JP2011228528A - パワーブロック及びそれを用いたパワー半導体モジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】鉛フリーハンダとトランスファーモールド樹脂を用いた場合であっても、それらを用いないものとの間で互換性を確保したパワーブロック及びそれを用いたパワー半導体モジュールを提供する。
【解決手段】パワーブロックは、絶縁基板22と、該絶縁基板の上に形成された導体パターン24、26、28と、鉛フリーはんだ32により該導体パターンの上に固着されたパワー半導体チップ36と、該パワー半導体チップと電気的に接続され、該絶縁基板の上方向に伸びる複数の電極16、18と、該導体パターン、該鉛フリーはんだ、該パワー半導体チップ、及び該複数の電極を覆うように形成されたトランスファーモールド樹脂12と、を備える。そして、該複数の電極は、該トランスファーモールド樹脂の外面のうち導体パターンの直上方向の外面と同一平面上に露出したことを特徴とする。
【選択図】図3
【解決手段】パワーブロックは、絶縁基板22と、該絶縁基板の上に形成された導体パターン24、26、28と、鉛フリーはんだ32により該導体パターンの上に固着されたパワー半導体チップ36と、該パワー半導体チップと電気的に接続され、該絶縁基板の上方向に伸びる複数の電極16、18と、該導体パターン、該鉛フリーはんだ、該パワー半導体チップ、及び該複数の電極を覆うように形成されたトランスファーモールド樹脂12と、を備える。そして、該複数の電極は、該トランスファーモールド樹脂の外面のうち導体パターンの直上方向の外面と同一平面上に露出したことを特徴とする。
【選択図】図3
Description
本発明は、トランスファーモールド樹脂によりパワー半導体チップが樹脂封止されたパワーブロック及びそれを用いたパワー半導体モジュールに関する。
パワーブロックは負荷に供給する電流を制御するために用いられる。一般的なパワーブロックの構成は、絶縁基板上の導体パターンにパワー半導体チップや電極などを固着し、必要に応じてこれらを樹脂封止したものである。ここで、パワー半導体チップには、たとえばIGBTや還流ダイオードなどが用いられる。
環境保護の観点から、SnAgCu系あるいはSnAgCuSb系などの鉛フリーはんだを用いてパワー半導体チップや電極を導体パターンに固着することがある。しかしながら、鉛フリーはんだを用いた装置は、鉛はんだを用いた装置と比較して耐温度サイクル性に劣ることが知られている。このため、鉛フリーはんだを用いつつ十分な耐温度サイクル性を得るために、鉛フリーはんだを用いた構造全体を金型に収納しトランスファーモールド成型することがある。このようにして得られたパワーブロックによれば、鉛フリーはんだがトランスファーモールド樹脂で覆われているため、十分な耐温度サイクル性を確保できる。
トランスファーモールド成型を行う場合は、上金型と下金型の間から樹脂の外部に伸びる電極を取り出す。そのため、トランスファーモールド樹脂で覆われたパワーブロックは、絶縁基板の側面方向から電極が伸びることとなる(たとえば特許文献1参照)。
一方、パワーブロックを製造する場合は、実装面積を低減するために絶縁基板の上面から電極を取り出すことが一般的である。パワーブロックの電極を取り出す場所は、パワーブロックの互換性を確保するために統一することが好ましい。しかしながら、鉛フリーはんだを用いた場合はトランスファーモールド成型が必須となるため、絶縁基板の上面方向から電極を取り出すことができない。よって、鉛フリーはんだを用いてトランスファーモールド成型を行ったパワーブロックと、トランスファーモールド成型を行わないパワーブロックとの間で互換性の確保が困難であった。この問題は、パワーブロックを包含するパワー半導体モジュールにおいても同様に生じ易い。
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、鉛フリーはんだとトランスファーモールド樹脂を用いつつ、それらを用いないものとの間で互換性を確保したパワーブロック及びそれを用いたパワー半導体モジュールを提供することを目的とする。
本発明に係るパワーブロックは、絶縁基板と、該絶縁基板の上に形成された導体パターンと、鉛フリーはんだにより該導体パターンの上に固着されたパワー半導体チップと、該パワー半導体チップと電気的に接続され、該絶縁基板の上方向に伸びる複数の電極と、該導体パターン、該鉛フリーはんだ、該パワー半導体チップ、及び該複数の電極を覆うように形成されたトランスファーモールド樹脂と、を備える。そして、該複数の電極は、該トランスファーモールド樹脂の外面のうち該導体パターンの直上方向の外面と同一平面上に露出したことを特徴とするパワーブロック。
本発明に係るパワー半導体モジュールは、絶縁基板と、該絶縁基板の上に形成された導体パターンと、鉛フリーはんだにより該導体パターンの上に固着されたパワー半導体チップと、該パワー半導体チップと電気的に接続され、該絶縁基板の上方向に伸びる複数の電極と、該導体パターン、該鉛フリーはんだ、及び該パワー半導体チップを覆うように形成されたトランスファーモールド樹脂と、を備え、該複数の電極は、該トランスファーモールド樹脂の外面のうち該導体パターンの直上方向の外面と同一平面上に露出したことを特徴とするパワーブロックと、該パワーブロックの下に固着されたベース板と、該パワーブロックを覆うケースと、を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、鉛フリーはんだとトランスファーモールド樹脂を用いつつ、それらを用いないものとの間で互換性を確保したパワーブロック及びそれを用いたパワー半導体モジュールを提供することができる。
実施の形態1.
図1乃至図4を参照して本発明の実施の形態1を説明する。なお、同一または対応する構成要素には同一の符号を付して説明の繰り返しを省略する場合がある。実施の形態2及び3でも同様である。
図1乃至図4を参照して本発明の実施の形態1を説明する。なお、同一または対応する構成要素には同一の符号を付して説明の繰り返しを省略する場合がある。実施の形態2及び3でも同様である。
図1は本発明の実施の形態1に係るパワーブロックの斜視図である。パワーブロック10の多くの部分はトランスファーモールド樹脂12により覆われている。トランスファーモールド樹脂12は平板状の形状を有している。トランスファーモールド樹脂12の上面には、トランスファーモールド樹脂12からコレクタ電極14、エミッタ電極16、及びゲート電極18が露出している。コレクタ電極14、エミッタ電極16、及びゲート電極18はトランスファーモールド樹脂12の上面と同一平面上に露出しており、トランスファーモールド樹脂12の上面と同一面を形成している。トランスファーモールド樹脂の下面には脚12aが形成されている。
図2は本発明の実施の形態1に係るパワーブロック10の平面図である。図2ではパワーブロック10の内部構造を可視化するためにトランスファーモールド樹脂12の記載を省略している。パワーブロック10の内部には絶縁基板22が封止されている。絶縁基板22上には導体パターン24、26、及び28が形成されている。導体パターン24、26、及び28はたとえばAlやCuで形成されている。導体パターン24上にはエミッタ電極16が固着されている。導体パターン26上にはパワー半導体チップ36及びコレクタ電極14が固着されている。パワー半導体チップ36はIGBTで形成されている。パワー半導体チップ36の上面にはエミッタとゲートが形成され、下面にはコレクタが形成されている。導体パターン28上にはゲート電極18が固着されている。
パワー半導体チップ36のゲートはアルミワイヤW1により導体パターン28と接続されている。これによりパワー半導体チップ36のゲートとゲート電極18が電気的に接続されている。また、パワー半導体チップ36のエミッタはアルミワイヤW2により導体パターン24と接続されている。これによりパワー半導体チップ36のエミッタとエミッタ電極16が電気的に接続されている。また、パワー半導体チップ36の下面のコレクタは導体パターン26と電気的に接続されている。これによりパワー半導体チップ36のコレクタとコレクタ電極14が電気的に接続されている。
図3は図1のIII−III破線における断面図である。図3はパワーブロック10のうちエミッタ電極16とゲート電極18を含む部分における断面図である。理解を容易にするために、図2においても、図1のIII−III破線に対応する部分にIII−III破線を記載した。最初に、絶縁基板22の上面方向について説明する。絶縁基板22の上には導体パターン24、26、及び28が形成されている。導体パターン24の上には鉛フリーはんだ30によりエミッタ電極16が固着されている。導体パターン26の上には鉛フリーはんだ32によりパワー半導体チップ36が固着されている。導体パターン28の上には鉛フリーはんだ34によりゲート電極18が固着されている。次に絶縁基板22の下面方向について説明する。絶縁基板22の下面には全面パターン38が形成され、この全面パターン38がトランスファーモールド樹脂12から露出している。
図4は図1のIV-IV破線における断面図である。図4はパワーブロック10のうちコレクタ電極14を含む部分における断面図である。図3の場合と同様に、図2においてもIV-IV破線を記載した。導体パターン26の上には鉛フリーはんだ40によりコレクタ電極14が固着されている。
図2乃至図4を参照して説明したように、コレクタ電極14、エミッタ電極16、及びゲート電極18(以後これらをまとめて3電極という場合がある)は、パワー半導体チップ36のコレクタ、エミッタ、ゲートとそれぞれ電気的に接続されている。また、3電極はいずれも絶縁基板22の上方向に伸びている。そして3電極は、トランスファーモールド樹脂12の外面のうち導体パターン24、26、および28の直上方向の外面と同一平面上に露出している。パワー半導体チップ36、鉛フリーはんだ30、32、34、及び40、並びに導体パターン24、26、及び28は、トランスファーモールド樹脂12に覆われている。3電極も上面を除きトランスファーモールド樹脂12に覆われている。
本発明の実施の形態1に係るパワーブロック10は、コレクタ電極14、エミッタ電極16、及びゲート電極18が、トランスファーモールド樹脂12の外面のうち導体パターン24、26、および28の直上方向の外面から露出している。よって、本発明の実施の形態1に係るパワーブロック10は、トランスファーモールド樹脂を用いないパワーブロックとの間で互換性を確保できる。
上述のように、本発明の実施の形態1に係るパワーブロック10の構成によれば、鉛フリーはんだとトランスファーモールド樹脂を用いて耐温度サイクル性の向上及び環境負荷の低減を行いつつ、それらを用いないものとの間で互換性を確保したパワーブロックを製造できる。
実施の形態2.
図5を参照して本発明の実施の形態2を説明する。図5は本発明の実施の形態2に係るパワー半導体モジュールの断面図である。パワー半導体モジュール50は本発明の実施の形態1に係るパワーブロック10などをパッケージしたモジュールである。図5はエミッタ電極16とゲート電極18を含む部分における断面図である。パワーブロック10の全面パターン38は鉛フリーはんだ52によりベース板54に固着されている。ベース板54はCu、AlSiC、またはCu−Moなどの材料で形成されている。
図5を参照して本発明の実施の形態2を説明する。図5は本発明の実施の形態2に係るパワー半導体モジュールの断面図である。パワー半導体モジュール50は本発明の実施の形態1に係るパワーブロック10などをパッケージしたモジュールである。図5はエミッタ電極16とゲート電極18を含む部分における断面図である。パワーブロック10の全面パターン38は鉛フリーはんだ52によりベース板54に固着されている。ベース板54はCu、AlSiC、またはCu−Moなどの材料で形成されている。
パワーブロック10のエミッタ電極16には主電極56が接続されている。コレクタ電極には主電極58が接続されている(主電極58は破線で示す)。主電極56及び58は、パワー半導体チップ36の主電流を流す電極である。ゲート電極18にはゲート信号端子60が接続されている。ゲート信号端子60はゲート駆動信号をパワー半導体チップ36のゲートへ伝送する端子である。主電極56及び58、並びにゲート信号端子60(以後、まとめて取り出し電極という場合がある)は表面にNiめっきが施されたCu薄板で形成されている。取り出し電極はパターンが形成されたプリント基板62を経由して3電極にそれぞれ接続されている。
上述の構造はケース64により覆われている。すなわち、パワーブロック10、取り出し電極、及びプリント基板62はケース64に覆われている。しかしながら、取り出し電極の一部はケース64の上面から外部へ露出している。ケース64はベース板54の外周部分に固定されている。ベース板54とケース64はネジやシリコンゴムなどで固定されている。ケース64の内部にはシリコンゲル66が充填されている。
従来、パワー半導体モジュールの内部全体に、高信頼性の高価なシリコンゲルを充填し、パワーブロックの絶縁の確保を図ることがあった。そのため、パワー半導体モジュールの低コスト化ができない問題があった。また、温度サイクルによりシリコンゲル内部に気泡が発生する場合があり、パワー半導体モジュールの信頼性を阻害する問題があった。この気泡の発生源はパワーブロックに用いられるはんだである。
本発明の実施の形態2に係るパワー半導体モジュール50の構成によれば上述の問題を解消できる。パワーブロック10の絶縁はパワーブロック10がトランスファーモールド樹脂12で覆われていることにより確保されている。よって高価なシリコンゲルを用いる必要がないのでパワー半導体モジュール50を低コスト化できる。また、パワーブロック10内部のはんだ(鉛フリーはんだ)はトランスファーモールド樹脂12で覆われているため、パワー半導体モジュール内部の気泡を抑制することができる。よって信頼性の高いパワー半導体モジュールを製造することができる。その他、本発明の実施の形態1に係るパワーブロック10と同等の効果を得ることができる。
実施の形態3.
図6乃至図15を参照して本発明の実施の形態3を説明する。図6は本発明の実施の形態3に係るパワーブロックの斜視図である。パワーブロック100の多くの部分はトランスファーモールド樹脂12に覆われている。トランスファーモールド樹脂12の上面からは、コレクタ電極102、エミッタ電極104、ゲート電極106、及びセンス電極108が露出している。
図6乃至図15を参照して本発明の実施の形態3を説明する。図6は本発明の実施の形態3に係るパワーブロックの斜視図である。パワーブロック100の多くの部分はトランスファーモールド樹脂12に覆われている。トランスファーモールド樹脂12の上面からは、コレクタ電極102、エミッタ電極104、ゲート電極106、及びセンス電極108が露出している。
図7は本発明の実施の形態3に係るパワーブロック100の平面図である。図7ではパワーブロック100の内部構造を説明するためにトランスファーモールド樹脂12の記載を省略している。パワーブロック100の内部には絶縁基板22が封止されている。絶縁基板22上には導体パターン110、112、及び114が形成されている。
導体パターン110上にはパワー半導体チップ120及び122、並びにコレクタ電極102が固着されている。パワー半導体チップ120はIGBTで形成され、パワー半導体チップ122は還流ダイオードで形成されている。パワー半導体チップ120及び122の上にはエミッタ電極104が固着されている。
導体パターン112上にはゲート電極106が固着されている。また、導体パターン112上には棒状電極130を解してパワー半導体チップ120のゲートが接続されている。
導体パターン114上にはセンス電極108及びエミッタ電極104が固着されている。このように、本発明の実施の形態3に係るパワーブロック100では導体パターン及び電極により内部の配線がなされており、アルミワイヤは用いられていない。
図8は図6のVIII-VIII破線における断面図である。図8はコレクタ電極102がトランスファーモールド樹脂12から露出する部分における断面図である。理解を容易にするために、図7においても、図6のVIII−VIII破線に対応する部分にVIII−VIII破線を記載している(図7の他の破線についても同様である)。絶縁基板22上の導体パターン110の上には、鉛フリーはんだ140により円筒形導体142が固着されている。円筒形導体142上には鉛フリーはんだ144によりコレクタ電極102が固着されている。
ここで、図9を参照して円筒形導体142について説明する。図9は円筒形導体142の斜視図である。円筒形導体142は中空円筒形の形状であり、側面に鉛フリーはんだ140及び144が塗布されている。円筒形導体142は側面方向から押されることにより変形する材料で構成されている。
図8の説明を続ける。導体パターン110の上には鉛フリーはんだ146によりパワー半導体チップ120が固着されている。パワー半導体チップ120の上には鉛フリーはんだ148により円筒形導体150が固着されている。円筒形導体150の上には鉛フリーはんだ152によりエミッタ電極104が固着されている。
同様に、導体パターン110の上には鉛フリーはんだ154によりパワー半導体チップ122が固着されている。パワー半導体チップ122の上には鉛フリーはんだ156により円筒形導体158が固着されている。円筒形導体158の上には鉛フリーはんだ160によりエミッタ電極104が固着されている。
図10は図6のX-X破線における断面図である。図10はエミッタ電極104がトランスファーモールド樹脂12から露出する部分における断面図である。導体パターン114上には鉛フリーはんだ162により円筒形導体164が固着されている。円筒形導体164の上には鉛フリーはんだ166によりエミッタ電極104が固着されている。他の円筒形導体については図8を参照して説明したとおりである。
図11は図6のXI-XI破線における断面図である。図11は棒状電極130によりパワー半導体チップ120のゲートと導体パターン112が接続された部分における断面図である。棒状電極130は円筒形導体168と170の上に固着されている。他の円筒形導体については図8を参照して説明したとおりである。
図12は図6のXII-XII破線における断面図である。図12はゲート電極106とセンス電極108がトランスファーモールド樹脂12から露出する部分における断面図である。導体パターン112上には鉛フリーはんだ172によりゲート電極106が固着されている。導体パターン114上には鉛フリーはんだ174によりセンス電極108が固着されている。円筒形導体については図8を参照して説明したとおりである。上述のようにパワーブロック100ではアルミ配線を用いることなく、各電極及び導体パターンなどにより必要な接続が行われている。そして、コレクタ電極102及びエミッタ電極104の下には円筒形導体が固着されている。
トランスファーモールドの工程では、圧力により電極がパワー半導体チップまたは絶縁基板に押し付けられて、パワー半導体チップまたは絶縁基板にダメージが加わる場合がある。ところが、本発明の実施の形態3に係るパワーブロック100では、円筒形導体142、150、158、164、及びその他の円筒形導体が、コレクタ電極102及びエミッタ電極104の下に固着されている。そのため、この構成によれば、トランスファーモールド時の圧力によるパワー半導体チップ120及び122、並びに絶縁基板22へのダメージを抑制できる。
また、パワーブロックの多品種展開をする場合には、異なる厚みのパワー半導体チップごとに被トランスファーモールド物の総厚が異なってくる。そのため、被トランスファーモールド物の総厚に応じて、複数の金型を用意する必要が生じコスト面で好ましくない。ところが、本発明の実施の形態3に係るパワーブロック100の構成によると、一組の金型でパワーブロックの多品種展開に対応できる。すなわち、パワー半導体チップの厚さの違いがあってもそれを吸収するように円筒形導体が変形するため、トランスファーモールド時の被トランスファーモールド物の総厚を均一にできる。よって、厚みの異なるチップ毎に金型を用意する必要がなく低コスト化できる。
本発明の実施の形態3に係る円筒形導体は、トランスファーモールド時にパワー半導体チップまたは絶縁基板へのダメージを緩和する緩衝導体である限り形状及び材料は限定されない。円筒形導体の変形例を図13、14、及び15に示す。
図13は円筒形導体に代えて6角柱の導体180を用いた例を示す斜視図である。図14は円筒形導体に代えてU字ベント形状の導体182を用いた例を示す斜視図である。図15は円筒形導体に代えてダブルU字ベント形状の導体184を用いた例を示す斜視図である。
10 パワーブロック、 12 トランスファーモールド樹脂、 14 コレクタ電極、 16 エミッタ電極、 18 ゲート電極、 22 絶縁基板、 24,26,28 導体パターン、 30,32,34 鉛フリーはんだ、 36 パワー半導体チップ、 54 ベース板、 56,58 主電極、 60 ゲート信号端子
Claims (7)
- 絶縁基板と、
前記絶縁基板の上に形成された導体パターンと、
鉛フリーはんだにより前記導体パターンの上に固着されたパワー半導体チップと、
前記パワー半導体チップと電気的に接続され、前記絶縁基板の上方向に伸びる複数の電極と、
前記導体パターン、前記鉛フリーはんだ、前記パワー半導体チップ、及び前記複数の電極を覆うように形成されたトランスファーモールド樹脂と、を備え、
前記複数の電極は、前記トランスファーモールド樹脂の外面のうち前記導体パターンの直上方向の外面と同一平面上に露出したことを特徴とするパワーブロック。 - 鉛フリーはんだにより前記パワー半導体チップの上に固着された緩衝導体を備え、
前記複数の電極のうちの少なくとも1つの電極は、鉛フリーはんだにより前記緩衝導体の上に固着され、
前記緩衝導体は、前記パワー半導体チップと前記1つの電極との距離を変化させるように変形することができる形状及び材料であることを特徴とする請求項1に記載のパワーブロック。 - 前記緩衝導体は円筒形導体であることを特徴とする請求項2に記載のパワーブロック。
- 前記緩衝導体は6角柱の導体であることを特徴とする請求項2に記載のパワーブロック。
- 前記緩衝導体はU字ベント形状の導体であることを特徴とする請求項2に記載のパワーブロック。
- 前記緩衝導体はダブルU字ベント形状の導体であることを特徴とする請求項2に記載のパワーブロック。
- 請求項1乃至6のいずれか1項に記載のパワーブロックと、
前記パワーブロックの下に固着されたベース板と、
前記パワーブロックを覆うケースと、を備えたことを特徴とするパワー半導体モジュール。
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