JP6165025B2 - 半導体モジュール - Google Patents

Description

本発明は半導体モジュールに関する。

パワー半導体モジュールでは、半田接合により金属ベース板上において絶縁基板や半導体チップなどが搭載される。たとえば特開２０００−３１３５８号公報（以下、特許文献１という）や特開平１−２８１７６０号公報（以下、特許文献２という）では、銅箔により回路配置された絶縁基板が金属ベース板上に搭載された半導体モジュールにおいて、絶縁基板の位置決めのために金属ベース板上の所定位置に凹凸部を設ける技術が提案されている。

特開２０００−３１３５８号公報 特開平１−２８１７６０号公報

上記特許文献１および２において提案されている半導体モジュールでは、ベース板に凹凸部を設けるために当該ベース板に別途加工を施す必要があるため工数が増加し、製造効率が低下するという問題がある。また、金型などを用いて凹凸部を設ける場合には当該凹凸部の形成箇所や数を変更する際に金型自体の設計変更も必要になるため、多品種少量生産に用いることは困難である。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、製造効率の低下が抑制され、ベース板に対して絶縁基板が精度良く位置決めされた半導体モジュールを提供することである。

本発明に従った半導体モジュールは、位置決め用ワイヤボンディング部が表面に設けられたベース板と、ベース板に対向する裏面側において位置決め用ワイヤボンディング部を収容する受け部が設けられ、上記受け部が位置決め用ワイヤボンディング部を収容することによりベース板に対して位置決めされた状態でベース板に固定される絶縁基板と、絶縁基板において上記裏面と反対の表面側に配置される半導体チップとを備えている。

本発明に従った半導体モジュールによれば、製造効率の低下が抑制され、ベース板に対して絶縁基板が精度良く位置決めされた半導体モジュールを提供することができる。

実施の形態１に係る半導体モジュールの構造を示す概略断面図である。 実施の形態１に係る半導体モジュールの構造を説明するための概略斜視図である。 実施の形態１に係る半導体モジュールの第１の変形例の構造を説明するための概略斜視図である。 実施の形態１に係る半導体モジュールの第２の変形例の構造を説明するための概略斜視図である。 実施の形態１に係る半導体モジュールの第３の変形例の構造を説明するための概略斜視図である。 実施の形態１に係る半導体モジュールの第４の変形例の構造を説明するための概略斜視図である。 実施の形態２に係る半導体モジュールの構造を示す概略断面図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の図面におい
て同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。

（実施の形態１）
はじめに、本発明の一実施の形態である実施の形態１について説明する。まず、本実施の形態に係る半導体モジュールの構造について説明する。図１を参照して、本実施の形態に係る半導体モジュールとしてのパワーモジュール１は、ケース２と、ベース板３と、電力端子４と、信号端子５と、電力配線４ａおよび信号配線５ａ（ボンディングワイヤ）と、絶縁基板８と、半導体チップ１０と、シリコンゲル１２と、封止樹脂１３とを主に備えている。

ケース２はベース板３の表面３ａ上に配置されており、ベース板３とともに半導体チップ１０を収容するための内部空間を構成している。電力端子４は金属からなり、ケース２の内面に沿って半導体チップ１０に接近するように屈曲しつつ延びている。電力端子４は電力配線４ａを介して絶縁基板８の表（おもて）面８ａ上に形成されたパターン層７に接続されている。

信号端子５は金属からなり、ケース２の内面に沿って半導体チップ１０に接近するように延びている。信号端子５はケース２の内部空間において電力端子４と対向し、電力端子４との間に半導体チップ１０を挟むように配置されている。信号端子５は信号配線５ａを介して半導体チップ１０に接続されている。

絶縁基板８は表（おもて）面８ａおよび裏面８ｂを有しており、当該表面８ａおよび裏面８ｂ上にパターン層７，９が各々形成されている。パターン層７，９はたとえば銅箔などからなっており、０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の厚みを有している。絶縁基板８はベース板３に対して位置決めされた状態で半田層６により当該ベース板３に固定されている。半田層６の厚みはたとえば０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である。絶縁基板８のベース板３に対する位置決め機構については後述する。

半導体チップ１０は絶縁基板８の表面８ａ側に配置されており、半田層１１により絶縁基板８に固定されている。半導体チップ１０は、たとえばＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）またはダイオードなどの半導体素子である。なお、図１では絶縁基板８上に一つの半導体チップ１０のみが固定されているが、複数の上記半導体素子が絶縁基板８上に並んで固定されていてもよい。

シリコンゲル１２はケース２の内部空間に充填されており、半導体チップ１０を覆っている。封止樹脂１３はシリコンゲル１２上に配置されている。このように半導体チップ１０は、ケース２の内部空間においてシリコンゲル１２および封止樹脂１３により封止されている。

次に、ベース板３に対する絶縁基板８の位置決め機構について、図１および図２を参照しつつ説明する。図２は、パワーモジュール１（図１）においてベース板３および絶縁基板８を分解した状態を示している。図２を参照して、ベース板３の表面３ａ上には複数の位置決め用ワイヤボンディング部２０（２０ａ〜２０ｄ）が設けられている。位置決め用ワイヤボンディング部２０は、電力配線４ａおよび信号配線５ａ（図１）などを半導体チップ１０や端子に固定する方法と同様の方法によりベース板３上に固定されている。より具体的には、ベース板３の表面３ａ上に設置されたワイヤに対して熱、超音波あるいは圧力などを加えることにより表面３ａ上に位置決め用ワイヤボンディング部２０が設けられる。

位置決め用ワイヤボンディング部２０は、電力配線４ａおよび信号配線５ａと同様の金属からなっており、たとえばアルミニウムや銅などの金属材料からなっている。位置決め用ワイヤボンディング部２０の直径はたとえば０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下である。位置決め用ワイヤボンディング部２０は、図２に示すように四角形の四隅において各々配置されてもよいが、その数や配置方法は特に限定されない。

絶縁基板８の裏面８ｂ（ベース板３に対向する面）上に形成されたパターン層９には、位置決め用ワイヤボンディング部２０ａ〜２０ｄの各々を収容するための複数の穴部２１ａ〜２１ｄ（受け部）が設けられている。より具体的には、位置決め用ワイヤボンディング部２０ａ〜２０ｄの各々は穴部２１ａ〜２１ｄの各々に対して挿入可能となっており、これにより絶縁基板８がベース板３に対して位置決めされる。

穴部２１は、図２に示すようにパターン層９の外周形状を成す矩形状における角部（四隅）に設けられていてもよいがこれに限定されず、位置決め用ワイヤボンディング部２０の数や配置方法に応じて適宜選択することができる。たとえば穴部２１は、上記矩形状の辺に隣接する部分に設けられていてもよい。

上記パワーモジュール１は、以下のようにして製造することができる。図１を参照して、まずベース板３の表面３ａ上においてパターン層７，９が形成された絶縁基板８および半導体チップ１０が半田付けにより固定される。次に、半導体チップ１０およびパターン層７が電力配線４ａや信号配線５ａを介して電力端子４や信号端子５などに接続される。次に、シリコンゲル１２および封止樹脂１３が順に封入されて半導体チップ１０が封止される。このようにして上記パワーモジュール１が得られる。

次に、本実施の形態に係るパワーモジュール１の特徴を説明した上でその作用効果について説明する。パワーモジュール１は、位置決め用ワイヤボンディング部２０が表面３ａに設けられたベース板３と、ベース板３に対向する裏面８ｂ側において位置決め用ワイヤボンディング部２０を収容する穴部２１（受け部）が設けられ、当該穴部２１が位置決め用ワイヤボンディング部２０を収容してベース板３に対して位置決めされた状態でベース板３に固定される絶縁基板８と、絶縁基板８において裏面８ｂと反対の表面８ａ側に配置される半導体チップ１０とを備えている。

上記パワーモジュール１では、位置決め用ワイヤボンディング部２０が穴部２１に収容されて絶縁基板８がベース板３に対して位置決めされた状態で当該絶縁基板８をベース板３に固定することができる。これにより、ベース板自体を加工して凹凸部などを形成し、当該凹凸部により絶縁基板８を位置決めする場合に比べて工程がより簡略化され、製造効率が向上する。また位置決め用ワイヤボンディング部２０は、電力配線４ａや信号配線５ａの接続の際に用いられる設備と同じものを用いて作製することが可能であり、品種毎にアンカー位置やワイヤの種類を容易に変更することもできる。またベース板において絶縁基板の位置決め用のレジストの形成も省略することができるため、ベース板の標準化も可能になる。

上記パワーモジュール１において、ベース板３の表面３ａには複数の位置決め用ワイヤボンディング部２０ａ〜２０ｄが設けられている。また絶縁基板８の裏面８ｂ側には、複数の位置決め用ワイヤボンディング部２０ａ〜２０ｄの各々を収容するための複数の穴部２１ａ〜２１ｄ（受け部）が設けられている。これにより、絶縁基板８をベース板３に対してより高精度に位置決めすることができる。

上記パワーモジュール１では、絶縁基板８の裏面８ｂ上に形成されたパターン層９に穴部２１（受け部）が設けられている。そして、絶縁基板８は穴部２１に位置決め用ワイヤボンディング部２０が挿入されることによりベース板３に対して位置決めされる。これにより、絶縁基板８をベース板３に対してさらに高精度に位置決めすることができる。

（第１の変形例）
次に、本実施の形態に係るパワーモジュール１の第１の変形例について説明する。図３は、本変形例における絶縁基板８およびパターン層９の構造を示している。図３を参照して、本変形例では、絶縁基板８の裏面８ｂ上に形成されたパターン層９の端部に切欠部２２（２２ａ〜２２ｄ）（受け部）が複数形成されている。より具体的には、パターン層９は外周形状が矩形状からなり、当該矩形状における四つの角部に切欠部２２ａ〜２２ｄが各々形成されている。そして、切欠部２２ａ〜２２ｄの各々に位置決め用ワイヤボンディング部２０ａ〜２０ｄ（図２）が位置することにより、絶縁基板８がベース板３に対して位置決めされるようになっている。これにより、パターン層９の加工がより容易になるため生産性をより向上させることができる。

（第２の変形例）
次に、本実施の形態に係るパワーモジュール１の第２の変形例について説明する。図４は、本変形例における絶縁基板８およびパターン層９の構造を示している。図４を参照して、本変形例では、パターン層９の外周形状を成す矩形状における対向する二つの角部を切り欠いた部分である切欠部２２ａ，２２ｄが形成されている。そして、切欠部２２ａ，２２ｄの各々に位置決め用ワイヤボンディング部２０ａ，２０ｄ（図２）が位置することにより、絶縁基板８がベース板３に対して位置決めされるようになっている。これにより、パターン層９の形状がより簡略化されて生産性がさらに向上する。また上記矩形状において対向する二つの角部（最も離れた二つの角部）に切欠部２２ａ，２２ｄを形成することにより、ベース板３に対する絶縁基板８の位置決め精度をより向上させることができる。

（第３の変形例）
次に、本実施の形態に係るパワーモジュール１の第３の変形例について説明する。図５は、本変形例における絶縁基板８およびパターン層９の構造を示している。図５を参照して、本変形例では、パターン層９の外周形状を成す矩形状における対向する二つの角部を切り欠いた切欠部２２ａ，２２ｄに加えて、上記二つの角部と異なる一つの角部を切り欠いた部分である切欠部２２ｃがさらに形成されている。そして、切欠部２２ａ，２２ｃ，２２ｄの各々に位置決め用ワイヤボンディング部２０ａ，２０ｃ，２０ｄ（図２）が位置することにより、絶縁基板８がベース板３に対して位置決めされるようになっている。これにより、絶縁基板８がベース板３に対して傾くことが抑制され、ベース板３に対する絶縁基板８の位置決め精度がさらに向上する。

（第４の変形例）
次に、本実施の形態に係るパワーモジュール１の第４の変形例について説明する。図６は、本変形例における絶縁基板８およびパターン層９の構造を示している。図６を参照して、本変形例では、パターン層９の外周形状を成す矩形状の辺を切り欠いた部分である切欠部２３ａ〜２３ｄが形成されている。そして、切欠部２３ａ〜２３ｄの各々に位置決め用ワイヤボンディング部２０が位置することにより、絶縁基板８がベース板３に対して位置決めされるようになっている。これにより、切欠部２３ａ〜２３ｄの各々に収容される位置決め用ワイヤボンディング部２０において二箇所以上のボンディング部分を設けることができる。その結果、ボンディングによりワイヤ形状が変化しない箇所を設けることが可能になり、ベース板３と絶縁基板８との間においてワイヤ径に相当する距離をより確実に確保することが可能になる。

（実施の形態２）
次に、本発明の他の実施の形態である実施の形態２について説明する。本実施の形態に係る半導体モジュールは、上記実施の形態１に係る半導体モジュールと基本的に同様の構成を備え、かつ同様の効果を奏する。しかし、本実施の形態に係る半導体モジュールは半導体チップを駆動させるための制御回路をさらに備える点において上記実施の形態１に係る半導体モジュールとは異なっている。

図７を参照して、本実施の形態に係る半導体モジュールであるパワーモジュール１Ａは、上記実施の形態１に係るパワーモジュール１（図１）の構成に加えて、中継端子１４、プリント基板１５、複数のＳＭＴ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｍｏｕｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）部品１６およびインターフェース１７から構成される制御回路をさらに備えている。この制御回路により、半導体チップ１０を駆動させることが可能になっている。

中継端子１４は半導体チップ１０に接近するように延在しており、制御配線１４ａにより半導体チップ１０に接続されている。プリント基板１５はシリコンゲル１２上に配置されており、その表面上に複数のＳＭＴ部品１６が並んで配置されている。インターフェース１７は一方の端部がプリント基板１５に接続され、他方の端部がケース２の外部にまで延びている。このように本実施の形態に係るパワーモジュール１Ａは、半導体チップ１０を駆動させるための制御回路を備えたインテリジェントパワーモジュール（ＩＰＭ：Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｐｏｗｅｒ Ｍｏｄｕｌｅ）になっている。

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。

本発明の半導体モジュールは、製造効率の低下を抑制し、ベース板に対して絶縁基板を精度良く位置決めすることが要求される半導体モジュールにおいて、特に有利に適用され得る。

１ パワーモジュール、２ ケース、３ ベース板、３ａ，８ａ 表面、４ 電力端子、４ａ 電力配線、５ 信号端子、５ａ 信号配線、６，１１ 半田層、７，９ パターン層、８ 絶縁基板、８ｂ 裏面、１０ 半導体チップ、１２ シリコンゲル、１３ 封止樹脂、１４ 中継端子、１４ａ 制御配線、１５ プリント基板、１６ ＳＭＴ部品、１７ インターフェース、２０（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ） 位置決め用ワイヤボンディング部、２１（２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ） 穴部、２２（２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ），２３（２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ） 切欠部。

Claims (9)

1. 位置決め用ワイヤボンディング部が表面に設けられたベース板と、
   前記ベース板に対向する裏面側において前記位置決め用ワイヤボンディング部を収容する受け部が設けられ、前記受け部が前記位置決め用ワイヤボンディング部を収容することにより前記ベース板に対して位置決めされた状態で前記ベース板に固定される絶縁基板と、
   前記絶縁基板において前記裏面と反対の表面側に配置される半導体チップとを備える、半導体モジュール。
2. 前記ベース板の前記表面には、複数の前記位置決め用ワイヤボンディング部が設けられ、
   前記絶縁基板の前記裏面側には、複数の前記位置決め用ワイヤボンディング部の各々を収容する複数の前記受け部が設けられている、請求項１に記載の半導体モジュール。
3. 前記受け部は、前記絶縁基板の前記裏面上に形成されたパターン層に設けられた穴部であり、
   前記絶縁基板は、前記穴部に前記位置決め用ワイヤボンディング部が挿入されることにより前記ベース板に対して位置決めされる、請求項１または２に記載の半導体モジュール。
4. 前記穴部は、前記パターン層の外周形状を成す矩形状における角部または前記矩形状の辺に隣接する部分に設けられている、請求項３に記載の半導体モジュール。
5. 前記受け部は、前記絶縁基板の前記裏面上に形成されたパターン層の端部に設けられた切欠部であり、
   前記絶縁基板は、前記切欠部に前記位置決め用ワイヤボンディング部が位置することにより前記ベース板に対して位置決めされる、請求項１または２に記載の半導体モジュール。
6. 前記切欠部は、前記パターン層の外周形状を成す矩形状における対向する二つの角部を切り欠いた部分を含む、請求項５に記載の半導体モジュール。
7. 前記切欠部は、前記二つの角部と異なる一つの角部を切り欠いた部分をさらに含む、請求項６に記載の半導体モジュール。
8. 前記切欠部は、前記パターン層の外周形状を成す矩形状の辺を切り欠いた部分をさらに含む、請求項５〜７のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
9. 前記半導体チップを駆動させる制御回路をさらに備える、請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体モジュール。

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