特許 7354076 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】

(24)【登録日】2023-09-22

(45)【発行日】2023-10-02

(54)【発明の名称】半導体モジュール

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/36 20060101AFI20230925BHJP

   H05K 7/20 20060101ALI20230925BHJP

【ＦＩ】

H01L23/36 D

H05K7/20 F

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2020160231

(22)【出願日】2020-09-24

(65)【公開番号】P2022053401

(43)【公開日】2022-04-05

【審査請求日】2022-07-05

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】317011920

【氏名又は名称】東芝デバイス＆ストレージ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100119035

【弁理士】

【氏名又は名称】池上 徹真

(74)【代理人】

【識別番号】100141036

【弁理士】

【氏名又は名称】須藤 章

(74)【代理人】

【識別番号】100178984

【弁理士】

【氏名又は名称】高下 雅弘

(72)【発明者】

【氏名】竹田 駿

【審査官】佐藤 靖史

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－０１３９３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０５７６６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－１２０４５５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２３／３６

Ｈ０５Ｋ ７／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、
前記基板上に設けられ、前記基板側を向く第１面及び前記第１面側とは反対側に第２面を有する第１半導体装置と、
前記第１半導体装置と隣接し、前記基板上に設けられ、前記基板側を向く第1面及び前記第１面側とは反対側に第２面を有する第２半導体装置と、
前記第１半導体装置の前記第２面上に設けられ、第１半導体装置の前記第２面と接続した第１配線と、
前記第２半導体装置の前記第２面上に設けられ、第２半導体装置の前記第２面と接続した第２配線と、
前記第１配線上に設けられ、前記第１配線と接続した第１中間層と、
前記第２配線上に設けられ、前記第２配線と接続した第２中間層と、
前記第１中間層及び前記第２中間層上に前記第１中間層及び前記第２中間層と接続する板部を有し、前記板部と前記基板の間に柱部又は壁部を有し、前記柱部又は前記壁部を介して前記板部と前記基板が接続して、熱伝導性を有する第３配線を有し、
前記基板は、３Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導性を有し、
前記第１中間層は、３Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導性を有し、
前記第２中間層は、３Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導性を有し、
前記第１半導体装置及び前記第２半導体装置が、各々前記第１中間層及び前記第２中間層を介して前記第３配線と熱接続している半導体モジュール。

【請求項2】

前記第１中間層は、前記第１配線から第３配線方向に電気的に絶縁性であり、
前記第１中間層を介して、前記第１配線と第３配線間は電気的に導通しておらず、
前記第２中間層は、前記第２配線から第３配線方向に電気的に絶縁性であり、
前記第２中間層を介して、前記第２配線と第３配線間は電気的に導通していない請求項１に記載の半導体モジュール。

【請求項3】

前記第１中間層は、セラミック層又は／及び絶縁性の熱伝導性樹脂層を含み、
前記第２中間層は、セラミック層又は／及び絶縁性の熱伝導性樹脂層を含む請求項１又は２に記載の半導体モジュール。

【請求項4】

前記第１半導体装置の前記第１面に第１電極を有し、
前記第１半導体装置の前記第２面に第２電極を有し、
前記第２半導体装置の前記第１面に第１電極を有し、
前記第２半導体装置の前記第２面に第２電極を有し、
前記第１半導体装置の前記第２電極は、前記第１配線を介して前記第２半導体装置の前記第１電極と接続し、
前記第２配線は、前記第３配線と接続し、
前記第１中間層は、前記第１半導体装置の前記第２電極と前記第３配線の間に位置し、
前記第１中間層は、前記第１半導体装置の前記第２電極と熱接続し、
前記第２中間層は、前記第２半導体装置の前記第２電極と前記第３配線の間に位置し、
前記第２中間層は、前記第２半導体装置の前記第２電極と熱接続する請求項１ないし３のいずれか１項に記載の半導体モジュール。

【請求項5】

前記第１半導体装置の前記第１面に第１電極を有し、
前記第１半導体装置の前記第２面に第２電極を有し、
前記第２半導体装置の前記第１面に第２電極を有し、
前記第２半導体装置の前記第２面に第１電極を有し、
前記第１配線と前記第２配線は、開口部が設けられるように連結し、
前記連結した第１配線と第２配線は、前記第１半導体装置の前記第２電極及び前記第２半導体装置の前記第１電極と接続し、
前記第２半導体装置の前記第１電極は、前記第３配線と接続し、
前記開口部に前記第３配線の柱部又は壁部が通り、
前記第１中間層は、前記第１半導体装置の前記第２電極と前記第３配線の間に位置し、
前記第１中間層は、前記第１半導体装置の前記第２電極と熱接続し、
前記第２中間層は、前記第２半導体装置の前記第１電極と前記第３配線の間に位置し、
前記第２中間層は、前記第２半導体装置の前記第１電極と熱接続する請求項１ないし３のいずれか１項に記載の半導体モジュール。

【請求項6】

前記第３配線は、前記半導体モジュールの第１外部電極端子である、又は、前記半導体モジュールの第１外部電極端子と接続している請求項１ないし５のいずれか１項に記載の半導体モジュール。

【請求項7】

前記第１中間層は、第１金属層、セラミック層又は／及び絶縁性の熱伝導性樹脂層、及び、第２金属層が積層した積層構造を有し、
前記第２中間層は、第３金属層、セラミック層又は／及び絶縁性の熱伝導性樹脂層、及び、第４金属層が積層した積層構造を有し、
前記第１金属層は、前記第１配線と接合し、
前記第２金属層は、前記第３配線と接合し、
前記第３金属層は、前記第２配線と接合し、
前記第４金属層は、前記第３配線と接続する請求項１ないし６のいずれか１項に記載の半導体モジュール。

【請求項8】

前記第１半導体装置は、樹脂封止された半導体素子を有し、
前記第２半導体装置は、樹脂封止された半導体素子を有する請求項１ないし７のいずれか１項に記載の半導体モジュール。

【請求項9】

前記第１半導体装置は、ベアチップである半導体素子の表面が前記第１半導体装置の前記第１面であり、
前記第１半導体装置のベアチップの前記表面の反対側が前記第１半導体装置の第２面であり、
前記第２半導体装置は、ベアチップである半導体素子の表面が前記第２半導体装置の前記第１面であり、
前記第２半導体装置のベアチップの前記表面の反対側が前記第２半導体装置の第２面である請求項１ないし８のいずれか１項に記載の半導体モジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明による実施形態は、半導体モジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

従来の半導体パワーモジュールにおいては、例えば、表裏面に銅箔が貼り付けられたセラミック基板に半田を介して半導体装置が実装されている。このような半導体パワーモジュールは、セラミック基板から放熱することができる。半導体装置から発せられた熱をより多く放出することで、半導体パワーモジュールの信頼性を向上することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１７－１０８１３０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明が解決しようとする課題は、信頼性の高い半導体モジュールを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0005】

実施形態の半導体モジュールは、基板と、基板上に設けられ、基板側を向く第１面及び第１面側とは反対側に第２面を有する第１半導体装置と、第１半導体装置と隣接し、基板上に設けられ、基板側を向く第1面及び第１面側とは反対側に第２面を有する第２半導体装置と、第１半導体装置の第２面上に設けられ、第１半導体装置の第２面と接続した第１配線と、第２半導体装置の第２面上に設けられ、第２半導体装置の第２面と接続した第２配線と、第１配線上に設けられ、第１配線と接続した第１中間層と、第２配線上に設けられ、第２配線と接続した第２中間層と、第１中間層及び第２中間層上に第１中間層及び第２中間層と接続する板部を有し、板部と基板の間に柱部又は壁部を有し、柱部又は壁部を介して板部と基板が接続して、熱伝導性を有する第３配線を有する。基板は、３Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導性を有し、第１中間層は、３Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導性を有し、第２中間層は、３Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導性を有し、第１半導体装置及び第２半導体装置が、各々第１中間層及び第２中間層を介して第３配線と熱接続している。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】図１は、実施形態の半導体モジュールの断面図である。

【図2】図２は、実施形態の半導体モジュールの斜視展開図である。

【図3】図３は、実施形態の半導体モジュールの断面図である。

【図4】図４は、実施形態の半導体モジュールの断面図である。

【図5】図５は、実施形態の半導体モジュールの断面図である。

【図6】図６は、実施形態の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】

【0007】

以下、図面を参照して本開示の一実施の形態について説明する。なお、本件明細書に添付する図面においては、図示と理解のしやすさの便宜上、適宜縮尺および縦横の寸法比等を、実物のそれらから変更し誇張してある。

【0008】

以下、図面を用いて実施形態を説明する。なお、図面中、同一又は類似の箇所には、同一又は類似の符号を付している。

【0009】

本明細書中、同一又は類似する部材については、同一の符号を付し、重複する説明を省略する場合がある。

【0010】

本明細書中、部品等の位置関係を示すために、図面の上方向を「上」、図面の下方向を「下」と記述する。本明細書中、「上」、「下」の概念は、必ずしも重力の向きとの関係を示す用語ではない。

【0011】

さらに、本明細書において用いる、形状や幾何学的条件並びにそれらの程度を特定する、例えば、「平行」、「直交」、「同一」等の用語や長さや角度の値等については、厳密な意味に縛られることなく、同様の機能を期待し得る程度の範囲を含めて解釈することとする。

【0012】

（第１実施形態）
第１実施形態は、半導体モジュールに関する。半導体装置に関する。第１実施形態は、より具体的には、パワー半導体モジュールに関する。図１に実施形態の半導体モジュール１００の断面図を示す。図２に実施形態の半導体モジュール１００の斜視展開図を示す。図１及び図２には、半導体モジュール１００の要部を表している。なお、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向は、互いに交差し、互いに直交することが好ましい。半導体モジュール１００は、例えば、風力発電システム、太陽光発電システム及び車両などにおいて、インバータ等の電力変換装置に用いることができるものである。

【0013】

半導体モジュール１００は、基板１０と、第１半導体装置２０Ａと、第２半導体装置２０Ｂと、第１配線３１と、第２配線３２と、第３配線３３と、第４配線３４と、第１中間層４１と、第２中間層４２と、外装材５０とを有する。第１半導体装置２０Ａと第２半導体装置２０Ｂは、基板１０及び外装材５０で構成されたケース内に配置されている。

【0014】

基板１０は、絶縁性の支持体である。基板１０の表面には、配線層１１、配線層１２と配線層１３が設けられている。基板１０は、セラミック層又は／及び絶縁性の熱伝導性樹脂層を含むことが好ましい。絶縁性の熱伝導性樹脂層は、好ましくは、フィラーを含有する。フィラーは、例えば、窒化ホウ素、アルミナ、窒化アルミ、窒化ケイ素および炭化ケイ素などからなる群より選ばれる１種以上である。基板１０は、第１半導体装置２０Ａや第２半導体装置２０Ｂが発した熱を外部に放熱する部材であって、熱伝導性が高いことが好ましい。基板１０は、３Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導性を有することが好ましい。基板１０は、１７ｋＶ／ｍｍ以上の絶縁耐圧を有していることが好ましい。基板１０上の配線層１１と配線層１２上には、第１半導体装置２０Ａ及び第２半導体装置２０Ｂが設けられている。

【0015】

配線層１１、配線層１２及び配線層１３は、ＣｕやＡｌを含有する導電層である。配線層１１、配線層１２及び配線層１３は、Ｙ方向にも延びている。基板１０上で配線層１１、配線層１２及び配線層１３は、それぞれ離間している。配線層１１上に第１半導体装置２０Ａ及び第４配線３４が設けられていて、電気的に接続している。配線層１２上に第２半導体装置２０Ｂ及び第１配線３１が設けられ、電気的に接続している。配線層１３上に第２配線３２及び第３配線が設けられ、電気的に接続している。部材間の接続は、ハンダや導電性ペーストを用いて、部材間を接合することが好ましい。配線層１１と第１半導体装置２０Ａの接合部分などに用いられる接合部材は図示を省略している。

【0016】

半導体モジュール１００は、半導体装置を有する。図１において、半導体モジュール１００の左側に第１半導体装置２０Ａ、半導体モジュール１００の右側に第２半導体装置２０Ａが位置している。第１半導体装置２０Ａと第２半導体装置２０Ｂは隣接している。半導体装置は、Ｘ方向及びＹ方向に実装され、１つの半導体モジュールに例えば１０個以上の半導体装置が含まれる。第１半導体装置２０Ａ及び第２半導体装置２０Ｂは、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）又はＭＯＳＦＥＴである。第１半導体装置２０Ａと第２半導体装置２０Ｂは、同じ半導体素子を有することが好ましい。

【0017】

第１実施形態の第１半導体装置２０Ａは、半導体素子が封止樹脂２１で封止されている。第１半導体装置２０Ａの基板１０側を向く面は、第１面である。第１半導体装置２０Ａの第１面とは反対側の面は第２面である。第１半導体装置２０Ａの第１面は基板１０と対向する。第１半導体装置２０Ａの第１面は第１配線３１と接続している。第１半導体装置２０Ａは、第１電極２２と第２電極２３を有する。第１半導体装置２０Ａの第１面には第１電極２２が設けられていて、第１電極２２は、配線層１１と電気的に接続している。配線層１１は、第４配線３４とも電気的に接続している。第１半導体装置２０Ａの第２面は配線層１１と接続している。第１半導体装置２０Ａの第２面には第２電極２３が設けられていて、第２電極２３は、第１配線３１と電気的に接続している。第１半導体装置２０Ａの第１電極２２は、例えばエミッタ電極（ソース電極）で、第２電極２３は例えばコレクタ電極（ドレイン電極）であるか、又はその逆である。第１半導体装置２０Ａからは、制御用の第３電極２４が延びている。第３電極２４は例えばゲート電極である。

【0018】

第１実施形態の第２半導体装置２０Ｂは、半導体素子が封止樹脂２１で封止されている。第２半導体装置２０Ｂの基板１０側を向く面は、第１面である。第２半導体装置２０Ｂの第１面とは反対側の面は第２面である。第２半導体装置２０Ｂの第１面は基板１０と対向する。第２半導体装置２０Ｂの第１面は第１配線３１と接続している。第２半導体装置２０Ｂは、第１電極２２と第２電極２３を有する。第２半導体装置２０Ｂの第１面には第１電極２２が設けられていて、第１電極２２は、配線層１２と電気的に接続している。配線層１２は、第１配線とも電気的に接続している。第２半導体装置２０Ｂの第２面は第２配線３２と接続している。第２半導体装置２０Ｂの第２面には第２電極２３が設けられていて、第２電極２３は、第２配線３２と電気的に接続している。第２半導体装置２０Ｂの第１電極２２は、例えばエミッタ電極（ソース電極）で、第２電極２３は例えばコレクタ電極（ドレイン電極）であるか、又はその逆である。第２半導体装置２０Ｂからは、制御用の第３電極２４が延びている。第３電極２４は例えばゲート電極である。

【0019】

第１半導体装置２０Ａと第２半導体装置２０Ｂは、直列に接続している。図２のようにＹ方向に複数の第１半導体装置２０Ａが設けられている場合、第Ｙ方向に並んだ第１半導体装置２０Ａは並列に接続している。図２のようにＹ方向に複数の第２半導体装置２０Ｂが設けられている場合、第Ｙ方向に並んだ第２半導体装置２０Ｂは並列に接続している。

【0020】

第１半導体装置２０Ａの第２電極２３と第２半導体装置２０Ｂの第１電極２２は、第１配線３１を介して電気的に接続し、より具体的には、第１配線３１及び配線層１２を介して電気的に接続している。

【0021】

第１配線３１は、第１半導体装置２０Ａの第２電極２３と第２半導体装置２０の第１電極２２を電気的に接続する導電性部材である。第１配線３１は、ＣｕやＡｌを主体とする金属で構成された導電性部材である。

【0022】

第１配線３１は、第１半導体装置２０Ａの第２電極２３から配線層１２に向かって延在している。第１配線３１は、配線層１２の第１半導体装置２０Ａ側につながっている。配線層１２は、半導体モジュール１００のいわゆるコレクタ兼エミッタ端子と呼ばれる外部端子と接続していてもよい。第１配線３１などの配線は、配線層１２と対向するように面接触する足を設け、配線層１２と超音波接合していてもよい。超音波接合によってハンダなどによる接合よりもより強固に接合することができる。第２配線３２等と他の部材との接合にも超音波接合を採用することが好ましい。

【0023】

第２配線３２は、第２半導体装置２０Ａの第２電極２３と第３配線３３を電気的に接続する導電性部材である。第２配線３２は、ＣｕやＡｌを主体とする金属で構成された導電性部材である。
第２配線３２は、配線層１３を介して第３配線３３と接続している。

【0024】

第１中間層４１は第１配線３１上に設けられていて第１配線３１と接続している。第１中間層４１は、第１配線３１と第３配線３３の間に位置している。第１中間層４１は、熱伝導性に優れる。第１中間層４１は３Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導性を有することが好ましい。第１中間層４１は、第１半導体装置２０Ａの第２電極２３と熱接続している。第１中間層４１は、第１半導体装置２０Ａと第３配線３３間の熱を伝える伝熱経路である。また、第１中間層４２は、第３配線３３と熱接続している。第１中間層４１を介して、第１配線３１と第３配線３３が電気的に接続するとショートするため、第１中間層４１を介して、第１配線３１と第３配線３３間が電気的に導通しない。第１中間層４１は、第１配線３１から第３配線３３方向に、１７ｋＶ／ｍｍ以上の絶縁耐圧を有していることが好ましい。第１中間層４１は、絶縁性部材であるか第１配線３１と第１中間層４１が積層する方向において絶縁耐性を有する層を有する。第１中間層４１は、セラミック層又は／及び絶縁性の熱伝導性樹脂層を含むことが好ましい。第１中間層４１を経る経路で熱を伝えやすくするために、第１中間層４１の熱伝導率［Ｗ／ｍＫ］は、第１半導体装置２０Ａの熱伝導率［Ｗ／ｍＫ］よりも高いことが好ましい。

【0025】

第２中間層４２は、第２配線３２上に設けられていて第２配線３２と接続している。第２中間層４２は、第２配線３１と第３配線３３の間に位置している。第２中間層４２は熱伝導性に優れる。第２中間層４２は３Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導性を有することが好ましい。第２中間層４２は、第２半導体装置２０Ｂの第２電極２３と熱接続している。第２中間層４２は、第２半導体装置２０Ｂと第３配線３３間の熱を伝える伝熱経路である。また、第２中間層４２は、第３配線３３と熱接続している。第２中間層４２を介して、第２配線３２と第３配線３３間が電気的に導通しないことが好ましい。第２中間層４２は、第２配線３２から第３配線３３方向に、１７ｋＶ／ｍｍ以上の絶縁耐圧を有していることが好ましい。第２中間層４２は、絶縁性部材であるか第２配線３２と第２中間層４２が積層する方向において絶縁耐性を有する層を有することが好ましい。第２中間層４１は、セラミック層又は／及び絶縁性の熱伝導性樹脂層を含むことが好ましい。第２中間層４２を経る経路で熱を伝えやすくするために、第２中間層４２の熱伝導率［Ｗ／ｍＫ］は、第２半導体装置２０Ｂの熱伝導率［Ｗ／ｍＫ］よりも高いことが好ましい。

【0026】

第３配線３３は、第１中間層４１及び第２中間層４１上に第１中間層４１及び第２中間層４２と接続する板部３３ａを有し、板部３３ａと基板１０の間に柱部３３ｂ又は壁部３３ｂを有する。第３配線３３の板部３３ａは第１半導体装置２０Ａ及び第２半導体装置２０Ｂを覆うようにＸーＹ平面方向に広がっている。第３配線は、ＣｕやＡｌを主体とする金属で構成された導電性部材である。第３配線３３は、配線層１３と電気的に接続している。第３配線３３は、半導体モジュール１００の外部に露出した第１外部電極端子となる端子部３３ｃを有するか図示しない電極端子（第１外部電極端子）と接続している。第３配線３３は、第１中間層４１及び第２中間層４２と熱接続していることが好ましい。第１中間層４１及び第２中間層４２と接続した第３配線３３を設けると、第１半導体装置２０Ａと第２半導体装置２０Ｂから発せられた熱が伝わるループ状の経路ができる。第１半導体装置２０Ａと第２半導体装置２０Ｂから基板１０側に伝わった熱は、基板１０の半導体装置側とは反対側の面であるパッケージの外表面側から放熱し易い構成である。第１半導体装置２０Ａの第２電極２３側で発生された熱は、第１半導体装置２０Ａを経るか、第１配線３１及び第２配線層１２を経ることで基板１０に伝わり半導体モジュール１００の外部に放熱しやすい。そして、第３配線３３を設けることで、第１配線３１に伝わった熱が、第３配線３３の板部３３ａ及び柱部３３ｂ又は壁部３３ｂを経て基板１０に伝わり、半導体モジュール１００の外部に熱を放出し易くなる。第３配線３３の柱部３３ｂ又は壁部３３ｂの体積を大きくすること、つまり、太い柱部３３ｂ又は厚い壁部３３ｂを板部３３ａと接続することで、効率良く放熱することができる。柱部３３ｂや壁部３３ｂは、半導体モジュール１００の外部電極端子と接続するための導電性部分であるため、放熱のために新たな基板１０のスペースを必要としない。基板１０に追加のスペースを作らず、つまり、パッケージ面積を増やさずに効率的な放熱経路を増やすことができる。放熱経路を増やすことで、第１半導体装置２０Ａ及び第２半導体装置２０Ｂの冷却がし易くなり、第１半導体装置２０Ａ及び第２半導体装置２０Ｂの故障リスクを下げ、半導体モジュール１００の信頼性を向上することができる。第３配線３３は外装材５０とも接していることから、第３配線３３に伝わった熱が外装材５０を通しても放熱し易い構成となっている。

【0027】

第３配線３３の柱部３３ｂは、Ｙ方向に複数部分離して板部３３ａと接続するように設けられている。第３配線３３の壁部３３ｂは、図２に示すようにＹ方向に延びた形状を有し、板部３３ａと接続している。板部３３ａの形状は、厳密な板形状に限定されず、一部に平坦面を有していたり、波型の形状を有していたり、凹凸を有していてもよい。また、柱部３３ｂ及び柱部３３ｂは、板部３３ａからＺ方向に延びていればよく、例えば、第１配線３１のように平坦面と傾斜面を組み合わせた形状でもよい。壁部３３ｂの形状も柱部３３ｂと同様に板部３３ａからＺ方向に延びていればよい。板部３３ａ、柱部３３ｂ、壁部３３ｂには、図示していない開口部を設けてもよい。他の配線の板部、柱部及び壁部も第３配線３３の板部３３ａ、柱部３３ｂ、壁部３３ｂと同様に広義に解釈される。

【0028】

第３配線３３には、第２半導体装置２０Ｂの第３電極２４が通る開口部３３ｄを有することが好ましい。図２では、開口面がＹ方向に延びる大きな長方形状である。図２のように複数の第３電極２４が通る開口部３３ｄを採用することもできるし、１つの第３電極２４に対して１つの開口部を設けることもできる。

【0029】

第４配線３４は、配線層１１と第１半導体装置２０Ａの第１電極２２と電気的に接続している。第４配線３４は、ＣｕやＡｌを主体とする金属で構成された導電性部材である。第４配線３４は、柱部３４ａ又は壁部３４ａと半導体モジュール１００の外部に露出した第２外部電極端子となる端子部３４ｂを有する。第４配線３４が端子部３４ｂを有しない場合は、第４配線３４は、図示しない第２外部電極端子に接続している。

【0030】

外装材５０は、第１半導体装置２０Ａの第３電極２４及び第２半導体装置２０Ｂの第３電極２４が通る開口部５０ａを有することが好ましい。外装材５０の開口部５０ａは、例えば絶縁性の樹脂で封止されていることが好ましい。

【0031】

配線に関わる部材は、金属からなる材料で構成されていてもよいし、電気的に接続する面以外の部分に絶縁性で熱伝導性の高い部材を貼り合わせた材料で構成されていてもよい。

【0032】

（第２実施形態）
第２実施形態は、半導体モジュールに関する。図３に第２実施形態の半導体モジュール１０１の断面図を示す。第２実施形態の半導体モジュール１０１は、半導体素子が樹脂封止された半導体装置に代えて樹脂封止されていないベアチップ（半導体素子）２０Ｃ、２０Ｄを第１半導体装置２０Ｃ、第２半導体装置２０Ｄとして用いていて、第４配線３４に板部３４ｃを設け、半導体素子２０Ｃ、２０Ｄからの熱を第４配線３４を介して基板１０に伝える構成であることが第１実施形態の半導体モジュール１００と異なる。第１実施形態の半導体モジュール１００と第２実施形態の半導体モジュール１０１で共通する内容については、その説明を省略する。

【0033】

ベアチップ２０Ｃ、２０Ｄは、絶縁性の樹脂で封止していない分半導体装置２０Ａ及び半導体装置２０Ｂよりも薄いため、半導体モジュール１０１のパッケージ高さを低くすることができる。実施形態では、パッケージ高さを低くせずに、第４配線３４に板部３４ｃを設け、より放熱性の高いパッケージの例を示している。

【0034】

ベアチップである半導体素子の表面が第１半導体装置２０Ｃの基板１０側の面が第１面であり、第１半導体装置２０Ｃのベアチップの第１面の反対側が第１半導体装置２０Ｃの第１面の第２面である。第１半導体装置２０Ｃの第１面と第２面のそれぞれに第１電極、第２電極が設けられている。

【0035】

第２半導体装置２０Ｄは、ベアチップである半導体素子の基板１０側の面が第２半導体装置２０Ｄの第１面であり、第２半導体装置２０Ｄのベアチップの第１面の反対側が第２半導体装置２０Ｄの第２面である。第２半導体装置２０Ｄの第１面と第２面のそれぞれに第１電極、第２電極が設けられている。

【0036】

半導体モジュール１０１は、第３中間層４３及び第４中間層４４を有する。

【0037】

第４配線３４の板部３４ｃは、第３配線３３の板部３３ａ上でＸ－Ｙ面方向に広がっている。板部３３ａには、第１半導体装置２Ｃの第３配線２４を通す開口部３４ｄと、第２半導体装置２Ｄの第３配線２４を通す開口部３４ｅが設けられている。

【0038】

第３中間層４３は、第１中間層４１上の第３配線３３の板部３３ａと第４配線３４の板部３４ｃの間に位置している。第３中間層４３は、第１中間層４１上の第３配線３３の板部３３ａ及び第４配線３４の板部３４ｃと熱接続している。第１半導体装置２０Ｃ及び第２半導体装置２０Ｄから第３配線３３へ伝わった熱がさらに第３中間層４３を介して第４配線３４に伝わり、第４配線３４から基板１０の裏面を介して放熱することができる。

【0039】

第４中間層４４は、第２中間層４２上の第３配線３３の板部３３ａと第４配線３４の板部３４ｃの間に位置している。第４中間層４４は、第２中間層４２上の第３配線３３の板部３３ａ及び第４配線３４の板部３４ｃと熱接続している。第１半導体装置２０Ｃ及び第２半導体装置２０Ｄから第３配線３３へ伝わった熱がさらに第４中間層４４を介して第４配線３４に伝わり、第４配線３４から基板１０の裏面を介して放熱することができる。

【0040】

第３中間層４３及び第４中間層４４を設け、第３配線３３に伝わった熱を第４配線３４から基板１０へ伝える経路が形成されている。従って、半導体装置を更に冷却し易い構成となっており、半導体モジュール１０１の信頼性が高まる。

【0041】

（第３実施形態）
第３実施形態は、半導体モジュールに関する。図４に第３実施形態の半導体モジュール１０２の断面図を示す。第３実施形態の半導体モジュール１０２は、第２半導体装置２０Ｂの基板１０側の第１面に第２電極２３を有し、第１面側とは反対側の第２面に第１電極２２を有するように第２半導体装置２０Ｂが配置され、第１配線３１と第２配線３２は、開口部３５が設けられるように連結し、連結した第１配線３１と第２配線３２は、第１半導体装置２０Ａの第２電極２３及び第２半導体装置２Ｂの第１電極２２と接続し、第２半導体装置２０Ａの第１電極２２は、配線層１３を介して第３配線３３と接続し、開口部３５に第３配線３３の柱部３３ｄ又は壁部３３ｄが通ることが第１実施形態の半導体モジュール１００と異なる。第１実施形態から第２実施形態の半導体モジュール１００、１０１と第３実施形態の半導体モジュール１０２で共通する内容については、その説明を省略する。

【0042】

第３実施形態の半導体モジュール１０１は、第２半導体装置２０Ｂを第１半導体装置２０Ａから反転させたように実装させた形態である。第１実施形態では第１半導体装置２０Ａと第２半導体装置２０Ｂの極性が揃っていいたが、第３実施形態では、逆極性になるように半導体装置を実装させた場合に第３配線３３を介して半導体装置から発せられた熱を基板１０から放出する一形態を示している。

【0043】

第３実施形態では、逆極性になるように半導体装置は実装されていて、第１配線３１と第２配線３２が連結していることから、配線層１２の役割を第１配線３１と第２配線３２が連結した部材が担っているため、基板１０上の配線層を介さずに第１半導体装置２０Ａと第２半導体装置２０Ｂ間を電気的に接続させている。

【0044】

第３配線３３の柱部３３ｂ又は壁部は、連結した第１配線３１と第２配線３２の開口部３５を通り、基板１０上に設けられている配線層１３を介して第２半導体装置２Ｂの第２電極２３と電気的に接続している。このようにして第３配線３３を経た熱が基板１０から放熱することができる。

【0045】

第２半導体装置２０Ｂの第１電極２２は第２配線３２と接続している。第１配線３１と第２配線３２が連結していることから、第１半導体装置２０Ａの第２電極２３と第２半導体装置２０Ｂの第１電極２２Ａは、連結した第１配線３１と第２配線３２を介して電気的に接続している。

【0046】

第１中間層４１は、実施形態１と同様に第１半導体装置２０Ａの第２電極２３と第３配線３３の間に位置している。そして、第１中間層４１は、第１半導体装置２０Ａの第２電極２３及び第３配線３３と熱接続している。また、第２中間層４２は、第２半導体装置２０Ｂの第１電極２２と第３配線３３の間に位置している。そして、第２中間層４２は、第２半導体装置２０Ｂの第１電極２２及び第３配線３３と熱接続している。

【0047】

第３実施形態においても、第１実施形態などと同様に基板１０に追加のスペースを設けずに第１中間層４１及び第２中間層４２で熱を伝えることで、半導体装置を冷却し易い構成となっており、半導体モジュール１０２の信頼性が向上する。

【0048】

（第４実施形態）
第４実施形態は、半導体モジュールに関する。図５に第４実施形態の半導体モジュール１０３の断面図を示す。第４実施形態の半導体モジュール１０３は、柱部３３ｂ又は壁部３３ｂが第３配線３３に含まれず、柱状又は壁状の第５配線３６が第３配線３３と配線層１３を接続し、第１中間層４１が第１金属層４１ｂ、セラミック層４１ａ又は／及び絶縁性の熱伝導性樹脂層４１ａ、及び、第２金属層４１ｃが積層した積層構造を有し、第２中間層４２は、第３金属層４２ｂ、セラミック層４２ａ又は／及び絶縁性の熱伝導性樹脂層４２ａ、及び、第４金属層４２ｃが積層した積層構造を有ししていることが第３実施形態の半導体装置１０２と異なる。第１実施形態から第３実施形態の半導体モジュール１００、１０１、１０２と第４実施形態の半導体モジュール１０３で共通する内容については、その説明を省略する。

【0049】

柱部３３ｂ又は壁部３３ｂの無い第３配線３３を用い、柱状又は壁状の第５配線３６を第３配線３３と基板１０上の配線層１３の間に設け、第５配線３６によって、第３配線３３と第２半導体装置２０Ｂの第２電極２３を電気的に接続している。第３配線３３に柱部３３ｂや壁部３３ｂを設ける場合、加工上の理由で、柱部３３ｂや壁部３３ｂの形状に制限が生じることがある。そのような場合、張り出し部分の大きな柱部３３ｂや壁部３３ｂを別部材（第５配線３６）として用意し第３配線３３及び配線層１３と接合することが好ましい。第５配線３６と第３配線３３及び配線層１３とは、ハンダや導電性ペーストを用いて接合層３７、３８を形成して接合することが好ましい。

【0050】

第１中間層４１は、第１金属層４１ｂ、セラミック層４１ａ又は／及び絶縁性の熱伝導性樹脂層４１ａ、及び、第２金属層４１ｃが積層した積層構造を有することが好ましい。金属層に挟まれた絶縁層を有する構成を採用することで、高い絶縁性と放熱性を両立することができる。第１金属層４１ｂは、ハンダや焼結した導電性ペーストなどで第１配線３１と接合していることが好ましい。第２金属層４１ｃは、ハンダや焼結した導電性ペーストなどで第３配線３３と接合していることが好ましい。

【0051】

第２中間層４２は、第３金属層４２ｂ、セラミック層４２ａ又は／及び絶縁性の熱伝導性樹脂層４２ａ、及び、第４金属層４２ｃが積層した積層構造を有することが好ましい。金属層に挟まれた絶縁層を有する構成を採用することで、高い絶縁性と放熱性を両立することができる。第３金属層４２ｂは、ハンダや焼結した導電性ペーストなどで第１配線３１と接合していることが好ましい。第４金属層４２ｃは、ハンダや焼結した導電性ペーストなどで第３配線３３と接合していることが好ましい。

【0052】

第４実施形態においても、第１実施形態などと同様に基板１０に追加のスペースを設けずに第１中間層４１及び第２中間層４２で熱を伝えることで、半導体装置を冷却し易い構成となっており、半導体モジュール１０３の信頼性が向上する。

【0053】

（第５実施形態）
第５実施形態は、半導体モジュールに関する。図６に第５実施形態の半導体モジュール１０４の断面図を示す。第５実施形態の半導体モジュール１０４は、板部３３ａの第５配線３６と接続している部分において、第５配線３６に向かって凸部を有することが第４実施形態の半導体モジュール１０３と異なる。第１実施形態から第４実施形態の半導体モジュール１００、１０１、１０２、１０３と第５実施形態の半導体モジュール１０４で共通する内容については、その説明を省略する。

【0054】

第５配線３６を経て熱が基板１０へ伝わる構成を採用しているため、第５配線３６と配線層１３の接合層３７及び第５配線３６と第３配線３３の接合層３８は、熱サイクルによる負荷がかかりやすく接合層３７、３８の信頼性が低下する場合がある。そこで、第５配線３６の高さが高い場合に、第５配線３６の高さを低くするために板部３３ａの第５配線３６と接続している部分において、第５配線３６に向かって凸部を有することが好ましい。第３配線層３３に凸部による変形部分があり、歪みを解消しやすい点でも好ましい。

【0055】

第５実施形態においても、第１実施形態などと同様に基板１０に追加のスペースを設けずに第１中間層４１及び第２中間層４２で熱を伝えることで、半導体装置を冷却し易い構成となっており、半導体モジュール１０４の信頼性が向上する。

【0056】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0057】

１００、１０１、１０２、１０３、１０４…半導体装置、１０…基板、１１…配線層、１２…配線層、１３…配線層、２０…半導体装置、２１…封止樹脂、２２…第１電極、２３…第２電極、３１…第１配線、３２…第２配線、３３…第３配線、３４…第４配線、３５…開口部、３６…第５配線、４１…第１中間層、４２…第２中間層、４３…第３中間層、４４…第４中間層、５０…外装材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】