JP2016181536A

JP2016181536A - パワー半導体装置

Info

Publication number: JP2016181536A
Application number: JP2015059507A
Authority: JP
Inventors: 晴行秦野; Haruyuki Hatano; 和哉北川; Kazuya Kitagawa
Original assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Priority date: 2015-03-23
Filing date: 2015-03-23
Publication date: 2016-10-13

Abstract

【課題】生産コストが低く、量産性に優れるパワー半導体装置を提供すること。【解決手段】本発明のパワー半導体装置は、金属板と、前記金属板の一方の面の実質的に全面に設けられた絶縁層と、前記絶縁層の金属板とは反対の面に設けられた導体パターンと、からなる金属ベース回路基板と、前記金属ベース回路基板の前記導体パターン上に接合した半導体チップと、前記金属ベース回路基板の導体パターン及び前記半導体チップを収納し、前記金属ベース回路基板の前記絶縁層上に接着された樹脂ケースと、前記樹脂ケース内に充填された保護材と、を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、パワー半導体装置に関する。

従来から絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ；ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）及びダイオード等の半導体チップ、抵抗、ならびにコンデンサ等の電子部品を基板上に搭載して構成したインバーター装置又はパワー半導体装置が知られている。

従来のパッケージ構造においては、セラミックス基板の一方の面に金属回路、他方の面に金属放熱板が接合された構成を具備する回路基板を作成し、該回路基板の金属回路上に半導体チップをマウントして実装基板とし、該実装基板を金属ベース板に実装した後、前記実装基板を収納する樹脂ケースを金属ベース板上に設置し、該樹脂ケース内にシリコーンゲルを封入して作成されている。このようなパッケージ構造は複雑であり、コスト高になるという問題があった。

これら欠点を解消するため、例えば、特許文献１では、パワーモジュールにおいて絶縁基板の材料として熱可塑性ポリイミドシートを用いることが提案されている。

特開２００７−２８８０５４号公報

絶縁材料として、セラミックスの代わりに上記のような絶縁樹脂接着シートを使用する場合、絶縁樹脂接着シートには、金属回路と金属板の強固な絶縁性と良好な伝熱性が求められる。しかし、厚みのある導体パターンと絶縁樹脂接着シートとを接着を行うには、圧力むらの防止、位置決め精度の確保など、難易度の高い課題を個別の形状ごとに調整して解決する必要があり、安定した生産が困難となる場合があった。また、導体パターンは個別のモジュール毎に個片で作成して個別のモジュール毎に接着を行わなければならず、大量生産において生産コストに課題を有していた。本発明は、生産コストが低く、量産性に優れるパワー半導体装置を提供することを目的とする。

このような目的は、下記の本発明［１］〜［１１］により達成される。
［１］金属板と、前記金属板の一方の面の実質的に全面に設けられた絶縁層と、前記絶縁層の金属板とは反対の面に設けられた導体パターンと、からなる金属ベース回路基板と、前記金属ベース回路基板の前記導体パターン上に接合した半導体チップと、前記金属ベース回路基板の前記導体パターン及び前記半導体チップを収納し、前記金属ベース回路基板の前記絶縁層上に接着された樹脂ケースと、前記樹脂ケース内に充填された保護材と、を備えていることを特徴とするパワー半導体装置。
［２］前記金属ベース回路基板の前記絶縁層が、熱硬化性樹脂と熱伝導性フィラーを含有する［１］に記載のパワー半導体装置。
［３］前記保護材が、シリコーンゲル、シリコーンオイル、エポキシ樹脂からなる群から選ばれる少なくとも１つである［１］又は［２］に記載のパワー半導体装置。
［４］前記金属ベース回路基板の前記導体パターンと前記半導体チップがハンダで接
合されている［１］から［３］のいずれか一項に記載のパワー半導体装置。
［５］前記金属ベース回路基板の前記導体パターンと前記半導体チップが導電性ペーストで接合されている［１］から［３］のいずれか一項に記載のパワー半導体装置。
［６］前記金属ベース回路基板の前記導体パターンの厚みが０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下である［１］から［５］のいずれか一項に記載のパワー半導体装置。
［７］前記金属ベース回路基板の前記金属板の厚みが１．５ｍｍ以上７．０ｍｍ以下である［１］から［６］のいずれか一項に記載のパワー半導体装置。
［８］前記金属ベース回路基板の前記金属板が銅板である［１］から［７］のいずれか一項に記載のパワー半導体装置。
［９］前記金属ベース回路基板の前記導体パターンがエッチング加工によって形成されたものである［１］から［８］のいずれか一項に記載のパワー半導体装置。
［１０］前記金属ベース回路基板が前記金属板と前記絶縁層を貫通する孔を具備している［１］から［９］のいずれか一項に記載のパワー半導体装置。
［１１］前記金属ベース回路基板の前記金属板と前記絶縁層を貫通する前記孔が、当該パワー半導体装置を前記金属ベース回路基板の前記半導体チップ接合面と反対の面に設けられたヒートシンクにネジ留めするためのものであり、前記ネジ留め用のネジが接触しないように、貫通する前記孔の近傍部分の前記絶縁層が除去されている［１０］に記載のパワー半導体装置。

本発明によれば、生産コストが低く、量産性に優れるパワー半導体装置を提供できる。

本発明の一実施形態に係る半導体装置の断面図である。本発明の一実施形態に係る金属ベース回路基板の平面図である。

はじめに、本実施形態に係るパワー半導体装置について説明する。本発明のパワー半導体装置は、金属板と、金属板の一方の面の実質的に全面に設けられた絶縁層と、絶縁層の金属板とは反対の面に設けられた導体パターンと、からなる金属ベース回路基板と、金属ベース回路基板の導体パターン上に接合した半導体チップと、金属ベース回路基板の導体パターン及び半導体チップを収納し、金属ベース回路基板の絶縁層上に接着された樹脂ケースと、樹脂ケース内に充填された保護材と、を備えている。

本発明のパワー半導体装置構造においては、高価なセラミック基板を使用せずに済むため、コスト低減を図ることができる。また、導体パターンをセラミック基板に接着する工程が必要なくなり、接着工数の削減と接着剤等による熱抵抗の増大を防ぐこともできる。また、ハンダ実装回数が１回になるため、高温ハンダを用いる必要が無くなる。また、導体パターンが金属ベース回路基板の個片化前に接着及びパターン形成されるため、大面積での加工が可能になり生産性を著しく向上できる。また、金属ベースの片面の実質的に全面が絶縁シートで覆われるため、沿面放電による損傷リスクが軽減される。更に、絶縁樹脂シートの実質的に全面に均一な加圧加熱を行うことが可能となるため成形ボイドに起因する絶縁不良を好適に防止することが可能となる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同一符号を付し、その詳細な説明は重複しないように適宜省略される。また、図は概略図であり、実際の寸法比率とは必ずしも一致していない。また、「〜」は特に断りがなければ、以上から以下を表す。

図１は、実施の形態にかかる構造を備えたパワー半導体装置の概略構成例を示す断面図である。パワー半導体装置１００は、金属板１０１、金属板の一方の面の実質的に全面に設けられた絶縁層１０２、絶縁層１０２の金属板１０１とは反対の面に設けられた導体パターン１０３、からなる金属ベース基板と、導体パターン１０３上に設置された半導体チップ１０４、導体パターン１０３及び半導体チップ１０４を収納し絶縁層１０２に接着された樹脂ケース１０５、樹脂ケース１０５内に充填された保護材１０６、外部電極端子（図示せず）に接続された導電部材１０７、導体部材１０７と半導体チップ１０４を接続するボンディングワイヤ１０８からなるパワー半導体装置である。金属板１０１、絶縁層１０２、導体パターン１０３からなる部品を金属ベース回路基板１１０と呼称する。

本発明のパワー半導体装置に用いられる金属ベース回路基板１１０は、特に限定されるものではないが、例えば、金属板（Ａ）と、Ｂステージ状態の熱硬化性樹脂シートと、金属板（Ｂ）を加圧加熱して金属ベース基板を作成した後に、金属板（Ｂ）を回路加工して導体パターン１０３を作製し、さらに個片化する方法などにより製造することができる。この製造方法により、絶縁層１０２は金属板１０１の一方の面の実質的に全面に設けられる。絶縁層１０２が樹脂ケース１０５の内側のみに形成されている場合は、金属板１０１と導体パターン１０３との間での沿面放電を避けるために、導体パターン１０３の面積が制約されることとなるが、絶縁層１０２を金属ベース回路基板の実質的に全面積に設けることにより、沿面距離を長く維持し、導体パターンを１０３の面積を広く確保することが可能となる。

導体パターン１０３を回路加工する手段は、特に限定されるものではないが、例えば、エッチング等により作製することができる。

本発明のパワー半導体装置に用いられる金属板１０１の素となる金属板（Ａ）の素材は、特に限定されるものではなく、銅、アルミなどの金属又はそれらの合金が挙げられるが、放熱性の観点では銅であることが好ましい。また、金属板１０１の厚みは特に限定されるものではないが、１．５ｍｍ以上７．０ｍｍ以下であることが好ましく、２．０ｍｍ以上４.５ｍｍ以下であることがより好ましい。金属板１０１の厚みが、上記下限値以上で
あれば、充分な冷却能力を得ることができる。また、金属板１０１の厚みが、上記上限値以下であれば、パワー半導体装置が過度に重くなることがなく、部材コストを適正な範囲に抑えることができる。

本発明のパワー半導体装置に用いられる導体パターン１０３の素となる金属板（Ｂ）の素材は、特に限定されるものではなく、銅、アルミなどの金属又はそれらの合金が挙げられるが、熱伝導性、電気伝導性の観点では銅であることが好ましい。また、導体パターン１０３の厚みは特に限定されるものではないが、０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であることが好ましく、０．３ｍｍ以上０．８ｍｍ以下であることがより好ましい。導体パターン１０３の厚みが、上記下限値以上であれば、大電流を流した際の抵抗を適正な範囲に抑えることができる。また、導体パターン１０３の厚みが、上記上限値以下であれば、エッチングを用いた回路形成コストを適正な範囲に抑えることができる。

本発明のパワー半導体装置に用いられる絶縁層１０２の素となる熱硬化性樹脂シートは、特に限定されるものではないが、熱硬化性樹脂と熱伝導性フィラーを含有していることが好ましい。熱伝導性フィラーを含有することにより、絶縁層の熱抵抗を低減することができる。

熱硬化性樹脂シートに含有される熱硬化性樹脂としては、特に限定されるものではないが、例えば、エポキシ樹脂、シアネート樹脂、ポリイミド樹脂、ベンゾオキサジン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、シリコーン樹脂、ビスマレイ
ミド樹脂、アクリル樹脂等が挙げられる。これらの中の１種類を単独で用いてもよいし、２種類以上を併用してもよい。

熱硬化性樹脂シートに含有される熱伝導性フィラーとしては、特に限定されるものではないが、例えば、アルミナ、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、酸化マグネシウム、及び炭化ケイ素等が挙げられる。これらは１種を単独で用いても、２種以上を併用してもよい。

本発明のパワー半導体装置に用いられる保護材１０６は、特に限定されるものではないが、シリコーンゲル、シリコーンオイル、エポキシ樹脂から選ばれる少なくとも１種であることが好ましい。これらの保護材を充填することにより、絶縁層上に設けられた導体パターンの回路間での放電を好適に抑制することができる。

本発明のパワー半導体装置に用いられる樹脂ケース１０５は、外部端子の支持と筐体の機能を有し、前記絶縁層１０２上に設けられる。また、前記金属板１０１の側面と接していてもよい。樹脂ケース１０５の素材は特に限定されるものではないが、ポリフェニレンサルファド樹脂（ＰＰＳ）、ポリブチレンテレフタレート樹脂（ＰＢＴ）などを用いることができる。

本発明のパワー半導体装置に用いられる導体パターン１０３と半導体チップ１０４の接続方法は、特に限定されるものではないが、ハンダを用いる方法や導電性ペーストを用いる方法がある。ハンダを用いることにより、ハンダのセルフアライメント機構により簡便に位置精度のよい実装ができる。また、導電性ペースを用いることにより、ハンダ実装に比べて低温での実装が可能となり、実装時の金属ベース回路基板の反りを低減することが可能となる。

図２は、実施の形態にかかる構造を備えた金属ベース回路基板１１０の概略構成例を示す平面図である。金属ベース回路基板１１０は、導電パターン１０３よりも外周に位置し、金属板１０１と絶縁層１０２を貫通する孔２０１を具備していてもよい。この孔は例えばヒートシンクにパワー半導体装置を固定する際に用いることができる。貫通する孔２０１の開け方は、特に限定されるものではないが、打ち抜きやルータ加工によって形成することができる。従来の構造では、このような孔は金属板１０１のみに開けられていた。樹脂層１０２と一体的に孔を設けることにより、プロセスコスト低減を実現できる。

更に金属ベース回路基板を貫通する孔２０１をパワー半導体装置のネジ留め孔として使用する場合には、貫通する孔２０１に挿入されるネジが絶縁層１０２に接触しないように、貫通する孔２０１の近傍部分の絶縁層を、導体パターン１０３の形成後に除去して用いてもよい。パワー半導体を強固に固定する必要がある場合に、ネジ留めのトルクによって絶縁層１０２へのダメージを防ぐことができる。

本発明のパワー半導体装置は、半導体チップからの発熱に対する放熱性や高電圧下での絶縁信頼性が良好であるだけでなく、生産コストが低く量産性に優れるものであり、パワースイッチング素子として用いるパワートランジスタモジュールなどに好適に用いることができる。

１００パワー半導体装置
１０１金属板
１０２絶縁層
１０３導体パターン
１０４半導体チップ
１０５樹脂ケース
１０６保護材
１０７導体部材
１０８ボンディングワイヤ
１１０金属ベース回路基板
２０１貫通する孔

Claims

金属板と、前記金属板の一方の面の実質的に全面に設けられた絶縁層と、前記絶縁層の金属板とは反対の面に設けられた導体パターンと、からなる金属ベース回路基板と、
前記金属ベース回路基板の前記導体パターン上に接合した半導体チップと、
前記金属ベース回路基板の前記導体パターン及び前記半導体チップを収納し、前記金属ベース回路基板の前記絶縁層上に接着された樹脂ケースと、
前記樹脂ケース内に充填された保護材と、
を備えていることを特徴とするパワー半導体装置。
前記金属ベース回路基板の前記絶縁層が、熱硬化性樹脂と熱伝導性フィラーを含有する請求項１に記載のパワー半導体装置。
前記保護材が、シリコーンゲル、シリコーンオイル、エポキシ樹脂からなる群から選ばれる少なくとも１つである請求項１又は２に記載のパワー半導体装置。
前記金属ベース回路基板の前記導体パターンと前記半導体チップがハンダで接合されている請求項１から３のいずれか一項に記載のパワー半導体装置。
前記金属ベース回路基板の前記導体パターンと前記半導体チップが導電性ペーストで接合されている請求項１から３のいずれか一項に記載のパワー半導体装置。
前記金属ベース回路基板の前記導体パターンの厚みが０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下である請求項１から５のいずれか一項に記載のパワー半導体装置。
前記金属ベース回路基板の前記金属板の厚みが１．５ｍｍ以上７．０ｍｍ以下である請求項１から６のいずれか一項に記載のパワー半導体装置。
前記金属ベース回路基板の前記金属板が銅板である請求項１から７のいずれか一項に記載のパワー半導体装置。
前記金属ベース回路基板の前記導体パターンがエッチング加工によって形成されたものである請求項１から８のいずれか一項に記載のパワー半導体装置。
前記金属ベース回路基板が前記金属板と前記絶縁層を貫通する孔を具備している請求項１から９のいずれか一項に記載のパワー半導体装置。
前記金属ベース回路基板の前記金属板と前記絶縁層を貫通する前記孔が、当該パワー半導体装置を前記金属ベース回路基板の前記半導体チップ接合面と反対の面に設けられたヒートシンクにネジ留めするためのものであり、前記ネジ留め用のネジが接触しないように、貫通する前記孔の近傍部分の前記絶縁層が除去されている請求項１０に記載のパワー半導体装置。