JP2008218940A - Power module and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体チップの発熱に対する冷却機能を有するパワーモジュールおよびその製造方法に関する。 The present invention relates to a power module having a cooling function against heat generation of a semiconductor chip and a method for manufacturing the same.
図8は、従来のIGBTチップを搭載したパワーモジュールの構造を示す断面図である。同図に示すように、CuMo等により構成されている放熱基板101の主面側には、放熱基板101に、半田層102により固定されたAl板104と、Al板104の主面にAlろうによって固定されたAlN板106と、AlN板106の主面にAlろうによって固定されたAl配線108と、Al配線108の上に、半田層109により固定された半導体チップ120とを備えている。また、放熱基板101の裏面側には、グリース112によりフィン付きのヒートシンク113が取り付けられている。上記Al板104,AlN板106およびAl配線108は、DBA基板として一体的に用いられている。
FIG. 8 is a cross-sectional view showing the structure of a power module on which a conventional IGBT chip is mounted. As shown in the figure, on the main surface side of the
このように、Al板104,AlN板106およびAl配線108をDBA基板(絶縁層を含む配線部材)として用いたパワーモジュールの構造は、たとえば、特許文献1に記載されている(同文献の図5参照)。
しかしながら、図8に示すパワーモジュールの構造では、部品数が多く必要であり、製造コストが高くなるという不具合があった。 However, the structure of the power module shown in FIG. 8 requires a large number of parts and has a disadvantage that the manufacturing cost increases.
本発明の主たる目的は、部品数が少なくて製造コストの安価なパワーモジュールを製造する方法、およびこの方法によって実現される,安価なパワーモジュールを提供することにある。 A main object of the present invention is to provide a method for manufacturing a power module with a small number of components and low manufacturing costs, and an inexpensive power module realized by this method.
また、特許文献1の図8には、チップ直下の半田層(同図の符号122)には、液相点が300℃〜330℃の高融点半田(Sn−90%Pb)を用い、下方の半田層(同図の符号125)には、液相点が216℃程度の低融点半田(Sn−50%Pb)を用いている例が開示されている。なお、本明細書においては、組成割合を表す「%」は、重量%を示すものとする。 In FIG. 8 of Patent Document 1, a high melting point solder (Sn-90% Pb) having a liquidus point of 300 ° C. to 330 ° C. is used for the solder layer (reference numeral 122 in the figure) immediately below the chip. An example in which a low melting point solder (Sn-50% Pb) having a liquidus point of about 216 ° C. is used for the solder layer (reference numeral 125 in the figure). In the present specification, “%” representing the composition ratio represents weight%.
一般に、コストの上昇を回避したい場合には、できるだけ高融点のろう材(たとえば、特許文献1に記載されているような,融点が600℃程度のAl−11%Si−2%Mg)の使用を避けて、リフロー炉を利用できる半田を用いる。そこで、図8に示す下方の半田層102には、たとえば特許文献1における低融点半田(Sn−50%Pb)や、液相点が183℃程度の共晶半田(Sn−37%Pb)を用い、上方の半田層109には、たとえば液相点が300℃〜330℃の高融点半田(Sn−90%Pbなど)を用いるのが一般的である。すなわち、先の半田付け工程では高融点半田を用い、後の半田付け工程では、先の工程で形成された半田層がリフロー炉内で融解しないように、低融点半田を用いるのである。
Generally, when it is desired to avoid an increase in cost, the use of a solder having a melting point as high as possible (for example, Al-11% Si-2% Mg having a melting point of about 600 ° C. as described in Patent Document 1) Use solder that can use a reflow oven. Therefore, for example, low melting point solder (Sn-50% Pb) in Patent Document 1 or eutectic solder (Sn-37% Pb) having a liquidus point of about 183 ° C. is applied to the
近年、環境問題から各種製品として、Pb(鉛)を使わない、いわゆるPbフリー(鉛フリー)部品を用いることが義務づけられつつある。しかしながら、低融点半田(Sn−50%Pb)を、たとえば(Sn−3.0%Ag−0.5%Cu)などの低融点のPbフリー半田に置き換えることは現在の技術で可能であるが、従来の高融点半田(Sn−90%Pb)に代わる,接続信頼性の高い高融点のPbフリー半田が存在しないのが現状である。したがって、従来のパワーモジュールの構造では、高い接続信頼性を維持しつつ、Pbフリー化を図ることは困難であった。 In recent years, it has become mandatory to use so-called Pb-free (lead-free) parts that do not use Pb (lead) as various products due to environmental problems. However, although it is possible to replace the low melting point solder (Sn-50% Pb) with a low melting point Pb free solder such as (Sn-3.0% Ag-0.5% Cu), for example, At present, there is no high melting point Pb-free solder with high connection reliability, replacing the melting point solder (Sn-90% Pb). Therefore, with the conventional power module structure, it has been difficult to achieve Pb-free while maintaining high connection reliability.
そこで、本発明では、接続信頼性を維持しつつ、Pbフリー化を図ることが可能なパワーモジュールの製造方法を提供することを、副次的な目的としている。 Accordingly, a secondary object of the present invention is to provide a method of manufacturing a power module that can achieve Pb-free while maintaining connection reliability.
本発明のパワーモジュールの製造方法は、ヒートシンク上に樹脂接着剤により半導体チップの配線部材を固着する工程と、ヒートシンク上にバスバーおよびその絶縁支持部材を取り付ける工程とを含んでいる。 The power module manufacturing method of the present invention includes a step of fixing a wiring member of a semiconductor chip on a heat sink with a resin adhesive and a step of attaching a bus bar and its insulating support member on the heat sink.
これにより、配線とヒートシンクとの間には、DBA基板等の部品が不要となり、製造コストの低減を図ることができる。 As a result, parts such as a DBA substrate are not required between the wiring and the heat sink, and the manufacturing cost can be reduced.
バスバー等の取付工程を、配線部材の固着工程の後に行うことにより、接着剤の形成方法として、シート状接着剤の使用だけでなく、スクリーン印刷等を採用することが可能になり、接着剤を塗布する方法の選択範囲が拡大する。 By performing the attaching process of the bus bar after the fixing process of the wiring member, it becomes possible to adopt not only the use of sheet-like adhesive but also screen printing as an adhesive forming method. The selection range of the application method is expanded.
バスバー等の取付工程を、配線部材の固着工程の前に、樹脂によって、ヒートシンクおよびバスバーと一体成形することにより、製造コストのさらなる低減を図ることができる。 The manufacturing process of the bus bar and the like can be further reduced by manufacturing the heat sink and the bus bar integrally with the resin before the wiring member fixing process.
配線部材の固着工程では、樹脂接着剤を2層重ねて形成することにより、下層で脱泡による電気的耐圧を確保しつつ、上層で固着強度を確保して、接続信頼性の向上を図ることができる。 In the fixing process of the wiring member, by forming two layers of resin adhesives, securing the bonding strength in the upper layer while securing the electrical breakdown voltage due to defoaming in the lower layer, and improving the connection reliability Can do.
Pbフリー半田により、配線部材上に半導体チップを固着する工程をさらに含むことにより、パワーモジュール全体として単一の半田層を用いるだけでよいので、比較的低融点で接続信頼性の高いPbフリー半田のみを用いることができる。よって、接続の信頼性を確保しつつ、Pbフリー化を図ることができる。 By further including the step of fixing the semiconductor chip on the wiring member with Pb-free solder, it is only necessary to use a single solder layer for the entire power module. Therefore, Pb-free solder with a relatively low melting point and high connection reliability Only can be used. Therefore, Pb-free can be achieved while ensuring connection reliability.
本発明のパワーモジュールは、ヒートシンクの上に、半導体チップ用の配線部材を絶縁樹脂層を介在させて配線部材を設け、さらに、バスバーおよびバスバー支持用の絶縁支持部材を設けたものである。 In the power module of the present invention, a wiring member for a semiconductor chip is provided on a heat sink with an insulating resin layer interposed therebetween, and further, an insulating support member for supporting the bus bar and the bus bar is provided.
これにより、部品数の少なく、安価なパワーモジュールが得られる。 Thereby, an inexpensive power module with a small number of parts can be obtained.
本発明のパワーモジュールまたはその製造方法によると、部品数の低減により、製造コストの安価なパワーモジュールの提供を図ることができる。 According to the power module or the manufacturing method thereof of the present invention, it is possible to provide a power module with a low manufacturing cost by reducing the number of components.
(実施の形態1)
−パワーモジュールの構造−
図1は、実施の形態におけるパワーモジュールセットの構造を示す斜視図である。同図に示すように、本実施形態のパワーモジュールセットは、放熱器50の上に、複数のパワーモジュール10を取り付けて構成されている。放熱器50は、天板50aと天板50aに接合された容器50bとからなり、天板50aには、パワーモジュール10を組み込むための多数の矩形状貫通穴が設けられている。本実施形態においては、矩形状貫通穴が多数設けられているが、1つだけでもよい。放熱器50を構成する天板50aと容器50bとは、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、ダイキャスト,押し出し,鍛造,鋳造,機械加工等によって組み立てることができる。
(Embodiment 1)
-Power module structure-
FIG. 1 is a perspective view showing a structure of a power module set in the embodiment. As shown in the figure, the power module set of the present embodiment is configured by attaching a plurality of
本実施の形態では、放熱器50は天板50aと容器50bとを個別に形成してから両者を接合しているが、天板と容器とを一体に形成してもよい。その場合、たとえば一体型を用いたダイキャストにより放熱器を形成することができる。
In the present embodiment, the
図2は、実施の形態に係るパワーモジュールセットのII-II線における断面図である。ただし、図2において配線構造の図示は省略されている。図3は、図2の一部を拡大して示す断面図である。本実施の形態のパワーモジュールセットにおいて、放熱器50の天板50aと容器50bとの間の空間51には、熱交換媒体としての冷却水が図2の紙面に直交する方向に流れている。パワーモジュール10は、Oリング25により気密を保持しつつボルト54により天板50aにネジ止めされている。また、パワーモジュール10は、主要部材として、IGBTなどの半導体素子が形成された半導体チップ11と、半導体チップ11内の半導体素子と外部部材とを電気的に接続するための金属配線23と、金属配線23と半導体チップ11とを接合する,Pbフリー半田を含む半田層14と、焼結Al合金からなり半導体チップ11で発生した熱を外方に放出するためのヒートシンク21と、金属配線23をヒートシンク21に固着する絶縁樹脂層26とを備えている。図3に示すように、半導体チップ11の上面および下面には、それぞれ、IGBTなどの半導体素子の活性領域に接続される上面電極12および裏面電極13が設けられている。そして、半導体チップ11の裏面電極13が、半田層14によって、金属配線23に導通状態で接合されている。
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II of the power module set according to the embodiment. However, the illustration of the wiring structure is omitted in FIG. FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of a part of FIG. In the power module set of the present embodiment, cooling water as a heat exchange medium flows in a
図2左上および図3に拡大詳示するように、本実施の形態では、上記絶縁樹脂層26は、エポキシ樹脂からなる下部接着剤層26aと、同じくエポキシ樹脂からなる上部接着剤層26bとを含んでいる。下部接着剤層26aは十分に脱泡されているが、上部接着剤層26bには相当量の気泡が含まれており、下部接着剤層26aにより、金属配線23−ヒートシンク21間の電気的耐圧を確保しつつ、上部接着剤層26bにより、金属配線23とヒートシンク21との接続を確保するように構成されている。
As shown in enlarged detail in the upper left of FIG. 2 and FIG. 3, in the present embodiment, the
ヒートシンク21は、平板部21aと、平板部21aの裏面側から突出するフィン部21bとからなり、平板部21aは、金属配線23を支持する支持部材として機能している。そして、フィン部21bは、熱交換媒体である冷却水にさらされて、熱交換効率を高めるように構成されている。ただし、フィン部21bは必ずしも必要ではなく、また、フィン部21bに代えて、他の放熱構造体を備えていてもよい。
The
また、放熱器50の天板50a上に、半導体チップ11等を囲むモジュール樹脂枠53が設けられていて、モジュール樹脂枠53がボルト54によって天板50aに固定されている。モジュール樹脂枠53の内部および外表面には、一体成形により、電極端子層56(バスバー)が設けられている。モジュール樹脂枠53は、電極端子層56(バスバー)を支持するための絶縁支持部材として機能する。この電極端子層56と金属配線23とは、大電力用配線18によって接続されており、電極端子層56と半導体チップ11の上面電極12の一部とは、信号配線17によって接続されている。これによって、パワーモジュール10と外部機器との電気的な接続が可能になっている。また、モジュール樹脂枠53の内方には、シリコンゲルからなるゲル層40が設けられていて、ヒートシンク21の上面側で半導体チップ11,信号配線17,大電力用配線18,金属配線23,半田層14,絶縁樹脂層26などの部材がゲル層40内に埋設されている。
A
また、本実施の形態では、Pbフリー半田からなる半田層14と、絶縁樹脂層26とを備えている。一般に、Pbフリー半田には、以下のものがある。たとえば、Sn(液相点232℃),Sn−3.5%Ag(液相点221℃),Sn−3.0%Ag(液相点222℃),Sn−3.5%Ag−0.55%Cu(液相点220℃),Sn−3.0%Ag−0.5%Cu(液相点220℃),Sn−1.5%Ag−0.85%Cu−2.0Bi(液相点223℃),Sn−2.5%Ag−0.5%Cu−1.0Bi(液相点219℃),Sn−5.8Bi(液相点138℃),Sn−0.55%Cu(液相点226℃),Sn−0.55%Cu−その他(液相点226℃),Sn−0.55%Cu−0.3%Ag(液相点226℃),Sn−5.0%Cu(液相点358℃),Sn−3.0%Cu−0.3%Ag(液相点312℃),Sn−3.5%Ag−0.5%Bi−3.0In(液相点216℃),Sn−3.5%Ag−0.5%Bi−4.0In(液相点211℃),Sn−3.5%Ag−0.5%Bi−8.0In(液相点208℃),Sn−8.0%Zn−3.0%Bi(液相点197℃)等がある。本実施の形態では、液相点が250℃以下の低融点のPbフリー半田、たとえば、Sn−3.0%Ag−0.5%Cu(液相点220℃)を用いているが、これに限定されるものではない。ただし、Sn−5.0%Cu(液相点358℃),Sn−3.0%Cu−0.3%Ag(液相点312℃)等の高融点のPbフリー半田(液相点が250℃を超えるもの)は除くものとする。
In this embodiment, the
絶縁樹脂層26には、本実施の形態では、金属やセラミクスの充填剤を含むエポキシ樹脂が用いられている。エポキシ樹脂の使用可能温度は、種類によって異なるが、250℃を超えるものを選択することは容易であり、本実施の形態では、Pbフリー半田の液相点よりも高いものを用いている。したがって、後述するパワーモジュールの組み立て工程において、絶縁樹脂層26を形成した後で、Pbフリー半田のリフロー工程を行うことが可能になる。たとえば、エポキシ樹脂に、アルミナ,シリカ,アルミニウム,窒化アルミニウムなどを充填したものを用いることができ、熱伝導率が3.0(W/m・K)以上であることが好ましく、5.0(W/m・K)以上であることがより好ましい。
In the present embodiment, an epoxy resin containing a metal or ceramic filler is used for the insulating
絶縁樹脂層26の厚みは、0.4mm以下であることが好ましく、0.2mm以下であることがより好ましい。絶縁樹脂層26の熱抵抗は、熱伝導率と厚みに依存して定まるが、厚みが薄いほど熱抵抗が小さくなる。したがって、厚みが0.4mm以下であることにより、放熱機能が高くなることになる。
The thickness of the insulating
本実施の形態では、ヒートシンク21の材料として、焼結アルミニウム(焼結Al)を用いているが、これに限定されるものではない。たとえば、AlN,SiN,BN,SiC,WCなどのセラミックス、或いは、Al−SiC,Cu−W,Cu−Moなどの複合材料を用いてもよい。
In the present embodiment, sintered aluminum (sintered Al) is used as the material of the
本実施の形態では、金属配線23の材料として、CuまたはCu合金を用いているが、これに限定されるものではない。たとえば、Al,Al合金,DBA基板,DBC基板や、Al−SiC,Cu−W,Cu−Moなどの複合材料を用いてもよい。ただし、DBA基板やDBC基板を用いると、製造コストが高くつく。本発明では、DBA基板やDBC基板を用いなくても接合の信頼性を維持することができるので、金属配線23をCuやCu合金などの金属板単体構造とすることにより、製造コストの削減を図ることができる。
In the present embodiment, Cu or Cu alloy is used as the material of the
−パワーモジュールの製造工程−
次に、図4(a)〜(d),図5(a)〜(d)および図6(a)〜(c)を参照しながら、本実施の形態のパワーモジュールの製造方法について説明する。図4(a)〜(d)は、本実施の形態の製造工程における,樹脂接着剤の塗布からモジュール樹脂枠の取付までの工程を示す断面図である。図5(a)〜(d)は、本実施の形態の製造工程における,チップマウントからポッティングまでの工程を示す断面図である。図6(a)〜(c)は、本実施の形態の製造工程における,Oリングの設置からボルトの締結までの工程を示す断面図である。
-Power module manufacturing process-
Next, a method for manufacturing the power module of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 4 (a) to (d), FIGS. 5 (a) to (d) and FIGS. 6 (a) to (c). . FIGS. 4A to 4D are cross-sectional views showing steps from application of a resin adhesive to attachment of a module resin frame in the manufacturing process of the present embodiment. 5A to 5D are cross-sectional views showing steps from chip mounting to potting in the manufacturing process of the present embodiment. FIGS. 6A to 6C are cross-sectional views showing steps from installation of an O-ring to fastening of a bolt in the manufacturing process of the present embodiment.
まず、図4(a)に示す工程で、焼結Alからなり、平板部21aとフィン部21bとを有するヒートシンク21を準備する。そして、ヒートシンク21の平板部21aの上面上に、高熱伝導率を有する絶縁性エポキシ樹脂をスクリーン印刷等により塗布し、硬化させて、下部接着剤層26aを形成する。このとき、金属配線は下部接着剤層26aの上に設置せず、硬化前に、真空引きによって下部接着剤層26aの気泡を十分に抜く(脱泡処理)。下部接着剤層26aの硬化後の厚みは、設計耐圧によって定まる。
First, in the step shown in FIG. 4A, a
次に、図4(b)に示す工程で、下部接着剤層26aの上に重ねて、上部接着剤層26bを塗布した後、所定形状にパターニングされた金属配線23を上部接着剤層26bの上にマウントする。
Next, in the step shown in FIG. 4B, after the upper
そして、図4(c)に示す工程で、上部接着剤層26bを硬化させる。上部接着剤層26bの硬化後の厚みは、必要な接着強度に応じて定まる。このように、下部接着剤層26aおよび上部接着剤層26bからなる絶縁樹脂層26により、金属配線23をヒートシンク21の平板部21の上面に固着する。ただし、単一の接着剤層からなる絶縁樹脂層26によって、金属配線23をヒートシンク21に固着してもよい。
Then, in the step shown in FIG. 4C, the upper
次に、図4(d)に示す工程で、ヒートシンク21の平板部21aの上に、モジュール樹脂枠53を取り付ける。モジュール樹脂枠53の内部および外表面には、電極端子層56が一体成形により形成されている。そして、モジュール樹脂枠53の内側には、電極端子層56の一部が露出している。
Next, in the step shown in FIG. 4D, the
次に、図5(a)に示す工程で、金属配線23の上に、Pbフリー半田を吐出または印刷し、Pbフリー半田の上に、半導体チップ11をマウントする。半導体チップ11には、パワーデバイスとして機能するIGBTと、ダイオードとが形成されている。さらに、図5(b)に示す工程で、パワーモジュールをリフロー炉に投入し、半導体チップ11と金属配線23とを接合する半田層14を形成する。このときのリフロー炉の雰囲気は不活性ガス雰囲気または還元性雰囲気で、炉内の最高温度は260℃である。その後、フラックス洗浄を行なって、フラックス残渣を除去する。なお、この工程は、金属配線23を絶縁樹脂層26によってヒートシンク21に固着する前に行なってもよい。
Next, in a step shown in FIG. 5A, Pb-free solder is discharged or printed on the
次に、図5(c)に示す工程で、比較的大径(たとえば400μm径)のAlワイヤを用いたワイヤボンディングを行う。そして、半導体チップ11の上面電極12(図3参照)同士や、上面電極12と金属配線23との間、金属配線23と電極端子層56との間を接続する大電力用配線18を形成する。その後、小径(たとえば125μm径)のAlワイヤを用いたワイヤボンディングを行なって、半導体チップ11の上面電極12と電極端子層56との間を接続する信号配線17を形成する。
Next, in the step shown in FIG. 5C, wire bonding using a relatively large diameter (for example, 400 μm diameter) Al wire is performed. Then, the high-
次に、図5(d)に示す工程で、シリコンゲルを用いたポッティングにより、モジュール樹脂枠53の内方を埋めるゲル層40を形成する。これにより、ヒートシンク21の上面に設けられている、半導体チップ11,信号配線17,大電力用配線18,金属配線23,半田層14,絶縁樹脂層26などの部材が、ゲル層40内に埋め込まれる。
Next, in the step shown in FIG. 5D, the
次に、図6(a)に示す工程で、準備されている天板50aの矩形状貫通穴の周縁部に設けられた環状溝にOリング25を設置する。
Next, in the step shown in FIG. 6A, an O-
次に、図6(b)に示す工程で、天板50aの矩形状貫通穴にヒートシンク21のフィン部21bを挿通させて、パワーモジュール10を放熱器50にマウントし、図6(c)に示す工程で、ボルト54により、パワーモジュール10を天板50aに固定する。同様にして、複数のパワーモジュールを、放熱器50の複数の矩形状貫通穴に、それぞれ取り付ける。
Next, in the step shown in FIG. 6B, the
上述の工程により、放熱器50の天板50aにパワーモジュール10が実装された後、天板50aが容器50bに接合される(図1および図2参照)。この接合は、機械かしめ等によって行なってもよい。これより、パワーモジュールセットが形成される。なお、先に天板50aと容器50bとを接合してから、天板50aに各パワーモジュール10を取り付けてもよい。
After the
本実施の形態によると、図8に示される放熱基板101やDBA基板などの部材を用いることなく、金属配線23を、絶縁樹脂層26を挟んでヒートシンク21に接続する構造としているので、部品数の低減により、製造コストの低減を図ることができる。
According to the present embodiment, the
また、従来用いられていた2つの半田層に代えて、1つの半田層14と、樹脂接着剤からなる絶縁樹脂層26とを用いているので、工程の先後に応じて低融点のPbフリー半田と高融点のPbフリー半田とを用いる必要はなく、低融点のPbフリー半田だけで済むことになる。現在、Pbフリー半田として、比較的Cu組成比の高いPbフリー半田(たとえば液相点が300℃以上のSn−5.0%Cu,Sn−3.0%Cu−0.3%Ag)も開発されているが、銅喰われ問題,酸化物問題はじめ多くの問題が重なって、確実な接続信頼性を有する高融点のPbフリー半田を得ることは困難である。一方、低融点のPbフリー半田としては、たとえば液相点が220℃のSn−3.0%Ag−0.5%Cu(JEITA推奨合金)などの接続信頼性の高いものが得られている。また、樹脂接着剤としては、使用可能温度が300℃を超えるエポキシ樹脂など、低融点のPbフリー半田の液相点よりも高温に耐えうるものは容易に得られる。したがって、本実施の形態により、半田層14を低融点のPbフリー半田を用いて、接続信頼性を確保しつつ、Pbフリー化を図ることができるのである。
In addition, since one
また、本実施の形態のパワーモジュールの製造方法では、先に、樹脂接着剤を用いて絶縁樹脂層26を形成してから、Pbフリー半田を用いて半田層14を形成しているので、下方の部材の固着から上方の部材の固着までを、順次、効率よく行うことができる。すなわち、絶縁樹脂層26の形成時には、金属配線23のみを把持して樹脂接着剤の上に載置すればよく、半田層14の形成時には、半導体チップ11のみを把持してPbフリー半田の上に載置すればよいので、先に半田層14を形成して半導体チップ11および金属配線23をヒートシンク21上に載置するのに比べ、組立作業のための装置が簡素化され、作業能率も高くなる。よって、製造コストの低減を図ることができる。
In the power module manufacturing method of the present embodiment, the insulating
さらに、本実施の形態の製造方法では、図4(b)〜(d)に示すように、ヒートシンク21上に、絶縁樹脂層26により金属配線23を固着してから、電極端子層56およびモジュール樹脂枠53を、ヒートシンク21上に取り付けているので、絶縁樹脂層26(下部接着剤層26aおよび上部接着剤層26b)を形成する際には、スクリーン印刷を用いることができる。ただし、シート状のエポキシ樹脂を用いる場合には、電極端子層56およびモジュール樹脂枠53の取付と、金属配線23の固着とのいずれを先に行なってもよい。つまり、本実施の形態のように、電極端子層56およびモジュール樹脂枠53の取付を、金属配線23の固着の後に行うことにより、接着剤を塗布する方法の選択範囲が拡大することになる。
Furthermore, in the manufacturing method of the present embodiment, as shown in FIGS. 4B to 4D, after the
また、絶縁樹脂層26を下部接着剤層26aと、上部接着剤層26bとに分けて、2回塗りを行っているので、以下の効果を発揮することができる。エポキシ樹脂を塗布して、その上に金属配線23を設置すると、硬化前に真空引きなどによっても気泡を十分に抜くことは困難である。そこで、下部接着剤層26aを塗布した後、金属配線23を設置せずに、真空引きを行うことにより、硬化前に下部接着剤層26a中の気泡を十分抜くことができる。空気の耐圧は、約1kV/mmであるが、エポキシ樹脂の耐圧は10kV/mm以上である。したがって、パワーモジュールが配置される機器において、種々のサージが印加されることを想定すると、接着剤層の気泡を十分に抜いておくことが好ましい。よって、本実施の形態のごとく、2層塗りの接着剤層からなる絶縁樹脂層26を形成することにより、下部接着剤層26aにより耐圧を確保しつつ、上部接着剤層26bにより金属配線23とヒートシンク21との固着強度を確保することができる。
Moreover, since the insulating
(実施の形態2)
次に、図7(a)〜(c)を参照しながら、実施の形態2のパワーモジュールの製造方法について説明する。図7(a)〜(c)は、本実施の形態の製造工程における,樹脂接着剤の塗布からモジュール樹脂枠の取付までの工程を示す断面図である。なお、本実施の形態においても、チップマウントからポッティングまでの工程、およびOリングの設置からボルトの締結までの工程は、実施の形態1における図5(a)〜(d)および図6(a)〜(c)と同様であるので、図示を省略する。
(Embodiment 2)
Next, the manufacturing method of the power module of Embodiment 2 is demonstrated, referring FIG. 7 (a)-(c). FIGS. 7A to 7C are cross-sectional views showing steps from application of the resin adhesive to attachment of the module resin frame in the manufacturing process of the present embodiment. Also in the present embodiment, the steps from tip mounting to potting and the steps from O-ring installation to bolt fastening are shown in FIGS. 5A to 5D and FIG. ) To (c), the illustration is omitted.
まず、図7(a)に示す工程で、焼結Alからなり、平板部21aとフィン部21bとを有するヒートシンク21を準備する。また、電極端子層56を形成しておく。そして、ヒートシンク21および電極端子層56を、モジュール樹脂枠53用の成型用金型にセットして、PPSなどの樹脂を流し込むことにより、ヒートシンク21,電極端子層56およびモジュール樹脂枠53を一体的に成形する(アウトサート成形)。
First, in the step shown in FIG. 7A, a
次に、図7(b)に示す工程で、ヒートシンク21の平板部21aの上面上に、高熱伝導率を有する,シート状の絶縁性エポキシ樹脂を設置し、硬化させて、下部接着剤層26aを形成する。このとき、金属配線は下部接着剤層26aの上に設置せず、硬化前に、真空引きによって下部接着剤層26aの気泡を十分に抜く(脱泡処理)。下部接着剤層26aの硬化後の厚みは、設計耐圧によって定まる。
Next, in the step shown in FIG. 7B, a sheet-like insulating epoxy resin having high thermal conductivity is placed on the upper surface of the
さらに、下部接着剤層26aの上に重ねて、上部接着剤層26bを塗布した後、所定形状にパターニングされた金属配線23を上部接着剤層26bの上にマウントする。
Further, after applying the upper
そして、図7(c)に示す工程で、上部接着剤層26bを硬化させる。上部接着剤層26bの硬化後の厚みは、必要な接着強度に応じて定まる。このように、下部接着剤層26aおよび上部接着剤層26bからなる絶縁樹脂層26により、金属配線23をヒートシンク21の平板部21の上面に固着する。ただし、1層の接着剤層からなる絶縁樹脂層26によって、金属配線23をヒートシンク21に固着してもよい。
Then, in the step shown in FIG. 7C, the upper
その後の工程は、実施の形態1における図5(a)〜〜(d)および図6(a)〜(c)に示すとおりである。 Subsequent steps are as shown in FIGS. 5A to 5D and FIGS. 6A to 6C in the first embodiment.
本実施の形態のパワーモジュールの製造方法によると、ヒートシンク21,電極端子層56およびモジュール樹脂枠53を一体的に成形しているので、製造工程が簡素化され、製造コストの低減を図ることができる。
According to the power module manufacturing method of the present embodiment, since the
(他の実施の形態)
本発明のパワーモジュールに配置される半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体(SiC,GaNなど)を用いたパワーデバイスでもよいし、Siを用いたパワーデバイスでもよい。
(Other embodiments)
The semiconductor element disposed in the power module of the present invention may be a power device using a wide band gap semiconductor (SiC, GaN, etc.) or a power device using Si.
上記実施の形態では、半導体チップ11に、IGBTが形成されているが、MOSFET,ダイオード,JFETなどが形成された半導体チップを用いてもよい。
In the above embodiment, the IGBT is formed on the
上記実施の形態では、天板50aに多数のパワーモジュール10を取り付ける構造を採ったが、天板を兼ねる単一のヒートシンク上に多数の半導体チップを搭載してもよい。
In the above embodiment, a structure in which a large number of
ヒートシンク21との熱交換を行う熱交換媒体は、冷却能やコストを考慮すると、フロリナートや水などの液体であることが好ましい。ただし、ヘリウム,アルゴン,窒素,空気などの気体であってもよい。
The heat exchange medium for exchanging heat with the
上記各実施の形態では、絶縁樹脂層26を熱硬化樹脂であるエポキシ樹脂によって構成したが、PPSなどの熱可塑性樹脂によって構成してもよい。その場合には、絶縁樹脂層26の上に金属配線23を設置した状態でも、気泡を抜くことが容易であるので、接着剤層の1回塗りで済み、製造コストがより安価になる。
In each of the above embodiments, the insulating
上記開示された本発明の実施の形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。 The structure of the embodiment of the present invention disclosed above is merely an example, and the scope of the present invention is not limited to the scope of these descriptions. The scope of the present invention is indicated by the description of the scope of claims, and further includes meanings equivalent to the description of the scope of claims and all modifications within the scope.
本発明のパワーモジュールは、MOSFET,IGBT,ダイオード,JFET等を搭載した各種機器に利用することができる。 The power module of the present invention can be used for various devices equipped with MOSFET, IGBT, diode, JFET and the like.
10 パワーモジュール
11 半導体チップ
12 上面電極
13 裏面電極
14 半田層
17 信号配線
18 大電力用配線
21 ヒートシンク
21a 平板部
21b フィン部
23 金属配線
25 Oリング
26 絶縁樹脂層
26a 下部接着剤層
26b 上部接着剤層
40 ゲル層
50 放熱器
50a 天板
50b 容器
51 空間
53 モジュール樹脂枠
56 電極端子層
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記工程(a)の後または前に、前記ヒートシンク上に、バスバーおよび該バスバー支持用の絶縁支持部材を取り付ける工程(b)と、
を含むパワーモジュールの製造方法。 A step (a) of fixing a wiring member of a semiconductor chip on a heat sink by a resin adhesive;
A step (b) of attaching a bus bar and an insulating support member for supporting the bus bar on the heat sink after or before the step (a);
The manufacturing method of the power module containing.
前記工程(b)は、前記工程(a)の後で行われる、パワーモジュールの製造方法。 In the manufacturing method of the power module of Claim 1,
The said process (b) is a manufacturing method of the power module performed after the said process (a).
前記工程(b)は、前記工程(a)の前に、前記絶縁支持部材を、樹脂によって、前記ヒートシンクおよびバスバーと一体成形することにより行われる、パワーモジュールの製造方法。 In the manufacturing method of the power module of Claim 1,
The step (b) is a method for manufacturing a power module, which is performed by integrally forming the insulating support member with the heat sink and the bus bar with a resin before the step (a).
前記工程(a)では、前記樹脂接着剤を2層重ねて形成する、パワーモジュールの製造方法。 In the manufacturing method of the power module in any one of Claims 1-3,
In the step (a), a method for manufacturing a power module, wherein two layers of the resin adhesive are stacked.
Pbフリー半田により、前記配線部材上に半導体チップを固着する工程(c)をさらに含むパワーモジュールの製造方法。 In the manufacturing method of the power module in any one of Claims 1-4,
A method for manufacturing a power module, further comprising a step (c) of fixing a semiconductor chip on the wiring member with Pb-free solder.
半導体チップ用の配線部材と、
前記配線部材と前記ヒートシンクとの間に介在する絶縁樹脂層と、
バスバーおよび該バスバー支持用の絶縁支持部材と、
を備えている、パワーモジュール。 A heat sink,
A wiring member for a semiconductor chip;
An insulating resin layer interposed between the wiring member and the heat sink;
A bus bar and an insulating support member for supporting the bus bar;
Power module equipped with.
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