JP2010129550A - 電力用半導体モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】回路基板に形成する回路パターン面積を小さくして、さらなる小型化を実現するトランスファーモールド樹脂により封止された電力用半導体モジュールを得ることである。
【解決手段】回路パターンに接合された電力用半導体素子間および電力用半導体素子と回路パターンとの間を、配線用金属板で電気的に接続するとともに、配線用金属板と回路パターンとに筒状の主端子を略垂直に接合し、電力用半導体素子に筒状の制御端子を略垂直に接合したものである。
【選択図】図1

Description

本発明は、生産性に優れたトランスファーモールドによる樹脂封止型の電力用半導体モジュールに関し、特に、小型化を図ったトランスファーモールドによる樹脂封止型の電力用半導体モジュールに関する。

動作に伴う発熱を外部に効率良く逃がすことができるとともに、大電流化を可能にする、トランスファーモールド樹脂封止型電力用半導体モジュールとして、金属の放熱ベースに接合された回路パターンに、IGBT等の電力用半導体素子を搭載するとともに、外部接続用の主端子と制御端子とを回路パターンの面に略垂直に接合して設けたものがある。

この電力用半導体モジュールの主回路に接続されている主端子には、銅のブロック、ねじ穴が付いた円筒、ナットを樹脂モールドしたものが用いられており、銅のブロックの主端子は外部配線とはんだで接合され、ねじ穴が付いた円筒およびナットを樹脂モールドした主端子は外部配線と、ボルトで接続されている。また、この電力用半導体モジュールの制御回路に接続する制御端子には、メスコネクタが用いられ、外部配線とは、外部配線である制御基板に設けられたピンタイプの端子で接続されている。
そして、主端子および制御端子は回路パターン面に対して垂直に設けられ、外部配線との接続部が、モールドした樹脂の表面に露出している。また、電力用半導体素子と主端子との間、電力用半導体素子と制御端子との間、電力用半導体素子間の各間はワイヤーボンドで電気的に接続されている(例えば、特許文献1参照)。

特開2007−184315号公報(第7頁〜第9頁、第2図、第6図)

特許文献1に記載のトランスファーモールド樹脂封止型電力用半導体モジュール(電力用半導体モジュールと記す)は、電力用半導体素子と主端子との間、電力用半導体素子と制御端子との間、電力用半導体素子間の各間はワイヤーボンドで電気的に接続されている。
電力用半導体素子と主端子との間の電気的接続は、ワイヤーボンドによる電力用半導体素子と主端子を設けた回路パターンとの接続である。また、電力用半導体素子と制御端子との間の電気的接続も、ワイヤーボンドによる電力用半導体素子と制御端子を設けた回路パターンとの接続である。

特許文献1に記載の電力用半導体モジュールでは、電力用半導体モジュール内の配線に、ワイヤーボンドが用いられているため、電力用半導体素子を搭載する回路パターンとは、別に主端子あるいは制御端子を搭載する回路パターンが設けられており、電力用半導体モジュールの小型化が制限されるとの問題があった。
また、特許文献1に記載の電力用半導体モジュールでは、電力用半導体モジュール内の配線がワイヤーボンディング法で行われている。そしてワイヤーボンド装置のヘッダー部の動作には所定の広い範囲が必要であるので、主端子あるいは制御端子近傍にワイヤーボンディングすることが困難である。すなわち、ワイヤーボンディング装置を動作させるために、主端子あるいは制御端子と、ワイヤーボンディングされる部位との間隔を広くとる必要があり、この点からも、電力用半導体モジュールの小型化が制限されるとの問題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、トランスファーモールドで樹脂封止した電力用半導体モジュールであって、さらなる小型化を実現できる電力用半導体モジュールを提供することである。

本発明に係わる電力用半導体モジュールは、金属放熱体とこの金属放熱体の一方の面に接合した高熱伝導絶縁層とこの高熱伝導絶縁層における金属放熱体と接合した面と対向する面に設けられた回路パターンとからなる回路基板と、回路パターンに接合された電力用半導体素子と、電力用半導体素子間、電力用半導体素子と回路パターンとの間の各間を電気的に接続する配線用金属板と、配線用金属板と回路パターンとに略垂直に接合された筒状の主端子と、電力用半導体素子に略垂直に接合された筒状の制御端子と、少なくとも、高熱伝導絶縁層と回路パターンと電力用半導体素子と配線用金属板と主端子の側面部と制御端子の側面部とを封止したトランスファーモールド樹脂とを備え、トランスファーモールド樹脂の表面に主端子と制御端子との開口が設けられたものである。

本発明に係わる電力用半導体モジュールは、金属放熱体とこの金属放熱体の一方の面に接合した高熱伝導絶縁層とこの高熱伝導絶縁層における金属放熱体と接合した面と対向する面に設けられた回路パターンとからなる回路基板と、回路パターンに接合された電力用半導体素子と、電力用半導体素子間、電力用半導体素子と回路パターンとの間の各間を電気的に接続する配線用金属板と、配線用金属板と回路パターンとに略垂直に接合された筒状の主端子と、電力用半導体素子に略垂直に接合された筒状の制御端子と、少なくとも、高熱伝導絶縁層と回路パターンと電力用半導体素子と配線用金属板と主端子の側面部と制御端子の側面部とを封止したトランスファーモールド樹脂とを備え、トランスファーモールド樹脂の表面に主端子と制御端子との開口が設けられたものであり、電力用半導体モジュールのさらなる小型化が可能である。

実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る電力用半導体モジュールの断面模式図である。
図1に示すように、本実施の形態の電力用半導体モジュール100は、電力用半導体モジュール100の熱を放熱する金属放熱体である金属ベース板3の一方の面に、高熱伝導絶縁層である絶縁シート4が設けられている。この絶縁シート4における金属ベース板3に接合された面と対向する面には、回路パターンである、第1の金属パターン5aと第2の金属パターン5bが設けられている。
すなわち、金属ベース板3と絶縁シート4と第1の金属パターン5aと第2の金属パターン5bとで、回路基板である金属基板9を構成している。

また、第1の金属パターン5a上には、電力用半導体素子である、第1のIGBTチップ1aと第1のFWD(Free Wheeling Diode)チップ2aがはんだ8で接合されており、第2の金属パターン5b上には、電力用半導体素子である、第2のIGBTチップ1bと第2のFWDチップ2bがはんだ8で接合されている。すなわち、本実施の形態の電力用半導体モジュール100は、金属基板9に、2組のIGBTチップとFWDチップとのペアが搭載された、2in1IGBTモジュールである。
また、第1のIGBTチップ1aの第1の金属パターン5aに接合した面と対向する面と、第1のFWDチップ2aの第1の金属パターン5aに接合した面と対向する面とが、第1の配線用金属板7aで接合されている。第2のIGBTチップ1bの第2の金属パターン5bに接合した面と対向する面と、第2のFWDチップ2bの第2の金属パターン5bに接合した面と対向する面と、第1の金属パターン5aとが、第2の配線用金属板7bで接合されている。

また、第1の配線用金属板7aと第2の配線用金属板7bと第2の金属パターン5bとに、電力用半導体モジュール100の主回路につながる筒状の端子(主端子と記す)13が、金属基板9の面に対して略垂直に設けられている。半導体モジュール100の制御回路につながる筒状の端子(制御端子と記す)14が、各IGBTチップ1a,1bの各ゲート部に略垂直に設けられている。
また、電力用半導体モジュール100の金属基板9の金属パターン形成面部および周囲側面部と、全ての電力用半導体素子1a,1b,2a,2bと、すべての配線用金属板7a,7bと、主端子13と制御端子14との外側面は、トランスファーモールド樹脂6で封止されている。しかし、金属ベース板3の絶縁シート4が設けられた面と対向する面はトランスファーモールド樹脂6で封止されておらず、主端子13と制御端子14との孔部にはトランスファーモールド樹脂6は充填されていない。

本実施の形態では、第1のIGBTチップ1aと第1のFWDチップ2aとが第1の配線用金属板7aで接合され、第2のIGBTチップ1bと第2のFWDチップ2bと第1の金属パターン5aとが第2の配線用金属板7bで接合され、第2の金属パターン5bに主端子13が設けられているが、第1のIGBTチップ1aと第1のFWDチップ2aと第2の金属パターン5bとを第1の配線用金属板7aで接合し、第2のIGBTチップ1bと第2のFWDチップ2bとを第2の配線用金属板7bで接合し、第1の金属パターン5aに主端子13を設けても良い。

本実施の形態において、金属板ベース3には、例えばアルミニウム系または銅系の熱伝導性に優れた金属が用いられ、絶縁シート4には、各種セラミックスや無機粉末を含有する熱伝導性に優れた絶縁性樹脂シートが用いられる。
また、第1の金属パターン5aと第2の金属パターン5bには、例えば銅板が用いられ、第1の配線用金属板7aと第2の配線用金属板7bにも、例えば銅系の材料が用いられる。
また、主端子13と制御端子14とには、筒状の導電性を有した部材、例えば金属筒が用いられ、トランスファーモールド樹脂6には、例えば、フィラーとしてシリカ粉末が充填されたエポキシ樹脂が用いられる。

本実施の形態における電力用半導体モジュールの製造方法の一例について説明する。
まず、金属ベース板3とBステージの絶縁シート4と銅板とを積層し、加熱加圧し、
金属ベース板3と銅板とが絶縁シート4で接着された積層体を形成する。次に、積層体の銅板をエッチングして、第1の金属パターン5aと第2の金属パターン5bとを形成し、金属基板9とする。
次に、金属基板9の、第1の金属パターン5aに第1のIGBTチップ1aと第1のFWDチップ2aとを、はんだ8等で接合し、第2の金属パターン5bに第2のIGBTチップ1bと第2のFWDチップ2bとを、はんだ8等で接合する。

図2は、本発明の実施の形態1に係る電力用半導体モジュールの製造工程における金属パターンに電力用半導体素子が搭載された状態を示す図である。
図2に示すように、左から一列に、第1のIGBTチップ1a、第1のFWDチップ2a、第2のFWDチップ2b、第2のIGBTチップ1bとの順に並んでいる。また、第1の金属パターン5aの第2の配線用金属板7bを接合する凸部の側面と、第2の金属パターン5bの主端子13を接続する凸部の側面が平行に並ぶようになっており、第1の金属パターン5aと第2の金属パターン5bとの距離を近づけることができ、電力用半導体モジュールの小型化に寄与する。

次に、第1のIGBTチップ1aと第1のFWDチップ2aとに、第1の配線用金属板7aをはんだ等で接合し、第2のIGBTチップ1bと第2のFWDチップ2bと第1の金属パターン5aの凸部とに、第2の配線用金属板7bをはんだ等で接合する。
次に、第1の配線用金属板7aと第2の配線用金属板7bと第2の金属パターン5bの凸部とに、主端子13をはんだ等で接合し、第1のIGBTチップ1aと第2のIGBTチップ1bとの各々のゲート部に、制御端子14をはんだ等で接合する。

図3は、本発明の実施の形態1に係る電力用半導体モジュールの製造工程における主端子と制御端子とが取り付けられた状態を示す図である。
図3に示すように、大電流を流す主端子13のサイズは制御端子14より大きい。また、第1の配線用金属板7aと第2の配線用金属板7bとは、幅の広い1枚の板である。
最後に、金型を用いてトランスファーモールド法で成型し、トランスファーモールド樹脂6で封止して電力用半導体モジュール100を完成する。
図4は、本発明の実施の形態1に係る電力用半導体モジュールの上面図である。
図4に示すように、封止したトランスファーモールド樹脂6の表面に、各主端子13と各制御端子14の開口が露出しており、この開口に外部回路につなげる外部端子を挿入できる。
封止したトランスファーモールド樹脂6の表面に、各主端子13と各制御端子14との開口を露出させて成型する方法としては、例えば、公差吸収可能な熱可塑性シートを金型内に配置して成型する方法が挙げられる。

本実施の形態の電力用半導体モジュール100の製造工程では、各電力用半導体素子を、各金属パターンに接合した後、電力用半導体素子に配線用金属板を接合し、この後に主端子および制御端子を接合するが、電力用半導体素子、配線用金属板、主端子および制御端子を、各々はんだペーストを用いて仮接着した後、一括リフローによりはんだ接合することも可能である。このようにすると、電力用半導体モジュールの製造工程が簡略化し、電力用半導体モジュールの生産性が向上する。

本実施の形態の電力用半導体モジュール100では、電力用半導体モジュール内の配線にワイヤーボンドが用いられておらず、電力用半導体素子間ならびに電力用半導体素子と電力用半導体素子を搭載した金属パターンとの間は、配線用金属板で接合されている。そして、主端子は配線用金属板に設けられ、制御端子はIGBTチップに設けられているので、電力用半導体素子を搭載した金属パターンの他に、主端子や制御端子を載置する金属パターンを別途設ける必要がなく、電力用半導体モジュールのさらなる小型化が可能である。
また、ワイヤーボンドを用いていないの、ワイヤーボンディング装置を動作させるための広いスペースが不要であり、このことからも電力用半導体モジュールのさらなる小型化が可能である。

また、電流容量の大きな電力用半導体モジュールにおいて、ワイヤーボンドで配線する場合には、並列に多数のワイヤーボンドを接続する必要があり、接続不良の確立が増大する。しかし、本実施の形態の電力用半導体モジュール100は、ワイヤーボンドに換えて1枚の配線用金属板で配線しているので、接続不良の確立が低く信頼性が優れている。

本実施の形態の電力用半導体モジュール100は、金属基板9に、2組のIGBTチップとFWDチップとのペアが搭載された、2in1IGBTモジュールであるが、このワイヤーボンドを用いない配線用金属板による配線と、この配線用金属板に主端子を設け、IGBT素子に制御端子を設ける構造は、1組のIGBTチップとダイオードチップとを搭載した1つの金属パターンの電力用半導体モジュールにも用いることができる。
また、IGBTチップやダイオードチップなど同じ種類のチップ間を接続する場合にも用いることができる。

実施の形態2.
図5は、本発明の実施の形態2に係る電力用半導体モジュールの断面模式図である。
図5に示すように、本実施の形態の電力用半導体モジュール200は、第1のIGBTチップ1aのゲート部に第3の配線用金属板7cが接合され、第2のIGBTチップ1bのゲート部に第4の配線用金属板7dが接合されており、制御端子14が、第3の配線用金属板7cと第4の配線用金属板7dとに、各々接合されている以外、実施の形態1の電力用半導体モジュール100と同様である。そして、第3の配線用金属板7cと第4の配線用金属板7dとの、IGBTチップのゲート部に接合する部分が、ゲート面積以内であるとともに、制御端子14を接合する部分が、制御端子14の接合部の面積以上である。
本実施の形態の電力用半導体モジュール200は、実施の形態1の電力用半導体モジュール100と同様な効果を有するとともに、小容量IGBTチップが用いられ、IGBTチップのゲート部の面積が制御端子の接合部の面積より小さくても、制御端子を設けることができる。

実施の形態3.
図6は、本発明の実施の形態3に係る電力用半導体モジュールの断面模式図である。
図6に示すように、本実施の形態の電力用半導体モジュール300は、回路基板に、高熱伝導絶縁層であるセラミック板15の一方の面に金属放熱体としての放熱用金属板16が接合され、セラミック板15の他方の面に回路パターンである第1の金属パターン5aと第2の金属パターン5bとが設けられたセラミック基板10を用いた以外、実施の形態1の電力用半導体モジュール100と同様である。セラミック板15には、アルミナ、窒化アルミ、窒化ホウ素等の板か好んで用いられる。
本実施の形態の電力用半導体モジュール300は、実施の形態1の電力用半導体モジュール100と同様な効果を有するとともに、回路基板にセラミック基板10を用いたので、電力用半導体モジュールのさらなる低熱抵抗化を実現できる。
回路基板にセラミック基板10を用いることは、実施の形態2の電力用半導体モジュール200にも適用でき、同様な効果が得られる。

実施の形態4.
図7は、本発明の実施の形態4に係る電力用半導体モジュールの断面模式図である。
図7に示すように、本実施の形態の電力用半導体モジュール400は、実施の形態1の電力用半導体モジュール100の、主端子13と制御端子14とに、外部端子ピン11が挿入接続されたものである。
そして、電力用半導体モジュール400は、主端子13または制御端子14に挿入接続された外部端子ピン11により、外部回路と導通することができる。

図8は、本発明の実施の形態4に係る電力用半導体モジュールに用いられる外部端子を示す図である。
図8に示す全ての外部端子ピン11は、主端子13または制御端子14に挿入される下部側の形状が、コンプライアントピン型のプレスフィット構造であり、主端子13または制御端子14に圧入により取り付けられて、電気的に接続される。外部端子ピン11のプレスフィット構造は、スターピン等であっても良い。
また、外部端子ピン11の材質は、バネ性を有し電気抵抗が少ない銅合金系が好ましく、外部端子ピン11の断面積は、電流容量により適宜決められる。

外部端子ピン11の上部側の形状は、電力用半導体モジュールに電気的に接合される外部装置の形状により決められる。
外部装置のプリント基板のパターン部に接合する場合は、このパターン部に接合する上部側が、スプリング形状の第1の外部端子ピン11a、または、バネ形状の第2の外部端子ピン11bを用いる。
また、外部装置のプリント基板のスルーホール部に接合する場合は、このスルーホール部に接合する上部側が、はんだ接続形状の第3の外部端子ピン11c、または、プレスフィット接続形状の第4の外部端子ピン11dを用いる。
図示していないが、電流容量が大きい場合は、例えば、主端子を雌ねじが設けられた金属筒とし、外部端子ピンを雄ねじが設けられたピンとしても良い。

本実施の形態の電力用半導体モジュール400は、実施の形態1の電力用半導体モジュール100と同様な効果を有するとともに、各種形状の外部装置に電気的に接続することが可能であり、利便性に優れている。
主端子13と制御端子14とに、プレスフィット構造の外部端子ピン11を挿入した構造は、実施の形態2および実施の形態3の電力用半導体モジュール200,300にも適用でき、同様な効果が得られる。

本発明に係る電力用半導体モジュールは、回路基板に主端子や制御端子を載置する金属パターンを設ける必要がなく、小型化が可能であるので、電力用半導体モジュールを高密度で実装する電力用半導体装置に有効に利用できる。

本発明の実施の形態1に係る電力用半導体モジュールの断面模式図である。 本発明の実施の形態1に係る電力用半導体モジュールの製造工程における金属パターンに電力用半導体素子が搭載された状態を示す図である。 本発明の実施の形態1に係る電力用半導体モジュールの製造工程における主端子と制御端子とが取り付けられた状態を示す図である。 本発明の実施の形態1に係る電力用半導体モジュールの上面模式図である。 本発明の実施の形態2に係る電力用半導体モジュールの断面模式図である。 本発明の実施の形態3に係る電力用半導体モジュールの断面模式図である。 本発明の実施の形態4に係る電力用半導体モジュールの断面模式図である。 本発明の実施の形態4に係る電力用半導体モジュールに用いられる外部端子を示す図である。

符号の説明

1a 第1のIGBTチップ、1b 第2のIGBTチップ、
2a 第1のFWDチップ、2b 第1のFWDチップ、3 金属ベース板、
4 絶縁シート、5a 第1の金属パターン、5b 第2の金属パターン、
6 トランスファーモールド樹脂、7a 第1の配線用金属板、
7b 第2の配線用金属板、7c 第3の配線用金属板、7d 第4の配線用金属板、
8 はんだ、9 金属基板、10 セラミック基板、11 外部端子ピン、
11a 第1の外部端子ピン、11b 第2の外部端子ピン、
11c 第3の外部端子ピン、11d 第4の外部端子ピン、13 主端子、
14 制御端子、15 セラミック板、16 放熱用金属板、
100,200,300,400 電力用半導体モジュール。

Claims (8)

  1. 金属放熱体とこの金属放熱体の一方の面に接合した高熱伝導絶縁層とこの高熱伝導絶縁層における上記金属放熱体と接合した面と対向する面に設けられた回路パターンとからなる回路基板と、上記回路パターンに接合された電力用半導体素子と、上記電力用半導体素子間、上記電力用半導体素子と上記回路パターンとの間の各間を電気的に接続する配線用金属板と、上記配線用金属板と上記回路パターンとに略垂直に接合された筒状の主端子と、上記電力用半導体素子に略垂直に接合された筒状の制御端子と、少なくとも、上記高熱伝導絶縁層と上記回路パターンと上記電力用半導体素子と上記配線用金属板と上記主端子の外側面部と上記制御端子の外側面部とを封止したトランスファーモールド樹脂とを備え、上記トランスファーモールド樹脂の表面に上記主端子と上記制御端子との開口が設けられた電力用半導体モジュール。
  2. 回路パターンが1つの金属パターンであり、上記金属パターンに電力用半導体素子として1組のIGBTチップとFWDチップとが搭載され、上記IGBTチップと上記FWDチップとが配線用金属板で接続され、上記配線用金属板と上記金属パターンとに主端子が接合され、上記IGBTチップのゲート部に制御端子が接合されたことを特徴とする請求項1に記載の電力用半導体モジュール。
  3. 回路パターンが第1の金属パターンと第2の金属パターンとで構成され、上記第1の金属パターンに電力用半導体素子として第1のIGBTチップと第1のFWDチップとが搭載され、上記第2の金属パターンに電力用半導体素子として第2のIGBTチップと第2のFWDチップとが搭載され、上記第1のIGBTチップと上記第1のFWDチップとが第1の配線用金属板で接続され、上記第2のIGBTチップと上記第2のFWDチップと上記第1の金属パターンとが第2の配線用金属板で接続され、上記第1の配線用金属板と上記第2の配線用金属板と上記第2の金属パターンとに主端子が接合され、上記第1のIGBTチップと上記第2のIGBTチップとのゲート部に制御端子が接合されたことを特徴とする請求項1に記載の電力用半導体モジュール。
  4. IGBTチップのゲート部に配線用金属板が接合され、この配線用金属板に制御端子が接合されたことを特徴とする請求項2または請求項3に記載の電力用半導体モジュール。
  5. 回路基板が、金属放熱体である金属ベース板とこの金属ベース板の一方の面に接合された高熱伝導絶縁層である絶縁シートとこの絶縁シートにおける上記金属ベース板に接合された面と対向する面に設けられた回路パターンとからなる金属基板であることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の電力用半導体モジュール。
  6. 回路基板が、高熱伝導絶縁層であるセラミック板とこのセラミック板の一方の面に接合された金属放熱体である放熱用金属板と上記セラミック板の他方の面に設けられた回路パターンとからなるセラミック基板であることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の電力用半導体モジュール。
  7. トランスファーモールド樹脂の表面に開口が設けられた、主端子と制御端子とに、外部端子ピンが挿入接続されたことを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の電力用半導体モジュール。
  8. 外部端子ピンが、上部側がスプリング形状の第1の外部端子ピン、上部側がバネ形状の第2の外部端子ピン、上部側がはんだ接続形状の第3の外部端子ピン、上部側がプレスフィット接続形状の第4の外部端子ピンのうちのいずれか1つであることを特徴とする請求項7に記載の電力用半導体モジュール。
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