JP2016146383A - パワーモジュール構造 - Google Patents

Abstract

【課題】ビームリードを延伸した端子板により小型化を図ることができると共に、パワー半導体素子とビームリードとの間のハンダ層の厚さを均等化することのできるパワーモジュール構造を提供する。【解決手段】絶縁基板（４）と、該絶縁基板の一面に配置された導電金属層（５）と、該導電金属層上に接合されたパワー半導体素子（４１、４３）と、前記導電金属層上で、且つ、前記パワー半導体素子を挟む外周に配置され、前記導電金属層と前記パワー半導体素子との間に介在されて溶融されるハンダ層（５１ａ、５１ｂ）よりも融点が高い材料で構成される位置規制部（６ａ、６ｂ）と、前記パワー半導体素子を跨ぐようにして前記位置規制部上に載置され、前記パワー半導体素子の上面に前記ハンダ層を介して接合されたビームリード（７）とを備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、パワーモジュール構造に関する。

パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどのパワー半導体を搭載したパワーモジュールは、電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載される電力変換装置（インバータ）などとして用いられる。

パワーモジュールに関する技術は種々提案されている（例えば特許文献１等）。

ところで、特許文献１等に示されるインバータ（パワーモジュール構造）では、インバータの入出力端子１００ａを、絶縁基板１０２の上の金属パターン（配線パターン）１０３に接合した構造となっている（図１６参照）。

特開２０１４−２２８３３０号公報

しかしながら、上記のような従来技術では、図１６に示すように、各入出力端子１００ａの脚部（接合部）１００ｂを絶縁基板１０２上の金属パターン１０３に接合するために所要の設置スペース１０１ａ〜１０１ｃが必要となる。

そのため、接合部１００ｂに要する設置スペース１０１ａ〜１０１ｃが、パワーモジュール全体の小型化を阻害するという問題があった。

そこで、配線に用いるビームリード７を延伸して端子板とするパワーモジュール構造ＰＭ１０が提案された（図１７（ａ）参照）。

このパワーモジュール構造ＰＭ１０は、アルミニウムや銅などで構成される冷却ジャケットとしての冷却器１と、この冷却器１の一面に第１の接合層（ハンダ層）２および第１の金属パターン３を介して一面が接合される絶縁基板４と、この絶縁基板４の他の面に第２の金属パターン５および第２の接合層５０ａ、５０ｂを介して一面に接合されるＩＧＢＴ等のパワー半導体素子４１、４３と、このパワー半導体素子４１、４３の他の面に第３の接合層５１ａ、５１ｂを介して接合される配線を兼ねるビームリード７とを備えている。

このような構造によれば、金属パターン（配線パターン）３、５を従来に比して小さくすることができ、パワーモジュール全体の小型化を図ることができるというメリットがあった。

ところが、パワー半導体素子（チップ）４１、４３の上方に位置するビームリード７を延長して、パワー半導体素子４１、４３と外部電極とを接続する端子板として用いる場合には、端子板が延びた分だけビームリード７の重心がズレてしまい（例えば、図１７（ａ）に示す構成例では、図上、ビームリード７の重心は右側にズレてしまう）、ビームリード７の重さがパワー半導体素子４１、４３の表面に均等に加わらない状態となってしまう。これにより、例えば、図１７（ｂ）に示すように、端子板７は重心のズレから、自重によってＤ１方向に傾いてしまう。

その結果、図１７（ｂ）に示すように、ハンダ層５１ｂが溶融された際に、ビームリード７との間に隙間２００を生じたり、あるいはパワー半導体素子４１、４３とビームリード７との間に介在されるハンダ層５１ａ、５１ｂの厚みが均等にならない（荷重が大きい方（例えば、図１７（ｂ）ではハンダ層５１ａ）が薄くなってしまう）という不都合があった。

この影響により、通電性能や熱伝導にバラつきを生じ、また機械的強度も低下してしまうという問題を生じる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、ビームリードを延伸した端子板により小型化を図ることができると共に、パワー半導体素子とビームリードとの間のハンダ層の厚さを均等化することのできるパワーモジュール構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明に係るパワーモジュール構造は、絶縁基板と、該絶縁基板の一面に配置された導電金属層と、該導電金属層上に接合されたパワー半導体素子と、前記導電金属層上で、且つ、前記パワー半導体素子を挟む外周に配置され、前記導電金属層と前記パワー半導体素子との間に介在されて溶融されるハンダ層よりも融点が高い材料で構成される位置規制部と、前記パワー半導体素子を跨ぐようにして前記位置規制部上に載置され、前記パワー半導体素子の上面に前記ハンダ層を介して接合されたビームリードとを備えたことを要旨とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のパワーモジュール構造において、前記位置規制部は、導電性の焼結物で形成されることを要旨とする。

請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載のパワーモジュール構造において、前記パワー半導体素子は、ＩＧＢＴで構成され、前記ビームリードと、前記ＩＧＢＴが備えるエミッタ電極とは前記ハンダ層で接合され、前記導電金属層に所定のギャップ（隙間）により絶縁されると共に上面に前記位置規制部が形成される島部と、本構造を収容する枠体が備える端子との間（ケルビンエミッタ回路）は、ワイヤボンディングされるワイヤで接続されていることを要旨とする。

請求項４に係る発明は、請求項２に記載のパワーモジュール構造において、前記パワー半導体素子は、ＩＧＢＴで構成され、前記ビームリードと、前記ＩＧＢＴが備えるエミッタ電極とは前記ハンダ層で接合され、前記ビームリードの前記導電性の焼結物に対応する部位と、本構造を収容する枠体が備える端子との間（ケルビンエミッタ回路）は、ワイヤボンディングされるワイヤで接続されていることを特徴とすることを要旨とする。

請求項１に係るパワーモジュール構造によれば、パワー半導体素子の上面にハンダ層を介してビームリードを接合し、ビームリードを端子として利用すると、パワー半導体素子の上面を端子接続領域とできるので、導電金属層に端子接続領域を確保する必要がなくなり、小型化することができる。

また、ビームリードの接合時には、溶融したハンダが位置規制部の上面高さまでしか潰れず所定の厚みを確保でき、しかも、パワー半導体素子を挟むようにして位置規制部が配置されているので、ビームリードが接合時に傾くことがなく、均一な所定以上の厚みのハンダ層が形成される。

これにより、導電金属層の面積の小型化を図りつつ、均一厚みのハンダ層を介してパワー半導体素子を接合することができる。

請求項２に係るパワーモジュール構造によれば、第２の接合層を導電性の焼結物で形成する場合に、第２の接合層を形成する工程に続いて、位置規制部を導電性の焼結物で形成することができ、生産効率を向上させることができる。

請求項３に係るパワーモジュール構造によれば、パワー半導体素子上に別途エミッタ電極を設け、そのエミッタ電極からワイヤボンディングする構成のＩＧＢＴを用いる場合に比して、パワー半導体素子上に別途エミッタ電極を設ける必要がなく、構造を簡易化することができる。

また、パワー半導体素子上に別途エミッタ電極を設けた場合には、ワイヤボンディングするときに治具とビームリードが干渉しないようにボルト孔を設けたビームリード側を狭めるなどの対策があったが、請求項３に係るパワーモジュール構造によればそのような対策をとる必要がなく、ビームリードの幅を十分確保して、電導性等の性能を向上させることができる。

請求項４に係るパワーモジュール構造によれば、ビームリードの導電性の焼結物に対応する部位において、超音波ワイヤボンディングを適用することができ、生産効率を向上させることができる。

第１の実施の形態に係るパワーモジュール構造の構成例を示す図であり、（ａ）そのパワーモジュール構造の概略構成を示す平面図、（ｂ）Ｂ−Ｂ線断面図、（ｃ）Ａ−Ａ線断面図である。 第１の実施の形態に係るパワーモジュール構造の要部を示す図であり、（ａ）その要部の概略構成を示す平面図、（ｂ）Ｂ−Ｂ線断面図、（ｃ）Ａ−Ａ線断面図である。 第１の実施の形態に係るパワーモジュール構造の製造工程を示す工程図である。 図３に示す製造工程の続きを示す工程図である。 図４に示す製造工程の続きを示す工程図である。 図５に示す製造工程の続きを示す工程図である。 図６に示す製造工程の続きを示す工程図である。 図７に示す製造工程の続きを示す工程図である。 図８に示す製造工程の続きを示す工程図である。 図９に示す製造工程の続きを示す工程図である。 図１０に示す製造工程の続きを示す工程図である。 図１１に示す製造工程の続きを示す工程図である。 図１２に示す製造工程の続きを示す工程図である。 第１の実施の形態に係る他のパワーモジュール構造の製造工程を示す工程図である。 第２の実施の形態に係るパワーモジュール構造の構成例を示す図であり、（ａ）そのパワーモジュール構造の概略構成を示す平面図、（ｂ）Ａ−Ａ線断面図である。 従来技術に係るパワーモジュール構造の構成例を示す平面図である。 他の従来技術に係るパワーモジュール構造の構成例を示す説明図である。

以下、本発明の一例としての実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。ここで、添付図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。なお、ここでの説明は本発明が実施される最良の形態であることから、本発明は当該形態に限定されるものではない。

［第１の実施の形態に係るパワーモジュール構造］
図１および図２を参照して、第１の実施の形態に係るパワーモジュール構造ＰＭ１の構成例について説明する。

図１（ａ）は、第１の実施の形態に係るパワーモジュール構造ＰＭ１の概略構成を示す平面図、図１（ｂ）はＢ−Ｂ線断面図、図１（ｃ）はＡ−Ａ線断面図である。

また、図２（ａ）は、第１の実施の形態に係るパワーモジュール構造ＰＭ１の要部の概略構成を示す平面図、図２（ｂ）はＢ−Ｂ線断面図、図２（ｃ）はＡ−Ａ線断面図である。

図１および図２に示すように、第１の実施の形態に係るパワーモジュール構造ＰＭ１は、アルミニウムや銅などで構成される冷却ジャケットとしての冷却器１と、この冷却器１の一面に第１の接合層（例えば、ハンダ層）２および第１の金属パターン３を介して一面が接合される絶縁基板４と、この絶縁基板４の他の面に導電金属層としての第２の金属パターン５および第２の接合層５０ａ、５０ｂを介して一面に接合されるＩＧＢＴ等のパワー半導体素子４１、４３と、このパワー半導体素子４１、４３の他の面に第３の接合層５１ａ、５１ｂを介して接合されるボルト孔（図示せず）を設けたビームリード７とを備える。

また、図１（ａ）、（ｃ）上では、概略的に一部のみ示すが、冷却器１上に載置されて装置を囲繞するように設けられるケース（枠体）５００には、外部端子が接続される端子２０、２１が配置されている。

そして、第３の接合層５１ａ、５１ｂをハンダ層で構成し、第２の金属パターン５上に所定の隙間Ｓを介して島部５ａ、５ｂを設け、この島部５ａ、５ｂの上にハンダ層（第３の接合層５１ａ、５１ｂ）と同じ高さを有し、ハンダ層（第３の接合層５１ａ、５１ｂ）の厚さを規制する位置規制部６ａ、６ｂが形成されている。

また、本実施の形態において、第２の接合層５０ａ、５０ｂおよび位置規制部６ａ、６ｂは、ハンダ層５１ａ、５１ｂよりも融点が高い材料である導電性の焼結物で形成される。

このような導電性の焼結物としては、例えば銀ナノペーストを焼結して生成される銀シンタ等が挙げられる。

なお、島部５ａ、５ｂは、第２の金属パターン５に所定のエッチング加工を施すことにより形成することができる。

次に、図３〜図１３の工程図を参照して、第１の実施の形態に係るパワーモジュール構造ＰＭ１の製造工程の概要について説明する。

ここで、ステップＳ１等の各ステップ毎に示される図３〜図１０（ｂ）および図１２（ｂ）は、各工程におけるパワーモジュール構造ＰＭ１の平面図、図３〜図１０（ａ）および図１２（ａ）は図３〜図１０（ｂ）および図１２（ｂ）のＣ−Ｃ線断面図である。

まず、図３のステップＳ１に示すように、第１の金属パターン３を一面に設けた絶縁基板４の他の面に第２の金属パターン５を形成し、その第２の金属パターン５にエッチング加工を施して、所定の隙間を介した島部５ａ、５ｂを形成する。なお、島部５ａ、５ｂの間の第２の金属パターン５上には、第２の接合層（ハンダ層）５０ａ、５０ｂを構成するハンダシート等が載置される。

次いで、図４のステップＳ２に示すように、各島部５ａ、５ｂ上に、位置規制部６ａ、６ｂを構成する銀ナノペーストを塗布した後、加圧しつつ銀ナノペーストが焼成される温度（例えば、２５０〜３００℃）まで加熱し、その後、室温程度まで冷却する。

これにより、銀ナノペーストが焼成されて形成される銀シンタ（融点は、約９６０℃程度）によって位置規制部６ａ、６ｂが形成される。

続いて、図５のステップＳ３では、第２の接合層（ハンダ層）５０ａ、５０ｂ上に、ＩＧＢＴ等のパワー半導体素子４１、４３が載置される。

次に、図６のステップＳ４では、パワー半導体素子４１、４３上に、ハンダ層（第３の接合層５１ａ、５１ｂ）を構成するハンダシート（融点は、約２００〜２５０℃程度）等が載置される。

続いて、図７のステップＳ５に移行して、冷却ジャケット（冷却器）１の上に、第１の接合層２を構成するハンダシート等が載置される。

図８のステップＳ６では、ハンダシート等が載置された冷却器１の上に、前出のステップＳ４で構成した基板部を載置する。

次いで、図９のステップＳ７では、板状のビームリード７を位置規制部６ａ、６ｂ上およびハンダ層（第３の接合層５１ａ、５１ｂ）を構成するハンダシート等の上に載置する。

なお、ハンダ層（第３の接合層５１ａ、５１ｂ）を構成するハンダシート等は、この後の工程によって圧縮される分を見込んで、位置規制部６ａ、６ｂの高さより若干厚めとすることが好ましい。

次に、図１０のステップＳ８では、ビームリード７を上方から加圧した後、ハンダシート等が溶融される温度（例えば、２５０〜３００℃）まで加熱し、その後、室温程度まで冷却する。

これにより、パワーモジュール構造ＰＭ１を構成する各部が、ハンダ層により結合される。

このように、本実施の形態に係るパワーモジュール構造ＰＭ１では、島部５ａ、５ｂの上にハンダ層（第３の接合層５１ａ、５１ｂ）と同じ高さを有し、ハンダ層５１ａ、５１ｂよりも融点が高く（上述のように銀シンタの融点は、ハンダの融点（約２００〜２５０℃程度）よりも高い約９６０℃である）、ハンダ層５１ａ、５１ｂの厚さを規制する位置規制部６ａ、６ｂが形成されているので、溶融したハンダ層５１ａ、５１ｂがビームリード７の重さで潰されることが防止され、パワー半導体素子４１、４３とビームリード７との間のハンダ層５１ａ、５１ｂの厚さを均等化することができる。

これにより、通電性能や熱伝導にバラつきを生じる事態を回避し、機械的強度を高めることができる。

なお、上記の例では、第２の接合層５０ａ、５０ｂをハンダ層とする場合を示したが、これに代えて、第２の接合層５０ａ、５０ｂおよび位置規制部６ａ、６ｂをともに導電性の焼結物で形成するようにしてもよい。

この場合には、第２の接合層５０ａ、５０ｂを形成する工程に続いて、位置規制部６ａ、６ｂを形成する（即ち、ともに銀ナノペーストを塗布して焼成する）ことができ、生産効率を向上させることができる。

次いで、図１１のステップＳ９では、ケース（枠体）５００の底面に接着剤５０１を塗布する。

図１２のステップＳ１０では、ケース（枠体）５００を前出のステップＳ８で構成したパワーモジュール構造ＰＭ１の冷却器１上に載置し、加圧、加熱した後、冷却して、ケース（枠体）５００とパワーモジュール構造ＰＭ１との接着を完了する。

その後、図示は省略するが、ボルト締め等の工程を実行後、図１３のステップＳ１１に移行する。

ステップＳ１１では、パワー半導体素子４１が備える端子（例えば、ゲート端子やケルビンエミッタ端子）４１ａ、４１ｂと、ケース（枠体）５００が備える外部端子５５０ａ、５５０ｂとの接続をワイヤ７１、７２で行う。

この際に、ワイヤ７１、７２と各端子との接合は、例えば超音波ワイヤボンディングで行うことができる。

ここで、図１４は、第１の実施の形態に係る他のパワーモジュール構造の製造工程を示す工程図である。

なお、前出のステップＳ１の図３（ｂ）等に示すパワーモジュール構造と同様の構成については、同一符号を付して重複した説明は省略する。

図１４のステップＳ２０に示すパワーモジュール構造が、ステップＳ１の図３（ｂ）等と異なる点は、平面視で円形を呈する島部５ａに代えて、より面積の大きな平面視で楕円形を呈する島部５ｃを備えている点である。なお、島部の形状は、楕円形に限らず、平面視で方形や長方形としてもよい。

途中の工程は省略するが、ステップＳ２１では、第２の接合層５０ａ、５０ｂ上にパワー半導体素子４１、４３が載置される。

また、島部５ｂ、５ｃ上には、位置規制部６ａ、６ｃを構成する銀ナノペーストを塗布した後、加圧しつつ銀ナノペーストが焼成される温度（例えば、２５０〜３００℃）まで加熱し、その後、室温程度まで冷却する。

これにより、銀ナノペーストが焼成された銀シンタによって位置規制部６ａ、６ｃが形成される。

また、途中の工程は省略するが、前出ステップＳ５〜Ｓ１１の工程と同様にして、パワーモジュール構造にはビームリード７が取付けられ、ケース（枠体）５００に収容される。

そして、ステップＳ２２では、パワー半導体素子４１が備える端子（例えば、ゲート端子やケルビンエミッタ端子）４１ｃ、４１ｄと、ケース（枠体）５００が備える外部端子５５０ｃ、５５０ｄとの接続をワイヤ７２ａ、７２ｂで行う。

また、島部５ｃとケース（枠体）５００が備える外部端子５５０ｄとの接続をワイヤ７５で行い、ケルビンエミッタ電極の取出しを行う。なお、ケルビンエミッタ電極は、ドライブ回路の基準電位を生成するためのものである。

また、ワイヤ７２、７５と各端子との接合は、例えば超音波ワイヤボンディングで行うことができる。

［第２の実施の形態に係るパワーモジュール構造］
図１５を参照して、第２の実施の形態に係るパワーモジュール構造ＰＭ２の構成例について説明する。

図１５（ａ）は、パワーモジュール構造ＰＭ２の概略構成を示す平面図、図１５（ｂ）は、Ａ−Ａ線断面図である。

なお、第１の実施の形態に係るパワーモジュール構造ＰＭ１と同様の構成については、同一符号を付して重複した説明は省略する。

第２の実施の形態に係るパワーモジュール構造ＰＭ２が、第１の実施の形態に係るパワーモジュール構造ＰＭ１と異なる点は、パワー半導体素子４１のエミッタ端子の取出しをビームリード７を介して行っている点である。

即ち、図１５に示すように、ビームリード７と、ケース（枠体）５００が備える外部端子５５０ｄとの接続をワイヤ８０で行っている。

なお、ワイヤ７２、８０と各端子またはビームリード７との接合は、例えば超音波ワイヤボンディングで行うことができる。

このように、ビームリード７の導電性の焼結物６に対応する部位において、超音波ワイヤボンディングを行うことができ、生産効率を向上させることができる。

以上本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本明細書で開示された実施の形態はすべての点で例示であって開示された技術に限定されるものではないと考えるべきである。すなわち、本発明の技術的な範囲は、前記の実施の形態における説明に基づいて制限的に解釈されるものでなく、あくまでも特許請求の範囲の記載にしたがって解釈すべきであり、特許請求の範囲の記載技術と均等な技術および特許請求の範囲内でのすべての変更が含まれる。

１…冷却器
２…第１の接合層
３…第１の金属パターン
４…絶縁基板
５…第２の金属パターン（導電金属層）
５ａ、５ｂ、５ｃ…島部
６…導電性の焼結物
６ａ、６ｂ、６ｃ…位置規制部
７…ビームリード
２０…端子
４１、４３…パワー半導体素子
５０ａ、５０ｂ…第２の接合層
５１ａ、５１ｂ…第３の接合層（ハンダ層）
３０、７１、７２ａ、７２ｂ、７５、８０…ワイヤ
１００ａ〜１００ｃ…入出力端子
２００…隙間
５００…ケース（枠体）
５０１…接着剤
５５０ａ、５５０ｂ、５５０ｃ、５５０ｄ…外部端子
Ｓ…ギャップ（隙間）

Claims (4)

1. 絶縁基板（４）と、
   該絶縁基板の一面に配置された導電金属層（５）と、
   該導電金属層上に接合されたパワー半導体素子（４１、４３）と、
   前記導電金属層上で、且つ、前記パワー半導体素子を挟む外周に配置され、前記導電金属層と前記パワー半導体素子との間に介在されて溶融されるハンダ層（５１ａ、５１ｂ）よりも融点が高い材料で構成される位置規制部（６ａ、６ｂ）と、
   前記パワー半導体素子を跨ぐようにして前記位置規制部上に載置され、前記パワー半導体素子の上面に前記ハンダ層を介して接合されたビームリード（７）と
   を備えたことを特徴とするパワーモジュール構造（ＰＭ１）。
2. 前記位置規制部は、導電性の焼結物で形成されることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール構造。
3. 前記パワー半導体素子は、ＩＧＢＴで構成され、
   前記ビームリードと、前記ＩＧＢＴが備えるエミッタ電極とは前記ハンダ層で接合され、
   前記導電金属層に所定のギャップ（Ｓ）により絶縁されると共に上面に前記位置規制部が形成される島部（５ａ）と、本構造を収容する枠体（５００）が備える端子（２０）との間は、ワイヤボンディングされるワイヤ（３０）で接続されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のパワーモジュール構造。
4. 前記パワー半導体素子は、ＩＧＢＴで構成され、
   前記ビームリードと、前記ＩＧＢＴが備えるエミッタ電極とは前記ハンダ層で接合され、
   前記ビームリードの前記導電性の焼結物に対応する部位と、本構造を収容する枠体（５００）が備える端子（２０）との間は、ワイヤボンディングされるワイヤ（８０）で接続されていることを特徴とする請求項２に記載のパワーモジュール構造。

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