JP2015076562A - パワーモジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】パワーモジュールにおいて、信頼性が向上した接合構造を得ることを目的とする。【解決手段】第1主面には外周に第1余白部を残して第1導体層が形成されており、第2主面には外周に第2余白部を残して第2導体層が形成されているセラミック基板と、第2導体層に接合されている電力半導体素子と、第2導体層に接着剤で固定されている第1絶縁部材と、第2導体層に接着剤で固定されている第2絶縁部材と、第1絶縁部材に接着剤で固定されている第1リードフレームと、第2絶縁部材に接着剤で固定されている第2リードフレームと、第2導体層に接合されている第3リードフレームと、電力半導体素子と前記第1リードフレームを接続する金属製リボンと、電力半導体素子と第2リードフレームを接続する金属製ワイヤと、セラミック基板と電力半導体素子と金属製リボンと金属製ワイヤを封止する封止樹脂体とを備えているパワーモジュール。【選択図】図1
Description
この発明は、パワーモジュールに関し、特に、絶縁性基板を用いて回路を構成するパワーモジュールに関する。
パワーモジュールは、電力半導体素子、絶縁性基板、リードフレームなどを備えている。電力半導体素子は絶縁性基板に搭載されており、リードフレームを使ってパワーモジュールの外部にある回路や機器に接続される。電力半導体素子とリードフレームの間には大電流が流れるため、板状の導体を絶縁性基板にはんだ付けにより接続した構造や、金属製ワイヤを複数本並列にワイヤボンディングした構造などが考案されている。
リードフレーム(外部電極端子)は電力半導体素子の電極端子に接続される。板状の導体を使ってはんだ付けにより両者を接続する方法では、まず電極端子にはんだを供給し、その後に板状の導体をこの電極端子に搭載する。その後、仕掛品の全体を加熱して、板状の導体の温度をはんだの融点よりも高い温度にまで昇温する。この方法は生産性上の制約が大きい。
他方、ワイヤボンディングにより接続する方法は、常温で接合可能であるなど、装置制約が少ないメリットがある。しかし断面積の大きな金属製ワイヤの接続は困難であるため、大電流用の配線のためには多数の金属製ワイヤを並列にボンディングする必要がある。ワイヤボンディングにおいては、一般に、ワイヤ径の少なくも1.5倍の接合面積が要求
されるため、全体としては接合面積が大きくなる。
されるため、全体としては接合面積が大きくなる。
パワーモジュールは、現在、コスト低減の観点から小型化が求められている。ワイヤボンディングは、一般に、ワイヤ径に応じた接合面積を必要とするため、半導体装置の小形化を阻害する大きな要因となっている。この点を解決するため、断面積が金属製ワイヤの数倍になる断面形状がおおよそ長方形の金属製リボンにより半導体素子とリードフレームの間を接合する構造が提案されている(例えば特許文献1)。
金属製リボンは、一端が半導体素子にボンディングされ、他端は半導体素子が搭載されていない絶縁基板のパターンの上にボンディングされる。半導体素子が搭載されていない絶縁基板のパターンにリードフレームをはんだ接合することにより、半導体素子とリードフレームを接続する。この構造では、絶縁基板の上に2つ以上の導体部(パターン)が要求される。導体部の間に絶縁耐圧に応じた絶縁距離を確保すると、パワーモジュールは大型化する。
本発明に係るパワーモジュールは、第1主面には外周に第1余白部を残して第1導体層が形成されており、第2主面には外周に第2余白部を残して第2導体層が形成されているセラミック基板と、第2導体層に接合されている電力半導体素子と、第2導体層に接着剤で固定されている第1絶縁部材と、第2導体層に接着剤で固定されている第2絶縁部材と、第1絶縁部材に接着剤で固定されている第1リードフレームと、第2絶縁部材に接着剤で固定されている第2リードフレームと、第2導体層に接合されている第3リードフレームと、電力半導体素子と前記第1リードフレームを接続する金属製リボンと、電力半導体素子と第2リードフレームを接続する金属製ワイヤと、セラミック基板と電力半導体素子と金属製リボンと金属製ワイヤを封止する封止樹脂体とを備えている。第1導体層は封止樹脂体から露呈し、金属製リボンの幅は金属製ワイヤの直径よりも大きい。
この発明によるパワーモジュールでは絶縁部材を使用して金属製リボンを採用している。絶縁性基板の導体部を分割する必要がないため、装置の小型化を実現した構造を提供することができる。
以下に本発明にかかるパワーモジュールの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
実施の形態1.
図1は、本発明によるパワーモジュール100の全体構成を示す平面図である。パワーモジュール100は絶縁性封止樹脂体14によって封止されている。絶縁性封止樹脂体14はエポキシ樹脂などを使ってトランスファーモールドにより形成される。絶縁性基板2のセラミック基板2cには、外周に余白部を残して導体層(配線パターン)2aが形成されている。実施の形態1では、絶縁性基板2には電力半導体素子5として2個のIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)が搭載されている。電力半導体素子5は、エミッタ、ゲートおよびコレクタの3電極が形成されている。セラミック基板2cは、材質がアルミナであれば、20W/mK程度の熱伝導率が得られる。通常の封止樹脂の熱伝導率は0.1〜1W/mK程度である。
図1は、本発明によるパワーモジュール100の全体構成を示す平面図である。パワーモジュール100は絶縁性封止樹脂体14によって封止されている。絶縁性封止樹脂体14はエポキシ樹脂などを使ってトランスファーモールドにより形成される。絶縁性基板2のセラミック基板2cには、外周に余白部を残して導体層(配線パターン)2aが形成されている。実施の形態1では、絶縁性基板2には電力半導体素子5として2個のIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)が搭載されている。電力半導体素子5は、エミッタ、ゲートおよびコレクタの3電極が形成されている。セラミック基板2cは、材質がアルミナであれば、20W/mK程度の熱伝導率が得られる。通常の封止樹脂の熱伝導率は0.1〜1W/mK程度である。
絶縁性封止樹脂体14の内外を電気的に接続するために、エミッタ側リードフレーム(8a,8b)、コレクタ側リードフレーム(10a,10b)、およびゲート側リードフレーム(15a,15b)が配設されている。コレクタ側リードフレーム10aとコレクタ側リードフレーム10bは、導体層2aに超音波接合されている。ボンディングワイヤ7aはゲート側リードフレーム15aと上段の電力半導体素子5のゲートに超音波接合されている。同様に、ボンディングワイヤ7bはゲート側リードフレーム15bと下段の電力半導体素子5のゲートに超音波接合されている。
金属製リボン6aは、上段の電力半導体素子5のエミッタとエミッタ側リードフレーム8aに超音波接合されている。同様に、金属製リボン6bは、下段の電力半導体素子5のエミッタとエミッタ側リードフレーム8bに超音波接合されている。金属製リボン(6a,6b)の材質は、大電流を通電するために電気抵抗が小さいことが好ましい。例えばアルミ、銅、金、銀、白金などが用いられるが、弧を描くように形成される場合、できるだけやわらかい素材が好ましく、コスト面からもアルミが好適に用いられる。
電力半導体素子5は、珪素(Si)によって形成したものの他、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成したものも好適に使用することができる。ワイドバンドギャップ半導体としては、炭化珪素(SiC)、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドなどがある。ワイドバンドギャップ半導体を用いた場合、許容電流密度が高く、電力損失も低いため、電力半導体素子5を用いた装置の小型化が可能となる。
図2は実施の形態1によるパワーモジュール100の構成を示す断面図である。導体層2aは、途中で分割されておらず連続している。同様に導体層2bは、途中で分割されておらず連続している。セラミック基板2cにはSi3N4、Al2O3、AlNなどが用いられる。導体層2aと導体層2bは、セラミック基板2cの両面にろう付けもしくは拡散接合により固着されている。導体層2a、2bにはCuもしくはAlが使用される。例えばAgロウなどの材料でセラミック基板2cと導体層2a、2bはロウ付けされて一体化されている。導体層2bは絶縁性封止樹脂体14から露呈している。
金属製リボン6は弧を描くように形成されている。電力半導体素子5は金属製リボン6によってエミッタ側リードフレーム8と接続されている。金属製リボン6は、角型断面を有しており、幅は0.5〜3mm程度、厚さは0.1〜0.5mm程度である。金属製リボン6は、断面形状がおおよそ長方形で、断面積はボンディングワイヤ7の数倍になる。電力半導体素子5は導体層2aの上にはんだなどのダイボンド材4によって接合されている。金属製リボン6はボンディングワイヤ7よりも幅が広い。
導体層2aの上には、絶縁性樹脂12a、12bが接着固定されている。エミッタ側リードフレーム(8a、8b)は絶縁性樹脂12aに接着固定されている。ゲート側リードフレーム(15a、15b)は絶縁性樹脂12bに接着固定されている。ポリイミド樹脂のような絶縁性樹脂12a、12bを導体層2aに接着することで、エミッタ側リードフレーム8およびゲート側リードフレーム15を導体層2aに電気的に絶縁を確保したまま固定している。絶縁性樹脂12は絶縁性封止樹脂体14の構成材料よりも熱伝導率が大きいと好ましい。例えば、絶縁性封止樹脂体14にエポキシ系樹脂を使い、絶縁性樹脂12にフィラー入りのエポキシ系樹脂を使う。これによって、エミッタ側リードフレーム8が架空の場合にくらべ、エミッタ側リードフレーム8から絶縁性基板2への熱抵抗が小さくなる。
絶縁性樹脂12により、導体層2aを分割することなく絶縁性基板2の真上にリードフレームを配置することができるためパワーモジュールの小型化を図ることができる。且つ絶縁性樹脂12は熱伝導率が絶縁性封止樹脂体よりも大きいため、半導体素子のショート時に金属製リボンに発生する熱の放熱経路となり、金属製リボンの異常発熱を防ぐことができる。また金属製リボンや金属製ワイヤの接合を安定化する。また、エミッタ側リードフレーム8が架空の場合にくらべ、エミッタ側リードフレーム8から絶縁性基板2への熱抵抗が小さくなる。
絶縁性樹脂12のサイズは接着剤11のサイズよりも小さくすることが好ましい。こうすることで、エミッタ側リードフレーム8およびゲート側リードフレーム15から導体層2aの間の絶縁距離を確保する。すなわち、もし絶縁性樹脂12と接着剤を同じサイズで構成すれば、絶縁距離はエミッタ側リードフレーム8およびゲート側リードフレーム15と導体層2aの距離で構成される。所定の耐絶縁性を確保するためには絶縁部材の厚みを大きくする事が必要である。結果的に、熱抵抗が大きくなるので、放熱性が損なわれる。前述のように絶縁性樹脂の表裏に、水平方向の縁面絶縁距離を更に確保することで、絶縁性樹脂の厚みを減らし、結果熱抵抗が抑制され、不必要に絶縁部材の厚みを大きくせずとも所定の絶縁距離を確保できる。
次に、金属製リボンや金属製ワイヤの制約について述べる。パワーモジュール100では、主たる配線に数〜数百Aもの電流を通電する。配線は有限の断面積で構成され、かつ配線にまつわる長さが発生することから、配線はオームの法則に応じた抵抗発熱を生じる。すなわち、(配線経路の抵抗の合計)×(通電電流の二乗)が配線部の総発熱量になる。個々の配線経路の抵抗は、電気伝導度×長さ/断面積によって決定される。これらの配線における発熱は、基本的にはパワーモジュールの底面を通じてヒートシンク(放熱器)を通って放熱される(図6参照)。
発熱量の数%は各リードフレームに接続されるバスバーなどの配線導体を通って外気や電力装置の内部循環空気によって放熱するにしても、配線部の発熱量は無視できない。電極の断面積を大きくすれば抵抗は下がるものの、パワーモジュールが全体に大型化するという背反がある。かつ配線長も長くなっていく事から、配線部の電気抵抗は経済的に妥協できるサイズにて設計および決定される。すなわちパワーモジュールの全体の発熱のうち、数%から数十%は配線部で発生し、ヒートシンクなどへ熱輸送する必要がある。
金属製リボンや金属製ワイヤを用いる場合、電力半導体素子の表面電極には接合面積がそれぞれ必要である。金属製ワイヤや金属製リボンの断面積は電力半導体素子の面積によっても制約を受けるため、この部分による配線部の発熱量が、配線部の全体に占める割合が大きくなる。また金属製ワイヤや金属製リボンにより構成される主たる電流の配線経路の発熱量を小さくすることは経済的な事由により制約を受ける。
樹脂封止型のパワーモジュールにおいて、短絡故障などが発生した場合、通常の倍から数倍の電流が金属製ワイヤや金属製リボンに流れることになる。そのような場合に備えて、パワーモジュールは、装置に配された保護機能により異常電流を感知し、電力用半導体素子のゲート回路をオフにして、電流を止め、かつフェイル信号を発生するという機能を有する。特にクラッチを有しない車軸直結型のモーターに取り付けられた車軸一体型のパワーモジュールにおいては、半導体素子が故障した時に短絡故障が発生すると、自身ではモーターが強制的に回された時のエネルギ流入を止めることができない。結果として金属製ワイヤや金属製リボンの温度が上昇する。このような異常電流に対して、金属製ワイヤや金属製リボンからの放熱を確保することは、車軸一体型のパワーモジュールの信頼性を高める事になる。
放熱性の指標である熱抵抗は通過する部分の長さ/断面積/熱伝導率で決定される。すなわち本発明では絶縁性樹脂12の熱伝導率を高くしたために、熱抵抗を小さくできる。放熱性が高いため金属製ワイヤや金属製リボンの温度の異常な上昇を抑制でき、信頼性が向上する。短絡故障が発生し回路に異常電流が流れて金属製リボン(及び金属製ワイヤ)が発熱した場合でも、接合部に放熱経路が確保されている。
架空の電極に対してワイヤボンドやリボンボンドを施す場合、先ず超音波振動によりボンディングツールを金属製ワイヤや金属製リボンに押し付ける。金属製ワイヤや金属製リボンを変形させて、新生面を接合界面に生成すると接合が達成される。この方法では樹脂封止する前に接合する事が必然であるため、エミッタ側リードフレーム8およびゲート側リードフレーム15は絶縁性基板2の表面とある一定の距離を有した状態で接合する事になる。そのような形態では、ボンディングツールを押し付けた時の反力を発生させることが困難であるため超音波接合が安定しない。
ボンディングツールを押し付けると電極が傾き、基板に接した状態で接合を達成する事も考えられる。傾いた面に超音波振動をかけながらボンディングツールを押し付けると、ボンディングツールの先端に滑りが起きる。接合部は移動しながら接合を実施することになり、安定性は低い。本発明では絶縁性樹脂12を接着剤で固定しているのでそのような接合の不安定性の問題がなくなっている。このように本発明により配線部材から冷却器までの熱抵抗を抑制し、配線部の温度上昇を抑制することで信頼性を向上し、かつ製造時の安定性も確保している。
実施の形態2.
図3は、実施の形態2によるパワーモジュール100の全体構成を示す平面図である。実施の形態2では、絶縁性基板2に2個のIGBT5aと2個のダイオード5bが搭載されている。ダイオード5bは、アノードとカソードの2電極が形成され、フライホイールダイオードとして作用する。
図3は、実施の形態2によるパワーモジュール100の全体構成を示す平面図である。実施の形態2では、絶縁性基板2に2個のIGBT5aと2個のダイオード5bが搭載されている。ダイオード5bは、アノードとカソードの2電極が形成され、フライホイールダイオードとして作用する。
絶縁性封止樹脂体14の内外を電気的に接続するために、エミッタ側リードフレーム(8a,8b)、コレクタ側リードフレーム(10a,10b)、およびゲート側リードフレーム(15a,15b)が配設されている。上段のIGBT5aと上段のダイオード5bは金属製リボン6aによってエミッタ側リードフレーム8aに接続されている。同様に下段のIGBT5aと下段のダイオード5bは金属製リボン6bによってエミッタ側リードフレーム8bに接続されている。電力半導体素子と絶縁性基板2は絶縁性封止樹脂体14に収納されている。
エミッタ側リードフレーム8aには金属製リボン6aが超音波接合されている。同様に、エミッタ側リードフレーム8bには金属製リボン6bが超音波接合されている。コレクタ側リードフレーム10aとコレクタ側リードフレーム10bは、導体層2aに超音波接合されている。IGBT5aのゲートはボンディングワイヤ7aによってゲート側リードフレーム15aと接続されている。同様に、IGBT5bのゲートはボンディングワイヤ7bによってゲート側リードフレーム15bと接続されている。
金属製リボン6aは上段のIGBT5aのエミッタと上段のダイオード5bのアノードに超音波接合されている。同様に、金属製リボン6bは下段のIGBT5bのエミッタと下段のダイオード5bのアノードに超音波接合されている。金属製リボン(6a,6b)の材質は、大電流を通電するために電気抵抗が小さいことが好ましい。例えばアルミ、銅、金、銀、白金などが用いられるが、弧を描くように形成される場合、できるだけやわらかい素材が好ましく、コスト面からもアルミが好適に用いられる。
図4は実施の形態2によるパワーモジュール100の構成を示す断面図である。絶縁性基板2のセラミック基板2cには、外周に余白部を残して導体層(配線パターン)2a、2bが形成されている。導体層2aは、途中で分割されておらず連続している。同様に導体層2bは、途中で分割されておらず連続している。セラミック基板2cにはSi3N4、Al2O3、AlNなどが用いられる。導体層2aと導体層2bは、セラミック基板2cの両面にろう付けもしくは拡散接合により固着されている。導体層2a、2bにはCuもしくはAlが使用される。例えばAgロウなどの材料でセラミック基板2cと導体層2a、2bはロウ付けされて一体化されている。導体層2bは絶縁性封止樹脂体14から露呈している。電力半導体素子であるIGBT5aとダイオード5bは絶縁性基板2の導体層2aの上にダイボンド材4を用いて接合されている。
絶縁性樹脂12により、導体層2aを分割することなく絶縁性基板2の真上にリードフレームを配置することができるためパワーモジュールの小型化を図ることができる。且つ絶縁性樹脂12は熱伝導率が絶縁性封止樹脂体よりも大きいため、半導体素子のショート時に金属製リボンに発生する熱の放熱経路となり、金属製リボンの異常発熱を防ぐことができる。また金属製リボンや金属製ワイヤの接合を安定化する。また、エミッタ側リードフレーム8が架空の場合にくらべ、エミッタ側リードフレーム8から絶縁性基板2への熱抵抗が小さくなる。
実施の形態3.
図5は、実施の形態3によるパワーモジュール100の全体構成を示す平面図である。絶縁性基板2の導体層2aの上には2個のセンサ内蔵型半導体素子5cと2個のダイオード5bが搭載されている。上段のセンサ内蔵型半導体素子5cには、一個のIGBTと4種類のセンサが形成されている。各センサの出力は金属製ワイヤ7によって上段側のセンサ側リードフレーム9a〜9dに接続されている。同様に、下段のセンサ内蔵型半導体素子5cは、一個のIGBTと4種類のセンサが形成されている。各センサの出力は金属製ワイヤ7によって下段側のセンサ側リードフレーム9a〜9dに接続されている。IGBT(センサ内蔵型半導体素子5c)のゲートは、ゲート側リードフレーム15a、15bに接続されている。
図5は、実施の形態3によるパワーモジュール100の全体構成を示す平面図である。絶縁性基板2の導体層2aの上には2個のセンサ内蔵型半導体素子5cと2個のダイオード5bが搭載されている。上段のセンサ内蔵型半導体素子5cには、一個のIGBTと4種類のセンサが形成されている。各センサの出力は金属製ワイヤ7によって上段側のセンサ側リードフレーム9a〜9dに接続されている。同様に、下段のセンサ内蔵型半導体素子5cは、一個のIGBTと4種類のセンサが形成されている。各センサの出力は金属製ワイヤ7によって下段側のセンサ側リードフレーム9a〜9dに接続されている。IGBT(センサ内蔵型半導体素子5c)のゲートは、ゲート側リードフレーム15a、15bに接続されている。
図6は実施の形態3によるパワーモジュール100の構成を示す断面図である。絶縁性基板2のセラミック基板2cには、外周に余白部を残して導体層(配線パターン)2a、2bが形成されている。導体層2aは、途中で分割されておらず連続している。同様に導体層2bは、途中で分割されておらず連続している。セラミック基板2cにはSi3N4、Al2O3、AlNなどが用いられる。導体層2aと導体層2bは、セラミック基板2cの両面にろう付けもしくは拡散接合により固着されている。導体層2a、2bにはCuもしくはAlが使用される。
例えばAgロウなどの材料でセラミック基板2cと導体層2a、2bはロウ付けされて一体化されている。導体層2bは絶縁性封止樹脂体14から露呈している。電力半導体素子であるIGBT5aとダイオード5bは絶縁性基板2の導体層2aの上にダイボンド材4を用いて接合されている。パワーモジュール100には、固定手段によって、熱伝導グリスを用いてヒートシンク(冷却器)1が固定されている。ヒートシンク1は、複数のフィン1aを備えている。
絶縁性樹脂12により、導体層2aを分割することなく絶縁性基板2の真上にリードフレームを配置することができるためパワーモジュールの小型化を図ることができる。且つ絶縁性樹脂12は熱伝導率が絶縁性封止樹脂体よりも大きいため、半導体素子のショート時に金属製リボンに発生する熱の放熱経路となり、金属製リボンの異常発熱を防ぐことができる。また金属製リボンや金属製ワイヤの接合を安定化する。また、エミッタ側リードフレーム8が架空の場合にくらべ、エミッタ側リードフレーム8から絶縁性基板2への熱抵抗が小さくなる。
実施の形態4.
本発明の実施の形態4におけるパワーモジュールの模式断面図を図7に示す。図のように絶縁性基板2の導体層2aには段差が設けられている。エミッタ側リードフレーム8及びセンサ側リードフレーム9はこの段差に絶縁性樹脂12を介して配置される。ここで導体層2aに段差を設けることで、金属製リボン6の高さを低くでき、金属製リボンの長さを若干ではあるが短くできる。このため配線抵抗を抑制できるというメリットを奏する。
本発明の実施の形態4におけるパワーモジュールの模式断面図を図7に示す。図のように絶縁性基板2の導体層2aには段差が設けられている。エミッタ側リードフレーム8及びセンサ側リードフレーム9はこの段差に絶縁性樹脂12を介して配置される。ここで導体層2aに段差を設けることで、金属製リボン6の高さを低くでき、金属製リボンの長さを若干ではあるが短くできる。このため配線抵抗を抑制できるというメリットを奏する。
図8に絶縁性基板2の導体層2aに形成された段差2sの形状を示す。図のようにエミッタ側リードフレーム8とセンサ側リードフレーム9が収まるように段差2sが設けられている。このことで接着時の位置決め性も確保している。セラミック基板2cは、表側の主面には外周に余白部2xを残して導体層2aが形成されている。同様に、セラミック基板2cは、裏側の主面には外周に余白部2yを残して導体層2bが形成されている。
絶縁性基板2の導体層2a、2bは厚いほど基板の放熱性が高いというメリットがあるが、導体層2a、2bのパターンを厚くすると、セラミック基板2cと導体層2a、2bの熱応力が高まり、温度変化による熱応力が大きくなる。本実施の形態では絶縁性基板2の端部の導体パターン厚みを小さくできており、絶縁性基板2の熱応力を抑制することができた。
この時、実施の形態1と同様に、絶縁性樹脂12は導体層2aに接していない。絶縁性樹脂12aは上下の接着剤11によって導体層2aとエミッタ側リードフレーム8とに固着されている。同様に、絶縁性樹脂12bは上下の接着剤11によって導体層2aとセンサ側リードフレーム9とに固着されている。これにより絶縁距離を十分確保しながらエミッタ側リードフレーム8およびセンサ側リードフレーム9から基板への熱抵抗を抑制し、結果として金属製リボン6の温度を抑制できる。
実施の形態5.
本発明の実施の形態5におけるパワーモジュールの模式断面図を図9に示す。図のように絶縁性樹脂12は段差を備えている。図10は、絶縁性樹脂12の構成を示す詳細図である。絶縁性樹脂12の周囲に段差12sを設けたことにより同じ底面積であれば絶縁距離を更に確保可能となっている。電気的に低圧の場合は絶縁性を有する高粘度の接着剤11のみで絶縁経路を構成することができる。この場合、接着剤11の熱伝導率は絶縁性封止樹脂体14の熱伝導率よりも高いものを用いることは言うまでもない。
本発明の実施の形態5におけるパワーモジュールの模式断面図を図9に示す。図のように絶縁性樹脂12は段差を備えている。図10は、絶縁性樹脂12の構成を示す詳細図である。絶縁性樹脂12の周囲に段差12sを設けたことにより同じ底面積であれば絶縁距離を更に確保可能となっている。電気的に低圧の場合は絶縁性を有する高粘度の接着剤11のみで絶縁経路を構成することができる。この場合、接着剤11の熱伝導率は絶縁性封止樹脂体14の熱伝導率よりも高いものを用いることは言うまでもない。
電力半導体素子にSiCを用いた場合、電力半導体素子はその特徴を生かすべくSiの時と比較してより高温で動作させることになる。SiCデバイスを搭載するパワーモジュールにおいては、電力半導体素子としてより高い信頼性が求められるため、高信頼のパワーモジュールを実現するという本発明のメリットはより効果的なものとなる。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
1 ヒートシンク、1a フィン、2 絶縁性基板、2a 導体層、2b 導体層、2c セラミック基板、2s 段差、4 ダイボンド材、5 電力半導体素子、5a IGBT、5b ダイオード、5c センサ内蔵型半導体素子、6 金属製リボン、7 金属製ワイヤ、8 エミッタ側リードフレーム、9 センサ側リードフレーム、10 コレクタ側リードフレーム、11 接着剤、12 絶縁性樹脂、12s 段差、14 絶縁性封止樹脂体、15 ゲート側リードフレーム、100 パワーモジュール
Claims (6)
- 第1主面には外周に第1余白部を残して第1導体層が形成されており、第2主面には外周に第2余白部を残して第2導体層が形成されているセラミック基板と、
前記第2導体層に接合されている電力半導体素子と、
前記第2導体層に接着剤で固定されている第1絶縁部材と、
前記第2導体層に接着剤で固定されている第2絶縁部材と、
前記第1絶縁部材に接着剤で固定されている第1リードフレームと、
前記第2絶縁部材に接着剤で固定されている第2リードフレームと、
前記第2導体層に接合されている第3リードフレームと、
前記電力半導体素子と前記第1リードフレームを接続する金属製リボンと、
前記電力半導体素子と前記第2リードフレームを接続する金属製ワイヤと、
前記セラミック基板と前記電力半導体素子と前記金属製リボンと前記金属製ワイヤを封止する封止樹脂体とを備え、
前記第1導体層は前記封止樹脂体から露呈し、前記金属製リボンの幅は前記金属製ワイヤの直径よりも大きいパワーモジュール。 - 第1主面には外周に第1余白部を残して第1導体層が形成されており、第2主面には外周に第2余白部を残して第2導体層が形成されているセラミック基板と、
トランジスタとセンサが形成され、前記第2導体層に接合されている電力半導体素子と、前記第2導体層に接着剤で固定されている第1絶縁部材と、
前記第2導体層に接着剤で固定されている第2絶縁部材と、
前記第2導体層に接着剤で固定されている第3絶縁部材と、
前記第1絶縁部材に接着剤で固定されている第1リードフレームと、
前記第2絶縁部材に接着剤で固定されている第2リードフレームと、
前記第2導体層に接合されている第3リードフレームと、
前記第3絶縁部材に接着剤で固定されている第4リードフレームと、
前記トランジスタと前記第1リードフレームを接続する金属製リボンと、
前記トランジスタと前記第2リードフレームを接続する第1金属製ワイヤと、
前記センサと前記第4リードフレームを接続する第2金属製ワイヤと、
前記セラミック基板と前記電力半導体素子と前記金属製リボンと前記第1金属製ワイヤと前記第2金属製ワイヤを封止する封止樹脂体とを備え、
前記第1導体層は前記封止樹脂体から露呈し、前記金属製リボンの幅は前記第1金属製ワイヤの直径および前記第2金属製ワイヤの直径よりも大きいパワーモジュール。 - 前記電力半導体素子と前記第1絶縁部材の間に配設され前記第2導体層に接合されているダイオードを備え、
前記金属製リボンは、前記ダイオードに接続されてい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。 - 前記封止樹脂体は、前記第1絶縁部材および前記第2絶縁部材よりも熱伝導率が大きいことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載のパワーモジュール。
- 前記第2導体層の周囲には中央部よりも厚さが薄くなっている第1段差および第2段差が形成されていて、この第1段差および第2段差に前記第1絶縁部材および前記第2絶縁部材がそれぞれ接着されていることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載のパワーモジュール。
- 前記第1絶縁部材および前記第2絶縁部材は、外周が中央部よりも低くなっていることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項に記載のパワーモジュール。
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