JP2007158156A - 半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】はんだ部材における亀裂の発生が抑制された小型の半導体モジュールを提供する。
【解決手段】本発明の半導体モジュール１０は、金属パターンが主面及び裏面に設けられた絶縁基板と上記主面の金属パターンに接合された半導体素子とからなる半導体実装基板が、上記裏面の金属パターンを介して金属ベース板上に接合されたモジュールであって、複数の半導体実装ブロック１６ａ、１６ｂを有し、複数の半導体実装ブロック１６ａ、１６ｂの絶縁基板２０ａ、２０ｂの裏面の金属パターン２４ａ、２４ｂが共通の単一の金属薄板２４からなり、金属薄板２４を介して複数の半導体実装ブロック１６ａ，１６ｂが金属ベース板１８にはんだ接合され、絶縁基板２０ａ、２０ｂと金属薄板２４の積層方向から見たとき、金属薄板２４の周縁３４が複数の半導体実装ブロック１６ａ、１６ｂの絶縁基板２０ａ、２０ｂの周縁３６ａ、３６ｂより外側に位置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体モジュールに関するものであり、特に、発熱量が大きい半導体素子を用いた半導体モジュールに関する。

発熱量が大きい、例えば電力用半導体素子を用いた半導体モジュールにおいて、はんだ部材（接合部材）に亀裂が発生することがある。これは、熱膨張率が大きく異なる部材同士を接合しているはんだ部材に起こりやすい。半導体モジュールが駆動や停止を繰り返すと、はんだ部材によって接合されている部材がそれぞれの熱膨張率に対応して熱膨張や熱収縮を繰り返し、その熱膨張量差や熱収縮量差に対応する応力がはんだ部材に発生して亀裂が生じる。特に、亀裂は、応力によるひずみ量が大きいはんだ部材の周縁部で発生しやすい。亀裂が発生するとはんだ部材の熱伝導性が低下し、その結果、半導体モジュールの放熱効率が低下して寿命が短くなる。

はんだ部材における亀裂の発生（発生後の亀裂の進展も含む）を抑制した半導体モジュールとして、特許文献１のものがある。図４は、特許文献１の半導体モジュールを示している。図に示すように、半導体モジュール５１０は、主面と裏面の両面に金属パターン５１２、５１４が形成された絶縁基板５１６と該主面の金属パターン５１２にはんだ部材５２４で接合される半導体素子５１８とからなる半導体実装基板５２０と、絶縁基板５１６の裏面の金属パターン５１４を介して半導体実装基板５２０が接合される金属ベース板５２２と、これらを接合するはんだ部材５２６とを有する。

半導体素子５１８から発生した熱は、はんだ部材５２４を介して主面の金属パターン５１２に伝わり、続いて順に、絶縁基板５１６、裏面の金属パターン５１４、はんだ部材５２６、金属ベース板５２２と伝わり、金属ベース板５２２から外気に放熱される。

半導体モジュール５１０は、はんだ部材５２６の周縁部５２８における亀裂の発生を抑えるために、半導体モジュール５１０の構成要素の積層方向から見た場合、裏面の金属パターン５１４の周縁が絶縁基板５１６の周縁より外側に位置するように構成されている。すなわち、裏面の金属パターン５１４の周縁部５３０が絶縁基板５１６に接合されておらず、そのため、周縁部５３０は、絶縁基板５１６に妨害されることなく、金属の熱膨張率で熱膨張や熱収縮することができる（絶縁基板５１６に接合されている場合、金属パターン５１４は、金属の熱膨張率で膨張または収縮できず、金属より小さく絶縁基板５１６に近い熱膨張率で熱膨張または熱収縮する。）。したがって、裏面の金属パターン５１４の周縁部５３０と金属ベース板５２２に挟まれたはんだ部材５２６の周縁部５２８に発生する応力は、裏面の金属パターン５１４と金属ベース板５２２が金属の熱膨張率で膨張または収縮し、またその膨張量差または収縮量差が小さい（絶縁基板と金属の差に比べて小さい）ことから小さくなる。その結果、応力によるひずみ量も小さくなり、はんだ部材５２６の周縁部５２８における亀裂の発生および進展が抑制される。

特開２０００−１０１２０３公報

しかしながら、半導体モジュールの規模拡大や回路構成などから、上記の半導体実装基板が複数存在して金属ベース板を共通化するような場合、すなわち、単一の金属ベース板に、複数の半導体実装基板をはんだ接合する場合、周縁が絶縁基板より外側に位置する裏面の金属パターンを各半導体実装基板について備える必要があるだけでなく、加えて、実装における位置決め精度が良くないため、各半導体実装基板同士が接触しないように所定の間隔（余裕）を設けて金属ベース板に配置、接合しなければならず、半導体実装基板の設置面積は複数の半導体実装基板の面積を単純に合計した以上に大きくなる。そのため、複数の半導体実装基板と単一の金属ベース板からなる半導体モジュールは大型化する。

また、一方で、複数の半導体実装基板を１つの絶縁基板にまとめるようにした場合、基板が大型化するので新たに反りが顕在化する等の問題を生じ、はんだ部材の周縁部に発生する応力によるひずみ量も増大したり、また、金属ベース板との接合の際、基板の下のはんだ部材中に空気（気泡）が残り熱伝導性の低下を招いたりと半導体モジュールの信頼性を悪くすることがあった。さらには複数の半導体実装基板を金属ベース板に実装することになると、部品点数が増えるので組み立て効率を低下させることになっていた。

そこで、本発明は、複数の半導体実装基板要素を共通の金属ベース板に接合する必要が生じても大型化することがなく、また、はんだ部材における亀裂の発生および進展を抑制することができる構造の半導体モジュールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る半導体モジュールは、
金属パターンが主面及び裏面に設けられた複数の絶縁基板と上記主面の金属パターンに接合された半導体素子とからなる半導体実装基板が、単一の金属ベース板上に接合された半導体モジュールであって、
上記半導体実装基板における上記複数の絶縁基板は、互いに近接して配置され、上記裏面の金属パターンが単一の金属薄板で共通化されてなり、
上記半導体実装基板と上記金属ベース板との接合は、上記金属薄板を介してはんだ部材を用いて行われ、
上記絶縁基板と金属薄板の積層方向から見たとき、上記金属薄板の周縁が対向する上記絶縁基板の周縁より外側に位置することを特徴とする。

本発明によれば、複数の半導体実装基板要素（絶縁基板単位）と単一の金属ベース板からなる半導体モジュールにおいて複数の絶縁基板の裏面の金属パターンが単一の金属薄板で共通に構成されつつ、その周縁が絶縁基板の周縁より外側に位置するために、モジュールが大型化することなく、金属薄板と金属ベース板を接合するはんだ部材における亀裂の発生が抑制される。

実施の形態１．
本発明の一実施形態に係る、全体が符号１０で示される半導体モジュールを図１、２に示す。図２は、図１における一点鎖線で示される半導体モジュール１０の断面をＡ方向から見た図である。

半導体モジュール１０は、駆動時の発熱量が大きい、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの電力用半導体素子（半導体チップ）１２ａ〜１２ｄとこれらのチップを搭載する基板１４ａからなる半導体実装ブロック１６ａと、半導体チップ１２ｅ〜１２ｈとこれらのチップを搭載する基板１４ｂからなる半導体実装ブロック１６ｂとから構成された半導体実装基板１６を、１つの金属ベース板１８に搭載した構造である。また、図示してはいないが、半導体モジュール１０は、必要に応じて、金属ベース板１８に放熱フィンが当接され、または全体が樹脂パッケージに覆われて構成される。

半導体実装ブロック１６ａ、１６ｂにおける基板１４ａ、１４ｂは、セラミックで作製された絶縁基板２０ａ、２０ｂの主面（半導体チップと接合される面）に金属薄板で作製された回路パターン（以下、「主面パターン」と称する。）２２ａ、２２ｂが形成されて構成されている。そして、基板１４ａ、１４ｂの絶縁基板２０ａ、２０ｂにおける裏面（金属ベース板１８と接合される面）には、金属薄板で作製された回路パターン（以下、「裏面パターン」と称するがこれにはべたパターンも含む）２４ａ、２４ｂが形成されている。なお、これら裏面パターン２４ａ、２４ｂは、半導体実装基板１６における構造としては一体、すなわち単一の金属薄板２４で形成されており、基板１４ａ、１４ｂのそれぞれに対応する金属薄板２４の一部分を便宜的に示すものである。主面パターン２２ａ、２２ｂと金属薄板２４は、例えば、アルミや銅などで作製される。主面パターン２２ａ、２２ｂの材料と金属薄板２４の材料は、異なっていても良いし、または、同一であっても良い。

基板１４ａ、１４ｂにおいて、絶縁基板２０ａ、２０ｂに対する主面パターン２２ａ、２２ｂや金属薄板２４（裏面パターン２４ａ、２４ｂ）の接合は、例えば活性金属法を用いてろう材（図示せず）を介して行われている。

なお、この場合、金属薄板２４に接合された絶縁基板２０ａと２０ｂとの間隔は、裏面パターンが一体でない個々の半導体実装基板を金属ベース板に接合する場合と比べ、精度良く位置決めされるので狭くすることができる。また、半導体実装基板１６としては絶縁基板２０ａと２０ｂとの間がはんだ部材の周縁ではなくなることから、はんだ部材の亀裂対策も基本的には不要となり、金属薄板と絶縁基板との接合形成工程における位置決め精度、および熱膨張の影響を考慮した程度のわずかな距離を採れば十分と言える。これにより、単一の金属ベース板に複数の半導体実装基板要素を設けるようにしても半導体モジュールの大型化を抑制することができる。

例えば、本実施形態における絶縁基板２０ａと２０ｂとの間の距離Ｄについては、金属薄板２４の周縁部３８の幅Ｗと同じ、或いはそれ以下（Ｄ≦Ｗ）とすることも可能である。（図２参照）よって従来は、各半導体実装基板に周縁部を設けなければならないことから、２つの半導体実装基板における絶縁基板間に必要な距離は少なくとも２×Ｗとなるが、本実施形態においてはその距離を少なくとも１／２以下に縮められることになるのである。

金属ベース板１８は、半導体実装基板１６における半導体実装ブロック１６ａ、１６ｂが駆動することによって発生する熱を外部に放出するためのものである。金属ベース板１８は、金属薄板２４の材料と同一の材料、または熱膨張率が略同一の材料が好ましく、例えばアルミや銅で作製される。また、金属ベース板１８は、一般に、ねじを用いて半導体モジュール１０を他の装置に取り付けるための貫通穴２６を有する。

図２に示すように、基板１４ａ、１４ｂと半導体チップ１２ａ〜１２ｈの接合は、主面パターン２２ａ、２２ｂに半導体チップ１２ａ〜１２ｈがはんだ部材２８を介して接合されることにより行われる。また、基板１４ａ、１４ｂと金属ベース板１８の接合、言い換えると半導体実装基板１６と金属ベース板１８との接合は、金属薄板２４に金属ベース板１８がはんだ部材３０を介して接合されることにより行われる。

また、半導体モジュール１０は、図２に示すように、はんだ部材３０の周縁部３２における亀裂の発生および進展を抑えるために、半導体モジュール１０の構成要素の積層方向から見た場合、すなわち、図１に示すように、金属薄板２４の周縁（輪郭）３４全体が絶縁基板２０ａ、２０ｂの周縁（輪郭）３６ａ、３６ｂより外側に位置するように構成されている。言い換えると、金属薄板２４の周縁部３８（図１において、クロスハッチング部分）が絶縁基板２０ａ、２０ｂに接合されていない。そのため、金属薄板２４の周縁部３８は、絶縁基板２０ａ、２０ｂに妨害されることなく、金属の熱膨張率で熱膨張や熱収縮することができる（絶縁基板２０ａ、２０ｂに接合されている場合、金属の熱膨張率で膨張または収縮できず、金属より小さく絶縁基板２０ａ、２０ｂに近い熱膨張率で熱膨張するまたは熱収縮する）。したがって、金属薄板２４の周縁部３８と金属ベース板１８とを接合しているはんだ部材３０の周縁部３２に発生する応力は、金属薄板２４と金属ベース板１８が略同一の金属の熱膨張率で膨張または収縮し、またその膨張量差または収縮量差が小さい（絶縁基板と金属の膨張量差または収縮量差に比べて小さい）ことから小さくなる。その結果、応力によるひずみ量も小さくなり、はんだ部材３０の周縁部３２における亀裂の発生および進展が抑制される。

半導体実装ブロック１６ａ、１６ｂと金属ベース板１８との接合時、すなわち、半導体実装基板１６における金属薄板２４と金属ベース板１８とをはんだ部材３０を介して接合する際に、金属薄板２４と金属ベース板１８との間に空気が残らないように、金属薄板２４は空気を抜くための貫通孔４０を設けるのが好ましい。空気が残ると（言い換えると、はんだ部材３０に気泡が存在すると）、はんだ部材３０の熱伝導性が低下する。それにより、熱がはんだ部材３０を介して金属ベース板１８に十分に伝達されなくなり、その結果、半導体モジュール１０の寿命が低下することがある。図１に示すように、本実施形態における貫通孔４０は、金属薄板２４の中央、すなわち、２つの半導体実装ブロック１６ａと１６ｂとの間に設けられている。なお、貫通孔は、図１に示すようなスリット状に限らず、例えば、複数に分割されるようにしてもよい。

半導体モジュール１０が駆動すると（半導体チップ１２ａ〜１２ｈが駆動すると）、半導体チップ１２ａ〜１２ｈから発生した熱のほとんどは、はんだ部材２８を介して絶縁基板２０ａ、２０ｂの主面パターン２２ａ、２２ｂに伝わる。次に、熱は、主面パターン２２ａ、２２ｂから絶縁基板２０ａ、２０ｂを介して金属薄板２４に伝達され、さらに、はんだ部材３０を介して金属ベース板１８に伝達される。そして金属ベース板１８から外部に放熱される。このときに金属ベース板１８と金属薄板２４が熱膨張する（他の部材も熱膨張する。）。

本実施形態の半導体モジュールによれば、金属ベース板と接合される金属薄板の周縁が対向する各絶縁基板の周縁より外側に配置されるように構成されているため、金属薄板と金属ベース板とを接合しているはんだ部材の周縁部における亀裂の発生および進展が抑制される。また、複数の半導体実装基板要素（絶縁基板単位）が単一の金属ベース板に接合されてなる半導体モジュールは、複数の半導体実装基板要素を半導体実装ブロックとして絶縁基板の裏面パターンが単一の金属薄板で形成され、１つの半導体実装基板として構成されるため、半導体実装基板としての設置面積が小さくなり（裏面パターンが単一の金属薄板で形成されない場合に比べて小さくなり）、その結果、半導体モジュールが大型化が抑制される（半導体モジュール全体に対する半導体実装基板の占有率が高くなる、いわゆる高集積化される。）。さらには、各絶縁基板に対応する複数の半導体実装ブロックを１つの半導体実装基板として扱えるので、組み立て時の部品点数が少なくて済み、組み立て効率を向上させることができる。

実施の形態２．
本実施の形態が上述の実施形態と異なる点は、半導体実装基板における絶縁基板、および絶縁基板と金属薄板との一部関係が異なる点である。

具体的に説明するために、本実施形態に係る、全体が符号１１０で示される半導体モジュールの構成を図３に示す。半導体モジュール１１０は、上述の実施形態の半導体モジュール１０と同様に、金属ベース板１１８に２つの半導体実装ブロック１１６ａ、１１６ｂからなる半導体実装基板１１６が接合された構造である。

半導体実装基板１１６の各半導体実装ブロック１１６ａ、１１６ｂは、上述の実施形態の２つの半導体実装ブロック１６ａ、１６ｂと同様に、それぞれ複数の半導体チップ１１２ａ〜１１２ｈとこれらチップを搭載する基板１１４ａ、１１４ｂから構成される。また、基板１１４ａ、１１４ｂは、上述の実施形態の基板１４ａ、１４ｂと同様に、絶縁基板１２０ａ、１２０ｂと、主面パターン１２２ａ、１２２ｂと、裏面パターン１２４ａ、１２４ｂから構成される。なお、これら裏面パターン１２４ａ、１２４ｂは、半導体実装基板１１６における構造としては一体、すなわち単一の金属薄板１２４で形成されている。さらに、上述の実施形態と同様に、半導体チップ１１２ａ〜１１２ｈと基板１１４ａ、１１４ｂの主面パターン１２２ａ、１２２ｂの接合と、金属薄膜１２４と金属ベース板１１８の接合は、はんだ部材（図示せず）を介して行われている。

本実施形態の半導体モジュール１１０は、絶縁基板１２０ａ、１２０ｂと金属薄板１２４の積層方向から見たとき、上述の実施形態の半導体モジュール１０のように、金属薄板１２４の周縁１３４全体が絶縁基板１２０ａ、１２０ｂの周縁１３６ａ、１３６ｂより外側に配置されるように構成されていない。言い換えると、金属薄板１２４の周縁１３４の一部が、絶縁基板１２０ａ、１２０ｂの周縁１３６ａ、１３６ｂより内側または同じ位置に存在するように構成されている。

この理由について説明する。金属ベース板１１８や金属薄板１２４は、半導体チップ１１２ａ〜１１２ｈから熱が放出されて熱膨張し、または熱の放出が停止されて熱収縮する。特に、半導体チップ１１２ａ〜１１２ｈに比較的近い金属ベース板１１８や金属薄板１２４の部分（領域）が、他の部分に比べて大きく膨張または収縮する。言い換えると、半導体チップ１１２ａ〜１１２ｈから比較的遠い金属ベース板１１８や金属薄板１２４の部分の膨張量や収縮量は比較的小さい。そのため、半導体チップから遠い金属ベース板１１８や金属薄板１２４の部分を接合しているはんだ部材の部分は、他の部分と比較して亀裂が発生しにくい。したがって、図３に示すように（絶縁基板１２０ａ、１２０ｂと金属薄板１２４の積層方向から見たとき）、上述の実施形態のように金属薄板１２４の周縁１３４全体が絶縁基板１２０ａ、１２０ｂの周縁１３６ａ、１３６ｂより外側に位置する必要はなく、半導体チップ１１２ａ〜１１２ｈ近傍の絶縁基板１２０ａ、１２０ｂの周縁１３６ａ、１３６ｂの部分において、金属薄板１２４の周縁１３４が絶縁基板１２０ａ、１２０ｂの周縁１３６ａ、１３６ｂより外側に位置すればよい。

このことを考慮して、絶縁基板１２０ａ、１２０ｂ上のレイアウトは決定されている。例えば、図３に示す半導体モジュール１１０のように、発熱体である半導体チップ１１２ａ〜１１２ｈを絶縁基板１２０ａ、１２０ｂ上の一方側（図中、上側）に、また、発熱体でない例えばワイヤ配線１５０ａ、１５０ｂが引き出される配線引き出し領域１５２ａ、１５２ｂを他方側（図中、下側）に配置されるようにレイアウト設計されている。このような絶縁基板１２０ａ、１２０ｂ上のレイアウトを有する半導体モジュール１１０において、金属薄板１２４は、絶縁基板１２０ａ、１２０ｂと金属薄板１２４の積層方向から見たとき、半導体チップ１１２ａ〜１１２ｈ近傍においては金属薄板１２４の周縁１３４が絶縁基板１２０ａ、１２０ｂの周縁１３６ａ、１３６ｂより外側に位置し、半導体チップ１１２ａ〜１１２ｈから遠い配線引き出し領域１５２ａ、１５２ｂ近傍においては金属薄板１２４の周縁１３４が絶縁基板１２０ａ、１２０ｂの周縁１３６ａ、１３６ｂより内側または同じに位置されるように構成されている。

本実施形態によれば、金属薄板の周縁全体が絶縁基板の周縁より外側に位置するように該金属薄板を構成していない、すなわち、その一部において金属薄板の周縁が絶縁基板の周縁より内側または同じ位置にするようにしているため、上述の実施形態に比べて、金属薄板を形成する材料の量を少なくすることができ、半導体実装基板としての面積も小さくできる。

また、上述の実施形態のように、金属薄板と金属ベース板とのはんだ接合時に空気を抜くための貫通穴を設けてもよい。

最後に、上述の２つの実施形態の半導体モジュールは、２つの半導体実装ブロックから形成されているが、これに限定されるわけでない。本発明によれば、半導体モジュールを構成する半導体実装ブロックの個数が大きくなるほど、半導体モジュールの大型化抑制の効果が大きくなる、いわゆる高集積化されるのは明らかである。

本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールを示す図である。 図１に示すＡ方向から見た半導体モジュールの断面図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体モジュールを示す図である。 従来の半導体モジュールの断面図である。

符号の説明

１０ 半導体モジュール、 １６ａ、１６ｂ 半導体実装ブロック、 １６ 半導体実装基板、 １８ 金属ベース板、 ２０ａ、２０ｂ 絶縁基板、 ２４ 金属薄板、 ２４ａ、２４ｂ 裏面金属パターン、 ３４ 金属薄板の周縁（輪郭）、 ３６ａ、３６ｂ 絶縁基板の周縁

Claims (3)

1. 金属パターンが主面及び裏面に設けられた複数の絶縁基板と上記主面の金属パターンに接合された半導体素子とからなる半導体実装基板が、単一の金属ベース板上に接合された半導体モジュールであって、
   上記半導体実装基板における上記複数の絶縁基板は、互いに近接して配置され、上記裏面の金属パターンが単一の金属薄板で共通化されてなり、
   上記半導体実装基板と上記金属ベース板との接合は、上記金属薄板を介してはんだ部材を用いて行われ、
   上記絶縁基板と金属薄板の積層方向から見たとき、上記金属薄板の周縁が対向する上記絶縁基板の周縁より外側に位置することを特徴とする半導体モジュール。
2. 金属パターンが主面及び裏面に形成された複数の絶縁基板と上記主面の金属パターンに接合された半導体素子とからなる半導体実装基板が、単一の金属ベース板上に接合された半導体モジュールであって、
   上記半導体実装基板における上記複数の絶縁基板は、互いに近接して配置され、上記裏面の金属パターンが単一の金属薄板で共通化されてなり、
   上記半導体実装基板と上記金属ベース板との接合は、上記金属薄板を介してはんだ部材を用いて行われ、
   上記絶縁基板と金属薄板の積層方向から見たとき、上記半導体素子近傍における上記絶縁基板の周縁の部分において、上記金属薄板の周縁が絶縁基板の周縁部分より外側に位置することを特徴とする半導体モジュール。
3. 複数の絶縁基板の間にあって、絶縁基板と接合されていない金属薄板の部分に貫通孔が形成されていることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の半導体モジュール。
   

Images