半导体模块

摘要

本发明得到一种半导体模块，其能够提高绝缘性和构造可靠性。半导体元件(3、4)安装于绝缘电路基板(1)。印刷配线板(5)配置于绝缘电路基板(1)以及半导体元件(3、4)的上方，具有通孔(6a、6b、6c)。金属桩(9、10)的下端与半导体元件(3、4)的上表面接合。金属桩(9、10)具有将通孔(6a、6b、6c)贯通而接合的圆柱部(9b、9c、10b)。壳体(13)将绝缘电路基板(1)、半导体元件(3、4)、印刷配线板(5)以及金属桩(9、10)包围。封装材料(14)将壳体(13)的内部封装。

权利要求

1.一种半导体模块，其特征在于，具有：绝缘电路基板；

半导体元件，其安装于所述绝缘电路基板；

印刷配线板，其配置于所述绝缘电路基板以及所述半导体元件的上方，具有通孔；

金属桩，其下端与所述半导体元件的上表面接合，该金属桩具有将所述通孔贯通而与所述印刷配线板接合的圆柱部；

壳体，其将所述绝缘电路基板、所述半导体元件、所述印刷配线板以及所述金属桩包围；以及封装材料，其将所述壳体的内部封装。

2.根据权利要求1所述的半导体模块，其特征在于，所述金属桩具有与所述半导体元件的所述上表面接合的底座部，所述底座部的宽度大于所述通孔的宽度。

3.根据权利要求1所述的半导体模块，其特征在于，所述金属桩具有基座部分和从所述基座部分分支成两个的所述圆柱部，所述印刷配线板具有两个所述通孔，两个所述圆柱部分别将两个所述通孔贯通而与所述印刷配线板接合。

4.根据权利要求3所述的半导体模块，其特征在于，所述半导体元件具有在所述上表面设置且相互分割开的两个功率用电极，两个所述圆柱部分别与所述两个功率用电极接合。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的半导体模块，其特征在于，还具有：第一接合材料，其将所述金属桩与所述半导体元件接合；以及第二接合材料，其将所述金属桩与所述印刷配线板接合，所述第一接合材料的熔点高于所述第二接合材料的熔点。

6.一种半导体模块，其特征在于，具有：绝缘电路基板；

半导体元件，其安装于所述绝缘电路基板；

印刷配线板，其配置于所述绝缘电路基板以及所述半导体元件的上方，在下表面具有电路图案；

金属线，其两端与所述电路图案连接，该金属线的向下方垂下的部分通过接合材料与所述半导体元件的上表面接合；

壳体，其将所述绝缘电路基板、所述半导体元件、所述印刷配线板以及所述金属线包围；以及封装材料，其将所述壳体的内部封装。

7.一种半导体模块，其特征在于，具有：绝缘电路基板；

半导体元件，其安装于所述绝缘电路基板；

印刷配线板，其配置于所述绝缘电路基板以及所述半导体元件的上方，具有通孔；

压配部，其下端与所述半导体元件的上表面接合，该压配部被压入至所述通孔；

壳体，其将所述绝缘电路基板、所述半导体元件、所述印刷配线板以及所述压配部包围；以及封装材料，其将所述壳体的内部封装。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的半导体模块，其特征在于，作为所述半导体元件，厚度不同的多个半导体元件安装于所述绝缘电路基板。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的半导体模块，其特征在于，所述半导体元件由宽带隙半导体形成。

10.一种半导体模块，其特征在于，具有：绝缘电路基板；

第一半导体元件及第二半导体元件，它们安装于所述绝缘电路基板；

印刷配线板，其配置于所述绝缘电路基板以及所述第一半导体元件及第二半导体元件的上方，具有第一通孔及第二通孔，并且该印刷配线板在下表面具有电路图案；

金属桩，其下端与所述第一半导体元件的上表面接合，该金属桩具有将所述第一通孔贯通而与所述印刷配线板接合的圆柱部；

金属线，其两端与所述电路图案连接，该金属线的向下方垂下的部分与所述绝缘电路基板接合；

压配部，其下端与所述第二半导体元件的上表面接合，该压配部被压入至所述第二通孔；

壳体，其将所述绝缘电路基板、所述第一半导体元件及第二半导体元件、所述印刷配线板、所述金属桩、所述金属线以及所述压配部包围；以及封装材料，其将所述壳体的内部封装。

说明书

半导体模块

技术领域

[0001] 本发明涉及一种将印刷配线板内置于模块内部的半导体模块。

背景技术

[0002] 通常的功率模块是通过金属线等将半导体元件与电路图案连接而形成电路。为了模块的进一步高密度化和高可靠性化，提出了使用印刷配线板进行与半导体元件的连接的技术。以往，在绝缘电路基板安装半导体元件，与半导体元件的上表面接合的扁平铜线将印刷配线板的通孔贯通而接合(例如，参照专利文献1的图4)。

[0003] 专利文献1：日本特开2016-29688号公报

[0004] 以往，由于将封装后的模块内部的半导体元件与模块外部的印刷配线板连接，因此不要求两者的间隙控制的精度。另一方面，在将印刷配线板内置于模块内部的情况下，需要在半导体元件与印刷配线板的间隙填充封装材料，因此要求两者的间隙控制的精度。

[0005] 有时绝缘电路基板会因热应力而产生翘曲。特别是在向绝缘电路基板安装了厚度不同的半导体元件的情况下容易产生翘曲。翘曲是不仅向Z方向(垂直方向)而且还向包含X、Y方向(横向)在内的全方位的立体翘曲。但是，由于扁平铜线是平行平板，因此向X、Y方向的刚性大，难以变形。因此，扁平铜线虽然能够追随垂直方向的翘曲，但难以在X、Y方向上追随。

[0006] 另外，由于在现有技术中将扁平铜线折叠，因此存在回推(press back)或者弯曲的残留应力等，难以使高度均匀，难以进行半导体元件与印刷配线板的间隙控制。如果扩大折叠的铜线的间隔，则容易使高度均匀，但高度变高而不能收纳于封装体内。并且，折叠的铜线以电流的方向彼此相反的方式相邻配置而具有降低自感的效果，但如果扩大折叠的铜线的间隔，则该效果减少。

[0007] 如上所述，如果使用以往的扁平铜线将半导体元件与印刷配线板连接，则难以进行半导体元件与印刷配线板的间隙控制。因此，在将印刷配线板内置于模块内部的情况下，存在封装材料的填充性降低、绝缘性和构造可靠性降低的问题。

发明内容

[0008] 本发明就是为了解决上述课题而提出的，其目的在于，得到一种能够提高绝缘性和构造可靠性的半导体模块。

[0009] 本发明所涉及的半导体模块的特征在于，具有：绝缘电路基板；半导体元件，其安装于所述绝缘电路基板；印刷配线板，其配置于所述绝缘电路基板以及所述半导体元件的上方，具有通孔；金属桩，其下端与所述半导体元件的上表面接合，该金属桩具有将所述通孔贯通而与所述印刷配线板接合的圆柱部；壳体，其将所述绝缘电路基板、所述半导体元件、所述印刷配线板以及所述金属桩包围；以及封装材料，其将所述壳体的内部封装。

[0010] 发明的效果

[0011] 在本发明中，金属桩的圆柱部将印刷配线板的通孔贯通而与印刷配线板接合。使圆柱部相对于通孔移动，由此，金属桩与印刷配线板能够追随绝缘电路基板的纵向翘曲。另外，圆柱部在横向上也容易变形。因此，金属桩与印刷配线板能够追随绝缘电路基板的全方位的立体翘曲。因此，能够对绝缘电路基板与印刷配线板的间隙进行控制，能够提高封装材料的填充性，提高绝缘性和构造可靠性。

附图说明

[0012] 图1是表示实施方式1所涉及的半导体模块的剖面图。

[0013] 图2是金属桩的俯视图。

[0014] 图3是半导体元件的俯视图。

[0015] 图4是表示实施方式2所涉及的半导体装置的剖面图。

[0016] 图5是表示实施方式3所涉及的半导体装置的剖面图。

[0017] 图6是表示实施方式4所涉及的半导体模块的剖面图。

[0018] 图7是表示实施方式5所涉及的半导体模块的剖面图。

[0019] 标号的说明

[0020] 1绝缘电路基板，3、4半导体元件，5印刷配线板，6a、6b、6c通孔，7电路图案，9、10金属桩，9a基座部分，9b、9c、10b圆柱部，10a底座部，11、12、19接合材料，13壳体，14封装材料，16a、16b发射极电极(功率用电极)，18金属线，20压配部。

具体实施方式

[0021] 参照附图，对实施方式所涉及的半导体模块进行说明。对于相同或者对应的结构要素标注相同的标号，有时省略重复的说明。

[0022] 实施方式1.

[0023] 图1是表示实施方式1所涉及的半导体模块的剖面图。在通过树脂进行了绝缘的绝缘电路基板1的表面形成有电路图案2。半导体元件3、4安装于绝缘电路基板1。例如，半导体元件3是IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)。半导体元件4是FWDi(Free Wheel Diode)。半导体元件3的厚度是0.1mm，半导体元件4的厚度是0.3mm，两者的厚度不同。此外，也可以将除了半导体元件3、4以外的电子部件安装于绝缘电路基板1。

[0024] 印刷配线板5配置于绝缘电路基板1以及半导体元件3、4的上方。印刷配线板5具有通孔6a、6b、6c和大于或等于1层的电路图案7。半导体元件3、4通过芯片焊接材料8与绝缘电路基板1的电路图案2接合。形状不同的金属桩9、10分别通过接合材料11与半导体元件3、4的上表面接合。

[0025] 金属桩9具有剖面面积大的基座部分9a和从基座部分9a分支为2个的圆柱部9b、9c。该2个圆柱部9b、9c分别将2个通孔6a、6b贯通而与印刷配线板5的电路图案7接合。图2是金属桩10的俯视图。金属桩10具有与半导体元件4接合的底座部10a、将通孔6c贯通而通过接合材料12与电路图案7接合的圆柱部10b。

[0026] 这里，在半导体模块的组装中，首先，通过接合材料11分别将金属桩9、10与半导体元件3、4的上表面接合。接着，使金属桩9、10将印刷配线板5的通孔6a、6b、6c贯通而通过接合材料12与电路图案7接合。此时，接合材料11、12同时熔融。由于绝缘电路基板1与半导体元件3、4的热膨胀系数不同而产生绝缘电路基板1的翘曲。通过表面张力与在半导体元件3、4的上表面熔融的接合材料11粘接的金属桩9、10追随绝缘电路基板1的翘曲。

[0027] 壳体13将绝缘电路基板1、半导体元件3、4、印刷配线板5以及金属桩9、10包围。为了保护绝缘电路基板1、半导体元件3、4、印刷配线板5，封装材料14将壳体13的内部封装。封装材料14例如是硬质的环氧树脂等绝缘封装材料。硬质的环氧树脂的粘度大约是20～50Pa·s，与通常的封装材料即硅凝胶的粘度0.5～2Pa·s相比是大约10～100倍大。需要将这样的封装材料14在绝缘电路基板1与印刷配线板5之间填充于最窄部即半导体元件3、4之上。因此，考虑到封装材料14的流动性差和粘度大，最低需要大于或等于200μm的间隙。此外，所要求的间隙的大小也与半导体元件3、4的耐压有关系。

[0028] 例如，如果绝缘电路基板1的电路图案2的材质是Cu，则热膨胀系数是17。如果半导体元件3、4的材质是SiC，则热膨胀系数是7。由于该热膨胀系数之差，在接合材料11熔融、固化时的温度下，绝缘电路基板1产生翘曲或者形变。因此，半导体元件3、4与印刷配线板5的间隙变得不均匀。

[0029] 与此相对，在本实施方式中，金属桩9、10的圆柱部9b、9c、10b将印刷配线板5的通孔6a、6b、6c贯通而与电路图案7接合。在接合材料12熔融的状态下，圆柱部9b、9c、10b相对于通孔6a、6b、6c移动，由此，金属桩9、10与印刷配线板5能够追随绝缘电路基板1的纵向翘曲。另外，圆柱部9b、9c、10b在横向上也容易变形。因此，金属桩9、10与印刷配线板5能够追随绝缘电路基板1的全方位的立体翘曲。因此，能够对绝缘电路基板1与印刷配线板5的间隙进行控制，能够稳定地得到如设计那样的200μm～2mm左右的均匀的间隙。由此，提高了封装材料14的填充性，封装材料14不会产生气泡等未填充部，而是充分地填充于间隙，因此能够提高绝缘性和构造可靠性。

[0030] 另外，在现有技术中，由于配线端子在因基板翘曲而变形的状态下通过封装材料固定而与模块外部的印刷配线板连接，因此需要增大印刷配线板的通孔的直径。与此相对，在本实施方式中，由于将印刷配线板5内置于模块内部，因此在将印刷配线板5与金属桩9、10接合之后进行封装。而且，如上所述，由于金属桩9、10与印刷配线板5能够追随绝缘电路基板1的翘曲，因此不需要将印刷配线板5的通孔6a、6b、6c的直径设得大。

[0031] 另外，如果厚度不同的多个半导体元件3、4安装于绝缘电路基板1，则绝缘电路基板1变得容易翘曲，因此，对上述翘曲的追随特别重要。另外，将扁平铜线折叠而成的以往的配线端子的配线长度长，电阻大。与此相对，金属桩9、10由于能够缩短配线长度而减小电阻，因此适于流过大电流的半导体模块。

[0032] 另外，就对几十安培至几百安培进行控制的功率半导体而言，在使用印刷配线板5的通孔而流过电流的情况下，分叉构造的金属桩9是有效的。另外，金属桩10的剖面形状为倒T字形。金属桩10上侧的圆柱部10b的宽度小于通孔6c的宽度，确保了两者的间隙。由该间隙决定对绝缘电路基板1的翘曲的追随范围。另一方面，金属桩10下侧的底座部10a的宽度大于通孔6c的宽度。由于该底座部10a成为防止印刷配线板5下降的阻挡部，因此能够确保绝缘电路基板1与印刷配线板5的间隙。另外，由于金属桩10与半导体元件4的接合面积变大，因此，提高了从半导体元件4的散热性。

[0033] 另外，优选使接合材料11的熔点高于接合材料12的熔点。由此，在通过加热炉等升温而使两者熔融后，在降温时接合材料11先凝固，接合材料12呈熔融的状态。因此，金属桩9、10能够在印刷配线板5的通孔6a、6b、6c内自由移动，所以金属桩9、10与印刷配线板5能够追随绝缘电路基板1的纵向翘曲。而且，由于负荷不会施加于先凝固的接合材料11，因此能够避免接合材料11的接合不良。另外，将半导体元件3、4与金属桩9、10接合的接合材料11先凝固，由此能够防止金属桩9、10相对于半导体元件3、4的位置偏移。

[0034] 另外，如果在半导体元件3的上表面增大栅极电极等信号用电极，则发射极电极等功率用电极的面积相应地变小，作为功率半导体装置的性能降低。因此，信号用电极的面积不能增大，所以，金属桩向信号用电极的接合要求高的位置精度。本实施方式对这样的金属桩向信号用电极的接合也有效。

[0035] 实施方式2.

[0036] 图3是半导体元件的俯视图。半导体元件3是流过大电流的尺寸大的IGBT芯片。在半导体元件3的上表面设置有流过控制信号的信号用电极即栅极电极15。另外，在半导体元件3的上表面，相互分离地设置有流过大电流的功率用电极即发射极电极16a、16b。在发射极电极16a、16b之间形成有分割线17。分割线17与通电区域的电位不同，如果两者接触，则半导体元件3失去功能。

[0037] 图4是表示实施方式2所涉及的半导体装置的剖面图。使金属桩9的基座部分9a朝向上侧，向下方延伸的圆柱部9b、9c分别插入至通孔6a、6b。圆柱部9b、9c的前端在不与半导体元件3的分割线17接触的状态下分别与发射极电极16a、16b接合。由此，能够增大金属桩9与半导体元件3的接合面积，因此有利于向适配于大电流的半导体元件3的接合。其他结构以及效果与实施方式1相同。

[0038] 此外，与实施方式1不同，金属桩10的剖面形状为T字状，没有防止印刷配线板5下降的阻挡部。因此，为了确保绝缘电路基板1与印刷配线板5的间隙，也可以将印刷配线板5固定支撑于壳体13。或者，也可以使用实施方式1的倒T字型的金属桩10而确保间隙。

[0039] 实施方式3.

[0040] 图5是表示实施方式3所涉及的半导体装置的剖面图。在本实施方式中，取代金属桩9、10而使用金属线18。金属线18的两端与印刷配线板5的下表面的电路图案7连接，向下方垂下。预先将控制为所需高度的金属线18与印刷配线板5接合。金属线18的向下方垂下的部分通过接合材料19与半导体元件3、4的上表面接合。金属线18由能够与接合材料19接合的材质构成，例如是Cu线。

[0041] 在本实施方式中，通过对金属线18的高度进行控制，从而能够任意地设定印刷配线板5与绝缘电路基板1之间的间隙。因此，能够提高封装材料14的填充性，提高绝缘性和构造可靠性。另外，金属线18与板簧构造相比，高度的控制是容易的，因此，即使在具有多个接合部的情况下，也能够单独地进行高度的控制。

[0042] 此外，如果使用多根金属线18，则也能够仅通过金属线18对印刷配线板5进行支撑，但也可以将印刷配线板5固定支撑于壳体13。另外，也能够使多根金属线18与流过大电流的功率用电极接合，使1根金属线18与流过小电流的信号用电极接合。由此，在通常来说区域小的信号用电极的连接中也能够应用本实施方式的结构。Cu线的直径是200μm～500μm，但与由半导体元件3、4的额定电流决定的根数一起来选择。这样，金属线18的直径大，能够得到某种程度的刚性，因此不会产生因封装材料14的填充而造成的影响，例如金属线18的变形。

[0043] 实施方式4.

[0044] 图6是表示实施方式4所涉及的半导体模块的剖面图。在本实施方式中，取代金属桩9、10而使用压配部(press fit)20。压配部20也被称为郁金香压头(tulip press)，其下端通过接合材料11与半导体元件3、4的上表面接合，压配部分被直接压入至通孔6a、6b、6c。压入前的压配部20具有比通孔6a、6b、6c的直径大的宽度。通过由压入的压配部20的弹性变形产生的压力，维持压配部20与通孔6a、6b、6c的接触。

[0045] 通过使用压配部20，从而无需使用接合材料12就能够与印刷配线板5电连接。因此，能够进行常温状态下的连接，在组装时不需要用于使接合材料12熔融的升温。因此，组装变得简易，生产率优异。另外，由于压配部20的装卸是容易的，因此在需要进行印刷配线板5的更换的情况下是有效的。其他结构以及效果与实施方式1相同。

[0046] 实施方式5.

[0047] 图7是表示实施方式5所涉及的半导体模块的剖面图。本实施方式具有下述全部部件：实施方式1或2的具有圆柱部9b、9c、10b的金属桩9、10、实施方式3的金属线18以及实施方式4的压配部20。

[0048] 今后，在功率半导体装置的应用范围不断扩大的过程中，有时在1个功率半导体装置之中混合搭载多个电路和最适于它的半导体元件例如Si元件或者SiC元件等。在这样的情况下，通过对实施方式1～4的结构进行组合而有选择地应用，从而能够以最佳的空间构成内部电路，能够得到集成度高的功率半导体装置。

[0049] 本发明在其发明范围内，能够自由地对各实施方式以及变形例进行组合，适当地对各实施方式进行变形、省略。绝缘电路基板1是通过树脂进行了绝缘的绝缘电路基板，但不限于此，也可以是由陶瓷基材构成的绝缘电路基板，也可以是图案化的引线框。半导体元件3、4并不限于IGBT，也可以是MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)。封装材料14不限于硬质环氧树脂，也可以是硅酮类的封装材料，能够得到同样的效果。芯片焊接材料8以及接合材料11、12、19通常是焊料，但不限于此，也可以是烧结性的包含Ag或者Cu颗粒的接合材料。通过使用烧结性的接合材料，与焊接的情况相比，能够提高接合部寿命。在使用能够进行高温下的工作的由宽带隙半导体形成的半导体元件3、4的情况下，为了发挥其特性，使用烧结材料实现的接合部寿命提高是有效的。

[0050] 半导体元件3、4不限于由硅形成，也可以由带隙比硅大的宽带隙半导体形成。宽带隙半导体例如是碳化硅、氮化镓类材料或者金刚石。由这样的宽带隙半导体形成的半导体元件的耐电压性、容许电流密度高，因此能够小型化。通过使用该小型化的半导体元件，装入了该半导体元件的半导体模块也能够小型化、高集成化。另外，由于半导体元件的耐热性高，因此能够使散热器的散热鳍片小型化，能够使水冷部空冷化，因此能够使半导体模块进一步小型化。另外，由于半导体元件的功率损耗低且效率高，因此能够使半导体模块高效率化。此外，优选半导体元件3、4这两者由宽带隙半导体形成，但也可以是任意一方由宽带隙半导体形成，能够得到本实施方式所记载的效果。