(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の担体素子を樹脂で形成したモジュールで一体化し、半導体部品を搭載した面の反対側の面である担体素子の背面側を露出した電力半導体モジュールの製造方法において、
複数の能動型の半導体部品と、半導体部品を電気的に接触させるための電気的な端子とを、複数の担体素子上に配置するステップと、
成形鋳型に並んで配置した各々複数の半導体部品を有する第１〜第３の担体素子に対して、樹脂を押し出すことにより、第１〜第３の担体素子の背面側が露出し、且つ、当該露出した担体素子の背面側とモジュール下側の底面とが平坦な面を形成するようにモジュール筐体を生成するステップと、
前記の成形鋳型に並んで配置させる際に、押し出しの後に完成したモジュール筐体に生じる変形が、少なくともモジュール筐体側において修正されるように、樹脂の押し出し前に、担体素子を相互にずらし、モジュール筐体の中央側に位置することになる第２の担体素子を、当該第２の担体素子を挟んでモジュール筐体の両端側に位置することになる第１及び第３の担体素子よりも、上記背面側とは反対の側にずらして配置するとともに、当該第１及び第３の担体素子の各々の第２の担体素子に近い側の端部を上にして、他端をモジュール筐体の両端側下方に向けて傾斜させて配置するステップと、を有する電力半導体モジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、能動型の半導体部品（aktiven Halbleiterbauelemente）に対する、樹脂の押し出し（Kunststoffumspritzen）、および、端子による電気的な接続によって生成される樹脂製の筐体を備えた、特に、電力等級（Leistungsklassen）の低い電力半導体モジュールの分野に関するものである。能動型の半導体部品および電気的な接続端子部(Anschlussverbindungen)は、一般的に、共通の基板上に配置されている。なお、この基板は、半導体部品および電気的な接続端子部のための担体としての役割を果たすものである。
【０００２】
このような場合に、とりわけ、基板、半導体物質、および、樹脂という様々な物質の熱膨張係数（Waermeausdehnungskoeffizienten）が異なることに起因する機械的な応力が問題となる。大抵の場合、この応力は、モジュール筐体（Modulgehaeuse）に使用される樹脂物質が固化する際に収縮することにより生じる、他の機械的な応力と重複する。
【０００３】
この機械的な応力により、モジュール筐体が不必要に変形し、特に、筐体上側および／または筐体下側が、歪む、または、たわむ。このことは、特に、筐体横側を、平坦な面（flaechig）において冷却素子（Kuehlelement）に接させることによって、電力損失に起因して部品側に発生する熱を引き出すことが必要となる箇所において不利となる。平坦にしようとした筐体の接触面は、歪み、または、たわみによって、もはや冷却素子のために使用することができなくなる。それゆえ、熱を最適に引き出すことによる冷却が保証されなくなる。
【０００４】
この問題を解決するために、（共通の基板の）担体構造の下側に、安定化させる金属部分（stabilisierendes Metallteil）をさらに備えることが考えられる。この安定化させる金属部分は、担体構造の下側において、（いわゆる「熱分配機（Heatspreader）」として）熱を均一に分配し、上記の機械的な応力を吸収する役割を果たす。ただし、この構造では、金属部分と半導体部品との間を、確実に電気的に絶縁する必要がある。これは、基板の下側に第１の薄い絶縁樹脂層を配することにより実現できる。熱分配機に押し出しを行う前に、まず、別の製造工程にてこの絶縁樹脂層を押し出し成形しておく必要がある。次に、熱分配機の外側に、筐体の外部輪郭を形成する。なお、この外部輪郭は、冷却素子と熱の連絡をしている。絶縁するには十分な、できるだけ薄い樹脂層を、基板と熱分配機との間に生成することは、製造技術的に困難である。
【０００５】
従って、本発明の目的は、能動型の半導体部品に対して樹脂を押し出すことによって生成されるモジュール筐体であって、冷却素子と熱の連絡するための平坦で、ほとんど変形しない接触面を有するモジュール筐体を備えた、コストをかけずに製造できる電力半導体モジュールを提供することである。さらに、本発明の目的は、このような電力半導体モジュールを、コストをかけずに製造する方法に関するものである。
【０００６】
本目的は、本発明の、能動型の半導体部品と、担体構造(Traegeranordnung)上に存在する半導体部品を電気的に接続するための電気的な端子と、能動型の半導体部品に対して樹脂を押し出すことにより生成されるモジュール筐体とを備え、上記担体構造が、複数の担体素子により構成されている電力半導体モジュールにより達成される。
【０００７】
従って、本発明の第１の本質的な特徴（wesentlicher Aspekt）は、共通のモジュール筐体内に、複数の担体素子が別々に備えられていることである。必要な全ての担体面が、複数の別々の担体素子に分配されているので、押し出しの結果生じる各担体素子のそれぞれの変形は、必要な全ての担体表面を有する唯１つの担体素子における変形よりも格段に小さい。言い換えれば、避けることのできない部分的な変形は、複数の担体素子に分配される。すなわち、この変形に相当する、それぞれの絶対的な変形度（absoluter Verformungsbetrag）が格段に小さい複数の小さな部分的な変形に分配される。
【０００８】
本発明のほかの基本的な特徴は、半導体部品に挿入される個々の担体素子を、個別に予め試験し、欠陥があれば取り替えられることである。このことにより、コストを掛けずに、完成したモジュールにおける粗悪品を最小限にとどめられる。
【０００９】
本発明の半導体モジュールの応用形態では、完成したモジュール筐体に生じる変形を、少なくとも筐体側で補正するように、樹脂の押し出し前に担体素子をシフトして配置することが有利である。
【００１０】
その結果、本発明に基づき備えられている複数の担体素子の他の有利な効果を利用できる。半導体部品、および場合によっては接続または電気的な端子を有する個々の担体素子は、少なくとも特定の境界内において、相互に独立して、前もって任意の面に配置することができる（vorpositionierbar）。熱分配機を備えている構造とは対照的に、このことは、さらに非常に有利である。担体素子を前もって配置しておけることにより、半導体モジュールに生じる歪みまたはたわみを制御できる。すなわち、押し出し成形プロセスの前に、担体素子を前もって適切に配置することにより、全体的な構造を以下のように設計できる。すなわち、樹脂を押し出した後、機械的な応力によって理想的な形状から相違してしまうのを修正できるように、全体的な構造を設計できる。いずれにせよ、少なくともモジュールの外側の面は、平坦に形成されているということに注意しなければならない。なお、このモジュールの外側の面とは、冷却素子と熱により接触するために備えられているものである。
【００１１】
担体素子は、セラミックにより構成できることが好ましい。このことにより、セラミックを介して冷却素子へ熱を好適に誘導するときに、その上に搭載されている半導体部品および電気的な接続と、確実に電気的に絶縁できる。
【００１２】
１つの半導体モジュールにおいて、放熱（Waermeabgabe）の度合いが異なる様々な半導体部品を使用する場合、複数の担体素子を使用することにより可能となるように、担体素子を異なる物質により構成してもよい。この場合、物質は、その上に配置されている半導体部品の各用途に合わせて調整されていることが好ましい。従って、例えば、電力半導体素子を配置する担体素子を、より高価な高熱伝導率セラミックにより構成し、一方、（例えば、論理素子（Logikelemente）を担持する）他の担体素子を、コストのかからない簡単なセラミックにより構成してもよい。
【００１３】
このような、電力半導体モジュールをコストをかけずに製造する方法を提供する、という目的は、複数の能動型の半導体部品、および、半導体部品を電気的に接触するための電気的な端子を、複数の担体素子上に配置し、半導体部品を有する担体素子に樹脂を押し出すことによりモジュール筐体を生成し、押し出しの後に完成するモジュール筐体に生じる変形を、少なくとも筐体側において修正するように、上記担体素子を樹脂の押し出し前に相互にずらして配置する、という本発明の方法により達成される。
【００１４】
本発明の実施例を、以下に図を参考にしながら詳しく説明する。
【００１５】
図１は、本発明の半導体モジュールの実施例を示す断面図である。図２は、唯１つの担体素子、および、これと面積の等しい複数の担体素子の変形を概略的に示す図である。図３は、本発明の好ましい第１および第２の異なる形態による複数の担体素子の概略的な構造を示す図である。
【００１６】
図１に記載の電力半導体モジュールは、セラミック基板によりなる複数の担体素子１，２，３，を備えている。上記担体素子上には、半導体部品５，６，７，８，９，１０が配置されている。半導体部品５，６，７，８，９，１０は、詳しく図示していない導体経路を介して接続されている。なお、この導体経路とは、担体素子１，２，３の各上面１２，１３，１４上に形成されているものである。別々の担体素子の導体経路は、記載のように、接続線（Bonddraehte）１５を介して相互に電気的に接続されている。半導体部品５，６，７，８，９，１０は、記載のように、接続線１６を介して相互に接続されていると共に、外部接触のための接触部（端子ピン）（例えば、１７）と接続されている。
【００１７】
半導体部品５，６は、熱に変換される損失電力が非常に大きく、それゆえ、特に効果的に熱を伝導する必要のある電力半導体であってもよい。それに応じて、セラミック基板１は、特に良好な熱伝導率を有する、高価な物質により形成されている。これとは対照的に、例えば、半導体部品７，８は、熱に変換される損失電力が比較的小さく論理半導体(Logikhalbleiter)でもよい。複数の担体素子を使用しているので、セラミック基板２を、熱伝導率の低い、コストのかからないセラミックにより構成することが可能となる。
【００１８】
半導体モジュールは、樹脂押し出し法により形成されるモジュール筐体２０を備えている。さらに、担体素子１，２，３、その上に配置されている導体経路、半導体部品５〜１０、および、接続線１５，１６を、成形鋳型の中に入れ、モジュール筐体２０を形成しながら樹脂を押し出す。モジュール下側２５のサブ面は、セラミック基板（担体素子）１，２，３の背面側２２，２３，２４が、冷却素子（図示せず）と熱の連絡ができるように、できるだけ平坦に形成されている。平坦に形成するためには、複数の担体素子１，２，３の使用が役立つ。全ての半導体部品を配置できる、それに応じて、全ての担体素子１，２，３の全搭載表面積を有することが必要となる担体素子を１つだけ使用した場合、押し出し成形プロセス、および、それに続く、樹脂の収縮プロセスによって、大きな影響力をもつ機械的な応力が生じる。
【００１９】
本発明の半導体モジュールでは、モジュール筐体が、この応力によって少ししか変形されない。なぜなら、応力は複数の担体素子に分散されているからであり、個々の担体素子の絶対的な膨張（absoluten Ausdehnung）が少ないので、各担体素子には、応力が比較的少ない影響力しかないからである。
【００２０】
この効果を、図２を参照して説明する。図２は、唯１つの基板（担体素子）３０の例、および、これと比較するために、６個の別々の担体素子３２，３３，３４，３５，３６，３７の例を示している。なお、６個の担体素子の上面の合計は、担体素子３０の全上面に相当している。すなわち、６個の担体素子の上面の面積の合計は、担体素子３０の全上面の面積と等しい。
【００２１】
担体素子３０は、既に説明したように、樹脂の押し出しにより引き起こされた、歪んだ（たわんだ）形状で示している。樹脂は図示していない。樹脂は、担体の窪み側に備えられている。最大のたわみをｄｅで示している。
【００２２】
これとは対照的に、６つの個別の担体素子３２，３３，３４，３５，３６，３７は、既に説明したように、樹脂（図示せず）を押し出したときの変形がほんの少しであり、その最大のたわみはｄｍで示される。従って、ｄｅ＞＞ｄｍの関係が当てはまる。
【００２３】
図３は、第１の異なる形態、および、本発明の好ましい第２の異なる形態の、成形鋳型にある複数の担体素子の構造を概略的に示している。図３の上側の部分に、第１の異なる形態を示す。複数片であって、図１で既に詳しく説明した担体１，２，３は、平坦な構造に配置されている。すなわち、押し出し成形の前に、担体１、２、３は、成形鋳型の共通面上に配置されている。押し出し成形の後（押し出し成形プロセスを、矢印で示す）、既に詳しく説明したような、押し出し成形プロセスのときの機械的な応力、および、それに伴う収縮プロセスにより、モジュール筐体２０´の形状にたわみが生じる。
【００２４】
本発明の好ましい第２の異なる形態では、変形、および、応力効果と収縮効果とを考慮して、図３の下側の部分に示すように、個々の担体素子１，２，３をずらして配置する。その結果、本発明の半導体モジュールに以下の明らかなほかの利点が得られる。担体素子を、成形鋳型の異なる面に、相互に無関係に位置付けることによって、押し出し成形プロセスのときの機械的な応力、および、これに伴う収縮プロセスによって生じる変形を修正して、モジュール筐体２０のモジュール下側部分２５を平坦にする。
【００２５】
要するに、本発明の半導体モジュール、および、それを製造するための、記載した方法は、特に、以下の長所を備えている。
【００２６】
押し出し成形技術に起因する変形が、複数の基板に分配されており、同じ面積の基板を１つだけ使用する場合と比較して、それぞれ変形度が非常に低くなる。
【００２７】
異なる面に個々の担体素子を適切に配置することにより、押し出し成形技術に起因する変形を、押し出し成形プロセスの前に修正しておくことができる。
【００２８】
半導体部品と、半導体モジュールに接続されている冷却本体（Kuehlkoerper）との間の熱抵抗が、最小化されて、良好に保持できる（reproduzierbar）ように設計されている。
【００２９】
１つの半導体モジュールにおいて、必要に応じて品質および特性の異なるセラミックを、使用できる。
【００３０】
製造技術的に簡単に、良好な熱伝導性と、確実な電気的絶縁との双方を実現する。
【００３１】
挿入される個々の担体素子を、前もって試験しておくことができ、より小さな基板を使用することにより、コストをかけずに多数の半導体モジュールを製造できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の半導体モジュールの実施例を示す断面図である。
【図２】唯１つの担体素子、および、これと面積の等しい複数の担体素子における変形を概略的に示す図である。
【図３】本発明の第１および第２の好ましい異なる形態における複数の担体素子の概略的な構造を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１，２，３    担体素子
５，６，７，８，９，１０    半導体部品
１２，１３，１４    上面
１５，１６    接続線
１７    接触部（端子ピン）
２０    モジュール筐体
２０'    モジュール筐体
２２，２３，２４    背面側
２５    モジュール下側
３０    基板（担体素子）
３２，３３，３４    個々の担体素子
３５，３６，３７    個々の担体素子
ｄｅ    最大のたわみ
ｄｍ    最大のたわみ
【図１】
0004780268.tif 000002
【図２】
0004780268.tif 000003
【図３】
0004780268.tif 000004