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JP2016033943A - Power module - Google Patents

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JP2016033943A
JP2016033943A JP2014155889A JP2014155889A JP2016033943A JP 2016033943 A JP2016033943 A JP 2016033943A JP 2014155889 A JP2014155889 A JP 2014155889A JP 2014155889 A JP2014155889 A JP 2014155889A JP 2016033943 A JP2016033943 A JP 2016033943A
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Japan
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power module
semiconductor element
heat
metal wiring
semiconductor elements
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JP2014155889A
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Japanese (ja)
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公洋 小野
Kimihiro Ono
公洋 小野
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Nissan Motor Co Ltd
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Nissan Motor Co Ltd
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  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To resolve heat unevenness between semiconductor elements mounted on a power module and thereby prevent performance deterioration of the power module.SOLUTION: A power module 1 of the invention includes: an insulative substrate 3; a metal wiring layer 5 formed on the substrate 3 and having a predetermined shape; and an insulation layer 7 covering the metal wiring layer 5. Semiconductor elements 11 connected with the metal wiring layer 5 are mounted on the power module 1. Heat radiation parts 23a, 23b, in which a cover formed by the insulation layer 7 does not exist and the metal wiring layer 5 is exposed, are formed around the semiconductor elements 11. Areas of the heat radiation parts 23a, 23b are set according to heat values of the semiconductor elements 11.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、複数の半導体素子が実装されたパワーモジュールに関する。   The present invention relates to a power module on which a plurality of semiconductor elements are mounted.

近年の電力機器の小型化・高出力化に伴い、パワーモジュールの冷却対策が重要になってきている。従来、半導体素子が実装されたパワーモジュールの冷却方式としては、半導体素子の実装面と反対側に放熱器を設置して半導体素子の熱を逃がす方式が一般的である。ここで、特許文献1では、放熱性の向上を目的として半導体素子の実装面側にヒートスプレッダを設置した構造が開示されている。この構造は、ワイヤボンディングやリボンボンディングで半導体素子を基板に接合したパワーモジュールを対象としている。   With recent miniaturization and higher output of power equipment, cooling measures for power modules have become important. Conventionally, as a cooling method of a power module on which a semiconductor element is mounted, a method of dissipating heat of the semiconductor element by installing a radiator on the side opposite to the mounting surface of the semiconductor element is generally used. Here, Patent Document 1 discloses a structure in which a heat spreader is installed on the mounting surface side of a semiconductor element for the purpose of improving heat dissipation. This structure is intended for a power module in which a semiconductor element is bonded to a substrate by wire bonding or ribbon bonding.

また、近年のパワーモジュールでは、高出力化の為に複数の半導体素子を実装し、小型化を狙って半導体素子間の距離を極力狭くする構造としている。   Further, recent power modules have a structure in which a plurality of semiconductor elements are mounted for higher output, and the distance between the semiconductor elements is made as narrow as possible in order to reduce the size.

特開2011−192689号公報JP 2011-192689 A

しかしながら、上述した従来のパワーモジュールのように複数の半導体素子を実装して半導体素子間の距離を極力狭くする構造にした場合、各半導体素子の間の熱不均衡が発生しやすくなり、パワーモジュールの性能が低下してしまうという問題点があった。   However, when a plurality of semiconductor elements are mounted and the distance between the semiconductor elements is made as narrow as possible as in the above-described conventional power module, a thermal imbalance between the semiconductor elements is likely to occur, and the power module There is a problem that the performance of the system is degraded.

そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、複数の半導体素子間の熱不均衡を解消して性能低下を防止することのできるパワーモジュールを提供することを目的とする。   Therefore, the present invention has been proposed in view of the above-described circumstances, and an object thereof is to provide a power module capable of eliminating a thermal imbalance between a plurality of semiconductor elements and preventing performance degradation. .

上述した課題を解決するために、本発明の一態様に係るパワーモジュールは、絶縁性の基板と、基板上に形成された所定形状の金属配線層と、金属配線層を被覆する絶縁層とを備え、金属配線層に接続された複数の半導体素子を実装している。そして、パワーモジュールは、複数の半導体素子の周囲に、絶縁層による被覆がなく金属配線層が露出した放熱部が形成され、放熱部の広さは半導体素子の発熱量に応じて設定されている。   In order to solve the above-described problem, a power module according to one embodiment of the present invention includes an insulating substrate, a metal wiring layer having a predetermined shape formed over the substrate, and an insulating layer that covers the metal wiring layer. A plurality of semiconductor elements connected to the metal wiring layer are mounted. In the power module, a heat radiating portion that is not covered with an insulating layer and has an exposed metal wiring layer is formed around a plurality of semiconductor elements, and the size of the heat radiating portion is set according to the amount of heat generated by the semiconductor elements. .

本発明によれば、パワーモジュールに実装された複数の半導体素子間の熱不均衡を解消することができるので、パワーモジュールの性能低下を防止することができる。   According to the present invention, since the thermal imbalance among a plurality of semiconductor elements mounted on the power module can be eliminated, it is possible to prevent the performance of the power module from being deteriorated.

図1は、本発明の第1実施形態に係るパワーモジュールの構造を示す平面図である。FIG. 1 is a plan view showing the structure of the power module according to the first embodiment of the present invention. 図2は、本発明の第1実施形態に係るパワーモジュールの断面構造を示す図1のA−A断面図である。2 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 1 showing a cross-sectional structure of the power module according to the first embodiment of the present invention. 図3は、本発明の第1実施形態に係るパワーモジュールの断面構造を示す図1のB−B断面図である。3 is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG. 1 showing a cross-sectional structure of the power module according to the first embodiment of the present invention. 図4は、比較例に係るパワーモジュールの構造を示す平面図である。FIG. 4 is a plan view showing a structure of a power module according to a comparative example. 図5は、比較例に係るパワーモジュールの断面構造を示す図4のC−C断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line CC in FIG. 図6は、比較例に係るパワーモジュールの電流の流れを説明するための平面図である。FIG. 6 is a plan view for explaining a current flow of the power module according to the comparative example. 図7は、比較例に係るパワーモジュールの電流の流れを説明するための平面図である。FIG. 7 is a plan view for explaining the current flow of the power module according to the comparative example. 図8は、本発明の第2実施形態に係るパワーモジュールの半導体素子周辺の構造を示す平面図である。FIG. 8 is a plan view showing the structure around the semiconductor element of the power module according to the second embodiment of the present invention. 図9は、本発明の第2実施形態に係るパワーモジュールの半導体素子周辺の断面構造を示す図8のD−D断面図である。9 is a cross-sectional view taken along the line DD of FIG. 8 showing a cross-sectional structure around the semiconductor element of the power module according to the second embodiment of the present invention. 図10は、比較例に係るパワーモジュールの半導体素子周辺の構造を示す平面図である。FIG. 10 is a plan view showing a structure around a semiconductor element of a power module according to a comparative example. 図11は、比較例に係るパワーモジュールの半導体素子周辺の断面構造を示す図10のE−E断面図である。11 is a cross-sectional view taken along line EE in FIG. 10 showing a cross-sectional structure around a semiconductor element of a power module according to a comparative example. 図12は、本発明の第3実施形態に係るパワーモジュールの構造を示す平面図である。FIG. 12 is a plan view showing the structure of a power module according to the third embodiment of the present invention. 図13は、本発明の第4実施形態に係るパワーモジュールの構造を示す平面図である。FIG. 13 is a plan view showing the structure of a power module according to the fourth embodiment of the present invention. 図14は、本発明の第5実施形態に係るパワーモジュールの半導体素子周辺の構造を示す平面図である。FIG. 14 is a plan view showing a structure around a semiconductor element of a power module according to the fifth embodiment of the present invention. 図15は、本発明の第5実施形態に係るパワーモジュールの半導体素子周辺の断面構造を示す図14のF−F断面図である。FIG. 15 is a cross-sectional view taken along line FF in FIG. 14 showing a cross-sectional structure around a semiconductor element of a power module according to the fifth embodiment of the present invention.

以下、本発明を適用した第1〜第5実施形態について図面を参照して説明する。   Hereinafter, first to fifth embodiments to which the present invention is applied will be described with reference to the drawings.

[第1実施形態]
[パワーモジュールの構造]
図1は本実施形態に係るパワーモジュールの構造を示す平面図であり、図2は図1のA−A断面図、図3は図1のB−B断面図である。図1〜3に示すように、本実施形態に係るパワーモジュール1は、絶縁性の基板3と、基板3上に形成された所定形状の金属配線層5と、金属配線層5を被覆する絶縁層7とを備え、金属配線層5に接続された複数の半導体素子11を実装している。
[First Embodiment]
[Power module structure]
FIG. 1 is a plan view showing the structure of a power module according to the present embodiment, FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 1, and FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. As shown in FIGS. 1 to 3, the power module 1 according to this embodiment includes an insulating substrate 3, a metal wiring layer 5 having a predetermined shape formed on the substrate 3, and an insulation covering the metal wiring layer 5. A plurality of semiconductor elements 11 including the layer 7 and connected to the metal wiring layer 5 are mounted.

パワーモジュール1は、2in1の構造をしており、上アームを構成する半導体素子11aと、下アームを構成する半導体素子11bとが1つの基板上に実装されている。ただし、パワーモジュール1の構造については2in1に限定する必要はなく、6in1や1in1等のその他の構造であっても適用可能である。   The power module 1 has a 2-in-1 structure, and a semiconductor element 11a constituting an upper arm and a semiconductor element 11b constituting a lower arm are mounted on one substrate. However, the structure of the power module 1 does not have to be limited to 2 in 1, and other structures such as 6 in 1 and 1 in 1 are applicable.

基板3は、エポキシ系樹脂等の絶縁性の素材で形成されている。基板3の下面には、ヒートスプレッダ13を介して放熱器15が設置され、ヒートスプレッダ13は銅やアルミニウム等の熱伝導性が良好な材料で形成されている。また、図1、3に示すように、ヒートスプレッダ13の一部は露出して、半導体素子11bからの配線が接続される接続部17が形成される。この接続部17は、半導体素子11b毎にそれぞれ設けられており、絶縁層7、金属配線層5、基板3による被覆がなくヒートスプレッダ13を露出させた構造をしている。これにより、ヒートスプレッダ13はN配線及びN端子として利用され、金属配線層として機能する。   The substrate 3 is made of an insulating material such as an epoxy resin. A heat radiator 15 is installed on the lower surface of the substrate 3 via a heat spreader 13, and the heat spreader 13 is formed of a material having good thermal conductivity such as copper or aluminum. As shown in FIGS. 1 and 3, a part of the heat spreader 13 is exposed to form a connection portion 17 to which wiring from the semiconductor element 11 b is connected. This connection portion 17 is provided for each semiconductor element 11b, and has a structure in which the heat spreader 13 is exposed without being covered with the insulating layer 7, the metal wiring layer 5, and the substrate 3. Thereby, the heat spreader 13 is used as an N wiring and an N terminal and functions as a metal wiring layer.

金属配線層5は、P配線5aと出力配線5bとから構成され、配線抵抗の低い銅やアルミニウム等の材料で形成されている。P配線5aはP端子19に接続され、出力配線5bは出力端子21に接続されている。P端子19及び出力端子21は、配線抵抗の低いアルミニウムや銅等の材料を用いて形成され、Niめっき等の表面処理を施してもよい。   The metal wiring layer 5 includes a P wiring 5a and an output wiring 5b, and is formed of a material such as copper or aluminum having a low wiring resistance. The P wiring 5 a is connected to the P terminal 19, and the output wiring 5 b is connected to the output terminal 21. The P terminal 19 and the output terminal 21 may be formed using a material such as aluminum or copper having a low wiring resistance, and may be subjected to a surface treatment such as Ni plating.

ここで、上アーム側の半導体素子11aの周囲には、絶縁層7による被覆がなくP配線5aを露出させた放熱部23aが形成され、下アーム側の半導体素子11bの周囲には、絶縁層7による被覆がなく出力配線5bを露出させた放熱部23bが形成されている。この放熱部23a、23bは、半導体素子11の近傍において絶縁層7を設けずに、その下層にあるP配線5a及び出力配線5bを露出させた構造の領域である。尚、P配線5a及び出力配線5bを露出させる際には、他の部品との絶縁性を確保したうえで露出させる。このように半導体素子11近傍のP配線5a及び出力配線5bを露出されることにより、露出させた部位から半導体素子11で発熱した熱を放熱させることができる。   Here, a heat radiating portion 23a is formed around the semiconductor element 11a on the upper arm side without being covered with the insulating layer 7, and the P wiring 5a is exposed, and an insulating layer is formed around the semiconductor element 11b on the lower arm side. A heat radiating portion 23b is formed in which the output wiring 5b is exposed without being covered with the cover 7. The heat radiating portions 23a and 23b are regions having a structure in which the insulating layer 7 is not provided in the vicinity of the semiconductor element 11 and the P wiring 5a and the output wiring 5b in the lower layer are exposed. When the P wiring 5a and the output wiring 5b are exposed, the P wiring 5a and the output wiring 5b are exposed after ensuring insulation from other components. Thus, by exposing the P wiring 5a and the output wiring 5b in the vicinity of the semiconductor element 11, heat generated by the semiconductor element 11 can be radiated from the exposed portion.

また、放熱部23aの広さ、すなわちP配線5aを露出させる面積については、並列に実装された半導体素子11aの発熱量に応じて設定されている。具体的には、複数の半導体素子11aのうち最も発熱量が大きい半導体素子の周囲に形成された放熱部の広さを最も広くし、発熱量が小さい半導体素子の周囲に形成された放熱部については発熱量に応じてP配線5aの露出面積を狭くする。図1では、P端子19に最も近い半導体素子11aの発熱量が最も大きいので、その周囲の放熱部23aが最も広く、P端子19から離れるにつれて放熱部23aの広さが狭くなるように設定されている。また、図1では、下アーム側の放熱部23bは、出力端子21に最も近い半導体素子11bの周囲だけに形成されているが、すべての半導体素子11bの周囲に放熱部23bを形成してもよい。この場合、放熱部23bの広さは、上述した上アーム側の放熱部23aと同様に半導体素子11bの発熱量に応じて設定される。   Further, the width of the heat radiation part 23a, that is, the area where the P wiring 5a is exposed is set according to the amount of heat generated by the semiconductor elements 11a mounted in parallel. Specifically, among the plurality of semiconductor elements 11a, the heat radiating part formed around the semiconductor element having the largest heat generation amount is widened, and the heat radiating part formed around the semiconductor element having the small heat generation amount Reduces the exposed area of the P wiring 5a in accordance with the amount of heat generated. In FIG. 1, the semiconductor element 11 a closest to the P terminal 19 generates the largest amount of heat, so that the surrounding heat dissipating part 23 a is the widest, and the heat dissipating part 23 a becomes narrower as the distance from the P terminal 19 increases. ing. In FIG. 1, the heat dissipating part 23 b on the lower arm side is formed only around the semiconductor element 11 b closest to the output terminal 21, but the heat dissipating part 23 b may be formed around all the semiconductor elements 11 b. Good. In this case, the width of the heat radiating portion 23b is set according to the amount of heat generated by the semiconductor element 11b, similarly to the heat radiating portion 23a on the upper arm side described above.

さらに、パワーモジュール1の表面には、半導体素子11aからの配線を出力配線5bに接続する接続部25が形成されている。この接続部25は、半導体素子11a毎にそれぞれ設けられており、絶縁層7による被覆がなく出力配線5bを露出させた構造をしている。   Further, on the surface of the power module 1, a connection portion 25 for connecting the wiring from the semiconductor element 11a to the output wiring 5b is formed. The connection portion 25 is provided for each semiconductor element 11a, and has a structure in which the output wiring 5b is exposed without being covered with the insulating layer 7.

絶縁層7は、エポキシ系樹脂等の絶縁性素材で形成され、パワーモジュール1の表面を被覆している。   The insulating layer 7 is formed of an insulating material such as an epoxy resin and covers the surface of the power module 1.

半導体素子11は、上アームを構成する複数の半導体素子11aと、下アームを構成する複数の半導体素子11bとから構成され、本実施形態ではMOSFETの場合を一例として説明する。ただし、半導体素子11はMOSFETに限らず、IGBTやサイリスタ等の他の半導体素子であってもよい。半導体素子11は、金属配線層5上に接合材27を介して接合されている。接合材27は、はんだ等のろう材を用いればよく、銀粒子等を用いたシンター接合でもよい。また、半導体素子11から接続部17、25に接続するワイヤー29、31は配線抵抗の低いアルミニウムや銅等の材料を使用しており、ワイヤーではなくリボンタイプであってもよい。半導体素子11の駆動は、上アーム側の半導体素子11aについてはゲート信号線33からのゲート信号によって行われ、下アーム側の半導体素子11bについてはゲート信号線35からのゲート信号によって行われる。   The semiconductor element 11 is composed of a plurality of semiconductor elements 11a constituting an upper arm and a plurality of semiconductor elements 11b constituting a lower arm. In the present embodiment, a case of a MOSFET will be described as an example. However, the semiconductor element 11 is not limited to the MOSFET, and may be another semiconductor element such as an IGBT or a thyristor. The semiconductor element 11 is bonded onto the metal wiring layer 5 via a bonding material 27. The bonding material 27 may be a brazing material such as solder, or may be a sinter bonding using silver particles or the like. The wires 29 and 31 connected from the semiconductor element 11 to the connection portions 17 and 25 are made of a material such as aluminum or copper having a low wiring resistance, and may be a ribbon type instead of a wire. The semiconductor element 11 is driven by a gate signal from the gate signal line 33 for the semiconductor element 11a on the upper arm side and by a gate signal from the gate signal line 35 for the semiconductor element 11b on the lower arm side.

[パワーモジュールの作用効果]
上述した構造のパワーモジュール1を駆動すると、電流はP端子19からP配線5aを経由して、上アーム側に並列に実装された半導体素子11aのドレイン電極へ流れる。その後、電流は、半導体素子11aのソース電極からワイヤー29を経由して接続部25に流れ、出力配線5bを通って出力端子21へ流れる。
[Effects of power module]
When the power module 1 having the structure described above is driven, current flows from the P terminal 19 via the P wiring 5a to the drain electrode of the semiconductor element 11a mounted in parallel on the upper arm side. Thereafter, the current flows from the source electrode of the semiconductor element 11a to the connection portion 25 via the wire 29, and flows to the output terminal 21 through the output wiring 5b.

また、出力端子21から電流が流れる場合には、出力端子21からの電流は、出力配線5bを経由して下アーム側に並列に実装された半導体素子11bのドレイン電極へ流れる。その後、電流は、半導体素子11bのソース電極からワイヤー31を経由して接続部17に流れ、N配線及びN端子として機能するヒートスプレッダ13へ流れる。   When a current flows from the output terminal 21, the current from the output terminal 21 flows to the drain electrode of the semiconductor element 11b mounted in parallel on the lower arm side via the output wiring 5b. Thereafter, the current flows from the source electrode of the semiconductor element 11b to the connection portion 17 via the wire 31, and then flows to the heat spreader 13 that functions as an N wiring and an N terminal.

このとき、本実施形態に係るパワーモジュール1では、金属配線層5を露出させた放熱部23a、23bを半導体素子11の周囲に形成したので、放熱部23a、23bから半導体素子11で発熱した熱を放熱することができる。これにより、パワーモジュール1の放熱性を向上させることができる。   At this time, in the power module 1 according to the present embodiment, since the heat radiating portions 23a and 23b exposing the metal wiring layer 5 are formed around the semiconductor element 11, the heat generated in the semiconductor element 11 from the heat radiating portions 23a and 23b. Can be dissipated. Thereby, the heat dissipation of the power module 1 can be improved.

また、放熱部23a、23bの広さを半導体素子11の発熱量に応じて設定したので、並列に実装された複数の半導体素子11の間の熱不均衡を解消してパワーモジュール1の性能低下を防止することができる。   In addition, since the size of the heat radiating portions 23a and 23b is set according to the amount of heat generated by the semiconductor element 11, the thermal imbalance among the plurality of semiconductor elements 11 mounted in parallel is eliminated and the performance of the power module 1 is degraded. Can be prevented.

ここで、放熱部23a、23bを設けなかった場合の比較例と対比することによって、本実施形態に係るパワーモジュール1の放熱効果を具体的に説明する。図4は比較例のパワーモジュールの構造を示す平面図であり、図5は図4のC−C断面図である。   Here, the heat radiation effect of the power module 1 according to the present embodiment will be specifically described by comparing with a comparative example in which the heat radiation portions 23a and 23b are not provided. 4 is a plan view showing the structure of a power module of a comparative example, and FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line CC in FIG.

図4、5に示すように、比較例のパワーモジュール40は、上述した放熱部23a、23bが形成されていないので、半導体素子11の周囲には金属配線層5の表面に絶縁層7が形成されている。   As shown in FIGS. 4 and 5, in the power module 40 of the comparative example, since the heat dissipation portions 23 a and 23 b described above are not formed, the insulating layer 7 is formed on the surface of the metal wiring layer 5 around the semiconductor element 11. Has been.

この比較例において、パワーモジュール40を駆動すると、図6に示すように、P端子19からの電流I1は、P配線5aを介して上アーム側の半導体素子11aを流れ、接続部25を経由して出力配線5bから出力端子21へと流れる。このとき、3つ並列に実装されている半導体素子11aのうちP端子19に最も近接した半導体素子11aの周囲の領域Xに電流集中が発生しやすくなる。   In this comparative example, when the power module 40 is driven, as shown in FIG. 6, the current I1 from the P terminal 19 flows through the upper arm side semiconductor element 11a via the P wiring 5a and via the connection portion 25. And flows from the output wiring 5b to the output terminal 21. At this time, current concentration is likely to occur in the region X around the semiconductor element 11a closest to the P terminal 19 among the three semiconductor elements 11a mounted in parallel.

また、出力端子21から電流が流れる場合には、図7に示すように、出力端子21からの電流I2は、出力配線5bを介して下アーム側の半導体素子11bを流れ、接続部17を経由してN端子となるヒートスプレッダ13へと流れる。このとき、3つ並列に実装されている半導体素子11bのうち出力端子21に最も近接した半導体素子11bの周囲の領域Yに電流集中が発生しやすくなる。   When current flows from the output terminal 21, as shown in FIG. 7, the current I2 from the output terminal 21 flows through the semiconductor element 11b on the lower arm side via the output wiring 5b and passes through the connection portion 17. Then, it flows to the heat spreader 13 that becomes the N terminal. At this time, current concentration is likely to occur in the region Y around the semiconductor element 11b closest to the output terminal 21 among the three semiconductor elements 11b mounted in parallel.

したがって、P端子19及び出力端子21に近接した半導体素子の発熱量が増加し、並列に実装された他の半導体素子との間に熱不均衡が発生してパワーモジュールの性能を低下させていた。   Therefore, the amount of heat generated by the semiconductor elements adjacent to the P terminal 19 and the output terminal 21 is increased, and a thermal imbalance occurs with other semiconductor elements mounted in parallel, thereby reducing the performance of the power module. .

しかし、本実施形態に係るパワーモジュール1では、金属配線層5を露出させた放熱部23a、23bを半導体素子11の周囲に形成し、放熱部23a、23bの広さを半導体素子11の発熱量に応じて設定している。すなわち、P端子19及び出力端子21の最も近い位置では半導体素子11の発熱量が最も大きくなるので、放熱部23a、23bの広さ(金属配線層5の露出面積)を最も広くする。そして、P端子19及び出力端子21から離れるにしたがって半導体素子11の発熱量が低下するので、放熱部23a、23bの広さもP端子19及び出力端子21から離れるにしたがって狭くなるように設定する。これにより、並列に実装された複数の半導体素子11の間の熱不均衡を解消してパワーモジュール1の性能低下を防止することができる。   However, in the power module 1 according to the present embodiment, the heat radiating portions 23 a and 23 b with the metal wiring layer 5 exposed are formed around the semiconductor element 11, and the area of the heat radiating portions 23 a and 23 b is set to the amount of heat generated by the semiconductor element 11. It is set according to. That is, since the heat generation amount of the semiconductor element 11 is the largest at the position closest to the P terminal 19 and the output terminal 21, the width of the heat radiation portions 23a and 23b (the exposed area of the metal wiring layer 5) is maximized. And since the emitted-heat amount of the semiconductor element 11 falls as it leaves | separates from the P terminal 19 and the output terminal 21, the width of the thermal radiation parts 23a and 23b is set so that it may become narrow as it leaves | separates from the P terminal 19 and the output terminal 21. Thereby, the thermal imbalance between the several semiconductor element 11 mounted in parallel can be eliminated, and the performance fall of the power module 1 can be prevented.

また、特許文献1では、放熱性を向上させるために、ヒートスプレッダを半導体素子の実装面側に設置していたので、高さ方向のサイズアップになるという問題点があった。しかし、本実施形態に係るパワーモジュール1では、絶縁層7を除去して金属配線層5を露出させて放熱しているので、高さ方向にサイズアップすることなく、パワーモジュール1の放熱性を向上させることができる。   Further, in Patent Document 1, since the heat spreader is installed on the mounting surface side of the semiconductor element in order to improve heat dissipation, there is a problem that the size in the height direction is increased. However, in the power module 1 according to the present embodiment, since the insulating layer 7 is removed and the metal wiring layer 5 is exposed to radiate heat, the power module 1 can be radiated without increasing its size in the height direction. Can be improved.

[第2実施形態]
次に、本発明の第2実施形態に係るパワーモジュールについて図面を参照して説明する。図8は本実施形態に係るパワーモジュールの半導体素子周辺の構造を示す平面図であり、図9は図8のD−D断面図である。尚、第1実施形態と同一の構成要素には同一の番号を付して詳細な説明は省略する。
[Second Embodiment]
Next, a power module according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 8 is a plan view showing the structure around the semiconductor element of the power module according to the present embodiment, and FIG. 9 is a sectional view taken along the line DD in FIG. In addition, the same number is attached | subjected to the component same as 1st Embodiment, and detailed description is abbreviate | omitted.

第1実施形態では、半導体素子11の周縁には放熱部23a、23bが直接形成されていたが、本実施形態では半導体素子11と放熱部23a、23bとの間に絶縁層70を形成したことが相違している。   In the first embodiment, the heat radiating portions 23a and 23b are directly formed on the periphery of the semiconductor element 11, but in this embodiment, the insulating layer 70 is formed between the semiconductor element 11 and the heat radiating portions 23a and 23b. Is different.

図8、9に示すように、本実施形態に係るパワーモジュールでは、放熱部23a、23bに接する半導体素子11の周縁に絶縁層70を形成している。例えば、半導体素子11の端部から0.1〜0.3mm程度離れた位置に幅0.5mm程度の絶縁層70を、半導体素子11の外周に沿って形成する。この絶縁層70の外側は、金属配線層5を露出させた構造の放熱部23a、23bが形成されている。また、接合材27の厚さは0.1〜0.3mm程度に設定することが望ましい。   As shown in FIGS. 8 and 9, in the power module according to the present embodiment, an insulating layer 70 is formed on the periphery of the semiconductor element 11 in contact with the heat radiating portions 23a and 23b. For example, the insulating layer 70 having a width of about 0.5 mm is formed along the outer periphery of the semiconductor element 11 at a position about 0.1 to 0.3 mm away from the end of the semiconductor element 11. Outside the insulating layer 70, heat radiation portions 23a and 23b having a structure in which the metal wiring layer 5 is exposed are formed. The thickness of the bonding material 27 is preferably set to about 0.1 to 0.3 mm.

このように本実施形態に係るパワーモジュールでは、絶縁層70を半導体素子11の周縁に形成したので、半導体素子11の実装時に接合材27が幅0.5mm程度の絶縁層70によってせき止められる。したがって、接合材27が必要以上に濡れ広がることを防止できるので、半導体素子11の位置ズレ、θズレや接合材27の断面方向の傾きを抑制することが可能となる。   Thus, in the power module according to the present embodiment, since the insulating layer 70 is formed on the periphery of the semiconductor element 11, the bonding material 27 is blocked by the insulating layer 70 having a width of about 0.5 mm when the semiconductor element 11 is mounted. Therefore, it is possible to prevent the bonding material 27 from spreading more than necessary, and thus it is possible to suppress the positional deviation and θ deviation of the semiconductor element 11 and the inclination of the bonding material 27 in the cross-sectional direction.

これに対して、絶縁層70を形成しない場合には、半導体素子11を実装する工程で、位置決め治具等を用いずにリフロー炉等の実装工程を実施すると、図10の平面図に示すように接合材27が必要以上に濡れ広がる場合があった。また、図10のE−E断面図である図11に示すように、接合材27に断面方向の傾きが発生する場合があった。したがって、上述したように絶縁層70を形成することにより、半導体素子11の実装精度を向上させることができる。   On the other hand, when the insulating layer 70 is not formed, a mounting process such as a reflow furnace is performed in the process of mounting the semiconductor element 11 without using a positioning jig or the like, as shown in the plan view of FIG. In some cases, the bonding material 27 spreads more than necessary. Further, as shown in FIG. 11, which is an EE cross-sectional view of FIG. 10, the bonding material 27 may be inclined in the cross-sectional direction. Therefore, the mounting accuracy of the semiconductor element 11 can be improved by forming the insulating layer 70 as described above.

[第3実施形態]
次に、本発明の第3実施形態に係るパワーモジュールについて図面を参照して説明する。図12は本実施形態に係るパワーモジュールの構造を示す平面図である。尚、第1及び第2実施形態と同一の構成要素には同一の番号を付して詳細な説明は省略する。
[Third Embodiment]
Next, a power module according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 12 is a plan view showing the structure of the power module according to the present embodiment. In addition, the same number is attached | subjected to the component same as 1st and 2nd embodiment, and detailed description is abbreviate | omitted.

第1実施形態では、接続部17、25は、ワイヤー29、31が接続される部分のみ絶縁層7がなくヒートスプレッダ13及び出力配線5bを露出させる構造となっていた。しかし、本実施形態ではワイヤー29、31の接続部分だけではなく、その周囲についても絶縁層7を設けずにヒートスプレッダ13及び出力配線5bを広く露出させるようにしたことが、第1実施形態と相違している。   In the first embodiment, the connection portions 17 and 25 have a structure in which only the portions to which the wires 29 and 31 are connected do not have the insulating layer 7 and expose the heat spreader 13 and the output wiring 5b. However, this embodiment is different from the first embodiment in that the heat spreader 13 and the output wiring 5b are widely exposed without providing the insulating layer 7 not only in the connection portion of the wires 29 and 31 but also in the periphery thereof. doing.

図12に示すように、本実施形態に係るパワーモジュール50では、複数の半導体素子11毎に設けられていた図1の接続部17、25を拡大して第2の放熱部51、53を形成している。   As shown in FIG. 12, in the power module 50 according to the present embodiment, the connection portions 17 and 25 of FIG. 1 provided for each of the plurality of semiconductor elements 11 are enlarged to form second heat dissipation portions 51 and 53. doing.

第2の放熱部51は、絶縁層7による被覆がなく出力配線5bを露出させた構造をしており、図1の接続部25をその周囲やその間に拡大することによって形成されている。これにより、第2の放熱部51は、露出した部分全体で放熱を行うことができるので、パワーモジュール50の放熱性を向上させることができる。同様に、第2の放熱部53は、絶縁層7による被覆がなくヒートスプレッダ13を露出させた構造をしており、図1の接続部17をその周囲やその間に拡大することによって形成されている。これにより、第2の放熱部53は、露出した部分全体で放熱を行うことができるので、パワーモジュール50の放熱性を向上させることができる。尚、出力配線5b及びヒートスプレッダ13を露出させる際には、他の部品との絶縁性を確保したうえで露出させる。   The second heat radiation part 51 has a structure in which the output wiring 5b is exposed without being covered with the insulating layer 7, and is formed by enlarging the connection part 25 in FIG. Thereby, since the 2nd thermal radiation part 51 can perform heat radiation in the whole exposed part, the heat dissipation of power module 50 can be improved. Similarly, the second heat radiating portion 53 has a structure in which the heat spreader 13 is exposed without being covered with the insulating layer 7, and is formed by enlarging the connection portion 17 in FIG. . Thereby, since the 2nd thermal radiation part 53 can thermally radiate in the whole exposed part, the thermal radiation property of the power module 50 can be improved. When the output wiring 5b and the heat spreader 13 are exposed, they are exposed after ensuring insulation from other components.

このように本実施形態に係るパワーモジュール50では、図1の接続部17、25をその周囲及びその間に拡大して第2の放熱部51、53を形成する。これにより、半導体素子11で発熱した熱を、ワイヤー29、31を通じて出力配線5b及びヒートスプレッダ13に伝熱させ、第2の放熱部51、53の露出した部分から放熱することができる。したがって、パワーモジュール50の放熱性を向上させることができる。   As described above, in the power module 50 according to the present embodiment, the connection portions 17 and 25 of FIG. 1 are enlarged around and between the connection portions 17 and 25 to form the second heat radiation portions 51 and 53. Thereby, the heat generated in the semiconductor element 11 can be transferred to the output wiring 5b and the heat spreader 13 through the wires 29 and 31, and can be radiated from the exposed portions of the second heat radiation portions 51 and 53. Therefore, the heat dissipation of the power module 50 can be improved.

[第4実施形態]
次に、本発明の第4実施形態に係るパワーモジュールについて図面を参照して説明する。図13は本実施形態に係るパワーモジュールの構造を示す平面図である。尚、第3実施形態と同一の構成要素には同一の番号を付して詳細な説明は省略する。
[Fourth Embodiment]
Next, a power module according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 13 is a plan view showing the structure of the power module according to the present embodiment. In addition, the same number is attached | subjected to the component same as 3rd Embodiment, and detailed description is abbreviate | omitted.

図13に示すように、本実施形態に係るパワーモジュール60では、第2の放熱部61、63の広さを、接続された半導体素子11の発熱量に応じて設定したことが第3実施形態と相違している。   As shown in FIG. 13, in the power module 60 according to the present embodiment, the width of the second heat radiating portions 61 and 63 is set according to the amount of heat generated by the connected semiconductor element 11 according to the third embodiment. Is different.

すなわち、第2の放熱部61では、並列に実装された半導体素子11aのうちP端子19に最も近い半導体素子の発熱量が最も大きいので、その半導体素子に接続された部分の広さ(出力配線5bの露出面積)が最も広くなるように設定されている。そして、P端子19から離れるにしたがって半導体素子11aの発熱量も小さくなるので、それに応じて第2の放熱部61の広さも狭くなるように設定されている。   That is, in the second heat radiating portion 61, the semiconductor element closest to the P terminal 19 among the semiconductor elements 11 a mounted in parallel has the largest amount of heat generation, so the area connected to the semiconductor element (output wiring) 5b (exposed area) is set to be the largest. And since the emitted-heat amount of the semiconductor element 11a becomes small as it leaves | separates from the P terminal 19, the area of the 2nd thermal radiation part 61 is set so that it may become narrow according to it.

同様に、第2の放熱部63についても、並列に実装された半導体素子11bのうち出力端子21に最も近い半導体素子の発熱量が最も大きいので、その半導体素子に接続された部分の広さ(ヒートスプレッダ13の露出面積)が最も広くなるように設定されている。そして、出力端子21から離れるにしたがって半導体素子11bの発熱量も小さくなるので、それに応じて第2の放熱部63の広さも狭くなるように設定されている。   Similarly, in the second heat radiating portion 63, the semiconductor element closest to the output terminal 21 among the semiconductor elements 11b mounted in parallel has the largest amount of heat generation, so the width of the portion connected to the semiconductor element ( The exposure area of the heat spreader 13) is set to be the largest. And since the emitted-heat amount of the semiconductor element 11b becomes small as it leaves | separates from the output terminal 21, the area of the 2nd thermal radiation part 63 is set so that it may become narrow according to it.

このように本実施形態に係るパワーモジュール60では、第2の放熱部61、63の広さを、接続された半導体素子11の発熱量に応じて設定する。これにより、発熱量が大きい半導体素子11の放熱を他の半導体素子に比べて促進させることができるので、複数の半導体素子11の間の熱不均衡を改善することができ、パワーモジュール60の放熱性を向上させることができる。   As described above, in the power module 60 according to the present embodiment, the size of the second heat radiating portions 61 and 63 is set according to the amount of heat generated by the connected semiconductor elements 11. Thereby, since heat dissipation of the semiconductor element 11 having a large calorific value can be promoted compared to other semiconductor elements, the thermal imbalance among the plurality of semiconductor elements 11 can be improved, and the heat dissipation of the power module 60 can be improved. Can be improved.

[第5実施形態]
次に、本発明の第5実施形態に係るパワーモジュールについて図面を参照して説明する。図14は本実施形態に係るパワーモジュールの半導体素子周辺の構造を示す平面図であり、図15は図14のF−F断面図である。尚、第1〜第4実施形態と同一の構成要素には同一の番号を付して詳細な説明は省略する。
[Fifth Embodiment]
Next, a power module according to a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 14 is a plan view showing the structure around the semiconductor element of the power module according to this embodiment, and FIG. 15 is a cross-sectional view taken along the line FF of FIG. In addition, the same number is attached | subjected to the component same as 1st-4th embodiment, and detailed description is abbreviate | omitted.

図14、15に示すように、本実施形態に係るパワーモジュールでは、樹脂等の充填剤81を基板上に充填したことが、上述した第1〜第4実施形態と相違している。   As shown in FIGS. 14 and 15, the power module according to the present embodiment is different from the first to fourth embodiments described above in that the substrate is filled with a filler 81 such as a resin.

また、パワーモジュールに樹脂等を充填する場合には、絶縁層7の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する材料の充填剤81を用いる。具体的には、絶縁層7には熱伝導率が1W/m・K程度のエポキシ系樹脂を用い、充填剤81には熱伝導率が2〜4W/m・K程度の高熱伝導性シリコーンゲルや高熱伝導性のエポキシ系トランスファーモールド樹脂を用いる。   Further, when the power module is filled with resin or the like, a filler 81 made of a material having a thermal conductivity higher than that of the insulating layer 7 is used. Specifically, the insulating layer 7 uses an epoxy resin having a thermal conductivity of about 1 W / m · K, and the filler 81 has a high thermal conductivity silicone gel having a thermal conductivity of about 2 to 4 W / m · K. Or an epoxy transfer mold resin with high thermal conductivity.

このように本実施形態に係るパワーモジュールでは、絶縁層7の熱伝導率よりも高い熱伝導率の充填剤81を充填する。これにより、露出した放熱部23a、23bを充填剤81で塞いだ構造にしても放熱部23a、23bから充填剤81への熱の伝達が促進され、パワーモジュールの放熱性を向上させることができる。   Thus, in the power module according to the present embodiment, the filler 81 having a thermal conductivity higher than that of the insulating layer 7 is filled. As a result, even if the exposed heat dissipating parts 23a and 23b are closed with the filler 81, the heat transfer from the heat dissipating parts 23a and 23b to the filler 81 is promoted, and the heat dissipation of the power module can be improved. .

なお、上述の実施形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施形態以外の形態であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計などに応じて種々の変更が可能であることは勿論である。   The above-described embodiment is an example of the present invention. For this reason, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and even if it is a form other than this embodiment, as long as it does not depart from the technical idea of the present invention, it depends on the design and the like. Of course, various modifications are possible.

1、40、50、60 パワーモジュール
3 基板
5 金属配線層
5a P配線
5b 出力配線
7、70 絶縁層
11、11a、11b 半導体素子
13 ヒートスプレッダ
15 放熱器
17、25 接続部
19 P端子
21 出力端子
23a、23b 放熱部
27 接合材
29、31 ワイヤー
33、35 ゲート信号線
51、53、61、63 第2の放熱部
81 充填剤
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 40, 50, 60 Power module 3 Board | substrate 5 Metal wiring layer 5a P wiring 5b Output wiring 7,70 Insulating layer 11, 11a, 11b Semiconductor element 13 Heat spreader 15 Radiator 17, 25 Connection part 19 P terminal 21 Output terminal 23a , 23b Heat radiation part 27 Bonding material 29, 31 Wire 33, 35 Gate signal line 51, 53, 61, 63 Second heat radiation part 81 Filler

Claims (5)

絶縁性の基板と、前記基板上に形成された所定形状の金属配線層と、前記金属配線層を被覆する絶縁層とを備え、前記金属配線層に接続された複数の半導体素子を実装したパワーモジュールであって、
前記複数の半導体素子の周囲に、前記絶縁層による被覆がなく前記金属配線層が露出した放熱部が形成され、前記放熱部の広さは前記半導体素子の発熱量に応じて設定されていることを特徴とするパワーモジュール。
A power having an insulating substrate, a metal wiring layer having a predetermined shape formed on the substrate, and an insulating layer covering the metal wiring layer, and mounting a plurality of semiconductor elements connected to the metal wiring layer A module,
Around the plurality of semiconductor elements, there is formed a heat radiating portion that is not covered with the insulating layer and the metal wiring layer is exposed, and the size of the heat radiating portion is set according to the amount of heat generated by the semiconductor elements. Power module characterized by
前記放熱部に接する前記半導体素子の周縁に絶縁層を形成したことを特徴とする請求項1に記載のパワーモジュール。   The power module according to claim 1, wherein an insulating layer is formed on a peripheral edge of the semiconductor element in contact with the heat radiating portion. 前記絶縁層による被覆がなく前記金属配線層を露出させて前記半導体素子からの配線を前記金属配線層に接続する接続部を、前記複数の半導体素子毎に設け、
前記複数の半導体素子毎に設けられた接続部を、前記接続部の周囲及び前記接続部の間に拡大して第2の放熱部を形成したことを特徴とする請求項1または2に記載のパワーモジュール。
A connection portion for connecting the wiring from the semiconductor element to the metal wiring layer by exposing the metal wiring layer without covering with the insulating layer is provided for each of the plurality of semiconductor elements,
The connection part provided for each of the plurality of semiconductor elements is enlarged around the connection part and between the connection parts to form a second heat radiating part. Power module.
前記第2の放熱部の広さは、前記半導体素子の発熱量に応じて設定されていることを特徴とする請求項3に記載のパワーモジュール。   The power module according to claim 3, wherein the width of the second heat radiating portion is set according to the amount of heat generated by the semiconductor element. 前記パワーモジュールは、前記絶縁層の熱伝導率よりも高い熱伝導率の充填剤で充填されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のパワーモジュール。   The power module according to any one of claims 1 to 4, wherein the power module is filled with a filler having a thermal conductivity higher than that of the insulating layer.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2025009315A1 (en) * 2023-07-05 2025-01-09 株式会社デンソー Semiconductor device

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