JP2006253516A - パワー半導体装置 - Google Patents

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Japan
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semiconductor device
terminal
conductor plate
metal
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Yoshihiko Koike
義彦 小池
Yasushi Toyoda
靖 豊田
Katsuaki Saito
克明 斉藤
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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Abstract

【課題】
パワー半導体装置の端子と絶縁基板上の回路とを接続するハンダ部分の信頼性を高めること。
【解決手段】
本発明のパワー半導体装置は、端子の絶縁基板上の金属回路に接合する部分の厚さを、主電流が通流する端子の他の部分の厚さより薄くしたり、端子の絶縁基板上の金属回路に接合する部分をスリットで分割して、接合部にかかる応力を低減した。本発明のパワー半導体装置本発明によれば、ハンダ接続部の信頼性を向上し、モジュール内部の配線が短くできるので、配線抵抗を低くし、配線のインダクタンスも低くできる。
【選択図】図１

Description

本発明はパワー半導体装置に係り、特に大容量で高い信頼性を達成した高耐圧用パワー半導体装置のモジュール構造に関する。
従来から、ＩＧＢＴ、ダイオード、ＧＴＯ、パワーＭＯＳＦＥＴ等のパワー半導体素子を絶縁容器内に密封して構成したパワー半導体装置が知られている。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等に応用されている。中でもＩＧＢＴ素子は、電圧制御型の素子であり、制御が容易であること。大電流の高周波動作が可能であること等の利点を有している。また、多くの場合はモジュール底面金属基板と電流通電部がモジュール内部で電気的に絶縁された構造としており、インバータ装置への実装が容易になっていることもあり急速に応用範囲広がってきている。
これらの半導体装置の基本構成はモジュール内部の絶縁基板に半導体素子を搭載し、電流容量に応じてモジュール内部で並列する半導体素子数を増やして対応させる。モジュール内部で並列接続させた素子は金属端子によってモジュール外部へと接続させる。モジュール内部の気密性を確保するためには端子と樹脂パッケージを接着させるためモジュールを稼動時、あるいは保存時の環境温度によってモジュールの膨張収縮が発生する。このとき、モジュールに接続された端子も連動して動くため、接合部にストレスが発生して応力による接合部の劣化が生じる。
これらの応力を低減する方法としては、特許文献１に示すように、端子の一部にＳ字形またはコ字形に加工をして変形を吸収することにより端子接合部の応力を低減させる方法が取られてきた。また、モジュール内部の気密を必要としない場合は端子と樹脂部を接着させず端子とケース双方が独立して変形できる構造とすることで端子部へかかる応力を低減させることで接合部の寿命を確保していた。
特開昭６２−１０４０５８号公報（第２図と第３図の記載）
上記従来技術には以下のような問題点がある。モジュールの大電流化が進むとモジュール内部のチップ並列接続数を増やし対応するためモジュールの大型化が進み、熱ストレスによるモジュールの変形が大きくなる。モジュールが大型化した時の端子接合部にかかる応力を低減させるために従来の端子形状変形ではＳ字形の形状が大きくなり、端子の電圧ドロップや、端子内部のインダクタンスが増加する問題があった。
また、大電流化に伴い端子の通電による自己発熱を抑えるために端子厚さを厚くするか、端子幅を広くする構造となるが、いずれにしてもＳ字形の形状が大きくなり、同様な問題が発生していた。
本願発明の目的は、端子と絶縁基板上の回路とを接続するハンダ部分の信頼性を向上したパワー半導体装置を提供することである。
本発明のパワー半導体装置は、端子を絶縁基板上の金属回路に接合する部分の厚さを、端子に主電流が通流する他の部分より薄くしたり、端子の絶縁基板上の金属回路に接合する部分をスリットにより分割して、接合部にかかる応力を低減した。
本発明によれば、ハンダ接続部の信頼性を高くすることと、ＩＧＢＴモジュール内部の配線を低抵抗、低インダクタンス化にできるとともにモジュールを小型にできる。
以下、本願発明の詳細を図面を参照しながら説明する。
図１は本実施例のＩＧＢＴモジュール（以下、モジュールと略す。）の一部の断面図を示す。図１で、符号１０１は半導体スイッチング素子であるＩＧＢＴチップや還流ダイオードチップなどのシリコンの半導体素子を示し主電流がシリコンチップの厚さ方向に流れている、また、符号１０６は、ＡｌＮやアルミナなどのセラミックスからなる絶縁基板１０３の上下両面に金属箔回路１０４、１０５を配置した絶縁回路基板であり、１０２はチップ下のハンダ層、１０７はアルミワイヤ、１０８は絶縁基板下のハンダ層、１０９は金属ベース、１１０は端子、１１１は端子ブロック樹脂、１１２は端子ブロック、１１３は端子下のハンダ層、１１４は樹脂ケース、１１５は接着剤、１１６は端子のＳ字形応力緩和部、１１７は端子ハンダ接続部、１２０はシリコーンゲル、１２１はシリコーンゲルと端子ブロック樹脂との間に配置した空間部である。
本実施例のモジュールの製造手順を簡単に説明する。モジュール内部での絶縁性を確保するために、半導体素子１０１を、ハンダ層１０２を介して絶縁回路基板１０６上に接合する。モジュールの電流容量を大きい場合には、この半導体素子１０１を同一絶縁回路基板１０６上に複数個搭載してアルミワイヤ１０７を用いて並列接続するか、あるいは、複数枚の絶縁回路基板１０６をモジュール内部に並列に配置し接続する。半導体素子１０１を搭載した絶縁回路基板１０６は、ハンダ層１０８を介して、例えば無酸素銅や銅合金、Ａｌ−ＳｉＣやＣｕ−Ｍｏからなる複合材などの金属ベース１０９上に接合される。
モジュール内部の回路から外部への取出しの端子は、端子１１０とフタを構成する端子ブロック樹脂１１１とが一体で形成された端子ブロック１１２をセットし、端子１１０と絶縁回路基板１０６をハンダ層１１３で接合する。これらの構造の端子１１０は、一般的に電気抵抗が小さく、熱伝導率が大きいニッケルメッキされた無酸素銅や銅合金などの金属導体板を使用する。
この後、モジュールの外周を構成する樹脂ケース１１４を接着剤１１５で金属ベース１０９と接合し、モジュール内部の半導体素子１０１とアルミワイヤ１０７と端子１１０との絶縁を確保するために、シリコーンゲル１２０を注入する。この時、シリコーンゲル１２０のモジュール内での熱膨張を吸収するためモジュール内部上面に空間部１２１を設ける。最後にモジュール内部の気密性を確保するために端子ブロック樹脂１１１と樹脂ケース１１４との間を接着剤１１５で密封させモジュールを完成させる。
本実施例のモジュールは、内部の機密性を確保するために端子１１０と端子ブロック樹脂１１１とが一体成型されて端子ブロック１１２になっている。そのために、モジュールへの熱ストレスによる膨張収縮で、端子１１０と絶縁回路基板１０６と間のハンダ層１１３に上下、左右の変形力が加わる。この時、端子１１０の一部に設けたＳ字形応力緩和部１１６が変形して変位を吸収し、端子１１０と絶縁回路基板１０６とを接合しているハンダ層１１３にかかる応力を低減させる。
さらに、端子ハンダ接続部１１７の厚さｔ２を、端子１１０の他の部分の厚さｔ１より薄くしたので、端子１１０の熱変形によるハンダ層１１３への応力を低減できる。本実施例の端子ハンダ接続部１１７のこのような形状は、端子１１０を端子ブロック樹脂１１１と一体成型する前に、端子１１０のプレス加工工程を追加することで容易に実現できる。
図２に端子ハンダ接続部１１７の詳細を示す。図２（ａ）は比較のための従来技術の構造を示すものである。図２（ａ）では、この従来技術の構造では、端子ハンダ接続部１１７の端子１１０の厚さが、端子１１０の他の部分、例えばＳ字形応力緩和部１１６の厚さｔ１と同じであるので、ハンダ層１１３への応力を低減させるためには、Ｓ字形応力緩和部１１６の長さＬ１を十分長くする。
一方、図２（ｂ）に示す本実施例では、端子ハンダ接続部１１７での端子１１０の厚さｔ２が、端子１１０の他の部分、例えばＳ字形応力緩和部１１６の厚さｔ１より薄い構造なので、端子１１０自体と絶縁回路基板１０６の線熱膨張係数差により発生する応力を低減できる。このため、熱ストレスに対する信頼性を同じにするために必要なＳ字形応力緩和部１１６の長さをＬ２まで短くできる。
この時の端子ハンダ接続部１１７の端子１１０の厚さｔ２は、例えば、端子１１０の他の部分の厚さｔ１の８０％から２０％の厚さ、好ましくは、６５％から３５％の厚さとすると端子１１０自体の膨張、収縮による応力を低減する効果がある。端子１１０の厚さｔ２が、端子１１０の他の部分の厚さｔ１の厚さの８０％を越えると前記応力の低減効果が小さくなり、また、端子１１０の他の部分の厚さｔ１の厚さの２０％未満では電流集中による発熱や、機械的な強度低下が現れ、好ましくない。
また、端子ハンダ接続部１１７の端子１１０の厚さｔ２が、端子１１０が絶縁回路基板１０６に接合する折り曲げ部分の略長方形の短辺の長さより小さな値であっても良い。
なお、本実施例では、端子ハンダ接続部１１７で、端子の厚さｔ２が薄くなっても、主電流２０１が絶縁回路基板１０６上で横方向に広がるために、電流集中により異常発熱が起こることがない。
図２（ｃ）は、本実施例の別の形態である。図２（ｃ）に示すように、端子ハンダ接続部１１７の厚さを薄くし、さらに端子ハンダ接続部１１７に幅ｄのスリット２０２を入れたことが図２（ｂ）と異なる。このように、スリット２０２を配置したので、ハンダ層１１３のハンダが、このスリットに毛管現象で入り込む。このことで、電流容量の大きなモジュールに見られるように接合面積の増加に伴い増加する応力を、スリット２０２間にあるハンダで吸収できるので、同じ信頼性を確保するために必要なＳ字形応力緩和部１１６の長さがさらにＬ３まで短くできる。また、図２（ｃ）に示す構造を採用することにより端子の総延長長さに比例する端子抵抗や、端子インダクタンスを低減することが可能となる。
なお、図２（ｃ）に示すスリット２０２は１本でもよいし、複数本でも良いが、スリットに入ってくるハンダとハンダ接続部１１７の機械強度との兼ね合いで、多くとも５本のスリットがあればよく、１本から３本あれば十分である。また、図２（ｃ）に示すスリットの長さｍは、図２(ｃ)の高さｈの８０％以下、好ましくは７５％以下が良く、８０％を越えるとスリットにハンダが入りきらず、応力の吸収と機械強度の何れもが小さくなる。
また、端子１１０はその先端がスリット２０２で開口していてもよいし、閉じていてもよい。さらに、スリット２０２はひとつづきの形状であってもよいし、途中をタイバーで遮られた形状であてもよい。
図３にＳ字形応力緩和部の長さとハンダ接続部の応力との関係の解析結果を示す。図３のグラフａは、Ｓ字形応力緩和部１１６の長さがＬ１で、端子１１０の厚さがｔ１で一定の場合のハンダ層１１３にかかる応力を示す。この応力を１とすると、Ｓ字形応力緩和部１１６の長さが同じ場合、ハンダ接続部１１７の厚さｔ２を１／２に低減した図３のグラフｂでは、ハンダ層１１３の応力は約８０％に低減し、さらに、ハンダ接続部１１７に図２（ｃ）に示すスリット２０２を追加すると、応力をさらに１０％低減させることができる。
また、図３のグラフａに示すように、Ｓ字形応力緩和部１１６の長さがＬ１で、端子１１０の厚さがｔ１で一定の場合のハンダ層１１３にかかる応力を１とした場合に、端子ハンダ接続部１１７の厚さｔ２を１／２に低減した図３のグラフｂに示すように、Ｌ１の５６％の長さのＬ２で応力が１になる。同様に、スリット２０２を追加した場合は、図３のグラフｃに示すように、Ｌ１の４０％の長さのＬ３で、応力が１になる。
本実施例では、これらの構造を採用しているので、ハンダ接合部の応力を一定の許容範囲に収めるために必要なＳ字形応力緩和部１１６の長さＬ１や、モジュール内部に占める空間を低減することができ、加えてモジュール内部の端子形状や、アルミワイヤレイアウトの自由度が増加する。それにより、１台のモジュール内部に複数の電位差を持った回路を容易に構成できる。
図４に本実施例を示す。図４は、モジュール内部の配線に本発明を適用した場合を示す。図１の実施例１との相違点は、実施例１の半導体素子１０１と、絶縁基板１０３上の金属箔回路１０４間の配線をアルミワイヤ１０７に代えて、金属端子４０３で接続したことである。金属端子４０３を用いた金属配線回路を使用することで、アルミワイヤ１０７に比べて接続部分の面積を大きくすることができるので、より接合部の信頼性を向上させることができる。この時の金属端子４０３に電気抵抗が小さく、熱伝導率が大きいニッケルメッキされた無酸素銅、タフピッチ銅などを使用する。半導体素子１０１と金属端子４０３とは、ハンダ層４０１、４０２を介して接合する。この時、金属端子４０３の無酸素銅の線熱膨張係数（α＝１７×１０-6／℃）と熱膨張係数差の大きい半導体素子１０１（α＝３×１０-6／℃）側の厚さｔ３を図４に示す部分の厚さｔ４より薄くして信頼性を向上している。図４では、半導体素子１０１側のみを薄くしているが、ハンダ層４０２を介して金属箔回路１０４に接続している部分の厚さも同様に薄くしてもよい。
本実施例でも、実施例１と同様なスリットを、金属端子４０３の半導体素子１０１との接合部や、金属端子４０３の金属箔回路１０４との接合部に配置してもよい。
本発明の断面図。 本発明の端子部詳細。 本発明の端子部ベンド長さとハンダ応力との関係。 本発明のチップ、基板間配線実施例断面図。
符号の説明
１０１…半導体素子、１０２、１０８、１１３、４０１、４０２…ハンダ層、１０３…絶縁基板、１０４、１０５…金属箔回路、１０６…絶縁回路基板、１０７…アルミワイヤ、１０９…金属ベース、１１０…端子、１１１…端子ブロック樹脂、１１２…端子ブロック、１１４…樹脂ケース、１１５…接着剤、１１６…Ｓ字形応力緩和部、１１７…端子ハンダ接続部、１２０…シリコーンゲル、１２１…空間部、２０１…主電流、２０２…スリット、４０３…金属端子。

Claims (12)

  1. 底面に金属基板を備え、側面部と上面部とが有機樹脂で囲まれ、内部に複数の電力半導体素子を搭載し、前記底面の金属基板と電力半導体素子との間に絶縁回路基板を配置し、金属導体板の一端を折り曲げて前記絶縁回路基板に接合部材を介して接続した内部絶縁型のパワー半導体装置において、
    該金属導体板が他端を外部導体に接続する金属端子であって、前記一端と他端との間に複数の屈曲部を有する応力緩和部を備え、前記絶縁回路基板に接続している一端の厚さが、該応力緩和部の厚さより薄いことを特徴とするパワー半導体装置。
  2. 請求項１に記載のパワー半導体装置において、前記金属導体板の前記折り曲げた一端の端子面が長方形を成し、該一端の厚さが該長方形の短辺の長さより薄いことを特徴とするパワー半導体装置。
  3. 請求項１に記載のパワー半導体装置において、前記金属導体板の他端と応力緩和部との間の部材が前記上面部を囲む樹脂と一体に形成され、前記電力半導体素子がＩＧＢＴであることを特徴とするパワー半導体装置。
  4. 請求項３に記載のパワー半導体装置において、前記絶縁回路基板に接続している一端をプレス加工で薄くしたことを特徴とするパワー半導体装置。
  5. 底面に金属基板を備え、側面部と上面部とが有機樹脂で囲まれ、内部に複数の電力半導体素子を搭載し、前記底面の金属基板と電力半導体素子との間に絶縁回路基板を配置し、金属導体板の一端を折り曲げて前記絶縁回路基板に接合部材を介して接続した内部絶縁型のパワー半導体装置において、
    該金属導体板が他端を外部導体に接続する金属端子であって、前記一端と他端との間に複数の屈曲部を有する応力緩和部を備え、前記絶縁回路基板に接続している一端がスリット部によって分割されていることを特徴とするパワー半導体装置。
  6. 請求項５に記載のパワー半導体装置において、前記金属導体板の一端の厚さが、該応力緩和部の厚さより薄いことを特徴とするパワー半導体装置。
  7. 請求項５に記載のパワー半導体装置において、前記金属導体板の一端に、スリット部の開口部があることを特徴とするパワー半導体装置。
  8. 請求項５に記載のパワー半導体装置において、前記スリット部が前記金属導体板の一端と前記屈曲部を有する応力緩和部との間にも延在していることを特徴とするパワー半導体装置。
  9. 請求項６に記載のパワー半導体装置において、前記金属導体板の他端と応力緩和部との間の部材が前記上面部を囲む樹脂と一体に形成され、前記電力半導体素子がＩＧＢＴであることを特徴とするパワー半導体装置。
  10. 底面に金属基板を備え、側面部と上面部とが有機樹脂で囲まれ、内部に複数の電力半導体素子を搭載し、前記底面の金属基板と電力半導体素子との間に絶縁回路基板を配置し、金属導体板の一端を折り曲げて前記絶縁回路基板に接合部材を介して接続し、該金属導体板の他端を折り曲げて前記電力半導体素子に別の接合部材を介して接続した内部絶縁型のパワー半導体装置において、
    前記金属導体板が前記一端の屈曲部と他端の屈曲部との間の部材の厚さより、前記電力半導体素子に接続した他端の厚さが薄いことを特徴とするパワー半導体装置。
  11. 請求項１０に記載のパワー半導体装置において、前記電力半導体素子に接続した他端がスリット部によって分割されていることを特徴とするパワー半導体装置。
  12. 請求項１１に記載のパワー半導体装置において、前記金属導体板の一端に、前記スリット部の開口部があることを特徴とするパワー半導体装置。
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