JP2013233042A - Power semiconductor module, manufacturing method of the same, and semiconductor power conversion apparatus - Google Patents
Power semiconductor module, manufacturing method of the same, and semiconductor power conversion apparatus Download PDFInfo
- Publication number
- JP2013233042A JP2013233042A JP2012104132A JP2012104132A JP2013233042A JP 2013233042 A JP2013233042 A JP 2013233042A JP 2012104132 A JP2012104132 A JP 2012104132A JP 2012104132 A JP2012104132 A JP 2012104132A JP 2013233042 A JP2013233042 A JP 2013233042A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- sheet
- resin sheet
- conductor
- semiconductor
- bonded
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
- H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
- H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00
Abstract
Description
本発明は、大電流をスイッチングする半導体モジュールに関する。 The present invention relates to a semiconductor module that switches a large current.
一般に電気自動車、ハイブリッド自動車は、直流を交流に変換してモータに供給する電力用半導体装置として、インバータ装置を備えている。例えば、3相のインバータ装置の場合、U相、V相、W相に対応する3つの独立したモジュールが組み合わされて構成されている。このような車載用の半導体電力変換装置は、千アンペア前後の大電流をスイッチングするため、小型・軽量で、かつ冷却効率の高い構造が必須である。
このため従来構造においては、IGBTやGTOなどのチップ状の半導体スイッチング素子の両面の冷却を、ひとつの冷却器によって行う構造が提案されている。
In general, an electric vehicle and a hybrid vehicle include an inverter device as a power semiconductor device that converts direct current into alternating current and supplies the motor to a motor. For example, in the case of a three-phase inverter device, three independent modules corresponding to the U phase, the V phase, and the W phase are combined. Such an in-vehicle semiconductor power conversion device switches a large current of around 1000 amperes, and thus requires a structure that is small and lightweight and has high cooling efficiency.
For this reason, in the conventional structure, a structure in which both sides of a chip-like semiconductor switching element such as IGBT or GTO are cooled by one cooler has been proposed.
特許文献1に示す従来構造は、冷却器の主平面に対して垂直方向に半導体スイッチング素子をレイアウトし、この半導体スイッチング素子を熱伝導性の高い導体のバスバーによって挟む。半導体スイッチング素子とバスバーとをはんだ接合することで電気的熱的機械的に接続する。半導体スイッチング素子の周囲は、樹脂により封止されている。
バスバーの半導体スイッチング素子の実装面とは異なる主平面を、絶縁シートを介して冷却器に熱的に接続している。電気的な接続は、この絶縁シートと接続される主平面は別の部位から取り出される。
絶縁シートは、絶縁性を有しているが熱伝導性は高いものが必要となる。このため樹脂シートは、窒素ホウ素などのセラミックスフィラーが拡散されたエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂が、シート状に成形された構造となっている。
In the conventional structure shown in
A main plane different from the mounting surface of the semiconductor switching element of the bus bar is thermally connected to the cooler via an insulating sheet. As for the electrical connection, the main plane connected to the insulating sheet is taken out from another part.
The insulating sheet needs to have insulating properties but high thermal conductivity. For this reason, the resin sheet has a structure in which a thermosetting resin such as an epoxy resin in which a ceramic filler such as nitrogen boron is diffused is formed into a sheet shape.
セラミックスフィラーを含む樹脂シートを介して金属のバスバーを設置するが、熱抵抗を下げるためにフィラーの充填率を上げると樹脂シートの接着力が弱くなる傾向がある。
バスバーは熱による温度の上下動により膨張や収縮が起きている。樹脂シートの接着力が弱過ぎる場合には、このような変形が繰り返されることによって樹脂シートとバスバーとの接着面が剥離していき、熱抵抗が増大するおそれがある。
逆に接着力を確保しようとしてフィラーの充填率を下げると、接着性は改善するものの、樹脂シートの熱伝導性が悪化して放熱能力が上げられず、半導体スイッチング素子に流すことができる電流値を上げることができなくなってしまう。
他方、樹脂シートとバスバーとの接着界面が剥離しないように、バスバーを樹脂シートに押し付けて固定する構造物を配置することもできるが、そのようなインバータの機能とは直接関係がない構造物を設置することによって、重量・体積の増加を招く。
本発明は、簡素な構成で大電流を取り扱う際にも信頼性が高い半導体装置を提供することを目的とする。
A metal bus bar is installed through a resin sheet containing a ceramic filler. However, if the filler filling rate is increased in order to lower the thermal resistance, the adhesive strength of the resin sheet tends to be weakened.
The bus bar expands and contracts due to the temperature rising and falling due to heat. When the adhesive force of the resin sheet is too weak, the adhesive surface between the resin sheet and the bus bar is peeled off by repeating such deformation, which may increase the thermal resistance.
On the other hand, if the filler filling rate is lowered in order to secure adhesive strength, the adhesiveness will improve, but the thermal conductivity of the resin sheet will deteriorate and the heat dissipation capability will not be increased, so the current value that can be passed through the semiconductor switching element Can no longer be raised.
On the other hand, it is possible to arrange a structure that presses and fixes the bus bar to the resin sheet so that the adhesive interface between the resin sheet and the bus bar does not peel off, but the structure that is not directly related to the function of such an inverter. Installation increases the weight and volume.
An object of the present invention is to provide a highly reliable semiconductor device even when a large current is handled with a simple configuration.
上記した目的を達成するために本発明は、半導体チップと、この半導体チップの主面のそれぞれに対向配置されて、前記半導体チップと電気的かつ機械的に接続されている一対の導電性熱伝導体と、一方の主面が前記一対の導電性熱伝導体と前記一対の導電性熱伝導体の間の半導体装置を覆うように、前記一対の導電性熱伝導体に接着されている、絶縁性のフィラーが内部に分散された絶縁性の熱硬化性樹脂シートと、前記熱硬化性樹脂シートの前記一方の主面との接合界面が前記一対の導電性熱伝導体を囲ように形成され、前記半導体チップを封止している絶縁性の硬化樹脂による外囲器と、を具備しており、前記熱硬化性樹脂シートのうち、前記導電ブロックと接合されている領域について、表面側のフィラーの密度よりも、厚み方向に内部側のフィラーの密度の方が高い電力半導体モジュールを提供する。
このとき、前記導電ブロックと接合されていない領域について、前記導電ブロックが接合されている側の面のフィラーの密度よりも、裏面側のフィラーの密度のほうが低いことが好ましい。
In order to achieve the above-described object, the present invention provides a pair of conductive heat conduction devices that are disposed opposite to each of the main surfaces of the semiconductor chip and electrically and mechanically connected to the semiconductor chip. A body and one main surface is bonded to the pair of conductive heat conductors so as to cover a semiconductor device between the pair of conductive heat conductors and the pair of conductive heat conductors A bonding interface between an insulating thermosetting resin sheet in which a conductive filler is dispersed and the one main surface of the thermosetting resin sheet surrounds the pair of conductive heat conductors. An envelope made of an insulating curable resin that seals the semiconductor chip, and a region of the thermosetting resin sheet that is bonded to the conductive block In the thickness direction rather than the density of the filler Towards the density of the parts side of the filler is to provide a high power semiconductor module.
At this time, it is preferable that the density of the filler on the back surface side is lower than the density of the filler on the surface on which the conductive block is bonded in the region not bonded to the conductive block.
また本発明は、被接合面上に配置された、絶縁性材料によるフィラーが分散された熱硬化性樹脂によりシート状に形成された第1の熱硬化性シートを、前記熱硬化性樹脂の最低溶融温度近傍において加圧して、前記被接合面と前記第1の熱硬化性シートとを接着する工程と、接着された前記第1の熱硬化性シート上に、絶縁性材料によるフィラーが分散された熱硬化性樹脂によりシート状に形成された第2の熱硬化性シートを配置し、この第2の熱硬化性シート上に、半導体チップとこの半導体チップの主面のそれぞれに対向配置されて前記半導体チップと電気的かつ機械的に接続されている一対の導電性熱伝導体とを配置し、前記導電ブロック越しに加圧して、前記第1の熱硬化性シートと前記第2の熱硬化性シートと前記導電ブロックとを積層状態で接着する工程と、前記一対の導電性熱伝導体を含むように熱硬化性樹脂を載せ、加熱硬化させることにより外囲器を形成して前記半導体チップおよび前記導電性熱伝導体を封止し、前記外囲器と前記絶縁シートとを接着する工程と、を具備する電力半導体モジュールの製造方法を提供する。 Further, the present invention provides a first thermosetting sheet formed in a sheet shape by a thermosetting resin disposed on a surface to be bonded and in which a filler made of an insulating material is dispersed. Pressurizing in the vicinity of the melting temperature to bond the bonded surface and the first thermosetting sheet, and a filler made of an insulating material is dispersed on the bonded first thermosetting sheet. The second thermosetting sheet formed into a sheet shape by the thermosetting resin is disposed, and the semiconductor chip and the main surface of the semiconductor chip are disposed opposite to each other on the second thermosetting sheet. A pair of conductive thermal conductors electrically and mechanically connected to the semiconductor chip are arranged and pressurized through the conductive block, and the first thermosetting sheet and the second thermosetting Sheet and the conductive block The step of adhering in a laminated state, and placing the thermosetting resin so as to include the pair of conductive heat conductors, and heat-curing to form an envelope, the semiconductor chip and the conductive heat conductor The manufacturing method of the power semiconductor module which comprises sealing and adhering the envelope and the insulating sheet is provided.
本発明よれば、簡素な構成で、大電流を取り扱う際にも信頼性が高い電力半導体モジュールを提供することに寄与する。 The present invention contributes to providing a power semiconductor module having a simple structure and high reliability even when a large current is handled.
図1は、インバータ装置を示す斜視図であり、図2は、図1のインバータ装置の等価回路を示している。
インバータ装置10は、例えば、U相、V相、W相の3相インバータとして構成されているとともに、負荷対象として、例えば、第1モータ12および第2モータ14に電力を供給するように構成されている。インバータ装置10は、第1モータ12に電力を供給する第1系統のインバータ回路と、第2モータ14に電力を供給する第2系統のインバータ回路とを一体に備えている。
FIG. 1 is a perspective view showing an inverter device, and FIG. 2 shows an equivalent circuit of the inverter device shown in FIG.
The
インバータ装置10は、それぞれU相、V相、W相に対応する3つの電力半導体モジュール16、18、20と、直流電源、例えば、バッテリ22から電力半導体モジュールに供給される直流電圧を平滑する平滑コンデンサ24と、3相出力用接続導体26、27を介して第1モータ12および第2モータへ流れる電流を検出する電流検出器28、30と、電流検出器により検出された電流情報や平滑コンデンサ24に印加される電圧等に基づき、電力半導体モジュール16、18、20を制御する制御ユニット32と、制御ユニット32の制御信号に基づき、後述する電力半導体モジュールの半導体素子のゲートを駆動するための駆動回路を有した駆動基板34と、を備えている。
The
駆動基板34には、半導体素子を駆動する駆動用IC36が半導体素子に対して1対1の対応で設けられている。即ち、この回路では、駆動用IC36が12個設けられている。また、電力半導体モジュール16、18、20、および平滑コンデンサ24の下方には、これらを冷却するヒートシンク等の図示しない冷却器が設けられている。
The
以下、電力半導体モジュール16、18、20について詳細に説明する。電力半導体モジュール16、18、20は、それぞれ同一の構成を有していることから、電力半導体モジュール16を代表して説明する。
図3は、カバーを取外した状態における電力半導体モジュール16の分解斜視図である。
Hereinafter, the
FIG. 3 is an exploded perspective view of the
図3の電力半導体モジュールは、半導体チップ41a〜41dと、これら半導体チップの各々に組み合わされて逆並列に接続されるダイオードチップ51a〜51dと、半導体チップ41a〜41dやダイオードチップ51a〜51dの電極面に電気的機械的に接合されて直方体のバスバーとなる導電性熱伝導体61〜64と、直方体の導電性熱伝導体61〜64の半導体チップ41a〜41dやダイオードチップ51a〜51dが接合されている面とは異なる面で、各々の導体61〜64がなす面が同一仮想平面内に含まれる主面において、これら導電性熱伝導体61〜64を冷却器がなす冷却平面67に接合する絶縁樹脂シート66と、半導体チップ41a〜41d・ダイオードチップ51a〜51d・導電性熱伝導体61〜64に密着して覆うように形成されこれらを封止するとともに変形を拘束するする図示しない外囲器とを具えている。
以下にその詳細について説明する。
The power semiconductor module of FIG. 3 includes
The details will be described below.
第1導体61の一側面は第1接合面61aを形成し、この一側面と直交する他の一側面は第2接合面61bを形成している。第1導体61の第1接合面61aは、第1系統の上側アームを構成するIGBT41aおよびダイオード51aの正極側(それぞれコレクタ、カソード)に電気的かつ機械的に接合されている。また、第1導体61の第1接合面61aは、第2系統の上側アームを構成するIGBT41cおよびダイオード51cの正極側(それぞれコレクタ、カソード)に電気的かつ機械的に接合されている。これにより、第1導体61は、第1系統および第2系統の半導体素子に共通の直流正極導体を構成している。
One side surface of the
第1接合面61a上において、IGBT41a、ダイオード51a、IGBT41c、ダイオード51cは、第1導体61の長手方向のほぼ全長に沿って一列に並んで配置され、更に、IGBTとダイオードとが交互に並んで配置されている。
On the
第2導体62の一側面は第1接合面62aを形成し、この一側面と直交する他の一側面は第2接合面62bを形成している。第2導体62の第1接合面62aは、第1系統の下側アームを構成するIGBT41bおよびダイオード51bの負極側(それぞれエミッタ、アノード)に接合され、第2導体62は、IGBT41bおよびダイオード51bの負極側の電極と電気的かつ機械的に接続されている。また、第2導体62の第1接合面62aは、第2系統の下側アームを構成するIGBT41dおよびダイオード51dの負極側(それぞれエミッタ、アノード)に接合され、第2導体62は、IGBT41dおよびダイオード51dの負極側の電極と電気的かつ機械的に接続されている。これにより、第2導体62は、第1系統および第2系統に共通の直流負極導体を構成している。
One side surface of the
第1接合面62a上において、IGBT41b、ダイオード51b、IGBT41d、ダイオード51dは、第2導体62の長手方向のほぼ全長に沿って一列に並んで配置され、更に、IGBTとダイオードとが交互に並んで配置されている。
On the
第2導体62は、第1導体61と互いに平行に並んで、かつ、隙間を置いて配置されている。そして、第1導体61の第1接合面61aと第2導体62の第1接合面62aとは、互いに平行に、かつ、隙間を置いて向かい合っている。第1導体61の第2接合面61bと第2導体62の第2接合面62bとは、同一平面上に並んで位置している。
The
第1導体61に接合されたIGBT41a、41cは、第2導体62に接合されたIGBT41b、41dに対して、第1導体の長手方向にずれた位置に配設され、IGBT41b、41dと向かい合うことなく、それぞれ第2導体62に接合されたダイオード51b、51dと向かい合って配置されている。同様に、第2導体62に接合されたIGBT41b、41dは、それぞれ第1導体61に接合されたダイオード51a、51cと向かい合って配置されている。言い換えると、図3および図4から良く分かるように、第1導体61に接合されたIGBT41a、41cおよび第2導体62に接合されたIGBT41b、41dは、第1および第2導体61、62に対して千鳥状に配設されている。
The
第3導体63は、第1導体61と第2導体62との間に隙間を置いて配置されている。第3導体63は、その軸方向一端部が、第1および第2導体61、62の軸方向一端部と整列して配置されている。第3導体63の対向する2つの側面は2つの第1接合面63aを形成し、これらの第1接合面63aは、第1導体61の第1接合面61aおよび第2導体62の第1接合面62aとそれぞれ平行に対向している。また、第3導体63の上記2つの側面と直交する他の側面は、第2接合面63bを形成している。第2接合面63bは、第1および第2導体61、62の第2接合面61b、62bと同一平面に位置している。
第3導体63の一方の接合面63aは、第1系統の上側アームを構成するIGBT41aおよびダイオード51aの負極側(それぞれエミッタ、アノード)に接合され、第3導体63は、IGBT41aおよびダイオード51aの負極側の電極と電気的かつ機械的に接続されている。第3導体63の他方の第1接合面63aは、第1系統の下側アームを構成するIGBT41bおよびダイオード51bの正極側(それぞれコレクタ、カソード)に接合され、第3導体63は、IGBT41bおよびダイオード51bの正極側の電極と電気的かつ機械的に接続されている。これにより、第3導体63は、第1系統の交流電極(出力電極)導体を構成している。
The
One
第4導体64は、第1導体61と第2導体62との間に隙間を置いて配置され、更に、第3導体63と隙間をおいて一列に並んで配置されている。第4導体64の軸方向一端部は、第3導体63の一端部と隙間を置いて対向し、軸方向他端部は、第1および第2導体61、62の軸方向他端部と整列して配置されている。
第4導体64の対向する2つの側面は2つの第1接合面64aを形成し、これらの第1接合面64aは、第1導体61の第1接合面61aおよび第2導体62の第1接合面62aとそれぞれ平行に対向している。また、第4導体64の上記2つの側面と直交する他の側面は、第2接合面64bを形成している。第2接合面64bは、第1および第2導体61、62の第2接合面61b、62bと同一平面に位置している。
第4導体64の一方の接合面64aは、第2系統の上側アームを構成するIGBT41cおよびダイオード51cの負極側(それぞれエミッタ、アノード)に接合され、第4導体64は、IGBT41cおよびダイオード51cの負極側の電極と電気的かつ機械的に接続されている。第4導体64の他方の第1接合面64aは、第2系統の下側アームを構成するIGBT41dおよびダイオード51dの正極側(それぞれコレクタ、カソード)に接合され、第4導体63は、IGBT41bおよびダイオード51bの正極側の電極と電気的かつ機械的に接続されている。これにより、第4導体64は、第2系統の交流電極(出力電極)導体を構成している。
第4導体64の上面、ここでは、第2接合面64bと反対側に位置した側面には、溝状の切欠き68が形成されている。この切欠き68は、第4導体64の軸方向に沿って、一端から他端まで延びている。
The fourth conductor 64 is arranged with a gap between the
Two opposing side surfaces of the fourth conductor 64 form two first
One
A groove-shaped
上述した各導体の接合面と、IGBTおよびダイオードとの接合は、ハンダあるいは導電性接着剤により行うことができ、また、熱衝撃板を介して接合してもよい。第1ないし第4導体61、62、63、64の材質は、熱伝達の観点からすると銅が望ましいが、加工性や重量などの観点から、アルミニウム等の他金属や、Al−SiC等の金属複合材料を用いることも可能である。
The bonding surfaces of the conductors described above and the IGBT and the diode can be bonded by solder or a conductive adhesive, or may be bonded via a thermal shock plate. The material of the first to
冷却平面67は、金属の剛体がなす一主面であり、電力半導体モジュールを構成する電気部品の据え付け面を提供する。冷却平面67には、第1導体61、第2導体62、第3導体63、第4導体64の第2接合面61b、62b、63b、64bがシート状絶縁体66によって接着固定されている。
電気部品が発する熱の放熱経路として機能する冷却平面67は、例えば、銅、アルミニウム等の伝熱性の高い金属により形成されることが好ましい。この放熱パスを通してIGBT、ダイオード、および第1ないし第4導体の熱を電力半導体モジュールの外部に伝熱し、除熱を補助する。
冷却平面67は、第1導体61の第1接合面61a、第2導体62の第1接合面62a、第3導体63の第1接合面63a、および第4導体64の第1接合面64aに対して交差する方向、例えば、直交する方向に延びた被接合面であり、この被接合面において、第1、第2、第3、および第4導体と絶縁体を介して接合されている。このときIGBTおよびダイオードの各半導体素子は、正極側及び負極側の面が冷却平面67の表面に対して非平行となるように配置されることとなる。
なお、冷却平面67をなす放熱板の裏面側は、図示しない熱伝導グリースが塗布され、放熱板は、この熱伝導グリースを介してインバータ装置の図示しない冷却器にネジ止め等により固定される。熱伝導グリースによる組み立てを不要にしたい場合は、放熱板内部に冷却水路を設ける構成としてかまわない。
The cooling
The cooling
The cooling
A heat conduction grease (not shown) is applied to the rear surface side of the heat radiating plate forming the cooling
絶縁樹脂シート66は、シート状に成形された接着性を有する絶縁体である。絶縁樹脂シート66は、第1ないし第4導体に対して十分に剛性の低い材料であり、例えば、接着性を有するエポキシ樹脂に窒化ホウ素等のセラミックフィラーが分散されたもので構成されている。
絶縁樹脂シート66は、第1乃至第4の導体が冷却平面に対して対向配置される主面をすべて含む領域からさらに拡大する方向に延設されている。すなわち、冷却平面のなす面の法線方向から電力半導体モジュールを見たとき、絶縁樹脂シート66は第1乃至第4の導体を取り囲むように存在している。
The insulating
The insulating
図示しない外囲器は、この第1乃至第4の導体を取り囲むように存在している絶縁樹脂シート66を含む領域に対し、第1乃至第4の導体および半導体チップが埋没するように形成される。すなわち、第1乃至第4の導体および半導体チップは外囲器および絶縁樹脂シートに取り囲まれており、露出するところがない。
An envelope (not shown) is formed so that the first to fourth conductors and the semiconductor chip are buried in a region including the insulating
ポッティング樹脂による外囲器の有無により、第1乃至第4の導体で構成される構造体のひずみ量が1/3程度小さくなり、このことにより寿命が温度履歴1000サイクルから8000サイクル程度にまで長くなる。ポッティング樹脂が剥がれると、ひずみ量が大きくなり、温度勾配による応力寿命が短くなるため、冷却器とポッティング樹脂が直接接着しない構造としている。
Depending on the presence or absence of an envelope made of potting resin, the amount of strain of the structure composed of the first to fourth conductors is reduced by about 1/3, and this increases the life from 1000 cycles to 8000 cycles. Become. When the potting resin is peeled off, the amount of strain increases and the stress life due to the temperature gradient is shortened. Therefore, the cooler and the potting resin are not directly bonded.
冷却平面を模擬する金属面を有するせん断試験片に対して、ポッティング樹脂のみ、絶縁樹脂シート+ポッティング、絶縁樹脂シートのみの接着強度についての比較すると、絶縁樹脂シート+ポッティング及び絶縁樹脂シートのみでは、約2.5倍強度が強くなることが分かる。ポッティング樹脂のみでは接着強度が低いため。外囲器が固定されていない状態となり、内部構造物の温度履歴による変形に起因するひずみが抑制できない状態となる。このため、ポッティング樹脂を直接冷却平面に接合しない構造とする必要がある。
本実施形態の電力半導体モジュールにおいては、絶縁樹脂シートの面積を十分広くし、絶縁樹脂シートとポッティング樹脂との接合界面で内部構造物を囲う構造とした。
For the shear test piece having a metal surface that simulates the cooling plane, when comparing the potting resin only, the insulating resin sheet + potting, and the adhesive strength of only the insulating resin sheet, the insulating resin sheet + potting and the insulating resin sheet alone It can be seen that the intensity is about 2.5 times stronger. Because potting resin alone has low adhesive strength. The envelope is not fixed, and the strain due to the deformation due to the temperature history of the internal structure cannot be suppressed. For this reason, it is necessary to have a structure in which the potting resin is not directly joined to the cooling plane.
In the power semiconductor module of this embodiment, the area of the insulating resin sheet is sufficiently wide, and the internal structure is surrounded by the bonding interface between the insulating resin sheet and the potting resin.
ここでフィラー充填率と接着力の関係について説明する。冷却器67と接着される第1の絶縁樹脂シート101のフィラー充填率を小さくすると、冷却器67との界面接着力が上昇する。これはフィラー充填率を小さくすることで、接着の成分であるエポキシ樹脂量が増えることで界面接着力が上昇することを示す。しかし、フィラーの充填率を下げると熱抵抗が増大するため、フィラーの配合率を決定することが極めて難しい。
そこで本実施形態の絶縁樹脂シートは 前記熱硬化性樹脂シートの表面側のフィラーの密度よりも、内部側のフィラーの密度の方が高い密度構成の絶縁樹脂シートを用いている。
Here, the relationship between the filler filling rate and the adhesive force will be described. When the filler filling rate of the first insulating
Therefore, the insulating resin sheet of the present embodiment uses an insulating resin sheet having a density configuration in which the density of the filler on the inner side is higher than the density of the filler on the surface side of the thermosetting resin sheet.
この密度構成の実現のため、表面と裏面で異なるフィラー充填率の絶縁樹脂シートを積層する構成とし、かつ、比較的フィラー充填率の低い面を金属面と対向させて配置するようにし、比較的フィラー充填率の高い表面同士を対向させて加圧融着する構成とした。
冷却平面67と対向して接着される第1の絶縁樹脂シート101の表面となる第1層を比較的フィラー充填率の低いものとして接着性を高め、この第1の絶縁樹脂シート101の第2の絶縁樹脂シート102と接着される表面となる第2層を第1層よりもフィラー充填率を大きくする構成とした。
また同様に第1ないし第4導体61、62、63、64と接着される第2の絶縁樹脂シート102の表面となる第2層をフィラー充填率の低いものとし、第1の絶縁樹脂シート101と接着される表面となる第1の層を第2の層よりもフィラー充填率の大きいものとしている。
In order to realize this density configuration, a configuration in which insulating resin sheets having different filler filling rates are laminated on the front surface and the back surface, and a surface with a relatively low filler filling rate are arranged facing the metal surface, It was set as the structure which pressurizes and fuse | melts the surfaces with a high filler filling rate facing each other.
The first layer that is the surface of the first insulating
Similarly, the second insulating
冷却表面67と接着される第1の絶縁樹脂シート101のサイズを冷却表面を構成する冷却板と同一程度のサイズとしているので、冷却表面67は第1の絶縁樹脂シート101で覆われている。よってポッティング樹脂は絶縁樹脂シートのみと接着される構造となっている。
これにより第1ないし第4導体61、62、63、64と接着力を向上させ、かつ接着強度が高まった表面で外囲器を強固に固定する構成となっているので、封止されている構造物のひずみを抑制し続けることが可能となっている。
Since the size of the first insulating
As a result, the first and
第1ないし第4導体61、62、63、64と第1の絶縁樹脂シート101、第2の絶縁樹脂シート102と冷却器67は、互いに加圧加熱のもとで接着されている。その工程について説明する。
The first to
まず第1の絶縁樹脂シート101を最低溶融粘度近傍で被接着面に接着する。
First, the first insulating
次に、この第1の絶縁樹脂シート101上に、第2の絶縁樹脂シート102を載せ、さらに第2の絶縁樹脂シート102上に第1ないし第4導体61、62、63、64と半導体チップとが接合されている組立構造物を載せ、加圧して接着する。この際、第2の絶縁樹脂シート102の大きさは、組立構造物の外形とほぼ同じか、多少はみ出る程度の大きさにしておく。組立構造物より小さくてもよいが、組立構造物からの放熱効率が低下するため、製品の仕様に応じて設定する。
また、第2の絶縁樹脂シート102の外周縁は、すべて第1の絶縁樹脂シート101の接着表面内に収まるように設定する。すなわち、第2の絶縁樹脂シートの外周縁が、第1の絶縁樹脂シートに取り囲まれるように、重ねあわされる。
Next, the second insulating
Further, the outer peripheral edge of the second insulating
次に、ポッティング樹脂を露出した絶縁樹脂シートを含んで第1乃至第4の導体が埋没するまで注入し、加温することで、ポッティング樹脂、第1の樹脂シート101及び第2の樹脂シート102を熱硬化させる。
Next, the potting resin, including the exposed insulating resin sheet, is injected until the first to fourth conductors are buried and heated, so that the potting resin, the
これにより、第1ないし第4導体61、62、63、64と対向していない領域の樹脂シートにおいて、加圧加熱接着されない状態であっても耐圧性能を向上させることができる。
これは、まず第1の絶縁樹脂シートを最低溶融粘度近傍で加熱加圧圧着することで、第1の絶縁樹脂シート初期からあるボイドを潰して、シート外へ除去できるとともに、内部のフィラー充填材をより緻密に配向することができるためと考えられる。
Thereby, in the resin sheet in the region not facing the first to
This is because the first insulating resin sheet is first heated and pressure-bonded in the vicinity of the minimum melt viscosity, so that voids from the initial stage of the first insulating resin sheet can be crushed and removed outside the sheet, and the filler filler inside This is thought to be because the can be more precisely oriented.
第1の絶縁樹脂シートを先に加熱加圧圧着することで、冷却器67全体に均等な貼り付けた状態にすることができ、この上に載置される導電性熱伝導体や外囲器の固定が安定するとともに、耐圧性能の向上が可能となる。
第1ないし第4導体61、62、63、64と組立構造物により加圧を受ける領域に限定された大きさの第2の絶縁樹脂シート102とを同時に加熱加圧圧着することで、加圧が受けられなかった樹脂シート内に発生した除去できないボイドも表れることがない。したがって、耐圧を低下させることなく、第1ないし第4導体61、62、63、64と冷却器67を絶縁樹脂シートによって完全に接着することが可能となる。
The first insulating resin sheet can be heated and pressure-bonded first, so that it can be put evenly on the
The first to
以上説明したように、本実施形態の電力用半導体モジュールによれば、冷却器67とポッティング樹脂を第1の絶縁樹脂シート101を介して接着することで、ポッティング樹脂の接着力を向上させ、剥がれによるひずみ量増加、温度勾配の寿命を下げることはない、また第1ないし第4導体61、62、63、64と冷却器67に接着される層のフィラー充填率を小さくすることで、接着力を向上することが可能となり、接着力を保持し冷却効率を低下させることなく、長期信頼性が確保できる。
As described above, according to the power semiconductor module of the present embodiment, the cooler 67 and the potting resin are bonded via the first insulating
また、第1の絶縁樹脂シート101を先に最低溶融粘度で加圧加熱圧着して、その上から組立構造物の接着固定に必要な領域について他の絶縁樹脂シートを改めて積層させて圧着する構成としたので、重量物である組立構造体の接着固定性確保のために厚い樹脂シートを用いて圧着するときに問題となる樹脂シート内部から生じるシート端部のボイドの発生や、初めから樹脂シート内に含まれている初期ボイドによる耐圧低下などを回避しつつも、熱歪による接着界面近傍の疲労に対して信頼性の高い電力用半導体モジュールを提供することが可能となる。
In addition, the first insulating
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。構成要素を追加したり複数つなぎ合わせるなど、適宜組み合わせてもよい。
したがって、たとえば導電性熱伝導体については、実施形態では電流要領や放熱性、加工性などを考慮して直方体のブロックを使用しているが、設計の都合によっては板を段状に折り曲げて形成したような形状の部材であってもよいし、半導体チップの主面の向きは、非接合面に対して平行であっても非平行であってもかまわない。
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. You may combine suitably, such as adding a component or connecting two or more.
Therefore, for example, for the conductive heat conductor, in the embodiment, a rectangular block is used in consideration of the current procedure, heat dissipation, workability, etc., but it is formed by bending the plate stepwise depending on the design convenience Such a member may be used, and the orientation of the main surface of the semiconductor chip may be parallel or non-parallel to the non-joint surface.
上述した各実施形態において、スイッチング素子としてIGBTを用いた構成としたが、他の種類のトランジスタやサイリスタなどを用いた構成としてもよい。各実施形態において、IGBT及びダイオードを実装する個数は、必要に応じて増減可能である。半導体素子は、半導体電力変換装置を適用する対象物(例えば、電気自動車)の目的や用途などにより適宜変更し、最適な電力容量等を選ぶことができる。半導体電力変換装置は、直流電力を三相交流電力に変換するインバータ装置に限定されることなく、直流電力を単相交流電力に変換するインバータ装置にも適用することできる。 In each of the above-described embodiments, the IGBT is used as the switching element. However, another type of transistor, thyristor, or the like may be used. In each embodiment, the number of mounting IGBTs and diodes can be increased or decreased as necessary. The semiconductor element can be appropriately changed depending on the purpose and application of an object (for example, an electric vehicle) to which the semiconductor power conversion device is applied, and an optimal power capacity or the like can be selected. The semiconductor power conversion device is not limited to an inverter device that converts DC power into three-phase AC power, but can also be applied to an inverter device that converts DC power into single-phase AC power.
10…インバータ装置、12、14…モータ、
16、18、20…電力半導体モジュール、22…バッテリ、24…コンデンサ、
32…制御ユニット、34…駆動基板、
41a〜41d…IGBT、51a〜51d…ダイオード、61…第1導体、
62…第2導体、63…第3導体、64…第4導体、
67…放熱板、68…切欠き、71…正極直流出力端子、
72…負極直流出力端子、73…第1交流出力端子、74…第2交流出力端子、
78a、78b、78c、78d…エミッタセンス端子、
101…第1の絶縁樹脂シート、102…第2の絶縁樹脂シート
10: Inverter device, 12, 14 ... Motor,
16, 18, 20 ... power semiconductor module, 22 ... battery, 24 ... capacitor,
32 ... Control unit, 34 ... Drive board,
41a-41d ... IGBT, 51a-51d ... diode, 61 ... first conductor,
62 ... 2nd conductor, 63 ... 3rd conductor, 64 ... 4th conductor,
67 ... Radiating plate, 68 ... Notch, 71 ... Positive electrode DC output terminal,
72 ... Negative DC output terminal, 73 ... First AC output terminal, 74 ... Second AC output terminal,
78a, 78b, 78c, 78d ... emitter sense terminals,
101 ... 1st insulating resin sheet, 102 ... 2nd insulating resin sheet
Claims (4)
この半導体チップの主面のそれぞれに対向配置されて、前記半導体チップと電気的かつ機械的に接続されている一対の導電性熱伝導体と、
一方の主面が前記一対の導電性熱伝導体と前記一対の導電性熱伝導体の間の半導体装置を覆うように、前記一対の導電性熱伝導体に接着されている、絶縁性のフィラーが内部に分散された絶縁性の熱硬化性樹脂シートと、
前記熱硬化性樹脂シートの前記一方の主面との接合界面が前記一対の導電性熱伝導体を囲ように形成され、前記半導体チップを封止している絶縁性の硬化樹脂による外囲器と、を具備しており、
前記熱硬化性樹脂シートのうち、前記導電ブロックと接合されている領域について、表面側のフィラーの密度よりも、厚み方向に内部側のフィラーの密度の方が高いことを特徴とする電力半導体モジュール。 A semiconductor chip;
A pair of conductive thermal conductors disposed opposite to each of the main surfaces of the semiconductor chip and electrically and mechanically connected to the semiconductor chip;
Insulating filler bonded to the pair of conductive heat conductors so that one main surface covers the semiconductor device between the pair of conductive heat conductors and the pair of conductive heat conductors An insulating thermosetting resin sheet dispersed inside,
An envelope made of an insulating curable resin that is formed so that a bonding interface with the one main surface of the thermosetting resin sheet surrounds the pair of conductive heat conductors, and seals the semiconductor chip. And,
Of the thermosetting resin sheet, the power semiconductor module is characterized in that the density of the filler on the inner side in the thickness direction is higher than the density of the filler on the surface side in the region bonded to the conductive block. .
接着された前記第1の熱硬化性シート上に、絶縁性材料によるフィラーが分散された熱硬化性樹脂によりシート状に形成された第2の熱硬化性シートを配置し、この第2の熱硬化性シート上に、半導体チップとこの半導体チップの主面のそれぞれに対向配置されて前記半導体チップと電気的かつ機械的に接続されている一対の導電性熱伝導体とを配置し、前記導電ブロック越しに加圧して、前記第1の熱硬化性シートと前記第2の熱硬化性シートと前記導電ブロックとを積層状態で接着する工程と、
前記一対の導電性熱伝導体を含むように熱硬化性樹脂を載せ、加熱硬化させることにより外囲器を形成して前記半導体チップおよび前記導電性熱伝導体を封止し、前記外囲器と前記絶縁シートとを接着する工程と、
を具備することを特徴とする電力半導体モジュールの製造方法。 A first thermosetting sheet formed in a sheet shape by a thermosetting resin in which a filler made of an insulating material is dispersed is placed on the surface to be joined, and is applied in the vicinity of the minimum melting temperature of the thermosetting resin. Pressure and bonding the bonded surface and the first thermosetting sheet;
On the bonded first thermosetting sheet, a second thermosetting sheet formed in a sheet shape by a thermosetting resin in which a filler made of an insulating material is dispersed is disposed. On the curable sheet, a semiconductor chip and a pair of conductive heat conductors arranged to face each of the main surfaces of the semiconductor chip and electrically and mechanically connected to the semiconductor chip are arranged, and the conductive Pressing through a block and bonding the first thermosetting sheet, the second thermosetting sheet and the conductive block in a laminated state;
An envelope is formed by placing a thermosetting resin so as to include the pair of conductive heat conductors and then heat-curing to seal the semiconductor chip and the conductive heat conductor, and the envelope Bonding the insulating sheet to the insulating sheet;
A method for manufacturing a power semiconductor module, comprising:
前記半導体装置を駆動する駆動回路と、
前記半導体装置を制御する制御回路と
を具備する半導体電力変換装置。 The power semiconductor module according to claim 1 or 2,
A drive circuit for driving the semiconductor device;
A semiconductor power conversion device comprising: a control circuit for controlling the semiconductor device.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012104132A JP2013233042A (en) | 2012-04-27 | 2012-04-27 | Power semiconductor module, manufacturing method of the same, and semiconductor power conversion apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012104132A JP2013233042A (en) | 2012-04-27 | 2012-04-27 | Power semiconductor module, manufacturing method of the same, and semiconductor power conversion apparatus |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2013233042A true JP2013233042A (en) | 2013-11-14 |
Family
ID=49679013
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2012104132A Pending JP2013233042A (en) | 2012-04-27 | 2012-04-27 | Power semiconductor module, manufacturing method of the same, and semiconductor power conversion apparatus |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2013233042A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2019022330A (en) * | 2017-07-18 | 2019-02-07 | アイシン精機株式会社 | Semiconductor device |
-
2012
- 2012-04-27 JP JP2012104132A patent/JP2013233042A/en active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2019022330A (en) * | 2017-07-18 | 2019-02-07 | アイシン精機株式会社 | Semiconductor device |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11670572B2 (en) | Semiconductor device | |
US7608917B2 (en) | Power semiconductor module | |
JP5486990B2 (en) | Power module and power conversion device using the same | |
JP6881238B2 (en) | Semiconductor module, its manufacturing method and power converter | |
WO2005119896A1 (en) | Inverter device | |
JP5379816B2 (en) | Power semiconductor device | |
US20220336324A1 (en) | Electric circuit body, power converter, and method for manufacturing electric circuit body | |
JP2004040899A (en) | Semiconductor module and power converter | |
JP2021057441A (en) | Semiconductor device | |
JP5807432B2 (en) | Semiconductor module and spacer | |
WO2019043950A1 (en) | Semiconductor module and power conversion device | |
JP3797040B2 (en) | Semiconductor device | |
US20240038611A1 (en) | Electrical Circuit Body, Power Converter, and Electrical Circuit Body Manufacturing Method | |
JP5100674B2 (en) | Inverter device | |
JP2013233042A (en) | Power semiconductor module, manufacturing method of the same, and semiconductor power conversion apparatus | |
JP2014078616A (en) | Power semiconductor device | |
JP2013236035A (en) | Semiconductor module and manufacturing method of the same | |
JP7019024B2 (en) | Semiconductor equipment and power conversion equipment | |
WO2022239154A1 (en) | Power module and power converting device | |
US11887903B2 (en) | Power semiconductor device, method for manufacturing power semiconductor device, and power conversion apparatus | |
WO2023112997A1 (en) | Semiconductor device and power conversion device | |
JP7151638B2 (en) | Power module manufacturing method | |
US20240047231A1 (en) | Electric circuit body and power conversion device | |
JP2013120756A (en) | Semiconductor module | |
JP2004274939A (en) | Inverter device |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
RD01 | Notification of change of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7421 Effective date: 20140812 |
|
RD02 | Notification of acceptance of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422 Effective date: 20150216 |
|
RD04 | Notification of resignation of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424 Effective date: 20150218 |