WO2015029186A1 - 半導体モジュール、半導体装置、及び自動車 - Google Patents

半導体モジュール、半導体装置、及び自動車 Download PDF

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達也 川瀬
宮本　昇
三紀夫 石原
藤野　純司
井本　裕児
吉松　直樹
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三菱電機株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to, for example, a semiconductor module and a semiconductor device used for vehicle motor control, and an automobile using the same.
  • a potting resin-sealed semiconductor module an insulating substrate, a conductive pattern, and a semiconductor chip are sequentially placed on a base plate and surrounded by a case, and the inside of the case is sealed with a potting resin (for example, see Patent Document 1).
  • the potting resin-sealed semiconductor module has a base plate and a metal plate joined via an insulating substrate.
  • the linear expansion coefficient is different between the two, so that a large warp due to heat occurs. Even if both materials are the same, warping occurs because the shapes of both are greatly different. If the case is bonded to the base plate in this state and sealed with potting resin, it is difficult to control the warpage of the product. As a result, there is a problem that reliability such as P / C (power cycle) and H / C (heat cycle) properties is lowered.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to obtain a semiconductor module, a semiconductor device, and an automobile that can improve reliability.
  • a semiconductor module includes a base plate having a fixed surface, a heat dissipating surface opposite to the fixed surface, an insulating substrate bonded to the fixed surface of the base plate, and an insulating substrate on the insulating substrate.
  • First and second conductive patterns provided, a semiconductor chip provided on the first conductive pattern, a wiring member connecting the semiconductor chip and the second conductive pattern, and the base plate
  • a fixing surface, the insulating substrate, the first and second conductive patterns, the semiconductor chip, and a resin that seals the wiring member, and the base plate is provided in the metal portion and the metal portion.
  • a reinforcing material having a higher Young's modulus than the metal part.
  • a semiconductor module, a semiconductor device, and an automobile according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
  • the same or corresponding components are denoted by the same reference numerals, and repeated description may be omitted.
  • FIG. 1 is a sectional view showing a semiconductor module according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the base plate 1 has a fixed surface (upper surface) and a heat radiating surface (lower surface) that is the surface opposite to the fixed surface.
  • the base plate 1 has at least one protrusion structure 2 on the heat dissipation surface.
  • This protrusion structure 2 is a heat radiating fin, and improves the cooling efficiency of the heat radiating surface of the base plate 1 by running water.
  • the material of the base plate 1 and the protruding structure 2 may be the same or different. For example, in order to improve heat dissipation, a material having a higher thermal conductivity than the base plate 1 may be used as the material of the protruding structure 2.
  • the insulating substrate 3 is joined to the fixed surface of the base plate 1 by molten metal.
  • the material of the insulating substrate 3 is a ceramic such as SiN, AlN, AlO 3 or the like.
  • the outer shape of the base plate 1 is 70 mm ⁇ 100 mm, and the thickness is 3 mm.
  • the outer shape of the insulating substrate 3 is slightly smaller than the base plate 1 and the thickness is 0.635 mm.
  • Conductive patterns 4 and 5 are provided on the insulating substrate 3. In order to improve heat dissipation, it is desirable that the thickness of the insulating substrate 3 is smaller than the thickness of the base plate 1 and the conductive patterns 4 and 5.
  • Semiconductor chips 7 and 8 are joined to the conductive pattern 4 via solder 6, and semiconductor chips 9 and 10 are joined to the conductive pattern 5 via solder 6.
  • the Al wire 11 connects the upper surfaces of the semiconductor chips 7 and 8
  • the Al wire 12 connects the upper surface of the semiconductor chip 8 and the conductive pattern 5
  • the Al wire 13 connects the upper surfaces of the semiconductor chips 9 and 10.
  • a resin case 14 surrounding the insulating substrate 3, the conductive patterns 4 and 5, the semiconductor chips 7 to 10, and the Al wires 11 to 13 is bonded to the fixed surface of the base plate 1 with an adhesive 15.
  • the inside of the case 14 is sealed with a resin 16.
  • a hole 17 penetrating the outer peripheral portion of the base plate 1 and the outer peripheral portion of the resin 16 is provided.
  • a collar 18 made of a material (Fe or the like) having higher yield strength than the base plate 1 is inserted into the hole 17 of the resin 16.
  • the base plate 1 includes a metal part 19 and a reinforcing material 20 provided in the metal part 19.
  • the material of the metal part 19 is a metal such as Al or Cu
  • the material of the reinforcing material 20 is a ceramic such as SiN, AlN, or AlO 3 .
  • the Young's modulus of the reinforcing material 20 is 100 GPa or more, which is higher than the Young's modulus of the metal part 19 (70 GPa in the case of Al).
  • the linear expansion coefficient of the metal part 19 is 22 ppm / ° C.
  • the linear expansion coefficient of the reinforcing material 20 is 4 ppm / ° C.
  • the linear expansion coefficient of the entire base plate 1 including both is 10 to 20 ppm / ° C.
  • the linear expansion coefficient of the resin 16 is 8 to 16 ppm / ° C., which is a numerical value between the linear expansion coefficient of the metal part 19 and the linear expansion coefficient of the reinforcing material 20, so that the linear expansion of the entire base plate 1 is performed. It is about the same as the coefficient.
  • the linear expansion coefficient of the semiconductor chips 7 to 10 is 2.6 ppm / ° C.
  • FIG. 2 is a top view showing the inside of the semiconductor module according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 3 is a circuit diagram showing the semiconductor module according to Embodiment 1 of the present invention. In the top view, the resin 16 is omitted.
  • the semiconductor module has a 6-in-1 structure, that is, a structure in which six switching elements are mounted on one module.
  • the switching element is an IGBT. Note that the gate electrode of the switching element and the terminal connected to it are omitted for the sake of simplicity.
  • the switching elements 7a to 7c correspond to the semiconductor chip 7
  • the diodes 8a to 8c correspond to the semiconductor chip 8
  • the diodes 9a to 9c correspond to the semiconductor chip 9
  • the switching elements 10a to 10c correspond to the semiconductor chip 10, respectively.
  • the metal frames 21a to 21e correspond to the U electrode, V electrode, W electrode, P electrode, and N electrode, respectively.
  • the lower surfaces of the switching elements 7a to 7c and the diodes 8a to 8c are connected to the conductive pattern 4.
  • the lower surfaces of the diode 9a and the switching element 10a are connected to the conductive pattern 5a
  • the lower surfaces of the diode 9b and the switching element 10b are connected to the conductive pattern 5b
  • the lower surfaces of the diode 9c and the switching element 10c are connected to the conductive pattern 5c.
  • the Al wire 11a connects the upper surfaces of the switching element 7a and the diode 8a
  • the Al wire 11b connects the upper surfaces of the switching element 7b and the diode 8b
  • the Al wire 11c connects the upper surfaces of the switching element 7c and the diode 8c.
  • Al wires 12a to 12c connect the upper surfaces of the diodes 8a to 8c and the conductive patterns 5a to 5c, respectively.
  • the Al wire 13a connects the upper surfaces of the diode 9a and the switching element 10a
  • the Al wire 13b connects the upper surfaces of the diode 9b and the switching element 10b
  • the Al wire 13c connects the upper surfaces of the diode 9c and the switching element 10c.
  • the Al wire 22 connects the upper surfaces of the switching elements 10a and 10b, and the Al wire 23 connects the upper surfaces of the switching elements 10b and 10c.
  • Al wires 24a to 24c connect the upper surfaces of the switching elements 7a to 7c and the metal frames 21a to 21c, respectively.
  • An Al wire 25 connects the conductive pattern 4 and the metal frame 21d.
  • An Al wire 26 connects the upper surface of the switching element 10c and the metal frame 21e.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
  • a cooling jacket 28 is attached to the heat radiation surface side of the base plate 1 of the semiconductor module 27.
  • the cooling jacket 28 is attached to the semiconductor module 27 by inserting the screw 29 through the hole 17 of the semiconductor module 27 and the screw hole of the cooling jacket 28.
  • a sealing material 30 such as an O-ring is disposed in the groove of the cooling jacket 28. Since the reaction force due to tightening of the screw 29 is received by the collar 18 having a high yield strength, the deformation of the base plate 1 and the resin 16 around the hole 17 can be suppressed.
  • FIG. 5 is a diagram showing an automobile according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the automobile is a hybrid vehicle or an electric vehicle.
  • the inverter 31 converts the direct current of the battery 32 into a three-phase alternating current and supplies it to the motor 33.
  • the drive device 34 drives the inverter 31 to control the alternating current, whereby the output of the motor 33 can be controlled.
  • the semiconductor module 27 corresponds to the inverter 31.
  • the water cooling system 35 is used to cool the inverter 31.
  • the cooling jacket 28 is part of the water cooling system 35.
  • FIG. 6 and 8-11 are cross-sectional views illustrating the manufacturing process of the semiconductor module according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is a top view illustrating the manufacturing process of the semiconductor module according to the first embodiment of the present invention. is there.
  • a carbon mold 36 that can be separated into an upper mold and a lower mold is prepared.
  • a cavity 37 is formed inside the mold 36, a recess 38 is formed on the bottom surface of the cavity 37, and a recess 39 is formed on the bottom surface of the recess 38.
  • the insulating substrate 3 is disposed in the recess 38 of the mold 36, the reinforcing material 20 is disposed so as to cross the cavity 37, and both ends of the reinforcing material 20 are sandwiched between the upper mold and the lower mold of the mold 36.
  • a molten metal such as Al is poured into the mold 36 heated in this state, cooled and solidified to form the metal portion 19 in the cavity 37 and the conductive patterns 4 and 5 in the recess 39.
  • the material of the metal part 19 and the conductive patterns 4 and 5 is the same, both can be manufactured integrally.
  • the respective metals are poured into the upper surface and the lower surface of the insulating substrate 3 using different molds in different steps.
  • the base plate 1 and the insulating substrate 3 directly joined by molten metal joining are taken out from the mold 36.
  • both ends of the reinforcing material 20 jumping out from the base plate 1 are removed by cutting or breaking. Holes 17 are formed in the four corners of the base plate 1 with a drill or the like. Since the reinforcing material 20 is supported by the mold 36 as described above, the position in the surface direction and the thickness direction of the reinforcing material 20 in the base plate 1 can be precisely controlled, so that warpage variation can be suppressed. It has been confirmed that there is no crack or peeling at the interface between the base plate 1 and the insulating substrate 3 formed by the above manufacturing method.
  • conductive patterns 4 and 5 are formed on the insulating substrate 3 by sputtering.
  • Ni plating (not shown) is performed on the conductive patterns 4 and 5 by electroless plating.
  • the semiconductor chips 7 and 8 are bonded onto the Ni plating of the conductive pattern 4 via the solder 6, and the semiconductor chips 9 and 10 are bonded onto the Ni plating of the conductive pattern 5 via the solder 6.
  • the upper surfaces of the semiconductor chips 7 and 8 are connected by the Al wire 11
  • the upper surface of the semiconductor chip 8 and the conductive pattern 5 are connected by the Al wire 12
  • the semiconductor chip 9 is connected by the Al wire 13.
  • 10 are connected to each other.
  • a resin case 14 surrounding the insulating substrate 3, the conductive patterns 4 and 5, the semiconductor chips 7 to 10, and the Al wires 11 to 13 is attached to the fixing surface of the base plate 1 with an adhesive 15. Adhere by.
  • the resin 16 is potted using the case 14 as a mold.
  • the case 14 is used as a part of the semiconductor module 27 as it is.
  • the warp of the base plate 1 due to a temperature change is greatly reduced by providing the reinforcing material 20 inside the base plate 1. For this reason, the warp of the entire semiconductor module 27 in which the base plate 1 is sealed with the resin 16 can also be reduced. As a result, since peeling between the resin 16 and the case 14 is also suppressed, reliability such as P / C and H / C properties can be improved. Since the warpage of the semiconductor module 27 is small, it is not necessary to tighten the screw 29 with a strong force that forces the warp, and the stress applied to the case 14 can be alleviated. In addition, even if a crack occurs in the reinforcing material 20, it has been confirmed that the rigidity and thermal characteristics of the base plate 1 hardly change.
  • the screws, the plate for suppressing the warpage of the module, and the inclusions such as grease are no longer necessary.
  • the number of members can be reduced.
  • heat dissipation can be ensured. Therefore, heat generated by energization of the semiconductor chips 7 to 10 can be effectively radiated, and the water cooling system 35 can be reduced.
  • the linear expansion coefficients of the base plate 1 and the resin 16 are greatly different, warpage occurs in the entire semiconductor module 27. Therefore, as the resin 16, a resin whose linear expansion coefficient is a numerical value between the linear expansion coefficient of the metal part 19 and the linear expansion coefficient of the reinforcing material 20 is selected. Thereby, the linear expansion coefficient of the whole base plate 1 having the metal part 19 and the reinforcing material 20 approaches the linear expansion coefficient of the resin 16. Accordingly, since the linear expansion coefficient is close to the upper and lower sides of the insulating substrate 3, the warpage of the entire semiconductor module 27 due to the temperature change after the resin sealing can be further reduced.
  • the material of the reinforcing material 20 is preferably the same as the material of the insulating substrate 3. Thereby, the curvature of the structure containing the base board 1 and the insulated substrate 3 which were mutually joined can be reduced. If the thickness of the reinforcing material 20 is the same as the thickness of the insulating substrate 3, the warpage of the structure can be further reduced.
  • the manufacturing cost can be reduced by using an inexpensive Al wire as the wiring member. Then, when the resin 16 is potted, the case 14 is used as a mold, and the case 14 is made a part of the semiconductor module 27 as it is, so that the mold separation process can be reduced.
  • the heat radiating performance of the base plate 1 is improved and the temperature rise of the semiconductor module 27 is suppressed. As a result, the life of the semiconductor module 27 is extended.
  • the base plate 1 and the insulating substrate 3 may be bonded by a bonding material such as solder. In this case, since the bonding material functions as a buffer material between the base plate 1 and the insulating substrate 3, the stress applied to the insulating substrate 3 is relieved.
  • the semiconductor chips 7 to 10 may be ultrasonically bonded onto the conductive pattern 4. In this way, the life of PC or HC is improved by performing plating-less joining with Al brazing. Further, at least one opening may be provided in the reinforcing material 20. Thereby, the material of the reinforcing material 20 can be reduced and the heat dissipation of the base plate 1 can be improved.
  • FIG. FIG. 12 is a cross-sectional view showing a semiconductor module according to Embodiment 2 of the present invention.
  • Cu frames 40 and 41 are used as wiring members.
  • the upper surfaces of the semiconductor chips 7 and 8 are each connected to the Cu frame 40 via the solder 6.
  • the upper surfaces of the semiconductor chips 9 and 10 are connected to the Cu frame 41 via the solder 6, respectively.
  • the Cu frames 40 and 41 are taken out of the case 14 and function as electrodes.
  • the semiconductor chips 7 and 8 are connected to the conductive pattern 5 via the Cu frame 40.
  • FIG. 13 is a top view showing the inside of the semiconductor module according to Embodiment 2 of the present invention.
  • the metal frames 21a to 21c correspond to the Cu frame 40, and the metal frame 21e corresponds to the Cu frame 41.
  • the metal frame 21a is connected to the upper surface of the switching element 7a, the upper surface of the diode 8a, and the conductive pattern 5a.
  • the metal frame 21b is connected to the upper surface of the switching element 7b, the upper surface of the diode 8b, and the conductive pattern 5b.
  • the upper surface of 7c, the upper surface of diode 8c, and conductive pattern 5c are connected.
  • a metal frame 21d is connected to the conductive pattern 5a.
  • a metal frame 21e is connected to the upper surfaces of the diodes 9a to 9c and the upper surfaces of the switching elements 10a to 10c.
  • the Cu frames 40 and 41 By using the Cu frames 40 and 41 in this way, the current cross-sectional area is increased and the current capacity of the semiconductor module 27 can be improved. Since the bonding strength between the wiring structure and the semiconductor chip is improved, the H / C and P / C life of the semiconductor module 27 is improved. Furthermore, since the Cu frames 40 and 41 have a larger heat transfer area than the Al wires, the amount of heat released through the electrodes increases.
  • FIG. FIG. 14 is a cross-sectional view showing a semiconductor module according to Embodiment 3 of the present invention.
  • the polyimide film 42 covers at least a part of the insulating substrate 3, the Cu frames 40 and 41, and the conductive patterns 4 and 5.
  • the polyimide film 42 improves the adhesion between the insulating substrate 3, the wiring member, and the conductive patterns 4, 5 and the resin 16, thereby improving the HC and PC life of the semiconductor module 27.
  • FIG. FIG. 15 is a cross-sectional view showing a semiconductor module according to Embodiment 4 of the present invention.
  • a first resin 43 that seals the periphery of the semiconductor chips 7 to 10 and the wiring member, and a second resin 44 that seals the outside of the first resin 43. Used.
  • the Young's modulus of the first resin 43 is 100 MPa or more, and the Young's modulus is higher than that of the second resin 44.
  • the second resin 44 may be a gel.
  • the Young's modulus of the first resin 43 may be lower than the Young's modulus of the second resin 44.
  • the amount of warpage due to temperature change can be reduced by setting the linear expansion coefficient of the first resin 43 in contact with the base plate 1 to 6 to 16 ppm / ° C., which is approximately the same as the linear expansion coefficient of the base plate 1. it can.
  • the rigidity of the entire semiconductor module 27 can be improved, and deformation due to an external force can be suppressed.
  • FIG. FIG. 16 is a cross-sectional view showing a semiconductor module according to Embodiment 5 of the present invention.
  • the resin 16 is a mold resin, and the case 14 or the like does not exist.
  • Other configurations are the same as those of the second embodiment. Thus, the same effect can be obtained even when the mold resin is used.
  • an Al wire may be used as the wiring member, or the configurations of the third and fourth embodiments may be combined.
  • the switching elements 7a to 7c and 10a to 10c are not limited to IGBTs but may be MOSFETs.
  • the semiconductor chips 7 to 10 are not limited to those formed of silicon, but may be formed of a wide band gap semiconductor having a larger band gap than silicon.
  • the wide band gap semiconductor is, for example, silicon carbide, a gallium nitride-based material, or diamond.
  • the semiconductor chips 7 to 10 formed of such a wide band gap semiconductor can be reduced in size because of having high voltage resistance and allowable current density. By using this miniaturized semiconductor chip, the semiconductor module 27 incorporating this semiconductor chip can also be miniaturized.
  • both the switching element and the diode are preferably formed of a wide band gap semiconductor, either one of the elements may be formed of a wide band gap semiconductor.

Abstract

　ベース板（１）は、固定面と、固定面と反対の面である放熱面とを有する。絶縁基板（３）がベース板（１）の固定面に接合されている。導電パターン（４，５）が絶縁基板（３）上に設けられている。導電パターン（４）上に半導体チップ（７，８）が接合されている。Ａｌワイヤ（１２）が半導体チップ（８）の上面と導電パターン（５）を接続する。絶縁基板（３）、導電パターン（４，５）、半導体チップ（７～１０）、及びＡｌワイヤ（１１～１３）が樹脂（１６）により封止されている。ベース板（１）は、金属部（１９）と、金属部（１９）内に設けられた強化材（２０）とを有する。強化材（２０）のヤング率は金属部（１９）のヤング率よりも高い。

Description

半導体モジュール、半導体装置、及び自動車
　本発明は、例えば車載用のモータ制御に使用される半導体モジュール及び半導体装置と、それを用いた自動車に関する。
　ポッティング樹脂封止型の半導体モジュールでは、ベース板上に絶縁基板、導電パターン、半導体チップを順に載せてケースで囲み、ケース内部をポッティング樹脂により封止している（例えば、特許文献１参照）。
日本特開平５－３０４２４８号公報
　ポッティング樹脂封止型の半導体モジュールは、絶縁基板を介してベース板と金属板を接合させている。ベース板と導電パターンの材料が異なる場合、線膨張係数が両者で異なるため、熱による大きな反りが発生する。仮に両者の材質を同じにしても、両者の形状が大きく異なっているため、反りが発生する。この状態でベース板にケースを接合してポッティング樹脂で封止を行うと、製品の反りを制御することが困難である。この結果、Ｐ／Ｃ（パワーサイクル）、Ｈ／Ｃ（ヒートサイクル）性などの信頼性が低下する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、その目的は信頼性を向上させることができる半導体モジュール、半導体装置、及び自動車を得るものである。
　本発明に係る半導体モジュールは、固定面と、前記固定面と反対の面である放熱面とを有するベース板と、前記ベース板の前記固定面に接合された絶縁基板と、前記絶縁基板上に設けられた第１及び第２の導電パターンと、前記第１の導電パターン上に設けられた半導体チップと、前記半導体チップと前記第２の導電パターンを接続する配線部材と、前記ベース板の前記固定面、前記絶縁基板、前記第１及び第２の導電パターン、前記半導体チップ、及び前記配線部材を封止する樹脂とを備え、前記ベース板は、金属部と、前記金属部内に設けられ前記金属部より高いヤング率を持つ強化材とを有することを特徴とする。
　本発明により、信頼性を向上させることができる。
本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールを示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールの内部を示す上面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールを示す回路図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る自動車を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールの製造工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールの製造工程を示す上面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールの製造工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールの製造工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールの製造工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールの製造工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体モジュールを示す断面図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体モジュールの内部を示す上面図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体モジュールを示す断面図である。 本発明の実施の形態４に係る半導体モジュールを示す断面図である。 本発明の実施の形態５に係る半導体モジュールを示す断面図である。
　本発明の実施の形態に係る半導体モジュール、半導体装置、及び自動車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、本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールを示す断面図である。ベース板１は、固定面（上面）と、固定面と反対の面である放熱面（下面）とを有する。ベース板１は、放熱面に少なくとも１つ以上の突起構造２を持つ。この突起構造２は放熱フィンであり、流水によるベース板１の放熱面の冷却効率を高める。ベース板１と突起構造２の材質は同じでも異なっていてもよい。例えば、放熱性を上げるため、突起構造２の材質としてベース板１よりも熱伝導率が高いものを使用してもよい。
　絶縁基板３がベース板１の固定面に溶湯接合されている。絶縁基板３の材質はＳｉＮ、ＡｌＮ、ＡｌＯ３などのセラミックである。ベース板１の外形は７０ｍｍ×１００ｍｍ、厚みは３ｍｍである。絶縁基板３の外形はベース板１よりも一回り小さく、厚みは０．６３５ｍｍである。
　導電パターン４，５が絶縁基板３上に設けられている。放熱性向上のため、絶縁基板３の厚みは、ベース板１と導電パターン４，５の厚みよりも薄くすることが望ましい。導電パターン４上に半田６を介して半導体チップ７，８が接合され、導電パターン５上に半田６を介して半導体チップ９，１０が接合されている。Ａｌワイヤ１１が半導体チップ７，８の上面同士を接続し、Ａｌワイヤ１２が半導体チップ８の上面と導電パターン５を接続し、Ａｌワイヤ１３が半導体チップ９，１０の上面同士を接続する。
　絶縁基板３、導電パターン４，５、半導体チップ７～１０、及びＡｌワイヤ１１～１３を囲む樹脂性のケース１４がベース板１の固定面に接着剤１５により接着されている。このケース１４内部が樹脂１６により封止されている。ベース板１の外周部と樹脂１６の外周部を貫通する穴１７が設けられている。ベース板１より耐力の高い材質（Ｆｅなど）からなるカラー１８が樹脂１６の穴１７に挿入されている。
　ベース板１は、金属部１９と、金属部１９内に設けられた強化材２０とを有する。金属部１９の材質はＡｌ又はＣｕなどの金属、強化材２０の材質はＳｉＮ、ＡｌＮ、ＡｌＯ３などのセラミックである。強化材２０のヤング率は１００ＧＰａ以上であり、金属部１９のヤング率（Ａｌの場合、７０ＧＰａ）よりも高い。
　金属部１９の線膨張係数は２２ｐｐｍ／℃、強化材２０の線膨張係数は４ｐｐｍ／℃であり、両者を含むベース板１全体の線膨張係数は１０～２０ｐｐｍ／℃となる。これに対して、樹脂１６の線膨張係数は８～１６ｐｐｍ／℃であり、金属部１９の線膨張係数と強化材２０の線膨張係数の間の数値であるため、ベース板１全体の線膨張係数と同程度となる。なお、半導体チップ７～１０の線膨張係数は２．６ｐｐｍ／℃である。
　図２は、本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールの内部を示す上面図である。図３は、本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールを示す回路図である。上面図では樹脂１６を省略している。半導体モジュールは６ｉｎ１構造、即ち６つのスイッチング素子を１つのモジュールに実装した構造である。ここではスイッチング素子はＩＧＢＴである。なお、スイッチング素子のゲート電極及びそれに接続される端子は説明の簡略化のために省略している。
　スイッチング素子７ａ～７ｃは半導体チップ７、ダイオード８ａ～８ｃは半導体チップ８、ダイオード９ａ～９ｃは半導体チップ９、スイッチング素子１０ａ～１０ｃは半導体チップ１０にそれぞれ該当する。金属フレーム２１ａ～ｅがそれぞれＵ電極、Ｖ電極、Ｗ電極、Ｐ電極、Ｎ電極に該当する。
　スイッチング素子７ａ～７ｃとダイオード８ａ～８ｃの下面は導電パターン４に接続されている。ダイオード９ａとスイッチング素子１０ａの下面は導電パターン５ａに、ダイオード９ｂとスイッチング素子１０ｂの下面は導電パターン５ｂに、ダイオード９ｃとスイッチング素子１０ｃの下面は導電パターン５ｃに接続されている。
　Ａｌワイヤ１１ａがスイッチング素子７ａとダイオード８ａの上面同士を接続し、Ａｌワイヤ１１ｂがスイッチング素子７ｂとダイオード８ｂの上面同士を接続し、Ａｌワイヤ１１ｃがスイッチング素子７ｃとダイオード８ｃの上面同士を接続する。
　Ａｌワイヤ１２ａ～１２ｃがダイオード８ａ～８ｃの上面と導電パターン５ａ～５ｃをそれぞれ接続する。Ａｌワイヤ１３ａがダイオード９ａとスイッチング素子１０ａの上面同士を接続し、Ａｌワイヤ１３ｂがダイオード９ｂとスイッチング素子１０ｂの上面同士を接続し、Ａｌワイヤ１３ｃがダイオード９ｃとスイッチング素子１０ｃの上面同士を接続する。
　Ａｌワイヤ２２がスイッチング素子１０ａ，１０ｂの上面同士を接続し、Ａｌワイヤ２３がスイッチング素子１０ｂ，１０ｃの上面同士を接続する。Ａｌワイヤ２４ａ～２４ｃがスイッチング素子７ａ～７ｃの上面と金属フレーム２１ａ～２１ｃをそれぞれ接続する。Ａｌワイヤ２５が導電パターン４と金属フレーム２１ｄを接続する。Ａｌワイヤ２６がスイッチング素子１０ｃの上面と金属フレーム２１ｅを接続する。
　図４は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す断面図である。図１～３に示した半導体モジュール２７を冷却するために、冷却ジャケット２８が半導体モジュール２７のベース板１の放熱面側に取り付けられている。具体的には、半導体モジュール２７の穴１７にネジ２９を通して冷却ジャケット２８のネジ穴に挿入することで、半導体モジュール２７に冷却ジャケット２８が取り付けられる。冷却ジャケット２８の溝に、Ｏリングなどの封止材３０が配置されている。ネジ２９の締め付けによる反力を耐力の高いカラー１８で受けるため、穴１７周辺のベース板１と樹脂１６の変形を抑制することができる。
　図５は、本発明の実施の形態１に係る自動車を示す図である。自動車はハイブリッド車又は電気自動車である。この自動車内において、インバータ３１がバッテリ３２の直流電流を三相交流電流に変換してモータ３３に供給する。この際に駆動装置３４がインバータ３１を駆動して交流電流を制御することで、モータ３３の出力を制御することができる。上記の半導体モジュール２７がインバータ３１に該当する。また、大電力を扱うインバータ３１の発熱量は大きいため、インバータ３１を冷却するために水冷システム３５が用いられる。上記の冷却ジャケット２８は水冷システム３５の一部である。
　続いて、図面を参照して本実施の形態に係る半導体モジュールの製造方法を説明する。図６，８－１１は本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールの製造工程を示す断面図であり、図７は本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールの製造工程を示す上面図である。
　まず、図６及び図７に示すように、上型、下型に分離できるカーボン製の鋳型３６を用意する。鋳型３６の内部には、空洞部３７が形成され、空洞部３７の底面に凹部３８が形成され、凹部３８の底面に凹部３９が形成されている。この鋳型３６の凹部３８に絶縁基板３を配置し、空洞部３７を横切るように強化材２０を配置して強化材２０の両端を鋳型３６の上型と下型で挟持する。この状態で加熱した鋳型３６内にＡｌなどの金属溶湯を注湯して冷却して凝固させることで、空洞部３７に金属部１９を形成し、凹部３９に導電パターン４，５を形成する。このように金属部１９と導電パターン４，５の材質が同じ場合、両者を一体的に製造することができる。一方、両者の材質が異なる場合には、絶縁基板３の上面および下面に対して、工程を分けて異なる鋳型を用いて、それぞれの金属を流し込む。
　次に、図８に示すように、溶湯接合により直接接合されたベース板１と絶縁基板３を鋳型３６から取り出す。そして、ベース板１から飛び出した強化材２０の両端を切断又はブレークなどで除去する。ドリルなどによりベース板１の四隅に穴１７を形成する。上記のように鋳型３６で強化材２０を支持することにより，ベース板１内の強化材２０の面方向及び厚さ方向の位置を精密に制御できるため，反りばらつきを抑制することができる。なお、上記の製造方法により形成されたベース板１と絶縁基板３の界面にクラックや剥離が無いことが確認されている。
　次に、図９に示すように、絶縁基板３上に導電パターン４，５をスパッタにより形成する。導電パターン４，５上に無電解めっきによりＮｉめっき（不図示）を施す。導電パターン４のＮｉめっき上に半田６を介して半導体チップ７，８を接合し、導電パターン５のＮｉめっき上に半田６を介して半導体チップ９，１０を接合する。
　次に、図１０に示すように、Ａｌワイヤ１１により半導体チップ７，８の上面同士を接続し、Ａｌワイヤ１２により半導体チップ８の上面と導電パターン５を接続し、Ａｌワイヤ１３により半導体チップ９，１０の上面同士を接続する。
　次に、図１１に示すように、絶縁基板３、導電パターン４，５、半導体チップ７～１０、及びＡｌワイヤ１１～１３を囲む樹脂性のケース１４をベース板１の固定面に接着剤１５により接着する。このケース１４を鋳型として用いて樹脂１６をポッティングする。ケース１４はそのまま半導体モジュール２７の一部とする。
　以上説明したように、本実施の形態ではベース板１の内部に強化材２０を設けることで温度変化によるベース板１の反りが大幅に低減される。このため、ベース板１上を樹脂１６で封止した半導体モジュール２７全体の反りも低減させることができる。この結果、樹脂１６とケース１４との間の剥離なども抑制されるため、Ｐ／Ｃ、Ｈ／Ｃ性などの信頼性を向上させることができる。そして、半導体モジュール２７の反りが少ないため、反りを強制するような強い力でネジ２９を締め付ける必要が無くなり、ケース１４に与えるストレスを緩和することができる。なお、仮に強化材２０にクラックが発生しても、ベース板１の剛性や熱特性はほとんど変化しないことを確認している。
　また、半導体チップ７～１０とベース板１を樹脂１６で封止して固定することで、両者の固定に使用していたネジ、モジュールの反り抑制用の板材、グリスなどの介在物が不要となり、部材点数を削減することができる。また、半導体チップ７～１０とベース板１の間にグリスを挟む必要が無いので放熱性を確保することができる。従って、半導体チップ７～１０の通電による発熱を効果的に放熱することができ、水冷システム３５を小さくすることができる。
　ただし、ベース板１と樹脂１６の線膨張係数が大きく異なると半導体モジュール２７全体で反りが発生する。そこで、樹脂１６として、その線膨張係数が金属部１９の線膨張係数と強化材２０の線膨張係数の間の数値であるものを選択する。これにより、金属部１９と強化材２０を有するベース板１全体の線膨張係数が樹脂１６の線膨張係数に近づく。従って、絶縁基板３の上下で線膨張係数が近くなるため、樹脂封止後の温度変化による半導体モジュール２７全体の反りを更に低減させることができる。
　また、強化材２０の材質は絶縁基板３の材質と同じであることが好ましい。これにより、互いに接合されたベース板１と絶縁基板３を含む構造の反りを低減させることができる。そして、強化材２０の厚みが絶縁基板３の厚みと同じであれば、当該構造の反りを更に低減させることができる。
　また、配線部材として安価なＡｌワイヤを用いることで製造コストを低減することができる。そして、樹脂１６をポッティングする際に鋳型としてケース１４を用い、そのままケース１４を半導体モジュール２７の一部とすることで鋳型離しの工程を削減することができる。
　また、ベース板１の放熱面に少なくとも１つ以上の突起構造２が設けられているため、ベース板１の放熱性能が向上し、半導体モジュール２７の温度上昇が抑制される。この結果、半導体モジュール２７の寿命が長くなる。
　また、ベース板１と絶縁基板３を溶湯接合することで両者が強固に接合され、Ｈ／ＣやＰ／Ｃの耐久性が向上する。ただし、ベース板１と絶縁基板３を半田などの接合材により接合してもよい。この場合には接合材がベース板１と絶縁基板３との間の緩衝材として機能するため、絶縁基板３にかかる応力が緩和される。
　また、半導体チップ７～１０を導電パターン４上に超音波接合してもよい。このようにＡｌロウ付けでめっきレス接合することで、ＰＣやＨＣの寿命が向上する。また、強化材２０に少なくともひとつの開口を設けてもよい。これにより、強化材２０の材料を削減し、ベース板１の放熱性を向上させることができる。
実施の形態２．
　図１２は、本発明の実施の形態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、配線部材としてＣｕフレーム４０，４１を用いている。半導体チップ７，８の上面はそれぞれ半田６を介してＣｕフレーム４０に接続される。半導体チップ９，１０の上面はそれぞれ半田６を介してＣｕフレーム４１に接続される。Ｃｕフレーム４０，４１はケース１４の外部へ取り出され電極として働く。また、半導体チップ７，８はＣｕフレーム４０を介して導電パターン５に接続される。
　図１３は、本発明の実施の形態２に係る半導体モジュールの内部を示す上面図である。金属フレーム２１ａ～２１ｃがＣｕフレーム４０に該当し、金属フレーム２１ｅがＣｕフレーム４１に該当する。金属フレーム２１ａがスイッチング素子７ａの上面とダイオード８ａの上面と導電パターン５ａに接続され、金属フレーム２１ｂがスイッチング素子７ｂの上面とダイオード８ｂの上面と導電パターン５ｂに接続され、金属フレーム２１ｃがスイッチング素子７ｃの上面とダイオード８ｃの上面と導電パターン５ｃに接続されている。金属フレーム２１ｄが導電パターン５ａに接続されている。金属フレーム２１ｅがダイオード９ａ～９ｃの上面とスイッチング素子１０ａ～１０ｃの上面に接続されている。
　このようにＣｕフレーム４０，４１を用いることにより、電流断面積が増加し、半導体モジュール２７の電流容量を向上させることができる。そして、配線構造と半導体チップとの接合強度が向上するため、半導体モジュール２７のＨ／Ｃ，Ｐ／Ｃ寿命が向上する。さらに、Ｃｕフレーム４０，４１はＡｌワイヤよりも伝熱面積が大きいため、電極を通しての放熱量が増加する。
実施の形態３．
　図１４は、本発明の実施の形態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、絶縁基板３、Ｃｕフレーム４０，４１、及び導電パターン４，５の少なくとも一部をポリイミド膜４２が覆っている。このポリイミド膜４２により、絶縁基板３、配線部材、及び導電パターン４，５と樹脂１６との密着性が向上するため、半導体モジュール２７のＨＣ，ＰＣ寿命が向上する。
実施の形態４．
　図１５は、本発明の実施の形態４に係る半導体モジュールを示す断面図である。本実施の形態では樹脂１６の代わりに、半導体チップ７～１０及び配線部材の周辺を封止する第１の樹脂４３と、第１の樹脂４３の外側を封止する第２の樹脂４４とを用いている。
　第１の樹脂４３のヤング率は１００ＭＰａ以上であり、第２の樹脂４４よりも高いヤング率を持つ。このように固い第１の樹脂４３で半導体チップ７～１０等を封止することで、少量の第１の樹脂４３で効果的に半導体モジュールのＰ／Ｃ，Ｈ／Ｃ寿命を向上させることができる。なお、第２の樹脂４４はゲルでもよい。
　なお、上記とは逆に、第１の樹脂４３のヤング率を第２の樹脂４４のヤング率よりも低くしてもよい。この場合、ベース板１と接触する第１の樹脂４３の線膨張係数を６～１６ｐｐｍ／℃としてベース板１の線膨張係数と同程度とすることで、温度変化による反り量を低減することができる。さらに、その第１の樹脂４３をヤング率の高い第２の樹脂４４で覆うことで、半導体モジュール２７全体の剛性を向上させ、外部からの力による変形を抑制することができる。
実施の形態５．
　図１６は、本発明の実施の形態５に係る半導体モジュールを示す断面図である。本実施の形態では樹脂１６はモールド樹脂であり、ケース１４等が存在しない。その他の構成は実施の形態２と同様である。このようにモールド樹脂を用いた場合でも同様の効果を得ることができる。なお、実施の形態１と同様に配線部材としてＡｌワイヤを用いてもよく、実施の形態３，４の構成を組み合わせてもよい。
　上記の実施の形態１～５において、スイッチング素子７ａ～７ｃ，１０ａ～１０ｃはＩＧＢＴに限らずＭＯＳＦＥＴでもよい。また、半導体チップ７～１０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チップ７～１０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チップを用いることで、この半導体チップを組み込んだ半導体モジュール２７も小型化できる。また、素子の耐熱性が高いため、ヒートシンクの突起構造２を小型化でき、水冷システム３５を空冷化できるので、半導体モジュール２７を更に小型化できる。また、半導体チップ７～１０の電力損失が低く高効率であるため、半導体モジュール２７を高効率化できる。なお、スイッチング素子とダイオードの両方が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が望ましいが、何れか一方の素子がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていてもよい。
１　ベース板、２　突起構造、３　絶縁基板、４　導電パターン、５　導電パターン、７～１０　半導体チップ、１２　Ａｌワイヤ（配線部材、金属ワイヤ）、１４　ケース、１６　樹脂、１９　金属部、２０　強化材、２７　半導体モジュール、２８　冷却ジャケット、３２　バッテリ、３３　モータ、４０　Ｃｕフレーム（配線部材、金属フレーム）、４２　ポリイミド膜（被膜）、４３　第１の樹脂、４４　第２の樹脂

Claims (18)

  1. 　固定面と、前記固定面と反対の面である放熱面とを有するベース板と、
    　前記ベース板の前記固定面に接合された絶縁基板と、
    　前記絶縁基板上に設けられた第１及び第２の導電パターンと、
    　前記第１の導電パターン上に設けられた半導体チップと、
    　前記半導体チップと前記第２の導電パターンを接続する配線部材と、
    　前記ベース板の前記固定面、前記絶縁基板、前記第１及び第２の導電パターン、前記半導体チップ、及び前記配線部材を封止する樹脂とを備え、
    　前記ベース板は、金属部と、前記金属部内に設けられ前記金属部より高いヤング率を持つ強化材とを有することを特徴とする半導体モジュール。
  2. 　前記樹脂の線膨張係数は、前記金属部の線膨張係数と前記強化材の線膨張係数の間の数値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。
  3. 　前記樹脂の線膨張係数は８～１６ｐｐｍ／℃であり、
    　前記ベース板の線膨張係数は１０～２０ｐｐｍ／℃であることを特徴とする請求項２に記載の半導体モジュール。
  4. 　前記強化材の材質は前記絶縁基板の材質と同じであることを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の半導体モジュール。
  5. 　前記強化材の厚みは前記絶縁基板の厚みと同じであることを特徴とする請求項４に記載の半導体モジュール。
  6. 　前記配線部材は金属ワイヤであ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. 　前記配線部材は金属フレームであ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。
  8. 　前記絶縁基板、前記配線部材、及び前記第１及び第２の導電パターンの少なくとも一部を覆って前記樹脂との密着性を向上させる被膜を更に備えることを特徴とする請求項７に記載の半導体モジュール。
  9. 　前記樹脂は、前記半導体チップ及び前記配線部材の周辺を封止する第１の樹脂と、前記第１の樹脂の外側を封止する第２の樹脂とを有し、
    　前記第１の樹脂は前記第２の樹脂よりも高いヤング率を持つことを特徴とする請求項１～８の何れか１項に記載の半導体モジュール。
  10. 　前記ベース板の前記固定面に接着され、前記絶縁基板、前記第１及び第２の導電パターン、前記半導体チップ、及び前記配線部材を囲むケースを更に備え、
    　前記樹脂は、前記ケースを鋳型として用いてポッティングされたものであることを特徴とする請求項１～９の何れか１項に記載の半導体モジュール。
  11. 　前記樹脂はモールド樹脂であることを特徴とする請求項１～９の何れか１項に記載の半導体モジュール。
  12. 　前記ベース板は、前記放熱面に少なくとも１つ以上の突起構造を持つことを特徴とする請求項１～１１の何れか１項に記載の半導体モジュール。
  13. 　前記ベース板と前記絶縁基板は溶湯接合されていることを特徴とする請求項１～１２の何れか１項に記載の半導体モジュール。
  14. 　前記ベース板と前記絶縁基板は接合材により接合されていることを特徴とする請求項１～１２の何れか１項に記載の半導体モジュール。
  15. 　前記半導体チップは前記第１の導電パターン上に超音波接合されていることを特徴とする請求項１～１４の何れか１項に記載の半導体モジュール。
  16. 　前記強化材に少なくともひとつの開口が設けられていることを特徴とする請求項１～１５の何れか１項に記載の半導体モジュール。
  17. 　請求項１～１６の何れか１項に記載の半導体モジュールと、
    　前記半導体モジュールの前記ベース板の前記放熱面側に取り付けられ、前記半導体モジュールを冷却するための冷却ジャケットとを備えることを特徴とする半導体装置。
  18. 　請求項１～１６の何れか１項に記載の半導体モジュールと、
    　バッテリと、
    　モータとを備え、
    　前記半導体モジュールが前記バッテリの直流電流を交流電流に変換して前記モータに供給することを特徴とする自動車。
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