(57)【要約】  半導体素子の裏面電極と基板部材の接合部に生じる熱応力の低減及び半導体素子の表面電極を配線部材に接合する際に生じる半導体素子の損傷を抑制することができる半導体モジュール及びその製造方法を提供する。本発明に係る半導体モジュールは、基板部材（２）と、表面電極（１１）及び裏面電極（１２）を有する半導体素子（１）と、裏面電極（２）と基板部材（２）を接合する素子接合部材（３）と、表面電極（１１）に接合されている配線部材（７）を備えている。裏面電極（１２）と基板部材（２）との間に、空隙領域（３ｂ）と素子接合部材が配置される接合領域（３ａ）が存在し、表面電極（１１）と配線部材（７）は平面視において接合領域（３ａ）上で接合されている。
2017077729.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板部材と、
表面電極及び裏面電極を有する半導体素子と、
前記裏面電極と前記基板部材を接合する素子接合部材と、
前記表面電極に接合されている配線部材を備え、
前記裏面電極と前記基板部材との間に空隙領域と前記素子接合部材が配置される接合領域とが存在し、
前記表面電極と前記配線部材は平面視において前記接合領域上で接合されている、半導体モジュール。
【請求項２】
前記基板部材、前記半導体素子、前記素子接合部材及び前記配線部材を覆う封止部材をさらに備えている、請求項１記載の半導体モジュール。
【請求項３】
ケースと、放熱板とをさらに備え、前記封止部材は前記ケース及び放熱板によって形成される領域の内部を充填している、請求項２記載の半導体モジュール。
【請求項４】
前記封止部材は、樹脂モールドである、請求項２記載の半導体モジュール。
【請求項５】
前記配線部材がワイヤである、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項６】
前記配線部材が板状部材である、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項７】
前記半導体素子がパワー半導体素子である、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項８】
半導体素子の裏面電極と基板部材との間に空隙領域と素子接合部材が配置される接合領域とを設け、前記裏面電極と前記基板部材とを前記素子接合部材で接合する素子接合工程と、
平面視において前記接合領域上で前記半導体素子の表面電極と配線部材とを接合する配線部材接合工程とを備える、半導体モジュールの製造方法。
【請求項９】
前記配線部材接合工程において、前記配線部材はワイヤであり、前記ワイヤはワイヤボンディングにより前記表面電極に接合されている、請求項８記載の半導体モジュールの製造方法。
【請求項１０】
前記配線部材接合工程において、前記配線部材と前記表面電極は、超音波接合により接合されている、請求項８記載の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】
本発明は、半導体モジュール及びその製造方法に関し、特にパワーモジュール及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のパワーモジュールは、パワー半導体素子と、基板部材を備えている。パワー半導体素子裏面上の電極は、基板部材に、はんだなどの接合部材を用いて接合されている。また、パワー半導体素子表面上の電極は、ワイヤなどの配線部材と接合されている。これにより、パワー半導体素子の配線が行われる。【０００３】
パワーモジュールの動作時には、パワー半導体素子が発熱する。また、パワーモジュールを構成する各部材は線膨張係数が異なっている。そのため、パワーモジュールの動作時には、パワー半導体素子の発熱及びパワーモジュールを構成する各部材の線膨張係数の違いに起因して、熱応力が発生する。特に、パワー半導体素子と基板部材との接合部には、かかる熱応力に起因して亀裂が発生する場合がある。このような亀裂が発生すると、パワー半導体素子直下の熱抵抗が増大してしまう。その結果、パワーモジュールの電気的特性が劣化する。【０００４】
このような問題に対処するため、例えば特許文献１及び特許文献２は、パワー半導体素子裏面電極と基板部材の間の接合部を、複数の部分に分割する構造を開示している。かかる構造は、パワー半導体素子と基板部材との接合部に発生する熱応力を分散させることができる。その結果、接合部における亀裂発生が抑制される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−２７４２２８号公報
【特許文献２】特開昭６３−１８１４３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１及び特許文献２記載のパワーモジュールにおいては、ワイヤなどの配線部材が接合されるパワー半導体素子表面の電極の位置が特定されていない。したがって、パワー半導体素子表面の電極の直下に、はんだなどの接合部材が存在しない空隙が存在する場合がある。【０００７】
ワイヤなどの配線部材をパワー半導体素子表面の電極に接合する場合、ワイヤなどの配線部材をパワー半導体素子表面の電極に接触させた状態で、荷重及び超音波振動が印加される。パワー半導体素子表面の電極の直下に空隙が存在する場合、かかる荷重及び超音波振動の印加により、パワー半導体素子に割れなどの損傷が生じる可能性がある。【０００８】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明は、半導体素子裏面電極と基板部材の接合部に生じる熱応力の低減及び半導体素子の表面電極に配線部材を接合する際に生じる半導体素子の損傷を抑制することができる半導体モジュール及びその製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る半導体モジュールは、基板部材と、表面電極及び裏面電極を有する半導体素子と、裏面電極と基板部材を接合する素子接合部材と、表面電極に接合されている配線部材を備えている。裏面電極と基板部材との間に、空隙領域と素子接合部材が配置される接合領域が存在し、表面電極と配線部材は平面視において接合領域上で接合されている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る半導体モジュールによると、半導体素子の裏面電極と基板部材の接合部に生じる熱応力の低減及び半導体素子の表面電極と配線部材を接合する際に生じる半導体素子の損傷を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】第１の実施形態に係るパワーモジュールの構造を示す断面図である。
【図１Ｂ】第１の実施形態の変形例に係るパワーモジュールの断面図である。
【図２】第１の実施形態に係るパワーモジュールにおける接合部材の上面図である。
【図３Ａ】素子接合部材の配置の第１の変形例を示す上面図である。
【図３Ｂ】素子接合部材の配置の第２の変形例を示す上面図である。
【図３Ｃ】素子接合部材の配置の第３の変形例を示す上面図である。
【図４】第２の実施形態に係るパワーモジュールの断面図である。
【図５Ａ】第３の実施形態に係るパワーモジュールの断面図である。
【図５Ｂ】第３の実施形態に係るパワーモジュールの変形例の断面図である。
【図６】第３の実施形態に係るパワーモジュールにおける接合部材の上面図である。
【図７】第４の実施形態に係るパワーモジュールの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について図面を用いて説明する。なお、各図中同一または相当部分には同一符号を付している。また、以下に記載する実施の形態の少なくとも一部を任意に組み合わせてもよい。
【００１３】
［第１の実施形態に係るパワーモジュールの構造］
以下に、第１の実施形態に係るパワーモジュールの構造を説明する。図１Ａは、第１の実施形態に係るパワーモジュールの構造の一例を示す断面図である。図１Ａに示すように、第１の実施形態に係るパワーモジュールは、主として、パワー半導体素子１、基板部材２、素子接合部材３、放熱板４、放熱板接合部材５、ケース６、配線部材７及び封止部材８を備えている。
【００１４】
パワー半導体素子１は、例えば、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Insulated  Gate  Bipolar  Transistor）、フリーホイールダイオード（ＦＷＤ：Free  Wheel  Diode）、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ：Metal  Oxide  Semiconductor  Field  Effect  Transistor）などである。但し、パワー半導体素子１の種類はこれらに限られるものではない。図１Ａ及び図１Ｂにおいてはパワー半導体素子１の数は１個であるが、パワー半導体素子１の数は複数であってもよい。
【００１５】
パワー半導体素子１は、表面１ａ及び裏面１ｂを有している。パワー半導体素子１の表面１ａ上には、表面電極１１が設けられている。また、パワー半導体素子１の裏面１ｂ上には、裏面電極１２が設けられている。表面電極１１及び裏面電極１２としては、電気的特性及び機械的特性の観点から、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）及びこれらのうちいずれかを主たる成分とする合金が用いられる。表面電極１１は、好ましくは、平面視において、後述する素子接合部材３の接合領域３ａ（図２参照）上に設けられている。
【００１６】
基板部材２は、例えば、セラミックス基板である。セラミックス基板の材料としては、例えばアルミナ（Aluminum  Oxide）、窒化アルミニウム（Aluminum  Nitride）が用いられる。但し、セラミックス基板の材料は、これに限られるものではない。基板部材２は、表面２ａ及び裏面２ｂを有している。基板部材２の表面２ａ上には、第１の回路パターン２１及び第２の回路パターン２２が設けられている。基板部材２の裏面２ｂ上には、金属パターン２３が設けられている。
【００１７】
第１の回路パターン２１及び第２の回路パターン２２には、例えばＣｕが用いられる。但し、第１の回路パターン２１及び第２の回路パターン２２に用いられる材料は、これに限定されるものではない。第１の回路パターン２１及び第２の回路パターン２２に用いられる材料は、基板部材２と直接接合法又は活性金属接合法により接合することが可能であればよい。好ましくは、第１の回路パターン２１及び第２の回路パターン２２に用いられる材料は、高い電気伝導性を有する材料であればよい。なお、ここで直接接合法とは、第１の回路パターン２１、第２の回路パターン２２と基板部材２とを直接反応により接合する方法である。また、活性金属接合法とは、第１の回路パターン２１、第２の回路パターン２２と基板部材２とを、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）等の活性金属を添加したろう材により接合する方法である。
【００１８】
金属パターン２３には、例えばＣｕが用いられる。但し、金属パターン２３に用いられる材料はこれに限定されるものではない。金属パターン２３に用いられる材料は、基板部材２と直接接合法又は活性金属接合法により接合することが可能であり、放熱板４と放熱板接合部材５を介して接合することが可能であればよい。金属パターン２３を構成する材料は、好ましくは良好な電気伝導性を有する材料であればよい。
【００１９】
基板部材２としては、セラミックス基板のみならず、例えば、リードフレームを用いることも可能である。なお、この場合、第１の回路パターン２１及び第２の回路パターンを基板部材２上に設ける必要はない。
【００２０】
素子接合部材３は、パワー半導体素子１の裏面電極１２と基板部材２の第１の回路パターン２１の間に設けられている。これにより、パワー半導体素子の裏面電極１２と基板部材２が接合される。素子接合部材３としては、例えば、鉛（Ｐｂ）及び錫（Ｓｎ）を含有する高温用はんだが用いられる。但し、素子接合部材３に用いられる材料はこれに限定されるものではない。素子接合部材３に用いられる材料としては、例えば、Ａｇナノ粒子ペースト又はＡｇ粒子及びエポキシ樹脂を含む導電性接着材を用いることもできる。
【００２１】
図２は、第１の実施形態に係るパワーモジュールにおける接合部材の上面図である。図２に示すように、裏面電極１２と基板部材２の間には、複数の接合領域３ａが空隙領域３ｂを挟んで配置されている。パワー半導体素子１の裏面電極１２は、接合領域３ａにおいては、素子接合部材３により、第１の回路パターン２１と接合されているが、空隙領域３ｂにおいては、第１の回路パターン２１と接合していない。なお、パワー半導体素子１の表面電極１１と配線部材７が接合される箇所に対応する部分は、図２中において配線領域１３により示されている。配線領域１３を含む接合領域３ａの各々は、好ましくは、長さＬが１．０ｍｍ、幅Ｗが０．５ｍｍ程度である。図２においては、素子接合部材３は複数の分割された接合領域３ａを有しているが、これに限られるものではない。接合領域３ａは、空隙領域３ｂを挟んで配置されていればよく、接合領域３ａが連続する１つの領域であってもよい。
【００２２】
図２においては、均等な寸法を持つ接合領域３ａが複数配置されている。しかし、接合領域３ａの配置はこのような配置に限られるものではない。接合領域３ａは、配線領域１３の配置、所望の熱抵抗及び許容される熱応力に応じて適宜選択することが可能である。
【００２３】
例えば、以下のような配置がありえる。図３Ａは、素子接合部材の配置の第１の変形例を示す上面図である。図３Ａに示す配置では、配線領域１３を含む接合領域３ａは分割して形成されている。他方、配線領域１３を含まない接合領域３ａは連続して形成される。異なる観点からいえば、配線領域１３を含まない接合領域３ａの面積は、配線領域１３を含む接合領域３ａの面積より大きい。このような配置とすることにより、素子接合部材３の熱抵抗の増加をより抑制することができる。
【００２４】
図３Ｂは、素子接合部材の配置の第２の変形例を示す上面図である。図３Ｂに示す配置では、配線領域１３を含む接合領域３ａは分割して形成されている。他方、配線領域１３を含まない接合領域３ａは配線領域１３を含む接合領域３ａよりも微細に分割して形成されている。このような配置とすることにより、熱応力の分散効果をより高めることができる。
【００２５】
図３Ｃは、素子接合部材の配置の第３の変形例を示す上面図である。図３Ｃに示す配置では、空隙領域３ｂを形成しつつ、接合領域３ａが渦巻き状に連続して形成されている。このような配置とすることにより、素子接合部材３の熱抵抗の増加をより抑制することができる。
【００２６】
放熱板４は、表面４ａ及び裏面４ｂを有している。放熱板４は、パワーモジュールの動作中に発生する熱を、裏面４ｂから外部へ放熱する。そのため、放熱板４は、熱伝導性が良い材料により構成されている。放熱板４の材料としては、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）とＡｌの複合材（Ａｌ−ＳｉＣ）が用いられる。放熱板４の表面４ａは、放熱板接合部材５により基板部材２の金属パターン２３と接合されている。放熱板接合部材５には、例えば、Ｐｂ及びＳｎを含有する高温用はんだがなどが用いられる。但し、放熱板接合部材５に用いられる材料はこれに限定されるものではない。放熱板接合部材５に用いられる材料としては、Ａｇナノ粒子ペースト又はＡｇ粒子及びエポキシ樹脂を含む導電性接着材を用いることもできる。
【００２７】
ケース６は、耐熱性の高い絶縁性の材料が用いられる。例えば、ケース６の材料としては、ポリフェニレンサルファイド（Polyphenylene  Sulfide）、ポリブチレンテレフタレート（Polybutylene  Terephthaete）が用いられる。ケース６は、放熱板４とともに、パワーモジュールの筐体を構成する。図１Ａ及び図１Ｂにおいては、ケース６の下面に放熱板４が設けられているが、ケース６は、放熱板４の外周部分を囲んでいてもよい。なお、ケース６の形状はこれらに限られるものではない。放熱板４の裏面４ｂが外部に露出することにより、放熱板４から発生した熱を外部へ放出できるようになっていればよい。さらに、ケース６は、端子６１を有している。端子６１は、外部端６１ａと内部端６１ｂを含んでいる。
【００２８】
配線部材７は、パワー半導体素子１の表面電極１１及び基板部材２の第２の回路パターン２２を接続している。また、別の配線部材７は、基板部材２の第２の回路パターン２２及び端子６１の内部端６１ｂを接続している。配線部材７としては、例えば、ワイヤ７ａが用いられる。ワイヤ７ａは、例えば、Ａｌ、Ｃｕなどを主体とした合金によって形成されている。ワイヤ７ａの径は、接合領域３ａの長さＬ及び幅Ｗよりも小さいことが好ましい。具体的には、ワイヤ７ａの直径は、３００μｍ以上４００μｍ以下であることが好ましい。
【００２９】
封止部材８は、パワー半導体素子１、基板部材２及び配線部材７を封止している。例えば、封止樹脂８ａが、放熱板４及びケース６により構成されるパワーモジュールの筐体の内部に充填されている。封止樹脂８ａとしては、例えば、シリコン樹脂が用いられる。但し、封止樹脂８ａに用いられる材料は、これに限られるものではない。例えば、封止樹脂８ａとしては、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、アクリル樹脂、ゴム材などを用いることができる。また、封止部材８は、複数の封止樹脂８ａにより形成されていてもよい。例えば、封止部材８を、ゲル状のシリコン樹脂の上に、エポキシ樹脂を重ねることにより形成してもよい。
【００３０】
［第１の実施形態に係るパワーモジュールの製造方法］
以下に第１の実施形態に係るパワーモジュールの製造方法について説明する。第１の実施形態に係るパワーモジュールの製造工程は、準備工程Ｓ１と、素子接合工程Ｓ２と、配線部材接合工程Ｓ３と、樹脂封止工程Ｓ４とを備える。
【００３１】
以下に、準備工程Ｓ１について説明する。準備工程Ｓ１においては、表面電極１１及び裏面電極１２を有するパワー半導体素子１が準備される。また、表面２ａに第１の回路パターン２１及び第２の回路パターン２２を有し、裏面２ｂに金属パターン２３を有する基板部材２が準備される。さらに、放熱板４が準備される。
【００３２】
以下に、素子接合工程Ｓ２について説明する。放熱板４の表面４ａ上に、放熱板接合部材５が供給される。第１の回路パターン２１上に、素子接合部材３が供給される。なお、第１の回路パターン２１上の空隙領域３ｂに対応する領域にソルダレジストを設ける方法又は第１の回路パターン２１上の接合領域３ａに対応する領域のみに素子接合部材３を印刷する方法などにより、素子接合部材３は、第１の回路パターン２１上の接合領域３ａに対応する領域のみに供給される。
【００３３】
続いて、供給された放熱板接合部材５に金属パターン２３が接するように基板部材２を置く。また、供給された素子接合部材３に裏面電極１２が接するようにパワー半導体素子１を置く。この状態で、放熱板４、放熱板接合部材５、素子接合部材３、基板部材２及びパワー半導体素子１をリフロー炉などの加熱炉に投入する。その結果、放熱板接合部材５が溶融又は焼結することにより、放熱板４と金属パターン２３が接合される。また、素子接合部材３が溶融又は焼結することにより、第１の回路パターン２１と裏面電極１２が、接合領域３ａにおいて接合される。かかる接合の完了後、放熱板４にはケース６が取り付けられる。
【００３４】
なお、上記においては、放熱板４と金属パターン２３の接合及び第１の回路パターン２１と裏面電極１２の接合を一括して行ったが、これらの接合は別々の工程で接合してもよい。また、上記においては、素子接合部材３を第１の回路パターン２１上に供給したが、素子接合部材３は、裏面電極１２にプリコートするなどの方法により、裏面電極１２側に供給してもよい。
【００３５】
以下に、配線部材接合工程Ｓ３について説明する。ワイヤ７ａの一方端は、表面電極１１上の配線領域１３（図２参照）に置かれる。ここで、配線領域１３は、配線部材７と表面電極が接合される又は接合された領域をいう。配線領域１３は、平面視において、素子接合部材３の接合領域３ａの上になるように配置されている。すなわち、平面視において配線領域１３は、接合領域３ａと重なり、接合領域３ａに包含されるような位置関係となっている。また、図２に示すように、配線領域１３は、平面視において空隙領域３ｂ上には位置せず、接合領域３ａ上のみに位置することが好ましい。この状態で、ワイヤ７ａの一方端に荷重及び超音波振動が印加される。これにより、ワイヤ７ａが表面電極１１に接合される。なお、ワイヤ７ａが、正確に接合領域３ａ上において、表面電極と接合されるようにするため、ワイヤボンディングを行う前にＸ線透過観察、超音波探傷観察により、素子接合部材３の接合領域３ａの位置を確認してもよい。同様の方法により、ワイヤ７ａの他方端が第２の回路パターン２２に接合される。さらに、別のワイヤ７ａは、同様の方法により、第２の回路パターン２２及び端子６１の内部端６１ｂと接合される。
【００３６】
以下に、樹脂封止工程Ｓ４について説明する。封止樹脂８ａは、放熱板４及びケース６により構成される筐体の内部に充填される。これにより、パワー半導体素子１、基板部材２、素子接合部材３、放熱板４、放熱板接合部材５及び配線部材７が、封止樹脂８ａにより覆われる。この状態で、熱処理炉中で熱処理を行うことにより、封止樹脂８ａが硬化する。以上より、第１の実施形態に係るパワーモジュールが製造される。
【００３７】
［第１の実施形態の変形例］
以下に、第１の実施形態の変形例について図面を用いて説明する。なお、ここでは、上記の第１の実施形態に係るパワーモジュールと異なる点について主に説明する。
【００３８】
図１Ｂは、第１の実施形態の変形例に係るパワーモジュールの断面図である。図１Ｂに示すように、第１の実施形態の変形例に係るパワーモジュールにおいては、基板部材２として、セラミックスフィラーを充填した有機材料が用いられている。このような有機材料としては、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、シアネート系樹脂等が用いられる。また、かかるセラミックスフィラーとしては、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ホウ素等が用いられる。
【００３９】
かかる基板部材２の製造方法は以下のとおりである。まず、セラミックフィラーを充填した有機材料が、放熱板４上に塗布される。その後、セラミックフィラーを充填した有機材料が塗布された放熱板４が熱処理される。これにより、基板部材２が放熱板４上に形成される。そのため、第１の実施形態の変形例においては、金属パターン２３及び放熱板接合部材５を設けることなく、放熱板４上に直接に基板部材２を設けることが可能となる。
【００４０】
［第１の実施形態に係るパワーモジュール及びその製造方法の効果］
第１の実施形態に係るパワーモジュールにおいては、パワー半導体素子１の裏面電極１２と基板部材２は、接合領域３ａにおいては素子接合部材３により接合される。他方、裏面電極１２と基板部材２は、空隙領域３ｂにおいて接合されていない。そのため、パワーモジュールの動作中の発熱及びパワーモジュールを構成する各部材の線膨張係数の違いに起因して素子接合部材３に熱応力が生じたとしても、空隙領域３ｂがその熱応力を緩和することができる。また、配線部材７は、パワー半導体素子１の表面電極１１と、接合領域３ａの上で接合されているため、接合時の荷重及び超音波振動の印加により、空隙領域３ｂに生じる負荷を低減することができる。そのため、接合時にパワー半導体素子１の損傷を防止することができる。
【００４１】
（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態について図面を用いて説明する。なお、ここでは、上記の第１の実施形態に係るパワーモジュールと異なる点について主に説明する。
【００４２】
［第２の実施形態に係るパワーモジュールの構造］
図４は、第２の実施形態に係るパワーモジュールの断面図である。図４に示すように、第２の実施形態に係るパワーモジュールは、第１の実施形態に係るパワーモジュールと同様に、パワー半導体素子１と、基板部材２と、素子接合部材３と、放熱板４と、端子６１と、配線部材７と、封止部材８とを備えている。しかしながら、第２の実施形態に係るパワーモジュールは、ケース６を備えていない点及び封止部材８として樹脂モールド８ｂが用いられている点において、第１の実施形態に係るパワーモジュールと異なっている。
【００４３】
樹脂モールド８ｂは、パワー半導体素子１、基板部材２、素子接合部材３、放熱板４、端子６１及び配線部材７を覆っている。但し、端子６１の外部端６１ａ及び放熱板４の裏面４ｂは、外部に露出している。樹脂モールド８ｂとしては、例えば、熱硬化性樹脂が用いられる。好ましくは、樹脂モールド８ｂの材料として、エポキシ樹脂を用いることができる。
【００４４】
［第２の実施形態に係るパワーモジュールの製造方法］
第２の実施形態に係るパワーモジュールの製造方法は、準備工程Ｓ１、素子接合工程Ｓ２、及び配線部材接合工程Ｓ３については、第１の実施形態に係るパワーモジュールの製造方法と同様である。しかし、第２の実施形態に係るパワーモジュールの製造方法においては、樹脂封止工程Ｓ４に代えて、モールド工程Ｓ５が行われる。
【００４５】
モールド工程Ｓ５としては、例えば、トランスファーモールドが行われる。まず、金型を準備する。金型中には、樹脂モールド８ｂの形状と同一の形状のキャビティが設けられている。また、金型には、キャビティと連通しているライナが設けられている。続いて、金型のキャビティ中に、準備工程Ｓ１、素子接合工程Ｓ２及び配線部材接合工程Ｓ３が完了したパワーモジュールを載置する。その後、溶融した熱硬化性樹脂がランナを介してキャビティに注入される。そして、熱硬化性樹脂の注入が完了した後、数分程度高温状態を保持する。これにより、注入した熱硬化性樹脂が硬化する。以上のような工程により、樹脂モールド８ｂが形成される。
【００４６】
［第２の実施形態に係るパワーモジュールの効果］
第２の実施形態に係るパワーモジュールは、トランスファーモールドのようなコストの低い樹脂封止工程を用いて、パワーモジュールを樹脂封止することができる。そのため、第２の実施形態によると、第１の実施形態と比較して、製造コストを低減することができる。また、トランスファーモールドのような樹脂封止工程は、パワーモジュールをより強固に封止することができる。そのため、第２の実施形態によると、第１の実施形態と比較して、配線部材７と表面電極１１の接合、及び基板部材２と裏面電極１２の接合の信頼性を高めることができる。
【００４７】
（第３の実施形態）
［第３の実施形態に係るパワーモジュールの構造］
以下に、第３の実施形態について図面を用いて説明する。なお、ここでは、上記の第１の実施形態に係るパワーモジュールと異なる点について主に説明する。
【００４８】
図５Ａは、第３の実施形態に係るパワーモジュールの断面図である。図５Ａに示すように、第３の実施形態に係るパワーモジュールは、第１の実施形態に係るパワーモジュールと同様に、パワー半導体素子１と、基板部材２と、素子接合部材３と、放熱板４と、放熱板接合部材５と、ケース６と、端子６１と、配線部材７と、封止部材８とを備えている。しかし、第２の実施形態に係るパワーモジュールは、配線部材７として、板状配線部材７ｂが用いられている点において、第１の実施形態に係るパワーモジュールと異なっている。なお、図５Ａに示すように、板状配線部材７ｂは、端子６１の内部端６１ｂであってもよい。図５Ｂは、第３の実施形態に係るパワーモジュールの変形例の断面図である。かかる変形例は、図５Ｂに示すように、基板部材２として、セラミックスフィラーを充填した有機材料が用いられている点を除いて、図５Ａに示すパワーモジュールの構造と同一である。
【００４９】
板状配線部材７ｂは、パワー半導体素子１の表面電極１１に接合されている。板状配線部材７ｂは、例えば、Ａｌ、Ｃｕなどを主体とした合金によって形成されている。また、好ましくは、板状配線部材７ｂと表面電極１１が接合される領域（配線領域１３）は、平面視において、接合領域３ａ上にある。なお、図５Ａ及び図５Ｂにおいては、板状配線部材７ｂは表面電極１１に直接接合されているが、板状配線部材７ｂと表面電極１１との間に、他の部材を挿入してもよい。
【００５０】
図６は、第３の実施形態に係るパワーモジュールにおける素子接合部材３の上面図である。第１の実施形態に係るパワーモジュールと同様、裏面電極１２と素子接合部材３の間には、接合領域３ａ及び空隙領域３ｂが存在している。しかしながら、板状配線部材７ｂは、ワイヤ７ａと比較して、表面電極１１と接合される領域（配線領域１３）の面積が広い。そのため、第３の実施形態においては、配線領域１３を含む接合領域３ａの面積は、第１の実施形態と比較して、大きいほうが好ましい。より具体的には、接合領域３ａの幅Ｗは０．８ｍｍ程度、長さＬは０．８ｍｍ程度であることが好ましい。
【００５１】
［第３の実施形態に係るパワーモジュールの製造方法］
第３の実施形態に係るパワーモジュールの製造方法は、準備工程Ｓ１、素子接合工程Ｓ２及び樹脂封止工程Ｓ４に関しては、第１の実施形態に係るパワーモジュールの製造方法と同様である。しかし、第３の実施形態に係るパワーモジュールの製造方法は、配線部材接合工程Ｓ３に関して、第１の実施形態に係るパワーモジュールの製造方法と異なっている。そのため、配線部材接合工程Ｓ３に関する相違点について説明する。
【００５２】
板状配線部材７ｂは、例えば、超音波接合法により表面電極１１に接合される。まず、板状配線部材７ｂを、表面電極１１上に配置する。続いて、板状配線部材７ｂに接合ツールＴを押し当てる。この接合ツールは、先端に凹凸形状を有している。この状態で、接合ツールＴは、板状配線部材７ｂに対し、荷重及び超音波振動を印加する。これにより、板状配線部材７ｂは、表面電極１１に接合される。なお、接合ツールＴが板状配線部材７ｂに荷重及び超音波振動を印加する箇所は、平面視において、素子接合部材３の接合領域３ａ上にあることが好ましい。
【００５３】
［第３の実施形態の効果］
一般に、パワーモジュールが大電流を扱えるようにするためには、パワー半導体素子の表面電極に接合される部材の断面積を増加させる必要がある。そのため、第１の実施形態に係るパワーモジュールにおいては、表面電極１１と接合されるワイヤ７ａの本数を増やすことが必要である。しかしながら、第１の実施形態に係るパワーモジュールのように、配線部材７としてワイヤ７ａを用いた場合、その本数を増やすことに限界がある。他方、第３の実施形態に係るパワーモジュールにおいては、配線部材７として、板状配線部材７ｂを用いている。そのため、配線部材７の本数を増やすことなく、配線部材７の断面積を増加させることができる。従って、第３の実施形態に係るパワーモジュールは、第１の実施形態に係るパワーモジュールと比較して、大電流化を図ることができる。
【００５４】
（第４の実施形態）
以下に、第４の実施形態について図面を用いて説明する。なお、ここでは、上記の第１の実施形態に係るパワーモジュールと異なる点について主に説明する。
【００５５】
図７は、第４の実施形態に係るパワーモジュールの断面図である。図７に示すように、第４の実施形態に係るパワーモジュールは、第１の実施形態に係るパワーモジュールと同様に、パワー半導体素子１と、基板部材２と、素子接合部材３と、放熱板４と、端子６１を備えている。しかしながら、第２の実施形態に係るパワーモジュールは、端子６１の内部端６１ｂが、配線部材７が板状配線部材７ｂとなっている点、及びケース６及び封止部材８に代えて樹脂モールド８ｂを備えている点において、第１の実施形態に係るパワーモジュールと異なっている。なお、これらの点は、第２及び第３の実施形態に係るパワーモジュールと同様である。そのため、第４の実施形態においては、第１の実施形態と比較して、製造コストを低減させることができ、配線部材７と表面電極１１の接合及び基板部材２と裏面電極１２の接合の信頼性を高めることができ、大電流化を図ることができる。
【００５６】
（その他の実施形態）
上記第１ないし第４の実施形態においては、半導体素子としてパワー半導体素子１を用いたが、パワー半導体素子１に代えてパワー半導体素子以外の半導体素子を用いることもできる。
【００５７】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００５８】
１  パワー半導体素子、１ａ  パワー半導体素子の表面、１ｂ  パワー半導体素子の裏面、１１  表面電極、１２  裏面電極、１３  配線領域、２  基板部材、２ａ  基板部材の表面、２ｂ  基板部材の裏面、２１  第１の回路パターン、２２  第２の回路パターン、２３  金属パターン、３  素子接合部材、３ａ  接合領域、３ｂ  空隙領域、４  放熱板、４ａ  放熱板の表面、４ｂ  放熱板の裏面、５  放熱板接合部材、６  ケース、６１  端子、６１ａ  外部端、６１ｂ  内部端、７  配線部材、７ａ  ワイヤ、７ｂ  板状配線部材、８  封止部材、８ａ  封止樹脂、８ｂ  樹脂モールド、Ｌ  長さ、Ｗ  幅、Ｔ  接合ツール。
【図１Ａ】
2017077729.tif 000003
【図１Ｂ】
2017077729.tif 000004
【図２】
2017077729.tif 000005
【図３Ａ】
2017077729.tif 000006
【図３Ｂ】
2017077729.tif 000007
【図３Ｃ】
2017077729.tif 000008
【図４】
2017077729.tif 000009
【図５Ａ】
2017077729.tif 000010
【図５Ｂ】
2017077729.tif 000011
【図６】
2017077729.tif 000012
【図７】
2017077729.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成28年10月14日(2016.10.14)
【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】
基板部材と、
表面電極及び裏面電極を有する半導体素子と、
前記裏面電極と前記基板部材を接合する素子接合部材と、
前記表面電極に接合されている配線部材を備え、
前記裏面電極と前記基板部材との間に空隙領域と前記素子接合部材が配置される接合領域とが存在し、
前記表面電極と前記配線部材は平面視において前記接合領域上で接合されている、半導体モジュール。
【請求項２】
前記素子接合部材は、はんだ、導電性接着剤又はナノ粒子ペーストのいずれかである、請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項３】
前記配線部材は、前記空隙領域を介して前記接合領域に挟まれ配線領域を有する前記接合領域に接合する、請求項１または請求項２に記載の半導体モジュール。
【請求項４】
前記配線部材は、断面視において前記接合領域上で凹部を有する、請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項５】
前記基板部材、前記半導体素子、前記素子接合部材及び前記配線部材を覆う封止部材をさらに備えている、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項６】
ケースと、放熱板とをさらに備え、前記封止部材は前記ケース及び放熱板によって形成される領域の内部を充填している、請求項５記載の半導体モジュール。
【請求項７】
前記封止部材は、樹脂モールドである、請求項５に記載の半導体モジュール。
【請求項８】
前記配線部材がワイヤである、請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項９】
前記配線部材が板状部材である、請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項１０】
前記半導体素子がパワー半導体素子である、請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項１１】
半導体素子の裏面電極と基板部材との間に空隙領域と素子接合部材が配置される接合領域とを設け、前記裏面電極と前記基板部材とを前記素子接合部材で接合する素子接合工程と、
平面視において前記接合領域上で前記半導体素子の表面電極と配線部材とを接合する配線部材接合工程とを備える、半導体モジュールの製造方法。
【請求項１２】
前記素子接合部材は、はんだ、導電性接着剤又はナノ粒子ペーストのいずれかである、請求項１１に記載の半導体モジュールの製造方法。
【請求項１３】
前記配線部材接合工程において、前記配線部材はワイヤであり、前記ワイヤはワイヤボンディングにより前記表面電極に接合されている、請求項１１または請求項１２に記載の半導体モジュールの製造方法。
【請求項１４】
前記配線部材接合工程において、前記配線部材と前記表面電極は、超音波接合により接合されている、請求項１１に記載の半導体モジュールの製造方法。
【手続補正書】
【提出日】平成29年1月27日(2017.1.27)
【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】
基板部材と、
前記基板部材上に形成された回路パターンと、
表面電極及び裏面電極を有する半導体素子と、
前記裏面電極と前記回路パターンを接合する素子接合部材と、
前記表面電極に接合されている配線部材を備え、
前記裏面電極と前記回路パターンとの間に空隙領域と前記素子接合部材が配置される接合領域とが存在し、
前記表面電極と前記配線部材は平面視において前記接合領域上で接合されている、半導体モジュール。
【請求項２】
前記素子接合部材は、はんだ、導電性接着剤又はナノ粒子ペーストのいずれかである、請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項３】
前記配線部材は、前記空隙領域を介して前記接合領域に挟まれ配線領域を有する前記接合領域に接合する、請求項１または請求項２に記載の半導体モジュール。
【請求項４】
前記配線部材は、断面視において前記接合領域上で凹部を有する、請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項５】
前記基板部材、前記半導体素子、前記素子接合部材及び前記配線部材を覆う封止部材をさらに備えている、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項６】
ケースと、放熱板とをさらに備え、前記封止部材は前記ケース及び放熱板によって形成される領域の内部を充填している、請求項５記載の半導体モジュール。
【請求項７】
前記封止部材は、樹脂モールドである、請求項５に記載の半導体モジュール。
【請求項８】
前記配線部材がワイヤである、請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項９】
前記配線部材が板状部材である、請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項１０】
前記半導体素子がパワー半導体素子である、請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項１１】
前記基板部材がセラミック板である、請求項１〜請求項１０のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項１２】
前記基板部材が樹脂材料である、請求項１〜請求項１０のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項１３】
半導体素子の裏面電極と基板部材上に形成された回路パターンとの間に空隙領域と素子接合部材が配置される接合領域とを設け、前記裏面電極と前記回路パターンとを前記素子接合部材で接合する素子接合工程と、
平面視において前記接合領域上で前記半導体素子の表面電極と配線部材とを接合する配線部材接合工程とを備える、半導体モジュールの製造方法。
【請求項１４】
前記素子接合部材は、はんだ、導電性接着剤又はナノ粒子ペーストのいずれかである、請求項１３に記載の半導体モジュールの製造方法。
【請求項１５】
前記配線部材接合工程において、前記配線部材はワイヤであり、前記ワイヤはワイヤボンディングにより前記表面電極に接合されている、請求項１３または請求項１４に記載の半導体モジュールの製造方法。
【請求項１６】
前記配線部材接合工程において、前記配線部材と前記表面電極は、超音波接合により接合されている、請求項１３に記載の半導体モジュールの製造方法。
【手続補正書】
【提出日】平成29年8月8日(2017.8.8)
【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】
基板部材と、
前記基板部材上に形成された回路パターンと、
表面電極及び裏面電極を有する半導体素子と、
前記裏面電極と前記回路パターンを接合する素子接合部材と、
前記表面電極に接合されている配線部材を備え、
前記裏面電極と前記回路パターンとの間に空隙領域と前記素子接合部材が配置される接合領域とが存在し、
前記素子接合部材は前記空隙領域により分割された複数の前記接合領域を有し、
前記表面電極と前記配線部材は平面視において前記接合領域上で接合されている、半導体モジュール。
【請求項２】
前記素子接合部材は、はんだ、導電性接着剤又はナノ粒子ペーストのいずれかである、請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項３】
前記配線部材は、前記空隙領域を介して前記接合領域に挟まれ配線領域を有する前記接合領域に接合する、請求項１または請求項２に記載の半導体モジュール。
【請求項４】
前記配線部材は、断面視において前記接合領域上で凹部を有する、請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項５】
前記基板部材、前記半導体素子、前記素子接合部材及び前記配線部材を覆う封止部材をさらに備えている、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項６】
ケースと、放熱板とをさらに備え、前記封止部材は前記ケース及び放熱板によって形成される領域の内部を充填している、請求項５記載の半導体モジュール。
【請求項７】
前記封止部材は、樹脂モールドである、請求項５に記載の半導体モジュール。
【請求項８】
前記配線部材がワイヤである、請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項９】
前記配線部材が板状部材である、請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項１０】
前記半導体素子がパワー半導体素子である、請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項１１】
前記基板部材がセラミック板である、請求項１〜請求項１０のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項１２】
前記基板部材が樹脂材料である、請求項１〜請求項１０のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項１３】
半導体素子の裏面電極と基板部材上に形成された回路パターンとの間に空隙領域により分割された複数の接合領域を有する素子接合部材が設けられ、前記裏面電極と前記回路パターンとを前記素子接合部材で接合する素子接合工程と、
平面視において前記接合領域上で前記半導体素子の表面電極と配線部材とを接合する配線部材接合工程とを備える、半導体モジュールの製造方法。
【請求項１４】
前記素子接合部材は、はんだ、導電性接着剤又はナノ粒子ペーストのいずれかである、請求項１３に記載の半導体モジュールの製造方法。
【請求項１５】
前記配線部材接合工程において、前記配線部材はワイヤであり、前記ワイヤはワイヤボンディングにより前記表面電極に接合されている、請求項１３または請求項１４に記載の半導体モジュールの製造方法。
【請求項１６】
前記配線部材接合工程において、前記配線部材と前記表面電極は、超音波接合により接合されている、請求項１３に記載の半導体モジュールの製造方法。
【国際調査報告】
2017077729.tif 000014
2017077729.tif 000015
2017077729.tif 000016
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