JP3619708B2 - パワー半導体モジュール - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワー半導体モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来からＩＧＢＴ，ダイオード，ＧＴＯ，トランジスタ等のパワー半導体素子を絶縁容器内に封入したパワー半導体モジュールが知られている。これらの素子はその耐圧や電流容量に応じて、各種インバータ装置などに応用されている。中でもＩＧＢＴは大電流の高周波動作が可能であり、電圧制御素子のため制御が容易であるなどの利点を有している。また、モジュール使用上の簡便性の点から多くの場合はモジュールのベース部分と電流通電部分が絶縁基板によって電気的に絶縁された、内部絶縁型の構造となっている。
【０００３】
ＩＧＢＴモジュールの構造を、製造プロセスに従って図４−（ａ），（ｂ），（ｃ）にて説明する。一般的には半導体素子１を半田２によって絶縁基板３に接合する。その方法を示しているのが図４−（ｂ）である。まず下治具１６にセットした絶縁基板３の上に半導体素子１の接続位置を定めるための治具１５を置く、この治具１５には半導体素子１の接続位置に所定の大きさの穴１７が開いている。次に所定の穴１７に半導体素子１を接続するための半田２を置き、その上に半導体素子１を置いた状態で半田２の融点温度以上の高温で接続する。絶縁基板３にはアルミナやＡｌＮセラミックに銅パターン７を接続したものが使用され、銅パターン７は平面であるものが使用される。また、治具１５の材質には半田２に接続されないカーボン等が用いられるのが一般的である。
【０００４】
半導体素子１を絶縁基板３に接続後、電極引き出しのために半導体素子１と絶縁基板３の電極上にＡｌワイヤー１３などでボンディング接続される。この絶縁基板３はモジュールの底面を支え、放熱板である平面な金属ベース６に半田５により接合される。その方法を示しているのが図４−（ｃ）である。まず下治具１９にセットした金属ベース６の上に絶縁基板３の接続位置を定めるための治具１８を置く、この治具１８には絶縁基板３の接続位置に所定の大きさの穴１４が開いている。この治具１８の材質もカーボン等が用いられるのが一般的である。次に所定の大きさの穴１４に絶縁基板３を接続するための半田５を置き、その上に絶縁基板３を置いた状態で半田５の融点温度以上の高温で接続する。
【０００５】
モジュールの外部端子と絶縁基板３との接続は図４−（ａ）に示すように、外部端子と一体化した銅リード９でなされ、絶縁基板３上の電極部に半田１２によって接合される。この場合にも絶縁基板３上における銅リード９の接続位置を定めるための治具やガイドなどが使用される。外部端子は一般的に端子ブロックと呼ばれる。更に、有機樹脂製ケース１０を有機樹脂製の接着剤４により金属ベース６に接続する。この中に半導体素子１を外雰囲気より遮断し、モジュール内部の絶縁性確保とワイヤボンディング配線保護などのためにゲル１１を注入し硬化させる。そして、モジュール内部の気密性確保のためにゲル１１上にエポキシ樹脂８を充填し硬化させる。以上がＩＧＢＴモジュールの一般的製造プロセス及び構造である。尚、この種のモジュール構造として関連するものに、特許平６− ２４３６５４号公報を挙げることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術においては、以下のような問題点がある。
【０００７】
まず、前記モジュールの製造プロセスでは絶縁基板３と半導体素子１，金属ベース６，銅リード９の接続の度に治具１５，１８やガイドを使用することから、半導体素子１や絶縁基板３が治具１５，１８によって汚染される可能性が高くなる。製造プロセス中の汚染による不具合としては、半導体素子１の電気的特性の劣化，モジュールの金属ベース６と銅パターン７との絶縁性の劣化，ゲル１１の硬化阻害によるモジュール内部の絶縁性の劣化などがある。また、絶縁基板３や金属ベース６の反り量が大きい場合には治具１５，１８と部品との間に半田２，５が流れ出し、必要とする半田厚みが確保できず半田寿命の信頼性が低下する。さらに、治具１５，１８と絶縁基板３，金属ベース６との熱膨張係数の違いによっては必要とする接合精度が得られない恐れがある。製造プロセス中の汚染に対しては各工程ごとに純水や有機溶剤で洗浄する方法があるが、洗浄液の管理や廃液の処理などに多大な費用を必要とし、製造期間も長くなることから、結果として製品コストの増加につながる。また、絶縁基板３や金属ベース６の反り量を低減するために、絶縁基板３や金属ベース６を十分に厚くする方法があるが、部品が厚くなった分モジュールの熱抵抗が大きくなる。このためモジュールの使用可能な最大損失や実装方法などが制限されることになる。半田厚みの確保については半田に粒形のニッケル等を含有した半田を用いることで必要とする最低限の厚みは確保できるものの、半田流れの有る箇所と無い箇所では半田の厚みが大きく異なり、高さ方向から見た接合精度が悪くなる。
【０００８】
本発明は、前記課題を考慮してなされたものであり、高信頼性なパワー半導体モジュールの構造を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によるパワー半導体モジュールでは、絶縁基板上に部品の接合位置を定めるための凹凸部を設けることによって、接合位置の精度を向上させる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施例を図面を用いて説明する。
【００１１】
図１は本発明を適用したモジュールの断面構造図を示す。あらかじめ銅パターン７上の半導体素子１接合箇所に所定の大きさの凹部１０１を設けた絶縁基板３に、半田２と半導体素子１を置き半田２の融点温度以上の温度で接続する。凹部１０１の大きさは接合する半導体素子１と絶縁基板３との熱膨張係数と使用する半田２の大きさを考慮して設計する必要がある。絶縁基板３に半導体素子１を半田２により接合し、電極引き出しのために、半導体素子１と絶縁基板３の電極上にＡｌワイヤー１３でボンディング接続される。この絶縁基板３を金属ベース６に半田５で接続し、金属ベース６に有機樹脂製ケース１０を接着剤４で接合する。次にモジュールの外部端子と一体となっている銅リード９を絶縁基板３上の電極部に半田１２で接合する。続いてモジュール内部にゲル１１を注入し硬化させる。そして、モジュール内部の気密性確保のためにゲル１１上にエポキシ樹脂８を充填する構造となっている。上記で説明した半導体モジュールでは、半導体素子１と絶縁基板３の接続時に従来のカーボン製の治具１５を使用しないことから治具１５による製造プロセス中の汚染が防止できる。さらに、接続時の半田流れ出しが凹部によって抑制され、全ての絶縁基板３接合箇所において溶解した半田２の体積が一定となるため、半田２の厚みのばらつきが低減でき、半田寿命の信頼性を確保できる。また、半田２の厚みが同一になることから、高さ方向での接合位置精度が向上できる。
【００１２】
図２は第２の実施例を示したものである。図２中図１と同一符号は同一要素を示す。本実施例では絶縁基板３の銅パターン７上の外部端子接合箇所に所定の大きさの凹部１０２が設けられた構造となっている。この方法では外部端子接続時の半田１２の流れ出しが凹部１０２によって抑制され、どの外部端子接合箇所においても半田１２の厚みが同一になることから、端子下半田１２の信頼性確保と外部端子の高さのばらつきが低減できる。
【００１３】
図３−（ａ），（ｂ）は第３の実施例を示したものである。図３−（ａ），（ｂ）中図１と同一符号は同一要素を示す。本実施例では絶縁基板３裏面の銅パターン７外周部に凹部１０３１，１０３２が設けられており、金属ベース６上にもその凹形状に合わせた凸部１０４１，１０４２が形成されている。この方法では、絶縁基板３接続時の半田５の流れ出しがベースの凸部１０４１，１０４２によって抑制され、各々の絶縁基板３を同一の半田厚みによって接合することができる。また、金属ベース６の反り量が大きい場合でも、必要とする接合精度を確保することができる。
【００１４】
上記実施例では、ＩＧＢＴモジュールを例にして説明したがこれに限定されものではなく、他のパワートランジスタ，ＧＴＯサイリスタ等でも良いことは勿論である。
【００１５】
【発明の効果】
本発明によれば、治具を使用する代わりに、絶縁基板上に半導体素子や銅リードなどの接合箇所を定めるための凹凸部を設けることによって、製造プロセス中の汚染を防止でき、接合位置の精度を向上させることができる。その結果高信頼性のモジュールを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示す断面図。
【図２】本発明の第２の実施例を示す断面図。
【図３】（ａ）（ｂ）は本発明の第３の実施例を示す断面図。
【図４】（ａ）は従来構造を示す断面図、（ｂ）は半導体素子と絶縁基板接合の従来プロセス図、（ｃ）は金属ベースと絶縁基板接合の従来プロセス図。
【符号の説明】
１…半導体素子、２，５，１２…半田、３…絶縁基板、４…接着材、６…金属ベース、７…銅パターン、８…エポキシ樹脂、９…銅リード、１０…有機樹脂製ケース、１１…ゲル、１３…Ａｌワイヤー、１４，１７…接合位置決め穴、１５，１８…治具、１６，１９…下治具、１０１，１０２，１０３１，１０３２，１０４１，１０４２…接合位置決め用凹凸部。
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワー半導体モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来からＩＧＢＴ，ダイオード，ＧＴＯ，トランジスタ等のパワー半導体素子を絶縁容器内に封入したパワー半導体モジュールが知られている。これらの素子はその耐圧や電流容量に応じて、各種インバータ装置などに応用されている。中でもＩＧＢＴは大電流の高周波動作が可能であり、電圧制御素子のため制御が容易であるなどの利点を有している。また、モジュール使用上の簡便性の点から多くの場合はモジュールのベース部分と電流通電部分が絶縁基板によって電気的に絶縁された、内部絶縁型の構造となっている。
【０００３】
ＩＧＢＴモジュールの構造を、製造プロセスに従って図４−（ａ），（ｂ），（ｃ）にて説明する。一般的には半導体素子１を半田２によって絶縁基板３に接合する。その方法を示しているのが図４−（ｂ）である。まず下治具１６にセットした絶縁基板３の上に半導体素子１の接続位置を定めるための治具１５を置く、この治具１５には半導体素子１の接続位置に所定の大きさの穴１７が開いている。次に所定の穴１７に半導体素子１を接続するための半田２を置き、その上に半導体素子１を置いた状態で半田２の融点温度以上の高温で接続する。絶縁基板３にはアルミナやＡｌＮセラミックに銅パターン７を接続したものが使用され、銅パターン７は平面であるものが使用される。また、治具１５の材質には半田２に接続されないカーボン等が用いられるのが一般的である。
【０００４】
半導体素子１を絶縁基板３に接続後、電極引き出しのために半導体素子１と絶縁基板３の電極上にＡｌワイヤー１３などでボンディング接続される。この絶縁基板３はモジュールの底面を支え、放熱板である平面な金属ベース６に半田５により接合される。その方法を示しているのが図４−（ｃ）である。まず下治具１９にセットした金属ベース６の上に絶縁基板３の接続位置を定めるための治具１８を置く、この治具１８には絶縁基板３の接続位置に所定の大きさの穴１４が開いている。この治具１８の材質もカーボン等が用いられるのが一般的である。次に所定の大きさの穴１４に絶縁基板３を接続するための半田５を置き、その上に絶縁基板３を置いた状態で半田５の融点温度以上の高温で接続する。
【０００５】
モジュールの外部端子と絶縁基板３との接続は図４−（ａ）に示すように、外部端子と一体化した銅リード９でなされ、絶縁基板３上の電極部に半田１２によって接合される。この場合にも絶縁基板３上における銅リード９の接続位置を定めるための治具やガイドなどが使用される。外部端子は一般的に端子ブロックと呼ばれる。更に、有機樹脂製ケース１０を有機樹脂製の接着剤４により金属ベース６に接続する。この中に半導体素子１を外雰囲気より遮断し、モジュール内部の絶縁性確保とワイヤボンディング配線保護などのためにゲル１１を注入し硬化させる。そして、モジュール内部の気密性確保のためにゲル１１上にエポキシ樹脂８を充填し硬化させる。以上がＩＧＢＴモジュールの一般的製造プロセス及び構造である。尚、この種のモジュール構造として関連するものに、特許平６− ２４３６５４号公報を挙げることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術においては、以下のような問題点がある。
【０００７】
まず、前記モジュールの製造プロセスでは絶縁基板３と半導体素子１，金属ベース６，銅リード９の接続の度に治具１５，１８やガイドを使用することから、半導体素子１や絶縁基板３が治具１５，１８によって汚染される可能性が高くなる。製造プロセス中の汚染による不具合としては、半導体素子１の電気的特性の劣化，モジュールの金属ベース６と銅パターン７との絶縁性の劣化，ゲル１１の硬化阻害によるモジュール内部の絶縁性の劣化などがある。また、絶縁基板３や金属ベース６の反り量が大きい場合には治具１５，１８と部品との間に半田２，５が流れ出し、必要とする半田厚みが確保できず半田寿命の信頼性が低下する。さらに、治具１５，１８と絶縁基板３，金属ベース６との熱膨張係数の違いによっては必要とする接合精度が得られない恐れがある。製造プロセス中の汚染に対しては各工程ごとに純水や有機溶剤で洗浄する方法があるが、洗浄液の管理や廃液の処理などに多大な費用を必要とし、製造期間も長くなることから、結果として製品コストの増加につながる。また、絶縁基板３や金属ベース６の反り量を低減するために、絶縁基板３や金属ベース６を十分に厚くする方法があるが、部品が厚くなった分モジュールの熱抵抗が大きくなる。このためモジュールの使用可能な最大損失や実装方法などが制限されることになる。半田厚みの確保については半田に粒形のニッケル等を含有した半田を用いることで必要とする最低限の厚みは確保できるものの、半田流れの有る箇所と無い箇所では半田の厚みが大きく異なり、高さ方向から見た接合精度が悪くなる。
【０００８】
本発明は、前記課題を考慮してなされたものであり、高信頼性なパワー半導体モジュールの構造を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によるパワー半導体モジュールでは、絶縁基板上に部品の接合位置を定めるための凹凸部を設けることによって、接合位置の精度を向上させる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施例を図面を用いて説明する。
【００１１】
図１は本発明を適用したモジュールの断面構造図を示す。あらかじめ銅パターン７上の半導体素子１接合箇所に所定の大きさの凹部１０１を設けた絶縁基板３に、半田２と半導体素子１を置き半田２の融点温度以上の温度で接続する。凹部１０１の大きさは接合する半導体素子１と絶縁基板３との熱膨張係数と使用する半田２の大きさを考慮して設計する必要がある。絶縁基板３に半導体素子１を半田２により接合し、電極引き出しのために、半導体素子１と絶縁基板３の電極上にＡｌワイヤー１３でボンディング接続される。この絶縁基板３を金属ベース６に半田５で接続し、金属ベース６に有機樹脂製ケース１０を接着剤４で接合する。次にモジュールの外部端子と一体となっている銅リード９を絶縁基板３上の電極部に半田１２で接合する。続いてモジュール内部にゲル１１を注入し硬化させる。そして、モジュール内部の気密性確保のためにゲル１１上にエポキシ樹脂８を充填する構造となっている。上記で説明した半導体モジュールでは、半導体素子１と絶縁基板３の接続時に従来のカーボン製の治具１５を使用しないことから治具１５による製造プロセス中の汚染が防止できる。さらに、接続時の半田流れ出しが凹部によって抑制され、全ての絶縁基板３接合箇所において溶解した半田２の体積が一定となるため、半田２の厚みのばらつきが低減でき、半田寿命の信頼性を確保できる。また、半田２の厚みが同一になることから、高さ方向での接合位置精度が向上できる。
【００１２】
図２は第２の実施例を示したものである。図２中図１と同一符号は同一要素を示す。本実施例では絶縁基板３の銅パターン７上の外部端子接合箇所に所定の大きさの凹部１０２が設けられた構造となっている。この方法では外部端子接続時の半田１２の流れ出しが凹部１０２によって抑制され、どの外部端子接合箇所においても半田１２の厚みが同一になることから、端子下半田１２の信頼性確保と外部端子の高さのばらつきが低減できる。
【００１３】
図３−（ａ），（ｂ）は第３の実施例を示したものである。図３−（ａ），（ｂ）中図１と同一符号は同一要素を示す。本実施例では絶縁基板３裏面の銅パターン７外周部に凹部１０３１，１０３２が設けられており、金属ベース６上にもその凹形状に合わせた凸部１０４１，１０４２が形成されている。この方法では、絶縁基板３接続時の半田５の流れ出しがベースの凸部１０４１，１０４２によって抑制され、各々の絶縁基板３を同一の半田厚みによって接合することができる。また、金属ベース６の反り量が大きい場合でも、必要とする接合精度を確保することができる。
【００１４】
上記実施例では、ＩＧＢＴモジュールを例にして説明したがこれに限定されものではなく、他のパワートランジスタ，ＧＴＯサイリスタ等でも良いことは勿論である。
【００１５】
【発明の効果】
本発明によれば、治具を使用する代わりに、絶縁基板上に半導体素子や銅リードなどの接合箇所を定めるための凹凸部を設けることによって、製造プロセス中の汚染を防止でき、接合位置の精度を向上させることができる。その結果高信頼性のモジュールを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示す断面図。
【図２】本発明の第２の実施例を示す断面図。
【図３】（ａ）（ｂ）は本発明の第３の実施例を示す断面図。
【図４】（ａ）は従来構造を示す断面図、（ｂ）は半導体素子と絶縁基板接合の従来プロセス図、（ｃ）は金属ベースと絶縁基板接合の従来プロセス図。
【符号の説明】
１…半導体素子、２，５，１２…半田、３…絶縁基板、４…接着材、６…金属ベース、７…銅パターン、８…エポキシ樹脂、９…銅リード、１０…有機樹脂製ケース、１１…ゲル、１３…Ａｌワイヤー、１４，１７…接合位置決め穴、１５，１８…治具、１６，１９…下治具、１０１，１０２，１０３１，１０３２，１０４１，１０４２…接合位置決め用凹凸部。
Claims (3)
- モジュール底面を支持する金属ベースと、該金属ベース上に接合され、かつ複数個のパワー半導体素子が接合される絶縁基板と、このパワー半導体素子を外雰囲気より遮断するための樹脂ケースとを備えるパワー半導体モジュールにおいて、
前記絶縁基板とパワー半導体素子とが銅パターンを介して接合し、該銅パターンに前記パワー半導体素子の接合位置を定めるための１つ以上の凹部があり、前記パワー半導体素子が該凹部に収容されていることを特徴としたパワー半導体モジュール。 - 請求項１に記載のパワー半導体モジュールにおいて、前記絶縁基板上にリードの接合位置を定めるための１つ以上の凹部を備えた銅パターンがあり、前記リードが該銅パターンの凹部に収容されていることを特徴としたパワー半導体モジュール。
- 請求項１または請求項２の何れかに記載のパワー半導体モジュールにおいて、前記パワー半導体素子がＩＧＢＴであることを特徴としたパワー半導体モジュール。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP15464199A JP3619708B2 (ja) | 1999-06-02 | 1999-06-02 | パワー半導体モジュール |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15464199A JP3619708B2 (ja) | 1999-06-02 | 1999-06-02 | パワー半導体モジュール |
Publications (2)
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| JP2000349231A JP2000349231A (ja) | 2000-12-15 |
| JP3619708B2 true JP3619708B2 (ja) | 2005-02-16 |
Family
ID=15588665
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP15464199A Expired - Fee Related JP3619708B2 (ja) | 1999-06-02 | 1999-06-02 | パワー半導体モジュール |
Country Status (1)
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|---|---|
| JP (1) | JP3619708B2 (ja) |
Families Citing this family (7)
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