WO2022190449A1 - 半導体モジュール - Google Patents

半導体モジュール Download PDF

Info

Publication number
WO2022190449A1
WO2022190449A1 PCT/JP2021/038246 JP2021038246W WO2022190449A1 WO 2022190449 A1 WO2022190449 A1 WO 2022190449A1 JP 2021038246 W JP2021038246 W JP 2021038246W WO 2022190449 A1 WO2022190449 A1 WO 2022190449A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
base
semiconductor module
case
adhesive
region
Prior art date
Application number
PCT/JP2021/038246
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
喜章 芦田
大助 川瀬
康二 佐々木
Original Assignee
株式会社日立パワーデバイス
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社日立パワーデバイス filed Critical 株式会社日立パワーデバイス
Priority to US18/254,412 priority Critical patent/US20240006256A1/en
Priority to DE112021005193.8T priority patent/DE112021005193T5/de
Priority to CN202180076704.5A priority patent/CN116457938A/zh
Publication of WO2022190449A1 publication Critical patent/WO2022190449A1/ja

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/02—Containers; Seals
    • H01L23/10—Containers; Seals characterised by the material or arrangement of seals between parts, e.g. between cap and base of the container or between leads and walls of the container
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/40—Mountings or securing means for detachable cooling or heating arrangements ; fixed by friction, plugs or springs
    • H01L23/4006—Mountings or securing means for detachable cooling or heating arrangements ; fixed by friction, plugs or springs with bolts or screws
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/48—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor
    • H01L23/488—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor consisting of soldered or bonded constructions
    • H01L23/492—Bases or plates or solder therefor
    • H01L23/4924—Bases or plates or solder therefor characterised by the materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/02—Containers; Seals
    • H01L23/04—Containers; Seals characterised by the shape of the container or parts, e.g. caps, walls
    • H01L23/053—Containers; Seals characterised by the shape of the container or parts, e.g. caps, walls the container being a hollow construction and having an insulating or insulated base as a mounting for the semiconductor body
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3735—Laminates or multilayers, e.g. direct bond copper ceramic substrates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/562—Protection against mechanical damage
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
    • H01L25/03—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes
    • H01L25/04—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers
    • H01L25/07—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00
    • H01L25/072—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00 the devices being arranged next to each other

Definitions

  • the present invention relates to the structure of a semiconductor module, and more particularly to a technique effectively applied to the mounting structure of a semiconductor module having power semiconductor chips such as IGBTs.
  • IGBTs Insulated Gate Bipolar Transistors
  • power generation systems such as wind power generation, railways, electric vehicles, and hybrid vehicles. Therefore, it is becoming increasingly important to develop a module structure that can suppress manufacturing variations and ensure product quality.
  • a semiconductor module having a power semiconductor chip such as an IGBT causes heat to rise or fall depending on the operating conditions in which it is used. Due to this rise and fall of heat, the internal structure and mounting structure of the semiconductor module are subjected to thermal stress, and fatigue and deterioration progress.
  • a power cycle test (temperature cycle test) is performed to evaluate resistance to changes in electrical and thermal stress caused by repeated ON/OFF.
  • the power cycle test temperature cycle test
  • a large amount of power is applied to the power semiconductor chip, and by repeating self-heating and cooling of the chip, the resistance to thermal stress of each member with a different coefficient of linear expansion is evaluated. It is used to evaluate the bonding reliability at the interface of each member such as a chip, substrate, solder, bonding wire, etc., and the durability against distortion and cracking of the chip and package resin.
  • Patent Document 1 As a background art of this technical field, there is a technique such as Patent Document 1, for example.
  • Patent Document 1 "the thickness t1 of the resin portion on the side perpendicular to the long side direction L2 of the case is made thicker than the thickness t2 of the resin portion on the side perpendicular to the short side direction L1 of the module (L1 ⁇ L2, t1 >t2), deformation as a module is suppressed, accuracy as a component is improved, and furthermore, a bonding area between the resin case 108 and the bottom metal substrate 205 can be secured, and the resin case 108 and the bottom metal substrate 205 can be prevented from being deformed by temperature cycles or the like.
  • Patent Document 2 discloses that "the base plate 1 and the case 9 form a container-like housing 10 for housing the insulating substrate 3 and the semiconductor chip 5, and the case 9 comprises the base plate 1 and the insulating substrate. 3 and the semiconductor chip 5, the thickness in the Z direction is made larger than that of the above-described bonding structure.”
  • paragraph [0015] of Patent Document 2 discloses that "the base plate 1 and the case 9 form a container-like housing 10 for housing the insulating substrate 3 and the semiconductor chip 5, and the case 9 comprises the base plate 1 and the insulating substrate. 3 and the semiconductor chip 5, the thickness in the Z direction is made larger than that of the above-described bonding structure.”
  • a ceramic insulating substrate on which a power semiconductor chip such as an IGBT is mounted is bonded onto a base by substrate bonding solder, and resin is applied to the upper surface of the base.
  • a mounting structure in which a case made of metal is fixed with an adhesive and fixing screws is the mainstream.
  • the resin case surrounds the power semiconductor chip and insulating substrate, and the inside of the case is filled with silicone gel as a sealing material.
  • Metal materials such as copper (Cu) and silicon carbide particle-reinforced aluminum composite (AlSiC) are used for the base.
  • AlSiC Since AlSiC has a coefficient of linear expansion as small as that of a ceramic insulating substrate, it is a material that can reduce the load on solder for bonding substrates. It is often used as a base material for semiconductor modules with
  • AlSiC When AlSiC is used as the material of the base, it is generally used by coating the upper surface and side surfaces of the AlSiC base material with an aluminum (Al) film. An Al film covering AlSiC is used to ensure the workability and solder wettability of the base.
  • Patent Document 1 nor Patent Document 2 described above describes the problem of cracks associated with temperature fluctuations in the base using AlSiC as described above and the means for solving the problem.
  • an object of the present invention is to provide a semiconductor module having a power semiconductor chip, in which variation in the adhesion position of a resin case to be adhered to a base is small, and assembly quality and reliability can be reduced by reducing stress between the case and the base.
  • An object of the present invention is to provide a semiconductor module.
  • the present invention has a base, an insulating substrate bonded to the base, a semiconductor chip bonded to the insulating substrate, and a case bonded to the base with an adhesive.
  • the base is composed of a plate-shaped first material and a second material covering the first material and having a coefficient of linear expansion larger than that of the first material, and the base
  • the second material includes a first region arranged at the corner of the base and a second region arranged at the outer peripheral portion of the base and narrower than the first region.
  • L1-L2 is thicker than the plate thickness of the base
  • the semiconductor module in a semiconductor module having a power semiconductor chip, there is little variation in the bonding position of the resin case bonded to the base, and the semiconductor module has high assembly quality and reliability that can reduce the stress between the case and the base bonding portion. can be realized.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line A-A' in FIG. 1;
  • FIG. FIG. 2 is a diagram conceptually showing the stress on the side surface of the base of the semiconductor module of FIG. 1;
  • 1 is a bottom view of a semiconductor module according to Example 1 of the present invention;
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line B-B' of FIG. 4;
  • FIG. 7 is a sectional view taken along the line C-C' of FIG. 6;
  • FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the bonding region and generated stress (GS) in the semiconductor module of FIG.
  • FIG. 7 is a diagram showing a modification of FIG. 6; It is a bottom view of a semiconductor module according to Example 3 of the present invention. It is a bottom view of a semiconductor module according to Example 4 of the present invention.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view taken along the line D-D' of FIG. 11;
  • FIG. 1 is a bottom view of a semiconductor module shown as a comparative example of the present invention
  • FIG. 2 is a cross-sectional view along line A-A' of FIG.
  • FIG. 3 conceptually shows the stress generated on the side surface of the base of the semiconductor module of FIG.
  • a semiconductor module 1 has a circuit wiring pattern 20 and a circuit wiring pattern 20 on a plate-like base 2 made of a metal material such as copper (Cu) or silicon carbide particle-reinforced aluminum composite (AlSiC).
  • a ceramic insulating substrate 22 on which a lower surface conductor layer 21 is formed is bonded with substrate bonding solder 24, and a semiconductor chip 23 is bonded onto the circuit wiring pattern 20 with chip bonding solder 25.
  • the semiconductor module 1 is provided with terminals and metal wires for electrical connection with the outside.
  • a case 7 made of resin such as PBT (polybutylene terephtalate) or PPS (polyphenylene sulfide) is fixed to the upper surface of the base 2 with an adhesive 8 and fixing screws 6 .
  • the base 2 is provided with fixing holes 5 for fixing the semiconductor module 1 to heat radiation fins (not shown).
  • a case 7 surrounds an insulating substrate 22 on which a semiconductor chip 23 is mounted, and the interior of the case 7 is filled with silicone gel 26 . Furthermore, the upper surface of the case 7 is provided with a lid 27 made of resin.
  • a semiconductor chip 23 is protected by sealing with a silicone gel 26 and a lid 27 .
  • the case protrusions 12 are provided on the lower surface side of the four sides of the case 7, and in the process of bonding the case 7 to the base 2, the case protrusions 12 are installed so as to face the side surfaces of the four sides of the base 2, Adhesive positioning accuracy of the case 7 is ensured. Therefore, as shown in FIG. 2, the case 7 is adhered to the upper surface and side surface of the base 2 by the adhesive upper surface portion 9 and the adhesive side surface portion 10 of the adhesive 8 .
  • the material of the base 2 is a silicon carbide particle reinforced aluminum composite (AlSiC).
  • AlSiC silicon carbide particle reinforced aluminum composite
  • the base 2 is composed of two types of materials: an AlSiC material 3 and an Al material 4 covering the upper and side surfaces of the AlSiC material 3 .
  • AlSiC is a material that can reduce the load on the substrate bonding solder 24 because its coefficient of linear expansion is as small as that of the insulating substrate 22 . Furthermore, since it has excellent thermal conductivity, it is often used as a base material for semiconductor modules having power semiconductor chips.
  • the Al material 4 covering the AlSiC material 3 is used to ensure workability and solder wettability of the base 2 . Also, the linear expansion coefficient of the Al material 4 is larger than that of the AlSiC material 3 .
  • the inventors of the present application found that the bonding edge 13 between the case 7 and the side surface of the base 2 is on the narrow region 16 side near the boundary 14 where the y-direction dimension of the Al material 4 changes from the wide region 15 to the narrow region 16. , the stress generated on the side surface of the base 2 may increase when the temperature of the semiconductor module 1 changes from high to low.
  • Fig. 3 shows a schematic diagram explaining the mechanism by which the stress increases.
  • a 1/4 model of the semiconductor module 1 is shown in consideration of symmetry. Focusing on the long side of the long side or the short side, for example, when the temperature of the semiconductor module 1 changes from high temperature to low temperature, the width of the Al material 4 (the length in the y direction when focusing on the long side) In a wide region (first region) 15 of the Al material 4 where the diameter is widened, the Al material 4 having a large coefficient of linear expansion shrinks as indicated by arrows in the drawing. Further, the case 7 having a large coefficient of linear expansion, which is adhered to the side surface of the base 2, also shrinks. Due to the contraction of both members, it is considered that the x-direction stress generated in the Al material surface of the bonding end portion 13, that is, the narrow region (second region) 16 of the Al material 4 increases.
  • FIG. 4 is a bottom view of the semiconductor module of this embodiment
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line B-B' of FIG. 4 and 5 correspond to FIGS. 1 and 2 of the comparative example described above, respectively.
  • a circuit wiring pattern 20 and a lower conductor layer 21 are formed on a plate-like base 2 made of an AlSiC material 3 and an Al material 4.
  • An insulating substrate 22 made of ceramic is bonded with solder 24 for substrate bonding, and a semiconductor chip 23 is bonded onto the circuit wiring pattern 20 with solder 25 for chip bonding.
  • the semiconductor module 1 is provided with terminals and metal wires for electrical connection with the outside.
  • a case 7 made of resin such as PBT or PPS is fixed to the upper surface of the base 2 with an adhesive 8 and fixing screws 6 .
  • the base 2 is provided with fixing holes 5 for fixing the semiconductor module 1 to heat radiation fins (not shown).
  • a case 7 surrounds an insulating substrate 22 on which a semiconductor chip 23 is mounted, and the interior of the case 7 is filled with silicone gel 26 . Furthermore, the upper surface of the case 7 is provided with a lid 27 made of resin.
  • a semiconductor chip 23 is protected by sealing with a silicone gel 26 and a lid 27 .
  • Case protrusions 12 are provided on the lower surface side of the four sides of the case 7 .
  • the case protrusion 12 faces the side surface of the base 2 and is provided so as to cover at least a portion of the side surface of the base 2 . This is because, in the step of bonding the case 7 to the base 2 , the case projections 12 are installed so as to face the four side surfaces of the base 2 , thereby securing the bonding positioning accuracy of the case 7 .
  • the case 7 is adhered to the upper surface and side surfaces of the base 2 by means of adhesive upper surface portions 9 and adhesive side surface portions 10 of the adhesive 8 .
  • the base 2 is composed of two types of materials: an AlSiC material 3 and an Al material 4 covering at least the upper and side surfaces of the AlSiC material 3 .
  • AlSiC has a coefficient of linear expansion as small as that of the insulating substrate 22, it is a material that can reduce the load on the solder 24 for bonding substrates. Furthermore, since it has excellent thermal conductivity, it is often used as a base material for semiconductor modules having power semiconductor chips.
  • the Al film that covers AlSiC is used to ensure base workability and solder wettability. Also, the linear expansion coefficient of Al is greater than that of AlSiC.
  • the Al material 4 is a wide area of the Al material 4 arranged at the corners of the base 2 (first region) 15 and the Al material 4 which is arranged in the outer peripheral portion of the base 2 and has a narrower width (length in the y direction when focusing on the long side) than the wide region (first region) 15 of the Al material 4 . narrow region (second region) 16.
  • Al material 4 which is a material with excellent workability, is used.
  • the case 7 covers at least part of the side surface of the base 2 and is bonded to the base 2 via an adhesive 8 on at least the upper surface of the base 2 .
  • the length (L2) from the center of the side of the base 2 to the boundary between the first region 15 and the second region 16, and the base 2 and the case 7 are bonded from the center of the side of the base 2 to the side of the base 2 It is defined using the length (L3) to the end of the adhesive 8 (more specifically, the adhesive side portion 10) and the plate thickness of the base 2.
  • the difference between L1 and L2 (L1-L2) that is, the length of the wide region (first region) 15 of the Al material 4 in the x direction is set to be larger than the plate thickness of the base 2.
  • a wide region (first region) 15 of the Al material 4 is provided.
  • the position of the adhesive end 13 is defined so that L3 is equal to or greater than L2 (L3 ⁇ L2).
  • the case 7 with a large coefficient of linear expansion that is bonded to the side surface of the base 2 shrinks in the x direction.
  • the bonding end portion 13 is located in a wide region (first region) 15 of the Al material 4, the width of the Al material 4 (the length in the y direction when focusing on the long side) is wide, Since the rigidity is high, the deformation of the Al material 4 at the bonding end portion 13 due to the contraction of the case 7 is small, and the generated stress is suppressed.
  • the maximum stress value with side bonding was almost the same as without side bonding. Therefore, in this embodiment, which satisfies the condition of L3 ⁇ L2, the stress generated in the base 2 (the AlSiC material 3 and the Al material 4) at the bonding end portion 13 can be suppressed, and the structural reliability can be improved. .
  • the relationship between the dimensions of the base 2, the case 7, and the bonding portion and the effect thereof were described with the bonding region on the long side of the semiconductor module 1 (the x-direction side in FIG. 4) as the target.
  • the short side of the semiconductor module 1 the y-direction side in FIG. 4
  • the same dimensional relationship and effect relationship are established.
  • FIGS. 6 is a bottom view of the semiconductor module of this embodiment
  • FIG. 7 is a sectional view taken along line C-C' in FIG. 6 and 7 correspond to FIGS. 4 and 5 of the first embodiment, respectively.
  • FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the bonding region and the generated stress (GS) in the semiconductor module of FIG.
  • FIG. 9 is a modification of FIG.
  • the basic configuration of this embodiment is the same as that of the first embodiment, and the points different from the first embodiment will be mainly described.
  • the position of the side surface of the base 2 and the bonding edge 13 of the case 7 is determined by the length (L1 ), the length (L2) from the center of the side of the base 2 to the boundary between the first region 15 and the second region 16, and the distance between the base 2 and the case 7 on the side of the base 2 from the center of the side of the base 2 It is defined using the length (L3) to the edge of the adhesive 8 to be adhered and the plate thickness of the base 2 .
  • the difference between L1 and L2 (L1-L2) that is, the length of the wide region (first region) 15 of the Al material 4 in the x direction is set to be larger than the plate thickness of the base 2.
  • a wide region (first region) 15 of the Al material 4 is provided.
  • the position of the adhesive edge 13 is defined so that the difference (L2-L3) between L2 and L3 is greater than or equal to the difference (L1-L2) between L1 and L2 (L2-L3 ⁇ L1-L2). .
  • the length L3 of the adhesive portion is shorter than the length of the case 7. This can be achieved by controlling the amount and position of the adhesive 8 applied in the case adhesive process.
  • the temperature of the semiconductor module 1 changes from a high temperature to a low temperature.
  • the Al material 4 with a large linear expansion coefficient is x direction. Therefore, this contraction generates a stress that pulls the circled area 17 on the side surface of the base 2 in the x direction.
  • the case 7 having a large linear expansion coefficient, which is adhered to the side surface of the base 2 contracts in the x direction. Therefore, a stress is generated that pulls the circled region 18 on the side surface of the base 2 in the x direction.
  • Fig. 8 shows the analysis results.
  • the horizontal axis of the graph represents the value of (L2-L3)/(L1-L2), and the vertical axis represents the maximum stress value generated on the surface of the Al material 4 on the side surface of the base 2, in the case of no side bonding. Values normalized by the maximum stress value on the side surface of the base 2 are shown.
  • the relationship between the dimensions of the base 2, the case 7 and the bonding portion and the effects thereof were described with reference to the bonding area on the long side of the semiconductor module 1 (x direction side in FIG. 4). Also on the short side of the semiconductor module 1 (the y-direction side in FIG. 4), the same dimensional relationship and effect relationship are established.
  • the length L3 of the bonding portion is shorter than L2
  • the length of the case 7 in FIG. 6 is longer than the length L3 of the bonding portion.
  • the adhesive material 8 tends to wet and spread, a structure in which the length of the case 7 is the same as the desired length L3 of the adhesive portion, as in the modification shown in FIG. 9, is also conceivable.
  • the length from the center of the side of the base 2 to the end of the case 7 facing the side surface of the base 2 is the same as L3.
  • the difference between L2 and L3 is greater than or equal to the difference (L1-L2) between L1 and L2 (L2-L3 ⁇ L1-L2).
  • the position of the edge 13 should be defined.
  • FIG. 10 is a bottom view of the semiconductor module of this embodiment, which corresponds to FIG. 4 of the first embodiment.
  • the basic configuration of this embodiment is the same as that of the first embodiment, and the points different from the first embodiment will be mainly described.
  • the Al material 4 is arranged at the corners of the base 2 and at the central portion in the longitudinal direction of the base 2. 1 region 15 and a second region 16 arranged on the outer periphery of the base 2 and having a width narrower than that of the first region 15 .
  • the first regions 15 are arranged apart from each other at the corners of the base 2 and at places other than the corners of the base 2 . More specifically, the first regions 15 are spaced apart from each other near the four corners of the base 2 and the centers of the two long sides of the base 2 , and face the side surfaces of the base 2 . 7 is arranged so as to be divided into two in the long side direction of the base 2 with a first region 15 arranged near the center of the two long sides sandwiched therebetween.
  • the difference between L1 and L2 (L1-L2) that is, the length of the wide region (first region) 15 of the Al material 4 in the x direction is the plate of the base 2.
  • a wide region (first region) 15 of the Al material 4 is provided so as to be larger than the thickness.
  • the position of the adhesive edge 13 is defined so that L3 is equal to or greater than L2 (L3 ⁇ L2).
  • the stress generated in the side surface of the base 2 in the vicinity of the first region 15 at the corner of the base 2 is generated in the side surface of the base 2 in the vicinity of the first region 15 arranged in the central portion of the base 2 in the longitudinal direction. It is considered to be larger than the stress that This is because the distance from the central part of the module is long and the effect of heat shrinkage of the case 7 is large.
  • the number of the wide regions (first regions) 15 of the Al material 4 is six, but even if the number is greater than six, the same dimensional relationship and effect relationship are established.
  • FIGS. 11 is a bottom view of the semiconductor module of this embodiment
  • FIG. 12 is a cross-sectional view taken along line D-D' of FIG. 11 and 12 correspond to FIGS. 4 and 5 of the first embodiment, respectively.
  • the basic configuration of this embodiment is the same as that of the first embodiment, and the points different from the first embodiment will be mainly described.
  • the case 7 is adhered to the top surface and side surfaces of the base 2 by the adhesive upper surface portion 9 and the adhesive side surface portion 10 of the adhesive 8.
  • a space 19 is provided between the side surface of the base 2 and the case 7 without interposing the adhesive 8 , and the case 7 is adhered to the upper surface of the base 2 by the adhesive upper surface portion 9 of the adhesive 8 . It is different from the first embodiment (FIGS. 4 and 5) in that
  • the base 2 is Although the bonding strength between the base 2 and the case 7 is reduced, the stress generated in the base 2 (the AlSiC material 3 and the Al material 4) can be suppressed more reliably.
  • 11 and 12 show an example in which the adhesive 8 is not interposed on the four side surfaces of the base 2 in the long side direction (x direction) and the short side direction (y direction). It is also possible to interpose the adhesive 8 in one of the direction (x direction) and the short side direction (y direction) and not interpose the adhesive 8 in the other direction. In that case, since the stress due to side bonding tends to be greater in the long side direction of the base 2, it is desirable to interpose the adhesive 8 only in the short side direction.
  • the relationship between the dimensions of the base 2, the case 7, and the bonding portion and the relationship between the dimensions of the bonding area on the long side of the semiconductor module 1 (the x-direction side in FIG. 1).
  • the same dimensional relationship and effect relationship also hold on the short side of the semiconductor module 1 (the y-direction side in FIG. 1).
  • the short side (y-direction side) of the base 2 satisfies L3 ⁇ L2 as described in the first embodiment, and the long side (x-direction side) of the base 2 is satisfied as described in the second embodiment.
  • L2-L3 ⁇ L1-L2 may be satisfied as follows.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes various modifications.
  • the above-described embodiments are detailed descriptions for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations.
  • it is possible to replace part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment.
  • SYMBOLS 1 Semiconductor module, 2... Base, 3... AlSiC material, 4... Al material, 5... Fixing hole, 6... Fixing screw, 7... Case, 8... Adhesive material, 9... Upper surface part of adhesive material, 10... Adhesion Material side surface 12 Case protrusion 13 Adhesion end 14 Boundary between area 15 and area 16 15 Wide area (first area) of Al material 4 16 Narrow area of Al material 4 ( second region), 17... Circled portion on the side surface of the base 2, 18... Circled portion on the side surface of the base 2, 19... Void, 20... Circuit wiring pattern, 21... Lower surface conductor layer, 22... Insulating substrate, 23 Semiconductor chip 24 Board bonding solder 25 Chip bonding solder 26 Silicone gel 27 Lid GS Generated stress (relative value).

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
  • Casings For Electric Apparatus (AREA)
  • Structures Or Materials For Encapsulating Or Coating Semiconductor Devices Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

パワー半導体チップを有する半導体モジュールにおいて、ベースに接着する樹脂製ケースの接着位置のばらつきが少なく、ケースとベース接着部の応力を低減可能な組立品質及び信頼性の高い半導体モジュールを提供する。ベースと、前記ベースに接合された絶縁基板と、前記絶縁基板に接合された半導体チップと、前記ベースに接着材により接着されたケースと、を有する半導体モジュールにおいて、前記ベースは、板状の第１の材料と、前記第１の材料を被覆し、前記第１の材料よりも線膨張係数の大きい第２の材料と、で構成され、前記ベースを平面視した場合に、前記第２の材料は、前記ベースの角部に配置された第１の領域と、前記ベースの外周部に配置され、前記第１の領域よりも幅の狭い第２の領域と、を有し、前記ケースは、前記ベースの側面の少なくとも一部を覆い、少なくとも前記ベースの上面において前記接着材により前記ベースに接着されているとともに、前記ケースの線膨張係数は前記第１の材料の線膨張係数よりも大きく、前記ベースの辺の中央から前記ベースの端部までの長さをＬ１、前記ベースの辺の中央から前記第１の領域と前記第２の領域との境界までの長さをＬ２としたとき、Ｌ１－Ｌ２が前記ベースの板厚よりも厚く、前記ベースの辺の中央から前記ベースの側面における前記ベースと前記ケースとを接着する前記接着材の前記ベースの前記角部側の端部までの長さをＬ３とし、前記ベースの側面において前記接着材がない場合はＬ３＝０とした場合に、Ｌ３≧Ｌ２またはＬ２－Ｌ３≧Ｌ１－Ｌ２を満たすことを特徴とする。

Description

半導体モジュール
　本発明は、半導体モジュールの構造に係り、特に、ＩＧＢＴ等のパワー半導体チップを有する半導体モジュールの実装構造に適用して有効な技術に関する。
　近年、風力発電等の発電システムや鉄道、さらには電気自動車、ハイブリッド自動車等に搭載される電力制御装置として、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のパワー半導体チップを有する半導体モジュールの需要が拡大しており、製造ばらつきを抑制して製品品質を確保できるモジュール構造の開発が益々重要となっている。
　一方、ＩＧＢＴ等のパワー半導体チップを有する半導体モジュールは、使用される動作条件に応じて熱の上昇、下降が生じる。この熱の上昇、下降によって半導体モジュールの内部構造や実装構造は熱ストレスを受けて疲労、劣化が進む。
　そのため、半導体モジュールの信頼性評価試験の１つとして、ＯＮ/ＯＦＦを繰返すことによる電気的及び熱的ストレスの変化に対する耐性を評価するパワーサイクル試験（温度サイクル試験）が行われている。
　パワーサイクル試験（温度サイクル試験）では、パワー半導体チップに大きな電力を印加し、チップの自己発熱と冷却を繰り返すことで、線膨張係数が違う各部材の熱応力に対する耐性を評価する。チップや基板、はんだ、ボンディングワイヤ等の各部材のそれぞれの界面における接合信頼性や、チップやパッケージ樹脂の歪、クラックに対する耐久性評価に利用される。
　本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献１のような技術がある。特許文献１には、「ケースの長辺方向Ｌ２と直行する辺の樹脂部肉厚ｔ１を、モジュール短辺方向Ｌ１と直行する辺の樹脂部の肉厚ｔ２より厚くする（Ｌ１＜Ｌ２，ｔ１＞ｔ２）ことで、モジュールとしての変形を抑制しつつ、部品としての精度も向上させ、さらに、樹脂ケース１０８と底面金属基板２０５との接着面積が確保でき温度サイクル等による樹脂ケース１０８と底面金属基板２０５との剥離の不良も発生しない」ことが記載されている。（特許文献１の段落［００３２］等）
　また、特許文献２には、「ベース板１とケース９とにより、絶縁基板３および半導体チップ５を収納するための容器状の筐体１０を構成し、ケース９は、ベース板１、絶縁基板３および半導体チップ５の接合構造を収納可能とすべく、上記接合構造よりもＺ方向に関する厚みを大きくする」ことが記載されている。（特許文献２の段落［００１５］等）
特開２００２－１６４５０３号公報 特開２０１８－１０９８９号公報
　ところで、現在のパワー半導体チップを有する半導体モジュールは、後述するように、ＩＧＢＴ等のパワー半導体チップが搭載されたセラミック製の絶縁基板が基板接合用はんだによってベース上に接合され、ベースの上面に樹脂製のケースが接着材と固定用ネジにより固定される実装構造が主流となっている。
　樹脂製のケースは、パワー半導体チップと絶縁基板を囲んでおり、ケースの内部には封止材であるシリコーンゲルが充填される。
　ベースには、銅（Ｃｕ）や炭化ケイ素粒子強化アルミ複合材（ＡｌＳｉＣ）などの金属材料が用いられる。
　ＡｌＳｉＣは、その線膨張係数がセラミック製の絶縁基板の線膨張係数と同程度に小さいため、基板接合用はんだへの負荷を低減できる材料であり、熱伝導性にも優れるため、パワー半導体チップを有する半導体モジュールのベース材としてよく使用される。
　ベースの材質にＡｌＳｉＣを採用する場合、一般的に、ＡｌＳｉＣの母材の上面及び側面にアルミニウム（Ａｌ）膜を被覆して用いられる。ＡｌＳｉＣを被覆するＡｌ膜は、ベースの加工性及びはんだ濡れ性を確保するために使用される。
　しかしながら、Ａｌと樹脂の線膨張係数は、ＡｌＳｉＣの線膨張係数よりも大きいため、パワーサイクル試験（温度サイクル試験）等の温度変動時に応力が発生し、ベースに接着する樹脂製ケースの接着位置のばらつき等の接着状態によっては、ＡｌＳｉＣを被覆するＡｌ膜や母材であるＡｌＳｉＣにき裂が発生する可能性があることが分かった。
　上記特許文献１及び特許文献２のいずれにも、上述したようなＡｌＳｉＣを用いたベースでの温度変動に伴うき裂の問題やその解決手段に関する記載はない。
　そこで、本発明の目的は、パワー半導体チップを有する半導体モジュールにおいて、ベースに接着する樹脂製ケースの接着位置のばらつきが少なく、ケースとベース接着部の応力を低減可能な組立品質及び信頼性の高い半導体モジュールを提供することにある。
　上記課題を解決するために、本発明は、ベースと、前記ベースに接合された絶縁基板と、前記絶縁基板に接合された半導体チップと、前記ベースに接着材により接着されたケースと、を有する半導体モジュールにおいて、前記ベースは、板状の第１の材料と、前記第１の材料を被覆し、前記第１の材料よりも線膨張係数の大きい第２の材料と、で構成され、前記ベースを平面視した場合に、前記第２の材料は、前記ベースの角部に配置された第１の領域と、前記ベースの外周部に配置され、前記第１の領域よりも幅の狭い第２の領域と、を有し、前記ケースは、前記ベースの側面の少なくとも一部を覆い、少なくとも前記ベースの上面において前記接着材により前記ベースに接着されているとともに、前記ケースの線膨張係数は前記第１の材料の線膨張係数よりも大きく、前記ベースの辺の中央から前記ベースの端部までの長さをＬ１、前記ベースの辺の中央から前記第１の領域と前記第２の領域との境界までの長さをＬ２としたとき、Ｌ１－Ｌ２が前記ベースの板厚よりも厚く、前記ベースの辺の中央から前記ベースの側面における前記ベースと前記ケースとを接着する前記接着材の前記ベースの前記角部側の端部までの長さをＬ３とし、前記ベースの側面において前記接着材がない場合はＬ３＝０とした場合に、Ｌ３≧Ｌ２またはＬ２－Ｌ３≧Ｌ１－Ｌ２を満たすことを特徴とする。
　本発明によれば、パワー半導体チップを有する半導体モジュールにおいて、ベースに接着する樹脂製ケースの接着位置のばらつきが少なく、ケースとベース接着部の応力を低減可能な組立品質及び信頼性の高い半導体モジュールを実現することができる。
　上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
本発明の比較例として示す半導体モジュールの下面図である。 図１のＡ－Ａ’断面図である。 図１の半導体モジュールのベース側面における応力を概念的に示す図である。 本発明の実施例１に係る半導体モジュールの下面図である。 図４のＢ－Ｂ’断面図である。 本発明の実施例２に係る半導体モジュールの下面図である。 図６のＣ－Ｃ’断面図である。 図６の半導体モジュールにおける接着領域と発生応力（ＧＳ）の関係を示す図である。 図６の変形例を示す図である。 本発明の実施例３に係る半導体モジュールの下面図である。 本発明の実施例４に係る半導体モジュールの下面図である。 図１１のＤ－Ｄ’断面図である。
　以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。
　先ず、図１から図３を参照して、本発明の対象となる半導体モジュールの基本構造とその課題について説明する。図１は、本発明の比較例として示す半導体モジュールの下面図であり、図２は、図１のＡ－Ａ’断面図である。図３は、図１の半導体モジュールのベース側面に発生する応力を概念的に示す図である。
　なお、半導体モジュールの各構成部品の詳細については、本発明の実施形態の記載において詳しく説明する。また、ここで説明する構成は、課題に係わる構成を除いて、本発明の各実施例にも共通する。ここで説明する構成と異なる構成については、各実施例において説明する。
　図１及び図２に示すように、半導体モジュール１は、銅（Ｃｕ）や炭化ケイ素粒子強化アルミ複合材（ＡｌＳｉＣ）等の金属材料からなる板状のベース２の上に、回路配線パターン２０と下面導体層２１とが形成されたセラミック製の絶縁基板２２が基板接合用はんだ２４によって接合されており、回路配線パターン２０上に半導体チップ２３がチップ接合用はんだ２５によって接合されている。
　なお、図示しないが、半導体モジュール１には、外部と電気的に接続するための端子および金属ワイヤが備えられている。
　ベース２の上面には、ＰＢＴ（Polybutylene Terephtalate）やＰＰＳ（Polyphenylene Sulfide）等の樹脂製のケース７が接着材８と固定用ネジ６により固定されている。ベース２には、半導体モジュール１を放熱用フィン（図示せず）に固定するための固定用穴５が設けられている。ケース７は、半導体チップ２３を搭載した絶縁基板２２を囲んでおり、ケース７の内部にはシリコーンゲル２６が満たされている。更に、ケース７の上面には樹脂製のフタ２７が備えられている。シリコーンゲル２６による封止およびフタ２７によって、半導体チップ２３が保護されている。
　ここで、ベース２に対するケース７の接着位置ずれが発生した場合、シリコーンゲル２６による封止が不完全となる可能性があるため、ケース７の接着位置決め精度を確保することは重要である。そのため、ケース７の４辺の下面側にケース突起部１２を設け、ケース７のベース２への接着工程において、このケース突起部１２をベース２の４辺の側面に相対するように設置し、ケース７の接着位置決め精度を確保している。したがって、ケース７は、図２に示すように、接着材８の接着材上面部９及び接着材側面部１０により、ベース２の上面及び側面と接着される。
　上述した本発明が解決しようとする課題について、上記の比較例を用いて詳しく説明する。
　ベース２の材質に、炭化ケイ素粒子強化アルミ複合材（ＡｌＳｉＣ）が使用されている場合を想定する。図１及び図２に示すように、ベース２は、ＡｌＳｉＣ材３と、ＡｌＳｉＣ材３の上面および側面に被覆されたＡｌ材４の２種類の材料で構成されている。
　ＡｌＳｉＣは、その線膨張係数が絶縁基板２２の線膨張係数と同程度に小さいため、基板接合用はんだ２４への負荷を低減できる材料である。更に、熱伝導性にも優れるため、パワー半導体チップを有する半導体モジュールのベース材としてよく使用される。ＡｌＳｉＣ材３を被覆するＡｌ材４は、ベース２の加工性及びはんだ濡れ性を確保するために使用されている。また、Ａｌ材４の線膨張係数は、ＡｌＳｉＣ材３の線膨張係数よりも大きい。
　ここで、本願発明者らは、ケース７とベース２の側面との接着端部１３が、Ａｌ材４のｙ方向寸法が広い領域１５から狭い領域１６に変化する境界１４近傍の狭い領域１６側に位置する場合、半導体モジュール１の温度が高温から低温に変化した際に、ベース２の側面に発生する応力が増大する可能性があることを見い出した。
　図３に、応力が増大するメカニズムを説明する模式図を示す。対称性を考慮して、半導体モジュール１の１／４モデルを示している。長辺または短辺のうち、例えば長辺側に着目すると、半導体モジュール１の温度が高温から低温に変化した場合、Ａｌ材４の幅（長辺側に着目した場合はｙ方向の長さ）が広くなっているＡｌ材４の広い領域（第１の領域）１５では、図中の矢印で示す通り、線膨張係数の大きいＡｌ材４が収縮する。また、ベース２の側面と接着している線膨張係数の大きいケース７も収縮する。両部材の収縮により、接着端部１３のＡｌ材表面、すなわちＡｌ材４の狭い領域（第２の領域）１６に発生するｘ方向応力は増大すると考えられる。
　このメカニズムを検証するため、半導体モジュールを対象とした熱応力解析を実施した。解析モデルは、図３に示す１／４モデルとし、温度条件は、高温＝１２５℃から低温＝－４０℃に低下させる条件とした。ベース２の側面とケース７との接着有無の２つのケースについて解析を実施し、ベース２の側面に被覆されたＡｌ材に発生する応力を比較評価した。接着端部１３の位置は、図３中に示す距離ｘ１が１ｍｍの場合とした。
　その結果、側面接着ありの場合、Ａｌ材に発生する応力は接着端部１３において最大値となることが確認できた。また、側面接着ありの場合の最大応力値は、側面接着なしの場合と比較して、約１．４倍に増加することが確認できた。本解析結果より、図３に示した応力が増大するメカニズムは妥当と考えられる。
　したがって、パワーサイクル試験（温度サイクル試験）等の温度変動時に応力が発生し、ベース２に接着する樹脂製のケース７の接着位置のばらつき等の接着状態によっては、ＡｌＳｉＣ材３を被覆するＡｌ材４に応力の増大によるき裂が発生する可能性があることが分かる。
　次に、図４及び図５を参照して、本発明の実施例１に係る半導体モジュールについて説明する。図４は、本実施例の半導体モジュールの下面図であり、図５は、図４のＢ－Ｂ’断面図である。図４及び図５は、上述した比較例の図１及び図２にそれぞれ相当する。
　図４及び図５に示すように、本実施例の半導体モジュール１は、ＡｌＳｉＣ材３およびＡｌ材４からなる板状のベース２の上に、回路配線パターン２０と下面導体層２１とが形成されたセラミック製の絶縁基板２２が基板接合用はんだ２４によって接合されており、回路配線パターン２０上に半導体チップ２３がチップ接合用はんだ２５によって接合されている。
　なお、図示しないが、半導体モジュール１には、外部と電気的に接続するための端子および金属ワイヤが備えられている。
　ベース２の上面には、ＰＢＴやＰＰＳ等の樹脂製のケース７が接着材８と固定用ネジ６により固定されている。ベース２には、半導体モジュール１を放熱用フィン（図示せず）に固定するための固定用穴５が設けられている。ケース７は、半導体チップ２３を搭載した絶縁基板２２を囲んでおり、ケース７の内部にはシリコーンゲル２６が満たされている。更に、ケース７の上面には樹脂製のフタ２７が備えられている。シリコーンゲル２６による封止およびフタ２７によって、半導体チップ２３が保護されている。
　ケース７の４辺の下面側にはケース突起部１２が設けられている。ケース突起部１２は、ベース２の側面と相対しており、ベース２の側面の少なくとも一部を覆うように設けられている。これは、ケース７のベース２への接着工程において、このケース突起部１２をベース２の４辺の側面に相対するように設置し、ケース７の接着位置決め精度を確保するためである。ケース７は、図５に示すように、接着材８の接着材上面部９及び接着材側面部１０により、ベース２の上面及び側面と接着される。
　ベース２について、詳細に説明する。図４及び図５に示すように、ベース２は、ＡｌＳｉＣ材３と、ＡｌＳｉＣ材３の少なくとも上面及び側面に被覆されたＡｌ材４の２種類の材料で構成されている。ＡｌＳｉＣは、その線膨張係数が絶縁基板２２の線膨張係数と同程度に小さいため、基板接合用はんだ２４への負荷を低減できる材料である。更に、熱伝導性にも優れるため、パワー半導体チップを有する半導体モジュールのベース材としてよく使用される。
　ＡｌＳｉＣを被覆するＡｌ膜は、ベースの加工性及びはんだ濡れ性を確保するために使用されている。また、Ａｌの線膨張係数は、ＡｌＳｉＣの線膨張係数よりも大きい。
　長辺または短辺のうち、例えば長辺側に着目すると、ベース２を平面的に見た場合、Ａｌ材４は、ベース２の角部に配置されたＡｌ材４の広い領域（第１の領域）１５と、ベース２の外周部に配置され、Ａｌ材４の広い領域（第１の領域）１５よりも幅（長辺側に着目した場合はｙ方向の長さ）が狭いＡｌ材４の狭い領域（第２の領域）１６とで構成されている。ベース２の角部には、ベース２を放熱用フィン（図示せず）に固定するための固定用穴５及びケース７を固定用ネジ６により固定するための穴を加工する必要があるため、加工性に優れた材質であるＡｌ材４を用いている。
　次に、ベース２の側面とケース７の接着領域について、詳細に説明する。ケース７は、ベース２の側面の少なくとも一部を覆い、少なくともベース２の上面において接着材８を介してベース２に接着されている。
　本実施例の半導体モジュール１では、ベース２とケース７の接着端部１３の位置を、図４に示すように、ベース２の辺の中央からベース２の端部までの長さ（Ｌ１）、ベース２の辺の中央から第１の領域１５と第２の領域１６との境界までの長さ（Ｌ２）、ベース２の辺の中央からベース２の側面におけるベース２とケース７とを接着する接着材８（より具体的には接着材側面部１０）の端部までの長さ（Ｌ３）、及びベース２の板厚を用いて規定している。
　本実施例では、Ｌ１とＬ２の差分（Ｌ１－Ｌ２）、すなわち、Ａｌ材４の広い領域（第１の領域）１５のｘ方向の長さが、ベース２の板厚よりも大きくなるように、Ａｌ材４の広い領域（第１の領域）１５を設けている。また、Ｌ３がＬ２以上（Ｌ３≧Ｌ２）となるように、接着端部１３の位置を規定している。
　ここで、上述したように、半導体モジュール１の温度が高温から低温に変化した場合を考える。半導体モジュール１の温度が高温から低温に変化した場合、ベース２の側面と接着している線膨張係数の大きいケース７は、ｘ方向に収縮する。しかし、接着端部１３はＡｌ材４の広い領域（第１の領域）１５に位置しているので、Ａｌ材４の幅（長辺側に着目した場合はｙ方向の長さ）は広く、剛性が大きいため、ケース７の収縮による接着端部１３でのＡｌ材４の変形は小さく、発生する応力も抑制される。
　この効果を確認するため、上述した比較例での検討と同様に、本実施例の半導体モジュール１を対象とした熱応力解析を実施した。解析モデル、負荷条件などは、比較例と同一条件とし、接着端部１３の位置をＬ３－Ｌ２＝１ｍｍの位置とした。
　その結果、側面接着ありの最大応力値は、側面接着なしの場合とほぼ同等であった。したがって、Ｌ３≧Ｌ２の条件を満足する本実施例では、接着端部１３においてベース２（ＡｌＳｉＣ材３及びＡｌ材４）に発生する応力を抑制し、構造信頼性を向上させることが可能となる。
　なお、本実施例では、半導体モジュール１の長辺側（図４のｘ方向側）の接着領域を対象として、ベース２、ケース７及び接着部の寸法の関係と、その効果を説明したが、半導体モジュール１の短辺側（図４のｙ方向側）においても、同様の寸法関係とその効果の関係が成り立つ。
　図６から図９を参照して、本発明の実施例２に係る半導体モジュールについて説明する。図６は、本実施例の半導体モジュールの下面図であり、図７は、図６のＣ－Ｃ’断面図である。図６及び図７は、実施例１の図４及び図５にそれぞれ相当する。図８は、図６の半導体モジュールにおける接着領域と発生応力（ＧＳ）の関係を示す図である。なお、図９は、図６の変形例である。
　本実施例の基本的な構成は、実施例１と同様であり、実施例１と異なる点を中心に説明する。
　本実施例の半導体モジュール１では、ベース２の側面とケース７の接着端部１３の位置を、図６に示すように、ベース２の辺の中央からベース２の端部までの長さ（Ｌ１）、ベース２の辺の中央から第１の領域１５と第２の領域１６との境界までの長さ（Ｌ２）、ベース２の辺の中央からベース２の側面におけるベース２とケース７とを接着する接着材８の端部までの長さ（Ｌ３）、及びベース２の板厚を用いて規定している。
　本実施例では、Ｌ１とＬ２の差分（Ｌ１－Ｌ２）、すなわち、Ａｌ材４の広い領域（第１の領域）１５のｘ方向の長さが、ベース２の板厚よりも大きくなるように、Ａｌ材４の広い領域（第１の領域）１５を設けている。また、Ｌ２とＬ３の差分（Ｌ２－Ｌ３）が、Ｌ１とＬ２の差分（Ｌ１－Ｌ２）以上（Ｌ２－Ｌ３≧Ｌ１－Ｌ２）となるように、接着端部１３の位置を規定している。
　接着部の長さＬ３は、ケース７の長さよりも短くなっているが、これは、ケース接着工程において、接着材８の塗布量及び塗布位置を制御することによって実現できる。
　ここで、上述したように、半導体モジュール１の温度が高温から低温に変化した場合を考える。半導体モジュール１の温度が高温から低温に変化した場合、Ａｌ材４の幅（長辺側に着目した場合はｙ方向の長さ）が広い領域１５では、線膨張係数の大きいＡｌ材４がｘ方向に収縮する。したがって、この収縮によって、ベース２の側面の丸印部の領域１７をｘ方向に引っ張る応力が発生する。また、ベース２の側面と接着している線膨張係数の大きいケース７はｘ方向に収縮する。したがって、ベース２の側面の丸印部の領域１８をｘ方向に引っ張る応力が発生する。
　しかし、本実施例の場合、２つの領域１７，１８が十分に離れているため、発生する応力が重畳することがなく、ベース２の側面のＡｌ材４の表面に発生する応力を抑制することが可能となる。
　この効果を確認するため、上述した比較例での検討と同様に、本実施例の半導体モジュール１を対象とした熱応力解析を実施した。解析モデル、負荷条件などは、比較例と同一条件とし、接着端部１３の位置を示すＬ２－Ｌ３をパラメータとした。
　図８に、解析結果を示す。グラフの横軸は、（Ｌ２－Ｌ３）／（Ｌ１－Ｌ２）の値を表し、縦軸は、ベース２の側面のＡｌ材４の表面に発生する最大応力値を、側面接着なしの場合におけるベース２の側面での最大応力値で規格化した値を表している。
　図８に示すように、（Ｌ２－Ｌ３）／（Ｌ１－Ｌ２）が１以上の場合、側面接着ありの最大応力値は、側面接着なしの場合とほぼ同等（相対値が１．０）であった。Ｌ１－Ｌ２を異なる値で検討した場合も、同様の結果であった。
　したがって、Ｌ２－Ｌ３≧Ｌ１－Ｌ２の条件を満足する本実施例では、接着端部１３のベース２（ＡｌＳｉＣ材３及びＡｌ材４）に発生する応力を抑制し、構造信頼性を向上させることが可能となる。
　なお、本実施例においても、半導体モジュール１の長辺側（図４のｘ方向側）の接着領域を対象として、ベース２、ケース７及び接着部の寸法の関係と、その効果を説明したが、半導体モジュール１の短辺側（図４のｙ方向側）においても、同様の寸法関係とその効果の関係が成り立つ。
　また、本実施例では、接着部の長さＬ３がＬ２よりも短くなっていることがポイントであるため、図６のケース７の長さは、接着部の長さＬ３よりも長い場合を想定した図としているが、接着材８は濡れ広がりやすいため、図９に示す変形例のように、ケース７の長さを所望の接着部の長さＬ３と同じ長さとする構造も考えられる。図９では、ベース２の辺の中央から、ベース２の側面と相対するケース７の端部までの長さが、Ｌ３と同じになるように構成されている。
　但し、図９のような構成の場合も、Ｌ２とＬ３の差分（Ｌ２－Ｌ３）が、Ｌ１とＬ２の差分（Ｌ１－Ｌ２）以上（Ｌ２－Ｌ３≧Ｌ１－Ｌ２）となるように、接着端部１３の位置を規定する必要がある。
　図１０を参照して、本発明の実施例３に係る半導体モジュールについて説明する。図１０は、本実施例の半導体モジュールの下面図であり、実施例１の図４に相当する。
　本実施例の基本的な構成は、実施例１と同様であり、実施例１と異なる点を中心に説明する。
　本実施例の半導体モジュール１では、図１０に示すように、ベース２を平面的に見た場合、Ａｌ材４は、ベース２の角部及びベース２の長手方向の中央部に配置された第１の領域１５と、ベース２の外周部に配置され、第１の領域１５よりも幅が狭い第２の領域１６とで構成されている。
　また、ベース２の辺の中央からベース２の端部までの長さ（Ｌ１）、ベース２の辺の中央から第１の領域１５と第２の領域１６との境界までの長さ（Ｌ２）、ベース２の辺の中央からベース２の側面におけるベース２とケース７とを接着する接着材８の端部までの長さ（Ｌ３）、及びベース２の板厚を用いて、ベース２の側面とケース７の接着端部１３の位置を規定している。
　また、ベース２を平面視した場合に、第１の領域１５は、ベース２の角部とベース２の角部以外の場所に互いに離間して配置されている。より具体的には、第１の領域１５は、ベース２の４つの角部と、ベース２の２つの長辺の中央近傍に互いに離間して配置されており、ベース２の側面と相対するケース７は、ベース２の長辺方向において、２つの長辺の中央近傍に配置された第１の領域１５を挟んで２つに分割して配置されている。
　本実施例では、実施例１と同様に、Ｌ１とＬ２の差分（Ｌ１－Ｌ２）、すなわち、Ａｌ材４の広い領域（第１の領域）１５のｘ方向の長さが、ベース２の板厚よりも大きくなるように、Ａｌ材４の広い領域（第１の領域）１５を設けている。また、Ｌ３がＬ２以上（Ｌ３≧Ｌ２）となるように、接着端部１３の位置を規定している。
　ここで、上述したように、半導体モジュール１の温度が高温から低温に変化した場合を考える。先ず、ベース２の角部の第１の領域１５近傍におけるベース２の側面に発生する応力は、ベース２の長手方向の中央部に配置された第１の領域１５近傍におけるベース２の側面に発生する応力よりも大きいと考えられる。これは、モジュール中央部からの距離が遠く、ケース７の熱収縮による影響が大きいためである。
　したがって、図１０のように、第１の領域１５がベース２の角部以外にも存在する場合でも、ベース２の角部近傍において発生する応力を評価すればよい。応力発生のメカニズム及び本実施例における応力抑制効果の検証に関する内容は、実施例１に記載した内容と同様である。
　なお、本実施例では、Ａｌ材４の広い領域（第１の領域）１５の数を６か所としたが、それより多い場合においても、同様の寸法関係とその効果の関係が成り立つ。
　図１１及び図１２を参照して、本発明の実施例４に係る半導体モジュールについて説明する。図１１は、本実施例の半導体モジュールの下面図であり、図１２は、図１１のＤ－Ｄ’断面図である。図１１及び図１２は、実施例１の図４及び図５にそれぞれ相当する。
　本実施例の基本的な構成は、実施例１と同様であり、実施例１と異なる点を中心に説明する。
　実施例１（図４及び図５）では、ケース７は接着材８の接着材上面部９及び接着材側面部１０により、ベース２の上面及び側面と接着されているのに対し、本実施例の半導体モジュール１は、ベース２の側面とケース７との間には接着材８を介在させずに空隙１９を設け、ケース７を接着材８の接着材上面部９によりベース２の上面と接着している点において、実施例１（図４及び図５）と異なっている。
　つまり、本実施例では、実施例１から実施例３で説明したような、ベース２の辺の中央からベース２の側面におけるベース２とケース７とを接着する接着材８の端部までの長さ（Ｌ３）は０（Ｌ３＝０）となる。
　本実施例のように、ベース２の側面においては接着材８を介在させず、ケース７を接着材上面部９のみでベース２の上面と接着することにより、他の実施例と比べてベース２とケース７との接合強度は低下するが、ベース２（ＡｌＳｉＣ材３及びＡｌ材４）に発生する応力をより確実に抑制することができる。
　なお、図１１及び図１２では、ベース２の長辺方向（ｘ方向）及び短辺方向（ｙ方向）の４つの側面に接着材８を介在させない例を示しているが、ベース２の長辺方向（ｘ方向）及び短辺方向（ｙ方向）のいずれか一方には接着材８を介在させて、他方には接着材８を介在させないようにすることも可能である。その場合、ベース２の長辺方向の方が側面接着による応力が大きくなりやすいので、短辺方向にのみ接着材８を介在させることが望ましい。
　また、上記の実施例１から実施例４では、半導体モジュール１の長辺側（図１のｘ方向側）の接着領域を対象として、ベース２、ケース７及び接着部の寸法の関係と、その効果を説明したが、半導体モジュール１の短辺側（図１のｙ方向側）においても、同様の寸法関係とその効果の関係が成り立つ。
　したがって、例えば、ベース２の短辺側（ｙ方向側）は、実施例１で説明したようにＬ３≧Ｌ２を満たし、ベース２の長辺側（ｘ方向側）は、実施例２で説明したようにＬ２－Ｌ３≧Ｌ１－Ｌ２を満たすようにしてもよい。
　なお、本発明は上記した各実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
　１…半導体モジュール、２…ベース、３…ＡｌＳｉＣ材、４…Ａｌ材、５…固定用穴、６…固定用ネジ、７…ケース、８…接着材、９…接着材上面部、１０…接着材側面部、１２…ケース突起部、１３…接着端部、１４…領域１５と領域１６の境界、１５…Ａｌ材４の広い領域（第１の領域）、１６…Ａｌ材４の狭い領域（第２の領域）、１７…ベース２の側面の丸印部、１８…ベース２の側面の丸印部、１９…空隙、２０…回路配線パターン、２１…下面導体層、２２…絶縁基板、２３…半導体チップ、２４…基板接合用はんだ、２５…チップ接合用はんだ、２６…シリコーンゲル、２７…フタ、ＧＳ…発生応力（相対値）。

Claims (10)

  1. 　ベースと、
    　前記ベースに接合された絶縁基板と、
    　前記絶縁基板に接合された半導体チップと、
    　前記ベースに接着材により接着されたケースと、を有する半導体モジュールにおいて、　前記ベースは、板状の第１の材料と、前記第１の材料を被覆し、前記第１の材料よりも線膨張係数の大きい第２の材料と、で構成され、
    　前記ベースを平面視した場合に、前記第２の材料は、前記ベースの角部に配置された第１の領域と、前記ベースの外周部に配置され、前記第１の領域よりも幅の狭い第２の領域と、を有し、
    　前記ケースは、前記ベースの側面の少なくとも一部を覆い、少なくとも前記ベースの上面において前記接着材により前記ベースに接着されているとともに、前記ケースの線膨張係数は前記第１の材料の線膨張係数よりも大きく、
    　前記ベースの辺の中央から前記ベースの端部までの長さをＬ１、前記ベースの辺の中央から前記第１の領域と前記第２の領域との境界までの長さをＬ２としたとき、Ｌ１－Ｌ２が前記ベースの板厚よりも厚く、
    　前記ベースの辺の中央から前記ベースの側面における前記ベースと前記ケースとを接着する前記接着材の前記ベースの前記角部側の端部までの長さをＬ３とし、前記ベースの側面において前記接着材がない場合はＬ３＝０とした場合に、Ｌ３≧Ｌ２またはＬ２－Ｌ３≧Ｌ１－Ｌ２を満たすことを特徴とする半導体モジュール。
  2. 　請求項１に記載の半導体モジュールにおいて、
    　前記ベースの短辺側はＬ３≧Ｌ２を満たし、
    　前記ベースの長辺側はＬ２－Ｌ３≧Ｌ１－Ｌ２を満たすことを特徴とする半導体モジュール。
  3. 　請求項１に記載の半導体モジュールにおいて、
    　前記第１の材料は、ＡｌＳｉＣであり、
    　前記第２の材料は、Ａｌであることを特徴とする半導体モジュール。
  4. 　請求項１に記載の半導体モジュールにおいて、
    　前記ベースの辺の中央から、前記ベースの側面と相対する前記ケースの端部までの長さは、前記Ｌ３と同じであることを特徴とする半導体モジュール。
  5. 　請求項１に記載の半導体モジュールにおいて、
    　前記ベースを平面視した場合に、前記第１の領域は、前記ベースの角部と前記ベースの角部以外の場所に互いに離間して配置されていることを特徴とする半導体モジュール。
  6. 　請求項５に記載の半導体モジュールにおいて、
    　前記第１の領域は、前記ベースの４つの角部と、前記ベースの２つの長辺の中央近傍に互いに離間して配置されており、
    　前記ベースの側面と相対する前記ケースは、前記ベースの長辺方向において、前記２つの長辺の中央近傍に配置された第１の領域を挟んで２つに分割して配置されていることを特徴とする半導体モジュール。
  7. 　請求項１に記載の半導体モジュールにおいて、
    　前記Ｌ３＝０であり、前記ベースの側面において、前記ベースと前記ケースとの間に前記接着材はなく、
    　前記ケースは、前記ベースの上面において、前記接着材により前記ベースに接着されていることを特徴とする半導体モジュール。
  8. 　請求項１に記載の半導体モジュールにおいて、
    　前記ケースは、前記接着材を介して前記ベースの側面と相対する突起部を有し、
    　前記突起部は、前記ベースの側面の少なくとも一部を覆うように設けられていることを特徴とする半導体モジュール。
  9. 　請求項３に記載の半導体モジュールにおいて、
    　前記ケースの材料は、ＰＢＴまたはＰＰＳであることを特徴とする半導体モジュール。
  10. 　請求項１に記載の半導体モジュールにおいて、
    　前記半導体チップは、ＩＧＢＴが搭載された半導体チップであることを特徴とする半導体モジュール。
PCT/JP2021/038246 2021-03-10 2021-10-15 半導体モジュール WO2022190449A1 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US18/254,412 US20240006256A1 (en) 2021-03-10 2021-10-15 Semiconductor module
DE112021005193.8T DE112021005193T5 (de) 2021-03-10 2021-10-15 Halbleitermodul
CN202180076704.5A CN116457938A (zh) 2021-03-10 2021-10-15 半导体模块

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021037996A JP7470074B2 (ja) 2021-03-10 2021-03-10 半導体モジュール
JP2021-037996 2021-03-10

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2022190449A1 true WO2022190449A1 (ja) 2022-09-15

Family

ID=83227790

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2021/038246 WO2022190449A1 (ja) 2021-03-10 2021-10-15 半導体モジュール

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20240006256A1 (ja)
JP (1) JP7470074B2 (ja)
CN (1) CN116457938A (ja)
DE (1) DE112021005193T5 (ja)
WO (1) WO2022190449A1 (ja)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011086768A (ja) * 2009-10-15 2011-04-28 Mitsubishi Electric Corp 電力半導体装置とその製造方法
JP2013062506A (ja) * 2011-09-12 2013-04-04 Infineon Technologies Ag クラッド型ベースプレートを含む半導体装置
JP2016207706A (ja) * 2015-04-16 2016-12-08 三菱電機株式会社 パワー半導体モジュール
JP2019067886A (ja) * 2017-09-29 2019-04-25 三菱電機株式会社 半導体装置
JP2020013866A (ja) * 2018-07-18 2020-01-23 三菱電機株式会社 電力用半導体装置の製造方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002164503A (ja) 2001-10-19 2002-06-07 Hitachi Ltd パワー半導体装置
JP6639340B2 (ja) 2016-07-14 2020-02-05 三菱電機株式会社 パワーモジュールの製造方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011086768A (ja) * 2009-10-15 2011-04-28 Mitsubishi Electric Corp 電力半導体装置とその製造方法
JP2013062506A (ja) * 2011-09-12 2013-04-04 Infineon Technologies Ag クラッド型ベースプレートを含む半導体装置
JP2016207706A (ja) * 2015-04-16 2016-12-08 三菱電機株式会社 パワー半導体モジュール
JP2019067886A (ja) * 2017-09-29 2019-04-25 三菱電機株式会社 半導体装置
JP2020013866A (ja) * 2018-07-18 2020-01-23 三菱電機株式会社 電力用半導体装置の製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
DE112021005193T5 (de) 2023-08-24
CN116457938A (zh) 2023-07-18
JP2022138230A (ja) 2022-09-26
US20240006256A1 (en) 2024-01-04
JP7470074B2 (ja) 2024-04-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5920119A (en) Power semiconductor module employing metal based molded case and screw fastening type terminals for high reliability
JP5602095B2 (ja) 半導体装置
US9443778B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP6366857B2 (ja) 電力用半導体装置
JP3610015B2 (ja) 半導体装置
JP6257478B2 (ja) 電力用半導体装置
US8610263B2 (en) Semiconductor device module
JP2001127238A (ja) 半導体モジュール及び半導体モジュール用絶縁基板
EP1739740A2 (en) Power semiconductor
JP2009536458A (ja) 半導体モジュール及びその製造方法
JP3764687B2 (ja) 電力半導体装置及びその製造方法
US20210202330A1 (en) Semiconductor device
WO2013118275A1 (ja) 半導体装置
JP6200759B2 (ja) 半導体装置およびその製造方法
JP4046623B2 (ja) パワー半導体モジュールおよびその固定方法
US9633918B2 (en) Semiconductor device
KR102548231B1 (ko) 반도체 모듈 및 이에 사용되는 반도체 장치
WO2022190449A1 (ja) 半導体モジュール
JP7059714B2 (ja) 電力変換装置及び電力変換装置の製造方法
WO2012046578A1 (ja) 半導体装置及び半導体装置の生産方法
JP2002164503A (ja) パワー半導体装置
JP2024060122A (ja) 半導体モジュール
WO2024190132A1 (ja) 放熱ベース、半導体モジュール、及びエネルギー変換装置
US20230011694A1 (en) Semiconductor package having package housing in engraved surface form and method of manufacturing the same
JP6906654B2 (ja) 半導体装置およびその製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21930296

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 202180076704.5

Country of ref document: CN

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 18254412

Country of ref document: US

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 21930296

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1