JP2021158197A - パワー半導体モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】絶縁性を確保することができるパワー半導体モジュールを提供する。【解決手段】回路パターン３ａと樹脂絶縁層３ｂとベース板３ｃとから構成される樹脂絶縁ベース板３に半導体素子１が搭載され、樹脂絶縁ベース板３を取り囲んでいるケース４と樹脂絶縁層３ｂとは、接着剤５にて接着されている。接着剤５は、封止樹脂８と同一材料であり、ケース４の樹脂絶縁層３ｂの側に形成されたテーパ部４ａと樹脂絶縁層３ｂとに取り囲まれた領域に充填され、樹脂絶縁層３ｂとケース４とが接着され、接着剤５の中の気泡９は、樹脂絶縁層３ｂと反対側にあるテーパ部４ａの側に配置されている。【選択図】図１

Description

本開示は、パワー半導体モジュールに関するものである。
従来の半導体装置は、ケースとベース板の上面との間に、厚いフィレット形状を有した接着剤により、ベース板とケースが固定されている。（例えば、特許文献１参照）
特開２０１９−９６７９７号公報（段落００１３〜００１６、図１〜２）
しかしながら、ケース内に充填される封止樹脂のような粘度の大きな接着剤を用いる場合、流動性が低下し、気泡が発生し易くなるため、絶縁基板上において絶縁不足となることがあった。
本開示は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、絶縁性を確保するパワー半導体モジュールを提供することを目的とする。
本開示に係るパワー半導体モジュールは、半導体素子を搭載した樹脂絶縁ベース板と、樹脂絶縁ベース板を取り囲んでいるケースと、樹脂絶縁ベース板とケースとに取り囲まれた領域に、封止されている封止樹脂と、樹脂絶縁ベース板とケースとを接着し、ケースと樹脂絶縁ベース板とに取り囲まれ、ケースの樹脂絶縁ベース板の側に形成されたテーパ部に充填されている接着剤とを備えたものである。
本開示に係るパワー半導体モジュールによれば、パワー半導体モジュール内において、絶縁性を確保することができる。
実施の形態１に係るパワー半導体モジュールの構成を示す断面図である。 実施の形態１に係るパワー半導体モジュールの変形例を示す断面図である。 実施の形態２に係るパワー半導体モジュールの構成を示す断面図である。 実施の形態３に係るパワー半導体モジュールの構成を示す断面図である。
実施の形態１．
実施の形態１に係るパワー半導体モジュールの構成について、図面を用いながら説明する。図１は、パワー半導体モジュールの構成を示す断面図である。
パワー半導体モジュール１００は、インバータ装置、加工装置、産業ロボット等の産業用途をはじめとして、幅広く用いられている。図１に示すように、パワー半導体モジュール１００は、半導体素子１、樹脂絶縁ベース板３、ケース４、電極端子６、金属ワイヤ７、封止樹脂８から構成されている。ケース４と樹脂絶縁ベース板３は、ケース４と樹脂絶縁ベース板３の樹脂絶縁層３ｂとの間において、接着剤５にて接着され、固定されている。
半導体素子１が、樹脂絶縁ベース板３に対し、少なくとも１つ以上搭載されている。パワー半導体モジュール１００の仕様に応じて必要な個数の半導体素子１を搭載することができる。
半導体素子１は、Ｓｉから構成され、電力を制御するいわゆる電力半導体素子である。例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＦＷＤ（Ｆｒｅｅ Ｗｈｅｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）である。半導体素子１の一辺は、３ｍｍ〜１５ｍｍである。なおＳｉに限らず、ＳｉＣもしくはＧａＮといったワイドバンドギャップ半導体の素子でもかまわない。
また、半導体素子１は、接合材２を介して、樹脂絶縁ベース板３の回路パターン３ａに搭載されている。接合材２は、Ｓｎを含む導電性金属であり、所謂はんだである。なお、半導体素子１が発熱するため、接合材２は、はんだに限定するものではなく、はんだより熱伝導率が大きく、放熱性を有する焼結材であってもよい。
樹脂絶縁ベース板３は、回路パターン３ａと樹脂絶縁層３ｂとベース板３ｃとが積み重り、構成されている。回路パターン３ａは、ＣｕまたはＡｌのいずれかを含む導電性金属であり、例えば、厚さは０．５ｍｍ程である。なお、回路パターン３ａの厚さは、電流密度や通電時の発熱温度により設定される。樹脂絶縁層３ｂは、ＢＮまたはＡｌ２Ｏ３のいずれかを含むフィラーが入ったエポキシ樹脂であり、樹脂絶縁層３ｂの厚さは、０．１〜０．２ｍｍである。ベース板３ｃは、ＣｕまたはＡｌのいずれかを含む熱伝導率に優れた金属であり、厚さは、１〜５ｍｍである。樹脂絶縁ベース板３の熱伝導率は、６〜１８Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、パワー半導体モジュール１００に必要な放熱仕様に応じて使い分けられている。
ケース４は、ＰＰＳ（Ｐｏｌｙ Ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ Ｓｕｌｆｉｄｅ）樹脂またはＰＢＴ（Ｐｏｌｙ Ｂｕｔｙｌｅｎｅ Ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）樹脂のいずれかを含むものである。
電極端子６は、ケース４とともにインサート成形さてれおり、ケース４内に埋め込められている。図１に示すように、電極端子６は屈曲しており、電極端子６の一方の先端部は、外部と電気的に入出力するため、ケース４から突出し延在している。電極端子６の他方の先端部は、ケース４の内側にて平坦面状に露出している。
図１に示すように、金属ワイヤ７により、半導体素子１、回路パターン３ａ及び電極端子６が、電気的に接続されている。金属ワイヤ７は、ＡｌまたはＣｕのいずれかを含む材料である。金属ワイヤ７の直径は、０．１〜０．５ｍｍである。なお、線形状に限定することなく、大電流に対応できる板形状のリボンワイヤを用いて接続してもよい。
封止樹脂８は、樹脂絶縁ベース板３の半導体素子１が搭載された側の面とケース４にて取り囲まれた領域に充填され封止されている。封止樹脂８は、熱硬化性を有し、ＳｉＯ２を含むフィラーが入ったエポキシ樹脂であるが、これに限定するものでなく、必要な弾性率、熱伝導率、耐熱性、絶縁性及び接着性を有した樹脂であればよい。例えば、エポキシ樹脂の他に、シリコーン樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂等でもよい。
接着剤５により、樹脂絶縁層３ｂとケース４が接着され、固定されている。これにより、封止樹脂８がケース４に取り囲まれた領域に充填されるとき、封止樹脂８が漏れるのを防ぐことができる。接着剤５は、封止樹脂８と同一材料である。
図１に示すように、ケース４の樹脂絶縁ベース板３の側にはテーパ部４ａが形成されている。樹脂絶縁層３ｂとケース４とに囲まれた領域に、接着剤５が充填され、樹脂絶縁層３ｂとケース４とが接着されている。接着剤５を充填するときの空気の巻き込みにより、気泡９が発生することがある。また、接着剤５を充填した後、接着剤５を硬化させるため加熱するとき、気泡９が発生し、もしくは接着剤５の中に点在していて目に見えないような微細な気泡９が集まることにより、絶縁性に影響を与えるサイズとなる気泡９が形成されることがある。特に、接着剤５が封止樹脂８と同一材料であるため、２０〜６０Ｐａ・Ｓと粘度が大きいため、樹脂絶縁層３ｂとケース４との間のような狭い領域に接着剤５を充填する場合、流動性が低下し、気泡９が発生し易い。なお、封止樹脂８は、充填する領域が大きく、図１の紙面上の上側が大きく開放されているため、気泡９は残存し難い。
気泡９が樹脂絶縁層３ｂに接すると、回路パターン３ａとベース板３ｃとの間において沿面距離が不足し、絶縁不足となる。これを抑制するために、接着剤５にて接着されるケース４の下側（図１の紙面上で下側）に対し、図１の紙面上で上側に向かってテーパ形状を有したテーパ部４ａを設け、そこに接着剤５を充填することにより、気泡９の配置を樹脂絶縁層３ｂから極力離れるようにしている。発生した気泡９は、接着剤５の中で、図１の紙面上で上側に移動しようとするので、接着剤５の中の気泡９を浮上させ、図１の紙面上で上側に向かってテーパ形状になっているテーパ部４ａに気泡９を配置し留めておくことができる。なお、テーパ部４ａの高さは、樹脂絶縁層３ｂから０．５〜２ｍｍである。また、気泡９のサイズは、最大０．１ｍｍ程である。
このように、ケース４にテーパ部４ａを設け、ケース４と樹脂絶縁層３ｂとを接着剤５にて接着することにより、接着剤５の中の気泡９が樹脂絶縁層３ｂに接することを回避することができる。従って、回路パターン３ａとベース板３ｃとの間において、沿面距離が不足することなく、パワー半導体モジュール１００として絶縁性を確保することができる。
実施の形態１では、回路パターン３ａと樹脂絶縁層３ｂとベース板３ｃとから構成される樹脂絶縁ベース板３に半導体素子１が搭載されている。樹脂絶縁ベース板３を取り囲んでいるケース４と樹脂絶縁層３ｂとは、接着剤５にて接着されている。ケース４と樹脂絶縁ベース板３とに取り囲まれた領域には封止樹脂８が封止されている。上記の接着剤５は、上記の封止樹脂８と同一材料であり、ケース４の樹脂絶縁層３ｂの側に形成されたテーパ部４ａと樹脂絶縁層３ｂとに取り囲まれた領域に充填され、樹脂絶縁層３ｂとケース４とが接着されている。接着剤５の中の気泡９は、樹脂絶縁層３ｂに接することなく、樹脂絶縁層３ｂと反対側にあるにテーパ部４ａの側に配置されている。以上のような構成としたことにより、回路パターン３ａとベース板３ｃとの間において、沿面距離が不足することなく、パワー半導体モジュール１００として絶縁性を確保することができる。
また、ケース４に対し、直方体でなく、テーパ部４ａの形状にすることにより、接着剤５の充填量を減らすことができる。
なお、樹脂絶縁層３ｂとケース４とは接しているため、接着剤５は、密閉され閉じ込められているが、これに限定されることなく、樹脂絶縁層３ｂの回路パターン３ａ側の面とケース４との間において、接着剤５が流れない程度の隙間があってもよい。フィラーのサイズから、隙間は０．２ｍｍ以下であることが好ましい。
また、回路パターン３ａまたはベース板３ｃの露出している面には、外観上の見栄え、はんだ接合性向上または樹脂絶縁ベース板３の保管／管理性から、Ｎｉめっきをしてもよい。
また、図示していないが、封止樹脂８の上側（図１の紙面上で上側）に蓋を設けてもよい。
また、パワー半導体モジュール１００の変形例を図２に示す。ケース４の樹脂絶縁層３ｂの側に山型形状が続く２つのテーパ形状を有したテーパ部４ａが形成されている。ケース４のテーパ部４ａと樹脂絶縁層３ｂとに囲まれた領域に接着剤５が充填され、ケース４と樹脂絶縁層３ｂが接着され、固定されている。これにより、接着剤５の中の気泡９は、樹脂絶縁層３ｂに接することなく、テーパ部４ａの側に分散させられる。気泡９が多い場合に、その効果は顕著となる。従って、回路パターン３ａとベース板３ｃとの間において、沿面距離が不足することなく、パワー半導体モジュール１００として絶縁性を確保することができる。また、アンカー効果により、接着剤５とケース４との接着強度向上を図ることができる。
なお、ケース４に設けられるテーパ部４ａの形状は、図１及び図２に示す形状に限定するものではなく、テーパ形状であれば、同様な効果を得ることができる。
実施の形態２．
図３は、実施の形態２に係るパワー半導体モジュールの構成を示す断面図である。なお本実施の形態におけるパワー半導体モジュール１００は、多くの構成が実施の形態１と共通する。このため、実施の形態１と異なる点について説明するとともに、同一または対応する構成については同じ符号を付けて示し、その説明を省略する。実施の形態１とは、図３に示すように、ベース板３ｃの外周面が露出している構成、樹脂絶縁ベース板３とケース４との接着構成が相違している。
図３に示すように、ベース板３ｃの半導体素子１が搭載されている側の外周面は、樹脂絶縁層３ｂがなく、露出している。なお、樹脂絶縁層３ｂの長さは、回路パターン３ａとベース板３ｃとの間において、沿面距離を満たす長さとなっている。
ケース４の樹脂絶縁ベース板３の側にはテーパ部４ａが形成されている。樹脂絶縁層３ｂ及びベース板３ｃとケース４とに囲まれた領域に、接着剤５が充填され、ベース板３ｃと樹脂絶縁層３ｂとケース４とが接着されている。
接着中または加熱硬化するときに、接着剤５の中の気泡９が接着剤５から排出し易くなるように、ベース板３ｃの外周の側面とケース４との間に隙間が設けられ、接着剤５が露出している。なお、接着剤５は、ベース板３ｃの樹脂絶縁層３ｂと反対側の面まで流れ、充填されることはない。
このように、ベース板３ｃの外周の側面とケース４との間に隙間が設けられ、接着剤５が露出していることにより、接着剤５の中の気泡９が排出し易くなる。またケース４にテーパ部４ａを設け、ケース４と樹脂絶縁層３ｂとベース板３ｃとを接着剤５にて接着することにより、接着剤５の中の気泡９が樹脂絶縁層３ｂに接することを回避することができる。従って、回路パターン３ａとベース板３ｃとの間において、沿面距離が不足することなく、パワー半導体モジュール１００として絶縁性を確保することができる。
実施の形態２では、樹脂絶縁ベース板３は、回路パターン３ａと樹脂絶縁層３ｂとベース板３ｃとから構成され、ベース板３ｃの半導体素子１が搭載されている側の外周面は、樹脂絶縁層３ｂがなく、露出している。回路パターン３ａには半導体素子１が搭載されている。樹脂絶縁ベース板３を取り囲んでいるケース４と樹脂絶縁層３ｂとは、接着剤５にて接着されている。ケース４と樹脂絶縁ベース板３とに取り囲まれた領域には封止樹脂８が封止されている。上記の接着剤５は、上記の封止樹脂８と同一材料であり、ケース４の樹脂絶縁層３ｂの側に形成されたテーパ部４ａと樹脂絶縁層３ｂ及びベース板３ｃとに取り囲まれた領域に充填され、樹脂絶縁層３ｂ及びベース板３ｃとケース４とが接着されている。接着剤５の中の気泡９は、樹脂絶縁層３ｂに接することなく、樹脂絶縁層３ｂと反対側にあるテーパ部４ａの側に配置されている。また、接着剤５の中の気泡９が排出し易くするため、ベース板３ｃの外周の側面とケース４との間に隙間が設けられ、接着剤５が露出している。以上のような構成としたことにより、回路パターン３ａとベース板３ｃとの間において、沿面距離が不足することなく、パワー半導体モジュール１００として絶縁性を確保することができる。
また、パワー半導体モジュール１００は、高温及び低温といった使用環境条件と、反りの影響により、樹脂絶縁層３ｂとベース板３ｃとの端部に応力及び歪が発生し、ベース板３ｃに対し樹脂絶縁層３ｂが剥離することがある。しかしながら、接着剤５にて樹脂絶縁層３ｂとベース板３ｃとを接着し固定されているので、ベース板３ｃに対し樹脂絶縁層３ｂの剥離を抑制することができる。従って、パワー半導体モジュール１００として絶縁性を確保することができる。
実施の形態３．
図４は、実施の形態３に係るパワー半導体モジュールの構成を示す断面図である。なお本実施の形態におけるパワー半導体モジュール１００は、多くの構成が実施の形態１と共通する。このため、実施の形態１と異なる点について説明するとともに、同一または対応する構成については同じ符号を付けて示し、その説明を省略する。実施の形態１とは、図４に示すように、ベース板３ｃの外周面が露出している構成、樹脂絶縁ベース板３とケース４との接着構成、及びベース板３ｃの形状が相違している。
図４に示すように、ベース板３ｃの半導体素子１が搭載されている側の外周面は、樹脂絶縁層３ｂがなく、露出している。なお、樹脂絶縁層３ｂの長さは、回路パターン３ａとベース板３ｃとの間において、沿面距離を満たす長さとなっている。
ケース４の樹脂絶縁ベース板３の側にはテーパ部４ａが形成されている。樹脂絶縁層３ｂ及びベース板３ｃとケース４とに囲まれた領域に、接着剤５が充填され、ベース板３ｃと樹脂絶縁層３ｂとケース４とが接着されている。
接着中または加熱硬化するときに、接着剤５の中の気泡９が接着剤５から排出し易くなるように、ベース板３ｃの外周の側面とケース４との間に隙間を設け、接着剤５が露出している。なお、接着剤５は、ベース板３ｃの樹脂絶縁層３ｂと反対側の面まで流れ、充填されることはない。
接着剤５は、樹脂絶縁層３ｂ及びケース４と比較して、ベース板３ｃとの接着性が小さい傾向にある。図４に示すように、ベース板３ｃの半導体素子１が搭載されている側の両端に段差を設けることにより、アンカー効果により、ベース板３ｃと接着剤５との接着力向上を図ることができる。
このように、ベース板３ｃの外周の側面とケース４との間に隙間が設けられ、接着剤５が露出していることにより、接着剤５の中の気泡９が排出し易くなる。またケース４にテーパ部４ａを設け、ケース４と樹脂絶縁層３ｂとベース板３ｃとを接着剤５にて接着することにより、接着剤５の中の気泡９が樹脂絶縁層３ｂに接することを回避することができる。従って、回路パターン３ａとベース板３ｃとの間において、沿面距離が不足することなく、パワー半導体モジュール１００として絶縁性を確保することができる。
実施の形態３では、樹脂絶縁ベース板３は、回路パターン３ａと樹脂絶縁層３ｂとベース板３ｃとから構成され、ベース板３ｃの半導体素子１が搭載されている側の外周面は、樹脂絶縁層３ｂがなく、露出している。また、ベース板３ｃの半導体素子１が搭載されている側の両端に段差が設けられている。回路パターン３ａには半導体素子１が搭載されている。樹脂絶縁ベース板３を取り囲んでいるケース４と樹脂絶縁層３ｂとは、接着剤５にて接着されている。ケース４と樹脂絶縁ベース板３とに取り囲まれた領域には封止樹脂８が封止されている。上記の接着剤５は、上記の封止樹脂８と同一材料であり、ケース４の樹脂絶縁層３ｂの側に形成されたテーパ部４ａと樹脂絶縁層３ｂ及びベース板３ｃとに取り囲まれた領域に充填され、樹脂絶縁層３ｂ及びベース板３ｃとケース４とが接着されている。接着剤５の中の気泡９は、樹脂絶縁層３ｂに接することなく、樹脂絶縁層３ｂと反対側にあるテーパ部４ａの側に配置されている。また、接着剤５の中の気泡９が排出し易くするため、ベース板３ｃの外周の側面とケース４との間に隙間が設けられ、接着剤５が露出している。以上のような構成としたことにより、回路パターン３ａとベース板３ｃとの間において、沿面距離が不足することなく、パワー半導体モジュール１００として絶縁性を確保することができる。
また、パワー半導体モジュール１００は、高温及び低温といった使用環境条件と、反りの影響により、樹脂絶縁層３ｂとベース板３ｃとの端部に応力及び歪が発生し、ベース板３ｃに対し樹脂絶縁層３ｂが剥離することがある。しかしながら、接着剤５にて樹脂絶縁層３ｂとベース板３ｃとを接着し固定されているので、ベース板３ｃに対し樹脂絶縁層３ｂの剥離を抑制することができる。従って、パワー半導体モジュール１００として絶縁性を確保することができる。
また、接着剤５は、樹脂絶縁層３ｂ及びケース４と比較して、ベース板３ｃとの接着性が小さい傾向にある。このような場合でも、図４に示すように、ベース板３ｃの両端に段差を設けることにより、アンカー効果により、ベース板３ｃと接着剤５との接着力向上を図ることができる。
なお、各実施の形態を自由に組み合わせることや、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
１ 半導体素子
３ 樹脂絶縁ベース板
３ａ 回路パターン
３ｂ 樹脂絶縁層
３ｃ ベース板
４ ケース
４ａ テーパ部
５ 接着剤
８ 封止樹脂

Claims (6)

  1. 半導体素子と、
    前記半導体素子を搭載した樹脂絶縁ベース板と、
    前記樹脂絶縁ベース板を取り囲んでいるケースと、
    前記樹脂絶縁ベース板と前記ケースとに取り囲まれた領域に、封止されている封止樹脂と、
    前記樹脂絶縁ベース板と前記ケースとを接着し、前記樹脂絶縁ベース板と前記ケースとに取り囲まれ、前記ケースの前記樹脂絶縁ベース板の側に形成されたテーパ部に充填されている接着剤と、
    を備えたパワー半導体モジュール。
  2. 前記樹脂絶縁ベース板は、回路パターンと樹脂絶縁層とベース板とから構成される請求項１記載のパワー半導体モジュール。
  3. 前記接着剤は、前記封止樹脂と同一材料である請求項１または請求項２に記載のパワー半導体モジュール。
  4. 前記絶縁樹脂ベース板の外周の側面と前記ケースとの間に、前記接着剤が露出している請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
  5. 前記ベース板の前記半導体素子が搭載している側の外周面が露出している請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
  6. 前記ベース板の前記半導体素子が搭載している側の両端に段差が設けられている請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
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