JP2001118987A - Power semiconductor module - Google Patents

Power semiconductor module

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JP2001118987A
JP2001118987A JP29787699A JP29787699A JP2001118987A JP 2001118987 A JP2001118987 A JP 2001118987A JP 29787699 A JP29787699 A JP 29787699A JP 29787699 A JP29787699 A JP 29787699A JP 2001118987 A JP2001118987 A JP 2001118987A
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power semiconductor
thermal stress
base plate
groove
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Mikio Naruse
幹夫 成瀬
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Nissan Motor Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the heat resistant stress characteristics of a power semiconductor module. SOLUTION: In a power semiconductor module, a plurality of power semiconductor elements 1a and 1b are jointed to one insulating substrate 4, and the insulating substrate 4 is jointed/laminated to a base plate 7. A groove 11 for dividing the insulating substrate 4 into plural substrates is formed in the insulating substrate 4. At least one power semiconductor element (1a or 1b) is arranged in the insulating substrate 4, divided by the groove 11. Even if the thermal stress of a junction part with the enlargement of the junction area of the insulating substrate and the base plate becomes large with the junction of the plural power semiconductor elements to one insulating substrate for reducing assembly man-hours and the trouble of parts management, the insulating substrate is cracked and the insulating substrate is separated at the part of the groove or a through hole string before a crack occurs in the junction part or a jointed member is peeled through thermal stress. Thus, a junction area per insulating substrate becomes small and thermal stress becomes small. Thus, the occurrence of the crack and peeling can be prevented, the heat radiation characteristic of the power semiconductor element is maintained, and heat destruction can be prevented.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は電力半導体を絶縁基
板に接合し、絶縁基板をさらにベースプレートに接合し
て積層した電力用半導体モジュールに関し、特に、モジ
ュールの耐熱応力特性を改善したものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a power semiconductor module in which a power semiconductor is bonded to an insulating substrate, and the insulating substrate is further bonded to a base plate for lamination. More particularly, the present invention relates to a module having improved thermal stress characteristics.

【0002】[0002]

【従来の技術】パワートランジスター、IGBT、MO
SFETなどの電力用半導体素子をセラミックなどの絶
縁基板に接合し、絶縁基板をさらにベースプレートに接
合して積層した電力用半導体モジュール(以下、パワー
モジュールと呼ぶ)が知られている。このパワーモジュ
ールには、複数種類および/または複数個の電力用半導
体素子を1枚の絶縁基板上に接合し、その絶縁基板をさ
らにベースプレートに接合して積層したものがある。
2. Description of the Related Art Power transistors, IGBTs, MOs
2. Description of the Related Art There is known a power semiconductor module (hereinafter, referred to as a power module) in which a power semiconductor element such as an SFET is bonded to an insulating substrate such as a ceramic, and the insulating substrate is further bonded to a base plate and laminated. In some power modules, a plurality of types and / or a plurality of power semiconductor elements are bonded on a single insulating substrate, and the insulating substrate is further bonded to a base plate and laminated.

【0003】図8は、2個の電力用半導体素子を1枚の
絶縁基板に接合し、絶縁基板をさらにベースプレートに
接合して積層した従来の電力用半導体モジュールの構造
を示し、図(a)は上面図、図(b)は図(a)におけ
るA〜A断面図である。なお、図(b)ではバスバー8
とボンディングワイヤー9の図示を省略する。2個の電
力用半導体素子1は、両面に銅やアルミなどの導電膜
3,5が貼り付けられた絶縁基板4の上面側に、半田な
どの接合材2を用いて接合されている。絶縁基板4に
は、電力用半導体素子1に対して高放熱性、高絶縁性、
低線膨張係数の材料、例えばアルミナAlNなどのセラ
ミックが用いられる。さらに、絶縁基板4は半田などの
接合材6を用いてベースプレート7に接合されている。
FIG. 8 shows a structure of a conventional power semiconductor module in which two power semiconductor elements are bonded to one insulating substrate, and the insulating substrate is further bonded to a base plate and laminated. 2 is a top view, and FIG. 2B is a cross-sectional view along line A-A in FIG. In addition, in FIG.
And illustration of the bonding wire 9 are omitted. The two power semiconductor elements 1 are joined by using a joining material 2 such as solder to the upper surface side of an insulating substrate 4 having conductive films 3 and 5 such as copper and aluminum adhered to both surfaces. The insulating substrate 4 has high heat dissipation, high insulation,
A material having a low linear expansion coefficient, for example, a ceramic such as alumina AlN is used. Further, the insulating substrate 4 is joined to the base plate 7 using a joining material 6 such as solder.

【0004】2個の電力用半導体素子1は、素子1個あ
たりの負荷を低減するために並列に接続されており、そ
れぞれボンディングワイヤー9によりバスバー8に接続
されている。なお、複数種類および/または複数個の電
力用半導体素子を1枚の絶縁基板に接合し、絶縁基板を
さらにベースプレートに接合して積層することによっ
て、装置の部品点数を少なくすることができ、装置の製
造工数と部品の管理工数を削減できる。
The two power semiconductor elements 1 are connected in parallel in order to reduce the load per element, and are connected to the bus bar 8 by bonding wires 9 respectively. In addition, by joining a plurality of types and / or a plurality of power semiconductor elements to one insulating substrate and further joining and laminating the insulating substrate to a base plate, it is possible to reduce the number of parts of the device, Manufacturing man-hours and parts management man-hours can be reduced.

【0005】2個の電力用半導体素子1から発生した熱
はそれぞれ接合材2、導電膜3、絶縁基板4、導電膜
5、接合材6、ベースプレート7へと順に伝わり、ベー
スプレート7から放熱器(不図示)または筐体(不図
示)を介して放熱される。
The heat generated from the two power semiconductor elements 1 is transmitted to the bonding material 2, the conductive film 3, the insulating substrate 4, the conductive film 5, the bonding material 6, and the base plate 7 in this order, and from the base plate 7 to the radiator ( (Not shown) or heat is radiated through a housing (not shown).

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たした従来のパワーモジュールでは、絶縁基板4とベー
スプレート7との線膨張係数が異なるため、電力用半導
体素子1の発熱による応力が絶縁基板4とベースプレー
ト7の間の接合材6に集中し、図9(a)、(b)に示
すように接合材6にクラック10が入るおそれがある。
絶縁基板4とベースプレート7の間の接合材6にクラッ
ク10が入ると接合材6の熱抵抗が大きくなるため、電
力用半導体素子1の熱がベースプレート7まで充分に伝
わらなくなり、電力用半導体素子1の放熱が充分に行わ
れず、電力用半導体素子1がその耐熱温度を超えて性能
が低下したり、場合によっては電力用半導体素子1を破
損するおそれがある。
However, in the above-described conventional power module, since the linear expansion coefficients of the insulating substrate 4 and the base plate 7 are different, the stress due to the heat generated by the power semiconductor element 1 is reduced by the insulating substrate 4 and the base plate. There is a possibility that cracks 10 may enter the bonding material 6 as shown in FIGS. 9 (a) and 9 (b).
If a crack 10 enters the bonding material 6 between the insulating substrate 4 and the base plate 7, the thermal resistance of the bonding material 6 increases, so that the heat of the power semiconductor element 1 is not sufficiently transmitted to the base plate 7, and the power semiconductor element 1 The power semiconductor element 1 may not sufficiently dissipate heat, causing the power semiconductor element 1 to exceed its heat-resistant temperature, deteriorating its performance, and possibly damaging the power semiconductor element 1.

【0007】さらに、装置の製造工数と部品の管理工数
を削減するために、複数種類および/または複数個の電
力用半導体素子を1枚の絶縁基板上に積層することが望
ましいが、そうすると絶縁基板の面積が大きくなり、そ
れにつれてベースプレートの面積も大きくなる。絶縁基
板とベースプレートの接合部の面積が大きくなるほど、
絶縁基板とベースプレートの間の接合材にかかる熱応力
が大きくなるので、多数個の電力用半導体素子を1枚の
絶縁基板上に積層するほど、絶縁基板とベースプレート
の間の接合材にクラックが入りやすくなる。
Further, in order to reduce the man-hour for manufacturing the device and the man-hour for managing the parts, it is desirable to stack a plurality of types and / or a plurality of power semiconductor elements on one insulating substrate. And the area of the base plate increases accordingly. As the area of the joint between the insulating substrate and the base plate increases,
Since the thermal stress applied to the bonding material between the insulating substrate and the base plate increases, the more the power semiconductor elements are stacked on one insulating substrate, the more the bonding material between the insulating substrate and the base plate is cracked. It will be easier.

【0008】本発明の目的は、複数個の電力用半導体素
子を1枚の絶縁基板に接合し、絶縁基板をさらにベース
プレートに接合して積層した電力用半導体モジュールに
おいて、モジュールの耐熱応力特性を向上する。
An object of the present invention is to improve the heat stress characteristics of a power semiconductor module in which a plurality of power semiconductor elements are bonded to one insulating substrate, and the insulating substrate is further bonded to a base plate to be laminated. I do.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】発明の第1の実施の形態
を示す図2に対応づけて請求項1および請求項2の発明
を説明すると、 (1) 請求項1の発明は、複数の電力用半導体素子1
a、1bを1枚の絶縁基板4に接合し、さらに絶縁基板
4をベースプレート7に接合して積層した電力用半導体
モジュールに適用され、絶縁基板4を複数枚に分割する
ための溝11を絶縁基板4に形成し、溝11により分割
される絶縁基板(4)ごとに少なくとも1個の電力用半
導体素子(1a、1b)を配置する。 (2) 請求項2の電力用半導体モジュールは、溝11
の最深部の絶縁基板4の厚さを、絶縁基板4とベースプ
レート7の間の接合部6の熱応力吸収限界値よりも低い
熱応力が接合部6に加わった時に、絶縁基板4が溝11
の部分で割れる厚さとする。発明の第6の実施の形態を
示す図7に対応づけて請求項3および請求項4の発明を
説明すると、 (3) 請求項3の発明は、複数の電力用半導体素子1
a、1bを1枚の絶縁基板4に接合し、さらに絶縁基板
4をベースプレート7に接合して積層した電力用半導体
モジュールに適用され、絶縁基板4を複数枚に分割する
ための通し穴12を所定間隔で絶縁基板4に形成し、通
し穴12の列により分割される絶縁基板(4)ごとに少
なくとも1個の電力用半導体素子(1a、1b)を配置
する。 (4) 請求項4の電力用半導体モジュールは、通し穴
12の穴径と設置間隔を、絶縁基板4とベースプレート
7の間の接合部6の熱応力吸収限界値よりも低い熱応力
が接合部6に加わった時に、絶縁基板4が通し穴12の
列の部分で割れる穴径および設置間隔とする。 (5) 発明の第5の実施の形態を示す図5に対応づけ
て請求項5の発明を説明すると、請求項5の電力用半導
体モジュールは、溝11または通し穴12の列から電力
用半導体素子1a、1bを遠ざけて配置したものであ
る。 (6) 発明の第4の実施の形態を示す図5に対応づけ
て請求項6の発明を説明すると、請求項6の電力用半導
体モジュールは、溝11または通し穴12の列に対して
線対象となる位置に電力用半導体素子1a、1bを配置
しないようにしたものである。
The first and second aspects of the present invention will be described with reference to FIG. 2 showing a first embodiment of the invention. (1) The first aspect of the present invention Power semiconductor device 1
a, 1b are bonded to one insulating substrate 4, and further applied to a power semiconductor module in which the insulating substrate 4 is bonded to a base plate 7 and laminated, and the groove 11 for dividing the insulating substrate 4 into a plurality of pieces is insulated. At least one power semiconductor element (1a, 1b) is formed on the substrate 4 and is arranged for each insulating substrate (4) divided by the groove 11. (2) The power semiconductor module according to claim 2, wherein the groove 11
When the thermal stress lower than the thermal stress absorption limit of the joint 6 between the insulating substrate 4 and the base plate 7 is applied to the joint 6, the insulating substrate 4 is
It should be a thickness that can be divided by the part. The third and fourth aspects of the present invention will be described with reference to FIG. 7 showing the sixth embodiment of the present invention. (3) The third aspect of the present invention provides a plurality of power semiconductor elements 1
a, 1b are joined to one insulating substrate 4, and the insulating substrate 4 is joined to a base plate 7 to be applied to a laminated power semiconductor module, and a through hole 12 for dividing the insulating substrate 4 into a plurality of sheets is formed. At least one power semiconductor element (1a, 1b) is formed on the insulating substrate 4 at a predetermined interval and is arranged for each insulating substrate (4) divided by the row of the through holes 12. (4) In the power semiconductor module according to the fourth aspect, the hole diameter and the installation interval of the through hole 12 are set such that a thermal stress lower than the thermal stress absorption limit value of the joint 6 between the insulating substrate 4 and the base plate 7 is reduced. 6, the insulating substrate 4 has a hole diameter and an installation interval at which the insulating substrate 4 is divided by the row of the through holes 12. (5) The power semiconductor module according to the fifth aspect of the present invention will be described with reference to FIG. 5 showing a fifth embodiment of the invention. The elements 1a and 1b are arranged apart from each other. (6) The power semiconductor module according to the sixth aspect will be described with reference to FIG. 5 showing a fourth embodiment of the invention. The power semiconductor elements 1a and 1b are not arranged at target positions.

【0010】上述した課題を解決するための手段の項で
は、説明を分かりやすくするために一実施の形態の図を
用いたが、これにより本発明が一実施の形態に限定され
るものではない。
In the section of the means for solving the above-mentioned problem, a diagram of one embodiment is used for easy understanding of the description, but the present invention is not limited to this embodiment. .

【0011】[0011]

【発明の効果】(1) 請求項1〜4の発明によれば、
組立工数の削減と部品管理の手間を省くために複数の電
力用半導体素子を1枚の絶縁基板に接合するのにともな
って、絶縁基板とベースプレートの接合面積の拡大によ
り接合部の熱応力が大きくなっても、熱応力で接合部に
クラックが発生したり接合される部材に剥離が発生する
前に、溝または通し穴列の部分で絶縁基板が割れて絶縁
基板が分離する。その結果、絶縁基板1枚当たりの接合
面積が小さくなって熱応力が小さくなり、クラックや剥
離の発生を防止でき、電力用半導体素子の放熱特性を維
持してその熱破壊を防止できる。 (2) 請求項5の発明によれば、請求項1〜4の上記
効果に加え、溝または通し穴列の部分で絶縁基板が割れ
て分離した時に、その衝撃が電力用半導体素子に伝わり
にくくなり、絶縁基板分割時の電力用半導体素子の損傷
を防ぎ、信頼性を向上させることができる。 (3) 請求項6の発明によれば、請求項1〜4の上記
効果に加え、絶縁基板とベースプレートの間の接合部に
吸収限界値に近い熱応力が加わった時に、溝または通し
穴列により区分される複数の絶縁基板に互い違いの反り
が発生し、絶縁基板が割れやすくなり、熱応力をすばや
く確実に吸収することができる。
(1) According to the invention of claims 1 to 4,
As multiple power semiconductor elements are joined to a single insulating substrate to reduce assembly man-hours and save time in parts management, the thermal stress at the joint increases due to the increase in the joint area between the insulating substrate and the base plate. Even before the crack occurs at the joint due to the thermal stress or the peeling occurs at the member to be joined, the insulating substrate is broken at the groove or the row of through holes and the insulating substrate is separated. As a result, the bonding area per insulating substrate is reduced, the thermal stress is reduced, cracks and peeling can be prevented, and the heat radiation characteristics of the power semiconductor element can be maintained to prevent thermal breakdown. (2) According to the fifth aspect of the present invention, in addition to the above-described effects of the first to fourth aspects, when the insulating substrate is broken and separated at the groove or through-hole row portion, the impact is hardly transmitted to the power semiconductor element. Therefore, it is possible to prevent the power semiconductor element from being damaged when the insulating substrate is divided, and to improve reliability. (3) According to the invention of claim 6, in addition to the above effects of claims 1 to 4, when a thermal stress close to the absorption limit is applied to the joint between the insulating substrate and the base plate, grooves or through-hole rows are formed. The plurality of insulating substrates divided by the above-described method cause alternate warpage, so that the insulating substrate is easily broken, and thermal stress can be quickly and reliably absorbed.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】本発明を、図1に示すインバータ
ーの電力変換部に適用した一実施の形態を説明する。な
お、本発明は、インバーターの電力変換部に限定され
ず、コンバーターや電力増幅器などの他の電力用半導体
装置にも適用することができる。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS One embodiment in which the present invention is applied to a power converter of an inverter shown in FIG. 1 will be described. The present invention is not limited to the power conversion unit of the inverter, but can be applied to other power semiconductor devices such as a converter and a power amplifier.

【0013】図1において、インバーターの電力変換部
は、6個のIGBT(T1〜T6)と6個のダイオード
(D1〜D6)から成り、直流電力P、Nを三相交流電
力U,V,Wに変換する。なお、この実施の形態では電
力用半導体素子にIGBTを用いた例を示すが、本発明
はIGBTに限らず、パワートランジスター、MOSF
ET、サイリスタ、ダイオードなど、すべての電力用半
導体素子に適用することができる。
In FIG. 1, the power converter of the inverter includes six IGBTs (T1 to T6) and six diodes (D1 to D6), and converts DC powers P and N into three-phase AC powers U, V, Convert to W Although this embodiment shows an example in which an IGBT is used for a power semiconductor element, the present invention is not limited to an IGBT, and a power transistor, a MOSF
The present invention can be applied to all power semiconductor devices such as ET, thyristor, and diode.

【0014】《発明の第1の実施の形態》図2は第1の
実施の形態の電力用半導体モジュール(パワーモジュー
ル)の構造を示し、図(a)は上面図、図(b)は図
(a)におけるB〜B断面図である。なお、図2(b)
ではバスバー8a、8bとボンディングワイヤー9a、
9bの図示を省略する。このパワーモジュールは、2個
の小電力のIGBTを並列に接続して1個の大電力のI
GBTとして機能させるようにしたパワーモジュールで
あり、図1に示すインバーターの電力変換部を構成する
ためには、図2に示すIGBTのパワーモジュールが6
個と、ダイオード(D1〜D6)のパワーモジュール
(不図示)とが必要となる。なお、ダイオード(D1〜
D6)のパワーモジュールは、IGBT(T1〜T6)
のパワーモジュールの電力用半導体素子をダイオードに
置き換えただけであり、説明を省略する。
<< First Embodiment of the Invention >> FIG. 2 shows the structure of a power semiconductor module (power module) according to a first embodiment. FIG. 2A is a top view, and FIG. It is BB sectional drawing in (a). FIG. 2 (b)
Then, the bus bars 8a, 8b and the bonding wires 9a,
Illustration of 9b is omitted. This power module connects two low-power IGBTs in parallel to form one high-power I
This is a power module functioning as a GBT. To configure the power converter of the inverter shown in FIG. 1, the power module of the IGBT shown in FIG.
And a power module (not shown) of diodes (D1 to D6) are required. Note that diodes (D1 to D1)
The power module of D6) is an IGBT (T1 to T6)
Only the power semiconductor element of the power module is replaced with a diode, and the description is omitted.

【0015】この第1の実施の形態では、2個の電力用
半導体素子(IGBT)1a、1bを、両面にCuやAl
などの導電膜3a、3b、5a、5bを貼り付けた絶縁
基板4の上面側に、半田などの接合材2a、2bを用い
て面接合する。接合材2a、2bは、電力用半導体素子
1a、1bで発生した熱を絶縁基板4へ伝える機能と、
電力用半導体素子1a、1bと絶縁基板4との線膨張特
性の差に起因して、電力用半導体素子1a、1bと絶縁
基板4との間に発生する熱応力を吸収、緩和する機能を
有する。絶縁基板4には、電力用半導体素子1a、1b
に対して高放熱性、高絶縁性、低線膨張係数の材料、例
えばAlNやAl23などのセラミック基板を用ることが
できる。また、接合材2a、2bとしては半田に限定さ
れず、融点が電力用半導体素子1a、1bの作動時の最
大温度より高いものであればよい。
In the first embodiment, two power semiconductor elements (IGBTs) 1a and 1b are provided with Cu and Al on both surfaces.
Surface bonding is performed on the upper surface side of the insulating substrate 4 to which the conductive films 3a, 3b, 5a, and 5b such as are adhered using bonding materials 2a and 2b such as solder. The bonding members 2a and 2b have a function of transmitting heat generated in the power semiconductor elements 1a and 1b to the insulating substrate 4,
It has a function of absorbing and relaxing thermal stress generated between the power semiconductor elements 1a, 1b and the insulating substrate 4 due to the difference in linear expansion characteristics between the power semiconductor elements 1a, 1b and the insulating substrate 4. . On the insulating substrate 4, the power semiconductor elements 1a, 1b
On the other hand, a material having high heat dissipation, high insulation, and low coefficient of linear expansion, for example, a ceramic substrate such as AlN or Al 2 O 3 can be used. Further, the bonding materials 2a and 2b are not limited to solder, and may be any material as long as the melting point is higher than the maximum temperature during operation of the power semiconductor elements 1a and 1b.

【0016】さらに、絶縁基板4を半田やロウ材などの
接合材6を用いてベースプレート7に面接合する。接合
材6は、電力用半導体素子1a、1bで発生した熱を絶
縁基板4からベースプレート7へ伝える機能と、絶縁基
板4とベースプレート7との線膨張特性の差に起因し
て、絶縁基板4とベースプレート7との間に発生する熱
応力を吸収、緩和する機能を有する。ベースプレート7
には放熱性が高く、線膨張係数の低い材質、例えばC
u、Al、Al-SiC、Cu-Moなどを用いることができ
る。また、電力用半導体素子(IGBT)1a、1bの
上面側のエミッターと下面側のコレクターとをそれぞ
れ、CuやAlなどのボンディングワイヤー9a〜9dを
介してCuやAlなどのバスバー8a、8bに接続する。
Further, the insulating substrate 4 is surface-bonded to the base plate 7 using a bonding material 6 such as solder or brazing material. The bonding material 6 has a function of transmitting heat generated in the power semiconductor elements 1 a and 1 b from the insulating substrate 4 to the base plate 7, and a difference in linear expansion characteristics between the insulating substrate 4 and the base plate 7. It has a function of absorbing and relaxing thermal stress generated between itself and the base plate 7. Base plate 7
Has a high heat dissipation and a low coefficient of linear expansion, such as C
u, Al, Al-SiC, Cu-Mo, etc. can be used. In addition, the emitters on the upper surface side and the collectors on the lower surface side of the power semiconductor elements (IGBTs) 1a and 1b are connected to bus bars 8a and 8b such as Cu and Al via bonding wires 9a to 9d such as Cu and Al, respectively. I do.

【0017】電力用半導体素子1a、1bと絶縁基板4
の線膨張特性の差は比較的小さいため、電力用半導体素
子1a、1bと絶縁基板4の間の接合材2a、2bに発
生する熱応力は、通常の使用環境では接合材2a、2b
にクラックが発生するほど大きくない。ところが、絶縁
基板4とベースプレート7の間では、線膨張係数の差が
大きい上に、ベースプレート7に放熱器(不図示)また
は筐体(不図示)が取り付けられるために線膨張特性の
差が大きく、両部材4と7の間の接合材6に発生する熱
応力が大きくなり、上述したように接合材6の熱応力吸
収限界を超えてクラックを生じるおそれがある。
Power semiconductor elements 1a, 1b and insulating substrate 4
Is relatively small, the thermal stress generated in the bonding materials 2a, 2b between the power semiconductor elements 1a, 1b and the insulating substrate 4 is limited to the bonding materials 2a, 2b in a normal use environment.
Not so large that cracks occur. However, there is a large difference in linear expansion coefficient between the insulating substrate 4 and the base plate 7 and a large difference in linear expansion characteristics because a radiator (not shown) or a housing (not shown) is attached to the base plate 7. In addition, the thermal stress generated in the joining material 6 between the two members 4 and 7 increases, and there is a possibility that the thermal stress exceeds the thermal stress absorption limit of the joining material 6 and cracks occur.

【0018】絶縁基板4とベースプレート7の間の接合
材6に発生する熱応力には2種類のものがある。第1の
熱応力は、絶縁基板4とベースプレート7とを半田など
の接合材6により接合する時に発生する残留熱応力であ
る。絶縁基板4とベースプレート7のように線膨張係数
が異なる部材を接合する場合には、昇温時は両部材4、
7とも固有の線膨張係数に基づく延びを示すが、接合材
6の融点に達した後の降温時(例えば63Sn-37Pb共晶半
田は183℃以下)には、両部材4と7が半田などの接
合材6によって接合されているため、両部材4と7がそ
れぞれの線膨張係数にしたがって収縮することができな
い。この収縮できない状態が残留熱応力となって絶縁基
板4とベースプレート7の間の接合材6に加わる。
There are two types of thermal stress generated in the bonding material 6 between the insulating substrate 4 and the base plate 7. The first thermal stress is a residual thermal stress generated when the insulating substrate 4 and the base plate 7 are joined with the joining material 6 such as solder. When members having different linear expansion coefficients such as the insulating substrate 4 and the base plate 7 are joined, when the temperature is raised, both members 4
7 shows an elongation based on a specific coefficient of linear expansion, but when the temperature is lowered after reaching the melting point of the joining material 6 (for example, 183 ° C. or less for 63Sn-37Pb eutectic solder), both members 4 and 7 are soldered. Therefore, the two members 4 and 7 cannot be contracted according to their respective coefficients of linear expansion. This non-shrinkable state becomes residual thermal stress and is applied to the bonding material 6 between the insulating substrate 4 and the base plate 7.

【0019】絶縁基板4とベースプレート7の間の接合
材6に発生する第2の熱応力は、使用環境の温度サイク
ルにより発生する熱応力である。この使用環境には、周
囲の気温やインバーター電力変換部の作動条件などが含
まれる。
The second thermal stress generated in the bonding material 6 between the insulating substrate 4 and the base plate 7 is a thermal stress generated by a temperature cycle of a use environment. This usage environment includes the ambient temperature, the operating conditions of the inverter power converter, and the like.

【0020】絶縁基板4とベースプレート7の間の接合
材6に発生した熱応力は、絶縁基板4、導電膜5a、5
b、接合材6およびベースプレート7に加わる。この
時、熱応力が集中する部位が接合材6の種類によって異
なることが知られており、接合材6に半田を用いた場合
は接合材6に熱応力が集中し、接合材6にAl-Siなど
のロウ材を用いた場合は絶縁基板4に熱応力が集中す
る。また、熱応力は接合面積の大きさに比例し、接合面
積が大きいほど大きな熱応力が発生する。各部材4、5
a、5b、6、7とも、ある程度の熱応力を吸収して緩
和できる性質を有しているが、熱応力の吸収限界値を超
えるか、あるいは吸収限界値に近い熱応力が繰り返し加
わると剥離が発生する。
The thermal stress generated in the bonding material 6 between the insulating substrate 4 and the base plate 7
b, it joins the bonding material 6 and the base plate 7. At this time, it is known that the portion where the thermal stress concentrates differs depending on the type of the joining material 6. When solder is used for the joining material 6, the thermal stress concentrates on the joining material 6, and the Al- When a brazing material such as Si is used, thermal stress concentrates on the insulating substrate 4. Further, the thermal stress is proportional to the size of the bonding area, and the larger the bonding area, the larger the thermal stress is generated. Each member 4, 5
a, 5b, 6, and 7 all have the property of absorbing and relaxing a certain amount of thermal stress. However, when thermal stress exceeding the absorption limit of thermal stress or near the absorption limit is repeatedly applied, peeling occurs. Occurs.

【0021】絶縁基板4とベースプレート7の間の接合
材6に発生する熱応力によって、接合材6にクラックが
発生したり、部材4、5a、5b、6、7の剥離が発生
すると、電力用半導体素子1a、1bからベースプレー
ト7に至る熱流路の熱抵抗が増加し、電力用半導体素子
1a、1bの放熱が不充分となって破損するおそれがあ
る。
When cracks occur in the bonding material 6 or peeling of the members 4, 5a, 5b, 6, 7 occurs due to thermal stress generated in the bonding material 6 between the insulating substrate 4 and the base plate 7, the power The thermal resistance of the heat flow path from the semiconductor elements 1a, 1b to the base plate 7 increases, and the heat dissipation of the power semiconductor elements 1a, 1b may be insufficient, resulting in damage.

【0022】そこで、この第1の実施の形態では、絶縁
基板4とベースプレート7の間の接合材6の熱応力吸収
限界よりも低い熱応力で絶縁基板4が割れて分離するよ
うに、2個の電力用半導体素子(IGBT)1a、1b
の間の絶縁基板4に、図2に示すように溝11を設け
る。溝11の断面は図(b)に示すように略V字型と
し、また、溝11の深さ、つまり溝11の最深部の絶縁
基板4の肉厚は、絶縁基板4とベースプレート7の間の
接合材6の熱応力吸収限界値よりも低い熱応力が同接合
材6に加わった時に絶縁基板4が溝11の部分で割れ、
接合材6に限界値以上の熱応力が加わらないようにする
深さ、すなわち肉厚とする。
Therefore, in the first embodiment, two insulating substrates 4 are separated so that the insulating substrate 4 is cracked and separated by a thermal stress lower than the thermal stress absorption limit of the bonding material 6 between the insulating substrate 4 and the base plate 7. Power semiconductor elements (IGBT) 1a, 1b
A groove 11 is provided in the insulating substrate 4 between the two as shown in FIG. The cross section of the groove 11 is substantially V-shaped as shown in FIG. 2B, and the depth of the groove 11, that is, the thickness of the insulating substrate 4 at the deepest part of the groove 11 is between the insulating substrate 4 and the base plate 7. When a thermal stress lower than the thermal stress absorption limit value of the bonding material 6 is applied to the bonding material 6, the insulating substrate 4 cracks at the groove 11 and
The thickness is set to a depth at which thermal stress exceeding the limit value is not applied to the bonding material 6, that is, the thickness.

【0023】絶縁基板4とベースプレート7の間の接合
材6に半田を用いた場合には、熱応力によって接合材6
にクラックや剥離が発生する前に、絶縁基板4に設けた
溝11の部分に熱応力が加わって割れる。これにより、
絶縁基板4が2枚に分離して絶縁基板4とベースプレー
ト7との接合部の面積が小さくなるため、接合材6に加
わる熱応力が小さくなり、接合材6にクラックが発生す
るのを防止できるとともに、部材4、5a、5b、6、
7の剥離を防止できる。
When solder is used for the joining material 6 between the insulating substrate 4 and the base plate 7, the joining material 6
Before cracking or peeling occurs, thermal stress is applied to the groove 11 provided in the insulating substrate 4 to cause cracking. This allows
Since the insulating substrate 4 is separated into two and the area of the joint between the insulating substrate 4 and the base plate 7 is reduced, the thermal stress applied to the bonding material 6 is reduced, and the occurrence of cracks in the bonding material 6 can be prevented. And members 4, 5a, 5b, 6,
7 can be prevented from peeling off.

【0024】また、絶縁基板4とベースプレート7の間
の接合材6にロウ材を用いた場合には、上述したように
絶縁基板4が最も熱応力に弱い部位となるため、溝11
の薄肉部(弱剛生部)に熱応力が集中して絶縁基板4が
割れる。これにより、絶縁基板4が2枚に分離して絶縁
基板4とベースプレート7の接合面積が小さくなり、接
合材6に加わる熱応力が小さくなって接合材6にクラッ
クが発生するのを防止できるとともに、部材4、5a、
5b、6、7の剥離を防止できる。
When a brazing material is used as the bonding material 6 between the insulating substrate 4 and the base plate 7, the insulating substrate 4 is the weakest part against thermal stress as described above,
Thermal stress concentrates on a thin portion (weakly rigid portion) of the substrate, and the insulating substrate 4 is cracked. Thereby, the insulating substrate 4 is separated into two pieces, the bonding area between the insulating substrate 4 and the base plate 7 is reduced, and the thermal stress applied to the bonding material 6 is reduced, so that cracks in the bonding material 6 can be prevented. , Members 4, 5a,
5b, 6 and 7 can be prevented from peeling off.

【0025】このように、第1の実施の形態によれば、
2個の電力用半導体素子1a、1bを1枚の絶縁基板4
に接合し、絶縁基板4をさらにベースプレート7に接合
して積層する場合に、絶縁基板4を2枚に分割する溝1
1を絶縁基板4に設けるとともに、溝11により分割さ
れる絶縁基板(4)ごとに電力用半導体素子(1a、1
b)を配置したので、絶縁基板4とベースプレート7の
接合面積の拡大によって接合材6の熱応力が大きくなっ
ても、熱応力で接合材6にクラックが発生したり接合部
材4、5a、5b、6、7に剥離が発生する前に、溝1
1の部分で絶縁基板4が割れて絶縁基板4が分離する。
その結果、絶縁基板1枚当たりの接合面積が小さくなっ
て熱応力が小さくなり、クラックや剥離の発生を防止で
き、電力用半導体素子1a、1bの放熱特性を維持して
その熱破壊を防止できる。
As described above, according to the first embodiment,
Two power semiconductor elements 1a and 1b are connected to one insulating substrate 4.
When the insulating substrate 4 is further joined to the base plate 7 and laminated, the groove 1 for dividing the insulating substrate 4 into two
1 is provided on the insulating substrate 4, and the power semiconductor elements (1 a, 1
Since b) is arranged, even if the thermal stress of the bonding material 6 increases due to an increase in the bonding area between the insulating substrate 4 and the base plate 7, cracks occur in the bonding material 6 due to the thermal stress, and the bonding members 4, 5a, 5b , 6, 7 before the separation occurs.
The insulating substrate 4 is broken at the portion 1 and the insulating substrate 4 is separated.
As a result, the bonding area per insulating substrate is reduced, the thermal stress is reduced, cracks and peeling can be prevented, and the heat radiation characteristics of the power semiconductor elements 1a and 1b can be maintained to prevent thermal breakdown. .

【0026】また、パワーモジュールの組立時には2個
の電力用半導体素子1a、1bを1枚の絶縁基板4に接
合し、絶縁基板4をさらに1枚のベースプレートに接合
して1個のパワーモジュールを作るので、2個の電力用
半導体素子1a、1bをそれぞれ別の絶縁基板とベース
プレートに接合し、2個のパワーモジュールを組み立て
るのに比べ、パワーモジュールを総合的に小型化するこ
とができる上に、パワーモジュールの組立工数と部品の
管理工数を削減することができる。さらに、2個の小電
力の半導体素子1a、1bを1枚の絶縁基板4と1枚の
ベースプレート7に積層してパワーモジュールを組み立
てるので、1個の大電力の半導体素子を絶縁基板とベー
スプレートに積層してパワーモジュールを組み立てるの
に比べ、容易に電力用半導体素子1個当たりの負荷を軽
減することができ、電力用半導体素子の長寿命化と信頼
性を向上させることができる。
When assembling the power module, the two power semiconductor elements 1a and 1b are joined to one insulating substrate 4, and the insulating substrate 4 is further joined to one base plate to form one power module. Since the two power semiconductor elements 1a and 1b are joined to separate insulating substrates and a base plate, respectively, the power module can be reduced in size as compared with assembling the two power modules. In addition, the man-hours for assembling the power module and managing the parts can be reduced. Furthermore, two low-power semiconductor elements 1a and 1b are laminated on one insulating substrate 4 and one base plate 7 to assemble a power module. Therefore, one high-power semiconductor element is mounted on the insulating substrate and the base plate. As compared with stacking and assembling the power module, the load per power semiconductor element can be easily reduced, and the life and reliability of the power semiconductor element can be increased.

【0027】なお、溝11の断面形状はV字型に限定さ
れず、例えば略U字型としてもよい。溝11は、焼成済
みのセラミック板に超音波加工やダイヤモンドを含むブ
レード加工などを施して形成する。また、セラミックグ
リーンシート時に溝11を設け、その後に焼成するよう
にしてもよい。
The sectional shape of the groove 11 is not limited to the V-shape, but may be, for example, a substantially U-shape. The groove 11 is formed by subjecting a fired ceramic plate to ultrasonic processing, blade processing including diamond, or the like. Alternatively, the grooves 11 may be provided at the time of the ceramic green sheet, and then fired.

【0028】また、この第1の実施の形態では、溝11
に沿って絶縁基板4の両面の導電膜3a、3b、5a、
5bを帯状に取り除き、絶縁基板4の両面の導電膜3
a、3b、5a、5bを各電力用半導体素子(IGB
T)1a、1bごとに分割する。導電膜3a、3b、5
a、5bの分割にともなって、各電力用半導体素子(I
GBT)1a、1bの下面側のコレクターとバスバー8
bとの接続は、分割した各導電膜3a、3bからバスバ
ー8bへそれぞれボンディングワイヤー9c、9dによ
り配線する。溝11に沿って絶縁基板4の両面の導電膜
3a、3b、5a、5bを帯状に取り除くことによっ
て、絶縁基板4とベースプレート7の間の接合材6に吸
収限界近い熱応力が加わった時に、絶縁基板4が溝11
の部分で割れて分離し易くなり、熱応力をすばやく吸収
することができる。
In the first embodiment, the grooves 11
Along the conductive films 3a, 3b, 5a on both surfaces of the insulating substrate 4
5b is stripped off, and the conductive films 3 on both surfaces of the insulating substrate 4 are removed.
a, 3b, 5a, and 5b are connected to respective power semiconductor elements (IGB
T) Divide by 1a and 1b. Conductive films 3a, 3b, 5
a, 5b, each power semiconductor element (I
GBT) Collectors and bus bars 8 on the lower surface side of 1a, 1b
The connection with the wiring b is made by bonding wires 9c and 9d from the divided conductive films 3a and 3b to the bus bar 8b. By removing the conductive films 3a, 3b, 5a, and 5b on both surfaces of the insulating substrate 4 along the groove 11 when a thermal stress close to the absorption limit is applied to the bonding material 6 between the insulating substrate 4 and the base plate 7, The insulating substrate 4 has the groove 11
It is easy to separate by breaking at the portion, and the thermal stress can be quickly absorbed.

【0029】なお、通常、導電膜3a、3b、5a、5
bには銅やアルミなどの柔らかく伸びやすい材料を用い
るので、溝11に沿って導電膜3a、3b、5a、5b
を取り除かず、図8に示す従来の電力用半導体モジュー
ルのように、絶縁基板4の両面一面に導電膜3a、3
b、5a、5bを貼り付けても、絶縁基板4が溝11の
部分で熱応力により割れるのに大きな妨げとならない。
したがって、必ずしも溝11に沿って絶縁基板4の両面
の導電膜3a、3b、5a、5bを帯状に取り除く必要
はなく、絶縁基板4の両面一面に導電膜3a、3b、5
a、5bを貼り付けたままとしてもよい。ただし、その
場合には、導電膜3a、3b、5a、5bの材質に応じ
て溝11の深さ、つまり溝11の最深部の絶縁基板4の
肉厚を最適な値にし、絶縁基板4とベースプレート7の
間の接合材6に加わる熱応力が接合材6の吸収限界値に
達する前に、絶縁基板4が溝11の部分で確実に割れて
熱応力を吸収するようにしなければならない。
Normally, the conductive films 3a, 3b, 5a, 5
Since b is made of a soft and easily stretchable material such as copper or aluminum, the conductive films 3a, 3b, 5a, 5b
The conductive films 3a, 3a are formed on both surfaces of the insulating substrate 4 as in the conventional power semiconductor module shown in FIG.
Even if b, 5a, and 5b are attached, it does not hinder the insulating substrate 4 from breaking at the groove 11 due to thermal stress.
Therefore, it is not always necessary to remove the conductive films 3a, 3b, 5a, and 5b on both surfaces of the insulating substrate 4 along the groove 11 in a strip shape.
a and 5b may be left attached. However, in this case, the depth of the groove 11, that is, the thickness of the insulating substrate 4 at the deepest part of the groove 11 is set to an optimum value according to the material of the conductive films 3a, 3b, 5a, and 5b. Before the thermal stress applied to the bonding material 6 between the base plates 7 reaches the absorption limit value of the bonding material 6, the insulating substrate 4 must be surely broken at the groove 11 to absorb the thermal stress.

【0030】《発明の第2の実施の形態》図3は第2の
実施の形態の電力用半導体モジュール(パワーモジュー
ル)の構造を示し、図(a)は上面図、図(b)は図
(a)におけるC〜C断面図である。なお、図3(b)
ではバスバー8a、8bとボンディングワイヤー9a〜
9cの図示を省略する。このパワーモジュールは、3個
の小電力のIGBTを並列に接続して1個の大電力のI
GBTとして機能させるようにしたパワーモジュールで
あり、図1に示すインバーターの電力変換部を構成する
ためには、図3に示すIGBTのパワーモジュールが6
個と、ダイオード(D1〜D6)のパワーモジュール
(不図示)とが必要となる。なお、ダイオード(D1〜
D6)のパワーモジュールについては説明を省略する。
<< Second Embodiment of the Invention >> FIG. 3 shows the structure of a power semiconductor module (power module) according to a second embodiment. FIG. 3A is a top view, and FIG. It is CC sectional drawing in (a). FIG. 3 (b)
Then, the bus bars 8a and 8b and the bonding wires 9a to
Illustration of 9c is omitted. This power module connects three low-power IGBTs in parallel to form one high-power I
This is a power module functioning as a GBT. In order to configure the power converter of the inverter shown in FIG. 1, the power module of the IGBT shown in FIG.
And a power module (not shown) of diodes (D1 to D6) are required. Note that diodes (D1 to D1)
The description of the power module D6) is omitted.

【0031】この第2の実施の形態では、3個の小電力
の半導体素子(IGBT)1a〜1cを並列に接続する
ことによって、上述した第1の実施の形態に比べ、半導
体素子1個当たりの負荷をさらに低減することができる
が、反面、半導体素子数の増加によって絶縁基板4の面
積が大きくなり、絶縁基板4とベースプレート7の間の
接合剤6に加わる熱応力も大きくなる。そこで、絶縁基
板4とベースプレート7の間の接合材6の熱応力吸収限
界よりも低い熱応力で絶縁基板4が割れて分離するよう
に、3個の電力用半導体素子1a、1b、1cの間の絶
縁基板4に、図3に示すように2本の溝11a、11b
を設ける。これらの溝11a、11bの断面は図(b)
に示すように略V字型とし、また、溝11a、11bの
深さ、つまり溝11a、11bの最深部の絶縁基板4の
肉厚は、絶縁基板4とベースプレート7の間の接合材6
の熱応力吸収限界値よりも低い熱応力が同接合材6に加
わった時に絶縁基板4が溝11a、11bの部分で割
れ、接合材6に限界値以上の熱応力が加わらないように
する深さ、肉厚とする。
In the second embodiment, three low-power semiconductor elements (IGBTs) 1a to 1c are connected in parallel, so that the number of semiconductor elements per semiconductor element is smaller than that of the first embodiment. Can be further reduced, but the area of the insulating substrate 4 increases with an increase in the number of semiconductor elements, and the thermal stress applied to the bonding agent 6 between the insulating substrate 4 and the base plate 7 also increases. Therefore, the three power semiconductor elements 1a, 1b, and 1c are separated so that the insulating substrate 4 is broken and separated by a thermal stress lower than the thermal stress absorption limit of the bonding material 6 between the insulating substrate 4 and the base plate 7. As shown in FIG. 3, two grooves 11a and 11b
Is provided. The cross section of these grooves 11a and 11b is shown in FIG.
, And the depth of the grooves 11a and 11b, that is, the thickness of the insulating substrate 4 at the deepest portion of the grooves 11a and 11b is equal to the bonding material 6 between the insulating substrate 4 and the base plate 7.
When a thermal stress lower than the thermal stress absorption limit value is applied to the bonding material 6, the insulating substrate 4 cracks at the grooves 11 a and 11 b to prevent the bonding material 6 from being subjected to a thermal stress exceeding the limit value. Now, let's make it thick.

【0032】なお、分割後の3枚の絶縁基板4の面積が
同一となるように溝11a、11bを配設することによ
って、分割後の各絶縁基板4に加わる熱応力がほぼ等し
くなり、絶縁基板4とベースプレート7の間の接合材6
の熱応力に対する信頼性をさらに向上させることができ
る。
By arranging the grooves 11a and 11b so that the three divided insulating substrates 4 have the same area, the thermal stress applied to each divided insulating substrate 4 becomes substantially equal, and Bonding material 6 between substrate 4 and base plate 7
Can be further improved with respect to thermal stress.

【0033】なお、第2の実施の形態では、3個の電力
用半導体素子1a、1b、1cを絶縁基板4に接合した
のにともない、各電力用半導体素子1a〜1cごとにボ
ンディングワイヤー9a〜9fによりバスバー8a、8
bと接続する。また、絶縁基板4の両面の導電膜も、3
a、3b、3c、5a、5b、5cに3分割する。それ
以外は上述した第1の実施の形態の構造と同様であり、
説明を省略する。
In the second embodiment, as the three power semiconductor elements 1a, 1b, and 1c are joined to the insulating substrate 4, bonding wires 9a to 9c are provided for each of the power semiconductor elements 1a to 1c. Bus bars 8a, 8 by 9f
Connect to b. The conductive films on both sides of the insulating substrate 4 are also 3
a, 3b, 3c, 5a, 5b, and 5c. Otherwise, the structure is the same as that of the first embodiment described above,
Description is omitted.

【0034】《発明の第3の実施の形態》図4は、第3
の実施の形態の電力用半導体モジュール(パワーモジュ
ール)の構造を示す上面図である。なお、このパワーモ
ジュールの断面の構造は図2に示す構造と同様であるか
ら図示を省略する。このパワーモジュールは、小電力I
GBT1aと小電力ダイオード1bを逆並列に接続した
1組の電力用半導体素子と、小電力IGBT1cと小電
力ダイオード1dを逆並列に接続した1組の電力半導体
素子とを並列に接続し、1組の大電力IGBTと大電力
ダイオードの並列体を構成したパワーモジュールであ
り、図1に示すインバーター電力変換部の1/2相分の
IGBTとダイオードに相当する。したがって、図1に
示すインバーターの電力変換部を構成するためには、図
4に示すIGBTとダイオードのパワーモジュールが6
個必要となる。
<< Third Embodiment of the Invention >> FIG.
It is a top view which shows the structure of the power semiconductor module (power module) of Embodiment of this invention. The cross-sectional structure of this power module is the same as the structure shown in FIG. This power module has a low power I
One set of a power semiconductor element in which the GBT 1a and the small power diode 1b are connected in anti-parallel and one set of a power semiconductor element in which the small power IGBT 1c and the small power diode 1d are connected in anti-parallel are connected in parallel. Is a power module that constitutes a parallel body of a large power IGBT and a large power diode, and corresponds to an IGBT and a diode for a half phase of the inverter power converter shown in FIG. Therefore, in order to configure the power converter of the inverter shown in FIG. 1, the power module of the IGBT and the diode shown in FIG.
Required.

【0035】この第3の実施の形態では、2組の小電力
半導体素子1a、1bと1c、1dを並列に接続するこ
とによって、1組の大電力半導体素子を用いる場合に比
べ、半導体素子1組当たりの負荷を軽減することができ
るが、反面、半導体素子の種類と数量の増加によって絶
縁基板4の面積が大きくなる。そこで、絶縁基板4とベ
ースプレート7の間の接合材6の熱応力吸収限界よりも
低い熱応力で絶縁基板4が割れて分離するように、2組
の電力用半導体素子1a、1bと1c、1dの間の絶縁
基板4に、図4に示すように溝11を設ける。この溝1
1の断面は略V字型とし、また、溝11の深さ、つまり
溝11の最深部の絶縁基板4の肉厚は、絶縁基板4とベ
ースプレート7の間の接合材6の熱応力吸収限界値より
も低い熱応力が同接合材6に加わった時に絶縁基板4が
溝11の部分で割れ、接合材6に限界値以上の熱応力が
加わらないようにする深さ、肉厚とする。
In the third embodiment, two sets of low power semiconductor elements 1a, 1b and 1c, 1d are connected in parallel, so that the semiconductor element 1 Although the load per group can be reduced, the area of the insulating substrate 4 increases due to the increase in the types and the number of semiconductor elements. Therefore, two sets of power semiconductor elements 1a, 1b and 1c, 1d are so arranged that the insulating substrate 4 is broken and separated by a thermal stress lower than the thermal stress absorption limit of the bonding material 6 between the insulating substrate 4 and the base plate 7. A groove 11 is provided in the insulating substrate 4 between the two as shown in FIG. This groove 1
1 has a substantially V-shaped cross section, and the depth of the groove 11, that is, the thickness of the insulating substrate 4 at the deepest portion of the groove 11 is determined by the thermal stress absorption limit of the bonding material 6 between the insulating substrate 4 and the base plate 7. When the thermal stress lower than the value is applied to the bonding material 6, the insulating substrate 4 is cracked at the groove 11, and the depth and the thickness are set so that the thermal stress exceeding the limit value is not applied to the bonding material 6.

【0036】なお、分割後の2枚の絶縁基板4の面積が
同一となるように溝11を配設することによって、分割
後の各絶縁基板4に加わる熱応力がほぼ等しくなり、絶
縁基板4とベースプレート7の間の接合材6の熱応力に
対する信頼性をさらに向上させることができる。
By arranging the grooves 11 so that the areas of the two divided insulating substrates 4 are the same, the thermal stress applied to each divided insulating substrate 4 becomes substantially equal, and The reliability of the bonding material 6 between the substrate and the base plate 7 with respect to thermal stress can be further improved.

【0037】また、絶縁基板4を4枚に分割するように
3本の溝を形成し、電力用半導体素子1a〜1dを、3
本の溝により分割される絶縁基板ごとに1個ずつ配置す
るようにしてもよい。
Further, three grooves are formed so as to divide the insulating substrate 4 into four, and the power semiconductor elements 1a to 1d are
One insulating substrate may be arranged for each insulating substrate divided by the groove.

【0038】《発明の第4の実施の形態》図5は、第4
の実施の形態の電力用半導体モジュール(パワーモジュ
ール)の構造を示す上面図である。なお、このパワーモ
ジュールの断面の構造は図2に示す構造と同様であるか
ら図示を省略する。このパワーモジュールは、大電力I
GBT1aと大電力IGBT1bを逆並列に接続したパ
ワーモジュールであり、図1に示すU、V、W層の内の
1相分のIGBT(T1+T2)または(T3+T4)
または(T5+T6)に相当する。したがって、図1に
示すインバーター電力変換部を構成するためには、図5
に示すIGBTのパワーモジュールが3個と、ダイオー
ド(D1〜D6)のパワーモジュール(不図示)とが必
要となる。なお、ダイオードのパワーモジュールについ
ては説明を省略する。
<< Fourth Embodiment of the Invention >> FIG.
It is a top view which shows the structure of the power semiconductor module (power module) of Embodiment of this invention. The cross-sectional structure of this power module is the same as the structure shown in FIG. This power module has a high power I
This is a power module in which the GBT 1a and the high power IGBT 1b are connected in anti-parallel, and one phase IGBT (T1 + T2) or (T3 + T4) in the U, V, and W layers shown in FIG.
Or (T5 + T6). Therefore, in order to configure the inverter power converter shown in FIG.
Requires three IGBT power modules and a diode (D1 to D6) power module (not shown). The description of the diode power module is omitted.

【0039】この第4の実施の形態では、2個の半導体
素子(IGBT)1a、1bを逆並列に接続してインバ
ーター1相分の半導体素子(IGBT)のパワーモジュ
ールを形成したものであるが、半導体素子(IGBT)
1a、1bごとにパワーモジュールを形成する場合に比
べ、半導体素子数の増加によって絶縁基板4の面積が大
きくなる。そこで、絶縁基板4とベースプレート7の間
の接合材6の熱応力吸収限界よりも低い熱応力で絶縁基
板4が割れて分離するように、2個の電力用半導体素子
1aと1bの間の絶縁基板4に、図5に示すように溝1
1を設ける。この溝11の断面は略V字型とし、また、
溝11の深さ、つまり溝11の最深部の絶縁基板4の肉
厚は、絶縁基板4とベースプレート7の間の接合材6の
熱応力吸収限界値よりも低い熱応力が同接合材6に加わ
った時に絶縁基板4が溝11の部分で割れ、接合材6に
限界値以上の熱応力が加わらないようにする深さ、肉厚
とする。
In the fourth embodiment, two semiconductor elements (IGBTs) 1a and 1b are connected in antiparallel to form a power module of a semiconductor element (IGBT) for one phase of an inverter. , Semiconductor device (IGBT)
As compared with the case where a power module is formed for each of 1a and 1b, the area of the insulating substrate 4 is increased by increasing the number of semiconductor elements. Therefore, the insulation between the two power semiconductor elements 1a and 1b is separated so that the insulation substrate 4 is broken and separated by a thermal stress lower than the thermal stress absorption limit of the bonding material 6 between the insulating substrate 4 and the base plate 7. As shown in FIG.
1 is provided. The groove 11 has a substantially V-shaped cross section.
The depth of the groove 11, that is, the thickness of the insulating substrate 4 at the deepest portion of the groove 11 is such that a thermal stress lower than the thermal stress absorption limit of the bonding material 6 between the insulating substrate 4 and the base plate 7 is applied to the bonding material 6. When the insulating substrate 4 is applied, the insulating substrate 4 has a depth and a thickness so as to prevent the insulating material 4 from being cracked at the groove 11 and to apply a thermal stress exceeding the limit value to the bonding material 6.

【0040】この第4の実施の形態では、第1の実施の
形態の上述した効果に加え、次のような効果がある。イ
ンバーター電力変換部では、通常、直列に接続される1
相分の電力用半導体素子、例えば図1に示すT1とT
2、またはT3とT4、またはT5とT6が同時に導通
することはない。したがって、1相分の2個の電力用半
導体素子を1個のパワーモジュールにまとめることによ
って、放熱構造体を共用化でき、インバーター電力変換
部全体を小型化することができる。
The fourth embodiment has the following effects in addition to the above-described effects of the first embodiment. In the inverter power conversion unit, usually, 1 is connected in series.
Power semiconductor elements for the phases, for example, T1 and T shown in FIG.
2, or T3 and T4 or T5 and T6 do not conduct simultaneously. Therefore, by combining two power semiconductor elements for one phase into one power module, the heat dissipation structure can be shared and the entire inverter power conversion unit can be reduced in size.

【0041】また、第4の実施の形態では、2個の電力
半導体素子1a、1bを溝11を境にして線対象に配置
せず、互いにずらして配置する。これにより、絶縁基板
4とベースプレート7の間の接合材6に吸収限界値に近
い熱応力が加わった時に、溝11により区分される2枚
の絶縁基板4に互い違いの反りが発生し、絶縁基板4が
割れやすくなり、熱応力をすばやく確実に吸収すること
ができる。
Further, in the fourth embodiment, the two power semiconductor elements 1a and 1b are not arranged symmetrically with respect to the groove 11 but are shifted from each other. As a result, when thermal stress close to the absorption limit is applied to the bonding material 6 between the insulating substrate 4 and the base plate 7, the two insulating substrates 4 divided by the grooves 11 are alternately warped, and 4 are easily broken, and the thermal stress can be quickly and reliably absorbed.

【0042】なお、分割後の2枚の絶縁基板4の面積が
同一となるように溝11を配設することによって、分割
後の各絶縁基板4に加わる熱応力がほぼ等しくなり、絶
縁基板4とベースプレート7との間の接合材6の熱応力
に対する信頼性をさらに向上させることができる。
By arranging the grooves 11 so that the areas of the two divided insulating substrates 4 are the same, the thermal stress applied to each divided insulating substrate 4 becomes substantially equal, and The reliability of the bonding material 6 between the substrate and the base plate 7 with respect to thermal stress can be further improved.

【0043】《発明の第5の実施の形態》図6は第5の
実施の形態の電力用半導体モジュール(パワーモジュー
ル)の構造を示す上面図である。なお、このパワーモジ
ュールの断面の構造は図2に示す構造と同様であるから
図示を省略する。このパワーモジュールは、図2に示す
第1の実施の形態のパワーモジュールの電力用半導体素
子1aと1bを、溝11から遠ざけて絶縁基板4に配置
したものである。なお、電力用半導体素子1a、1bを
溝11から離して配置したこと以外は図2に示す第1の
実施の形態と同様であり、他の部分の説明を省略する。
<< Fifth Embodiment of the Invention >> FIG. 6 is a top view showing the structure of a power semiconductor module (power module) according to a fifth embodiment. The cross-sectional structure of this power module is the same as the structure shown in FIG. In this power module, the power semiconductor elements 1a and 1b of the power module according to the first embodiment shown in FIG. 2 are arranged on the insulating substrate 4 away from the groove 11. Except that the power semiconductor elements 1a and 1b are arranged apart from the groove 11, the configuration is the same as that of the first embodiment shown in FIG. 2, and the description of the other parts is omitted.

【0044】この第5の実施の形態によれば、第1の実
施の形態の上述した効果に加え、電力用半導体素子1
a、1bと溝11との間の距離を離すことによって、溝
11で絶縁基板4が割れて分離した時にその衝撃が電力
用半導体素子1a、1bに伝わりにくくなり、絶縁基板
分割時の半導体素子1a、1bの損傷を防ぎ、信頼性を
向上させることができる。
According to the fifth embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, the power semiconductor device 1
By increasing the distance between a and 1b and the groove 11, when the insulating substrate 4 is broken and separated by the groove 11, the impact is less likely to be transmitted to the power semiconductor elements 1a and 1b. 1a and 1b can be prevented from being damaged, and the reliability can be improved.

【0045】《発明の第6の実施の形態》図7は第6の
実施の形態の電力用半導体モジュール(パワーモジュー
ル)の構造を示し、図(a)は上面図、図(b)は図
(a)におけるD〜D断面図である。なお、図7(b)
ではバスバー8aとボンディングワイヤー9a、9bの
図示を省略する。このパワーモジュールは、図2に示す
第1の実施の形態のパワーモジュールの絶縁基板4の溝
11の代わりに、絶縁基板4に所定の径の通し穴12を
所定間隔で配設したものである。通し穴12の穴径と設
置間隔は、絶縁基板4とベースプレート7の間の接合材
6の熱応力吸収限界値よりも低い熱応力が同接合材6に
加わった時に絶縁基板4が通し穴12の列の部分で割
れ、接合材6に限界値以上の熱応力が加わらないように
する穴径と設置間隔とする。なお、溝11に代えて通し
穴12の列を絶縁基板4に設けたこと以外は図2に示す
第1の実施の形態と同様であり、他の部分の説明を省略
する。
<< Sixth Embodiment of the Invention >> FIG. 7 shows a structure of a power semiconductor module (power module) according to a sixth embodiment, wherein FIG. 7A is a top view, and FIG. It is DD sectional drawing in (a). FIG. 7 (b)
Here, illustration of the bus bar 8a and the bonding wires 9a and 9b is omitted. In this power module, through holes 12 having a predetermined diameter are provided at predetermined intervals in the insulating substrate 4 instead of the grooves 11 of the insulating substrate 4 of the power module according to the first embodiment shown in FIG. . The hole diameter of the through hole 12 and the installation interval are such that when a thermal stress lower than the thermal stress absorption limit value of the bonding material 6 between the insulating substrate 4 and the base plate 7 is applied to the bonding material 6, the insulating substrate 4 The hole diameter and the installation interval are set so that the joint material 6 is not cracked at the portion of the row and thermal stress exceeding the limit value is applied to the joining material 6. Except that the rows of through holes 12 are provided in the insulating substrate 4 instead of the grooves 11, the configuration is the same as that of the first embodiment shown in FIG. 2, and the description of the other parts is omitted.

【0046】この第6の実施の形態によれば、第1の実
施の形態の上述した効果に加え、絶縁基板4に溝11を
形成する場合の溝11の深さの管理、つまり溝11の最
深部の基板4の肉厚管理が不要となる。また、溝11の
形成をグリーンシートの状態で行う場合には焼成後の反
りが懸念されるが、通し穴12を設置するこの実施の形
態では反りを考慮する必要がなく、絶縁基板4の製造時
の歩留まりを良くすることができる。
According to the sixth embodiment, in addition to the above-described effects of the first embodiment, in addition to the management of the depth of the groove 11 when forming the groove 11 in the insulating substrate 4, that is, the formation of the groove 11 It is not necessary to control the thickness of the deepest substrate 4. When the grooves 11 are formed in a green sheet state, warpage after firing is a concern. However, in this embodiment in which the through holes 12 are provided, it is not necessary to consider warpage, and the manufacturing of the insulating substrate 4 is not required. The yield at the time can be improved.

【0047】なお、上述した各実施の形態において、溝
または通し穴列により分割される各絶縁基板には、複数
種類および/または複数個の電力用半導体素子を配置し
てもよい。
In each of the above-described embodiments, a plurality of types and / or a plurality of power semiconductor elements may be arranged on each of the insulating substrates divided by the groove or the row of through holes.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 インバーターの電力変換部の回路図である。FIG. 1 is a circuit diagram of a power converter of an inverter.

【図2】 第1の実施の形態の電力用半導体モジュール
の構造を示す図である。
FIG. 2 is a diagram illustrating a structure of a power semiconductor module according to the first embodiment.

【図3】 第2の実施の形態の電力用半導体モジュール
の構造を示す図である。
FIG. 3 is a diagram illustrating a structure of a power semiconductor module according to a second embodiment.

【図4】 第3の実施の形態の電力用半導体モジュール
の構造を示す図である。
FIG. 4 is a diagram illustrating a structure of a power semiconductor module according to a third embodiment.

【図5】 第4の実施の形態の電力用半導体モジュール
の構造を示す図である。
FIG. 5 is a diagram illustrating a structure of a power semiconductor module according to a fourth embodiment.

【図6】 第5の実施の形態の電力用半導体モジュール
の構造を示す図である。
FIG. 6 is a diagram illustrating a structure of a power semiconductor module according to a fifth embodiment.

【図7】 第6の実施の形態の電力用半導体モジュール
の構造を示す図である。
FIG. 7 is a diagram illustrating a structure of a power semiconductor module according to a sixth embodiment.

【図8】 従来の電力用半導体モジュールの構造を示す
図である。
FIG. 8 is a diagram showing a structure of a conventional power semiconductor module.

【図9】 従来の電力用半導体モジュールの問題点を説
明するための図である。
FIG. 9 is a diagram for explaining a problem of a conventional power semiconductor module.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1a〜1d 電力用半導体素子 2a〜2c 接合材 3a〜3c 導電膜 4 絶縁基板 5a〜5c 導電膜 6 接合材 7 ベースプレート 8a〜8c バスバー 9a〜9f ボンディングワイヤー 11、11a、11b 溝 12 通し穴 1a-1d Power semiconductor element 2a-2c Bonding material 3a-3c Conductive film 4 Insulating substrate 5a-5c Conductive film 6 Bonding material 7 Base plate 8a-8c Bus bar 9a-9f Bonding wire 11, 11a, 11b Groove 12 Through hole

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】複数の電力用半導体素子を1枚の絶縁基板
に接合し、さらに前記絶縁基板をベースプレートに接合
して積層した電力用半導体モジュールにおいて、 前記絶縁基板を複数枚に分割するための溝を前記絶縁基
板に形成し、前記溝により分割される絶縁基板ごとに少
なくとも1個の前記電力用半導体素子を配置することを
特徴とする電力用半導体モジュール。
1. A power semiconductor module in which a plurality of power semiconductor elements are bonded to one insulating substrate, and the insulating substrate is bonded to a base plate and laminated, wherein the insulating substrate is divided into a plurality of substrates. A power semiconductor module, wherein a groove is formed in the insulating substrate, and at least one power semiconductor element is arranged for each insulating substrate divided by the groove.
【請求項2】請求項1に記載の電力用半導体モジュール
において、 前記溝の最深部の前記絶縁基板の厚さを、前記絶縁基板
と前記ベースプレートの間の接合部の熱応力吸収限界値
よりも低い熱応力が前記接合部に加わった時に、前記絶
縁基板が前記溝の部分で割れる厚さとすることを特徴と
する電力用半導体モジュール。
2. The power semiconductor module according to claim 1, wherein the thickness of the insulating substrate at the deepest part of the groove is smaller than a thermal stress absorption limit value of a joint between the insulating substrate and the base plate. A power semiconductor module, characterized in that the insulating substrate has a thickness such that the insulating substrate breaks at the groove when a low thermal stress is applied to the joint.
【請求項3】複数の電力用半導体素子を1枚の絶縁基板
に接合し、さらに前記絶縁基板をベースプレートに接合
して積層した電力用半導体モジュールにおいて、 前記絶縁基板を複数枚に分割するための通し穴を所定間
隔で前記絶縁基板に形成し、前記通し穴の列により分割
される絶縁基板ごとに少なくとも1個の前記電力用半導
体素子を配置することを特徴とする電力用半導体モジュ
ール。
3. A power semiconductor module in which a plurality of power semiconductor elements are bonded to one insulating substrate, and the insulating substrate is bonded to a base plate and laminated, wherein the insulating substrate is divided into a plurality of substrates. A power semiconductor module, wherein through holes are formed in the insulating substrate at predetermined intervals, and at least one power semiconductor element is arranged for each insulating substrate divided by the row of through holes.
【請求項4】請求項3に記載の電力用半導体モジュール
において、 前記通し穴の穴径と設置間隔を、前記絶縁基板と前記ベ
ースプレートの間の接合部の熱応力吸収限界値よりも低
い熱応力が前記接合部に加わった時に、前記絶縁基板が
前記通し穴列の部分で割れる穴径および設置間隔とする
ことを特徴とする電力用半導体モジュール。
4. The power semiconductor module according to claim 3, wherein a diameter of the through hole and an interval between the through holes are smaller than a thermal stress absorption limit value of a joint between the insulating substrate and the base plate. A power semiconductor module having a hole diameter and an installation interval at which the insulating substrate is divided at the through-hole row portion when is applied to the bonding portion.
【請求項5】請求項1〜4のいずれかの項に記載の電力
用半導体モジュールにおいて、 前記溝または前記通し穴列から前記電力用半導体素子を
遠ざけて配置することを特徴とする電力用半導体モジュ
ール。
5. The power semiconductor module according to claim 1, wherein said power semiconductor element is disposed apart from said groove or said row of through holes. module.
【請求項6】請求項1〜4のいずれかの項に記載の電力
用半導体モジュールにおいて、 前記溝または前記通し穴列に対して線対象となる位置に
前記電力用半導体素子を配置しないことを特徴とする電
力用半導体モジュール。
6. The power semiconductor module according to claim 1, wherein said power semiconductor element is not arranged at a position which is a line object with respect to said groove or said row of through holes. Characteristic power semiconductor module.
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