JP2009158787A - 電力半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】溶融した半田が流動することによる電力半導体素子の位置ずれおよび溶融した半田やフラックスの水平方向への飛散を防止し生産性の高い電力半導体装置を提供する。
【解決手段】放熱板の一方主面に絶縁層を介し載置される金属パターン上に電力半導体素子が半田接合され、前記金属パターンは半田レジストによって電力半導体素子搭載領域と配線中継領域とに隔てられ、前記半田レジストは溶融半田の逃げ部分を有する形状であることを特徴とする電力半導体装置である。

【選択図】 図１

Description

本発明は、電力半導体装置に係る発明であって、特にパワーモジュールなどの、放熱板の一方主面に絶縁層を介して載置された金属パターン上に、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の電力半導体素子が搭載された電力半導体装置に関するものである。
産業・電鉄・自動車・ＯＡ・家電製品などの電力制御やモータ制御に、ＩＧＢＴなど複数のスイッチング素子とフリーホイールダイオードなどの電力半導体素子を１パッケージに搭載した電力半導体装置が使用されている。このような電力半導体装置においては、金属などの放熱板の一方主面に、絶縁層としての絶縁基板を介して所定の形状に載置される金属パターン上に、電力半導体素子が半田接合などの方法によって搭載された後、ボンディングワイヤなどにより外部端子に電気的に接続される。
上記のような電力半導体装置の製造過程においては、電力半導体素子と金属パターンとの半田接合の際、加熱により溶融した半田が流動することで電力半導体素子が所定の位置からずれてしまい、ボンディングワイヤを接続する際の障害となることがあった。
上記のような問題点に対して、例えば特許文献１には、金属パターン上に設定した半田付け箇所の周域にあらかじめ半田レジストを塗布した上で電力半導体素子の半田付けを行うといった半導体装置が開示されている。
特開平６−２４４２２４号公報 （段落０００５、第１図）
ところで、上記のような電力半導体装置の製造過程において電力半導体素子を半田付けする際、半田層の中にボイドと呼ばれる隙間が生じることがある。ボイドが存在すると、電気抵抗の増加や長期信頼性の低下などといった問題が生じる。そのため、半田付け後、半田が溶融している内に電力半導体素子を揺動させ、溶融半田の中に閉じ込められているボイドを排出する、「スクラブ」と呼ばれる作業を行う必要がある。
しかし、従来技術に係る電力半導体装置では、以下のような解決すべき問題があった。図８に従来技術に係る電力半導体装置の断面図を示す。従来技術においては、電力半導体素子９ａの位置ずれを確実に防止するためには、半田レジスト８６と電力半導体素子９ａ間の隙間７６を、電力半導体素子９ａと金属パターン４ａとを接合している半田層の厚さｔ以下であるｄ３といった比較的狭い間隔に保つ必要がある。このような場合、溶融した半田１３の端面がその表面張力により水平方向に対して４５度以上の角度を成しているため、前記のスクラブ作業の際溶融した半田やフラックスが水平方向に飛び散り易く、半田付けする部分以外の金属パターン５ａに付着することがあった。半田やフラックスが付着した金属パターン５ａにはアルミワイヤを超音波でボンディングしようとしても、金属パターン５ａと合金層を形成できないためワイヤボンド不良となりやすいといった問題があった。
本発明においては、上記問題を解決するために、表面側および裏面側に電極を有する少なくとも一つの電力半導体素子と、放熱板と、絶縁層と、電極端子と、前記絶縁層を介して前記放熱板の一方主面に載置される金属パターンと、前記金属パターンを、電力半導体素子搭載領域と配線中継領域とに隔てる半田レジストとを有し、前記電力半導体素子の裏面側電極は前記電力素子搭載領域に半田接合され、前記電極端子は前記配線中継領域または前記電力半導体素子の表面側電極とボンディングワイヤにて電気的に接続され、前記半田レジストは、溶融半田の逃げ部分を有する形状であることを特徴とする電力半導体装置が提供される。
本発明の電力半導体装置は、半田レジストにより電力半導体素子の位置ずれを防止するとともに、半田レジストと電力半導体素子との間に溶融半田の逃げ部分を有するため、
スクラブ作業に際して溶融半田やフラックスの飛び散りをも防止することができ、ワイヤボンド不良の増加を防ぐといった効果がある。
また、前記溶融半田の逃げ部分は、あらかじめ設定した半田レジストの形状によって実現するため、余分な工数や材料を追加することなく、低コストにて実現可能であるといった効果がある。
実施の形態１
この発明を実施するための実施の形態１における電力半導体装置について以下説明する。電力半導体装置の内部平面図を図１に、本実施の形態１における電力半導体装置の回路図を図２に示す。同図において、各電極端子２ａ〜２ｃ、ＩＧＢＴ９ａ〜９ｄおよびダイオード１０ａ〜１０ｄは、図１に示す各電極端子２ａ〜２ｃ、ＩＧＢＴ９ａ〜９ｄおよびダイオード１０ａ〜１０ｄとそれぞれ対応している。
図１を参照して本実施の形態１のおける電力半導体装置の構造を説明する。同図において、図示しない放熱板の上に絶縁層としての絶縁基板１１が載置され、その上に金属パターン４ａおよび４ｂが載置されている。さらに金属パターン４ａ、４ｂには半田レジスト８ａ、８ｂがそれぞれ設けられており、金属パターン４ａを電力半導体素子搭載領域７と配線中継領域５ａ、５ｂとに隔てている。
金属パターン４ａに注目して、ＩＧＢＴ９ａおよび９ｂは裏面のコレクタ電極が金属パターン４ａによって共通電位に、また表面のエミッタ電極がワイヤボンド３によって共通の電極端子２ｂに接続されており、並列接続となっている。またダイオード１０ａおよび１０ｂも同様に裏面のカソード電極が金属パターン４ａによって共通電位、また表面のアノード電極がワイヤボンド３によって共通の電極端子２ｂに接続されており、並列接続となっている。すなわち９ａ、９ｂとダイオード１０ａ、１０ｂは並列に接続されている。
金属パターン４ｂ上の電力半導体素子についても同様に、ＩＧＢＴ９ｃおよび９ｄは裏面のコレクタ電極が金属パターン４ｂによって共通電位に、また表面のエミッタ電極がワイヤボンド３によって金属パターン４ａの配線中継領域５ｂに接続されており、並列接続となっている。またダイオード１０ｃおよび１０ｄも同様に裏面のカソード電極が金属パターン４ｂによって共通電位に、また表面のアノード電極がワイヤボンド３によって金属パターン４ａの配線中継領域５ｂに接続されており、並列接続となっている。すなわち、ＩＧＢＴ９ｃ、９ｄとダイオード１０ｃ、１０ｄは逆並列に接続されている。
そして金属パターン４ａの配線中継領域５ａと電極端子２ａ、金属パターン４ｂの配線中継領域５ｃがそれぞれボンディングワイヤ３にて電気的に接続されているので、図２に示した回路図のように、ＩＧＢＴ９ａ、ｂおよびＩＧＢＴ９ｃ、ｄが直列接続され、ダイオード１０ａ、ｂおよびダイオード１０ｃ、ｄがフリーホイールダイオードとしてＩＧＢＴに逆並列接続された、いわゆるハーフブリッジ回路が得られる。なお、電極端子２ａ〜２ｃは図示しない外部接続端子と電気的に接続されている。
半田レジスト８ａによって区切られた半導体素子搭載領域７の外縁部には、角部を除いた直線部分の一部の半田レジスト８ａを外側に退避させて、溶融半田の逃げ部分６を設けている。
図１のａ‐ａ'２点破線部における断面図を図３に示す。絶縁基板１１の裏面には全面に金属パターン４ｃが設けられており、金属製の放熱板１２上に半田接合される。また、絶縁基板１１の表面には所定の金属パターン４ａが設けられ、さらにその上に半田レジスト８ａが設けられる。
ここで溶融半田の逃げ部分６において、ＩＧＢＴ９ａと半田レジスト８ａとの間隔ｄ１はＩＧＢＴ９ａと金属パターン４ａとを接合している半田層の厚さｔより大としているので、溶融した半田１３の端面がその表面張力により水平方向に対して４５度以下の角度を成す。そのため、前記のスクラブ作業の際溶融した半田やフラックスが配線中継領域５ａに飛び散ることがなく、清浄に保たれるため後の工程で安定したワイヤボンディングが行える。
半田に含まれるフラックスは半田濡れ性を向上する目的でロジン系フラックスが用いられ、半田が溶融した際にフラックスのガス化の影響による半田およびフラックスの飛散をさらに防止するためには好ましくはその含有率が１０％以下であれば良い。
図１を参照して、半導体素子搭載領域７の角部には溶融半田の逃げ部分６を設けておらず、従来通りＩＧＢＴ９ａと半田レジスト８ａとの間隔ｄ２はＩＧＢＴ９ａと金属パターン４ａとを接合している半田層の厚さｔ以下としているため、ＩＧＢＴ９ａが所定の位置からずれることはない。
溶融半田の逃げ部分６は電力半導体素子搭載領域７の外縁部に少なくとも１箇所あれば良いが複数箇所に設けても良い。本実施の形態１のように半導体素子搭載領域７の外縁部２辺に設け、隣り合う電力半導体搭載領域間を区切る部分には逃げ部分を設けなくても良く、適宜搭載する電力半導体素子の大きさに応じて適宜決められる。
（変形例１）
図４に実施の形態１の変形例を示す。溶融半田の逃げ部分６０を電力半導体素子搭載領域７０の角部にのみ設けた例である。本変形例においてもスクラブ作業時、溶融した半田やフラックスの配線中継領域５ａへの飛散を防止するとともに、ＩＧＢＴ９ａの位置ずれも防止することができる。
実施の形態２
この発明を実施するための実施の形態２における電力半導体装置の内部平面図を図５に示す。図５において、前記実施の形態１と同じ構成には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
本実施の形態２においては、溶融半田の逃げ部分６１を半導体素子搭載領域７１の外縁部の１辺あたりに複数箇所設けている。相対的に小さな面積の逃げ部分６１を複数並べることで溶融半田の偏りを無くし、よりスムーズに溶融半田を逃げ部分６１に導くことができる。
また図６に示したように溶融半田の逃げ部分６２の形状は略三角形状にしてもよいし、図示しないが半円状にしてもよい。逃げ部分の形状は、ＩＧＢＴ９ａと金属パターン４ａとを接合している半田層の厚さｔより大かつ、最も接近している箇所の距離がＩＧＢＴ９ａと金属パターン４ａとを接合している半田層の厚さｔ以下であれば適宜変更可能である。
実施の形態３
この発明を実施するための実施の形態３における電力半導体装置の内部平面図を図７に示す。図７において、前記実施の形態１、２と同じ構成には同じ符号を付し重複する説明は省略する。
図７において、隣り合う電力半導体搭載領域間を区切る半田レジスト部分を除去し、溶融半田の逃げ部分６３としている。このような半田レジスト８３ａ、８３ｂは前記実施の形態１、２と比較して単純な形状であり、半田レジストの形成に高い位置精度が不要であるので、低コストで本発明の電力半導体装置を実現することができる。
作用については前記実施の形態１、２と同様に、溶融半田が逃げ部分６３に流れ込むことでスクラブ作業時の半田やフラックスの飛散が防止できる。また、各電力半導体素子搭載領域７３の外縁部および角部には、電力半導体素子と半田レジスト８３ａ、８３ｂとの間隔をＩＧＢＴ９ａと金属パターン４ａとを接合している半田層の厚さｔ以下のｄ２としているので、半導体素子の位置ずれが防止できる。
なお、電力半導体素子と金属パターン４ａ、４ｂとを接合している半田層の厚さｔ以下のｄ２の間隔を隔てて、電力半導体素子搭載領域の配線中継領域５ａ〜５ｃと対向する辺および角部にのみ半田レジスト８４ａ、８４ｂを配置しても良い。配線中継領域５ａ〜５ｃへ溶融半田が流出することを防止しつつ、電力半導体素子の角部に配置した半田レジスト８４ａ、８４ｂで電力半導体素子の位置ずれを防止し、溶融半田が半田レジストの無い部分へ流れることでスクラブ作業時の半田やフラックスの飛散が防止できる。
以上、本発明の具体的な実施の形態を説明したが、本発明はこれに限らず種々の変形が可能である。例えば、本発明では電力半導体素子としてＩＧＢＴを用いる例を示したが、その他ＭＯＳＦＥＴやパワートランジスタなど他の制御電極を有する電力半導体素子を用いてもよいので本発明に含まれる。また、本発明においてはＩＧＢＴモジュールなどの制御用集積回路を含まないものを例に説明したが、その他制御用集積回路を含んだいわゆるＩＰＭ（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｐｏｗｅｒ Ｍｏｄｕｌｅ）等に用いてもよい。さらに、本発明においては、放熱板と金属パターンとの絶縁層として絶縁基板を用いる例を示したが、絶縁層を挟んだ銅‐アルミニウムクラッド材を用い、さらに半田レジストの代わりに半田濡れ性の悪いアルミニウム箔を用いることは当業者にとって容易に想致可能であるので、本発明の範囲に含まれる。
本発明の実施の形態１に係る電力半導体装置の内部平面図である。 本発明の実施の形態１に係る電力半導体装置の回路図である。 本発明の実施の形態１に係る電力半導体装置の側面断面図である。 本発明の実施の形態１の変形例１に係る電力半導体装置の内部である。 本発明の実施の形態２に係る電力半導体装置の内部である。 本発明の実施の形態２の変形例に係る電力半導体装置の内部平面図である。 本発明の実施の形態３に係る電力半導体装置の内部平面図である。 従来技術に係る電力半導体装置の断面図である。
符号の説明
２ａ〜２ｃ．電極端子 ３．ボンディングワイヤ ４ａ、４ｂ．金属パターン ５ａ〜５ｃ．配線中継領域 ６．溶融半田の逃げ部分 ７．電力半導体素子搭載領域 ８ａ、８ｂ．半田レジスト ９ａ〜９ｄ．ＩＧＢＴ １０ａ〜１０ｂ．ダイオード １１．絶縁基板 １２．放熱板 １３．半田

Claims (6)

  1. 表面側および裏面側に電極を有する少なくとも一つの電力半導体素子と、放熱板と、絶縁層と、電極端子と、前記絶縁層を介して前記放熱板の一方主面に載置される金属パターンと、前記金属パターンを、電力半導体素子搭載領域と配線中継領域とに隔てる半田レジストとを有し、前記電力半導体素子の裏面側電極は前記電力素子搭載領域に半田接合され、
    前記電極端子は前記配線中継領域または前記電力半導体素子の表面側電極とボンディングワイヤにて電気的に接続され、前記半田レジストは、溶融半田の逃げ部分を有する形状であることを特徴とする電力半導体装置。
  2. 前記溶融半田の逃げ部分においては、前記半田レジストと前記電力半導体素子との間隔が、前記電力半導体と前記電力素子搭載領域とを接合している半田層の厚さより大であり、前記溶融半田の逃げ部分以外においては、前記半田レジストと前記電力半導体との間隔が、前記電力半導体と前記電力素子搭載領域とを接合している半田層の厚さ以下であることを特徴とする請求項１に記載の電力半導体装置。
  3. 前記溶融半田の逃げ部分は、前記電力半導体素子搭載領域の外縁部の角部を除いた直線部分の少なくとも１箇所に設けられることを特徴とする請求項２に記載の電力半導体素子。
  4. 前記溶融半田の逃げ部分は、前記電力半導体素子搭載領域の外縁部の角部の少なくとも１箇所に設けられることを特徴とする請求項２に記載の電力半導体素子。
  5. 前記溶融半田の逃げ部分は、前記電力半導体素子搭載領域の外縁部に複数個設けられることを特徴とする請求項２に記載の電力半導体素子。
  6. 前記溶融半田の逃げ部分として、隣り合う前記電力半導体素子搭載領域間の前記半田レジストを部分的に除去したことを特徴とする請求項１に記載の電力半導体素子。
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