JP7056366B2 - 半導体モジュール及びそれを用いた半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、パワー半導体チップを搭載した半導体モジュール及びそれを用いた半導体装置に関する。

半導体チップが搭載された絶縁回路基板やプリント配線板等が内部に配置された半導体モジュールを冷却器等の外部装置に取り付ける際、外装となる樹脂の端部に固定孔を設け、この固定孔にネジを差し込んで取り付ける場合がある。例えば絶縁回路基板等が内部に樹脂封止された半導体モジュールを外部装置にネジ止めする際、より大きな荷重でネジ締めできるように固定孔とネジの間に金属製の筒状部材を介在させることができる。筒状部材は、ネジ周辺に局所的に発生する過大な応力を受け止め、封止樹脂の割れを防止する機能を有する。

筒状部材の例として、特許文献１には、リアクトルの外側樹脂部に外周面が加工されておらず円滑な金属管からなる筒状のボルト孔が開示されている。また特許文献２には、半導体装置のプラスチックケースのネジ孔部に取り付けられた、外周面が加工されていない円滑なリング状金具が開示されている。

また筒状部材の外周面全面にローレット加工等を施して凹凸構造が設けられることによって筒状部材の表面の凹凸と周囲の封止樹脂とを機械的に噛み合わせる場合がある。例えば、特許文献３には、半導体装置の樹脂ケースの取り付け孔の内側に配置される金属円筒の外周面に対してローレット加工を施す技術が開示されている。また特許文献４には、インテークマニホールド等の樹脂成形品の筒状のインサート金具の外表面に対してローレット加工を施す技術が開示されている。また特許文献５には、パソコン等の樹脂製の合成樹脂製の部材に埋め込まれる筒状の固定金具の外周面に対してローレット加工を施す技術が開示されている。

こうした凹凸構造を用いた噛み合わせによって接触面積を増加し、一体性が高まることによって、筒状部材の封止樹脂からの脱落が防止される。凹凸構造の例として、例えば、特許文献６には合成樹脂やパテ等に使用される筒状のインサート金具であって、外周面にローレット加工が施されると共に、筒の下端に環状凹所が形成されたインサート金具が開示されている。

通常、半導体モジュールの構成部品毎の線膨張係数又は材料固有の線膨張係数の違い、或いは組み立てプロセスにおける熱履歴に起因して、半導体モジュールの封止樹脂には反りが生じる。反りを伴った状態の半導体モジュールが外部装置にネジ止めされると、ネジの締結力によって反りを矯正することはできるが、同時に封止樹脂の内部、特に筒状部材の凹凸構造の周囲において、局所的に非常に大きな応力が負荷されることによって樹脂割れが生じる。

特許文献７には内燃機関用の合成樹脂材料製の燃料分配管本体に取付ボルト用の取付孔を有する取付部が一体形成される技術が開示されている。特許文献７の場合、取付部に外周面に凹凸面が形成された金属製インサート部材がインサート成形されることによって、合成樹脂材料製の取付部の割れ等が防止できるとされている。しかし、半導体モジュールのネジ止め時に樹脂の反りが矯正されることに起因する樹脂割れを防止するための具体的な解決手段は何ら検討されていない。

特開２０１０－２０６１０４号公報 特開平０９－１３９４６３号公報 特開平０９－１２９８２３号公報 特開２００１－３００５０３号公報 実用新案登録３０７５０５１号公報 実開平０５－０５８２６７号公報 実開平０５－０１０７７６号公報

更に本発明者の検討によって、特に、凹凸構造を有する筒状部材が両端に設けられた封止樹脂をネジ締めする場合、筒状部材に隣接する下部の領域に負荷される応力が著しく大きくなり、樹脂割れが生じ易いことが分かった。
本発明は上記した問題に着目して為されたものであって、ネジ止め時の反り矯正に起因する樹脂割れを防止するための高い破壊耐量を具備させた半導体モジュール及び半導体装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る半導体モジュールのある態様は、下面に金属層を有する絶縁回路基板と、裏面を有し、金属層を裏面に露出するように絶縁回路基板を封止し、裏面が下側に凸状に反った封止樹脂と、封止樹脂に包埋され凹凸を有する第１外周面を有し、第１外周面より下部に第１外周面よりも円滑な第２外周面を有し、かつ第２外周面の下端の底面が封止樹脂の裏面から露出し、第２外周面よりの下端より上側の第２外周面の少なくとも一部が封止樹脂で封止され、絶縁回路基板よりも封止樹脂の端部側に配置された筒状部材と、を備えることを要旨とする。

また本発明に係る半導体装置のある態様は、下面に金属層を有する絶縁回路基板と、裏面を有し、金属層を裏面に露出するように絶縁回路基板を封止し、裏面の端が裏面の中央よりも上側に反るように付勢された封止樹脂と、封止樹脂に包埋され凹凸を有する第１外周面を有し、第１外周面より下部に第１外周面よりも円滑な第２外周面を有し、かつ第２外周面の下端の底面が封止樹脂の裏面から露出し、第２外周面の下端より上側の第２外周面の少なくとも一部が封止樹脂で封止され、絶縁回路基板よりも封止樹脂の端部側に配置された筒状部材と、を備える半導体モジュールと、半導体モジュールの金属層の下面に接して設けられた伝熱材と、伝熱材に接する外部装置と、筒状部材に挿通され、外部装置に固定される固定部材と、を備えることを要旨とする。

本発明によれば、ネジ止め時の反り矯正に起因する樹脂割れを防止するための高い破壊耐量を具備させた半導体モジュール及び半導体装置を提供できる。

図１は、本発明の実施の形態に係る半導体モジュールの構成の概略を模式的に説明する断面図である。 図２（ａ）は、筒状部材の構成の概略を模式的に説明する断面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ－Ａ方向から見た断面図である。図２（ｃ）は、図２（ａ）のＢ－Ｂ方向から見た断面図である。 図３は、本発明の実施の形態に係る半導体装置を組み立てる直前の、反りを有する半導体モジュール及び冷却器の概略を模式的に説明する断面図である。 図４は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の構成の概略を模式的に説明する断面図である。 図５は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の封止樹脂の裏面を正面から見た底面図である。 図６は、第１比較例に係る半導体モジュールの構成の概略を模式的に説明する断面図である。 図７は、第２比較例に係る半導体モジュールの構成の概略を模式的に説明する断面図である。 図８は、実施例、第１比較例及び第２比較例に係る半導体モジュールをネジ止めした際の応力集中部への応力の大きさ、樹脂割れの有無及び筒状部材の脱落の有無を測定した結果を示す図である。 図９は、第１比較例に係る半導体モジュールのネジ止めによって生じた樹脂割れの状態を示す画像である。 図１０は、第１比較例に係る半導体モジュールのネジ止めによって生じた樹脂割れの状態を示す画像である。 図１１は、実施例、第１比較例及び第２比較例に係る半導体モジュールについて、トータルモジュール変形量と累積故障率を示すグラフ図である。 図１２は、第１変形例に係る半導体モジュールの構成の概略を模式的に説明する断面図である。 図１３（ａ）～図１３（ｃ）は、筒状部材の外周面の他の構造の概略を模式的に説明する断面図である。

以下に本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各装置や各部材の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判定すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。また、以下の説明における「左右」や「上下」の方向は、単に説明の便宜上の定義であって、本発明の技術的思想を限定するものではない。よって、例えば、紙面を９０度回転すれば「左右」と「上下」とは交換して読まれ、紙面を１８０度回転すれば「左」が「右」に、「右」が「左」になることは勿論である。

－半導体モジュール－
図１に示すように、本発明の実施の形態に係る半導体モジュール１は一対の絶縁回路基板２ａ，２ｂと、絶縁回路基板２ａ，２ｂを内部に封止する直方体状の封止樹脂５と、封止樹脂５の左右の両端にそれぞれ設けられた一対の筒状部材６ａ，６ｂとを備える。半導体モジュール１は、例えば、各種の産業用又は車載用半導体モジュールであって、一対の絶縁回路基板２ａ，２ｂ上にそれぞれ配置された図示しない半導体チップがプリント配線板および図示しない配線によって電気的に接続されることによりインバータ回路等の一部となるパワー半導体モジュールである。一対の絶縁回路基板２ａ，２ｂは封止樹脂５により電気的に周囲と絶縁されている。図１では２枚の絶縁回路基板を用いた事例を示しているが、絶縁回路基板２ａ，２ｂを一枚の絶縁回路基板で構成してもよい。

封止樹脂５は、例えば、熱硬化性樹脂を用いてトランスファー成形される。封止樹脂５の内部に並設された一対の絶縁回路基板２ａ，２ｂに関しては、以下、図１の左側の絶縁回路基板２を代表として例示的に説明する。
絶縁回路基板２は、絶縁性が大きなセラミック板等からなる絶縁板２１と、絶縁板２１の上面に設けられた第１金属層２２と、絶縁板２１の下面に設けられた第２金属層２３とを有する。第２金属層２３の下面は、絶縁回路基板２の下面をなし、封止樹脂５の裏面に露出している。露出した第２金属層２３の下面は、放熱用ベースレス構造の半導体モジュール１における放熱面として機能する。

第１金属層２２及び第２金属層２３は銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）等で作製できる。絶縁回路基板２ａ，２ｂとしては、直接銅接合（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｏｐｐｅｒ Ｂｏｎｄｉｎｇ，ＤＣＢ）法で作製されたＤＣＢ基板や、活性金属ろう付け（Ａｃｔｉｖｅ Ｍｅｔａｌ Ｂｒａｚｉｎｇ，ＡＭＢ）プロセスで作製されたＡＭＢ基板等が採用できる。本発明の実施の形態に係る半導体モジュール１では、ＡＭＢ基板が例示的に用いられる。

第１金属層２２の上部には複数の凹部が設けられ、それぞれの凹部の内側には、外部との間の入出力の電流が流れる棒状の外部端子３が上側に向かって延びるように、はんだ等の接合部材を介して立てて設けられている。複数の外部端子３はいずれも棒の中央部がプリント配線板４に設けられた貫通孔を通り、それぞれの外部端子３の上端は封止樹脂５の外部に部分的に露出し、上方に突出して延びている。外部端子３には、半導体モジュール１と半導体モジュール１に接続される外部機器との間で出力電流や測定電流等が流れる。

また図示を省略するが、封止樹脂５の内部では第１金属層２２の上面上には、接続用の複数のピン端子が上側に向かって延びるようにはんだ等を介して立てて設けられている。ピン端子もそれぞれの上部位置でプリント配線板４に圧迫され一体的に支持されている。更に第１金属層２２の上面上には、はんだ等を介して半導体チップが搭載されると共に、半導体チップの上面上にもはんだ等を介してピン端子が上側に向かって延びるように立てて設けられている。

半導体チップをなすパワー半導体素子としては、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ，ＩＧＢＴ）、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ，ＭＯＳＦＥＴ）、ダイオード等がある。接合部材及び半導体チップ等の図示は省略する。

一対の筒状部材６ａ，６ｂは、封止樹脂５の両端に設けられた一対の固定孔５ａ，５ｂの内側面に接して取り付けられており、筒状部材６ａ，６ｂの内側の貫通孔は、図１の封止樹脂５を上下方向に貫通している。筒状部材６ａ，６ｂの貫通孔の内側には、半導体モジュール１を冷却器等の外部装置にネジ止めして固定するためのネジが差し込まれる。一対の筒状部材６ａ，６ｂは互いに等価な構造であるため、以下、図１の左側の筒状部材６ａを代表として例示的に説明する。筒状部材６ａは金属製であって、筒状部材６ａの上端面は封止樹脂５の上面から露出して封止樹脂５の上面と面が揃えられている。同様に筒状部材６ａの下端の底面も封止樹脂５の下面から露出して封止樹脂５の下面と面が揃えられている。ネジ９ａ，９ｂは、本発明の「固定部材」に相当する。

図１で上下方向に延びる上部外周面６１の外周面は、上側から下側に向かって、おもに上部外周面６１、中央外周面６２及び下部外周面６３の３つの部分で構成される。
図２（ａ）に示すように、例えば、筒状部材６ａの内径ｒは５．０ｍｍ程度、厚みｔは０．５ｍｍ程度、上部外周面６１又は下部外周面６３の位置における外径Ｒ１は６．０ｍｍ程度にそれぞれ設定できる。
上部外周面６１は中央外周面６２の上側に位置し、封止樹脂５と密接した状態で包埋されている。上部外周面６１の表面は中央外周面６２よりも円滑に構成されており、表面の断面形状が平坦な領域が一定の高さｈ_６１で連続して形成される。上部外周面６１が設けられている部分の高さにおける筒状部材６ａの厚みｔはほぼ一様である。

下部外周面６３は中央外周面６２の下側に位置し、封止樹脂５と密接した状態で包埋されている。下部外周面６３も上部外周面６１と同様、表面は中央外周面６２よりも円滑に構成されており、表面の断面形状が平坦な領域が一定の高さｈ_６３で連続して形成されている。図２（ｂ）に示すように、下部外周面６３が設けられている部分の高さにおける筒状部材６ａの厚みｔは上部外周面６１の部分の厚みｔと同じであって、ほぼ一様である。下部外周面６３は本発明の「第２外周面」に相当する。
中央外周面６２は筒状部材６ａの上下方向の中央領域に位置し、表面上に複数の四角錐状の突起部６２ａが密に配置されることによって凹凸が設けられている。複数の突起部６２ａの裾部は上部外周面６１及び下部外周面６３の表面の近傍に位置し、頂部は上部外周面６１及び下部外周面６３から外側に張り出している。

図２（ａ）に例示した中央外周面６２の場合、複数の突起部６２ａによって構成された凹凸領域が上下方向に一定の高さｈ_６２で連続して形成される。凹凸を備えた中央外周面６２が封止樹脂５と密接した状態で包埋されることによって、筒状部材６ａは封止樹脂５と堅固に密着している。筒状部材６ａの中央外周面６２は本発明の「第１外周面」に相当する。また図２（ｃ）に示すように、例えば、中央外周面６２の高さで突起部６２ａの頂部を通る位置の最大外径Ｒ２は７．０ｍｍ程度に、突起部６２ａの張り出し幅ｗは０．２５ｍｍ程度にそれぞれ設定できる。

ここで本発明の実施の形態に係る半導体モジュール１は、一対の絶縁回路基板２ａ，２ｂ及び一対の筒状部材６ａ，６ｂがインサート部材として金型の内側に配置され、金型内に溶融樹脂を流し込んで一体成形するトランスファー成形等によって製造できる。
図３に示すように、絶縁板２１がセラミック製である場合、絶縁板２１及び絶縁板２１の周囲の封止樹脂５のそれぞれの素材の線膨張係数が大きく異なる。そのため下部に絶縁板２１を含んだ封止樹脂５がトランスファー成形時に冷却され、両者が一体的に固化する場合、固化後の半導体モジュール１は、絶縁板２１が配置される下側に凸状に反る。

図３には、封止樹脂５の下面（裏面）が一定の反り量ｈｂ１を伴って下側の冷却器８側に凸状に反った状態の、冷却器８等に取り付けられる直前の半導体モジュール１が例示されている。半導体モジュール１の反り量ｈｂ１は、図３に水平な点線で例示したように、筒状部材６ａ，６ｂのそれぞれの中央下端を通る直線Ｌ１と、直線Ｌ１に平行で封止樹脂５の裏面が最も低い位置を通る直線Ｌ２との高さ方向の差である。図３では、封止樹脂５の裏面の下端は、左右方向の中央位置で最も低くなる。
図３に例示した冷却器８は、上面上に半導体モジュール１が取り付けられる取り付け板８ａと、取り付け板８ａの下に互いに間を空けて並設された複数枚の放熱板８ｂとを備える冷却フィンである。冷却器８はアルミニウム等の熱伝導性に優れた素材で作製されており、本発明の「外部装置」に対応する。

図３の取り付け板８ａの左右の両端近傍には、ネジが挿し込まれる取り付け孔８ａ１，８ａ２がそれぞれ設けられ、取り付け孔８ａ１，８ａ２は平面パターンで、半導体モジュール１の封止樹脂５の固定孔５ａ，５ｂの孔と揃う位置に開口している。取り付け板８ａの下面側の放熱板８ｂの取り付け処理等に起因して、冷却器８の上面（おもて面）も一定の反り量ｈｂ２を伴って上側の半導体モジュール１側に凸状に反っている。なお、冷却器８の上面（表面）が上側の半導体モジュール１側に凹状に反る場合もある。

冷却器８の反り量ｈｂ２は、取り付け板８ａの取り付け孔８ａ１，８ａ２の上端の中心点を通る直線Ｌ４と、直線Ｌ４に平行で取り付け板８ａのおもて面が最も高い位置を通る直線Ｌ３との高さ方向の差である。図３では取り付け板８ａのおもて面の上端は、左右方向の中央位置で最も高くなる。反り量ｈｂ２は、直線Ｌ３が直線Ｌ４よりも半導体モジュール１側にある場合にプラス値となり、直線Ｌ３が直線Ｌ４よりも半導体モジュール１から離れた位置にある場合にマイナス値となる。

半導体モジュール１と冷却器８とが筒状部材６ａ，６ｂを介して一体的にネジ止めされる際、まず、封止樹脂５の裏面の最も低い下端の位置と、取り付け板８ａのおもて面の最も高い上端の位置とが重なり合う。そして、重なった位置の周囲から半導体モジュール１の両端に向かって、封止樹脂５の裏面及び取り付け板８ａのおもて面のそれぞれ対向する領域が張り合わされるように、ネジ止めの締結力が封止樹脂５の両端に負荷される。図４に示すように、半導体モジュール１及び冷却器８が一体化されることによって、放熱性能が高められた半導体装置が組み立てられることになる。

組み立ての際、半導体モジュール１及び冷却器８間にはサーマルグリース、放熱シート又ははんだといった、冷却器８側への熱の伝達を促進する伝熱材７が介在するように設けられる。伝熱材７は少なくとも第２金属層２３の裏面に配置されていればよい。伝熱材７は半導体モジュール１の封止樹脂５の裏面（下面）全体に密着すると共に、冷却器８の取り付け板８ａのおもて面（上面）に密着させてもよい。このようにすれば、封止樹脂５の裏面全体が伝熱材７を介して冷却器８の取り付け板８ａに密着するため、伝熱面積を拡張できる。

図３及び図４を比較して分かるように、組み立て後の半導体装置１０においては、外見上、半導体モジュール１及び冷却器８の取り付け面は密着して、組み立て前の反りが零（ゼロ）値に近づくように矯正されている。一方、内部では矯正によって、封止樹脂５の裏面の左右の両端の領域は、中央よりも上側に反るように付勢される。
半導体モジュール１を外部装置（冷却器８）に取り付けた後の状態の反り量ｈｂ３は、半導体モジュール１を外部装置（冷却器８）に取り付けた後の筒状部材６ａ，６ｂのそれぞれの中央下端を通る直線Ｌ１と、直線Ｌ１に平行で封止樹脂５の裏面上であって直線Ｌから最も離れた位置を通る直線Ｌ２との高さ方向の差である。反り量ｈｂ１およびｈｂ３は、直線Ｌ１が直線Ｌ２から半導体モジュール１に近づく側に位置する場合プラスの値になり、直線Ｌ１が直線Ｌ２よりも半導体モジュール１から離れた位置にある場合マイナスの値になる。

本発明の実施の形態においては、半導体モジュール１のネジ止めによって矯正される量は、半導体モジュール１を外部装置（冷却器８）に取り付ける前の状態の反り量ｈｂ１から半導体モジュール１を外部装置（冷却器８）に取り付けた後の状態の反り量ｈｂ３（図示省略）を引いた値を「トータルモジュール変形量」と定義する。
本発明に係る半導体モジュールの外部装置（冷却器８）に取付後の封止樹脂５の裏面は、図３に例示したように下側に凸状に反っている場合と、図１に例示したように平坦で反りを伴わない場合の両方があり得る。冷却器８については、冷却器８のおもて面が上側に凸状に反っている場合と、反りを伴わない場合と、冷却器８のおもて面が下側に凸状に反る場合とがあり得る。

例えば、封止樹脂５の直方体の長辺が５ｃｍ程度の場合、トータルモジュール変形量は、１００μｍ程度～３５０μｍ程度のように微小なレベルではあるが、反りの矯正に伴って封止樹脂５の内部に負荷される応力の影響は、非常に大きい。特に、突起部６２ａを含む凹凸構造を有する筒状部材６ａ，６ｂがネジ締めされる固定孔５ａ，５ｂの内側に用いられる場合、封止樹脂５の内部で両端の筒状部材６ａ，６ｂに隣接する下部の領域に負荷される応力が著しく大きくなる。この封止樹脂５の両端の下部で固定孔５ａ，５ｂより外側において、樹脂割れが生じ易い領域を、以下、「応力集中部」と定義する。図４では応力集中部１５ａ，１５ｂは、封止樹脂５の両端で、破線で囲まれた領域によって例示されている。

図５に示すように、応力集中部１５ａ，１５ｂの厚みすなわち筒状部材６ａ，６ｂの径方向に測った封止樹脂５の厚みは他の領域と比べて薄いため、ネジ締め時に応力が集中し易くなる。加えて、図５の破線矢印で例示するように、ネジ締め時に、筒状部材６ａ，６ｂより外側の封止樹脂５の薄い部分の応力集中部１５ａ，１５ｂは、筒状部材６ａ，６ｂの円筒の左右を回り込んで封止樹脂５が内側に引っ張られるように、応力が作用する。

こうした樹脂部分の厚みの薄さ及びネジの締め込みによって、応力集中部１５ａ，１５ｂには応力が大きく負荷される。そのため、固定孔５ａの内壁面との間に界面を形成する筒状部材６ａの中央外周面６２の凹凸構造の突起部６２ａの突端を起点として、樹脂割れが発生し易くなり、樹脂割れによって半導体装置１０の品質が大きく劣化する。

この樹脂割れを防止するため、本発明の実施の形態に係る半導体モジュール１では筒状部材６ａ，６ｂの下部外周面６３が意図的に円滑に構成されると共に、この下部外周面６３が応力集中部１５ａ，１５ｂとなる封止樹脂５の両端の下部に対向して配置されている。下部外周面６３は、ネジ締めに起因する半導体モジュール１及び冷却器８間の反りの矯正の際、応力集中部１５ａ，１５ｂに集中する応力を緩和する。

同時に、筒状部材６ａ，６ｂに凹凸構造を有する中央外周面６２が一定の高さｈ_６２で設けられるため、ネジ締めの際に貫通孔の軸方向に沿って負荷される力によって筒状部材６ａ，６ｂが固定孔５ａ，５ｂから脱落することが防止される。このように１個の筒状部材６ａの外周面の中に、凹凸構造を有する中央外周面６２と円滑な下部外周面６３とが組み合わせて配置されることによって、封止樹脂５の樹脂割れ防止と封止樹脂５からの筒状部材６ａの脱落防止とが、バランスよく実現されている。
更に本発明の実施の形態に係る半導体モジュール１では、この樹脂割れ防止と脱落防止とのバランスを一層高める目的で、下部外周面６３の高さｈ_６３は全体の高さ（ｈ_６１＋ｈ_６２＋ｈ_６３）に対して適切な割合になるように設定されている。

次に、ネジ止めされた半導体モジュール１の応力集中部１５ａ，１５ｂに集中する応力の大きさをシミュレーション解析した。具体的には、約６５μｍの反り量ｈｂ１を有する封止樹脂５を備えた半導体モジュール１が、定盤に一定の荷重で締め付けられてネジ締めされる場合を設定した。
また固化状態における封止樹脂５の曲げ強度は、９５．８ＭＰａに設定した。そして、設定された条件を有する封止樹脂５の両端に、凹凸構造を有する中央外周面６２と円滑な下部外周面６３とが組み合わせて配置された外周面を有する筒状部材６ａ，６ｂが設けられている半導体モジュールを、実施例に係る半導体モジュール１として設定した。

また図６に示すように、第１比較例に係る半導体モジュール１ｘは、封止樹脂５の両端に設けられた固定孔５ａｘ，５ｂｘの内壁面に筒状部材６ａｘ，６ｂｘがそれぞれ固着して設けられている点は実施例に係る半導体モジュール１と同じである。しかし一対の筒状部材６ａｘ，６ｂｘの外周面が実施例のように上下方向に３つの部分から構成されておらず、上下方向の外周面全体に突起部６２ａが密に設けられ、応力集中部１５ａ，１５ｂへの応力集中を緩和するための円滑な外周面が一切設けられていない点が、実施例に係る半導体モジュール１と異なる。第１比較例に係る半導体モジュール１ｘの他の構成については、図１～図５を用いて説明した半導体モジュール１における同名の部材と等価である。

また図７に示すように、第２比較例に係る半導体モジュール１ｙは、封止樹脂５の両端に設けられた固定孔５ａｙ，５ｂｙの内壁面に筒状部材６ａｙ，６ｂｙがそれぞれ固着して設けられている点は実施例に係る半導体モジュール１と同じである。しかし一対の筒状部材６ａｙ，６ｂｙの外周面が実施例のように上下方向に３つの部分から構成されておらず、外周面全体が円滑に構成され、筒状部材６ａｙ，６ｂｙの脱落を防止するための凹凸構造が一切設けられていない点が、実施例に係る半導体モジュール１と異なる。第２比較例に係る半導体モジュール１ｙの他の構成についても、図１～図５を用いて説明した半導体モジュール１における同名の部材と等価である。

実施例、第１比較例及び第２比較例に係るそれぞれの半導体モジュールを取り付ける定盤は、取り付け面が半導体モジュール側に凸状に湾曲して反るように加工された、いわゆるＲ定盤として設定した。そしてＲ定盤の反り量を冷却器８の反り量ｈｂ２と見做し、約１００μｍに設定した。Ｒ定盤に取り付け前の半導体モジュール１の反り量ｈｂ１約６５μｍからＲ定盤に取り付け後の半導体モジュール１の反り量ｈｂ３を引いた値がトータルモジュール変形量である。ここでは、Ｒ定盤は半導体モジュール１よりも強固で変形しないので、Ｒ定盤に取り付け前の半導体モジュール１の反り量ｈｂ１約６５μｍとＲ定盤の反り量ｈｂ２約１００μｍの和である約１６５μｍの反り量を、実際の半導体装置の取り付け面間のトータルモジュール変形量と見做した。また反りを矯正するネジ止めにおけるネジ締め荷重は、１．７５ｋＮに設定した。以上の条件下で、実施例、第１比較例及び第２比較例に係るそれぞれの半導体モジュールの応力集中部１５ａ，１５ｂに集中する応力の大きさを解析した結果を図８に示す。

図８に示すように、実施例に係る半導体モジュール１の場合、応力集中部１５ａに負荷される応力は６６．８ＭＰａ、応力集中部１５ｂに負荷される応力は６９．５ＭＰａであった。一方、第１比較例に係る半導体モジュール１ｘの場合、応力集中部１５ａに負荷される応力は１１９．３ＭＰａ、応力集中部１５ｂに負荷される応力は１２４．９ＭＰａと、非常に大きい。また、第２比較例に係る半導体モジュール１ｙの場合、応力集中部１５ａに負荷される応力は６４．９ＭＰａ、応力集中部１５ｂに負荷される応力は６９．３ＭＰａであった。

一方、シミュレーション解析に加え、ネジ締め荷重を想定した筒状部材押し込み強度試験を行った。実施例に係る半導体モジュール１を実際に用意し、ネジ締め荷重を１．７５ｋＮより小さい値であって互いに異なる値でネジ止めした複数のパターンにおける、樹脂割れ及び筒状部材６ａ，６ｂの脱落の有無を評価した。評価結果を図８にシミュレーション解析の結果得られた応力の数値と並べて示す。実施例の場合、樹脂割れは実際に殆ど生じなかったと共に、筒状部材６ａ，６ｂの脱落も生じなかった。

また第１比較例に係る半導体モジュール１ｘについても、実施例の場合と同様の条件でネジ止めした際の樹脂割れ及び筒状部材６ａｘ，６ｂｘの脱落を評価した。図８に示すように、応力集中を緩和するための円滑な外周面が一切設けられていない第１比較例の場合、筒状部材６ａｘ，６ｂｘの脱落は全く生じなかったが、樹脂割れについてはネジ締め荷重が約１．１９ｋＮの場合、及び約１．１５ｋＮの場合に実際に生じていた。

図９には、封止樹脂５の応力集中部１５ａに、突起部６２ａを起点とした樹脂割れ１２ａが生じた状態が例示されている。また図１０には、応力集中部１５ａとネジ９ａが差し込まれる筒状部材６ａｘとの間の封止樹脂５の側壁面に、樹脂割れ１２ｂが生じた状態が例示されている。尚、図９の樹脂割れ１２ａの線及び図１０の樹脂割れ１２ｂの線には、割れの位置を明確にするため便宜上、黒色が付されて強調されている。
また第２比較例に係る半導体モジュール１ｙについても、実施例及び第１比較例の場合と同様の条件でネジ止めした際の樹脂割れ及び筒状部材６ａｙ，６ｂｙの脱落を評価した。

図８に示したように、筒状部材６ａｙ，６ｂｙの脱落を防止するための凹凸構造が一切設けられていない第２比較例の場合、ネジ締め荷重が約０．０９ｋＮの場合、及び約０．０４ｋＮの場合で、筒状部材６ａｙ，６ｂｙの脱落が実際に生じた。このようにネジ締め荷重が非常に小さな値で筒状部材６ａｙ，６ｂｙの脱落が生じたのは、凹凸構造が一切設けられていないことに起因して、封止樹脂５との密着力が非常に小さかったためである。
次に、実施例、第１比較例及び第２比較例に係る半導体モジュールについて、それぞれのトータルモジュール変形量を増減させて変化させながらネジ止めを実施した際の、累積故障率Ｆ（ｔ）［％］を測定した。累積故障率Ｆ（ｔ）は、測定対象の半導体モジュールの母数に対して封止樹脂５に樹脂割れが生じて破壊された半導体モジュールの個数の割合である。

図１１に示すように、実施例に係る半導体モジュール１の場合、円滑な外周面が一切設けられていない第１比較例の場合と比較して、同じトータルモジュール変形量を矯正しても、累積故障率Ｆ（ｔ）を非常に低く抑えることができる。例えば、トータルモジュール変形量が約１６５μｍの場合、第１比較例に係る半導体モジュール１ｘの累積故障率Ｆ（ｔ）は約１０％であり、製品１０個のうち１個の確率で樹脂割れが生じてしまう。

しかし実施例に係る半導体モジュール１の場合、トータルモジュール変形量が約１６５μｍであっても累積故障率Ｆ（ｔ）は０．０１％であり、製品１０，０００個のうち樹脂割れが生じるのは１個の確率であり、９，９９９個の製品の樹脂割れを防止できる確率である。換言すると、円滑な外周面が一切設けらず全面に突起部６２ａが設けられている第１比較例の場合には、図１１に示したように、累積故障率Ｆ（ｔ）を０．０１％以下に抑えるためには、トータルモジュール変形量が約１２７μｍまでの半導体装置しかネジ止め対象にすることができない。

本発明の実施の形態に係る半導体装置１０の場合、トータルモジュール変形量が、１６５μｍ以下に抑えられている。そのため半導体装置１０の累積故障率Ｆ（ｔ）を０．０１％以下に非常に低く抑えることができる。
本発明の実施の形態に係る半導体モジュール１によれば、封止樹脂５の両端に、内側にネジ９ａ，９ｂが差し込まれ、凹凸構造を有する中央外周面６２と円滑な下部外周面６３とが組み合わせて配置された外周面を有する筒状部材６ａ，６ｂが設けられる。下部外周面６３は、半導体モジュール１及び冷却器８間を連結するネジ止めに起因する半導体モジュール１の反りの矯正に伴って封止樹脂５の応力集中部１５ａ，１５ｂに集中する大きな応力を緩和する。

そのため半導体モジュール１が下側に凸状に反った形状をネジ締めによって矯正されている時に、筒状部材６ａ，６ｂの凹凸構造の突起部６２ａから延び易い樹脂割れの発生を確実に防止できる。よって半導体モジュール１及び冷却器８間の結合力が十分に確保されると同時に、ネジ締め時の反り矯正に起因する樹脂割れを防止するための高い破壊耐量を具備させた半導体装置１０を実現できる。

ここで例えば、封止樹脂５の強度を高めるために、両端の固定孔５ａ，５ｂより外側の領域の幅を広げて肉厚を厚くする方法も考えられるが、製品サイズが大きくなって小型化の面で不利が生じる。しかし本発明の実施の形態に係る半導体モジュール１によれば、破壊耐量を向上させるに際し、封止樹脂５の応力集中部１５ａ，１５ｂに対向する筒状部材６ａ，６ｂの下部の領域の構成を変更するだけで済み、大掛かりな寸法変更を行う必要が無いため、半導体モジュールの小型化の面で非常に有利である。そのため従来と同等の寸法レベルの半導体モジュール１を用いる場合であっても、ネジ止め時の樹脂割れに対する高い破壊耐量を有した半導体装置１０を、コストを抑えて実現できる。

また本発明の実施の形態に係る半導体モジュール１では、筒状部材６ａ，６ｂの円滑な下部外周面６３は、封止樹脂５の端部の応力集中部１５ａ，１５ｂに対向するように配置されている。よって、樹脂割れが生じ易い封止樹脂５の応力集中部１５ａ，１５ｂへの内部応力の集中を緩和できる。
また本発明の実施の形態に係る半導体モジュール１では、下部外周面６３の高さｈ_６３は、筒状部材６ａ，６ｂの全体の高さ（ｈ_６１＋ｈ_６２＋ｈ_６３）に対して、応力集中部１５ａ，１５ｂへの応力集中の緩和と筒状部材６ａ，６ｂの脱落防止とをバランスよく両立できるように適宜調整すればよい。

また本発明の実施の形態の一例に係る半導体装置１０では、半導体モジュール１のトータルモジュール変形量が１６５μｍ以下に制御されている。そして、半導体装置１０は、冷却器に取り付け後の半導体モジュール１のトータルモジュール変形量を所定の値以下になるように、冷却器８に取り付け前の半導体モジュール１の反り量および冷却器８の反り量をそれぞれ調整されていることによって、累積故障率Ｆ（ｔ）を０．０１％以下にできる。冷却器８に取り付けられた後の半導体モジュール１のトータルモジュール変形量は、１６５μｍ以下にすることが望ましい。

＜第１変形例＞
図１に示した半導体モジュール１の場合、筒状部材６ａ，６ｂの下部外周面６３は全体が円滑であった。しかし円滑な下部外周面６３の領域は、全体が封止樹脂５に包埋されていたが、一定の密着性が達成される限りこれに限定されるものではなく、少なくとも一部が封止樹脂５に包埋される形態が除外されるものではない。

図１２に示すように、第１変形例に係る半導体モジュール１ａでは、下部外周面６３（第２外周面）の絶縁回路基板２に対向する部分の側面は、下部外周面６３（第２外周面）の封止樹脂の端部に対向する部分の側面よりも粗い凹凸面を設けられてもよい。すなわち封止樹脂５の両端の下部では、筒状部材６ａの外側の応力集中部１５ａに対向する部分の側面にのみ円滑な応力緩和構造が設けられ、内側の絶縁回路基板２に対向する部分の側面６３ａには筒状部材６ａ，６ｂの下端まで凹凸構造が設けられる。第１変形例に係る半導体モジュール１ａの筒状部材６ａ，６ｂを除く他の構成については、図１～図１１を用いて説明した半導体モジュール１における同名の部材とそれぞれ等価であるため、重複説明を省略する。

第１変形例によれば、応力集中部１５ａに対向する部分の側面にのみ円滑な応力緩和構造が設けられ、絶縁回路基板２に対向する部分の側面には凹凸構造が設けられるので、樹脂割れの防止効果を維持しつつ筒状部材６ａ，６ｂの脱落防止効果を高めることができる。第１変形例に係る半導体モジュール１ａの他の効果については、図１～図１１を用いて説明した半導体モジュール１の場合と同様である。

－その他の実施の形態－
本発明は上記の開示した実施の形態によって説明したが、この開示の一部をなす論述及び図面は、本発明を限定するものであると理解すべきではない。本開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになると考えられるべきである。例えば、外部装置としては半導体モジュール１がネジ止めされる対象物であれば冷却器８に限定されない。また冷却器８は、半導体モジュール１の熱を放熱できれば冷却フィン以外の構造であってもよいし、空冷又は水冷等の冷却方式の種類も限定されない。

また筒状部材としては外周面の上部に、封止樹脂５に包埋され凹凸を有する第１外周面が設けられ、外周面の下部に、上部よりも円滑な下部外周面６３が設けられ、第２外周面の下端が封止樹脂５の裏面から露出していればよい。３分割された上下方向のそれぞれの領域の形状は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。図１３（ａ）に示すように、上部外周面６１ｃが円滑でなく、凹凸を有する筒状部材６ｃであってもよい。上部外周面６１ｃが凹凸を有することにより、筒状部材６ｃと封止樹脂５との密着性をより高めることができる。

また図１３（ｂ）に例示した筒状部材６ｄのように、上部外周面６１ｄが凹凸を有すると共に、下部外周面６３ｄが円滑であって上側の中央外周面６２の突起部６２ａの頂部と同じ位置或いは頂部より外側に張り出してもよい。また図１３（ｃ）に例示した筒状部材６ｅのように、上部外周面６１ｅ及び下部外周面６３ｅが円滑であって、上部外周面６１ｅ及び下部外周面６３ｅ間に、上部外周面６１ｅ及び下部外周面６３ｅより窪んだ凹部６２ｅが設けられてもよい。筒状部材６ｅでは、外周面の断面形状が全体でＵ字状をなして凹凸構造が実現されることによって、封止樹脂５との密着性が向上されている。尚、凹部６２ｅの断面形状はＵ字状に限定されず、Ｖ字状等他の形状であってよい。また凹部６２ｅを複数個設けて密着性を更に向上させてもよい。

また封止樹脂５の形状は、厳密に直方体状である必要はなく適宜変更できる。例えば、筒状部材が配置される両端の領域の上下方向の厚みが中央より薄く構成されることによって、中央及び両端間で段差が形成されてもよい。
また本発明は、絶縁回路基板２ａ，２ｂ等が一体成形によって内部に樹脂封止される場合に限定されず、絶縁回路基板２ａ，２ｂ等が樹脂製のケースの内側に収納された上で樹脂封止される場合であっても適用できる。例えば、ケースの樹脂の端部に設けた筒状部材を介してネジを差し込んで半導体モジュールを外部装置に取り付ける場合であっても、筒状部材の外周面の下部を円滑に構成することによって、ケースの樹脂割れを防止できる。

また図１～図１３で示した半導体モジュール及び半導体装置の構造を部分的に組み合わせても本発明に係る半導体モジュール及び半導体装置を実現できる。以上のとおり本発明は、上記に記載していない様々な実施の形態等を含むとともに、本発明の技術的範囲は、上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１，１ａ，１ｘ，１ｙ 半導体モジュール
２ａ，２ｂ 絶縁回路基板
３ 外部端子
４ プリント配線板
５ 封止樹脂
５ａ，５ａｘ，５ａｙ 固定孔
５ｂ，５ｂｘ，５ｂｙ 固定孔
６ａ，６ａｘ，６ａｙ 筒状部材
６ｂ，６ｂｘ，６ｂｙ 筒状部材
６ｃ，６ｄ，６ｅ 筒状部材
７ 伝熱材
８ 冷却器（外部装置）
８ａ 取り付け板
８ａ１，８ａ２ 取り付け孔
８ｂ 放熱板
９ａ，９ｂ ネジ（固定部材）
１０ 半導体装置
１２ａ，１２ｂ 樹脂割れ
１５ａ，１５ｂ 応力集中部
２１ 絶縁板
２２ 第１金属層
２３ 第２金属層
６１，６１ｃ，６１ｄ，６１ｅ 上部外周面
６２ 中央外周面
６２ａ 突起部
６２ｅ 凹部
６３ 下部外周面
６３ａ 凹凸面
６３ｄ，６３ｅ 下部外周面
ｈｂ１ 半導体モジュールの反り量
ｈｂ２ 冷却器の反り量
ｒ 筒状部材の内径
Ｒ１ 筒状部材の外径
Ｒ２ 筒状部材の最大外径
ｗ 突起部の張り出し幅

Claims (4)

1. 下面に金属層を有する絶縁回路基板と、
   裏面を有し、前記金属層を前記裏面に露出するように前記絶縁回路基板を封止し、前記裏面が下側に凸状に反った封止樹脂と、
   前記封止樹脂に包埋され凹凸を有する第１外周面を有し、前記第１外周面より下部に前記第１外周面よりも円滑な第２外周面を有し、かつ前記第２外周面の下端の底面が前記封止樹脂の前記裏面から露出し、前記第２外周面の下端より上側の前記第２外周面の少なくとも一部が前記封止樹脂で封止され、前記絶縁回路基板よりも前記封止樹脂の端部側に配置された筒状部材と、
   を備える半導体モジュール。
2. 前記筒状部材の前記第２外周面の少なくとも一部は、前記封止樹脂の端部に対向して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
3. 前記筒状部材の前記第２外周面の前記絶縁回路基板に対向する部分の側面は、前記第２外周面の前記封止樹脂の端部に対向する部分の側面よりも粗い凹凸面を有することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体モジュール。
4. 下面に金属層を有する絶縁回路基板と、裏面を有し、前記金属層を前記裏面に露出するように前記絶縁回路基板を封止し、前記裏面の端が前記裏面の中央よりも上側に反るように付勢された封止樹脂と、前記封止樹脂に包埋され凹凸を有する第１外周面を有し、前記第１外周面より下部に前記第１外周面よりも円滑な第２外周面を有し、かつ前記第２外周面の下端の底面が前記封止樹脂の前記裏面から露出し、前記第２外周面の下端より上側の前記第２外周面の少なくとも一部が前記封止樹脂で封止され、前記絶縁回路基板よりも前記封止樹脂の端部側に配置された筒状部材と、を備える半導体モジュールと、
   前記半導体モジュールの前記金属層の下面に接して設けられた伝熱材と、
   前記伝熱材に接する外部装置と、
   前記筒状部材に挿通され、前記外部装置に固定される固定部材と、
   を備えることを特徴とする半導体装置。

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