JP7280789B2 - パワーモジュール - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、パワーモジュールに関する。
筐体内に電力制御用の半導体チップを配置し、この半導体チップに筐体の外部から端子板を接続して電力を入出力するパワーモジュールが開発されている。このようなパワーモジュールにおいては、内部の回路と端子板などの絶縁状態を保つために、筐体内が絶縁性のゲル材料で満たされている。パワーモジュールの通電量は、今後さらに増大することが見込まれており、通電による発熱対策が課題となっている。
特開２０１５―２３２２６号公報
本発明の実施形態は、信頼性が高いパワーモジュールを提供する。
実施形態に係るパワーモジュールは、第１面を有するベース板と、前記第１面に設けられた複数の電極板と、前記第１面上に設けられた半導体チップと、前記半導体チップと一の前記電極板に接続されたワイヤと、一の前記電極板に接続された金属部材と、端子板と、内部に前記半導体チップと前記ワイヤの接続部が配置された第１樹脂層と、前記第１樹脂層上に設けられ、弾性率が前記第１樹脂層の弾性率よりも低い第２樹脂層とを備える。前記端子板は、前記金属部材の上面に接し前記上面に沿って延びる接合部と、前記接合部から上方に向けて湾曲した湾曲部と、前記湾曲部から外部に引き出された引出部とを有する。前記第２樹脂層は、内部に前記湾曲部が配置され、前記接合部の下面の前記第１面からの長さは、前記接続部の前記第１面からの長さより大きい。
実施形態に係るパワーモジュールを示す斜視図である。 （ａ）は、実施形態に係るパワーモジュールを示す部分断面図であり、（ｂ）は、その一部拡大図である。 （ａ）は比較例１に係るパワーモジュールを示す部分断面図であり、（ｂ）は比較例２に係るパワーモジュールを示す部分断面図である。
以下に、実施形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。さらに、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
（実施形態）
図１は、実施形態に係るパワーモジュールを示す斜視図である。図１は、後述する筐体１１の上面部１１ｃを省略している。図２（ａ）は、本実施形態に係るパワーモジュールを示す部分断面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）の一部拡大断面図である。
図１に示すように、本実施形態のパワーモジュール１００の全体形状は、略直方体である。パワーモジュール１００においては、筐体１１が設けられている。筐体１１は、概ね、パワーモジュール１００の外形を構成する。
図１、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、パワーモジュール１００は、主に、筐体１１の底面部１１ａに嵌め込まれるベース板１０と、ベース板１０の第１面である上面１０Ａに平面的に設けられた複数の電極板２１、２２と、上面電極３０ｂを有する複数の半導体チップ３０と、パワーモジュール１００の内部を満たす第１樹脂層７１及び第２樹脂層７２と、外部接続用の複数の端子板６１、６２、６３及び複数の内部配線用端子板（以下、総称して単に「端子板６０」と言うこともある）と、を備えている。
パワーモジュール１００は、入力用の端子板６２、６３を介して外部電源から電力が流入し、複数の半導体チップ３０によって電力が変換され、変換された電力を出力用の端子板６１からパワーモジュール１００の外部に出力する。
説明の便宜上、図２において、第１面１０Ａの長辺に沿った方向をＸ方向とする。Ｘ方向に垂直であって第１面１０Ａの短辺に沿った方向をＹ方向とする。ＸＹ平面に垂直な方向をＺ方向とする。また、説明中に便宜上使用する「上」及び「下」は、Ｚ方向においてベース板１０から第１樹脂層７１、第２樹脂層７２に向かう方向を上、その逆方向を下としているが、重力の方向には必ずしも一致しない。
パワーモジュール１００は、更に、電極板２２と外部接続用端子板６１の間に配置されてこれらを接続する金属部材５０と、金属部材５０と電極板２２を接続する接合部材８０と、半導体チップ３０の上面電極３０ｂと電極板２２を接続するワイヤ４０も備えている。
以下、外部出力用の端子板６１と、端子板６１に対して電流を出力する半導体チップ３０と、これらを接続している金属部材５０と、電極板２２及びワイヤ４０について、詳細に説明する。なお、以下の説明では外部出力用の端子板６１について説明するが、他の端子板６０についても同様である。
筐体１１は、例えば絶縁性樹脂材料から成り、下面を構成する底面部１１ａと側面を構成する側壁部１１ｂと上面を構成する上面部１１ｃが組み合わされて形成されている。筐体１１の内部は空洞である。
半導体チップ３０は、ベース板１０の第１面１０Ａ上に他の半導体チップ３０と並んで配列して設けられている。半導体チップ３０は、例えば、Ｘ方向及びＹ方向の長さがＺ方向の長さよりも長い直方体形状である。半導体チップ３０は、下面に電極板２１の端部と接続された下面電極３０ａと、上面にワイヤ４０のチップ接続部４０ｂと接続された上面電極３０ｂを有する。
ベース板１０は、例えば絶縁性のセラミックで形成され、ＸＹ平面と平行な略板状である。電極板２１、２２は、ベース板１０の第１面１０Ａに接し、第１面１０Ａとほぼ平行に設けられている。電極板２１、２２は、例えば、一枚の銅板を打ち抜いて所望する配線の形状に形成されている。電極板２１、２２は、端子板６０と、複数の半導体チップ３０の近傍まで適宜延びて設けられ、半田付け、超音波接合または銀焼結などで端子板６０と半導体チップ３０に接続されている。具体的には、電極板２１は、端部２１ａが半導体チップ３０下に配置され、半導体チップ３０の下面電極３０ａと例えば半田付けで接続されている。
電極板２２は、半導体チップ３０の上面電極３０ｂと端子板６１を接続するものである。
電極板２２の一部である第１接続部２２ａは、半導体チップ３０の周辺に配置されており、他の一部である第２接続部２２ｂは、端子板６１の下方に配置されている。第１接続部２２ａは、半導体チップ３０の上面電極３０ｂに接続されたワイヤ４０の端部である電極板接続部４０ａと接続されている。
第２接続部２２ｂ上には、金属部材５０が配置されている。第２接続部２２ｂは、金属部材５０の下面５０ｃと例えば半田などの接合部材８０で接続されるため、接合部材８０が電極板２２上から脱落しないように、上方から見て、電極板２２の外縁は金属部材５０の下面５０ｃの外縁よりも外側に位置している。端子板６１と接続される金属部材５０と第２接続部２２ｂが接続されるので、電極板２２は、金属部材５０を介して端子板６１と接続される。
金属部材５０は、金属、例えば銅を含み、形状は例えば直方体であり、その表面は、上面５０ａと、下面５０ｃと、４つの側面５０ｂとを含む。但し、これには限定されず、金属部材５０には、上面５０ａと下面５０ｃがあればよい。上面５０ａは例えば矩形状で、端子板６１の接合部６１ａの下面に平行な面である。下面５０ｃも例えば矩形状で、電極板２２の第２接続部２２ｂに平行な面である。側面５０ｂは、下面５０ｃの四辺からＺ方向に立ち上がり上面５０ａの四辺に繋がっている。
下面５０ｃは、電極板２２の第２接続部２２ｂと接続されているため、第２接続部２２ｂより狭い領域になっている。上面５０ａは、端子板６１の接合部６１ａと接合させるため、接合部６１ａより広い領域になっている。
接合部材８０は、例えば半田などからなり、金属部材５０と第２接続部２２ｂに接し、自らが硬化することで金属部材５０と第２接続部２２ｂを固定し接続している。詳細には、接合部材８０は、金属部材５０の側面５０ｂを構成する４面と、第２接続部２２ｂの側面５０ｂ周辺に接して設けられ、下に向かって広がった形状になっている。
端子板６１は、金属部材５０の上面５０ａに接する接合部６１ａと、接合部６１ａから上方に向けて湾曲した湾曲部６１ｂと、湾曲部６１ｂからＺ方向の上方に延びた第１中間部６１ｃと、第１中間部６１ｃから更にＸＹ平面に沿って延びる第２中間部６１ｄと、第２中間部６１ｄから更にＺ方向上方に延びた第３中間部６１ｅと、第３中間部６１ｅから更に屈曲してＸＹ平面に沿って延びて筐体１１の外部に引き出された引出部６１ｆとを有する。接合部６１ａ、湾曲部６１ｂ、第１中間部６１ｃ、第２中間部６１ｄ、第３中間部６１ｅ、引出部６１ｆは、この順に配列されて一体的に形成されている。端子板６１は、銅を含んでおり、例えば銅板材を打抜いて折曲加工して形成されている。端子板６１は、接合部６１ａが金属部材５０に接合されて固定され、引出部６１ｆを筐体１１の上面部１１ｃと側壁部１１ｂの間に挟持されて固定されることで、筐体１１の内部に位置決めされている。
接合部６１ａは、金属部材５０の上面５０ａに平行であって上面５０ａに沿って延びている。接合部６１ａは、上面５０ａに接しており、例えば超音波接合によって上面５０ａと接合されている。接合部６１ａは、上面５０ａより小さい下面を有している。湾曲部６１ｂは、ＸＹ平面に平行な接合部６１ａとＺ方向に延びる第１中間部６１ｃを繋げるために上方に向けて湾曲している。湾曲部６１ｂが上方に向けて湾曲しつつ金属部材５０の上面５０ａから離隔していることにより、湾曲部６１ｂの下面と金属部材５０の上面５０ａの間には、くさび状の隙間９０が形成されている。隙間９０内には、第２樹脂層７２が入り込んでいる。湾曲部６１ｂから第１中間部６１ｃ、第２中間部６１ｄ、第３中間部６１ｅを介して外部に引き出された引出部６１ｆは、パワーモジュール１００の外部に一部を露出された状態で配置されている。
ワイヤ４０は、半導体チップ３０の上面電極３０ｂと電極板２２を接続する。ワイヤ４０は、例えばアルミニウムなどで形成されており、細線形状である。ワイヤ４０の一端は、半導体チップ３０と接続されたチップ接続部４０ｂであって、半導体チップ３０の上面電極３０ｂに例えば超音波接合で接続されている。ワイヤ４０の他端は、電極板２２と接続された電極板接続部４０ａであって、電極板２２の第１接続部２２ａと例えば超音波接合などで接続されている。電極板接続部４０ａとチップ接続部４０ｂは、接合によって拘束され、合金化によって硬化し、膨らんだ球形状を成す場合もある。
ベース板１０の第１面１０Ａからワイヤ４０のチップ接続部４０ｂまでの長さＬ１は、第１面１０Ａから端子板６１の接合部６１ａまでの長さＬ２よりも短くなるように、金属部材５０のＺ方向の長さと端子板６１のＺ方向の長さが設定されている。
チップ接続部４０ｂに球形状が形成された場合、第１面１０Ａからワイヤ４０のチップ接続部４０ｂの球形状の上端までの長さを、長さＬ２よりも短くすることが好ましい。
また、チップ接続部４０ｂの接合によるワイヤ４０の硬化を考慮して、ワイヤ４０のチップ接続部４０ｂ側の端部に形成された接続影響部４０ｂｂについて、第１面１０Ａから接続影響部４０ｂｂの上端までの長さをＬ２よりも短くすることが好ましい。接続影響部４０ｂｂは、半導体チップ３０の上面電極３０ｂとチップ接続部４０ｂの接続時に受けた熱の影響により例えばワイヤ４０の結晶構造が変化して屈曲性が低下した部分である。この接続影響部４０ｂｂのＺ方向の長さをＣとする。Ｃの値は、例えば、０．２～１ｍｍであることが好ましい。
さらに、ワイヤ４０のもっとも上方に位置する部分を上部４０ｃとすると、第１面１０Ａから上部４０ｃまでの長さを、Ｌ２より短くすることが好ましい。
第１樹脂層７１と第２樹脂層７２は、ベース板１０と筐体１１で覆われた内部空間を満たし、複数の端子板６１、６２、６３、半導体チップ３０、電極板２１、２２、ワイヤ４０等の相互の絶縁を担保している。第２樹脂層７２は第１樹脂層７１上に配置されている。
第１樹脂層７１の弾性率は、第２樹脂層７２の弾性率よりも高い。第１樹脂層７１の熱膨張率は、第２樹脂層７２の熱膨張率より低い。第１樹脂層７１は、例えばエポキシ樹脂を含んでいる。第２樹脂層７２は、例えば高分子シリコーンを含み、絶縁性のあるゲル状の樹脂である。
第１樹脂層７１は、第１面１０Ａ上に設けられている。第１樹脂層７１の下面７１Ｂは第１面１０Ａ及び電極板２１、２２と接している。
第１樹脂層７１の上面７１ＡのＺ軸の位置Ｚ０は、ワイヤ４０のチップ接続部４０ｂのＺ軸の位置Ｚｔより上であって、端子板６１の接合部６１ａの下面のＺ軸の位置Ｚｃより下に位置している。第１面１０Ａからの長さでいうと、第１樹脂層７１の上面７１Ａまでの長さＬは、ワイヤ４０のチップ接続部４０ｂまでの長さＬ１より長く、端子板６１の接合部６１ａまでの長さＬ２よりも短い。この場合、Ｚ軸の位置Ｚｔより下にある電極板２１、２２、半導体チップ３０及びワイヤ４０のチップ接続部４０ｂと、金属部材５０、接合部材８０及びワイヤ４０の第１樹脂層７１の上面７１Ａより下にある部分が、第１樹脂層７１の内部に配置されている。
チップ接続部４０ｂの形状が球形状となった場合、チップ接続部４０ｂの球形状の上端をＺ軸の位置Ｚｔとすると更に好ましい。第１面１０Ａからの長さでいうと、チップ接続部４０ｂの球形状の上端までを長さＬ１にすると更に好ましい。この場合、Ｚ軸の位置Ｚｔより下にある電極板２１、２２、半導体チップ３０及びワイヤ４０の球状のチップ接続部４０ｂと、金属部材５０、接合部材８０及びワイヤ４０の第１樹脂層７１の上面７１Ａより下にある部分が、第１樹脂層７１の内部に配置される。
チップ接続部４０ｂの接合によるワイヤ４０の硬化を考慮した場合の接続影響部４０ｂｂのＺ軸の位置をＺｔとすると更に好ましい。第１面１０Ａからの長さでいうと、接続影響部４０ｂｂの上端までを長さＬ１とすると更に好ましい。この場合、Ｚ軸の位置Ｚｔより下にある電極板２１、２２、半導体チップ３０及びワイヤ４０の接続影響部４０ｂｂと、金属部材５０、接合部材８０及びワイヤ４０の第１樹脂層７１の上面７１Ａより下にある部分が、第１樹脂層７１の内部に配置される。
ワイヤ４０のもっとも上方に位置する部分の上部４０ｃのＺ軸の位置をＺｔとすると更に好ましい。第１面１０Ａからの長さでいうと、上部４０ｃまでの長さをＬ１とすると更に好ましい。この場合、Ｚ軸の位置Ｚｔより下にある電極板２１、２２、半導体チップ３０及びワイヤ４０と、金属部材５０、接合部材８０及びワイヤ４０の第１樹脂層７１の上面７１Ａより下にある部分が、第１樹脂層７１の内部に配置される。
Ｚｔ及びＬ１については、チップ接続部４０ｂ、球形状の上端、接続影響部４０ｂｂの上端、及び上部４０ｃのいずれを基準にした場合においても、端子板６１は、第１樹脂層７１の内部に配置されない。電極板２１、２２及び半導体チップ３０と、金属部材５０、接合部材８０及びワイヤ４０の第１樹脂層７１の上面７１Ａより下の部分は、第１樹脂層７１の内部に配置され、第１樹脂層７１によって絶縁されている。
第２樹脂層７２は、第１樹脂層７１上に設けられ、第２樹脂層７２の下面７２Ｂの全面は、第１樹脂層７１の上面７１Ａの全面と密着して設けられている。したがって、第２樹脂層７２の下面７２ＢのＺ軸の位置Ｚ０は、ワイヤ４０のチップ接続部４０ｂのＺ軸の位置Ｚｔより上であって、端子板６１の接合部６１ａの下面のＺ軸の位置Ｚｃより下の位置にある。これにより、ワイヤ４０のチップ接続部４０ｂは、第２樹脂層７２の内部に配置されていない。
チップ接続部４０ｂに球形状が形成された場合については、球形状の上端のＺ軸の位置をＺｔにすると更に好ましい。第１面１０Ａからの長さでいうと、球形状の上端までを長さＬ１にすると更に好ましい。これにより、ワイヤ４０のチップ接続部４０ｂの球形状は、第２樹脂層７２の内部に配置されない。
また、接続影響部４０ｂｂを考慮した場合は、接続影響部４０ｂｂの上端のＺ軸の位置をＺｔとすると更に好ましい。第１面１０Ａからの長さでいうと、接続影響部４０ｂｂの上端までを長さＬ１にすると更に好ましい。これにより、ワイヤ４０の接続影響部４０ｂｂは、第２樹脂層７２の内部に配置されない。
さらに、ワイヤ４０の上部４０ｃのＺ軸の位置をＺｔとすると更に好ましい。第１面１０Ａからの長さでいうと、上部４０ｃまでを長さＬ１にすると更に好ましい。この場合、ワイヤ４０の全体が、第２樹脂層７２の内部に配置されない。
Ｚｔ及びＬ１については、チップ接続部４０ｂ、球形状の上端、接続影響部４０ｂｂの上端、及び上部４０ｃのいずれを基準にした場合においても、ワイヤ４０の電極板接続部４０ａとチップ接続部４０ｂは、第２樹脂層７２の内部に配置されない。また、外部に露出した引出部６１ｆの部分以外の端子板６１と、第２樹脂層７２の下面７２Ｂより上にある金属部材５０の少なくとも上面５０ａを含む部分が、第２樹脂層７２の内部に配置されている。
以下に、パワーモジュール１００の通電による動作について説明する。図２（ａ）には、通電による発熱により第１樹脂層７１及び第２樹脂層が熱膨張した場合の変形を模式的に示している。発熱前の第２樹脂層７２の上面７２ＡのＺ軸における位置をＺａとし、通電によって発熱した後の第２樹脂層７２の上面７２ＡのＺ軸における位置をＺｂとする。第２樹脂層７２より熱膨張率が低い第１樹脂層７１の熱膨張は第２樹脂層７２と比べて小さいので、説明を簡略化するために、第１樹脂層７１の上面７１Ａの位置は、通電の前後で変わらずＺ０とする。
通電による発熱が生じた場合、第１樹脂層７１の上面７１Ａの位置はＺ０のままなので、第１樹脂層７１の上面７１Ａに接する第２樹脂層７２の下面７２Ｂはほとんど変位せず、Ｚ０のままである。第２樹脂層７２の上面７２Ａは上方に膨張し、第２樹脂層７２の内部には上方に応力がかかり、第２樹脂層７２の内部に配置されている端子板６０とワイヤ４０は上方への応力を受ける。
第２樹脂層７２に上方への応力がかかっても、弾性率が低く熱応力が小さい第２樹脂層７２は端子板６１の表面から剥離し難い。このため、湾曲部６１ｂの下面と金属部材５０の上面５０ａの間のくさび状の隙間９０においても、第２樹脂層７２は剥離し難く密着し続ける。これにより、通電による発熱時においても、第２樹脂層７２は、端子板６１の絶縁性を維持し続けている。
また、ワイヤ４０の電極板接続部４０ａとチップ接続部４０ｂ以外の部分は、屈曲性などに優れるため、第２樹脂層７２の内部に配置されていても、熱膨張した第２樹脂層７２からの上方応力によって破断などの損傷は受けにくい。また、第２樹脂層７２の内部に配置されたワイヤ４０からも第２樹脂層７２は剥離せずに、ワイヤ４０の絶縁性を保ち続ける。
また、超音波接合で固着されているため屈曲性が低いワイヤ４０のチップ接続部４０ｂと電極板接続部４０ａは、弾性率が高く熱膨張率が低い第１樹脂層７１の内部に配置され固定されているため、上方への応力を受けにくく、破断しにくい。
チップ接続部４０ｂに接合により球形状ができた場合、Ｚｔを球形状の上端にすると、球形状の上端までを第１樹脂層７１の内部に配置させて固定させることになり、更に発熱によって起きる上方応力の影響を軽減することができる。接合によって硬化した接続影響部４０ｂｂを考慮した場合、接続影響部４０ｂｂの上端をＺｔとすると、接続影響部４０ｂｂまでも第１樹脂層７１の内部に配置させて固定させることになり、更に上方応力の影響を軽減することができる。ワイヤ４０の上部４０ｃをＺｔとした場合、ワイヤ４０全体を第１樹脂層７１の内部に配置させ固定させることになり、更に上方応力の影響を軽減することができる。
以下に、本実施形態の効果について説明する。本実施形態においては、接合によって屈曲性が低下したワイヤ４０の電極板接続部４０ａとチップ接続部４０ｂを、弾性率が低く熱膨張率が低い第１樹脂層７１の内部に配置させ固定させているので、外部から電力が流入して発熱しても疲労破壊され難い。また、チップ接続部４０ｂが接合により球形状ができた場合も、球形状の上端まで第１樹脂層７１の内部に配置させて固定させれば、球形状のチップ接続部４０ｂ全体を保護することができる。また、チップ接続部４０ｂの接合によって硬化した接続影響部４０ｂｂの上端まで第１樹脂層７１の内部に配置させて固定させれば、接続影響部４０ｂｂも第１樹脂層７１によって保護することができる。また、ワイヤ４０全体を第１樹脂層７１の内部に配置させて固定させれば、ワイヤ４０全体を第１樹脂層７１によって保護することができる。
また、本実施形態においては、くさび状の隙間９０の内部にゲル状の第２樹脂層７２が進入している。このため、通電時の発熱によって膨張した第２樹脂層７２による上方応力によって端子板６１の湾曲部６１ｂが上方に微小に変位しても、隙間９０内に配置されたゲル状の第２樹脂層７２は、湾曲部６１ｂの微小な変位に追従して変形できるため、第２樹脂層７２は湾曲部６１ｂの下面から剥離しにくい。このため、本実施形態に係るパワーモジュール１００は信頼性が高い。
また、ほぼ直交関係にある金属部材５０の側面５０ｂと電極板２２の第２接続部２２ｂの表面を末広がりに固着する接合部材８０で覆っているので、電極板２２の第２接続部２２ｂと接合部材８０の表面の間の角度αと、側面５０ｂの表面と接合部材８０の表面の間の角度βを鈍角にすることができ、第２樹脂層７２の上方応力が端子板６１を介して伝わってきても、電極板２２、金属部材５０、及び、接合部材８０から第１樹脂層７１が剥離することを抑制できる。
以上により、本実施形態に係るパワーモジュール１００においては、通電量の増大に伴って発熱量が増大し、第２樹脂層７２に熱膨張が発生しても、ワイヤ４０の疲労破断を抑制することができる。また、第２樹脂層７２の膨張によって端子板６１に応力がかかっても、湾曲部６１ｂの下面から第２樹脂層７２が剥離することを抑制でき、絶縁性を担保できる。したがって、パワーモジュール１００の信頼性を向上することができる。
本実施形態は、外部出力用の端子板６１について説明したが、これに限らない。例えば、パワーモジュール１００の他の端子板である入力用端子板６２、６３と内部配線用端子板及びこれらに接続された半導体チップ３０について用いても同様の効果を奏することができる。
本実施形態においては、半導体チップ３０と、この半導体チップ３０に接続される外部出力用の端子板６１について説明したが、これに限られない。他の半導体チップ３０と、この半導体チップ３０に直接接続されない端子板６０との関係においても、同一の効果を奏する。
以下に、本実施形態の構造を用いなかった比較例１のパワーモジュール２００と比較例２のパワーモジュール３００の動作について説明する。図３（ａ）は、比較例１に係るパワーモジュールを示す部分断面図である。パワーモジュール２００は、樹脂層としてゲル状の第２樹脂層７２のみ充填したものである。
図３（ａ）に示すように、Ｚ軸は、ベース板１０の上面１０Ａを０にしている。通電前の第２樹脂層７２の上面７２Ａの位置は、Ｚａ１である。通電によってパワーモジュール２００の内部が発熱した場合、第２樹脂層７２は熱膨張して第２樹脂層７２の上面７２ＡはＺｂ１に変位する。第２樹脂層７２が膨張すると、第２樹脂層７２の内部に上方の熱応力が発生するため、例えばワイヤ４０などに上方の応力がかかる。通電が終わり熱が下がると、第２樹脂層７２が元の体積に収縮し第２樹脂層７２の上面はＺａ１に戻る。第２樹脂層７２が収縮すると熱応力が消えるため、ワイヤ４０などの上方応力が消失する。この繰り返しにより、ワイヤ４０のチップ接続部４０ｂや電極板接続部４０ａが疲労破壊する虞がある。
図３（ｂ）は、比較例２に係るパワーモジュールを示す部分断面図である。パワーモジュール３００は、比較例１の構造に更に第１樹脂層７１を用いたものである。図３（ａ）で説明したワイヤ４０の電極板接続部４０ａ及びチップ接続部４０ｂの疲労破壊を防ぐために、弾性率が高く熱膨張率が低い第１樹脂層７１を第２樹脂層７２の下に配置し、第１樹脂層７１の内部にワイヤ４０の電極板接続部４０ａ及びチップ接続部４０ｂを配置している。通電によって発熱し、第２樹脂層７２が熱膨張した場合、第２樹脂層７２の上面７２ＡはＺａ２からＺｂ２に変位する。第１樹脂層７１は、第２樹脂層７２に比べて熱膨張が小さいので、便宜上、第１樹脂層７１の上面の位置はＺ０２のままで表記している。
ワイヤ４０の電極板接続部４０ａ及びチップ接続部４０ｂは、第１樹脂層７１の内部に配置されているので、第２樹脂層７２の熱膨張による疲労破壊を抑制できる。端子板６１の第２樹脂層７２の内部に配置されている第１中間部６１ｃ、第２中間部６１ｄ、第３中間部６１ｅは、第２樹脂層７２から上方の応力を受けるため、出力用端子板６１全体が上方の応力を受ける。この場合、湾曲部６１ｂの下面と電極板２２の第２接続部２２ｂの間のくさび状の隙間９９に入り込んだ第１樹脂層７１は弾性率が高いので、上方応力を受けた湾曲部６１ｂの微小変位に追従して変形することができず、湾曲部６１ｂから第１樹脂層７１が剥離する虞がある。超音波接合を用いて接合するために、端子板６１と電極板２２をともに銅で形成した場合、例えばエポキシ樹脂で形成された第１樹脂層７１は更に湾曲部６１ｂの下面から剥離し易くなってしまう。
これに対して、前述の実施形態によれば、ワイヤ４０の電極板接続部４０ａは弾性率が高い第１樹脂層７１によって保護することができ、くさび状の隙間９０内にはゲル状の第２樹脂層７２が進入しているため、端子板６１の湾曲部６１ｂから剥離しにくい。このため、実施形態に係るパワーモジュール１００は、比較例１及び比較例２と比較して、信頼性が高い。
以上説明した実施形態によれば、信頼性が高いパワーモジュールを実現することができる。
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、パワーモジュールに含まれる電極板、金属部材、端子板、半導体チップの形状、材質、配置の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。特に、電極板、端子板、及び、ワイヤの材質は銅やアルミニウムに限らず、他の金属でもよく、互いに別の金属にしてもよい。また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１０…ベース板
１０Ａ…上面
１１…筐体
１１ａ…底面部
１１ｂ…側壁部
１１ｃ…上面部
２１、２２…電極板
２１ａ…端部
２２ａ…第１接続部
２２ｂ…第２接続部
３０…半導体チップ
３０ａ…下面電極
３０ｂ…上面電極
４０…ワイヤ
４０ａ…電極板接続部
４０ｂ…チップ接続部
４０ｂｂ…接続影響部
５０…金属部材
５０ａ…上面
５０ｂ…側面
５０ｃ…下面
６１…外部出力用端子板
６１ａ…接合部
６１ｂ…湾曲部
６１ｃ…中間部
６１ｄ…中間部
６１ｅ…中間部
６１ｆ…引出部
６２、６３…入力用端子板
７１…第１樹脂層
７１Ａ…上面
７１Ｂ…下面
７２…第２樹脂層
７２Ａ…上面
７２Ｂ…下面
８０…接合部材
９０、９９…隙間
α、β…角度
１００、２００、３００…パワーモジュール
Ｌ、Ｌ１、Ｌ２…長さ
Ｚ０、Ｚ０２、Ｚａ、Ｚａ１、Ｚａ２、Ｚｂ、Ｚｂ１、Ｚｂ２、Ｚｃ、Ｚｔ…位置

Claims (7)

  1. 第１面を有するベース板と、前記第１面に設けられた複数の電極板と、
    前記第１面上に設けられた半導体チップと、
    前記半導体チップと一の前記電極板に接続されたワイヤと、
    一の前記電極板に接続された金属部材と、
    前記金属部材の上面に接し前記上面に沿って延びる接合部と、前記接合部から上方に向けて湾曲した湾曲部と、前記湾曲部から上方に延びた第１中間部と、前記第１中間部から前記第１面と平行な方向に延びた第２中間部と、前記第２中間部から上方に延びた第３中間部と、前記第３中間部から外部に引き出された引出部と、を有する端子板と、
    内部に前記半導体チップと前記ワイヤの接続部が配置された第１樹脂層と、
    前記第１樹脂層上に設けられ、弾性率が前記第１樹脂層の弾性率よりも低く、内部に前記湾曲部が配置された第２樹脂層と、
    を備え、
    前記接合部の下面の前記第１面からの長さは、前記接続部の前記第１面からの長さより大きく、
    前記第１樹脂層の熱膨張率は、前記第２樹脂層の熱膨張率より低く、
    前記端子板は、板材を折曲加工して形成されたものであり、
    前記湾曲部の下面と前記金属部材の上面の間にはくさび状の隙間が形成されており、
    前記くさび状の隙間内に前記第２樹脂層が進入しているパワーモジュール。
  2. 前記第１樹脂層の上面は、前記接続部より上に位置し、前記接合部より下に位置する請求項１に記載のパワーモジュール。
  3. 前記ワイヤの前記接続部側の端部には、前記接続部と前記半導体チップの接続によって屈曲性が低下した接続影響部が形成され、
    前記接合部の下面の前記第１面からの長さは、前記接続影響部の上端の前記第１面からの長さより大きい請求項１または２に記載のパワーモジュール。
  4. 前記第１樹脂層の前記上面は、前記接続影響部の上端より上に位置する請求項３に記載のパワーモジュール。
  5. 前記金属部材及び前記一の電極板に接した接合部材をさらに備える、請求項１～４のいずれか１つに記載のパワーモジュール。
  6. 前記第１樹脂層は、エポキシ樹脂を含有する、請求項１～５のいずれか１つに記載のパワーモジュール。
  7. 前記第２樹脂層は、ゲル状である、請求項１～６のいずれか１つに記載のパワーモジュール。
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