JP2004235566A - 電力用半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】外囲ケース6に組合せた金属ベース板1の上に少なくとも一枚以上の絶縁基板2を搭載し、該絶縁基板上に形成した回路パターン2aにIGBT(パワー半導体チップ)3をマウントした上で、IGBT3,絶縁基板の回路パターン2a,および外部接続端子11の相互間に内部配線を施した組立構造になる電力用半導体装置において、外部接続端子11の導体板を超音波接合,熱圧着などの直接金属接合法によりIGBT3の表面電極(エミッタ電極), 絶縁基板の回路パターンに直接接合して引き出す。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力変換用インバータ装置に適用するIGBTモジュールなどを実施対象とした電力用半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
頭記したIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) モジュールを例に、ケース内に2組のIGBTを内装し、ボンディングワイヤにより内部配線した電力用半導体装置の従来構成を図5(a) 〜(c) に示す。なお、(a) 図は外囲ケースを省略した主要部の平面図、(b) は外囲ケースと組合せた組立構造の断面側視図、(c) は等価回路図である。
図において、1は放熱板兼用の金属ベース板、2は金属ベース板1の上に左右に並置搭載して半田接合した絶縁基板(図示の絶縁基板2は、絶縁板2aの表裏両面に回路パターン2b,裏面銅板2cを直接接合したDirect Bonding Copper 基板) 、3は絶縁基板2の回路パターン2bに半田マウントしたIGBT、4はIGBT3に並置して並列接続したFWD(フリーホイーリングダイオード)、5は半田接合部、6は金属ベース板1に組合せた外囲ケース(樹脂ケース)、7は外囲ケース6に一体成形して外部に引き出した主回路の外部接続端子、8はIGBT3の表面電極(エミッタ電極),FWD4の表面電極(アノード電極)と絶縁基板2の回路パターン2aとの間,左右に並ぶ絶縁基板2の回路パターン2aの間,および回路パターン2aと外部接続端子7との間に配線して主回路を形成するボンディングワイヤ(φ300〜400μmのAlワイヤ)、9はゲート用の外部接続端子、10はIGBT3のゲート電極とゲート端子9との間を接続するボンディングワイヤである。なお、図示してないが外囲ケース6の内部にはシリコーンゲルなどを充填して回路部品を樹脂封止している。
【0003】
一方、電力用半導体装置の内部配線構造について、パワー半導体チップの表面電極から外部接続端子を引出し、また内部配線用のボンディングワイヤを導体板に変更した上で、半田付けあるいは導電性樹脂(接着剤)により接合してモジュールの通電容量,放熱性の増大化および配線インダクタンスの低減化を図るようにした構成のパワー半導体装置も知られている(例えば、特許文献1,特許文献2参照。)。
【0004】
【特許文献1】
特開平8−8395号公報
【特許文献2】
特開平11−17087号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
最近の電力用半導体装置は、電流容量が増大化する傾向にある一方で、パワーサイクル試験の熱ストレスに対する耐久,信頼性の向上に加えて、組立性の改善,パッケージの小型化, コスト低減化が要求されている。
かかる点、特許文献1,特許文献2のように、主回路の配線部材としてジュール発熱が大きいワイヤを導電板に変更することにより、通電容量の増大化と併せて、図5に示したワイヤ配線方式に見られるワイヤ接合部の熱ストレスによる剥離,配線インダクタンスの増加を改善できる利点があるが、一方では組立性の面で次記のような問題点が残る。
【0006】
すなわち、ワイヤボンディング方式(例えば超音波ボンディング法)は室温での接合が可能であるほか、接合に要する時間も僅か数百msec 程度で済む。これに対して、配線部材の導体板を半田付け接合するには、パワー半導体チップを含む回路組立体を炉内温度250〜300℃程度の加熱炉に搬入して半田付けを行う必要があり、実際の工程では半田付けに少なくとも15分程度の時間が掛かって組立工程のスループットが低くなるほか、半田接合部に残留応力が残る問題もある。さらに、接合材に導電接着剤を使用すると、接合部の電気抵抗,熱抵抗が増大するほか、接合強度も低下する。
【0007】
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、ワイヤを導電板に代えた内部配線方式の利点を生かしつつ、室温での接合,および接合作業時間の大幅な短縮化が図れ、しかも電気的,機械的に安定した接合が得られるような配線構造を採用した電力用半導体装置を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明によれば、外囲ケースに組合せた金属ベース板の上に少なくとも一枚以上の絶縁基板を搭載し、該絶縁基板上に形成した回路パターンにパワー半導体チップをマウントした上で、パワー半導体チップ,絶縁基板の回路パターン,および外部接続端子の相互間に内部配線を施した組立構造になる電力用半導体装置において、
(1) パワー半導体チップの表面電極に外部接続端子を直接金属接合法により直接接合する(請求項1)。
【0009】
(2) 絶縁基板の回路パターンと外部接続端子との間を接続する内部配線部材を導体板として、該導体板を直接金属接合法により相手側部材に直接接合する(請求項2)。
(3) 金属ベース板上に並置搭載した複数枚の絶縁基板の相互間でその回路パターンの間,および回路パターンとパワー半導体チップの表面電極との間を接続する内部配線部材を導体板として、該導体板を直接金属接合法により相手側部材に直接接合する(請求項3)。
(4) 前項(1) 〜(3) の構成を組合せものとし、外部接続端子を含めて半導体装置の主回路を形成する各配線部材を導体板として、各導体板を直接金属接合法により相手側部材に直接接合する(請求項4)。
【0010】
上記のように半導体装置の主回路を形成する内部配線について、従来のボンディングワイヤを導体板に代えた上で、超音波接合法,あるいは熱圧着法などによる直接金属接合法を採用して導体板を相手部材に直接接合することにより、室温での接合が可能となって熱的な残留応力の発生も殆どなく、またその接合に要する時間も僅か数百msecの短時間で高速接合できて、組立工程のスループットが向上する。しかも、半田付け,導電性接着剤による接合法のように接合箇所に接合部材が介在しないので接合部の電気抵抗が低くなり、また高い伝熱性も確保できて半導体装置の動作特性が向上する。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図1〜図5に示す実施例に基づいて説明する。なお、実施例の図中で図5に対応する部材には同一符号を付してその説明は省略する。
〔実施例1〕
図1は本発明の請求項1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、IGBT(パワー半導体チップ)3の表面電極(エミッタ)に、平角導体板で作られた外部接続端子11を超音波接合あるいは熱圧着の直接金属接合法により直接接合して引き出している。
【0012】
次に発明者等が行った外部接続端子11の超音波接合について述べる。すなわち、最大定格50A,サイズ6mm□のIGBT3に対して、外部接続端子11を厚さ1mm,幅5mmのCu材で作られた平角導体板で形成し、先端に形成した脚部(5mm□)の接合面をIGBT3の表面電極(厚さ5〜20μmのAl電極膜で形成したエミッタ電極)に当てがい、ウエッジツールに加える周波数20KHz,押圧荷重40Kgf,接合時間0.3secの条件で超音波接合し、両者が電気的, 機械的に安定よく接合できることを確認した。
また、前記の超音波接合法とは別に、IGBT3の表面電極および外部接続端子11の接合面を表面粗さ100nm程度までCMP(化学的機械的研磨)装置で研磨し、さらに不活性ガスの雰囲気内で活性化,清浄処理して表面粗さ10nm以下の平滑面に仕上げた上で、IGBTの表面電極面に外部接続端子の接合面を型ね合わせて加熱圧着することで、前記と同様にIGBT3の表面電極に外部接続端子11を直接金属接合できることを確認した。
【0013】
この場合に、外部接続端子11を半導体チップの表面電極と同じ金属材料とすれば、線膨張係数差による熱応力発生のない配線構造が可能となる。
なお、図示実施例では、絶縁基板2の回路パターン2aに接合して引き出した外部接続端子(コレクタ端子)11にについても、前記と同様に直接金属接合法により回路パターン2aに接合している。
〔実施例2〕
図2は本発明の請求項2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、外囲ケース6に一体成形したケース端子構造になる主回路の外部接続端子(コレクタ端子)7とIGBT3をマウントした絶縁基板2の回路パターン2aとの間を接続する配線部材として、図5(b) に示したボンディングワイヤ8の代わりに厚さ1mm,幅5mmの導体板(Cu)12を採用し、この導体板12の両端接合面を相手側部材の上に重ね合わせて先記実施例1と同様に超音波接合あるいは熱圧着の直接金属接合法により直接接合して主回路を形成している。
【0014】
なお、この実施例おいて、外部接続端子(エミッタ端子)11は実施例1と同様に直接金属接合法によりIGBT3の表面電極に直接接合している。
〔実施例3〕
次に、本発明の請求項3を含めた請求項4に対応する実施例として、図5(c) に示したアーム回路を構成する2個組IGBTモジュールの配線構造を図3,図4に示す。なお、図3は平面図、図4は図3の側視展開図である。
この実施例では、図5(a) と同様に金属ベース板1に2枚の絶縁基板2を左右に並置して搭載し、かつ各絶縁基板2の回路パターン2aにはそれぞれIGBT3,FWD4をマウントした上で、その相互間を次記のように配線して外部接続端子9,11を引き出している。なお、図中における各外部接続端子には、その端子記号C1,C2E1,E2,G1,G2を併記している。
【0015】
すなわち、モジュールの主回路を形成する配線構造に関して、図示実施例では図5(a),(b) の従来構造における主回路のボンディングワイヤ8を導体板12に置き換えた上で、各導体板および外部接続端子を先記実施例と同様に超音波接合あるいは熱圧着の直接金属接合法により相手側部材に直接接合して回路を組立てるようにしている。すなわち、各枚の絶縁基板2ごとにIGBT3の表面電極(エミッタ電極)とFWD4の表面電極(アノード電極)とを導体板12により並列接続し、金属ベース板1の上に並置搭載した絶縁基板2の相互間では、導体板12を介して回路パターン2aの間を直列接続している。また、主回路の外部接続端子(C1),(C2E1)は絶縁基板2の回路パターン2aに接合し、外部接続端子(E2) は導体板12の上面に接合して引き出すようにしている。
【0016】
上記の構成によれば、図5に示した従来のワイヤ配線方式と比べて、通電容量の増大,配線インダクタンスの低減のほか、パッケージの小型化も可能となる。また、先記の特許文献1に開示されている半田接合方式と比べて、接合時間の大幅な短縮、並びに室温での接合が可能で接合部に生じる残留応力を軽減できる。さらに、特許文献2に開示されている導電接着剤による接合と比べても、直接金属接合では接合部材を介さないので、電気抵抗,熱抵抗が低減し、接合強度が高まる。
【0017】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば主回路の配線部材をワイヤから導体板に代えた上で、該導体板を直接金属接合法により相手側部材に接合したことにより、通電容量の増大,配線インダクタンスの低減化が図れるとともに、室温での接合が可能となって熱的な残留応力の発生も殆どなく、またその接合に要する時間も僅か数百msecの短時間で接合できて組立工程のスループット性が向上する。しかも、半田付け,導電性接着剤による接合法のように接合箇所に接合部材が介在しないので接合部の電気抵抗が低く、高い伝熱性も確保できて半導体装置の動作特性の向上化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1に対応する半導体装置の内部配線構造を表す断面図
【図2】本発明の実施例2に対応する半導体装置の内部配線構造を表す断面図
【図3】本発明の実施例3に対応する半導体装置の内部配線構造を表す平面図
【図4】図3の側視展開図
【図5】ワイヤ配線方式を採用した従来の半導体装置の内部配線構造を表す図で、(a) は外囲ケースを省略した平面図、(b) は(a) の矢視X−X断面図、(c) は等価回路図
【符号の説明】
1 金属ベース板
2 絶縁基板
2a 回路パターン
3 IGBT(パワー半導体チップ)
4 FWD
6 外囲ケース
11 主回路の外部接続端子
12 導体板(主回路の配線部材)
Claims (4)
- 外囲ケースに組合せた金属ベース板の上に少なくとも一枚以上の絶縁基板を搭載し、該絶縁基板上に形成した回路パターンにパワー半導体チップをマウントした上で、パワー半導体チップ,絶縁基板の回路パターン,および外部接続端子の相互間に内部配線を施した組立構造になる電力用半導体装置において、
パワー半導体チップの表面電極に外部接続端子を直接金属接合法により直接接合したことを特徴とする電力用半導体装置。 - 外囲ケースに組合せた金属ベース板の上に少なくとも一枚以上の絶縁基板を搭載し、該絶縁基板上に形成した回路パターンにパワー半導体チップをマウントした上で、パワー半導体チップ,絶縁基板の回路パターン,および外部接続端子の相互間に内部配線を施した組立構造になる電力用半導体装置において、
絶縁基板の回路パターンと外部接続端子との間を接続する内部配線部材を導体板として、該導体板を直接金属接合法により相手側部材に直接接合したことを特徴とする電力用半導体装置。 - 外囲ケースに組合せた金属ベース板の上に少なくとも一枚以上の絶縁基板を搭載し、該絶縁基板上に形成した回路パターンにパワー半導体チップをマウントした上で、パワー半導体チップ,絶縁基板の回路パターン,および外部接続端子の相互間に内部配線を施した組立構造になる電力用半導体装置において、
金属ベース板上に並置搭載した複数枚の絶縁基板の相互間でその回路パターンの間,および回路パターンとパワー半導体チップの表面電極との間を接続する内部配線部材を導体板として、該導体板を直接金属接合法により相手側部材に直接接合したことを特徴とする電力用半導体装置。 - 外囲ケースに組合せた金属ベース板の上に少なくとも一枚以上の絶縁基板を搭載し、該絶縁基板上に形成した回路パターンにパワー半導体チップをマウントした上で、パワー半導体チップ,絶縁基板の回路パターン,および外部接続端子の相互間に内部配線を施した組立構造になる電力用半導体装置において、
外部接続端子を含めて半導体装置の主回路を形成する各配線部材を導体板として、各導体板を直接金属接合法により相手側部材に直接接合したことを特徴とする電力用半導体装置。
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