JP2005116702A - Power semiconductor module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、発熱性の半導体素子を絶縁基板上に構成された回路パターンに接合して構成されるパワー半導体モジュールに関する。 The present invention relates to a power semiconductor module configured by bonding a heat-generating semiconductor element to a circuit pattern formed on an insulating substrate.
近年、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)モジュールなどのパワー半導体モジュールのパッケージ構造は、図8に示すようなケース構造と呼ばれるものが主流となっている。同図(A)は、そのIGBTモジュールの主要部を表す平面図であり、同図(B)は、そのA−A断面に相当する矢視断面図である。 In recent years, a package structure of a power semiconductor module such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) module has been mainly used as a case structure as shown in FIG. FIG. 2A is a plan view showing the main part of the IGBT module, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the line AA.
これらの図に示されるように、IGBTモジュールは、ヒートシンク111,絶縁基板112及び半導体素子113を半田114により一体的に接合して、この一体となった構造物を樹脂成形されたケース115に接着し、さらに配線用の複数のワイヤ116を接続することにより構成されている。そして、これら絶縁基板112,半導体素子113及びワイヤ116を水分,湿気,塵などから保護するために、ケース115内はゲル117で封止されている。
As shown in these drawings, in the IGBT module, the
このIGBTモジュールの電気的接続については、同図に示すように、半導体素子113の表面電極にワイヤ116がボンディングされる一方、裏面電極が絶縁基板112上の回路パターン118(主にCuで構成)に半田接合されている。また、複数の回路パターン118の間や、各回路パターン118と外部電極用端子119との間にもワイヤ116がボンディングされ、電気的な接続が確保されている。
As for the electrical connection of the IGBT module, as shown in the figure, the
しかしながら、ワイヤ116による電気配線では半導体素子113で発生した熱を放熱させる作用が少ない。また、半導体素子113で発生した熱は絶縁基板112にて拡散してヒートシンク111に伝導されて放熱されるが、特に半導体素子113の中央部は端部に比べて発生した熱が絶縁基板112内で広がり難い。このため、実使用時に半導体素子113の中心部の温度が極端に上昇し、パワー半導体モジュールの性能及び信頼性を低下させてしまうといった問題があった。
However, the electrical wiring using the
こうした中、例えば半導体素子の表面電極に金属板を接合し、この金属板を介して半導体素子で発生した熱を放熱する技術が提案されている(例えば特許文献1)。
しかしながら、上記特許文献には、導電性の良い金属板を用いるとあるのみで、放熱に関するその金属板の具体的特性については触れられておらず、どの程度の放熱効果があるかについても開示されていない。 However, the above-mentioned patent document only uses a metal plate with good electrical conductivity, and does not touch on the specific characteristics of the metal plate with respect to heat dissipation, and discloses how much heat dissipation is effective. Not.
一方、上記問題を解決するためには、パワー半導体モジュールにおいて電流のオン/オフにより温度負荷が繰返される実使用時に生じる半田接合部の歪みを低減させ、その半田接合部の電気的安定性(電流の流れの均一化),熱的な性能(表面温度分布の均一化)と、その長期信頼性を確保する必要がある。そして、その長期信頼性を確保するためには、半導体素子の表面温度の低減、さらにその面内温度分布の均一化を如何に実現するかが課題となる。 On the other hand, in order to solve the above problem, in the power semiconductor module, distortion of the solder joint that occurs during actual use in which the temperature load is repeated due to current on / off is reduced, and the electrical stability (current) of the solder joint is reduced. And the long-term reliability of the thermal performance (uniform surface temperature distribution). And in order to ensure the long-term reliability, it becomes a subject how to implement | achieve reduction of the surface temperature of a semiconductor element, and also uniformization of the in-plane temperature distribution.
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、半導体素子の表面温度の低減、及びその面内温度分布の均一化を実現できるパワー半導体モジュールを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of these points, and an object of the present invention is to provide a power semiconductor module that can reduce the surface temperature of a semiconductor element and make the in-plane temperature distribution uniform.
本発明では上記問題を解決するために、絶縁基板の表面に形成された回路パターンの所定位置に半導体素子をロー付接合して構成されるパワー半導体モジュールにおいて、前記半導体素子の前記絶縁基板とは反対側に形成された表面電極に、前記半導体素子の熱伝導率以上の熱伝導率を有する高熱伝導体をロー付接合したことを特徴とするパワー半導体モジュールが提供される。 In the present invention, in order to solve the above problem, in a power semiconductor module configured by brazing a semiconductor element to a predetermined position of a circuit pattern formed on the surface of the insulating substrate, the insulating substrate of the semiconductor element is defined as A power semiconductor module is provided in which a high thermal conductor having a thermal conductivity equal to or higher than the thermal conductivity of the semiconductor element is brazed to a surface electrode formed on the opposite side.
ここでいう「ロー付接合」には、半田接合その他のロー材による接合が含まれる。また、絶縁基板やこれに接合される半導体素子は一つであっても複数含まれていてもよい。
このようなパワー半導体モジュールによれば、高熱伝導体により半導体素子で発生した熱を一時的に保留し、半導体素子の表面温度の上昇を抑制することができる。特に、高熱伝導体の熱伝導率が半導体素子の熱伝導率以上になっているため、その発生熱を速やかに伝導させて温度抑制効果を発揮させることができる。
Here, “joining with brazing” includes joining by soldering or other brazing material. In addition, the insulating substrate and the semiconductor element bonded thereto may be one or plural.
According to such a power semiconductor module, it is possible to temporarily hold the heat generated in the semiconductor element by the high thermal conductor and suppress an increase in the surface temperature of the semiconductor element. In particular, since the thermal conductivity of the high thermal conductor is equal to or higher than the thermal conductivity of the semiconductor element, the generated heat can be conducted quickly and the temperature suppressing effect can be exhibited.
一般的には、半導体素子の熱伝導率は100W/m・K程度のものがほとんどであるため、高熱伝導体として、その熱伝導率が100W/m・K以上であるものを選択するのが好ましい。 In general, most of the semiconductor devices have a thermal conductivity of about 100 W / m · K. Therefore, a high thermal conductor having a thermal conductivity of 100 W / m · K or more is selected. preferable.
この場合、高熱伝導体における半導体素子の表面電極との接合面積が大きいほど熱伝導が良くなり、半導体素子の表面温度の低減効果を発揮する傾向にあるが、発明者らの解析により、ある接合面積以上になるとその効果が収束する傾向にあることが分かった。すなわち、後述する実施の形態でも述べるように、その接合面積が半導体素子の中心部を含め表面電極全体の面積の40%以上となるように構成するとよい。 In this case, the larger the bonding area with the surface electrode of the semiconductor element in the high thermal conductor, the better the heat conduction, and the effect of reducing the surface temperature of the semiconductor element tends to be exerted. It turns out that the effect tends to converge when the area is exceeded. That is, as described in the embodiments described later, the junction area may be 40% or more of the total area of the surface electrode including the central portion of the semiconductor element.
同様に、発明者らの解析により、高熱伝導体の厚みが、半導体素子の厚みと、半導体素子との間に介装されるロー材の厚みとを合計した厚み以上となるように構成されていると、高熱伝導体による温度抑制効果を大きく発揮させることができる。具体的には、後述する実施の形態から、高熱伝導体の厚みが0.25mm以上となるように構成されるのが好ましい。 Similarly, according to the analysis by the inventors, the thickness of the high thermal conductor is configured to be equal to or greater than the sum of the thickness of the semiconductor element and the thickness of the brazing material interposed between the semiconductor element. When it is, the temperature suppression effect by a high heat conductor can be exhibited largely. Specifically, it is preferable that the thickness of the high thermal conductor is 0.25 mm or more from the embodiments described later.
さらに、高熱伝導体が、半導体素子と絶縁基板の回路パターンとを接続する電気伝導体を構成するようにしてもよい。
このように構成すれば、高熱伝導体において半導体素子から受け取った熱を、絶縁基板側に伝導して放熱することができ、半導体素子の表面温度の速やかな低減を実現することができる。
Further, the high thermal conductor may constitute an electrical conductor that connects the semiconductor element and the circuit pattern of the insulating substrate.
If comprised in this way, the heat received from the semiconductor element in the high thermal conductor can be conducted and radiated to the insulating substrate side, and a rapid reduction of the surface temperature of the semiconductor element can be realized.
例えば、高熱伝導体をリードフレームとして構成することができ、その厚みが最小となる部分の厚さが0.25mm以上となるように構成すれば、表面温度の良好な低減効果が得られる。 For example, a high thermal conductor can be formed as a lead frame, and if the thickness of the portion where the thickness is minimized is 0.25 mm or more, a good effect of reducing the surface temperature can be obtained.
本発明のパワー半導体モジュールによれば、高熱伝導体により半導体素子での発生熱を保留することができるため、その半導体素子の表面温度を低減させることができる。その結果、半導体素子の表面の温度勾配が小さくなり、その面内温度分布の均一化を実現することができる。 According to the power semiconductor module of the present invention, the generated heat in the semiconductor element can be retained by the high thermal conductor, so that the surface temperature of the semiconductor element can be reduced. As a result, the temperature gradient on the surface of the semiconductor element is reduced, and the in-plane temperature distribution can be made uniform.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
[第1の実施の形態]
まず、本発明の第1の実施の形態について説明する。尚、本実施の形態のパワー半導体モジュールは、半導体素子としてIGBTを用いたものであり、図1はそのパワー半導体モジュール(IGBTモジュール)の構造を表す断面図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[First Embodiment]
First, a first embodiment of the present invention will be described. In addition, the power semiconductor module of this Embodiment uses IGBT as a semiconductor element, FIG. 1 is sectional drawing showing the structure of the power semiconductor module (IGBT module).
図1に示すように、本実施の形態のパワー半導体モジュール1は、長方形板状の絶縁基板11の表面に形成された回路パターン12の所定位置に、複数の発熱性の半導体素子13(IGBT:本実施の形態では熱伝導率約85W/m・K)を半田51を介して半田接合して構成されている(図8(a)と同様)。尚、図1においては、その複数の半導体素子13の一つが表示されている。
As shown in FIG. 1, the
絶縁基板11の裏面には、この絶縁基板11よりも大きな長方形板状の銅(Cu)板からなるヒートシンク14が半田52を介して半田接合されており、そのヒートシンク14の上端縁に沿って半導体素子13を取り囲むように、樹脂成形されたケース15が接着されている。ケース15の内壁には外部接続端子として、エミッタ用端子21やコレクタ用端子22等が設けられており、それぞれ複数本のアルミワイヤ31,32等を介して絶縁基板11の回路パターン12に電気的に接続されている。
A
半導体素子13の表面電極は、図示しないアルミ(Al)で成膜されているが、無電解Ni/Auめっき処理を施しているため、半田接合が可能となっている。そして、半導体素子13の絶縁基板11とは反対側に形成された表面電極には、低電気抵抗率で高熱伝導率を有する銅からなる長方形板状の高熱伝導体20が半田53を介して半田接合されている。この高熱伝導体20は、半導体素子13の表面に形成されたエミッタ電極に接続されており、その上面にはエミッタ電流を絶縁基板11側に流すアルミワイヤ33の一端がボンディングされ、その他端が回路パターン12に接続されている。半導体素子13の裏面にはコレクタ電極が形成されており、半田51を介して絶縁基板11の回路パターン12に接続されている。
Although the surface electrode of the
また、半導体素子13の表面にはゲート電極も形成されており、このゲート電極と回路パターン12とをつなぐアルミワイヤ34がボンディングされている。このゲート電極と電気的に接続される回路パターン12の部分からは、さらにアルミワイヤ35が延出しており、その先端がケース15の内壁に設けられた図示しないゲート用端子に接続されている。つまり、各アルミワイヤによって電気配線が形成されている。
A gate electrode is also formed on the surface of the
さらに、これら絶縁基板11,半導体素子13,高熱伝導体20及び各アルミワイヤを水分,湿気,塵などから保護するために、ケース15内はゲル17で封止されている。
次に、本実施の形態の高熱伝導体20を設けたことによる温度低減効果について説明する。図2は、FEM(有限要素法)による解析結果であり、高熱伝導体20の接合面積と半導体素子13の表面温度との関係を示している。同図において、横軸は、半導体素子13の表面電極の面積(活性面積)に対する高熱伝導体20の接合面積の比率(%)を表し、縦軸は、半導体素子13の表面温度(℃)を表している。
Further, the inside of the
Next, the temperature reduction effect by providing the high
このFEM解析の解析条件としては、高熱伝導体20を厚さ1.0mm,熱伝導率390W/m・Kの銅で形成し、半導体素子13を一辺9.25mm,厚さ100μmの正方形板状のものとした。また、半導体素子13の発生熱量を160W,パワー半導体モジュール1の周囲温度を25℃、冷却については強制空冷とした(以下の解析についても全て同条件である)。
As analysis conditions for this FEM analysis, the high
同図によれば、高熱伝導体20の接合面積が大きいほど表面温度を低減できることが分かり、特に、高熱伝導体20の接合面積が半導体素子13の表面電極の面積に対する面積比で40%以上であれば、表面温度を大幅(15℃以上)に低減できることが分かる。また、同面積比が40%以上になると、その表面温度が収束していることも分かる。
According to the figure, it can be seen that the surface temperature can be reduced as the junction area of the high
次に、図3は、上述した接合面積比(図2参照)が78%の場合と、0%の場合(つまり、高熱伝導体20が無い場合)についての半導体素子13の表面の温度分布を示している。同図において、横軸は、半導体素子13の表面における幅方向の位置(一端縁からの距離)を表し、縦軸は、その表面温度(℃)を表している。
Next, FIG. 3 shows the temperature distribution on the surface of the
同図によれば、半導体素子13の表面電極に高熱伝導体20を半田接合した場合のほうが、高熱伝導体20を接合していない場合に比べてその半導体素子13の表面温度が大きく低下していることが分かる。また、高熱伝導体20を接合した場合のほうが表面温度分布の差が小さく、表面温度分布が均一化される傾向にあることが分かる。
According to the figure, the surface temperature of the
次に、図4は、高熱伝導体20の厚さを変化させた場合の表面温度の変化を示している。同図において、横軸は、高熱伝導体20の厚さ(mm)を表し、縦軸は、表面温度(℃)を表している。
Next, FIG. 4 shows changes in the surface temperature when the thickness of the high
同図によれば、高熱伝導体20の厚さが0.25mm以上のときに特に表面温度の低減効果が大きいことが分かる。
以上に説明したように、本実施の形態のパワー半導体モジュール1は、高熱伝導体20により半導体素子13で発生した熱を一時的に保留し、半導体素子13の表面温度の上昇を抑制することができる。特に、高熱伝導体20の熱伝導率が半導体素子13の熱伝導率よりも大きいため、その発生熱を速やかに伝導させて温度抑制効果を発揮させることができる。
According to the figure, it can be seen that the effect of reducing the surface temperature is particularly great when the thickness of the high
As described above, the
その結果、半導体素子13と絶縁基板11との接合部の熱応力による歪を低減することもでき、信頼性の高い接合が可能となる。
[第2の実施の形態]
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。図5は、本実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの構造を表す断面図である。尚、本実施の形態は、高熱伝導体の構成を除けば上記第1の実施の形態の構成と同様であるため、同様の構成部分については同一の符号を付す等してその説明を省略する。
As a result, distortion due to thermal stress at the joint between the
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 5 is a cross-sectional view showing the structure of the power semiconductor module according to the present embodiment. Since the present embodiment is the same as the configuration of the first embodiment except for the configuration of the high thermal conductor, the same components are denoted by the same reference numerals and the description thereof is omitted. .
図5に示すように、本実施の形態のパワー半導体モジュール201においては、高熱伝導体220を二股のリードフレーム(電気伝導体)として構成している。その材質は銅(Cu)であり、第1の実施の形態と同様である。
As shown in FIG. 5, in the
すなわち、高熱伝導体220は、上記高熱伝導体20と同形状の本体221の側方に、半田54を介して絶縁基板11の回路パターン12に電気的に接続されるリードフレーム部222を有している。この本体221とリードフレーム部222とはその上端縁が架橋部223によって接続されている。
That is, the high
次に、本実施の形態の高熱伝導体220を設けたことによる放熱効果について説明する。図6は、FEMによる解析結果であり、高熱伝導体220の厚さと半導体素子13の表面温度との関係を示している。同図において、横軸は、高熱伝導体220において厚みが最小となる架橋部223の厚さ(mm)を表し、縦軸は、半導体素子13の表面温度(℃)を表している。尚、このFEM解析の解析条件については、高熱伝導体220の形状を除いて第1の実施の形態の場合と同様である。
Next, the heat radiation effect by providing the high
同図によれば、架橋部223が厚くなるほど表面温度が低下することが分かる。尚、信頼性試験の一つであるパワーサイクル試験では、表面温度が5℃下がると接合部の寿命は2倍になると推定される(例えば富士時報 Vol.74, No.2, pp145-148, 2001)。
According to the figure, it can be seen that the surface temperature decreases as the bridging
ここで、同図において、高熱伝導体220を設けない場合(架橋部223の厚みが0)と比較して、表面温度が5℃程度低減される厚さは0.25mm程度ということになる。このため、架橋部223の厚さが0.25mm以上あれば、パワー半導体モジュール201の寿命を大きく延ばすことができることが分かる。
Here, in the same figure, the thickness at which the surface temperature is reduced by about 5 ° C. is about 0.25 mm as compared with the case where the high
次に、図7は、高熱伝導体220による半導体素子13の小型化の可能性を検討した解析結果である。すなわち、本実施の形態において、仮に従来のワイヤボンディング配線(アルミワイヤのみで高熱伝導体220がない場合)と同様の表面温度を許容した場合に、半導体素子13をどの程度小型化できるかを検証したものである。
Next, FIG. 7 is an analysis result of examining the possibility of miniaturization of the
ここでは、高熱伝導体220の半導体素子13の表面電極の面積に占める接合面積の面積比を80%、高熱伝導体220の本体221の厚さを1.0mmとし、架橋部223の厚さを0.05〜1.0mmで変化させて解析を行った。
Here, the area ratio of the bonding area occupying the area of the surface electrode of the
同図によれば、架橋部223の厚さを0.25mm以上にすることで、従来の半導体素子の大きさの80%以下にすることができ、つまり20%以上の小型化が可能なことが分かる。さらに、架橋部223の厚さを0.5mmとすると、30%程度の小型化が可能となることが分かる。これは、本発明を利用することで、省スペースに対応したパワー半導体モジュールも提供可能であることを示している。
According to the figure, by setting the thickness of the bridging
以上に説明したように、本実施の形態のパワー半導体モジュール201は、二股のリードフレームとして構成した高熱伝導体220により、半導体素子13で発生した熱を絶縁基板11側に伝導して放熱することができ、半導体素子13の表面温度をより速やかに低減することができる。その結果、半導体素子13と絶縁基板11との接合部の熱応力による歪を低減することもでき、信頼性の高い接合が可能となる。
As described above, the
また、仮に半導体素子13の温度低減を意図しない場合でも、その温度上昇の抑制効果を利用することで、半導体素子13の小型化を可能にし、省スペース化を実現することができる。
Even if the temperature of the
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はその特定の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の精神の範囲内での変化変形が可能であることはいうまでもない。 The preferred embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to the specific embodiment, and it can be changed and modified within the spirit of the present invention. Not too long.
例えば、上記実施の形態では、高熱伝導体20,220として銅からなるものを示したが、低電気抵抗率で高熱伝導率を有するものとして、銀(Ag)やアルミニウム(Al)等の他の金属からなるものや、このような金属を含有した導電性セラミック等からなるものでもよい。
For example, in the above embodiment, the high
また、上記第2の実施の形態では、高熱伝導体220を二股のリードフレームとして構成した例を示したが、三股以上のリードフレームとして構成することもできる。
In the second embodiment, the example in which the high
発熱性の半導体素子を備えたパワー半導体モジュールであって、その半導体素子の温度上昇の抑制が要求されるものに対して適用することができる。 The present invention can be applied to a power semiconductor module including a heat-generating semiconductor element that requires suppression of a temperature rise of the semiconductor element.
1,201 パワー半導体モジュール
11 絶縁基板
12 回路パターン
13 半導体素子
14 ヒートシンク
15 ケース
20,220 高熱伝導体
31,32,33,34,35 アルミワイヤ
51,52,53,54 半田
221 本体
222 リードフレーム部
223 架橋部
1,201
Claims (7)
前記半導体素子の前記絶縁基板とは反対側に形成された表面電極に、前記半導体素子の熱伝導率以上の熱伝導率を有する高熱伝導体をロー付接合したことを特徴とするパワー半導体モジュール。 In a power semiconductor module configured by brazing a semiconductor element at a predetermined position of a circuit pattern formed on the surface of an insulating substrate,
A power semiconductor module, wherein a high thermal conductor having a thermal conductivity equal to or higher than that of the semiconductor element is brazed to a surface electrode formed on the opposite side of the semiconductor element from the insulating substrate.
The power semiconductor module according to claim 6, wherein the high thermal conductor is configured as a lead frame, and a thickness of a portion where the thickness is minimum is 0.25 mm or more.
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