JP2012074588A - 半導体パワーモジュールおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】パワーモジュール1において、ケース2のベース部8にパワーデバイス18を接合し、このパワーデバイス18の表面181に金属ブロック24を接合する。そして、この金属ブロック24に、パワーデバイス18に電力を供給するためのソース端子4を接合する。これにより、パワーデバイス18から流れる電流を平準化することができ、さらに、パワーデバイス18で発生する熱を効率よく放散させることができる。
【選択図】図3
Description
たとえば、特許文献1の図1に開示された半導体パワーモジュールは、金属基板電極、絶縁基板およびヒートシンクが一体化された構造を有する回路基板と、当該回路基板の金属基板電極上に接続された複数のSiC半導体パワーデバイスと、ヒートシンクに固定され、SiC半導体パワーデバイスを収容するケースと、ケースに取り付けられた外部電極とを備えている。SiC半導体パワーデバイスと外部電極との間は、Alワイヤによって互いに接続されている。
しかしながら、たとえ複数本のAlワイヤを接合しても、個々のAlワイヤと半導体パワーデバイスとの接合面積が小さいため、Alワイヤとデバイスとの接合部に電流が集中してしまう。この電流集中により、電流波形が乱れ、さらにはデバイスが局所的に発熱するという不具合がある。デバイスで発生した熱の一部は、Alワイヤを伝わって放散されるが、細いワイヤでは、その放熱効果は十分ではない。
そこで、本発明の主たる目的は、半導体パワーデバイスから流れる電流を平準化することができ、さらに、半導体パワーデバイスで発生する熱を効率よく放散させることができる半導体パワーモジュールおよびその製造方法を提供することである。
そこで、請求項2記載の発明では、天板が、プレート端子を裏面側から支持する支持部を有している。これにより、プレート端子が衝撃等を受けても、その衝撃を支持部で緩和することができる。その結果、衝撃を半導体パワーデバイスに全く伝えないようにできるか、または、半導体デバイスに伝わる衝撃を低減することができる。よって、衝撃による半導体パワーデバイスの破壊を防止することができる。
この構成によれば、金属ブロックを取り囲む開口の周縁部で構成された支持部により、プレート端子から金属ブロックに伝わる衝撃を効果的に緩和することができる。
この構成によれば、天板が枠部に対して分離可能であるため、半導体パワーモジュールの製造に際して、枠部と天板とを分離した状態で、まずデバイス領域に半導体パワーデバイスを配置し、当該半導体パワーデバイスに金属ブロックを接合させることができる。そのため、作業性がよい。
また、請求項6記載の発明は、前記プレート端子が、前記スライド方向に沿って延びる一対の第1対辺および当該第1対辺に直交する一対の第2対辺を有する平面視四角状に形成されており、前記天板は、前記第1対辺に沿う一対のアーム部と、当該一対のアーム部の前記スライド方向一方側同士を連結する連結部とを有し、これらアーム部および連結部によって前記プレート端子の周囲の三方を取り囲むように設けられており、一対の前記アーム部は、それぞれ前記プレート端子の周縁部に対して、前記スライド方向に直交する横方向外側から当接する第1部分と、当該第1部分の下端から前記プレート端子の前記裏面に沿って張り出す第2部分と有しており、前記プレート端子の前記第1対辺に沿う前記周縁部は、前記アーム部の前記第1部分と前記アーム部の前記第2部分とで区画された凹部に嵌合している、請求項5に記載の半導体パワーモジュールである。
また、請求項7記載の発明は、前記連結部は、前記プレート端子の周縁部に対して、前記スライド方向外側から当接する第1部分と、当該第1部分の下端から前記プレート端子の前記裏面に沿って張り出す第2部分と有しており、前記プレート端子の前記第2対辺に沿う前記周縁部は、前記連結部の前記第1部分と前記連結部の前記第2部分とで区画された凹部に嵌合している、請求項6に記載の半導体パワーモジュールである。
また、請求項9記載の発明のように、前記半導体パワーデバイスは、SiC半導体を用いたデバイスであってもよい。
この構成によれば、半導体パワーデバイスの配線部材としてAlワイヤを使用する場合に比べて、SiCと配線部材との線膨張係数差を小さくすることができる。そのため、半導体パワーデバイスと配線部材との間に生じる熱応力の発生を低減することができる。その結果、デバイスの熱疲労を低減できるので、高寿命かつ信頼性の高い半導体パワーモジュールを達成することができる。Cuを含む合金材料としては、たとえば、CuMo合金、CuW合金などが挙げられる。
また、前記金属ブロックは、請求項11記載の発明のように、直方体形状を有していてもよいし、請求項12記載の発明のように、その裏面から表面へ向かって断面積が広がるテーパー形状を有していてもよい。
また、請求項13記載の発明のように、前記半導体パワーモジュールには、前記半導体パワーデバイスが複数設けられており、前記外部端子は、各前記半導体パワーデバイスに接合された金属ブロックに一括して接合されていてもよい。
この構成によれば、天板に形成された貫通孔からケース内へ樹脂を流し込むことにより、ケース内の絶縁状態を簡単に維持することができる。
また、請求項16記載の発明は、前記外部端子が、平板状のプレート端子であり、前記予備はんだ付けを施す工程は、当該プレート端子に所定量以上のはんだを盛る工程を含む、請求項15に記載の半導体パワーモジュールの製造方法である。
<第1実施形態>
図1は、本発明の第1実施形態に係るパワーモジュールの全体図である。
パワーモジュール1は、開放面を有するケース2と、当該ケースの開放面を閉塞する天板3と、外部端子としてのソース端子4と、ソースセンス端子5と、ゲート端子6とを備えている。
ベース部8および枠部9は、この実施形態では、金属材料で構成されている。とくに、アルミニウム、銅等の放熱性の高い金属で構成されていることが好ましい。
また、天板3において、ソース端子4と対向する領域には、ソース端子4の平面面積よりも小さい開口14(図1の二点鎖線)が複数形成されている。複数の開口14は、後述するパワーデバイス18の数と同数形成されている。この実施形態では、3つの開口14が、平面視で三角形状に配列されている。
図2は、図1に示す半導体パワーモジュールの内部構成図である。図3は、図1に示す半導体パワーモジュールの断面図であって、図1のA−A切断面における断面を表している。
絶縁基板17は、たとえば、セラミック基板で構成されている。この絶縁基板17は、Y方向沿って長い平面視矩形の一様な厚さの板状体であり、その上には、プレート状のソースセンス配線19およびゲート配線20が、互いに間隔を空けて形成されている。ソースセンス配線19には、ソースセンス端子5の一端が接続されている。また、ゲート配線20には、ゲート端子6の一端が接続されている。
各パワーデバイス18の表面181(ベース部8に接合された面の反対側の面)には、パワーデバイス18に電力を供給する配線材料として用いられる金属ブロック24の裏面242が1つずつ接合されている。金属ブロック24は、この実施形態では、パワーデバイス18の表面181からベース部8から離れる方向(ソース端子4に近づく方向)に立ち上がる直方体形状を有している。
まず、図4Aに示すように、ケース2内のデバイス領域16に、プレート状の配線が形成された絶縁基板17が取り付けられる。次いで、ソースセンス端子5およびゲート端子6が挿入された台座12がケース2の枠部9に取り付けられる。続いて、ソースセンス端子5およびゲート端子6それぞれと、プレート状配線19〜20との接合が行われる。次いで、たとえば、板はんだ27を介して、ベース部8の上に各パワーデバイス18がセットされる。そして、ケース2をヒータ28上に搬入し、たとえば、250〜400℃で加熱する。この加熱により、金属製のケース2に伝わった熱が板はんだ27に伝わって板はんだ27が溶融する。これにより、パワーデバイス18がケース2のベース部8に接合される。なお、図4B以下では、接合に使用された板はんだ27を省略している。
次いで、図4Dに示すように、ソース端子4が単独でヒータ28の上に置かれ、当該ソース端子4の上に予備はんだ30が施される。次いで、ケース2を逆さまにした状態(天板3が下側になった状態)で予備はんだ30に対して金属ブロック24の位置決めをし、金属ブロック24と予備はんだ30とを接触させる。
以上のように、パワーモジュール1によれば、パワーデバイス18とソース端子4とを接続する配線部材として、ワイヤよりも径の大きい金属ブロック24が用いられる。これにより、パワーデバイス18に対して、配線(金属ブロック24)を大きな面積で接合させることができる。そのため、配線(金属ブロック24)とパワーデバイス18との間の接合部における電流集中の発生を抑制することができる。その結果、電流を平準化することができる。さらに、パワーデバイス18で発生する熱を、金属ブロック24およびプレート状ソース端子4により効率よく放散させることができるので、放熱効果を向上させることもできる。
そこで、この実施形態では、天板3の凹部25の底壁26が、ソース端子4を裏面側から支持している。これにより、ソース端子4が衝撃等を受けても、その衝撃を凹部25の底壁26で緩和することができる。その結果、衝撃をパワーデバイス18に全く伝えないようにできるか、または、パワーデバイス18に伝わる衝撃を低減することができる。よって、衝撃によるパワーデバイス18の破壊を防止することができる。しかも、この実施形態では、ソース端子4を支持する支持部が、各金属ブロック24を1対1で各金属ブロックの平面輪郭に沿って取り囲む開口14の周縁部(凹部25の底壁26)で構成されているため、ソース端子4から金属ブロック24に伝わる衝撃を効果的に緩和することができる。
また、金属製のベース部8にパワーデバイス18の裏面182が直接接合されているため、パワーデバイス18の裏面182(ドレイン側)に対する電気的なコンタクトを、パワーモジュール1のケース2を利用してとることができる。
また、この実施形態のように、放熱効果の高い金属ブロック24をパワーデバイス18の配線材料として利用する場合、たとえば、図4Aや図4Bの工程のように、金属ブロック24とソース端子4との間に板はんだを挟んだ状態で、ソース端子4をヒータ28で加熱するやり方では、その熱が放熱効果の高い金属ブロック24を伝わって放散される場合がある。その結果、予め挟まれた板はんだが良好に溶けず、金属ブロック24とソース端子4との接合不良を生じるおそれがある。
そして、このような方法によれば、たとえば、複数の金属ブロック24間に、図5に示すような高低差hが生じていても、所定量の予備はんだ30を施すことにより、その高低差hを予備はんだ30で補うことができる。その結果、複数の金属ブロック24に対して、プレート状のソース端子4を一括して確実に接合することができる。
<第2実施形態>
図6は、本発明の第2実施形態に係るパワーモジュールの全体図である。図7は、図6に示すパワーモジュールの内部構成図である。図8は、図6に示すパワーモジュールの断面図であって、図6のB−B切断面における断面を表している。図9は、図6に示すパワーモジュールの断面図であって、図6のC−C切断面における断面を表している。
説明の便宜上、以下では、図1に示したX方向、Y方向およびZ方向を用いることがある。X方向は、平面視矩形のケース52の長辺に沿う方向である。Y方向は、平面視矩形のケース52の短辺に沿う方向である。Z方向は、ケース52の高さ方向に沿う方向である。ケース52を水平面に置いたとき、X方向およびY方向は互いに直交する2つの水平な直線(X軸およびY軸)に沿う2つの水平方向(第1水平方向および第2水平方向)となり、Z方向は鉛直な直線(Z軸)に沿う鉛直方向(高さ方向)となる。
ベース部58は、この実施形態では、金属材料で構成されている。とくに、アルミニウム、銅等の放熱性の高い金属で構成されていることが好ましい。
枠部59には、その頂部よりも一段低い一定深さの低段部63が形成されている。この低段部63は、平面視U字状に形成され、同じく平面視U字状の天板53をスライドさせるための部分である。低段部63の深さは、たとえば、天板53の厚さとほぼ同じ大きさであることが好ましい。これにより、天板53を固定したときに、枠部59および天板53により平坦面を有する直方体を形成することができる。
ソース端子54は、Y方向沿って長い平面視矩形の一様な厚さの板状体(プレート端子)であり、ベース部58のデバイス領域61に対向するように設けられている。
ケース52内において、枠部59に包囲されるデバイス領域61には、絶縁基板73および複数のパワーデバイス74が、Y方向に沿って台座64の側からこの順に配置されている。
各パワーデバイス74の表面741(ベース部58に接合された面の反対側の面)には、パワーデバイス74に電力を供給する配線材料として用いられる金属ブロック83の裏面832が1つずつ接合されている。金属ブロック83は、この実施形態では、パワーデバイス74の表面741からベース部58から離れる方向(ソース端子54に近づく方向)に立ち上がる直方体形状を有している。
まず、図10Aに示すように、ケース52内のデバイス領域61に、プレート状の配線が形成された絶縁基板73が取り付けられる。次いで、ソースセンス端子55およびゲート端子56が挿入された台座64がケース52の枠部59に取り付けられる。続いて、ソースセンス端子55およびゲート端子56それぞれと、プレート状配線との接合が行われる。次いで、たとえば、板はんだ84を介して、ベース部58の上に各パワーデバイス74がセットされる。そして、ケース52をヒータ85上に搬入し、たとえば、250〜400℃で加熱する。この加熱により、金属製のベース部58に伝わった熱が板はんだ84に伝わって板はんだ84が溶融する。これにより、パワーデバイス74がケース52のベース部58に接合される。なお、図10B以下では、接合に使用された板はんだ84を省略している。
そして、ヒータ85の加熱により、図10Dに示すように、金属ブロック83とソース端子54とが接合される。
以上のように、パワーモジュール51によれば、パワーデバイス74とソース端子54とを接続する配線部材として、ワイヤよりも径の大きい金属ブロック83が用いられる。これにより、パワーデバイス74に対して、配線(金属ブロック83)を大きな面積で接合させることができる。そのため、配線(金属ブロック83)とパワーデバイス74との間の接合部における電流集中の発生を抑制することができる。その結果、電流を平準化することができる。さらに、パワーデバイス74で発生する熱を、金属ブロック83およびプレート状ソース端子54により効率よく放散させることができるので、放熱効果を向上させることもできる。
そこで、この実施形態では、天板53のアーム部65および連結部66のそれぞれ第2部分68,71が、ソース端子54を裏面側から支持している。これにより、ソース端子54が衝撃等を受けても、その衝撃をアーム部65および連結部66で緩和することができる。その結果、衝撃をパワーデバイス74に全く伝えないようにできるか、または、パワーデバイス74に伝わる衝撃を低減することができる。よって、衝撃によるパワーデバイス74の破壊を防止することができる。
また、この実施形態のように、放熱効果の高い金属ブロック83をパワーデバイス74の配線材料として利用する場合、たとえば、図10Aや図10Bの工程のように、金属ブロック83とソース端子54との間に板はんだを挟んだ状態で、ソース端子54をヒータ85で加熱するやり方では、その熱が放熱効果の高い金属ブロック83を伝わって放散される場合がある。その結果、予め挟まれた板はんだが良好に溶けず、金属ブロック83とソース端子54との接合不良を生じるおそれがある。
そして、このような方法によれば、たとえば、前述の実施形態で説明したように、複数の金属ブロック83間に、図5に示すような高低差hが生じていても、所定量の予備はんだ87を施すことにより、その高低差hを予備はんだ87で補うことができる。その結果、複数の金属ブロック83に対して、プレート状のソース端子54を一括して確実に接合することができる。
また、金属ブロック24,83の材料は、Cu、Al、Feなどの金属材料であってもよい。
2 ケース
3 天板
4 ソース端子
8 ベース部
9 枠部
14 開口
15 貫通孔
16 デバイス領域
18 パワーデバイス
24 金属ブロック
25 凹部
26 底壁
51 パワーモジュール
52 ケース
53 天板
54 ソース端子
58 ベース部
59 枠部
61 デバイス領域
65 アーム部
66 連結部
67 (アーム部の)第1部分
68 (アーム部の)第2部分
69 (アーム部の)凹部
70 (連結部の)第1部分
71 (連結部の)第2部分
72 (連結部の)凹部
74 パワーデバイス
83 金属ブロック
101 パワーモジュール
181 (パワーデバイスの)表面
182 (パワーデバイスの)裏面
241 (金属ブロックの)表面
242 (金属ブロックの)裏面
741 (パワーデバイスの)表面
742 (パワーデバイスの)裏面
831 (金属ブロックの)表面
832 (金属ブロックの)裏面
Tr トランジスタ素子
Di ダイオード素子
Claims (16)
- ベース部材と、
表面および裏面を有し、当該裏面が前記ベース部材に接合された半導体パワーデバイスと、
表面および裏面を有し、当該裏面が前記半導体パワーデバイスの前記表面に接合され、前記半導体パワーデバイスの前記表面から前記ベース部材から離れる方向に立ち上がり、前記半導体パワーデバイス用の配線部材として用いられる金属ブロックと、
前記金属ブロックの前記表面に接合され、前記金属ブロックを介して前記半導体パワーデバイスに電力を供給するための外部端子とを含む、半導体パワーモジュール。 - 前記半導体パワーデバイスが配置されるデバイス領域を有するベース部と、当該ベース部に固定され、前記デバイス領域を包囲する枠部とを有するケースと、
当該ケースの前記枠部に固定され、前記デバイス領域に対向する樹脂製の天板とをさらに含み、
前記外部端子が、前記天板に沿って設けられたプレート端子を含み、
前記天板は、平面視で前記プレート端子に重なり合い、前記プレート端子をその裏面側から支持する支持部を有している、請求項1に記載の半導体パワーモジュール。 - 前記天板には、前記プレート端子と対向する領域に、前記プレート端子の平面面積よりも小さい開口が形成されており、
前記金属ブロックは、当該開口を介して前記プレート端子に接合されており、
前記天板の前記支持部は、前記天板において前記金属ブロックを取り囲む当該開口の周縁部を含む、請求項2に記載の半導体パワーモジュール。 - 前記天板が、前記枠部に対して分離可能に設けられた部材である、請求項2または3に記載の半導体パワーモジュール。
- 前記天板は、前記プレート端子に対する一方側の位置に開放端を有し、当該プレート端子に対して当該開放端の反対側の位置に閉塞端を有する平面視U字状に形成されており、前記枠部によって、前記閉塞端が前記プレート端子から離れる方向に沿うスライド方向にスライド可能に支持されており、
前記金属ブロックは、前記開放端と前記閉塞端との間において前記天板に取り囲まれる領域で前記プレート端子に接合されており、
前記天板の前記支持部は、前記天板における前記領域の縁部を含む、請求項2に記載の半導体パワーモジュール。 - 前記プレート端子が、前記スライド方向に沿って延びる一対の第1対辺および当該第1対辺に直交する一対の第2対辺を有する平面視四角状に形成されており、
前記天板は、前記第1対辺に沿う一対のアーム部と、当該一対のアーム部の前記スライド方向一方側同士を連結する連結部とを有し、これらアーム部および連結部によって前記プレート端子の周囲の三方を取り囲むように設けられており、
一対の前記アーム部は、それぞれ前記プレート端子の周縁部に対して、前記スライド方向に直交する横方向外側から当接する第1部分と、当該第1部分の下端から前記プレート端子の前記裏面に沿って張り出す第2部分と有しており、
前記プレート端子の前記第1対辺に沿う前記周縁部は、前記アーム部の前記第1部分と前記アーム部の前記第2部分とで区画された凹部に嵌合している、請求項5に記載の半導体パワーモジュール。 - 前記連結部は、前記プレート端子の周縁部に対して、前記スライド方向外側から当接する第1部分と、当該第1部分の下端から前記プレート端子の前記裏面に沿って張り出す第2部分と有しており、
前記プレート端子の前記第2対辺に沿う前記周縁部は、前記連結部の前記第1部分と前記連結部の前記第2部分とで区画された凹部に嵌合している、請求項6に記載の半導体パワーモジュール。 - 前記ベース部および前記枠部がいずれも金属製であり、
前記ベース部が、前記半導体パワーデバイスを支持する前記ベース部材を兼ねており、
前記枠部が、前記ベース部を介して前記半導体パワーデバイスに電力を供給するための第2の外部端子を兼ねている、請求項2〜7のいずれか一項に記載の半導体パワーモジュール。 - 前記半導体パワーデバイスが、SiC半導体を用いたデバイスである、請求項1〜8のいずれか一項に記載の半導体パワーモジュール。
- 前記金属ブロックが、CuまたはCuを含む合金材料からなる、請求項9に記載の半導体パワーモジュール。
- 前記金属ブロックが、直方体形状を有している、請求項1〜10のいずれか一項に記載の半導体パワーモジュール。
- 前記金属ブロックが、その裏面から表面へ向かって断面積が広がるテーパー形状を有している、請求項1〜10のいずれか一項に記載の半導体パワーモジュール。
- 前記半導体パワーデバイスが複数設けられており、
前記外部端子は、各前記半導体パワーデバイスに接合された金属ブロックに一括して接合されている、請求項1〜12のいずれか一項に記載の半導体パワーモジュール。 - 前記天板には、平面視で前記プレート端子と重なる領域外の領域において厚さ方向に貫通する貫通孔が形成されている、請求項1〜13のいずれか一項に記載の半導体パワーモジュール。
- 表面および裏面を有する半導体パワーデバイスの当該裏面をベース部材に接合する工程と、
前記ベース部材と前記半導体パワーデバイスの接合後、表面および裏面を有し、前記半導体パワーデバイス用の配線部材として用いられる金属ブロックの当該裏面を、前記半導体デバイスの前記表面に接合する工程と、
前記半導体パワーデバイスに電力を供給するための外部端子に対して、予備はんだ付けを施す工程と、
前記外部端子における前記予備はんだが施された箇所に前記金属ブロックを当接させ、前記外部端子を加熱することによって前記外部端子と前記金属ブロックとを接合する工程とを含む、半導体パワーモジュールの製造方法。 - 前記外部端子が、平板状のプレート端子であり、
前記予備はんだ付けを施す工程は、当該プレート端子に所定量以上のはんだを盛る工程を含む、請求項15に記載の半導体パワーモジュールの製造方法。
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