JP7367309B2

JP7367309B2 - 半導体モジュール、半導体装置及び半導体装置の製造方法

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Publication number: JP7367309B2
Application number: JP2019021595A
Authority: JP
Inventors: まい齊藤; 元人堀
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2019-02-08
Filing date: 2019-02-08
Publication date: 2023-10-24
Anticipated expiration: 2039-02-08
Also published as: JP2020129605A

Description

本発明は、半導体モジュール、半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。

半導体装置は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＦＷＤ（Free Wheeling Diode）等の半導体素子が設けられた基板を有し、インバータ装置等に利用されている。

例えば、特許文献１に記載のパワーモジュールでは、放熱部材の上面にセラミック回路基板が実装され、セラミック回路基板の上面に半導体素子が実装される。セラミック回路基板は、セラミック基板の上面に金属回路板を形成し、セラミック基板の下面に金属板を形成して構成される。金属板の下面には所定箇所に溝が形成されている。セラミック回路基板は、金属板と放熱部材との間にグリース状の伝熱性組成物を介在させて接合される。

また、特許文献２に記載の電子機器では、放熱体の上面にシリコングリースを介して金属基板が配置される。金属基板は、コアの上面に絶縁層を形成して構成され、絶縁層の表面には回路パターンが形成される。当該回路パターン上に、発熱部品として例えばパワーＭＯＳ素子が実装される。放熱体とコアとの間には、凹凸形状によって隙間が形成されており、当該隙間は上記したシリコングリースが充填されている。また、金属基板は、上面からねじによって放熱体に締め付け固定される。

特開２００３－２８３０６３号公報特開２００７－２４３１０９号公報

ところで、半導体モジュールと冷却器との間に充填されるグリースは、装置使用時のポンプアウトや経年劣化により、放熱性が低下してしまうおそれがあった。そのため、半導体モジュールと冷却器とを接合材で接合することが望まれていた。一方で、半導体素子が実装された絶縁回路基板を、放熱板や放熱材を介して冷却器等の放熱部材に接合する場合、接合面全体に一定の単位面積当たりの荷重が必要であった。このため、半導体素子に大きな荷重が加わることで、半導体素子が破損してしまうおそれがあった。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、接合時の荷重を小さくして半導体素子の破損を防止することができる半導体モジュール、半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供することを目的の１つとする。

本発明の一態様の半導体モジュールは、絶縁板と、前記絶縁板の上面に形成される第１金属層と、前記絶縁板の下面に形成される第２金属層と、を有する絶縁回路基板と、前記第１金属層の上面に配置される半導体素子と、前記第２金属層の下面に配置される放熱板と、を備え、前記放熱板の下面には、前記半導体素子の直下に対応する箇所に凸部が形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、接合時の荷重を小さくして半導体素子の破損を防止することができる。

本実施の形態に係る半導体装置の一例を示す模式図である。図１に示す半導体装置の部分拡大図である。変形例に係る半導体装置を示す断面模式図である。他の変形例に係る半導体モジュールを下面から見た平面図である。他の変形例に係る半導体モジュールを下面から見た平面図である。凸部の形成範囲を示す平面模式図である。

以下、本発明を適用可能な半導体装置について説明する。図１は、本実施の形態に係る半導体装置１００の一例を示す模式図である。図１Ａは半導体装置１００の断面模式図であり、図１Ｂは半導体モジュール１をベース板１２の下面からみた平面図である。図２は、図１に示す半導体装置１００の部分拡大図である。なお、以下に示す半導体装置はあくまで一例にすぎず、これに限定されることなく適宜変更が可能である。本明細書において、平面視は、絶縁回路基板に垂直な方向から半導体装置をみた場合を意味する。

半導体装置１００は、例えばパワーモジュール等の電力変換装置に適用されるものである。図１に示すように、半導体モジュール１を接合材１０で冷却器１１に接合して構成される。半導体モジュール１は、放熱板であるベース板１２と、ベース板１２の上面に配置される絶縁回路基板２と、絶縁回路基板２の上面に配置される半導体素子３と、絶縁回路基板２及び半導体素子３の周囲を囲むケース１３と、を含んで構成される。

冷却器１１は、例えばヒートシンク、放熱フィンや水冷ジャケットで構成され、平面視方形状を有している。冷却器１１は、上面に半導体モジュール１が接合される平滑な接合面を有している。冷却器１１は、銅やアルミニウム等の金属、またはこれらを１種以上含む合金によって形成されており、表面に例えばメッキ処理が施されている。

ベース板１２は、放熱板として機能し、銅等の金属板の表面にメッキ処理を施して、例えば平面視矩形状を有している。ベース板１２は、上面に絶縁回路基板２が接合される平滑な接合面を有している。詳細は後述するが、ベース板１２の下面には所定箇所に凸部１２ａが形成されており、当該凸部１２ａが接合材１０を介して冷却器１１の上面に接合される。接合材１０については後述する。

絶縁回路基板２は、金属層と絶縁層とを積層して構成され、ベース板１２の上面より小さい平面視矩形状に形成される。具体的に絶縁回路基板２は、上面（一方の面）と上面と反対側の下面（他方の面）を備える絶縁板２０と、絶縁板２０の上面に形成される第１金属層２１と、絶縁板２０の下面に形成される第２金属層２２と、を有している。絶縁板２０、第１金属層２１及び第２金属層２２の厚みは、同じであってもよく、それぞれが異なっていてもよい。

絶縁板２０は、セラミック等の絶縁体で形成され、第１金属層２１及び第２金属層２２は、例えば銅箔で形成される。第１金属層２１は、半導体素子と電気的に接続される回路層を構成する。第１金属層２１は、平面を有しており、絶縁板２０の上面に所定の回路パターンを配置して構成される。具体的に第１金属層２１の外縁部は、絶縁板２０の外縁部よりも僅かに内側に位置している。

第２金属層２２は、平面を有しており、絶縁板２０の下面の略全体を覆う平面視矩形状を有している。具体的に第２金属層２２の外縁部は、絶縁板２０の外縁部よりも僅かに内側に位置している。絶縁回路基板２の第２金属層２２の下面は、ベース板１２の上面に接合されている。

このように構成される絶縁回路基板２は、例えば、ＤＣＢ（Direct Copper Bonding）基板やＡＭＢ（Active Metal Brazing）基板で形成される。また、絶縁板２０は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）等のセラミックス材料を用いて形成されてもよい。絶縁回路基板２は、例えばベース板１２の上面中央に配置されている。

絶縁回路基板２の第１金属層２１の上面には、半導体素子３が配置されている。半導体素子３は、例えばシリコン（Ｓｉ）、炭化けい素（ＳｉＣ）等の半導体基板によって形成される。半導体素子３は例えば平面視矩形状（方形状）である。半導体素子３は、第１金属層２１上の略中央に３つ配置されている。半導体素子３は、それぞれ半田Ｓ等の接合材を介して第１金属層２１上に配置される。これにより、半導体素子３は、第１金属層２１と電気的に接続される。なお、半導体素子３の個数や配置箇所は、これに限定されず、適宜変更が可能である。

なお、半導体素子３としては、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やパワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等のスイッチング素子、ＦＷＤ（Free Wheeling Diode）等のダイオードが用いられる。また、半導体素子３として、ＩＧＢＴとＦＷＤを一体化したＲＣ（Reverse Conducting）－ＩＧＢＴ、逆バイアスに対して十分な耐圧を有するＲＢ（Reverse Blocking）－ＩＧＢＴ等が用いられてもよい。

ケース１３は、絶縁回路基板２及び半導体素子３を収容する筐体であり、ベース板１２と略同じ平面視矩形状に形成される。ケース１３は、絶縁回路基板２の外周側を囲う環状壁部１３ａと、絶縁回路基板２及び半導体素子３の上方を覆う蓋部１３ｂと、によって構成され、例えば合成樹脂によって形成される。ケース１３は、環状壁部１３ａの下面をベース板１２の上面に対向させ、例えば接着剤（不図示）を介して接着される。

環状壁部１３ａは、絶縁回路基板２及び半導体素子３の周囲に配置され、後述する封止樹脂１５が充填される空間を規定する。環状壁部１３ａは、ベース板１２の外形に対応した平面視四角環状に形成され、絶縁回路基板２の厚み方向（鉛直方向）に立ち上がっている。環状壁部１３ａの四角環形状を規定する各辺には、外部端子１４が埋め込まれている。外部端子１４は、断面視Ｌ字状に形成され、一端が環状壁部１３ａの内壁面から突出する一方、他端が環状壁部１３ａの上面から突出している。外部端子１４は、ケース１３に対して例えばインサート成形により一体化されている。

３つの半導体素子３は、配線部材Ｗによって電気的に接続される。また、一部の半導体素子３は、配線部材Ｗを介して一方の外部端子１４に電気的に接続される。更に他方の外部端子１４は、配線部材Ｗを介して第１金属層に電気的に接続される。

なお、上記した各配線部材Ｗには、導体ワイヤが用いられる。導電ワイヤの材質は、金、銅、アルミニウム、金合金、銅合金、アルミニウム合金のいずれか１つ又はそれらの組み合わせを用いることができる。また、配線部材として導電ワイヤ以外の部材を用いることも可能である。例えば、配線部材としてリボンやリードフレームを用いることができる。

環状壁部１３ａにより画定されるケース１３の内部空間は、封止樹脂１５によって封止される。具体的に封止樹脂１５は、ケース１３の内側で絶縁回路基板２、半導体素子３、配線部材Ｗ、及び外部端子１４の一部を封止する。封止樹脂１５には、エポキシ樹脂やシリコーンゲルを用いることができる。封止樹脂１５は、上記した配線部材Ｗが埋まる高さまでケース１３内に充填される。封止樹脂１５が充填された後、封止樹脂１５の上方に蓋部１３ｂが取り付けられる。

ところで、上記のような半導体モジュール１を冷却器１１に接合する場合、接合材１０として例えば焼結材、樹脂接着剤、接着シート等が用いられる。このような接合材１０を用いて半導体モジュール１を冷却器１１に接合する場合、ある程度の加圧力（単位面積当たりの荷重）を必要とする。

当該加圧力は、半導体モジュール１と接合対象（上記の例であれば冷却器１１）との接触面積に比例して大きくなる。すなわち、半導体モジュール１と冷却器１１との接合面全体で所定の加圧力を確保するためには、半導体モジュール１により大きな荷重をかける必要がある。この結果、半導体モジュール１を構成する各種部品に必要以上の荷重が加わり、破損してしまうおそれがあった。一方で、半導体モジュール１と冷却器１１との接合箇所を小さくすると、半導体モジュール１の放熱が阻害され、半導体素子３が破壊してしまうおそがあった。

そこで、本件発明者等は、半導体モジュール１において冷却が必要な箇所と、その接合面の面積に着目して本発明に想到した。具体的に本実施の形態では、第２金属層２２の下面に配置されるベース板１２の下面に半導体素子３に対応する箇所に凸部１２ａが形成されている。より詳細には、図１Ａ及び図２に示すように、凸部１２ａは、各半導体素子３の直下においてベース板１２の下面から下方に向かって所定厚みで突出している。

本実施の形態では、各凸部１２ａの下面に当該凸部１２ａに相補形状の接合材１０を配置し、接合材１０を介して半導体モジュール１（凸部１２ａ）を冷却器１１の上面に接合する構成としている。また、凸部１２ａの外側において、ベース板１２の下面と冷却器１１の上面との間には、空隙が形成されている。

この構成によれば、凸部１２ａのみで半導体モジュール１を冷却器１１に接合し、凸部１２ａの外側に空隙が形成されたことで、ベース板１２と冷却器１１との接合面の面積（接触面積）をベース板１２の全面に対して小さくすることが可能である。この結果、接合時の荷重を極力小さくして半導体素子３やその周辺構成の破損を防止することができる。また、半導体モジュール１の中で比較的発熱する半導体素子３の直下に凸部１２ａを設け、平面視で半導体素子３に重なるように凸部１２ａを配置したことで、凸部１２ａを介して半導体素子３の熱を効果的に冷却器１１に放出することが可能である。よって、放熱性が阻害されることもない。

また、図１Ｂに示すように、凸部１２ａは、平面視において半導体素子３の形状に対応した方形状を有している。凸部１２ａは、半導体素子３の直下の領域を全て含み、半導体素子３と同じ面積か、それより大きい面積を有している。凸部１２ａの面積は、半導体素子３の面積以上で、図６に示す範囲Ｒ内であることが好ましい。

図６は、凸部の形成範囲を示す平面模式図である。図６に示すように、凸部１２ａの面積は、半導体素子３の面積以上で、半導体素子３の外縁部から外側へ所定距離Ｃだけ離れた範囲Ｒ内に収まることが好ましい。具体的に範囲Ｒは、半導体素子３の各辺から所定距離Ｃだけ離れた矩形領域と、半導体素子３の各角部から所定距離Ｃ（半径Ｃ）だけ離れた扇形領域とによって形成される。なお、所定距離Ｃは、下式によって定められる。
Ｃ＝√３×（絶縁回路基板２の厚さ＋凸部１２ａの位置におけるベース板１２の厚さ）（式）
ここで、凸部１２ａの位置におけるベース板１２の厚さとは、凸部１２ａを含むベース板１２の厚みを表している。

この構成によれば、半導体素子３から下方に向かって熱が伝達する際に、半導体素子３の外周側に熱が拡がるように伝わっても、半導体素子３の外周側にはみ出た凸部１２ａを介して冷却器１１に熱を伝達（放熱）することができるため、放熱性を確保することが可能である。

また、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、半導体素子３の直下に形成された凸部１２ａの周囲の空隙は、別の凸部で囲われず、ベース板１２の外周まで広がっている。この構成によれば、接合時の荷重を凸部１２ａに効率的に加えることができ、半導体素子３の熱を効果的に放出でき、半導体素子３やその周辺構成の破損をより防止することができる。更に、凸部１２ａは、半導体素子３の直下に対応する位置にのみ形成されている。この構成によれば、半導体素子３の熱を効果的に放出できると共に、接合時の荷重を最低限に抑えることができ、半導体素子３やその周辺構成の破損をより防止することができる。

また、図２に示すように、凸部１２の外周縁には、下方に向かうに従って内側に傾斜する傾斜部１２ｂが形成されている。この構成によれば、凸部１２ａを例えばエッチング等によって形成する場合、エッチング深さを厳密にコントロールする必要がないため、凸部１２ａを容易に形成することが可能である。

なお、凸部１２ａは、エッチングに限らず、凸部１２ａに相当する厚みの金属板をベース板１２の下面に貼り付けて形成してもよい。また、傾斜部１２ｂが設けられたことで、接合部に生じる応力を小さくすることが可能である。接合部には、半導体モジュール１の取付けや、装置駆動時の温度変化等で応力が生じ得る。接合部に過剰な応力が生じると、接合部にクラックが生じ、放熱性が低下して半導体モジュール１が破壊するおそれがあるため、接合部に生じる応力を傾斜部１２ｂで軽減することで半導体モジュール１の破損を防止することが可能である。

また、本実施の形態において、接合材１０は、焼結材や種々の接着剤を用いることが可能である。例えば、銀等の金属ナノ粒子焼結剤を接合材１０として用いることができる。金属ナノ粒子焼結剤は、熱伝導率が高く、ベース板１２及び冷却器１１間の熱伝導を効果的に実施できるためである。金属ナノ粒子焼結剤を用いた加圧接合プロセスは、例えば、（１）焼結材塗布工程、（２）溶媒揮発工程、（３）加圧加熱工程をこの順に経て構成される。（１）焼結材塗布工程においては、金属ナノ粒子と溶媒が混合された焼結材が接合面（冷却器１１の上面）上に塗布される。（２）溶媒揮発工程では、乾燥等により溶媒を揮発させ、接合面上に金属ナノ粒子だけが残った状態にする。（３）加圧加熱工程では、（２）の金属ナノ粒子上に接合対象となるベース板１２（凸部１２ａ）を配置し、加熱しながら凸部１２ａを下方（冷却器１１）に向けて加圧し押し付ける。この結果、金属ナノ粒子同士が密着して固化し、ベース板１２と冷却器１１が接合された状態となる。

また、接合材１０が、ペースト状の接着剤であってよい。例えば、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂などのベース樹脂に、銅、アルミニウム、銀、ニッケルなどの金属あるいは酸化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化硼素、炭化ケイ素、炭化硼素等のフィラーを加えたものを用いることができる。ペースト状の接着剤の場合、接合材１０は、比較的流動性が小さいことが好ましい。接合材１０は、２５℃における粘度が３００～１０００Ｐａ・Ｓであることが好ましい。この粘度の範囲では、加圧しても凸部１２ａと冷却器１１との間に所定厚みで接合材１０が介在可能であり、半導体モジュール１と冷却器１１との接合性を確保することが可能なためである。また、接合材１０の配置方法は、ペースト状の接合材１０を、接合箇所にディスペンサで塗布してもよいし、接合箇所に対応したマスク上でスキージ等により引き延ばして塗布してもよい。

なお、接合材１０は、シート状の接着剤であってもよい。シート状の接合材１０の場合、予めシート状の接合材１０を所定の大きさにカットした状態で接合箇所に配置してもよく、簡便に接合材１０を凸部１２の面積に対応させることができる。そのため、接合材１０の使用量を接合箇所にのみ限定しやすく、接合材１０のコストを低減することが可能である。なお、シート状の接合材１０の場合、加圧しても凸部１２ａと冷却器１１との間で流動し難く、接着するためにはある程度の加圧力が必要となるため、本発明による効果が大きい。

なお、接合時の加圧力は、半導体素子３等の半導体モジュール１を構成する部品を破損しない程度に調整されることが好ましい。また、上記した各種の接合材１０は、加圧加熱工程を経た後、固化することでベース板１２と冷却器１１が接合された状態となる。

次に図３を参照して変形例について説明する。図３は、変形例に係る半導体装置１００を示す断面模式図である。上記した実施の形態では、半導体モジュール１がベース板１２を備え、ベース板１２に凸部１２ａが形成される場合について説明した。図３に示す変形例では、半導体モジュール１がベース板１２を備えず、絶縁回路基板２が直接接合材１０を介して冷却器１１に接合される、いわゆる銅ベースレス構成について説明する。図３では、主の相違点のみ説明し、既出の共通する構成については適宜説明を省略する。

図３に示すように、変形例では、第２金属層２２の下面に半導体素子３に対応する箇所に凸部２２ａが形成されている。凸部２２ａは、各半導体素子３の直下においてベース板１２の下面から下方に向かって所定厚みで突出している。

変形例では、各凸部２２ａの下面に当該凸部２２ａに相補形状の接合材１０を配置し、接合材１０を介して半導体モジュール１（凸部２２ａ）を冷却器１１の上面に接合する構成としている。また、凸部２２ａの外側において、第２金属層２２の下面と冷却器１１の上面との間には、空隙が形成されている。

この構成によれば、凸部２２ａのみで半導体モジュール１を冷却器１１に接合し、凸部１２ａの外側に空隙が形成されたことで、第２金属層２２と冷却器１１との接合面の面積（接触面積）を第２金属層２２の全面に対して小さくすることが可能である。この結果、接合時の荷重を極力小さくして半導体素子３やその周辺構成の破損を防止することができる。また、半導体モジュール１の中で比較的発熱する半導体素子３の直下に凸部２２ａを設け、平面視で半導体素子３に重なるように凸部２２ａを配置したことで、凸部２２ａを介して半導体素子３の熱を効果的に冷却器１１に放出することが可能である。よって、放熱性が阻害されることもない。

また、凸部２２ａは、半導体素子３の平面視における面積より大きい面積を有している。この構成によれば、半導体素子３から下方に向かって熱が伝達する際に、半導体素子３の外周側に熱が拡がるように伝わっても、半導体素子３の外周側にはみ出た凸部２２ａを介して冷却器１１に熱を伝達（放熱）することができるため、放熱性を確保することが可能である。また、凸部１２の外周縁には、下方に向かうに従って内側に傾斜する傾斜部２２ｂが形成されている。図３に示す傾斜部２２ｂによっても、図２に示す傾斜部１２ｂと同じ効果を得ることができる。

このように、図３に示す変形例においても、比較的発熱する半導体素子３に対応する箇所にのみ凸部２２ａを設けたことで、接合面積を極力小さくすることができ、接合時の荷重を小さくして半導体素子３やその周辺構成の破損を防止することができる。その他、図１、２に示す実施の形態と同じ作用効果を得ることが可能である。

また、上記実施の形態では、第１金属層２１に半導体素子３を３つ配置する構成としたが、この構成に限定されない。半導体素子３の数は、１つでも３つ以上であってもよい。

また、上記実施の形態では、１つの凸部１２ａ（２２ａ）に対して１つの半導体素子３を配置する構成としたが、この構成に限定されない。１つの凸部に対して複数の半導体素子３が配置されてもよい。

また、上記実施の形態では、半導体素子３が平面視方形状に形成される構成としたが、この構成に限定されない。半導体素子は、矩形以外の多角形状に形成されてもよい。凸部の形状も同様に変更が可能である。

また、上記実施の形態では、凸部の外周縁に下方に向かうに従って内側に傾斜する傾斜部が形成される構成としたが、この構成に限定されない。傾斜部は、下方に向かうに従って外側に傾斜してもよく、必ずしも傾斜部は設けられなくてもよい。なお、傾斜部は、内側傾斜及び外側傾斜のいずれの場合であっても、断面視における長さ（図２又は図３に示す傾斜部の長さ）が凸部の厚さの１．１３倍以上２倍以下であることが好ましい。傾斜部の長さが上記範囲にあることで、接合部に生じる応力をより効果的に小さくすることが可能である。

また、上記実施の形態では、半導体素子３に対応して凸部を設ける場合について説明したが、この構成に限定されない。凸部を設けずに、半導体素子３に対応する箇所にのみ接合材１０を配置しても、上記と同じ作用効果を得ることが可能である。この場合、接合材の配置箇所のみの変更で既存の構成をそのまま活用することができ、設計工数を削減することが可能である。

また、上記実施の形態では、半導体モジュール１の接合対象として、冷却器１０を例にして説明したが、この構成に限定されない。半導体モジュール１を冷却器１０以外の他の構成に接合してもよい。

また、上記実施の形態では、半導体素子３をベース板１２及び／又は絶縁回路基板２の略中央に配置し、半導体素子３の直下に対応する箇所にのみ凸部を配置する構成としたが、この構成に限定されない。半導体素子３の配置する、配置箇所は適宜変更が可能である。

複数の半導体素子３がベース板１２（絶縁回路基板２）の略中央に配置されていなくもよい。例えば、図４に示すように、半導体素子３は、絶縁回路基板の中央より一端側に偏って配置されてもよい。この場合、半導体素子３の直下に対応する位置に配置される凸部１２ａ（２２ａ）とは別に、第２凸部１２ｃ（２２ｃ）を形成してもよい。第２凸部１２ｃ（２２ｃ）は、ベース板１２（絶縁回路基板２）の中央より他端側に配置される。第２凸部１２ｃ（２２ｃ）は、半導体モジュール１（ベース板１２及び／又は絶縁回路基板２）の重心調整用に配置されるものであり、半導体素子３の直下に対応する箇所には配置されていない。好ましくは、一つ又は複数の半導体素子３の直下に対応する位置に配置される凸部１２ａ（２２ａ）及び重心調整用に配置される第２凸部１２ｃ（２２ｃ）の重心と、凸部１２ａ（２２ａ）及び第２凸部１２ｃ（２２ｃ）を含まないベース板１２（絶縁回路基板２）の重心Ｇとが略一致して配置される構成である。すなわち、第２凸部１２ｃ（２２ｃ）は、ベース板１２（絶縁回路基板２）全体の重心が複数の半導体素子３を含む半導体モジュール１全体の重心に略一致するように配置されることが好ましい。この場合、半導体モジュール１を接合する際の重心位置が一端側に偏ることを防ぎ、加圧時の片押しを抑制でき、加圧時の荷重による半導体モジュール１の破損を抑止することが可能である。

また、例えば、図５に示すように、一つまたは複数の半導体素子３の重心と凸部１２ａ（２２ａ）を含まないベース板１２（絶縁回路基板２）の重心Ｇ１とが略一致して配置された場合、半導体素子３の直下に対応する部分にのみ凸部１２ａ（２２ａ）を配置する構成であってよい。このように、ベース板１２に形成される複数の凸部は、その重心（複数の凸部のみでの重心）がベース板１２の重心と略一致して配置される構成が好ましい。なお、上記において重心が略一致とは、凸部（第２凸部）を含まないベース板１２（絶縁回路基板２）の重心を中心にベース板１２（絶縁回路基板２）の１／１０スケールの相似形の範囲に、凸部（第２凸部）の重心があればよい（図４、５の二点鎖線部分を参照）。すなわち、重心Ｇ、Ｇ１は、所定の範囲（領域）を有する。

また、本実施の形態及び変形例を説明したが、他の実施の形態として、上記実施の形態及び変形例を全体的又は部分的に組み合わせたものでもよい。

また、本実施の形態は上記の実施の形態及び変形例に限定されるものではなく、技術的思想の趣旨を逸脱しない範囲において様々に変更、置換、変形されてもよい。さらに、技術の進歩又は派生する別技術によって、技術的思想を別の仕方で実現することができれば、その方法を用いて実施されてもよい。したがって、特許請求の範囲は、技術的思想の範囲内に含まれ得る全ての実施態様をカバーしている。

下記に、上記実施の形態における特徴点を整理する。
上記実施の形態に記載の半導体モジュールは、絶縁板と、前記絶縁板の上面に形成される第１金属層と、前記絶縁板の下面に形成される第２金属層と、を有する絶縁回路基板と、前記第１金属層の上面に配置される半導体素子と、前記第２金属層の下面に配置される放熱板と、を備え、前記放熱板の下面には、前記半導体素子の直下に対応する箇所に凸部が形成されている。

また、上記実施の形態に係る半導体モジュールにおいて、前記凸部は、前記半導体素子の面積と同じか、前記半導体素子より大きい面積を有する。

また、上記実施の形態に係る半導体モジュールにおいて、前記凸部の面積は、前記半導体素子の面積以上で、前記半導体素子の外縁部から外側へ所定距離だけ離れた範囲内であり、前記所定距離は、下式を満たす。
前記所定距離＝√３×（前記絶縁回路基板の厚さ＋前記凸部の位置における前記放熱板の厚さ）（式）

また、上記実施の形態に係る半導体モジュールにおいて、前記凸部の周囲に前記放熱板の外周まで広がる空隙が形成される。

また、上記実施の形態に係る半導体モジュールにおいて、前記凸部は、下方に向かうに従って内側又は外側に傾斜する傾斜部を有する。

また、上記実施の形態に記載の他の半導体モジュールは、絶縁板と、前記絶縁板の上面に形成される第１金属層と、前記絶縁板の下面に形成される第２金属層と、を有する絶縁回路基板と、前記第１金属層の上面に配置される半導体素子と、備え、前記第２金属層の下面には、前記半導体素子の直下に対応する箇所に前記半導体素子の面積より大きい面積を有する凸部が形成されており、前記凸部は、下方に向かうに従って内側又は外側に傾斜する傾斜部を有する。

また、上記実施の形態に係る半導体モジュールにおいて、前記傾斜部の長さは、前記凸部の厚さの１．１３倍以上２倍以下である。

また、上記実施の形態に係る半導体モジュールにおいて、前記半導体素子は、放熱板及び／又は前記絶縁回路基板の中央に配置され、前記凸部は、前記半導体素子の直下に対応する箇所にのみ配置される。

また、上記実施の形態に係る半導体モジュールにおいて、前記半導体素子は、前記放熱板及び／又は前記絶縁回路基板の中央より一端側に偏って配置され、前記凸部とは別に重心調整用として前記放熱板及び／又は前記絶縁回路基板の中央より他端側に偏って配置される第２凸部が形成される。

また、上記実施の形態に係る半導体モジュールにおいて、前記半導体素子は、前記凸部を含まない放熱板又は絶縁回路基板の重心と一致して配置され、前記凸部は、前記半導体素子の直下に対応する箇所にのみ配置される。

また、上記実施の形態に係る半導体モジュールにおいて、前記凸部の重心は、前記凸部を含まない放熱板又は絶縁回路基板の重心と一致して配置される。

また、上記実施の形態に係る半導体装置は、上記に記載の半導体モジュールと、前記凸部の下面に配置される接合材と、前記接合材を介して前記凸部が接合される冷却器と、を備える。

また、上記実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、上記に記載の半導体装置の製造方法であって、前記接合材は、シート状に形成され、前記半導体モジュールが前記冷却器に向けて加圧されながら加熱されることで固化し、前記半導体モジュールと前記冷却器とを接合する。

また、上記実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、上記に記載の半導体装置の製造方法であって、前記接合材は、２５℃における粘度が３００～～１０００Ｐａ・Ｓであり、前記半導体モジュールが前記冷却器に向けて加圧されながら加熱されることで固化し、前記半導体モジュールと前記冷却器とを接合する。

以上説明したように、本発明は、接合時の荷重を小さくして半導体素子の破損を防止することができるという効果を有し、特に、半導体モジュール、半導体装置及び半導体装置の製造方法に有用である。

１半導体モジュール
２絶縁回路基板
３半導体素子
１０接合材
１１冷却器
１２ベース板（放熱板）
１２ａ凸部
１２ｂ傾斜部
１２ｃ第２凸部
２０絶縁板
２１第１金属層
２２第２金属層
２２ａ凸部
２２ｂ傾斜部
２２ｃ第２凸部
１００半導体装置

Claims

絶縁板と、前記絶縁板の上面に形成される第１金属層と、前記絶縁板の下面に形成される第２金属層と、を有する絶縁回路基板と、
前記第１金属層の上面に配置される半導体素子と、
前記第２金属層の下面に配置される放熱板と、を備えた半導体モジュールと、
前記放熱板の下面に配置される接合材と、
前記接合材を介して前記放熱板が接合される冷却器と、
を備え、
前記放熱板の下面には、前記半導体素子の直下に対応する箇所に凸部が形成されており、
前記放熱板は、前記凸部の側面が露出し、前記凸部の周囲に空隙が形成されるように、前記接合材を介して前記冷却器と接合されていることを特徴とする半導体装置。
前記凸部は、前記半導体素子の直下の領域を全て含み、前記凸部における前記冷却器との接合面の面積は、前記半導体素子の面積と同じか、前記半導体素子より大きい面積を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記凸部における前記接合面の面積は、前記半導体素子の面積以上で、前記半導体素子の外縁部から外側へ所定距離だけ離れた範囲内であり、
前記所定距離は、下式を満たすことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
前記所定距離＝√３×（前記絶縁回路基板の厚さ＋前記凸部の位置における前記放熱板の厚さ）（式）
前記凸部の周囲に前記放熱板の外周まで広がる前記空隙が形成されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の半導体装置。
前記凸部は、下方に向かうに従って内側又は外側に傾斜する傾斜部を有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の半導体装置。
絶縁板と、前記絶縁板の上面に形成される第１金属層と、前記絶縁板の下面に形成される第２金属層と、を有する絶縁回路基板と、
前記第１金属層の上面に配置される半導体素子と、を備えた半導体モジュールと、
前記第２金属層の下面に配置される接合材と、
前記接合材を介して前記第２金属層が接合される冷却器と、
を備え、
前記第２金属層の下面には、前記半導体素子の直下に対応する箇所に前記半導体素子の面積より大きい、前記冷却器との接合面の面積を有する凸部が形成されており、
前記凸部は、下方に向かうに従って内側又は外側に傾斜する傾斜部を有し、
前記第２金属層は、前記傾斜部が露出し、前記凸部の周囲に空隙が形成されるように、前記接合材を介して前記冷却器と接合されていることを特徴とする半導体装置。
前記傾斜部の長さは、前記凸部の厚さの１．１３倍以上２倍以下であることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の半導体装置。
前記半導体素子は、前記放熱板及び／又は前記絶縁回路基板の中央に配置され、
前記凸部は、前記半導体素子の直下に対応する箇所にのみ配置されることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の半導体装置。
前記半導体素子は、前記放熱板及び／又は前記絶縁回路基板の中央より一端側に偏って配置され、
前記凸部とは別に重心調整用として前記放熱板及び／又は前記絶縁回路基板の中央より他端側に偏って配置される第２凸部が形成されることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の半導体装置。
前記半導体素子は、前記凸部を含まない放熱板又は絶縁回路基板の重心と一致して配置され、
前記凸部は、前記半導体素子の直下に対応する箇所にのみ配置されることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の半導体装置。
前記凸部の重心は、前記凸部を含まない放熱板又は絶縁回路基板の重心と一致して配置されることを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置。
請求項１から請求項１１のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、
前記接合材は、シート状に形成され、前記半導体モジュールが前記冷却器に向けて加圧されながら加熱されることで固化し、前記半導体モジュールと前記冷却器とを接合することを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項１から請求項１１のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、
前記接合材は、２５℃における粘度が３００～１０００Ｐａ・Ｓであり、前記半導体モジュールが前記冷却器に向けて加圧されながら加熱されることで固化し、前記半導体モジュールと前記冷却器とを接合することを特徴とする半導体装置の製造方法。