(57)【要約】【課題】安全性が高く、大電流出力が可能な半導体ユニットを提供すること。【解決手段】半導体ユニットは、絶縁樹脂製のケース内に設けられ、第１電極板、第２電極板、半導体チップの積層構造を封止する樹脂と、ケースと積層構造との間における少なくともチップ配置領域に対向する位置で樹脂中に埋め込まれ、ケースよりも破断応力が大きい材料からなる補強板と、を備えている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁樹脂製のケースと、
前記ケース内に配置された第１電極板と、
前記ケース内で前記第１電極板に対向配置された第２電極板と、
前記第１電極板と前記第２電極板との間のチップ配置領域に配置され、前記第１電極板と前記第２電極板に接合された少なくとも１つの半導体チップと、
前記ケース内に設けられ、前記第１電極板、前記第２電極板、および前記半導体チップの積層構造を封止する樹脂と、
前記ケースと前記積層構造との間における少なくとも前記チップ配置領域に対向する位置で前記樹脂中に埋め込まれ、前記ケースよりも破断応力が大きい材料からなる補強板と、
を備えた半導体ユニット。
【請求項２】
前記補強板は、前記ケースよりも靱性が高い材料からなる請求項１記載の半導体ユニット。
【請求項３】
前記補強板は、金属材料からなる請求項２記載の半導体ユニット。
【請求項４】
前記ケースは、前記積層構造の周囲に配置された３つの側面部と１つの開放部とを有し、
前記補強板は、前記３つの側面部に沿って前記３つの側面部に対向して配置され、前記開放部と前記積層構造との間には配置されていない請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体ユニット。
【請求項５】
前記第１電極板における前記半導体チップとの接合面の反対側の面、および前記第２電極板における前記半導体チップとの接合面の反対側の面の少なくとも一部は、前記補強板、前記樹脂、および前記ケースで覆われずに、前記ケースの外部に露出している請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体ユニット。
【請求項６】
前記補強板に穴が形成され、前記穴の中に前記樹脂が入っている請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体ユニット。
【請求項７】
前記補強板は、
前記積層構造の積層方向に沿って延びる板状部と、
前記板状部の厚さ方向に突出した凸部と、
を有する請求項１〜６のいずれか１つに記載の半導体ユニット。
【請求項８】
前記補強板は、
前記積層構造の積層方向に沿って延びる板状部と、
前記板状部の厚さ方向に突出した複数の凸部と、
前記複数の凸部の間に設けられた凹部と、
を有する請求項１〜６のいずれか１つに記載の半導体ユニット。
【請求項９】
前記補強板の表面粗さは、前記第１電極板または第２電極板の表面粗さよりも大きく、前記補強板の表面に微細凹凸が形成されている請求項１〜８のいずれか１つに記載の半導体ユニット。
【請求項１０】
前記補強板の表面の少なくとも一部は、前記樹脂とは異なる樹脂材料のコーティング材で覆われている請求項１〜９のいずれか１つに記載の半導体ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、パワー半導体素子を搭載した半導体ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
数キロボルト（ｋＶ）の高電圧や、数キロアンペア（ｋＡ）の大電流を取り扱う半導体装置では、動作時の温度上昇を極力抑制することが求められ、スイッチング素子を多数並列接続して動作させる場合がある。
【０００３】
並列に接続された複数のスイッチング素子を単一のパッケージに搭載した半導体モジュールがある。このような半導体モジュールでは、低熱抵抗を実現するとともに、高い安全性の確保が求められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３２５８２００号公報
【特許文献２】特許第４３８５３２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の実施形態は、安全性が高く、大電流出力が可能な半導体ユニットを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態によれば、半導体ユニットは、絶縁樹脂製のケースと、前記ケース内に配置された第１電極板と、前記ケース内で前記第１電極板に対向配置された第２電極板と、前記第１電極板と前記第２電極板との間のチップ配置領域に配置され、前記第１電極板と前記第２電極板に接合された少なくとも１つの半導体チップと、前記ケース内に設けられ、前記第１電極板、前記第２電極板、および前記半導体チップの積層構造を封止する樹脂と、前記ケースと前記積層構造との間における少なくとも前記チップ配置領域に対向する位置で前記樹脂中に埋め込まれ、前記ケースよりも破断応力が大きい材料からなる補強板と、を備えている。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施形態のパワー半導体モジュールの正面断面図。
【図２】第１実施形態の半導体ユニットの斜視図。
【図３】第１実施形態の半導体ユニットの内部の上面図。
【図４】図３（ａ）におけるＡ−Ａ断面図。
【図５】第２実施形態の半導体ユニットの正面断面図。
【図６】第２実施形態の補強板の斜視図。
【図７】第３実施形態の半導体ユニットの正面断面図。
【図８】第４実施形態の半導体ユニットの正面断面図。
【図９】第５実施形態の補強板の斜視図。
【図１０】比較例の半導体ユニットの正面断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を参照し、実施形態について説明する。なお、各図面中、同じ要素には同じ符号を付している。
【０００９】
図１は、実施形態のパワー半導体モジュール１００の正面断面図である。
【００１０】
パワー半導体モジュール１００は、例えばアルミニウムからなる２つの冷却器８１、８２の間に配置された複数の半導体ユニット（またはサブモジュール）１０ａを有する。
【００１１】
冷却器８２は、半導体ユニット１０ａの第１電極板２と接合され、第１電極板２と電気的に接続されている。冷却器８１は、半導体ユニット１０ａの第２電極板３と接合され、第１電極板３と電気的に接続されている。冷却器８１、８２は、放熱体および電極として機能する。
【００１２】
冷却器８２における半導体ユニット１０ａとの接合面の反対側にはカバー８４が取り付けられている。冷却器８１における半導体ユニット１０ａとの接合面の反対側にはカバー８３が取り付けられている。
【００１３】
（第１実施形態）
図２は、第１実施形態の半導体ユニット１０ａの斜視図である。  
図３は、第１実施形態の半導体ユニット１０ａの内部の上面図である。  
図４は、図３におけるＡ−Ａ断面図である。なお、図３は、図４における第２電極板３よりも下の要素の平面レイアウトの一例を表す。
【００１４】
半導体ユニット１０ａは、絶縁樹脂製のケース１１と、そのケース１１内で互いに対向配置された第１電極板２および第２電極板３と、少なくとも１つの半導体チップ１とを有する。
【００１５】
第１実施形態によれば、例えば２つの半導体チップ１が、第１電極板２と第２電極板３との間のチップ配置領域に配置され、それら半導体チップ１は第１電極板２と第２電極板３に接合されている。
【００１６】
半導体チップ１は、例えば電力変換に用いられるパワー半導体素子を含む。そのようなパワー半導体素子は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）等の制御電極を有するスイッチング素子、または、ＦＲＤ（Fast Recovery Diode）等のダイオードである。１つの半導体ユニット１０ａ内に、スイッチング素子のチップとダイオードのチップとが混在していてもよい。
【００１７】
半導体チップ１の一方の面（裏面）には、例えば、コレクタ電極、ドレイン電極、アノード電極として機能する第１主電極が形成されている。第１主電極は、図示しない接合材によって第１電極板２に接合され、第１電極板２と電気的に接続されている。
【００１８】
半導体チップ１において、図３に示す他方の面（表面）には、例えば、エミッタ電極、ソース電極、カソード電極として機能する第２主電極４が形成されている。第２主電極４は、図示しない接合材によって第２電極板３に接合され、第２電極板３と電気的に接続されている。
【００１９】
図４に示すように、第２電極板３は、板状部３ａと、複数の凸部３ｂとを有する。複数の凸部３ｂは、板状部３ａの一方の面に、板状部３ａと一体に、もしくは電気的に接続されて設けられている。半導体チップ１の第２主電極４は、凸部３ｂに接合されている。
【００２０】
半導体チップ１がＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴのようにゲート電極を有する素子の場合、図３に示すように、ゲート電極と接続されたゲートパッド５が、半導体チップ１における第２主電極４が形成された表面に形成されている。ゲートパッド５は、図示しない接合材によって、ゲートコネクタ（または信号端子）６と接続されている。
【００２１】
第１電極板２、第２電極板３、およびゲートコネクタ６は、例えば、銅またはアルミニウムを主成分として含む金属材料からなる。
【００２２】
ケース１１は、図２に示すように、略直方体の箱状に形成されている。そのケース１１内に、第１電極板２、第２電極板３、および半導体チップ１の積層構造が収容されている。ケース１１は、上記積層構造の周囲に配置された３つの側面部１２と１つの開放部１１ａとを有する。さらにケース１１の上面に、図２に示すように開口部１１ｂが形成されている。ケース１１の下面にも開口部１１ｃ（図１に示す）が形成されている。
【００２３】
ケース１１内には、第１電極板２、第２電極板３、および半導体チップ１の積層構造を封止する樹脂１８が充填されている。樹脂１８は、半導体チップ１を覆って保護している。さらに、樹脂１８は、半導体チップ１と第１電極板２との接合部、半導体チップ１と第２電極板３との接合部、およびゲートパッド５とゲートコネクタ６との接合部を覆って保護している。樹脂１８は、例えば熱硬化性樹脂である。
【００２４】
ゲートコネクタ６は、図２、３に示すように、ケース１１の開放部１１ａからケース１１の外に突き出ている。
【００２５】
ケース１１内における、第１電極板２、第２電極板３、および半導体チップ１を含む積層構造の周囲に補強板２０が配置されている。補強板２０は、ケース１１の側面部１２と積層構造の側面との間の位置で樹脂１８中に埋め込まれている。樹脂１８は、補強板２０を覆っている。
【００２６】
補強板２０は、半導体チップ１の配置面に直交する面内に配置されている。図４に示す例では、補強板２０は、第１電極板２の下端から第２電極板３の上端までをカバーするように積層構造の積層方向に延びている。なお、補強板２０は、積層構造の周囲における少なくともチップ配置領域（第１電極板２と第２電極板３との間の領域）に対向するように配置されていればよい。
【００２７】
図３の例では、補強板２０は、ケース１１の３つの側面部１２に沿って連続して、それら３つの側面部１２に対向して配置されているが、補強板２０の各面は各々分離していても構わない。ケース１１の開放部１１ａと積層構造との間には、補強板２０は配置されていない。
【００２８】
第２電極板３における半導体チップ１との接合面の反対側の面（上面）の少なくとも一部は、補強板２０、樹脂１８、およびケース１１で覆われずに、図１に示すように、ケース１１の上面に形成された開口部１１ｂを通じてケース１１の外部に露出している。その第２電極板３の上面の露出部に、冷却器８１が図示しない接合材によって接合されている。
【００２９】
第１電極板２における半導体チップ１との接合面の反対側の面（下面）の少なくとも一部は、補強板２０、樹脂１８、およびケース１１で覆われずに、図１に示すように、ケース１１の下面に形成された開口部１１ｃを通じてケース１１の外部に露出している。その第１電極板２の下面の露出部に、冷却器８２が図示しない接合材によって接合されている。
【００３０】
なお、本実施形態においては、半導体ユニット１０ａ〜１０ｄの上下両面に開口部１１ｂ、１１ｃを形成し、電気導通経路となる冷却器８１、８２を両面の露出面に接合する例を示したが、必ずしも両面に冷却器８１、８２を接合することは必要ではなく、片面のみに冷却器を接合する構成、もしくは、冷却器を接合しない構成としてもよい。その場合、冷却器を接合しない側の開口部１１ｂ、１１ｃを形成する必要はない。ただし、冷却器を接合しない側には、開放部１１ａを通して半導体ユニット１０ａ〜１０ｄの外部と接続される電気導通経路を設ける。
【００３１】
絶縁樹脂製のケース１１の材料には、要求される耐電圧の確保に適した材料が用いられる。補強板２０は、ケース１１よりも破断応力が大きい材料からなる。ここで、破断応力は、材料破断時の引張荷重を、材料の断面積（初期断面積または破断時の断面積）で割った値を表す。補強板２０は、そのような条件を満たす例えば金属材料またはセラミック材料からなる。
【００３２】
さらに具体的には、補強板２０の材料は、ケース１１よりも靱性が高い材料が望ましい。靱性が高いとは、材料の強さ（引張強さ）と延性が共に大きいことを意味し、補強板２０は例えば金属材料からなる。例えば、補強板２０は、鉄、ステンレス鋼、またはアルミニウムを主成分として含む。
【００３３】
図１０は、比較例の半導体ユニット１０ｅの正面断面図である。  
この比較例の半導体ユニット１０ｅは、補強板を備えていない点で本実施形態と異なる。
【００３４】
何らかの要因により半導体チップ１が短絡故障を起こし、半導体チップ１に大電流が流れた場合には、半導体チップ１がジュール熱によって高温になり、半導体チップ１の一部（例えばシリコン）が気化する。
【００３５】
半導体チップ１の気化は、体積膨張による内圧上昇をまねき、第１電極板２と第２電極板３を互いに分離させる方向（図１０において太線矢印で表す方向）に荷重を発生させる。
【００３６】
その際、半導体チップ１を封止している樹脂１８における半導体チップ１近傍に局所的な応力が生じ、その応力が樹脂１８の強度を超えると、樹脂１８が破断する。樹脂１８は一般に脆性材料であるため、破断箇所から亀裂が発生、伸展する。
【００３７】
すなわち、図１０において破線に示すような面で亀裂が伸展する。その亀裂は、半導体チップ１の配置位置を境にして、第１電極板２と第２電極板６を分離し、かつ樹脂１８を分割させ得る。
【００３８】
そのときに樹脂１８に生じた亀裂先端がケース１１の側面部１２に到達すると、ケース１１における亀裂到達部位近傍において応力集中が起こり、その応力がケース１１の強度を上回る場合には、ケース１１も破断し、最終的に半導体ユニット１０ｅが第１電極板２と第２電極板３の位置を保持できなくなり、半導体ユニット１０ｅが破裂してしまう。
【００３９】
実施形態の半導体ユニット１０ａにおいても、半導体チップ１の気化による内圧上昇により、樹脂１８に、図４において破線で示すような亀裂が発生し得る。しかし、実施形態によれば、その亀裂のケース１１への進展を遮る位置に補強板２０を配置している。したがって、亀裂先端は、ケース１１には到達せずに、補強板２０に到達し、補強板２０に荷重を作用させる。
【００４０】
補強板２０は、ケース１１よりも靱性が高い、すなわち高い延性を有する金属材料で構成されている。そのため、荷重を受けた補強板２０は、亀裂到達部を起点に図４において上下に延びるように変形する。補強板２０は、その延性特性によって、破断せずに柔軟に変形する。これにより、補強板２０の亀裂到達面とは反対側に位置する樹脂１８およびケース１１には、亀裂到達による局所応力が発生しない。
【００４１】
したがって、実施形態によれば、補強板２０を樹脂１８内部に配置することによって、より大きな荷重まで破裂しない半導体ユニット１０ａを構築することができる。
【００４２】
補強板２０としては、金属材料に限らず、ケース１１よりも破断応力が大きいセラミック材料を用いることもできる。そのようなセラミック材料の補強板２０に、樹脂１８に発生した亀裂先端が到達しても、補強板２０はケース１１より高強度で破断しにくいため、自身の破断を抑止しつつ、亀裂のケース１１への到達を阻止してケース１１を保護する機能を果たすことができる。
【００４３】
なお、補強板２０はケース１１の側面部１２に接していてもよい。ケース１１は、例えば延性特性を有する補強板２０における前述した延びに追従して補強板２０と共に延びないように、ケース１１に対して強固に固定されていなければよい。補強板２０がケース１１の側面部１２に接していても、その側面部１２に対して補強板２０がすべりつつ変形可能であればよい。
【００４４】
以下、他の実施形態について説明する。第１実施形態と異なる箇所を中心に説明し、第１実施形態と共通の要素は同じ符号を付し、その説明を省略する場合もある。
【００４５】
（第２実施形態）
図５は、第２実施形態の半導体ユニット１０ｂの正面断面図である。  
図６は、第２実施形態の補強板２０の斜視図である。
【００４６】
第２実施形態の半導体ユニット１０ｂの補強板２０には、図６に示すように、複数の穴３１が形成されている。穴３１は、補強板２０の厚み方向を貫通している。または、穴３１は、補強板２０を貫通していないくぼみ状でもよい。
【００４７】
図５に示すように、第１実施形態と同様、補強板２０はケース１１内で樹脂１８中に埋め込まれ、穴３１の中にも樹脂１８が入り込んでいる。
【００４８】
図５において破線で示す亀裂が補強板２０に到達し、さらに荷重が作用した場合に、補強板２０と樹脂１８との境界面にはせん断荷重が作用する。このせん断荷重が補強板２０と樹脂１８との接着強度を上回ると、補強板２０と樹脂１８とが剥離し、補強板２０に十分な荷重が作用しなくなり、補強板２０の前述した変形による荷重緩和効果を得られなくなる可能性がある。
【００４９】
第２実施形態によれば、補強板２０に穴３１をあけ、樹脂１８を穴３１の内部まで埋め込むことによって、補強板２０と樹脂１８との間でアンカー効果が生まれ、より大きなせん断荷重に対して、補強板２０が樹脂１８と剥離せずに一体となって変形することが可能となる。そのため、より大きな荷重を補強板２０で受けることが可能となる。
【００５０】
（第３実施形態）
図７は、第３実施形態の半導体ユニット１０ｃの正面断面図である。
【００５１】
第３実施形態の半導体ユニット１０ｃの補強板２０は、第１電極板２、第２電極板３、および半導体チップ１の積層構造の積層方向に沿って延びる板状部３８と、その板状部３８の厚さ方向に突出した凸部（または折曲部）３２とを有する。
【００５２】
凸部３２は、板状部３８の上記積層方向の両端で、ケース１１の側面部１２に向かう方向の反対方向に突出している。
【００５３】
このような凸部３２を補強板２０に設けることで、亀裂が補強板２０に到達し、さらに荷重が作用して補強板２０と樹脂１８との境界面にせん断荷重が作用した場合でも、凸部３２が樹脂１８に食い込んでいるため、前述の第２実施形態と同様にアンカー効果が生まれ、より大きなせん断荷重に対して、補強板２０が樹脂１８と剥離せずに一体となって変形することができる。
【００５４】
また、亀裂先端が補強板２０に到達した後、亀裂の伸展方向が変わり、補強板２０の表面に沿って伸展していった場合に、その亀裂が補強板２０の端部に設けられた凸部３２に到達し、ケース１１に向かって伸展しにくくなる。結果として、より大きな荷重まで半導体ユニット１０ｃの破裂を防ぐことが可能となる。
【００５５】
（第４実施形態）
図８は、第４実施形態の半導体ユニット１０ｄの正面断面図である。
【００５６】
第４実施形態の半導体ユニット１０ｄの補強板２０は、積層構造の積層方向に沿って延びる板状部３８と、板状部３８の厚さ方向に突出した複数の凸部３３と、複数の凸部３３の間に設けられた凹部３４とを有する。板状部３８におけるケース１１の側面部１２に対向する面の反対側の面に凹凸が形成されている。凸部３３と凹部３４が、積層構造の積層方向に沿って交互に繰り返されている。
【００５７】
このように、補強板２０の表面に凹凸があることによって、亀裂が補強板２０に到達し、さらに荷重が作用して補強板２０と樹脂１８との境界面にせん断荷重が作用した場合でも、凹凸が樹脂１８に食い込んでいるため、前述の第３実施形態と同様にアンカー効果が生まれ、より大きなせん断荷重に対して、補強板２０が樹脂１８と剥離せずに一体となって変形することができる。
【００５８】
また、亀裂先端が補強板２０に到達した後、補強板２０の表面に沿って亀裂が伸展しても、補強板２０の表面の凹凸によって亀裂伸展距離が長くなり、結果として、より大きな荷重まで半導体ユニット１０ｄの破裂を防ぐことが可能となる。
【００５９】
なお、凹凸は、板状部３８におけるケース１１の側面部１２に対向する面に設けてもよい。さらに、板状部３８の両面に凹凸を設けてもよい。いずれの場合においても、補強板２０の表面の凹凸が、補強板２０と樹脂１８との間にアンカー効果を生む。
【００６０】
（第５実施形態）
図９は、第５実施形態の補強板２０の斜視図である。
【００６１】
第５実施形態によれば、補強板２０の表面に例えばサンドブラスト等の加工を施し、補強板２０の表面を粗面化している。補強板２０の表面粗さは、電極板２、３の表面粗さよりも大きく、補強板２０の表面には微細凹凸３５が形成されている。
【００６２】
このような粗面化は、補強板２０と樹脂１８との間の接着強度を上げ、前述の実施形態と同様にアンカー効果が生まれ、より大きな荷重まで半導体ユニットの破裂を防ぐことが可能となる。
【００６３】
また、補強板２０の表面処理の他例として、粗面化ではなく、補強板２０の表面を、補強板２０を構成する材料（金属）よりも樹脂１８との親和性が高い薬剤によってコーティングすることでも、同様のアンカー効果を生むことができる。すなわち、補強板２０の表面の少なくとも一部は、樹脂１８とは異なる樹脂材料のコーティング材で覆われている。
【００６４】
粗面化やコーティング材などの表面処理は、上記すべての実施形態の補強板２０に対して適用できる。また、図７や図８に示す補強板２０に対して、図６に示すような穴３１を形成してもよい。
【００６５】
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】
【００６６】
１…半導体チップ、２…第１電極板、３…第２電極板、１０ａ〜１０ｄ…半導体ユニット、１１…ケース、１８…樹脂、２０…補強板、３２，３３…凸部、３４…凹部、１００…パワー半導体モジュール
【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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