(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体モジュールであって、
−前記半導体モジュールは、電気絶縁材料からなる基板（２）を有し、
−前記基板（２）の上面（３）に、構造化された金属層（４）が被着されており、該金属層（４）を介して少なくとも１つの電気的構成素子（５）が接触接続され、
−前記構造化された金属層（４）は、前記基板（２）の中央領域（６）においてのみ前記基板（２）に被着されており、前記基板（２）の前記上面（３）には、前記中央領域（６）を取り囲む縁部領域（７）が残留し、該縁部領域（７）では、前記構造化された金属層（４）は前記基板（２）に被着されておらず、
−前記基板（２）の下面（８）には、前記中央領域（６）において冷却体（１０）と接触接続するコンタクト層（９）が被着されており、該コンタクト層（９）は、前記構造化された金属層（４）の反対側にある、半導体モジュールにおいて、
前記縁部領域（７）内の前記基板（２）の前記下面（８）に、構造化された支持構造体（１１）が被着されており、該支持構造体（１１）の厚さ（ｄ２）は、前記コンタクト層（９）の厚さ（ｄ１）に対応していることを特徴とする、半導体モジュール。
【請求項２】
前記支持構造体（１１）は、前記コンタクト層（９）から分離されている、請求項１記載の半導体モジュール。
【請求項３】
前記支持構造体（１１）は、複数の構造体要素（１２）を有し、前記構造体要素（１２）の間に、当該構造体要素（１２）に比べて著しく減少した厚さ（ｄ３）を有する架橋構造体（１３）のみが存在するか、または前記構造体要素（１２）が相互に完全に分離されている、請求項１または２記載の半導体モジュール。
【請求項４】
前記構造体要素（１２）は、それぞれ前記下面（８）の長さ（ｌ）および幅（ｂ）の一部にわたってのみ延在している、請求項３記載の半導体モジュール。
【請求項５】
前記構造体要素（１２）は、前記下面（８）の長手方向および幅方向にそれぞれ複数の列を形成する、請求項４記載の半導体モジュール。
【請求項６】
前記支持構造体（１１）の任意の各部分領域に関して、前記支持構造体（１１）は、前記下面（８）に面する自身の端部に初期断面を有し、前記下面（８）とは反対側の自身の端部に残りの断面を有し、前記断面は、前記下面（８）からの距離が増すにつれて当初は単調に減少し、特に、前記断面が最小断面を有するまで厳密に単調に減少する、請求項３、４または５記載の半導体モジュール。
【請求項７】
前記断面の減少は、前記下面（８）において最大でかつ前記下面（８）からの距離が増すにつれて緩やかになる、請求項６記載の半導体モジュール。
【請求項８】
前記最小断面から始まる前記断面は、前記下面（８）からの距離がさらに増すにつれて再び単調に増加し、特に厳密に単調に増加する、請求項６または７記載の半導体モジュール。
【請求項９】
前記増加は、前記最小断面の近傍において最小であり、前記下面からの距離が増すにつれて拡大する、請求項８記載の半導体モジュール。
【請求項１０】
前記構造体要素（１２）間に補助剤（１４）が導入されている、請求項３から９までのいずれか１項記載の半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体モジュールから出発するものであり、
−半導体モジュールは、電気絶縁材料からなる基板を有し、
−基板の上面には、構造化された金属層が被着されており、該金属層を介して少なくとも１つの電気的構成素子が接触接続され、
−構造化された金属層は、基板の中央領域においてのみ基板に被着されており、そのため、基板の上面には、中央領域を取り囲む縁部領域が残留し、該縁部領域内では、構造化された金属層は基板に被着されておらず、
−基板の下面には、中央領域において冷却体と接触接続するコンタクト層が被着されており、該コンタクト層は、構造化された金属層の反対側にある。
【０００２】
この種の半導体モジュールは、一般に公知である。ここでは、例えば米国特許出願公開第２０１６／００２１７２９号明細書が参照され得る。
【０００３】
米国特許出願公開第２００９／０２１３５４６号明細書からは、電気絶縁材料からなる基板を有する半導体モジュールが公知である。基板の上面には、構造化された金属層が被着されており、該金属層を介して少なくとも１つの電気的構成素子が接触接続される。この構造化された金属層は、上面全体に被着されている。基板の下面には、冷却体と接触接続する（構造化された金属層と実質的に合致する）コンタクト層が被着されている。
【０００４】
米国特許出願公開第２０１４／０２０４５３３号明細書からは、電気絶縁材料からなる基板を有する半導体モジュールが公知である。基板の上面には、構造化された金属層が被着されており、該金属層を介して少なくとも１つの電気的構成素子が接触接続される。この構造化された金属層は、基板の中央領域においてのみ基板に被着されているように見える。そのため、基板の上面には、中央領域を取り囲む、構造化された金属層が基板に被着されていない縁部領域が残留する。基板の下面には、冷却体と接触接続するコンタクト層が被着されている。この米国特許出願公開第２０１４／０２０４５３３号明細書からは、下面のどの領域にコンタクト層が被着されているかは一義的に明らかではない。
【０００５】
米国特許出願公開第２０１０／０３０２７４１号明細書からは、電気絶縁材料からなる基板を有する半導体モジュールが公知である。基板の上面には、構造化された金属層が被着されており、該金属層を介して少なくとも１つの電気的構成素子が接触接続される。この構造化された金属層は、基板の中央領域においてのみ基板に被着されており、そのため、基板の上面には、中央領域を取り囲む、構造化された金属層が基板に被着されていない縁部領域が残留する。基板の下面には、中央領域において、またそれを一段越えるところにおいて、冷却体と接触接続するコンタクト層が被着されている。このコンタクト層は、構造化された金属層の反対側にある。
【０００６】
米国特許出願公開第２０１３／００５６１８５号明細書からは、電気絶縁材料からなる基板を有する半導体モジュールが公知である。基板の上面には、構造化された金属層が被着されており、該金属層を介して少なくとも１つの電気的構成素子が接触接続される。この構造化された金属層は、基板の中央領域においてのみ基板に被着されており、そのため、基板の上面には、中央領域を取り囲む、構造化された金属層が基板に被着されていない縁部領域が残留する。基板の下面には、冷却体と接触接続するコンタクト層が被着されており、このコンタクト層は、構造化された金属層の反対側にある。このコンタクト層は、下面全体にわたって延在しているように見える。
【０００７】
半導体モジュールは、本発明の枠内では、特にパワー半導体モジュールとして構成されてもよく、電気的構成素子として、パワー半導体、例えばＩＧＢＴもしくは類似の構成素子、例えばパワーＭＯＳＦＥＴを含み得る。この種の半導体モジュールは、例えば電気自動車において走行モータのエネルギー供給の切り換えのために使用することができる。また、半導体モジュールは、電気的構成素子として、例えばパワーＬＥＤもしくは抵抗を含み得る。
【０００８】
半導体モジュールの製造の枠内では、サブステップにおいて、加圧ツールを用いて圧力が頻繁に基板の上面に加えられる。この上面への圧力は、加圧ツールから柔軟な補償材料を介して頻繁に加えられる。この圧力の付加と同時に、基板は、保持要素を用いて自身の下面に保持される。この圧力の付加に関連して、例えば焼結過程において高められた温度による負荷も頻繁に起こる。
【０００９】
構造化された金属層を介した基板の突出部に基づき、上述のサブステップの枠内では、縁部領域にも押圧力が加わる。コンタクト層が中央領域においてのみ基板の下面に被着されている場合、中央領域から縁部領域への移行部には著しい曲げ応力が頻繁に加えられる。このことは、（基板の所定の高い脆弱性に基づいて特に頻繁に）基板の破損に結び付く可能性がある。また、曲げ応力は、基板の亀裂を生じさせる可能性もある。この亀裂は、最初は気付かれないままであるが、後から半導体モジュールの早すぎる故障に結び付く可能性がある。
【００１０】
ここでは、保持要素の形状を、当該保持要素の基板の下面に面する側が縁部領域において隆起部を有するように構成することが考えられる。それにより、保持要素は、コンタクト層の領域のみでなく、縁部領域においても基板を支持する。しかしながら、このことは、各基板に適合する特別な保持要素の構成を必要とする。特に生産個数が少量の場合、この手順は非効率的である。さらにこのケースでは、基板を保持要素に対して正確に位置決めする必要がある。さらに基板を、この種の保持要素の実施形態に要求される精度で製造することは困難である。そのため、例えばコンタクト層の厚さは、基板毎の変動に左右され得る。
【００１１】
ここではさらに、基板を相応に厚く構成することも考えられ、それによって、曲げ応力が許容可能な枠内に留まる。しかしながら、このケースでは、基板のより大きな厚さに基づき、基板の熱抵抗が大きくなり、それによって、半導体構成素子が劣悪に加熱される可能性がある。
【００１２】
従来技術では、さらに、コンタクト層を下面全体にわたって延在させることが公知である。この手順により、半導体モジュールの製造の際のプロセス圧力による過度の曲げ応力が回避される。しかしながら、一方では信頼性のある動作のために必要とされる空隙距離が低減する。さらに、コンタクト層を成す材料は、通常、基板とは異なる熱膨張係数を有する。このことは、動作中には避けられないような温度変化のもとでバイメタル効果をもたらし、ひいては半導体モジュールの曲げにつながる。この種の曲げは、例えば冷却体を備えた載置面の減少につながり、ひいては半導体モジュールの冷却の低下をもたらしかねない。極端なケースでは、これらの曲げは、基板の破損にさえもつながる可能性がある。例えば熱伝導グリースのような補助材料もしくは作動材料の例えばポンピングのようなその他の作用も発生する可能性がある。
【００１３】
本発明の課題は、半導体モジュールの製造の際にも、半導体モジュールの動作中においても、過度の曲げ応力が簡単な方法で確実に回避される半導体モジュールを達成することにある。
【００１４】
この課題は、請求項１の特徴を有する半導体モジュールによって解決される。半導体モジュールの好ましい実施形態は、従属請求項２〜１０の対象である。
【００１５】
本発明によれば、冒頭に述べた種類の半導体モジュールは、縁部領域内の基板の下面に、構造化された支持構造体が被着されており、該支持構造体の厚さは、コンタクト層の厚さに対応していることによって構成される。
【００１６】
これにより、半導体モジュールの製造の枠内において、加圧ツールから加えられる押圧力に対して、縁部領域内の基板も支持されることが保証される。それゆえ、曲げはまったく発生し得ないか、もしくは少なくともごく僅かな規模でしか発生し得ない。半導体モジュールのその後の動作中において、構造化された支持構造体により、振動を低減することができる。しかしながらここでは、支持構造体の構造化に基づき、動作中の温度変化によって発生する曲げ応力を最小限に留めることが可能である。さらに、半導体モジュールの動作中に、振動に基づく不所望な機械的接触接続または基板の破損さえも防止することができる。
【００１７】
半導体モジュールの好ましい実施形態では、支持構造体は、コンタクト層から分離されている。これにより、沿面距離および空隙距離を、維持もしくは最大にすることができる。
【００１８】
好ましくは、支持構造体は、複数の構造体要素を含み、この場合、構造体要素の間に、構造体要素に比べて著しく減少した厚さを有する架橋構造体のみが存在するか、または構造体要素が相互に完全に分離されている。この実施形態により、半導体モジュールの動作中に生じる曲げ応力を特に大規模に最小化することができる。
【００１９】
好ましくは、構造体要素は、それぞれ下面の長さおよび幅の一部のみにわたって延在している。この実施形態は、特に、単一の構造体要素によって生じる曲げ応力が基板の限られた領域でのみ引き起こされるという効果を有する。構造体要素は、特に下面の長手方向および幅方向にそれぞれ複数の列を形成することができる。
【００２０】
支持構造体と、架橋構造体のみが存在している領域もしくは構造体要素が相互に完全に分離されている領域との間の移行領域には、ノッチ効果が生じ得る。好ましくは、支持構造体の任意の各部分領域に関して、支持構造体は、下面に面する自身の端部に初期断面を有し、下面とは反対側の自身の端部に残りの断面を有し、さらにこの断面は、下面からの距離が増すにつれて当初は単調に減少し、断面が最小断面を有するまで減少する。この減少は特に厳密に単調であり得る。この実施形態により、ノッチ効果を最小にすることができる。ノッチ効果の最小化は、下面における断面の減少が最大であり、かつ下面からの距離が増すにつれて緩やかになることによってさらに最適化することができる。
【００２１】
特に好ましい実施形態では、下面からの距離がさらに増すにつれて断面は再び単調に増加する。この増加は、特に厳密に単調であってもよい。この実施形態により、保持要素に対する接触面、そしてその後の冷却体に対する接触面を最大にすることができる。先行する減少に類似して、増加は最小断面の近傍において最小で、底面からの距離が増すにつれて増加するものであってもよい。
【００２２】
構造体要素間には、補助剤が導入されてもよい。この実施形態により、例えば基板の下面からコンタクト層に当接する冷却体への熱伝達が最適化され得る。構造体要素間の介在空間は、このケースではさらに半導体モジュールの動作中に一時的に補助剤を収容するための緩衝域として用いられ得る。
【００２３】
本発明の上述した特性、特徴および利点、ならびにそれらが達成される方法は、図面と併せてより詳細に説明される以下の実施例の説明に関連してより明確にかつよりわかりやすく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】半導体モジュールの断面図
【図２】基板の上面の平面図
【図３】基板の下面の平面図
【図４】支持構造体の可能な構成
【図５】構造体要素の可能な構成
【００２５】
図１によれば、半導体モジュール１は基板２を有する。この基板２は、電気絶縁材料からなる。基板２は、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、または他のセラミック材料からなり得る。
【００２６】
基板２の上面３には、図１および図２によれば、構造化された金属層４が被着されている。この金属層４は、通常、銅からなる。代替的に、金属層４は、例えばアルミニウムからなっていてもよい。また金属層４は、例えば自身側に複数の層、特に基板２の上面３に直接被着されたアルミニウムからなる層と、アルミニウムからなる層に被着された銅からなる層とを含むことができる。構造化された金属層４を介して、少なくとも１つの電気的構成素子５、例えばＩＧＢＴまたはＭＯＳＦＥＴが、電気的および熱的に接触接続する。機械的、電気的および熱的な接触接続は、通常、図面には示されていないはんだ付け層、焼結層、導電性接着剤層などを介して行われる。構造化された金属層４は、基板２の中央領域６においてのみ基板２に被着されている。したがって、基板２の上面３には、中央領域６を取り囲む縁部領域７が残留する。この縁部領域７では、構造化された金属層４は、基板２に被着されていない。
【００２７】
基板２の下面８には、図１および図３によれば、中央領域６にコンタクト層９が設けられている。このコンタクト層９は、冷却体１０の接触接続に用いられる。コンタクト層９は、構造化された金属層４の反対側にある。つまり、コンタクト層９は、中央領域６に存在している。コンタクト層９は、図３の表示に対応して構造化されていなくてもよい。コンタクト層９は、構造化された金属層に類似して同様に金属からなり得る。構造化された金属層４の可能な材料に対する上記の実施形態は、コンタクト層９に対しても類似のように当てはまる。コンタクト層９は、厚さｄ１を有する。
【００２８】
構造化された金属層４およびコンタクト層９を含む基板２は、好ましくは、いわゆるＤＢＣ（Direct Bonded Copper）基板またはＡＭＢ（Active Metal Brazing）基板として形成されている。
【００２９】
さらに、図１および図３の表示に対応して、基板２の下面８には、縁部領域７において構造化された支持構造体１１が被着されている。この構造化された支持構造体１１は、厚さｄ２を有する。この厚さｄ２は、少なくとも実質的にコンタクト層９の厚さｄ１に対応している。これらの２つの厚さｄ１，ｄ２は、理想的には厳密に等しい大きさである。しかしながら、少なからず、厚さｄ２が、厚さｄ１よりも僅かに（最大で２０％、より好ましくは最大で１０％）大きいかまたは小さい場合、それは許容可能であるかまたは時として有利でさえある。
【００３０】
支持構造体１１の構造化は、支持構造体１１が、閉鎖された層として存在するのではなく、中断されていることが生じる。つまり、支持構造体１１は、複数の構造体要素１２を有している。
【００３１】
構造化の種類は、種々異なって構成されてもよい。そのため、例えば支持構造体１１は、関連する構造体要素１２を備えた蛇行状の、菱形の、箱形の、または他の種類の支持構造体１１の形態に構成されていることが可能である。特にこれらのケースでは、支持構造体１１の個々の構造体要素１２は、相互に直接接続されてもよい。支持構造体１１は、このケースでは確かに関連する構造体を形成する。しかしながら、関連する構造体は、縁部領域７を部分的にのみ充填する比較的細細工のパターンを形成する。ただし、充填度（つまり縁部領域７の支持構造体１１によって占められる面積と、縁部領域７の総面積との間の比率）は、このケースでは比較的低い。通常、それは最大で２０％であるが、むしろ大抵の場合は最大で１０％である。代替的に、図１および図３の表示に対応して、構造体要素１２は相互に完全に分離されていることが可能である。またこのケースでは、充填度は比較的低い値、例えば最大で２０％を有し、あるいはむしろ最大で１０％を有する可能性がある。しかしながら、相互に分離されている構造体要素１２のケースでは、充填度もより大きな値、例えば３０％、５０％、または個々のケースでは５０％を超える値も有する可能性がある。
【００３２】
ここでは、図４の概略的表示に対応して、構造体要素１２の間に、架橋構造体１３が存在することが可能である。しかしながら、このケースでは、この架橋構造体１３は厚さｄ３を有し、この厚さｄ３は、構造体要素１２の厚さｄ２と比べて著しく減少している。この減少は、厚さｄ２の少なくとも５０％、好ましくは少なくとも８０％である。このケースでは、例えば、最初に均一な層が下面８に被着され、その後、そこから架橋構造体１３の領域において材料が除去されたものであってもよい。材料が除去されなかった領域は、このケースでは支持構造体１１を形成する。代替的に、架橋構造体１３が存在しないことが可能である。特に、例えば、事前に均一な層として被着された材料は、支持構造体１１の構造体要素１２の間の領域において完全に除去することが可能である。
【００３３】
既に述べたように、支持構造体１１の個々の構造体要素１２は、相互に直接接続されてもよい。このケースでは、構造体要素１２は、場合によって存在する架橋構造体１３によって部分的にのみ取り囲まれている。しかしながら、好ましくは、構造体要素１２は、図１および図３の表示に対応して相互に分離されている。そのため、構造体要素１２は、場合によって存在する架橋構造体１３によって完全に取り囲まれている。
【００３４】
好ましくは、構造体要素１２は、図３の表示に対応して、それぞれ下面８の長さｌおよび幅ｂの一部にわたってのみ延在している。特に、構造体要素１２は、図３の表示に対応して、下面８の長手方向および幅方向にそれぞれ複数の列を形成する。
【００３５】
図３による表示では、構造体要素１２は、円形の断面を有する。代替的に、構造体要素１２は、リングとして形成されてもよい。すなわち中央に同様の円形の陥入部を伴う円形の断面を有するリングとして形成されてもよい。また構造体要素１２は、例えば、（中央に陥入部を伴うかまたは伴わない）長円または楕円の構造体として、また場合によっては（中央に陥入部を伴うかまたは伴わない）矩形の構造体（四角形、六角形など）として形成されてもよい。もちろんこれらの列挙は純粋な例示にすぎない。
【００３６】
個々の構造体要素１２の断面は、下面８からの距離が増しても一定のまま維持することが可能である。つまり、図３の表示に対応して（純粋な例示として）構造体要素１２が円形の断面を有するならば、構造体要素１２は、このケースでは円筒状に形成されているであろう。しかしながら、好ましくは、構造体要素１２は、下面８に面する自身の端部に初期断面を有し、下面８とは反対側の自身の端部に残りの断面を有する。この場合はさらに、この断面は、下面８からの距離が増すにつれて当初は単調に減少する。この減少は特に厳密に単調なものであってもよい。つまり、図３の表示に対応して（純粋な例示として）断面が円形であるならば、構造体要素１２は、このケースでは例えば円錐台状に形成されているであろう。さらに好ましくは、ここでは、断面の減少が下面８において最大でかつ下面８からの距離が増すにつれて緩やかになる。つまり、図３の表示に対応して（純粋な例示として）断面が円形であるならば、構造体要素１２は、このケースでは例えば図５の表示に対応して、下面８の近傍において火山円錐に類似して形成されているであろう。ここでは、構造体要素１２は、下面８に面する自身の端部がほぼ完全に平坦な形で終端するのが最適である。つまり、構造体要素１２が下面８において有する角度は、可及的に小さくすべきであろう。
【００３７】
断面の減少は、当該断面が最小断面を有するまで行われる。その後、断面は、下面８からのさらなる距離の増加に伴い一定に維持することができる。好ましくは、断面は、再び単調に増加する。断面の先行の減少に類似して、この増加は特に厳密に単調であってもよい。しかしながら、通常、断面の増加は、断面の先行の減少よりも少ない。つまり、残留する断面は、通常は初期断面よりも小さくなる。
【００３８】
上述の、個々の構造体要素１２に関連して説明された好ましい実施形態は、個々の構造体要素１２に対してのみ有効というわけではない。それらは好ましくは支持構造体１１の任意の各部分領域に対しても当てはまる。
【００３９】
特に、支持構造体１１は、確かに関連する構造体を形成するが、しかしながら関連する構造体１１が細細工のパターンを形成するケースでは、当該支持構造体１１は、コンタクト層９にも接続されていることが可能である。ただし、好ましくは、支持構造体１１は、コンタクト層９から分離されており、つまりそれは直接的には接触接続しない。この実施形態により、特に沿面距離および空隙距離を最大にすることができる。
【００４０】
ここでは、図１の表示に対応して、構造体要素１２の間に補助剤１４を導入することが可能である。この補助剤１４は、例えば熱伝導グリースであってもよい。これにより、基板２からの熱放出、ひいてはその結果としての半導体モジュール１からの熱放出が最大になり得る。
【００４１】
したがって、要約すると、本発明は、以下の事項に関する。
【００４２】
半導体モジュール１は、電気絶縁材料からなる基板２を有する。基板２の上面３には、構造化された金属層４が被着されており、該金属層４を介して少なくとも１つの電気的構成素子５が接触接続される。構造化された金属層４は、基板２の中央領域６においてのみ基板２に被着されており、そのため、基板２の上面３には、中央領域６を取り囲む縁部領域７が残留し、該縁部領域７では、構造化された金属層４は基板２に被着されていない。基板２の下面８には、中央領域６において冷却体１０と接触接続するコンタクト層９が被着されており、該コンタクト層９は、構造化された金属層４の反対側にある。さらに縁部領域７内の基板２の下面８には、構造化された支持構造体１１が被着されており、該支持構造体１１の厚さｄ２は、コンタクト層９の厚さｄ１に対応している。
【００４３】
本発明は多くの利点を有する。特に、著しく改善された処理が可能である。基板２が破損する危険性は回避される。動作中は、耐振動性と耐衝撃性とが向上する。また冷却体１０への熱伝導を向上させることができる。
【００４４】
本発明は、好ましい実施例によってより詳細に示されかつ説明されてきたが、しかしながら本発明は、これらの開示された実施例によって限定されるものではなく、当業者であるならば、本発明の権利範囲から逸脱することなく他の変形例を導き出すことは可能である。
【図１】
0006771682.tif 000002
【図２】
0006771682.tif 000003
【図３】
0006771682.tif 000004
【図４】
0006771682.tif 000005
【図５】
0006771682.tif 000006