(57)【要約】【課題】優れた放熱性能を確保できる半導体モジュール及び半導体モジュールの製造方法を提供する。【解決手段】一実施形態にかかる半導体モジュールは、エミッタ電極及びコレクタ電極を備える半導体チップと、前記エミッタ電極に接続されるエミッタ接合面と前記エミッタ接合面に対して交差するエミッタ伝熱面とを備える金属材製のエミッタ板と、前記コレクタ電極に接続されるコレクタ接合面と前記コレクタ接合面に対して交差するコレクタ伝熱面とを備える金属材製のコレクタ板と、前記エミッタ伝熱面及び前記コレクタ伝熱面に接続材を介して接合される絶縁層と、前記絶縁層の他方の面を露出して封止するモールド樹脂部と、を備え、前記エミッタ伝熱面の面積は前記コレクタ伝熱面の面積よりも小さく、前記絶縁層と前記エミッタ板との間の接続材の厚さが、前記コレクタ板と前記絶縁層との間の接続材の厚さよりも厚いことを特徴とする。【選択図】図２
2014183213.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
両面にそれぞれエミッタ電極及びコレクタ電極を備える半導体チップと、
前記エミッタ電極に接続されるエミッタ接合面と、前記エミッタ接合面に対して交差する表面を構成するエミッタ伝熱面と、を備える金属材製のエミッタ板と、
前記コレクタ電極に接続されるコレクタ接合面と、前記コレクタ接合面に対して交差する表面を構成するコレクタ伝熱面と、を備える金属材製のコレクタ板と、
一方の面が前記エミッタ伝熱面及び前記コレクタ伝熱面に接続材を介して接合される絶縁層と、
前記半導体チップ、前記エミッタ板、前記コレクタ板及び前記絶縁層の周りを、前記絶縁層の他方の面を露出して封止するモールド樹脂部と、を備え、
前記エミッタ伝熱面の面積は前記コレクタ伝熱面の面積よりも小さく、前記絶縁層と前記エミッタ板との間の接続材の厚さが、前記コレクタ板と前記絶縁層との間の接続材の厚さよりも厚いことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項２】
前記半導体チップ、前記エミッタ板、及び前記コレクタ板、が接合材を介して積層された積層体において、前記コレクタ伝熱面は前記エミッタ伝熱面よりも前記絶縁層側に突出した位置に配置され、
前記コレクタ電極の面積は前記エミッタ電極の面積よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の半導体モジュール。
【請求項３】
上記絶縁層は、複数の絶縁部を備え、各絶縁部の間に前記モールド樹脂部が介在していることを特徴とする請求項１または２記載の半導体モジュール。
【請求項４】
前記コレクタ板の端部は前記エミッタ板及び前記絶縁層から退避する凹部を備え、
前記エミッタ板の端部は前記コレクタ板及び前記絶縁層から退避する凹部を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の半導体モジュール。
【請求項５】
複数の前記半導体チップが前記コレクタ板と前記エミッタ板との間に配置されたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の半導体モジュール。
【請求項６】
複数の前記半導体チップは複数組の還流ダイオードとスイッチング素子であり、
一方の前記スイッチング素子の上に他方の組の前記還流ダイオードが積層され、一方の組の還流ダイオードの上に他方の組のスイッチング素子が積層されるように、交互に配置されたことを特徴とする請求項５記載の半導体モジュール。
【請求項７】
両面にそれぞれエミッタ電極及びコレクタ電極を備える半導体チップを、前記コレクタ電極に接続されるコレクタ接合面と前記コレクタ接合面に対して交差する表面を構成するコレクタ伝熱面とを備える金属材製のコレクタ板の前記コレクタ接合面に接合材を介して配し、
前記半導体チップ上に、接合材を介してスペーサを配し、
前記スペーサ上に、接続端子を含むリードフレームを、接合材を介して配し、
前記リードフレーム上において、前記エミッタ電極に接続されるエミッタ接合面と前記エミッタ接合面に対して交差する表面を構成するエミッタ伝熱面とを備える金属材製のエミッタ板を、前記コレクタ伝熱面が前記エミッタ伝熱面よりも突出する位置に、接合材を介して配し、
不活性雰囲気もしくは還元雰囲気で加熱して前記接合材を溶融させた後に冷却して、前記コレクタ板、前記半導体チップ、前記スペーサ、前記リードフレーム、及び前記エミッタ板を接合して積層体を形成し、
前記積層体の前記エミッタ伝熱面及び前記コレクタ伝熱面を、接続材を介して絶縁層の一方の面に配し、
前記接続材を加熱、冷却して接合し、
トランスファモールド法によりモールド樹脂を用いて、前記絶縁層の他方の面を露出させた状態で、前記コレクタ板、前記半導体チップ、前記スペーサ、前記リードフレーム、前記エミッタ板、及び絶縁層の周りを封止することを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体モジュール、及び半導体モジュールの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車等には、電力用の半導体装置を用いたインバータ装置が用いられている。電力用の半導体装置は、冷却器を兼ねた基板上にパワー半導体モジュールが搭載され、樹脂等で封止されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１６１１３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
パワー半導体モジュールは、大電流のスイッチングを行う際に半導体チップで発生する損失熱を除去して、チップ温度を動作可能温度以下に保つ必要がある。このため、半導体チップから冷却器までの熱抵抗の低減が必要となる。一方で、パワー半導体モジュールは、動作電圧が数百ボルトから数千ボルトと高電圧であるため、高絶縁耐圧の絶縁層が必要となる。このことから、チップから冷却器への接続経路の中で、放熱効率の向上と、高い絶縁耐圧の両立が求められる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態にかかる半導体モジュールは、両面にそれぞれエミッタ電極及びコレクタ電極を備える半導体チップと、前記エミッタ電極に接続されるエミッタ接合面と、前記エミッタ接合面に対して交差する表面を構成するエミッタ伝熱面と、を備える金属材製のエミッタ板と、前記コレクタ電極に接続されるコレクタ接合面と、前記コレクタ接合面に対して交差する表面を構成するコレクタ伝熱面と、を備える金属材製のコレクタ板と、一方の面が前記エミッタ伝熱面及び前記コレクタ伝熱面に接続材を介して接合される絶縁層と、前記半導体チップ、前記エミッタ板、前記コレクタ板及び前記絶縁層の周りを、前記絶縁層の他方の面を露出して封止するモールド樹脂部と、を備え、前記エミッタ伝熱面の面積は前記コレクタ伝熱面の面積よりも小さく、前記絶縁層と前記エミッタ板との間の接続材の厚さが、前記コレクタ板と前記絶縁層との間の接続材の厚さよりも厚いことを特徴とする。
【０００６】
実施形態に係る半導体モジュールの製造方法は、両面にそれぞれエミッタ電極及びコレクタ電極を備える半導体チップを、前記コレクタ電極に接続されるコレクタ接合面と前記コレクタ接合面に対して交差する表面を構成するコレクタ伝熱面とを備える金属材製のコレクタ板の前記コレクタ接合面に接合材を介して配し、前記半導体チップ上に、接合材を介してスペーサを配し、前記スペーサ上に、接続端子を含むリードフレームを、接合材を介して配し、前記リードフレーム上において、前記エミッタ電極に接続されるエミッタ接合面と前記エミッタ接合面に対して交差する表面を構成するエミッタ伝熱面とを備える金属材製のエミッタ板を、前記コレクタ伝熱面が前記エミッタ伝熱面よりも突出する位置に、接合材を介して配し、不活性雰囲気もしくは還元雰囲気で加熱して前記接合材を溶融させた後に冷却して、前記コレクタ板、前記半導体チップ、前記スペーサ、前記リードフレーム、及び前記エミッタ板を接合して積層体を形成し、前記積層体の前記エミッタ伝熱面及び前記コレクタ伝熱面を、接続材を介して絶縁層の一方の面に配し、前記接続材を加熱、冷却して接合し、トランスファモールド法によりモールド樹脂を用いて、前記絶縁層の他方の面を露出させた状態で、前記コレクタ板、前記半導体チップ、前記スペーサ、前記リードフレーム、前記エミッタ板、及び絶縁層の周りを封止することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１実施形態に係る半導体装置の縦断面図。
【図２】同半導体装置の半導体モジュールの一部を示す下面図。
【図３】同半導体装置の半導体モジュールの断面図。
【図４】同半導体装置の半導体モジュールの断面図。
【図５】同半導体装置の半導体モジュールの下面図。
【図６】同半導体装置の半導体チップの構造を示す説明図。
【図７】同半導体装置の半導体チップの構造を示す説明図。
【図８】同半導体装置が組み込まれたインバータ装置を示す平面図。
【図９】同実施形態に係る半導体モジュールのエミッタ厚／コレクタ厚とチップ動作温度との関係を示すグラフ。
【図１０】同半導体モジュールにおけるコレクタ伝熱面の面積／スイッチング素子面積とチップ動作温度との関係を示すグラフ。
【図１１】同半導体装置の製造工程を示す説明図。
【図１２】同半導体装置の製造工程を示す説明図。
【図１３】他の実施形態に係る半導体モジュールを示す縦断面図。
【図１４】他の実施形態に係る半導体モジュールの下面図。
【図１５】他の実施形態に係る半導体モジュールの下面図。
【図１６】他の実施形態に係る半導体モジュールの下面図。
【図１７】他の実施形態に係る半導体モジュールを示す縦断面図。
【図１８】他の実施形態に係る半導体モジュールを示す縦断面図。
【図１９】他の実施形態に係る半導体モジュールを示す縦断面図。
【図２０】他の実施形態に係る半導体モジュールを示す縦断面図。
【図２１】他の実施形態に係る半導体モジュールを示す縦断面図。
【図２２】他の実施形態に係る半導体モジュールの一部を示す下面図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態かかる半導体装置及び半導体モジュールについて、図１乃至７を参照して説明する。各図中矢印Ｘ，Ｙ，Ｚはそれぞれ互いに直交する３方向を示す。また、各図において説明のため、適宜構成を拡大、縮小または省略して示している。
【０００９】
図１は半導体装置１００の断面図、図２は半導体モジュール１の半導体チップ１０、２０、エミッタ板３０、コレクタ板４０、リードフレーム６０の積層状態を示す下面図、図３乃至図５は半導体モジュール１の側面図、断面図及び下面図をそれぞれ示す。図６及び図７はそれぞれ半導体チップ１０，２０の説明図であり、第１主面、端面、第２主面を並べて示している。図８は半導体モジュール１が組み込まれたインバータ装置１１０を示す平面図である。
【００１０】
図１に示す半導体装置１００は、冷却器を兼ねた基板である冷却板１０１上にはんだ材製の接合部１０２を介してパワー半導体モジュールが搭載されて構成されている。本実施形態ではチップ搭載面と冷却器のモジュール搭載面が垂直であり、いわゆる垂直型の配置になっている。
【００１１】
半導体モジュール１は、図１、図２に示すように、主面が垂直に立設された半導体チップ１０、２０と、半導体チップ１０，２０の両側にそれぞれ配された銅材製のエミッタ板３０及びコレクタ板４０と、半導体チップ１０，２０間に介在されたスペーサ７０及び接合材７１〜７４と、接続端子６１、電力端子６６、電力端子６７を有するリードフレーム６０と、ワイヤ６９と、エミッタ板３０及びコレクタ板４０の底部に設けられた絶縁層８０と、絶縁層８０とエミッタ板３０及びコレクタ板４０間をそれぞれ接続する接合材７５，７６と、絶縁層８０の他方の面８０ｂを露出するとともに接続端子６１、電力端子６６及び電力端子６７の一端を外部に配して半導体チップ１０、２０、エミッタ板３０、コレクタ板４０、リードフレーム６０、及び絶縁層８０を樹脂封止するモールド樹脂９０と、を備えている。
【００１２】
なお、半導体モジュール１において、エミッタ板３０の底面であるエミッタ伝熱面３２と、コレクタ板４０の底面であるコレクタ伝熱面４２は接続材７５，７６を介して、絶縁層８０の一方の面８０ａに接続され、絶縁層８０の他方の面８０ｂはモールド樹脂９０から外部に露出している。
【００１３】
図３に示すように、半導体チップ１０、２０はそれぞれ、一組のスイッチング素子と還流ダイオードである。なお、スイッチング素子と還流ダイオードのうち、スイッチング素子の発熱量が大きくチップ動作温度に注意が必要であるため、半導体チップ１０，２０の放熱については、主にスイッチング素子である半導体チップ１０について説明するが、還流ダイオードである半導体チップ２０からも同様にエミッタ板３０、コレクタ板４０、絶縁層８０を介して放熱される。
【００１４】
図６に示される半導体チップ１０は、第１主面１０ａと第２主面１０ｂを備えている。第１主面１０ａには、エミッタ電極１１及び制御電極１２が設けられ、第２主面１０ｂには、コレクタ電極１３が設けられている。第１主面１０ａにおいて、エミッタ電極１１の周囲には絶縁確保のための絶縁領域が形成されている。コレクタ電極１３は第２主面１０ｂの全面に形成されている。
【００１５】
図１乃至図４に示すように、エミッタ電極１１には、接合材７２、銅材製のスペーサ７０、導電性の接合材７３、リードフレーム６０、接合材７４を介してエミッタ板３０が接続されている。制御電極１２は、アルミ材製のワイヤ（金属細線）６９を介して接続端子６１に接続されている。
【００１６】
コレクタ電極１３には、導電性の接合材７１を介してコレクタ板４０が接続されている。
【００１７】
図７に示される半導体チップ２０は、スイッチング時の誘導電流を流すための素子である還流ダイオードであり、第１主面２０ａ及び第２主面を備えている。第１主面２０ａに正電極２１、第２主面２０ｂに負電極２２が形成されている。正電極２１がエミッタ板３０に接続され、負電極２２がコレクタ板４０に接続される。
【００１８】
エミッタ板３０は、銅材で直方体状に形成され多金属ブロックである。エミッタ板３０は半導体チップ１０，２０に対向する接合面３１を側面に備えるとともに、接合面３１（電極面）に対し垂直に交差し、かつ、接続材７５、絶縁層８０、及び冷却板１０１に対向するエミッタ伝熱面３２を底面に備えている。接合面３１とエミッタ伝熱面３２が対向する部材に接続することにより伝熱が可能に形成されている。エミッタ板３０の端部には、端部がモールド樹脂９０の外部に露出される電力端子６６が接合される。なお電力端子６６はリードフレーム６０の一部として構成される。
【００１９】
コレクタ板４０は、銅材で直方体状に形成され多金属ブロックである。コレクタ板４０は半導体チップ１０、２０に対向する接合面４１（電極面）を側面に備えるとともに、この接合面４１に対し垂直に交差し、かつ、接続材７６、絶縁層８０、及び冷却板１０１に対向するコレクタ伝熱面４２を底面に備えている。接合面４１及びコレクタ伝熱面４２が対向する部材に接続することにより伝熱可能になっている。コレクタ板４０には、端部がモールド樹脂９０の外部に露出される電力端子６７が接合される。
【００２０】
エミッタ伝熱面３２とコレクタ伝熱面４２の位置は、エミッタ伝熱面３２の方が上に位置するようにシフトしており、伝熱面３２，４２間に段差が形成されている。
【００２１】
コレクタ伝熱面４２の面積はエミッタ伝熱面３２の面積よりも大きく設定されている。エミッタ伝熱面の面積／コレクタ伝熱面の面積比は０．２５から０．７５の間に設定される。これは、スイッチング素子のエミッタ電極１１は周囲に絶縁耐圧確保のための絶縁領域が必要であるのに対して、コレクタ電極１３はチップ面積と等しいため、コレクタ電極１３の面積はエミッタ電極１１の面積よりも大きく、コレクタ電極１３側の放熱量がエミッタ電極１１側より大きくなるためである。従って、コレクタ伝熱面４２の比率を大きくすることにより、コレクタ板４０側とエミッタ板３０側の熱流速が均一化され放熱効率が向上する。
【００２２】
一例として、スイッチング素子１０のエミッタ電極面積／チップ面積は０．５とし、図９に示すように、この設計値をもとにエミッタ板３０とコレクタ板４０の板厚比、すなわち外部に露出される絶縁層に接触する伝熱面３２，４２の面積比を変化させた場合の半導体チップ動作温度のシミュレーションを実施した。この結果、スイッチング素子のエミッタ電極面積／チップ面積０．５に対してエミッタ板厚Ｔ１／コレクタ板厚Ｔ２比が、エミッタ電極１１の面積／チップ面積比の±５０％の範囲になるように設計することで良好な放熱性能が得られることが分かった。なお、本実施形態においてはエミッタ板３０とコレクタ板４０の板幅は等しく設定し、板厚Ｔ１、Ｔ２の比が伝熱面の面積の比と対応させている。特にエミッタ板厚Ｔ１／コレクタ板厚Ｔ２が０．６でチップ動作温度が最小となっており、最大の放熱性能が得られる。したがって、本実施形態ではこの値を設計値として用いた。なお、図９中Ｇは現状の設計値を示している。ここで、エミッタ電極面積の半導体チップ面積に対する比率をＱＡとし、エミッタ板の板厚Ｔ１のコレクタ板の板厚Ｔ２に対する比率をＱＢとしたとき、ＱＡ×０．５≦ＱＢ≦２×ＱＡとなる関係にある。
【００２３】
図１０に、コレクタ板厚Ｔ２とチップ動作温度との関係をシミュレーションした結果を示す。ここでは、コレクタ板幅を４０ｍｍに固定してコレクタ板厚Ｔ２を増加させることによりコレクタ伝熱面の面積／スイッチング素子の面積の比を変化させた。コレクタ伝熱面の面積すなわちコレクタ板厚Ｔ２の増加に伴い放熱性能が向上して、半導体チップの動作温度が低下することが分かる。
【００２４】
また、コレクタ伝熱面４２の面積／スイッチング素子面積（チップ面積）が２．６から４．６に増加すると、動作温度低下の傾きが３０％以下に低減することが分かる。これは、コレクタ板４０の板厚増加が放熱性能向上に大きく寄与するが、コレクタ伝熱面の面積／スイッチング素子面積を４．６まで増加させると放熱性向上の効果が小さくなり、装置寸法増加による大型化、重量増加の短所が現れてくることを示す。このような知見に基づき、コレクタ伝熱面の面積／スイッチング素子面積の比を２．０から４．０の間に設定することにより、高放熱性能と装置の小型軽量化を両立させている。
【００２５】
図１１の＜ＳＴ４＞に示すように、リードフレーム６０は、モールド樹脂９０から突出し外部端子等との接続に供される接続端子（リード）６１と、制御電極１２に接続される接続部６３と、これらを一体に結合する結合部６４を備えている。
【００２６】
この他、一端がエミッタ板３０に接続され他端がモールド樹脂９０の外部に露出される電力端子６６や、一端がコレクタ板４０に接続され他端がモールド樹脂９０の外部に露出される電力端子６７が設けられている。なお、電力端子６６、６７はリードフレーム６０に含まれる。
【００２７】
なお、＜ＳＴ５＞以降ではリードフレーム６０の一部を省略して示している。また、図１２＜ＳＴ８＞＜ＳＴ９＞に示すように、結合部６４は製品完成時には切除される。
【００２８】
スペーサ７０は銅材製で板状を成し、エミッタ板３０と半導体チップ１０との間に設けられている。スペーサ７０はエミッタ板３０と半導体チップ１０のエミッタ電極１１以外の絶縁部分が接触することを防ぐ機能を有する。エミッタ板３０とスペーサ７０を別部品で形成することにより、エミッタ板３０の形状を加工が容易な直方体とすることができるため加工精度が向上して製造歩留りを向上する。
【００２９】
接合材７１〜７４ははんだ等の導電性材料で構成され、積層された半導体チップ１０，２０及びスペーサ７０間を接合する。
【００３０】
絶縁層８０は、矩形のセラミック板であり、Ａｌ２０３、ＳｉＮ、ＡｌＮ等が用いられる。絶縁層８０の厚さは、０．１ｍｍ〜１．０ｍｍが好ましい。一定厚さのセラミック板を用いることで高い絶縁性能が確保できる。絶縁層８０のサイズは、エミッタ伝熱面３２とコレクタ伝熱面４２の面積より大きい。このように絶縁層８０の外形をエミッタ板３０およびコレクタ板４０の外形より大きく設定することで、絶縁性能を高めることができる。
【００３１】
接続材７５，７６としては、樹脂、絶縁性のフィラーを含有した絶縁性接着剤、金属の微粒子を含有した樹脂である導電性接着剤や、はんだを用いる。絶縁性能は絶縁層８０で確保されるため、接続材料としては、絶縁性能は必ずしも必要ではなく、高い熱伝導率を有する材料を用いることで、放熱性能を高めることができる。接続材７５，７６の形態としては、ペースト状、シート状、いずれも選択可能である。
【００３２】
なお、エミッタ伝熱面３２はコレクタ伝熱面４２より上方にオフセットしており、絶縁層８０の上面との間隔が異なるため、絶縁層８０とエミッタ板３０との間の接続材７５の厚さｔ１は、コレクタ板４０と絶縁層８０との間の接続材７６の厚さｔ２よりも厚くなっている。この接続材７５，７６によって、エミッタ伝熱面３２とコレクタ伝熱面４２との段差が吸収されている。
【００３３】
冷却板１０１は、例えばアルミニウム材製の金属板で、厚さの一例としては３ｍｍである。
【００３４】
以上のように構成された半導体モジュール１を搭載するインバータ装置１１０は、外部の発電モータに接続されるアレイと、外部の駆動モータに接続されるアレイと、外部の昇圧装置に接続される半導体装置アレイとを備えている。各アレイにおける半導体モジュール１の数や接続形態（並列、直列）は、流れる電流量に応じて適宜決められている。本実施形態では、図４に示すように、アレイ構成の一部の例として、冷却板１０１と、この冷却板１０１上に平面状に２列で複数配置された半導体モジュール１の構成を示している。
【００３５】
次に、半導体装置１００及び半導体モジュール１の製造工程について、図１１及び図１２を用いて説明する。
【００３６】
図１１に示すように、まずコレクタ板４０上に、接合材７１を介して半導体チップ１０，２０を搭載する（接合は行わない）。このとき、半導体チップ１０、２０のコレクタ電極１３、負電極２２をコレクタ板４０の接合面４１に対向させる。
【００３７】
次に、半導体チップ１０，２０上に接合材７２を介してスペーサ７０を搭載する（接合は行わない）。
【００３８】
次に、スペーサ７０上に接合材７３を介して、リードフレーム６０を搭載する。さらに、リードフレーム６０上において、接合材７４を介して、エミッタ板３０を搭載する（接合は行わない）。このとき、コレクタ板４０の伝熱面４２がエミッタ板３０の伝熱面３２が突出するようにシフトさせて位置決めして搭載することで、伝熱面３２，４２間に段差が形成される。
【００３９】
次にリフロー装置を用いて半導体チップ１０、２０、スペーサ７０、エミッタ板３０、コレクタ板４０、リードフレーム６０を不活性雰囲気叉は還元性雰囲気中で一括加熱することで接合材７１〜７４を溶融した後、冷却することで凝固させてこれらを接合し、積層体Ｓを形成する。そして、ワイヤ６９で制御電極１２と接続部６２とをワイヤボンディグにより接続し、ワイヤ結線する。
【００４０】
図６に示すように、絶縁層８０に、接続材７５，７６を供給する。そして、絶縁層８０とワイヤ結線した積層体Ｓの伝熱面３２及び伝熱面４２が対向するように、積層体Ｓを搭載する。この時、エミッタ板３０とコレクタ板４０の伝熱面３２，４２間の段差を、接続材７５，７６が吸収し、絶縁層８０に接続される。
【００４１】
半導体チップ１０、２０、エミッタ板３０、コレクタ板４０、リードフレーム６０、接続材７５，７６、絶縁層８０をトランスファモールド法により樹脂封止し、モールド樹脂９０を形成する。このとき、絶縁層８０の一方の面８０ｂは外部に露出させる。そしてリードフレーム６０の結合部６４を切断して接続端子を形成する。以上により半導体モジュール１が完成する。
【００４２】
冷却板１０１上面に接着剤を塗布して接合部１０２を形成し、半導体モジュール１を位置決めし、オーブンで加熱する。接合部１０２の接着剤が硬化し、冷却板１０１と半導体モジュール１とが一体となり、半導体装置１００が完成する。
【００４３】
このように構成された半導体モジュール１及び半導体装置１００によれば、半導体チップ１０、２０によって発生した熱が、接続材７１〜７４やスペーサ７０を介してエミッタ板３０及びコレクタ板４０に伝達し、さらにエミッタ伝熱面３２及びコレクタ伝熱面４２、接続材７５，７６、絶縁層８０、接合部１０２を介して、冷却板１０１に伝達されて放熱が可能となる。このため、半導体チップ１０、２０の両面から高効率で冷却することが可能である。高熱伝導率の絶縁層８０と高熱伝導率の接続材７５，７６を組み合わせることで優れた放熱性能を実現できる。
【００４４】
また、エミッタ伝熱面３２の面積はコレクタ伝熱面４２の面積よりも小さく、コレクタ伝熱面４２の位置がエミッタ伝熱面３２より外側に突出するようにオフセットする位置関係として、接続材７５の厚さｔ１を接続材７６の厚さｔ１よりも厚くすることにより、モジュール全体として、良好な放熱性能と、コレクタ板とエミッタ板の段差吸収性能を両立できる。
【００４５】
すなわち、コレクタ板４０の伝熱面の比率を大きくすることにより、コレクタ板４０側とエミッタ板３０側の熱流速が均一化され放熱効率を向上することができる。また、放熱経路により重要なコレクタ板４０側の接続材７６の厚さを薄くすることで熱量が高い方の放熱性を高く、熱量が低いエミッタ側の絶縁を厚くするように、大小関係を持たせることにより、より優れた放熱性能を確保できる。
【００４６】
なお、チップの主面に金属ブロックを接合し、金属ブロック（エミッタ）／接続材／チップ／接続材／金属ブロック（コレクタ）の積層体を形成する際に、金属ブロックの成型精度、接続工程の接続位置精度に起因し、必ず両金属ブロックの積層段差が発生する。チップと金属ブロックの接続にはんだを用いる場合は、はんだ溶融時の表面張力を制御することは困難で、上記の積層段差が生じる。上記露出面が平坦なモールド成型体を実現するには、モールド成型後に、モールド底面を平坦に削って金属ブロック段差の解消が必要となる。
【００４７】
上記実施形態では、製造方法において、予めエミッタ板３０を上方にずらして配置しておき、積層段差のあるエミッタ板３０、コレクタ板４０を平坦なセラミック基板の絶縁層８０に接続材７５，７６を介して接続することで、接続材７５，７６が段差を吸収し、露出面としてセラミックの平坦な面が得られる。したがって、部材の外形寸法公差や、上記積層体の組立精度を過剰に高める必要なく、また、段差解消のための切削工程を必要とせず、言い換えると、過剰な部材コストと工数をかけずに、平坦なセラミック板面が露出したモールド樹脂封止形状を実現できる。このため、段差解消および金属ブロック露出のための切削加工工程が不要となる。このことにより、切削工程の工数、切削工具を削減でき、製造コスト、タクトを低減でき、また、チップおよびチップ接続部へのダメージを回避できる。
【００４８】
上記実施形態によれば、半導体チップ１０，２０を垂直実装構造としたことにより、冷却経路を一つの面にすることができ、水平実装構造に比べて設計自由度を向上できる。例えば、チップの上下面にリードフレーム等の金属部材を配置して、金属部材をモールド面から露出させることでチップ上下面の２経路から放熱経路を有する水平実装構造では、チップ搭載面と冷却器のモジュール搭載面が平行な場合、チップ両面から冷却する場合はモジュールの上下面の２面で冷却器への接続が必要となる。この場合、冷却器ユニットを２つ必要とし、インバータ設計に制約を与え、設計自由度が低下する。また、制御基板との接続が困難となる。これに対して本実施形態ではチップ搭載面と冷却器のモジュール搭載面が垂直で、コレクタ板４０とエミッタ板３０の底面が、モジュールの同一面に露出しているため、冷却板１０１（冷却器）の接続位置は１つの面となる。このため、インバータの構造設計において、冷却経路を１つの面とすることができ、設計の自由度が高い。具体的には、半導体モジュール１の一方の面に冷却器を、他方の面に制御基板を配置し接続したインバータが実現できる。
【００４９】
また上記実施形態によれば、金属ブロックであるエミッタ板及びコレクタ板とセラミック板を接続材で接続した状態でモールドするため、絶縁耐圧の高いセラミック板で絶縁性能を確保できる。したがって、樹脂を用いる場合のように、樹脂中のボイド発生状況や樹脂の形成厚さで絶縁性能が影響されることはない。また、絶縁シートを用いた場合と比較し、セラミック板の熱伝導率が高いため、放熱性能に優れる放熱経路を形成できる。セラミック板で絶縁性能が確保されているため、接続材には、絶縁性能は必ずしも必要ではないため、熱伝導性の高い、導電性の接続材を用いることで、熱抵抗を低減し、モジュール性能を向上できる。
【００５０】
例えば冷却構造を有する半導体モジュールでは、モジュール裏面から金属部が露出しているとモジュール単体で絶縁性能を確保できない。このためインバータの冷却器への組付け部で、絶縁性能の確保が必要となる。工業的には、半導体モジュールの製造者と、インバータ装置の製造者が異なる場合が多く、半導体モジュールの製造者は、ユーザーとなるインバータ装置の製造者個別に絶縁性能の確保を委ねるという課題がある。また、絶縁性材料として、熱硬化性の絶縁性樹脂を用いた場合、樹脂硬化時に発生するアウトガスや被接続部材から発生するガスを巻きこみ、樹脂中にボイドが発生し、絶縁耐圧が低下する課題がある。また、樹脂形成厚さのばらつきが絶縁耐圧の影響するため、安定した絶縁性能の確保が難しい。絶縁性材料として、シート状の絶縁材を用いた場合は一定厚さでボイドレスの絶縁層を形成できるが、シート状の場合、樹脂タイプと比較し接続界面の熱抵抗が高い、薄肉化が困難で熱抵抗が高い等の課題があった。絶縁性材料として、高熱伝導のセラミック板を用いる場合も、半導体モジュールと冷却器の間に何らかの接続機構が必要となり、上述の絶縁樹脂や絶縁シートを用いた場合は、上述と同様の課題がある。
【００５１】
これに対し、上記実施形態では金属ブロックとセラミック板を接続材で接続した状態でモールドし、モールドからの露出面はセラミック板のみとなるため、取り出し電力端子以外のモジュール外周部は全て絶縁性の材料に覆われることになる。特に、金属材料である冷却器の接続面であるモジュール底面には、セラミック板とモールド樹脂のみで、完全な絶縁体が形成されている。このため、モジュール単体で絶縁性能を保証でき、インバータ設計および製造面の絶縁性能品質保証の負荷を低減できる。
【００５２】
［第２実施形態］
以下、第２実施形態に係る半導体モジュール２Ａについて、図１３及び図１４を参照して説明する。なお、本実施形態において絶縁層８０以外の構造は上記第１実施形態に係る半導体モジュール１と同様であるため、共通する符号を付して説明を省略する。
【００５３】
図１３は半導体モジュール２Ａの縦断面図、図１４は半導体モジュール２Ａの下面図である。半導体モジュール２Ａでは絶縁層を構成する絶縁層８０が複数に分割され、互いに離間する複数の絶縁部８１，８２を有している。絶縁部８１，８２はエミッタ伝熱面３２及びコレクタ伝熱面４２に対向して配置され、複数の絶縁部８１，８２の間には、モールド樹脂９０が介在している。各絶縁部８１，８２はそれぞれセラミックの板で矩形に構成され、対向するエミッタ伝熱面３２及びコレクタ伝熱面４２より大きいサイズに構成されている。
【００５４】
本実施形態に係る半導体モジュール２Ａによれば、絶縁層８０を分割することで、１個当りのセラミック板の面積を小さくでき、セラミック板の反り量や変形量を低減できる。この他、チップの配置等の各種条件に応じて他の実施形態として図１５や図１６に示す半導体モジュール２Ｂ，２Ｃのように分割してもよい。
【００５５】
［第３実施形態］
以下、第３実施形態に係る半導体モジュール３Ａについて、図１７を参照して説明する。なお、本実施形態においてエミッタ板３０及びコレクタ板４０に凹部３３ａ，３３ｂ，４３ａ，４３ｂを設けた点以外については上記第１実施形態に係る半導体モジュール１と同様であるため、共通する符号を付して説明を省略する。
【００５６】
図１７は半導体モジュール３Ａの縦断面図である。半導体モジュール３Ａでは、エミッタ板３０のコレクタ板４０に対向する側面の両端におけるコーナーに、それぞれ凹部３３ａ，３３ｂが形成されている。凹部３３ａ，３３ｂはコーナー部分が対向するコレクタ板４０から離れるように退避するとともに絶縁層８０から上方に退避するように窪んでいる。
【００５７】
また、コレクタ板４０のうちエミッタ板３０に対向する面の両端部のコーナーに凹部４３ａ，４３ｂが形成されている。凹部４３ａ，４３ｂはコーナー部分が対向するエミッタ板３０から退避するとともに絶縁層８０から上方に退避するように窪んでいる。
【００５８】
本実施形態に係る半導体モジュール３Ａによれば、凹部３３ａ，３３ｂ，４３ａ，４３ｂを設けることで、接続材７５，７６がはみ出した場合に、接続材７５，７６が半導体チップ１０，２０や接合材７１〜７４に接触することを抑制できる。また、接続材７５，７６が凹部３３ａ、３３ｂ、４３ａ、４３ｂの側面に這い上がり、フィレットを形成することで、接続強度を向上し、接続材供給量のばらつきを吸収することができる。
【００５９】
この他、各部の位置関係等の条件に応じて他の実施形態として図１８に示す半導体モジュール３Ｂのように接合面３１，４１に加えて外側の側面にも凹部３３ｃ，３３ｄ，４３ｃ，４３ｄを形成してもよい。また、他の実施形態として図１９に示す半導体モジュール３Ｃのように、エミッタ板３０あるいはコレクタ板４０の一方のみに凹部４３ｂを形成してもよい。
【００６０】
［第４実施形態］
以下、第４実施形態に係る半導体モジュール４について、図２０を参照して説明する。半導体モジュール４は、絶縁層８０の表面に金属膜１２１，１２２，１２３が形成されている。なお、絶縁層８０の両面に金属膜１２１，１２２，１２３を設けた点以外については上記第１実施形態に係る半導体モジュール１と同様であるため、共通する符号を付して説明を省略する。
【００６１】
本実施形態に係る半導体モジュール４によれば、金属膜１２１〜１２３を形成することで、絶縁層８０と接続材７５，７６と接続強度を向上できる。また、接続材７５，７６にはんだを、接合部１０２にはんだを用いた場合に、はんだと金属膜１２１〜１２３の金属接合を可能にし、高接合強度で熱抵抗の小さい半導体モジュールを形成できる。また、インバータ装置との接合強度が高く、熱抵抗の小さい接合を実現できる。
【００６２】
［第５実施形態］
以下、第５実施形態に係る半導体モジュール５について、図２１及び図２２を参照して説明する。なお、本実施形態に係る半導体モジュール５は、１つのモジュール内に、２組のスイッチング素子と、還流ダイオードを搭載したいわゆる２ｉｎ１モジュール構造としたが、この他の特徴については上記第１実施形態に係る半導体モジュール１と同様であるため、共通する符号を付して説明を省略する。
【００６３】
図２１は半導体モジュール５の断面図、図２２は半導体モジュール５の半導体チップ１０、２０、エミッタ板３０、コレクタ板４０、リードフレーム６０、中間板１５０の積層状態を示す下面図である。半導体モジュール５は、半導体チップ１０，２０をそれぞれ２つずつ備え、銅材からなる中間板１５０を介して積層している。図２２に示すように、一組の半導体チップ１０，２０が並列して搭載され、中間板１５０を介して、もう一組の半導体チップ２０，１０が並列して搭載されている。一方の組のスイッチング素子１０の上に他方の組の還流ダイオード２０を積層し、一方の組の還流ダイオード２０の上に他方の組のスイッチング素子１０を配置するように交互に配置している。
【００６４】
製造工程としては、コレクタ板４０の上に半導体チップ１０、スペーサ７０を配置し、この上に中間板１５０を配置し、中間板１５０の上に、さらに半導体チップ２０、スペーサ１５２、エミッタ板３０を配置し、上記部材間をはんだ等の接合材７１〜７４、７７，７８で接合する。なお、ここでは一例として中間板１５０と電力端子６７を一体に有するリードフレーム６０と、電力端子６６を有する別のリードフレームとの２つを用いたが、これに限られるものではない。例えば電力端子６７の端部を電力端子６６と同位置に揃え、中間板１５０を有するリードフレーム６０と、電力端子６６，６７を一体に有する別のリードフレームとの２つを用いることも可能である。また、電力端子６６，６７、中間板１５０を一体のリードフレームとして構成することも可能である。
【００６５】
この他の構造及び製造工程は上記第１実施形態の半導体モジュール１と同様である。
【００６６】
本実施形態によれば、１つの半導体モジュール５内に、２組のスイッチング素子１０と、還流ダイオード２０を搭載でき、図１の１ｉｎ１モジュールを２個並列配置する構造と比較し、搭載面積および体積を小さくできる。
【００６７】
また、スイッチング素子１０の上に還流ダイオード２０を、還流ダイオード２０の上にスイッチング素子１０を配置することで、発熱の大きいスイッチング素子の位置が分散されることで、モールド内部の温度分布がモールド中心に対して同心円状に分布することで放熱効率を向上できる。
【００６８】
なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６９】
１、２Ａ、２Ｂ．２Ｃ、３Ａ，３Ｂ，３Ｃ、４，５…半導体モジュール、１０…半導体チップ（スイッチング素子），１０ａ，１０ｂ…主面，１１…エミッタ電極、１２…制御電極、１３…コレクタ電極、２０…半導体チップ（還流ダイオード）、２０ａ，２０ｂ…主面、２１…正電極、２２…負電極、３０…エミッタ板、３１…エミッタ接合面、３２…エミッタ伝熱面、３３ａ〜３３ｄ…凹部、４０…コレクタ板、４１…接合面、４２…コレクタ伝熱面、４３ａ〜４３ｄ…凹部、６０…リードフレーム、６１…接続端子、６２…接続部、６３…接続部、６４…結合部、６６…電力端子、６７…電力端子、６９…ワイヤ、７０…スペーサ、７１〜７４…接合材、７５．７６…接続材、８０…絶縁層、８１．８２…絶縁部、９０…モールド樹脂、１００…半導体装置、１０１…冷却板、１０２…接合部、１１０…インバータ装置、１１０…インバータ、１２１〜１２３…金属膜、１５０…中間板、Ｓ…積層体。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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