JP2020053501A - Power module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、パワーモジュールに関するものである。 The present invention relates to a power module.
例えば、特許文献1には、電子部品搭載基板の製造方法が開示されている。特許文献1によれば、銅あるいは銅メッキ板に対して、銀ペースト中の銀を焼結させることにより形成される銀接合層により電子部品を接合させることが記載されている。このような構成とすることにより、電子部品を銅板上に接合欠陥なく接合させることが可能である。したがって、上記構成は、例えば、パワーモジュールにおいてパワー半導体を基板上の銅電極に対して接合する際に用いられる。 For example, Patent Document 1 discloses a method for manufacturing an electronic component mounting board. Patent Literature 1 describes that an electronic component is joined to a copper or copper plated plate by a silver joining layer formed by sintering silver in a silver paste. With such a configuration, the electronic component can be bonded onto the copper plate without a bonding defect. Therefore, the above configuration is used, for example, when joining a power semiconductor to a copper electrode on a substrate in a power module.
上述した構成において、パワー半導体のように発熱する部品を用いており、さらに外的要因により高温となる場所に配置される場合には、銅電極や銀焼結材が高温となる場合がある。このような場合には、銀焼結材において還元反応が生じ、銀焼結材から酸素が放出される。したがって、放出された酸素が銅電極を酸化させることにより、銅電極と銀焼結材との接合部の剥離が生じる可能性がある。 In the above-described configuration, when a heat-generating component such as a power semiconductor is used, and the device is placed in a place where the temperature becomes high due to external factors, the temperature of the copper electrode or the silver sintered material may become high. In such a case, a reduction reaction occurs in the silver sintered material, and oxygen is released from the silver sintered material. Therefore, the released oxygen may oxidize the copper electrode, which may cause separation of the joint between the copper electrode and the silver sintered material.
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、銅電極の酸化を防止することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and has as its object to prevent oxidation of a copper electrode.
上記目的を達成するために、本発明では、第1の手段として、パワー半導体と、前記パワー半導体と接続される銅電極と、前記銅電極と前記パワー半導体とを接合する銀焼結材とを備えるパワーモジュールであって、前記銅電極上において前記銀焼結材の周囲に配置される金属部材を備え、前記金属部材は、前記銅電極よりも酸化還元電位が大きい材料により構成される、という構成を採用する。 In order to achieve the above object, in the present invention, as a first means, a power semiconductor, a copper electrode connected to the power semiconductor, and a silver sintered material joining the copper electrode and the power semiconductor are used. A power module, comprising: a metal member disposed around the silver sintered material on the copper electrode, wherein the metal member is made of a material having a higher oxidation-reduction potential than the copper electrode. Adopt configuration.
第2の手段として、上記第1の手段において、前記金属部材は、亜鉛により構成される、という構成を採用する。 As a second means, in the first means, a configuration is adopted in which the metal member is made of zinc.
第3の手段として、上記第1または2の手段において、前記金属部材は、前記銀焼結材に接触して設けられる、という構成を採用する。 As a third means, in the above first or second means, a configuration is adopted in which the metal member is provided in contact with the silver sintered material.
第4の手段として、上記第1〜3のいずれかの手段において、前記金属部材は、前記銀焼結材の全周を囲うように配置される、という構成を採用する。 As a fourth means, in any one of the first to third means, a configuration is adopted in which the metal member is arranged so as to surround the entire periphery of the silver sintered material.
本発明によれば、銀焼結材の周囲に金属部材を設けている。この金属部材は、銅電極よりも酸化還元電位が大きいため、銅電極が酸化するよりも前に酸素と結合し、酸化する。したがって、銀焼結材において還元反応が生じた際に、金属部材を酸化させることで、銅電極の酸化を防止することが可能である。 According to the present invention, the metal member is provided around the silver sintered material. Since this metal member has a higher oxidation-reduction potential than the copper electrode, it binds to oxygen and oxidizes before the copper electrode oxidizes. Therefore, when a reduction reaction occurs in the silver sintered material, it is possible to prevent oxidation of the copper electrode by oxidizing the metal member.
以下、図面を参照して、本発明に係るパワーモジュールの一実施形態について説明する。 Hereinafter, an embodiment of a power module according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[第1実施形態]
パワーモジュール1は、図1及び図2に示すように、絶縁基板2と、電極3と、複数のパワー半導体チップ4と、銀焼結材接合層5と、囲撓部材6(金属部材)と、絶縁基板2、電極3、複数のパワー半導体チップ4、銀焼結材接合層5及び囲撓部材6を収容する不図示のケーシングとを備えている。
[First Embodiment]
As shown in FIGS. 1 and 2, the power module 1 includes an
絶縁基板2は、パワー半導体チップが搭載される板部材である。なお、絶縁基板2は、パワー半導体チップ4が設けられる第1面と、第1面の裏面となる第2面との間が絶縁されている。
The
電極3は、絶縁基板2の両面に設けられる銅(Cu)製の電極である。電極3は、電子回路の一部とされ、パワー半導体チップ4と電気的に接続されている。
The
パワー半導体チップ4は、例えば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)であり、電極3に対して銀焼結材接合層5により接合されている。また、パワー半導体チップ4は、不図示であるが、絶縁基板2上に複数設けられている。このようなパワー半導体チップ4は、直流を交流に変換、または電圧及び周波数の変換を目的として実装されている。
The power semiconductor chip 4 is, for example, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), and is joined to the
銀焼結材接合層5は、銀焼結材により構成され、電極3とパワー半導体チップ4とを電気的に接続させる層であり、外周面が外部に露出した状態とされる。銀焼結材接合層5は、銀の微粒粉を約300℃で焼成することにより部材同士を接合する。
The silver sintered material joining layer 5 is a layer made of a silver sintered material and is a layer for electrically connecting the
囲撓部材6は、電極3上において銀焼結材接合層5を囲んで設けられる環状の部材であり、内周が銀焼結材接合層5の外周と全周において接触した状態で配置される。囲撓部材6は、亜鉛(Zn)により構成されている。亜鉛は、銅よりも酸化還元電位が大きく、酸素と結合しやすい性質を有している。なお、囲撓部材6の材質は、銅よりも酸化還元電位が大きく、かつ表面に不働態を形成しない素材が適している。
The surrounding
このような本実施形態のパワーモジュール1は、パワー半導体チップ4から生じる熱や、外的要因による熱により、高温となる場合がある。このような場合に、銀焼結材接合層5を構成する銀が、還元反応を生じ、酸素を外周へと放出することがある。このとき、囲撓部材6が銀焼結材接合層5の周囲に配置されることにより、放出された酸素は、銅よりも酸化還元電位の大きな亜鉛により構成されている囲撓部材6と結びつく。したがって、電極3と酸素が結び付くよりも前に囲撓部材6を酸化させることで、銀焼結材接合層5から生じる酸素により電極3が酸化して腐食することを、防止できる。
Such a power module 1 of the present embodiment may become high in temperature due to heat generated from the power semiconductor chip 4 or heat due to external factors. In such a case, the silver constituting the silver sintered material bonding layer 5 may cause a reduction reaction and release oxygen to the outer periphery. At this time, since the surrounding
また、本実施形態によれば、囲撓部材6は、銀焼結材接合層5に対して接触した状態で設けられている。これにより、銀焼結材接合層5から発生した酸素が囲撓部材6と接触しやすく、電極3の酸化をより効果的に防止できる。
Further, according to the present embodiment, the surrounding
また、本実施形態によれば、囲撓部材6を亜鉛により構成している。上述したように、亜鉛は、表面のみではなく内部まで酸化する性質を有している。このため、囲撓部材6の表面積が小さくとも、多くの酸素と結合させることが可能であり、電極3の酸化を長期間に渡って効率的に防止できる。
According to the present embodiment, the surrounding
[第2実施形態]
続いて、上記第1実施形態の変形例を第2実施形態として図3を参照して説明する。なお、以下の説明において、第1実施形態と同一の構成については符号を同一とし、説明を省略する。
[Second embodiment]
Subsequently, a modified example of the first embodiment will be described as a second embodiment with reference to FIG. In the following description, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
本実施形態におけるパワーモジュール1は、囲撓部材6に代えて囲撓部材6Aを備えている。囲撓部材6Aは、電極3上において、銀焼結材接合層5の外周を囲んだ状態で設けられる環状部材であり、亜鉛により構成されている。また、囲撓部材6Aは、銀焼結材接合層5と接触しないように配置されている。
The power module 1 according to the present embodiment includes a surrounding
このようなパワーモジュール1においても、上記第1実施形態と同様に、銀焼結材接合層5から還元反応により発生した酸素が、囲撓部材6Aと結合することにより、電極3の腐食を防止している。
In such a power module 1 as well, as in the first embodiment, the oxygen generated by the reduction reaction from the silver sintered material bonding layer 5 is bonded to the surrounding
また、絶縁基板2の構造上、銀焼結材接合層5と囲撓部材6Aとを接触させることができない場合においても、囲撓部材6Aにより電極3の腐食を防止することが可能である。
Further, even when the structure of the
[第3実施形態]
上記第1実施形態の変形例を第3実施形態として図4を参照して説明する。なお、以下の説明において、第1実施形態と同一の構成については符号を同一とし、説明を省略する。
[Third embodiment]
A modification of the first embodiment will be described as a third embodiment with reference to FIG. In the following description, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
本実施形態におけるパワーモジュール1は、囲撓部材6に代えて複数の金属部材6Bを備えている。複数の金属部材6Bは、電極3上に配置される長尺状の部材であり、銀焼結材接合層5を囲むように配置されている。また、金属部材6Bは、亜鉛により構成されている。
The power module 1 in the present embodiment includes a plurality of
このようなパワーモジュール1においても、上記第1実施形態と同様に、銀焼結材接合層5から還元反応により発生した酸素が、囲撓部材6Aと結合することにより、電極3の腐食を防止している。
In such a power module 1 as well, as in the first embodiment, the oxygen generated by the reduction reaction from the silver sintered material bonding layer 5 is bonded to the surrounding
また、銀焼結材接合層5を複数の金属部材6Bにより囲む構成とすることにより、金属部材6Bの配置の自由度が向上する。さらに、金属部材6Bの表面積を大きくすることが可能であり、酸素との結合率を向上できる。
In addition, since the silver sintered material joining layer 5 is configured to be surrounded by the plurality of
以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。 The preferred embodiment of the present invention has been described with reference to the drawings, but the present invention is not limited to the above embodiment. The shapes, combinations, and the like of the constituent members shown in the above-described embodiments are merely examples, and can be variously changed based on design requirements and the like without departing from the spirit of the present invention.
上記実施形態においては、囲撓部材6、囲撓部材6A及び金属部材6Bは、亜鉛により構成されているものとしたが、本発明はこれに限定されない。本発明の囲撓部材6Aは、不働態を形成しない部材であり、かつ銅よりも酸化還元電位が大きい素材であれば、合金や、鉄等としてもよい。
In the above embodiment, the surrounding
上記実施形態においては、囲撓部材6は、銀焼結材接合層5の全周を囲うように設けられるものとしたが、本発明はこれに限定されない。基板2の形状や電極3の形状等によって、囲撓部材6は、銀焼結材接合層5の一部のみを囲うものとしてもよい。
In the above embodiment, the surrounding
また、囲撓部材6、囲撓部材6A及び金属部材6Bは、表面積を増加させる加工(例えば表面に溝を設ける等)を行うことにより、酸素との接触面積を向上させることが可能である。これにより、囲撓部材6、囲撓部材6A及び金属部材6Bは、より酸素と結合しやすくなり、電極3の腐食を防止しやすくなる。
Further, the contact area with oxygen can be improved by performing processing (for example, providing a groove on the surface) of the surrounding
1……パワーモジュール
2……絶縁基板
3……電極
4……パワー半導体チップ
5……銀焼結材接合層
6……囲撓部材
6A……囲撓部材
6B……金属部材
1
Claims (4)
前記銅電極上において前記銀焼結材の周囲に配置される金属部材を備え、
前記金属部材は、前記銅電極よりも酸化還元電位が大きい材料により構成される
ことを特徴とするパワーモジュール。 A power module comprising a power semiconductor, a copper electrode connected to the power semiconductor, and a silver sintered material that joins the copper electrode and the power semiconductor,
A metal member is provided around the silver sintered material on the copper electrode,
The power module, wherein the metal member is made of a material having a higher oxidation-reduction potential than the copper electrode.
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