CN111052325B - 半导体模块以及电力转换装置 - Google Patents

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Abstract

半导体芯片(2)具有表面电极(3)。导电性接合部件(8)设置在表面电极(3)之上，具有第1以及第2接合部件(8a、8b)。引线电极(9)经由第1接合部件(8a)而与表面电极(3)的一部分接合，不与第2接合部件(8b)接触。信号导线(11)与表面电极(3)接合。第2接合部件(8b)配置在第1接合部件(8a)与信号导线(11)之间。第1接合部件(8a)的厚度比第2接合部件(8b)的厚度厚。

Description

半导体模块以及电力转换装置
技术领域
本发明涉及半导体模块以及电力转换装置。
背景技术
半导体模块的小型化和大电流化不断发展，因此在构成半导体模块的半导体芯片和主电极配线流动的电流密度显著增加。因此，作为向半导体芯片表面的主电极配线，使用将由铜板等构成的引线电极通过焊料等而与半导体芯片直接接合的DLB(Direct LeadBonding)构造。
另外，向半导体芯片表面的栅极电极、发射极电极、电流感测电极、温度感测电极等对信号导线进行超声波接合。由于构造上以及工艺上的制约或容易性等，向半导体芯片表面的电气配线是在通过DLB而接合了引线电极之后与信号导线接合。因此，为了不与对信号导线进行超声波接合的导线键合工具接触，引线电极需要与导线键合区域分离一定的距离。因此，引线电极仅与表面电极的一部分接合。
如果在表面电极之上仅在与引线电极的接合部分设置导电性接合部件，则在引线电极的正下方电流容易流动，在半导体芯片内部流动的电流变得不均匀。因此，短路时的耐量下降，半导体芯片的温度上升变大。因此，在表面电极之上在不与引线电极接触的部分也设置导电性接合部件(例如，参照专利文献1)。
专利文献1：日本特开2005-101293号公报
发明内容
如果导电性接合部件的厚度薄，则施加于半导体芯片和导电性接合部件的热应力变大。如果为了防止上述情况而将导电性接合部件的厚度设得厚，则导线键合工具容易与导电性接合部件接触。无论是哪种情况，都存在产品的可靠性下降这样的问题。
本发明就是为了解决上述这样的课题而提出的，其目的在于得到能够提高产品的可靠性的半导体模块以及电力转换装置。
本发明涉及的半导体模块的特征在于，具有：半导体芯片，其具有表面电极；导电性接合部件，其设置在所述表面电极之上，具有第1接合部件以及第2接合部件；引线电极，其经由所述第1接合部件而与所述表面电极的一部分接合，不与所述第2接合部件接触；以及信号导线，其与所述表面电极接合，所述第2接合部件配置在所述第1接合部件与所述信号导线之间，所述第1接合部件的厚度比所述第2接合部件的厚度厚。
发明的效果
在本发明中，通过使将表面电极与引线电极接合的第1接合部件的厚度变厚，从而能够降低施加于半导体芯片和导电性接合部件的热应力。另外，通过使在信号导线的附近配置的第2接合部件的厚度变薄，从而能够在导线键合工具不与导电性接合部件接触的状态下将信号导线接合。其结果，能够提高产品的可靠性。
附图说明
图1是表示实施方式1涉及的半导体模块的俯视图。
图2是沿图1的I-II的剖面图。
图3是沿图1的III-IV的剖面图。
图4是表示实施方式2涉及的半导体模块的剖面图。
图5是表示实施方式3涉及的半导体模块的剖面图。
图6是表示实施方式4涉及的半导体模块的剖面图。
图7是表示电力转换系统的结构的框图，该电力转换系统应用了实施方式5涉及的电力转换装置。
具体实施方式
参照附图，对本发明的实施方式涉及的半导体模块进行说明。对相同或相应的结构要素标注相同的标号，有时省略重复说明。
实施方式1.
图1是表示实施方式1涉及的半导体模块的俯视图。图2是沿图1的I-II的剖面图。图3是沿图1的III-IV的剖面图。由铜或铝等金属构成的电极电路图案1固接于具有绝缘性的陶瓷或树脂类的绝缘部件(未图示)之上。绝缘部件固接于由铜或铝等金属构成的基座板(未图示)。
在电极电路图案1之上设置有半导体芯片2。半导体芯片2是IGBT(Insulated GateBipolar Transistor)，在表面具有发射极电极3和栅极电极4，在背面具有集电极(collector)电极(electrode)5。集电极电极5经由焊料等接合部件而与电极电路图案1接合。但是，半导体芯片2不限于IGBT，也可以是MOSFET等。
在除了导线键合区域和保护环附近以外的发射极电极3的整个面设置有金属膜6。由聚酰亚胺等构成的绝缘物7将金属膜6的外周覆盖。由焊料等构成的导电性接合部件8设置于被绝缘物7包围的金属膜6的整个面。导电性接合部件8具有彼此横向排列配置的第1以及第2接合部件8a、8b。由铜等金属构成的引线电极9经由第1接合部件8a而与发射极电极3的一部分接合，不与第2接合部件8b接触。
由铝等金属构成的信号导线10、11分别与栅极电极4以及发射极电极3超声波接合。环氧树脂等封装部件12将半导体芯片2、导电性接合部件8、引线电极9、以及信号导线10、11封装。
这里，由于引线电极9和半导体芯片2的线膨胀系数不同，因此通过半导体芯片2的动作而在金属膜6或导电性接合部件8产生热应力。如果没有绝缘物7，则导电性接合部件8扩展到金属膜6的端部，热应力经由导电性接合部件8而施加至金属膜6的端部，产生剥离，容易产生裂纹，最终，裂纹向半导体芯片2加深。因此，通过由绝缘物7将金属膜6的周围覆盖，从而使导电性接合部件8不扩展到金属膜6的端部。由此，能够抑制裂纹的产生，因此，能够针对由于半导体模块的动作而产生的热应力，降低半导体芯片2的发射极电极3的损伤。
另外，通过在未接合引线电极9的部分也设置第2接合部件8b，从而该部分的表面电极的厚度增加，因此表面电极的面方向的电阻下降。由此，能够使流过半导体芯片2的电流均等化，进而由于导电性接合部件8的增加而使热容量增加，因而能够增加短路时的半导体芯片2的耐量，增加半导体模块的耐量。另外，通过使流过半导体芯片2的电流均等化，从而能够降低原本电流集中的部分的半导体芯片2的温度。并且，由于导电性接合部件8的增加而使热容量增加，因而还能够抑制暂态性的温度上升。
第2接合部件8b配置在第1接合部件8a与信号导线11之间，引线电极9配置于与信号导线10、11分离一定距离的位置。因此，导线键合工具能够不与引线电极9接触地将信号导线10、11分别超声波接合于栅极电极4以及发射极电极3的规定位置。
在本实施方式中，第1接合部件8a的厚度比第2接合部件8b的厚度厚。如上所述，通过使将发射极电极3和引线电极9接合的第1接合部件8a的厚度变厚，从而能够降低施加至半导体芯片2和导电性接合部件8的热应力。另外，通过使在信号导线10、11的附近配置的第2接合部件8b的厚度变薄，从而在将信号导线10、11超声波接合于规定的位置时，导线键合工具难以与导电性接合部件8接触。因此，能够提高产品的可靠性。
另外，优选第1接合部件8a的厚度大于或等于0.3mm，第2接合部件8b的厚度大于或等于0.1mm。由此，能够针对由于半导体模块的动作而产生的热应力，增加导电性接合部件8和半导体芯片2的耐久性，充分确保半导体模块的温度循环耐量。另外，能够使在半导体芯片2的内部流动的电流充分均等化而大幅改善电流不平衡。另外，短路时的半导体芯片2的耐量增加，能够增加半导体模块的耐量。
实施方式2.
图4是表示实施方式2涉及的半导体模块的剖面图。导电性接合部件8的周边部形成为圆角状。该周边部的一部分是第2接合部件8b。在该情况下，也能够得到与实施方式1相同的效果。另外，优选第1接合部件8a的厚度大于或等于0.3mm，第2接合部件8b的厚度大于或等于0.1mm。
实施方式3.
图5是表示实施方式3涉及的半导体模块的剖面图。在导电性接合部件8混合有由镍等构成的金属颗粒13。由此，在导电性接合部件8的表面形成凹凸，通过锚固效应而提高导电性接合部件8与封装部件12的密接性。因此，能够针对由于半导体模块的动作而反复产生的热应力，确保充分的绝缘耐久性，相对于温度循环的可靠性提高。
实施方式4.
图6是表示实施方式4涉及的半导体模块的剖面图。在导电性接合部件8的表面涂覆有由聚酰亚胺等构成的高密接性部件14。由此，导电性接合部件8与封装部件12的密接性提高。因此，能够针对由于半导体模块的动作而反复产生的热应力，确保充分的绝缘耐久性，针对温度循环的可靠性提高。此外，高密接性部件14也可以是与绝缘物7相同的材料，由此能够减少所使用的材料的种类，因此能够降低成本。
此外，半导体芯片2不限于由硅形成，也可以由与硅相比带隙大的宽带隙半导体形成。宽带隙半导体例如是碳化硅、氮化镓类材料、或金刚石。由此，即使接通电阻小，也能够通过在半导体芯片2的电极整个面设置接合部件，从而使在半导体芯片2内部流动的电流均等化。另外，由宽带隙半导体形成的半导体芯片2由于耐电压性、容许电流密度高，因此能够小型化。通过使用该小型化的半导体芯片2，从而组装有该半导体芯片2的半导体模块也能够小型化。另外，由于半导体芯片2的耐热性高，因此能够使散热器的散热鳍片小型化，能够使水冷部空冷化，因而能够进一步使半导体模块小型化。此外，由于半导体芯片2的电力损耗低且高效，因此能够使半导体模块高效化。
实施方式5.
本实施方式是将上述实施方式1～4所涉及的半导体模块应用于电力转换装置。电力转换装置例如是逆变器装置、转换器装置、伺服放大器、电源单元等。本发明不限定于特定的电力转换装置，但以下，说明将本发明应用于三相逆变器的情况。
图7是表示电力转换系统的结构的框图，该电力转换系统应用了实施方式5涉及的电力转换装置。该电力转换系统具有电源100、电力转换装置200、负载300。电源100是直流电源，对电力转换装置200供给直流电力。电源100能够由各种电源构成，例如，能够由直流系统、太阳能电池、蓄电池构成，也可以由与交流系统连接的整流电路或AC/DC转换器构成。另外，电源100也可以由将从直流系统输出的直流电力转换为规定的电力的DC/DC转换器构成。
电力转换装置200是连接于电源100和负载300之间的三相逆变器，将从电源100供给的直流电力转换为交流电力，对负载300供给交流电力。电力转换装置200具有：主转换电路201，其将直流电力转换为交流电力而输出；以及控制电路203，其将对主转换电路201进行控制的控制信号输出至主转换电路201。
负载300是由从电力转换装置200供给的交流电力进行驱动的三相电动机。此外，负载300不限于特定的用途，是搭载于各种电气设备的电动机，例如，用作面向混合动力汽车或电动汽车、铁道车辆、电梯或者空调设备的电动机。
以下，对电力转换装置200的详情进行说明。主转换电路201具有开关元件和续流二极管(未图示)，主转换电路201通过开关元件的通断，将从电源100供给的直流电力转换为交流电力而供给至负载300。主转换电路201的具体电路结构存在各种各样的结构，本实施方式涉及的主转换电路201是2电平的三相全桥电路，能够由六个开关元件和与各个开关元件逆并联的六个续流二极管构成。主转换电路201的各开关元件和各续流二极管由与上述实施方式1～4中的任意者相当的半导体模块202构成。六个开关元件两个两个地串联连接而构成上下桥臂，各上下桥臂构成全桥电路的U相、V相、W相。并且，各上下桥臂的输出端子、即主转换电路201的三个输出端子与负载300连接。
另外，主转换电路201具有对各开关元件进行驱动的驱动电路(未图示)，但驱动电路既可以内置于半导体模块202，也可以是独立于半导体模块202而另外具有驱动电路的结构。驱动电路生成对主转换电路201的开关元件进行驱动的驱动信号，供给至主转换电路201的开关元件的控制电极。具体而言，按照来自后述的控制电路203的控制信号，将使开关元件成为接通状态的驱动信号和使开关元件成为断开状态的驱动信号输出至各开关元件的控制电极。在将开关元件维持为接通状态的情况下，驱动信号是大于或等于开关元件的阈值电压的电压信号即接通信号，在将开关元件维持为断开状态的情况下，驱动信号成为小于或等于开关元件的阈值电压的电压信号即断开信号。
控制电路203对主转换电路201的开关元件进行控制，以对负载300供给所期望的电力。具体而言，基于应该供给至负载300的电力而对主转换电路201的各开关元件应该成为接通状态的时间(接通时间)进行计算。例如，能够通过与应该输出的电压相对应地对开关元件的接通时间进行调制的PWM控制，对主转换电路201进行控制。并且，对主转换电路201所具备的驱动电路输出控制信号，以使得在各时刻对应该成为接通状态的开关元件输出接通信号，对应该成为断开状态的开关元件输出断开信号。驱动电路按照该控制信号，对各开关元件的控制电极输出接通信号或者断开信号作为驱动信号。
在本实施方式所涉及的电力转换装置中，作为半导体模块202而应用实施方式1～4涉及的半导体模块，因此能够提高产品的可靠性。
在本实施方式中，说明了将本发明应用于2电平的三相逆变器的例子，但本发明不限定于此，能够应用于各种电力转换装置。在本实施方式中，采用了2电平的电力转换装置，但也可以是3电平或多电平的电力转换装置，在对单相负载供给电力的情况下，也可以将本发明应用于单相逆变器。另外，在将电力供给至直流负载等的情况下，也可以将本发明应用于DC/DC转换器或AC/DC转换器。
另外，应用了本发明的电力转换装置并不限定于上述的负载为电动机的情况，例如，也可以用作放电加工机、激光加工机、或感应加热烹调器或非接触器供电系统的电源装置，还可以用作太阳能发电系统或者蓄电系统等的功率调节器。
标号的说明
2半导体芯片，3发射极电极(表面电极)，4栅极电极(表面电极)，9引线电极，8导电性接合部件，8a第1接合部件，8b第2接合部件，10、11信号导线，12封装部件，13金属颗粒，14高密接性部件，200电力转换装置，201主转换电路，202半导体模块，203控制电路。

Claims (6)

1.一种半导体模块，其特征在于，具有：
半导体芯片，其具有表面电极；
导电性接合部件，其设置在所述表面电极之上，具有沿宽度方向相邻地排列于所述表面电极之上的第1接合部件以及第2接合部件；
引线电极，其经由所述第1接合部件而与所述表面电极的一部分接合，不与所述第2接合部件接触；以及
信号导线，其与所述表面电极接合，
所述第2接合部件配置在所述第1接合部件与所述信号导线之间，
在垂直于所述宽度方向的高度方向上，所述第1接合部件的厚度比所述第2接合部件的厚度厚，
所述第1接合部件与所述第2接合部件被一体化而构成所述导电性接合部件，所述导电性接合部件的剖面在所述信号导线侧和与所述信号导线相反侧是不对称的。
2.根据权利要求1所述的半导体模块，其特征在于，
所述第1接合部件的厚度大于或等于0.3mm，
所述第2接合部件的厚度大于或等于0.1mm。
3.根据权利要求1或2所述的半导体模块，其特征在于，
还具有封装部件，该封装部件将所述半导体芯片、所述导电性接合部件、所述引线电极以及所述信号导线封装，
在所述导电性接合部件混合有金属颗粒。
4.根据权利要求1或2所述的半导体模块，其特征在于，还具有：
封装部件，其将所述半导体芯片、所述导电性接合部件、所述引线电极以及所述信号导线封装；以及
高密接性部件，其涂覆于所述导电性接合部件的表面，与所述封装部件的密接性比所述导电性接合部件高。
5.根据权利要求1或2所述的半导体模块，其特征在于，
所述半导体芯片由宽带隙半导体形成。
6.一种电力转换装置，其特征在于，具有：
主转换电路，其具有权利要求1至5中任一项所述的半导体模块，该主转换电路对输入进来的电力进行转换而输出；以及
控制电路，其将对所述主转换电路进行控制的控制信号输出至所述主转换电路。
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