(57)【要約】【課題】  小型で、放熱性が高く、電力損失が小さい、製造が容易な半導体モジュールを提供する。【解決手段】  半導体スイッチング素子４ａ、４ｂと、セラミックスからなる絶縁基板１と、リード端子２ａ〜２ｅとが、封止樹脂１０に封止され、半導体スイッチング素子４ａ、４ｂは、両主面を有するとともに、少なくとも１つの信号電極パッドと、１対の電源電極パッドとを有し、一方の主面に信号電極パッドと一方の電源電極パッドが形成され、他方の主面に他方の電源電極パッドが形成され、リード端子２ａ〜２ｅが、少なくとも、セラミックスの構成成分と反応する活性な金属と、Ａｇと、Ｃｕとを含む合金６を介して、絶縁基板１に直接に接合され、リード端子２ａ〜２ｅが、封止樹脂１０内での回路配線を成し、半導体スイッチング素子４ａ、４ｂが、リード端子２ａ、２ｂに接合され、リード端子２ａ〜２ｅが、封止樹脂１０から外部に導出されたものとした。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの半導体スイッチング素子と、少なくとも１つのセラミックスからなる絶縁基板と、複数のリード端子とが、封止樹脂に封止された半導体モジュールであって、
前記半導体スイッチング素子は、両主面を有するとともに、少なくとも１つの信号電極パッドと、１対の電源電極パッドとを有し、一方の前記主面に前記信号電極パッドと一方の前記電源電極パッドが形成され、他方の前記主面に他方の前記電源電極パッドが形成され、
少なくとも１つの前記リード端子が、少なくとも、前記セラミックスの構成成分と反応する活性な金属と、Ａｇと、Ｃｕとを含む合金を介して、前記絶縁基板に直接に接合され、
少なくとも１つの前記リード端子が、当該半導体モジュールの前記封止樹脂内での回路配線を成し、
少なくとも１つの前記半導体スイッチング素子が、前記リード端子に接合され、
複数の前記リード端子が、前記封止樹脂から外部に導出された半導体モジュール。
【請求項２】
前記合金が、前記セラミックスの構成成分と反応する活性な金属としてＴｉを含む、請求項１に記載された半導体モジュール。
【請求項３】
前記Ｔｉの含有量が、前記合金の全重量に対して３重量％以下である、請求項２に記載された半導体モジュール。
【請求項４】
前記合金の前記絶縁基板近傍の前記Ｔｉの濃度が、前記合金のその他の部分の前記Ｔｉの濃度よりも高い、請求項２または３に記載された半導体モジュール。
【請求項５】
前記絶縁基板が窒化珪素を主成分とする、請求項１ないし４のいずれか１項に記載された半導体モジュール。
【請求項６】
前記絶縁基板が窒化アルミニウムを主成分とする、請求項１ないし４のいずれか１項に記載された半導体モジュール。
【請求項７】
前記絶縁基板の、前記リード端子が接合された主面と反対側の主面に、金属製の放熱板が接合され、
前記放熱板の、前記絶縁基板に接合された主面と反対側の主面が、前記封止樹脂の外部に露出されている、請求項１ないし６のいずれか１項に記載された半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体モジュールに関し、さらに詳しくは、小型で、放熱性が高く、電力損失が小さい、製造が容易な半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
インバータ等に対応する電力変換用の半導体モジュールが、車載機器、産業用機器等の電源に使用されている。
【０００３】
たとえば、特許文献１（特開２０１３‐０１６７６６号公報）に、そのような半導体モジュールが開示されている。図１４（Ａ）、（Ｂ）に、特許文献１に開示された半導体モジュール１２００を示す。ただし、図１４（Ａ）は、半導体モジュール１２００の断面図である。ただし、図１４（Ｂ）は、封止樹脂１０５を省略した半導体モジュール１２００の分解平面図である。
【０００４】
半導体モジュール１２００は、セラミックスなどからなる絶縁基板（ベース基板）１０１を備える。絶縁基板１０１の主面には、複数のメタル層１０２が形成されている。メタル層１０２には、半導体スイッチング素子を含む半導体素子１０３などが接合されている。また、図における両端のメタル層１０２には、それぞれ、リード端子（リードフレーム）１０４が接合されている。さらに、絶縁基板１０１、半導体素子１０３、リード端子１０４が、リード端子１０４を外部に導出させて、封止樹脂（モールディング）１０５に封止されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３‐０１６７６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
半導体モジュール１２００には、絶縁基板１０１に、半導体素子１０３を接合するためのメタル層１０２だけではなく、それに加えて、リード端子１０４を接合するためのメタル層１０２が必要であり、絶縁基板１０１が平面方向に大型化してしまうという問題があった。そして、半導体モジュール１２００には、絶縁基板１０１が平面方向に大型化することにより、半導体モジュール１２００自体が平面方向に大型化してしまうという問題があった。また、詳しくは後述するが、半導体モジュール１２００には、放熱性が低く、電力損失が大きいという問題もあった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述した従来の問題を解決するためになされたものであり、その手段として本発明の半導体モジュールは、少なくとも１つの半導体スイッチング素子と、少なくとも１つのセラミックスからなる絶縁基板と、複数のリード端子とが、封止樹脂に封止され、半導体スイッチング素子は、両主面を有するとともに、少なくとも１つの信号電極パッドと、１対の電源電極パッドとを有し、一方の主面に信号電極パッドと一方の電源電極パッドが形成され、他方の主面に他方の電源電極パッドが形成され、少なくとも１つのリード端子が、少なくとも、前記セラミックスの構成成分と反応する活性な金属と、Ａｇと、Ｃｕとを含む合金を介して、絶縁基板に直接に接合され、少なくとも１つのリード端子が、この半導体モジュールの封止樹脂内での回路配線を成し、少なくとも１つの半導体スイッチング素子が、リード端子に接合され、複数のリード端子が、封止樹脂から外部に導出されたものとした。
【０００８】
なお、リード端子が絶縁基板に合金を介して直接に接合されるとは、絶縁基板にリード端子を接合するためのメタル層が別途形成されていないことを意味する。
【０００９】
リード端子を絶縁基板に接合する合金が、セラミックスの構成成分と反応する活性な金属としてＴｉを含むことが好ましい。Ｔｉは、セラミックスの構成成分と反応する活性な金属のなかでも特に反応性が高く、より強固な接合が可能となるからである。さらに、Ｔｉの添加量を調整することにより、絶縁基板との接合強度を高め、かつ、合金の融点温度を容易に調整することができる。
【００１０】
また、Ｔｉの含有量が、合金の全重量に対して３重量％以下であることが好ましい。Ｔｉの含有量が３重量％を超えると、合金自体が脆化し、合金の比抵抗が上昇し、合金の熱伝導率が低下する虞があるからである。
【００１１】
また、合金と絶縁基板の界面において、絶縁基板に含まれる成分とＴｉとが反応することで、合金のその他の部分のＴｉの濃度よりも高い界面反応層が形成されることが好ましい。該界面反応層の形成により、リード端子と絶縁基板とより強固な接合が確保される。
【００１２】
また、絶縁基板が窒化珪素を主成分とすることが好ましい。窒化珪素は、ＡｇとＣｕとを含む合金、および、ＡｇとＣｕとＴｉとを含む合金との接合強度が高く、この場合にも、リード端子と絶縁基板との接合強度がより高くなる。
【００１３】
あるいは、絶縁基板が窒化アルミニウムを主成分とすることも好ましい。窒化アルミニウムは、熱伝導率が約１８０Ｗ／ｍ・Ｋと高く、この場合には、半導体スイッチング素子において発生した熱を、リード端子、絶縁基板を経由して、効率的に放熱させることができる。
【００１４】
さらに、絶縁基板の、リード端子が接合された主面と反対側の主面に、金属製の放熱板が接合され、放熱板の、絶縁基板に接合された主面と反対側の主面が、封止樹脂の外部に露出されていることが好ましい。この場合には、半導体スイッチング素子において発生した熱を、リード端子、絶縁基板、放熱板を経由して、効率的に放熱させることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の半導体モジュールは、絶縁基板に、リード端子を接合するためのメタル層が不要であるため、絶縁基板を（平面方向に）小型化することができる。そして、絶縁基板を小型化できることにより、半導体モジュール自体を小型化することができる。
【００１６】
また、本発明の半導体モジュールは、リード端子と絶縁基板とが、熱伝導率の高いＡｇとＣｕとを含む合金により接合されているため、半導体スイッチング素子において発生した熱を、リード端子、絶縁基板を経由して、あるいは、リード端子、絶縁基板、再度リード端子を経由して、効率的に放熱させることができる。また、本発明の半導体モジュールは、半導体スイッチング素子において発生した熱の放熱性が高いので、電力損失が小さい。
【００１７】
さらに、本発明の半導体モジュールは、絶縁基板にメタル層を形成する工程や、メタル層にリード端子をはんだ付け等する工程が不要であるため、従来に比べて製造が容易である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１（Ａ）は、第１実施形態にかかる半導体モジュール１００を示す平面図である。図１（Ｂ）は、半導体モジュール１００を示す正面図である。
【図２】図２（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ、半導体モジュール１００の分解平面図である。図２（Ｃ）は、半導体モジュール１００を示す断面図である。
【図３】半導体モジュール１００の等価回路図である。
【図４】半導体モジュール１００の絶縁基板１とリード端子２ａ〜２ｄとの接合部分を示す説明図（断面図）である。
【図５】図５（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ、半導体モジュール１００の製造方法の一例において施される１つの工程を示し、図５（Ａ）は平面図、図５（Ｂ）は断面図である。
【図６】図６（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ、半導体モジュール１００の製造方法の一例において施される１つの工程を示し、図６（Ａ）は平面図、図６（Ｂ）は断面図である。
【図７】図７（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ、半導体モジュール１００の製造方法の一例において施される１つの工程を示し、図７（Ａ）は平面図、図７（Ｂ）は断面図である。
【図８】図８（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ、半導体モジュール１００の製造方法の一例において施される１つの工程を示し、図８（Ａ）は平面図、図８（Ｂ）は断面図である。
【図９】図９（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ、半導体モジュール１００の製造方法の一例において施される１つの工程を示し、図９（Ａ）は平面図、図９（Ｂ）は断面図である。
【図１０】図１０（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ、半導体モジュール１００の製造方法の一例において施される１つの工程を示し、図１０（Ａ）は平面図、図１０（Ｂ）は断面図である。
【図１１】図１１（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ、半導体モジュール１００の製造方法の一例において施される１つの工程を示し、図１１（Ａ）は平面図、図１１（Ｂ）は断面図である。
【図１２】図１２（Ｂ）は、比較例にかかる半導体モジュール１１００を示す断面図である。なお、比較するために、図１２（Ａ）に、第１実施形態にかかる半導体モジュール１００の断面図を再掲している。
【図１３】第２実施形態にかかる半導体モジュール２００を示す断面図である。
【図１４】図１４（Ａ）は、特許文献１に開示された半導体モジュール１２００を示す断面図である。図１４（Ｂ）は、半導体モジュール１２００を示す分解平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面とともに、本発明を実施するための形態について説明する。
【００２０】
なお、各実施形態は、本発明の実施の形態を例示的に示したものであり、本発明が実施形態の内容に限定されることはない。また、異なる実施形態に記載された内容を組合せて実施することも可能であり、その場合の実施内容も本発明に含まれる。また、図面は、実施形態の理解を助けるためのものであり、必ずしも厳密に描画されていない場合がある。たとえば、描画された構成要素ないし構成要素間の寸法の比率が、明細書に記載されたそれらの寸法の比率と一致していない場合がある。また、明細書に記載されている構成要素が、図面において省略されている場合や、個数を省略して描画されている場合などがある。
【００２１】
［第１実施形態］
図１（Ａ）、（Ｂ）、図２（Ａ）〜（Ｃ）、図３、図４に、本発明の第１実施形態にかかる半導体モジュール１００を示す。ただし、図１（Ａ）は、半導体モジュール１００の平面図である。図１（Ｂ）は、半導体モジュール１００の正面図である。図２（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ、半導体モジュール１００の分解平面図である。なお、図２（Ａ）は、半導体モジュール１００から封止樹脂１０を省略した状態を示している。図２（Ｂ）は、半導体モジュール１００から封止樹脂１０と電源系クリップ８ａ、８ｂ、信号系クリップ９ａ、９ｂとを省略した状態を示している。図２（Ｃ）は半導体モジュール１００の断面図であり、図２（Ａ）、（Ｂ）の一点鎖線Ｘ−Ｘ部分を示している。図３は、半導体モジュール１００の等価回路図である。図４は、半導体モジュール１００の絶縁基板１とリード端子２ａ〜２ｄとの接合部分を示す説明図（断面図）である。
【００２２】
本実施形態にかかる半導体モジュール１００は、インバータである。なお、半導体モジュール１００はインバータの一相分であり、複数の半導体モジュール１００が組合わされて使用される場合がある。
【００２３】
半導体モジュール１００は、矩形、板状のセラミックスからなる絶縁基板１を備える。絶縁基板１の一方主面（上側主面）には、５つのリード端子２ａ〜２ｄが接合されている。また、絶縁基板１の他方主面（下側主面）には、放熱板３が接合されている。さらに、リード端子２ａには、半導体スイッチング素子４ａ、還流ダイオード５ａが接合され、リード端子２ｂには、半導体スイッチング素子４ｂ、還流ダイオード５ｂが接合されている。
【００２４】
絶縁基板１は、リード端子２ａ〜２ｄを通る電気の流れが放熱板３を介して外部に漏電しないよう絶縁する役割を持つ。また、絶縁基板１は、半導体スイッチング素子４ａ、４ｂで発生した熱を放熱板３に伝える放熱経路の役割を持つ。よって、絶縁信頼性が高く、かつ熱伝導率の高い材質であることが要求される。そこで、絶縁基板１は、窒化珪素、窒化アルミニウム、アルミナなどを主成分とするセラミックスにより形成することが好ましい。本実施形態においては、絶縁基板１に、窒化珪素を主成分とするセラミックスを使用した。なお、窒化珪素の熱伝導率は約８０Ｗ／ｍ・Ｋ、窒化アルミニウムの熱伝導率は約１８０Ｗ／ｍ・Ｋ、アルミナの熱伝導率は約２５Ｗ／ｍ・Ｋである。
【００２５】
リード端子２ａ〜２ｄは、半導体スイッチング素子４ａ、４ｂ、還流ダイオード５ａ、５ｂを実装する実装電極の役割や、電源電力や制御信号の導通経路となる回路配線の役割や、外部と接続するための外部端子の役割を持つ。また、半導体スイッチング素子４ａ、４ｂで発生した熱を絶縁基板１に伝え、さらに、後述する放熱板３から放熱する放熱経路の役割を持つ。また、半導体スイッチング素子４ａ、４ｂで発生した熱を自ら平面方向に伝え、半導体モジュール１００の外部に露出した部分から放熱する放熱経路の役割も持つ。したがって、リード端子２ａ〜２ｄは、電気抵抗率が小さく、熱伝導率の大きいＣｕ、Ａｌや、それらを主成分とする合金により形成されることが好ましい。本実施形態においては、リード端子２ａ〜２ｄにＣｕを使用した。
【００２６】
また、放熱板３は、半導体スイッチング素子４ａ、４ｂで発生し、リード端子２ａ、２ｂ、絶縁基板１を通って伝わった熱を半導体モジュール１００の外部に放熱する役割を持つ。したがって、放熱板３は、熱伝導率の大きいＣｕ、Ａｌや、それらを主成分とする合金により形成されることが好ましい。本実施形態においては、放熱板３にＣｕを使用した。
【００２７】
リード端子２ａ〜２ｄおよび放熱板３の絶縁基板１への接合は、図４の説明図（断面図）に示すように、絶縁基板１にメタル層を設けることなく、Agと、Cuと、絶縁基板１を構成するセラミックスに含まれる成分と反応する活性成分とを含む合金６によりおこなわれている。Agと、Cuと、セラミックに含まれる成分と反応する活性成分とを含む合金６は、活性金属ロウ材と呼ばれる場合がある。本実施形態においては、合金６に含まれる、セラミックスに含まれる成分と反応する活性成分としてＴｉを用いた。ただし、セラミックに含まれる成分と反応する活性成分はＴｉには限定されず、Ｚｒなど、他の金属であっても良い。
【００２８】
Ａｇと、Ｃｕと、セラミックに含まれる成分と反応する活性成分とを含む合金６には、融点を調整するために、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｄなどから選ばれる金属が、１種または複数種、添加される場合がある。本実施形態においては、上述のとおり、合金６に、セラミックに含まれる成分と反応する活性成分としてＴｉが添加されている。したがって、本実施形態においては、Ｔｉは融点を調整する役割も果たしている。なお、Ｔｉを添加する場合には、Ｔｉの添加量は、合金の全重量に対して３重量％以下であることが好ましい。Ｔｉの含有量が３重量％を超えると、合金自体が脆化する虞があるからである。本実施形態においては、合金６の配合比率を、Ａｇ６０〜８０重量％、Ｃｕ２０〜４０重量％、Ｔｉ１〜３重量％とした。
【００２９】
図４に示すように、合金６の絶縁基板（窒化珪素基板）１の近傍には、ＴｉＮや、ＭＮが形成される（ただしＭはＳｉ、Ｃｕ、Ｔｉの合金）。すなわち、合金６の絶縁基板１近傍のＴｉの濃度が、合金６のその他の部分のＴｉの濃度よりも高くなっている。この結果、リード端子２ａ〜２ｅと絶縁基板１とは、高い強度で接合されている。
【００３０】
本実施形態においては、半導体スイッチング素子４ａ、４ｂに、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor；絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）が使用されている。ただし、半導体スイッチング素子４ａ、４ｂの種類はＩＧＢＴには限られず、たとえばＦＥＴ（Field Effect Transistor）などであっても良い。なお、半導体スイッチング素子４ａ、４ｂとしてＦＥＴを使用した場合には、ＦＥＴはモノポーラ・トランジスタであり寄生ダイオードが内蔵されているため、その寄生ダイオードを利用することにより、還流ダイオード５ａ、５ｂを省略できる場合がある。
【００３１】
半導体スイッチング素子４ａ、４ｂには、縦型半導体素子が使用されている。すなわち、半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ）４ａ、４ｂは、一方主面（上側主面）に、一方の電源電極パッドとしてエミッタ電極が形成され、信号電極パッドとしてベース電極が形成され、他方主面（下側主面）に、他方の電源電極パッドとしてコレクタ電極が形成されている。なお、図２（Ａ）において、半導体スイッチング素子４ａ、４ｂの一方主面（上側主面）にそれぞれ表れている、大きい電極が一方の電源電極パッドであり、小さい電極が信号電極パッドである。
【００３２】
還流ダイオード５ａ、５ｂにも、縦型半導体素子が使用されている。すなわち、還流ダイオード５ａ、５ｂは、一方主面（上側主面）に、一方の電極パッドとしてアノード電極が形成され、他方主面（下側主面）に、他方の電極パッドとしてカソード電極が形成されている。なお、上述したように、半導体スイッチング素子４ａ、４ｂにＦＥＴを使用した場合には、還流ダイオード５ａ、５ｂを省略できる場合がある。
【００３３】
半導体スイッチング素子４ａの他方の電源電極パッドと、還流ダイオード５ａの他方の電極パッドとが、接合材７によってリード端子２ａに接合されている。また、半導体スイッチング素子４ｂの他方の電源電極パッドと、還流ダイオード５ｂの他方の電極パッドとが、接合材７によってリード端子２ｂに接合されている。接合材７は、リード端子２ａ、２ｂに半導体スイッチング素子４ａ、４ｂや還流ダイオード５ａ、５ｂを実装、固定する役割を持つ。また、電源電力の導通経路となり、かつ半導体スイッチング素子４ａ、４ｂで発生した熱をリード端子２ａ、２ｂに伝える放熱経路の役割を持つ。したがって、電気抵抗率が小さく、熱伝導率の大きい材質であることが要求される。接合材７には、はんだ゛、導電性樹脂、ナノ焼結材などから適宜選択される材質が使用される。
【００３４】
また、半導体スイッチング素子４ａの一方の電源電極パッドと、還流ダイオード５ａの一方の電極パッドと、リード端子２ｂとに、接合材７によって電源系クリップ８ａが接合されている。また、半導体スイッチング素子４ｂの一方の電源電極パッドと、還流ダイオード５ｂの一方の電極パッドと、リード端子２ｃとに、接合材７によって電源系クリップ８ｂが接合されている。
【００３５】
また、半導体スイッチング素子４ａの信号電極パッドと、リード端子２ｄとに、接合材７によって信号系クリップ９ａが接合されている。また、半導体スイッチング素子４ｂの信号電極パッドと、リード端子２ｅとに、接合材７によって信号系クリップ９ｂが接合されている。
【００３６】
電源系クリップ８ａ、８ｂは、電源経路の接続に用いられている。信号系クリップ９ａ、９ｂは、信号経路の接続に用いられている。また、電源系クリップ８ａ、８ｂ、信号系クリップ９ａ、９ｂは、半導体スイッチング素子４ａ、４ｂで発熱した熱を、半導体スイッチング素子４ａ、４ｂの上面からリード端子２ａ〜２ｅに伝える役割を待つ。したがって、電源系クリップ８ａ、８ｂ、信号系クリップ９ａ、９ｂには、電気抵抗率が小さく、熱伝導率の大きいＣｕ、Ａｌや、それらを主成分とする合金により形成されることが好ましい。本実施形態においては、電源系クリップ８ａ、８ｂ、信号系クリップ９ａ、９ｂにＣｕを使用した。なお、本実施例では、電源経路、信号経路の接続に電源系クリップ８ａ、８ｂ、信号系クリップ９ａ、９ｂを使用したが、従来の半導体モジュール（パワーモジュール）において一般的に用いられているように、ワイヤーで接続しても良い。
【００３７】
半導体モジュール１００は、リード端子２ａ〜２ｅの一端を外部に導出させて、絶縁基板１、リード端子２ａ〜２ｅ、半導体スイッチング素子４ａ、４ｂ、還流ダイオード５ａ、５ｂが、封止樹脂１０により封止されている。封止樹脂１０には、たとえば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂などを使用することができる。
【００３８】
半導体モジュール１００は、リード端子２ａがＰ側端子Ｐに該当し、リード端子２ｃがＮ側端子Ｎに該当する。また、リード端子２ｂが中間端子Ｕに該当する。さらに、リード端子２ｄが第１の信号端子Ｓ１に該当し、リード端子２ｅが第２の信号端子Ｓ２に該当にする。
【００３９】
次に、図５（Ａ）、（Ｂ）〜図１１（Ａ）、（Ｂ）に、本実施形態にかかる半導体モジュール１００の製造方法の一例を示す。ただし、各図は製造方法において施される各工程を示し、各図の（Ａ）は平面図であり、各図の（Ｂ）は断面図である。また、各図（Ｂ）は、各図（Ａ）の一点鎖線Ｘ−Ｘ部分を示している。
【００４０】
まず、図５（Ａ）、（Ｂ）に示すように、リード端子２ａ〜２ｅを形成するための母材（金属板）１２を用意する。
【００４１】
次に、図６（Ａ）、（Ｂ）に示すように、母材１２をプレス打抜き、あるいはエッチングにより加工し、周囲がフレーム１２ａによって繋がったリード端子２ａ〜２ｅを形成する。
【００４２】
次に、図７（Ａ）、（Ｂ）に示すように、リード端子２ａ〜２ｅを、合金６（図７においては図示せず）によって絶縁基板１の一方主面（上側主面）に接合する。併せて、放熱板３を、合金６（図７においては図示せず）によって絶縁基板１の他方主面（下側主面）に接合する。
【００４３】
具体的には、まず、活性金属ロウ材からなるペーストを、絶縁基板１に塗布する。絶縁基板１の一方主面（上側主面）には、リード端子２ａ〜２ｅを接合する位置に、リード端子２ａ〜２ｅと同じ形状にペーストを塗布する。絶縁基板１の他方主面（下側主面）には、放熱板３を接合する位置に、放熱板３と同じ形状にペーストを塗布する。ペーストの塗布方法は、スクリーン印刷、ディスペンサなどの方法から適宜選択することができる。
【００４４】
次に、リード端子２ａ〜２ｅ、放熱板３を、絶縁基板１のペーストを塗布した部分に配置する。
【００４５】
次に、活性金属ロウ材、および、リード端子２ａ〜２ｅ、放熱板３の材質から要求される雰囲気（真空、中性・不活性雰囲気、還元性雰囲気など）において、その活性金属ロウ材の融点以上の温度で熱処理する。
【００４６】
活性金属ロウ材には、Ａｇ-Ｃｕ銅を主成分とした高熱伝導率のものを用いる。必要に応じて、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｄなどを添加し、活性金属ロウ材の融点を、６５０℃から８００℃の間で変動させるたうえで使用する。
【００４７】
上述のとおり、リード端子２ａ、２ｂに実装した半導体スイッチング素子４ａ、４ｂで発生した熱は、リード端子２ａ、２ｂ、絶縁基板１を介して放熱板３に伝わり、外部に放熱される。したがって、リード端子２ａ、２ｂ、放熱板３と、絶縁基板１との接合材である活性金属ロウ材（合金６）の熱伝導率が低いと、熱の伝わりを阻害し、放熱性が低下することになる。活性金属ロウ材（合金６）の熱伝導率は、上記した添加物が多くなるほど低下する傾向にある。したがって、上記した添加物を極力少なくして、熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の活性金属ロウ材を使用することが好ましい。
【００４８】
なお、活性金属ロウ材からなるペーストは、絶縁基板１ではなく、リード端子２ａ〜２ｅや放熱板３の、絶縁基板１との接触面に塗布しても良い。また、ペーストではなく活性金属ロウ材からなるフィルムを、リード端子２ａ〜２ｅと絶縁基板１との間、および、放熱板３と絶縁基板１との間に設置しても良い。あるいは、リード端子２ａ〜２ｅや放熱板３の母材となる金属板に、予め活性金属ロウ材からなるフィルムを圧着したうえで、金属板を金型でプレス打抜きし、リード端子２ａ〜２ｅや放熱板３を作製するようにしても良い。
【００４９】
次に、図８（Ａ）、（Ｂ）に示すように、リード端子２ａに、接合材（はんだなど）７によって、半導体スイッチング素子４ａの他方の電源電極パッド（下側の電極）と、還流ダイオード５ａの他方の電極パッド（下側の電極）とを接合する。また、リード端子２ｂに、接合材７によって、半導体スイッチング素子４ｂの他方の電源電極パッド（下側の電極）と、還流ダイオード５ｂの他方の電極パッド（下側の電極）とを接合する。
【００５０】
次に、図９（Ａ）、（Ｂ）に示すように、半導体スイッチング素子４ａの一方の電源電極パッドと、還流ダイオード５ａの一方の電極パッドと、リード端子２ｂとに、接合材７によって電源系クリップ８ａを接合し、これらの電気的導通をはかる。また、半導体スイッチング素子４ｂの一方の電源電極パッドと、還流ダイオード５ｂの一方の電極パッドと、リード端子２ｃとに、接合材７によって電源系クリップ８ｂを接合し、これらの電気的導通をはかる。なお、電源系クリップ８ａ、８ｂの接合材７による接合は、たとえば、半導体スイッチング素子４ａ、４ｂの一方の電源電極パッドと、還流ダイオード５ａ、５ｂの一方の電極パッドと、リード端子２ｂ、２ｃとに、予めペースト状の接合材７を塗布しておき、その上に電源系クリップ８ａ、８ｂを載せ、熱処理することによりおこなうことができる。ペースト状の接合材７の塗布は、たとえば、スクリーン印刷による方法、ディスペンサを使用する方法などから、適宜選択することができる。
【００５１】
また、半導体スイッチング素子４ａの信号電極パッドと、リード端子２ｄとに、接合材７によって信号系クリップ９ａを接合し、両者の電気的導通をはかる。また、半導体スイッチング素子４ｂの信号電極パッドと、リード端子２ｅとに、接合材７によって信号系クリップ９ｂを接合し、両者の電気的導通をはかる。なお、信号系クリップ９ａ、９ｂの接合材７による接合は、電源系クリップ８ａ、８ｂの接合材７による接合と同じ方法で、同時におこなうことができる。
【００５２】
次に図１０（Ａ）、（Ｂ）に示すように、リード端子２ａ〜２ｅの一端を外部に導出させて、また、放熱板３の他方主面（下側主面）を外部に露出させて、絶縁基板１、リード端子２ａ〜２ｅ、半導体スイッチング素子４ａ、４ｂ、還流ダイオード５ａ、５ｂを、封止樹脂１０により封止する。封止樹脂１０による封止は、金型を使用したインサートモールドなどによりおこなうことができる。
【００５３】
最後に、リード端子２ａ〜２ｅをそれぞれフレーム１２ａから切断して、第１実施形態にかかる半導体モジュール１００を完成させる。
【００５４】
半導体モジュール１００は、絶縁基板１の外周に、リード端子２ａ〜２ｅを実装するための接続パッド（メタル層）を形成する領域が不要であるため、絶縁基板１が平面方向に小型化されており、半導体モジュール１００自体も平面方向に小型化されている。
【００５５】
また、半導体モジュール１００は、半導体スイッチング素子４ａ、４ｂで発生した熱が、半導体スイッチング素子４ａ、４ｂのダイボンド実装面（合金６による接合面）からリード端子２ａ、２ｂを経路として効率よく放熱できる。また、電力損失も小さくなる。回路配線（メタル層）とリード端子が別々に形成されていれば、回路配線にリード端子をはんだ゛などの接合材で実装するか、ワイヤーで接続する必要があり、経路の熱抵抗や電気抵抗が大きくなる。一方、本発明の構造であれば、半導体スイッチング素子４ａ、４ｂのダイボンド実装部から半導体モジュール１００の外部への経路に、接合、接続箇所がないため、熱抵抗や電気抵抗が小さくなる。
【００５６】
比較のために、特許文献１に開示されたような従来の方法で、図３に示した第１実施形態にかかる半導体モジュール１００と同じ等価回路を有する、比較例にかかる半導体モジュール１１００を作製した。
【００５７】
図１２（Ｂ）に、比較例にかかる半導体モジュール１１００を示す。ただし、図１２（Ｂ）は断面図であり、その断面に現れた構成要素のみを示しているが、半導体モジュール１１００は、第１実施形態にかかる半導体モジュール１００と同様に、２つの半導体スイッチング素子２０４ａ、２０４ｂと、２つの還流ダイオード５ａ、５ｂとを備えている。
【００５８】
また、図１２（Ａ）に、第１実施形態にかかる半導体モジュール１００の断面図を改めて示す。
【００５９】
比較例にかかる半導体モジュール１１００は、絶縁基板２０１に形成された回路配線２０１ａ〜２０１ｅと、リード端子２０２ａ〜２０２ｅとが別々である。すなわち、リード端子２０２ａ〜２０２ｅが、接合材（はんだ）２０７によって、回路配線（メタル層）２０１ａ〜２０１ｄの接続パッド部分に接合されている。
【００６０】
まず、比較例にかかる半導体モジュール１１００は、第１実施形態にかかる半導体モジュール１００に比べて、回路配線２０１ａ〜２０１ｄに接続パッド部分を設けなければならない分だけ、絶縁基板２０１が平面方向に大型化しており、その結果、半導体モジュール１１００自体も平面方向に大型化している。
【００６１】
また、比較例にかかる半導体モジュール１１００は、絶縁基板１に形成された回路配線２０１ａ〜２０１ｄの接続パッド部分に、リード端子２０２ａ〜２０２ｄが、接合材（はんだ）２０７によって接続されているが、一般的なはんだであるＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ、Ｓｎ−Ｚｎ−Ａｌ系はんだ、Ｓｎ−Ｂｉ−Ａｇ系はんだ、Ｓｎ−Ｐｂ系はんだの熱伝導率は、２０〜７０Ｗ／ｍ・Ｋであり、リード端子２０２ａ、２０２ｂの材質であるＣｕの熱伝導率である３９０Ｗ／ｍ・Ｋと比べて著しく低い。また、上記の一般的なはんだの電気抵抗率も３〜１５％ＩＡＣＳであり、Ｃｕの電気抵抗率である１００％ＩＡＣＳ比べて低い。
【００６２】
比較例にかかる半導体モジュール１１００は、半導体スイッチング素子２０４ａ、２０４ｂで発生した熱が、リード端子２０２ａ〜２０２ｅを通して平面方向に伝わり、リード端子２０２ａ〜２０２ｅの封止樹脂２１０の外部に導出された部分から放熱される。しかしながら、半導体モジュール１１００は、回路配線２０１ａ〜２０１ｅの接続パッド部分とリード端子２０２ａ〜２０２ｅとが、熱伝導率の低いはんだ（接合材２０７）で接続されているため、その接続部分で熱の伝わりが阻害され、放熱性が低下するという問題が生じている。また、その接続部分は電気伝導度も低いため、電気抵抗が上昇し、電気的損失が大きくなるという問題も生じている。
【００６３】
以上のように、第１実施形態にかかる半導体モジュール１００は、従来構造の比較例にかかる半導体モジュール１１００に比べて、小型で、放熱性が高く、電力損失が小さいものになっている。
【００６４】
［第２実施形態］
図１３に、本発明の第２実施形態にかかる半導体モジュール２００を示す。ただし、図１３は、半導体モジュール２００の断面図である。
【００６５】
第１実施形態にかかる半導体モジュール１００では、半導体スイッチング素子４ａ、還流ダイオード５ａと、半導体スイッチング素子４ｂ、還流ダイオード５ｂとを、平面方向に並べて配置していた。第２実施形態にかかる半導体モジュール２００では、半導体スイッチング素子２４ａ、還流ダイオード２５ａと、半導体スイッチング素子２４ｂ、還流ダイオード２５ｂとを、上下方向に重ねて配置した。半導体モジュール２００は、半導体モジュール１００と同じ等価回路（図３参照）を備えている。
【００６６】
なお、半導体モジュール２００は、半導体モジュール１００が備えていた電源系クリップ８ａ、８ｂが省略されている。代わりに、半導体モジュール２００は、４つのＣｕからなる金属ブロック３０を備えている。また、半導体モジュール２００は、上下に２つの絶縁基板２１を備えている。以下、簡単に、半導体モジュール２００の構造を説明する。
【００６７】
半導体モジュール２００は、リード端子２２ａ〜２２ｅが、上下方向に３層に分けて配置されている。まず、下側の層として、ＡｇとＣｕとを含む合金（図示せず）によって絶縁基板２１に接合された、リード端子２２ａとリード端子２２ｄとが配置されている。また、中間の層として、絶縁基板に接合されていない、リード端子２２ｂとリード端子２２ｅとが配置されている。そして、上側の層として、ＡｇとＣｕとを含む合金（図示せず）によって絶縁基板２１に接合された、リード端子２２ｃが配置されている。
【００６８】
リード端子２２ａの一方主面（上側主面）に、半導体スイッチング素子２４ａの他方の電源電極パッドと還流ダイオード２５ａの他方の電極パッドとが、接合材２７により接合されている。そして、半導体スイッチング素子２４ａの一方の電源電極パッドと、還流ダイオード２５ａの一方の電極パッドとに、それぞれ、金属ブロック３０が、接合材２７により接合されている。さらに、これらの２つの金属ブロック３０が、それぞれ、リード端子２２ｂの他方主面（下側主面）に、接合材２７により接合されている。
【００６９】
また、リード端子２２ｂの一方主面（上側主面）に、半導体スイッチング素子２４ｂの他方の電源電極パッドと還流ダイオード２５ｂの他方の電極パッドとが、接合材２７により接合されている。そして、半導体スイッチング素子２４ｂの一方の電源電極パッドと、還流ダイオード２５ｂの一方の電極パッドとに、それぞれ、金属ブロック３０が、接合材２７により接合されている。さらに、これらの２つの金属ブロック３０が、それぞれ、リード端子２２ｃの他方主面（下側主面）に、接合材２７により接合されている。
【００７０】
また、半導体スイッチング素子２４ａの信号電極パッドと、リード端子２２ｄとに、信号系クリップ２９ａが接合材２７によって接合され、両者の電気的導通をはかっている。また、半導体スイッチング素子２４ｂの信号電極パッドと、リード端子２２ｅとに、信号系クリップ２９ｂが接合材２７によって接合され、両者の電気的導通をはかっている。
【００７１】
以上により、半導体モジュール２００は、半導体モジュール１００と同じ等価回路（図３参照）を備えている。
【００７２】
半導体モジュール２００も、半導体モジュール１００と同様に、小型で、放熱性が高く、電力損失が小さいものになっている。
【００７３】
以上、第１実施形態および第２実施形態にかかる半導体モジュール１００、２００について説明した。しかしながら、本発明が上述した内容に限定されることはなく、発明の趣旨に沿って、種々の変更をなすことができる。
【００７４】
たとえば、半導体モジュール１００、２００は、それぞれ２つの半導体スイッチング素子４ａ、４ｂまたは２４ａ、２４ｂを備えているが、半導体スイッチング素子の数は２つには限定されず、１つ、または、３つ以上であっても良い。
【００７５】
また、半導体モジュール１００、２００では、半導体スイッチング素子４ａ、４ｂ、２４ａ、２４ｂにＩＧＢＴを使用したが、半導体スイッチング素子の種類はＩＧＢＴには限られず、たとえばＦＥＴなどであっても良い。なお、半導体スイッチング素子４ａ、４ｂまたは２４ａ、２４ｂにＦＥＴを使用した場合には、還流ダイオード５ａ、５ｂまたは２５ａ、２５ｂを省略できる場合がある。
【００７６】
また、半導体モジュール１００、２００では、ＡｇとＣｕとを含む合金６にＴｉを添加しているが、添加する金属の種類はＴｉには限られず、所望する融点温度に合わせて、Ｔｉに代えて、あるいは、Ｔｉに加えて、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｄなどを、１種、または２種以上添加しても良い。あるいは、合金６をＡｇとＣｕのみで構成し、他の金属を添加しないようにしても良い。
【符号の説明】
【００７７】
１、２１・・・絶縁基板
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ・・・リード端子
３、２３・・・放熱板
４ａ、４ｂ、２４ａ、２４ｂ・・・半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ）
５ａ、５ｂ、２５ａ、２５ｂ・・・還流ダイオード
６・・・合金（ＡｇとＣｕとを含む合金）
７、２７・・・接合材（はんだなど）
８ａ、８ｂ・・・電源系クリップ
９ａ、９ｂ、２９ａ、２９ｂ・・・信号系クリップ
１０、２０・・・封止樹脂
１２・・・リード端子の母材
１２ａ・・・フレーム
３０・・・金属ブロック
１００、２００・・・半導体モジュール
【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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