JP2015090884A - Power semiconductor device, power semiconductor module, and manufacturing method of power semiconductor device - Google Patents
Power semiconductor device, power semiconductor module, and manufacturing method of power semiconductor device Download PDFInfo
- Publication number
- JP2015090884A JP2015090884A JP2013229284A JP2013229284A JP2015090884A JP 2015090884 A JP2015090884 A JP 2015090884A JP 2013229284 A JP2013229284 A JP 2013229284A JP 2013229284 A JP2013229284 A JP 2013229284A JP 2015090884 A JP2015090884 A JP 2015090884A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- power semiconductor
- conductor layer
- frame member
- semiconductor element
- sealing resin
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 165
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 7
- 229920005989 resin Polymers 0.000 claims abstract description 134
- 239000011347 resin Substances 0.000 claims abstract description 134
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 132
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims abstract description 117
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims abstract description 76
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims abstract description 36
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 26
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 20
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims description 5
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010432 diamond Substances 0.000 claims description 2
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 claims 1
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 claims 1
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 32
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 18
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 17
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 16
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 13
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 13
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 13
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 238000000034 method Methods 0.000 description 11
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 10
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 10
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 description 9
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 8
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 8
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 7
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 7
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 description 7
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 6
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 6
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 6
- 239000004734 Polyphenylene sulfide Substances 0.000 description 5
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 5
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 5
- 229920000069 polyphenylene sulfide Polymers 0.000 description 5
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 5
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 5
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 4
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 4
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 4
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 4
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 3
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 3
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 3
- 238000010292 electrical insulation Methods 0.000 description 3
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 3
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 3
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 description 2
- 229910001374 Invar Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 2
- KUNSUQLRTQLHQQ-UHFFFAOYSA-N copper tin Chemical compound [Cu].[Sn] KUNSUQLRTQLHQQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 2
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 2
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 2
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 2
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 2
- 239000004925 Acrylic resin Substances 0.000 description 1
- 229920000178 Acrylic resin Polymers 0.000 description 1
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000962 AlSiC Inorganic materials 0.000 description 1
- PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N Aluminum nitride Chemical compound [Al]#N PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000881 Cu alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910016347 CuSn Inorganic materials 0.000 description 1
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920000106 Liquid crystal polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000004977 Liquid-crystal polymers (LCPs) Substances 0.000 description 1
- 239000004962 Polyamide-imide Substances 0.000 description 1
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 1
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000006087 Silane Coupling Agent Substances 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005219 brazing Methods 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- WUUZKBJEUBFVMV-UHFFFAOYSA-N copper molybdenum Chemical compound [Cu].[Mo] WUUZKBJEUBFVMV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000032798 delamination Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 1
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 1
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 1
- -1 for example Substances 0.000 description 1
- 239000005350 fused silica glass Substances 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 229920006122 polyamide resin Polymers 0.000 description 1
- 229920002312 polyamide-imide Polymers 0.000 description 1
- 239000009719 polyimide resin Substances 0.000 description 1
- 238000004382 potting Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000002250 progressing effect Effects 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 238000001953 recrystallisation Methods 0.000 description 1
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 description 1
- 230000000452 restraining effect Effects 0.000 description 1
- 239000003566 sealing material Substances 0.000 description 1
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 229920002803 thermoplastic polyurethane Polymers 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
- H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L24/34—Strap connectors, e.g. copper straps for grounding power devices; Manufacturing methods related thereto
- H01L24/39—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process
- H01L24/40—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process of an individual strap connector
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/34—Strap connectors, e.g. copper straps for grounding power devices; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/39—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process
- H01L2224/40—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process of an individual strap connector
- H01L2224/401—Disposition
- H01L2224/40135—Connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip
- H01L2224/40137—Connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip the bodies being arranged next to each other, e.g. on a common substrate
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
- H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
- H01L2224/4805—Shape
- H01L2224/4809—Loop shape
- H01L2224/48091—Arched
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
- H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
- H01L2224/484—Connecting portions
- H01L2224/4847—Connecting portions the connecting portion on the bonding area of the semiconductor or solid-state body being a wedge bond
- H01L2224/48472—Connecting portions the connecting portion on the bonding area of the semiconductor or solid-state body being a wedge bond the other connecting portion not on the bonding area also being a wedge bond, i.e. wedge-to-wedge
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/73—Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L2224/10, H01L2224/18, H01L2224/26, H01L2224/34, H01L2224/42, H01L2224/50, H01L2224/63, H01L2224/71
- H01L2224/732—Location after the connecting process
- H01L2224/73201—Location after the connecting process on the same surface
- H01L2224/73221—Strap and wire connectors
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
- H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
- H01L2924/11—Device type
- H01L2924/13—Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
- H01L2924/1304—Transistor
- H01L2924/1305—Bipolar Junction Transistor [BJT]
- H01L2924/13055—Insulated gate bipolar transistor [IGBT]
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
- H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
- H01L2924/11—Device type
- H01L2924/13—Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
- H01L2924/1304—Transistor
- H01L2924/1306—Field-effect transistor [FET]
- H01L2924/13091—Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor [MOSFET]
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
- H01L2924/15—Details of package parts other than the semiconductor or other solid state devices to be connected
- H01L2924/181—Encapsulation
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Structures Or Materials For Encapsulating Or Coating Semiconductor Devices Or Solid State Devices (AREA)
Abstract
Description
本発明は、セラミックを基材とする回路基板を用いた電力用半導体装置に関する。 The present invention relates to a power semiconductor device using a circuit board having a ceramic base.
近年、電力用半導体装置は、一般産業用、電鉄用のみならず車載用にも広く使用されるようになってきた。特に車載用の装置では、限られたサイズ範囲の中で各部品を小さく軽くすることが車両の軽量化、高性能化に直結することから、電力用半導体装置においてもそのサイズの低下が非常に重要な課題である。そこで、シリコン(Si)に代わる半導体材料として、大電流を流すことができ、高温動作も可能である炭化珪素(SiC)のようなワイドバンドギャップ半導体材料の開発が進められている。また、上記高性能化に対応する耐熱性、熱伝導性を有する回路基板として、セラミックを基材とし、その両面に金属からなる導体層が接合された回路基板が用いられている。 In recent years, power semiconductor devices have been widely used not only for general industrial and electric railways but also for in-vehicle use. Especially in in-vehicle devices, reducing the size and weight of each component within a limited size range directly leads to a reduction in the weight and performance of the vehicle. This is an important issue. Thus, development of a wide band gap semiconductor material such as silicon carbide (SiC) capable of flowing a large current and capable of high-temperature operation as a semiconductor material replacing silicon (Si) is underway. In addition, as a circuit board having heat resistance and thermal conductivity corresponding to the above-described high performance, a circuit board having a ceramic base material and a metal conductor layer bonded on both sides thereof is used.
このような電力用半導体素子が実装された回路基板の主面(回路面)は、配線部材などと共にシリコーンゲルで封止することが一般的である。しかし、運転温度域が高温化した場合、シリコーンゲルのような柔軟な(弾性率の低い)材料では、半導体素子の接合部に加わる応力、ワイヤなどの配線部材に加わる応力を充分に抑制できず、所望の製品寿命を満足できない場合がある。 The main surface (circuit surface) of a circuit board on which such a power semiconductor element is mounted is generally sealed with a silicone gel together with a wiring member or the like. However, when the operating temperature range becomes high, a flexible (low elastic modulus) material such as silicone gel cannot sufficiently suppress the stress applied to the joint portion of the semiconductor element and the stress applied to the wiring member such as a wire. The desired product life may not be satisfied.
それゆえ、シリコーンゲルの代わりにエポキシ樹脂のような弾性率の高い封止樹脂で電力用半導体装置を封止することで、電力用半導体素子付近の接合部および配線部材に加わる応力を下げる構成が用いられるようになってきた。 Therefore, by sealing the power semiconductor device with a sealing resin having a high elastic modulus such as an epoxy resin instead of the silicone gel, a configuration in which the stress applied to the joint portion and the wiring member near the power semiconductor element is reduced. It has come to be used.
このとき、配線部材を構成する金属とセラミック基材との線膨張係数が大きく異なることから、弾性率の高い封止樹脂を用いた場合には、封止樹脂と他の回路部材との線膨張係数の合わせ込みが難しくなり、電力用半導体装置の信頼性向上の観点では好ましくない。 At this time, since the linear expansion coefficients of the metal constituting the wiring member and the ceramic base material are greatly different, when a sealing resin having a high elastic modulus is used, the linear expansion between the sealing resin and another circuit member is performed. It is difficult to match the coefficients, which is not preferable from the viewpoint of improving the reliability of the power semiconductor device.
ここで、例えば特許文献1には、配線部材のアルミワイヤボンディング部の応力を下げるために、エポキシ封止領域とは別にシリコン封止領域が設けられ、当該シリコン封止領域に半導体素子が配置されたパワーモジュールが開示されている。
Here, for example, in
一方、特許文献2に開示されているパワーモジュールでは、半導体素子のはんだ接合材の線膨張係数に合わせ込んだエポキシ樹脂でモジュール全体が封止されている。また、基板としては安価な金属基板が用いられ、半導体素子と金属基板との間に、熱拡散機能と線膨張ミスマッチの緩和機能を有する熱拡散板が挿入されている。
On the other hand, in the power module disclosed in
しかし、特許文献1に記載された技術では、半導体素子はシリコン封止領域に設けられており、その接合部に加わる応力を充分に低減できない。また、特許文献2に記載された技術では、金属基板の放熱性はセラミック基板に劣るため、熱拡散板を挿入する必要があるなど、平面方向のサイズアップを避けることができない。
However, in the technique described in
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、高温動作に対応可能であって、信頼性の高い、小型の電力用半導体装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a small and reliable power semiconductor device that can cope with high-temperature operation.
上記目的を達成するために、本発明に係る電力用半導体装置は、セラミック基材と、セラミック基材の上面に設けられた導体層と、導体層の上面に接合された電力用半導体素子と、電力用半導体素子の上面であって終端部を除いた領域に接合された主端子と、電力用半導体素子の周りを囲むように導体層の上面に接着された枠部材と、枠部材の内側に充填され、少なくとも電力用半導体素子と主端子との接合領域を封止する封止樹脂とを備える。枠部材と電力用半導体素子との間であって導体層の上面には、封止樹脂より小さい線膨張係数を有する低熱膨張材が接合されている。 In order to achieve the above object, a power semiconductor device according to the present invention includes a ceramic substrate, a conductor layer provided on the upper surface of the ceramic substrate, a power semiconductor element bonded to the upper surface of the conductor layer, A main terminal joined to the upper surface of the power semiconductor element and excluding the terminal portion; a frame member bonded to the upper surface of the conductor layer so as to surround the power semiconductor element; and an inner side of the frame member A sealing resin that is filled and seals at least a joining region between the power semiconductor element and the main terminal. A low thermal expansion material having a smaller linear expansion coefficient than that of the sealing resin is bonded to the upper surface of the conductor layer between the frame member and the power semiconductor element.
また、本発明に係る電力用半導体装置の製造方法は、セラミック基材の上面に導体層を設ける工程と、導体層の上面に電力用半導体素子を接合する工程と、電力用半導体素子の上面であって終端部を除いた領域に主端子を接合する工程と、電力用半導体素子の周りを囲むように、導体層の上面に枠部材を接着する工程と、枠部材の内側に封止樹脂を充填し、少なくとも電力用半導体素子と主端子との接合領域を封止する工程と、枠部材と電力用半導体素子との間であって導体層の上面に、封止樹脂より小さい線膨張係数を有する低熱膨張材を接合する工程とを含む。低熱膨張材を接合する工程は、電力用半導体素子を接合する工程または主端子を接合する工程と同時に実施する。 The method for manufacturing a power semiconductor device according to the present invention includes a step of providing a conductor layer on the upper surface of the ceramic substrate, a step of bonding the power semiconductor element to the upper surface of the conductor layer, and an upper surface of the power semiconductor element. A step of bonding the main terminal to the region excluding the terminal portion, a step of adhering a frame member to the upper surface of the conductor layer so as to surround the power semiconductor element, and a sealing resin inside the frame member Filling and sealing at least the junction region between the power semiconductor element and the main terminal, and a linear expansion coefficient smaller than the sealing resin on the upper surface of the conductor layer between the frame member and the power semiconductor element. Joining the low thermal expansion material. The step of bonding the low thermal expansion material is performed simultaneously with the step of bonding the power semiconductor element or the step of bonding the main terminal.
本発明によれば、枠部材と封止樹脂との界面に生じる剥離進展が抑制されることなどにより、高温動作に対応可能であって、信頼性の高い、小型の電力用半導体装置が実現される。また、工程数を増加させることなく、当該電力用半導体装置を製造することが可能となる。 According to the present invention, a small and reliable power semiconductor device that can cope with a high-temperature operation is realized by suppressing the progress of peeling occurring at the interface between the frame member and the sealing resin. The In addition, the power semiconductor device can be manufactured without increasing the number of steps.
本発明の実施の形態に係る電力用半導体装置について、以下で図面を参照しながら説明する。各図において、同一または同様の構成部分には同一の符号を付している。また、方向を表す用語「上」、「下」、「上面」、「下面」などは、図面中の方向を特定するための便宜的なものであり、使用時での装置の設置方向を限定するものではない。 A power semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In each figure, the same or similar components are denoted by the same reference numerals. In addition, the terms “upper”, “lower”, “upper surface”, “lower surface”, etc. indicating the direction are for convenience to specify the direction in the drawing, and limit the installation direction of the device in use. Not what you want.
実施の形態1.
図1(a)は、本発明の実施の形態1に係る電力用半導体装置の平面図である。図1(b)は、図1(a)のA−A線断面図である。
電力用半導体装置1は、図1に示すように、回路基板2と、電力用半導体素子(以下、単に半導体素子という)3a,3bと、電極端子6a,6b,7と、配線部材9と、枠部材10と、封止樹脂12と、低熱膨張材15などを備えている。以下、これらの構成について具体的に説明する。
FIG. 1A is a plan view of the power semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. FIG.1 (b) is the sectional view on the AA line of Fig.1 (a).
As shown in FIG. 1, the
回路基板2は、熱伝導性に優れたセラミック基材2iと、セラミック基材2iの両面に設けられた導体層2a,2bとから構成されている。半導体素子3a,3bが実装された回路基板2の主面(回路面)に設けられた導体層に符号2aを付し、回路面の反対側の主面(放熱面)に設けられた導体層に符号2bを付している。図1(b)に示すように、導体層2a,2bのサイズは、セラミック基材2iの全面に接合されるサイズでなく一定の領域を覆うサイズでもよい。
The
セラミック基材2iとしては、窒化アルミニウム(AlN)、窒化珪素(Si3N4)、酸化アルミニウム(Al2O3)など、絶縁性でかつ熱伝導性に優れた材料が好ましい。基材2iの厚さは、産業的には例えば0.3mmから1mm程度とされる。導体層2a,2bとしては、例えば銅、アルミニウム、あるいは銅とアルミニウムの積層体など、熱伝導性、導電性に優れた材料を用いることができる。導体層2a,2bは、ろう付け、拡散接合などにより基材2iに固着されている。導体層2aと導体層2bの厚さは、産業的には例えば0.2mmから1mm程度とされる。その厚さが大きいほど、半導体素子3a,3bからの放熱性が高まる一方で、基材2iに対する熱応力も高まる。装置の破壊を防止するためにはマージンを大きく確保する必要があり、実用上は0.3mm程度の厚さが用いられる。
As the
半導体素子3a,3bは、接合層8b,8dを介して導体層2aの上面に接合されている。半導体素子3a,3bは、電力用半導体装置1の用途に応じて適宜選択される。一例として、半導体素子3aはIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)、MOSFET(金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ)などであり、半導体素子3bはFWD(フリーホイールダイオード)などである。例えばIGBTの場合、その上面(表(おもて)面)には制御電極のゲート電極と主電極のエミッタ電極とが形成され、下面(裏面)には主電極のコレクタ電極が形成される。以下、回路基板に接合されない側の半導体素子の面(図1では上面)に形成される電極を表面電極と記載する。
The
半導体素子3としては、シリコンが用いられるのが一般的であるが、炭化ケイ素(SiC)、窒化ガリウム(GaN)系材料、ガリウムヒ素(GaAs)、ダイヤモンドなどのワイドバンドギャップ半導体材料を主成分とする材料を用いてもよい。ワイドバンドギャップ半導体材料を用いることにより、高温動作が可能となり、更には、例えばスイッチング周波数を増加させて装置1全体を小型化することも可能となる。
Silicon is generally used as the semiconductor element 3, but a wide band gap semiconductor material such as silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN) -based material, gallium arsenide (GaAs), diamond, or the like is a main component. A material to be used may be used. By using a wide band gap semiconductor material, it is possible to operate at high temperature, and it is also possible to reduce the size of the
接合層8b,8dとしては、例えば、はんだ、銀(Ag)導体、銅(Cu)導体など、導電性に優れ、かつ半導体素子3a,3bを機械的に固着可能な金属系の材料が用いられる。ここで、再結晶温度以上の温度条件で金属を使用していると、結晶粒界が拡散により移動して結晶粒が粗大化し、金属疲労に対して弱くなるという性質がある。それゆえ、半導体素子3a,3bに直接に接する場所に配置された接合層8b,8dとしては、素子の動作温度が高まったときの接合層の信頼性を高める観点から、特に銀のような高融点材料を用いることが好ましい。
As the bonding layers 8b and 8d, for example, a metal material having excellent conductivity and capable of mechanically fixing the
電極端子6a,6bは、半導体素子3a,3bの主電極(図示せず)に接続される主端子であり、以下では主端子6a,6bと記載する。主端子6aは、接合層8a,8cを介して半導体素子3a,3bの上面の主電極に電気的に接続されている。後述するように、主端子6aは半導体素子3a,3bの終端部を除いた領域に接合されている。主端子6aの他端は、封止樹脂12から装置1の外部へ延出している。主端子6bの一端は、接合層8eを介して導体層2aに接合され、半導体素子3a,3bの下面の主電極に電気的に接続されている。
The
接合層8a,8cとしては、産業的な観点では、接合時の加熱温度が低い点で、はんだなどの低融点材料が好ましい。しかし、上記の通り、信頼性を保証できる期間を長期化させる観点では、接合中の融点は充分に高いことが好ましい。これらの要求を満たすために、接合時には低融点でかつ接合中に融点が上昇する材料、例えば銀焼結(Agシンター)材、銅焼結材、銅−錫(CuSn)金属間化合物材などの材料を用いることが好ましい。 As the bonding layers 8a and 8c, a low melting point material such as solder is preferable from the industrial viewpoint in that the heating temperature at the time of bonding is low. However, as described above, from the viewpoint of extending the period during which reliability can be guaranteed, it is preferable that the melting point during bonding is sufficiently high. In order to satisfy these requirements, materials that have a low melting point at the time of bonding and a melting point that increases during bonding, such as a silver sintered (Ag sintering) material, a copper sintered material, a copper-tin (CuSn) intermetallic compound material, etc. It is preferable to use a material.
電極端子7は、半導体素子3aに制御信号を送信する制御端子であり、以下では制御端子7と記載する。図1(a)に示すように、制御端子7は複数個存在し、各制御端子7の一端は、配線部材9を介して、半導体素子3aの上面の制御電極(図示せず)に電気的に接続されている。
The
主端子6bと制御端子7は、図1(b)に示すように、インサート成形により枠部材10と一体化されている。主端子6bは、回路基板2の回路面に平行になるようにその一端が折り曲げられ、枠部材10から露出している。露出した部分のうち、回路面に対向する面が接合層8eを介して導体層2aに接合されている。制御端子7も同様に、回路基板2の回路面に平行になるようにその一端が折り曲げられているが、回路面に対向する面は枠部材10で覆われており、その反対側の枠部材10から露出した面に、上記の配線部材9が接合されている。
As shown in FIG. 1B, the
主端子6a,6b、制御端子7としては、例えば銅、銅合金など、導電性に優れ、産業的に使いやすい材料が好ましい。特に主端子6aは、半導体素子3で発生した熱を周囲の封止樹脂12に拡散させ、あるいは装置1の外部に伝達する機能を有するため、その材料として、銅のような熱伝導率が高い材料が好ましい。主端子6aの厚さを増加させると半導体素子3への熱応力が大きくなり、逆に減少させた場合には、通電時の電気抵抗による抵抗発熱が増大する。それゆえ、主端子6aについては適切な厚み選択が必要であるが、例えば0.2mmから1mm程度とされる。また、必要に応じて、主端子6aに穴を開けるなどして見かけの剛性を低下させ、熱応力を低減させる手法も有効である。また、接合材8eとしては、接合材8b,8dと同一の材料を用いることができる。
As the
なお、以上で説明した主端子6a,6b、制御端子7の配線を含む回路構造は、半導体素子3a,3bを使用する態様に応じて適宜変更される。
Note that the circuit structure including the wiring of the
配線部材9は、半導体素子3aの制御電極と制御端子7とを電気的に接続している。配線部材9はボンディングワイヤである必要はなく、ボンディングリボンでもよいし、他の構成でもよい。配線部材9としては、アルミニウム、銅、金など、導電性に優れた材料を用いることができる。
The
枠部材10は、図1(a)に示すように、半導体素子3a,3bの周りを囲むように設けられ、導体層2aの外周を覆っている。枠部材10としては、射出成形可能で成形性が良く、耐熱性に優れた樹脂材料が好ましい。当該樹脂材料としては、例えばポリフェニレンサルファイド(以下、PPSと記載する)、液晶ポリマー樹脂、フッ素系樹脂などが好ましい。枠部材10は、封止樹脂12と同様に、セラミックの基材2iよりも導体層2aに近い線膨張係数を有することが好ましい。そして、枠部材10は、回路基板2の回路面のうち、セラミック基材2iよりも枠部材10に近い線膨張係数を有する導体層2aの外周部に、接着剤11を用いて接着される。
As shown in FIG. 1A, the
このようにして、回路基板2の回路面のうち、回路部材が実装される部分(導体層2aの領域)の空間が、枠部材10により囲まれる。その囲まれた空間は、封止樹脂12を用いて所定高さまで充填されている。これにより、主端子6a,6b、制御端子7のうち装置1から外部へ延出した部分を除いて、半導体素子3a,3bを含む回路面の上の回路部材が封止樹脂12によって封止されることになる。なお、主端子6a,6b、制御端子7のうち装置1から外部へ延出した部分は、外部のスイッチング電源(図示せず)、他の電力用半導体素子などに接続される。
In this manner, the space of the portion where the circuit member is mounted (region of the
封止樹脂12は、枠部材10の内側、すなわち導体層2aと枠部材10とで囲まれた領域に充填され、半導体素子3a,3bなどの回路部材を封止している。封止樹脂12は、例えば10GPa以上の高い弾性率を有し、かつ、セラミック基材2iよりも導体層2aに近い線膨張係数を有する。封止樹脂12としては、例えばエポキシ樹脂のように、弾性率が高く、熱膨張、熱収縮を抑制する効果がある樹脂を用いることができる。
The sealing
なお、封止樹脂12として、エポキシ樹脂の他、ウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、アクリル樹脂などに、溶融シリカなどのセラミック粒子をフィラーとして混入し、線膨張係数および弾性率を調整した材料を用いることもできる。このようにして、枠部材10などの線膨張係数も同様に制御できる。
As the sealing
低熱膨張材15は、枠部材10と半導体素子3aとの間であって導体層2aの上面に、接合層16を介して接合されており、封止樹脂12と枠部材10の動きを抑制するようになっている。図1(a)に示すように、低熱膨張材15は、枠部材10と半導体素子3aとの間で、配線部材9が施された辺に対向配置されることが好ましい。図1(b)で説明すると、平面視では、低熱膨張材15と複数の配線部材9とが交差して重なることが好ましい。
The low
低熱膨張材15としては、封止樹脂12より線膨張係数の小さい材料が用いられる。具体的には、FeとNiの合金であるインバー(invar)材、Cuとインバー材との複合材であるCIC(Copper-Invar-Copper)材、CuとMoとの複合材であるCuMo材、AlとSiCの複合材であるAlSiC材など、0.1ppm/Kから10.0ppm/Kの線膨張係数を実現できる材料が好ましい。低熱膨張材15が設けられることにより、高温時に枠部材10と封止樹脂12との線膨張係数の差に起因して熱応力が生じ、剥離を引き起こすことを抑制できる。これについて、詳細は後述する。
As the low
以上で説明した構成に加えて、回路基板2の吸熱面側では、導体層2bの下面に冷却部材4が接合されている。このように、電力用半導体装置は冷却部材とセットで用いられることが多い。冷却部材4の下面には、放熱フィン4aが取り付けられている。このような構造の代わりに、内部を冷媒が流通する冷却ジャケットなどを冷却部材4として用いてもよい。
In addition to the configuration described above, the cooling
冷却部材4としては、例えばアルミニウム、銅、銅モリブデン(CuMo)合金、SiC/Al(SiC繊維強化アルミニウム)のような熱伝導率が高い材料が用いられる。ただし、セラミック基材2iを含む回路基板2などの半導体素子3a,3bが搭載された部分と冷却部材4との線膨張係数の差が大きいと、接合層5に加わる応力が大きくなる。それゆえ、要求される信頼性が高い場合には、冷却部材4として、CuMo、SiC/Alといった線膨張係数の小さい材料を用いることが好ましい。
As the cooling
接合層5としては、放熱性が高く長期劣化の少ない材料が好ましい。ただし、接合層5と半導体素子3a,3bとの間には回路基板2が介在しているため、接合層5の最大到達温度は少なくとも半導体素子3より低くなる。それゆえ、接合層5としてはんだなどを用いた場合でも、電力用半導体装置1は充分に実用に耐え得る。接合層5として、より高温動作での耐久性を達成できる他の材料、例えば銀焼結材、銅焼結材、銅錫(金属間化合物)材を用いてもよい。
The
冷却部材4の上面(吸熱面)には、回路基板2を囲む枠状体として、第2の枠部材13が接着剤(図示せず)を用いて接着されている。第2の枠部材13と冷却部材4とで囲まれた空間は、回路基板2の導体層2aに達する高さまで、第2の封止樹脂14で封止されている。これにより、セラミック基材2iと導体層2a,2bとの接合界面の端部が、絶縁性の第2の封止樹脂14で覆われ、接合界面の端部に生じる電界集中箇所に対して適切な絶縁性が維持されることになる。
A
第2の枠部材13は、例えば枠部材10と同一の材料で構成されてもよい。第2の封止樹脂14は、例えば封止樹脂12と同一の材料で構成されてもよいが、絶縁性と密着性が得られればよく、好ましくはシリコーンゲルなど流動性の高い樹脂とされる。第2の封止樹脂14として流動性の高い樹脂を用いた場合には、第2の枠部材13が設けられることが好ましいが、流動性の低い樹脂を用いた場合には、第2の枠部材13を省略してもよい。
The
次に、電力用半導体装置1の製造方法について例示的に説明する。
Next, an exemplary method for manufacturing the
まず、接合層8b,8dを用いて、導体層2aの上面に半導体素子3a,3bを接合する(工程S1)。次に、半導体素子3a,3bの表面電極の上の、接合層8a,8cを設ける位置と、導体層2aの上の接合層8eを設ける位置とにはんだ材を載置する(工程S2)。次に、インサート成形により主端子6bと制御端子7が内蔵された枠部材10を、導体層2aの上面に接着する(工程S3)。次に、はんだ材の上に主端子6a,6bを載置し、加熱する(工程S4)。工程S4での加熱により、主端子6aと半導体素子3a,3bとの間に介在する接合層8a,8c、主端子6bと導体層2aとの間に介在する接合層8eが形成される(工程S5)。
First, the
次に、半導体素子3aの制御電極と制御端子7に、配線部材9を例えば超音波接合して電気的に接続する(工程S6)。このようにして、回路基板2の上に必要な回路部材が実装される。
Next, the
最後に、導体層2aと枠部材10で囲まれた領域に、例えばエポキシ系の接着剤もしくはポッティング材を満たして硬化させ、封止樹脂12を設ける(工程S7)。このようにして、半導体素子3a,3bおよびこれらの表面電極などが、封止樹脂12によって確実に覆われ、機械的に拘束されることになる。
Finally, the region surrounded by the
半導体素子3a,3bを接合する工程S1で、接合層16を用いて同時に低熱膨張材15を接合することにより、工程数を増加させることなく低熱膨張材15を設けることができる。あるいは、工程S2に合わせて低熱膨張材15と接合層16を導体層2aの上面に載置し、続いて工程S3,S4を実施することによっても、工程数を増加させることなく低熱膨張材15を設けることができる。後者の場合、工程S4の終了と同時に接合層16が形成されることになる。
In the step S1 for bonding the
なお、工程S1の前に予め冷却部材4の上に回路基板2を接合し、第2の枠部材13を接着し、第2の封止樹脂14を充填することで、図1の構成全体を製造可能である。第2の封止樹脂14として封止樹脂12を用いる場合には、第2の封止樹脂14の充填を工程S7と同時に実施することにより、工程を1つ省略できる。
Before the step S1, the
次に、電力用半導体装置1の動作および得られる効果について、一般的な電力用半導体装置の動作と比較して説明する。なお、本実施形態1に係る電力用半導体装置1と区別するために、一般的な電力用半導体装置をパワーモジュールと呼ぶ。また、パワーモジュールに備えられる電力用半導体素子をパワーチップと呼ぶ。
Next, the operation of the
パワーモジュールは、例えば、モータなどを駆動するインバータに用いられる。モータを駆動するとパワーチップで損失が生じる。この損失による温度上昇が、はんだのような接合材の融点を超えた場合、接合は充分に維持されずにパワーモジュールは故障してしまう。また、パワーチップが高温、例えば約370℃に達すると、絶縁性が失われてパワーチップ自体が破壊されるおそれもある。さらに、モータなどの負荷の増減に起因して温度変化が生じると、パワーモジュール内部の接合部(接着部)に熱応力が生じる。温度変化が繰り返されると接合部(接着部)が劣化し、破壊するという現象も生じうる。このようにパワーモジュールでは、長期使用に対する寿命が不可避的に存在する。それゆえ、パワーモジュールを安全に使用できる期間をユーザに保証するためには、モジュールの寿命設計を行う必要がある。 The power module is used, for example, in an inverter that drives a motor or the like. When the motor is driven, a loss occurs in the power chip. When the temperature rise due to this loss exceeds the melting point of the bonding material such as solder, the bonding is not sufficiently maintained and the power module fails. Further, when the power chip reaches a high temperature, for example, about 370 ° C., there is a possibility that the insulation is lost and the power chip itself is destroyed. Furthermore, when a temperature change occurs due to an increase or decrease of a load such as a motor, a thermal stress is generated at a joint (adhesion) inside the power module. When the temperature change is repeated, the joint (bonded portion) may deteriorate and break down. Thus, the power module inevitably has a lifetime for long-term use. Therefore, in order to guarantee to the user a period during which the power module can be used safely, it is necessary to design the lifetime of the module.
上記の通り、パワーモジュールでは、パワーチップ自体が発熱源となり、その周辺が最も高温に至る。それゆえ、パワーチップ周辺、特に接合部の寿命を最も厳しく管理する必要がある。パワーチップの表面電極には、通電経路を確保するための電極端子(本実施形態1における主端子6aに対応)が接合され、配線に用いられるボンディングワイヤ(本実施形態1における配線部材9に対応)が接合される。
As described above, in the power module, the power chip itself becomes a heat source, and the periphery thereof reaches the highest temperature. Therefore, it is necessary to strictly manage the lifetime of the power chip, particularly the joint. An electrode terminal (corresponding to the
まず、パワーチップと電極端子との接合部について考察する。
パワーチップの主面の終端部には、ガードリングと呼ばれる、パワーチップの終端部に生じる電界を緩和する構造が形成され、スイッチオフ時などに絶縁性が維持されるようになっている。このガードリングの存在により、パワーチップの全面にわたって電極端子を接合することはできず、接合材を介して終端部以外の部分に接合される。それゆえ、パワーチップの表面電極には、電極端子が接合された領域と接合されない領域(終端領域)とが存在し、電極端子と接合材とは、パワーチップの表面電極に対して一定の角度で付着した状態となる。
First, the joint between the power chip and the electrode terminal will be considered.
A structure called a guard ring that relaxes the electric field generated at the terminal end of the power chip is formed at the terminal end of the main surface of the power chip so that insulation is maintained when the switch is turned off. Due to the presence of the guard ring, the electrode terminal cannot be bonded over the entire surface of the power chip, and is bonded to a portion other than the terminal portion via a bonding material. Therefore, the surface electrode of the power chip has a region where the electrode terminal is bonded and a region (terminal region) where the electrode terminal is not bonded, and the electrode terminal and the bonding material are at a certain angle with respect to the surface electrode of the power chip. It will be in the state which adhered by.
このような角度変化が生じた部分には、概して応力集中が起こりやすいことが知られている。逆に、電極端子が表面電極の全面に均一に接合された場合、応力集中は起こりにくい。それゆえ、パワーチップの表面電極の上には、電極端子との接合部に「境界部」が存在し、当該境界部で応力集中が起こることになる。このような応力集中が起こる結果、応力が塑性域に入るといわゆる低サイクル疲労のモードで劣化が進むことになる。 It is known that stress concentration is generally likely to occur in a portion where such an angle change has occurred. On the contrary, when the electrode terminal is uniformly bonded to the entire surface of the surface electrode, stress concentration hardly occurs. Therefore, on the surface electrode of the power chip, there exists a “boundary portion” at the junction with the electrode terminal, and stress concentration occurs at the boundary portion. As a result of such stress concentration, when the stress enters the plastic region, the deterioration proceeds in a so-called low cycle fatigue mode.
応力が塑性域に入ると、代表的な現象として、応力集中部で亀裂が発生する。具体的には、まず応力集中部で塑性変形が発生すると、応力集中部の表面に凹みが形成される。凹みが形成されると、さらに応力集中が大きくなり、凹みを起点として微小な裂けが生じて亀裂に至る。一旦応力集中部に亀裂が発生すると、応力サイクルに応じて生じる塑性変形により徐々に亀裂が進展し、ついには表面電極の脱落に至ることもある。一般に、このようなメカニズムにより金属疲労が進む。金属疲労を引き起こす応力集中は、上記の通り、スイッチング素子などのパワー半導体素子においては避けられない現象である。 When the stress enters the plastic region, as a typical phenomenon, cracks occur at the stress concentration portion. Specifically, when plastic deformation first occurs in the stress concentration portion, a dent is formed on the surface of the stress concentration portion. When the dent is formed, the stress concentration further increases, and a minute tear is generated starting from the dent, leading to a crack. Once a crack occurs in the stress concentration part, the crack gradually develops due to plastic deformation caused by the stress cycle, and eventually the surface electrode may fall off. In general, metal fatigue progresses by such a mechanism. As described above, stress concentration that causes metal fatigue is an unavoidable phenomenon in power semiconductor elements such as switching elements.
ただし、パワーモジュールがエポキシ樹脂のような弾性率の高い樹脂で封止された場合には、この応力集中はある程度緩和されることが判っている。 However, it is known that this stress concentration is alleviated to some extent when the power module is sealed with a resin having a high elastic modulus such as an epoxy resin.
次に、パワーチップとボンディングワイヤ(以下、ワイヤと記載する)との接合部について考察する。
円筒形のワイヤをパワーチップの表面に接合した場合、ワイヤの延長方向の接合界面端部には未接合部が生じるところ、その未接合部の断面形状において、楔形状の切欠きが生じる。このような楔形状の切欠きが生じた位置では、非常に応力集中が生じやすい。このような切欠きでの応力集中は、円筒形のワイヤに限らず、ボンディングリボンなど、配線部材を曲げて平面に接合する場合には、避けられない現象である。
Next, a joint portion between the power chip and a bonding wire (hereinafter referred to as a wire) will be considered.
When a cylindrical wire is bonded to the surface of the power chip, an unbonded portion is formed at the bonding interface end in the wire extension direction, and a wedge-shaped notch is generated in the cross-sectional shape of the unbonded portion. Stress concentration easily occurs at a position where such a wedge-shaped notch is generated. Such stress concentration at the notch is an unavoidable phenomenon when a wiring member such as a bonding ribbon is bent and joined to a flat surface, not limited to a cylindrical wire.
ただし、パワーモジュールが、エポキシ樹脂のような弾性率の高い樹脂で封止された場合には、楔形状の切欠きでの応力集中が抑制されることが判っている。例えば、パワーサイクル試験と呼ばれる通電試験によって生じる温度サイクルに対するパワーモジュールの寿命が3倍以上となった例も存在する。 However, it has been found that when the power module is sealed with a resin having a high elastic modulus such as an epoxy resin, the stress concentration at the wedge-shaped notch is suppressed. For example, there is an example in which the life of the power module with respect to a temperature cycle generated by an energization test called a power cycle test is three times or more.
シリコーンゲルなどによる封止の場合、パワーチップとワイヤとの接合部(接合界面)が長期信頼性試験による破断箇所となる。上記の通り、弾性率の高い封止樹脂を用いることにより、円筒形のワイヤが平面に押し付けられて生じる応力集中は抑制される。このとき、封止樹脂とワイヤとの線膨張係数の差に起因して、ワイヤの全長の伸縮を封止樹脂が妨げるような熱応力がワイヤの発熱に応じて発生し、今度はワイヤのループの途中またはネック部が応力集中部となる。それでも、シリコーンゲルなどによる封止の場合に比べて、ユーザに信頼性を保証できる期間を充分に長期化できる。なお、弾性率の高い封止樹脂で封止した場合、アルミワイヤを用いたワイヤボンディングでなく、銅電極をパワーチップの表面電極にはんだ付けした場合にも、はんだ層の亀裂進展を抑制できる。この場合、パワーチップの寿命がアルミワイヤの場合の10倍程度に向上した例も存在する。 In the case of sealing with silicone gel or the like, the joint portion (joint interface) between the power chip and the wire becomes a fractured portion by a long-term reliability test. As described above, by using a sealing resin having a high elastic modulus, stress concentration caused by pressing a cylindrical wire against a flat surface is suppressed. At this time, due to the difference in the coefficient of linear expansion between the sealing resin and the wire, a thermal stress that prevents the sealing resin from expanding and contracting the entire length of the wire is generated according to the heat generation of the wire. In the middle or the neck portion becomes a stress concentration portion. Nevertheless, the period during which the reliability can be guaranteed for the user can be sufficiently prolonged as compared with the case of sealing with silicone gel or the like. When sealing with a sealing resin having a high elastic modulus, crack propagation of the solder layer can be suppressed even when the copper electrode is soldered to the surface electrode of the power chip instead of wire bonding using an aluminum wire. In this case, there is an example in which the life of the power chip is improved to about 10 times that of an aluminum wire.
以上のように、パワーモジュールをエポキシ樹脂のような弾性率の高い樹脂で封止することで、パワーチップとワイヤとの接合部に生じる応力集中、パワーチップと電極端子との接合部に生じる応力集中をある程度緩和できることが判っている。このとき、パワーモジュールがシリコーンゲルなどの弾性率の低い樹脂で封止された場合、絶縁性は保たれ、パワーチップへの異物の付着は防止できるといった効果はあるものの、熱応力を緩和する効果はほとんど得られない。なお、熱膨張、熱収縮を抑制する効果を充分に発揮させるためには、封止樹脂の弾性率が金属の1/10程度であることが好ましい。本実施形態1では、封止樹脂12の弾性率を10Gpa以上に設定しており、充分な効果が期待できる。
As described above, by sealing the power module with a resin having a high elastic modulus such as an epoxy resin, stress concentration generated at the joint between the power chip and the wire, and stress generated at the joint between the power chip and the electrode terminal It has been found that concentration can be eased to some extent. At this time, when the power module is sealed with a resin having a low elastic modulus such as silicone gel, the insulation is maintained and the adhesion of foreign matter to the power chip can be prevented, but the effect of relieving thermal stress. Can hardly be obtained. In addition, in order to fully exhibit the effect which suppresses a thermal expansion and a thermal contraction, it is preferable that the elasticity modulus of sealing resin is about 1/10 of a metal. In the first embodiment, the elastic modulus of the sealing
次に、弾性率の高い樹脂を用いた場合に生じる新たな課題について具体的に説明する。
回路基板の回路面には、回路基板の基材を構成するセラミック材料と電極端子を構成する金属材料とのように、線膨張係数が大きく異なる部材が存在する。このような構成においてパワーモジュールを小型化しようとする場合、樹脂の厚みが必然的に薄くなる。樹脂の厚みが薄いと、枠部材、電極端子、パワーチップなどの被封止部材が、それぞれの(近傍)領域での熱応力を支配することになる。このとき、電極端子などを拘束する高い弾性率を有する封止樹脂を用いた場合、それぞれの領域すべてに対応できるように封止樹脂の線膨張係数を合わせ込むことは困難となる。
Next, a new problem that occurs when a resin having a high elastic modulus is used will be described in detail.
On the circuit surface of the circuit board, there are members having greatly different linear expansion coefficients, such as a ceramic material constituting the base material of the circuit board and a metal material constituting the electrode terminal. When attempting to downsize the power module in such a configuration, the thickness of the resin is inevitably reduced. When the thickness of the resin is thin, the sealing members such as the frame member, the electrode terminal, and the power chip dominate the thermal stress in each (near) region. At this time, when a sealing resin having a high elastic modulus that restrains the electrode terminal or the like is used, it is difficult to adjust the linear expansion coefficient of the sealing resin so as to be able to deal with all the regions.
このように、弾性率の高い樹脂で回路面を封止した場合、封止樹脂は線膨張係数の大きく異なる材料をまたぐことになる。このとき、線膨張係数の差に起因する新たな熱応力が生じ、枠部材と封止樹脂との境界、電極端子と封止樹脂との境界、ワイヤと封止樹脂との境界、あるいは封止樹脂そのものに、亀裂等の劣化が生じるおそれがある。 As described above, when the circuit surface is sealed with a resin having a high elastic modulus, the sealing resin straddles materials having greatly different linear expansion coefficients. At this time, a new thermal stress is generated due to the difference in linear expansion coefficient, and the boundary between the frame member and the sealing resin, the boundary between the electrode terminal and the sealing resin, the boundary between the wire and the sealing resin, or the sealing There is a possibility that deterioration such as cracks may occur in the resin itself.
上記の線膨張係数の差に起因する熱応力を抑制するために、電力用半導体装置1では、回路基板2の回路面のうち、枠部材10で囲まれた導体層2aの内側の領域のみが封止樹脂12で覆われている。それゆえ、封止樹脂12は、主端子6a、導体層2aに対して線膨張係数が大きく異なるセラミック基材2iとの接触面を有しない。これにより、封止樹脂12の線膨張係数は、主端子6aおよび導体層2aとの相性を優先することができる。具体的に述べると、封止樹脂12の線膨張係数を、一般的に5ppm/K程度であるセラミック基材2iよりも、導体層2aおよび主端子6aを構成する金属(Cu:18ppm/K、Al:23ppm/K)に近い値に設定できる。
In order to suppress the thermal stress caused by the difference in the linear expansion coefficient, in the
また、封止樹脂12は枠部材10の内側に充填され、枠部材10によって拡がりが制限されている。これにより、枠部材10により規定される高さ内に隙間なく封止樹脂12を充填でき、半導体素子3a,3bに接合された主端子6aおよび配線部材9に加わる熱応力を充分に抑制できる。さらに、半導体素子3a,3bの表面電極の上では、主端子6aと封止樹脂12との境界部分でも、実質的に線膨張係数を同一にすることができ、弾性率が所定値以上であって熱膨張、熱収縮を抑制する効果を有する部材が連なることになり、前述の応力集中を確実に軽減できる。
Further, the sealing
ここで、樹脂製の枠部材10自体には接着性がないため、枠部材10は接着剤11を用いて導体層2aに接着されるところ、前述の通り、枠部材10を構成する樹脂の線膨張係数は、好ましくは封止樹脂12と共に金属に近い値に調整される。しかしこのとき、封止樹脂12とセラミック基材2iとの線膨張係数の差が大きくなって、接合された枠部材10とセラミック基材2iとが剥離する可能性がある。一般に、セラミック基材2iの表面には沿面絶縁距離が確保されており、上記剥離が生じると、電界によって部分放電が生じて絶縁性が低下する。すなわち界面剥離が生じると、新たに生じた剥離面において沿面放電が発生しやすくなり、それまでの非剥離時に比べて大幅に耐電圧特性が小さくなるという問題が生じる。この場合、ユーザに信頼性を保証できる期間が極端に短くなってしまう。
Here, since the
一方、電力用半導体装置1において、枠部材10は導体層2aの上面に直接に接合されており、セラミック基材2iとは接しない。これにより、枠部材10と導体層2aとの線膨張係数を実質的に同一にすることができるため、応力の発生を抑え、剥離を生じる可能性を低下させることができる。
On the other hand, in the
なお、この場合でも、導体層2aの上面から枠部材10が剥離すると、封止樹脂12も導体層2aから剥離することになる。この剥離が半導体素子3a,3bの表面を横切った場合、半導体素子3a,3bの破壊につながるおそれがあるが、本実施形態1の構成によれば、導体層2aの上面からの枠部材10の剥離も充分に抑制されることが種々の通電試験を通じて判っている。
Even in this case, when the
次に、封止樹脂12の線膨張係数の異方性に起因する熱応力について説明する。
枠部材10には、PPSなどの樹脂を用いることが好ましい。しかし、PPSなどの樹脂には、成形時の流動方向と、当該流動方向に対して垂直な方向との間で、線膨張係数に異方性が存在することが知られている。特にPPSの場合、流動方向に対して垂直な方向では、高温(約150度)での線膨張係数が50ppm/Kから100ppm/K程度となるが、この場合、導体層2aの線膨張係数に合わせ込まれた封止樹脂(エポキシ樹脂の場合、18ppm/Kから25ppm/K程度)との間に大きな差が生じてしまう。
Next, the thermal stress resulting from the anisotropy of the linear expansion coefficient of the sealing
It is preferable to use a resin such as PPS for the
枠部材10の成形樹脂を側面から注入した場合の成形樹脂の流動方向を図7に示す。基本的に、成形樹脂の線膨張係数は、半導体素子3a,3bに対して(平面視で)垂直な方向(図中の鎖線矢印)で大きくなる傾向がある。一方で、封止樹脂12の線膨張係数は、封止樹脂12とこれらとの剥離を抑制する観点から、好ましくは、導体層2a、主端子6aに近い値とされる。それゆえ、異方性を考慮して、封止樹脂12の線膨張係数を、例えば50ppm/Kを超える大きい値とすることは好ましくない。
FIG. 7 shows the flow direction of the molding resin when the molding resin of the
しかし、このように線膨張係数の差が生じた構成において実際のインバータ動作温度に準じた通電試験(例えば最大到達温度は40℃から150℃)を行うと、枠部材10と封止樹脂12との間に接着界面の剥離が生じた例も存在する。したがって、枠部材10と封止樹脂12との間に生じる熱応力を抑制する必要がある。
However, when an energization test according to the actual inverter operating temperature is performed in a configuration in which the difference in linear expansion coefficient occurs in this way (for example, the maximum temperature reached is 40 ° C. to 150 ° C.), There is also an example in which peeling of the adhesive interface occurs during the period. Therefore, it is necessary to suppress the thermal stress generated between the
電力用半導体装置1では、枠部材10と半導体素子3aとの間に低熱膨張材15が接合されている。それゆえ、高温動作時に枠部材10が大きく膨張しようとする方向に対する熱膨張を妨げる働きが生じる。これにより、枠部材10と封止樹脂12との間に生じる熱応力を充分に抑制できる。
In the
ここで、枠部材10の成形時の流動方向は、平面視の外周に沿って一周する方向である。一方、前述の通り、高温時に熱膨張が大きくなる方向は流動方向に対して垂直な方向であるが、電力用半導体装置1では、枠部材10から見て半導体素子3a,3bが搭載されている方向を指す。すなわち、枠部材10と半導体素子3aとの間に低熱膨張材15が配置されることにより高温時の熱膨張が抑制され、枠部材10と封止樹脂12との間の剥離進展を抑制できる。
Here, the flow direction at the time of molding the
枠部材10と封止樹脂12との間の接着界面の剥離が進展して最も問題となる可能性が高いのは、配線部材9の断線による動作機能の喪失である。前述の通り、配線部材9としては、アルミニウム、銅、金などを主材料としたワイヤボンディングを用いてもよい。この配線部材9は接続端子7に接続されており、一般に数mA程度の小さい制御電流しか流れないため、必要な線径も小さい。例えばアルミニウムワイヤの場合、線径は100μmから400μm程度で足りる。一方、半導体素子にワイヤボンドを適正に行うためには一定の接合領域を設ける必要があるところ、この接合領域は半導体素子3aの有効通電領域とならないため、可能な限り小さい線径のワイヤを用いて有効通電面積を稼ぎたいという事情がある。
It is the loss of the operation function due to the disconnection of the
それゆえ、電力用半導体装置1を構成する部材であって封止樹脂12により封止された部材の中でも、配線部材9は特に強度的に弱い部材となり、ワイヤボンド周辺部材から伝播して起こる剥離には充分な注意を払う必要がある。すなわち、封止直後には制御端子7、配線部材9および封止樹脂12が完全に密着していても、温度ストレスが繰り返し印加された場合には、最も応力が高くなる箇所から枠部材10と封止樹脂12の剥離が発生するおそれがある。
Therefore, among the members constituting the
そして、剥離が次第に進展して配線部材9の付け根部まで到達した時に、制御端子7と配線部材9の接合界面に多大な熱ストレスが加わる。これにより、配線部材9ごと封止樹脂が持ち上げられて断線するおそれもある。
When the peeling gradually progresses and reaches the root of the
一方、本実施形態1では、低熱膨張材15が枠部材10と半導体素子3a,3bとの間で、信号配線が施されている辺に対して配置されることにより、制御端子7と配線部材9の接合界面に生じる熱ストレスを充分に抑制できる。
On the other hand, in the first embodiment, the low
以上で説明したように、電力用半導体装置1では、枠部材10と封止樹脂12との界面に生じる剥離進展が抑制されることなどにより、高温動作に対応可能とし、信頼性を向上させることが可能となる。更には、樹脂の厚みを薄くして装置1を小型化することも可能となる。さらに、工程数を増加させることなく、当該電力用半導体装置1を製造することが可能となる。
As described above, in the
以下、本実施形態1の変形例について説明する。 Hereinafter, modifications of the first embodiment will be described.
以上の説明では、インサート成形により制御端子7および主端子6bが枠部材10と一体化された構成について説明した。枠部材10によって封止樹脂12の領域が確保されるという効果を得る観点では、必ずしも制御端子7および主端子6bが枠部材10と一体化される必要はない。ただし、ワイヤボンディング技術を用いて配線部材9を半導体素子3と制御端子7とに接続した場合には、一体化しておくことで、安定性が高い状態でワイヤボンディングを実施できる。一般にワイヤボンディング工程では、複雑な電極押さえなどの技術を用いて半導体素子を安定にする必要があるところ、これを省略できるので、生産性が向上するという効果が得られる。
In the above description, the configuration in which the
特に、枠部材10に埋め込まれた主端子6bと導体層2aとの間を接合することで、枠部材10と回路基板2との一体性を向上させている。しかし、少なくとも枠部材10内の領域に、セラミック基材2iよりも導体層2aおよび主端子6a,6b、制御端子7、配線部材9などの回路部材の線膨張係数に近く、回路部材を拘束できる封止樹脂12を用いて封止することにより、より信頼性の高い電力用半導体装置1を得ることができる。
In particular, by joining the
すなわち、必ずしも枠部材10に主端子6bなどが埋め込まれている必要はなく、樹脂のみで構成されてもよい。この場合、枠部材10は回路部材と接するわけではないので、回路部材を拘束するような弾性率は必ずしも必要とされない。
That is, the
また、以上の説明および図面では、1つの冷却部材4の上に1つの回路基板2が接合された構成について説明したが、これに限定されることなく、1つの冷却部材4の上に複数の回路基板2が接合されてもよい。特許請求の範囲では、1つの冷却部材の上に複数の回路基板2が接合された構成を「電力用半導体モジュール」としている。
In the above description and drawings, the configuration in which one
例えばインバータを構成するパワーモジュールでは、インバータなどに通電するエネルギー量に応じた複数のパワーチップ、電極端子が搭載されたセラミック基板(本実施形態1での回路基板2に対応する)を冷却部材の上に複数個並べた構成が好ましい。インバータを三相駆動させるためには、IGBTとダイオードとからなる一対のパワーチップが搭載された少なくとも6枚のセラミック基板が必要となる。通電に必要なエネルギー量に応じて並列数を増加させると、冷却部材の上のセラミック基板の数はさらに増加する。
For example, in a power module that constitutes an inverter, a ceramic substrate (corresponding to the
しかし、拘束力のある封止樹脂で複数のセラミック基板にわたって封止を行うと、樹脂硬化後の硬度が高いことに起因して、パワーモジュールに必要な使用温度範囲内であっても、温度スイングにより樹脂の収縮が発生するおそれがある。この収縮は、セラミック基板の数が増加するほど増大して樹脂が割れやすくなる傾向がある。樹脂に割れが生じると、上記の通り、はんだ層に対するパワーチップ表面の応力低減効果を充分に得ることができず、したがって期待される信頼性が向上する効果を充分に得ることができない可能性がある。 However, if sealing is performed across a plurality of ceramic substrates with a sealing resin with a binding force, due to the high hardness after curing the resin, even if it is within the operating temperature range required for the power module, the temperature swing May cause shrinkage of the resin. This shrinkage increases as the number of ceramic substrates increases, and the resin tends to break easily. If cracking occurs in the resin, as described above, the effect of reducing the stress on the surface of the power chip against the solder layer cannot be obtained sufficiently, and therefore the expected improvement in reliability may not be obtained sufficiently. is there.
本実施形態1のように、回路基板2ごとに枠部材10を設けてその内部を封止樹脂12で封止すると共に、冷却部材4の上の回路基板2間の部分(枠部材10の外側部分)には、絶縁性を有しかつ拘束力を有しない第2の封止樹脂14を充填することで、上記の問題は解決する。
As in the first embodiment, a
また、以上の説明および図面では、低熱膨張材15を直方体状(板状)に示しているが、必ずしも直方体状である必要はない。また、低熱膨張材15は断面が半円などである形状でもよく、この場合、配線部材9との接触のリスクを低減できることから、配線部材9のループ高さを低くして封止樹脂12の厚みを小さくすることができ、装置1全体の小型化、軽量化につながる。
Moreover, in the above description and drawings, the low
実施の形態2.
図2は、本発明の実施の形態2に係る電力用半導体装置の図1(b)に対応する断面図である。図2において、実施形態1と同一または同様の構成には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
FIG. 2 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 1B of the power semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 2, the same or similar components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図1(b)で、低熱膨張材15と配線部材9との間の封止樹脂12の厚みが大きければ、枠部材10と封止樹脂12との線膨張係数の差は依然として大きいままとなる。このとき、枠部材10が熱膨張する方向に低熱膨張材15が配置された場合、枠部材10の熱膨張を充分に抑制するためには、枠部材10に一体化された配線部材9の高さよりも低熱膨張材15の高さを高くすることが好ましい。すなわち、枠部材10の周辺には可能な限り低熱膨張材15を枠部材10の近傍の高さで配置することが好ましく、特に枠部材10の高さよりも高く配置することで、封止樹脂12と枠部材10との間に生じる熱応力を飛躍的に低減させ、剥離抑制効果を高めることが可能となる。
In FIG. 1B, if the thickness of the sealing
そこで、本実施形態2において、符号25を付した低熱膨張材は、図2に符号Xを付して示す配線部材9と制御端子7との接続位置、および、符号Yを付して示す配線部材9と半導体素子3aとの接続位置よりも上側まで延びている。これにより、枠部材10の熱膨張抑制効果をさらに発揮させることができる。
Therefore, in the second embodiment, the low thermal expansion material denoted by
実施の形態3.
図3は、本発明の実施の形態3に係る電力用半導体装置の図1(b)に対応する断面図である。図3において、実施形態2と同一または同様の構成には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
Embodiment 3 FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 1B of the power semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. In FIG. 3, the same or similar components as those in the second embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
実施形態2で説明したように、封止樹脂12と枠部材10との間に生じる熱応力を低減させる観点では、低熱膨張材25は、枠部材10の高さよりも高く配置することが好ましい。しかし、低熱膨張材25の上には配線部材9が配置されているところ、低熱膨張材25を構成する材料は必ずしも電気絶縁性を有しないため、低熱膨張材25と導体層2aとの間の接合材が電気絶縁性を有しなければ、配線部材9と低熱膨張材25とを電気的に絶縁する必要がある。また、封止材料12は絶縁性であるが、電界強度のしきい値を超えると、内在する微小欠陥を起点にして放電破壊する事が知られており、配線部材9と導電性部材25との間には一定の距離を確保する必要がある。
As described in the second embodiment, in terms of reducing the thermal stress generated between the sealing
すなわち、配線部材9のループの直下にある低熱膨張材25と導体層2aとが等電位に近い場合、配線部材9と低熱膨張材15との間で一定以上の距離を確保する必要が生じる。それゆえ、低熱膨張材15の高さを大きくしようとすると、必要な絶縁距離を加算した上でループ頂上部の高さが決定され、さらにループ頂上部から封止樹脂12の表面までの樹脂を加算して電力用半導体装置1の高さ方向のサイズが決定することになり、装置1の小型化が妨げられる。
That is, when the low
そこで、本実施形態3において、低熱膨張材25は、電気絶縁性を有する接合層26を介して導体層2aの上面に固着される。これにより、配線部材9と低熱膨張材15との絶縁距離を考慮に入れる必要がなくなり、装置1の高さ方向のサイズを必要最小限まで低減できる。すなわち、本実施形態3によれば、枠部材10の熱膨張抑制効果を充分に発揮させつつ装置1を小型化できる。
Therefore, in the third embodiment, the low
実施の形態4.
図4は、本発明の実施の形態4に係る電力用半導体装置の平面図(a)と、そのA−A線断面図(b)である。図4において、実施形態1と同一または同様の構成には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
FIG. 4A is a plan view of a power semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention, and FIG. In FIG. 4, the same or similar components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図1から3では、低熱膨張材の形状を直方体状として図示した。また、説明してきた効果が最も発揮されるように、制御端子7の近傍に低熱膨張材を配置した。一方、枠部材10は導体層2aの外周を覆うように形成され、封止樹脂12は枠部材10の内側全体に充填されていることから、枠部材10と封止樹脂12との間全体にわたって低熱膨張材を設けることが考えられる。
1 to 3, the shape of the low thermal expansion material is illustrated as a rectangular parallelepiped shape. In addition, a low thermal expansion material is disposed in the vicinity of the
そこで、本実施形態4では、図4(a)に示すように、平面視で半導体素子3a,3bの周りを囲むように符号45を付した低熱膨張材が設けられている。
Therefore, in the fourth embodiment, as shown in FIG. 4A, a low thermal expansion material denoted by
本実施形態4によれば、枠部材10と封止樹脂12との間に剥離が生じた場合でも、その剥離の進展が抑制される。これにより、当該剥離が半導体素子3a,3b側まで進展して動作不良が発生することが抑制される。更には、当該剥離が半導体素子3a,3bの上面、下面の接合層8a〜8dにまで進展し、封止樹脂12による拘束効果が無くなって接合部の信頼性が著しく低下することが防止される。その結果、ひいてはユーザに信頼性を保証できる期間を長期化させることができる。
According to the fourth embodiment, even when peeling occurs between the
図4(a)では、平面視で低熱膨張材45をリング状(四角リング状)に図示しているが、必ずしも閉じたリングである必要はない。
In FIG. 4A, the low
実施の形態5.
図5は、本発明の実施の形態5に係る電力用半導体装置の平面図(a)と、そのA−A線断面図(b)である。図5において、実施形態1と同一または同様の構成には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
FIG. 5A is a plan view of a power semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention, and FIG. In FIG. 5, the same reference numerals are given to the same or similar components as those in the first embodiment, and detailed description thereof is omitted.
低熱膨張材による枠部材10の熱膨張抑制効果を持続させる観点では、低熱膨張材の上面と封止樹脂12との密着性が高いことが好ましい。密着性を向上させるために、例えばシランカップリング剤やポリイミドなどを用いてプライマ処理のようなコーティング処理を行うことも考えられる。しかしこの場合、工程数が増加し、それに伴って加工費が増大してしまう。
From the viewpoint of maintaining the thermal expansion suppressing effect of the
そこで、本実施形態5では、符号55を付した低熱膨張材の上面から下面に向けて、貫通していない不連続な窪み55aが設けられている。窪み55aは特許請求の範囲の「凹部」の一例に相当する。また、図5(b)に示すように、窪み55aは、蟻溝型、蛸壺型のように、その入口(上面側)の面積が底面(下面側)の面積よりも小さい形状とされることが好ましい。
Therefore, in the fifth embodiment, a
本実施形態5によれば、封止樹脂12が低熱膨張材55の窪み55aに入り込み、アンカー効果が発揮され、低熱膨張材と封止樹脂との密着性が飛躍的に向上する。すなわち、低熱膨張材55の上面と封止樹脂12との間に生じるせん断方向の応力が低減され、低熱膨張材55による枠部材10の熱膨張抑制効果を持続することが可能になる。
According to the fifth embodiment, the sealing
実施形態1で説明した装置1の製造方法において、低熱膨張材は、予め所定の金型を用いてプレス成形を用いて準備できる。本実施形態5で、低熱膨張材55に窪み55aを設ける工程は、上記低熱膨張材55をプレス成形する工程に、窪み55a用の金型を用いたプレス工程を1工程から3工程だけ追加して実施可能である。それゆえ、生産性を大きく阻害することなく、飛躍的に密着性を向上させることが可能となる。
In the method for manufacturing the
なお、図5(a)に示すように、窪み55aの形状は平面視で円形としているが、金型の形状に応じて適宜変更できる。 In addition, as shown to Fig.5 (a), although the shape of the hollow 55a is circular by planar view, it can change suitably according to the shape of a metal mold | die.
実施の形態6.
図6は、本発明の実施の形態6に係る電力用半導体装置の平面図(a)と、そのA−A線断面図(b)である。図6において、実施形態1と同一または同様の構成には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
Embodiment 6 FIG.
FIG. 6A is a plan view of a power semiconductor device according to the sixth embodiment of the present invention, and FIG. In FIG. 6, the same or similar components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
実施形態5で説明したように、低熱膨張材による枠部材10の熱膨張抑制効果を持続させる観点では、低熱膨張材と封止樹脂12との密着性を向上させることが好ましい。
As described in the fifth embodiment, it is preferable to improve the adhesion between the low thermal expansion material and the sealing
そこで、本実施形態6では、符号65を付した低熱膨張材の上面から下面に向けて、貫通していない直線状の溝65aが設けられている。溝65aの本数は任意である。溝65aは特許請求の範囲の「凹部」の一例に相当する。これにより、封止樹脂12が低熱膨張材65の溝65aに入り込み、上記アンカー効果が発揮でき、飛躍的に密着性を向上させることが可能となる。なお、実施形態5と同様に、溝65aの入口(上面側)の幅が底面(下面側)の幅よりも小さい形状とされることにより、さらにアンカー効果が大きく発揮される。
Therefore, in the sixth embodiment, a
特に、本実施形態6では、予め押出成形などにより厚肉部と薄肉部を成形したものを所定の長さに個片化する非常に生産性の高い工法で、低熱膨張材65を成形できる。
In particular, in the sixth embodiment, the low
以上で説明した各実施の形態の構成は、電力用半導体装置1に要求される信頼性などに応じて、自由に組み合わせ、あるいは変形、省略されてもよい。
The configuration of each embodiment described above may be freely combined, modified, or omitted depending on the reliability required for the
1 電力用半導体装置、 2 回路基板、 2i セラミック基材、 2a,2b 導体層、 3a,3b 電力用半導体素子、 4 冷却部材、 4a 放熱フィン、 5 接合層、 6a,6b 主端子、 7 制御端子、 8a〜8e 接合層、 9 配線部材、 10 枠部材、 11 接着剤、 12 封止樹脂、 13 第2の枠部材、 14 第2の封止樹脂、 15,25,45,55,65 低熱膨張材、 55a 窪み、 65a 溝、 16,26 接合層。
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記セラミック基材の上面に設けられた導体層と、
前記導体層の上面に接合された電力用半導体素子と、
前記電力用半導体素子の上面であって終端部を除いた領域に接合された主端子と、
前記電力用半導体素子の周りを囲むように前記導体層の上面に接着された枠部材と、
前記枠部材の内側に充填され、少なくとも前記電力用半導体素子と主端子との接合領域を封止する封止樹脂とを備え、
前記枠部材と電力用半導体素子との間であって前記導体層の上面には、前記封止樹脂より小さい線膨張係数を有する低熱膨張材が接合されたことを特徴とする電力用半導体装置。 A ceramic substrate;
A conductor layer provided on the upper surface of the ceramic substrate;
A power semiconductor element bonded to the upper surface of the conductor layer;
A main terminal joined to a region on the upper surface of the power semiconductor element excluding a termination portion;
A frame member bonded to the upper surface of the conductor layer so as to surround the power semiconductor element;
A sealing resin that is filled inside the frame member and seals at least a junction region between the power semiconductor element and the main terminal;
A power semiconductor device, characterized in that a low thermal expansion material having a smaller linear expansion coefficient than that of the sealing resin is bonded between the frame member and the power semiconductor element and on the upper surface of the conductor layer.
前記制御端子と前記電力用半導体素子とを電気的に接続する配線部材とを備え、
前記低熱膨張材は、前記導体層の上側から見て、前記配線部材と重なる位置に設けられたことを特徴とする、請求項1に記載の電力用半導体装置。 A control terminal for transmitting a control signal to the power semiconductor element;
A wiring member that electrically connects the control terminal and the power semiconductor element;
2. The power semiconductor device according to claim 1, wherein the low thermal expansion material is provided at a position overlapping the wiring member as viewed from above the conductor layer.
前記低熱膨張材の第2面から第1面に向けて、貫通しない凹部が設けられたことを特徴とする、請求項1から5のいずれか1項に記載の電力用半導体装置。 The low thermal expansion material is plate-shaped, and has a first surface joined to the conductor layer, and a second surface that faces the first surface and contacts the sealing resin,
6. The power semiconductor device according to claim 1, wherein a concave portion that does not penetrate is provided from the second surface of the low thermal expansion material toward the first surface. 6.
各前記セラミック基材の下面に設けられた第2の導体層と、
各前記第2の導体層の下面に接合された1つの冷却部材と、
前記複数個の電力用半導体素子の周りを囲むように、前記冷却部材の上に接着された第2の枠部材と、
前記第2の枠部材の内側に充填された第2の封止樹脂を備えたことを特徴とする、電力用半導体モジュール。 A power semiconductor module comprising a plurality of power semiconductor devices according to any one of claims 1 to 8,
A second conductor layer provided on the lower surface of each ceramic substrate;
One cooling member joined to the lower surface of each second conductor layer;
A second frame member bonded on the cooling member so as to surround the plurality of power semiconductor elements;
A power semiconductor module comprising a second sealing resin filled inside the second frame member.
前記導体層の上面に電力用半導体素子を接合する工程と、
前記電力用半導体素子の上面であって終端部を除いた領域に主端子を接合する工程と、
前記電力用半導体素子の周りを囲むように、前記導体層の上面に枠部材を接着する工程と、
前記枠部材の内側に封止樹脂を充填し、少なくとも前記電力用半導体素子と主端子との接合領域を封止する工程と、
前記枠部材と電力用半導体素子との間であって前記導体層の上面に、前記封止樹脂より小さい線膨張係数を有する低熱膨張材を接合する工程とを含み、
前記低熱膨張材を接合する工程は、前記電力用半導体素子を接合する工程または前記主端子を接合する工程と同時に実施することを特徴とする、電力用半導体装置の製造方法。 Providing a conductor layer on the upper surface of the ceramic substrate;
Bonding a power semiconductor element to the upper surface of the conductor layer;
Bonding the main terminal to the upper surface of the power semiconductor element and excluding the terminal portion;
Adhering a frame member to the upper surface of the conductor layer so as to surround the power semiconductor element;
Filling a sealing resin inside the frame member, sealing at least a junction region between the power semiconductor element and the main terminal;
Bonding a low thermal expansion material having a linear expansion coefficient smaller than that of the sealing resin to the upper surface of the conductor layer between the frame member and the power semiconductor element,
The method of manufacturing a power semiconductor device, wherein the step of bonding the low thermal expansion material is performed simultaneously with the step of bonding the power semiconductor element or the step of bonding the main terminal.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013229284A JP6157320B2 (en) | 2013-11-05 | 2013-11-05 | Power semiconductor device, power semiconductor module, and method of manufacturing power semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013229284A JP6157320B2 (en) | 2013-11-05 | 2013-11-05 | Power semiconductor device, power semiconductor module, and method of manufacturing power semiconductor device |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2015090884A true JP2015090884A (en) | 2015-05-11 |
JP6157320B2 JP6157320B2 (en) | 2017-07-05 |
Family
ID=53194283
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2013229284A Expired - Fee Related JP6157320B2 (en) | 2013-11-05 | 2013-11-05 | Power semiconductor device, power semiconductor module, and method of manufacturing power semiconductor device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6157320B2 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2017150587A1 (en) | 2016-03-02 | 2017-09-08 | Jnc株式会社 | Composition for low thermal expansion members, low thermal expansion member, electronic device, and method for producing low thermal expansion member |
JP2020098885A (en) * | 2018-12-19 | 2020-06-25 | 富士電機株式会社 | Semiconductor device |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH02130866A (en) * | 1988-11-10 | 1990-05-18 | Fuji Electric Co Ltd | semiconductor equipment |
WO2013111276A1 (en) * | 2012-01-25 | 2013-08-01 | 三菱電機株式会社 | Power semiconductor device |
-
2013
- 2013-11-05 JP JP2013229284A patent/JP6157320B2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH02130866A (en) * | 1988-11-10 | 1990-05-18 | Fuji Electric Co Ltd | semiconductor equipment |
WO2013111276A1 (en) * | 2012-01-25 | 2013-08-01 | 三菱電機株式会社 | Power semiconductor device |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2017150587A1 (en) | 2016-03-02 | 2017-09-08 | Jnc株式会社 | Composition for low thermal expansion members, low thermal expansion member, electronic device, and method for producing low thermal expansion member |
JP2020098885A (en) * | 2018-12-19 | 2020-06-25 | 富士電機株式会社 | Semiconductor device |
CN111341731A (en) * | 2018-12-19 | 2020-06-26 | 富士电机株式会社 | semiconductor device |
JP7247574B2 (en) | 2018-12-19 | 2023-03-29 | 富士電機株式会社 | semiconductor equipment |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP6157320B2 (en) | 2017-07-05 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5602077B2 (en) | Semiconductor device | |
JP6139330B2 (en) | Power semiconductor device | |
JP5535469B2 (en) | Manufacturing method of semiconductor device | |
JP7419781B2 (en) | semiconductor module | |
US9171773B2 (en) | Semiconductor device | |
US20140264383A1 (en) | Semiconductor device and manufacturing method of the same | |
JP6719643B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
JP6057927B2 (en) | Semiconductor device | |
JP6398270B2 (en) | Semiconductor device | |
JP5071719B2 (en) | Power semiconductor device | |
JP6057926B2 (en) | Semiconductor device | |
US20120306086A1 (en) | Semiconductor device and wiring substrate | |
JP2013016629A (en) | Semiconductor module | |
JP2013219267A (en) | Power module | |
JP2016018866A (en) | Power module | |
JP6676079B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
JP2005191071A (en) | Semiconductor device | |
JP6124810B2 (en) | Power module | |
JP2017028159A (en) | Semiconductor device and method of manufacturing the same | |
JP2006179538A (en) | Semiconductor power module | |
JP2012015222A (en) | Semiconductor device | |
JP2007012831A (en) | Power semiconductor device | |
JP6157320B2 (en) | Power semiconductor device, power semiconductor module, and method of manufacturing power semiconductor device | |
JP2017092389A (en) | Semiconductor device | |
JP6129090B2 (en) | Power module and method for manufacturing power module |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20151019 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20160810 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20160816 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20161014 |
|
RD03 | Notification of appointment of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423 Effective date: 20170329 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20170404 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20170424 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20170509 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20170606 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6157320 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |