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WO2017208430A1 - 半導体装置モジュール - Google Patents

半導体装置モジュール Download PDF

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WO2017208430A1
WO2017208430A1 PCT/JP2016/066538 JP2016066538W WO2017208430A1 WO 2017208430 A1 WO2017208430 A1 WO 2017208430A1 JP 2016066538 W JP2016066538 W JP 2016066538W WO 2017208430 A1 WO2017208430 A1 WO 2017208430A1
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WO
WIPO (PCT)
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semiconductor device
device module
lead electrode
insulating case
electrode
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2016/066538
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English (en)
French (fr)
Inventor
新 飯塚
是英 岡本
辻　夏樹
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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Priority to DE112016006928.6T priority patent/DE112016006928B4/de
Priority to PCT/JP2016/066538 priority patent/WO2017208430A1/ja
Priority to CN201680086209.1A priority patent/CN109196641B/zh
Priority to JP2018520310A priority patent/JP6463557B2/ja
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    • H10W40/10—
    • H10W40/255—
    • H10W72/00—
    • H10W74/00—
    • H10W76/15—
    • H10W76/40—
    • H10W76/47—
    • H10W90/00—
    • H10W90/701—
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/34—Strap connectors, e.g. copper straps for grounding power devices; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/39—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process
    • H01L2224/40—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process of an individual strap connector
    • H10W72/07651—
    • H10W72/60—

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor device module, and more particularly to a semiconductor device module having a power device.
  • in-vehicle power semiconductor devices are required to have high-reliability and small-sized semiconductor device modules with high reliability.
  • a direct lead bonding (DLB) structure in which a power device and an external lead electrode are directly bonded is employed, and a semiconductor device module having a direct cooling structure combined with a finned heat sink is also being studied. .
  • the shape of the brazing material joining the power device and the lead electrode, the amount of thermal displacement of the lead electrode, and the adhesion between each component and the sealing material affect the reliability of the module. Therefore, to improve the reliability of the module, it is necessary to keep the shape of the brazing material and the adhesion of the sealing material good.
  • each power device is increased in size, and it is necessary to arrange a plurality of power devices in parallel, so that the lead electrode is increased in size and the package is also increased in size. . Therefore, in order to obtain a good brazing material shape, improvement in alignment accuracy between the lead electrode and the power device has been a problem.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and in a semiconductor device module adopting a DLB structure, the alignment accuracy between the lead electrode and the power device is improved, and the thermal displacement of the lead electrode is reduced.
  • An object is to provide a suppressed semiconductor device module.
  • a semiconductor device module includes a semiconductor device having an upper surface electrode and a lower surface electrode, a substrate to which the lower surface electrode of the semiconductor device is bonded, a heat sink on which the substrate is mounted, and a main current of the semiconductor device
  • a lead electrode through which the lead flows an insulating case disposed so as to surround the substrate, and a holder that is provided in a beam shape in the insulating case and holds the lead electrode.
  • An end is brazed to the upper surface electrode of the semiconductor device, the other end side is inserted into the wall surface of the insulating case, and the holding body is on the one end of the lead electrode so as to restrict movement of the lead electrode.
  • the holding body restricts the movement of the lead electrode, the positional accuracy of the lead electrode is improved, the gap between the lead electrode and the semiconductor device can be properly maintained, and the lead
  • the brazing material of the electrode can be brazed while maintaining a good shape, and the thermal displacement of the brazing material due to heat generated when the semiconductor device is energized can be suppressed, and the reliability of the semiconductor device module can be improved.
  • FIG. 1 is a plan view showing a configuration of a semiconductor device module 100 according to a first embodiment.
  • 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device module 100 according to a first embodiment.
  • 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device module 100 according to a first embodiment.
  • 6 is a cross-sectional view showing a configuration of a first modification of the first embodiment.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a configuration of a second modification of the first embodiment.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a configuration of a third modification of the first embodiment.
  • FIG. FIG. 10 is a cross-sectional view showing a configuration of a fourth modification of the first embodiment.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing a configuration of a fifth modification of the first embodiment.
  • 1 is a plan view showing a configuration of a semiconductor device module 100 according to a first embodiment.
  • FIG. 1 is a plan view showing a configuration of a semiconductor device module 100 according to the first embodiment of the present invention.
  • the semiconductor device module shown in FIG. 1 is a power device such as an insulated gate bipolar transistor (IGBT), a MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor), or a free wheeling diode (FWD).
  • IGBT insulated gate bipolar transistor
  • MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor
  • FWD free wheeling diode
  • circuit patterns 30 and 301 are provided on an insulating substrate 31 made of, for example, aluminum nitride (AlN), and on the circuit pattern 30, switching devices T1 and A diode device D1 is mounted, and a switching device T11 and a diode device D11 are mounted on the circuit pattern 301.
  • the switching device T1 and the diode device D1 each have a configuration in which two devices are connected in parallel, and the switching device T11 and the diode device D11 each have a configuration in which two devices are connected in parallel. Note that each of the switching devices T1 and T11 and the diode devices D1 and D11 has an upper surface electrode and a lower surface electrode.
  • One end of the lead electrode 40 is joined to the upper surface electrodes of the switching device T1 and the diode device D1 by direct lead bonding, and one end of the lead electrode 41 is directly connected to the upper surface electrode of the switching device T11 and the diode device D11. Bonded by lead bonding.
  • the other end side of the lead electrode 40 opposite to the one end subjected to direct lead bonding is embedded in the wall surface of the resin case 60 by insert molding, and the other end is exposed at the upper end surface of the resin case 60 and is connected to the external wiring. It is configured to be connected.
  • the other end side of the lead electrode 41 opposite to the one end subjected to direct lead bonding is embedded in the wall surface of the resin case 60 by insert molding, and the other end is exposed at the upper end surface of the resin case 60, It is configured to be connected to wiring.
  • the lead electrode 42 is embedded in the wall surface of the resin case 60 so as to be in parallel with the lead electrode 41, and one end thereof is joined to the circuit pattern 301 by direct lead bonding. Note that the main current of the inverter flows through each of the lead electrodes 40 to 42.
  • the configuration described above relates to an inverter for one phase of a three-phase inverter, and the configuration for the remaining two phases is provided inside the resin case 60 in the same form.
  • the resin case 60 is partitioned by a partition wall 601 for each storage area of the inverter of each phase.
  • the holding bodies 61 and 611 that hold one ends of the lead electrodes 40 and 41 cross between the wall surface of the resin case 60 and the partition wall 601 and between the partition walls 601. It is provided like a beam.
  • FIGS. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the cross-section in the direction of the arrow along the line AA in FIG. 1
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of the cross-section in the direction of the arrow in the direction of the arrow BB in FIG. is there.
  • the semiconductor device module 100 includes a brazing material such as solder on a heat sink 50 made of a material having high thermal conductivity such as an alloy mainly composed of copper (Cu), Al, and Cu.
  • a brazing material such as solder on a heat sink 50 made of a material having high thermal conductivity such as an alloy mainly composed of copper (Cu), Al, and Cu.
  • An insulating substrate 31 is bonded via 21.
  • the insulating substrate 31 is fixed by bonding a conductive pattern 32 provided on the back surface side to the brazing material 21.
  • circuit patterns 30 and 301 are provided on the front side of the insulating substrate 31, and the lower electrodes of the switching device T 1 and the diode device D 1 are joined to the circuit pattern 301 via the brazing material 20 on the circuit pattern 30.
  • the lower electrode of the switching device T11 and the diode device D11 (FIG. 1) is joined through the brazing material 20.
  • the circuit patterns 30 and 301 are made of a conductor such as Al or Cu, and are formed by metallizing the surface of the insulating substrate 31.
  • a resin case 60 is mounted on the heat sink 50 so as to surround the insulating substrate 31.
  • Insert-molded lead electrodes 40, 41 and 42 protrude from the inner surface of the resin case 60 to insulate the resin case 60. It extends on the substrate 31 in a cantilevered state.
  • the lead electrode 41 having the other end inserted into the wall surface of the resin case 60 is joined to the upper electrode of the switching device T11 and the diode device D11 (FIG. 1) by direct lead bonding via the brazing filler metal 22 on one end. At the same time, the tip is joined to the circuit pattern 30 via the brazing material 23.
  • a holding body 611 is engaged with the tip of the lead electrode 41, and the lead electrode 41 is joined to the switching device T11 and the diode device D11 (FIG. 1) in a state where movement in the horizontal and vertical directions is restricted.
  • the Rukoto is the reason for preventing movement in the horizontal and vertical directions.
  • the lead electrode 40 having the other end inserted into the wall surface of the resin case 60 is joined to the upper electrode of the switching device T1 and the diode device D1 by direct lead bonding via the brazing filler metal 22 at one end. .
  • the holding body 61 is engaged with the distal end portion of the lead electrode 40, and the lead electrode 40 is joined to the switching device T1 and the diode device D1 in a state where movement in the horizontal and vertical directions is restricted. .
  • the holding body 61 has a configuration in which a portion in contact with the lead electrode 40 has a recess so as to contact not only the top surface of the lead electrode 40 but also the side surface.
  • the movement in the horizontal direction can be more reliably regulated.
  • the holding body 611 has the same configuration.
  • the holding bodies 61 and 611 are integrally formed of the same resin as that of the resin case 60.
  • the resin case 60 is placed on the heat sink 50 on which the insulating substrate 31 and various semiconductor devices are mounted.
  • the holding bodies 61 and 611 hold the tip portions of the lead electrodes 40 and 41, respectively, on the upper surface electrodes of various semiconductor devices (switching devices T1, T11, diode devices D1, D11). It will come in contact with the brazing material.
  • through holes HL penetrating the holding bodies 61 and 611 in the thickness direction are provided in the portions of the holding bodies 61 and 611 that hold the lead electrodes 40 and 41, and the lead electrodes 40 and 41 are held. It is the structure which can confirm whether it is.
  • a notch obtained by cutting out part of the holding bodies 61 and 611 may be provided, or a slit may be provided.
  • the bonding between the various semiconductor devices and the lead electrodes 40 and 41 and the bonding between the lead electrode 41 and the circuit pattern 30 are performed by placing the resin case 60 on the heat sink 50 and then melting the brazing material. However, this step may be performed simultaneously with the step of brazing various semiconductor devices to the insulating substrate 31, or may be performed as a separate step.
  • the holding bodies 61 and 611 hold the tip portions of the lead electrodes 40 and 41 provided in a cantilever state, respectively, so that the positional accuracy of the lead electrodes 40 and 41 is improved and the semiconductor It is possible to suppress thermal displacement due to heat generated when the device is energized. As a result, the gaps between the lead electrodes 40 and 41 and various semiconductor devices and the circuit pattern 30 can be properly maintained, the brazing materials 22 and 23 can be brazed while maintaining a good shape, and heat is generated when the semiconductor device is energized. It is possible to reduce the stress applied to the semiconductor device and the brazing filler metal by suppressing the thermal displacement of the brazing filler metal. As a result, the reliability of the semiconductor device module is improved.
  • the heat sink 50 and the conductor pattern 32 may be formed by, for example, solid phase diffusion bonding or composition.
  • bonding may be performed without using a brazing material by die-casting or the like in which ceramic and metal are bonded using a functionally gradient material whose structure changes depending on the position.
  • the brazing material 21 and the insulating substrate 31 may be directly joined without using the conductor pattern 32.
  • the back surface of the heat sink 50 is flat, a fin shape such as a pin fin or a straight fin may be adopted.
  • the holding bodies 61 and 611 are integrally formed of the same resin as the resin case 60. However, the holding bodies 61 and 611 may be formed separately from the resin case 60. good.
  • FIG. 4 shows a cross-sectional view (corresponding to the cross-section taken along the line BB in FIG. 1) in the case of using a holding body 62 configured separately from the resin case 60.
  • the holding body 62 is disposed between the wall surface of the resin case 60 and the partition wall 601, and holds the tip of the lead electrode 40.
  • the holding body 62 may be fixed by, for example, fitting both end portions into recesses or slits provided in the wall surface of the resin case 60 and the partition wall 601.
  • the holding body 62 may be made of the same material as the resin case 60, but may be made of a different material.
  • the holding body 62 is made of a material having high heat resistance, for example, a metal or a resin having a heat resistant temperature higher than that of the resin case 60, so that a brazing material having a high melting point is bonded to the brazing material 22 for joining the semiconductor device and the lead electrodes 40 and 41. Even when used, the effect of holding the lead electrode can be maintained without melting the holding body 62.
  • the holding body 62 by configuring the holding body 62 separately from the resin case 60, it is possible to widen the selection range of materials, simplify the structure of the resin case 60, and reduce the manufacturing cost.
  • caulking and screwing may be used for attaching the holding body 62 to the resin case 60.
  • ⁇ Modification 2> In the semiconductor device module 100 described above, the structure in which the through holes HL are provided in the portions that hold the lead electrodes 40 and 41 of the holding bodies 61 and 611 is shown. However, like the holding body 63 shown in FIG. A plurality of depressions (dimples) DP may be provided.
  • the shape of the recess is not limited to a circular shape, and may be a rectangular shape.
  • FIG. 5 shows a cross-sectional view (corresponding to the cross-section taken along the line BB in FIG. 1) in the case of using the holding body 63 configured integrally with the resin case 60.
  • the surface area of the holding body 63 is increased, the adhesiveness with the sealing material 70 is improved, and the thermal displacement of the lead electrodes 40 and 41 due to heat generation when the semiconductor device is energized can be more firmly suppressed. Therefore, the stress applied to the semiconductor device and the brazing material can be further relaxed, and the reliability of the semiconductor device module can be further improved.
  • ⁇ Modification 3> In the semiconductor device module 100 described above, the configuration in which the through holes HL are provided in the portions that hold the lead electrodes 40 and 41 of the holding bodies 61 and 611 is shown. However, like the holding body 64 shown in FIG. It is good also as a wave shape which repeats an unevenness
  • FIG. 6 shows a cross-sectional view (corresponding to the cross-section taken along the line BB in FIG. 1) when the holding body 64 configured integrally with the resin case 60 is used.
  • the surface area of the holding body 64 is increased, the adhesiveness with the sealing material 70 is improved, and the thermal displacement of the lead electrodes 40 and 41 due to heat generation when the semiconductor device is energized can be more firmly suppressed. Therefore, the stress applied to the semiconductor device and the brazing material can be further relaxed, and the reliability of the semiconductor device module can be further improved.
  • ⁇ Modification 4> In the semiconductor device module 100 described above, the structure in which the through holes HL are provided in the portions of the holding bodies 61 and 611 that hold the lead electrodes 40 and 41 is shown, but like the holding bodies 65 and 651 shown in FIG. A configuration in which a plurality of slits SL are provided in the entire holding body may be employed. The plurality of slits SL are provided at intervals along the long sides of the rectangular holding bodies 65 and 651 that are elongated in plan view, and the length thereof is about half of the short sides of the holding bodies 65 and 651. ing.
  • the slits SL are provided along the long sides of the holding bodies 65 and 651, but the respective arrays are set to be staggered so that the slits SL do not communicate with each other.
  • the slit SL may be provided so as not to cut the holding bodies 65 and 651, and is not limited to the above arrangement and length. Further, a notch may be provided instead of the slit SL.
  • the surface areas of the holding bodies 65 and 651 are increased, the adhesiveness with the sealing material 70 is improved, and the thermal displacement of the lead electrodes 40 and 41 due to the heat generated when the semiconductor device is energized is further strengthened. Since it can suppress, the stress concerning a semiconductor device and a brazing material can further be relieve
  • the slit is easier to process than the corrugated shape of the holding body 64 shown in FIG. 6, and the increase in manufacturing cost can be suppressed.
  • the structure in which the through holes HL are provided in the portions that hold the lead electrodes 40 and 41 of the holding bodies 61 and 611 is shown.
  • a configuration in which a plurality of openings OP are provided in the entire holding body may be adopted.
  • the plurality of openings OP are provided in the central part of the holding bodies 65 and 651 at intervals along the longitudinal direction.
  • the shape of the opening OP in plan view is circular, but may be rectangular, elliptical, or oval.
  • the surface areas of the holding bodies 66 and 661 are increased, the adhesiveness with the sealing material 70 is improved, and the thermal displacement of the lead electrodes 40 and 41 due to the heat generated when the semiconductor device is energized is strengthened. Since it can suppress, the stress concerning a semiconductor device and a brazing material can further be relieve
  • the opening is easier to process than the corrugated shape of the holding body 64 shown in FIG. 6, and an increase in manufacturing cost can be suppressed.
  • each holding body is configured integrally with the resin case 60, but is configured separately from the resin case 60 and fitted into the resin case 60.
  • the structure may be fixed by caulking, screwing, or the like. In this case, the structure of the resin case 60 is simplified, and the manufacturing cost can be reduced.
  • the holding body is configured integrally with the resin case 60, the number of parts can be reduced, and the attaching process of the holding body becomes unnecessary, so that the manufacturing process can be simplified.
  • FIG. 9 is a plan view showing the configuration of the semiconductor device module 200 according to the first embodiment of the present invention.
  • a semiconductor device module 200 shown in FIG. 9 is obtained by packaging power devices such as IGBTs, MOSFETs, and FWDs as a single module in the same manner as the semiconductor device module 100 shown in FIG. Is shown.
  • circuit patterns 302 and 303 are provided on an insulating substrate 31, a switching device T1 and a diode device D1 are mounted on the circuit pattern 302, and a switching device T11 and a diode device D11 are mounted on the circuit pattern 303. It is installed.
  • the switching device T1 and the diode device D1 each have a configuration in which four devices are connected in parallel, and the switching device T11 and the diode device D11 each have a configuration in which four devices are connected in parallel.
  • the lead electrode 40 has one end in the horizontal direction so as to cover the upper part of the four switching devices T1 arranged in the horizontal direction (X direction) and the four diode devices D1 arranged in parallel thereto. It has a long shape and a large aspect ratio in the horizontal direction with respect to the vertical direction.
  • the lead electrode 41 has one end in the vertical direction so as to cover the upper part of the four switching devices T11 arranged in the vertical direction (Y direction) and the four diode devices D11 arranged in parallel to them. It has a long shape and a large aspect ratio in the vertical direction with respect to the horizontal direction. And the protrusion part extended in the horizontal direction from the center part of the one end long in the vertical direction of the lead electrode 41 is joined to the circuit pattern 302 via the brazing material 23.
  • a holding body 61 that holds the tip portion of the one end is provided, and two end portions in the horizontal direction of the one end are held.
  • a holding body 612 is provided.
  • the two holding bodies 612 are provided so as to cross between the holding body 61 and the wall surface of the resin case 60 so as to be orthogonal to the holding body 61.
  • a holding body 611 that holds the tip portion of the one end is provided, and the holding body is held so as to hold the vertical center portion of the one end. 613 is provided.
  • the holding body 613 is provided between the wall surface of the resin case 60 and the partition wall 601 so as to be parallel to the holding body 611.
  • holding bodies 612 and 613 assist the functions of the holding bodies 61 and 611, respectively, they may be referred to as auxiliary holding bodies.
  • the holding bodies 612 and 613 may take the same forms as in the first to fifth modifications of the first embodiment.
  • the power devices such as IGBTs, MOSFETs, and FWDs that constitute the semiconductor device modules of the first and second embodiments described above are not limited to silicon devices using silicon (Si) semiconductors, but silicon carbide (SiC).
  • SiC silicon carbide
  • a semiconductor device having a wider band gap than a silicon semiconductor such as gallium nitride (GaN) or diamond (C) may be used. When these are used, it is possible to obtain a device that is superior in pressure resistance, has a high allowable current density, has excellent heat resistance, and can operate at high temperatures as compared with a silicon device.
  • the thermal displacement can be suppressed by applying the present invention.

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Abstract

　本発明は半導体装置モジュールに関し、上面電極と下面電極とを有した半導体デバイスと、半導体デバイスの下面電極が接合される基板と、基板を搭載するヒートシンクと、半導体デバイスの主電流が流れるリード電極と、基板を囲むように配設された絶縁ケースと、絶縁ケース内に梁状に設けられ、リード電極を保持する保持体と、を備え、リード電極は、一方端が半導体デバイスの上面電極にろう付けされ、他方端側が絶縁ケースの壁面内にインサートされ、保持体は、リード電極の移動を規制するようにリード電極の一方端上に係合する。

Description

半導体装置モジュール
　本発明は半導体装置モジュールに関し、特にパワーデバイスを有した半導体装置モジュールに関する。
　近年、車載用の電力用半導体装置では高い信頼性を備えた高出力で小型の半導体装置モジュールが求められている。これらを実現するために、パワーデバイスと外部導出電極とを直接に接合するダイレクトリードボンディング(ＤＬＢ)構造が採用され、さらに、フィン付ヒートシンクと組み合わせた直接冷却構造の半導体装置モジュールも検討されている。
　直接冷却構造を用いる場合、冷却部の封止設計を容易にすると共に、外部配線との接続を容易とするために、複数のパワーデバイスを１つのモジュールとしてパッケージングした構成が望まれている。
　また、ＤＬＢ構造ではパワーデバイスとリード電極とを接合するろう材の形状とリード電極の熱変位量および各構成部品と封止材との密着性がモジュールの信頼性に影響を与える。そのため、モジュールの信頼性向上には、ろう材の形状および封止材の密着性を良好に保つことが必要である。
　一方、高出力の半導体装置モジュールを作製する場合、個々のパワーデバイスが大型化すると共に、複数のパワーデバイスを並列に配置することが必要となり、リード電極が大型化すると共に、パッケージも大型化する。そのため、良好なろう材形状を得るためにリード電極とパワーデバイスとの位置合わせ精度の向上が課題となっている。
　また、パッケージが大型化した場合、モールド樹脂等による加圧封止はコストが高くなるため、例えば特許文献１に開示されるように、リード電極の片側を樹脂ケースにインサートし、樹脂ケース内にエポキシ系またはシリコン系の樹脂を流し入れて封止する構成が用いられることが多い。この場合、リード電極は片持ち梁状態となり、パワーデバイス等の発熱による電極の熱変位が大きいものと考えられる。加えて加圧封止ではないので、リード電極の熱変位を抑制することが困難となり、パワーデバイスへの応力が増加して半導体装置モジュールの信頼性が低下する可能性がある。
特開２００９－１０５２６７号公報
　本発明は上記のような問題を解決するためになされたものであり、ＤＬＢ構造を採用した半導体装置モジュールにおいて、リード電極とパワーデバイスとの位置合わせ精度を向上すると共に、リード電極の熱変位を抑制した半導体装置モジュールを提供することを目的とする。
　本発明に係る半導体装置モジュールは、上面電極と下面電極とを有した半導体デバイスと、前記半導体デバイスの前記下面電極が接合される基板と、前記基板を搭載するヒートシンクと、前記半導体デバイスの主電流が流れるリード電極と、前記基板を囲むように配設された絶縁ケースと、前記絶縁ケース内に梁状に設けられ、前記リード電極を保持する保持体と、を備え、前記リード電極は、一方端が前記半導体デバイスの前記上面電極にろう付けされ、他方端側が前記絶縁ケースの壁面内にインサートされ、前記保持体は、前記リード電極の移動を規制するように前記リード電極の前記一方端上に係合する。
　本発明に係る半導体装置モジュールによれば、保持体がリード電極の移動を規制するので、リード電極の位置精度が向上し、リード電極と半導体デバイスとの隙間を適正に保つことができて、リード電極のろう材が良好な形状を保ってろう付けすることが可能となり、半導体デバイスの通電時の発熱によるろう材の熱変位を抑制して、半導体装置モジュールの信頼性を向上することができる。
実施の形態１の半導体装置モジュール１００の構成を示す平面図である。 実施の形態１の半導体装置モジュール１００の構成を示す断面図である。 実施の形態１の半導体装置モジュール１００の構成を示す断面図である。 実施の形態１の変形例１の構成を示す断面図である。 実施の形態１の変形例２の構成を示す断面図である。 実施の形態１の変形例３の構成を示す断面図である。 実施の形態１の変形例４の構成を示す断面図である。 実施の形態１の変形例５の構成を示す断面図である。 実施の形態１の半導体装置モジュール１００の構成を示す平面図である。
　＜実施の形態１＞
　図１は本発明に係る実施の形態１の半導体装置モジュール１００の構成を示す平面図である。図１に示す半導体装置モジュールは、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）、還流ダイオード（ＦＷＤ：Free Wheeling Diode））等のパワーデバイスを１つのモジュールとしてパッケージングしたものであり、一例として、３相インバータを示している。
　図１において、樹脂ケース６０（絶縁ケース）の内部には、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で構成される絶縁基板３１上に回路パターン３０および３０１が設けられ、回路パターン３０上にはスイッチングデバイスＴ１およびダイオードデバイスＤ１が搭載され、回路パターン３０１上にはスイッチングデバイスＴ１１およびダイオードデバイスＤ１１が搭載されている。スイッチングデバイスＴ１およびダイオードデバイスＤ１は、それぞれ２つのデバイスが並列に接続された構成を採り、スイッチングデバイスＴ１１およびダイオードデバイスＤ１１は、それぞれ２つのデバイスが並列に接続された構成を採っている。なお、スイッチングデバイスＴ１、Ｔ１１、ダイオードデバイスＤ１、Ｄ１１は、何れも上面電極と下面電極とを有している。
　そして、スイッチングデバイスＴ１およびダイオードデバイスＤ１の上面電極には、リード電極４０の一方端がダイレクトリードボンディングにより接合され、スイッチングデバイスＴ１１およびダイオードデバイスＤ１１の上面電極には、リード電極４１の一方端がダイレクトリードボンディングにより接合されている。
　リード電極４０は、ダイレクトリードボンディングされた一方端とは反対の他方端側が、樹脂ケース６０の壁面内にインサート成型により埋め込まれ、他方端は樹脂ケース６０の上端面において露出して、外部配線と接続される構成となっている。
　また、リード電極４１は、ダイレクトリードボンディングされた一方端とは反対の他方端側が、樹脂ケース６０の壁面内にインサート成型により埋め込まれ、他方端は樹脂ケース６０の上端面において露出して、外部配線と接続される構成となっている。また、リード電極４１と並列するようにリード電極４２が樹脂ケース６０の壁面内にインサート成型により埋め込まれ、一方の端部は回路パターン３０１上にダイレクトリードボンディングにより接合されている。なお、リード電極４０～４２には、何れもインバータの主電流が流れる。
　上述した構成は３相インバータの１相分のインバータに関しており、残り２相分の構成が、同様の形態を採って樹脂ケース６０の内部に設けられている。
　樹脂ケース６０は、各相のインバータの収納領域ごとに隔壁６０１によって仕切られている。そして、隔壁６０１によって仕切られた領域においては、リード電極４０および４１のそれぞれの一方端を保持する保持体６１および６１１が、樹脂ケース６０の壁面と隔壁６０１との間、および隔壁６０１間に渡るように梁状に設けられている。
　次に、図２および図３を用いて、保持体６１および６１１の構成について説明する。図２は、図１におけるＡ－Ａ線での矢視方向断面の構成を示す断面図であり、図３は、図１におけるＢ－Ｂ線での矢視方向断面の構成を示す断面図である。
　図２に示すように、半導体装置モジュール１００は、銅（Ｃｕ）、ＡｌおよびＣｕを主成分とする合金などの熱伝導率の高い材料で構成されるヒートシンク５０の上に、ハンダなどのろう材２１を介して絶縁基板３１が接合されている。絶縁基板３１は、裏面側に設けた導体パターン３２が、ろう材２１と接合されることで固定されている。
　また、絶縁基板３１の前面側には回路パターン３０および３０１が設けられ、回路パターン３０上には、ろう材２０を介してスイッチングデバイスＴ１およびダイオードデバイスＤ１の下面電極が接合され、回路パターン３０１には、ろう材２０を介してスイッチングデバイスＴ１１およびダイオードデバイスＤ１１（図１）の下面電極が接合される。回路パターン３０および３０１は、Ａｌ、Ｃｕなどの導電体で構成され、絶縁基板３１の表面をメタライズすることで形成されている。
　そして、ヒートシンク５０上には樹脂ケース６０が絶縁基板３１を囲むように搭載され、樹脂ケース６０の内面からは、インサート成型形されたリード電極４０、４１および４２（図１）が突出して、絶縁基板３１上に片持ち梁状態で延在している。
　他方端側が、樹脂ケース６０の壁面内にインサートされたリード電極４１は、一方端側が、ろう材２２を介してスイッチングデバイスＴ１１およびダイオードデバイスＤ１１（図１）の上面電極とダイレクトリードボンディングにより接合されると共に、先端部は回路パターン３０上に、ろう材２３を介して接合されている。
　そして、リード電極４１の先端部には保持体６１１が係合し、リード電極４１は、水平、垂直方向への移動が規制された状態でスイッチングデバイスＴ１１およびダイオードデバイスＤ１１（図１）に接合されることとなる。
　また、他方端側が、樹脂ケース６０の壁面内にインサートされたリード電極４０は、一方端側が、ろう材２２を介してスイッチングデバイスＴ１およびダイオードデバイスＤ１の上面電極とダイレクトリードボンディングにより接合されている。
　そして、リード電極４０の先端部には保持体６１が係合し、リード電極４０は、水平、垂直方向への移動が規制された状態でスイッチングデバイスＴ１およびダイオードデバイスＤ１に接合されることとなる。
　また、図３に示すように、保持体６１は、リード電極４０と接触する部分が、リード電極４０の上面だけでなく側面にも接するように凹部を有した構成となっており、リード電極４０の水平方向の移動を、より確実に規制することができる。なお、保持体６１１も同様の構成となっている。
　保持体６１および６１１は、樹脂ケース６０と同じ樹脂で一体で構成されており、半導体装置モジュール１００の組み立て時には、樹脂ケース６０を、絶縁基板３１および各種半導体デバイスが搭載されたヒートシンク５０上に被せるように載置することで、保持体６１および６１１が、それぞれリード電極４０および４１の先端部を保持した状態で、各種半導体デバイス（スイッチングデバイスＴ１、Ｔ１１、ダイオードデバイスＤ１、Ｄ１１）の上面電極にろう材を介して接することとなる。
　ここで、保持体６１および６１１のリード電極４０および４１を保持する部分には、保持体６１および６１１を厚み方向に貫通する貫通孔ＨＬが設けられており、リード電極４０および４１が保持されているかを確認できる構成となっている。なお、貫通孔ＨＬの代わりに保持体６１および６１１の一部を切り欠いたノッチを設けても良いし、スリットを設けても良い。
　なお、各種半導体デバイスとリード電極４０および４１との接合およびリード電極４１と回路パターン３０との接合は、樹脂ケース６０をヒートシンク５０上に載置した後に、ろう材を溶融させることで実行されるが、この工程を、各種半導体デバイスを絶縁基板３１にろう付けする工程と同時に行っても良く、また、別の工程として行っても良い。
　樹脂ケース６０をヒートシンク５０上に載置して、各種半導体デバイスとリード電極４０および４１との接合およびリード電極４１と回路パターン３０との接合を行った後、樹脂ケース６０内に、シリコーンゲルまたはエポキシ系樹脂の封止材７０を充填することで、保持体６１および６１１を含めてヒートシンク５０上の構成が封止されることとなる。
　以上説明したように、保持体６１および６１１が、それぞれ片持ち梁状態に設けられたリード電極４０および４１の先端部を保持することで、リード電極４０および４１の位置精度が向上すると共に、半導体デバイスの通電時の発熱による熱変位の抑制が可能となる。これによりリード電極４０および４１と各種半導体デバイスおよび回路パターン３０との隙間を適正に保ち、ろう材２２および２３が良好な形状を保ってろう付けすることが可能となり、半導体デバイスの通電時の発熱によるろう材の熱変位を抑制して、半導体デバイスおよびろう材にかかる応力を緩和することが可能となる。その結果、半導体装置モジュールの信頼性が向上することとなる。
　なお、図２および図３においては、ヒートシンク５０と導体パターン３２とがろう材２１を介して接合される構成を示したが、ヒートシンク５０と導体パターン３２とは、例えば固相拡散接合または、組成、組織が位置ごとに変化する傾斜機能材料を用いてセラミックスと金属を接合するダイキャスト接合などによって、ろう材を使わずに接合されていても良い。また、導体パターン３２を用いずにろう材２１と絶縁基板３１とを直接接合しても良い。
　また、ヒートシンク５０の裏面はフラットになっているが、ピンフィンまたはストレートフィンなどのフィン形状を採っても良い。
　　＜変形例１＞
　以上説明した半導体装置モジュール１００においては、保持体６１および６１１は樹脂ケース６０と同じ樹脂で一体で構成されるとしたが、保持体６１および６１１は樹脂ケース６０とは別体で構成しても良い。
　図４には、樹脂ケース６０と別体で構成した保持体６２を使用する場合の断面図（図１のＢ－Ｂ線での矢視断面に対応）を示す。
　保持体６２は、樹脂ケース６０の壁面と隔壁６０１との間に配置され、リード電極４０の先端部を保持する。なお、保持体６２は、例えば、樹脂ケース６０の壁面および隔壁６０１に設けた窪みまたはスリットに両端部をはめ込むことで固定すれば良い。
　なお、保持体６２は、樹脂ケース６０と同じ材質で構成しても良いが、異なる材質で構成しても良い。保持体６２を耐熱性の高い材質、例えば金属または樹脂ケース６０よりも耐熱温度が高い樹脂で構成することで、半導体デバイスとリード電極４０および４１を接合するろう材２２に高融点のろう材を用いる場合でも保持体６２が溶けることなく、リード電極を保持する効果を維持できる。
　このように、保持体６２を、樹脂ケース６０とは別体で構成することで、材質の選択幅を広げることができると共に、樹脂ケース６０の構造が簡略化され、製造コストを低減できる。
　なお、保持体６２の樹脂ケース６０への取り付けは、カシメおよびネジ留め等を使用しても良い。
　　＜変形例２＞
　以上説明した半導体装置モジュール１００においては、保持体６１および６１１のリード電極４０および４１を保持する部分に貫通孔ＨＬを設けた構成を示したが、図５に示す保持体６３のように、表面に複数の窪み（ディンプル）ＤＰを設けても良い。窪みの形状は、円形状に限られず矩形状でも良い。
　図５には、樹脂ケース６０と一体で構成した保持体６３を使用する場合の断面図（図１のＢ－Ｂ線での矢視断面に対応）を示す。
　この構成を採ることで、保持体６３の表面積が増加して封止材７０との密着性が向上し、半導体デバイスの通電時の発熱によるリード電極４０および４１の熱変位をより強固に抑制できるので、半導体デバイスおよびろう材にかかる応力をさらに緩和でき、半導体装置モジュールの信頼性をさらに向上することができる。
　　＜変形例３＞
　以上説明した半導体装置モジュール１００においては、保持体６１および６１１のリード電極４０および４１を保持する部分に貫通孔ＨＬを設けた構成を示したが、図６に示す保持体６４のように、表面が凹凸を繰り返す波打ち形状としても良い。
　図６には、樹脂ケース６０と一体で構成した保持体６４を使用する場合の断面図（図１のＢ－Ｂ線での矢視断面に対応）を示す。
　この構成を採ることで、保持体６４の表面積が増加して封止材７０との密着性が向上し、半導体デバイスの通電時の発熱によるリード電極４０および４１の熱変位をより強固に抑制できるので、半導体デバイスおよびろう材にかかる応力をさらに緩和でき、半導体装置モジュールの信頼性をさらに向上することができる。
　　＜変形例４＞
　以上説明した半導体装置モジュール１００においては、保持体６１および６１１のリード電極４０および４１を保持する部分に貫通孔ＨＬを設けた構成を示したが、図７に示す保持体６５および６５１のように、保持体の全体において複数のスリットＳＬを設けた構成としても良い。複数のスリットＳＬは、平面視形状が細長い矩形状の保持体６５および６５１の長辺に沿って間隔を開けて設けられ、その長さは、保持体６５および６５１の短辺の半分程度となっている。なお、スリットＳＬは、保持体６５および６５１の長辺に沿って設けられるが、それぞれの配列はスリットＳＬどうしが連通しないように互い違いとなるように設定されている。なお、スリットＳＬは保持体６５および６５１を切断しないように設ければ良く、上記の配置、長さに限定されるものではない。また、スリットＳＬの代わりにノッチを設けても良い。
　この構成を採ることで、保持体６５および６５１の表面積が増加して封止材７０との密着性が向上し、半導体デバイスの通電時の発熱によるリード電極４０および４１の熱変位をより強固に抑制できるので、半導体デバイスおよびろう材にかかる応力をさらに緩和でき、半導体装置モジュールの信頼性をさらに向上することができる。
　また、複数のスリットＳＬを設けることで、保持体直下の視認性が向上するので、樹脂ケース６０をヒートシンク５０上に載置する際に、リード電極と半導体デバイスとの位置決めが容易となり生産性の向上が期待できる。
　また、スリットは、図６に示した保持体６４の波打ち形状に比べて加工が容易であり、製造コストの増加を抑制できる。
　　＜変形例５＞
　以上説明した半導体装置モジュール１００においては、保持体６１および６１１のリード電極４０および４１を保持する部分に貫通孔ＨＬを設けた構成を示したが、図８に示す保持体６６および６６１のように、保持体の全体において複数の開口部ＯＰを設けた構成としても良い。複数の開口部ＯＰは、保持体６５および６５１の中央部に長手方向に沿って間隔を開けて設けられている。なお、図８においては、開口部ＯＰの平面視形状は円形としたが、矩形であっても良く、楕円、長円であっても良い。
　この構成を採ることで、保持体６６および６６１の表面積が増加して封止材７０との密着性が向上し、半導体デバイスの通電時の発熱によるリード電極４０および４１の熱変位をより強固に抑制できるので、半導体デバイスおよびろう材にかかる応力をさらに緩和でき、半導体装置モジュールの信頼性をさらに向上することができる。
　また、複数のスリットＳＬを設けることで、保持体直下の視認性が向上するので、樹脂ケース６０をヒートシンク５０上に載置する際に、リード電極と半導体デバイスとの位置決めが容易となり生産性の向上が期待できる。
　また、開口部は、図６に示した保持体６４の波打ち形状に比べて加工が容易であり、製造コストの増加を抑制できる。
　なお、以上説明した変形例２～５においては、各保持体は樹脂ケース６０と一体で構成されるものとしたが、樹脂ケース６０とは別体で構成し、樹脂ケース６０に対して、はめ込み、カシメおよびネジ留め等で固定する構成としても良い。この場合、樹脂ケース６０の構造が簡略化され、製造コストを低減できる。
　なお、保持体を樹脂ケース６０と一体で構成した場合には、部品点数を減らすことがでると共に、保持体の取り付け作業が不要となるので、製造工程を簡略化できる。
　＜実施の形態２＞
　図９は本発明に係る実施の形態１の半導体装置モジュール２００の構成を示す平面図である。図９に示す半導体装置モジュール２００は、図１に示した半導体装置モジュール１００と同様に、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ＦＷＤ等のパワーデバイスを１つのモジュールとしてパッケージングしたものであるが、ここでは単相インバータを示している。なお、図９においては、図１を用いて説明した半導体装置モジュール１００と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
　高出力の半導体装置モジュールが要求される昨今においては、並列に接続される半導体デバイスの個数が増加する傾向にあり、単相インバータであってもモジュールが大型化することとなる。
　図９においては、絶縁基板３１上に回路パターン３０２および３０３が設けられ、回路パターン３０２上にはスイッチングデバイスＴ１およびダイオードデバイスＤ１が搭載され、回路パターン３０３上にはスイッチングデバイスＴ１１およびダイオードデバイスＤ１１が搭載されている。スイッチングデバイスＴ１およびダイオードデバイスＤ１は、それぞれ４つのデバイスが並列に接続された構成を採り、スイッチングデバイスＴ１１およびダイオードデバイスＤ１１は、それぞれ４つのデバイスが並列に接続された構成を採っている。
　このように並列に接続される半導体デバイスの個数が増加することで、回路パターン３０２および３０３の面積も広くなり、リード電極４０および４１の一方端のアスペクト比が大きくなる。すなわち、リード電極４０は、横方向（Ｘ方向）に配列された４つのスイッチングデバイスＴ１と、それらに並列して配列された４つのダイオードデバイスＤ１の上部を覆うように、一方端が横方向に長い形状となっており、縦方向に対する横方向のアスペクト比が大きくなっている。
　また、リード電極４１は、縦方向（Ｙ方向）に配列された４つのスイッチングデバイスＴ１１と、それらに並列して配列された４つのダイオードデバイスＤ１１の上部を覆うように、一方端が縦方向に長い形状となっており、横方向に対する縦方向のアスペクト比が大きくなっている。そして、リード電極４１の縦方向に長い一方端の中央部分から横方向に延在する突出部が、回路パターン３０２上に、ろう材２３を介して接合される構成となっている。
　このように、リード電極４０および４１の一方端のアスペクト比が大きくなった場合、先端部を保持体で固定しただけでは、どこかに熱変位による歪みが生じる可能性がある。そのため、一方端が横方向に長い形状となっているリード電極４０においては、一方端の先端部を保持する保持体６１を設けると共に、一方端の横方向の両端部を保持するように２つの保持体６１２を設ける。
　ここで、２つの保持体６１２は、保持体６１と直交するように、保持体６１と樹脂ケース６０の壁面との間に渡るように設けられている。
　このような構成を採ることで、リード電極４０の一方端の横方向の両端部において、熱変位による歪みが生じることを抑制できる。
　また、一方端が縦方向に長い形状となっているリード電極４１においては、一方端の先端部を保持する保持体６１１を設けると共に、一方端の縦方向の中央部を保持するように保持体６１３を設ける。
　ここで、保持体６１３は、保持体６１１と平行するように、樹脂ケース６０の壁面と隔壁６０１との間に渡るように設けられている。
　このような構成を採ることで、リード電極４１の一方端の縦方向の中央部において、熱変位による歪みが生じることを抑制できる。
　なお、保持体６１２および６１３は、それぞれ保持体６１および６１１の機能を補助するので、補助保持体と呼称する場合もある。
　また、保持体６１２および６１３も、実施の形態１の変形例１～５と同様の形態を採っても良いことは言うまでもない。
　＜パワーデバイスの構成例＞
　以上説明した実施の形態１および２の半導体装置モジュールを構成するＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ＦＷＤ等のパワーデバイスは、シリコン（Ｓｉ）半導体を用いたシリコンデバイスに限定されるものではなく、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイヤモンド（Ｃ）などのシリコン半導体より広いワイドバンドギャップを有した半導体のデバイスでも良い。これらを用いる場合は、シリコンデバイスと比較して、耐圧性に優れ、許容電流密度も高く、耐熱性に優れ高温動作可能なデバイスを得ることができる。
　このため、パワーデバイスがより高温状態となり、リード電極の熱変位が起こりやすくなるが、本発明を適用することで、熱変位を抑制することができる。
　この発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。
　なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

Claims (10)

  1. 　上面電極と下面電極とを有した半導体デバイスと、
    　前記半導体デバイスの前記下面電極が接合される基板と、
    　前記基板を搭載するヒートシンクと、
    　前記半導体デバイスの主電流が流れるリード電極と、
    　前記基板を囲むように配設された絶縁ケースと、
    　前記絶縁ケース内に梁状に設けられ、前記リード電極を保持する保持体と、を備え、
    　前記リード電極は、一方端が前記半導体デバイスの前記上面電極にろう付けされ、他方端側が前記絶縁ケースの壁面内にインサートされ、
    　前記保持体は、前記リード電極の移動を規制するように前記リード電極の前記一方端上に係合する、半導体装置モジュール。
  2. 　前記絶縁ケース内には封止材が充填され、
    　前記保持体は、
    　その表面に設けられた複数の窪みを有する、請求項１記載の半導体装置モジュール。
  3. 　前記絶縁ケース内には封止材が充填され、
    　前記保持体は、
    　その表面が凹凸が繰り返す波打ち形状を有する、請求項１記載の半導体装置モジュール。
  4. 　前記絶縁ケース内には封止材が充填され、
    　前記保持体は、
    　その表面に設けられた複数のスリットを有する、請求項１記載の半導体装置モジュール。
  5. 　前記絶縁ケース内には封止材が充填され、
    　前記保持体は、
    　その厚み方向を貫通するように設けられた複数の開口部を有する、請求項１記載の半導体装置モジュール。
  6. 　前記保持体は、
    　前記リード電極の前記一方端の上面および側面に係合する、請求項１記載の半導体装置モジュール。
  7. 　前記保持体は、
    　前記絶縁ケースと一体で設けられる、請求項１から請求項６の何れか１項に記載の半導体装置モジュール。
  8. 　前記保持体は、
    　前記絶縁ケースとは別体で設けられる、請求項１から請求項６の何れか１項に記載の半導体装置モジュール。
  9. 　前記保持体は、
    　前記絶縁ケースとは異なる材質で構成される、請求項８記載の半導体装置モジュール。
  10. 　前記絶縁ケース内に梁状に設けられ、前記保持体の機能を補助する補助保持体をさらに備え、
    　前記補助保持体は、
    　前記保持体と平行に、または前記保持体と直行するように配置され、
    　前記リード電極の前記一方端のうち前記保持体が係合していない部分に係合する、請求項１記載の半導体装置モジュール。
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