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JP2010087072A - Power semiconductor module and inverter system using the same - Google Patents

Power semiconductor module and inverter system using the same Download PDF

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JP2010087072A
JP2010087072A JP2008252164A JP2008252164A JP2010087072A JP 2010087072 A JP2010087072 A JP 2010087072A JP 2008252164 A JP2008252164 A JP 2008252164A JP 2008252164 A JP2008252164 A JP 2008252164A JP 2010087072 A JP2010087072 A JP 2010087072A
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power semiconductor
solder
semiconductor module
semiconductor element
layer
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Application number
JP2008252164A
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Japanese (ja)
Inventor
Toshiyuki Imamura
寿之 今村
Yasushi Ikeda
靖 池田
Koji Sasaki
康二 佐々木
Hiroyuki Hozoji
裕之 宝蔵寺
Seiichi Hayakawa
誠一 早川
Toshiya Sato
俊也 佐藤
Takehide Yokozuka
剛秀 横塚
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Hitachi Astemo Ltd
Original Assignee
Hitachi Automotive Systems Ltd
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Publication date
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • H01L2224/01Means 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
    • H01L2224/42Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/44Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/45Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/45001Core members of the connector
    • H01L2224/45099Material
    • H01L2224/451Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/45138Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/45147Copper (Cu) as principal constituent
    • H10W72/5524
    • H10W90/753

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  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

【課題】
高温環境下での動作安定性と高電流負荷にも耐えうる半導体モジュールおよびこれを用いたインバータシステムを提供する。
【解決手段】
本発明のパワー半導体モジュールは、電極表面にNi層が形成された半導体素子と金属製導体パターンと前記半導体素子と前記導体パターンを接合したはんだとを備え、前記はんだの組成比がSn−3wt%Cu〜Sn−10wt%Cuであり、前記半導体素子とはんだとの界面付近に形成された金属間化合物の厚さが、6μm〜50μmであることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【選択図】図1
【Task】
Provided are a semiconductor module that can withstand operation stability under a high temperature environment and a high current load, and an inverter system using the same.
[Solution]
The power semiconductor module of the present invention includes a semiconductor element having a Ni layer formed on an electrode surface, a metal conductor pattern, and a solder that joins the semiconductor element and the conductor pattern, and the composition ratio of the solder is Sn-3 wt%. A power semiconductor module comprising Cu to Sn-10 wt% Cu, wherein the thickness of the intermetallic compound formed in the vicinity of the interface between the semiconductor element and the solder is 6 μm to 50 μm.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、接合部材にPbフリーはんだを用いたパワー半導体モジュールおよびこれを用いたインバータシステムに関する。特に、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等のパワー半導体素子を有するパワー半導体モジュールの実装構造とハイブリッド車などの車載用インバータシステムに関する。 The present invention relates to a power semiconductor module using Pb-free solder as a joining member and an inverter system using the same. In particular, to vehicle inverter system, such as the mounting structure and a hybrid vehicle power semiconductor module having a power semiconductor element such as IGBT (I nsulated G ate B ipolar T ransistor).

ハイブリッド車用モータ等、大出力モータを制御するインバータには、IGBTモジュール等のパワー半導体モジュールが使用される。この自動車用インバータ中のIGBTモジュールの冷却は、水冷によるものが一般的である。インバータ動作時には、IGBTモジュールに搭載されているパワー半導体からの発熱が大きく、素子安定動作を維持するために大きな冷却能力が必要となる。さらに車載用途のため、インバータ体積の小さいことが要求される理由による。つまり、空冷の場合にはヒートシンク部の体積が大きくなりすぎるため、車載用としての空冷は許容されないためである。   A power semiconductor module such as an IGBT module is used for an inverter that controls a high output motor such as a motor for a hybrid vehicle. The cooling of the IGBT module in the automobile inverter is generally based on water cooling. At the time of the inverter operation, heat generated from the power semiconductor mounted on the IGBT module is large, and a large cooling capacity is required to maintain the element stable operation. Furthermore, it is because the inverter volume is required to be small for in-vehicle use. That is, in the case of air cooling, the volume of the heat sink portion becomes too large, so that air cooling for in-vehicle use is not allowed.

車載用インバータは、高温環境下にあるエンジンルーム内に搭載され、近年は従来の仕様に増して更なる高信頼性が要求されている。例えば、パワー半導体素子の到達温度が125℃から150℃と上昇した場合にも安定動作保証が要求され、瞬時の最大温度が175℃に到達しても絶縁破壊しないIGBTモジュールの開発が望まれており、これには、高温対応のIGBT素子の開発、これと平行して、パワー半導体からの発熱を速やかに冷却するための低熱抵抗パワー半導体モジュールの開発が急務となっている。   In-vehicle inverters are mounted in an engine room under a high temperature environment, and in recent years, higher reliability is required in comparison with conventional specifications. For example, even if the temperature reached by the power semiconductor element rises from 125 ° C to 150 ° C, stable operation guarantee is required, and it is desired to develop an IGBT module that does not break down even if the instantaneous maximum temperature reaches 175 ° C. For this reason, there is an urgent need to develop a high-temperature-compatible IGBT element, and in parallel to this, development of a low thermal resistance power semiconductor module for quickly cooling the heat generated from the power semiconductor.

また、パワー半導体モジュールの接合用材料としてPb−Sn系のはんだ料が古くから用いられてきた。しかしながら、近年、Pb成分が人体に悪影響を及ぼすことが指摘されるようになり、Pb入りはんだは大きな社会問題としてクローズ・アップされるとともに、EUのWEEE(Waste Electrical and Electronics Equipment Directive)/ROHS(Restriction of Hazardous Substances Directive)指令に代表されるようにPbを含む有害物質の使用を法的に規制しようと言う動きが活発化している。   Further, Pb—Sn solder materials have been used for a long time as power semiconductor module bonding materials. However, in recent years, it has been pointed out that the Pb component has an adverse effect on the human body, and solder containing Pb has been closed up as a major social problem, and EU WEEE (Waste Electrical and Electronics Equipment Directive) / ROHS ( As represented by the Restriction of Hazardous Substances Directive), there is an active movement to legally restrict the use of harmful substances including Pb.

このような背景から、車載用インバータに搭載されるパワー半導体モジュールについても、Pbフリーの接合用材料の適用が求められている。   Against this background, application of Pb-free bonding materials is also demanded for power semiconductor modules mounted on in-vehicle inverters.

特許文献1では、環境負荷が小さく低コストで、200℃以上の高温で長時間使用しても接続信頼性を維持できる半導体素子の接続材料に関するものに加え、その接続材料を用いた半導体装置および車載用交流発電機(オルタネータ)の発明に関しての記載がある。   In Patent Document 1, in addition to a semiconductor element connection material that can maintain connection reliability even if it is used at a high temperature of 200 ° C. or higher for a long period of time with low environmental impact and low cost, a semiconductor device using the connection material and There is a description regarding the invention of an on-vehicle AC generator (alternator).

当該、発明内容は、半導体素子と、半導体素子の第一の面と第一の接続材料も用いて接続される支持電極体と、前記支持電極体に支持された前記半導体素子の第二の面と第二の接続材料を用いて接続されるリード電極体とを有する半導体装置であって、前記支持部材の接続部及び前記リード電極体の接続部にはNi系めっきが施されており、前記第一の接続材料及び前記第二の接続材料は共晶組成よりCu6Sn5相の含有量が多い組成のSn系はんだであることを特徴とする半導体装置である。 The present invention includes a semiconductor element, a support electrode body connected to the first surface of the semiconductor element using the first connection material, and a second surface of the semiconductor element supported by the support electrode body. And a lead electrode body connected using a second connection material, the connection portion of the support member and the connection portion of the lead electrode body are subjected to Ni-based plating, In the semiconductor device, the first connection material and the second connection material are Sn-based solder having a composition having a Cu 6 Sn 5 phase content higher than that of the eutectic composition.

また、半導体素子と、半導体素子の一側と室温から200℃においてCu6Sn5相を含有するSn系はんだを介して接続されるNi系めっきを施した支持電極体と、該支持電極体に支持された前記半導体素子の他側とを室温から200℃においてCu6Sn5相を含有するSn系はんだを介して接続されるNi系めっきを施したリード電極体を備える半導体装置において、室温から200℃においてCu6Sn5相を含有するSn系はんだによる接続工程が、220〜450℃、還元性雰囲気で行うことを特徴とする半導体装置の製造方法に関する記載がある。 Further, a semiconductor element, a support electrode body subjected to Ni-based plating connected to one side of the semiconductor element at room temperature to 200 ° C. via an Sn-based solder containing a Cu 6 Sn 5 phase, and the support electrode body In a semiconductor device comprising a lead electrode body with Ni-based plating connected to the other side of the supported semiconductor element through Sn-based solder containing a Cu 6 Sn 5 phase at room temperature to 200 ° C. There is a description relating to a method for manufacturing a semiconductor device, characterized in that a connecting step using an Sn-based solder containing a Cu 6 Sn 5 phase at 200 ° C. is performed in a reducing atmosphere at 220 to 450 ° C.

更に、この半導体装置に用いられる接続材料は、共晶組成よりCu6Sn5相の含有量が多い組成のSn−Cu系Pbフリーはんだであることを特徴としている。 Furthermore, the connection material used for this semiconductor device is characterized by being a Sn—Cu-based Pb-free solder having a composition having a Cu 6 Sn 5 phase content higher than that of the eutectic composition.

特開2007−67158号公報JP 2007-67158 A

前記従来の半導体装置および車載用交流発電機(オルタネータ)は、200℃以上の高温で長時間の継続使用が可能であるものの、Cu6Sn5相の含有量が多い組成のSn−Cu系Pbフリーはんだを大容量のパワー半導体モジュールに適用する際には、以下の問題がある。 Although the conventional semiconductor device and the on-vehicle AC generator (alternator) can be used continuously for a long time at a high temperature of 200 ° C. or higher, Sn—Cu-based Pb having a high content of Cu 6 Sn 5 phase. When free solder is applied to a large-capacity power semiconductor module, there are the following problems.

車載用のパワー半導体モジュールは、パワー半導体素子の安定動作保証の観点から、高放熱性が求められ、通常10mm×10mm以上の大面積のIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)あるいはMOS−FET(Metal Oxide Semiconductor Field Emission Transistor)が1アーム当たりに2素子から3素子搭載される。車載用インバータ用のパワー半導体モジュールは、車載用交流発電機(オルタネータ)の数十A通電量に比べて、400A×600V以上の大電流・電圧で使用される。したがって、パワー半導体モジュールの各接合部には、使用環境温度に加えて素子発熱による温度負荷が加わる。このためワイヤーボンディング/素子接合界面および素子下はんだには素子から直接の温度変化を受けるため、過酷な熱負荷に晒されることになる。   Power semiconductor modules for in-vehicle use are required to have high heat dissipation from the viewpoint of ensuring stable operation of power semiconductor elements, and usually have an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or MOS-FET (Metal Oxide Semiconductor) with a large area of 10 mm × 10 mm or more. Field Emission Transistor) is mounted from 2 to 3 elements per arm. A power semiconductor module for an in-vehicle inverter is used with a large current / voltage of 400 A × 600 V or more as compared with an energization amount of several tens of A of an in-vehicle AC generator (alternator). Therefore, a temperature load due to element heat generation is applied to each joint portion of the power semiconductor module in addition to the use environment temperature. For this reason, since the wire bonding / element bonding interface and the solder under the element are subjected to a temperature change directly from the element, they are exposed to a severe heat load.

熱応力によりワイヤーボンディング/素子接合界面に生じるひずみ量の低減には、パワー半導体素子の薄型化が1つの解決策である。パワー半導体素子の薄型化は、素子自身に展性を発現させ、変形能を付与することで両者の熱膨張係数差を縮小させることが可能である。一方、通電負荷が加わった場合、素子下はんだでは複雑な疲労現象が生じるため、個々に対策を講じる必要がある。素子下はんだにおける疲労現象とは、1)素子裏面のNiメタライズ層の残存量の違いにより、素子/はんだ界面に剥離が生じること、2)通電サイクルにともないはんだ粒子が粒成長し、粒子の3重点にボイドが生成すること、3)はんだ内部でクラック進展が起こることである。したがって、素子発熱が伴うパワーサイクルの寿命向上ためには、上記、1)〜3)の発生要因への対策が肝要である。   One solution is to reduce the thickness of the power semiconductor element to reduce the amount of strain generated at the wire bonding / element bonding interface due to thermal stress. The thinning of the power semiconductor element can reduce the difference in thermal expansion coefficient between the two by causing the element itself to exhibit malleability and imparting deformability. On the other hand, when an energization load is applied, a complicated fatigue phenomenon occurs in the solder under the element, so it is necessary to take measures individually. The fatigue phenomenon in the solder under the element is that 1) peeling occurs at the element / solder interface due to the difference in the remaining amount of the Ni metallized layer on the back surface of the element. 2) Solder particles grow with the energization cycle. The generation of voids in the emphasis, and 3) the development of cracks inside the solder. Therefore, in order to improve the life of the power cycle accompanied by element heat generation, it is important to take measures against the above-mentioned factors 1) to 3).

本発明の目的は、前記モジュールの問題点を解決するため、パワー半導体モジュールを構成するパワー半導体素子裏面のNiメタライズ層の厚さ,はんだリフロー後のNi残存量,素子下はんだの組成,素子/はんだ界面およびはんだ/導体層界面に生成する金属間化合物の形状と生成量を規定することにより、高温環境下での動作安定性と高電流負荷にも耐えうる半導体モジュールおよびこれを用いたインバータシステムを提供することにある。   An object of the present invention is to solve the problems of the module described above, in order to solve the problem of the module, the thickness of the Ni metallized layer on the back surface of the power semiconductor element constituting the power semiconductor module, the remaining amount of Ni after solder reflow, the composition of the solder under the element, Semiconductor module that can withstand operation stability and high current load in high temperature environment by defining the shape and amount of intermetallic compound generated at solder interface and solder / conductor layer interface, and inverter system using the same Is to provide.

上記課題を解決するために、本発明では、電極表面にNi層が形成された半導体素子と金属製導体パターンと前記半導体素子と前記導体パターンを接合したはんだとを備えるパワー半導体モジュールにおいて、前記はんだの組成比がSn−3wt%Cu〜Sn−10wt%Cuであり、前記半導体素子とはんだとの界面付近に形成された金属間化合物の厚さが、6μm〜50μmとしたことを特徴とする。なお、金属間化合物の厚さは、接合界面における金属間化合物の平均厚さとする。   In order to solve the above problems, in the present invention, in a power semiconductor module comprising a semiconductor element having a Ni layer formed on an electrode surface, a metal conductor pattern, and a solder that joins the semiconductor element and the conductor pattern, the solder The composition ratio is Sn-3 wt% Cu to Sn-10 wt% Cu, and the thickness of the intermetallic compound formed in the vicinity of the interface between the semiconductor element and the solder is 6 μm to 50 μm. In addition, let the thickness of an intermetallic compound be an average thickness of the intermetallic compound in a joining interface.

また、Niメタライズ層の厚さを0.1μm以上から10μm以下とし、はんだ接合後のNiメタライズ残存厚さを0.1μm以上としたことを特徴とする。   Further, the thickness of the Ni metallized layer is set to 0.1 μm or more to 10 μm or less, and the Ni metallized residual thickness after soldering is set to 0.1 μm or more.

また、本発明のパワー半導体モジュールは、絶縁基板の一方の面に導体パターン、他方の面に裏面導体層が形成された配線基板と、前記導体パターンに搭載され、電流をスイッチングするパワー半導体素子と、前記裏面導体層の表面に配置された金属ベースとを備え、前記パワー半導体素子の電極表面にNi層が形成され、前記電極と前記導体パターンとが、組成比がSn−3wt%Cu〜Sn−10wt%Cuのはんだにより接合され、前記はんだと前記電極との界面付近に形成された金属間化合物の厚さが6μm〜50μmであることを特徴とする。   The power semiconductor module of the present invention includes a wiring board having a conductor pattern on one surface of an insulating substrate and a back conductor layer formed on the other surface, and a power semiconductor element mounted on the conductor pattern and switching current. And a metal base disposed on the surface of the back conductor layer, a Ni layer is formed on the electrode surface of the power semiconductor element, and the composition ratio of the electrode and the conductor pattern is Sn-3 wt% Cu to Sn It is characterized in that the thickness of the intermetallic compound formed in the vicinity of the interface between the solder and the electrode is 6 μm to 50 μm.

本発明によれば、パワー半導体モジュールへの通電量が400Aを超えるような、半導体素子が受ける負荷が大きくとも、動作安定性を堅持したパワーサイクル特性に優れるパワー半導体モジュールを実現することが可能となる。   According to the present invention, it is possible to realize a power semiconductor module excellent in power cycle characteristics with stable operation stability even when the load applied to the semiconductor element is large, such that the energization amount to the power semiconductor module exceeds 400A. Become.

冷却性能を向上ならびに高温環境下での信頼性、特に素子温度が150℃に到達する条件で、高温パワーサイクル試験での高寿命化を有するパワー半導体モジュールを特徴とする。   It is characterized by a power semiconductor module having improved cooling performance and reliability in a high temperature environment, in particular, a long life in a high temperature power cycle test under the condition that the element temperature reaches 150 ° C.

すなわち、本発明は、表面にNi層が形成された半導体素子と金属製導体パターンと前記半導体と前記導体パターンを接合し、組成比がSn−3wt%〜Sn−10wt%であるはんだを備え、前記半導体素子とはんだとの界面付近に形成された金属間化合物の厚さが、6μm〜50μmであり、前記半導体素子で発熱した熱が前記界面から前記パターンに伝達されて、該導体パターンを介して放熱されるパワー半導体モジュールである。   That is, the present invention comprises a semiconductor element having a Ni layer formed on the surface thereof, a metal conductor pattern, the semiconductor and the conductor pattern, and a solder having a composition ratio of Sn-3 wt% to Sn-10 wt%, The thickness of the intermetallic compound formed in the vicinity of the interface between the semiconductor element and the solder is 6 μm to 50 μm, and the heat generated in the semiconductor element is transferred from the interface to the pattern, and is passed through the conductor pattern. This is a power semiconductor module that dissipates heat.

また、本発明は前記半導体素子とはんだとの界面に対する垂直断面における該金属間化合物の面積比が、20%〜100%の範囲にあることを特徴とする。   In the present invention, the area ratio of the intermetallic compound in a vertical cross section with respect to the interface between the semiconductor element and the solder is in the range of 20% to 100%.

また、本発明は前記Ni層のはんだ接合後の残存量が、0.1μm以上であることを特徴とする。   Further, the present invention is characterized in that the residual amount of the Ni layer after soldering is 0.1 μm or more.

また、本発明は前記半導体素子の表面に形成したNi層の厚さが、0.1μm〜10μmであることを特徴とする。   Further, the present invention is characterized in that the thickness of the Ni layer formed on the surface of the semiconductor element is 0.1 μm to 10 μm.

また、本発明は金属製導体パターンに加えて、第2の導体層と前記ベース板との接触面とは反対側の面の領域にフィンを備えたことを特徴とする。   In addition to the metal conductor pattern, the present invention is characterized in that fins are provided in a region on the surface opposite to the contact surface between the second conductor layer and the base plate.

また、本発明は、ベース板の前記第2の導体層との接触面とは反対側の面の領域にフィンを備えたことを特徴とする。   Further, the present invention is characterized in that fins are provided in a region of a surface opposite to the contact surface of the base plate with the second conductor layer.

また、本発明は、上記半導体モジュールを用いた車載用インバータ装置であって、前記第2の導体層と前記ベース板との接触面とは反対側の面の下方に冷却水流路が形成された車載用インバータ装置である。   Further, the present invention is an in-vehicle inverter device using the semiconductor module, wherein a cooling water flow path is formed below a surface opposite to a contact surface between the second conductor layer and the base plate. This is an in-vehicle inverter device.

本発明について、図表を用いて、以下に説明する。   The present invention will be described below with reference to the drawings.

高温環境下での信頼性を向上させる方策として以下の技術を投入した。   The following technologies were introduced as measures to improve reliability in high temperature environments.

パワーサイクル特性の向上には、ワイヤーボンディングと素子接合面における素子とワイヤーとの熱膨張係数差の縮小と、通電オン・オフにともなう素子下はんだの歪量を低減する必要があり、前者の方策には、素子の薄型化による効果が期待できる。後者は、素子裏面とはんだ界面近傍に生成する金属間化合物の厚さと生成量を制御すること、さらに、はんだ接合後の素子/はんだ界面に残存するNi厚さを制御する必要がある。各々について、以下に説明する。   In order to improve the power cycle characteristics, it is necessary to reduce the difference in thermal expansion coefficient between the element and the wire at the wire bonding and the element bonding surface, and to reduce the amount of distortion of the solder under the element due to energization on / off. Therefore, the effect of thinning the element can be expected. In the latter case, it is necessary to control the thickness and generation amount of the intermetallic compound generated near the element back surface and the solder interface, and to control the Ni thickness remaining at the element / solder interface after soldering. Each will be described below.

図1は、本発明の構造説明図である。図1(a)は平面模式図、同(b)は(a)のAA断面模式図である。断面模式図において、絶縁体表面の導体層パターン、及び、接着用の裏面金属パターン、さらに、半導体素子と絶縁体の導体層パターンおよび放熱ベースからなる。   FIG. 1 is an explanatory view of the structure of the present invention. FIG. 1A is a schematic plan view, and FIG. 1B is a schematic cross-sectional view taken along AA in FIG. In the cross-sectional schematic diagram, the conductor layer pattern on the surface of the insulator, the back surface metal pattern for bonding, the conductor layer pattern of the semiconductor element and the insulator, and the heat dissipation base are included.

本発明の実施例を、以下、図表を使用して詳細に説明する。   Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

(実施例1)
図1を使用して第一の実施例について詳細に説明する。50kWクラスの水冷3相インバータに適用される、3相IGBTモジュールの実施例である。
Example 1
The first embodiment will be described in detail with reference to FIG. It is an example of a three-phase IGBT module applied to a 50 kW class water-cooled three-phase inverter.

図1(a)は平面模式図、同図(b)は同図(a)の断面模式図である。断面模式図においてIGBT素子1,FWD素子2等をはんだ接着3した表面の導体層4および裏面の導体層6が銅である窒化ケイ素基板5,銅製フィン・ベース8,主端子用電極13,制御端子用電極12,素子下の接着層3,絶縁体4の裏面導体層パターン6と金属ベース8の接着層7を表している。   FIG. 1A is a schematic plan view, and FIG. 1B is a schematic cross-sectional view of FIG. In the schematic cross-sectional view, the silicon nitride substrate 5, the copper fin base 8, the main terminal electrode 13, and the control, in which the conductor layer 4 on the front surface and the conductor layer 6 on the rear surface 6 are made of copper. The terminal electrode 12, the adhesive layer 3 under the element 3, the back conductor layer pattern 6 of the insulator 4, and the adhesive layer 7 of the metal base 8 are shown.

セラミックス基板(ここでは窒化ケイ素基板を用いた)5の大きさは32mm×52mmで、素子サイズ14.0mm×12.5mm、厚さが0.09mmのIGBT素子1,素子サイズ12.5mm×7.0mmのFWD素子2の各2素子が、融点210℃以上のPbレスはんだで接着されている。ここでは、表1に示したSn−Cu系はんだならびにSn−Ag−Cu系はんだを使用した。はんだ厚は0.1mm程度である。各素子の電圧/電流定格は600V/200Aであり、2並列接続されることにより、定格600V/400Aのモジュールとなっている。さらに、窒化ケイ素基板5には、IGBTを並列駆動する場合の共振防止用ゲート抵抗素子と(図示せず)温度検出用サーミスタ(図示せず)が上記と同様のPbレスはんだで接着されている。IGBT素子1,FWD素子2とセラミックス基板5上の銅パターンである導体層パターン4との接続は、アルミワイヤ10,11,12で行う。
本ワイヤの線経は400μmφである。アルミワイヤ10,11,12は、全本数でなく、代表的なワイヤのみを表現している。本パワー半導体搭載窒化ケイ素基板5と銅ベース8は、融点210℃以上のSn−Cu系等のPbレスはんだで接着されている。はんだ厚は約0.18mmである。窒化ケイ素基板5と主端子13はメタルボンディングによる超音波接合がなされている。制御端子用電極12との接続も同じくアルミワイヤ9で行われる。このワイヤの線経は400μmφである。アルミワイヤ10,11は、半導体素子表面にボンディングされるため、低ダメージに配慮する必要があり、ボンディング条件の適正化が必要不可欠である。
The ceramic substrate (here, a silicon nitride substrate) 5 has a size of 32 mm × 52 mm, an element size of 14.0 mm × 12.5 mm, a thickness of 0.09 mm, an element size of 12.5 mm × 7 Two elements of 0.0 mm FWD element 2 are bonded with Pb-less solder having a melting point of 210 ° C. or higher. Here, the Sn—Cu solder and the Sn—Ag—Cu solder shown in Table 1 were used. The solder thickness is about 0.1 mm. The voltage / current rating of each element is 600 V / 200 A, and a module with a rating of 600 V / 400 A is obtained by connecting two elements in parallel. Further, a resonance preventing gate resistance element (not shown) and a temperature detection thermistor (not shown) when the IGBTs are driven in parallel are bonded to the silicon nitride substrate 5 with the same Pb-less solder as described above. . The connection between the IGBT element 1 and the FWD element 2 and the conductor layer pattern 4 which is a copper pattern on the ceramic substrate 5 is made by aluminum wires 10, 11 and 12.
The wire diameter of this wire is 400 μmφ. The aluminum wires 10, 11, and 12 represent only representative wires, not the total number. The power semiconductor-mounted silicon nitride substrate 5 and the copper base 8 are bonded to each other with a Pb-less solder such as Sn—Cu base having a melting point of 210 ° C. or higher. The solder thickness is about 0.18 mm. The silicon nitride substrate 5 and the main terminal 13 are ultrasonically bonded by metal bonding. The connection to the control terminal electrode 12 is also made by the aluminum wire 9. The wire diameter is 400 μmφ. Since the aluminum wires 10 and 11 are bonded to the surface of the semiconductor element, it is necessary to consider low damage, and it is essential to optimize the bonding conditions.

3相モジュールの各アームは、一枚の窒化ケイ素基板5から構成され、合計6枚の基板5が大きさ126mm×145mm、平板部の厚さ3mmのフィン付銅ベース8にはんだ接着されている。フィン114の幅115,間隔116,高さ118は各々2mm,4.5mm,8mmである。また、長さは8mmである。フィン114の本数は784本であり、全体のフィンの幅は2mmである。フィン114は、もちろん窒化ケイ素基板100下の領域に配置される。フィンの形状は、冷却水を流したときの流速、及び、フィン効率を考慮し、最大の熱伝達を実現できる形状とした。   Each arm of the three-phase module is composed of one silicon nitride substrate 5, and a total of six substrates 5 are soldered to a finned copper base 8 having a size of 126 mm × 145 mm and a flat plate portion of 3 mm. . The width 115, interval 116, and height 118 of the fin 114 are 2 mm, 4.5 mm, and 8 mm, respectively. The length is 8 mm. The number of fins 114 is 784, and the width of the entire fin is 2 mm. Of course, the fins 114 are arranged in a region under the silicon nitride substrate 100. The shape of the fin was set to a shape that can realize the maximum heat transfer in consideration of the flow velocity when the cooling water is passed and the fin efficiency.

本モジュールを、水冷ジャケットに締結用ボルトネジ17を用いて取り付けた場合の実施例の断面模式図を図2に示す。フィン0の底面をAlダイカスト製冷却ジャケット15に接触させた構成をしている。冷却水のシールは、冷却ジャケットの取り付けをOリング16で行って実施している。Oリング取り付け用に、Alダイカスト製冷却ジャケット15に溝(図示せず)を設けている。Oリングの線径は1.9mmφ、溝深さは1.4mmである。また、モジュールはM6ボルトで取り付け、締付けトルクは2.45N・mとした。このトルクは、通常のモジュール取り付けトルクと同程度である。   FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of an embodiment in which this module is attached to a water-cooling jacket using a fastening bolt screw 17. The bottom surface of the fin 0 is in contact with the Al die-cast cooling jacket 15. The cooling water is sealed by attaching the cooling jacket with the O-ring 16. A groove (not shown) is provided in the cooling jacket 15 made of Al die casting for attaching the O-ring. The O-ring has a wire diameter of 1.9 mmφ and a groove depth of 1.4 mm. The module was attached with M6 bolts, and the tightening torque was 2.45 N · m. This torque is comparable to the normal module mounting torque.

以上の構成のモジュールを接触させた、冷却ジャケット15の水路に、エチレングリコール50vol.%の冷却水を、流量10L/minで給水口18から通流し、パワーサイクル試験を実施した。パワーサイクル寿命試験は、素子到達温度が150℃になる条件を予め確認し、1アーム当たりにDC500A(1素子当たりDC250A)でオン時間2sec、オフ時間15secで行った。冷却水には50%LCCを用いて加温・冷却循環装置を用いて50℃とした。パワーサイクル寿命は、IGBT素子のΔVce値が初期値の1.2倍となった回数とした。   The water cycle of ethylene glycol 50 vol.% Was passed from the water supply port 18 at a flow rate of 10 L / min to the water channel of the cooling jacket 15 in which the module having the above configuration was brought into contact, and a power cycle test was performed. The power cycle life test was carried out in advance by confirming the conditions for the element temperature to reach 150 ° C., DC500A per arm (DC250A per element), ON time 2 sec, OFF time 15 sec. As the cooling water, 50% LCC was used and the temperature was set to 50 ° C. using a heating / cooling circulation device. The power cycle life was defined as the number of times that the ΔVce value of the IGBT element was 1.2 times the initial value.

IGBT素子のNiメタライズ層の厚さは、走査型電子顕微鏡(日立製S−4500)を用いて観察した。   The thickness of the Ni metallized layer of the IGBT element was observed using a scanning electron microscope (Hitachi S-4500).

素子下はんだは、Sn−Cu系(千住金属製),Sn−3.5%Ag−0.5%Cu−Ni−Ge(ニホンハンダ製)およびSn−3%Ag−0.5%Cu(ニホンハンダ製)を、また、基板下はんだは、Sn−3%Ag−0.5%Cu−5%In(千住金属製)を用い、モジュール作製に供した。   The solder under the element is Sn-Cu (Senju Metal), Sn-3.5% Ag-0.5% Cu-Ni-Ge (Nihon Solder) and Sn-3% Ag-0.5% Cu (Nihon Solder). The under-substrate solder was Sn-3% Ag-0.5% Cu-5% In (manufactured by Senju Metal) and used for module fabrication.

Sn−Cu系のはんだ組成はICP発光分析により評価した。導体層(回路基板の回路板)の表面処理は、Ni−Pめっきおよびめっきレスのものを使用した。   The Sn—Cu solder composition was evaluated by ICP emission analysis. For the surface treatment of the conductor layer (circuit board of the circuit board), Ni-P plating and plating-free ones were used.

リフロー後の金属間化合物の形状(厚さ,生成量)およびNiメタライズの残存厚さは、モジュールの断面を切断加工し、樹脂埋め研磨とアルゴンプラズマ処理した試料を走査型電子顕微鏡(日立製S−4500)を用いて観察した。   The shape of the intermetallic compound after reflow (thickness, generation amount) and the remaining thickness of Ni metallization were determined by scanning the electron microscope (Hitachi S -4500).

図3および図4に、素子/はんだ界面およびはんだ/導体層界面の断面観察像を示す。
図3(a)および図3(b)は、素子/はんだ界面の×1000倍および×3000倍で観察したものである。また、図4(a)および図4(b)は、はんだ/導体層界面の×1000倍および×3000倍で観察したものである。図3(a)および図4(a)より金属間化合物の厚さと生成量を、また、図3(b)よりNiメタライズの残存厚さを測定する。
3 and 4 show cross-sectional observation images of the element / solder interface and the solder / conductor layer interface.
3 (a) and 3 (b) are observed at x1000 times and x3000 times the element / solder interface. 4 (a) and 4 (b) are observed at x1000 times and x3000 times the solder / conductor layer interface. The thickness and amount of the intermetallic compound are measured from FIGS. 3A and 4A, and the remaining thickness of Ni metallization is measured from FIG. 3B.

Figure 2010087072
Figure 2010087072

表1において、実施例No.1〜4として、IGBT素子裏面のNiメタライズ層厚さを0.2μm〜4.5μmとした場合の半導体モジュールのパワーサイクル寿命を評価した。   In Table 1, as Examples No.1 to No.4, the power cycle life of the semiconductor module was evaluated when the Ni metallized layer thickness on the back surface of the IGBT element was set to 0.2 μm to 4.5 μm.

また、実施例No.5〜9として、実施例No.2のリフロー時間を短時間側の3minおよび長時間側の60minまで評価を行った。また、実施例No.10,11として、実施例No.6およびNo.7のリフロー時間の条件を同様にして、IGBT素子裏面のNiメタライズ層厚さを2.5μmとして評価を行った。また、実施例No.12〜15として、実施例No.2およびNo.6のリフロー温度を300℃および355℃として評価を行った。また、実施例No.16,17として、実施例No.2とNo.14のリフロー条件を同様にしてはんだ組成をSn−3%Cuに変更したものを用いて評価を行った。また、実施例No.18,19として、実施例No.2とNo.14のリフロー条件を同様にしてはんだ組成をSn−5%Cuに変更したものを用いて評価を行った。また、実施例No.20,21として、実施例No.2とNo.14のリフロー条件を同様にしてはんだ組成をSn−9%Cuに変更したものを用いて評価を行った。実施例No.22,23として、実施例No.2とNo.14のリフロー条件を同様にしてはんだ組成をSn−10%Cuに変更したものを用いて評価を行った。また、実施例No.24として、実施例No.2のリフロー条件を255℃から355℃に、保持時間を6minから12minに変更したものを用いて行った。また、実施例No.25として、実施例No.2の導体層材質をCuからNiに変更したものを、また、実施例26として実施例No.25のリフロー温度を255℃から355℃の変更したものを用いて評価した。   As Examples No. 5 to 9, the reflow time of Example No. 2 was evaluated up to 3 minutes on the short side and 60 minutes on the long side. Further, as Examples Nos. 10 and 11, the conditions of the reflow times of Examples No. 6 and No. 7 were similarly set, and the Ni metallized layer thickness on the back surface of the IGBT element was evaluated to be 2.5 μm. Further, as Examples No. 12 to 15, the reflow temperatures of Examples No. 2 and No. 6 were evaluated at 300 ° C. and 355 ° C. In addition, as Examples No. 16 and 17, evaluation was performed by using the same reflow conditions as in Examples No. 2 and No. 14 but changing the solder composition to Sn-3% Cu. Further, as Examples No. 18 and 19, evaluation was performed by using the same reflow conditions as in Examples No. 2 and No. 14 but changing the solder composition to Sn-5% Cu. In addition, as Examples No. 20 and 21, the reflow conditions of Examples No. 2 and No. 14 were similarly used and the solder composition was changed to Sn-9% Cu for evaluation. As Example Nos. 22 and 23, the reflow conditions of Examples No. 2 and No. 14 were similarly evaluated using the solder composition changed to Sn-10% Cu. Further, as Example No. 24, the reflow condition of Example No. 2 was changed from 255 ° C. to 355 ° C., and the holding time was changed from 6 min to 12 min. Also, as Example No. 25, the conductor layer material of Example No. 2 was changed from Cu to Ni, and as Example 26, the reflow temperature of Example No. 25 was changed from 255 ° C. to 355 ° C. It evaluated using what was done.

この結果、実施例No.1〜26では、また、パワーサイクル試験の目標仕様値18000サイクルをクリアーすることができ、高温環境下でのパワーサイクル特性に優れる半導体モジュールが得られた。   As a result, in Examples Nos. 1 to 26, the target specification value 18000 cycles of the power cycle test could be cleared, and a semiconductor module excellent in power cycle characteristics under a high temperature environment was obtained.

次に、表1の比較例のNo.31〜42では、半導体モジュールのパワーサイクル特性を維持することはできなかった。   Next, in No. 31-42 of the comparative example of Table 1, the power cycle characteristic of the semiconductor module could not be maintained.

比較例No.31では、実施例No.2の半導体モジュールにおいて、素子裏面のNiメタライス厚さを0.1μmに変更した。No.31は、パワーサイクル試験で目標仕様の18000サイクル未満となった。金属間化合物厚さが10μmで、Niメタライズ残存厚さは0.02μmと薄く、このためパワーサイクル試験時に、素子/はんだ界面での剥離が生じた。比較例No.32では、実施例No.2の半導体モジュールにおいて、素子裏面のNiメタライス厚さを12μmに厚くした。この場合、素子の厚さ90μmに対してNiメタライズ層の厚さ比が増すため、Niメタライズ層と素子との界面に熱応力負荷により大きな歪が生じたため、リフロー直後にIGBT素子が割れてしまう不具合が生じた。   In Comparative Example No. 31, in the semiconductor module of Example No. 2, the Ni metallization thickness on the back surface of the element was changed to 0.1 μm. No. 31 was less than 18,000 cycles of the target specification in the power cycle test. The thickness of the intermetallic compound was 10 μm, and the remaining Ni metallized thickness was as thin as 0.02 μm. For this reason, peeling at the element / solder interface occurred during the power cycle test. In Comparative Example No. 32, in the semiconductor module of Example No. 2, the Ni metallization thickness on the back surface of the element was increased to 12 μm. In this case, since the thickness ratio of the Ni metallized layer increases with respect to the element thickness of 90 μm, a large strain is generated due to the thermal stress load at the interface between the Ni metallized layer and the element, so that the IGBT element is cracked immediately after reflow. A malfunction occurred.

比較例No.33では、実施例No.2の半導体モジュールにおいて、素子下はんだ組成をSn−7%CuからSn−2%Cuに変更したものを評価した。この場合、素子/はんだ界面およびはんだ/導体界面での金属間化合物の生成厚さが、いずれも6μm以下となり、素子/はんだ剥離が生じる。   In Comparative Example No. 33, the semiconductor module of Example No. 2 was evaluated by changing the under-element solder composition from Sn-7% Cu to Sn-2% Cu. In this case, the generation thickness of the intermetallic compound at the element / solder interface and the solder / conductor interface is 6 μm or less, and element / solder peeling occurs.

比較例No.34では、実施例No.2の半導体モジュールにおいて、素子下はんだ組成をSn−7%CuからSn−12%Cuに変更したものを評価した。この場合、素子/はんだ界面およびはんだ/導体界面で(Cu,Ni)6Sn5金属間化合物に加えて、この(Cu,Ni)6Sn5と導体層の界面に脆弱なCu3Snが生成する。この場合、パワーサイクル試験時には、生成したCu3Snと導体層との界面で剥離が生じるため、パワーサイクル寿命は低下した。 In Comparative Example No. 34, the semiconductor module of Example No. 2 was evaluated by changing the under-element solder composition from Sn-7% Cu to Sn-12% Cu. In this case, in addition to the (Cu, Ni) 6 Sn 5 intermetallic compound at the element / solder interface and the solder / conductor interface, fragile Cu 3 Sn is generated at the interface between the (Cu, Ni) 6 Sn 5 and the conductor layer. To do. In this case, during the power cycle test, peeling occurred at the interface between the generated Cu 3 Sn and the conductor layer, so that the power cycle life was reduced.

比較例No.35では、実施例No.2の半導体モジュールにおいて、リフロー温度を255℃から450℃に上昇させたものを用いた。この場合、Niメタライズ層の残存量が0.01μmであり、パワーサイクル試験時に素子/はんだ界面での剥離が生じた。   In Comparative Example No. 35, the semiconductor module of Example No. 2 with the reflow temperature increased from 255 ° C. to 450 ° C. was used. In this case, the remaining amount of the Ni metallized layer was 0.01 μm, and peeling occurred at the element / solder interface during the power cycle test.

比較例No.36では、実施例No.2の半導体モジュールにおいて、リフロー温度と保持時間を255℃から355℃に上昇と6minから60minに延長したものを用いて評価した。この場合においても、Niメタライズ層の残存量が0.08μmであり、パワーサイクル試験時に素子/はんだ界面での剥離が生じた。   In Comparative Example No. 36, the semiconductor module of Example No. 2 was evaluated using the reflow temperature and holding time increased from 255 ° C. to 355 ° C. and extended from 6 min to 60 min. Also in this case, the remaining amount of the Ni metallized layer was 0.08 μm, and peeling at the element / solder interface occurred during the power cycle test.

比較例No.37,38は、実施例No.2および実施例No.14の素子下はんだ組成を、Sn−7%CuからSn−3.5%Agに変更したものを、また、比較例No.39,40は、同実施例の素子下はんだ組成をSn−7%CuからSn−3.5%Ag−0.5%Cu−Ni−Geに変更したものを、また、比較例No.41,42は、同実施例の素子下はんだ組成をSn−7%CuからSn−3%Ag−0.5%Cuに変更したものを用いて評価した。その結果、No.37からNo.42の素子/はんだ界面に生成する金属間化合物はNi−Sn系であり、この場合、リフロー時にはこの金属間化合物の生成反応は促進されるため素子下のNiメタライズ層は、Sn−Cu系に比べて大幅に減少する。このため、パワーサイクル試験時に素子/はんだ界面での剥離が生じ、寿命低下となる。   Comparative Examples No. 37 and 38 were obtained by changing the under-element solder compositions of Example No. 2 and Example No. 14 from Sn-7% Cu to Sn-3.5% Ag. Nos. 39 and 40 were obtained by changing the under-element solder composition of the example from Sn-7% Cu to Sn-3.5% Ag-0.5% Cu-Ni-Ge, and Comparative Example No. .41 and 42 were evaluated using the under-element solder composition of the same example changed from Sn-7% Cu to Sn-3% Ag-0.5% Cu. As a result, the intermetallic compound produced at the element / solder interface from No. 37 to No. 42 is Ni-Sn, and in this case, the formation reaction of this intermetallic compound is promoted during reflow, so The metallized layer is greatly reduced compared to the Sn—Cu system. For this reason, peeling at the element / solder interface occurs during the power cycle test, resulting in a reduction in life.

以上の結果から、パワー半導体素子裏面のNiメタライズ層厚さは、0.2μm以上10μm以下であることが好ましい。   From the above results, the Ni metallization layer thickness on the back surface of the power semiconductor element is preferably 0.2 μm or more and 10 μm or less.

また、素子下はんだ組成は、Sn−3%Cu〜Sn−10%Cuであることが好ましい。Sn−Ag系およびSn−Ag−Cu系はんだは、Ni−Sn化合物を容易に生成するため、Niメタライズ層の消失速度が大きく、パワーサイクル寿命の向上は望めない。   The under-element solder composition is preferably Sn-3% Cu to Sn-10% Cu. Since Sn-Ag and Sn-Ag-Cu solders easily generate Ni-Sn compounds, the disappearance rate of the Ni metallized layer is high, and improvement in power cycle life cannot be expected.

さらに、金属間化合物については、10μm以上40μm以下であることが望ましい。
また、Niメタライズ層の残存厚さは、0.1μm以上であることが望ましい。
Furthermore, the intermetallic compound is desirably 10 μm or more and 40 μm or less.
Further, the remaining thickness of the Ni metallized layer is preferably 0.1 μm or more.

Sn−AgおよびSn−Ag−Cu系はんだを用いた場合、素子中央部での界面剥離の原因は、Niメタライズ層の消失が関与している。すなわち、SnAgCuNiGeはんだでは、リフロー過程ではんだ成分のSnと反応してNi−Sn化合物を生成し、いわゆる、はんだによるNi食われが起きNiメタライズ層は消失する。したがって、Ni層の下地膜のTi層とNi−Sn相および主相Snの新たな界面となる。この場合、Tiとはんだ界面での接合強度を保証するには、TiとSnの反応によりTi−Sn化合物の生成が必要となるが、231℃でTi6Sn5金属間化合物が形成される。これは、モジュール試作の際のリフロー温度よりも低い温度であるため、リフロー工程でTi−Sn合金化は起こり得る。しかしながら、Ti−Sn層形成とTi層に含まれる酸素量とは密接な関係にあり、半導体素子の前工程におけるTi層の形成の際に、ここに取り込まれた酸素量の揺らぎにより接着力の弱い界面が形成される可能性があり、パワーサイクル過程において、通電による素子発熱と冷却の繰り返しで発生する熱応力負荷のため、接着力の弱いTiとのはんだ接合界面で剥離が生じたものと推察される。 When Sn—Ag and Sn—Ag—Cu based solder is used, the cause of interfacial delamination at the center of the element involves the disappearance of the Ni metallized layer. That is, in the SnAgCuNiGe solder, it reacts with the solder component Sn in the reflow process to generate a Ni—Sn compound, so-called Ni erosion by the solder occurs, and the Ni metallized layer disappears. Therefore, it becomes a new interface between the Ti layer of the Ni layer base film, the Ni—Sn phase, and the main phase Sn. In this case, in order to guarantee the bonding strength at the Ti / solder interface, it is necessary to generate a Ti—Sn compound by the reaction of Ti and Sn, but a Ti 6 Sn 5 intermetallic compound is formed at 231 ° C. Since this is a temperature lower than the reflow temperature at the time of module trial manufacture, Ti-Sn alloying can occur in the reflow process. However, the formation of the Ti—Sn layer and the amount of oxygen contained in the Ti layer are closely related, and the adhesive strength is reduced by the fluctuation of the amount of oxygen incorporated in the formation of the Ti layer in the previous process of the semiconductor element. There is a possibility that a weak interface may be formed, and in the power cycle process, due to the thermal stress load generated by repeated heating and cooling of the element due to energization, peeling occurred at the solder joint interface with Ti with weak adhesion Inferred.

続いて、本発明のパワー半導体モジュールを搭載した車載用インバータ装置について説明する。   Then, the vehicle-mounted inverter apparatus carrying the power semiconductor module of this invention is demonstrated.

図5は、本発明の実施形態によるパワー半導体モジュールを使用した電力変換装置INVを用いて構成した車載用電機システムと、内燃機関のエンジンシステムを組み合わせたハイブリッド電気自動車のブロック図である。   FIG. 5 is a block diagram of a hybrid electric vehicle that combines an in-vehicle electric machine system configured using a power converter INV using a power semiconductor module according to an embodiment of the present invention and an engine system of an internal combustion engine.

本実施形態のHEVは、前輪FRW,FLW,後輪RPW,RLW,前輪車軸FDS,後輪車軸RDS,デファレンシャルギアDEF,変速機T/M,エンジンENG,電動機MG1,MG2,電力変換装置INV,バッテリBAT,エンジン制御装置ECU,変速機制御装置TCU,電動機制御装置MCU,バッテリ制御装置BCU,車載用ローカルエリアネットワークLANを備える。   The HEV of this embodiment includes front wheels FRW, FLW, rear wheels RPW, RLW, front wheel axle FDS, rear wheel axle RDS, differential gear DEF, transmission T / M, engine ENG, electric motors MG1, MG2, power converter INV, A battery BAT, an engine control unit ECU, a transmission control unit TCU, an electric motor control unit MCU, a battery control unit BCU, and an in-vehicle local area network LAN are provided.

本実施例では、駆動力は、エンジンENGと2つの電動機MG1,MG2で発生し、変速機T/M,デファレンシャルギアDEF,前輪車軸FDSを通じて前輪FRW,FLWに伝わる。   In this embodiment, the driving force is generated by the engine ENG and the two electric motors MG1 and MG2, and is transmitted to the front wheels FRW and FLW through the transmission T / M, the differential gear DEF, and the front wheel axle FDS.

変速機T/Mは、複数のギアから構成され、速度等の運転状態に応じてギア比を変えることができる装置である。   The transmission T / M is a device that includes a plurality of gears and can change a gear ratio according to an operation state such as a speed.

デファレンシャルギアDEFは、カーブなどで左右の車輪FRW,FLWに速度差があるときに、適切に左右に動力を分配する装置である。   The differential gear DEF is a device that appropriately distributes power to the left and right when there is a speed difference between the left and right wheels FRW and FLW due to a curve or the like.

エンジンENGは、インジェクタ,スロットバルブ,点火装置,吸排気バルブ(いずれも図示省略)などの複数のコンポーネントで構成される。インジェクタは、エンジンENGの気筒内に噴射する燃料を制御する燃料噴射弁である。スロットバルブは、エンジンENGの気筒内に供給される空気の量を制御する絞り弁である。点火装置は、エンジンENGの気筒内の混合気を燃焼させる火源である。吸排気バルブは、エンジンENGの気筒の吸気及び排気に設けられた開閉弁である。   The engine ENG includes a plurality of components such as an injector, a slot valve, an ignition device, and an intake / exhaust valve (all not shown). The injector is a fuel injection valve that controls the fuel injected into the cylinder of the engine ENG. The slot valve is a throttle valve that controls the amount of air supplied into the cylinder of the engine ENG. The ignition device is a fire source that burns the air-fuel mixture in the cylinder of the engine ENG. The intake / exhaust valves are open / close valves provided for intake and exhaust of the cylinders of the engine ENG.

電動機MG1,MG2は、三相交流同期式、つまり永久磁石回転電機である。   Electric motors MG1 and MG2 are three-phase AC synchronous, that is, permanent magnet rotating electric machines.

尚、電動機MG1,MG2としては、三相交流誘導式回転電機やリラクタンス式回転電機などのものを用いてもよい。   As the electric motors MG1 and MG2, a three-phase AC induction type rotating electric machine or a reluctance type rotating electric machine may be used.

電動機MG1,MG2は、回転する回転子と、回転磁界を発生する固定子からなる。   Electric motors MG1 and MG2 include a rotating rotor and a stator that generates a rotating magnetic field.

回転子は、鉄心の内部に複数の永久磁石を埋め込んだもの、もしくは、鉄心の外周表面に複数の永久磁石を配置して構成する。固定子は、電磁鋼板に銅線を巻回して構成する。   The rotor is configured by embedding a plurality of permanent magnets in the iron core or by arranging a plurality of permanent magnets on the outer peripheral surface of the iron core. The stator is formed by winding a copper wire around a magnetic steel sheet.

固定子の巻線に三相交流電流を流すことにより、回転磁界が発生し、回転子が生じるトルクにより電動機MG1,MG2を回転させることができる。   By flowing a three-phase alternating current through the stator winding, a rotating magnetic field is generated, and the motors MG1 and MG2 can be rotated by torque generated by the rotor.

電力変換装置INVは、パワー半導体のスイッチングにより、電動機MG1,MG2の電力を制御するものである。簡単に言えば、高圧バッテリBATの直流源を、電動機MG1,MG2に繋いだり(オン),切ったり(オフ)することで、電動機MG1,MG2を制御する。本実施例では、電動機MG1,MG2が三相交流モータであるので、スイッチング(オン,オフ)の時間幅の粗密により、三相交流電圧発生させ、電動機MG1,MG2の駆動力を制御する(PWM制御)。   The power converter INV controls the electric power of the electric motors MG1, MG2 by switching power semiconductors. In short, the motors MG1 and MG2 are controlled by connecting (on) and turning off (off) the DC source of the high voltage battery BAT to the motors MG1 and MG2. In the present embodiment, since the motors MG1 and MG2 are three-phase AC motors, three-phase AC voltages are generated by controlling the time width of switching (on and off) to control the driving force of the motors MG1 and MG2 (PWM) control).

電力変換装置INVは、スイッチング時に瞬時に電力を供給するコンデンサモジュールCM,スイッチングするパワー半導体モジュールPMU,パワー半導体モジュールのスイッチングを駆動回路装置DCU及び、スイッチングの時間幅の粗密を決める電動機制御装置MCUから構成する。   The power converter INV includes a capacitor module CM that instantaneously supplies power during switching, a power semiconductor module PMU that performs switching, a drive circuit unit DCU that performs switching of the power semiconductor module, and an electric motor control unit MCU that determines the density of the switching time width. Constitute.

本発明の電力変換装置INVは、放熱性に優れるパワー半導体モジュールの搭載により高信頼性を有するものとなる。   The power conversion device INV of the present invention has high reliability by mounting a power semiconductor module having excellent heat dissipation.

本実施形態によれば、低熱抵抗を維持した上に素子搭載数を低減することにより実装スペースを省力化したパワー半導体モジュール、ひいてはインバータ装置INVのさらなる小型化を実現できる。これによって、小型で信頼性の高いハイブリッド電気自動車の電動機駆動システムを低価格で提供できる。   According to the present embodiment, it is possible to achieve further downsizing of the power semiconductor module, and thus the inverter device INV, which saves mounting space by maintaining the low thermal resistance and reducing the number of mounted elements. As a result, a small and highly reliable electric drive system for a hybrid electric vehicle can be provided at a low price.

本発明の基本構造を示す、(a)平面構造図、(b)断面構造模式図。The basic structure of this invention is shown, (a) Planar structure figure, (b) Cross-section structure schematic diagram. 本発明の実施形態による半導体モジュールの冷却構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the cooling structure of the semiconductor module by embodiment of this invention. 素子/はんだ界面のミクロ組織(a)×1000倍(b)×3000倍拡大像。Microstructure (a) × 1000 times (b) × 3000 times magnified image of element / solder interface. はんだ/導体層界面のミクロ組織(a)×1000倍(b)×3000倍拡大像。Microstructure of solder / conductor layer interface (a) × 1000 times (b) × 3000 times magnified image. 本発明の実施形態による電力変換装置INVを用いて構成した車載用電機システムと、内燃機関のエンジンシステムを組み合わせたハイブリッド電気自動車のブロック図である。1 is a block diagram of a hybrid electric vehicle that combines an in-vehicle electric system configured using a power converter INV according to an embodiment of the present invention and an engine system of an internal combustion engine.

符号の説明Explanation of symbols

1 IGBT素子
2 FWD素子
3 素子下接着層
4 表面の導体層
5 絶縁体
6 裏面の導体層
7 裏面の導体層下接着層
8 銅製フィン・ベース
9,10,11 アルミワイヤ
12 制御端子用電極
13 主端子用電極
14 PPS樹脂ケース
15 Alダイカスト製冷却ジャケット
16 Oリング
17 締結用ボルトネジ
18 給水口
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 IGBT element 2 FWD element 3 Element lower adhesive layer 4 Surface conductor layer 5 Insulator 6 Back conductor layer 7 Back conductor layer lower adhesive layer 8 Copper fin bases 9, 10, and 11 Aluminum wire 12 Control terminal electrode 13 Main terminal electrode 14 PPS resin case 15 Al die-cast cooling jacket 16 O-ring 17 Fastening bolt screw 18 Water supply port

Claims (10)

電極表面にNi層が形成された半導体素子と金属製導体パターンと前記半導体素子と前記導体パターンを接合したはんだとを備えるパワー半導体モジュールにおいて、
前記はんだの組成比がSn−3wt%Cu〜Sn−10wt%Cuであり、前記半導体素子とはんだとの界面付近に形成された金属間化合物の厚さが、6μm〜50μmであることを特徴とするパワー半導体モジュール。
In a power semiconductor module comprising a semiconductor element in which a Ni layer is formed on the electrode surface, a metal conductor pattern, and a solder joining the semiconductor element and the conductor pattern,
The composition ratio of the solder is Sn-3 wt% Cu to Sn-10 wt% Cu, and the thickness of the intermetallic compound formed in the vicinity of the interface between the semiconductor element and the solder is 6 μm to 50 μm, Power semiconductor module.
請求項1に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記半導体素子とはんだとの界面に対して垂直断面での該金属間化合物の面積比が20%〜100%の範囲にあることを特徴とするパワー半導体モジュール。
The power semiconductor module according to claim 1,
A power semiconductor module, wherein an area ratio of the intermetallic compound in a vertical section with respect to an interface between the semiconductor element and the solder is in a range of 20% to 100%.
請求項1に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記Ni層のはんだ接合後の残存量が、0.1μm以上であることを特徴とするパワー半導体モジュール。
The power semiconductor module according to claim 1,
The power semiconductor module, wherein the remaining amount of the Ni layer after soldering is 0.1 μm or more.
請求項1に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記半導体素子の表面に形成したNi層の厚さが、0.1μm〜10μmであることを特徴とするパワー半導体モジュール。
The power semiconductor module according to claim 1,
A power semiconductor module, wherein the Ni layer formed on the surface of the semiconductor element has a thickness of 0.1 μm to 10 μm.
請求項1に記載のパワー半導体モジュールにおいて、パワー半導体モジュールへの通電量が400A以上であることを特徴とするパワー半導体モジュール。   2. The power semiconductor module according to claim 1, wherein an energization amount to the power semiconductor module is 400 A or more. 絶縁基板の一方の面に導体パターン、他方の面に裏面導体層が形成された配線基板と、前記導体パターンに搭載され、電流をスイッチングするパワー半導体素子と、前記裏面導体層の表面に配置された金属ベースとを備えるパワー半導体モジュールにおいて、
前記パワー半導体素子の電極表面にNi層が形成され、
前記電極と前記導体パターンとが、組成比がSn−3wt%Cu〜Sn−10wt%Cuのはんだにより接合され、
前記はんだと前記電極との界面付近に形成された金属間化合物の厚さが、6μm〜50μmであることを特徴とするパワー半導体モジュール。
A wiring board having a conductor pattern formed on one surface of the insulating substrate and a back conductor layer formed on the other surface; a power semiconductor element mounted on the conductor pattern for switching current; and disposed on the surface of the back conductor layer. In a power semiconductor module comprising a metal base,
Ni layer is formed on the electrode surface of the power semiconductor element,
The electrode and the conductor pattern are joined by a solder having a composition ratio of Sn-3 wt% Cu to Sn-10 wt% Cu,
A power semiconductor module, wherein a thickness of an intermetallic compound formed in the vicinity of an interface between the solder and the electrode is 6 μm to 50 μm.
請求項6に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記半導体素子とはんだとの界面に対して垂直断面での該金属間化合物の面積比が20%〜100%の範囲にあることを特徴とするパワー半導体モジュール。
The power semiconductor module according to claim 6, wherein
A power semiconductor module, wherein an area ratio of the intermetallic compound in a vertical section with respect to an interface between the semiconductor element and the solder is in a range of 20% to 100%.
請求項6に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記Ni層の厚さが、0.1μm〜10μmであることを特徴とするパワー半導体モジュール。
The power semiconductor module according to claim 6, wherein
The power semiconductor module, wherein the Ni layer has a thickness of 0.1 μm to 10 μm.
請求項6に記載のパワー半導体モジュールにおいて、前記金属ベース板の表面にフィンを備えたことを特徴とする半導体モジュール。   The power semiconductor module according to claim 6, wherein fins are provided on a surface of the metal base plate. 絶縁基板の一方の面に導体パターン、他方の面に裏面導体層が形成された配線基板と、前記導体パターンに搭載され、電流をスイッチングするパワー半導体素子と、前記裏面導体層の表面に配置された金属ベースと、前記金属ベース板の裏面に配置された冷却水流路とを備える車載用インバータ装置であって、
前記パワー半導体素子の電極表面にNi層が形成され、
前記電極と前記導体パターンとが、組成比がSn−3wt%Cu〜Sn−10wt%Cuのはんだにより接合され、
前記はんだと前記電極との界面付近に形成された金属間化合物の厚さが、6μm〜50μmであることを特徴とする車載用インバータ装置。
A wiring board having a conductor pattern formed on one surface of the insulating substrate and a back conductor layer formed on the other surface; a power semiconductor element mounted on the conductor pattern for switching current; and disposed on the surface of the back conductor layer. A vehicle-mounted inverter device comprising a metal base and a cooling water passage disposed on the back surface of the metal base plate,
Ni layer is formed on the electrode surface of the power semiconductor element,
The electrode and the conductor pattern are joined by a solder having a composition ratio of Sn-3 wt% Cu to Sn-10 wt% Cu,
The in-vehicle inverter device, wherein a thickness of an intermetallic compound formed in the vicinity of an interface between the solder and the electrode is 6 μm to 50 μm.
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012039683A (en) * 2010-08-03 2012-02-23 Fuji Electric Co Ltd Power semiconductor module and test method for the same
JP2013206920A (en) * 2012-03-27 2013-10-07 Toyota Central R&D Labs Inc Module including circuit element
JP2014209608A (en) * 2013-03-29 2014-11-06 三菱マテリアル株式会社 Power module
KR20150099754A (en) * 2012-12-25 2015-09-01 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤 Power module
US9642275B2 (en) 2012-12-25 2017-05-02 Mitsubishi Materials Corporation Power module
JPWO2025182086A1 (en) * 2024-03-01 2025-09-04

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002368168A (en) * 2001-06-13 2002-12-20 Hitachi Ltd Composite member for semiconductor device, insulated semiconductor device using the same, or non-insulated semiconductor device
JP2005184976A (en) * 2003-12-19 2005-07-07 Hitachi Ltd Automotive alternator
JP2007067158A (en) * 2005-08-31 2007-03-15 Hitachi Ltd Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device
WO2007032486A1 (en) * 2005-09-15 2007-03-22 Mitsubishi Materials Corporation Insulating circuit board and insulating circuit board provided with cooling sink section
JP2007152385A (en) * 2005-12-05 2007-06-21 Hitachi Ltd High temperature solder, high temperature solder paste material, and power semiconductor device using the same

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002368168A (en) * 2001-06-13 2002-12-20 Hitachi Ltd Composite member for semiconductor device, insulated semiconductor device using the same, or non-insulated semiconductor device
JP2005184976A (en) * 2003-12-19 2005-07-07 Hitachi Ltd Automotive alternator
JP2007067158A (en) * 2005-08-31 2007-03-15 Hitachi Ltd Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device
WO2007032486A1 (en) * 2005-09-15 2007-03-22 Mitsubishi Materials Corporation Insulating circuit board and insulating circuit board provided with cooling sink section
JP2007152385A (en) * 2005-12-05 2007-06-21 Hitachi Ltd High temperature solder, high temperature solder paste material, and power semiconductor device using the same

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012039683A (en) * 2010-08-03 2012-02-23 Fuji Electric Co Ltd Power semiconductor module and test method for the same
JP2013206920A (en) * 2012-03-27 2013-10-07 Toyota Central R&D Labs Inc Module including circuit element
KR20150099754A (en) * 2012-12-25 2015-09-01 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤 Power module
US9426915B2 (en) 2012-12-25 2016-08-23 Mitsubishi Materials Corporation Power module
US9642275B2 (en) 2012-12-25 2017-05-02 Mitsubishi Materials Corporation Power module
KR102154369B1 (en) 2012-12-25 2020-09-09 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤 Power module
JP2014209608A (en) * 2013-03-29 2014-11-06 三菱マテリアル株式会社 Power module
CN104995731A (en) * 2013-03-29 2015-10-21 三菱综合材料株式会社 Power module
KR20150135275A (en) * 2013-03-29 2015-12-02 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤 Power module
US9953944B2 (en) 2013-03-29 2018-04-24 Mitsubishi Materials Corporation Power module
KR102154373B1 (en) * 2013-03-29 2020-09-09 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤 Power module
JPWO2025182086A1 (en) * 2024-03-01 2025-09-04

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