JP2010129671A - 電力用半導体モジュール - Google Patents
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Abstract
【解決手段】回路基板と、この回路基板の配線パターンの素子搭載部に接合された電力用半導体電力素子と、配線パターンに接合された筒状外部端子連通部と、電気的な接続を必要とする部分を接続する回路形成手段と、こられを封止するトランスファーモールド樹脂とを備えた電力用半導体モジュールであって、筒状外部端子連通部が金属筒であり、円筒状外部端子連通部の孔部に、ゲルが充填されたものである。
【選択図】図1
Description
また、特許文献1には、電力用半導体モジュールの制御端子として、ピンを着脱できるコネクター構造が記載されている。そこで、電力用半導体モジュールの主端子も、外部端子をプレスフィットで代表されるような圧入接続できる構造の筒状外部端子連通部とすることにより、上記電力用半導体モジュールの補修性の問題は解決できる。
また、外部端子がはんだで接続される筒状外部端子連通部を端子として用いた電力用半導体モジュールにおいても、筒状外部端子連通部とトランスファーモールド樹脂との界面に水分が浸入する場合があり、筒状外部端子連通部の外側壁部や配線パターンが腐食するとの問題があった。
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板1の一方の面に、高熱伝導絶縁層である樹脂絶縁層2が設けられている。この樹脂絶縁層2における金属板1に接合された面と対向する面には、金属箔の配線パターン3が設けられている。
すなわち、金属板1と樹脂絶縁層2と配線パターン3とで、回路基板である金属回路基板8を構成している。
また、配線パターン3と配線パターン3との間、電力用半導体素子5と電力用半導体素子5との間、および、配線パターン3と電力用半導体素子5との間は、これらを電気的に接続する回路形成手段であるワイヤーボンド9で接続されている。
そして、金属回路基板8の配線パターン形成面部および周囲側面部と、電力用半導体素子5と、ワイヤーボンド9と、筒状外部端子連通部6の外側面は、トランスファーモールド樹脂7で封止されている。しかし、金属板1の樹脂絶縁層2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7で封止されておらず、筒状外部端子連通部6の孔部にはトランスファーモールド樹脂7は充填されていない。
本実施の形態で用いられるゲル11は、針入度40〜150/10mm程度のものが好ましい。また、ゲル11は、導電性または絶縁性のいずれであっても良い。特に、導電性のゲルを用いると、外部端子と筒状外部端子連通部6との物理的接触のみならず、ゲル11を介して導電できるので、外部端子と筒状外部端子連通部6との接触抵抗が低下し、電流容量を大きくできる。但し、絶縁性のゲルを用いても、ゲル11の針入度が大きいので、外部端子と筒状外部端子連通部6との十分な電気接触を確保できる。
電力用半導体モジュールの筒状外部端子連通部6は、外部回路につながる外部端子が接続される端子であり、図2に示す外部端子が接続された電力用半導体モジュール(外部端子接続電力用半導体モジュールと記す)101は、上記電力用半導体モジュール100の筒状外部端子連通部6にコンプライアントピンの外部端子12が挿入された状態のものである。
上記電力用半導体モジュール100の筒状外部端子連通部6への、外部端子12であるコンプライアントピンの接続は、プレスフィットに代表される圧入で行われる。そして、筒状外部端子連通部6と外部端子12とは金属間接合している。本実施の形態では、外部端子にコンプライアントピンを用いているが圧入接続できるものであればこれに限定されない。
また、金属板1の厚み、長さ、幅とは、電力用半導体モジュール100の電流容量により、適宜決められる。すなわち、電力用半導体モジュール100の電流容量が大きくなると、金属板1の厚みを厚くし、金属板1の長さと幅とを大きくする。
本実施の形態において、樹脂絶縁層2には、例えば、各種セラミックスや無機粉末を含有する樹脂絶縁シート、ガラス繊維を含有する樹脂絶縁シートを用いることができる。上記樹脂絶縁層2に含有される無機粉末としては、アルミナ、ベリリヤ、ボロンナイトライド、マグネシア、シリカ、窒化珪素、窒化アルミニウムが挙げられる。そして、樹脂絶縁層2の厚みは、例えば、20〜400μmである。
また、筒状外部端子連通部6の厚みは、トランスファーモールド時の成形圧力により潰れない厚みであれば良く、それは電力用半導体モジュール100の電流容量により適宜決められる。筒状外部端子連通部6の高さは、後で挿入する外部端子を十分に接続できる高さであれば良い。
本実施の形態において、筒状外部端子連通部6に挿入する外部端子12には、熱伝導性と電気伝導性に優れた金属が用いられ、特に、銅系の材料が好ましい。外部端子12の断面積は、電力用半導体モジュール100の電流容量により、適宜決められる。
例えば、配線パターン3と金属板1とに銅を用いた場合、トランスファーモールド樹脂7の熱膨張係数を銅の熱膨張係数である16ppm/℃に合わすように、エポキシ樹脂へのシリカ粉末の充填量が設定される。このようにすることにより、反りのない電力用半導体モジュールが得られる。
また、トランスファーモールド樹脂7の放熱性を向上させる場合は、フィラーとしてシリカ粉末の代わりにアルミナ粉末を用いることが好ましい。
本実施の形態の電力用半導体モジュール100は、例えば、厚み3mmのアルミニウム板に、Bステージ状態のアルミナ粉末を含有するエポキシ樹脂シートを載せ、その上に厚み0.3mmの銅箔を重ねる。そして、アルミニウム板とアルミナ粉末を含有するエポキシ樹脂シートと銅箔とを積層したものを加熱・加圧して、アルミニウム板と銅箔とをアルミナ粉末を含有するエポキシ樹脂シートで接合する。次に、銅箔をエッチングして配線パターン3を形成する。このようにして、アルミニウムの金属板1とアルミナ粉末を含有するエポキシ樹脂の樹脂絶縁層2と銅の配線パターン3とからなる金属回路基板8を形成する。その後、図示していないが、ソルダーレジストを所定の場所に形成する。しかし、この工程はなくても良い。
そして、配線パターン3と配線パターン3との間、電力用半導体素子5と電力用半導体素子5との間、および、配線パターン3と電力用半導体素子5との間において、導通が必要な箇所をアルミニウムのワイヤーボンド9で接続する。
また、本実施の形態では、導通が必要な箇所をワイヤーボンド9で接続しているが、これに限定されるものではなく、これ以外の電気的接続を行えるものであっても良い。
この製造方法では、筒状外部端子連通部6の接合は、すでに電力用半導体素子5が接合された配線パターン3に行うので、低融点はんだを用いるか、もしくは、はんだ以外の接合方法を用いる。はんだ以外の接合方法としては、例えば、銀ペーストで接着する方法や、超音波接合による方法が挙げられる。
また、本実施の形態の電力用半導体モジュール100では、筒状外部端子連通部6の孔部にゲル11が充填されているので、湿度的に厳しい環境で電力用半導体モジュールを用いても、筒状外部端子連通部6の内部への水分の浸入を防止でき、筒状外部端子連通部6の内部や配線パターン3の腐食が防止できる。
また、本実施の形態の電力用半導体モジュール101も、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、筒状外部端子連通部6と外部端子12との接触が優れており、接触抵抗や熱抵抗が小さい。
図3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3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、筒状外部端子連通部6aの配線パターン3に接合される側に底体が設けられている以外、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。
図4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における筒状外部端子連通部に外部端子が挿入された状態を示す断面模式図である。
図4に示す外部端子接続電力用半導体モジュール201は、上記電力用半導体モジュール200の筒状外部端子連通部6にコンプライアントピンの外部端子12が挿入された状態のものである。
また、本実施の形態の電力用半導体モジュール200では、筒状外部端子連通部6の孔部にゲル11が充填されているので、湿度的に厳しい環境で電力用半導体モジュールを用いても、筒状外部端子連通部6の内部への水分の浸入を防止でき、筒状外部端子連通部6の内部の腐食が防止できる。
また、本実施の形態の電力用半導体モジュール201も、電力用半導体モジュール200と同様な効果を有するとともに、筒状外部端子連通部6と外部端子12との接触が優れており、接触抵抗や熱抵抗が小さい。
さらに、筒状外部端子連通部6aの底体が配線パターン3に接合されるので、筒状外部端子連通部6aと配線パターン3との接合面積が大きく、はんだの付きが良くなり、筒状外部端子連通部6aと配線パターン3との接合信頼性が向上する。
図5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における筒状外部端子連通部付近の部分断面模式図である。
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300は、筒状外部端子連通部6の内側部分と配線パターン3に接合される部分とトランスファーモールド樹脂7から露出した部分とにのみ、めっき13が設けられている以外、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。
本実施の形態において、筒状外部端子連通部6の内側部分と配線パターン3に接合される部分とトランスファーモールド樹脂7から露出した部分とに設けるめっき13は、ニッケルめっきや錫めっきが好ましい。
この筒状外部端子連通部6の内側部分と配線パターン3に接合される部分とトランスファーモールド樹脂7から露出した部分とにのみ、めっき13を設けることは、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。
図6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おける筒状外部端子連通部付近の部分断面模式図である。
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400は、筒状外部端子連通部6が、その孔部にゲル11を充填していない空孔を備えた筒状外部端子連通部6である以外、実施の形態3の電力用半導体モジュール300と同様である。
本実施の形態の電力用半導体モジュール400は、筒状外部端子連通部6への外部端子12の接合をはんだで行うことにより、実施の形態3の電力用半導体モジュール300と同様な効果がある。
本実施の形態の電力用半導体モジュール400は、外部端子12の接合がはんだで行われるので、外部端子12は、筒状外部端子連通部6へ挿入でき、はんだ接合できる金属体であれば良い。
5 電力用半導体素子、6,6a 筒状外部端子連通部、
7 トランスファーモールド樹脂、8 金属回路基板、9 ワイヤーボンド、
11 ゲル、12 外部端子、13 めっき、
100,200,300,400 電力用半導体モジュール、
101,201 外部端子接続電力用半導体モジュール。
Claims (7)
- 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配線パターンとからなる回路基板と、上記配線パターンの素子搭載部に接合された電力用半導体素子と、上記配線パターンに対して略垂直に接合された筒状外部端子連通部と、上記電力用半導体素子間、上記配線パターン間、上記電力用半導体素子と上記配線パターンとの間の各間を電気的に接続する回路形成手段と、少なくとも、上記配線パターンと上記電力用半導体素子と上記筒状外部端子連通部と上記回路形成手段とを封止したトランスファーモールド樹脂とを備えた電力用半導体モジュールであって、上記筒状外部端子連通部が金属筒であり、上記筒状外部端子連通部の孔部にゲルが充填された電力用半導体モジュール。
- 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配線パターンとからなる回路基板と、上記配線パターンの素子搭載部に接合された電力用半導体素子と、上記配線パターンに対して略垂直に接合された筒状外部端子連通部と、上記電力用半導体素子間、上記配線パターン間、上記電力用半導体素子と上記配線パターンとの間の各間を電気的に接続する回路形成手段と、少なくとも、上記配線パターンと上記電力用半導体素子と上記筒状外部端子連通部と上記回路形成手段とを封止したトランスファーモールド樹脂とを備えた電力用半導体モジュールであって、上記筒状外部端子連通部が金属筒であり、上記筒状外部端子連通部の、内側部分と上記配線パターンに接合される部分と上記トランスファーモールド樹脂から露出した部分とにのみ、めっきが設けられた電力用半導体モジュール。
- 筒状外部端子連通部の、内側部分と配線パターンに接合される部分とトランスファーモールド樹脂から露出した部分とにのみ、めっきが設けら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。
- 回路基板が、金属放熱体である金属板とこの金属板の一方の面に接合された高熱伝導絶縁層である樹脂絶縁層とこの樹脂絶縁層における上記金属板に接合された面と対向する面に設けられた配線パターンとからなる金属回路基板であることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の電力用半導体モジュール。
- 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金属箔と上記セラミック板の他方の面に設けられた配線パターンとからなるセラミック回路基板であることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の電力用半導体モジュール。
- 筒状外部端子連通部の配線パターンに接合される側に底体を設けたことを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の電力用半導体モジュール。
- 筒状外部端子連通部に、外部端子が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。
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