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JP4861200B2 - パワーモジュール - Google Patents

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Description

この発明は、パワーモジュールに関し、パワー半導体素子などの発熱が大きい半導体素子の配線構造および放熱手段に関する。
従来、第1のパワーモジュールとしては、図3A,図3Bに示すものがある。図3Aは従来のパワーモジュールの断面図を示し、図3Bは半導体素子が実装された部分の上面図を示している。このパワーモジュールは、MOS(メタル・オキサイド・セミコンダクタ)−FET(電界効果トランジスタ)やIGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ),FRD(高速整流素子)などであって、外部導出端子112がインサート成型された樹脂製の筐体113をパッケージとして用いている。
また、上記筐体113の底部に配置されたAlまたはCu製の冷却板109上に、放熱性を向上するよう高熱伝導性セラミック等のフィラーを混合したエポキシ樹脂の絶縁層108を被覆し、さらに絶縁層108上にCu等の導体部107にて回路を形成した構造の絶縁金属基板を用いている。
上記絶縁金属基板の導体部107上に半導体素子101を配置し、半導体素子101の裏面電極と導体部107を半田103により接合している。ここで、半導体素子101と絶縁金属基板の熱膨張差を補うため、半導体素子101と絶縁金属基板の中間程度の熱膨張率である図示しない導電体を半導体素子101と導体部7の間に積層する場合もある。
次に、半導体素子101の実装が完了した絶縁金属基板を接着剤により筐体113と接着し、半導体素子101、導体部107、筐体113の外部導出端子112をAlボンディングワイヤ110,111により接続することにより内部配線を行う。
上記筐体113内は、半導体素子101およびAlボンディングワイヤ110を保護するためにゲル115で封止されている。
また、ボンディングワイヤ110と半導体素子101の接合抵抗を減少するため、エミッタ(ソース)電極のボンディングワイヤを多数本に分けてボンディングをしたり、またボンディングワイヤの代わりにボンディングリボンやフレームリードによる半田接合が用いられたりしている場合もある。
上記パワーモジュール構造の場合、半導体素子101動作時に発生する熱は、封止樹脂の熱伝導率が0.1〜2W/m・K程度と小さいため、主として絶縁金属基板を経て放熱される。
しかし、半導体素子の微細化やパッケージの小型化により、上記従来のパワーモジュールの構造では、十分な放熱をすることが困難となっている。
また、ボンディングリボンやフレームリードを用いた内部配線構造は、接合抵抗の低減および放熱性の向上に効果があるが、微小エリアの接合が困難であるため、大面積のエミッタ(ソース)電極に用いることが可能であっても、小面積のゲート電極は、ボンディングワイヤで接続する必要があり、プロセスの増加を招くことになる。
また、従来の第2のパワーモジュールとしては、半導体チップ上の電極パッドと導板をクリーム半田で固着することにより、放熱効率を向上させるものがある(例えば、特開2001−332664号公報(特許文献1)参照)
しかしながら、この導板を放熱に用いたパワーモジュールでは、上記従来の第1のパワーモジュールと同様に、ゲート電極をボンディングワイヤで接続する必要があり、プロセスの増加を招く。
特開2001−332664号公報
そこで、この発明の課題は、放熱性を向上しつつ、製造プロセスの増加を防ぐことができるパワーモジュールを提供することにある。
上記課題を解決するため、この発明のパワーモジュールは、
筐体と、
上記筐体に固定され、その筐体と内部空間を形成し、内側の面に導体部が設けられた基材と、
上記基材の上記内側の面に実装された半導体素子と、
上記筐体内に配置され、絶縁体とこの絶縁体に固定された2本以上のリード端子とを有する内部配線構造体と
を備え、
上記半導体素子の上記基材に面する面と反対の側の面に設けられた電極と上記基材の上記導体部とを、上記内部配線構造体の上記リード端子を介して接続すると共に、
上記リード端子と上記半導体素子との間の半田厚を調整するため、上記絶縁体の上記リード端子が固定された側に、上記半導体素子に向かって突出して上記半導体素子に接する突出部を設けたことを特徴とする。
上記構成のパワーモジュールによれば、絶縁体に内部配線に必要な複数のリード端子が予め接合された内部配線構造体を用いて、半導体素子の基材に面する面と反対の側の面に設けられた電極と基材の導体部とをそのリード端子を介して接続することによって、放熱性を向上しつつ、製造プロセスの増加を防ぐことができる。
例えば、上記絶縁体には、半導体素子の熱膨張率に近い熱膨張率でかつ熱伝度率の高い絶縁体材料を選ぶ。また、上記絶縁体とリード端子は、ろう付け,焼成等により半導体素子と基材を半田付けするときのリフローに影響を受けない手段でリフロー前に接合する。そして、上記リード端子は、半導体素子および基材上に接合させるときに半導体素子上の各電極と基板上の導体を配線できるよう適切な配置とする。そうして、リード端子の接合部分(半導体素子の電極側および基材の導体部側)には、半導体素子と基材の接合に使用する半田と同じ成分の半田をめっき、ディップ等により被覆する。それにより、半導体素子と基材を半田接合するときに内部配線構造体を積層しておき、同時にリフローすることによりプロセスの増加を防ぐことができる。
また、上記絶縁体のリード端子が固定された側に設けた突出部が、半導体素子に向かって突出して半導体素子に接することにより、リード端子と半導体素子との間の半田厚を調整するので、リフローしたときに突出部の下端が半導体素子の表面に接触する位置までしか半田が押しつぶされることがなく、ショートを防止できる。
また、一実施形態のパワーモジュールでは、上記絶縁体に高熱伝導率の絶縁体材料を用いた。
上記実施形態によれば、上記絶縁体に高熱伝導率の絶縁体材料を用いることによって、放熱効率をさらに向上できる。
また、一実施形態のパワーモジュールでは、上記絶縁体に上記半導体素子の熱膨張率に近い熱膨張率の絶縁体材料を用いた。
上記実施形態によれば、上記絶縁体に半導体素子の熱膨張率に近い熱膨張率の絶縁体材料を用いることによって、リフロー等による熱の影響を防止できる。
また、一実施形態のパワーモジュールでは、
上記筐体の開口部に配置され、外部に一部が露出した高熱伝導率の放熱部を有する蓋を備え、
上記蓋の上記放熱部と上記絶縁体が接する。
上記実施形態によれば、蓋に高熱伝導率の材料で構成された放熱部を外部に一部が露出ように設けて、その放熱部が絶縁体と接触する構造とすることにより、さらに効率よく外部に放熱することができる。
以上より明らかなように、この発明のパワーモジュールによれば、放熱性を向上しつつ、製造プロセスの増加を防ぐことができるパワーモジュールを実現することができる。
以下、この発明のパワーモジュールを図示の実施の形態により詳細に説明する。
〔第1実施形態〕
図1Aはこの発明の第1実施形態のパワーモジュールの断面図を示し、図1Bは上記パワーモジュールの半導体素子実装部分の上面図を示している。また、図1Cは図1Aに示すA部分のリフロー前の状態の拡大図を示し、図1Dは図1Aに示すA部分のリフロー後の状態の拡大図を示している。
この第1実施形態のパワーモジュールは、図1Aに示すように、樹脂製の筐体13と、上記筐体13に固定され、筐体13と共に内側空間を形成し、内側の面に導体部7が設けられた絶縁金属基板20と、上記絶縁金属基板20の内側の面に実装された半導体素子1と、上記筐体13内に配置され、絶縁体5とその絶縁体5に固定されたリード端子4とを有する内部配線構造体30とを備えている。上記絶縁金属基板20は、筐体13の底部に配置されたAlまたはCu製の冷却板9上に、高熱伝導性セラミック等のフィラーを混合したエポキシ樹脂の絶縁層8を被覆し、さらにその絶縁層8上にCu等の導体部7にて回路を形成したものである。
上記半導体素子1は、絶縁金属基板20の導体部7上に半田3で接合されている。半導体素子1上面のゲート電極パッドおよびエミッタ(ソース)電極パッドは、リード端子4と半田2で接合されている。リード端子4と絶縁体5は、予めろう付けや焼成等によりリフローの影響を受けない方法で接合されている。絶縁体5は、高熱伝導率で熱膨張率の小さいAlN,SiC,Al23等を選択するとよい。エミッタ(ソース)電極に接続されるリード端子4とゲート電極に接続されるリード端子4は絶縁された状態となっている。ゲート電極パッドとエミッタ(ソース)電極パッドが半田にぬれやすいAuやNi等で被覆されている場合は半田2のみで接合可能であるが、Al等の半田に濡れにくい材質である場合は、Auスタッドバンプを各電極パッドにボンディングし、その電極パッドを介して半田2にて接合可能である。
上記リード端子4の半導体素子1と反対側の末端は、絶縁金属基板20の導体部7に半田6で接合される。
上記半導体素子1と絶縁金属基板20との間の半田およびリード端子4と半導体素子1および絶縁金属基板20との間の半田は、同一成分のものを選ぶことにより同時リフローを行うことが可能である。
ここで、半田材として半田ペーストを用いると、残渣による腐食や洗浄による損傷が信頼性上問題となるため、半導体素子1と絶縁金属基板20の接合には、フラックスレスの半田プリフォーム材を使用し、内部配線構造体30と半導体素子1および絶縁金属基板20の半田2,6は、予めリード端子4にめっき、プリコートやディップ等によりフラックスのない状態で被覆しておくとよい。この場合、リフローはフラックスレスで行うため、還元雰囲気中で行う必要がある。また、フラックスによりタック(仮付け)させることができないため、治具により各材料を位置決め、保持する必要がある。リフローのとき、半導体素子1と内部配線構造体30の接合を確実とするため、重りまたは治具により絶縁体5上から下方に圧力をかけておく。このとき、圧力はリード端子4の反発力より大きくする必要がある。この圧力により、溶融した半田に内圧がかかり、内部ボイドを外部に放出させる作用が働く。しかし、圧力が過剰であるとリード端子4に被覆した半田2が溶融したときに押しつぶされてショートすることが考えられる。
これを防ぐため、図1Cの如く半田厚が適切となるよう絶縁体5に突出部Bを設けておく。この突出部Bにより半田をリフローしたとき、図1Dのように突出部Bの下端が半導体素子1の表面に接触する位置までしか押しつぶされることがなく、ショートを防止することができる。突出部Bの高さについて、放熱性は薄い方が良好となるがあまりに薄いと半田が溶融したときに流動性が悪くなり、内部にボイドが残留するため、半田厚が50〜100μmとなるよう設計する。
なお、図1C,図1Dでは、絶縁体5に突出部Bを1つ設けているが、突出部は複数設けてもよい。
そして、表面実装および内部配線を完了した絶縁金属基板20は、筐体13と接着材で固着され、絶縁金属基板20の導体部7と外部導出端子12はボンディングワイヤ10により接合される。
次に、筐体13の内部をゲル16で封止し、さらに筐体13の開口部に樹脂製の蓋14を固定することにより本パワーモジュールの組み立てが完了する。
上記第1実施形態によれば、高熱伝導率の絶縁体5に予め必要な数のリード端子4を接合してある内部配線構造体30を用いることにより、ボンディングワイヤよりも接合面積を増やすことが可能となり、放熱効率が向上しつつ、半導体素子1と絶縁金属基板20および内部配線構造体30のリフローを同時に行うことにより半田付けするので、プロセスを増加することなく対応可能となる。
また、上記絶縁体5に高熱伝導率の絶縁体材料を用いることによって、放熱効率をさらに向上できる。
また、上記絶縁体5に半導体素子1の熱膨張率に近い熱膨張率の絶縁体材料を用いることによって、リフロー等による熱の影響を防止することができる。
また、図1C, 図1Dに示すように、絶縁体5のリード端子4が固定された側に設けた突出部Bが、半導体素子1に向かって突出していることにより、リード端子4と半導体素子1との間の半田厚を調整するので、リフローしたときに突出部Bの下端が半導体素子1の表面に接触する位置までしか半田が押しつぶされることがなく、ショートを防止することができる。
〔第2実施形態〕
図2はこの発明の第2実施形態のパワーモジュールの断面図を示している。
この第2実施形態のパワーモジュールは、第1実施形態のパワーモジュールと同様に、樹脂製の筐体13と絶縁金属基板20の接着、ワイヤボンディングまで行うが、ゲル封止するときに、内部配線構造体30の絶縁体5上面が露出するように封止する。蓋14の一部を高熱伝導率の材料からなる放熱部の一例としての放熱板16とし、この部分が内部配線構造体30に接する構造とすることにより、放熱効率をさらに高めることが可能である。
上記第2実施形態によれば、高熱伝導率の絶縁体5に予め必要な数のリード端子4を接合してある内部配線構造体30を用いることにより、ボンディングワイヤよりも接合面積を増やすことが可能となり、放熱効率が向上しつつ、半導体素子1と絶縁金属基板20および内部配線構造体30のリフローを同時に行うことにより半田付けするので、プロセスを増加することなく対応可能となる。
また、上記絶縁体5に高熱伝導率の絶縁体材料を用いることによって、放熱効率をさらに向上できる。
また、上記絶縁体5に半導体素子1の熱膨張率に近い熱膨張率の絶縁体材料を用いることによって、リフロー等による熱の影響を防止することができる。
この発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記第1,第2実施形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。
図1Aはこの発明の第1実施形態のパワーモジュールの断面図である。 図1Bは上記パワーモジュールの半導体素子実装部分の上面図である。 図1Cは図1Aに示すA部分のリフロー前の状態の拡大図である。 図1Dは図1Aに示すA部分のリフロー後の状態の拡大図である。 図2はこの発明の第2実施形態のパワーモジュールの断面図である。 図3Aは従来の第1のパワーモジュールの断面図である。 図3Bは上記パワーモジュールの半導体素子実装部分の上面図である。
1…半導体素子
2,3,6…半田
4…リード端子
5…絶縁体
7…導体部
8…絶縁層
9…冷却板
10,11…ボンディングワイヤ
12…外部導出端子
13…筐体
14…蓋
15…ゲル
16…放熱板
20…絶縁金属基板
30…内部配線構造体

Claims (4)

  1. 筐体と、
    上記筐体に固定され、その筐体と内部空間を形成し、内側の面に導体部が設けられた基材と、
    上記基材の上記内側の面に実装された半導体素子と、
    上記筐体内に配置され、絶縁体とこの絶縁体に固定された2本以上のリード端子とを有する内部配線構造体と
    を備え、
    上記半導体素子の上記基材に面する面と反対の側の面に設けられた電極と上記基材の上記導体部とを、上記内部配線構造体の上記リード端子を介して接続すると共に、
    上記リード端子と上記半導体素子との間の半田厚を調整するため、上記絶縁体の上記リード端子が固定された側に、上記半導体素子に向かって突出して上記半導体素子に接する突出部を設けたことを特徴とするパワーモジュール。
  2. 請求項1に記載のパワーモジュールにおいて、
    上記絶縁体に高熱伝導率の絶縁体材料を用いたことを特徴とするパワーモジュール。
  3. 請求項1に記載のパワーモジュールにおいて、
    上記絶縁体に上記半導体素子の熱膨張率に近い熱膨張率の絶縁体材料を用いたことを特徴とするパワーモジュール。
  4. 請求項1乃至のいずれか1つに記載のパワーモジュールにおいて、
    上記筐体の開口部に配置され、外部に一部が露出した高熱伝導率の放熱部を有する蓋を備え、
    上記蓋の上記放熱部と上記絶縁体が接することを特徴とするパワーモジュール。
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