JP2018147941A - パワーモジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】銅ブロックに流れる電流の大きさにばらつきが生じることを防止するパワーモジュールを提供する。【解決手段】第１導体層４ａと第２導体層４ｃとを表面と裏面とにそれぞれ有する中継基板４と、中継基板４の厚さ方向に貫通した孔に挿入され、第１導体層４ａと第２導体層４ｂと導通する銅ブロック６と、銅ブロック６の端面に対向した位置に主電極１１を有する。一つの主電極１１には、一つの銅ブロック６のみが電気的に接続された半導体素子１ａと、半導体素子１ａの裏面に接合材２を介して接合された絶縁基板３と、中継基板４、銅ブロック６及び半導体素子１とを封止する封止材９を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、パワーモジュールの構造に関する。
近年、車両分野や産業機械分野または民生用機器分野において、小型なパワーモジュールが必要とされており、導体層を単層構造ではなく積層構造とした中継基板を用いることで小型化を可能とする技術が提案されている。例えば、特許文献１では、中継基板を用いて電流を流す構造とすることで、単層構造に比べて小型なパワーモジュールとなっている。
特開２０１３−２１３７１公報
しかしながら、特許文献１の半導体装置では、半導体素子と複数の導電ポスト、複数の導電ポストとスルーホールとがそれぞれ接続されているが、半導体素子と複数の導電ポスト間、及び複数の導電ポストとスルーホール間の接触抵抗にばらつきが生じて分流比が異なると、導電ポストに流れる電流の大きさにばらつきが生じて、最も大きな電流が流れる導電ポストの通電能力が不足する場合、全体としての電流の大きさが制限されるという問題点があった。
本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、分流比が異なることで、導電ポストに流れる電流の大きさにばらつきが生じることを防止するパワーモジュールを得ることを目的とするものである。
本発明に係るパワーモジュールは、第１導体層と第２導体層とを表面と裏面とにそれぞれ有する中継基板と、中継基板の厚さ方向に貫通した孔に挿入され、第１導体層と第２導体層と導通する銅ブロックと、銅ブロックの端面に対向した位置に主電極を有し、一つの主電極には一つの銅ブロックのみが電気的に接続された半導体素子と、半導体素子の裏面に接合材を介して接合された絶縁基板と、中継基板、銅ブロック、及び半導体素子とを封止する封止材を備えることを特徴とする。
本発明に係るパワーモジュールによれば、半導体素子と銅ブロックとの接続を単一の銅ブロックで行うことで、分流比が異なることにより、銅ブロックに流れる電流の大きさにばらつきが生じることを防止することができる。
実施の形態１のパワーモジュールを示す断面図である。 銅ブロックと中継基板とをはんだを介して接続したパワーモジュールを示す断面図である。 銅ブロックと外部端子とを接続したパワーモジュールを示す断面図である。 実施の形態２のパワーモジュールを示す断面図である。 半導体素子の厚みが異なるパワーモジュールを示す断面図である。 実施の形態３のパワーモジュールを示す断面図である。 銅ブロックを封止材の外部に露出したパワーモジュールを示す断面図である。 銅ブロックと外部端子が一体となった部品と接続したパワーモジュールを示す断面図である。 実施の形態４のパワーモジュールを示す断面図である。
実施の形態１
実施の形態１におけるパワーモジュールについて説明する。図１は、実施の形態１のパワーモジュールを示す断面図である。なお、図１以外の他図において、同一符号は同一又は相当部分を示す。パワーモジュール１００は、半導体素子１（１ａ，１ｂ）がはんだ２を介して絶縁基板３の表面に接合し、中継基板４が絶縁基板３の表面の上方に配置されて半導体素子１と銅ブロック６を介して電気的に接続される構成である。
図１に示すパワーモジュールにおいて、半導体素子１はスイッチング素子であるＩＧＢＴであり、はんだ２を介して回路パターン３ｃの表面に接合される。なお、半導体素子は、ＩＧＢＴ以外のＭＯＳＦＥＴあるいはダイオード等であってもよい。
絶縁基板３は、ベース板３ａ、絶縁層３ｂ、回路パターン３ｃによって構成されており、ベース板３ａと回路パターン３ｃとは例えば、銅によって形成されている。絶縁層３ｂは、例えば、無機セラミック材料で形成してもよいし、セラミック粉末をエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂の中に分散した材料で形成してもよい。半導体素子１は、半導体素子１の裏面電極、すなわち、ＩＧＢＴの場合はコレクタ電極が絶縁基板３とはんだを介して接続されており、パワーモジュール１００の外部との電気的絶縁を確保する。
中継基板４は、絶縁板４ｂと、絶縁板４ｂの表面に第１導体層である表面導体層４ａと、絶縁板４ｂの裏面に第２導体層である裏面導体層４ｃとを備えており、例えば、ガラスエポキシ基板で構成されている絶縁板の両面に厚さ０．２ｍｍ以上の導電性部材を有する。なお、中継基板４は、３次元的な配線を実現する限り様々な変形が可能である。例えば、中継基板で３つ以上の階層の導体を用いることで、配線の自由度を高めても良い。その場合、絶縁板を二つ以上用意してそれぞれを導体で挟むことで３つ以上の階層の導体からなる中継基板となる。
中継基板４は、中継基板の厚さ方向に貫通する孔が設けられており、絶縁板４ｂの両面にある導体層を接続する接続部２０が孔に設けられている。接続部２０は、絶縁板４ｂの両面にある導体層を電気的に接続するものであれば特に限定されないが、例えば銅めっき層である。接続部２０には銅ブロック６を圧接し、半導体素子１と中継基板４との導通面積を確保する。銅ブロック６の端面に対向した位置には、半導体素子１の主電極１１があり、銅ブロック６の裏面と半導体素子１の主電極１１がはんだを介して電気的に接続される。ここで、一つの主電極１１は一つの銅ブロック６のみが電気的に接続される。すなわち、接続される主電極と銅ブロックは一対一の関係である。なお、図２に示す通り、銅ブロック６が圧接する部位と接続部２０とをはんだ付けすることで、銅ブロック６と中継基板４との接続を強固に行うことで通電効果を向上させることができる。
外部端子７ａは、回路パターン３ｃと電気的に接続され、外部との電気信号のやり取りに使用する。なお、外部端子７ａはケース８にインサート形成されてもよい。さらに、中継基板を貫通して設けられていてもよい。その場合、中継基板には外部電極を貫通させるための貫通穴が所定の位置に、少なくとも一つ設けられていればよい。
外部端子７ｂ、７ｃは、中継基板４の表面導体層４ａと電気的に接続し、外部との電気信号のやり取りに使用する。図１には外部端子７ｂ、７ｃをＬ字形状として示したが、円筒形状でもよい。なお、図３に示す通り、外部端子７ｂ、７ｃは、中継基板４の表面導体層４ａではなく、銅ブロック６と接合させてもよい。
絶縁基板３、半導体素子１及び中継基板４はケース８で囲まれている。ケース８は可塑性樹脂等で形成されている。ケース８の内部には封止材９が充てんされている。封止材９は、絶縁性を有する材料であれば特に限定されないが、例えばエポキシ樹脂である。銅ブロック、中継基板４及び半導体素子１とは封止材９に覆われている。外部端子は一部が封止材９に覆われているが、外部と信号のやり取りをするため、封止材９の外部に端子の一部が伸びている。また、絶縁基板３の裏面は封止材９から露出しており、ヒートシンク（図示しない）により冷却される。
図１において、半導体素子がＩＧＢＴの場合の回路構成について説明する。半導体素子１ａと半導体素子１ｂは直列に接続されており、それぞれにダイオードが並列接続（図示しない）されることでインバーター回路を形成する。外部端子７ａは、パワーモジュールの主端子であるＰ端子であり、半導体素子１ａの裏面電極であるコレクタ電極と電気的に接続している。半導体素子１ａの表面電極（主電極１１）であるエミッタ電極は、単一の銅ブロックを介して外部端子７ｂと接続しており、外部端子７ｂは出力端子となる。外部端子７ｂは半導体素子１ｂのコレクタ電極と電気的に接続する。半導体素子１ｂのエミッタ電極は、単一の銅ブロックを介して外部端子７ｃと接続しており、外部端子７ｃはパワーモジュールの主端子であるＮ端子となる。当然ながら上述した回路構成とは異なる回路を構成してもよい。
この実施の形態１のパワーモジュールによれば、半導体素子と中継基板との接続を、一つの主電極に対し単一の銅ブロックで行うことで、分流比が異なることにより銅ブロックに流れる電流の大きさにばらつきが生じることを防止するという効果を奏する。また、単一ではなく複数の銅ブロックを使用する場合、複数の銅ブロック間に間隔を設ける必要があるが、単一の銅ブロックとすることで一定の間隔を設ける必要がなくなり、パワーモジュールが小型化できるという効果を奏する。さらに、半導体素子と中継基板との接続を、一つの主電極に対し単一の銅ブロックで行うことで、複数の銅ブロックを使用する場合に比べて間隔を設ける必要がなくなり、熱容量の大きな部材を接合でき、過渡的な時間範囲での放熱性が向上できるという効果を奏する。
実施の形態２
実施の形態２のパワーモジュールについて説明する。図４は、実施の形態２のパワーモジュールを示す断面図である。実施の形態２のパワーモジュールは、銅ブロック６の裏面が中継基板４の裏面よりも下方に突出して位置する。
この実施の形態２のパワーモジュールによれば、銅ブロック６の裏面が中継基板４の裏面よりも下方に突出して位置することで、銅ブロック６と半導体素子１との接合時に用いるはんだ厚の調整が容易であるという効果を奏する。また、図５に示す通り、半導体素子１の厚みが異なる場合でも、銅ブロック６の高さを調整することで、中継基板の傾きを抑制しつつはんだ厚みを最適化することができる。
実施の形態３
実施の形態３のパワーモジュールについて説明する。図６は、実施の形態３のパワーモジュールを示す断面図である。実施の形態３のパワーモジュールは、銅ブロック６の表面が中継基板４の表面よりも上方に突出して位置し、銅ブロック６の表面が封止材９から露出している。
この実施の形態３のパワーモジュールによれば、銅ブロック６の表面が中継基板４の表面よりも上方に突出して位置し、銅ブロック６の表面が封止材９から露出していることで、露出している部位から銅ブロック６を加熱することが可能となり、銅ブロック６と半導体素子１とのはんだ付けをパワーモジュールの外部から容易にできるという効果を奏する。なお、図７に示す通り、銅ブロック６を封止材９の外部に露出することで外部電極として使用してもよい。さらに、図８に示す通り、銅ブロックの露出している部分が端子形状となることで容易に外部部品に接続することができる。
実施の形態４
実施の形態４のパワーモジュールについて説明する。図９は、実施の形態４のパワーモジュールを示す断面図である。実施の形態４のパワーモジュールは、銅ブロック６の裏面に凹部が備えられている。
この実施の形態４のパワーモジュールによれば、銅ブロック６の裏面に凹部が備えられていることで、銅ブロック６と半導体素子１との接合時に用いるはんだのはみ出しを抑制するという効果を奏する。なお、凹部の形状は図９に台形状を示しているが、長方形状、正方形状、三角形状、半円状でもよく、複数の凹部であってもよい。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態及び変形例を自由に組み合わせ、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
また、部品と部品を接合する手段ははんだに限定されず、あらゆる導電性接合材を利用することができる。導電性接合材として、はんだ、金属フィラーを用いた金属ペースト、又は熱により金属化する焼成金属などの電気抵抗の低い金属を用いることが好ましい。
１（１ａ、１ｂ） 半導体素子、２ はんだ、３ 絶縁基板、３ａ ベース板、３ｂ 絶縁層、３ｃ 回路パターン、４ 中継基板、４ａ 上面導体層、４ｂ 絶縁板、４ｃ 下面導体層、５ 接合材、６ 銅ブロック、７ 外部電極、８ ケース、９ 封止材、１１ 主電極、１００ パワーモジュール。

Claims (5)

  1. 第１導体層と第２導体層とを表面と裏面とにそれぞれ有する中継基板と、
    前記中継基板の厚さ方向に貫通した孔に挿入され、前記第１導体層と前記第２導体層と導通する銅ブロックと、
    前記銅ブロックの端面に対向した位置に主電極を有し、一つの前記主電極には一つの前記銅ブロックのみが電気的に接続された半導体素子と、
    前記半導体素子の裏面に接合材を介して接合された絶縁基板と、
    前記中継基板、前記銅ブロック、及び前記半導体素子とを封止する封止材を備えることを特徴とするパワーモジュール。
  2. 前記第２導体層と前記半導体素子が対向し、前記銅ブロックの前記主電極に対向した端面が前記第２導体層よりも突出したことを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
  3. 前記銅ブロックの端部が前記封止部材から露出することを特徴とする請求項１及び２に記載のパワーモジュール。
  4. 前記銅ブロックの前記封止部材から露出している端部が端子形状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
  5. 前記銅ブロックの前記主電極に対向した端面に凹部が備えられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
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