JP2012138459A - パワー半導体モジュール、及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ブスバーを用いても超音波接合部の接合強度が低下せず、かつパワー半導体モジュールの小型化が図れるパワー半導体モジュール、及びその製造方法を提供する。
【解決手段】絶縁性基板に電極端子台を接合し、前記電極端子台に超音波接合によりコレクタ側ブスバーを接続すると共に、前記電極端子台に大電流スイッチング用半導体素子を接合し、前記スイッチング用半導体素子にエミッタ側ブスバーを接続したパワー半導体モジュールにおいて、コレクタ側ブスバー１０の先端部１１が略Ｌ字状に曲げられ、先端部の超音波接合部１１Ｂが、厚みが減少しない未押しあて部１１Ｃと、超音波接合ツール１５で圧接されて厚みが減少した押し当て部１１Ｄとを含み、未押しあて部１１Ｃおよび押し当て部１１Ｄの境界部分１１Ｅの幅方向距離が先端部１１の幅よりも大きいこと。
【選択図】図２
【解決手段】絶縁性基板に電極端子台を接合し、前記電極端子台に超音波接合によりコレクタ側ブスバーを接続すると共に、前記電極端子台に大電流スイッチング用半導体素子を接合し、前記スイッチング用半導体素子にエミッタ側ブスバーを接続したパワー半導体モジュールにおいて、コレクタ側ブスバー１０の先端部１１が略Ｌ字状に曲げられ、先端部の超音波接合部１１Ｂが、厚みが減少しない未押しあて部１１Ｃと、超音波接合ツール１５で圧接されて厚みが減少した押し当て部１１Ｄとを含み、未押しあて部１１Ｃおよび押し当て部１１Ｄの境界部分１１Ｅの幅方向距離が先端部１１の幅よりも大きいこと。
【選択図】図２
Description
本発明は、例えばモーター駆動用システム等に用いられるパワー半導体モジュール、及びその製造方法に関する。
従来、モーター駆動用システム等に用いられるパワーモジュールは高出力化の流れにある一方、作りやすさや小型軽量であることが求められている。一般的には、外部接続用のブスバーとセラミックス製絶縁回路基板上の回路と半導体素子などの配線にはアルミワイヤが使用されており超音波接合法を用いて回路基板とアルミワイヤを接合するが、アルミワイヤは一般的に３００ｕｍ〜５００ｕｍと細いので、パワーモジュールの大電流を流すように複数本接続している。複数本接続する場合、多くの作業工数が発生し、しかも接続エリアを確保する必要があるので、小型化に対する障壁となることもある。この問題を解決するため、アルミワイヤボンディングではなく、リボンワイヤによるボンディングを用い、打点数の削減による作業工数や設備、管理費低減を図ること（例えば、特許文献１参照。）が知られている。
また作業工数のほか小型化を狙いとして、銅製のブスバーを使用する超音波接合手法についても知られている。この場合、絶縁性基板に電極端子台を接合し、電極端子台に超音波接合により長方形の中実断面を持つ導電体からなる銅製のコレクタ側ブスバーを接続すると共に、電極端子台に大電流スイッチング用半導体素子を接合し、スイッチング用半導体素子にエミッタ側ブスバーを、アルミなどのワイヤボンディングを用いて、電気的に接続して構成されるパワー半導体モジュールが構成される。そして、コレクタ側ブスバーの先端部は略Ｌ字状に曲げられ、先端部の超音波接合部が超音波接合ツールで圧接されて電極端子台に接合される。
しかし、従来用いられているアルミワイヤボンディングに替わるリボンボンティングは、ワイヤ本数低減による打点工数低減効果はあるものの、必要な電流容量に対する低減効果がないため小型化に対する効果は非常に小さい。また従来のブスバーにおける超音波についても接合させるための条件として高い圧力と強い超音波振動が必要になるために変形が大きくなり、接合箇所が局所的に薄くなる。その結果、押し込み部とブスバー本体の境目に応力が集中しやすい箇所が生まれ、使用時に発生する熱膨張および振動に伴う変形により応力がこの部位に集中することで疲労破壊を起こし耐久信頼性の低下を招く恐れがある。これを避けるために変形を最小限とすべく超音波接合の加工条件を弱めに設定すると超音波接合部の接合強度が低下し、ブスバーの幅を広げて剛性を確保するとパワー半導体モジュールの大型化につながる課題がある。
そこで、本発明の目的は、上述した従来の技術が有する課題を解消し、ブスバーを用いても超音波接合部の接合強度が低下せず、かつパワー半導体モジュールの小型化が図れるパワー半導体モジュール、及びその製造方法を提供することにある。
そこで、本発明の目的は、上述した従来の技術が有する課題を解消し、ブスバーを用いても超音波接合部の接合強度が低下せず、かつパワー半導体モジュールの小型化が図れるパワー半導体モジュール、及びその製造方法を提供することにある。
本発明は、絶縁性基板に電極端子台を接合し、前記電極端子台に超音波接合によりコレクタ側ブスバーを接続すると共に、前記電極端子台に大電流スイッチング用半導体素子を接合し、前記スイッチング用半導体素子にエミッタ側ブスバーを接続したパワー半導体モジュールにおいて、前記コレクタ側ブスバーの先端部が略Ｌ字状に曲げられ、前記先端部の超音波接合部が、厚みが減少しない未押し当て部と、超音波接合ツールで圧接されて厚みが減少した押し当て部とを含み、前記未押し当て部および前記押し当て部の境界部分の幅方向距離が、前記先端部の幅よりも大きくなるように構成されることを特徴とする。
前記未押し当て部および前記押し当て部の境界部分が波形状であってもよい。
前記未押し当て部および前記押し当て部の境界部分が波形状であってもよい。
本発明では、厚みの減少が生じない未押し当て部と、厚みの減少する押し当て部とが直接接する距離が延長されることで、打点隅部に集中する応力が分散され、プル強度向上および耐久信頼性の向上を得ることができる。超音波接合ツール側に予め加工しておくため、従来通りの超音波接合工程を1回のみ行うことにより、厚みの減少が生じない未押し当て部と、厚みの減少する押し当て部とが直接接する距離を容易に延長できる。超音波接合ツールの側に、コレクタ側ブスバーの先端部の部材幅より大きな範囲で加工を施しておくことにより、加工時（超音波接合時）に多少の幅方向の位置ズレが発生しても応力集中抑制効果を十分に保った加工が可能である。また応力集中抑制効果により先端部の部材ネック部の強度が向上するため、超音波接合部の押し込み量（厚みＴ−厚みｔ）を増し、押し当て部を薄くすることが可能となり、単位面積あたりの接合強度を向上できる。これにより必要な接合面積を減少させ、全体の小型化に寄与できる。
また、絶縁性基板に電極端子台を接合し、前記電極端子台に超音波接合によりコレクタ側ブスバーを接続すると共に、前記電極端子台に大電流スイッチング用半導体素子を接合し、前記スイッチング用半導体素子にエミッタ側ブスバーを接続したパワー半導体モジュールの製造方法において、前記コレクタ側ブスバーの先端部が略Ｌ字状に曲げられ、前記先端部の超音波接合部に、波状に加工された先端部を有する超音波接合ツールを押し当てることで、厚みが減少しない未押し当て部と、超音波接合ツールの先端部で圧接されて厚みが減少した押し当て部とを形成し、前記未押し当て部および前記押し当て部の波状境界部分の幅方向距離を、前記先端部の幅よりも大きくさせてもよい。
本発明では、厚みの減少が生じない未押し当て部と、厚みの減少する押し当て部とが直接接する距離が延長されることで、打点隅部に集中する応力が分散され、プル強度向上および耐久信頼性の向上を得ることができる。
以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。
図１は本実施形態に係るパワー半導体モジュールの概略図である。このパワー半導体モジュール１は、電気自動車等の電力変換装置に用いられる三相インバータ回路の交流出力１相分の回路をパッケージ化したものである。
すなわち、パワー半導体モジュール１は、１相分の回路を構成する半導体チップ４及びダイオード等の回路素子をはんだ５を介してコレクタ電極（電極端子台）６に接合し、コレクタ電極６を絶縁回路基板７に実装し、当該絶縁回路基板７を、例えばパッケージ底面を構成するベース板としての放熱板（不図示）の上に接合剤で接合固定し、その周囲を囲む側壁たる樹脂ケース（不図示）をパッキンを挟んで放熱板に設け、樹脂ケース（不図示）内を樹脂剤たるシリコーンゲルで封止して構成されている。
半導体チップ４は、例えば、ＩＧＢＴ、パワーＭＯＳＦＥＴ、サイリスタ、ダイオード等の大電流に対応した電源供給用のスイッチング素子であり、絶縁回路基板７は、金属板から成る上面基板（不図示）及び下面基板（不図示）の間に絶縁基板（不図示）を挟んでロウ材等により接合してなる３層構造の基板である。なお、上面基板及び下面基板を金属板ではなく導体層で形成してもよい。
図１は本実施形態に係るパワー半導体モジュールの概略図である。このパワー半導体モジュール１は、電気自動車等の電力変換装置に用いられる三相インバータ回路の交流出力１相分の回路をパッケージ化したものである。
すなわち、パワー半導体モジュール１は、１相分の回路を構成する半導体チップ４及びダイオード等の回路素子をはんだ５を介してコレクタ電極（電極端子台）６に接合し、コレクタ電極６を絶縁回路基板７に実装し、当該絶縁回路基板７を、例えばパッケージ底面を構成するベース板としての放熱板（不図示）の上に接合剤で接合固定し、その周囲を囲む側壁たる樹脂ケース（不図示）をパッキンを挟んで放熱板に設け、樹脂ケース（不図示）内を樹脂剤たるシリコーンゲルで封止して構成されている。
半導体チップ４は、例えば、ＩＧＢＴ、パワーＭＯＳＦＥＴ、サイリスタ、ダイオード等の大電流に対応した電源供給用のスイッチング素子であり、絶縁回路基板７は、金属板から成る上面基板（不図示）及び下面基板（不図示）の間に絶縁基板（不図示）を挟んでロウ材等により接合してなる３層構造の基板である。なお、上面基板及び下面基板を金属板ではなく導体層で形成してもよい。
また、パワー半導体モジュール１には、パッケージ内から外部に樹脂ケースを貫通して、半導体チップ４の周辺電極たるエミッタ側ブスバー（外部端子）８が設けられている。エミッタ側ブスバー８は半導体チップ４と導電ワイヤたるアルミニウム製のアルミワイヤ９により電気的に接続される。すなわち、アルミワイヤ９は、太さ数十μｍ〜数百μｍの線材であり、その一端が半導体チップ４のチップ表面４Ａに荷重と超音波によって接合され、他端は同様にしてエミッタ側ブスバー８に接合されている。
コレクタ電極６には超音波接合によりコレクタ側ブスバー（外部端子）１０が接合されている。コレクタ電極６は銅製品（例えばＣ１０２０のニッケルメッキ品）である。コレクタ側ブスバー１０は幅ｗ（図３参照。）が１．５ｍｍ、厚さＴ（図３参照。）が１ｍｍの長方形中実断面を持つ導電体からなる銅製品（例えばＣ１０２０）である。
コレクタ側ブスバー１０の先端部１１は、図２Ａおよび図２Ｂに示すように、屈曲部１１Ａで屈曲した後、略Ｌ字状に曲げられ、先端部１１の平坦な超音波接合部１１Ｂが電極端子台６にあてられ、超音波接合部１１Ｂの上から超音波接合ツール１５があてられ、上下より圧力をかけて密着させ、コレクタ側ブスバー１０に超音波振動を印加することにより、両者を接合させている。接合部長さＬは例えば４ｍｍである。
パワー半導体モジュール１の製造時には、かかる接合工程がすべて行われた後に、シリコーンゲルで封止されて構成されている。
コレクタ電極６には超音波接合によりコレクタ側ブスバー（外部端子）１０が接合されている。コレクタ電極６は銅製品（例えばＣ１０２０のニッケルメッキ品）である。コレクタ側ブスバー１０は幅ｗ（図３参照。）が１．５ｍｍ、厚さＴ（図３参照。）が１ｍｍの長方形中実断面を持つ導電体からなる銅製品（例えばＣ１０２０）である。
コレクタ側ブスバー１０の先端部１１は、図２Ａおよび図２Ｂに示すように、屈曲部１１Ａで屈曲した後、略Ｌ字状に曲げられ、先端部１１の平坦な超音波接合部１１Ｂが電極端子台６にあてられ、超音波接合部１１Ｂの上から超音波接合ツール１５があてられ、上下より圧力をかけて密着させ、コレクタ側ブスバー１０に超音波振動を印加することにより、両者を接合させている。接合部長さＬは例えば４ｍｍである。
パワー半導体モジュール１の製造時には、かかる接合工程がすべて行われた後に、シリコーンゲルで封止されて構成されている。
この実施の形態では、超音波接合ツール１５の先端部１５Ａが、図３に示すように、波状の打点形状部１５Ｂを備えている。この超音波接合ツール１５の幅Ｗは、コレクタ側ブスバー１０の幅ｗよりも大きく、例えば幅ｗの１．５倍以上に形成されている。この超音波接合ツール１５は、図２Ａに示すように、打点形状部１５Ｂが延びる方向と直交する方向（矢印で示す往復方向）に超音波振動を与えて、コレクタ側ブスバー１０に超音波振動を印加することで、コレクタ側ブスバー１０と電極端子台６とを接合する。
図４は、超音波接合部１１Ｂの超音波接合面を示す。上記波状の打点形状部１５Ｂを備えた超音波接合ツール１５の先端部１５Ａを押し当てて、コレクタ側ブスバー１０に超音波振動を印加すると、超音波接合部１１Ｂが、厚みＴ（図３参照。）が減少しない未押しあて部１１Ｃと、超音波接合ツール１５で圧接されて厚みｔ（図３参照。）が減少した押し当て部１１Ｄとを含んで形成され、このときの超音波接合部の押し込み量は、元々の厚みＴが１ｍｍであれば、０．５〜０．７ｍｍ程度つぶして、押し当て部１１Ｄの厚みｔが、０．３〜０．５ｍｍ程度となる。未押しあて部１１Ｃおよび押し当て部１１Ｄの境界部分１１Ｅの幅方向距離が、波状となる分だけ先端部１１の直線幅よりも大きくなり、望ましくは１．５以上であることが判明している。
図４は、超音波接合部１１Ｂの超音波接合面を示す。上記波状の打点形状部１５Ｂを備えた超音波接合ツール１５の先端部１５Ａを押し当てて、コレクタ側ブスバー１０に超音波振動を印加すると、超音波接合部１１Ｂが、厚みＴ（図３参照。）が減少しない未押しあて部１１Ｃと、超音波接合ツール１５で圧接されて厚みｔ（図３参照。）が減少した押し当て部１１Ｄとを含んで形成され、このときの超音波接合部の押し込み量は、元々の厚みＴが１ｍｍであれば、０．５〜０．７ｍｍ程度つぶして、押し当て部１１Ｄの厚みｔが、０．３〜０．５ｍｍ程度となる。未押しあて部１１Ｃおよび押し当て部１１Ｄの境界部分１１Ｅの幅方向距離が、波状となる分だけ先端部１１の直線幅よりも大きくなり、望ましくは１．５以上であることが判明している。
上述の境界部分１１Ｅは応力集中が最も大きくなる部位である。
本実施の形態では、打点形状部１５Ｂを直線的形状でなく曲線的形状にしたため、厚みの減少が生じない未押しあて部１１Ｃと、厚みの減少する押し当て部１１Ｄとが直接接する距離が延長されることで、打点隅部に集中する応力が分散され、プル強度向上および耐久信頼性の向上を得ることができる。この波状の打点形状部１５Ｂを、超音波接合ツール１５側に予め加工しておくため、従来通りの超音波接合工程を1回のみ行うことにより、曲線的形状の打点形状部１５Ｂを容易に得ることができる。また、超音波接合ツール１５の側に、コレクタ側ブスバー１０の先端部１１の部材幅ｗより大きな範囲で加工を施しておくことにより、加工時（超音波接合時）に多少の幅方向の位置ズレが発生しても応力集中抑制効果を十分に保った加工が可能である。
また上述の応力集中抑制効果により先端部１１の部材ネック部の強度が向上するため、超音波接合部の押し込み量（厚みＴ−厚みｔ）を増し、押し当て部１１Ｄを薄くすることが可能となり、単位面積あたりの接合強度を向上できる。これにより必要な接合面積を減少させ、全体の小型化に寄与できる。
本実施の形態では、打点形状部１５Ｂを直線的形状でなく曲線的形状にしたため、厚みの減少が生じない未押しあて部１１Ｃと、厚みの減少する押し当て部１１Ｄとが直接接する距離が延長されることで、打点隅部に集中する応力が分散され、プル強度向上および耐久信頼性の向上を得ることができる。この波状の打点形状部１５Ｂを、超音波接合ツール１５側に予め加工しておくため、従来通りの超音波接合工程を1回のみ行うことにより、曲線的形状の打点形状部１５Ｂを容易に得ることができる。また、超音波接合ツール１５の側に、コレクタ側ブスバー１０の先端部１１の部材幅ｗより大きな範囲で加工を施しておくことにより、加工時（超音波接合時）に多少の幅方向の位置ズレが発生しても応力集中抑制効果を十分に保った加工が可能である。
また上述の応力集中抑制効果により先端部１１の部材ネック部の強度が向上するため、超音波接合部の押し込み量（厚みＴ−厚みｔ）を増し、押し当て部１１Ｄを薄くすることが可能となり、単位面積あたりの接合強度を向上できる。これにより必要な接合面積を減少させ、全体の小型化に寄与できる。
上記実施の形態では、打点形状部１５Ｂの加工形状が波状あったが、波状以外にも三角形状、凸形形状等であっても有効である。ただし、打点形状部１５Ｂの加工形状が波状であれば、打点形状部１５Ｂの全体が曲部で構成されるため、三角形状、凸形形状等の場合と比較して、打点隅部に集中する応力がより分散され、プル強度向上および耐久信頼性の向上をさらに得ることができる。
上述した実施形態は、あくまでも本発明の一態様を示すものであって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で任意に変形及び応用が可能である。
例えば、上述した実施形態では、コレクタ電極６は銅製品（例えばＣ１０２０のニッケルメッキ品）としたが、これに限定されず、ニッケルメッキがなくてもよく、あるいはアルミニウムであってもよい。コレクタ側ブスバー１０は銅製品（例えばＣ１０２０）としたが、Ｃ１０２０に限定されない。
上述した実施形態は、あくまでも本発明の一態様を示すものであって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で任意に変形及び応用が可能である。
例えば、上述した実施形態では、コレクタ電極６は銅製品（例えばＣ１０２０のニッケルメッキ品）としたが、これに限定されず、ニッケルメッキがなくてもよく、あるいはアルミニウムであってもよい。コレクタ側ブスバー１０は銅製品（例えばＣ１０２０）としたが、Ｃ１０２０に限定されない。
１ パワー半導体モジュール
４ 半導体チップ
６ コレクタ電極（電極端子台）
７ 絶縁回路基板
８ エミッタ側ブスバー（外部端子）
９ アルミワイヤ
１０ コレクタ側ブスバー（外部端子）
１１ 先端部
１１Ｂ 超音波接合部
１５ 超音波接合ツール
１５Ａ 先端部
１５Ｂ 打点形状部
１１Ｃ 未押し当て部
１１Ｄ 押し当て部
１１Ｅ 境界部分
４ 半導体チップ
６ コレクタ電極（電極端子台）
７ 絶縁回路基板
８ エミッタ側ブスバー（外部端子）
９ アルミワイヤ
１０ コレクタ側ブスバー（外部端子）
１１ 先端部
１１Ｂ 超音波接合部
１５ 超音波接合ツール
１５Ａ 先端部
１５Ｂ 打点形状部
１１Ｃ 未押し当て部
１１Ｄ 押し当て部
１１Ｅ 境界部分
Claims (3)
- 絶縁性基板に電極端子台を接合し、前記電極端子台に超音波接合によりコレクタ側ブスバーを接続すると共に、前記電極端子台に大電流スイッチング用半導体素子を接合し、前記スイッチング用半導体素子にエミッタ側ブスバーを接続したパワー半導体モジュールにおいて、
前記コレクタ側ブスバーの先端部が略Ｌ字状に曲げられ、
前記先端部の超音波接合部が、厚みが減少しない未押し当て部と、超音波接合ツールで圧接されて厚みが減少した押し当て部とを含み、
前記未押し当て部および前記押し当て部の境界部分の幅方向距離が、前記先端部の幅よりも大きくなるように構成されている
ことを特徴とするパワー半導体モジュール。 - 前記未押し当て部および前記押し当て部の境界部分が波形状であることを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
- 絶縁性基板に電極端子台を接合し、前記電極端子台に超音波接合によりコレクタ側ブスバーを接続すると共に、前記電極端子台に大電流スイッチング用半導体素子を接合し、前記スイッチング用半導体素子にエミッタ側ブスバーを接続したパワー半導体モジュールの製造方法において、
前記コレクタ側ブスバーの先端部が略Ｌ字状に曲げられ、
前記先端部の超音波接合部に、波状に加工された先端部を有する超音波接合ツールを押し当てることで、厚みが減少しない未押し当て部と、超音波接合ツールの先端部で圧接されて厚みが減少した押し当て部とを形成し、前記未押し当て部および前記押し当て部の波状境界部分の幅方向距離を、前記先端部の幅よりも大きくさせた
ことを特徴とするパワー半導体モジュールの製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2010289444A JP2012138459A (ja) | 2010-12-27 | 2010-12-27 | パワー半導体モジュール、及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2010289444A JP2012138459A (ja) | 2010-12-27 | 2010-12-27 | パワー半導体モジュール、及びその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2012138459A true JP2012138459A (ja) | 2012-07-19 |
Family
ID=46675655
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2010289444A Pending JP2012138459A (ja) | 2010-12-27 | 2010-12-27 | パワー半導体モジュール、及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2012138459A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113594239A (zh) * | 2021-07-20 | 2021-11-02 | 弘大芯源(深圳)半导体有限公司 | 一种具有网格结构的双极功率晶体管 |
-
2010
- 2010-12-27 JP JP2010289444A patent/JP2012138459A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113594239A (zh) * | 2021-07-20 | 2021-11-02 | 弘大芯源(深圳)半导体有限公司 | 一种具有网格结构的双极功率晶体管 |
| CN113594239B (zh) * | 2021-07-20 | 2022-09-27 | 弘大芯源(深圳)半导体有限公司 | 一种具有网格结构的双极功率晶体管 |
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