JP2018195724A - Power module and manufacturing method for the same, and power converter - Google Patents

Power module and manufacturing method for the same, and power converter Download PDF

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晃久 福本
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吉典 横山
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Abstract

To provide a power module which can achieve further improved reliability; and provide a manufacturing method for the power module; and provide a power converter.SOLUTION: A power module 1 comprises an insulating circuit board 7 and a power semiconductor element 13. The power semiconductor element 13 includes an element body 13a, a surface electrode 13b and a back electrode 13c. The insulating circuit board 7 includes an insulating substrate 7a, circuit patterns 7b, 7c and a conductive member 7d. The power semiconductor element 13 and the insulating circuit board 7 are jointed by a second joint part 5b which forms a planar joint surface 5. In the second junction part 5d, a joint material 9 prevails in a planar state and partitioning members 11 are arranged so as to partition the joint material 9 in a plan view. The partitioning members 11 are formed by a material different from that of the joint material 9.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、パワーモジュールおよびその製造方法ならびに電力変換装置に関し、特に、パワー半導体素子が絶縁回路基板に接合されたパワーモジュールと、そのようなパワーモジュールの製造方法と、そのようなパワーモジュールを適用した電力変換装置とに関するものである。   The present invention relates to a power module, a manufacturing method thereof, and a power conversion device, and more particularly, a power module in which a power semiconductor element is bonded to an insulating circuit board, a manufacturing method of such a power module, and such a power module. It is related with the power converter device.

パワーモジュールでは、筐体内に配置された絶縁回路基板の回路パターンにパワー半導体素子が搭載されている。パワー半導体素子は、配線部材等を介して外部端子と電気的に接続されている。筐体内は封止材料によって絶縁封止されている。   In a power module, a power semiconductor element is mounted on a circuit pattern of an insulated circuit board disposed in a housing. The power semiconductor element is electrically connected to an external terminal via a wiring member or the like. The inside of the housing is insulated and sealed with a sealing material.

一般的に、パワー半導体素子は、薄い板状の形状とされる。そのようなパワー半導体素子では、電流は、薄板状のパワー半導体素子が位置する平面(仮想)にほぼ直交する向きに流れることになる。このため、パワー半導体素子は、絶縁回路基板における回路パターンとは面接合されている。   In general, the power semiconductor element has a thin plate shape. In such a power semiconductor element, current flows in a direction substantially perpendicular to a plane (virtual) on which the thin plate-shaped power semiconductor element is located. For this reason, the power semiconductor element is surface-bonded to the circuit pattern on the insulating circuit board.

また、多くの場合、パワー半導体素子を搭載した絶縁回路基板は、構造支持体とされるベース板に面接合されている。このように、パワーモジュールには、一の部材と他の部材とが面接合された箇所が存在しており、一の部材と他の部材とは、面接合部によって面接合される。面接合部の接合材料としては、現在、鉛フリーはんだ、ロウ材、焼結性の金属粒子ペーストまたは導電性接着剤等が用いられている。   In many cases, an insulating circuit board on which a power semiconductor element is mounted is surface-bonded to a base plate serving as a structure support. Thus, in the power module, there is a place where one member and another member are surface-bonded, and the one member and the other member are surface-bonded by the surface bonding portion. Currently, lead-free solder, brazing material, sinterable metal particle paste, conductive adhesive, or the like is used as a bonding material for the surface bonding portion.

パワーモジュールでは、パワー半導体素子のオン動作とオフ動作に伴って、温度の上昇と下降とが繰り返される(温度スイング)。上述した面接合部の温度が変化すると、部材等の線膨張係数の違いによって熱応力が生じ、面接合部が損傷してしまうことがある。面接合部が損傷を受けると、パワー半導体素子において発生した熱を逃がしにくくなり、パワーモジュールの故障に繋がるおそれがある。   In the power module, as the power semiconductor element is turned on and off, the temperature rises and falls repeatedly (temperature swing). When the temperature of the above-described surface bonding portion changes, thermal stress is generated due to a difference in coefficient of linear expansion of the member or the like, and the surface bonding portion may be damaged. When the surface junction is damaged, it is difficult to release heat generated in the power semiconductor element, which may lead to failure of the power module.

従来、このような面接合部の損傷を防ぐための構造が提案されている。たとえば、特許文献1では、回路基板と冷却器とが接合された構造体において、回路基板の表面(接合面)に、複数のスリットを設けた構造が提案されている。   Conventionally, a structure for preventing damage to such a surface joint has been proposed. For example, Patent Document 1 proposes a structure in which a plurality of slits are provided on a surface (bonding surface) of a circuit board in a structure in which a circuit board and a cooler are bonded.

特開2008−135511号公報JP 2008-135511 A

従来より、面接合部を有するパワーモジュールでは、温度の上昇と下降に伴う面接合部の損傷を抑制するとともに、放熱性を向上させて、パワーモジュールとしての信頼性のさらなる向上を図ることが求められている。   Conventionally, in a power module having a surface joint, it is required to further improve the reliability of the power module by suppressing damage to the surface joint due to temperature rise and fall and improving heat dissipation. It has been.

本発明は、そのような開発の一環でなされたものであり、一つの目的は、さらなる信頼性の向上が図られるパワーモジュールを提供することであり、他の目的は、そのようなパワーモジュールの製造方法を提供することであり、さらに他の目的は、そのようなパワーモジュールを適用した電力変換装置を提供することである。   The present invention has been made as part of such development, and one object is to provide a power module that can be further improved in reliability, and the other object is to provide such a power module. It is to provide a manufacturing method, and yet another object is to provide a power conversion device to which such a power module is applied.

本発明に係るパワーモジュールは、ベース板と絶縁回路基板とパワー半導体素子と配線部材と外部端子と封止部材とを備えている。絶縁回路基板は、ベース板に第1接合部を介して接合され、回路パターンを有する。パワー半導体素子は、絶縁回路基板に第2接合部を介して接合されている。配線部材は、パワー半導体素子に第3接合部を介して接合されるとともに、回路パターンに第4接合部を介して接合されている。外部端子は、絶縁回路基板に第5接合部を介して接合されている。封止部材は、絶縁回路基板、パワー半導体素子および配線部材を封止する。第1接合部、第2接合部、第3接合部、第4接合部および第5接合部のうち、少なくとも一つは面接合部とされる。面接合部は、平面状に拡がる接合材料と、接合材料を平面視的に区切る態様で、接合材料に配置された区切り部材とを備えている。   The power module according to the present invention includes a base plate, an insulating circuit board, a power semiconductor element, a wiring member, an external terminal, and a sealing member. The insulating circuit board is bonded to the base plate via the first bonding portion and has a circuit pattern. The power semiconductor element is bonded to the insulating circuit board via the second bonding portion. The wiring member is bonded to the power semiconductor element via the third bonding portion, and is bonded to the circuit pattern via the fourth bonding portion. The external terminal is joined to the insulating circuit board via the fifth joint. The sealing member seals the insulating circuit board, the power semiconductor element, and the wiring member. At least one of the first joint, the second joint, the third joint, the fourth joint, and the fifth joint is a surface joint. The surface bonding portion includes a bonding material that expands in a planar shape, and a partition member that is disposed in the bonding material in a mode of partitioning the bonding material in a plan view.

本発明に係るパワーモジュールの製造方法は、ベース板、絶縁回路基板、パワー半導体素子、配線部材および外部端子を有するパワーモジュールの製造方法であって、以下の工程を備えている。ベース板、絶縁回路基板、パワー半導体素子、配線部材および外部端子のうちの一の部材を第1被接合部材とし、他の部材を第2被接合部材として、第1被接合部材と第2被接合部材とを接合する工程を含む。第1被接合部材と第2被接合部材とを接合する工程は、以下の工程を備えている。第1被接合部材に、接合材料と、接合材料を平面視的に区切る区切り部材とを配置する。第2被接合部材を、第2被接合部材と第1被接合部材との間に接合材料および区切り部材を挟み込む態様で配置し、第2被接合部材を接合材料および区切り部材によって第1被接合部材に接合する。   The method for manufacturing a power module according to the present invention is a method for manufacturing a power module having a base plate, an insulating circuit board, a power semiconductor element, a wiring member, and an external terminal, and includes the following steps. One member among the base plate, the insulated circuit board, the power semiconductor element, the wiring member, and the external terminal is used as the first member to be joined, and the other member is used as the second member to be joined. A step of joining the joining member. The step of bonding the first bonded member and the second bonded member includes the following steps. A joining material and a separating member for separating the joining material in a plan view are arranged on the first joined member. The second member to be joined is arranged in such a manner that the joining material and the partition member are sandwiched between the second member to be joined and the first member to be joined, and the second member to be joined is joined by the joining material and the separator member. Join the member.

本発明に係る電力変換装置は、上記パワーモジュールを適用した電力変換装置であって、主変換回路と制御回路とを備えている。主変換回路は、入力される電力を返還して出力する。制御回路は、主変換回路を制御する制御信号を、主変換回路に出力する。   A power conversion device according to the present invention is a power conversion device to which the power module is applied, and includes a main conversion circuit and a control circuit. The main conversion circuit returns the input power and outputs it. The control circuit outputs a control signal for controlling the main conversion circuit to the main conversion circuit.

本発明に係るパワーモジュールによれば、第1接合部、第2接合部、第3接合部、第4接合部および第5接合部のうち、少なくとも一つは面接合部とされる。その面接合部は、平面状に拡がる接合材料と、接合材料を平面視的に区切る態様で、接合材料に配置された区切り部材とを備えている。これにより、熱応力が低減されて、信頼性のさらなる向上を図ることができる。   According to the power module of the present invention, at least one of the first joint, the second joint, the third joint, the fourth joint, and the fifth joint is a surface joint. The surface bonding portion includes a bonding material that expands in a planar shape, and a partition member that is disposed in the bonding material in a mode of partitioning the bonding material in a plan view. Thereby, thermal stress is reduced and the reliability can be further improved.

本発明に係るパワーモジュールの製造方法によれば、第1被接合部材と第2被接合部材とを接合する工程では、第1被接合部材に、接合材料と、接合材料を平面視的に区切る区切り部材とを配置する。第2被接合部材を、第2被接合部材と第1被接合部材との間に接合材料および区切り部材を挟み込む態様で配置し、第2被接合部材を接合材料および区切り部材によって第1被接合部材に接合する。これにより、熱応力が低減されて、信頼性のさらな向上が図れるパワーモジュールを製造することができる。   According to the method for manufacturing a power module according to the present invention, in the step of joining the first member to be joined and the second member to be joined, the joining material and the joining material are divided in plan view on the first member to be joined. A separator member is arranged. The second member to be joined is arranged in such a manner that the joining material and the partition member are sandwiched between the second member to be joined and the first member to be joined, and the second member to be joined is joined by the joining material and the separator member. Join the member. As a result, it is possible to manufacture a power module in which thermal stress is reduced and reliability can be further improved.

本発明に係る電力変換装置によれば、上記パワーモジュールを適用することで、熱応力が低減されて、信頼性のさらなる向上を図ることができる。   According to the power converter of the present invention, by applying the power module, thermal stress is reduced, and further improvement in reliability can be achieved.

実施の形態1に係るパワーモジュールの平面図である。3 is a plan view of the power module according to Embodiment 1. FIG. 同実施の形態において、図1に示す断面線II−IIにおけるパワーモジュールの断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of the power module taken along a cross-sectional line II-II shown in FIG. 1 in the same embodiment. 同実施の形態において、面接合部における接合材料および区切り部材の配置構造を示す第1の平面図である。In the same embodiment, it is the 1st top view showing the arrangement structure of the joining material in a surface joined part, and a division member. 同実施の形態において、面接合部における接合材料および区切り部材の配置構造を示す第2の平面図である。In the same embodiment, it is the 2nd top view showing the arrangement structure of the joining material in a surface joined part, and a division member. 同実施の形態において、面接合部における接合材料および区切り部材の配置構造を示す第3の平面図である。In the same embodiment, it is the 3rd top view which shows the arrangement structure of the joining material and the delimiter in the surface joining section. 同実施の形態において、面接合部における接合材料および区切り部材の配置構造を示す第4の平面図である。In the same embodiment, it is the 4th top view which shows the arrangement structure of the joining material and the delimiter in the surface joint section. 同実施の形態において、面接合部における接合材料および区切り部材の配置構造を示す第5の平面図である。In the same embodiment, it is the 5th top view which shows the arrangement structure of the joining material and the delimiter in the surface joint section. 同実施の形態において、面接合部における接合材料および区切り部材の配置構造を示す第6の平面図である。In the same embodiment, it is the 6th top view which shows the arrangement structure of the joining material and the delimiter in the surface joining section. 同実施の形態において、面接合部における接合材料および区切り部材の配置構造を示す第7の平面図である。In the same embodiment, it is the 7th top view which shows the arrangement structure of the joining material and the delimiter in the surface joint section. 同実施の形態において、面接合部における区切り部材の断面形状を示す第1の部分断面図である。In the embodiment, it is a first partial cross-sectional view showing a cross-sectional shape of a separation member in a surface bonding portion. 同実施の形態において、面接合部における区切り部材の断面形状を示す第2の部分断面図である。In the same embodiment, it is the 2nd partial sectional view showing the section shape of the division member in a surface joined part. 同実施の形態において、面接合部における区切り部材の断面形状を示す第3の部分断面図である。FIG. 10 is a third partial cross-sectional view showing a cross-sectional shape of a separation member in a surface bonding portion in the embodiment. 同実施の形態において、面接合部における区切り部材の断面形状を示す第4の部分断面図である。In the embodiment, it is a fourth partial cross-sectional view showing the cross-sectional shape of the separation member in the surface bonding portion. 同実施の形態において、面接合部における区切り部材の断面形状を示す第5の部分断面図である。FIG. 10 is a fifth partial cross-sectional view showing a cross-sectional shape of a separation member in a surface bonding portion in the embodiment. 同実施の形態において、面接合部における区切り部材の断面形状を示す第6の部分断面図である。FIG. 10 is a sixth partial cross-sectional view illustrating a cross-sectional shape of a separation member in a surface bonding portion in the embodiment. 同実施の形態において、面接合部における区切り部材の断面構造を示す部分断面図である。In the embodiment, it is a fragmentary sectional view which shows the cross-section of the division member in a surface junction part. 同実施の形態において、パワーモジュールの製造方法の一工程を示す断面図である。In the embodiment, it is sectional drawing which shows 1 process of the manufacturing method of a power module. 同実施の形態において、接合材料および区切り部材によって面接合する際の、接合材料および区切り部材の配置の態様を示す第1の部分断面図である。In the embodiment, it is a first partial cross-sectional view showing an arrangement mode of a bonding material and a partition member when surface bonding is performed using a bonding material and a partition member. 同実施の形態において、接合材料および区切り部材によって面接合する際の、接合材料および区切り部材の配置の態様を示す第2の部分断面図である。In the same embodiment, it is the 2nd partial sectional view showing the mode of arrangement of joining material and a separating member at the time of surface joining by a joining material and a separating member. 同実施の形態において、接合材料および区切り部材によって面接合する際の、接合材料および区切り部材の配置の態様を示す第3の部分断面図である。FIG. 10 is a third partial cross-sectional view showing an arrangement mode of the bonding material and the partition member when the surface is bonded by the bonding material and the partition member in the embodiment. 同実施の形態において、接合材料および区切り部材によって面接合する際の、接合材料および区切り部材の配置の態様を示す第4の部分断面図である。FIG. 10 is a fourth partial cross-sectional view showing an arrangement mode of the bonding material and the partition member when the surface is bonded by the bonding material and the partition member in the embodiment. 同実施の形態において、接合材料および区切り部材によって面接合する際の、接合材料および区切り部材の配置の態様を示す第5の部分断面図である。FIG. 10 is a fifth partial cross-sectional view illustrating an arrangement mode of the bonding material and the partition member when surface bonding is performed using the bonding material and the partition member in the embodiment. 同実施の形態において、図17に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。FIG. 18 is a cross-sectional view showing a step performed after the step shown in FIG. 17 in the same embodiment. 同実施の形態において、図23に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。FIG. 24 is a cross-sectional view showing a step performed after the step shown in FIG. 23 in the same embodiment. 同実施の形態において、図24に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。FIG. 25 is a cross-sectional view showing a step performed after the step shown in FIG. 24 in the same embodiment. 同実施の形態において、図25に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。FIG. 26 is a cross-sectional view showing a step performed after the step shown in FIG. 25 in the same embodiment. 同実施の形態において、図26に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。FIG. 27 is a cross-sectional view showing a step performed after the step shown in FIG. 26 in the same embodiment. 実施の形態2に係るパワーモジュールの平面図である。6 is a plan view of a power module according to Embodiment 2. FIG. 同実施の形態において、図28に示す断面線XXIX−XXIXにおけるパワーモジュールの断面図である。FIG. 29 is a cross-sectional view of the power module taken along a cross-sectional line XXIX-XXIX shown in FIG. 28 in the embodiment. 同実施の形態において、パワーモジュールの製造方法の一工程を示す断面図である。In the embodiment, it is sectional drawing which shows 1 process of the manufacturing method of a power module. 同実施の形態において、図30に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。FIG. 31 is a cross-sectional view showing a step performed after the step shown in FIG. 30 in the same embodiment. 同実施の形態において、図31に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。FIG. 32 is a cross-sectional view showing a step performed after the step shown in FIG. 31 in the same embodiment. 同実施の形態において、図32に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。FIG. 33 is a cross-sectional view showing a step performed after the step shown in FIG. 32 in the same embodiment. 同実施の形態において、図33に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。FIG. 34 is a cross-sectional view showing a step performed after the step shown in FIG. 33 in the same embodiment. 同実施の形態において、図34に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。FIG. 35 is a cross-sectional view showing a step performed after the step shown in FIG. 34 in the same embodiment. 実施の形態3に係る、パワーモジュール適用した電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the power conversion system to which the power converter device which applied the power module based on Embodiment 3 is applied.

実施の形態1.
実施の形態1に係るパワーモジュールについて説明する。
Embodiment 1 FIG.
The power module according to Embodiment 1 will be described.

図1および図2に示すように、パワーモジュール1では、ベース板3の上に絶縁回路基板7が搭載されている。絶縁回路基板7は、絶縁性基板7a、回路パターン7b、7cおよび導電性部材7dを備えている。回路パターン7b、7cは、絶縁性基板7aの表面に配置されている。導電性部材7dは、絶縁性基板7aの裏面に配置されている。絶縁回路基板7の導電性部材7dが、第1接合部5aによってベース板3に接合されている。ここでは、第1接合部5aは、たとえば、はんだである。   As shown in FIGS. 1 and 2, in the power module 1, an insulating circuit board 7 is mounted on the base plate 3. The insulating circuit board 7 includes an insulating board 7a, circuit patterns 7b and 7c, and a conductive member 7d. The circuit patterns 7b and 7c are arranged on the surface of the insulating substrate 7a. The conductive member 7d is disposed on the back surface of the insulating substrate 7a. The conductive member 7d of the insulated circuit board 7 is bonded to the base plate 3 by the first bonding portion 5a. Here, the 1st junction part 5a is a solder, for example.

絶縁回路基板7にパワー半導体素子13が搭載されている。パワー半導体素子13は、素子本体13a、表面電極13bおよび裏面電極13cを含む。パワー半導体素子13の裏面電極13cが、面接合部5によって回路パターン7bに接合されている。後述するように、面接合部5をなしている第2接合部5bは、接合材料9と区切り部材11とを備えている。   A power semiconductor element 13 is mounted on the insulating circuit board 7. The power semiconductor element 13 includes an element body 13a, a front electrode 13b, and a back electrode 13c. The back electrode 13 c of the power semiconductor element 13 is bonded to the circuit pattern 7 b by the surface bonding portion 5. As will be described later, the second bonding portion 5 b forming the surface bonding portion 5 includes a bonding material 9 and a separating member 11.

パワー半導体素子13の表面電極13bと回路パターン7cとが、配線部材15によって電気的に接続されている。一の外部端子19と回路パターン7bとが、配線部材17によって電気的に接続されている。また、他の外部端子19と回路パターン7cとが、配線部材17によって電気的に接続されている。ベース板3には、ケース21が取り付けられている。ケース21の内部には、ベース板3の上に配置されたパワー半導体素子13等を絶縁封止するように、封止部材23が充填されている。   The surface electrode 13 b of the power semiconductor element 13 and the circuit pattern 7 c are electrically connected by the wiring member 15. One external terminal 19 and the circuit pattern 7 b are electrically connected by the wiring member 17. Further, the other external terminal 19 and the circuit pattern 7 c are electrically connected by the wiring member 17. A case 21 is attached to the base plate 3. The case 21 is filled with a sealing member 23 so as to insulate and seal the power semiconductor element 13 and the like disposed on the base plate 3.

上述したパワーモジュールでは、特に、パワー半導体素子13(裏面電極13c)と絶縁回路基板7(回路パターン7b)とが面接合部5を介して接合されており、面接合部5をなす第2接合部5bが、接合材料9と区切り部材11とを備えている。次に、その接合材料9および区切り部材11について説明する。接合材料9は、平面状に拡がっている。平面状に拡がっている接合材料9に対して、区切り部材11は、平面視的に接合材料9を区切るように配置されている。平面視的に接合材料9を区切るとは、接合材料9を上から見たときに、区切り部材11が接合材料9を区切るように配置されている構造をいう。なお、接合材料9が、区切り部材11に対して一方側と他方側とに完全に区切られた構造を意図するものではない。区切り部材11は、接合材料9とは異なる材料(異種部材)から形成されている。   In the power module described above, in particular, the power semiconductor element 13 (back electrode 13 c) and the insulating circuit substrate 7 (circuit pattern 7 b) are bonded via the surface bonding portion 5, and the second bonding forming the surface bonding portion 5. The part 5 b includes a bonding material 9 and a separating member 11. Next, the bonding material 9 and the separating member 11 will be described. The bonding material 9 extends in a planar shape. The separating member 11 is arranged so as to separate the bonding material 9 in plan view with respect to the bonding material 9 spreading in a plane. Separating the bonding material 9 in plan view refers to a structure in which the dividing member 11 is arranged to divide the bonding material 9 when the bonding material 9 is viewed from above. The bonding material 9 is not intended to have a structure in which the separating member 11 is completely partitioned on one side and the other side. The partition member 11 is made of a material (different member) different from the bonding material 9.

ここで、接合材料9および区切り部材11の材料(材質)について説明する。接合材料9として、たとえば、近年、一般的に用いられている鉛フリーはんだを適用することができる。また、接合材料9として、導電性接着剤または金属の焼結体等を適用することができる。金属の焼結体とは、金属粒子を含有するペーストに熱処理(接合工程)を施すことによって、金属粒子を焼結させたものである。   Here, the material (material) of the bonding material 9 and the separating member 11 will be described. As the bonding material 9, for example, lead-free solder generally used in recent years can be applied. As the bonding material 9, a conductive adhesive or a metal sintered body can be applied. A metal sintered body is obtained by sintering metal particles by subjecting a paste containing metal particles to a heat treatment (joining step).

接合材料9として、鉛フリーはんだを適用した場合には、区切り部材11として、鉛フリーはんだに濡れやすい第1金属としての金属を適用することが望ましい。鉛フリーはんだに濡れやすい金属として、たとえば、銅、ニッケルまたは金等がある。区切り部材11として、鉛フリーはんだに濡れやすい金属を適用することで、接合材料9と区切り部材11とが接合されて、区切り部材11が熱伝導に寄与する。その結果、パワー半導体素子13において発生した熱を逃がしやすくすることができる。なお、区切り部材11としては、少なくとも表面に、その金属が位置していれば、接合材料9と接合されて、熱を逃がすことができる。   When lead-free solder is applied as the bonding material 9, it is desirable to apply a metal as the first metal that easily wets the lead-free solder as the separating member 11. Examples of metals that easily get wet with lead-free solder include copper, nickel, and gold. By applying a metal that easily wets to lead-free solder as the separating member 11, the joining material 9 and the separating member 11 are joined, and the separating member 11 contributes to heat conduction. As a result, heat generated in the power semiconductor element 13 can be easily released. In addition, as the partition member 11, if the metal is located at least on the surface, it can be joined to the joining material 9 and heat can be released.

また、区切り部材11として、任意の金属(母材)の表面を、接合材料9とは異なる金属によって被覆した態様の区切り部材11を適用してもよい。たとえば、母材として、純アルミニウム等の比較的軟らかい金属を用い、その金属の表面を、鉛フリーはんだに濡れやすい金属によって被覆した区切り部材11が挙げられる。   Further, as the separating member 11, the separating member 11 having a mode in which the surface of an arbitrary metal (base material) is covered with a metal different from the bonding material 9 may be applied. For example, there is a partition member 11 in which a relatively soft metal such as pure aluminum is used as a base material, and the surface of the metal is covered with a metal that is easily wetted by lead-free solder.

この場合には、まず、母材の金属が比較的柔らかいことで、熱応力を低減することができる。また、接合材料9と区切り部材11とが接合されて、区切り部材11が熱伝導に寄与することになる。アルミニウムの熱伝導率は約200W/mKであり、この熱伝導率の値は、一般的な鉛フリーはんだの熱伝導率の値よりも高い。   In this case, first, since the metal of the base material is relatively soft, thermal stress can be reduced. Moreover, the joining material 9 and the partition member 11 are joined, and the partition member 11 contributes to heat conduction. The thermal conductivity of aluminum is about 200 W / mK, and this thermal conductivity value is higher than the thermal conductivity value of general lead-free solder.

このため、面接合部が鉛フリーはんだのみである場合と比べて、発生した熱が放熱しやすくなり、放熱性を向上させることができる。このように、接合材料9の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する材料を区切り部材11として選択した場合には、接合の信頼性と放熱性との双方を向上させることができ、メリットがより大きくなる。   For this reason, compared with the case where a surface junction part is only lead-free solder, it becomes easy to radiate | generate the generated heat | fever and can improve heat dissipation. Thus, when a material having a thermal conductivity higher than the thermal conductivity of the bonding material 9 is selected as the separating member 11, both the reliability of the bonding and the heat dissipation can be improved. Become bigger.

また、熱応力を低減させることを重視する場合には、区切り部材11の母材として樹脂材料を選択し、その樹脂材料の表面に第1金属としての金属を形成させた区切り部材11を適用してもよい。そのような金属としては、ニッケル、銅または金を適用することが望ましい。   Further, when importance is placed on reducing thermal stress, a resin material is selected as the base material of the partition member 11, and the partition member 11 in which a metal as the first metal is formed on the surface of the resin material is applied. May be. As such a metal, it is desirable to apply nickel, copper or gold.

また、接合材料9として導電性接着剤を適用する場合には、導電性接着剤に含まれる樹脂成分に接着力がある。このため、接合材料9としてはんだを用いる場合よりも、接合材料9と区切り部材11とを密着させるための区切り部材11の選択肢が増えることになる。区切り部材11として、種々の第3金属としての金属を選択することで、上述した接合の信頼性と放熱性との双方を向上させることができる。   When a conductive adhesive is applied as the bonding material 9, the resin component contained in the conductive adhesive has an adhesive force. For this reason, compared with the case where solder is used as the bonding material 9, there are more options for the separating member 11 for bringing the bonding material 9 and the separating member 11 into close contact with each other. By selecting various metals as the third metal as the separating member 11, it is possible to improve both the reliability of the bonding and the heat dissipation described above.

さらに、接合材料9として金属の焼結体、より具体的な例として、銀の焼結体または銅の焼結体を適用する場合には、区切り部材11としては、銀の焼結ペーストまたは銅の焼結ペーストとの接合性が良好な第4金属としての金属を選択することが望ましい。そのような金属として、たとえば、銅、銀または金等の金属を選択することで、接合材料9と区切り部材11とを接合させることができ、接合の信頼性と放熱との双方を向上させることができる。   Further, when a metal sintered body is applied as the bonding material 9, and as a more specific example, a silver sintered body or a copper sintered body is applied, the separating member 11 may be a silver sintered paste or copper. It is desirable to select a metal as the fourth metal that has good bondability with the sintered paste. For example, by selecting a metal such as copper, silver, or gold as such a metal, the bonding material 9 and the partition member 11 can be bonded, and both the reliability of the bonding and the heat dissipation can be improved. Can do.

なお、上述した接合材料9および区切り部材11の材料の例は、特に効果的な例を示したものであり、これらの材料に限られるものではない。また、接合材料9と区切り部材11との接合または接着は必須ではなく、接合力または接着力を有していなくても、接合材料9と区切り部材11とが密着をしていれば、一定の熱伝導が期待される。さらに、接合材料9と区切り部材11との間に空間(隙間)が存在している場合には、熱伝導の観点からは不利になるが、接合性の観点からでは、空間に応力を逃がすことができて、応力低減に寄与することができる。   In addition, the example of the material of the joining material 9 and the partition member 11 mentioned above shows a particularly effective example, and is not limited to these materials. In addition, the bonding or bonding between the bonding material 9 and the partition member 11 is not essential, and even if the bonding material 9 and the partition member 11 are in close contact with each other even if the bonding material 9 or the bonding member 11 does not have a certain bonding force or adhesion, Heat conduction is expected. Furthermore, when a space (gap) exists between the bonding material 9 and the partition member 11, it is disadvantageous from the viewpoint of heat conduction, but from the viewpoint of bonding properties, stress is released to the space. Can contribute to stress reduction.

次に、区切り部材11の形状について、詳しく説明する。接合材料9に対して区切り部材11を平面視すると、区切り部材11は接合材料9を区切る任意の形状をもって配置されている。たとえば、図3では、区切り部材11が、接合材料9に対して格子状に配置されている配置構造が示されている。図4では、区切り部材11が、接合材料9に対して網目状に配置されている配置構造が示されている。   Next, the shape of the separation member 11 will be described in detail. When the partition member 11 is viewed in plan with respect to the bonding material 9, the partition member 11 is arranged with an arbitrary shape that partitions the bonding material 9. For example, FIG. 3 shows an arrangement structure in which the separating members 11 are arranged in a lattice pattern with respect to the bonding material 9. FIG. 4 shows an arrangement structure in which the partition members 11 are arranged in a mesh pattern with respect to the bonding material 9.

図5では、区切り部材11が、接合材料9に対してほぼ同心円状に配置されている配置構造が示されている。図6では、接合材料9に対して、閉じられたループ状の区切り部材11が入れ子状に配置されている配置構造が示されている。図7では、区切り部材11が、接合材料9に対して、渦巻き状に配置されている配置構造が示されている。図5に示される同心円状の配置構造、図6に示される入れ子状の配置構造および図7に示される渦巻き状の配置構造では、区切り部材11の配置の対称性が高く、応力の集中を発生しにくくすることができる。   FIG. 5 shows an arrangement structure in which the separating member 11 is arranged substantially concentrically with respect to the bonding material 9. FIG. 6 shows an arrangement structure in which closed loop-shaped separating members 11 are arranged in a nested manner with respect to the bonding material 9. FIG. 7 shows an arrangement structure in which the separating member 11 is arranged in a spiral with respect to the bonding material 9. The concentric arrangement structure shown in FIG. 5, the nested arrangement structure shown in FIG. 6, and the spiral arrangement structure shown in FIG. Can be difficult.

また、接合材料9の領域において、特に、損傷を防ぎたい箇所に集中的に区切り部材11を配置するようにしてもよい。たとえば、図8では、区切り部材11が、接合材料9における周縁領域に集中的に配置されている配置構造が示されている。また、図9では、区切り部材11が、接合材料9における中央の領域に集中的に配置されている配置構造が示されている。上述した区切り部材の形状(配置構造)の例は、特に効果的な例を示したものであり、これらの配置構造に限られるものではない。   Further, in the region of the bonding material 9, the partition member 11 may be intensively arranged particularly at a place where damage is to be prevented. For example, FIG. 8 shows an arrangement structure in which the partition members 11 are arranged in a concentrated manner in the peripheral region of the bonding material 9. Further, FIG. 9 shows an arrangement structure in which the partition members 11 are intensively arranged in the central region of the bonding material 9. The above-described examples of the shape (arrangement structure) of the separating members are particularly effective examples, and are not limited to these arrangement structures.

次に、区切り部材11の断面形状について説明する。区切り部材11の断面形状としては任意の断面形状とすることができる。たとえば、図10では、断面形状が矩形の区切り部材11が示されている。図11では、断面形状が円形の区切り部材11が示されている。図12では、断面形状が楕円形の区切り部材11が示されている。図13では、断面形状が多角形の区切り部材11が示されている。   Next, the cross-sectional shape of the separation member 11 will be described. The cross-sectional shape of the separation member 11 can be any cross-sectional shape. For example, FIG. 10 shows a separating member 11 having a rectangular cross-sectional shape. In FIG. 11, a separating member 11 having a circular cross-sectional shape is shown. In FIG. 12, the partition member 11 whose cross-sectional shape is elliptical is shown. FIG. 13 shows a separating member 11 having a polygonal cross-sectional shape.

また、区切り部材11は、パワー半導体素子13に接触していてもよいし、接触していなくてもよい。図14では、区切り部材11が、パワー半導体素子13に接触するとともに、回路パターン7bにも接触している断面構造が示されている。一方、図15では、区切り部材11が、パワー半導体素子13と回路パターン7bとに接触していない断面構造が示されている。区切り部材11の断面形状は、応力を低減させる効果、放熱性、区切り部材11の製造のしやすさ等を総合的に判断して設計するのが望ましい。   Moreover, the partition member 11 may be in contact with the power semiconductor element 13 or may not be in contact. FIG. 14 shows a cross-sectional structure in which the separation member 11 is in contact with the power semiconductor element 13 and is also in contact with the circuit pattern 7b. On the other hand, FIG. 15 shows a cross-sectional structure in which the partition member 11 is not in contact with the power semiconductor element 13 and the circuit pattern 7b. It is desirable to design the cross-sectional shape of the partition member 11 by comprehensively judging the effect of reducing stress, heat dissipation, ease of manufacture of the partition member 11, and the like.

また、上述したパワーモジュール1では、接合材料9に1層の区切り部材11が配置されている場合を例に挙げて説明したが、層の数としては1層に限られるものではなく、接合の信頼をさらに高めるために、複数層の接合材料を配置してもよい。たとえば、図16では、接合材料9に2層の区切り部材11が配置されている断面構造が示されている。   Further, in the power module 1 described above, the case where the one-layer separation member 11 is disposed in the bonding material 9 has been described as an example, but the number of layers is not limited to one, In order to further increase the reliability, a plurality of layers of bonding materials may be disposed. For example, FIG. 16 shows a cross-sectional structure in which the two-layer separating member 11 is arranged on the bonding material 9.

また、区切り部材11の材料(母材)として、所望の線膨張係数を有する材料を適用することが望ましい。たとえば、はんだの線膨張係数(22ppm/K)、銀の線膨張係数(19ppm/K)、銅の線膨張係数(17ppm/K)、または、樹脂材料の線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有する材料を適用することが望ましい。そのような材料として、たとえば、モリブデン(Mo)またはモリブデン銅(MoCu)合金等の、第2金属または第5金属としての金属を適用することができる。   Moreover, it is desirable to apply a material having a desired linear expansion coefficient as the material (base material) of the separation member 11. For example, the linear expansion coefficient of solder (22 ppm / K), the linear expansion coefficient of silver (19 ppm / K), the linear expansion coefficient of copper (17 ppm / K), or a linear expansion coefficient smaller than the linear expansion coefficient of resin material. It is desirable to apply the material it has. As such a material, for example, a metal as the second metal or the fifth metal such as molybdenum (Mo) or molybdenum copper (MoCu) alloy can be used.

また、接合材料9としては、はんだ、銀または銅等の焼結体、導電性接着剤が多くの場合に適用される。これらの接合材料9の線膨張係数は、パワー半導体素子13の構成材料とされるシリコン(Si)の線膨張係数膨張(2ppm/K)または炭化シリコン(SiC)の線膨張係数(5ppm/K)よりも大きい。   Further, as the bonding material 9, solder, a sintered body such as silver or copper, and a conductive adhesive are often used. The linear expansion coefficients of these bonding materials 9 are the expansion coefficient of silicon (Si) (2 ppm / K) or the expansion coefficient of silicon carbide (SiC) (5 ppm / K), which is the constituent material of the power semiconductor element 13. Bigger than.

接合材料9の線膨張係数とパワー半導体素子13を構成する材料の線膨張係数との差が、パワーモジュール1の信頼性に影響を及ぼすような場合においては、相対的に線膨張係数の低い区切り部材11を接合材料9中に埋没させることで、接合材料9と区切り部材11を含む面接合部の全体(総体)の線膨張係数が調節されて、パワーモジュール1の信頼性をさらに向上させることができる。   In the case where the difference between the linear expansion coefficient of the bonding material 9 and the linear expansion coefficient of the material constituting the power semiconductor element 13 affects the reliability of the power module 1, a section having a relatively low linear expansion coefficient. By burying the member 11 in the bonding material 9, the linear expansion coefficient of the entire (total) surface bonding portion including the bonding material 9 and the partition member 11 is adjusted, and the reliability of the power module 1 is further improved. Can do.

次に、上述したパワーモジュール1の製造方法の一例について説明する。まず、絶縁回路基板7を用意する。次に、図17に示すように、絶縁回路基板7の回路パターン7bに、パワー半導体素子13の裏面電極13cが接合される。たとえば、図18に示すように、回路パターン7b(絶縁回路基板7)と裏面電極13c(パワー半導体素子13)との間に、接合材料9と区切り部材11とが配置される。その後、その接合材料9および区切り部材11によって、絶縁回路基板7とパワー半導体素子13とを接合する処理(接合工程)が行われる。   Next, an example of the manufacturing method of the power module 1 described above will be described. First, an insulating circuit board 7 is prepared. Next, as shown in FIG. 17, the back electrode 13 c of the power semiconductor element 13 is bonded to the circuit pattern 7 b of the insulating circuit substrate 7. For example, as shown in FIG. 18, the bonding material 9 and the separating member 11 are disposed between the circuit pattern 7b (insulating circuit board 7) and the back electrode 13c (power semiconductor element 13). Thereafter, a process (bonding process) for bonding the insulating circuit substrate 7 and the power semiconductor element 13 is performed by the bonding material 9 and the separating member 11.

ここで、たとえば、接合材料9として、鉛フリーはんだを適用する場合には、区切り部材11とともに、はんだプリフォーム、ペーストはんだ等が配置される。接合工程では、熱処理を施すことによりリフローはんだ付けが行われる。はんだがリフローすることによって、区切り部材11が接合材料9に埋没する。   Here, for example, when lead-free solder is applied as the bonding material 9, a solder preform, paste solder, and the like are disposed together with the separating member 11. In the joining process, reflow soldering is performed by heat treatment. As the solder reflows, the partition member 11 is buried in the bonding material 9.

また、接合材料9として、導電性接着剤を適用する場合、特に、金属粒子が樹脂に含まれる態様の導電性接着剤の場合には、区切り部材11とともに、キュア前のペースト状の導電性接着剤が配置される。このとき、区切り部材11をペースト状の導電性接着剤に埋め込むことが望ましい。接合工程では、キュアが行われる。   Further, when a conductive adhesive is applied as the bonding material 9, particularly in the case of a conductive adhesive in which the metal particles are contained in the resin, together with the separating member 11, a paste-like conductive adhesive before curing. Agent is placed. At this time, it is desirable to embed the separating member 11 in a paste-like conductive adhesive. In the joining process, curing is performed.

さらに、接合材料9として、金属の焼結体を適用する場合には、区切り部材とともに金属粒子を含有するペーストが配置される。接合工程では、加熱処理または加熱加圧処理が行われて、ペーストに含まれるバインダー成分が揮発し、金属の焼結体が形成される。なお、加圧処理を行わない場合には、あらかじめ、区切り部材11をペーストに埋め込むことが望ましい。   Furthermore, when a metal sintered body is applied as the bonding material 9, a paste containing metal particles is disposed together with the partition member. In the joining step, heat treatment or heat pressure treatment is performed, the binder component contained in the paste is volatilized, and a metal sintered body is formed. In addition, when not performing a pressurization process, it is desirable to embed the delimiter member 11 in a paste beforehand.

ところで、絶縁回路基板7に接合材料9と区切り部材11とを配置させる際に、図18に示される接合材料9の上に区切り部材11を配置する態様の他に、次のような配置の態様がある。図19では、区切り部材11を上と下とから接合材料9によって挟み込む態様が示されている。図20では、区切り部材11の上に接合材料9を配置する態様が示されている。図21では、たとえば、2層の接合材料9と2層の区切り部材11とを交互に積層する態様が示されている。   By the way, when arranging the joining material 9 and the separating member 11 on the insulating circuit board 7, in addition to the manner of arranging the separating member 11 on the joining material 9 shown in FIG. There is. FIG. 19 shows a mode in which the separation member 11 is sandwiched by the bonding material 9 from above and below. In FIG. 20, the aspect which arrange | positions the joining material 9 on the partition member 11 is shown. FIG. 21 shows a mode in which, for example, two layers of bonding material 9 and two layers of separating members 11 are alternately stacked.

また、図22に示すように、層状の接合材料9にあらかじめ空隙を設けておき、その空隙に区切り部材11を嵌め込む態様でもよい。このような配置の態様では、接合工程の後に、接合材料9中にボイドが残ってしまうのを防ぐことができ、ボイドが残存することによって放熱性が損なわれるのを抑制することができる。   Further, as shown in FIG. 22, a mode in which a gap is provided in advance in the layered bonding material 9 and the separating member 11 is fitted into the gap may be employed. In such an arrangement mode, it is possible to prevent voids from remaining in the bonding material 9 after the bonding step, and it is possible to suppress heat dissipation from being impaired due to the voids remaining.

上述したように、接合材料9がペースト状の材料であれば、そのペースト状の材料に区切り部材11を押し付ければよい。また、接合材料9が固体の材料の場合には、接合材料9にあらかじめ凹部等を形成しておき、その凹部等に区切り部材11を嵌め込めばよい。こうして、パワー半導体素子13が面接合部5を介して絶縁回路基板7に接合されることになる。   As described above, if the bonding material 9 is a paste material, the partition member 11 may be pressed against the paste material. Further, when the bonding material 9 is a solid material, a recess or the like is formed in the bonding material 9 in advance, and the partition member 11 may be fitted into the recess or the like. Thus, the power semiconductor element 13 is bonded to the insulating circuit substrate 7 via the surface bonding portion 5.

次に、図23に示すように、パワー半導体素子13の表面電極13bに、たとえば、はんだによって配線部材15の一端が接合される。回路パターン7cに、たとえば、はんだによって配線部材15の他端が接合される。次に、図24に示すように、絶縁回路基板7が、第1接合部5aによってベース板3に接合される。第1接合部5aとして、たとえば、はんだが適用される。次に、図25に示すように、ベース板3にケース21が取り付けられる。ケース21には、パワー半導体素子3等を外部と電気的に接続するための外部端子19が突出している。   Next, as shown in FIG. 23, one end of the wiring member 15 is joined to the surface electrode 13b of the power semiconductor element 13 by, for example, solder. The other end of the wiring member 15 is joined to the circuit pattern 7c by solder, for example. Next, as shown in FIG. 24, the insulating circuit board 7 is bonded to the base plate 3 by the first bonding portion 5a. For example, solder is applied as the first joint 5a. Next, as shown in FIG. 25, the case 21 is attached to the base plate 3. An external terminal 19 for electrically connecting the power semiconductor element 3 and the like to the outside protrudes from the case 21.

次に、図26に示すように、一の外部端子19と電気的に接続される配線部材17が、たとえば、はんだによって回路パターン7bに接合される。また、他の外部端子19と電気的に接続される配線部材17が、たとえば、はんだによって回路パターン7cに接合される。次に、図27に示すように、ケース21内に封止部材23が充填されて、パワー半導体素子13等が絶縁封止される。こうして、図1および図2に示されるパワーモジュール1が完成する。   Next, as shown in FIG. 26, the wiring member 17 electrically connected to one external terminal 19 is joined to the circuit pattern 7b by, for example, solder. Moreover, the wiring member 17 electrically connected to the other external terminals 19 is joined to the circuit pattern 7c by, for example, solder. Next, as shown in FIG. 27, the case 21 is filled with a sealing member 23, and the power semiconductor element 13 and the like are insulated and sealed. Thus, the power module 1 shown in FIGS. 1 and 2 is completed.

上述したパワーモジュール1では、パワー半導体素子13と回路パターン7bとを接合する面接合部5において、接合材料9を平面視的に区切るように区切り部材11が配置されている。これにより、上述したように、パワー半導体素子13の発熱に伴う熱応力を低減することができる。また、パワー半導体素子13のオン動作とオフ動作に伴って、温度の上昇と下降とが繰り返された場合において、面接合部5が損傷を受けにくくすることができる。さらに、接合部にスリット等の空隙が形成されている従来のパワーモジュールの場合と比べると、空隙に接合材料が流れ込むことを懸念する必要がなく、接合材料9の選択肢を拡げることができる。   In the power module 1 described above, the partition member 11 is disposed so as to partition the bonding material 9 in plan view in the surface bonding portion 5 that bonds the power semiconductor element 13 and the circuit pattern 7b. Thereby, as mentioned above, the thermal stress accompanying the heat generation of the power semiconductor element 13 can be reduced. Further, when the temperature rise and fall are repeated with the on / off operation of the power semiconductor element 13, the surface bonding portion 5 can be made less likely to be damaged. Furthermore, compared with the case of a conventional power module in which a gap such as a slit is formed in the joint, there is no need to worry about the bonding material flowing into the gap, and the options for the bonding material 9 can be expanded.

実施の形態2.
前述したパワーモジュールでは、パワー半導体素子13と回路パターン7bとを接合する第2接合部5b(面接合部5)に、接合材料9と区切り部材11とを配置させた場合について説明した。ここでは、面接合部のすべてについて、接合部材と区切り部材とを配置したパワーモジュールについて説明する。
Embodiment 2. FIG.
In the power module described above, the case where the bonding material 9 and the separating member 11 are arranged in the second bonding portion 5b (the surface bonding portion 5) for bonding the power semiconductor element 13 and the circuit pattern 7b has been described. Here, a power module in which a bonding member and a separating member are arranged for all of the surface bonding portions will be described.

図28および図29に示すように、パワーモジュール1では、パワー半導体素子13と回路パターン7bとを面接合する第2接合部5bに加えて、第1接合部5a、第3接合部5c、第4接合部5dおよび第5接合部5eのそれぞれに、面接合部5として接合材料9と区切り部材11とが配置されている。第1接合部5aによって、絶縁回路基板7の導電性部材7dとベース板3とが面接合されている。   As shown in FIGS. 28 and 29, in the power module 1, in addition to the second joint portion 5b for surface-joining the power semiconductor element 13 and the circuit pattern 7b, the first joint portion 5a, the third joint portion 5c, A bonding material 9 and a separating member 11 are arranged as the surface bonding portion 5 in each of the fourth bonding portion 5d and the fifth bonding portion 5e. The conductive member 7d of the insulated circuit board 7 and the base plate 3 are surface-bonded by the first bonding portion 5a.

第3接合部5cによって、パワー半導体素子13の表面電極13bと配線部材15とが面接合されている。第4接合部5dによって、絶縁回路基板7の回路パターン7cと配線部材15とが面接合されている。第5接合部5eによって、絶縁回路基板7の回路パターン7bと配線部材17とが面接合されている。接合材料9に対する区切り部材11の配置構造および材料等については、実施の形態1において説明した配置構造および材料等が適用される。   The surface electrode 13b of the power semiconductor element 13 and the wiring member 15 are surface-bonded by the third bonding portion 5c. The circuit pattern 7c of the insulating circuit board 7 and the wiring member 15 are surface bonded by the fourth bonding portion 5d. The circuit pattern 7b of the insulating circuit board 7 and the wiring member 17 are surface-bonded by the fifth bonding portion 5e. The arrangement structure, material, and the like described in the first embodiment are applied to the arrangement structure, material, and the like of the separation member 11 with respect to the bonding material 9.

なお、これ以外の構成については、図1および図2に示すパワーモジュールと同様なので、同一部材には同一符号を付し、必要である場合を除きその説明を繰り返さないこととする。   In addition, since it is the same as that of the power module shown in FIG.1 and FIG.2 about another structure, the same code | symbol is attached | subjected to the same member and the description will not be repeated unless it is required.

次に、上述したパワーモジュールの製造方法の一例について説明する。まず、図17に示す工程と同様に、図30に示すように、パワー半導体素子13の裏面電極13cが、接合材料9と区切り部材11とを含む第2接合部5bによって、絶縁回路基板7の回路パターン7bに接合される。   Next, an example of a method for manufacturing the power module described above will be described. First, similarly to the process shown in FIG. 17, as shown in FIG. 30, the back surface electrode 13 c of the power semiconductor element 13 is formed by the second joint portion 5 b including the joining material 9 and the partition member 11. Bonded to the circuit pattern 7b.

次に、図31に示すように、配線部材15の一端が、接合材料9と区切り部材11とを含む第3接合部5cによって、パワー半導体素子13の表面電極13bに接合される。また、配線部材15の他端が、接合材料9と区切り部材11とを含む第4接合部5dによって、絶縁回路基板7の回路パターン7cに接合される。次に、図32に示すように、絶縁回路基板7の導電性部材7dが、接合材料9と区切り部材11とを含む第1接合部5aによって、ベース板3に接合される。次に、図33に示すように、ベース板3にケース21が取り付けられる。   Next, as shown in FIG. 31, one end of the wiring member 15 is bonded to the surface electrode 13 b of the power semiconductor element 13 by the third bonding portion 5 c including the bonding material 9 and the separating member 11. Further, the other end of the wiring member 15 is bonded to the circuit pattern 7 c of the insulating circuit board 7 by the fourth bonding portion 5 d including the bonding material 9 and the partition member 11. Next, as shown in FIG. 32, the conductive member 7 d of the insulated circuit board 7 is bonded to the base plate 3 by the first bonding portion 5 a including the bonding material 9 and the partition member 11. Next, as shown in FIG. 33, the case 21 is attached to the base plate 3.

次に、図34に示すように、配線部材17が、接合材料9と区切り部材11とを含む第5接合部5eによって、絶縁回路基板7の回路パターン7bに接合される。また、配線部材17が、接合材料9と区切り部材11とを含む第5接合部5eによって、絶縁回路基板7の回路パターン7cに接合される。次に、図35に示すように、ケース21内に封止部材23が充填されて、パワー半導体素子13等が絶縁封止される。こうして、図28および図29に示されるパワーモジュール1が完成する。面接合部5によって対応する部材を接合する工程のそれぞれでは、実施の形態1において説明した方法のうちから、接合に適した方法が適用される。   Next, as shown in FIG. 34, the wiring member 17 is bonded to the circuit pattern 7 b of the insulating circuit board 7 by the fifth bonding portion 5 e including the bonding material 9 and the partition member 11. In addition, the wiring member 17 is bonded to the circuit pattern 7 c of the insulating circuit board 7 by the fifth bonding portion 5 e including the bonding material 9 and the partition member 11. Next, as shown in FIG. 35, the sealing member 23 is filled in the case 21, and the power semiconductor element 13 and the like are insulated and sealed. Thus, the power module 1 shown in FIGS. 28 and 29 is completed. In each of the steps of joining corresponding members by the surface joining portion 5, a method suitable for joining is applied from the methods described in the first embodiment.

上述したパワーモジュール1では、面接合部5のすべてについて、接合材料9と区切り部材11とが配置されている。これにより、実施の形態1において説明したように、パワー半導体素子13の発熱に伴う熱応力を効果的に低減することができる。また、パワー半導体素子13のオン動作とオフ動作に伴って、温度の上昇と下降とが繰り返された場合において、面接合部5が損傷をさらに受けにくくすることができる。   In the power module 1 described above, the bonding material 9 and the separating member 11 are arranged for all the surface bonding portions 5. Thereby, as described in the first embodiment, the thermal stress accompanying the heat generation of the power semiconductor element 13 can be effectively reduced. In addition, when the temperature rise and fall are repeated with the on and off operations of the power semiconductor element 13, the surface bonding portion 5 can be further prevented from being damaged.

なお、上述したパワーモジュールでは、面接合部5のすべてについて、接合材料9と区切り部材11とが配置された場合について説明したが、パワーモジュール1としては、これに限られるものではなく、特定の面接合部5に対して、接合材料9と区切り部材11とを配置させてもよい。   In the power module described above, the case where the bonding material 9 and the separating member 11 are arranged for all of the surface bonding portions 5 has been described. However, the power module 1 is not limited to this and is not limited to a specific one. A bonding material 9 and a separating member 11 may be disposed on the surface bonding portion 5.

実施の形態3.
ここでは、上述した実施の形態1、2に係るパワーモジュール適用した電力変換装置について説明する。本発明は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、実施の形態3として、三相のインバータに本発明を適用した場合について説明する。
Embodiment 3 FIG.
Here, the power conversion device to which the power module according to Embodiments 1 and 2 described above is applied will be described. Although the present invention is not limited to a specific power converter, hereinafter, a case where the present invention is applied to a three-phase inverter will be described as a third embodiment.

図36は、本実施の形態に係る電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。図36に示す電力変換システムは、電源100、電力変換装置200、負荷300から構成される。電源100は、直流電源であり、電力変換装置200に直流電力を供給する。電源100は種々のものにより構成することが可能であり、たとえば、直流系統、太陽電池、蓄電池により構成することができる。また、交流系統に接続された整流回路またはAC/DCコンバータにより構成してもよい。また、電源100を、直流系統から出力される直流電力を所定の電力に変換するDC/DCコンバータによって構成してもよい。   FIG. 36 is a block diagram showing a configuration of a power conversion system to which the power conversion device according to the present embodiment is applied. The power conversion system illustrated in FIG. 36 includes a power supply 100, a power conversion device 200, and a load 300. The power source 100 is a DC power source and supplies DC power to the power conversion device 200. The power source 100 can be constituted by various types, and can be constituted by, for example, a DC system, a solar battery, or a storage battery. Moreover, you may comprise by the rectifier circuit or AC / DC converter connected to the alternating current system. Further, the power supply 100 may be configured by a DC / DC converter that converts DC power output from the DC system into predetermined power.

電力変換装置200は、電源100と負荷300の間に接続された三相のインバータであり、電源100から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷300に交流電力を供給する。電力変換装置200は、図36に示すように、直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路201と、主変換回路201を制御する制御信号を主変換回路201に出力する制御回路203とを備えている。   The power conversion device 200 is a three-phase inverter connected between the power supply 100 and the load 300, converts the DC power supplied from the power supply 100 into AC power, and supplies the AC power to the load 300. As shown in FIG. 36, the power conversion device 200 converts a DC power into an AC power and outputs the main conversion circuit 201, and a control circuit 203 outputs a control signal for controlling the main conversion circuit 201 to the main conversion circuit 201. And.

負荷300は、電力変換装置200から供給された交流電力によって駆動する三相の電動機である。なお、負荷300は特定の用途に限られるものではなく、各種電気機器に搭載された電動機であり、たとえば、ハイブリッド自動車、電気自動車、鉄道車両、エレベーター、または、空調機器向けの電動機として用いられる。   The load 300 is a three-phase electric motor that is driven by AC power supplied from the power conversion device 200. Note that the load 300 is not limited to a specific application, and is an electric motor mounted on various electric devices. For example, the load 300 is used as an electric motor for a hybrid vehicle, an electric vehicle, a railway vehicle, an elevator, or an air conditioner.

以下、電力変換装置200の詳細について説明する。主変換回路201は、スイッチング素子と還流ダイオードを備えている(いずれも図示せず)。スイッチング素子がスイッチングすることによって、電源100から供給される直流電力が交流電力に変換されて、負荷300に供給される。主変換回路201の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態に係る主変換回路201は2レベルの三相フルブリッジ回路であり、6つのスイッチング素子とそれぞれのスイッチング素子に逆並列された6つの還流ダイオードから構成することができる。   Hereinafter, details of the power conversion device 200 will be described. The main conversion circuit 201 includes a switching element and a reflux diode (both not shown). When the switching element is switched, the DC power supplied from the power supply 100 is converted into AC power and supplied to the load 300. Although there are various specific circuit configurations of the main conversion circuit 201, the main conversion circuit 201 according to the present embodiment is a two-level three-phase full bridge circuit, and includes six switching elements and respective switching elements. It can be composed of six anti-parallel diodes.

主変換回路201の各スイッチング素子または各還流ダイオードは、上述した実施の形態1、2のいずれかに相当する半導体モジュール202(パワーモジュール1)によって構成する。6つのスイッチング素子は2つのスイッチング素子ごとに直列接続され上下アームを構成し、各上下アームはフルブリッジ回路の各相(U相、V相、W相)を構成する。そして、各上下アームの出力端子、すなわち主変換回路201の3つの出力端子は、負荷300に接続される。   Each switching element or each free-wheeling diode of the main conversion circuit 201 is configured by the semiconductor module 202 (power module 1) corresponding to any of the first and second embodiments described above. The six switching elements are connected in series for each of the two switching elements to constitute upper and lower arms, and each upper and lower arm constitutes each phase (U phase, V phase, W phase) of the full bridge circuit. The output terminals of the upper and lower arms, that is, the three output terminals of the main conversion circuit 201 are connected to the load 300.

また、主変換回路201は、各スイッチング素子を駆動する駆動回路(図示せず)を備えているが、駆動回路は半導体モジュール202に内蔵されていてもよいし、半導体モジュール202とは別に駆動回路を備える構成であってもよい。駆動回路は、主変換回路201のスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成し、主変換回路201のスイッチング素子の制御電極に供給する。具体的には、後述する制御回路203からの制御信号に従い、スイッチング素子をオン状態にする駆動信号とスイッチング素子をオフ状態にする駆動信号とを各スイッチング素子の制御電極に出力する。スイッチング素子をオン状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以上の電圧信号(オン信号)であり、スイッチング素子をオフ状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以下の電圧信号(オフ信号)となる。   The main conversion circuit 201 includes a drive circuit (not shown) that drives each switching element. However, the drive circuit may be built in the semiconductor module 202 or a drive circuit separate from the semiconductor module 202. May be provided. The drive circuit generates a drive signal for driving the switching element of the main conversion circuit 201 and supplies the drive signal to the control electrode of the switching element of the main conversion circuit 201. Specifically, in accordance with a control signal from the control circuit 203 described later, a drive signal for turning on the switching element and a drive signal for turning off the switching element are output to the control electrode of each switching element. When the switching element is maintained in the on state, the drive signal is a voltage signal (on signal) that is equal to or higher than the threshold voltage of the switching element. When the switching element is maintained in the off state, the drive signal is a voltage that is equal to or lower than the threshold voltage of the switching element. Signal (off signal).

制御回路203は、負荷300に所望の電力が供給されるように、主変換回路201のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷300に供給すべき電力に基づいて主変換回路201の各スイッチング素子がオン状態となるべき時間(オン時間)を算出する。たとえば、出力すべき電圧に応じてスイッチング素子のオン時間を変調するPWM制御によって主変換回路201を制御することができる。そして、各時点においてオン状態となるべきスイッチング素子にはオン信号を、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号が出力されるように、主変換回路201が備える駆動回路に制御指令(制御信号)を出力する。駆動回路は、この制御信号に従い、各スイッチング素子の制御電極にオン信号またはオフ信号を駆動信号として出力する。   The control circuit 203 controls the switching element of the main conversion circuit 201 so that desired power is supplied to the load 300. Specifically, based on the power to be supplied to the load 300, the time (ON time) during which each switching element of the main converter circuit 201 is to be turned on is calculated. For example, the main conversion circuit 201 can be controlled by PWM control that modulates the ON time of the switching element according to the voltage to be output. Then, a control command (control signal) is supplied to the drive circuit included in the main conversion circuit 201 so that an ON signal is output to the switching element that should be turned on at each time point and an OFF signal is output to the switching element that should be turned off. ) Is output. The drive circuit outputs an ON signal or an OFF signal as a drive signal to the control electrode of each switching element in accordance with the control signal.

本実施の形態に係る電力変換装置では、主変換回路201のスイッチング素子と還流ダイオードとして、実施の形態1、2に係る半導体モジュール(パワーモジュール1)を適用するため、電力変換装置の信頼性を向上させることができる。   In the power conversion device according to the present embodiment, since the semiconductor module (power module 1) according to the first and second embodiments is applied as the switching element and the free wheel diode of the main conversion circuit 201, the reliability of the power conversion device is improved. Can be improved.

本実施の形態では、2レベルの三相インバータに本発明を適用する例について説明したが、本発明は、これに限られるものではなく、種々の電力変換装置に適用することができる。本実施の形態では、2レベルの電力変換装置としたが、3レベルまたはマルチレベルの電力変換装置であっても構わないし、単相負荷に電力を供給する場合には、単相のインバータに本発明を適用しても構わない。また、直流負荷等に電力を供給する場合には、DC/DCコンバータまたはAC/DCコンバータに本発明を適用することも可能である。   In the present embodiment, an example in which the present invention is applied to a two-level three-phase inverter has been described. However, the present invention is not limited to this and can be applied to various power conversion devices. In the present embodiment, a two-level power conversion device is used. However, a three-level or multi-level power conversion device may be used. The invention may be applied. In addition, when power is supplied to a direct current load or the like, the present invention can be applied to a DC / DC converter or an AC / DC converter.

また、本発明を適用した電力変換装置は、上述した負荷が電動機の場合に限定されるものではなく、たとえば、放電加工機、レーザー加工機、誘導加熱調理器または非接触器給電システムの電源装置として用いることもでき、さらには、太陽光発電システムまたは蓄電システム等のパワーコンディショナーとして用いることも可能である。   In addition, the power conversion device to which the present invention is applied is not limited to the case where the load described above is an electric motor. For example, a power supply device for an electric discharge machine, a laser processing machine, an induction heating cooker, or a non-contact power feeding system Furthermore, it can also be used as a power conditioner for a photovoltaic power generation system or a power storage system.

なお、各実施の形態において説明したパワーモジュールおよび電力変換装置については、必要に応じて種々組み合わせることが可能である。   In addition, about the power module and power converter device which were demonstrated in each embodiment, it is possible to combine variously as needed.

今回開示された実施の形態は例示であってこれに制限されるものではない。本発明は上記で説明した範囲ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲でのすべての変更が含まれることが意図される。   The embodiment disclosed this time is an example, and the present invention is not limited to this. The present invention is defined by the terms of the claims, rather than the scope described above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

本発明は、面接合部を有するパワーモジュールに有効に利用される。   The present invention is effectively used for a power module having a surface joint portion.

1 パワーモジュール、3 ベース板、5 面接合部、5a 第1接合部、5b 第2接合部、5c 第3接合部、5d 第4接合部、5e 第5接合部、7 絶縁回路基板、7a 絶縁性基板、7b 回路パターン、7c 回路パターン、7d 導電性部材、9 接合材料、11 区切り部材、13 パワー半導体素子、13a 素子本体、13b 表面電極、13c 裏面電極、15、17 配線部材、19 外部端子、21 ケース、23 封止部材、100 電源、200 電力変換装置、201 主変換回路、202 半導体モジュール、203 制御回路、300 負荷。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Power module, 3 base board, 5 surface junction part, 5a 1st junction part, 5b 2nd junction part, 5c 3rd junction part, 5d 4th junction part, 5e 5th junction part, 7 insulation circuit board, 7a insulation Substrate, 7b circuit pattern, 7c circuit pattern, 7d conductive member, 9 bonding material, 11 partition member, 13 power semiconductor element, 13a element body, 13b surface electrode, 13c back electrode, 15, 17 wiring member, 19 external terminal , 21 case, 23 sealing member, 100 power supply, 200 power conversion device, 201 main conversion circuit, 202 semiconductor module, 203 control circuit, 300 load.

Claims (17)

ベース板と、
前記ベース板に第1接合部を介して接合され、回路パターンを有する絶縁回路基板と、
前記絶縁回路基板に第2接合部を介して接合されたパワー半導体素子と、
前記パワー半導体素子に第3接合部を介して接合されるとともに、前記回路パターンに第4接合部を介して接合された配線部材と、
前記絶縁回路基板に第5接合部を介して接合された外部端子と、
前記絶縁回路基板、前記パワー半導体素子および前記配線部材を封止する封止部材と
を備え、
前記第1接合部、前記第2接合部、前記第3接合部、前記第4接合部および前記第5接合部のうち、少なくとも一つは面接合部とされ、
前記面接合部は、
接合材料と、
前記接合材料を平面視的に区切る態様で、前記接合材料に配置された区切り部材と
を備えた、パワーモジュール。
A base plate,
An insulating circuit board bonded to the base plate via a first bonding portion and having a circuit pattern;
A power semiconductor element bonded to the insulating circuit substrate via a second bonding portion;
A wiring member bonded to the power semiconductor element via a third bonding portion and bonded to the circuit pattern via a fourth bonding portion;
An external terminal joined to the insulated circuit board via a fifth joint,
A sealing member for sealing the insulating circuit board, the power semiconductor element, and the wiring member;
At least one of the first joint, the second joint, the third joint, the fourth joint, and the fifth joint is a surface joint,
The surface joint portion is
A bonding material;
A power module comprising: a partition member disposed on the bonding material in a mode of partitioning the bonding material in plan view.
前記面接合部では、前記区切り部材は、前記接合材料に対して、平面視的に、同心円状に配置された構造、閉じられたループが入れ子状に配置された構造、渦巻状に配置された構造のいずれかの配置構造とされた、請求項1記載のパワーモジュール。   In the surface joining portion, the partition member is arranged concentrically in a plan view with respect to the joining material, a structure in which closed loops are nested, and a spiral shape. The power module according to claim 1, wherein the power module has any one of the structures. 前記面接合部では、前記接合材料と前記区切り部材とは、接合している状態および接着している状態のいずれかである、請求項1または2に記載のパワーモジュール。   3. The power module according to claim 1, wherein in the surface bonding portion, the bonding material and the partitioning member are either in a bonded state or in a bonded state. 前記接合材料は、はんだであり、
前記区切り部材の少なくとも表面には、第1金属が位置する、請求項1〜3のいずれか1項に記載のパワーモジュール。
The bonding material is solder,
The power module according to claim 1, wherein the first metal is located on at least a surface of the partition member.
前記第1金属は、ニッケル、銅および金からなる群から選ばれるいずれかである、請求項4記載のパワーモジュール。   The power module according to claim 4, wherein the first metal is any one selected from the group consisting of nickel, copper, and gold. 前記区切り部材の内部には、前記第1金属とは異なる材料からなる部分が位置する、請求項4記載のパワーモジュール。   The power module according to claim 4, wherein a portion made of a material different from the first metal is located inside the partition member. 前記材料は、前記はんだの線膨張係数、銀の線膨張係数、銅の線膨張係数および樹脂材料の線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有する第2金属である、請求項6記載のパワーモジュール。   The power module according to claim 6, wherein the material is a second metal having a linear expansion coefficient smaller than the linear expansion coefficient of the solder, the linear expansion coefficient of silver, the linear expansion coefficient of copper, and the linear expansion coefficient of the resin material. . 前記接合材料は、導電性接着剤であり、
前記区切り部材は第3金属である、請求項1〜3のいずれか1項に記載のパワーモジュール。
The bonding material is a conductive adhesive,
The power module according to claim 1, wherein the partition member is a third metal.
前記接合材料は、銀および金のいずれかの焼結体であり、
前記区切り部材の少なくとも表面には、第4金属が位置する、請求項1〜3のいずれか1項に記載のパワーモジュール。
The bonding material is a sintered body of either silver or gold,
The power module according to claim 1, wherein a fourth metal is located on at least a surface of the partition member.
前記第4金属は、銅、銀および金からなる群から選ばれるいずれかである、請求項9記載のパワーモジュール。   The power module according to claim 9, wherein the fourth metal is any one selected from the group consisting of copper, silver, and gold. 前記区切り部材の内部には、前記第4金属とは異なる他の材料からなる部分が位置する、請求項9記載のパワーモジュール。   The power module according to claim 9, wherein a portion made of another material different from the fourth metal is located inside the partition member. 前記他の材料は、はんだの線膨張係数、銀の線膨張係数、銅の線膨張係数および樹脂材料の線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有する第5金属である、請求項11記載のパワーモジュール。   The power according to claim 11, wherein the other material is a fifth metal having a linear expansion coefficient smaller than that of solder, a linear expansion coefficient of silver, a linear expansion coefficient of copper, and a linear expansion coefficient of resin material. module. ベース板、絶縁回路基板、パワー半導体素子、配線部材および外部端子を有するパワーモジュールの製造方法であって、
前記ベース板、前記絶縁回路基板、前記パワー半導体素子、前記配線部材および前記外部端子のうちの一の部材を第1被接合部材とし、他の部材を第2被接合部材として、前記第1被接合部材と前記第2被接合部材とを接合する工程を含み、
前記第1被接合部材と前記第2被接合部材とを接合する工程は、
前記第1被接合部材に、接合材料と、前記接合材料を平面視的に区切る区切り部材とを配置する工程と、
前記第2被接合部材を、前記第2被接合部材と前記第1被接合部材との間に前記接合材料および前記区切り部材を挟み込む態様で配置し、前記第2被接合部材を前記接合材料および前記区切り部材によって前記第1被接合部材に接合する工程と
を備えた、パワーモジュールの製造方法。
A method of manufacturing a power module having a base plate, an insulated circuit board, a power semiconductor element, a wiring member, and an external terminal,
One member of the base plate, the insulated circuit board, the power semiconductor element, the wiring member, and the external terminal is a first member to be joined, and the other member is a second member to be joined. A step of joining the joining member and the second joined member,
The step of joining the first member to be joined and the second member to be joined includes
Arranging a bonding material and a separating member for dividing the bonding material in a plan view on the first bonded member;
The second member to be bonded is disposed in a form in which the bonding material and the partition member are sandwiched between the second member to be bonded and the first member to be bonded, and the second member to be bonded is the bonding material and And a step of joining the first member to be joined by the partition member.
前記第1被接合部材と前記第2被接合部材とを接合する工程では、
前記接合材料として、はんだが使用され、
前記第2被接合部材は、熱処理を施し、リフローはんだ付けによって前記第1被接合部材に接合された、請求項13記載のパワーモジュールの製造方法。
In the step of joining the first member to be joined and the second member to be joined,
As the bonding material, solder is used,
The method for manufacturing a power module according to claim 13, wherein the second member to be bonded is heat-treated and bonded to the first member to be bonded by reflow soldering.
前記第1被接合部材と前記第2被接合部材とを接合する工程では、
前記接合材料として、導電性接着剤が使用され、
熱処理を施すことによって、前記第2被接合部材が前記第1被接合部材に接合された、請求項13記載のパワーモジュールの製造方法。
In the step of joining the first member to be joined and the second member to be joined,
As the bonding material, a conductive adhesive is used,
The method for manufacturing a power module according to claim 13, wherein the second member to be bonded is bonded to the first member to be bonded by performing a heat treatment.
前記第1被接合部材と前記第2被接合部材とを接合する工程では、
前記接合材料として、銀および銅のいずれかの粒子を含有するペースト状材料が使用され、
少なくとも熱処理を施すことにより、前記ペースト状材料が前記銀および前記銅のいずれかの焼結体となって、前記第2被接合部材が前記第1被接合部材に接合された、請求項13記載のパワーモジュールの製造方法。
In the step of joining the first member to be joined and the second member to be joined,
As the bonding material, a paste-like material containing either silver or copper particles is used,
The pasted material becomes a sintered body of one of the silver and the copper by performing at least heat treatment, and the second joined member is joined to the first joined member. Method of manufacturing the power module.
請求項1〜12のいずれか1項に記載のパワーモジュールを適用した電力変換装置であって、
入力される電力を返還して出力する主変換回路と、
前記主変換回路を制御する制御信号を、前記主変換回路に出力する制御回路と
を備えた、電力変換装置。

A power conversion device to which the power module according to any one of claims 1 to 12 is applied,
A main conversion circuit that returns and outputs input power; and
A power conversion apparatus comprising: a control circuit that outputs a control signal for controlling the main conversion circuit to the main conversion circuit.

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