半导体模块的制作方法

1.本技术涉及半导体模块。


背景技术：

2.在功率电子的领域中，使用了ac/dc转换器、dc/dc转换器和逆变器等功率转换装置。功率转换装置具备利用半导体开关元件的开关动作来转换功率的半导体模块。由功率半导体构成的半导体开关元件例如为mosfet(金属氧化物场效应晶体管、metal oxide semiconductor field effect transistor)、igbt(绝缘栅双极型晶体管、insulated gatebipolar transistor)。它们一般具有栅极、源极、漏极(或栅极、发射极、集电极)这3个电极。半导体开关元件通过使施加到栅极的电压即栅极电压变化，来控制在源极(发射极)与漏极(集电极)之间流过的大电流。
3.在半导体开关元件中，将在源极-漏极间(发射极-集电极间)使预先确定的一定值以上的电流流过所需的栅极电压称为阈值电压(threshold voltage：vth)。一般而言，阈值电压对于温度呈负的依赖性。即，随着半导体开关元件的温度上升，阈值电压降低。反之，如果半导体开关元件的温度降低，则阈值电压增大。如果阈值电压增大，则不仅半导体开关元件的导通电阻(沟道电阻)增大，在半导体开关元件的开关动作时导通速度变快，截止浪涌电压也增大。如果稳态损耗因导通电阻的增大而增加，则无法抑制半导体开关元件的发热。此外，若截止浪涌电压增大，则有时会超过半导体开关元件的额定电压。为了抑制这些情况，在半导体开关元件的设计中，通过增大半导体开关元件的通电面积、将半导体开关元件的额定电压设定得较高来进行应对。
4.在使半导体开关元件的通电面积变大的情况下，每个半导体开关元件的材料费变高，因此半导体模块的成本增加。此外，由于内包的半导体开关元件的尺寸变大，因此半导体模块的尺寸变大。在将半导体开关元件的额定电压设定得较高的情况下，将耐压保持层形成得较厚等半导体开关元件的工艺的成本增加。此外，随着耐压保持层的厚度的增大，半导体开关元件的导通电阻也增加，因此，抑制发热所需的半导体开关元件的面积变大，所以半导体开关元件的成本增加，半导体模块的尺寸变大。由此，由于半导体开关元件的阈值电压具有负的温度特性，存在导致半导体模块的成本增加以及尺寸增大的问题。
5.针对上述问题，公开了一种设置开关电路的技术，该开关电路中，使内置于栅极驱动电路且影响栅极驱动速度的电阻根据每个元件温度而可变(例如，参照专利文献1)。所公开的技术中，通过切换栅极驱动电路内的电阻来抑制截止浪涌电压的增大，从而能抑制半导体开关元件的额定电压的增大。现有技术文献专利文献
6.专利文献1：日本专利特开2002－199700号公报


技术实现要素：

发明所要解决的技术问题
7.上述专利文献1中的半导体功率转换装置的结构中，根据半导体开关元件的温度来切换栅极驱动电路内的电阻，因此，能抑制截止浪涌电压的增大。然而，在根据半导体开关元件的温度来切换栅极驱动电路内的电阻的情况下，需要监视半导体开关元件的温度并控制栅极驱动电路的电阻值，因此，追加的元器件需要很大的数量，所以存在如下问题：在半导体模块的成本增加的同时，半导体模块变得大型化。此外，存在如下问题：为了应对控制的复杂化以及故障模式的增加，半导体模块的制造所涉及的成本增加。
8.因此，本技术的目的在于得到一种抑制了低温下的导通电阻的增大和截止浪涌电压的增大的、小型且廉价的半导体模块。用于解决技术问题的技术手段
9.本技术所公开的半导体模块包括：半导体开关元件；以及应力施加部，该应力施加部设置于半导体开关元件的第一表面和与第一表面相反侧的第二表面中的一方或双方，具有比半导体开关元件的主要材料的线膨胀系数要大的线膨胀系数，且厚度比半导体开关元件要厚，应力施加部利用伴随温度变化的应力施加部的热收缩或热膨胀，使半导体开关元件产生压缩应力或拉伸应力，随着半导体开关元件的压缩应力或拉伸应力的大小的增加，半导体开关元件导通的阈值电压降低。发明效果
10.根据本技术所公开的半导体模块，具备应力施加部，该应力施加部设置于半导体开关元件的第一表面和与第一表面相反侧的第二表面中的一方或双方，具有比半导体开关元件的主要材料的线膨胀系数要大的线膨胀系数，且厚度比半导体开关元件要厚，应力施加部利用伴随温度变化的应力施加部的热收缩或热膨胀，使半导体开关元件产生压缩应力或拉伸应力，随着半导体开关元件的压缩应力或拉伸应力的大小的增加，半导体开关元件导通的阈值电压降低，因此，能抑制导通电阻的增大和截止浪涌电压的增大，所以能降低半导体开关元件的面积和半导体开关元件的额定电压，能得到小型且廉价的半导体模块。
附图说明
11.图1是示出实施方式1所涉及的半导体模块的外观的概要的俯视图。图2是示出在图1的a-a截面位置处切断的半导体模块的概要的剖视图。图3是示出实施方式1所涉及的半导体模块的主要部分的俯视图。图4是示出实施方式1所涉及的半导体模块的主要部分的其它俯视图。图5是示出实施方式1所涉及的半导体模块的半导体开关元件的阈值电压的温度特性的一个示例的图。图6是示出施加于实施方式1所涉及的半导体模块的半导体开关元件的电压波形的一个示例的图。图7是示意性地说明实施方式1所涉及的半导体模块的半导体开关元件中产生的压缩应力的图。图8是示出实施方式1所涉及的其它半导体模块的主要部分的俯视图。图9是示出实施方式1所涉及的其它半导体模块的主要部分的俯视图。
图10是示出实施方式2所涉及的半导体模块的概要的剖视图。图11是模拟实施方式2所涉及的半导体模块的半导体开关元件的截止时得到的等效电路的图。图12是示出实施方式2所涉及的半导体模块的半导体开关元件的阈值电压的减少量与截止时间的增加量之间的相关性的图。图13是示出在实施方式2所涉及的半导体模块的半导体开关元件表面所产生的变形与阈值电压的变动量之间的相关性的图。图14是示出实施方式2所涉及的半导体模块的应力施加部的厚度与半导体开关元件表面所产生的变形之间的相关性的图。图15是示出实施方式2所涉及的其它半导体模块的概要的侧视图。图16是示出实施方式2所涉及的其它半导体模块的主要部分的俯视图。图17是示出实施方式2所涉及的其它半导体模块的主要部分的俯视图。图18是示出实施方式3所涉及的半导体模块的概要的剖视图。
具体实施方式
12.以下，基于附图对本技术的实施方式所涉及的半导体模块进行说明。另外，各图中关于相同或相当的构件、部位，标注相同标号来进行说明。
13.实施方式1.图1是示出实施方式1所涉及的半导体模块100的外观的概要的俯视图，图2是示出在图1的a-a截面位置处切断的半导体模块100的概要的剖视图，图3是示出半导体模块100的主要部分的俯视图，是将绝缘树脂材料6去除来示出第一表面1a侧的半导体开关元件1、应力施加部10a和汇流条5(虚线)的部分的图，图4是示出半导体模块100的主要部分的其它俯视图，是将绝缘树脂材料6去除来示出第二表面1b侧的半导体开关元件1、应力施加部10b和应力施加部10a(虚线)的部分的图，图5是示出半导体模块100的半导体开关元件1的阈值电压的温度特性的一个示例的图，图6是示出施加于半导体模块100的半导体开关元件1的电压波形的一个示例的图，图7是示意性地说明半导体模块100的半导体开关元件1中产生的压缩应力的图。功率转换用的半导体模块100主要搭载于将所希望的功率转换为直流或交流电压的功率转换装置。半导体模块100在内部具有mosfet(metal oxide semiconductor field effect transistor：金属氧化物半导体场效应管)、igbt(insulated gate bipolar transistor：绝缘栅双极型晶体管)等半导体开关元件1。半导体模块100通过半导体开关元件1的开关动作来转换功率。
14.＜半导体模块100＞如图2所示，半导体模块100包括半导体开关元件1、应力施加部10a、10b、散热构件2、汇流条4、5以及覆盖它们的绝缘树脂材料6。图2中,用虚线表示绝缘树脂材料6的外形。应力施加部10a设置在半导体开关元件1与汇流条5之间，应力施加部10b设置在半导体开关元件1与散热构件2之间。如图1所示，汇流条4、5的一部分从绝缘树脂材料6露出到外部来设置。汇流条4、5在露出到外部的部分中与外部的设备相连接。汇流条4、5例如由导电性较高的铜来制作。
15.本实施方式中，在由mosfet或igbt等功率半导体构成的半导体开关元件1中，将形
成沟道区域且存在源极电极(发射极电极)的一侧称为半导体开关元件1的表面即第一表面1a，并将形成漏极电极(集电极电极)的表面称为背面即第二表面1b。以下，除非另有说明，否则在半导体模块100的剖视图中，将半导体开关元件1的第一表面1a朝向图的上侧来记载，并将第二表面1b朝向图的下侧来记载。半导体开关元件1的主要材料为硅、碳化硅或氧化稼等半导体材料。半导体开关元件1中，可以使用带隙比硅要宽的宽带隙半导体即化合物半导体。由于其材料特性，化合物半导体作为用于功率转换装置的器件较为优异，并且比硅要硬。此外，由碳化硅和氧化稼构成的半导体开关元件1通常以比硅所构成的半导体开关元件1要小的厚度来形成。
16.汇流条5连接到设置于第一表面1a的应力施加部10a中的与半导体开关元件1一侧相反侧的部分。图3中，汇流条5的外形是用虚线示出的部分。汇流条5与应力施加部10a例如通过焊料相连接。散热构件2连接到设置于第二表面1b的应力施加部10b中的与半导体开关元件1一侧相反侧的部分。散热构件2具备作为与第二表面1b相连接的电极的功能，汇流条4连接到散热构件2。散热构件2例如由铜形成为矩形板状，但并不限于此，也可以是块状。散热构件2与半导体开关元件1热连接且电连接，并将半导体开关元件1所产生的热释放到外部。此外，散热构件2将经由半导体开关元件1在汇流条5中产生的热释放到外部。散热构件2与应力施加部10b例如通过焊料相连接。
17.＜应力施加部10a、10b＞应力施加部设置于半导体开关元件1的第一表面1a和与第一表面1a相反侧的第二表面1b中的一方或双方。本实施方式中，如图3所示，2个应力施加部10a设置于第一表面1a。此外，如图4所示，1个应力施加部10b设置于第二表面1b。设置于第一表面1a的2个应力施加部10a在平行于第一表面1a的第一方向上(图3所示的箭头b的方向)隔开间隔来配置。从垂直于第一表面1a的方向观察，设置于第二表面1b的1个应力施加部10b配置在设置于第一表面1a的第一方向的一侧的应力施加部10a中的第一方向的一侧的端部10a1、与设置于第一表面1a的第一方向的另一侧的应力施加部10a中的第一方向的另一侧的端部10a2之间。
18.应力施加部10a、10b具有比半导体开关元件1的主要材料的线膨胀系数要大的线膨胀系数。应力施加部10a、10b的厚度比半导体开关元件1要厚。应力施加部10a、10b例如由具有1mm以上的厚度的铜来制作。应力施加部10a、10b并不限于铜，也可以是铝等其它材料。在应力施加部10a、10b为铜的情况下，由铜构成的应力施加部10a、10b随着温度的下降而发生热收缩。应力施加部10a与汇流条5连接，应力施加部10b与具备作为电极的功能的散热构件2连接，因此，应力施加部10a、10b优选为导电性和导热性优异的材料。然而，应力施加部10a、10b并不限于导电性和导热性优异的材料，也可以构成为汇流条5与散热构件2不经由应力施加部10a、10b而连接到半导体开关元件1。
19.通过这样来构成，由于伴随温度变化的应力施加部10a、10b的热收缩或热膨胀，应力施加部10a、10b使半导体开关元件1产生压缩应力或拉伸应力。如图7所示，在应力施加部10a、10b发生热收缩的情况下，在半导体开关元件1中的第一表面1a一侧，在2个箭头c所示的方向上产生压缩应力。在应力施加部10a、10b发生热膨胀的情况下，在半导体开关元件1中的第一表面1a侧产生拉伸应力。
20.半导体开关元件1与应力施加部10a、10b通过接合层(未图示)相接合，以使得彼此不滑动。在经由接合层将半导体开关元件1与应力施加部10a、10b相连接的情况下，能高效
地从应力施加部10a、10b向半导体开关元件1施加应力。此外，由于半导体开关元件1与应力施加部10a、10b之间的剥离被抑制，因此，能使半导体开关元件1与应力施加部10a、10b之间的热可靠性提高。接合层例如是银粒子或铜粒子等金属粒子，使用比焊料更硬的材料来形成。在对接合层使用金属粒子的情况下，通过加热、加压或加热和加压这双方，半导体开关元件1与应力施加部10a、10b相接合。在使用金属粒子那样较硬的材料的情况下，与不使用较硬材料的情况相比，能使从应力施加部10a、10b施加到半导体开关元件1的应力增加。
21.半导体开关元件1与应力施加部10a、10b并不限于构成为通过接合层来接合。半导体开关元件1与应力施加部10a、10b也可以构成为相抵接。例如，在半导体开关元件1与应力施加部10a、10b通过压接相抵接的情况下，应力施加部10a、10b具有向半导体开关元件1施加应力的功能、以及将半导体开关元件1与散热构件2接合的功能。在半导体开关元件1与应力施加部10a、10b相抵接的情况下不需要接合层，因此，能使半导体模块100的生产性提高。
22.对半导体开关元件1中产生压缩应力或拉伸应力时的效果进行说明。半导体开关元件1中，在源极-漏极间(发射极-集电极间)使预先确定的一定值以上的电流流过所需的栅极电压即阈值电压(threshold voltage：vth)相对于温度呈现负的依赖性。如图5的实线所示，半导体开关元件1的阈值电压随着温度降低而增大。如果阈值电压增大，则半导体开关元件1的导通电阻(沟道电阻)增大，截止浪涌电压也增大。因此，施加到温度下降时的半导体开关元件1的电压波形成为图6的实线所示那样的波形。
23.半导体开关元件1具有如下特性：随着施加于半导体开关元件1的压缩应力或拉伸应力的大小的增加，半导体开关元件1导通的阈值电压降低。在使用由铜构成的应力施加部10a、10b的情况下，随着半导体模块100的温度的降低，应力施加部10a、10b的热收缩变得更显著，半导体开关元件1中产生的压缩应力也变得更强大。因此，随着半导体模块100的温度的降低，使半导体开关元件1的阈值电压降低的效果变得更大。
24.图5中，用点划线示出在图5的实线所示的半导体开关元件1的阈值电压的温度特性中加上应力施加时阈值电压降低的特性后得到的结果的示例。点划线所示的阈值电压的温度特性与不施加应力的现有的实线所示的特性相比，斜率变得平缓。图5中应当注意的点在于，当应力施加时图5的实线并非平行移动，而是以温度t2的阈值电压为起点，温度特性的斜率变小。由此，能保持高温时所需的阈值电压，并且能抑制低温下的阈值电压的增大。
25.在图6中，除了施加到图6的实线所示的温度下降时的半导体开关元件1的电压波形以外，还用点划线示出应力施加了的温度t1下的电压波形的结果的示例。低温下的阈值电压的增大被抑制，因此，如图6的点划线所示那样，在时间t1，能抑制因低温下的半导体开关元件1的阈值电压的增大而引起的截止浪涌电压的增大和截止浪涌速度的增大。此外，由于能抑制阈值电压的增大，因此也能抑制导通电阻的增大。由此，在半导体开关元件1的设计中，不需要为了避免低温下的导通电阻的增大和截止浪涌电压的增大而使半导体开关元件1的通电面积增大、以及将半导体开关元件1的额定电压设定得较高，能减小半导体开关元件1的面积，并能降低半导体开关元件1的额定电压。通过缓和半导体开关元件1的阈值电压的温度特性，从而能减小半导体开关元件1的面积和半导体开关元件1的额定电压，因此，能得到抑制了低温下的导通电阻的增大和截止浪涌电压的增大的、小型且廉价的半导体模块。
26.考虑为阈值电压的温度特性受到针对形成有沟道区域的第一表面1a的应力施加
情况的影响，而不受到针对半导体开关元件1的第二表面1b的应力施加情况的影响。因此，优先配置应力施加部10a、10b，以使得第一表面1a产生应力。使第一表面1a产生应力的应力施加部10a、10b的配置、大小、数量并不限于本实施方式的结构，但在采用本实施方式的结构的情况下，能以较少个数的应力施加部10a、10b高效地对第一表面1a施加应力。此外，应力施加部10a、10b的个数较少，因此，能使半导体模块100的生产性提高。另外，应力施加部可以仅设置于第一表面1a或第二表面1b的任一方。在仅对第一表面1a或第二表面1b的任一方设置应力施加部的情况下，部件数量减少，因此，能使半导体模块100小型化，能使半导体模块100的生产性提高。
27.此外，如图8所示，也可以进一步设置多个应力施加部10a。图8是示出实施方式1所涉及的其它半导体模块100的主要部分的俯视图，是将绝缘树脂材料6去除来示出第一表面1a侧的半导体开关元件1、应力施加部10a和汇流条5(虚线)的部分的图。通过这样构成，从而能使施加于第一表面1a的应力的大小以及应力施加的区域变化，因此，能容易地得到所希望的阈值电压的温度特性。本实施方式中，仅示出使应力施加部10a的数量增加的示例，但并不限于此，也可以使应力施加部10b的数量增加来构成。此外，不仅是应力施加部的数量，也可以使应力施加部的配置和大小变化来改变施加于第一表面1a的应力的大小以及应力施加的区域。
28.此外，如图9所示，设置于第一表面1a的应力施加部10a与汇流条5可以由相同材料构成，设置于第一表面1a的应力施加部10a与汇流条5可以一体化。图9是示出实施方式1所涉及的其它半导体模块100的主要部分的俯视图，是从半导体开关元件1一侧示出一体化后的应力施加部10a和汇流条5得到的图。形成应力施加部10a和汇流条5的材料例如是铜。图9所示的结构中，可以以相同宽度来形成应力施加部10a和汇流条5。通过以相同宽度形成应力施加部10a和汇流条5，从而能使一体化后的应力施加部10a与汇流条5的生产性提高。在像这样利用相同材料使应力施加部10a和汇流条5一体化来设置的情况下，构成半导体模块100的部件数量减少，可削减将应力施加部10a与汇流条5相接合的工序，因此，能使半导体模块100的生产性提高。
29.半导体开关元件1中，主要材料可以使用比硅更硬的化合物半导体即碳化硅、氧化稼等。化合物半导体比硅更硬，因此，能使从应力施加部10a、10b施加到半导体开关元件1的应力变大。从应力施加部10a、10b施加到半导体开关元件1的应力变大，因此，能使阈值电压的温度特性变缓的效果更为显著。此外，碳化硅和氧化稼等化合物半导体以比硅更小的厚度来形成，因此，在半导体开关元件1为化合物半导体的情况下，能使从应力施加部10a、10b施加到半导体开关元件1的应力变大。
30.如上所述，在实施方式1所涉及的半导体模块100中，具备应力施加部，该应力施加部设置于半导体开关元件1的第一表面1a和与第一表面1a相反侧的第二表面1b中的一方或双方，具有比半导体开关元件1的主要材料的线膨胀系数要大的线膨胀系数，且厚度比半导体开关元件1要厚，应力施加部利用伴随温度变化的应力施加部的热收缩或热膨胀，使半导体开关元件1产生压缩应力或拉伸应力，随着半导体开关元件1的压缩应力或拉伸应力的大小的增加，半导体开关元件1导通的阈值电压降低，因此，能抑制导通电阻的增大和截止浪涌电压的增大，所以能降低半导体开关元件1的面积和半导体开关元件1的额定电压，能得到小型且廉价的半导体模块100。
31.第一表面1a设有2个以上的应力施加部10a，第二表面1b设有1个以上的应力施加部10b，设置于第一表面1a的2个以上的应力施加部10a在平行于第一表面的第一方向上并排配置，在垂直于第一表面1a的方向上观察时，设置于第二表面1b的1个以上的应力施加部10b配置在设置于第一表面1a的2个以上的应力施加部10a中的第一方向一侧的端部10a1与第一方向另一侧的端部10a2之间，该情况下，能配置应力施加部10a、10b，以使得第一表面1a产生应力。此外，通过使应力施加部的数量、配置和大小变化，从而能容易地改变施加于第一表面1a的应力的大小和应力施加的区域，因此，能容易地得到所希望的阈值电压的温度特性。
32.第一表面1a设有2个应力施加部10a，第二表面1b设有1个应力施加部10b，设置于第一表面1a的2个应力施加部10a在平行于第一表面1a的第一方向上隔开间隔来配置，在垂直于第一表面1a的方向上观察时，设置于第二表面1b的1个应力施加部10b配置在设置于第一表面1a的第一方向一侧的应力施加部10a中的第一方向一侧的端部10a1、与设置于第一表面1a的第一方向另一侧的应力施加部10a中的第一方向另一侧的端部10a2之间，该情况下，能以较少个数的应力施加部10a、10b高效地对第一表面1a施加应力。此外，应力施加部10a、10b的个数较少，因此，能使半导体模块100的生产性提高。
33.应力施加部设置于第一表面1a和第二表面1b这双方，半导体模块100具备设置于第一表面1a的应力施加部10a中的、连接到与半导体开关元件1一侧相反侧的部分的汇流条5、以及设置于第二表面1b的应力施加部10b中的、连接到与半导体开关元件1一侧相反侧的部分的散热构件2，该情况下，散热构件2能容易地将汇流条5和半导体开关元件1中所产生的热释放到外部。此外，设置于第一表面1a的应力施加部10a与汇流条5由相同材料构成，且设置于第一表面1a的应力施加部10a与汇流条5一体化，该情况下，构成半导体模块100的部件数量减少，可削减将应力施加部10a与汇流条5相接合的工序，因此，能使半导体模块100的生产性提高。
34.在半导体开关元件1与应力施加部通过接合层相接合以使得彼此不滑动的情况下，能高效地从应力施加部10a、10b向半导体开关元件1施加应力，并且能使半导体开关元件1与应力施加部10a、10b之间的热可靠性提高。此外，在接合层使用比焊料更硬的金属粒子来形成的情况下，能使从应力施加部10a、10b施加到半导体开关元件1的应力增加。
35.在半导体开关元件1与应力施加部相抵接的情况下不需要接合层，因此，能使半导体模块100的生产性提高。此外，在半导体开关元件1的主要材料为比硅更硬的化合物半导体的情况下，能使从应力施加部10a、10b施加到半导体开关元件1的应力增大，因此，能使阈值电压的温度特性变缓的效果更为显著。
36.实施方式2.对实施方式2所涉及的半导体模块100进行说明。图10是示出实施方式2所涉及的半导体模块100的概要的剖视图，是在与图1的a-a截面位置相同的位置处切断后的图，图11是模拟半导体模块100的半导体开关元件1的截止时得到的等效电路的图，图12是示出半导体模块100的半导体开关元件1的阈值电压的减少量与截止时间的增大量之间的相关性的图，图13是示出半导体模块100的半导体开关元件1的表面产生的变形与阈值电压的变动量之间的相关性的图，图14是示出半导体模块100的应力施加部的厚度与半导体开关元件1的表面产生的变形之间的相关性的图。实施方式2所涉及的半导体模块100与实施方式1不同，
将与散热构件即散热板2a的第二表面1b相接合的部分作为设置于第二表面1b的应力施加部10b来构成。
37.＜半导体模块100＞半导体模块100如图10所示，包括半导体开关元件1、作为散热构件的散热板2a、汇流条4、5、将半导体开关元件1与散热板2a接合的接合层3以及覆盖它们的绝缘树脂材料6。图10中,用虚线表示绝缘树脂材料6的外形。半导体开关元件1是形成为板状、且主要材料由碳化硅构成的功率半导体。汇流条5例如通过焊料连接到半导体开关元件1的第一表面1a一侧。散热板2a形成为板状，经由接合层3与半导体开关元件1的第二表面1b相接合，其由铜构成，且板面的外形比半导体开关元件1要大。与散热板2a的第二表面1b相接合的部分是设置于第二表面1b的应力施加部10b。
38.散热板2a具备作为与第二表面1b相连接的电极的功能，汇流条4例如通过焊料连接到散热板2a。散热板2a与半导体开关元件1热连接且电连接，并将半导体开关元件1所产生的热释放到外部。此外，散热板2a将经由半导体开关元件1在汇流条5中产生的热释放到外部。汇流条4、5的一部分从绝缘树脂材料6露出到外部来设置。汇流条4、5在露出到外部的部分中与外部的设备相连接。汇流条4、5例如由导电性较高的铜来制作。半导体开关元件1的厚度在200μm以下，散热板2a的厚度在1mm以上。设为上述尺寸结构的理由在后文中阐述。
39.通过这样构成，从而与实施方式1同样地，能利用伴随着温度降低的应力施加部10b的热收缩来对半导体开关元件1施加压缩应力(图10的虚线箭头)。通过施加压缩应力，从而能使半导体开关元件1的阈值电压降低。通过降低阈值电压，从而能抑制导通电阻的增大和截止浪涌电压的增大，因此，能减小半导体开关元件1的面积和半导体开关元件1的额定电压，能得到小型且廉价的半导体模块。此外，与实施方式1相比，部件数量可以减少，因此，能使半导体模块100进一步小型化。此外，由于削减了制造工序，因此，制造所涉及的成本得以降低，所以能使半导体模块100的生产性提高。
40.＜半导体开关元件1和散热板2a的厚度＞说明将半导体开关元件1的厚度设为200μm以下、将散热板2a的厚度设为1mm以上的理由。近年来，作为半导体开关元件1的主要材料，探讨从现有的硅替换为碳化硅的动向非常活跃。相比于硅，碳化硅在导热率、绝缘击穿电场等作为功率半导体材料的物理值上更为优异。因此，碳化硅是有望实现更低功耗且小型的功率转换装置的半导体材料。此外，半导体开关元件1的厚度越薄则电阻越小。因此，不论是否是碳化硅，在功率转换装置的设计中都存在使半导体开关元件1的厚度尽可能变薄的倾向。特别是碳化硅的绝缘击穿电场比硅要高，因此，能使保持耐压所需的层的厚度变得比硅更薄。因此，多数情况下，由碳化硅构成的半导体开关元件1的厚度一般在200μm以下。本实施方式中，对如下情况进行阐述：将主要材料由碳化硅构成的半导体开关元件1的厚度设为200μm来构成。
41.如果半导体开关元件1的阈值电压的温度特性缓和、低温下的阈值电压的增大被抑制，则半导体开关元件1截止时的开关时间增大。因此，截止时的电流的时间变化量减低，电路的寄生电感和依赖于电流的时间变化量而产生的浪涌电压降低。在图11所示的等效电路中，半导体开关元件1的相对于阈值电压的变动的开关截止时间可以看作是来自栅极电容cg的放电过程。在图11中，将栅极电阻设为rg，将栅极电容设为cg，将放电开始时施加于电容器的电压设为vgp，将栅极负偏置设为vgn，该情况下，等效电路中的电容器电压的时间
变化v(t)用式(1)来表示。[数学式1]开关时的截止时间是电容器电压从镜像期间结束的电压vm下降到阈值电压vth的放电时间，因此用式(2)来表示。[数学式2]
[0042]
由式(2)可知，开关时的截止时间相对于阈值电压的变动非线性地变动。图12示出开关截止所需的时间的变化比率相对于由碳化硅构成的半导体开关元件1的阈值电压的变化比率的关系的示例。如果半导体开关元件1的阈值电压降低10％以上，则截止时间急剧增大。即，为了显著抑制截止浪涌电压的增大，使阈值电压降低10％以上是有效的。
[0043]
图13示出由碳化硅构成的半导体开关元件1的表面即第一表面1a中发生的变形量、与半导体开关元件1的阈值电压的变动比率之间的关系。如上所述，半导体开关元件1的第一表面1a是形成有mosfet中的源极电极、以及成为决定阈值电压的主要原因的沟道区域的一侧。如图13所示，作者确认了半导体开关元件1的阈值电压随着半导体开关元件的第一表面1a中产生的变形量的增加而降低。由图13可知，在对半导体开关元件1使用了碳化硅的情况下，为了使阈值电压降低10％，需要使半导体开关元件1的第一表面1a产生1000
×
10-6
的变形。
[0044]
图14是将具有200μm厚度的板状的碳化硅经由接合层在高温下接合到铜板上、并改变铜板的厚度来计算因施加到铜板侧的相反侧的碳化硅的表面的应力而引起的变形量的结果。铜板的厚度越是增加，则施加到碳化硅表面的应力越是增加，表面所产生的变形量也增大。可知：为了使阈值电压变动10％，并在半导体开关元件1的表面上产生1000
×
10-6
的变形，可以使用具有1mm以上的厚度的铜板来形成具有应力施加部10b的部分的散热板2a。
[0045]
根据以上考量，可以说在包括由具有200μm厚度的碳化硅构成的半导体开关元件1、以及具有由铜构成的应力施加部10b的部分的散热板2a的半导体模块100中，为了有效地抑制低温下的开关浪涌浪涌电压的增大，优选将应力施加部10b的部分的厚度形成为1mm以上。另外，散热板2a中，只要应力施加部10b的部分为铜即可，除应力施加部10b的部分以外的其它部分由其它材料构成也无妨。
[0046]
此外，阐述了将由碳化硅构成的半导体开关元件1的厚度设为200μm的情况，但也可以将半导体开关元件1的厚度形成得比200μm要薄。在将半导体开关元件1的厚度形成得比200μm要薄的情况下，半导体开关元件1的刚性下降，因此，在半导体开关元件1从应力施加部10b接受到与厚度为200μm的情况相同的应力时，半导体开关元件1的表面所产生的变形量增加。其结果是，低温下阈值电压下降的效果增加，因此，能进一步扩大抑制开关时的截止浪涌电压增大的效果、以及抑制导通电阻增大的效果。此外，也可以不改变半导体开关元件1的厚度，而使应力施加部10b的部分的厚度变得比1mm要大。在使应力施加部10b的部分的厚度比1mm要大的情况下，施加到半导体开关元件1的应力增加，因此，能得到与使半导
体开关元件1的厚度变薄时同样的效果。
[0047]
＜接合层3＞接合层3例如是银粒子或铜粒子等金属粒子，使用比焊料更硬的材料来形成。在接合层3使用金属粒子那样较硬的材料的情况下，与不使用较硬材料的情况相比，能使从应力施加部10b施加到半导体开关元件1的应力增加。接合层3的厚度为10μm至50μm左右。
[0048]
优选接合层3的厚度尽可能得薄、且线膨胀系数接近半导体开关元件1。如果接合层3的厚度较厚，则从应力施加部10b的部分传递到半导体开关元件1的应力得到缓和，因此，缓和半导体开关元件1的阈值电压的温度特性的效果减小。同样地，如果半导体开关元件1与接合层3的线膨胀系数中产生差异，则从应力施加部10b的部分传递到半导体开关元件1的应力得到缓和，因此，缓和半导体开关元件1的阈值电压的温度特性的效果减小。在通过接合层3缓和从应力施加部10b的部分施加到半导体开关元件1的应力的情况下，可以使用厚度更厚的散热板2a。通过使用厚度较厚的散热板2a，从而即使在应力因接合层3而缓和的情况下，也能对半导体开关元件1施加所需量的应力，能得到所希望的阈值电压的温度特性的缓和效果。
[0049]
优选为在与半导体开关元件1的第一表面1a垂直的方向上观察时，接合层3的外形比半导体开关元件1的外形要大、或与半导体开关元件1的外形为相同大小。在与半导体开关元件1的第一表面1a垂直的方向上观察时，即使接合层3形成在比半导体开关元件1的外形要小的区域中，也能得到本技术的效果。然而，通过以半导体开关元件1的外形以上的大小来形成接合层3，从而能将应力从应力施加部10b的部分传递到半导体开关元件1的整体部分。因此，通过以半导体开关元件1的外形以上的大小来形成接合层3，从而能充分发挥本技术的效果。
[0050]
＜半导体开关元件1的数量＞多个半导体开关元件1可以构成为经由接合层3接合到散热板2a的相同表面。本实施方式中，如图15所示，示出2个半导体开关元件1接合到散热板2a的相同表面的示例。图15是示出实施方式2所涉及的其它半导体模块100的概要的侧视图，是去除绝缘树脂材料6来示出的图。在处理大电流的功率转换装置中，考虑到半导体开关元件1的制造成品率和成本，多采用并联配置多个半导体开关元件1以确保电流量的方法。如果随着大电流化而使半导体开关元件1变得过大，则半导体开关元件1的成品率降低。因此，将多个一定程度尺寸的半导体开关元件1并联排列并连接的情况更能抑制总成本。形成为矩形状的本实施方式中的半导体开关元件1的外形的大小例如为4mm
×
4mm。
[0051]
通过这样构成，能使多个半导体开关元件1并列配置在一个散热板2a上，能使确保所需的电流量时的半导体开关元件1的成本降低。此外，与对半导体开关元件1的每一个单独设置应力施加部相比，将多个半导体开关元件1并排同时接合在一个散热板2a上的情况更能削减制造工序，因此，能使半导体模块100的生产性提高。此外，接合到散热板2a的半导体开关元件1的每一个的部分为应力施加部10b，因此，在多个半导体开关元件1的每一个中，能得到多个半导体开关元件1各自的阈值电压的温度特性变缓的效果。另外，接合层3设置在多个半导体开关元件1各自的正下方。此外，汇流条5连接到位于多个半导体开关元件1各自的第一表面1a的电极来设置。
[0052]
图16是示出实施方式2所涉及的其它半导体模块100的主要部分的俯视图，是将绝
缘树脂材料6去除来示出第一表面1a侧的半导体开关元件1、散热板2a和接合层3的图。在设置2个半导体开关元件1的情况下，可以将散热板2a的表面所产生的应力为最大的点、即图16中的散热板2a的中心o作为原点，将2个半导体开关元件1配置在原点对称的位置。通过这样构成，从而施加到各个半导体开关元件1的应力变得均匀，因此，各个半导体开关元件1中的阈值电压得以均匀化。其结果是，能降低开关时的电流的偏差，因此，流过半导体开关元件1的最大电流减少，能进一步提高抑制截止浪涌电压的增大的效果。
[0053]
图17是示出实施方式2所涉及的其它半导体模块100的主要部分的俯视图，是将绝缘树脂材料6去除来示出第一表面1a侧的半导体开关元件1、散热板2a和接合层3的图。图17与图16所示的半导体开关元件1的配置的不同点在于，图17为如下示例：将半导体开关元件1配置在散热板2a的非原点对称位置的位置上。存在如下情况：预先了解由于半导体模块100中的汇流条4、5的布线长度和配置等的影响，流过各个半导体开关元件1的电流量产生偏差。该情况下，通过改变施加到各个半导体开关元件1的应力，从而能进行使特定的半导体开关元件1的阈值电压较大程度地减小的调整，以使得各个半导体开关元件1的电流量变得平衡。由此，能进一步抑制在低温下开关时的截止浪涌电压的增大。
[0054]
如上所述，在实施方式2所涉及的半导体模块100中，包括：主材料由碳化硅构成的半导体开关元件1；汇流条5；以及散热板2a，该散热板2a经由接合层3接合到半导体开关元件1的第二表面1b，其由铜构成，且板面的外形比半导体开关元件1更大，接合到散热板2a的第二表面1b的部分是设置于第二表面1b的应力施加部10b，半导体开关元件1的厚度在200μm以下，散热板2a的厚度在1mm以上，因此，能有效地抑制半导体开关元件1在低温下的开关浪涌电压的增大。
[0055]
接合层3使用比焊料要硬的金属粒子形成，在与半导体开关元件1的第一表面1a垂直的方向上观察时，接合层3的外形比半导体开关元件1的外形要大、或与半导体开关元件1的外形为相同大小，该情况下，能将应力从应力施加部10b的部分传递到半导体开关元件1的整体部分，因此，能进一步有效地抑制半导体开关元件1在低温下的开关浪涌电压的增大。
[0056]
在多个半导体开关元件1经由接合层3接合到散热板2a的相同表面的情况下，与对半导体开关元件1的每一个独立设置应力施加部的情况相比，将多个半导体开关元件1并排同时接合到一个散热板2a上的情况更能削减制造工序，因此，能使半导体模块100的生产性提高。此外，接合到散热板2a的半导体开关元件1的每一个的部分为应力施加部10b，因此，在多个半导体开关元件1的每一个中，能得到多个半导体开关元件1各自的阈值电压的温度特性变缓的效果。
[0057]
实施方式3.对实施方式3所涉及的半导体模块100进行说明。图18是示出实施方式3所涉及的半导体模块100的概要的剖视图，是在与图1的a-a截面位置相同的位置处切断后的图。实施方式3所涉及的半导体模块100与实施方式2的不同点在于设有应力施加部10b。此外，与实施方式1的不同点在于，作为应力施加部，仅设置应力施加部10b，而不设置应力施加部10a。
[0058]
一个以上的应力施加部10b设置于半导体开关元件1的第二表面1b。本实施方式中，以比半导体开关元件1的外形要大的尺寸设置1个应力施加部10b，且1个应力施加部10b由具有1mm以上厚度的铜来制作。应力施加部10b的形状、材质和数量并不限于此，只要能将
应力施加到半导体开关元件1的希望的位置上，则也可以是其它形状、材质和数量。应力施加部10b和半导体开关元件1例如经由接合层(未图示)相接合。
[0059]
半导体模块100具备散热构件2，该散热机构2连接到设置于第二表面1b的应力施加部10b中的与半导体开关元件1一侧相反侧的部分。散热构件2与应力施加部10b例如通过焊料相连接。散热构件2具备作为与第二表面1b相连接的电极的功能，汇流条4连接到散热构件2。汇流条5例如通过焊料连接到半导体开关元件1的第一表面1a一侧。本实施方式中，与图2所示的实施方式1的结构相比，不设置应力施加部10a，部件数量较少，因此，能使半导体模块100小型化。
[0060]
实施方式2中，接合到散热板2a的第二表面1b的部分是设置于第二表面1b的应力施加部10b，但通过采用实施方式3所示的结构，从而能将应力施加部10b和散热构件2作为单独的构件来设置。因此，能将通过应力施加部10b中的向半导体开关元件1施加应力对阈值电压的调整、与散热构件2中的半导体开关元件1的散热性能分开考虑，因此，与实施方式2相比，能容易地进行半导体模块100的构造设计。例如，在散热性能充分的情况下，如果想要进一步降低半导体开关元件1的阈值电压，则改变应力施加部10b的材料或厚度即可。该情况下，无需散热构件2的设计变更，能将散热构件2的厚度抑制为所需最低限度，因此，能降低半导体模块100的成本。
[0061]
本实施方式中，在半导体模块100具备多个半导体开关元件1的情况下，能对半导体开关元件1的每一个设置应力施加部10b。因此，通过针对每个半导体开关元件1变更应力施加部10的厚度和材料等，从而能在半导体开关元件1的每一个中调整阈值电压的变动量。存在如下情况：预先了解由于半导体模块100中的汇流条4、5的布线长度和配置等的影响，流过各个半导体开关元件1的电流量产生偏差。该情况下，通过改变施加到各个半导体开关元件1的应力，从而能进行使特定的半导体开关元件1的阈值电压较大程度地减小的调整，以使得各个半导体开关元件1的电流量变得平衡。由此，能进一步抑制在低温下开关时的截止浪涌电压的增大。
[0062]
如上所述，在实施方式3所涉及的半导体模块100中，1个以上的应力施加部10b设置于第二表面1b，且具备散热板2a，该散热板2a连接到设置于第二表面1b的应力施加部10b中的、与半导体开关元件1一侧相反侧的部分，因此，不设置应力施加部10a且部件数量较少，所以能使半导体模块100小型化。此外，能将应力施加部10b与散热构件2作为独立的构件来设置，因此，能将基于应力施加部10b对阈值电压的调整、与基于散热构件2的散热性能分开考虑，所以与实施方式2相比，能容易地进行半导体模块100的构造设计。
[0063]
另外，本技术虽然记载了各种示例性的实施方式以及实施例，但是1个或多个实施方式所记载的各种特征、方式及功能并不仅限于适用特定的实施方式，也可以单独适用于实施方式，或者进行各种组合来适用于实施方式。因此，可以认为未例示的无数变形例也包含在本技术说明书所公开的技术范围内。例如，设为包括对至少一个构成要素进行变形、添加或省略的情况，以及提取至少一个构成要素并与其他实施方式的构成要素进行组合的情况。标号说明
[0064]
1 半导体开关元件1a 第一表面
1b 第二表面2 散热构件2a 散热板3 接合层4 汇流条5 汇流条6 绝缘树脂材料10a 应力施加部10a1 端部10a2 端部10b 应力施加部100 半导体模块。