JP2015103540A - Power semiconductor module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、パワー半導体チップの下面電極に電気的に接続される上面側導体パターンと、パワー半導体チップの上面電極に電気的に接続される上面側導体パターンと、下面側導体パターンとを有する絶縁基板を具備し、金属製放熱板と下面側導体パターンとの間の半田接合、および、上面側導体パターンと外部導出端子の下端部との間の半田接合の実行時に、ベーシング冶具の凹状上面にならって金属製放熱板の下面が凸状に変形するように、金属製放熱板をベーシング冶具に対して固定することにより製造されるパワー半導体モジュールに関する。 The present invention provides an insulation having an upper surface side conductor pattern electrically connected to the lower surface electrode of the power semiconductor chip, an upper surface side conductor pattern electrically connected to the upper surface electrode of the power semiconductor chip, and a lower surface side conductor pattern. When the soldering between the metal heat sink and the lower surface side conductor pattern and the soldering connection between the upper surface side conductor pattern and the lower end portion of the external lead terminal is performed, the concave upper surface of the basing jig is provided. It is related with the power semiconductor module manufactured by fixing a metal heat sink with respect to a basing jig so that the lower surface of a metal heat sink may deform | transform into convex shape.
特に、本発明は、金属製放熱板と絶縁基板の下面側導体パターンとの間の半田接合の信頼性を向上させつつ、絶縁基板の上面側導体パターンと外部導出端子の下端部との間の半田接合の信頼性を向上させることができるパワー半導体モジュールに関する。 In particular, the present invention improves the reliability of solder bonding between the metal heat sink and the lower surface side conductor pattern of the insulating substrate, and between the upper surface side conductor pattern of the insulating substrate and the lower end portion of the external lead-out terminal. The present invention relates to a power semiconductor module capable of improving the reliability of solder bonding.
更に、本発明は、パワー半導体チップの下面電極に電気的に接続される上面側導体パターンと、パワー半導体チップの上面電極に電気的に接続される上面側導体パターンと、下面側導体パターンとを有する絶縁基板を具備し、パワー半導体チップの上面電極と絶縁基板の上面側導体パターンとを電気的に接続するための接続部材を具備し、金属製放熱板と下面側導体パターンとの間の半田接合、および、パワー半導体チップの上面電極に電気的に接続される上面側導体パターンと接続部材の一方の下端部との間の半田接合の実行時に、ベーシング冶具の凹状上面にならって金属製放熱板の下面が凸状に変形するように、金属製放熱板をベーシング冶具に対して固定し、金属製放熱板上に配置された外囲ケース内にゲル状樹脂を充填し、ゲル状樹脂によってパワー半導体チップと接続部材とを覆ったパワー半導体モジュールに関する。 The present invention further includes an upper surface side conductor pattern electrically connected to the lower surface electrode of the power semiconductor chip, an upper surface side conductor pattern electrically connected to the upper surface electrode of the power semiconductor chip, and a lower surface side conductor pattern. A solder between the metal heat dissipation plate and the lower surface side conductor pattern, comprising a connecting member for electrically connecting the upper surface electrode of the power semiconductor chip and the upper surface side conductor pattern of the insulating substrate. When performing bonding and solder bonding between the upper surface side conductor pattern electrically connected to the upper surface electrode of the power semiconductor chip and one lower end portion of the connecting member, metal heat dissipation follows the concave upper surface of the basing jig. The metal heat sink is fixed to the basing jig so that the lower surface of the plate is deformed in a convex shape, the gel case resin is filled in the enclosing case arranged on the metal heat sink, It relates to a power semiconductor module covering the connecting member and the power semiconductor chip by fat.
特に、本発明は、金属製放熱板と絶縁基板の下面側導体パターンとの間の半田接合の信頼性を向上させつつ、パワー半導体チップの上面電極に電気的に接続される上面側導体パターンと接続部材の一方の下端部との間の半田接合の信頼性を向上させることができるパワー半導体モジュールに関する。 In particular, the present invention provides an upper surface side conductor pattern electrically connected to the upper surface electrode of the power semiconductor chip while improving the reliability of solder bonding between the metal heat sink and the lower surface side conductor pattern of the insulating substrate. The present invention relates to a power semiconductor module capable of improving the reliability of solder bonding between one lower end portion of a connection member.
従来から、上面側導体パターン(金属回路層)と、下面側導体パターン(金属回路層)とを有する絶縁基板を具備し、金属製放熱板(ベース)と下面側導体パターン(金属回路層)との間の半田接合の実行時に、ベーシング冶具(半田付け用冶具)の凹状上面にならって金属製放熱板(ベース)の下面が凸状に変形するように、金属製放熱板(ベース)をベーシング冶具(半田付け用冶具)に対して固定することにより製造されるパワー半導体モジュール(半導体装置)が知られている。この種のパワー半導体モジュールの例としては、例えば特許文献1(特開2010−199251号公報)の図1〜図6等に記載されたものがある。 Conventionally, an insulating substrate having an upper surface side conductor pattern (metal circuit layer) and a lower surface side conductor pattern (metal circuit layer) is provided, and a metal heat sink (base) and a lower surface side conductor pattern (metal circuit layer) The metal heat sink (base) is based so that the lower surface of the metal heat sink (base) deforms into a convex shape following the concave upper surface of the basing jig (soldering jig) when soldering between the two. A power semiconductor module (semiconductor device) manufactured by being fixed to a jig (soldering jig) is known. Examples of this type of power semiconductor module include those described in FIG. 1 to FIG. 6 of Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2010-199251), for example.
特許文献1に記載されたパワー半導体モジュールでは、パワー半導体チップが絶縁基板の上面側導体パターン(金属回路層)に搭載されている。また、樹脂材料によって形成された外囲ケース(プラスチックケース)が、金属製放熱板(ベース)上に配置されている。更に、外囲ケース(プラスチックケース)内にゲル状樹脂(液状ゲル)が充填され、ゲル状樹脂(液状ゲル)によってパワー半導体チップが覆われている。
In the power semiconductor module described in
ところで、特許文献1には、パワー半導体チップの上面電極に電気的に接続される外部導出端子について記載されていない。また、パワー半導体チップの下面電極に電気的に接続される外部導出端子についても記載されていない。
Incidentally,
つまり、特許文献1には、金属製放熱板(ベース)と絶縁基板の下面側導体パターン(金属回路層)との間の半田接合に用いられる半田について記載されているものの、絶縁基板の上面側導体パターン(金属回路層)と外部導出端子の下端部との間の半田接合に用いられる半田について記載されていない。
That is,
そのため、特許文献1に記載されたパワー半導体モジュールでは、金属製放熱板(ベース)と絶縁基板の下面側導体パターン(金属回路層)との間の半田接合の信頼性を向上させつつ、絶縁基板の上面側導体パターン(金属回路層)と外部導出端子の下端部との間の半田接合の信頼性を向上させるように、ベーシング冶具(半田付け用冶具)を用いて半田接合を実行することができない。
Therefore, in the power semiconductor module described in
また、特許文献1には、パワー半導体チップの上面電極と絶縁基板の上面側導体パターン(金属回路層)とを電気的に接続するための接続部材として金属板を用い、その金属板を半田接合する旨が記載されているものの、金属板の半田接合に用いられる半田の詳細について記載されていない。
In
そのため、特許文献1に記載されたパワー半導体モジュールでは、金属製放熱板(ベース)と絶縁基板の下面側導体パターン(金属回路層)との間の半田接合の信頼性を向上させつつ、パワー半導体チップの上面電極に電気的に接続される上面側導体パターン(金属回路層)と接続部材(金属板)の一方の下端部との間の半田接合の信頼性を向上させるように、ベーシング冶具(半田付け用冶具)を用いた半田接合を実行することができない。
Therefore, in the power semiconductor module described in
前記問題点に鑑み、本発明は、金属製放熱板と絶縁基板の下面側導体パターンとの間の半田接合の信頼性を向上させつつ、絶縁基板の上面側導体パターンと外部導出端子の下端部との間の半田接合の信頼性を向上させることができるパワー半導体モジュールを提供することを目的とする。 In view of the above problems, the present invention improves the reliability of solder bonding between the metal heat sink and the lower surface side conductor pattern of the insulating substrate, while reducing the upper surface side conductor pattern of the insulating substrate and the lower end portion of the external lead terminal. It is an object of the present invention to provide a power semiconductor module that can improve the reliability of solder joints between the two.
更に、本発明は、金属製放熱板と絶縁基板の下面側導体パターンとの間の半田接合の信頼性を向上させつつ、パワー半導体チップの上面電極に電気的に接続される上面側導体パターンと接続部材の一方の下端部との間の半田接合の信頼性を向上させることができるパワー半導体モジュールを提供することを目的とする。 Furthermore, the present invention provides an upper surface side conductor pattern electrically connected to the upper surface electrode of the power semiconductor chip while improving the reliability of solder bonding between the metal heat sink and the lower surface side conductor pattern of the insulating substrate. An object of the present invention is to provide a power semiconductor module capable of improving the reliability of solder bonding between one lower end portion of a connection member.
請求項1に記載の発明によれば、大電流が流れる上面電極と、大電流が流れる下面電極とを有するパワー半導体チップ(3a)を設け、
絶縁層(2a)と、パワー半導体チップ(3a)を搭載するために絶縁層(2a)の上面側に形成され、かつ、パワー半導体チップ(3a)の下面電極に電気的に接続される第1上面側導体パターン(2b1)と、絶縁層(2a)の上面側に形成され、かつ、パワー半導体チップ(3a)の上面電極に電気的に接続される第2上面側導体パターン(2b2)と、絶縁層(2a)の下面側に形成された下面側導体パターン(2c)とを有する絶縁基板(2)を設け、
パワー半導体チップ(3a)が発生した熱を放熱するための金属製放熱板(1)を設け、
右側壁(6d)と左側壁(6e)と前側壁(6f)と後側壁(6g)とを有し、電気絶縁性樹脂材料の成形によって形成された外囲ケース(6)を設け、
第2上面側導体パターン(2b2)に電気的に接続される下端部(6a4)を有する第1外部導出端子(6a)を、外囲ケース(6)にインサート成形し、
第1上面側導体パターン(2b1)に電気的に接続される下端部(6b4)を有する第2外部導出端子(6b)を、外囲ケース(6)にインサート成形し、
金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間の半田接合、絶縁基板(2)の第1上面側導体パターン(2b1)と第2外部導出端子(6b)の下端部(6b4)との間の半田接合、および、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と第1外部導出端子(6a)の下端部(6a4)との間の半田接合の実行時に、ベーシング冶具の凹状上面にならって金属製放熱板(1)の下面が凸状に変形するように、金属製放熱板(1)をベーシング冶具に対して固定することにより製造されるパワー半導体モジュール(100)において、
金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田(10a)を用い、
絶縁基板(2)の第1上面側導体パターン(2b1)と第2外部導出端子(6b)の下端部(6b4)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田(10a)よりも引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田(10f2)を用い、
絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と第1外部導出端子(6a)の下端部(6a4)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田(10a)よりも引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田(10f1)を用いたことを特徴とするパワー半導体モジュール(100)が提供される。
According to the first aspect of the present invention, a power semiconductor chip (3a) having an upper surface electrode through which a large current flows and a lower surface electrode through which a large current flows is provided.
A first insulating layer (2a) is formed on the upper surface side of the insulating layer (2a) for mounting the power semiconductor chip (3a) and is electrically connected to the lower surface electrode of the power semiconductor chip (3a). An upper surface side conductor pattern (2b1), a second upper surface side conductor pattern (2b2) formed on the upper surface side of the insulating layer (2a) and electrically connected to the upper surface electrode of the power semiconductor chip (3a); An insulating substrate (2) having a lower surface side conductor pattern (2c) formed on the lower surface side of the insulating layer (2a);
A metal heat radiating plate (1) for radiating the heat generated by the power semiconductor chip (3a) is provided,
An outer case (6) having a right side wall (6d), a left side wall (6e), a front side wall (6f), and a rear side wall (6g), formed by molding an electrically insulating resin material;
A first external lead terminal (6a) having a lower end (6a4) electrically connected to the second upper surface side conductor pattern (2b2) is insert-molded into the outer case (6);
A second outer lead-out terminal (6b) having a lower end (6b4) electrically connected to the first upper surface side conductor pattern (2b1) is insert-molded in the outer case (6);
Solder joint between the metal heat sink (1) and the lower surface side conductor pattern (2c) of the insulating substrate (2), the first upper surface side conductor pattern (2b1) of the insulating substrate (2) and the second external lead terminal ( 6b) between the lower end (6b4) of the solder and between the second upper surface side conductor pattern (2b2) of the insulating substrate (2) and the lower end (6a4) of the first external lead-out terminal (6a). By fixing the metal heat radiating plate (1) to the basing jig so that the lower surface of the metal heat radiating plate (1) is deformed into a convex shape following the concave upper surface of the basing jig during the soldering of In the manufactured power semiconductor module (100),
Pb-free solder (10a) containing Sb is used for solder bonding between the metal heat sink (1) and the lower surface side conductor pattern (2c) of the insulating substrate (2).
More than the Pb-free solder (10a) containing Sb in the solder joint between the first upper surface side conductor pattern (2b1) of the insulating substrate (2) and the lower end (6b4) of the second external lead-out terminal (6b). Using a Pb-free solder (10f2) having a low tensile strength and containing no Sb,
More than the Pb-free solder (10a) containing Sb in the solder joint between the second upper surface side conductor pattern (2b2) of the insulating substrate (2) and the lower end (6a4) of the first external lead-out terminal (6a). There is provided a power semiconductor module (100) characterized by using Pb-free solder (10f1) having a low tensile strength and containing no Sb.
請求項2に記載の発明によれば、大電流が流れる上面電極と、大電流が流れる下面電極とを有するパワー半導体チップ(3a)を設け、
絶縁層(2a)と、パワー半導体チップ(3a)を搭載するために絶縁層(2a)の上面側に形成され、かつ、パワー半導体チップ(3a)の下面電極に電気的に接続される第1上面側導体パターン(2b1)と、絶縁層(2a)の上面側に形成され、かつ、パワー半導体チップ(3a)の上面電極に電気的に接続される第2上面側導体パターン(2b2)と、絶縁層(2a)の下面側に形成された下面側導体パターン(2c)とを有する絶縁基板(2)を設け、
パワー半導体チップ(3a)が発生した熱を放熱するための金属製放熱板(1)を設け、
第2上面側導体パターン(2b2)に電気的に接続される下端部(6a4)を有する第1外部導出端子(6a)を設け、
第1上面側導体パターン(2b1)に電気的に接続される下端部(6b4)を有する第2外部導出端子(6b)を設け、
右側壁(6d)と左側壁(6e)と前側壁(6f)と後側壁(6g)とを有し、電気絶縁性樹脂材料の成形によって形成された外囲ケース(6)を設け、
金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間の半田接合、絶縁基板(2)の第1上面側導体パターン(2b1)と第2外部導出端子(6b)の下端部(6b4)との間の半田接合、および、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と第1外部導出端子(6a)の下端部(6a4)との間の半田接合の実行時に、ベーシング冶具の凹状上面にならって金属製放熱板(1)の下面が凸状に変形するように、金属製放熱板(1)をベーシング冶具に対して固定し、
金属製放熱板(1)上に配置された外囲ケース(6)内にゲル状樹脂を充填し、ゲル状樹脂によって、パワー半導体チップ(3a)と、第1外部導出端子(6a)の中央部(6a2)および下端部(6a4)と、第2外部導出端子(6b)の中央部(6b2)および下端部(6b4)とを覆ったパワー半導体モジュール(100)において、
金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田(10a)を用い、
絶縁基板(2)の第1上面側導体パターン(2b1)と第2外部導出端子(6b)の下端部(6b4)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田(10a)よりも引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田(10f2)を用い、
絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と第1外部導出端子(6a)の下端部(6a4)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田(10a)よりも引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田(10f1)を用いたことを特徴とするパワー半導体モジュール(100)が提供される。
According to invention of
A first insulating layer (2a) is formed on the upper surface side of the insulating layer (2a) for mounting the power semiconductor chip (3a) and is electrically connected to the lower surface electrode of the power semiconductor chip (3a). An upper surface side conductor pattern (2b1), a second upper surface side conductor pattern (2b2) formed on the upper surface side of the insulating layer (2a) and electrically connected to the upper surface electrode of the power semiconductor chip (3a); An insulating substrate (2) having a lower surface side conductor pattern (2c) formed on the lower surface side of the insulating layer (2a);
A metal heat radiating plate (1) for radiating the heat generated by the power semiconductor chip (3a) is provided,
A first external lead terminal (6a) having a lower end (6a4) electrically connected to the second upper surface side conductor pattern (2b2);
A second external lead terminal (6b) having a lower end (6b4) electrically connected to the first upper surface side conductor pattern (2b1) is provided,
An outer case (6) having a right side wall (6d), a left side wall (6e), a front side wall (6f), and a rear side wall (6g), formed by molding an electrically insulating resin material;
Solder joint between the metal heat sink (1) and the lower surface side conductor pattern (2c) of the insulating substrate (2), the first upper surface side conductor pattern (2b1) of the insulating substrate (2) and the second external lead terminal ( 6b) between the lower end (6b4) of the solder and between the second upper surface side conductor pattern (2b2) of the insulating substrate (2) and the lower end (6a4) of the first external lead-out terminal (6a). At the time of performing the solder joining, the metal heat radiating plate (1) is fixed to the basing jig so that the lower surface of the metal heat radiating plate (1) deforms into a convex shape following the concave upper surface of the basing jig,
The outer casing (6) disposed on the metal heat sink (1) is filled with a gel resin, and the gel semiconductor allows the power semiconductor chip (3a) and the center of the first external lead-out terminal (6a). In the power semiconductor module (100) covering the part (6a2) and the lower end part (6a4) and the central part (6b2) and the lower end part (6b4) of the second external lead-out terminal (6b),
Pb-free solder (10a) containing Sb is used for solder bonding between the metal heat sink (1) and the lower surface side conductor pattern (2c) of the insulating substrate (2).
More than the Pb-free solder (10a) containing Sb in the solder joint between the first upper surface side conductor pattern (2b1) of the insulating substrate (2) and the lower end (6b4) of the second external lead-out terminal (6b). Using a Pb-free solder (10f2) having a low tensile strength and containing no Sb,
More than the Pb-free solder (10a) containing Sb in the solder joint between the second upper surface side conductor pattern (2b2) of the insulating substrate (2) and the lower end (6a4) of the first external lead-out terminal (6a). There is provided a power semiconductor module (100) characterized by using Pb-free solder (10f1) having a low tensile strength and containing no Sb.
請求項3に記載の発明によれば、大電流が流れる上面電極と、大電流が流れる下面電極とを有するパワー半導体チップ(3a)を設け、
絶縁層(2a)と、パワー半導体チップ(3a)を搭載するために絶縁層(2a)の上面側に形成され、かつ、パワー半導体チップ(3a)の下面電極に電気的に接続される第1上面側導体パターン(2b1)と、絶縁層(2a)の上面側に形成され、かつ、パワー半導体チップ(3a)の上面電極に電気的に接続される第2上面側導体パターン(2b2)と、絶縁層(2a)の下面側に形成された下面側導体パターン(2c)とを有する絶縁基板(2)を設け、
パワー半導体チップ(3a)が発生した熱を放熱するための金属製放熱板(1)を設け、
パワー半導体チップ(3a)の上面電極と絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)とを電気的に接続するための接続部材(5a)を設け、
右側壁(6d)と左側壁(6e)と前側壁(6f)と後側壁(6g)とを有し、電気絶縁性樹脂材料の成形によって形成された外囲ケース(6)を設け、
金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間の半田接合、および、接続部材(5a)の一方の下端部(5a1)と絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)との間の半田接合の実行時に、ベーシング冶具の凹状上面にならって金属製放熱板(1)の下面が凸状に変形するように、金属製放熱板(1)をベーシング冶具に対して固定し、
金属製放熱板(1)上に配置された外囲ケース(6)内にゲル状樹脂を充填し、ゲル状樹脂によってパワー半導体チップ(3a)と接続部材(5a)とを覆ったパワー半導体モジュール(100)において、
金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田(10a)を用い、
絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と接続部材(5a)の一方の下端部(5a1)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田(10a)よりも引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田(10d1)を用いたことを特徴とするパワー半導体モジュール(100)が提供される。
According to invention of
A first insulating layer (2a) is formed on the upper surface side of the insulating layer (2a) for mounting the power semiconductor chip (3a) and is electrically connected to the lower surface electrode of the power semiconductor chip (3a). An upper surface side conductor pattern (2b1), a second upper surface side conductor pattern (2b2) formed on the upper surface side of the insulating layer (2a) and electrically connected to the upper surface electrode of the power semiconductor chip (3a); An insulating substrate (2) having a lower surface side conductor pattern (2c) formed on the lower surface side of the insulating layer (2a);
A metal heat radiating plate (1) for radiating the heat generated by the power semiconductor chip (3a) is provided,
A connection member (5a) for electrically connecting the upper surface electrode of the power semiconductor chip (3a) and the second upper surface side conductor pattern (2b2) of the insulating substrate (2);
An outer case (6) having a right side wall (6d), a left side wall (6e), a front side wall (6f), and a rear side wall (6g), formed by molding an electrically insulating resin material;
Solder joint between the metal heat sink (1) and the lower surface side conductor pattern (2c) of the insulating substrate (2), and one lower end (5a1) of the connecting member (5a) and the insulating substrate (2) When performing solder joining with the second upper surface side conductor pattern (2b2), a metal heat radiating plate (1) is formed so that the lower surface of the metal heat radiating plate (1) deforms into a convex shape following the concave upper surface of the basing jig. 1) is fixed to the basing jig,
A power semiconductor module in which an enclosing case (6) disposed on a metal heat sink (1) is filled with a gel resin and the power semiconductor chip (3a) and the connection member (5a) are covered with the gel resin. (100)
Pb-free solder (10a) containing Sb is used for solder bonding between the metal heat sink (1) and the lower surface side conductor pattern (2c) of the insulating substrate (2).
The solder joint between the second upper surface side conductor pattern (2b2) of the insulating substrate (2) and one lower end portion (5a1) of the connection member (5a) is pulled more than the Pb-free solder (10a) containing Sb. There is provided a power semiconductor module (100) characterized by using a Pb-free solder (10d1) having low strength and containing no Sb.
請求項4に記載の発明によれば、大電流が流れる上面電極と、大電流が流れる下面電極とを有する第1パワー半導体チップ(3a)を設け、
大電流が流れる上面電極と、大電流が流れる下面電極とを有する第2パワー半導体チップ(3c)を設け、
絶縁層(2a)と、第1パワー半導体チップ(3a)および第2パワー半導体チップ(3c)を搭載するために絶縁層(2a)の上面側に形成され、かつ、第1パワー半導体チップ(3a)の下面電極および第2パワー半導体チップ(3c)の下面電極に電気的に接続される第1上面側導体パターン(2b1)と、絶縁層(2a)の上面側に形成され、かつ、第1パワー半導体チップ(3a)の上面電極に電気的に接続される第2上面側導体パターン(2b2)と、絶縁層(2a)の上面側に形成され、かつ、第2パワー半導体チップ(3c)の上面電極に電気的に接続される第3上面側導体パターン(2b6)と、絶縁層(2a)の下面側に形成された下面側導体パターン(2c)とを有する絶縁基板(2)を設け、
第1パワー半導体チップ(3a)および第2パワー半導体チップ(3c)が発生した熱を放熱するための金属製放熱板(1)を設け、
第2上面側導体パターン(2b2)に電気的に接続される下端部(6a4)を有する第1外部導出端子(6a)を設け、
第3上面側導体パターン(2b6)に電気的に接続される下端部(6b4)を有する第2外部導出端子(6b)を設け、
右側壁(6d)と左側壁(6e)と前側壁(6f)と後側壁(6g)とを有し、電気絶縁性樹脂材料の成形によって形成された外囲ケース(6)を設け、
金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間の半田接合、絶縁基板(2)の第3上面側導体パターン(2b6)と第2外部導出端子(6b)の下端部(6b4)との間の半田接合、および、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と第1外部導出端子(6a)の下端部(6a4)との間の半田接合の実行時に、ベーシング冶具の凹状上面にならって金属製放熱板(1)の下面が凸状に変形するように、金属製放熱板(1)をベーシング冶具に対して固定し、
金属製放熱板(1)上に配置された外囲ケース(6)内にゲル状樹脂を充填し、ゲル状樹脂によって、第1パワー半導体チップ(3a)と、第2パワー半導体チップ(3c)と、第1外部導出端子(6a)の中央部(6a2)および下端部(6a4)と、第2外部導出端子(6b)の中央部(6b2)および下端部(6b4)とを覆ったパワー半導体モジュール(100)において、
金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田(10a)を用い、
絶縁基板(2)の第3上面側導体パターン(2b6)と第2外部導出端子(6b)の下端部(6b4)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田(10a)よりも引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田(10f2)を用い、
絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と第1外部導出端子(6a)の下端部(6a4)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田(10a)よりも引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田(10f1)を用いたことを特徴とするパワー半導体モジュール(100)が提供される。
According to invention of
Providing a second power semiconductor chip (3c) having a top electrode through which a large current flows and a bottom electrode through which a large current flows;
An insulating layer (2a) is formed on the upper surface side of the insulating layer (2a) for mounting the first power semiconductor chip (3a) and the second power semiconductor chip (3c), and the first power semiconductor chip (3a) ) And the first upper surface side conductor pattern (2b1) electrically connected to the lower surface electrode of the second power semiconductor chip (3c), and the first upper surface side conductor pattern (2a). The second upper surface side conductor pattern (2b2) electrically connected to the upper surface electrode of the power semiconductor chip (3a), the upper surface side of the insulating layer (2a), and the second power semiconductor chip (3c) Providing an insulating substrate (2) having a third upper surface side conductor pattern (2b6) electrically connected to the upper surface electrode and a lower surface side conductor pattern (2c) formed on the lower surface side of the insulating layer (2a);
A metal heat dissipating plate (1) for dissipating heat generated by the first power semiconductor chip (3a) and the second power semiconductor chip (3c);
A first external lead terminal (6a) having a lower end (6a4) electrically connected to the second upper surface side conductor pattern (2b2);
A second external lead terminal (6b) having a lower end (6b4) electrically connected to the third upper surface side conductor pattern (2b6);
An outer case (6) having a right side wall (6d), a left side wall (6e), a front side wall (6f), and a rear side wall (6g), formed by molding an electrically insulating resin material;
Solder bonding between the metal heat sink (1) and the lower surface side conductor pattern (2c) of the insulating substrate (2), the third upper surface side conductor pattern (2b6) of the insulating substrate (2) and the second external lead terminal ( 6b) between the lower end (6b4) of the solder and between the second upper surface side conductor pattern (2b2) of the insulating substrate (2) and the lower end (6a4) of the first external lead-out terminal (6a). At the time of performing the solder joining, the metal heat radiating plate (1) is fixed to the basing jig so that the lower surface of the metal heat radiating plate (1) deforms into a convex shape following the concave upper surface of the basing jig,
The outer casing (6) disposed on the metal heat sink (1) is filled with a gel resin, and the first power semiconductor chip (3a) and the second power semiconductor chip (3c) are filled with the gel resin. And a power semiconductor covering the central part (6a2) and the lower end part (6a4) of the first external lead-out terminal (6a) and the central part (6b2) and the lower end part (6b4) of the second external lead-out terminal (6b) In module (100),
Pb-free solder (10a) containing Sb is used for solder bonding between the metal heat sink (1) and the lower surface side conductor pattern (2c) of the insulating substrate (2).
More than the Pb-free solder (10a) containing Sb in the solder joint between the third upper surface side conductor pattern (2b6) of the insulating substrate (2) and the lower end portion (6b4) of the second external lead-out terminal (6b). Using a Pb-free solder (10f2) having a low tensile strength and containing no Sb,
More than the Pb-free solder (10a) containing Sb in the solder joint between the second upper surface side conductor pattern (2b2) of the insulating substrate (2) and the lower end (6a4) of the first external lead-out terminal (6a). There is provided a power semiconductor module (100) characterized by using Pb-free solder (10f1) having a low tensile strength and containing no Sb.
請求項1に記載のパワー半導体モジュール(100)では、大電流が流れる上面電極と、大電流が流れる下面電極とを有するパワー半導体チップ(3a)が設けられている。また、絶縁層(2a)と、パワー半導体チップ(3a)を搭載するために絶縁層(2a)の上面側に形成され、かつ、パワー半導体チップ(3a)の下面電極に電気的に接続される第1上面側導体パターン(2b1)と、絶縁層(2a)の上面側に形成され、かつ、パワー半導体チップ(3a)の上面電極に電気的に接続される第2上面側導体パターン(2b2)と、絶縁層(2a)の下面側に形成された下面側導体パターン(2c)とを有する絶縁基板(2)が設けられている。更に、パワー半導体チップ(3a)が発生した熱を放熱するための金属製放熱板(1)が設けられている。
The power semiconductor module (100) according to
また、請求項1に記載のパワー半導体モジュール(100)では、右側壁(6d)と左側壁(6e)と前側壁(6f)と後側壁(6g)とを有し、電気絶縁性樹脂材料の成形によって形成された外囲ケース(6)が設けられている。更に、第2上面側導体パターン(2b2)に電気的に接続される下端部(6a4)を有する第1外部導出端子(6a)が、外囲ケース(6)にインサート成形されている。また、第1上面側導体パターン(2b1)に電気的に接続される下端部(6b4)を有する第2外部導出端子(6b)が、外囲ケース(6)にインサート成形されている。
The power semiconductor module (100) according to
更に、請求項1に記載のパワー半導体モジュール(100)では、金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間の半田接合、絶縁基板(2)の第1上面側導体パターン(2b1)と第2外部導出端子(6b)の下端部(6b4)との間の半田接合、および、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と第1外部導出端子(6a)の下端部(6a4)との間の半田接合の実行時に、ベーシング冶具の凹状上面にならって金属製放熱板(1)の下面が凸状に変形するように、金属製放熱板(1)がベーシング冶具に対して固定される。
Furthermore, in the power semiconductor module (100) according to
近年、パワー半導体モジュールには、高い信頼性が要求されている。具体的には、厳しい温度サイクル試験に耐えることが要求されている。 In recent years, high reliability is required for power semiconductor modules. Specifically, it is required to withstand severe temperature cycle tests.
そこで、本発明者等は、パワー半導体モジュールに対する近年の高信頼性要求に応えるために、金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間の半田接合の温度サイクル試験を行った。具体的には、本発明者等の研究において、金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間の半田接合に、引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間のSbを含有しないPbフリー半田が剥離してしまうことが確認された。 In order to meet the recent high reliability requirements for power semiconductor modules, the present inventors have made solder bonding between the metal heat sink (1) and the lower conductor pattern (2c) of the insulating substrate (2). The temperature cycle test was conducted. Specifically, in the study by the present inventors, the solder joint between the metal heat sink (1) and the lower surface conductor pattern (2c) of the insulating substrate (2) contains Sb having a low tensile strength. A temperature cycle test was conducted using Pb-free solder. As a result, after the temperature cycle test, it was confirmed that the Pb-free solder containing no Sb between the metal heat sink (1) and the lower surface side conductor pattern (2c) of the insulating substrate (2) peeled off. .
本発明者等は、金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間の半田の引張強度が不足していると考え、本発明者等の研究において、金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間のSbを含有するPbフリー半田が剥離しないことが確認された。 The present inventors consider that the tensile strength of the solder between the metal heat sink (1) and the lower surface side conductor pattern (2c) of the insulating substrate (2) is insufficient, A temperature cycle test was conducted using Pb-free solder containing Sb with high tensile strength for solder bonding between the metal heat sink (1) and the lower surface conductor pattern (2c) of the insulating substrate (2). It was. As a result, it was confirmed that the Pb-free solder containing Sb between the metal heat sink (1) and the lower surface side conductor pattern (2c) of the insulating substrate (2) did not peel after the temperature cycle test.
更に、本発明者等は、パワー半導体モジュールに対する近年の高信頼性要求に応えるために、絶縁基板(2)の第1上面側導体パターン(2b1)と第2外部導出端子(6b)の下端部(6b4)との間の半田接合の温度サイクル試験を行った。具体的には、本発明者等の研究において、絶縁基板(2)の第1上面側導体パターン(2b1)と第2外部導出端子(6b)の下端部(6b4)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、絶縁基板(2)の第1上面側導体パターン(2b1)と第2外部導出端子(6b)の下端部(6b4)との間のSbを含有するPbフリー半田の剥離は認められないものの、絶縁基板(2)の第1上面側導体パターン(2b1)が破損してしまうことが確認された。 Furthermore, in order to meet the recent high reliability requirements for the power semiconductor module, the present inventors have provided the first upper surface side conductor pattern (2b1) of the insulating substrate (2) and the lower end portion of the second external lead-out terminal (6b). A temperature cycle test of solder joint with (6b4) was performed. Specifically, in the research by the present inventors, solder bonding between the first upper surface side conductor pattern (2b1) of the insulating substrate (2) and the lower end portion (6b4) of the second external lead-out terminal (6b) is performed. A temperature cycle test was performed using a Pb-free solder containing Sb having a high tensile strength. As a result, after the temperature cycle test, the Pb-free solder containing Sb between the first upper surface side conductor pattern (2b1) of the insulating substrate (2) and the lower end portion (6b4) of the second external lead-out terminal (6b). Although no peeling was observed, it was confirmed that the first upper surface side conductor pattern (2b1) of the insulating substrate (2) was damaged.
外囲ケース(6)にインサート成形されている第2外部導出端子(6b)の温度サイクル試験時の上下方向の熱膨張量・熱収縮量と、樹脂材料によって構成されている外囲ケース(6)の温度サイクル試験時の上下方向の熱膨張量・熱収縮量とが異なるため、絶縁基板(2)の第1上面側導体パターン(2b1)と第2外部導出端子(6b)の下端部(6b4)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用いると、温度サイクル試験時に、第2外部導出端子(6b)の上下方向の熱膨張量・熱収縮量と、外囲ケース(6)の上下方向の熱膨張量・熱収縮量との差分を、Sbを含有するPbフリー半田の変形によって十分に吸収することができず、その結果、絶縁基板(2)の第1上面側導体パターン(2b1)にかかる熱応力によって、絶縁基板(2)の第1上面側導体パターン(2b1)が破損したと、本発明者等は考えた。 The amount of thermal expansion and contraction in the vertical direction during the temperature cycle test of the second external lead terminal (6b) insert-molded in the outer case (6), and the outer case (6 ) Is different from the amount of thermal expansion and contraction in the vertical direction during the temperature cycle test, so the first upper surface side conductor pattern (2b1) of the insulating substrate (2) and the lower end portion of the second external lead terminal (6b) ( 6b4) When using Pb-free solder with high tensile strength and containing Sb for solder joint with 6b4), the amount of thermal expansion and contraction in the vertical direction of the second external lead-out terminal (6b) during the temperature cycle test And the amount of thermal expansion and contraction in the vertical direction of the outer casing (6) cannot be sufficiently absorbed by deformation of the Pb-free solder containing Sb. As a result, the insulating substrate (2 ) First upper surface side conductor pattern (2b1) By such thermal stress, the first upper surface conductor pattern of the insulating substrate (2) (2b1) is corrupted, the present inventors have thought.
そこで、本発明者等の研究において、絶縁基板(2)の第1上面側導体パターン(2b1)と第2外部導出端子(6b)の下端部(6b4)との間の半田接合に、引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、絶縁基板(2)の第1上面側導体パターン(2b1)と第2外部導出端子(6b)の下端部(6b4)との間のSbを含有しないPbフリー半田が剥離せず、絶縁基板(2)の第1上面側導体パターン(2b1)も破損しないことが確認された。 Therefore, in the research by the present inventors, the tensile strength is applied to the solder joint between the first upper surface side conductor pattern (2b1) of the insulating substrate (2) and the lower end portion (6b4) of the second external lead-out terminal (6b). A temperature cycle test was conducted using Pb-free solder having a low Sb content and containing no Sb. As a result, after the temperature cycle test, Pb-free solder containing no Sb between the first upper surface side conductor pattern (2b1) of the insulating substrate (2) and the lower end portion (6b4) of the second external lead-out terminal (6b) is obtained. It was confirmed that the first upper surface side conductor pattern (2b1) of the insulating substrate (2) was not damaged without peeling.
また、本発明者等は、パワー半導体モジュールに対する近年の高信頼性要求に応えるために、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と第1外部導出端子(6a)の下端部(6a4)との間の半田接合の温度サイクル試験を行った。具体的には、本発明者等の研究において、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と第1外部導出端子(6a)の下端部(6a4)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と第1外部導出端子(6a)の下端部(6a4)との間のSbを含有するPbフリー半田の剥離は認められないものの、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)が破損してしまうことが確認された。 In order to meet the recent high reliability requirements for the power semiconductor module, the present inventors have provided the second upper surface side conductor pattern (2b2) of the insulating substrate (2) and the lower end portion of the first external lead terminal (6a). A temperature cycle test of solder joint with (6a4) was performed. Specifically, in the research by the present inventors, solder bonding between the second upper surface side conductor pattern (2b2) of the insulating substrate (2) and the lower end portion (6a4) of the first external lead-out terminal (6a) is performed. A temperature cycle test was performed using a Pb-free solder containing Sb having a high tensile strength. As a result, after the temperature cycle test, the Pb-free solder containing Sb between the second upper surface side conductor pattern (2b2) of the insulating substrate (2) and the lower end portion (6a4) of the first external lead-out terminal (6a). Although no separation was observed, it was confirmed that the second upper surface side conductor pattern (2b2) of the insulating substrate (2) was damaged.
外囲ケース(6)にインサート成形されている第1外部導出端子(6a)の温度サイクル試験時の上下方向の熱膨張量・熱収縮量と、樹脂材料によって構成されている外囲ケース(6)の温度サイクル試験時の上下方向の熱膨張量・熱収縮量とが異なるため、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と第1外部導出端子(6a)の下端部(6a4)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用いると、温度サイクル試験時に、第1外部導出端子(6a)の上下方向の熱膨張量・熱収縮量と、外囲ケース(6)の上下方向の熱膨張量・熱収縮量との差分を、Sbを含有するPbフリー半田の変形によって十分に吸収することができず、その結果、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)にかかる熱応力によって、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)が破損したと、本発明者等は考えた。 The amount of thermal expansion and contraction in the vertical direction during the temperature cycle test of the first external lead terminal (6a) insert-molded in the outer case (6), and the outer case (6 ) Is different from the amount of thermal expansion / contraction in the vertical direction at the time of the temperature cycle test, the second upper surface side conductor pattern (2b2) of the insulating substrate (2) and the lower end portion of the first external lead terminal (6a) ( When a Pb-free solder containing Sb and having high tensile strength is used for solder joint with 6a4), the amount of thermal expansion and contraction in the vertical direction of the first external lead-out terminal (6a) during the temperature cycle test And the amount of thermal expansion and contraction in the vertical direction of the outer casing (6) cannot be sufficiently absorbed by deformation of the Pb-free solder containing Sb. As a result, the insulating substrate (2 ) Second upper surface side conductor pattern (2b2) By such thermal stress, the second upper surface conductor pattern of the insulating substrate (2) (2b2) is corrupted, the present inventors have thought.
そこで、本発明者等の研究において、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と第1外部導出端子(6a)の下端部(6a4)との間の半田接合に、引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と第1外部導出端子(6a)の下端部(6a4)との間のSbを含有しないPbフリー半田が剥離せず、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)も破損しないことが確認された。 Therefore, in the research by the present inventors, the tensile strength is applied to the solder joint between the second upper surface side conductor pattern (2b2) of the insulating substrate (2) and the lower end portion (6a4) of the first external lead-out terminal (6a). A temperature cycle test was conducted using Pb-free solder having a low Sb content and containing no Sb. As a result, after the temperature cycle test, the Pb-free solder containing no Sb between the second upper surface side conductor pattern (2b2) of the insulating substrate (2) and the lower end portion (6a4) of the first external lead-out terminal (6a) is obtained. It was confirmed that the second upper surface side conductor pattern (2b2) of the insulating substrate (2) was not damaged without peeling.
本発明者等の研究結果に鑑み、請求項1に記載のパワー半導体モジュール(100)では、金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田(10a)が用いられている。
In view of the research results of the present inventors, in the power semiconductor module (100) according to
そのため、請求項1に記載のパワー半導体モジュール(100)によれば、温度サイクル試験後の金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間の半田(10a)の剥離を回避することができ、金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間の半田接合の信頼性を向上させることができる。 Therefore, according to the power semiconductor module (100) of the first aspect, the solder (1) between the metal heat sink (1) after the temperature cycle test and the lower surface side conductor pattern (2c) of the insulating substrate (2) The peeling of 10a) can be avoided, and the reliability of solder bonding between the metal heat sink (1) and the lower conductor pattern (2c) of the insulating substrate (2) can be improved.
更に、請求項1に記載のパワー半導体モジュール(100)では、絶縁基板(2)の第1上面側導体パターン(2b1)と第2外部導出端子(6b)の下端部(6b4)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田(10a)よりも引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田(10f2)が用いられている。
Furthermore, in the power semiconductor module (100) according to
そのため、請求項1に記載のパワー半導体モジュール(100)によれば、温度サイクル試験後の絶縁基板(2)の第1上面側導体パターン(2b1)と第2外部導出端子(6b)の下端部(6b4)との間の半田(10f2)の剥離および絶縁基板(2)の第1上面側導体パターン(2b1)の破損を同時に回避することができ、絶縁基板(2)の第1上面側導体パターン(2b1)と第2外部導出端子(6b)の下端部(6b4)との間の半田接合の信頼性を向上させることができる。
Therefore, according to the power semiconductor module (100) of
また、請求項1に記載のパワー半導体モジュール(100)では、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と第1外部導出端子(6a)の下端部(6a4)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田(10a)よりも引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田(10f1)が用いられている。
In the power semiconductor module (100) according to
そのため、請求項1に記載のパワー半導体モジュール(100)によれば、温度サイクル試験後の絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と第1外部導出端子(6a)の下端部(6a4)との間の半田(10f1)の剥離および絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)の破損を同時に回避することができ、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と第1外部導出端子(6a)の下端部(6a4)との間の半田接合の信頼性を向上させることができる。 Therefore, according to the power semiconductor module (100) of the first aspect, the second upper surface side conductor pattern (2b2) of the insulating substrate (2) after the temperature cycle test and the lower end portion of the first external lead terminal (6a) The peeling of the solder (10f1) with respect to (6a4) and the damage of the second upper surface side conductor pattern (2b2) of the insulating substrate (2) can be avoided at the same time, and the second upper surface side conductor of the insulating substrate (2). The reliability of the solder joint between the pattern (2b2) and the lower end portion (6a4) of the first external lead-out terminal (6a) can be improved.
換言すれば、請求項1に記載のパワー半導体モジュール(100)によれば、金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間の半田接合の信頼性を向上させつつ、絶縁基板(2)の第1上面側導体パターン(2b1)と第2外部導出端子(6b)の下端部(6b4)との間の半田接合および絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と第1外部導出端子(6a)の下端部(6a4)との間の半田接合の信頼性を向上させることができる。 In other words, according to the power semiconductor module (100) of the first aspect, the reliability of solder bonding between the metal heat sink (1) and the lower surface side conductor pattern (2c) of the insulating substrate (2). Soldering between the first upper surface side conductor pattern (2b1) of the insulating substrate (2) and the lower end portion (6b4) of the second external lead-out terminal (6b) and the second of the insulating substrate (2). The reliability of the solder joint between the upper surface side conductor pattern (2b2) and the lower end portion (6a4) of the first external lead-out terminal (6a) can be improved.
請求項2に記載のパワー半導体モジュール(100)では、大電流が流れる上面電極と、大電流が流れる下面電極とを有するパワー半導体チップ(3a)が設けられている。また、絶縁層(2a)と、パワー半導体チップ(3a)を搭載するために絶縁層(2a)の上面側に形成され、かつ、パワー半導体チップ(3a)の下面電極に電気的に接続される第1上面側導体パターン(2b1)と、絶縁層(2a)の上面側に形成され、かつ、パワー半導体チップ(3a)の上面電極に電気的に接続される第2上面側導体パターン(2b2)と、絶縁層(2a)の下面側に形成された下面側導体パターン(2c)とを有する絶縁基板(2)が設けられている。更に、パワー半導体チップ(3a)が発生した熱を放熱するための金属製放熱板(1)が設けられている。
The power semiconductor module (100) according to
また、請求項2に記載のパワー半導体モジュール(100)では、第2上面側導体パターン(2b2)に電気的に接続される下端部(6a4)を有する第1外部導出端子(6a)が設けられている。更に、第1上面側導体パターン(2b1)に電気的に接続される下端部(6b4)を有する第2外部導出端子(6b)が設けられている。また、右側壁(6d)と左側壁(6e)と前側壁(6f)と後側壁(6g)とを有し、電気絶縁性樹脂材料の成形によって形成された外囲ケース(6)が設けられている。
In the power semiconductor module (100) according to
更に、請求項2に記載のパワー半導体モジュール(100)では、金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間の半田接合、絶縁基板(2)の第1上面側導体パターン(2b1)と第2外部導出端子(6b)の下端部(6b4)との間の半田接合、および、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と第1外部導出端子(6a)の下端部(6a4)との間の半田接合の実行時に、ベーシング冶具の凹状上面にならって金属製放熱板(1)の下面が凸状に変形するように、金属製放熱板(1)がベーシング冶具に対して固定される。
Furthermore, in the power semiconductor module (100) according to
また、請求項2に記載のパワー半導体モジュール(100)では、金属製放熱板(1)上に配置された外囲ケース(6)内にゲル状樹脂が充填され、ゲル状樹脂によって、パワー半導体チップ(3a)と、第1外部導出端子(6a)の中央部(6a2)および下端部(6a4)と、第2外部導出端子(6b)の中央部(6b2)および下端部(6b4)とが覆われている。
Moreover, in the power semiconductor module (100) according to
近年、パワー半導体モジュールには、高い信頼性が要求されている。具体的には、厳しい温度サイクル試験に耐えることが要求されている。 In recent years, high reliability is required for power semiconductor modules. Specifically, it is required to withstand severe temperature cycle tests.
そこで、本発明者等は、パワー半導体モジュールに対する近年の高信頼性要求に応えるために、金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間の半田接合の温度サイクル試験を行った。具体的には、本発明者等の研究において、金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間の半田接合に、引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間のSbを含有しないPbフリー半田が剥離してしまうことが確認された。 In order to meet the recent high reliability requirements for power semiconductor modules, the present inventors have made solder bonding between the metal heat sink (1) and the lower conductor pattern (2c) of the insulating substrate (2). The temperature cycle test was conducted. Specifically, in the study by the present inventors, the solder joint between the metal heat sink (1) and the lower surface conductor pattern (2c) of the insulating substrate (2) contains Sb having a low tensile strength. A temperature cycle test was conducted using Pb-free solder. As a result, after the temperature cycle test, it was confirmed that the Pb-free solder containing no Sb between the metal heat sink (1) and the lower surface side conductor pattern (2c) of the insulating substrate (2) peeled off. .
本発明者等は、金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間の半田の引張強度が不足していると考え、本発明者等の研究において、金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間のSbを含有するPbフリー半田が剥離しないことが確認された。 The present inventors consider that the tensile strength of the solder between the metal heat sink (1) and the lower surface side conductor pattern (2c) of the insulating substrate (2) is insufficient, A temperature cycle test was conducted using Pb-free solder containing Sb with high tensile strength for solder bonding between the metal heat sink (1) and the lower surface conductor pattern (2c) of the insulating substrate (2). It was. As a result, it was confirmed that the Pb-free solder containing Sb between the metal heat sink (1) and the lower surface side conductor pattern (2c) of the insulating substrate (2) did not peel after the temperature cycle test.
更に、本発明者等は、パワー半導体モジュールに対する近年の高信頼性要求に応えるために、絶縁基板(2)の第1上面側導体パターン(2b1)と第2外部導出端子(6b)の下端部(6b4)との間の半田接合の温度サイクル試験を行った。具体的には、本発明者等の研究において、絶縁基板(2)の第1上面側導体パターン(2b1)と第2外部導出端子(6b)の下端部(6b4)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、絶縁基板(2)の第1上面側導体パターン(2b1)と第2外部導出端子(6b)の下端部(6b4)との間のSbを含有するPbフリー半田の剥離は認められないものの、絶縁基板(2)の第1上面側導体パターン(2b1)が破損してしまうことが確認された。 Furthermore, in order to meet the recent high reliability requirements for the power semiconductor module, the present inventors have provided the first upper surface side conductor pattern (2b1) of the insulating substrate (2) and the lower end portion of the second external lead-out terminal (6b). A temperature cycle test of solder joint with (6b4) was performed. Specifically, in the research by the present inventors, solder bonding between the first upper surface side conductor pattern (2b1) of the insulating substrate (2) and the lower end portion (6b4) of the second external lead-out terminal (6b) is performed. A temperature cycle test was performed using a Pb-free solder containing Sb having a high tensile strength. As a result, after the temperature cycle test, the Pb-free solder containing Sb between the first upper surface side conductor pattern (2b1) of the insulating substrate (2) and the lower end portion (6b4) of the second external lead-out terminal (6b). Although no peeling was observed, it was confirmed that the first upper surface side conductor pattern (2b1) of the insulating substrate (2) was damaged.
外囲ケース(6)内のゲル状樹脂によって覆われている第2外部導出端子(6b)の温度サイクル試験時の上下方向の熱膨張量・熱収縮量と、ゲル状樹脂の温度サイクル試験時の上下方向の熱膨張量・熱収縮量とが異なるため、絶縁基板(2)の第1上面側導体パターン(2b1)と第2外部導出端子(6b)の下端部(6b4)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用いると、温度サイクル試験時に、第2外部導出端子(6b)の上下方向の熱膨張量・熱収縮量と、ゲル状樹脂の上下方向の熱膨張量・熱収縮量との差分を、Sbを含有するPbフリー半田の変形によって十分に吸収することができず、その結果、絶縁基板(2)の第1上面側導体パターン(2b1)にかかる熱応力によって、絶縁基板(2)の第1上面側導体パターン(2b1)が破損したと、本発明者等は考えた。 The amount of thermal expansion and contraction in the vertical direction during the temperature cycle test of the second external lead terminal (6b) covered with the gel resin in the outer case (6), and the temperature cycle test of the gel resin Since the amount of thermal expansion and contraction in the vertical direction of the first and second plates is different, the distance between the first upper surface side conductor pattern (2b1) of the insulating substrate (2) and the lower end (6b4) of the second external lead-out terminal (6b) is different. When Pb-free solder containing high Sb and containing Sb is used for solder joint, the amount of thermal expansion and contraction in the vertical direction of the second external lead-out terminal (6b) and the amount of gel-like resin during the temperature cycle test The difference between the amount of thermal expansion and contraction in the vertical direction cannot be sufficiently absorbed by deformation of the Pb-free solder containing Sb, and as a result, the first upper surface side conductor pattern ( 2b1) due to the thermal stress applied to the insulating substrate ( ) And the first upper surface conductor pattern (2b1) is broken, the present inventors have thought.
そこで、本発明者等の研究において、絶縁基板(2)の第1上面側導体パターン(2b1)と第2外部導出端子(6b)の下端部(6b4)との間の半田接合に、引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、絶縁基板(2)の第1上面側導体パターン(2b1)と第2外部導出端子(6b)の下端部(6b4)との間のSbを含有しないPbフリー半田が剥離せず、絶縁基板(2)の第1上面側導体パターン(2b1)も破損しないことが確認された。 Therefore, in the research by the present inventors, the tensile strength is applied to the solder joint between the first upper surface side conductor pattern (2b1) of the insulating substrate (2) and the lower end portion (6b4) of the second external lead-out terminal (6b). A temperature cycle test was conducted using Pb-free solder having a low Sb content and containing no Sb. As a result, after the temperature cycle test, Pb-free solder containing no Sb between the first upper surface side conductor pattern (2b1) of the insulating substrate (2) and the lower end portion (6b4) of the second external lead-out terminal (6b) is obtained. It was confirmed that the first upper surface side conductor pattern (2b1) of the insulating substrate (2) was not damaged without peeling.
また、本発明者等は、パワー半導体モジュールに対する近年の高信頼性要求に応えるために、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と第1外部導出端子(6a)の下端部(6a4)との間の半田接合の温度サイクル試験を行った。具体的には、本発明者等の研究において、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と第1外部導出端子(6a)の下端部(6a4)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と第1外部導出端子(6a)の下端部(6a4)との間のSbを含有するPbフリー半田の剥離は認められないものの、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)が破損してしまうことが確認された。 In order to meet the recent high reliability requirements for the power semiconductor module, the present inventors have provided the second upper surface side conductor pattern (2b2) of the insulating substrate (2) and the lower end portion of the first external lead terminal (6a). A temperature cycle test of solder joint with (6a4) was performed. Specifically, in the research by the present inventors, solder bonding between the second upper surface side conductor pattern (2b2) of the insulating substrate (2) and the lower end portion (6a4) of the first external lead-out terminal (6a) is performed. A temperature cycle test was performed using a Pb-free solder containing Sb having a high tensile strength. As a result, after the temperature cycle test, the Pb-free solder containing Sb between the second upper surface side conductor pattern (2b2) of the insulating substrate (2) and the lower end portion (6a4) of the first external lead-out terminal (6a). Although no separation was observed, it was confirmed that the second upper surface side conductor pattern (2b2) of the insulating substrate (2) was damaged.
外囲ケース(6)内のゲル状樹脂によって覆われている第1外部導出端子(6a)の温度サイクル試験時の上下方向の熱膨張量・熱収縮量と、ゲル状樹脂の温度サイクル試験時の上下方向の熱膨張量・熱収縮量とが異なるため、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と第1外部導出端子(6a)の下端部(6a4)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用いると、温度サイクル試験時に、第1外部導出端子(6a)の上下方向の熱膨張量・熱収縮量と、ゲル状樹脂の上下方向の熱膨張量・熱収縮量との差分を、Sbを含有するPbフリー半田の変形によって十分に吸収することができず、その結果、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)にかかる熱応力によって、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)が破損したと、本発明者等は考えた。 The amount of thermal expansion and contraction in the vertical direction during the temperature cycle test of the first external lead terminal (6a) covered with the gel resin in the outer case (6), and the temperature cycle test of the gel resin Since the amount of thermal expansion and contraction in the vertical direction of the second is different, the distance between the second upper surface side conductor pattern (2b2) of the insulating substrate (2) and the lower end portion (6a4) of the first external lead-out terminal (6a). When a Pb-free solder containing Sb and having a high tensile strength is used for solder joining, the amount of thermal expansion and contraction in the vertical direction of the first external lead-out terminal (6a) and the amount of gel-like resin during the temperature cycle test The difference between the amount of thermal expansion and contraction in the vertical direction cannot be sufficiently absorbed by the deformation of the Pb-free solder containing Sb. As a result, the second upper surface side conductor pattern ( 2b2) due to the thermal stress applied to the insulating substrate ( ) And the second upper surface conductor pattern (2b2) is broken, the present inventors have thought.
そこで、本発明者等の研究において、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と第1外部導出端子(6a)の下端部(6a4)との間の半田接合に、引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と第1外部導出端子(6a)の下端部(6a4)との間のSbを含有しないPbフリー半田が剥離せず、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)も破損しないことが確認された。 Therefore, in the research by the present inventors, the tensile strength is applied to the solder joint between the second upper surface side conductor pattern (2b2) of the insulating substrate (2) and the lower end portion (6a4) of the first external lead-out terminal (6a). A temperature cycle test was conducted using Pb-free solder having a low Sb content and containing no Sb. As a result, after the temperature cycle test, the Pb-free solder containing no Sb between the second upper surface side conductor pattern (2b2) of the insulating substrate (2) and the lower end portion (6a4) of the first external lead-out terminal (6a) is obtained. It was confirmed that the second upper surface side conductor pattern (2b2) of the insulating substrate (2) was not damaged without peeling.
本発明者等の研究結果に鑑み、請求項2に記載のパワー半導体モジュール(100)では、金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田(10a)が用いられている。
In view of the research results of the present inventors, in the power semiconductor module (100) according to
そのため、請求項2に記載のパワー半導体モジュール(100)によれば、温度サイクル試験後の金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間の半田(10a)の剥離を回避することができ、金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間の半田接合の信頼性を向上させることができる。
Therefore, according to the power semiconductor module (100) of
更に、請求項2に記載のパワー半導体モジュール(100)では、絶縁基板(2)の第1上面側導体パターン(2b1)と第2外部導出端子(6b)の下端部(6b4)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田(10a)よりも引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田(10f2)が用いられている。
Furthermore, in the power semiconductor module (100) according to
そのため、請求項2に記載のパワー半導体モジュール(100)によれば、温度サイクル試験後の絶縁基板(2)の第1上面側導体パターン(2b1)と第2外部導出端子(6b)の下端部(6b4)との間の半田(10f2)の剥離および絶縁基板(2)の第1上面側導体パターン(2b1)の破損を同時に回避することができ、絶縁基板(2)の第1上面側導体パターン(2b1)と第2外部導出端子(6b)の下端部(6b4)との間の半田接合の信頼性を向上させることができる。
Therefore, according to the power semiconductor module (100) according to
また、請求項2に記載のパワー半導体モジュール(100)では、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と第1外部導出端子(6a)の下端部(6a4)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田(10a)よりも引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田(10f1)が用いられている。
In the power semiconductor module (100) according to
そのため、請求項2に記載のパワー半導体モジュール(100)によれば、温度サイクル試験後の絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と第1外部導出端子(6a)の下端部(6a4)との間の半田(10f1)の剥離および絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)の破損を同時に回避することができ、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と第1外部導出端子(6a)の下端部(6a4)との間の半田接合の信頼性を向上させることができる。 Therefore, according to the power semiconductor module (100) of the second aspect, the second upper surface side conductor pattern (2b2) of the insulating substrate (2) after the temperature cycle test and the lower end portion of the first external lead terminal (6a) The peeling of the solder (10f1) with respect to (6a4) and the damage of the second upper surface side conductor pattern (2b2) of the insulating substrate (2) can be avoided at the same time, and the second upper surface side conductor of the insulating substrate (2). The reliability of the solder joint between the pattern (2b2) and the lower end portion (6a4) of the first external lead-out terminal (6a) can be improved.
換言すれば、請求項2に記載のパワー半導体モジュール(100)によれば、金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間の半田接合の信頼性を向上させつつ、絶縁基板(2)の第1上面側導体パターン(2b1)と第2外部導出端子(6b)の下端部(6b4)との間の半田接合および絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と第1外部導出端子(6a)の下端部(6a4)との間の半田接合の信頼性を向上させることができる。
In other words, according to the power semiconductor module (100) according to
請求項3に記載のパワー半導体モジュール(100)では、大電流が流れる上面電極と、大電流が流れる下面電極とを有するパワー半導体チップ(3a)が設けられている。また、絶縁層(2a)と、パワー半導体チップ(3a)を搭載するために絶縁層(2a)の上面側に形成され、かつ、パワー半導体チップ(3a)の下面電極に電気的に接続される第1上面側導体パターン(2b1)と、絶縁層(2a)の上面側に形成され、かつ、パワー半導体チップ(3a)の上面電極に電気的に接続される第2上面側導体パターン(2b2)と、絶縁層(2a)の下面側に形成された下面側導体パターン(2c)とを有する絶縁基板(2)が設けられている。更に、パワー半導体チップ(3a)が発生した熱を放熱するための金属製放熱板(1)が設けられている。
In the power semiconductor module (100) according to
また、請求項3に記載のパワー半導体モジュール(100)では、パワー半導体チップ(3a)の上面電極と絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)とを電気的に接続するための接続部材(5a)が設けられている。更に、右側壁(6d)と左側壁(6e)と前側壁(6f)と後側壁(6g)とを有し、電気絶縁性樹脂材料の成形によって形成された外囲ケース(6)が設けられている。
Further, in the power semiconductor module (100) according to
更に、請求項3に記載のパワー半導体モジュール(100)では、金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間の半田接合、および、接続部材(5a)の一方の下端部(5a1)と絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)との間の半田接合の実行時に、ベーシング冶具の凹状上面にならって金属製放熱板(1)の下面が凸状に変形するように、金属製放熱板(1)がベーシング冶具に対して固定される。
Furthermore, in the power semiconductor module (100) according to
また、請求項3に記載のパワー半導体モジュール(100)では、金属製放熱板(1)上に配置された外囲ケース(6)内にゲル状樹脂が充填され、ゲル状樹脂によってパワー半導体チップ(3a)と接続部材(5a)とが覆われている。
Moreover, in the power semiconductor module (100) according to
近年、パワー半導体モジュールには、高い信頼性が要求されている。具体的には、厳しい温度サイクル試験に耐えることが要求されている。 In recent years, high reliability is required for power semiconductor modules. Specifically, it is required to withstand severe temperature cycle tests.
そこで、本発明者等は、パワー半導体モジュールに対する近年の高信頼性要求に応えるために、金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間の半田接合の温度サイクル試験を行った。具体的には、本発明者等の研究において、金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間の半田接合に、引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間のSbを含有しないPbフリー半田が剥離してしまうことが確認された。 In order to meet the recent high reliability requirements for power semiconductor modules, the present inventors have made solder bonding between the metal heat sink (1) and the lower conductor pattern (2c) of the insulating substrate (2). The temperature cycle test was conducted. Specifically, in the study by the present inventors, the solder joint between the metal heat sink (1) and the lower surface conductor pattern (2c) of the insulating substrate (2) contains Sb having a low tensile strength. A temperature cycle test was conducted using Pb-free solder. As a result, after the temperature cycle test, it was confirmed that the Pb-free solder containing no Sb between the metal heat sink (1) and the lower surface side conductor pattern (2c) of the insulating substrate (2) peeled off. .
本発明者等は、金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間の半田の引張強度が不足していると考え、本発明者等の研究において、金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間のSbを含有するPbフリー半田が剥離しないことが確認された。 The present inventors consider that the tensile strength of the solder between the metal heat sink (1) and the lower surface side conductor pattern (2c) of the insulating substrate (2) is insufficient, A temperature cycle test was conducted using Pb-free solder containing Sb with high tensile strength for solder bonding between the metal heat sink (1) and the lower surface conductor pattern (2c) of the insulating substrate (2). It was. As a result, it was confirmed that the Pb-free solder containing Sb between the metal heat sink (1) and the lower surface side conductor pattern (2c) of the insulating substrate (2) did not peel after the temperature cycle test.
更に、本発明者等は、パワー半導体モジュールに対する近年の高信頼性要求に応えるために、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と接続部材(5a)の一方の下端部(5a1)との間の半田接合の温度サイクル試験を行った。具体的には、本発明者等の研究において、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と接続部材(5a)の一方の下端部(5a1)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と接続部材(5a)の一方の下端部(5a1)との間のSbを含有するPbフリー半田の剥離は認められないものの、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)が破損してしまうことが確認された。 Furthermore, in order to meet the recent high reliability requirements for the power semiconductor module, the present inventors have provided the second upper surface side conductor pattern (2b2) of the insulating substrate (2) and one lower end portion of the connection member (5a) ( A temperature cycle test of the solder joint with 5a1) was performed. Specifically, in the research by the present inventors, the solder bonding between the second upper surface side conductor pattern (2b2) of the insulating substrate (2) and one lower end (5a1) of the connection member (5a), A temperature cycle test was performed using a Pb-free solder containing Sb having a high tensile strength. As a result, after the temperature cycle test, the Pb-free solder containing Sb between the second upper surface side conductor pattern (2b2) of the insulating substrate (2) and one lower end (5a1) of the connecting member (5a) is peeled off. However, it was confirmed that the second upper surface side conductor pattern (2b2) of the insulating substrate (2) was damaged.
外囲ケース(6)内のゲル状樹脂によって覆われている接続部材(5a)の温度サイクル試験時の上下方向の熱膨張量・熱収縮量と、ゲル状樹脂の温度サイクル試験時の上下方向の熱膨張量・熱収縮量とが異なるため、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と接続部材(5a)の一方の下端部(5a1)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用いると、温度サイクル試験時に、接続部材(5a)の上下方向の熱膨張量・熱収縮量と、ゲル状樹脂の上下方向の熱膨張量・熱収縮量との差分を、Sbを含有するPbフリー半田の変形によって十分に吸収することができず、その結果、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)にかかる熱応力によって、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)が破損したと、本発明者等は考えた。 The amount of thermal expansion and contraction in the vertical direction during the temperature cycle test of the connecting member (5a) covered with the gel resin in the outer case (6) and the vertical direction during the temperature cycle test of the gel resin Since the thermal expansion amount and the thermal contraction amount of the semiconductor substrate are different from each other, solder bonding between the second upper surface side conductor pattern (2b2) of the insulating substrate (2) and one lower end portion (5a1) of the connection member (5a) When Pb-free solder containing Sb with high tensile strength is used, the thermal expansion amount and thermal contraction amount in the vertical direction of the connection member (5a) and the thermal expansion amount in the vertical direction of the gel-like resin in the temperature cycle test The difference from the amount of thermal shrinkage cannot be sufficiently absorbed by deformation of the Pb-free solder containing Sb, and as a result, due to the thermal stress applied to the second upper surface side conductor pattern (2b2) of the insulating substrate (2). The second upper surface side guide of the insulating substrate (2) And pattern (2b2) is damaged, the inventors have thought.
そこで、本発明者等の研究において、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と接続部材(5a)の一方の下端部(5a1)との間の半田接合に、引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と接続部材(5a)の一方の下端部(5a1)との間のSbを含有しないPbフリー半田が剥離せず、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)も破損しないことが確認された。 Therefore, in the studies by the present inventors, the tensile strength is applied to the solder joint between the second upper surface side conductor pattern (2b2) of the insulating substrate (2) and one lower end portion (5a1) of the connecting member (5a). A temperature cycle test was conducted using a Pb-free solder containing no Sb. As a result, after the temperature cycle test, the Pb-free solder containing no Sb is peeled between the second upper surface side conductor pattern (2b2) of the insulating substrate (2) and one lower end (5a1) of the connecting member (5a). It was confirmed that the second upper surface side conductor pattern (2b2) of the insulating substrate (2) was not damaged.
本発明者等の研究結果に鑑み、請求項3に記載のパワー半導体モジュール(100)では、金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田(10a)が用いられている。
In view of the research results of the present inventors, in the power semiconductor module (100) according to
そのため、請求項3に記載のパワー半導体モジュール(100)によれば、温度サイクル試験後の金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間の半田の剥離(10a)を回避することができ、金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間の半田接合の信頼性を向上させることができる。 Therefore, according to the power semiconductor module (100) of the third aspect, the solder between the metal heat sink (1) after the temperature cycle test and the lower surface side conductor pattern (2c) of the insulating substrate (2). Peeling (10a) can be avoided, and the reliability of solder bonding between the metal heat sink (1) and the lower surface side conductor pattern (2c) of the insulating substrate (2) can be improved.
更に、請求項3に記載のパワー半導体モジュール(100)では、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と接続部材(5a)の一方の下端部(5a1)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田(10a)よりも引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田(10d1)が用いられている。
Furthermore, in the power semiconductor module (100) according to
そのため、請求項3に記載のパワー半導体モジュール(100)によれば、温度サイクル試験後の絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と接続部材(5a)の一方の下端部(5a1)との間の半田(10d1)の剥離および絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)の破損を同時に回避することができ、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と接続部材(5a)の一方の下端部(5a1)との間の半田接合の信頼性を向上させることができる。
Therefore, according to the power semiconductor module (100) of
換言すれば、請求項3に記載のパワー半導体モジュール(100)によれば、金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間の半田接合の信頼性を向上させつつ、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と接続部材(5a)の一方の下端部(5a1)との間の半田接合の信頼性を向上させることができる。
In other words, according to the power semiconductor module (100) according to
請求項4に記載のパワー半導体モジュール(100)では、大電流が流れる上面電極と、大電流が流れる下面電極とを有する第1パワー半導体チップ(3a)が設けられている。更に、大電流が流れる上面電極と、大電流が流れる下面電極とを有する第2パワー半導体チップ(3c)が設けられている。また、絶縁層(2a)と、第1パワー半導体チップ(3a)および第2パワー半導体チップ(3c)を搭載するために絶縁層(2a)の上面側に形成され、かつ、第1パワー半導体チップ(3a)の下面電極および第2パワー半導体チップ(3c)の下面電極に電気的に接続される第1上面側導体パターン(2b1)と、絶縁層(2a)の上面側に形成され、かつ、第1パワー半導体チップ(3a)の上面電極に電気的に接続される第2上面側導体パターン(2b2)と、絶縁層(2a)の上面側に形成され、かつ、第2パワー半導体チップ(3c)の上面電極に電気的に接続される第3上面側導体パターン(2b6)と、絶縁層(2a)の下面側に形成された下面側導体パターン(2c)とを有する絶縁基板(2)が設けられている。更に、第1パワー半導体チップ(3a)および第2パワー半導体チップ(3c)が発生した熱を放熱するための金属製放熱板(1)が設けられている。
The power semiconductor module (100) according to
また、請求項4に記載のパワー半導体モジュール(100)では、第2上面側導体パターン(2b2)に電気的に接続される下端部(6a4)を有する第1外部導出端子(6a)が設けられている。更に、第3上面側導体パターン(2b6)に電気的に接続される下端部(6b4)を有する第2外部導出端子(6b)が設けられている。また、右側壁(6d)と左側壁(6e)と前側壁(6f)と後側壁(6g)とを有し、電気絶縁性樹脂材料の成形によって形成された外囲ケース(6)が設けられている。
In the power semiconductor module (100) according to
更に、請求項4に記載のパワー半導体モジュール(100)では、金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間の半田接合、絶縁基板(2)の第3上面側導体パターン(2b6)と第2外部導出端子(6b)の下端部(6b4)との間の半田接合、および、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と第1外部導出端子(6a)の下端部(6a4)との間の半田接合の実行時に、ベーシング冶具の凹状上面にならって金属製放熱板(1)の下面が凸状に変形するように、金属製放熱板(1)がベーシング冶具に対して固定される。
Furthermore, in the power semiconductor module (100) according to
また、請求項4に記載のパワー半導体モジュール(100)では、金属製放熱板(1)上に配置された外囲ケース(6)内にゲル状樹脂が充填され、ゲル状樹脂によって、第1パワー半導体チップ(3a)と、第2パワー半導体チップ(3c)と、第1外部導出端子(6a)の中央部(6a2)および下端部(6a4)と、第2外部導出端子(6b)の中央部(6b2)および下端部(6b4)とが覆われている。
Moreover, in the power semiconductor module (100) according to
近年、パワー半導体モジュールには、高い信頼性が要求されている。具体的には、厳しい温度サイクル試験に耐えることが要求されている。 In recent years, high reliability is required for power semiconductor modules. Specifically, it is required to withstand severe temperature cycle tests.
そこで、本発明者等は、パワー半導体モジュールに対する近年の高信頼性要求に応えるために、金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間の半田接合の温度サイクル試験を行った。具体的には、本発明者等の研究において、金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間の半田接合に、引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間のSbを含有しないPbフリー半田が剥離してしまうことが確認された。 In order to meet the recent high reliability requirements for power semiconductor modules, the present inventors have made solder bonding between the metal heat sink (1) and the lower conductor pattern (2c) of the insulating substrate (2). The temperature cycle test was conducted. Specifically, in the study by the present inventors, the solder joint between the metal heat sink (1) and the lower surface conductor pattern (2c) of the insulating substrate (2) contains Sb having a low tensile strength. A temperature cycle test was conducted using Pb-free solder. As a result, after the temperature cycle test, it was confirmed that the Pb-free solder containing no Sb between the metal heat sink (1) and the lower surface side conductor pattern (2c) of the insulating substrate (2) peeled off. .
本発明者等は、金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間の半田の引張強度が不足していると考え、本発明者等の研究において、金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間のSbを含有するPbフリー半田が剥離しないことが確認された。 The present inventors consider that the tensile strength of the solder between the metal heat sink (1) and the lower surface side conductor pattern (2c) of the insulating substrate (2) is insufficient, A temperature cycle test was conducted using Pb-free solder containing Sb with high tensile strength for solder bonding between the metal heat sink (1) and the lower surface conductor pattern (2c) of the insulating substrate (2). It was. As a result, it was confirmed that the Pb-free solder containing Sb between the metal heat sink (1) and the lower surface side conductor pattern (2c) of the insulating substrate (2) did not peel after the temperature cycle test.
更に、本発明者等は、パワー半導体モジュールに対する近年の高信頼性要求に応えるために、絶縁基板(2)の第3上面側導体パターン(2b6)と第2外部導出端子(6b)の下端部(6b4)との間の半田接合の温度サイクル試験を行った。具体的には、本発明者等の研究において、絶縁基板(2)の第3上面側導体パターン(2b6)と第2外部導出端子(6b)の下端部(6b4)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、絶縁基板(2)の第3上面側導体パターン(2b6)と第2外部導出端子(6b)の下端部(6b4)との間のSbを含有するPbフリー半田の剥離は認められないものの、絶縁基板(2)の第3上面側導体パターン(2b6)が破損してしまうことが確認された。 Furthermore, in order to meet the recent high reliability requirements for the power semiconductor module, the present inventors have provided a lower end portion of the third upper surface side conductor pattern (2b6) and the second external lead-out terminal (6b) of the insulating substrate (2). A temperature cycle test of solder joint with (6b4) was performed. Specifically, in the research by the present inventors, solder bonding between the third upper surface side conductor pattern (2b6) of the insulating substrate (2) and the lower end portion (6b4) of the second external lead-out terminal (6b) is performed. A temperature cycle test was performed using a Pb-free solder containing Sb having a high tensile strength. As a result, after the temperature cycle test, the Pb-free solder containing Sb between the third upper surface side conductor pattern (2b6) of the insulating substrate (2) and the lower end portion (6b4) of the second external lead-out terminal (6b). Although no separation was observed, it was confirmed that the third upper surface side conductor pattern (2b6) of the insulating substrate (2) was damaged.
外囲ケース(6)内のゲル状樹脂によって覆われている第2外部導出端子(6b)の温度サイクル試験時の上下方向の熱膨張量・熱収縮量と、ゲル状樹脂の温度サイクル試験時の上下方向の熱膨張量・熱収縮量とが異なるため、絶縁基板(2)の第3上面側導体パターン(2b6)と第2外部導出端子(6b)の下端部(6b4)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用いると、温度サイクル試験時に、第2外部導出端子(6b)の上下方向の熱膨張量・熱収縮量と、ゲル状樹脂の上下方向の熱膨張量・熱収縮量との差分を、Sbを含有するPbフリー半田の変形によって十分に吸収することができず、その結果、絶縁基板(2)の第3上面側導体パターン(2b6)にかかる熱応力によって、絶縁基板(2)の第3上面側導体パターン(2b6)が破損したと、本発明者等は考えた。 The amount of thermal expansion and contraction in the vertical direction during the temperature cycle test of the second external lead terminal (6b) covered with the gel resin in the outer case (6), and the temperature cycle test of the gel resin Since the amount of thermal expansion and contraction in the vertical direction of the second substrate is different, the distance between the third upper surface side conductor pattern (2b6) of the insulating substrate (2) and the lower end (6b4) of the second external lead-out terminal (6b) is different. When Pb-free solder containing high Sb and containing Sb is used for solder joint, the amount of thermal expansion and contraction in the vertical direction of the second external lead-out terminal (6b) and the amount of gel-like resin during the temperature cycle test The difference between the amount of thermal expansion and contraction in the vertical direction cannot be sufficiently absorbed by deformation of the Pb-free solder containing Sb, and as a result, the third upper surface side conductor pattern ( 2b6) due to the thermal stress applied to the insulating substrate ( ) And the third upper surface conductor pattern (2b6) is broken, the present inventors have thought.
そこで、本発明者等の研究において、絶縁基板(2)の第3上面側導体パターン(2b6)と第2外部導出端子(6b)の下端部(6b4)との間の半田接合に、引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、絶縁基板(2)の第3上面側導体パターン(2b6)と第2外部導出端子(6b)の下端部(6b4)との間のSbを含有しないPbフリー半田が剥離せず、絶縁基板(2)の第3上面側導体パターン(2b6)も破損しないことが確認された。 Therefore, in the research by the present inventors, the tensile strength is applied to the solder joint between the third upper surface side conductor pattern (2b6) of the insulating substrate (2) and the lower end portion (6b4) of the second external lead-out terminal (6b). A temperature cycle test was conducted using Pb-free solder having a low Sb content and containing no Sb. As a result, after the temperature cycle test, the Pb-free solder containing no Sb between the third upper surface side conductor pattern (2b6) of the insulating substrate (2) and the lower end portion (6b4) of the second external lead-out terminal (6b) is obtained. It was confirmed that the third upper surface side conductor pattern (2b6) of the insulating substrate (2) was not damaged without peeling.
また、本発明者等は、パワー半導体モジュールに対する近年の高信頼性要求に応えるために、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と第1外部導出端子(6a)の下端部(6a4)との間の半田接合の温度サイクル試験を行った。具体的には、本発明者等の研究において、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と第1外部導出端子(6a)の下端部(6a4)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と第1外部導出端子(6a)の下端部(6a4)との間のSbを含有するPbフリー半田の剥離は認められないものの、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)が破損してしまうことが確認された。 In order to meet the recent high reliability requirements for the power semiconductor module, the present inventors have provided the second upper surface side conductor pattern (2b2) of the insulating substrate (2) and the lower end portion of the first external lead terminal (6a). A temperature cycle test of solder joint with (6a4) was performed. Specifically, in the research by the present inventors, solder bonding between the second upper surface side conductor pattern (2b2) of the insulating substrate (2) and the lower end portion (6a4) of the first external lead-out terminal (6a) is performed. A temperature cycle test was performed using a Pb-free solder containing Sb having a high tensile strength. As a result, after the temperature cycle test, the Pb-free solder containing Sb between the second upper surface side conductor pattern (2b2) of the insulating substrate (2) and the lower end portion (6a4) of the first external lead-out terminal (6a). Although no separation was observed, it was confirmed that the second upper surface side conductor pattern (2b2) of the insulating substrate (2) was damaged.
外囲ケース(6)内のゲル状樹脂によって覆われている第1外部導出端子(6a)の温度サイクル試験時の上下方向の熱膨張量・熱収縮量と、ゲル状樹脂の温度サイクル試験時の上下方向の熱膨張量・熱収縮量とが異なるため、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と第1外部導出端子(6a)の下端部(6a4)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用いると、温度サイクル試験時に、第1外部導出端子(6a)の上下方向の熱膨張量・熱収縮量と、ゲル状樹脂の上下方向の熱膨張量・熱収縮量との差分を、Sbを含有するPbフリー半田の変形によって十分に吸収することができず、その結果、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)にかかる熱応力によって、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)が破損したと、本発明者等は考えた。 The amount of thermal expansion and contraction in the vertical direction during the temperature cycle test of the first external lead terminal (6a) covered with the gel resin in the outer case (6), and the temperature cycle test of the gel resin Since the amount of thermal expansion and contraction in the vertical direction of the second is different, the distance between the second upper surface side conductor pattern (2b2) of the insulating substrate (2) and the lower end portion (6a4) of the first external lead-out terminal (6a). When a Pb-free solder containing Sb and having a high tensile strength is used for solder joining, the amount of thermal expansion and contraction in the vertical direction of the first external lead-out terminal (6a) and the amount of gel-like resin during the temperature cycle test The difference between the amount of thermal expansion and contraction in the vertical direction cannot be sufficiently absorbed by the deformation of the Pb-free solder containing Sb. As a result, the second upper surface side conductor pattern ( 2b2) due to the thermal stress applied to the insulating substrate ( ) And the second upper surface conductor pattern (2b2) is broken, the present inventors have thought.
そこで、本発明者等の研究において、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と第1外部導出端子(6a)の下端部(6a4)との間の半田接合に、引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と第1外部導出端子(6a)の下端部(6a4)との間のSbを含有しないPbフリー半田が剥離せず、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)も破損しないことが確認された。 Therefore, in the research by the present inventors, the tensile strength is applied to the solder joint between the second upper surface side conductor pattern (2b2) of the insulating substrate (2) and the lower end portion (6a4) of the first external lead-out terminal (6a). A temperature cycle test was conducted using Pb-free solder having a low Sb content and containing no Sb. As a result, after the temperature cycle test, the Pb-free solder containing no Sb between the second upper surface side conductor pattern (2b2) of the insulating substrate (2) and the lower end portion (6a4) of the first external lead-out terminal (6a) is obtained. It was confirmed that the second upper surface side conductor pattern (2b2) of the insulating substrate (2) was not damaged without peeling.
本発明者等の研究結果に鑑み、請求項4に記載のパワー半導体モジュール(100)では、金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田(10a)が用いられている。
In view of the research results of the present inventors, in the power semiconductor module (100) according to
そのため、請求項4に記載のパワー半導体モジュール(100)によれば、温度サイクル試験後の金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間の半田(10a)の剥離を回避することができ、金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間の半田接合の信頼性を向上させることができる。 Therefore, according to the power semiconductor module (100) of the fourth aspect, the solder (1) between the metal heat sink (1) after the temperature cycle test and the lower surface side conductor pattern (2c) of the insulating substrate (2) The peeling of 10a) can be avoided, and the reliability of solder bonding between the metal heat sink (1) and the lower conductor pattern (2c) of the insulating substrate (2) can be improved.
更に、請求項4に記載のパワー半導体モジュール(100)では、絶縁基板(2)の第3上面側導体パターン(2b6)と第2外部導出端子(6b)の下端部(6b4)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田(10a)よりも引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田(10f2)が用いられている。
Furthermore, in the power semiconductor module (100) according to
そのため、請求項4に記載のパワー半導体モジュール(100)によれば、温度サイクル試験後の絶縁基板(2)の第3上面側導体パターン(2b6)と第2外部導出端子(6b)の下端部(6b4)との間の半田(10f2)の剥離および絶縁基板(2)の第3上面側導体パターン(2b6)の破損を同時に回避することができ、絶縁基板(2)の第3上面側導体パターン(2b6)と第2外部導出端子(6b)の下端部(6b4)との間の半田接合の信頼性を向上させることができる。
Therefore, according to the power semiconductor module (100) of
また、請求項4に記載のパワー半導体モジュール(100)では、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と第1外部導出端子(6a)の下端部(6a4)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田(10a)よりも引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田(10f1)が用いられている。
In the power semiconductor module (100) according to
そのため、請求項4に記載のパワー半導体モジュール(100)によれば、温度サイクル試験後の絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と第1外部導出端子(6a)の下端部(6a4)との間の半田(10f1)の剥離および絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)の破損を同時に回避することができ、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と第1外部導出端子(6a)の下端部(6a4)との間の半田接合の信頼性を向上させることができる。
Therefore, according to the power semiconductor module (100) of
換言すれば、請求項4に記載のパワー半導体モジュール(100)によれば、金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間の半田接合の信頼性を向上させつつ、絶縁基板(2)の第3上面側導体パターン(2b6)と第2外部導出端子(6b)の下端部(6b4)との間の半田接合および絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と第1外部導出端子(6a)の下端部(6a4)との間の半田接合の信頼性を向上させることができる。 In other words, according to the power semiconductor module (100) of the fourth aspect, the reliability of solder bonding between the metal heat sink (1) and the lower surface side conductor pattern (2c) of the insulating substrate (2). Soldering between the third upper surface side conductor pattern (2b6) of the insulating substrate (2) and the lower end portion (6b4) of the second external lead terminal (6b) and the second of the insulating substrate (2). The reliability of the solder joint between the upper surface side conductor pattern (2b2) and the lower end portion (6a4) of the first external lead-out terminal (6a) can be improved.
以下、本発明のパワー半導体モジュールの第1の実施形態について説明する。図1は第1の実施形態のパワー半導体モジュール100の一部を構成する金属製放熱板1を示した図である。詳細には、図1(A)は金属製放熱板1の平面図、図1(B)は図1(A)のA−A線に沿った鉛直断面図である。図2は第1の実施形態のパワー半導体モジュール100の一部を構成する絶縁基板2を示した図である。詳細には、図2(A)は絶縁基板2の平面図、図2(B)は図2(A)のB−B線に沿った鉛直断面図、図2(C)は絶縁基板2の底面図である。図3は金属製放熱板1上に絶縁基板2等が搭載される様子を示した図である。詳細には、図3(A)は金属製放熱板1上に絶縁基板2が搭載され、絶縁基板2上にパワー半導体チップ(ダイオードチップ)3a,3bが搭載され、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3a,3b上に例えばアノードPCM(琺瑯鉄)板、アノードモリブデン板などのようなアノード電極板4a,4bが搭載された状態を示した平面図である。図3(B)は図3(A)のC−C線に沿った分解組立断面図、図3(C)は図3(A)のD−D線に沿った分解組立断面図である。
A power semiconductor module according to a first embodiment of the present invention will be described below. FIG. 1 is a view showing a metal
図4は図3(A)に示した組立体上に接続部材5a,5bが搭載される様子を示した図である。詳細には、図4(A)は図3(A)に示した組立体上に接続部材5a,5bが搭載された状態を示した平面図である。図4(B)は図4(A)のE−E線に沿った分解組立断面図、図4(C)は図4(A)のF−F線に沿った分解組立断面図である。図5および図6は図4(A)に示した組立体上に被せられる外囲ケース6の部品図である。詳細には、図5(A)は外囲ケース6の平面図、図5(B)は外囲ケース6の正面図、図5(C)は外囲ケース6の底面図である。図6(A)は図5(A)のG−G線に沿った鉛直断面図、図6(B)は図5(A)のH−H線に沿った鉛直断面図である。
FIG. 4 is a view showing a state in which the
図7は図4(A)に示した組立体上に図5および図6に示した外囲ケース6が被せられる様子を示した図である。詳細には、図7(A)は図4(A)に示した組立体上に図5および図6に示した外囲ケース6が被せられた状態を示した平面図である。図7(B)は図7(A)のK−K線に沿った分解組立断面図、図7(C)は図7(A)のL−L線に沿った分解組立断面図である。図8は図7(A)に示した組立体上に被せられる蓋体7の部品図である。詳細には、図8(A)は蓋体7の平面図、図8(B)は蓋体7の正面図、図8(C)は蓋体7の底面図である。図9は第1の実施形態のパワー半導体モジュール100を示した図である。詳細には、図9(A)は図7(A)に示した組立体上に、図8に示した蓋体7が被せられることにより得られる第1の実施形態のパワー半導体モジュール100の平面図である。図9(B)は図9(A)に示した外部導出端子6a,6b,6cの上端部が折り曲げられることにより得られる第1の実施形態のパワー半導体モジュール100の概略的な鉛直断面図である。図9(C)は第1の実施形態のパワー半導体モジュール100の等価回路図である。
FIG. 7 is a view showing a state in which the
第1の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図3(B)および図3(C)に示すように、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3a,3b(図3参照)が発生した熱を放熱するための金属製放熱板1(図1および図3参照)の上面と、絶縁基板2(図2および図3参照)の絶縁層2a(図2および図3参照)の下面側に形成された下面側導体パターン2c(図2(B)、図2(C)、図3(B)および図3(C)参照)との間に半田10a(図3(B)および図3(C)参照)が配置されている。また、図3(B)に示すように、絶縁基板2(図2および図3参照)の上面側導体パターン2b1(図2(A)、図3(A)および図3(B)参照)とパワー半導体チップ(ダイオードチップ)3a(図3(A)および図3(B)参照)の下面電極(カソード電極)との間に半田10b1(図3(B)参照)が配置されている。更に、図3(C)に示すように、絶縁基板2(図2および図3参照)の上面側導体パターン2b2(図2(A)、図2(B)、図3(A)および図3(C)参照)とパワー半導体チップ(ダイオードチップ)3b(図3(A)および図3(C)参照)の下面電極(カソード電極)との間に半田10b2(図3(C)参照)が配置されている。
In the
また、第1の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図3(B)に示すように、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3a(図3(A)および図3(B)参照)の上面電極(アノード電極)とアノード電極板4a(図3(A)および図3(B)参照)の下面との間に半田10c1(図3(B)参照)が配置されている。更に、図3(C)に示すように、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3b(図3(A)および図3(C)参照)の上面電極(アノード電極)とアノード電極板4b(図3(A)および図3(C)参照)の下面との間に半田10c2(図3(C)参照)が配置されている。
In the
更に、第1の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図4に示すように、例えば金属材料のプレス加工等によって形成された接続部材5a,5bが設けられている。詳細には、図4(B)に示すように、アノード電極板4a(図4(A)および図4(B)参照)の上面と接続部材5a(図4参照)の前側下端部5a2(図4(A)および図4(B)参照)の下面との間に半田10e1(図4(B)参照)が配置されている。また、図4(C)に示すように、アノード電極板4b(図4(A)および図4(C)参照)の上面と接続部材5b(図4参照)の後側下端部5b1(図4(A)および図4(C)参照)の下面との間に半田10d2(図4(C)参照)が配置されている。
Furthermore, in the
また、第1の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図4(C)に示すように、絶縁基板2(図4参照)の上面側導体パターン2b2(図4(A)および図4(C)参照)と接続部材5a(図4参照)の後側下端部5a1(図4(A)および図4(C)参照)の下面との間に半田10d1(図4(C)参照)が配置されている。更に、図4(B)に示すように、絶縁基板2(図4参照)の上面側導体パターン2b3(図4(A)および図4(B)参照)と接続部材5b(図4参照)の前側下端部5b2(図4(A)および図4(B)参照)の下面との間に半田10e2(図4(B)参照)が配置されている。
In the
更に、第1の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図5および図6に示すように、右側壁6d(図5(C)参照)と左側壁6e(図5(C)参照)と前側壁6f(図5および図6参照)と後側壁6g(図5(A)、図5(C)および図6(A)参照)とを有し、電気絶縁性樹脂材料の成形によって形成された外囲ケース6(図5および図6参照)が設けられている。
Furthermore, in the
また、第1の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図6(A)に示すように、外囲ケース6の後側壁6gから上側に突出している上端部6a1と、外囲ケース6の後側壁6gに埋設されている中央部6a2と、外囲ケース6の後側壁6gから下側に突出している下端部6a4とを有する外部導出端子6aが、例えば金属材料のプレス加工によって形成されている。
Further, in the
更に、第1の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図6(A)に示すように、外囲ケース6の前側壁6fから上側に突出している上端部6b1と、外囲ケース6の前側壁6fに埋設されている中央部6b2と、外囲ケース6の前側壁6fから下側に突出している下端部6b4とを有する外部導出端子6bが、例えば金属材料のプレス加工によって形成されている。
Furthermore, in the
また、第1の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図6(B)に示すように、外囲ケース6の前側壁6fから上側に突出している上端部6c1と、外囲ケース6の前側壁6fに埋設されている中央部6c2と、外囲ケース6の前側壁6fから下側に突出している下端部6c4とを有する外部導出端子6cが、金属材料の例えばプレス加工によって形成されている。
Further, in the
つまり、第1の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図5(A)、図5(C)および図6(A)に示すように、外部導出端子6aが外囲ケース6の後側壁6gにインサート成形されている。また、図5(A)、図5(C)および図6(A)に示すように、外部導出端子6bが外囲ケース6の前側壁6fにインサート成形されている。更に、図5(A)、図5(C)および図6(B)に示すように、外部導出端子6cが外囲ケース6の前側壁6fにインサート成形されている。
That is, in the
また、第1の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図7(B)に示すように、絶縁基板2(図7(A)および図7(B)参照)の上面側導体パターン2b2(図7(A)および図7(B)参照)と、外部導出端子6a(図7(A)および図7(B)参照)の下端部6a4(図7(A)および図7(B)参照)の下面との間に半田10f1(図7(B)参照)が配置され、上面側導体パターン2b2(図7(A)および図7(B)参照)と外部導出端子6a(図7(A)および図7(B)参照)とが電気的に接続されている。更に、図7(C)に示すように、絶縁基板2(図7(A)および図7(C)参照)の上面側導体パターン2b1(図7(A)および図7(C)参照)と、外部導出端子6b(図7(A)参照)の下端部6b4(図7(A)および図7(C)参照)の下面との間に半田10f2(図7(C)参照)が配置され、上面側導体パターン2b1(図7(A)および図7(C)参照)と外部導出端子6b(図7(A)参照)とが電気的に接続されている。また、図7(C)に示すように、絶縁基板2(図7(A)および図7(C)参照)の上面側導体パターン2b3(図7(A)および図7(C)参照)と、外部導出端子6c(図7(A)参照)の下端部6c4(図7(A)および図7(C)参照)の下面との間に半田10f3(図7(C)参照)が配置され、上面側導体パターン2b3(図7(A)および図7(C)参照)と外部導出端子6c(図7(A)参照)とが電気的に接続されている。
In the
更に、第1の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図7(A)に示した組立体の外囲ケース6の内側にゲル状樹脂(図示せず)が充填され、ゲル状樹脂(図示せず)によって、少なくとも絶縁基板2(図7参照)と、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3a,3b(図7参照)と、電極板4a,4b(図7参照)と、接続部材5a,5b(図4および図9(B)参照)と、外部導出端子6a,6b,6c(図5、図6および図7(A)参照)の下端部6a4,6b4,6c4(図5(C)、図6、図7(B)および図7(C)参照)とが覆われている。更に、図7(A)に示した組立体に対し、図8に示した蓋体7が被せられている。詳細には、蓋体7(図8、図9(A)および図9(B)参照)の装着時に、図9(A)に示すように、外部導出端子6a(図7(A)、図7(B)および図9(A)参照)の上端部6a1(図6(A)参照)が蓋体7(図8、図9(A)および図9(B)参照)の導出穴7a(図8(A)および図8(C)参照)を通され、外部導出端子6b(図7(A)および図9(A)参照)の上端部6b1(図6(A)参照)が蓋体7(図8、図9(A)および図9(B)参照)の導出穴7b(図8(A)および図8(C)参照)を通され、外部導出端子6c(図7(A)および図9(A)参照)の上端部6c1(図6(B)参照)が蓋体7(図8、図9(A)および図9(B)参照)の導出穴7c(図8(A)および図8(C)参照)を通される。次いで、蓋体7(図8、図9(A)および図9(B)参照)の上面の凹部7f(図8(A)および図9(A)参照)にナット(図示せず)が挿入される。次いで、外部導出端子6a,6b,6c(図7(A)および図9(A)参照)の上端部6a1,6b1,6c1(図6(A)および図6(B)参照)が折り曲げられ、図9(B)に示す第1の実施形態のパワー半導体モジュール100が完成する。
Furthermore, in the
つまり、第1の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図9(B)および図9(C)に示すように、大電流が流れる上面電極(アノード電極)と、大電流が流れる下面電極(カソード電極)とを有するパワー半導体チップ(ダイオードチップ)3a,3bが設けられている。また、図3(A)に示すように、絶縁基板2の絶縁層2aの上面側に形成された上面側導体パターン2b1に、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3aが搭載されている。更に、図3(B)に示すように、絶縁基板2の上面側導体パターン2b1と、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3aの下面電極(カソード電極)とが、電気的に接続されている。また、図3(A)に示すように、絶縁基板2の絶縁層2aの上面側に形成された上面側導体パターン2b2に、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3bが搭載されている。更に、図3(C)に示すように、絶縁基板2の上面側導体パターン2b2と、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3bの下面電極(カソード電極)とが、電気的に接続されている。
That is, in the
また、第1の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図4に示すように、接続部材5a(図4参照)および電極板4a(図4(A)および図4(B)参照)を介して、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3a(図4(A)および図4(B)参照)の上面電極(アノード電極)と絶縁基板2(図4参照)の上面側導体パターン2b2(図4(A)および図4(C)参照)とが電気的に接続されている。更に、接続部材5b(図4参照)および電極板4b(図4(A)および図4(C)参照)を介して、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3b(図4(A)および図4(C)参照)の上面電極(アノード電極)と絶縁基板2(図4参照)の上面側導体パターン2b3(図4(A)および図4(B)参照)とが電気的に接続されている。
Moreover, in the
詳細には、第1の実施形態のパワー半導体モジュール100では、金属製放熱板1(図1および図3参照)と絶縁基板2(図2および図3参照)の下面側導体パターン2c(図2(B)、図2(C)、図3(B)および図3(C)参照)との間の半田10a(図3(B)および図3(C)参照)による接合、絶縁基板2(図2および図7参照)の上面側導体パターン2b1(図2(A)、図7(A)および図7(C)参照)と外部導出端子6b(図5、図6(A)および図7(A)参照)の下端部6b4(図7(C)参照)との間の半田10f2(図7(C)参照)による接合、絶縁基板2(図2および図7参照)の上面側導体パターン2b2(図2(A)、図2(B)、図7(A)および図7(B)参照)と外部導出端子6a(図5、図6(A)、図7(A)および図7(B)参照)の下端部6a4(図7(B)参照)との間の半田10f1(図7(B)参照)による接合、絶縁基板2(図2および図7参照)の上面側導体パターン2b3(図2(A)、図7(A)および図7(C)参照)と外部導出端子6c(図5、図6(B)および図7(A)参照)の下端部6c4(図7(C)参照)との間の半田10f3(図7(C)参照)による接合、接続部材5a(図4参照)の後側下端部5a1(図4(A)および図4(C)参照)と絶縁基板2(図2および図4参照)の上面側導体パターン2b2(図2(A)、図2(B)、図4(A)および図4(C)参照)との間の半田10d1(図4(C)参照)による接合、接続部材5b(図4参照)の前側下端部5b2(図4(A)および図4(B)参照)と絶縁基板2(図2および図4参照)の上面側導体パターン2b3(図2(A)、図4(A)および図4(B)参照)との間の半田10e2(図4(B)参照)による接合、接続部材5a(図4参照)の前側下端部5a2(図4(A)および図4(B)参照)と電極板4a(図3(A)、図3(B)、図4(A)および図4(B)参照)との間の半田10e1(図4(B)参照)による接合、接続部材5b(図4参照)の後側下端部5b1(図4(A)および図4(C)参照)と電極板4b(図3(A)、図3(C)、図4(A)および図4(C)参照)との間の半田10d2(図4(C)参照)による接合、電極板4a(図3(A)および図3(B)参照)とパワー半導体チップ(ダイオードチップ)3a(図3(A)および図3(B)参照)の上面電極(アノード電極)との間の半田10c1(図3(B)参照)による接合、電極板4b(図3(A)および図3(C)参照)とパワー半導体チップ(ダイオードチップ)3b(図3(A)および図3(C)参照)の上面電極(アノード電極)との間の半田10c2(図3(C)参照)による接合、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3a(図3(A)および図3(B)参照)の下面電極(カソード電極)と絶縁基板2(図3参照)の上面側導体パターン2b1(図3(A)および図3(B)参照)との間の半田10b1(図3(B)参照)による接合、および、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3b(図3(A)および図3(C)参照)の下面電極(カソード電極)と絶縁基板2(図3参照)の上面側導体パターン2b2(図3(A)および図3(C)参照)との間の半田10b2(図3(C)参照)による接合が一括処理によって実行される。更に、それらの半田接合の実行時に、特許文献1(特開2010−199251号公報)の図3に記載されたパワー半導体モジュールのように、ベーシング冶具(図示せず)の凹状上面にならって金属製放熱板1(図7参照)の下面が凸状に変形するように、金属製放熱板1(図7参照)がベーシング冶具(図示せず)に対して固定される。具体的には、第1の実施形態のパワー半導体モジュール100では、ベーシング冶具(図示せず)に対して金属製放熱板1(図7参照)を固定するためのねじ(図示せず)によって、外囲ケース6(図7参照)も共締めされる。つまり、図7(A)に示す状態の組立体が、ねじ(図示せず)によって、ベーシング冶具(図示せず)に対して固定される。
Specifically, in the
近年、パワー半導体モジュールには、高い信頼性が要求されている。具体的には、厳しい温度サイクル試験に耐えることが要求されている。 In recent years, high reliability is required for power semiconductor modules. Specifically, it is required to withstand severe temperature cycle tests.
そこで、本発明者等は、パワー半導体モジュールに対する近年の高信頼性要求に応えるために、金属製放熱板1(図3参照)と絶縁基板2(図3参照)の下面側導体パターン2c(図3(B)および図3(C)参照)との間の半田接合の温度サイクル試験を行った。具体的には、本発明者等の研究において、金属製放熱板1(図3参照)と絶縁基板2(図3参照)の下面側導体パターン2c(図3(B)および図3(C)参照)との間の半田接合に、引張強度が低い、Sb(アンチモン)を含有しないPb(鉛)フリー半田を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、金属製放熱板1(図3参照)と絶縁基板2(図3参照)の下面側導体パターン2c(図3(B)および図3(C)参照)との間のSbを含有しないPbフリー半田が剥離してしまうことが確認された。
In order to meet the recent high reliability requirements for the power semiconductor module, the present inventors have made the lower
本発明者等は、金属製放熱板1(図3参照)と絶縁基板2(図3参照)の下面側導体パターン2c(図3(B)および図3(C)参照)との間の半田の引張強度が不足していると考え、本発明者等の研究において、金属製放熱板1(図3参照)と絶縁基板2(図3参照)の下面側導体パターン2c(図3(B)および図3(C)参照)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田(合金組成が例えばSn−3.9Ag−0.6Cu−3.0Sb)を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、金属製放熱板1(図3参照)と絶縁基板2(図3参照)の下面側導体パターン2c(図3(B)および図3(C)参照)との間のSbを含有するPbフリー半田が剥離しないことが確認された。
The present inventors have soldered between the metal heat sink 1 (see FIG. 3) and the lower surface
更に、本発明者等は、パワー半導体モジュールに対する近年の高信頼性要求に応えるために、絶縁基板2(図2および図7参照)の上面側導体パターン2b1(図2(A)、図7(A)および図7(C)参照)と外部導出端子6b(図5、図6(A)および図7(A)参照)の下端部6b4(図7(C)参照)との間の半田接合の温度サイクル試験を行った。具体的には、本発明者等の研究において、絶縁基板2(図2および図7参照)の上面側導体パターン2b1(図2(A)、図7(A)および図7(C)参照)と外部導出端子6b(図5、図6(A)および図7(A)参照)の下端部6b4(図7(C)参照)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、絶縁基板2(図2および図7参照)の上面側導体パターン2b1(図2(A)、図7(A)および図7(C)参照)と外部導出端子6b(図5、図6(A)および図7(A)参照)の下端部6b4(図7(C)参照)との間のSbを含有するPbフリー半田の剥離は認められないものの、絶縁基板2(図2および図7参照)の上面側導体パターン2b1(図2(A)、図7(A)および図7(C)参照)が破損してしまうことが確認された。
Furthermore, in order to meet the recent high reliability requirement for the power semiconductor module, the present inventors have made the upper surface side conductor pattern 2b1 (FIG. 2A, FIG. 7) of the insulating substrate 2 (see FIG. 2 and FIG. 7). A) and FIG. 7C)) and a solder joint between the lower end portion 6b4 (see FIG. 7C) of the external lead-out terminal 6b (see FIG. 5, FIG. 6A and FIG. 7A) The temperature cycle test was conducted. Specifically, in the study by the present inventors, the upper surface side conductor pattern 2b1 (see FIGS. 2A, 7A, and 7C) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 2 and 7). And Sb is contained in the solder joint between the lower end portion 6b4 (see FIG. 7 (C)) of the
外囲ケース6(図5および図6参照)にインサート成形されている外部導出端子6b(図5、図6(A)および図7(A)参照)の温度サイクル試験時の上下方向(図6(A)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量と、樹脂材料によって構成されている外囲ケース6(図5および図6参照)の温度サイクル試験時の上下方向(図6(A)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量とが異なるため、絶縁基板2(図2および図7参照)の上面側導体パターン2b1(図2(A)、図7(A)および図7(C)参照)と外部導出端子6b(図5、図6(A)および図7(A)参照)の下端部6b4(図7(C)参照)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用いると、温度サイクル試験時に、外部導出端子6b(図5、図6(A)および図7(A)参照)の上下方向(図6(A)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量と、外囲ケース6(図5および図6参照)の上下方向(図6(A)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量との差分を、Sbを含有するPbフリー半田の変形によって十分に吸収することができず、その結果、絶縁基板2(図2および図7参照)の上面側導体パターン2b1(図2(A)、図7(A)および図7(C)参照)にかかる熱応力によって、絶縁基板2(図2および図7参照)の上面側導体パターン2b1(図2(A)、図7(A)および図7(C)参照)が破損したと、本発明者等は考えた。 Vertical direction (FIG. 6) during the temperature cycle test of the external lead-out terminal 6b (see FIG. 5, FIG. 6 (A) and FIG. 7 (A)) insert-molded in the outer case 6 (see FIG. 5 and FIG. 6). The amount of thermal expansion and contraction in the vertical direction of (A) and the vertical direction during the temperature cycle test of the surrounding case 6 (see FIGS. 5 and 6) made of a resin material (FIG. 6A) Since the thermal expansion amount and thermal contraction amount in the vertical direction are different, the upper surface side conductor pattern 2b1 (FIGS. 2A, 7A, and 7) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 2 and 7) is used. C)) and a lower end portion 6b4 (see FIG. 7C) of the external lead-out terminal 6b (see FIGS. 5, 6A, and 7A) have high tensile strength. When Pb-free solder containing Sb is used, the external lead-out terminal 6b (FIGS. 5 and 5) is used during a temperature cycle test. (A) and FIG. 7 (A)) in the vertical direction (vertical direction in FIG. 6 (A)) and the thermal expansion / contraction amount in the vertical direction (see FIG. 5 and FIG. 6) The difference between the thermal expansion amount and the thermal contraction amount in the vertical direction of FIG. 6A cannot be sufficiently absorbed by the deformation of the Pb-free solder containing Sb, and as a result, the insulating substrate 2 (FIG. 2). And the upper surface side conductor pattern 2b1 (see FIGS. 2A, 7A, and 7C) of the upper surface side of the insulating substrate 2 (see FIGS. 2 and 7). The present inventors considered that the side conductor pattern 2b1 (see FIGS. 2A, 7A, and 7C) was damaged.
そこで、本発明者等の研究において、絶縁基板2(図2および図7参照)の上面側導体パターン2b1(図2(A)、図7(A)および図7(C)参照)と外部導出端子6b(図5、図6(A)および図7(A)参照)の下端部6b4(図7(C)参照)との間の半田接合に、引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田(合金組成が例えばSn−0.3Ag−0.7Cu−0.035Ni、Sn−0.7Cu−0.05Ni等)を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、絶縁基板2(図2および図7参照)の上面側導体パターン2b1(図2(A)、図7(A)および図7(C)参照)と外部導出端子6b(図5、図6(A)および図7(A)参照)の下端部6b4(図7(C)参照)との間のSbを含有しないPbフリー半田が剥離せず、絶縁基板2(図2および図7参照)の上面側導体パターン2b1(図2(A)、図7(A)および図7(C)参照)も破損しないことが確認された。 Therefore, in the study by the present inventors, the upper surface side conductor pattern 2b1 (see FIGS. 2A, 7A, and 7C) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 2 and 7) and external derivation Pb-free that has low tensile strength and does not contain Sb for solder joint with the lower end 6b4 (see FIG. 7C) of the terminal 6b (see FIG. 5, FIG. 6A and FIG. 7A) A temperature cycle test was performed using solder (alloy composition such as Sn-0.3Ag-0.7Cu-0.035Ni, Sn-0.7Cu-0.05Ni, etc.). As a result, after the temperature cycle test, the upper surface side conductor pattern 2b1 (see FIGS. 2A, 7A, and 7C) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 2 and 7) and the external lead-out terminal 6b. Pb-free solder not containing Sb between the lower end 6b4 (see FIG. 7C) of FIG. 5, FIG. 6 (A) and FIG. 7 (A)) does not peel off, and the insulating substrate 2 (FIG. 2 and FIG. 7), it was confirmed that the upper surface side conductor pattern 2b1 (see FIGS. 2A, 7A, and 7C) was not damaged.
また、本発明者等は、パワー半導体モジュールに対する近年の高信頼性要求に応えるために、絶縁基板2(図2および図7参照)の上面側導体パターン2b2(図2(A)、図2(B)、図7(A)および図7(B)参照)と外部導出端子6a(図5、図6(A)、図7(A)および図7(B)参照)の下端部6a4(図7(B)参照)との間の半田接合の温度サイクル試験を行った。具体的には、本発明者等の研究において、絶縁基板2(図2および図7参照)の上面側導体パターン2b2(図2(A)、図2(B)、図7(A)および図7(B)参照)と外部導出端子6a(図5、図6(A)、図7(A)および図7(B)参照)の下端部6a4(図7(B)参照)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、絶縁基板2(図2および図7参照)の上面側導体パターン2b2(図2(A)、図2(B)、図7(A)および図7(B)参照)と外部導出端子6a(図5、図6(A)、図7(A)および図7(B)参照)の下端部6a4(図7(B)参照)との間のSbを含有するPbフリー半田の剥離は認められないものの、絶縁基板2(図2および図7参照)の上面側導体パターン2b2(図2(A)、図2(B)、図7(A)および図7(B)参照)が破損してしまうことが確認された。
In order to meet the recent high reliability requirements for power semiconductor modules, the present inventors have provided the upper surface side conductor pattern 2b2 (FIGS. 2A and 2) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 2 and 7). B), FIG. 7 (A) and FIG. 7 (B)) and the lower end 6a4 (see FIG. 5) of the external lead-out terminal 6a (see FIG. 5, FIG. 6 (A), FIG. 7 (A) and FIG. 7 (B)). 7 (B)) was subjected to a temperature cycle test of the solder joint. Specifically, in the study by the present inventors, the upper surface side conductor pattern 2b2 (FIGS. 2A, 2B, 7A) and FIG. 7B) and the lower end 6a4 (see FIG. 7B) of the external lead-out terminal 6a (see FIGS. 5, 6A, 7A, and 7B). A temperature cycle test was performed using Pb-free solder containing Sb and having a high tensile strength for solder joining. As a result, after the temperature cycle test, the upper surface side conductor pattern 2b2 (see FIGS. 2A, 2B, 7A, and 7B) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 2 and 7). ) And the
外囲ケース6(図5および図6参照)にインサート成形されている外部導出端子6a(図5、図6(A)、図7(A)および図7(B)参照)の温度サイクル試験時の上下方向(図6(A)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量と、樹脂材料によって構成されている外囲ケース6(図5および図6参照)の温度サイクル試験時の上下方向(図6(A)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量とが異なるため、絶縁基板2(図2および図7参照)の上面側導体パターン2b2(図2(A)、図2(B)、図7(A)および図7(B)参照)と外部導出端子6a(図5、図6(A)、図7(A)および図7(B)参照)の下端部6a4(図7(B)参照)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用いると、温度サイクル試験時に、外部導出端子6a(図5、図6(A)、図7(A)および図7(B)参照)の上下方向(図6(A)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量と、外囲ケース6(図5および図6参照)の上下方向(図6(A)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量との差分を、Sbを含有するPbフリー半田の変形によって十分に吸収することができず、その結果、絶縁基板2(図2および図7参照)の上面側導体パターン2b2(図2(A)、図2(B)、図7(A)および図7(B)参照)にかかる熱応力によって、絶縁基板2(図2および図7参照)の上面側導体パターン2b2(図2(A)、図2(B)、図7(A)および図7(B)参照)が破損したと、本発明者等は考えた。 During a temperature cycle test of the external lead-out terminal 6a (see FIGS. 5, 6A, 7A, and 7B) insert-molded in the outer case 6 (see FIGS. 5 and 6) In the vertical direction (the vertical direction in FIG. 6A) and the vertical direction during the temperature cycle test of the outer case 6 (see FIGS. 5 and 6) made of a resin material. Since the thermal expansion amount and thermal contraction amount in the vertical direction (FIG. 6A) are different, the upper surface side conductor pattern 2b2 (FIG. 2A, FIG. 2) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 2 and 7). B), FIG. 7 (A) and FIG. 7 (B)) and the lower end 6a4 (see FIG. 5) of the external lead-out terminal 6a (see FIG. 5, FIG. 6 (A), FIG. 7 (A) and FIG. 7 (B)). 7 (B)), when using Pb-free solder containing Sb and having high tensile strength, the temperature cycle During the test, the amount of thermal expansion and contraction in the vertical direction (vertical direction in FIG. 6A) of the external lead-out terminal 6a (see FIGS. 5, 6A, 7A, and 7B) The difference between the amount and the amount of thermal expansion / shrinkage in the vertical direction (vertical direction in FIG. 6A) of the surrounding case 6 (see FIGS. 5 and 6) is the deformation of the Pb-free solder containing Sb. As a result, the upper surface side conductor pattern 2b2 (FIGS. 2A, 2B, 7A and 7A and 7B) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 2 and 7) and FIG. 7B)), the upper surface side conductor pattern 2b2 (FIGS. 2A, 2B, 7A, and 7) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 2 and 7). The present inventors considered that (see (B)) was damaged.
そこで、本発明者等の研究において、絶縁基板2(図2および図7参照)の上面側導体パターン2b2(図2(A)、図2(B)、図7(A)および図7(B)参照)と外部導出端子6a(図5、図6(A)、図7(A)および図7(B)参照)の下端部6a4(図7(B)参照)との間の半田接合に、引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田(合金組成が例えばSn−0.3Ag−0.7Cu−0.035Ni、Sn−0.7Cu−0.05Ni等)を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、絶縁基板2(図2および図7参照)の上面側導体パターン2b2(図2(A)、図2(B)、図7(A)および図7(B)参照)と外部導出端子6a(図5、図6(A)、図7(A)および図7(B)参照)の下端部6a4(図7(B)参照)との間のSbを含有しないPbフリー半田が剥離せず、絶縁基板2(図2および図7参照)の上面側導体パターン2b2(図2(A)、図2(B)、図7(A)および図7(B)参照)も破損しないことが確認された。
Therefore, in the research by the present inventors, the upper surface side conductor pattern 2b2 (FIGS. 2A, 2B, 7A and 7B) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 2 and 7). )) And a lower end portion 6a4 (see FIG. 7B) of the external lead-out terminal 6a (see FIGS. 5, 6A, 7A, and 7B). Using a Pb-free solder having a low tensile strength and containing no Sb (alloy composition such as Sn-0.3Ag-0.7Cu-0.035Ni, Sn-0.7Cu-0.05Ni, etc.) went. As a result, after the temperature cycle test, the upper surface side conductor pattern 2b2 (see FIGS. 2A, 2B, 7A, and 7B) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 2 and 7). ) And the
更に、本発明者等は、パワー半導体モジュールに対する近年の高信頼性要求に応えるために、絶縁基板2(図2および図7参照)の上面側導体パターン2b3(図2(A)、図7(A)および図7(C)参照)と外部導出端子6c(図5、図6(B)および図7(A)参照)の下端部6c4(図7(C)参照)との間の半田接合の温度サイクル試験を行った。具体的には、本発明者等の研究において、絶縁基板2(図2および図7参照)の上面側導体パターン2b3(図2(A)、図7(A)および図7(C)参照)と外部導出端子6c(図5、図6(B)および図7(A)参照)の下端部6c4(図7(C)参照)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、絶縁基板2(図2および図7参照)の上面側導体パターン2b3(図2(A)、図7(A)および図7(C)参照)と外部導出端子6c(図5、図6(B)および図7(A)参照)の下端部6c4(図7(C)参照)との間のSbを含有するPbフリー半田の剥離は認められないものの、絶縁基板2(図2および図7参照)の上面側導体パターン2b3(図2(A)、図7(A)および図7(C)参照)が破損してしまうことが確認された。
Furthermore, in order to meet the recent high reliability requirement for the power semiconductor module, the present inventors have made the upper surface side conductor pattern 2b3 (FIG. 2A, FIG. 7) of the insulating substrate 2 (see FIG. 2 and FIG. 7). A) and FIG. 7 (C)) and a solder joint between the lower end portion 6c4 (see FIG. 7 (C)) of the
外囲ケース6(図5および図6参照)にインサート成形されている外部導出端子6c(図5、図6(B)および図7(A)参照)の温度サイクル試験時の上下方向(図6(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量と、樹脂材料によって構成されている外囲ケース6(図5および図6参照)の温度サイクル試験時の上下方向(図6(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量とが異なるため、絶縁基板2(図2および図7参照)の上面側導体パターン2b3(図2(A)、図7(A)および図7(C)参照)と外部導出端子6c(図5、図6(B)および図7(A)参照)の下端部6c4(図7(C)参照)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用いると、温度サイクル試験時に、外部導出端子6c(図5、図6(B)および図7(A)参照)の上下方向(図6(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量と、外囲ケース6(図5および図6参照)の上下方向(図6(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量との差分を、Sbを含有するPbフリー半田の変形によって十分に吸収することができず、その結果、絶縁基板2(図2および図7参照)の上面側導体パターン2b3(図2(A)、図7(A)および図7(C)参照)にかかる熱応力によって、絶縁基板2(図2および図7参照)の上面側導体パターン2b3(図2(A)、図7(A)および図7(C)参照)が破損したと、本発明者等は考えた。
Up and down direction (FIG. 6) at the time of a temperature cycle test of the external lead-out
そこで、本発明者等の研究において、絶縁基板2(図2および図7参照)の上面側導体パターン2b3(図2(A)、図7(A)および図7(C)参照)と外部導出端子6c(図5、図6(B)および図7(A)参照)の下端部6c4(図7(C)参照)との間の半田接合に、引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田(合金組成が例えばSn−0.3Ag−0.7Cu−0.035Ni、Sn−0.7Cu−0.05Ni等)を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、絶縁基板2(図2および図7参照)の上面側導体パターン2b3(図2(A)、図7(A)および図7(C)参照)と外部導出端子6c(図5、図6(B)および図7(A)参照)の下端部6c4(図7(C)参照)との間のSbを含有しないPbフリー半田が剥離せず、絶縁基板2(図2および図7参照)の上面側導体パターン2b3(図2(A)、図7(A)および図7(C)参照)も破損しないことが確認された。
Therefore, in the studies by the present inventors, the upper surface side conductor pattern 2b3 (see FIGS. 2A, 7A, and 7C) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 2 and 7) and the external derivation. Pb-free that has low tensile strength and does not contain Sb for solder joint with the lower end 6c4 (see FIG. 7C) of the terminal 6c (see FIGS. 5, 6B, and 7A) A temperature cycle test was performed using solder (alloy composition such as Sn-0.3Ag-0.7Cu-0.035Ni, Sn-0.7Cu-0.05Ni, etc.). As a result, after the temperature cycle test, the upper surface side conductor pattern 2b3 (see FIGS. 2A, 7A, and 7C) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 2 and 7) and the external lead-out
また、本発明者等は、パワー半導体モジュールに対する近年の高信頼性要求に応えるために、絶縁基板2(図2および図4参照)の上面側導体パターン2b2(図2(A)、図2(B)、図4(A)および図4(C)参照)と接続部材5a(図4参照)の後側下端部5a1(図4(A)および図4(C)参照)との間の半田接合の温度サイクル試験を行った。具体的には、本発明者等の研究において、絶縁基板2(図2および図4参照)の上面側導体パターン2b2(図2(A)、図2(B)、図4(A)および図4(C)参照)と接続部材5a(図4参照)の後側下端部5a1(図4(A)および図4(C)参照)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、絶縁基板2(図2および図4参照)の上面側導体パターン2b2(図2(A)、図2(B)、図4(A)および図4(C)参照)と接続部材5a(図4参照)の後側下端部5a1(図4(A)および図4(C)参照)との間のSbを含有するPbフリー半田の剥離は認められないものの、絶縁基板2(図2および図4参照)の上面側導体パターン2b2(図2(A)、図2(B)、図4(A)および図4(C)参照)が破損してしまうことが確認された。
In order to meet the recent high reliability requirements for power semiconductor modules, the present inventors have provided the upper surface side conductor pattern 2b2 (FIGS. 2A and 2) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 2 and 4). B), solder between FIG. 4 (A) and FIG. 4 (C)) and rear lower end portion 5a1 (see FIG. 4 (A) and FIG. 4 (C)) of the connecting
外囲ケース6(図9(B)参照)内のゲル状樹脂によって覆われている接続部材5a(図4および図9(B)参照)の温度サイクル試験時の上下方向の熱膨張量・熱収縮量と、ゲル状樹脂の温度サイクル試験時の上下方向の熱膨張量・熱収縮量とが異なるため、絶縁基板2(図2および図4参照)の上面側導体パターン2b2(図2(A)、図2(B)、図4(A)および図4(C)参照)と接続部材5a(図4および図9(B)参照)の後側下端部5a1(図4(A)および図4(C)参照)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用いると、温度サイクル試験時に、接続部材5a(図4および図9(B)参照)の上下方向の熱膨張量・熱収縮量と、ゲル状樹脂の上下方向の熱膨張量・熱収縮量との差分を、Sbを含有するPbフリー半田の変形によって十分に吸収することができず、その結果、絶縁基板2(図2および図4参照)の上面側導体パターン2b2(図2(A)、図2(B)、図4(A)および図4(C)参照)にかかる熱応力によって、絶縁基板2(図2および図4参照)の上面側導体パターン2b2(図2(A)、図2(B)、図4(A)および図4(C)参照)が破損したと、本発明者等は考えた。
Thermal expansion amount / heat in the vertical direction during the temperature cycle test of the connecting
そこで、本発明者等の研究において、絶縁基板2(図2および図4参照)の上面側導体パターン2b2(図2(A)、図2(B)、図4(A)および図4(C)参照)と接続部材5a(図4および図9(B)参照)の後側下端部5a1(図4(A)および図4(C)参照)との間の半田接合に、引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田(合金組成が例えばSn−0.3Ag−0.7Cu−0.035Ni、Sn−0.7Cu−0.05Ni等)を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、絶縁基板2(図2および図4参照)の上面側導体パターン2b2(図2(A)、図2(B)、図4(A)および図4(C)参照)と接続部材5a(図4および図9(B)参照)の後側下端部5a1(図4(A)および図4(C)参照)との間のSbを含有しないPbフリー半田が剥離せず、絶縁基板2(図2および図4参照)の上面側導体パターン2b2(図2(A)、図2(B)、図4(A)および図4(C)参照)も破損しないことが確認された。
Therefore, in the study by the present inventors, the upper surface side conductor pattern 2b2 (FIGS. 2A, 2B, 4A, and 4C) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 2 and 4). )) And the rear lower end 5a1 of the connecting
更に、本発明者等は、パワー半導体モジュールに対する近年の高信頼性要求に応えるために、絶縁基板2(図2および図4参照)の上面側導体パターン2b3(図2(A)、図4(A)および図4(B)参照)と接続部材5b(図4参照)の前側下端部5b2(図4(A)および図4(B)参照)との間の半田接合の温度サイクル試験を行った。具体的には、本発明者等の研究において、絶縁基板2(図2および図4参照)の上面側導体パターン2b3(図2(A)、図4(A)および図4(B)参照)と接続部材5b(図4参照)の前側下端部5b2(図4(A)および図4(B)参照)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、絶縁基板2(図2および図4参照)の上面側導体パターン2b3(図2(A)、図4(A)および図4(B)参照)と接続部材5b(図4参照)の前側下端部5b2(図4(A)および図4(B)参照)との間のSbを含有するPbフリー半田の剥離は認められないものの、絶縁基板2(図2および図4参照)の上面側導体パターン2b3(図2(A)、図4(A)および図4(B)参照)が破損してしまうことが確認された。
Furthermore, in order to meet the recent high reliability requirement for the power semiconductor module, the present inventors have made the upper surface side conductor pattern 2b3 (FIG. 2A, FIG. 4) of the insulating substrate 2 (see FIG. 2 and FIG. 4). A) and a temperature cycle test of a solder joint between the front lower end portion 5b2 (see FIGS. 4A and 4B) of the
外囲ケース6(図9(B)参照)内のゲル状樹脂によって覆われている接続部材5b(図4および図9(B)参照)の温度サイクル試験時の上下方向の熱膨張量・熱収縮量と、ゲル状樹脂の温度サイクル試験時の上下方向の熱膨張量・熱収縮量とが異なるため、絶縁基板2(図2および図4参照)の上面側導体パターン2b3(図2(A)、図4(A)および図4(B)参照)と接続部材5b(図4および図9(B)参照)の前側下端部5b2(図4(A)および図4(B)参照)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用いると、温度サイクル試験時に、接続部材5b(図4および図9(B)参照)の上下方向の熱膨張量・熱収縮量と、ゲル状樹脂の上下方向の熱膨張量・熱収縮量との差分を、Sbを含有するPbフリー半田の変形によって十分に吸収することができず、その結果、絶縁基板2(図2および図4参照)の上面側導体パターン2b3(図2(A)、図4(A)および図4(B)参照)にかかる熱応力によって、絶縁基板2(図2および図4参照)の上面側導体パターン2b3(図2(A)、図4(A)および図4(B)参照)が破損したと、本発明者等は考えた。
Thermal expansion amount / heat in the vertical direction during the temperature cycle test of the connecting
そこで、本発明者等の研究において、絶縁基板2(図2および図4参照)の上面側導体パターン2b3(図2(A)、図4(A)および図4(B)参照)と接続部材5b(図4および図9(B)参照)の前側下端部5b2(図4(A)および図4(B)参照)との間の半田接合に、引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田(合金組成が例えばSn−0.3Ag−0.7Cu−0.035Ni、Sn−0.7Cu−0.05Ni等)を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、絶縁基板2(図2および図4参照)の上面側導体パターン2b3(図2(A)、図4(A)および図4(B)参照)と接続部材5b(図4および図9(B)参照)の前側下端部5b2(図4(A)および図4(B)参照)との間のSbを含有しないPbフリー半田が剥離せず、絶縁基板2(図2および図4参照)の上面側導体パターン2b3(図2(A)、図4(A)および図4(B)参照)も破損しないことが確認された。
Therefore, in the research by the present inventors, the upper surface side conductor pattern 2b3 (see FIGS. 2A, 4A, and 4B) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 2 and 4) and the connection member. 5b (see FIG. 4 and FIG. 9B) Pb-free with low tensile strength and no Sb for solder joint with the front lower end 5b2 (see FIG. 4A and FIG. 4B) A temperature cycle test was performed using solder (alloy composition such as Sn-0.3Ag-0.7Cu-0.035Ni, Sn-0.7Cu-0.05Ni, etc.). As a result, after the temperature cycle test, the upper surface side conductor pattern 2b3 (see FIGS. 2A, 4A, and 4B) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 2 and 4) and the
本発明者等の研究結果に鑑み、第1の実施形態のパワー半導体モジュール100では、金属製放熱板1(図1および図3参照)と絶縁基板2(図2および図3参照)の下面側導体パターン2c(図2(B)、図2(C)、図3(B)および図3(C)参照)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田10a(図3(B)および図3(C)参照)が用いられている。
In view of the research results of the present inventors, in the
そのため、第1の実施形態のパワー半導体モジュール100によれば、温度サイクル試験後の金属製放熱板1(図1および図3参照)と絶縁基板2(図2および図3参照)の下面側導体パターン2c(図2(B)、図2(C)、図3(B)および図3(C)参照)との間の半田10a(図3(B)および図3(C)参照)の剥離を回避することができ、金属製放熱板1(図1および図3参照)と絶縁基板2(図2および図3参照)の下面側導体パターン2c(図2(B)、図2(C)、図3(B)および図3(C)参照)との間の半田接合の信頼性を向上させることができる。
Therefore, according to the
更に、第1の実施形態のパワー半導体モジュール100では、絶縁基板2(図2および図7参照)の上面側導体パターン2b1(図2(A)、図7(A)および図7(C)参照)と外部導出端子6b(図7(A)参照)の下端部6b4(図7(A)および図7(C)参照)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田10a(図3(B)および図3(C)参照)よりも引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田10f2(図7(C)参照)が用いられている。
Furthermore, in the
そのため、第1の実施形態のパワー半導体モジュール100によれば、温度サイクル試験後の絶縁基板2(図2および図7参照)の上面側導体パターン2b1(図2(A)、図7(A)および図7(C)参照)と外部導出端子6b(図7(A)参照)の下端部6b4(図7(A)および図7(C)参照)との間の半田10f2(図7(C)参照)の剥離および絶縁基板2(図2および図7参照)の上面側導体パターン2b1(図2(A)、図7(A)および図7(C)参照)の破損を同時に回避することができ、絶縁基板2(図2および図7参照)の上面側導体パターン2b1(図2(A)、図7(A)および図7(C)参照)と外部導出端子6b(図7(A)参照)の下端部6b4(図7(A)および図7(C)参照)との間の半田接合の信頼性を向上させることができる。
Therefore, according to the
また、第1の実施形態のパワー半導体モジュール100では、絶縁基板2(図2および図7参照)の上面側導体パターン2b2(図2(A)、図2(B)、図7(A)および図7(B)参照)と外部導出端子6a(図7(A)および図7(B)参照)の下端部6a4(図7(A)および図7(B)参照)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田10a(図3(B)および図3(C)参照)よりも引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田10f1(図7(B)参照)が用いられている。
In the
そのため、第1の実施形態のパワー半導体モジュール100によれば、温度サイクル試験後の絶縁基板2(図2および図7参照)の上面側導体パターン2b2(図2(A)、図2(B)、図7(A)および図7(B)参照)と外部導出端子6a(図7(A)および図7(B)参照)の下端部6a4(図7(A)および図7(B)参照)との間の半田10f1(図7(B)参照)の剥離および絶縁基板2(図2および図7参照)の上面側導体パターン2b2(図2(A)、図2(B)、図7(A)および図7(B)参照)の破損を同時に回避することができ、絶縁基板2(図2および図7参照)の上面側導体パターン2b2(図2(A)、図2(B)、図7(A)および図7(B)参照)と外部導出端子6a(図7(A)および図7(B)参照)の下端部6a4(図7(A)および図7(B)参照)との間の半田接合の信頼性を向上させることができる。
Therefore, according to the
更に、第1の実施形態のパワー半導体モジュール100では、絶縁基板2(図2および図7参照)の上面側導体パターン2b3(図2(A)、図7(A)および図7(C)参照)と外部導出端子6c(図7(A)参照)の下端部6c4(図7(A)および図7(C)参照)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田10a(図3(B)および図3(C)参照)よりも引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田10f3(図7(C)参照)が用いられている。
Furthermore, in the
そのため、第1の実施形態のパワー半導体モジュール100によれば、温度サイクル試験後の絶縁基板2(図2および図7参照)の上面側導体パターン2b3(図2(A)、図7(A)および図7(C)参照)と外部導出端子6c(図7(A)参照)の下端部6c4(図7(A)および図7(C)参照)との間の半田10f3(図7(C)参照)の剥離および絶縁基板2(図2および図7参照)の上面側導体パターン2b3(図2(A)、図7(A)および図7(C)参照)の破損を同時に回避することができ、絶縁基板2(図2および図7参照)の上面側導体パターン2b3(図2(A)、図7(A)および図7(C)参照)と外部導出端子6c(図7(A)参照)の下端部6c4(図7(A)および図7(C)参照)との間の半田接合の信頼性を向上させることができる。
Therefore, according to the
また、第1の実施形態のパワー半導体モジュール100では、絶縁基板2(図2および図4参照)の上面側導体パターン2b2(図2(A)、図2(B)、図4(A)および図4(C)参照)と接続部材5a(図4参照)の後側下端部5a1(図4(A)および図4(C)参照)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田10a(図3(B)および図3(C)参照)よりも引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田10d1(図4(C)参照)が用いられている。
In the
そのため、第1の実施形態のパワー半導体モジュール100によれば、温度サイクル試験後の絶縁基板2(図2および図4参照)の上面側導体パターン2b2(図2(A)、図2(B)、図4(A)および図4(C)参照)と接続部材5a(図4参照)の後側下端部5a1(図4(A)および図4(C)参照)との間の半田10d1(図4(C)参照)の剥離および絶縁基板2(図2および図4参照)の上面側導体パターン2b2(図2(A)、図2(B)、図4(A)および図4(C)参照)の破損を同時に回避することができ、絶縁基板2(図2および図4参照)の上面側導体パターン2b2(図2(A)、図2(B)、図4(A)および図4(C)参照)と接続部材5a(図4参照)の後側下端部5a1(図4(A)および図4(C)参照)との間の半田接合の信頼性を向上させることができる。
Therefore, according to the
更に、第1の実施形態のパワー半導体モジュール100では、絶縁基板2(図2および図4参照)の上面側導体パターン2b3(図2(A)、図4(A)および図4(B)参照)と接続部材5b(図4参照)の前側下端部5b2(図4(A)および図4(B)参照)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田10a(図3(B)および図3(C)参照)よりも引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田10e2(図4(B)参照)が用いられている。
Furthermore, in the
そのため、第1の実施形態のパワー半導体モジュール100によれば、温度サイクル試験後の絶縁基板2(図2および図4参照)の上面側導体パターン2b3(図2(A)、図4(A)および図4(B)参照)と接続部材5b(図4参照)の前側下端部5b2(図4(A)および図4(B)参照)との間の半田10e2(図4(B)参照)の剥離および絶縁基板2(図2および図4参照)の上面側導体パターン2b3(図2(A)、図4(A)および図4(B)参照)の破損を同時に回避することができ、絶縁基板2(図2および図4参照)の上面側導体パターン2b3(図2(A)、図4(A)および図4(B)参照)と接続部材5b(図4参照)の前側下端部5b2(図4(A)および図4(B)参照)との間の半田接合の信頼性を向上させることができる。
Therefore, according to the
第1の実施形態のパワー半導体モジュール100では、半田10b1,10c1(図3(B)参照)として、Sbを含有するPbフリー半田10a(図3(B)および図3(C)参照)よりも引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田が用いられているが、第1の実施形態のパワー半導体モジュール100の変形例では、代わりに、半田10b1,10c1(図3(B)参照)として、半田10a(図3(B)および図3(C)参照)と同様に引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用いることも可能である。
In the
また、第1の実施形態のパワー半導体モジュール100では、半田10b2,10c2(図3(C)参照)として、Sbを含有するPbフリー半田10a(図3(B)および図3(C)参照)よりも引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田が用いられているが、第1の実施形態のパワー半導体モジュール100の変形例では、代わりに、半田10b2,10c2(図3(C)参照)として、半田10a(図3(B)および図3(C)参照)と同様に引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用いることも可能である。
In the
更に、第1の実施形態のパワー半導体モジュール100では、半田10e1(図4(B)参照)として、Sbを含有するPbフリー半田10a(図3(B)および図3(C)参照)よりも引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田が用いられているが、第1の実施形態のパワー半導体モジュール100の変形例では、代わりに、半田10e1(図4(B)参照)として、半田10a(図3(B)および図3(C)参照)と同様に引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用いることも可能である。
Furthermore, in the
また、第1の実施形態のパワー半導体モジュール100では、半田10d2(図4(C)参照)として、Sbを含有するPbフリー半田10a(図3(B)および図3(C)参照)よりも引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田が用いられているが、第1の実施形態のパワー半導体モジュール100の変形例では、代わりに、半田10d2(図4(C)参照)として、半田10a(図3(B)および図3(C)参照)と同様に引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用いることも可能である。
In the
以下、本発明のパワー半導体モジュールの第2の実施形態について説明する。図10は第2の実施形態のパワー半導体モジュール100の一部を構成する金属製放熱板1を示した図である。詳細には、図10(A)は金属製放熱板1の平面図、図10(B)は図10(A)のA1−A1線に沿った鉛直断面図である。図11は第2の実施形態のパワー半導体モジュール100の一部を構成する絶縁基板2を示した図である。詳細には、図11(A)は絶縁基板2の平面図、図11(B)は図11(A)のB1−B1線に沿った鉛直断面図、図11(C)は絶縁基板2の底面図である。図12は金属製放熱板1上に絶縁基板2等が搭載される様子を示した図である。詳細には、図12(A)は金属製放熱板1上に絶縁基板2が搭載され、絶縁基板2上にパワー半導体チップ(ダイオードチップ)3aが搭載され、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3a上に例えばアノードPCM(琺瑯鉄)板、アノードモリブデン板などのようなアノード電極板4aが搭載された状態を示した平面図である。図12(B)は図12(A)のC1−C1線に沿った分解組立断面図である。
Hereinafter, a second embodiment of the power semiconductor module of the present invention will be described. FIG. 10 is a view showing a metal
図13は図12(A)に示した組立体上に接続部材5a,5a’が搭載される様子を示した図である。詳細には、図13(A)は図12(A)に示した組立体上に接続部材5a,5a’が搭載された状態を示した平面図である。図13(B)は図13(A)のE1−E1線に沿った分解組立断面図、図13(C)は図13(A)のF1−F1線に沿った分解組立断面図である。図14および図15は図13(A)に示した組立体上に外部導出端子6a,6bが搭載される様子を示した図である。詳細には、図14は図13(A)に示した組立体上に外部導出端子6a,6bが搭載された状態を示した平面図である。図15(A)は図14のG1−G1線に沿った分解組立断面図、図15(B)は図14のH1−H1線に沿った分解組立断面図である。図16および図17は図14に示した組立体上に被せられる外囲ケース6の部品図である。詳細には、図16(A)は外囲ケース6の平面図、図16(B)は外囲ケース6の正面図である。図17(A)は図16(A)のK1−K1線に沿った鉛直断面図、図17(B)は外囲ケース6の底面図である。
FIG. 13 is a view showing a state in which the
図18は図14に示した組立体上に被せられた図16および図17に示した外囲ケース6上に被せられる蓋体7の部品図である。詳細には、図18(A)は蓋体7の平面図、図18(B)は蓋体7の正面図、図18(C)は蓋体7の底面図である。図19は第2の実施形態のパワー半導体モジュール100を示した図である。詳細には、図19(A)は図14に示した組立体上に、図16および図17に示した外囲ケース6が被せられ、次いで、図18に示した蓋体7が被せられることにより得られる第2の実施形態のパワー半導体モジュール100の平面図である。図19(B)は第2の実施形態のパワー半導体モジュール100の概略的な鉛直断面図である。図19(C)は第2の実施形態のパワー半導体モジュール100の等価回路図である。
18 is a component diagram of the
第2の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図12(B)に示すように、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3a(図12参照)が発生した熱を放熱するための金属製放熱板1(図10および図12参照)の上面と、絶縁基板2(図11および図12参照)の絶縁層2a(図11および図12参照)の下面側に形成された下面側導体パターン2c(図11(B)、図11(C)および図12(B)参照)との間に半田10a(図12(B)参照)が配置されている。また、図12(B)に示すように、絶縁基板2(図11および図12参照)の上面側導体パターン2b1(図11(A)、図12(A)および図12(B)参照)とパワー半導体チップ(ダイオードチップ)3a(図12(A)および図12(B)参照)の下面電極(カソード電極)との間に半田10b1(図12(B)参照)が配置されている。
In the
また、第2の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図12(B)に示すように、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3a(図12(A)および図12(B)参照)の上面電極(アノード電極)とアノード電極板4a(図12(A)および図12(B)参照)の下面との間に半田10c1(図12(B)参照)が配置されている。
In the
更に、第2の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図13に示すように、例えば金属材料のプレス加工等によって形成された接続部材5a,5a’が設けられている。詳細には、図13(B)に示すように、アノード電極板4a(図13(A)および図13(B)参照)の上面と接続部材5a(図13(A)および図13(B)参照)の右側下端部5a2(図13(A)および図13(B)参照)の下面との間に半田10e1(図13(B)参照)が配置されている。また、図13(C)に示すように、アノード電極板4a(図13(A)および図13(C)参照)の上面と接続部材5a’(図13(A)および図13(C)参照)の右側下端部5a2’(図13(A)および図13(C)参照)の下面との間に半田10e1’(図13(C)参照)が配置されている。
Furthermore, in the
また、第2の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図13(B)に示すように、絶縁基板2(図13参照)の上面側導体パターン2b2(図13(A)および図13(B)参照)と接続部材5a(図13(A)および図13(B)参照)の左側下端部5a1(図13(A)および図13(B)参照)の下面との間に半田10d1(図13(B)参照)が配置されている。更に、図13(C)に示すように、絶縁基板2(図13参照)の上面側導体パターン2b2(図13(A)および図13(C)参照)と接続部材5a’(図13(A)および図13(C)参照)の左側下端部5a1’(図13(A)および図13(C)参照)の下面との間に半田10d1’(図13(B)参照)が配置されている。
In the
更に、第2の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図14および図15に示すように、上下方向(図15の上下方向)に延びている上端部6a1と、上端部6a1から分岐しかつ屈曲している中央部6a2,6a2’と、水平方向(図15の左右方向)に延びている下端部6a4,6a4’とを有する外部導出端子6aが、例えば金属材料のプレス加工によって形成されている。また、第2の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図14および図15に示すように、上下方向(図15の上下方向)に延びている上端部6b1と、上端部6b1から分岐しかつ屈曲している中央部6b2,6b2’と、水平方向(図15の左右方向)に延びている下端部6b4,6b4’とを有する外部導出端子6bが、例えば金属材料のプレス加工によって形成されている。
Furthermore, in the
また、第2の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図14および図15(A)に示すように、絶縁基板2(図14および図15(A)参照)の上面側導体パターン2b2(図14および図15(A)参照)と、外部導出端子6a(図14および図15(A)参照)の下端部6a4(図15(A)参照)の下面との間に半田10f1(図15(A)参照)が配置されている。また、図14および図15(B)に示すように、絶縁基板2(図14および図15(B)参照)の上面側導体パターン2b2(図14および図15(B)参照)と、外部導出端子6a(図14および図15(B)参照)の下端部6a4’(図15(B)参照)の下面との間に半田10f1’(図15(B)参照)が配置されている。その結果、上面側導体パターン2b2(図14および図15参照)と外部導出端子6a(図14および図15参照)とが電気的に接続されている。
In the
更に、第2の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図14および図15(A)に示すように、絶縁基板2(図14および図15(A)参照)の上面側導体パターン2b1(図14および図15(A)参照)と、外部導出端子6b(図14および図15(A)参照)の下端部6b4(図15(A)参照)の下面との間に半田10f2(図15(A)参照)が配置されている。また、図14および図15(B)に示すように、絶縁基板2(図14および図15(B)参照)の上面側導体パターン2b1(図14および図15(B)参照)と、外部導出端子6b(図14および図15(B)参照)の下端部6b4’(図15(B)参照)の下面との間に半田10f2’(図15(B)参照)が配置されている。その結果、上面側導体パターン2b1(図14および図15参照)と外部導出端子6b(図14および図15参照)とが電気的に接続されている。
Furthermore, in the
また、第2の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図16および図17に示すように、右側壁6d(図17(A)および図17(B)参照)と左側壁6e(図17(A)および図17(B)参照)と前側壁6f(図16(B)および図17(B)参照)と後側壁6g(図17(A)および図17(B)参照)とを有し、電気絶縁性樹脂材料の成形によって形成された外囲ケース6(図16および図17参照)が設けられている。詳細には、外囲ケース6(図16、図17、図19(A)および図19(B)参照)が、図14に示した組立体上に被せられている。
In the
つまり、外部導出端子6a,6b(図5および図6(A)参照)がインサートされて外囲ケース6(図5および図6参照)と一体的に形成されている第1の実施形態のパワー半導体モジュール100(図9参照)とは異なり、第2の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図14〜図17に示すように、外部導出端子6a,6b(図14および図15参照)が、外囲ケース6(図16および図17参照)にインサートされておらず、外囲ケース6(図16および図17参照)とは別個の部材として構成されている。
That is, the power of the first embodiment in which the external lead-out
更に、第2の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図14に示した組立体上に被せられた外囲ケース6の内側にゲル状樹脂(図示せず)が充填されている。詳細には、図19(B)に破線で示した高さHTまで、ゲル状樹脂(図示せず)が充填されている。つまり、ゲル状樹脂(図示せず)によって、絶縁基板2(図19(B)参照)と、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3a(図19(B)参照)と、電極板4a(図19(B)参照)と、接続部材5a,5a’(図13および図19(B)参照)と、外部導出端子6a,6b(図14、図15および図19(B)参照)の下端部6a4,6a4’,6b4,6b4’(図15(A)および図15(B)参照)および中央部6a2,6a2’,6b2,6b2’(図15(A)および図15(B)参照)とが覆われている。また、図14に示した組立体上に被せられた外囲ケース6の内側であって、図19(B)に破線で示した高さHTの上側には、エポキシ樹脂(図示せず)が充填されている。更に、図19(A)および図19(B)に示すように、外囲ケース6(図19(A)および図19(B)参照)上に、図18に示した蓋体7が被せられている。詳細には、蓋体7(図18、図19(A)および図19(B)参照)の装着時に、図19(A)に示すように、外部導出端子6a(図14、図15、図19(A)および図19(B)参照)の上端部6a1(図15参照)が蓋体7(図18、図19(A)および図19(B)参照)の導出穴7a(図18(A)、図18(C)および図19(A)参照)を通される。また、外部導出端子6b(図14、図15、図19(A)および図19(B)参照)の上端部6b1(図15参照)が蓋体7(図18、図19(A)および図19(B)参照)の導出穴7b(図18(A)、図18(C)および図19(A)参照)を通される。次いで、蓋体7(図18、図19(A)および図19(B)参照)の上面の凹部7f(図18(A)および図19(A)参照)にナット(図示せず)が挿入される。次いで、外部導出端子6a,6b(図14、図15、図19(A)および図19(B)参照)の上端部6a1,6b1(図15参照)が折り曲げられ、第2の実施形態のパワー半導体モジュール100が完成する。
Furthermore, in the
つまり、第2の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図19(B)および図19(C)に示すように、大電流が流れる上面電極(アノード電極)と、大電流が流れる下面電極(カソード電極)とを有するパワー半導体チップ(ダイオードチップ)3aが設けられている。また、図12(A)に示すように、絶縁基板2の絶縁層2aの上面側に形成された上面側導体パターン2b1に、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3aが搭載されている。更に、図12(B)に示すように、絶縁基板2の上面側導体パターン2b1と、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3aの下面電極(カソード電極)とが、電気的に接続されている。
That is, in the
また、第2の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図13に示すように、接続部材5a(図13(A)および図13(B)参照)および電極板4a(図13(A)および図13(B)参照)を介して、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3a(図13(A)参照)の上面電極(アノード電極)と絶縁基板2(図13参照)の上面側導体パターン2b2(図13(A)および図13(B)参照)とが電気的に接続されている。更に、接続部材5a’(図13(A)および図13(C)参照)および電極板4a(図13(A)および図13(C)参照)を介して、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3a(図13(A)参照)の上面電極(アノード電極)と絶縁基板2(図13参照)の上面側導体パターン2b2(図13(A)および図13(C)参照)とが電気的に接続されている。
Further, in the
詳細には、第2の実施形態のパワー半導体モジュール100では、金属製放熱板1(図10および図12参照)と絶縁基板2(図11および図12参照)の下面側導体パターン2c(図11(B)、図11(C)および図12(B)参照)との間の半田10a(図12(B)参照)による接合、絶縁基板2(図11、図14および図15参照)の上面側導体パターン2b1(図11(A)、図14および図15参照)と外部導出端子6b(図14および図15参照)の下端部6b4,6b4’(図15参照)との間の半田10f2,10f2’(図15参照)による接合、絶縁基板2(図11、図14および図15参照)の上面側導体パターン2b2(図11(A)、図14および図15参照)と外部導出端子6a(図14および図15参照)の下端部6a4,6a4’(図15参照)との間の半田10f1,10f1’(図15参照)による接合、接続部材5a,5a’(図13参照)の左側下端部5a1,5a1’(図13参照)と絶縁基板2(図11および図13参照)の上面側導体パターン2b2(図11(A)および図13参照)との間の半田10d1,10d1’(図13(B)および図13(C)参照)による接合、接続部材5a,5a’(図13参照)の右側下端部5a2,5a2’(図13参照)と電極板4a(図12(A)、図12(B)および図13参照)との間の半田10e1,10e1’(図13参照)による接合、電極板4a(図12(A)および図12(B)参照)とパワー半導体チップ(ダイオードチップ)3a(図12(A)および図12(B)参照)の上面電極(アノード電極)との間の半田10c1(図12(B)参照)による接合、および、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3a(図12(A)および図12(B)参照)の下面電極(カソード電極)と絶縁基板2(図12参照)の上面側導体パターン2b1(図12(A)および図12(B)参照)との間の半田10b1(図12(B)参照)による接合が一括処理によって実行される。更に、それらの半田接合の実行時に、特許文献1(特開2010−199251号公報)の図3に記載されたパワー半導体モジュールのように、ベーシング冶具(図示せず)の凹状上面にならって金属製放熱板1(図10、図14および図15参照)の下面が凸状に変形するように、金属製放熱板1(図10、図14および図15参照)がベーシング冶具(図示せず)に対して固定される。
Specifically, in the
近年、パワー半導体モジュールには、高い信頼性が要求されている。具体的には、厳しい温度サイクル試験に耐えることが要求されている。 In recent years, high reliability is required for power semiconductor modules. Specifically, it is required to withstand severe temperature cycle tests.
そこで、本発明者等は、パワー半導体モジュールに対する近年の高信頼性要求に応えるために、金属製放熱板1(図12参照)と絶縁基板2(図12参照)の下面側導体パターン2c(図12(B)参照)との間の半田接合の温度サイクル試験を行った。具体的には、本発明者等の研究において、金属製放熱板1(図12参照)と絶縁基板2(図12参照)の下面側導体パターン2c(図12(B)参照)との間の半田接合に、引張強度が低い、Sb(アンチモン)を含有しないPb(鉛)フリー半田を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、金属製放熱板1(図12参照)と絶縁基板2(図12参照)の下面側導体パターン2c(図12(B)参照)との間のSbを含有しないPbフリー半田が剥離してしまうことが確認された。
In order to meet the recent high reliability requirements for the power semiconductor module, the present inventors have made the lower surface
本発明者等は、金属製放熱板1(図12参照)と絶縁基板2(図12参照)の下面側導体パターン2c(図12(B)参照)との間の半田の引張強度が不足していると考え、本発明者等の研究において、金属製放熱板1(図12参照)と絶縁基板2(図12参照)の下面側導体パターン2c(図12(B)参照)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田(合金組成が例えばSn−3.9Ag−0.6Cu−3.0Sb)を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、金属製放熱板1(図12参照)と絶縁基板2(図12参照)の下面側導体パターン2c(図12(B)参照)との間のSbを含有するPbフリー半田が剥離しないことが確認された。
The present inventors have insufficient solder tensile strength between the metal heat sink 1 (see FIG. 12) and the lower surface
更に、本発明者等は、パワー半導体モジュールに対する近年の高信頼性要求に応えるために、絶縁基板2(図11、図14および図15参照)の上面側導体パターン2b1(図11(A)、図14および図15参照)と外部導出端子6b(図14および図15参照)の下端部6b4,6b4’(図15参照)との間の半田接合の温度サイクル試験を行った。具体的には、本発明者等の研究において、絶縁基板2(図11、図14および図15参照)の上面側導体パターン2b1(図11(A)、図14および図15参照)と外部導出端子6b(図14および図15参照)の下端部6b4,6b4’(図15参照)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、絶縁基板2(図11、図14および図15参照)の上面側導体パターン2b1(図11(A)、図14および図15参照)と外部導出端子6b(図14および図15参照)の下端部6b4,6b4’(図15参照)との間のSbを含有するPbフリー半田の剥離は認められないものの、絶縁基板2(図11、図14および図15参照)の上面側導体パターン2b1(図11(A)、図14および図15参照)が破損してしまうことが確認された。 Furthermore, in order to meet the recent high reliability requirements for the power semiconductor module, the present inventors have made the upper surface side conductor pattern 2b1 (FIG. 11A) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 11, 14, and 15), A temperature cycle test of the solder joint between the lower end portions 6b4 and 6b4 ′ (see FIG. 15) of the external lead-out terminal 6b (see FIG. 14 and FIG. 15) was performed. Specifically, in the research by the present inventors, the upper surface side conductor pattern 2b1 (see FIGS. 11A, 14 and 15) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 11, 14 and 15) and external derivation. A temperature cycle test was performed using Pb-free solder containing Sb with high tensile strength for solder joint with the lower end portions 6b4 and 6b4 ′ (see FIG. 15) of the terminal 6b (see FIGS. 14 and 15). It was. As a result, after the temperature cycle test, the upper surface side conductor pattern 2b1 (see FIGS. 11A, 14 and 15) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 11, 14 and 15) and the external lead-out terminal 6b (see FIG. 14). And Pb-free solder containing Sb between the lower end portions 6b4 and 6b4 ′ (see FIG. 15) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 11, 14 and 15). It was confirmed that the upper surface side conductor pattern 2b1 (see FIGS. 11A, 14 and 15) was damaged.
外囲ケース6(図16、図17、図19(A)および図19(B)参照)内のゲル状樹脂(図示せず)によって覆われている外部導出端子6b(図19(B)参照)の温度サイクル試験時の上下方向(図19(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量と、ゲル状樹脂(図示せず)の温度サイクル試験時の上下方向(図19(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量とが異なるため、絶縁基板2(図11、図14および図15参照)の上面側導体パターン2b1(図11(A)、図14および図15参照)と外部導出端子6b(図14および図15参照)の下端部6b4,6b4’(図15参照)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用いると、温度サイクル試験時に、外部導出端子6b(図19(B)参照)の上下方向(図19(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量と、ゲル状樹脂(図示せず)の上下方向(図19(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量との差分を、Sbを含有するPbフリー半田の変形によって十分に吸収することができず、その結果、絶縁基板2(図11、図14および図15参照)の上面側導体パターン2b1(図11(A)、図14および図15参照)にかかる熱応力によって、絶縁基板2(図11、図14および図15参照)の上面側導体パターン2b1(図11(A)、図14および図15参照)が破損したと、本発明者等は考えた。
External lead-out terminal 6b (see FIG. 19B) covered with a gel-like resin (not shown) in the outer case 6 (see FIGS. 16, 17, 19A and 19B) ) In the vertical direction during the temperature cycle test (the vertical direction in FIG. 19B) and the vertical direction during the temperature cycle test of the gel resin (not shown) (see FIG. 19B). ) Of the upper surface side conductor pattern 2b1 (FIGS. 11A, 14 and 15) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 11, 14 and 15). When a Pb-free solder containing high tensile strength and containing Sb is used for solder joining between the lower end portions 6b4 and 6b4 ′ (see FIG. 15) of the external lead-out terminal 6b (see FIG. 14 and FIG. 15). In the temperature cycle test, the external lead-out terminal 6b (see FIG. 19B) The amount of thermal expansion / heat shrinkage in the vertical direction (vertical direction in FIG. 19B) and the amount of thermal expansion / heat in the vertical direction (vertical direction in FIG. 19B) of the gel resin (not shown). The difference from the shrinkage amount cannot be sufficiently absorbed by deformation of the Pb-free solder containing Sb, and as a result, the upper surface side conductor pattern 2b1 (see FIG. 11, FIG. 14 and FIG. 15) of the insulating
そこで、本発明者等の研究において、絶縁基板2(図11、図14および図15参照)の上面側導体パターン2b1(図11(A)、図14および図15参照)と外部導出端子6b(図14および図15参照)の下端部6b4,6b4’(図15参照)との間の半田接合に、引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田(合金組成が例えばSn−0.3Ag−0.7Cu−0.035Ni、Sn−0.7Cu−0.05Ni等)を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、絶縁基板2(図11、図14および図15参照)の上面側導体パターン2b1(図11(A)、図14および図15参照)と外部導出端子6b(図14および図15参照)の下端部6b4,6b4’(図15参照)との間のSbを含有しないPbフリー半田が剥離せず、絶縁基板2(図11、図14および図15参照)の上面側導体パターン2b1(図11(A)、図14および図15参照)も破損しないことが確認された。
Therefore, in the study by the present inventors, the upper surface side conductor pattern 2b1 (see FIGS. 11A, 14 and 15) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 11, 14 and 15) and the
また、本発明者等は、パワー半導体モジュールに対する近年の高信頼性要求に応えるために、絶縁基板2(図11、図14および図15参照)の上面側導体パターン2b2(図11(A)、図14および図15参照)と外部導出端子6a(図14および図15参照)の下端部6a4,6a4’(図15参照)との間の半田接合の温度サイクル試験を行った。具体的には、本発明者等の研究において、絶縁基板2(図11、図14および図15参照)の上面側導体パターン2b2(図11(A)、図14および図15参照)と外部導出端子6a(図14および図15参照)の下端部6a4,6a4’(図15参照)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、絶縁基板2(図11、図14および図15参照)の上面側導体パターン2b2(図11(A)、図14および図15参照)と外部導出端子6a(図14および図15参照)の下端部6a4,6a4’(図15参照)との間のSbを含有するPbフリー半田の剥離は認められないものの、絶縁基板2(図11、図14および図15参照)の上面側導体パターン2b2(図11(A)、図14および図15参照)が破損してしまうことが確認された。 In order to meet the recent high reliability requirements for the power semiconductor module, the present inventors have provided the upper surface side conductor pattern 2b2 (FIG. 11 (A)) of the insulating substrate 2 (see FIG. 11, FIG. 14 and FIG. 15). A temperature cycle test of the solder joint between the lower end portions 6a4 and 6a4 ′ (see FIG. 15) of the external lead-out terminal 6a (see FIGS. 14 and 15) was performed. Specifically, in the study by the present inventors, the upper surface side conductor pattern 2b2 (see FIGS. 11A, 14 and 15) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 11, 14 and 15) and external derivation. A temperature cycle test was performed using Pb-free solder containing Sb having high tensile strength for solder joint with the lower end portions 6a4 and 6a4 ′ (see FIG. 15) of the terminal 6a (see FIGS. 14 and 15). It was. As a result, after the temperature cycle test, the upper surface side conductor pattern 2b2 (see FIGS. 11A, 14 and 15) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 11, 14 and 15) and the external lead-out terminal 6a (see FIG. 14). And Pb-free solder containing Sb between the lower end portions 6a4 and 6a4 ′ (see FIG. 15) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 11, 14 and 15). It was confirmed that the upper surface side conductor pattern 2b2 (see FIGS. 11A, 14 and 15) was damaged.
外囲ケース6(図16、図17、図19(A)および図19(B)参照)内のゲル状樹脂(図示せず)によって覆われている外部導出端子6a(図19(B)参照)の温度サイクル試験時の上下方向(図19(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量と、ゲル状樹脂(図示せず)の温度サイクル試験時の上下方向(図19(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量とが異なるため、絶縁基板2(図11、図14および図15参照)の上面側導体パターン2b2(図11(A)、図14および図15参照)と外部導出端子6a(図14および図15参照)の下端部6a4,6a4’(図15参照)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用いると、温度サイクル試験時に、外部導出端子6a(図19(B)参照)の上下方向(図19(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量と、ゲル状樹脂(図示せず)の上下方向(図19(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量との差分を、Sbを含有するPbフリー半田の変形によって十分に吸収することができず、その結果、絶縁基板2(図11、図14および図15参照)の上面側導体パターン2b2(図11(A)、図14および図15参照)にかかる熱応力によって、絶縁基板2(図11、図14および図15参照)の上面側導体パターン2b2(図11(A)、図14および図15参照)が破損したと、本発明者等は考えた。 External lead-out terminal 6a (see FIG. 19B) covered with a gel-like resin (not shown) in the outer case 6 (see FIGS. 16, 17, 19A and 19B) ) In the vertical direction during the temperature cycle test (the vertical direction in FIG. 19B) and the vertical direction during the temperature cycle test of the gel resin (not shown) (see FIG. 19B). ) Of the upper surface side conductor pattern 2b2 (FIGS. 11A, 14 and 15) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 11, 14 and 15). When a Pb-free solder containing high Sb and containing Sb is used for solder joining between the lower end portions 6a4 and 6a4 ′ (see FIG. 15) of the external lead-out terminal 6a (see FIGS. 14 and 15). In the temperature cycle test, the external lead-out terminal 6a (see FIG. 19B) The amount of thermal expansion / heat shrinkage in the vertical direction (vertical direction in FIG. 19B) and the amount of thermal expansion / heat in the vertical direction (vertical direction in FIG. 19B) of the gel resin (not shown). The difference from the shrinkage amount cannot be sufficiently absorbed by deformation of the Pb-free solder containing Sb, and as a result, the upper surface side conductor pattern 2b2 (see FIG. 11, FIG. 14, and FIG. 15) The upper surface side conductor pattern 2b2 (FIGS. 11A, 14 and 15) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 11, 14 and 15) due to the thermal stress applied to FIGS. The present inventors considered that it was damaged.
そこで、本発明者等の研究において、絶縁基板2(図11、図14および図15参照)の上面側導体パターン2b2(図11(A)、図14および図15参照)と外部導出端子6a(図14および図15参照)の下端部6a4,6a4’(図15参照)との間の半田接合に、引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田(合金組成が例えばSn−0.3Ag−0.7Cu−0.035Ni、Sn−0.7Cu−0.05Ni等)を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、絶縁基板2(図11、図14および図15参照)の上面側導体パターン2b2(図11(A)、図14および図15参照)と外部導出端子6a(図14および図15参照)の下端部6a4,6a4’(図15参照)との間のSbを含有しないPbフリー半田が剥離せず、絶縁基板2(図11、図14および図15参照)の上面側導体パターン2b2(図11(A)、図14および図15参照)も破損しないことが確認された。 Therefore, in the studies by the present inventors, the upper surface side conductor pattern 2b2 (see FIGS. 11A, 14 and 15) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 11, 14 and 15) and the external lead-out terminal 6a (see FIG. Pb-free solder having a low tensile strength and not containing Sb (alloy composition is Sn-0.3Ag-, for example) for solder joints with lower end portions 6a4, 6a4 '(see FIG. 15) of FIG. 14 and FIG. 0.7Cu-0.035Ni, Sn-0.7Cu-0.05Ni, etc.) were used to perform a temperature cycle test. As a result, after the temperature cycle test, the upper surface side conductor pattern 2b2 (see FIGS. 11A, 14 and 15) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 11, 14 and 15) and the external lead-out terminal 6a (see FIG. 14). And Pb-free solder containing no Sb between the lower end portions 6a4 and 6a4 ′ (see FIG. 15) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 11, 14, and 15). It was confirmed that the conductor pattern 2b2 (see FIGS. 11A, 14 and 15) was not damaged.
また、本発明者等は、パワー半導体モジュールに対する近年の高信頼性要求に応えるために、絶縁基板2(図11および図13参照)の上面側導体パターン2b2(図11(A)、図11(B)および図13参照)と接続部材5a,5a(図13参照)の左側下端部5a1,5a1’(図13参照)との間の半田接合の温度サイクル試験を行った。具体的には、本発明者等の研究において、絶縁基板2(図11および図13参照)の上面側導体パターン2b2(図11(A)、図11(B)および図13参照)と接続部材5a,5a’(図13参照)の左側下端部5a1,5a1’(図13参照)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、絶縁基板2(図11および図13参照)の上面側導体パターン2b2(図11(A)、図11(B)および図13参照)と接続部材5a,5a’(図13参照)の左側下端部5a1,5a1’(図13参照)との間のSbを含有するPbフリー半田の剥離は認められないものの、絶縁基板2(図11および図13参照)の上面側導体パターン2b2(図11(A)、図11(B)および図13参照)が破損してしまうことが確認された。
In order to meet the recent high reliability requirements for the power semiconductor module, the present inventors have provided the upper surface side conductor pattern 2b2 (FIGS. 11A and 11) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 11 and 13). B) and FIG. 13) and a temperature cycle test of the solder joint between the left lower ends 5a1 and 5a1 ′ (see FIG. 13) of the connecting
外囲ケース6(図19(B)参照)内のゲル状樹脂によって覆われている接続部材5a,5a’(図13および図19(B)参照)の温度サイクル試験時の上下方向(図19(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量と、ゲル状樹脂の温度サイクル試験時の上下方向(図19(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量とが異なるため、絶縁基板2(図11および図13参照)の上面側導体パターン2b2(図11(A)、図11(B)および図13参照)と接続部材5a,5a’(図13および図19(B)参照)の左側下端部5a1,5a1’(図13参照)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用いると、温度サイクル試験時に、接続部材5a,5a’(図13および図19(B)参照)の上下方向(図19(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量と、ゲル状樹脂の上下方向(図19(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量との差分を、Sbを含有するPbフリー半田の変形によって十分に吸収することができず、その結果、絶縁基板2(図11および図13参照)の上面側導体パターン2b2(図11(A)、図11(B)および図13参照)にかかる熱応力によって、絶縁基板2(図11および図13参照)の上面側導体パターン2b2(図11(A)、図11(B)および図13参照)が破損したと、本発明者等は考えた。
Up and down direction (FIG. 19) during the temperature cycle test of the connecting
そこで、本発明者等の研究において、絶縁基板2(図11および図13参照)の上面側導体パターン2b2(図11(A)、図11(B)および図13参照)と接続部材5a,5a’(図13および図19(B)参照)の左側下端部5a1,5a1’(図13参照)との間の半田接合に、引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田(合金組成が例えばSn−0.3Ag−0.7Cu−0.035Ni、Sn−0.7Cu−0.05Ni等)を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、絶縁基板2(図11および図13参照)の上面側導体パターン2b2(図11(A)、図11(B)および図13参照)と接続部材5a,5a’(図13および図19(B)参照)の左側下端部5a1,5a1’(図13参照)との間のSbを含有しないPbフリー半田が剥離せず、絶縁基板2(図11および図13参照)の上面側導体パターン2b2(図11(A)、図11(B)および図13参照)も破損しないことが確認された。
Therefore, in the research by the present inventors, the upper surface side conductor pattern 2b2 (see FIGS. 11A, 11B, and 13) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 11 and 13) and the
本発明者等の研究結果に鑑み、第2の実施形態のパワー半導体モジュール100では、金属製放熱板1(図10および図12参照)と絶縁基板2(図11および図12参照)の下面側導体パターン2c(図11(B)、図11(C)および図12(B)参照)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田10a(図12(B)参照)が用いられている。
In view of the research results of the present inventors, in the
そのため、第2の実施形態のパワー半導体モジュール100によれば、温度サイクル試験後の金属製放熱板1(図10および図12参照)と絶縁基板2(図11および図12参照)の下面側導体パターン2c(図11(B)、図11(C)および図12(B)参照)との間の半田10a(図12(B)参照)の剥離を回避することができ、金属製放熱板1(図10および図12参照)と絶縁基板2(図11および図12参照)の下面側導体パターン2c(図11(B)、図11(C)および図12(B)参照)との間の半田接合の信頼性を向上させることができる。
Therefore, according to the
更に、第2の実施形態のパワー半導体モジュール100では、絶縁基板2(図11、図14および図15参照)の上面側導体パターン2b1(図11(A)、図14および図15参照)と外部導出端子6b(図14および図15参照)の下端部6b4,6b4’(図15参照)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田10a(図12(B)参照)よりも引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田10f2,10f2’(図15参照)が用いられている。
Furthermore, in the
そのため、第2の実施形態のパワー半導体モジュール100によれば、温度サイクル試験後の絶縁基板2(図11、図14および図15参照)の上面側導体パターン2b1(図11(A)、図14および図15参照)と外部導出端子6b(図14および図15参照)の下端部6b4,6b4’(図15参照)との間の半田10f2,10f2’(図15参照)の剥離および絶縁基板2(図11、図14および図15参照)の上面側導体パターン2b1(図11(A)、図14および図15参照)の破損を同時に回避することができ、絶縁基板2(図11、図14および図15参照)の上面側導体パターン2b1(図11(A)、図14および図15参照)と外部導出端子6b(図14および図15参照)の下端部6b4,6b4’(図15参照)との間の半田接合の信頼性を向上させることができる。
Therefore, according to the
また、第2の実施形態のパワー半導体モジュール100では、絶縁基板2(図11、図14および図15参照)の上面側導体パターン2b2(図11(A)、図11(B)、図14および図15参照)と外部導出端子6a(図14および図15参照)の下端部6a4,6a4’(図15参照)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田10a(図12(B)参照)よりも引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田10f1,10f1’(図15参照)が用いられている。
In the
そのため、第2の実施形態のパワー半導体モジュール100によれば、温度サイクル試験後の絶縁基板2(図11、図14および図15参照)の上面側導体パターン2b2(図11(A)、図11(B)、図14および図15参照)と外部導出端子6a(図14および図15参照)の下端部6a4,6a4’(図15参照)との間の半田10f1,10f1’(図15参照)の剥離および絶縁基板2(図11、図14および図15参照)の上面側導体パターン2b2(図11(A)、図11(B)、図14および図15参照)の破損を同時に回避することができ、絶縁基板2(図11、図14および図15参照)の上面側導体パターン2b2(図11(A)、図11(B)、図14および図15参照)と外部導出端子6a(図14および図15参照)の下端部6a4,6a4’(図15参照)との間の半田接合の信頼性を向上させることができる。
Therefore, according to the
また、第2の実施形態のパワー半導体モジュール100では、絶縁基板2(図11および図13参照)の上面側導体パターン2b2(図11(A)、図11(B)および図13参照)と接続部材5a,5a’(図13参照)の左側下端部5a1,5a1’(図13参照)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田10a(図12(B)参照)よりも引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田10d1,10d1’(図13(B)および図13(C)参照)が用いられている。
In the
そのため、第2の実施形態のパワー半導体モジュール100によれば、温度サイクル試験後の絶縁基板2(図11および図13参照)の上面側導体パターン2b2(図11(A)、図11(B)および図13参照)と接続部材5a,5a’(図13参照)の左側下端部5a1,5a1’(図13参照)との間の半田10d1,10d1’(図13(B)および図13(C)参照)の剥離および絶縁基板2(図11および図13参照)の上面側導体パターン2b2(図11(A)、図11(B)および図13参照)の破損を同時に回避することができ、絶縁基板2(図11および図13参照)の上面側導体パターン2b2(図11(A)、図11(B)および図13(C)参照)と接続部材5a,5a’(図13参照)の左側下端部5a1,5a1’(図13参照)との間の半田接合の信頼性を向上させることができる。
Therefore, according to the
第2の実施形態のパワー半導体モジュール100では、半田10b1,10c1(図12(B)参照)として、Sbを含有するPbフリー半田10a(図12(B)参照)よりも引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田が用いられているが、第2の実施形態のパワー半導体モジュール100の変形例では、代わりに、半田10b1,10c1(図12(B)参照)として、半田10a(図12(B)参照)と同様に引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用いることも可能である。
In the
更に、第2の実施形態のパワー半導体モジュール100では、半田10e1,10e1’(図13(B)および図13(C)参照)として、Sbを含有するPbフリー半田10a(図12(B)参照)よりも引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田が用いられているが、第2の実施形態のパワー半導体モジュール100の変形例では、代わりに、半田10e1,10e1’(図13(B)および図13(C)参照)として、半田10a(図12(B)参照)と同様に引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用いることも可能である。
Furthermore, in the
以下、本発明のパワー半導体モジュールの第3の実施形態について説明する。図20は第3の実施形態のパワー半導体モジュール100の一部を構成する金属製放熱板1を示した図である。詳細には、図20(A)は金属製放熱板1の平面図、図20(B)は図20(A)のA2−A2線に沿った鉛直断面図である。図21は第3の実施形態のパワー半導体モジュール100の一部を構成する絶縁基板2を示した図である。詳細には、図21(A)は絶縁基板2の平面図、図21(B)は図21(A)のB2−B2線に沿った鉛直断面図、図21(C)は絶縁基板2の底面図である。図22は金属製放熱板1上に絶縁基板2等が搭載される様子を示した図である。詳細には、図22(A)は金属製放熱板1上に絶縁基板2が搭載され、絶縁基板2上に例えばアノードPCM(琺瑯鉄)板、アノードモリブデン板などのようなアノード電極板4a’が搭載され、アノード電極板4a’上にパワー半導体チップ(サイリスタチップ)3aが搭載され、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3aの上面に形成された大電流が流れるための上面電極(カソード電極)上に例えばカソードPCM(琺瑯鉄)板、カソードモリブデン板などのようなカソード電極板4aが搭載され、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3aの上面に形成されたゲート電極上に接続部材8が搭載された状態を示した平面図である。図22(B)は図22(A)のC2−C2線に沿った分解組立断面図である。
Hereinafter, a third embodiment of the power semiconductor module of the present invention will be described. FIG. 20 is a view showing the
図23は図22(A)に示した組立体上に接続部材5a,5a’が搭載される様子を示した図である。詳細には、図23(A)は図22(A)に示した組立体上に接続部材5a,5a’が搭載された状態を示した平面図である。図23(B)は図23(A)のE2−E2線に沿った概略的な分解組立断面図、図23(C)は図23(A)のF2−F2線に沿った概略的な分解組立断面図である。図24および図25は図23(A)に示した組立体上に外部導出端子6a,6bが搭載される様子を示した図である。詳細には、図24は図23(A)に示した組立体上に外部導出端子6a,6bが搭載された状態を示した平面図である。図25(A)は図24のG2−G2線に沿った概略的な分解組立断面図、図25(B)は図24のH2−H2線に沿った概略的な分解組立断面図である。図26および図27は図24に示した組立体上に被せられる外囲ケース6の部品図である。詳細には、図26(A)は外囲ケース6の平面図、図26(B)は外囲ケース6の正面図である。図27(A)は図26(A)のK2−K2線に沿った鉛直断面図、図27(B)は外囲ケース6の底面図である。
FIG. 23 is a view showing a state in which the
図28は図24に示した組立体上に被せられた図26および図27に示した外囲ケース6上に被せられる蓋体7の部品図である。詳細には、図28(A)は蓋体7の平面図、図28(B)は蓋体7の正面図、図28(C)は蓋体7の底面図である。図29は第3の実施形態のパワー半導体モジュール100を示した図である。詳細には、図29(A)は図24に示した組立体上に、図26および図27に示した外囲ケース6が被せられ、次いで、図28に示した蓋体7が被せられることにより得られる第3の実施形態のパワー半導体モジュール100の平面図である。図29(B)は第3の実施形態のパワー半導体モジュール100の概略的な鉛直断面図である。図29(C)は第3の実施形態のパワー半導体モジュール100の等価回路図である。
FIG. 28 is a component diagram of the
第3の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図22(B)に示すように、パワー半導体チップ(サイリスタチップ)3a(図22参照)が発生した熱を放熱するための金属製放熱板1(図20および図22参照)の上面と絶縁基板2(図21および図22参照)の絶縁層2a(図21および図22参照)の下面側に形成された下面側導体パターン2c(図21(B)、図21(C)および図22(B)参照)との間に半田10a(図22(B)参照)が配置されている。また、図22(B)に示すように、絶縁基板2(図21および図22参照)の上面側導体パターン2b1(図21(A)、図22(A)および図22(B)参照)とアノード電極板4a’(図22(B)参照)の下面との間に半田10c1’(図22(B)参照)が配置されている。更に、図22(B)に示すように、アノード電極板4a’(図22(B)参照)の上面とパワー半導体チップ(サイリスタチップ)3a(図22(A)および図22(B)参照)の下面電極(アノード電極)との間に半田10b1(図22(B)参照)が配置されている。
In the
また、第3の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図22(B)に示すように、パワー半導体チップ(サイリスタチップ)3a(図22(A)および図22(B)参照)の大電流が流れる上面電極(カソード電極)とカソード電極板4a(図22(A)および図22(B)参照)の下面との間に半田10c1(図22(B)参照)が配置されている。更に、図22(B)に示すように、パワー半導体チップ(サイリスタチップ)3a(図22(A)および図22(B)参照)の上面に形成されたゲート電極と接続部材8(図22(A)および図22(B)参照)の下面との間に半田10g1(図22(B)参照)が配置されている。
In the
更に、第3の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図23に示すように、例えば金属材料のプレス加工等によって形成された接続部材5a,5a’が設けられている。詳細には、図23(B)に示すように、カソード電極板4a(図23(A)および図23(B)参照)の上面と接続部材5a(図23(A)および図23(B)参照)の左側下端部5a2(図23(A)および図23(B)参照)の下面との間に半田10e1(図23(B)参照)が配置されている。また、図23(C)に示すように、カソード電極板4a(図23(A)および図23(C)参照)の上面と接続部材5a’(図23(A)および図23(C)参照)の左側下端部5a2’(図23(A)および図23(C)参照)の下面との間に半田10e1’(図23(C)参照)が配置されている。
Furthermore, in the
また、第3の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図23(B)に示すように、絶縁基板2(図23参照)の上面側導体パターン2b2(図23(A)および図23(B)参照)と接続部材5a(図23(A)および図23(B)参照)の右側下端部5a1(図23(A)および図23(B)参照)の下面との間に半田10d1(図23(B)参照)が配置されている。更に、図23(C)に示すように、絶縁基板2(図23参照)の上面側導体パターン2b2(図23(A)および図23(C)参照)と接続部材5a’(図23(A)および図23(C)参照)の右側下端部5a1’(図23(A)および図23(C)参照)の下面との間に半田10d1’(図23(B)参照)が配置されている。
In the
更に、第3の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図24および図25に示すように、上下方向(図25の上下方向)に延びている上端部6a1と、上端部6a1から分岐しかつ屈曲している中央部6a2,6a2’と、水平方向(図25の左右方向)に延びている下端部6a4,6a4’とを有する外部導出端子6aが、例えば金属材料のプレス加工によって形成されている。また、第3の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図24および図25に示すように、上下方向(図25の上下方向)に延びている上端部6b1と、上端部6b1から分岐しかつ屈曲している中央部6b2,6b2’と、水平方向(図25の左右方向)に延びている下端部6b4,6b4’とを有する外部導出端子6bが、例えば金属材料のプレス加工によって形成されている。
Furthermore, in the
また、第3の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図24および図25(A)に示すように、絶縁基板2(図24および図25(A)参照)の上面側導体パターン2b2(図24および図25(A)参照)と、外部導出端子6a(図24および図25(A)参照)の下端部6a4(図25(A)参照)の下面との間に半田10f1(図25(A)参照)が配置されている。また、図24および図25(B)に示すように、絶縁基板2(図24および図25(B)参照)の上面側導体パターン2b2(図24および図25(B)参照)と、外部導出端子6a(図24および図25(B)参照)の下端部6a4’(図25(B)参照)の下面との間に半田10f1’(図25(B)参照)が配置されている。その結果、上面側導体パターン2b2(図24および図25参照)と外部導出端子6a(図24および図25参照)とが電気的に接続されている。
In the
更に、第3の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図24および図25(A)に示すように、絶縁基板2(図24および図25(A)参照)の上面側導体パターン2b1(図24および図25(A)参照)と、外部導出端子6b(図24および図25(A)参照)の下端部6b4(図25(A)参照)の下面との間に半田10f2(図25(A)参照)が配置されている。また、図24および図25(B)に示すように、絶縁基板2(図24および図25(B)参照)の上面側導体パターン2b1(図24および図25(B)参照)と、外部導出端子6b(図24および図25(B)参照)の下端部6b4’(図25(B)参照)の下面との間に半田10f2’(図25(B)参照)が配置されている。その結果、上面側導体パターン2b1(図24および図25参照)と外部導出端子6b(図24および図25参照)とが電気的に接続されている。
Furthermore, in the
また、第3の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図26および図27に示すように、右側壁6d(図27(A)および図27(B)参照)と左側壁6e(図27(A)および図27(B)参照)と前側壁6f(図26(B)および図27(B)参照)と後側壁6g(図27(A)および図27(B)参照)とを有し、電気絶縁性樹脂材料の成形によって形成された外囲ケース6(図26および図27参照)が設けられている。詳細には、外囲ケース6(図26、図27、図29(A)および図29(B)参照)が、図24に示した組立体上に被せられている。
In the
つまり、外部導出端子6a,6b(図5および図6(A)参照)がインサートされて外囲ケース6(図5および図6参照)と一体的に形成されている第1の実施形態のパワー半導体モジュール100(図9参照)とは異なり、第3の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図24〜図27に示すように、外部導出端子6a,6b(図24および図25参照)が、外囲ケース6(図26および図27参照)にインサートされておらず、外囲ケース6(図26および図27参照)とは別個の部材として構成されている。
That is, the power of the first embodiment in which the external lead-out
また、第3の実施形態のパワー半導体モジュール100では、信号端子6d(図29(A)、図29(B)および図29(C)参照)が、信号線を介して接続部材8(図22参照)に接続され、その結果、信号端子6d(図29(A)、図29(B)および図29(C)参照)とパワー半導体チップ(ダイオードチップ)3a(図29(B)および図29(C)参照)の上面に形成されたゲート電極とが電気的に接続されている。更に、信号端子6e(図29(A)、図29(B)および図29(C)参照)が、信号線を介して絶縁基板2(図22および図29(B)参照)の上面側導体パターン2b2(図22参照)に接続され、その結果、信号端子6e(図29(A)、図29(B)および図29(C)参照)とパワー半導体チップ(ダイオードチップ)3a(図29(B)および図29(C)参照)の上面電極(カソード電極)とが電気的に接続されている。
In the
更に、第3の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図24に示した組立体上に被せられた外囲ケース6の内側にゲル状樹脂(図示せず)が充填されている。詳細には、図29(B)に破線で示した高さHTまで、ゲル状樹脂(図示せず)が充填されている。つまり、ゲル状樹脂(図示せず)によって、絶縁基板2(図29(B)参照)と、パワー半導体チップ(サイリスタチップ)3a(図29(B)参照)と、電極板4a,4a’(図22(B)および図29(B)参照)と、接続部材5a,5a’(図23および図29(B)参照)と、外部導出端子6a,6b(図24、図25および図29(B)参照)の下端部6a4,6a4’,6b4,6b4’(図25(A)および図25(B)参照)および中央部6a2,6a2’,6b2,6b2’(図25(A)および図25(B)参照)とが覆われている。また、図24に示した組立体上に被せられた外囲ケース6の内側であって、図29(B)に破線で示した高さHTの上側には、エポキシ樹脂(図示せず)が充填されている。更に、図29(A)および図29(B)に示すように、外囲ケース6(図29(A)および図29(B)参照)上に、図28に示した蓋体7が被せられている。詳細には、蓋体7(図28、図29(A)および図29(B)参照)の装着時に、図29(A)に示すように、外部導出端子6a(図24、図25、図29(A)および図29(B)参照)の上端部6a1(図25参照)が蓋体7(図28、図29(A)および図29(B)参照)の導出穴7a(図28(A)、図28(C)および図29(A)参照)を通される。また、外部導出端子6b(図24、図25、図29(A)および図29(B)参照)の上端部6b1(図25参照)が蓋体7(図28、図29(A)および図29(B)参照)の導出穴7b(図28(A)、図28(C)および図29(A)参照)を通される。次いで、蓋体7(図28、図29(A)および図29(B)参照)の上面の凹部7f(図28(A)および図29(A)参照)にナット(図示せず)が挿入される。次いで、外部導出端子6a,6b(図24、図25、図29(A)および図29(B)参照)の上端部6a1,6b1(図25参照)が折り曲げられ、第3の実施形態のパワー半導体モジュール100が完成する。
Furthermore, in the
つまり、第3の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図29(B)および図29(C)に示すように、大電流が流れる上面電極(カソード電極)と、大電流が流れる下面電極(アノード電極)とを有するパワー半導体チップ(サイリスタチップ)3aが設けられている。また、図22(A)に示すように、絶縁基板2の絶縁層2aの上面側に形成された上面側導体パターン2b1に、パワー半導体チップ(サイリスタチップ)3aが搭載されている。更に、図22(B)に示すように、絶縁基板2の上面側導体パターン2b1と、パワー半導体チップ(サイリスタチップ)3aの下面電極(アノード電極)とが、電気的に接続されている。
That is, in the
また、第3の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図23に示すように、接続部材5a(図23(A)および図23(B)参照)および電極板4a(図23(A)および図23(B)参照)を介して、パワー半導体チップ(サイリスタチップ)3a(図23(A)参照)の上面電極(カソード電極)と絶縁基板2(図23参照)の上面側導体パターン2b2(図23(A)および図23(B)参照)とが電気的に接続されている。更に、接続部材5a’(図23(A)および図23(C)参照)および電極板4a(図23(A)および図23(C)参照)を介して、パワー半導体チップ(サイリスタチップ)3a(図23(A)参照)の上面電極(カソード電極)と絶縁基板2(図23参照)の上面側導体パターン2b2(図23(A)および図23(C)参照)とが電気的に接続されている。
Further, in the
詳細には、第3の実施形態のパワー半導体モジュール100では、金属製放熱板1(図20および図22参照)と絶縁基板2(図21および図22参照)の下面側導体パターン2c(図21(B)、図21(C)および図22(B)参照)との間の半田10a(図22(B)参照)による接合、絶縁基板2(図21、図24および図25参照)の上面側導体パターン2b1(図21(A)、図24および図25参照)と外部導出端子6b(図24および図25参照)の下端部6b4,6b4’(図25参照)との間の半田10f2,10f2’(図25参照)による接合、絶縁基板2(図21、図24および図25参照)の上面側導体パターン2b2(図21(A)、図24および図25参照)と外部導出端子6a(図24および図25参照)の下端部6a4,6a4’(図25参照)との間の半田10f1,10f1’(図25参照)による接合、接続部材5a,5a’(図23参照)の右側下端部5a1,5a1’(図23参照)と絶縁基板2(図21および図23参照)の上面側導体パターン2b2(図21(A)および図23参照)との間の半田10d1,10d1’(図23(B)および図23(C)参照)による接合、接続部材5a,5a’(図23参照)の左側下端部5a2,5a2’(図23参照)と電極板4a(図22(A)、図22(B)および図23参照)との間の半田10e1,10e1’(図23参照)による接合、電極板4a(図22(A)および図22(B)参照)とパワー半導体チップ(サイリスタチップ)3a(図22(A)および図22(B)参照)の上面電極(カソード電極)との間の半田10c1(図22(B)参照)による接合、パワー半導体チップ(サイリスタチップ)3a(図22(A)および図22(B)参照)の下面電極(アノード電極)と電極板4a’(図22(B)参照)との間の半田10b1(図22(B)参照)による接合、電極板4a’(図22(B)参照)と絶縁基板2(図22参照)の上面側導体パターン2b1(図22(A)および図22(B)参照)との間の半田10c1’(図22(B)参照)による接合、および、パワー半導体チップ(サイリスタチップ)3a(図22(A)および図22(B)参照)の上面に形成されたゲート電極と接続部材8(図22(A)および図22(B)参照)との間の半田10g1(図22(B)参照)による接合が一括処理によって実行される。更に、それらの半田接合の実行時に、特許文献1(特開2010−199251号公報)の図3に記載されたパワー半導体モジュールのように、ベーシング冶具(図示せず)の凹状上面にならって金属製放熱板1(図20、図24および図25参照)の下面が凸状に変形するように、金属製放熱板1(図20、図24および図25参照)がベーシング冶具(図示せず)に対して固定される。
Specifically, in the
近年、パワー半導体モジュールには、高い信頼性が要求されている。具体的には、厳しい温度サイクル試験に耐えることが要求されている。 In recent years, high reliability is required for power semiconductor modules. Specifically, it is required to withstand severe temperature cycle tests.
そこで、本発明者等は、パワー半導体モジュールに対する近年の高信頼性要求に応えるために、金属製放熱板1(図22参照)と絶縁基板2(図22参照)の下面側導体パターン2c(図22(B)参照)との間の半田接合の温度サイクル試験を行った。具体的には、本発明者等の研究において、金属製放熱板1(図22参照)と絶縁基板2(図22参照)の下面側導体パターン2c(図22(B)参照)との間の半田接合に、引張強度が低い、Sb(アンチモン)を含有しないPb(鉛)フリー半田を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、金属製放熱板1(図22参照)と絶縁基板2(図22参照)の下面側導体パターン2c(図22(B)参照)との間のSbを含有しないPbフリー半田が剥離してしまうことが確認された。
In order to meet the recent high reliability requirements for the power semiconductor module, the present inventors have made the lower surface
本発明者等は、金属製放熱板1(図22参照)と絶縁基板2(図22参照)の下面側導体パターン2c(図22(B)参照)との間の半田の引張強度が不足していると考え、本発明者等の研究において、金属製放熱板1(図22参照)と絶縁基板2(図22参照)の下面側導体パターン2c(図22(B)参照)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田(合金組成が例えばSn−3.9Ag−0.6Cu−3.0Sb)を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、金属製放熱板1(図22参照)と絶縁基板2(図22参照)の下面側導体パターン2c(図22(B)参照)との間のSbを含有するPbフリー半田が剥離しないことが確認された。
The present inventors have insufficient solder tensile strength between the metal heat sink 1 (see FIG. 22) and the lower surface
更に、本発明者等は、パワー半導体モジュールに対する近年の高信頼性要求に応えるために、絶縁基板2(図21、図24および図25参照)の上面側導体パターン2b1(図21(A)、図24および図25参照)と外部導出端子6b(図24および図25参照)の下端部6b4,6b4’(図25参照)との間の半田接合の温度サイクル試験を行った。具体的には、本発明者等の研究において、絶縁基板2(図21、図24および図25参照)の上面側導体パターン2b1(図21(A)、図24および図25参照)と外部導出端子6b(図24および図25参照)の下端部6b4,6b4’(図25参照)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、絶縁基板2(図21、図24および図25参照)の上面側導体パターン2b1(図21(A)、図24および図25参照)と外部導出端子6b(図24および図25参照)の下端部6b4,6b4’(図25参照)との間のSbを含有するPbフリー半田の剥離は認められないものの、絶縁基板2(図21、図24および図25参照)の上面側導体パターン2b1(図21(A)、図24および図25参照)が破損してしまうことが確認された。 Furthermore, in order to meet the recent high reliability requirements for the power semiconductor module, the present inventors have provided the upper surface side conductor pattern 2b1 (FIG. 21A), FIG. 21A, FIG. 24 and 25) and a temperature cycle test of the solder joint between the lower end portions 6b4 and 6b4 ′ (see FIG. 25) of the external lead-out terminal 6b (see FIGS. 24 and 25). Specifically, in the study by the present inventors, the upper surface side conductor pattern 2b1 (see FIGS. 21A, 24, and 25) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 21, 24, and 25) and external derivation. A temperature cycle test was performed using Pb-free solder containing Sb with high tensile strength for solder joint between the lower ends 6b4 and 6b4 ′ (see FIG. 25) of the terminal 6b (see FIGS. 24 and 25). It was. As a result, after the temperature cycle test, the upper surface side conductor pattern 2b1 (see FIGS. 21A, 24, and 25) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 21, 24, and 25) and the external lead-out terminal 6b (see FIG. 24). And Pb-free solder containing Sb between the lower end portions 6b4 and 6b4 ′ (see FIG. 25) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 21, 24, and 25). It was confirmed that the upper surface side conductor pattern 2b1 (see FIGS. 21A, 24, and 25) was damaged.
外囲ケース6(図26、図27、図29(A)および図29(B)参照)内のゲル状樹脂(図示せず)によって覆われている外部導出端子6b(図29(B)参照)の温度サイクル試験時の上下方向(図29(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量と、ゲル状樹脂(図示せず)の温度サイクル試験時の上下方向(図29(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量とが異なるため、絶縁基板2(図21、図24および図25参照)の上面側導体パターン2b1(図21(A)、図24および図25参照)と外部導出端子6b(図24および図25参照)の下端部6b4,6b4’(図25参照)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用いると、温度サイクル試験時に、外部導出端子6b(図29(B)参照)の上下方向(図29(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量と、ゲル状樹脂(図示せず)の上下方向(図29(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量との差分を、Sbを含有するPbフリー半田の変形によって十分に吸収することができず、その結果、絶縁基板2(図21、図24および図25参照)の上面側導体パターン2b1(図21(A)、図24および図25参照)にかかる熱応力によって、絶縁基板2(図21、図24および図25参照)の上面側導体パターン2b1(図21(A)、図24および図25参照)が破損したと、本発明者等は考えた。
External lead-out terminal 6b (see FIG. 29B) covered with a gel-like resin (not shown) in the surrounding case 6 (see FIGS. 26, 27, 29A and 29B) ) In the vertical direction during the temperature cycle test (the vertical direction in FIG. 29B) and the vertical direction during the temperature cycle test of the gel resin (not shown) (see FIG. 29B). ) Of the upper surface side conductor pattern 2b1 (FIGS. 21A, 24, and 25) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 21, 24, and 25). When a Pb-free solder containing high tensile strength and containing Sb is used for solder joining between the lower end portions 6b4 and 6b4 ′ (see FIG. 25) of the external lead-out terminal 6b (see FIG. 24 and FIG. 25). In the temperature cycle test, the external lead-out terminal 6b (see FIG. 29B) The amount of thermal expansion and heat shrinkage in the vertical direction (vertical direction in FIG. 29B) and the amount of thermal expansion and heat in the vertical direction (vertical direction in FIG. 29B) of the gel resin (not shown). The difference from the shrinkage amount cannot be sufficiently absorbed by the deformation of the Pb-free solder containing Sb. As a result, the upper surface side conductor pattern 2b1 (see FIG. 21, FIG. 24 and FIG. 25) of the insulating
そこで、本発明者等の研究において、絶縁基板2(図21、図24および図25参照)の上面側導体パターン2b1(図21(A)、図24および図25参照)と外部導出端子6b(図24および図25参照)の下端部6b4,6b4’(図25参照)との間の半田接合に、引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田(合金組成が例えばSn−0.3Ag−0.7Cu−0.035Ni、Sn−0.7Cu−0.05Ni等)を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、絶縁基板2(図21、図24および図25参照)の上面側導体パターン2b1(図21(A)、図24および図25参照)と外部導出端子6b(図24および図25参照)の下端部6b4,6b4’(図25参照)との間のSbを含有しないPbフリー半田が剥離せず、絶縁基板2(図21、図24および図25参照)の上面側導体パターン2b1(図21(A)、図24および図25参照)も破損しないことが確認された。 Therefore, in the research by the present inventors, the upper surface side conductor pattern 2b1 (see FIGS. 21A, 24, and 25) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 21, 24, and 25) and the external lead-out terminal 6b (see FIG. Pb-free solder having a low tensile strength and not containing Sb (alloy composition is Sn-0.3Ag-, for example) for solder joints with lower end portions 6b4 and 6b4 '(see FIG. 25) of FIG. 24 and FIG. 0.7Cu-0.035Ni, Sn-0.7Cu-0.05Ni, etc.) were used to perform a temperature cycle test. As a result, after the temperature cycle test, the upper surface side conductor pattern 2b1 (see FIGS. 21A, 24, and 25) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 21, 24, and 25) and the external lead-out terminal 6b (see FIG. 24). And Pb-free solder that does not contain Sb between the lower end portions 6b4 and 6b4 ′ (see FIG. 25) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 21, 24, and 25). It was confirmed that the conductor pattern 2b1 (see FIGS. 21A, 24, and 25) was not damaged.
また、本発明者等は、パワー半導体モジュールに対する近年の高信頼性要求に応えるために、絶縁基板2(図21、図24および図25参照)の上面側導体パターン2b2(図21(A)、図24および図25参照)と外部導出端子6a(図24および図25参照)の下端部6a4,6a4’(図25参照)との間の半田接合の温度サイクル試験を行った。具体的には、本発明者等の研究において、絶縁基板2(図21、図24および図25参照)の上面側導体パターン2b2(図21(A)、図24および図25参照)と外部導出端子6a(図24および図25参照)の下端部6a4,6a4’(図25参照)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、絶縁基板2(図21、図24および図25参照)の上面側導体パターン2b2(図21(A)、図24および図25参照)と外部導出端子6a(図24および図25参照)の下端部6a4,6a4’(図25参照)との間のSbを含有するPbフリー半田の剥離は認められないものの、絶縁基板2(図21、図24および図25参照)の上面側導体パターン2b2(図21(A)、図24および図25参照)が破損してしまうことが確認された。
In order to meet the recent high reliability requirements for the power semiconductor module, the present inventors have provided the upper surface side conductor pattern 2b2 (FIG. 21 (A), FIG. 21A) of the insulating substrate 2 (see FIG. 21, FIG. 24 and FIG. 25). A temperature cycle test of the solder joint between the lower end portions 6a4 and 6a4 ′ (see FIG. 25) of the
外囲ケース6(図26、図27、図29(A)および図29(B)参照)内のゲル状樹脂(図示せず)によって覆われている外部導出端子6a(図29(B)参照)の温度サイクル試験時の上下方向(図29(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量と、ゲル状樹脂(図示せず)の温度サイクル試験時の上下方向(図29(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量とが異なるため、絶縁基板2(図21、図24および図25参照)の上面側導体パターン2b2(図21(A)、図24および図25参照)と外部導出端子6a(図24および図25参照)の下端部6a4,6a4’(図25参照)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用いると、温度サイクル試験時に、外部導出端子6a(図29(B)参照)の上下方向(図29(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量と、ゲル状樹脂(図示せず)の上下方向(図29(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量との差分を、Sbを含有するPbフリー半田の変形によって十分に吸収することができず、その結果、絶縁基板2(図21、図24および図25参照)の上面側導体パターン2b2(図21(A)、図24および図25参照)にかかる熱応力によって、絶縁基板2(図21、図24および図25参照)の上面側導体パターン2b2(図21(A)、図24および図25参照)が破損したと、本発明者等は考えた。
External lead-out terminal 6a (see FIG. 29B) covered with a gel-like resin (not shown) in the surrounding case 6 (see FIGS. 26, 27, 29A and 29B) ) In the vertical direction during the temperature cycle test (the vertical direction in FIG. 29B) and the vertical direction during the temperature cycle test of the gel resin (not shown) (see FIG. 29B). ) Of the upper surface side conductor pattern 2b2 (FIGS. 21A, 24, and 25) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 21, 24, and 25). When a Pb-free solder containing high Sb and containing Sb is used for solder joining between the lower end portions 6a4 and 6a4 ′ (see FIG. 25) of the external lead-out terminal 6a (see FIGS. 24 and 25). In the temperature cycle test, the external lead-out terminal 6a (see FIG. 29B) The amount of thermal expansion and heat shrinkage in the vertical direction (vertical direction in FIG. 29B) and the amount of thermal expansion and heat in the vertical direction (vertical direction in FIG. 29B) of the gel resin (not shown). The difference from the shrinkage amount cannot be sufficiently absorbed by deformation of the Pb-free solder containing Sb, and as a result, the upper surface side conductor pattern 2b2 (see FIG. 21, FIG. 24 and FIG. 25) of the insulating
そこで、本発明者等の研究において、絶縁基板2(図21、図24および図25参照)の上面側導体パターン2b2(図21(A)、図24および図25参照)と外部導出端子6a(図24および図25参照)の下端部6a4,6a4’(図25参照)との間の半田接合に、引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田(合金組成が例えばSn−0.3Ag−0.7Cu−0.035Ni、Sn−0.7Cu−0.05Ni等)を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、絶縁基板2(図21、図24および図25参照)の上面側導体パターン2b2(図21(A)、図24および図25参照)と外部導出端子6a(図24および図25参照)の下端部6a4,6a4’(図25参照)との間のSbを含有しないPbフリー半田が剥離せず、絶縁基板2(図21、図24および図25参照)の上面側導体パターン2b2(図21(A)、図24および図25参照)も破損しないことが確認された。
Therefore, in the studies by the present inventors, the upper surface side conductor pattern 2b2 (see FIGS. 21A, 24, and 25) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 21, 24, and 25) and the
また、本発明者等は、パワー半導体モジュールに対する近年の高信頼性要求に応えるために、絶縁基板2(図21および図23参照)の上面側導体パターン2b2(図21(A)、図21(B)および図23参照)と接続部材5a,5a(図23参照)の右側下端部5a1,5a1’(図23参照)との間の半田接合の温度サイクル試験を行った。具体的には、本発明者等の研究において、絶縁基板2(図21および図23参照)の上面側導体パターン2b2(図21(A)、図21(B)および図23参照)と接続部材5a,5a’(図23参照)の右側下端部5a1,5a1’(図23参照)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、絶縁基板2(図21および図23参照)の上面側導体パターン2b2(図21(A)、図21(B)および図23参照)と接続部材5a,5a’(図23参照)の右側下端部5a1,5a1’(図23参照)との間のSbを含有するPbフリー半田の剥離は認められないものの、絶縁基板2(図21および図23参照)の上面側導体パターン2b2(図21(A)、図21(B)および図23参照)が破損してしまうことが確認された。
In order to meet the recent high reliability requirements for the power semiconductor module, the present inventors have provided the upper surface side conductor pattern 2b2 (FIGS. 21A and 21) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 21 and 23). B) and FIG. 23) and a temperature cycle test of the solder joint between the right lower ends 5a1 and 5a1 ′ (see FIG. 23) of the connecting
外囲ケース6(図29(B)参照)内のゲル状樹脂によって覆われている接続部材5a,5a’(図23および図29(B)参照)の温度サイクル試験時の上下方向(図29(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量と、ゲル状樹脂の温度サイクル試験時の上下方向(図29(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量とが異なるため、絶縁基板2(図21および図23参照)の上面側導体パターン2b2(図21(A)、図21(B)および図23参照)と接続部材5a,5a’(図23および図29(B)参照)の右側下端部5a1,5a1’(図23参照)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用いると、温度サイクル試験時に、接続部材5a,5a’(図23および図29(B)参照)の上下方向(図29(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量と、ゲル状樹脂の上下方向(図29(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量との差分を、Sbを含有するPbフリー半田の変形によって十分に吸収することができず、その結果、絶縁基板2(図21および図23参照)の上面側導体パターン2b2(図21(A)、図21(B)および図23参照)にかかる熱応力によって、絶縁基板2(図21および図23参照)の上面側導体パターン2b2(図21(A)、図21(B)および図23参照)が破損したと、本発明者等は考えた。
Up and down direction (FIG. 29) at the time of a temperature cycle test of the connecting
そこで、本発明者等の研究において、絶縁基板2(図21および図23参照)の上面側導体パターン2b2(図21(A)、図21(B)および図23参照)と接続部材5a,5a’(図23および図29(B)参照)の右側下端部5a1,5a1’(図23参照)との間の半田接合に、引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田(合金組成が例えばSn−0.3Ag−0.7Cu−0.035Ni、Sn−0.7Cu−0.05Ni等)を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、絶縁基板2(図21および図23参照)の上面側導体パターン2b2(図21(A)、図21(B)および図23参照)と接続部材5a,5a’(図23および図29(B)参照)の右側下端部5a1,5a1’(図23参照)との間のSbを含有しないPbフリー半田が剥離せず、絶縁基板2(図21および図23参照)の上面側導体パターン2b2(図21(A)、図21(B)および図23参照)も破損しないことが確認された。
Therefore, in the research by the present inventors, the upper surface side conductor pattern 2b2 (see FIGS. 21A, 21B, and 23) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 21 and 23) and the
本発明者等の研究結果に鑑み、第3の実施形態のパワー半導体モジュール100では、金属製放熱板1(図20および図22参照)と絶縁基板2(図21および図22参照)の下面側導体パターン2c(図21(B)、図21(C)および図22(B)参照)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田10a(図22(B)参照)が用いられている。
In view of the research results of the present inventors, in the
そのため、第3の実施形態のパワー半導体モジュール100によれば、温度サイクル試験後の金属製放熱板1(図20および図22参照)と絶縁基板2(図21および図22参照)の下面側導体パターン2c(図21(B)、図21(C)および図22(B)参照)との間の半田10a(図22(B)参照)の剥離を回避することができ、金属製放熱板1(図20および図22参照)と絶縁基板2(図21および図22参照)の下面側導体パターン2c(図21(B)、図21(C)および図22(B)参照)との間の半田接合の信頼性を向上させることができる。
Therefore, according to the
更に、第3の実施形態のパワー半導体モジュール100では、絶縁基板2(図21、図24および図25参照)の上面側導体パターン2b1(図21(A)、図24および図25参照)と外部導出端子6b(図24および図25参照)の下端部6b4,6b4’(図25参照)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田10a(図22(B)参照)よりも引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田10f2,10f2’(図25参照)が用いられている。
Furthermore, in the
そのため、第3の実施形態のパワー半導体モジュール100によれば、温度サイクル試験後の絶縁基板2(図21、図24および図25参照)の上面側導体パターン2b1(図21(A)、図24および図25参照)と外部導出端子6b(図24および図25参照)の下端部6b4,6b4’(図25参照)との間の半田10f2,10f2’(図25参照)の剥離および絶縁基板2(図21、図24および図25参照)の上面側導体パターン2b1(図21(A)、図24および図25参照)の破損を同時に回避することができ、絶縁基板2(図21、図24および図25参照)の上面側導体パターン2b1(図21(A)、図24および図25参照)と外部導出端子6b(図24および図25参照)の下端部6b4,6b4’(図25参照)との間の半田接合の信頼性を向上させることができる。
Therefore, according to the
また、第3の実施形態のパワー半導体モジュール100では、絶縁基板2(図21、図24および図25参照)の上面側導体パターン2b2(図21(A)、図21(B)、図24および図25参照)と外部導出端子6a(図24および図25参照)の下端部6a4,6a4’(図25参照)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田10a(図22(B)参照)よりも引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田10f1,10f1’(図25参照)が用いられている。
In the
そのため、第3の実施形態のパワー半導体モジュール100によれば、温度サイクル試験後の絶縁基板2(図21、図24および図25参照)の上面側導体パターン2b2(図21(A)、図21(B)、図24および図25参照)と外部導出端子6a(図24および図25参照)の下端部6a4,6a4’(図25参照)との間の半田10f1,10f1’(図25参照)の剥離および絶縁基板2(図21、図24および図25参照)の上面側導体パターン2b2(図21(A)、図21(B)、図24および図25参照)の破損を同時に回避することができ、絶縁基板2(図21、図24および図25参照)の上面側導体パターン2b2(図21(A)、図21(B)、図24および図25参照)と外部導出端子6a(図24および図25参照)の下端部6a4,6a4’(図25参照)との間の半田接合の信頼性を向上させることができる。
Therefore, according to the
また、第3の実施形態のパワー半導体モジュール100では、絶縁基板2(図21および図23参照)の上面側導体パターン2b2(図21(A)、図21(B)および図23参照)と接続部材5a,5a’(図23参照)の右側下端部5a1,5a1’(図23参照)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田10a(図22(B)参照)よりも引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田10d1,10d1’(図23(B)および図23(C)参照)が用いられている。
Further, in the
そのため、第3の実施形態のパワー半導体モジュール100によれば、温度サイクル試験後の絶縁基板2(図21および図23参照)の上面側導体パターン2b2(図21(A)、図21(B)および図23参照)と接続部材5a,5a’(図23参照)の右側下端部5a1,5a1’(図23参照)との間の半田10d1,10d1’(図23(B)および図23(C)参照)の剥離および絶縁基板2(図21および図23参照)の上面側導体パターン2b2(図21(A)、図21(B)および図23参照)の破損を同時に回避することができ、絶縁基板2(図21および図23参照)の上面側導体パターン2b2(図21(A)、図21(B)および図23(C)参照)と接続部材5a,5a’(図23参照)の右側下端部5a1,5a1’(図23参照)との間の半田接合の信頼性を向上させることができる。
Therefore, according to the
第3の実施形態のパワー半導体モジュール100では、半田10b1,10c1,10c1’,10g1(図22(B)参照)として、Sbを含有するPbフリー半田10a(図22(B)参照)よりも引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田が用いられているが、第3の実施形態のパワー半導体モジュール100の変形例では、代わりに、半田10b1,10c1,10c1’,10g1(図22(B)参照)として、半田10a(図22(B)参照)と同様に引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用いることも可能である。
In the
更に、第3の実施形態のパワー半導体モジュール100では、半田10e1,10e1’(図23(B)および図23(C)参照)として、Sbを含有するPbフリー半田10a(図22(B)参照)よりも引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田が用いられているが、第3の実施形態のパワー半導体モジュール100の変形例では、代わりに、半田10e1,10e1’(図23(B)および図23(C)参照)として、半田10a(図22(B)参照)と同様に引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用いることも可能である。
Furthermore, in the
以下、本発明のパワー半導体モジュールの第4の実施形態について説明する。図30は第4の実施形態のパワー半導体モジュール100の一部を構成する金属製放熱板1を示した図である。詳細には、図30(A)は金属製放熱板1の平面図、図30(B)は図30(A)のA3−A3線に沿った鉛直断面図である。図31は第4の実施形態のパワー半導体モジュール100の一部を構成する絶縁基板2を示した図である。詳細には、図31(A)は絶縁基板2の平面図、図31(B)は図31(A)のB3−B3線に沿った鉛直断面図、図31(C)は絶縁基板2の底面図である。図32は絶縁基板2上にパワー半導体チップ3a,3b,3cが搭載される様子等を示した図である。詳細には、図32(A)は絶縁基板2上にパワー半導体チップ(IGBTチップ)3aおよびパワー半導体チップ(ダイオードチップ)3b,3cが搭載された状態を示した平面図である。図32(B)は図32(A)のC3−C3線に沿った分解組立断面図、図32(C)は図32(A)のD3−D3線に沿った分解組立断面図である。図32(D)は図32(A)に示した組立体に対してワイヤボンディングを行うことにより得られる組立体の平面図である。
Hereinafter, a fourth embodiment of the power semiconductor module of the present invention will be described. FIG. 30 is a view showing a
図33および図34は図32(D)に示した組立体上に被せられる外囲ケース6の部品図である。詳細には、図33(A)は外囲ケース6の平面図、図33(B)は外囲ケース6の正面図、図33(C)は外囲ケース6の底面図である。図34は外囲ケース6の一部を構成する樹脂材料を透視して見た外部導出端子6a,6b,6cの正面図である。
FIG. 33 and FIG. 34 are component diagrams of the enclosing
図35は図30に示した金属製放熱板1上に、図32(D)に示した組立体が搭載されると共に、図33および図34に示した外囲ケース6が被せられる様子を示した図である。詳細には、図35(A)は図30に示した金属製放熱板1上に、図32(D)に示した組立体が搭載されると共に、図33および図34に示した外囲ケース6が被せられた状態を示した平面図である。図35(B)は外部導出端子6aの下端部6a4を含む鉛直断面内における概略的な分解組立断面図、図35(C)は外部導出端子6bの下端部6b4および外部導出端子6cの下端部6c4を含む鉛直断面内における概略的な分解組立断面図である。図36は図35(A)に示した組立体上に被せられる蓋体7の部品図である。詳細には、図36(A)は蓋体7の平面図、図36(B)は蓋体7の正面図、図36(C)は蓋体7の底面図である。図37は第4の実施形態のパワー半導体モジュール100を示した図である。詳細には、図37(A)は図35(A)に示した組立体上に、図36に示した蓋体7が被せられることにより得られる第4の実施形態のパワー半導体モジュール100の平面図である。図37(B)は図37(A)に示した外部導出端子6a,6b,6cの上端部が折り曲げられることにより得られる第4の実施形態のパワー半導体モジュール100の概略的な鉛直断面図である。図37(C)は第4の実施形態のパワー半導体モジュール100の等価回路図である。
FIG. 35 shows a state where the assembly shown in FIG. 32 (D) is mounted on the metal
第4の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図35(B)および図35(C)に示すように、パワー半導体チップ(IGBTチップ)3a(図32および図35参照)およびパワー半導体チップ(ダイオードチップ)3b,3c(図32および図35参照)が発生した熱を放熱するための金属製放熱板1(図30および図35参照)の上面と、絶縁基板2(図31および図35参照)の絶縁層2a(図31、図35(B)および図35(C)参照)の下面側に形成された下面側導体パターン2c(図31(B)、図31(C)、図35(B)および図35(C)参照)との間に半田10a(図35(B)および図35(C)参照)が配置されている。また、図32(B)に示すように、絶縁基板2(図31および図32参照)の上面側導体パターン2b1(図31(A)、図31(B)、図32(A)および図32(B)参照)とパワー半導体チップ(IGBTチップ)3a(図32(A)および図32(B)参照)の下面電極(コレクタ電極)との間に半田10b1(図32(B)参照)が配置されている。更に、図32(B)に示すように、絶縁基板2(図31および図32参照)の上面側導体パターン2b3(図31(A)、図31(B)、図32(A)および図32(B)参照)とパワー半導体チップ(ダイオードチップ)3b(図32(A)および図32(B)参照)の下面電極(カソード電極)との間に半田10b2(図32(B)参照)が配置されている。また、図32(C)に示すように、絶縁基板2(図31および図32参照)の上面側導体パターン2b1(図31(A)、図31(B)、図32(A)および図32(C)参照)とパワー半導体チップ(ダイオードチップ)3c(図32(A)および図32(C)参照)の下面電極(カソード電極)との間に半田10b3(図32(C)参照)が配置されている。
In the
また、第4の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図32(D)に示すように、パワー半導体チップ(IGBTチップ)3aの大電流用上面電極(エミッタ電極)と絶縁基板2(図31および図32(D)参照)の上面側導体パターン2b2(図31(A)および図32(D)参照)とがボンディングワイヤによって接続されている。更に、パワー半導体チップ(IGBTチップ)3aの上面に形成されたゲート電極と絶縁基板2(図31および図32(D)参照)の上面側導体パターン2b4(図31(A)および図32(D)参照)とがボンディングワイヤによって接続されている。また、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3bの上面電極(アノード電極)と絶縁基板2(図31および図32(D)参照)の上面側導体パターン2b1(図31(A)および図32(D)参照)とがボンディングワイヤによって接続されている。更に、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3cの上面電極(アノード電極)と絶縁基板2(図31および図32(D)参照)の上面側導体パターン2b2(図31(A)および図32(D)参照)とがボンディングワイヤによって接続されている。
Further, in the
更に、第4の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図33および図34に示すように、右側壁6d(図33(C)参照)と左側壁6e(図33(C)参照)と前側壁6f(図33参照)と後側壁6g(図33(A)および図33(C)参照)とを有し、電気絶縁性樹脂材料の成形によって形成された外囲ケース6(図33および図34参照)が設けられている。
Furthermore, in the
また、第4の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図34に示すように、外囲ケース6の前側壁6f(図33参照)から上側に突出している上端部6a1と、外囲ケース6の前側壁6f(図33参照)に埋設されている中央部6a2と、外囲ケース6の前側壁6f(図33参照)から下側に突出している下端部6a4とを有する外部導出端子6aが、例えば金属材料のプレス加工によって形成されている。
Further, in the
更に、第4の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図34に示すように、外囲ケース6の前側壁6f(図33参照)から上側に突出している上端部6b1と、外囲ケース6の前側壁6f(図33参照)に埋設されている中央部6b2と、外囲ケース6の前側壁6f(図33参照)から下側に突出している下端部6b4とを有する外部導出端子6bが、例えば金属材料のプレス加工によって形成されている。
Furthermore, in the
また、第4の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図34に示すように、外囲ケース6の前側壁6f(図33参照)から上側に突出している上端部6c1と、外囲ケース6の前側壁6f(図33参照)に埋設されている中央部6c2と、外囲ケース6の前側壁6f(図33参照)から下側に突出している下端部6c4とを有する外部導出端子6cが、金属材料の例えばプレス加工によって形成されている。
Further, in the
つまり、第4の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図33(A)および図33(C)に示すように、外部導出端子6aが外囲ケース6の前側壁6fにインサート成形されている。また、外部導出端子6bが外囲ケース6の前側壁6fにインサート成形されている。更に、外部導出端子6cが外囲ケース6の前側壁6fにインサート成形されている。
That is, in the
また、第4の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図35(B)に示すように、絶縁基板2(図35(A)および図35(B)参照)の上面側導体パターン2b2(図35(A)および図35(B)参照)と、外部導出端子6a(図35(A)および図35(B)参照)の下端部6a4(図35(A)および図35(B)参照)の下面との間に半田10f1(図35(B)参照)が配置され、上面側導体パターン2b2(図35(A)および図35(B)参照)と外部導出端子6a(図35(A)および図35(B)参照)とが電気的に接続されている。更に、図35(C)に示すように、絶縁基板2(図35(A)および図35(C)参照)の上面側導体パターン2b1(図35(A)および図35(C)参照)と、外部導出端子6b(図35(A)および図35(C)参照)の下端部6b4(図35(A)および図35(C)参照)の下面との間に半田10f2(図35(C)参照)が配置され、上面側導体パターン2b1(図35(A)および図35(C)参照)と外部導出端子6b(図35(A)および図35(C)参照)とが電気的に接続されている。また、図35(C)に示すように、絶縁基板2(図35(A)および図35(C)参照)の上面側導体パターン2b3(図35(A)および図35(C)参照)と、外部導出端子6c(図35(A)および図35(C)参照)の下端部6c4(図35(A)および図35(C)参照)の下面との間に半田10f3(図35(C)参照)が配置され、上面側導体パターン2b3(図35(A)および図35(C)参照)と外部導出端子6c(図35(A)および図35(C)参照)とが電気的に接続されている。
In the
また、第4の実施形態のパワー半導体モジュール100では、信号端子6j(図33(A)、図33(C)、図35(A)および図37(C)参照)が、例えば半田(図示せず)等を介して絶縁基板2(図32(D)および図35(A)参照)の上面側導体パターン2b4(図32(D)および図35(A)参照)に接続され、その結果、信号端子6j(図33(A)、図33(C)、図35(A)および図37(C)参照)とパワー半導体チップ(IGBTチップ)3a(図32(D)、図35(A)および図37(C)参照)の上面に形成されたゲート電極とが電気的に接続されている。更に、信号端子6k(図33(A)、図33(C)、図35(A)および図37(C)参照)が、例えば半田(図示せず)等を介して絶縁基板2(図32(D)および図35(A)参照)の上面側導体パターン2b2(図32(D)および図35(A)参照)に接続され、その結果、信号端子6k(図33(A)、図33(C)、図35(A)および図37(C)参照)とパワー半導体チップ(IGBTチップ)3a(図32(D)、図35(A)および図37(C)参照)の大電流用上面電極(エミッタ電極)とが電気的に接続されている。
In the
更に、第4の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図35(A)に示した組立体の外囲ケース6の内側にゲル状樹脂(図示せず)が充填され、ゲル状樹脂(図示せず)によって、少なくとも絶縁基板2(図35参照)と、パワー半導体チップ(IGBTチップ)3a(図35参照)およびパワー半導体チップ(ダイオードチップ)3b,3c(図35参照)と、ボンディングワイヤ(図35(A)参照)と、外部導出端子6a,6b,6c(図33、図34および図35参照)の下端部6a4,6b4,6c4(図33(A)、図33(C)、図34および図35参照)とが覆われている。更に、図35(A)に示した組立体に対し、図36に示した蓋体7が被せられている。詳細には、蓋体7(図36、図37(A)および図37(B)参照)の装着時に、図37(A)に示すように、外部導出端子6a(図35(A)、図35(B)および図37(A)参照)の上端部6a1(図35(B)参照)が蓋体7(図36、図37(A)および図37(B)参照)の導出穴7a(図36(A)および図36(C)参照)を通され、外部導出端子6b(図35(A)、図35(C)および図37(A)参照)の上端部6b1(図35(B)参照)が蓋体7(図36、図37(A)および図37(B)参照)の導出穴7b(図36(A)および図36(C)参照)を通され、外部導出端子6c(図35(A)、図35(C)および図37(A)参照)の上端部6c1(図35(B)参照)が蓋体7(図36、図37(A)および図37(B)参照)の導出穴7c(図36(A)および図36(C)参照)を通される。次いで、蓋体7(図36、図37(A)および図37(B)参照)の上面の凹部7f(図36(A)および図37(A)参照)にナット(図示せず)が挿入される。次いで、外部導出端子6a,6b,6c(図35、図37(A)および図37(B)参照)の上端部6a1,6b1,6c1(図34および図37(B)参照)が折り曲げられ、図37(B)に示す第4の実施形態のパワー半導体モジュール100が完成する。
Furthermore, in the
つまり、第4の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図35(A)および図37(C)に示すように、大電流が流れる上面電極(エミッタ電極)と、大電流が流れる下面電極(コレクタ電極)とを有するパワー半導体チップ(IGBTチップ)3aが設けられ、大電流が流れる上面電極(アノード電極)と、大電流が流れる下面電極(カソード電極)とを有するパワー半導体チップ(ダイオードチップ)3b,3cが設けられている。また、図32(A)に示すように、絶縁基板2の絶縁層2aの上面側に形成された上面側導体パターン2b1に、パワー半導体チップ(IGBTチップ)3aが搭載されている。更に、図32(B)に示すように、絶縁基板2の上面側導体パターン2b1と、パワー半導体チップ(IGBTチップ)3aの下面電極(コレクタ電極)とが、電気的に接続されている。また、図32(A)に示すように、絶縁基板2の絶縁層2aの上面側に形成された上面側導体パターン2b3に、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3bが搭載されている。更に、図32(B)に示すように、絶縁基板2の上面側導体パターン2b3と、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3bの下面電極(カソード電極)とが、電気的に接続されている。また、図32(A)に示すように、絶縁基板2の絶縁層2aの上面側に形成された上面側導体パターン2b1に、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3cが搭載されている。更に、図32(C)に示すように、絶縁基板2の上面側導体パターン2b1と、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3cの下面電極(カソード電極)とが、電気的に接続されている。
That is, in the
また、第4の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図32(D)に示すように、ボンディングワイヤを介して、パワー半導体チップ(IGBTチップ)3aの上面電極(エミッタ電極)と絶縁基板2の上面側導体パターン2b2とが電気的に接続されている。更に、ボンディングワイヤを介して、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3bの上面電極(アノード電極)と絶縁基板2の上面側導体パターン2b1とが電気的に接続されている。また、ボンディングワイヤを介して、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3cの上面電極(アノード電極)と絶縁基板2の上面側導体パターン2b2とが電気的に接続されている。
In the
詳細には、第4の実施形態のパワー半導体モジュール100では、まず最初に、図32(B)および図32(C)に示すように、パワー半導体チップ(IGBTチップ)3a(図32(A)および図32(B)参照)の下面電極(コレクタ電極)と絶縁基板2(図32参照)の上面側導体パターン2b1(図32(A)および図32(B)参照)との間の半田10b1(図32(B)参照)による接合、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3b(図32(A)および図32(C)参照)の下面電極(カソード電極)と絶縁基板2(図32参照)の上面側導体パターン2b3(図32(A)および図32(B)参照)との間の半田10b2(図32(B)参照)による接合、および、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3c(図32(A)および図32(C)参照)の下面電極(カソード電極)と絶縁基板2(図32参照)の上面側導体パターン2b1(図32(A)および図32(C)参照)との間の半田10b3(図32(C)参照)による接合が実行される。次いで、図32(D)に示すワイヤボンディングが実行される。次いで、図35(B)および図35(C)に示すように、金属製放熱板1(図30および図35参照)と絶縁基板2(図31および図35参照)の下面側導体パターン2c(図31(B)、図31(C)、図35(B)および図35(C)参照)との間の半田10a(図35(B)および図35(C)参照)による接合、絶縁基板2(図31および図35参照)の上面側導体パターン2b1(図31(A)、図35(A)および図35(C)参照)と外部導出端子6b(図35(A)および図35(C)参照)の下端部6b4(図35(A)および図35(C)参照)との間の半田10f2(図35(C)参照)による接合、絶縁基板2(図31および図35参照)の上面側導体パターン2b2(図31(A)、図35(A)および図35(B)参照)と外部導出端子6a(図35(A)および図35(B)参照)の下端部6a4(図35(A)および図35(B)参照)との間の半田10f1(図35(B)参照)による接合、および絶縁基板2(図31および図35参照)の上面側導体パターン2b3(図31(A)、図35(A)および図35(C)参照)と外部導出端子6c(図35(A)および図35(C)参照)の下端部6c4(図35(A)および図35(C)参照)との間の半田10f3(図35(C)参照)による接合が実行される。更に、図35(B)および図35(C)に示す半田接合の実行時に、特許文献1(特開2010−199251号公報)の図3に記載されたパワー半導体モジュールのように、ベーシング冶具(図示せず)の凹状上面にならって金属製放熱板1(図35参照)の下面が凸状に変形するように、金属製放熱板1(図35参照)がベーシング冶具(図示せず)に対して固定される。具体的には、第4の実施形態のパワー半導体モジュール100では、ベーシング冶具(図示せず)に対して金属製放熱板1(図35参照)を固定するためのねじ(図示せず)によって、外囲ケース6(図33および図35(A)参照)も共締めされる。つまり、図35(A)に示す状態の組立体が、ねじ(図示せず)によって、ベーシング冶具(図示せず)に対して固定される。
Specifically, in the
近年、パワー半導体モジュールには、高い信頼性が要求されている。具体的には、厳しい温度サイクル試験に耐えることが要求されている。 In recent years, high reliability is required for power semiconductor modules. Specifically, it is required to withstand severe temperature cycle tests.
そこで、本発明者等は、パワー半導体モジュールに対する近年の高信頼性要求に応えるために、金属製放熱板1(図35参照)と絶縁基板2(図35参照)の下面側導体パターン2c(図35(B)および図35(C)参照)との間の半田接合の温度サイクル試験を行った。具体的には、本発明者等の研究において、金属製放熱板1(図35参照)と絶縁基板2(図35参照)の下面側導体パターン2c(図35(B)および図35(C)参照)との間の半田接合に、引張強度が低い、Sb(アンチモン)を含有しないPb(鉛)フリー半田を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、金属製放熱板1(図35参照)と絶縁基板2(図35参照)の下面側導体パターン2c(図35(B)および図35(C)参照)との間のSbを含有しないPbフリー半田が剥離してしまうことが確認された。
In order to meet the recent high reliability requirements for the power semiconductor module, the present inventors have made the lower surface
本発明者等は、金属製放熱板1(図35参照)と絶縁基板2(図35参照)の下面側導体パターン2c(図35(B)および図35(C)参照)との間の半田の引張強度が不足していると考え、本発明者等の研究において、金属製放熱板1(図35参照)と絶縁基板2(図35参照)の下面側導体パターン2c(図35(B)および図35(C)参照)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田(合金組成が例えばSn−3.9Ag−0.6Cu−3.0Sb)を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、金属製放熱板1(図35参照)と絶縁基板2(図35参照)の下面側導体パターン2c(図35(B)および図35(C)参照)との間のSbを含有するPbフリー半田が剥離しないことが確認された。
The present inventors have soldered between the metal heat sink 1 (see FIG. 35) and the lower surface
更に、本発明者等は、パワー半導体モジュールに対する近年の高信頼性要求に応えるために、絶縁基板2(図31および図35参照)の上面側導体パターン2b1(図31(A)、図35(A)および図35(C)参照)と外部導出端子6b(図33、図34、図35(A)および図35(C)参照)の下端部6b4(図35(A)および図35(C)参照)との間の半田接合の温度サイクル試験を行った。具体的には、本発明者等の研究において、絶縁基板2(図31および図35参照)の上面側導体パターン2b1(図31(A)、図35(A)および図35(C)参照)と外部導出端子6b(図33、図34、図35(A)および図35(C)参照)の下端部6b4(図35(A)および図35(C)参照)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、絶縁基板2(図31および図35参照)の上面側導体パターン2b1(図31(A)、図35(A)および図35(C)参照)と外部導出端子6b(図33、図34、図35(A)および図35(C)参照)の下端部6b4(図35(A)および図35(C)参照)との間のSbを含有するPbフリー半田の剥離は認められないものの、絶縁基板2(図31および図35参照)の上面側導体パターン2b1(図31(A)、図35(A)および図35(C)参照)が破損してしまうことが確認された。
Furthermore, in order to meet the recent high reliability requirement for the power semiconductor module, the present inventors have made the upper surface side conductor pattern 2b1 (FIG. 31A, FIG. 35) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 31 and 35). A) and FIG. 35 (C)) and the lower end portion 6b4 (see FIGS. 35 (A) and 35 (C) of the external lead-out terminal 6b (see FIGS. 33, 34, 35 (A) and 35 (C))). The temperature cycle test of the solder joint was conducted between Specifically, in the research by the present inventors, the upper surface side conductor pattern 2b1 (see FIGS. 31A, 35A, and 35C) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 31 and 35). And a lower end portion 6b4 (see FIGS. 35A and 35C) of the
外囲ケース6(図33および図34参照)にインサート成形されている外部導出端子6b(図33、図34、図35(A)および図35(C)参照)の温度サイクル試験時の上下方向(図33(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量と、樹脂材料によって構成されている外囲ケース6(図33および図34参照)の温度サイクル試験時の上下方向(図33(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量とが異なるため、絶縁基板2(図31および図35参照)の上面側導体パターン2b1(図31(A)、図35(A)および図35(C)参照)と外部導出端子6b(図33、図34、図35(A)および図35(C)参照)の下端部6b4(図35(A)および図35(C)参照)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用いると、温度サイクル試験時に、外部導出端子6b(図33、図34、図35(A)および図35(C)参照)の上下方向(図33(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量と、外囲ケース6(図33および図34参照)の上下方向(図33(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量との差分を、Sbを含有するPbフリー半田の変形によって十分に吸収することができず、その結果、絶縁基板2(図31および図35参照)の上面側導体パターン2b1(図31(A)、図35(A)および図35(C)参照)にかかる熱応力によって、絶縁基板2(図31および図35参照)の上面側導体パターン2b1(図31(A)、図35(A)および図35(C)参照)が破損したと、本発明者等は考えた。 Vertical direction at the time of a temperature cycle test of the external lead-out terminal 6b (see FIGS. 33, 34, 35A and 35C) insert-molded in the outer case 6 (see FIGS. 33 and 34) The amount of thermal expansion / contraction in the vertical direction (FIG. 33B) and the vertical direction during the temperature cycle test of the outer case 6 (see FIGS. 33 and 34) made of resin material (FIG. 33). Since the amount of thermal expansion / contraction in the vertical direction (B) is different, the upper surface side conductor pattern 2b1 (FIGS. 31A, 35A) and 35A of the insulating substrate 2 (see FIGS. 31 and 35) and 35C) and the lower end 6b4 of the external lead-out terminal 6b (see FIGS. 33, 34, 35A and 35C) (see FIGS. 35A and 35C) Pb containing Sb with high tensile strength for solder joint When lead solder is used, the heat in the vertical direction (the vertical direction in FIG. 33B) of the external lead-out terminal 6b (see FIGS. 33, 34, 35A and 35C) during the temperature cycle test. The difference between the expansion amount / heat shrinkage amount and the thermal expansion amount / heat shrinkage amount in the vertical direction (vertical direction in FIG. 33 (B)) of the surrounding case 6 (see FIGS. 33 and 34) contains Sb. As a result, the Pb-free solder cannot be sufficiently absorbed, and as a result, the upper surface side conductor pattern 2b1 (FIGS. 31A, 35A, and 35) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 31 and 35). The upper surface side conductor pattern 2b1 (see FIGS. 31 (A), 35 (A), and 35 (C)) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 31 and 35) is damaged by the thermal stress applied to (C). The present inventors thought.
そこで、本発明者等の研究において、絶縁基板2(図31および図35参照)の上面側導体パターン2b1(図31(A)、図35(A)および図35(C)参照)と外部導出端子6b(図33、図34、図35(A)および図35(C)参照)の下端部6b4(図35(A)および図35(C)参照)との間の半田接合に、引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田(合金組成が例えばSn−0.3Ag−0.7Cu−0.035Ni、Sn−0.7Cu−0.05Ni等)を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、絶縁基板2(図31および図35参照)の上面側導体パターン2b1(図31(A)、図35(A)および図35(C)参照)と外部導出端子6b(図33、図34、図35(A)および図35(C)参照)の下端部6b4(図35(A)および図35(C)参照)との間のSbを含有しないPbフリー半田が剥離せず、絶縁基板2(図31および図35参照)の上面側導体パターン2b1(図31(A)、図35(A)および図35(C)参照)も破損しないことが確認された。 Therefore, in the study by the present inventors, the upper surface side conductor pattern 2b1 (see FIGS. 31A, 35A, and 35C) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 31 and 35) and the external derivation. Tensile strength is applied to the solder joint between the lower end 6b4 (see FIGS. 35A and 35C) of the terminal 6b (see FIGS. 33, 34, 35A, and 35C). The Pb-free solder (alloy composition such as Sn-0.3Ag-0.7Cu-0.035Ni, Sn-0.7Cu-0.05Ni, etc.) having a low Sb content was subjected to a temperature cycle test. As a result, after the temperature cycle test, the upper surface side conductor pattern 2b1 (see FIGS. 31A, 35A, and 35C) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 31 and 35) and the external lead-out terminal 6b. Pb-free solder containing no Sb between the lower end 6b4 (see FIGS. 35 (A) and 35 (C)) of FIG. 33, FIG. 34, FIG. 35 (A) and FIG. 35 (C)) It was confirmed that the upper surface side conductor pattern 2b1 (see FIGS. 31A, 35A, and 35C) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 31 and 35) was not damaged without peeling.
また、本発明者等は、パワー半導体モジュールに対する近年の高信頼性要求に応えるために、絶縁基板2(図31および図35参照)の上面側導体パターン2b2(図31(A)、図35(A)および図35(B)参照)と外部導出端子6a(図33、図34、図35(A)および図35(B)参照)の下端部6a4(図35(A)および図35(B)参照)との間の半田接合の温度サイクル試験を行った。具体的には、本発明者等の研究において、絶縁基板2(図31および図35参照)の上面側導体パターン2b2(図31(A)、図35(A)および図35(B)参照)と外部導出端子6a(図33、図34、図35(A)および図35(B)参照)の下端部6a4(図35(A)および図35(B)参照)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、絶縁基板2(図31および図35参照)の上面側導体パターン2b2(図31(A)、図35(A)および図35(B)参照)と外部導出端子6a(図33、図34、図35(A)および図35(B)参照)の下端部6a4(図35(A)および図35(B)参照)との間のSbを含有するPbフリー半田の剥離は認められないものの、絶縁基板2(図31および図35参照)の上面側導体パターン2b2(図31(A)、図35(A)および図35(B)参照)が破損してしまうことが確認された。
In order to meet the recent high reliability requirements for the power semiconductor module, the present inventors have provided the upper surface side conductor pattern 2b2 (FIGS. 31A and 35) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 31 and 35). A) and FIG. 35 (B)) and the lower end 6a4 (FIG. 35 (A) and FIG. 35 (B) of the external lead-out terminal 6a (see FIG. 33, FIG. 34, FIG. 35 (A) and FIG. 35 (B))). The temperature cycle test of the solder joint was conducted between Specifically, in the research conducted by the present inventors, the upper surface side conductor pattern 2b2 (see FIGS. 31A, 35A, and 35B) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 31 and 35). And the external lead-out terminal 6a (see FIGS. 33, 34, 35 (A) and 35 (B)) at the lower end 6a4 (see FIGS. 35 (A) and 35 (B)) A temperature cycle test was performed using a Pb-free solder containing Sb having a high tensile strength. As a result, after the temperature cycle test, the upper surface side conductor pattern 2b2 (see FIGS. 31A, 35A, and 35B) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 31 and 35) and the
外囲ケース6(図33および図34参照)にインサート成形されている外部導出端子6a(図33、図34、図35(A)および図35(B)参照)の温度サイクル試験時の上下方向(図33(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量と、樹脂材料によって構成されている外囲ケース6(図33および図34参照)の温度サイクル試験時の上下方向(図33(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量とが異なるため、絶縁基板2(図31および図35参照)の上面側導体パターン2b2(図31(A)、図35(A)および図35(B)参照)と外部導出端子6a(図33、図34、図35(A)および図35(B)参照)の下端部6a4(図35(A)および図35(B)参照)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用いると、温度サイクル試験時に、外部導出端子6a(図33、図34、図35(A)および図35(B)参照)の上下方向(図33(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量と、外囲ケース6(図33および図34参照)の上下方向(図33(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量との差分を、Sbを含有するPbフリー半田の変形によって十分に吸収することができず、その結果、絶縁基板2(図31および図35参照)の上面側導体パターン2b2(図31(A)、図35(A)および図35(B)参照)にかかる熱応力によって、絶縁基板2(図31および図35参照)の上面側導体パターン2b2(図31(A)、図35(A)および図35(B)参照)が破損したと、本発明者等は考えた。 Vertical direction at the time of the temperature cycle test of the external lead-out terminal 6a (see FIGS. 33, 34, 35A and 35B) insert-molded in the outer case 6 (see FIGS. 33 and 34) The amount of thermal expansion / contraction in the vertical direction (FIG. 33B) and the vertical direction during the temperature cycle test of the outer case 6 (see FIGS. 33 and 34) made of a resin material (FIG. 33). Since the amount of thermal expansion / contraction in the vertical direction of (B) is different, the upper surface side conductor pattern 2b2 (FIGS. 31A, 35A) and 35A of the insulating substrate 2 (see FIGS. 31 and 35) and 35B) and the lower end 6a4 of the external lead-out terminal 6a (see FIGS. 33, 34, 35A, and 35B) (see FIGS. 35A and 35B) Pb containing Sb with high tensile strength for solder joint When lead solder is used, the heat in the vertical direction (the vertical direction in FIG. 33B) of the external lead-out terminal 6a (see FIGS. 33, 34, 35A and 35B) during the temperature cycle test. The difference between the expansion amount / heat shrinkage amount and the thermal expansion amount / heat shrinkage amount in the vertical direction (vertical direction in FIG. 33 (B)) of the surrounding case 6 (see FIGS. 33 and 34) contains Sb. As a result, the Pb-free solder cannot be sufficiently absorbed, and as a result, the upper surface side conductor pattern 2b2 (FIGS. 31A, 35A, and 35) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 31 and 35). The upper surface side conductor pattern 2b2 (see FIGS. 31 (A), 35 (A), and 35 (B)) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 31 and 35) is damaged by the thermal stress applied to (B). The present inventors thought.
そこで、本発明者等の研究において、絶縁基板2(図31および図35参照)の上面側導体パターン2b2(図31(A)、図35(A)および図35(B)参照)と外部導出端子6a(図33、図34、図35(A)および図35(B)参照)の下端部6a4(図35(A)および図35(B)参照)との間の半田接合に、引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田(合金組成が例えばSn−0.3Ag−0.7Cu−0.035Ni、Sn−0.7Cu−0.05Ni等)を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、絶縁基板2(図31および図35参照)の上面側導体パターン2b2(図31(A)、図35(A)および図35(B)参照)と外部導出端子6a(図33、図34、図35(A)および図35(B)参照)の下端部6a4(図35(A)および図35(B)参照)との間のSbを含有しないPbフリー半田が剥離せず、絶縁基板2(図31および図35参照)の上面側導体パターン2b2(図31(A)、図35(A)および図35(B)参照)も破損しないことが確認された。
Therefore, in the research by the present inventors, the upper surface side conductor pattern 2b2 (see FIGS. 31A, 35A, and 35B) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 31 and 35) and external derivation. Tensile strength is applied to the solder joint between the lower end 6a4 (see FIGS. 35A and 35B) of the terminal 6a (see FIGS. 33, 34, 35A, and 35B). The Pb-free solder (alloy composition such as Sn-0.3Ag-0.7Cu-0.035Ni, Sn-0.7Cu-0.05Ni, etc.) having a low Sb content was subjected to a temperature cycle test. As a result, after the temperature cycle test, the upper surface side conductor pattern 2b2 (see FIGS. 31A, 35A, and 35B) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 31 and 35) and the
更に、本発明者等は、パワー半導体モジュールに対する近年の高信頼性要求に応えるために、絶縁基板2(図31および図35参照)の上面側導体パターン2b3(図31(A)、図35(A)および図35(C)参照)と外部導出端子6c(図33、図34、図35(A)および図35(C)参照)の下端部6c4(図35(A)および図35(C)参照)との間の半田接合の温度サイクル試験を行った。具体的には、本発明者等の研究において、絶縁基板2(図31および図35参照)の上面側導体パターン2b3(図31(A)、図35(A)および図35(C)参照)と外部導出端子6c(図33、図34、図35(A)および図35(C)参照)の下端部6c4(図35(A)および図35(C)参照)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、絶縁基板2(図31および図35参照)の上面側導体パターン2b3(図31(A)、図35(A)および図35(C)参照)と外部導出端子6c(図33、図34、図35(A)および図35(C)参照)の下端部6c4(図35(A)および図35(C)参照)との間のSbを含有するPbフリー半田の剥離は認められないものの、絶縁基板2(図31および図35参照)の上面側導体パターン2b3(図31(A)、図35(A)および図35(C)参照)が破損してしまうことが確認された。
Furthermore, in order to meet the recent high reliability requirement for the power semiconductor module, the present inventors have provided the upper surface side conductor pattern 2b3 (FIGS. 31A and 35) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 31 and 35). A) and FIG. 35 (C)) and the lower end portion 6c4 (FIG. 35 (A) and FIG. 35 (C) of the external lead-out
外囲ケース6(図33および図34参照)にインサート成形されている外部導出端子6c(図33、図34、図35(A)および図35(C)参照)の温度サイクル試験時の上下方向(図33(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量と、樹脂材料によって構成されている外囲ケース6(図33および図34参照)の温度サイクル試験時の上下方向(図33(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量とが異なるため、絶縁基板2(図31および図35参照)の上面側導体パターン2b3(図31(A)、図35(A)および図35(C)参照)と外部導出端子6c(図33、図34、図35(A)および図35(C)参照)の下端部6c4(図35(A)および図35(C)参照)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用いると、温度サイクル試験時に、外部導出端子6c(図33、図34、図35(A)および図35(C)参照)の上下方向(図33(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量と、外囲ケース6(図33および図34参照)の上下方向(図33(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量との差分を、Sbを含有するPbフリー半田の変形によって十分に吸収することができず、その結果、絶縁基板2(図31および図35参照)の上面側導体パターン2b3(図31(A)、図35(A)および図35(C)参照)にかかる熱応力によって、絶縁基板2(図31および図35参照)の上面側導体パターン2b3(図31(A)、図35(A)および図35(C)参照)が破損したと、本発明者等は考えた。
Vertical direction at the time of a temperature cycle test of the external lead-out
そこで、本発明者等の研究において、絶縁基板2(図31および図35参照)の上面側導体パターン2b3(図31(A)、図35(A)および図35(C)参照)と外部導出端子6c(図33、図34、図35(A)および図35(C)参照)の下端部6c4(図35(A)および図35(C)参照)との間の半田接合に、引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田(合金組成が例えばSn−0.3Ag−0.7Cu−0.035Ni、Sn−0.7Cu−0.05Ni等)を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、絶縁基板2(図31および図35参照)の上面側導体パターン2b3(図31(A)、図35(A)および図35(C)参照)と外部導出端子6c(図33、図34、図35(A)および図35(C)参照)の下端部6c4(図35(A)および図35(C)参照)との間のSbを含有しないPbフリー半田が剥離せず、絶縁基板2(図31および図35参照)の上面側導体パターン2b3(図31(A)、図35(A)および図35(C)参照)も破損しないことが確認された。
Therefore, in the study by the present inventors, the upper surface side conductor pattern 2b3 (see FIGS. 31A, 35A, and 35C) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 31 and 35) and external derivation. Tensile strength is applied to the solder joint between the lower end 6c4 (see FIGS. 35 (A) and 35 (C)) of the terminal 6c (see FIGS. 33, 34, 35 (A) and 35 (C)). The Pb-free solder (alloy composition such as Sn-0.3Ag-0.7Cu-0.035Ni, Sn-0.7Cu-0.05Ni, etc.) having a low Sb content was subjected to a temperature cycle test. As a result, after the temperature cycle test, the upper surface side conductor pattern 2b3 (see FIGS. 31A, 35A, and 35C) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 31 and 35) and the
本発明者等の研究結果に鑑み、第4の実施形態のパワー半導体モジュール100では、金属製放熱板1(図30および図35参照)と絶縁基板2(図31および図35参照)の下面側導体パターン2c(図31(B)、図31(C)、図35(B)および図35(C)参照)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田10a(図35(B)および図35(C)参照)が用いられている。
In view of the research results of the present inventors, in the
そのため、第4の実施形態のパワー半導体モジュール100によれば、温度サイクル試験後の金属製放熱板1(図30および図35参照)と絶縁基板2(図31および図35参照)の下面側導体パターン2c(図31(B)、図31(C)、図35(B)および図35(C)参照)との間の半田10a(図35(B)および図35(C)参照)の剥離を回避することができ、金属製放熱板1(図30および図35参照)と絶縁基板2(図31および図35参照)の下面側導体パターン2c(図31(B)、図31(C)、図35(B)および図35(C)参照)との間の半田接合の信頼性を向上させることができる。
Therefore, according to the
更に、第4の実施形態のパワー半導体モジュール100では、絶縁基板2(図31および図35参照)の上面側導体パターン2b1(図31(A)、図35(A)および図35(C)参照)と外部導出端子6b(図35(A)および図35(C)参照)の下端部6b4(図35(A)および図35(C)参照)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田10a(図35(B)および図35(C)参照)よりも引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田10f2(図35(C)参照)が用いられている。
Furthermore, in the
そのため、第4の実施形態のパワー半導体モジュール100によれば、温度サイクル試験後の絶縁基板2(図31および図35参照)の上面側導体パターン2b1(図31(A)、図35(A)および図35(C)参照)と外部導出端子6b(図35(A)および図35(C)参照)の下端部6b4(図35(A)および図35(C)参照)との間の半田10f2(図35(C)参照)の剥離および絶縁基板2(図31および図35参照)の上面側導体パターン2b1(図31(A)、図35(A)および図35(C)参照)の破損を同時に回避することができ、絶縁基板2(図31および図35参照)の上面側導体パターン2b1(図31(A)、図35(A)および図35(C)参照)と外部導出端子6b(図35(A)および図35(C)参照)の下端部6b4(図35(A)および図35(C)参照)との間の半田接合の信頼性を向上させることができる。
Therefore, according to the
また、第4の実施形態のパワー半導体モジュール100では、絶縁基板2(図31および図35参照)の上面側導体パターン2b2(図31(A)、図35(A)および図35(B)参照)と外部導出端子6a(図35(A)および図35(B)参照)の下端部6a4(図35(A)および図35(B)参照)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田10a(図35(B)および図35(C)参照)よりも引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田10f1(図35(B)参照)が用いられている。
In the
そのため、第4の実施形態のパワー半導体モジュール100によれば、温度サイクル試験後の絶縁基板2(図31および図35参照)の上面側導体パターン2b2(図31(A)、図35(A)および図35(B)参照)と外部導出端子6a(図35(A)および図35(B)参照)の下端部6a4(図35(A)および図35(B)参照)との間の半田10f1(図35(B)参照)の剥離および絶縁基板2(図31および図35参照)の上面側導体パターン2b2(図31(A)、図35(A)および図35(B)参照)の破損を同時に回避することができ、絶縁基板2(図31および図35参照)の上面側導体パターン2b2(図31(A)、図35(A)および図35(B)参照)と外部導出端子6a(図35(A)および図35(B)参照)の下端部6a4(図35(A)および図35(B)参照)との間の半田接合の信頼性を向上させることができる。
Therefore, according to the
更に、第4の実施形態のパワー半導体モジュール100では、絶縁基板2(図31および図35参照)の上面側導体パターン2b3(図31(A)、図35(A)および図35(C)参照)と外部導出端子6c(図35(A)および図35(C)参照)の下端部6c4(図35(A)および図35(C)参照)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田10a(図35(B)および図35(C)参照)よりも引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田10f3(図35(C)参照)が用いられている。
Furthermore, in the
そのため、第4の実施形態のパワー半導体モジュール100によれば、温度サイクル試験後の絶縁基板2(図31および図35参照)の上面側導体パターン2b3(図31(A)、図35(A)および図35(C)参照)と外部導出端子6c(図35(A)および図35(C)参照)の下端部6c4(図35(A)および図35(C)参照)との間の半田10f3(図35(C)参照)の剥離および絶縁基板2(図31および図35参照)の上面側導体パターン2b3(図31(A)、図35(A)および図35(C)参照)の破損を同時に回避することができ、絶縁基板2(図31および図35参照)の上面側導体パターン2b3(図31(A)、図35(A)および図35(C)参照)と外部導出端子6c(図35(A)および図35(C)参照)の下端部6c4(図35(A)および図35(C)参照)との間の半田接合の信頼性を向上させることができる。
Therefore, according to the
第4の実施形態のパワー半導体モジュール100では、半田10b1,10b2(図32(B)参照)として、Sbを含有するPbフリー半田10a(図35(B)および図35(C)参照)よりも引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田が用いられているが、第4の実施形態のパワー半導体モジュール100の変形例では、代わりに、半田10b1,10b2(図32(B)参照)として、半田10a(図35(B)および図35(C)参照)と同様に引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用いることも可能である。
In the
また、第4の実施形態のパワー半導体モジュール100では、半田10b3(図32(C)参照)として、Sbを含有するPbフリー半田10a(図35(B)および図35(C)参照)よりも引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田が用いられているが、第4の実施形態のパワー半導体モジュール100の変形例では、代わりに、半田10b3(図32(C)参照)として、半田10a(図35(B)および図35(C)参照)と同様に引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用いることも可能である。
In the
以下、本発明のパワー半導体モジュールの第5の実施形態について説明する。図38は第5の実施形態のパワー半導体モジュール100の一部を構成する金属製放熱板1を示した図である。詳細には、図38(A)は金属製放熱板1の平面図、図38(B)は図38(A)のA4−A4線に沿った鉛直断面図である。図39は第5の実施形態のパワー半導体モジュール100の一部を構成する絶縁基板2を示した図である。詳細には、図39(A)は絶縁基板2の平面図、図39(B)は図39(A)のB4−B4線に沿った鉛直断面図、図39(C)は絶縁基板2の底面図である。図40は絶縁基板2上にパワー半導体チップ3a,3b,3c,3dが搭載される様子等を示した図である。詳細には、図40(A)は絶縁基板2上にパワー半導体チップ(IGBTチップ)3a,3bおよびパワー半導体チップ(ダイオードチップ)3c,3dが搭載された状態を示した平面図である。図40(B)は図40(A)のC4−C4線に沿った分解組立断面図である。図40(C)は図40(A)に示した組立体に対してワイヤボンディングを行うことにより得られる組立体の平面図である。
Hereinafter, a fifth embodiment of the power semiconductor module of the present invention will be described. FIG. 38 is a view showing the
図41は第5の実施形態のパワー半導体モジュール100の一部を構成する蓋体7の部品図である。詳細には、図41(A)は蓋体7の平面図、図41(B)は蓋体7の右側面図、図41(C)は蓋体7の正面図、図41(D)は蓋体7の底面図である。図42は外部導出端子6a,6b,6cおよび信号端子6j,6k,6m,6nを蓋体7に取り付けることにより得られる組立体を示した図である。詳細には、図42(A)は外部導出端子6a,6b,6cおよび信号端子6j,6k,6m,6nを蓋体7に取り付けることにより得られる組立体の平面図、図42(B)は外部導出端子6a,6b,6cおよび信号端子6j,6k,6m,6nを蓋体7に取り付けることにより得られる組立体の正面図、図42(C)は外部導出端子6a,6b,6cおよび信号端子6j,6k,6m,6nを蓋体7に取り付けることにより得られる組立体の右側面図である。
FIG. 41 is a component diagram of the
図43は図42に示した組立体のうちの蓋体7を透視して見た外部導出端子6a,6b,6cの図である。詳細には、図43(A)は外部導出端子6a,6b,6cの平面図、図43(B)は外部導出端子6a,6b,6cの正面図、図43(C)は外部導出端子6c(6a,6b)の右側面図である。図44は図42に示した組立体のうちの蓋体7を透視して見た信号端子6j,6k,6m,6nの図である。詳細には、図44(A)は信号端子6j,6k,6m,6nの平面図、図44(B)は信号端子6m(6j,6k,6n)の正面図、図44(C)は信号端子6j,6k,6m,6nの右側面図である。図45は図38に示した金属製放熱板1上に、図40(C)に示した組立体が搭載され、その上に図42に示した組立体が搭載される様子を示した図である。詳細には、図45(A)は図38に示した金属製放熱板1上に、図40(C)に示した組立体が搭載され、その上に図42に示した組立体が搭載された状態を示した平面図である。図45(B)は図38に示した金属製放熱板1上に、図40(C)に示した組立体が搭載され、その上に図42に示した組立体が搭載される様子を、蓋体7を透視して示した概略的な分解組立図である。
43 is a view of the external lead-out
図46は図45(A)に示した組立体上に被せられる外囲ケース6の部品図である。詳細には、図46(A)は外囲ケース6の平面図、図46(B)は図46(A)のK4−K4線に沿った鉛直断面図、図46(C)は外囲ケース6の底面図である。図47は第5の実施形態のパワー半導体モジュール100を示した図である。詳細には、図47(A)は図45(A)に示した組立体上に、図46に示した外囲ケース6が被せられることにより得られる第5の実施形態のパワー半導体モジュール100の平面図である。図47(B)は第5の実施形態のパワー半導体モジュール100の概略的な鉛直断面図である。図47(C)は第5の実施形態のパワー半導体モジュール100の等価回路図である。
FIG. 46 is a component diagram of the enclosing
第5の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図45(B)に示すように、パワー半導体チップ(IGBTチップ)3a,3b(図40参照)およびパワー半導体チップ(ダイオードチップ)3c,3d(図40参照)が発生した熱を放熱するための金属製放熱板1(図38および図45参照)の上面と、絶縁基板2(図39および図45参照)の絶縁層2a(図39および図45(B)参照)の下面側に形成された下面側導体パターン2c(図39(B)、図39(C)および図45(B)参照)との間に半田10a(図45(B)参照)が配置されている。また、図40(B)に示すように、絶縁基板2(図39および図40参照)の上面側導体パターン2b1(図39(A)、図39(B)、図40(A)および図40(B)参照)とパワー半導体チップ(IGBTチップ)3a(図40(A)および図40(B)参照)の下面電極(コレクタ電極)との間に半田10b1(図40(B)参照)が配置されている。更に、絶縁基板2(図39および図40参照)の上面側導体パターン2b3(図39(A)、図39(B)、図40(A)および図40(B)参照)とパワー半導体チップ(IGBTチップ)3b(図40(A)および図40(B)参照)の下面電極(コレクタ電極)との間に半田10b2(図40(B)参照)が配置されている。また、図40(B)に示すように、絶縁基板2(図39および図40参照)の上面側導体パターン2b1(図39(A)、図39(B)、図40(A)および図40(B)参照)とパワー半導体チップ(ダイオードチップ)3c(図40(A)および図40(B)参照)の下面電極(カソード電極)との間に半田10b3(図40(B)参照)が配置されている。更に、図40(B)に示すように、絶縁基板2(図39および図40参照)の上面側導体パターン2b3(図39(A)、図39(B)、図40(A)および図40(B)参照)とパワー半導体チップ(ダイオードチップ)3d(図40(A)および図40(B)参照)の下面電極(カソード電極)との間に半田10b4(図40(B)参照)が配置されている。
In the
また、第5の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図40(C)に示すように、パワー半導体チップ(IGBTチップ)3aの大電流用上面電極(エミッタ電極)と絶縁基板2(図39および図40(C)参照)の上面側導体パターン2b2(図39(A)および図40(C)参照)とがボンディングワイヤによって接続されている。更に、パワー半導体チップ(IGBTチップ)3aの上面に形成されたゲート電極と絶縁基板2(図39および図40(C)参照)の上面側導体パターン2b4(図39(A)および図40(C)参照)とがボンディングワイヤによって接続されている。また、パワー半導体チップ(IGBTチップ)3bの大電流用上面電極(エミッタ電極)と絶縁基板2(図39および図40(C)参照)の上面側導体パターン2b1(図39(A)および図40(C)参照)とがボンディングワイヤによって接続されている。更に、パワー半導体チップ(IGBTチップ)3bの上面に形成されたゲート電極と絶縁基板2(図39および図40(C)参照)の上面側導体パターン2b5(図39(A)および図40(C)参照)とがボンディングワイヤによって接続されている。また、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3cの上面電極(アノード電極)と絶縁基板2(図39および図40(C)参照)の上面側導体パターン2b2(図39(A)および図40(C)参照)とがボンディングワイヤによって接続されている。更に、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3dの上面電極(アノード電極)と絶縁基板2(図39および図40(C)参照)の上面側導体パターン2b1(図39(A)および図40(C)参照)とがボンディングワイヤによって接続されている。
Further, in the
更に、第5の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図41に示すように、例えば樹脂材料の成形によって形成された電気絶縁性の蓋体7が設けられている。詳細には、第5の実施形態のパワー半導体モジュール100では、絶縁基板2(図39参照)の位置決め穴2h(図39(A)および図39(C)参照)および金属製放熱板1(図38参照)の位置決め穴1h(図38(A)参照)に挿入される先端部を有する脚部7g(図41(B)、図41(C)および図41(D)参照)が、蓋体7(図41参照)に設けられている。
Furthermore, in the
また、第5の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図43(A)および図43(B)に示すように、上下方向(図43(B)の上下方向)に延びている上端部6a1と、屈曲している中央部6a2と、水平方向に延びている下端部6a4とを有する外部導出端子6aが、例えば金属材料のプレス加工によって形成されている。また、第5の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図43(A)および図43(B)に示すように、上下方向(図43(B)の上下方向)に延びている上端部6b1と、屈曲している中央部6b2と、水平方向に延びている下端部6b4とを有する外部導出端子6bが、例えば金属材料のプレス加工によって、外部導出端子6a(図43(A)および図43(B)参照)と同一形状に形成されている。更に、第5の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図43に示すように、上下方向(図43(B)および図43(C)の上下方向)に延びている上端部6c1と、屈曲している中央部6c2と、水平方向(図43(C)の左右方向)に延びている下端部6c4とを有する外部導出端子6cが、例えば金属材料のプレス加工によって、外部導出端子6a(図43(A)および図43(B)参照)と同一形状に形成されている。
Further, in the
第5の実施形態のパワー半導体モジュール100の製造時には、外部導出端子6a(図42(A)、図42(B)、図43(A)および図43(B)参照)の上端部6a1(図42(B)、図43(A)および図43(B)参照)が蓋体7(図41および図42参照)の導出穴7a(図41(A)、図41(C)および図42(A)参照)を通され、図42に示すように、外部導出端子6aが蓋体7に取り付けられる。また、外部導出端子6b(図42(A)、図42(B)、図43(A)および図43(B)参照)の上端部6b1(図42(B)、図43(A)および図43(B)参照)が蓋体7(図41および図42参照)の導出穴7b(図41(A)、図41(C)および図42(A)参照)を通され、図42に示すように、外部導出端子6bが蓋体7に取り付けられる。更に、外部導出端子6c(図42および図43参照)の上端部6c1(図42(B)、図42(C)および図43参照)が蓋体7(図41および図42参照)の導出穴7c(図41(A)、図41(C)および図42(A)参照)を通され、図42に示すように、外部導出端子6cが蓋体7に取り付けられる。
At the time of manufacturing the
また、第5の実施形態のパワー半導体モジュール100の製造時には、図42に示すように、信号端子6j(図42(A)、図42(C)、図44(A)および図44(C)参照)が蓋体7に取り付けられる。更に、信号端子6j(図42(A)、図42(C)、図44(A)および図44(C)参照)と同一形状に形成された信号端子6k(図42(A)、図42(C)、図44(A)および図44(C)参照)が蓋体7に取り付けられる。また、信号端子6j(図42(A)、図42(C)、図44(A)および図44(C)参照)と同一形状に形成された信号端子6m(図42および図44参照)が蓋体7に取り付けられる。更に、信号端子6j(図42(A)、図42(C)、図44(A)および図44(C)参照)と同一形状に形成された信号端子6n(図42(A)、図42(C)、図44(A)および図44(C)参照)が蓋体7に取り付けられる。
Further, at the time of manufacturing the
第5の実施形態のパワー半導体モジュール100では、蓋体7(図41参照)とは別個に形成された外部導出端子6a,6b,6c(図43参照)および信号端子6j,6k,6m,6n(図44参照)が、蓋体7(図41参照)に対して取り付けられ、図42に示した組立体が形成されているが、第5の実施形態のパワー半導体モジュール100の変形例では、樹脂材料の成形によって形成される蓋体7に外部導出端子6a,6b,6cおよび信号端子6j,6k,6m,6nをインサートして一体成形することにより、図42に示した組立体と同様の組立体を形成することも可能である。
In the
また、第5の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図45(B)に示すように、絶縁基板2(図45(A)および図45(B)参照)の上面側導体パターン2b2(図40(A)および図45(B)参照)と、外部導出端子6a(図45(A)および図45(B)参照)の下端部6a4(図43(A)および図45(B)参照)の下面との間に半田10f1(図45(B)参照)が配置され、上面側導体パターン2b2(図40(A)および図45(B)参照)と外部導出端子6a(図45(A)および図45(B)参照)とが電気的に接続されている。更に、図45(B)に示すように、絶縁基板2(図45(A)および図45(B)参照)の上面側導体パターン2b1(図40(A)および図45(B)参照)と、外部導出端子6b(図45(A)および図45(B)参照)の下端部6b4(図43(A)および図45(B)参照)の下面との間に半田10f2(図45(B)参照)が配置され、上面側導体パターン2b1(図40(A)および図45(B)参照)と外部導出端子6b(図45(A)および図45(B)参照)とが電気的に接続されている。また、図45(B)に示すように、絶縁基板2(図45(A)および図45(B)参照)の上面側導体パターン2b3(図40(A)および図45(B)参照)と、外部導出端子6c(図45(A)および図45(B)参照)の下端部6c4(図43(A)および図45(B)参照)の下面との間に半田10f3(図45(B)参照)が配置され、上面側導体パターン2b3(図40(A)および図45(B)参照)と外部導出端子6c(図45(A)および図45(B)参照)とが電気的に接続されている。
In the
具体的には、第5の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図45(B)に示す製造工程の時に、蓋体7(図41参照)の脚部7g(図41(B)、図41(C)および図41(D)参照)の先端部が、絶縁基板2(図39参照)の位置決め穴2h(図39(A)および図39(C)参照)および金属製放熱板1(図38参照)の位置決め穴1h(図38(A)参照)に挿入され、その結果、外部導出端子6a(図45(A)および図45(B)参照)の下端部6a4(図43(A)および図45(B)参照)が絶縁基板2(図45(A)および図45(B)参照)の上面側導体パターン2b2(図40(A)および図45(B)参照)に位置決めされ、外部導出端子6b(図45(A)および図45(B)参照)の下端部6b4(図43(A)および図45(B)参照)が絶縁基板2(図45(A)および図45(B)参照)の上面側導体パターン2b1(図40(A)および図45(B)参照)に位置決めされ、外部導出端子6c(図45(A)および図45(B)参照)の下端部6c4(図43(A)および図45(B)参照)が絶縁基板2(図45(A)および図45(B)参照)の上面側導体パターン2b3(図40(A)および図45(B)参照)に位置決めされる。
Specifically, in the
また、第5の実施形態のパワー半導体モジュール100では、信号端子6j(図42(A)、図42(C)、図44(A)、図44(C)および図47(C)参照)が、例えば半田(図示せず)等を介して絶縁基板2(図40(C)および図45(A)参照)の上面側導体パターン2b4(図40(C)および図45(A)参照)に接続され、その結果、信号端子6j(図42(A)、図42(C)、図44(A)、図44(C)および図47(C)参照)とパワー半導体チップ(IGBTチップ)3a(図40(C)および図47(C)参照)の上面に形成されたゲート電極とが電気的に接続されている。更に、信号端子6k(図42(A)、図42(C)、図44(A)、図44(C)および図47(C)参照)が、例えば半田(図示せず)等を介して絶縁基板2(図40(C)および図45(A)参照)の上面側導体パターン2b2(図40(C)参照)に接続され、その結果、信号端子6k(図42(A)、図42(C)、図44(A)、図44(C)および図47(C)参照)とパワー半導体チップ(IGBTチップ)3a(図40(C)および図47(C)参照)の大電流用上面電極(エミッタ電極)とが電気的に接続されている。
In the
更に、第5の実施形態のパワー半導体モジュール100では、信号端子6m(図42、図44および図47(C)参照)が、例えば半田(図示せず)等を介して絶縁基板2(図40(C)および図45(A)参照)の上面側導体パターン2b5(図40(C)参照)に接続され、その結果、信号端子6m(図42、図44および図47(C)参照)とパワー半導体チップ(IGBTチップ)3b(図40(C)および図47(C)参照)の上面に形成されたゲート電極とが電気的に接続されている。また、信号端子6n(図42(A)、図42(C)、図44(A)、図44(C)および図47(C)参照)が、例えば半田(図示せず)等を介して絶縁基板2(図40(C)および図45(A)参照)の上面側導体パターン2b1(図40(C)参照)に接続され、その結果、信号端子6n(図42(A)、図42(C)、図44(A)、図44(C)および図47(C)参照)とパワー半導体チップ(IGBTチップ)3b(図40(C)および図47(C)参照)の大電流用上面電極(エミッタ電極)とが電気的に接続されている。
Further, in the
また、第5の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図46に示すように、右側壁6d(図46参照)と左側壁6e(図46参照)と前側壁6f(図46(A)および図46(C)参照)と後側壁6g(図46参照)とを有し、電気絶縁性樹脂材料の成形によって形成された外囲ケース6(図46参照)が設けられている。詳細には、外囲ケース6(図46、図47(A)および図47(B)参照)が、図45(A)に示した組立体上に被せられている。
Further, in the
つまり、外部導出端子6a,6b(図5および図6(A)参照)がインサートされて外囲ケース6(図5および図6参照)と一体的に形成されている第1の実施形態のパワー半導体モジュール100(図9参照)とは異なり、第5の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図42、図43および図46に示すように、外部導出端子6a,6b,6c(図42および図43参照)が、外囲ケース6(図46参照)にインサートされておらず、外囲ケース6(図46参照)とは別個の部材として構成されている。
That is, the power of the first embodiment in which the external lead-out
更に、第5の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図45(A)に示した組立体上に被せられた外囲ケース6の内側にゲル状樹脂(図示せず)が充填されている。詳細には、図47(B)に破線で示した高さHTまで、ゲル状樹脂(図示せず)が充填されている。つまり、ゲル状樹脂(図示せず)によって、絶縁基板2(図47(B)参照)と、パワー半導体チップ(IGBTチップ)3a,3b(図40(C)参照)と、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3c,3d(図40(C)参照)と、ボンディングワイヤ(図40(C)参照)と、外部導出端子6a,6b,6c(図42、図43、図47(A)および図47(B)参照)の下端部6a4,6b4,6c4(図42(B)、図43(A)、図43(B)および図47(B)参照)および中央部6a2,6b2,6c2(図42(B)、図43(A)および図43(B)参照)とが覆われている。また、図45(A)に示した組立体上に被せられた外囲ケース6の内側であって、図47(B)に破線で示した高さHTの上側には、エポキシ樹脂(図示せず)が充填されている。第5の実施形態のパワー半導体モジュール100の製造時には、蓋体7(図41、図42、図47(A)および図47(B)参照)の上面の凹部7f(図41(A)、図42(A)および図47(A)参照)にナット(図示せず)が挿入される。次いで、外部導出端子6a,6b,6c(図42、図43、図47(A)および図47(B)参照)の上端部6a1,6b1,6c1(図42(B)および図47(B)参照)が折り曲げられ、第5の実施形態のパワー半導体モジュール100が完成する。
Furthermore, in the
つまり、第5の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図40(C)および図47(C)に示すように、大電流が流れる上面電極(エミッタ電極)と、大電流が流れる下面電極(コレクタ電極)とを有するパワー半導体チップ(IGBTチップ)3a,3bが設けられ、大電流が流れる上面電極(アノード電極)と、大電流が流れる下面電極(カソード電極)とを有するパワー半導体チップ(ダイオードチップ)3c,3dが設けられている。また、図40(C)に示すように、絶縁基板2の絶縁層2aの上面側に形成された上面側導体パターン2b1に、パワー半導体チップ(IGBTチップ)3aおよびパワー半導体チップ(ダイオードチップ)3cが搭載されている。更に、図40(B)に示すように、絶縁基板2の上面側導体パターン2b1と、パワー半導体チップ(IGBTチップ)3aの下面電極(コレクタ電極)とが、電気的に接続されている。また、図40(B)に示すように、絶縁基板2の上面側導体パターン2b1と、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3cの下面電極(カソード電極)とが、電気的に接続されている。更に、図40(C)に示すように、絶縁基板2の絶縁層2aの上面側に形成された上面側導体パターン2b3に、パワー半導体チップ(IGBTチップ)3bおよびパワー半導体チップ(ダイオードチップ)3dが搭載されている。また、図40(B)に示すように、絶縁基板2の上面側導体パターン2b3と、パワー半導体チップ(IGBTチップ)3bの下面電極(コレクタ電極)とが、電気的に接続されている。また、図40(B)に示すように、絶縁基板2の上面側導体パターン2b3と、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3dの下面電極(カソード電極)とが、電気的に接続されている。
That is, in the
また、第5の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図40(C)に示すように、ボンディングワイヤを介して、パワー半導体チップ(IGBTチップ)3aの上面電極(エミッタ電極)と絶縁基板2の上面側導体パターン2b2とが電気的に接続されている。更に、ボンディングワイヤを介して、パワー半導体チップ(IGBTチップ)3bの上面電極(エミッタ電極)と絶縁基板2の上面側導体パターン2b1とが電気的に接続されている。また、ボンディングワイヤを介して、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3cの上面電極(アノード電極)と絶縁基板2の上面側導体パターン2b2とが電気的に接続されている。更に、ボンディングワイヤを介して、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3dの上面電極(アノード電極)と絶縁基板2の上面側導体パターン2b1とが電気的に接続されている。
In the
詳細には、第5の実施形態のパワー半導体モジュール100では、まず最初に、図40(B)に示すように、パワー半導体チップ(IGBTチップ)3a(図40(A)および図40(B)参照)の下面電極(コレクタ電極)と絶縁基板2(図40参照)の上面側導体パターン2b1(図40(A)および図40(B)参照)との間の半田10b1(図40(B)参照)による接合、パワー半導体チップ(IGBTチップ)3b(図40(A)および図40(B)参照)の下面電極(コレクタ電極)と絶縁基板2(図40参照)の上面側導体パターン2b3(図40(A)および図40(B)参照)との間の半田10b2(図40(B)参照)による接合、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3c(図40(A)および図40(B)参照)の下面電極(カソード電極)と絶縁基板2(図40参照)の上面側導体パターン2b1(図40(A)および図40(B)参照)との間の半田10b3(図40(B)参照)による接合、および、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3d(図40(A)および図40(B)参照)の下面電極(カソード電極)と絶縁基板2(図40参照)の上面側導体パターン2b3(図40(A)および図40(B)参照)との間の半田10b4(図40(B)参照)による接合が実行される。次いで、図40(C)に示すワイヤボンディングが実行される。次いで、図45(B)に示すように、金属製放熱板1(図38および図45参照)と絶縁基板2(図39および図45参照)の下面側導体パターン2c(図39(B)、図39(C)および図45(B)参照)との間の半田10a(図45(B)参照)による接合、絶縁基板2(図39および図45参照)の上面側導体パターン2b1(図39(A)、図39(B)および図45(B)参照)と外部導出端子6b(図45(A)および図45(B)参照)の下端部6b4(図45(B)参照)との間の半田10f2(図45(B)参照)による接合、絶縁基板2(図39および図45参照)の上面側導体パターン2b2(図39(A)および図45(B)参照)と外部導出端子6a(図45(A)および図45(B)参照)の下端部6a4(図45(B)参照)との間の半田10f1(図45(B)参照)による接合、および絶縁基板2(図39および図45参照)の上面側導体パターン2b3(図39(A)、図39(B)および図45(B)参照)と外部導出端子6c(図45(A)および図45(B)参照)の下端部6c4(図45(B)参照)との間の半田10f3(図45(B)参照)による接合が実行される。更に、図45(B)に示す半田接合の実行時に、特許文献1(特開2010−199251号公報)の図3に記載されたパワー半導体モジュールのように、ベーシング冶具(図示せず)の凹状上面にならって金属製放熱板1(図45参照)の下面が凸状に変形するように、金属製放熱板1(図45参照)がベーシング冶具(図示せず)に対して固定される。
Specifically, in the
近年、パワー半導体モジュールには、高い信頼性が要求されている。具体的には、厳しい温度サイクル試験に耐えることが要求されている。 In recent years, high reliability is required for power semiconductor modules. Specifically, it is required to withstand severe temperature cycle tests.
そこで、本発明者等は、パワー半導体モジュールに対する近年の高信頼性要求に応えるために、金属製放熱板1(図45参照)と絶縁基板2(図45参照)の下面側導体パターン2c(図45(B)参照)との間の半田接合の温度サイクル試験を行った。具体的には、本発明者等の研究において、金属製放熱板1(図45参照)と絶縁基板2(図45参照)の下面側導体パターン2c(図45(B)参照)との間の半田接合に、引張強度が低い、Sb(アンチモン)を含有しないPb(鉛)フリー半田を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、金属製放熱板1(図45参照)と絶縁基板2(図45参照)の下面側導体パターン2c(図45(B)参照)との間のSbを含有しないPbフリー半田が剥離してしまうことが確認された。
In order to meet the recent high reliability requirements for the power semiconductor module, the present inventors have made the lower
本発明者等は、金属製放熱板1(図45参照)と絶縁基板2(図45参照)の下面側導体パターン2c(図45(B)参照)との間の半田の引張強度が不足していると考え、本発明者等の研究において、金属製放熱板1(図45参照)と絶縁基板2(図45参照)の下面側導体パターン2c(図45(B)参照)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田(合金組成が例えばSn−3.9Ag−0.6Cu−3.0Sb)を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、金属製放熱板1(図45参照)と絶縁基板2(図45参照)の下面側導体パターン2c(図45(B)参照)との間のSbを含有するPbフリー半田が剥離しないことが確認された。
The present inventors have insufficient solder tensile strength between the metal heat sink 1 (see FIG. 45) and the lower surface
更に、本発明者等は、パワー半導体モジュールに対する近年の高信頼性要求に応えるために、絶縁基板2(図39および図45参照)の上面側導体パターン2b1(図39(A)および図45(B)参照)と外部導出端子6b(図42、図43、図45(A)および図45(B)参照)の下端部6b4(図45(B)参照)との間の半田接合の温度サイクル試験を行った。具体的には、本発明者等の研究において、絶縁基板2(図39および図45参照)の上面側導体パターン2b1(図39(A)および図45(B)参照)と外部導出端子6b(図42、図43、図45(A)および図45(B)参照)の下端部6b4(図45(B)参照)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、絶縁基板2(図39および図45参照)の上面側導体パターン2b1(図39(A)および図45(B)参照)と外部導出端子6b(図42、図43、図45(A)および図45(B)参照)の下端部6b4(図45(B)参照)との間のSbを含有するPbフリー半田の剥離は認められないものの、絶縁基板2(図39および図45参照)の上面側導体パターン2b1(図39(A)および図45(B)参照)が破損してしまうことが確認された。
Furthermore, in order to meet the recent high reliability requirement for the power semiconductor module, the present inventors have made the upper surface side conductor pattern 2b1 (FIG. 39A and FIG. 45) of the insulating substrate 2 (see FIG. 39 and FIG. 45). B)) and the soldering temperature cycle between the lower end portion 6b4 (see FIG. 45B) of the external lead-out terminal 6b (see FIGS. 42, 43, 45A and 45B). A test was conducted. Specifically, in the research by the present inventors, the upper surface side conductor pattern 2b1 (see FIGS. 39A and 45B) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 39 and 45) and the external lead-out terminal 6b (see FIG. 39A). Pb-free containing Sb with high tensile strength for solder joint with the lower end 6b4 (see FIG. 45B) of FIGS. 42, 43, 45A and 45B) A temperature cycle test was performed using solder. As a result, after the temperature cycle test, the upper surface side conductor pattern 2b1 (see FIGS. 39A and 45B) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 39 and 45) and the
外囲ケース6(図46、図47(A)および図47(B)参照)内のゲル状樹脂(図示せず)によって覆われている外部導出端子6b(図47(B)参照)の温度サイクル試験時の上下方向(図47(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量と、ゲル状樹脂(図示せず)の温度サイクル試験時の上下方向(図47(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量とが異なるため、絶縁基板2(図39および図45参照)の上面側導体パターン2b1(図39(A)および図45(B)参照)と外部導出端子6b(図45参照)の下端部6b4(図45(B)参照)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用いると、温度サイクル試験時に、外部導出端子6b(図45(B)参照)の上下方向(図45(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量と、ゲル状樹脂(図示せず)の上下方向(図45(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量との差分を、Sbを含有するPbフリー半田の変形によって十分に吸収することができず、その結果、絶縁基板2(図39および図45参照)の上面側導体パターン2b1(図39(A)および図45(B)参照)にかかる熱応力によって、絶縁基板2(図39および図45参照)の上面側導体パターン2b1(図39(A)および図45(B)参照)が破損したと、本発明者等は考えた。 The temperature of the external lead-out terminal 6b (see FIG. 47B) covered with the gel-like resin (not shown) in the outer case 6 (see FIGS. 46, 47A and 47B) Thermal expansion / contraction amount in the vertical direction during the cycle test (vertical direction in FIG. 47B) and vertical direction during the temperature cycle test for the gel-like resin (not shown) (in the vertical direction in FIG. 47B) Direction) thermal expansion amount and thermal contraction amount are different, so that the upper surface side conductor pattern 2b1 (see FIGS. 39A and 45B) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 39 and 45) and the external lead-out terminal When a Pb-free solder containing Sb and having a high tensile strength is used for solder joint with the lower end 6b4 (see FIG. 45B) of 6b (see FIG. 45), an external lead terminal is used during a temperature cycle test. 6b (see FIG. 45B) up and down direction (up and down in FIG. 45B) ) And the amount of thermal expansion / shrinkage in the vertical direction (vertical direction in FIG. 45 (B)) of the gel resin (not shown), and the difference between Pb containing Sb As a result of the deformation of the free solder, it cannot be sufficiently absorbed, and as a result, the upper surface side conductor pattern 2b1 (see FIGS. 39A and 45B) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 39 and 45) is applied. The present inventors considered that the upper surface side conductor pattern 2b1 (see FIGS. 39A and 45B) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 39 and 45) was damaged by the thermal stress.
そこで、本発明者等の研究において、絶縁基板2(図39および図45参照)の上面側導体パターン2b1(図39(A)および図45(B)参照)と外部導出端子6b(図45参照)の下端部6b4(図45(B)参照)との間の半田接合に、引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田(合金組成が例えばSn−0.3Ag−0.7Cu−0.035Ni、Sn−0.7Cu−0.05Ni等)を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、絶縁基板2(図39および図45参照)の上面側導体パターン2b1(図39(A)および図45(B)参照)と外部導出端子6b(図45参照)の下端部6b4(図45(B)参照)との間のSbを含有しないPbフリー半田が剥離せず、絶縁基板2(図39および図45参照)の上面側導体パターン2b1(図39(A)および図45(B)参照)も破損しないことが確認された。
Therefore, in the research by the present inventors, the upper surface side conductor pattern 2b1 (see FIGS. 39A and 45B) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 39 and 45) and the
また、本発明者等は、パワー半導体モジュールに対する近年の高信頼性要求に応えるために、絶縁基板2(図39および図45参照)の上面側導体パターン2b2(図39(A)および図45(B)参照)と外部導出端子6a(図42、図43、図45(A)および図45(B)参照)の下端部6a4(図45(B)参照)との間の半田接合の温度サイクル試験を行った。具体的には、本発明者等の研究において、絶縁基板2(図39および図45参照)の上面側導体パターン2b2(図39(A)および図45(B)参照)と外部導出端子6a(図42、図43、図45(A)および図45(B)参照)の下端部6a4(図45(B)参照)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、絶縁基板2(図39および図45参照)の上面側導体パターン2b2(図39(A)および図45(B)参照)と外部導出端子6a(図42、図43、図45(A)および図45(B)参照)の下端部6a4(図45(B)参照)との間のSbを含有するPbフリー半田の剥離は認められないものの、絶縁基板2(図39および図45参照)の上面側導体パターン2b2(図39(A)および図45(B)参照)が破損してしまうことが確認された。
Further, in order to meet the recent high reliability requirement for the power semiconductor module, the present inventors have provided the upper surface side conductor pattern 2b2 (FIG. 39A and FIG. 45) of the insulating substrate 2 (see FIG. 39 and FIG. 45). B)) and the soldering temperature cycle between the lower end portion 6a4 (see FIG. 45 (B)) of the external lead-out terminal 6a (see FIGS. 42, 43, 45A and 45B). A test was conducted. Specifically, in the study by the present inventors, the upper surface side conductor pattern 2b2 (see FIGS. 39A and 45B) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 39 and 45) and the
外囲ケース6(図46、図47(A)および図47(B)参照)内のゲル状樹脂(図示せず)によって覆われている外部導出端子6a(図47(B)参照)の温度サイクル試験時の上下方向(図47(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量と、ゲル状樹脂(図示せず)の温度サイクル試験時の上下方向(図47(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量とが異なるため、絶縁基板2(図39および図45参照)の上面側導体パターン2b2(図39(A)および図45(B)参照)と外部導出端子6a(図45参照)の下端部6a4(図45(B)参照)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用いると、温度サイクル試験時に、外部導出端子6a(図45(B)参照)の上下方向(図45(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量と、ゲル状樹脂(図示せず)の上下方向(図45(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量との差分を、Sbを含有するPbフリー半田の変形によって十分に吸収することができず、その結果、絶縁基板2(図39および図45参照)の上面側導体パターン2b2(図39(A)および図45(B)参照)にかかる熱応力によって、絶縁基板2(図39および図45参照)の上面側導体パターン2b2(図39(A)および図45(B)参照)が破損したと、本発明者等は考えた。 The temperature of the external lead-out terminal 6a (see FIG. 47B) covered with the gel-like resin (not shown) in the outer case 6 (see FIGS. 46, 47A and 47B) Thermal expansion / contraction amount in the vertical direction during the cycle test (vertical direction in FIG. 47B) and vertical direction during the temperature cycle test for the gel-like resin (not shown) (in the vertical direction in FIG. 47B) Direction) thermal expansion amount and thermal contraction amount are different, so that the upper surface side conductor pattern 2b2 (see FIGS. 39A and 45B) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 39 and 45) and the external lead-out terminal When Pb-free solder containing Sb and having high tensile strength is used for solder joint with the lower end 6a4 (see FIG. 45B) of 6a (see FIG. 45), an external lead terminal is used during a temperature cycle test. 6a (see FIG. 45B) up and down direction (up and down in FIG. 45B) ) And the amount of thermal expansion / shrinkage in the vertical direction (vertical direction in FIG. 45 (B)) of the gel resin (not shown), and the difference between Pb containing Sb As a result, it cannot be sufficiently absorbed by the deformation of the free solder, and as a result, is applied to the upper surface side conductor pattern 2b2 (see FIGS. 39A and 45B) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 39 and 45). The present inventors considered that the upper surface side conductor pattern 2b2 (see FIGS. 39A and 45B) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 39 and 45) was damaged by the thermal stress.
そこで、本発明者等の研究において、絶縁基板2(図39および図45参照)の上面側導体パターン2b2(図39(A)および図45(B)参照)と外部導出端子6a(図45参照)の下端部6a4(図45(B)参照)との間の半田接合に、引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田(合金組成が例えばSn−0.3Ag−0.7Cu−0.035Ni、Sn−0.7Cu−0.05Ni等)を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、絶縁基板2(図39および図45参照)の上面側導体パターン2b2(図39(A)および図45(B)参照)と外部導出端子6a(図45参照)の下端部6a4(図45(B)参照)との間のSbを含有しないPbフリー半田が剥離せず、絶縁基板2(図39および図45参照)の上面側導体パターン2b2(図39(A)および図45(B)参照)も破損しないことが確認された。
Therefore, in the research by the present inventors, the upper surface side conductor pattern 2b2 (see FIGS. 39A and 45B) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 39 and 45) and the
更に、本発明者等は、パワー半導体モジュールに対する近年の高信頼性要求に応えるために、絶縁基板2(図39および図45参照)の上面側導体パターン2b3(図39(A)および図45(B)参照)と外部導出端子6c(図42、図43、図45(A)および図45(B)参照)の下端部6c4(図45(B)参照)との間の半田接合の温度サイクル試験を行った。具体的には、本発明者等の研究において、絶縁基板2(図39および図45参照)の上面側導体パターン2b3(図39(A)および図45(B)参照)と外部導出端子6c(図42、図43、図45(A)および図45(B)参照)の下端部6c4(図45(B)参照)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、絶縁基板2(図39および図45参照)の上面側導体パターン2b3(図39(A)および図45(B)参照)と外部導出端子6c(図42、図43、図45(A)および図45(B)参照)の下端部6c4(図45(B)参照)との間のSbを含有するPbフリー半田の剥離は認められないものの、絶縁基板2(図39および図45参照)の上面側導体パターン2b3(図39(A)および図45(B)参照)が破損してしまうことが確認された。
Furthermore, in order to meet the recent high reliability requirement for the power semiconductor module, the present inventors have made the upper surface side conductor pattern 2b3 (FIG. 39A and FIG. 45) of the insulating substrate 2 (see FIG. 39 and FIG. 45). B)) and the soldering temperature cycle between the lower end portion 6c4 (see FIG. 45B) of the external lead-out
外囲ケース6(図46、図47(A)および図47(B)参照)内のゲル状樹脂(図示せず)によって覆われている外部導出端子6c(図47(B)参照)の温度サイクル試験時の上下方向(図47(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量と、ゲル状樹脂(図示せず)の温度サイクル試験時の上下方向(図47(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量とが異なるため、絶縁基板2(図39および図45参照)の上面側導体パターン2b3(図39(A)および図45(B)参照)と外部導出端子6c(図45参照)の下端部6c4(図45(B)参照)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用いると、温度サイクル試験時に、外部導出端子6c(図45(B)参照)の上下方向(図45(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量と、ゲル状樹脂(図示せず)の上下方向(図45(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量との差分を、Sbを含有するPbフリー半田の変形によって十分に吸収することができず、その結果、絶縁基板2(図39および図45参照)の上面側導体パターン2b3(図39(A)および図45(B)参照)にかかる熱応力によって、絶縁基板2(図39および図45参照)の上面側導体パターン2b3(図39(A)および図45(B)参照)が破損したと、本発明者等は考えた。
Temperature of external lead-out
そこで、本発明者等の研究において、絶縁基板2(図39および図45参照)の上面側導体パターン2b3(図39(A)および図45(B)参照)と外部導出端子6c(図45参照)の下端部6c4(図45(B)参照)との間の半田接合に、引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田(合金組成が例えばSn−0.3Ag−0.7Cu−0.035Ni、Sn−0.7Cu−0.05Ni等)を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、絶縁基板2(図39および図45参照)の上面側導体パターン2b3(図39(A)および図45(B)参照)と外部導出端子6c(図45参照)の下端部6c4(図45(B)参照)との間のSbを含有しないPbフリー半田が剥離せず、絶縁基板2(図39および図45参照)の上面側導体パターン2b3(図39(A)および図45(B)参照)も破損しないことが確認された。
Therefore, in the research by the present inventors, the upper surface side conductor pattern 2b3 (see FIGS. 39A and 45B) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 39 and 45) and the
本発明者等の研究結果に鑑み、第5の実施形態のパワー半導体モジュール100では、金属製放熱板1(図38および図45参照)と絶縁基板2(図39および図45参照)の下面側導体パターン2c(図39(B)、図39(C)および図45(B)参照)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田10a(図45(B)参照)が用いられている。
In view of the research results of the present inventors, in the
そのため、第5の実施形態のパワー半導体モジュール100によれば、温度サイクル試験後の金属製放熱板1(図38および図45参照)と絶縁基板2(図39および図45参照)の下面側導体パターン2c(図39(B)、図39(C)および図45(B)参照)との間の半田10a(図45(B)参照)の剥離を回避することができ、金属製放熱板1(図38および図45参照)と絶縁基板2(図39および図45参照)の下面側導体パターン2c(図39(B)、図39(C)および図45(B)参照)との間の半田接合の信頼性を向上させることができる。
Therefore, according to the
更に、第5の実施形態のパワー半導体モジュール100では、絶縁基板2(図39および図45参照)の上面側導体パターン2b1(図39(A)および図45(B)参照)と外部導出端子6b(図45参照)の下端部6b4(図45(B)参照)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田10a(図45(B)参照)よりも引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田10f2(図45(B)参照)が用いられている。
Furthermore, in the
そのため、第5の実施形態のパワー半導体モジュール100によれば、温度サイクル試験後の絶縁基板2(図39および図45参照)の上面側導体パターン2b1(図39(A)および図45(B)参照)と外部導出端子6b(図45参照)の下端部6b4(図45(B)参照)との間の半田10f2(図45(B)参照)の剥離および絶縁基板2(図39および図45参照)の上面側導体パターン2b1(図39(A)および図45(B)参照)の破損を同時に回避することができ、絶縁基板2(図39および図45参照)の上面側導体パターン2b1(図39(A)および図45(B)参照)と外部導出端子6b(図45参照)の下端部6b4(図45(B)参照)との間の半田接合の信頼性を向上させることができる。
Therefore, according to the
また、第5の実施形態のパワー半導体モジュール100では、絶縁基板2(図39および図45参照)の上面側導体パターン2b2(図39(A)および図45(B)参照)と外部導出端子6a(図45参照)の下端部6a4(図45(B)参照)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田10a(図45(B)参照)よりも引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田10f1(図45(B)参照)が用いられている。
In the
そのため、第5の実施形態のパワー半導体モジュール100によれば、温度サイクル試験後の絶縁基板2(図39および図45参照)の上面側導体パターン2b2(図39(A)および図45(B)参照)と外部導出端子6a(図45参照)の下端部6a4(図45(B)参照)との間の半田10f1(図45(B)参照)の剥離および絶縁基板2(図39および図45参照)の上面側導体パターン2b2(図39(A)および図45(B)参照)の破損を同時に回避することができ、絶縁基板2(図39および図45参照)の上面側導体パターン2b2(図39(A)および図45(B)参照)と外部導出端子6a(図45参照)の下端部6a4(図45(B)参照)との間の半田接合の信頼性を向上させることができる。
Therefore, according to the
更に、第5の実施形態のパワー半導体モジュール100では、絶縁基板2(図39および図45参照)の上面側導体パターン2b3(図39(A)および図45(B)参照)と外部導出端子6c(図45参照)の下端部6c4(図45(B)参照)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田10a(図45(B)参照)よりも引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田10f3(図45(B)参照)が用いられている。
Furthermore, in the
そのため、第5の実施形態のパワー半導体モジュール100によれば、温度サイクル試験後の絶縁基板2(図39および図45参照)の上面側導体パターン2b3(図39(A)および図45(B)参照)と外部導出端子6c(図45参照)の下端部6c4(図45(B)参照)との間の半田10f3(図45(B)参照)の剥離および絶縁基板2(図39および図45参照)の上面側導体パターン2b3(図39(A)および図45(B)参照)の破損を同時に回避することができ、絶縁基板2(図39および図45参照)の上面側導体パターン2b3(図39(A)および図45(B)参照)と外部導出端子6c(図45参照)の下端部6c4(図45(B)参照)との間の半田接合の信頼性を向上させることができる。
Therefore, according to the
第5の実施形態のパワー半導体モジュール100では、半田10b1,10b2,10b3,10b4(図40(B)参照)として、Sbを含有するPbフリー半田10a(図45(B)参照)よりも引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田が用いられているが、第5の実施形態のパワー半導体モジュール100の変形例では、代わりに、半田10b1,10b2,10b3,10b4(図40(B)参照)として、半田10a(図45(B)参照)と同様に引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用いることも可能である。
In the
以下、本発明のパワー半導体モジュールの第6の実施形態について説明する。図48は第6の実施形態のパワー半導体モジュール100の一部を構成する金属製放熱板1を示した図である。詳細には、図48(A)は金属製放熱板1の平面図、図48(B)は図48(A)のA5−A5線に沿った鉛直断面図である。図49は第6の実施形態のパワー半導体モジュール100の一部を構成する絶縁基板2を示した図である。詳細には、図49(A)は絶縁基板2の平面図、図49(B)は図49(A)のB5−B5線に沿った鉛直断面図、図49(C)は絶縁基板2の底面図である。図50は絶縁基板2上にパワー半導体チップ3a,3a’,3b,3b’,3c,3c’,3d,3d’,3e,3fおよびゲート抵抗チップR1,R1’,R2,R2’が搭載される様子を示した図である。詳細には、図50(A)は絶縁基板2上にパワー半導体チップ(MOSFETチップ)3a,3a’,3b,3b’、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3c,3c’,3d,3d’,3e,3fおよびゲート抵抗チップR1,R1’,R2,R2’が搭載された状態を示した平面図である。図50(B)は絶縁基板2上にパワー半導体チップ(MOSFETチップ)3a,3a’,3b,3b’およびパワー半導体チップ(ダイオードチップ)3fが搭載される様子を示した分解組立断面図である。図50(C)は絶縁基板2上にパワー半導体チップ(ダイオードチップ)3c,3c’,3d,3d’が搭載される様子を示した分解組立断面図である。図50(D)は絶縁基板2上にパワー半導体チップ(ダイオードチップ)3eおよびゲート抵抗チップR1,R1’,R2,R2’が搭載される様子を示した分解組立断面図である。図51は図50(A)に示した組立体に対してワイヤボンディングを行うことにより得られる組立体の平面図である。
Hereinafter, a sixth embodiment of the power semiconductor module of the present invention will be described. FIG. 48 is a view showing the
図52は第6の実施形態のパワー半導体モジュール100の一部を構成する蓋体7の部品図である。詳細には、図52(A)は蓋体7の平面図、図52(B)は蓋体7の右側面図、図52(C)は蓋体7の正面図、図52(D)は蓋体7の底面図である。図53は外部導出端子6a,6b,6cおよび信号端子6j,6k,6m,6nを蓋体7に取り付けることにより得られる組立体を示した図である。詳細には、図53(A)は外部導出端子6a,6b,6cおよび信号端子6j,6k,6m,6nを蓋体7に取り付けることにより得られる組立体の平面図、図53(B)は外部導出端子6a,6b,6cおよび信号端子6j,6k,6m,6nを蓋体7に取り付けることにより得られる組立体の正面図、図53(C)は外部導出端子6a,6b,6cおよび信号端子6j,6k,6m,6nを蓋体7に取り付けることにより得られる組立体の右側面図である。
FIG. 52 is a component diagram of the
図54は図53に示した組立体のうちの蓋体7を透視して見た外部導出端子6a,6b,6cの図である。詳細には、図54(A)は外部導出端子6a,6b,6cの平面図、図54(B)は外部導出端子6a,6b,6cの正面図、図54(C)は外部導出端子6c(6a,6b)の右側面図である。図55は図53に示した組立体のうちの蓋体7を透視して見た信号端子6j,6k,6m,6nの図である。詳細には、図55(A)は信号端子6j,6k,6m,6nの平面図、図55(B)は信号端子6m(6j,6k,6n)の正面図、図55(C)は信号端子6j,6k,6m,6nの右側面図である。図56は図48に示した金属製放熱板1上に、図51に示した組立体が搭載され、その上に図53に示した組立体が搭載される様子を示した図である。詳細には、図56(A)は図48に示した金属製放熱板1上に、図51に示した組立体が搭載され、その上に図53に示した組立体が搭載された状態を示した平面図である。図56(B)は図48に示した金属製放熱板1上に、図51に示した組立体が搭載され、その上に図53に示した組立体が搭載される様子を、蓋体7を透視して示した概略的な分解組立図である。
54 is a view of the external lead-out
図57は図56(A)に示した組立体上に被せられる外囲ケース6の部品図である。詳細には、図57(A)は外囲ケース6の平面図、図57(B)は図57(A)のK5−K5線に沿った鉛直断面図、図57(C)は外囲ケース6の底面図である。図58は第6の実施形態のパワー半導体モジュール100を示した図である。詳細には、図58(A)は図56(A)に示した組立体上に、図57に示した外囲ケース6が被せられることにより得られる第6の実施形態のパワー半導体モジュール100の平面図である。図58(B)は第6の実施形態のパワー半導体モジュール100の概略的な鉛直断面図である。図58(C)は第6の実施形態のパワー半導体モジュール100の等価回路図である。
FIG. 57 is a component diagram of the enclosing
第6の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図56(B)に示すように、パワー半導体チップ(MOSFETチップ)3a,3a’,3b,3b’(図50参照)、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3c,3c’,3d,3d’,3e,3f(図50参照)およびゲート抵抗チップR1,R1’,R2,R2’(図50参照)が発生した熱を放熱するための金属製放熱板1(図48および図56参照)の上面と、絶縁基板2(図49および図56参照)の絶縁層2a(図49および図56(B)参照)の下面側に形成された下面側導体パターン2c(図49(B)、図49(C)および図56(B)参照)との間に半田10a(図56(B)参照)が配置されている。また、図50(B)に示すように、絶縁基板2(図49および図50参照)の上面側導体パターン2b1(図49(A)、図49(B)、図50(A)および図50(B)参照)とパワー半導体チップ(MOSFETチップ)3a(図50(A)および図50(B)参照)の下面電極(ドレイン電極)との間に半田10b1(図50(B)参照)が配置されている。更に、図50(B)に示すように、絶縁基板2(図49および図50参照)の上面側導体パターン2b1(図49(A)、図49(B)、図50(A)および図50(B)参照)とパワー半導体チップ(MOSFETチップ)3a’(図50(A)および図50(B)参照)の下面電極(ドレイン電極)との間に半田10b1’(図50(B)参照)が配置されている。また、図50(B)に示すように、絶縁基板2(図49および図50参照)の上面側導体パターン2b3(図49(A)、図49(B)、図50(A)および図50(B)参照)とパワー半導体チップ(MOSFETチップ)3b(図50(A)および図50(B)参照)の下面電極(ドレイン電極)との間に半田10b2(図50(B)参照)が配置されている。更に、図50(B)に示すように、絶縁基板2(図49および図50参照)の上面側導体パターン2b3(図49(A)、図49(B)、図50(A)および図50(B)参照)とパワー半導体チップ(MOSFETチップ)3b’(図50(A)および図50(B)参照)の下面電極(ドレイン電極)との間に半田10b2’(図50(B)参照)が配置されている。また、図50(B)に示すように、絶縁基板2(図49および図50参照)の上面側導体パターン2b7(図49(A)、図49(B)、図50(A)および図50(B)参照)とパワー半導体チップ(ダイオードチップ)3f(図50(A)および図50(B)参照)の下面電極(カソード電極)との間に半田10b6(図50(B)参照)が配置されている。
In the
更に、第6の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図50(C)に示すように、絶縁基板2(図49および図50参照)の上面側導体パターン2b1(図49(A)、図49(B)、図50(A)および図50(C)参照)とパワー半導体チップ(ダイオードチップ)3c(図50(A)および図50(C)参照)の下面電極(カソード電極)との間に半田10b3(図50(C)参照)が配置されている。また、図50(C)に示すように、絶縁基板2(図49および図50参照)の上面側導体パターン2b1(図49(A)、図49(B)、図50(A)および図50(C)参照)とパワー半導体チップ(ダイオードチップ)3c’(図50(A)および図50(C)参照)の下面電極(カソード電極)との間に半田10b3’(図50(C)参照)が配置されている。更に、図50(C)に示すように、絶縁基板2(図49および図50参照)の上面側導体パターン2b3(図49(A)、図49(B)、図50(A)および図50(C)参照)とパワー半導体チップ(ダイオードチップ)3d(図50(A)および図50(C)参照)の下面電極(カソード電極)との間に半田10b4(図50(C)参照)が配置されている。また、図50(C)に示すように、絶縁基板2(図49および図50参照)の上面側導体パターン2b3(図49(A)、図49(B)、図50(A)および図50(C)参照)とパワー半導体チップ(ダイオードチップ)3d’(図50(A)および図50(C)参照)の下面電極(カソード電極)との間に半田10b4’(図50(C)参照)が配置されている。
Furthermore, in the
また、第6の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図50(D)に示すように、絶縁基板2(図49および図50参照)の上面側導体パターン2b6(図49(A)、図49(B)、図50(A)および図50(D)参照)とパワー半導体チップ(ダイオードチップ)3e(図50(A)および図50(D)参照)の下面電極(カソード電極)との間に半田10b5(図50(D)参照)が配置されている。更に、図50(D)に示すように、絶縁基板2(図49および図50参照)の上面側導体パターン2b4(図49(A)、図50(A)および図50(D)参照)とゲート抵抗チップR1(図50(A)および図50(D)参照)の下面電極との間に半田10b7(図50(D)参照)が配置されている。また、図50(D)に示すように、絶縁基板2(図49および図50参照)の上面側導体パターン2b4(図49(A)、図50(A)および図50(D)参照)とゲート抵抗チップR1’(図50(A)および図50(D)参照)の下面電極との間に半田10b7’(図50(D)参照)が配置されている。更に、図50(D)に示すように、絶縁基板2(図49および図50参照)の上面側導体パターン2b5(図49(A)、図50(A)および図50(D)参照)とゲート抵抗チップR2(図50(A)および図50(D)参照)の下面電極との間に半田10b8(図50(D)参照)が配置されている。また、図50(D)に示すように、絶縁基板2(図49および図50参照)の上面側導体パターン2b5(図49(A)、図50(A)および図50(D)参照)とゲート抵抗チップR2’(図50(A)および図50(D)参照)の下面電極との間に半田10b8’(図50(D)参照)が配置されている。
In the
更に、第6の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図51に示すように、パワー半導体チップ(MOSFETチップ)3aの大電流用上面電極(ソース電極)と絶縁基板2(図49および図51参照)の上面側導体パターン2b2(図49(A)および図51参照)とがボンディングワイヤによって接続されている。また、図51に示すように、パワー半導体チップ(MOSFETチップ)3aの上面に形成されたゲート電極とゲート抵抗チップR1の上面電極とがボンディングワイヤによって接続されている。更に、図51に示すように、パワー半導体チップ(MOSFETチップ)3a’の大電流用上面電極(ソース電極)と絶縁基板2(図49および図51参照)の上面側導体パターン2b2(図49(A)および図51参照)とがボンディングワイヤによって接続されている。また、図51に示すように、パワー半導体チップ(MOSFETチップ)3a’の上面に形成されたゲート電極とゲート抵抗チップR1’の上面電極とがボンディングワイヤによって接続されている。
Furthermore, in the
また、第6の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図51に示すように、パワー半導体チップ(MOSFETチップ)3bの大電流用上面電極(ソース電極)と絶縁基板2(図49および図51参照)の上面側導体パターン2b6(図49(A)および図51参照)とがボンディングワイヤによって接続されている。更に、図51に示すように、パワー半導体チップ(MOSFETチップ)3bの上面に形成されたゲート電極とゲート抵抗チップR2の上面電極とがボンディングワイヤによって接続されている。また、図51に示すように、パワー半導体チップ(MOSFETチップ)3b’の大電流用上面電極(ソース電極)と絶縁基板2(図49および図51参照)の上面側導体パターン2b6(図49(A)および図51参照)とがボンディングワイヤによって接続されている。更に、図51に示すように、パワー半導体チップ(MOSFETチップ)3b’の上面に形成されたゲート電極とゲート抵抗チップR2’の上面電極とがボンディングワイヤによって接続されている。
Further, in the
更に、第6の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図51に示すように、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3cの上面電極(アノード電極)と絶縁基板2(図49および図51参照)の上面側導体パターン2b6(図49(A)および図51参照)とがボンディングワイヤによって接続されている。また、図51に示すように、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3c’の上面電極(アノード電極)と絶縁基板2(図49および図51参照)の上面側導体パターン2b6(図49(A)および図51参照)とがボンディングワイヤによって接続されている。更に、図51に示すように、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3dの上面電極(アノード電極)と絶縁基板2(図49および図51参照)の上面側導体パターン2b7(図49(A)および図51参照)とがボンディングワイヤによって接続されている。また、図51に示すように、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3d’の上面電極(アノード電極)と絶縁基板2(図49および図51参照)の上面側導体パターン2b7(図49(A)および図51参照)とがボンディングワイヤによって接続されている。更に、図51に示すように、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3eの上面電極(アノード電極)と絶縁基板2(図49および図51参照)の上面側導体パターン2b2(図49(A)および図51参照)とがボンディングワイヤによって接続されている。また、図51に示すように、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3fの上面電極(アノード電極)と絶縁基板2(図49および図51参照)の上面側導体パターン2b6(図49(A)および図51参照)とがボンディングワイヤによって接続されている。
Furthermore, in the
更に、第6の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図52に示すように、例えば樹脂材料の成形によって形成された電気絶縁性の蓋体7が設けられている。詳細には、第6の実施形態のパワー半導体モジュール100では、絶縁基板2(図49参照)の位置決め穴2h(図49(A)および図49(C)参照)および金属製放熱板1(図48参照)の位置決め穴1h(図48(A)参照)に挿入される先端部を有する脚部7g(図52(B)、図52(C)および図52(D)参照)が、蓋体7(図52参照)に設けられている。
Furthermore, in the
また、第6の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図54(A)および図54(B)に示すように、上下方向(図54(B)の上下方向)に延びている上端部6a1と、屈曲している中央部6a2と、水平方向に延びている下端部6a4とを有する外部導出端子6aが、例えば金属材料のプレス加工によって形成されている。また、第6の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図54(A)および図54(B)に示すように、上下方向(図54(B)の上下方向)に延びている上端部6b1と、屈曲している中央部6b2と、水平方向に延びている下端部6b4とを有する外部導出端子6bが、例えば金属材料のプレス加工によって、外部導出端子6a(図54(A)および図54(B)参照)と同一形状に形成されている。更に、第6の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図54に示すように、上下方向(図54(B)および図54(C)の上下方向)に延びている上端部6c1と、屈曲している中央部6c2と、水平方向(図54(C)の左右方向)に延びている下端部6c4とを有する外部導出端子6cが、例えば金属材料のプレス加工によって、外部導出端子6a(図54(A)および図54(B)参照)と同一形状に形成されている。
Further, in the
第6の実施形態のパワー半導体モジュール100の製造時には、外部導出端子6a(図53(A)、図53(B)、図54(A)および図54(B)参照)の上端部6a1(図53(B)、図54(A)および図54(B)参照)が蓋体7(図52および図53参照)の導出穴7a(図52(A)、図52(C)および図53(A)参照)を通され、図53に示すように、外部導出端子6aが蓋体7に取り付けられる。また、外部導出端子6b(図53(A)、図53(B)、図54(A)および図54(B)参照)の上端部6b1(図53(B)、図54(A)および図54(B)参照)が蓋体7(図52および図53参照)の導出穴7b(図52(A)、図52(C)および図53(A)参照)を通され、図53に示すように、外部導出端子6bが蓋体7に取り付けられる。更に、外部導出端子6c(図53および図54参照)の上端部6c1(図53(B)、図53(C)および図54参照)が蓋体7(図52および図53参照)の導出穴7c(図52(A)、図52(C)および図53(A)参照)を通され、図53に示すように、外部導出端子6cが蓋体7に取り付けられる。
At the time of manufacturing the
また、第6の実施形態のパワー半導体モジュール100の製造時には、図53に示すように、信号端子6j(図53(A)、図53(C)、図55(A)および図55(C)参照)が蓋体7に取り付けられる。更に、信号端子6j(図53(A)、図53(C)、図55(A)および図55(C)参照)と同一形状に形成された信号端子6k(図53(A)、図53(C)、図55(A)および図55(C)参照)が蓋体7に取り付けられる。また、信号端子6j(図53(A)、図53(C)、図55(A)および図55(C)参照)と同一形状に形成された信号端子6m(図53および図55参照)が蓋体7に取り付けられる。更に、信号端子6j(図53(A)、図53(C)、図55(A)および図55(C)参照)と同一形状に形成された信号端子6n(図53(A)、図53(C)、図55(A)および図55(C)参照)が蓋体7に取り付けられる。
Further, when the
第6の実施形態のパワー半導体モジュール100では、蓋体7(図52参照)とは別個に形成された外部導出端子6a,6b,6c(図54参照)および信号端子6j,6k,6m,6n(図55参照)が、蓋体7(図52参照)に対して取り付けられ、図53に示した組立体が形成されているが、第6の実施形態のパワー半導体モジュール100の変形例では、樹脂材料の成形によって形成される蓋体7に外部導出端子6a,6b,6cおよび信号端子6j,6k,6m,6nをインサートして一体成形することにより、図53に示した組立体と同様の組立体を形成することも可能である。
In the
また、第6の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図56(B)に示すように、絶縁基板2(図56(A)および図56(B)参照)の上面側導体パターン2b2(図50(A)および図56(B)参照)と、外部導出端子6a(図56(A)および図56(B)参照)の下端部6a4(図54(A)および図56(B)参照)の下面との間に半田10f1(図56(B)参照)が配置され、上面側導体パターン2b2(図50(A)および図56(B)参照)と外部導出端子6a(図56(A)および図56(B)参照)とが電気的に接続されている。更に、図56(B)に示すように、絶縁基板2(図56(A)および図56(B)参照)の上面側導体パターン2b6(図50(A)および図56(B)参照)と、外部導出端子6b(図56(A)および図56(B)参照)の下端部6b4(図54(A)および図56(B)参照)の下面との間に半田10f2(図56(B)参照)が配置され、上面側導体パターン2b6(図50(A)および図56(B)参照)と外部導出端子6b(図56(A)および図56(B)参照)とが電気的に接続されている。また、図56(B)に示すように、絶縁基板2(図56(A)および図56(B)参照)の上面側導体パターン2b7(図50(A)および図56(B)参照)と、外部導出端子6c(図56(A)および図56(B)参照)の下端部6c4(図54(A)および図56(B)参照)の下面との間に半田10f3(図56(B)参照)が配置され、上面側導体パターン2b7(図50(A)および図56(B)参照)と外部導出端子6c(図56(A)および図56(B)参照)とが電気的に接続されている。
In the
具体的には、第6の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図56(B)に示す製造工程の時に、蓋体7(図52参照)の脚部7g(図52(B)、図52(C)および図52(D)参照)の先端部が、絶縁基板2(図49参照)の位置決め穴2h(図49(A)および図49(C)参照)および金属製放熱板1(図48参照)の位置決め穴1h(図48(A)参照)に挿入され、その結果、外部導出端子6a(図56(A)および図56(B)参照)の下端部6a4(図54(A)および図56(B)参照)が絶縁基板2(図56(A)および図56(B)参照)の上面側導体パターン2b2(図50(A)および図56(B)参照)に位置決めされ、外部導出端子6b(図56(A)および図56(B)参照)の下端部6b4(図54(A)および図56(B)参照)が絶縁基板2(図56(A)および図56(B)参照)の上面側導体パターン2b6(図50(A)および図56(B)参照)に位置決めされ、外部導出端子6c(図56(A)および図56(B)参照)の下端部6c4(図54(A)および図56(B)参照)が絶縁基板2(図56(A)および図56(B)参照)の上面側導体パターン2b7(図50(A)および図56(B)参照)に位置決めされる。
Specifically, in the
また、第6の実施形態のパワー半導体モジュール100では、信号端子6j(図53(A)、図53(C)、図55(A)、図55(C)および図58(C)参照)が、例えば半田(図示せず)等を介して絶縁基板2(図51参照)の上面側導体パターン2b4(図51参照)に接続され、その結果、信号端子6j(図53(A)、図53(C)、図55(A)、図55(C)および図58(C)参照)とパワー半導体チップ(MOSFETチップ)3a(図51および図58(C)参照)の上面に形成されたゲート電極とが、ゲート抵抗チップR1(図51および図58(C)参照)を介して電気的に接続されると共に、信号端子6j(図53(A)、図53(C)、図55(A)、図55(C)および図58(C)参照)とパワー半導体チップ(MOSFETチップ)3a’(図51および図58(C)参照)の上面に形成されたゲート電極とが、ゲート抵抗チップR1’(図51および図58(C)参照)を介して電気的に接続されている。更に、信号端子6k(図53(A)、図53(C)、図55(A)、図55(C)および図58(C)参照)が、例えば半田(図示せず)等を介して絶縁基板2(図51参照)の上面側導体パターン2b2(図51参照)に接続され、その結果、信号端子6k(図53(A)、図53(C)、図55(A)、図55(C)および図58(C)参照)とパワー半導体チップ(MOSFETチップ)3a(図51および図58(C)参照)の大電流用上面電極(ソース電極)とが電気的に接続されると共に、信号端子6k(図53(A)、図53(C)、図55(A)、図55(C)および図58(C)参照)とパワー半導体チップ(MOSFETチップ)3a’(図51および図58(C)参照)の大電流用上面電極(ソース電極)とが電気的に接続されている。
In the
更に、第6の実施形態のパワー半導体モジュール100では、信号端子6m(図53、図55および図58(C)参照)が、例えば半田(図示せず)等を介して絶縁基板2(図51参照)の上面側導体パターン2b5(図51参照)に接続され、その結果、信号端子6m(図53、図55および図58(C)参照)とパワー半導体チップ(MOSFETチップ)3b(図51および図58(C)参照)の上面に形成されたゲート電極とが、ゲート抵抗チップR2(図51および図58(C)参照)を介して電気的に接続されると共に、信号端子6m(図53、図55および図58(C)参照)とパワー半導体チップ(MOSFETチップ)3b’(図51および図58(C)参照)の上面に形成されたゲート電極とが、ゲート抵抗チップR2’(図51および図58(C)参照)を介して電気的に接続されている。また、信号端子6n(図53(A)、図53(C)、図55(A)、図55(C)および図58(C)参照)が、例えば半田(図示せず)等を介して絶縁基板2(図51参照)の上面側導体パターン2b6(図51参照)に接続され、その結果、信号端子6n(図53(A)、図53(C)、図55(A)、図55(C)および図58(C)参照)とパワー半導体チップ(MOSFETチップ)3b(図51および図58(C)参照)の大電流用上面電極(ソース電極)とが電気的に接続されると共に、信号端子6n(図53(A)、図53(C)、図55(A)、図55(C)および図58(C)参照)とパワー半導体チップ(MOSFETチップ)3b’(図51および図58(C)参照)の大電流用上面電極(ソース電極)とが電気的に接続されている。
Furthermore, in the
また、第6の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図57に示すように、右側壁6d(図57参照)と左側壁6e(図57参照)と前側壁6f(図57(A)および図57(C)参照)と後側壁6g(図57参照)とを有し、電気絶縁性樹脂材料の成形によって形成された外囲ケース6(図57参照)が設けられている。詳細には、外囲ケース6(図57、図58(A)および図58(B)参照)が、図56(A)に示した組立体上に被せられている。
In the
つまり、外部導出端子6a,6b(図5および図6(A)参照)がインサートされて外囲ケース6(図5および図6参照)と一体的に形成されている第1の実施形態のパワー半導体モジュール100(図9参照)とは異なり、第6の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図53、図54および図57に示すように、外部導出端子6a,6b,6c(図53および図54参照)が、外囲ケース6(図57参照)にインサートされておらず、外囲ケース6(図57参照)とは別個の部材として構成されている。
That is, the power of the first embodiment in which the external lead-out
更に、第6の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図56(A)に示した組立体上に被せられた外囲ケース6の内側にゲル状樹脂(図示せず)が充填されている。詳細には、図58(B)に破線で示した高さHTまで、ゲル状樹脂(図示せず)が充填されている。つまり、ゲル状樹脂(図示せず)によって、絶縁基板2(図58(B)参照)と、パワー半導体チップ(MOSFETチップ)3a,3a’,3b,3b’(図51参照)と、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3c,3c’,3d,3d’,3e,3f(図51参照)と、ゲート抵抗チップR1,R1’,R2,R2’(図51参照)と、ボンディングワイヤ(図51参照)と、外部導出端子6a,6b,6c(図53、図54、図58(A)および図58(B)参照)の下端部6a4,6b4,6c4(図53(B)、図54(A)、図54(B)および図58(B)参照)および中央部6a2,6b2,6c2(図53(B)、図54(A)および図54(B)参照)とが覆われている。また、図56(A)に示した組立体上に被せられた外囲ケース6の内側であって、図58(B)に破線で示した高さHTの上側には、エポキシ樹脂(図示せず)が充填されている。第6の実施形態のパワー半導体モジュール100の製造時には、蓋体7(図52、図53、図58(A)および図58(B)参照)の上面の凹部7f(図52(A)、図53(A)および図58(A)参照)にナット(図示せず)が挿入される。次いで、外部導出端子6a,6b,6c(図53、図54、図58(A)および図58(B)参照)の上端部6a1,6b1,6c1(図53(B)および図58(B)参照)が折り曲げられ、第6の実施形態のパワー半導体モジュール100が完成する。
Furthermore, in the
つまり、第6の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図51および図58(C)に示すように、大電流が流れる上面電極(ソース電極)と、大電流が流れる下面電極(ドレイン電極)とを有するパワー半導体チップ(MOSFETチップ)3a,3a’,3b,3b’が設けられ、大電流が流れる上面電極(アノード電極)と、大電流が流れる下面電極(カソード電極)とを有するパワー半導体チップ(ダイオードチップ)3c,3c’,3d,3d’,3e,3fが設けられている。また、図50(A)に示すように、絶縁基板2の絶縁層2aの上面側に形成された上面側導体パターン2b1に、パワー半導体チップ(MOSFETチップ)3a,3a’およびパワー半導体チップ(ダイオードチップ)3c,3c’が搭載されている。更に、図50(B)に示すように、絶縁基板2の上面側導体パターン2b1と、パワー半導体チップ(MOSFETチップ)3a,3a’の下面電極(ドレイン電極)とが、電気的に接続されている。また、図50(C)に示すように、絶縁基板2の上面側導体パターン2b1と、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3c,3c’の下面電極(カソード電極)とが、電気的に接続されている。更に、図50(A)に示すように、絶縁基板2の絶縁層2aの上面側に形成された上面側導体パターン2b3に、パワー半導体チップ(MOSFETチップ)3b,3b’およびパワー半導体チップ(ダイオードチップ)3d,3d’が搭載されている。また、図50(B)に示すように、絶縁基板2の上面側導体パターン2b3と、パワー半導体チップ(MOSFETチップ)3b,3b’の下面電極(ドレイン電極)とが、電気的に接続されている。また、図50(C)に示すように、絶縁基板2の上面側導体パターン2b3と、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3d,3d’の下面電極(カソード電極)とが、電気的に接続されている。更に、図50(D)に示すように、絶縁基板2の上面側導体パターン2b6と、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3eの下面電極(カソード電極)とが、電気的に接続されている。また、図50(B)に示すように、絶縁基板2の上面側導体パターン2b7と、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3fの下面電極(カソード電極)とが、電気的に接続されている。
That is, in the
また、第6の実施形態のパワー半導体モジュール100では、図51に示すように、ボンディングワイヤを介して、パワー半導体チップ(MOSFETチップ)3aの上面電極(ソース電極)と絶縁基板2の上面側導体パターン2b2とが電気的に接続されている。更に、ボンディングワイヤを介して、パワー半導体チップ(MOSFETチップ)3a’の上面電極(ソース電極)と絶縁基板2の上面側導体パターン2b2とが電気的に接続されている。また、ボンディングワイヤを介して、パワー半導体チップ(MOSFETチップ)3bの上面電極(ソース電極)と絶縁基板2の上面側導体パターン2b6とが電気的に接続されている。更に、ボンディングワイヤを介して、パワー半導体チップ(MOSFETチップ)3b’の上面電極(ソース電極)と絶縁基板2の上面側導体パターン2b6とが電気的に接続されている。また、ボンディングワイヤを介して、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3cの上面電極(アノード電極)と絶縁基板2の上面側導体パターン2b6とが電気的に接続されている。更に、ボンディングワイヤを介して、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3c’の上面電極(アノード電極)と絶縁基板2の上面側導体パターン2b6とが電気的に接続されている。また、ボンディングワイヤを介して、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3dの上面電極(アノード電極)と絶縁基板2の上面側導体パターン2b7とが電気的に接続されている。更に、ボンディングワイヤを介して、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3d’の上面電極(アノード電極)と絶縁基板2の上面側導体パターン2b7とが電気的に接続されている。また、ボンディングワイヤを介して、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3eの上面電極(アノード電極)と絶縁基板2の上面側導体パターン2b2とが電気的に接続されている。更に、ボンディングワイヤを介して、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3fの上面電極(アノード電極)と絶縁基板2の上面側導体パターン2b6とが電気的に接続されている。
Further, in the
詳細には、第6の実施形態のパワー半導体モジュール100では、まず最初に、図50(B)、図50(C)および図50(D)に示すように、パワー半導体チップ(MOSFETチップ)3a(図50(A)および図50(B)参照)の下面電極(ドレイン電極)と絶縁基板2(図50参照)の上面側導体パターン2b1(図50(A)および図50(B)参照)との間の半田10b1(図50(B)参照)による接合、パワー半導体チップ(MOSFETチップ)3a’(図50(A)および図50(B)参照)の下面電極(ドレイン電極)と絶縁基板2(図50参照)の上面側導体パターン2b1(図50(A)および図50(B)参照)との間の半田10b1’(図50(B)参照)による接合、パワー半導体チップ(MOSFETチップ)3b(図50(A)および図50(B)参照)の下面電極(ドレイン電極)と絶縁基板2(図50参照)の上面側導体パターン2b3(図50(A)および図50(B)参照)との間の半田10b2(図50(B)参照)による接合、パワー半導体チップ(MOSFETチップ)3b’(図50(A)および図50(B)参照)の下面電極(ドレイン電極)と絶縁基板2(図50参照)の上面側導体パターン2b3(図50(A)および図50(B)参照)との間の半田10b2’(図50(B)参照)による接合、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3c(図50(A)および図50(C)参照)の下面電極(カソード電極)と絶縁基板2(図50参照)の上面側導体パターン2b1(図50(A)および図50(C)参照)との間の半田10b3(図50(C)参照)による接合、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3c’(図50(A)および図50(C)参照)の下面電極(カソード電極)と絶縁基板2(図50参照)の上面側導体パターン2b1(図50(A)および図50(C)参照)との間の半田10b3’(図50(C)参照)による接合、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3d(図50(A)および図50(C)参照)の下面電極(カソード電極)と絶縁基板2(図50参照)の上面側導体パターン2b3(図50(A)および図50(C)参照)との間の半田10b4(図50(C)参照)による接合、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3d’(図50(A)および図50(C)参照)の下面電極(カソード電極)と絶縁基板2(図50参照)の上面側導体パターン2b3(図50(A)および図50(C)参照)との間の半田10b4’(図50(C)参照)による接合、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3e(図50(A)および図50(D)参照)の下面電極(カソード電極)と絶縁基板2(図50参照)の上面側導体パターン2b6(図50(A)および図50(D)参照)との間の半田10b5(図50(D)参照)による接合、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3f(図50(A)および図50(B)参照)の下面電極(カソード電極)と絶縁基板2(図50参照)の上面側導体パターン2b7(図50(A)および図50(B)参照)との間の半田10b6(図50(B)参照)による接合、ゲート抵抗チップR1(図50(A)および図50(D)参照)の下面電極と絶縁基板2(図50参照)の上面側導体パターン2b4(図50(A)および図50(D)参照)との間の半田10b7(図50(D)参照)による接合、ゲート抵抗チップR1’(図50(A)および図50(D)参照)の下面電極と絶縁基板2(図50参照)の上面側導体パターン2b4(図50(A)および図50(D)参照)との間の半田10b7’(図50(D)参照)による接合、ゲート抵抗チップR2(図50(A)および図50(D)参照)の下面電極と絶縁基板2(図50参照)の上面側導体パターン2b5(図50(A)および図50(D)参照)との間の半田10b8(図50(D)参照)による接合、および、ゲート抵抗チップR2’(図50(A)および図50(D)参照)の下面電極と絶縁基板2(図50参照)の上面側導体パターン2b5(図50(A)および図50(D)参照)との間の半田10b8’(図50(D)参照)による接合が実行される。次いで、図51に示すワイヤボンディングが実行される。次いで、図56(B)に示すように、金属製放熱板1(図48および図56参照)と絶縁基板2(図49および図56参照)の下面側導体パターン2c(図49(B)、図49(C)および図56(B)参照)との間の半田10a(図56(B)参照)による接合、絶縁基板2(図49および図56参照)の上面側導体パターン2b6(図49(A)、図49(B)および図56(B)参照)と外部導出端子6b(図56(A)および図56(B)参照)の下端部6b4(図56(B)参照)との間の半田10f2(図56(B)参照)による接合、絶縁基板2(図49および図56参照)の上面側導体パターン2b2(図49(A)および図56(B)参照)と外部導出端子6a(図56(A)および図56(B)参照)の下端部6a4(図56(B)参照)との間の半田10f1(図56(B)参照)による接合、および絶縁基板2(図49および図56参照)の上面側導体パターン2b7(図49(A)、図49(B)および図56(B)参照)と外部導出端子6c(図56(A)および図56(B)参照)の下端部6c4(図56(B)参照)との間の半田10f3(図56(B)参照)による接合が実行される。更に、図56(B)に示す半田接合の実行時に、特許文献1(特開2010−199251号公報)の図3に記載されたパワー半導体モジュールのように、ベーシング冶具(図示せず)の凹状上面にならって金属製放熱板1(図56参照)の下面が凸状に変形するように、金属製放熱板1(図56参照)がベーシング冶具(図示せず)に対して固定される。
Specifically, in the
近年、パワー半導体モジュールには、高い信頼性が要求されている。具体的には、厳しい温度サイクル試験に耐えることが要求されている。 In recent years, high reliability is required for power semiconductor modules. Specifically, it is required to withstand severe temperature cycle tests.
そこで、本発明者等は、パワー半導体モジュールに対する近年の高信頼性要求に応えるために、金属製放熱板1(図56参照)と絶縁基板2(図56参照)の下面側導体パターン2c(図56(B)参照)との間の半田接合の温度サイクル試験を行った。具体的には、本発明者等の研究において、金属製放熱板1(図56参照)と絶縁基板2(図56参照)の下面側導体パターン2c(図56(B)参照)との間の半田接合に、引張強度が低い、Sb(アンチモン)を含有しないPb(鉛)フリー半田を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、金属製放熱板1(図56参照)と絶縁基板2(図56参照)の下面側導体パターン2c(図56(B)参照)との間のSbを含有しないPbフリー半田が剥離してしまうことが確認された。
In order to meet the recent high reliability requirements for the power semiconductor module, the present inventors have made the lower surface
本発明者等は、金属製放熱板1(図56参照)と絶縁基板2(図56参照)の下面側導体パターン2c(図56(B)参照)との間の半田の引張強度が不足していると考え、本発明者等の研究において、金属製放熱板1(図56参照)と絶縁基板2(図56参照)の下面側導体パターン2c(図56(B)参照)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田(合金組成が例えばSn−3.9Ag−0.6Cu−3.0Sb)を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、金属製放熱板1(図56参照)と絶縁基板2(図56参照)の下面側導体パターン2c(図56(B)参照)との間のSbを含有するPbフリー半田が剥離しないことが確認された。
The present inventors have insufficient solder tensile strength between the metal heat sink 1 (see FIG. 56) and the
更に、本発明者等は、パワー半導体モジュールに対する近年の高信頼性要求に応えるために、絶縁基板2(図49および図56参照)の上面側導体パターン2b6(図49(A)および図56(B)参照)と外部導出端子6b(図53、図54、図56(A)および図56(B)参照)の下端部6b4(図56(B)参照)との間の半田接合の温度サイクル試験を行った。具体的には、本発明者等の研究において、絶縁基板2(図49および図56参照)の上面側導体パターン2b6(図49(A)および図56(B)参照)と外部導出端子6b(図53、図54、図56(A)および図56(B)参照)の下端部6b4(図56(B)参照)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、絶縁基板2(図49および図56参照)の上面側導体パターン2b6(図49(A)および図56(B)参照)と外部導出端子6b(図53、図54、図56(A)および図56(B)参照)の下端部6b4(図56(B)参照)との間のSbを含有するPbフリー半田の剥離は認められないものの、絶縁基板2(図49および図56参照)の上面側導体パターン2b6(図49(A)および図56(B)参照)が破損してしまうことが確認された。
Furthermore, in order to meet the recent high reliability requirement for the power semiconductor module, the present inventors have made the upper surface side conductor pattern 2b6 (FIG. 49A and FIG. 56) of the insulating substrate 2 (see FIG. 49 and FIG. 56). B)) and the soldering temperature cycle between the lower end portion 6b4 (see FIG. 56B) of the external lead-out terminal 6b (see FIGS. 53, 54, 56A and 56B). A test was conducted. Specifically, in the research by the present inventors, the upper surface side conductor pattern 2b6 (see FIGS. 49A and 56B) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 49 and 56) and the
外囲ケース6(図57、図58(A)および図58(B)参照)内のゲル状樹脂(図示せず)によって覆われている外部導出端子6b(図58(B)参照)の温度サイクル試験時の上下方向(図58(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量と、ゲル状樹脂(図示せず)の温度サイクル試験時の上下方向(図58(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量とが異なるため、絶縁基板2(図49および図56参照)の上面側導体パターン2b6(図49(A)および図56(B)参照)と外部導出端子6b(図56参照)の下端部6b4(図56(B)参照)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用いると、温度サイクル試験時に、外部導出端子6b(図56(B)参照)の上下方向(図56(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量と、ゲル状樹脂(図示せず)の上下方向(図56(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量との差分を、Sbを含有するPbフリー半田の変形によって十分に吸収することができず、その結果、絶縁基板2(図49および図56参照)の上面側導体パターン2b6(図49(A)および図56(B)参照)にかかる熱応力によって、絶縁基板2(図49および図56参照)の上面側導体パターン2b6(図49(A)および図56(B)参照)が破損したと、本発明者等は考えた。 Temperature of the external lead-out terminal 6b (see FIG. 58 (B)) covered with the gel-like resin (not shown) in the surrounding case 6 (see FIGS. 57, 58 (A) and 58 (B)). Thermal expansion / contraction amount in the vertical direction during the cycle test (vertical direction in FIG. 58B), and vertical direction during the temperature cycle test for the gel-like resin (not shown) (in the vertical direction in FIG. 58B) Direction) thermal expansion amount and thermal contraction amount are different, so that the upper surface side conductor pattern 2b6 (see FIGS. 49A and 56B) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 49 and 56) and the external lead-out terminal When Pb-free solder containing Sb and having high tensile strength is used for solder joint with the lower end 6b4 (see FIG. 56B) of 6b (see FIG. 56), an external lead terminal is used during a temperature cycle test. 6b (see FIG. 56B) up and down direction (up and down in FIG. 56B) ) And the amount of thermal expansion / shrinkage in the vertical direction (vertical direction in FIG. 56 (B)) of the gel-like resin (not shown), and the difference between Pb containing Sb It cannot be sufficiently absorbed by the deformation of the free solder, and as a result, is applied to the upper surface side conductor pattern 2b6 (see FIGS. 49A and 56B) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 49 and 56). The present inventors considered that the upper surface side conductor pattern 2b6 (see FIGS. 49A and 56B) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 49 and 56) was damaged by the thermal stress.
そこで、本発明者等の研究において、絶縁基板2(図49および図56参照)の上面側導体パターン2b6(図49(A)および図56(B)参照)と外部導出端子6b(図56参照)の下端部6b4(図56(B)参照)との間の半田接合に、引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田(合金組成が例えばSn−0.3Ag−0.7Cu−0.035Ni、Sn−0.7Cu−0.05Ni等)を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、絶縁基板2(図49および図56参照)の上面側導体パターン2b6(図49(A)および図56(B)参照)と外部導出端子6b(図56参照)の下端部6b4(図56(B)参照)との間のSbを含有しないPbフリー半田が剥離せず、絶縁基板2(図49および図56参照)の上面側導体パターン2b6(図49(A)および図56(B)参照)も破損しないことが確認された。
Therefore, in the studies by the present inventors, the upper surface side conductor pattern 2b6 (see FIGS. 49A and 56B) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 49 and 56) and the
また、本発明者等は、パワー半導体モジュールに対する近年の高信頼性要求に応えるために、絶縁基板2(図49および図56参照)の上面側導体パターン2b2(図49(A)および図56(B)参照)と外部導出端子6a(図53、図54、図56(A)および図56(B)参照)の下端部6a4(図56(B)参照)との間の半田接合の温度サイクル試験を行った。具体的には、本発明者等の研究において、絶縁基板2(図49および図56参照)の上面側導体パターン2b2(図49(A)および図56(B)参照)と外部導出端子6a(図53、図54、図56(A)および図56(B)参照)の下端部6a4(図56(B)参照)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、絶縁基板2(図49および図56参照)の上面側導体パターン2b2(図49(A)および図56(B)参照)と外部導出端子6a(図53、図54、図56(A)および図56(B)参照)の下端部6a4(図56(B)参照)との間のSbを含有するPbフリー半田の剥離は認められないものの、絶縁基板2(図49および図56参照)の上面側導体パターン2b2(図49(A)および図56(B)参照)が破損してしまうことが確認された。
In order to meet the recent high reliability requirements for the power semiconductor module, the present inventors have provided the upper surface side conductor pattern 2b2 (FIG. 49A) and FIG. 56 (FIG. 56) of the insulating substrate 2 (see FIG. 49 and FIG. 56). B)) and the temperature cycle of the solder joint between the
外囲ケース6(図57、図58(A)および図58(B)参照)内のゲル状樹脂(図示せず)によって覆われている外部導出端子6a(図58(B)参照)の温度サイクル試験時の上下方向(図58(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量と、ゲル状樹脂(図示せず)の温度サイクル試験時の上下方向(図58(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量とが異なるため、絶縁基板2(図49および図56参照)の上面側導体パターン2b2(図49(A)および図56(B)参照)と外部導出端子6a(図56参照)の下端部6a4(図56(B)参照)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用いると、温度サイクル試験時に、外部導出端子6a(図56(B)参照)の上下方向(図56(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量と、ゲル状樹脂(図示せず)の上下方向(図56(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量との差分を、Sbを含有するPbフリー半田の変形によって十分に吸収することができず、その結果、絶縁基板2(図49および図56参照)の上面側導体パターン2b2(図49(A)および図56(B)参照)にかかる熱応力によって、絶縁基板2(図49および図56参照)の上面側導体パターン2b2(図49(A)および図56(B)参照)が破損したと、本発明者等は考えた。 The temperature of the external lead-out terminal 6a (see FIG. 58 (B)) covered with the gel-like resin (not shown) in the outer case 6 (see FIGS. 57, 58 (A) and 58 (B)). Thermal expansion / contraction amount in the vertical direction during the cycle test (vertical direction in FIG. 58B), and vertical direction during the temperature cycle test for the gel-like resin (not shown) (in the vertical direction in FIG. 58B) Direction) thermal expansion amount and thermal contraction amount are different, so that the upper surface side conductor pattern 2b2 (see FIGS. 49A and 56B) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 49 and 56) and the external lead-out terminal When Pb-free solder containing Sb and having high tensile strength is used for solder joint with the lower end 6a4 (see FIG. 56B) of 6a (see FIG. 56), an external lead-out terminal is used during a temperature cycle test. 6a (see FIG. 56B) up and down direction (up and down in FIG. 56B) ) And the amount of thermal expansion / shrinkage in the vertical direction (vertical direction in FIG. 56 (B)) of the gel-like resin (not shown), and the difference between Pb containing Sb It cannot be sufficiently absorbed by deformation of the free solder, and as a result, is applied to the upper surface side conductor pattern 2b2 (see FIGS. 49A and 56B) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 49 and 56). The present inventors considered that the upper surface side conductor pattern 2b2 (see FIGS. 49A and 56B) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 49 and 56) was damaged by the thermal stress.
そこで、本発明者等の研究において、絶縁基板2(図49および図56参照)の上面側導体パターン2b2(図49(A)および図56(B)参照)と外部導出端子6a(図56参照)の下端部6a4(図56(B)参照)との間の半田接合に、引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田(合金組成が例えばSn−0.3Ag−0.7Cu−0.035Ni、Sn−0.7Cu−0.05Ni等)を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、絶縁基板2(図49および図56参照)の上面側導体パターン2b2(図49(A)および図56(B)参照)と外部導出端子6a(図56参照)の下端部6a4(図56(B)参照)との間のSbを含有しないPbフリー半田が剥離せず、絶縁基板2(図49および図56参照)の上面側導体パターン2b2(図49(A)および図56(B)参照)も破損しないことが確認された。 Therefore, in the research by the present inventors, the upper surface side conductor pattern 2b2 (see FIGS. 49A and 56B) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 49 and 56) and the external lead-out terminal 6a (see FIG. 56). Pb-free solder having a low tensile strength and containing no Sb (alloy composition is Sn-0.3Ag-0.7Cu-0.), For example, at the lower end 6a4 (see FIG. 56B). 035Ni, Sn-0.7Cu-0.05Ni, etc.) were used to perform a temperature cycle test. As a result, after the temperature cycle test, the upper surface side conductor pattern 2b2 (see FIGS. 49A and 56B) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 49 and 56) and the external lead-out terminal 6a (see FIG. 56). The Pb-free solder containing no Sb between the lower end 6a4 (see FIG. 56B) does not peel off, and the upper surface side conductor pattern 2b2 (see FIG. 49A) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 49 and 56). It was also confirmed that no damage occurred (see FIG. 56B).
更に、本発明者等は、パワー半導体モジュールに対する近年の高信頼性要求に応えるために、絶縁基板2(図49および図56参照)の上面側導体パターン2b7(図49(A)および図56(B)参照)と外部導出端子6c(図53、図54、図56(A)および図56(B)参照)の下端部6c4(図56(B)参照)との間の半田接合の温度サイクル試験を行った。具体的には、本発明者等の研究において、絶縁基板2(図49および図56参照)の上面側導体パターン2b7(図49(A)および図56(B)参照)と外部導出端子6c(図53、図54、図56(A)および図56(B)参照)の下端部6c4(図56(B)参照)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、絶縁基板2(図49および図56参照)の上面側導体パターン2b7(図49(A)および図56(B)参照)と外部導出端子6c(図53、図54、図56(A)および図56(B)参照)の下端部6c4(図56(B)参照)との間のSbを含有するPbフリー半田の剥離は認められないものの、絶縁基板2(図49および図56参照)の上面側導体パターン2b7(図49(A)および図56(B)参照)が破損してしまうことが確認された。
Furthermore, in order to meet the recent high reliability requirement for the power semiconductor module, the present inventors have made the upper surface side conductor pattern 2b7 (FIG. 49A and FIG. 56) of the insulating substrate 2 (see FIG. 49 and FIG. 56). B)) and the temperature cycle of the solder joint between the
外囲ケース6(図57、図58(A)および図58(B)参照)内のゲル状樹脂(図示せず)によって覆われている外部導出端子6c(図58(B)参照)の温度サイクル試験時の上下方向(図58(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量と、ゲル状樹脂(図示せず)の温度サイクル試験時の上下方向(図58(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量とが異なるため、絶縁基板2(図49および図56参照)の上面側導体パターン2b7(図49(A)および図56(B)参照)と外部導出端子6c(図56参照)の下端部6c4(図56(B)参照)との間の半田接合に、引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用いると、温度サイクル試験時に、外部導出端子6c(図56(B)参照)の上下方向(図56(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量と、ゲル状樹脂(図示せず)の上下方向(図56(B)の上下方向)の熱膨張量・熱収縮量との差分を、Sbを含有するPbフリー半田の変形によって十分に吸収することができず、その結果、絶縁基板2(図49および図56参照)の上面側導体パターン2b7(図49(A)および図56(B)参照)にかかる熱応力によって、絶縁基板2(図49および図56参照)の上面側導体パターン2b7(図49(A)および図56(B)参照)が破損したと、本発明者等は考えた。
The temperature of the external lead-out
そこで、本発明者等の研究において、絶縁基板2(図49および図56参照)の上面側導体パターン2b7(図49(A)および図56(B)参照)と外部導出端子6c(図56参照)の下端部6c4(図56(B)参照)との間の半田接合に、引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田(合金組成が例えばSn−0.3Ag−0.7Cu−0.035Ni、Sn−0.7Cu−0.05Ni等)を用い、温度サイクル試験を行った。その結果、温度サイクル試験後に、絶縁基板2(図49および図56参照)の上面側導体パターン2b7(図49(A)および図56(B)参照)と外部導出端子6c(図56参照)の下端部6c4(図56(B)参照)との間のSbを含有しないPbフリー半田が剥離せず、絶縁基板2(図49および図56参照)の上面側導体パターン2b7(図49(A)および図56(B)参照)も破損しないことが確認された。
Therefore, in the study by the present inventors, the upper surface side conductor pattern 2b7 (see FIGS. 49A and 56B) of the insulating substrate 2 (see FIGS. 49 and 56) and the
本発明者等の研究結果に鑑み、第6の実施形態のパワー半導体モジュール100では、金属製放熱板1(図48および図56参照)と絶縁基板2(図49および図56参照)の下面側導体パターン2c(図49(B)、図49(C)および図56(B)参照)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田10a(図56(B)参照)が用いられている。
In view of the research results of the present inventors, in the
そのため、第6の実施形態のパワー半導体モジュール100によれば、温度サイクル試験後の金属製放熱板1(図48および図56参照)と絶縁基板2(図49および図56参照)の下面側導体パターン2c(図49(B)、図49(C)および図56(B)参照)との間の半田10a(図56(B)参照)の剥離を回避することができ、金属製放熱板1(図48および図56参照)と絶縁基板2(図49および図56参照)の下面側導体パターン2c(図49(B)、図49(C)および図56(B)参照)との間の半田接合の信頼性を向上させることができる。
Therefore, according to the
更に、第6の実施形態のパワー半導体モジュール100では、絶縁基板2(図49および図56参照)の上面側導体パターン2b6(図49(A)および図56(B)参照)と外部導出端子6b(図56参照)の下端部6b4(図56(B)参照)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田10a(図56(B)参照)よりも引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田10f2(図56(B)参照)が用いられている。
Furthermore, in the
そのため、第6の実施形態のパワー半導体モジュール100によれば、温度サイクル試験後の絶縁基板2(図49および図56参照)の上面側導体パターン2b6(図49(A)および図56(B)参照)と外部導出端子6b(図56参照)の下端部6b4(図56(B)参照)との間の半田10f2(図56(B)参照)の剥離および絶縁基板2(図49および図56参照)の上面側導体パターン2b6(図49(A)および図56(B)参照)の破損を同時に回避することができ、絶縁基板2(図49および図56参照)の上面側導体パターン2b6(図49(A)および図56(B)参照)と外部導出端子6b(図56参照)の下端部6b4(図56(B)参照)との間の半田接合の信頼性を向上させることができる。
Therefore, according to the
また、第6の実施形態のパワー半導体モジュール100では、絶縁基板2(図49および図56参照)の上面側導体パターン2b2(図49(A)および図56(B)参照)と外部導出端子6a(図56参照)の下端部6a4(図56(B)参照)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田10a(図56(B)参照)よりも引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田10f1(図56(B)参照)が用いられている。
In the
そのため、第6の実施形態のパワー半導体モジュール100によれば、温度サイクル試験後の絶縁基板2(図49および図56参照)の上面側導体パターン2b2(図49(A)および図56(B)参照)と外部導出端子6a(図56参照)の下端部6a4(図56(B)参照)との間の半田10f1(図56(B)参照)の剥離および絶縁基板2(図49および図56参照)の上面側導体パターン2b2(図49(A)および図56(B)参照)の破損を同時に回避することができ、絶縁基板2(図49および図56参照)の上面側導体パターン2b2(図49(A)および図56(B)参照)と外部導出端子6a(図56参照)の下端部6a4(図56(B)参照)との間の半田接合の信頼性を向上させることができる。
Therefore, according to the
更に、第6の実施形態のパワー半導体モジュール100では、絶縁基板2(図49および図56参照)の上面側導体パターン2b7(図49(A)および図56(B)参照)と外部導出端子6c(図56参照)の下端部6c4(図56(B)参照)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田10a(図56(B)参照)よりも引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田10f3(図56(B)参照)が用いられている。
Furthermore, in the
そのため、第6の実施形態のパワー半導体モジュール100によれば、温度サイクル試験後の絶縁基板2(図49および図56参照)の上面側導体パターン2b7(図49(A)および図56(B)参照)と外部導出端子6c(図56参照)の下端部6c4(図56(B)参照)との間の半田10f3(図56(B)参照)の剥離および絶縁基板2(図49および図56参照)の上面側導体パターン2b7(図49(A)および図56(B)参照)の破損を同時に回避することができ、絶縁基板2(図49および図56参照)の上面側導体パターン2b7(図49(A)および図56(B)参照)と外部導出端子6c(図56参照)の下端部6c4(図56(B)参照)との間の半田接合の信頼性を向上させることができる。
Therefore, according to the
第6の実施形態のパワー半導体モジュール100では、半田10b1,10b1’,10b2,10b2’,10b3,10b3’,10b4,10b4’,10b5,10b6,10b7,10b7’,10b8,10b8’(図50(B)、図50(C)および図50(D)参照)として、Sbを含有するPbフリー半田10a(図56(B)参照)よりも引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田が用いられているが、第6の実施形態のパワー半導体モジュール100の変形例では、代わりに、半田10b1,10b1’,10b2,10b2’,10b3,10b3’,10b4,10b4’,10b5,10b6,10b7,10b7’,10b8,10b8’(図50(B)、図50(C)および図50(D)参照)として、半田10a(図56(B)参照)と同様に引張強度が高い、Sbを含有するPbフリー半田を用いることも可能である。
In the
第7の実施形態では、第1から第6の実施形態およびそれらの変形例を適宜組み合わせたり、チップの数を任意に変更したりすることも可能である。 In the seventh embodiment, the first to sixth embodiments and their modifications can be combined as appropriate, or the number of chips can be arbitrarily changed.
1 金属製放熱板
1h 穴
2 絶縁基板
2a 絶縁層
2b1,2b2,2b3,2b4 上面側導体パターン
2b5,2b6,2b7 上面側導体パターン
2c 下面側導体パターン
2h 穴
3a,3a’,3b,3b’,3c,3c’ パワー半導体チップ
3d,3d’,3e,3f パワー半導体チップ
4a,4b 電極板
5a,5b 接続部材
5a1,5a2,5b1,5b2 下端部
6 外囲ケース
6a,6b,6c 外部導出端子
6a1,6b1,6c1 上端部
6a2,6b2,6c2 中央部
6a4,6b4,6c4 下端部
6d,6e,6f,6g 側壁
7 蓋体
7a,7b,7c 穴
7f 凹部
7g 脚部
10a,10b1,10b1’ 半田
10b2,10b2’,10b3,10b3’ 半田
10b4,10b4’,10b5,10b6 半田
10b7,10b7’,10b8,10b8’ 半田
10c1,10c2,10d1,10d2 半田
10e1,10e2 半田
10f1,10f2,10f3 半田
10g1 半田
100 パワー半導体モジュール
R1,R1’,R2,R2’ ゲート抵抗チップ
DESCRIPTION OF
Claims (4)
絶縁層(2a)と、パワー半導体チップ(3a)を搭載するために絶縁層(2a)の上面側に形成され、かつ、パワー半導体チップ(3a)の下面電極に電気的に接続される第1上面側導体パターン(2b1)と、絶縁層(2a)の上面側に形成され、かつ、パワー半導体チップ(3a)の上面電極に電気的に接続される第2上面側導体パターン(2b2)と、絶縁層(2a)の下面側に形成された下面側導体パターン(2c)とを有する絶縁基板(2)を設け、
パワー半導体チップ(3a)が発生した熱を放熱するための金属製放熱板(1)を設け、
右側壁(6d)と左側壁(6e)と前側壁(6f)と後側壁(6g)とを有し、電気絶縁性樹脂材料の成形によって形成された外囲ケース(6)を設け、
第2上面側導体パターン(2b2)に電気的に接続される下端部(6a4)を有する第1外部導出端子(6a)を、外囲ケース(6)にインサート成形し、
第1上面側導体パターン(2b1)に電気的に接続される下端部(6b4)を有する第2外部導出端子(6b)を、外囲ケース(6)にインサート成形し、
金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間の半田接合、絶縁基板(2)の第1上面側導体パターン(2b1)と第2外部導出端子(6b)の下端部(6b4)との間の半田接合、および、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と第1外部導出端子(6a)の下端部(6a4)との間の半田接合の実行時に、ベーシング冶具の凹状上面にならって金属製放熱板(1)の下面が凸状に変形するように、金属製放熱板(1)をベーシング冶具に対して固定することにより製造されるパワー半導体モジュール(100)において、
金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田(10a)を用い、
絶縁基板(2)の第1上面側導体パターン(2b1)と第2外部導出端子(6b)の下端部(6b4)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田(10a)よりも引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田(10f2)を用い、
絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と第1外部導出端子(6a)の下端部(6a4)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田(10a)よりも引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田(10f1)を用いたことを特徴とするパワー半導体モジュール(100)。 A power semiconductor chip (3a) having a top electrode through which a large current flows and a bottom electrode through which a large current flows;
A first insulating layer (2a) is formed on the upper surface side of the insulating layer (2a) for mounting the power semiconductor chip (3a) and is electrically connected to the lower surface electrode of the power semiconductor chip (3a). An upper surface side conductor pattern (2b1), a second upper surface side conductor pattern (2b2) formed on the upper surface side of the insulating layer (2a) and electrically connected to the upper surface electrode of the power semiconductor chip (3a); An insulating substrate (2) having a lower surface side conductor pattern (2c) formed on the lower surface side of the insulating layer (2a);
A metal heat radiating plate (1) for radiating the heat generated by the power semiconductor chip (3a) is provided,
An outer case (6) having a right side wall (6d), a left side wall (6e), a front side wall (6f), and a rear side wall (6g), formed by molding an electrically insulating resin material;
A first external lead terminal (6a) having a lower end (6a4) electrically connected to the second upper surface side conductor pattern (2b2) is insert-molded into the outer case (6);
A second outer lead-out terminal (6b) having a lower end (6b4) electrically connected to the first upper surface side conductor pattern (2b1) is insert-molded in the outer case (6);
Solder joint between the metal heat sink (1) and the lower surface side conductor pattern (2c) of the insulating substrate (2), the first upper surface side conductor pattern (2b1) of the insulating substrate (2) and the second external lead terminal ( 6b) between the lower end (6b4) of the solder and between the second upper surface side conductor pattern (2b2) of the insulating substrate (2) and the lower end (6a4) of the first external lead-out terminal (6a). By fixing the metal heat radiating plate (1) to the basing jig so that the lower surface of the metal heat radiating plate (1) is deformed into a convex shape following the concave upper surface of the basing jig during the soldering of In the manufactured power semiconductor module (100),
Pb-free solder (10a) containing Sb is used for solder bonding between the metal heat sink (1) and the lower surface side conductor pattern (2c) of the insulating substrate (2).
More than the Pb-free solder (10a) containing Sb in the solder joint between the first upper surface side conductor pattern (2b1) of the insulating substrate (2) and the lower end (6b4) of the second external lead-out terminal (6b). Using a Pb-free solder (10f2) having a low tensile strength and containing no Sb,
More than the Pb-free solder (10a) containing Sb in the solder joint between the second upper surface side conductor pattern (2b2) of the insulating substrate (2) and the lower end (6a4) of the first external lead-out terminal (6a). A power semiconductor module (100) using Pb-free solder (10f1) having low tensile strength and containing no Sb.
絶縁層(2a)と、パワー半導体チップ(3a)を搭載するために絶縁層(2a)の上面側に形成され、かつ、パワー半導体チップ(3a)の下面電極に電気的に接続される第1上面側導体パターン(2b1)と、絶縁層(2a)の上面側に形成され、かつ、パワー半導体チップ(3a)の上面電極に電気的に接続される第2上面側導体パターン(2b2)と、絶縁層(2a)の下面側に形成された下面側導体パターン(2c)とを有する絶縁基板(2)を設け、
パワー半導体チップ(3a)が発生した熱を放熱するための金属製放熱板(1)を設け、
第2上面側導体パターン(2b2)に電気的に接続される下端部(6a4)を有する第1外部導出端子(6a)を設け、
第1上面側導体パターン(2b1)に電気的に接続される下端部(6b4)を有する第2外部導出端子(6b)を設け、
右側壁(6d)と左側壁(6e)と前側壁(6f)と後側壁(6g)とを有し、電気絶縁性樹脂材料の成形によって形成された外囲ケース(6)を設け、
金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間の半田接合、絶縁基板(2)の第1上面側導体パターン(2b1)と第2外部導出端子(6b)の下端部(6b4)との間の半田接合、および、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と第1外部導出端子(6a)の下端部(6a4)との間の半田接合の実行時に、ベーシング冶具の凹状上面にならって金属製放熱板(1)の下面が凸状に変形するように、金属製放熱板(1)をベーシング冶具に対して固定し、
金属製放熱板(1)上に配置された外囲ケース(6)内にゲル状樹脂を充填し、ゲル状樹脂によって、パワー半導体チップ(3a)と、第1外部導出端子(6a)の中央部(6a2)および下端部(6a4)と、第2外部導出端子(6b)の中央部(6b2)および下端部(6b4)とを覆ったパワー半導体モジュール(100)において、
金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田(10a)を用い、
絶縁基板(2)の第1上面側導体パターン(2b1)と第2外部導出端子(6b)の下端部(6b4)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田(10a)よりも引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田(10f2)を用い、
絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と第1外部導出端子(6a)の下端部(6a4)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田(10a)よりも引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田(10f1)を用いたことを特徴とするパワー半導体モジュール(100)。 A power semiconductor chip (3a) having a top electrode through which a large current flows and a bottom electrode through which a large current flows;
A first insulating layer (2a) is formed on the upper surface side of the insulating layer (2a) for mounting the power semiconductor chip (3a) and is electrically connected to the lower surface electrode of the power semiconductor chip (3a). An upper surface side conductor pattern (2b1), a second upper surface side conductor pattern (2b2) formed on the upper surface side of the insulating layer (2a) and electrically connected to the upper surface electrode of the power semiconductor chip (3a); An insulating substrate (2) having a lower surface side conductor pattern (2c) formed on the lower surface side of the insulating layer (2a);
A metal heat radiating plate (1) for radiating the heat generated by the power semiconductor chip (3a) is provided,
A first external lead terminal (6a) having a lower end (6a4) electrically connected to the second upper surface side conductor pattern (2b2);
A second external lead terminal (6b) having a lower end (6b4) electrically connected to the first upper surface side conductor pattern (2b1) is provided,
An outer case (6) having a right side wall (6d), a left side wall (6e), a front side wall (6f), and a rear side wall (6g), formed by molding an electrically insulating resin material;
Solder joint between the metal heat sink (1) and the lower surface side conductor pattern (2c) of the insulating substrate (2), the first upper surface side conductor pattern (2b1) of the insulating substrate (2) and the second external lead terminal ( 6b) between the lower end (6b4) of the solder and between the second upper surface side conductor pattern (2b2) of the insulating substrate (2) and the lower end (6a4) of the first external lead-out terminal (6a). At the time of performing the solder joining, the metal heat radiating plate (1) is fixed to the basing jig so that the lower surface of the metal heat radiating plate (1) deforms into a convex shape following the concave upper surface of the basing jig,
The outer casing (6) disposed on the metal heat sink (1) is filled with a gel resin, and the gel semiconductor allows the power semiconductor chip (3a) and the center of the first external lead-out terminal (6a). In the power semiconductor module (100) covering the part (6a2) and the lower end part (6a4) and the central part (6b2) and the lower end part (6b4) of the second external lead-out terminal (6b),
Pb-free solder (10a) containing Sb is used for solder bonding between the metal heat sink (1) and the lower surface side conductor pattern (2c) of the insulating substrate (2).
More than the Pb-free solder (10a) containing Sb in the solder joint between the first upper surface side conductor pattern (2b1) of the insulating substrate (2) and the lower end (6b4) of the second external lead-out terminal (6b). Using a Pb-free solder (10f2) having a low tensile strength and containing no Sb,
More than the Pb-free solder (10a) containing Sb in the solder joint between the second upper surface side conductor pattern (2b2) of the insulating substrate (2) and the lower end (6a4) of the first external lead-out terminal (6a). A power semiconductor module (100) using Pb-free solder (10f1) having low tensile strength and containing no Sb.
絶縁層(2a)と、パワー半導体チップ(3a)を搭載するために絶縁層(2a)の上面側に形成され、かつ、パワー半導体チップ(3a)の下面電極に電気的に接続される第1上面側導体パターン(2b1)と、絶縁層(2a)の上面側に形成され、かつ、パワー半導体チップ(3a)の上面電極に電気的に接続される第2上面側導体パターン(2b2)と、絶縁層(2a)の下面側に形成された下面側導体パターン(2c)とを有する絶縁基板(2)を設け、
パワー半導体チップ(3a)が発生した熱を放熱するための金属製放熱板(1)を設け、
パワー半導体チップ(3a)の上面電極と絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)とを電気的に接続するための接続部材(5a)を設け、
右側壁(6d)と左側壁(6e)と前側壁(6f)と後側壁(6g)とを有し、電気絶縁性樹脂材料の成形によって形成された外囲ケース(6)を設け、
金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間の半田接合、および、接続部材(5a)の一方の下端部(5a1)と絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)との間の半田接合の実行時に、ベーシング冶具の凹状上面にならって金属製放熱板(1)の下面が凸状に変形するように、金属製放熱板(1)をベーシング冶具に対して固定し、
金属製放熱板(1)上に配置された外囲ケース(6)内にゲル状樹脂を充填し、ゲル状樹脂によってパワー半導体チップ(3a)と接続部材(5a)とを覆ったパワー半導体モジュール(100)において、
金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田(10a)を用い、
絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と接続部材(5a)の一方の下端部(5a1)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田(10a)よりも引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田(10d1)を用いたことを特徴とするパワー半導体モジュール(100)。 A power semiconductor chip (3a) having a top electrode through which a large current flows and a bottom electrode through which a large current flows;
A first insulating layer (2a) is formed on the upper surface side of the insulating layer (2a) for mounting the power semiconductor chip (3a) and is electrically connected to the lower surface electrode of the power semiconductor chip (3a). An upper surface side conductor pattern (2b1), a second upper surface side conductor pattern (2b2) formed on the upper surface side of the insulating layer (2a) and electrically connected to the upper surface electrode of the power semiconductor chip (3a); An insulating substrate (2) having a lower surface side conductor pattern (2c) formed on the lower surface side of the insulating layer (2a);
A metal heat radiating plate (1) for radiating the heat generated by the power semiconductor chip (3a) is provided,
A connection member (5a) for electrically connecting the upper surface electrode of the power semiconductor chip (3a) and the second upper surface side conductor pattern (2b2) of the insulating substrate (2);
An outer case (6) having a right side wall (6d), a left side wall (6e), a front side wall (6f), and a rear side wall (6g), formed by molding an electrically insulating resin material;
Solder joint between the metal heat sink (1) and the lower surface side conductor pattern (2c) of the insulating substrate (2), and one lower end (5a1) of the connecting member (5a) and the insulating substrate (2) When performing solder joining with the second upper surface side conductor pattern (2b2), a metal heat radiating plate (1) is formed so that the lower surface of the metal heat radiating plate (1) deforms into a convex shape following the concave upper surface of the basing jig. 1) is fixed to the basing jig,
A power semiconductor module in which an enclosing case (6) disposed on a metal heat sink (1) is filled with a gel resin and the power semiconductor chip (3a) and the connection member (5a) are covered with the gel resin. (100)
Pb-free solder (10a) containing Sb is used for solder bonding between the metal heat sink (1) and the lower surface side conductor pattern (2c) of the insulating substrate (2).
The solder joint between the second upper surface side conductor pattern (2b2) of the insulating substrate (2) and one lower end portion (5a1) of the connection member (5a) is pulled more than the Pb-free solder (10a) containing Sb. A power semiconductor module (100) characterized by using Pb-free solder (10d1) having low strength and containing no Sb.
大電流が流れる上面電極と、大電流が流れる下面電極とを有する第2パワー半導体チップ(3c)を設け、
絶縁層(2a)と、第1パワー半導体チップ(3a)および第2パワー半導体チップ(3c)を搭載するために絶縁層(2a)の上面側に形成され、かつ、第1パワー半導体チップ(3a)の下面電極および第2パワー半導体チップ(3c)の下面電極に電気的に接続される第1上面側導体パターン(2b1)と、絶縁層(2a)の上面側に形成され、かつ、第1パワー半導体チップ(3a)の上面電極に電気的に接続される第2上面側導体パターン(2b2)と、絶縁層(2a)の上面側に形成され、かつ、第2パワー半導体チップ(3c)の上面電極に電気的に接続される第3上面側導体パターン(2b6)と、絶縁層(2a)の下面側に形成された下面側導体パターン(2c)とを有する絶縁基板(2)を設け、
第1パワー半導体チップ(3a)および第2パワー半導体チップ(3c)が発生した熱を放熱するための金属製放熱板(1)を設け、
第2上面側導体パターン(2b2)に電気的に接続される下端部(6a4)を有する第1外部導出端子(6a)を設け、
第3上面側導体パターン(2b6)に電気的に接続される下端部(6b4)を有する第2外部導出端子(6b)を設け、
右側壁(6d)と左側壁(6e)と前側壁(6f)と後側壁(6g)とを有し、電気絶縁性樹脂材料の成形によって形成された外囲ケース(6)を設け、
金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間の半田接合、絶縁基板(2)の第3上面側導体パターン(2b6)と第2外部導出端子(6b)の下端部(6b4)との間の半田接合、および、絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と第1外部導出端子(6a)の下端部(6a4)との間の半田接合の実行時に、ベーシング冶具の凹状上面にならって金属製放熱板(1)の下面が凸状に変形するように、金属製放熱板(1)をベーシング冶具に対して固定し、
金属製放熱板(1)上に配置された外囲ケース(6)内にゲル状樹脂を充填し、ゲル状樹脂によって、第1パワー半導体チップ(3a)と、第2パワー半導体チップ(3c)と、第1外部導出端子(6a)の中央部(6a2)および下端部(6a4)と、第2外部導出端子(6b)の中央部(6b2)および下端部(6b4)とを覆ったパワー半導体モジュール(100)において、
金属製放熱板(1)と絶縁基板(2)の下面側導体パターン(2c)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田(10a)を用い、
絶縁基板(2)の第3上面側導体パターン(2b6)と第2外部導出端子(6b)の下端部(6b4)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田(10a)よりも引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田(10f2)を用い、
絶縁基板(2)の第2上面側導体パターン(2b2)と第1外部導出端子(6a)の下端部(6a4)との間の半田接合に、Sbを含有するPbフリー半田(10a)よりも引張強度が低い、Sbを含有しないPbフリー半田(10f1)を用いたことを特徴とするパワー半導体モジュール(100)。 Providing a first power semiconductor chip (3a) having a top electrode through which a large current flows and a bottom electrode through which a large current flows;
Providing a second power semiconductor chip (3c) having a top electrode through which a large current flows and a bottom electrode through which a large current flows;
An insulating layer (2a) is formed on the upper surface side of the insulating layer (2a) for mounting the first power semiconductor chip (3a) and the second power semiconductor chip (3c), and the first power semiconductor chip (3a) ) And the first upper surface side conductor pattern (2b1) electrically connected to the lower surface electrode of the second power semiconductor chip (3c), and the first upper surface side conductor pattern (2a). The second upper surface side conductor pattern (2b2) electrically connected to the upper surface electrode of the power semiconductor chip (3a), the upper surface side of the insulating layer (2a), and the second power semiconductor chip (3c) Providing an insulating substrate (2) having a third upper surface side conductor pattern (2b6) electrically connected to the upper surface electrode and a lower surface side conductor pattern (2c) formed on the lower surface side of the insulating layer (2a);
A metal heat dissipating plate (1) for dissipating heat generated by the first power semiconductor chip (3a) and the second power semiconductor chip (3c);
A first external lead terminal (6a) having a lower end (6a4) electrically connected to the second upper surface side conductor pattern (2b2);
A second external lead terminal (6b) having a lower end (6b4) electrically connected to the third upper surface side conductor pattern (2b6);
An outer case (6) having a right side wall (6d), a left side wall (6e), a front side wall (6f), and a rear side wall (6g), formed by molding an electrically insulating resin material;
Solder bonding between the metal heat sink (1) and the lower surface side conductor pattern (2c) of the insulating substrate (2), the third upper surface side conductor pattern (2b6) of the insulating substrate (2) and the second external lead terminal ( 6b) between the lower end (6b4) of the solder and between the second upper surface side conductor pattern (2b2) of the insulating substrate (2) and the lower end (6a4) of the first external lead-out terminal (6a). At the time of performing the solder joining, the metal heat radiating plate (1) is fixed to the basing jig so that the lower surface of the metal heat radiating plate (1) deforms into a convex shape following the concave upper surface of the basing jig,
The outer casing (6) disposed on the metal heat sink (1) is filled with a gel resin, and the first power semiconductor chip (3a) and the second power semiconductor chip (3c) are filled with the gel resin. And a power semiconductor covering the central part (6a2) and the lower end part (6a4) of the first external lead-out terminal (6a) and the central part (6b2) and the lower end part (6b4) of the second external lead-out terminal (6b) In module (100),
Pb-free solder (10a) containing Sb is used for solder bonding between the metal heat sink (1) and the lower surface side conductor pattern (2c) of the insulating substrate (2).
More than the Pb-free solder (10a) containing Sb in the solder joint between the third upper surface side conductor pattern (2b6) of the insulating substrate (2) and the lower end portion (6b4) of the second external lead-out terminal (6b). Using a Pb-free solder (10f2) having a low tensile strength and containing no Sb,
More than the Pb-free solder (10a) containing Sb in the solder joint between the second upper surface side conductor pattern (2b2) of the insulating substrate (2) and the lower end (6a4) of the first external lead-out terminal (6a). A power semiconductor module (100) using Pb-free solder (10f1) having low tensile strength and containing no Sb.
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