JP2000133769A - パワー半導体装置およびその組立方法 - Google Patents
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Abstract
ス板がクラック割れするのを防止し、併せて外囲ケース
に主回路組立体を組付ける接着工程で高い組立精度が得
られるようにパッケージ構造を改良する。 【解決手段】セラミックス板5b-1を基材とする絶縁基
板5bにパワー半導体素子5aを搭載した電力用主回路
組立体5を、外囲ケース1の底面に開口した基板取付穴
1aに下方から嵌め込んでその周縁と前記基板取付穴の
裏面側周縁に形成した段付き座面1a-1との間を接着剤
7で固着したパワー半導体装置において、絶縁基板の裏
面と外囲ケースの裏面と同一面に揃えた上で、前記基板
取付穴の段付き座面と絶縁基板の周縁との間に充填した
接着剤の層厚さを0.5±0.3mmの範囲に設定するよ
うにするとともに、前記段付き座面に対向してセラミッ
クス板の上面周縁にゴム弾性を有する突起状のスペーサ
11を分散介挿し、接着工程で所定の接着剤層厚を確保
するようにする。
Description
タモジュール,IGBTモジュール,インテリジェント
パワーモジュールなどを実施対象としたパワー半導体装
置に関し、詳しくはパッケージ構造,およびその組立方
法に係わる。
モジュールを例に、従来におけるパワー半導体装置の組
立構造を図4,図5(a),(b) に示す。各図において、1
は端子一体型の外囲ケース(樹脂ケース)、2は外囲ケ
ース1の上蓋、3は外囲ケース1の一方の側壁部にイン
サート成形して上方に引出した主回路端子(入力端子
+,−,出力端子U,V,W)、4は外囲ケース1の他
方側の側壁部から上方に引出した制御用信号端子であ
り、外囲ケース1には次記の構成になる電力用の主回路
組立体5,および制御回路組立体6が組み込まれてい
る。
素子(パワートランジスタ,IGBT,フリーホイーリ
ングダイオードなど)5aをセラミックス板(板厚:
0.6mm程度)を基材とした絶縁基板(セラミックス板
5b-1の上下主面に回路パターン,放熱用の銅板5b-
2,5b-3を接合したダイレクト・ボンディング・カッ
パー基板など)5bに搭載した構成になり、外囲ケース
1の底面に開口した基板取付穴1a(絶縁基板5bの外
形寸法に相応した角穴)へ下面側から嵌め込み、セラミ
ックス板5b-1周縁を前記基板取付穴1aの周縁に沿っ
て形成した段付き座面1a-1とを重ね合わせて、両者の
間が接着剤(シリコーン系の接着剤)7で固着されてい
る。なお、主回路組立体5の絶縁基板5aと外囲ケース
1との間を固着する接着剤にシリコーン系接着剤7を採
用するのは、セラミックス板5b-1と外囲ケース1との
熱膨張差に起因して接着剤層に加わる応力をシリコーン
系接着剤のゴム弾性を利用して吸収して接着剤の剥離を
防ぐようにするためである。
素子6aをプリント板6bに実装した構成になり、前記
の主回路組立体5の側方に並べて外囲ケース1の底面に
形成した凹状台座面1b(プリント板の外形寸法に相応
した窪み)の上に載置して接着剤(エポキシ系接着剤な
ど)8で固着されている。
3の間,制御回路組立体6と制御用信号端子4の間,お
よび主回路組立体5と制御回路組立体6の間はボンディ
ングワイヤ9で接続され、さらに外囲ケース1の内部に
封止樹脂(シリコーンゲル)10を充填した上で上蓋2
が被着されている。なお、外囲ケース1は樹脂ケース以
外に金属ケース,セラミックスケースを用いる場合もあ
る。
1に接着組立する際の手順について述べると、外囲ケー
ス1の底面に開口した基板取付穴1aの内周面全域に液
状の接着剤7を塗布した上で、絶縁基板5bを下面側か
ら嵌め込み、セラミックス板5b-1の上面が段付き座面
1a-1に殆ど密着するように押圧力を加え、この状態で
接着剤7を加熱硬化させる。なお、この組立状態では前
記接着剤7の層厚さは0.1mm以下となる。
来の半導体装置のパッケージ構造では、特に外囲ケース
に主回路組立体を接着剤で固着する際に次記のような問
題点がある。すなわち、主回路組立体5の通電に伴って
パワー素子5aから発熱する熱を冷却フィンを介して外
部へ効率よく放熱させるには、組立状態で外囲ケース1
の裏面と絶縁基板5bの裏面(放熱面)とを面一に合わ
せることが品質管理面で重要である。すなわち、図5に
示した半導体装置の組立状態で、組立精度のばらつきか
ら絶縁基板5bの裏面が外囲ケース1の裏面よりも0.
1mm以上引っ込んでいると、絶縁基板5bを冷却フィン
に密着させることが困難となって絶縁基板5bの放熱性
が低下する。また、逆に絶縁基板5bの裏面が外囲ケー
ス1の裏面よりも0.1mm(段差ΔS)以上突き出して
いると、外囲ケース1をその左右両端に開口しているボ
ルト穴1cにボルトを通して冷却フィンに締結する際
に、絶縁基板5bに反りを生じさせるような曲げ力が加
わり、このために曲げに脆いセラミックス基板5b-1に
クラック,割れが生じることがある。
主回路組立体5を接着組立てする工程での組立精度のば
らつきがそのまま欠陥の要因となるために、このことが
製品の品質維持を図る上でのネックとなっている。本発
明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は前
記課題を解決し、組立状態で加わる外力に対して絶縁基
板のセラミックス板をクラック割れから安全に保護し、
併せて外囲ケースに主回路組立体を組付ける接着組立工
程で高い組立精度が確保できるように改良したパワー半
導体装置,およびその組立方法を提供することにある。
に、本発明によれば、セラミックス板を基材とする絶縁
基板にパワー半導体素子を搭載した構成になる電力用の
主回路組立体を、外囲ケースの底面に開口した基板取付
穴に下方から嵌め込んでその周縁と前記基板取付穴の裏
面側周縁に形成した段付き座面との間を接着剤で固着し
たパワー半導体装置において、絶縁基板の裏面と外囲ケ
ースの裏面と同一面に揃えた上で、前記基板取付穴の段
付き座面と絶縁基板の周縁との間に充填した接着剤の層
厚さを0.5±0.3mmの範囲に設定する(請求項1)
ものとし、そのために次記のような具体的態様で接着組
立てを行う。
るシリコーン系,ないしはエポキシ系,ウレタン系の接
着剤を用いる(請求項2)。 (2) 外囲ケースの底面に開口した基板取付穴の段付き座
面の周域に沿い、絶縁基板のセラミックス板周縁との間
にゴム弾性を有するスペーサを分散介挿して接着剤の層
厚さを0.5±0.3mmの範囲に確保するようにする
(請求項3)。
ーン系,ないしはエポキシ系,ウレタン系樹脂を材料と
した凸起体となし、該スペーサを基板取付穴の段付き座
面,もしくは絶縁基板のセラミックス板周縁に固着する
(請求項4)。 (4) また、前記構成の組立方法として、主回路組立体の
絶縁基板,および外囲ケースを接着用治具の平坦テーブ
ル上に載置して各部品を定位置に支持し、この状態で外
囲ケース側に形成した基板取付穴の段付き座面と絶縁基
板のセラミックス板周縁との間を接着剤で接合する(請
求項5)。
を固着してシールする接着剤の層厚さを従来(0.1mm
以下)と較べて十分に厚く設定することにより、製品を
放熱フィンに取付けるなどの際に絶縁基板のセラミック
ス板に過大な外力が加わった場合でも、そのストレスを
層厚の厚い接着剤層のゴム弾性が吸収してセラミックス
板のクラック割れが防げるので、製品の信頼性が向上す
る。なお、この点については、発明者等が行った破壊テ
ストの結果からも、従来製品と較べて破壊強度が1.3
〜1.5倍に改善されることが確認されている。
の段付き座面と絶縁基板のセラミックス板との間にゴム
弾性を有する突起状のスペーサを介挿し、ここでスペー
サの突起高さを適正寸法に定めて接着組立てを行うこと
により、段付き座面とセラミックス板との間に充填した
接着剤の層厚を所定の厚さに確保することができるとと
もに、外力が加わった際にはスペーサが接着剤層と一緒
に変形するのでストレスの吸収作用をいささかも阻害す
ることはない。
組立てする工程で、前項(4) の組立用治具を用いること
により、外囲ケースの裏面と絶縁基板の裏面とを同じ面
上に揃えた状態で接着を行うことができ、これにより段
付き座面とセラミックス板との間に所定層厚の接着剤層
を保持しつつ、接着後の組立状態では高い組立精度が確
保できる。
1〜図3の実施例に基づいて説明する。なお、実施例の
図中で図5に対応する同一部材には同じ符号を付してそ
の説明は省略する。
に対応する実施例を示すものである。この実施例におい
ては、半導体装置の組立構造は基本的に図5と同様であ
るが、図示実施例では従来構造と比べて次の点が相違す
る。
取付穴1aについて、外囲ケース1の裏面から基板取付
穴1aの周縁に形成した段付座面1a-1までの深さ(高
さ方向)寸法Hは次のように設定されている。すなわ
ち、外囲ケース1の裏面と絶縁基板5bの裏面とを同一
面に揃えて主回路組立体5の絶縁基板5bを外囲ケース
1の基板取付穴1aに裏面側から挿入した仮組立状態
で、絶縁基板5bのセラミックス板5b-1の上面と前記
段付座面1a-1とが0.5mmの間隔を隔てて対向し合う
ように前記深さHを定める。
って、セラミックス板5b-1の周縁との間にゴム弾性を
有するスペーサ11が分散して介挿されている。このス
ペーサ11は接着剤7と同じ種類のシリコーン系,ない
しは多少ゴム弾性が低いエポキシ系,ウレタン系樹脂を
材料とした直径1mm,高さが0.5mmより若干大き目な
半球状の突起体であって、図示実施例ではスペーサ11
が外囲ケース1側の段付座面1a-1の周域に沿って等間
隔に3〜6箇所に接着されている。
組み込む接着組立工程では、あらかじめ段付座面1a-1
を含めて外囲ケース1の基板取付穴1aの内周面にシリ
コーン系,ないしはエポキシ系,ウレタン系の接着剤7
を厚く塗布しておき、外囲ケース1の裏面側から基板取
付穴1aに主回路組立体5を挿入した後、前記したスペ
ーサ11の先端が相手側部材であるセラミックス板5b
-1の上面に突き当たるように加圧して外囲ケース1の裏
面と絶縁基板5bの裏面とが同じ面に揃うようにセット
し、この状態を保持して接着剤7を加熱硬化させる。
取付穴1aの段付座面1a-1と絶縁基板5bのセラミッ
クス板5b-1の上面との間に充填された接着剤7の層厚
さDが0.5mmないしは0.5±0.3mmの範囲に確保
されるようになる。なお、この接着剤7は外部から湿気
などがケース内に侵入するのを阻止するシーリング材と
しての役目も果たす。
施例を示すものであり、この実施例においては、先記し
た半球状突起体のスペーサ11が外囲ケース1の段付座
面1a-1に対向して絶縁基板5bのセラミックス板5b
-1の上面周域に分散して取付けられており、そのほかの
構成,基板取付穴1aの深さ寸法などは図1と同様であ
る。
応した組立方法の実施例を示すものである。この組立方
法の実施には図示のような接着用治具12を用いて外囲
ケース1と主回路組立体5の絶縁基板5bとの間を接着
する。
テーブルで、外囲ケース1,主回路組立体5をテーブル
上の定位置に位置決め支持するために、外囲ケースのボ
ルト穴1cに嵌合する位置決めピン12a,および外囲
ケース1の裏面を前記テーブル面に押し付ける押さえ具
(一端を治具にねじ締結した板ばね)12bと、主回路
組立体5の絶縁基板5bをテーブル面に押し付ける押さ
え具(ばね付勢されたピン)12cを装備しいてる。な
お、12dは接着工程で裏面側にはみ出した接着剤を逃
がすように、外囲ケース1の基板取付穴1aの周域に沿
ってテーブル上面に形成した凹溝である。
ス1に主回路組立体5を接着する際には、先記実施例と
同様に外囲ケース1の基板取付穴1aの内周面に接着剤
7を塗布した後、図示のように接着用治具12のテーブ
ル上に主回路組立体5の絶縁基板5b,および外囲ケー
ス1を載置し、各部品を治具12の押さえ具12c,1
2dで定位置に加圧保持し、この状態で接着剤7を加熱
硬化させる。
は、外囲ケース1の裏面と絶縁基板5bの裏面が同一面
上に揃い、図5で述べたような段差ΔSの発生を抑えた
高い組立精度が確保できる。しかも、外囲ケース1に開
口した基板取付穴1aの深さを図1と同様に設定してお
くことにより、実施例1,2で述べたスペーサ11を用
いなくても、接着後の組立状態では、基板取付穴1aの
段付座面1a-1と絶縁基板5bのセラミックス板5b-1
の上面との間に充填された接着剤7の層厚さDを所定の
厚さである0.5±0.3mmの範囲に確保できる。な
お、この実施例の接着用治具12は、スペーサ11を用
いた先記実施例1,2の接着組立工程にも同様に使用す
ることができるのは勿論である。
品を使用先で冷却フィンに取付ける際のボルト締結で絶
縁基板のセラミックス板に大きな外力が加わった場合で
も、ゴム弾性を有する層厚の厚い接着剤がストレスを吸
収してセラミックス板をクラック割れから安全に保護す
ることができて製品の信頼性が向上する。なお、この点
については発明者等が行った破壊テストからも、従来製
品と較べて1.3〜1.5倍の過大な外力に耐えること
が実証されている。
付加することにより、接着組立ての際に接着剤の層厚を
所定の厚さ0.5±0.3mmの範囲に確保することがで
き、さらに請求項5の接着用治具を採用することによ
り、組立状態では外囲ケースの裏面と絶縁基板の裏面が
同一面に揃って両者の間に段差のない高い組立精度が確
保できるなど、半導体装置の組立工程における信頼性の
向上,製品の品質安定化が図れる。
の要部構造の断面図
の要部構造の断面図
たパワー半導体装置の接着組立工程の状態を表す図
ーモジュールの外観斜視図
す構成図であり、(a) は半導体装置全体の側視断面図、
(b) は(a) 図におけるA部の詳細構造を表す拡大図
Claims (5)
- 【請求項1】外囲ケースに電力用の主回路組立体を組み
込んだパワー半導体装置であり、前記主回路組立体がセ
ラミックス板を基材とする絶縁基板にパワー半導体素子
を搭載した構成になり、該絶縁基板を前記外囲ケースの
底面に開口した基板取付穴に下方から嵌め込んでその周
縁と前記基板取付穴の裏面側周縁に形成した段付き座面
との間を接着剤で固着したものにおいて、絶縁基板の裏
面と外囲ケースの裏面と同一面に揃えるとともに、前記
基板取付穴の段付き座面と絶縁基板の周縁との間に充填
した接着剤の層厚さを0.5±0.3mmの範囲に設定し
たことを特徴とするパワー半導体装置。 - 【請求項2】請求項1記載のパワー半導体装置におい
て、接着剤がゴム弾性を有するシリコーン系,ないしエ
ポキシ系,ウレタン系の接着剤であることを特徴とする
パワー半導体装置。 - 【請求項3】請求項1記載のパワー半導体装置におい
て、外囲ケースの底面に開口した基板取付穴の段付き座
面の周域に沿って、絶縁基板のセラミックス板周縁との
間にゴム弾性を有するスペーサを分散介挿して接着剤の
層厚さを0.5±0.3mmの範囲に確保するようにした
ことを特徴とするパワー半導体装置。 - 【請求項4】請求項3記載のパワー半導体装置におい
て、スペーサがシリコーン系,ないしはエポキシ系,ウ
レタン系樹脂からなる突起体であり、該スペーサを基板
取付穴の段付き座面,もしくは絶縁基板のセラミックス
板周縁に固着したことを特徴とするパワー半導体装置。 - 【請求項5】請求項1記載のパワー半導体装置におい
て、主回路組立体の絶縁基板,および外囲ケースを接着
用治具の平坦なテーブル上に載置して各部品を定位置に
支持し、この状態で外囲ケース側に形成した基板取付穴
の段付き座面と絶縁基板のセラミックス板周縁との間を
接着剤で固着したことを特徴とする半導体装置の組立方
法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP30195698A JP3758383B2 (ja) | 1998-10-23 | 1998-10-23 | パワー半導体装置およびその組立方法 |
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Family
ID=17903150
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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