JP4057407B2

JP4057407B2 - 半導体パワーモジュール

Info

Publication number: JP4057407B2
Application number: JP2002360730A
Authority: JP
Inventors: 順治山田; 聖司佐伯
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-12-12
Filing date: 2002-12-12
Publication date: 2008-03-05
Anticipated expiration: 2022-12-12
Also published as: JP2004193405A; US6984883B2; DE10357789B4; DE10357789A1; US20040113258A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電力用半導体装置に関し、特に、電力変換装置等に用いられる電力用半導体装置の絶縁基板と電極端子との接合組立体の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、電力用半導体装置（以後、「半導体パワーモジュール」または単に「パワーモジュール」とも呼ぶ）は、半導体を利用して直流入力を任意の周波数の交流に変換して出力するもので、モータ制御や各種用途に応じたインバータ、または無停電電源（ＵＰＳ）などに使用されている。
【０００３】
従来の半導体パワーモジュールでは、絶縁基板上に半導体（素子）チップが固着搭載され、電極端子はその一端部が絶縁基板の上面部所定箇所に接合材により固着接合され、電極端子板をそのまま延在させて直接回路パターンに接続する構成としている。また、温度変化等によるストレスが生じた場合に、電極端子と絶縁基板間の接合部が破断することを防止するために、絶縁基板に固着された電極端子としては、Ｓ字状に形成されて応力緩和を図る構造等が採用されていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、電極端子を板梁状に延在して応力緩和を図る構造が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
また、絶縁基板の表面導体パターンと絶縁体を非固着状態として間隙を設け、電極端子を接合することで応力緩和を図る構造としたり、このような間隙を大きく形成してパワーモジュール製造中の残留物を排出し易くする構造が開示されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００６】
このように構成された半導体モジュールを組み立てる場合、電極端子板と半導体チップとをそれぞれ電気的に接続し、電極端子板は、それらの下に配置された絶縁体層と共にラミネート構造を形成して相互に絶縁されている。
【０００７】
各電極端子板は樹脂ケースの外部に延び、例えば半導体パワーモジュールの上面でそれぞれ外部接続用主回路端子であるＰ端子、Ｎ端子、交流端子等を形成する。なお、樹脂ケースに囲まれた内部の空間はシリコンゲルなどの充填材が充填されている。
【０００８】
【特許文献１】
実開平５−１５４３９号公報（段落０００３、図４）
【特許文献２】
特開平１０−１７３１２６号公報（段落００１７、図１、図３）
【特許文献３】
特開２００１−６８６２３号公報（段落００２９〜００５５、図１〜図４）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のような従来の半導体パワーモジュールにおいては、例えば、特許文献１に開示のように、電極端子と絶縁基板間の接合部の破断を防止するために電極端子がＳ字状に形成されて応力緩和を図る構成では、電極端子が高さ方向に長くなり、パワーモジュールの小型化にも不都合であり、電極端子のコストアップになるといった問題があった。
【００１０】
また、特許文献２に開示の構成では、電極端子を板梁状に延在して応力緩和を図る構造としているため、電極端子が水平方向に長くなり、パワーモジュールの小型化にも不都合であり、パワーモジュールの小型化に問題があった。
【００１１】
一方、特許文献３に開示の構成では、絶縁基板の表面導体パターンと絶縁体を非固着状態として電極端子を接合しているため、パワーモジュールの製造工程で使用する液体や気体がこの未固着部分に残留し、パワーモジュールの使用中にこれら残留物がモジュール内に拡散し、半導体チップの特性に影響するいった問題があった。また、未固着部分の間隙を大きく形成してパワーモジュール製造中の残留物を排出し易くする構造では、電極端子の接合時に金属基板からの熱伝導が未接合部の間隙で阻害され、電極端子の接合が困難であり、生産効率が低下するといった問題があった。
【００１２】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、半田接合部のクラックや絶縁基板の反りや割れを防止するとともに、製造工程で使用する液体物質等が残留して使用中に拡散することを防止し、小型で安価に製造できる半導体パワーモジュールを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る半導体パワーモジュールは、金属ベースと、金属ベース上に積層固着された絶縁基板と、絶縁基板上に搭載されたパワー半導体素子と、絶縁基板に固着された電極端子とを備え、絶縁基板は、板状絶縁体と、板状絶縁体の表面側に固着部材を介して固着積層された表面導体層を有する。電極端子は接合部を介して絶縁基板の表面導体層部分に固着され、表面側固着部材は、電極端子の接合部の直下領域に位置する第１の固着部と直下領域以外の領域に位置する第２の固着部とを有し、第１の固着部は、電極端子の接合部の直下領域に位置する表面導体層部分と板状絶縁体間に介在し、第２の固着部は、直下領域以外の領域の表面導体層部分と板状絶縁体間に介在する。第１の固着部は金属を含む材料で形成するとともに、その固着強度が、第２の固着部による固着強度より小さい構成とし、第１の固着部と第２の固着部の境界部が密着封止されたことを特徴とする。
【００１４】
このように、表面側固着部材の左右領域において固着強度に差を設け、電極端子と直下の絶縁体を弱く固着させたことにより、パワーモジュールの製造段階では確実に固着しているため、製造工程での物質が残留することがなく、また、製品使用時の初期のストレスに対しては容易に固着強度の弱い第１の固着部のみが剥離する応力緩和構造を形成したことにより、電極端子の接合部の破断を防止する。また、電極端子自体には応力緩和構造を形成する必要がないため、電極端子を安価に構成でき、安価なパワーモジュールを提供できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、本発明の実施の形態では図示の半導体パワーモジュールを用いた場合を例示して説明しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、複数の半導体チップを１つのパッケージに搭載した他の複合半導体装置を用いた場合にも適用可能である。なお、各図において共通する要素には同一の符号を付し、重複する説明については簡単のために省略している。
【００１６】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１について図１乃至図３を参照して以下に説明する。図１は本発明の実施の形態１に係る半導体パワーモジュールの断面構造を示し、図２は、図１に示す絶縁基板の基本構造を示す要部拡大断面図、図３は図２の要部上面透視図である。
【００１７】
図１に示す本実施の形態１に係る半導体パワーモジュール１と従来の半導体パワーモジュールとの主な相違点は、本実施の形態１では、絶縁基板の表面導体層と絶縁体との間の固着接合において、電極端子板の接続直下での固着強度をそれ以外の他の領域での固着強度よりも小さく構成した絶縁基板構造を有することである。
【００１８】
図１に示す半導体パワーモジュール１において、１１はＣｕ等から成る金属ベース、１７は金属ベース上面にラミネート状に積層接着された絶縁基板、１３は絶縁基板１７上に半田材等で固着搭載された例えばＩＧＢＴチップ等の半導体（素子）チップ、１４は電極端子板、１６は金属ベース上に設けられた樹脂ケースである。電極端子板１４はその一端部が絶縁基板１７の上面部所定箇所に例えば半田等の導電性接合材１５を介して固着接合されるとともに、他端部が樹脂ケース１６に固定されている。樹脂ケース１６内にはシリコン樹脂ゲル等が充填され、半導体チップを保護している。
【００１９】
図２及び図３に示す絶縁基板１７の基本構造において、２１は板状の絶縁体、２３は板状絶縁体２１の裏面（図で下面側）に下側固着層２２を介して固着形成された裏面側導体層、２５は板状絶縁体２１の表面（図で上面側）に上側固着層２４を介して固着形成された表面側導体層の導体パターンであり、例えばＣｕ又はＡｌにより形成される。なお、下側固着層２２と上側固着層２４とは同一材料（第１のろう材）で形成することができ、この第１のろう材として、例えばＡｌ−Ｓｉ、Ａｇ−Ｃｕ又はＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ等が使用できる。これら表裏面側導体層２５及び２３と板状絶縁体２１との接合は公知の活性金属接合法や直接接合法によって固着される。
【００２０】
電極端子板１４は、例えばＮｉメッキを施したＣｕ板又はＡｌ板のプレス成形又はエッチング加工により形成し、接合材１５は、例えばＳｎ−Ｐｂ系、Ｐｂ−Ｉｎ系、Ａｇ−Ｓｎ系等の半田材が使用できる。また、板状絶縁体２１はアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）により構成されたセラミック基板として形成してもよい。
【００２１】
上記構成において、電極端子板１４は横断面形状がＬ字状梁構造であり、垂直延在部１４ａと基底部１４ｂを有し、この基底部１４ｂが、接合材１５を介して表面側導体パターン２５の対応直下領域の導体部２５ａの表面に固着されている。
【００２２】
ここで、本実施の形態では、電極端子板１４と表面側導体パターン２５とが接合された直下領域の対応導体部２５ａと板状絶縁体２１の対応する直下領域の絶縁体部２１ａとの間に所定の固着部材２６(第１の固着部材）を介在させている。一方、上述の直下領域以外の他の領域の表面側導体パターン２５の導体部２５ｂと絶縁体２１の対応する領域の絶縁体部２１ｂとの間には、上側固着層２４(第２の固着部材）が介在することにより固着されている。この固着部材２６による固着強度が、上側固着層２４による固着強度よりも小さくした絶縁基板構造である。固着部材２６としては、例えば、接合力の弱い活性金属等が使用される。なお、固着部材２６と上側固着層２４とは両者の境界部において密着して外部からは封止状態となっている。
【００２３】
このように、電極端子板１４とその直下領域の絶縁体部２１ａとの固着強度を他の領域よりも小さく構成、即ち、図２及び図３において、図示の左側の第１の固着部材２６の接合強度を他の領域（図示で右側）の第２の固着部材２４の接合強度よりも小さくしたことにより、パワーモジュールの製造段階では確実に固着しているため、製造工程での物質が残留することがない。
【００２４】
一方、製品使用時の初期のストレスが発生した場合は、容易に上記固着強度の弱い固着部材２６のみが剥離する応力緩和構造を形成している。よって、電極端子板の接合部１５の破断を効果的に防止するとともに、電極端子板１４にＳ字形状等の応力緩和構造を形成する必要がないため、電極端子は安価に構成でき、その結果、従来に比べて安価なパワーモジュールを提供することができる。
【００２５】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２について図４及び図５を参照して以下に説明する。図４は本発明の実施の形態２に係る半導体パワーモジュールの絶縁基板１７の基本構造を示す要部拡大断面図、図５はその要部上面透視図である。
【００２６】
本発明の実施の形態２は実施の形体１の変形例であり、その基本構成は実施の形体１と同じである。相違点は、本実施の形態２では電極端子板の接続直下領域の接合固着部をその周辺部のみに限定して設けたことである。
【００２７】
具体的には、図４及び図５に示すように、固着部材２６が充填されない非固着の間隙部分２７を、電極端子板接続直下領域の接合固着部の中央部に形成している。電極端子板１４と表面側導体層２５が接合された直下領域の導体層部２５ａと板状絶縁体部２１の直下領域対応部２１ａとの接合部において、その周辺部を固着強度が上側固着層２４よりも小さい固着部材２６で固着し、その中央部２７は固着されていない間隙部とした絶縁基板構造である。なお、固着部材２６と上側固着層２４とは両者の境界部において密着されて、非固着の間隙部分２７は外部からシール封止されている。
【００２８】
上記構成により、実施の形態１と同様の効果を得るとともに、固着強度の小さい固着部材２６の充填領域の面積をさらに周辺部に限定して製造工程での物資残留を防止する効果をもたせたので、電極基板は更に安価・軽量に構成でき、製品使用時の初期ストレスが発生した場合に、容易に４つの周辺部に設けられた固着強度の弱い固着部材２６のみが剥離する応力緩和構造を形成している。これにより、初期ストレス発生時には、表面側導体層２５の電極端子接合部の直下領域の導体層部２５ａのみが板状絶縁体２１から部分的に分離することができ、電極端子板１４の基底部接合部１５の破断を確実に防止できる効果がある。
【００２９】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３について図６及び図７を参照して以下に説明する。図６は本発明の実施の形態３に係る半導体パワーモジュールの絶縁基板の基本構造を示す要部拡大断面図、図７はその要部上面透視図である。
【００３０】
本発明の実施の形態３は実施の形体１の更に別の変形例である。その基本構成は実施の形体２と同じであり、実施の形態２との相違点は、電極端子接続直下領域の接合固着部をその４つの周辺部のうち、上面側固着層２４との境界部に位置する周辺部には設けないで、残りの３つの周辺部のみに限定して設けたことである。
【００３１】
具体的には、図６及び図７に示すように、固着部材２６が充填されない非固着の間隙部分２７を、電極端子板接続直下領域の接合固着部の中央部に形成している。電極端子板１４と表面側導体層２５が接合された直下領域の導体層部２５ａと板状絶縁体部２１の直下領域対応部２１ａとの接合部において、その４つの周辺部のうち、上面側固着層２４との境界部に位置する周辺部以外の３つの周辺部を固着強度が上側固着層２４よりも小さい固着部材２６で固着し、その中央部２７およびは上面側固着層２４との境界部に位置する周辺部は固着されていない間隙部とした絶縁基板構造である。
【００３２】
上記構成により、製造工程での物資残留防止効果として寄与しない強く固着された側の境界部位置には、弱い固着強度の固着部材２６を設けていないことにより、実施の形態２と同様の効果が得られるとともに、電極基板は更に安価・軽量に構成でき、製品使用時の初期ストレスで容易に剥離できる初期設計の応力緩和効果が得られる。
【００３３】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４について図８及び図９を参照して以下に説明する。図８は本発明の実施の形態４に係る半導体パワーモジュールの絶縁基板の基本構造を示す要部拡大断面図、図９はその要部上面透視図である。
【００３４】
本発明の実施の形態４は実施の形体１の更に別の変形例である。その基本構成は実施の形体３と同じであり、相違点は、実施の形態３において、３つの周辺部の接合固着部材の幅（即ち、面積）を縦方向と横方向で異なる大きさとしたことである。
【００３５】
具体的には、図８及び図９に示すように、固着部材２６が充填されない非固着の間隙部分２７を、電極端子板接続直下領域の接合固着部の中央部に形成している。電極端子板１４と表面側導体層２５が接合された直下領域の接合部において、その４つの周辺部のうち、上面側固着層２４との境界部に位置する周辺部以外の３つの周辺部を固着強度が上側固着層２４よりも小さい固着部材２６で固着し、その中央部２７およびは上面側固着層２４との境界部に位置する周辺部は固着されていない間隙部としたことは実施の形態３の絶縁基板構造と同じである。
【００３６】
本実施の形態４では、上記３つの周辺部に設けられた固着部材２６において、その縦方向の固着部２６ａの幅（即ち、面積）が他の２つの横方向の各固着部２６ｂと２６ｃの幅（即ち、面積）より大きく構成している。
【００３７】
例えば、横方向の各固着部２６ｂと２６ｃの幅を１ｍｍとし、縦方向の固着部２６ａの幅を３ｍｍとした絶縁基板構造を使用してもよい。
【００３８】
なお、上記２つの横方向の各固着部２６ｂと２６ｃと上側固着層２４との境界部は密着されて、非固着の間隙部分２７は外部からシール封止されている。
【００３９】
従来、製造工程で加わる力は、上面側固着層２４で強く固着した側の反対側の端部側固着部材で弱く固着した側に多くかかるため、製造工程中のストレスでその部分が剥離し、製造工程中の物資残留が発生する不具合があったが、本実施の形態４の構成により、上面側固着層２４で強く固着した側の反対側の端部側に設けた縦方向固着部２６ａの幅（即ち、面積）が他の２つの横方向の各固着部２６ｂ・２６ｃの幅（即ち、面積）より大きく構成したことにより、実施の形態３の効果が得られるとともに、さらに製造工程での物資残留を防止する効果が得られる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電極端子板とその直下領域の絶縁体部との固着強度を他の領域の固着部材の接合強度よりも小さくしたことにより、パワーモジュールの製造段階では確実に固着しているため、製造工程での物質が残留することがない。また、製品使用時の初期のストレスが発生した場合は、容易に上記固着強度の弱い固着部材のみが剥離する応力緩和構造を形成している。よって、電極端子板の接合部の破断を確実に防止するとともに、電極端子板にＳ字形状等の応力緩和構造を形成する必要がないため、電極端子を安価に構成でき、従来に比べて安価なパワーモジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施の形態１の半導体パワーモジュールの内部構造を示す側面断面図である。
【図２】図１に示す絶縁基板の基本構造を示す要部拡大断面図である。
【図３】図２の要部上面透視図である。
【図４】本発明に係る実施の形態２の半導体パワーモジュールの絶縁基板の基本構造を示す要部拡大断面図である。
【図５】図４の要部上面透視図である。
【図６】本発明に係る実施の形態３の半導体パワーモジュールの絶縁基板の基本構造を示す要部拡大断面図である。
【図７】図６の要部上面透視図である。
【図８】本発明に係る実施の形態４の半導体パワーモジュールの絶縁基板の基本構造を示す要部拡大断面図である。
【図９】図８の要部上面透視図である。
【符号の説明】
１１金属ベース、１３半導体チップ、１４電極端子板、１５接合材、１６樹脂ケース、１７絶縁基板、２１板状絶縁体、２２下側固着層、２３裏面側導体層、２４上側固着層、２５表面側導体パターン、２１ａ直下領域の絶縁体部、２１ｂ直下領域以外の絶縁体部、２５ａ直下領域導体部、２５ｂ直下領域以外の導体部、

Claims

金属ベースと、前記金属ベース上に積層固着された絶縁基板と、該絶縁基板上に搭載されたパワー半導体素子と、前記絶縁基板に固着された電極端子とを備えた半導体パワーモジュールにおいて、
前記絶縁基板は、板状絶縁体と、該板状絶縁体の表面側に固着部材を介して固着積層された表面導体層を有し、
前記電極端子は接合部を介して前記絶縁基板の表面導体層部分に固着され、
前記表面側固着部材は、前記電極端子の接合部の直下領域に位置する第１の固着部と前記直下領域以外の領域に位置する第２の固着部とを有し、
前記第１の固着部は、前記電極端子の接合部の直下領域に位置する前記表面導体層部分と前記板状絶縁体間に介在し、前記第２の固着部は、前記直下領域以外の領域の表面導体層部分と前記板状絶縁体間に介在し、
前記第１の固着部は金属を含む材料で形成するとともに、その固着強度が、前記第２の固着部による固着強度より小さい構成とし、前記第１の固着部と前記第２の固着部の境界部が密着封止されたことを特徴とする半導体パワーモジュール。
前記第１の固着部をその周辺部のみに設け、その中央部は固着されていない間隙部を形成した請求項１記載の半導体パワーモジュール。
前記第１の固着部をその４つの周辺部のうち、前記第２の固着部との境界部に位置する周辺部には設けないで、残りの３つの周辺部のみに設け、その中央部は固着されていない間隙部とした請求項１記載の半導体パワーモジュール。
前記３つの周辺部に設けられた前記第１の固着部において、前記第２の固着部との境界部の反対側に設けられた固着部の幅が他の２つの周辺部に設けられた各固着部の幅よりも大きく構成された請求項３記載の半導体パワーモジュール。