JP2010129550A - 電力用半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】回路基板に形成する回路パターン面積を小さくして、さらなる小型化を実現するトランスファーモールド樹脂により封止された電力用半導体モジュールを得ることである。
【解決手段】回路パターンに接合された電力用半導体素子間および電力用半導体素子と回路パターンとの間を、配線用金属板で電気的に接続するとともに、配線用金属板と回路パターンとに筒状の主端子を略垂直に接合し、電力用半導体素子に筒状の制御端子を略垂直に接合したものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、生産性に優れたトランスファーモールドによる樹脂封止型の電力用半導体モジュールに関し、特に、小型化を図ったトランスファーモールドによる樹脂封止型の電力用半導体モジュールに関する。

動作に伴う発熱を外部に効率良く逃がすことができるとともに、大電流化を可能にする、トランスファーモールド樹脂封止型電力用半導体モジュールとして、金属の放熱ベースに接合された回路パターンに、ＩＧＢＴ等の電力用半導体素子を搭載するとともに、外部接続用の主端子と制御端子とを回路パターンの面に略垂直に接合して設けたものがある。

この電力用半導体モジュールの主回路に接続されている主端子には、銅のブロック、ねじ穴が付いた円筒、ナットを樹脂モールドしたものが用いられており、銅のブロックの主端子は外部配線とはんだで接合され、ねじ穴が付いた円筒およびナットを樹脂モールドした主端子は外部配線と、ボルトで接続されている。また、この電力用半導体モジュールの制御回路に接続する制御端子には、メスコネクタが用いられ、外部配線とは、外部配線である制御基板に設けられたピンタイプの端子で接続されている。
そして、主端子および制御端子は回路パターン面に対して垂直に設けられ、外部配線との接続部が、モールドした樹脂の表面に露出している。また、電力用半導体素子と主端子との間、電力用半導体素子と制御端子との間、電力用半導体素子間の各間はワイヤーボンドで電気的に接続されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−１８４３１５号公報（第７頁〜第９頁、第２図、第６図）

特許文献１に記載のトランスファーモールド樹脂封止型電力用半導体モジュール（電力用半導体モジュールと記す）は、電力用半導体素子と主端子との間、電力用半導体素子と制御端子との間、電力用半導体素子間の各間はワイヤーボンドで電気的に接続されている。
電力用半導体素子と主端子との間の電気的接続は、ワイヤーボンドによる電力用半導体素子と主端子を設けた回路パターンとの接続である。また、電力用半導体素子と制御端子との間の電気的接続も、ワイヤーボンドによる電力用半導体素子と制御端子を設けた回路パターンとの接続である。

特許文献１に記載の電力用半導体モジュールでは、電力用半導体モジュール内の配線に、ワイヤーボンドが用いられているため、電力用半導体素子を搭載する回路パターンとは、別に主端子あるいは制御端子を搭載する回路パターンが設けられており、電力用半導体モジュールの小型化が制限されるとの問題があった。
また、特許文献１に記載の電力用半導体モジュールでは、電力用半導体モジュール内の配線がワイヤーボンディング法で行われている。そしてワイヤーボンド装置のヘッダー部の動作には所定の広い範囲が必要であるので、主端子あるいは制御端子近傍にワイヤーボンディングすることが困難である。すなわち、ワイヤーボンディング装置を動作させるために、主端子あるいは制御端子と、ワイヤーボンディングされる部位との間隔を広くとる必要があり、この点からも、電力用半導体モジュールの小型化が制限されるとの問題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、トランスファーモールドで樹脂封止した電力用半導体モジュールであって、さらなる小型化を実現できる電力用半導体モジュールを提供することである。

本発明に係わる電力用半導体モジュールは、金属放熱体とこの金属放熱体の一方の面に接合した高熱伝導絶縁層とこの高熱伝導絶縁層における金属放熱体と接合した面と対向する面に設けられた回路パターンとからなる回路基板と、回路パターンに接合された電力用半導体素子と、電力用半導体素子間、電力用半導体素子と回路パターンとの間の各間を電気的に接続する配線用金属板と、配線用金属板と回路パターンとに略垂直に接合された筒状の主端子と、電力用半導体素子に略垂直に接合された筒状の制御端子と、少なくとも、高熱伝導絶縁層と回路パターンと電力用半導体素子と配線用金属板と主端子の側面部と制御端子の側面部とを封止したトランスファーモールド樹脂とを備え、トランスファーモールド樹脂の表面に主端子と制御端子との開口が設けられたものである。

本発明に係わる電力用半導体モジュールは、金属放熱体とこの金属放熱体の一方の面に接合した高熱伝導絶縁層とこの高熱伝導絶縁層における金属放熱体と接合した面と対向する面に設けられた回路パターンとからなる回路基板と、回路パターンに接合された電力用半導体素子と、電力用半導体素子間、電力用半導体素子と回路パターンとの間の各間を電気的に接続する配線用金属板と、配線用金属板と回路パターンとに略垂直に接合された筒状の主端子と、電力用半導体素子に略垂直に接合された筒状の制御端子と、少なくとも、高熱伝導絶縁層と回路パターンと電力用半導体素子と配線用金属板と主端子の側面部と制御端子の側面部とを封止したトランスファーモールド樹脂とを備え、トランスファーモールド樹脂の表面に主端子と制御端子との開口が設けられたものであり、電力用半導体モジュールのさらなる小型化が可能である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る電力用半導体モジュールの断面模式図である。
図１に示すように、本実施の形態の電力用半導体モジュール１００は、電力用半導体モジュール１００の熱を放熱する金属放熱体である金属ベース板３の一方の面に、高熱伝導絶縁層である絶縁シート４が設けられている。この絶縁シート４における金属ベース板３に接合された面と対向する面には、回路パターンである、第１の金属パターン５ａと第２の金属パターン５ｂが設けられている。
すなわち、金属ベース板３と絶縁シート４と第１の金属パターン５ａと第２の金属パターン５ｂとで、回路基板である金属基板９を構成している。

また、第１の金属パターン５ａ上には、電力用半導体素子である、第１のＩＧＢＴチップ１ａと第１のＦＷＤ（Free Wheeling Diode）チップ２ａがはんだ８で接合されており、第２の金属パターン５ｂ上には、電力用半導体素子である、第２のＩＧＢＴチップ１ｂと第２のＦＷＤチップ２ｂがはんだ８で接合されている。すなわち、本実施の形態の電力用半導体モジュール１００は、金属基板９に、２組のＩＧＢＴチップとＦＷＤチップとのペアが搭載された、２in１ＩＧＢＴモジュールである。
また、第１のＩＧＢＴチップ１ａの第１の金属パターン５ａに接合した面と対向する面と、第１のＦＷＤチップ２ａの第１の金属パターン５ａに接合した面と対向する面とが、第１の配線用金属板７ａで接合されている。第２のＩＧＢＴチップ１ｂの第２の金属パターン５ｂに接合した面と対向する面と、第２のＦＷＤチップ２ｂの第２の金属パターン５ｂに接合した面と対向する面と、第１の金属パターン５ａとが、第２の配線用金属板７ｂで接合されている。

また、第１の配線用金属板７ａと第２の配線用金属板７ｂと第２の金属パターン５ｂとに、電力用半導体モジュール１００の主回路につながる筒状の端子（主端子と記す）１３が、金属基板９の面に対して略垂直に設けられている。半導体モジュール１００の制御回路につながる筒状の端子（制御端子と記す）１４が、各ＩＧＢＴチップ１ａ，１ｂの各ゲート部に略垂直に設けられている。
また、電力用半導体モジュール１００の金属基板９の金属パターン形成面部および周囲側面部と、全ての電力用半導体素子１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂと、すべての配線用金属板７ａ，７ｂと、主端子１３と制御端子１４との外側面は、トランスファーモールド樹脂６で封止されている。しかし、金属ベース板３の絶縁シート４が設けられた面と対向する面はトランスファーモールド樹脂６で封止されておらず、主端子１３と制御端子１４との孔部にはトランスファーモールド樹脂６は充填されていない。

本実施の形態では、第１のＩＧＢＴチップ１ａと第１のＦＷＤチップ２ａとが第１の配線用金属板７ａで接合され、第２のＩＧＢＴチップ１ｂと第２のＦＷＤチップ２ｂと第１の金属パターン５ａとが第２の配線用金属板７ｂで接合され、第２の金属パターン５ｂに主端子１３が設けられているが、第１のＩＧＢＴチップ１ａと第１のＦＷＤチップ２ａと第２の金属パターン５ｂとを第１の配線用金属板７ａで接合し、第２のＩＧＢＴチップ１ｂと第２のＦＷＤチップ２ｂとを第２の配線用金属板７ｂで接合し、第１の金属パターン５ａに主端子１３を設けても良い。

本実施の形態において、金属板ベース３には、例えばアルミニウム系または銅系の熱伝導性に優れた金属が用いられ、絶縁シート４には、各種セラミックスや無機粉末を含有する熱伝導性に優れた絶縁性樹脂シートが用いられる。
また、第１の金属パターン５ａと第２の金属パターン５ｂには、例えば銅板が用いられ、第１の配線用金属板７ａと第２の配線用金属板７ｂにも、例えば銅系の材料が用いられる。
また、主端子１３と制御端子１４とには、筒状の導電性を有した部材、例えば金属筒が用いられ、トランスファーモールド樹脂６には、例えば、フィラーとしてシリカ粉末が充填されたエポキシ樹脂が用いられる。

本実施の形態における電力用半導体モジュールの製造方法の一例について説明する。
まず、金属ベース板３とＢステージの絶縁シート４と銅板とを積層し、加熱加圧し、
金属ベース板３と銅板とが絶縁シート４で接着された積層体を形成する。次に、積層体の銅板をエッチングして、第１の金属パターン５ａと第２の金属パターン５ｂとを形成し、金属基板９とする。
次に、金属基板９の、第１の金属パターン５ａに第１のＩＧＢＴチップ１ａと第１のＦＷＤチップ２ａとを、はんだ８等で接合し、第２の金属パターン５ｂに第２のＩＧＢＴチップ１ｂと第２のＦＷＤチップ２ｂとを、はんだ８等で接合する。

図２は、本発明の実施の形態１に係る電力用半導体モジュールの製造工程における金属パターンに電力用半導体素子が搭載された状態を示す図である。
図２に示すように、左から一列に、第１のＩＧＢＴチップ１ａ、第１のＦＷＤチップ２ａ、第２のＦＷＤチップ２ｂ、第２のＩＧＢＴチップ１ｂとの順に並んでいる。また、第１の金属パターン５ａの第２の配線用金属板７ｂを接合する凸部の側面と、第２の金属パターン５ｂの主端子１３を接続する凸部の側面が平行に並ぶようになっており、第１の金属パターン５ａと第２の金属パターン５ｂとの距離を近づけることができ、電力用半導体モジュールの小型化に寄与する。

次に、第１のＩＧＢＴチップ１ａと第１のＦＷＤチップ２ａとに、第１の配線用金属板７ａをはんだ等で接合し、第２のＩＧＢＴチップ１ｂと第２のＦＷＤチップ２ｂと第１の金属パターン５ａの凸部とに、第２の配線用金属板７ｂをはんだ等で接合する。
次に、第１の配線用金属板７ａと第２の配線用金属板７ｂと第２の金属パターン５ｂの凸部とに、主端子１３をはんだ等で接合し、第１のＩＧＢＴチップ１ａと第２のＩＧＢＴチップ１ｂとの各々のゲート部に、制御端子１４をはんだ等で接合する。

図３は、本発明の実施の形態１に係る電力用半導体モジュールの製造工程における主端子と制御端子とが取り付けられた状態を示す図である。
図３に示すように、大電流を流す主端子１３のサイズは制御端子１４より大きい。また、第１の配線用金属板７ａと第２の配線用金属板７ｂとは、幅の広い１枚の板である。
最後に、金型を用いてトランスファーモールド法で成型し、トランスファーモールド樹脂６で封止して電力用半導体モジュール１００を完成する。
図４は、本発明の実施の形態１に係る電力用半導体モジュールの上面図である。
図４に示すように、封止したトランスファーモールド樹脂６の表面に、各主端子１３と各制御端子１４の開口が露出しており、この開口に外部回路につなげる外部端子を挿入できる。
封止したトランスファーモールド樹脂６の表面に、各主端子１３と各制御端子１４との開口を露出させて成型する方法としては、例えば、公差吸収可能な熱可塑性シートを金型内に配置して成型する方法が挙げられる。

本実施の形態の電力用半導体モジュール１００の製造工程では、各電力用半導体素子を、各金属パターンに接合した後、電力用半導体素子に配線用金属板を接合し、この後に主端子および制御端子を接合するが、電力用半導体素子、配線用金属板、主端子および制御端子を、各々はんだペーストを用いて仮接着した後、一括リフローによりはんだ接合することも可能である。このようにすると、電力用半導体モジュールの製造工程が簡略化し、電力用半導体モジュールの生産性が向上する。

本実施の形態の電力用半導体モジュール１００では、電力用半導体モジュール内の配線にワイヤーボンドが用いられておらず、電力用半導体素子間ならびに電力用半導体素子と電力用半導体素子を搭載した金属パターンとの間は、配線用金属板で接合されている。そして、主端子は配線用金属板に設けられ、制御端子はＩＧＢＴチップに設けられているので、電力用半導体素子を搭載した金属パターンの他に、主端子や制御端子を載置する金属パターンを別途設ける必要がなく、電力用半導体モジュールのさらなる小型化が可能である。
また、ワイヤーボンドを用いていないの、ワイヤーボンディング装置を動作させるための広いスペースが不要であり、このことからも電力用半導体モジュールのさらなる小型化が可能である。

また、電流容量の大きな電力用半導体モジュールにおいて、ワイヤーボンドで配線する場合には、並列に多数のワイヤーボンドを接続する必要があり、接続不良の確立が増大する。しかし、本実施の形態の電力用半導体モジュール１００は、ワイヤーボンドに換えて１枚の配線用金属板で配線しているので、接続不良の確立が低く信頼性が優れている。

本実施の形態の電力用半導体モジュール１００は、金属基板９に、２組のＩＧＢＴチップとＦＷＤチップとのペアが搭載された、２in１ＩＧＢＴモジュールであるが、このワイヤーボンドを用いない配線用金属板による配線と、この配線用金属板に主端子を設け、ＩＧＢＴ素子に制御端子を設ける構造は、１組のＩＧＢＴチップとダイオードチップとを搭載した１つの金属パターンの電力用半導体モジュールにも用いることができる。
また、ＩＧＢＴチップやダイオードチップなど同じ種類のチップ間を接続する場合にも用いることができる。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２に係る電力用半導体モジュールの断面模式図である。
図５に示すように、本実施の形態の電力用半導体モジュール２００は、第１のＩＧＢＴチップ１ａのゲート部に第３の配線用金属板７ｃが接合され、第２のＩＧＢＴチップ１ｂのゲート部に第４の配線用金属板７ｄが接合されており、制御端子１４が、第３の配線用金属板７ｃと第４の配線用金属板７ｄとに、各々接合されている以外、実施の形態１の電力用半導体モジュール１００と同様である。そして、第３の配線用金属板７ｃと第４の配線用金属板７ｄとの、ＩＧＢＴチップのゲート部に接合する部分が、ゲート面積以内であるとともに、制御端子１４を接合する部分が、制御端子１４の接合部の面積以上である。
本実施の形態の電力用半導体モジュール２００は、実施の形態１の電力用半導体モジュール１００と同様な効果を有するとともに、小容量ＩＧＢＴチップが用いられ、ＩＧＢＴチップのゲート部の面積が制御端子の接合部の面積より小さくても、制御端子を設けることができる。

実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３に係る電力用半導体モジュールの断面模式図である。
図６に示すように、本実施の形態の電力用半導体モジュール３００は、回路基板に、高熱伝導絶縁層であるセラミック板１５の一方の面に金属放熱体としての放熱用金属板１６が接合され、セラミック板１５の他方の面に回路パターンである第１の金属パターン５ａと第２の金属パターン５ｂとが設けられたセラミック基板１０を用いた以外、実施の形態１の電力用半導体モジュール１００と同様である。セラミック板１５には、アルミナ、窒化アルミ、窒化ホウ素等の板か好んで用いられる。
本実施の形態の電力用半導体モジュール３００は、実施の形態１の電力用半導体モジュール１００と同様な効果を有するとともに、回路基板にセラミック基板１０を用いたので、電力用半導体モジュールのさらなる低熱抵抗化を実現できる。
回路基板にセラミック基板１０を用いることは、実施の形態２の電力用半導体モジュール２００にも適用でき、同様な効果が得られる。

実施の形態４．
図７は、本発明の実施の形態４に係る電力用半導体モジュールの断面模式図である。
図７に示すように、本実施の形態の電力用半導体モジュール４００は、実施の形態１の電力用半導体モジュール１００の、主端子１３と制御端子１４とに、外部端子ピン１１が挿入接続されたものである。
そして、電力用半導体モジュール４００は、主端子１３または制御端子１４に挿入接続された外部端子ピン１１により、外部回路と導通することができる。

図８は、本発明の実施の形態４に係る電力用半導体モジュールに用いられる外部端子を示す図である。
図８に示す全ての外部端子ピン１１は、主端子１３または制御端子１４に挿入される下部側の形状が、コンプライアントピン型のプレスフィット構造であり、主端子１３または制御端子１４に圧入により取り付けられて、電気的に接続される。外部端子ピン１１のプレスフィット構造は、スターピン等であっても良い。
また、外部端子ピン１１の材質は、バネ性を有し電気抵抗が少ない銅合金系が好ましく、外部端子ピン１１の断面積は、電流容量により適宜決められる。

外部端子ピン１１の上部側の形状は、電力用半導体モジュールに電気的に接合される外部装置の形状により決められる。
外部装置のプリント基板のパターン部に接合する場合は、このパターン部に接合する上部側が、スプリング形状の第１の外部端子ピン１１ａ、または、バネ形状の第２の外部端子ピン１１ｂを用いる。
また、外部装置のプリント基板のスルーホール部に接合する場合は、このスルーホール部に接合する上部側が、はんだ接続形状の第３の外部端子ピン１１ｃ、または、プレスフィット接続形状の第４の外部端子ピン１１ｄを用いる。
図示していないが、電流容量が大きい場合は、例えば、主端子を雌ねじが設けられた金属筒とし、外部端子ピンを雄ねじが設けられたピンとしても良い。

本実施の形態の電力用半導体モジュール４００は、実施の形態１の電力用半導体モジュール１００と同様な効果を有するとともに、各種形状の外部装置に電気的に接続することが可能であり、利便性に優れている。
主端子１３と制御端子１４とに、プレスフィット構造の外部端子ピン１１を挿入した構造は、実施の形態２および実施の形態３の電力用半導体モジュール２００，３００にも適用でき、同様な効果が得られる。

本発明に係る電力用半導体モジュールは、回路基板に主端子や制御端子を載置する金属パターンを設ける必要がなく、小型化が可能であるので、電力用半導体モジュールを高密度で実装する電力用半導体装置に有効に利用できる。

本発明の実施の形態１に係る電力用半導体モジュールの断面模式図である。 本発明の実施の形態１に係る電力用半導体モジュールの製造工程における金属パターンに電力用半導体素子が搭載された状態を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る電力用半導体モジュールの製造工程における主端子と制御端子とが取り付けられた状態を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る電力用半導体モジュールの上面模式図である。 本発明の実施の形態２に係る電力用半導体モジュールの断面模式図である。 本発明の実施の形態３に係る電力用半導体モジュールの断面模式図である。 本発明の実施の形態４に係る電力用半導体モジュールの断面模式図である。 本発明の実施の形態４に係る電力用半導体モジュールに用いられる外部端子を示す図である。

符号の説明

１ａ 第１のＩＧＢＴチップ、１ｂ 第２のＩＧＢＴチップ、
２ａ 第１のＦＷＤチップ、２ｂ 第１のＦＷＤチップ、３ 金属ベース板、
４ 絶縁シート、５ａ 第１の金属パターン、５ｂ 第２の金属パターン、
６ トランスファーモールド樹脂、７ａ 第１の配線用金属板、
７ｂ 第２の配線用金属板、７ｃ 第３の配線用金属板、７ｄ 第４の配線用金属板、
８ はんだ、９ 金属基板、１０ セラミック基板、１１ 外部端子ピン、
１１ａ 第１の外部端子ピン、１１ｂ 第２の外部端子ピン、
１１ｃ 第３の外部端子ピン、１１ｄ 第４の外部端子ピン、１３ 主端子、
１４ 制御端子、１５ セラミック板、１６ 放熱用金属板、
１００，２００，３００，４００ 電力用半導体モジュール。

Claims (8)

1. 金属放熱体とこの金属放熱体の一方の面に接合した高熱伝導絶縁層とこの高熱伝導絶縁層における上記金属放熱体と接合した面と対向する面に設けられた回路パターンとからなる回路基板と、上記回路パターンに接合された電力用半導体素子と、上記電力用半導体素子間、上記電力用半導体素子と上記回路パターンとの間の各間を電気的に接続する配線用金属板と、上記配線用金属板と上記回路パターンとに略垂直に接合された筒状の主端子と、上記電力用半導体素子に略垂直に接合された筒状の制御端子と、少なくとも、上記高熱伝導絶縁層と上記回路パターンと上記電力用半導体素子と上記配線用金属板と上記主端子の外側面部と上記制御端子の外側面部とを封止したトランスファーモールド樹脂とを備え、上記トランスファーモールド樹脂の表面に上記主端子と上記制御端子との開口が設けられた電力用半導体モジュール。
2. 回路パターンが１つの金属パターンであり、上記金属パターンに電力用半導体素子として１組のＩＧＢＴチップとＦＷＤチップとが搭載され、上記ＩＧＢＴチップと上記ＦＷＤチップとが配線用金属板で接続され、上記配線用金属板と上記金属パターンとに主端子が接合され、上記ＩＧＢＴチップのゲート部に制御端子が接合されたことを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体モジュール。
3. 回路パターンが第１の金属パターンと第２の金属パターンとで構成され、上記第１の金属パターンに電力用半導体素子として第１のＩＧＢＴチップと第１のＦＷＤチップとが搭載され、上記第２の金属パターンに電力用半導体素子として第２のＩＧＢＴチップと第２のＦＷＤチップとが搭載され、上記第１のＩＧＢＴチップと上記第１のＦＷＤチップとが第１の配線用金属板で接続され、上記第２のＩＧＢＴチップと上記第２のＦＷＤチップと上記第１の金属パターンとが第２の配線用金属板で接続され、上記第１の配線用金属板と上記第２の配線用金属板と上記第２の金属パターンとに主端子が接合され、上記第１のＩＧＢＴチップと上記第２のＩＧＢＴチップとのゲート部に制御端子が接合されたことを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体モジュール。
4. ＩＧＢＴチップのゲート部に配線用金属板が接合され、この配線用金属板に制御端子が接合されたことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の電力用半導体モジュール。
5. 回路基板が、金属放熱体である金属ベース板とこの金属ベース板の一方の面に接合された高熱伝導絶縁層である絶縁シートとこの絶縁シートにおける上記金属ベース板に接合された面と対向する面に設けられた回路パターンとからなる金属基板であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の電力用半導体モジュール。
6. 回路基板が、高熱伝導絶縁層であるセラミック板とこのセラミック板の一方の面に接合された金属放熱体である放熱用金属板と上記セラミック板の他方の面に設けられた回路パターンとからなるセラミック基板であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の電力用半導体モジュール。
7. トランスファーモールド樹脂の表面に開口が設けられた、主端子と制御端子とに、外部端子ピンが挿入接続されたことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の電力用半導体モジュール。
8. 外部端子ピンが、上部側がスプリング形状の第１の外部端子ピン、上部側がバネ形状の第２の外部端子ピン、上部側がはんだ接続形状の第３の外部端子ピン、上部側がプレスフィット接続形状の第４の外部端子ピンのうちのいずれか１つであることを特徴とする請求項７に記載の電力用半導体モジュール。

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