JP2018019000A - パワー半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】基板ユニットと冷却器との間に形成されるハンダの厚みを均一とする。
【解決手段】半導体チップ２ｂが実装されたセラミック基板２ａと、該セラミック基板２ａにハンダ２ｃにより接合された冷却器３とを備えるパワー半導体モジュール１であって、上記ハンダ２ｃ内には、上記セラミック基板２ａと上記冷却器３とに接触するように離散配置された複数のボンディングワイヤ片４を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、パワー半導体モジュールに関するものである。

例えば、特許文献１には、金属ベース（冷却器）に対して回路組立体（基板ユニット）を接続したパワー半導体モジュールが開示されている。このような特許文献１に係るパワー半導体モジュールは、回路組立体の一面を、金属ベースに対してハンダ接合することで、回路組立体が有するパワー半導体チップの熱を金属ベースへと伝導し、パワー半導体チップを冷却する。

特開２００２−２０３９４２号公報

このようなパワー半導体モジュールにおいて、回路組立体と、金属ベースとは、リフローハンダ接合により接合される。しかしながら、このリフローハンダ接合工程において、回路組立体と金属ベースとの間に充填されるハンダの厚みが金属ベースの面方向において不均一となりやすく、金属ベースと回路組立体との間に場所ごとの熱抵抗のバラツキが発生する。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたものであり、基板ユニットと冷却器との間に形成されるハンダの厚みを均一にすることが可能なパワー半導体モジュールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、第１の手段として、半導体チップを備えるセラミック基板と、該セラミック基板にハンダ接合された冷却器とを備えるパワー半導体モジュールであって、上記ハンダ内には、上記セラミック基板と上記冷却器とに接触するように離散配置された複数のボンディングワイヤ片を備える、という構成を採用する。

本発明によれば、ボンディングワイヤ片の軸方向が基板ユニットの表面に対して水平となるように、パワー半導体モジュールの基板ユニットと冷却器との間に複数配置される。これにより、基板ユニットと冷却器との間にボンディングワイヤ片の直径に等しい均一な幅の間隙を形成することができる。したがって、基板ユニットと冷却器との間の間隙にハンダを流入させることで、基板ユニットと冷却器との間に均一な厚みのハンダを形成することができる。

本発明の一実施形態に係るパワー半導体モジュールの全体図であり、（ａ）がパワー半導体モジュールのハンダ接合処理後の断面図を示し、（ｂ）がパワー半導体モジュールのハンダ接合処理前における断面図を示す。 本発明の一実施形態に係るパワー半導体モジュールにおけるボンディングワイヤ片の配置例を示す模式図である。

以下、図面を参照して、本発明に係るパワー半導体モジュールの一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

図１は、本実施形態に係るパワー半導体モジュール１の全体図であり、（ａ）がパワー半導体モジュール１のハンダ接合処理後の断面図を示し、（ｂ）がパワー半導体モジュール１のハンダ接合処理前における断面図を示す。本実施形態に係るパワー半導体モジュール１は、図１（ａ）に示すように、ハイブリッド車のＰＣＵ（パワーコントロールユニット）に設けられ、基板ユニット２と、冷却器３と、ボンディングワイヤ片４とを備えている。

基板ユニット２は、セラミック基板２ａと、パワー半導体チップ２ｂとを有している。セラミック基板２ａは、板材２ａ１と、銅層２ａ２とにより構成されている。板材２ａ１は、矩形のセラミック製の部材であり、両面に銅による表面加工処理が行われることで、両面の表面に銅層２ａ２が形成されている。また、パワー半導体チップ２ｂは、銅層２ａ２の上面に、ハンダ２ｃによって接続されている。このような板材２ａ１は、一方の面に形成された銅層２ａ２と、他方の面に形成された銅層２ａ２とを絶縁している。

冷却器３は、内部に冷却液Ｗが流通する冷却液流路３ａが形成され、基板ユニット２を冷却する水冷ジャケットである。この冷却器３は、冷却面３ｂが基板ユニット２に対してハンダ２ｃにより接合されており、パワー半導体チップ２ｂの熱がセラミック基板２ａを介して伝えられる。

ボンディングワイヤ片４は、アルミニウム等の細線を微小な長さで切断することにより形成された微小な円柱体である。このボンディングワイヤ片４は、軸芯に沿う方向が、冷却器３の冷却面３ｂと平行となるように配置されている。なお、ボンディングワイヤ片４は、セラミック基板２ａを配置したときに、板材２ａ１の中央部の近傍における全体の２／３の領域に配置される。また、複数のボンディングワイヤ片４は、図２（ａ）に示すように、それぞれが図２（ａ）における縦方向及び横方向において等間隔となるように、冷却器３の冷却面３ｂに対して離散配置される。このボンディングワイヤ片４が冷却器３の冷却面３ｂに複数配置され、さらにその上からパワー半導体チップ２ｂが設けられたセラミック基板２ａが配置されることで、冷却面３ｂと銅層２ａ２との間に、ボンディングワイヤ片４の直径と略等しい幅の間隙が形成される。

このようなパワー半導体モジュール１における基板ユニット２に対する冷却器３の取付方法を説明する。
まず、セラミック基板２ａの一方の面には、図１（ｂ）に示すように、板状のハンダ２ｃが配置され、パワー半導体チップ２ｂが配置される。さらに、セラミック基板２ａには、パワー半導体チップ２ｂが取り付けられた面と反対側の面に、冷却器３と接続するために、板状のハンダ２ｃが配置される。また、冷却器３の冷却面３ｂに対して、ボンディングワイヤ片４が配列される。

このようにしてボンディングワイヤ片４が配置された冷却面３ｂに対して、板状のハンダ２ｃが載せられた基板ユニット２を配置する。ボンディングワイヤ片４により形成された銅層２ａ２と冷却面３ｂとの間の間隙に、蟻酸や水素等の還元ガスが注入される。さらに、ハンダ２ｃは、加熱されて溶融することで、ボンディングワイヤ片４によって形成された上記間隙に流入する。ハンダ２ｃが間隙に流入するとき、ボンディングワイヤ片４が、銅層２ａ２との間に配置されていることにより、ボンディングワイヤ片４と銅層２ａ２とが接触する。よって、基板ユニット２は、傾くことがなく、冷却面３ｂに対して水平を保ったまま冷却面３ｂと接続される。

このようなパワー半導体モジュール１によれば、ボンディングワイヤ片４の軸方向が基板ユニット２の表面に対して水平となるように、基板ユニット２と冷却器３との間に複数配置される。これにより、基板ユニット２と冷却器３との間にボンディングワイヤ片４の直径に等しい均一な幅の間隙を形成することができる。したがって、基板ユニット２と冷却器３との間の間隙にハンダ２ｃを流入させることで、基板ユニット２と冷却器３との間に均一な厚みのハンダ２ｃを形成することができる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

（１）上記実施形態においては、ボンディングワイヤ片４が、冷却面３ｂに対して、列及び行が揃うように、等間隔に配置されるものとしたが、本発明はこれに限定されない。ボンディングワイヤ片４は、図２（ｂ）に示すように、行ごとに位置が互い違いとなるように配置される構成としてもよい。また、図２（ｃ）に示すように、セラミック基板２ａの中央部と重なる位置にはボンディングワイヤ片４を配置せず、周状となるように配置するものとしてもよい。

１……パワー半導体モジュール
２……基板ユニット
２ａ……セラミック基板
２ｂ……パワー半導体チップ
２ｃ……ハンダ
３……冷却器
４……ボンディングワイヤ片

Claims (1)

1. 半導体チップを備えるセラミック基板と、該セラミック基板にハンダ接合された冷却器とを備えるパワー半導体モジュールであって、
   前記ハンダ内には、前記セラミック基板と前記冷却器とに接触するように離散配置された複数のボンディングワイヤ片を備えることを特徴とするパワー半導体モジュール。

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