(57)【要約】  本発明の課題は半導体モジュールを小型に構成することである。  制御電極（１０１）と制御端子（２１）とを接続する金属ワイヤ（２１２）を、制御電極（１０１）から第１の導体部（２０２）に向かって第１の角度（θ１）をなすように立ち上げ、第１の導体部（２０２）に近接するにつれて徐々に第１の導体部（２０２）に略平行となり、第１の角度（θ１）よりも小さな第２の角度（θ２）をなすように、制御端子（２１）と接続するようにした。
2016092994.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の基板と、
前記第１の基板に対向して配置される第２の基板と、
前記第１の基板における前記第２の基板に面する側に備わる第１の導体部と、
前記第２の基板における前記第１の基板に面する側に備わる第２の導体部と、
前記第１の導体部に接合され、前記第１の基板と前記第２の基板との間に向けて配置される第１の端子と、
前記第２の導体部に接合され、前記第１の基板と前記第２の基板との間に向けて配置される第２の端子と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間に向けて配置される制御端子と、
片面に第１の電極と制御電極とを備え、前記片面とは逆の面に第２の電極を備える半導体チップと、
前記制御端子と前記制御電極とを弧を描くように接続する金属ワイヤと、
前記第１の導体部と前記第２の導体部との間に配置される導体ブロックとを有し、
前記半導体チップは、前記第１の電極が、前記導体ブロックを介して前記第１の基板の第１の導体部と接続され、前記第２の電極が、前記第２の基板の第２の導体部と接続され、
前記金属ワイヤは、前記制御電極から前記第１の導体部に向かって第１の角度をなすように立ち上がり、前記第１の導体部に近接するにつれて徐々に前記第１の導体部に略平行となり、前記第１の角度よりも小さな第２の角度をなすように、前記制御端子と接続する
ことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項２】
前記金属ワイヤは、
前記第１の導体部に対して垂直な方向における前記第１の基板と前記制御電極との距離をＬ1とし、前記第１の導体部に対して垂直な方向における前記第１の基板と前記制御端子における前記金属ワイヤの接続箇所との距離をＬ2とし、前記第１の導体部に対して平行な方向における前記制御電極と前記接続箇所との距離をＬ3としたとき、「Ｌ1＋√（Ｌ22＋Ｌ32）」を超える長さを有する
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項３】
前記金属ワイヤは、前記第１の基板に対して、１００μｍ以下の距離を隔てて近接している箇所を有する
ことを特徴とする請求項２に記載の半導体モジュール。
【請求項４】
前記第１の基板と前記第２の基板とは、同一の形状を有し、同一のサイズを有する
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項５】
前記制御端子が前記第１の基板と前記第２の基板との間から露出する面において、前記第１の導体部の端部は直線状に形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項６】
前記制御端子が前記第１の基板と前記第２の基板との間から露出する面において、前記第１の基板の端部は直線状に形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項７】
前記金属ワイヤは、前記第１の導体部に近接する箇所において、前記第１の基板に対する投影形状が湾曲している
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項８】
第１の基板と、
前記第１の基板に対向して配置される第２の基板と、
前記第１の基板における前記第２の基板に面する側に備わる第１の導体部と、
前記第２の基板における前記第１の基板に面する側に備わる第２の導体部と、
前記第１の導体部に接合され、前記第１の基板と前記第２の基板との間に向けて配置される第１の端子と、
前記第２の導体部に接合され、前記第１の基板と前記第２の基板との間に向けて配置される第２の端子と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間に向けて配置される制御端子と、
片面に第１の電極と制御電極とを備え、前記片面とは逆の面に第２の電極を備える半導体チップと、
前記制御端子と前記制御電極とを弧を描くように接続する金属ワイヤと、
前記第１の導体部と前記第２の導体部との間に配置される導体ブロックとを有する半導体モジュールの製造方法であって、
前記第２の電極を、前記第２の基板の第２の導体部に接合する工程と、
前記半導体チップの第１の電極に前記導体ブロックを接合するとともに、前記制御電極と前記制御端子の接合箇所との間を、前記第１の基板が配置されるべき場所に干渉するように、前記金属ワイヤによって接続する工程と、
前記第１の基板によって前記金属ワイヤを押圧しつつ、前記第１の基板を前記導体ブロックに接合する工程と、
前記制御端子の位置を、前記第１の基板から離れる方向に移動させ、これによって前記金属ワイヤと前記第１の基板とを隔てる工程と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間をトランスファーモールドによって樹脂で封止する工程と
を有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】
本発明は、半導体モジュールおよび半導体モジュールの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置等に用いられる半導体モジュールに関する背景技術として、下記特許文献１の要約書には、「半導体素子が搭載された半導体装置の上下の主面から効率よく放熱を行うことが出来る半導体装置を提供する」および「半導体装置４は、絶縁基板１０Ａの金属箔１０ａｃを、絶縁板１０ａａの端付近（図中のＣの部分）にまで配設している。絶縁板１０ｇａを別途設け、当該絶縁板１０ｇａの上面側に制御用端子１０ｇが接続され、絶縁板１０ｇａの下面側に金属箔１０ｇｂが接続されている」と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−６０４１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、半導体モジュールの高電圧化が進んでいることにより、半導体モジュール内の部材間の電位差も大きくなりつつある。相互の電位差が大きくなる複数の部材を配置する際には、絶縁破壊を防止できるだけの絶縁距離を確保しつつ、製造時のばらつきを考慮して寸法が決定されるため、半導体モジュールが大型化するという問題が生じている。
この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、小型に構成できる半導体モジュールおよび半導体モジュールの製造方法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】
【０００５】
上記課題を解決するため本発明にあっては、制御電極と制御端子とを接続する金属ワイヤを、制御電極から第１の導体部に向かって第１の角度をなすように立ち上げ、第１の導体部に近接するにつれて徐々に第１の導体部に略平行となり、第１の角度よりも小さな第２の角度をなすように、制御端子と接続したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、半導体モジュールを小型に構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の一実施形態によるパワーモジュールの斜視図である。
【図２】パワーモジュールの回路図である。
【図３】封止部を取り除いたパワーモジュールの斜視図である。
【図４】ＩＧＢＴチップの斜視図である。
【図５】図３におけるＡ−Ａ’断面図である。
【図６】封止部を取り除いた状態のパワーモジュールの分解斜視図である。
【図７】パワーモジュールの製造プロセスを示す図である。
【図８】パワーモジュールの他の製造プロセスを示す図である。
【図９】パワーモジュールの他の製造プロセスを示す図である。
【図１０】比較例によるパワーモジュールのＡ−Ａ’断面図に相当する図である。
【図１１】上記実施形態の変形例におけるパワーモジュールの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
［実施形態の構成］
＜全体構成＞
次に、本発明の一実施形態によるパワーモジュールの構成を説明する。
図１は、本実施形態によるパワーモジュール９０１の斜視図である。パワーモジュール９０１は略長方形板状の形状を有しており、対向する平行な二面に長方形薄板状の放熱部４０２，４０３が設けられている。放熱部４０２，４０３の外側の面（露出面）を放熱面４２，４３という。パワーモジュール９０１の側面のうち、放熱面４２，４３に挟まれた一の側面からは、複数の板状の端子、すなわちエミッタ端子２２、コレクタ端子２３、一対のゲート端子２１、一対のセンスエミッタ端子２５が突出している。上述した放熱面４２，４３および各端子を除く部分には、封止剤が充填されることにより、封止部１１が形成されている。
【０００９】
次に、パワーモジュール９０１の回路構成を、図２に示す。
パワーモジュール９０１には、センスエミッタ付きの一対のＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ，Insulated Gate Bipolar Transistor）チップ１００と、ＩＧＢＴチップ１００のコレクタ電極を相互に接続するコレクタ回路部２０３と、ＩＧＢＴチップ１００のエミッタ電極を相互に接続するエミッタ回路部２０２と、エミッタ回路部２０２およびコレクタ回路部２０３に接続された、還流用の一対のダイオードチップ１１０を有している。
【００１０】
エミッタ回路部２０２はエミッタ端子２２に接続され、コレクタ回路部２０３はコレクタ端子２３に接続されている。また、一対のＩＧＢＴチップ１００のゲート電極およびセンスエミッタ電極は、各々別個のゲート端子２１およびセンスエミッタ端子２５に接続されている。周知のように、ＩＧＢＴチップ１００においては、ゲート端子２１に印加される電圧によって、端子２２，２３間のオン／オフ状態が制御される。
【００１１】
次に、図１における封止部１１を取り除いた状態のパワーモジュール９０１の斜視図を図３に示す。図１に示した放熱部４０２は、エミッタ電極側セラミックス基板１２の一部である。すなわち、セラミックス基板１２は、長方形板状のセラミックス絶縁層３０２と、その外側の面に形成され、セラミックス絶縁層３０２よりも若干小さい長方形板状の放熱部４０２とを有している。また、パワーモジュール９０１の裏面には、エミッタ電極側セラミックス基板１２に対向するように、コレクタ電極側セラミックス基板１３が配置される。そして、一対のＩＧＢＴチップ１００および一対のダイオードチップ１１０は、セラミックス基板１２，１３に挟まれている。ゲート端子２１およびセンスエミッタ端子２５は、各々金属ワイヤ２１２，２５２を介してＩＧＢＴチップ１００に接続されている。また、エミッタ端子２２およびコレクタ端子２３は、ダイオードチップ１１０に対向する箇所に接続されている。
【００１２】
次に、ＩＧＢＴチップ１００の斜視図を図４に示す。ＩＧＢＴチップ１００は略長方形板状に形成され、その上面に主電極となるエミッタ電極１０２が形成されるとともに、下面に主電極となるコレクタ電極１０３が形成されている。また、エミッタ電極１０２に並んで、制御電極となるゲート電極１０１とセンスエミッタ電極１０４とが形成されている。ダイオードチップ１１０の形状は図示しないが、ＩＧＢＴチップ１００とほぼ同寸の長方形板状に形成され、上面（エミッタ電極１０２に対応する位置）にはアノード電極が形成され、下面にはカソード電極が形成されている。
【００１３】
次に、図３におけるＡ−Ａ’断面を図５に示す。
図５において、コレクタ電極側セラミックス基板１３は、セラミックス絶縁層３０３と、その外面に接合された放熱部４０３と、その内面に接合されたコレクタ回路部２０３とを有している。そして、ＩＧＢＴチップ１００のコレクタ電極１０３は、金属接合部８０３を介してコレクタ回路部２０３に電気的に接合されている。また、コレクタ回路部２０３と放熱部４０３とは、間にセラミックス絶縁層３０３を挟んでいることにより、電気的に絶縁されている。
【００１４】
また、エミッタ電極側セラミックス基板１２は、セラミックス絶縁層３０２と、その外面に接合された放熱部４０２と、その内面に接合されたエミッタ回路部２０２とを有している。ＩＧＢＴチップ１００のエミッタ電極１０２と、エミッタ回路部２０２との間には、直方体状の金属ブロックである導体ブロック２０２Ａが挿入されている。導体ブロック２０２Ａは、金属接合部８０１，８０２を介してエミッタ回路部２０２およびエミッタ電極１０２に接合されており、これによってエミッタ電極１０２とエミッタ回路部２０２とは電気的に接合されている。また、エミッタ回路部２０２と放熱部４０２とは、間にセラミックス絶縁層３０２を挟んでいることにより、電気的に絶縁されている。
【００１５】
次に、封止部１１を取り除いた状態のパワーモジュール９０１の分解斜視図を図６に示す。
但し、図６において端子２１，２２，２３，２５の状態は、図１、図３、図５のものとは異なっている。すなわち、図６において、端子２１，２２，２３，２５は、ランナー２６に結合され、一体のリードフレーム２０が形成されている。すなわち、パワーモジュール９０１の製造プロセスにおいては、各端子はリードフレーム２０として一体化された状態に保たれる。そして、最後にランナー２６を切り落とすことによって、各端子２１，２２，２３，２５を独立させ、パワーモジュール９０１が完成する。
【００１６】
図６においてＩＧＢＴチップ１００とダイオードチップ１１０とは、平行に配置され、各々金属接合部８０３を介してコレクタ電極側セラミックス基板１３のコレクタ回路部２０３に接合される。また、ＩＧＢＴチップ１００とダイオードチップ１１０とは、各々金属接合部８０２、導体ブロック２０２Ａ、金属接合部８０１を順次介して、エミッタ電極側セラミックス基板１２のエミッタ回路部２０２に接合される。上述したように、エミッタ回路部２０２およびセラミックス絶縁層３０２は共に長方形板状に形成されているから、各端子の露出面（リードフレーム２０の露出面）におけるこれらの端部（エミッタ回路部端部２０２ｂ、セラミックス絶縁層端部３０２ｂ）は、共に直線状になる。なお、エミッタ電極側セラミックス基板１２の構成要素のうちセラミックス絶縁層３０２は各端子の露出面において最も外側に突出しているから、セラミックス絶縁層端部３０２ｂは、セラミックス基板１２の端部１２ｂにもなっている。
【００１７】
図５に戻り、エミッタ電極１０２とコレクタ電極１０３との間の電圧Ｖecは、相当に高い値（例えば１．２ｋＶ）にまで達する。エミッタ電極１０２とゲート電極１０１との間の電圧Ｖegは、数ボルト程度の低い値である。従って、ゲート電極１０１とコレクタ電極１０３との間の電圧Ｖgcは、電圧Ｖecにほぼ等しい値（例えば１．２ｋＶ）になる。
【００１８】
図５においてコレクタ電位になる部材のうち、金属ワイヤ２１２に最も近接するものは金属接合部８０３であり、特にその周縁部の盛り上がっている部分の最高点８０３ａが金属ワイヤ２１２に最も近接する。パワーモジュール９０１は樹脂によって封止部１１を形成するため、当該樹脂の誘電性質と電圧Ｖgcとに応じて、金属接合部８０３（特に最高点８０３ａ）と金属ワイヤ２１２との間に絶縁破壊が起きないような絶縁距離を確保する必要がある。この絶縁距離は、導体ブロック２０２Ａの高さによって調整されることになる。以下、図５における各部の詳細構成をさらに説明する。
【００１９】
＜金属ワイヤ２１２＞
図５において、ＩＧＢＴチップ１００のゲート電極１０１は、金属ワイヤ２１２を介してゲート端子２１に接合されている。金属ワイヤ２１２は、封止部１１が形成される以前の状態では、パワーモジュール９０１の上下方向に可動性を有している。金属ワイヤ２１２は、銅、アルミ、金等を用いることができる。金属ワイヤ２１２は、断面形状が円形のものに限らず、楕円形や長方形のものを用いることができる。また、金属ワイヤの直径又は短辺方向の厚みは１０μｍ〜３００μｍの範囲のものを用いることができる。
【００２０】
金属ワイヤ２１２は、ゲート電極１０１から角度θ１にて急峻に立ち上がり、ＩＧＢＴチップ１００の端部近傍にてエミッタ回路部２０２に近接し、緩やかなループを形成してゲート端子２１に接続されている。ゲート端子２１と金属ワイヤ２１２との接続箇所２１ａは、ＩＧＢＴチップ１００のゲート電極１０１よりも上方に位置し、エミッタ回路部２０２よりも下方に位置している。そして、金属ワイヤ２１２とＩＧＢＴチップ１００のなす角度θ１は、金属ワイヤ２１２とゲート端子２１のなす角度θ２よりも大きくなっている。
【００２１】
金属ワイヤ２１２の形状をさらに詳細に説明すると、ゲート電極１０１から放熱面４２に向かって角度θ１をなすように立ち上がり、エミッタ電極側セラミックス基板１２に近接するにつれ、放熱面４２に対してなす角度が徐々に小さくなっている。そして、位置２１２ｂにおいて曲率が最大になるピークを有している。その後、金属ワイヤ２１２は、放熱面４２に対して略平行になりながらゲート端子２１に近接し、接続箇所２１ａ付近の位置２１２ｃでは曲率のピーク（極値）が再び現れるように湾曲し、接続箇所２１ａにおいて角度θ２をなすようにゲート端子２１に接続されている。
【００２２】
ここで、放熱面４２に対して垂直な方向におけるエミッタ電極側セラミックス基板１２とゲート電極１０１との距離をＬ1とし、同方向におけるセラミックス基板１２と接続箇所２１ａとの距離をＬ2とし、放熱面４２に対して平行な方向におけるゲート電極１０１と接続箇所２１ａとの距離をＬ3としたとき、金属ワイヤ２１２は、「Ｌ1＋√（Ｌ22＋Ｌ32）」を超える長さを有する。具体的には、「Ｌ1＋√（Ｌ22＋Ｌ32）」に対して２％以上長くなる。さらに、金属ワイヤ２１２とエミッタ回路部２０２との間隔は、両者が最も近接する箇所において、１００μｍ以下になる。金属ワイヤ２１２とエミッタ回路部２０２との電圧は、エミッタ電極１０２とゲート電極１０１との間の電圧Ｖegに等しく、数ボルト程度の低い値である。従って、両者の間隔が１００μｍ以下であっても、充分な絶縁距離を確保することができる。ここで、金属ワイヤ２１２の長さは、該金属ワイヤ２１２の形状や、エミッタ回路２０２、コレクタ回路２０３、導体ブロック２０２Ａ、ゲート電極１０１等の金属ワイヤ周辺の部材の位置関係によって定まる。
【００２３】
＜導体ブロック２０２Ａ＞
導体ブロック２０２Ａは、エミッタ回路部２０２とコレクタ回路部２０３との絶縁距離を確保するスペーサとして機能する。この絶縁距離は、両回路部２０２，２０３間の最大電圧と、封止部１１の絶縁特性によって決定される。金属ワイヤ２１２の電位は、エミッタ回路部２０２の電位に近いため、図５のように金属ワイヤ２１２をエミッタ回路部２０２に近接して配置することにより、導体ブロック２０２Ａは、金属ワイヤ２１２とコレクタ回路部２０３との絶縁距離を確保する機能も併せ持つことになる。
【００２４】
また、ＩＧＢＴチップ１００において発生した熱は、コレクタ電極側セラミックス基板１３を伝熱する経路と、エミッタ電極側セラミックス基板１２を伝熱する経路とを介して外部に放熱される。これにより、ＩＧＢＴチップ１００を、放熱面４２，４３の両面から冷却することができ、冷却効率を高めることができる。従って、導体ブロック２０２Ａは、ＩＧＢＴチップ１００からエミッタ電極側セラミックス基板１２まで熱を伝導する伝導経路としての機能も有する。このため、導体ブロック２０２Ａは、空隙等を有しないように構成されている。
【００２５】
導体ブロック２０２Ａは、接合プロセス時に自立できるように、設置面の幅や奥行きを厚み（図５の上下方向の長さ）よりも大きくしている。さらに、導体ブロック２０２Ａの厚みは、金属接合部８０１，８０２の合計の厚みよりも大きくなっており、これによって接合時の傾きや厚みのばらつきが小さくなるようにしている。さらに、組立性を向上するため、導体ブロック２０２Ａのエミッタ電極１０２に対向する面の幅や奥行きは、エミッタ電極１０２よりも小さくなっている。
【００２６】
導体ブロック２０２Ａには、低電気抵抗かつ低熱抵抗になるよう、熱伝導率の高い銅やアルミニウム、モリブデン、タングステン、カーボン、それらの合金、複合材を選択することが望ましい。また、それらの材料を組み合わせてもよく、銅やアルミニウムに対する低熱膨張な中間層を設置してもよい。なお、本実施形態においては、この中間層を省略した構造を採っている。
【００２７】
＜セラミックス基板１２，１３＞
セラミックス基板１２，１３のセラミックス絶縁層３０２，３０３は、絶縁耐圧が高い窒化アルミニウム、窒化珪素、アルミナ等を用いるとよい。特に、熱伝導率の高い窒化アルミニウムや窒化珪素が望ましい。セラミックス絶縁層３０２，３０３の厚さは、パワーモジュールに必要な絶縁特性にあわせ、０．１〜１．５ｍｍの範囲に設定することが望ましい。また、パワーモジュールの熱応力による変形を小さくするためには、表裏のセラミックス絶縁層３０２，３０３の厚さを同等にすることが望ましい。また、セラミックス絶縁層として樹脂をマトリックスし、アルミナや窒化ホウ素やイットリアや窒化アルミ等の高熱伝導フィラーを混合したシート状の構成を用いることも可能である。ただし、樹脂を用いた場合は、耐熱性の観点より、金属接合部８０１〜８０３の接合後に取り付けるプロセスが望ましい。
【００２８】
また、エミッタ回路部２０２およびコレクタ回路部２０３は、ＩＧＢＴチップ１００の主電極であるエミッタ電極１０２およびコレクタ電極１０３に接合されるため、電気抵抗が低い銅やアルミニウム、またはそれらの合金を用いることが好ましい。また、セラミックス絶縁層３０２，３０３は両回路部２０２，２０３よりも膨張率が低いため、両回路部２０２，２０３とセラミックス絶縁層３０２，３０３との間に、低熱膨張で熱伝導率が高いモリブデンやタングステンやカーボン、またはそれらの材料と銅やアルミニウムとの複合材からなる中間層を設置してもよい。なお、本実施形態においては、この中間層を省略した構造を採っている。エミッタ回路部２０２およびコレクタ回路部２０３の厚さは、必要な電流容量にあわせ、０．２〜２．０ｍｍの範囲に設定することが望ましい。
【００２９】
放熱部４０２，４０３には、熱伝導率の高い銅やアルミニウム、またはそれらの合金を用いることが望ましい。また、上述の回路部２０２，２０３と同様に、放熱部４０２，４０３とセラミックス絶縁層３０２，３０３との間に、低熱膨張で熱伝導率が高いモリブデンやタングステンやカーボン、またはそれらの材料と銅やアルミニウムとの複合材からなる中間層を設置してもよい。本実施形態においては、この中間層を省略した構造を採っている。
【００３０】
回路部２０２，２０３と放熱部４０２，４０３とは、セラミックス絶縁層３０２，３０３に対して、例えば強固な接合ができるロウ材を用いて接合される。この時、セラミックス絶縁層３０２，３０３を挟んで回路部２０２，２０３と放熱部４０２，４０３の熱膨張率差とヤング率から求まる熱応力が等しくなるようにする方が望ましい。例えば、回路部２０２，２０３と放熱部４０２，４０３とに同一組成の材料を適用していれば、体積を近づけた形状にするとよい。また、セラミックス絶縁層３０２，３０３の幅に対し、回路部２０２，２０３、放熱部４０２，４０３の幅の何れか一方または双方の幅を小さくすることによって、封止部１１のセラミックス絶縁層３０２，３０３に対する沿面距離を長く設定した方が望ましい。回路部２０２，２０３は、セラミックス絶縁層３０２，３０３との接合後にエッチングで回路パターン作製してもよく、接合前にプレス等で打ち抜くことによって回路パターンを作製してもよい。
【００３１】
＜封止部１１＞
封止部１１には、例えば、接着性のあるノボラック、多官能、ビフェニル、フェノール型のエポキシ樹脂系、アクリル系、シリコーン系、ビスマレイミドトリアジン系、シアネートエステル系を基にした樹脂を用いることができる。これらの樹脂に、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＡｌＮ、ＢＮ等のセラミックスやゲル、ゴム等のフィラーを含有させ、熱膨張係数をＩＧＢＴチップ１００やダイオードチップ１１０、回路部２０２，２０３に近づけて、熱膨張係数の差を低減するとよい。このような樹脂を用いることにより、使用環境時の温度上昇に伴って発生する熱応力が大幅に低下するため、パワーモジュールの寿命を延ばすことが可能となる。回路部２０２，２０３に低熱膨張な材料を用い、低熱応力化している場合は、シリコーンゲル等を用いることも可能である。
【００３２】
封止部１１に上述の樹脂を用いで封止する前には、各回路、端子、セラミックス絶縁層、放熱部、半導体チップ、金属接合部に対して封止部１１と密着強度を向上する処理を施すほうが望ましい。例えば、ポリアミドイミドやポリイミド等の塗布膜を形成する手法をとるとよい。
【００３３】
＜金属接合部８０１〜８０３＞
エミッタ電極１０２、コレクタ電極１０３等を接合する金属接合部８０１〜８０３には、例えば、はんだ材や微細金属粒子、酸化金属粒子を主体とした低温焼結接合材等を用いるとよい。はんだ材には、封止部１１の硬化温度よりも融点が高い錫、ビスマス、亜鉛、金等が主成分であるはんだを用いることができる。酸化金属粒子には、ＡｇＯ，Ａｇ2Ｏ，ＣｕＯ等のはんだ材と同等の低温で還元可能な酸化金属が適用可能である。ＡｇＯ，Ａｇ2Ｏ，ＣｕＯを用いた場合には、金属接合部８０１〜８０３は焼結銀層または焼結銅層になる。
【００３４】
［製造プロセス］
次に、図７ないし図９を参照しつつ、パワーモジュール９０１の製造プロセスについて説明する。
まず、図７(a)に示すように、コレクタ電極側セラミックス基板１３にＩＧＢＴチップ１００とダイオードチップ１１０（図６参照）とを、金属接合部８０３を介して接合する。また、コレクタ端子２３（図６参照）がコレクタ回路部２０３に接合される。この時点では、図６に示したように、コレクタ端子２３は他の端子とともに、ランナー２６を介してリードフレーム２０として一体化されている。
【００３５】
コレクタ端子２３をコレクタ回路部２０３に接合することにより、リードフレーム２０とコレクタ電極側セラミックス基板１３との位置関係が決まるが、リードフレーム２０の位置は、本来の位置よりも若干上方に配置される。リードフレーム２０の位置を、その一部であるゲート端子２１の位置によって図７(a)に示す。図７(a)において、破線Ｂによって示す位置が本来のゲート端子２１の位置であるが、それよりも若干上方にゲート端子２１が配置されている。
【００３６】
次に、図７(b)に示すように、ゲート電極１０１とゲート端子２１とを金属ワイヤ２１２によって接続する。この工程は、通常のワイヤ・ボンディング工程と同様のものである。但し、金属ワイヤ２１２のループ形状は、破線によって示すエミッタ電極側セラミックス基板１２の実装位置に干渉するように設定される。なお、金属ワイヤ２１２の配線は、エミッタ電極側セラミックス基板１２をＩＧＢＴチップ１００に接合する前に行われる。その理由は、セラミックス基板１２をＩＧＢＴチップ１００に接合すると、エミッタ電極側セラミックス基板１２がゲート電極１０１を覆うため、ワイヤ・ボンディングができなくなるためである。
【００３７】
次に、図７(c)に示すように、導体ブロック２０２Ａを金属接合部８０２を介してエミッタ電極１０２に接合し、さらに、エミッタ電極側セラミックス基板１２を金属接合部８０１を介して導体ブロック２０２Ａに接合する。その際、金属ワイヤ２１２は、基板１２に接触しつつ下方向に押圧され変形する。エミッタ電極側セラミックス基板１２には、エミッタ端子２２が接合される。
【００３８】
次に、図８(a)に示すように、パワーモジュール９０１をトランスファーモールド用の金型１５０，１６０の中にセットする。図８(a)において金型１６０の左端には、ゲート端子２１等、リードフレーム２０に含まれる端子を挿入する溝である挿入口１６２が形成されている。なお、図８(a)に示す挿入口１６２には、ゲート端子２１が挿入されている。そして、ゲート端子２１および図示せぬ他の端子は、金型１５０によって下方向に押圧される。ここで、挿入口１６２が形成されている位置は、各端子が最終的に配置される位置に対応している。従って、従前の位置（図上では破線Ｃによって示す）に配置されていたゲート端子２１は、金型１５０に押し下げられて、図８(a)に示す位置に配置されることになる。他の端子も同様に、金型１５０に押し下げられることにより、ゲート端子２１に平行な位置に配置される。
【００３９】
金属ワイヤ２１２は可塑性の高い材質によって形成されているため、セラミックス基板１２との接触により受けた変形状態をほぼ保持しつつ、接続箇所２１ａが下方に向かう。これにより、金属ワイヤ２１２の配設位置が全体的に下方に下がるように変形される。また、金型１６０の右端には、トランスファーモールドの樹脂１１ａを注入するための溝である注入口１６４が形成されており、金型１５０には、樹脂１１ａを押圧する押圧部１５２が設けられている。押圧部１５２、注入口１６４を介して、金型１５０と金型１６０との間に樹脂１１ａを充填し、樹脂１１ａを熱硬化すると、封止部１１が形成される。
【００４０】
以上のようなプロセスを経て、金型１５０，１６０を取り外すと、その外観は図８(b)に示すようになる。また、その平面視は図９に示すようになる。図９においてリードフレーム２０からランナー２６を切断すると、端子２１，２２，２３，２５が独立した端子となり、図１に示したパワーモジュール９０１が完成する。
【００４１】
［比較例］
次に、本実施形態の効果を明らかにするため、比較例の構成を図１０を参照し説明する。
本比較例においては、金属ワイヤ２１２に代えて金属ワイヤ２１７が適用される。この金属ワイヤ２１７は、最初からエミッタ電極側セラミックス基板１２の配置場所には干渉しないようにボンディングされるため、製造工程においてセラミックス基板１２に接触することはない。また、ゲート端子２１等を含むリードフレーム２０は、最初から最終的な位置（図示の位置）に位置決めされる。
【００４２】
金属ワイヤ２１７のループ形状は、略三角形状である。このループ形状は、ボンディングの際にボンディングヘッド（図示せず）の描く軌道によって決定される。すなわち、ボンディングヘッドは、金属ワイヤ２１７に対して「くせ」を付けるような軌道を描きながら金属ワイヤ２１７を吐出することによって、略三角形状のループ形状を実現している。このような方法でループ形状を決定することは不自由さを伴うため、ループ形状を所望の形状に正確に設定することは困難である。金属ワイヤ２１７がエミッタ電極側セラミックス基板１２に干渉しないようにしながら実現できる長さは、図上の線分Ｄ１，Ｄ２の合計長さ（すなわち、Ｌ1＋√（Ｌ22＋Ｌ32））以上にすることはできなかった。
【００４３】
また、金属ワイヤ２１７のヤング率や可塑性にはばらつきがあるため、ボンディングヘッドが同一の軌道を描いたとしても、金属ワイヤ２１７の寸法、形状はばらつく。寸法、形状のばらつきを有する金属ワイヤ２１７が、「エミッタ電極側セラミックス基板１２の配置位置には干渉しない」、「金属接合部８０３に対して充分な絶縁距離を有する」という二つの条件を満たすためには、図示の距離Ｌ1に対して、充分な余裕を持たせる必要が生じる。すなわち、本比較例においては、当該距離Ｌ1を確保するために上述した実施形態と比較すると導体ブロック２０２Ａを長くしなければならず、それだけパワーモジュールが大型化するという問題が生じる。
【００４４】
［実施形態の効果］
以上のように、本実施形態のパワーモジュール９０１は、
第１の基板（１２）と、前記第１の基板（１２）に対向して配置される第２の基板（１３）と、
前記第１の基板（１２）における前記第２の基板（１３）に面する側に備わる第１の導体部（２０２）と、
前記第２の基板（１３）における前記第１の基板（１２）に面する側に備わる第２の導体部（２０３）と、
前記第１の導体部（２０２）に接合され、前記第１の基板（１２）と前記第２の基板（１３）との間に向けて配置される第１の端子（２２）と、
前記第２の導体部（２０３）に接合され、前記第１の基板（１２）と前記第２の基板（１３）との間に向けて配置される第２の端子（２３）と、
前記第１の基板（１２）と前記第２の基板（１３）との間に向けて配置される制御端子（２１）と、
片面に第１の電極（１０２）と制御電極（１０１）とを備え、前記片面とは逆の面に第２の電極（１０３）を備える半導体チップ（１００）と、
前記制御端子（２１）と前記制御電極（１０１）とを弧を描くように接続する金属ワイヤ（２１２）と、
前記第１の導体部（２０２）と前記第２の導体部（２０３）との間に配置される導体ブロック（２０２Ａ）と
を有し、
前記半導体チップ（１００）は、前記第１の電極（１０２）が、前記導体ブロック（２０２Ａ）を介して前記第１の基板（１２）の第１の導体部（２０２）と接続され、前記第２の電極（１０３）が、前記第２の基板（１３）の第２の導体部（２０３）と接続され、
前記金属ワイヤ（２１２）は、前記制御電極（１０１）から前記第１の導体部（２０２）に向かって第１の角度（θ１）をなすように立ち上がり、前記第１の導体部（２０２）に近接するにつれて徐々に前記第１の導体部（２０２）に略平行となり、前記第１の角度（θ１）よりも小さな第２の角度（θ２）をなすように、前記制御端子（２１）と接続するものである。
【００４５】
また、前記金属ワイヤ（２１２）は、前記第１の導体部（２０２）に対して垂直な方向における前記第１の基板（１２）と前記制御電極（１０１）との距離をＬ1とし、前記第１の導体部（２０２）に対して垂直な方向における前記第１の基板（１２）と前記制御端子（２１）における前記金属ワイヤ（２１２）の接続箇所（２１ａ）との距離をＬ2とし、前記第１の導体部（２０２）に対して平行な方向における前記制御電極（１０１）と前記接続箇所（２１ａ）との距離をＬ3としたとき、「Ｌ1＋√（Ｌ22＋Ｌ32）」を超える長さを有するという特徴も備える。
以上のような構成により、本実施形態は以下のような効果を奏する。
【００４６】
（１）金属ワイヤ２１２の形状や長さを上述のように設定することにより、本実施形態によれば、金属ワイヤ２１２とコレクタ電位になる部材（金属接合部８０３等）との間に充分な絶縁距離を確保しつつ、パワーモジュール９０１を薄型に（小型に）構成することができる。
【００４７】
（２）さらに、図７〜図９に示した製造プロセスにおいては、金属ワイヤ２１２を接続した後、エミッタ電極側セラミックス基板１２を接合する際、セラミックス基板１２を金属ワイヤ２１２に接触させ、金属ワイヤ２１２を変形させることを特徴としている（図７(c)参照）。これにより、金属ワイヤ２１２のループ高さのばらつき等を考慮する必要がなくなり、導体ブロック２０２Ａの厚みに対するマージンを低減できるため、パワーモジュール９０１を一層薄くすることができる。
【００４８】
エミッタ回路部２０２と接触した金属ワイヤ２１２は、図８(a)の工程（金型１５０，１６０へのセット）にて、ゲート端子２１の可動性を利用して下方に移動することによって、エミッタ回路部２０２と金属ワイヤ２１２との間にわずかな隙間を形成することができる。パワーモジュール９０１の使用時において金属ワイヤ２１２とエミッタ回路部２０２の電位差は数ボルト程度であるため、わずかな隙間であっても、充分に絶縁距離を確保することができる。
【００４９】
（３）また、本実施形態によれば、ゲート端子２１をコレクタ電極側セラミックス基板１３から分離したことにより、コレクタ回路部２０３のパターンを単純化できる効果も奏する。
例えば、コレクタ回路部２０３のパターンを、セラミックス絶縁層３０３と同一形状になるまで単純化することができる。コレクタ電極側セラミックス基板１３は、熱膨張率の大きな金属から形成されているコレクタ回路部２０３と、熱膨張率の小さいセラミックス絶縁層３０３とを有しているため、コレクタ回路部２０３のパターンの端部に応力が集中し、温度サイクル等による熱応力でセラミックス絶縁層３０３にクラックが入りやすい。これに対して、本実施形態によれば、コレクタ回路部２０３のパターンを単純化できることにより、応力集中の起こる領域が少なくなるため、これによって信頼性が向上するという効果を奏する。
【００５０】
（４）また、コレクタ回路部２０３のパターンを単純化するとそれに伴いセラミックス絶縁層３０３自体の形状も単純化できる。これにより、コレクタ側、エミッタ側のセラミックス基板１２，１３を、実質的に同一の構造を有するものにすることができ、共通化によりコスト低減を果たせるという効果も生じる。
【００５１】
（５）また、本実施形態によれば、各端子（ゲート端子２１、エミッタ端子２２、コレクタ端子２３、センスエミッタ端子２５）をパワーモジュール９０１の同一面から同一方向に引き出している。このような形状を採用することにより、各端子も含めたパワーモジュール９０１の外形寸法を小さくできる。また、端子２２，２３をダイオードチップ１１０に対向する箇所から引き出している（図３参照）ことも本実施形態の特徴の一つである。ダイオードチップ１１０には、制御電極（ＩＧＢＴチップ１００のゲート電極１０１等）が存在しないため、端子２２，２３の幅を広く確保することができ、パワーモジュール９０１の大容量化を図ることができる。また、エミッタ端子２２とコレクタ端子２３との間の距離も広く確保することができ、パワーモジュール９０１の高耐圧化を図ることもできる。
【００５２】
［変形例］
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上述した実施形態は本発明を理解しやすく説明するために例示したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。上記実施形態に対して可能な変形は、例えば以下のようなものである。
【００５３】
（１）上記実施形態の一変形例によるパワーモジュールの構成を図１０(a)〜(c)を参照し説明する。図１０(a)は、本変形例のパワーモジュールから、封止部を除いたものを示す。本変形例においては、上記実施形態（図３）における金属ワイヤ２１２，２５２に代えて、金属ワイヤ２１３，２５３が適用される点で異なっている。図１０(a)に示すように、金属ワイヤ２１３，２５３は、その一部が横方向（端子２１，２２，２３，２５の配列方向）に湾曲している。
【００５４】
ここで、金属ワイヤ２１３の斜視図を図１０(b)に示す。金属ワイヤ２１３は、ボンディングされた時点では破線Ｅに示すようなループ形状を有しており、その後に横方向に湾曲したものである。すなわち、金属ワイヤ２１３は、エミッタ電極側セラミックス基板１２に近接する箇所において、エミッタ電極側セラミックス基板１２に対する投影形状が湾曲していることになる。このような湾曲の仕方を実現するためには、図１０(c)のように、端子２１，２２，２３，２５の配列方向に対してエミッタ電極側セラミックス基板１２を若干傾斜して、金属ワイヤ２１３，２５３を押圧するとよい。
【００５５】
金属ワイヤ２１３，２５３は、同一方向に湾曲するため、相互に隣接していたとしても接触を防止することができる。その後、図８(a)，(b)、図９にて説明した工程が実行され、トランスファーモールドに際して金属ワイヤ２１３，２５３がセラミックス基板１２に接触しない状態になる点は、上述した実施形態と同様である。本変形例においても、金属ワイヤ２１３，２５３は、コレクタ電位になる部材（図５の金属接合部８０３等）との間に充分な絶縁距離を確保しつつ、セラミックス基板１２に接近できるため、上述の実施形態と同様に、パワーモジュールを薄型、小型に構成することができる。
【００５６】
（２）また、上記実施形態の製造プロセスにおいては、ゲート電極１０１とゲート端子２１とを金属ワイヤ２１２によって接続し（図７(b)）、その後に導体ブロック２０２Ａをエミッタ電極１０２に接合した（図７(c)）。しかし、先に導体ブロック２０２Ａをエミッタ電極１０２に接合し、しかる後にゲート電極１０１とゲート端子２１とを金属ワイヤ２１２によって接続してもよい。
【００５７】
（３）上記実施形態においては、ゲート端子２１をエミッタ端子２２およびコレクタ端子２３と同一面から同一方向に引き出したが、ゲート端子２１をエミッタ端子２２およびコレクタ端子２３とは異なる面から引き出しても良い。また、上記実施形態においては、２個のＩＧＢＴチップ１００に対して独立したゲート端子２１を設けたが、一つの端子２１を共有してもよい。また、エミッタ端子２２およびコレクタ端子２３は、多分岐して引き出してもよい。その場合は、エミッタ端子およびコレクタ端子が交互になるように整列させると、インダクタンスを低下させることができる。
【００５８】
（４）上記実施形態においては、「半導体チップ」の具体例としてＩＧＢＴチップ１００を適用した例を説明したが、「半導体チップ」はＩＧＢＴチップ１００に限定されるものではなく、ＭＯＳ・ＦＥＴ、サイリスタ、ゲートターンオフサイリスタ、トライアック等であってもよい。また、上記実施形態においては、制御電極としてゲート電極１０１およびセンスエミッタ電極１０４を有するＩＧＢＴチップ１００を用いた例を説明したが、制御電極はゲート電極１０１のみであってもよく、またサーミスタ電極等を追加してもよい。
【符号の説明】
【００５９】
１１  封止部（筺体）
１１ａ  樹脂
１２  エミッタ電極側セラミックス基板（第１の基板）
１２ｂ  端部
１３  コレクタ電極側セラミックス基板（第２の基板）
２０  リードフレーム
２１  ゲート端子（制御端子）
２１ａ  接続箇所
２２  エミッタ端子（第１の端子）
２３  コレクタ端子（第２の端子）
２５  センスエミッタ端子
２６  ランナー
４２，４３  放熱面
１００  ＩＧＢＴチップ（半導体チップ）
１０１  ゲート電極（制御電極）
１０２  エミッタ電極（第１の電極）
１０３  コレクタ電極（第２の電極）
１０４  センスエミッタ電極
１１０  ダイオードチップ
１５０，１６０  金型
１５２  押圧部
１６２  挿入口
１６４  注入口
２０２  エミッタ回路部（第１の導体部）
２０２Ａ  導体ブロック
２０３  コレクタ回路部（第２の導体部）
２１２，２１３，２５２，２５３  金属ワイヤ
３０２，３０３  セラミックス絶縁層
４０２，４０３  放熱部
８０１〜８０３  金属接合部
９０１  パワーモジュール
【図１】
2016092994.tif 000003
【図２】
2016092994.tif 000004
【図３】
2016092994.tif 000005
【図４】
2016092994.tif 000006
【図５】
2016092994.tif 000007
【図６】
2016092994.tif 000008
【図７】
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【図８】
2016092994.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2016092994.tif 000012
【図１１】
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【手続補正書】
【提出日】平成28年4月8日(2016.4.8)
【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】
第１の基板と、
前記第１の基板に対向して配置される第２の基板と、
前記第１の基板における前記第２の基板に面する側に備わる第１の導体部と、
前記第２の基板における前記第１の基板に面する側に備わる第２の導体部と、
前記第１の導体部に接合され、前記第１の基板と前記第２の基板との間に向けて配置される第１の端子と、
前記第２の導体部に接合され、前記第１の基板と前記第２の基板との間に向けて配置される第２の端子と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間に向けて配置される制御端子と、
片面に第１の電極と制御電極とを備え、前記片面とは逆の面に第２の電極を備える半導体チップと、
前記制御端子と前記制御電極とを弧を描くように接続する金属ワイヤと、
前記第１の導体部と前記第２の導体部との間に配置される導体ブロックとを有し、
前記半導体チップは、前記第１の電極が、前記導体ブロックを介して前記第１の基板の第１の導体部と接続され、前記第２の電極が、前記第２の基板の第２の導体部と接続され、
前記金属ワイヤは、前記制御電極から前記第１の導体部に向かって第１の角度をなすように立ち上がり、前記第１の導体部に近接するにつれて徐々に前記第１の導体部に略平行となり、前記第１の角度よりも小さな第２の角度をなすように、前記制御端子と接続し、
前記金属ワイヤは、
前記第１の導体部に対して垂直な方向における前記第１の基板と前記制御電極との距離をＬ１とし、前記第１の導体部に対して垂直な方向における前記第１の基板と前記制御端子における前記金属ワイヤの接続箇所との距離をＬ２とし、前記第１の導体部に対して平行な方向における前記制御電極と前記接続箇所との距離をＬ３としたとき、「Ｌ１＋√（Ｌ２２＋Ｌ３２）」を超える長さを有し、
前記金属ワイヤは、前記第１の基板に対して、１００μｍ以下の距離を隔てて近接している箇所を有することを特徴とする半導体モジュール。
【請求項２】
（削除）
【請求項３】
（削除）
【請求項４】
前記第１の基板と前記第２の基板とは、同一の形状を有し、同一のサイを有することを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項５】
前記制御端子が前記第１の基板と前記第２の基板との間から露出する面において、前記第１の導体部の端部は直線状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項６】
前記制御端子が前記第１の基板と前記第２の基板との間から露出する面において、前記第１の基板の端部は直線状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項７】
前記金属ワイヤは、前記第１の導体部に近接する箇所において、前記第１の基板に対する投影形状が湾曲していることを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項８】
第１の基板と、
前記第１の基板に対向して配置される第２の基板と、
前記第１の基板における前記第２の基板に面する側に備わる第１の導体部と、
前記第２の基板における前記第１の基板に面する側に備わる第２の導体部と、
前記第１の導体部に接合され、前記第１の基板と前記第２の基板との間に向けて配置される第１の端子と、
前記第２の導体部に接合され、前記第１の基板と前記第２の基板との間に向けて配置される第２の端子と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間に向けて配置される制御端子と、
片面に第１の電極と制御電極とを備え、前記片面とは逆の面に第２の電極を備える半導体チップと、
前記制御端子と前記制御電極とを弧を描くように接続する金属ワイヤと、
前記第１の導体部と前記第２の導体部との間に配置される導体ブロックとを有する半導体モジュールの製造方法であって、
前記第２の電極を、前記第２の基板の第２の導体部に接合する工程と、
前記半導体チップの第１の電極に前記導体ブロックを接合するとともに、前記制御電極と前記制御端子の接合箇所との間を、前記第１の基板が配置されるべき場所に干渉するように、前記金属ワイヤによって接続する工程と、
前記第１の基板によって前記金属ワイヤを押圧しつつ、前記第１の基板を前記導体ブロックに接合する工程と、
前記制御端子の位置を、前記第１の基板から離れる方向に移動させ、これによって前記金属ワイヤと前記第１の基板とを隔てる工程と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間をトランスファーモールドによって樹脂で封止する工程と
を有することを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
【国際調査報告】
2016092994.tif 000014
2016092994.tif 000015
2016092994.tif 000016
2016092994.tif 000017