JP6447842B2 - 半導体モジュール - Google Patents

Description

本発明は、半導体モジュールに関し、さらに詳しくは、リード端子が絶縁基材に接合されたうえで、封止樹脂に封止された半導体モジュールに関する。

インバータ等の半導体モジュールが、車載機器、産業用機器等の電源に使用されている。

半導体モジュールは、特許文献１（特開２０１４−１８３０７８号公報）に開示されるように、複数の半導体スイッチング素子の組合せ、あるいは、複数のスイッチング素子と複数の還流ダイオードとの組合せで回路が構成される。また、半導体モジュールに、周辺回路の受動素子が組込まれる場合もある。

図１４（Ａ）、（Ｂ）に、特許文献１に開示された半導体モジュール（半導体装置）５００を示す。ただし、図１４（Ａ）は、後述する封止樹脂１０８および放熱板１０７ａを省略して示した、半導体モジュール５００の平面図である。また、図１４（Ｂ）は、半導体モジュール５００の断面図であり、図１４（Ａ）のＸ-Ｘ部分を示している。

半導体モジュール５００は、３相出力のインバータであり、３組の同一構成の回路Ｃｉｒ１、Ｃｉｒ２、Ｃｉｒ３が、並列に接続されている。

回路Ｃｉｒ１を例にとって説明する。なお、図１４（Ｂ）は、半導体モジュール５００の回路Ｃｉｒ１部分の断面を示している。

回路Ｃｉｒ１は、２個の半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ）１０１ａ、１０１ｂと、２個のダイオード１０２ａ、１０２ｂと、リード端子１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃ、１０５ｄ、１０５ｅと、放熱板（ヒートシンク）１０７ａ、１０７ｂとで構成されている。

具体的には、半導体スイッチング素子１０１ａの一方の電源電極パッド（図示せず）が、はんだ１０４によりリード端子１０５ａに接合され、他方の電源電極パッド（図示せず）が、はんだ１０４により放熱板１０７ａに接合されている。また、半導体スイッチング素子１０１ａの信号電極パッド（図示せず）が、ワイヤー１０３ａによりリード端子１０５ｂにワイヤーボンディングされている。さらに、リード端子１０５ａと放熱板１０７ａとの間には、ダイオード１０２ａが、半導体モジュール１０１ａと並列に接続されている。

同様に、半導体スイッチング素子１０１ｂの一方の電源電極パッド（図示せず）が、はんだ１０４によりリード端子１０５ａに接合され、他方の電源電極パッド（図示せず）が、はんだ１０４により放熱板１０７ｂに接合されている。また、半導体スイッチング素子１０１ｂの信号電極パッド（図示せず）が、ワイヤー１０３ｂによりリード端子１０５ｃにワイヤーボンディングされている。さらに、リード端子１０５ａと放熱板１０７ｂとの間には、ダイオード１０２ｂが、半導体モジュール１０１ｂと並列に接続されている。

残りの２組の回路Ｃｉｒ２、Ｃｉｒ３も、上述した回路Ｃｉｒ１と同じ構造からなる。したがって、半導体モジュール５００においては、放熱板１０７ａと１０７ｂとの間に、３組の回路Ｃｉｒ１、Ｃｉｒ２、Ｃｉｒ３が、並列に接続されていることになる。そして、共通のリード端子として、放熱板１０７ａにリード端子１０５ｄが、放熱板１０７ｂにリード端子１０５ｅが、それぞれ接続されている。

リード端子１０５ｄが接続された放熱板１０７ａと、リード端子１０５ｅが接続された放熱板１０７ｂとの間に、３組の回路Ｃｉｒ１、Ｃｉｒ２、Ｃｉｒ３が並列に接続された構造体Ｓは、封止樹脂１０８に封止されている。封止樹脂１０８の側面からは、リード端子１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃ、１０５ｄ、１０５ｅが導出されている。また、封止樹脂１０８の両主面には、放熱板１０７ａ、１０７ｂが露出されている。

特開２０１４−１８３０７８号公報

上述した半導体モジュール５００においては、封止樹脂１０８から、多数のリード端子が外部に導出されている。すなわち、少なくとも、回路Ｃｉｒ１に接続されたリード端子１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃと、回路Ｃｉｒ２に接続されたリード端子１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃと、回路Ｃｉｒ３に接続されたリード端子１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃと、共通のリード端子１０５ｄ、１０５ｅが、それぞれ、封止樹脂１０８から外部に導出されている。

しかしながら、多数のリード端子１０５ａ〜１０５ｅが固定されずに封止樹脂１０８内に配置された構造からなる半導体モジュール５００は、製造が困難であるとともに、接続不良などの品質不良を起こしやすい。

すなわち、まず、半導体モジュール５００の製造工程においては、半導体スイッチング素子１０１ａの信号電極パッド（図示せず）とリード端子１０５ｂとの間をワイヤー１０３ａによりワイヤーボンディングし、半導体スイッチング素子１０１ｂの信号電極パッド（図示せず）とリード端子１０５ｃとの間をワイヤー１０３ｂによりワイヤーボンディングするが、リード端子１０５ｂ、１０５ｃが何かに固定されていないと、これらのワイヤーボンディングは困難であり、接続不良による品質不良も起こしやすい。

また、半導体モジュール５００の製造工程における封止樹脂１０８の形成は、リード端子１０５ｄが接続された放熱板１０７ａと、リード端子１０５ｅが接続された放熱板１０７ｂとの間に、３組の回路Ｃｉｒ１、Ｃｉｒ２、Ｃｉｒ３が並列に接続された構造体Ｓを、リード端子１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃ、１０５ｄ、１０５ｅを外部に導出した状態で金型（図示せず）内に収容し、金型内に樹脂をトランスファーモールドして形成する方法が一般的である。

しかしながら、リード端子１０５ａ〜１０５ｅが固定されていないため、構造体Ｓを金型内に収容する作業は非常に困難である。

また、リード端子１０５ａ〜１０５ｅが固定されていないため、金型内に樹脂をトランスファーモールドして封止樹脂１０８を形成する際に、リード端子１０５ａ〜１０５ｅが樹脂に押されて動いてしまい、ワイヤー１０３ａ、１０３ｂによるワイヤーボンディングが断線したり、はんだ１０４による接合が外れたりし、接続不良による品質不良が発生する虞があった。

たとえば、ワイヤー１０３ａによるリード端子１０５ｂと半導体スイッチング素子１０１ａの信号電極パッドとの間のワイヤーボンディングや、ワイヤー１０３ｂによるリード端子１０５ｃと半導体スイッチング素子１０１ｂの信号電極パッドとの間のワイヤーボンディングが断線する虞があった。また、はんだ１０４による、リード端子１０５ａと、半導体スイッチング素子１０１ａの他方の電極パッド、半導体スイッチング素子１０１ｂの一方の電極パッド、ダイオード１０２ａ、１０２ｂとの接合が外れる虞があった。さらに、はんだ（図示せず）による、リード端子１０５ｄと放熱板１０７ａとの接合や、リード端子１０５ｅと放熱板１０７ｂとの接合が外れる虞があった。

以上のように、多数のリード端子１０５ａ〜１０５ｅが固定されずに封止樹脂１０８内に配置された構造からなる半導体モジュール５００は、製造が困難であるとともに、接続不良などの品質不良を起こしやすかった。

本発明は、上述した従来の問題を解決するためになされたものであり、その手段として本発明の半導体モジュールは、少なくとも、複数の半導体スイッチング素子と、複数のリード端子とが、封止樹脂に封止され、封止樹脂には、さらに、複数の板状の絶縁基材が封止され、絶縁基材には、リード端子が接合され、絶縁基材が、封止樹脂内において、上下方向に間隔を空けて、少なくとも３層に分けて配置されることにより、リード端子も、封止樹脂内において、上下方向に間隔を空けて、少なくとも３層に分けて配置され、半導体スイッチング素子は、一方の主面に信号電極パッドと一方の電源電極パッドが形成され、他方の主面に他方の電源電極パッドが形成され、半導体スイッチング素子の両主面に形成された電源電極パッドは、直接または間接に、所定のリード端子に接合され、半導体スイッチング素子の一方の主面に形成された信号電極パッドは、ワイヤーにより、所定のリード端子にワイヤーボンディングされ、リード端子の少なくとも一部のものが、封止樹脂から外部に導出され、少なくとも３層に分けて配置されたリード端子のうち、少なくとも１層に配置されたリード端子が、両主面において、異なる２枚の絶縁基材に接合されており、その２枚の絶縁基材の間に、封止樹脂が充填されるようにした。

なお、絶縁基材に、両主面間を貫通した開口が形成され、その開口に、その絶縁基材に接合されたリード端子の少なくとも一部分が配置されていることが好ましい。この場合には、その開口部分において、その絶縁基材に接合されたリード端子と、その絶縁基材のリード端子が接合されていない主面の側に配置された部材、たとえば金属ブロックとの、はんだ等による接合を行うことができる。

また、絶縁基材がフィラーの含有された樹脂からなり、封止樹脂がフィラーの含有されていない樹脂からなるものとすることができる。あるいは、絶縁基材および封止樹脂がフィラーの含有された樹脂からなり、その封止樹脂のフィラーの含有体積率を、その絶縁基材のフィラーの含有体積率よりも低いものとすることができる。これらの場合には、絶縁基材を、フィラーが十分に含有された高い強度を備えた樹脂で形成し、封止樹脂を、流動性の高い、トランスファーモールドをしやすい樹脂で形成することができる。

また、絶縁基材がセラミックスからなり、リード端子が、少なくとも、セラミックスの構成成分と反応する活性な金属と、Ａｇと、Ｃｕとを含む合金を介して、絶縁基材に接合されたものとすることができる。この場合には、高い強度を備えた絶縁基材に、リード端子を強固に接合することができる。

なお、本発明の半導体モジュールは、少なくとも３層に分けて配置されたリード端子のうち、少なくとも１層に配置されたリード端子が、両主面において、異なる２枚の絶縁基材に接合されており、その２枚の絶縁基材の間に、封止樹脂が充填されたものとしている。上述のように、たとえば、絶縁基材をフィラーの含有された樹脂、封止樹脂をフィラーの含有されていない樹脂で形成した場合、あるいは、絶縁基材および封止樹脂をフィラーの含有された樹脂で形成するが、その絶縁基材のフィラーの含有体積率を、その封止樹脂のフィラーの含有体積率よりも高いものとした場合、絶縁基材の線膨張率と封止樹脂の線膨張率とが異なってしまう。すなわち、絶縁基材の線膨張率が、封止樹脂の線膨張率よりも小さくなってしまう。しかしながら、半導体モジュールは、半導体スイッチング素子が発熱するため、絶縁基材の線膨張率と封止樹脂の線膨張率とが異なると、両者の界面が剥離してしまう虞がある。そして、絶縁基材と封止樹脂との界面が剥離すると、ワイヤーボンディングが断線したり、はんだによる接合が外れたりし、接続不良による品質不良が発生する虞がある。しかしながら、リード端子を、両主面において、異なる２枚の絶縁基材に接合し、その２枚の絶縁基材の間に封止樹脂が充填すると、線膨張率の差による絶縁基材と封止樹脂との界面の剥離を抑制することができる。

また、少なくとも１個の半導体スイッチング素子の一方の主面に形成された電源電極パッドを、金属ブロックを介して、所定のリード端子に接合するようにしても良い。この場合には、半導体スイッチング素子とリード端子との間の距離を大きくすることができるため、ワイヤーによる半導体スイッチング素子の信号電極パッドと他のリード端子との間のワイヤーボンディングが容易になる。

また、封止樹脂の少なくとも一方の主面から、放熱板が露出されたものとしても良い。この場合には、半導体スイッチング素子の発熱を、効率良く拡散させることができる。

封止樹脂に、さらに受動素子を封止するようにしても良い。たとえば、受動素子として、半導体スイッチング素子と中間端子との間にシャント抵抗素子を挿入し封止樹脂に封止すれば、シャント抵抗素子の両電極間の電圧を監視することにより、半導体スイッチング素子の異常電流を検知することができる。あるいは、受動素子として、別回路系統に接続されたサーミスタ素子を封止樹脂に封止すれば、半導体スイッチング素子の異常発熱を検知することができる。

また、封止樹脂に、さらに還流ダイオードを封止するようにしても良い。

半導体モジュールは、たとえば、インバータとすることができる。

本発明の半導体モジュールは、リード端子が絶縁基材に接合されたうえで封止樹脂に封止されているので、製造が容易である。たとえば、リード端子にワイヤーボンディングする工程や、封止樹脂をトランスファーモールドにより形成する工程が容易である。

また、本発明の半導体モジュールは、リード端子が絶縁基材に接合されたうえで封止樹脂に封止されているので、製造工程において、ワイヤーボンディングの断線や、はんだ接合が外れることによる接続不良が起こりにくく、信頼性が高いものになっている。

図１（Ａ）は、第１実施形態にかかる半導体モジュール１００を示す斜視図である。図１（Ｂ）は、半導体モジュール１００を示す断面図であり、図１（Ａ）のＸ-Ｘ部分を示している。 図２は、半導体モジュール１００を示す分解斜視図である。 図３は、半導体モジュール１００の等価回路図である。 図４（Ａ）、（Ｂ）は、絶縁基材を、厚みの大きい１枚の絶縁基材６ｘで形成した場合と、厚みの小さい２枚の絶縁基材６ｂ、６ｃで形成した場合の、それぞれの界面応力を示す説明図である。 図５は、半導体モジュール１００の製造方法の一例において適用される工程を示す斜視図である。 図６は、半導体モジュール１００の製造方法の一例において適用される工程を示す斜視図である。 図７は、半導体モジュール１００の製造方法の一例において適用される工程を示す斜視図である。 図８は、半導体モジュール１００の製造方法の一例において適用される工程を示す斜視図である。 図９は、半導体モジュール１００の製造方法の一例において適用される工程を示す斜視図である。 図１０は、半導体モジュール１００の製造方法の一例において適用される工程を示す斜視図である。 図１１は、第２実施形態にかかる半導体モジュール２００を示す断面図である。 図１２は、第３実施形態にかかる半導体モジュール３００を示す斜視図である。 図１３（Ａ）は、第４実施形態にかかる半導体モジュール４００を示す斜視図である。図１３（Ｂ）は、半導体モジュール４００の等価回路図である。 図１４（Ａ）は、特許文献１に開示された従来の半導体モジュール５００を示す平面図である。図１４（Ｂ）は、半導体モジュール５００を示す断面図であり、図１４（Ａ）のＸ-Ｘ部分を示している。

以下、図面とともに、本発明を実施するための形態について説明する。

［第１実施形態］
図１（Ａ）、（Ｂ）、図２、図３に、本発明の第１実施形態にかかる半導体モジュール１００を示す。

ただし、図１（Ａ）は、半導体モジュール１００の斜視図である。図１（Ｂ）は、半導体モジュール１００の断面図であり、図１（Ａ）のＸ-Ｘ部分を示している。なお、図１
（Ｂ）においては、後述する封止樹脂８の図示を省略して、その部分を破線で示している。

図２は、半導体モジュール１００の分解斜視図である。なお、図２においても、封止樹脂８の図示を省略している。図３は、半導体モジュール１００の等価回路図である。

半導体モジュール１００はインバータである。

半導体モジュール１００は、４枚の矩形、板状の絶縁基材６ａ、６ｂ、６ｃ６ｄを備える。絶縁基材６ａ〜６ｄは、たとえば、強度を高めるためのフィラーが充填されたエポキシ、ポリイミド等の樹脂からなる。

絶縁基材６ａの中央部分には、両主面間を貫通して、矩形の開口７ａが形成されている。絶縁基材６ｂの中央部分には、両主面間を貫通して、２つの矩形の開口７ｂ、７ｃが形成されている。絶縁基材６ｃの中央部分には、両主面間を貫通して、矩形の開口７ｄが形成されている。絶縁基材６ｄの中央部分には、両主面間を貫通して、２つの矩形の開口７ｅ、７ｆが形成されている。開口７ａ、７ｂ、７ｄ、７ｅの開口面積は、開口７ｃ、７ｆの開口面積よりも大きい。絶縁基材６ａの一方の主面（図２において上側の主面）には、Ｌ字形状で、板状のリード端子５１ａが固定されている。リード端子５１ａは、開口７ａから、絶縁基材６ａの他方の主面（図２において下側の主面）側に露出されている。

絶縁基材６ｂと絶縁基材６ｃとは、間に６本のリード端子５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ、５２ｅ、５２ｆが固定されることにより一体化されている。リード端子５２ａ、５２ｂ、５２ｃの幅は、リード端子５２ｄ、５２ｅ、５２ｆの幅よりも大きい。リード端子５２ａ、５２ｂ、５２ｃは、絶縁基材６ｂおよび６ｃの一方の辺に沿って、それぞれの一端が絶縁基材６ｂおよび６ｃから導出されるとともに、それぞれの他端が開口７ｂおよび７ｄから露出されて固定されている。リード端子５２ｄ、５２ｅ、５２ｆは、絶縁基材６ｂおよび６ｃの他方の辺に沿って、それぞれの一端が絶縁基材６ｂおよび６ｃから導出されるとともに、それぞれの他端が開口７ｃから露出されて固定されている。

絶縁基材６ｄの他方の主面（図２において下側の主面）には、Ｌ字形状で、板状のリード端子５３ａが固定されている。リード端子５３ａは、開口７ｅから、絶縁基材６ｄの一方の主面（図２において上側の主面）側に露出されている。さらに、絶縁基材６ｄの他方の主面には、３本のリード端子５３ｂ、５３ｃ、５３ｄが固定されている。リード端子５３ｂ、５３ｃ、５３ｄの幅は、リード端子５２ｄ、５２ｅ、５２ｆの幅と同じ大きさである。リード端子５３ｂ、５３ｃ、５３ｄは、絶縁基材６ｄの一方の辺に沿って、それぞれの一端が絶縁基材６ｄから導出されるとともに、それぞれの他端が開口７ｆから絶縁基材６ｄの一方の主面側に露出されて固定されている。

リード端子５１ａ〜５３ｄには、たとえば、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｚｒ等の金属が使用される。

半導体モジュール１００は、６個の半導体スイッチング素子１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆを備える。本実施形態においては、半導体スイッチング素子１ａ〜１ｆとしてＭＯＳＦＥＴを使用した。半導体モジュール１００は、半導体スイッチング素子１ａ〜１ｆにＭＯＳＦＥＴを使用しているため、還流ダイオードを使用することなく、インバータが構成されている。

半導体スイッチング素子１ａ〜１ｆは、それぞれ、一方の主面（図２において上側の主面）に、一方の電源電極パッド（図示せず）と、信号電極パッド（図示しているが符号は付与していない）とが形成され、他方の主面（図２において下側の主面）に、他方の電源電極パッド（図示せず）が形成されている。

半導体スイッチング素子１ａは、はんだ４により、他方の電源電極パッドが、開口７ｂ部分において、絶縁基材６ｂと６ｃとの間に固定されたリード端子５２ａに接合されている。

半導体スイッチング素子１ｂは、はんだ４により、他方の電源電極パッドが、開口７ｂ部分において、絶縁基材６ｂと６ｃとの間に固定されたリード端子５２ｂに接合されている。

半導体スイッチング素子１ｃは、はんだ４により、他方の電源電極パッドが、開口７ｂ部分において、絶縁基材６ｂと６ｃとの間に固定されたリード端子５２ｃに接合されている。

半導体スイッチング素子１ｄ、１ｅ、１ｆは、それぞれ、はんだ４により、開口７ｅ部分において、絶縁基材６ｄに固定されたリード端子５３ａに接合されている。

また、半導体スイッチング素子１ａの信号電極パッドは、ワイヤー３ａにより、開口７ｃ部分において、絶縁基材６ｂと６ｃとの間に固定されたリード端子５２ｄにワイヤーボンディングされている。

半導体スイッチング素子１ｂの信号電極パッドは、ワイヤー３ｂにより、開口７ｃ部分において、絶縁基材６ｂと６ｃとの間に固定されたリード端子５２ｅにワイヤーボンディングされている。

半導体スイッチング素子１ｃの信号電極パッドは、ワイヤー３ｃにより、開口７ｃ部分において、絶縁基材６ｂと６ｃとの間に固定されたリード端子５２ｆにワイヤーボンディングされている。

半導体スイッチング素子１ｄの信号電極パッドは、ワイヤー３ｄにより、開口７ｆ部分において、絶縁基材６ｄに固定されたリード端子５３ｂにワイヤーボンディングされている。

半導体スイッチング素子１ｅの信号電極パッドは、ワイヤー３ｅにより、開口７ｆ部分において、絶縁基材６ｄに固定されたリード端子５３ｃにワイヤーボンディングされている。

半導体スイッチング素子１ｆの信号電極パッドは、ワイヤー３ｆにより、開口７ｆ部分において、絶縁基材６ｄに固定されたリード端子５３ｄにワイヤーボンディングされている。

ワイヤー３ａ〜３ｆには、たとえば、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕ等の金属が使用される。

また、半導体スイッチング素子１ａの一方の電源電極パッドに、はんだ４により、直方体の金属ブロック２ａが接合されている。

半導体スイッチング素子１ｂの一方の電源電極パッドに、はんだ４により、直方体の金属ブロック２ｂが接合されている。

半導体スイッチング素子１ｃの一方の電源電極パッドに、はんだ４により、直方体の金属ブロック２ｃが接合されている。

半導体スイッチング素子１ｄの一方の電源電極パッドに、はんだ４により、直方体の金属ブロック２ｄが接合されている。

半導体スイッチング素子１ｅの一方の電源電極パッドに、はんだ４により、直方体の金属ブロック２ｅが接合されている。

半導体スイッチング素子１ｆの一方の電源電極パッドに、はんだ４により、直方体の金属ブロック２ｆが接合されている。

金属ブロック２ａ〜２ｆには、たとえば、Ｃｕ、Ａｌ、Ｆｅ、Ａｇ等の金属が使用される。

そして、金属ブロック２ａ、２ｂ、２ｃが、はんだ４により、開口７ａ部分において、絶縁基材６ａに固定されたリード端子５１ａに接合されている。

金属ブロック２ｄが、はんだ４により、開口７ｄ部分において、絶縁基材６ｂと６ｃの間に固定されたリード端子５２ａに接合されている。

金属ブロック２ｅが、はんだ４により、開口７ｄ部分において、絶縁基材６ｂと６ｃの間に固定されたリード端子５２ｂに接合されている。

金属ブロック２ｆが、はんだ４により、開口７ｄ部分において、絶縁基材６ｂと６ｃの間に固定されたリード端子５２ｃに接合されている。

この結果、半導体スイッチング素子１ａ〜１ｆ、金属ブロック２ａ〜２ｆ、リード端子５１ａ〜５３ｄ、絶縁基材６ａ〜６ｄ等が一体化され、構造体Ｓが形成される。構造体Ｓは、側面からリード端子５１ａ〜５３ｄを外部に導出させて、封止樹脂８内に封止されている。封止樹脂８には、たとえば、エポキシ、ポリイミド等が使用される。

封止樹脂８は、後述するように、トランスファーモールドにより形成されるため、高い流動性が求められる。したがって、封止樹脂８には、フィラーが含有されないか、あるいは、含有されるとしても、封止樹脂８のフィラーの含有体積率は、絶縁基材６ａ〜６ｄに使用した樹脂のフィラーの含有体積率よりも低く設定される。

なお、半導体モジュール１００においては、絶縁基材６ｂと絶縁基材６ｃとの間にも、封止樹脂８が充填されている。この構造は、絶縁基材６ｂ、６ｃと、封止樹脂８との界面の剥離を防止する機能を有する。

上述のように、絶縁基材６ａ〜６ｄに使用する樹脂には、強度を高めるためにフィラーが充填されている。これに対し、封止樹脂８に使用する樹脂には、流動性が求められるため、フィラーが含有されないか、あるいは、含有されるとしても、そのフィラーの含有体積率は、絶縁基材６ａ〜６ｄに使用した樹脂のフィラーの含有体積率よりも低く設定される。この結果、絶縁基材６ａ〜６ｄの線膨張率と、封止樹脂８の線膨張率とに差が発生してしまう。たとえば、絶縁基材６ａ〜６ｄの線膨張率は１０〜１５ｐｐｍ／℃程度になり、封止樹脂８の線膨張率は２０ｐｐｍ／℃以上になる。

しかしながら、絶縁基材６ａ〜６ｄの線膨張率と、封止樹脂８の線膨張率とに差があると、絶縁基材６ａ〜６ｄと封止樹脂８との界面の剥離の原因になる場合がある。すなわち、半導体モジュール１００は、半導体スイッチング素子１ａ〜１ｆが高い熱を発生させるため、封止樹脂８は内部ほど高温になる。

このとき、図４（Ａ）に示すように、封止樹脂８の内部に、厚みの大きい絶縁基材６ｘを封止していると、封止樹脂８と絶縁基材６ｘとの体積変位差により、大きな界面応力が発生し、絶縁基材６ｘが封止樹脂８から剥離してしまう。

そこで、半導体モジュール１００では、図４（Ｂ）に示すように、絶縁基材６ｘを、厚みの小さい２枚の絶縁基材６ｂ、６ｃに分け、絶縁基材６ｂと６ｃとの間に封止樹脂８を充填するようにした。この結果、封止樹脂８と絶縁基材６ｂ、６ｃとの体積変位差が小さくなり、界面応力が小さくなるため、絶縁基材６ｂ、６ｃが封止樹脂８から剥離することが防止される。絶縁基材６ｂ、６ｃと封止樹脂８との界面が剥離すると、ワイヤーボンディング３ａ〜３ｆが断線したり、はんだ４による接合が外れたりし、接続不良の原因となるが、半導体モジュール１００においてはそのような虞がない。以上の構造からなる、本発明の第１実施形態にかかる半導体モジュール１００は、図３に示す等価回路を備えたインバータを構成している。半導体モジュール１００は、リード端子５３ａがＰ側端子に該当し、リード端子５１ａがＮ側端子に該当する。また、リード端子５２ａ、５２ｂ、５２ｃが、それぞれ、中間端子に該当する。また、リード端子５２ｄ、５２ｅ、５２ｆ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄが、それぞれ、ゲート端子に該当する。

第１実施形態にかかる半導体モジュール１００は、たとえば、図５〜１０に示す方法で製造することができる。なお、図５〜１０は斜視図である。

まず、図５に示すように、絶縁基材６ａ〜６ｄと、リード端子５１ａ〜５３ｄとを準備する。絶縁基材６ａには、予め開口７ａが形成されている。絶縁基材６ｂには、予め開口７ｂ、７ｃが形成されている。絶縁基材６ｄには、予め開口７ｄが形成されている。絶縁基材６ｄには、予め開口７ｅ、７ｆが形成されている。

続いて、リード端子５１ａ〜５３ｄを、絶縁基材６ａ〜６ｄに固定する。固定は、たとえば、接着剤によりおこなう。固定後の状態を、図６に示す。

次に、半導体スイッチング素子１ａ〜１ｆを準備する。続いて、図７に示すように、半導体スイッチング素子１ａ〜１ｆの他方の電源電極パッド（図７において各半導体スイッチング素子１ａ〜１ｆの下側の主面に形成されている）を、はんだ（図示せず）により、リード端子５２ａ〜５２ｃおよび５３ａに接合する。より詳細には、開口７ｂ部分において、半導体スイッチング素子１ａの他方の電源電極パッドをリード端子５２ａに、半導体スイッチング素子１ｂの他方の電源電極パッドをリード端子５２ｂに、半導体スイッチング素子１ｃの他方の電源電極パッドをリード端子５２ｃに、それぞれ接合する。また、開口７ｅ部分において、半導体スイッチング素子１ｄ〜１ｆの他方の電源電極パッドを、リード端子５３ａに、それぞれ接合する。

なお、本工程においては、予めリード端子５２ａ〜５２ｃが絶縁基材６ｂ、６ｃに固定され、リード端子５３ａが絶縁基材６ｄに固定されているため、リード端子が固定されずに個々に配置されている場合よりも、半導体スイッチング素子１ａ〜１ｆのリード端子５２ａ〜５２ｃ、５３ａへの接合が容易になっている。すなわち、半導体モジュール１００は、従来のものより製造が容易になっている。

次に、金属ブロック２ａ〜２ｆを準備する。続いて、図８に示すように、半導体スイッチング素子１ａ〜１ｆの一方の電源電極パッド（図８において各半導体スイッチング素子１ａ〜１ｆの上側の主面に形成されている）に、はんだ（図示せず）により、金属ブロック２ａ〜２ｆを接合する。より詳細には、半導体スイッチング素子１ａの一方の電源電極パッドに金属ブロック２ａを、半導体スイッチング素子１ｂの一方の電源電極パッドに金属ブロック２ｂを、半導体スイッチング素子１ｃの一方の電源電極パッドに金属ブロック２ｃを、半導体スイッチング素子１ｄの一方の電源電極パッドに金属ブロック２ｄを、半導体スイッチング素子１ｅの一方の電源電極パッドに金属ブロック２ｅを、半導体スイッチング素子１ｆの一方の電源電極パッドに金属ブロック２ｆを、それぞれ接合する。

次に、図９に示すように、半導体スイッチング素子１ａ〜１ｆの信号電極パッド（図示しているが符号は付与していない）と、リード端子５２ｄ〜５２ｆおよび５３ｂ〜５３ｄとを、ワイヤー３ａ〜３ｆにより、ワイヤーボンディングする。より詳細には、開口７ｃ部分において、半導体スイッチング素子１ａの信号電極パッドとリード端子５２ｄとをワイヤー３ａにより、半導体スイッチング素子１ｂの信号電極パッドとリード端子５２ｅとをワイヤー３ｂにより、半導体スイッチング素子１ｃの信号電極パッドとリード端子５２ｆとをワイヤー３ｃにより、それぞれ、ワイヤーボンディングする。また、開口７ｆ部分において、半導体スイッチング素子１ｄの信号電極パッドとリード端子５３ｂとをワイヤー３ｄにより、半導体スイッチング素子１ｅの信号電極パッドとリード端子５３ｃとをワイヤー３ｅにより、半導体スイッチング素子１ｆの信号電極パッドとリード端子５３ｄとをワイヤー３ｆにより、それぞれ、ワイヤーボンディングする。

なお、本工程においては、予めリード端子５２ａ〜５２ｆが絶縁基材６ｂ、６ｃに固定され、リード端子５３ａ〜５３ｄが絶縁基材６ｄに固定されているため、リード端子が固定されずに個々に配置されるとともに、そのようなリード端子に半導体スイッチング素子が接合されている場合よりも、ワイヤー３ａ〜３ｆのワイヤーボンディングが容易になっている。すなわち、半導体モジュール１００は、従来のものより製造が容易になっている。

次に、図１０に示すように、金属ブロック２ａ〜２ｆと、リード端子５１ａおよび５２ａ〜５２ｃとを、はんだ（図示せず）により接合する。より詳細には、開口７ｂ部分において、金属ブロック２ａ〜２ｃとリード端子５１ａとを、それぞれ接合する。また、開口７ｂおよび７ｄ部分において、金属ブロック２ｄとリード端子５２ａとを、金属ブロック２ｅとリード端子５２ｂとを、金属ブロック２ｆとリード端子５２ｃとを、それぞれ接合する。この結果、リード端子５１ａ〜５３ｄが固定された絶縁基材６ａ〜６ｄと、半導体スイッチング素子１ａ〜１ｆ、金属ブロック２ａ〜２ｆ等が一体化され、構造体Ｓが形成される。

なお、本工程においては、予めリード端子５２ａ〜５２ｃが絶縁基材６ｂ、６ｃに固定されているため、リード端子が固定されずに個々に配置されている場合よりも、金属ブロック２ｄ〜２ｆとリード端子５２ａ〜５２ｃとの、はんだによる接合が容易になっている。すなわち、半導体モジュール１００は、従来のものより製造が容易になっている。

次に、図示しないが、構造体Ｓを、リード端子５１ａ〜５３ｄを外部に導出させて、金型内に収容する。続いて、金型内に樹脂をトランスファーモールドして、封止樹脂８を形成し、リード端子５１ａ〜５３ｄを外部に導出させて、構造体Ｓを封止樹脂８内に封止して、第１実施形態にかかる半導体モジュール１００を完成させる。

なお、本工程においては、予めリード端子５１ａが絶縁基材６ａに固定され、リード端子５２ａ〜５２ｆが絶縁基材６ｂ、６ｃに固定され、リード端子５３ａ〜５３ｄが絶縁基材６ｄに固定されているため、これらを金型内に収容するのが容易になっている。また、絶縁基材６ａ〜６ｄに固定されることにより、リード端子５１ａ〜５３ｄは、金型内に樹脂をトランスファーモールドする際に、樹脂に押されて動くことが抑制されており、ワイヤーボンディングが断線したり、はんだによる接合が外れたりすることが抑制されている。すなわち、半導体モジュール１００は、従来のものより製造が容易かつ信頼性の高いものになっている。

［第２実施形態］
図１１に、第２実施形態にかかる半導体モジュール２００を示す。ただし、図１１は、半導体モジュール２００の断面図である。図１〜３に示した第１実施形態にかかる半導体モジュール１００では、半導体スイッチング素子１ａ〜１ｓにＭＯＳＦＥＴを使用した。そのため、半導体モジュール１００では、還流ダイオードを使用することなく、インバータが構成された。

これに対し、第２実施形態にかかる半導体モジュール２００では、半導体スイッチング素子１ａ〜１ｓにＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor；絶縁ゲートバイポー
ラトランジスタ）を使用した。したがって、半導体モジュール２００には、６個のダイオード９ａ〜９ｆが使用されている（図１１において、ダイオード９ｃ、９ｆのみを図示）。

図１１に示すように、半導体モジュール２００では、絶縁基材６ａに、リード端子５１ｓ、５１ｔが固定されている。また、絶縁基材６ｂと６ｃとの間に、リード端子５２ｓ、５２ｔが固定されている。さらに、絶縁基材６ｄに、リード端子５３ｓ、５３ｔ、５３ｕが固定されている。

そして、リード端子５１ｔと５２ｓとの間に、金属ブロック２ｃが固定された半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ）１ｃが挿入されている。なお、半導体スイッチング素子１ｃの信号電極パッド（図示せず）は、ワイヤー３ｃにより、リード端子５２ｔにワイヤーボンディングされている。

同様に、リード端子５２ｓと５３ｔとの間に、金属ブロック２ｆが固定された半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ）１ｆが挿入されている。なお、半導体スイッチング素子１ｆの信号電極パッド（図示せず）は、ワイヤー３ｆにより、リード端子５３ｕにワイヤーボンディングされている。

そして、リード端子５１ｓと５２ｓとの間に、はんだ４により金属ブロック１２ｃが固定されたダイオード９ｃが挿入されている。

同様に、リード端子５２ｓと５３ｓとの間に、はんだ４により金属ブロック１２ｆが固定されたダイオード９ｆが挿入されている。

以上のように、半導体モジュール２００においては、半導体スイッチング素子１ａ〜１ｓにＩＧＢＴを使用し、さらにダイオード９ａ〜９ｆを使用して、インバータが構成されている。

［第３実施形態］
第３実施形態にかかる半導体モジュール３００を、図１２に示す。ただし、図１２は、半導体モジュール３００の断面図である。

第３実施形態にかかる半導体モジュール３００は、図１〜３に示した第１実施形態にかかる半導体モジュール１００に、放熱板１０ａ、１０ｂを追加した。

具体的には、半導体モジュール１００のリード端子５１ａの絶縁基材６ａが固定されていない側の主面に、新たに絶縁基材６ｆを固定し、絶縁基材６ｆに放熱板１０ａを固定した。放熱板１０ａは、封止樹脂８の上側の主面から外部に露出されている。

同様に、半導体モジュール１００のリード端子５３ａ、５３ｄの絶縁基材６ｄが固定されていない側の主面に、新たに絶縁基材６ｇを固定し、絶縁基材６ｇに放熱板１０ｂを固定した。放熱板１０ｂは、封止樹脂８の下側の主面から外部に露出されている。

半導体モジュール３００の他の構成は、半導体モジュール１００の構成と同じにした。

半導体モジュール３００のように、放熱板１０ａ、１０ｂを設けると、スイッチング素子１ａ〜１ｆが発生させる熱を、効率良く放散させることができる。

［第４実施形態］
第４実施形態にかかる半導体モジュール４００を、図１３（Ａ）、（Ｂ）に示す。ただし、図１３（Ａ）は、半導体モジュール４００の断面図である。図１３（Ｂ）は、半導体モジュール４００の等価回路図である。

第４実施形態にかかる半導体モジュール４００は、図１〜３に示した第１実施形態にかかる半導体モジュール１００に、３個のシャント抵抗素子２０を追加した。
具体的には、半導体モジュール４００は、図１３（Ａ）に示すように、シャント抵抗素子２０が追加されている。

半導体モジュール４００は、シャント抵抗素子２０を追加するために、第１実施形態にかかる半導体モジュール１００において絶縁基材６ｂと６ｃとの間に固定されていた１本のリード端子５２ｃを短くするとともに、リード端子５２ｃと５２ｆとの間に、新たにリード端子５２ｇを固定している。

そして、底面に１対の電極パッドが形成されたシャント抵抗素子２０を用意し、はんだ４により、一方の電極パッドをリード端子５２ｃに、他方の電極パッドをリード端子５２ｇに接合している。

なお、半導体スイッング素子１ｃの他方の電源電極パッド（図示せず）は、第１実施形態 にかかる半導体モジュール１００において接合されていたリード端子５２ｃに代えて、リード端子５２ｇに接合されている。

あと２個のシャント抵抗素子２０も、同様の方法により、半導体モジュール４００に追加されている。

半導体モジュール４００は、図１３（Ｂ）に示す等価回路を備えている。すなわち、半導体スイッチング素子１ａと１ｄの接続点と、中間端子であるリード端子５２ａとの間に、シャント抵抗素子２０が挿入されている。また、半導体スイッチング素子１ｂと１ｅの接続点と、中間端子であるリード端子５２ｂとの間に、シャント抵抗素子２０が挿入されている。また、半導体スイッチング素子１ｃと１ｆの接続点と、中間端子であるリード端子５２ｃとの間に、シャント抵抗素子２０が挿入されている。

半導体モジュール４００は、各シャント抵抗素子２０の両電源極パッド間の電圧を監視することにより、異常電流の発生を検出することができる。

［第５実施形態］
第５実施形態にかかる半導体モジュール５００は、第１実施形態にかかる半導体モジュール１００の構成要素の材質に一部変更を加えた。構造そのものには変更がないので、半導体モジュール１００を説明した図１、図２を援用して半導体モジュール５００を説明する。

半導体モジュール１００では、絶縁基材６ａ〜６ｄに、フィラーが充填されたエポキシ、ポリイミド等の樹脂を用いた。半導体モジュール５００では、これに代えて、絶縁基材６ａ〜６ｄにセラミックスを用いた。より具体的には、絶縁基材６ａ〜６ｄを構成するセラミックスに、たとえば、窒化珪素、窒化アルミニウム、アルミナなどを主成分とするセラミックスを用いた。

また、半導体モジュール１００では、リード端子５１ａ、５２ａ〜５２ｆ、５３ａ〜５３ｄの絶縁基材６ａ〜６ｄへの接合に接着剤を用いた。半導体モジュール５００では、これに代えて、この部分の接合に、少なくとも、セラミックスの構成成分と反応する活性な金属と、Ａｇと、Ｃｕとを含む合金（図示せず）を用いた。本実施形態においては、具体的には、セラミックスの構成成分と反応する活性な金属として、合金にＴｉを含有させた。ただし、セラミックに含まれる成分と反応する活性な金属はＴｉには限定されず、Ｚｒなど、他の金属であっても良い。なお、セラミックスの構成成分と反応する活性な金属と、Ａｇと、Ｃｕとを含む合金は、活性金属ロウ材と呼ばれる場合がある。

セラミックスの構成成分と反応する活性な金属と、Ａｇと、Ｃｕとを含む合金には、必要に応じて、融点を調整するために、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｄなどから選ばれる金属が、１種または複数種、添加される場合がある。なお、本実施形態においては、セラミックに含まれる成分と反応する活性成分として添加されたＴｉは、融点を調整する役割も果たしている。

なお、合金にＴｉを添加する場合には、Ｔｉの添加量は、合金の全重量に対して３重量％以下であることが好ましい。Ｔｉの含有量が３重量％を超えると、合金自体が脆化する虞があるからである。本実施形態においては、合金６の配合比率を、Ａｇ６０〜８０重量％、Ｃｕ２０〜４０重量％、Ｔｉ１〜３重量％とした。

半導体モジュール５００の他の構成は、半導体モジュール１００と同じにした。

リード端子５１ａ、５２ａ〜５２ｆ、５３ａ〜５３ｄの絶縁基材６ａ〜６ｄへの接合は、予め、リード端子５１ａ、５２ａ〜５２ｆ、５３ａ〜５３ｄに活性金属ロウ材からなるペーストを塗布しておき、その塗布面を絶縁基材６ａ〜６ｄへ当接させて、その活性金属ロウ材の融点以上の温度で熱処理することによりおこなうことができる。

セラミックスの構成成分と反応する活性な金属と、Ａｇと、Ｃｕとを含む合金は、リード端子５１ａ、５２ａ〜５２ｆ、５３ａ〜５３ｄを絶縁基材６ａ〜６ｄへ強固に接合する。たとえば、絶縁基材６ａ〜６ｄに窒化珪素を用い、リード端子５１ａ、５２ａ〜５２ｆ、５３ａ〜５３ｄにＣｕを用い、両者を、Ｔｉが添加されたＡｇとＣｕとを含む合金によって接合した場合、合金の絶縁基材（窒化珪素基板）６ａ〜６ｄの近傍には、ＴｉＮや、ＭＮが形成される（ただしＭはＳｉ、Ｃｕ、Ｔｉの合金）。すなわち、合金の絶縁基材６ａ〜６ｄ近傍のＴｉの濃度が、合金のその他の部分のＴｉの濃度よりも高くなっている。この結果、リード端子５１ａ、５２ａ〜５２ｆ、５３ａ〜５３ｄと絶縁基材６ａ〜６ｄとは、高い強度で接合されている。

また、セラミックスの構成成分と反応する活性な金属と、Ａｇと、Ｃｕとを含む合金は、一般に、接着剤よりも熱伝導率が高い。そのため、半導体モジュール５００は、半導体スイッチング素子1ａ〜１ｆが発生させた熱を、リード端子５１ａ、５２ａ〜５２ｆ、５３ａ〜５３ｄを経由し、更に絶縁基材６ａ〜６ｄを経由して、より効率的に放散させることがきる。

以上のように、第５実施形態にかかる半導体モジュール５００は、高い強度を備えたセラミックスからなる絶縁基材６ａ〜６ｄに、リード端子５１ａ、５２ａ〜５２ｆ、５３ａ〜５３ｄが、セラミックスの構成成分と反応する活性な金属と、Ａｇと、Ｃｕとを含む合金を介して強固に接合されているため、高い強度を備えている。また、放熱性においても優れている。

以上、本発明の第１〜５実施形態にかかる半導体モジュール１００〜５００の構造、および製造方法の一例について説明した。しかしながら、本発明がこれらの内容に限定されることはなく、発明の趣旨に沿って、種々の変更を加えることができる。

たとえば、本発明の半導体モジュールの回路構成は任意であり、半導体モジュール１００〜５００の等価回路には限定されない。たとえば、半導体モジュール４００では、受動素子としてシャント抵抗素子２０を封止樹脂８内に追加して封止しているが、これに代えて、異常発熱の監視をするためのサーミスタ素子を封止樹脂８内に封止するようにしても良い。

１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ・・・半導体スイッチング素子
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆ・・・金属ブロック
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ・・・ワイヤー
４・・・はんだ
５１ａ、５１ｓ、５１ｔ、５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ、５２ｅ、５２ｆ、５２ｇ、５２ｓ、５２ｔ、５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄ、５３ｓ、５３ｔ、５３ｕ・・・リード端子
６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｆ、６ｇ・・・絶縁基材
８・・・封止樹脂
９ａ、９ｂ・・・ダイオード
１０ａ、１０ｂ・・・放熱板
２０・・・シャント抵抗素子
１００、２００、３００、４００、５００・・・半導体モジュール

Claims (10)

1. 少なくとも、複数の半導体スイッチング素子と、複数のリード端子とが、封止樹脂に封止された半導体モジュールであって、
   前記封止樹脂には、さらに、複数の板状の絶縁基材が封止され、
   前記絶縁基材には、前記リード端子が接合され、
   前記絶縁基材が、前記封止樹脂内において、上下方向に間隔を空けて、少なくとも３層に分けて配置されることにより、前記リード端子も、前記封止樹脂内において、上下方向に間隔を空けて、少なくとも３層に分けて配置され、
   前記半導体スイッチング素子は、一方の主面に信号電極パッドと一方の電源電極パッドが形成され、他方の主面に他方の電源電極パッドが形成され、
   前記半導体スイッチング素子の両主面に形成された電源電極パッドは、直接または間接に、所定の前記リード端子に接合され、
   前記半導体スイッチング素子の一方の主面に形成された信号電極パッドは、ワイヤーにより、所定の前記リード端子にワイヤーボンディングされ、
   前記リード端子の少なくとも一部のものが、前記封止樹脂から外部に導出され、
   前記少なくとも３層に分けて配置されたリード端子のうち、少なくとも１層に配置されたリード端子が、両主面において、異なる２枚の前記絶縁基材に接合されており、当該２枚の絶縁基材の間に、前記封止樹脂が充填されている半導体モジュール。
2. 前記絶縁基材に、両主面間を貫通した開口が形成され、当該開口に、当該絶縁基材に接合された前記リード端子の少なくとも一部分が配置されている、請求項１に記載された半導体モジュール。
3. 前記絶縁基材がフィラーの含有された樹脂からなり、前記封止樹脂がフィラーの含有されていない樹脂からなる、または、前記絶縁基材および前記封止樹脂がフィラーの含有された樹脂からなり、当該封止樹脂の前記フィラーの含有体積率が、当該絶縁基材の前記フィラーの含有体積率よりも低い、請求項１または２に記載された半導体モジュール。
4. 前記絶縁基材がセラミックスからなり、前記リード端子が、少なくとも、前記セラミックスの構成成分と反応する活性な金属と、Ａｇと、Ｃｕとを含む合金を介して、前記絶縁基材に接合された、請求項１または２に記載された半導体モジュール。
5. 少なくとも１個の前記半導体スイッチング素子の一方の主面に形成された前記電源電極パッドが、金属ブロックを介して、所定の前記リード端子に接合されている、請求項１ないし４のいずれか１項に記載された半導体モジュール。
6. 前記封止樹脂の少なくとも一方の主面から放熱板が露出されている、請求項１ないし５のいずれか１項に記載された半導体モジュール。
7. 前記封止樹脂に、さらに受動素子が封止されている、請求項１ないし６のいずれか１項に記載された半導体モジュール。
8. 前記受動素子が、シャント抵抗素子、または／および、サーミスタ素子である、請求項７に記載された半導体モジュール。
9. 前記封止樹脂に、さらに還流ダイオードが封止されている、請求項１ないし８のいずれか１項に記載された半導体モジュール。
10. 前記半導体モジュールがインバータである、請求項１ないし９のいずれか１項に記載された半導体モジュール。

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