WO2011149017A1 - 半導体モジュール基板および半導体モジュール - Google Patents

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WO2011149017A1
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insulating substrate
substrate
semiconductor module
insulating
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植田 義明
清茂 宮脇
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京セラ株式会社
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    • H01L2924/30Technical effects
    • H01L2924/35Mechanical effects
    • H01L2924/351Thermal stress

Definitions

  • the present invention relates to, for example, an insulating substrate on which a semiconductor element is mounted and a semiconductor module substrate having a lead electrode, and a semiconductor module in which a semiconductor element is mounted on the semiconductor module substrate and modularized.
  • Some semiconductor modules have a semiconductor element and a lead electrode mounting portion provided on the same insulating substrate on a metal substrate.
  • Such a semiconductor module is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-070863.
  • An object of the present invention is to provide a semiconductor module substrate and a semiconductor module in which the bondability between a metal substrate and an insulating substrate is improved.
  • a semiconductor module substrate is provided with a metal substrate, a first insulating substrate provided on the metal substrate, and a space between the first insulating substrate and the metal substrate. And a second insulating substrate. Further, the semiconductor module substrate is provided on the first insulating substrate, has a bent portion in a side view, and extends on the first lead electrode and the second insulating substrate. And a second lead electrode that is symmetrical to the first lead electrode when viewed from the side.
  • a semiconductor module according to an embodiment of the present invention is mounted on the semiconductor module substrate and the first insulating substrate, and is electrically connected to the first lead electrode and the second lead electrode.
  • a semiconductor element is mounted on the semiconductor module substrate and the first insulating substrate, and is electrically connected to the first lead electrode and the second lead electrode.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the semiconductor module shown in FIG. 1 taken along line AA.
  • It is an insulating substrate of the semiconductor module which concerns on the modification 1 of 1st Embodiment, Comprising: (A) is a perspective view of an insulating substrate, (B) is a perspective view of the other example of an insulating substrate. It is an insulated substrate of the semiconductor module which concerns on the modification 2 of 1st Embodiment, Comprising: (A) is a perspective view of an insulated substrate, (B) is sectional drawing of an insulated substrate, (C) is another example of an insulated substrate. It is sectional drawing.
  • FIG. 5A is a perspective view of the insulating substrate
  • FIG. 5B is a cross-sectional view of the insulating substrate
  • FIG. 5B It is sectional drawing of the principal part of the semiconductor module which concerns on the modification 5 of 1st Embodiment.
  • FIG. 8 It is an internal outline figure which shows the internal outline of the semiconductor module which concerns on 2nd Embodiment. It is sectional drawing when the semiconductor module shown in FIG. 8 is cut
  • the semiconductor module according to the present embodiment includes a metal substrate 1, a first insulating substrate 3 a bonded to the metal substrate 1 and provided with a first lead electrode 4 a, and the metal substrate 1.
  • a second insulating substrate 3b which is bonded to the first insulating substrate 3a with a second lead electrode 4b provided thereon; a semiconductor element 2 mounted on the first insulating substrate 3a; It has.
  • the semiconductor module substrate includes a metal substrate 1, an insulating substrate 3, and lead electrodes 4. And what provided the semiconductor element 2 in the semiconductor module board
  • the metal substrate 1 is a plate-like member formed in a rectangular shape when viewed in plan, and the first insulating substrate 3a and the second insulating substrate 3b are, for example, silver on the upper main surface of the metal substrate 1. It is joined via a brazing material such as (Ag) brazing or silver (Ag) -copper (Cu) brazing.
  • the metal substrate 1 is made of, for example, a metal material such as copper (Cu), iron (Fe) -nickel (Ni) -cobalt (Co) alloy, or copper (Cu) -tungsten (W) alloy.
  • the thermal expansion coefficient of the metal substrate 1 is set to, for example, 4 (ppm / ° C.) or more and 23 (ppm / ° C.).
  • the metal substrate 1 is manufactured, for example, in a predetermined shape using a known metal working method such as cutting or punching an ingot produced by casting these metal materials into a mold.
  • the metal substrate 1 is a metal having excellent corrosion resistance and good wettability with the brazing material on the outer surface of the metal substrate 1, specifically, a Ni layer having a thickness of 0.5 ( ⁇ m) to 9 ( ⁇ m). Then, an Au layer having a thickness of 0.5 ( ⁇ m) or more and 5 ( ⁇ m) or less is sequentially deposited by a plating method.
  • the plated layer can effectively suppress the metal substrate 1 from being oxidized and corroded, and can firmly adhere and fix the first insulating substrate 3 a and the second insulating substrate 3 b to the upper main surface of the metal substrate 1.
  • the semiconductor element 2 is mounted on the first insulating substrate 3a via the first lead electrode 4a.
  • the semiconductor element 2 is, for example, a power MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor), an IGBT (Insulated Gate Bi-polar Transistor), a Schottky diode, or a JFET (Junction Field Effect Transistor), which is a power semiconductor. Moreover, it is a semiconductor element etc. with a high calorific value.
  • the insulating substrate 3 includes a first insulating substrate 3 a and a second insulating substrate 3 b, and is joined to the upper main surface of the metal substrate 1 with a gap therebetween.
  • the insulating substrate 3 is made of a ceramic material such as alumina ceramics, aluminum nitride ceramics or mullite ceramics, or a mixed material of these ceramic materials.
  • the insulating substrate 3 is made of a material that quickly releases the heat generated by the semiconductor element 2 to the metal substrate 1 and has high insulating properties.
  • the thermal conductivity of the insulating substrate 3 is set to, for example, 16 (w / m ⁇ K) or more and 2000 (w / m ⁇ K) or more.
  • the thermal expansion coefficient of the insulating substrate 3 is set to 3 (ppm / ° C.) or more and 11 (ppm / ° C.), for example.
  • first insulating substrate 3 a and the second insulating substrate 3 b have a metallized layer formed at a position corresponding to a joint portion between the metal substrate 1 and the lead electrode 4.
  • a nickel plating layer having a thickness of 1 ( ⁇ m) or more and 3 ( ⁇ m) or less is formed by a plating method such as electrolytic plating or electroless plating in order to improve wettability with the brazing material. Is attached.
  • the lead electrode 4 is a member for establishing electrical continuity between the semiconductor element 2 in the first insulating substrate 3a of the frame 5 and the outside.
  • the lead electrode 4a is provided on the first insulating substrate 3a.
  • the lead electrode 4b is provided on the second insulating substrate 3b and is electrically connected to the semiconductor element 2 by a bonding wire or the like.
  • the lead electrode 4 is made of, for example, a metal material such as an iron (Fe) -nickel (Ni) -cobalt (Co) alloy or an iron (Fe) -nickel (Ni) alloy. These metal ingots are manufactured to have a predetermined shape by adopting a known metal working method such as a rolling method, a punching method or an etching method.
  • the rigidity of the lead electrode 4 is higher than when the lead electrode 4 is formed by combining a plurality of members. Even if the stress is concentrated on the lead electrode 4, the lead electrode 4 is not easily broken, and the electrical reliability of the lead electrode 4 can be maintained well.
  • the plate is formed by bending, a thermal stress is repeatedly applied to the bent portion, which may cause a crack at the bent portion.
  • the bent portion may be formed into an R shape, or the bending angle of the insulating substrate 3 may be changed. By making the obtuse angle with respect to the upper surface, the thermal stress applied to the bent portion can be reduced, and the electrical reliability of the lead electrode 4 can be maintained well.
  • the lead electrode 4 is a metal having excellent corrosion resistance on the outer surface of the lead electrode 4 and good wettability with the brazing material. Specifically, the thickness is 0.5 ( ⁇ m) or more and 9 ( ⁇ m) or less.
  • the Ni layer and the Au layer having a thickness of 0.5 ( ⁇ m) or more and 5 ( ⁇ m) or less are sequentially deposited by a plating method. The plating layer can effectively prevent the lead electrode 4 from being oxidized and corroded, and can firmly bond and fix the lead electrode 4 and the insulating substrate 3 together. As shown in FIG. 1 or FIG.
  • the lead electrode 4 includes a lead electrode 4 provided in the vicinity of one inner wall surface of the frame 5 in a side view in a region surrounded by the frame 5, and a frame
  • the lead electrode provided in the vicinity of the other inner wall surface of the body 5 is formed to be symmetrical.
  • the shape and location of the lead electrode 4 are made symmetrical so that the thermal stress transmitted to the metal substrate 1 or the insulating substrate 3 is prevented from concentrating on the biased portion.
  • the manufacturing yield of the semiconductor module substrate and the semiconductor module can be improved.
  • the first lead electrode 4a has a lead electrode structure (bending portion) having a stress relaxation function by bending deformation in two stages.
  • the second lead electrode 4b also has a lead electrode structure (bent portion) having a stress relaxation function in two stages.
  • the lead electrode 4 is not limited to two steps, and may have a lead electrode structure (bent portion) bent in a plurality of steps. A structure in which the lead electrode 4 is provided with bent portions at a plurality of locations will be described in a second embodiment to be described later.
  • the first lead electrode 4a is provided at a location in contact with the first insulating substrate 3a.
  • the second lead electrode 4b is provided at a location in contact with the second insulating substrate 3b.
  • the lead electrode 4 is provided at a location in contact with the insulating substrate 3 and a location away from the upper surface of the insulating substrate 3.
  • first lead electrode 4a may be provided across the plurality of insulating substrates 3, and a connecting portion connecting the plurality of insulating substrates 3 may be a bent portion having a stress relaxation function.
  • the lead electrode 4 In the cooling process after the lead electrode 4 and the insulating substrate 3 are joined, the lead electrode 4 has a stress caused by a difference in thermal contraction caused by a difference in thermal expansion coefficient between the lead portion and the metal substrate 1 or a thermal stress when the module is used.
  • the stress generated between the insulating substrate 3 and the metal substrate 1 can be relaxed.
  • first lead electrode 4a and the second lead electrode 4b are respectively located inside the upper surfaces of the first insulating substrate 3a and the second insulating substrate 3b when viewed in plan from the upper main surface side of the metal substrate 1. It is preferable that it is located in. Since the first lead electrode 4a and the second lead electrode 4b are provided inside the first insulating substrate 3a and the second insulating substrate 3b, the first lead electrode 4a and the second lead electrode 4b are provided. Can increase the creeping distance from the metal substrate 1, suppress creeping discharge, and improve the withstand voltage between the electrodes. As a result, the electrical insulation of the semiconductor element 2 is improved, and a decrease in the operability of the semiconductor element 2 can be suppressed. In addition, the semiconductor module can be reduced in size. Further, since the distance between the lead electrodes 4 can be increased, the spatial discharge can be suppressed.
  • the distance between the lead electrode 4 and the outer peripheral portion of the insulating substrate 3 is as follows: A is 0.1 (mm) to 10 (mm) and B is 0.1 (mm) or more 10 (mm) or less, C is set to 0.1 (mm) or more and 10 (mm) or less, and D is set to 0.1 (mm) or more and 10 (mm) or less.
  • the frame 5 may be joined to the upper main surface of the metal substrate 1 so as to surround the first insulating substrate 3a and the second insulating substrate 3b.
  • the frame 5 is made of a metal material such as iron (Fe) -nickel (Ni) -cobalt (Co) alloy or iron (Fe) -nickel (Ni) alloy.
  • the frame 5 is manufactured, for example, by forming an ingot of an iron (Fe) -nickel (Ni) -cobalt (Co) alloy into a predetermined frame shape by a known press process.
  • the frame 5 is made of, for example, a ceramic material such as alumina ceramics, aluminum nitride ceramics, or mullite ceramics, or a dielectric material.
  • the frame body 5 suppresses the sealing resin 6 from flowing to the periphery of the metal substrate 1, uniformly fills the sealing resin 6 inside the frame body 5, and effectively seals the semiconductor module. be able to.
  • a sealing resin 6 is provided on the upper main surface of the metal substrate 1 so as to cover the first insulating substrate 3a and the second insulating substrate 3b, the first lead electrode 4a and the second lead electrode 4b, and the semiconductor element 2. It has been.
  • a sealing resin 6 is provided on the upper main surface of the metal substrate 1 so as to cover the first insulating substrate 3a and the second insulating substrate 3b, the first lead electrode 4a and the second lead electrode 4b, and the semiconductor element 2. Therefore, the electrical reliability of the semiconductor module can be improved. Moreover, the withstand voltage of the semiconductor module can be ensured.
  • the sealing resin 6 is provided so as to fill the inside of the frame body 5.
  • the sealing resin 6 is made of, for example, a resin material such as an epoxy resin or a fluorine resin, or a dielectric material.
  • a structure in which the inside of the frame 5 is hermetically sealed instead of the sealing resin 6 may be used.
  • a structure in which the insulating oil is hermetically sealed in the frame 5 instead of the sealing resin 6 may be used.
  • Fine irregularities are formed on the side surface of the insulating substrate 3, and when the sealing resin 6 is provided in the frame 5, the sealing resin 6 has an anchor effect on the fine irregularities.
  • the adhesiveness between the sealing resin 6 and the insulating substrate 3 is improved, and voids such as voids can be reduced with respect to the surface of the insulating substrate 3, and due to the generation of voids, the temperature of the semiconductor element increases. Loss of function of the semiconductor element can be suppressed.
  • the sealing resin 6 exerts a fixing effect between the respective insulating substrate 3 and the sealing resin 6, and the sealing resin The adhesion between the insulating substrate 3 and the insulating substrate 3 is improved, and generation of voids such as voids due to peeling or the like can be suppressed.
  • a heat sink that dissipates heat from the metal substrate 1 may be provided on the lower surface of the metal substrate 1.
  • the heat sink may be a forced cooling method in which a cooling medium such as water or air flows inside the heat sink, or may be a natural air cooling method in which a metal plate is simply disposed.
  • a heat sink can be used.
  • the metal plate may be formed by alternately stacking a plurality of copper, molybdenum, or tungsten layers.
  • the bonding area between each insulating substrate 3 and the metal substrate 1 can be reduced.
  • the thermal stress generated due to the difference in thermal expansion coefficient between the insulating substrate 3 and the metal substrate 1 due to the heat generation of the semiconductor element 2 can be reduced, and the insulating substrate 3 is peeled off, cracked, or insulated from the metal substrate 1.
  • substrate 3, a crack, etc. can be suppressed.
  • the semiconductor elements 2 are individually mounted on the insulating substrate 3, the heat generated in the semiconductor elements 2 is not easily transmitted to other semiconductor elements 2, and the temperature rise due to mutual thermal interference of the semiconductor elements 2. The resulting thermal destruction can be suppressed.
  • warpage deformation of the metal substrate 1 can be suppressed, and when a heat sink is joined to the metal substrate 1, the adhesion with the metal substrate 1 is improved and heat can be efficiently radiated.
  • the metal substrate 1 is formed into a predetermined shape by using a known metal working method such as cutting or punching an ingot produced by casting an iron (Fe) -nickel (Ni) -cobalt (Co) alloy into a mold. Is produced.
  • the green sheet is made of a raw material powder such as aluminum oxide, silicon oxide, magnesium oxide, calcium oxide, an organic binder, a plasticizer, a solvent, and a dispersant. Etc. are mixed and added to form a paste, which is formed by a doctor blade method, a calender roll method or the like. It is manufactured according to each shape by punching a flat green sheet using a mold.
  • the insulating substrate 3 is printed by applying a conductive paste obtained by adding an organic binder, a plasticizer, a solvent, etc. to a high melting point metal powder such as tungsten, molybdenum, or manganese on a predetermined position on the upper surface of the insulating substrate 3 by a screen printing method or the like. Then, a metallized layer is formed at a position corresponding to a joint portion between the metal substrate 1 and the insulating substrate 3.
  • the insulating substrate 3 is manufactured after firing by firing the green sheet at a temperature of about 1600 ° C.
  • a nickel plating layer having a thickness of 1 ( ⁇ m) to 3 ( ⁇ m) is formed on the metallized layer by a plating method such as electrolytic plating or electroless plating.
  • the lead electrode 4 is formed into a predetermined shape by using a known metal working method such as cutting or punching an ingot produced by casting an iron (Fe) -nickel (Ni) -cobalt (Co) alloy into a mold. Is produced.
  • a known metal working method such as cutting or punching an ingot produced by casting an iron (Fe) -nickel (Ni) -cobalt (Co) alloy into a mold. Is produced.
  • the metal substrate 1, the insulating substrate 3, and the lead electrode 4 are joined via a brazing material such as silver (Ag) brazing or silver (Ag) -copper (Cu) brazing to produce an element housing package.
  • a brazing material such as silver (Ag) brazing or silver (Ag) -copper (Cu) brazing to produce an element housing package.
  • the first lead electrode 4a and the semiconductor element 2 are made of a material such as gold (Au) -tin (Sn) solder or gold (Au) -germanium (Ge) solder. Bonded and fixed. Then, a semiconductor module is manufactured.
  • the upper main surface of the metal substrate 1 is sealed with a sealing resin 6 so as to cover the insulating substrate 3, the lead electrode 4, and the semiconductor element 2.
  • the sealing resin 6 is filled inside the frame body 5.
  • the corners of the adjacent side surfaces may be chamfered in the shape of an R surface or a C surface.
  • the insulating substrate 3 has its corners between adjacent side surfaces of the insulating substrate 3 chamfered in the shape of an R surface.
  • the insulating substrate 3 has chamfered corners between adjacent side surfaces of the insulating substrate 3 in the shape of a C surface.
  • the corners between the adjacent side surfaces of the insulating substrate 3 are chamfered in the shape of the R surface or the C surface, the creeping distance becomes long, so that the creeping discharge between the lead electrode 4 and the metal substrate 1 is suppressed. be able to. As a result, a decrease in the operability of the semiconductor element 2 can be suppressed.
  • the shape of the R surface is preferably set such that, for example, the radius of curvature is 0.3 (mm) or more and 5 (mm) or less.
  • the length of a side is set to 0.3 (mm) or more and 5 (mm) or less, for example.
  • the chamfering of the shape of the R surface or the C surface is formed by punching the R surface or the C surface on a green sheet.
  • the metal substrate 1 of the insulating substrate 3 depends on the difference in thermal expansion coefficient between the metal substrate 1 and the insulating substrate 3. It is possible to suppress the occurrence of cracks and the like at the corners of the joint surface.
  • the corners between the adjacent side surfaces of the insulating substrate 3 are chamfered in the shape of the R surface or the C surface, the bonding area between the metal substrate 1 and the insulating substrate 3 can be reduced, and the metal substrate 1 The thermal stress caused by the difference in thermal expansion coefficient between the insulating substrate 3 and the insulating substrate 3 can be reduced. As a result, peeling of the insulating substrate 3 from the metal substrate 1 can be suppressed.
  • the insulating substrate 3 of the semiconductor module according to the present embodiment may be chamfered in the shape of an R surface at the corner between the adjacent upper surface and side surface. Since the insulating substrate 3 is chamfered in the shape of an R surface at the corners of the adjacent upper surface and side surfaces, the creeping distance between the lead electrode 4 and the metal substrate 1 is increased, thereby suppressing creeping discharge. it can.
  • the insulating substrate 3 is chamfered in the shape of the R surface at the corner between the adjacent upper surface and side surface, when sealing with the sealing resin 6, the insulating substrate 3 is sealed from the upper surface to the side surface.
  • the fluidity of the resin 6 is improved, generation of voids such as voids between the insulating substrate 3 and the sealing resin 6 can be suppressed, and the sealing performance can be improved.
  • the radius of curvature of the R surface is set to 0.3 (mm) or more and 0.5 (mm) or less.
  • the insulating substrate 3 can obtain the same effect even if the corners between the adjacent upper surface and side surface are chamfered into a C-surface shape.
  • the length of a side is set to 0.3 (mm) or more and 5 (mm) or less, for example.
  • the shape of the R or C surface is formed by punching a green sheet. Alternatively, it may be formed by polishing or the like in the shape of the R or C surface after sintering.
  • the insulating substrate 3 has corners between adjacent upper and side surfaces chamfered in the shape of an R surface, and the side surfaces are directed from the upper surface to the lower surface. It may be a widened inclined surface. Since the creepage distance between the lead electrode 4 and the metal substrate 1 is further increased, the creeping discharge can be further suppressed.
  • the insulating substrate 3 has an inclined surface in which the corner portion between the adjacent upper surface and side surface is chamfered in the shape of an R surface and the side surface extends from the upper surface to the lower surface, the insulating substrate 3 is sealed with the sealing resin 6.
  • the fluidity of the sealing resin 6 with respect to the insulating substrate 3 is further improved, generation of voids such as voids between the insulating substrate 3 and the sealing resin 6 can be suppressed, and the sealing property is improved. can do.
  • the shape of the R surface for example, the radius of curvature is set to 0.05 (mm) or more and 0.5 (mm) or less.
  • the insulating substrate 3 has an inclined surface in which corners between adjacent upper surfaces and side surfaces are chamfered in the shape of a C surface, and the side surfaces extend from the upper surface to the lower surface. Even if it becomes, the same effect can be acquired.
  • the shape of C surface the length of a side is set to 0.05 (mm) or more and 0.5 (mm) or less, for example.
  • the insulating substrate 3 of the semiconductor module according to the present embodiment may be chamfered in the shape of an R surface at the corners between the adjacent lower surface and side surface. Since the corners between the adjacent side surfaces and the lower surface of the insulating substrate 3 are chamfered in the shape of the R surface, the creeping distance between the lead electrode 4 and the metal substrate 1 is increased, so that creeping discharge can be suppressed.
  • the insulating substrate 3 is chamfered in the shape of the R surface, the adjacent lower side surface and side corners are chamfered, the bonding area between the insulating substrate 3 and the metal substrate 1 can be reduced, and the amount of thermal expansion Occurrence of peeling or cracking due to the difference can be suppressed.
  • the sealing resin 6 and the metal substrate are bonded to each other depending on the shape of the R surface. 1 can be improved.
  • the radius of curvature of the R surface is set to 0.05 (mm) or more and 0.5 (mm) or less.
  • the insulating substrate 3 can obtain the same effect even if the corners between the adjacent lower surface and side surface are chamfered into a C-surface shape.
  • the length of a side is set to 0.05 (mm) or more and 0.5 (mm) or less, for example.
  • the insulating substrate 3 has a corner portion between the adjacent upper surface and the side surface of the insulating substrate 3 chamfered in the shape of an R surface or a C surface, and a corner portion between the adjacent lower surface and the side surface of the insulating substrate 3. It may be chamfered in the shape of the R surface or the C surface.
  • the metal plate 7 may be disposed between the metal substrate 1 and the insulating substrate 3.
  • the metal plate 7 is bonded to a position facing the lead electrode 4 on the insulating substrate 3.
  • the metal plate 7 is provided with the same material as the lead electrode 4 and has substantially the same area as the area where the lead electrode 4 is bonded to the insulating substrate 3.
  • the metal substrate 1 and the metal plate 7 are metallic materials, they can be elastically deformed to relieve stress. Thereby, the stress balance of the lead electrode 4 and the metal plate 7 can be taken, and the curvature deformation of the insulated substrate 3 can be suppressed. As a result, it is possible to prevent the insulating substrate 3 from being cracked or peeled off.
  • the metal plate 7 can be increased in the creeping distance by being disposed inside the insulating substrate 3 when viewed in plan, and creeping discharge can be suppressed.
  • Second Embodiment The present invention is not limited to the first embodiment described above, and various modifications and improvements can be made without departing from the scope of the present invention.
  • a second embodiment will be described. Note that, in the semiconductor module according to the second embodiment, portions similar to those of the semiconductor module according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted as appropriate.
  • the semiconductor module according to the second embodiment is provided with a gap between the metal substrate 1, the first insulating substrate 3ax provided on the metal substrate 1, and the first insulating substrate 3ax on the metal substrate 1.
  • the first insulating substrate 3ax, the first lead electrode 4ax having a bent portion in side view and extending upward, and the second insulating substrate 3bx A first lead electrode 4ax and a second lead electrode 4bx that is bilaterally symmetric when viewed from the side are provided.
  • the semiconductor module according to the second embodiment is provided with the metal plate 7 on each of the insulating substrates 3.
  • the semiconductor element 2 and the lead electrode 4 are provided on the metal plate 7. Since the metal substrate 1 and the metal plate 7 are metallic materials, it is possible to suppress the occurrence of cracks or peeling on the insulating substrate 3 by sandwiching the insulating substrate 3 between them. A semiconductor module substrate and a semiconductor module with excellent performance can be provided.
  • the first lead electrode 4ax is provided on the edge of the first insulating substrate 3ax that is separated from the second insulating substrate 3bx.
  • the second lead electrode 4bx is provided on the edge of the second insulating substrate 3bx that is separated from the first insulating substrate 3ax. That is, as shown in FIG. 8 or FIG. 9, the lead electrode 4 is a first lead electrode 4 ax provided in the vicinity of one inner wall surface of the frame 5 in a side view in the region surrounded by the frame 5.
  • the second lead electrode 4bx provided in the vicinity of the other inner wall surface of the frame 5 is formed so as to be symmetrical.
  • the concentration of the thermal stress applied to the semiconductor module substrate can be reduced.
  • the thermal stress can be relieved in the entire semiconductor module substrate, and the manufacturing yield of the semiconductor module substrate can be improved.
  • the distance between the lead electrodes 4 can be increased, the spatial discharge in the region surrounded by the frame body 5 can be suppressed, and a semiconductor module having excellent electrical reliability can be provided.
  • a third lead electrode 4cx and a fourth lead electrode 4dx that overlap the first lead electrode 4ax in a side view are further provided on the first insulating substrate 3ax.
  • any two lead electrodes 4 of the first lead electrode 4ax, the third lead electrode 4cx, or the fourth lead electrode 4dx located at both ends on the first insulating substrate 3ax are set in the same shape.
  • the lead electrode 4 is formed on the semiconductor module substrate by making the lead electrodes 4 provided in the vicinity of the four corners of the frame body 5 in the region surrounded by the frame body 5 the same shape.
  • a plurality of bent portions are provided on the lead electrode 4.
  • the stress relaxation function can be effectively exhibited.
  • the bent portion is provided at a position lower than the height position of the upper end of the frame body 5.
  • the lead electrode 4 can be made difficult to float from the first insulating substrate 3a by biting into the first insulating substrate 3a. As a result, the lead electrode 4 is less likely to be peeled off from the first insulating substrate 3a, and the lead electrode 4 is less likely to be disconnected at the junction between the lead electrode 4 and the first insulating substrate 3a. An excellent semiconductor module can be realized.
  • first lead electrode 4ax and the second lead electrode 4bx are arranged to face each other, and the first lead electrode 4ax and the second lead electrode 4bx are along a virtual line connecting the both.
  • a through hole H penetrating in the direction is provided.
  • the lead electrode 4 By providing the lead electrode 4 with the through hole H, the lead electrode 4 and the other electrode can be screwed to the lead electrode 4 through a bolt or a nut. The connection can be maintained satisfactorily, and a semiconductor module substrate with an excellent manufacturing yield can be provided.
  • the through hole H of the lead electrode 4 can be an elliptical through hole Hx or a through hole Hy in which the four corners of the hole H are R. Further, in place of the through hole H, notches Nx and Ny can be formed in the lead electrode 4.

Abstract

 半導体モジュール基板であって、金属基板1と、金属基板1上に設けられた第1の絶縁基板3aと、金属基板1上に第1の絶縁基板3aと間を空けて設けられた第2の絶縁基板3bと、を備えている。さらに、半導体モジュール基板は、第1の絶縁基板3a上に設けられ、側面視して折り曲げ部を有し、上方に向かって延びた第1のリード電極4aと、第2の絶縁基板3b上に設けられ、側面視して第1のリード電極4aと左右対称となる第2のリード電極4bと、を備えている。

Description

半導体モジュール基板および半導体モジュール
 本発明は、例えば、半導体素子を搭載する絶縁基板とリード電極を備えた半導体モジュール基板、および半導体モジュール基板に半導体素子を搭載し、モジュール化された半導体モジュールに関する。
 半導体モジュールにおいて、金属基板上の同一の絶縁基板上に半導体素子およびリード電極の搭載部が設けられているものがある。このような半導体モジュールとしては、例えば、特開2009-070863号公報に開示されている。
 しかしながら、半導体モジュールは、半導体素子およびリード電極の搭載部が同一の絶縁基板上に設けられているため、金属基板と絶縁基板との間で熱膨張量差によるクラックまたは剥がれ等が発生しやすいという問題があった。
 本発明の目的は、金属基板と絶縁基板との接合性が向上した半導体モジュール基板および半導体モジュールを提供することである。
 本発明の一実施形態に係る半導体モジュール基板は、金属基板と、前記金属基板上に設けられた第1の絶縁基板と、前記金属基板上に前記第1の絶縁基板と間を空けて設けられた第2の絶縁基板とを備えている。さらに、半導体モジュール基板は、前記第1の絶縁基板上に設けられ、側面視して折り曲げ部を有し、上方に向かって延びた第1のリード電極と、前記第2の絶縁基板上に設けられ、側面視して前記第1のリード電極と左右対称となる第2のリード電極とを備えている。
 また、本発明の一実施形態に係る半導体モジュールは、前記半導体モジュール基板と、前記第1の絶縁基板に搭載されるとともに、前記第1のリード電極および前記第2のリード電極に電気的に接続された半導体素子とを備えている。
第1実施形態に係る半導体モジュールの内部の概観を示す内部概観図である。 図1に示す半導体モジュールをA-A線で切断したときの断面図である。 第1実施形態の変形例1に係る半導体モジュールの絶縁基板であって、(A)は絶縁基板の斜視図、(B)は絶縁基板の他の例の斜視図である。 第1実施形態の変形例2に係る半導体モジュールの絶縁基板であって、(A)は絶縁基板の斜視図、(B)は絶縁基板の断面図、(C)は絶縁基板の他の例の断面図である。 第1実施形態の変形例3に係る半導体モジュールの絶縁基板であって、(A)は絶縁基板の斜視図、(B)は絶縁基板の断面図、(C)は絶縁基板の他の例の断面図である。 第1実施形態の変形例4に係る半導体モジュール絶縁基板であって、(A)は絶縁基板の斜視図、(B)は絶縁基板の断面図、(C)は絶縁基板の他の例の断面図である。 第1実施形態の変形例5に係る半導体モジュールの要部の断面図である。 第2実施形態に係る半導体モジュールの内部の概観を示す内部概観図である。 図8に示す半導体モジュールをB-B線で切断したときの断面図である。 第2実施形態の変形例6に係るリード電極の正面図である。
 以下、本発明の一実施形態に係る半導体モジュールについて、図面を参照しながら説明する。
 ≪第1実施形態≫
  <半導体モジュールの構成>
 本実施形態に係る半導体モジュールは、図1に示すように、金属基板1と、金属基板1上に接合され、第1のリード電極4aが設けられた第1の絶縁基板3aと、金属基板1上に第1の絶縁基板3aと間を空けて接合され、第2のリード電極4bが設けられた第2の絶縁基板3bと、第1の絶縁基板3a上に搭載された半導体素子2と、を備えている。なお、半導体モジュール基板は、金属基板1と、絶縁基板3およびリード電極4を備えたものである。そして、半導体モジュール基板に半導体素子2を設けたものが、半導体モジュールである。
 金属基板1は、平面視したとき、矩形状に形成された板状の部材であり、金属基板1の上側主面に、第1の絶縁基板3aおよび第2の絶縁基板3bが、例えば、銀(Ag)ロウまたは銀(Ag)-銅(Cu)ロウ等のロウ材を介して接合される。金属基板1は、例えば、銅(Cu)、鉄(Fe)-ニッケル(Ni)-コバルト(Co)合金または銅(Cu)-タングステン(W)合金等の金属材料から成る。金属基板1の熱膨張係数は、例えば、4(ppm/℃)以上23(ppm/℃)に設定される。
 金属基板1は、例えば、それらの金属材料を型枠に鋳込んで作製したインゴットを周知の切削加工または打ち抜き加工等の金属加工法を用いて所定の形状にして製作される。
 金属基板1は、金属基板1の外表面に耐蝕性に優れ、かつロウ材との濡れ性が良い金属、具体的には、厚さ0.5(μm)以上9(μm)以下のNi層と厚さ0.5(μm)以上5(μm)以下のAu層を順次、メッキ形成法によりメッキ層を被着させておく。メッキ層は金属基板1が酸化腐蝕するのを有効に抑制できるとともに、金属基板1の上側主面に第1の絶縁基板3aおよび第2の絶縁基板3bを強固に接着固定することができる。
 半導体素子2は、第1の絶縁基板3aに第1のリード電極4aを介して搭載されている。半導体素子2は、例えば、パワー半導体であるパワーMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)、IGBT(Insulated Gate Bi-polar Transistor)、ショットキーダイオード、JFET(Junction Field Effect Transistor)等である。また、高発熱量を伴う半導体素子等である。
 絶縁基板3は、図2に示すように、第1の絶縁基板3aおよび第2の絶縁基板3bからなり、金属基板1の上側主面に互いに間を空けて接合されている。絶縁基板3は、例えば、アルミナ質セラミックス、窒化アルミニウム質セラミックスまたはムライト質セラミックス等のセラミック材料、或いはこれらのセラミック材料の混合材料から成る。絶縁基板3は、半導体素子2の発熱をすみやかに金属基板1に逃がし、かつ高い絶縁性を有する材料が用いられる。
 また、絶縁基板3の熱伝導率は、例えば、16(w/m・K)以上2000(w/m・K)以上に設定される。絶縁基板3の熱膨張係数は、例えば、3(ppm/℃)以上11(ppm/℃)に設定される。
 また、第1の絶縁基板3aおよび第2の絶縁基板3bは、金属基板1およびリード電極4との接合部に該当する位置にメタライズ層が形成されている。また、メタライズ層上には、ロウ材との濡れ性を良好にするために、電解メッキまたは無電解メッキ等のメッキ形成方法によって、厚さ1(μm)以上3(μm)以下のニッケルメッキ層が被着されている。
 リード電極4は、枠体5の第1の絶縁基板3a内の半導体素子2と外部との間で電気的に導通をとるための部材である。リード電極4aは、第1の絶縁基板3a上に設けられる。また、リード電極4bは、第2の絶縁基板3b上に設けられ、半導体素子2とボンディングワイヤ等で電気的に接続されている。リード電極4は、例えば、鉄(Fe)-ニッケル(Ni)-コバルト(Co)合金または鉄(Fe)-ニッケル(Ni)合金等の金属材料から成る。これらの金属のインゴットを周知の圧延加工法、打ち抜き加工法またはエッチング加工法等の金属加工法を採用することによって、所定の形状となるように製作される。なお、リード電極4は、これらの金属加工法を用いることで、板体を折り曲げて形成した場合は、リード電極4を複数の部材を組み合わせて作製した場合に比べて、リード電極4の剛性を良好に維持することができ、リード電極4に応力が仮に集中したとしても、リード電極4が破壊されにくく、リード電極4の電気的信頼性を良好に維持することができる。さらに、板体を折り曲げて形成する場合は、折り曲げ個所に熱応力が繰り返し加わることで、該個所にクラックが発生する虞があるが、折り曲げ個所をR形状にしたり、折り曲げ角度を絶縁基板3の上面に対して鈍角にすることによって、折り曲げ個所に加わる熱応力を低減することができ、リード電極4の電気的信頼性を良好に維持することができる。
 なお、リード電極4は、リード電極4の外表面に耐蝕性に優れ、かつロウ材との濡れ性が良好な金属、具体的には、厚さ0.5(μm)以上9(μm)以下のNi層と厚さ0.5(μm)以上5(μm)以下のAu層を順次、メッキ形成法によりメッキ層を被着させる。メッキ層はリード電極4が酸化腐蝕するのを有効に防止できるとともに、リード電極4と絶縁基板3とを強固に接着固定することができる。なお、リード電極4は、図1または図2に示すように、枠体5で囲まれる領域内において、側面視して枠体5の一方内壁面の近傍に設けられたリード電極4と、枠体5の他方内壁面の近傍に設けられたリード電極とは、左右対称となるように形成されている。枠体5で囲まれる領域内において、リード電極4の形状および配置場所を左右対称となるようにすることで、金属基板1または絶縁基板3に伝わる熱応力が偏った個所に集中するのを抑制することができ、半導体モジュール基板および半導体モジュールの製造歩留まりを向上させることができる。
 また、第1のリード電極4aは、2段にして曲げ変形による応力緩和機能を有するリード電極構造(折り曲げ部)を有している。また、第2のリード電極4bも2段にして応力緩和機能を有するリード電極構造(折り曲げ部)を有している。また、リード電極4は、2段に限らず、複数段に曲げたリード電極構造(折り曲げ部)としてもよい。リード電極4が、複数個所に折り曲げ部を設けた構造は、後述する第2実施形態において説明する。なお、第1のリード電極4aは、図1に示すように、第1の絶縁基板3aと接する個所に設けられている。また、第2のリード電極4bは、図1に示すように、第2の絶縁基板3bと接する個所に設けられている。そして、リード電極4に複数の折り曲げ部を設けた場合は、絶縁基板3と接する個所と、絶縁基板3の上面から離れた個所に設けられる。
 また、第1のリード電極4aは、複数の絶縁基板3上にまたがって設けられており、複数の絶縁基板3を連結する連結個所が、応力緩和機能を有する折り曲げ部になっていてもよい。
 リード電極4は、リード電極4と絶縁基板3との接合後の冷却過程において、リード部と金属基板1との熱膨張係数の違いにより発生する熱収縮差による応力や、モジュール使用時における熱応力を緩和することができ、絶縁基板3と金属基板1の間に生じる応力を緩和することができる。
 また、第1のリード電極4aおよび第2のリード電極4bは、金属基板1の上側主面側から平面視したときに、それぞれ第1の絶縁基板3aおよび第2の絶縁基板3bの上面の内側に位置していることが好ましい。第1のリード電極4aおよび第2のリード電極4bが、第1の絶縁基板3aおよび第2の絶縁基板3bの内側に設けられているので、第1のリード電極4aおよび第2のリード電極4bは、金属基板1との沿面距離が長くなり、沿面放電が抑制され、電極間耐電圧を向上させることができる。これによって、半導体素子2の電気的絶縁性が向上し、半導体素子2の作動性の低下を抑制することができる。また、半導体モジュールを小型化することができる。また、リード電極4間の距離を長くすることができるので、空間放電を抑制することができる。
 また、リード電極4と絶縁基板3の外周部との距離は、図2に示すように、Aは、0.1(mm)以上10(mm)以下、Bは、0.1(mm)以上10(mm)以下、Cは、0.1(mm)以上10(mm)以下、Dは、0.1(mm)以上10(mm)以下に設定される。
 枠体5が、金属基板1の上側主面に第1の絶縁基板3aおよび第2の絶縁基板3bを取り囲むように接合されていてもよい。枠体5は、例えば、鉄(Fe)-ニッケル(Ni)-コバルト(Co)合金または鉄(Fe)-ニッケル(Ni)合金等の金属材料から成る。枠体5は、例えば、鉄(Fe)-ニッケル(Ni)-コバルト(Co)合金のインゴットを周知のプレス加工により所定の枠状となすことによって製作される。また、枠体5は、例えば、アルミナ質セラミックス、窒化アルミニウム質セラミックスまたはムライト質セラミックス等のセラミック材料、或いは誘電体材料から成る。
 また、枠体5は、封止樹脂6が金属基板1の周辺部に流れるのを抑制し、枠体5の内側で封止樹脂6を均一に充填し、効果的に半導体モジュールを封止することができる。
 封止樹脂6が、金属基板1の上側主面に第1の絶縁基板3aおよび第2の絶縁基板3b、第1のリード電極4aおよび第2のリード電極4b、半導体素子2を覆うように設けられている。封止樹脂6が、金属基板1の上側主面に第1の絶縁基板3aおよび第2の絶縁基板3b、第1のリード電極4aおよび第2のリード電極4b、半導体素子2を覆うように設けられるので、半導体モジュールの電気的信頼性を向上させることができる。また、半導体モジュールの耐電圧を確保することができる。
 また、封止樹脂6は、枠体5が設けられた場合には、枠体5の内側を充填するように設けられる。封止樹脂6は、例えば、エポキシ樹脂またはフッ素樹脂等の樹脂材料、或いは誘電体材料から成る。なお、封止樹脂6に置き換えて、枠体5内を気密封止する構造であってもよい。また、封止樹脂6に置き換えて、絶縁用オイルを枠体5内に気密封止する構造であってもよい。
 絶縁基板3の側面には、微細な凹凸が形成されており、枠体5内に封止樹脂6を設けた場合は、封止樹脂6が微細な凹凸に対してアンカー効果を奏する。その結果、封止樹脂6と絶縁基板3との密着性が向上し、絶縁基板3の表面に対してボイド等の空隙を低減することができ、空隙の発生により半導体素子の高温化に伴う、半導体素子の機能喪失を抑制することができる。
 また、第1の絶縁基板3aおよび第2の絶縁基板3bが離間しているので、封止樹脂6は、それぞれの絶縁基板3と封止樹脂6との間において固着効果を及ぼし、封止樹脂6と絶縁基板3との密着性が向上し、剥がれ等によるボイド等の空隙の発生を抑制することができる。
 また、金属基板1の下面には、金属基板1からの熱を放散させるヒートシンクを設けてもよい。ヒートシンクは、例えば、効率よく放熱するために、ヒートシンクの内部を水や空気等の冷却媒体が流れる強制冷却方式であっても、単に金属板を配置した自然空冷方式であってもよく、周知のヒートシンンクを用いることができる。なお、金属板は、銅、モリブデンまたはタングステンの層を複数層交互に積層したものであってもよい。
 本実施形態によれば、金属基板1上に設けられた複数の絶縁基板3が、互いに間を空けて設けられているので、各絶縁基板3と金属基板1との接合面積を小さくすることができ、半導体素子2の発熱によって、絶縁基板3と金属基板1との熱膨張係数の違いに起因して生じる熱応力を低減することができ、金属基板1に対する絶縁基板3の剥離やクラック、絶縁基板3に対するリード電極4の剥離やクラック等の発生を抑制することができる。
 本実施形態によれば、金属基板1の上側主面に接合された第1のリード電極4aを介して半導体素子2が搭載された第1の絶縁基板3aと、金属基板1の上側主面に接合された第2のリード電極4bが設けられた第2の絶縁基板3bとが、互いに離間して接合されているので、第1の絶縁基板3aと金属基板1、および第2の絶縁基板3bと金属基板1との接合面積を小さくすることができ、半導体素子2の発熱によって、絶縁基板3と金属基板1との熱膨張係数の違いで生じる熱膨張量差による剥がれやクラック等の発生を抑制することができる。
 また、半導体素子2が、絶縁基板3にそれぞれ個別に搭載されるので、半導体素子2で発生した熱が、他の半導体素子2に伝わりにくくなり、半導体素子2の相互の熱干渉による温度上昇に起因した熱破壊を抑制することができる。
 また、金属基板1の反り変形を抑制することができ、金属基板1にヒートシンクを接合した場合、金属基板1と密着性が向上し、効率よく放熱することができる。
 <半導体モジュールの製造方法>
 ここで、半導体モジュールの製造方法を説明する。
 金属基板1は、例えば、鉄(Fe)-ニッケル(Ni)-コバルト(Co)合金を型枠に鋳込んで作製したインゴットを周知の切削加工や打ち抜き加工等の金属加工法を用いて所定形状にして製作される。
 また、絶縁基板3は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体からなる場合、グリーンシートは、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウム、酸化カルシウム等の原料粉末に、有機バインダー、可塑剤、溶剤、分散剤等を混合添加してペースト状とし、ドクターブレード法やカレンダーロール法等によって形成される。平板形状のグリーンシートに金型を用いた打ち抜きを施すことによってそれぞれの形状に合わせて製作される。
 絶縁基板3は、タングステン、モリブデンまたはマンガン等の高融点金属粉末に有機バインダー、可塑剤、溶剤等を添加してなる導電ペーストを、絶縁基板3の上面の所定位置にスクリーン印刷法等によって印刷塗布して、金属基板1および絶縁基板3との接合部に該当する位置にメタライズ層が形成される。
 さらに、グリーンシートを、約1600℃の温度で焼成することにより、焼成後に、絶縁基板3が製作される。
 また、電解メッキ又は無電解メッキ等のメッキ形成方法によって、メタライズ層上に厚さ1(μm)以上3(μm)以下のニッケルメッキ層が形成される。
 リード電極4は、例えば、鉄(Fe)-ニッケル(Ni)-コバルト(Co)合金を型枠に鋳込んで作製したインゴットを周知の切削加工や打ち抜き加工等の金属加工法を用いて所定形状にして製作される。
 金属基板1と絶縁基板3とリード電極4が銀(Ag)ロウまたは銀(Ag)-銅(Cu)ロウ等のロウ材を介して接合されることによって素子収納用パッケージが製作される。
 素子収納用パッケージの絶縁基板3a上に、第1のリード電極4aおよび半導体素子2が、例えば、金(Au)-錫(Sn)半田または金(Au)-ゲルマニウム(Ge)半田等の材料で接着固定される。そして、半導体モジュールが製作される。また、金属基板1の上側主面は絶縁基板3、リード電極4および半導体素子2を覆うように封止樹脂6で封止される。また、枠体5を設ける場合は、枠体5の内側に封止樹脂6が充填される。
 本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。以下、本実施形態の変形例について説明する。なお、本実施形態の変形例に係る半導体モジュールのうち、本実施形態に係る半導体モジュールと同様な部分については、同一の符号を付して適宜説明を省略する。また、下記の変形例を組み合わせた新たな構造については説明を省略するが、当然変形例同士を組み合わせてもよい。
  <変形例1>
 本実施形態に係る半導体モジュールの絶縁基板3は、図3に示すように、絶縁基板3は、隣り合った側面同士の角部がR面またはC面の形状に面取りされていてもよい。絶縁基板3は、図3(A)に示すように、絶縁基板3の隣り合った側面同士の角部が、R面の形状に面取りされている。また、絶縁基板3は、図3(B)に示すように、絶縁基板3の隣り合った側面同士の角部が、C面の形状に面取りされている。絶縁基板3の隣り合った側面同士の角部が、R面またはC面の形状に面取りされているので、沿面距離が長くなるため、リード電極4と金属基板1の間の沿面放電を抑制することができる。結果として、半導体素子2の作動性の低下を抑制することができる。
 R面の形状は、例えば、曲率半径が、0.3(mm)以上5(mm)以下に設定されることが好ましい。また、C面の形状は、例えば、辺の長さが、0.3(mm)以上5(mm)以下に設定される。また、R面またはC面の形状の面取りは、R面またはC面をグリーンシートに、打ち抜き加工等によって形成しておく。
 絶縁基板3の隣り合った側面同士の角部がR面またはC面の形状に面取りされているので、金属基板1と絶縁基板3との熱膨張係数の違いによって、絶縁基板3の金属基板1との接合面の角部にクラック等が発生するのを抑制できる。
 また、絶縁基板3の隣り合った側面同士の角部がR面またはC面の形状に面取りされているので、金属基板1と絶縁基板3との接合面積を小さくすることができ、金属基板1と絶縁基板3との熱膨張係数の違いによって生じる熱応力を低減することができる。その結果、金属基板1に対する絶縁基板3の剥離等を抑制することができる。
  <変形例2>
 本実施形態に係る半導体モジュールの絶縁基板3は、図4(A)、(B)に示すように、隣り合った上面と側面との角部がR面の形状に面取りされていてよい。絶縁基板3が、隣り合った上面と側面との角部がR面の形状に面取りされているので、リード電極4と金属基板1との間の沿面距離が長くなるため沿面放電を抑制することできる。
 また、絶縁基板3が、隣り合った上面と側面との角部がR面の形状に面取りされているので、封止樹脂6で封止する際、上面から側面にかけて、絶縁基板3に対する封止樹脂6の流動性が向上し、絶縁基板3と封止樹脂6との間にボイド等の空隙の発生を抑制することができ、封止性を向上することができる。
 また、R面の形状は、例えば、曲率半径が、0.3(mm)以上0.5(mm)以下に設定される。
 絶縁基板3は、図4(C)に示すように、隣り合った上面と側面との角部がC面の形状に面取りしても、同様な効果を得ることができる。また、C面の形状は、例えば、辺の長さが、0.3(mm)以上5(mm)以下に設定される。
 また、R面またはC面の形状は、グリーンシートに打ち抜き加工等によって形成しておく。または、焼結後にR面またはC面の形状に研磨等で形成してもよい。
  <変形例3>
 さらに、絶縁基板3は、図5(A)、(B)に示すように、隣り合った上面と側面との角部がR面の形状に面取りされるとともに、側面が上面から下面に向かって広がる傾斜面となっていてもよい。リード電極4と金属基板1との間の沿面距離がさらに長くなるため沿面放電をさらに抑制することができる。
 また、絶縁基板3が、隣り合った上面と側面との角部がR面の形状に面取りされ、側面が上面から下面に向かって広がる傾斜面を有しているので、封止樹脂6で封止する際、絶縁基板3に対する封止樹脂6の流動性がさらに向上し、絶縁基板3と封止樹脂6との間にボイド等の空隙の発生を抑制することができ、封止性を向上することができる。R面の形状は、例えば、曲率半径が、0.05(mm)以上0.5(mm)以下に設定される。
 また、絶縁基板3は、図5(C)に示すように、隣り合った上面と側面との角部がC面の形状に面取りされるとともに、側面が上面から下面に向かって広がる傾斜面となっていても、同様な効果を得ることができる。また、C面の形状は、例えば、辺の長さが、0.05(mm)以上0.5(mm)以下に設定される。
  <変形例4> 
 本実施形態に係る半導体モジュールの絶縁基板3は、図6(A)、(B)に示すように、隣り合った下面と側面との角部がR面の形状に面取りされていてもよい。絶縁基板3の隣り合った側面と下面との角部がR面の形状に面取りされているので、リード電極4と金属基板1との沿面距離が長くなるため沿面放電を抑制することができる。
 また、絶縁基板3が、隣り合った下側面と側面の角部がR面の形状に面取りされているので、絶縁基板3と金属基板1との接合面積を小さくすることができ、熱膨張量差による剥がれやクラック等の発生を抑制することができる。
 また、絶縁基板3は、絶縁基板3の隣り合った下面と側面との角部がR面の形状に面取りされているので、R面の形状によって、固着効果により、封止樹脂6と金属基板1との密着性を向上することができる。
 また、R面の形状は、例えば、曲率半径が、0.05(mm)以上0.5(mm)以下に設定される。
 絶縁基板3は、図6(C)に示すように、隣り合った下面と側面との角部がC面の形状に面取りしても、同様な効果を得ることができる。また、C面の形状は、例えば、辺の長さが、0.05(mm)以上0.5(mm)以下に設定される。
 また、絶縁基板3は、絶縁基板3の隣り合った上面と側面との角部がR面またはC面の形状に面取りされるとともに、絶縁基板3の隣り合った下面と側面との角部がR面またはC面の形状に面取りされていてもよい。これによって、リード電極4と金属基板1との沿面距離を長くすることでき、沿面放電をさらに抑制することができる。
  <変形例5>
 本実施形態に係る半導体モジュールは、金属基板1と絶縁基板3との間に金属板7が配置されてもよい。金属板7は、絶縁基板3上のリード電極4と相対する位置に接合されている。また、金属板7は、絶縁基板3上にリード電極4が接合されている面積とほぼ同一の面積で、リード電極4と同一の材料で設けられている。
 金属基板1と金属板7は、互いに金属材料であるため、互いに弾性変形し応力を緩和することができる。これにより、リード電極4と金属板7との応力バランスがとれ、絶縁基板3の反り変形を抑制できる。これによって、絶縁基板3にクラックや剥がれ等が発生するのを抑制することができる。
 また、金属板7は、平面視したときに絶縁基板3の内側に配置することで沿面距離を長くすることができ、沿面放電を抑制することができる。
 ≪第2実施形態≫
 本発明は上述の第1実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。以下、第2実施形態について説明する。なお、第2実施形態に係る半導体モジュールのうち、第1実施形態に係る半導体モジュールと同様な部分については、同一の符号を付して適宜説明を省略する。
 第2実施形態に係る半導体モジュールは、金属基板1と、金属基板1上に設けられた第1の絶縁基板3axと、金属基板1上に第1の絶縁基板3axと間を空けて設けられた第2の絶縁基板3bxと、第1の絶縁基板3ax上に、側面視して折り曲げ部を有し、上方に向かって延びた第1のリード電極4axと、第2の絶縁基板3bx上に、側面視して第1のリード電極4axと左右対称となる第2のリード電極4bxと、を備えている。
 また、第2実施形態に係る半導体モジュールは、絶縁基板3上のそれぞれに金属板7が設けられている。そして、金属板7上に半導体素子2やリード電極4が設けられている。金属基板1と金属板7は、互いに金属材料であるため、両者の間に絶縁基板3を挟むことで、絶縁基板3にクラックや剥がれ等が発生するのを抑制することができ、電気的信頼性の優れた半導体モジュール基板および半導体モジュールを提供することができる。
 また、第1のリード電極4axは、第2の絶縁基板3bxから離れた第1の絶縁基板3axの縁に設けられている。また、第2のリード電極4bxは、第1の絶縁基板3axから離れた第2の絶縁基板3bxの縁に設けられている。つまり、リード電極4は、図8または図9に示すように、枠体5で囲まれる領域内において、側面視して枠体5の一方内壁面の近傍に設けられた第1のリード電極4axと、枠体5の他方内壁面の近傍に設けられた第2のリード電極4bxとは、左右対称となるように形成されている。枠体5で囲まれる領域内において、第1のリード電極4axと第2のリード電極4bxとの間の距離を長くすることで、半導体モジュール基板に印加される熱応力の集中を半導体モジュール基板の一端側と他端側の両方に加わるようにすることによって、半導体モジュール基板全体で熱応力を緩和することができ、半導体モジュール基板の製造歩留まりを向上させることができる。また、リード電極4間の距離を長くすることができるので、枠体5で囲まれる領域における空間放電を抑制することができ、電気的信頼性の優れた半導体モジュールを提供することができる。
 また、図8に示すように、第1の絶縁基板3ax上には、側面視して第1のリード電極4axと重なる第3のリード電極4cxおよび第4のリード電極4dxがさらに設けられている場合は、第1の絶縁基板3ax上の両端に位置する、第1のリード電極4ax、第3のリード電極4cxまたは第4のリード電極4dxのいずれか2つのリード電極4が同じ形状に設定されている。つまり、リード電極4は、図9に示すように、枠体5で囲まれる領域内において、枠体5の四隅の近傍に設けられたリード電極4を同じ形状にすることで、半導体モジュール基板に印加される熱応力の集中を半導体モジュール基板の四隅に均等に印加されるようにすることによって、半導体モジュール基板全体で熱応力を効果的に緩和することができ、半導体モジュール基板の製造歩留まりを効果的に向上させることができる。
 また、折り曲げ部は、リード電極4に複数個所設けられている。複数の折り曲げ部は、第1の絶縁基板3axと接する個所と、第1の絶縁基板3axの上面から離れた個所に設けることで、応力緩和機能を効果的に発揮することができる。また、第1の絶縁基板3axの上面から離れた個所に折り曲げ部を設けた場合は、当該折り曲げ部は枠体5の上端の高さ位置よりも低い位置に設けられている。枠体5の上端の高さ位置よりも低い位置にリード電極4の折り曲げ部を設けた場合は、封止樹脂6を枠体5内に充填したときには、リード電極4の折り曲げ部が封止樹脂6内に食い込むことにより、第1の絶縁基板3aからリード電極4を浮きにくくすることができる。その結果、リード電極4が、第1の絶縁基板3aに対して剥離しにくくなり、リード電極4と第1の絶縁基板3aとの接合個所においてにリード電極4が断線しにくく、電気的信頼性に優れた半導体モジュールを実現することができる。
 また、第1のリード電極4axおよび第2のリード電極4bxは、互いに対向して配置されており、第1のリード電極4axおよび第2のリード電極4bxには、両者を結ぶ仮想線に沿った方向に貫通する貫通孔Hが設けられている。
 リード電極4に貫通孔Hを設けることで、リード電極4に対して、リード電極4と他電極との接続をボルトやナットを貫通して螺子止めを行うことができ、リード電極4の電気的接続を良好に維持することができ、製造歩留まりの優れた半導体モジュール基板を提供することができる。なお、図10に示すように、リード電極4の貫通孔Hは、楕円状の貫通孔Hxや孔Hの四隅をRとした貫通孔Hyとすることができる。また、貫通孔Hに代えて、リード電極4に切欠きNx、Nyを形成することができる。

Claims (11)

  1.  金属基板と、
    前記金属基板上に設けられた第1の絶縁基板と、
    前記金属基板上に前記第1の絶縁基板と間を空けて設けられた第2の絶縁基板と、
    前記第1の絶縁基板上に設けられ、側面視して折り曲げ部を有し、上方に向かって延びた第1のリード電極と、
    前記第2の絶縁基板上に設けられ、側面視して前記第1のリード電極と左右対称となる第2のリード電極と、を備えたことを特徴とする半導体モジュール基板。
  2.  請求項1に記載の半導体モジュール基板であって、
    前記第1のリード電極は、前記第2の絶縁基板から離れた前記第1の絶縁基板の縁に設けられており、前記第2のリード電極は、前記第1の絶縁基板から離れた前記第2の絶縁基板の縁に設けられていることを特徴とする半導体モジュール基板。
  3.  請求項1または請求項2に記載の半導体モジュール基板であって、
    前記第1の絶縁基板上には、側面視して前記第1のリード電極と重なる第3のリード電極および第4のリード電極がさらに設けられており、
    前記第1の絶縁基板上の両端に位置する、前記第1のリード電極、前記第3のリード電極および前記第4のリード電極のいずれか2つのリード電極が同じ形状であることを特徴とする半導体モジュール基板。
  4.  請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の半導体モジュール基板であって、
    前記折り曲げ部は、前記第1のリード電極に複数個所設けられていることを特徴とする半導体モジュール基板。
  5.  請求項4に記載の半導体モジュール基板であって、
    前記複数の折り曲げ部は、前記第1の絶縁基板と接する個所と、前記第1の絶縁基板の上面から離れた個所とに設けられていることを特徴とする半導体モジュール基板。
  6.  請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の半導体モジュール基板であって、
    前記第1のリード電極および前記第2のリード電極は、板体を折り曲げて形成したものであることを特徴とする半導体モジュール基板。
  7.  請求項1乃至請求項6のいずれかに記載の半導体モジュール基板であって、
    前記第1のリード電極および前記第2のリード電極は、互いに対向して配置されており、前記第1のリード電極および前記第2のリード電極には、両者を結ぶ仮想線に沿った方向に貫通する貫通孔が設けられていることを特徴とする半導体モジュール基板。
  8.  請求項1乃至請求項7のいずれかに記載の半導体モジュール基板と、
    前記第1の絶縁基板に搭載されるとともに、前記第1のリード電極および前記第2のリード電極に電気的に接続された半導体素子と、
    を備えたことを特徴とする半導体モジュール。
  9.  請求項8に記載の半導体モジュールであって、
    前記金属基板の上側主面に前記第1の絶縁基板および前記第2の絶縁基板、前記第1のリード電極および前記第2のリード電極、ならびに前記半導体素子を取り囲む枠体が設けられていることを特徴とする半導体モジュール。
  10.  請求項9に記載の半導体モジュールであって、
    前記枠体で囲まれる領域内には、前記第1の絶縁基板および前記第2の絶縁基板、ならびに前記半導体素子を覆う封止樹脂が設けられていることを特徴とする半導体モジュール。
  11.  請求項10に記載の半導体モジュールであって、
    前記第1のリード電極の上部および前記第2のリード電極の上部が、前記封止樹脂から露出していることを特徴とする半導体モジュール。
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