JP2015069982A - Power module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、絶縁基板に半導体素子およびリードが接続されたパワーモジュールに関し、更に詳細には、超音波接合などを用いてリードを接続させたパワーモジュールに関するものである。 The present invention relates to a power module in which a semiconductor element and a lead are connected to an insulating substrate, and more particularly to a power module in which a lead is connected using ultrasonic bonding or the like.
従来のパワーモジュールは、セラミックなどからなり、銅やアルミなどからなる配線パターンを形成した絶縁基板上に、複数個の半導体素子が搭載してモジュール内に収納する構造となっている。このようなパワーモジュールにおいては、一般的に、各半導体素子の電極と配線パターンとの間や、配線パターン間、更には、配線パターンとリードなどの間の接続には、所謂、ワイヤボンディングが用いられており、そして、大電流を流すため、複数本のワイヤを並列にボンディングする方法が用いられていた。 A conventional power module is made of ceramic or the like, and has a structure in which a plurality of semiconductor elements are mounted on an insulating substrate on which a wiring pattern made of copper or aluminum is formed and housed in the module. In such a power module, generally, so-called wire bonding is used for connection between the electrodes of each semiconductor element and the wiring pattern, between the wiring patterns, and between the wiring pattern and the leads. In order to flow a large current, a method of bonding a plurality of wires in parallel has been used.
近年、パワーモジュールの小型化の要求から、接続占有面積をワイヤボンディング時の面積より小さく出来る板状のリードを用いる方法が考案されている。かかる板状のリードの接続方法としては、半田や超音波接合を用いる方法が既に知られている。 In recent years, due to the demand for miniaturization of power modules, a method of using a plate-like lead capable of making the connection occupation area smaller than the area during wire bonding has been devised. As a method for connecting such plate-like leads, a method using solder or ultrasonic bonding is already known.
超音波接合とは、2つの金属を超音波ツールにより振幅と荷重を与えて擦り合わせることにより、当該金属表面に存在する酸化膜を除去し、もって、新生面同士を固相拡散により接合させる方法である。 Ultrasonic bonding is a method in which two metals are rubbed together by applying an amplitude and a load with an ultrasonic tool to remove the oxide film present on the metal surface, and the new surfaces are bonded to each other by solid phase diffusion. is there.
なお、板状のリードと絶縁基板上の配線パターンとを、超音波接合技術を用いて接合する技術として、以下の特許文献1に記載されたものが既に知られている。この特許文献1では、絶縁基板上にAlからなる配線パターンを施し、その配線パターン上に半導体素子を半田により接合する際、接合性を向上させる、Niメッキを施すことが記載されている。但し、リードと配線パターンを超音波接合する箇所については、上記のNiメッキは、むしろ、接合性を劣化させることがわかったことから、当該Niメッキは、超音波接合する箇所には施さないようにすることにより、その接合性を向上させることが記載されている。
In addition, what was described in the following
上述した従来技術になる方法では、半田の接合性と共に、リードと配線パターンの接合性の向上については記載されてはいるが、しかしながら、リードの発熱量の抑制や放熱性の向上についての記載はなく、そのため、パワーモジュールの小型化や大容量化を図る上で問題があった。 In the above-described conventional technology, the improvement of the bonding property between the lead and the wiring pattern is described together with the bonding property of the solder. However, the description about the suppression of the heat generation amount of the lead and the improvement of the heat radiation property is described. Therefore, there has been a problem in reducing the size and capacity of the power module.
即ち、パワーモジュールでは、特に、板状のリードを用いる場合には、当該リードの大半は、筺体内における空間中や充填されたゲル中に配置されており、また、大電流が流れることによりジュール熱が発生してリード自体高温になる。そのため、かかる熱を如何に外部に放熱するか、もしくは、発熱量を抑制するかが、パワーモジュールの設計の重要検討事項になってきている。 That is, particularly in the case of using a plate-like lead in the power module, most of the lead is arranged in a space in the casing or in a filled gel, and a large current flows to the module. Heat is generated and the lead itself becomes hot. Therefore, how to dissipate such heat to the outside or to suppress the amount of heat generation has become an important consideration for the design of power modules.
即ち、本発明は、上記に記載した従来技術の欠点を解消するために達成されたものであり、その目的は、絶縁基板上の配線パターンとリードを超音波接合することにより、特に、リードにおける発熱の放熱性の向上を可能にする構成を備えたパワーモジュールを提供することにある。 That is, the present invention has been achieved in order to eliminate the drawbacks of the prior art described above, and the object is to ultrasonically join the wiring pattern on the insulating substrate and the lead, particularly in the lead. An object of the present invention is to provide a power module having a configuration capable of improving heat dissipation of heat generation.
本発明では、上記の課題を解決してその目的を達成するため、放熱性を有するベースと、前記ベース上に搭載された絶縁基板と、前記絶縁基板上に形成した配線パターンと、前記配線パターン上に搭載された半導体素子と、前記配線パターンを外部に電気的に接続するためのリードとを、ケース内に収納してなるパワーモジュールにおいて、更に、前記リードで発生する熱を前記ベースに伝達するための熱伝達手段を備えているパワーモジュールが提供される。 In the present invention, in order to solve the above problems and achieve the object, a base having heat dissipation, an insulating substrate mounted on the base, a wiring pattern formed on the insulating substrate, and the wiring pattern In a power module in which a semiconductor element mounted thereon and a lead for electrically connecting the wiring pattern to the outside are housed in a case, heat generated by the lead is further transmitted to the base. There is provided a power module comprising a heat transfer means.
なお、上記に記載したパワーモジュールにおいて、前記熱伝達手段は、前記絶縁基板上の一部に形成された電気回路的に寄与しない配線パターンを備えており、かつ、前記リードは、前記絶縁基板上の電気回路的に寄与しない配線パターンに接合される脚部を備え、又は、前記熱伝達手段は、前記リードとは異なる放熱リードを備えており、かつ、前記放熱リードは、前記ベースに接合される脚部を備え、更には、前記放熱リードは、更に、前記絶縁基板上の電気回路的に寄与しない配線パターンに接合される脚部を備えて構成されることが好ましい。 In the power module described above, the heat transfer means includes a wiring pattern that does not contribute to an electric circuit and is formed on a part of the insulating substrate, and the leads are on the insulating substrate. Legs that are joined to a wiring pattern that does not contribute to the electrical circuit, or the heat transfer means includes a heat radiation lead different from the lead, and the heat radiation lead is joined to the base. It is preferable that the heat dissipating lead further includes a leg portion joined to a wiring pattern that does not contribute to an electric circuit on the insulating substrate.
本発明によれば、リードに大電流を流したときに発生するジュール熱を効率よく配線パターンやベースに放熱することができる。また、リードの温度上昇を防止できるので小型化の設計が容易にすることができる。 According to the present invention, Joule heat generated when a large current is passed through the leads can be efficiently radiated to the wiring pattern and the base. In addition, since the temperature rise of the lead can be prevented, the downsizing design can be facilitated.
以下、本発明を実施したパワーモジュールの実施例について、添付の図面を用いながら詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of a power module embodying the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
本発明を実施したパワーモジュールの実施例1について、添付の図1〜4を参照しながら説明する。 A power module according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the attached FIGS.
まず、図1は、本実施例のパワーモジュールの全体構成を示す斜視図である。この図において、ベース1は、放熱性の観点から、主に熱伝導性の良いアルミや銅、アルミ合金や銅合金、AlSiCなどで作られた略板状の部材であり、その裏面から、水冷や空冷によって冷却が行われる。また、図中の符号7はケースであり、その形状の複雑さから、その材料としては、主に、製作が容易なプラスチックが主流となっている。また、ベース1とケース7は、例えば、ネジや接着剤などにより互いに固定されている。ケース7には、外部端子(図示せず)と接続する際に使用するネジ穴8が設けられており、加えて、信号ピン9も設置されている。なお、この信号ピン9は、以下にも述べる配線パターンに対し、主に、アルミワイヤを用いて接続される。なお、図には記載されていないが、通常は、耐圧のためにケース7内にはゲルを注入し、そして、プラスチックなどからなる蓋を設けて使用されるものである。
First, FIG. 1 is a perspective view showing the overall configuration of the power module of this embodiment. In this figure, the
上述したように、パワーモジュールでは、上記ベース1の裏面から、水冷や空冷によって冷却が行われることから、内部に配置された大電流を流すためのリード5で発生した熱を如何にして当該ベース1に伝えるかによって、その放熱性能が左右されることとなる。
As described above, in the power module, since cooling is performed from the back surface of the
続いて、図2は、上述した図1のパワーモジュールの構成から、その樹脂ケース7を除いた場合の斜視図である。なお、図中に符号1で示す上記ベースは、その上に半田などの接合部材を介して絶縁基板2が搭載されており、当該絶縁基板2の表裏面には、配線パターン3が形成されている。また、前記配線パターン3の上面には、半田などの接合部材を介して、パワー半導体素子4が搭載されており、更に、当該配線パターン3には、リード5が搭載されている。そして、当該配線パターン3とリード5との接続には、半田や超音波接合などによる接合が適用される。なお、上記の絶縁基板2は、主に、アルミナやAlNやSiNなどの材質で形成されており、また、配線パターン3の材質としては、主に、銅やアルミなどが利用される。
Next, FIG. 2 is a perspective view when the
更に、図3は、上述した図2のパワーモジュールの構成から、特に、そのリード部分を取り出して示した展開斜視図であり、この図からも明らかなように、リード5は、例えば、銅やアルミ、銅合金やアルミ合金などの板状の部材により、複数から形成されており、その間には、絶縁のために絶縁部材6が搭載されている。より具体的には、本実施例のパワーモジュールでは、リード5は、リード5a、5b、5cの3本(枚)のリードから構成されており、かつ、各々のリード間には絶縁部材6a、6bが設置(挿入)されており、各々の両側辺には、下方に向かって延びた複数の脚部が形成されている。この絶縁部材は、耐圧の観点から、隣接するリードの外形よりも僅かに大きく設計されており、その材質としては、一例として、不織布やプラスチックなどが用いられる。
Further, FIG. 3 is an exploded perspective view showing the lead portion extracted from the configuration of the power module of FIG. 2 described above. In particular, the
続いて、図4は、本実施例のパワーモジュールの平面(上面)図であり、上記図3に示したリード部分を取り除いた状態を示している。この図において、配線パターン3には、例えば、パワー半導体素子4や温度検知用のサーミスタ10が搭載されており、そして、当該配線パターン3と、上記半導体素子4、信号ピン9、サーミスタ10などとの電気的な接続には、多数のワイヤ11が用いられ(配設され)ている。なお、これらのワイヤ11の材質としては、主に、アルミが一般的に用いられており、その直径は0.3〜0.5mmのものが広く使用されている。図中の破線は、上記配線パターン3にリード5を接続するための、所謂、接合位置12を示している。但し、これら破線で示した配線パターンのうち、特に、符号3a、3b、3c、3dで示した配線パターンは、他の配線パターンとの間でワイヤによる接続がされておらず、所謂、電気回路としては不要の配線パターンではあるが、しかしながら、リード5(特に、その脚部)と接合することにより、当該リード5で発生した熱を効率よくベース1に放熱する役割をするものである。
Next, FIG. 4 is a plan (top) view of the power module of the present embodiment, showing a state where the lead portion shown in FIG. 3 is removed. In this figure, for example, a
上述したように、その内部にパワー半導体素子などを収納したパワーモジュールにおいて、絶縁基板2上に電気回路的に寄与しない配線パターン3a、3b、3c、3dを設け、大量の発熱を伴うリード5の一部を当該配線パターン3a、3b、3c、3dに接合する構成とすることにより、リード5で発生した熱を効率よくベース1に逃がすことができる。そして、リードの温度上昇を防止できることから、パワーモジュールの小型化を実現するため設計が容易に行うことができる。
As described above, in the power module in which a power semiconductor element or the like is housed, the
続いて、本発明の他の実施例(実施例2)になるパワーモジュールについて、図5及び図6を参照しながら詳細に説明する。 Next, a power module according to another embodiment (second embodiment) of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 5 and 6.
図5は、上記の図2と同様、実施例2になるパワーモジュールを、その樹脂ケースの除いた状態で示した斜視図である。この図からも明らかなように、ベース1の上には、半田などの接合部材を介して、絶縁基板2が搭載されており、当該絶縁基板2の表裏面には、配線パターン3が形成されている。また、前記配線パターン3の上面には、半田などの接合部材を介して、パワー半導体素子4が搭載されており、更に、当該配線パターン3には、リード5が搭載されている。そして、その接続には、半田や超音波接合などによる接合が適用されることは、上記の実施例1と同様である。
FIG. 5 is a perspective view showing the power module according to the second embodiment with its resin case removed, similar to FIG. 2 described above. As is clear from this figure, the insulating
また、そのリード5についても、複数のリードから形成されており、かつ、その間には絶縁のために絶縁部材6が搭載(挿入)されていることも、上記の実施例1と同様である。
Further, the
本実施例(実施例2)では、更に、リード5上には、絶縁部材6cを介して、放熱リード13が搭載されている。この放熱リード13は、リード5に電流が流れることにより発生するジュール熱を、効率的に、ベース1へ逃がすため、上記ベース1と接合されている。なお、接合の方法としては、半田や超音波接合が用いられる。
In the present embodiment (embodiment 2), a
なお、この放熱リード13も、上記リード5と同様、例えば、銅やアルミ、銅合金やアルミ合金などの板状の部材により形成されており、そして、ここでは、その両側辺には、下方に向かって延びた複数の脚部131が形成されている。
The
図6は、上記実施例2になるパワーモジュールの、リードを取り除いた状態での平面(上面)図である。ここでも、配線パターン3にはパワー半導体素子4や温度検知用のサーミスタ10が搭載されており、当該配線パターン3と、上記半導体素子4、信号ピン9、サーミスタ10などとの電気的な接続には、上記と同様、多数のワイヤ11が用いられる。また、図中の破線も、上記と同様、配線パターン3上にリード5(その脚部)を電気的に接続するための接合位置12を示している。更に、本実施例(実施例2)では、上記ベース1上に上述した放熱リード13(その脚部131)が接続する位置に、接合位置14が設けられている。
FIG. 6 is a plan (top) view of the power module according to the second embodiment with a lead removed. Here again, the
上述したように、その内部にパワー半導体素子などを収納したパワーモジュールにおいて、複数のリード5と共に、更に、放熱リード13を設け、そして、当該放熱リード13を上記ベース1上に接続する構成とすることにより、上記と同様、リード5で発生した熱を効率よくベース1に逃がすことができる。また、リードの温度上昇を防止できるので、小型化を実現するため設計が容易に行うことができる。そして、上述した放熱リード13を更に設け、そして、当該放熱リードを上記ベース1に直接接合する構成とすることにより、絶縁基板上の配線パターンのレイアウトに縛られることなく、パワーモジュール設計の自由度を向上させることができる。
As described above, in the power module in which a power semiconductor element or the like is housed, a
本実施例の図では、放熱リード13とベース1とを、合計8箇所で接合した一例を示してあるが、本発明では、これに限定されるものではなく、例えば、電流容量やモジュールサイズなどの制約により接合箇所数を増減できることは言うまでもない。
In the drawing of this embodiment, an example is shown in which the
続いて、本発明の更に他の実施例(実施例3)になるパワーモジュールについて、図7〜図9を参照しながら詳細に説明する。 Subsequently, a power module according to still another embodiment (Example 3) of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
図7は、実施例3になるパワーモジュールを、その樹脂ケースの除いた状態で示した斜視図である。この図からも明らかなように、ベース1の上には、半田などの接合部材を介して、絶縁基板2が搭載され、そして、当該絶縁基板2の表裏面には、配線パターン3が形成されている。また、前記配線パターン3の上面には、半田などの接合部材を介して、パワー半導体素子4が搭載されており、更に、当該配線パターン3には、リード5が搭載されており、その接続には、半田や超音波接合などによる接合が適用されることは、上記の実施例1や2と同様である。また、前記リード5についても、複数のリードから形成されており、その間には、絶縁のための絶縁部材6が搭載(挿入)されていることも同様である。
FIG. 7 is a perspective view of the power module according to the third embodiment with the resin case removed. As is clear from this figure, the insulating
更に、本実施例(実施例3)では、上記の実施例2と同様、リード5上には、絶縁部材6cを介して、更に、放熱リード13が搭載されており、そして、当該放熱リード13は、リード5に電流が流れることにより発生するジュール熱を効率的にベース1に逃がすために、ベース1と接合されていると共に、更には、配線パターン3上に形成した電気回路的に寄与しない配線パターンとも接合されている。なお、接合の方法としては、半田や超音波接合が用いられる。
Further, in the present embodiment (embodiment 3), similarly to the
より具体的には、上記放熱リード13は、その両側辺に、下方に向かって延びた複数の脚部131が形成されていると共に、上記図7に示すパワーモジュールを反対側(即ち、図7の右側上方)から見た斜視図である図8からも明らかなように、更に、当該放熱リード13の一辺(図8の下側の辺)から下方に延びた複数の脚部132が形成されている。そして、当該リード5は、発生した熱を効率良くベース1に逃がすため、ベース1と共に、その複数の第2の脚部132を、電気回路的に寄与しない配線パターン3e、3f、3g、3hにも、それぞれ、接続されている。
More specifically, the
図9は、上記実施例3になるパワーモジュールの、リードを取り除いた状態での平面(上面)図である。ここでも、配線パターン3にはパワー半導体素子4や温度検知用のサーミスタ10が搭載されており、当該配線パターン3と、上記半導体素子4、信号ピン9、サーミスタ10などとの電気的な接続には、上記と同様、多数のワイヤ11が用いられる。また、図中の配線パターン3上の破線も、上記と同様、配線パターン3上にリード5(その脚部)を電気的に接続するための接合位置12、上記実施例2でも示した、ベース1上に上述した放熱リード13(その脚部131)が接続するための接合位置14に加え、更に、電気回路的に寄与しない配線パターン3上に上記放熱リード13(特に、その脚部132)が接続する接合位置15が設けられている。
FIG. 9 is a plan (upper surface) view of the power module according to the third embodiment with the leads removed. Here again, the
上述したように、その内部にパワー半導体素子などを収納したパワーモジュールにおいて、複数のリード5と共に、更に、放熱リード13を設け、そして、当該放熱リード13を上記ベース1上に接続すると共に、電気回路的に寄与しない配線パターン3上にも接続する構成とすることにより、リード5で発生した熱を、更に効率よく、ベース1に逃がすことができる。また、リードの温度上昇を防止できるので、小型化を実現するため設計が容易に行うことができる。そして、特に、本実施例(実施例3)では、上述したように、リードと放熱リードが、パワー半導体素子などのチップ状部品を取り囲むように、配線パターンと共にベースにも接続されていることから、絶縁基板とベースの間の接合部材に、常に、圧縮力が加わる構造となることから、接続の信頼性が向上すると言う効果も奏することとなる。
As described above, in the power module in which a power semiconductor element or the like is housed, a
3、3a〜3h…配線パターン、5…リード、12…接合位置、13…放熱リード、131…脚部、132…第2の脚部、14…接合位置 3, 3a to 3h ... wiring pattern, 5 ... lead, 12 ... joining position, 13 ... heat dissipation lead, 131 ... leg, 132 ... second leg, 14 ... joining position
Claims (5)
前記ベース上に搭載された絶縁基板と、
前記絶縁基板上に形成した配線パターンと、
前記配線パターン上に搭載された半導体素子と、
前記配線パターンを外部に電気的に接続するためのリードとを、ケース内に収納してなるパワーモジュールにおいて、更に、
前記リードで発生する熱を前記ベースに伝達するための熱伝達手段を備えていることを特徴とするパワーモジュール。 A base with heat dissipation,
An insulating substrate mounted on the base;
A wiring pattern formed on the insulating substrate;
A semiconductor element mounted on the wiring pattern;
In a power module in which a lead for electrically connecting the wiring pattern to the outside is housed in a case,
A power module comprising heat transfer means for transferring heat generated in the lead to the base.
前記熱伝達手段は、前記絶縁基板上の一部に形成された電気回路的に寄与しない配線パターンを備えており、かつ、前記リードは、前記絶縁基板上の電気回路的に寄与しない配線パターンに接合される脚部を備えていることを特徴とするパワーモジュール。 In the power module according to claim 1,
The heat transfer means includes a wiring pattern that does not contribute to an electric circuit formed on a part of the insulating substrate, and the lead is a wiring pattern that does not contribute to an electric circuit on the insulating substrate. A power module comprising a leg to be joined.
前記熱伝達手段は、前記リードとは異なる放熱リードを備えており、かつ、前記放熱リードは、前記ベースに接合される脚部を備えていることを特徴とするパワーモジュール。 In the power module according to claim 1,
The power module, wherein the heat transfer means includes a heat dissipation lead different from the lead, and the heat dissipation lead includes a leg portion joined to the base.
前記放熱リードは、更に、前記絶縁基板上の電気回路的に寄与しない配線パターンに接合される脚部を備えていることを特徴とするパワーモジュール。 In the power module according to claim 3,
The heat radiation lead further includes a leg portion joined to a wiring pattern that does not contribute to an electric circuit on the insulating substrate.
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WO2023140050A1 (en) * | 2022-01-20 | 2023-07-27 | ローム株式会社 | Semiconductor device |
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