JP2019125700A - Power semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、パワー半導体装置に関し、特に車両駆動用のモータを制御する電力変換装置に用いられるパワー半導体装置に関する。 The present invention relates to a power semiconductor device, and more particularly to a power semiconductor device used for a power conversion device that controls a motor for driving a vehicle.
近年、環境への負荷低減のため、ハイブリッド自動車や電気自動車の普及が急務である。ハイブリッド自動車や電気自動車においては搭載される部品の小型化が重要視され、電力変換装置も例外ではなく小型化が求められている。 In recent years, the spread of hybrid cars and electric cars is urgently needed to reduce the load on the environment. In hybrid vehicles and electric vehicles, it is important to miniaturize the mounted components, and power conversion devices are no exception and are required to be compact.
電力変換装置の小型化に伴い発熱密度が高くなるため、電力変換装置を構成する電子部品の中で発熱量が大きいパワー半導体装置においては、冷却性能を向上させる必要があり、例えば特許文献1に示すように、両面直接冷却方式のパワー半導体装置が開示されている。 Since the heat generation density increases with the miniaturization of the power conversion device, it is necessary to improve the cooling performance in the power semiconductor device having a large amount of heat generation among the electronic components constituting the power conversion device. As shown, a double-sided direct cooling power semiconductor device is disclosed.
特許文献1に記載のパワー半導体装置においては、パワー半導体チップの表裏両面を導電板に半田付けし、導体板を露出した状態で樹脂により封止した封止体を、両面に放熱部材を有する筒型の金属ケース内に、収納された構造となっている。 In the power semiconductor device described in Patent Document 1, both the front and back surfaces of the power semiconductor chip are soldered to a conductive plate, and a sealing body sealed with resin in a state where the conductive plate is exposed is a cylinder having a heat dissipation member on both sides. It is housed in a metal case of a mold.
金属ケースの内側(放熱部材)と導体板との間は熱伝導性の絶縁接着剤(絶縁部材)により接着されており、パワー半導体チップの発熱を、両面の導体板、熱伝導性の絶縁接着剤(絶縁部材)、放熱部材を介して、外部に放熱している。 The inside of the metal case (heat dissipation member) and the conductor plate are adhered by a heat conductive insulating adhesive (insulation member), and the heat generation of the power semiconductor chip is achieved by the conductor plate on both sides, the heat conductive insulation bond. The heat is dissipated to the outside through the agent (insulation member) and the heat dissipation member.
しかしパワー半導体装置においては、さらなるパワー密度の向上のためパワー半導体チップの使用温度範囲の高温化や、パワーサイクル寿命の長寿命化が望まれている。 However, in the power semiconductor device, in order to further improve the power density, it is desired to raise the operating temperature range of the power semiconductor chip and prolong the power cycle life.
これにより、パワー半導体素子と導体板との接続部における長期信頼性の低下が懸念される。特にパワー半導体素子のチップ表面電極側(エミッタ側)には、ゲートフィンガーと呼ばれる配線やそれを保護する配線保護膜のパターンが形成されている。 As a result, there is a concern that the long-term reliability of the connection portion between the power semiconductor element and the conductor plate may be reduced. In particular, on the chip surface electrode side (emitter side) of the power semiconductor element, a wiring called a gate finger and a pattern of a wiring protective film for protecting it are formed.
両面冷却型のパワー半導体装置では、これらの保護膜パターンを含めた表面電極が導体とはんだ接続されている。このため、パワー半導体チップの発熱時には、表面電極、導体や保護膜の線膨脹係数差により配線保護膜パターン端部は応力集中場となり、配線保護膜パターン端部付近の表面電極膜やはんだには繰り返し高い応力が負荷されることになり疲労破壊が懸念される。 In a double-sided cooling type power semiconductor device, surface electrodes including these protective film patterns are soldered to a conductor. For this reason, at the time of heat generation of the power semiconductor chip, a stress concentration field is formed at the end of the wiring protective film pattern due to the difference in linear expansion coefficient of the surface electrode, the conductor and the protective film. Repeatedly high stress will be applied, which may cause fatigue failure.
そこで本発明の課題は、パワー半導体チップの繰り返し発熱(パワーサイクル時)のチップ表面電極と導体接続部に対する信頼性を向上させることである。 Therefore, an object of the present invention is to improve the reliability of the chip surface electrode and the conductor connection portion of repeated heat generation (during a power cycle) of the power semiconductor chip.
上記課題を解決するために、本発明に係るパワー半導体装置は、半導体素子と、前記半導体素子を挟みかつ当該半導体素子と半田材を介して、それぞれ接続される第1導体及び第2導体と、を備え、前記半導体素子は、一方の面に第1電極と、他方の面に第2電極と、当該一方の面に配線と、当該配線を覆う保護摸とを有し、前記第1導体は、前記半導体素子の前記一方の面側に配置され、さらに前記第1導体は、前記保護摸と対向する部分に他の部分より突出する突出部を有する。 In order to solve the above problems, a power semiconductor device according to the present invention comprises: a semiconductor element; and a first conductor and a second conductor respectively connected to the semiconductor element with the semiconductor element interposed therebetween via a solder material. The semiconductor element has a first electrode on one side, a second electrode on the other side, a wire on the one side, and a protective cover covering the wire, and the first conductor is The first conductor is disposed on the one surface side of the semiconductor element, and the first conductor has a protrusion which protrudes from the other portion in a portion facing the protective wedge.
本発明によれば、パワー半導体装置の信頼性を向上させることができる。 According to the present invention, the reliability of the power semiconductor device can be improved.
(実施例1)
以下、図を参照して、本発明に係る電力変換装置の一実施の形態を説明する。
Example 1
Hereinafter, an embodiment of a power conversion device according to the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本実施形態に係る電力変換装置200の外観斜視図である。図2は、本実施形態に係る電力変換装置200の分解斜視図である。
FIG. 1 is an external perspective view of a
電力変換装置200は、電気自動車やハイブリッド自動車の電源装置として用いられる。電力変換装置200は、モータジェネレータに接続されたインバータ回路を内蔵し、また外部のバッテリに接続された昇圧回路および全体を制御する制御回路を備えている。
The
電力変換装置200は、アルミニウムやアルミニウム合金等のアルミニウム系金属により形成された筐体201と、筐体201に締結部材(不図示)により締結される底蓋202と、を有する。筐体201と底蓋202とは、一体成型により形成することもできる。
筐体201の上部には、不図示の上蓋が締結部材により締結され、密閉状の容器が形成される。筐体201の内部には、冷却流路を形成するための周壁211が形成され、周壁211と底蓋202とにより冷却用空間210が形成されている。
An upper lid (not shown) is fastened to the upper portion of the
冷却用空間210内には、複数(図2では4つ)の側壁221を有する支持部材220と各側壁221間に配置される複数(図2では3つ)のパワーモジュール100が収納される。パワーモジュール100の詳細は後述する。
In the
筐体201の一側部には、一対の貫通孔が設けられ、貫通孔の一方には、入口用配管203aが設けられ、貫通孔の他方には、出口用配管203bが設けられている。
A pair of through holes are provided in one side portion of the
冷却水などの冷却媒体は、入口用配管203aから冷却用空間210内に流入し、支持部材220の側壁221と各パワーモジュール100との間の冷却路を流通して出口用配管203bから流出する。
A cooling medium such as cooling water flows into the
出口用配管203bから流出した冷却媒体は、不図示のラジエータ等の冷却装置によって冷却されて、再び、入口用配管203aから冷却用空間210内に流入するように循環する。
The cooling medium having flowed out of the
冷却用空間210は、シール部材231を介在して、カバー部材240により密封される。カバー部材240は、パワーモジュール100の端子が挿通される開口部241を形成する。カバー部材240の周縁部は、冷却用空間210を形成する周壁211の上部に、不図示の締結部材により固定される。
The
筐体201の冷却用空間210の外側領域には、インバータ回路に供給される直流電力を平滑化するための複数のコンデンサ素子251を備えるコンデンサモジュール250が収納される。
In an outer region of the
コンデンサモジュール250とパワーモジュール100の上部に、直流側バスバーアセンブリ261が配置される。直流側バスバーアセンブリ261は、コンデンサモジュール250とパワーモジュール100の間に直流電力を伝達する。
The DC side
直流側バスバーアセンブリ261の上方には、インバータ回路を制御するドライバ回路部を含んだ制御回路基板アセンブリ262が配置されている。
A control
交流側バスバーアセンブリ263は、パワーモジュール100と接続され、交流電力を伝達する。また、交流側バスバーアセンブリ263は、電流センサを有する。
The AC side
図3ないし図6に基づき、本実施形態に係るパワーモジュール100について説明する。
The
図3は、本実施形態に係るパワーモジュール100の外観正面図である。図4は、図3に図示されたパワーモジュール100のA−A´線縦断面図である。図5は、本実施形態に係るパワーモジュール100の金属ケースの断面図である。図6は、本発明のパワーモジュール100のパワー半導体モジュールの断面図である。
FIG. 3 is an external front view of the
図3及び図4に示されるように、パワーモジュール100は、放熱フィン42を有する一対の放熱部材41及び枠体43から構成されている金属製ケース40を有する。
As shown in FIGS. 3 and 4, the
金属製ケース40内に、パワー半導体素子31等を内蔵する回路体が収納されている。
In the
金属製ケース40は、例えば一面に挿入口を、他面に底部を有する扁平状の筒型形状をした冷却器である。金属製ケース40は、電気伝導性を有する部材、例えばCu、Cu合金、Cu−C、Cu−CuOなどの複合材、あるいはAl、Al合金、AlSiC、Al−Cなどの複合材などから形成されている。
The
一対の放熱部材41は、枠体43と接合されている。接合としては、例えば、FSW(摩擦攪拌接合)、レーザ溶接、ろう付等を適用することができる。このような形状の金属製のケースを用いることで、パワーモジュール100を水や油、有機物などの冷媒が流れる流路内に挿入しても、冷却媒体がパワーモジュール100の内部に侵入するのを簡易な構成で防ぐことができる。本実施形態においては、放熱部材41と枠体43が別部材の場合について示したが、放熱部材41と枠体43は同一部材であってもよく一体化されていてもよい。
The pair of
上述した実施の形態では、開口部が1方向のみのパワーモジュールの例を示したが、開口部が対向する2方向のパワーモジュールにも適用することが可能である。 In the embodiment described above, the example of the power module in which the opening is in only one direction is shown, but it is also possible to apply to a power module in two directions in which the openings face each other.
図4に示されるように、第1導体33と第2導体34のそれぞれは、パワー半導体素子31の各電極面に対向して配置され、接合材32を介して接合される。第1導体33はパワー半導体素子31の表面電極に接続され、第2導体34が裏面電極に接続されている。
As shown in FIG. 4, each of the
第1導体33及び第2導体34は、例えば、銅、銅合金、あるいはアルミニウム、アルミニウム合金などにより形成されている。接合材32ははんだ材などにより形成されている。
The
なお図4では第1導体33が同一部材で形成されている場合を示したが、複数の部材を接合して形成されていても構わない。
In addition, although the case where the
パワー半導体素子31と第1導体33と第2導体34とに構成される構造体は、第1封止樹脂6で封止されている。
A structure configured of the
第1導体33の上面33a及び第2導体34の上面34aは、第1封止樹脂6から露出しており、熱伝導性の絶縁層51を介して放熱部材41と接続されている。
The
絶縁層51は、パワー半導体素子31から発生する熱を放熱部材41に熱伝導するものであり、熱伝導率が高く、かつ、絶縁耐圧が大きい材料で形成されている。例えば、酸化アルミニウム(アルミナ)、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等のセラミックス、あるいは、これらの微粉末を含有する絶縁シートまたは接着剤を用いることができる。
The insulating
金属製ケース40と絶縁層51およびモールド樹脂6との隙間は第2封止樹脂7により、埋められている。
The gap between the
図5は、本実施形態に係るパワーモジュール100のパワー半導体素子31の平面図である。図6は、パワー半導体素子31と第1導体33との接続部のみを示した平面図と側面図である。図7は、パワー半導体素子31と第1導体33との接続部のみを示した平面図と側面図である。
FIG. 5 is a plan view of the
図5に示されるように、パワー半導体素子31の表面には、電極膜44と電極パッド47が形成されている。図7に示されるように、パワー半導体素子31の表面には、さらに、配線45と、配線45を保護するための保護膜46とが形成される。
As shown in FIG. 5, an
電極膜44や配線45は例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、あるいは銅、銅合金などにより形成されている。電極膜44の表面にはニッケルなどの金属膜が形成されていてもよい。また、保護膜46は例えば、ポリイミド膜などにより形成されている。
The
パワー半導体素子31と接続する第1導体33の面には、保護膜46に対向する位置に突出部33pが設けられている。突出部33pは、少なくとも保護膜46の幅と同じかそれよりも大きい幅で形成されている。
A
突出部33pの側壁33bは、投影面(電極膜44と平行な面)上で保護膜46の側壁46aと同じかそれより外側になるように設けられている。
The
また、突出部33pの平面パターンは、配線45の上面を覆うように設けられた保護膜46のパターンに沿って設けられている。
The planar pattern of the projecting
本実施形態に係る第1導体33により作用と効果を説明する。
An operation and an effect will be described by the
両面冷却パワー半導体装置では、パワー半導体素子31の両面を導体に接合材により接続されている。パワー半導体素子31の発熱時には、パワー半導体素子31、はんだなどの接合材32、第1導体33および第2導体34など、パワー半導体素子31周辺部材の温度は上昇する。
In the double-sided cooling power semiconductor device, both surfaces of the
特にはんだなどの接合材32の線膨脹係数は、パワー半導体素子31や第1導体33および第2導体34に比べて大きいため、他の部材に比べて膨脹量が大きい。接合材32の膨脹により、保護膜46は力を受け、保護膜46端部には応力が発生する。
In particular, since the linear expansion coefficient of the
本実施形態におけるパワーモジュール100においては、第1導体33のパワー半導体素子31を接続する面には、保護膜46に対向する位置に突出部33pが設けられている。これにより保護膜46上のはんだ厚32bを、他の部分のはんだ厚32aよりも薄くすることができる。
In the
これにより、突出部33p以外のはんだの膨脹量が、突出部33p付近のはんだの膨脹量よりも大きくなり、突出部付近の保護膜46に負荷される力を減少することができる。
As a result, the amount of expansion of the solder other than the protruding
図8は、有限要素法解析により、突出部33pがある場合とない場合の電極膜44の応力を評価した結果を示すグラフである。
FIG. 8 is a graph showing the result of evaluation of stress of the
従来のように突出部が無い場合に比べて、突出部を設けた場合、応力は約40%低減出来ることを確認した。このように応力が低減されることにより、保護膜端部での電極膜の疲労破壊を防止することが可能となる。 It was confirmed that the stress can be reduced by about 40% when the protrusion is provided as compared with the case where the protrusion is not provided as in the prior art. By thus reducing the stress, it is possible to prevent the fatigue failure of the electrode film at the end of the protective film.
これにより、保護膜46端部に発生する応力を低減することができ、電極44や接合材32の疲労破壊を防止でき、信頼性の高いパワー半導体装置が実現できる。
As a result, the stress generated at the end of the
(実施例2)
第1の実施例では、第2導体33がパワー半導体素子31と絶縁層51に接続部32を介して接続されているパワーモジュールの例を示した。図9は、第2実施形態に係るパワーモジュール100の断面図である。
(Example 2)
In the first embodiment, an example of the power module in which the
図9に示されるように、パワー半導体素子31の表面電極側に接合材32を介して第2導体33を接続し、さらに接合材38を介して第3導体35に接続され、第3導体35が絶縁層51に接続されていてもよい。
As shown in FIG. 9, the
また、第1の実施形態では、パワーモジュール100は、放熱フィン42を有する一対の放熱部材41と枠体43から構成されている金属製ケース40を有し、金属製ケース40内に、パワー半導体モジュールが収納されている場合について示した。
Further, in the first embodiment, the
しかし、図9に示すように、第1封止樹脂6により封止されたパワー半導体モジュールが絶縁層51を介して第4導体36、第5導体37に接続され、さらに接合部39を介して冷却部48に接続されていてもよい。
However, as shown in FIG. 9, the power semiconductor module sealed by the
この場合でも、第1導体33のパワー半導体素子31を接続する面には、保護膜46に対向する位置に突出部33pが設けられている。突出部は33a少なくとも保護膜46の幅と同じかそれよりも大きい幅で形成されている。突出部の側壁33bは、投影面上で保護膜46の側壁46aと同じかそれより外側になるように設けられている。また、突出部33pの平面パターンは、配線45の上面を覆うように設けられた保護膜46のパターンに沿って設けられている。これにより、実施形態1と同様の効果が得られる。
Also in this case, the
その他、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で、種々変形して適用することが可能である。 In addition, the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made within the scope of the present invention.
(実施例3)
また、実施形態1においては、図6に示したように、第1導体33に設ける突出部33pの平面パターンは、配線45の上面を覆うように設けられた保護膜46のパターンに全体を覆うように突出部33pを設けている。
(Example 3)
Further, in the first embodiment, as shown in FIG. 6, the planar pattern of the projecting
保護膜46端部での電極膜44の応力低減効果は、図6に示したように、配線パターンに沿って突出部33pを設けた場合、効果が最も大きいことを応力解析により確認している。
The stress reduction effect of the
しかし、図10に示されるように、本実施形態のように配線パターン全体を覆うように突出部33pを設けた場合でも、電極膜44の応力を低減できる。また、突出部33pの平面パターンが単純となるため、製造しやすいというメリットがある。
However, as shown in FIG. 10, even when the protruding
上述した実施の形態では、放熱部材41の放熱フィン42の形状をピンフィンとしたが、他の形状、例えばストレートフィンやコルゲートフィンであっても良い。
In the embodiment described above, the shape of the
また、上述した実施の形態では、電気自動車やハイブリッド自動車に搭載される車載用のパワー半導体装置を例に説明したが、パワー半導体素子31の両面に導体が接続部により接続されている両面冷却式のパワー半導体装置であれば、本発明を同様に適用することができる。
In the embodiment described above, the on-vehicle power semiconductor device mounted on an electric car or a hybrid car has been described as an example, but a double-sided cooling type in which a conductor is connected to both sides of the
6…第1封止樹脂、7…第2封止樹脂、31…パワー半導体素子、32…接合材、32a…はんだ厚、32b…はんだ厚、33…第1導体、33a…上面、33b…側壁、33p…突出部、34…第2導体、35…第3導体、36…第4導体、37…第5導体、38…接合材、39…接合材、40…金属ケース、41…放熱部材、42…放熱フィン、43…枠体、44…電極膜、45…配線、46…保護膜、47…電極パッド、48…冷却部、51…絶縁層、100…パワーモジュール、200…電力変換装置、201…筐体、202…底蓋、203a…入口用配管、203b…出口用配管、210…冷却用空間、211…周壁、221…側壁、220…支持部材、231…シール部材、240…カバー部材、241…開口部、250…コンデンサモジュール、251…コンデンサ素子、261…直流側バスバーアセンブリ、262…制御回路基板アセンブリ、263…交流側バスバーアセンブリ
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記半導体素子を挟みかつ当該半導体素子と半田材を介して、それぞれ接続される第1導体及び第2導体と、を備え、
前記半導体素子は、一方の面に第1電極と、他方の面に第2電極と、当該一方の面に配線と、当該配線を覆う保護摸とを有し、
前記第1導体は、前記半導体素子の前記一方の面側に配置され、
さらに前記第1導体は、前記保護摸と対向する部分に他の部分より突出する突出部を有するパワー半導体装置。 A semiconductor element,
And a first conductor and a second conductor connected to the semiconductor element and connected to the semiconductor element via a solder material,
The semiconductor device has a first electrode on one side, a second electrode on the other side, a wire on the one side, and a protective cover covering the wire.
The first conductor is disposed on the one surface side of the semiconductor element,
The power semiconductor device according to claim 1, wherein the first conductor further includes a protrusion that protrudes from another portion at a portion facing the protective wedge.
前記突出部の幅が前記保護膜の幅よりも長く、かつ前記突出部の側壁は保護膜側壁よりも外側に位置するパワー半導体装置。 The power semiconductor device according to claim 1,
The power semiconductor device, wherein the width of the protrusion is longer than the width of the protective film, and the side wall of the protrusion is located outside the side wall of the protective film.
前記突出部が前記配線の平面パターンに沿って形成され、前記配線を覆う前記保護膜の幅よりも長く、かつ前記突出部側壁は保護膜側壁よりも外側に位置するパワー半導体装置。 The power semiconductor device according to claim 1,
The power semiconductor device, wherein the projecting portion is formed along a planar pattern of the wiring, is longer than the width of the protective film covering the wiring, and the sidewall of the projecting portion is located outside the protective film sidewall.
前記突出部が前記配線の平面パターンを覆うように形成されるパワー半導体装置。 The power semiconductor device according to claim 1,
The power semiconductor device formed so that the projection part may cover the plane pattern of the wiring.
Priority Applications (2)
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