JP2015076441A5

JP2015076441A5 -

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Publication number: JP2015076441A5
Application number: JP2013210220A
Authority: JP
Filing date: 2013-10-07
Publication date: 2016-10-20
Anticipated expiration: 2033-10-07

Description

本発明の一態様によれば、絶縁層と、前記絶縁層上に配置され、互いに分割された第１金属板および第２金属板と、前記第１金属板上に配置された半導体デバイスと、前記第１金属板と前記第２金属板とを接続する樹脂接続板とを備えるパワーモジュールが提供される。
また、本発明の他の態様によれば、絶縁層と、前記絶縁層上に配置され、互いに分割されるとともに、対向面を有する第１金属板および第２金属板と、前記第１金属板上に配置された半導体デバイスと、前記第１金属板と前記第２金属板との間の、前記対向面の位置を保持する樹脂接続板と、前記半導体デバイスと、前記第１金属板および前記第２金属板の少なくとも一部と、前記樹脂接続板とを覆うモールド樹脂とを備えるパワーモジュールが提供される。

エミッタＥ（ソースＳ）側電力端子１１は、ボンディングワイヤ（ＷＢ）１２・ランド１０・ボンディングワイヤ（ＷＢ）９を介して、半導体チップ１の表面のエミッタ電極（ソース電極）に接続され、コレクタＣ（ドレインＤ）側電力端子１４は、ボンディングワイヤ（ＷＢ）１３・表面銅箔４・チップ下はんだ２を介して、半導体チップ１の裏面のコレクタ電極（ドレイン電極）に接続されている。ここで、半導体チップ１が、例えば、ＩＧＢＴの場合には、電力端子１１・１４は、エミッタＥ側電力端子１１・コレクタＣ側電力端子１４となり、ＳｉＣＭＯＳＦＥＴの場合には、電力端子１１・１４は、ソースＳ側電力端子１１・ドレインＤ側電力端子１４となる。

半導体チップ１からの電流取り出しは、エミッタＥ（ソースＳ）側電力端子１１およびコレクタＣ（ドレインＤ）側電力端子１４を介して実施される。すなわち、半導体チップ１からの電流取り出しは、コレクタＣ（ドレインＤ）側電力端子１４・ボンディングワイヤ（ＷＢ）１３・表面銅箔４・チップ下はんだ２・コレクタ電極（ドレイン電極）・エミッタ電極（ソース電極）・ボンディングワイヤ（ＷＢ）９・ランド１０・エミッタＥ（ソースＳ）側電力端子１１経由で行われる。各電力端子１１・１４の一部を除くこれらの配線は、樹脂ケース１５の中に収納され、シリコーンゲル１６によって、絶縁封止されている。

比較例６に係るパワーモジュール２０Ｂを適用したツーインワンモジュールを作成するための半導体チップ実装後のフレーム構造の内部構成の模式的平面構造は、図８に示すように表される。ここで、半導体チップ１は、具体的には、例えば、図８に示すように、ＩＧＢＴ３０₁・３０₂・３０₃・３０₄およびフリーホイールダイオード３２₁・３２₂・３２₃・３２₄などで構成可能である。ＩＧＢＴ３０₁・３０₂は、金属板１８２上に２チップ並列配置され、フリーホイールダイオード３２₁・３２₂も金属板１８２上に２チップ並列配置されている。フリーホイールダイオード３２₁・３２₂は、それぞれＩＧＢＴ３０₁・３０₂に対して逆並列接続されている。同様に、ＩＧＢＴ３０₃・３０₄は、金属板１８１上に２チップ並列配置され、フリーホイールダイオード３２₃・３２₄も金属板１８１上に２チップ並列配置されている。フリーホイールダイオード３２₃・３２₄は、それぞれＩＧＢＴ３０₃・３０₄に対して逆並列接続されている。

実施の形態に係るパワーモジュール２０は、図９（ａ）に示すように、絶縁層２２と、絶縁層２２上に配置され、互いに分割された第１金属板１８１および第２金属板１９１と、第１金属板１８１上にチップ下はんだ２を介して配置された半導体デバイス１と、第１金属板１８１と第２金属板１９１との間を固定接続（対向面の位置を保持）する樹脂接続板２６とを備える。

実施の形態に係るパワーモジュール２０においては、金属板１８１・１９１は、図９（ａ）〜図９（ｃ）に示すように、樹脂接続板２６によって、互いに固定接続されているため、半導体チップ１に接合したボンディングワイヤ９にモールド時の力が負荷されてもボンディング部に各金属板１８１・１９１の移動（ずれ）に伴うダメージが与えられることがなく、製造時の信頼性が高い。

また、樹脂接続板２６は、図１３や図１６に示すように、第１金属板１８１および第２金属板１９１とネジ２７を介して固定接続されていても良い。

また、樹脂接続板２６は、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリイミド（ＰＩ）のいずれかで形成されていても良い。モールド樹脂１７の成型温度は、例えば、約１２０℃〜１３０℃であり、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）の軟化点は、例えば、約１５０℃、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）の軟化点は、例えば、約２２０℃であり、ポリイミド（ＰＩ）の軟化点は、例えば、約５５０℃以上であり、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリイミド（ＰＩ）のいずれも充分に適用可能である。

また、実施の形態の変形例に係るパワーモジュール２０において、絶縁層２２は、図９（ｃ）に示すように、第１金属板および第２金属板側に配置される硬質絶縁層２２ａと、第１金属板および第２金属板とは反対の側に配置される軟質絶縁層２２ｂとを有するようにすれば、冷却体１００への密着度を向上できるようになる。

また、実施の形態の変形例に係るパワーモジュール２０は、図９（ｃ）に示すように、冷却体（ヒートシンク）１００を備え、硬質絶縁層２２ａが冷却体（ヒートシンク）１００側に配置されていても良い。

―ツーインワンモジュール（2 in 1 Module）―
実施の形態に係るパワーモジュール２０Ｔ（半導体チップ実装前）の模式的平面構造は、図１０に示すように表される。また、実施の形態に係るパワーモジュール２０Ｔ（半導体チップ実装後）の内部構成の模式的平面構造は、図１１に示すように表される。図１０〜図１１は、ツーインワン構成のパワーモジュールに対応している。

また、半導体デバイスとしてＩＧＢＴを適用した実施の形態に係るパワーモジュールであって、ツーインワンモジュールの模式的回路表現は、図１２に示すように表される。図１２に示すように、２個のＩＧＢＴＱ１，Ｑ４が１つのモジュールに内蔵されている。Ｇ１は、ＩＧＢＴＱ１のゲート信号端子であり、Ｅ１は、ＩＧＢＴＱ１のエミッタ端子である。Ｃ１は、ＩＧＢＴＱ１のコレクタ端子である。Ｇ４は、ＩＧＢＴＱ４のゲート信号端子であり、Ｅ４は、ＩＧＢＴＱ４のエミッタ端子であり、Ｃ４は、ＩＧＢＴＱ４のコレクタ端子である。ＩＧＢＴＱ１のコレクタ端子Ｃ１は、半導体チップ搭載リードフレーム（上アーム）１８₂（Ｐ）に接続される。ＩＧＢＴＱ１のエミッタ端子Ｅ１・ＩＧＢＴＱ４のコレクタ端子Ｃ４は、半導体チップ搭載リードフレーム（下アーム）１８₁（Ｏ）に接続される。ＩＧＢＴＱ４のエミッタ端子Ｅ４は、リードフレーム１９（Ｎ）に接続される。Ｐは、正側電源入力端子であり、Ｎは、負側電源入力端子であり、Ｏは、出力端子である。尚、各半導体デバイス１は、図１１に示すように、複数個の半導体デバイス（チップ）を並列接続して１つの半導体デバイス１として使用するように構成されていても良い。

実施の形態に係るパワーモジュール２０Ｔは、図１０〜図１１に示すように、互いに分割された金属板１８１・１８２・１９１と、金属板１８１上にチップ下はんだ２を介して配置された半導体デバイス１（ＩＧＢＴ３０₃・３０₄およびフリーホイールダイオード３２₃・３２₄）と、金属板１８２上にチップ下はんだ２を介して配置された半導体デバイス１（ＩＧＢＴ３０₁・３０₂およびフリーホイールダイオード３２₁・３２₂）と、金属板１８１・１８２・１９１を互いに固定接続する樹脂接続板２６とを備える。

図１０は、実施の形態に係るパワーモジュール２０Ｔにおいて、モータなどを駆動するために金属板（１８１・１８２・１９１）で回路を構成したものである。半導体チップ搭載リードフレーム（下アーム）１８₁（Ｏ）、半導体チップ搭載リードフレーム（上アーム）１８₂（Ｐ）、リードフレーム１９（Ｎ）は、回路構成上、個々のパーツにする必要がある。そのため、金属板１８１・１８２・１９１は、図１１に示すように、各金属板１８１・１８２・１９１間のずれを無くし、距離（位置）を保持したい箇所、特に、ワイヤ９が横断する対向面を有する各金属板１８１・１８２・１９１間が複数の樹脂接続板２６によって、ネジ２７を介して互いに固定接続されている。ここで、半導体チップ搭載リードフレーム（下アーム）１８₁（Ｏ）は、金属板１８１に接続され、半導体チップ搭載リードフレーム（上アーム）１８₂（Ｐ）は、金属板１８２に接続され、リードフレーム１９（Ｎ）は、金属板１９１に接続されている。

ここで、半導体チップ１は、具体的には、例えば、図１１に示すように、ＩＧＢＴ３０₁・３０₂・３０₃・３０₄およびフリーホイールダイオード３２₁・３２₂・３２₃・３２₄などで構成可能である。ＩＧＢＴ３０₁・３０₂は、金属板１８２上に２チップ並列配置され、フリーホイールダイオード３２₁・３２₂も金属板１８２上に２チップ並列配置されている。フリーホイールダイオード３２₁・３２₂は、それぞれＩＧＢＴ３０₁・３０₂に対して逆並列接続されている。同様に、ＩＧＢＴ３０₃・３０₄は、金属板１８１上に２チップ並列配置され、フリーホイールダイオード３２₃・３２₄も金属板１８１上に２チップ並列配置されている。フリーホイールダイオード３２₃・３２₄は、それぞれＩＧＢＴ３０₃・３０₄に対して逆並列接続されている。尚、各フリーホイールダイオード（Ｄ１・Ｄ４）は、省略されていても良い。

実施の形態に係るパワーモジュール２０Ｔにおいては、金属板１８１・１８２・１９１は、図１１に示すように、複数の樹脂接続板２６によって、ネジ２７を介して互いに固定接続されているため、金属板１８１・１８２・１９１や半導体チップ１(ＩＧＢＴ３０₁・３０₂・３０₃・３０₄およびフリーホイールダイオード３２₁・３２₂・３２₃・３２₄)に接合したボンディングワイヤ３４₁・３４₂・３４₃・３４₄にモールド時の力が負荷されてもボンディング部に対するダメージが抑えられるようになり、製造が容易かつ製造時の信頼性が高い。

また、実施の形態に係るパワーモジュール２０Ｔは、図９（ａ）と同様に、金属板１８１・１８２・１９１・樹脂接続板２６・半導体デバイス１(ＩＧＢＴ３０₁・３０₂・３０₃・３０₄およびフリーホイールダイオード３２₁・３２₂・３２₃・３２₄)・ボンディングワイヤ３４₁・３４₂・３４₃・３４₄ 、各リードフレーム１８・１９の一部を除く部分をモールドするモールド樹脂１７を備え、樹脂接続板２６は、モールド樹脂１７の成型温度以上の耐熱性を有する。

また、樹脂接続板２６は、金属板１８１・１８２・１９１とネジ２７を介して接続することにより更に強固に固定されるようになる。また、ネジ２７の代わりに楔の役割を果たす形状のものを挿入するようにしても良い。

また、樹脂接続板２６は、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエー
テルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリイミド（ＰＩ）のいずれかで形成されていても良い。

また、図９（ｃ）と同様に、冷却体（ヒートシンク）１００を備え、硬質絶縁層２２ａが冷却体（ヒートシンク）１００側に配置されていても良い。

回路パターンの形状保持のため、絶縁性の樹脂接続板２６をネジ２７を用いてネジ止めすることで、図９（ａ）〜図９（ｃ）と同様のパワーモジュール構造においても、複雑な回路パターンを形成することができる。さらに、回路パターンを保持するためのフレームが不要となる。また、樹脂モールド時に使用する成型金型形状が複雑にならないために低コスト化を図ることができる。

樹脂接続板２６は、図１３（ａ）に示すように、金属板１８１および金属板１８２とネジ２７を介して接続されると共に、ネジ２７の深さは、金属板１８１および金属板１８２を貫通すると共に、金属板１８１および金属板１８２の裏面と面一に構成されていることが望ましい。或いは、ネジ２７の深さは、金属板１８１および金属板１８２を貫通せず、図１３（ｂ）に示すように、金属板１８１および金属板１８２に対して深さＤ１まで侵入するように形成されていても良い。この場合、金属板１８１および金属板１８２の厚さは、Ｄ１＋Ｄ２である。いずれも金属板１８１および金属板１８２の裏面に配置される有機絶縁樹脂層２２の信頼性を確保するためである。尚、ネジ２７の頭部分の直径は、例えば、約１．５ｍｍ、胴部分の直径は、例えば、約１．４ｍｍである。また、樹脂接続板２６の厚さは、例えば、約２．０ｍｍ、金属板１８１および金属板１８２の厚さも、例えば、約２．０ｍｍである。ネジ２７の材質は、金属製でも構わないが、樹脂接続板２６と同様にモールド樹脂１７の成型温度以上の耐熱性を有する樹脂製とすれば、樹脂接続板２６の熱膨張に合わせて熱膨張するのでより信頼性が向上する。

ここで、突起部２９は、円柱形若しくは角柱形を備えていても良い。また、１つの樹脂接続板２６に複数のノッチ（突起部）２９を設けたり、その水平断面形状を長方形や楕円形にすればノッチ２９による固定のみで各金属板１８１・１８２・１９１の位置ずれを制限できるようになり、ネジ２７を省略することもできる。

また、樹脂接続板２６は、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリイミド（ＰＩ）のいずれかで形成されていても良い。

実施の形態に係るパワーモジュール２０は、例えば、ワンインワンモジュールの構成を備える。すなわち、１個（組）のＭＯＳＦＥＴＱが１つのモジュールに内蔵されている。一例として５チップ（ＭＯＳＦＥＴ×５）搭載可能であり、それぞれのＭＯＳＦＥＴＱは、５個まで並列接続可能である。尚、５チップの内、一部をダイオードＤＩ用として搭載することも可能である。

図２０（ａ）に示すように、２個のＭＯＳＦＥＴＱ１，Ｑ４が１つのモジュールに内蔵されている。Ｇ１は、ＭＯＳＦＥＴＱ１のゲート信号端子であり、Ｓ１は、ＭＯＳＦＥＴＱ１のソース端子である。Ｇ４は、ＭＯＳＦＥＴＱ４のゲート信号端子であり、Ｓ４は、ＭＯＳＦＥＴＱ４のソース端子である。Ｐは、正側電源入力端子であり、Ｎは、負側電源入力端子であり、Ｏは、出力端子である。尚、各電源入力端子Ｐ・Ｎおよび出力端子Ｏ以外の端子は、図１１や図１５などでは省略している。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態などを含む。例えば、金属板の下面に有機絶縁樹脂層を設けた実施の形態のみを説明してきたが、図４や図５に示すような裏面構造のものに適用しても構わないし、図１や図２に示すようなケース型モジュールでＤＢＣなどの絶縁基板を使用しない構造のものに適用することも可能である。また、板状で別体の樹脂接続板のみを説明したが、各金属板間に挟持されて各金属板間の相対位置や間隔を保持できるものであれば構わないので、金属板間上に樹脂接続板を配置した後にモールド樹脂を溶融して金属板間に樹脂が入り込むようにしても構わない。

本発明に係るパワーモジュールは、ＩＧＢＴモジュール、ダイオードモジュール、ＭＯＳモジュール（Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＮ）等の半導体モジュールに利用することができ、これらの半導体モジュールを用いた産業用ロボットや電気自動車・ハイブリッド電気自動車などの車載用途のパワーモジュールに用いることができる。

Claims

絶縁層と、
前記絶縁層上に配置され、互いに分割された第１金属板および第２金属板と、
前記第１金属板上に配置された半導体デバイスと、
前記第１金属板と前記第２金属板とを接続する樹脂接続板と
を備えることを特徴とするパワーモジュール。
前記第１金属板および前記第２金属板は、銅、アルミニウム、銅合金、およびアルミニウム合金のいずれかで形成され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。
前記半導体デバイスと前記第２金属板とを電気的に接続するボンディングワイヤと、
前記第１金属板および前記第２金属板と、前記樹脂接続板と、前記半導体デバイスと、前記ボンディングワイヤとをモールドするモールド樹脂と
を備え、
前記樹脂接続板は、前記モールド樹脂の成型温度以上の耐熱性を有す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。
前記樹脂接続板は、前記第１金属板および前記第２金属板とネジを介して接続されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
前記樹脂接続板は、前記第１金属板および前記第２金属板に対向する面に凸状の突起部を備え、
前記第１金属板および前記第２金属板は、前記樹脂接続板に対向する面に前記突起部に嵌合する凹部を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
前記突起部は、１つの金属板に対して複数設けられる、若しくは長方形や楕円形の水平断面を有し、前記第１金属板および前記第２金属板の位置ずれを制限することを特徴とする請求項５に記載のパワーモジュール。
前記樹脂接続板は、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリイミド（ＰＩ）のいずれかで形成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
前記絶縁層は、前記第１金属板および前記第２金属板側に配置される硬質絶縁層と、前記第１金属板および前記第２金属板とは反対の側に配置される軟質絶縁層とを有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
冷却体を備え、
前記軟質絶縁層は、前記冷却体側に配置されることを特徴とする請求項８に記載のパワーモジュール。
前記軟質絶縁層は、有機材料で構成されていることを特徴とする請求項８または９に記載のパワーモジュール。
前記軟質絶縁層は、シリコーン系樹脂で構成されていることを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
前記軟質絶縁層には、熱伝導率の高い充填材が充填されていることを特徴とする請求項８〜１１のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
前記充填材は、酸化アルミ、酸化ケイ素、窒化アルミ、窒化珪素、窒化ホウ素、ベリリア、マグネシアのうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１２に記載のパワーモジュール。
前記硬質絶縁層は、有機材料で構成されていることを特徴とする請求項８〜１３のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
前記硬質絶縁層は、エポキシ系樹脂、ウレタン系樹脂、アクリル系樹脂、シリコーン系樹脂のうちの少なくとも１つで構成されていることを特徴とする請求項８〜１４のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
前記硬質絶縁層には、熱伝導率の高い充填材が充填されていることを特徴とする請求項８〜１５のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
前記充填材は、酸化アルミ、酸化ケイ素、窒化アルミ、窒化珪素、窒化ホウ素、ベリリア、マグネシアのうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１６に記載のパワーモジュール。
絶縁層と、
前記絶縁層上に配置され、互いに分割されるとともに、対向面を有する第１金属板および第２金属板と、
前記第１金属板上に配置された半導体デバイスと、
前記第１金属板と前記第２金属板との間の、前記対向面の位置を保持する樹脂接続板と、
前記半導体デバイスと、前記第１金属板および前記第２金属板の少なくとも一部と、前記樹脂接続板とを覆うモールド樹脂と
を備えることを特徴とするパワーモジュール。
前記半導体デバイスと前記第２金属板との間を電気的に接続するワイヤを更に有し、
前記樹脂接続板は、少なくとも前記ワイヤが接続された前記第２金属板と前記半導体デバイスが配置された前記第１金属板との間の、前記対向面の間隔を固定させるように、前記第１金属板と前記第２金属板とにより挟持されていることを特徴とする請求項１８に記載のパワーモジュール。
前記樹脂接続板は、前記モールド樹脂の成型温度以上の溶融温度であることを特徴とする請求項１８または請求項１９に記載のパワーモジュール。
前記樹脂接続板は、前記第１金属板および前記第２金属板にそれぞれ設けられた凹部に勘合する突起部を有することを特徴とする請求項１８〜２０のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
前記パワーモジュールは、ワンインワン、ツーインワン、フォーインワン、シックスインワン、もしくはセブンインワン型のいずれかに形成されることを特徴とする請求項１〜２１のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
前記半導体デバイスは、ＩＧＢＴ、ダイオード、Ｓｉ系ＭＯＳＦＥＴ、ＳｉＣ系ＭＯＳＦＥＴ、ＧａＮＦＥＴのいずれかを備えることを特徴とする請求項１〜２２のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
請求項１〜２３のいずれか１項に記載のパワーモジュールを複数備えたことを特徴とする車載用のパワーモジュール。
互いに分割された第１金属板および第２金属板を形成する工程と、
前記第１金属板の表面上にはんだを介して半導体デバイスを形成する工程と、
樹脂接続板を用いて、前記第１金属板と前記第２金属板とを接続する工程と、
前記半導体デバイスと前記第２金属板とをボンディングワイヤを介して電気的に接続する工程と、
前記第１金属板および前記第２金属板、前記半導体デバイス、前記ボンディングワイヤ、前記樹脂接続板をモールド樹脂を用いてモールディングする工程と、
前記第１金属板および前記第２金属板の裏面上に、絶縁層を形成する工程と
を有することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
前記第１金属板および前記第２金属板は、銅、アルミニウム、銅合金、およびアルミニウム合金のいずれかで形成されることを特徴とする請求項２５に記載のパワーモジュールの製造方法。
前記樹脂接続板は、前記モールド樹脂の成型温度以上の耐熱性を有することを特徴とする請求項２５または２６に記載のパワーモジュールの製造方法。
前記樹脂接続板を用いて前記第１金属板と前記第２金属板とを接続する工程は、ネジを介して接続する工程を有することを特徴とする請求項２５〜２７のいずれか１項に記載のパワーモジュールの製造方法。
前記樹脂接続板は、前記第１金属板および前記第２金属板に対向する面に凸状の突起部を備え、
前記第１金属板および前記第２金属板は、前記樹脂接続板に対向する面に前記突起部に嵌合する凹部を備え、
前記樹脂接続板を用いて前記第１金属板と前記第２金属板とを接続する工程は、前記突起部と前記凹部を嵌合する工程を有することを特徴とする請求項２５〜２８のいずれか１項に記載のパワーモジュールの製造方法。
前記樹脂接続板を用いて前記第１金属板と前記第２金属板とを接続する工程は、前記樹脂接続板を、少なくとも前記ワイヤが接続された前記第２金属板と前記半導体デバイスが配置された前記第１金属板との間の、対向面の間隔を固定させるように、前記第１金属板と前記第２金属板とにより挟持させることを特徴とする請求項２５に記載のパワーモジュールの製造方法。