JP2006216641A - 半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】一対の金属電極による両面放熱構造をなし，両金属電極間の隙間が狭く，封止樹脂の充填量が少ない半導体モジュールを提供すること。
【解決手段】半導体モジュール１００は，エミッタ電極１と，コレクタ電極２と，両電極に挟み込まれた半導体素子１０とを有している。また，半導体モジュール１００には，凹カットによって形成された切欠き１１からなる収容スペース１２が設けられている。さらに，この収容スペース１２内にボンディングワイヤ４を配置している。これにより，エミッタ電極１とボンディングワイヤ４との接触を回避しつつ，エミッタ電極１とコレクタ電極２との隙間を狭くすることができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は，電力制御に供する半導体モジュールに関する。さらに詳細には，一対の金属電極によって半導体素子を挟み込むことにより両面放熱構造をなす半導体モジュールに関するものである。

従来から，高耐圧・大電流用のパワーＩＣには，使用時の発熱が大きいことから，素子からの放熱性を向上させるための構成が必要になる。この問題を解決する一例として，例えば特許文献１に，素子の両面に放熱板を兼ねた板状電極を有する半導体装置が提案されている。この構成によれば，両面からの放熱を図ることができるため，半導体装置の放熱性が向上するとしている。

図７は，特許文献１で提案されたような両面放熱構造を有するパワーモジュールの一例を示している。半導体モジュール９００は，半導体素子９０を内蔵し，半導体素子９０がエミッタ電極９１およびコレクタ電極９２の間に挟まれた構造を有している。また，エミッタ電極９１およびコレクタ電極９２は，それぞれ平板状の銅電極となっており，放熱板を兼ねている。また，半導体素子９０は，ボンディングワイヤ９４によってリード線９５と接続されている。

また，半導体素子９０の直上にエミッタ電極９１を配置するとエミッタ電極９１とボンディングワイヤ９４とが接触してしまう。この問題を回避するため，従来の半導体モジュール９００では，半導体素子９０とエミッタ電極９１との間にブロック電極９３を設けている。そして，エミッタ電極９１とコレクタ電極９２との隙間は，トランスファモールド法により封止樹脂９６にて充填されている。

トランスファモールド法では，上下に分かれた成形型内に，コレクタ電極９１およびエミッタ電極９２が半田付けされた状態の半導体素子９０を入れ，型を締めてから大きな圧力をかける。その後，熱で軟化した熱硬化性樹脂９６（例えば，エポキシ樹脂）を流し込むことにより半導体モジュール９００が形成される。
特開２００３−１１００６４号公報

しかしながら，前記した従来の半導体モジュール９００には，次のような問題があった。すなわち，ボンディングワイヤ９４の高さにはばらつきがある。そのため，ボンディングワイヤ９４がエミッタ電極９１に触れないようにするためには，そのばらつきを考慮してエミッタ電極９１とコレクタ電極９２との隙間を設計する必要がある。従って，封止樹脂の充填量が多くなり，コストアップを招く。

さらに，封止樹脂として利用されるエポキシ樹脂では，熱硬化の際に硬化収縮を生じる。この硬化収縮は，体積が大きいほど収縮量が大きい。このことから，エミッタ電極９１とコレクタ電極９２との隙間が大きいと板状電極と封止樹脂との界面に剥離が生じ，耐圧が低下するおそれがある。また，素子にかかる圧縮応力が過大となる。

また，ブロック電極９３の板厚は，エミッタ電極９１とコレクタ電極９２との隙間が大きいほど大きい。しかしながら，ブロック電極９３の板厚が大きいほど，半導体素子９０からの熱がブロック電極９５を通過する際，ブロック電極９３内に熱が籠もってしまい，結果として熱抵抗として作用してしまう。すなわち，ブロック電極９３の板厚が大きいほど，放熱を阻害してしまう。

本発明は，前記した従来のパワーモジュールが有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，一対の金属電極による両面放熱構造をなし，両金属電極間の隙間が狭く，封止樹脂の充填量が少ない半導体モジュールを提供することにある。

この課題の解決を目的としてなされた半導体モジュールは，半導体素子と，半導体素子の一方の面側に位置する第１金属電極と，半導体素子群の他方の面側に位置し，半導体素子を挟んで第１金属電極と対向する第２金属電極とを備えた半導体モジュールであって，半導体素子と接合し，第１金属電極に向けて湾曲するワイヤを有し，第１金属電極内には，ワイヤの頂上部を収容する収容スペース部が設けられていることを特徴とするものである。

すなわち，本発明の半導体モジュールは，第１金属電極および第２金属電極によって半導体素子を挟み込む両面放熱構造をなしている。つまり，放熱板の機能を兼ねた一対の板状金属電極によって半導体素子を挟み，半導体素子の上面および下面の２方向から放熱を図るものである。

さらに，本発明の半導体モジュールは，一方の端部が半導体素子と接合し，他方の端部がリードと接合するワイヤを備えている。ワイヤは，例えばワイヤボンディング法によって取り付けられたものであり，第１金属電極側に湾曲した状態で設置されている。さらに，第１金属電極には，ワイヤの頂上部を収容する収容スペースが設けられている。この収納スペースは，第１金属電極の側面の凹みからなる領域であり，例えば第１金属電極の側面を凹カットすることによって形成される。この収容スペースをワイヤ上に設けることにより，第１金属電極と第２金属電極との隙間を狭くしても，ワイヤと第１金属電極との接触が回避される。そのため，本発明の半導体モジュールでは，第１金属電極と第２金属電極との隙間を狭くすることができる。よって，封止樹脂の低減が図られる。

なお，第１金属電極の収容スペースとしては，例えば第１金属電極を厚さ方向に貫通する切欠きからなる領域が該当する。すなわち，第１金属電極の一部に貫通スペースを設けることによって，ワイヤと第１金属電極と接触を確実に回避する。さらに，貫通スペースであるため，ワイヤの高さにばらつきがあってもワイヤの頂上部と第１金属電極とは接触しない。よって，高精度なワイヤの取付けは要求されず，作製が容易である。

また，第１金属電極の収容スペースとしては，例えば第１金属電極の半導体素子側の面に開口部を有する窪みからなる領域が該当する。すなわち，第１金属電極の一部に非貫通スペースを設けることによって，ワイヤと第１金属電極と接触を回避する。さらに，非貫通スペースであるため，第１金属電極内の幅方向に熱を拡散することができ，高放熱性が確保される。

また，第１金属電極は，接着部材を介して半導体素子と接合していることとするとよりよい。つまり，第１金属電極は，半導体素子の直上に設けられていることとするとよりよい。接着部材としては，半田等の導電性の接着剤が該当する。本発明の半導体モジュールでは，ワイヤと第１金属電極との接触を回避し，第１金属電極と第２金属電極との隙間を狭くすることができることから，従来の形態のようにブロック電極を設ける必要はない。よって，ブロック電極を省くことができ，半導体素子の直上に金属電極を設けることができる。このように配置することで，熱抵抗の低減を図ることができ，熱拡散がスムーズになる。従って，放熱性が向上する。

本発明によれば，第１金属電極と第２金属電極との隙間を狭くすることができる。そのため，封止樹脂の充填量が少ない。また，封止樹脂の充填量が少ないことから，封止樹脂の硬化収縮量が少ない。よって，界面の剥離の問題が解消される。また，両面放熱構造であるため，高放熱性を有している。従って，一対の金属電極による両面放熱構造をなし，両金属電極間の隙間が狭く，封止樹脂の充填量が少ない半導体モジュールが実現されている。

以下，本発明を具体化した実施の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。なお，以下の形態では，両面放熱構造のパワーモジュール（半導体モジュール）として本発明を適用する。また，図１には本形態の半導体モジュール１００の平面図，図２には平面透視図，図３には断面図をそれぞれ示す。なお，図３中，各電極内の矢印は，熱の流れを意味している（図４，図７も同様）。

本形態の半導体モジュール１００は，図１ないし図３に示すように半導体素子１０と，エミッタ電極１と，コレクタ電極２とを有している。半導体素子１０は，ＩＧＢＴやサイリスタ等のパワー半導体素子から構成されている。また，半導体素子１０は，エミッタ電極１とコレクタ電極２の間に挟まれており，半導体素子１０と各電極との間はそれぞれ半田あるいは導電性の接着剤により接合されている。

エミッタ電極１およびコレクタ電極２は，それぞれ熱伝導性および電気伝導性に優れた金属（例えば，Ｃｕ，Ｃｕ系合金，Ａｌ，Ａｌ系合金）で構成されている。さらにこれらの電極は，矩形状の板材（本形態では，図１中，縦２２ｍｍ×横３９ｍｍ×厚さ１．５ｍｍ）であり，放熱板としての機能を兼ねている。すなわち，半導体モジュール１００では，金属によって各半導体素子を挟み込むことにより，各半導体素子から発生した熱が上面と下面との両面から放熱される。そのため，本形態の半導体モジュール１００は，高放熱性を備える。

また，エミッタ電極１には，図１に示すように，縁辺を凹カットすることによって形成された切欠き１１が設けられている。この切欠き１１を設けることにより，エミッタ電極１の側面に開口部を有し，エミッタ電極１を厚さ方向に貫通する収容スペース１２が設けられる。なお，本形態でのカット幅（図１中のＺ）は，４ｍｍとする。

また，半導体モジュール１００は，ボンディングワイヤ４を介して半導体素子１０と接続するリード線５を有している。具体的に，ボンディングワイヤ４は，図３に示したように一方の端部が半導体素子１０と他方の端部がリード線５とそれぞれ接合されている。すなわち，ボンディングワイヤ４は，半導体１０とリード線５とを結線している。また，ボンディングワイヤ４は，エミッタ電極１側に湾曲するように設けられている。

さらに，ボンディングワイヤ４は，エミッタ電極１に設けられた収容スペース１２内にその頂上部が収容されるように配置される。そのため，ボンディングワイヤ４とエミッタ電極１とは非接触である。また，ボンディングワイヤ４の高さ（図３中のＸ：コレクタ電極２の上面からワイヤ４の頂上部までの距離）寸法は，ワイヤ４の頂上部がエミッタ電極の上面からはみ出さない程度である。具体的に本形態では，１．０ｍｍ〜１．５ｍｍ程度であり，およそ±０．５ｍｍの範囲内でばらつきがある。

本形態の半導体モジュール１００では，ボンディングワイヤ４を収容スペース１２内に配置することにより，ボンディングワイヤ４とエミッタ電極１との接触を回避することができる。そのため，従来の半導体モジュールのようにエミッタ電極１とコレクタ電極２との隙間を広くするためのブロック電極を設けていない。従って，両電極の隙間（図３中のＹ）は極めて狭い。具体的に本形態での隙間は，２．３ｍｍ程度であり，この寸法は半導体素子１０の厚さに半田等の接着材の厚さを加えた厚さと同等である。また，ボンディングワイヤ４の取付け精度によっては，ボンディングワイヤ４の高さに±０．５ｍｍ程度のばらつきが生じる。しかし，収容スペース１２がエミッタ電極１を貫通する領域であるため，ボンディングワイヤ４とエミッタ電極１とは接触しない。そのため，ボンディングワイヤ４の高さのばらつきは，エミッタ電極１とコレクタ電極２との隙間の大きさに影響しない。また，ボンディングワイヤ４とエミッタ電極１とが接触しないことから，ボンディングワイヤ４の高精度の取付けは要求されない。

さらに，ブロック電極が設けられていないことから，エミッタ電極１が半導体素子１０の直上に位置している。そのため，半導体モジュール１００は，熱拡散がスムーズであり，高放熱性を備える。

また，エミッタ電極１とコレクタ電極２との間の隙間，半導体素子１０の周囲部分，ならびに収容スペース１２内には，樹脂（例えば，エポキシ樹脂）６が充填されている。すなわち，半導体素子１０は，樹脂６でモールドされている。なお，本形態の半導体モジュール１００は，エミッタ電極１とコレクタ電極２との隙間が狭い。そのため，封止樹脂６の充填量が従来の半導体モジュール（図７参照）と比較して少ない。よって，封止樹脂６の硬化収縮量が低減され，エミッタ電極１ないしコレクタ電極２と封止樹脂６との界面の剥離が抑制される。また，半導体素子１０への応力の低減が図られる。

［応用例］
応用例の半導体モジュール１０１では，図４に示すように，エミッタ電極１の裏面（半導体素子１０側の面）に有低穴状の窪み１３が設けられている。すなわち，エミッタ電極１の側面および裏面に開口部を有する窪み１３によってなる収容スペース１４が設けられる。この点，エミッタ電極１を貫通する切欠き１１によってなる収容スペース１２が設けられている半導体モジュール１００（図３参照）と異なる。

応用例にかかる半導体モジュール１０１では，窪み１３が設けられた面が半導体素子１０側となるようにエミッタ電極１が配置されている。さらに，ボンディングワイヤ４は，その頂上部がエミッタ電極１に設けられた収容スペース１４内に位置するように配置されている。さらに，窪み１３の深さは，ワイヤ４の頂上部を収容可能なサイズとなっている。従って，本応用例の半導体モジュール１０１においても，ボンディングワイヤ４を収容スペース１４内に配置することにより，ボンディングワイヤ４とエミッタ電極１との接触を回避することができる。このことから，両電極の隙間は半導体モジュール１００と同様に狭い。

また，本応用例の収容スペース１４は，エミッタ電極１を厚さ方向に貫通していない。つまり，ボンディングワイヤを収容することが可能な最小サイズのスペースとなっている。そのため，エミッタ電極１の体積が実施例の半導体モジュール１００と比較して大きく，図４に示したように収容スペース１４上の領域についても熱を伝達することができる。よって，半導体モジュール１０１は，半導体モジュール１００と比較してより高放熱である。

［シミュレーション］
続いて，本形態の半導体装置１００のシミュレーション結果について説明する。本シミュレーションでは，熱抵抗と金属電極のカット幅（図５中の矢印：金属電極の縁辺からの切れ込みの深さ）との関係について調べた。さらに，本シミュレーションでは，金属電極のカット形状として，全幅カット（図５（ａ））の場合と，凹カット（図５（ｂ））の場合との２パターンについてシミュレーションを実施した。

なお，本シミュレーションにおいては，エミッタ電極（Ｃｕ）をカットの対象とし，コレクタ電極（Ｃｕ）を熱抵抗の測定対象とする。さらに，両電極ともに，絶縁フィルムを挟んで放熱器と対向している。

本シミュレーションの結果を図６に示す。図６中，横軸はエミッタ電極のカット幅を，縦軸はコレクタ電極のターミナル部の熱抵抗をそれぞれ示している。また，図６中，破線は全幅カットでのシミュレーション結果を，実線は凹カットでのシミュレーション結果をそれぞれ示している。図６に示したように，全幅カットであっても凹カットであってもカット幅が大きくなるほど熱抵抗が大きくなる。

また，全幅カットは凹カットと比較して熱抵抗が大きい。このことから，ボンディングワイヤとの接触を回避するために，単純にエミッタ電極のサイズを小さくしただけでは熱抵抗が高くなってしまうことがわかる。従って，金属電極のカット幅は最小限とし，カット形状は凹カットであることが放熱の点で望ましいといえる。

以上詳細に説明したように本形態の半導体モジュール１００では，エミッタ電極１内に収容スペース１２を設けることとしている。さらに，この収容スペース１２内にボンディングワイヤ４を配置することとしている。これにより，エミッタ電極１とボンディングワイヤ４との接触が回避される。さらに，両者の接触が回避可能であることから，エミッタ電極１とコレクタ電極２との隙間を狭くすることができる。そして，両電極の隙間が狭くなることによって，両電極の隙間を充填する封止樹脂６の充填量を低減することができる。さらに，封止樹脂６の充填量が少なくなることによって，封止樹脂６の硬化収縮量を軽減することができる。そのため，結果として電極１，２と封止樹脂６との界面剥離の問題が解消される。また，封止樹脂６の充填量が少ないため，半導体素子１０にかかる応力も小さい。また，両電極の隙間が狭いことから，半導体素子１の直上にエミッタ電極１を設けることができる。そのため，熱抵抗を抑制し，高放熱化を図ることができる。従って，一対の金属電極による両面放熱構造をなし，両金属電極間の隙間が狭く，封止樹脂の充填量が少ない半導体モジュールが実現している。

また，エミッタ電極１側の収容スペース１２は，エミッタ電極１の縁辺を凹カットすることによってなる領域である。そのため，エミッタ電極１は全幅カットする場合と比較して高放熱性が確保される。

なお，本実施の形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。例えば，カットの対象となる金属電極はエミッタ電極１に限るものではない。すなわち，ボンディングワイヤ４がコレクタ電極２側に湾曲している場合にはコレクタ電極２をカットする。

また，本実施の形態の半導体モジュール１００には１つの半導体素子しか含まれていないが，複数個の半導体素子が含まれていてもよい。さらには，本形態のパワーモジュールを複数個組み合わせて１つのパワーモジュールとしてもよい。例えば，上アームと下アームとが一体となったパワーモジュールであって，各アームを構成するパワーモジュールに本発明を適用してもよい。

実施の形態にかかるパワーモジュールを示す平面図である。 実施の形態にかかるパワーモジュールを示す平面透視図である。 図１に示したパワーモジュールのＡ−Ａ断面を示す図である。 応用例にかかるパワーモジュールを示す断面図である。 金属電極のカット形状を示す図である。 熱抵抗と金属電極のカット幅との関係を示す図である。 従来の形態にかかるパワーモジュールを示す断面図である。

符号の説明

１ エミッタ電極（第１金属電極）
２ コレクタ電極（第２金属電極）
４ ボンディングワイヤ（ワイヤ）
５ リード線
６ 樹脂（樹脂）
１０ 半導体素子（半導体素子）
１１ 切欠き
１２ 収容スペース（収容スペース）
１３ 窪み
１４ 収容スペース（収容スペース）
１００ 半導体モジュール（半導体モジュール）

Claims (5)

1. 半導体素子と，前記半導体素子の一方の面側に位置する第１金属電極と，前記半導体素子群の他方の面側に位置し，前記半導体素子を挟んで前記第１金属電極と対向する第２金属電極とを備えた半導体モジュールにおいて，
   前記半導体素子と接合し，前記第１金属電極に向けて湾曲するワイヤを有し，
   前記第１金属電極内には，ワイヤの頂上部を収容する収容スペース部が設けられていることを特徴とする半導体モジュール。
2. 請求項１に記載する半導体モジュールにおいて，
   前記収容スペース部は，前記第１金属電極を厚さ方向に貫通する切欠きによってなる領域であることを特徴とする半導体モジュール。
3. 請求項１に記載する半導体モジュールにおいて，
   前記収容スペース部は，前記第１金属電極の前記半導体素子側の面に開口部を有する窪みによってなる領域であることを特徴とする半導体モジュール。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１つに記載する半導体モジュールにおいて，
   前記第１金属電極は，接着部材を介して前記半導体素子と接合していることを特徴とする半導体モジュール。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１つに記載する半導体モジュールにおいて，
   前記第１金属電極と前記第２金属電極との隙間が樹脂で充填されていることを特徴とする半導体モジュール。

Images