JP2007311441A - パワー半導体モジュール - Google Patents
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Abstract
【解決手段】デバイスの上下に低熱膨張のセラミック基板を配置し、セラミック基板間に熱膨張率10ppm /K以下の部材を配置した構成とした。さらには、デバイスの周囲に熱膨張率2〜8ppm/Kの無機部材を配置した構成とした。
【選択図】図1
Description
(特許文献1)。このパワー半導体モジュールの冷却は絶縁基板の下に配置された冷却体によって行われる。
170℃〜250℃の高温になった場合でも、パワーデバイスの接合部に加わる引張方向の熱応力を低減すると同時に、冷却体の押し付け力で発生するパワーデバイスヘの押圧力を低減し、高信頼のパワー半導体モジュールを提供できるのである。
(b)は上側セラミック配線基板のデバイス側の面の金属パターンを透視した図、(c)は上側配線基板と樹脂を除去したときの上面図、(d)は下側配線基板の上面図である。図において、低熱膨張セラミック基板3の上下にCuからなる金属パターン4,5,6が形成されたセラミック配線基板8の上にIGBTチップ1とダイオードチップ2が
SnSbAgCuからなる高温半田17で接合されている。金属パターン4,5,6の表面には厚さ約5μmの無電解Ni−Pめっきが施され、各チップのAl電極の表面にも同様の無電解Ni−Pめっきが施されている。無電解Ni−Pめっき同士がSn−35Sb−11Ag−9Cuの合金で接合された構造となっている。これらチップの上側の電極はTi/Niの層を介して、下と同様のSnSbAgCuからなる高温半田で上側の低熱膨張セラミック基板9に形成されたCuからなる金属パターン10に接合されている。金属パターン上には下側と同様に無電解Ni−Pめっきが施されている。各チップの周囲には、Si3N4セラミックからなり上下面にTi/Niのメタライズが施された絶縁性の無機部材13,14,15,16がセラミック配線基板8,12に挟まれた空間を埋めるように配置され、両配線基板の金属パターンに各チップの接合材と同じSnSbAgCu高温半田で接合されている。Si3N4セラミックの熱膨張率は約3ppm /Kで、IGBTやダイオードチップの熱膨張率とほぼ同等である。上下のセラミック配線基板の金属パターンには、外部入出力端子としてCuからなる金属リード(入力端子,制御端子,出力端子)21,22,23が接合されている。熱膨張率が10ppm /K以下となるように低熱膨張の無機フィラーを高い比率で配合した熱硬化性のモールド樹脂が、金属リードの一部とセラミック配線基板の外側の金属パターン6,11の面が露出状態で形成されている。IGBTチップの回路側の電極は主電極26と制御電極25からなっており、それぞれの電極は絶縁分離されたそれぞれの金属パターン4,5に接合されている。図2は、図1のパワー半導体モジュールを上から見た図である。樹脂でモールドされた上面には無電解Ni−Pめっきされた金属パターン11が表面に露出し、入力端子21,制御端子22,出力端子
23が樹脂から突き出すように形成されている。図3は、図2のパワー半導体モジュールを2個組合わせて、直流を変動波形に変換するインバータ構成を示す。この構成を2組用意すれば、直流電流を交流電流に変換するインバータ装置が得られる。
Ni−Pめっきが施されている。金属パターン64,65の上には、IGBTチップとダイオードチップが1対ずつ接合して搭載され、それぞれのチップを挟むようにSi3N4の無機部材62が配置されて接合・搭載されている。その上には、1対のチップと無機部材を覆う小さい寸法のセラミック配線基板75が配置され、チップおよび無機部材が配線基板75の金属パターン72に接合されている。チップ上のセラミック配線基板75の下側の金属パターンは、セラミック基板71からはみ出すように形成された導体部材73,
76によって、下側のセラミック配線基板70の金属パターンに接続されている。また、下側の基板の金属パターンには外部入出力端子としての金属リード77,78,79,
80,81が接合されている。下側のセラミック配線基板の片側には、上側のセラミック配線基板をわずかに覆うような高さまで、熱膨張率が10ppm /K以下となるように調整された熱硬化性のモールド樹脂が形成されている。
250℃以上に上げることが可能で、高耐熱性のパワー半導体モジュールを提供することができる。また、外の冷却体を強い力で押し付けてもデバイスの周囲に配置した無機部材が圧力を支えてくれるため、デバイスが損傷することを防止できるのである。また、パワー半導体モジュールの接合体と気密容器の金属部材とが接合されないため、両者の熱膨張率の差により発生する熱応力によってモジュールが損傷することがなく、250℃以上の高温域まで使用可能で、かつ高信頼のパワー半導体モジュールを提供できるのである。
Claims (15)
- 回路面に形成された主電極と制御電極と、回路面とは反対側の面に形成された裏面電極とを有するパワー半導体デバイスと、
セラミック基板の両面に金属パターンが形成され、該金属パターンと前記パワー半導体デバイスの裏面電極とが接合されたセラミック配線基板と、
セラミック基板の両面に金属パターンが形成され、該金属パターンと前記パワー半導体デバイスの主電極及び制御電極とが接合されたリード部材と、
前記セラミック配線基板のパワー半導体デバイスと接合されていない側の金属パターン及び前記リード部材のパワー半導体デバイスと接合されていない側の金属パターンが外部に露出するように、前記セラミック配線基板,パワー半導体デバイス及びリード部材を封止する熱膨張率が10ppm /K以下のモールド樹脂とを有することを特徴とするパワー半導体モジュール。 - 前記セラミック配線基板と前記リード部材との間に熱膨張率2〜6ppm /Kの絶縁性の部材が配置されていることを特徴とする請求項1に記載のパワー半導体モジュール。
- 前記絶縁性の部材の前記セラミック配線基板と対向する面、及び、前記絶縁性の部材の前記リード部材と対向する面にそれぞれ金属層が形成され、該金属層と前記セラミック基板及びリード部材がはんだ材により接合されていることを特徴とする請求項2に記載のパワー半導体モジュール。
- 前記絶縁性の部材の厚みが前記パワー半導体デバイスの厚みとほぼ同等であることを特徴とする請求項2に記載のパワーモジュール。
- 前記配線基板と前記裏面電極、並びに、前記リード部材と主電極および制御電極とが前記金属パターンの材質よりも高い降伏強度を有し、融点が260℃以上のはんだ材により接合されていることを特徴とする請求項1に記載のパワー半導体モジュール。
- 前記はんだ材がSnSbAgCuはんだであることを特徴とする請求項5に記載のパワー半導体モジュール。
- 前記配線基板およびリード部材を構成するセラミック基板がSi3N4であることを特徴とする請求項1に記載のパワー半導体モジュール。
- 前記セラミック配線基板と同等の寸法を有するセラミック基板が、前記モールド樹脂に埋設されるか、又は、モールド樹脂の上に接着されていることを特徴とする請求項1に記載のパワー半導体モジュール。
- セラミック基板の両面に金属パターンが形成されたセラミック配線基板と、少なくとも1個のパワー半導体デバイスと、熱膨張率が2〜8ppm /Kで絶縁性の無機部材と、熱膨張率が10ppm /K以下のモールド樹脂部材とを備え、前記セラミック配線基板が前記デバイスの上下に配置され、前記デバイスの上下の電極が上下の金属パターンに固相温度
260℃以上の合金相で接合され、前記半導体デバイスの周囲に前記無機部材が配置され、前記セラミック配線基板間の空間が前記モールド樹脂部材で充填されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。 - 請求項9に記載のパワー半導体モジュールにおいて、パワー半導体デバイスの回路面側の主電極と制御電極に熱膨張率が10ppm /K以下の低熱膨張金属部材が接合され、前記デバイスとセラミック配線基板間、および、前記低熱膨張金属部材ともう一方のセラミック配線基板間が金属パターンの材質の降伏強度より高い機械的特性を有する合金層で接合されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
- 請求項9に記載のパワー半導体モジュールにおいて、前記パワー半導体デバイスを中心に上下の構成部材が略対称構造となっていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
- セラミック基板の両面に金属パターンが形成されたセラミック配線基板と、少なくとも1個のパワー半導体デバイスと、熱膨張率が2〜8ppm /K以下で絶縁性の無機部材と、無機の絶縁材料で電気的に遮断された複数の電気入出力部を有する気密容器と、絶縁性の気体あるいは液体の冷媒とから成り、前記セラミック配線基板が前記パワー半導体デバイスの上下に配置され、電極と金属パターンが融点260℃以上の合金層で接合され、前記半導体デバイスの周囲に前記無機部材が配置され、それらの構成部材が前記気密容器に内蔵され、その気密容器内に前記冷媒が充填され、前記金属パターンと前記電気入出力部が電気的に接続された構造となっていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
- 請求項12に記載のパワー半導体モジュールにおいて、セラミック配線基板の上下に位置する気密容器の構成部材が厚さ1mm以上のCuまたはAlを主要構成元素とする金層板から成ることを特徴とするパワー半導体モジュール。
- 請求項12に記載のパワー半導体モジュールを高熱伝導板を挟んで積層し、上下端に配置した高熱伝導板を介して押圧力を加えて組立てたことを特徴とするインバータ装置。
- 請求項14に記載のインバータ装置において、高熱伝導板とパワー半導体モジュールの間に低降伏応力の高熱伝導部材を配置したことを特徴とするインバータ装置。
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