(57)【要約】【課題】本明細書が開示する技術は、放熱性の確保とパッケージの厚みを薄くすることの両立を図った半導体モジュールを提供する。【解決手段】本明細書が開示する半導体モジュール２は、半導体素子１０と、金属板４、５を備えている。半導体素子１０は、一方の面にエミッタ電極１１と信号電極１２が設けられており、反対側の面にコレクタ電極が設けられている。金属板５は、エミッタ電極１１と接続されている。金属板４は、金属板５とともに半導体素子１０を挟み込んでおり、コレクタ電極に接続されている。半導体素子１０は、金属板４、５の間でパッケージに封止されている。信号端子がパッケージから外部へ延びている。金属板５は、信号電極１２に対向する部位に切欠５ａが設けられており、信号端子２４は、切欠５ａの空間にて信号電極１２に直接に接続されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の面に第１主電極と信号電極が設けられており、反対側の面に第２主電極が設けられている半導体素子と、
前記第１主電極に接続されている第１金属板と、
前記第１金属板とともに前記半導体素子を挟み込んでおり、前記第２主電極に接続されている第２金属板と、
前記第１金属板と前記第２金属板の間で前記半導体素子を封止しているパッケージと、
前記パッケージから外部へ延びている信号端子と、
を備えており、
前記第１金属板は、前記信号電極に対向する部位に切欠が設けられており、
前記信号端子は、前記切欠の空間にて前記信号電極に直接に接続されている、半導体モジュール。
【請求項２】
前記信号端子は、前記第１金属板が露出している前記パッケージの表面にて露出している、請求項１に記載の半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書が開示する技術は、半導体素子が２枚の金属板で挟まれているとともにパッケージに封止されている半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子が２枚の金属板で挟まれているとともにパッケージに封止されている半導体モジュールが知られている（例えば特許文献１）。半導体素子の両面に主電極が設けられている。金属板は、主電極に接続されているとともに、一面がパッケージから露出している。金属板は、パッケージの内部の主電極を外部の部品と電気的に接続する導体の役割と、半導体素子の熱をパッケージの外部に放出する放熱板の役割を備えている。
【０００３】
半導体素子の一方の面には主電極とともに信号電極が設けられている。信号電極は、半導体素子のゲート電極やセンスエミッタ電極などである。信号電極は信号パッド（制御パッド）と呼ばれる場合もある。パッケージの外部へ延びている信号端子は、パッケージの内部でボンディングワイヤによって信号電極と接続されている。特許文献１の半導体モジュールでは、ボンディングワイヤと金属板との短絡を防止しつつ、モジュールの厚み（２枚の金属板の間の距離）を薄くすべく、金属板に切欠を設けている。金属板は、切欠による空間が信号電極に対向するように配置されており、ボンディングワイヤは切欠の空間に収容される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２１６６４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
先に述べたように、金属板は放熱板を兼ねている。その金属板に切欠を設けると、放熱効果が低下してしまう。信号電極はボンディングワイヤを通じて信号端子に接続されており、その信号端子がパッケージの外へと延びている。半導体素子の熱は、ボンディングワイヤと信号端子を通じても外部へ放出されるが、ボンディングワイヤでは断面積が小さいために、伝熱性に限界がある。本明細書が開示する技術は、放熱性の確保とパッケージの厚みを薄くすることの両立を図った半導体モジュールを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本明細書が開示する半導体モジュールは、半導体素子と、第１金属板と、第２金属板と、パッケージと、信号端子を備えている。半導体素子は、一方の面に第１主電極と信号電極が設けられており、反対側の面に第２主電極が設けられている。第１金属板は、第１主電極に接続されている。第２金属板は、第１金属板とともに半導体素子を挟み込んでおり、第２主電極に接続されている。パッケージは、第１金属板と第２金属板の間で半導体素子を封止している。信号端子は、パッケージから外部へ延びている。第１金属板は、信号電極に対向する部位に切欠が設けられている。信号端子は、切欠の空間にて信号電極に直接に接続されている。本明細書が開示する半導体モジュールは、信号端子は第１金属板に設けられた切欠の空間に収容されるので、パッケージの厚み（２枚の金属板の間の距離）を薄くすることができる。また、ボンディングワイヤを介することなく、外部へ延びている信号端子が直接に信号電極に接続されている。それゆえ、半導体素子の熱は、信号電極から信号端子を介してパッケージの外部へ放出される。半導体素子の熱は信号電極から信号端子を通じても放熱されるので、第１金属板の切欠による放熱性能の低下分を補うことができる。
【０００７】
信号端子は、第１金属板が露出しているパッケージの表面にて露出していてもよい。信号端子の露出面積が増えることで、信号端子を介した放熱性が向上する。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施例の半導体モジュールの斜視図である。
【図２】パッケージを除いた半導体モジュールの斜視図である。
【図３】半導体モジュールの分解図である。
【図４】第１変形例の半導体モジュールの斜視図である。
【図５】第２変形例の半導体モジュールの斜視図である（パッケージなし）。
【図６】第３変形例の半導体モジュールの斜視図である。
【図７】半導体モジュールの製造方法を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図面を参照して実施例の半導体モジュール２を説明する。図１に、半導体モジュール２の斜視図を示す。半導体モジュール２は、樹脂製のパッケージ３に、２個の半導体素子が封止されたデバイスである。図２に、パッケージ３を除いた半導体モジュール２の斜視図を示し、図３に半導体モジュール２の分解図を示す。以下、図１−図３を参照して、半導体モジュール２を説明する。以下、説明の都合上、各部品において、図中の座標系の＋Ｚ方向を向く面を上面と称し、−Ｚ方向を向く面を下面と称する場合がある。
【００１０】
パッケージ３には、半導体素子１０、１３が封止されている（図３参照）。半導体素子１０、１３は、トランジスタである。半導体素子１０、１３は、扁平な形状を有している。半導体素子１０の上面にエミッタ電極１１が設けられており、下面にはコレクタ電極が設けられている。図３では、コレクタ電極は紙面の裏側に位置するので図示されていない。エミッタ電極１１とコレクタ電極は、主電極とも呼ばれる。上面には、エミッタ電極１１とともに、エミッタ電極１１よりも面積が小さい複数の信号電極１２も設けられている。複数の信号電極１２は、トランジスタのゲート電極、センスエミッタ電極、チップに内蔵された温度センサの端子などである。複数の電極は、扁平な半導体素子１０の一辺（一つの縁）に沿って設けられている。
【００１１】
半導体素子１３も半導体素子１０と同様の構造を有しており、その上面にエミッタ電極１４が設けられており、下面にはコレクタ電極が設けられている。コレクタ電極は、図３において紙面裏側に位置するので図示されていない。半導体素子１３の上面には、エミッタ電極１４よりも面積が小さい複数の信号電極１５も設けられている。複数の信号電極１５は、トランジスタのゲート電極、センスエミッタ電極、チップに内蔵された温度センサの端子などである。複数の電極は、扁平な半導体素子１３の一辺（一つの縁）に沿って設けられている。
【００１２】
半導体素子１０は、一対の金属板４、５に挟まれている。金属板４は、半導体素子１０の下面に設けられたコレクタ電極に接合されている。金属板４の縁には継手４ａが設けられている。
【００１３】
金属板４とともに半導体素子１０を挟んでいる金属板５は、エミッタ電極１１に接合されている。金属板５には切欠５ａが設けられている。エミッタ電極１１に接合される金属板５は、切欠５ａの空間５ｂが複数の信号電極１２に対向するように、半導体素子１０に接合される。切欠５ａの空間５ｂにて、複数の信号電極１２のそれぞれに信号端子２４の一端がハンダを介して直接に接合される。信号端子２４の一端はパッケージ３に封止される。信号端子２４の他端はパッケージ３から外へと延びている（図１参照）。すなわち、信号端子２４は、一端がパッケージ３の内部でハンダを介して信号電極１２に直接に接合され、他端はパッケージ３の外へと延びている。ここで、「信号端子２４が信号電極１２に直接に接続される」とは、信号端子２４がボンディングワイヤを介さずに信号電極１２に接続されることを意味する。
【００１４】
金属板５の縁にはパワー端子２１が接続されている。パワー端子２１は、パッケージ３の外へと延びている（図１参照）。パワー端子２１は、金属板５を介して半導体素子１０のエミッタ電極１１と導通する。
【００１５】
半導体素子１３は、一対の金属板６、７に挟まれている。金属板６は、半導体素子１３の下面に設けられたコレクタ電極に接合されている。金属板６の縁には継手６ａが設けられている。継手６ａは、パワー端子２２と接合される。
【００１６】
金属板７は、エミッタ電極１４に接合されている。金属板７には切欠７ａが設けられている。エミッタ電極１４に接合される金属板７は、切欠７ａによる空間７ｂが複数の信号電極１５に対向するように、半導体素子１３に接合される。切欠７ａの空間７ｂにて、複数の信号電極１５のそれぞれに信号端子２５の一端が直接に接合される。信号端子２５の一端はパッケージ３に封止されている。信号端子２５の他端はパッケージ３から外へと延びている（図１参照）。すなわち、信号端子２５は、一端がパッケージ３の内部で信号電極１５に直接に接合され、他端はパッケージ３の外へと延びている。ここでも、「信号端子２５が信号電極１５に直接に接続される」とは、信号端子２５がボンディングワイヤを介さずに信号電極１５に接続されることを意味する。
【００１７】
金属板７の縁にはパワー端子２３が接続されている。パワー端子２３は、パッケージ３の外へと延びている（図１参照）。パワー端子２３は、金属板７を介して半導体素子１３のエミッタ電極１４と導通する。金属板７の縁には継手７ｃが設けられている。継手７ｃは、金属板４の継手４ａと接合される（図２参照）。すなわち、金属板４と金属板７は、導通する。金属板４は半導体素子１０のコレクタ電極に接続されており、金属板７は半導体素子１３のエミッタ電極１４に接続されている。したがって、半導体素子１０、１３は、直列に接続される。金属板７の縁から延びているパワー端子２３は、半導体素子１０、１３の直列接続の中点に相当する。
【００１８】
半導体素子１３のコレクタ電極に接続している金属板６の継手６ａにパワー端子２２が接合されている。また、先に述べたように、半導体素子１０のエミッタ電極１１に接続している金属板５の縁にはパワー端子２１が接続されている。すなわち、半導体モジュール２は、パッケージ３の内部で半導体素子１０、１３が直列に接続されたデバイスである。半導体素子１３のコレクタ電極が直列接続の高電位端に相当し、半導体素子１０のエミッタ電極１１が直列接続の低電位端に相当する。すなわち、パワー端子２２が直列接続の高電位側の端子端に相当し、パワー端子２１が直列接続の低電位側の端子に相当する。先に述べたように、パワー端子２３が直列接続の中点に相当する。
【００１９】
図１に示されているように、金属板５、７の上面はパッケージ３から露出している。金属板５、７の上面は、パッケージ３の上面に対して面一になっている。図では隠れて見えないが、金属板４、６の下面は、パッケージ３の下面から露出している。金属板４、６の下面は、パッケージ３の下面に対して面一となっている。金属板４−７は、半導体素子１０、１３の主電極（コレクタ電極とエミッタ電極）をパワー端子２１−２３に導通させる導電経路の役割を果たすとともに、半導体素子１０、１３の熱を外部に放出する放熱板の役割を果たす。
【００２０】
半導体モジュール２の特徴と利点を述べる。半導体モジュール２は、一対の金属板４、５（６、７）が半導体素子１０（１３）を挟んでおり、金属板４、５（６、７）の間で半導体素子１０（１３）がパッケージ３に封止されたデバイスである。一対の金属板４、５（６、７）は、それぞれの一面がパッケージ３から露出しており、半導体素子１０（１３）の熱を外部に放出する放熱板の役割を担っている。
【００２１】
金属板５（７）には、切欠５ａ（７ａ）が設けられている。半導体素子１０（１３）には、その縁に沿って複数の信号電極１２（１５）が設けられている。それぞれの信号電極１２（１５）の面積は、主電極であるエミッタ電極１１（１４）の面積よりも小さい。金属板５（７）は、切欠５ａ（７ａ）による空間５ｂ（７ｂ）が信号電極１２（１５）に対向するように配置されている。切欠５ａ（７ａ）による空間５ｂ（７ｂ）にて、複数の信号電極１２（１５）のそれぞれは、信号端子２４（２５）に接続されている。信号端子２４（２５）は、パッケージ３の外へと延びている。
【００２２】
金属板４−７、パワー端子２１−２３、信号端子２４、２５は、接合材（典型的にはハンダ）で接合される。
【００２３】
上記の構造により、半導体モジュール２は次の利点を有している。切欠５ａ（７ａ）の空間５ｂ（７ｂ）にて、信号端子２４（２５）が信号電極１２（１５）に接合されている。図中の座標系のＺ方向にて、信号端子２４（２５）と金属板５（７）が重なるので、半導体モジュール２の厚み（パッケージ３のＺ方向の長さ）を薄くすることができる。他方、信号電極１２（１５）はボンディングワイヤを介することなく信号端子２４（２５）に直接に接続されており、その信号端子２４（２５）がパッケージ３の外へと延びている。信号端子２４（１５）は、断面が矩形の金属棒であり、ボンディングワイヤよりも断面積が大きく、伝熱性が良い。金属棒の信号端子２４（２５）が半導体素子１０（１３）の熱の一部を外部へ放出するので、切欠５ａ（７ａ）を設けたことによる放熱性の低下を補う。半導体モジュール２は、放熱性の確保とパッケージの厚みを薄くすることの両立を図ったデバイスである。
【００２４】
（第１変形例）図４に、第１変形例の半導体モジュール２ａの斜視図を示す。図４では、第１実施例の半導体モジュール２の部品と同じ部品については符号を省略した。第１変形例の半導体モジュール２ａでは、信号端子１２４、１２５の断面積の大きさが実施例の半導体モジュール２の信号端子２４、２５と相違する。信号端子１２４、１２５は、図中の座標系におけるＺ方向の厚みが大きく、金属板５、７の切欠５ａ、７ａの空間にて、パッケージ３から露出している。別言すれば、信号端子２４、２５は、金属板５、７が露出しているパッケージの上面にて露出している。図４の符号１２４ａ、１２５ａが示す箇所が、パッケージ３の上面から露出している部分である。信号端子１２４、１２５は、第１実施例の半導体モジュール２の信号端子２４、２５よりもパッケージ３から露出している部分が大きいので、半導体素子１０、１３に対する冷却効果が高い。特に、金属板５、７が露出しているパッケージ３の表面に冷却器を当接させると、金属板５、７から熱が冷却器へ放出されるとともに、信号端子１２４、１２５からも冷却器へと放出される。それゆえ、半導体素子１０、１３に対する冷却性能が一段と向上する。
【００２５】
（第２変形例）図５に、第２変形例の半導体モジュール２ｂの斜視図を示す。ただし、図５では、パッケージ３の図示は省略した。実施例の半導体モジュール２では、切欠５ａ（７ａ）は、図中の座標系のＺ方向で金属板５（７）を貫通していた。第２変形例の半導体モジュール２ｂでは、切欠１０５ａ（１０７ａ）は、金属板１０５（１０７）を貫通していない。切欠１０５ａ（１０７ａ）は、金属板４（６）に対向する側で金属板１０５（１０７）に設けられている。切欠１０５ａ（１０７ａ）による空間で信号端子２４（２５）が信号電極１２（１５）に接合されている点は、実施例の半導体モジュール２と同じである。第２変形例の半導体モジュール２ｂでは、金属板１０５（１０７）の露出面積が実施例の半導体モジュール２の金属板５（７）よりも大きいので、半導体素子１０、１３に対する冷却効果が高い。
【００２６】
（第３変形例）図６に、第３変形例の半導体モジュール２ｃの斜視図を示す。第３変形例の半導体モジュール２ｃでは、信号端子２２４（２２５）の露出している部分の太さが実施例の半導体モジュール２の信号端子２４（２５）よりも細い。信号端子２２４（２２５）の露出している部分を細くすることで、別のデバイス（例えば回路基板）と接続しやすくなる。
【００２７】
（製造方法）図７を参照して、実施例の半導体モジュール２の製造方法について述べる。図７（Ａ）−（Ｄ）は、半導体モジュール２の部品を側面から見た図である。かっこ内の符号は、紙面奥側に位置する部品の参照番号である。なお、図７では、理解を助けるために、隠れている部分を含めて信号端子２４（２５）にはグレーのハッチングを施した。
【００２８】
まず、半導体素子１０（１３）の下側に位置する金属板４（６）に、半導体素子１０（１３）をハンダで接合するとともに、信号電極１２（１５）に信号端子２４（２５）をハンダで接合する（図７（Ａ））。金属板４（６）は、半導体素子１０（１３）の下面のコレクタ電極に接合される。
【００２９】
次に、切欠５ａ（７ａ）を有する金属板５（７）を、半導体素子１０（１３）の上面にハンダで接合する（図７（Ｂ））。このとき、切欠５ａ（７ａ）の空間が信号電極１２（１５）に対向するように金属板５（７）が配置される。また、金属板５（７）は、半導体素子１０（１３）の上面のエミッタ電極１１（１４）に接合される。
【００３０】
金属板５（７）を接合した後、外観検査が行われる。次に、金属板４−７、半導体素子１０、１３、信号端子２４、２５のアセンブリを金型に入れ、樹脂でモールドする（図７（Ｃ））。このとき、樹脂モールド３ｘは、最終的なパッケージ３の厚みよりも厚く形成され、金属板５（７）の表面は樹脂モールド３ｘに埋設される。
【００３１】
最後に、樹脂モールド３ｘの表面を、金属板５（７）が露出するまで切削する（図７（Ｄ））。金属板５（７）が露出した樹脂モールド３ｘがパッケージ３に相当する。切削により、パッケージ３の表面と、金属板５（７）の表面が面一に整えられる。こうして、半導体モジュール２が完成する。
【００３２】
なお、第１変形例の半導体モジュール２ａの場合、信号端子１２４、１２５の表面もパッケージ３から露出している（図４参照）。半導体モジュール２ａの場合、樹脂モールド３ｘの表面の切削により、信号端子１２４、１２５の表面がパッケージ３から露出するとともに、その表面とパッケージ３の表面が面一に整えられる。
【００３３】
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。金属板５、７、１０５、１０７が第１金属板の一例である。金属板４、６が第２金属板の一例である。エミッタ電極１１、１４が第１主電極の一例であり、コレクタ電極が他方の第２主電極の一例である。実施例の半導体モジュール２は、複数の半導体素子１０、１３を含んでいるが、本明細書が開示する技術は、１個の半導体素子を含んでいる半導体モジュールに適用してもよい。
【００３４】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００３５】
２、２ａ、２ｂ、２ｃ：半導体モジュール
３：パッケージ
４−７、１０５、１０７：金属板
４ａ、６ａ、７ｃ：継手
５ａ、７ａ、１０５ａ、１０７ａ：切欠
５ｂ、７ｂ：空間
１０、１３：半導体素子
１１、１４：エミッタ電極
１２、１５：信号電極
２１−２３：パワー端子
２４、２５、１２４、１２５、２２４、２２５：信号端子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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