JP2018026370A - Power semiconductor module - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve insulation and heat dissipation properties of a resin-sealed power semiconductor module which can have a higher withstand voltage.SOLUTION: A collector electrode of an IGBT 101 and a cathode electrode of a diode 110 are electrically bonded, via a metal bonding part 503, to a collector circuit 203 provided on a ceramic insulation layer 303. A ceramic substrate 13 comprises a metal heat dissipating layer 403, the ceramic insulation layer 303, and the collector circuit 203. Heat generated in the IGBT 101 or the diode 110 is transmitted to a cooler 803 via the metal bonding part 503, the collector circuit 203, the ceramic insulation layer 303, the metal heat dissipating layer 403, and a heat transfer sheet 703. The widths of the metal heat dissipating layer 403 and the heat transfer sheet 703 are smaller than that of the collector circuit 203.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、パワー半導体モジュールに関する。   The present invention relates to a power semiconductor module.

近年、省エネのためにパワー半導体チップと呼ばれる半導体素子のスイッチングを利用した高効率な電力変換装置が自動車、鉄道、産業機器、電力機器等広い分野で利用されている。パワー半導体チップは、通電による発熱量が高く冷却する必要があり、導電材、放熱材とこれらの絶縁材を実装したパワー半導体モジュールの形態で利用される。   In recent years, high-efficiency power conversion devices that use switching of semiconductor elements called power semiconductor chips to save energy have been used in a wide range of fields such as automobiles, railways, industrial equipment, and power equipment. The power semiconductor chip has a high calorific value due to energization and needs to be cooled, and is used in the form of a power semiconductor module in which a conductive material, a heat radiating material, and these insulating materials are mounted.

パワー半導体モジュールは絶縁信頼性が必要であり、従来のシリコーンゲルからチップの熱応力を低減可能な樹脂が用いられるようになっている。パワー半導体モジュールでは、絶縁に対して高い信頼性が求められる。   The power semiconductor module requires insulation reliability, and a resin that can reduce the thermal stress of the chip from a conventional silicone gel is used. In power semiconductor modules, high reliability is required for insulation.

本発明にかかわる従来技術としては、例えば、特許文献1や特許文献2に記載されているようなパワー半導体モジュールの構造がある。   As a prior art according to the present invention, for example, there is a structure of a power semiconductor module as described in Patent Document 1 and Patent Document 2.

特許文献1では、電界集中部となる回路層端部の電界を緩和して絶縁性を向上させるために、セラミックス絶縁層を挟む回路層と金属層について、回路層端部と絶縁層端部との間隔が、金属層端部と絶縁層端部との間隔よりも小さい構造が提案されている。   In Patent Document 1, in order to relax the electric field at the end of the circuit layer that becomes the electric field concentration portion and improve the insulation, the circuit layer and the insulating layer end between the circuit layer and the metal layer sandwiching the ceramic insulating layer A structure has been proposed in which the distance between is smaller than the distance between the metal layer end and the insulating layer end.

特許文献2では、パワー半導体モジュールの小型化のために、金属層と絶縁層側を封止する樹脂の比誘電率を回路層と絶縁層側を封止する樹脂よりも低くすることで、金属層端部と絶縁層端部との間隔が小さい構造とそのモジュールの製造方法が提案されている。   In Patent Document 2, in order to reduce the size of the power semiconductor module, the relative permittivity of the resin that seals the metal layer and the insulating layer side is made lower than that of the resin that seals the circuit layer and the insulating layer side. A structure having a small gap between the layer end and the insulating layer end and a method for manufacturing the module have been proposed.

特開2002−270730号公報JP 2002-270730 A 特開2012−009815号公報JP 2012-009815 A

特許文献1や2の構造では、セラミックス絶縁基板とベース板をはんだ材料により接合している構造であるため、はんだ材料の傾きやはんだ材料が金属層側面に捲れることなどによって絶縁性が低下するという課題がある。   In the structures of Patent Documents 1 and 2, since the ceramic insulating substrate and the base plate are joined with a solder material, the insulation is deteriorated due to the inclination of the solder material or the solder material falling into the side surface of the metal layer. There is a problem.

また、はんだ等による金属接合では、使用中に熱応力が発生する。特に応力が集中する金属層端部に亀裂が発生し、発生した亀裂がベース板上の封止樹脂に伝播して絶縁劣化の原因となる虞がある。   In addition, in metal bonding using solder or the like, thermal stress is generated during use. In particular, cracks occur at the end of the metal layer where stress is concentrated, and the generated cracks may propagate to the sealing resin on the base plate and cause deterioration of insulation.

特許文献2の製造プロセスでは、金属層と絶縁層側を封止する樹脂の比誘電率を回路層と絶縁層側を封止する樹脂よりも小さくするために、セラミックス基板にパワー半導体チップを搭載する前に、低比誘電率な樹脂を供給している。パワー半導体チップの搭載をはんだ材を用いて行うと、高温での処理が必要となる。そのため、使用する低比誘電率樹脂には、耐熱温度の高い樹脂に限定される。   In the manufacturing process of Patent Document 2, a power semiconductor chip is mounted on a ceramic substrate in order to make the relative dielectric constant of the resin sealing the metal layer and the insulating layer side smaller than the resin sealing the circuit layer and the insulating layer side. Before doing so, a low dielectric constant resin is supplied. When the power semiconductor chip is mounted using a solder material, processing at a high temperature is required. Therefore, the low dielectric constant resin used is limited to a resin having a high heat resistance temperature.

また、その温度は使用環境温度よりも高温であるために、プロセス時に発生する熱応力が大きく、比誘電率の低い樹脂の内部破壊や剥離の問題がある。   In addition, since the temperature is higher than the use environment temperature, there is a problem of internal destruction or peeling of a resin having a large thermal stress generated during the process and a low relative dielectric constant.

本発明は上記課題に鑑み、高耐圧化が可能な樹脂封止型のパワー半導体モジュールの絶縁性及び放熱性を向上することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to improve the insulation and heat dissipation of a resin-sealed power semiconductor module capable of increasing the breakdown voltage.

上記課題を解決するために本発明に係るパワー半導体モジュールは、半導体素子が搭載された回路と、回路の少なくとも一方の面に配置された絶縁層と、絶縁層の回路が配置されている面とは反対側の面に配置される金属放熱層と、金属放熱層の表面が露出するように、回路、前記絶縁層及び前記金属放熱層を封止する第一の絶縁材と、を備える樹脂封止体を備えるパワー半導体モジュールであって、樹脂封止体は、金属放熱層の表面に配置される伝熱シートと、伝熱シートの表面が露出するように第一の絶縁材及び伝熱シートを封止する第二の絶縁材と、を備え、金属放熱層は、金属放熱層と回路の積層方向に沿って投影した場合、金属放熱層の射影部が回路の射影部に包含されるように設けられ、伝熱シートは、伝熱シートと絶縁層の積層方向に沿って投影した場合、伝熱シートの射影部が絶縁層の射影部に包含されるように設けられることを特徴とする。   In order to solve the above problems, a power semiconductor module according to the present invention includes a circuit on which a semiconductor element is mounted, an insulating layer disposed on at least one surface of the circuit, and a surface on which the circuit of the insulating layer is disposed. Is a resin seal comprising a metal heat dissipation layer disposed on the opposite surface, and a first insulating material for sealing the circuit, the insulating layer, and the metal heat dissipation layer so that the surface of the metal heat dissipation layer is exposed. A power semiconductor module including a stationary body, wherein the resin sealing body includes a heat transfer sheet disposed on the surface of the metal heat dissipation layer, and the first insulating material and the heat transfer sheet so that the surface of the heat transfer sheet is exposed. A metal heat dissipation layer is projected along the stacking direction of the metal heat dissipation layer and the circuit so that the projected portion of the metal heat dissipation layer is included in the projected portion of the circuit. The heat transfer sheet is a product of the heat transfer sheet and the insulating layer. When projected along a direction, characterized in that the projection portion of the heat transfer sheet is provided to be included projection portion of the insulating layer.

本発明によれば、高耐圧化が可能な樹脂封止型のパワー半導体モジュールの絶縁性と放熱性を向上できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the insulation and heat dissipation of the resin-sealed type power semiconductor module which can make high pressure | voltage resistance can be improved.

第1実施形態に係るパワー半導体モジュールの外観斜視図である。1 is an external perspective view of a power semiconductor module according to a first embodiment. 図1に示される樹脂封止体901の回路図である。It is a circuit diagram of the resin sealing body 901 shown by FIG. 図1の樹脂封止体901から第一の絶縁材601と第二の絶縁材602を取り除いた樹脂封止体901と冷却器803の斜視図である。FIG. 2 is a perspective view of a resin sealing body 901 and a cooler 803 obtained by removing a first insulating material 601 and a second insulating material 602 from the resin sealing body 901 in FIG. 1. 図1の樹脂封止体901のAA’の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of AA 'of the resin sealing body 901 of FIG. 比較例に係る樹脂封止体900の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the resin sealing body 900 which concerns on a comparative example. 比較例に係る樹脂封止体900の回路端部の電界解析結果を示す図である。It is a figure which shows the electric field analysis result of the circuit edge part of the resin sealing body 900 which concerns on a comparative example. 第1実施形態に係る樹脂封止体の回路端部の電界解析結果を示す図である。It is a figure which shows the electric field analysis result of the circuit edge part of the resin sealing body which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る樹脂封止体の回路端部の電界解析結果を示す図である。It is a figure which shows the electric field analysis result of the circuit edge part of the resin sealing body which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る樹脂封止体の回路端部の電界解析結果を示す図である。It is a figure which shows the electric field analysis result of the circuit edge part of the resin sealing body which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態の変形例1に係る樹脂封止体の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the resin sealing body which concerns on the modification 1 of 1st Embodiment. 第1実施形態の変形例1に係る樹脂封止体の回路端部の電界解析結果を示す図である。It is a figure which shows the electric field analysis result of the circuit edge part of the resin sealing body which concerns on the modification 1 of 1st Embodiment. 第1実施形態の変形例2に係る樹脂封止体901の回路端部の電界解析結果である。It is an electric field analysis result of the circuit edge part of the resin sealing body 901 which concerns on the modification 2 of 1st Embodiment. 第1実施形態に係る樹脂封止体の製造工程を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing process of the resin sealing body which concerns on 1st Embodiment. 図11の次の製造工程を示す図である。FIG. 12 is a diagram showing a manufacturing process subsequent to FIG. 11. トランスファーモールド工程後の外観斜視図である。It is an external appearance perspective view after a transfer mold process. トランスファーモールド工程後の樹脂封止体を示す図である。It is a figure which shows the resin sealing body after a transfer mold process. 図13の次の製造工程を示す図である。It is a figure which shows the next manufacturing process of FIG. 第1実施形態の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of 1st Embodiment. 第2実施形態に係る樹脂封止体902と水路804の外観斜視図である。It is an external appearance perspective view of the resin sealing body 902 and the water channel 804 which concern on 2nd Embodiment. 第2実施形態に係る樹脂封止体902の斜視図である。It is a perspective view of the resin sealing body 902 which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態に係る樹脂封止体902から第一の絶縁材601を取り除いた斜視図である。It is the perspective view which removed the 1st insulating material 601 from the resin sealing body 902 which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態に係る樹脂封止体902のAA’の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of AA 'of the resin sealing body 902 according to the second embodiment. 第2実施形態の変形例に係る樹脂封止体902と水路804の外観斜視図である。It is an external appearance perspective view of the resin sealing body 902 and the water channel 804 which concern on the modification of 2nd Embodiment. 第2実施形態の変形例に係る樹脂封止体902と金属ケース611と水路804の分解斜視図である。It is a disassembled perspective view of the resin sealing body 902, the metal case 611, and the water channel 804 which concern on the modification of 2nd Embodiment. 第2実施形態の変形例に係る樹脂封止体902のAA’の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of AA 'of the resin sealing body 902 according to a modification of the second embodiment. 第2実施形態の変形例に係る樹脂封止体902のAA’の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of AA 'of the resin sealing body 902 according to a modification of the second embodiment. 第3実施形態に係る樹脂封止体903の斜視図である。It is a perspective view of the resin sealing body 903 which concerns on 3rd Embodiment. 第3実施形態に係る樹脂封止体903の回路図である。It is a circuit diagram of the resin sealing body 903 which concerns on 3rd Embodiment. 第3実施形態に係る樹脂封止体903の第一の絶縁材601とエミッタ側の絶縁層302と金属層402Uおよび402Lを取り除いた領域の外観斜視図である。It is an external appearance perspective view of the area | region which removed the 1st insulating material 601, the insulating layer 302 on the emitter side, and the metal layers 402U and 402L of the resin sealing body 903 which concerns on 3rd Embodiment. 第3実施形態に係る樹脂封止体903のBB’断面模式図である。It is a BB 'cross-sectional schematic diagram of the resin sealing body 903 which concerns on 3rd Embodiment.

<第1実施形態>
第1実施形態に関するパワー半導体モジュールを図1から図6を用いて説明する。
<First Embodiment>
The power semiconductor module according to the first embodiment will be described with reference to FIGS.

図1は、本実施形態に係るパワー半導体モジュールの斜視図である。本実施形態に係るパワー半導体モジュールは、樹脂封止体901と、冷却器803とを備える。図2は図1に示される樹脂封止体901の回路構成図である。樹脂封止体901は、図2に示す1in1の回路を有する。制御端子のゲート端子21とセンスエミッタ端子25、パワー端子のエミッタ端子22とコレクタ端子23が引き出されている。また、裏面に位置する放熱面43(図示せず)は、樹脂封止体901の放熱面である。第一の絶縁材601は、各端子21、22、23、25と放熱面43を除く領域に充填されている。また、樹脂封止体901は冷却器803に伝熱シート703(図示せず)と第二の絶縁部材602(図示せず)を介し押圧状態で取り付けられている。   FIG. 1 is a perspective view of a power semiconductor module according to the present embodiment. The power semiconductor module according to this embodiment includes a resin sealing body 901 and a cooler 803. FIG. 2 is a circuit configuration diagram of the resin sealing body 901 shown in FIG. The resin sealing body 901 has a 1 in 1 circuit shown in FIG. A gate terminal 21 and a sense emitter terminal 25 as control terminals, and an emitter terminal 22 and a collector terminal 23 as power terminals are drawn out. Further, a heat radiating surface 43 (not shown) located on the back surface is a heat radiating surface of the resin sealing body 901. The first insulating material 601 is filled in a region excluding the terminals 21, 22, 23, 25 and the heat radiating surface 43. The resin sealing body 901 is attached to the cooler 803 in a pressed state via a heat transfer sheet 703 (not shown) and a second insulating member 602 (not shown).

図3は、図1の樹脂封止体から第一の絶縁材601と第二の絶縁材602を取り除いた領域の斜視図である。樹脂封止体901は、半導体素子が搭載された回路と、回路の少なくとも一方の面に配置された絶縁層と、絶縁層の回路が配置されている面とは反対側の面に配置される金属放熱層と、金属放熱層の表面が露出するように回路、絶縁層及び金属放熱層を封止する第一の絶縁材と、金属放熱層の表面に配置される伝熱シートと、伝熱シートの表面が露出するように第一の絶縁材及び伝熱シートを封止する第二の絶縁材と、を備える。   FIG. 3 is a perspective view of a region where the first insulating material 601 and the second insulating material 602 are removed from the resin sealing body of FIG. 1. The resin sealing body 901 is disposed on a surface opposite to the surface on which the semiconductor element is mounted, the insulating layer disposed on at least one surface of the circuit, and the surface of the insulating layer. A metal heat dissipation layer, a first insulating material for sealing the circuit, the insulating layer and the metal heat dissipation layer so that the surface of the metal heat dissipation layer is exposed; a heat transfer sheet disposed on the surface of the metal heat dissipation layer; A first insulating material and a second insulating material for sealing the heat transfer sheet so that the surface of the sheet is exposed.

本実施形態では、絶縁層としてセラミックス絶縁層303を用いており、半導体素子として、IGBT101およびダイオード110を用いている。IGBT101およびダイオード110は、セラミックス絶縁層303の上方に設けられた回路パターン203に搭載される。ここで、IGBTとは絶縁ゲート側バイポーラトランジスタの略称である。また、セラミックス絶縁層303の下方には金属放熱層403が設けられている。金属放熱層403は、第一の絶縁材601から露出している放熱面43を有しており、放熱面43は伝熱シート703を介し押圧状態で冷却器803に取り付けられている。ここで、伝熱シートとは、カーボンシートのような熱伝達材料からなるシートである。伝熱シートは、金属放熱層の放熱面43に接するように配置される。   In this embodiment, the ceramic insulating layer 303 is used as an insulating layer, and the IGBT 101 and the diode 110 are used as semiconductor elements. The IGBT 101 and the diode 110 are mounted on a circuit pattern 203 provided above the ceramic insulating layer 303. Here, IGBT is an abbreviation for an insulated gate bipolar transistor. A metal heat dissipation layer 403 is provided below the ceramic insulating layer 303. The metal heat dissipation layer 403 has a heat dissipation surface 43 exposed from the first insulating material 601, and the heat dissipation surface 43 is attached to the cooler 803 in a pressed state via a heat transfer sheet 703. Here, the heat transfer sheet is a sheet made of a heat transfer material such as a carbon sheet. The heat transfer sheet is disposed in contact with the heat radiating surface 43 of the metal heat radiating layer.

詳細は後述するが、金属放熱層403や伝熱シート703の幅や奥行きは、コレクタ回路203の幅や奥行きに対して小さい。ここで、幅とは、長手方向の長さであり、奥行きとは短手方向の長さである。   Although details will be described later, the width and depth of the metal heat radiation layer 403 and the heat transfer sheet 703 are smaller than the width and depth of the collector circuit 203. Here, the width is the length in the longitudinal direction, and the depth is the length in the short direction.

図4は、図3の点線AA’部を矢印方向からみた断面図である。IGBT101のコレクタ電極およびダイオード110のカソード電極は、セラミック絶縁層上に設けられたコレクタ回路203に対し、金属接合部503を介して電気的に接合されている。図4において、セラミックス基板13は、金属放熱層403とセラミックス絶縁層303とコレクタ回路203とを備える。IGBT101やダイオード110で発生した熱は、金属接合部503、コレクタ回路203、セラミックス絶縁層303、金属放熱層403や伝熱シート703を介して冷却器803に伝達され冷却される。   4 is a cross-sectional view of the dotted line AA ′ portion of FIG. 3 as viewed from the direction of the arrow. The collector electrode of the IGBT 101 and the cathode electrode of the diode 110 are electrically joined to the collector circuit 203 provided on the ceramic insulating layer through the metal joint portion 503. In FIG. 4, the ceramic substrate 13 includes a metal heat dissipation layer 403, a ceramic insulating layer 303, and a collector circuit 203. The heat generated in the IGBT 101 and the diode 110 is transmitted to the cooler 803 through the metal junction 503, the collector circuit 203, the ceramic insulating layer 303, the metal heat dissipation layer 403, and the heat transfer sheet 703, and is cooled.

本実施形態では、金属放熱層403は、金属放熱層403とコレクタ回路203の積層方向に沿って投影した場合、金属放熱層の射影部が回路の射影部に包含されるように設けられている。また、伝熱シート703は、伝熱シートと絶縁層の積層方向に沿って投影した場合、伝熱シートの射影部が前記絶縁層の射影部に包含されるように設けられている。つまり金属放熱層403や伝熱シート703の幅を、コレクタ回路203の幅に対して小さくしている。絶縁層の周囲を樹脂で封止する場合、絶縁層と樹脂の界面において界面剥離が生じる。界面剥離が起こると空気の絶縁破壊(コロナ放電)を発生させ、絶縁部が劣化する虞がある。そのため、放熱性よりも絶縁性を優先させる必要があり、金属放熱層の幅をコレクタ回路の幅よりも小さくしている。伝熱シート703の幅がコレクタ回路203の幅よりも広い場合と、第1実施形態との絶縁信頼性の比較検証について図5から図8までの電界解析結果を用い説明する。   In this embodiment, the metal heat dissipation layer 403 is provided so that the projected portion of the metal heat dissipation layer is included in the projected portion of the circuit when projected along the stacking direction of the metal heat dissipation layer 403 and the collector circuit 203. . Further, the heat transfer sheet 703 is provided so that the projected portion of the heat transfer sheet is included in the projected portion of the insulating layer when projected along the stacking direction of the heat transfer sheet and the insulating layer. That is, the widths of the metal heat radiation layer 403 and the heat transfer sheet 703 are made smaller than the width of the collector circuit 203. When the periphery of the insulating layer is sealed with resin, interface peeling occurs at the interface between the insulating layer and the resin. If interfacial peeling occurs, air breakdown (corona discharge) may occur, and the insulating portion may deteriorate. Therefore, it is necessary to give priority to insulation over heat dissipation, and the width of the metal heat dissipation layer is made smaller than the width of the collector circuit. Comparison verification of insulation reliability between the case where the width of the heat transfer sheet 703 is wider than the width of the collector circuit 203 and the first embodiment will be described using the electric field analysis results shown in FIGS.

図5(a)に本発明の比較例に係るパワー半導体モジュールの樹脂封止体900の断面模式図を示す。樹脂封止体900の伝熱シート703は、伝熱シート703とコレクタ回路203の積層方向に沿って投影した場合、伝熱シートの射影部が回路の射影部に包含されるように設けられていない。つまり、図4に示した樹脂封止体901との違いは、伝熱シート703の幅がコレクタ回路203の幅よりも大きい点にある。   FIG. 5A is a schematic cross-sectional view of a resin encapsulant 900 of a power semiconductor module according to a comparative example of the present invention. The heat transfer sheet 703 of the resin sealing body 900 is provided so that the projected portion of the heat transfer sheet is included in the projected portion of the circuit when projected along the stacking direction of the heat transfer sheet 703 and the collector circuit 203. Absent. That is, the difference from the resin sealing body 901 shown in FIG. 4 is that the width of the heat transfer sheet 703 is larger than the width of the collector circuit 203.

図5(b)に電界集中部となるコレクタ回路203端部の電界解析結果を示す。ここで、第一の絶縁材601の比誘電率を4.5、セラミックス絶縁層303の比誘電率を9.0で計算した。次に、図6に図4に示す本実施形態の樹脂封止体901の電界集中部となるコレクタ回路203端部の電界解析結果を示す。効果をわかりやすくするため、第二の絶縁材602の比誘電率を第一の絶縁材601の比誘電率と同じ4.5で計算した。解析の結果、樹脂封止体900の電界強度を100%とすると、樹脂封止体901の電界強度は81%と約20%低下した。この電界強度の低下は、高い導電率を持つ伝熱シートがコレクタ回路端部から一定の距離をとるためであり、絶縁距離拡大によるものである。電界強度の低下により、モジュールの破壊電圧やコロナ放電耐性の向上が可能となる。   FIG. 5B shows the electric field analysis result at the end of the collector circuit 203 serving as the electric field concentration portion. Here, the relative dielectric constant of the first insulating material 601 was calculated as 4.5, and the relative dielectric constant of the ceramic insulating layer 303 was calculated as 9.0. Next, FIG. 6 shows the electric field analysis result at the end of the collector circuit 203 which becomes the electric field concentration portion of the resin sealing body 901 of the present embodiment shown in FIG. In order to make the effect easy to understand, the relative dielectric constant of the second insulating material 602 was calculated at 4.5, which is the same as the relative dielectric constant of the first insulating material 601. As a result of the analysis, assuming that the electric field strength of the resin sealing body 900 is 100%, the electric field strength of the resin sealing body 901 is reduced by about 20% to 81%. This decrease in electric field strength is due to the fact that the heat transfer sheet having high conductivity takes a certain distance from the end of the collector circuit, and is due to the expansion of the insulation distance. Due to the decrease in the electric field strength, the module breakdown voltage and the corona discharge resistance can be improved.

図7と図8を用いて本構成の効果範囲を説明する。図7は、伝熱シート703の幅をセラミックス絶縁層303と同様まで小さくするとともに、これにより発生した冷却器と樹脂封止体との空間に比誘電率4.5の第二の絶縁材を設置した場合の計算結果である。図8は、伝熱シート703の幅をコレクタ回路203と同様にまで小さくするとともに、発生した冷却器と樹脂封止体の空間に比誘電率4.5の第二の絶縁材を設置した場合の計算結果である。図5に示す樹脂封止体に対し、図7、図8に示す樹脂封止体は、電界強度がそれぞれ2%、10%低減した。このことから、電界強度の低減効果は伝熱シート703の幅をセラミックス絶縁層303の幅まで小さくした際に現れ、コレクタ回路の幅付近まで伝熱シート703の幅を狭くすることで十分な低減効果を発揮することがわかった。したがって、伝熱シートと絶縁層の積層方向に沿って投影した場合、伝熱シートの射影部が絶縁層の射影部に包含されることが好ましい。図7と図8に示される電界強度の低減は、絶縁距離拡大によるものでなく、伝熱シートの端部がコレクタ回路端部に接近することにより、伝熱シート端部に電界が集中し、コレクタ回路の電界集中が分散された結果である。   The effect range of this configuration will be described with reference to FIGS. FIG. 7 shows that the width of the heat transfer sheet 703 is reduced to the same as that of the ceramic insulating layer 303, and a second insulating material having a relative dielectric constant of 4.5 is provided in the space between the cooler and the resin sealing body generated thereby. It is a calculation result when installed. FIG. 8 shows a case where the width of the heat transfer sheet 703 is reduced to the same level as the collector circuit 203 and a second insulating material having a relative dielectric constant of 4.5 is installed in the space between the generated cooler and the resin sealing body. Is the calculation result of Compared with the resin sealing body shown in FIG. 5, the electric field strengths of the resin sealing bodies shown in FIGS. 7 and 8 were reduced by 2% and 10%, respectively. Therefore, the effect of reducing the electric field strength appears when the width of the heat transfer sheet 703 is reduced to the width of the ceramic insulating layer 303, and is sufficiently reduced by reducing the width of the heat transfer sheet 703 to the vicinity of the width of the collector circuit. It turned out to be effective. Therefore, when projected along the stacking direction of the heat transfer sheet and the insulating layer, it is preferable that the projected portion of the heat transfer sheet is included in the projected portion of the insulating layer. The reduction of the electric field strength shown in FIG. 7 and FIG. 8 is not due to the expansion of the insulation distance, but the electric field concentrates at the end of the heat transfer sheet when the end of the heat transfer sheet approaches the end of the collector circuit, This is a result of the electric field concentration of the collector circuit being dispersed.

以下に、本発明のパワー半導体モジュールを構成する材料について説明する。   Below, the material which comprises the power semiconductor module of this invention is demonstrated.

セラミックス絶縁層303は、絶縁耐圧が高い窒化アルミニウム、窒化珪素、アルミナ等が用いられる。特に、熱伝導率の高い窒化アルミニウムや窒化珪素が望ましい。セラミックス絶縁層303の厚さは、パワー半導体モジュールに必要な絶縁特性にあわせ、0.1〜1.5mmの範囲に設定される。セラミックス絶縁層は、樹脂をマトリックスし、アルミナ、窒化ホウ素、イットリア(酸化イットリウム)、窒化アルミ等の高熱伝導フィラーを混合したシート状の構成とすることも可能である。   For the ceramic insulating layer 303, aluminum nitride, silicon nitride, alumina, or the like having a high withstand voltage is used. In particular, aluminum nitride or silicon nitride having high thermal conductivity is desirable. The thickness of the ceramic insulating layer 303 is set in the range of 0.1 to 1.5 mm in accordance with the insulating characteristics required for the power semiconductor module. The ceramic insulating layer may have a sheet-like configuration in which a resin is matrixed and a high thermal conductive filler such as alumina, boron nitride, yttria (yttrium oxide), or aluminum nitride is mixed.

コレクタ回路203には、電気抵抗が低い銅やアルミニウム、それらの合金が用いられる。コレクタ回路203とセラミックス絶縁層との間には、低熱膨張で熱伝導率が高いモリブデンやタングステンやカーボン、それらの材料と銅やアルミニウムとの複合材からなる中間層を設置してもよい。本実施形態では、中間層を省略した構造としている。コレクタ回路203の厚さは、必要な電流容量にあわせ、0.2〜2.0mmの範囲に設定される。   The collector circuit 203 is made of copper, aluminum, or an alloy thereof having low electrical resistance. Between the collector circuit 203 and the ceramic insulating layer, an intermediate layer made of molybdenum, tungsten or carbon having a low thermal expansion and high thermal conductivity, or a composite material of these materials and copper or aluminum may be provided. In this embodiment, the intermediate layer is omitted. The thickness of the collector circuit 203 is set in a range of 0.2 to 2.0 mm in accordance with a necessary current capacity.

金属放熱層403には、熱伝導率の高い銅やアルミニウム、それらの合金が用いられる。また、回路側と同様に、金属放熱層とセラミックス絶縁層間に低熱膨張で熱伝導率が高いモリブデンやタングステンやカーボン、それらの材料と銅やアルミニウムとの複合材からなる中間層を設置してもよい。本実施形態では、中間層を省略した構造としている。   For the metal heat dissipation layer 403, copper, aluminum, or an alloy thereof having high thermal conductivity is used. Similarly to the circuit side, an intermediate layer made of molybdenum, tungsten, or carbon with a low thermal expansion and high thermal conductivity between the metal heat dissipation layer and the ceramic insulating layer, or a composite material of these materials and copper or aluminum may be installed. Good. In this embodiment, the intermediate layer is omitted.

第一の絶縁材601には、例えば、接着性のあるノボラック、多官能、ビフェニル、フェノール型のエポキシ樹脂系、ビスマレイミドトリアジン系、シアネートエステル系を基にした樹脂を用いることができる。これらの樹脂に、SiO2、Al23、AlN、BNなどのセラミックスやゲル、ゴムなどのフィラーを含有させ、熱膨張係数を3〜23ppm/KとIGBTや回路203に近づけ、熱膨張係数の差を低減する。また、ヤング率を1〜数十GPaの範囲に設定する。このような熱膨張係数やヤング率の樹脂を用いることにより、使用環境時の温度上昇に伴って発生する熱応力が大幅に低下するため、パワー半導体モジュールの寿命を延ばすことが可能となる。 As the first insulating material 601, for example, an adhesive novolak, polyfunctional, biphenyl, phenol type epoxy resin, bismaleimide triazine, or cyanate ester can be used. These resins, SiO 2, Al 2 O 3 , AlN, ceramics or gels such as BN, contain a filler such as rubber, closer thermal expansion coefficient 3~23ppm / K and IGBT or circuit 203, the coefficient of thermal expansion To reduce the difference. The Young's modulus is set in the range of 1 to several tens of GPa. By using such a resin having a coefficient of thermal expansion or Young's modulus, the thermal stress generated as the temperature rises in the environment of use is significantly reduced, so that the life of the power semiconductor module can be extended.

金属接合部503は、例えば、はんだ材や微細金属粒子、酸化金属粒子を主体とした低温焼結接合材等が用いられる。はんだ材には、第一の絶縁材601の硬化温度よりも融点が高い錫、ビスマス、亜鉛、金等が主成分であるはんだを用いることができる。微細金属粒子には、凝集保護材で被覆された銀や銅の微粒子であり、特に、凝集保護材ははんだ材と同等の低温で脱離可能なものが適用可能である。酸化金属粒子には、酸化銀や酸化銅等のはんだ材と同等の低温で還元可能な酸化金属が適用可能である。微細銀粒子および微細銅粒子、酸化銀、酸化銅粒子を用いた場合には、金属接合部は焼結銀層や焼結銅層となる。   For example, a low-temperature sintered bonding material mainly composed of solder material, fine metal particles, and metal oxide particles is used for the metal bonding portion 503. As the solder material, solder whose main component is tin, bismuth, zinc, gold or the like whose melting point is higher than the curing temperature of the first insulating material 601 can be used. The fine metal particles are fine particles of silver or copper coated with an aggregation protective material, and in particular, the aggregation protective material that can be removed at a low temperature equivalent to the solder material is applicable. As the metal oxide particles, a metal oxide that can be reduced at a low temperature equivalent to a solder material such as silver oxide or copper oxide is applicable. When fine silver particles, fine copper particles, silver oxide, and copper oxide particles are used, the metal joint becomes a sintered silver layer or a sintered copper layer.

伝熱シート703には、シート状で熱伝導率が高い材料が用いられる。また、ヤング率が金属放熱層403や第一の絶縁材601よりも低い材料を用いる。伝熱シート703のヤング率を、第一の絶縁材601よりも小さくすることによって、熱応力を低減でき、樹脂封止体の信頼性向上に対し有効となる。具体的には、伝熱シート703のヤング率は1〜500MPaにすることが好ましい。使用環境下で樹脂封止体901が反り変形した際に、伝熱シート703が変形し外周部にはみ出し絶縁性が劣化するため、ヤング率は1MPaよりも大きい方が好ましい。特に、高熱伝導の点から、高熱伝導な導電性の金属やカーボン系のシートがより望ましい。さらに、アクリルやシリコーンやウレタン系の樹脂にカーボンフィラーを含有させることで、柔軟性を向上した構造にすることが可能である。また、金属放熱層403の表面を露出させるとともに、伝熱シート703を金属放熱層403や冷却器803の両方に対して、化学的、あるいは金属的な接合させず、押圧により密着させる設置構造とすることで、シートに発生する応力を低減することが可能になる。金属放熱層と、冷却器との間には、はんだ材料でなく、伝熱シートを配置することによって、樹脂封止体の組み立て性が向上し、製造が簡易となる。   For the heat transfer sheet 703, a sheet-like material having high thermal conductivity is used. A material having a Young's modulus lower than that of the metal heat dissipation layer 403 and the first insulating material 601 is used. By making the Young's modulus of the heat transfer sheet 703 smaller than that of the first insulating material 601, the thermal stress can be reduced, which is effective for improving the reliability of the resin sealing body. Specifically, the Young's modulus of the heat transfer sheet 703 is preferably 1 to 500 MPa. When the resin sealing body 901 is warped and deformed under the usage environment, the heat transfer sheet 703 is deformed and protrudes to the outer peripheral portion to deteriorate the insulating property. Therefore, the Young's modulus is preferably larger than 1 MPa. In particular, from the viewpoint of high heat conduction, a highly heat conductive conductive metal or carbon-based sheet is more desirable. Furthermore, a structure having improved flexibility can be obtained by adding a carbon filler to an acrylic, silicone, or urethane-based resin. Further, an installation structure in which the surface of the metal heat radiation layer 403 is exposed and the heat transfer sheet 703 is brought into close contact with both the metal heat radiation layer 403 and the cooler 803 without being chemically or metallicly bonded. By doing so, it is possible to reduce the stress generated in the sheet. By disposing a heat transfer sheet instead of a solder material between the metal heat dissipation layer and the cooler, the assembling property of the resin-encapsulated body is improved and the manufacture becomes simple.

第二の絶縁材602は、絶縁性の樹脂を用いることが可能である。第二の絶縁材602を設置することで、第二の絶縁材を設置しないときよりも絶縁性を向上することが可能である。第二の絶縁材602も化学的な、あるいは金属的な接合させず、押圧により密着させる設置構造とすることで、第二の絶縁材602に発生する応力を低減することが可能になる。なお、第二の絶縁材をシート状にするために、硬化処理を事前におこなうことが可能である。   As the second insulating material 602, an insulating resin can be used. By installing the second insulating material 602, it is possible to improve the insulating property as compared with the case where the second insulating material is not installed. By adopting an installation structure in which the second insulating material 602 is not chemically or metallicly bonded but is brought into close contact with the pressure, stress generated in the second insulating material 602 can be reduced. In addition, in order to make a 2nd insulating material into a sheet form, it is possible to perform a hardening process in advance.

また、第二の絶縁材について硬度の低い材料を用いることにより伝熱シートの信頼性を向上できる。第二の絶縁材の硬度は、第一の絶縁材>伝熱シート>第二の絶縁材とすることが好ましい。   Moreover, the reliability of a heat-transfer sheet | seat can be improved by using a material with low hardness about a 2nd insulating material. It is preferable that the hardness of the second insulating material is first insulating material> heat transfer sheet> second insulating material.

樹脂封止体は、第二の絶縁材602と伝熱シート703を押圧した際に、伝熱シート703を介して放熱される。使用環境下で伝熱シート703に対して押圧が付与できるよう、第二の絶縁材602は、第一の絶縁材601や伝熱シート703よりもヤング率が小さい材料が好ましい。このような材料には、アクリルやシリコーンやウレタン系の樹脂のほか、熱可塑性エラストマー、シリコーンゲル等がある。ヤング率は1MPa未満とした方が好ましい。このように、伝熱シートよりも十分やわらかくすることで、伝熱シートよりもやや厚く供給厚を設定すれば、押圧した際に伝熱シートに十分な押圧力が発生するまで圧縮できるためである。   The resin sealing body radiates heat through the heat transfer sheet 703 when the second insulating material 602 and the heat transfer sheet 703 are pressed. The second insulating material 602 is preferably a material having a Young's modulus smaller than that of the first insulating material 601 and the heat transfer sheet 703 so that the heat transfer sheet 703 can be pressed under the usage environment. Such materials include thermoplastic elastomers, silicone gels, etc., in addition to acrylic, silicone, and urethane resins. The Young's modulus is preferably less than 1 MPa. Thus, if the supply thickness is set slightly thicker than the heat transfer sheet by making it softer than the heat transfer sheet, it can be compressed until a sufficient pressing force is generated on the heat transfer sheet when pressed. .

以下に、本実施形態で得られる効果を説明する。   Below, the effect obtained by this embodiment is demonstrated.

本実施形態では、金属放熱層は、金属放熱層と回路の積層方向に沿って投影した場合、金属放熱層の射影部が回路の射影部に包含されるように設けられ、伝熱シートは、伝熱シートと絶縁層の積層方向に沿って投影した場合、伝熱シートの射影部が絶縁層の射影部に包含されるように設けられている。このように金属放熱層403や伝熱シート703の幅を、回路層203に対して小さくすることにより、電界集中部となる回路端部の電界を緩和することが可能となる。その結果、樹脂封止体901のコロナ放電開始消滅電圧の向上や破壊電圧の向上が可能となる。その結果、パワー半導体モジュールの絶縁信頼性を向上できる。   In the present embodiment, when the metal heat dissipation layer is projected along the stacking direction of the metal heat dissipation layer and the circuit, the projection portion of the metal heat dissipation layer is provided so as to be included in the projection portion of the circuit, and the heat transfer sheet is When projected along the stacking direction of the heat transfer sheet and the insulating layer, the projected portion of the heat transfer sheet is provided so as to be included in the projected portion of the insulating layer. Thus, by reducing the width of the metal heat radiation layer 403 and the heat transfer sheet 703 with respect to the circuit layer 203, the electric field at the circuit end that becomes the electric field concentration portion can be reduced. As a result, the corona discharge start extinction voltage and the breakdown voltage of the resin sealing body 901 can be improved. As a result, the insulation reliability of the power semiconductor module can be improved.

また、本実施形態では、使用環境下で絶縁部の信頼性を保持するために、パワー半導体モジュールが以下の構成の樹脂封止体を備える。金属放熱層403はその表面が露出し、同一平面状に第一の絶縁材601が存在している。第一の絶縁材601は金属放熱層403の側面に接着している。これらの構造により、伝熱シート403を金属放熱層403よりも広く設置しても、伝熱シートが金属放熱403の側面に侵入することがないため、絶縁信頼性を向上することが可能となる。   Moreover, in this embodiment, in order to maintain the reliability of an insulation part under use environment, a power semiconductor module is provided with the resin sealing body of the following structures. The surface of the metal heat dissipation layer 403 is exposed, and the first insulating material 601 is present on the same plane. The first insulating material 601 is bonded to the side surface of the metal heat dissipation layer 403. With these structures, even if the heat transfer sheet 403 is installed wider than the metal heat dissipation layer 403, the heat transfer sheet does not enter the side surface of the metal heat dissipation 403, so that the insulation reliability can be improved. .

伝熱シート703は金属放熱層403の露出している表面に接するように配置している。伝熱シート703は、金属放熱層403及び冷却器803の両方に対して、化学的、あるいは金属的な接合させず、押圧により密着している設置構造である。このように、金属放熱層403や第一の絶縁材601を介して樹脂封止体901は冷却器803に対して直接接合や接着していないので、伝熱シート部や封止樹脂部に発生する熱応力を大幅に低減できる。   The heat transfer sheet 703 is disposed in contact with the exposed surface of the metal heat dissipation layer 403. The heat transfer sheet 703 is an installation structure in which both the metal heat radiation layer 403 and the cooler 803 are in close contact with each other without being chemically or metallicly bonded. Thus, since the resin sealing body 901 is not directly bonded or bonded to the cooler 803 via the metal heat dissipation layer 403 or the first insulating material 601, it is generated in the heat transfer sheet portion or the sealing resin portion. The thermal stress to be reduced can be greatly reduced.

さらに、第二の絶縁材602を伝熱シート703の外周部に設置することで、絶縁性を向上するとともに、伝熱シートの外周部へのはみ出しを抑制することが可能となる。   Furthermore, by installing the second insulating material 602 on the outer peripheral portion of the heat transfer sheet 703, it is possible to improve insulation and suppress the protrusion of the heat transfer sheet to the outer peripheral portion.

熱応力が大きくなる回路203の端部、セラミックス絶縁層303の端部、金属放熱層403端部に対しては、伝熱シート703や第二の絶縁材602よりもヤング率が高い第一の絶縁材601で封止することで、熱応力を低減できる。これにより樹脂封止体901の反り変形を小さくすることが可能となり、伝熱シート703や第二の絶縁材602に発生する熱応力を低減できる。また、応力が集中するセラミックス絶縁層303の端部を被覆する絶縁材を1種類の材料を用いて封止している。これにより、二種類以上の材料で封止した場合に問題となる界面応力の発生や亀裂が発生した際の進展部をセラミックス絶縁層303との界面から離すことが可能となり絶縁性が向上する。   The first portion having a higher Young's modulus than the heat transfer sheet 703 and the second insulating material 602 with respect to the end of the circuit 203 where the thermal stress increases, the end of the ceramic insulating layer 303, and the end of the metal heat dissipation layer 403 By sealing with the insulating material 601, thermal stress can be reduced. This makes it possible to reduce warping deformation of the resin sealing body 901 and reduce thermal stress generated in the heat transfer sheet 703 and the second insulating material 602. Further, the insulating material covering the end portion of the ceramic insulating layer 303 where the stress is concentrated is sealed using one kind of material. As a result, it is possible to separate the advancing portion when the generation of the interfacial stress or the crack, which becomes a problem when sealing with two or more kinds of materials, from the interface with the ceramic insulating layer 303, and the insulation is improved.

<第1実施形態の変形例1>
図9を用いて、絶縁性に優れた第1実施形態のパワー半導体モジュールの変形例1を説明する。
<Variation 1 of the first embodiment>
A first modification of the power semiconductor module according to the first embodiment having excellent insulation will be described with reference to FIG.

図9(a)は図3のAA’を矢印方向から見た断面図である。変形例2に係るパワー半導体モジュールが備える樹脂封止体は、金属放熱層が、伝熱シートと金属放熱層の積層方向に沿って投影した場合、金属放熱層の射影部が、伝熱シートの射影部に包含するように設けられている。また、伝熱シートは、伝熱シートと回路の積層方向に沿って投影した場合、伝熱シートの射影部がコレクタ回路の射影部に包含するように設けられている。つまり、伝熱シート層703の幅は金属放熱層403よりも大きく、回路層203よりも小さい点が図4の樹脂封止体と異なる。図9(b)に電界解析の結果を示す。電界強度は83%であり、図5(b)と比較すると、電界強度を17%低減できた。この結果より、伝熱シートの幅が金属放熱層の幅よりも大きくても伝熱シートの幅が回路層の幅よりも小さい場合、第1実施形態と同程度の絶縁性向上効果があることが分かる。   FIG. 9A is a cross-sectional view of AA ′ of FIG. 3 viewed from the direction of the arrow. The resin encapsulant included in the power semiconductor module according to Modification 2 is configured such that when the metal heat dissipation layer is projected along the stacking direction of the heat transfer sheet and the metal heat dissipation layer, the projected portion of the metal heat dissipation layer is It is provided so as to be included in the projection part. Further, the heat transfer sheet is provided so that the projected portion of the heat transfer sheet is included in the projected portion of the collector circuit when projected along the stacking direction of the heat transfer sheet and the circuit. That is, the heat transfer sheet layer 703 is different from the resin sealing body of FIG. 4 in that the width of the heat transfer sheet layer 703 is larger than the metal heat dissipation layer 403 and smaller than the circuit layer 203. FIG. 9B shows the result of electric field analysis. The electric field strength was 83%, and compared with FIG. 5 (b), the electric field strength could be reduced by 17%. From this result, even if the width of the heat transfer sheet is larger than the width of the metal heat dissipation layer, if the width of the heat transfer sheet is smaller than the width of the circuit layer, there is an effect of improving the insulation performance to the same extent as the first embodiment I understand.

さらに、伝熱シートの幅を大きくすることで、伝熱シート内部での平面方向の熱広がり効果を発揮できる効果が追加される。この構成により、図6の第1実施形態に比較して樹脂封止体901の熱抵抗を低減することが可能となる。   Furthermore, the effect which can exhibit the heat spreading effect of the planar direction inside a heat exchanger sheet is added by enlarging the width | variety of a heat exchanger sheet. With this configuration, it is possible to reduce the thermal resistance of the resin sealing body 901 as compared with the first embodiment of FIG.

<第1実施形態の変形例2>
図10を用いて、絶縁性に優れた第1実施形態のパワー半導体モジュールの変形例2を説明する。
<Modification 2 of the first embodiment>
A modification 2 of the power semiconductor module according to the first embodiment having excellent insulation will be described with reference to FIG.

変形例2に係るパワー半導体モジュールが備える樹脂封止体は第二の絶縁材602が第一の絶縁材601よりも比誘電率が低い点が第1実施形態と異なる。図10は電界解析結果である。変形例2において、第二の絶縁材の比誘電率3.5、第一の絶縁材601の比誘電率は4.5である。   The resin sealing body included in the power semiconductor module according to Modification 2 is different from the first embodiment in that the second insulating material 602 has a lower relative dielectric constant than the first insulating material 601. FIG. 10 shows the electric field analysis results. In the second modification, the relative dielectric constant of the second insulating material is 3.5, and the relative dielectric constant of the first insulating material 601 is 4.5.

図10に示すように、第一の絶縁材よりも比誘電率が低い第二の絶縁材を用いることにより、電界強度は75%まで低減できる。第1実施形態と比較しても、絶縁性能を向上することが可能となる。   As shown in FIG. 10, the electric field strength can be reduced to 75% by using the second insulating material having a relative dielectric constant lower than that of the first insulating material. Compared with the first embodiment, the insulation performance can be improved.

<製造プロセス>
以下に、本発明に関するパワー半導体モジュールの製造プロセスの例を図11から図14を用いて説明する。
<Manufacturing process>
Hereinafter, an example of the manufacturing process of the power semiconductor module according to the present invention will be described with reference to FIGS.

図11は、セラミックス基板13のコレクタ回路203にIGBT101とダイオード110を搭載する工程を示す。IGBT101のコレクタ電極およびダイオード110のカソード電極は、コレクタ回路203に対し、金属接合部503を介して電気的に接合される。金属接合部と回路層との接合は、水素や不活性雰囲気中で250〜350℃まで加熱して行われる。   FIG. 11 shows a process of mounting the IGBT 101 and the diode 110 on the collector circuit 203 of the ceramic substrate 13. The collector electrode of IGBT 101 and the cathode electrode of diode 110 are electrically joined to collector circuit 203 via metal junction 503. Bonding between the metal bonding portion and the circuit layer is performed by heating to 250 to 350 ° C. in hydrogen or an inert atmosphere.

セラミックス絶縁層を、樹脂をマトリックスし、アルミナや窒化ホウ素やイットリアや窒化アルミ等の高熱伝導フィラーを混合したシート状の構成とした場合は、耐熱性の観点より金属接合部503の接合後にメタライズ層403とともに取り付けるプロセスが望ましい。   When the ceramic insulating layer has a sheet-like configuration in which a resin is matrixed and a high thermal conductive filler such as alumina, boron nitride, yttria, or aluminum nitride is mixed, the metallized layer is bonded after the metal bonding portion 503 is bonded from the viewpoint of heat resistance. The process of attaching with 403 is desirable.

回路203と金属放熱層403は、例えば強固な接合ができるロウ材を用いてセラミックス絶縁層303に対して接合される。ロウ材の融点は、上記のIGBT101やダイオード110をコレクタ回路203に接合する温度よりも高い方がよい。この時、セラミックス絶縁層をはさんで、回路と金属放熱層の熱膨張率差とヤング率から求まる熱応力が等しくなるようにすることが望ましい。本実施形態では、回路の幅を金属放熱層の幅よりも広くしてあるので、同一組成の材料を用いた場合は、やや厚くすることが好ましい。   The circuit 203 and the metal heat dissipation layer 403 are bonded to the ceramic insulating layer 303 using, for example, a brazing material that can be firmly bonded. The melting point of the brazing material is preferably higher than the temperature at which the IGBT 101 and the diode 110 are joined to the collector circuit 203. At this time, it is desirable to make the thermal stress obtained from the difference in thermal expansion coefficient and the Young's modulus between the circuit and the metal heat dissipation layer equal across the ceramic insulating layer. In the present embodiment, since the width of the circuit is wider than the width of the metal heat dissipation layer, it is preferable to make the circuit slightly thicker when materials having the same composition are used.

図12は、制御端子のゲート端子21とセンスエミッタ端子25、パワー端子のエミッタ端子22とコレクタ端子23を搭載する工程を示す。図12に示すように、制御端子のゲート端子21とセンスエミッタ端子25、パワー端子のエミッタ端子22とコレクタ端子23は、帯状に一体化されている。IGBT101のゲート電極はゲート端子21に対し、電気抵抗が小さいAlやCu製のワイヤやリボン等を用いて超音波接合する(図示せず)。同様にIGBT101のエミッタ電極、ダイオード110のアノード電極はエミッタ端子22に対し、電気抵抗が小さいAlやCu製のワイヤやリボン等を用いて超音波接合する(図示せず)。コレクタ回路203は、コレクタ端子23に対し、電気抵抗が小さいAlやCu製のワイヤやリボン等を用いて超音波接合する(図示せず)。センスエミッタ端子25は、IGBT101にセンスエミッタ電極がある場合はセンスエミッタ電極と、ない場合はエミッタ電極に対し電気抵抗が小さいAlやCu製のワイヤやリボン等を用いて超音波接合する(図示せず)。AlやCu製のワイヤやリボン等に変えて、AlやCuのリード材を用意して、金属接合部503を用いて接合してもよい。その場合は、図7に示す工程で同時に行うことができる。   FIG. 12 shows a process of mounting a gate terminal 21 and a sense emitter terminal 25 as control terminals, and an emitter terminal 22 and a collector terminal 23 as power terminals. As shown in FIG. 12, the control terminal gate terminal 21 and the sense emitter terminal 25, and the power terminal emitter terminal 22 and the collector terminal 23 are integrated in a strip shape. The gate electrode of the IGBT 101 is ultrasonically bonded to the gate terminal 21 using a wire or ribbon made of Al or Cu having a low electrical resistance (not shown). Similarly, the emitter electrode of the IGBT 101 and the anode electrode of the diode 110 are ultrasonically bonded to the emitter terminal 22 using an Al or Cu wire or ribbon having a low electrical resistance (not shown). The collector circuit 203 is ultrasonically bonded to the collector terminal 23 using a wire or ribbon made of Al or Cu having a low electrical resistance (not shown). The sense emitter terminal 25 is ultrasonically bonded by using a sense emitter electrode when the IGBT 101 has a sense emitter electrode, or by using an Al or Cu wire or ribbon having a low electric resistance with respect to the emitter electrode if not present (not shown). ) Instead of Al or Cu wires or ribbons, an Al or Cu lead material may be prepared and bonded using the metal bonding portion 503. In that case, the steps shown in FIG. 7 can be performed simultaneously.

図13(a)は、トランスファーモールド工程後の外観斜視図を示している。上述の帯状の一体部20を封止後に切断し、端子間の絶縁を確保することで、図13(b)に示す樹脂封止体901が完成する。   FIG. 13A shows an external perspective view after the transfer molding process. The above-described band-shaped integrated portion 20 is cut after sealing, and insulation between terminals is ensured, whereby a resin sealing body 901 shown in FIG. 13B is completed.

第一の絶縁材601の、封止硬化温度は150〜200℃の範囲とすることが好ましい。第一の絶縁材601で封止する前には、回路、端子、セラミックス絶縁層、金属放熱層、半導体チップ、金属接合部に対して第一の絶縁材601と密着強度を向上する処理を施すことが望ましい。例えば、ポリアミドイミドやポリイミドなどの塗布膜を形成する手法や表面を粗化する手法をとる。   It is preferable that the sealing curing temperature of the first insulating material 601 is in the range of 150 to 200 ° C. Before sealing with the first insulating material 601, the circuit, the terminal, the ceramic insulating layer, the metal heat dissipation layer, the semiconductor chip, and the metal joint are subjected to a treatment for improving the adhesion strength with the first insulating material 601. It is desirable. For example, a method of forming a coating film such as polyamideimide or polyimide or a method of roughening the surface is employed.

図14は、樹脂封止体901を水路803に取り付ける工程を示している。第二の絶縁材602は額縁状の形状をとっている。例えば、その外形を第一の絶縁材601の外形にあわせて位置合わせをしやすくすることが可能である。第1実施形態では、第一の絶縁材601と外形を合わせているが、水路にあわせることも可能である。一方、第二の絶縁材の額縁状の形状の内径は、伝熱シート703の外形にあわせて、位置合わせをしやすくすることが可能である。位置合わせがしやすくなるため、生産性を向上できる。この状態で水路に設置し、ボルトあるいはバネ加圧等で押圧した状態とする。   FIG. 14 shows a process of attaching the resin sealing body 901 to the water channel 803. The second insulating material 602 has a frame shape. For example, the outer shape can be easily aligned with the outer shape of the first insulating material 601. In the first embodiment, the outer shape is matched with that of the first insulating material 601, but it is also possible to match with the water channel. On the other hand, the inner diameter of the frame-like shape of the second insulating material can be easily aligned in accordance with the outer shape of the heat transfer sheet 703. Productivity can be improved because alignment is facilitated. It installs in a waterway in this state, and is set as the state pressed with the volt | bolt or the spring pressurization.

また、図1に示すように、一つの水路に複数の樹脂封止体を設置することも可能であり、複数の伝熱シート703を設置できる枠を設けた第二の絶縁材602とすることで、位置合わせできるようにすることが可能である。   Moreover, as shown in FIG. 1, it is also possible to install a plurality of resin sealing bodies in one water channel, and the second insulating material 602 is provided with a frame on which a plurality of heat transfer sheets 703 can be installed. Thus, it is possible to enable alignment.

以下に、本実施形態で得られる効果を説明する。   Below, the effect obtained by this embodiment is demonstrated.

樹脂封止体901の使用環境下で必要な耐熱性の順序は、金属接合部503、第一の絶縁材601、伝熱シート703、第二の絶縁材602の順である。これに対し、プロセス温度が使用環境下で想定される温度よりも高いとしても、本実施形態のように製造プロセスの順序が、使用環境下で必要な耐熱温度の順序になっていることで、プロセス時に発生する熱応力を小さくすることが可能である。これにより、絶縁部に発生する亀裂や剥離などを防止でき、パワー半導体モジュールの絶縁信頼性を向上できる。   The order of heat resistance required in the usage environment of the resin sealing body 901 is the order of the metal joint portion 503, the first insulating material 601, the heat transfer sheet 703, and the second insulating material 602. On the other hand, even if the process temperature is higher than the temperature assumed in the use environment, the order of the manufacturing process is the order of the heat-resistant temperature required in the use environment as in this embodiment. It is possible to reduce the thermal stress generated during the process. Thereby, the crack, peeling, etc. which generate | occur | produce in an insulation part can be prevented, and the insulation reliability of a power semiconductor module can be improved.

本実施形態のように、ゲート端子21、エミッタ端子22、コレクタ端子23、センスエミッタ端子25を同一平面から引き出している。これにより、第一の絶縁材601をトランスファーモールドの金型に設置する場合、端子間位置を高精度に位置決めできる。位置ずれが発生すると、樹脂漏れや型締め時の過大な応力が発生する。帯状の一体部20を用いてトランスファーモールドすることで、放熱面である金属放熱層403の一面を露出するとともに、IGBT101、ダイオード110、セラミックス303等の脆性部材に対し、これらの部材が露出しないように樹脂601で封止できる。これにより、放熱面を第一の絶縁材601に対し平行に設置でき、水路803とのクリアランスを平行に設定することが可能となる。また、露出した金属放熱層403の同一平面上に、第一の絶縁材601が存在する状態にできる。これにより、押圧時の均一性を付与できる。また、第一の絶縁材601でIGBT101、ダイオード110、セラミックス303等の脆性部材を被覆しているため、直接応力がかからない状態にでき、研削や機械加工等による追加工を実施することが可能になる。   As in this embodiment, the gate terminal 21, the emitter terminal 22, the collector terminal 23, and the sense emitter terminal 25 are drawn from the same plane. Thereby, when installing the 1st insulating material 601 in the metal mold | die of a transfer mold, the position between terminals can be positioned with high precision. When the displacement occurs, excessive stress occurs during resin leakage or mold clamping. By performing transfer molding using the band-shaped integrated portion 20, one surface of the metal heat dissipation layer 403, which is a heat dissipation surface, is exposed, and these members are not exposed to brittle members such as the IGBT 101, the diode 110, and the ceramic 303. Can be sealed with resin 601. Thereby, the heat radiation surface can be installed in parallel to the first insulating material 601, and the clearance with the water channel 803 can be set in parallel. In addition, the first insulating material 601 can be present on the same plane of the exposed metal heat dissipation layer 403. Thereby, the uniformity at the time of a press can be provided. In addition, since the first insulating material 601 covers brittle members such as the IGBT 101, the diode 110, and the ceramic 303, it is possible to prevent direct stress and to perform additional processing such as grinding or machining. Become.

<製造プロセスの変形例2>
図15は、樹脂封止体901を水路803に取り付ける工程を示している。伝熱シート703は樹脂封止体901の放熱面43に仮付けしてボルトあるいはバネ加圧等で押圧した状態で設置する。水路側には、額縁状の第三の絶縁部材603が取り付けられる。伝熱シート703の外周部の残った空間に第二の絶縁材602が注入される。その後、絶縁材を硬化するために熱処理をおこなう。額縁状の第三の絶縁部材603は、例えばPPS、PBT等の熱可塑性絶縁材料が用いられる。
<Modification 2 of Manufacturing Process>
FIG. 15 shows a process of attaching the resin sealing body 901 to the water channel 803. The heat transfer sheet 703 is installed in a state where it is temporarily attached to the heat radiation surface 43 of the resin sealing body 901 and pressed with a bolt or a spring. A frame-shaped third insulating member 603 is attached to the water channel side. The second insulating material 602 is injected into the remaining space on the outer periphery of the heat transfer sheet 703. Thereafter, heat treatment is performed to cure the insulating material. For the frame-shaped third insulating member 603, for example, a thermoplastic insulating material such as PPS or PBT is used.

図示しないが、絶縁材料で形成した額縁状の壁面603に、樹脂封止体の端子21、22、23、25を設置する凹部や貫通穴を設けて水路と樹脂封止体の位置決めを行うことが可能である。また、加圧部品の支持部として額縁状の第三の絶縁部材603を用いることも可能である。   Although not shown in the figure, the water channel and the resin sealing body are positioned by providing the frame-shaped wall surface 603 formed of an insulating material with recesses and through holes for installing the terminals 21, 22, 23, and 25 of the resin sealing body. Is possible. It is also possible to use a frame-shaped third insulating member 603 as a supporting part for the pressure component.

<第2実施形態>
本発明に関するパワー半導体モジュールの一例を図16から図19を用いて説明する。なお、第2実施形態、第3実施形態では、第1実施形態と同一の構成については説明を省略する。
Second Embodiment
An example of the power semiconductor module according to the present invention will be described with reference to FIGS. In the second embodiment and the third embodiment, the description of the same configuration as that of the first embodiment is omitted.

図16は、本発明に関するパワー半導体モジュールの一例の斜視図である。複数の樹脂封止体902は伝熱シート703を介して(図示せず)複数の水路804に挟まれている。図17に示す樹脂封止体902は、第1実施形態と同様に図2に示す1in1の回路を有する。図中表面に位置する放熱面42と裏面に位置する放熱面43(図示せず)は、それぞれ樹脂封止体902の放熱面である。また、制御端子のゲート端子21とセンスエミッタ端子25、パワー端子のエミッタ端子22とコレクタ端子23が同一方向に引き出されている。第一の絶縁材601は、各端子21、22、23、25と放熱面42、43を除く領域に充填されている。   FIG. 16 is a perspective view of an example of a power semiconductor module according to the present invention. The plurality of resin sealing bodies 902 are sandwiched between the plurality of water channels 804 via the heat transfer sheet 703 (not shown). The resin sealing body 902 shown in FIG. 17 has the 1 in 1 circuit shown in FIG. 2 as in the first embodiment. In the figure, a heat radiation surface 42 located on the front surface and a heat radiation surface 43 (not shown) located on the back surface are heat radiation surfaces of the resin sealing body 902, respectively. The control terminal gate terminal 21 and the sense emitter terminal 25, and the power terminal emitter terminal 22 and the collector terminal 23 are drawn out in the same direction. The first insulating material 601 is filled in a region excluding the terminals 21, 22, 23, 25 and the heat radiation surfaces 42, 43.

図18は、図17から第一の絶縁材601を取り除いた領域の斜視図を示している。本実施形態では、搭載するパワー半導体デバイスとして、2枚のIGBT101および2枚のダイオード110とを備えている。2枚のIGBT101および2枚のダイオード110は、表裏に回路パターンと金属放熱層を有するエミッタ電極側のセラミックス基板12とコレクタ電極側のセラミックス基板13に挟まれた形態をとっている(理解を助けるために図示している)。   FIG. 18 is a perspective view of a region where the first insulating material 601 is removed from FIG. In the present embodiment, two IGBTs 101 and two diodes 110 are provided as power semiconductor devices to be mounted. The two IGBTs 101 and the two diodes 110 are in the form of being sandwiched between a ceramic substrate 12 on the emitter electrode side and a ceramic substrate 13 on the collector electrode side having circuit patterns and metal heat dissipation layers on the front and back sides (helping understanding). For illustration).

図19は、図18の点線AA’部の断面図である。IGBT101のコレクタ電極は、金属放熱層403とセラミックス絶縁層303を有する絶縁基板13に設けられたコレクタ回路203に対し、金属接合部503を介して電気的に接合されている。IGBT101のエミッタ電極102は、金属放熱層402とセラミックス絶縁層302を有する絶縁基板12に設けられたエミッタ回路202に対し、金属接合部502と突出部202Aを介して電気的に接合されている。   FIG. 19 is a cross-sectional view taken along a dotted line AA ′ in FIG. The collector electrode of the IGBT 101 is electrically bonded to the collector circuit 203 provided on the insulating substrate 13 having the metal heat dissipation layer 403 and the ceramic insulating layer 303 via the metal bonding portion 503. The emitter electrode 102 of the IGBT 101 is electrically bonded to the emitter circuit 202 provided on the insulating substrate 12 having the metal heat dissipation layer 402 and the ceramic insulating layer 302 via the metal bonding portion 502 and the protruding portion 202A.

また、セラミックス基板12、13のIGBT搭載面の反対側の面には、放熱面42と43が形成されている。IGBT101のアクティブ部で発生した熱は、絶縁基板13を伝熱する経路と、突出部202Aから絶縁基板12を垂直方向に伝熱する経路の二つがある。表裏方向と二つの放熱経路を有する樹脂封止体備えるパワー半導体モジュールを両面冷却型のパワー半導体モジュールと定義する。   Further, heat radiation surfaces 42 and 43 are formed on the surface of the ceramic substrates 12 and 13 opposite to the IGBT mounting surface. The heat generated in the active portion of the IGBT 101 has two paths: a path for transferring heat through the insulating substrate 13 and a path for transferring heat through the insulating substrate 12 from the protrusion 202A in the vertical direction. A power semiconductor module including a resin sealing body having front and back directions and two heat radiation paths is defined as a double-sided cooling type power semiconductor module.

エミッタ回路202に設けた突出部202Aは、第一の絶縁材601の絶縁特性から決まるエミッタ回路202/コレクタ回路203間の絶縁距離を制御する機能を持つ。突出部202Aは、接合プロセス時に自立できるように、設置面の幅や奥行きを厚みよりも大きい形状としている。次に、金属接合部502よりも突出部202Aの厚みを大きくし、接合時の傾きや厚みばらつきが小さくなるようにしている。さらに、組立性を向上するため、突出部202Aのエミッタ電極102への設置面の幅や奥行きは、エミッタ電極102よりも小さくしている。   The protrusion 202A provided in the emitter circuit 202 has a function of controlling the insulation distance between the emitter circuit 202 and the collector circuit 203 determined from the insulation characteristics of the first insulating material 601. The protrusion 202A has a shape in which the width and depth of the installation surface are larger than the thickness so that the protrusion 202A can be independent during the joining process. Next, the thickness of the protruding portion 202A is made larger than that of the metal joint portion 502, so that the inclination and thickness variation during joining are reduced. Furthermore, in order to improve assemblability, the width and depth of the installation surface of the protrusion 202A to the emitter electrode 102 are made smaller than those of the emitter electrode 102.

突出部202Aには、低電気抵抗かつ低熱抵抗になるよう、熱伝導率の高い銅やアルミニウム、モリブデン、タングステン、カーボン、それらの合金、複合材を選択した方が望ましい。また、それらを組み合わせ、銅やアルミニウムに対する低熱膨張な中間層を設置してもよい。本実施形態では、中間層を省略した構造としている。   For the protrusion 202A, it is desirable to select copper, aluminum, molybdenum, tungsten, carbon, an alloy thereof, or a composite material having high thermal conductivity so as to have low electrical resistance and low thermal resistance. Moreover, you may install them and you may install the low thermal expansion intermediate | middle layer with respect to copper or aluminum. In this embodiment, the intermediate layer is omitted.

セラミックス絶縁層302、303は、第1実施形態と同様に、絶縁耐圧が高い窒化アルミニウム、窒化珪素、アルミナ等が用いられる。第2実施形態に係るパワー半導体モジュールの樹脂封止体では、表裏のセラミックス絶縁層の厚さを同等にすることで、樹脂封止体の熱応力による変形を小さくすることができる   As in the first embodiment, the ceramic insulating layers 302 and 303 are made of aluminum nitride, silicon nitride, alumina or the like having a high withstand voltage. In the resin sealing body of the power semiconductor module according to the second embodiment, the deformation due to the thermal stress of the resin sealing body can be reduced by making the thicknesses of the ceramic insulating layers on the front and back sides equal.

IGBT101の主電極であるエミッタ電極102やコレクタ電極103を搭載するエミッタ回路202やコレクタ回路203には、第1実施形態と同様な材料を用いることができる。また、第1実施形態と同様に中間層を設置しても良い。   The same material as that of the first embodiment can be used for the emitter circuit 202 and the collector circuit 203 on which the emitter electrode 102 and the collector electrode 103 which are the main electrodes of the IGBT 101 are mounted. Moreover, you may install an intermediate | middle layer similarly to 1st Embodiment.

金属放熱層402、403には、第1実施形態と同様な材料を用いることができる。また、金属放熱層とセラミックス絶縁層間に第1実施形態と同様に中間層を設置しても良い。   For the metal heat dissipation layers 402 and 403, the same material as that of the first embodiment can be used. Further, an intermediate layer may be provided between the metal heat dissipation layer and the ceramic insulating layer as in the first embodiment.

回路部202、203と金属放熱層402、403は、例えばセラミックス302、303と強固な接合ができるロウ材を用いて接合される。この時、セラミックス絶縁層をはさんで、回路と金属放熱層の熱膨張率差とヤング率から求まる熱応力が等しくなるようにする方が望ましい。   The circuit portions 202 and 203 and the metal heat dissipation layers 402 and 403 are bonded using, for example, a brazing material that can be firmly bonded to the ceramics 302 and 303. At this time, it is desirable to make the thermal stress obtained from the difference between the thermal expansion coefficient and the Young's modulus between the circuit and the metal heat dissipation layer equal across the ceramic insulating layer.

第一の絶縁材601には、第1実施形態と同様な材料を用いることができる。第一の絶縁材601に上述の樹脂を用いで封止する前には、回路、端子、セラミックス絶縁層、金属放熱層、半導体チップ、金属接合部に対して第一の絶縁材601と密着強度を向上する処理を施すことが望ましい。例えば、ポリアミドイミドやポリイミドなどの塗布膜を形成する手法をとる。   A material similar to that of the first embodiment can be used for the first insulating material 601. Before sealing the first insulating material 601 with the above-described resin, the first insulating material 601 and the adhesion strength with respect to the circuit, terminal, ceramic insulating layer, metal heat dissipation layer, semiconductor chip, and metal joint portion. It is desirable to perform a process for improving the above. For example, a method of forming a coating film such as polyamideimide or polyimide is employed.

エミッタ電極102、コレクタ電極103を接合する金属接合部502、503、伝熱シート702、703、第二の絶縁材には、第1実施形態と同様な材料を用いることができる。   The same material as that of the first embodiment can be used for the metal joint portions 502 and 503, the heat transfer sheets 702 and 703, and the second insulating material that join the emitter electrode 102 and the collector electrode 103.

第2実施形態に係る樹脂封止体において、コレクタ回路203と金属放熱層403と伝熱シート703を積層方向に沿って投影した場合、金属放熱層の射影部がコレクタ回路の射影部及び伝熱シートの射影部に包含され、伝熱シートの射影部がコレクタ回路の射影部に包含される。従って、コレクタ回路203の幅は、金属放熱層403の幅よりも大きい。伝熱シート703の幅は、コレクタ回路203の幅よりも小さく、金属放熱層403の幅よりも大きい。   In the resin sealing body according to the second embodiment, when the collector circuit 203, the metal heat radiation layer 403, and the heat transfer sheet 703 are projected along the stacking direction, the projected portion of the metal heat dissipation layer is the projected portion of the collector circuit and the heat transfer. The projection part of the sheet is included in the projection part of the sheet, and the projection part of the heat transfer sheet is included in the projection part of the collector circuit. Therefore, the width of the collector circuit 203 is larger than the width of the metal heat dissipation layer 403. The width of the heat transfer sheet 703 is smaller than the width of the collector circuit 203 and larger than the width of the metal heat dissipation layer 403.

また、エミッタ回路202と金属放熱層402と伝熱シート702の積層方向に沿って投影した場合、金属放熱層の射影部がエミッタ回路の射影部及び伝熱シートの射影部に包含され、伝熱シートの射影部がエミッタ回路の射影部に包含される。したがって、エミッタ回路202の幅は、金属放熱層402の幅よりも大きい。伝熱シート702は、エミッタ回路202の幅よりも小さく、金属放熱層402の幅よりも大きい。   In addition, when projected along the stacking direction of the emitter circuit 202, the metal heat radiation layer 402, and the heat transfer sheet 702, the projection part of the metal heat dissipation layer is included in the projection part of the emitter circuit and the projection part of the heat transfer sheet. The projected part of the sheet is included in the projected part of the emitter circuit. Therefore, the width of the emitter circuit 202 is larger than the width of the metal heat dissipation layer 402. The heat transfer sheet 702 is smaller than the width of the emitter circuit 202 and larger than the width of the metal heat dissipation layer 402.

このように伝熱シート702、703の幅はセラミックス絶縁層302、303の幅よりも小さくすることで、電界集中部となるエミッタ回路202およびコレクタ回路203端部の電界を緩和し、樹脂封止体902の絶縁性能を向上することが可能となる。その結果、パワー半導体モジュールの絶縁信頼性を向上できる。   Thus, by making the width of the heat transfer sheets 702 and 703 smaller than the width of the ceramic insulating layers 302 and 303, the electric fields at the ends of the emitter circuit 202 and the collector circuit 203 serving as electric field concentrating portions are relaxed, and resin sealing is performed. The insulation performance of the body 902 can be improved. As a result, the insulation reliability of the power semiconductor module can be improved.

<第2実施形態の変形例1>
図20から図22は、本発明に関するパワー半導体モジュールの一例である。図20は、第2実施形態の斜視図である。第2実施形態の変形例1に係るパワー半導体モジュールは、一方側に開口部を有すると共に他方側に凹部を有する隔壁部材(金属ケース)611と、一方側の開口部に収納される樹脂封止体、他方側の凹部に収納される冷却器804とを備え、樹脂封止体は、隔壁部材(金属ケース)を介して冷却器に挟まれるように収納されている。
<Modification Example 1 of Second Embodiment>
20 to 22 show an example of a power semiconductor module according to the present invention. FIG. 20 is a perspective view of the second embodiment. A power semiconductor module according to Modification 1 of the second embodiment includes a partition member (metal case) 611 having an opening on one side and a recess on the other side, and a resin seal housed in the opening on the one side And a cooler 804 housed in the recess on the other side, and the resin-sealed body is housed so as to be sandwiched by the cooler via a partition member (metal case).

図21は理解を助けるための組み立て図である。金属ケース611の上面に設けられた開口部に複数の樹脂封止体902が挿入され、下面に設けられた凹部には、複数の水路804が交互に挿入される構造となっている。   FIG. 21 is an assembly diagram for helping understanding. A plurality of resin sealing bodies 902 are inserted into openings provided on the upper surface of the metal case 611, and a plurality of water channels 804 are alternately inserted into recesses provided on the lower surface.

図22は図20のパワー半導体モジュールの挿入部AA’の断面模式図であり、反時計周りに90°回転している。樹脂封止体902と水路804の間には、金属ケース611が存在し、樹脂封止体902の放熱面42、43と金属ケース611の界面に、それぞれ伝熱シート702、703が設けられている。   FIG. 22 is a schematic cross-sectional view of the insertion portion AA ′ of the power semiconductor module of FIG. 20, which is rotated 90 ° counterclockwise. A metal case 611 exists between the resin sealing body 902 and the water channel 804, and heat transfer sheets 702 and 703 are respectively provided at the interfaces between the heat radiation surfaces 42 and 43 of the resin sealing body 902 and the metal case 611. Yes.

この構造により、樹脂封止体902を水路804に押圧状態で設置した後、金属ケース611の開口部から第二の絶縁材602を漏れることなく充填することが可能となる。ここでは、伝熱経路に絶縁材602を設置するためのケース611を設けている点が異なる。樹脂封止体902の冷却性能を向上するため、金属ケース611の材質は、高熱伝導なCuやAl、それらの合金とした方が好ましい。また、金属ケース611の厚みは薄い方がよく、1mm未満の厚さにした方がよい。   With this structure, it is possible to fill the second insulating material 602 without leaking from the opening of the metal case 611 after the resin sealing body 902 is installed in the water channel 804 in a pressed state. Here, a difference is that a case 611 for installing the insulating material 602 in the heat transfer path is provided. In order to improve the cooling performance of the resin sealing body 902, the metal case 611 is preferably made of Cu, Al, or an alloy thereof having high thermal conductivity. Further, the metal case 611 is preferably thin, and is preferably less than 1 mm.

<第2実施形態の変形例2>
図23を用いて、第2実施形態の変形例2を説明する。図23は、図20のパワー半導体モジュールの挿入部AA’の断面模式図であり、反時計周りに90°回転している。樹脂封止体902と水路804の間には、金属ケース611が存在する。金属ケース611は、樹脂封止体902の端子側の1方向にのみ開口部を有した構造となっている。樹脂封止体902の放熱面42、43と金属ケース611の界面に、それぞれ伝熱シート702と703が設けられている。ここでは、さらに、水路804と金属ケース611との界面にも伝熱シート704と705が設置している点が異なる。
<Modification 2 of the second embodiment>
Modification 2 of 2nd Embodiment is demonstrated using FIG. FIG. 23 is a schematic cross-sectional view of the insertion portion AA ′ of the power semiconductor module of FIG. 20, which is rotated 90 ° counterclockwise. A metal case 611 exists between the resin sealing body 902 and the water channel 804. The metal case 611 has a structure having an opening only in one direction on the terminal side of the resin sealing body 902. Heat transfer sheets 702 and 703 are provided on the interfaces between the heat radiation surfaces 42 and 43 of the resin sealing body 902 and the metal case 611, respectively. Here, the difference is that heat transfer sheets 704 and 705 are also installed at the interface between the water channel 804 and the metal case 611.

本実施形態では、金属ケース611の外側の水路側に設置した伝熱シートの幅を水路804の幅よりもせまくしている。このような構造にすることで、樹脂封止体902を水路804に押圧状態で設置した際、伝熱シート702と703の外周部の金属ケース611が水路側に変形する。電界集中部となるエミッタ回路202やコレクタ回路203の端部からの金属ケース611の距離が離すことができる。その結果、エミッタ回路202およびコレクタ回路203端部の電界を緩和し、樹脂封止体902の絶縁性能を向上することが可能となる。   In the present embodiment, the width of the heat transfer sheet installed on the water channel side outside the metal case 611 is made smaller than the width of the water channel 804. By setting it as such a structure, when the resin sealing body 902 is installed in the water channel 804 in the press state, the metal case 611 of the outer peripheral part of the heat-transfer sheets 702 and 703 deform | transforms into a water channel side. The distance of the metal case 611 from the edge part of the emitter circuit 202 and the collector circuit 203 which become an electric field concentration part can be separated. As a result, the electric field at the ends of the emitter circuit 202 and the collector circuit 203 can be relaxed, and the insulating performance of the resin sealing body 902 can be improved.

<第3実施形態>
本発明に関する樹脂封止体の一例を図24から図27を用いて説明する。
<Third Embodiment>
An example of the resin sealing body according to the present invention will be described with reference to FIGS.

図24は本発明に関するパワー半導体モジュールの斜視図である。ここでは、樹脂封止体903の回路を図25に示す2in1の回路構成とした点が第2実施形態と異なる。第3実施形態のパワー半導体モジュールのように、上アーム回路と下アーム回路の2つのアーム回路を一体にモジュール化した構造を2in1構造という。2in1構造は、1つのアーム回路ごとにモジュール化する1in1構造に比べ、出力端子の数を低減することができる。本実施形態では、2in1構造の例を示したが、3in1構造、4in1構造又は6in1構造等にすることにより、さらに端子数を低減することができる。2in1構造の樹脂封止体を備えるパワー半導体モジュールでは、上アーム回路と下アーム回路を並べ、絶縁層を介して金属平板と対向して配置することにより、磁界相殺効果で回路のインダクタンスを低減することができる。   FIG. 24 is a perspective view of a power semiconductor module according to the present invention. Here, the second embodiment is different from the second embodiment in that the circuit of the resin sealing body 903 has a 2-in-1 circuit configuration shown in FIG. A structure in which the two arm circuits of the upper arm circuit and the lower arm circuit are integrated into a module like the power semiconductor module of the third embodiment is referred to as a 2-in-1 structure. The 2-in-1 structure can reduce the number of output terminals compared to the 1-in-1 structure in which each arm circuit is modularized. In the present embodiment, an example of a 2in1 structure is shown, but the number of terminals can be further reduced by using a 3in1 structure, a 4in1 structure, a 6in1 structure, or the like. In a power semiconductor module provided with a 2-in-1 resin encapsulant, an upper arm circuit and a lower arm circuit are arranged side by side and arranged opposite to a metal flat plate with an insulating layer interposed therebetween, thereby reducing the inductance of the circuit due to a magnetic field canceling effect. be able to.

第3実施形態では、IGBT101とダイオード110が2個ずつ搭載されている。樹脂封止体903は、上アーム用IGBT101Uと下アーム用IGBT101Lとを直列したものである。また、樹脂封止体903の表裏面となる42Uおよび42L、43Uおよび43Lが冷却面となる。また、制御端子である上下アームのゲート端子21U、21Lと上下アームのセンスエミッタ端子25U、25L、パワー端子である下アームのエミッタ端子(直流負極接続端子)22L、上アームのコレクタ端子(直流正極接続端子)23U、中間端子(交流接続端子)24Mがそれぞれ第一の絶縁材601から同一方向に引き出されている。   In the third embodiment, two IGBTs 101 and two diodes 110 are mounted. The resin sealing body 903 is a series of an upper arm IGBT 101U and a lower arm IGBT 101L. Further, 42U and 42L, 43U and 43L which are front and back surfaces of the resin sealing body 903 are cooling surfaces. Also, gate terminals 21U and 21L of the upper and lower arms as control terminals, sense emitter terminals 25U and 25L of the upper and lower arms, emitter terminals (DC negative electrode connection terminals) 22L of the lower arm as power terminals, collector terminals (DC positive electrodes) of the upper arm Connection terminal) 23U and intermediate terminal (AC connection terminal) 24M are each drawn out from the first insulating material 601 in the same direction.

図26は、回路図の理解を助けるために、図24の第一の絶縁材601とセラミックス基板12の絶縁層302と放熱部402Uおよび402Lを除いた領域の斜視図である。上アーム用IGBT101Uとダイオード110Uは、コレクタ電極とカソード電極がコレクタ回路203Uに接続され、エミッタ電極とアノード電極がエミッタ回路202Uに接続されている。下アーム用IGBT101Lとダイオード110Lは、コレクタ電極とカソード電極がコレクタ回路203Lに接続され、エミッタ電極とアノード電極がエミッタ回路202Lに接続されている。また、IGBT101はゲート電極とセンスエミッタ電極が設けられており、端子21と25に接続されている。また、上アームのエミッタ回路202Uと下アームのコレクタ回路203Lとが、中間電極202Mを介して接続されている。このように、中間電極202Mにより上アーム回路と下アーム回路とが電気的に接続され、図25に示すような上下アーム直列回路が形成される。   FIG. 26 is a perspective view of a region excluding the first insulating material 601, the insulating layer 302 of the ceramic substrate 12, and the heat radiation portions 402 </ b> U and 402 </ b> L in order to facilitate understanding of the circuit diagram. The upper arm IGBT 101U and the diode 110U have a collector electrode and a cathode electrode connected to the collector circuit 203U, and an emitter electrode and an anode electrode connected to the emitter circuit 202U. The lower arm IGBT 101L and the diode 110L have a collector electrode and a cathode electrode connected to the collector circuit 203L, and an emitter electrode and an anode electrode connected to the emitter circuit 202L. The IGBT 101 is provided with a gate electrode and a sense emitter electrode, and is connected to terminals 21 and 25. The upper arm emitter circuit 202U and the lower arm collector circuit 203L are connected to each other through the intermediate electrode 202M. In this way, the upper arm circuit and the lower arm circuit are electrically connected by the intermediate electrode 202M, and an upper and lower arm series circuit as shown in FIG. 25 is formed.

図27は、点線BB’の断面模式図である。絶縁層302のチップ搭載面には、上下アームのエミッタ回路202Uおよび202Lを設ける。裏面には、放熱層となる上下アームの金属放熱層402Uおよび402Lがそれぞれに設けられる。金属層402Uおよび402Lの幅は、それぞれのエミッタ回路202Uおよび202Lよりも小さくする。また、伝熱シート702についても、702Uおよび702Lとそれぞれ設けることで、第二の絶縁材602Bを設置できる空間を設ける。絶縁層303側も同様である。この構造にすることで、2in1の回路であっても、電界集中部となる各エミッタ、コレクタ回路の端部の電界を緩和し、樹脂封止体903の絶縁性能を向上することが可能となる。   FIG. 27 is a schematic cross-sectional view taken along dotted line BB ′. On the chip mounting surface of the insulating layer 302, upper and lower arm emitter circuits 202U and 202L are provided. On the back surface, metal heat radiation layers 402U and 402L of upper and lower arms to be heat radiation layers are respectively provided. The widths of the metal layers 402U and 402L are made smaller than the respective emitter circuits 202U and 202L. Moreover, also about the heat-transfer sheet | seat 702, the space which can install the 2nd insulating material 602B is provided by providing 702U and 702L, respectively. The same applies to the insulating layer 303 side. With this structure, even in a 2 in 1 circuit, the electric field at each end of the emitter and collector circuits that become the electric field concentration portion can be relaxed, and the insulating performance of the resin sealing body 903 can be improved. .

第一の絶縁材601により、金属放熱層402U、402L、403U、403Lが放熱面を除き封止されていることで、各放熱面を同一平面状にすることが可能である。これにより、伝熱シート702U、702L、703U、703Lと複数用いた際のクリアランスの均一化が可能となる。さらに、金属放熱層402U、402L、403U、403Lの側面を被覆していること、第二の絶縁材602が外周部に存在することで、伝熱シート702U、702L、703U、703Lの金属放熱層側面へ侵入を防止できる。これらの効果により、使用環境下の絶縁信頼性の維持を可能にする。   Since the metal heat dissipation layers 402U, 402L, 403U, and 403L are sealed by the first insulating material 601 except for the heat dissipation surface, it is possible to make each heat dissipation surface the same plane. As a result, the heat transfer sheets 702U, 702L, 703U, and 703L can be made uniform in clearance when a plurality of sheets are used. Furthermore, by covering the side surfaces of the metal heat radiation layers 402U, 402L, 403U, and 403L, and the presence of the second insulating material 602 on the outer periphery, the metal heat radiation layers of the heat transfer sheets 702U, 702L, 703U, and 703L Intrusion to the side can be prevented. These effects make it possible to maintain the insulation reliability in the environment of use.

本実施形態では、絶縁層302、303を上下アームの回路や金属放熱層に対して、それぞれ一体としたことで製造プロセスでの生産性を向上できる。ただし、第一の絶縁材601、上下アームを一体とでき上記の効果を発揮できるので、絶縁層302Uと302L等それぞれに分割することも可能である。   In the present embodiment, the productivity in the manufacturing process can be improved by integrating the insulating layers 302 and 303 with the circuit of the upper and lower arms and the metal heat dissipation layer. However, since the first insulating material 601 and the upper and lower arms can be integrated and the above effect can be exhibited, the insulating layers 302U and 302L can also be divided.

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることが可能である。   Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various designs can be made without departing from the spirit of the present invention described in the claims. It can be changed. For example, the above-described embodiment has been described in detail for easy understanding of the present invention, and is not necessarily limited to one having all the configurations described. Further, a part of the configuration of an embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of an embodiment. Furthermore, it is possible to add, delete, or replace other configurations for a part of the configuration of each embodiment.

12…セラミックス基板、13…セラミックス基板、101…IGBT、110…ダイオード、21…ゲート端子、22…エミッタ端子、23…コレクタ端子、24…中間端子、25…センスエミッタ端子、202…エミッタ回路、203…コレクタ回路、302…セラミックス絶縁層、303…セラミックス絶縁層、42…放熱面、43…放熱面、402…金属放熱層、403…金属放熱層、502…金属接合部、503…金属接合部、601…第一の絶縁材、602…第二の絶縁材、603…第三の絶縁材、611…金属ケース、702…伝熱シート、703…伝熱シート、803…水路、804…水路 DESCRIPTION OF SYMBOLS 12 ... Ceramic substrate, 13 ... Ceramic substrate, 101 ... IGBT, 110 ... Diode, 21 ... Gate terminal, 22 ... Emitter terminal, 23 ... Collector terminal, 24 ... Intermediate terminal, 25 ... Sense emitter terminal, 202 ... Emitter circuit, 203 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Collector circuit 302 ... Ceramic insulating layer 303 ... Ceramic insulating layer 42 ... Heat radiation surface 43 ... Heat radiation surface 402 ... Metal heat radiation layer 403 ... Metal heat radiation layer 502 ... Metal joint part 503 ... Metal joint part 601 ... first insulating material, 602 ... second insulating material, 603 ... third insulating material, 611 ... metal case, 702 ... heat transfer sheet, 703 ... heat transfer sheet, 803 ... water channel, 804 ... water channel

Claims (13)

半導体素子が搭載された回路と、
前記回路の少なくとも一方の面に配置された絶縁層と、
前記絶縁層の前記回路が配置されている面とは反対側の面に配置される金属放熱層と、
前記回路、前記絶縁層及び前記金属放熱層を前記金属放熱層の表面が露出するように封止する第一の絶縁材と、
を備える樹脂封止体を備えるパワー半導体モジュールであって、
前記樹脂封止体は、前記金属放熱層の表面に配置される伝熱シートと、前記第一の絶縁材及び前記伝熱のシートを前記伝熱シートの表面が露出するように封止する第二の絶縁材と、を備え、
前記金属放熱層は、前記金属放熱層と前記回路の積層方向に沿って投影した場合、前記金属放熱層の射影部が前記回路の射影部に包含されるように設けられ、
前記伝熱シートは、前記伝熱シートと前記絶縁層の積層方向に沿って投影した場合、前記伝熱シートの射影部が前記絶縁層の射影部に包含されるように設けられることを特徴とするパワー半導体モジュール。
A circuit on which a semiconductor element is mounted;
An insulating layer disposed on at least one surface of the circuit;
A metal heat dissipating layer disposed on a surface opposite to the surface on which the circuit of the insulating layer is disposed;
A first insulating material for sealing the circuit, the insulating layer, and the metal heat dissipation layer so that a surface of the metal heat dissipation layer is exposed;
A power semiconductor module comprising a resin encapsulant comprising:
The resin sealing body seals the heat transfer sheet disposed on the surface of the metal heat dissipation layer, the first insulating material, and the heat transfer sheet so that the surface of the heat transfer sheet is exposed. Two insulation materials,
The metal heat dissipation layer is provided so that the projected portion of the metal heat dissipation layer is included in the projected portion of the circuit when projected along the stacking direction of the metal heat dissipation layer and the circuit,
When the heat transfer sheet is projected along the stacking direction of the heat transfer sheet and the insulating layer, the heat transfer sheet is provided so that the projected portion of the heat transfer sheet is included in the projected portion of the insulating layer. Power semiconductor module.
請求項1に記載のパワー半導体モジュールであって、
前記伝熱シートは、前記伝熱シートと前記回路の積層方向に沿って投影した場合、前記伝熱シートの射影部が、前記回路の射影部に包含するように設けられることを特徴とするパワー半導体モジュール。
The power semiconductor module according to claim 1,
When the heat transfer sheet is projected along the stacking direction of the heat transfer sheet and the circuit, the projected portion of the heat transfer sheet is provided so as to be included in the projected portion of the circuit. Semiconductor module.
請求項1に記載のパワー半導体モジュールであって、
前記金属放熱層は、前記伝熱シートと前記金属放熱層の積層方向に沿って投影した場合、前記金属放熱層の射影部が、前記伝熱シートの射影部に包含するように設けられていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
The power semiconductor module according to claim 1,
The metal heat dissipation layer is provided so that the projection of the metal heat dissipation layer is included in the projection of the heat transfer sheet when projected along the stacking direction of the heat transfer sheet and the metal heat dissipation layer. A power semiconductor module.
請求項1に記載のパワー半導体モジュールであって、
前記伝熱シートは、前記伝熱シートと前記回路の積層方向に沿って投影した場合、前記伝熱シートの射影部が前記回路の射影部に包含するように設けられ、
前記金属放熱層は、前記伝熱シートと前記金属放熱層の積層方向に沿って投影した場合、前記金属放熱層の射影部が前記伝熱シートの射影部に包含するように設けられていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
The power semiconductor module according to claim 1,
When the heat transfer sheet is projected along the stacking direction of the heat transfer sheet and the circuit, the projection part of the heat transfer sheet is provided so as to be included in the projection part of the circuit,
The metal heat dissipation layer is provided so that the projected portion of the metal heat dissipation layer is included in the projected portion of the heat transfer sheet when projected along the stacking direction of the heat transfer sheet and the metal heat dissipation layer. Power semiconductor module characterized by
請求項1ないし4のいずれかに記載のパワー半導体モジュールであって、
前記伝熱シートの硬度は、前記第一の絶縁材の硬度よりも小さいことを特徴とするパワー半導体モジュール。
A power semiconductor module according to any one of claims 1 to 4,
The power semiconductor module is characterized in that the hardness of the heat transfer sheet is smaller than the hardness of the first insulating material.
請求項1ないし4のいずれかに記載のパワー半導体モジュールであって、
前記第二の絶縁材の硬度は、前記第一の絶縁材の硬度よりも小さいことを特徴とするパワー半導体モジュール。
A power semiconductor module according to any one of claims 1 to 4,
The power semiconductor module, wherein the hardness of the second insulating material is smaller than the hardness of the first insulating material.
請求項1ないし4のいずれかに記載のパワー半導体モジュールであって、
前記伝熱シートの硬度は前記第一の絶縁材の硬度よりも小さく、前記第二の絶縁材の硬度は前記伝熱シートの硬度よりも小さいことを特徴とすることを特徴とするパワー半導体モジュール。
A power semiconductor module according to any one of claims 1 to 4,
The power semiconductor module is characterized in that the hardness of the heat transfer sheet is smaller than the hardness of the first insulating material, and the hardness of the second insulating material is smaller than the hardness of the heat transfer sheet. .
請求項1ないし4のいずれかに記載のパワー半導体モジュールであって、
前記第二の絶縁材の比誘電率は前記第一の絶縁材の比誘電率よりも小さいことを特徴とするパワー半導体モジュール。
A power semiconductor module according to any one of claims 1 to 4,
2. The power semiconductor module according to claim 1, wherein a relative dielectric constant of the second insulating material is smaller than a relative dielectric constant of the first insulating material.
請求項1ないし4のいずれかに記載のパワー半導体モジュールであって、
樹脂封止体の位置決めをするための第三の絶縁部材を有することを特徴とするパワー半導体モジュール。
A power semiconductor module according to any one of claims 1 to 4,
A power semiconductor module comprising a third insulating member for positioning the resin sealing body.
請求項1ないし4のいずれかに記載のパワー半導体モジュールであって、
前記樹脂封止体は、前記回路の両面に前記絶縁層が配置されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
A power semiconductor module according to any one of claims 1 to 4,
The power semiconductor module, wherein the resin sealing body has the insulating layers disposed on both surfaces of the circuit.
請求項10に記載のパワー半導体モジュールであって、
一方に開口部を有するとともに他方に凹部を有する金属ケースと、前記金属ケースの凹部に収納された冷却器とを備え、
前記樹脂封止体は、前記伝熱シート介して前記金属ケースに接するように前記金属ケースの開口部に収納され、
前記冷却器は、前記金属ケースを介して前記樹脂封止体を挟むように配置していることを特徴とするパワー半導体モジュール。
The power semiconductor module according to claim 10, wherein
A metal case having an opening on one side and a recess on the other, and a cooler housed in the recess of the metal case,
The resin sealing body is accommodated in the opening of the metal case so as to be in contact with the metal case via the heat transfer sheet,
The power semiconductor module, wherein the cooler is disposed so as to sandwich the resin sealing body through the metal case.
請求項11に記載のパワー半導体モジュールであって、
前記冷却器と前記金属ケースとの間に伝熱シートが配置されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
The power semiconductor module according to claim 11,
A power semiconductor module, wherein a heat transfer sheet is disposed between the cooler and the metal case.
請求項1ないし4、10ないし12のいずれかに記載のパワー半導体モジュールであって、
前記回路は、上アーム側の第一パワー半導体素子と、下アーム側の第二パワー半導体素子と、前記第一パワー半導体素子と電気的に接続される上アーム側のエミッタ回路と、前記第二パワー半導体素子と電気的に接続される下アーム側のコレクタ回路と、を備え、
前記上アーム側のエミッタ回路と前記下アーム側のコレクタ回路が、中間電極を介して接続されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
A power semiconductor module according to any one of claims 1 to 4, 10 to 12,
The circuit includes an upper arm side first power semiconductor element, a lower arm side second power semiconductor element, an upper arm side emitter circuit electrically connected to the first power semiconductor element, and the second arm side A lower arm side collector circuit electrically connected to the power semiconductor element,
The power semiconductor module, wherein the emitter circuit on the upper arm side and the collector circuit on the lower arm side are connected via an intermediate electrode.
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