JP2014116478A - Semiconductor module, semiconductor module manufacturing method and power conversion apparatus - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体モジュールを構成する各部材に作用させる圧接力に対する、半導体モジュールを構成する各部材の熱膨張の影響を低減する。
【解決手段】スイッチング素子2、ダイオード3、ソース電極4、ドレイン電極5及び筐体6を備える半導体モジュール1である。ソース電極4は、ソース内部電極4aとソース外部電極4bとを有する。ソース内部電極4aとソース外部電極4bを離間して設け、このソース内部電極4aとソース外部電極4bとの間に接続導体13を設ける。接続導体13は、ソース内部電極4aやソース外部電極4bと同じ材料からなる導体若しくはソース内部電極4aやソース外部電極4bと同程度の熱膨張率を有する導体であり、ワイヤ状やリボン状に形成される。接続導体13とソース内部電極4aとの接合(または接続導体13とソース外部電極4bとの接合)は、超音波接合や抵抗溶接などで行う。
【選択図】図1An object of the present invention is to reduce the influence of thermal expansion of each member constituting a semiconductor module on a pressing force applied to each member constituting the semiconductor module.
A semiconductor module includes a switching element, a diode, a source electrode, a drain electrode, and a housing. The source electrode 4 has a source internal electrode 4a and a source external electrode 4b. The source internal electrode 4a and the source external electrode 4b are provided apart from each other, and the connection conductor 13 is provided between the source internal electrode 4a and the source external electrode 4b. The connection conductor 13 is a conductor made of the same material as the source internal electrode 4a and the source external electrode 4b or a conductor having a thermal expansion coefficient similar to that of the source internal electrode 4a and the source external electrode 4b, and is formed in a wire shape or a ribbon shape. Is done. The connection between the connection conductor 13 and the source internal electrode 4a (or the connection between the connection conductor 13 and the source external electrode 4b) is performed by ultrasonic bonding or resistance welding.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、圧接により半導体素子の電極層と電極とを電気的に接続する半導体モジュール及びこの半導体モジュールの製造方法並びに当該半導体モジュールを用いた電力変換装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor module that electrically connects an electrode layer and an electrode of a semiconductor element by pressure welding, a method for manufacturing the semiconductor module, and a power converter using the semiconductor module.
近年、産業用・車両用システム、変電設備やインバータなどの電力変換装置の分野に用いられる絶縁形パワー半導体モジュールに対して、高耐圧、大容量のIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)の適用が行われている。このIGBTモジュールに代表される「絶縁形パワー半導体モジュール」若しくは「Isolated power semiconductor devices」は、それぞれJEC−2407−2007、IEC60747−15にて規格が制定されている。 In recent years, high-voltage, high-capacity IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) are used for insulated power semiconductor modules used in the fields of industrial and vehicle systems, power converters such as transformers and inverters. Has been applied. Standards for “insulated power semiconductor modules” or “Isolated power semiconductor devices” represented by this IGBT module are established in JEC-2407-2007 and IEC60747-15, respectively.
一般的な絶縁形パワー半導体モジュールにおいて、IGBTやダイオードなどの半導体素子は、半導体素子の下面に設けられた電極層を介してDBC(Direct Bond Copper)基板の銅回路箔上にはんだ付けされる(例えば、非特許文献1)。DBC基板は、セラミックスなどの絶縁板に銅回路箔を直接接合したものである。 In a general insulated power semiconductor module, a semiconductor element such as an IGBT or a diode is soldered onto a copper circuit foil of a DBC (Direct Bond Copper) substrate through an electrode layer provided on the lower surface of the semiconductor element ( For example, Non-Patent Document 1). The DBC substrate is obtained by directly bonding a copper circuit foil to an insulating plate such as ceramics.
半導体素子の上面に設けられる電極層には、超音波ボンディングなどの方法によりアルミワイヤが接続される。このアルミワイヤは、例えば、DBC基板上の銅回路箔に結線される。そして、DBC基板の銅回路箔から外部へ接続するための銅端子(リードフレームやブスバー)は、銅回路箔とはんだ付けや超音波ボンディングにより接続される。さらに、この周りは(スーパー)エンジニアリングプラスチックのケースで囲まれ、その中を電気絶縁のためのシリコーンゲルが充填される。 An aluminum wire is connected to the electrode layer provided on the upper surface of the semiconductor element by a method such as ultrasonic bonding. This aluminum wire is connected to, for example, a copper circuit foil on a DBC substrate. And the copper terminal (lead frame or bus bar) for connecting to the outside from the copper circuit foil of the DBC substrate is connected to the copper circuit foil by soldering or ultrasonic bonding. In addition, this is surrounded by a (super) engineering plastic case, which is filled with silicone gel for electrical insulation.
はんだを用いた絶縁形パワー半導体モジュールでは、RoHS(Restriction of Hazardous Substances)に対応するためのはんだの鉛フリー化や温度サイクル、パワーサイクルを繰り返した場合の信頼性の向上などの課題がある。 Insulated power semiconductor modules using solder have problems such as lead-free soldering for compliance with RoHS (Restriction of Hazardous Substances), temperature cycle, and improvement of reliability when the power cycle is repeated.
はんだの鉛フリー化の課題に対しては、鉛フリーのはんだ材料として、金属系高温はんだ(Bi,Zn,Au)、化合物系高温はんだ(Sn−Ag系、Sn−Cu系)、低温焼結金属(Agナノペースト)などが提案されている。また、はんだを用いない半導体モジュール構造として平型圧接構造パッケージが提案されている(例えば、非特許文献1、2)。 To solve the problem of lead-free soldering, lead-free solder materials include metal-based high-temperature solder (Bi, Zn, Au), compound-based high-temperature solder (Sn-Ag-based, Sn-Cu-based), and low-temperature sintering. Metals (Ag nanopaste) and the like have been proposed. Further, a flat pressure contact structure package has been proposed as a semiconductor module structure that does not use solder (for example, Non-Patent Documents 1 and 2).
平型圧接構造パッケージは、圧接により半導体素子の電極層とコンタクト端子との電気的接続や、半導体素子の電極層と基板との電気的接続が行われる。一般的な平型圧接構造パッケージは、半導体素子の端部に半導体素子及びコンタクト端子の位置決めをするガイドが設けられる。そして、半導体素子の上面電極層がコンタクト端子に接触した状態で半導体素子がMoなどの基板上に設けられる。つまり、コンタクト端子と基板とが半導体素子を挟圧した状態で半導体モジュール内に設けられる。 In the flat pressure contact structure package, electrical connection between the electrode layer of the semiconductor element and the contact terminal and electrical connection between the electrode layer of the semiconductor element and the substrate are performed by pressure contact. In a general flat pressure contact structure package, a guide for positioning a semiconductor element and a contact terminal is provided at an end of the semiconductor element. And a semiconductor element is provided on board | substrates, such as Mo, in the state which the upper surface electrode layer of the semiconductor element contacted the contact terminal. That is, the contact terminal and the substrate are provided in the semiconductor module with the semiconductor element sandwiched therebetween.
平型圧接構造パッケージは、平型構造であることから半導体素子を両面から冷却することができる。このため、一般的に平型圧接構造パッケージの両端をヒートシンクで圧接することで、平型圧接構造パッケージの両面を冷却するとともに、そのヒートシンクを導電部材として用いる。さらに、平型圧接構造パッケージは、圧接により半導体素子と電極端子などを接続するので、はんだを用いることなく半導体素子が電気的、熱的に外部と接続される。 Since the flat pressure contact structure package has a flat structure, the semiconductor element can be cooled from both sides. For this reason, in general, both sides of the flat pressure contact structure package are pressed with heat sinks to cool both sides of the flat pressure contact structure package, and the heat sink is used as a conductive member. Further, since the flat pressure contact structure package connects the semiconductor element and the electrode terminal by pressure contact, the semiconductor element is electrically and thermally connected to the outside without using solder.
ヒートシンクと平型圧接構造パッケージの圧接は、主にユーザが実施する。平型圧接構造パッケージでは、平型圧接構造パッケージ上下のヒートシンクを電気的に絶縁したり、板バネで平型圧接構造パッケージを圧接するときに設計された圧接力が平型圧接構造パッケージの電極ポストに均等にかかるようにしたりする必要がある。これらにはノウハウがあり、圧接が不良であった場合は半導体素子の破壊の原因となるおそれがある。また、平型圧接構造の半導体モジュールは、回路を構成するのに、このヒートシンクや圧接のための板バネが小型化の妨げとなるなど、使いこなすのには熟練が要求される。このような理由により、平型圧接構造パッケージは限られた装置への適用となり、代わりに使い勝手の良い従来型の絶縁形パワー半導体モジュールが広く使われている。 The pressure welding between the heat sink and the flat pressure welding structure package is mainly performed by the user. In the flat pressure welded structure package, the electrode post of the flat pressure welded package is designed to electrically insulate the heat sinks above and below the flat pressure welded package or press the flat pressure welded package with a leaf spring. It is necessary to make it evenly. These have know-how, and if the pressure contact is poor, the semiconductor element may be destroyed. In addition, a semiconductor module having a flat pressure contact structure requires skill to be fully used, for example, because the heat sink and the leaf spring for pressure contact prevent the miniaturization of the circuit. For these reasons, the flat type pressure contact structure package is applied to a limited apparatus, and a conventional type of insulated power semiconductor module that is easy to use is widely used instead.
温度サイクル、パワーサイクルに対する信頼性の向上の課題に対しては、半導体モジュールを構成する各部材(半導体、金属、セラミックスなど)の熱膨張の違いにより生じる課題を解決する必要がある。例えば、DBC基板と銅ベースとをはんだで接合した場合や、DBC基板と銅端子間をはんだで接合した場合、セラミックスと銅との熱膨張係数の差によって、はんだにせん断応力が働き、はんだに亀裂が生じるおそれがある。その結果、DBC基板と銅ベース(または銅端子)との間の熱抵抗が増大したり、銅ベース(または銅端子)が剥離したりするおそれが生じる。同様の理由により、半導体素子とDBC基板をはんだで接合した場合も、はんだに亀裂が生じるおそれがある。また、半導体モジュールの使用条件によっては、半導体素子上のアルミワイヤの接続部でも、半導体素子とアルミニウムの熱膨張率の差で応力が発生し、アルミワイヤが疲労切断するおそれがある。 In order to improve the reliability of the temperature cycle and power cycle, it is necessary to solve the problem caused by the difference in thermal expansion of each member (semiconductor, metal, ceramics, etc.) constituting the semiconductor module. For example, when a DBC substrate and a copper base are joined by solder, or when a DBC substrate and a copper terminal are joined by solder, a shear stress acts on the solder due to a difference in thermal expansion coefficient between ceramics and copper. There is a risk of cracking. As a result, the thermal resistance between the DBC substrate and the copper base (or copper terminal) may increase, or the copper base (or copper terminal) may peel off. For the same reason, when the semiconductor element and the DBC substrate are joined with solder, there is a possibility that the solder may crack. Also, depending on the use conditions of the semiconductor module, stress may be generated at the connection portion of the aluminum wire on the semiconductor element due to the difference in thermal expansion coefficient between the semiconductor element and aluminum, and the aluminum wire may be fatigued.
年々半導体モジュールの電力密度が増加し、半導体モジュール内部の接合温度が上昇している。その結果、はんだのせん断応力やアルミワイヤにかかる応力が大きくなってきている。そこで、熱膨張の影響が半導体モジュールの設計寿命に至るまでの期間に顕在化しないようにする必要がある。SiC半導体やGaN半導体のような高温で使用することができるワイドギャップ半導体素子の出現により、さらに熱膨張の低減が要求されている。また、SiC半導体やGaN半導体などの高温で使用可能な半導体素子の性能を活かすためにも、半導体モジュールにおいて温度サイクル、パワーサイクルなどの信頼性を向上することが求められている。 The power density of semiconductor modules is increasing year by year, and the junction temperature inside the semiconductor module is rising. As a result, the shear stress of the solder and the stress applied to the aluminum wire are increasing. Therefore, it is necessary to prevent the influence of thermal expansion from becoming apparent during the period until the design life of the semiconductor module is reached. With the advent of wide-gap semiconductor elements that can be used at high temperatures such as SiC semiconductors and GaN semiconductors, further reduction in thermal expansion is required. Further, in order to make use of the performance of semiconductor elements that can be used at high temperatures such as SiC semiconductors and GaN semiconductors, it is required to improve the reliability of semiconductor modules such as temperature cycle and power cycle.
そこで、半導体モジュールの高信頼性、環境性、利便性を同時に実現するために、はんだ接合、あるいはワイヤーボンドを用いず、かつ両面冷却が容易に実現可能であり、放熱性の面で有利な圧接型絶縁形パワーモジュールが再び脚光を浴びてきた。 Therefore, in order to achieve high reliability, environmental friendliness, and convenience of the semiconductor module at the same time, it is possible to easily realize double-sided cooling without using solder bonding or wire bonding, which is advantageous in terms of heat dissipation. Insulated power modules are again in the limelight.
図3に示すように、圧接型絶縁形パワー半導体モジュール22では、半導体モジュール22の外周部にスプリングあるいはボルト、ねじなどの締結部材19を設け、これら締結部材19で冷却器16,18を締結して均一な圧接応力をスイッチング素子2やダイオード3に作用させる。
As shown in FIG. 3, in the insulation displacement type
主電極であるソース電極23は、スイッチング素子2の表面に形成されたソース電極層8及びダイオード3の表面に形成されたアノード層11に設けられる。同様に、主電極であるドレイン電極24は、スイッチング素子2の表面に形成されたドレイン電極層7及びダイオード3の表面に形成されたカソード層12に設けられる。ソース電極23やドレイン電極24は、これら電極層7,8,11,12に直接あるいはモリブデン(Mo)などの応力緩和部材14を介して設けられる。ソース電極23やドレイン電極24は、冷却器16,18間に設けられる筐体25を貫通して設けられ、半導体モジュール22の外部の回路と接続される。そして、冷却器16,18間を締結部材19で締結することで、ソース電極23やドレイン電極24が、スイッチング素子2(及びダイオード3)方向に圧接される。
The
信号電極であるゲート電極26は、スイッチング素子2の表面に形成されたゲート電極層10に設けられ、スイッチング素子2方向に圧接される。ゲート電極26は、筐体25を貫通して設けられ、半導体モジュール22の外部の回路と接続される。
The
圧接型の半導体モジュール22は、ワイヤーボンド及びはんだを用いずにスイッチング素子2やダイオード3の電極層とソース電極23やドレイン電極24とを電気的に接続する。その結果、半導体モジュール22は、半導体モジュールの寿命を決定する要因となるおそれのあるワイヤーボンド、はんだ接合を用いることなくスイッチング素子2とソース電極23(またはドレイン電極24)などの電気的接続を行うことができるので、半導体モジュール22の設計寿命を向上させることができる。
The pressure-contact
半導体モジュール22において、ソース電極23、ドレイン電極24及びゲート電極26は、筐体25を貫通して半導体モジュール22の外部に取り出される。したがって、半導体モジュール22を気密封止する場合は、例えば、ろう付けや高温接着剤などの封止材17で筐体25と電極23,24,26との間が封止される。つまり、筐体25と電極23,24,26とは一体に固定される。
In the
ソース電極23やドレイン電極24が筐体25の同一面に固定される構造の場合、セラミックスで形成された筐体25の熱膨張率(例えば、アルミナでは7ppm/℃)とソース電極23やドレイン電極24の熱膨張率(例えば、銅では17ppm/℃)の差から、ソース電極23やドレイン電極24が固定されている側から遠ざかるに従い横方向の応力が強くなり、スイッチング素子2やダイオード3にかかる圧接力が半導体モジュール22の温度変化により不均一となるおそれがある。
In the case where the
また、図4に示す半導体モジュール27ように、ソース電極23とドレイン電極24とが対面する筐体25に各々固定される構造の場合、セラミックスで形成された筐体25とソース電極23やドレイン電極24の熱膨張率の差から、圧接されているスイッチング素子2やダイオード3の上下で、互い違いの応力が加えられることとなり、スイッチング素子2やダイオード3にかかる圧接力が半導体モジュール27の温度変化により不均一となるおそれがある。
In the case of a structure in which the
また、セラミックスで形成された筐体25の熱膨張率とソース電極23やドレイン電極24の熱膨張率の差から、スイッチング素子2(またはダイオード3)、ソース電極23及びドレイン電極24を積層した積層体の熱膨張率と筐体25の熱膨張率の違いにより、ソース電極23やドレイン電極24の位置がスイッチング素子2やダイオード3の圧接方向にずれ、スイッチング素子2やダイオード3にかかる圧接力が半導体モジュール22,27の温度変化により不均一となるおそれがある。
Further, the switching element 2 (or the diode 3), the
上記事情に鑑み、本発明は、半導体モジュールを構成する各部材に作用させる圧接力に対する、半導体モジュールを構成する各部材の熱膨張の影響を低減することに貢献する技術を提供することを目的とする。 In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a technique that contributes to reducing the influence of thermal expansion of each member constituting a semiconductor module on the pressure contact force acting on each member constituting the semiconductor module. To do.
上記目的を達成する本発明の半導体モジュールの一態様は、半導体素子と、前記半導体素子に形成された電極層と電気的に接続される内部電極と、を有し、前記半導体素子が設けられる空間を不活性ガスで気密封止し、前記半導体素子と前記内部電極が圧接により接続される半導体モジュールであって、前記半導体モジュールの外周に設けられる筐体と、当該筐体を貫通して設けられ、前記内部電極と前記半導体モジュールの外部の回路とを接続する外部電極と、前記内部電極と前記外部電極とを接続する接続導体と、を有することを特徴としている。 One aspect of the semiconductor module of the present invention that achieves the above object includes a semiconductor element and an internal electrode that is electrically connected to an electrode layer formed in the semiconductor element, and a space in which the semiconductor element is provided Is a semiconductor module in which the semiconductor element and the internal electrode are connected by pressure contact, and a housing provided on an outer periphery of the semiconductor module, and provided through the housing And an external electrode that connects the internal electrode and a circuit outside the semiconductor module, and a connection conductor that connects the internal electrode and the external electrode.
また、上記目的を達成する本発明の半導体モジュールの他の態様は、上記半導体モジュールにおいて、前記筐体は、無機絶縁材料により形成されることを特徴としている。 Another aspect of the semiconductor module of the present invention that achieves the above object is characterized in that in the semiconductor module, the housing is formed of an inorganic insulating material.
また、上記目的を達成する本発明の半導体モジュールの他の態様は、上記半導体モジュールにおいて、前記内部電極及び前記外部電極の両面に前記接続導体を設けることを特徴としている。 According to another aspect of the semiconductor module of the present invention for achieving the above object, the connection conductor is provided on both surfaces of the internal electrode and the external electrode in the semiconductor module.
また、上記目的を達成する本発明の半導体モジュールの他の態様は、上記半導体モジュールにおいて、前記接続導体を、ワイヤ状若しくはリボン状に形成することを特徴としている。 Another aspect of the semiconductor module of the present invention that achieves the above object is characterized in that, in the semiconductor module, the connection conductor is formed in a wire shape or a ribbon shape.
また、上記目的を達成する本発明の半導体モジュールの他の態様は、上記半導体モジュールにおいて、前記接続導体を、前記内部電極若しくは前記外部電極と同程度の熱膨張率を有する材質で形成することを特徴としている。 In another aspect of the semiconductor module of the present invention that achieves the above object, in the semiconductor module, the connection conductor is formed of a material having a thermal expansion coefficient comparable to that of the internal electrode or the external electrode. It is a feature.
また、上記目的を達成する本発明の半導体モジュールの他の態様は、上記半導体モジュールにおいて、前記内部電極と前記外部電極とを、前記半導体モジュールの動作温度範囲における熱膨張により干渉しない距離だけ離間して設けることを特徴としている。 In another aspect of the semiconductor module of the present invention that achieves the above object, in the semiconductor module, the internal electrode and the external electrode are separated by a distance that does not interfere with thermal expansion in an operating temperature range of the semiconductor module. It is characterized by being provided.
また、上記目的を達成する本発明の半導体モジュールの他の態様は、上記半導体モジュールにおいて、前記内部電極を、半導体素子の熱膨張率に近い熱膨張率を有する材料で構成することを特徴としている。 Another aspect of the semiconductor module of the present invention that achieves the above object is characterized in that in the semiconductor module, the internal electrode is made of a material having a thermal expansion coefficient close to that of the semiconductor element. .
また、上記目的を達成する本発明の半導体モジュールの他の態様は、上記半導体モジュールにおいて、前記内部電極の前記接続導体との接合面に金属めっき層を形成することを特徴としている。 According to another aspect of the semiconductor module of the present invention that achieves the above object, in the semiconductor module, a metal plating layer is formed on a joint surface of the internal electrode with the connection conductor.
また、上記目的を達成する本発明の半導体モジュールの他の態様は、上記半導体モジュールにおいて、前記内部電極と前記接続導体の接合及び前記外部電極と前記接続導体の接合を、超音波接合若しくは抵抗溶接により行うことを特徴としている。 According to another aspect of the semiconductor module of the present invention that achieves the above object, in the semiconductor module, the bonding between the internal electrode and the connection conductor and the bonding between the external electrode and the connection conductor are ultrasonic bonding or resistance welding. It is characterized by performing by.
また、上記目的を達成する本発明の半導体モジュールの製造方法の一態様は、半導体素子と、前記半導体素子に形成された電極層と電気的に接続される内部電極と、前記内部電極と離間して設けられ、当該内部電極と外部の回路とを接続する外部電極と、前記内部電極と前記外部電極とを電気的に接続する接続導体と、前記外部電極が挿通される筐体と、を有し、前記半導体素子が設けられる空間を不活性ガスで気密封止し、前記半導体素子と前記内部電極が圧接により接続される半導体モジュールの製造方法であって、前記内部電極と前記外部電極とを前記接続導体で接合し、前記内部電極に前記半導体素子を設け、前記内部電極端子を前記半導体素子方向に圧接することを特徴としている。 According to one aspect of the method for manufacturing a semiconductor module of the present invention, which achieves the above object, a semiconductor element, an internal electrode electrically connected to an electrode layer formed on the semiconductor element, and a space apart from the internal electrode are provided. An external electrode that connects the internal electrode and an external circuit, a connection conductor that electrically connects the internal electrode and the external electrode, and a housing through which the external electrode is inserted. And a method of manufacturing a semiconductor module in which a space in which the semiconductor element is provided is hermetically sealed with an inert gas, and the semiconductor element and the internal electrode are connected by pressure contact, the internal electrode and the external electrode being It is characterized in that it is joined by the connection conductor, the semiconductor element is provided on the internal electrode, and the internal electrode terminal is pressed in the direction of the semiconductor element.
また、上記目的を達成する本発明の電力変換装置は、上記いずれかの半導体モジュールを有することを特徴としている。 In addition, a power conversion device of the present invention that achieves the above object includes any one of the above semiconductor modules.
以上の発明によれば、半導体モジュールを構成する各部材に作用させる圧接力に対する、半導体モジュールを構成する各部材の熱膨張の影響を低減することに貢献することができる。 According to the above invention, it can contribute to reducing the influence of the thermal expansion of each member which comprises a semiconductor module with respect to the press-contact force which acts on each member which comprises a semiconductor module.
本発明の半導体モジュール及び半導体モジュールの製造方法並びに電力変換装置について、図を参照して詳細に説明する。なお、図1及び図2は、本発明の実施形態に係る半導体モジュールを模式的に示したものであり、図面上の寸法比と実際の寸法比とは必ずしも一致するものではない。 A semiconductor module, a method for manufacturing a semiconductor module, and a power converter according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. 1 and 2 schematically show a semiconductor module according to an embodiment of the present invention, and the dimensional ratio on the drawing does not necessarily match the actual dimensional ratio.
(第1実施形態)
[半導体モジュール]
図1(a),(b)に示すように、本発明の第1実施形態に係る半導体モジュール1は、スイッチング素子2、ダイオード3、ソース電極(エミッタ電極)4、ドレイン電極(コレクタ電極)5及び筐体6を備える。
(First embodiment)
[Semiconductor module]
As shown in FIGS. 1A and 1B, the semiconductor module 1 according to the first embodiment of the present invention includes a
スイッチング素子2は、例えば、IGBTやMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)などの半導体素子である。スイッチング素子2の下面には、ドレイン電極5と電気的に接続されるドレイン電極層7が設けられる。また、スイッチング素子2の上面には、ソース電極4と電気的に接続されるソース電極層8及びゲート電極9と電気的に接続されるゲート電極層10が設けられる。なお、実施形態の説明では、便宜上、上面及び下面とするが、上下方向は、本発明をなんら限定するものではない。
The switching
ダイオード3は、例えば、FWD(Free Wheeling Diode)などの半導体素子である。ダイオード3の上面には、ソース電極4と電気的に接続されるアノード層11が設けられ、ダイオード3の下面にはドレイン電極5と電気的に接続されるカソード層12が設けられる。
The
ソース電極4は、ソース内部電極4aとソース外部電極4bとを有する。ソース内部電極4aとソース外部電極4bは、半導体モジュール1の動作温度範囲においてソース内部電極4aとソース外部電極4bの熱膨張によってお互い干渉しない距離離間して設けられる。例えば、ソース内部電極4aとソース外部電極4bが銅で形成され、筐体6の長さが100mmの場合、225℃まで用いるとすると、室温での距離は0.2mm以上(0.25mm程度)必要である。そして、ソース内部電極4aとソース外部電極4bは、接続導体13により電気的に接続される。このとき、ソース内部電極4aとソース外部電極4bとの距離を短くすることで、接続導体13の抵抗による発熱を低減することができる。
The
ソース内部電極4a及びソース外部電極4bは、銅またはアルミニウム若しくは銅またはアルミニウムを含有する合金などで形成される。また、ソース内部電極4a(またはソース外部電極4b)を筐体6やスイッチング素子2(またはダイオード3)を構成する材料に近い熱膨張率を有する材料(例えば、タングステン(W)やモリブデン(Mo)若しくはこれらの元素を含有する合金)を用いて形成すると、スイッチング素子2(または筐体6)とソース内部電極4aとの間の熱膨張率の違いより生じる応力をさらに緩和することができる。この場合、少なくともソース内部電極4aの接続導体13が接合される部分をニッケル(Ni)や金(Au)などの金属でめっきするとソース内部電極4aと接続導体13の接合が容易となり、ソース内部電極4aと接続導体13の接合部の信頼性も向上する。
The source
ソース内部電極4aは、スイッチング素子2のソース電極層8やダイオード3のアノード層11にタングステンやモリブデンなどで形成される応力緩和部材14を介して設けられる。ソース内部電極4aの上面には絶縁板15を介して冷却器16が設けられる。そして、ソース内部電極4aは、冷却器16によりスイッチング素子2(及びダイオード3)方向に圧接される。
The source
ソース外部電極4bは筐体6に貫設され、ソース内部電極4aと外部の回路(図示せず)とを電気的に接続する。半導体モジュール1を気密封止する場合、ろう付けや高温接着剤などの封止材17で筐体6とソース外部電極4bとの間が封止され、ソース外部電極4bは筐体6と一体に固定される。
The source
接続導体13は、ソース内部電極4aやソース外部電極4bと同じ材料若しくはこれら電極と同程度の熱膨張率を有する導体であり、例えば、ワイヤ状やリボン状に形成される。接続導体13とソース内部電極4aとの接合(または接続導体13とソース外部電極4bとの接合)は、超音波接合や抵抗溶接などにより行われる。なお、接続導体13とソース内部電極4a(またはソース外部電極4b)との接合部を銀ナノペーストなどの高温用接合材料やはんだで接合してもよい。接続導体13の長さを、半導体モジュールの動作温度範囲において、接続導体13かかる張力が低くなる長さに形成することで、熱膨張によりソース内部電極4aとソース外部電極4bの距離が変化してもソース外部電極4bの熱膨張の影響がソース内部電極4aに作用することを抑制することができる。つまり、ソース内部電極4aとソース外部電極4b間に接続導体13を設けることで、ソース内部電極4aがスイッチング素子2(またはダイオード3)を圧接する方向に作用する圧接力に対するソース内部電極4aやソース外部電極4bの熱膨張による応力変化の影響が緩和される。なお、接続導体13は、接続導体13部分における寄生インダクタンスが増大しないように、相互インダクタンスで打ち消す構造とすることが望ましい。
The
ドレイン電極5は、ドレイン内部電極5aとドレイン外部電極5bとを有する。ドレイン内部電極5aとドレイン外部電極5bとは、半導体モジュール1の動作温度範囲においてドレイン内部電極5aとドレイン外部電極5bの熱膨張によってお互い干渉しない距離離間して設けられる。そして、ドレイン内部電極5aとドレイン外部電極5bは、接続導体13により電気的に接続される。
The
ソース内部電極4a及びソース外部電極4bと同様に、ドレイン内部電極5a及びドレイン外部電極5bは、銅またはアルミニウム若しくは銅またはアルミニウムを含有する合金などで形成される。また、ドレイン内部電極5a(またはドレイン外部電極5b)を筐体6やスイッチング素子2(またはダイオード3)を構成する材料に近い熱膨張率を有する材料を用いて形成し、スイッチング素子2(または筐体6)とドレイン内部電極5aとの間の熱膨張率の違いより生じる応力を緩和してもよい。この場合、少なくともドレイン内部電極5aの接続導体13が接合される部分は、ニッケル(Ni)や金(Au)などの金属でめっきされる。
Similar to the source
ドレイン内部電極5aは、スイッチング素子2のドレイン電極層7やダイオード3のカソード層12に設けられる。ドレイン内部電極5aの下面には絶縁板15を介して冷却器18が設けられる。ドレイン内部電極5aは、冷却器18によりスイッチング素子2方向(及びダイオード3方向)に圧接される。
The drain
ドレイン外部電極5bは筐体6に貫設され、ドレイン内部電極5aと外部の回路(図示せず)とを電気的に接続する。ソース外部電極4bと同様に、ドレイン外部電極5bは封止材17で筐体6と一体に固定される。
The drain
ゲート電極9は、ゲート内部電極9aとゲート外部電極9bとを有する。ゲート内部電極9aとゲート外部電極9bは、半導体モジュール1の動作温度範囲においてゲート内部電極9aとゲート外部電極9bの熱膨張によってお互い干渉しない距離離間して設けられる。そして、ゲート内部電極9aとゲート外部電極9bは、接続導体13により電気的に接続される。
The
ソース内部電極4a及びソース外部電極4bと同様に、ゲート内部電極9a及びゲート外部電極9bは、銅またはアルミニウム若しくは銅またはアルミニウムを含有する合金などで形成される。また、ゲート内部電極9a(またはゲート外部電極9b)を筐体6やスイッチング素子2(またはダイオード3)を構成する材料に近い熱膨張率を有する材料を用いて形成し、スイッチング素子2(または筐体6)とゲート内部電極9aとの間の熱膨張率の違いより生じる応力を緩和してもよい。この場合、少なくともゲート内部電極9aの接続導体13が接合される部分は、ニッケル(Ni)や金(Au)などの金属でめっきされる。
Similarly to the source
ゲート内部電極9aは、スイッチング素子2のゲート電極層10に設けられる。ゲート内部電極9aは図示省略の圧接部材によりスイッチング素子2方向に圧接される。
The gate
ゲート外部電極9bは筐体6に貫設され、ゲート内部電極9aと外部の回路(図示せず)とを電気的に接続する。ソース外部電極4bと同様に、ゲート外部電極9bは封止材17で筐体6と一体に固定される。
The gate
冷却器16,18は、ボルトとナット(またはねじ)などの締結部材19により固定される。冷却器16及び冷却器18にはそれぞれ冷媒路16a,18aが形成されており、この冷媒路16a,18aを流通する冷媒により半導体モジュール1(スイッチング素子2及びダイオード3)の冷却が行われる。また、冷却器16,18の間であって、半導体モジュール1の側部には、筐体6が設けられる。半導体モジュール1を気密封止する場合は、冷却器16(及び冷却器18)と筐体6との間にそれぞれ封止部材20が設けられ、冷却器16(及び冷却器18)と筐体6との接続部の封止が行われる。
The
筐体6は、樹脂や無機絶縁材料で構成される。筐体6として、セラミックス材料などの無機絶縁材料を用いると、半導体モジュール1の気密性を向上させることができる。そして、気密封止した半導体モジュール1内に窒素などの不活性ガスを充填することで、例えば、200℃を超える温度で半導体モジュール1を動作させた場合においても、銅やアルミニウムなど半導体モジュール1を構成する材料(ソース電極4やドレイン電極5など)の酸化を抑制し、半導体モジュール1の動作信頼性が向上する。
The
[半導体モジュール製造方法]
本発明の第1実施形態に係る半導体モジュール1の製造方法について図1(b)を参照して説明する。
[Semiconductor module manufacturing method]
A method for manufacturing the semiconductor module 1 according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
まず、筐体6にソース外部電極4b及びゲート外部電極9bを挿通し、それぞれの挿通部を封止材17により封止し、筐体6にソース外部電極4b及びゲート外部電極9bを一体に固定する。同様に、筐体6にドレイン外部電極5bを挿通し、ドレイン外部電極5bの挿通部を封止材17により封止し、筐体6にドレイン外部電極5bを一体に固定する。
First, the source
次に、各外部電極(ソース外部電極4b、ドレイン外部電極5b、ゲート外部電極9b)とこの外部電極に対応する内部電極(ソース内部電極4a、ドレイン内部電極5a、ゲート内部電極9a)に接続導体13をそれぞれ接合し、各外部電極とこの外部電極に対応する内部電極とを、接続導体13を介して電気的に接続する。
Next, a connection conductor is connected to each external electrode (source
そして、冷却器18に絶縁板15を介してドレイン内部電極5aを設ける。ドレイン内部電極5a上にスイッチング素子2及びダイオード3を設け、スイッチング素子2のソース電極層8及びダイオード3のアノード層11に応力緩和部材14を介してソース内部電極4aを設ける。また、スイッチング素子2のゲート電極層10にゲート内部電極9aを設ける。
Then, the drain
ソース内部電極4aに絶縁板15を介して冷却器16を設け、冷却器16と冷却器18とを締結部材19で締結し、ソース内部電極4a及びドレイン内部電極5aをスイッチング素子2(及びダイオード3)方向に圧接する。
The cooler 16 is provided on the source
(第2実施形態)
[半導体モジュール]
本発明の第2実施形態に係る半導体モジュール21について図2を参照して詳細に説明する。第2実施形態に係る半導体モジュール21は、第1実施形態に係る半導体モジュール1において、内部電極(ソース内部電極4a、ドレイン内部電極5a、ゲート内部電極9a)と、外部電極(ソース外部電極4b、ドレイン外部電極5b、ゲート外部電極9b)とを電気的に接続する接続導体13を各内部電極と外部電極の複数の面に設けた形態である。よって、第1実施形態の半導体モジュール1と同じ構成については同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。また、第2実施形態に係る半導体モジュール21の製造方法は、第1実施形態に係る半導体モジュール1の製造方法と同じであるので、その説明を省略する。
(Second Embodiment)
[Semiconductor module]
The
図2(a),(b)に示すように、半導体モジュール21は、スイッチング素子2、ダイオード3、ソース電極4、ドレイン電極5及び筐体6を備える。
As shown in FIGS. 2A and 2B, the
ソース電極4のソース内部電極4aは、スイッチング素子2のソース電極層8(及びダイオード3のアノード層11)に応力緩和部材14を介して設けられる。そして、ソース内部電極4a及びソース外部電極5bの上面と下面に接続導体13,13が接合され、接続導体13,13を介してソース内部電極4aがソース外部電極4bと電気的に接続される。
The source
ドレイン電極5のドレイン内部電極5aは、スイッチング素子2のドレイン電極層7(及びダイオード3のカソード層12)に設けられる。そして、ドレイン内部電極5a及びドレイン外部電極5bの上面と下面に接続導体13,13が接合され、接続導体13,13を介してドレイン内部電極5aがドレイン外部電極5bと電気的に接続される。
The drain
ゲート電極9のゲート内部電極9aは、スイッチング素子2のゲート電極層10に設けられる。そして、ゲート内部電極9a及びゲート外部電極9bの上面と下面に接続導体13,13が接合され、接続導体13,13を介してゲート内部電極9aがゲート外部電極9bと電気的に接続される。
The gate
接続導体13が接合される領域は、できるだけ狭くすることで半導体モジュール21の小型化、低インダクタンス化を図ることができる。一方で、接続導体13が接続される接合面積が少ないと施工できる接続導体13の本数が制限され、そこで寄生抵抗や寄生インダクタンスが生じることとなる。寄生抵抗は、その部分でのジュール損となり、半導体モジュール21における電力損失の要因やスイッチング素子2やダイオード3の発熱要因となるので、できる限り少ないことが望まれる。また、寄生インダクタンスは、スイッチング素子2のスイッチング時のサージ電圧の原因となるので、できる限り少ないことが望まれる。そこで、内部電極(及び外部電極)の両面に接続導体13を設けることで、第1実施形態に係る半導体モジュール1と比較して、同じ接合面積で2倍の接続面積を得ることができる。その結果、第1実施形態に係る半導体モジュール1よりも接続導体13部分における寄生抵抗が半減でき、寄生インダクタンスが低減されることとなる。
By minimizing the region where the
以上、具体的な実施形態を例示して説明したように、本発明の半導体モジュールによれば、半導体素子の電極層と接続される内部電極と、内部電極と外部の回路とを接続する外部電極とを離間して設けることで、半導体モジュール内の各半導体素子に均一な圧接力を作用させることができる。つまり、筐体に固定される外部電極と、半導体素子を圧接する内部電極とを個別に設けることで、熱膨張の違いによる外部電極及び内部電極の位置のずれが半導体素子の圧接に与える影響を低減することができる。その結果、各半導体素子が均一に動作することとなり、それぞれの半導体素子を均一な発熱損失で動作させることができる。 As described above, the specific embodiment is described as an example. According to the semiconductor module of the present invention, the internal electrode connected to the electrode layer of the semiconductor element, and the external electrode connecting the internal electrode and the external circuit Are provided apart from each other, so that a uniform pressure contact force can be applied to each semiconductor element in the semiconductor module. In other words, the external electrode fixed to the housing and the internal electrode that press-contacts the semiconductor element are separately provided, so that the displacement of the position of the external electrode and the internal electrode due to the difference in thermal expansion affects the press-contact of the semiconductor element. Can be reduced. As a result, each semiconductor element operates uniformly, and each semiconductor element can be operated with uniform heat loss.
また、内部電極が外部電極(及び筐体)の熱膨張の影響を受けないことで、内部電極とこの内部電極と電気的に接続される半導体素子の電極層との位置精度も向上する。 Further, since the internal electrode is not affected by the thermal expansion of the external electrode (and the housing), the positional accuracy between the internal electrode and the electrode layer of the semiconductor element electrically connected to the internal electrode is also improved.
このように、本発明の半導体モジュールは、半導体素子と電極の圧接に及ぼす半導体モジュールを構成する部材の熱膨張の影響を低減することができる。よって、半導体素子としてSiC半導体やGaN半導体などのワイドギャップ半導体を用いた場合でも、半導体素子と電極との圧接力を半導体モジュールの動作温度範囲でより均一にすることができる。その結果、SiC半導体やGaN半導体を200℃を超える高温で動作させ、半導体モジュールの電力密度を向上させることができる。 Thus, the semiconductor module of the present invention can reduce the influence of the thermal expansion of the members constituting the semiconductor module on the pressure contact between the semiconductor element and the electrode. Therefore, even when a wide gap semiconductor such as a SiC semiconductor or a GaN semiconductor is used as the semiconductor element, the pressure contact force between the semiconductor element and the electrode can be made more uniform in the operating temperature range of the semiconductor module. As a result, the SiC semiconductor or the GaN semiconductor can be operated at a high temperature exceeding 200 ° C., and the power density of the semiconductor module can be improved.
さらに、筐体に固定される外部電極と半導体素子と積層体を構成する内部電極とを個別に設けることで、半導体素子を圧接する方向に積層された積層体の熱膨張率と筐体の熱膨張率の違いにより、外部電極と内部電極の位置が半導体素子の圧接方向にずれた場合でも、内部電極が半導体素子を設計圧力で圧接することができる。 Furthermore, by providing an external electrode fixed to the housing, a semiconductor element, and an internal electrode constituting the stacked body, the coefficient of thermal expansion of the stacked body stacked in the direction in which the semiconductor element is pressed and the heat of the housing Even when the positions of the external electrode and the internal electrode are shifted in the pressure contact direction of the semiconductor element due to the difference in expansion coefficient, the internal electrode can press the semiconductor element with the design pressure.
なお、従来技術に係る半導体モジュールにおいて、外部電極と半導体素子との間をワイヤで接続する場合がある。この場合、半導体素子から直接端子にワイヤ配線する場合と、半導体素子から一旦DBC基板上の銅パターンにワイヤ配線し、その銅パターンからさらに外部端子へ接続する場合がある。これらの構造では、半導体素子上のアルミパターンとアルミワイヤは同じ熱膨張係数(23ppm/℃)であるが、半導体素子上のアルミパターンは半導体素子(熱膨張係数:3ppm/℃)の熱膨張の影響を強く受け、ワイヤとの間で大きな熱膨張率のミスマッチが起こる。また、DBC基板上の銅パターンはDBC基板に用いられているセラミックス(熱膨張係数:5−7ppm/℃)に影響を受け、これに銅配線してもワイヤとの間で大きな熱膨張率のミスマッチが起こる。この熱膨張率のミスマッチは接合に作用し、ヒートサイクルなどにより半導体素子とセラミックスと銅パターン間で接合剥離がおこり、半導体モジュールの寿命を決定する要因となるおそれがある。 In the semiconductor module according to the related art, the external electrode and the semiconductor element may be connected with a wire. In this case, there is a case where the wire is directly wired from the semiconductor element to the terminal, and a case where the wire is once wired from the semiconductor element to the copper pattern on the DBC substrate and further connected to the external terminal from the copper pattern. In these structures, the aluminum pattern on the semiconductor element and the aluminum wire have the same thermal expansion coefficient (23 ppm / ° C.), but the aluminum pattern on the semiconductor element has a thermal expansion coefficient of the semiconductor element (thermal expansion coefficient: 3 ppm / ° C.). A strong thermal expansion coefficient mismatch occurs with the wire. Moreover, the copper pattern on the DBC substrate is affected by the ceramics (thermal expansion coefficient: 5-7 ppm / ° C.) used for the DBC substrate, and even if copper wiring is applied to this, the thermal expansion coefficient between the wires is large. A mismatch occurs. This mismatch in coefficient of thermal expansion acts on bonding, and bonding and peeling occurs between the semiconductor element, ceramics, and copper pattern due to heat cycles and the like, which may be a factor that determines the life of the semiconductor module.
これに対し、内部電極と外部電極とを同じ材質で形成し、これら電極と同じ材質の接続導体(若しくは、同程度の熱膨張率を有する材質の導体)で両電極間を接合すると、熱膨張率のミスマッチは起こることがなく、接続導体の接合部が半導体モジュールの寿命に及ぼす影響が、従来構造と比較して著しく低下する。なお、ここでいう同程度の熱膨張率を有するとは、例えば熱膨張差による変形がフックの法則となる範囲となる程度の熱膨張率を有することである。また、接続導体と内部電極(または外部電極)とを超音波溶接、抵抗溶接で接合することで、接合部に接合材料が介在しないので接続導体と内部電極(または外部電極)の接合寿命をさらに向上させることができる。 On the other hand, if the internal electrode and the external electrode are formed of the same material and the two electrodes are joined with a connection conductor (or a conductor having a similar coefficient of thermal expansion) of the same material as these electrodes, There is no rate mismatch, and the effect of the connecting conductor junction on the life of the semiconductor module is significantly reduced compared to conventional structures. Here, having the same coefficient of thermal expansion as used herein means having a coefficient of thermal expansion such that the deformation due to the difference in thermal expansion falls within the range of the hook law. In addition, by joining the connection conductor and the internal electrode (or external electrode) by ultrasonic welding or resistance welding, since no bonding material is present in the joint, the connection conductor and internal electrode (or external electrode) can be further bonded. Can be improved.
また、内部電極と外部電極とを接合する接続導体を内部電極及び外部電極の両面に設けることで、接続導体の接合に伴う寄生抵抗、寄生インダクタンスの影響を低減することができる。つまり、接続導体を内部電極と外部電極の両面に配置することで、内部電極と外部電極との接合部における損失を低減し、接合部の信頼性を向上することができる。また、接触抵抗が低減され、接続導体の接合部からの発熱を抑制することができる。その結果、半導体モジュールのヒートサイクルの振幅が低減され、半導体モジュールの信頼性が向上する。なお、従来技術に係る半導体モジュールでは、半導体素子やDBC基板は、対向する面に形成される電極がそれぞれ別の電位であるため、電極の両面から配線をする構造はとることができない。 Further, by providing connection conductors for joining the internal electrode and the external electrode on both surfaces of the internal electrode and the external electrode, it is possible to reduce the influence of parasitic resistance and parasitic inductance associated with the connection of the connection conductor. That is, by disposing the connection conductors on both surfaces of the internal electrode and the external electrode, it is possible to reduce the loss at the joint between the internal electrode and the external electrode and improve the reliability of the joint. Further, the contact resistance is reduced, and heat generation from the joint portion of the connection conductor can be suppressed. As a result, the amplitude of the heat cycle of the semiconductor module is reduced, and the reliability of the semiconductor module is improved. In the semiconductor module according to the related art, since the electrodes formed on the opposing surfaces of the semiconductor element and the DBC substrate have different potentials, a structure in which wiring is performed from both surfaces of the electrodes cannot be taken.
また、内部電極(または外部電極)を形成する材料に、半導体素子(または筐体)を構成する材料と熱膨張率の近い材料を用いることで、半導体モジュールの動作温度範囲において、半導体モジュールを構成する部材と内部電極の熱膨張率の違いによる応力を低減することができる。 In addition, by using a material having a coefficient of thermal expansion close to that of the semiconductor element (or housing) as the material for forming the internal electrode (or external electrode), the semiconductor module is configured in the operating temperature range of the semiconductor module. The stress due to the difference in coefficient of thermal expansion between the member to be performed and the internal electrode can be reduced.
また、本発明の半導体モジュールの製造方法によれば、内部電極と外部電極とを接続導体で接合した後に、半導体素子の電極層に内部電極を設けることで、半導体素子への機械的、電気的、熱的なダメージを低減することができる。つまり、半導体素子に内部電極を設ける前に、内部電極(及び外部電極)と接続導体の接合を行うことで、超音波接合や抵抗溶接などにより生じる機械的、電気的、熱的なダメージが半導体素子に作用することを防止することができる。なお、実施形態の説明では、外部電極を筐体に固定した後に内部電極と外部電極の電気的な接合を行っているが、予め内部電極と外部電極とを電気的に接合した後に、外部電極を筐体に固定してもよい。 Further, according to the method for manufacturing a semiconductor module of the present invention, the internal electrode is provided on the electrode layer of the semiconductor element after the internal electrode and the external electrode are joined by the connection conductor, thereby mechanically and electrically connecting the semiconductor element. , Thermal damage can be reduced. In other words, by joining the internal electrode (and external electrode) and the connecting conductor before providing the internal electrode in the semiconductor element, mechanical, electrical, and thermal damage caused by ultrasonic bonding, resistance welding, and the like are caused by the semiconductor. It can prevent acting on an element. In the description of the embodiment, the internal electrode and the external electrode are electrically joined after fixing the external electrode to the housing. However, after the internal electrode and the external electrode are electrically joined in advance, the external electrode May be fixed to the housing.
また、本発明の半導体モジュール、ダイオード及びコンデンサなどを組み合わせて、インバータやコンバータなどの電力変換装置を構成することができる。本発明の半導体モジュールは、圧接により半導体素子と電極との電気的接続を行っているので、高温で動作させても温度変化によるはんだなどの接合部材の剥離などが生じることがない。また、温度変化による圧接力の変化を低減することができるので、各半導体素子をより均一に動作させることができる。ゆえに、本発明の半導体モジュールを用いて構成された電力変換装置は、高温での動作信頼性を向上することができる。また、内部電極と外部電極とを電気的に接続する接続導体を複数面に設けることで、内部電極や外部電極の接続導体接合部の面積を小さくしても寄生抵抗や寄生インダクタンスを小さくすることができるので、半導体モジュールを小さくすることができる。その結果、本発明の半導体モジュールを有する電力変換装置は、従来の電力変換装置より小型化することができる。 In addition, a power conversion device such as an inverter or a converter can be configured by combining the semiconductor module, the diode, the capacitor, and the like of the present invention. In the semiconductor module of the present invention, the semiconductor element and the electrode are electrically connected by pressure welding, so that even if the semiconductor module is operated at a high temperature, the joining member such as solder does not peel off due to a temperature change. In addition, since the change in pressure contact force due to temperature change can be reduced, each semiconductor element can be operated more uniformly. Therefore, the power conversion device configured using the semiconductor module of the present invention can improve operation reliability at high temperatures. In addition, by providing connection conductors that electrically connect internal electrodes and external electrodes on multiple surfaces, parasitic resistance and parasitic inductance can be reduced even if the area of the connection conductor junction of internal electrodes and external electrodes is reduced. Therefore, the semiconductor module can be made small. As a result, the power converter having the semiconductor module of the present invention can be made smaller than the conventional power converter.
以上、本発明の半導体モジュール及び半導体モジュールの製造方法並びに電力変換装置について、具体例を示して詳細に説明したが、本発明の半導体モジュール及半導体モジュールの製造方法並びに電力変換装置は、上述した実施形態に限らず、本発明の特徴を損なわない範囲で適宜設計変更が可能であり、そのように変更された形態も本発明に技術的範囲に属する。 The semiconductor module, the semiconductor module manufacturing method, and the power conversion device according to the present invention have been described in detail with specific examples. However, the semiconductor module, the semiconductor module manufacturing method, and the power conversion device according to the present invention have been described above. Not only the form but also the design can be changed as appropriate without departing from the characteristics of the present invention, and such a modified form also belongs to the technical scope of the present invention.
例えば、本発明は、圧接により半導体素子の電極層と外部の回路に接続するための電極とを電気的に接続する半導体モジュールに適用可能であるので、半導体素子(スイッチング素子)の種類や数は、実施形態に限定されるものではない。よって、適宜周知の半導体素子を用い、所定の回路を構成するために必要な数の半導素子を用いて半導体モジュールを構成しても、同様の効果を得ることができる。 For example, the present invention is applicable to a semiconductor module in which an electrode layer of a semiconductor element and an electrode for connecting to an external circuit are electrically connected by pressure welding. Therefore, the type and number of semiconductor elements (switching elements) are The invention is not limited to the embodiment. Therefore, the same effect can be obtained even if a semiconductor module is configured by using a known semiconductor element as appropriate and using a required number of semiconductor elements to configure a predetermined circuit.
また、半導体モジュールの圧接方法は、締結部材(締結部材と弾性部材)による圧接に限定されるものではなく、適宜周知の圧接方法で固定した場合においても、本発明の効果を得ることができる。 Further, the pressure contact method of the semiconductor module is not limited to the pressure contact by the fastening member (fastening member and elastic member), and the effect of the present invention can be obtained even when the semiconductor module is appropriately fixed by a known pressure contact method.
また、内部電極と外部電極の構造は、ソース電極4、ドレイン電極5、ゲート電極9の個々に適用することで、それぞれ本発明の半導体モジュールの効果を部分的に得ることができる。よって、本発明の内部電極と外部電極の構造を、ソース電極4、ドレイン電極5、ゲート電極9の個々に適用しても、それぞれ組み合わせて適用してもよい。
In addition, by applying the structure of the internal electrode and the external electrode to each of the
1,21,22,27…半導体モジュール
2…スイッチング素子(半導体素子)
3…ダイオード(半導体素子)
4…ソース/エミッタ電極
4a…ソース内部電極、4b…ソース外部電極
5…ドレイン/コレクタ電極
5a…ドレイン内部電極、5b…ドレイン外部電極
6,25…筐体
7…ドレイン電極層
8…ソース電極層
9…ゲート電極
9a…ゲート内部電極、9b…ゲート外部電極
10…ゲート電極層
11…アノード層
12…カソード層
13…接続導体
14…応力緩和部材
15…絶縁板
16,18…冷却器
17…封止材
19…締結部材
20…封止部材
23…ソース/エミッタ電極
24…ドレイン/コレクタ電極
26…ゲート電極
1, 2, 22, 27...
3. Diode (semiconductor element)
4 ... Source /
Claims (11)
前記半導体素子に形成された電極層と電気的に接続される内部電極と、
を有し、前記半導体素子が設けられる空間を不活性ガスで気密封止し、前記半導体素子と前記内部電極が圧接により接続される半導体モジュールであって、
前記半導体モジュールの外周に設けられる筐体と、
当該筐体を貫通して設けられ、前記内部電極と前記半導体モジュールの外部の回路とを接続する外部電極と、
前記内部電極と前記外部電極とを接続する接続導体と、
を有する
ことを特徴とする半導体モジュール。 A semiconductor element;
An internal electrode electrically connected to an electrode layer formed in the semiconductor element;
A semiconductor module in which a space in which the semiconductor element is provided is hermetically sealed with an inert gas, and the semiconductor element and the internal electrode are connected by pressure contact,
A housing provided on an outer periphery of the semiconductor module;
An external electrode provided through the housing and connecting the internal electrode and an external circuit of the semiconductor module;
A connection conductor connecting the internal electrode and the external electrode;
A semiconductor module comprising:
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体モジュール。 The semiconductor module according to claim 1, wherein the casing is made of an inorganic insulating material.
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体モジュール。 The semiconductor module according to claim 1, wherein the connection conductor is provided on both surfaces of the internal electrode and the external electrode.
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の半導体モジュール。 The semiconductor module according to claim 1, wherein the connection conductor is formed in a wire shape or a ribbon shape.
ことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の半導体モジュール。 5. The semiconductor module according to claim 1, wherein the connection conductor is formed of a material having a thermal expansion coefficient comparable to that of the internal electrode or the external electrode.
ことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の半導体モジュール。 6. The semiconductor according to claim 1, wherein the internal electrode and the external electrode are provided apart from each other by a distance that does not interfere due to thermal expansion in an operating temperature range of the semiconductor module. module.
ことを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の半導体モジュール。 7. The semiconductor module according to claim 1, wherein the internal electrode is made of a material having a thermal expansion coefficient close to a thermal expansion coefficient of a semiconductor element.
ことを特徴とする請求項7に記載の半導体モジュール。 The semiconductor module according to claim 7, wherein a metal plating layer is formed on a joint surface of the internal electrode with the connection conductor.
ことを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか1項に記載に半導体モジュール。 The semiconductor according to any one of claims 1 to 8, wherein the joining of the internal electrode and the connection conductor and the joining of the external electrode and the connection conductor are performed by ultrasonic bonding or resistance welding. module.
前記半導体素子に形成された電極層と電気的に接続される内部電極と、
前記内部電極と離間して設けられ、当該内部電極と外部の回路とを接続する外部電極と、
前記内部電極と前記外部電極とを電気的に接続する接続導体と、
前記外部電極が挿通される筐体と、
を有し、前記半導体素子が設けられる空間を不活性ガスで気密封止し、前記半導体素子と前記内部電極が圧接により接続される半導体モジュールの製造方法であって、
前記内部電極と前記外部電極とを前記接続導体で接合し、
前記内部電極に前記半導体素子を設け、
前記内部電極を前記半導体素子方向に圧接する
ことを特徴とする半導体モジュールの製造方法。 A semiconductor element;
An internal electrode electrically connected to an electrode layer formed in the semiconductor element;
An external electrode provided apart from the internal electrode and connecting the internal electrode and an external circuit;
A connection conductor for electrically connecting the internal electrode and the external electrode;
A housing through which the external electrode is inserted;
A semiconductor module manufacturing method in which a space in which the semiconductor element is provided is hermetically sealed with an inert gas, and the semiconductor element and the internal electrode are connected by pressure contact,
Bonding the internal electrode and the external electrode with the connection conductor,
Providing the internal electrode with the semiconductor element;
A method of manufacturing a semiconductor module, wherein the internal electrode is pressed against the semiconductor element.
ことを特徴とする電力変換装置。 A power conversion device comprising the semiconductor module according to claim 1.
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|---|---|---|---|---|
| JP2018512742A (en) * | 2015-04-13 | 2018-05-17 | アーベーベー・シュバイツ・アーゲー | Power electronics module |
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2012
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