JP7156155B2 - 半導体モジュール - Google Patents

半導体モジュール Download PDF

Info

Publication number
JP7156155B2
JP7156155B2 JP2019080267A JP2019080267A JP7156155B2 JP 7156155 B2 JP7156155 B2 JP 7156155B2 JP 2019080267 A JP2019080267 A JP 2019080267A JP 2019080267 A JP2019080267 A JP 2019080267A JP 7156155 B2 JP7156155 B2 JP 7156155B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
insulating
insulating plate
semiconductor
insulating substrate
semiconductor element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2019080267A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2020178076A (ja
Inventor
祐介 石山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
Priority to JP2019080267A priority Critical patent/JP7156155B2/ja
Priority to US16/662,227 priority patent/US11322452B2/en
Priority to CN202010289944.0A priority patent/CN111834307A/zh
Priority to DE102020110159.7A priority patent/DE102020110159A1/de
Publication of JP2020178076A publication Critical patent/JP2020178076A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP7156155B2 publication Critical patent/JP7156155B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/367Cooling facilitated by shape of device
    • H01L23/3672Foil-like cooling fins or heat sinks
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/52Arrangements for conducting electric current within the device in operation from one component to another, i.e. interconnections, e.g. wires, lead frames
    • H01L23/538Arrangements for conducting electric current within the device in operation from one component to another, i.e. interconnections, e.g. wires, lead frames the interconnection structure between a plurality of semiconductor chips being formed on, or in, insulating substrates
    • H01L23/5389Arrangements for conducting electric current within the device in operation from one component to another, i.e. interconnections, e.g. wires, lead frames the interconnection structure between a plurality of semiconductor chips being formed on, or in, insulating substrates the chips being integrally enclosed by the interconnect and support structures
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/28Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection
    • H01L23/31Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection characterised by the arrangement or shape
    • H01L23/3107Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection characterised by the arrangement or shape the device being completely enclosed
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/28Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection
    • H01L23/31Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection characterised by the arrangement or shape
    • H01L23/3107Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection characterised by the arrangement or shape the device being completely enclosed
    • H01L23/3121Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection characterised by the arrangement or shape the device being completely enclosed a substrate forming part of the encapsulation
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/367Cooling facilitated by shape of device
    • H01L23/3677Wire-like or pin-like cooling fins or heat sinks
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3735Laminates or multilayers, e.g. direct bond copper ceramic substrates
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/48Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor
    • H01L23/488Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor consisting of soldered or bonded constructions
    • H01L23/492Bases or plates or solder therefor
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/48Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor
    • H01L23/488Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor consisting of soldered or bonded constructions
    • H01L23/498Leads, i.e. metallisations or lead-frames on insulating substrates, e.g. chip carriers
    • H01L23/49811Additional leads joined to the metallisation on the insulating substrate, e.g. pins, bumps, wires, flat leads
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/48Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor
    • H01L23/488Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor consisting of soldered or bonded constructions
    • H01L23/498Leads, i.e. metallisations or lead-frames on insulating substrates, e.g. chip carriers
    • H01L23/49866Leads, i.e. metallisations or lead-frames on insulating substrates, e.g. chip carriers characterised by the materials
    • H01L23/49894Materials of the insulating layers or coatings
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/52Arrangements for conducting electric current within the device in operation from one component to another, i.e. interconnections, e.g. wires, lead frames
    • H01L23/538Arrangements for conducting electric current within the device in operation from one component to another, i.e. interconnections, e.g. wires, lead frames the interconnection structure between a plurality of semiconductor chips being formed on, or in, insulating substrates
    • H01L23/5385Assembly of a plurality of insulating substrates
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/26Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/28Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
    • H01L24/29Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L25/00Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
    • H01L25/03Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes
    • H01L25/04Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers
    • H01L25/07Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00
    • H01L25/071Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00 the devices being arranged next and on each other, i.e. mixed assemblies
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/28Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/29Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/29001Core members of the layer connector
    • H01L2224/29099Material
    • H01L2224/291Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/28Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/29Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/29001Core members of the layer connector
    • H01L2224/29099Material
    • H01L2224/291Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/29138Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/29139Silver [Ag] as principal constituent
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/31Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L2224/32Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/321Disposition
    • H01L2224/32151Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/32221Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/32225Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
    • H01L2224/32238Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation the layer connector connecting to a bonding area protruding from the surface of the item
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/31Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L2224/32Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/321Disposition
    • H01L2224/32151Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/32221Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/32225Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
    • H01L2224/3224Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation the layer connector connecting between the body and an opposite side of the item with respect to the body
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/31Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L2224/33Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of a plurality of layer connectors
    • H01L2224/331Disposition
    • H01L2224/3318Disposition being disposed on at least two different sides of the body, e.g. dual array
    • H01L2224/33181On opposite sides of the body
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/80Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L2224/82Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected by forming build-up interconnects at chip-level, e.g. for high density interconnects [HDI]
    • H01L2224/8238Bonding interfaces outside the semiconductor or solid-state body
    • H01L2224/82385Shape, e.g. interlocking features
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/80Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L2224/83Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • H01L2224/8338Bonding interfaces outside the semiconductor or solid-state body
    • H01L2224/83399Material
    • H01L2224/834Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/83417Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 400°C and less than 950°C
    • H01L2224/83424Aluminium [Al] as principal constituent
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/80Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L2224/83Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • H01L2224/8338Bonding interfaces outside the semiconductor or solid-state body
    • H01L2224/83399Material
    • H01L2224/834Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/83438Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/83447Copper [Cu] as principal constituent
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/02Containers; Seals
    • H01L23/04Containers; Seals characterised by the shape of the container or parts, e.g. caps, walls
    • H01L23/043Containers; Seals characterised by the shape of the container or parts, e.g. caps, walls the container being a hollow construction and having a conductive base as a mounting as well as a lead for the semiconductor body
    • H01L23/051Containers; Seals characterised by the shape of the container or parts, e.g. caps, walls the container being a hollow construction and having a conductive base as a mounting as well as a lead for the semiconductor body another lead being formed by a cover plate parallel to the base plate, e.g. sandwich type
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/52Arrangements for conducting electric current within the device in operation from one component to another, i.e. interconnections, e.g. wires, lead frames
    • H01L23/538Arrangements for conducting electric current within the device in operation from one component to another, i.e. interconnections, e.g. wires, lead frames the interconnection structure between a plurality of semiconductor chips being formed on, or in, insulating substrates
    • H01L23/5386Geometry or layout of the interconnection structure
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/26Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/31Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L24/32Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/013Alloys
    • H01L2924/014Solder alloys

Description

本発明は、例えば大電流の制御に用いられる半導体モジュールに関する。
半導体素子を設けた第1及び第2の絶縁基板を上下に向かい合わせて樹脂封止した半導体モジュールにおいて、モジュール内部で半導体素子に第3の絶縁基板を接続した構成が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2013-30710号公報
従来、モジュール内部の絶縁を行う第3の絶縁基板は、モジュール内外の絶縁を行う第1及び第2の絶縁基板と同じ絶縁耐圧に設計されていた。従って、モジュール内部の第3の絶縁基板の絶縁耐圧が必要以上に高い値になっていたため、熱伝導率が低くなって放熱性が低下し、材料費が高くなってコストが増すという問題があった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は放熱性を向上し、コストを低減することができる半導体モジュールを得るものである。
本発明に係る半導体モジュールは、第1の絶縁板と、前記第1の絶縁板の上方に配置された第2の絶縁板と、前記第1の絶縁板の上面に設けられた第1の半導体素子と、前記第2の絶縁板の下面に設けられた第2の半導体素子と、前記第1の絶縁板と前記第2の絶縁板の間に配置された第3の絶縁板と、前記第3の絶縁板の表面に設けられ前記第1及び第2の半導体素子に接続された導体とを有する絶縁基板と、前記第1及び第2の半導体素子と前記絶縁基板を封止する封止樹脂とを備え、前記第3の絶縁板の絶縁耐圧は前記第1及び第2の絶縁板の絶縁耐圧より低いことを特徴とする。
本発明では、モジュール内部の絶縁を行う絶縁基板の第3の絶縁板の絶縁耐圧を、モジュール内外の絶縁を行う第1及び第2の絶縁板の絶縁耐圧よりも低くする。これにより、絶縁基板の熱伝導率が高くなって放熱性が向上し、材料費を節約してコストを低減することができる。
実施の形態1に係る半導体モジュールを示す断面図である。 実施の形態1に係るモジュール内部の絶縁基板を示す上面図である。 実施の形態2に係る半導体モジュールを示す断面図である。 実施の形態2に係る半導体モジュールの変形例を示す断面図である。 実施の形態3に係る半導体モジュールを示す断面図である。 実施の形態4に係る半導体モジュールを示す断面図である。 実施の形態5に係る半導体素子と絶縁基板の接合部を拡大した断面図である。
実施の形態に係る半導体モジュールについて図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係る半導体モジュールを示す断面図である。絶縁基板1は、絶縁板1aと、絶縁板1aの下面に設けられた導体1bと、絶縁板1aの上面に設けられた導体1cとを有する。絶縁基板1の上方に絶縁基板2が配置されている。絶縁基板2は、絶縁板2aと、絶縁板2aの下面に設けられた導体2bと、絶縁板2aの上面に設けられた導体2cとを有する。なお、本願明細書では、図1の断面図における上側の面を「上面」、下側の面を「下面」と記載する。
半導体素子3が絶縁基板1の上面に設けられている。半導体素子3の下面電極はろう材4により絶縁基板1の導体1cに接続されている。半導体素子5が絶縁基板2の下面に設けられている。半導体素子5の下面電極はろう材6により絶縁基板2の導体2bに接続されている。
絶縁基板7が絶縁基板1と絶縁基板2の間に配置されている。絶縁基板7は、絶縁板7aと、絶縁板7aの上下面に設けられた導体7b,7c,7dとを有する。絶縁板7aを貫通するスルーホール8が設けられている。図2は、実施の形態1に係るモジュール内部の絶縁基板を示す上面図である。導体7b,7c,7dは絶縁板7aの上下面において平面方向にも配線されている。
導体7bはスルーホール8を介して絶縁板7aの上下面に設けられ、ろう材9を介して半導体素子3の上面電極と絶縁基板2の導体2bに接続されている。導体7cはろう材10を介して半導体素子5の上面電極に接続されている。導体7dはろう材11を介して絶縁基板1の導体1cに接続されている。
なお、ろう材4,6,9-11は例えばはんだであるが、Agペースト又はその他の導電性接続材でもよい。絶縁基板1,2,7は例えばプリント基板又は銅パターン付きセラミック基板などであり、多層基板であってもよい。
封止樹脂12が半導体素子3,5と絶縁基板7を封止する。半導体素子3,5が設けられた面とは反対側にある絶縁基板1の下面と絶縁基板2の上面が封止樹脂12から外部に露出している。半導体素子3,5の発熱によりモジュール内部の絶縁基板7の温度も上昇する。絶縁基板7はろう材9,11と上下の絶縁基板1,2を介して冷却される。
絶縁板7aの絶縁耐圧は絶縁板1a,2aの絶縁耐圧より低い。ここで、絶縁耐圧は、絶縁板の厚みと絶縁板の絶縁耐力の積によって決まる。従って、絶縁板1a,2aと絶縁板7aの材質が同じ場合には絶縁板7aの厚みが絶縁板1a,2aより薄い。または、絶縁板1a,2aと絶縁板7aの絶縁材質が異なり、絶縁板7aの絶縁耐力が絶縁板1a,2aの絶縁耐力より低い。
以上説明したように、本実施の形態では、モジュール内部の絶縁を行う絶縁基板7の絶縁板7aの絶縁耐圧を、モジュール内外の絶縁を行う絶縁基板1,2の絶縁板1a,2aの絶縁耐圧よりも低くする。これにより、絶縁板7aの放熱性が向上し、材料費を節約してコストを低減することができる。
また、上下に半導体素子3,5を設けることで、電力を大きくし、フットプリントを小さくすることができる。また、絶縁基板1の下面と絶縁基板2の上面を封止樹脂12から露出するため、両面冷却により放熱性能を向上することができる。
また、一般的な半導体モジュールではワイヤにより半導体素子3,5から絶縁基板のパターン等を介して外部電極に電流を取り出す。これに対して、本実施の形態では、はんだ等のろう材により半導体素子3,5を絶縁基板7に接続するため、高面積の電流取り出しが可能である。従って、半導体素子3,5を小型化できるため、半導体モジュールも小型化できる。
実施の形態2.
図3は、実施の形態2に係る半導体モジュールを示す断面図である。本実施の形態では、実施の形態1の絶縁基板2を銅又はアルミニウム等の金属ブロック13に変更している。金属ブロック13は半導体素子5の上面電極に接続されている。封止樹脂12の一部12aが金属ブロック13の上面を覆っている。
図4は、実施の形態2に係る半導体モジュールの変形例を示す断面図である。図3の構成に加えて、実施の形態1の絶縁基板1を銅又はアルミニウム等の金属ブロック14に変更している。金属ブロック14は第1の半導体素子3の下面電極に接続されている。封止樹脂12の一部12bが金属ブロック14の下面を覆っている。
本実施の形態では、絶縁基板1,2を使用せず、封止樹脂12によりモジュール内外の絶縁を行うことでコストを低減できる。また、モジュール内部の絶縁を行う絶縁基板7の絶縁板7aの絶縁耐圧を、モジュール内外の絶縁を行う封止樹脂12の一部12a,12bの絶縁耐圧よりも低くする。これにより実施の形態1と同様の効果を得ることができる。なお、金属ブロック13,14の各々は1つだけに限らず複数個であってもよい。
実施の形態3.
図5は、実施の形態3に係る半導体モジュールを示す断面図である。本実施の形態では、半導体素子15が絶縁基板7に設けられている。半導体素子15の上面電極は絶縁基板7の導体7bにはんだ等のろう材16により接続され、ろう材17により絶縁基板1の導体1cに接続されている。このようにモジュール内部の絶縁基板7にも半導体素子15を設けることにより半導体モジュールの高電流密度化が可能となる。その他の構成及び効果は実施の形態1と同様である。なお、実施の形態2のように絶縁基板1,2を金属ブロック13,14に変更してもよい。
実施の形態4.
図6は、実施の形態4に係る半導体モジュールを示す断面図である。絶縁基板1と絶縁基板7との間の隙間を確保する銅等の金属のスペーサー18が設けられている。絶縁基板2と絶縁基板7との間の隙間を確保する銅等の金属のスペーサー19が設けられている。スペーサー18は絶縁基板1,7の導体1c,7bとろう材により接続されている。スペーサー19は絶縁基板2,7の導体2b,7bとろう材により接続されている。
スペーサー18,19により隙間を確保することで、半導体素子3,5に付与される応力を低減することができる。また、封止樹脂12の流動性を確保することもできる。なお、実施の形態2のように絶縁基板1,2を金属ブロック13,14に変更してもよい。
実施の形態5.
図7は、実施の形態5に係る半導体素子と絶縁基板の接合部を拡大した断面図である。実施の形態1~4の半導体モジュールにおいて、絶縁基板7の導体7bにろう材9との接合領域を制御するためのレジスト等の絶縁膜20を設ける。そして、絶縁膜20の開口面積を半導体素子3の上面電極の面積より小さくする。このように接合領域を制御することでろう材9が溶けた際に台形のような形になり、ろう材9と半導体素子3の接続面積がろう材9と絶縁基板7の導体7bの接続面積より大きくなる。半導体素子5と絶縁基板7の接合部も同様である。このようにろう材9の形状を制御することで、半導体素子3,5に付与される応力を低減することができる。
なお、半導体素子3,5,15は、珪素によって形成されたものに限らず、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成されたものでもよい。ワイドバンドギャップ半導体は、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、又はダイヤモンドである。このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成された半導体素子は、耐電圧性や許容電流密度が高いため、小型化できる。この小型化された半導体素子を用いることで、この半導体素子を組み込んだ半導体モジュールも小型化・高集積化できる。また、半導体素子の耐熱性が高いため、ヒートシンクの放熱フィンを小型化でき、水冷部を空冷化できるので、半導体モジュールを更に小型化できる。また、半導体素子の電力損失が低く高効率であるため、半導体モジュールを高効率化できる。
1,2,7 絶縁基板、1a,2a,7a 絶縁板、3,5,15 半導体素子、7b,7c 導体、9,10 ろう材、12 封止樹脂、13,14 金属ブロック

Claims (8)

  1. 第1の絶縁板と、
    前記第1の絶縁板の上方に配置された第2の絶縁板と、
    前記第1の絶縁板の上面に設けられた第1の半導体素子と、
    前記第2の絶縁板の下面に設けられた第2の半導体素子と、
    前記第1の絶縁板と前記第2の絶縁板の間に配置された第3の絶縁板と、前記第3の絶縁板の表面に設けられ前記第1及び第2の半導体素子に接続された導体とを有する絶縁基板と、
    前記第1及び第2の半導体素子と前記絶縁基板を封止する封止樹脂とを備え、
    前記第3の絶縁板の絶縁耐圧は前記第1及び第2の絶縁板の絶縁耐圧より低いことを特徴とする半導体モジュール。
  2. 前記第1の絶縁板を有し、下面が前記封止樹脂から露出した第1の絶縁基板と、
    前記第2の絶縁板を有し、上面が前記封止樹脂から露出した第2の絶縁基板とを更に備え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. 前記第2の半導体素子の上面に接続された第1の金属ブロックを更に備え、
    前記第2の絶縁板は、前記第1の金属ブロックの上面を覆う前記封止樹脂の一部であ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。
  4. 前記第1の半導体素子の下面に接続された第2の金属ブロックを更に備え、
    前記第1の絶縁板は、前記第2の金属ブロックの下面を覆う前記封止樹脂の一部であることを特徴とする請求項1又は3に記載の半導体モジュール。
  5. 前記絶縁基板に設けられた第3の半導体素子を更に備えることを特徴とする請求項1~4の何れか1項に記載の半導体モジュール。
  6. 前記第1又は第2の絶縁板と絶縁基板との間の隙間を確保するスペーサーを更に備えることを特徴とする請求項1~5の何れか1項に記載の半導体モジュール。
  7. 前記第1又は第2の半導体素子を前記絶縁基板の前記導体に接続するろう材を更に備え、
    前記ろう材と前記第1又は第2の半導体素子の接続面積は、前記ろう材と前記絶縁基板の前記導体の接続面積より大きいことを特徴とする請求項1~6の何れか1項に記載の半導体モジュール。
  8. 前記第1及び第2の半導体素子はワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることを特徴とする請求項1~7の何れか1項に記載の半導体モジュール。
JP2019080267A 2019-04-19 2019-04-19 半導体モジュール Active JP7156155B2 (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019080267A JP7156155B2 (ja) 2019-04-19 2019-04-19 半導体モジュール
US16/662,227 US11322452B2 (en) 2019-04-19 2019-10-24 Semiconductor module
CN202010289944.0A CN111834307A (zh) 2019-04-19 2020-04-14 半导体模块
DE102020110159.7A DE102020110159A1 (de) 2019-04-19 2020-04-14 Halbleitermodul

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019080267A JP7156155B2 (ja) 2019-04-19 2019-04-19 半導体モジュール

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2020178076A JP2020178076A (ja) 2020-10-29
JP7156155B2 true JP7156155B2 (ja) 2022-10-19

Family

ID=72660018

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2019080267A Active JP7156155B2 (ja) 2019-04-19 2019-04-19 半導体モジュール

Country Status (4)

Country Link
US (1) US11322452B2 (ja)
JP (1) JP7156155B2 (ja)
CN (1) CN111834307A (ja)
DE (1) DE102020110159A1 (ja)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4290574A1 (en) * 2022-06-09 2023-12-13 Mitsubishi Electric R&D Centre Europe B.V. Power module with integrated power boards and pcb busbar

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011064841A1 (ja) 2009-11-25 2011-06-03 トヨタ自動車株式会社 半導体装置の冷却構造
JP2013030710A (ja) 2011-07-29 2013-02-07 Sanyo Electric Co Ltd 半導体モジュール
JP2013251569A (ja) 2013-08-02 2013-12-12 Hitachi Ltd 電力変換装置
JP2015170785A (ja) 2014-03-10 2015-09-28 三菱電機株式会社 絶縁基板および電力用半導体装置

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4640345B2 (ja) * 2007-01-25 2011-03-02 三菱電機株式会社 電力用半導体装置
DE112009000447B4 (de) * 2008-04-09 2016-07-14 Fuji Electric Co., Ltd. Halbleitervorrichtung und Verfahren zu ihrer Herstellung
JP2012004282A (ja) * 2010-06-16 2012-01-05 Mitsubishi Electric Corp 半導体装置
WO2015049944A1 (ja) * 2013-10-03 2015-04-09 富士電機株式会社 半導体モジュール
JP6207460B2 (ja) * 2014-05-19 2017-10-04 三菱電機株式会社 半導体装置
CN105304589A (zh) * 2014-06-06 2016-02-03 深圳市锐骏半导体有限公司 功率器件
JP6393342B2 (ja) * 2014-12-12 2018-09-19 株式会社日立製作所 半導体モジュールおよび半導体モジュールの製造方法
JP2016115900A (ja) * 2014-12-18 2016-06-23 三菱電機株式会社 半導体モジュールおよび半導体装置
JP6824913B2 (ja) * 2016-02-09 2021-02-03 三菱電機株式会社 電力用半導体装置及びその製造方法
JP6719252B2 (ja) * 2016-03-30 2020-07-08 日立オートモティブシステムズ株式会社 半導体装置
US9972607B2 (en) * 2016-08-08 2018-05-15 Semiconductor Components Industries, Llc Semiconductor device and method of integrating power module with interposer and opposing substrates

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011064841A1 (ja) 2009-11-25 2011-06-03 トヨタ自動車株式会社 半導体装置の冷却構造
JP2013030710A (ja) 2011-07-29 2013-02-07 Sanyo Electric Co Ltd 半導体モジュール
JP2013251569A (ja) 2013-08-02 2013-12-12 Hitachi Ltd 電力変換装置
JP2015170785A (ja) 2014-03-10 2015-09-28 三菱電機株式会社 絶縁基板および電力用半導体装置

Also Published As

Publication number Publication date
US20200335445A1 (en) 2020-10-22
US11322452B2 (en) 2022-05-03
CN111834307A (zh) 2020-10-27
DE102020110159A1 (de) 2020-10-22
JP2020178076A (ja) 2020-10-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6300633B2 (ja) パワーモジュール
KR100752239B1 (ko) 전력 모듈 패키지 구조체
JP6370257B2 (ja) 半導体装置
JP2007251076A (ja) パワー半導体モジュール
US9159715B2 (en) Miniaturized semiconductor device
JP2019067949A (ja) 半導体装置
WO2012026418A1 (ja) 半導体装置
JP2015005681A (ja) 半導体装置及びその製造方法
JP6305176B2 (ja) 半導体装置及び製造方法
JP7136355B2 (ja) 半導体モジュールの回路構造
JP2015126168A (ja) パワーモジュール
JP7156155B2 (ja) 半導体モジュール
JP7170614B2 (ja) 半導体装置
JP2019134018A (ja) 半導体装置
JP2007329387A (ja) 半導体装置
KR20170024254A (ko) 파워 반도체 모듈 및 이의 제조 방법
JP2010177619A (ja) 半導体モジュール
JP2019091850A (ja) 電力用半導体装置
JP2021180234A (ja) 半導体モジュール
JP7050487B2 (ja) 電子デバイス
JP5682511B2 (ja) 半導体モジュール
JP4992302B2 (ja) パワー半導体モジュール
TWI778499B (zh) 具有導角金屬間隔單元的電源模組
US11217512B2 (en) Semiconductor module
WO2020184383A1 (ja) 半導体装置

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20210513

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20220310

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20220315

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20220906

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20220919

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7156155

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150