JP2007335767A - 半導体パワーモジュール用部品接続端子 - Google Patents

Abstract

【課題】従来、パワーモジュール用部品のＣｕ電極リード端子等は、大電流が流れるので、内部にある程度大きなボイドが存在すると、瞬時の加熱の繰り返し等で内圧がかかり、事故に繋がる恐れがある。従って、確実に危険な大きなボイドは排除することが必須である。
【解決手段】本発明ではボイドがトラップされるリード電極面の中央部に穴を空け、この穴の煙突効果を利用してガスを上部に滑らかに放出するようにし、上記課題を解決したものである。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体パワーモジュール用部品接続端子に係り、特に、半導体パワーモジュール用Ｃｕ電極リード端子，シャント抵抗等の部品リード端子，ジャンパー線端子等の大面積端子をＰｂフリーはんだのリフローでボイド低減化を目的とした半導体パワーモジュール用部品接続端子に関する。

従来、半導体パワーモジュール用部品のＣｕ電極リード端子接続用はんだは、ぬれ性に優れるＳｎ−３７Ｐｂ共晶はんだが用いられていたので、Ｃｕ電極リード，シャント抵抗等の大面積部品端子部の接続においては、ボイド形成による課題はなかった。

ところが、環境の問題で半導体パワーモジュール用部品のＣｕ電極リード端子，シャント抵抗等の後付け用はんだはＰｂフリー化が必須となった。

Ｓｎ−３７Ｐｂ共晶はんだ代替用として、Ｓｎ系はんだが表面実装等に活発に使用されるようになり、国内では民生，通信，コンピュータ等の広範囲の分野において、Ｓｎ−
３Ａｇ−０.５Ｃｕが代表的組成として使用されている。

これらの分野の表面実装においては、一般に端子面積が小さい部品を対象にしているため、ボイドは逃げ易く内部に止まり難い状況にある。従来のＳｎ−３７Ｐｂ共晶はんだに比べれば、若干、ボイド率が上昇してもプロセス，フラックスの改良等で解決している。

特開２００４−１６５２８１号公報

パワーモジュール用部品のＣｕ電極リード端子，シャント抵抗端子，ジャンパー線端子等の接続は、後付けになるので、量産性，コストを考慮し、表面実装と同様はんだペーストを用いたリフローが用いられる。Ｃｕ電極リード，シャント抵抗，ジャンパー線等には大電流が流れるので、内部にある程度大きなボイドが存在すると、瞬時の加熱の繰り返し等で、内圧がかかり、事故に繋がる恐れがある。従って、確実に危険な大きなボイドは排除することが必須である。

Ｓｎ−３Ａｇ−０.５Ｃｕはんだでリフローすると、ＣｕもしくはＮｉめっきに対するぬれ拡がり性は良くなく、印刷した箇所のみがぬれる状態である。ぬれ拡がり性はリフロー温度が上昇しても殆ど改良される余地は少ない。従って、ぬれ性は悪く、継手面積が大きいと、はんだ自体の表面張力が高いこともあり、ボイドをスムーズに放出できず、最終的には大きなボイドとなって電極端子中央部に取り残される状況にある。

そこで、本発明は、上記課題をクリアするため、パワーモジュール用Ｃｕ電極リード端子，シャント抵抗端子，ジャンパー線端子等に対して、ある程度のプロセス的ばらつきが存在しても、確実に危険なボイドを排除するための半導体パワーモジュール用部品接続端子を提供することを目的とする。

Ｐｂフリーはんだを用いた大面積電極面を有する部品リード継手部のボイドは、図１に示すような位置に発生する。ボイドがトラップされる位置はリード電極面の中央部で安定しており、そこを中心とした穴を空けることで、穴による表面積密度が増し、表面エネルギーにより周囲のボイドが集まり易く、煙突効果でガスは上部に滑らかに放出される。

従来方式で、内部に残ったボイドを無理に放出させると、Ｓｎ系はんだの表面張力は強く、放出後の継手部形状が、ガスの瞬時の放出により乱れ、フィレット部の不安定な形状になるが、本発明では、ガスはスムーズに抜けるので、はんだ形状に影響を与えるようなボイドはなくなり、フィレット部も安定した形状を示す。

確実に危険なボイドを排除するという目的を簡単な構成で実現した。

図２はパワーモジュールの外観と、搭載された主端子リード２，ジャンパー線８の端子等を接続した例である。通常の接続プロセスを以下に示す。

Ｓｉチップ５の接続は、Ｐｂ−５Ｓｎ高温はんだ箔（融点；３１０〜３１４℃）を用い、不活性雰囲気でＮｉめっきされたセラミック絶縁基板７の電極１５上に高温はんだ１で接続される。更に、Ｓｉチップ５を搭載したセラミック絶縁基板７裏面のＮｉめっきされた電極１５とＣｕベース基板４との間に、変形性に優れる低温系Ｐｂフリーはんだ９箔
（例えばＳｎ−３Ａｇ−０.５Ｃｕ−５Ｉｎ (融点；２０３〜２１２℃)）を置いて、同様に不活性雰囲気、もしくは真空はんだ付けで接続する。

その後、デイスペンサー等で電極１５の端子部にＳｎ−３Ａｇ−０.５Ｃｕ はんだ（融点；２１７〜２２１℃）３ペーストを供給し、接続面に穴加工した主端子リード２の端子，部品端子，ジャンパー線８の端子等を位置決め搭載後、電気炉でｍａｘ２４０前後の窒素もしくはエアーでリフローを行う。洗浄後、Ａｌ線ワイヤボンド６等を行い、ケース
１３内にシリコーンゲル１０を充填する。

はんだ付け後の主端子リード２の断面と平面のモデルを図１と図５の（ａ）及び（ｂ）に示す。

図５（ａ）と（ｂ）は、ボイド１１が存在する穴なしの従来型リードの場合で、主端子リード２の中央部下にボイド１１がトラップされた状態で存在する。

図１（ａ）と（ｂ）は、本発明の主端子リード２にガス抜き用の穴１２を設けた場合の例で、はんだ付け時に発生したボイドは表面エネルギーが多い穴方向に集まり、はんだ付けの早い段階で大きなボイドは放出される。後からボイドが発生しても、圧力の低い側の穴上部に放出されることになる。

ここでは、主端子リード２の電極部は幅方向に長いので (ここで用いた電極寸法；
ｔ０.６×２×３)、穴１２は、パンチングで幅方向の楕円穴(狭い部分；φ１.２×０.７)とした。穴加工は、成型時のパンチングに限定されるものではなく、レーザ等を用いても良い。

図３は、穴１２の形状を接続面側を末広にした例を示し、Ｓｎ−３Ａｇ−０.５Ｃｕ はんだ３中のボイド（ガス）１１は、穴１２を通ってスムーズに流れる。穴１２の表面は滑らかでも、荒れていても良い。穴１２の寸法・形状はリードの曲げ，ねじり等の剛性に悪影響を及ぼさない程度にバランスをとる必要がある。また、はんだ付け部の温度サイクルに対する信頼性への悪影響はない。

図４（ａ）及び（ｂ）はジャンパー線８，シャント抵抗１４を接続した平面図及び断面図である。端子部面積が大きいので、はんだはデイスペンサーでの供給が可能である。また、Ｐｂフリーはんだのぬれ拡がり性は少ないので、ペーストを供給した箇所以外へのぬれ拡がりによる悪影響は少ない。

以上説明した各実施例のリード形状は、リードの型形成時に同時に穴あけ作業が可能であり、コストアップにはならない。また、はんだ付けプロセスの改良では、大きなボイドを高い確率で排除することは容易ではないが、本実施例のリードを用いることで、大きなボイドを確実に避けることができる。

本発明の一実施例であるリードの穴有によるボイドへの影響を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。 本発明一実施例のリードを採用した半導体パワーモジュールを示す断面図である。 本発明のリードにおけるボイド放出例を示す断面図である。 本発明のリードを用いたシャント抵抗，ジャンパー線を搭載した半導体パワーモジュールを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。 従来例であるリードの穴無によるボイドへの影響を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。

符号の説明

１…Ｐｂ−５Ｓｎ高温はんだ、２…主端子リード、３…Ｓｎ−３Ａｇ−０.５Ｃｕ はんだ、４…Ｃｕベース基板、５…Ｓｉチップ、６…Ａｌ線ワイヤボンド、７…セラミック絶縁基板、８…ジャンパー線、９…低温系Ｐｂフリーはんだ、１０…シリコーンゲル、１１…ボイド、１２…穴、１３…ケース、１４…シャント抵抗、１５…電極、１６…デインプル穴。

Claims (3)

1. 少なくとも半導体パワーモジュール用Ｃｕ電極リード端子，部品リード端子，ジャンパー線端子をＰｂフリーはんだで接続するものにおいて、
   前記半導体パワーモジュール用Ｃｕ電極リード端子の接続面，部品リード端子の接続面、及びジャンパー端子の接続面の長手中央部近傍に上下を貫通する穴が設けられたことを特徴とする半導体パワーモジュール用部品接続端子。
2. 請求項１に記載の半導体パワーモジュール用部品接続端子において、
   前記各端子の接続面に、該接続面の寸法長の長い方向に沿って楕円穴を設けたことを特徴とする半導体パワーモジュール用部品接続端子。
3. 請求項１又は２に記載の半導体パワーモジュール用部品接続端子において、
   前記穴は、前記各端子の接続面側で広がっていることを特徴とする半導体パワーモジュール用部品接続端子。
   

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