JP2011066255A - パワーモジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】パワーモジュールの電極端子の高さ寸法の精度を向上する構造体を提供する。
【解決手段】パワーモジュール８０では、金属ベース１の表面に複数の回路基板２が載置される。回路基板２の表面にＩＧＢＴである半導体チップ３が載置される。回路基板２の表面に設けられる半導体チップ３と電気的に接続されるエミッタ電極端子５Ｅが設けられる。エミッタ電極端子５Ｅは、上部側にコ型形状に折り曲げられた電極端子折り曲げ部３１を有する。エミッタ電極端子５Ｅは、回路基板２の上部電極２１とはんだ接合され、樹脂ケース６の上面まで延在している。電極端子折り曲げ部３１の内側には、ナット１１とナットホルダー９が収納される。
【選択図】図２

Description

本発明は、パワーモジュールに関する。
パワーモジュールでは、パワーデバイスとしての半導体チップが載置された回路基板の上部電極と電極端子の間、及び回路基板の下部電極と金属ベースの間がはんだ接合され、回路基板とケースの間の空隙部にはシリコーンゲルなどが充填される。ＩＧＢＴ（Insulated−Gate Bipolar Transistor）モジュール等のパワーモジュールでは、熱伝導性を考慮して回路基板に、例えばＡＬＮ（窒化アルミニウム）などのセラミック基板が用いられ、金属ベースに熱伝導率に優れたＣｕ（銅）などが用いられる（例えば、特許文献１参照。）。
特許文献１などに記載されるパワーモジュールでは、はんだ接合された電極端子が、例えば実装用に垂直に折り曲げられる。専用治具などを用いて折り曲げた場合、直角に曲がらずに電極端子の高さ寸法精度が所定の規格を満足しないという問題点がある。また、折り曲げられたはんだ接合部に応力がかかり、信頼性が低下するという問題点がある。
特開２００５−３１１０１９号公報
本発明は、パワーモジュールの電極端子の高さ寸法の精度を向上することにある。
本発明の一態様のパワーモジュールは、金属ベースと、コ型状に折り曲げられた折り曲げ部を有する電極端子と、前記電極端子の折り曲げ部の内側に収納されるナット及びナットホルダーと、第１主面に半導体チップが搭載され、前記半導体チップと電気的に接続され、前記折り曲げ部から離間される前記電極端子の一端にはんだ接合される上部電極が第１主面に設けられ、第１主面と相対向する第２主面に設けられる下部電極が前記金属ベースとはんだ接合される回路基板と、下端部が前記金属ベースの端部と接し、上部が前記電極端子の折り曲げ部の外側面と接し、前記回路基板と離間し、前記回路基板を覆うように設けられるケースとを具備することを特徴とする。
更に、本発明の他態様のパワーモジュールは、金属ベースと、コ型状に折り曲げられた折り曲げ部を有する電極端子と、前記電極端子の折り曲げ部の内側に収納されるナット及びナットホルダーと、上部電極、セラミック基板、及び下部電極から構成され、半導体チップが第１主面に載置され、前記折り曲げ部から離間される前記電極端子の一端が前記上部電極とはんだ接合され、前記折り曲げ部から離間される前記電極端子の一端が上記半導体チップと電気的に接続され、第１主面と相対向する第２主面に設けられる下部電極が前記金属ベースとはんだ接合される回路基板と、前記金属ベースの第１主面と前記回路基板の第１主面及び側面とを覆うように設けられるシリコーンゲルと、下端部が前記金属ベースの端部及び前記シリコーンゲルの端部と接し、上部が前記電極端子の折り曲げ部の外側面と接し、前記シリコーンゲル覆うように設けられる樹脂ケースと、前記樹脂ケースと前記シリコーンゲルの間に設けられた空隙部とを具備することを特徴とする。
本発明によれば、電極端子の高さ寸法の精度が向上したパワーモジュールを提供することができる。
本発明の実施例１に係るパワーモジュールを示す平面図。 図１のＡ−Ａ線に沿うパワーモジュールの断面図。 図１のＢ−Ｂ線に沿うパワーモジュールの断面図。 本発明の実施例１に係る比較例のパワーモジュールを示す断面図。 本発明の実施例１に係る比較例のパワーモジュールの電極端子を折り曲げた直後の形状を示す断面図。 本発明の実施例１に係る電極端子の高さ寸法公差のばらつきを示す図。 本発明の実施例１に係るパワーモジュールの製造工程を示す断面図。 本発明の実施例１に係るパワーモジュールの製造工程を示す断面図。 本発明の実施例２に係るパワーモジュールを示す断面図。 本発明の実施例２に係るパワーモジュールの製造工程を示す断面図。 本発明の実施例２に係るパワーモジュールの製造工程を示す断面図。
以下本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
まず、本発明の実施例１に係るパワーモジュールについて、図面を参照して説明する。図１はパワーモジュールを示す平面図、図２は図１のＡ−Ａ線に沿うパワーモジュールの断面図、図３は図１のＢ−Ｂ線に沿うパワーモジュールの断面図、図４は比較例のパワーモジュールを示す断面図、図５は比較例のパワーモジュールの電極端子を折り曲げた直後の形状を示す断面図。図６は電極端子の高さ寸法公差のバラツキを示す図である。本実施例では、予めコ型状に折り曲げられた電極端子折り曲げ部を有する電極端子を回路基板の上部電極に接続してから、電極端子折り曲げ部の内側にナット及びナットホルダーを収納している。
図１に示すように、パワーモジュール８０には、底部に放熱基板である金属ベース１が設けられ、上面にコレクタ電極端子５Ｃ、エミッタ電極端子５Ｅ、信号端子５Ｇなど複数の電極端子、及びナット１１が設けられる。コレクタ電極端子５Ｃ、エミッタ電極端子５Ｅ、信号端子５Ｇは、図上部から見て矩形形状を有する。コレクタ電極端子５Ｃ、エミッタ電極端子５Ｅ、信号端子５Ｇは、半導体チップと電気的に接続される。
樹脂ケース６は、パワーモジュール８０を覆う。ナット１１は、複数設けられ、コレクタ電極端子５Ｃ、エミッタ電極端子５Ｅ、及び信号端子５Ｇの領域内にそれぞれ配置される。
パワーモジュール８０は、搭載される半導体チップにＩＧＢＴ（Insulated−Gate Bipolar Transistor）を用いた、ＩＰＭ（Intelligent Power Module）としてのＩＧＢＴモジュールである。パワーモジュール８０は、例えばインバータ分野に使用される。なお、ＩＧＢＴパワーモジュール、パワーＭＯＳモジュール、ダイオードモジュール等のパワーモジュールは、電鉄応用分野、電気自動車、インバータ分野、誘導加熱分野など種々の分野に適用される。
図２に示すように、パワーモジュール８０では、金属ベース１の第１主面（表面）に、セラミック基板２０、上部電極２１、及び下部電極２２から構成される複数の回路基板２が金属ベース１上に載置される。上部電極２１はセラミック基板２０の第１主面（表面）に設けられる。下部電極２２はセラミック基板２０の第１主面（表面）と相対向する第２主面（裏面）に設けられる。回路基板２の第１主面（表面）にＩＧＢＴである半導体チップ３が載置される。回路基板２の第１主面（表面）に設けられる半導体チップ３と電気的に接続されるエミッタ電極端子５Ｅが設けられる。
金属ベース１は、回路基板２の下部電極２２とはんだ接合される。エミッタ電極端子５Ｅは、回路基板２の上部電極２１とはんだ接合され、樹脂ケース６の上面（第１主面）まで延在している。エミッタ電極端子５Ｅの上部側には、コ型形状に折り曲げられた電極端子折り曲げ部３１が設けられる。電極端子折り曲げ部３１の内側には、ナット１１とナットホルダー９が収納される。
同様に、図示しないコレクタ電極端子５Ｃ及び信号端子５Ｇも樹脂ケース６の上面（第１主面）まで延在している。コレクタ電極端子５Ｃ及び信号端子５Ｇの上部側には、コ型形状に折り曲げられた電極端子折り曲げ部３１が設けられる。この電極端子折り曲げ部３１の内側には、ナット１１とナットホルダー９が収納される。
半導体チップ３はボンディングワイヤ４を介してエミッタ電極端子５Ｅ、コレクタ電極端子５Ｃ、信号端子５Ｇなどの電極端子と電気的に接続される。エミッタ電極端子５Ｅ、コレクタ電極端子５Ｃ、信号端子５Ｇは、それぞれ回路基板２にはんだ付けされる。
ここで、はんだにはＰｂフリーはんだが使用される。ボンディングワイヤ４には、径の比較的大きく、金（Ａｕ）よりも安価な、例えばＡＬ（アルミニウム）が使用される。回路基板２に用いられるセラミック基板２０には、例えば熱伝導率の優れたＡＬＮ（窒化アルミニウム）を用いているが、代わりにＡＬ２Ｏ３（アルミナ）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素）、ＳｉＣ（炭化珪素）などを用いてもよい。ＡＬＮ（窒化アルミニウム）の熱伝導率は、他のセラミック基板よりも値が大きく、１７０〜２００Ｗ／ｍｋである。上部電極２１及び下部電極２２には、例えばＣｕ（銅）を用いているが、代わりにＮｉ（ニッケル）などを用いてもよい。
樹脂ケース６は、下端部が金属ベース１の端部と接し、上部が電極端子折り曲げ部３１の外端部と接している。シリコーンゲル７は、端部が樹脂ケース６の端部と接し、金属ベース１の上面（第１主面）と回路基板２の側面及び上面（第１主面）とを覆うように設けられる。樹脂ケース６とシリコーンゲル７の間には、空隙部８が設けられ、例えば空気が充填される。
図３に示すように、パワーモジュール８０では、エミッタ電極端子５Ｅ、コレクタ電極端子５Ｃ、及び信号端子５Ｇの上端部が露呈される。
ここで、エミッタ電極端子５Ｅ、コレクタ電極端子５Ｃ、信号端子５Ｇには、例えば熱伝導率の優れたＣｕ（銅）が使用される。金属ベース１には、例えばプレス加工などにより形成され、熱伝導率の優れたＣｕ（銅）を用いているが、代わりに銅合金、ＡＬ（アルミニウム）、Ｎｉ（ニッケル）、ＡｌＳｉＣ（炭化アルミニウム珪素）、或いはＭｏ（モリブデン）などを用いてもよい。Ｃｕ（銅）の熱伝導率は、他の金属よりも値が大きく、３９３Ｗ／ｍｋである。
樹脂ケース６には、例えば難燃性、耐熱性を有するＰＰＳ（ポリフェレンサルファイド）樹脂を用いているが、代わりに不飽和ポリエステル系樹脂などを用いてもよい。
本実施例のパワーモジュール８０では、折り曲げられた電極端子のはんだ接合部に応力がかからないので、はんだ接合部の脆弱化の進行を抑制することができる。したがって、ＴＦＴ（Thermal fatigue Test 熱疲労試験）試験やＴＣＴ試験での不良の発生を抑制することができる。
図４に示すように、比較例のパワーモジュール９０では、エミッタ電極端子５Ｅａが上部電極２１にはんだ接合された後、専用治具などを用いてエミッタ電極端子５Ｅａが樹脂ケース６の上面と平行になるように、直角に折り曲げられる。比較例のパワーモジュール９０では、本実施例の電極端子折り曲げ部３１が設けられていない。
エミッタ電極端子５Ｅａの折り曲げ時、図５に示すように、端子折り曲げ角度Ｒが直角にならず、例えば９０°乃至９２°の範囲でばらつく。この結果、折り曲げもとでの端子高さＨ１、折り曲げ先での端子高さＨ２の関係が、
H1＜H2・・・・・・・・・・・・・・・・・・・式（１）
と表され、電極端子の高さ寸法公差にばらつきが発生する。
図６に示すように、比較例のパワーモジュール９０では、電極端子の高さ寸法にばらつきが発生し、平均値が３８．９５ｍｍ、標準偏差が０．３２となり仕様（例えば、ユーザ要求規格 ３８±０．５ｍｍ）を満足することができない。
一方、本実施例のパワーモジュール８０では、はんだ接合後に電極端子を折り曲げていないので、平均値が３７．８ｍｍ、標準偏差が０．１１となり仕様（例えば、ユーザ要求規格 ３８±０．５ｍｍ）を満足することができる。
次に、パワーモジュールの製造方法について、図７及び図８を参照して説明する。図７及び図８はパワーモジュールの製造工程を示す断面図である。
図７に示すように、まず、金属ベース１上に回路基板２を図示しないはんだを介して載置し、半導体チップ３を回路基板２上にマウントする。回路基板２の上部電極２１と半導体チップ３の間をボンディングワイヤ４で電気的に接続する。コ型状に折り曲げられた電極端子折り曲げ部３１を有するエミッタ電極端子５Ｅを回路基板２の上部電極２１上にはんだを介して載置する。ここで、電極端子折り曲げ部３１を有するエミッタ電極端子５Ｅは、予め電極端子の高さ寸法が測定され、仕様を満足しているかのチェックが行われる。仕様を満足していないものは使用されない。
エミッタ電極端子５Ｅを載置後、はんだリフロー処理を行い、金属ベース１上に回路基板２をはんだ付けし、エミッタ電極端子５Ｅを回路基板２の上部電極２１にはんだ付けする。
次に、図８に示すように、ナット１１をナットホルダー９に挿入後、エミッタ電極端子５Ｅの電極端子折り曲げ部３１の側面からナット及びナットホルダー９を挿入し、ナット及びナットホルダー９を電極端子折り曲げ部３１の内部に収納する。
続いて、樹脂ケース６を図示しないシリコーン樹脂で金属ベース１に接着する。シリコーンゲル７を回路基板２の側面及び上面に注入し、シリコーンゲル７上に空隙部１０を形成する。図示しないキャップを取り付け、金属ベース１及び回路基板２と樹脂ケース６を図示しないキャスティング剤で固定する。キャスティング剤で固定することにより、振動が防止される。
上述したように、本実施例のパワーモジュールでは、金属ベース１の表面に複数の回路基板２が載置される。回路基板２の表面にＩＧＢＴである半導体チップ３が載置される。回路基板２の表面に設けられる半導体チップ３とそれぞれ電気的に接続されるエミッタ電極端子５Ｅ、コレクタ電極端子５Ｃ、及び信号端子５Ｇが設けられる。エミッタ電極端子５Ｅ、コレクタ電極端子５Ｃ、及び信号端子５Ｇは、上部側にコ型形状に折り曲げられた電極端子折り曲げ部３１を有する。エミッタ電極端子５Ｅ、コレクタ電極端子５Ｃ、及び信号端子５Ｇは、回路基板２の上部電極２１とそれぞれはんだ接合され、樹脂ケース６の上面まで延在している。電極端子折り曲げ部３１の内側には、ナット１１とナットホルダー９が収納される。
このため、電極端子の平坦度を改善でき、高さ寸法精度を改善することができる。また、ネジ締めするときのはんだ付け部の引っ張り応力を低減でき、はんだ付け部の信頼性を向上することができる。
なお、本実施例ではパワーモジュールに搭載される半導体チップにＩＧＢＴを用いているが、代わりにパワーＭＯＳ、ＧＴＯ、或いはＳＩＴなどを用いてもよい。また、デバイス種の異なる半導体チップ、例えばＩＧＢＴとパワーＭＯＳトランジスタを用いてもよい。また、Ｐｂフリーはんだの代わりに、Ｐｂ−Ｓｎ共晶はんだを用いてもよい。
次に、本発明の実施例２に係るパワーモジュールについて、図面を参照して説明する。図９はパワーモジュールを示す断面図である。本実施例では、電極端子の形状を変更している。
以下、実施例１と同一構成部分には、同一符号を付してその部分の説明を省略し、異なる部分のみ説明する。
図９に示すように、パワーモジュール８１には、コ型形状に折り曲げられた電極端子折り曲げ部３１が設けられ、電極端子折り曲げ部３１の先の一端及び他端が電極端子折り曲げ部３１に対して垂直方向に設けられるエミッタ電極端子５ＥＥが形成される。
エミッタ電極端子５ＥＥは、回路基板２の上部電極２１と２箇所（一端及び他端）ではんだ接合され、樹脂ケース６の上面（第１主面）まで延在している。電極端子折り曲げ部３１の内側には、ナット１１とナットホルダー９が収納される。
同様に、図示しないコレクタ電極端子及び信号端子も樹脂ケース６の上面（第１主面）まで延在している。コレクタ電極端子及び信号端子の上部側は、コ型形状に折り曲げられた電極端子折り曲げ部３１が設けられる。この電極端子折り曲げ部３１の内側には、ナット１１とナットホルダー９が収納される。
次に、パワーモジュールの製造方法について、図１０及び図１１を参照して説明する。図１０及び図１１はパワーモジュールの製造工程を示す断面図である。
図１０に示すように、コ型状に折り曲げられた電極端子折り曲げ部３１を有するエミッタ電極端子５ＥＥを回路基板２の上部電極２１上にはんだを介して載置する。ここで、電極端子折り曲げ部３１を有するエミッタ電極端子５ＥＥは、予め電極端子の高さ寸法が測定され、仕様を満足しているかのチェックが行われる。仕様を満足しないものは使用されない。
エミッタ電極端子５ＥＥを載置後、はんだリフロー処理を行い、金属ベース１上に回路基板２をはんだ付けし、エミッタ電極端子５ＥＥを回路基板２の上部電極２１にはんだ付けする。
次に、図１１に示すように、ナット１１をナットホルダー９に挿入後、エミッタ電極端子５ＥＥの電極端子折り曲げ部３１の側面からナット及びナットホルダー９を挿入し、ナット及びナットホルダー９を電極端子折り曲げ部３１の内部に収納する。なお、これ以降の工程は実施例１と同様なので説明を省略する。
上述したように、本実施例のパワーモジュールでは、金属ベース１の表面に複数の回路基板２が載置される。回路基板２の表面にＩＧＢＴである半導体チップ３が載置される。回路基板２の表面に設けられる半導体チップ３とそれぞれ電気的に接続されるエミッタ電極端子５ＥＥが設けられる。エミッタ電極端子５ＥＥは、上部側にコ型形状に折り曲げられた電極端子折り曲げ部３１が設けられ、電極端子折り曲げ部３１の先の一端及び他端が電極端子折り曲げ部３１に対して垂直方向に設けられる。エミッタ電極端子５ＥＥＧは、回路基板２の上部電極２１とはんだ接合され、樹脂ケース６の上面まで延在している。電極端子折り曲げ部３１の内側には、ナット１１とナットホルダー９が収納される。
このため、電極端子の平坦度を改善でき、高さ寸法精度を改善することができる。また、ネジ締めするときのはんだ付け部の引っ張り応力を低減でき、はんだ付け部の信頼性を向上することができる。更に、電極端子と上部電極とのはんだ付け箇所が増加しているのではんだ付け強度を実施例１よりも向上させることができる。
本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々、変更してもよい。
実施例では、シリコーンゲル７と樹脂ケース６の間に空隙部１０を設けているが、空隙部１０の代わりにエポキシ樹脂などの樹脂を充填してもよい。
１ 金属ベース
２ 回路基板
３ 半導体チップ
４ ボンディングワイヤ
５Ｃ コレクタ電極端子
５Ｅ、５Ｅａ、５ＥＥ エミッタ電極端子
５Ｇ 信号端子
６ 樹脂ケース
７ シリコーンゲル
８ 空隙部
９ ナットホルダー
１１ ナット
２０ セラミック基板
２１ 上部電極
２２ 下部電極
３１ 電極端子折り曲げ部
８０、８１、９０ パワーモジュール
Ｈ１、Ｈ２ 端子高さ
Ｒ 端子折り曲げ角度

Claims (5)

  1. 金属ベースと、
    コ型状に折り曲げられた折り曲げ部を有する電極端子と、
    前記電極端子の折り曲げ部の内側に収納されるナット及びナットホルダーと、
    第１主面に半導体チップが搭載され、前記半導体チップと電気的に接続され、前記折り曲げ部から離間される前記電極端子の一端にはんだ接合される上部電極が第１主面に設けられ、第１主面と相対向する第２主面に設けられる下部電極が前記金属ベースとはんだ接合される回路基板と、
    下端部が前記金属ベースの端部と接し、上部が前記電極端子の折り曲げ部の外側面と接し、前記回路基板と離間し、前記回路基板を覆うように設けられるケースと、
    を具備することを特徴とするパワーモジュール。
  2. 金属ベースと、
    コ型状に折り曲げられた折り曲げ部を有する電極端子と、
    前記電極端子の折り曲げ部の内側に収納されるナット及びナットホルダーと、
    上部電極、セラミック基板、及び下部電極から構成され、半導体チップが第１主面に載置され、前記折り曲げ部から離間される前記電極端子の一端が前記上部電極とはんだ接合され、前記折り曲げ部から離間される前記電極端子の一端が上記半導体チップと電気的に接続され、第１主面と相対向する第２主面に設けられる下部電極が前記金属ベースとはんだ接合される回路基板と、
    前記金属ベースの第１主面と前記回路基板の第１主面及び側面とを覆うように設けられるシリコーンゲルと、
    下端部が前記金属ベースの端部及び前記シリコーンゲルの端部と接し、上部が前記電極端子の折り曲げ部の外側面と接し、前記シリコーンゲル覆うように設けられる樹脂ケースと、
    前記樹脂ケースと前記シリコーンゲルの間に設けられた空隙部と、
    を具備することを特徴とするパワーモジュール。
  3. 前記セラミック基板は、ＡＬＮ（窒化アルミニウム）、ＡＬ２Ｏ３（アルミナ）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素）、或いはＳｉＣ（炭化珪素）から構成されることを特徴とする請求項２に記載のパワーモジュール。
  4. 前記金属ベースは、Ｃｕ（銅）、ＡＬ（アルミニウム）、Ｎｉ（ニッケル）、ＡｌＳｉＣ（炭化アルミニウム珪素）、或いはＭｏ（モリブデン）から構成される請求項１乃至３のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
  5. 前記折り曲げ部から離間される前記電極端子の一端及び他端は、前記上部端子とはんだ接合される請求項１乃至４のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
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