JP2012222128A - パワーモジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体素子の傾きや位置を、簡易かつ安価に制御することができるパワーモジュールを提供する。
【解決手段】本発明に係るパワーモジュールでは、半導体素子２０の表面電極２５と第２電極パッド５ａとの間に表面側半田層４５が形成され、半導体素子２０の裏面電極２３と第１電極パッド３ａとの間に裏面側半田層４３が形成されている。第１および第２電極パッド３ａ、５ａは、対応する裏面または表面電極２３、２５と実質的に同一の形状を有する部分と、該部分の四隅に相当する位置から半導体素子２０の対角線に沿って外向きに距離Ｄ１だけ突出した４つの突出部分とからなっている。
【選択図】図３
【解決手段】本発明に係るパワーモジュールでは、半導体素子２０の表面電極２５と第２電極パッド５ａとの間に表面側半田層４５が形成され、半導体素子２０の裏面電極２３と第１電極パッド３ａとの間に裏面側半田層４３が形成されている。第１および第２電極パッド３ａ、５ａは、対応する裏面または表面電極２３、２５と実質的に同一の形状を有する部分と、該部分の四隅に相当する位置から半導体素子２０の対角線に沿って外向きに距離Ｄ１だけ突出した４つの突出部分とからなっている。
【選択図】図３
Description
本発明は、複数のパワー半導体素子と該パワー半導体素子の放熱機構を備えたパワーモジュールに関する。
近年、モータ駆動を利用するハイブリッド車等の移動体や補助ロボット等の様々な分野においてパワーエレクトロニクス技術が必要となっている。かかる分野では、複数のパワー半導体素子（以下、単に「半導体素子」という）とその放熱機構をコンパクトにまとめたパワーモジュールを使用するのが一般的である。
従来のパワーモジュールとしては、例えば、特許文献１に記載のものが知られている。図８に示すように、このパワーモジュール１００は、第１電極パッド１０２を有する第１放熱基板１０１と、第２電極パッド１０４を有する第２放熱基板１０３と、第１電極パッド１０２および第２電極パッド１０４が所定の間隔をあけて対向するように第１放熱基板１０１および第２放熱基板１０３を位置決めするスペーサ１０５と、ＩＧＢＴ、ダイオード等の半導体素子１０６とを備えている。半導体素子１０６は、表面電極が第２電極パッド１０４に半田接続され、裏面電極が第１電極パッド１０２に半田接続されている。
このパワーモジュール１００によれば、半導体素子１０６の表裏両側に放熱基板１０１、１０３が配置され、しかも半導体素子１０６から各放熱基板１０１、１０３への熱伝導が妨げられないように両者が半田接続されているので、半導体素子１０６を効率よく放熱することができる。
ところで、上記パワーモジュール１００における半導体素子１０６と各電極パッド１０２、１０４との半田接続は、リフロー炉内で半田箔を溶融、固化させる方法や、半田リボンを用いてスクラブボンドする方法により行うのが一般的であったが、近年では、クリーム半田を用いた方法も採用されるようになってきている。クリーム半田を用いた方法によれば、製造工程をよりフレキシブルにすることができるとともに、製造コストを低減することができる。
しかしながら、従来のパワーモジュール１００における半田接続をこの方法で行うと、クリーム半田に含まれるフラックスが半田溶融時に気化飛散して半田自身が流動または揺動し、半導体素子１０６が傾いたり（図９（Ａ）参照）、位置ずれを起こしたり（図９（Ｂ）参照）することがあった。
半導体素子１０６が傾くと、各放熱基板１０１、１０３への熱伝導が不均一となり、放熱効率が低下する。また、半導体素子１０６が傾いて半田層が薄くなると、半導体素子１０６と放熱基板１０１、１０３の熱膨張係数の違いにより生じる応力を半田層で吸収することができなくなり、いずれか一方にクラックが生じ易くなる等、信頼性が低下する。
半導体素子１０６が位置ずれを起こした場合も、半導体素子１０６と各放熱基板１０１、１０３との接続が不十分になって放熱効率が低下したり、隣り合う電極パッドが半導体素子１０６によってブリッジされて短絡したりするという問題が発生する。
本発明は上記事情に鑑みてなされてものであって、その課題とするところは、半導体素子の傾きや位置を、簡易かつ安価に制御することができるパワーモジュールを提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明に係るパワーモジュールは、第１電極パッドを有する第１基板と、第２電極パッドを有する第２基板と、第１および第２電極パッドが間隔をあけて対向するように第１および第２基板を位置決めするスペーサと、第２電極パッドに接続された表面電極および第１電極パッドに接続された裏面電極を有する平面視矩形状の半導体素子とを備えたパワーモジュールであって、表面電極と第２電極パッドの間に表面側半田層が形成され、裏面電極と第１電極パッドの間に裏面側半田層が形成され、第１および第２電極パッドは、対応する裏面または表面電極と実質的に同一の形状を有する部分と、該部分の四隅に相当する位置から半導体素子の対角線に沿って外向きに突出した４つの突出部分とからなることを特徴とする。
この構成では、半導体素子の表面電極に半田接続された第２電極パッドと、裏面電極に半田接続された第１電極パッドが、対応する裏面または表面電極と実質的に同一の形状を有する部分と、該部分の四隅に相当する位置から半導体素子の対角線に沿って外向きに突出した４つの突出部分とからなっている。したがって、この構成によれば、裏面側半田層の表面張力によって半導体素子が外向きかつ第１基板側に引っ張られ、表面側半田層の表面張力によって半導体素子が外向きかつ第２基板側に引っ張られ、これにより半導体素子の位置および傾きを適正な位置および傾きに自動的に補正することができる（以下、この現象を「セルフアライメント」という）。
上記パワーモジュールは、半導体素子の厚みをｈ１、裏面側半田層の厚みをｈ２、表面側半田層の厚みをｈ３としたとき、第１電極パッドにおける突出部分の突出長が１．５×（ｈ１／２＋ｈ２）以上であり、かつ第２電極パッドにおける突出部分の突出長が１．５×（ｈ１／２＋ｈ３）以上であることが好ましい。この構成によれば、表面側半田層および裏面側半田層の表面にメニスカスを形成し（半田の表面形状を懸垂曲線状とし）、表面張力を有効に働かせることができる。
上記パワーモジュールは、第１および第２電極パッドにおける突出部分の突出長が、表面側および裏面側半田層を構成する半田の毛管長以下であることが好ましい。この構成によれば、実装密度を上げてパワーモジュールの小型化を図りながらも、半田のメニスカス（懸垂曲線）に起因する表面張力に加え、半田の毛管長κに起因する表面張力を有効に働かせてセルフアライメントに寄与させることができる。
また、上記パワーモジュールは、第１電極パッドおよび第２電極パッドの少なくとも一方の電極パッドが、半導体素子の平面中心を通りかつ互いに直交する２つの仮想軸線によって平面視で４等分されるものとし、２つの仮想軸線の一方の仮想軸線によって区分された電極パッドの一方領域の面積Ｓ１および電極パッド幅Ｗ１の乗算値をＭ１、電極パッドの他方領域の面積Ｓ２および電極パッド幅Ｗ２の乗算値をＭ２としたとき、Ｍ１とＭ２とが一致するように、またはＭ１およびＭ２のうち小さな乗算値を大きな乗算値で除した比率が５０％以内になるように、かつ、２つの仮想軸線の他方の仮想軸線によって区分された電極パッドの一方領域の面積Ｓ３および電極パッド幅Ｗ３の乗算値をＭ３、電極パッドの他方領域の面積Ｓ４および電極パッド幅Ｗ４の乗算値をＭ４としたとき、Ｍ３とＭ４とが一致するように、またはＭ３およびＭ４のうち小さな乗算値を大きな乗算値で除した比率が５０％以内になるように、電極パッドの面積および電極パッド幅が調整されていることが好ましい。この構成によれば、半導体素子に過大な回転モーメントが生じて、半導体素子が許容限度以上に傾いたり位置ずれを起こしたりするのを防ぐことができる。
本発明によれば、半導体素子の傾きや位置を、簡易かつ安価に制御することができるパワーモジュールを提供することができる。
以下、添付図面を参照して、本発明に係るパワーモジュールの好ましい実施形態について説明する。
［パワーモジュールの全体構成］
図１（Ａ）に本発明の一実施形態に係るパワーモジュールの平面図、図１（Ｂ）に断面図を示す。ただし、図１（Ａ）では、理解を容易にするために一部の部材（後述する第２基板４、第２金属配線層５、第２放熱フィン９）を省略している。また、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＡ−Ａ’断面図である。
図１（Ａ）に本発明の一実施形態に係るパワーモジュールの平面図、図１（Ｂ）に断面図を示す。ただし、図１（Ａ）では、理解を容易にするために一部の部材（後述する第２基板４、第２金属配線層５、第２放熱フィン９）を省略している。また、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＡ−Ａ’断面図である。
図１に示すように、本実施形態に係るパワーモジュール１は、表面に第１金属配線層３が形成された第１基板２と、裏面に第２金属配線層５が形成された第２基板４と、第２金属配線層５に半田接続された表面電極および第１金属配線層３に半田接続された裏面電極を有する複数の半導体素子６と、第１基板２および第２基板４を収容するハウジングとしての樹脂ケース７と、第１基板２の裏面に取り付けられた第１放熱フィン８と、第２基板４の表面に取り付けられた第２放熱フィン９と備えている。
半導体素子６は、ダイオード２０およびＩＧＢＴ３０を含んでいる。このうち、ダイオード２０は、表面電極としてのアノード端子が第２金属配線層５の第２電極パッド５ａに接続され、裏面電極としてのカソード端子が第１金属配線層３の第１電極パッド３ａに接続されている。また、ＩＧＢＴ３０は、表面電極としてのエミッタ端子およびゲート端子が第２金属配線層５の第２電極パッド５ｂに接続され、裏面電極としてのコレクタ端子が第１金属配線層３の第１電極パッド３ｂに接続されている。半導体素子６としては、この他、ＭＯＳＦＥＴ等を使用することができる。使用する半導体素子６の種別は、パワーモジュール１の特性等に応じて適宜決定される。
図１（Ａ）に示すように、ダイオード２０およびＩＧＢＴ３０はいずれも平面視矩形状を有している。第１電極パッド３ａ、３ｂおよび第２電極パッド５ａ、５ｂの形状については、後で詳細に説明する。
第１基板２および第２基板４は、例えば、アルミナ系セラミック、窒化アルミニウム、窒化珪素等のセラミック材料からなり、平面視矩形状を有している。樹脂ケース７との接続部を設けるために、第２基板４は第１基板２より長辺寸法が大きくなっている。
第１金属配線層３は、第１基板２の表面を銅、アルミニウム等の金属でメタライズすることにより形成したもので、その最表面には、半田に対する濡れ性を向上させるためのＮｉめっきまたはＡｕめっきが施されている。また、第１金属配線層３には、第１電極パッド３ａ、３ｂの他、スペーサ１０を接続するための電極パッド３ｃおよび各パッドを相互に接続する配線部（不図示）が含まれている。
第２金属配線層５は、第１金属配線層３と同様に形成される。また、第２金属配線層５には、第２電極パッド５ａ、５ｂの他、スペーサ１０を接続するための電極パッド５ｃ、外部引出パッド５ｄ、および各パッドを相互に接続する配線部（不図示）が含まれている。
第１基板２および第２基板４の間には、充填樹脂１１が充填されている。図１から明らかなように、本実施形態に係るパワーモジュール１はＡｌワイヤを不使用とすることもできる。この場合には、Ａｌワイヤの膨張・収縮を考慮する必要はないので、柔軟性の高いシリコンゲルではなく、より硬質なエポキシ樹脂を充填樹脂１１として充填することができる。なお、充填樹脂１１は毛細管力により隅々にまで拡がるので、粘度の高いエポキシ樹脂を使用しても、充填されない部分が生じることはない。勿論、本発明は、ワイヤーボンディングした半導体素子も混載したハイブリッド型のパワーモジュールにも適用することができる。この場合には、柔軟性の高いシリコンゲルや硬質なエポキシ樹脂が充填樹脂１１として用いられる。
樹脂ケース７は、外部接続リード１２を一体成型したインサートケースとなっており、図１（Ｂ）に示すように、樹脂ケース７の内側に設けられた内部接続端子１３（外部接続リード１２の一端）および第２基板４に形成された外部引出パッド５ｄは、屈曲部を有する接続ダンパリード１４により接続されている。また、接続ダンパリード１４周辺には、エポキシ樹脂ではなく柔軟性の高いシリコン樹脂が充填されている。屈曲部を有する接続ダンパリード１４で接続を行ったのは、樹脂ケース７とセラミック材料からなる各基板２、４との熱膨張係数差に起因する応力を吸収させるためである。
第１放熱フィン８および第２放熱フィン９は、放熱接着剤によりそれぞれ第１基板２および第２基板４に接続されている。第１放熱フィン８および第２放熱フィン９の材料は、Ａｌ系合金、銅系合金、セラミック系合金から適宜選択することができる。特に、セラミック系合金を選択した場合は、第１基板２および第２基板４との熱膨張係数差が少なく、接続部にかかる応力が低くなるという利点がある。放熱接着剤としてはシリコングリースを使用するのが一般的であるが、これには限定されない。
スペーサ１０は、電気伝導率が高い銅を主材料とした金属球で、電極パッド３ｃ、５ｃに接している。また、電極パッド３ｃ、５ｃの間には、スペーサ１０を包含する半田部が形成されている。したがって、このスペーサ１０によれば、溶融した半田部の表面において生ずる表面張力により、第１基板２および第２基板４の対向間隔をスペーサ１０の高さに応じた一定の距離に維持しながら第１基板２および第２基板４の水平方向における位置決めを容易に行うことができるとともに、第１金属配線層３と第２金属配線層５との間で大電流を通流させることができる。
なお、図１に示すスペーサ１０は単なる一例であり、第１金属配線層３および第２金属配線層５が所定の間隔をあけて対向するように第１基板２および第２基板４を位置決めすることができるものであれば、球形に限らず、直方体、柱体等であってもよい。ただし、後述するセルフアライメント作用を有効に働かせるためには、スペーサ１０の形状は球形であることが好ましい。
［ダイオード接続部の構成］
次に、ダイオード２０接続部の構成について説明する。前記の通り、ダイオード２０は、第１電極パッド３ａに半田接続される裏面電極２３（カソード端子）と、第２電極パッド５ａに半田接続される表面電極２５（アノード端子）とを有する（図３参照）。また、裏面電極２３および表面電極２５は、それぞれダイオード２０の表面および裏面の略全域にわたって形成されている。
次に、ダイオード２０接続部の構成について説明する。前記の通り、ダイオード２０は、第１電極パッド３ａに半田接続される裏面電極２３（カソード端子）と、第２電極パッド５ａに半田接続される表面電極２５（アノード端子）とを有する（図３参照）。また、裏面電極２３および表面電極２５は、それぞれダイオード２０の表面および裏面の略全域にわたって形成されている。
図２（Ａ）は、ダイオード２０の裏面電極２３に半田接続される第１電極パッド３ａの平面図である。第１電極パッド３ａは、裏面電極２３と実質的に同一の形状を有する部分と、該部分の四隅からダイオード２０の対角線ｄに沿って外向きに突出した４つの突出部分とからなっている。また、第１電極パッド３ａの各辺部は、裏面電極２３の各辺部から外向きに距離Ｄ０だけ離間している。本実施形態では、距離Ｄ０は０〜０．２ｍｍに設定されている。また、突出部分の突出長Ｄ１は、後で述べる理由から２．３ｍｍ以上に設定されている。
図２（Ｂ）に示すように、第２電極パッド５ａは、第１電極パッド３ａと同一の形状を有している。すなわち、第２電極パッド５ａは、表面電極２５と実質的に同一の形状を有する部分と、該部分の四隅からダイオード２０の対角線ｄに沿って外向きに突出した４つの突出部分とからなっている。
ダイオード２０のチップ中心Ｃを通り、かつ互いに直交する２つの仮想軸線をそれぞれｘ軸、ｙ軸としたとき、第１電極パッド３ａおよび第２電極パッド５ａは、ｘ軸に対してもｙ軸に対しても線対称となっている。
図３は、ダイオード２０と第１電極パッド３ａおよび第２電極パッド５ａとを半田接続した状態を示す。同図に示すように、ダイオード２０の裏面電極２３と第１電極パッド３ａの間には裏面側半田層４３が形成され、表面電極２５と第２電極パッド５ａの間には表面側半田層４５が形成されている。裏面側半田層４３および表面側半田層４５は、同一組成のクリーム半田が固化したものである。
この構成によれば、第１電極パッド３ａおよび第２電極パッド５ａの四隅に突出部分を設けたことにより、固化前の裏面側半田層４３および表面側半田層４５の表面張力が、ダイオード２０を上下方向（鉛直方向）および水平方向に均等に引っ張る力となり、ダイオード２０の位置および傾きがセルフアライメントされる。したがって、この構成によれば、ダイオード２０の位置および傾きを、簡易かつ安価に制御することができる。
ここで、上記セルフアライメントを有効に働かせるには、各電極パッド３ａ、５ａにおける突出部分の先端とダイオード２０の隅部とを結ぶ各半田層４３、４５の表面形状が懸垂曲線（メニスカス）となることが好ましい。具体的には、各半田層４３、４５のメニスカス形成に影響を及ぼさない程度（電極パッド３ａと電極パッド５ａとの間に形成される、半田層４３、４５およびダイオード２０の側面からなる輪郭を半田のメニスカスと擬制した場合、電極パッド間距離の半分の１．５倍の距離が必要とされる）に突出長Ｄ１を設定することが好ましい。すなわち、裏面電極２３および表面電極２５を含めたダイオード２０の厚みがｈ２０、裏面側半田層４３の厚みがｈ４３、表面側半田層４５の厚みがｈ４５、第１電極パッド３ａを基準としたチップ中心までの高さがｈ３（＝ｈ２０／２＋ｈ４３）、第２電極パッド５ａを基準としたチップ中心までの高さがｈ５（＝ｈ２０／２＋ｈ４５）であるとき、突出長Ｄ１はチップ高さｈ３およびｈ５の１．５倍以上であることが好ましい。
具体的には、本実施形態では、ダイオード２０の厚みｈ２０が０．２ｍｍ、裏面側半田層４３の厚みｈ４３および表面側半田層４５の厚みｈ４５が０．３ｍｍなので、突出長Ｌ１は、１．５×（０．２／２＋０．３）＝０．６ｍｍ以上であることが好ましい。
上記セルフアライメントを有効に働かせるには、さらに、突出部分の突出長Ｄ１が次式で表される半田の毛管長κまたはその近辺であることが好ましい。
ただし、λは表面張力、ρは密度、ｇは重力加速度である。
上式（１）に、半田の表面張力λ＝０．４５（Ｎ／ｍ）、半田の密度ρ＝８８９０（ｋｇ／ｍ３）、重力加速度ｇ＝９．８（ｍ／ｓ２）を代入すると、半田の毛管長κは約２．３ｍｍとなる。したがって、突出長Ｄ１は２．３ｍｍ以上とすることが好ましく、これによりダイオード２０に裏面側半田層４３および表面側半田層４５の表面張力を作用させ、ダイオード２０を確実にセルフアライメントすることができる。
なお、突出長Ｄ１を毛管長κより長くしてもダイオード２０をセルフアライメントする表面張力にはほとんど差異は見られない。したがって、実装密度を上げてパワーモジュール１を小型化するという観点から、突出長Ｄ１は毛管長κに一致させることが特に好ましい。
以上のように、セルフアライメントを有効に働かせるには、少なくとも懸垂曲線の観点から導き出される条件を満たすことが好ましく、突出部分の突出長Ｄ１を０．６ｍｍ以上に設定することが好ましい。さらに、セルフアライメントを効果的に働かせるには、毛管長κの観点から導き出される条件と、懸垂曲線の観点から導き出される条件とを同時に満たすことが好ましい。上記の通り、毛管長κの観点から導き出される突出長Ｄ１の条件としては２．３ｍｍあれば十分であることから、本実施形態では、突出長Ｄ１を０．６ｍｍ〜２．３ｍｍに、特に２．３ｍｍに設定することが好ましい。
図４に、第１電極パッド３ａおよび第２電極パッド５ａの変形例を示す。同図（Ａ）（Ｂ）に示すように、突出部分の先端形状は鋭く尖っている必要はなく、角状または半円状であってもよい。また、同図（Ｃ）に示すように、突出部分は略円状であってもよい。
［ＩＧＢＴ接続部の構成］
続いて、ＩＧＢＴ３０接続部の構成について説明する。前記の通り、ＩＧＢＴ３０は、第１電極パッド３ｂに半田接続される裏面電極３３（コレクタ端子）と、第２電極パッド５ｂに半田接続される表面電極３５（エミッタ端子、ゲート端子）とを有する。
続いて、ＩＧＢＴ３０接続部の構成について説明する。前記の通り、ＩＧＢＴ３０は、第１電極パッド３ｂに半田接続される裏面電極３３（コレクタ端子）と、第２電極パッド５ｂに半田接続される表面電極３５（エミッタ端子、ゲート端子）とを有する。
図５は、図１に示すパワーモジュール１に備えられたＩＧＢＴ３０であって、（Ａ）は裏面側の平面図、（Ｂ）は表面側の平面図である。図５（Ａ）に示すように、裏面電極３３はＩＧＢＴ３０の裏面の略全域にわたって形成されている。したがって、この裏面電極３３に接続される第１電極パッド３ｂの形状は、ダイオード２０の場合と同様の手法により設計することができる。すなわち、懸垂曲線の観点から導き出される条件を満たすように、または毛管長κの観点から導き出される条件と、懸垂曲線の観点から導き出される条件とを同時に満たすように、突出部分の突出長Ｄ２（図６（Ａ）参照）を決定すればよい。
一方、図５（Ｂ）に示すように、ＩＧＢＴ３０の表面電極３５は、ＩＧＢＴ３０の表面の一部にのみ形成されており、チップ中心Ｃを通る仮想軸線であるｘ軸に対しては線対称となっているが、もうひとつの仮想軸線であるｙ軸に対しては線対称とはなっていない。このため、表面電極３５に半田接続される第２電極パッド５ｂについては、毛管長κの観点から導き出される条件および懸垂曲線の観点から導き出される条件に加え、単なる矩形形状ではない表面電極３５の特有の形状を考慮して、突出部分の突出長を設定しなければ、セルフアライメントを有効に働かせることはできない。
図６は、図１に示すパワーモジュール１においてＩＧＢＴ３０に半田接続される電極パッドであって、（Ａ）は第１電極パッド３ｂの平面図、（Ｂ）は第２電極パッド５ｂの平面図である。図６（Ｂ）に示すように、第２電極パッド５ｂは、ＩＧＢＴ３０の表面電極３５と実質的に同一の形状を有する部分と、該部分の四隅に相当する位置からＩＧＢＴ３０の対角線ｄに沿って外向きに距離Ｄ３または距離Ｄ４だけ突出した４つの突出部分とからなっている。ここで、「四隅に相当する位置」とは、ｘ軸およびｙ軸（仮想軸線）により４等分された各領域内の表面電極３５と実質的に同一の形状を有する部分において、チップ中心Ｃから最も離れた位置を意味する。
図７（Ａ）に示すように、第２電極パッド５ｂは、ｙ軸によって区分された一方の領域（ハッチング有の領域）の面積をＳＬ、他方の領域（ハッチング無の領域）の面積をＳＲ、一方の領域における電極パッド幅（ｙ軸から一方の領域側にある電極パッドの突出部分の端部までの長さ）をＷＬ、他方の領域における電極パッド幅（ｙ軸から他方の領域側にある電極パッドの突出部分の端部までの長さ）をＷＲとしたとき、ＳＬおよびＷＬの乗算値ＭＬ（＝ＳＬ×ＷＬ）とＳＲおよびＷＲの乗算値ＭＲ（＝ＳＲ×ＷＲ）とが等しくなるように、第２電極パッド５ｂの面積ＳＬ、ＳＲ、第２電極パッド５ｂの電極パッド幅ＷＬ、ＷＲを調整することが好ましい。したがって、本実施形態においては、上記関係を満たすように、一方の領域における突出長Ｌ４および他方の領域における突出長Ｌ３、並びに突出部分の太さを調整する必要がある。
さらに、第２電極パッド５ｂは、図７（Ｂ）に示すように、ｘ軸によって区分された一方の領域（ハッチング有の領域）の面積をＳＵ、他方の領域（ハッチング無の領域）の面積をＳＤ、一方の領域における電極パッド幅（ｘ軸から一方の領域側にある電極パッドの突出部分の端部までの長さ）をＷＵ、他方の領域における電極パッド幅（ｘ軸から他方の領域側にある電極パッドの突出部分の端部までの長さ）をＷＤとしたとき、ＳＵおよびＷＵの乗算値ＭＵ（＝ＳＵ×ＷＵ）とＳＤおよびＷＤの乗算値ＭＤ（＝ＳＤ×ＷＤ）とが等しくなるように、第２電極パッド５ｂの面積ＳＵ、ＳＤ、第２電極パッド５ｂの電極パッド幅ＷＵ、ＷＤを調整することが好ましい。なお、本実施形態では、ＩＧＢＴ３０の表面電極３５がｘ軸に対して線対称となっているので、この関係を満たすための特別な配慮をする必要はない。
なお、第２電極パッド５ｂと表面電極３５との間の表面側半田層４５において、ｘ軸（および／またはｙ軸）によって区分された一方の領域側の半田厚みと他方の領域側の半田厚みのうち、薄い方の半田厚みが厚い方の半田厚みの２分の１以上であることをＩＧＢＴ３０の傾きの許容限度とすると、少なくとも、乗算値ＭＬと乗算値ＭＲとが異なる場合でも、乗算値ＭＬおよび乗算値ＭＲのうち小さな乗算値を大きな乗算値で除した比率が５０％以内であり、かつ乗算値ＭＵと乗算値ＭＤとが異なる場合でも、乗算値ＭＵおよび乗算値ＭＤのうち小さな乗算値を大きな乗算値で除した比率が５０％以内になるように、第２電極パッド５ｂの面積および電極パッド幅を設定する必要がある。
第２電極パッド５ｂの形状を上記形状とすることにより、各突出部分における表面張力のバランスが崩れることによりＩＧＢＴ３０に不要な回転モーメントが働いて、ＩＧＢＴ３０が許容限度以上に傾いたり位置ずれを起こしたりするのをより確実に防ぐことができる。つまり、仮想軸線によって区分された一方の領域と他方の領域に作用するモーメントを等しくすることにより、チップの傾き・位置ずれを防止することができる。
なお、ダイオード２０の場合と同様に、毛管長κおよび懸垂曲線の観点から、突出長Ｄ３およびＤ４を０．６ｍｍ〜２．３ｍｍに、特に２．３ｍｍに設定しておくことが好ましい。
また、第１電極パッド３ｂにおける各突出部分、および第２電極パッド５ｂにおける各突出部分の形状は、ダイオード２０の場合と同様に、適宜変更することができる。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記構成に限定されるものではない。例えば、上記実施形態における寸法はすべて一例であり、他の寸法に変更することができる。ただし、突出部分の突出長については、上記各条件を満たすよう留意しなければならない。
１ パワーモジュール
２ 第１基板
３ 第１金属配線層
３ａ 第１電極パッド（ダイオード用）
３ｂ 第１電極パッド（ＩＧＢＴ用）
３ｃ 電極パッド（スペーサ用）
４ 第２基板
５ 第２金属配線層
５ａ 第２電極パッド（ダイオード用）
５ｂ 第２電極パッド（ＩＧＢＴ用）
５ｃ 電極パッド（スペーサ用）
５ｄ 外部引出パッド
６ 半導体素子
７ 樹脂ケース
８ 第１放熱フィン
９ 第２放熱フィン
１０ スペーサ
１１ 充填樹脂
１２ 外部接続リード
１３ 内部接続端子
１４ 接続ダンパリード
２０ ダイオード
２３ 裏面電極（カソード端子）
２５ 表面電極（アノード端子）
３０ ＩＧＢＴ
３３ 裏面電極（コレクタ端子）
３５ 表面電極（ゲート端子、エミッタ端子）
４３ 裏面側半田層
４５ 表面側半田層
２ 第１基板
３ 第１金属配線層
３ａ 第１電極パッド（ダイオード用）
３ｂ 第１電極パッド（ＩＧＢＴ用）
３ｃ 電極パッド（スペーサ用）
４ 第２基板
５ 第２金属配線層
５ａ 第２電極パッド（ダイオード用）
５ｂ 第２電極パッド（ＩＧＢＴ用）
５ｃ 電極パッド（スペーサ用）
５ｄ 外部引出パッド
６ 半導体素子
７ 樹脂ケース
８ 第１放熱フィン
９ 第２放熱フィン
１０ スペーサ
１１ 充填樹脂
１２ 外部接続リード
１３ 内部接続端子
１４ 接続ダンパリード
２０ ダイオード
２３ 裏面電極（カソード端子）
２５ 表面電極（アノード端子）
３０ ＩＧＢＴ
３３ 裏面電極（コレクタ端子）
３５ 表面電極（ゲート端子、エミッタ端子）
４３ 裏面側半田層
４５ 表面側半田層
Claims (4)
- 第１電極パッドを有する第１基板と、第２電極パッドを有する第２基板と、前記第１および第２電極パッドが間隔をあけて対向するように前記第１および第２基板を位置決めするスペーサと、前記第２電極パッドに接続された表面電極および前記第１電極パッドに接続された裏面電極を有する平面視矩形状の半導体素子とを備えたパワーモジュールであって、
前記表面電極と前記第２電極パッドの間に表面側半田層が形成され、
前記裏面電極と前記第１電極パッドの間に裏面側半田層が形成され、
前記第１および第２電極パッドは、対応する前記裏面または表面電極と実質的に同一の形状を有する部分と、該部分の四隅に相当する位置から前記半導体素子の対角線に沿って外向きに突出した４つの突出部分とからなる、
ことを特徴とするパワーモジュール。 - 前記半導体素子の厚みをｈ１、前記裏面側半田層の厚みをｈ２、前記表面側半田層の厚みをｈ３としたとき、
前記第１電極パッドにおける前記突出部分の突出長が１．５×（ｈ１／２＋ｈ２）以上であり、かつ前記第２電極パッドにおける前記突出部分の突出長が１．５×（ｈ１／２＋ｈ３）以上であることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。 - 前記第１および第２電極パッドにおける前記突出部分の突出長が、前記表面側および裏面側半田層を構成する半田の毛管長以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のパワーモジュール。
- 前記第１電極パッドおよび前記第２電極パッドの少なくとも一方の電極パッドが、前記半導体素子の平面中心を通りかつ互いに直交する２つの仮想軸線によって平面視で４等分されるものとし、
前記２つの仮想軸線の一方の仮想軸線によって区分された前記電極パッドの一方領域の面積Ｓ１および電極パッド幅Ｗ１の乗算値をＭ１、前記電極パッドの他方領域の面積Ｓ２および電極パッド幅Ｗ２の乗算値をＭ２としたとき、Ｍ１とＭ２とが一致するように、またはＭ１およびＭ２のうち小さな乗算値を大きな乗算値で除した比率が５０％以内になるように、かつ、前記２つの仮想軸線の他方の仮想軸線によって区分された前記電極パッドの一方領域の面積Ｓ３および電極パッド幅Ｗ３の乗算値をＭ３、前記電極パッドの他方領域の面積Ｓ４および電極パッド幅Ｗ４の乗算値をＭ４としたとき、Ｍ３とＭ４とが一致するように、またはＭ３およびＭ４のうち小さな乗算値を大きな乗算値で除した比率が５０％以内になるように、前記電極パッドの面積および電極パッド幅を調整したことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のパワーモジュール。
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