JP6741135B1 - 半導体モジュール及び半導体モジュールの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】インダクタンスを低減して小型化を実現すること。
【解決手段】半導体モジュール（１）は、Ｐ端子を構成する第１金属配線板（２）と、Ｎ端子を構成する第２金属配線板（３）と、出力端子を構成する第３金属配線板（４）と、第１金属配線板の一方の主面にコレクタ電極を向けて配置された第１半導体素子（６）と、第３金属配線板の一方の主面にコレクタ電極を向けて配置された第２半導体素子（７）と、を備える。第２金属配線板は、第１金属配線板の一方の主面に絶縁材（Ａ）を介して配置される。第３金属配線板は、一方の主面を第１金属配線板に向けて配置される。第１半導体素子のエミッタ電極（６２）が第３金属配線板の一方の主面に接続されると共に、第２半導体素子のエミッタ電極（７２）が第２金属配線板の一方の主面に接続されるように、第１半導体素子と第２半導体素子とが表裏反対に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体モジュール及び半導体モジュールの製造方法に関する。

半導体装置は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＦＷＤ（Free Wheeling Diode）等の半導体素子が設けられた基板を有し、インバータ装置等に利用されている。

一般的な半導体モジュールは、絶縁基板の上面に半田等の接合材を介して複数の半導体チップを配置して構成される（例えば、特許文献１、２参照）。特許文献１では、１つの積層基板上にパワー半導体チップが配置されており、この組み合わせを２つ横並びで配置した、いわゆる２ｉｎ１モジュールについて開示されている。特許文献２では、矩形状の絶縁基板上に複数の半導体チップ（ＩＧＢＴチップ及びＦＷＤチップ）を横並びで配置して構成される半導体モジュールについて開示されている。

特開２０１３−２２２９５０号公報 特開平１０−５６１３１号公報

ところで、特許文献１、２では、複数の半導体チップが絶縁基板に対して横並びに配置されることで、配線経路が長くなる結果、インダクタンスが大きくなるおそれがある。また、半導体モジュール全体が大きくなってしまうという問題もある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、インダクタンスを低減して小型化を実現することが可能な半導体モジュール及び半導体モジュールの製造方法を提供することを目的の１つとする。

本発明の一態様の半導体モジュールは、Ｐ端子を構成する第１金属配線板と、Ｎ端子を構成する第２金属配線板と、出力端子を構成する第３金属配線板と、前記第１金属配線板の一方の主面にコレクタ電極を向けて配置された第１半導体素子と、前記第３金属配線板の一方の主面にコレクタ電極を向けて配置された第２半導体素子と、を備え、前記第２金属配線板は、前記第１金属配線板の一方の主面に絶縁材を介して配置され、前記第３金属配線板は、一方の主面を前記第１金属配線板に向けて配置され、前記第１半導体素子のエミッタ電極が前記第３金属配線板の一方の主面に接続されると共に、前記第２半導体素子のエミッタ電極が前記第２金属配線板の一方の主面に接続されるように、前記第１半導体素子と前記第２半導体素子とが表裏反対に配置されている。

本発明の一態様の半導体モジュールの製造方法は、Ｐ端子を構成する第１金属配線板の一方の主面にコレクタ電極を向けて第１半導体素子を配置し、出力端子を構成する第３金属配線板の一方の主面にコレクタ電極を向けて第２半導体素子を配置するチップ配置工程と、Ｎ端子を構成する第２金属配線板を前記第１金属板の主面に絶縁材を介して配置する金属配線板配置工程と、前記第１半導体素子のエミッタ電極を前記第３金属配線板の一方の主面に接続すると共に、前記第２半導体素子のエミッタ電極を前記第２金属配線板の一方の主面に接続するように、前記第１半導体素子と前記第２半導体素子とを表裏反対に配置する組み立て工程と、を実施する。

本発明によれば、半導体モジュールにおいて、インダクタンスを低減して小型化を実現することができる。

本実施の形態に係る半導体モジュールの模式図である。 本実施の形態に係る半導体モジュールの製造方法の一工程例を示す模式図である。 本実施の形態に係る半導体モジュールの製造方法の一工程例を示す模式図である。 本実施の形態に係る半導体モジュールの製造方法の一工程例を示す模式図である。 本実施の形態に係る半導体モジュールの製造方法の一工程例を示す模式図である。 本実施の形態に係る半導体モジュールの製造方法の一工程例を示す模式図である。 本実施の形態に係る半導体モジュールの製造方法の一工程例を示す模式図である。 本実施の形態に係る半導体モジュールにおいて、電流の流れ方向を示す模式図である。

以下、本発明を適用可能な半導体モジュールについて説明する。図１は、本実施の形態に係る半導体モジュールの模式図である。図１Ａは半導体モジュールの平面図であり、図１Ｂは図１Ａの断面模式図である。なお、以下に示す半導体モジュールはあくまで一例にすぎず、これに限定されることなく適宜変更が可能である。

また、以下の図において、半導体モジュールの長手方向（後述する第１半導体素子６と第２半導体素子７が並ぶ方向）をＸ方向、短手方向をＹ方向、高さ方向をＺ方向と定義することにする。図示されたＸ、Ｙ、Ｚの各軸は互いに直交し、右手系を成している。また、場合によっては、Ｘ方向を左右方向、Ｙ方向を前後方向、Ｚ方向を上下方向と呼ぶことがある。これらの方向（前後左右上下方向）は、説明の便宜上用いる文言であり、半導体モジュールの取付姿勢によっては、ＸＹＺ方向のそれぞれとの対応関係が変わることがある。また、本明細書において、平面視は、特に明示がない限り半導体モジュールの上面をＺ方向正側からみた場合を意味する。

半導体モジュール１は、例えばパワーモジュール等の電力変換装置に適用されるものである。図１Ａ及び図１Ｂに示すように、半導体モジュール１は、３つの金属配線板を積層し、その間に複数の半導体素子を表裏反対に配置して構成される。具体的に半導体モジュール１は、Ｐ端子を構成する第１金属配線板２と、Ｎ端子を構成する第２金属配線板３と、出力端子を構成する第３金属配線板４と、複数の第１半導体素子６と、複数の第２半導体素子７と、を含んで構成される。

第１金属配線板２、第２金属配線板３、及び第３金属配線板４は、上面（一方の主面）及び下面（他方の主面）を有する板状体で構成され、例えば、銅素材、銅合金系素材、アルミニウム合金系素材、鉄合金系素材等の金属素材により形成される。これらの金属配線板は、例えばプレス加工によって所定の形状に形成される。なお、以下に示す金属配線板の形状はあくまで一例を示すものであり、適宜変更が可能である。また、これらの金属配線板は、リードフレームと呼ばれてもよい。なお、詳細は後述するが、図１において、第３金属配線板４は、Ｚ軸に対して上下面が他の金属配線板と逆になっている。第３金属配線板４では、半導体素子が接合される面を上面（一方の主面）と定義することにする。

第１半導体素子６及び第２半導体素子７は、例えばシリコン（Ｓｉ）、炭化けい素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）等の半導体基板によって平面視方形状に形成される。第１半導体素子６及び第２半導体素子７は、好ましくは、ＳｉＣ、又は、ＧａＮからなる。そうすることで、周波数の高い領域でも損失を少なくすることができる。本実施の形態において、第１半導体素子６及び第２半導体素子７は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）素子とＦＷＤ（Free Wheeling Diode）素子の機能を一体化したＲＣ（Reverse Conducting）−ＩＧＢＴ素子で構成される。

なお、第１半導体素子６及び第２半導体素子７は、これに限定されず、ＩＧＢＴ、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等のスイッチング素子、ＦＷＤ（Free Wheeling Diode）等のダイオードを組み合わせて構成されてもよい。また、第１半導体素子６及び第２半導体素子７は、として逆バイアスに対して十分な耐圧を有するＲＢ（Reverse Blocking）−ＩＧＢＴ等を用いてもよい。また、第１半導体素子６及び第２半導体素子７の形状、配置数、配置箇所等は適宜変更が可能である。

第１半導体素子６及び第２半導体素子７には、それぞれ一方の面にコレクタ電極６０、７０が配置されており、他方の面にゲート電極６１、７１及びエミッタ電極６２、７２が配置されている。エミッタ電極６２、７２は、ゲート電極６１、７１に比べて大きい面積を有している。コレクタ電極は裏面電極、ゲート電極６１、７１及びエミッタ電極６２、７２は表面電極と呼ばれてもよい。また、コレクタ電極及びエミッタ電極６２、７２は主電極、ゲート電極６１、７１は制御電極と呼ばれてもよい。更に、第１半導体素子６及び第２半導体素子７がＭＯＳＦＥＴであれば、コレクタ電極はドレイン電極、エミッタ電極６２、７２はソース電極と呼ばれてもよい。なお、第１半導体素子６と第２半導体素子７は、説明の便宜上、異なる符号を付して説明しているが、同じスイッチング素子で構成されてよい。

第１金属配線板２は、平面視において、Ｙ方向に比べて僅かにＸ方向に長い矩形状を有している。第１金属配線板２の上面（一方の主面）は、段状に形成されている。具体的に第１金属配線板２の上面は、Ｙ方向に延びる段部２０によってＺ方向の高さが異なる第１主面２１と第２主面２２とに区画されている。段部２０は、第１金属配線板２のＸ方向中央よりも右側に配置されている。

第１主面２１は、図１Ａの紙面右側（Ｘ方向正側）に偏って配置されており、平面視においてＹ方向に長い矩形状を有している。一方、第２主面２２は、図１Ａの紙面左側（第１主面２１のＸ方向負側）に配置されており、平面視においてＹ方向に僅かに長い矩形状を有している。また、第２主面２２は、第１主面２１に対して一段下がった位置に設けられている。

第２主面２２の左側（Ｘ方向負側）の一角部には、Ｘ方向に突出する突出片２３が設けられている。突出片２３には、厚み方向（Ｚ方向）に貫通する円形穴２４が形成されている。詳細は後述するが、突出片２３は、外部導体（Ｐ端子）接続用の第１外部接続部を構成する。

第１主面２１には、接合材Ｓを介して２つの第１半導体素子６が配置されている。２つの第１半導体素子６は、Ｙ方向に並んで配置されている。各第１半導体素子６は、第１金属配線板２の一方の主面側（Ｚ方向負側）にコレクタ電極６０を向け、Ｚ方向正側にゲート電極６１及びエミッタ電極６２を向けて配置される。更に、各第１半導体素子６は、ゲート電極６１とエミッタ電極６２がＸ方向で並ぶように配置されている。Ｘ方向正側にゲート電極６１が配置され、Ｘ方向負側にエミッタ電極６２が配置されている。接合材Ｓには、銀等の金属ナノ粒子を含有する焼結材が用いられる。焼結材は、加熱された結果、銀等の金属多孔体によって構成される。なお、接合材Ｓは、銀に限らず、他の金属多孔体で構成された焼結材であってもよい。

第２主面２２には、第２金属配線板３及びゲート用金属配線板５がそれぞれ絶縁材Ａを介して配置されている。第２金属配線板３は、平面視において、Ｘ方向に比べてＹ方向に長い矩形状を有しており、Ｙ方向の幅が第１金属配線板２のＹ方向の幅よりも僅かに小さく設定されている。また、第２金属配線板３は、第２主面２２において、左側に偏って配置されている。

第２金属配線板３の左側（Ｘ方向負側）の一角部には、Ｘ方向に突出する突出片３０が設けられている。突出片３０は、図１Ａに示すように突出片２３とは平面視で重ならない位置に設けられている。より具体的に突出片３０は、突出片２３に対してＹ方向反対側に位置する第２金属配線板３の一角部に設けられている。突出片３０には、厚み方向（Ｚ方向）に貫通する円形穴３１が形成されている。詳細は後述するが、突出片３０は、外部導体（Ｎ端子）接続用の第２外部接続部を構成する。

ゲート用金属配線板５は、第２半導体素子７のゲート電極６１に接続するための金属配線板である。ゲート用金属配線板５は、上記した金属配線基板と同様に、上面（一方の主面）及び下面（他方の主面）を有する板状体で構成され、例えば、銅素材、銅合金系素材、アルミニウム合金系素材、鉄合金系素材等の金属素材により形成される。

ゲート用金属配線板５は、Ｙ方向に長い矩形状を有しており、第２金属配線板３と段部２０との間に配置されている。また、詳細は後述するが、ゲート用金属配線板５は、第１金属配線板２と第３金属配線板４の間で第２半導体素子７のゲート電極７１に対応した箇所に配置されている。ゲート用金属配線板５のＹ方向の幅及びＺ方向の厚みは、第２金属配線板３と等しくなっている。また、第２金属配線板３の上面（一方の主面）、ゲート用金属配線板５の上面（一方の主面）、及び第１主面２１は、同一の高さに位置していることが好ましい。

絶縁材Ａは、例えば、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂等の絶縁材料を含有する接着剤で構成される。絶縁材Ａは、ペースト状の接着剤を第１金属配線板２の第２主面２２に塗布して硬化させる構成でもよく、シート状の接着剤を第２主面２２に貼り付ける構成としてもよい。

第３金属配線板４は、平面視において、Ｙ方向に比べて僅かにＸ方向に長い矩形状を有している。また、第３金属配線板４は、第１金属配線板２、第２金属配線板３、及びゲート用金属配線板５の上方を覆うように配置されている。上記したように、第３金属配線板４は、上面（一方の主面）をＺ方向負側（下側である第１金属配線板２の主面側）に向け、下面をＺ方向正側に向けて配置されている。

第３金属配線板４の右側（Ｘ方向正側）の側縁部には、Ｘ方向に突出する突出片４０が設けられている。突出片４０は、図１Ａに示すように第３金属配線板４の右側の側縁部においてＹ方向中央から右側に向かって突出している。突出片４０には、厚み方向（Ｚ方向）に貫通する円形穴４１が形成されている。詳細は後述するが、突出片４０は、外部導体（出力端子）接続用の第３外部接続部を構成する。

第３金属配線板４の一方の主面には、接合材Ｓを介して２つの第２半導体素子７が配置されている。２つの第２半導体素子７は、２つの第１半導体素子６よりもＸ方向負側に偏っており、Ｙ方向に並んで配置されている。各第２半導体素子７は、第３金属配線板４の一方の主面側（Ｚ方向正側）にコレクタ電極７０を向け、Ｚ方向負側にゲート電極７１及びエミッタ電極７２を向けて配置される。

更に、各第２半導体素子７は、ゲート電極７１とエミッタ電極７２がＸ方向で並ぶように配置されている。より具体的にゲート電極７１は、ゲート用金属配線板５に対向配置され、エミッタ電極７２が第２金属配線板３に対向配置されている。また、第１半導体素子６は、第２半導体素子７よりもＸ方向正側において、ゲート電極７１及びエミッタ電極７２が第３金属配線板４に対向するように配置されている。

また、第３金属配線板４には、各第１半導体素子６に対応して設けられた第１貫通孔４２と、各第２半導体素子７に対応して設けられた第２貫通孔４３と、が形成されている。第１貫通孔４２は、各第１半導体素子６のゲート電極６１の真上に対応する位置に形成されている。すなわち、第１貫通孔４２は、Ｙ方向に並んで２つ配置されている。第２貫通孔４３は、ゲート用金属配線板５の上方で且つ第２半導体素子７の側方において、各ゲート電極７１に対応するようにＹ方向に２つ並んで配置されている。

第１貫通孔４２及び第２貫通孔４３は、厚み方向に貫通する矩形穴で構成される。なお、第１貫通孔４２及び第２貫通孔４３の形状は、これに限定されず、適宜変更が可能である。第１貫通孔４２及び第２貫通孔４３は、例えば、円形や三角形等、四角形以外の多角形で形成されてもよい。詳細は後述するが、第１貫通孔４２には、第１半導体素子６のゲート電極６１から第３金属配線板４に向かって立ち上がる第１ゲート端子８を挿通可能であり、第２貫通孔４３には、ゲート用金属配線板５の一方の主面から第３金属配線板４に向かって立ち上がる第２ゲート端子９を挿通可能である。なお、第１ゲート端子８及び第２ゲート端子９は、垂直に立ち上がることが好ましい。垂直に立ち上げることで、ゲート配線長を短くすることが可能である。この場合、第１ゲート端子８及び第２ゲート端子９が立ち上がる角度範囲として、７５°以上１０５°以下であることが好ましい。

第１半導体素子６のゲート電極６１には、バンプＢ１が配置されている。また、第１半導体素子６のエミッタ電極６２には、１つの第１半導体素子６につき２つのバンプＢ２がＹ方向に並んで配置されている。エミッタ電極６２は、バンプＢ２を介して第３金属配線板４の一方の主面に接続（接合）されている。また、バンプＢ１には、ゲート電極６１から第３金属配線板４に向かって立ち上がる第１ゲート端子８の一端が接続（接合）されている。第１ゲート端子８の他端側は、第１貫通孔４２を貫通して第３金属配線板４の他方の主面側に突出している。

第２半導体素子７のゲート電極７１には、バンプＢ３が配置されている。また、第２半導体素子７のエミッタ電極７２には、１つの第２半導体素子７につき２つのバンプＢ４がＹ方向に並んで配置されている。ゲート電極７１は、バンプＢ３を介してゲート用金属配線板５の一方の主面に接続（接合）されている。エミッタ電極７２は、バンプＢ４を介して第２金属配線板３の一方の主面に接続（接合）されている。

また、ゲート用金属配線板５には、２つの第２貫通孔４３の直下にそれぞれバンプＢ５が配置されている。バンプＢ５には、ゲート用金属配線板５から第３金属配線板４に向かって立ち上がる第２ゲート端子９の一端が接続（接合）されている。第２ゲート端子９の他端側は、第２貫通孔４３を貫通して第３金属配線板４の他方の主面側に突出している。

上記したバンプは、半田等の接合材により例えば球状に形成される。なお、これらのバンプは球状に限らず、円柱等の柱状に形成されてもよい。第１ゲート端子８及び第２ゲート端子９は、第１貫通孔４２又は第２貫通孔４３の内径よりも十分に小さい線径の導線で構成される。第１ゲート端子８及び第２ゲート端子９は、例えば銅等の金属線で形成され、表面にメッキが施されてもよい。第１ゲート端子８及び第２ゲート端子９の材質は、適宜変更が可能である。

このように、第１半導体素子６と第２半導体素子７とは、表裏反対に配置されている。詳細は後述するが、第１半導体素子６は上アームを構成し、第２半導体素子７は下アームを構成する。

また、上記した構成は、封止樹脂１０によってパッケージ（封止）される。なお、突出片２３、３０、４０は、封止樹脂１０に封止されておらず、外部に露出されている。すなわち、封止樹脂１０は、突出片２３、３０、４０を残して他の構成全体を封止する。

この場合、封止樹脂１０は、全体として直方体形状に形成され、半導体モジュール１の外形を規定する。具体的に封止樹脂１０の上面は、半導体モジュール１の一方の主面を構成し、封止樹脂１０の下面は、半導体モジュール１の他方の主面を構成する。また、封止樹脂１０の側面は、半導体モジュール１の側面を構成する。

上記した突出片２３（第１外部接続部）及び突出片３０（第２外部接続部）は、半導体モジュール１の一方（Ｘ方向負側）の側面から外側に向かって延出している。突出片４０（第３外部接続部）は、半導体モジュール１の他方（Ｘ方向正側）の側面から外側に向かって延出している。

また、第１ゲート端子８及び第２ゲート端子９は、半導体モジュール１の一方の主面（封止樹脂１０の上面）から突出している。突出した第１ゲート端子８及び第２ゲート端子９は、ゲート用の外部接続部を構成する。すなわち、半導体モジュール１の他方の主面（封止樹脂１０の下面）からは、いずれの端子も突出していない。

なお、封止樹脂１０は、例えばトランスファー成形によりモールドされてもよい。封止樹脂１０には、エポキシ樹脂等の種々の合成樹脂に酸化シリコン等のフィラーを加えた材料を用いることが可能である。また、封止樹脂１０の下面には、冷却器（不図示）が配置されてもよい。

ところで、電力変換装置でパワー半導体モジュールをスイッチング動作させる際、半導体素子には、ΔＶ＝Ｌｓ×ｄｉ／ｄｔの式で表される誘導電圧ΔＶが発生する。ここで、Ｌｓは、電力変換装置内の変換回路部の寄生インダクタンスを表している。この寄生インダクタンスは、入力コンデンサ内部、パワー半導体モジュール内部、これらの間を接続する配線に存在している。また、ｄｉ／ｄｔは、スイッチング時の電流変化率を表している。半導体素子には、回路の直流電圧に加え、上記の誘導電圧ΔＶがサージ電圧として余分に印加される。そこでモジュールの定格電圧を決める際には、このサージ電圧も含め、半導体素子の耐電圧を超えないように設定する必要がある。

一般的な半導体モジュールにおいては、絶縁基板の上面に半田等の接合材を介して複数の半導体素子を配置して構成される。半導体素子の表面電極は、絶縁基板上の銅板とボンディングワイヤによって接続される。また、複数の半導体素子は、絶縁基板上に横並びで配置されることがある。この場合、半導体素子の数が増える程、ボンディングワイヤの配線数が増え、モジュール内を流れる電流経路が長くなるおそれがあった。すなわち、電流経路が長くなる結果、モジュール内の寄生インダクタンスが大きくなってしまうという問題があった。また、複数の半導体素子が横並びで配置されることで、半導体素子の数だけモジュール全体が大きくなってしまうという問題もあった。

そこで、本件発明者等は、半導体素子の電極の向き及び配線の取り回し方法に着目し、本発明に想到した。すなわち、本発明の骨子は、複数の金属配線板を厚み方向に積層し、その金属配線板の間に複数の半導体素子を配置するに際し、上アームと下アームとで電極の向きを表裏反転させて配置することである。

具体的に本実施の形態では、上記したように、３つの金属配線板（第１金属配線板２、第２金属配線板３、第３金属配線板４）を下から順に配置し、第１金属配線板２と第３金属配線板４の間に第１半導体素子６を配置して、第２金属配線板３と第３金属配線板４の間に第２半導体素子を配置している。第１金属配線板２と第２金属配線板３は、間に絶縁材Ａが介在しているため、互いの絶縁性が確保されている。

また、第１半導体素子６はコレクタ電極６０を第１金属配線板２に向けて配置され、第２半導体素子７はコレクタ電極７０を第３金属配線板４に向けて配置されている。更に第１半導体素子６のエミッタ電極６２は、第３金属配線板４に接続され、第２半導体素子７のエミッタ電極７２は、第２金属配線板３に接続されている。すなわち、第１半導体素子６の表面電極が上側に向けられ、第２半導体素子７の表面電極が下側に向けられ、第１半導体素子６と第２半導体素子７とは、表裏反対に配置されている。

この構成によれば、厚み方向に積層された３つの金属配線板間に複数の半導体素子を配置したことで、ボンディングワイヤ等の配線部材が不要となり、電流経路を短くすることが可能である。この結果、モジュール内のインダクタンス（寄生インダクタンス）を低減することが可能である。また、３つの金属配線板を重ねて配置したことで、１つ分の金属配線板の面積で半導体素子のレイアウトが可能となり、モジュール全体として小型化も実現することができる。

また、本実施の形態では、第１半導体素子６のゲート電極６１から第３金属配線板４に向かって第１ゲート端子８が垂直に立ち上がっており、ゲート用金属配線板５の一方の主面から第３金属配線板４に向かって第２ゲート端子９が垂直に立ち上がっている。また、第１ゲート端子８は第１貫通孔４２に挿通され、第２ゲート端子９は第２貫通孔４３に挿通されている。

この構成によれば、制御電極（ゲート電極６１、７１）からの配線を単純な経路で外部に取り出すことができ、電流経路を短くすることが可能である。また、第１ゲート端子８及び第２ゲート端子９が、複数の金属配線板の面方向（ＸＹ平面）に対して垂直に立ち上がることで、金属配線板内を流れる電流の向きと平行とならず、磁界の影響を受け難くすることが可能である。この結果、ノイズの発生を抑制することが可能である。

ここで、図８を参照して、モジュール内の電流経路について説明する。図８は、本実施の形態に係る半導体モジュールにおいて、電流の流れ方向を示す模式図である。図８では、Ｐ端子から出力端子に向かう電流経路を実線矢印で示し、上アームの電流経路とする。また、主力端子からＮ端子に向かう電流経路を破線矢印で示し、下アームの電流経路とする。

図８に示すように、Ｐ端子に接続されてＰ端子の一部を構成する突出片２３から入った電流は、第１金属配線板２内をＸ方向正側（右側）に向かって流れ、接合材Ｓを介して第１半導体素子６に流れる。電流は、コレクタ電極６０からエミッタ電極６２を経由し、バンプＢ２を介して第３金属配線板４に流れ、更に突出片４０から外部に流れる。突出片４０は、出力端子に接続されて出力端子の一部を構成する。

一方で、突出片４０から入った電流は、第３金属配線板４内をＸ方向負側（左側）に向かって流れ、接合材Ｓを介して第２半導体素子７に流れる。電流は、コレクタ電極７０からエミッタ電極７２を経由し、バンプＢ４を介して第２金属配線板３に流れ、更に突出片３０から外部に流れる。突出片３０は、Ｎ端子に接続されてＮ端子の一部を構成する。

このように、本実施の形態では、上アームと下アームとで電流の流れ方向が逆に向けられている。このため、上アーム側の電磁界と下アーム側の電磁界とが相殺され、インダクタンスの低減効果を高めることが可能である。

また、本実施の形態では、ゲート用金属配線板５が、第１金属配線板２と第３金属配線板４の間で第２半導体素子７のゲート電極７１に対応した箇所に配置されている。また、ゲート用金属配線板５は、第１金属配線板２の一方の主面に絶縁材Ａを介して配置されている。更に、ゲート電極７１は、ゲート用金属配線板５の一方の主面に接続されている。この構成によれば、ゲート電極７１に対する配線構造を簡略化して配線経路を短縮することが可能である。また、絶縁材Ａで絶縁性を確保したことで、高価な絶縁基板を用いる必要がなく、安価な構成でモジュールを実現することが可能である。

また、本実施の形態では、第１金属配線板２の一方の主面が、第１主面２１と、第１主面２１に対して下がった位置に設けられた第２主面２２と、によって構成される。第１主面には、第１半導体素子６が配置され、第２金属配線板３及びゲート用金属配線板５は、第２主面に配置されている。この構成によれば、第１主面２１と第２主面２２に段差を設けたことで、第１金属配線板２と第３金属配線板４の間に第１半導体素子６を配置しつつも、第２金属配線板３及びゲート用金属配線板５と第３金属配線板４との間に第２半導体素子７を配置することが可能である。

また、本実施の形態では、上記の半導体素子を焼結材で構成される接合材Ｓを介して各金属配線板に接合したことで、熱伝導性をよくして排熱性を向上することが可能である。また、各半導体素子の表面電極をバンプで接合したことにより、配線長を短縮してインダクタンスの低減効果を高めることが可能である。

また、本実施の形態では、第１金属配線板２の端部に外部導体接続用の第１外部接続部として突出片２３が設けられている。同様に、第２金属配線板３には、突出片２３と同じ側の端部に外部導体接続用の第２外部接続部として突出片３０が設けられている。突出片２３、３０は、平面視で互いに重ならない位置に設けられている。この構成によれば、Ｘ方向負側で同じ側に位置する突出片２３、３０をＹ方向で所定の間隔を空けて対向するように配置することが可能である。このため、突出片２３、３０間の絶縁距離を確保することが可能である。

次に、図２から図７を参照して、本実施の一態様に係る半導体モジュールの製造方法について説明する。図２から図７は、本実施の形態に係る半導体モジュールの製造方法の一工程例を示す斜視図である。なお、以下に示す半導体モジュールの製造方法は、あくまで一例であり、この構成に限定されず、適宜変更が可能である。また、図２−７の各図Ａは各工程の平面図であり、図２−７の各図Ｂは各工程の断面模式図である。

本実施の形態に係る半導体モジュールの製造方法は、第１金属配線板２に第１半導体素子６を配置する第１チップ配置工程（図２参照）と、第１金属配線板２に第２金属配線板３及びゲート用金属配線板５を配置する金属配線板配置工程（図３参照）と、第１半導体素子６にバンプを配置する第１バンプ配置工程（図４参照）と、第３金属配線板４に第２半導体素子７を配置する第２チップ配置工程（図５参照）と、第２半導体素子７にバンプを配置する第２バンプ配置工程（図６参照）と、第１半導体素子６と第２半導体素子７とを表裏反対に配置する組み立て工程（図７参照）と、封止工程（図１参照）と、を実施して構成される。なお、これらの各工程の順序は、矛盾が生じない限り、適宜変更が可能である。また、以下の説明では、上記各工程を個別に説明するが、この構成に限定されない。例えば、第１チップ配置工程及び第２チップ工程は、同時に実施されてもよい。また、第１バンプ配置工程及び第２バンプ配置工程も同時に実施されてよい。

図２に示すように、第１チップ配置工程では、Ｐ端子を構成する第１金属配線板２の一方の主面にコレクタ電極６０を向けて第１半導体素子６を配置する。具体的に第１半導体素子６は、第１主面２１にコレクタ電極６０を向け、接合材Ｓを介して配置される。すなわち、第１半導体素子６の表面電極が上側に向けられている。このとき、接合材Ｓは、金属ナノ粒子を含有する焼結材である。そして、例えば、周囲温度が２００度前後の環境下で、第１半導体素子６が第１金属配線板２に向かって５〜１０ＭＰａの加圧力で押し付けられることにより、第１半導体素子６が第１金属配線板２に接合される。焼結材は、焼結温度まで加熱された結果、銀等の金属多孔体となって第１半導体素子６と第１金属配線板２を接合する。

図３に示すように、金属配線板配置工程では、Ｎ端子を構成する第２金属配線板３と、ゲート用金属配線板５と、を第１金属配線板２の主面に絶縁材Ａを介して配置する。具体的には、第１半導体素子６が配置された第１金属配線板２の第２主面２２に絶縁材Ａを塗布し、絶縁材Ａの上に第２金属配線板３及びゲート用金属配線板５を配置する。そして、例えば、周囲温度が２００度前後の環境下で、第２金属配線板３及びゲート用金属配線板５が第１金属配線板２に向かって０〜１０ＭＰａの加圧力で押し付けられることにより、第２金属配線板３及びゲート用金属配線板５が第１金属配線板２に接着される。このとき、突出片３０の下方には、絶縁材Ａが介在していない。すなわち、第２金属配線板３は、突出片３０を除いて絶縁材Ａにより第２主面に接着される。この工程により、第１金属配線板２と、第２金属配線板３及びゲート用金属配線板５との絶縁性を確保することが可能である。なお、第１半導体素子６の接合材Ｓとして焼結材を用いたことにより、本工程で焼結材が再溶融することを防止することが可能である。

図４に示すように、第１バンプ配置工程では、第１半導体素子６及びゲート用金属配線板５に球状のバンプが配置される。具体的に第１半導体素子６のゲート電極６１にバンプＢ１が配置され、エミッタ電極６２にバンプＢ２が配置される。また、ゲート用金属配線板５の所定箇所にバンプＢ５が配置される。これらのバンプは、仮止めが可能である。

図５に示すように、第２チップ配置工程では、出力端子を構成する第３金属配線板４の一方の主面にコレクタ電極７０を向けて第２半導体素子７を配置する。具体的に第２半導体素子７は、主面にコレクタ電極７０を向け、接合材Ｓを介して配置される。すなわち、第２半導体素子７の表面電極が上側に向けられている。また、２つの第２半導体素子７は、第２貫通孔４３よりもＸ方向負側の所定箇所において、Ｙ方向に並んで配置される。このとき、接合材Ｓは、金属ナノ粒子を含有する焼結材である。そして、第１チップ配置工程と同様に、例えば、周囲温度が２００度前後の環境下で、第２半導体素子７が第３金属配線板４に向かって５〜１０ＭＰａの加圧力で押し付けられることにより、第２半導体素子７が第３金属配線板４に接合される。焼結材は、焼結温度まで加熱された結果、銀等の金属多孔体となって第２半導体素子７と第３金属配線板４を接合する。

図６に示すように、第２バンプ配置工程では、第２半導体素子７に球状のバンプが配置される。具体的に第２半導体素子７のゲート電極７１にバンプＢ３が配置され、エミッタ電極７２にバンプＢ４が配置される。これらのバンプは、仮止めが可能である。

図２から図６の工程の後、組み立て工程が実施される。図７に示すように、組み立て工程では、バンプが配置された後の第１半導体素子６及び第２半導体素子７を表裏反対に配置して接合される。具体的には、第１半導体素子６の表面電極を第３金属配線板４側に向け、第２半導体素子７の表面電極を第１金属配線板２を向け、第１半導体素子６及び第２半導体素子７が表裏反対となるように第１金属配線板２と第３金属配線板４とが重ねられる。

第１半導体素子６のエミッタ電極６２は、バンプＢ１を介して第３金属配線板４に接続される。また、第２半導体素子７のエミッタ電極７２は、バンプＢ４を介して第２金属配線板３に接続される。また、第２半導体素子７のゲート電極７１は、バンプＢ３を介してゲート用金属配線板５に接続される。

また、第１貫通孔４２には、鉛直方向に延びる第１ゲート端子８が挿通され、その下端がバンプＢ１に接続される。同様に第２貫通孔には、鉛直方向に延びる第２ゲート端子９が挿通され、その下端がバンプＢ５に接続される。第１ゲート端子８及び第２ゲート端子９は、所定の治具等により第１貫通孔４２又は第２貫通孔４３に接触しないように位置決めされる。

そして、これらの構成を所定温度のリフロー炉に晒すことで各バンプが溶融し、各チップ、金属配線板、及びゲート端子がそれぞれ電気的に接合された状態となる。この場合、リフロー炉の温度は、上記したチップ配置工程時の周囲温度よりも低い温度であることが好ましい。バンプに用いられる半田は、焼結材よりも融点が低いため、リフローの際に焼結材の再溶融を防止できるからである。

次に、封止工程が実施される。図１に示すように、封止工程では、上記した構成が封止樹脂１０によってパッケージ（封止）される。なお、突出片２３、３０、４０は、封止樹脂１０に封止されておらず、外部に露出されている。すなわち、封止樹脂１０は、突出片２３、３０、４０を残して他の構成全体を封止する。封止樹脂１０は、例えばトランスファー成形によりモールドされる。封止樹脂が硬化されることで、複数の配線基板及び複数の半導体素子が封止される。これにより、一体化した半導体モジュール１が完成される。

以上説明したように、本発明によれば、複数の金属配線板を厚み方向に積層し、その金属配線板の間に複数の半導体素子を配置するに際し、上アームと下アームとで電極の向きを表裏反転させて配置したことにより、インダクタンスを低減して小型化を実現することが可能である。

また、本実施の形態及び変形例を説明したが、他の実施の形態として、上記実施の形態及び変形例を全体的又は部分的に組み合わせたものでもよい。

また、本実施の形態は上記の実施の形態及び変形例に限定されるものではなく、技術的思想の趣旨を逸脱しない範囲において様々に変更、置換、変形されてもよい。さらに、技術の進歩又は派生する別技術によって、技術的思想を別の仕方で実現することができれば、その方法を用いて実施されてもよい。したがって、特許請求の範囲は、技術的思想の範囲内に含まれ得る全ての実施態様をカバーしている。

下記に、上記実施の形態における特徴点を整理する。
上記実施の形態に記載の半導体モジュールは、Ｐ端子を構成する第１金属配線板と、Ｎ端子を構成する第２金属配線板と、出力端子を構成する第３金属配線板と、前記第１金属配線板の一方の主面にコレクタ電極を向けて配置された第１半導体素子と、前記第３金属配線板の一方の主面にコレクタ電極を向けて配置された第２半導体素子と、を備え、前記第２金属配線板は、前記第１金属配線板の一方の主面に絶縁材を介して配置され、前記第３金属配線板は、一方の主面を前記第１金属配線板に向けて配置され、前記第１半導体素子のエミッタ電極が前記第３金属配線板の一方の主面に接続されると共に、前記第２半導体素子のエミッタ電極が前記第２金属配線板の一方の主面に接続されるように、前記第１半導体素子と前記第２半導体素子とが表裏反対に配置されている。

また、上記の半導体モジュールは、前記第１半導体素子のゲート電極から前記第３金属配線板に向かって立ち上がる第１ゲート端子を更に備え、前記第３金属配線板は、前記第１ゲート端子を挿通可能な第１貫通孔を有する。

また、上記の半導体モジュールは、前記第１金属配線板と前記第３金属配線板の間で前記第２半導体素子のゲート電極に対応した箇所に配置されたゲート用金属配線板を更に備え、前記ゲート用金属配線板は、前記第１金属配線板の一方の主面に絶縁材を介して配置され、前記第２半導体素子のゲート電極は、前記ゲート用金属配線板の一方の主面に接続されている。

また、上記の半導体モジュールは、前記ゲート用金属配線板の一方の主面から前記第３金属配線板に向かって立ち上がる第２ゲート端子を更に備え、前記第３金属配線板は、前記第２ゲート端子を挿通可能な第２貫通孔を有する。

また、上記の半導体モジュールにおいて、前記第１ゲート端子及び前記第２ゲート端子は、半導体モジュールの一方の主面から突出している。

また、上記の半導体モジュールにおいて、前記第１金属配線板の一方の主面は、前記第１半導体素子が配置される第１主面と、前記第１主面に対して下がった位置に設けられた第２主面とを有し、前記第２金属配線板及び前記ゲート用金属配線板は、前記第２主面に配置されている。

また、上記の半導体モジュールにおいて、前記ゲート用金属配線板は、前記第２主面に配置されている。

また、上記の半導体モジュールにおいて、前記第１半導体素子のコレクタ電極は、焼結材を介して前記第１金属配線板に接合され、前記第２半導体素子のコレクタ電極は、焼結材を介して前記第３金属配線板に接合されている。

また、上記の半導体モジュールにおいて、前記第１半導体素子のエミッタ電極は、バンプを介して前記第３金属配線板に接合され、前記第２半導体素子のエミッタ電極は、バンプを介して前記第２金属配線板に接合されている。

また、上記の半導体モジュールにおいて、前記第１金属配線板は、端部に外部導体接続用の第１外部接続部を有し、前記第２金属配線板は、前記第１外部接続部と同じ側の端部に外部導体接続用の第２外部接続部を有し、前記第１外部接続部及び前記第２外部接続部は、半導体モジュールの一方の側面から延出し、平面視で互いに重ならない位置に設けられている。

また、上記の半導体モジュールにおいて、前記第３金属配線板は、前記第１外部接続部とは反対側の端部に外部導体接続用の第３外部接続部を有し、前記第３外部接続部は、半導体モジュールの他方の側面から延出している。

また、上記実施の形態に記載の半導体モジュールの製造方法は、Ｐ端子を構成する第１金属配線板の一方の主面にコレクタ電極を向けて第１半導体素子を配置し、出力端子を構成する第３金属配線板の一方の主面にコレクタ電極を向けて第２半導体素子を配置するチップ配置工程と、Ｎ端子を構成する第２金属配線板を前記第１金属配線板の主面に絶縁材を介して配置する金属配線板配置工程と、前記第１半導体素子のエミッタ電極を前記第３金属配線板の一方の主面に接続すると共に、前記第２半導体素子のエミッタ電極を前記第２金属配線板の一方の主面に接続するように、前記第１半導体素子と前記第２半導体素子とを表裏反対に配置する組み立て工程と、を実施する。

また、上記の半導体モジュールの製造方法は、前記組み立て工程の後、第１金属配線板、第２金属配線板、第３金属配線板、第１半導体素子、及び第２半導体素子を封止樹脂で封止する封止工程を実施する。

また、上記実施の形態に記載の半導体モジュールの製造方法は、前記組み立て工程において、前記第１半導体素子のエミッタ電極及び前記第２半導体素子のエミッタ電極にバンプを配置するバンプ配置工程を実施する。

また、上記実施の形態に記載の半導体モジュールの製造方法において、前記第３金属配線板は、前記第１半導体素子のゲート電極に対応した位置に設けられた第１貫通孔と、前記第２半導体素子のゲート電極に対応した位置に設けられた第２貫通孔と、を有し、前記組み立て工程において、前記第１半導体素子のゲート電極から前記第３金属配線板に向かって立ち上がる第１ゲート端子を前記第１貫通孔に挿通し、ゲート用金属配線板の一方の主面から前記第３金属配線板に向かって立ち上がる第２ゲート端子を前記第２貫通孔に挿通する。

また、上記の半導体モジュールの製造方法は、前記チップ配置工程において、前記第１半導体素子は、金属ナノ粒子を含有する焼結材を介して前記第１金属配線板に配置され、前記第２半導体素子は、金属ナノ粒子を含有する焼結材を介して前記第３金属配線板に配置され、その後、前記焼結材を焼結温度まで加熱することで、前記第１半導体素子と前記第１金属配線板を接合し、前記第２半導体素子と前記第３金属配線板を接合する。

以上説明したように、本発明は、インダクタンスを低減して小型化を実現することできるという効果を有し、特に、半導体モジュール及び半導体モジュールの製造方法に有用である。

１ ：半導体モジュール
２ ：第１金属配線板
３ ：第２金属配線板
４ ：第３金属配線板
５ ：ゲート用金属配線板
６ ：第１半導体素子
７ ：第２半導体素子
８ ：第１ゲート端子
９ ：第２ゲート端子
１０ ：封止樹脂
２０ ：段部
２１ ：第１主面
２２ ：第２主面
２３ ：突出片（第１外部接続部）
２４ ：円形穴
３０ ：突出片（第２外部接続部）
３１ ：円形穴
４０ ：突出片（第３外部接続部）
４１ ：円形穴
４２ ：第１貫通孔
４３ ：第２貫通孔
６０ ：コレクタ電極
６１ ：ゲート電極
６２ ：エミッタ電極
７０ ：コレクタ電極
７１ ：ゲート電極
７２ ：エミッタ電極
Ａ ：絶縁材
Ｂ１ ：バンプ
Ｂ２ ：バンプ
Ｂ３ ：バンプ
Ｂ４ ：バンプ
Ｂ５ ：バンプ
Ｓ ：接合材

Claims (16)

1. Ｐ端子を構成する第１金属配線板と、
   Ｎ端子を構成する第２金属配線板と、
   出力端子を構成する第３金属配線板と、
   前記第１金属配線板の一方の主面にコレクタ電極を向けて配置された第１半導体素子と、
   前記第３金属配線板の一方の主面にコレクタ電極を向けて配置された第２半導体素子と、を備え、
   前記第２金属配線板は、前記第１金属配線板の一方の主面に絶縁材を介して配置され、
   前記第３金属配線板は、一方の主面を前記第１金属配線板に向けて配置され、
   前記第１半導体素子のエミッタ電極が前記第３金属配線板の一方の主面に接続されると共に、前記第２半導体素子のエミッタ電極が前記第２金属配線板の一方の主面に接続されるように、前記第１半導体素子と前記第２半導体素子とが表裏反対に配置されている半導体モジュール。
2. 前記第１半導体素子のゲート電極から前記第３金属配線板に向かって立ち上がる第１ゲート端子を更に備え、
   前記第３金属配線板は、前記第１ゲート端子を挿通可能な第１貫通孔を有する請求項１に記載の半導体モジュール。
3. 前記第１金属配線板と前記第３金属配線板の間で前記第２半導体素子のゲート電極に対応した箇所に配置されたゲート用金属配線板を更に備え、
   前記ゲート用金属配線板は、前記第１金属配線板の一方の主面に絶縁材を介して配置され、
   前記第２半導体素子のゲート電極は、前記ゲート用金属配線板の一方の主面に接続されている請求項２に記載の半導体モジュール。
4. 前記ゲート用金属配線板の一方の主面から前記第３金属配線板に向かって立ち上がる第２ゲート端子を更に備え、
   前記第３金属配線板は、前記第２ゲート端子を挿通可能な第２貫通孔を有する請求項３に記載の半導体モジュール。
5. 前記第１ゲート端子及び前記第２ゲート端子は、半導体モジュールの一方の主面から突出している請求項４に記載の半導体モジュール。
6. 前記第１金属配線板の一方の主面は、
   前記第１半導体素子が配置される第１主面と、
   前記第１主面に対して下がった位置に設けられた第２主面とを有し、
   前記第２金属配線板は、前記第２主面に配置されている請求項３から請求項５のいずれかに記載の半導体モジュール。
7. 前記ゲート用金属配線板は、前記第２主面に配置されている請求項６に記載の半導体モジュール。
8. 前記第１半導体素子のコレクタ電極は、焼結材を介して前記第１金属配線板に接合され、
   前記第２半導体素子のコレクタ電極は、焼結材を介して前記第３金属配線板に接合されている請求項１から請求項７のいずれかに記載の半導体モジュール。
9. 前記第１半導体素子のエミッタ電極は、バンプを介して前記第３金属配線板に接合され、
   前記第２半導体素子のエミッタ電極は、バンプを介して前記第２金属配線板に接合されている請求項１から請求項８のいずれかに記載の半導体モジュール。
10. 前記第１金属配線板は、端部に外部導体接続用の第１外部接続部を有し、
    前記第２金属配線板は、前記第１外部接続部と同じ側の端部に外部導体接続用の第２外部接続部を有し、
    前記第１外部接続部及び前記第２外部接続部は、半導体モジュールの一方の側面から延出し、平面視で互いに重ならない位置に設けられている請求項１から請求項９のいずれかに記載の半導体モジュール。
11. 前記第３金属配線板は、前記第１外部接続部とは反対側の端部に外部導体接続用の第３外部接続部を有し、
    前記第３外部接続部は、半導体モジュールの他方の側面から延出している請求項１０に記載の半導体モジュール。
12. Ｐ端子を構成する第１金属配線板の一方の主面にコレクタ電極を向けて第１半導体素子を配置し、出力端子を構成する第３金属配線板の一方の主面にコレクタ電極を向けて第２半導体素子を配置するチップ配置工程と、
    Ｎ端子を構成する第２金属配線板を前記第１金属配線板の主面に絶縁材を介して配置する金属配線板配置工程と、
    前記第１半導体素子のエミッタ電極を前記第３金属配線板の一方の主面に接続すると共に、前記第２半導体素子のエミッタ電極を前記第２金属配線板の一方の主面に接続するように、前記第１半導体素子と前記第２半導体素子とを表裏反対に配置する組み立て工程と、を実施する半導体モジュールの製造方法。
13. 前記組み立て工程の後、第１金属配線板、第２金属配線板、第３金属配線板、第１半導体素子、及び第２半導体素子を封止樹脂で封止する封止工程を実施する請求項１２に記載の半導体モジュールの製造方法。
14. 前記組み立て工程において、前記第１半導体素子のエミッタ電極及び前記第２半導体素子のエミッタ電極にバンプを配置するバンプ配置工程を実施する請求項１２又は請求項１３に記載の半導体モジュールの製造方法。
15. 前記第３金属配線板は、
    前記第１半導体素子のゲート電極に対応した位置に設けられた第１貫通孔と、
    前記第２半導体素子のゲート電極に対応した位置に設けられた第２貫通孔と、を有し、
    前記組み立て工程において、前記第１半導体素子のゲート電極から前記第３金属配線板に向かって立ち上がる第１ゲート端子を前記第１貫通孔に挿通し、ゲート用金属配線板の一方の主面から前記第３金属配線板に向かって立ち上がる第２ゲート端子を前記第２貫通孔に挿通する請求項１２から請求項１４のいずれかに記載の半導体モジュールの製造方法。
16. 前記チップ配置工程において、前記第１半導体素子は、金属ナノ粒子を含有する焼結材を介して前記第１金属配線板に配置され、前記第２半導体素子は、金属ナノ粒子を含有する焼結材を介して前記第３金属配線板に配置され、その後、前記焼結材を焼結温度まで加熱することで、前記第１半導体素子と前記第１金属配線板を接合し、前記第２半導体素子と前記第３金属配線板を接合する請求項１２から請求項１５のいずれかに記載の半導体モジュールの製造方法。

Images