(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】
(24)【登録日】2023-08-07
(45)【発行日】2023-08-16
(54)【発明の名称】半導体モジュール部品
(51)【国際特許分類】
H01L 23/02 20060101AFI20230808BHJP
H01L 23/13 20060101ALI20230808BHJP
H01L 25/07 20060101ALI20230808BHJP
H01L 25/18 20230101ALI20230808BHJP
【FI】
H01L23/02 B
H01L23/12 C
H01L25/04 C
(21)【出願番号】P 2019092382
(22)【出願日】2019-05-15
【審査請求日】2022-02-16
(73)【特許権者】
【識別番号】000006264
【氏名又は名称】三菱マテリアル株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100105957
【氏名又は名称】恩田 誠
(74)【代理人】
【識別番号】100068755
【氏名又は名称】恩田 博宣
(72)【発明者】
【氏名】小原 英靖
(72)【発明者】
【氏名】北原 丈嗣
(72)【発明者】
【氏名】大開 智哉
【審査官】井上 和俊
(56)【参考文献】
【文献】特開2016-039224(JP,A)
【文献】国際公開第2009/125779(WO,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01L 23/02
H01L 23/13
H01L 25/07
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
半導体素子と、
セラミック層の両面に金属層が形成され、前記半導体素子を挟んだ状態で前記半導体素子と電気的に接続される上下一対のセラミック基板と、
前記半導体素子及び前記上下一対のセラミック基板を覆い、底面と側面を有する上下一対のカバーと、
を備え、
前記上下一対のカバーの内面側に前記セラミック基板がロウ付けされ、
前記上下一対のカバーの側面のうち少なくとも1面の厚みが、底面の厚みより厚く、
前記上下一対のカバーの側面の端部同士が溶接されている
ことを特徴とする半導体モジュール部品。
【請求項2】
前記上下一対のカバーの側面のうち対向する2面の厚みが、底面の厚みより厚いことを特徴とする請求項1に記載の半導体モジュール部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体モジュール部品に関するものである。
【背景技術】
【0002】
特許文献1に開示のヒートシンク付きパワーモジュール用基板は、
図8に示すように、セラミック基板100の一方の面に回路層101が接合されるとともに、セラミック基板100の他方の面に金属層102を介してヒートシンク103が接合されている。金属層102は、純度99.99質量%以上のアルミニウム板である。ヒートシンク103は、純度99.90質量%以下のアルミニウム板である。回路層101は、第1層104と第2層105との積層構造をなしている。第1層104は、セラミック基板100に接合された純度99.99質量%以上のアルミニウム板からなる。第2層105は、第1層104の表面に接合された純度99.90質量%未満のアルミニウム板からなり、半導体素子106がはんだ付けされる。ヒートシンク103に対しセラミック基板100の反対側に第2層105を配置することによりヒートシンク103と第2層105とがセラミック基板100を中心として対称構造となり、加熱時等にセラミック基板100の両面に作用する応力に偏りが生じにくく反りが発生しにくくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで、
図9(a)に示すように、半導体素子106の下に電極板(バスバー)122を介して第2層105を配置するとともに半導体素子106の上に電極板(バスバー)123を介して第2層105を配置した状態において上下一対のカバー(ヒートシンク)120,121を重ね合せる構造にすることが考えられる。この場合においては、
図9(b)に示すように、一方のカバー(ヒートシンク)120に金属層102をロウ付けするとともに、他方のカバー(ヒートシンク)121に金属層102をロウ付けする。その後に、上下一対のカバー(ヒートシンク)120,121を重ね合せた状態で溶接することになる。
【0005】
ここで、
図9(c)に示すように、一方のカバー(ヒートシンク)120に金属層102をロウ付けすることにより、カバー(ヒートシンク)120の周辺部は、ロウ付け時に反り変形が発生する。つまり、アルミカバーの線熱膨張係数とセラミックの線熱膨張係数との差に起因して上下のカバーのロウ付け時にカバーに反りが生じる。具体的には、アルミカバーの線熱膨張係数は24ppmであり、セラミックの例としての窒化ケイ素の線熱膨張係数は3ppmであり、ロウ付け時に高温(600℃)から室温に下がる時に反りが発生する。詳しくは、セラミックの配置領域は材料構成が厚み方向に対称となっているが、外周(
図9(c)においてセラミック基板100よりも左側及び右側の部位)は非対称のため、ロウ付け工程で反り変形してしまう。その結果、組付時のカバー(ヒートシンク)合せ面溶接で、隙間があるため歩留が低下してしまう。
【0006】
本発明の目的は、組付性を向上させることができる半導体モジュール部品を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記課題を解決するための半導体モジュール部品は、半導体素子と、セラミック層の両面に金属層が形成され、前記半導体素子を挟んだ状態で前記半導体素子と電気的に接続される上下一対のセラミック基板と、前記半導体素子及び前記上下一対のセラミック基板を覆い、底面と側面を有する上下一対のカバーと、を備え、前記上下一対のカバーの内面側に前記セラミック基板がロウ付けされ、前記上下一対のカバーの側面のうち少なくとも1面の厚みが、底面の厚みより厚く、前記上下一対のカバーの側面の端部同士が溶接されていることを要旨とする。
【0008】
これによれば、カバーの内面側にセラミック基板がロウ付けされ、上下一対のカバーの側面の端部同士が溶接される際に、上下一対のカバーの側面のうち少なくとも1面の厚みが、底面の厚みより厚くなっているので、上下一対のカバーの側面の剛性を高くして反り変形を抑制してカバーの面合せが容易である。その結果、組付性を向上させることができる。
【0009】
また、半導体モジュール部品において、前記上下一対のカバーの側面のうち対向する2面の厚みが、底面の厚みより厚いとよい。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、組付性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【
図1】実施形態における半導体モジュール部品の斜視図。
【
図3】半導体モジュール部品の構造を説明するための分解斜視図。
【
図7】(a),(b),(c),(d),(e)は半導体モジュール部品の構造を説明するための断面図。
【
図9】(a),(b),(c)は課題を説明するための断面図。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、本発明を具体化した一実施形態を
図1~
図6に従って説明する。
なお、図面において、一平面を、直交するX,Y方向で規定するとともに、一平面(X-Y平面)に直交する方向をZ方向で規定している。
【0013】
図1及び
図2に示すように、半導体モジュール部品10は、半導体素子20,21と、上下一対のセラミック基板30,31と、上下一対のセラミック基板32,33と、上下一対のカバー(ヒートシンク)50,60と、半導体素子20の主電極用取出電極(端子)としてのバスバー70,71と、半導体素子21の主電極用取出電極(端子)としてのバスバー72,73と、半導体素子20の制御用取出電極(端子)80と、半導体素子21の制御用取出電極(端子)81を備える。
【0014】
各セラミック基板30,31,32,33は、それぞれ、セラミック層40の両面に金属層41,42が形成されている。金属層41は、純アルミ(高純度アルミ)、即ち、純度99.99質量%以上のアルミニウム板である。
【0015】
金属層42は、第1層42aと第2層42bとの積層構造をなしている。第1層42aは、セラミック層40に接合された純アルミ(高純度アルミ)、即ち、純度99.99質量%以上のアルミニウム板からなる。第2層42bは、第1層42aの表面に接合されたアルミ合金(低純度アルミ)、即ち、純度99.90質量%未満のアルミニウム板からなり、バスバー70,71,72,73がはんだ付けされる。
【0016】
このように、上下一対のセラミック基板30,31,32,33は、セラミック層40の両面に金属層41,42が形成され、バスバー70,71,72,73及び半導体素子20,21を挟んだ状態で半導体素子20,21と電気的に接続される。
【0017】
ヒートシンクとしての上下一対のカバー50,60は、アルミ合金(低純度アルミ)、即ち、純度99.90質量%以下(低純度アルミ)のアルミニウム製である。カバー50,60は、全体の概略形状としてZ方向に薄い扁平なる四角箱型をなしている。
【0018】
図2に示すように、X方向において、半導体素子20と半導体素子21とが並んで位置している。半導体素子20の上に、順に、バスバー70、基板30の第2層42b、第1層42a、セラミック層40、金属層41、カバー50の底面51が位置している。また、半導体素子20の下に、順に、バスバー71、基板31の第2層42b、第1層42a、セラミック層40、金属層41、カバー60の底面61が位置している。同様に、半導体素子21の上に、順に、バスバー72、基板32の第2層42b、第1層42a、セラミック層40、金属層41、カバー50の底面51が位置している。また、半導体素子21の下に、順に、バスバー73、基板33の第2層42b、第1層42a、セラミック層40、金属層41、カバー60の底面61が位置している。
【0019】
上下一対のカバー50,60のうちのカバー60は、上面が開口する箱型をなしている。カバー50は、下面が開口する箱型をなしている。カバー60の上にカバー50を重ねるようにして配置することにより上下一対のカバー50,60が構成される。カバー50の上面には冷却フィン55が形成されている。カバー60の下面には冷却フィン65が形成されている。
【0020】
カバー50におけるY方向での一端面には内外を連通する開口部56が形成されている。同様に、カバー60におけるY方向での一端面には内外を連通する開口部66が形成されている。カバー50の開口部56とカバー60の開口部66とは上下に重なるように配置され、これにより、上下一対のカバー50,60におけるY方向での一端面には内外を連通する開口部が形成されている。上下一対のカバー50,60の開口部が、電極取り出し用の開口部となっている。なお、上下一対のカバー50,60の開口部側には取り付け用の鍔部50a,60aが設けられている。
【0021】
カバー50は、セラミック基板30,32、バスバー70,72を覆う。カバー50は、四角形の底面51と、底面51の縁部の側面52,53,54を有する。カバー60は、セラミック基板31,33、バスバー71,73を覆う。カバー60は、四角形の底面61と、底面61の縁部の側面62,63,64を有する。このように、上下一対のカバー50,60は、半導体素子20,21、バスバー70,71,72,73、上下一対のセラミック基板30,31,32,33を覆い、底面51,61と側面52,53,54,62,63,64を有する。
【0022】
カバー50の内面側において底面51にセラミック基板30,32がロウ付けされる。カバー60の内面側において底面61にセラミック基板31,33がロウ付けされる。このように、上下一対のカバー50,60の内面側にセラミック基板30,31,32,33がロウ付けされる。
【0023】
図3、
図4、
図5に示すように、上下一対のカバー50,60の側面52,53,54,62,63,64の厚みt1が、底面51,61の厚みt2より厚い。特に、上下一対のカバー50,60のうち対向する2面である側面52と側面53、及び、側面62と側面63の厚みt1が底面51,61の厚みt2より厚い。広義には、上下一対のカバー50,60の側面52,53,54,62,63,64のうち少なくとも1面の厚みt1が、底面51,61の厚みt2より厚い。
【0024】
具体的には、例えば、上下一対のカバー50,60における底面51,61の厚みt2は1.5mmであり、上下一対のカバー50,60の側面52,53,54,62,63,64の厚みt1は2.0mmである。
【0025】
カバー50の側面52の下面と、カバー60の側面62の上面とが溶接される。カバー50の側面53の下面と、カバー60の側面63の上面とが溶接される。カバー50の側面54の下面と、カバー60の側面64の上面とが溶接される。このように、上下一対のカバー50,60の側面52,53,54,62,63,64の端部同士が溶接されている。
【0026】
半導体素子20,21は、パワースイッチング素子である。半導体素子20,21としてIGBTが用いられている。半導体素子20,21としてIGBTを用いた場合には、主電極としてエミッタ電極及びコレクタ電極を有するとともに、制御電極としてゲート電極を有する。半導体素子20はバスバー70,71及び制御用取出電極(端子)80と電気的に接続される。半導体素子21は、バスバー72,73及び制御用取出電極(端子)81と電気的に接続される。
【0027】
半導体素子20,21のうちの一方は、上アーム用スイッチング素子を構成し、他方は、下アーム用スイッチング素子を構成している。つまり、インバータ回路での単相(例えばU相)における直列接続される上下のアームが半導体素子20,21で構成される。
【0028】
図2に示すように、上下一対のカバー50,60の内部において半導体素子20,21が配置されており、半導体素子20の上面にはバスバー70が配置されるとともに半導体素子20の下面にはバスバー71が配置されている。また、半導体素子20の上面側においてバスバー70を介してセラミック基板30が配置されている。半導体素子20の下面側においてバスバー71を介してセラミック基板31が配置されている。半導体素子20はセラミック基板30,31により上下一対のカバー50,60と電気的に絶縁されている。
【0029】
半導体素子21の上面にはバスバー72が配置されるとともに半導体素子21の下面にはバスバー73が配置されている。半導体素子21の上面側においてバスバー72を介してセラミック基板32が配置されている。半導体素子21の下面側においてバスバー73を介してセラミック基板33が配置されている。半導体素子21はセラミック基板32,33により上下一対のカバー50,60と電気的に絶縁されている。
【0030】
セラミック基板30はカバー50の内壁と接している。セラミック基板32はカバー50の内壁と接している。セラミック基板31はカバー60の内壁と接している。セラミック基板33はカバー60の内壁と接している。
【0031】
バスバー70,71,72,73は、所望の形状に成形した金属板が用いられている。バスバー70,71,72,73は、一端部において半導体素子20,21の主電極パッドに電気的に接続されている。主電極パッドは半導体素子20,21の上面及び下面に形成されている。バスバー72はバスバー71とカバー内部で接合されており、これにより半導体素子20と半導体素子21が直列接続される。
【0032】
制御用取出電極(端子)80,81としてピン(所望の方向に延在する金属棒)を用いて構成されている。制御用取出電極(端子)80,81において、ボンディングワイヤにより半導体素子20,21の制御パッドに電気的に接続されている。
【0033】
バスバー70,71,72,73は、
図1に示すように、上下一対のカバー50,60の開口部から外部に向けて延出している。
図1に示すように、制御用取出電極(端子)80,81は、上下一対のカバー50,60の開口部から外部に向けて延出している。なお、上下一対のカバー50,60の開口部においてバスバー70,71,72,73及び制御用取出電極(端子)80,81は保持部材90,91により保持されている。
【0034】
次に、作用について説明する。
上下一対のカバー50,60内に半導体素子20,21が設けられ、半導体素子20,21で発生する熱が上下一対のカバー50,60から放熱されるとともにバスバー70,71,72,73が上下一対のカバー50,60の外部に延出している。
【0035】
そのための製造工程において、各セラミック基板30,31,32,33を構成するための各セラミック層40の一方の面に第1金属層41をロウ付けするとともに他方の面に第2金属層42のうちの第1層42aをロウ付けする。
【0036】
引き続き、
図4、
図5に示すように、一方のカバー60の底面61上にセラミック基板31,33を構成する第1金属層41をロウ付けするとともにセラミック基板31,33を構成するための第2金属層42のうちの第1層42a上に第2層42bをロウ付けする。また、他方のカバー50の底面51上にセラミック基板30,32を構成するための第1金属層41をロウ付けするとともにセラミック基板30,32を構成するための第2金属層42のうちの第1層42a上に第2層42bをロウ付けする。
【0037】
さらに、セラミック基板31,33にバスバー71,73を、はんだ付けするとともにセラミック基板30,32にバスバー70,72を、はんだ付けする。そして、半導体素子20,21を挟んでカバー50とカバー60とを溶接する。具体的には、レーザ溶接、FSW(摩擦撹拌溶接)等により上下一対のカバー50,60の側面52,53,54,62,63,64の端部同士を、溶接する。
【0038】
ここで、各カバー50,60にセラミック基板30,31,32,33をロウ付けすることにより、カバー50,60の周辺部は、ロウ付け時に反り変形が発生しようとする。詳しくは、セラミックの配置領域は材料構成が厚み方向に対称となっているが、外周(
図4においてセラミック基板30,31よりも左側及びセラミック基板32,33よりも右側の部位、
図5においてセラミック基板32,33よりも右側の部位)は非対称のため、ロウ付け工程で反り変形しようとする。そして、組付時のカバー合せ面溶接で、隙間があると歩留が低下してしまう。
【0039】
本実施形態においては、上下一対のカバー50,60の側面52,53,54,62,63,64の厚みt1が、底面51,61の厚みt2より厚くなっているので、上下一対のカバー50,60の側面52,53,54,62,63,64の剛性が高く、反り変形が抑えられる。
【0040】
このようにして、ロウ付け時の熱履歴で、セラミック層40とアルミ(50,60)の熱膨張係数の違いにより、合せ面に反り変形が生じやすいが、ケースの側面52,53,54,62,63,64を底面51,61より厚くすることにより、反り変形が抑制され、合せ面平面度がよくなる。
【0041】
図6には、合せ面の平面度比の測定結果を示す。
図6の横軸に側壁厚、即ち、ケースの側面52,53,54,62,63,64の厚みをとるとともに縦軸に合せ面平面度比をとっている。
【0042】
図6において、上下一対のカバー50,60の底面51,61の厚みt2を1.5mmとした場合において、側壁厚(ケースの側面52,53,54,62,63,64の厚み)を1.5mmとしたときの合せ面平面度比を「1」としている。側壁厚(ケースの側面52,53,54,62,63,64の厚み)を厚くすればするほど合せ面平面度比が小さくなっていくことが分かる。つまり、側壁厚(ケースの側面52,53,54,62,63,64の厚み)を厚くすればするほど上下一対のカバー50,60の側面52,53,54,62,63,64の端部同士を合わせやすくなる。
【0043】
その結果、組付性が向上する(合せ面の溶接歩留が向上する)。さらに、削る等の合せ面平坦化のための追加加工が不要となる。
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
【0044】
(1)半導体モジュール部品10の構成として、半導体素子20,21と、セラミック層40の両面に金属層41,42が形成され、半導体素子20,21を挟んだ状態で半導体素子20,21が電気的に接続される上下一対のセラミック基板30,31,32,33と、半導体素子20,21及び上下一対のセラミック基板30,31,32,33を覆い、底面51,61と側面52,53,54,62,63,64を有する上下一対のカバー50,60と、を備える。上下一対のカバー50,60の内面側にセラミック基板30,31,32,33がロウ付けされ、上下一対のカバー50,60の側面52,53,54,62,63,64のうち少なくとも1面の厚みt1が、底面51,61の厚みt2より厚く、上下一対のカバー50,60の側面52,53,54,62,63,64の端部同士が溶接されている。
【0045】
よって、カバー50,60の内面側にセラミック基板30,31,32,33がロウ付けされ、上下一対のカバー50,60の側面52,53,54,62,63,64の端部同士が溶接される際に、上下一対のカバー50,60の側面52,53,54,62,63,64のうち少なくとも1面の厚みt1が、底面51,61の厚みt2より厚くなっているので、上下一対のカバー50,60の側面52,53,54,62,63,64の剛性を高くして反り変形を抑制して(外周部の壁厚を厚くし反り変形を抑えて)カバー50,60の面合せが容易である。その結果、組付性を向上させることができる。
【0046】
(2)上下一対のカバー50,60の側面52,53,54,62,63,64のうち対向する2面の厚みt1が、底面の厚みt2より厚い。よって、対向する2面について剛性が高くなり反り変形をより抑制することができる。
【0047】
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○
図7(a)に示すように側壁の断面形状、即ち、ケースの側面52,53,54,62,63,64の断面形状は四角であったが、側壁の断面形状は四角以外でもよい。
【0048】
例えば、
図7(b)に示すように側壁の断面形状、即ち、ケースの側面52,53,54,62,63,64の断面形状は、四角での外側の2つの隅が円弧状に面取りされた形状でもよい。
【0049】
他にも、
図7(c)に示すように側壁の断面形状、即ち、ケースの側面52,53,54,62,63,64の断面形状は、四角での外側の表面が中央部ほど突出する円弧状でもよい。
【0050】
他にも、
図7(d)に示すように側壁の断面形状、即ち、ケースの側面52,53,54,62,63,64の断面形状は、四角での外側の表面が中央部ほど突出する三角形状でもよい。
【0051】
他にも、
図7(e)に示すように側壁の断面形状、即ち、ケースの側面52,53,54,62,63,64の断面形状は、四角での外側の2つの隅が直線状に面取りされた形状でもよい。
【0052】
○ カバーは四角形をなし、開口する辺を除く3つの辺における3つのケースの側面52,53,54及び側面62,63,64について全て底面の厚みより厚くしたがこれに限らない。例えば、3つの辺における対向する2つの辺での側面(側壁)について底面の厚みより厚くしてもよい。他にも、3つの辺のうちのいずれか1つの辺での側面(側壁)について底面の厚みより厚くしてもよい。
【0053】
要は、上下一対のカバー50,60の側面52,53,54,62,63,64のうち少なくとも1面の厚みt1を、底面51,61の厚みt2より厚くすればよい。
○ セラミック基板30,31,32,33は、セラミック層40の両面に金属層41,42としてアルミ層が形成されていたが、これに限らない。例えば、セラミック層40の両面に金属層41,42として銅層が形成されていてもよい。
【0054】
○ 半導体素子20,21として、パワーMOSFETを用いてもよい。半導体素子20,21としてパワーMOSFETを用いた場合には、主電極としてソース電極及びドレイン電極を有するとともに、制御電極としてゲート電極を有する。
【0055】
○ カバー内に設ける半導体素子の数は問わない。カバー内に設ける半導体素子は1つでもよいし、3つ以上でもよい。
【符号の説明】
【0056】
10…半導体モジュール部品、20,21…半導体素子、30,31,32,33…セラミック基板、40…セラミック層、41,42…金属層、50,60…カバー、51,61…底面、52,53,54,62,63,64…側面、t1…厚み、t2…厚み。