JP7367352B2 - 半導体モジュール、車両、および半導体モジュールの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体モジュール、車両、および半導体モジュールの製造方法に関する。

従来、封止樹脂および半導体冷却器の密着性をあげるために、ポリイミド樹脂を半導体モジュールの全面に塗布していた（例えば、特許文献１参照）。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］ 特開昭６１－１４７５５５号公報

半導体モジュールに対し、素子の封止樹脂および半導体モジュールの金属部分の間に設けられるコーティング層を選択的に塗布してコストを低減する。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、半導体モジュールを提供する。半導体モジュールは、半導体冷却用のベースと、ベースの上方に設けられる積層基板と、積層基板の上方に設けられた半導体チップと、半導体チップの上面に設けられたコーティング層と、半導体チップを封止する封止樹脂と、を備える。ベースと封止樹脂とは接してよい。

コーティング層は、積層基板の上面の少なくとも一部に設けられてよい。

半導体チップは、半導体チップの上部主電極を有してよい。コーティング層は、上部主電極の上面に接して設けられてよい。

コーティング層は、ポリイミドまたはポリアミドのうちの少なくとも１つを含んでよい。

半導体チップは、半導体チップの上面に設けられたパッシベーション膜を有してよい。パッシベーション膜はポリイミドを含んでよい。コーティング層は、パッシベーション膜の上面に設けられてよい。

半導体モジュールは、半導体チップより上方に設けられたプリント回路基板（ＰＣＢ）をさらに備えてよい。コーティング層は、ＰＣＢの上面に設けられてよい。

コーティング層は、上面視においてＰＣＢの下方のベースの上面に設けられてよい。封止樹脂は、ＰＣＢの直下のコーティング層およびＰＣＢの下面の間に注入されてよい。

半導体モジュールは、封止樹脂の側面全体を囲む筐体をさらに備えてよい。ＰＣＢは、上面に半導体チップとＰＣＢとを接続するための接続用パッドを有してよい。接続用パッドは、筐体とは離間して設けられてよい。コーティング層は、接続用パッドの上面に設けられてよい。

半導体モジュールは、半導体チップの上面に設けられた金属配線板をさらに備えてよい。コーティング層は、半導体チップの上面と、金属配線板の上面または下面のうち少なくとも一方と、に設けられてよい。

コーティング層は、金属配線板の下面に設けられ、金属配線板の上面に設けられなくともよい。

コーティング層は、金属配線板の上面に設けられ、金属配線板の下面に設けられなくともよい。

本発明の第２の態様においては、半導体モジュールを備える車両を提供する。

本発明の第３の態様においては、半導体モジュールの製造方法を提供する。半導体モジュールの製造方法は、半導体冷却用のベースを提供する段階と、ベースの上方に積層基板を提供する段階と、積層基板の上方に半導体チップを提供する段階と、半導体チップの上面にコーティング層を提供する段階と、半導体チップを封止樹脂で封止する段階と、を備える。ベースと封止樹脂とは、接してよい。

コーティング層を提供する段階は、スプレー塗布によりコーティング層が塗布する段階を含んでよい。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

半導体モジュール１００の上面図の一例である 半導体組立体１１０の上面図の一例である。 実施例１に係るコーティング領域６２を示す上面図の一例である。 実施例２に係るコーティング領域６２を示す上面図の一例である。 実施例３に係るコーティング領域６２を示す上面図の一例である。 実施例４に係るコーティング領域６２を示す上面図の一例である。 実施例５に係るコーティング領域６２を示す上面図の一例である。 半導体組立体１１０の断面図の一例である。 半導体チップ３０の断面図の一例である。 コーティング領域６２と、半導体モジュール１００の寿命との関係を示したグラフである。 コーティング領域６２と、半導体モジュール１００の重量との関係を示したグラフである。 半導体モジュール１００を製造するためのフローチャートの一例を示す。 実施例に係る車両２００の概略図である。 実施例に係る半導体モジュール１００の主回路図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

本明細書においては半導体モジュールの深さ方向と平行な方向における一方の側を「上」、他方の側を「下」と称する。基板、層またはその他の部材の２つの主面のうち、一方の面を上面、他方の面を下面と称する。「上」、「下」の方向は重力方向、または、半導体チップの実装時における基板等への取り付け方向に限定されない。

図１Ａは、半導体モジュール１００の上面図の一例である。半導体モジュール１００は、ベース１０、ベース１０の上方に設けられた積層基板２０、積層基板２０の上方に設けられた半導体チップ３０を有する半導体組立体１１０、半導体組立体１１０の上方に設けられたＰＣＢ４０（Ｐｒｉｎｔ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ；プリント回路基板）、およびベース１０の側縁部を取り囲んで設けられる筐体９０を備える。

本明細書において、図１Ａの上面視における矩形状の筐体９０の長辺方向をＸ軸とし、短辺方向をＹ軸とする。また、Ｘ軸方向とＹ軸方向に対し、右手系をなす方向であって、半導体モジュール１００において、半導体組立体１１０が設置される側の方向をＺ軸方向とする。また、上面視とは、Ｚ軸の正の方向から半導体モジュール１００の方向を見た方向である。

筐体９０は、ベース１０の外縁部に複数の半導体組立体１１０を囲んで設けられる。筐体９０は、ポリフェニルサルファイド（ＰＰＳ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリブチルアクリレート（ＰＢＡ）、ポリアミド（ＰＡ）、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリブチレンサクシネート（ＰＢＳ）、ウレタンおよびシリコーン等により設けられる。本例では、筐体９０は、耐熱性樹脂であるＰＰＳ樹脂で設けられる。

ベース１０は、半導体組立体１１０で発生した熱を放熱するための半導体冷却用のベースである。ベース１０は、熱伝導性に優れた金属で設けられる。一例として、ベース１０は、銅、アルミニウム、鉄、またはこれらの合金等の金属で設けられる。

ベース１０の下方には、冷却器が設けられる。一例として、冷却器は、複数のフィンを有するヒートシンクを含む。さらに、冷却器は、複数のフィンの間に冷却液を流して冷却する液冷式の冷却装置であってよい。一例として、冷却器は、銅、アルミニウム、鉄、またはこれらの合金等の金属で設けられる。

一例として、冷却器およびベース１０の間には、サーマルコンパウンドを含む接合層が設けられる。接合層は、アルミナ等の熱伝導性のよいフィラーを含む有機油で設けられてよい。別の例において、冷却器およびベース１０は、金属により一体成型されてもよい。この場合のベース１０は、冷却器の上面となる。

積層基板２０は、ＤＣＢ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｏｐｐｅｒ Ｂｏｎｄｉｎｇ）基板またはＡＭＢ（Ａｃｔｉｖｅ Ｍｅｔａｌ Ｂｌａｚｅｄ）基板等であってよい。本例の積層基板２０はＤＣＢ基板である。

積層基板２０は、絶縁板２１を上下方向から挟み込むように、金属板２２を、絶縁板２１に直接接合させた構造を有する。積層基板２０は、ベース１０の上方に鉛フリーはんだを用いたはんだ接合により、接合材を介して設置されてよい。

絶縁板２１は、熱伝導性の高く、誘電損失の小さい材料を含む。一例として、絶縁板２１は、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等のセラミックス材料を含む。金属板２２は銅、アルミニウム等の金属で設けられる。特に積層基板２０がＤＣＢ基板である場合には、金属板２２は銅または銅合金で設けられる。

一例として、半導体チップ３０は、パワーＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、ＲＣ（Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ；逆導通）－ＩＧＢＴ等のスイッチング素子や、ＦＷＤ（Ｆｒｅｅ Ｗｈｅｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等の還流ダイオードを有する。半導体チップ３０は、シリコン、炭化ケイ素や窒化ガリウム等の後に図３Ｃに示す半導体基板３１を用い製造されてよい。複数の半導体チップ３０を含む半導体組立体１１０を備える半導体モジュール１００は、全体としてインバータや、制御回路を含むＩＰＭ（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｐｏｗｅｒ Ｍｏｄｕｌｅ）などのパワーデバイスを構成できる。半導体チップ３０は、積層基板２０の上方、特に金属板２２の上面に設けられる。半導体チップ３０と金属板２２との間には、ベース１０と積層基板２０との間と同様に、鉛フリーはんだを接合材として用いたはんだ接合が施されてよい。

ＰＣＢ４０は、半導体チップ３０のスイッチング素子の制御電極３４に接続される配線層を有する。一例としてＰＣＢ４０は、ボンディングワイヤ５５により半導体チップ３０と電気的に接続される。一例として、ＰＣＢ４０は、ポリイミドフィルム基板またはエポキシフィルム基板に配線層が設けられた基板として設けられる。ＰＣＢ４０は、筐体９０の壁面のうち、半導体チップ３０より上方の半導体組立体１１０側に突出する棚状部分に設けられてよい。

外部接続部５０は、各半導体組立体１１０の周囲に１つ以上設けられる。一例として、半導体モジュール１００が三相インバータである場合、外部接続部５０は、Ｕ相、Ｖ相、およびＷ相を駆動する電源端子および負荷端子として、１つの半導体組立体１１０ごとに３つ設けられてよい。外部接続部５０には、ニッケルめっきが施されてよい。外部接続部５０に銅製のバスバーが接続されることにより、半導体組立体１１０の各主端子５２に大電流を適用することができる。

主端子５２は、外部接続部５０に対応する数設けられ、外部接続部５０に電気的に接続される。主端子５２および外部接続部５０は、溶接や接合材により接続されてもよく、あるいは一枚の金属板により形成されてもよい。主端子５２は、半導体チップ３０それぞれの素子を駆動するための電圧を供給すべく、半導体組立体１１０それぞれに外部接続用の端子として設けられる。

図１Ｂは、１つの半導体組立体１１０を示す上面図である。本例の半導体組立体１１０は、積層基板２０と、積層基板２０上に搭載された２個２組の４つの半導体チップ３０を含む。半導体チップ３０は、外部接続用の主端子５２と電気的に接続される。半導体組立体１１０は、半導体チップ３０と主端子５２とを電気的に接続する金属配線板７０を有してよい。金属配線板７０の代わりに、半導体チップ３０と主端子５２とはワイヤやリボンなどの導電部材により電気的に接続されてもよい。半導体組立体１１０は、金属板２２上に設けられたブロック５４を含んでよい。主端子５２は、ブロック５４を介して金属板２２に接続されてもよく、また、ブロック５４の代わりに接合材により金属板２２に接続されてもよい。金属板２２は、半導体チップ３０および金属配線板７０が接続される主回路部と、制御電極３４が接続される制御回路部とを含んでよい。

半導体チップ３０の上面には、外部接続用の上部主電極３２と主電流を制御するための制御電極３４とが設けられる。上部主電極３２は、アルミニウム、ニッケル、または少なくともこれらの一つを含む合金を含んでよい。半導体チップ３０が縦型のスイッチング素子を有する場合、半導体チップ３０は上面側の上部主電極３２と、上部主電極３２と反対側の、後に図３Ｃに示す下部主電極３３とを有してよい。スイッチング素子がＩＧＢＴ素子である場合、上部主電極３２はエミッタ電極であり、下部主電極３３はコレクタ電極であってよい。制御電極３４は、ゲート電極のほか、エミッタセンス電極、温度センス電極や電流センス電極など各種センス電極を含んでよい。

上部主電極３２および金属板２２は、金属配線板７０により電気的に接続されてよい。上部主電極３２および金属配線板７０の間は、鉛フリーはんだによるはんだ接合により接合されてよい。

一例として、金属配線板７０は、アルミニウム、銅、または少なくともこれらの一つを含む合金等の導電性に優れた材質で設けられる。金属配線板７０は、リードフレームにより設けられてよい。金属配線板７０は、金属板２２に接続される近位の端部、上部主電極３２に接続される遠位の端部、および両端部を接続する連結部を有してよい。ここで、「近位」および「遠位」は、半導体基板のＺ軸方向正側から見た「近位」および「遠位」として定義される。連結部は、Ｙ軸方向から見た場合、矩形であってよい。

ブロック５４は、金属板２２の上面に設けられる。ブロック５４は、半導体組立体１１０で生じた熱を拡散して放熱する放熱ブロックとしても機能する。ブロック５４は、銅および銅合金などの金属材料で設けられてよい。

ＰＣＢ４０は、配線層を有し、配線層には制御端子（図示せず）およびボンディングワイヤ５５が接続される。半導体チップ３０は、ＰＣＢ４０を介し、制御回路の発生する種々の信号により制御され得る。半導体チップ３０は、ゲート電極のほか、各種センス電極を含んでよく、センス電極もボンディングワイヤ５５およびＰＣＢ４０を介して制御回路と接続されてよい。制御信号の電流は、主端子５２に流れる電流より小さい電流であってよい。

ＰＣＢ４０は、本例のように主端子５２により分断され、複数枚にわかれた構造をしていてもよい。複数のＰＣＢ４０同士の間の一部では、上面視においてベース１０の一部が露出していてもよい。

図１Ｃは、実施例１に係るコーティング領域６２の上面図の一例である。コーティング領域６２は、上面視において、半導体モジュール１００においてコーティング層６０が設けられ得る領域を図示する。コーティング層６０は半導体組立体１１０の上方に配置される。

半導体組立体１１０およびＰＣＢ４０の回路を絶縁封止すべく、筐体９０内に後に図３Ｂに示す封止樹脂１２０が注入される。封止樹脂１２０は、半導体チップ３０およびＰＣＢ４０の上面に設けられる。封止樹脂１２０は筐体９０内に設けられるので、封止樹脂１２０の側面全体は、筐体９０に取り囲まれる。封止樹脂１２０は、エポキシ樹脂等の絶縁性の熱硬化性樹脂であってよい。

封止樹脂１２０と半導体組立体１１０との接着性を向上すべく、半導体組立体１１０のうち、特に半導体チップ３０の上面には、後に図３Ｃに示すコーティング層６０が設けられる。

一例としてコーティング層６０は、２μｍ以上の厚さを有してよく、３μｍ以上の厚さを有してもよい。コーティング層６０は、ポリアミドまたはポリイミドのうち少なくとも１つを含む。コーティング層６０は、半導体チップ３０の上面の金属部分との接着性が金属部分とエポキシ樹脂との接着性より良い。さらに、コーティング層６０は、封止樹脂１２０との接着性もよい。コーティング層６０と封止樹脂１２０との化学的、機械的および物理的結合により、封止樹脂１２０が半導体チップ３０等から剥離することが防止される。

コーティング層６０は、積層基板２０の上面の少なくとも一部に設けられてよい。積層基板２０の上面には、金属板２２が露出している。コーティング層６０が金属板２２の上面にも設けられることにより、金属板２２の上面の金属部分と封止樹脂１２０との接着性も向上する。このように、コーティング層６０を半導体組立体１１０の上面に設けることで、半導体モジュール１００全体の耐衝撃性や熱変形等への耐性が向上し、半導体モジュール１００の信頼性が向上する。

コーティング層６０は、高性能制御ディスペンス塗布を含むスプレー塗布により設けられてよい。半導体モジュール１００は半導体冷却用のベース１０の上面が露出する片面冷却構造を有するので、コーティング層６０の塗布では、構造上部からのディスペンス塗布を高性能化させて塗布エリアの制御性を高めることができる。

他のコーティング層６０を設ける手段としては、半導体組立体１１０全体をコーティング層６０の材料からなる液体に浸したり、スピンコーティングを行ったりする方法がある。スプレー塗布によりコーティング層６０を選択的な箇所に設けることにより、他の方法と比較して余分な材料を用いることなく、狭小部を含む所望箇所へコーティング材料を塗布できる。

また、封止樹脂１２０と半導体組立体１１０の金属部分との結合を高める他の手段としては、接合部にレーザーを照射して切り込みを入れる等の処理を行い、接合部にディンプル形状を形成し機械的なアンカー効果を増す手段がある。接合部にレーザーを照射する場合には、照射される部材についての材料が限定される。

一方で、コーティング層６０をスプレー塗布により設ける場合には、封止樹脂１２０と半導体組立体１１０の金属部分との接合部の材料は限定されない。さらに、コーティング層６０をスプレー塗布により設ける場合には、レーザー照射を用いるよりも狭小部に処理を施し易く、コーティング領域６２の面積および幅等の調整も容易である。

コーティング層６０の設置においては、塗布後の乾燥に時間がかかり、余分な材料を多く設けるほど長い乾燥時間がかかる。コーティング層６０を選択的な箇所に設ける場合には余分な材料が用いられないので、コーティング層６０の乾燥時間を低減し、乾燥不具合の発生を回避し、半導体モジュール１００製造のための工程作業時間を短縮できる。

さらには、コーティング層６０がポリイミドまたはポリアミドを含む場合、重量に応じたコストがかかる。コーティング層６０を選択的な箇所に設けることにより、余分な材料が使用されず、コーティング層６０全体の重量は低減する。従って、コーティング層６０を設けるためのコストを低減できる。

コーティング層６０を選択的な箇所に設置する一例として、実施例１のコーティング領域６２において、コーティング層６０が、積層基板２０の周囲においてベース１０の上面の一部を覆い、ベース１０の全面を覆わないように設けられる。ベース１０の上面のうちコーティング層６０で覆われていない部分は、封止樹脂１２０と接する。コーティング層６０がベース１０の全面を覆うように設ける場合と比較して、半導体モジュール１００の信頼性を低下させることなく、コーティング層６０の使用量を低減できる。

実施例１のコーティング層６０は、ＰＣＢ４０の上方には設けられていない。コーティング層６０は、主端子５２の上方には設けられても設けられなくともよい。また、実施例１のコーティング層６０は、複数のＰＣＢ４０の間に露出するベース１０の上方に設けられていない。ただし、コーティング層６０は、複数のＰＣＢ４０の間に露出するベース１０の上方に設けられてよい。

図２Ａは、実施例２に係るコーティング領域６２を示す上面図の一例である。半導体組立体１１０の上方に設けられるコーティング層６０の実施例２に係る配置が図示される。実施例２では、コーティング層６０は、半導体チップ３０および金属配線板７０の上面に設けられている。

半導体チップ３０および金属配線板７０の上面は各種金属材料で形成されている。コーティング層６０を半導体チップ３０に設けることにより、回路素子を有する半導体チップ３０を優先的に保護できる。また、コーティング層６０を金属配線板７０に設けることで、屈曲箇所を有する金属配線板７０に対して耐衝撃性を与えることができる。

図２Ｂは、実施例３に係るコーティング領域６２を示す上面図の一例である。半導体組立体１１０の上方に設けられるコーティング層６０の実施例３に係るコーティング領域６２の配置が図示される。

実施例３に係るコーティング層６０は、金属配線板７０の上面に設けられるが、金属配線板７０および積層基板２０の間に設けられない。即ち金属配線板７０において、コーティング層６０は、屈曲した連結部の下面と接して設けられない。コーティング層６０が設けられない金属配線板７０の下面位置７２は、破線により示されている。

コーティング層６０は、半導体チップ３０の上面と、金属配線板７０の上面または下面のうち少なくとも一方と、に設けられる。コーティング層６０は、実施例３のように金属配線板７０の上面に設けられ、下面に設けられなくともよい。一方、コーティング層６０は、金属配線板７０の下面に設けられ、上面に設けられなくともよい。コーティング層６０をスプレー塗布により設けることで、金属配線板７０の下面のみに設けるような狭小部へ塗布が可能となる。

コーティング層６０は、積層基板２０の上面全体およびＰＣＢ４０の上面の少なくとも一部に設けられる。コーティング層６０は、積層基板２０の周囲においてベース１０の一部を覆うが、ベース１０の全面を覆わない。

図２Ｃは、実施例４に係るコーティング層６０を示す上面図の一例である。半導体組立体１１０の上方に設けられるコーティング層６０の実施例４に係るコーティング領域６２の配置が図示される。

コーティング層６０は、積層基板２０の全面およびＰＣＢ４０の一部に設けられる。コーティング層６０は、積層基板２０の周囲においてベース１０の一部を覆うが、ベース１０の全面を覆わない。

実施例４では広範囲にコーティング層６０が設けられるので、半導体組立体１１０に十分な信頼性を確保できる。また、コーティング層６０をベース１０全体に設ける場合に比べ、コーティング層６０の使用量を低減できる。

図３Ａは、実施例５に係るコーティング層６０を示す上面図の一例である。半導体組立体１１０の上方に設けられるコーティング層６０の実施例５に係るコーティング領域６２の配置が図示される。

実施例５では、コーティング層６０は、積層基板２０の全面と、ＰＣＢ４０の上面の少なくとも一部に設けられる。また、本例のコーティング層６０は、積層基板２０の周囲においてベース１０の上面の一部に設けられ、ベース１０の上面の全面には設けられない。これにより、コーティング層６０の使用量を低減し、半導体モジュール１００の製造コストを低減できる。

ＰＣＢ４０の上面には半導体チップ３０と電気的に接続するための接続用パッド４５および配線層が設けられる。接続用パッド４５は、銅、アルミニウム、またはこれらのうち少なくとも１つを含む合金のような導電性部材で設けられてよい。接続用パッド４５は、筐体９０から離間して設けられてよい。

コーティング層６０は、積層基板２０の上面の全面と、ＰＣＢ４０の上面とに設けられている。ＰＣＢ４０の上面のコーティング層６０は、ＰＣＢ４０の上面に設けられた接続用パッド４５の上面に設けられ、接続用パッド４５より筐体９０側に設けられなくともよい。コーティング層６０をＰＣＢ４０と筐体９０との間、例えば境界付近に設けないことにより、封止樹脂１２０を封入後に、樹脂を加熱して硬化する際に、コーティング層６０が筐体９０界面で気泡を生じ、ボイドを形成することを防止できる。

図３Ｂは、半導体組立体１１０の断面図の一例である。図３ＡのＡ－Ａ'断面の一例が示される。

ＰＣＢ４０の上面の接続用パッド４５は、半導体チップ３０の上面に設けられた制御電極３４と電気的に接続されている。本例では、制御電極３４および接続用パッド４５は、ボンディングワイヤ５５により接続されている。また、制御電極３４および接続用パッド４５は、積層基板２０の金属板２２を経由して、ボンディングワイヤ５５により電気的に接続されている。ＰＣＢ４０は、本例のように、積層基板２０の一部を覆うように設けられてよい。ＰＣＢ４０は、さらに積層基板２０の上面に設けられた半導体チップ３０の一部を覆うように設けられてよい。ＰＣＢ４０は、その端部が筐体９０から積層基板２０に向かって、ベース１０の上面に平行な方向に突き出してもよい。

コーティング層６０はＰＣＢ４０の接続用パッド４５の上面に設けられてよい。コーティング層６０は積層基板２０の上面および側面に設けられてよい。コーティング層６０は、上面視において、ＰＣＢ４０下方であって積層基板２０に隣接するベース１０の上面に設けられてよい。コーティング層６０は、上面視において、ＰＣＢ４０下方であって筐体９０に隣接するベース１０の上面には設けられなくてもよい。コーティング層６０は、ＰＣＢ４０の下方のベース１０の上面において、積層基板２０側に設けられ、筐体９０側に設けられなくてよい。ＰＣＢ４０の直下のベース１０の上面に設けられるコーティング層６０の上面は、ＰＣＢ４０の下面には接しなくてよい。

封止樹脂１２０は、筐体９０の内部に、半導体チップ３０およびＰＣＢ４０の上面を覆うように注入される。コーティング層６０がＰＣＢ４０の上面側および下面側に上述のような配置で設けられる場合、封止樹脂１２０は、ＰＣＢ４０に設けられたコーティング層６０の上面を覆う。さらに、封止樹脂１２０は、ＰＣＢ４０の直下のコーティング層６０と、ＰＣＢ４０の下面との間に注入される。

即ち、ＰＣＢ４０は、上面側の封止樹脂１２０と下面側に充填された封止樹脂１２０とで挟み込まれて固定される。ＰＣＢ４０の上面の回路に対しては、コーティング層６０のアンカー効果により、封止樹脂１２０との接着性が良くなる。これにより、ボンディングワイヤ５５のボンディング部が保護され、ＰＣＢ４０において、耐衝撃性、耐熱性などの信頼性が向上され得る。ＰＣＢ４０の下面側に充填された封止樹脂１２０は、積層基板２０上に設けられたコーティング層６０、ベース１０および筐体９０と接着し、ＰＣＢ４０を下方から支持する。充填された封止樹脂１２０は、ＰＣＢ４０の下面、積層基板２０上に設けられたコーティング層６０、ベース１０および筐体９０に直接接触してよい。ＰＣＢ４０の庇状端部は封止樹脂１２０により上下から支持される。

図３Ｃは、半導体チップ３０の断面図の一例である。図３ＡのＢ－Ｂ'断面の一例が示される。半導体チップ３０は、積層基板２０の金属板２２の上面に設けられている。本例の半導体チップ３０は、金属板２２の上面に設けられた下部主電極３３と、下部主電極３３の上方に設けられた半導体基板３１とを含む。半導体チップ３０の上面には、上部主電極３２およびゲートランナー１３０が設けられる。

上部主電極３２は、金属層のような導電性部材で設けられてよい。上部主電極３２の上面には、コーティング層６０が設けられてよい。

ゲートランナー１３０は、上部主電極３２の側面を取り囲むように設けられる。ゲートランナー１３０は、ゲートランナー導電部１３２、およびパッシベーション膜１３４を含む。一例として、ゲートランナー導電部１３２は、ポリシリコンを含んでよい。半導体チップ３０の上面において、ゲートランナー１３０のさらに外周には、ガードリング、リサーフ、またはフィールドプレート構造などの耐圧構造部が設けられてよい。

パッシベーション膜１３４は、ゲートランナー導電部１３２に絶縁保護を与えるべく、ゲートランナー導電部１３２を覆って半導体チップ３０の上面に設けられる。パッシベーション膜１３４は、ポリイミドを含んでよい。

一例として、パッシベーション膜１３４には、摂氏３００度のような高熱で焼入れが施される。ポリイミドまたはポリアミドのうち少なくとも１つを含むコーティング層６０にはこのような焼入れが施されない。焼入れの有無により、コーティング層６０は、パッシベーション膜１３４とは異なる機械的特性および化学的特性を有する。本例においては、コーティング層６０と封止樹脂１２０との接着性は、パッシベーション膜１３４と封止樹脂１２０の接着性より優れる。

一方、ポリイミドまたはポリアミドのうち少なくとも１つを含むコーティング層６０は、ポリイミドを含むパッシベーション膜１３４と化学的に架橋し易く、接着性が良い。従って、パッシベーション膜１３４の上面にコーティング層６０を設けると、パッシベーション膜１３４および封止樹脂１２０の間の接着性を改善できる。

コーティング層６０は、ゲートランナー１３０を覆って設けられる。本例では、コーティング層６０は、半導体チップ３０、パッシベーション膜１３４、および上部主電極３２のそれぞれの上面を覆って設けられる。

図４Ａは、コーティング領域６２と、半導体モジュール１００の寿命との関係を示したグラフである。横軸には各実施例が示され、縦軸には、半導体組立体１１０の全面にコーティング層６０を設けた場合を１００％として、寿命がどの程度維持できるかが示される。本グラフは、予め定められた温度を付与すべく、半導体モジュール１００に予め定められた大きさの電流を適用した場合の故障サイクル検査から得られている。

横軸の最も左には、半導体組立体１１０に対してコーティング層６０を全く設けない例が記載されている。コーティング層６０を全く設けない場合には、半導体モジュール１００の寿命は大きく低下する。

実施例２では、コーティング層６０は、半導体チップ３０および金属配線板７０のみに設けられている。実施例２の場合であっても、コーティング層６０を全く設けない場合と比較すれば寿命は長くなる。ただし、他の各実施例のように積層基板２０の上面にコーティング層６０を設ける例よりは短寿命となる。

実施例４では、コーティング層６０は、積層基板２０およびＰＣＢ４０の上面に設けられ、ベース１０の全面には設けられないように配置される。実施例４では、コーティング層６０を半導体組立体１１０の全面に塗布した場合と比較して、寿命は十分に維持できる。

実施例３では、コーティング層６０は、金属配線板７０の下面に設けられ、上面に設けられない点で実施例４と相違する。グラフにおいては、コーティング層６０が金属配線板７０の下面に設けられ、上面に設けられない例も示されている。コーティング層６０の金属配線板７０の配置の与える寿命への影響は、上面より下面の方が大きい。なお、コーティング層６０が主端子５２の上面に設けられるか否かの寿命に対する影響は、コーティング層６０が金属配線板７０の上面または下面に設けられるか否かの影響より小さい。

実施例１では、コーティング層６０は、ＰＣＢ４０の上面に設けられていない。コーティング層６０がＰＣＢ４０の上面に設けられるか否かの寿命に対する影響は、金属配線板７０の上面に設けられるか否かの影響より大きい。

図４Ｂは、コーティング領域６２と、半導体モジュール１００の重量との関係を示したグラフである。横軸には各実施例が示されており、縦軸には、半導体組立体１１０の全面にコーティング層６０を設けた場合を１００％として、重量がどの程度低減できるかが示されている。

実施例２においては、コーティング層６０が半導体チップ３０および金属配線板７０のみに設けられるので、重量の大幅な削減ができる。所望の寿命が実施例２の長さで十分である場合には、実施例２のコーティング層６０の配置を適用することで大幅にコストを低減できる。

実施例４においては、コーティング層６０を全面に塗布した場合と比較して、寿命は十分に維持されていた。一方で、実施例４のコーティング層６０の総重量は、数割のオーダーで低減している。半導体モジュール１００の寿命を大きく低減することなく、重量を低減したい場合に好適な実施例である。

実施例３においては、実施例４に比較して、重量の大きな低減は見込めないが、寿命は低減している。従って、コーティング層６０を金属配線板７０の上面または下面のうち少なくとも一方から除去する場合には、上面の方が寿命の維持および重量の低減の点で有利である。

実施例１では、ＰＣＢ４０にコーティング層６０を設けないことで重量が低減している。ただし、実施例１では、半導体モジュール１００の寿命も一定の割合で短寿命化する。

以上の通り、各実施例が、半導体モジュール１００への寿命およびコーティング層６０の総重量に対し与える影響が示される。コーティング層６０をスプレー塗布により提供することにより、半導体モジュール１００の寿命およびコストの要求に応じて所望の実施例に切り替えることができる。

図５は、半導体モジュール１００を製造するためのフローチャートの一例を示す。本例では、ステップＳ１００からＳ１０８により半導体モジュール１００が製造される。

ステップＳ１００は、半導体冷却用のベース１０を提供する段階である。半導体冷却用のベース１０は放熱性の高い金属版であってよく、冷却器と一体成型されてもよい。ベース１０が冷却器と一体成型される場合には、ベース１０は冷却器の上面となる。

ステップＳ１０２は、ベース１０の上方に積層基板２０を提供する段階である。積層基板２０として、ＤＣＢ基板またはＡＭＢ基板等からなる積層基板２０が提供されてよい。

ステップＳ１０４は、積層基板２０の上方に半導体チップ３０を提供する段階である。半導体チップ３０は、スイッチング素子を備えてよい。

ステップＳ１０６は、半導体チップ３０の上面にコーティング層６０を提供する段階である。Ｓ１０６において、積層基板２０の上面全体がコーティング層６０で覆われてよい。ベース１０は、コーティング層６０により一部のみが覆われ、全体が覆われなくてもよい。コーティング層６０を提供する段階は、スプレー塗布によりコーティング層６０を塗布する段階を含んでよい。コーティング層６０の提供をスプレー塗布により行うことにより、半導体モジュール１００の狭小部にもコーティング層６０を提供できる。

ステップＳ１０８は、半導体チップ３０を封止樹脂１２０で封止する段階である。封止樹脂１２０は、半導体組立体１１０を取り囲むように設けられる筐体９０内に注入されてよい。ベース１０の上面のうちコーティング層６０が設けられていない箇所は、封止樹脂１２０と接してよい。以上のプロセスにより、半導体モジュール１００が提供される。

図６は、実施例に係る車両２００の概略図である。車両２００は、少なくとも一部の推進力を電力を用いて発生する車両である。一例として車両２００は、全ての推進力をモーター等の電力駆動機器で発生させる電気自動車、または、モーター等の電力駆動機器と、ガソリン等の燃料で駆動する内燃機関とを併用するハイブリッド車である。

車両２００は、モーター等の電力駆動機器を制御する制御装置２１０（外部装置）を備える。制御装置２１０には、半導体モジュール１００が設けられている。半導体モジュール１００は、電力駆動機器に供給する電力を制御してよい。

図７は、実施例に係る半導体モジュール１００の主回路図である。半導体モジュール１００は、車両のモーターを駆動する車載用ユニットの一部であってよい。半導体モジュール１００は、出力端子Ｕ、ＶおよびＷを有する三相交流インバータ回路として機能してよい。３つの半導体組立体１１０により、以下に示す半導体モジュール１００の回路が実装されてよい。

半導体組立体１１０では、直列に２つずつ接続された第１半導体チップ７８および第２半導体チップ７９が、並列に接続されている。半導体組立体１１０－１、半導体組立体１１０－２、および半導体組立体１１０－３内の半導体チップのうち、並列に接続された第１半導体チップ７８－２および第２半導体チップ７９－２を含む部分は、下アーム部分８０－１、下アーム部分８０－２、および下アーム部分８０－３を構成してよい。一方、半導体組立体１１０－１、半導体組立体１１０－２、および半導体組立体１１０－３内の半導体チップのうち、並列に接続された第１半導体チップ７８－１および第２半導体チップ７９－１を含む部分は、上アーム部分８２－１、上アーム部分８２－２および上アーム部分８２－３を構成してよい。

さらに、半導体組立体１１０－１が有する一組の下アーム部分８０－１および上アーム部分８２－１は、レグを構成してよい。半導体組立体１１０－２が有する一組の下アーム部分８０－２および上アーム部分８２－２は、レグを構成してよい。半導体組立体１１０－３が有する一組の下アーム部分８０－３および上アーム部分８２－３は、レグを構成してよい。

下アーム部分８０－１においては、第１半導体チップ７８－２および第２半導体チップ７９－２のエミッタ電極が入力端子Ｎ１に、第１半導体チップ７８－２および第２半導体チップ７９－２のコレクタ電極が出力端子Ｕに、それぞれ電気的に接続されてよい。上アーム部分８２－１においては、第１半導体チップ７８－１および第２半導体チップ７９－１のエミッタ電極が出力端子Ｕに、第１半導体チップ７８－１および第２半導体チップ７９－１のコレクタ電極が入力端子Ｐ１に、それぞれ電気的に接続されてよい。

下アーム部分８０－２においては、第１半導体チップ７８－２および第２半導体チップ７９－２のエミッタ電極が入力端子Ｎ２に、第１半導体チップ７８－２および第２半導体チップ７９－２のコレクタ電極が出力端子Ｖに、それぞれ電気的に接続されてよい。上アーム部分８２－２においては、第１半導体チップ７８－１および第２半導体チップ７９－１のエミッタ電極が出力端子Ｖに、第１半導体チップ７８－１および第２半導体チップ７９－１のコレクタ電極が入力端子Ｐ２に、それぞれ電気的に接続されてよい。

下アーム部分８０－３においては、第１半導体チップ７８－２および第２半導体チップ７９－２のエミッタ電極が入力端子Ｎ３に、第１半導体チップ７８－２および第２半導体チップ７９－２のコレクタ電極が出力端子Ｗに、それぞれ電気的に接続されてよい。上アーム部分８２－３においては、第１半導体チップ７８－１および第２半導体チップ７９－１のエミッタ電極が出力端子Ｗに、第１半導体チップ７８－１および第２半導体チップ７９－１のコレクタ電極が入力端子Ｐ３に、それぞれ電気的に接続されてよい。

下アーム部分８０－１から８０－３、および上アーム部８２－１から８２－３は、第１半導体チップ７８および第２半導体チップ７９の制御電極パッドに入力される信号により、交互にスイッチングされてよい。本例において、第１半導体チップ７８および第２半導体チップ７９は、スイッチング時に発熱する。

入力端子Ｐ１、Ｐ２およびＰ３は、外部電源の正極に接続されてよい。入力端子Ｎ１、Ｎ２およびＮ３は、外部電源の負極に接続されてよい。入力端子Ｐ１、Ｐ２およびＰ３は、互いに電気的に接続されてよい。入力端子Ｎ１、Ｎ２およびＮ３は、互いに電気的に接続されてよい。出力端子Ｕ、ＶおよびＷは、それぞれ負荷に接続されてよい。

半導体モジュール１００において、第１半導体チップ７８および第２半導体チップ７９は、それぞれＲＣ‐ＩＧＢＴ半導体チップであってよい。ＲＣ‐ＩＧＢＴ半導体チップにおいて、ＩＧＢＴおよび還流ダイオード（ＦＷＤ）は、一体的に形成される。ＲＣ‐ＩＧＢＴ半導体チップにおいて、ＩＧＢＴおよびＦＷＤは、逆並列に接続されてよい。第１半導体チップ７８および第２半導体チップ７９は、それぞれＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等のトランジスタとダイオードとの組み合わせを含んでもよい。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１０・・・ベース、２０・・・積層基板、２１・・・絶縁板、２２・・・金属板、３０・・・半導体チップ、３１・・・半導体基板、３２・・・上部主電極、３３・・・下部主電極、３４・・・制御電極、４０・・・ＰＣＢ、４５・・・接続用パッド、５０・・・外部接続部、５２・・・主端子、５４・・・ブロック、５５・・・ボンディングワイヤ、６０・・・コーティング層、７０・・・金属配線板、７２・・・下面位置、７８・・・第１半導体チップ、７９・・・第２半導体チップ、８０・・・下アーム部分、８２・・・上アーム部分、９０・・・筐体、１００・・・半導体モジュール、１１０・・・半導体組立体、１２０・・・封止樹脂、１３０・・・ゲートランナー、１３２・・・ゲートランナー導電部、１３４・・・パッシベーション膜、２００・・・車両、２１０・・・制御装置

Claims (18)

1. 半導体冷却用のベースと、
   前記ベースの上方に設けられる積層基板と、
   前記積層基板の上方に設けられた半導体チップと、
   前記半導体チップの上面に設けられたコーティング層と、
   前記半導体チップを封止する封止樹脂と、を備え、
   前記ベースと前記封止樹脂とが接し、
   前記ベースは、前記コーティング層に覆われる部分と、前記コーティング層に覆われない部分とを有する、
   半導体モジュール。
2. 前記コーティング層は、前記積層基板の上面の少なくとも一部に設けられる、請求項１に記載の半導体モジュール。
3. 前記半導体チップは、前記半導体チップの上部主電極を有し、
   前記コーティング層は、前記上部主電極の上面に接して設けられる、
   請求項１または２に記載の半導体モジュール。
4. 前記コーティング層は、ポリイミドまたはポリアミドのうちの少なくとも１つを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
5. 前記半導体チップは、前記半導体チップの上面に設けられたパッシベーション膜を有し、
   前記パッシベーション膜はポリイミドを含み、
   前記コーティング層は、前記パッシベーション膜の上面に設けられる、請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
6. 前記コーティング層と前記封止樹脂との接着性は、前記パッシベーション膜と前記封止樹脂の接着性よりも高い
   請求項５に記載の半導体モジュール。
7. 前記半導体チップより上方に設けられたプリント回路基板（ＰＣＢ）をさらに備え、
   前記コーティング層は、前記ＰＣＢの上面に設けられ、
   前記封止樹脂は、前記ＰＣＢを封止する、請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
8. 前記コーティング層は、上面視において前記ＰＣＢの下方の前記ベースの上面に設けられ、
   前記封止樹脂は、前記ＰＣＢの直下の前記コーティング層および前記ＰＣＢの下面の間に注入される、
   請求項７に記載の半導体モジュール。
9. 前記封止樹脂の側面全体を囲む筐体をさらに備え、
   前記ＰＣＢは、上面に前記半導体チップと前記ＰＣＢとを接続するための接続用パッドを有し、
   前記接続用パッドは、前記筐体とは離間して設けられ、
   前記コーティング層は、前記接続用パッドの上面に設けられる、
   請求項７または８に記載の半導体モジュール。
10. 前記半導体チップの上面に設けられた金属配線板をさらに備え、
    前記コーティング層は、前記半導体チップの上面と、前記金属配線板の上面または下面のうち少なくとも一方と、に設けられる、請求項１から９のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
11. 前記コーティング層は、前記金属配線板の下面に設けられ、前記金属配線板の上面に設けられない、請求項１０に記載の半導体モジュール。
12. 前記コーティング層は、前記金属配線板の上面に設けられ、前記金属配線板の下面に設けられない、請求項１０に記載の半導体モジュール。
13. 請求項１から１２のいずれか一項に記載の半導体モジュールを備える車両。
14. 半導体冷却用のベースと、
    前記ベースの上方に設けられる積層基板と、
    前記積層基板の上方に設けられた半導体チップと、
    前記半導体チップの上面に設けられた金属配線板と、
    前記半導体チップの上面に設けられたコーティング層と、
    前記半導体チップを封止する封止樹脂と、を備え、
    前記コーティング層は、前記半導体チップ及び前記金属配線板のみに設けられている、
    半導体モジュール。
15. 半導体冷却用のベースを提供する段階と、
    前記ベースの上方に積層基板を提供する段階と、
    前記積層基板の上方に半導体チップを提供する段階と、
    前記半導体チップの上面にコーティング層を提供する段階と、
    前記半導体チップを封止樹脂で封止する段階と、を備え、
    前記ベースと前記封止樹脂とが接し、
    前記ベースは、前記コーティング層に覆われる部分と、前記コーティング層に覆われない部分とを有する、
    半導体モジュールの製造方法。
16. 前記コーティング層を提供する段階は、スプレー塗布により前記コーティング層を塗布する段階を含む、請求項１５に記載の半導体モジュールの製造方法。
17. 前記半導体チップは、前記半導体チップの上面に設けられたパッシベーション膜を有し、
    前記パッシベーション膜はポリイミドを含み、
    前記コーティング層は、前記パッシベーション膜の上面に設けられ、
    前記コーティング層と前記封止樹脂との接着性は、前記パッシベーション膜と前記封止樹脂の接着性よりも高い
    請求項１５または１６に記載の半導体モジュールの製造方法。
18. 半導体冷却用のベースを提供する段階と、
    前記ベースの上方に積層基板を提供する段階と、
    前記積層基板の上方に半導体チップを提供する段階と、
    前記半導体チップの上面に金属配線板を提供する段階と、
    前記半導体チップの上面にコーティング層を提供する段階と、
    前記半導体チップを封止樹脂で封止する段階と、を備え、
    前記コーティング層は、前記半導体チップ及び前記金属配線板のみに設けられている、
    半導体モジュールの製造方法。

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