JP2020155699A - Manufacturing method for package and power semiconductor module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、パッケージ、およびパワー半導体モジュールの製造方法に関し、特に、蓋体が取り付けられることによってパワー半導体素子をグロスリークなしに封止する封止空間を構成するためのパッケージと、グロスリークなしに封止されたパワー半導体素子と、に関するものである。 The present invention relates to a package and a method for manufacturing a power semiconductor module, in particular, a package for forming a sealing space for sealing a power semiconductor element without a gloss leak by attaching a lid, and a package without a gloss leak. It relates to a sealed power semiconductor device.
パワー半導体素子を封止する封止空間を構成する容器には、パワー半導体素子の種類および用途によっては、グロスリークを生じない程度に高い気密性が求められることがある。特に、高周波用半導体素子には、グロスリークなしの封止が求められることが多い。なお、蓋体が取り付けられることによってパワー半導体素子を封止する封止空間を構成する容器のことを、本明細書においてはパッケージとも称する。パッケージはキャビティを有しており、このキャビティが蓋体によって封止されることによって封止空間が得られる。パワー半導体素子は、蓋体をパッケージに取り付ける前に、キャビティ内においてパッケージ上に実装される。 Depending on the type and application of the power semiconductor element, the container forming the sealing space for sealing the power semiconductor element may be required to have high airtightness to the extent that gloss leakage does not occur. In particular, high-frequency semiconductor devices are often required to be sealed without gloss leaks. In this specification, a container that constitutes a sealing space for sealing a power semiconductor element by attaching a lid is also referred to as a package. The package has a cavity, and the cavity is sealed by the lid to provide a sealing space. The power semiconductor device is mounted on the package in the cavity before the lid is attached to the package.
特開2005−150133号公報(特許文献1)の技術によれば、まず、ヒートシンク板と、セラミック枠体と、外部接続端子とが互いに接続される。これにより、キャビティを有するパッケージが準備される。ヒートシンク板は複合材料からなる。複合材料としては、Cu−W系の複合金属板、Cu−Mo系の複合金属板、および、Cu−Mo系の合金金属板の両面にCu板を貼り合わせたクラッドの複合金属板、が例示されている。ヒートシンク板とセラミック枠体とは、約780℃〜900℃でのAg−Cuろう付けによって接合される。このパッケージ上に高周波用半導体素子が実装される。そして、セラミック枠体の上面部に蓋体が接着されることによってキャビティが封止される。言い換えれば、封止空間内に高周波用半導体素子が気密に封止される。 According to the technique of JP-A-2005-150133 (Patent Document 1), first, the heat sink plate, the ceramic frame, and the external connection terminal are connected to each other. This prepares a package with cavities. The heat sink is made of a composite material. Examples of the composite material include a Cu-W-based composite metal plate, a Cu-Mo-based composite metal plate, and a clad composite metal plate in which Cu plates are bonded to both sides of a Cu-Mo-based alloy metal plate. Has been done. The heat sink plate and the ceramic frame are joined by Ag-Cu brazing at about 780 ° C to 900 ° C. A high-frequency semiconductor element is mounted on this package. Then, the cavity is sealed by adhering the lid body to the upper surface portion of the ceramic frame body. In other words, the high frequency semiconductor element is airtightly sealed in the sealing space.
ヒートシンク板の材料として上記のように複合材料を用いることによって、ヒートシンク板の熱膨張係数をセラミック枠体および半導体素子の熱膨張係数に近づけることができる。これにより、熱膨張収縮の差異に起因しての破壊を防止することができる。よって、ヒートシンク板上へセラミック枠体および半導体素子を高温で接合することが許容される。上記技術においては、半導体素子を実装するときに、ヒートシンク板とセラミック枠体とが既に、互いに接合されている。この接合が損なわれないように半導体素子を実装するためには、セラミック枠体の接合温度よりも低い温度で半導体素子を実装しなければならないという制約がある。上記技術においてはセラミック枠体の接合は約780℃〜900℃の高温で行われるので、この接合は、半導体素子の実装温度程度の加熱では、悪影響をほとんど受けない。また、ヒートシンク板の熱膨張係数が半導体素子の熱膨張係数に近いので、実装温度が多少高くても、実装時の熱応力に起因して半導体素子が破壊することは避けられる。よって半導体素子の実装は、例えば、400℃程度の、実装温度としては比較的高温での、ろう付けによって行われ得る。 By using the composite material as the material of the heat sink as described above, the coefficient of thermal expansion of the heat sink can be brought close to the coefficient of thermal expansion of the ceramic frame and the semiconductor element. This makes it possible to prevent destruction due to the difference in thermal expansion and contraction. Therefore, it is permissible to bond the ceramic frame and the semiconductor element onto the heat sink plate at a high temperature. In the above technique, when the semiconductor element is mounted, the heat sink plate and the ceramic frame are already joined to each other. In order to mount the semiconductor element so that the bonding is not impaired, there is a restriction that the semiconductor element must be mounted at a temperature lower than the bonding temperature of the ceramic frame. In the above technique, the ceramic frame is joined at a high temperature of about 780 ° C. to 900 ° C., so that the joining is hardly adversely affected by heating at about the mounting temperature of the semiconductor element. Further, since the coefficient of thermal expansion of the heat sink plate is close to the coefficient of thermal expansion of the semiconductor element, it is possible to prevent the semiconductor element from being destroyed due to thermal stress during mounting even if the mounting temperature is slightly high. Therefore, the semiconductor element can be mounted by brazing, for example, at a mounting temperature of about 400 ° C., which is relatively high.
特開2003−282751号公報(特許文献2)の技術によれば、ヒートシンク板として、CuまたはCu系金属板が用いられる。Cuは、比較的安価でありながら、300W/m・Kを超える高い熱伝導率が容易に得られる点において、極めて優れた材料である。よって、ヒートシンク板が複合材料からなる前述した特開2005−150133号公報の技術とは異なり、高い熱伝導率を有するヒートシンク板を低コストで得ることができる。この技術によれば、まず、ヒートシンク板上に半導体素子が、ろう付けによって実装される。次に、予め外部接続端子が接合されている枠体がヒートシンク板上に、半導体素子を囲むように接合される。この接合に低融点接合材を用いることによって、半導体素子のろう付け温度未満の温度で枠体が接合される。次に、枠体の上面側に蓋体が接合されることによって、キャビティが封止される。言い換えれば、封止空間内に半導体素子が気密に封止される。これにより高周波用パワーモジュールが得られる。 According to the technique of JP-A-2003-282751 (Patent Document 2), Cu or a Cu-based metal plate is used as the heat sink plate. Cu is an extremely excellent material in that a high thermal conductivity exceeding 300 W / m · K can be easily obtained while being relatively inexpensive. Therefore, unlike the technique of JP-A-2005-150133 described above in which the heat sink plate is made of a composite material, a heat sink plate having high thermal conductivity can be obtained at low cost. According to this technique, first, a semiconductor element is mounted on a heat sink plate by brazing. Next, the frame body to which the external connection terminals are bonded in advance is joined on the heat sink plate so as to surround the semiconductor element. By using a low melting point bonding material for this bonding, the frame is bonded at a temperature lower than the brazing temperature of the semiconductor element. Next, the cavity is sealed by joining the lid to the upper surface side of the frame. In other words, the semiconductor element is airtightly sealed in the sealing space. As a result, a high frequency power module can be obtained.
上記特開2003−282751号公報の技術によれば、半導体素子の実装後にヒートシンク板に枠体を接合することによって、パッケージのキャビティが形成される。よってこの技術においては、前述した特開2005−150133号公報の技術に比して、半導体素子の実装後の工程が煩雑である。このことは、半導体素子の実装後に半導体モジュールを速やかに完成させることの妨げとなる。これは、半導体モジュールの製造者にとって、好ましいことではない。 According to the technique of JP-A-2003-282751, the cavity of the package is formed by joining the frame to the heat sink plate after mounting the semiconductor element. Therefore, in this technique, the process after mounting the semiconductor element is more complicated than the technique of JP-A-2005-150133 described above. This hinders the rapid completion of the semiconductor module after mounting the semiconductor element. This is not desirable for semiconductor module manufacturers.
本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、高い熱伝導率を有するヒートシンク板を用いつつ、パワー半導体素子の実装後にパワー半導体モジュールを速やかに完成させることができる、パッケージ、および、パワー半導体モジュールの製造方法を提供することである。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to quickly complete a power semiconductor module after mounting a power semiconductor element while using a heat sink plate having high thermal conductivity. It is to provide a package and a method for manufacturing a power semiconductor module.
本発明のパッケージは、蓋体が取り付けられることによってパワー半導体素子をグロスリークなしに封止する封止空間を構成するためのものであり、外部端子電極と、枠体と、ヒートシンク板と、接着層とを有している。枠体は、第1の材料からなり外部端子電極が取り付けられている。ヒートシンク板は、枠体を支持しており、パワー半導体素子が実装されることになる未実装領域を枠体内に有しており、純度95.0重量パーセント以上で銅を含有する非複合材料からなる。接着層は、第1の材料と異なる第2の材料からなり、枠体とヒートシンク板とを互いに接着している。 The package of the present invention is for forming a sealing space for sealing a power semiconductor element without gloss leak by attaching a lid, and is bonded to an external terminal electrode, a frame, and a heat sink. Has a layer. The frame is made of a first material and is attached with an external terminal electrode. The heat sink plate supports the frame, has an unmounted region in the frame on which the power semiconductor element will be mounted, and is made of a non-composite material having a purity of 95.0% by weight or more and containing copper. Become. The adhesive layer is made of a second material different from the first material, and the frame body and the heat sink plate are bonded to each other.
本発明のパワー半導体モジュールの製造方法は、以下の工程を有している。外部端子電極と、第1の材料からなり外部端子電極が取り付けられた枠体と、枠体を支持し、未実装領域を枠体内に有し、純度95.0重量パーセント以上で銅を含有する非複合材料からなるヒートシンク板と、第1の材料と異なる第2の材料からなり枠体とヒートシンク板とを互いに接着する接着層と、を含むパッケージが準備される。ヒートシンク板の未実装領域上へパワー半導体素子が実装される。枠体上に蓋体を取り付けることによってパワー半導体素子がグロスリークなしに封止される。 The method for manufacturing a power semiconductor module of the present invention has the following steps. It supports an external terminal electrode, a frame made of a first material and to which an external terminal electrode is attached, and has an unmounted region in the frame, and contains copper at a purity of 95.0% by weight or more. A package including a heat sink plate made of a non-composite material and an adhesive layer made of a second material different from the first material and adhering the frame body and the heat sink plate to each other is prepared. The power semiconductor element is mounted on the unmounted region of the heat sink plate. By mounting the lid on the frame, the power semiconductor element is sealed without gloss leak.
本発明によれば、ヒートシンク板は、純度95.0重量パーセント以上で銅を含有する非複合材料からなる。これにより、高い熱伝導率が容易に得られる。また、パワー半導体素子の実装前においては、ヒートシンク板は、パワー半導体素子が実装されることになる未実装領域を枠体内に有している。言い換えれば、パワー半導体素子が実装されるときに、ヒートシンク板上に枠体が既に取り付けられている。よって、パワー半導体素子を実装した後にヒートシンク板上に枠体を取り付ける工程を要しない。以上から、高い熱伝導率を有するヒートシンク板を用いつつ、パワー半導体素子の実装後にパワー半導体モジュールを速やかに完成させることができる。 According to the present invention, the heat sink is made of a non-composite material having a purity of 95.0 weight percent or more and containing copper. As a result, high thermal conductivity can be easily obtained. Further, before mounting the power semiconductor element, the heat sink plate has an unmounted region in the frame on which the power semiconductor element will be mounted. In other words, when the power semiconductor element is mounted, the frame is already mounted on the heat sink plate. Therefore, the step of mounting the frame on the heat sink plate after mounting the power semiconductor element is not required. From the above, it is possible to quickly complete the power semiconductor module after mounting the power semiconductor element while using the heat sink plate having high thermal conductivity.
この発明の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。 The objects, features, aspects, and advantages of the present invention will be made clearer by the following detailed description and accompanying drawings.
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(構成)
図1は、本実施の形態におけるパワー半導体モジュール900の構成を概略的に示す断面図である。パワー半導体モジュール900は、パッケージ100(詳しくは、図2を参照して後述する)と、パワー半導体素子200と、蓋体300とを有している。
(Constitution)
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the
パワー半導体素子200は高周波用半導体素子であってよい。高周波用半導体素子はおおよそ、数十MHz(例えば30MHz)以上30GHz以下の周波数で動作する半導体素子である。この場合、パワー半導体モジュール900は高周波モジュールである。高周波用途に適したパワー半導体素子200は、典型的には、LDMOS(横方向拡散MOS:Lateral Diffused MOS)トランジスタ、またはGaN(窒化ガリウム)トランジスタである。
The
パワー半導体素子200は、パッケージ100のヒートシンク板50の実装領域55M上に配置されている。実装領域55Mとパワー半導体素子200とは、熱硬化性樹脂と金属とを含有する接合層42を介して互いに接合されていることが好ましい。接合層42の熱硬化性樹脂は、エポキシ樹脂を含むことが好ましい。接合層42の金属は、銀を含むことが好ましい。
The
パッケージ100には蓋体300が取り付けられている。これにより、パワー半導体素子200をグロスリークなしに封止する封止空間950が構成されている。よってパワー半導体素子200は、高い気密性で、水蒸気その他の大気中のガスが侵入しないように外部環境から保護されている。封止空間950は、−65℃と+150℃との間での500サイクルの温度変化に対して耐環境性を有していることが好ましい。具体的には、上記温度変化にさらされた後においても、封止空間950はグロスリークを有しないことが好ましい。
A
図2は、本実施の形態におけるパッケージ100の構成を概略的に示す断面図である。パッケージ100は、パワー半導体モジュール900(図1)の製造用に用いられることになる。パッケージ100は、蓋体300(図1)が取り付けられることによって封止空間950(図1)を構成するためのものである。封止空間950(図1)はパワー半導体素子200(図1)をグロスリークなしに封止する。パッケージ100は、封止空間950(図1)となるキャビティ110を有している。パッケージ100は、外部端子電極90と、枠体80と、ヒートシンク板50と、接着層41とを有している。
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the
枠体80は第1の材料(以下、「枠体80の材料」とも称する)からなる。枠体80の材料は、260℃2時間の熱処理に対して耐熱性を有していることが好ましい。枠体80の材料は第1の樹脂(以下、「枠体80の樹脂」とも称する)を含むことが好ましい。枠体80の樹脂は熱可塑性樹脂であることが好ましい。
The
枠体80の樹脂中には無機フィラー(第1の無機フィラー)が分散されていることが好ましい。枠体80の樹脂中の無機フィラーは、好ましくは、繊維状粒子および板状粒子の少なくともいずれかを含む。形状が繊維状または板状であることによって、枠体80が射出成形技術等によって形成される際に、フィラーが樹脂の流動を阻害することが抑制される。このような無機フィラーの材料としては、例えば、シリカガラス繊維、アルミナ繊維、炭素繊維、タルク(3MgO・4SiO2・H2O)、ウォラストナイト、マイカ、グラファイト、炭酸カルシウム、ドロマイト、ガラスフレーク、ガラスビーズ、硫酸バリウム、酸化チタンが用いられる。タルクからなる無機フィラーの平板上での大きさは、例えば、粒径1μm〜50μmである。ここで粒径は、樹脂の断面観察によって得られた長径の算術平均値である。無機フィラーの熱膨張係数は、銅の熱膨張係数に鑑みて、17ppm/K以下が好ましい。無機フィラーの含有量は30wt%〜70wt%であることが好ましい。
It is preferable that an inorganic filler (first inorganic filler) is dispersed in the resin of the
枠体80には外部端子電極90が取り付けられている。外部端子電極90は、金属からなり、好ましくは純度90wt%(重量パーセント)以上で銅を含有している。なお、このように高純度で銅を含有する材料に代わって、コバール(商標)または鉄・ニッケル合金などが用いられてもよい。なお外部端子電極90の表面には、ボンディングワイヤ205などとの接合性を確保する目的で、ニッケルめっき、およびこのニッケルめっき上の金めっきが施されていてよい。
An external
ヒートシンク板50は枠体80を支持している。ヒートシンク板50は、純度95.0wt%以上、好ましくは純度99.8wt%以上、で銅を含有する非複合材料からなる。なお、耐熱性の観点からは、ヒートシンク板50の銅含有量は、100wt%未満であることが好ましい。
The
ヒートシンク板50は枠体80に囲まれた内面51を有している。内面51は、パワー半導体素子200(図1)が実装されることになる未実装領域55Uと、パワー半導体素子200が実装されることにはならない周辺領域54とを有している。未実装領域55Uは、パワー半導体素子200が実装されてはいないもののパワー半導体素子200が実装されることになる領域である。言い換えれば、パッケージ100の内面51のうち、パワー半導体素子200(図1)が実装されることによって実装領域55M(図1)となる部分が未実装領域55Uである。未実装領域55Uは露出されていることが好ましい。ヒートシンク板50は、内面51と反対の外面(図2における下面)を有している。外面は、パワー半導体モジュール900の使用時においては、通常、他の部材に取り付けられているが、パワー半導体モジュール900の製造時においては露出されていてよい。
The
接着層41は、枠体80とヒートシンク板50とを互いに接着している。接着層41は、枠体80の材料と異なる第2の材料(以下、「接着層41の材料」とも称する)からなる。接着層41の材料は第2の樹脂(以下、「接着層41の樹脂」とも称する)を含むことが好ましい。接着層41の樹脂は、耐熱性と、硬化前の高流動性との観点で、熱硬化性樹脂であることが好ましい。
The
接着層41の樹脂中には無機フィラー(第2の無機フィラー)が分散されていることが好ましい。接着層41の樹脂中の無機フィラーは、好ましくはシリカガラスおよびシリカの少なくともいずれかを含有し、より好ましくはシリカガラスからなる。典型的には、シリカガラスの熱膨張係数は0.5ppm/K程度であり、結晶性シリカの熱膨張係数は15ppm/K程度であり、よって、無機フィラーの熱膨張係数を17ppm/K以下とすることができる。このことは、接着層41の樹脂としてエポキシ樹脂またはフッ素樹脂が用いられる場合、特に望まれる。この場合、無機フィラーの含有量は50wt%〜90wt%であることが好ましい。シリカガラスおよびシリカの少なくともいずれかに代わって、またはそれと共に、アルミナ、水酸化アルミニウム、タルク、酸化鉄、ウォラストナイト、炭酸カルシウム、マイカ、酸化チタン、炭素繊維の少なくともいずれかが用いられてもよい。無機フィラーの形状は、例えば、球状、繊維状、または板状である。一方、接着層41の樹脂としてシリコーン樹脂が用いられる場合は、枠体80がゴム弾性を有するので、無機フィラーの熱膨張係数の制約はほぼ無視できる。この場合、無機フィラーの含有量は、接着層41の流動性制御等の観点で調整されてよく、1wt%〜10wt%であることが好ましい。硬化前の接着層41の流動性を確保する観点では、粒径1μm〜50μmの球状シリカガラス(非結晶性シリカ)が最適である。ここで粒径は、樹脂の断面観察により測定した、算術平均径を示す。
It is preferable that an inorganic filler (second inorganic filler) is dispersed in the resin of the
接着層41による接着は気密性を有している。この気密性は、260℃2時間の熱処理に対して耐熱性を有していることが好ましい。言い換えれば、ヒートシンク板50と枠体80との間の気密性は、260℃2時間の熱処理に対して耐熱性を有していることが好ましい。なお、ヒートシンク板50と枠体80との間の気密性が260℃2時間の熱処理に対して耐熱性を有するか否かの試験は、パッケージ100(図2)へ260℃2時間の熱処理を施した後に、パッケージ100へ十分な気密性で蓋体300を取り付けてグロスリーク試験を行うことによってなされてよい。蓋体300およびその取り付け構造が十分な耐熱性を有している場合は、熱処理前に蓋体300が取り付けられてもよい。
The adhesion by the
(製造方法)
次にパワー半導体モジュール900(図1)の製造方法について説明する。最初にパッケージ100(図2)が準備される。
(Production method)
Next, a method of manufacturing the power semiconductor module 900 (FIG. 1) will be described. First, package 100 (FIG. 2) is prepared.
次に、ヒートシンク板50の未実装領域55U上へパワー半導体素子200が実装される。これにより、露出されていた未実装領域55U(図2)は、パワー半導体素子200によって覆われた実装領域55M(図3)となる。パワー半導体素子200が実装される際は、熱硬化性樹脂と金属とを含有する接合層42を介してヒートシンク板50の未実装領域55Uとパワー半導体素子200とが互いに接合されることが好ましい。この接合は、好ましくは、熱硬化性樹脂と金属とを含有するペースト状の接着剤の塗布と、その硬化とによって行われる。接合層42の熱硬化性樹脂はエポキシ樹脂を含むことが好ましい。接合層42の金属は銀を含むことが好ましい。
Next, the
図4を参照して、次に、キャビティ110内において、パワー半導体モジュール900と外部端子電極90とがボンディングワイヤ205によって接続される。これにより、パワー半導体モジュール900と外部端子電極90との間の電気的接続が確保される。なお、パワー半導体モジュール900と外部端子電極90との間の電気的接続は、ボンディングワイヤ205以外の方法によって確保されてもよく、その場合、ボンディングワイヤ205は必ずしも必要ではない。
With reference to FIG. 4, the
再び図1を参照して、次に、枠体80上に蓋体300を取り付けることによってパワー半導体素子200がグロスリークなしに封止される。これによりパワー半導体モジュール900が得られる。パッケージ100への蓋体300の取り付けは、パワー半導体素子200が実装されたパッケージ100に対して、グロスリークの原因となるほどの熱ダメージを与えないように行われる。言い換えれば、パッケージ100への蓋体300の取り付けは、接着層41に対して、グロスリークの原因となるほどの熱ダメージを与えないように行われる。例えば、蓋体300はパッケージ100へ、前述した熱ダメージにつながらない程度に低い硬化温度で硬化させられた接着層46を介して取り付けられる。この硬化温度は、例えば260℃未満である。
With reference to FIG. 1 again, the
次にパッケージ100(図2)の製造方法について説明する。図5を参照して、まず、ヒートシンク板50と、外部端子電極90が取り付けられた枠体80とが準備される。外部端子電極90が取り付けられた枠体80は、金属からなる外部端子電極90と、樹脂からなる枠体80との一体成型によって形成され得る。次に、枠体80の下面に接着剤41hが塗布される。次に、図中、破線矢印で示されているように、ヒートシンク板50の上面上へ接着剤41hを介して枠体80の下面が取り付けられる。接着剤41hが硬化されることによって接着層41(図2)が形成される。これによりパッケージ100が得られる。
Next, a method of manufacturing the package 100 (FIG. 2) will be described. With reference to FIG. 5, first, a
(比較例)
図6を参照して、比較例のパワー半導体モジュール900Aはパッケージ100Aを有している。パッケージ100Aは、枠体80Aと、ヒートシンク板50Aと、接着層41Aとを有している。枠体80Aは、セラミックからなり、よって高い耐熱性を有している。ヒートシンク板50Aは複合材料からなる。具体的には、ヒートシンク板50Aは、Cu−Mo層58Bと、その上面および下面に設けられたCu層59Aとによって構成された積層構造を有している。
(Comparison example)
With reference to FIG. 6, the
ヒートシンク板50Aの材料として上記のような複合材料を用いることによって、ヒートシンク板50Aの熱膨張係数を、セラミックからなる枠体80A、およびパワー半導体素子200との熱膨張係数に近づけることができる。これにより、熱膨張収縮の差異に起因しての破壊を防止することができる。よって、ヒートシンク板50A上へ枠体80Aおよびパワー半導体素子200を高温で接合することが許容される。
By using the above-mentioned composite material as the material of the heat sink plate 50A, the coefficient of thermal expansion of the heat sink plate 50A can be brought close to the coefficient of thermal expansion of the
この比較例においては、パワー半導体素子200を実装するときに、前述した本実施の形態と同様、ヒートシンク板と枠体とは既に、互いに接合されている。この接合が損なわれないようにパワー半導体素子200を実装するためには、枠体80Aの接合温度よりも低い温度でパワー半導体素子200を実装しなければならないという制約がある。本比較例においては、枠体80A自体が高い耐熱性を有し、かつ、枠体80Aの熱膨張係数とヒートシンク板50Aの熱膨張係数との差異が小さいので、枠体80Aとヒートシンク板50Aとの接合を、約780℃〜900℃の高温で実施し得る。よってこの接合は、より低い温度であるパワー半導体素子200の実装温度にさらされる程度では、悪影響をほとんど受けない。また、ヒートシンク板50Aの熱膨張係数がパワー半導体素子200の熱膨張係数に近いので、実装温度が多少高くても、実装時の熱応力に起因してパワー半導体素子200が破壊することは避けられる。よってパワー半導体素子200の実装のための接合層42Aは、例えば、400℃程度の高温での、ろう付けによって形成され得る。
In this comparative example, when the
この比較例においては、熱膨張係数の調整のため、ヒートシンク板50Aの材料として複合材料を用いる必要がある。よって、ヒートシンク板50(図1:本実施の形態)の場合とは異なり、主成分として銅を有する非複合材料を用いることができない。高純度の銅からなる非複合材料は、比較的安価でありながら、300W/m・Kを超える高い熱伝導率が容易に得られる点において、極めて優れた材料である。このように優れた材料を本比較例においては用いることができない。よって本比較例においては、ヒートシンク板50Aの熱伝導率を300W/m・Kよりも高くすることは容易ではない。 In this comparative example, it is necessary to use a composite material as the material of the heat sink plate 50A in order to adjust the coefficient of thermal expansion. Therefore, unlike the case of the heat sink plate 50 (FIG. 1: the present embodiment), a non-composite material having copper as a main component cannot be used. A non-composite material made of high-purity copper is an extremely excellent material in that a high thermal conductivity exceeding 300 W / m · K can be easily obtained while being relatively inexpensive. Such an excellent material cannot be used in this comparative example. Therefore, in this comparative example, it is not easy to make the thermal conductivity of the heat sink plate 50A higher than 300 W / m · K.
次に、他の比較例のパワー半導体モジュール900B(図7)の製造方法について、以下に説明する。図8を参照して、まず、ヒートシンク板50上にパワー半導体素子200が接合層42を用いて実装される。次に、枠体80Bの下面に接着剤41Bhが塗布される。次に、図中、破線矢印で示されているように、ヒートシンク板50の上面上へ接着剤41Bhを介して枠体80Bの下面が取り付けられる。接着剤41Bhが硬化されることによって接着層41B(図9)が形成される。これによりパッケージ100が得られる。次に、前述した本実施の形態と同様に枠体80Bの上面側に蓋体300が接合されることによって、パワー半導体モジュール900Bが得られる。
Next, a method of manufacturing the
この比較例においては、接着層41B(図9)によって枠体80Bが取り付けられる前に既に、接合層42(図8)によってパワー半導体素子200が実装されている。よって接着層41Bおよび枠体80Bは、パワー半導体素子200の実装のための高温処理にさらされない。よって、接着層41Bおよび枠体80Bの構造および材料を、耐熱性についての考慮をさほど要することなく、決定することができる。このような利点がある一方で、この比較例においては、パワー半導体素子200の実装後に、枠体80Bを接着する工程を要する。よって、パワー半導体素子200の実装後の工程が煩雑である。このことは、パワー半導体素子200の実装後にパワー半導体モジュール900Bを速やかに完成させることの妨げとなる。これは、パワー半導体モジュール900Bの製造者にとって、好ましいことではない。
In this comparative example, the
(効果のまとめ)
本実施の形態によれば、ヒートシンク板50(図1)は、純度95.0wt%以上で銅を含有する非複合材料からなる。これにより、300W/m・Kを超える高い熱伝導率が容易に得られる。例えば、日本工業規格(JIS)C1510の材料(純度99.82wt%以上で銅を含有)により、347W/m・Kの高い熱伝導率が得られる。また、パワー半導体素子200の実装前においては、ヒートシンク板50は、パワー半導体素子200が実装されることになる未実装領域55U(図2)を枠体80内に有している。言い換えれば、パワー半導体素子200が実装されるときに、ヒートシンク板50上に枠体80が既に取り付けられている。よって、パワー半導体素子200を実装した後にヒートシンク板50上に枠体80を取り付ける工程を要しない。以上から、高い熱伝導率を有するヒートシンク板50を用いつつ、パワー半導体素子200の実装後にパワー半導体モジュール900を速やかに完成させることができる。
(Summary of effect)
According to this embodiment, the heat sink plate 50 (FIG. 1) is made of a non-composite material having a purity of 95.0 wt% or more and containing copper. As a result, a high thermal conductivity exceeding 300 W / m · K can be easily obtained. For example, a material of Japanese Industrial Standards (JIS) C1510 (purity of 99.82 wt% or more and containing copper) can obtain a high thermal conductivity of 347 W / m · K. Further, before mounting the
ヒートシンク板50と枠体80との間の気密性は、260℃2時間の熱処理に対して耐熱性を有していることが好ましい。これにより、260℃2時間の熱処理に相当する熱的負荷がパワー半導体素子200の実装時に加わっても、それが封止空間950(図1)のグロスリークの原因となることが避けられる。
The airtightness between the
封止空間950(図1)は、−65℃と+150℃との間での500サイクルの温度変化に対して耐環境性を有していることが好ましい。これにより、比較的厳しい温度変化の下でもパワー半導体素子200を気密雰囲気内に保持することができる。よって、パワー半導体素子200の信頼性を、より確実に保つことができる。
The sealing space 950 (FIG. 1) is preferably environmentally resistant to 500 cycles of temperature change between −65 ° C. and + 150 ° C. As a result, the
未実装領域55U(図2)は露出されていることが好ましい。これにより、パワー半導体素子200(図1)を未実装領域55U(図2)上に容易に実装することができる。
The
枠体80の材料は樹脂を含むことが好ましい。これにより、ヒートシンク板50から枠体80への熱応力に起因しての脆性破壊が起こりにくくなる。枠体80の樹脂は熱可塑性樹脂であることが好ましい。これにより枠体80を、射出成形技術等を用いて、高い生産性で形成することができる。枠体80の樹脂中には無機フィラーが分散されていることが好ましい。これにより枠体80の熱膨張係数をヒートシンク板50の熱膨張係数に近づけることができる。枠体80の樹脂中の無機フィラーは繊維状粒子および板状粒子の少なくともいずれかを含むことが好ましい。これにより、枠体80が射出成形技術等によって形成される際に、フィラーが樹脂の流動を阻害することが抑制される。
The material of the
接着層41の材料は樹脂を含むことが好ましい。これにより、ヒートシンク板50から接着層41を介して枠体80に加わる熱応力が緩和される。よって、熱応力に起因しての枠体80の破壊が起こりにくくなる。接着層41の樹脂は熱硬化性樹脂であることが好ましい。これにより、接着層41の耐熱性を高めることができ、かつ、硬化前においては流動性を確保しやすい。この流動性は、接着層41を形成する工程の生産性を確保する上で重要である。もしも流動性が低いと、印刷、ディスペンス、噴霧といった工法を用いることが困難である。接着層41の樹脂中には無機フィラーが分散されていることが好ましい。これにより接着層41の熱膨張係数をヒートシンク板50の熱膨張係数に近づけることができる。よって、高温下または温度サイクル下での、熱応力に起因した破壊を防止することができる。接着層41の樹脂中の無機フィラーは前述したように、シリカガラスおよびシリカの少なくともいずれかを含有することが好ましく、シリカガラスからなることがより好ましい。これにより無機フィラーの熱膨張係数を、銅の熱膨張係数に鑑みて、17ppm/K以下とすることができる。
The material of the
パワー半導体素子200が実装される際は、熱硬化性樹脂と金属とを含有する接合層42(図1)を介してヒートシンク板50の未実装領域55U(図2)とパワー半導体素子200とが互いに接合されることが好ましい。接合層42が金属を含有することによって、パワー半導体素子200からヒートシンク板50への放熱性を高めることができる。また接合層42が樹脂を含有することによって、ヒートシンク板50から接合層42を介してパワー半導体素子200へ加わる熱応力が緩和される。これにより、熱応力に起因してのパワー半導体素子200の破壊が起こりにくくなる。
When the
(変形例)
図10は、パッケージ100の製造方法の一工程(図5)の変形例を概略的に示す断面図である。本変形例においては、接着剤41hが、枠体80の下面ではなく、ヒートシンク板50の上面に塗布される。これ以外は、前述した本実施の形態と同様の工程が行われる。なお、枠体80の下面とヒートシンク板50の上面との両方に接着剤41hが塗布されてもよい。
(Modification example)
FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing a modified example of one step (FIG. 5) of the manufacturing method of the
図11は、パッケージ100(図2)の変形例のパッケージ100vを概略的に示す断面図である。本変形例においては、枠体80vに外部端子電極90の下面が接着層44vによって取り付けられている。また外部端子電極90の上面に接着層44uによって付加枠体80uが取り付けられている。本変形例によれば、金属からなる外部端子電極90と、樹脂からなる枠体80とを一体成型する技術を要しない。なお、蓋体300(図1)の十分な強度での取り付けが可能である限り、付加枠体80uは省略されてもよい。
FIG. 11 is a cross-sectional view schematically showing the
(実施例および参考例)
以下の表1および表2のそれぞれに、実施例(番号1〜25)および参考例(番号101〜120)のパッケージの構成と、それらに対して行われたグロスリーク試験の結果とを示す。表中、「接着層」はヒートシンク板と枠体との間の接着層のことであり、「電極」は外部端子電極のことである。
(Examples and reference examples)
Tables 1 and 2 below show the package configurations of Examples (Nos. 1 to 25) and Reference Examples (Nos. 101 to 120) and the results of gross leak tests performed on them. In the table, the "adhesive layer" is the adhesive layer between the heat sink plate and the frame, and the "electrode" is the external terminal electrode.
接着層のフィラー含有量は、シリカガラスの場合は82wt%とされ、シリカの場合は5wt%とされた。なお、詳しい記載は省略するが、シリカガラスの含有量が82wt%に代わって50wt%〜90wt%の範囲内で変更されても、大きな影響はないと考えられる。また、シリカの含有量が5wt%に代わって1wt%〜10wt%の範囲内で変更されても、大きな影響はないと考えられる。枠体用のフィラーが「有」の場合、タルクからなるフィラーが46wt%で添加された。このフィラーの含有量が46wt%に代わって30wt%〜70wt%の範囲内で変更されても、大きな影響はないと考えられる。電極の材料としては、銅合金(日本工業規格(JIS)C1940)またはコバールが用いられた。ヒートシンク板は、平面視における寸法32mm×10mmと、厚み寸法1.7mmとを有していた。 The filler content of the adhesive layer was 82 wt% in the case of silica glass and 5 wt% in the case of silica. Although detailed description is omitted, it is considered that there is no significant effect even if the silica glass content is changed within the range of 50 wt% to 90 wt% instead of 82 wt%. Further, even if the silica content is changed within the range of 1 wt% to 10 wt% instead of 5 wt%, it is considered that there is no significant effect. When the filler for the frame was "Yes", the filler made of talc was added at 46 wt%. Even if the content of this filler is changed within the range of 30 wt% to 70 wt% instead of 46 wt%, it is considered that there is no significant effect. As the material of the electrode, a copper alloy (Japanese Industrial Standards (JIS) C1940) or Kovar was used. The heat sink plate had dimensions of 32 mm × 10 mm and a thickness dimension of 1.7 mm in a plan view.
表1のパッケージについては、高温放置後にグロスリーク試験が行われ、その後の温度サイクル後にグロスリーク試験が再度行われた。表2のパッケージについては、高温放置後にのみグロスリーク試験が行われた。高温放置は、パッケージを260℃2時間の環境に放置することによって行われた。この加熱条件は、パワー半導体素子の実装工程における加熱条件に近い。温度サイクルは、−65℃と+150℃との間での500サイクルの温度変化により行われた。この温度サイクルは、過酷な外部環境に設置されたパワー半導体モジュールがさらされる温度変化を模している。よって、温度サイクル後にグロスリークが見られるパッケージであっても、比較的穏やかな環境下であれば、実用上は使用可能である。一方で、過酷な外部環境下で用いられるパッケージは、温度サイクル後にグロスリークが見られない必要がある。 For the packages in Table 1, the gloss leak test was performed after leaving at a high temperature, and the gloss leak test was performed again after the subsequent temperature cycle. For the packages in Table 2, the gross leak test was performed only after being left at a high temperature. The high temperature standing was performed by leaving the package in an environment of 260 ° C. for 2 hours. This heating condition is close to the heating condition in the mounting process of the power semiconductor element. The temperature cycle was performed by 500 cycles of temperature change between -65 ° C and + 150 ° C. This temperature cycle mimics the temperature changes exposed to power semiconductor modules installed in harsh external environments. Therefore, even a package in which gloss leak is observed after a temperature cycle can be practically used in a relatively mild environment. On the other hand, packages used in harsh external environments need to be free of gross leaks after the temperature cycle.
高温放置後のグロスリーク試験は、蓋体が取り付けられていないパーケージを260℃2時間の環境に放置した後に、液晶ポリマー製の蓋体を190℃の接着温度で接着剤を用いて取り付けることによって構成された構造体について実施された。この接着剤としては、ヒートシンクと枠体との接合に使用された接着層の樹脂(第2の樹脂)と同じものを用いた。温度サイクル後のグロスリーク試験は、高温放置後のグロスリーク試験に合格した構造体について実施された。グロスリーク試験は、具体的には、高沸点溶剤であるフロリナート(商標)が120℃±10℃に加熱され、この溶剤中に上記構造体が30秒間浸漬された。この浸漬中にバブルが発生するか否かによって、リークの有無が判定された。 The gloss leak test after leaving at a high temperature is performed by leaving the package without the lid attached in an environment of 260 ° C. for 2 hours, and then attaching the lid made of liquid crystal polymer with an adhesive at an adhesion temperature of 190 ° C. It was carried out for the constructed structure. As this adhesive, the same resin as the resin (second resin) of the adhesive layer used for joining the heat sink and the frame was used. The gloss leak test after the temperature cycle was performed on the structure that passed the gloss leak test after being left at a high temperature. In the gloss leak test, specifically, fluorinert ™, which is a high boiling point solvent, was heated to 120 ° C. ± 10 ° C., and the structure was immersed in this solvent for 30 seconds. The presence or absence of a leak was determined based on whether or not bubbles were generated during this immersion.
上記表1の結果について補足すると、No.1およびNo.3のうち前者のみが、温度サイクル後にグロスリークが見られなかった。この理由は、接着層中のフィラーが接着層の熱膨張を抑制したからと推測される。 To supplement the results in Table 1 above, No. 1 and No. Only the former of 3 did not show gross leak after the temperature cycle. It is presumed that the reason for this is that the filler in the adhesive layer suppressed the thermal expansion of the adhesive layer.
No.1およびNo.2のうち前者のみが、温度サイクル後にグロスリークが見られなかった。この理由は、比較的小さな熱膨張係数を有するコバールではなく比較的大きな熱膨張係数を有する銅合金を用いた方が、外部端子電極90の熱膨張と他の部材の熱膨張との差異を小さくすることができるためと推測される。
No. 1 and No. Only the former of 2 did not show gross leak after the temperature cycle. The reason for this is that the difference between the thermal expansion of the external
No.5およびNo.6は、高温放置後においては両方ともグロスリークが見られなかったが、温度サイクル後においては後者のみグロスリークが見られなかった。この理由は、No.6においては、接着層中のフィラーが接着層中でのガスの透過を抑制したからと推測される。 No. 5 and No. No gross leak was observed in both of No. 6 after being left at a high temperature, but no gross leak was observed only in the latter after the temperature cycle. The reason for this is No. In No. 6, it is presumed that the filler in the adhesive layer suppressed the permeation of gas in the adhesive layer.
No.13は温度サイクル後にグロスリークが見られた。この理由は、テフロン(登録商標)の熱膨張係数が100ppm/K程度と大きいためと推測される。よって枠体の材料の熱膨張係数は、テフロンの熱膨張係数(約100ppm/K)よりも小さいことが好ましいと推測される。 No. In No. 13, gross leak was observed after the temperature cycle. It is presumed that the reason for this is that the coefficient of thermal expansion of Teflon (registered trademark) is as large as about 100 ppm / K. Therefore, it is presumed that the coefficient of thermal expansion of the material of the frame is preferably smaller than the coefficient of thermal expansion of Teflon (about 100 ppm / K).
No.23〜No.25のうちNo.23およびNo.24のみが、温度サイクル後にグロスリークが見られなかった。この理由は、アルミナの熱膨張係数7〜8ppm/Kに比して、ジルコニアおよびフォルステライトの熱膨張係数10ppm/Kの方が大きいためと推測される。なお、熱膨張係数の最適化が容易である観点からは、枠体は、セラミックではなく、樹脂または無機フィラー含有樹脂の方が好ましいと考えられる。 No. 23-No. No. 25 out of 25 23 and No. Only 24 had no gross leak after the temperature cycle. It is presumed that the reason for this is that the coefficient of thermal expansion of zirconia and forsterite is 10 ppm / K, which is larger than the coefficient of thermal expansion of alumina of 7 to 8 ppm / K. From the viewpoint of easy optimization of the coefficient of thermal expansion, it is considered that the frame is preferably a resin or an inorganic filler-containing resin instead of ceramic.
上記表2の結果について補足すると、No.101〜No.120の各々は、高温放置後にグロスリークが見られた。したがって、その後の温度サイクル試験は省略された。高温放置のみでグロスリークが引き起こされた理由は、No.1〜No.25(表1)の接着層に比して、No.101〜No.120(表2)の接着層の耐熱性が低いためと推測される。 To supplement the results in Table 2 above, No. 101-No. Gross leaks were observed in each of the 120 after being left at a high temperature. Therefore, subsequent temperature cycle tests were omitted. The reason why gross leak was caused only by leaving at high temperature is No. 1-No. Compared to the adhesive layer of No. 25 (Table 1), No. 101-No. It is presumed that the heat resistance of the adhesive layer of 120 (Table 2) is low.
この発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。 Although the present invention has been described in detail, the above description is exemplary in all aspects and the invention is not limited thereto. It is understood that a myriad of variations not illustrated can be envisioned without departing from the scope of the invention.
41 接着層
41h 接着剤
42 接合層
50 ヒートシンク板
51 内面
54 周辺領域
55M 実装領域
55U 未実装領域
80,80v 枠体
90 外部端子電極
100,100v パッケージ
110 キャビティ
200 パワー半導体素子
205 ボンディングワイヤ
300 蓋体
900 パワー半導体モジュール
950 封止空間
41
Claims (14)
外部端子電極と、
第1の材料からなり前記外部端子電極が取り付けられた枠体と、
前記枠体を支持し、前記パワー半導体素子が実装されることになる未実装領域を前記枠体内に有し、純度95.0重量パーセント以上で銅を含有する非複合材料からなるヒートシンク板と、
前記第1の材料と異なる第2の材料からなり、前記枠体と前記ヒートシンク板とを互いに接着する接着層と、
を備えるパッケージ。 It is a package for forming a sealing space for sealing a power semiconductor element without gloss leak by attaching a lid.
With external terminal electrodes
A frame made of the first material and to which the external terminal electrodes are attached, and
A heat sink plate made of a non-composite material that supports the frame and has an unmounted region in the frame on which the power semiconductor element is to be mounted and has a purity of 95.0% by weight or more and contains copper.
An adhesive layer made of a second material different from the first material and adhering the frame body and the heat sink plate to each other.
Package with.
前記ヒートシンク板の前記未実装領域上へパワー半導体素子を実装する工程と、
前記枠体上に蓋体を取り付けることによって前記パワー半導体素子をグロスリークなしに封止する工程と、
を備えるパワー半導体モジュールの製造方法。 An external terminal electrode, a frame made of a first material to which the external terminal electrode is attached, and a frame body that supports the frame body and has an unmounted region in the frame body, and copper having a purity of 95.0% by weight or more. A step of preparing a package including a heat sink plate made of a non-composite material containing the above material and an adhesive layer made of a second material different from the first material and adhering the frame body and the heat sink plate to each other.
A process of mounting a power semiconductor element on the unmounted region of the heat sink plate, and
A step of sealing the power semiconductor element without gloss leak by mounting a lid on the frame, and
A method for manufacturing a power semiconductor module.
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WO2023008252A1 (en) * | 2021-07-26 | 2023-02-02 | Ngkエレクトロデバイス株式会社 | Package and power module |
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