JP6195689B1 - パワーモジュール - Google Patents

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Abstract

パワーモジュール（１０１）は、絶縁回路基板（１）と、半導体素子（３）と、第１の緩衝板（５）と、第１および第２の接合材（１１）と、放熱部材（７）とを備えている。半導体素子（３）は絶縁回路基板（１）の一方の主表面（１ａ）側に配置される。第１の緩衝板（５）は絶縁回路基板（１）と半導体素子（３）との間に、第１の接合材（１１）は絶縁回路基板（１）と第１の緩衝板（５）との間に、第２の接合材（１１）は半導体素子（３）と第１の緩衝板（５）との間に配置される。放熱部材（７）は絶縁回路基板（１）の一方の主表面（１ａ）側と反対側の他方の主表面（１ｂ）側に配置される。第１の接合材（１１）は平面視において複数に分割されている。第１の緩衝板（５）の線膨張係数は、半導体素子（３）の線膨張係数より大きくかつ絶縁回路基板（１）の線膨張係数より小さい。第１の緩衝板（５）のヤング率は、半導体素子（３）のヤング率より小さい。

Description

本発明はパワーモジュールに関し、特に放熱性が要求されるパワーモジュールに関するものである。
ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのパワー半導体素子が搭載されたパワーモジュールは、半導体素子とその周辺との間の絶縁性を確保しつつ、半導体素子の発する熱を効率よく外部に放熱することが要求される。従来のグリースを使わない直接冷却型のパワーモジュールは、セラミック板の主表面上に金属薄膜が形成された絶縁回路基板と、その一方の主表面に接合材を介して接合されたパワー半導体素子と、その他方の主表面に接合された冷却器とから構成される。
ところが、直接冷却型のパワーモジュールの使用条件によっては、半導体素子と冷却器との線膨張係数の差が大きいことにより、各接合部にクラックが発生し、要求される放熱性を充たさなくなることがあった。そこで、たとえば特表平８−５０９８４４号公報（特許文献１）においては、セラミック基板上の導体路上に半導体素子が接合され、セラミック基板とその下側の金属底板とが緩衝層を介して接合されている。セラミック基板と緩衝層との間の接合層、および緩衝層と金属底板との間の接合層は焼結銀からなり、セラミック基板と金属底板との線膨張係数差による疲労およびクラック形成は、緩衝層の塑性変形により回避される。
しかし特許文献１においては半導体素子とセラミック基板との間に緩衝層を有さないため、半導体素子の熱をその主表面に沿う方向に拡散させる効果に乏しい。これに対して、たとえば特開２００８−１４７４６９号公報（特許文献２）においては、半導体素子の直下に接合材を介して応力緩衝板を有する構成が開示されている。これにより、半導体素子の発熱がその直下にて拡散される効果が高められる。
特表平８−５０９８４４号公報 特開２００８−１４７４６９号公報
たとえばセラミック基板と緩衝層とを接合する接合材として、たとえばペースト状の接合材料が塗布される。この接合材料が加熱されてセラミック基板と緩衝層とを接合する際に、接合材料に含まれるバインダが残存しやすい。バインダが残存したまま接合されれば、その後の接合層の接合強度が弱くなったり、また接合層における熱伝導性が十分ではなくなるという問題が生じ得る。
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、接合層の接合強度を高め、その熱伝導性をより高めることが可能なパワーモジュールを提供することである。
本発明の一の実施の形態に係るパワーモジュールは、絶縁回路基板と、半導体素子と、第１の緩衝板と、第１の接合材と、第２の接合材と、放熱部材とを備えている。半導体素子は絶縁回路基板の一方の主表面側に配置される。第１の緩衝板は絶縁回路基板と半導体素子との間に配置される。第１の接合材は絶縁回路基板と第１の緩衝板との間に配置される。第２の接合材は半導体素子と第１の緩衝板との間に配置される。放熱部材は絶縁回路基板の一方の主表面側と反対側の他方の主表面側に配置される。第１の接合材は平面視において複数に分割され、絶縁回路基板と第１の緩衝板とを接合している。第１の緩衝板の線膨張係数は、半導体素子の線膨張係数より大きくかつ絶縁回路基板の線膨張係数より小さい。第１の緩衝板のヤング率は、半導体素子のヤング率より小さい。絶縁回路基板の線膨張係数は４．８×１０ -6 ／℃以上１４．５×１０ -6 ／℃以下であり、前記第１の緩衝板のヤング率は４３０ＧＰａ未満である。
本発明の一の実施の形態に係るパワーモジュールは、絶縁回路基板と、半導体素子と、第１の緩衝板と、第１の接合材と、第２の接合材と、放熱部材とを備えている。半導体素子は絶縁回路基板の一方の主表面側に配置される。第１の緩衝板は絶縁回路基板と半導体素子との間に配置される。第１の接合材は絶縁回路基板と第１の緩衝板との間に配置される。第２の接合材は半導体素子と第１の緩衝板との間に配置される。放熱部材は絶縁回路基板の一方の主表面側と反対側の他方の主表面側に配置される。第１の接合材は平面視において複数に分割されている。第１の緩衝板の線膨張係数は、半導体素子の線膨張係数より大きくかつ絶縁回路基板の線膨張係数より小さい。第１の緩衝板のヤング率は、半導体素子のヤング率より小さい。
本発明によれば、第１の接合材が複数に分割されることにより形成される通路から、当該接合材中に含まれるバインダを効率よく放出させることができ、第１の接合材の信頼性を高めることができる。
実施の形態１のパワーモジュールの構成を示す概略断面図である。 図１中の特に絶縁回路基板と第１の緩衝板との間に配置される第１の接合材の構成の第１例を示す概略平面図である。 図１中の特に絶縁回路基板と第１の緩衝板との間に配置される第１の接合材の構成の第２例を示す概略平面図である。 実施の形態２のパワーモジュールの構成を示す概略断面図である。 実施の形態３のパワーモジュールの構成を示す概略断面図である。 実施の形態４のパワーモジュールの構成の第１例を示す概略断面図である。 実施の形態４のパワーモジュールの構成の第２例を示す概略断面図である。 実施の形態５のパワーモジュールの構成の第１例を示す概略断面図である。 実施の形態５のパワーモジュールの構成の第２例を示す概略断面図である。 実施の形態６のパワーモジュールの構成を示す概略断面図である。 実施の形態７のパワーモジュールの構成の第１例を示す概略断面図である。 実施の形態７のパワーモジュールの構成の第２例を示す概略断面図である。 実施の形態８のパワーモジュールの構成の第１例を示す概略断面図である。 実施の形態８のパワーモジュールの構成の第２例を示す概略断面図である。 実施の形態９のパワーモジュールの構成の第１例を示す概略断面図である。 実施の形態９のパワーモジュールの構成の第２例を示す概略断面図である。 実施の形態１０のパワーモジュールの構成の第１例を示す概略断面図である。 実施の形態１０のパワーモジュールの構成の第２例を示す概略断面図である。 実施の形態１１のパワーモジュールの構成を示す概略断面図である。
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。なお以下において特に指定なく銅、アルミニウムなどの金属材料名を示す場合には、他の添加物を含む銅合金、アルミニウム合金も含まれることとする。
実施の形態１．
まず図１〜図３を用いて、本実施の形態のパワーモジュールの構成について説明する。図１を参照して、本実施の形態のパワーモジュール１０１は、絶縁回路基板１と、半導体素子３と、緩衝板５（第１の緩衝板）と、ベース基板７（放熱部材）とを主に有している。
絶縁回路基板１は、一方の主表面８ａおよびそれと反対側の他方の主表面８ｂを有する平板形状の絶縁セラミックス板８と、絶縁セラミックス板８の一方の主表面８ａおよび他方の主表面８ｂ上に積層形成された導体薄膜９とを有している。すなわち絶縁回路基板１は、絶縁セラミックス板８がその一方の主表面８ａ側および他方の主表面８ｂ側の双方から導体薄膜９により挟まれた構成を有している。導体薄膜９は図１においては一方の主表面８ａおよび他方の主表面８ｂとのほぼ全面を覆うように形成されているが、これらの主表面の一部の領域のみを覆うように形成されていてもよい。少なくとも図１においては導体薄膜９は図１においては一方の主表面８ａおよび他方の主表面８ｂとのほぼ全面を覆っている。このため絶縁回路基板１全体の一方の主表面１ａは絶縁セラミックス板８の一方の主表面８ａ上の導体薄膜９の表面に、絶縁回路基板１全体の他方の主表面１ｂは絶縁セラミックス板８の他方の主表面８ｂ上の導体薄膜９の表面に、それぞれ形成されている。
半導体素子３は、絶縁回路基板１の一方の主表面１ａ側すなわち図１の上側に配置されている、たとえばＩＧＢＴが搭載された薄板形状の半導体チップである。絶縁回路基板１と半導体素子３との間には緩衝板５が配置されている。緩衝板５はその半導体素子３側すなわち図１の上側に一方の主表面５ａを、その絶縁回路基板１側すなわち図１の下側に他方の主表面５ｂを有する平板形状である。このため半導体素子３は、緩衝板５の一方の主表面５ａ上に接合されている。
またベース基板７は、絶縁回路基板１の一方の主表面１ａ側と反対側の他方の主表面１ｂ側、すなわち図１の下側に配置されている。ベース基板７はその絶縁回路基板１側すなわち図１の上側に一方の主表面７ａを、一方の主表面７ａと反対側に他方の主表面７ｂを有する平板形状である。
絶縁回路基板１と緩衝板５との間に接合材１１（第１の接合材）が配置されている。言い変えれば絶縁回路基板１の一方の主表面１ａ上には接合材１１により緩衝板５が接合されている。また半導体素子３と緩衝板５の間にも接合材１１（第２の接合材）が配置されている。つまり緩衝板５の一方の主表面５ａ上には接合材１１により半導体素子３が接合されている。さらに絶縁回路基板１とベース基板７との間に接合材１３が配置されている。つまり絶縁回路基板１の他方の主表面１ｂ上には接合材１３によりベース基板７が接合されている。
図１に示すように、パワーモジュール１０１においては、基本的に図の下側の部材の方が、図の上側の部材よりも平面視における面積が大きくなっている。すなわち半導体素子３よりも緩衝板５の方が面積が大きく、緩衝板５よりも絶縁回路基板１の方が面積が大きく、絶縁回路基板１よりもベース基板７の方が面積が大きくなっている。
図２を参照して、パワーモジュール１０１においては、絶縁回路基板１と緩衝板５との間の接合材１１は、たとえば平面視において矩形状（正方形状）を有し、分割ライン１５により複数に分割されている。たとえば図２においては、接合材１１の平面視における端面に沿うように縦方向および横方向に延びる分割ライン１５が２本ずつ形成されている。分割ライン１５は接合材１１を構成する部材が除去された領域として形成されているため、分割ライン１５においては接合材１１を構成する部材は配置されていない。そして分割ライン１５により、接合材１１は縦方向に３列、横方向に３列、互いに間隔をあけて並ぶように配置されている。図２の第１例においては、分割された個々の接合材１１は碁盤目状に並んでいる。
接合材１１は、ペースト材を塗布して焼結することにより、たとえば絶縁回路基板１と緩衝板５とを接合している。このペースト材は、一般公知のスクリーン印刷法またはディスペンサー塗布法などの方法により塗布される。ペースト材に含まれるバインダの種類および量などにより、接合材１１の厚みおよび分割ライン１５の幅（絶縁回路基板１の一方の主表面１ａに沿う方向の幅）が変化する。したがって、接合材１１の焼結後のサイズについて以下説明する。個々の分割ライン１５の延びる方向に交差する方向の平面視における幅は、たとえば１０μｍ以上あることが好ましく、接合材１１の厚み以下であることが好ましい。このことは、図２に示す第１の接合材としての接合材１１に限らず、たとえば後述のように第２の接合材としての接合材１１に分割ライン１５が形成される場合においても同様である。
図３を参照して、分割ライン１５は接合材１１の平面視における端面に対して斜め方向に互いに間隔をあけて複数延び、分割された接合材１１がたとえば菱形形状を有していてもよい。この場合、図４の左上から右下に延び互いに隣り合う１対の分割ライン１５と、図４の右上から左下に延び互いに隣り合う１対の分割ライン１５とが、互いに菱形を構成するように交差している。
図２および図３においては、分割ライン１５の縁部は角張った形状になっている。しかし分割ライン１５の縁部などに丸まったＲ形状を形成してもよい。このようにすれば、接合材１１における応力集中を緩和させることができる。同様に、接合材１１全体の外縁部についても、丸まったＲ形状を形成してもよい。
なお図１においては、第２の接合材１１には分割ライン１５が設けられていないが、第２の接合材１１にも第１の接合材１１と同様に分割ライン１５が設けられてもよい。
次に、上記のパワーモジュール１０１を構成する各部材の材質等について説明する。
絶縁回路基板１を構成する絶縁セラミックス板８は、たとえば窒化珪素、窒化アルミニウムまたはアルミナなどの熱伝導性の高いセラミックス材料により形成されることが好ましい。また導体薄膜９はたとえば銅またはアルミニウムなどの電気および熱の良導体からなることが好ましい。図１において導体薄膜９は単一の層からなるように示されているが、たとえば銅の薄膜とアルミニウムの箔膜とが積層された複数の層からなる構成であってもよい。また図示されないが、絶縁回路基板１においては導体薄膜９は絶縁セラミックス板８の一方および他方の主表面８ａ，８ｂ上に、ろう材などを用いずに直接接合されていてもよいし、ろう材などを用いて接合されていてもよい。
半導体素子３は、シリコンまたは炭化珪素（ＳｉＣ）からなるチップ状の部材である。
ベース基板７は、一方の主表面７ａ側から半導体素子３からの発熱を受け、その熱を他方の主表面７ｂ側から外部に放熱するための部材である。ベース基板７は、アルミニウムまたは銅などからなる熱の良導体であることが好ましい。ベース基板７は放熱部材ではあるが、図１の他方の主表面７ｂ上に、図示されない放熱機構が接合されていてもよい。すなわちベース基板７と図示されない放熱機構とが併せて、半導体素子３からの発熱を放熱してもよい。この図示されない放熱機構は、たとえば液冷タイプのウォータージャケットまたは空冷タイプのヒートシンクなどであり、用途に応じて冷却タイプを選択することができる。このようにベース基板７が別の放熱機構に接続され両者合わせて放熱の役割を有するようにしてもよいが、ベース基板７自体が単独で放熱機構として配置されてもよい。他の放熱機構を接続させずにベース基板７単独で放熱機構として配置されれば、むしろ装置全体の放熱効率がより向上する。このためこの観点からは、ベース基板７が単独で放熱機構として用いられることがより好ましい。
図１において絶縁回路基板１と緩衝板５との間に配置される第１の接合材としての接合材１１、および緩衝板５と半導体素子３との間に配置される第２の接合材としての接合材１１は、いずれもたとえば銀ナノ粒子を用いた低温焼結材とすることが好ましい。しかし接合材１１は銅−スズなどの液相拡散接合材、またははんだのいずれかからなるものであってもよい。本明細書においては以降、接合材１１は銀ナノ粒子を用いた低温焼結材すなわち焼結銀からなるものであるとする。つまり第１の接合材としての接合材１１は導体材料からなる。しかし接合材１１は絶縁回路基板１のうちの導体薄膜９と合金などの金属材料からなる緩衝板５とを接続するため、導体材料からなっても良好な濡れ性により問題なく接合可能である。
図１において絶縁回路基板１とベース基板７との間に配置される接合材１３は、たとえばはんだからなるものであることが好ましい。しかし接合材１３は、銀ナノ粒子を用いた低温焼結材または銅−スズなどの液相拡散接合材のいずれかからなるものであってもよい。本明細書においては以降、接合材１３ははんだからなるものであるとする。
緩衝板５は、線膨張係数の異なる絶縁回路基板１と半導体素子３とを接合することにより両者間に生じる熱応力を緩和させるために両者間に挟まれるように配置される。このため緩衝板５は、その線膨張係数が半導体素子３の線膨張係数よりも大きくかつ絶縁回路基板１の線膨張係数よりも小さい材料により形成されている。すなわち線膨張係数は、小さいほうから半導体素子３、緩衝板５、絶縁回路基板１の順となっている。なおここでの絶縁回路基板１の線膨張係数とは、これを構成する絶縁セラミックス板８とその一方および他方の主表面８ａ，８ｂ上の導体薄膜９との全体の線膨張係数を意味するものとする。さらに緩衝板５は、そのヤング率が、半導体素子３のヤング率よりも小さい材料により形成されている。
たとえば半導体素子３が炭化珪素からなる場合、半導体素子３の線膨張係数は４．６×１０-6／℃となる。またたとえば半導体素子３がシリコンからなる場合、半導体素子３の線膨張係数は２．５×１０-6／℃となる。絶縁回路基板１が窒化珪素の絶縁セラミックス板８と銅の導体薄膜９とからなる場合、この絶縁回路基板１全体の線膨張係数は、絶縁セラミックス板８と導体薄膜９とのそれぞれの体積すなわち厚みの割合に応じて変化する。解析により求めた絶縁回路基板１全体の見かけの線膨張係数は４．８×１０-6／℃以上１４．５×１０-6／℃以下の範囲で変化する。またアルミニウムからなるベース基板７の線膨張係数は２４×１０-6／℃となる。
したがって、半導体素子３がシリコンである場合よりも炭化珪素である場合の方が、半導体素子３と絶縁回路基板１との線膨張係数の差は小さくなり、両者間の応力を低減させることが可能となる。しかしヤング率（縦弾性係数）の値はシリコンの半導体素子３が１６９．７ＧＰａとなるのに対し、炭化珪素の半導体素子３は４３０ＧＰａとなる。つまり炭化珪素の半導体素子３は非常に剛性が高いため、炭化珪素の半導体素子３を用いた場合には絶縁回路基板１との間の応力をより緩和する必要がある。以上より、半導体素子３よりもヤング率を小さくすべき緩衝板５は、そのヤング率を４３０ＧＰａ未満とすることが好ましいといえる。
また絶縁回路基板１の線膨張係数は上記のように絶縁セラミックス板８と導体薄膜９との体積割合に応じて変化するが、この線膨張係数をどのように変化させても、その一方の主表面１ａ側（半導体素子３）の接合とその他方の主表面１ｂ側（ベース基板７）の接合とが互いにトレードオフの関係となる。このため図１の焼結銀の接合材１１とはんだの接合材１３との寿命が互いにトレードオフの関係になる。
具体的には、たとえば絶縁回路基板１の銅の導体薄膜９を厚くしその熱拡散性を向上させれば絶縁回路基板１の線膨張係数が大きくなり、ベース基板７との線膨張係数差が小さくなるが、逆に半導体素子３との線膨張係数差が大きくなる。このためはんだの接合材１３への応力が緩和される反面、焼結銀の接合材１１への応力が増加し、接合材１１の寿命が短くなる可能性がある。逆に絶縁回路基板１の絶縁セラミックス板８の割合を増加させれば絶縁回路基板１の線膨張係数が小さくなり、半導体素子３との線膨張係数差が小さくなるが、逆にベース基板７との線膨張係数差が大きくなる。このため焼結銀の接合材１１への応力が緩和される反面、はんだの接合材１３への応力が増加し、接合材１３の寿命が短くなる可能性がある。
以上のようなトレードオフの関係を考慮すれば、線膨張係数が半導体素子３より大きく絶縁回路基板１より小さく、かつヤング率が半導体素子３より小さい緩衝板５は、以下の材質から形成されることが好ましい。すなわち緩衝板５は、クロム銅合金、クロム銅合金と銅との積層されたクラッド材、銅モリブデン合金、銅モリブデン合金と銅とのクラッド材からなる群から選択されるいずれかにより形成されることが好ましい。ここでクロム銅合金は線膨張係数が７×１０-6／℃以上１０×１０-6／℃以下であり、クロム銅合金と銅とのクラッド材は線膨張係数が８×１０-6／℃以上１２×１０-6／℃以下である。また銅モリブデン合金は線膨張係数が７×１０-6／℃以上１１．１×１０-6／℃以下でこのときのヤング率が２８０ＧＰａ〜１７０ＧＰａの範囲で変化する。また銅モリブデン合金と銅とのクラッド材は線膨張係数が８．５×１０-6／℃以上１１．５×１０-6／℃以下でこのときのヤング率が１６０ＧＰａ〜１２０ＧＰａの範囲で変化する。
以上の半導体素子３と絶縁回路基板１との線膨張係数の間の線膨張係数値を有する緩衝板５を両者間に配置させることによる両者間の応力緩和の他、緩衝板５は半導体素子３からの放熱をその主表面５ａ，５ｂに沿う方向に拡散させる役割を有する。ＳｉＣの半導体素子３は、パワー半導体素子として大量に熱を発生するが、薄型化が進んでいるためにこれが主表面に沿う横方向に拡散する前に下方へ伝わる。そこでより熱を半導体素子３などの主表面に沿う横方向に拡散させるために、緩衝板５により当該熱をその一方の主表面５ａおよび他方の主表面５ｂに沿う方向に拡散させている。たとえば銅モリブデン合金からなる緩衝板５の熱伝導率は１６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上２８６Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であり、銅モリブデン合金と銅とのクラッド材からなる緩衝板５の熱伝導率は２２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下にも達する。このためこれらの緩衝板５はその横方向への熱拡散にも非常に有効である。
次に、本実施の形態の作用効果について説明する。
本実施の形態のパワーモジュール１０１は、上記のように線膨張係数が半導体素子３より大きく絶縁回路基板１より小さく、かつヤング率が半導体素子３より小さい緩衝板５を、絶縁回路基板１と半導体素子３との間に有している。このため半導体素子３と絶縁回路基板１との線膨張係数差によりこれらの間の接合部に生じる応力を緩和し、接合部の疲労およびクラックを抑制したり、クラックの進展を遅延させることができる。
また緩衝板５は熱伝導率がたとえば１６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上と高いため、そこに伝わった熱をその一方の主表面５ａおよび他方の主表面５ｂに沿う方向に拡散させる効率を高めることができる。さらに絶縁回路基板１および緩衝板５は半導体素子３よりも平面積における面積が大きいため、半導体素子３から緩衝板５に伝わった熱はその横方向への拡がりによりそれ以降はより広い面積範囲内を伝わることになり、その熱抵抗を小さくすることができる。このため発熱体である半導体素子３から図１の下方に向けてベース基板７までの熱経路における熱抵抗を極めて小さくし、優れた熱伝導性を得ることができる。
ところで本実施の形態のように半導体素子３よりも広い平面積の緩衝板５および絶縁回路基板１などが接合される場合、絶縁回路基板１と緩衝板５とを互いに接合する接合材１１が加熱接合される際に、特に平面視における中央部の接合材料に含まれるバインダが残存しやすい。これはバインダの抜け道が存在しないためである。
そこで本実施の形態においては、絶縁回路基板１と緩衝板５とを互いに接合する接合材１１がたとえばメッシュ状に複数に分割されている。これにより、加熱接合時に接合材１１に含まれるバインダが、接合材１１が分断された分割ライン１５を通って接合材１１の外部に排出される効率を高めることができる。たとえ接合材１１の中央部のバインダであっても、分割ライン１５を通ることにより容易にその外部に排出可能となる。つまり分割ライン１５を加熱により蒸発されたバインダの抜け道として利用することにより、バインダの蒸発した気体が接合材１１中に残存することを抑制することができる。したがって接合材１１中に余分なガスが残存しなくなる分だけ、接合材１１が緻密に充填されることになる。このため接合材１１の接合強度を高めることができ、接合材１１の信頼性を高めることができる。接合材１１の接合強度が高まることにより、半導体素子３から絶縁回路基板１への放熱性をより高めることができる。
なお接合材１１が分割ライン１５によりその主表面に沿う横方向に関して分断されたとしても、その幅が上記のように１０μｍ以上であり接合材１１の厚み以下程度であるため、これに接合される緩衝板５と絶縁回路基板１との間の主表面に沿う横方向に関する熱拡散の効率にはほとんど影響を及ぼさない。
また半導体素子３と緩衝板５との間に第２の接合材としての、たとえば焼結銀からなる接合材１１を有することにより、半導体素子３から緩衝板５への接合強度および熱伝導性を確保することもできる。
なお本実施の形態においては、特に第１および第２の接合材としては焼結銀からなる接合材１１が用いられる。焼結銀ははんだよりも熱伝導率が高いため、これを用いることにより、半導体素子３からベース基板７までの放熱経路の熱抵抗を小さくすることができ、非常に優れた熱伝導性を得ることができる。
またたとえば図１のパワーモジュール１０１においては、第１の接合材１１のみが分割ライン１５により平面視において複数に分割されており、第２の接合材１１および第３の接合材１３は分割ライン１５による分割がなされていない。これにより、たとえば第１の接合材１１についてはバインダの抜け道による接合材１１の緻密充填を優先させ、たとえば第２の接合材１１および第３の接合材１３については広い接合面積の確保を優先させることができる。
実施の形態２．
まず図４を用いて、本実施の形態のパワーモジュールの構成について説明する。図４を参照して、本実施の形態のパワーモジュール２０１は基本的に実施の形態１のパワーモジュール１０１と同様の構成を有するため、同一の要素については同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。ただし本実施の形態のパワーモジュール２０１は、絶縁回路基板１とベース基板７との間に配置される接合材１３（第３の接合材）が、平面視において複数に分割されている点において、実施の形態１のパワーモジュール１０１と異なっている。つまり第３の接合材としての接合材１３が、図２および図３に示す実施の形態１の第１の接合材としての接合材１１と同様に、分割ライン１５により複数に分割されている。ここでの接合材１３の分割態様は、図２と同様であってもよいし図３と同様であってもよい。
次に、本実施の形態の作用効果について説明する。本実施の形態は、実施の形態１の作用効果に加えて、以下の作用効果を奏する。
パワーモジュール２０１はパワーモジュール１０１と同様に、基本的に図４の下側の部材の方が図４の上側の部材よりも平面視における面積が大きくなっている。したがって絶縁回路基板１と緩衝板５との間の接合材１１よりも、絶縁回路基板１とベース基板７との間の接合材１３の方が平面積が大きい。このため接合材１１としては通常焼結銀が用いられるのに対し、接合材１３としては焼結銀を用いることもあるが、通常は焼結銀よりも低コストのはんだが用いられる。はんだの接合材１３であっても、これが接合前の塗布状態においてペースト状であれば、当該ペーストにはバインダを含むため、加熱接合時にバインダの蒸発したガスが接合後に接合材１３の内部に滞留する恐れがある。そこで本実施の形態においては、接合材１３に対して外部に放出される経路である分割ライン１５を設けることが有効となる。このようにすれば、はんだの接合材１３の加熱接合時に発生するバインダのガスを分割ライン１５から高効率に外部に排出させることができ、接合材１３において実施の形態１の接合材１１と同様の作用効果を奏する。
また図示されないが、本実施の形態のように第３の接合材にも分割ライン１５を設ければ、この接合材を焼結銀により形成された接合材１１とすることができる。分割ライン１５により、焼結銀の接合材中のバインダガスを高効率に排出させることができ、焼結銀の接合材の接合強度を高めることができるためである。また絶縁回路基板１とベース基板７との間の第３の接合材として焼結銀の接合材を用いることにより、第３の接合材がはんだで形成される場合よりもさらに、半導体素子３からベース基板７までの放熱経路の熱抵抗を小さくすることができ、非常に優れた熱伝導性を得ることができる。これは焼結銀の接合材１１ははんだの接合材１３よりも熱伝導性が高いためである。
実施の形態３．
まず図５を用いて、本実施の形態のパワーモジュールの構成について説明する。図５を参照して、本実施の形態のパワーモジュール３０１は基本的に実施の形態１，２のパワーモジュール１０１，２０１と同様の構成を有するため、同一の要素については同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。ただし本実施の形態のパワーモジュール３０１は、絶縁回路基板１の一方の主表面１ａ側に、緩衝板５を介して複数の半導体素子３が、互いに間隔をあけて配置される点において、実施の形態１，２のパワーモジュール１０１，２０１と異なっている。なお図５においては絶縁回路基板１と緩衝板５との間の接合材１１、および絶縁回路基板１とベース基板７との間の接合材１３の双方が、分割ライン１５により複数に分割された構成を有しているが、図５の接合材１３は図１と同様に分割ライン１５を有さなくてもよい。
本実施の形態においても実施の形態１と同様に、緩衝板５は、半導体素子３と絶縁回路基板１との線膨張係数の差に主に起因する熱応力を緩和しつつ、半導体素子３の発生する熱をその主表面に沿う横方向に高効率に拡散させることができる。第１の接合材としての接合材１１が複数に分割されているため、バインダの蒸発ガスを高効率に外部に排出可能である。このため、第１の接合材としてははんだよりも熱伝導率の高い焼結銀の接合材１１が使用可能とされ、半導体素子３からベース基板７までの放熱経路の熱抵抗を小さくすることができ、非常に優れた熱伝導性を得ることができる。
次に、本実施の形態の作用効果について説明する。本実施の形態は、実施の形態１，２の作用効果に加えて、以下の作用効果を奏する。
本実施の形態においても緩衝板５を実施の形態１と同様に銅モリブデン合金により形成した場合、その電気抵抗率は２．７×１０-8Ωｍ以上５．３×１０-8Ωｍ以下となる。また緩衝板５が銅により形成される場合、その電気抵抗率は１．７×１０-8Ωｍとなる。このように緩衝板５の電気抵抗率は低い。このため緩衝板５の上に接合材１１を介して半導体素子３を複数接合する場合、その複数の半導体素子３同士を電気的に接合する電気配線として緩衝板５を機能させることができる。また緩衝板５により複数の半導体素子３同士が電気的に接続されるため、必要な電気配線の数が減少し、パワーモジュール３０１全体を小型化させることができる。
実施の形態４．
まず図６を用いて、本実施の形態のパワーモジュールの構成について説明する。図６を参照して、本実施の形態のパワーモジュール４０１は基本的に実施の形態１のパワーモジュール１０１と同様の構成を有するため、同一の要素については同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。ただし本実施の形態のパワーモジュール４０１は、第１の接合材としての接合材１１の端面である接合材端面１１ｅを覆うように樹脂材料２１が配置されている点において、実施の形態１のパワーモジュール１０１と異なっている。なお図６のパワーモジュール４０１は実施の形態３と同様に、緩衝板５上に複数の半導体素子３が互いに間隔をあけて配置されているが、パワーモジュール４０１においても実施の形態１のパワーモジュール１０１と同様に単一の半導体素子３のみを有する構成であってもよい。
図６のパワーモジュール４０１は、第１の接合材としての接合材１１の接合材端面１１ｅのみならず、第２の接合材としての接合材１１の接合材端面１１ｅ、および第３の接合材としての接合材１３の端面である接合材端面１３ｅにも形成されている。図６のパワーモジュール４０１のように、接合材端面１１ｅ，１３ｅ上の必要な個所のみに樹脂材料２１が塗布供給されてもよい。しかし図７を参照して、本実施の形態においては、パワーモジュール４０２のように、樹脂材料２１は絶縁回路基板１、半導体素子３、緩衝板５、第１の接合材１１、第２の接合材、第３の接合材のすべての部材を包むように覆っていてもよい。
ここで包むように覆うとは、樹脂材料２１がたとえば絶縁回路基板１、半導体素子３、緩衝板５の主表面および／または端面の少なくとも一部を覆い、かつ第１の接合材１１，第２の接合材１１および第３の接合材１３の端面を覆うことを意味している。言い換えれば、包むように覆うとは、樹脂材料２１が絶縁回路基板１および半導体素子３などからなるパワーモジュール４０２の主要な部分を構成する積層構造の露出した外表面のほぼすべてを覆うことを意味している。なお図７の樹脂材料２１はベース基板７の一方の主表面７ａのみを覆っているが、当該樹脂材料２１はたとえばベース基板７の端面をも覆っていてもよい。
パワーモジュール４０２においては、図７中に示されないが、パワーモジュール４０２の内部と外部との電気的な接続のために必要な電極端子などが形成され、当該電極端子の少なくとも一部が露出するように樹脂材料２１が封止すればよい。
次に、本実施の形態の作用効果について説明する。
本実施の形態においては、上記各実施の形態の作用効果に加えて、樹脂材料２１による応力緩和効果も期待できる。すなわち、たとえば緩衝板５の厚みを薄くすることにより緩衝板５による応力緩和効果が小さくなったとしても、樹脂材料２１がクッションのように作用し、熱応力による負荷を分散させることができる。これにより、接合材端面１１ｅ，１３ｅに加わる熱応力を緩和させることができる。したがって本実施の形態においては実施の形態１などに比べて熱応力が緩和される分だけ緩衝板５を薄くすることができるため、半導体素子３からベース基板７までの放熱経路をより短くすることができ、その分だけ当該放熱経路の熱伝導性を高めることができる。
実施の形態５．
まず図８を用いて、本実施の形態のパワーモジュールの構成について説明する。図８を参照して、本実施の形態のパワーモジュール５０１は基本的に実施の形態１，２のパワーモジュール１０１，２０１と同様の構成を有するため、同一の要素については同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。ただし本実施の形態のパワーモジュール５０１は、絶縁回路基板１の一方の主表面１ａのうち、第１の接合材１１の接合材端面１１ｅと平面的に重なる部分に凹部２３が形成されている。つまり絶縁回路基板１の一方の主表面１ａ上のうち、これがそのすぐ真上に配置された第１の接合材１１の接合材端面１１ｅと平面的に重なる（接合材端面１１ｅと交差する）部分およびそれに隣接する領域に、当該一方の主表面１ａが下方に窪んだ凹部２３が形成されている。
またパワーモジュール５０１においては、上記と同様に、緩衝板５の一方の主表面５ａのうち、そのすぐ真上に配置された第２の接合材１１の接合材端面１１ｅと平面的に重なる（接合材端面１１ｅと交差する）部分およびそれに隣接する領域に、当該一方の主表面５ａが下方に窪んだ凹部２３が形成されている。さらにパワーモジュール５０１においては、ベース基板７の一方の主表面７ａのうち、そのすぐ真上に配置された第３の接合材１３の接合材端面１３ｅと平面的に重なる（接合材端面１３ｅと交差する）部分およびそれに隣接する領域に、当該一方の主表面７ａが下方に窪んだ凹部２３が形成されている。
図９を参照して、本実施の形態のパワーモジュール５０２のように、上記の接合材端面１１ｅと重なる部分のみならず、絶縁回路基板１の一方の主表面１ａのうち、そのすぐ真上に配置された第１の接合材１１と平面的に重なる部分のほぼ全体に拡がる凹部２４が形成されていてもよい。凹部２４はそのすぐ真上の第１の接合材１１およびその上の緩衝板５などの積層構造の部分の最下部をその内部に嵌めこむように配置可能となっている。すなわち凹部２４のすぐ真上の第１の接合材１１の下側の主表面は、絶縁回路基板１の一方の主表面１ａよりも図９の下側（ベース基板７の配置される側）に潜り込んだ構成となっている。
またパワーモジュール５０２においては、上記と同様に、緩衝板５の一方の主表面５ａのうち、そのすぐ真上に配置された第２の接合材１１と平面的に重なる部分のほぼ全体に拡がる凹部２４が形成されていてもよい。さらにパワーモジュール５０２においては、ベース基板７の一方の主表面７ａのうち、そのすぐ真上に配置された第３の接合材１３と平面的に重なる部分のほぼ全体に拡がる凹部２４が形成されていてもよい。これらの凹部２４についても、そのすぐ真上の接合材１１，１３を含むその上側の積層構造の部分の最下部をその内部に嵌めこむように配置可能となっている。
なお図８および図９においては絶縁回路基板１と緩衝板５との間の接合材１１、および絶縁回路基板１とベース基板７との間の接合材１３の双方が、分割ライン１５により複数に分割された構成を有しているが、図８および図９の接合材１３は図１と同様に分割ライン１５を有さなくてもよい。
次に、本実施の形態の作用効果について説明する。本実施の形態は上記各実施の形態の作用効果に加えて、以下の作用効果を奏する。
本実施の形態においては上記のように凹部２３が設けられるため、その凹部２３内に、その真上の接合材１１，１３が流れ込み、その接合材１１，１３の厚みが増すことになる。すなわち本実施の形態においては、凹部２３のすぐ真上の接合材１１，１３の端面１１ｅ，１３ｅおよびそれに隣接する領域における厚みを他の領域よりも厚くすることができる。したがって接合材１１，１３に加わる熱応力を緩和させることができる。凹部２４についても同様であり、その部分に接合材１１，１３が流れ込む態様とすることができるため、凹部２４においてはその分だけ接合材１１，１３を厚くすることができる。このため接合材１１，１３に加わる熱応力を緩和させることができる。したがって本実施の形態においては実施の形態１などに比べて熱応力が緩和される分だけ緩衝板５を薄くすることができるため、半導体素子３からベース基板７までの放熱経路をより短くすることができ、その分だけ当該放熱経路の熱伝導性を高めることができる。
実施の形態６．
まず図１０を用いて、本実施の形態のパワーモジュールの構成について説明する。図１０を参照して、本実施の形態のパワーモジュール６０１は基本的に実施の形態１，２のパワーモジュール１０１，２０１と同様の構成を有するため、同一の要素については同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。ただし本実施の形態のパワーモジュール６０１は、緩衝板５が、その端面である緩衝板端面５ｅに隣接する領域において、その隣接する領域以外の領域よりも薄く形成され、表面に緩衝板傾斜部５１，５２が形成されている。緩衝板５が薄くなっている部分には、そのすぐ真上またはそのすぐ真下の接合材１１が流れ込んでおり、これにより他の領域よりも接合材１１が厚く形成されている。このため当該接合材１１は、緩衝板端面５ｅに隣接する緩衝板５が薄くなった領域と平面的に重なる領域において、その平面的に重なる領域以外の領域よりも厚く形成されている。
なお図１０のパワーモジュール６０１は実施の形態３と同様に、緩衝板５上に複数の半導体素子３が互いに間隔をあけて配置されているが、パワーモジュール６０１においても実施の形態１のパワーモジュール１０１と同様に単一の半導体素子３のみを有する構成であってもよい。
次に、本実施の形態の作用効果について説明する。
本実施の形態においては上記のように、緩衝板傾斜部５１，５２により緩衝板５が薄くなった領域が形成されている。このため、この緩衝板傾斜部５１，５２を覆う、その真上または真下の接合材１１は、緩衝板傾斜部５１，５２以外の領域を覆う当該接合材１１よりも厚く形成される。このため、接合材１１に加わる熱応力を緩和させることができる。したがって本実施の形態においては実施の形態１などに比べて熱応力が緩和される分だけ緩衝板５を薄くすることができるため、半導体素子３からベース基板７までの放熱経路をより短くすることができ、その分だけ当該放熱経路の熱伝導性を高めることができる。
実施の形態７．
まず図１１を用いて、本実施の形態のパワーモジュールの構成について説明する。図１１を参照して、本実施の形態のパワーモジュール７０１は基本的に実施の形態１，２のパワーモジュール１０１，２０１と同様の構成を有するため、同一の要素については同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。ただし本実施の形態のパワーモジュール７０１は、絶縁回路基板１とベース基板７との間に緩衝板５（第２の緩衝板）が配置されている点において実施の形態１などとは異なっている。
第２の緩衝板としての緩衝板５は、第１の緩衝板としての緩衝板５と同様に、その図１１の上側に一方の主表面５ａを、その図１１の下側に他方の主表面５ｂを有する平板形状である。第２の緩衝板としての緩衝板５は、その線膨張係数が、絶縁回路基板１の線膨張係数とベース基板７の線膨張係数との中間の値を有する材質により形成されている。
パワーモジュール７０１においては、第２の緩衝板５の一方の主表面５ａと絶縁回路基板１とは焼結銀の接合材１１により接合されており、第２の緩衝板５の他方の主表面５ｂとベース基板７とも焼結銀の接合材１１により接合されている。ただし第２の緩衝板５とベース基板７との間に配置される接合材は上記の第３の接合材１３であってもよい。なお第２の緩衝板５の一方の主表面５ａ上の接合材１１は、第１の緩衝板５の一方の主表面５ａ上の接合材１１よりも平面積が大きい。このため、絶縁回路基板１と第２の緩衝板５とを良好に接合させる観点から、この部分の接合材１１にも分割ライン１５が設けられることが好ましい。
次に、本実施の形態の作用効果について説明する。
特に絶縁回路基板１とベース基板７との間を焼結銀の接合材１１により接合する場合、焼結銀とこれに隣接する各部材との線膨張係数の差が大きくなるため、絶縁回路基板１とベース基板７との間に緩衝板５を挟むことが好ましい。このようにすれば、実施の形態１の緩衝板５と同様の観点で、線膨張係数の差を減少させることにより、熱応力を緩和させることができる。
ただし図１２を参照して、本実施の形態のように絶縁回路基板１の他方の主表面１ｂ側に緩衝板５を設ける場合においても、パワーモジュール７０２のように、第２の緩衝板５の一方の主表面５ａ上および他方の主表面５ｂ上を覆うようにはんだの接合材１３が設けられてもよい。また図１２においては第２の緩衝板５の他方の主表面５ｂ上の接合材１３に分割ライン１５が設けられていないが、この接合材１３にも分割ライン１５が設けられてもよい。
実施の形態８．
図１３を参照して、実施の形態８の第１例のパワーモジュール８０１においては、絶縁回路基板１と第１の緩衝板５との間に配置される第１の接合材１１が分割ライン１５により複数に分割されてはおらず、単一の領域がその平面視における全体に広がっている。この点において図１３は、接合材１１が複数に分割されている実施の形態１の図１と構成上異なっている。
図１４を参照して、実施の形態８の第２例のパワーモジュール８０２においては、実施の形態３の図５と同様に、絶縁回路基板１の一方の主表面１ａ側に、緩衝板５を介して複数の半導体素子３が互いに間隔をあけて配置される。ただし図１４においては、絶縁回路基板１と第１の緩衝板５との間に配置される第１の接合材１１、および絶縁回路基板１とベース基板７との間に配置される第３の接合材１３の双方とも、分割ライン１５により複数に分割されてはおらず、単一の領域がその平面視における全体に広がっている。この点において図１４は、接合材１１，１３が複数に分割されている実施の形態３の図５と構成上異なっている。
以上の点においてのみ図１３，１４の構成はそれぞれ図１，図５の構成と異なっているが、それ以外の点においては図１，図５の構成と同様である。このため同一の要素については同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。
本実施の形態のように接合材１１，１３が分割ライン１５を有さない構成であっても、少なくとも絶縁回路基板１と半導体素子３との間に、これらの線膨張係数の中間の線膨張係数の値を有する緩衝板５が配置されることが好ましい。これにより、絶縁回路基板１と半導体素子３との線膨張係数の差に起因する熱応力を緩和し、接合部の疲労およびクラックを抑制したり、クラックの進展を遅延させることができる。また緩衝板５により、半導体素子３から下方に伝わる熱を緩衝板５の主表面に沿うように横方向に高効率に拡散させることができる。このため発熱体である半導体素子３から図１の下方に向けてベース基板７までの熱経路における熱抵抗を極めて小さくし、優れた熱伝導性を得ることができる。
実施の形態９．
まず図１５を用いて、本実施の形態の第１例のパワーモジュールの構成について説明する。図１５を参照して、本実施の形態の第１例のパワーモジュール９０１は基本的に実施の形態１のパワーモジュール１０１と同様の構成を有するため、同一の要素については同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。ただし本実施の形態の第１例のパワーモジュール９０１は、第１の接合材１１における分割ライン１５の数が多くなっている点、および半導体素子３と第１の緩衝板５との間の第２の接合材１１にも分割ライン１５が設けられこれが平面視において複数に分割されている。これらの点においてパワーモジュール９０１は、実施の形態１のパワーモジュール１０１と異なっている。
本実施の形態の第１例においても実施の形態１と同様に、接合材１１を形成するためのペースト材が、一般公知のスクリーン印刷法またはディスペンサー塗布法などの方法により塗布される。あるいは、半乾燥状態でシート状にされた接合材を一方の主表面１ａ上に貼り付けるなどの方法が用いられてもよい。いずれの場合も、この材料を焼結すれば、ペースト材に含まれるバインダの種類および量などにより、接合材１１の厚みおよび分割ライン１５の幅（絶縁回路基板１の一方の主表面１ａに沿う方向の幅）が変化する。したがって、ここでも実施の形態１と同様に、接合材１１の焼結後のサイズについて以下説明する。
本実施の形態においては、第２の接合材１１が複数に分割されるための分割ライン１５の部分の平面積が、半導体素子３の平面積の２０％以下であり、分割ライン１５の幅（図１５の左右方向）が第２の接合材１１の厚み（図１５の上下方向）以下であることが好ましい。つまり、分割ライン１５の部分は接合材１１が存在しないため半導体素子３と緩衝板５とが接合されない領域となる。このように半導体素子３とが接合されない分割ライン１５の部分の平面視における面積が、半導体素子３の平面視における面積の２０％以下であれば、分割ライン１５の幅が第２の接合材１１の厚み以下である限り、第２の接合材１１の部分の熱抵抗は、分割ライン１５が存在しない場合に比べてほとんど増加しない。
このことは、たとえば第２の接合材１１の分割ライン１５の幅が１０μｍで、隣り合う１対の分割ライン１５のピッチが０．２ｍｍとなるように分割ライン１５が縦横に形成される場合（図２参照）においても、第２の接合材１１の分割ライン１５の幅が２０μｍである場合においても同様である。つまり分割ライン１５の幅が１０μｍであっても２０μｍであっても、分割ライン１５の部分の平面視における総面積が半導体素子３の総面積の２０％以下であり、分割ライン１５の幅が第２の接合材１１の厚み以下である限り、第２の接合材１１の部分の熱抵抗は、分割ライン１５が存在しない場合に比べてほとんど増加しない。このことは、たとえ半導体素子３の厚みが図１５のたとえば１００〜４００μｍよりも薄い、たとえば５０μｍ程度にまで薄くなった場合についても同様である。
また分割ライン１５は、第２の接合材１１の平面視における中央部から端部に向けて連続するように延びていることが好ましい。
次に、本実施の形態の第１例である図１５の作用効果について説明する。本実施の形態は、実施の形態１の作用効果に加えて、以下の作用効果を奏する。
図１５のパワーモジュール９０１は、図１のパワーモジュール１０１に比べて、第１の接合材１１の分割ライン１５の数が増加しており、かつ第２の接合材１１にも分割ライン１５が設けられている。このため第１の接合材１１のバインダの抜け道が実施の形態１よりも増加することにより、接合材１１が緻密に充填され、その接合強度をより高めることができ、その放熱性をより高めることができる。上記のように分割ライン１５の数が増えても、その分割ライン１５の部分の面積が半導体素子３と重なる領域全体の面積に対して占める面積が２０％以下であり、分割ライン１５の幅が接合材１１の厚み以下であれば、当該第１の接合材１１の熱抵抗はほとんど増加せず、その放熱性が高い状態を維持することができる。
また第２の接合材１１にも分割ライン１５を設けることにより、第２の接合材１１も第１の接合材１１と同様に、バインダの抜け道が増加し、接合材１１が緻密に充填され、その接合強度をより高めることができ、その放熱性をより高めることができる。
たとえば第２の接合材１１の分割ライン１５の幅を１０μｍとし、隣り合う１対の分割ライン１５のピッチを０．２ｍｍとするように、図２と同様に縦横に分割ライン１５を複数形成する場合を考える。この場合から、仮に第２の接合材１１の分割ライン１５の幅を２０μｍに拡張する変更をしたとしても、当該分割ライン１５の部分の平面積が半導体素子３と重なる領域の全体に対して占める面積が２０％以下であり、分割ライン１５の幅が接合材１１の厚み以下であれば、当該第１の接合材１１の熱抵抗はほとんど増加せず、その放熱性が高い状態を維持することができる。
このように、第１の接合材１１および第２の接合材１１のいずれについても、分割ライン１５の数を増加しても熱抵抗がほとんど増加しないため、接合材１１の平面視におけるサイズをより小さくすることができ、分割ライン１５を応力緩衝構造として機能させることができる。つまり接合材１１の分割ライン１５の数を増加させることにより、熱伝導度が高い状態を維持しながら、その接合材１１の部分の応力を緩和する効果を高めることができる。分割ライン１５の数が増えることにより接合材１１の部分が少なくなるため熱応力を緩和させることが可能となるためである。
このことは上記のように、たとえば半導体素子３の厚みが５０μｍ程度まで薄くなった場合についても同様である。特に半導体素子３のヤング率が４３０ＧＰａ以下であるが４３０ＧＰａに比較的近い値である場合には（分割ライン１５の幅が接合材１１の厚み以下である限り）、半導体素子３を薄くすれば第１および第２の接合材１１に加わる応力の負荷をさらに小さくすることができる。半導体素子３が薄くなることにより、絶縁回路基板１の熱応力による変形に半導体素子３が追随しやすくなるためである。これにより、第１の緩衝板５の厚みを薄くすることができ、半導体素子３と絶縁回路基板１との間の熱抵抗をより低減させることができる。
なお図１５のパワーモジュール９０１において、第１および第２の接合材１１の分割ライン１５の幅はその全体において同じでなくてもよい。具体的には、たとえば接合材１１の平面視における中央部の分割ライン１５の占める面積割合を小さくして接合材１１の配置面積の割合を大きくし、接合材１１の平面視における端部の分割ライン１５の面積割合を大きく接合材１１の配置面積の割合を小さくしてもよい。このようにすれば、半導体素子３の中央部と重なる領域に接合材１１の熱抵抗を小さくし、かつ周囲の応力を緩和する効果を大きくすることができ、接合材１１の本来の機能を損なうことを抑制できる。
次に図１６を用いて、本実施の形態の第２例のパワーモジュールの構成について説明する。図１６を参照して、本実施の形態の第２例のパワーモジュール９０２は基本的に図１５のパワーモジュール９０１と同様の構成を有するため、同一の要素については同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。ただし図１６のパワーモジュール９０２は、絶縁回路基板１の一方の主表面１ａのうち、第１の接合材１１の接合材端面１１ｅと平面的に重なる部分に、図８のパワーモジュール５０１と同様に、凹部２３が形成されている。この点においてパワーモジュール９０２はパワーモジュール５０１と異なっている。なおパワーモジュール９０２は、緩衝板５の一方の主表面５ａのうち、そのすぐ真上に配置された第２の接合材１１の接合材端面１１ｅと平面的に重なる（接合材端面１１ｅと交差する）部分およびそれに隣接する領域に、図８のパワーモジュール５０１と同様に、当該一方の主表面５ａが下方に窪んだ凹部２３が形成されている。
凹部２３の直上の接合材１１を形成するにあたり、たとえばスクリーン印刷法によりペースト材を塗布する場合には、凹部２３に隣接するその接合材１１の端部における塗布量を他の領域よりも多くすることが好ましい。あるいは凹部２３の直上の接合材１１を形成するにあたり、たとえばディスペンサー塗布法によりペースト材を塗布する場合には、凹部２３内に他の領域よりも多くのペースト材を塗布することが好ましい。このようにすれば、凹部２３の真上において他の領域よりも厚く接合材１１を形成することができる。このことは上記の実施の形態５についても同様である。
ここでパワーモジュール９０２の作用効果について説明する。パワーモジュール９０２においては、実施の形態５と同様に、第１および第２の接合材１１のうち特に応力負荷の高い端部に凹部２３が形成される。このため、その凹部２３内に、その真上の接合材１１，１３が流れ込み、その接合材１１，１３の厚みが他の領域よりも増すことになる。したがって接合材１１，１３に加わる熱応力を緩和させることができる。このためパワーモジュール９０２はパワーモジュール９０１よりもその寿命を延ばすことができる。
なお図１５および図１６のパワーモジュール９０１，９０２はいずれも半導体素子３が１つのみ設けられている。しかし本実施の形態の各例を、たとえば実施の形態３のように複数の半導体素子３を有する構成に適用してもよい。
以上のように本実施の形態においては、第１および第２の接合材１１のみが分割ライン１５により平面視において複数に分割されており、第３の接合材１３は分割ライン１５による分割がなされていない。これにより、たとえば第１および第２の接合材１１についてはバインダの抜け道による接合材１１の緻密充填を優先させ、たとえば第３の接合材１３については広い接合面積の確保を優先させることができる。
実施の形態１０．
まず図１７を用いて、本実施の形態の第１例のパワーモジュールの構成について説明する。図１７を参照して、本実施の形態の第１例のパワーモジュール１００１は基本的に実施の形態９のパワーモジュール９０１と同様の構成を有するため、同一の要素については同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。ただし本実施の形態の第１例のパワーモジュール１００１は、第１の緩衝板５およびその直下の第１の接合材１１が配置されていない点において、パワーモジュール９０１と構成上異なっている。
すなわち図１７のパワーモジュール１００１は、絶縁回路基板１と、その一方の主表面１ａ側の半導体素子３と、絶縁回路基板１と半導体素子３との間に配置される第２の接合材１１と、絶縁回路基板１の他方の主表面１ｂ側に配置されるベース基板７とを備えている。第２の接合材１１は平面視において分割ライン１５により複数に分割されている。また絶縁回路基板１とベース基板７との間に第３の接合材１３が配置されるが、第３の接合材１３には分割ライン１５が設けられていない。また第２の接合材１１の分割ライン１５の平面積は半導体素子３の平面積の２０％以下であり、分割ライン１５の幅は第２の接合材１１の厚み以下である。
またパワーモジュール１００１は、絶縁回路基板１の線膨張係数が、半導体素子の線膨張係数よりも３×１０-6／℃以下だけ大きい。すなわち絶縁回路基板１と半導体素子３との線膨張係数の差が、上記の各実施の形態に比べて小さい。以上の各点において、パワーモジュール１００１はパワーモジュール９０１と異なっている。
次に、本実施の形態の第１例である図１７の作用効果について説明する。本実施の形態は、実施の形態９の作用効果に加えて、以下の作用効果を奏する。
絶縁回路基板１と半導体素子３との線膨張係数の差が、上記の各実施の形態に比べて小さいため、第２の接合材１１の分割ライン１５の数を実施の形態１などより増加させ、分割ライン１５の部分を応力緩衝構造として機能させることができる。つまり接合材１１の分割ライン１５の数を増加させることにより、分割ライン１５の数が増えることにより接合材１１の部分が少なくなるため熱応力を緩和させることが可能となる。これにより、そもそも緩衝板５を省いた構成とすることができるため、緩衝板５が存在しない分だけ、他の実施の形態に比べて、半導体素子３からベース基板７までの全領域の熱抵抗を大幅に小さくすることができる。
次に図１８を用いて、本実施の形態の第２例のパワーモジュールの構成について説明する。図１８を参照して、本実施の形態の第２例のパワーモジュール１００２は基本的に図１７のパワーモジュール１００１と同様の構成を有するため、同一の要素については同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。ただし図１８においては、図１６などと同様に、一方の主表面１ａのうち第２の接合材１１の接合材端面１１ｅと平面的に重なる部分、および一方の主表面７ａのうち第３の接合材１３の接合材端面１３ｅと平面的に重なる部分に凹部２３が形成されている。この凹部２３が形成されることにより、実施の形態５，９の凹部２３と同様の作用効果を奏することができる。
なお図１７および図１８のパワーモジュール１００１，１００２を、たとえば実施の形態３のように複数の半導体素子３を有する構成に適用してもよい。
実施の形態１１．
図１９を参照して、本実施の形態のパワーモジュール１１０１は基本的にパワーモジュール１００１と同様の構成を有するが、パワーモジュール１００１に比べて半導体素子３が薄くなっており、具体的にはその厚みが１００μｍ以下、より好ましくは５０μｍ程度となっている。
特に半導体素子３のヤング率が４３０ＧＰａ以下であるが４３０ＧＰａに比較的近い値である場合には、半導体素子３を薄くすれば、第２の接合材１１に加わる応力の負荷をさらに小さくすることができる。半導体素子３が薄くなることにより、絶縁回路基板１の熱応力による変形に半導体素子３が追随しやすくなるためである。これにより、緩衝板５を省略した構成とすることができる。
なお半導体素子３が薄くなることにより、その半導体素子３の横方向（図１９の左右方向）の熱伝導性が小さくなったとしても、接合材１１の分割ライン１５の平面積が半導体素子３の平面積の２０％以下であり、分割ライン１５の幅が接合材１１の厚み以下である限り、接合材１１の熱抵抗は、半導体素子３が薄くなっていないパワーモジュール１００１と同程度である。
したがって本実施の形態においては、半導体素子３が薄くなったとしても、パワーモジュール１１０１全体の熱抵抗を大きく上昇させることなく、接合材１１への応力負荷を小さくすることができる。このため第２の接合材１１の応力を緩和し、パワーモジュール１１０１の寿命を延ばすことができる。
以上に述べた各実施の形態（に含まれる各例）に記載した特徴を、技術的に矛盾のない範囲で適宜組み合わせるように適用してもよい。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１ 絶縁回路基板、１ａ，５ａ，７ａ，８ａ 一方の主表面、１ｂ，５ｂ，７ｂ，８ｂ 他方の主表面、３ 半導体素子、５ 緩衝板、５ｅ 緩衝板端面、７ ベース基板、８ 絶縁セラミックス板、９ 導体薄膜、１１，１３ 接合材、１１ｅ，１３ｅ 接合材端面、１５ 分割ライン、２１ 樹脂材料、２３，２４ 凹部、５１，５２ 緩衝板傾斜部、１０１，２０１，３０１，４０１，４０２，５０１，５０２，６０１，７０１，７０２，８０１，８０２，９０１，９０２，１００１，１００２，１１０１ パワーモジュール。

Claims (14)

  1. 絶縁回路基板と、
    前記絶縁回路基板の一方の主表面側に配置される半導体素子と、
    前記絶縁回路基板と前記半導体素子との間に配置される第１の緩衝板と、
    前記絶縁回路基板と前記第１の緩衝板との間に配置される第１の接合材と、
    前記半導体素子と前記第１の緩衝板との間に配置される第２の接合材と、
    前記絶縁回路基板の前記一方の主表面側と反対側の他方の主表面側に配置される放熱部材とを備え、
    前記第１の接合材は平面視において複数に分割され、前記絶縁回路基板と前記第１の緩衝板とを接合し、
    前記第１の緩衝板の線膨張係数は、前記半導体素子の線膨張係数より大きくかつ前記絶縁回路基板の線膨張係数より小さく、
    前記第１の緩衝板のヤング率は、前記半導体素子のヤング率より小さく、
    前記絶縁回路基板の線膨張係数は４．８×１０ -6 ／℃以上１４．５×１０ -6 ／℃以下であり、前記第１の緩衝板のヤング率は４３０ＧＰａ未満である、パワーモジュール。
  2. 前記第２の接合材は平面視において複数に分割されている、請求項１に記載のパワーモジュール。
  3. 前記第１および第２の接合材のみが平面視において複数に分割されている、請求項１または２に記載のパワーモジュール。
  4. 前記第２の接合材が複数に分割されるための分割ラインの平面積は、前記半導体素子の平面積の２０％以下であり、
    前記分割ラインの、前記一方の主表面に沿う方向の幅は、前記第２の接合材の厚み以下である、請求項２または３に記載のパワーモジュール。
  5. 前記第１の接合材のみが平面視において複数に分割されている、請求項１に記載のパワーモジュール。
  6. 前記第１の接合材は、銀ナノ粒子を用いた低温焼結材からなる、請求項１〜５のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
  7. 前記絶縁回路基板および前記第１の緩衝板は、前記半導体素子よりも平面視における面積が大きい、請求項１〜６のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
  8. 前記絶縁回路基板の一方の主表面側に複数の前記半導体素子が配置される、請求項１〜７のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
  9. 前記第１の接合材の端面を覆うように樹脂材料が配置される、請求項１〜８のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
  10. 前記樹脂材料は前記絶縁回路基板、前記半導体素子、前記第１の緩衝板および前記第１の接合材を包むように覆う、請求項９に記載のパワーモジュール。
  11. 前記絶縁回路基板の前記一方の主表面のうち前記第１の接合材の端面と平面的に重なる部分には凹部が形成されている、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
  12. 前記凹部は前記絶縁回路基板の前記一方の主表面のうち前記第１の接合材と平面的に重なる部分に形成されている、請求項１１に記載のパワーモジュール。
  13. 前記第１の緩衝板は、前記第１の緩衝板の端面に隣接する領域において、前記隣接する領域以外の領域よりも薄く形成され、
    前記第１の接合材は前記隣接する領域と平面的に重なる領域において、前記平面的に重なる領域以外の領域よりも厚く形成される、請求項１〜１２のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
  14. 前記絶縁回路基板と前記放熱部材との間に配置される第２の緩衝板と、
    前記第２の緩衝板と前記放熱部材との間に配置される第３の接合材とをさらに備え、
    前記第３の接合材は平面視において複数に分割されている、請求項１〜１３のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
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