特許 6337957 半導体モジュールユニットおよび半導体モジュール

(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】6337957

(24)【登録日】2018年5月18日

(45)【発行日】2018年6月6日

(54)【発明の名称】半導体モジュールユニットおよび半導体モジュール

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/40 20060101AFI20180528BHJP

   H01L 23/29 20060101ALI20180528BHJP

【ＦＩ】

   H01L23/40 F

   H01L23/36 A

【請求項の数】17

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2016-508569(P2016-508569)

(86)(22)【出願日】2015年1月28日

(86)【国際出願番号】JP2015052274

(87)【国際公開番号】WO2015141284

(87)【国際公開日】20150924

【審査請求日】2016年3月4日

(31)【優先権主張番号】特願2014-56513(P2014-56513)

(32)【優先日】2014年3月19日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000005234

【氏名又は名称】富士電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100086689

【弁理士】

【氏名又は名称】松井 茂

(74)【代理人】

【識別番号】100157772

【弁理士】

【氏名又は名称】宮尾 武孝

(72)【発明者】

【氏名】両角 朗

(72)【発明者】

【氏名】郷原 広道

(72)【発明者】

【氏名】山田 教文

【審査官】 原田 貴志

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−１８３０５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１４２５２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１１４２５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０４６０１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１１０１８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１４２５４７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２３／４０

Ｈ０１Ｌ ２３／２９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体素子と、
絶縁基板の一方の主面内に前記半導体素子と電気的に接続された回路部材を有し、前記絶縁基板の他方の主面内に第一金属部材を有する絶縁回路基板と、
前記第一金属部材の外縁側に該第一金属部材を取り囲むように枠状をなして配置され、少なくとも一部が前記絶縁基板より外側に配置された第二金属部材と、
前記第一金属部材の下面および前記第二金属部材の下面を露出した状態で前記半導体素子、前記絶縁回路基板および前記第二金属部材を埋め込むように封止したモールド樹脂部と、
冷却器と、
前記冷却器と前記第一金属部材との間を接合する第一接合部材と、
前記冷却器と前記第二金属部材との間を接合する第二接合部材と、
を備え、
前記絶縁基板の周縁が前記第一金属部材の周縁よりも突出し、前記第一金属部材の周縁から突出した前記絶縁基板の裏面側も前記モールド樹脂部で埋め込まれていることを特徴とする半導体モジュール。

【請求項2】

請求項１に記載の半導体モジュールにおいて、
前記第一金属部材と第二金属部材とが離間していることを特徴とする半導体モジュール。

【請求項3】

請求項１または２記載の半導体モジュールにおいて、
前記第一接合部材と第二接合部材のそれぞれの境界が冷却器の主面上でつながっていることを特徴とする半導体モジュール。

【請求項4】

半導体素子と、
絶縁基板の一方の主面内に前記半導体素子と電気的に接続された回路部材を有し、前記絶縁基板の他方の主面内に第一金属部材を有する絶縁回路基板と、
前記第一金属部材の外縁側に該第一金属部材を取り囲むように枠状をなして配置され、少なくとも一部が前記絶縁基板より外側に配置された第二金属部材と、
前記第一金属部材の下面および前記第二金属部材の下面を露出した状態で前記半導体素子、前記絶縁回路基板および前記第二金属部材を埋め込むように封止したモールド樹脂部と、
冷却器と、
前記冷却器と前記第一金属部材との間を接合する第一接合部材と、
前記冷却器と前記第二金属部材との間を接合する第二接合部材と、
を備え、
前記第二金属部材は、前記モールド樹脂部の側面の少なくとも一部を覆っていることを特徴とする半導体モジュール。

【請求項5】

請求項１に記載の半導体モジュールにおいて、
前記第二金属部材が前記モールド樹脂部の外形を補強する枠形状を有することを特徴とする半導体モジュール。

【請求項6】

請求項１に記載の半導体モジュールにおいて、
前記第二金属部材が前記モールド樹脂部と接する面に凹凸が設けられていることを特徴とする半導体モジュール。

【請求項7】

請求項１に記載の半導体モジュールにおいて、
前記第一接合部材および前記第二接合部材は、それぞれ鉛を含まない金属接合材料であることを特徴とする半導体モジュール。

【請求項8】

半導体素子と、
絶縁基板の一方の主面内に前記半導体素子と電気的に接続された回路部材を有し、前記絶縁基板の他方の主面内に第一金属部材を有する絶縁回路基板と、
前記第一金属部材の外縁側に該第一金属部材を取り囲むように枠状をなして配置され、少なくとも一部が前記絶縁基板より外側に配置された第二金属部材と、
前記第一金属部材の下面および前記第二金属部材の下面を露出した状態で前記半導体素子、前記絶縁回路基板および前記第二金属部材を埋め込むように封止したモールド樹脂部と、
冷却器と、
前記冷却器と前記第一金属部材との間を接合する第一接合部材と、
前記冷却器と前記第二金属部材との間を接合する第二接合部材と、
を備え、
前記第一接合部材および前記第二接合部材が、それぞれ組成の異なる、鉛を含まない金属接合材料であることを特徴とする半導体モジュール。

【請求項9】

半導体素子と、
絶縁基板の一方の主面内に前記半導体素子と電気的に接続された回路部材を有し、前記絶縁基板の他方の主面内に第一金属部材を有する絶縁回路基板と、
前記第一金属部材の外縁側に該第一金属部材を取り囲むように枠状をなして配置され、少なくとも一部が前記絶縁基板より外側に配置された第二金属部材と、
前記第一金属部材の下面および前記第二金属部材の下面を露出した状態で前記半導体素子、前記絶縁回路基板および前記第二金属部材を埋め込むように封止したモールド樹脂部と、
冷却器と、
前記冷却器と前記第一金属部材との間を接合する第一接合部材と、
前記冷却器と前記第二金属部材との間を接合する第二接合部材と、
を備え、
前記第二金属部材が前記第二接合部材と接する面に凹凸を有していることを特徴とする半導体モジュール。

【請求項10】

請求項９に記載の半導体モジュールにおいて、
前記第一接合部材は鉛を含まない金属接合材料であり、前記第二接合部材は熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂であることを特徴とする半導体モジュール。

【請求項11】

請求項７から１０のいずれか一項に記載の半導体モジュールにおいて、
前記第一接合部材は銀粒子が焼結された部材であることを特徴とする半導体モジュール。

【請求項12】

請求項７または８に記載の半導体モジュールにおいて、
前記第二金属部材が前記第二接合部材と接する面に、ニッケルめっき層、金めっき層、銀めっき層、スズめっき層、銅めっき層から選ばれる少なくとも一つの金属層を有していることを特徴とする半導体モジュール。

【請求項13】

請求項７または８に記載の半導体モジュールにおいて、
前記冷却器が前記第二接合部材と接する面に、ニッケルめっき層、金めっき層、銀めっき層、スズめっき層、銅めっき層から選ばれる少なくとも一つの金属層を有していることを特徴とする半導体モジュール。

【請求項14】

請求項７または８に記載の半導体モジュールにおいて、
前記冷却器の前記第一接合部材と接する部分、および前記第一金属部材の前記第一接合部材と接する部分は、金めっき層または銀めっき層から選ばれる少なくとも一つの金属層を有していることを特徴とする半導体モジュール。

【請求項15】

半導体素子と、
絶縁基板の一方の主面内に前記半導体素子と電気的に接続された回路部材を有し、前記絶縁基板の他方の主面内に第一金属部材を有する絶縁回路基板と、
前記第一金属部材の外縁側に該第一金属部材を取り囲むように枠状をなして配置され、少なくとも一部が前記絶縁基板より外側に配置された第二金属部材と、
前記第一金属部材の下面および前記第二金属部材の下面を露出した状態で前記半導体素子、前記絶縁回路基板および前記第二金属部材を埋め込むように封止したモールド樹脂部と、
冷却器と、
前記冷却器と前記第一金属部材との間を接合する第一接合部材と、
前記冷却器と前記第二金属部材との間を接合する第二接合部材と、
を備え、
前記絶縁基板が、酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウムから選ばれる少なくともいずれか１つのセラミック材料を主成分とするセラミックス基板であることを特徴とする半導体モジュール。

【請求項16】

請求項１に記載の半導体モジュールにおいて、
前記第二金属部材が、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金から選ばれる少なくともいずれか１つの材料を主成分とすることを特徴とする半導体モジュール。

【請求項17】

冷却器に接続される半導体モジュールユニットであって、
半導体素子と、
絶縁基板の一方の主面内に前記半導体素子と電気的に接続された回路部材を有し、前記絶縁基板の他方の主面内に第一金属部材を有する絶縁回路基板と、
前記第一金属部材の外縁側に該第一金属部材を取り囲むように枠状をなして配置され、少なくとも一部が前記絶縁基板より外側に配置された第二金属部材と、
前記第一金属部材の下面および前記第二金属部材の下面を露出した状態で前記半導体素子、前記絶縁回路基板および前記第二金属部材を埋め込むように封止したモールド樹脂部と、を備え、
前記絶縁基板の周縁が前記第一金属部材の周縁よりも突出し、前記第一金属部材の周縁から突出した前記絶縁基板の裏面側も前記モールド樹脂部で埋め込まれており、
前記第一金属部材および前記第二金属部材が、前記冷却器に接続されることを特徴とする半導体モジュールユニット。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体モジュールユニットおよび該半導体モジュールユニットと冷却器とを一体型にした半導体モジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

電力用半導体モジュールユニットは、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＦＷＤ（Ｆｒｅｅ Ｗｈｅｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）などのパワー半導体チップが、所定の回路を持った絶縁回路基板へはんだにより接合され、これらが樹脂封止された構造を備える。このような電力用半導体モジュールユニットは、電気自動車、電気鉄道車両、工作機械等のように、大電流を制御する用途に用いられる。大電流が流れるパワー半導体チップは発熱量が多いので、半導体モジュールユニットは、外形をコンパクトにするために効率よく放熱できる構造を求められる。また、半導体モジュールユニットは放熱性をさらに高めるために、実用的には冷却器に取り付けて使用される。以下の説明では、半導体モジュールユニットを冷却器に取り付けた構造を半導体モジュールと称する。

【0003】

従来は、効率的な放熱のために、発熱源であるパワー半導体チップが、複数個はんだ接合された絶縁回路基板を熱伝導性（放熱性）に優れた銅などの金属基板上にはんだ接合されていた。さらにこの金属基板の裏面は、放熱グリースを介して冷却器に密着され、金属基板の周辺に設けられた孔を介してボルトとナットで冷却器に固定されていた（特許文献１）。

【0004】

また、半導体モジュールユニットを冷却器に固定する作業は、半導体モジュールユニットのユーザー側で行われることが一般的であった。一般に、放熱用の金属基板には銅または銅合金が主要材料として用いられることが多く、冷却器にはアルミニウムまたはアルミニウム合金が主要材料として用いられることが多い。銅とアルミニウムの熱伝導率はそれぞれ約３９０Ｗ／ｍ・Ｋと約２２０Ｗ／ｍ・Ｋである。これに対して、放熱グリースの熱伝導率は約１．０Ｗ／ｍ・Ｋと小さいため、電力用半導体モジュールの放熱に関しては、放熱グリースの部分が大きな熱抵抗となって半導体チップの温度が上昇し易く、その分、許容電流容量が低下するという問題点があった。

【0005】

昨今、省エネやクリーンエネルギーが注目されており、風力発電や電気自動車が市場の牽引役となりつつある。これら用途に使用される電力用半導体モジュールは、大電流を扱い、コンパクトな外形にするためには、パワー半導体チップで発生した熱エネルギーをできるだけ効率良く冷却器に伝え、系外に放熱する必要がある。特に電気自動車用途においては、より小型軽量にするために冷却方式として水冷却が採用されている。また、前述の熱抵抗となっている放熱グリースと、外形が大きく厚みと重量のある金属基板を省き、水冷式の冷却器の表面に直接、半導体チップを搭載した絶縁回路基板を接合する構造の冷却器一体型の半導体モジュールが既に開発され実用化されている（特許文献２、３、４）。半導体チップが搭載された絶縁回路基板と冷却器とを直接接合する方法としては、はんだ材を用いる接合が一般的である。半導体チップや絶縁回路基板の周囲を囲っている樹脂枠を冷却器にボルトで固定する構造も知られている（特許文献４）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００８−２８８４１４号公報

【特許文献2】特開２００８−２２６９２０号公報

【特許文献3】特開２０１２−１４２４６５号公報

【特許文献4】特開２００８−２１８８１４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、半導体チップが搭載された絶縁回路基板と冷却器とをはんだ付けにより直接接合する方法では、絶縁回路基板を冷却器にはんだ接合するために、熱容量の大きい冷却器をはんだ材の溶融温度以上（２５０〜３５０℃程度）に加熱する必要がある。その分、はんだ付け作業に要する時間が長くなり生産効率が低下することになる。また、フラックスを用いて前述の冷却器へはんだ付けした場合は、体積が大きく重い冷却器に付着したフラックスを洗浄しなければならず、作業効率が低下する。

【0008】

さらに、複数の半導体チップを搭載した絶縁回路基板を冷却器へはんだ付けした後に、半導体チップや絶縁回路基板上の回路をワイヤボンディングで接続する場合は、冷却器が接合された状態でワイヤボンディング作業を行う必要がある。しかし、その際にワイヤボンディング接続に要する超音波の伝播が不十分になり易いことから、接合不良が生じる可能性がある。さらに、その接合不良を避けるため、超音波パワーを強くすると、半導体チップへのダメージが大きくなることが懸念される。

【0009】

このように、半導体モジュールを小型軽量化するために、放熱グリースと放熱用金属基板を省き、冷却器上に直接、絶縁回路基板を接合した後、絶縁回路基板上に半導体チップを接合する構造は、良品率の低下と組み立てコストの増大とを引き起こし易いという問題がある。

【0010】

また、樹脂封止成形された放熱用金属基板の無い半導体モジュールユニットを先に製造し、その後、半導体モジュールユニットを冷却器に直接はんだ接合して半導体モジュールとする構造では、半導体モジュールユニットの底面の一部に露出する絶縁回路基板裏面の金属面と冷却器の表面とがはんだ接合される構造となる。半導体モジュールユニットの底面の前記はんだ接合部は、冷却器と接する面積が前述の放熱用金属基板に比して小さく、さらに、接合部の周囲の樹脂部が冷却器とは接着しないことに起因して、はんだ接合部の外周から劣化が進展し易くなるという問題が生じる。

【0011】

また、半導体チップや絶縁回路基板の周囲を囲っている樹脂枠を冷却器にボルトで固定する構造においては、ボルトを締める作業が生じるので、組み立てコストが増えるデメリットがあった。

【0012】

本発明の目的は、小型軽量で、放熱性能に優れ、良品率が高く、組み立てが容易な半導体モジュールユニット、および該半導体モジュールユニットと冷却器とを一体型にした半導体モジュールを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0013】

上記目的を達成するため、本発明の半導体モジュールは、半導体素子と、絶縁基板の一方の主面内に前記半導体素子と電気的に接続された回路部材を有し、前記絶縁基板の他方の主面内に第一金属部材を有する絶縁回路基板と、前記第一金属部材の外縁側に配置され、少なくとも一部が前記絶縁基板より外側に配置された第二金属部材と、前記第一金属部材の一部および前記第二金属部材の一部を露出した状態で前記半導体素子、前記絶縁回路基板および前記第二金属部材を封止したモールド樹脂部と、冷却器と、前記冷却器と前記第一金属部材との間を接合する第一接合部材と、前記冷却器と前記第二金属部材との間を接合する第二接合部材と、を備えていることを特徴とする。

【0014】

本発明によれば、小型軽量であり、放熱性能に優れ、良品率が高く、組み立てが容易な半導体モジュールユニットおよび該半導体モジュールユニットと冷却器とを一体型にした半導体モジュールを提供することができる。

【0015】

本発明の半導体モジュールにおいて、前記第一金属部材と第二金属部材とが離間していることが好ましい。

【0016】

このような構成によれば、第二接合部材の亀裂は、離間されている第一接合材に伝播し難くなり、機械的強度に優れた接合部を形成できる。

【0017】

あるいは、本発明の半導体モジュールにおいて、前記第一接合部材と第二接合部材のそれぞれの境界が冷却器の主面上でつながっていることが好ましい。

【0018】

このような構成によれば、接合面積を最大限に拡げることができるので、第一金属部材および第二金属部材と、冷却器との接合を強固にできる。

【0019】

あるいは、本発明の半導体モジュールにおいて、前記第二金属部材は、前記モールド樹脂部の側面の少なくとも一部を覆っていることが好ましい。

【0020】

このような構成によれば、第二金属部材とモールド樹脂部との密着面積が増大し、冷却器との接合部の補強だけでなく、モールド樹脂部の外形を補強する効果も得られる。

【0021】

本発明の半導体モジュールにおいて、前記第二金属部材が前記モールド樹脂部の外形を補強する枠形状を有することが好ましい。

【0022】

このような構成によれば、モールド樹脂部の各辺に第二金属部材が配置されるので、モールド樹脂部の外形が変形することを抑制できる。

【0023】

本発明の半導体モジュールにおいて、前記第二金属部材が前記モールド樹脂部と接する面に凹凸が設けられていることが好ましい。

【0024】

このような構成によれば、第二金属部材とモールド樹脂部との密着強度を高めることができる。

【0025】

本発明の半導体モジュールにおいて、前記第一接合部材および前記第二接合部材は、それぞれ鉛を含まない金属接合材料であることが好ましい。

【0026】

このような構成によれば、環境に優しい鉛フリーの半導体モジュールを提供できる。

【0027】

本発明の半導体モジュールにおいて、前記第一接合部材および前記第二接合部材が、それぞれ組成の異なる、鉛を含まない金属接合材料であることが好ましい。

【0028】

このような構成によれば、接合箇所に適した組成を選択して、低コストでありながら、冷却性能に優れた接合を形成することができる。

【0029】

本発明の半導体モジュールにおいて、前記第二金属部材が前記第二接合部材と接する面に凹凸を有していることが好ましい。

【0030】

このような構成によれば、第二金属部材と第二接合部材との接合強度を向上できる。

【0031】

本発明の半導体モジュールにおいて、前記第一接合部材は鉛を含まない金属接合材料であり、前記第二接合部材は熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂であることが好ましい。

【0032】

このような構成によれば、第二接合部材が熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂であるので、はんだのような金属材料の接合部材よりもクリープ変形しやすいため、第二接合部材を破断し難くできる。

【0033】

本発明の半導体モジュールにおいて、前記第一接合部材は銀粒子が焼結された部材であることが好ましい。

【0034】

このような構成によれば、熱伝導率がよくなり、冷却効率が上がる。

【0035】

本発明の半導体モジュールにおいて、前記第二金属部材が前記第二接合部材と接する面に、ニッケルめっき層、金めっき層、銀めっき層、スズめっき層、銅めっき層から選ばれる少なくとも一つの金属層を有していることが好ましい。

【0036】

このような構成によれば、第二金属部材と第二接合部材との接合強度を向上できる。

【0037】

本発明の半導体モジュールにおいて、前記冷却器が前記第二接合部材と接する面に、ニッケルめっき層、金めっき層、銀めっき層、スズめっき層、銅めっき層から選ばれる少なくとも一つの金属層を有していることが好ましい。

【0038】

このような構成によれば、冷却器と第二接合部材との接合強度を向上できる。

【0039】

本発明の半導体モジュールにおいて、前記冷却器の前記第一接合部材と接する部分、および前記第一金属部材の前記第一接合部材と接する部分は、金めっき層または銀めっき層から選ばれる少なくとも一つの金属層を有していることが好ましい。

【0040】

このような構成によれば、第一金属部材から冷却器への伝熱性能を向上できる。

【0041】

本発明の半導体モジュールにおいて、前記絶縁基板が、酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウムから選ばれる少なくともいずれか１つのセラミック材料を主成分とするセラミックス基板であることが好ましい。

【0042】

このような構成によれば、絶縁基板の熱伝導率が高いので、放熱性能を向上できる。放熱性能を向上できると、半導体素子をより高温で動作させることができるので、半導体素子の出力を向上できる。

【0043】

本発明の半導体モジュールにおいて、前記第二金属部材が、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金から選ばれる少なくともいずれか１つの材料を主成分とすることことが好ましい。

【0044】

このような構成によれば、第二金属部材の熱伝導率を向上できる。

【0045】

本発明の半導体モジュールユニットは、半導体素子と、絶縁基板の一方の主面内に前記半導体素子と電気的に接続された回路部材を有し、前記絶縁基板の他方の主面内に第一金属部材を有する絶縁回路基板と、前記第一金属部材の外縁側に配置され、少なくとも一部が前記絶縁基板より外側に配置された第二金属部材と、前記第一金属部材の一部および前記第二金属部材の一部を露出した状態で前記半導体素子、前記絶縁回路基板および前記第二金属部材を封止したモールド樹脂部と、を備え、前記第一金属部材および前記第二金属部材が、前記冷却器に接続されることを特徴とする。

【0046】

このような構成によれば、冷却器への接続に適した、半導体モジュールユニットを容易に製造することができる。

【発明の効果】

【0047】

本発明によれば、小型軽量であり、放熱性能に優れ、良品率が高く、組み立てが容易な半導体モジュールユニットと冷却器を一体型にした半導体モジュールを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0048】

【図1】本発明の実施例１に係る半導体モジュールの断面図である。

【図2】従来の半導体モジュールの断面図である。

【図3】半導体モジュールユニットの裏面から見た平面図である。

【図4】本発明の実施例１に係るはんだ接合部における発生ひずみ量を示す棒グラフである。

【図5】本発明の実施例２に係る半導体モジュールの断面図である。

【図6】本発明の実施例２に係るはんだ接合部における発生ひずみ量を示す棒グラフである。

【図7】本発明の実施例１に係る補強金属板の斜視図である。

【図8】本発明に係る補強金属部材の一態様を示す斜視図である。

【図9】本発明に係る補強金属部材の他の態様を示す斜視図である。

【図10】本発明に係る補強金属部材の更に他の態様を示す斜視図である。

【図11】本発明の実施例３に係る半導体モジュールの断面図である。

【図12】本発明の実施例４に係る半導体モジュールの断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0049】

以下、本発明の半導体モジュールユニットおよび半導体モジュールにかかる実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施例の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、以下の説明に用いられる添付図面は、見易くまたは理解し易くするために正確なスケールおよび寸法比で描かれていない。また、本発明はその要旨を超えない限り、以下に説明する実施形態の記載に限定されるものではない。

【0050】

［実施例１］
本発明に係る半導体モジュールの実施例１について、図１の断面図を参照して詳細に説明する。また、図２の断面図は、図１の実施例１の半導体モジュールとの構造の違いを分かるように示した従来構造の半導体モジュールである。

【0051】

図１の半導体モジュールは、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２Ｏ_３などを主要成分とするセラミックス板２（絶縁基板）の一方の主面に回路銅箔６（回路部材）などが接合され、この回路銅箔６上の所要の位置に半導体素子３がはんだ接合されている。半導体素子３の上面の電極（図示せず）と、前記回路銅箔６とは分離された回路銅箔６上に設置された外部導出端子４とが、図では詳細な接続関係を省略して記載しているが、リードフレーム５またはボンディングワイヤなどにより接続されている。前記セラミックス板２により上面側の回路銅箔６と絶縁距離が保たれるような配置で下面側に銅箔または銅板７（第一金属部材）が接合されている。セラミックス基板２と上面側の回路銅箔６と下面側の銅板７を有する絶縁回路基板１１と、前記半導体素子３と、外部導出端子４と、リードフレーム５とはモールド樹脂により封止されるが、モールド樹脂部９の上部からは外部導出端子４が露出し、下部からは絶縁回路基板１１の下面に接合された銅板７の下面が露出している。

【0052】

本発明による実施例１の半導体モジュールにおいて、図７の斜視図に示される平板状の補強金属板１０ａ（第二金属部材）が、モールド樹脂部９の下面に露出している銅板７を取り巻く周辺部に銅板７とは面に沿った方向に離間し、少なくともその下面を樹脂部から露出させるように配置されている。銅板７と補強金属板１０ａの下面は面一が好ましいが、冷却器１との接合に用いる接合部材の厚さで調整することができるので、接合部材による調整可能な範囲ならば、面一からのずれがあってもかまわない。また、図７に示す補強金属板１０ａは、モールド樹脂部９と接触する補強金属板の内側の面に、密着強度を高めるために、凹凸を備えるか、または粗面化されていることが好ましい。

【0053】

補強金属板１０ａは、絶縁回路基板１１の裏面側の銅板７と冷却器１の上面とが第一接合部材８ａで接合される際に、補強金属板１０ａも冷却器１の上面に第二接合部材８ｂで接合される。第一接合部材８ａと第二接合部材８ｂは、同じ接合部材であってよいが異なる接合部材であってもよい。銅板７と冷却器１間の接合は、放熱性の観点から金属接合部材が好ましい。補強金属板１０ａと冷却器１間は、金属接合部材だけでなく、有機系の接着剤による接合でもよい。有機系の接着剤としては、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂を用いることができる。このような構成によれば、はんだのような金属材料の接合部材よりもクリープ変形しやすくなるので、第二接合部材を破断し難くできる。この補強金属板１０ａによる接合は銅板７と冷却器１の接合を補強する効果を有する。その結果、前述した従来の半導体モジュールユニットの底面の前記はんだ接合部の劣化が顕著になるという問題が解消される。さらに、補強金属板１０ａはモールド樹脂部自体の補強効果も有する。なお、補強金属板１０ａ及び冷却器１は、銅、アルミニウム、銅合金、アルミニウム合金から選ばれる少なくともいずれか１つの材料を主成分とすることが好ましい。

【0054】

冷却器１には、冷媒が通流する孔１２が設けられており、図示しない冷媒流入口と冷媒流出口が設けられている。冷媒流出口から出た冷媒は、半導体モジュール外部の熱交換器で冷却され、冷えた冷媒が冷媒流入口から流入する。冷却器と熱交換器を接続する配管には、冷媒を流すためのポンプが設けられている。

【0055】

本発明による実施例１の半導体モジュールの製造方法について説明する。

【0056】

まず、ＩＧＢＴ半導体素子やＦＷＤ半導体素子などの半導体チップ３と、外部導出端子４と、リードフレーム５と、セラミックス板２の上面と下面（表と裏）に回路銅箔６（回路部材）と銅板（第一金属部材）７を接合した絶縁回路基板１１とを含む構造体を製造する。本構造体において、半導体チップ３と外部導出端子４は回路銅箔６（回路部材）にはんだ付けされ、リードフレーム５は半導体チップ３の表面電極（図示せず）と回路銅箔６とにはんだ付けされている。また、前記構造体の銅板７が露出している面側に、厚さ０．５ｍｍの平板状で銅製の補強金属板１０ａを配置し、モールド樹脂を用いてトランスファモールドし、半導体モジュールユニットとする。あるいは、補強金属板１０ａを一体成型した樹脂ケースに前述の構造体を配置し、モールド樹脂を注形して半導体モジュールユニットとしてもよい。上記において、リードフレーム５の材質は、銅を主成分とすることが好ましく、モールド樹脂としてはエポキシ系樹脂、シリコーン系樹脂、ＰＰＳ樹脂（ポリフェニレンサルファイド樹脂）などが好ましい。図３は、樹脂封止後の半導体モジュールユニットの絶縁回路基板１１の裏面側の銅板７と補強金属板１０ａの露出面を示す平面図である。銅板７と補強金属板１０ａの間の離間部にモールド樹脂部９が露出している。

【0057】

次に、半導体モジュールユニットの銅板７及び補強金属板１０ａの両裏面と、アルミ合金を主成分とする冷却器１の上面（ニッケルメッキ面）とを接合部材を用いて接合する。

【0058】

上記接合部材は、環境に優しい鉛フリーの接合部材であることが望ましい。具体的には、Ｓｎ−Ｓｂはんだが好ましい。

【0059】

また、第一接合部材に用いる接合材と、第二接合部材に用いられる材料の組成は、異なっていてもよい。第一接合部材は、第一金属部材と冷却器を物理的に強固に接合することに加えて、熱伝導率が高いことが望まれており、銀などの熱伝導率の高い物質を混合した組成にすることが望ましい。第二接合部材は、第一金属部材と冷却器を少なくとも物理的に強固に接合することが期待されているが、特に熱伝導のよい材料でなくてもよい。例えば、第一接合部材には、銀を含有したはんだを用い、第二接合部材には、銀を含有しないはんだを用いることにより、必要な冷却能力を得て、且つコストを低減できる。

【0060】

この接合に使用されるはんだの形態としては、板状のはんだ板でもペースト状はんだでも選択できる。ペースト状はんだはフラックスが含有されており、板状はんだを用いた場合に比べて接合温度を低くできる利点がある。

【0061】

なお、Ｓｎ−Ｓｂはんだを用いた接合は、Ａｇ焼結接合部材を用いた接合に変えることもできる。このような構成によれば、熱伝導率がよくなり、冷却効率が上がる。

【0062】

前記冷却器の上面または銅板７および補強金属板１０ａの裏面には、ニッケルめっき層、金めっき層、銀めっき層、スズめっき層、銅めっき層から選ばれる少なくとも一つのめっき層が形成されていることが好ましい。ただし、半導体モジュールユニットと冷却器とを接合させるための実際の作業温度は、半導体モジュールユニット内のはんだ接合部材の溶融温度より低い溶融温度の接合部材でなければならない。これにより、既にはんだ付けした場所を溶融させることなく、半導体モジュールユニット裏面に露出する絶縁回路基板１１裏面の銅板７と該銅板７の外周に位置する補強金属板１０ａを冷却器１へはんだ接合することができる。

【0063】

また、前記第一、第二接合部材として同じ接合部材を用いる場合は、冷却器１の上面に、銅板７と補強金属板１０ａの露出面の両領域に跨る広い一領域に接合部材を展開した後に銅板７と補強金属板１０ａを接合させることもできる。

【0064】

ここで、絶縁回路基板１１の外周のモールド樹脂部９下部に補強金属板１０ａを埋め込むことの効果について説明する。図４には、本発明の実施例１にかかる補強金属板１０ａ有りの半導体モジュールと、補強金属板無しの従来の半導体モジュールについて、半導体モジュールユニット−冷却器間のはんだ接合部に発生する応力（ひずみ）の大きさが棒グラフで図示されている。補強金属板１０ａの無い場合の発生応力（ひずみ）は１０％程度であるのに対して、補強金属板１０ａが有る場合は５％程度であることからわかるように、補強金属板１０ａを有する本発明の半導体モジュールでは発生応力が半分程度に低減されている。補強金属板１０ａを埋め込むことで、発生応力（ひずみ）が小さくなり、はんだ接合部を長寿命にすることができる。

【0065】

実施例１では、銅板（第一金属部材）７と補強金属板（第二金属部材）１０ａとが離間されているので、仮に補強金属板（第二金属部材）１０ａの下の第二接合部材８ｂに亀裂が生じたとしても、銅板（第一金属部材）７下の第一接合材８ａに伝播し難くなっている。そして、半導体モジュール動作時に発熱によって各部材の熱膨張係数の違いから応力が発生し、絶縁回路基板に反りが生じるように応力が作用したとしても、第二金属部材をモールド樹脂部の下面のより外側に配置して冷却器と接合することにより、この反り応力に抗することができる。

【0066】

［実施例２］
本発明にかかる半導体モジュールの実施例２について、図５の断面図を参照して詳細に説明する。実施例２の半導体モジュールでは、半導体モジュールユニットのモールド樹脂部９の側面の少なくとも一部が、補強金属部材１０ｂで覆われている。図８に、補強金属部材１０ｂの斜視図を示した。補強金属部材１０ｂは、金属（銅）フレーム形状である。この形状の補強金属部材１０ｂを用いることで、図５に示すように、補強金属部材１０ｂとモールド樹脂部９との密着面積が増大し、冷却器１との接合部の補強だけでなく、モールド樹脂部９の外形を補強する効果も得られ、半導体モジュールユニットの信頼性をさらに向上させることができる。

【0067】

図６には、実施例１にかかる補強金属板１０ａを備える半導体モジュールと、実施例２にかかる外周にＬ字状の立ち上がり部を有する補強金属部材１０ｂ備える半導体モジュールについて、半導体モジュールユニット−冷却器間のはんだ接合部に発生する応力（ひずみ）の大きさが棒グラフで図示されている。平板状の補強金属板１０ａの発生応力（ひずみ）が５％程度であるのに対して、Ｌ字状の立ち上がり部を有する補強金属部材１０ｂは２％程度とさらに接合部のひずみを低減することができる。

【0068】

よって、モールド樹脂部の補強のためには、補強金属部材を図８、図９、図１０の斜視図に示すような形状にすることも好ましい。図８は、図７に示す平板状の補強金属板１０ａの最外周を直角に立ち上げた形状であり、モールド樹脂部の外縁に沿って立ち上がる形状である。立ち上げる高さはモールド樹脂部の高さと同じ高さ以下に適宜選ぶことができる。図９は、図７に示す平板状の補強金属板１０ａをベースに、直方体形状のモールド樹脂部のすべての辺を補強する形状である。図１０は、図８の形状の補強金属部材１０ｂに対して、軽量化のために、平面部の肉抜きをした形状である補強金属部材１０ｄの構造を示した図である。図１０では円形状の肉抜き穴が設けられているが、円形でなくてもよい。

【0069】

［実施例３］
本発明にかかる半導体モジュールの実施例３について、図１１の断面図を参照して詳細に説明する。実施例１の図１との相違点は、第二金属部材１０ｅと第一金属部材７とが接しており、かつ、第二金属部材１０ｅと絶縁基板２が接していない点である。回路部材６と第二金属部材１０ｅとの沿面絶縁距離を確保するために、図１と比べて、第一金属部材７の厚さを厚くして、絶縁基板の外周端の回路部材が形成されていない領域の沿面絶縁距離長さを長くすることが望ましい。図８〜１０に記載された第二金属部材１０ｂ〜１０ｄの様々な変形例の形を、実施例３の第二金属部材１０ｅに適用することもできる。

【0070】

［実施例４］
本発明にかかる半導体モジュールの実施例４について、図１２の断面図を参照して詳細に説明する。実施例１の図１との相違点は、第二金属部材１０ｆが、第一金属部材７と絶縁基板２の両方に接している点である。回路部材６と第二金属部材１０ｆとの沿面絶縁距離を確保するために、実施例１および実施例３に比べて、絶縁基板２の外周端の回路部材６が形成されていない領域の沿面絶縁距離長さを長くすることが望ましい。図８〜１０に記載された第二金属部材１０ｂ〜１０ｄの様々な変形例の形を、実施例４の第二金属部材１０ｆに適用することもできる。

【0071】

以上説明した実施例１および実施例２によれば、従来、モールド樹脂部９の下面と冷却器１の上面とが接していた、絶縁回路基板周辺部のセラミックス基板の下側または該セラミックス基板を取り巻く外周部も、新たに補強金属板が配置された補強金属部材を備えているので、冷却器１の表面とはんだ接合が補強できる。その結果、絶縁回路基板下部の銅板の露出部におけるはんだ接合部の接合強度が大きく、接合ひずみが小さくなり、接合の信頼性が向上できる。

【0072】

また、組み立てた半導体モジュールユニットは、電気特性試験による選別を経た後に、良品のみを冷却器１と接合できる。良品のみを組み立てるので良品率が高い。接合に際して、従来と同様のはんだを用いて、はんだ接合領域を増加させるだけで、半導体モジュールユニットと冷却器とを接合できるため、工程を簡素化・効率化がはかれ、且つ放熱性に優れた冷却器一体型パワー半導体モジュールを提供することができる。また、小型の半導体モジュールユニットを作製し、次いで冷却器に接合する製造方法を採用することにより、半導体モジュールの電気容量の増減および半導体モジュールユニット内の回路構成の自由度を大きくすることができるという特徴を有する。従って、小型・高放熱・大電流容量の半導体モジュールユニットおよび冷却器一体型の半導体モジュールを提供できる。

【符号の説明】

【0073】

１ 冷却器
２ セラミックス板（絶縁基板）
３ 半導体チップ
４ 外部導出端子
５ リードフレーム
６ 回路銅箔
７ 銅板（第一金属部材）
８ａ 第一接合部材
８ｂ 第二接合部材
８ｃ 第二接合部材
９ モールド樹脂部
１０a 補強金属板（第二金属部材）
１０b 補強金属部材（第二金属部材）
１０ｃ 補強金属部材（第二金属部材）
１０ｄ 補強金属部材（第二金属部材）
１０ｅ 補強金属部材（第二金属部材）
１０ｆ 補強金属部材（第二金属部材）
１１ 絶縁回路基板
１２ 冷却器の冷媒が通流する孔

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】