される。本実施形態では、金属シート５は、銅箔にてなり、上述の絶縁シート２に接着されている。しかしながら、金属シート５の材料、形状は、図１に示すものに限定されず、絶縁シート２と一体に形成され、かつある程度変形可能なものであればよい。金属シート５の材料としては、例えばＡｌ箔等でもよい。また、半導体モジュール１０１の放熱性を向上させるためには、金属シート５には熱伝導率が大きい材料を用いるのが好ましい。尚、本実施形態では、金属シート５として厚さ１００μｍのＣｕ箔を使用している。

又、絶縁シート２及び金属シート５の平面形状は、本実施形態では長方形等の方形状であるが、金属ブロック３の裏面を超える面積を有するものであれば、これに限定するものではない。

このように一体形成された絶縁シート２及び金属シート５は、以下に詳しく説明する沿面形成用領域２０を有する。
沿面形成用領域２０は、絶縁シート２に載置された金属ブロック３の絶縁シート２及び金属シート５における投影面３ｃ以外の、絶縁シート２及び金属シート５における領域であり、金属ブロック３に接触することなく金属ブロック３側へ折り曲げられる領域である。

本実施形態１では、絶縁シート２及び金属シート５における沿面形成用領域２０は、樹脂封止に伴い折り曲がる。よって、沿面形成用領域２０が封止樹脂により折り曲げられるとき、絶縁シート２が金属ブロック３や、金属ブロック３と電気的に接続されている部分に接触すると、絶縁シート２の接触箇所から金属シート５までの距離が沿面絶縁距離となる。よって本実施形態では、絶縁シート２が金属ブロック３に触れないように、樹脂封止を制御する必要がある。

ここで沿面絶縁距離とは、絶縁を確保すべき異なる電位を有する２つの導電部分間の、絶縁物の界面に沿った最短距離のことである。本実施の形態１においては、絶縁シート２と金属ブロック３との接触部分と、金属シート５との間の、絶縁シート２の界面に沿った最短距離のことを指す。
一般的に半導体モジュールにおいては絶縁性を保つために、一定の沿面絶縁距離を確保する必要がある。よって、半導体モジュールの絶縁性を保つためには、絶縁体の大きさを、絶縁体に搭載された電極の投影面積に加えて、そこから絶縁性を保つために必要な沿面絶縁距離分だけ大きくする必要がある。

ここで、図２の（ｂ）は図１に対応した図であり、図２の（ａ）は、従来の、樹脂封止型の半導体モジュールを図示している。図２の（ａ）に示すように、従来の半導体モジュールでは、金属ブロック３を載置する絶縁シート２Ｐ及び金属シート５Ｐは、平面状に展延されたまま樹脂封止されており、半導体モジュールを小型化する上で沿面絶縁距離が制約となり、小型化が困難であった。
一方、半導体モジュールの放熱性を考えたとき、上記絶縁物の沿面絶縁距離を保つために必要な部分は、放熱性にほとんど寄与しないという事実がある。

そこで本実施形態では、絶縁シート２及び金属シート５は、内側つまり金属ブロック３側へ変形させる沿面形成用領域２０を有するように構成した。沿面形成用領域２０を設けることで、図２の（ａ）と図２の（ｂ）とを比較すると明らかなように、図２の（ａ）、（ｂ）にて矢印を付した沿面絶縁距離が同じであっても、図１に相当する図２の（ｂ）に示す半導体モジュール、つまり本実施形態の半導体モジュール１０１では、金属ブロック３の端面から金属シート５の側端までの距離は短くなる。したがって、本実施形態の半導体モジュール１０１では、絶縁性を保ったまま、半導体モジュールのサイズを小型化することができるというメリットがある。

封止樹脂部８は、上述のように構成された、半導体素子１、金属ブロック３、絶縁シート２及び金属シート５、並びに主電極配線６、７を、封止樹脂８ａにて封止した部分である。但し、封止樹脂部８は、主電極配線６、７の各他端部６ａ，７ａ、及び、金属シート５における露出面５ａを、封止樹脂部８の表面８ｂより外部に露出している。また、封止樹脂部８は、半導体モジュール１０１の信頼性向上のために、例えば、封止樹脂８ａでトランスファーモールド法にて形成されていることが好ましい。

金属シート５における上記露出面５ａは、本実施形態では、絶縁シート２及び金属シート５に載置した金属ブロック３の上記投影面３ｃに一致している。このように露出面５ａの形状及び大きさを、金属ブロック３の投影面３ｃの形状及び大きさ程度にすることで、図２の（ａ）に示す従来の構成に比べると露出面積は減るが、発熱源である半導体素子１を実装する金属ブロック３に対応した領域を露出面として確保しており、また、上述したように沿面絶縁距離を保つために必要な絶縁物部分は、放熱性にほとんど寄与しないことから、放熱性は、十分に保つことができる。さらに、放熱性を維持したまま半導体モジュールの小型化を考慮すると、金属ブロック３における放熱面積と金属ブロック３の投影面積とをほぼ同じにするのが好ましい。
しかしながら露出面５ａは、投影面３ｃに一致しなくてもよく、投影面３ｃに対して大きくても、小さくても良い。

次に、以上のように構成される、本実施形態の半導体モジュール１０１の製造方法について説明する。
金属ブロック３の実装面３ａに半導体素子１を実装し、主電極配線６，７、及び金属ワイヤ９の配線を行う。また、金属ブロック３の裏面３ｂを絶縁シート２に接触させて絶縁シート２及び金属シート５に金属ブロック３を載置する。

このように構成された部分は、封止樹脂８ａでトランスファーモールド法にて封止され、封止樹脂部８が形成される。この封止工程では、沿面形成用領域２０を包囲するように封止樹脂８ａを注入して、沿面形成用領域２０を金属ブロック３側へ折り曲げる。よって本実施形態では、沿面形成用領域２０が金属ブロック３に接触しないように樹脂封止動作を行う必要がある。尚、封止樹脂８ａが固化した状態において、沿面形成用領域２０は、金属ブロック３側へ折り曲げられかつ金属ブロック３に非接触な状態である。

このようにして半導体モジュール１０１が製造される。尚、上述の製造方法は、一例であり、半導体素子１を含む部材を組み立てた後、最後に封止樹脂８ａによって封止する工程を採れば、それ以外の工程については、どのような製造工程で製造してもかまわない。

以上説明した本実施形態の半導体モジュール１０１によれば、既に説明したように、半導体モジュールの絶縁耐圧及び放熱性能を維持しながら、小型化を図ることができる。さらに、小型化が可能なことから、ひいては、当該半導体モジュール１０１を備えた製品の包装の減量化等を図ることができ、これに伴い省エネルギー化、流通形態の効率化を図ることもでき、また、製品の生産工程あるいはライフサイクルにおける環境負荷低減を図ることができる。

さらに、金属ブロック３の周縁部において、絶縁シート２及び金属シート５の沿面形成用領域２０が金属ブロック３側に折り曲げられた状態で封止されることから、衝撃等による絶縁シート２と金属シート５との間の破壊や、金属ブロック３から絶縁シート２及び金属シート５が剥離するのを防止することができる。したがって、半導体モジュール１０１の信頼性を向上することができるというメリットがある。さらに、この信頼性向上により、半導体モジュール１０１を備えた製品の長寿命化を図ることができる。

また、半導体素子１にＳｉＣを用いた場合、Ｓｉの場合と比較してチップサイズが小さくなる。よって相対的に半導体モジュール１０１における沿面絶縁距離部分が占める割合は大きくなる。そのため、半導体素子１にＳｉＣを用いた場合、本発明の効果はさらに大きくなる。

実施の形態２．
次に、実施の形態２における半導体モジュールについて、図３を参照して以下に説明する。
本実施の形態２における半導体モジュール１０２と、図１及び図２を参照して上述した半導体モジュール１０１との大きな相違点は、金属シート５に溝状の凹部１０を設けた点である。以下では、上記相違点に伴う変更部分についてのみ説明を行い、上述の半導体モジュール１０１と同じ構成部分については、ここでの説明を省略する。同様に、製造方法についても上述の半導体モジュール１０１と同じ部分については説明を省略する。

実施形態１にて説明した金属シート５に対して、本実施の形態２では凹部１０が設けられている。尚、凹部１０を有する金属シートについて、５−２の符号を付す。
図３では、封止樹脂部８を形成する封止樹脂８ａは、本実施形態では凹部１０内にも充填されている。よって、金属シート５−２の凹部１０より内側の部分が封止樹脂部８の表面８ｂより露出している。尚、金属シート５−２に関する説明は、上述の金属シート５の説明をそのまま適用可能であり、ここでの説明は省略する。また、その他の構成部分は、上述の半導体モジュール１０１と同じである。

凹部１０は、金属シート５−２における露出面５ａの輪郭に対応して、換言すると、沿面形成用領域２０として折り曲げられ封止される部分と露出面５ａとの境界部分に対応して、金属シート５−２に形成される。
金属シート５−２に設けられる凹部１０の深さは、金属シート５の厚さより浅い。また、凹部１０は封止樹脂８ａにて充填されるのが好ましい。尚、図３では、凹部１０は、半円形の断面にてなるが、凹部１０の形状はこれに限定するものではなく、例えば三角や四角等の形状であってもよい。つまり、凹部１０は、金属シート５−２が変形し易い形とするのが好ましい。

このように、金属シート５−２に凹部１０を設けることで、絶縁シート２及び金属シート５−２は、凹部１０によって変形し易くなる。よって、絶縁シート２及び金属シート５−２の変形させたい位置を明確に定めることができるというメリットがある。したがって、実施の形態１及び本実施の形態２のように、封止樹脂８ａによる樹脂封止動作によって絶縁シート２及び金属シート５，５−２における沿面形成用領域２０を折り曲げる製法を採る場合、凹部１０を形成することは非常に有効な手段となる。
尚、絶縁シート２及び金属シート５−２における沿面形成用領域２０が金属ブロック３に接触してしまうことを防止するために、金属シート５−２の各辺と凹部１０とが互いに平行となる位置に凹部１０を形成することが好ましい。

このように、封止樹脂部８の表面８ｂより外部に露出させたい金属シート５−２の部分、即ち露出面５ａ、に沿って金属シート５−２に凹部１０を設けることで、金属シート５−２の封止樹脂部８の表面８ｂより外部に露出させたい部分つまり露出面５ａを変形させることなく、樹脂封止用金型に押し付けた状態で樹脂封止可能となる。よって、金属シート５−２の封止樹脂部８の表面８ｂより外部に露出させたい部分に樹脂バリが発生するのを防ぐことができるという効果がある。

半導体モジュール１０２内で発生した熱を放熱するための放熱面は、金属シート５−２の封止樹脂部８の表面８ｂより外部に露出している部分つまり露出面５ａであるため、樹脂バリの発生を防ぐことで樹脂バリによって放熱性が低下するのを防ぐことができるという効果がある。

また、凹部１０に封止樹脂部８が入り込むことで、封止樹脂８ａが凹部１０で金属シート５−２を固定することができるため、金属シート５−２がより封止樹脂部８から剥離し難くなる。これによって、半導体モジュール１０２の信頼性をより向上させることができるというメリットもある。

本実施の形態２による半導体モジュール１０２の製造工程は、金属シート５−２に凹部１０を設ける工程以外は、実施の形態１と同様である。金属シート５−２に凹部１０を設ける工程は、各部材を封止樹脂８ａにて封止する前であればいつでもよいが、絶縁シート２と金属シート５−２とを一体にする前に、凹部１０を設けておくことが好ましい。

以上説明したように本実施の形態２による半導体モジュール１０２における基本的構成は、上述した実施形態１の半導体モジュール１０１における構成に同じであることから、本実施の形態２による半導体モジュール１０２においても、実施形態１の半導体モジュール１０１が奏する効果、即ち絶縁耐圧及び放熱性能を維持しながら小型化及び信頼性の向上、さらには、長寿命化等を図ることは、当然に達成される。

実施の形態３．
次に、図４及び図５を参照して実施の形態３における半導体モジュール１０３について説明する。尚、説明上、図４に示す半導体モジュールに１０３Ａの符号を付し、図５に示す半導体モジュール１０１には１０３Ｂの符号を付す。又、図４及び図５は、半導体モジュール１０３における主電極配線６，７部分での平面図を示している。

本実施の形態３における半導体モジュール１０３と、上述した実施の形態１における半導体モジュール１０１との大きな相違点は、方形状の平面形状にてなる絶縁シート２及び金属シート５は、４つの角部２１に、沿面形成用領域２０を折り曲げるための折り畳み部２２を有する点である。即ち、実施の形態１及び本実施の形態２では、絶縁シート２及び金属シート５，５−２における沿面形成用領域２０は、樹脂封止の際の封止樹脂８ａによって折り曲げられるが、本実施形態３では、上記折り畳み部２２により、沿面形成用領域２０を予め折り曲げておき、折り曲がった状態で樹脂封止を行う。
尚、半導体モジュール１０３におけるその他の構成部分は、上述の半導体モジュール１０１と同じである。

以下では、上記相違点に伴う変更部分についてのみ説明を行い、上述の半導体モジュール１０１と同じ構成部分について、ここでの説明は省略する。同様に、製造工程についても上述の半導体モジュール１０１と同じ部分については説明を省略する。

本実施形態３における図４に示す半導体モジュール１０３Ａでは、長方形の絶縁シート２及び金属シート５の４つの角部２１のそれぞれにおいて、角部２１を形成し絶縁シート２及び金属シート５の対角線を挟み対向の２つの領域２２ａ，２２ｂが向かい合うように折り曲げることで絶縁シート２及び金属シート５を変形させ、折り畳み部２２を形成している。これは沿面絶縁距離を保った状態で、絶縁シート２及び金属シート５を変形させるためであり、絶縁シート２及び金属シート５を折り畳んだときに絶縁シート２の変形した部分が金属ブロック３に接触しないようにする必要がある。このように、折り畳み部２２は、沿面形成用領域２０を折り曲げる。

図４に示す半導体モジュール１０３Ａでは、上述のように、絶縁シート２及び金属シート５の４つの角部２１のそれぞれにおいて、絶縁シート２の金属ブロック３側の面の一部が向かい合うように内側に折り曲げて折り畳み部２２を形成している。しかしながら、折り畳み部２２の形成方法は、これに限定するものではない。即ち、沿面絶縁距離を保てるのであれば、例えば図５に示す半導体モジュール１０３Ｂのように、絶縁シート２及び金属シート５の４つの角部２１のそれぞれにおいて、角部２１を形成する略正方形領域を切り取り、該切り取り部分における隣接２辺２３ａ、２３ｂを合わせて折り畳み部２２を形成する、等、他の方法を用いて絶縁シート２及び金属シート５を変形させてもよい。

実施の形態１、２では、絶縁シート２及び金属シート５は、封止樹脂部８を形成するときの樹脂封止の際に、絶縁シート２及び金属シート５における周縁部に相当する沿面形成用領域２０に樹脂が入り込むことにより、絶縁シート２及び金属シート５が金属ブロック３側に変形して封止される。これに対し本実施形態の半導体モジュール１０３では、折り畳み部２２を形成し、絶縁シート２が金属ブロック３や、金属ブロック３と電気的に接続されている部分に触れないように、沿面形成用領域２０を樹脂封止前に予め金属ブロック３側へ折り曲げておき、この状態で樹脂封止が行われる。
したがって、実施の形態１の場合に比べて本実施の形態３では、沿面形成用領域２０の折り曲がり状態を調整することができ、樹脂封止が容易になるというメリットがある。

本実施の形態３における半導体モジュール１０３の製造工程は、絶縁シート２及び金属シート５の４つの角部２１に対して折り畳み部２２を形成する工程以外は、実施の形態１の場合と同様である。折り畳み部２２の形成は、各部材を封止樹脂８ａで封止する前であればいつでもよいが、絶縁シート２が金属シート５と一体となって形成された後に行うことが好ましい。

以上説明したように本実施の形態３による半導体モジュール１０３の基本的構成は、上述した実施形態１の半導体モジュール１０１における構成に同じであることから、本実施の形態３による半導体モジュール１０３においても、実施形態１の半導体モジュール１０１が奏する効果、即ち絶縁耐圧及び放熱性能を維持しながら小型化及び信頼性の向上、さらには、長寿命化等を図ることは、当然に達成される。

実施の形態４．
次に、図６及び図７を参照して、実施の形態４における半導体モジュール１０４，１０５について以下に説明する。
本実施の形態４における半導体モジュール１０４、１０５と、図１及び図２を参照して上述した半導体モジュール１０１との大きな相違点は、金属ブロック３における上記裏面３ｂの輪郭を面取り部２４とした点である。以下では、上記相違点に伴う変更部分についてのみ説明を行い、上述の半導体モジュール１０１と同じ構成部分についてはここでの説明を省略する。同様に、製造工程についても上述の半導体モジュール１０１と同じ部分については説明を省略する。

図６に示す半導体モジュール１０４では、上記面取り部２４をＣ面とした場合であり、図７に示す半導体モジュール１０５では、上記面取り部２４をＲ面とした場合である。尚、金属ブロック３に関する説明は、上述した説明をそのまま適用可能であり、ここでの説明は省略する。

図６に示すように、金属ブロック３の絶縁シート２と接している裏面３ｂの輪郭についてＣ面とした面取り部２４を形成することで、実施の形態１の場合に比べて、絶縁シート２及び金属シート５における沿面形成用領域２０を金属ブロック３側へ変形させ易くなるというメリットがある。

又、図７に示すように、上記裏面３ｂの輪郭について、Ｒ面とした面取り部２４を形成することで、図６のＣ面とした面取り部２４を形成した場合と同様に、絶縁シート２及び金属シート５における沿面形成用領域２０を金属ブロック３側へ変形させ易くなるという効果が得られる。さらに、Ｒ面とした面取り部２４を形成することで、金属ブロック３の裏面３ｂの輪郭部分に角部がなくなる。よって、電極である金属ブロック３の角部に電解が集中するのを防ぐことができるという効果も得ることができる。

尚、以上説明したように本実施の形態４による半導体モジュール１０４、１０５の基本的構成は、上述した実施形態１の半導体モジュール１０１における構成に同じであることから、本実施の形態４による半導体モジュール１０４，１０５においても、実施形態１の半導体モジュール１０１が奏する効果、即ち絶縁耐圧及び放熱性能を維持しながら小型化及び信頼性の向上、さらには、長寿命化等を図ることは、当然に達成される。

実施の形態５．
次に、図８を参照して実施の形態５における半導体モジュール１０６について以下に説明する。
本実施の形態５における半導体モジュール１０６は、上述した実施の形態１の半導体モジュール１０１の封止樹脂部８の表面８ｂにおける金属シート５の露出面５ａに、半田１２で冷却部１１を半田付けした構成を有する。ここで、封止樹脂部８にて封止された構成部分は、図１を参照し上述した半導体モジュール１０１における構成と同じである。但し、金属シート５は、実施の形態１で説明したＣｕ箔に限らず、ＮｉメッキしたＡｌ箔等を用いることもできる。
よって、同じ構成部分についての説明は省略し、以下には、冷却部１１について詳しい説明を行う。又、半導体モジュール１０６の製造工程についても上述の半導体モジュール１０１と同じ部分については説明を省略する。

冷却部１１は、半導体素子１で発生した熱の、金属シート５の露出面５ａからの放熱を促進するものであり、半導体モジュール１０６全体を冷却する。本実施形態５では、図８に示すように、冷却部１１は、平板上に、その厚み方向に延在する複数の羽部材１１ａが形成された形状で、表面積を大きくすることで放熱性を向上させたＮｉメッキされたＡｌの放熱フィンである。しかしながら、冷却部１１の材料及び形状は、図８に示す例に限定されるものではなく、外半田１２によって、半田付け可能な金属シート５と機械的及び熱的に接続可能で、半導体素子１で発生した熱を放熱できるものであればよい。例えば、ＮｉメッキされたＡｌ板に冷媒の流路を設けて、図８に仮想線で示す冷却用機器１５にて、上記流路に水等の冷媒を流すことで冷却する液冷フィン等でもよい。冷却部１１の放熱性を向上させるためには上記液冷フィンの方がより好ましい。このように、冷却部１１の概念は、本実施形態の場合のような冷却部材のみならず、強制的な冷却機能を備えた冷却装置をも含む概念である。

外半田１２は、半田付け可能な金属シート５と冷却部１１とを機械的及び熱的に接続する。外半田１２には、例えばＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系半田や、より融点の低いＳｎ−Ｂｉ系半田等を用いるのが好ましい。
また、外半田１２で冷却部１１と金属シート５の露出面５ａとの接合工程では、半導体モジュール１０１全体を加熱する必要がある。この工程で、半導体モジュール１０１内の半田４が溶融してしまうと、半田４の溶融による体積膨張によって、封止樹脂部８を内側から破壊してしまう等の不具合が発生することが考えられる。そのような不具合の発生を防止するため、外半田１２の材料は、半田４に使用する材料より融点の低い材料であることが好ましい。又、半導体モジュール１０１全体の加熱温度は、外半田１２の融点（液相線）以上、半田４の融点（固相線）以下とするのが好ましい。

さらには、半田４に使用した材料の融点（固相線）より、外半田１２の材料は、少なくとも２０℃以上融点（液相線）が低ければより好ましい。例えば、半田４にＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の半田を用いた場合、外半田１２にはＳｎとＢｉやＩｎやＺｎ等との合金である半田等を用いるのが好ましい。具体的には、例えば、外半田１２をＳｎ−Ｂｉ系半田とし、半田４をＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系半田とすると、加熱温度は１６０℃以上２１０℃以下が好ましい。これは加熱温度が１４０℃以下であるとＳｎ−Ｂｉ系半田が溶融しないため、また２２０℃より大きいと封止樹脂部８で封止されているＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系半田４も溶融してしまうため、溶融時の体積膨張によって封止樹脂部８が破壊されてしまう可能性があるためである。

本実施形態のように、金属シート５の露出面５ａと冷却部１１とを外半田１２を用いて半田付けすることで、半導体モジュール１０１を冷却部１１にグリス等を用いてネジ止め固定する場合に比べて、締結用部材が不要になり、装置全体を小型化できるというメリットがある。さらに、半田は、グリス等に比べて熱伝達率が大きいため、放熱性を向上することもできるというメリットがある。

さらに、実施形態１の説明で述べたように、絶縁シート２及び金属シート５における沿面形成用領域２０は、封止樹脂部８で封止されていることから、冷却部１１が外半田１２で半田付けされるときの熱膨張や、半田付け後の熱収縮によって、絶縁シート２及び金属シート５が封止樹脂部８や金属ブロック３から剥離するのを防止することができるというメリットがある。

上述したような構成を有する本実施の形態５による半導体モジュール１０６は、半導体モジュール１０１を組み立てた後、冷却部１１と封止樹脂部８の表面に露出している半田付け可能な金属シート５の露出面５ａとを外半田１２を用いて接合することによって製造される。

このように半導体モジュール１０６の製造を行うことによって、金属シート５と冷却部１１とを外半田１２で接続する前に、半導体モジュール１０１を組み立てることができる。これによって、冷却部１１も含めた全ての部材を組み立てた後に樹脂封止工程を行わなくてもよくなるため、結果として半導体モジュール１０６の製造を容易に行うことができる。

本実施の形態５による半導体モジュール１０６は、上述した実施の形態１における半導体モジュール１０１を備えることから、半導体モジュール１０１が奏する絶縁耐圧、小型化、及び信頼性向上、等の効果を、半導体モジュール１０６が奏するのは当然である。

実施の形態６．
次に、図９を参照して実施の形態６における半導体モジュール１０７について以下に説明する。
本実施の形態６における半導体モジュール１０７と、上述した実施の形態５における半導体モジュール１０６との大きな相違点は、金属シート５の露出面５ａが存在する封止樹脂部８の表面８ｂには、露出面５ａと冷却部１１との間に介在する外半田１２の厚みに相当する高さを有し、封止樹脂部８と一体成形された突出部１３を備えている点である。
以下では、上記相違点に伴う変更部分についてのみ説明を行い、上述の半導体モジュール１０６と同じ構成部分についてはここでの説明を省略する。同様に、実施の形態６の半導体モジュール１０７の製作工程についても、上述の半導体モジュール１０６と同じ部分については説明を省略する。

外半田１２を用いて冷却部１１と金属シート５とが接合されたとき、突出部１３は、外半田１２の外周縁付近に形成されていることが好ましい。さらに、外半田１２の厚さを一定に調節するために、同じ面内に形成された突出部１３は、全て同じ高さにそろえておくことが好ましい。突出部１３は、封止樹脂部８と同時に一体的に形成されるため、その形状は、例えば円柱等の単純な形状であることが好ましい。しかしながら、突出部１３を用いて、外半田１２の厚みを一定に保つことができるものであれば、突出部１３の形状は問わない。例えば、三角柱や四角柱等の形状でもかまわない。

以上のように構成される本実施の形態６の半導体モジュール１０７において、封止樹脂部８における金属シート５の露出面５ａが存在する表面８ｂの周囲に形成されている突出部１３を所定の高さに揃え、かつ、外半田１２を適切な量供給して、半田付け工程を行う。これにより、放熱性を向上させつつ、突出部１３の高さによって耐ヒートサイクル性を確保できる厚さに外半田１２の半田厚を設定することができる。よって、放熱性及び耐ヒートサイクル性の両方の向上要求を満足することができるというメリットがある。

即ち、半導体モジュール１０７の放熱性を向上させるためには、外半田１２の厚みは薄い方が好ましい。一方、封止樹脂部８と冷却部１１との熱膨張率の違いに起因して、温度変化により外半田１２には応力が生じる。よって、外半田１２の厚みを薄くすると、外半田１２にクラックが入りやすくなり、耐ヒートサイクル性が劣化するという問題が生じる。しかしながら、本実施の形態６の半導体モジュール１０７では、突出部１３により、外半田１２に生じる応力を低減でき、耐ヒートサイクル性の向上を図ることができる。

さらに、突出部１３の高さを所定の高さに揃えることで、外半田１２の厚みを一定に揃えることができ、局所的に半田厚が薄くなる部分を無くすことができる。よって、外半田１２の半田付け工程の際、半田供給量が増えた場合でも、外半田１２の厚みは、均一にすることができる。したがって、半田厚が不均一である場合に、半田厚の薄い部分から半田クラックが生じるという問題も回避することができ、耐ヒートサイクル性の向上を図ることができる。

さらに、突出部１３を設けることで、樹脂封止時に封止樹脂部８が絶縁シート２及び金属シート５の周縁部における沿面形成用領域２０に入り込みやすくなる。よって、実施の形態１、２等のように折り畳み部２２を有しない構成で、絶縁シート２及び金属シート５の沿面形成用領域２０を封止動作により折り曲げる構成を採る場合では、上記折り曲げを容易に行うことができるというメリットがある。

尚、半田厚を設定して、全体の半田厚を一定にする方法は、他にも半田付け部にスペーサを設置する方法が知られており、例えばワイヤバンプ等の方法がある。しかしながら、これらの方法は、製造工程において、例えばワイヤバンプであればワイヤ片を取り付ける等の新たな工程を必要とする。それに対して、突出部１３は、封止樹脂部８と一体的に形成されるため、本実施形態６の半導体モジュール１０７を製造する工程において、新たに必要となる工程は一切無いというメリットがある。

以上説明した本実施の形態６における半導体モジュール１０７に特有の効果以外にも、本実施の形態６における半導体モジュール１０７は、上述の実施の形態５の場合と同様に、より放熱性を向上させることができるとともに、上述した実施の形態１における半導体モジュール１０１が奏する絶縁耐圧、小型化、及び信頼性向上、等の効果を奏することができるのは勿論である。

又、上述した各実施の形態４〜６における構成において、実施の形態２あるいは実施の形態３の構成を採用することも可能である。
さらに又、上述した各実施の形態１〜６における構成を任意に組み合わせた構成を採ることも可能である。この場合、組み合わされた実施形態が奏する効果を得ることができる。

１半導体素子、２絶縁シート、３金属ブロック、３ａ実装面、３ｂ裏面、
３ｃ投影面、５金属シート、５ａ露出面、８封止樹脂部、８ａ封止樹脂、
１１冷却部、１２外半田、１３突出部、２０沿面形成用領域、２１角部、
２２折り畳み部、２４面取り部、
１０１〜１０７半導体モジュール。

Claims

金属ブロックと、上記金属ブロックの実装面に実装された半導体素子と、シート状にてなり上記実装面に対向する上記金属ブロックの裏面に接して上記金属ブロックを載置する絶縁シートと、シート状にてなり上記絶縁シートと同形状で一体的に構成され上記絶縁シートを介在させて上記金属ブロックとは反対側に位置する金属シートと、封止樹脂部と、を備えた半導体モジュールにおいて、
上記絶縁シート及び上記金属シートは、載置された上記金属ブロックの投影面以外の領域に対応し上記金属ブロックに接触することなく上記金属ブロック側へ折り曲げられる沿面形成用領域を有し、
上記封止樹脂部は、上記絶縁シート及び上記金属シートにおける上記沿面形成用領域を折り曲げ、かつ上記金属シートにおける上記金属ブロックの投影面に相当する露出面を露出させた状態で、上記金属ブロック、上記半導体素子、並びに、上記絶縁シート及び上記金属シートにおける上記沿面形成用領域を封止し、
上記金属シートは、上記沿面形成用領域として折り曲げられ封止される部分と上記露出面との境界部分に対応して、凹部を有し、この凹部は、封止樹脂にて充填され上記金属シートを固定する、
ことを特徴とする半導体モジュール。
上記絶縁シート及び上記金属シートは、方形状であり、４つの角部に、上記沿面形成用領域を強制的に折り曲げる折り畳み部を有する、請求項１記載の半導体モジュール。
上記金属ブロックは、上記裏面の輪郭を面取り部とした、請求項１又は２に記載の半導体モジュール。
上記金属シートの上記露出面に接続され上記露出面からの放熱を促進する冷却部をさらに備える、請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
上記冷却部は、上記露出面に半田付けされ、上記封止樹脂部は、上記露出面と上記冷却部との間に介在する半田の厚みに相当する高さを有し、当該封止樹脂部と一体成形される突出部を有する、請求項４記載の半導体モジュール。