JP6255771B2 - 半導体モジュール - Google Patents

Description

この発明は、半導体モジュールに関し、特に、半導体モジュールの基板に搭載される導出端子の構造に関する。

半導体モジュールは、一般的に、基板と、半導体チップと、導出端子と、筐体（ケース）とを備えている。基板は、筐体の底部を構成するベースにはんだ等の導電性接着剤（以下では、代表的に「はんだ」として説明する。）によって固定される。半導体チップおよび導出端子は、基板に搭載され、はんだによって基板に固定される。導出端子は、基板から筐体の外部へ延びる。半導体チップと導出端子とは、ボンディングワイヤによって電気的に接続される。非特許文献１には、このような構成を有する半導体モジュールが記載されている（非特許文献１のｐ６０等参照）。

高橋良和編、「２０１０ パワーモジュール組立実装技術 徹底解説」、電子ジャーナル、２０１０年６月１４日、ｐ６０

導出端子を基板にはんだ付けした後にボンディングワイヤを形成する場合、基板に設けられた導出端子にボンディングツールが接触し得る。一方、ボンディングワイヤを形成した後に導出端子を基板にはんだ付けする場合、はんだ接続のために昇温する必要がある。そうすると、既設のはんだ（半導体チップを基板に固定しているはんだや、基板をベースに固定しているはんだ等）が再昇温されることとなり、既設のはんだの信頼性が低下する。

導出端子用のはんだに既設のはんだよりも低融点のものを採用することも考えられるが、そのような特別なはんだを採用することは、材料コストの増加を招く。また、そのような低融点のはんだを採用したとしても、再昇温による既設のはんだへの影響を完全には排除できない。

それゆえに、本発明の目的は、はんだ接続の信頼性の低下を抑制可能な半導体モジュールを提供することである。

本発明の１つの局面に係る半導体モジュールは、半導体チップと、基板と、筐体と、第１導出端子と、第２導出端子と、接続部とを備える。基板は、半導体チップを搭載する。筐体は、基板を収容する。第１導出端子は、基板に搭載され、基板の主表面と交差する方向に延びる。第２導出端子は、基板から上記の方向に見て基板に対して第１導出端子よりも遠い側に設けられる。接続部は、筐体の内部に設けられ、第２導出端子を第１導出端子と電気的に接続する。

本発明によれば、はんだ接続の信頼性の低下を抑制可能な半導体モジュールを提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールのＸＺ平面に沿った断面図である。 図１に示す半導体モジュールの内部を概略的に示した平面図である。 図２中のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。 ボンディングワイヤの形成時の様子を示した図である。 実施の形態２に係る半導体モジュールのＸＺ平面に沿った断面図である。 実施の形態３に係る半導体モジュールのＸＺ平面に沿った断面図である。 第２導出端子の他の構成を示した図である。 第２導出端子のさらに他の構成を示した図である。

［本願発明の実施形態の説明］
最初に本発明の実施形態を列記して説明する。

（１）本発明の実施形態に係る半導体モジュールは、半導体チップと、基板と、筐体と、第１導出端子と、第２導出端子と、接続部とを備える。基板は、半導体チップを搭載する。筐体は、基板を収容する。第１導出端子は、基板に搭載され、基板の主表面と交差する方向に延びる。第２導出端子は、基板から上記の方向に見て基板に対して第１導出端子よりも遠い側に設けられる。接続部は、筐体の内部に設けられ、第２導出端子を第１導出端子と電気的に接続する。

この半導体モジュールにおいては、端子が第１導出端子と第２導出端子とに分けられ、第２導出端子を第１導出端子と電気的に接続するための接続部が筐体内部に設けられる。これにより、ボンディングワイヤの形成時に端子がボンディングツールと接触しないように第１導出端子の長さを決定することができる。

そして、このような構成とすることにより、第１導出端子を基板にはんだ付けした後、接続部により第２導出端子を第１導出端子に接続する前にワイヤボンディングを実施することができる。これにより、ワイヤボンディングの実施前に、第１導出端子のはんだ付けを半導体チップのはんだ付けと同時に行なうことができる。したがって、この半導体モジュールによれば、はんだ接続用の昇温を複数回実施することによるはんだ接続の信頼性低下を回避することができる。また、第１導出端子用に低融点のはんだを選定する必要もなく、はんだの材料コストの増加も抑制できる。

なお、第１導出端子の延びる方向が基板の主表面と交差するとは、基板の主表面に対して第１導出端子の延びる方向が直交または実質的に直交していることを意味する。実質的に直交するとは、直交している状態からたとえば±１０°以下の範囲でずれた状態で交差している場合を含む。第１導出端子の延びる方向は、最適には、基板の主表面に対して９０°の角度で交差しているとよい。

接続部が筐体の内部に設けられるとは、接続部が筐体の内側に設けられる場合、および接続部が筐体の壁部と一体的に構成される場合の双方を含む。また、接続部の構成は、特に限定されない。ソケット、ネジ止め、コネクタ、溶接（たとえばレーザー溶接）等、種々の接続形態を採用し得る。

（２）好ましくは、筐体は、基板の主表面と対向する面に開口を有する。半導体モジュールは、開口に設けられる蓋体をさらに備える。第２導出端子は、蓋体と一体的に設けられる。

このような構成により、第２導出端子の配設を蓋体の開口への取付けと同時に行なうことができる。したがって、この半導体モジュールによれば、第２導出端子の配設が容易になる。

（３）さらに好ましくは、接続部は、蓋体と一体的に設けられる。
このような構成により、蓋体と接続部とが一部品として構成される。したがって、この半導体モジュールによれば、部品点数を削減することができる。

（４）好ましくは、第２導出端子は、前記筐体の外部へ引き出される引出部を含む。基板の主表面と交差する方向に沿って半導体モジュールを平面視した場合に、第２導出端子は、引出部が第１導出端子とずれるように構成される。

このような構成により、第１導出端子の配置に拘わらず、第２導出端子の筐体外部への引出位置を一定とし得る。あるいは、第１導出端子の配置を変更することなく、第２導出端子の筐体外部への引出位置を変更し得る。したがって、この半導体モジュールによれば、設計の自由度が向上する。

（５）好ましくは、接続部は、ソケットを含む。
この構成によれば、第２導出端子を第１導出端子と容易に接続することができる。

（６）好ましくは、接続部は、第２導出端子に設けられる。
このような構成により、接続部は、半導体チップおよび第１導出端子を基板にはんだ付けするときの昇温（リフロー工程等）の影響を受けない。したがって、この半導体モジュールによれば、接続部の信頼性を確保することができる。

（７）好ましくは、半導体チップは、ワイドバンドギャップ半導体を含む。
上述のように、導出端子用のはんだに半導体チップ用のはんだよりも低融点のものを採用することによって、半導体チップを基板にはんだ付けしてボンディングワイヤを形成した後に、導出端子を基板にはんだ付けすることも考えられる。しかしながら、シリコン系の半導体素子に比べて高温使用されるワイドバンドギャップ半導体を用いた半導体モジュールにおいては、使用可能なはんだの種類が限定されるので、そのようなはんだを選定すらできない可能性がある。この半導体モジュールによれば、ワイヤボンディングの実施前に、第１導出端子のはんだ付けを半導体チップのはんだ付けと同時に行なうことができるので、上記のような問題は発生しない。

そして、半導体チップがワイドバンドギャップ半導体を含むことにより、同じ電流駆動能力を有するシリコン系の半導体素子に比べてチップ面積を縮小することができる。したがって、この半導体モジュールによれば、半導体チップの実装面積を削減することにより半導体モジュールを小型化することができる。
［本願発明の実施形態の詳細］
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下に複数の実施の形態について説明するが、各実施の形態で説明された構成を適宜組合わせることは出願当初から予定されている。なお、以下の説明では、同一または対応する要素には同一の符号を付して、それらについての詳細な説明は繰り返さない。

図面中に示したＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、互いに直交する軸である。Ｘ軸およびＹ軸によって定まる平面をＸＹ平面と称する。ＸＹ平面は、本発明の実施の形態に係る半導体モジュールが設置される面として定義される。１つの例では、ＸＹ平面は水平面である。しかしながら、ＸＹ平面は水平面に限定されない。たとえば、ＸＹ平面は鉛直面であってもよい。

＜実施の形態１＞
図１から図３を用いて、本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールの構成について説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールのＸＺ平面に沿った断面図である。図２は、図１に示す半導体モジュールの内部を概略的に示した平面図であり、図３は、図２中のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。図２，図３では、半導体モジュールの蓋体が外された状態が示されている。

図１から図３を参照して、実施の形態１に係る半導体モジュール１０１は、半導体チップ１，２と、基板３と、第１導出端子２１，２４と、第２導出端子２２，２５と、接続部２３，２６と、ワイヤ２７，２８とを備える。また、半導体モジュール１０１は、ベース１１と、枠体１２と、蓋体３１と、封止樹脂２９とをさらに備える。ベース１１、枠体１２、および蓋体３１は、半導体モジュール１０１の筐体（ケース）を構成する。

この実施の形態１において、半導体チップ１，２の各々は、ワイドバンドギャップ半導体を含む。ワイドバンドギャップ半導体は、ＳｉＣ（シリコンカーバイド），ＧａＮ（窒化ガリウム）、あるいはダイヤモンド等によって構成される。

ワイドバンドギャップ半導体素子は、シリコン半導体素子に比べて、高耐圧、低オン抵抗、および高温環境での安定動作等を特徴とする。半導体チップ１，２の各々をワイドバンドギャップ半導体によって構成することにより、同じ電流駆動能力を有するシリコン系の半導体素子に比べてチップ面積を縮小することができ、その結果、半導体モジュール１０１を小型化することができる。

この実施の形態１では、半導体チップ１，２の各々は、たとえばＳｉＣによって作成されたパワー半導体チップである。１つの実施の形態において、半導体チップ１，２の各々は、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor FET）である。ＳｉＣによって形成されたＭＯＳＦＥＴの場合、ＭＯＳＦＥＴに内蔵されるダイオードをフリーホイールダイオードとして利用することができるので、筐体に収容される半導体チップの数を削減することができる。

基板３は、絶縁板４と、電極パターン５ａ，５ｂと、銅板６とを含む。電極パターン５ａ，５ｂは、絶縁板４の一方の主表面に配置される。銅板６は、絶縁板４の他方の主表面に配置される。

基板３は、銅板６がベース１１に対向するようにベース１１上に配設され、はんだ７によってベース１１に固定される。ベース１１は、アルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）等の金属を含む金属ベースであり得る。ベース１１は、半導体チップ１，２が発生させた熱を筐体外部に放出するための放熱板として機能し得る。ベース１１は、さらにグラウンド電極としても利用され得る。

半導体チップ１，２は、基板３に搭載され、それぞれはんだ８ａ，８ｂによって電極パターン５ａ上に固定される。半導体チップ１は、ワイヤ２７によって電極パターン５ｂに電気的に接続される。半導体チップ２は、ワイヤ２８によって電極パターン５ａに電気的に接続される。ワイヤ２７，２８は、ワイヤボンディング用のボンディングツールを用いて形成される。ワイヤボンディングには、ボールボンディングを用いてもよいし、ウェッジボンディングを用いてもよい。

第１導出端子２１は、電極パターン５ｂ上に配設され、はんだ８ｃによって電極パターン５ｂに固定される。第１導出端子２１は、基板３の主表面と交差する方向（Ｚ軸方向）に延び、接続部２３に接続される。

第２導出端子２２は、基板３から主表面と交差する方向（Ｚ軸方向）に見て基板３に対して第１導出端子２１よりも遠い側に設けられる。第２導出端子２２は、引出部２２ａと、延在部２２ｂとを有する。引出部２２ａの端部には、接続部２３が設けられる。引出部２２ａは、Ｚ軸方向に延び、蓋体３１を通じて筐体の内部から外部へ引き出される。延在部２２ｂは、蓋体３１の上面３０に沿って配設される。延在部２２ｂの上部には、Ｙ軸方向に延びるバスバー５１が配設される（図１）。ネジ５３を締めることによって、バスバー５１と第２導出端子２２の延在部２２ｂとが蓋体３１の上面３０に固定される。

なお、延在部２２ｂは、蓋体３１が取り付けられるまでは、引出部２２ａと同方向（Ｚ軸方向）に延びている。そして、図示されないネジ等によって蓋体３１が枠体１２に固定された後、蓋体３１の上面３０に沿うように第２導出端子２２を折り曲げることによって延在部２２ｂが形成される。

接続部２３は、筐体の内部に設けられ、第２導出端子２２を第１導出端子２１と電気的に接続する。一例として、接続部２３は、第２導出端子２２の端部に設けられたソケットであり、ソケット内部の導通部が第２導出端子２２と電気的に接続される。第１導出端子２１の先端が接続部２３のソケット雌部に嵌合することにより、第１導出端子２１と第２導出端子２２とが電気的に接続される。

このように、この実施の形態１では、基板３から筐体の外部へ引き出される外部導出端子が、第１導出端子２１と第２導出端子２２とに分割される。第２導出端子２２は、接続部２３によって第１導出端子２１に電気的に接続される。すなわち、第２導出端子２２は、第１導出端子２１とは別体として構成され、はんだ８ｃによって基板３に固定された第１導出端子２１に接続部２３を用いて後付けされる。

第１導出端子２１のＺ軸方向の長さは、ワイヤ２７，２８の形成時にボンディングツール（図示せず）が第１導出端子２１と接触しないように、ボンディングツールの動作範囲に基づいて決定される。一例として、第１導出端子２１のＺ軸方向の長さは、２０ｍｍ以下であることが好ましく、１０ｍｍ以下であればさらに好ましい。

このような構成とすることによって、第１導出端子２１を半導体チップ１，２とともに基板上にはんだ付けした後に、ワイヤ２７，２８を形成するワイヤボンディングを実施することが可能になる（図３）。第２導出端子２２は、ワイヤ２７，２８の形成後に第１導出端子２１に接続される。

第１導出端子２４、第２導出端子２５、および接続部２６の構成も、それぞれ第１導出端子２１、第２導出端子２２、および接続部２３の構成と同様である。第１導出端子２４、第２導出端子２５、および接続部２６の説明は、第１導出端子２１、第２導出端子２２、および接続部２３の説明と重複するので、繰り返さない。

枠体１２は、絶縁体（たとえば樹脂）により形成される。枠体１２は、ベース１１を取り囲むように形成されて、半導体モジュール１０１の筐体の側壁を構成する。枠体１２およびベース１１は、半導体チップ１，２が実装された基板３を収容する。基板３は、筐体の内部において、封止樹脂２９によって封止される（図１）。

筐体のベース１１と対向する面には、開口部２０が形成される。開口部２０には、蓋体３１が設けられる。蓋体３１は、枠体１２と同様に絶縁体（たとえば樹脂）により形成される。蓋体３１は、図示されないネジ等によって枠体１２に固定され、開口部２０を閉じる。

この実施の形態１では、半導体チップ１，２の基板３へのはんだ付け（ダイボンディング）と、第１導出端子２１，２４の基板３へのはんだ付けとが、たとえばリフロー炉を用いたリフロー工程において一括して行なわれる。その後、ワイヤボンディング工程において、ボンディングツールを用いてワイヤ２７，２８が形成される。さらに、ワイヤ２７，２８の形成後、接続部２３，２６を用いて第１導出端子２１，２４に第２導出端子２２，２５がそれぞれ接続される。

図４は、ボンディングワイヤの形成時の様子を示した図である。図４を参照して、ワイヤボンディングは、ボンディングツール６０を用いて行なわれる。ボンディングツール６０が移動するときは、ボンディングツール６０は、Ｚ軸方向にある程度引き上げられる。しかしながら、点線で仮想的に示されるように、基板から延びる導出端子が長い場合には、ボンディングツール６０が導出端子と接触する。

ボンディングツール６０と導出端子との接触を回避するために、ワイヤボンディング工程の後に導出端子を基板にはんだ付けすることも考えられる。しかしながら、この手法は、導出端子をはんだ付けするために昇温が必要であり、既設のはんだ７，８ａ，８ｂの信頼性を低下させる。導出端子用のはんだ８ｃ，８ｄにはんだ７，８ａ，８ｂよりも低融点のものを用いることも考えられるが、そのような特別のはんだを採用することは、材料コストの増加を招き得る。特に、この実施の形態１では、半導体チップ１，２はワイドバンドギャップ半導体を含み、半導体モジュール１０１が高温で動作する。このために、はんだの選択肢が制約され、上記のような特別のはんだを選定できない可能性がある。

そこで、この実施の形態１では、導出端子が第１導出端子２１（２４）と第２導出端子２２（２５）とに分割され、接続部２３（２６）によって第２導出端子２２（２５）を第１導出端子２１（２４）に後で接続可能とする。そして、半導体チップ１，２のダイボンディングとともに第１導出端子２１（２４）のはんだ付けが行なわれ、ワイヤボンディングの実施後に第２導出端子２２（２５）が接続部２３（２６）によって第１導出端子２１（２４）に接続される。

したがって、この実施の形態１によれば、ワイヤボンディングの実施後に導出端子をはんだ付けするための再昇温工程が不要となり、再昇温による既設のはんだの信頼性低下を回避することができる。

＜実施の形態２＞
この実施の形態２では、第２導出端子２２，２５および接続部２３，２６が蓋体と一体的に設けられる。

図５は、実施の形態２に係る半導体モジュールのＸＺ平面に沿った断面図である。図５を参照して、この半導体モジュール１０２は、図１に示した実施の形態１に係る半導体モジュール１０１と蓋体の構成が異なる。

すなわち、この半導体モジュール１０２では、第２導出端子２２，２５および接続部２３，２６が蓋体３１と一体的に構成される。接続部２３，２６は、蓋体３１の筐体内部側に設けられる。蓋体３１の枠体１２への取付けとともに、第１導出端子２１，２４の先端がそれぞれ接続部２３，２６に嵌合し、第１導出端子２１（２４）と第２導出端子２２（２５）とが電気的に接続される。

この実施の形態２においても、導出端子が第１導出端子２１（２４）と第２導出端子２２（２５）とに分割されており、実施の形態１と同様の効果が得られる。さらに、この実施の形態２によれば、第２導出端子２２，２５の第１導出端子２１，２４との接続を、蓋体３１の枠体１２への取付けと同時に行なうことができる。また、接続部２３，２６が蓋体３１と一体的に設けられるので、部品点数も削減される。

なお、上記においては、第２導出端子２２，２５および接続部２３，２６が蓋体３１と一体的に設けられるものとしたが、接続部２３，２６は、蓋体３１とは別体で構成してもよい。

＜実施の形態３＞
第２導出端子２２（２５）と第１導出端子２１（２４）との接続方法は、種々の方法を取り得る。たとえば、第１導出端子２１（２４）と第２導出端子２２（２５）とをネジ止めによって接続してもよい。

図６は、実施の形態３に係る半導体モジュールのＸＺ平面に沿った断面図である。図６を参照して、この半導体モジュール１０３では、第２導出端子２２は、ネジ４１によって第１導出端子２１と接続される。同様に、第２導出端子２５は、ネジ４２によって第１導出端子２４と接続される。

半導体モジュール１０３のその他の構成は、実施の形態１に係る半導体モジュール１０１の構成と同じである。

なお、特に図示しないが、第２導出端子２２（２５）と第１導出端子２１（２４）との接続方法としては、溶接（たとえばレーザー溶接）を用いてもよいし、第１導出端子２１（２４）または第２導出端子２２（２５）の先端にクリップのような構造を設けて他方の導出端子を狭持するようにしてもよい。

なお、その他の実施の形態として、第２導出端子２２（２５）の構成について、一例として図７や図８に示されるように、半導体モジュールをＺ軸方向から平面視した場合に、第２導出端子２２（２５）の引出部が第１導出端子２１（２４）とずれるように第２導出端子２２（２５）を形成してもよい。

このような第２導出端子２２（２５）によって、たとえば、基板３における第１導出端子２１（２４）の配置が変更になっても、第２導出端子２２（２５）の筐体外部への引出位置を一定とすることができる。あるいは反対に、第２導出端子２２（２５）の筐体外部への引出位置を変更したい場合に、基板３における第１導出端子２１（２４）の配置を変更することなく、第２導出端子２２（２５）の引出位置を変更することができる。

なお、上記の各実施の形態においては、ベース１１への基板３の固定、ならびに半導体チップ１，２および第１導出端子２１，２４の基板３への固定には、はんだが用いられるものとしたが、はんだ以外の導電性接着剤を用いてもよい。

また、上記の各実施の形態で説明した半導体チップの数およびレイアウトは、一例であり、上記で説明したものに限定されない。また、第１導出端子および第２導出端子によって構成される外部導出端子の数（上記の各実施の形態では２つ）およびレイアウトも一例であり、上記で説明したものに限定されるものではない。

また、上記の各実施の形態では、接続部２３，２６は、第２導出端子２２，２５側に設けられるものとしたが、第１導出端子２１，２４側に設けてもよい。

今回開示された各実施の形態は、適宜組合わせて実施することも予定されている。そして、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、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許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。

１，２ 半導体チップ
３ 基板
４ 絶縁板
５ａ，５ｂ 電極パターン
６ 銅板
７，８ａ〜８ｄ はんだ
１１ ベース
１２ 枠体
２０ 開口部
２１，２４ 第１導出端子
２２，２５ 第２導出端子
２２ａ，２５ａ 引出部
２２ｂ，２５ｂ 延在部
２３，２６ 接続部
２７，２８ ワイヤ
２９ 封止樹脂
３０ 上面
３１ 筐体
５１，５２ バスバー
４１，４２，５３，５４ ネジ
６０ ボンディングツール
１０１〜１０３ 半導体モジュール

Claims (5)

1. 半導体チップと、
   前記半導体チップを搭載する基板と、
   前記基板を収容する筐体と、
   前記基板から前記筐体の外部へ引き出される導出端子とを備え、
   前記導出端子は、前記筐体の内部において第１導出端子と第２導出端子とに分割され、
   前記第１導出端子は、前記基板に搭載され、前記基板の主表面と交差する方向に延び、
   前記第２導出端子は、前記基板から前記方向に見て前記基板に対して前記第１導出端子よりも遠い側に設けられ、さらに
   前記筐体の内部に設けられ、前記第２導出端子を前記第１導出端子と接続するための接続部を備え、
   前記筐体は、前記基板の主表面と対向する面に開口を有し、さらに
   前記開口に設けられる蓋体を備え、
   前記第２導出端子は、前記蓋体と一体的に設けられ、
   前記接続部は、前記蓋体と一体的に設けられる、半導体モジュール。
2. 前記第２導出端子は、前記筐体の外部へ引き出される引出部を含み、
   前記半導体モジュールを前記方向に沿って平面視した場合に、前記第２導出端子は、前記引出部が前記第１導出端子とずれるように構成される、請求項１に記載の半導体モジュール。
3. 前記接続部は、ソケットを含む、請求項１又は請求項２に記載の半導体モジュール。
4. 前記接続部は、前記第２導出端子に設けられる、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
5. 前記半導体チップは、ワイドバンドギャップ半導体を含む、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体モジュール。

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