(57)【要約】  簡素な構造でケース及びベース板を接合し、かつ絶縁耐量を高めることが可能な半導体モジュールを提供することを目的とする。半導体モジュールは、ベース板１と、ベース板１の外周部よりも内側でベース板１上方に配設された半導体チップ２と、ベース板１の外周部と接着剤６によって接合され、半導体チップ２を収容するケース３とを備える。ベース板１の上面のうち平面視でケース３の内壁３ａと半導体チップ２との間の部分に、凹部または凸部が配設されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース板と、
前記ベース板の外周部よりも内側で前記ベース板上方に配設された半導体チップと、
前記ベース板の前記外周部と接着剤によって接合され、前記半導体チップを収容するケースと
を備え、
前記ベース板の上面のうち平面視で前記ケースの内壁と前記半導体チップとの間の部分に、凹部または凸部が配設された、半導体モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体モジュールであって、
前記凹部として、平面視で前記ケースの前記内壁に沿って延在する溝が前記ベース板の上面に配設された、半導体モジュール。
【請求項３】
請求項２に記載の半導体モジュールであって、
前記半導体チップと前記ベース板との間に配設された絶縁基板をさらに備え、
平面視で前記溝の幅方向の一端は前記ケースの前記内壁の近傍に位置し、平面視で前記溝の幅方向の他端は前記絶縁基板及び前記ベース板の接合部分外であって当該接合部分の近傍に位置する、半導体モジュール。
【請求項４】
請求項２に記載の半導体モジュールであって、
互いに隣り合う第１及び第２の前記半導体チップと、一の前記ベース板との間にそれぞれ配設された第１及び第２の絶縁基板をさらに備え、
前記ベース板の上面のうち、前記第１の絶縁基板及び前記ベース板の接合部分と、前記第２の絶縁基板及び前記ベース板の接合部分と、の間の部分にも前記溝が配設された、半導体モジュール。
【請求項５】
請求項１に記載の半導体モジュールであって、
前記凸部として、レジストが前記ベース板の上面に配設された、半導体モジュール。
【請求項６】
請求項１から請求項５のうちのいずれか１項に記載の半導体モジュールであって、
前記ケースの下部には、前記ベース板の前記外周部の上部と係合可能な切欠きが設けられ、
前記接着剤は、前記ケースの切欠きと、前記ベース板の前記上部との間に設けられた、半導体モジュール。
【請求項７】
請求項１から請求項５のうちのいずれか１項に記載の半導体モジュールであって、
前記半導体チップはワイドバンドギャップ半導体からなる、半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体チップがケースに収容された半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
ケース内に封止樹脂（ゲル）が充填される従来のパワー半導体モジュールについて、様々な技術が提案されている。例えば、水分が、ケースとベース板（放熱板）との接合部及び固定部を介してケース内部に浸入することを防止するために、接着剤（シール材）を用いる構成が提案されている（例えば特許文献１）。また例えば、接着剤を用いずにケース及びベース板（放熱板）に凸部及び凹部を設け、これらを嵌合することによって、ケース及びベース板を固定する構成が提案されている（例えば特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−３２３５９３号公報
【特許文献２】特開２０１４−２３０９７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の構成では、ベース板上面のうちケースの側壁下側の部分に設けられた溝内に接着剤（シール材）が充填される。しかしながら、溝内の接着剤に気泡が残りやすく、当該気泡によりモジュールの絶縁耐量が低下する虞があった。また、特許文献２の構成では、接着剤を使用せずにケース及びベース板を凸部及び凹部によって固定するので、構造が複雑になる。しかも、凸部及び凹部の深さをある一定以上にしなければならないので、深い溝内まで封止樹脂（ゲル）が回り込めずに隙間が生じることがあった。この結果、絶縁耐量（絶縁性能）が低下することがあった。【０００５】
そこで、本発明は、上記のような問題点を鑑みてなされたものであり、簡素な構造でケース及びベース板を接合し、かつ絶縁耐量を高めることが可能な半導体モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る半導体モジュールは、ベース板と、前記ベース板の外周部よりも内側で前記ベース板上方に配設された半導体チップと、前記ベース板の前記外周部と接着剤によって接合され、前記半導体チップを収容するケースとを備え、前記ベース板の上面のうち平面視で前記ケースの内壁と前記半導体チップとの間の部分に、凹部または凸部が配設されている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、ベース板の上面のうち平面視でケースの内壁と半導体チップとの間の部分に、凹部または凸部が配設されている。これにより、簡素な構造でケース及びベース板を接合することができ、かつ絶縁耐量を高めることができる。【０００８】
本発明の目的、特徴、態様及び利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態１に係る半導体モジュールの構成を示す断面図である。
【図２】関連半導体モジュールの構成を示す断面図である。
【図３】実施の形態２に係る半導体モジュールの構成を示す断面図である。
【図４】実施の形態２に係る半導体モジュールの効果を説明するための図である。
【図５】変形例に係る半導体モジュールの構成の一部を示す平面図である。
【図６】変形例に係る半導体モジュールの構成の一部を示す断面図である。
【図７】実施の形態３に係る半導体モジュールの構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、添付される図面を参照しながら実施形態について説明する。なお、図面は概略的に示されるものであり、異なる図面にそれぞれ示される構成要素の大きさと位置との相互関係は、必ずしも正確に記載されるものではなく、適宜変更され得るものである。
【００１１】
＜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（パワー半導体モジュール）の構成を示す断面図である。図１の半導体モジュールは、ベース板１と、半導体チップ２と、ケース３と、絶縁基板である絶縁セラミック基板４と、封止剤５とを備える。
【００１２】
ベース板１は、例えばＣｕ、ＡｌＳｉＣ、Ａｌ（Ｃｕは銅、Ａｌはアルミニウム、Ｓｉは珪素、Ｃは炭素）などの金属からなり、例えば放熱板として用いられる。
【００１３】
半導体チップ２は、ベース板１の外周部よりも内側でベース板１上方に配設されている。半導体チップ２は、例えば、Ｓｉから構成されてもよいし、ＳｉＣ、ＧａＮ（窒化ガリウム）などのワイドバンドギャップ半導体から構成されてもよい。半導体チップ２には、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ダイオード、ＳＢＤ（Schottky Barrier Diode）などが適用される。本実施の形態１では、半導体チップ２には、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ及びＳｉＣ−ＳＢＤが適用されているものとして説明する。
【００１４】
ケース３は、ベース板１の外周部と接着剤６によって接合されており、半導体チップ２を収容する。ケース３は、例えばＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）＋ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）からなる。接着剤６は、例えばシリコーン系またはエポキシ系の材料からなる。
【００１５】
本実施の形態１では、ケース３の下部には、ベース板１の外周部の上部（角部）と係合可能な切欠き３ｂが設けられている。そして、接着剤６は、ケース３の切欠き３ｂと、ベース板１の上部（角部）との間に設けられている。
【００１６】
絶縁セラミック基板４は、断面視で半導体チップ２とベース板１との間に配設されている。絶縁セラミック基板４の表面及び裏面には表面金属パターン４ａ及び裏面金属パターン４ｂそれぞれが設けられている。表面金属パターン４ａは半導体チップ２の下部と接続され、裏面金属パターン４ｂはベース板１とはんだ７によって接合されている。
【００１７】
封止剤５は、例えばシリコーンゲルなどの絶縁性を有する材料からなり、ケース３内部に充填される。これにより、半導体モジュールの絶縁性が担保されている。
【００１８】
ところで、ベース板１の上面のうち、平面視でケース３の内壁３ａと半導体チップ２との間の部分に、凹部が配設されている。本実施の形態１では、凹部として、平面視でケース３の内壁３ａに沿って延在する溝８がベース板１の上面に配設されている。なお、溝８内には封止剤５が充填されることが想定される。
【００１９】
次に、本実施の形態１に係る半導体モジュールの製造方法について説明する。なお、ベース板１以外の構成要素については、一般的な製造方法を適用することができるので、ここではベース板１の形成についてのみ説明する。
【００２０】
金属溶解によりベース板１を成型する場合、溝８に対応する突起を金型（鋳型）に設けることにより、溝８が配設されたベース板１を成型することができる。なお、溝８の安定性のためにエッチングによる加工を追加で行ってもよい。
【００２１】
これとは別の方法として、溝８がないベース板１の成型後に、ベース板１表面に溝８を形成する場合、溝８を形成しないベース板１表面をレジストでマスクし、ベース板１を選択的にエッチングする。これにより、溝８が配設されたベース板１を形成することができる。なお、エッチングを行わない場合には、プレスにより溝８をベース板１に成形してもよい。
【００２２】
以上のように構成された本実施の形態１に係る半導体モジュールによれば、接着剤６を用いるので、簡素な構造でケース３及びベース板１を接合することができる。また、ベース板１の上面のうちケース３の側壁下側の部分には溝が設けられていないので、固化後の接着剤６内の気泡を低減することができる。この結果、半導体モジュールの絶縁耐量を高めることができる。
【００２３】
ここで、本実施の形態１に係る半導体モジュールが有する効果についてさらに説明するために、図２に示す本実施の形態１に係る半導体モジュールと関連する半導体モジュール（以下「関連半導体モジュール」と記す）について説明する。なお、関連半導体モジュールのうち実施の形態１と同じまたは類似する構成要素については同じ参照符号を付し、異なる構成要素について主に説明する。
【００２４】
ベース板１及びケース３を接着剤６で接合する関連半導体モジュールなどでは、ベース板１またはケース３の反り（たわみ）により、接着剤６の形状がバラつくという問題がある。このような接着剤６の形状のバラつきによって、次の２点の問題が発生する。
【００２５】
１点目は、接着剤６のケース３内側のフィレット６ａにおいて、高さＨ（図２）が不十分となる場合があることに起因する問題である。フィレット６ａの高さＨが不十分である場合、その界面にギャップが生じ、当該ギャップからケース３内部の封止剤５が外部に漏れたり、ケース３外部の水が内部に浸入したりするという問題が生じる。ベース板１またはケース３の反り（たわみ）の影響を受けずに、接着剤６に、漏れ及び浸入の防止機能を持たせるためには、固化前の接着剤６のフィレット６ａが、ケース３の内壁３ａ沿って上側に十分延在することが必要である。つまり、バラつき要因でギャップが発生しないように、フィレット６ａの高さＨを充分に高くする必要がある。
【００２６】
２点目は、接着剤６のケース３内側のフィレット６ａにおいて、ダレ長さＬ（図２）が大きくなる場合があることに起因する問題である。フィレット６ａのダレ長さＬが大きくなると、接着剤６内に気泡６ｂが噛みこむリスクが高くなる。接着剤６内に噛みこんだ気泡６ｂは、高温時に接着剤６から飛び出して、封止剤５内に移動することがある。そして、その気泡が、絶縁セラミック基板４の周辺まで移動した場合には、絶縁性能が低下し、絶縁不良となるという問題が生じる。また、これとは別に、フィレット６ａのダレ長さＬが非常に大きく、接着剤６が絶縁セラミック基板４の下まで流れ込むと、絶縁セラミック基板４に発生していた応力が変化する。この結果、絶縁セラミック基板４にクラックが発生し、絶縁不良となる問題が生じる。
【００２７】
現行のモジュールでは、フィレット６ａのダレ長さＬに起因する絶縁性能の低下を防ぐために、ケース３と絶縁セラミック基板４との間に比較的大きなクリアランスを設けている。しかしながら、この結果として、関連半導体モジュールのサイズが比較的大きくなっていた。また、１点目の問題を解決するために、接着剤６の量を増やしてフィレット６ａの高さＨを高くしようとすると、フィレット６ａのダレ長さＬが大きくなり、２点目の問題が顕在化するという問題があった。
【００２８】
これに対して、本実施の形態１に係る半導体モジュールでは、ケース３とベース板１との接合時に押し出される固化前の接着剤６に関して、接着剤６のダレが、図１の溝８に起因する表面張力効果によって抑制される。これにより、フィレット６ａのダレ長さＬが抑制され、その一方で、フィレット６ａが盛り上がることになり、フィレット６ａの高さＨが高くなる。この結果、１点目の問題（封止剤５の漏れ及び水の浸入）を解決することができるとともに、２点目の問題（絶縁性能の低下）を解決することができる。さらに、ケース３と絶縁セラミック基板４との間のクリアランスの低減も期待できるので、半導体モジュールの小型化が期待できる。
【００２９】
また本実施の形態１では、接着剤６は、ケース３の切欠き３ｂと、ベース板１の上部（角部）との間に設けられている。これにより、ケース３とベース板１との間のギャップの発生を低減することができるので、封止剤５の漏れ及び水の浸入などを抑制することができる。
【００３０】
また本実施の形態１では、半導体チップ２は、ＳｉＣなどのワイドバンドギャップ半導体から構成されている。これにより、高温動作、高速動作を実現できるため、モジュール周辺の冷却器または制御回路の小型化が期待できる。このため、例えばインバータシステムなどの小型化も期待できる。
【００３１】
＜実施の形態２＞
図３は、本発明の実施の形態２に係る半導体モジュールの構成を示す断面図である。以下、本実施の形態２に係る半導体モジュールのうち、実施の形態１と同じまたは類似する構成要素については同じ参照符号を付し、異なる構成要素について主に説明する。
【００３２】
本実施の形態２では、図３に示すように、本実施の形態２では、平面視で溝８の幅方向の一端は、ケース３の内壁３ａの近傍に位置する。そして、平面視で溝８の幅方向の他端は、はんだ７外であってはんだ７の近傍に位置する。なお、はんだ７は、絶縁セラミック基板４及びベース板１の接合部分である。
【００３３】
図４は、絶縁セラミック基板４と溝８の底部との間の距離Ｄ（図３）と、絶縁セラミック基板４の表面金属パターン４ａの端部４ｃ（図３）に印加される電界Ｅとの関係を示す図である。なお、溝８の深さは、距離Ｄから、裏面金属パターン４ｂ及びはんだ７の厚みを除いた長さに相当する。
【００３４】
図４に示すように、距離Ｄを長くするほど、表面金属パターン４ａの端部４ｃにおける電界Ｅを緩和することができる。なお、距離Ｄは、１ｍｍ以上であることが好ましく、２ｍｍ以上であることがより好ましい。
【００３５】
以上のような本実施の形態２に係る半導体モジュールによれば、絶縁セラミック基板４（表面金属パターン４ａ）の電界を緩和することができるので、絶縁性能を高めることができる。
【００３６】
＜変形例＞
溝８と同様の溝は、ベース板１の上記部分以外の部分にも設けられてもよい。図５は、本変形例に係る半導体モジュールの構成の一部を示す平面図であり、図６は、図５のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【００３７】
本変形例では、半導体チップ２の代わりに、半導体チップ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄを備えている。半導体チップ２ａは、半導体チップ２ｂ、２ｃと隣り合い、半導体チップ２ｂは、半導体チップ２ａ，２ｄと隣り合う。半導体チップ２ｃは、半導体チップ２ａ，２ｄと隣り合い、半導体チップ２ｄは、半導体チップ２ｂ，２ｃと隣り合う。
【００３８】
ここで、第１の半導体チップ及び第２の半導体チップには、半導体チップ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄのうち互いに隣り合う任意の２つの半導体チップが適用される。以下、第１の半導体チップは半導体チップ２ｃであり、第２の半導体チップは半導体チップ２ｄであるものとして説明するが、他の組み合わせにおいても以下の説明と同様に構成されている。
【００３９】
本変形例では、絶縁セラミック基板４の代わりに、分割された絶縁セラミック基板９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄを備えている。絶縁セラミック基板９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄのそれぞれは、絶縁セラミック基板４と同様に構成されている。つまり、第１の絶縁基板である絶縁セラミック基板９ｃは、第１の半導体チップである半導体チップ２ｃと一のベース板１との間に配設されており、第２の絶縁基板である絶縁セラミック基板９ｄは、第２の半導体チップである半導体チップ２ｄと一のベース板１との間に配設されている。同様に、絶縁セラミック基板９ａ，９ｂは、半導体チップ２ａ，２ｂと一のベース板１との間にそれぞれ配設されている。
【００４０】
本変形例では、図５及び図６に示すように、ベース板１の上面のうち、はんだ９ｃとはんだ９ｄとの間の部分にも溝８が設けられている。ここで、はんだ９ｃは、絶縁セラミック基板（第１の絶縁基板）９ｃ及びベース板１の接合部分であり、はんだ９ｄは、絶縁セラミック基板（第２の絶縁基板）９ｄ及びベース板１の接合部分である。
【００４１】
以上のような本変形例に係る半導体モジュールによれば、実施の形態２と同様に、絶縁性能を高めることができる。
【００４２】
＜実施の形態３＞
図７は、本発明の実施の形態３に係る半導体モジュールの構成を示す断面図である。以下、本実施の形態３に係る半導体モジュールのうち、実施の形態１と同じまたは類似する構成要素については同じ参照符号を付し、異なる構成要素について主に説明する。
【００４３】
ベース板１の上面のうち、平面視でケース３の内壁３ａと半導体チップ２との間の部分に、凸部が配設されている。本実施の形態３では、凸部として、レジスト１０がベース板１の上面に配設されている。なお、レジスト１０は、実施の形態１で説明した溝８と同様に、平面視でケース３の内壁３ａに沿って延在してもよい。なお、レジスト１０の高さは、フィレット６ａの先端部分の高さよりも十分に高いことが好ましい。
【００４４】
以上のような本実施の形態３に係る半導体モジュールによれば、接着剤６を用いるので、簡素な構造でケース３及びベース板１を接合することができる。また、ベース板１の上面のうちケース３の側壁下側の部分には溝が設けられていないので、固化後の接着剤６内の気泡を低減することができる。この結果、半導体モジュールの絶縁耐量を高めることができる。また、実施の形態１と同様に、接着剤６のダレが、レジスト１０によって抑制されるので、封止剤５の漏れ及び水の浸入を抑制することができるとともに、絶縁性能の低下を抑制することができる。
【００４５】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
【００４６】
本発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての態様において、例示であって、本発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、本発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。
【符号の説明】
【００４７】
１  ベース板、２，２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ  半導体チップ、３  ケース、３ａ  内壁、３ｂ  切欠き、４，９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ  絶縁セラミック基板、６  接着剤、８  溝、１０  レジスト。
【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】
2017094189.tif 000008
【図７】
2017094189.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成28年4月26日(2016.4.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース板と、
前記ベース板の外周部よりも内側で前記ベース板上方に配設された半導体チップと、
前記ベース板の前記外周部と接着剤によって接合され、前記半導体チップを収容するケースと
を備え、
前記ベース板の上面のうち平面視で前記ケースの内壁と前記半導体チップとの間の部分に、凹部または凸部が配設され、
前記接着剤は、前記ケースの前記内壁と前記凹部または前記凸部との間においてフィレット形状を有する、半導体モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体モジュールであって、
前記凹部として、平面視で前記ケースの前記内壁に沿って延在する溝が前記ベース板の上面に配設された、半導体モジュール。
【請求項３】
請求項２に記載の半導体モジュールであって、
前記半導体チップと前記ベース板との間に配設された絶縁基板をさらに備え、
平面視で前記溝の幅方向の一端は前記ケースの前記内壁の近傍に位置し、平面視で前記溝の幅方向の他端は前記絶縁基板及び前記ベース板の接合部分外であって当該接合部分の近傍に位置する、半導体モジュール。
【請求項４】
請求項２に記載の半導体モジュールであって、
互いに隣り合う第１及び第２の前記半導体チップと、一の前記ベース板との間にそれぞれ配設された第１及び第２の絶縁基板をさらに備え、
前記ベース板の上面のうち、前記第１の絶縁基板及び前記ベース板の接合部分と、前記第２の絶縁基板及び前記ベース板の接合部分と、の間の部分にも前記溝が配設された、半導体モジュール。
【請求項５】
請求項１に記載の半導体モジュールであって、
前記凸部として、レジストが前記ベース板の上面に配設された、半導体モジュール。
【請求項６】
請求項１から請求項５のうちのいずれか１項に記載の半導体モジュールであって、
前記ケースの下部には、前記ベース板の前記外周部の上部と係合可能な切欠きが設けられ、
前記接着剤は、前記ケースの切欠きと、前記ベース板の前記上部との間に設けられた、半導体モジュール。
【請求項７】
請求項１から請求項５のうちのいずれか１項に記載の半導体モジュールであって、
前記半導体チップはワイドバンドギャップ半導体からなる、半導体モジュール。
【国際調査報告】
2017094189.tif 000010
2017094189.tif 000011
2017094189.tif 000012
2017094189.tif 000013