JP2012004237A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性を向上し、製造コストを削減する半導体装置を提供する。
【解決手段】ベース板１０上に絶縁基板１２が設けられ、絶縁基板１２上に配線パターン１４が設けられている。配線パターン１４上にパワーモジュール１６が積載されている。導電性の押さえ板１８は、パワーモジュール１６を上側から配線パターン１４に押さえつけて固定する。これらはケース２４に覆われている。Ｐ側電極２６が配線パターン１４に接続され、Ｎ側電極２８が押さえ板１８に接続され、それぞれケース２４の外に突出している。スイッチング素子３０のコレクタ電極３６がベース配線板３４に接合され、スイッチング素子３０のエミッタ電極４０がＮ側導電板４４に接合されている。ベース配線板３４の下部は、モールド樹脂５２の下面から突出して、配線パターン１４に接触している。また、Ｎ側導電板４４の上部は、モールド樹脂５２の上面から突出して、押さえ板１８に接触している。
【選択図】図１

Description

本発明は、パワーモジュールをケース内に固定した半導体装置に関し、特に信頼性を向上し、製造コストを削減することができる半導体装置に関する。

近年、パワーモジュールをケース内に固定した半導体装置が用いられている。従来は、樹脂封止されたパワーモジュール内に樹脂絶縁シートを設けていた（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−０１３０８０号公報

従来の半導体装置の絶縁耐圧は樹脂絶縁シートの特性に依存する。しかし、樹脂絶縁シートはセラミック等からなる絶縁基板に比べ絶縁耐圧が低い。従って、信頼性が低いという問題があった。

また、従来の半導体装置では、パワーモジュールの電極バスバーをケース側の電極に溶接しなければならず、溶接装置の導入が必要であり、溶接工程、及びその品質管理が必要であった。従って、製造コストが高いという問題があった。

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、信頼性を向上し、製造コストを削減することができる半導体装置を得るものである。

本発明に係る半導体装置は、ベース板と、前記ベース板上に設けられた絶縁基板と、前記絶縁基板上に設けられた配線パターンと、前記配線パターン上に積載されたパワーモジュールと、前記パワーモジュールを上側から前記配線パターンに押さえつけて固定する導電性の押さえ板と、前記ベース板上に設けられ、前記配線パターン、前記パワーモジュール及び前記押さえ板を覆うケースと、前記配線パターンに接続され、前記ケースの外に突出する第１の電極と、前記押さえ板に接続され、前記ケースの外に突出する第２の電極とを備え、前記パワーモジュールは、上面電極と下面電極を持つパワー半導体と、前記下面電極に接合された第１の導電板と、前記上面電極に接合された第２の導電板と、前記パワー半導体、前記第１の導電板の一部、及び前記第２の導電板の一部を覆うモールド樹脂とを有し、前記第１の導電板の下部は、前記モールド樹脂の下面から突出して、前記配線パターンに接触し、前記第２の導電板の上部は、前記モールド樹脂の上面から突出して、前記押さえ板に接触している。

本発明により、信頼性を向上し、製造コストを削減することができる。

実施の形態１に係る半導体装置を示す断面図である。 実施の形態１に係るパワーモジュールを示す断面図である。 実施の形態１に係るパワーモジュールの回路図である。 実施の形態１に係る押さえ板を示す下面図である。 比較例に係る半導体装置を示す断面図である。 比較例に係るパワーモジュールを示す断面図である。 実施の形態２に係るパワーモジュールを示す断面図である。 実施の形態２に係るパワーモジュールの変形例を示す断面図である。 実施の形態３に係るパワーモジュールを示す断面図である。 実施の形態４に係るパワーモジュールを示す断面図である。 実施の形態５に係るパワーモジュールを示す断面図である。

本発明の実施の形態に係る半導体装置について図面を参照して説明する。同じ構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る半導体装置を示す断面図である。銅等からなるベース板１０上に、セラミック等からなる絶縁基板１２が設けられている。絶縁基板１２上にアルミ等の配線パターン１４が設けられている。配線パターン１４上にパワーモジュール１６が積載されている。

導電性の押さえ板１８は、パワーモジュール１６を上側から配線パターン１４に押さえつけて固定する。押さえ板１８の上方に、駆動回路や保護回路等を実装したプリント配線板２０が設けられ、パワーモジュール１６とプリント配線板２０との間にアルミ等からなる導電性のシールド板２２が設けられている。このシールド板２２は、急峻な電圧及び電流変化により生ずる電磁誘導ノイズからプリント配線板２０をシールドする。

ベース板１０上に設けられたケース２４が、配線パターン１４、パワーモジュール１６及び押さえ板１８を覆っている。押さえ板１８、プリント配線版２０、及びシールド板２２は、それぞれケース２４にネジ止めされている。銅等の導電材からなるＰ側電極２６が配線パターン１４に接続され、ケース２４の外に突出している。銅等の導電材からなるＮ側電極２８が押さえ板１８に接続され、ケース２４の外に突出している。

図２は、実施の形態１に係るパワーモジュールを示す断面図である。図３は、実施の形態１に係るパワーモジュールの回路図である。ＩＧＢＴ等のスイッチング素子３０と還流ダイオード３２が銅等の導電材からなるベース配線板３４の上面に並べて配置され、スイッチング素子３０のコレクタ電極３６と還流ダイオード３２のカソード電極３８がベース配線板３４にはんだ等により接合されている。スイッチング素子３０のエミッタ電極４０と還流ダイオード３２のアノード電極４２に、銅等の導電材からなるブロック形状のＮ側導電板４４がはんだ等により接合されている。このようにスイッチング素子３０と還流ダイオード３２は並列に接続されている。

銅等の導電材からなる制御端子４６がアルミワイヤ４８を介してスイッチング素子３０のゲート電極５０に接続されている。この制御端子４６は、プリント配線板２０のスルーホールにはんだにより接続される。

パワーモジュール１６は、これらのスイッチング素子３０、ベース配線板３４の一部、Ｎ側導電板４４の一部、制御端子４６の一部、及びアルミワイヤ４８をモールド樹脂５２により覆ったＴＰＭ（Transfer mold Power Module）である。ベース配線板３４の下部は、モールド樹脂５２の下面から突出して、配線パターン１４に接触している。また、Ｎ側導電板４４の上部は、モールド樹脂５２の上面から突出して、押さえ板１８に接触している。

図４は、実施の形態１に係る押さえ板を示す下面図である。押さえ板１８はモールド樹脂５４により封止されているが、下面に設けられたモールド樹脂５４の開口５６で露出している。この押さえ板１８の露出した部分がＮ側導電板４４の上部に接触する。

スイッチング素子３０及び還流ダイオード３２から発生した熱は、ベース配線板３４を介してパワーモジュール１６外部に放出される。その放出された熱は、配線パターン１４、絶縁基板１２及びベース板１０を介して装置外部の冷却装置等へ放出される。

本実施の形態の効果について比較例と比較して説明する。図５は、比較例に係る半導体装置を示す断面図である。図６は、比較例に係るパワーモジュールを示す断面図である。

比較例では、パワーモジュール１６内においてベース配線板３４の下面に樹脂絶縁シート５８を設けて、パワーモジュール１６内のパワー半導体とケース２４側のベース板１０を絶縁している。樹脂絶縁シート５８を保護するために裏面銅箔６０が設けられている。

一方、本実施の形態では、パワーモジュール１６とベース板１０の間に絶縁基板１２を設けて、パワーモジュール１６内のパワー半導体とケース２４側のベース板１０を絶縁している。この絶縁基板１２は、比較例の樹脂絶縁シート５８に比べて絶縁耐圧が高い。従って、信頼性を向上することができる。さらに、樹脂絶縁シート５８や裏面銅箔６０といった部材が不要となり、樹脂絶縁シート５８の硬化温度や開封後の時間管理も不要となる。

なお、比較例の裏面銅箔６０は厚さが数１００μｍ程度しかないため、応力を緩和できない。従って、比較例において樹脂絶縁シート５８の代わりに絶縁基板を用いることはできない。一方、本実施の形態の配線パターン１４は厚さが５ｍｍ前後も有るため、絶縁基板１２への応力を十分に緩和できる。従って、本実施の形態では絶縁基板１２を用いることができる。

また、比較例では、パワーモジュール１６のＰ側電極バスバー６２とＮ側電極バスバー６４をそれぞれケース２４側のＰ側電極２６とＮ側電極２８に溶接する必要があるため、溶接装置、溶接工程、及びその品質管理が必要である。

一方、本実施の形態では、パワーモジュール１６のベース配線板３４の下部は配線パターン１４に接触し、Ｎ側導電板４４の上部は導電性の押さえ板１８に接触している。そして、ケース２４側のＰ側電極２６は配線パターン１４に接続され、Ｎ側電極２８は押さえ板１８に接続されている。これにより、押さえ板１８によりパワーモジュール１６を押さえつけて固定すると同時に、パワーモジュール１６のベース配線板３４とケース２４側のＰ側電極２６とを接続し、Ｎ側導電板４４とケース２４側のＮ側電極２８とを接続することができる。よって、部品点数及び組立工数を削減し、製造コストを低減することができる。

また、比較例では、熱伝導率を向上するために、パワーモジュール１６とベース板１０の間にシリコングリス６６を設けている。しかし、温度や経時変化に伴うシリコングリス６６の粘度変化や劣化によって信頼性が低下するという問題がある。

一方、本実施の形態では、パワーモジュール１６が押さえ板１８により配線パターン１４に押さえつけられていない状態では、ベース配線板３４は下側に凸となるように反っている。このため、パワーモジュール１６を押さえ板１８により押さえつけて固定する際にベース配線板３４の反発力が加わるため、ベース配線板３４と配線パターン１４の密着性を高めて熱伝導率を向上することができる。従って、比較例のシリコングリス６６を廃止することも可能となり、その場合にはシリコングリス６６による問題を回避できる。

実施の形態２．
図７は、実施の形態２に係るパワーモジュールを示す断面図である。実施の形態１ではＮ側導電板４４はブロック形状であるが、実施の形態２ではＮ側導電板４４はＵ字型に湾曲した導電板である。このため、パワーモジュール１６を押さえ板１８により押さえつけて固定する際に、スイッチング素子３０や還流ダイオード３２に加わる応力が緩和され、信頼性及び寿命を向上することができる。

図８は、実施の形態２に係るパワーモジュールの変形例を示す断面図である。変形例では、Ｎ側導電板４４はリング状の導電板である。この場合でも、同様の効果を得ることができる。

実施の形態３．
図９は、実施の形態３に係るパワーモジュールを示す断面図である。実施の形態１ではパワーモジュール１６の制御端子４６はプリント配線板２０のスルーホールにはんだにより接続されるが、実施の形態３ではプリント配線板２０は制御端子４６に嵌合可能なコネクタ６８を有する。これにより、プリント配線板２０と制御端子４６とを接続するためのはんだ付けが省略され、組立工数を削減することができる。

実施の形態４．
図１０は、実施の形態４に係るパワーモジュールを示す断面図である。実施の形態１ではシールド板２２がケース２４にネジ止めされるが、実施の形態４では押さえ板１８とシールド板２２が平行に配置され、モールド樹脂５４により一括樹脂モールドされている。これにより押さえ板１８とシールド板２２が一体化されるため、組立工数を削減することができる。

実施の形態５．
図１１は、実施の形態５に係るパワーモジュールを示す断面図である。実施の形態１では押さえ板１８とＮ側電極２８はケース２４への固定を兼ねてネジ止めされるが、実施の形態５では押さえ板１８とＮ側電極２８は一体構造化やはんだによるロウ付け等により一体化されている。これにより、組立工数を削減することができる。

１０ ベース板
１２ 絶縁基板
１４ 配線パターン
１６ パワーモジュール
１８ 押さえ板
２０ プリント配線板（制御基板）
２２ シールド板
２４ ケース
２６ Ｐ側電極（第１の電極）
２８ Ｎ側電極（第２の電極）
３０ スイッチング素子（パワー半導体）
３４ ベース配線板（第１の導電板）
３６ コレクタ電極（下面電極）
４０ エミッタ電極（上面電極）
４４ Ｎ側導電板（第２の導電板）
４６ 制御端子
５０ ゲート電極（制御電極）
５２ モールド樹脂
６８ コネクタ

Claims (6)

1. ベース板と、
   前記ベース板上に設けられた絶縁基板と、
   前記絶縁基板上に設けられた配線パターンと、
   前記配線パターン上に積載されたパワーモジュールと、
   前記パワーモジュールを上側から前記配線パターンに押さえつけて固定する導電性の押さえ板と、
   前記ベース板上に設けられ、前記配線パターン、前記パワーモジュール及び前記押さえ板を覆うケースと、
   前記配線パターンに接続され、前記ケースの外に突出する第１の電極と、
   前記押さえ板に接続され、前記ケースの外に突出する第２の電極とを備え、
   前記パワーモジュールは、
   上面電極と下面電極を持つパワー半導体と、
   前記下面電極に接合された第１の導電板と、
   前記上面電極に接合された第２の導電板と、
   前記パワー半導体、前記第１の導電板の一部、及び前記第２の導電板の一部を覆うモールド樹脂とを有し、
   前記第１の導電板の下部は、前記モールド樹脂の下面から突出して、前記配線パターンに接触し、
   前記第２の導電板の上部は、前記モールド樹脂の上面から突出して、前記押さえ板に接触していることを特徴とする半導体装置。
2. 前記パワーモジュールが前記押さえ板により前記配線パターンに押さえつけられていない状態では、前記第１の導電板は下側に凸となるように反っていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記第２の導電板は、Ｕ字型に湾曲した導電板又はリング状の導電板であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
4. 前記ケース内に設けられた制御基板を更に備え、
   前記パワー半導体は制御電極を更に持ち、
   前記パワーモジュールは、前記制御電極に接続された制御端子を更に有し、
   前記制御基板は、前記制御端子に嵌合可能なコネクタを有することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体装置。
5. 前記ケース内に設けられた制御基板と、
   前記ケース内において前記パワーモジュールと前記制御基板との間に設けられた導電性のシールド板とを更に備え、
   前記押さえ板と前記シールド板は一括樹脂モールドされていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の半導体装置。
6. 前記押さえ板と前記第２の電極は一体化されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の半導体装置。

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