特許 6208980 半導体モジュール及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6208980

(24)【登録日】2017年9月15日

(45)【発行日】2017年10月4日

(54)【発明の名称】半導体モジュール及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/28 20060101AFI20170925BHJP

   H01L 25/07 20060101ALI20170925BHJP

   H01L 25/18 20060101ALI20170925BHJP

【ＦＩ】

   H01L23/28 K

   H01L25/04 C

【請求項の数】7

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2013-105915(P2013-105915)

(22)【出願日】2013年5月20日

(65)【公開番号】特開2014-229649(P2014-229649A)

(43)【公開日】2014年12月8日

【審査請求日】2015年9月11日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004765

【氏名又は名称】カルソニックカンセイ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100100712

【弁理士】

【氏名又は名称】岩▲崎▼ 幸邦

(74)【代理人】

【識別番号】100101247

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 俊一

(74)【代理人】

【識別番号】100095500

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 正和

(74)【代理人】

【識別番号】100098327

【弁理士】

【氏名又は名称】高松 俊雄

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 豊

【審査官】 ▲吉▼澤 雅博

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０９−２６０１４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−０８７５６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−０２８０５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−０１２５７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６０−２１６５７１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２３／２８

Ｈ０１Ｌ ２５／０７

Ｈ０１Ｌ ２５／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

セラミックス基板（１１）の上下両側に金属層（１３，１５）を備え、上部の前記金属層（１３）の上に半導体素子（２３）が実装された半導体モジュール本体（２５）を、ケース（７）内に配置し、前記半導体モジュール本体（２５）を樹脂（４１）でポッティングして封止する構造の半導体モジュール（１）であって、
前記セラミックス基板（１１）は、周縁が前記金属層（１３，１５）から突出する保持部（１１ａ）を備え、
前記ケース（７）の側壁（５，３１）は、上下方向に延びる通気孔（３９）を複数備え、
前記側壁（５，３１）の下部に、前記通気孔（３９）の下部と前記ケース（７）内の底部とを連通する連通部（３９ｂ）が設けられ、
前記連通部（３９ｂ）は、前記保持部（１１ａ）に近接する位置に形成され、
前記連通部（３９ｂ）は、前記複数の通気孔（３９）の下部相互を連通し、前記ケース（７）内の底部に開口して前記側壁（５，３１）の全周にわたり連続して形成されていることを特徴とする半導体モジュール。

【請求項2】

前記連通部（３９ｂ）は、前記保持部（１１ａ）よりも下方に位置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3】

前記連通部（３９ｂ）は、複数の通気孔（３９）の下部相互を連通する連通路（３９ｂ２）と、この連通路（３９ｂ２）より下方に位置して前記ケース（７）内の底部に開口する開口部（３９ｂ１）と、を有することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体モジュール。

【請求項4】

前記側壁（５，３１）が下方に突出する突起（３９ｃ）を備えることで、前記開口部（３９ｂ１）が前記連通路（３９ｂ２）より下方に位置することを特徴とする請求項３に記載の半導体モジュール。

【請求項5】

前記連通路（３９ｂ２）内の上壁の下面（３９ｂ３）は、前記側壁（５，３１）の周方向に沿って互いに隣接する前記通気孔（３９）相互間の位置（Ｓ）に対し、前記通気孔（３９）側が上方となるよう傾斜していることを特徴とする請求項３または４に記載の半導体モジュール。

【請求項6】

セラミックス基板（１１）の上下両側に金属層（１３，１５）を備え、上部の前記金属層（１３）の上に半導体素子（２３）が実装された半導体モジュール本体（２５）を、ケース（７）内に配置し、前記半導体モジュール本体（２５）を樹脂（４１）でポッティングして封止する半導体モジュール（１）の製造方法であって、
前記セラミックス基板（１１）は、周縁が前記金属層（１３，１５）から突出する保持部（１１ａ）を備え、
前記ケース（７）の側壁（５，３１）に設けられた上下方向に延びる複数の通気孔（３９）の下部相互を連通し、前記通気孔（３９）の下部と前記ケース（７）内の底部とを連通する連通部（３９ｂ）が、前記ケース（７）内の底部の前記保持部（１１ａ）に近接する位置の前記側壁（５，３１）の下部に設けられ、前記連通部（３９ｂ）は、前記ケース（７）内の底部に開口して前記側壁（５，３１）の全周にわたり連続して形成され、
前記ケース（７）の側壁（５，３１）の内側の前記半導体モジュール本体（２５）が配置されている領域（９）に前記樹脂（４１）を注入する際に、前記連通部（３９ｂ）及び前記通気孔（３９）を通して前記ケース（７）の側壁（５，３１）の内側の領域（９）内の空気を外部に逃がすことを特徴とする半導体モジュールの製造方法。

【請求項7】

セラミックス基板（１１）の上下両側に金属層（１３，１５）を備え、上部の前記金属層（１３）の上に半導体素子（２３）が実装された半導体モジュール本体（２５）を、ケース（７）内に配置し、前記半導体モジュール本体（２５）を樹脂（４１）でポッティングして封止する半導体モジュール（１）の製造方法であって、
前記セラミックス基板（１１）は、周縁が前記金属層（１３，１５）から突出する保持部（１１ａ）を備え、
前記ケース（７）の側壁（５，３１）の内側の前記半導体モジュール本体（２５）が配置されている領域（９）に前記樹脂（４１）を注入する際に、前記ケース（７）の側壁（５，３１）に設けた通気孔（３９）の外部から空気を吸引することで、前記ケース（７）内の底部の前記保持部（１１ａ）に近接する位置の前記側壁（５，３１）の下部に設けた連通部（３９ｂ）及び前記通気孔（３９）を通して前記ケース（７）の側壁（５，３１）の内側の領域（９）内の空気を外部に逃がす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、ケース内に配置した半導体素子を樹脂でポッティングして封止した半導体モジュール及びその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、放熱用のベース基板上に、半導体素子を搭載した金属層を有するセラミックス基板を配置し、ケース側壁で囲んだ内側のセラミックス基板及び半導体素子をエポキシ樹脂でポッティングして封止した半導体モジュールが知られている（下記特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００６−１７９７３２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、上記ポッティング用の樹脂は粘度が比較的高く、このためケース内の下部に、樹脂によって空気が閉じ込められた状態となる気泡が発生しやすく、改善が望まれている。

【0005】

そこで、本発明は、半導体素子を樹脂でポッティングする際に気泡の発生を抑制することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、セラミックス基板の上下両側に金属層を備え、上部の前記金属層の上に半導体素子が実装された半導体モジュール本体を、ケース内に配置し、前記半導体モジュール本体を樹脂でポッティングして封止する構造の半導体モジュールであって、前記セラミックス基板は、周縁が前記金属層から突出する保持部を備え、前記ケースの側壁は、上下方向に延びる通気孔を複数備え、前記側壁の下部に、前記通気孔の下部と前記ケース内の底部とを連通する連通部が設けられ、前記連通部は、前記保持部に近接する位置に形成され、前記連通部は、前記複数の通気孔の下部相互を連通し、前記ケース内の底部に開口して前記側壁の全周にわたり連続して形成されていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、半導体素子を樹脂でポッティングする際に、注入する樹脂によって下部に押し込められる空気は、通気孔を通して外部に放出されるので、樹脂で閉じ込められた状態の気泡の発生を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、本発明の一実施形態に係わるパワー半導体モジュールの断面図である。

【図2】図２は、図１のパワー半導体モジュールにおけるケースの側壁の一部を示す平面図である。

【図3】図３は図２のＣ−Ｃ断面図である。

【図4】図４は、より具体化したケースの形状を示す、図２に対応する平面図である。

【図5】図５は図４のＤ−Ｄ断面図である。

【図6】図６は図４のＥ−Ｅ断面図である。

【図7】図７（ａ）は図４のＦ−Ｆ断面図、図７（ｂ）は図７（ａ）の変形例を示す断面図である。

【図8】図８は、図１のパワー半導体モジュールにおけるケース内の領域にエポキシ樹脂をポッティングした状態を示す断面図である。

【図9】図９は図１に対する比較例を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

【0010】

図１は、本発明の一実施形態に係わる半導体モジュールとしてのパワー半導体モジュール１の断面図で、このパワー半導体モジュール１は、アルミニウム合金などの金属で構成される放熱用のベース板３を備え、ベース板３内には冷却水が流れる冷却水通路３ａを設けている。ベース板３は、平面視で矩形状であり、そのベース板３の外周側上面には、周壁５が設けられ、これらベース板３及び周壁５はケース７を構成している。

【0011】

ベース板３上の周壁５で囲まれた内側の領域９には、セラミックス基板１１の上下両側に、銅などからなる金属層１３，１５を設けた複合基板である台座１７を、絶縁層１９を介して配置している。そして、上部の金属層１３上にはハンダ２１を介してパワー半導体素子２３を実装している。上記した台座１７やその上部のパワー半導体素子２３を含めて半導体モジュール本体２５を構成している。

【0012】

図２は、ケース７の周壁５の一部を示す平面図で、ケース７の全体の形状は図２中で上下方向に長い長方形状であり、その長手方向（図２中で上下方向）に沿って３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）分の前記した領域９が形成される。なお、図２では、該領域９内に配置する半導体モジュール本体２５を省略している。

【0013】

ケース７の周壁５は、図２中で上下方向に長い長方形状における左右一対の長辺部２７と、図２中で上下両側に位置する一対の短辺部２９（図２中で下部側は省略されている）と、を備えている。また、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）分の各領域９は、短辺部２９と平行な隔壁部３１によって仕切られている。上記した周壁５（長辺部２７、短辺部２９）及び隔壁部３１は、ケース７の側壁を構成している。

【0014】

図２中で右側の一方の長辺部２７の上面には、図示しない外部バスバーと接続する電源用端子３３，３５がＵ、Ｖ、Ｗの各相毎に設けられている。図２中で左側の他方の長辺部２７の上面には、図示しない他の外部バスバーと接続するＵ、Ｖ、Ｗ端子３７が各相毎にそれぞれ設けられている。これらの各端子３３，３５，３７に電気的に接続する図示しないインサートナットが長辺部２７内に埋設されている。このインサートナットと台座１７側との電気的な接続構造は省略している。

【0015】

そして、本実施形態では、周壁５内に上下方向に貫通するようにして延びる通気孔３９を形成している。ここでの通気孔３９は、図２に示すように、Ｕ、Ｖ、Ｗの各１相分に対応する周壁５の一対の長辺部２７にそれぞれ２箇所、周壁５の短辺部２９には３箇所設けている。図２では、通気孔３９を隔壁部３１に設けていないが、隔壁部３１に設けることもできる。なお、図１の周壁５の左右の長辺部２７の断面構造は、図１中で左側が図２のＡ−Ａ断面図に対応し、図１中で右側が図２のＢ−Ｂ断面図に対応している。

【0016】

通気孔３９は、図１に示すように、周壁５の上面に空気放出口となる開口３９ａを備え、下部はケース７内の領域９の底部に、連通部３９ｂを介して連通している。連通部３９ｂは、複数の通気孔３９の下部相互を連通し、周壁５（長辺部２７、短辺部２９）及び隔壁部３１の内周側の全周にわたり連続して形成されている。

【0017】

連通部３９ｂは、図２のＢ−Ｂ線に対応する断面構造（図１の右側の長辺部２７）で示すように、ケース７内の領域９に直接連通して開口する開口部３９ｂ１と、開口部３９ｂ１の領域９と反対側位置にて開口部３９ｂ１よりも上方に位置する連通路３９ｂ２とを備えている。連通路３９ｂ２は、互いに隣接する通気孔３９の下部相互を連通している。このような開口部３９ｂ１及び連通路３９ｂ２は、周壁５の領域９側の部分を下方に突出させる突起３９ｃを設けることで形成することができる。突起３９ｃは、周壁５（長辺部２７、短辺部２９）及び隔壁部３１の内周側の全周にわたり連続して設けてある。すなわち、突起３９ｃをこのようにして全周にわたり設けることで、開口部３９ｂ１が全周にわたり形成される。

【0018】

図３は、図２のＣ−Ｃ断面図であり、連通路３９ｂ２は、互いに隣接する通気孔３９同士を直接連通している。また、図３に示すように、通気孔３９は、開口３９ａ側が狭く、連通部３９ｂ側が広くなるようなテーパ形状としている。

【0019】

図４〜図７は、より具体化したケース７の形状を示すもので、図１、図２と同一構成部分には同一符号を付して説明する。図４は、図２に対応しているが、図２に対し紙面上で時計回り方向に９０度回転した図となっている。ただし、図４と図２とでは、電源用端子３３，３５とＵ、Ｖ、Ｗ端子３７とが、互いに反対側の長辺部２７に設けられている点で異なる。また、図４では、隔壁部３１にも通気孔３９を設けている。

【0020】

図５は図４のＤ−Ｄ断面図、図６は図４のＥ−Ｅ断面図であり、周壁５（長辺部２７、短辺部２９）の下部には、図５、図６中で左右方向に延びる開口部３９ｂ１が形成されているのがわかる。また、図５に示すように、短辺部２９及び隔壁部３１の下部には、開口部３９ｂ１に連通して開口部３９ｂ１より上方に位置する連通路３９ｂ２が形成されているのがわかる。

【0021】

図７（ａ）は図４のＦ−Ｆ断面図であり、周壁５における長辺部２７の下部には、上記図６の開口部３９ｂ１の奥側に図７（ａ）中で左右方向に延びる連通路３９ｂ２が形成されているのがわかる。この連通路３９ｂ２は、互いに隣接する通気孔３９の下部同士を直接連通している。

【0022】

図７（ｂ）は図７（ａ）の変形例であり、連通路３９ｂ２内の上壁の下面に左右一対の傾斜面３９ｂ３を形成している。この一対の傾斜面３９ｂ３は、ケース７の周壁５の周方向に沿って互いに隣接する通気孔３９相互間のほぼ中心位置Ｓに対し、通気孔３９側が上方となるよう傾斜している。すなわち、通気孔３９の下端開口部は、中心位置Ｓよりも上方に位置している。

【0023】

次に、作用を説明する。図１、図２のように、周壁５及び隔壁部３１で囲まれた領域９内の半導体モジュール本体２５に対し、図８のようにエポキシ樹脂４１でポッティングにより封止する。このようなポッティングに使用するエポキシ樹脂４１は粘土が比較的高いことから、領域９に樹脂を充填する過程で、該樹脂によって空気が内部に閉じ込められてしまい、図９のように通気孔３９を設けていない比較例で示すように、ケース７の下部（底部）に大きな気泡４３が発生してしまう。

【0024】

このような大きな気泡４３の発生は、特にセラミックス基板１１の両面に金属層１３，１５を設けた台座１７を備える実装構造で顕著となる。この場合、台座１７を製造する際にセラミックス基板１１を保持した状態で金属層１３，１５を形成する必要があることから、セラミックス基板１１の周縁を金属層１３，１５から突出させた保持部１１ａを備えている。このため、該保持部１１ａが庇となってその下部に気泡４３が発生しやすい。

【0025】

これに対して本実施形態では、周壁５や隔壁部３１に通気孔３９及び、通気孔３９の下部に連通する連通部３９ｂを設けている。このため、エポキシ樹脂４１を充填する過程で、該充填するエポキシ樹脂４１により下部に空気が閉じ込められても、該空気は連通部３９ｂ及び通気孔３９を経て通気孔３９の上部の開口３９ａから外部に放出される。このため、図８に示すように、セラミックス基板１１に上記した保持部１１ａを備える実装構造であっても、エポキシ樹脂４１をより確実にケース７の底部に導くことができ、発生する気泡４３を、より小さく抑えることができる。

【0026】

その際、上記通気孔３９の下部は、連通部３９ｂを通してケース７の底部に連通しているので、ケース７の底部（底面）に押し込められる空気を、連通部３９ｂ及び通気孔３９を通してより確実に外部に放出することができる。気泡４３をより小さくすることで、充填後のエポキシ樹脂４１が剥がれにくくなり、ポッティングして封止することによる、防湿や絶縁効果及び、半田寿命の向上など、信頼性の高い製品が得られる。

【0027】

また、本実施形態では、複数の通気孔３９の下部相互を連通する連通部３９ｂが周壁５や隔壁部３１の下部に設けられ、連通部３９ｂの開口部３９ｂ１は、ケース７内の底部に開口して側壁である周壁５及び隔壁部３１の全周にわたり連続して形成されている。このため、ケース７の底部に押し込められた空気は、周壁５（長辺部２７、短辺部２９）及び隔壁部３１で囲まれた領域９内の周囲全周の広い範囲にわたり外部に放出でき、気泡４３の発生をより低減することができる。

【0028】

また、本実施形態では、連通部３９ｂは、複数の通気孔３９の下部相互を直接連通する連通路３９ｂ２と、この連通路３９ｂ２より下方に位置してケース７内の底部に開口する開口部３９ｂ１と、を有している。この場合、ケース７内の底部から開口部３９ｂ１に取り込んだ空気は、その一部が通気孔３９に対応する位置付近から通気孔３９に直接流れ、他の一部が図３、図７に示す連通路３９ｂ２に一旦取り込まれる。

【0029】

上記連通路３９ｂ２に一旦取り込まれた空気は、連通路３９ｂ２を周方向に流れて通気孔３９に達し、通気孔３９の上部の開口３９ａから外部に放出される。この場合、開口部３９ｂ１から、開口部３９ｂ１より上方位置にある連通路３９ｂ２に取り込んだ空気を、図１、図５に示す突起３９ｃによって、連通路３９ｂ２から開口部３９ｂ１へ逆流するのを抑えることになり、通気孔３９に効率よく導くことができる。

【0030】

また、本実施形態では、連通路３９ｂ２内の上壁の下面は、図７（ｂ）に示すように、周壁５や隔壁部３１の周方向に沿って互いに隣接する通気孔３９相互間の中心位置Ｓに対し、通気孔３９側が上方となるよう傾斜している傾斜面３９ｂ３を備える構成とすることもできる。この場合、開口部３９ｂ１から連通路３９ｂ２に取り込んだ空気が、傾斜面３９ｂ３に沿って通気孔３９までより効率よく円滑に流れ、空気の放出効率がより向上し、気泡４３の発生をより一層低減することができる。

【0031】

また、本実施形態では、ケース７の内側の領域９内の空気を、通気孔３９を通して外部に逃がす際に、通気孔３９の外部から空気を吸引するようにすることもできる。これにより、領域９内に注入する樹脂が、例えば自重によりケース７の底部まで到達しにくい程粘度が高い場合であっても、空気を通気孔３９から強制的に吸引することにより、樹脂をケース７の底部まで行き渡らせ、これによって気泡４３の発生を抑えることができる。

【0032】

以上、本発明の実施形態について説明したが、これらの実施形態は本発明の理解を容易にするために記載された単なる例示に過ぎず、本発明は当該実施形態に限定されるものではない。本発明の技術的範囲は、上記実施形態で開示した具体的な技術事項に限らず、そこから容易に導きうる様々な変形、変更、代替技術なども含むものである。

【0033】

例えば、上記した実施形態では、ポッティングで使用する樹脂をエポキシ樹脂４１としているが、これに限るものではない。また、セラミックス基板１１の周縁を金属層１３，１５から突出させた保持部１１ａを備えていない実装構造にも、本発明を適用できる。

【符号の説明】

【0034】

１ パワー半導体モジュール（半導体モジュール）
５ ケースの周壁（ケースの側壁）
７ ケース
９ ケースの側壁の内側の領域
２３ パワー半導体素子
３１ 隔壁部（ケースの側壁）
３９ 通気孔
３９ｂ 連通部
３９ｂ１ 連通部の開口部
３９ｂ２ 連通部の連通路
３９ｂ３ 連通路の傾斜面（上壁の下面）
４１ エポキシ樹脂（樹脂）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】