特開 2024-61189 半導体モジュール、半導体装置、及び車両

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024061189

(43)【公開日】2024-05-07

(54)【発明の名称】半導体モジュール、半導体装置、及び車両

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/48 20060101AFI20240425BHJP

   H01L 25/07 20060101ALI20240425BHJP

【ＦＩ】

H01L23/48 Q

H01L25/04 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022168966

(22)【出願日】2022-10-21

(71)【出願人】

【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】110004185

【氏名又は名称】インフォート弁理士法人

(74)【代理人】

【識別番号】100121083

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 宏義

(74)【代理人】

【識別番号】100138391

【弁理士】

【氏名又は名称】天田 昌行

(74)【代理人】

【識別番号】100132067

【弁理士】

【氏名又は名称】岡田 喜雅

(72)【発明者】

【氏名】齊藤 まい

(72)【発明者】

【氏名】吉田 大輝

(57)【要約】

【課題】半導体素子と、半導体素子の電極に接合材により接合されたリードとを備える半導体モジュールにおけるクラックの発生を抑制する。
【解決手段】半導体モジュール（２）は、半導体素子（５１０）が搭載された回路板（５）と、半導体素子の上面の電極（５１１）に接合材（Ｓ３）により接合されたリード（７）と、半導体素子及びリードを封止する封止材と、を備え、リードは、電極に接合される接合部（７０１）と、接合部の第１の側面（７０１ａ）に接続され、接合部における半導体素子の電極と向かい合う下面（７０１ｃ）とは反対の方向に折り曲げられた配線部（７０３）とを含み、接合部の下面における配線部の折り曲げ部分の立ち上がり位置（７１２）が、接合部の第１の側面の位置と、接合部の第１の側面とは反対側の第２の側面（７０１ｂ）の位置との間にある。
【選択図】図８

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体素子が搭載された回路板と、
前記半導体素子の上面の電極に接合材により接合されたリードと、
前記半導体素子及び前記リードを封止する封止材と、を備え、
前記リードは、前記電極に接合される接合部と、前記接合部の第１の側面に接続され、前記接合部における前記半導体素子の前記電極と向かい合う下面とは反対の方向に折り曲げられた配線部とを含み、
前記接合部の前記下面における前記配線部の折り曲げ部分の立ち上がり位置が、前記接合部の前記第１の側面の位置と、前記接合部の前記第１の側面とは反対側の第２の側面の位置との間にある
半導体モジュール。

【請求項2】

前記接合材と、前記半導体素子の前記上面に前記電極の外周に沿って延在する絶縁層と、前記封止材とが相互に接続する三重点が存在する、請求項１に記載の半導体モジュール。

【請求項3】

前記接合部の前記下面における前記第１の側面から前記立ち上がり位置までの距離が、前記接合部の厚さと対応する距離よりも長い、請求項１に記載の半導体モジュール。

【請求項4】

前記リードにおける前記接合部の前記第１の側面は、前記接合部に接続された前記配線部により隔てられた、前記配線部と接続されていない２つの非接続区間を有する、請求項１に記載の半導体モジュール。

【請求項5】

前記リードにおける前記接合部は、前記第１の側面の前記非接続区間のそれぞれにおける前記配線部側の端と、前記配線部との間に、前記第１の側面から他の側面に向かう方向に進行する切れ込みが形成されている、請求項４に記載の半導体モジュール。

【請求項6】

前記切れ込みは、前記第１の側面に対して直交する方向に進行している、請求項５に記載の半導体モジュール。

【請求項7】

前記切れ込みは、前記第１の側面から遠ざかるにつれて切れ込み間の距離が変化する方向に進行している、請求項５に記載の半導体モジュール。

【請求項8】

前記半導体素子の前記上面には前記電極の周囲に延在する絶縁層があり、
前記リードの前記接合部における前記第１の側面から前記絶縁層までの距離が、前記接合部における他の側面のうちの少なくとも１つの側面から前記絶縁層までの距離と略同一である、請求項１に記載の半導体モジュール。

【請求項9】

前記リードは、前記配線部の前記接合部と接続している側とは反対側の端部に接続され、前記回路板の導体パターンと接合された第２の接合部を含む、請求項１に記載の半導体モジュール。

【請求項10】

請求項１～９のいずれか一項に記載の半導体モジュールと、
前記半導体モジュールの前記回路板における前記半導体素子が搭載された面とは反対側の面に配置された冷却器と、
を備える半導体装置。

【請求項11】

請求項１～９のいずれか一項に記載の半導体モジュール、又は請求項１０に記載の半導体装置を備える車両。

【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、半導体装置、及び車両に関する。

【背景技術】

【0002】

インバータ装置等の電力変換装置には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＦＷＤ（Free Wheeling Diode）等の半導体素子を搭載した回路板を有する半導体装置を備えるものがある。回路板は、絶縁基板の表面に導体パターンが設けられた配線板と、配線板上に配置される半導体素子等の回路部品とを含む。

【0003】

この種の半導体装置では、半導体素子の電極のうちの配線板側を向いた面とは反対側の面（上面）に設けられた電極と、配線板の導体パターンとを電気的に接続する導電部材として、リード等と呼ばれる導体板を用いることがある。

【0004】

リードを用いて半導体素子の電極と配線板の導体パターンとを電気的に接続する半導体装置では、半導体素子の電極とリードとの接合部に係る応力を軽減するための種々の対策が提案されている。

【0005】

例えば、特許文献１には、半導体素子の電極と接する接合部と、配線板の導体パターンに接する接合部と、接合部同士を接続する配線部とからなるリードフレーム（リード）の接合部の幅を配線部の幅よりも広くした半導体装置が記載されている。

【0006】

また、例えば、特許文献２には、半導体素子の上面に設けられた上面電極と電気的に接続される金属配線板（リード）が、半導体素子の上面部と平行な接合部と、接合部の第１端部に接続し、半導体素子の上面と離れる方向に延伸する立ち上がり部とを有し、半導体素子の上面と平行な面内において、立ち上がり部が、半導体素子の上面において上部電極を複数の区画に分割するゲートランナーと重ならないようにした半導体装置が記載されている。

【0007】

また、例えば、特許文献３には、リードフレーム（リード）を接合する半導体チップ（半導体素子）の電極面に形成した金属膜の厚さを３０μｍ以上に厚膜化した半導体装置が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２０１８－４６１６４号公報

【特許文献2】特開２０１８－９８２８３号公報

【特許文献3】特開２００７－２８８０９５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

上述した半導体装置において半導体素子の電極と配線板の導体パターンとを電気的に接続するリードは、例えば、半導体素子で発生した熱がリードを介して放熱しやすくするため、半導体素子の電極との接続面積を広くすることが好ましい。

【0010】

リードにおける半導体素子の電極と接する接合部は、電極向かい合う面の平面形状が矩形になっている。また、リードにおける２つの接合部同士を接続する配線部における半導体素子の電極と接する接合部側の端部は、接合部の１つの側面に接続しており、接合部の側面に接続された配線部の端部を折り曲げている。このようなリードの接合部を半導体素子の電極とはんだ等の接合材で接合した場合、接合部の側面から延出して折り曲げられた配線部の位置に生じる接合材のフィレットの角度が、接合材の側面に生じるフィレットの角度よりも大きくなる。

【0011】

しなしながら、接合材のフィレットの角度が大きくなると、半導体素子の上面に電極を囲むように設けられている絶縁層と、はんだ等の接合材と、半導体素子及びリードフレームを封止する封止材とが相互に接触する三重点にかかる応力が大きくなり、三重点からクラックが発生することがある。

【0012】

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、半導体素子と、半導体素子の電極に接合材により接合されたリードとを備える半導体モジュールにおけるクラックの発生を抑制することを目的の１つとする。

【課題を解決するための手段】

【0013】

本発明の一態様の半導体モジュールは、半導体素子が搭載された回路板と、前記半導体素子の上面の電極に接合材により接合されたリードと、前記半導体素子及び前記リードを封止する封止材と、を備え、前記リードは、前記電極に接合される接合部と、前記接合部の第１の側面に接続され、前記接合部における前記半導体素子の前記電極と向かい合う下面とは反対の方向に折り曲げられた配線部とを含み、前記接合部の前記下面における前記配線部の折り曲げ部分の立ち上がり位置が、前記接合部の前記第１の側面の位置と、前記接合部の前記第１の側面とは反対側の第２の側面の位置との間にある。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、半導体素子と、半導体素子の電極に接合材により接合されたリードとを備える半導体モジュールにおけるクラックの発生を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】一実施の形態に係る半導体装置の構成例を示す上面図である。

【図2】図１の半導体装置のＡ－Ａ’線断面図である。

【図3】図１の領域Ｒを拡大した部分上面図である。

【図4】図３に示した部分のＢ－Ｂ’線断面図である。

【図5】一実施の形態に係るリードの第１の接合部側の構成例を説明する斜視図である。

【図6】半導体素子の第２の主電極と第１の接合部との接続面を説明する上面図である。

【図7】図６に示した部分のＣ－Ｃ’線断面図及びＤ－Ｄ’線断面図である。

【図8】一実施の形態に係る半導体モジュールで生じる応力を説明する断面図である。

【図9】リードの第１の接合部側の従来例を説明する斜視図である。

【図10】半導体素子の第２の主電極と第１の接合部との接続面を説明する上面図である。

【図11】図１０に示した部分のＥ－Ｅ’線断面図である。

【図12】従来例のリードを用いた半導体モジュールで生じる応力を説明する断面図である。

【図13】リードの第１の接合部の下面における第１の側面から立ち上がり位置までの距離とフィレット角との関係を説明する図である。

【図14】リードに入れる切れ込みの第１の例を説明する下面図である。

【図15】リードに入れる切れ込みの第２の例を説明する下面図である。

【図16】リードに入れる切れ込みの第３の例を説明する下面図である。

【図17】本発明に係る半導体装置を適用した車両の一例を示す平面模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、参照する各図におけるＸ、Ｙ、Ｚの各軸は、例示する半導体装置等における平面や方向を定義する目的で示されており、Ｘ、Ｙ、Ｚの各軸は互いに直交し、右手系を成している。以下の説明では、Ｘ方向を左右方向、Ｙ方向を前後方向、Ｚ方向を上下方向と呼ぶことがある。また、Ｘ軸及びＹ軸を含む面をＸＹ面と呼び、Ｙ軸及びＺ軸を含む面をＹＺ面と呼び、Ｚ軸及びＸ軸を含む面をＺＸ面と呼ぶことがある。これらの方向（前後左右上下方向）や面は、説明の便宜上用いる文言であり、半導体装置の取付姿勢によっては、ＸＹＺ方向のそれぞれとの対応関係が変わることがある。例えば、半導体装置の放熱面側（冷却器側）を下面側とし、その反対側を上面側と呼ぶことにする。また、本明細書において、平面視は、半導体装置等の上面又は下面（ＸＹ面）をＺ方向からみた場合を意味する。また、各図における縦横比や各部材同士の大小関係は、あくまで模式的に表されており、実際に製造される半導体装置等における関係とは必ずしも一致しない。説明の便宜上、各部材同士の大小関係を誇張して表現している場合も想定される。

【0017】

また、以下の説明で例示する半導体装置は、例えば、産業用又は車載用モータのインバータ等の電力変換装置に適用されるものである。このため、以下の説明では、既知の半導体装置と同一の、又は類似した構成、機能、及び動作等についての詳細な説明を省略する。

【0018】

図１は、一実施の形態に係る半導体装置の構成例を示す上面図である。図２は、図１の半導体装置のＡ－Ａ’線断面図である。図３は、図１の領域Ｒを拡大した部分上面図である。図４は、図３に示した部分のＢ－Ｂ’線断面図である。図１及び図３では、ケース内に充填される封止材を省略している。また、図２及び図４では、ケース内に充填される封止材の断面を示すハッチングを省略している。

【0019】

図１及び図２に例示したように、本実施の形態に係る半導体装置１は、冷却器３の上面に半導体モジュール２を配置して構成される。なお、半導体モジュール２に対して、冷却器３は任意の構成である。

【0020】

冷却器３は、半導体モジュール２の熱を外部に放出するものであり、全体として直方体形状を有している。特に図示はしないが、冷却器３は、平板状の基部の下面側に複数のフィンを設け、これらのフィンをウォータジャケットに収容して構成される。なお、冷却器３は、これに限らず適宜変更が可能である。

【0021】

半導体モジュール２は、ベース４、回路板５、ケース６、リード７、接合材Ｓ１～Ｓ４、ボンディングワイヤ８、並びに封止材９を含む。

【0022】

ベース４は、回路板５を搭載する基板であり、回路板５を搭載したベース４は、回路板５が搭載された面を上向きにしてケース６の下面に取り付けられる。ケース６は、上面及び下面が開口した四角管状の絶縁部材６０１と、絶縁部材６０１と一体化された主端子６０２及び６０３と、複数の制御端子６０４とを含む。ベース４に搭載された回路板５は、ケース６の絶縁部材６０１の中空部に収容される。ベース４は、例えば、銅板等の金属板であり、回路板５で発生する熱を冷却器３に伝導させる。この種のベース４は、放熱板、放熱層と呼ばれてもよい。放熱板であるベース４は、例えば、サーマルグリスやサーマルコンパウンドなどの熱伝導材を介して冷却器３の上面に配置されてもよい。なお、半導体モジュール２は、ベース４が省略され、回路板５の下面（図２に例示した配線板５００の導体パターン５０４）が冷却器３に接合されてもよい。

【0023】

回路板５は、配線板５００と、配線板５００の上面に搭載された半導体素子５１０とを含む。配線板５００は、絶縁基板５０１と、絶縁基板５０１の上面に設けられた導体パターン５０２及び５０３と、絶縁基板５０１の下面に設けられた導体パターン５０４とを含む。配線板５００は、例えば、ＤＣＢ（Direct Copper Bonding）基板やＡＭＢ（Active Metal Brazing）基板であり得る。

【0024】

絶縁基板５０１は、特定の基板に限定されない。絶縁基板５０１は、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）と酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）等のセラミックス材料によって形成されたセラミックス基板であってよい。絶縁基板５０１は、例えば、エポキシ樹脂等の絶縁樹脂を成形した基板、ガラス繊維等の基材に絶縁樹脂を含侵させた基板、平板状の金属コアの表面を絶縁樹脂でコーティングした基板であってもよい。

【0025】

絶縁基板５０１の上面に設けられた導体パターン５０２及び５０３は、回路板５における配線部材として用いられる導電部材であり、絶縁基板５０１の下面に設けられた導体パターン５０４は、回路板５で発生した熱をベース４に伝導させる放熱部材として用いられる導電部材である。これらの導体パターン５０２～５０４は、例えば、銅やアルミニウム等の金属板によって形成される。絶縁基板５０１の下面に設けられた導体パターン５０４は、はんだ等の接合材Ｓ１を介してベース４の上面に接合される。絶縁基板５０１の上面に設けられた導体パターン５０２及び５０３は、導体層、導体板、又は配線パターンと呼ばれてもよい。絶縁基板５０１の下面に設けられた導体パターンは、放熱層、放熱板、又は放熱パターンと呼ばれてもよい。

【0026】

絶縁基板５０１の上面に設けられた導体パターン５０２及び５０３は、上述のように、回路板５における配線部材として用いられる導電部材である。

【0027】

図１～図４に例示した半導体モジュール２では、第１の導体パターン５０２の上面に半導体素子５１０が搭載されている。半導体素子５１０は、下面に設けられた第１の主電極（図示せず）が接合材Ｓ２により第１の導体パターン５０２と接合されている。

【0028】

半導体素子５１０の上面には、第２の主電極５１１と、制御電極５１２と、これらの電極を電気的に絶縁する絶縁層５１３とが形成されている。絶縁層５１３は、半導体素子５１０の上面に形成されたパッシベーション膜等の表面保護膜であり得る。第２の主電極５１１は、リード７を介して、絶縁基板５０１の上面に設けられた第２の導体パターン５０３と電気的に接続される。リード７は、半導体素子５１０の第２の主電極５１１と接合材Ｓ３により接合される第１の接合部７０１と、第２の導体パターン５０３と接合材Ｓ４により接合される第２の接合部７０２と、第１の接合部７０１と第２の接合部７０２とを接続する配線部７０３とを含む。半導体素子５１０の上面の制御電極５１２は、ボンディングワイヤ８により、ケース６に設けられた制御端子６０４と電気的に接続される。

【0029】

図１及び図２に例示した半導体モジュール２では、第１の導体パターン５０２が、ケース６に設けられた第１の主端子６０２と電気的に接続され、第２の導体パターン５０３が、ケース６に設けられた第２の主端子６０３と電気的に接続されている。第１の導体パターン５０２と第１の主端子６０２とを電気的に接続し、第２の導体パターン５０３と第２の主端子６０３とを電気的に接続する方法は、既知の接続方法のいずれかであればよく、特定の方法に限定されない。また、ケース６における主端子６０２及び６０３の形状や位置、制御端子６０４の数や位置等は、図示したものに限らず、適宜変更可能である。更に、本実施の形態の半導体モジュール２のケース６には、不図示の第３の主端子等が設けられていてもよい。

【0030】

本実施の形態では、半導体素子５１０は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）素子とＦＷＤ（Free Wheeling Diode）素子の機能を一体化したＲＣ（Reverse Conducting）－ＩＧＢＴ素子で構成される。

【0031】

なお、配線板５００の上面に搭載される半導体素子は、特定のものに限定されない。配線板５００の上面には、ＩＧＢＴ、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等のスイッチング素子としての半導体素子と、ＦＷＤ等のダイオード素子としての半導体素子とが搭載されてもよい。また、半導体素子として逆バイアスに対して十分な耐圧を有するＲＢ（Reverse Blocking）－ＩＧＢＴ等を用いてもよい。また、半導体素子の形状、配置数、配置箇所等は適宜変更が可能である。配線板５００の上面側に設けられる配線部材としての導体パターンのレイアウトは、搭載される半導体素子の種類、形状、配置する数、配置箇所等に応じて変更される。

【0032】

半導体素子５１０がＩＧＢＴ素子の場合、上面側の第２の主電極５１１はエミッタ電極と呼ばれてもよく、下面側の第１の主電極はコレクタ電極と呼ばれてもよい。半導体素子５１０がＭＯＳＦＥＴ素子の場合、上面側の第２の主電極５１１はソース電極と呼ばれてもよく、下面側の第１の主電極はドレイン電極と呼ばれてもよい。また、第１の半導体素子５１０の上面に設けられる制御電極５１２は、ゲート電極と、補助電極とを含んでもよい。例えば、補助電極は、第２の主電極５１１と電気的に接続され、ゲート電位に対する基準電位となる補助エミッタ電極あるいは補助ソース電極であってよい。また、補助電極は、半導体モジュール２に付加的に設けられる温度センス部と電気的に接続され、半導体素子５１０の温度を測定する温度センス電極であってよい。このような、半導体素子５１０の上面に形成された電極（主電極５１１、ゲート電極及び補助電極を含む制御電極５１２）は、総じて上面電極と呼ばれてもよい。

【0033】

上述したリード７は、銅板等の金属板を折り曲げて形成したものであり、リードフレーム、金属配線板と呼ばれてもよい。リード７における第１の接合部７０１は、半導体素子５１０の上面に配置された第２の主電極５１１と接合材Ｓ３により電気的に接続される。半導体素子５１０の上面には、第２の主電極５１１と制御電極５１２とを電気的に絶縁する絶縁層５１３が形成されている。第２の主電極５１１とリード７の第１の接合部７０１とを接合する接合材Ｓ３は、平面視で第２の主電極５１１を囲むように形成されている絶縁層５１３により、溶融時の平面（ＸＹ面）内での広がりが規制される。

【0034】

リード７の配線部７０３における第１の接合部７０１側の端部は、第１の接合部７０１における１つの側面７０１ａに接続しており、第１の接合部７０１の下面（言い換えると第１の接合部７０１における半導体素子５１０の第２の主電極５１１と向かい合う面）とは反対の方向に折り曲げられている。同様に、リード７の配線部７０３における第２の接合部７０２側の端部は、第２の接合部７０２における１つの側面に接続しており、第２の接合部７０２の下面（言い換えると第２の接合部７０２における導体パターン５０３と向かい合う面）とは反対の方向に折り曲げられている。

【0035】

ケース６内に収容された半導体素子５１０、リード７、ボンディングワイヤ８等は、封止材９により封止される。封止材９は、単一の絶縁材料であってもよいし、組成（特性）が異なる複数種類の絶縁材料の組み合わせであってもよい。例えば、封止材９は、半導体素子５１０、リード７等の表面をコーティングするＰＡ（ポリアミド）等のコーティング材と、ケース６内の中空部に充填されたエポキシ樹脂やシリコーンゲル等の充填材とを含んでもよい。

【0036】

本実施の形態に係る半導体装置１（半導体モジュール２）は、図４に例示した三重点ＴＰにかかる応力の増大を抑制することを可能にする。本明細書における三重点ＴＰは、図４においては接合材Ｓ３と、半導体素子５１０の絶縁層５１３と、封止材９とが相互に接続する点であるが、平面視においては半導体素子５１０の第２の主電極５１１と絶縁層５１３との境界である矩形の輪郭により示される。以下、三重点ＴＰに係る応力の増大を抑制することを可能にするリード７の構成例について説明する。

【0037】

図５は、一実施の形態に係るリードの第１の接合部側の構成例を説明する斜視図である。図６は、半導体素子の第２の主電極と第１の接合部との接続面を説明する上面図である。図７は、図６に示した部分のＣ－Ｃ’線断面図及びＤ－Ｄ’線断面図である。図８は、一実施の形態に係る半導体モジュールで生じる応力を説明する断面図である。なお、図７及び図８では、物体の断面であることを示すハッチングを省略している。

【0038】

本実施の形態に係る半導体モジュール２に用いるリード７は、図５及び図６に例示したように、第１の接合部７０１の側面のうちの配線部７０３が接続している第１の側面７０１ａにおいて配線部７０３を第１の接合部７０１の下面７０１ｃとは反対の方向に折り曲げるときの、下面７０１ｃ内での立ち上がり位置７１２を、第１の側面７０１ａとは反対側の側面７０１ｂの方向（Ｙ方向正側）に変位させている。このため、平面視において半導体素子５１０の第２の主電極５１１と向かい合う第１の接合部７０１の下面７０１ｃの平面形状は、第１の側面７０１ａと対応する辺のうちの配線部７０３と接続している接続区間７１１の、半導体素子５１０の絶縁層５１３の内周からの距離Ｇ２が、接続区間７１１ではない非接続区間の、半導体素子５１０の絶縁層５１３の内周からの距離Ｇ１よりも長くなる。図５及び図６では第１の接合部７０１における配線部７０３により隔たられた２つの側面に符号７０１ａを付しているが、以下の説明では、便宜上、平面視において符号７０１ａを付した２つの側面を示す辺同士を結んだ線（図示せず）で表される面も、第１の側面７０１ａに含まれるものとする。本実施の形態に係るリード７の第１の接合部７０１における第１の側面７０１ａは、配線部７０３により隔てられた、配線部７０３と接続されていない２つの部分側面（非接続区間）を有する。

【0039】

このようなリード７の第１の接合部７０１と半導体素子５１０の第２の主電極５１１とを接合材Ｓ３で接合すると、第１の接合部７０１の第１の側面７０１ａのうちの非接続区間では、図７に例示したＣ－Ｃ’線断面図のように、フィレット角θ１のフィレットが生じる。フィレット角θ１は、接合材Ｓ３、半導体素子５１０の絶縁層５１３、及び図示しない封止材による三重点ＴＰで生じる応力が所定の範囲内となるように、非接続区間における第１の側面７０１ａから半導体素子５１０の絶縁層５１３の内周までの距離Ｇ１、接合材Ｓ３の量等により制御される。

【0040】

また、第１の側面７０１ａのうちの接続区間７１１では、図７に例示したＤ－Ｄ’線断面図のように、フィレット角θ２のフィレットが生じる。接続区間７１１の折れ曲がりの下面７０１ｃ側の立ち上がり位置７１２は、半導体素子５１０の絶縁層５１３の内周からの距離Ｇ２が、非接続区間における距離Ｇ１よりも長いため、配線部７０３における折り曲がり部分と、半導体素子５１０の第２の主電極５１１との間の空間の容積が増大する。そのため、図９～図１２を参照して後述する従来例と比べて、第１の側面７０１ａの非接続区間から半導体素子５１０の絶縁層５１３の内周までの距離Ｇ１を短く保ちながら、接続区間７１１のフィレット角θ２を小さくすることができる。

【0041】

例えば、本実施の形態の半導体モジュール２で用いるリード７の第１の接合部７０１は、図６及び図８に示したように、第１の側面７０１ａとは反対側を向いた第２の側面７０１ｂもまた、半導体素子５１０の絶縁層５１３の内周から距離Ｇ１になるように形成される。この場合、第２の側面７０１ｂにはフィレット角θ１のフィレットが生じる。このとき、第１の接合部７０１における第２の側面７０１ｂ側（及び図７に示した第１の側面７０１ａの非接続区間）のフィレット角θ１は、接合材Ｓ３と、半導体素子５１０の絶縁層５１３と、封止材９とが相互に接続する三重点ＴＰにかかる応力が所定の範囲内となるように、絶縁層５１３の内周から距離Ｇ１及び接合材Ｓ３の量等により制御される。

【0042】

また、本実施の形態に係るリード７の第１の接合部７０１は、第１の側面７０１ａの接続区間７１１における下面７０１ｃ側の立ち上がり位置７１２から半導体素子５１０の絶縁層５１３の内周までの距離Ｇ２を距離Ｇ１よりも長くしている。このため、接続区間７１１におけるフィレット角θ２を、半導体素子５１０の絶縁層５１３の内周から距離Ｇ１の側面に生じるフィレット角θ１と略同一、又はフィレット角θ１よりも小さくすることができる。このため、本実施の形態に係る半導体モジュール２では、リード７の第１の接合部７０１における接続区間７１１に係る応力を低減することができる。また、第１の接合部７０１における第１の側面７０１ａを、１つの接続区間７１１と、平面視において接続区間７１１を挟む（接続区間７１１により隔てられた）２つの非接続区間とに分割している。このため、半導体素子５１０の絶縁層５１３から接続区間７１１の立ち上がり位置７１２までの距離Ｇ２を非接続区間の距離Ｇ１よりも長くした場合でも、第１の接合部７０１における半導体素子５１０の第２の主電極５１１と接する（向かい合う）面の面積の減少を抑制することができる。

【0043】

上述した本実施の形態に係る半導体モジュール２の作用効果について、図９～図１２を参照して従来例と比較し、より詳細に説明する。

【0044】

図９は、リードの第１の接合部側の従来例を説明する斜視図である。図１０は、半導体素子の第２の主電極と第１の接合部との接続面を説明する上面図である。図１１は、図１０に示した部分のＥ－Ｅ’線断面図である。図１２は、従来例のリードを用いた半導体モジュールで生じる応力を説明する断面図である。なお、図１１及び図１２では、物体の断面であることを示すハッチングを省略している。

【0045】

図９に例示したリード１７は、上述した実施の形態に係るリード７と同様、半導体素子５１０の第２の主電極５１１と接合材Ｓ３により接合される第１の接合部１７０１の側面のうちの第１の側面１７０１ａに配線部１７０３が接続している。しかしながら、リード１７の配線部１７０３における第１の接合部１７０１の下面１７０１ｃ側の立ち上がり位置１７１２は、第１の側面１７０１ａの下辺を延長した位置と略同一になっている。すなわち、リード１７における、半導体素子５１０の第２の主電極５１１と向かい合う第１の接合部１７０１の下面１７０１ｃの平面視での形状は、図１０に例示したように、矩形になる。この場合、第１の側面１７０１ａと対応する辺のうちの配線部７０３と接続している接続区間１７１１では、図１１に例示したように、配線部１７０３の全体が第１の接合部１０７１の第１の側面１７０１ａよりも半導体素子５１０の絶縁層５１３側に突出している。このため、リード１７の第１の接合部１７０１と半導体素子５１０の第２の主電極５１１とを接合材Ｓ３により接合した場合、第１の側面１７０１ａにおける配線部１７０３との接続区間に生じるフィレットのフィレット角θ３は、図１２に例示したように、第１の接合部１７０１における第２の側面１７０１ｂ側（及び図示しない第１の側面１７０１ａの非接続区間）のフィレット角θ１と比べて大きくなる。

【0046】

これに対し、本実施の形態のリード７では、図５～図８を参照して上述したように、第１の接合部７０１の下面７０１ｃにおける、配線部７０３の折れ曲がりの立ち上がり位置７１２を、配線部７０３が接続する第１の側面７０１ａよりも、第１の側面７０１ａとは反対側の第２の側面７０１ｂ側にずらしている。このため、配線部７０３における第１の接合部７０１の第１の側面７０１ａから半導体素子５１０の絶縁層５１３側への突出量は、従来例のリード１７の配線部１７０３の突出量と比べて小さくなる。これにより、図８に例示したように、本実施の形態のリード７の第１の接合部７０１と半導体素子５１０の第２の主電極５１１とを接合材Ｓ３により接合したときの配線部７０３の部分で生じるフィレット角θ２を、第１の接合部７０１の第２の側面７０１ｂ（及び図７に示した第１の側面７０１ａの非接続区間）のフィレット角θ１と略同一にすることができる。したがって、本実施の形態のリード７を用いることにより、接合材Ｓ３と封止材９との界面において封止材９を上方向に引っ張る力が大きくなることを抑制できる。すなわち、本実施の形態の半導体モジュール２では、リード７の第１の接合部７０１と半導体素子５１０の第２の主電極５１１とを接合する接合材Ｓ３と、半導体素子５１０の絶縁層５１３と、封止材９とが相互に接続する三重点ＴＰにかかる応力の増大を抑制することができ、半導体モジュール２の寿命を長くする（向上させる）ことができる。

【0047】

また、本実施の形態に係るリード７は、図５及び図６を参照して上述したように、第１の接合部７０１の第１の側面７０１ａのうちの配線部７０３と接続している接続区間７１１の立ち上がり位置７１２のみを第２の側面７０１ｂ側にずらすことにより、下面７０１ｃの面積の減少を抑制している。このため、本実施の形態の半導体モジュール２は、リード７の第１の接合部７０１における半導体素子５１０の第２の主電極５１１との接続面の面積を確保して電気的特性や放熱性の低下を抑制しつつ、三重点ＴＰにかかる応力の増大を抑制することができる。

【0048】

なお、本実施の形態に係るリード７を製造する際の、配線部７０３における第１の接合部７０１側の端部の折り曲げの方法は、特定の方法に限定されない。リード７の配線部７０３の折り曲げ加工には、既知のプレス加工を適用することができる。

【0049】

また、本実施の形態に係るリード７を製造する際の、第１の接合部７０１の下面における第１の側面７０１ａから立ち上がり位置７１２までの距離は、特定の距離に限定されない。

【0050】

図１３は、リードの第１の接合部の下面における第１の側面から立ち上がり位置までの距離とフィレット角との関係を説明する図である。図１３には、上述した従来例のように立ち上がり位置７１２が第１の側面７０１ａと同じ位置（すなわち距離０）である場合のフィレット角と、第１の側面７０１ａから立ち上がり位置７１２までの距離を距離Ｌ１、距離Ｌ２（＞Ｌ１）、及び距離Ｌ３（＞Ｌ２）とした場合のフィレット角と、のそれぞれを太い破線で概略的に示している。距離Ｌ１は、リード７の第１の接合部７０１の厚さＴと対応する距離よりも短い。距離Ｌ２は、リード７の第１の接合部７０１の厚さＴと対応する距離と略同一である。距離Ｌ３は、リード７の第１の接合部７０１の厚さＴと対応する距離よりも長い。

【0051】

リード７の第１の接合部７０１における第１の側面７０１ａから半導体素子５１０の絶縁層５１３までの距離Ｇ１を一定に保ったまま、立ち上がり位置７１２を絶縁層５１３から遠ざかる方向にずらしていくと、配線部７０３における第１の接合部７０１の下面７０１ｃから連続している面と絶縁層５１３との距離が長くなる。このため、第１の側面７０１ａから立ち上がり位置７１２までの距離が長くなるほど、接合材Ｓのフィレット角が小さくなる。

【0052】

本願の発明者らは、第１の接合部７０１の厚さＴが０．５ｍｍのリード７において、第１の側面７０１ａから立ち上がり位置７１２までの距離とフィレット角との関係を調べた。その結果では、第１の側面７０１ａから立ち上がり位置７１２までの距離を１．０ｍｍ以上にすることで、配線部７０３の位置で生じるフィレット角が、第１の側面７０１ａで生じるフィレット角と略同一になった。

【0053】

このように、第１の側面７０１ａから立ち上がり位置７１２までの距離を第１の接合部７０１の厚さＴと対応する距離よりも長くすることでフィレット角を小さくすることができる。しかしながら、第１の側面７０１ａから立ち上がり位置７１２までの距離を長くすることにより、第１の接合部７０１の下面７０１ｃの面積が減少し、半導体素子５１０の第２の主電極５１１との接続面積が小さくなる。したがって、第１の側面７０１ａから立ち上がり位置７１２までの距離は、配線部７０３の位置で生じるフィレットのフィレット角θ２が三重点ＴＰにかかる応力に与える影響と、第１の接合部７０１の半導体素子５１０の第２の主電極５１１との接続面積が電気的及び熱的な特性に与える影響とを考慮して設定することが好ましい。

【0054】

なお、本実施の形態に係るリード７における配線部７０３の折り曲げ部分の角度は、図２、図４、図１３等に例示した略直角となる角度に限らず、任意の鈍角であってもよい。

【0055】

また、立ち上がり位置７１２が第１の側面７０１ａよりも第２の側面７０１ｂ側になるように第１の接合部７０１と配線部７０３との接続部を折り曲げる際には、例えば、第１の側面７０１ａにおける接続区間７１１と非接続区間との境界に切れ込みを入れてもよい。

【0056】

図１４は、リードに入れる切れ込みの第１の例を説明する下面図である。図１５は、リードに入れる切れ込みの第２の例を説明する下面図である。図１６は、リードに入れる切れ込みの第３の例を説明する下面図である。図１４～図１６の各図は、配線部７０３の折り曲げ加工をする前のリード７における、第１の接合部７０１と、配線部７０３のうちの第１の接合部７０１側の部分とを示している。

【0057】

図１４には、第１の側面７０１ａのうちの配線部７０３により隔てられた２つの部分（非接続区間）のそれぞれにおける配線部７０３側の端と、配線部７０３との間に、第１の側面７０１ａと直交する方向（Ｙ方向）に進行する切れ込み７０１ｄを形成した例を示している。切れ込み７０１ｄの深さＬは、図１３を参照して上述した、第１の側面７０１ａから立ち上がり位置７１２までの距離と対応する。切れ込み７０１ｄの幅Ｗは特定の幅に限定されないが、第１の接合部７０１の下面７０１ｃの面積を広くするためには、幅Ｗを小さくすることが好ましい。切れ込み７０１ｄを形成する方法は、特定の方法に限定されない。

【0058】

図１５には、第１の側面７０１ａのうちの配線部７０３により隔てられた２つの部分（非接続区間）のそれぞれにおける配線部７０３側の端と、配線部７０３との間に、第１の側面７０１ａから遠ざかるにつれて切れ込み間の距離が長くなる方向に進行する切れ込み７０１ｅを形成した例を示している。このような切れ込み７０１ｅは、例えば、平面視における立ち上がり位置７１２の長さを、図１４に例示した切れ込み７０１ｄを形成した場合と比べて長くすることができる。そのため、例えば、第１の接合部７０１から立ち上がり位置７１２を超えて配線部７０３に電流や熱が流れやすくなると考えられる。切れ込み７０１ｅの進行方向となる角度θ４は、特定の角度に限定されない。また、切れ込み７０１ｅの深さＬ及び幅Ｗの組み合わせも、特定の組み合わせに限定されない。

【0059】

図１６には、第１の側面７０１ａのうちの配線部７０３により隔てられた２つの部分（非接続区間）のそれぞれにおける配線部７０３側の端と、配線部７０３との間に、第１の側面７０１ａから遠ざかるにつれて切れ込み間の距離が短くなる方向に進行する切れ込み７０１ｆを形成した例を示している。このような切れ込み７０１ｆは、例えば、平面視における第１の接合部７０１の下面７０１ｃの面積を広くするのに有利である。切れ込み７０１ｆの進行方向となる角度θ５は、特定の角度に限定されない。また、切れ込み７０１ｆの深さＬ及び幅Ｗの組み合わせも、特定の組み合わせに限定されない。

【0060】

また、上述した実施の形態では、リード７のうちの、半導体素子５１０の第２の主電極５１１と接合される第１の接合部７０１と、配線部７０３と、の接続部分について説明している。しかしながら、上述した第１の接合部７０１と配線部７０３との接続部分の構成は、例えば、リード７のうちの、配線板５００の第２の導体パターン５０３と接合される第２の接合部７０２と、配線部７０３と、の接続部分にも適用されてもよい。

【0061】

本実施の形態の半導体モジュール２を含む半導体装置１は、上述したように、車載用モータのインバータ等の電力変換装置に適用され得る。図１７を参照して、本発明の半導体装置１が適用された車両について説明する。

【0062】

図１７は、本発明に係る半導体装置を適用した車両の一例を示す平面模式図である。図１７に示す車両１００１は、例えば、４つの車輪１００２を備えた四輪車で構成される。車両１００１は、例えば、モータ等によって車輪を駆動させる電気自動車、モータの他に内燃機関の動力を用いたハイブリッド車であってもよい。

【0063】

車両１００１は、車輪１００２に動力を付与する駆動部１００３と、駆動部１００３を制御する制御装置１００４と、を備える。駆動部１００３は、例えば、エンジン、モータ、エンジンとモータのハイブリッドの少なくとも１つで構成されてよい。

【0064】

制御装置１００４は、上記した駆動部１００３の制御（例えば電力制御）を実施する。制御装置１００４は、上記した半導体装置１を備えている。半導体装置１は、駆動部１００３に対する電力制御を実施するように構成されてよい。

【0065】

この種の車両１００１に用いる半導体装置１の半導体モジュール２において、半導体素子の上面の電極（例えば、半導体素子５１０の第２の主電極５１１）に、上述したリード７の第１の接合部７０１が接合材Ｓ３により接合されていると、熱履歴による半導体モジュール２内での応力の増大や電気的及び熱的な特性の劣化を抑制することができる。このため、車両１００１に用いる半導体装置１の点検や交換の頻度を低減することができる。

【0066】

なお、半導体装置１が適用される車両は、図１７に例示したような四輪車に限定されない。半導体装置１が適用される車両は、例えば、二輪車や鉄道車両を含む。

【0067】

以上、本実施の形態及び変形例を説明したが、他の実施の形態として、上記実施の形態及び変形例を全体的又は部分的に組み合わせたものでもよい。

【0068】

また、本実施の形態は上記の実施の形態及び変形例に限定されるものではなく、技術的思想の趣旨を逸脱しない範囲において様々に変更、置換、変形されてもよい。更に、技術の進歩又は派生する別技術によって、技術的思想を別の仕方で実現することができれば、その方法を用いて実施されてもよい。したがって、特許請求の範囲は、技術的思想の範囲内に含まれ得る全ての実施態様をカバーしている。

【0069】

以下、上記の実施の形態における特徴点を整理する。

【0070】

上記実施の形態に係る半導体モジュールは、半導体素子が搭載された回路板と、前記半導体素子の上面の電極に接合材により接合されたリードと、前記半導体素子及び前記リードを封止する封止材と、を備え、前記リードは、前記電極に接合される接合部と、前記接合部の第１の側面に接続され、前記接合部における前記半導体素子の前記電極と向かい合う下面とは反対の方向に折り曲げられた配線部とを含み、前記接合部の前記下面における前記配線部の折り曲げ部分の立ち上がり位置が、前記接合部の前記第１の側面の位置と、前記接合部の前記第１の側面とは反対側の第２の側面の位置との間にある。

【0071】

上記実施の態様に係る半導体モジュールは、前記接合材と、前記半導体素子の前記上面に前記電極の外周に沿って延在する絶縁層と、前記封止材とが相互に接続する三重点が存在する。

【0072】

上記実施の態様に係る半導体モジュールは、前記接合部の前記下面における前記第１の側面から前記立ち上がり位置までの距離が、前記接合部の厚さと対応する距離よりも長い。

【0073】

上記実施の態様に係る半導体モジュールにおいて、前記リードにおける前記接合部の前記第１の側面は、前記接合部に接続された前記配線部により隔てられた、前記配線部と接続されていない２つの非接続区間を有する。

【0074】

上記実施の態様に係る半導体モジュールにおいて、前記リードにおける前記接合部は、前記第１の側面の前記非接続区間のそれぞれにおける前記配線部側の端と、前記配線部との間に、前記第１の側面から他の側面に向かう方向に進行する切れ込みが形成されている。

【0075】

上記実施の態様に係る半導体モジュールにおいて、前記切れ込みは、前記第１の側面に対して直交する方向に進行している。

【0076】

上記実施の態様に係る半導体モジュールにおいて、前記切れ込みは、前記第１の側面から遠ざかるにつれて切れ込み間の距離が変化する方向に進行している。

【0077】

上記実施の態様に係る半導体モジュールにおいて、前記半導体素子の前記上面には前記電極の周囲に延在する絶縁層があり、前記リードの前記接合部における前記第１の側面から前記絶縁層までの距離が、前記接合部における他の側面のうちの少なくとも１つの側面から前記絶縁層までの距離と略同一である。

【0078】

上記実施の形態に係る半導体モジュールにおいて、前記リードは、前記配線部の前記接合部と接続している側とは反対側の端部に接続され、前記回路板の導体パターンと接合された第２の接合部を含む。

【0079】

上記実施の態様に係る半導体装置は、上記の半導体モジュールと、前記半導体モジュールの前記回路板における前記半導体素子が搭載された面とは反対側の面に配置された冷却器と、を備える。

【0080】

上記実施の態様に係る車両は、上記の半導体モジュール、又は半導体装置を備える。

【産業上の利用可能性】

【0081】

以上説明したように、本発明は、半導体素子の電極とリードとを接合する接合材と、半導体素子の電極の外周に沿って延在する絶縁層と、半導体素子及びリードを封止する封止材とが相互に接する三重点におけるクラックの発生を抑制することができるという効果を有し、特に、産業用又は電装用の半導体モジュール、半導体装置、及び車両に有用である。

【符号の説明】

【0082】

１ 半導体装置
２ 半導体モジュール
３ 冷却器
４ ベース
５ 回路板
５００ 配線板
５０１ 絶縁基板
５０２、５０３、５０４ 導体パターン
５１０ 半導体素子
５１１ 主電極
５１２ 制御電極
５１３ 絶縁層
６ ケース
６０１ 絶縁部材
６０２、６０３ 主端子
６０４ 制御端子
７、１７ リード
７０１、７０２、１７０１ 接合部
７０１ａ、７０１ｂ、１７０１ａ、１７０１ｂ 側面
７０１ｃ、１７０１ｃ 下面
７０１ｄ、７０１ｅ、７０１ｆ 切れ込み
７１１ 接続区間
７１２、１７１２ 立ち上がり位置
７０３、１７０３ 配線部
８ ボンディングワイヤ
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４ 接合材
１００１ 車両
１００２ 車輪
１００３ 駆動部
１００４ 制御装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】