JP2019197842A - Power module, electric power conversion system, and method of manufacturing power module - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、実装基板が封止樹脂により封止されるパワーモジュール、電力変換装置、およびパワーモジュールの製造方法に関する。 The present application relates to a power module in which a mounting substrate is sealed with a sealing resin, a power conversion device, and a method for manufacturing the power module.
パワーモジュールの絶縁封止として、金型が不要で高耐熱エポキシ封止が可能なダイレクトポッティング(Direct Potting、以下DPと称する)封止技術が普及しつつある。一般的なシリコーンゲル封止材に比較して粘度が高いため、狭間隙への注入が難しく、絶縁特性および長期信頼性に影響するボイドが抜けにくいという問題を有する。 As an insulating seal for a power module, a direct potting (hereinafter referred to as DP) sealing technique that does not require a mold and enables high heat-resistant epoxy sealing is becoming widespread. Since the viscosity is higher than that of a general silicone gel sealing material, there is a problem that injection into a narrow gap is difficult, and voids that affect the insulation characteristics and long-term reliability are difficult to come off.
高信頼性を実現する電極板を直接パワー半導体素子に接続する構造のモジュールの場合、電極板の銅と、セラミック基板およびパワー半導体素子との膨張係数差による熱応力によって信頼性が損なわれる懸念があるため、接合部の厚さを確保してひずみを低減する必要があった。また、電極板が広い面積を有し、半導体素子が搭載された絶縁基板と平行平板構造となっているために狭間隙では特にボイドが抜けにくい。その対策として真空中での注入装置などが用いられているが、装置が大掛かりで、減圧および樹脂の広がりに時間を要するなど生産性の面で課題を残している。 In the case of a module having a structure in which an electrode plate that realizes high reliability is directly connected to a power semiconductor element, there is a concern that reliability may be impaired by thermal stress due to a difference in expansion coefficient between copper of the electrode plate and the ceramic substrate and the power semiconductor element. Therefore, it was necessary to secure the thickness of the joint and reduce the strain. Further, since the electrode plate has a large area and has a parallel plate structure with the insulating substrate on which the semiconductor element is mounted, voids are particularly difficult to escape in a narrow gap. As a countermeasure, an injection device in a vacuum is used. However, the device is large, and there are still problems in terms of productivity, for example, time is required for decompression and spreading of the resin.
これに対して、特許文献1においては、半導体素子との接合面よりも高い位置に段差を設けて間隙を大きくし、さらに開口部を形成することでDP樹脂の注入性を改善し、ボイドの形成を抑制しようとするものである。また、特許文献2においては、ケースの側壁と実装基板の端部との間の樹脂充填スペースに傾斜部を設置し、この傾斜部を介してケース内へDP樹脂を充填しようとするものである。 On the other hand, in Patent Document 1, a step is provided at a position higher than the joint surface with the semiconductor element to increase the gap, and further, an opening is formed to improve the DP resin injecting property. It is intended to suppress formation. In Patent Document 2, an inclined portion is installed in a resin filling space between the side wall of the case and the end portion of the mounting substrate, and DP resin is to be filled into the case through the inclined portion. .
しかしながら、上記のような従来技術を用いても、平行平板間に一旦閉じ込められた空気は動きにくく、間隙を大きくしたり開口部があっても空気が残り、十分にはボイドを抜くことができないという問題があった。 However, even if the conventional technology as described above is used, the air once trapped between the parallel plates is difficult to move, and even if the gap is enlarged or there is an opening, the air remains and the void cannot be sufficiently removed. There was a problem.
本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、封止樹脂の注入性を向上させることによりボイドレスを実現し、信頼性の高いパワーモジュール、電力変換装置、およびパワーモジュールの製造方法を得ることを目的とする。 The present application discloses a technique for solving the above-described problems, and realizes a voidless by improving the injection property of the sealing resin, and a highly reliable power module, power converter, and power It aims at obtaining the manufacturing method of a module.
本願に開示されるパワーモジュールは、基板上に配置された半導体素子と、前記半導体素子同士、前記半導体素子と外部端子、または前記基板と前記外部端子を接続するための2以上の接続部を有する板状の電極板と、前記電極板の隣り合う前記接続部間の前記基板面側に、凸型で傾斜が設けられた樹脂成形部と、前記接続部の周辺を封止する封止樹脂部と、を備えたことを特徴とする。 A power module disclosed in the present application includes a semiconductor element disposed on a substrate and two or more connection portions for connecting the semiconductor elements to each other, the semiconductor element and an external terminal, or the substrate and the external terminal. A plate-shaped electrode plate, a resin-molded portion that is convex and inclined on the substrate surface side between the connecting portions adjacent to the electrode plate, and a sealing resin portion that seals the periphery of the connecting portion And.
本願に開示されるパワーモジュールの製造方法は、基板の上に半導体素子を搭載する工程と、板状の電極板の接続部間の前記基板面側に、凸型で傾斜が設けられた樹脂成形部を形成し、前記半導体素子に前記電極板を接続する工程と、前記半導体素子と前記電極板の接続部を封止する封止樹脂部を形成する工程とを含むことを特徴とする。 The method for manufacturing a power module disclosed in the present application includes a step of mounting a semiconductor element on a substrate and a resin molding in which a convex and inclined surface is provided on the substrate surface side between connecting portions of plate-like electrode plates. Forming a portion and connecting the electrode plate to the semiconductor element, and forming a sealing resin portion for sealing the connection portion between the semiconductor element and the electrode plate.
本願によれば、板状の電極板の接続間の中央裏面に、凸型で傾斜が設けられた樹脂成形部を備えたので、封止樹脂の注入性を向上させることによりボイドレスを実現し、信頼性の向上を図ることができる。 According to the present application, the center back surface between the connection of the plate-like electrode plates is provided with a resin molded portion provided with a convex shape and an inclination, so that a voidless is realized by improving the injection property of the sealing resin, Reliability can be improved.
実施の形態1.
図1は、実施の形態1におけるパワーモジュール101の構成を示す斜視図でり、図2は、図1のAA矢視断面図である。図1および図2に示すように、パワーモジュール101は、絶縁基板であるセラミック基板10と、セラミック基板10に配置されるパワー半導体素子21、22と、パワー半導体素子21、22の電極に電気的に接続される主端子としてのソース電極板611と、セラミック基板10の銅導体層13に電気的に接続される主端子としてのドレイン電極板612と、パワー半導体素子22とワイヤ4を介して電気的に接続する信号端子630と、これらパワー半導体素子21、22とその接続する部分の周辺を封止する封止樹脂部7とから構成される。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a
セラミック基板10は、AlN製のセラミック基材11(40mm×25mm×厚さ0.635mm)の両面に、銅導体層12、13(パターン厚さ0.4mm)が設けられている。セラミック基板10の表面には、銅導体層13上に、パワー半導体素子21、22が配置されている。
The
パワー半導体素子21、22としては、それぞれダイオード21(Diode、15mm×15mm×厚さ0.3mm)と、IGBT22(Insulated Gate Bipolar Transistor、15mm×15mm×厚さ0.3mm)が、はんだダイボンド3によりセラミック基板10の表面の銅導体層13上に接合されている。
As the
ソース電極板611とドレイン電極板612は、それぞれ銅製の板状電極(厚さ0.3mm、ソース電極板:幅8mm、ドレイン電極板:幅4mm)であり、インサートモールド工法により形成された、樹脂成形部601で連接され、樹脂成形部601によりケース5に固定されている。ソース電極板611は、ダイオード21とIGBT22との間にも、樹脂成形部602が形成され、樹脂成形部602によりケース5に固定されている。ソース電極板611は、一端がダイオード21およびIGBT22のパワー半導体素子の大電流が流れる電極であるソース電極211、221と、はんだ接合部32a、32bによって電気的に接続され、他端が外部端子としてのケース5外周部に形成されている銅製のネジ止め電極621(厚さ0.8mm、幅5mm)にはんだ接合部33aにより電気的に接続されている。一方、ドレイン電極板612は、一端がセラミック基板10の銅導体層13とはんだ接合部により電気的に接続され、他端がネジ止め電極622にはんだ接合部により電気的に接続されている。ケース5に形成された信号端子630(631、632、633)は、信号端子630(631、632、633)の内部パッド63(63a、63b、63c)と、IGBT22のゲート電極222a、222bおよび温度センサー電極222cとが、アルミ製のワイヤ(φ0.15mm)4でそれぞれ電気的に接続されている。
The
ケース5は、PPS(Poly Phenylene Sulfide)樹脂製(48mm×28mm×高さ12mm)で、枠状に形成されており、シリコーン製の接着剤8を用いてセラミック基板10の縁部に固定されている。ケース5は、封止樹脂部7を囲い、接着剤8は、ケース5とセラミック基板10との間の隙間を埋めることで、ダイレクトポッティングを用いて封止樹脂部7を形成する際の樹脂の漏れを防止している。
The
樹脂成形部601、602は、PPS樹脂製であり、矩形のセラミック基板10に対して長手方向の垂直断面が、セラミック基板面側に凸型のV字型に傾斜が形成されている。樹脂成形部601は、ネジ止め電極621の内部パッド62aとダイオード21を跨ぐソース電極板611の中央部分に、およびネジ止め電極622の内部パッド62bとセラミック基板10上の銅導体層13とを跨ぐドレイン電極板612の中央部分を連接するように、セラミック基板10の短手方向に棒状で設けられている。また、樹脂成形部602は、ダイオード21とIGBT22とを跨ぐソース電極板611の中央部分に、セラミック基板10の短手方向に棒状で設けられている。樹脂成形部601、602のそれぞれの両端601a、601b、および602a、602bは、矩形のケース5の長手方向の側面上部に設けられた凹部51a、51b、および52a、52bにそれぞれはめ込み、固定され、ソース電極板611とドレイン電極板612は、位置決めされる。なお、樹脂成形部601、602は、セラミック基板面側に凸型のV字型としたが、これに限るものではない。セラミック基板面側に凸型に傾斜が形成されていればよく、例えばセラミック基板面側に凸型のU字型でもよい。また、セラミック基板10に対して長手方向の垂直断面をセラミック基板面側に凸型のV字型としたが、これに限るものではない。例えば、セラミック基板10に対して短手方向の垂直断面をセラミック基板面側に凸型のV字型としてもよい。
The
実施の形態1のパワーモジュール101においては、樹脂成形部601、602の底面が凸型のV字断面を有することで、セラミック基板10との間の空間は、短手方向の端部に向かうほど厚さが大きくなる構造となる。そのため、樹脂成形部601、602では、製造の際に下面に入り込んだ気泡は、その場にとどまることなく端部に向かって移動し、樹脂成形部601、602の外部に排出されて液面から外部に解放されることになる。また、樹脂成形部601、602は、ケース5に対して位置決めすることでソース電極板611およびドレイン電極板612と、セラミック基板10およびパワー半導体素子(ダイオード21、IGBT22)との間隔を一定の距離に保持することで、熱応力の軽減を図り、封止樹脂の注入性を向上させることができる。
In the
次に、実施の形態1によるパワーモジュール101の製造方法について、図3に基づき説明する。図3(a)から図3(c)は、実施の形態1によるパワーモジュール101の製造工程を示す断面図である。
Next, a method for manufacturing the
まず、図3(a)に示すように、セラミック基板10に対して、板状のはんだ31a、31bを用いて、それぞれダイオード21およびIGBT22と重ねて位置決め搭載し、リフロー炉を用いてはんだ31a、31bを加熱溶融させて、はんだダイボンディングを行う。
First, as shown in FIG. 3 (a), plate-
続いて、図3(b)に示すように、ケース5の内周部にシリコーン製の接着剤8を塗布し、セラミック基板10を位置決め搭載し、50℃〜150℃のオーブンで30分加熱して接着剤8を硬化させる。
Subsequently, as shown in FIG. 3B, a
次いで、図3(c)に示すように、ダイオード21とIGBT22のそれぞれのソース電極211、221および銅導体層13の図示しないドレイン電極板612を接続する位置に、それぞれクリーム状のはんだ32a、32b、32cをディスペンス供給し、ネジ止め電極621、622の内部パッド62a、62bにクリーム状のはんだ33a、33bをディスペンス供給する。
Next, as shown in FIG. 3C, cream-
図4は、図3(c)に対応する斜視図であるが、はんだ32a、32b、32c、33a、33bをディスペンス供給した後、ソース電極板611とドレイン電極板612に設けられた、樹脂成形部601、602の両端601a、601b、および602a、602bをそれぞれ、図4に示すケース5の凹部51a、51b、および52a、52bにはめ込むことで位置決めして、ダイオード21およびIGBT22のそれぞれのソース電極211、221と、ネジ止め電極621、622の内部パッド62a、62bに搭載し、はんだを加熱溶融させることで、ダイオード21およびIGBT22とネジ止め電極621、およびセラミック基板10上の銅導体層13とネジ止め電極622とを電気的に接続して回路を形成する。
FIG. 4 is a perspective view corresponding to FIG. 3C, but the resin molding provided on the
最後に、ワイヤ4(4a、4b、4c)を用いてIGBT22のゲート電極222a、222bおよび温度センサー電極222cと、ケース5の信号端子630(631、632、633)の内部パッド63(63a、63b、63c)をワイヤボンドによってそれぞれ接続する。その後、ダイレクトポッティング封止樹脂を40℃〜90℃に加熱した状態で流し込み、真空脱泡して加熱(50℃〜200℃に所定の時間保持)して硬化させて封止樹脂部7を形成し、図2に示すパワーモジュール101が完成する。
Finally, using the wires 4 (4a, 4b, 4c), the
封止に用いるダイレクトポッティング封止樹脂(粘度:5Pa・S〜30Pa・S)は、シリコーンゲル(粘度:0.2Pa・S〜2Pa・S)に比較して粘度が高いため、空気を噛みこみやすく、抜けにくいという特徴がある。ソース電極板およびドレイン電極板の下面に取り込まれた気泡は、重力の影響(浮力)によって液面に浮上しようとするが、ソース電極板およびドレイン電極板が平板である場合、ソース電極板およびドレイン電極板の下面にとどまる可能性が懸念される。 Direct potting sealing resin (viscosity: 5 Pa · S to 30 Pa · S) used for sealing is higher in viscosity than silicone gel (viscosity: 0.2 Pa · S to 2 Pa · S), so it entraps air. It is easy and easy to remove. Bubbles taken into the lower surfaces of the source electrode plate and the drain electrode plate try to float on the liquid surface due to the influence of gravity (buoyancy). When the source electrode plate and the drain electrode plate are flat plates, the source electrode plate and the drain electrode There is concern about the possibility of remaining on the lower surface of the electrode plate.
これに対し、実施の形態1のパワーモジュール101においては、樹脂成形部601、602の底面が凸型のV字断面を有することで、セラミック基板10との間の空間は、樹脂成形部601、602の短手方向の端部に向かうほど封止樹脂部分の厚さが大きくなる構造となる。そのため、樹脂成形部601、602では、製造の際に下面に入り込んだ気泡は、その場にとどまることなく端部に向かって移動し、樹脂成形部601、602の外部に排出されて液面から外部に解放されることになる。さらに、ダイレクトポッティング封止樹脂は高温になるほど粘度が下がる傾向を有するため、注入後にプレート型のヒータまたはオーブンを用いて加熱することで気泡が動きやすくなり、抜けやすくなる効果が得られる。また、例えば、ケース5に電動式のバイブレータ上に置いた状態で振動および衝撃を与えたりすることでも気泡の動きを活発にしたり、真空デシケータ中に投入して減圧によって気泡の体積が増大することによって、よりダイレクトポッティング封止樹脂の厚さが大きい方へ移動しやすくすることにより、気泡はさらに抜けやすくなる。
On the other hand, in the
なお、実施の形態1では、複数の電極板をインサートモールド工法で樹脂成形部601、602を形成するが、これに限るものではない。図5に示すように絶縁性の接着剤691、692で形成するなどして、樹脂成形部601、602を構成しても同様の効果が得られる。
In the first embodiment, the resin molded
また、樹脂成形部601、602の一部(端部)を、ケース5の凹部51a、51b、および52a、52bに対してはめ込み、固定したがこれに限るものではない。図6に示すように、樹脂成形部601、602の一部を、セラミック基板10の銅導体層13のパターンにはめ込んだりして、セラミック基板10に固定することにより、ソース電極板611およびドレイン電極板612は、ダイオード21、IGBT22、およびセラミック基板10に対して一定の間隔を保持することが可能となり、ダイオード21とIGBT22の表面電極へのソース電極板611の接触によるダメージを解消し、位置ズレおよび傾きの発生が抑制され、供給したはんだ32、33の量が一定であればはみ出しおよびオープン不良にはなりにくく、封止樹脂も注入されやすくなる。なお、この場合、セラミック基板10の長手方向の垂直断面が、セラミック基板面側に凸型のU字型に傾斜を形成するものであるが、これに限るものではない。例えば、セラミック基板10の短手方向の垂直断面が、セラミック基板面側に凸型のU字型に傾斜を形成することも可能である。また、図7に示すように、セラミック基板の絶縁部に搭載したり、図8に示すように、電極板単独でケースに対してアウトサート(挿入固定)しても、同様の効果が得られる。
Moreover, although a part (end part) of the
樹脂成形部601、602の素材としては、PPSを用いたが、これは封止樹脂に比較すると安価であるため、封止樹脂の減量によるコスト低減にも効果がある。
PPS is used as the material of the
ソース電極板611は、銅製で、膨張係数が17ppm/K程度であるのに対し、ダイオード21、IGBT22、およびセラミック基板10は3〜7ppm/Kと小さいため、はんだ接合のための加熱後の冷却時および実使用環境での温度サイクルによって熱応力が発生する。そのため、ソース電極板611は、使用する電流容量の範囲でなるべく薄くすることが望ましい。一方で、ネジ止め電極621は、ネジの締結力に耐える必要があるためある程度の厚さが必要である。また、ソース電極板611は、はんだ付け性に優れたニッケルおよび銀などの表面メタライズが望ましいが、ネジ止め電極620(621、622)は耐候性に優れた銅のままの方が好ましい。場所によって厚さを変えた異厚銅板、および場所によってメタライズを変えた部分めっき銅板も存在するが高価で入手性が悪い場合が多いため、ソース電極板611とネジ止め電極620が別部材であることのメリットは多い。
The
この膨張係数差に伴う熱応力の軽減に関しては、樹脂成形部601、602を、ケース5の凹部51a、51b、および52a、52bに対して、はめ込み、固定することにより、ソース電極板611およびドレイン電極板612は、ダイオード21、IGBT22、およびセラミック基板10との間隔を一定の距離に保持することで、熱応力の軽減を図り、封止樹脂の注入性を向上させることができる。
Regarding the reduction of the thermal stress due to this difference in expansion coefficient, the resin molded
また、搭載するダイオード21とIGBT22の容量および形状によっては、ソース電極板611またはドレイン電極板612のパターンが変わる場合があり、ワイヤボンドによって置き換えることも可能で、この面でもソース電極板611およびドレイン電極板612と、ネジ止め電極620とが別部材であることが有効である。
The pattern of the
はんだ32a、32bの供給方法としては、クリーム状のはんだを用いたが、板状のはんだを挟み込んでリフローする方法を取ることも可能である。また、ソース電極板611の、ダイオード21とIGBT22のソース電極211、221に対応した部分にあけた開口部65a、65bから溶融したはんだを流し込むことによっても同様の効果が得られる。
As a method for supplying the
セラミック基板10の基材としては、AlNを用いたが、アルミナおよびSiNなどのセラミック材料でも同様の効果が得られる。さらに放熱性の必要があまりない場合には、金属ベース基板またはガラスエポキシ基板などを用いることも可能である。また、ケース5の材料としてPPSを用いたが、より耐熱性の高いLCP(Liquid Crystal Polymer、液晶ポリマー)を用いても同様の効果が得られる。
AlN was used as the base material of the
また、ソース電極板611の材料として銅板を用いたが、銅めっきしたアルミ板とすることで軽量化が可能となり、銅とインバーを重ね合わせたCIC(Copper Invar Copper)板を用いることでセラミック基板10との膨張係数差を抑制して熱応力を低減し、信頼性を向上させることも可能となる。
Although the copper plate is used as the material of the
モジュール構成としては、ダイオード21とIGBT22が1対の1in1を用いたが、2対の2in1または6対の6in1であっても同様の効果が得られる。また、ここではアルミ製のワイヤ4を用いたが、銅製ワイヤまたはアルミ被服銅ワイヤ、または金ワイヤを用いても同様の効果が得られる。また、ダイレクトポッティング封止樹脂については、流し込んで常温硬化させる種類のものでも同様の効果が得られる。また、ダイオード21およびIGBT22とセラミック基板10との接続、ダイオード21およびIGBT22とソース電極板611、およびセラミック基板10とドレイン電極板612との接続にはんだを用いたが、Agフィラーをエポキシ樹脂に分散させた導電性接着剤、またはナノ粒子を低温焼成させるAgナノパウダまたはCuナノパウダなどを用いても同様の効果が得られる。また、ケース5を用いずに金型を用いてトランスファモールド封止樹脂によって封止するトランスファモールドパッケージにおいても同様の効果が得られる。
As the module configuration, the
以上のように、実施の形態1によるパワーモジュール101によれば、セラミック基板10上に配置されたパワー半導体素子(ダイオード21、IGBT22)と、パワー半導体素子(ダイオード)21とパワー半導体素子(IGBT)22、パワー半導体素子(ダイオード)21とネジ止め電極621の内部パッド62a、またはセラミック基板10とネジ止め電極622の内部パッド62bを接続するための2以上の接続部を有する板状のソース電極板611およびドレイン電極板612と、ソース電極板611およびドレイン電極板612の隣り合う接続部間の中央部分に、裏面側に凸型で傾斜が設けられセラミック基板10に対して短手方向に棒状で設けられた樹脂成形部601、602と、接続部の周辺を封止する封止樹脂部7とを備えるようにしたので、封止樹脂の注入性を向上させることによりボイドレスを実現し、信頼性の向上を図ることができる。また、601、602は、セラミック基板10に固定されるか、セラミック基板10に固定されたケース5に固定されるようにしたので、セラミック基板およびパワー半導体素子との間隔を一定の距離に保持することで、熱応力の軽減を図ることができる。
As described above, according to the
実施の形態2.
実施の形態1では、主端子としてのソース電極板611とドレイン電極板612に樹脂成形部を用いたが、実施の形態2では、信号端子にも、樹脂成形部を用いる場合について説明する。
Embodiment 2. FIG.
In the first embodiment, resin molded portions are used for the
図9は、実施の形態2におけるパワーモジュール102の構成を示す斜視図であり、図10は、図9のBB矢視断面図である。図9および図10に示すように、実施の形態2では、パワーモジュール102は、IGBT22と信号端子630との接続に、ワイヤではなく、銅製の板状の信号電極板(厚さ0.15mm、幅0.3mm)613を用いる。
FIG. 9 is a perspective view showing the configuration of the
信号電極板613(613a、613b、613c)は、中央部分に、樹脂成形部603cが形成されている。信号電極板613(613a、613b、613c)は、一端がIGBT22のパワー半導体素子のゲート電極222a、222bおよび温度センサー電極とそれぞれ、はんだ接合部34a、34b、34cによって電気的に接続され、他端は信号端子630(631、632、633)の内部パッド63(63a、63b、63c)にそれぞれ、はんだ接合部35a、35b、35cにより電気的に接続されている。
The signal electrode plate 613 (613a, 613b, 613c) has a resin molded
樹脂成形部603cは、PPS樹脂製であり、信号端子630(631、632、633)の内部パッド63(63a、63b、63c)とIGBT22を跨ぐ信号電極板613(613a、613b、613c)の中央部分を連接するように、インサートモールド工法により形成され、底部が凸型のV字型で傾斜が設けられている。また、樹脂成形部603cは、ソース電極板のダイオード21とIGBT22との間の中央部分に形成される樹脂成形部603と一体成型により連結して設けられており、樹脂成形部603cは、樹脂成形部603の両端603a、603bによりケース5の凹部52a、52bに固定され、信号電極板613(613a、613b、613c)は、位置決めされる。
The
図11は、実施の形態2によるパワーモジュール102の製造方法について説明する図であり、図4に対応する斜視図であるが、図3(c)の工程と同様に、はんだ32a、32b、32c、33a、33b、および34a、34b、34c、35a、35b、35cをディスペンス供給した後、図11に示すように、ソース電極板611、ドレイン電極板612、および信号電極板613(613a、613b、613c)に設けられた、樹脂成形部601、603(603c)の両端601a、601b、および603a、603bをそれぞれ、ケース5の凹部51a、51b、および52a、52bにはめ込むことで位置決めして、ダイオード21およびIGBT22のそれぞれのソース電極211、221と、ネジ止め電極621、622の内部パッド62a、62bに搭載し、はんだを加熱溶融させることで、ダイオード21およびIGBT22とネジ止め電極621、セラミック基板10上の銅導体層13とネジ止め電極622、およびIGBT22と信号端子630(631、632、633)とを電気的に接続して回路を形成する。実施の形態2によるパワーモジュール102のその他の構成および製造方法については、実施の形態1のパワーモジュール101と同様であり、対応する部分には同符号を付してその説明を省略する。
FIG. 11 is a diagram for explaining a method for manufacturing the
これにより、信号電極板613(613a、613b、613c)を用いることにより、ワイヤボンドを行わずにパワーモジュールの組立が可能となるだけでなく、ワイヤボンドを行う場合に、IGBTのゲート電極などの直下のはんだ接合部にボイドがあると、ワイヤボンドの衝撃でIGBTにクラックを発生させる懸念があるため、X線検査などによってボイドがないことを確認する必要があったが、信号電極板をはんだ接続する場合には衝撃が加わらないため、ボイド観察を省略することが可能となる。 Thus, by using the signal electrode plate 613 (613a, 613b, 613c), it is possible not only to assemble the power module without performing wire bonding, but also when performing wire bonding, such as the gate electrode of the IGBT. If there is a void in the solder joint immediately below, there is a concern that the IGBT may crack due to the impact of the wire bond, so it was necessary to confirm that there was no void by X-ray inspection or the like. Since no impact is applied when connecting, void observation can be omitted.
以上のように、実施の形態2によるパワーモジュール102によれば、主端子としてのソース電極板611とドレイン電極板612だけでなく、IGBT22と信号端子630との接続に信号電極板613(613a、613b、613c)を用い、信号電極板613(613a、613b、613c)にも接続部間の裏面側に凸型で傾斜が設けられた樹脂成形部603cを備えるようにしたので、実施の形態1における効果でけでなく、製造が容易となるとともに、さらに信頼性の向上を図ることができる。
As described above, according to the
実施の形態3.
実施の形態3は、上述した実施の形態1〜2にかかるパワーモジュールを電力変換装置に適用したものである。本願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願を適用した場合について説明する。
In
図12は、実施の形態3によ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。
FIG. 12 is a block diagram showing a configuration of a power conversion system to which the power conversion device according to
図12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は種々のもので構成することが可能であり、例えば、直流系統、太陽電池、蓄電池で構成することができるし、交流系統に接続された整流回路またはAC/DCコンバータで構成することとしてもよい。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することとしてもよい。
The power conversion system illustrated in FIG. 12 includes a
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12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
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され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、例えば、ハイブリッド自動車または電気自動車、鉄道車両、エレベーター、もしくは、空調機器向けの電動機として用いられる。
The
以下、電力変換装置200の詳細を説明する。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おり(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を交流電力に変換し、負荷300に供給する。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、実施の形態4にかかる主変換回路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。主変換回路201の各スイッチング素子および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パワーモジュール(ここではパワーモジュール101で説明する)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。
Hereinafter, details of the
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(図示なし)を備えているが、駆動回路はパワーモジュール101に内蔵されていてもよいし、パワーモジュール101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
制御回路203は、負荷300に所望の電力が供給されるよう主変換回路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。例えば、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、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又はオフ信号を駆動信号として出力する。
The
実施の形態3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にかかるパワーモジュールを適用するため、信頼性向上を実現することができる。
In the power conversion device according to the third embodiment, since the power module according to the first and second embodiments is applied as the switching element and the free wheel diode of the
実施の形態3では、2レベルの三相インバータに本願を適用する例を説明したが、本願は、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。実施の形態3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願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コンバータに本願を適用することも可能である。 In the third embodiment, an example in which the present application is applied to a two-level three-phase inverter has been described. However, the present application is not limited to this and can be applied to various power conversion devices. In the third embodiment, a two-level power converter is used. However, a three-level or multi-level power converter may be used. When power is supplied to a single-phase load, the present application is applied to a single-phase inverter. It doesn't matter. Moreover, when supplying electric power to a DC load or the like, the present application can be applied to a DC / DC converter or an AC / DC converter.
また、本願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、例えば、放電加工機またはレーザー加工機、又は誘導加熱調理器または非接触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 application is applied is not limited to the case where the load described above is an electric motor. For example, as a power supply device for an electric discharge machine or a laser machine, an induction heating cooker, or a non-contact power feeding system. It can also be used, and furthermore, it can also be used as a power conditioner such as a photovoltaic power generation system or a power storage system.
本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、1つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも1つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。 Although this application describes various exemplary embodiments and examples, various features, aspects, and functions described in one or more embodiments may be applied to particular embodiments. The present invention is not limited to this, and can be applied to the embodiments alone or in various combinations. Accordingly, countless variations that are not illustrated are envisaged within the scope of the technology disclosed herein. For example, the case where at least one component is deformed, the case where the component is added or omitted, the case where the at least one component is extracted and combined with the component of another embodiment are included.
7 封止樹脂部、10 セラミック基板、21 ダイオード(パワー半導体素子)、22 IGBT(パワー半導体素子)、211、221 ソース電極、601、602、603、603c 樹脂成形部、611 ソース電極板、612 ドレイン電極板、613 信号電極板、101 パワーモジュール、200 電力変換装置、201 主変換回路、203 制御回路、300 負荷。 7 encapsulating resin part, 10 ceramic substrate, 21 diode (power semiconductor element), 22 IGBT (power semiconductor element), 211, 221 source electrode, 601, 602, 603, 603c resin molding part, 611 source electrode plate, 612 drain Electrode plate, 613 Signal electrode plate, 101 power module, 200 power converter, 201 main converter circuit, 203 control circuit, 300 load.
Claims (9)
前記半導体素子同士、前記半導体素子と外部端子、または前記基板と前記外部端子を接続するための2以上の接続部を有する板状の電極板と、
前記電極板の隣り合う前記接続部間の前記基板面側に、凸型で傾斜が設けられた樹脂成形部と、
前記接続部の周辺を封止する封止樹脂部と、
を備えたことを特徴とするパワーモジュール。 A semiconductor element disposed on a substrate;
A plate-like electrode plate having two or more connecting portions for connecting the semiconductor elements, the semiconductor element and an external terminal, or the substrate and the external terminal;
On the substrate surface side between the adjacent connection portions of the electrode plate, a convex and inclined resin molded portion;
A sealing resin portion for sealing the periphery of the connection portion;
A power module comprising:
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 main conversion circuit that has the power module according to any one of claims 1 to 7, converts input power, and outputs the converted power.
A power conversion device comprising: a control circuit that outputs a control signal for controlling the main conversion circuit to the main conversion circuit.
板状の電極板の接続部間の前記基板面側に、凸型で傾斜が設けられた樹脂成形部を形成し、前記半導体素子に前記電極板を接続する工程と、
前記半導体素子と前記電極板の接続部を封止する封止樹脂部を形成する工程とを含むことを特徴とするパワーモジュールの製造方法。 Mounting a semiconductor element on a substrate;
Forming a convex and inclined resin molded portion on the substrate surface side between the connecting portions of the plate-like electrode plates, and connecting the electrode plates to the semiconductor element;
Forming a sealing resin portion that seals a connection portion between the semiconductor element and the electrode plate.
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