特許 7543655 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】2024-08-26

(45)【発行日】2024-09-03

(54)【発明の名称】半導体モジュール

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/12 20060101AFI20240827BHJP

   H01L 25/07 20060101ALI20240827BHJP

   H01L 25/18 20230101ALI20240827BHJP

   H01L 23/48 20060101ALI20240827BHJP

   B23K 1/19 20060101ALN20240827BHJP

【ＦＩ】

H01L23/12 K

H01L25/04 C

H01L23/48 G

B23K1/19 H

【請求項の数】 14

(21)【出願番号】P 2020023584

(22)【出願日】2020-02-14

(65)【公開番号】P2021129045

(43)【公開日】2021-09-02

【審査請求日】2023-01-16

【前置審査】

(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】110002918

【氏名又は名称】弁理士法人扶桑国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】上里 良憲

【審査官】井上 和俊

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－１９５７２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０４１８７６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２３／１２

Ｈ０１Ｌ ２５／０７

Ｈ０１Ｌ ２３／４８

Ｂ２３Ｋ １／１９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

セラミック板と、
前記セラミック板の一方の主面に形成された回路パターン用金属板と、
前記回路パターン用金属板にはんだによって接合される接合面を含む接合部を有し、前記回路パターン用金属板の縁部の側に前記接合面が前記はんだにより接合された外部接続端子と、
前記回路パターン用金属板と前記外部接続端子との間であって前記回路パターン用金属板の前記縁部の側に配置されていて前記回路パターン用金属板よりも線膨張係数が低い低線膨張係数金属板と、を備え、
前記外部接続端子の前記接合部の外周の一部が、平面視で前記低線膨張係数金属板の端部から所定距離離れて前記低線膨張係数金属板に重なり、
前記回路パターン用金属板は、前記低線膨張係数金属板の配置位置に前記低線膨張係数金属板を位置決めする凹部を有している、
半導体モジュール。

【請求項2】

前記外部接続端子を前記回路パターン用金属板に接合する前記はんだの領域が前記回路パターン用金属板の対向する２箇所の前記縁部に挟まれて接しているとき、前記低線膨張係数金属板は、前記回路パターン用金属板のそれぞれの前記縁部の側に配置されている、請求項１記載の半導体モジュール。

【請求項3】

前記外部接続端子は、前記接合部と前記接合部から前記接合面とは反対側の方向に延びる導電部とを有するＬ字状の屈曲部材である、請求項１記載の半導体モジュール。

【請求項4】

前記外部接続端子は、前記接合部と前記導電部とを接続する屈曲部分が前記回路パターン用金属板の前記縁部に沿う方向に配置されている、請求項３記載の半導体モジュール。

【請求項5】

前記外部接続端子は、前記屈曲部分が前記回路パターン用金属板の前記縁部の側に配置されている、請求項４記載の半導体モジュール。

【請求項6】

前記外部接続端子は、前記接合部の前記屈曲部分とは反対側に位置する先端部分が前記回路パターン用金属板の前記縁部の側に配置されている、請求項４記載の半導体モジュール。

【請求項7】

前記外部接続端子は、前記接合部と前記接合部から前記接合面とは反対側の方向に延びる導電部とを有し、前記接合部と前記導電部とを接続する屈曲部分が前記回路パターン用金属板の一方の前記縁部の側に配置され、前記接合部の前記屈曲部分とは反対側に位置する先端部分が前記回路パターン用金属板の他方の前記縁部の側に配置されている、請求項２記載の半導体モジュール。

【請求項8】

前記低線膨張係数金属板は、前記回路パターン用金属板の前記縁部に沿う方向において前記接合部の第１の長さよりも長い長辺と、前記回路パターン用金属板の前記縁部に対して直角方向において前記接合部の第２の長さよりも短い短辺と、を有する、請求項３記載の半導体モジュール。

【請求項9】

前記低線膨張係数金属板は、前記接合部の第２の長さを１としたとき、前記短辺の長さを０．１ないし０．３とした、請求項８記載の半導体モジュール。

【請求項10】

前記低線膨張係数金属板は、前記はんだの厚さを１としたとき、厚さを０．１ないし０．５とした、請求項８記載の半導体モジュール。

【請求項11】

前記低線膨張係数金属板は、前記回路パターン用金属板の前記縁部の側とは反対側の辺の中央部に切欠き部を有する、請求項８記載の半導体モジュール。

【請求項12】

前記低線膨張係数金属板は、前記回路パターン用金属板の前記縁部に沿う方向にある前記外部接続端子の前記接合部の角部の直下にそれぞれ配置されている、請求項１記載の半導体モジュール。

【請求項13】

前記低線膨張係数金属板は、モリブデンを主材料とする金属である、請求項１記載の半導体モジュール。

【請求項14】

前記低線膨張係数金属板は、表面がニッケルまたは錫でコーティングされている、請求項１３記載の半導体モジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電力用半導体素子と電気的に接続される外部接続端子（リードフレーム）を備えた半導体モジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

モータ駆動用インバータ装置などの電力変換装置には、半導体モジュールが用いられている。半導体モジュールは、セラミック板の両側の主面に回路パターン用金属板および放熱板が形成された絶縁基板と、回路パターン用金属板に搭載される電力用半導体素子および外部接続端子と、放熱板に接合されるベース板と、ケースとを備えている。電力用半導体素子としては、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）およびＦＷＤ（Free Wheeling Diode）またはＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）が用いられている。

【0003】

回路パターン用金属板への電力用半導体素子および外部接続端子の接合は、生産性を考慮し、はんだ付けが主流になっている。外部接続端子を回路パターン用金属板に接合するはんだについては、外部接続端子と回路パターン用金属板との間の電気的接続がオープンにならないよう、外部接続端子と回路パターン用金属板との間には十分なはんだが充填されている。

【0004】

このような半導体モジュールでは、動作時に電力用半導体素子の発熱による熱サイクルが発生し、セラミック板の外部接続端子の搭載位置には、はんだおよび回路パターン用金属板の膨張・収縮による熱応力がかかる。はんだは、回路パターン用金属板よりも線膨張係数が大きく、しかも、ボリュームもあって、セラミック板にかかる応力をより大きくしている。また、電力用半導体素子の発熱によりベース板が熱変形すると、ケースも変形するので、ケースに固定された外部接続端子は、ケースから圧縮応力および引っ張り応力を受けることになる。このため、セラミック板は、外部接続端子が搭載される回路パターン用金属板の周縁部に応力が集中することになるので、応力集中部にクラックが生じ、絶縁破壊のリスクが高まることになる。

【0005】

従前より、半導体素子の発熱に起因する応力を緩和する手段として、線膨張係数の低い材料を用いることが提案されている（たとえば、特許文献１，２参照）。特許文献１に記載の技術では、回路パターン用金属板を銅板と、銅板の銅よりも線膨張係数の低い材料の金属板とを積層した積層構造にし、半導体素子と回路パターン用金属板との接合部に応力がかかることによる半導体装置の破損を防止している。また、特許文献２に記載の技術では、半導体素子の外周と回路パターンとの間に枠形状の低熱膨張材を設置し、半導体素子にかかる熱膨張差による応力を低減している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２０１２－２５３１２５号公報

【文献】特開２０１４－４１８７６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

特許文献１，２に記載の技術は何れも、半導体素子と回路パターン用金属板との線膨張係数差による応力を受けて半導体素子が破損してしまうことを回避するものであり、外部接続端子に応力がかかることによりセラミック板にクラックが発生することを回避するものではない。

【0008】

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、外部接続端子に応力がかかることによりセラミック板にクラックが発生することを回避した半導体モジュールを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明では、上記の課題を解決するために、１つの案では、セラミック板と、セラミック板の一方の主面に形成された回路パターン用金属板と、回路パターン用金属板にはんだによって接合される接合面を含む接合部を有し、回路パターン用金属板の縁部の側に接合面がはんだにより接合された外部接続端子と、回路パターン用金属板と外部接続端子との間であって回路パターン用金属板の縁部の側に配置されていて回路パターン用金属板よりも線膨張係数が低い低線膨張係数金属板と、を備え、外部接続端子の接合部の外周の一部が、平面視で低線膨張係数金属板の端部から所定距離離れて低線膨張係数金属板に重なり、回路パターン用金属板は、低線膨張係数金属板の配置位置に低線膨張係数金属板を位置決めする凹部を有している、半導体モジュールが提供される。

【発明の効果】

【0010】

上記構成の半導体モジュールは、低線膨張係数金属板が熱膨張差で発生する、外部接続端子から回路パターン用金属板への応力を緩和するので、回路パターン用金属板の縁部の直下のセラミック板にかかる応力も緩和されるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】第１の実施の形態に係る半導体モジュールの断面を示す断面図である。

【図2】第１の実施の形態に係る半導体モジュールの内部を平面で示す図である。

【図3】外部接続端子の例を示す斜視図である。

【図4】低線膨張係数金属板の寸法を説明する図であって、（Ａ）は低線膨張係数金属板のサイズを外部接続端子のサイズとの関係で示し、（Ｂ）は低線膨張係数金属板の厚さをはんだの厚さとの関係で示している。

【図5】外部接続端子の配置を示す図であって、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は平面図である。

【図6】外部接続端子の配置の変形例を示す図であって、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は平面図である。

【図7】構成部材の物性の例を示す図である。

【図8】低線膨張係数金属板の第１の変形例を示す図である。

【図9】低線膨張係数金属板の第２の変形例を示す図である。

【図10】第２の実施の形態に係る半導体モジュールにおける外部接続端子搭載部の断面を示す部分断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、添付図面を参照しながら、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図中、同一の符号で示される部分は、同一の構成要素を示している。また、各実施の形態は、矛盾のない範囲で複数の実施の形態を部分的に組み合わせて実施することが可能である。

【0013】

［第１の実施の形態］
図１は第１の実施の形態に係る半導体モジュールの断面を示す断面図、図２は第１の実施の形態に係る半導体モジュールの内部を平面で示す図、図３は外部接続端子の例を示す斜視図である。図４は低線膨張係数金属板の寸法を説明する図であって、（Ａ）は低線膨張係数金属板のサイズを外部接続端子のサイズとの関係で示し、（Ｂ）は低線膨張係数金属板の厚さをはんだの厚さとの関係で示している。図５は外部接続端子の配置を示す図であって、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は平面図である。図６は外部接続端子の配置の変形例を示す図であって、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は平面図である。図７は構成部材の物性の例を示す図である。なお、図２は、外部接続端子およびケースを除いた状態を示している。

【0014】

第１の実施の形態に係る半導体モジュール１０は、セラミック板１１と、回路パターン用金属板１２，１３，１４と、放熱板１５と、半導体素子１６，１７と、外部接続端子１８，１９と、ベース板２０と、ケース２１とを備えている。なお、図２に示す半導体モジュール１０の例では、回路パターン用金属板１２，１３を接続するボンディングワイヤ１０ａを有している。

【0015】

半導体素子１６，１７は、電力用半導体素子であればよく、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子、または、ＦＷＤとすることができる。半導体素子１６，１７は、また、スイッチング素子とダイオードとを一体化したＲＣ（逆導通）－ＩＧＢＴであってもよい。このような半導体素子１６，１７の材料は、シリコン（Ｓｉ）または炭化シリコン（ＳｉＣ）である。

【0016】

セラミック板１１、回路パターン用金属板１２，１３，１４および放熱板１５は、絶縁基板を構成している。回路パターン用金属板１２，１３，１４は、セラミック板１１の一方の主面に形成され、放熱板１５は、セラミック板１１の他方の主面の全面に形成され、はんだ２２によってベース板２０に接合されている。

【0017】

セラミック板１１の厚さは、０．２ｍｍ以上、１．２ｍｍ以下である。セラミック板１１は、薄すぎると曲げ応力や衝撃によりセラミック板１１にクラックが入り破損するおそれがある。厚すぎると半導体素子の発熱を放熱することが抑制され半導体素子が破損するおそれがある。回路パターン用金属板１２，１３，１４および放熱板１５の厚さは、０．１ｍｍ以上、２．５ｍｍ以下である。セラミック板１１の材料は、絶縁性を有するセラミックであればよく、たとえば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）である。セラミック板１１に形成された回路パターン用金属板１２，１３，１４および放熱板１５の材料は、導電性および熱伝導性に優れた金属であればよく、たとえば、銅（Ｃｕ）、銅合金、アルミニウム（Ａｌ）またはアルミニウム合金である。ベース板２０の材料は、熱伝導性に優れた金属であればよく、銅、銅合金、アルミニウムまたはアルミニウム合金である。

【0018】

回路パターン用金属板１２には、外部接続端子１８がはんだ２３によって接合されている。はんだ２３の接合領域は、図２に示したように、回路パターン用金属板１２の周囲の対向する２箇所の縁部１２ａ，１２ｂに挟まれて接した位置にある。すなわち、はんだ２３の接合領域は、回路パターン用金属板１２の短辺方向（図１および図２では左右方向）では、回路パターン用金属板１２の縁部１２ａ，１２ｂまでそれぞれ達している。回路パターン用金属板１３には、半導体素子１６がはんだ２４によって接合され、外部接続端子１９がはんだ２５によって接合されている。はんだ２５の接合領域は、図２に示したように、回路パターン用金属板１３の周囲の１箇所の縁部１３ａまで達している。回路パターン用金属板１４には、半導体素子１７がはんだ２６によって接合されている。

【0019】

はんだ２３～２６は、鉛フリーはんだを基体として構成されている。半導体素子１６，１７が接合されるはんだ２４，２６の材料は、ボイドが発生しにくく、高温耐性を有する。たとえば、錫およびアンチモン（Ｓｎ－Ｓｂ）を主成分とする合金系のはんだである。外部接続端子１８，１９が接合されるはんだ２３，２５の材料は、はんだ２４，２６よりも低弾性率を有する。たとえば、錫および銀（Ｓｎ－Ａｇ）を主成分とする合金系のはんだである。また、はんだ２３～２６は、添加物が含まれてもよい。添加物は、たとえば、銅、ビスマス、インジウム、ニッケル、ゲルマニウム、コバルトまたはシリコンである。

【0020】

外部接続端子１８，１９は、図３に示したように、回路パターン用金属板１２，１３にはんだ２３，２５によって接合される接合部２７と外部と電気的に接続される導電部２８とを有するＬ字状の屈曲部材である。導電部２８は、接合部２７から接合部２７のはんだ接合面とは反対側の方向、好ましくは、接合部２７のはんだ接合面に対して垂直方向に延びている。接合部２７は、屈曲部分２７ａによって導電部２８と接続され、屈曲部分２７ａと反対側の辺が外部接続端子１８，１９の先端部分２７ｂをなしている。

【0021】

外部接続端子１８，１９の寸法は、導電部２８から延びる接合部２７の長さＬ１が１～５ｍｍ、接合部２７の屈曲部分２７ａのある側と反対側の辺の長さＬ２が１～６ｍｍ、接合部２７の厚さＴが０．５～１．５ｍｍ、導電部２８の高さＨが４～３５ｍｍである。長さＬ１および長さＬ２は、厚さＴと同じか厚さＴより大きい。また、接合部２７の厚さＴは、導電部２８の厚さと同じか、導電部２８より薄い。本実施の形態では、外部接続端子１８，１９は、接合部２７の長さＬ１が３．０ｍｍ、長さＬ２が１．１ｍｍ、厚さＴが１．０ｍｍ、導電部２８の高さＨが３２ｍｍのものを使用している。外部接続端子１８，１９の材料は、銅または銅合金である。

【0022】

外部接続端子１８と回路パターン用金属板１２との間には、はんだ２３に埋設された状態で回路パターン用金属板１２，１３よりも線膨張係数が低い低線膨張係数金属板２９，３０が配置されている。はんだ２３は、回路パターン用金属板１２の縁部１２ａ，１２ｂまで達している。低線膨張係数金属板２９は、回路パターン用金属板１２の縁部１２ａの側に配置され、低線膨張係数金属板３０は、回路パターン用金属板１２の縁部１２ｂの側に配置されている。この場合、回路パターン用金属板１２の縁部１２ａ，１２ｂの側は、はんだ２３が達している縁部１２ａ，１２ｂから、外部接続端子１８の直下にわたる領域である。同様に、外部接続端子１９と回路パターン用金属板１３との間にも、はんだ２５に埋設された状態で低線膨張係数金属板３１が配置されている。はんだ２５は、回路パターン用金属板１３の縁部１３ａまで達している。低線膨張係数金属板３１は、回路パターン用金属板１３の縁部１３ａの側に配置されている。この場合、回路パターン用金属板１３の縁部１３ａの側は、はんだ２５が達している縁部１３ａから、外部接続端子１９の直下にわたる領域である。

【0023】

低線膨張係数金属板２９，３０，３１の材料は、モリブデン（Ｍｏ）であり、表面には、ニッケルまたは錫によるコーティングが施されている。低線膨張係数金属板２９，３０，３１は、図２に示されるように、平面視長方形をなしているが、外部接続端子１８，１９が回路パターン用金属板１２，１３に配置される場所によって数および向きが決められている。

【0024】

外部接続端子１８が接合される回路パターン用金属板１２は、図２では、横幅が狭く、はんだ２３の領域が回路パターン用金属板１２の長手方向に延びる縁部１２ａ，１２ｂに挟まれて接した領域に位置している。この場合、外部接続端子１８から見ると、応力を与えやすい部分は、外部接続端子１８の屈曲部分２７ａおよび先端部分２７ｂであり、回路パターン用金属板１２から見ると、セラミック板１１にクラックが入りやすい部分は、回路パターン用金属板１２の縁部１２ａ，１２ｂの直下である。このため、低線膨張係数金属板２９，３０は、それぞれ、回路パターン用金属板１２の縁部１２ａ，１２ｂの側において、平面視長方形の長辺を縁部１２ａ，１２ｂに沿うようにして配置されている。

【0025】

一方、外部接続端子１９は、その屈曲部分２７ａが回路パターン用金属板１３の短辺方向の中央近傍に位置し、外部接続端子１９の先端部分２７ｂだけが回路パターン用金属板１３の縁部１３ａの側に位置している。このため、回路パターン用金属板１３では、その縁部１３ａの側にのみ低線膨張係数金属板３１が配置されている。

【0026】

平面視長方形をなす低線膨張係数金属板２９，３０は、図４（Ａ）に示したように、長辺の長さＬ１１を外部接続端子１８の先端部分２７ｂの辺の長さＬ２よりも長くしてある。また、低線膨張係数金属板２９，３０の短辺の長さＬ１２は、回路パターン用金属板１２の縁部１２ａ，１２ｂに直交する方向の外部接続端子１８の接合部２７の長さＬ１ａを１としたとき、０．１ないし０．３の長さにしている。低線膨張係数金属板２９，３０の厚さＴ２は、図４（Ｂ）に示したように、はんだ２３の厚さＴ１を１としたとき、０．１ないし０．５の厚さにしている。なお、低線膨張係数金属板３１は、低線膨張係数金属板２９，３０と同じサイズを有している。

【0027】

外部接続端子１８，１９、回路パターン用金属板１２，１３およびはんだ２３，２５が熱膨張したときに、回路パターン用金属板１２，１３の縁部１２ａ，１２ｂ，１３ａに沿った位置においてセラミック板１１に応力がかかる。そのため、低線膨張係数金属板２９，３０，３１を配置しない場合、セラミック板１１は、回路パターン用金属板１２，１３の縁部１２ａ，１２ｂ，１３ａの直下にクラックが発生するおそれがある。第１の実施の形態に係る半導体モジュール１０によれば、外部接続端子１８，１９と回路パターン用金属板１２，１３との間に低線膨張係数金属板２９，３０，３１を配置している。低線膨張係数金属板２９，３０，３１は、モリブデンを使用している。モリブデンは、図７に例示したように、温度上昇による膨張の割合を示す線膨張係数がセラミック板１１に似た特性を有している。すなわち、モリブデンは、はんだ２３，２５よりも線膨張係数が小さく、外部接続端子１８，１９および回路パターン用金属板１２，１３の材料である銅よりも線膨張係数がさらに小さい。このため、回路パターン用金属板１２，１３およびはんだ２３，２５が熱膨張したときにモリブデンによりセラミック板１１にかかる応力が緩和され、セラミック板１１は、回路パターン用金属板１２，１３の縁部１２ａ，１２ｂ，１３ａの直下にクラックが発生しにくくなる。

【0028】

なお、第１の実施の形態では、外部接続端子１８，１９は、屈曲部分２７ａを含む接合部２７の辺が回路パターン用金属板１２，１３の縁部１２ａ，１２ｂ，１３ａと同じ方向を向いて接合されている。しかし、屈曲部分２７ａを含む接合部２７の辺が回路パターン用金属板１２，１３の縁部１２ａ，１２ｂ，１３ａに直角な方向になるよう外部接続端子１８，１９を９０度回転した状態でも、低線膨張係数金属板２９，３０，３１の配置方法を第１の実施の形態と同じようにすることで、同様の効果を発揮することができる。これは、セラミック板１１にクラックを生じさせるような応力がかかる接合部２７の位置が回路パターン用金属板１２，１３の縁部１２ａ，１２ｂ，１３ａに沿った側であるためである。

【0029】

第１の実施の形態では、外部接続端子１８，１９の屈曲部分２７ａを含む接合部２７の辺が回路パターン用金属板１２，１３の縁部１２ａ，１２ｂ，１３ａに平行になっている。低線膨張係数金属板２９，３０，３１は、回路パターン用金属板１２，１３の縁部１２ａ，１２ｂ，１３ａに沿ってその近傍に配置されている。

【0030】

具体的には、外部接続端子１８については、図４（Ａ），（Ｂ）に示したように、外部接続端子１８の屈曲部分２７ａを回路パターン用金属板１２の縁部１２ａの側にし、先端部分２７ｂを回路パターン用金属板１２の縁部１２ｂの側にして配置している。このとき、外部接続端子１８は、屈曲部分２７ａおよび先端部分２７ｂの辺が回路パターン用金属板１２の縁部１２ａ，１２ｂと同じ方向を向いて接合されていることになる。低線膨張係数金属板２９，３０は、回路パターン用金属板１２の縁部１２ａ，１２ｂの近傍に配置されている。外部接続端子１９については、図５（Ａ），（Ｂ）に示したように、先端部分２７ｂを回路パターン用金属板１３の縁部１３ａの側にして配置している。このとき、外部接続端子１９は、屈曲部分２７ａおよび先端部分２７ｂの辺が回路パターン用金属板１３の縁部１３ａと同じ方向を向いて接合されていることになる。低線膨張係数金属板３１は、回路パターン用金属板１３の縁部１３ａの近傍に配置されている。

【0031】

なお、図６（Ａ），（Ｂ）は、外部接続端子１９の配置の変形例を示している。この変形例によれば、外部接続端子１９の配置の向きを変更している。すなわち、外部接続端子１９は、屈曲部分２７ａを回路パターン用金属板１３の縁部１３ａの側にして配置されている。このとき、外部接続端子１９は、屈曲部分２７ａおよび先端部分２７ｂの辺が回路パターン用金属板１３の縁部１３ａと同じ方向を向いて接合されていることに変わりはない。低線膨張係数金属板３１は、外部接続端子１９の屈曲部分２７ａの直下ではあるが、回路パターン用金属板１３の縁部１３ａの近傍に配置されていることに変わりはない。この外部接続端子１９の配置の変形例は、外部接続端子１８においても適用することができる。すなわち、外部接続端子１８は、屈曲部分２７ａを回路パターン用金属板１２の縁部１２ｂの側にし、先端部分２７ｂを回路パターン用金属板１２の縁部１２ａの側にして回路パターン用金属板１２に接合されていてもよい。

【0032】

以上のような半導体モジュール１０の場合、ベース板２０およびケース２１の熱変形により外部接続端子１８，１９の導電部２８が引き上げられることで、屈曲部分２７ａを含む接合部２７が上方へ引き上げられる力が生じる。また、ベース板２０およびケース２１の熱変形により外部接続端子１８，１９の導電部２８がベース板２０の主面と平行に移動することで、接合部２７の屈曲部分２７ａまたは先端部分２７ｂが上方へ引き上げられる力が生じる。そのため、低線膨張係数金属板２９，３０，３１を配置しない場合には、セラミック板１１は、回路パターン用金属板１２，１３の縁部１２ａ，１２ｂ，１３ａの直下にクラックが発生するおそれがある。このような場合でも、外部接続端子１８，１９と回路パターン用金属板１２，１３との間に低線膨張係数金属板２９，３０，３１を配置することで、セラミック板１１にかかる応力が緩和され、セラミック板１１は、回路パターン用金属板１２，１３の縁部１２ａ，１２ｂ，１３ａの直下にクラックが発生しにくくなる。

【0033】

低線膨張係数金属板２９，３０，３１は、モリブデンを使用している。モリブデンは、はんだ２３，２５よりもヤング率が大きく、外部接続端子１８，１９および回路パターン用金属板１２，１３の材料である銅よりもヤング率がさらに大きい。このため、ベース板２０およびケース２１の熱変形により、外部接続端子１８，１９を介して回路パターン用金属板１２，１３に応力がかかる場合にも、セラミック板１１にかかる応力が低線膨張係数金属板２９，３０，３１により緩和されることになる。そのため、セラミック板１１は、回路パターン用金属板１２，１３の縁部１２ａ，１２ｂ，１３ａの直下にクラックが発生しにくくなる。

【0034】

［第１の変形例］
図８は低線膨張係数金属板の第１の変形例を示す図である。

【0035】

図２および図４に示した低線膨張係数金属板２９，３０は、平面視長方形の形状を有しているが、図８に示す低線膨張係数金属板２９ａ，３０ａは、対向する辺の中央部に切欠き部２９ｂ，３０ｂを有している。これにより、回路パターン用金属板１２と外部接続端子１８との間にて電流が流れるはんだ２３の断面積が広がって電気抵抗値が低減するので、通電能力を上げることができる。

【0036】

この低線膨張係数金属板２９ａ，３０ａは、外部接続端子１８の下に２つ配置する場合に効果的である。しかし、外部接続端子１９の場合のように、直下に１つの低線膨張係数金属板３１を配置する場合にも、低線膨張係数金属板３０ａを使用することで、通電部の断面積が増えることから、有効である。

【0037】

［第２の変形例］
図９は低線膨張係数金属板の第２の変形例を示す図である。

【0038】

図９に示す低線膨張係数金属板３１ａ，３１ｂは、平面視正方形をなしていて、回路パターン用金属板１３の縁部１３ａに近い外部接続端子１９の接合部２７の角部の直下にそれぞれ配置されている。これにより、回路パターン用金属板１３と外部接続端子１９との間の電気抵抗値を低減しながら外部接続端子１９が回路パターン用金属板１３を介してセラミック板１１にかかる応力を緩和することができる。

【0039】

さらには、図９に係る半導体モジュールでは、第１の実施の形態の外部接続端子１９とは異なる位置および向きにして回路パターン用金属板１３に接合された外部接続端子１９を有している。この外部接続端子１９は、回路パターン用金属板１３の縁部１３ａの側に寄せて第１の実施の形態の外部接続端子１９とは時計回りに９０度回転させた状態ではんだ２５により回路パターン用金属板１３に接合されている。外部接続端子１９は、屈曲部分２７ａおよび先端部分２７ｂの直下に応力が集中し、回路パターン用金属板１３では、その縁部１３ａの直下に応力が集中する。このため、応力緩和部としては、外部接続端子１９により応力が集中する領域と回路パターン用金属板１３により応力が集中する領域とが重なった領域に設置するのが効果的である。

【0040】

この半導体モジュールでは、外部接続端子１９の屈曲部分２７ａの外側角部の直下であって回路パターン用金属板１３の縁部１３ａの側に低線膨張係数金属板３１ａが配置され、外部接続端子１９の先端部分２７ｂの直下であって回路パターン用金属板１３の縁部１３ａの側に低線膨張係数金属板３１ｂが配置されている。回路パターン用金属板１３の縁部１３ａの側にある外部接続端子１９の接合部２７の辺と屈曲部分２７ａの辺との交差位置に低線膨張係数金属板３１ａが配置されることで、導電部２８の直下でセラミック板１１にかかる応力が緩和される。同様に、縁部１３ａの側にある外部接続端子１９の接合部２７の辺と先端部分２７ｂの辺との交差位置に低線膨張係数金属板３１ｂが配置されることで、接合部２７の直下でセラミック板１１にかかる応力が緩和される。

【0041】

なお、図９では、低線膨張係数金属板３１ａ，３１ｂを外部接続端子１９に適用した場合について示したが、外部接続端子１８にも同様に適用することができる。外部接続端子１８に適用する場合には、低線膨張係数金属板３１ａ，３１ｂと同じ形状の低線膨張係数金属板が外部接続端子１８の接合部２７における四隅の直下にそれぞれ配置されることになる。さらには、低線膨張係数金属板３１ａ，３１ｂの形状は、平面視正方形に限定されず、矩形状、長円形状、または、円形状のものでも同様の効果を得ることができる。

【0042】

［第２の実施の形態］
図１０は第２の実施の形態に係る半導体モジュールにおける外部接続端子搭載部の断面を示す部分断面図である。

【0043】

第２の実施の形態に係る半導体モジュールにおいては、回路パターン用金属板１２は、低線膨張係数金属板２９，３０が配置される位置の表面に凹部１２ｃ，１２ｄが形成されている。凹部１２ｃ，１２ｄは、低線膨張係数金属板２９，３０の外形よりも大きな形状を有し、かつ、はんだ２３の厚さよりも小さい深さを有している。

【0044】

回路パターン用金属板１２の表面に段差を設けたことにより、外部接続端子１８を回路パターン用金属板１２にはんだ接合するときに、低線膨張係数金属板２９，３０は、凹部１２ｃ，１２ｄに嵌まって位置決めされる。このため、はんだ２３が溶融されたとき、凹部１２ｃ，１２ｄに位置決めされた低線膨張係数金属板２９，３０が配置されるべき位置から移動してしまうことはない。

【符号の説明】

【0045】

１０ 半導体モジュール
１０ａ ボンディングワイヤ
１１ セラミック板
１２，１３，１４ 回路パターン用金属板
１２ａ，１２ｂ，１３ａ 縁部
１２ｃ，１２ｄ 凹部
１５ 放熱板
１６，１７ 半導体素子
１８，１９ 外部接続端子
２０ ベース板
２１ ケース
２２，２３，２４，２５，２６ はんだ
２７ 接合部
２７ａ 屈曲部分
２７ｂ 先端部分
２８ 導電部
２９，２９ａ，３０，３０ａ，３１，３１ａ，３１ｂ 低線膨張係数金属板
２９ｂ，３０ｂ 切欠き部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】