JP2000349231A - パワー半導体モジュール - Google Patents
パワー半導体モジュールInfo
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- H01L2924/1304—Transistor
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- H01L2924/13055—Insulated gate bipolar transistor [IGBT]
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Abstract
(57)【要約】
【課題】パワー半導体モジュールにおける絶縁基板上に
接合する部品の接合位置の精度を向上させる。 【解決手段】絶縁基板上に、半導体素子，銅リードなど
の位置を定めるための１つ以上の凹凸部を設ける。 【効果】部品の接合位置の精度が向上するので、パワー
半導体モジュールの信頼性を向上することができる。
接合する部品の接合位置の精度を向上させる。 【解決手段】絶縁基板上に、半導体素子，銅リードなど
の位置を定めるための１つ以上の凹凸部を設ける。 【効果】部品の接合位置の精度が向上するので、パワー
半導体モジュールの信頼性を向上することができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、パワー半導体モジ
ュールに関する。
ュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来からＩＧＢＴ，ダイオード，ＧＴ
Ｏ，トランジスタ等のパワー半導体素子を絶縁容器内に
封入したパワー半導体モジュールが知られている。これ
らの素子はその耐圧や電流容量に応じて、各種インバー
タ装置などに応用されている。中でもＩＧＢＴは大電流
の高周波動作が可能であり、電圧制御素子のため制御が
容易であるなどの利点を有している。また、モジュール
使用上の簡便性の点から多くの場合はモジュールのベー
ス部分と電流通電部分が絶縁基板によって電気的に絶縁
された、内部絶縁型の構造となっている。
Ｏ，トランジスタ等のパワー半導体素子を絶縁容器内に
封入したパワー半導体モジュールが知られている。これ
らの素子はその耐圧や電流容量に応じて、各種インバー
タ装置などに応用されている。中でもＩＧＢＴは大電流
の高周波動作が可能であり、電圧制御素子のため制御が
容易であるなどの利点を有している。また、モジュール
使用上の簡便性の点から多くの場合はモジュールのベー
ス部分と電流通電部分が絶縁基板によって電気的に絶縁
された、内部絶縁型の構造となっている。
【０００３】ＩＧＢＴモジュールの構造を、製造プロセ
スに従って図４−(ａ)，(ｂ)，(ｃ)にて説明する。一般
的には半導体素子１を半田２によって絶縁基板３に接合
する。その方法を示しているのが図４−（ｂ）である。
まず下治具１６にセットした絶縁基板３の上に半導体素
子１の接続位置を定めるための治具１５を置く、この治
具１５には半導体素子１の接続位置に所定の大きさの穴
１７が開いている。次に所定の穴１７に半導体素子１を
接続するための半田２を置き、その上に半導体素子１を
置いた状態で半田２の融点温度以上の高温で接続する。
絶縁基板３にはアルミナやＡｌＮセラミックに銅パター
ン７を接続したものが使用され、銅パターン７は平面で
あるものが使用される。また、治具１５の材質には半田
２に接続されないカーボン等が用いられるのが一般的で
ある。
スに従って図４−(ａ)，(ｂ)，(ｃ)にて説明する。一般
的には半導体素子１を半田２によって絶縁基板３に接合
する。その方法を示しているのが図４−（ｂ）である。
まず下治具１６にセットした絶縁基板３の上に半導体素
子１の接続位置を定めるための治具１５を置く、この治
具１５には半導体素子１の接続位置に所定の大きさの穴
１７が開いている。次に所定の穴１７に半導体素子１を
接続するための半田２を置き、その上に半導体素子１を
置いた状態で半田２の融点温度以上の高温で接続する。
絶縁基板３にはアルミナやＡｌＮセラミックに銅パター
ン７を接続したものが使用され、銅パターン７は平面で
あるものが使用される。また、治具１５の材質には半田
２に接続されないカーボン等が用いられるのが一般的で
ある。
【０００４】半導体素子１を絶縁基板３に接続後、電極
引き出しのために半導体素子１と絶縁基板３の電極上に
Ａｌワイヤー１３などでボンディング接続される。この
絶縁基板３はモジュールの底面を支え、放熱板である平
面な金属ベース６に半田５により接合される。その方法
を示しているのが図４−（ｃ）である。まず下治具１９
にセットした金属ベース６の上に絶縁基板３の接続位置
を定めるための治具１８を置く、この治具１８には絶縁
基板３の接続位置に所定の大きさの穴１４が開いてい
る。この治具１８の材質もカーボン等が用いられるのが
一般的である。次に所定の大きさの穴１４に絶縁基板３
を接続するための半田５を置き、その上に絶縁基板３を
置いた状態で半田５の融点温度以上の高温で接続する。
引き出しのために半導体素子１と絶縁基板３の電極上に
Ａｌワイヤー１３などでボンディング接続される。この
絶縁基板３はモジュールの底面を支え、放熱板である平
面な金属ベース６に半田５により接合される。その方法
を示しているのが図４−（ｃ）である。まず下治具１９
にセットした金属ベース６の上に絶縁基板３の接続位置
を定めるための治具１８を置く、この治具１８には絶縁
基板３の接続位置に所定の大きさの穴１４が開いてい
る。この治具１８の材質もカーボン等が用いられるのが
一般的である。次に所定の大きさの穴１４に絶縁基板３
を接続するための半田５を置き、その上に絶縁基板３を
置いた状態で半田５の融点温度以上の高温で接続する。
【０００５】モジュールの外部端子と絶縁基板３との接
続は図４−（ａ）に示すように、外部端子と一体化した
銅リード９でなされ、絶縁基板３上の電極部に半田１２
によって接合される。この場合にも絶縁基板３上におけ
る銅リード９の接続位置を定めるための治具やガイドな
どが使用される。外部端子は一般的に端子ブロックと呼
ばれる。更に、有機樹脂製ケース１０を有機樹脂製の接
着剤４により金属ベース６に接続する。この中に半導体
素子１を外雰囲気より遮断し、モジュール内部の絶縁性
確保とワイヤボンディング配線保護などのためにゲル１
１を注入し硬化させる。そして、モジュール内部の気密
性確保のためにゲル１１上にエポキシ樹脂８を充填し硬
化させる。以上がＩＧＢＴモジュールの一般的製造プロ
セス及び構造である。尚、この種のモジュール構造とし
て関連するものに、特許平6− 243654号公報を挙げる
ことができる。
続は図４−（ａ）に示すように、外部端子と一体化した
銅リード９でなされ、絶縁基板３上の電極部に半田１２
によって接合される。この場合にも絶縁基板３上におけ
る銅リード９の接続位置を定めるための治具やガイドな
どが使用される。外部端子は一般的に端子ブロックと呼
ばれる。更に、有機樹脂製ケース１０を有機樹脂製の接
着剤４により金属ベース６に接続する。この中に半導体
素子１を外雰囲気より遮断し、モジュール内部の絶縁性
確保とワイヤボンディング配線保護などのためにゲル１
１を注入し硬化させる。そして、モジュール内部の気密
性確保のためにゲル１１上にエポキシ樹脂８を充填し硬
化させる。以上がＩＧＢＴモジュールの一般的製造プロ
セス及び構造である。尚、この種のモジュール構造とし
て関連するものに、特許平6− 243654号公報を挙げる
ことができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術において
は、以下のような問題点がある。
は、以下のような問題点がある。
【０００７】まず、前記モジュールの製造プロセスでは
絶縁基板３と半導体素子１，金属ベース６，銅リード９
の接続の度に治具１５，１８やガイドを使用することか
ら、半導体素子１や絶縁基板３が治具１５，１８によっ
て汚染される可能性が高くなる。製造プロセス中の汚染
による不具合としては、半導体素子１の電気的特性の劣
化，モジュールの金属ベース６と銅パターン７との絶縁
性の劣化，ゲル１１の硬化阻害によるモジュール内部の
絶縁性の劣化などがある。また、絶縁基板３や金属ベー
ス６の反り量が大きい場合には治具１５，１８と部品と
の間に半田２，５が流れ出し、必要とする半田厚みが確
保できず半田寿命の信頼性が低下する。さらに、治具１
５，１８と絶縁基板３，金属ベース６との熱膨張係数の
違いによっては必要とする接合精度が得られない恐れが
ある。製造プロセス中の汚染に対しては各工程ごとに純
水や有機溶剤で洗浄する方法があるが、洗浄液の管理や
廃液の処理などに多大な費用を必要とし、製造期間も長
くなることから、結果として製品コストの増加につなが
る。また、絶縁基板３や金属ベース６の反り量を低減す
るために、絶縁基板３や金属ベース６を十分に厚くする
方法があるが、部品が厚くなった分モジュールの熱抵抗
が大きくなる。このためモジュールの使用可能な最大損
失や実装方法などが制限されることになる。半田厚みの
確保については半田に粒形のニッケル等を含有した半田
を用いることで必要とする最低限の厚みは確保できるも
のの、半田流れの有る箇所と無い箇所では半田の厚みが
大きく異なり、高さ方向から見た接合精度が悪くなる。
絶縁基板３と半導体素子１，金属ベース６，銅リード９
の接続の度に治具１５，１８やガイドを使用することか
ら、半導体素子１や絶縁基板３が治具１５，１８によっ
て汚染される可能性が高くなる。製造プロセス中の汚染
による不具合としては、半導体素子１の電気的特性の劣
化，モジュールの金属ベース６と銅パターン７との絶縁
性の劣化，ゲル１１の硬化阻害によるモジュール内部の
絶縁性の劣化などがある。また、絶縁基板３や金属ベー
ス６の反り量が大きい場合には治具１５，１８と部品と
の間に半田２，５が流れ出し、必要とする半田厚みが確
保できず半田寿命の信頼性が低下する。さらに、治具１
５，１８と絶縁基板３，金属ベース６との熱膨張係数の
違いによっては必要とする接合精度が得られない恐れが
ある。製造プロセス中の汚染に対しては各工程ごとに純
水や有機溶剤で洗浄する方法があるが、洗浄液の管理や
廃液の処理などに多大な費用を必要とし、製造期間も長
くなることから、結果として製品コストの増加につなが
る。また、絶縁基板３や金属ベース６の反り量を低減す
るために、絶縁基板３や金属ベース６を十分に厚くする
方法があるが、部品が厚くなった分モジュールの熱抵抗
が大きくなる。このためモジュールの使用可能な最大損
失や実装方法などが制限されることになる。半田厚みの
確保については半田に粒形のニッケル等を含有した半田
を用いることで必要とする最低限の厚みは確保できるも
のの、半田流れの有る箇所と無い箇所では半田の厚みが
大きく異なり、高さ方向から見た接合精度が悪くなる。
【０００８】本発明は、前記課題を考慮してなされたも
のであり、高信頼性なパワー半導体モジュールの構造を
提供することにある。
のであり、高信頼性なパワー半導体モジュールの構造を
提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明によるパワー半導
体モジュールでは、絶縁基板上に部品の接合位置を定め
るための凹凸部を設けることによって、接合位置の精度
を向上させる。
体モジュールでは、絶縁基板上に部品の接合位置を定め
るための凹凸部を設けることによって、接合位置の精度
を向上させる。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下本発明の実施例を図面を用い
て説明する。
て説明する。
【００１１】図１は本発明を適用したモジュールの断面
構造図を示す。あらかじめ銅パターン７上の半導体素子
１接合箇所に所定の大きさの凹部１０１を設けた絶縁基
板３に、半田２と半導体素子１を置き半田２の融点温度
以上の温度で接続する。凹部１０１の大きさは接合する
半導体素子１と絶縁基板３との熱膨張係数と使用する半
田２の大きさを考慮して設計する必要がある。絶縁基板
３に半導体素子１を半田２により接合し、電極引き出し
のために、半導体素子１と絶縁基板３の電極上にＡｌワ
イヤー１３でボンディング接続される。この絶縁基板３
を金属ベース６に半田５で接続し、金属ベース６に有機
樹脂製ケース１０を接着剤４で接合する。次にモジュー
ルの外部端子と一体となっている銅リード９を絶縁基板
３上の電極部に半田１２で接合する。続いてモジュール
内部にゲル１１を注入し硬化させる。そして、モジュー
ル内部の気密性確保のためにゲル１１上にエポキシ樹脂
８を充填する構造となっている。上記で説明した半導体
モジュールでは、半導体素子１と絶縁基板３の接続時に
従来のカーボン製の治具１５を使用しないことから治具
１５による製造プロセス中の汚染が防止できる。さら
に、接続時の半田流れ出しが凹部によって抑制され、全
ての絶縁基板３接合箇所において溶解した半田２の体積
が一定となるため、半田２の厚みのばらつきが低減で
き、半田寿命の信頼性を確保できる。また、半田２の厚
みが同一になることから、高さ方向での接合位置精度が
向上できる。
構造図を示す。あらかじめ銅パターン７上の半導体素子
１接合箇所に所定の大きさの凹部１０１を設けた絶縁基
板３に、半田２と半導体素子１を置き半田２の融点温度
以上の温度で接続する。凹部１０１の大きさは接合する
半導体素子１と絶縁基板３との熱膨張係数と使用する半
田２の大きさを考慮して設計する必要がある。絶縁基板
３に半導体素子１を半田２により接合し、電極引き出し
のために、半導体素子１と絶縁基板３の電極上にＡｌワ
イヤー１３でボンディング接続される。この絶縁基板３
を金属ベース６に半田５で接続し、金属ベース６に有機
樹脂製ケース１０を接着剤４で接合する。次にモジュー
ルの外部端子と一体となっている銅リード９を絶縁基板
３上の電極部に半田１２で接合する。続いてモジュール
内部にゲル１１を注入し硬化させる。そして、モジュー
ル内部の気密性確保のためにゲル１１上にエポキシ樹脂
８を充填する構造となっている。上記で説明した半導体
モジュールでは、半導体素子１と絶縁基板３の接続時に
従来のカーボン製の治具１５を使用しないことから治具
１５による製造プロセス中の汚染が防止できる。さら
に、接続時の半田流れ出しが凹部によって抑制され、全
ての絶縁基板３接合箇所において溶解した半田２の体積
が一定となるため、半田２の厚みのばらつきが低減で
き、半田寿命の信頼性を確保できる。また、半田２の厚
みが同一になることから、高さ方向での接合位置精度が
向上できる。
【００１２】図２は第２の実施例を示したものである。
図２中図１と同一符号は同一要素を示す。本実施例では
絶縁基板３の銅パターン７上の外部端子接合箇所に所定
の大きさの凹部１０２が設けられた構造となっている。
この方法では外部端子接続時の半田１２の流れ出しが凹
部１０２によって抑制され、どの外部端子接合箇所にお
いても半田１２の厚みが同一になることから、端子下半
田１２の信頼性確保と外部端子の高さのばらつきが低減
できる。
図２中図１と同一符号は同一要素を示す。本実施例では
絶縁基板３の銅パターン７上の外部端子接合箇所に所定
の大きさの凹部１０２が設けられた構造となっている。
この方法では外部端子接続時の半田１２の流れ出しが凹
部１０２によって抑制され、どの外部端子接合箇所にお
いても半田１２の厚みが同一になることから、端子下半
田１２の信頼性確保と外部端子の高さのばらつきが低減
できる。
【００１３】図３−（ａ)，(ｂ）は第３の実施例を示し
たものである。図３−（ａ)，(ｂ）中図１と同一符号は
同一要素を示す。本実施例では絶縁基板３裏面の銅パタ
ーン７外周部に凹部１０３１，１０３２が設けられてお
り、金属ベース６上にもその凹形状に合わせた凸部１０
４１，１０４２が形成されている。この方法では、絶縁
基板３接続時の半田５の流れ出しがベースの凸部１０４
１，１０４２によって抑制され、各々の絶縁基板３を同
一の半田厚みによって接合することができる。また、金
属ベース６の反り量が大きい場合でも、必要とする接合
精度を確保することができる。
たものである。図３−（ａ)，(ｂ）中図１と同一符号は
同一要素を示す。本実施例では絶縁基板３裏面の銅パタ
ーン７外周部に凹部１０３１，１０３２が設けられてお
り、金属ベース６上にもその凹形状に合わせた凸部１０
４１，１０４２が形成されている。この方法では、絶縁
基板３接続時の半田５の流れ出しがベースの凸部１０４
１，１０４２によって抑制され、各々の絶縁基板３を同
一の半田厚みによって接合することができる。また、金
属ベース６の反り量が大きい場合でも、必要とする接合
精度を確保することができる。
【００１４】上記実施例では、ＩＧＢＴモジュールを例
にして説明したがこれに限定されものではなく、他のパ
ワートランジスタ，ＧＴＯサイリスタ等でも良いことは
勿論である。
にして説明したがこれに限定されものではなく、他のパ
ワートランジスタ，ＧＴＯサイリスタ等でも良いことは
勿論である。
【００１５】
【発明の効果】本発明によれば、治具を使用する代わり
に、絶縁基板上に半導体素子や銅リードなどの接合箇所
を定めるための凹凸部を設けることによって、製造プロ
セス中の汚染を防止でき、接合位置の精度を向上させる
ことができる。その結果高信頼性のモジュールを提供で
きる。
に、絶縁基板上に半導体素子や銅リードなどの接合箇所
を定めるための凹凸部を設けることによって、製造プロ
セス中の汚染を防止でき、接合位置の精度を向上させる
ことができる。その結果高信頼性のモジュールを提供で
きる。
【図１】本発明の第１の実施例を示す断面図。
【図２】本発明の第２の実施例を示す断面図。
【図３】（ａ)(ｂ）は本発明の第３の実施例を示す断面
図。
図。
【図４】（ａ）は従来構造を示す断面図、（ｂ）は半導
体素子と絶縁基板接合の従来プロセス図、（ｃ）は金属
ベースと絶縁基板接合の従来プロセス図。
体素子と絶縁基板接合の従来プロセス図、（ｃ）は金属
ベースと絶縁基板接合の従来プロセス図。
１…半導体素子、２，５，１２…半田、３…絶縁基板、
４…接着材、６…金属ベース、７…銅パターン、８…エ
ポキシ樹脂、９…銅リード、１０…有機樹脂製ケース、
１１…ゲル、１３…Ａｌワイヤー、１４，１７…接合位
置決め穴、１５，１８…治具、１６，１９…下治具、１
０１，１０２，１０３１，１０３２，１０４１，１０４
２…接合位置決め用凹凸部。
４…接着材、６…金属ベース、７…銅パターン、８…エ
ポキシ樹脂、９…銅リード、１０…有機樹脂製ケース、
１１…ゲル、１３…Ａｌワイヤー、１４，１７…接合位
置決め穴、１５，１８…治具、１６，１９…下治具、１
０１，１０２，１０３１，１０３２，１０４１，１０４
２…接合位置決め用凹凸部。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 野々山 茂晴 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 高槌 重靖 茨城県日立市弁天町三丁目10番２号 日立 原町電子工業株式会社内
Claims (3)
- 【請求項１】モジュール底面を支持するベースと、ベー
ス上に接合され、かつ複数個の半導体素子が接合される
絶縁基板と、この半導体素子を外雰囲気より遮断するた
めの樹脂ケースを備えるパワー半導体モジュールにおい
て、絶縁基板上に、半導体素子の位置を定めるための１
つ以上の凹凸部があることを特徴としたパワー半導体モ
ジュール。 - 【請求項２】請求項１のパワー半導体モジュールにおい
て、前記絶縁基板上にリード位置を定めるための１つ以
上の凹凸部があることを特徴としたパワー半導体モジュ
ール。 - 【請求項３】請求項１のパワー半導体モジュールにおい
て、前記絶縁基板上にベース上での基板位置を定めるた
めの１つ以上の凹凸部があることを特徴としたパワー半
導体モジュール。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15464199A JP3619708B2 (ja) | 1999-06-02 | 1999-06-02 | パワー半導体モジュール |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15464199A JP3619708B2 (ja) | 1999-06-02 | 1999-06-02 | パワー半導体モジュール |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000349231A true JP2000349231A (ja) | 2000-12-15 |
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1999
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