(57)【要約】【課題】パワーデバイス直下における電流密度および配線温度の上昇を抑制し、パワーモジュールの電流容量を大きくする。【解決手段】第１導電層（３）における複数の分離された１次配線、および２次配線間にパワーデバイス（１）の１次側電極、および２次側電極が跨いで配置され、第２導電層（４）は、複数の分離された前記１次配線、および前記２次配線を備え、第１絶縁層（５）には、前記１次配線と前記２次配線との間で、かつパワーデバイス（１）の直下の領域に、絶縁部が配置されており、第２導電層（４）における前記１次配線と前記２次配線との間で、かつパワーデバイス（１）の直下の領域に、層内絶縁部（１０ａ）が配置されており、パワーデバイス（１）の前記１次側電極、および前記２次側電極それぞれの電極直下の前記第１絶縁層（５）には、第１導電層（３）と第２導電層（４）との前記１次配線と前記２次配線とをそれぞれ接続するビア（７）が配置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも導電性を有する第１導電層と、絶縁性を有する第１絶縁層と、導電性を有する第２導電層とが、この順で積層される積層基板を含むパワーモジュールであって、
前記第１導電層における複数の分離された１次配線、および２次配線間にパワーデバイスの１次側電極、および２次側電極が跨いで配置され、
前記第２導電層は、複数の分離された前記１次配線、および前記２次配線を備え、
前記第１絶縁層には、前記１次配線と前記２次配線との間で、かつ前記パワーデバイスの直下の領域に、絶縁部が配置されており、
前記第２導電層における前記１次配線と前記２次配線との間で、かつ前記パワーデバイスの直下の領域に、層内絶縁部が配置されており、
前記パワーデバイスの前記１次側電極、および前記２次側電極それぞれの電極直下の前記第１絶縁層には、前記第１導電層と前記第２導電層との前記１次配線と前記２次配線とをそれぞれ接続するビアが配置されていることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項２】
前記層内絶縁部と前記第２導電層との境界と、前記第１絶縁層とが、前記第２導電層内に為す角をθとした場合、θ＜π／２の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
【請求項３】
前記積層基板は、前記第１導電層と、前記第１絶縁層と、前記第２導電層と、さらに絶縁性を有する第２絶縁層とが、この順で積層されたものであり、
前記層内絶縁部と前記第２導電層との境界と、前記第１絶縁層とが、前記第２導電層内に為す角をθ１とし、前記層内絶縁部と前記第２導電層との境界と、前記第２絶縁層とが、前記第２導電層内に為す角をθ２とした場合、θ１＞π／２かつθ２＞π／２を満たすことを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
【請求項４】
前記第２導電層は、前記第１導電層よりも厚いことを特徴とする請求項１から３までの何れか１項に記載のパワーモジュール。
【請求項５】
前記第２導電層の少なくとも一部には、外部と接続するための端子構造が形成されていることを特徴とする請求項１から４までの何れか１項に記載のパワーモジュール。
【請求項６】
前記パワーデバイスの電極直下の前記第１絶縁層には、前記ビアが複数配置されており、当該複数のビアは、前記第１絶縁層において、前記パワーデバイスと前記第１導電層とを接続する電極が配置される電極配置領域に形成され、前記複数のビアの一部が前記電極配置領域の端部の近傍に配置されていることを特徴とする請求項１から５までの何れか１項に記載のパワーモジュール。
【請求項７】
前記パワーデバイスの電極直下の前記第１絶縁層には、前記ビアが複数配置されており、当該複数のビアは、前記第１絶縁層において、前記パワーデバイスと前記第１導電層とを接続する電極が配置される電極配置領域と、前記電極配置領域外の領域とを含むビア形成領域に形成され、前記ビア形成領域の基板面に沿う方向の長さが、前記電極配置領域の前記基板面に沿う方向の長さの１．５倍以上であることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
【請求項８】
前記パワーデバイスの電極直下の前記第１絶縁層には、前記ビアが複数配置されており、当該複数のビアは、前記第１絶縁層における前記パワーデバイスと前記第１導電層とを接続する電極が配置される電極配置領域に形成され、直径が０．１〜０．４ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
【請求項９】
前記パワーデバイスの電極直下の前記第１絶縁層には、前記ビアが複数配置されており、
前記第１導電層の電流が流れる方向に対して垂直な断面の面積よりも前記複数のビアの基板面に沿う方向の断面の総和面積が大きいことを特徴とする請求項４から８までの何れか１項に記載のパワーモジュール。
【請求項１０】
前記第２導電層は、前記ビア形成領域の基板面に沿う方向である第１方向に延伸する第１領域と、前記第１方向と異なる第２方向に延伸し前記第１領域に隣接する第２領域を有し、
前記ビア形成領域の前記電極配置領域外の前記第２方向の長さが、前記電極配置領域の前記第１方向の長さの０．５倍以上であることを特徴とする請求項７に記載のパワーモジュール。
【請求項１１】
前記第１領域と前記第２領域との成す角をθ３とした場合、π／４＜θ３＜π／２であることを特徴とする請求項１０に記載のパワーモジュール。
【請求項１２】
少なくとも導電性を有する第１導電層と、絶縁性を有する第１絶縁層と、導電性を有する第２導電層とが、この順で積層される積層基板を含むパワーモジュールであって、
前記第１導電層における複数の分離された１次配線、および２次配線間にパワーデバイスの１次側電極、および２次側電極が跨いで配置され、
前記第２導電層は、複数の分離された前記１次配線、および前記２次配線を備え、
前記第１絶縁層には、前記１次配線と前記２次配線との間で、かつ前記パワーデバイスの直下の領域に、絶縁部が配置されており、
前記パワーデバイスの前記１次側電極、および前記２次側電極それぞれの電極直下の前記第１絶縁層には、前記第１導電層と前記第２導電層との前記１次配線と前記２次配線とをそれぞれ接続するビアが配置されていることを特徴とするパワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワーデバイスを備えたパワーモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、世界的に環境問題への取り組みが進む中で、風力・太陽光発電等の環境対応型エネルギー市場が拡大している。この市場の拡大に伴い、パワーモジュールの需要が急速に高まっている。このようなパワーモジュールにおいては、電気自動車、風力・太陽光発電装置等への搭載に対応するため、大電流化およびスイッチング速度の向上が要求される。
【０００３】
従来のパワーモジュールは、例えば、特許文献１に開示されるように、信号用の配線パターンである薄い導体層と、大電流用の厚い導体層とを備えた積層基板の構造により、大電流化およびスイッチング速度の向上を図っている。
【０００４】
ここで、一般にパワーモジュールにおいて大電流を流すためには回路のパターンを形成する導体層の厚さは厚い方が好ましい。しかしながら、導体層の厚さを厚くした場合には、ウェットエッチング上の制約により隣接パターンとの間に大きな距離を取らなければならず、回路のパターンの微細化が困難となる。
【０００５】
ここで、図１１に基づき、前記ウェットエッチング上の制約について説明する。配線には導電性の良い銅が用いられることがある。ウェットエッチングでは、図１１の（ａ）に示すように、絶縁層２０３の上に銅箔２０２を接着し、パターン形成箇所にレジスト２０１を塗布してエッチングする。
【０００６】
しかしながら、図１１の（ｂ）および（ｃ）に示すように、ウェットエッチングは等方的にエッチングされていくため、銅箔２０２の底部が完全に分離されるまでエッチングを行うと、銅箔２０２の上部の幅方向も同時にエッチングされる。このため、銅箔２０２が厚いほど、銅箔２０２の上部における回路のパターン２０４ａまたは２０４ｂ間の距離が大きくなってしまう。すなわち、導体層の厚さが厚いほど、回路のパターン間の距離が大きくなるという課題が生じる。
【０００７】
この点、例えば、特許文献２に開示された技術では、セラミックス基板にアルミニウム板を接合してエッチングした後に、銅板を接合してエッチングを行っている。そのため、１度のエッチングにより深いエッチング溝を形成する必要がなく、厚さ方向におけるエッチング溝幅の差を小さく抑えている。
【０００８】
次に、図１２に従来のパワーモジュール１０３の構造を示す。同図に示すように、パワーモジュール１０３は、導電性を有する第１導電層３、絶縁性を有する第１絶縁層５と、導電性を有する第２導電層４と、絶縁性を有する第２絶縁層６とが、この順で積層される積層基板を含んでいる。また、パワーデバイス１は、第１導電層３上にはんだ２を介してフリップチップ実装されている。第１導電層３における複数の分離された１次配線、および２次配線間にパワーデバイス１の１次側電極、および２次側電極が跨いで配置されている。また、第２導電層４は、複数の分離された１次配線、および２次配線を備えている。さらに、第２導電層４における前記１次配線と前記２次配線との間で、かつパワーデバイス１の直下の領域には、層内絶縁部１０ｃが配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１６−９２０３９号公報（２０１６年５月２３日公開）
【特許文献２】特開２０１５−７００６３号公報（２０１５年４月１３日公開）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前記の図１２に示すパワーモジュール１０３では、層内絶縁部１０ｃと第２導電層４の境界と、第１絶縁層５とが第２導電層４内に為す角をθとした場合、θ＞π／２を満たしている。このため、パワーデバイス１に電流が流入する際、電流パス５０ｃが薄い第１導電層３のみを通過する領域が存在している。これにより、パワーモジュール１０３では、パワーデバイス１における電極と第１導電層３とが接する箇所において電流が一極集中する恐れがあり、パワーデバイス１の電極直下における電流密度および配線温度が上昇し、パワーモジュール１０３に流す電流の電流容量が制限されてしまうという問題点がある。
【００１１】
本発明の一態様は、前記問題点に鑑みて為されたものであり、その目的は、パワーデバイス直下における電流密度および配線温度の上昇を抑制し、パワーモジュールの電流容量を大きくすることができるパワーモジュールを実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記の課題を解決するために、本発明の一態様に係るパワーモジュールは、少なくとも導電性を有する第１導電層と、絶縁性を有する第１絶縁層と、導電性を有する第２導電層とが、この順で積層される積層基板を含むパワーモジュールであって、前記第１導電層における複数の分離された１次配線、および２次配線間にパワーデバイスの１次側電極、および２次側電極が跨いで配置され、前記第２導電層は、複数の分離された前記１次配線、および前記２次配線を備え、前記第１絶縁層には、前記１次配線と前記２次配線との間で、かつ前記パワーデバイスの直下の領域に、絶縁部が配置されており、前記第２導電層における前記１次配線と前記２次配線との間で、かつ前記パワーデバイスの直下の領域に、層内絶縁部が配置されており、前記パワーデバイスの前記１次側電極、および前記２次側電極それぞれの電極直下の前記第１絶縁層には、前記第１導電層と前記第２導電層との前記１次配線と前記２次配線とをそれぞれ接続するビアが配置されている構成である。
【００１３】
また、前記の課題を解決するために、本発明の一態様に係るパワーモジュールは、少なくとも導電性を有する第１導電層と、絶縁性を有する第１絶縁層と、導電性を有する第２導電層とが、この順で積層される積層基板を含むパワーモジュールであって、前記第１導電層における複数の分離された１次配線、および２次配線間にパワーデバイスの１次側電極、および２次側電極が跨いで配置され、前記第２導電層は、複数の分離された前記１次配線、および前記２次配線を備え、前記第１絶縁層には、前記１次配線と前記２次配線との間で、かつ前記パワーデバイスの直下の領域に、絶縁部が配置されており、前記パワーデバイスの前記１次側電極、および前記２次側電極それぞれの電極直下の前記第１絶縁層には、前記第１導電層と前記第２導電層との前記１次配線と前記２次配線とをそれぞれ接続するビアが配置されている構成である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の一態様によれば、パワーデバイス直下における電流密度および配線温度の上昇を抑制し、パワーモジュールの電流容量を大きくすることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態１に係るパワーモジュールの断面図である。
【図２】本発明の実施形態２に係るパワーモジュールの断面図である。
【図３】本発明の実施形態３に係るパワーモジュールの斜視図である。
【図４】本発明の実施形態４に係るパワーモジュールのビア設置領域を示す上面図である。
【図５】前記パワーモジュールの、配線端からの距離と最大電流密度との関係を示すグラフである。
【図６】本発明の実施形態５に係るパワーモジュールのビア設置領域を示す上面図である。
【図７】前記パワーモジュールの、電極長さに対するビア領域外への長さの比と最大電流密度との関係を示すグラフである。
【図８】本発明の実施形態６に係るパワーモジュールのビア設置領域を示す上面図である。
【図９】前記パワーモジュールの、ビア径と最大電流密度との関係を示すグラフである。
【図１０】本発明の実施形態１に係るパワーモジュールと、比較例のパワーモジュールとにおける、電流密度シミュレーションの比較結果を示す図である。
【図１１】ウェットエッチングによる加工工程（ａ）〜（ｃ）を示す断面図である。
【図１２】従来のパワーモジュールの構造を示す断面図である。
【図１３】（ａ）は本発明の実施形態５に係るパワーモジュールの電流経路を示す平面図であり、（ｂ）は上記パワーモジュールの電流経路を示す断面図である。（ｃ）は上記パワーモジュールの変形例の電流経路を示す平面図であり、（ｄ）は上記パワーモジュールの変形例の電流経路を示す断面図である。
【図１４】（ａ）は上記パワーモジュールにおいて裏面配線およびビアを示す鳥瞰図である。（ｂ）は上記パワーモジュールにおいて裏面配線から表面配線までを示す鳥瞰図である。
【図１５】（ａ）は上記パワーモジュールにおいて裏面配線からＳＷ素子の電極までを示す鳥瞰図である。（ｂ）は上記パワーモジュールにおいて裏面配線からＳＷ素子までを示す鳥瞰図である。
【図１６】上記パワーモジュールのビアの配置を説明する平面である。
【図１７】上記パワーモジュールにおいて、電流が集中するビアを示す図である。
【図１８】（ａ）および（ｂ）は上記パワーモジュールの裏面配線の曲がり方の例を示す図である。
【図１９】前記パワーモジュールにおいて、ビアピッチがＳＷ素子の電極長の１／２の場合における、ビア拡大数と最大電流密度との関係を示すグラフである。（ａ）は角度θ３がπ／２の場合を示し、（ｂ）は角度θ３がπ／４の場合を示す。
【図２０】前記パワーモジュールにおいて、ビアピッチがＳＷ素子の電極長の１／２の場合におけるビア拡大数と最大電流密度との関係を示すグラフであり、長さ方向および幅方向のビア拡大数が同じ場合を示す。
【図２１】前記パワーモジュールにおいて、ビアピッチがＳＷ素子の電極長の１／４の場合における、ビア拡大数と最大電流密度との関係を示すグラフである。（ａ）は角度θ３がπ／２の場合を示し、（ｂ）は角度θ３がπ／４の場合を示す。
【図２２】前記パワーモジュールにおいて、ビアピッチがＳＷ素子の電極長の１／４の場合におけるビア拡大数と最大電流密度との関係を示すグラフであり、長さ方向および幅方向のビア拡大数が同じ場合を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
〔実施形態１〕
以下、本発明の一実施形態について、詳細に説明する。図１に示すように、本発明の実施形態１に係るパワーモジュール１００は、パワーデバイス１、はんだ２、第１導電層３、第２導電層４、および第１絶縁層５を備える。第１絶縁層５には、ビア内充填物８が充填されたビア７が複数、形成されている。ただし、ビア７は単数であっても良い。また、第２導電層４間で、かつパワーデバイス１の直下の領域には、層内絶縁部１０ａが配置されている。
【００１７】
（パワーデバイス１）
パワーデバイス１は、電力の変換・制御、交流電源からの直流電源への変換（整流）等を行う半導体素子である。パワーデバイス１の種類としては、ＭＯＳＦＥＴ（酸化膜半導体電界効果トランジスタ）、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）、サイリスタ等を例示することができ、その材料としてはシリコン、窒化ガリウム（ＧａＮ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、および酸化ガリウム等を例示することができるが、これらに限定されない。
【００１８】
パワーデバイス１は、第１導電層３上にはんだ２を介してフリップチップ接続などにより配置される。第１導電層３における複数の分離された１次配線、および２次配線間にパワーデバイス１の１次側電極、および２次側電極が跨いで配置されている。また、第２導電層４は、複数の分離された１次配線、および２次配線を備えている。はんだ２は、高温はんだであることが好ましい。高温はんだによれば、パワーモジュール１００が２次実装される際に、接続箇所が溶融する不具合を生じない。フリップチップ接続の接続方法としては、導電性接着剤（導電性ペースト）による接続、熱を加える圧着または超音波による接合等を採用しても良い。
【００１９】
（積層基板の構成）
第１導電層３、第１絶縁層５、および第２導電層４のそれぞれは、上部からこの順で積層されることで、積層基板を構成する。第１導電層３および第２導電層４は導電性を有する層であり、例えば、銅により形成される。第１導電層３および第２導電層４の材質は、導電性を有する材質であれば特に限定されない。具体的には、銅およびアルミニウム等が挙げられるがこれらに限定されない。
【００２０】
第１導電層３および第２導電層４のそれぞれは、同じ材質であっても良く、異なる材質であっても良い。また、例えば、第１導電層３の厚さは０．１４ｍｍ、第２導電層４の厚さは１ｍｍとして形成されるが、これらに限定されない。第２導電層４の厚さは、第１導電層３の厚さより厚く形成されることが好ましい。前記構成によれば、第１導電層３を、微細な回路構造を形成可能な薄さとしつつ、第２導電層４を厚くすることで電流容量を大きくすることができる。このため、微細な回路構造を備え、かつ、電流容量の大きいパワーモジュール１００を構成することができる。
【００２１】
第１導電層３において、パワーデバイス１の直下の領域におけるはんだ２に挟まれる位置に、エッチング等により開口部が形成される。前記構成によれば、パワーデバイス１に電流パス５０ａが効率的に流入する。前記開口部は、絶縁性のある材質で埋められていても良い。
【００２２】
第１絶縁層５には、前記１次配線と前記２次配線との間で、かつパワーデバイス１の直下の領域に、絶縁部が配置されている。
【００２３】
第１絶縁層５は、絶縁性を有する材質により形成される。具体的には、ガラスエポキシおよびポリイミドなどが挙げられるがこれらに限定されない。
【００２４】
パワーデバイス１の前記１次側電極、および前記２次側電極それぞれの電極直下の第１絶縁層５には、第１導電層３と第２導電層４との前記１次配線と前記２次配線とをそれぞれ接続するビア７が配置されている。
【００２５】
ビア７は、第１絶縁層５を貫通するホールとして形成される。ビア７は、第１絶縁層５に複数形成されることが好ましい。ビア７は、例えば円柱形状として形成されるが、これに限定されず、直方体形状などであっても良い。ビア７は、ビア内充填物８により充填される。ビア内充填物８は、導電性を有する材質であり、第１導電層３および／または第２導電層４と同じ材質であることが好ましい。このような材質として、例えば、銅およびアルミニウム等が挙げられるがこれらに限定されない。
【００２６】
ビア７は、第１絶縁層５に形成した複数の溝に、例えばビアフィルめっきやダマシン法によりビア内充填物８を埋め込んで形成する。ビアフィルめっきは、めっき成長を抑制する抑制剤と、めっき成長を促進する促進剤とが添加された硫酸銅めっき浴を用いて、ビアホール内部に優先的に銅を析出させるめっき法である。ダマシン法は、溝を有する第１絶縁層５の下地構造に、ビア内充填物８を堆積し、ＣＭＰ（Chemical mechanical polishing）研磨することで、溝内にビア内充填物８を残すことができ、表面は平坦となる。
【００２７】
なお、第１導電層３の電流が流れる方向に対して垂直な断面の面積よりも複数のビア７の基板面に沿う方向の断面の総和面積が大きいことが好ましい。ここで、第１導電層３の電流が流れる方向に対して垂直な断面の面積は、第１導電層３の厚さ×第１導電層３の奥行の長さにて計算することができる。前記構成によれば、第１導電層３からビア７を介して厚い第２導電層４へ電流を流れ易くすることで、パワーデバイス１の電極直下における電流密度の集中を抑制することができる。
【００２８】
（層内絶縁部１０ａ）
また、層内絶縁部１０ａは、第２導電層４における前記１次配線と前記２次配線との間で、かつパワーデバイス１の直下の領域に配置されている。層内絶縁部１０ａは、絶縁性を有する材質により形成される。具体的には、窒化アルミニウムなどが挙げられるがこれに限定されない。前記絶縁性を有する材質は、第１絶縁層５および／または第２絶縁層６と同じ材質であってもよい。なお、層内絶縁部１０ａは空気などによる空洞で構成することもできる。
【００２９】
層内絶縁部１０ａは、エッチングなどにより形成された空間に絶縁物を充填された構造となっている。層内絶縁部１０ａは、第２導電層４を下部からウェットエッチングにより加工することで、層内絶縁部１０ａのように、層内絶縁部１０ａの上部が狭く、下部が広いテーパ形状として形成される。その後、テーパ形状に開けられた空間に絶縁物が充填される。
【００３０】
このとき、層内絶縁部１０ａが第１導電層３と接触する部分の基板面に沿う方向の横幅Ｗ１が、パワーデバイス１の前記基板面に沿う方向の横幅Ｗ２よりも狭い。このため、パワーデバイス１の電極直下にビアを設置可能となる。よって、パワーデバイス１の電極間距離が短い場合にも、パワーデバイス１における電極直下のビア７を通過する電流パス５０ａを形成することが可能となり、電流が第１導電層３内の許容電流密度以上は流れなくなる。これにより、電流密度の上昇および配線温度の上昇を抑制することが可能となり、パワーモジュール１００の電流容量を大きくすることができる。
【００３１】
また、層内絶縁部１０ａと第２導電層４との境界と、第１絶縁層５とが、第２導電層４内に為す角をθとした場合、θ＜π／２の関係となるようにエッチングされることが好ましい。前記関係を満たす構成によれば、パワーデバイス１の直下の領域における第１絶縁層５と層内絶縁部１０ａとが接触する部分の面積が小さくなる。そのため、ビア７を、第１絶縁層５におけるパワーデバイス１の電極直下の領域にも形成することが可能となる。この場合、電流パス５０ａはパワーデバイス１の電極直下の領域においても、第１導電層３および第２導電層４の両方を通過できる。そのため、電流密度が大きくならず、パワーモジュール１００の電流容量を大きくすることができる。
【００３２】
ビア７は、パワーデバイス１の電極直下の領域に複数形成されることが好ましい。前記構成によれば、第２導電層４から第１導電層３に電流が流入する電流パス５０ａが複数存在し、電流密度の上昇が抑えられる。ビア７は、パワーデバイス１の電極直下の領域の中でも、はんだ２の直下の領域に複数形成されることがより好ましい。前記構成によれば、電流が第１導電層３内の許容電流密度以上は流れなくなり、電流容量が大きい第２導電層４から、直接パワーデバイス１に電流が流入する、効率的な電流パス５０ａが形成される。
【００３３】
＜効果＞
以上のように、本実施形態によれば、層内絶縁部１０ａが、θ＜π／２の関係を満たすように、第２導電層４内に形成される。そのため、パワーデバイス１の電極直下の領域に、ビア７を形成できる。前記構成によれば、電流パス５０ａは、パワーデバイス１の電極直下の領域においても第１導電層３および第２導電層４の両方を通過できる。よって、パワーデバイス１の電極直下の領域における電流密度および配線温度の上昇を抑制し、パワーモジュール１００の電流容量を大きくすることができる。
【００３４】
〔実施形態２〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
【００３５】
図２に示すように、本発明の実施形態２に係るパワーモジュール１０１は、パワーデバイス１、はんだ２、第１導電層３、第２導電層４、第１絶縁層５、および第２絶縁層６を備える。第２絶縁層６は、絶縁性を有する材質により形成される。具体的には、ガラスエポキシおよびポリイミドなどが挙げられるがこれらに限定されない。
【００３６】
第１導電層３における複数の分離された１次配線、および２次配線間にパワーデバイス１の１次側電極、および２次側電極が跨いで配置されている。また、第２導電層４は、複数の分離された１次配線、および２次配線を備えている。層内絶縁部１０ｂは、第２導電層４における前記１次配線と前記２次配線との間で、かつパワーデバイス１の直下の領域に配置されている。
【００３７】
パワーデバイス１の前記１次側電極、および前記２次側電極それぞれの電極直下の第１絶縁層５には、第１導電層３と第２導電層４との前記１次配線と前記２次配線とをそれぞれ接続するビア７が配置されている。なお、層内絶縁部１０ｂは空気などによる空洞で構成することもできる。
【００３８】
また、パワーモジュール１０１は、層内絶縁部１０ｂと第２導電層４との境界と、第１絶縁層５とが、第２導電層４内に為す角をθ１とし、層内絶縁部１０ｂと第２導電層４との境界と、第２絶縁層６とが、第２導電層４内に為す角をθ２とした場合に、θ１＞π／２かつθ２＞π／２を満たす点で、実施形態１に係るパワーモジュール１００と異なる。なお、本実施形態では、第２導電層４間で、かつパワーデバイス１の直下の領域には、層内絶縁部１０ｂが配置されている。
【００３９】
また、本実施形態においては、層内絶縁部１０ｂが第１導電層３と接触する部分の基板面に沿う方向の横幅Ｗ１が、パワーデバイス１の前記基板面に沿う方向の横幅Ｗ２よりも狭い。このため、パワーデバイス１の電極直下にビアを設置可能となる。よって、パワーデバイス１の電極間距離が短い場合にも、パワーデバイス１における電極直下のビア７を通過する電流パス５０ｂを形成することが可能となり、電流が第１導電層３内の許容電流密度以上は流れなくなる。これにより、電流密度の上昇および配線温度の上昇を抑制することが可能となり、パワーモジュールの電流容量を大きくすることができる。
【００４０】
本実施形態において、層内絶縁部１０ｂは、第２導電層４を上部および下部からそれぞれハーフエッチングにより、それぞれのエッチング溝が繋がるように加工して形成される。これにより、層内絶縁部１０ｂは、θ１＞π／２かつθ２＞π／２の関係を満たす形状となる。前記構成によれば、上部から形成されるエッチング溝におけるテーパが図１２に示す形態と比べて短くなるため、パワーデバイス１の電極間距離が短い場合でも、パワーデバイス１の電極直下の領域にビア７を形成できる。よって、電流パス５０ｂが第１導電層３内の許容電流密度以上は流れなくなる。そのため、電流密度が抑制され、パワーモジュール１０１の電流容量を大きくすることができる。
【００４１】
ハーフエッチング加工の深さは、第２導電層４の上部からのエッチングが、第２導電層４の下部からのエッチングよりも、浅く加工されることが好ましい。すなわち、図２に示す深さＤ１＜深さＤ２を満たすことが好ましい。これにより、パワーデバイス１の直下の領域により多くのビア７を形成でき、電流密度が効果的に抑制される。
【００４２】
なお、第１導電層３の電流が流れる方向に対して垂直な断面の面積よりも複数のビア７の基板面に沿う方向の断面の総和面積が大きいことが好ましい。ここで、第１導電層３の電流が流れる方向に対して垂直な断面の面積は、第１導電層３の厚さ×第１導電層３の奥行の長さにて計算することができる。前記構成によれば、第１導電層３からビア７を介して厚い第２導電層４へ電流を流れ易くすることで、パワーデバイス１の電極直下における電流密度の集中を抑制することができる。
【００４３】
＜効果＞
以上のように、本実施形態によれば、層内絶縁部１０ｂが、θ１＞π／２かつθ２＞π／２の関係を満たすように、第２導電層４内に形成される。そのため、パワーデバイス１の電極直下の領域に、ビア７を形成できる。前記構成によれば、電流パス５０ｂは、パワーデバイス１の電極直下の領域においても第１導電層３および第２導電層４の両方を通過できる。よって、パワーデバイス１の電極直下の領域における電流密度および配線温度の上昇を抑制し、パワーモジュール１０１の電流容量を大きくすることができる。
【００４４】
〔実施形態３〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
【００４５】
図３に示すように、本発明の実施形態３に係るパワーモジュール１０２は、第２導電層４の少なくとも一部に、外部と接続するための一体化端子部（端子構造）３０ａおよび３０ｂが形成されている点で、実施形態２に係るパワーモジュール１０１と異なる。一体化端子部３０ａおよび３０ｂを合わせて、一体化端子部３０と総称する。
【００４６】
一体化端子部３０は、積層基板から第２導電層４以外の層（第１導電層３、第１絶縁層５、および第２絶縁層６）を機械研磨などにより除去し、基板一体型の端子構造として形成する。第２導電層４以外の層が除去される領域は、パワーデバイス１が配置される領域および第１絶縁層５におけるビア７が形成される領域を除いて、積層基板の端部から連なる任意の領域とすることができる。換言すれば、パワーモジュール１０２が一体化端子部３０を介して外部と接続される態様に応じ、一体化端子部３０を任意の大きさに形成することができる。
【００４７】
一体化端子部３０ａから流入した電流は、第２導電層４、ビア７、および第１導電層３をこの順に通過してパワーデバイス１に流入する。パワーデバイス１を通過した電流は、再び第１導電層３、ビア７、および第２導電層４をこの順に通過して、一体化端子部３０ｂから流出する。前記とは逆に、電流が一体化端子部３０ｂから流入し、パワーモジュール１０２内を通過して、一体化端子部３０ａから流出してもよい。
【００４８】
前記構造によれば、第２導電層４に形成された一体化端子部３０から電流が流入および流出することで、第１導電層３に端子を形成した場合に比べて、ビア７を介して第１導電層３から第２導電層４へ電流が流れる頻度が減少し、パワーモジュール１０２の抵抗を減らすことができる。なお、本実施形態の端子構造は、実施形態２のパワーモジュール１０２に適用したものであるが、本実施形態の端子構造を実施形態１に係るパワーモジュール１００に適用しても良い。
【００４９】
〔実施形態４〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
【００５０】
図４に示すように、本発明の実施形態１に係るパワーモジュール１００は、パワーデバイス１の直下の領域であるパワーデバイス実装領域２０において、電極２１ａおよび２１ｂが接続される領域（電極配置領域）の直下の第１絶縁層５に、ビア７が形成されるビア設置領域２２ａおよび２２ｂが存在する。ここで、本発明の実施形態４に係るパワーモジュールは、ビア７が、電極配置領域の端部近傍に形成される点において、本発明の実施形態１に係るパワーモジュール１００と異なる。なお、以下には電極２１ａに対応する電極配置領域について説明するが、電極２１ｂに対応する電極配置領域についても、同様の構成である。また、電極の形状については、長方形に限らず、任意の形状を取ることができる。
【００５１】
ビア７は、ビア設置領域２２ａ内に複数形成され、その中で少なくとも一部のビア７は電極配置領域の端部近傍に形成される。電極配置領域の端部と、前記一部のビア７との距離Ｘ１は０．４ｍｍ以下が好ましく、０．２ｍｍ以下がより好ましい。また、距離Ｘ１を満たすビア７とは異なるビア７が電極配置領域の端部近傍に形成されても良く、前記異なるビア７と電極配置領域の端部との距離Ｘ２は、距離Ｘ１と同じでも良いし、異なっていても良い。距離Ｘ１と距離Ｘ２とが異なる場合、距離Ｘ２もまた、０．４ｍｍ以下が好ましく、０．２ｍｍ以下がより好ましい。その他の電極配置領域の端部近傍に形成されるビア７についても同様である。
【００５２】
図５は、ビア７と電極配置領域の端部（配線端）との距離Ｘと、本実施形態に係るパワーモジュールにおける最大電流密度との関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。距離Ｘが０．４ｍｍから０．１ｍｍまでは、距離Ｘが短くなるに従って最大電流密度が減少した。これは、距離Ｘが長くなるに従って、第２導電層４における電極配置領域の端部から、当該端部近傍に形成されるビア７の間に流れている全ての電流が、当該ビア７の端部（電極配置領域の端部に隣接する部分）に集中して流れ込むため、電流密度が高くなっていると考えられる。よって、前記構成によれば、ビア設置領域２２ａに多数のビア７を形成する場合、電極配置領域の端部と、当該端部に近接するビア７との距離Ｘ（距離Ｘ１，Ｘ２の総称）が短くなるようにビア７を形成することで、本実施形態に係るパワーモジュールにおける電流密度を減少させることができる。
【００５３】
〔実施形態５〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
【００５４】
図６に示すように、本発明の実施形態５に係るパワーモジュール１１０（図１３参照）は、ビア設置領域２３ａおよび２３ｂが、電極配置領域と、該電極配置領域外の領域とを含む、第１導電層配線部（ビア形成領域）２４ａおよび２４ｂに形成される点において、本発明の実施形態１に係るパワーモジュール１００と異なる。なお、以下には電極２１ａに対応する電極配置領域について説明するが、電極２１ｂに対応する電極配置領域についても、同様の構成である。また、電極の形状については、長方形に限らず、任意の形状を取ることができる。
【００５５】
パワーデバイス実装領域２０の外側の領域にも多数のビア７が形成される。このとき、電極２１ａに対応する電極配置領域における、本実施形態に係るパワーモジュール１１０の長手方向の長さＹ１に対して、第１導電層配線部２４ｂにおける、前記長手方向の長さＹ２は、１．５倍以上が好ましい。
【００５６】
前記構成によれば、パワーデバイス実装領域２０の外側の領域に形成されるビア７を電流が通過できるため、本実施形態に係るパワーモジュールの電流密度を小さくすることができる。
【００５７】
図７は、電極長さ（長さＹ１）に対するビア領域外への長さ（長さＹ２）の比（長さＹ２／長さＹ１により算出される）と、本実施形態に係るパワーモジュールにおける最大電流密度との関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。長さＹ１に対する長さＹ２の比が大きくなるに従い、前記最大電流密度が大きく減少した。長さＹ１に対する長さＹ２の比が２に達すると、以降は前記最大電流密度の減少効果は限定的であった。これは、第２導電層４からビア７、第１導電層３、およびはんだ２を電流が通過してパワーデバイス１に流入する際、電流は各電流パスの抵抗に応じて分流される。しかし、はんだ２から離れたビア７を電流が通過する電流パスにおいては、第１導電層３を通過する距離が長くなることにより抵抗が大きくなるため、電流が流れる量は小さくなる。したがって、長さＹ１に対する長さＹ２の比が２以上の領域にビア７を形成しても、電流密度を小さくする効果は限定的であると考えられる。
【００５８】
（変形例）
（パワーモジュールの構成）
実施形態５の変形例について、以下に説明する。図１３の（ａ）は本発明の実施形態５に係るパワーモジュール１１０の電流経路を示す平面図であり、図１３の（ｂ）はパワーモジュール１１０の電流経路を示す断面図である。図１３の（ｃ）はパワーモジュール１１０の変形例であるパワーモジュール１１０Ａの電流経路を示す平面図であり、図１３の（ｄ）は、パワーモジュール１１０Ａの電流経路を示す断面図である。なお、図１３以降の図面において、ＳＷ素子１１１、表面配線１１３、裏面配線１１４・１１４Ａ、および、ビア１１７は、それぞれ図１におけるパワーデバイス１、第１導電層３、第２導電層４、およびビア７に対応し、図１５の（ａ）・（ｂ）におけるＳＷ素子の電極１１８は、図４における電極２１ａ・２１ｂに対応する。また、本変形例の説明においては、裏面配線１１４Ａに対してＳＷ素子１１１が配置されている側を上側として上下の方向を示すものとする。なお、以下に示す上下方向は説明の便宜上のものであり、本発明の実施に対しこれらの方向に限定されることはない。
【００５９】
パワーモジュール１１０Ａは、パワーモジュール１１０と比較し、裏面配線１１４に代えて裏面配線１１４Ａを備えている点が異なる。具体的には、パワーモジュール１１０の裏面配線１１４は、積層される基板面に沿う方向（第１方向、図１３の（ａ）の白抜き矢印）に延伸する形状である。したがって、パワーモジュール１１０の電流経路は、図１３の（ａ）および図１３の（ｂ）の黒色矢印に示すように、平面図では直線的であり、断面図ではビア１１７を経由してＳＷ素子１１１側に曲がっている。
【００６０】
それに対して、パワーモジュール１１０Ａの裏面配線１１４Ａは、第１方向に延伸する第１領域１１４Ａ＿１と、第１方向と異なる第２方向（図１３の（ｃ）の白抜き矢印）に延伸し第１領域１１４Ａ＿１に隣接する第２領域１１４Ａ＿２と、を有する。言い換えると、パワーモジュール１１０Ａにおいて裏面配線１１４Ａは直線ではなく曲がっている。そのため、パワーモジュール１１０Ａの電流経路は、図１３の（ｃ）および図１３の（ｄ）の黒色矢印に示すように、平面図で曲がっており、断面図においてもビア１１７を経由してＳＷ素子１１１側に曲がっている。
【００６１】
図１４〜図１５は、パワーモジュール１１０Ａの構成をより詳しく図示したものである。図１４〜図１５では、ビア１１７の形状を理解しやすくするために、ビア１１７を立方体で図示している。図１４の（ａ）はパワーモジュール１１０Ａにおいて裏面配線１１４およびビア１１７を示す鳥瞰図である。図１４の（ｂ）はパワーモジュール１１０Ａにおいて裏面配線１１４から表面配線１１３までを示す鳥瞰図である。また、図１５の（ａ）はパワーモジュール１１０Ａにおいて裏面配線１１４ＡからＳＷ素子の電極１１８までを示す鳥瞰図である。図１５の（ｂ）はパワーモジュール１１０Ａにおいて裏面配線１１４ＡからＳＷ素子１１１までを示す鳥瞰図である。図１４〜図１５に示すように、パワーモジュール１１０Ａは、裏面配線１１４Ａ、ビア１１７、および表面配線１１３が下部からこの順で積層され、さらにＳＷ素子の電極１１８、およびＳＷ素子１１１が配置されることで構成されている。
【００６２】
（ビアの配置）
パワーモジュール１１０Ａは、図１３の（ｄ）示すように、ＳＷ素子の電極１１８直下の第１絶縁層１１５には、ビア１１７が複数配置されている。また、図１６に示すように、当該複数のビア１１７は、第１絶縁層１１５において、ＳＷ素子１１１と表面配線１１３とを接続するＳＷ素子の電極１１８が配置される電極配置領域１２０と、電極配置領域１２０外の領域とを含むビア形成領域１３０に形成されている。図１６はパワーモジュール１１０Ａのビア１１７の配置を説明する平面図である。電極配置領域１２０は、ＳＷ素子の電極１１８をビア１１７に投影させた範囲に対応する。なお、図１６〜図１８はパワーモジュール１１０Ａの２次側についてのみ図示しているが、一次側についても、同様の構成である。
【００６３】
また、パワーモジュール１１０Ａは、図１６で示すように、ビア形成領域１３０の基板面に沿う方向（第１方向）の長さＹ４が、電極配置領域１２０の第１方向の長さＹ３の１．５倍以上である。さらに、パワーモジュール１１０Ａは、ビア形成領域１３０の電極配置領域１２０外の第２方向の長さＺ２が、電極配置領域１２０の第１方向の長さＹ３の０．５倍以上である。
【００６４】
図１７は、パワーモジュール１１０Ａにおいて、電流が集中するビア１１７を示す図である。図１７に示すように、裏面配線１１４Ａが第１方向から第２方向へと曲がるパワーモジュール１１０Ａに電流を流した場合、電極配置領域１２０において最も電流が集中するのは、電流が流れる方向（黒色矢印）に向かって先端に位置するビア１１７＿１である。また、ビア形成領域１３０の電極配置領域１２０外において最も電流が集中するのは、電流が流れる方向に向かって先端に位置するビア１１７＿２である。パワーモジュール１１０Ａによれば、このような電流集中箇所において電流の集中を緩和し、電流密度を小さくすることができる。
【００６５】
上記効果について、図１８〜図２２に基づき以下に説明する。図１８の（ａ）および図１８の（ｂ）はパワーモジュール１１０Ａの裏面配線１１４Ａの曲がり方の例を示す図である。パワーモジュール１１０Ａは、図１８の（ａ）に示すように、裏面配線１１４Ａの第１領域１１４Ａ＿１と第２領域１１４Ａ＿２との成す角θ３がπ／２となるように、裏面配線１１４Ａが曲がっていてもよい。また、パワーモジュール１１０Ａは、図１８の（ｂ）に示すように、裏面配線１１４Ａの第１領域１１４Ａ＿１と第２領域１１４Ａ＿２との成す角θ３がπ／４となるように、裏面配線１１４Ａが曲がっていてもよい。言い換えると、裏面配線１１４Ａは、第１領域１１４Ａ＿１と第２領域１１４Ａ＿２との成す角θ３とした場合、π／４＜θ３＜π／２となるように形成される。
【００６６】
図１９は、パワーモジュール１１０Ａにおいて、ビアピッチＰがＳＷ素子の電極長Ｙ３の１／２の場合における、ビア拡大数と最大電流密度との関係を示すグラフである。図１９の（ａ）は角度θ３がπ／２の場合を示し、図１９の（ｂ）は角度θ３がπ／４の場合を示す。なお、図１９〜図２２においてビアピッチＰとは、任意のビア１１７の中心と当該ビア１１７に隣接するビア１１７の中心との距離（図１６参照）を示す。また、図１９の「ビア拡大数」とは、ビア形成領域１３０の電極配置領域１２０外における、長さ方向（第１方向）または幅方向（第２方向）に沿って配置されているビア数を示す。具体的には、図１６に示すＮ１が長さ方向のビア拡大数であり、Ｎ２が幅方向のビア拡大数である。
【００６７】
図１９の（ａ）および図１９の（ｂ）に示すように、角度θ３がπ／２およびπ／４である場合いずれにおいても、幅方向に１つ以上および長さ方向に１つ以上のビア１１７が拡大されることで電力集中が緩和され、それ以上の拡大では、上記緩和は飽和している。
【００６８】
図２０はパワーモジュール１１０Ａにおいて、ビアピッチＰがＳＷ素子の電極長Ｙ３の１／２の場合におけるビア拡大数と最大電流密度との関係を示すグラフであり、長さ方向および幅方向のビア拡大数が同じ場合（Ｎ１＝Ｎ２の場合）を示す。図２０に示すように、角度θ３によらず、長さ方向および幅方向に１つ以上のビア１１７が拡大されることで電力集中が緩和され、それ以上の拡大では、上記緩和は飽和している。つまり、ビアピッチＰがＳＷ素子の電極長Ｙ３の１／２の場合、Ｎ１≧１かつＮ２≧１で電力集中が緩和される。
【００６９】
図２１はパワーモジュール１１０Ａにおいて、ビアピッチＰがＳＷ素子の電極長Ｙ３の１／４の場合における、ビア拡大数と最大電流密度との関係を示すグラフである。図２１の（ａ）は角度θ３がπ／２の場合を示し、図２１の（ｂ）は角度θ３がπ／４の場合を示す。図２１の（ａ）および図２１の（ｂ）に示すように、角度θ３がπ／２およびπ／４である場合において、幅方向に２つ以上および長さ方向に２つ以上のビア１１７が拡大されることで電力集中が緩和され、それ以上の拡大では、上記緩和は飽和している。
【００７０】
図２２はパワーモジュール１１０Ａにおいて、ビアピッチＰがＳＷ素子の電極長Ｙ３の１／４の場合におけるビア拡大数と最大電流密度との関係を示すグラフであり、長さ方向および幅方向のビア拡大数が同じ場合を示す。図２２に示すように、角度θ３によらず、２つ以上のビア１１７が拡大されることで電力集中が緩和され、それ以上の拡大では、上記緩和は飽和している。つまり、ビアピッチＰがＳＷ素子の電極長Ｙ３の１／４の場合、Ｎ１≧２かつＮ２≧２で電力集中が緩和される。
【００７１】
以上のように、パワーモジュール１１０Ａによれば、このような電流集中箇所において電流の集中を緩和し、電流密度を小さくすることができる。
【００７２】
〔実施形態６〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
【００７３】
図８に示すように、本発明の実施形態６に係るパワーモジュールは、ビア設置領域２３ａおよび２３ｂに形成されるビア７の直径Ｄが０．１ｍｍ〜０．４ｍｍである点において、本発明の実施形態１に係るパワーモジュール１００と異なる。また、電極の形状については、長方形に限らず、任意の形状を取ることができる。
【００７４】
本実施形態に係るパワーモジュールにおいて、ビア７はビア設置領域２３ａおよび２３ｂに、格子状に複数形成されることが好ましい。このようにビア７を形成した場合、ビア７の直径Ｄは０．１ｍｍ〜０．４ｍｍであることが好ましく、０．１５ｍｍ〜０．３ｍｍであることがより好ましく、０．２ｍｍであることがより好ましい。
【００７５】
前記構成によれば、特定の２つのビア７間を流れる電流が、前記特定の２つのビア７において、それぞれ対向するビア７の端部に集中して通過する現象が抑えられる。そのため、本実施形態に係るパワーモジュールにおいて電流密度を小さくすることができる。
【００７６】
図９は、ビア７の直径Ｄ（ビア径）と、本実施形態に係るパワーモジュールにおける最大電流密度との関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。本シミュレーションにおいて、直径Ｄが０．２ｍｍの場合に、前記最大電流密度が最も小さくなり、以降は直径Ｄが大きくなるに従って、前記最大電流密度が大きくなった。すなわち、直径Ｄは０．２ｍｍに近い長さとすることで、本実施形態に係るパワーモジュールにおける電流密度を小さくすることができる。
【００７７】
〔シミュレーション結果〕
図１に示すように、本発明の実施形態１に係るパワーモジュール１００は、角度θは４５度、はんだ２の水平方向の長さは０．８ｍｍ、第１導電層３の厚さは０．１４ｍｍ、第２導電層４の厚さは１ｍｍである。
【００７８】
これに対し、図１２に示すように、従来技術に係るパワーモジュール１０３は、角度θは１３５度である点において本発明の実施形態１に係るパワーモジュール１００と異なる。その他の条件についてはパワーモジュール１００と同様である。なお、角度θの違いによって、本発明の実施形態１に係るパワーモジュール１００と、従来技術に係るパワーモジュール１０３との間で、ビア７の形成領域が異なることは言うまでもない。
【００７９】
図１０は、本発明の実施形態１に係るパワーモジュール１００と、従来技術に係るパワーモジュール１０３とについて、それぞれ電流を３０Ａ印加した場合の電流密度をシミュレーションした結果を示す図である。図７中、「ＪＤＣ  Ｖｏｌ」は直流電流密度（単位：Ａ／ｍ２）を表す。「流入」は、一体化端子部３０ａもしくは３０ｂの一方からの、それぞれのパワーモジュールへの電流の流入を表す。「流出」は、第１導電層３からはんだ２を介してパワーデバイス１へ流れる電流の、はんだ２からの流出を表す。矢印の方向は電流の流れる方向を表し、矢印の濃淡は直流電流密度の大きさに対応する。
【００８０】
図１０の（ａ）に示すように、従来技術に係るパワーモジュール１０３に電流を印加した場合、電流が流出する位置の手前から、第１導電層３における直流電流密度の上昇が見られた。一方、図１０の（ｂ）に示すように、本発明の実施形態１に係るパワーモジュール１００に電流を印加した場合、従来技術に係るパワーモジュール１０３と比較すると、直流電流密度は略３７．２％まで減少した（減少率では略６２．８％）。
【００８１】
図１０に示すシミュレーションの結果から、本発明の実施形態１の構成によれば、従来技術に比べて、パワーモジュール１００に電流を印加した場合における、直流電流密度の上昇が小さいことが示された。
【００８２】
＜配線寿命について＞
一般的なパワーモジュールが故障する原因として、エレクトロマイグレーションによるものが考えられる。エレクトロマイグレーションにおける故障モデル式は、一般的に次の経験式により表される。
【００８３】
【数１】
2019212895.tif 000003
【００８４】
ここで、ＭＴＦは配線寿命、Ａは配線の構造および材料により決まる定数、Ｊは電流密度、ｎは電流密度に関する定数、Ｅａは活性化エネルギー、ｋはボルツマン定数、Ｔは配線部における絶対温度である。本発明の実施形態１に係るパワーモジュール１００における最大電流密度は、前記シミュレーションの結果より、従来技術に係るパワーモジュール１０３における最大電流密度の略３７．２％である。ここで、電流密度に関する定数ｎは１＜ｎ≦２の値をとるため、本発明の実施形態１に係るパワーモジュール１００における配線寿命は、従来技術に係るパワーモジュール１０３における配線寿命に比べて２．７倍から７．２倍程度に伸びることが予想できる。すなわち、本発明の実施形態１に係るパワーモジュール１００によれば、故障しにくいことから、より長期間の使用に耐えることができる。
【００８５】
〔まとめ〕
本発明の態様１に係るパワーモジュールは、少なくとも導電性を有する第１導電層と、絶縁性を有する第１絶縁層と、導電性を有する第２導電層とが、この順で積層される積層基板を含むパワーモジュールであって、前記第１導電層における複数の分離された１次配線、および２次配線間にパワーデバイスの１次側電極、および２次側電極が跨いで配置され、前記第２導電層は、複数の分離された前記１次配線、および前記２次配線を備え、前記第１絶縁層には、前記１次配線と前記２次配線との間で、かつ前記パワーデバイスの直下の領域に、絶縁部が配置されており、前記第２導電層における前記１次配線と前記２次配線との間で、かつ前記パワーデバイスの直下の領域に、層内絶縁部が配置されており、前記パワーデバイスの前記１次側電極、および前記２次側電極それぞれの電極直下の前記第１絶縁層には、前記第１導電層と前記第２導電層との前記１次配線と前記２次配線とをそれぞれ接続するビアが配置されている構成である。
【００８６】
前記構成によれば、前記パワーデバイスの前記１次側電極、および前記２次側電極それぞれの電極直下の前記第１絶縁層には、前記第１導電層と前記第２導電層との前記１次配線と前記２次配線とをそれぞれ接続するビアが配置されている。よって、パワーデバイスの電極間距離が短い場合にも、パワーデバイスにおける電極直下のビアを通過する電流経路を形成することが可能となり、電流が第１導電層内の許容電流密度以上は流れなくなる。これにより、電流密度の上昇および配線温度の上昇を抑制することが可能となり、パワーモジュールの電流容量を大きくすることができる。
【００８７】
本発明の態様２に係るパワーモジュールは、前記態様１において、前記層内絶縁部と前記第２導電層との境界と、前記第１絶縁層とが、前記第２導電層内に為す角をθとした場合、θ＜π／２の関係を満たしていても良い。前記構成によれば、「θ＜π／２」の関係を満たすことにより、パワーデバイスの電極直下にビアを設置可能となる。よって、パワーデバイスの電極間距離が短い場合にも、パワーデバイスにおける電極直下のビアを通過する電流経路を形成することが可能となり、電流が第１導電層内の許容電流密度以上は流れなくなる。これにより、電流密度の上昇および配線温度の上昇を抑制することが可能となり、パワーモジュールの電流容量を大きくすることができる。
【００８８】
本発明の態様３に係るパワーモジュールは、前記態様１において、前記積層基板は、前記第１導電層と、前記第１絶縁層と、前記第２導電層と、さらに絶縁性を有する第２絶縁層とが、この順で積層されたものであり、前記層内絶縁部と前記第２導電層との境界と、前記第１絶縁層とが、前記第２導電層内に為す角をθ１とし、前記層内絶縁部と前記第２導電層との境界と、前記第２絶縁層とが、前記第２導電層内に為す角をθ２とした場合、θ１＞π／２かつθ２＞π／２を満たしていても良い。前記構成によれば、「θ１＞π／２かつθ２＞π／２」の関係を満たすことにより、パワーデバイスの電極直下にビアを設置可能となる。よって、パワーデバイスの電極間距離が短い場合にも、パワーデバイスにおける電極直下のビアを通過する電流経路を形成することが可能となり、電流が第１導電層内の許容電流密度以上は流れなくなる。これにより、電流密度の上昇および配線温度の上昇を抑制することが可能となり、パワーモジュールの電流容量を大きくすることができる。
【００８９】
本発明の態様４に係るパワーモジュールは、前記態様１〜３の何れかにおいて、前記第２導電層は、前記第１導電層よりも厚いことが好ましい。前記構成によれば、第２導電層が第１導電層よりも厚いことで、第２導電層の電流容量が大きくなり、パワーモジュールの電流容量を大きくすることができる。
【００９０】
本発明の態様５に係るパワーモジュールは、前記態様１〜４の何れかにおいて、前記第２導電層の少なくとも一部には、外部と接続するための端子構造が形成されていても良い。前記構成によれば、第２導電層に形成された端子から電流が流入および流出することで、第１導電層に端子を形成した場合に比べてビアを介して第１導電層から第２導電層へ電流が流れる頻度が減少し、抵抗を減らすことが可能となる。
【００９１】
本発明の態様６に係るパワーモジュールは、前記態様１〜５の何れかにおいて、前記パワーデバイスの電極直下の前記第１絶縁層には、前記ビアが複数配置されており、当該複数のビアは、前記第１絶縁層において、前記パワーデバイスと前記第１導電層とを接続する電極が配置される電極配置領域に形成され、前記複数のビアの一部が前記電極配置領域の端部の近傍に配置されていることが好ましい。前記構成によれば、パワーデバイス実装領域の電極内部に多数のビアを設置する場合、電極配置領域の端部から最近接のビアの端部までの距離が短くなるようにビアを配置することで、電流密度を減少させることができる。
【００９２】
本発明の態様７に係るパワーモジュールは、前記態様１において、前記パワーデバイスの電極直下の前記第１絶縁層には、前記ビアが複数配置されており、当該複数のビアは、前記第１絶縁層において、前記パワーデバイスと前記第１導電層とを接続する電極が配置される電極配置領域と、前記電極配置領域外の領域とを含むビア形成領域に形成され、前記ビア形成領域の基板面に沿う方向の長さが、前記電極配置領域の前記基板面に沿う方向の長さの１．５倍以上であっても良い。前記構成によれば、パワーデバイス実装領域（電極配置領域）の外側にも多数のビアを設置することで、電流密度を小さくすることができる。この場合、前記ビア形成領域の基板面に沿う方向の長さが、前記電極配置領域の前記基板面に沿う方向の長さの１．５倍以上であることが望ましい。
【００９３】
本発明の態様８に係るパワーモジュールは、前記態様１において、前記パワーデバイスの電極直下の前記第１絶縁層には、前記ビアが複数配置されており、当該複数のビアは、前記第１絶縁層における前記パワーデバイスと前記第１導電層とを接続する電極が配置される電極配置領域に形成され、直径が０．１〜０．４ｍｍであることが好ましい。前記構成によれば、パワーデバイス実装領域の電極内部に多数のビアを設置する場合、製造上の制約から隣接するビアの中心間距離はビア直径の２倍程度が必要となることがある。このような条件下において、ビア直径が０．１〜０．４ｍｍ程度の場合に電流密度を小さくすることができる。
【００９４】
本発明の態様９に係るパワーモジュールは、前記態様４〜８の何れかにおいて、前記パワーデバイスの電極直下の前記第１絶縁層には、前記ビアが複数配置されており、前記第１導電層の電流が流れる方向に対して垂直な断面の面積よりも前記複数のビアの基板面に沿う方向の断面の総和面積が大きいことが好ましい。前記構成によれば、第１導電層からビアを介して厚い第２導電層へ電流を流れ易くすることで、パワーデバイスの電極直下における電流密度の集中を抑制することができる。
【００９５】
本発明の態様１０に係るパワーモジュールは、前記態様７において、前記第２導電層は、前記ビア形成領域の基板面に沿う方向である第１方向に延伸する第１領域と、前記第１方向と異なる第２方向に延伸し前記第１領域に隣接する第２領域を有し、前記ビア形成領域の前記電極配置領域外の前記第２方向の長さが、前記電極配置領域の前記第１方向の長さの０．５倍以上であることが好ましい。
【００９６】
前記構成によれば、第２導電層が第１方向から第２方向へと曲がる場合であっても、パワーデバイス実装領域（電極配置領域）の外側において第２方向の長さが電極配置領域の第１方向の長さの０．５倍以上となるようにビアを設置することで、電流密度を小さくすることができる。
【００９７】
本発明の態様１１に係るパワーモジュールは、前記態様１０において、前記第１領域と前記第２領域との成す角をθ３とした場合、π／４＜θ３＜π／２であることが好ましい。前記構成によれば、電流密度を小さく抑えたまま、π／４からπ／２の範囲で曲がる第２導電層を備えたパワーモジュールを実現することができる。
【００９８】
本発明の態様１２に係るパワーモジュールは、少なくとも導電性を有する第１導電層と、絶縁性を有する第１絶縁層と、導電性を有する第２導電層とが、この順で積層される積層基板を含むパワーモジュールであって、前記第１導電層における複数の分離された１次配線、および２次配線間にパワーデバイスの１次側電極、および２次側電極が跨いで配置され、前記第２導電層は、複数の分離された前記１次配線、および前記２次配線を備え、前記第１絶縁層には、前記１次配線と前記２次配線との間で、かつ前記パワーデバイスの直下の領域に、絶縁部が配置されており、前記パワーデバイスの前記１次側電極、および前記２次側電極それぞれの電極直下の前記第１絶縁層には、前記第１導電層と前記第２導電層との前記１次配線と前記２次配線とをそれぞれ接続するビアが配置されている構成であっても良い。
【００９９】
前記構成によれば、前記パワーデバイスの前記１次側電極、および前記２次側電極それぞれの電極直下の前記第１絶縁層には、前記第１導電層と前記第２導電層との前記１次配線と前記２次配線とをそれぞれ接続するビアが配置されている。よって、パワーデバイスの電極間距離が短い場合にも、パワーデバイスにおける電極直下のビアを通過する電流経路を形成することが可能となり、電流が第１導電層内の許容電流密度以上は流れなくなる。これにより、電流密度の上昇および配線温度の上昇を抑制することが可能となり、パワーモジュールの電流容量を大きくすることができる。
【０１００】
〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
【符号の説明】
【０１０１】
１  パワーデバイス
３  第１導電層
４  第２導電層
５  第１絶縁層
６  第２絶縁層
７  ビア
１０ａ，１０ｂ  層内絶縁部
２２ａ，２２ｂ  ビア設置領域
２３ａ，２３ｂ  ビア設置領域
２４ａ，２４ｂ  第１導電層配線部（ビア形成領域）
３０ａ，３０ｂ  一体型端子部（端子構造）
１００，１０１，１０２，１１０，１１０Ａ  パワーモジュール
１１１  ＳＷ素子（パワーデバイス）
１１３  表面配線（第１導電層）
１１４，１１４Ａ  裏面配線（第２導電層）
１１４Ａ＿１  第１領域
１１４Ａ＿２  第２領域
１１７  ビア
θ，θ１，θ２，θ３  角度
Ｄ  直径
Ｎ１，Ｎ２  ビア拡大数
Ｗ１，Ｗ２  横幅
Ｘ１，Ｘ２  距離
Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３，Ｙ４，Ｚ２  長さ
【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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