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JP6470328B2 - 半導体モジュール - Google Patents
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Description

本発明の実施形態は、半導体モジュールに関する。
各種用途のインバータ装置のような半導体モジュールは、小型化が進んでおり、装置内のレイアウトの自由度を向上することが期待されている。さらに、このような半導体モジュールにおいては、高い生産性とともに、より高い信頼性が求められている。
特開2013−8749号公報
本発明の実施形態は、高い生産性とともに信頼性の高い半導体モジュールを提供する。
本発明の実施形態によれば、第1基板と、第1回路部品と、第1接続部材と、第1ワイヤと、を備える半導体モジュールが提供される。前記第1基板は、絶縁性を有する。前記第1回路部品は、第1導電層と、第1スイッチング素子と、第1ダイオードと、を有する。前記第1導電層は、前記第1基板上に設けられる。前記第1スイッチング素子は、前記第1導電層上に設けられ、第1素子部と、前記第1素子部の上面に設けられた第1電極と、前記第1素子部の下面に設けられた第2電極及び第3電極と、を有する。前記第1ダイオードは、前記第1導電層上に設けられ、前記第1基板の上面に平行な第1方向で前記第1スイッチング素子と離間し、第2素子部と、前記第2素子部の上面に設けられた第4電極と、前記第2素子部の下面に設けられた第5電極と、を有する。前記第1接続部材は、前記第1電極及び前記第4電極上に設けられ、導電性を有する。前記第1ワイヤは、前記第1導電層及び前記第1接続部材を接続する。前記第1回路部品は、前記第1方向に交差して前記第1基板の上面に平行な第2方向に複数配置される。前記複数の第1回路部品は全て下向きに搭載されている。




第1実施形態に係る半導体モジュールを示す平面図である。 第1実施形態に係る半導体モジュールを示す側面図である。 第1実施形態に係る半導体モジュールの一部を示す平面図である。 図4(a)及び図4(b)は、図3のA1−A2線及びB1−B2線の断面図である。 図5(a)及び図5(b)は、図4(a)の一部の拡大図である。 図6(a)及び図6(b)は、図4(b)の一部の拡大図である。 図3の一部の拡大断面図である。 第1実施形態に係る半導体モジュールの製造方法を示すフロー図である。 第2実施形態に係る半導体モジュールの一部を示す平面図である。 図10(a)及び図10(b)は、第3実施形態に係る半導体モジュールの一部を示す断面図である。 第4実施形態に係る半導体モジュールを示す平面図である。 第5実施形態に係る半導体モジュールを示す平面図である。
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
本明細書において、「に設けられる」とは、直接接して設けられる場合の他に、間に別の要素が挿入されて設けられる場合も含む。また、「対向する」とは、上または下に直接接して設けられる場合の他に、間に別の要素が挿入されて設けられる場合も含む。
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態に係る半導体モジュールを示す平面図である。
図2は、第1実施形態に係る半導体モジュールを示す側面図である。
図1及び図2は、半導体モジュール1の平面及び側面をそれぞれ示している。
図1に示すように、半導体モジュール1には、放熱板10と、実装基板25と、接続部材50と、正極端子38、負極端子39、出力端子40と、ケース60と、が設けられている。
以下、本明細書においては、説明の便宜上、XYZ直交座標系を用いて説明する。放熱板10から実装基板25に向かう方向を「Z方向」とする。Z方向と直交する1つの方向を「X方向」とする。Z方向及びX方向と直交する方向を「Y方向」とする。
放熱板10は、例えば、銅(Cu)を含む。放熱板10は、例えば矩形状を有し、ベースとして機能する。
実装基板25は、回路部品として、放熱板10上に設けられている。実装基板25は、例えば、はんだ層を介して放熱板10上に接合される。例えば、複数の実装基板25が、矩形状の放熱板10の長辺に沿って配置される。
実装基板25は、セラミック等の絶縁性の基板15の上面及び下面に、銅などを含む回路パターンP(導電層)を接合し、基板15の上面の回路パターンP上にスイッチング素子19及びダイオード20を配置することで構成されている。例えば、半導体モジュール1がインバータ装置である場合、スイッチング素子19をIGBT(Insulated gate bipolar transistor)として、ダイオード20を還流ダイオードとすることができる。なお、図1に示すように、X方向及びY方向は、基板15の上面15aに平行な方向に相当する。
図1の例では、半導体モジュール1には、6つの実装部品25a1、25a2、25b1、25b2、25c1、25c2が設けられている。3つの実装部品25a1、25b1、25c1が、半導体モジュール1の領域R1内に配置され、実装基板25Aを構成する。3つの実装部品25a2、25b2、25c2が、半導体モジュール1の領域R2内に配置され、実装基板25Bを構成する。なお、領域R1及び領域R2は、Y方向で互いに隣り合う領域である。
領域R1内の実装部品25a1、25b1、25c1には、スイッチング素子19A1、19B1、19C1がそれぞれ設けられている。また、実装部品25a1、25b1、25c1には、ダイオード20A1、20B1、20C1がそれぞれ設けられている。
スイッチング素子19A1及びダイオード20A1は、回路パターンP1上に配置され、スイッチング素子19B1及びダイオード20B1は、回路パターンP2上に配置され、スイッチング素子19C1及びダイオード20C1は、回路パターンP3上に配置される。
スイッチング素子19A1及びダイオード20A1と、スイッチング素子19B1及びダイオード20B1と、スイッチング素子19C1及びダイオード20C1と、が接続部材50(接続部材50a1)を介して並列に接続され、インバータ回路の正極側が形成される。
領域R2内の実装部品25a2、25b2、25c2には、スイッチング素子19A2、19B2、19C2がそれぞれ設けられている。また、実装部品25a2、25b2、25c2には、ダイオード20A2、20B2、20C2がそれぞれ設けられている。
スイッチング素子19A2及びダイオード20A2は、回路パターンP4上に配置され、スイッチング素子19B2及びダイオード20B2は、回路パターンP5上に配置され、スイッチング素子19C2及びダイオード20C2は、回路パターンP6上に配置される。
スイッチング素子19A2及びダイオード20A2と、スイッチング素子19B2及びダイオード20B2と、スイッチング素子19C2及びダイオード20C2と、が接続部材50(接続部材50a2)を介して並列に接続され、インバータ回路の負極側が形成される。
接続部材50は、導電性の材料を含む。接続部材50は、例えば、銅(Cu)を含む。接続部材50は、アルミニウム(Al)やニッケル(Ni)を含んでも良い。接続部材50は、例えば矩形状を有し、実装基板25上に設けられている。
図1の例では、半導体モジュール1には、2つの接続部材50a1、50a2が設けられている。接続部材50a1が、実装基板25A上に位置し、接続部材50a2が、実装基板25B上に位置する。接続部材50a1及び接続部材50a2は、半導体モジュール1の領域R1及び領域R2内にそれぞれ位置している。
正極端子38及び負極端子39は、例えば、金属板により形成され、または、絶縁体の表面を金属メッキすることにより形成されている。実装基板25を介して正極端子38から負極端子39に電流が流れることで、実装基板25に電力が供給される。
出力端子40は、例えば、金属板により形成され、または、絶縁体の表面を金属メッキすることにより形成されている。実装基板25を介して出力端子40の一端に電流が流れる。出力端子40の他端は、例えば、コイル等の負荷に接続される。
図1及び図2に示すように、ケース60は、例えば、樹脂によって形成されている。ケース60は、枠状の底面60aと、底面60aの周囲に設けられた側壁60bと、側壁60bの短辺側から、長辺に沿う方向において外側に突出する4つの支持部60c1、60c2、60c3、60c4と、を有する。
ケース60は、底面60aを介して放熱板10の周囲に接着固定されている。側壁60b及び放熱板10によって開口が形成され、実装基板25及び接続部材50は、ケース60の開口内に位置する。
支持部60c1上には、正極端子38が保持されている。支持部60c2上には、負極端子39が保持されている。支持部60c3、60c4上には、出力端子40が保持されている。
図3は、第1実施形態に係る半導体モジュールの一部を示す平面図である。
図4(a)及び図4(b)は、図3のA1−A2線及びB1−B2線の断面図である。
図5(a)及び図5(b)は、図4(a)の一部の拡大図である。
図6(a)及び図6(b)は、図4(b)の一部の拡大図である。
図7は、図3の一部の拡大断面図である。
図3は、半導体モジュール1において、実装基板25及び接続部材50のXY平面を示している。図4(a)及び図4(b)、図5(a)及び図5(b)ならびに図6(a)及び図6(b)は、半導体モジュール1において、実装基板25及び接続部材50のXZ断面を示している。図7は、ワイヤ30cが接続部材50aに接続する形態のXZ断面を示している。
図3に示すように、実装部品25a1、25b1、25c1において、回路パターンP1、P2、P3上に、スイッチング素子19A1、19B1、19C1、及び、ダイオード20A1、20B1、20C1がそれぞれ実装されている。
接続部材50a1は、スイッチング素子19A1、19B1、19C1、及び、ダイオード20A1、20B1、20C1上に設けられている。例えば、接続部材50a1は、スイッチング素子19A1、19B1、19C1の上面電極、及び、ダイオード20A1、20B1、20C1の上面電極を覆う。
実装部品25a2、25b2、25c2において、回路パターンP4、P5、P6上に、スイッチング素子19A2、19B2、19C2、及び、ダイオード20A2、20B2、20C2がそれぞれ実装されている。
接続部材50a2は、スイッチング素子19A2、19B2、19C2、及び、ダイオード20A2、20B2、20C2上に設けられている。例えば、接続部材50a2は、スイッチング素子19A2、19B2、19C2の上面電極、及び、ダイオード20A2、20B2、20C2の上面電極を覆う。
以下、実装部品25a1について説明する。
図4(a)に示すように、実装部品25a1のスイッチング素子19A1は、素子部19e1と、上面電極19ce1と、下面電極19me1と、制御電極19ge1と、を有する。素子部19e1は、上面19s1及び下面19s2を有する。素子部19e1は、例えば矩形状を有する。
上面電極19ce1は、素子部19e1の上面19s1上に設けられている。上面電極19ce1は、接続部材50a1の下面50b1に対向し、接続部材50a1に電気的に接続する。上面電極19ce1は、例えば、コレクタ電極である。
下面電極19me1は、素子部19e1の下面19s2上に設けられている。下面電極19me1は、回路パターンP1の上面t1に対向し、回路パターンP1に電気的に接続する。下面電極19me1は、例えば、エミッタ電極である。
制御電極19ge1は、素子部19e1の下面19s2上に設けられている。制御電極19ge1は、回路パターンP1の上面t1に対向し、回路パターンP1に電気的に接続する。制御電極19ge1は、例えば、ゲート電極である。
図5(a)に示すように、接続部材50a1は、例えば、はんだ層70aを介して、上面電極19ce1上に接合される。また、下面電極19me1及び制御電極19ge1は、例えば、はんだ層70bを介して、回路パターンP1上に接合される。
はんだ層70a、70bは、例えば、錫を主成分とする鉛フリーはんだ(無鉛はんだ)を用いて形成された層である。はんだ層70aが上面電極19ce1の上面に形成され、はんだ層70bが下面電極19me1の下面、及び、制御電極19ge1の下面に形成されている。これにより、上面電極19ce1は、接続部材50a1と電気的に接続され、下面電極19me1及び制御電極19ge1は、基板15上の回路パターンP1に電気的に接続される。また、保護層71が、下面電極19me1の両端と、制御電極19ge1の両端と、を覆うようにL字状で形成されている。
図4(a)に示すように、実装部品25a1のダイオード20A1は、素子部20e1と、上面電極20ke1と、下面電極20ae1と、を有する。素子部20e1は、上面20s1及び下面20s2を有する。素子部20e1は、例えば矩形状を有する。
上面電極20ke1は、素子部20e1の上面20s1上に設けられている。上面電極20ke1は、接続部材50a1の下面50b1に対向し、接続部材50a1に電気的に接続する。上面電極20ke1は、例えば、カソード電極である。
下面電極20ae1は、素子部20e1の下面20s2上に設けられている。下面電極20ae1は、回路パターンP1の上面t1に対向し、回路パターンP1に電気的に接続する。下面電極20ae1は、例えば、アノード電極である。
図5(b)に示すように、接続部材50a1は、例えば、はんだ層70cを介して、上面電極20ke1上に接合される。また、下面電極20ae1は、例えば、はんだ層70dを介して、回路パターンP1上に接合される。
はんだ層70c、70dは、例えば、錫を主成分とする鉛フリーはんだを用いて形成された層である。はんだ層70cが上面電極20ke1の上面に形成され、はんだ層70dが下面電極20ae1の下面に形成されている。これにより、上面電極20ke1は、接続部材50a1と電気的に接続され、下面電極20ae1は、基板15上の回路パターンP1に電気的に接続される。また、保護層71が、下面電極20ae1の両端と、を覆うようにL字状で形成されている。
前述したように、実装部品25a1の構成要素間の接合、及び、実装部品25a1と接続部材50a1の接合について説明したが、実装部品25c1の構成要素間の接合、及び、実装部品25c1と接続部材50a1の接合についても同様である。
また、実装部品25a2の構成要素間の接合、及び、実装部品25a2と接続部材50a2の接合についても、実装部品25a1の構成要素間の接合、及び、実装部品25a1と接続部材50a1の接合と同様である。実装部品25c2の構成要素間の接合、及び、実装部品25c2と接続部材50a2の接合についても同様である。
以下、実装部品25b1について説明する。
図4(b)に示すように、実装部品25b1のスイッチング素子19B1は、素子部19e2と、上面電極19ce2と、下面電極19me2と、制御電極19ge2と、を有する。素子部19e2は、上面19s3及び下面19s4を有する。素子部19e2は、例えば矩形状を有する。
上面電極19ce2は、素子部19e2の上面19s3上に設けられている。上面電極19ce2は、接続部材50a1の下面50b1に対向し、接続部材50a1に電気的に接続する。上面電極19ce2は、例えば、コレクタ電極である。
下面電極19me2は、素子部19e2の下面19s4上に設けられている。下面電極19me2は、回路パターンP2の上面t2に対向し、回路パターンP2に電気的に接続する。下面電極19me2は、例えば、エミッタ電極である。
制御電極19ge2は、素子部19e2の下面19s4上に設けられている。制御電極19ge2は、回路パターンP2の上面t2に対向し、回路パターンP2に電気的に接続する。制御電極19ge2は、例えば、ゲート電極である。
図6(a)に示すように、接続部材50a1は、例えば、はんだ層70aを介して、上面電極19ce2上に接合される。また、下面電極19me2及び制御電極19ge2は、例えば、はんだ層70bを介して、回路パターンP2上に接合される。はんだ層70aが上面電極19ce2の上面に形成され、はんだ層70bが下面電極19me2の下面、及び、制御電極19ge2の下面に形成されている。これにより、上面電極19ce2は、接続部材50a1と電気的に接続され、下面電極19me2及び制御電極19ge2は、基板15上の回路パターンP2に電気的に接続される。また、保護層71が、下面電極19me2の両端と、制御電極19ge2の両端と、を覆うようにL字状で形成されている。
図4(b)に示すように、実装部品25b1のダイオード20B1は、素子部20e2と、上面電極20ke2と、下面電極20ae2と、を有する。素子部20e2は、上面20s3及び下面20s4を有する。素子部20e2は、例えば矩形状を有する。
上面電極20ke2は、素子部20e2の上面20s3上に設けられている。上面電極20ke2は、接続部材50a1の下面50b1に対向し、接続部材50a1に電気的に接続する。上面電極20ke2は、例えば、カソード電極である。
下面電極20ae2は、素子部20e2の下面19s4上に設けられている。下面電極20ae2は、回路パターンP2の上面t2に対向し、回路パターンP2に電気的に接続する。下面電極20ae2は、例えば、アノード電極である。
図6(b)に示すように、接続部材50a1は、例えば、はんだ層70cを介して、上面電極20ke2上に接合される。また、下面電極20ae2は、例えば、はんだ層70dを介して、回路パターンP2上に接合される。はんだ層70cが上面電極20ke2の上面に形成され、はんだ層70dが下面電極20ae2の下面に形成されている。これにより、上面電極20ke2は、接続部材50a1と電気的に接続され、下面電極20ae2は、基板15上の回路パターンP2に電気的に接続される。また、保護層71が、下面電極20ae2の両端と、を覆うようにL字状で形成されている。
前述したように、実装部品25b1の構成要素間の接合、及び、実装部品25b1と接続部材50a1の接合について説明したが、実装部品25b2の構成要素間の接合、及び、実装部品25b2と接続部材50a2の接合についても同様である。
以下、実装部品25a1、25a2、25b1、25b2、25c1、25c2と、正極端子38、負極端子39、出力端子40との接続について説明する。
図3に示すように、半導体モジュール1には、ワイヤ30a〜30fが設けられている。ワイヤ30a〜30fは、金属等の導体で形成され、例えば、接続配線用のボンディングワイヤである。ワイヤ30a〜30fのそれぞれは、任意の本数のボンディングワイヤで構成されている。
基板15上には、回路パターンPr1、Pr2が設けられている。回路パターンPr1は、実装部品25a1、25b1、25c1における回路パターンP1、P2、P3を含む。回路パターンPr2は、実装部品25a2、25b2、25c2における回路パターンP4、P5、P6を含む。
ワイヤ30aによって、正極端子38が回路パターンPr2に接続されている。
ワイヤ30b、30dによって、回路パターンPr1が回路パターンPr2に接続されている。
ワイヤ30cによって、接続部材50a1が回路パターンPr1に接続されている。
ワイヤ30eによって、接続部材50a2が回路パターンPr2に接続されている。
ワイヤ30fによって、負極端子39が回路パターンPr2に接続されている。
図3及び図7に示すように、ワイヤ30cの一端は、接続部材50a1の上面(50c1)に接続し、ワイヤ30cの他端は、回路パターンPr1(P2、P3)に接続する。また、図3に示すように、ワイヤ30eの一端は、接続部材50a2の上面に接続し、ワイヤ30eの他端は、回路パターンPr2(P4、P5)に接続する。
なお、ワイヤ30cと、接続部材50a1及び回路パターンPr1と、の接続点は任意であって、ワイヤ30eと、接続部材50a2及び回路パターンPr2と、の接続点は任意である。
ワイヤ30a〜30fの接続によって、電流が半導体モジュール1内を流れる。つまり、電流は、ワイヤ30aを介して正極端子38から回路パターンPr2を流れ、ワイヤ30bを介して回路パターンPr2から回路パターンPr1に流れる。その後、電流は、ワイヤ30cを介して回路パターンPr1から接続部材50a1に流れる。
接続部材50a1は、実装部品25a1のスイッチング素子19A1の上面電極19ce1と、実装部品25b1のスイッチング素子19B1の上面電極19ce2と、実装部品25c1のスイッチング素子19C1の上面電極19ce3と、に電気的に接続されている。したがって、電流は、接続部材50a1から上面電極19ce1〜19ce3に流れる。その後、電流は、スイッチング素子19A1の下面電極19me1と、スイッチング素子19B1の下面電極19me2と、スイッチング素子19C1の下面電極19me3と、に流れる。
ここで、電流は、上面電極19ce1〜19ce3から下面電極19me1〜19me3に向かってそれぞれ流れる。一方、ダイオード20A1、20B1、20C1が還流ダイオードである場合、例えば、スイッチング素子19A1、19B1、19C1をオフにすると、ダイオード20A1、20B1、20C1に電流が流れる。つまり、実装部品25a1のダイオード20A1の下面電極20ae1から上面電極20ke1に電流が流れる。また、実装部品25b1のダイオード20B1の下面電極20ae2から上面電極20ke2に電流が流れ、実装部品25c1のダイオード20C1の下面電極20ae3から上面電極20ke3に電流が流れる。
下面電極19me1〜19me3は、回路パターンP1〜P3にそれぞれ電気的に接続されている。したがって、電流は、ワイヤ30dを介して回路パターンPr1から回路パターンPr2に流れる。その後、電流は、ワイヤ30eを介して回路パターンPr2から接続部材50a2に流れる。
接続部材50a2は、実装部品25a2のスイッチング素子19A2の上面電極19ce4と、実装部品25b2のスイッチング素子19B2の上面電極19ce5と、実装部品25c2のスイッチング素子19C2の上面電極19ce6と、に電気的に接続されている。したがって、電流は、接続部材50a2から上面電極19ce4〜19ce6に流れる。その後、電流は、スイッチング素子19A2の下面電極19me4と、スイッチング素子19B2の下面電極19me5と、スイッチング素子19C2の下面電極19me6と、に流れる。
ここで、電流は、上面電極19ce4〜19ce6から下面電極19me4〜19me6に向かってそれぞれ流れる。一方、ダイオード20A2、20B2、20C2が還流ダイオードである場合、例えば、スイッチング素子19A2、19B2、19C2をオフにすると、ダイオード20A2、20B2、20C2に電流が流れる。つまり、実装部品25a2のダイオード20A2の下面電極20ae4から上面電極20ke4に電流が流れる。また、実装部品25b2のダイオード20B2の下面電極20ae5から上面電極20ke5に電流が流れ、実装部品25c2のダイオード20C2の下面電極20ae6から上面電極20ke6に電流が流れる。
下面電極19me4〜19me6は、回路パターンP4〜P6にそれぞれ電気的に接続されている。したがって、電流は、ワイヤ30fを介して回路パターンPr2から負極端子39に流れる。
このようにして、正極端子38から負極端子39に電流が流れることで、実装部品25a1、25a2、25b1、25b2、25c1、25c2に電力が供給される。
図3に示すように、半導体モジュール1には、ワイヤ30g、30hがさらに設けられている。ワイヤ30g、30hは、金属等の導体で形成され、例えば、接続配線用のボンディングワイヤである。
ワイヤ30g、30hによって、一対の出力端子40が回路パターンPr1に接続されている。これにより、回路パターンPr1から出力端子40に電流が流れる。
以下、半導体モジュール1の製造方法について説明する。
図8は、実施形態に係る半導体モジュールの製造方法を示すフロー図である。
図8に示すように、半導体モジュール1の組立においては、絶縁性の基板15の上面及び下面に回路パターンPを形成する(S110)。
次に、基板15の上面15aに形成された回路パターンP上に、スイッチング素子19の下面電極19me及び制御電極19geと、ダイオード20の下面電極20aeと、を配置する(S120)。例えば、下面電極19me及び制御電極19geと、下面電極20aeとは、はんだ層70を介して回路パターンP上に接合される。例えば、下面電極19meは、エミッタ電極であり、制御電極19geは、ゲート電極である。例えば、下面電極20aeはアノード電極である。
次に、スイッチング素子19の上面電極19ce上、及び、ダイオード20の上面電極20ke上に、接続部材50を位置させる(S130)。例えば、接続部材50は、はんだ層70を介して、上面電極19ce上、及び、上面電極20ke上に接合される。例えば、矩形状の接続部材50が実装基板25上に位置し、上面電極19ce及び上面電極20keを覆う。例えば、上面電極19ceは、コレクタ電極であり、上面電極20keは、カソード電極である。
次に、放熱板10上に、上面に接続部材50が設けられた実装基板25を位置させる(S140)。実装基板25が、はんだ層を介して放熱板10上に接合される。なお、S120、S130及びS140のように、それぞれの要素を配置する毎にはんだ付けをしているが、全ての要素を配置した後に1度にはんだ付けをしても良い。続いて、ケース60及び放熱板10を接着固定する。
次に、ワイヤ30により各要素を接続する(S150)。回路パターンPと接続部材50、回路パターンPと正極端子38、回路パターンPと負極端子39、及び、回路パターンPと出力端子40がワイヤ30を介して電気的に接続される。その後、ケース60内に図示しない絶縁性の樹脂が充填され、更に、図示しない蓋によりケース60の開口を閉じる。
このようにして、半導体モジュール1が製造される。
以下、本実施形態の効果について説明する。
インバータ装置等の半導体モジュールにおいて、アルミニウム等で形成されたワイヤによって、絶縁基板上の回路パターンと、シリコン等で形成されたチップ内の電極と、を接続している。例えば、スイッチング素子においては、エミッタ電極及びゲート電極が素子部の上面に設けられ、ダイオードにおいては、アノード電極が素子部の上面に設けられ、これらの電極が絶縁基板上の回路パターンにワイヤによって接続されている。このような半導体モジュールの構造では、チップの電流容量の増加に伴い、要素間を接続するワイヤの本数が増加することになる。これにより、半導体モジュールの生産性が低下する。
また、ワイヤ及びチップ間の接続において、アルミニウムの線膨張係数(例えば、23.6×10−6/℃)と、シリコンの線膨張係数(例えば、3.5×10−6/℃)と、の差によって、ワイヤ内には応力(熱応力とも呼ぶ。)が発生し易くなる。これは、ワイヤ及びチップの接合のための加熱時に、線膨張係数が相対的に大きい材料で形成されているワイヤが、線膨張係数が相対的に小さい材料で形成されているチップと比較して、より大きく延びるので、ワイヤ内に応力が発生することに起因する。例えば、絶縁基板の上面に平行な方向で応力がワイヤ内に発生する。ワイヤ内に応力が発生すると、ワイヤが反って亀裂が生じたり、チップからワイヤが剥離し易くなる。したがって、ワイヤの本数が増加すると、亀裂が生じたり、チップから剥離するワイヤの本数も増加することになる。これにより、半導体モジュールの信頼性が低下する。
また、ワイヤの本数が増加する一方で、半導体モジュールの構造上、ワイヤの配置等の装置内のレイアウトが制限され易くなる。
本実施形態の半導体モジュール1において、各スイッチング素子19の下面電極19me及び制御電極19geがはんだ層70によって基板15上の回路パターンPに接続され、各スイッチング素子の上面電極19ceは、はんだ層70によって接続部材50に接続されている。また、各ダイオード20の下面電極20aeがはんだ層70によって基板15上の回路パターンPに接続され、各ダイオード20の上面電極20keは、はんだ層70によって接続部材50に接続されている。さらに、接続部材50は、ワイヤ30によって回路パターンPに接続されている。
このような半導体モジュール1の構造によって、要素間を接続するワイヤの本数を減らすことができる。つまり、スイッチング素子のエミッタ電極及びゲート電極と、ダイオードのアノード電極と、が絶縁基板上の回路パターンにワイヤによって接続されている構造と比較して、本実施形態の半導体モジュール1の構造では、これらの電極と基板15上の回路パターンPとの接続に使用されるワイヤを減らすことができる。これにより、ワイヤの本数を減らし、半導体モジュール1の生産性の向上を図ることができる。
また、ワイヤ及びチップ間の接続部分の熱応力の発生によるワイヤの亀裂や剥離が抑制されるので、半導体モジュール1の信頼性を向上できる。さらに、ワイヤの本数を減らすことで、ワイヤが設けられていたスペースに空きが発生するので、装置内のレイアウトの自由度が上がる。
本実施形態によれば、高い生産性とともに信頼性の高い半導体モジュールを提供する。
(第2実施形態)
図9は、第2実施形態に係る半導体モジュールの一部を示す平面図である。
図9は、半導体モジュール100において、実装基板25及び接続部材50のXY平面を示しており、図9に示す領域は、図3に示す領域に相当する。
本実施形態と第1実施形態とは、ワイヤ30i、30jにおいて異なる。ワイヤ30i、30j以外の構成は、第1実施形態と同じであるので、その他の構成の詳細な説明は省略する。
図9に示すように、ワイヤ30c、30iによって、接続部材50a1が回路パターンPr1に接続され、ワイヤ30e、30jによって、接続部材50a2が回路パターンPr2に接続されている。電流は、ワイヤ30c、30iを介して回路パターンPr1から接続部材50a1に流れ、ワイヤ30e、30jを介して回路パターンPr2から接続部材50a2に流れる。
図9に示す例では、ワイヤ30cの一端は、接続部材50a1の上面(50c1)に接続し、ワイヤ30cの他端は、回路パターンPr1(P2、P3)に接続する。ワイヤ30iの一端は、接続部材50a1の上面(50c1)に接続し、ワイヤ30iの他端は、回路パターンPr1(P1、P2)に接続する。また、ワイヤ30eの一端は、接続部材50a2の上面に接続し、ワイヤ30eの他端は、回路パターンPr2(P4、P5)に接続する。ワイヤ30jの一端は、接続部材50a2の上面に接続し、ワイヤ30jの他端は、回路パターンPr2(P5、P6)に接続する。
半導体モジュール100にワイヤ30c、30iを設けることで、ワイヤ30cを設けた場合と比較して電流が回路パターンPr1から接続部材50a1に流れ易くなる。また、半導体モジュール100にワイヤ30e、30jを設けることで、ワイヤ30eを設けた場合と比較して電流が回路パターンPr2から接続部材50a2に流れ易くなる。
本実施形態における上記以外の効果は、前述の第1実施形態と同様である。
(第3実施形態)
図10(a)及び図10(b)は、第3実施形態に係る半導体モジュールの一部を示す断面図である。
図10(a)及び図10(b)は、半導体モジュール200において、スイッチング素子19A1及びダイオード20A1をそれぞれ示しており、図10(a)及び図10(b)に示す領域は、図5(a)及び図5(b)に示す領域にそれぞれ相当する。
本実施形態と第1実施形態とは、はんだ層70e、70fにおいて異なる。はんだ層70e、70f以外の構成は、第1実施形態と同じであるので、その他の構成の詳細な説明は省略する。
図10(a)及び図10(b)に示すように、スイッチング素子19A1の素子部19e1のZ方向の厚さW1は、ダイオード20A1の素子部20e1のZ方向の厚さW2より大きい。この場合、はんだ層70aの厚さWa、及び、はんだ層70bの厚さWbに比べて、はんだ層70eの厚さWe、及び、はんだ層70fの厚さWfを大きくする。これにより、スイッチング素子19A1の厚さがダイオード20A1の厚さと異なっていても、接続部材50a1及び回路パターンP1間にスイッチング素子19A1及びダイオード20A1を形成できる。
なお、厚さW2が厚さW1より大きい場合、はんだ層70eの厚さWe、及び、はんだ層70fの厚さWfに比べて、はんだ層70aの厚さWa、及び、はんだ層70bの厚さWbを大きくする。
つまり、スイッチング素子19A1の構成要素(素子部19e1、上面電極19ce1、下面電極19me1、制御電極19ge1)の厚さと、ダイオード20A1の構成要素(素子部20e1、上面電極20ke1と、下面電極20ae1)の厚さによって、スイッチング素子19A1の厚さがダイオード20A1の厚さと異なる場合がある。このような場合であっても、はんだ層70a、70b、70e、70fの厚さを調整することで、接続部材50a1及び回路パターンP1間にスイッチング素子19A1及びダイオード20A1を形成できる。
本実施形態における上記以外の効果は、前述の第1実施形態と同様である。
(第4実施形態)
図11は、第4実施形態に係る半導体モジュールを示す平面図である。
図11は、半導体モジュール300において、実装基板25及び接続部材50のXY平面を示しており、図11に示す領域は、図3に示す領域に相当する。
図11に示すように、2つの実装部品25a1、25b1が実装基板25Cを構成し、2つの実装部品25a2、25b2が実装基板25Dを構成する。
実装部品25a1において、回路パターンP1上に、スイッチング素子19A1及びダイオード20A1が実装され、実装部品25b1において、回路パターンP2上に、スイッチング素子19B1及びダイオード20B1が実装されている。接続部材50a1は、スイッチング素子19A1、19B1、及び、ダイオード20A1、20B1上に設けられている。
実装部品25a2において、回路パターンP4上に、スイッチング素子19A2及びダイオード20A2が実装され、実装部品25b2において、回路パターンP5上に、スイッチング素子19B2及びダイオード20B2が実装されている。接続部材50a2は、スイッチング素子19A2、19B2、及び、ダイオード20A2、20B2上に設けられている。
半導体モジュール300には、ワイヤ30a〜30fが設けられている。基板15上には、回路パターンPr1、Pr2が設けられている。回路パターンPr1は、実装部品25a1、25b1における回路パターンP1、P2を含む。回路パターンPr2は、実装部品25a2、25b2における回路パターンP4、P5を含む。
ワイヤ30aによって、正極端子38が回路パターンPr2に接続されている。
ワイヤ30b、30dによって、回路パターンPr1が回路パターンPr2に接続されている。
ワイヤ30cによって、接続部材50a1が回路パターンPr1に接続されている。
ワイヤ30eによって、接続部材50a2が回路パターンPr2に接続されている。
ワイヤ30fによって、負極端子39が回路パターンPr2に接続されている。
ワイヤ30a〜30fの接続によって、電流が半導体モジュール300内を流れる。
本実施形態における効果は、前述の第1実施形態と同様である。
(第5実施形態)
図12は、第5実施形態に係る半導体モジュールを示す平面図である。
図12は、半導体モジュール400において、実装基板25及び接続部材50のXY平面を示しており、図12に示す領域は、図3に示す領域に相当する。
図12に示すように、2つの実装部品25a1、25b1が実装基板25Cを構成し、2つの実装部品25a2、25b2が実装基板25Dを構成し、2つの実装部品25a3、25b3が実装基板25Eを構成する。
実装部品25a1において、回路パターンP1上に、スイッチング素子19A1及びダイオード20A1が実装され、実装部品25b1において、回路パターンP2上に、スイッチング素子19B1及びダイオード20B1が実装されている。接続部材50a1は、スイッチング素子19A1、19B1、及び、ダイオード20A1、20B1上に設けられている。
実装部品25a2において、回路パターンP3上に、スイッチング素子19A2及びダイオード20A2が実装され、実装部品25b2において、回路パターンP4上に、スイッチング素子19B2及びダイオード20B2が実装されている。接続部材50a2は、スイッチング素子19A2、19B2、及び、ダイオード20A2、20B2上に設けられている。
実装部品25a3において、回路パターンP5上に、スイッチング素子19A3及びダイオード20A3が実装され、実装部品25b3において、回路パターンP6上に、スイッチング素子19B3及びダイオード20B3が実装されている。接続部材50a3は、スイッチング素子19A3、19B3、及び、ダイオード20A3、20B3上に設けられている。
半導体モジュール400には、ワイヤ30a1〜30i1が設けられている。基板15上には、回路パターンPr1、Pr2、Pr3が設けられている。回路パターンPr1は、実装部品25a1、25b1における回路パターンP1、P2を含む。回路パターンPr2は、実装部品25a2、25b2における回路パターンP3、P4を含む。回路パターンPr3は、実装部品25a3、25b3における回路パターンP5、P6を含む。
ワイヤ30a1によって、正極端子38が回路パターンPr3に接続されている。
ワイヤ30b1、30g1によって、回路パターンPr2が回路パターンPr3に接続されている。
ワイヤ30c1、30e1によって、回路パターンPr1が回路パターンPr2に接続されている。
ワイヤ30d1によって、接続部材50a1が回路パターンPr1に接続されている。
ワイヤ30f1によって、接続部材50a2が回路パターンPr2に接続されている。
ワイヤ30h1によって、接続部材50a3が回路パターンPr3に接続されている。
ワイヤ30i1によって、負極端子39が回路パターンPr3に接続されている。
ワイヤ30a1〜30i1の接続によって、電流が半導体モジュール400内を流れる。
本実施形態における効果は、前述の第1実施形態と同様である。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1、100、200、300、400…半導体モジュール、 10…放熱板、 15…基板、 15a、19s1、20s1、50c1、t1、t2…上面、 19、19A1、19A2、19B1、19B2、19C1、19C2…スイッチング素子、 19ce、19ce1、19ce2、20ke、20ke1、20ke2…上面電極、 19e1、20e1、19e2、20e2…素子部、 19ge、19ge1、19ge2…制御電極、 19me、19me1、19me2、20ae、20ae1、20ae2…下面電極、 19s2、20s2、50b1…下面、 20、20A1、20A2、20B1、20B2、20C1、20C2…ダイオード、 25、25a1、25a2、25b1、25b2、25c1、25c2…実装部品、 25A〜25E…実装基板、 30a〜30j、30a1〜30i1…ワイヤ、 38…正極端子、 39…負極端子、 40…出力端子、 50、50a1、50a2…接続部材、 60…ケース、 60a…底面、 60b…側壁、 60c1〜60c4…支持部、 70、70a〜70f…はんだ層、 71…保護層、 P、P1〜P6、Pr1〜Pr3…回路パターン、 R1、R2…領域、 W1、W2、Wa、Wb、We、Wf…厚さ

Claims (8)

  1. 絶縁性の第1基板と、
    前記第1基板上に設けられた第1導電層と、
    前記第1導電層上に設けられ、第1素子部と、前記第1素子部の上面に設けられた第1電極と、前記第1素子部の下面に設けられた第2電極及び第3電極と、を有する第1スイッチング素子と、
    前記第1導電層上に設けられ、前記第1基板の上面に平行な第1方向で前記第1スイッチング素子と離間し、第2素子部と、前記第2素子部の上面に設けられた第4電極と、前記第2素子部の下面に設けられた第5電極と、を有する第1ダイオードと、
    を有する第1回路部品と、
    前記第1電極及び前記第4電極上に設けられた導電性の第1接続部材と、
    前記第1導電層及び前記第1接続部材を接続する第1ワイヤと、
    を備え
    前記第1回路部品は、前記第1方向に交差して前記第1基板の上面に平行な第2方向に複数配置され、
    前記複数の第1回路部品は全て下向きに搭載されている半導体モジュール。
  2. 前記第1電極及び前記第4電極と、前記第1接続部材との間、ならびに、前記第2電極、第3電極及び前記第5電極と、前記第1導電層との間に設けられた複数の第1はんだ層をさらに備えた請求項1記載の半導体モジュール。
  3. 前記第1電極と前記第1接続部材との間に設けられた前記第1はんだ層の厚さは、前記第4電極と前記第1接続部材との間に設けられた前記第1はんだ層の厚さと異なり、
    前記第2電極及び前記第3電極と、前記第1導電層との間に設けられた前記第1はんだ層の厚さは、前記第5電極と前記第1導電層との間に設けられた前記第1はんだ層の厚さと異なる請求項2記載の半導体モジュール。
  4. 前記第2方向で前記複数の第1回路部品と離間する第2回路部品であって、
    絶縁性の第2基板と、
    前記第2基板上に設けられた第2導電層と、
    前記第2導電層上に設けられ、第3素子部と、前記第3素子部の上面に設けられた第6電極と、前記第3素子部の下面に設けられた第7電極及び第8電極と、を有する第2スイッチング素子と、
    前記第2導電層上に設けられ、前記第1方向で前記第2スイッチング素子と離間し、第4素子部と、前記第4素子部の上面に設けられた第9電極と、前記第4素子部の下面に設けられた第10電極と、を有する第2ダイオードと、
    を有する第2回路部品と、
    前記第6電極及び前記第9電極上に設けられた導電性の第2接続部材と、
    前記第2導電層及び前記第2接続部材を接続する第2ワイヤと、
    をさらに備えた請求項1〜3のいずれか1つに記載の半導体モジュール。
  5. 前記第6電極及び前記第9電極と、前記第2接続部材との間、ならびに、前記第7電極、第8電極及び前記第10電極と、前記第2導電層との間に設けられた複数の第2はんだ層をさらに備えた請求項4記載の半導体モジュール。
  6. 前記第1導電層及び前記第2導電層を接続する第3ワイヤをさらに備えた請求項4または5に記載の半導体モジュール。
  7. 前記第2方向で前記第1ワイヤと離間し、前記第1導電層及び前記第1接続部材を接続する第4ワイヤをさらに備えた請求項1〜6のいずれか1つに記載の半導体モジュール。
  8. 第1導電層と、前記第1導電層上に設けられた第1スイッチング素子及び第1ダイオードと、をそれぞれ有する複数の第1回路部品と、
    第2導電層と、前記第2導電層上に設けられた第2スイッチング素子及び第2ダイオードと、をそれぞれ有する複数の第2回路部品と、
    前記複数の第1回路部品上に設けられた導電性の第1接続部材と、
    前記複数の第2回路部品上に設けられた導電性の第2接続部材と、
    前記複数の第1回路部品及び前記複数の第2回路部品が配置された領域の一端に設けられた複数の端子と、
    前記第1導電層及び第2導電層の一方と前記複数の端子、前記第1導電層と前記第2導電層、前記第1導電層と前記第1接続部材、及び、前記第2導電層と前記第2接続部材をそれぞれ接続する複数のワイヤと、
    を備え、
    前記複数の第1スイッチング素子は、前記第1接続部材に接続する第1電極と、各第1導電層に接続する複数の第2電極と、をそれぞれ有し、
    前記複数の第1ダイオードは、前記第1接続部材に接続する第3電極と、各第1導電層に接続する第4電極と、をそれぞれ有し、
    前記複数の第2スイッチング素子は、前記第2接続部材に接続する第5電極と、各第2導電層に接続する複数の第6電極と、をそれぞれ有し、
    前記複数の第2ダイオードは、前記第2接続部材に接続する第7電極と、各第2導電層に接続する第8電極と、をそれぞれ有し、
    前記第1接続部材、前記第2接続部材、前記複数の第1導電層、及び前記複数の第2導電層は、はんだ層を介して前記電極に接続され
    前記複数の第1回路部品及び前記複数の第2回路部品は全て下向きに搭載されている半導体モジュール。
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