JP3994381B2 - パワーモジュール - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワーエレクトロニクスの分野、特にモータドライブ用インバータ装置やサーボドライブ装置に使用するパワー半導体チップを内蔵したパワーモジュール及びパワー半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のパワーモジュールにおいては、複数のパワー半導体チップを内蔵し、特にパワー半導体チップがＩＧＢＴチップ及び還流ダイオードチップであるＩＧＢＴモジュールと呼ばれるものや、前記ＩＧＢＴモジュールに整流回路やゲートドライブ回路や保護回路を付加し、インテリジェント化させたインテリジェントパワーモジュールが一般的である。
以下、インテリジェントパワーモジュールについて説明する。
図８は従来のインテリジェントパワーモジュールを示す斜視図、図９はパワー半導体チップ実装部分の拡大断面図、図１０は図８の機能ブロック図である。図において、１はパワー半導体チップ、３はヒートシンク、９ははんだ層、１２はセラミック基板、１２ａはセラミック基材、１２ｂは銅配線、１３はボンディングワイヤ、１４は放熱板（主に銅ベース）、１５はケース、１６は外部接続用ピンヘッダ、１７は充填樹脂である。
３１はベアチップ実装エリアであり、図９に示すように、パワー半導体チップ１がＩＧＢＴと還流ダイオードの場合、これにより３相分のレグを構成し、パワー半導体チップ１が整流ダイオードの場合、これにより全波整流ブリッジを構成する。３３はパワー半導体チップを保護するための保護回路が実装されている保護回路実装エリア、３４はパワー半導体チップを駆動するドライブ回路を実装するドライブ回路実装エリア、３５はインバータなどのアプリケーションに使用する際の接続用部品を実装する接続部品実装エリアである。
これらを以下に示すように構成する。
図９に示すように、パワー半導体チップ１は、はんだ層９を介してヒートシンク３へダイボンディングされる。前記ヒートシンク３はセラミック基板１２上に形成された銅配線層１２ａへはんだ層９などを介して接続され、セラミック基板１２は放熱板１４へはんだ付けされる。
パワー半導体チップ１は、パワー半導体チップがＩＧＢＴチップなどのスイッチングトランジスタや還流ダイオードチップや整流ダイオードチップとなる場合があるが、上述のようにインバータ回路または全波整流回路を構成し、ベアチップ実装エリア３１に実装される。
また、保護回路実装エリア３３、ドライブ回路実装エリア３４、外部接続用ピンヘッダが実装される外部接続用部品実装エリア３５などの付加回路は、セラミック基板１２上、もしくは、樹脂製基板上に実装され、一般のプリント基板と同様に配線され、構成される。このような回路により、図８の機能を満足する。
このような回路が構成されたセラミック基板１２は、ケース１５にて覆われ、その内部の空間には、電気絶縁及び放熱効果を高めるためにエポキシ系及びシリコーン系の樹脂１７が充填され、インテリジェントパワーモジュールとなる。このインテリジェントパワーモジュールは、モータドライブ用インバータ装置やサーボドライブ装置に使用される際は、セラミック基板により絶縁されているため、そのままインバータ装置やサーボドライブ装置の冷却用ヒートシンクにネジ止めされる。
動作としては、図１０に示すように、パワー半導体チップが整流ダイオードチップの場合は、交流を直流に変換し、ＩＧＢＴチップ及び還流ダイオードチップの場合は、外部接続用ピンヘッダより、ゲート信号などが入力され、それによりＩＧＢＴチップがスイッチングし、出力端子に任意の周波数の交流電圧を得ることができる。
上述の構成以外にも、様々な構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特表２００１−５０１３７６号公報（第１−３頁、第１図）
【０００４】
このパワーモジュールは、図１１に示すように、導体路平面を備えた２つの支持体をサンドイッチ構造とし、それら２つの支持体間に多数の半導体チップが配置され、支持体と半導体チップとの接続は、マイクロエレクトロニクス構成部材によって接続している。 第１の導体路平面５３を備えた第１の支持体５２と第２の導体路平面５６を備えた第２の支持体５５との間に、多数の半導体チップ５４を配置する。第１の支持体は、セラミック材料からなり、第２の支持体は、セラミック材料、またはフレキシブルな支持体、例えば、プラスチックシート、とりわけポリイミドシートからなる。第１の支持体と第２の支持体との間に配置された半導体チップは、第１の支持体とは、はんだ接合され、第２の支持体との接合においては固定的接続、例えば、はんだ接合、導電性接着剤、または導電性ボールを用いて接続される。この構成により、安価で、簡単に製造でき、さらに設計自由度が高く、低インダクタンスの構造となる例があげられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の技術において、図９の構成のパワーモジュールでは、ワイヤボンディングを使用して回路の配線を行うため、ワイヤボンディングのループ高さが必要となり、また、ワイヤボンディングするパッドスペースが必要となるため、パワーモジュールの薄型化、小型化ができないという問題点があった。また、ワイヤボンディングによる製造工程では、１度のボンディングでは１本ずつしかボンディングできないため、製造工数が増加するという問題点があった。
また、特許文献１において、第１の支持体と第２の支持体によるサンドイッチ構造では、半導体チップとの接合に、例にあげられた導電性ボールを使用し、特に第１の支持体と第２の支持体は同一面積の支持体を使用するため高さ管理や電極間のブリッジ検査など、製造工程上の管理、検査項目が増えるという問題点があった。
そこで、本発明は小型化でインテリジェント化しても実装面積が小さく、かつアプリケーションとの接続方法の選択の幅が広く、製造工数が少ないパワーモジュールを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明はつぎの構成にしている。
（１）表面に配線層を設けた少なくとも１枚の基板と、その上に設けたヒートシンクと、さらにその上に実装された複数のパワー半導体チップとを有するパワーモジュールにおいて、前記基板は、前記パワー半導体チップのベアチップが実装されベアチップ実装エリアを形成する金属系絶縁基板と、前記金属系絶縁基板と対向する側に前記パワー半導体チップの電極を接続した第１の樹脂回路基板と、保護回路を形成した保護回路実装エリアとドライブ回路を形成したドライブ回路実装エリアおよび外部接続用部品実装エリアを形成した第２の樹脂回路基板とからなり、前記第２の樹脂回路基板を前記金属系絶縁基板上に設け前記第１の樹脂回路基板と前記第２の樹脂回路基板とを接続し、前記第１の樹脂回路基板と前記パワー半導体チップの電極とを、はんだボールにより接続し、前記金属系絶縁基板と前記第２の樹脂回路基板はピンヘッダもしくは、めっきスルーホールにて接続し、前記第１の樹脂回路基板と前記第２の樹脂回路基板とを、はんだ層を介して接続したものである。
本構成によれば、パワーモジュールにおけるワイヤボンディングのループ高さが不要となり、また、ワイヤボンディングするパッドスペースが不要となるため、パワーモジュールの薄型化、小型化ができる。さらに、ワイヤボンディングを使用しないため、配線インダクタンスを最小にとることができる。また、製造工程においては、パワー半導体チップ周辺の配線を一括配線で、製造工数を簡略化できる。また、ベアチップ実装エリアのみ第１の樹脂回路基板で配線するため、電極間のブリッジ検査など、検査項目も比較的容易に行うことができ、実装高さ管理などの製造工程上の管理も削減できる。
（２）前記金属系絶縁基板は、アルミベースの表面に設けた基材と銅配線からなり、前記基材の材質をポリイミド、または、ポリエステルとし、前記基材と前記銅配線を同一平面内で拡張した拡張部を設け、前記第１の樹脂回路基板に相当する回路エリアを前記拡張部に形成し、これを折り曲げて前記パワー半導体チップの電極と接続し、前記第１の樹脂回路基板と、前記金属系絶縁基板の基材とを一体化したものである。
本構成によれば、第１の発明に加えて、部品の削減による製造工数の簡略化が可能となる。
（３）前記金属系絶縁基板と前記第１の樹脂回路基板とを金属スペーサにて接続したものである。
本構成によれば、第１から第３の発明に加えて、任意の高さで第１の樹脂回路基板を実装でき、より小型で薄型化ができる。
（４）前記第１の樹脂回路基板と前記第２の樹脂回路基板、または、前記金属スペーサの接続の際にピンヘッダなどの金属突起を介して接続したものである。
本構成によれば、第１から第４の発明に加えて、製造工程における実装位置の管理項目を削減できる。
（５）前記第１の樹脂回路基板は、基材と銅配線からなり、前記基材の材質にポリイミド、または、ポリエステルを用いたものである。
本構成によれば、実装高さ管理などの製造工程上の管理も削減できる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態を図１から図３に示す。図１はパワーモジュールの分解斜視図、図２は図１の側断面図、図３は図２のパワー半導体チップ部の詳細を示す部分断面図である。図において、１はパワー半導体チップ、２ははんだボール、３はヒートシンク、４は金属系絶縁基板、５は第１の樹脂回路基板で、６は保護膜、７はピンヘッダ、８は第２の樹脂回路基板、９ははんだ層、１０はスルーホールである。
金属系絶縁基板４はアルミベース４ａ、フレキシブルな基材４ｂおよび銅配線４ｃからなり、第１の樹脂回路基板５はフレキシブルな基材５ａと銅配線（５ｂ）からなり、第２の樹脂回路基板８は樹脂基板からなる基材８ａと銅配線８ｂからなる。３１はベアチップ実装エリアであり、図１に示すように、パワー半導体チップ１がＩＧＢＴと還流ダイオードの場合、これにより３相分のレグを構成し、パワー半導体チップ１が整流ダイオードの場合、これにより全波整流ブリッジを構成する。３３はパワー半導体チップを保護するための保護回路が内蔵されている保護回路実装エリア、３４はパワー半導体チップを駆動するドライブ回路を内蔵するドライブ回路実装エリア、３５はインバータなどのアプリケーションに使用する際の接続用部品を実装する接続部品実装エリアである。
これらを以下に示すように構成する。
パワー半導体チップ１は、図３に示すように、電極を有する面と反対面がはんだ層９を介してヒートシンク３へダイボンディングされる。ヒートシンク３は、金属系絶縁基板４の銅配線４ｃへ、はんだ層９を介して接続される。パワー半導体チップ１がＩＧＢＴチップなどのスイッチングトランジスタや還流ダイオードチップや整流ダイオードチップとなる場合があるが、すべて同様の構成で銅配線４ｃへ接続される。パワー半導体チップ１の電極は、ヒートシンク３をはんだ接合した面と反対側の面にあり、はんだボール２などのマイクロ接続可能な接続バンプを介して第１の樹脂回路基板５へ接続される。このバンプは、パワー半導体チップ１に予め形成されているよりも、第１の樹脂回路基板に形成されている方がよい。それは、製造時において、第１の樹脂回路基板５がフレキシブルな基材の場合に、バンプ重さによりそりを持つ。煩雑な高さ管理が不要であり、この管理工程をなくすことができる。また、パワー半導体チップ１の電極部分にはあらかじめ保護膜６が形成されており、これにより、はんだボールのセルフアライメント効果により、位置合わせの管理が削減できる。
フレキシブルな基材５ａ及び４ｂは、ポリイミドフィルム、もしくは、ポリエステルフィルムを用いるが、特性の面からは前者がよい。また、第１の樹脂回路基板は、ガラス系や紙系にエポキシやフェノールなどの樹脂を組み合わせ、プリプレグと銅箔を積層形成した銅張積層板を使用しても良い。この第１の樹脂回路基板５は、はんだ層を介して第２の樹脂回路基板８へ接続される。
ベアチップ実装エリア３１には、パワー半導体チップ１が、はんだボール２及びはんだ層を介して実装される。パワー半導体チップ１がＩＧＢＴチップと還流ダイオードチップの場合はインバータ回路を、パワー半導体チップ１が整流ダイオードチップの場合は全波整流回路を構成し、併せてベアチップ実装エリアとする。
【０００８】
以上の金属系絶縁基板４の上に形成されたベアチップ実装エリア３１は、第１の樹脂回路基板５により、一括配線される。
さらに、種々の機能をもたせたインテリジェントパワーモジュールでは、第２の樹脂回路基板８を設置する。第２の樹脂回路基板８は、少なくとも一層の銅配線８ｃを有し、基材が、ガラス系や紙系にエポキシやフェノールなどの樹脂を組み合わせ、プリプレグと銅箔を積層形成した銅張積層板を使用することが最も安価な方法である。また、この第２の樹脂回路基板８は、金属系絶縁基板４の上にパワー半導体チップ１を実装した部分は、くりぬかれた構造となる。つまり、ベアチップ実装エリア３１の部分が空間となる。この第２の樹脂回路基板８に、保護回路実装エリア３３、及びドライブ回路実装エリア３４を実装する。この第２の樹脂回路基板８とベアチップ実装エリア３１が形成された金属系絶縁基板４との接続する場合は、第２の樹脂回路基板８のスルーホール１０を介して接続する。具体的には、第２の樹脂回路基板８にあらかじめ形成されたスルーホール１０に対して、対向する金属系絶縁基板４上にピンヘッダ７を実装し、このピンヘッダ７を介して接続する。また、ピンヘッダ７は、バンプとしてもよい。さらに、あらかじめ金属系絶縁基板４と第２の樹脂回路基板８をめっきスルーホールにより接続してもよい。これらの方法では、ピンヘッダ接続かめっきスルーホール接続が有利である。なぜならば、ピンヘッダ接続では、ピンヘッダ分の材料費のみで製作可能となり、めっきスルーホール接続ではあらかじめめっきスルーホールにより第２の樹脂回路基板８と金属系絶縁基板４とを接続したものを準備しておけばよいからである。はんだバンプ接続では、バンプ分の接続スペースが必要なことにより、高さ調整などの製造工程における管理項目が増え、製造工程が複雑化する。
以上述べた回路により、図１０の機能を満足する。また、保護回路実装エリア、ドライブ回路実装エリアは、フレキシブルに変更可能であり、実装位置は特に限定することはない。
【０００９】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態を図４に示す。図４は第２の実施形態を示すパワーモジュールの側断面図である。図において、３６は第１の樹脂回路基板５に相当する回路エリアである。第１の実施形態と異なる点は、金属系絶縁基板４のフレキシブルな基材４ｂと銅配線４ｃとをアルミベース４ａよりも拡張した点である。パワー半導体チップの実装やその他の構成は、第１の実施形態と同様である。
第１の樹脂回路基板５に形成するべき回路配線を、金属系絶縁基板４のフレキシブルな基材４ｂと同一平面上に拡張し、第１の樹脂回路基板５に相当する回路エリア３６を、その拡張部に形成した。拡張部をパワー半導体チップ１の実装面方向に折り曲げてパワー半導体チップ１の電極と接続し、パワーモジュールとしたものである。
【００１０】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態を図５に示す。図５は第３の実施形態を示すパワーモジュールの側断面図である。図において、３７はアプリケーション回路実装エリア、３８はフレームである。
第２の実施形態と同じ構成であり、拡張部をさらに広げたものである。すなわち、アプリケーション回路実装エリア３７を加え、インバータなどのアプリケーションのパワー回路と一体化設計したときのそれらの部品を実装したものである。
本発明のパワーモジュールをインバータなどのアプリケーションに対して用いる場合、金属系絶縁基板４のフレキシブルな基材４ｂを、同一平面上で拡大し、前記拡張部分を、金属系絶縁基板４の上におかれたフレーム３８に沿って折り曲げた構成とし、アプリケーション回路実装エリアとすることである。
これにより、容易にインバータパワー回路部分との一体化が可能となる。
【００１１】
（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態を図６に示す。図６は、本発明の第４の実施形態を示すパワーモジュールの側断面図である。図において、１１は金属スペーサである。
パワー半導体チップ１の実装およびその他の構成は、第１の実施形態と同様である。 異なる点は、第１の樹脂回路基板５が第２の樹脂回路基板８と直接接続せず、銅ブロックの金属スペーサ１１により接続する部分である。
この構成により、第２の樹脂回路基板８の高さの影響を受けることなく、第１の樹脂回路基板５の高さを決めることができる。
【００１２】
（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態を図７に示す。図７は第５の実施形態を示すパワーモジュールの側断面図である。
パワー半導体チップ１の実装、その他の構成は、第１の実施形態と同様である。異なる点は、第１の樹脂回路基板５と第２の樹脂回路基板８の接続の際に、ピンヘッダ７の金属突起を用いて位置決めすることである。第１の樹脂回路基板５にスルーホール１０を設け、このスルーホール１０にピンヘッダ７を通すことにより位置決めする。これは、第４の実施形態に示した第１の樹脂回路基板５と金属スペーサ１１の位置決めにも使用できる。これにより、煩雑な位置決め作業は省略できる。
このように、本発明のパワーモジュールは、アルミベース板上のフレキシブルな基材に回路を形成した金属系絶縁基板上に複数のパワー半導体チップを実装し、前記パワー半導体チップの電極を有する面の配線は、第１の樹脂回路基板により、一括配線が可能であり、さらに、保護回路やドライブ回路は、第２の樹脂回路基板を設置し、それ上に実装する。第２の樹脂回路基板と、パワー半導体チップが実装された金属系絶縁基板の接続は、ピンヘッダ接続及びめっきスルーホール接続により形成したので、パワーモジュールが小型化、薄型化できるとともに、製造工数の削減が可能である。また、第１の樹脂回路基板とパワー半導体チップとの接続においては、ピンヘッダなどの金属突起により、煩雑な位置決め作業を省略できる。
なお、本発明のパワーモジュールは、保護回路、ドライブ回路を有さないパワーモジュールにも適用できる。また、本パワーモジュールに、制動用のパワー半導体チップを追加しても良い。
【００１３】
【発明の効果】
以上、述べたように、本発明によればつぎの効果がある。
（１）基板を、パワー半導体チップのベアチップを実装しベアチップ実装エリアを形成した金属系絶縁基板と、パワー半導体チップの電極を接続した第１の樹脂回路基板と、保護回路を形成した保護回路実装エリア、ドライブ回路を形成したドライブ回路実装エリア、外部接続用部品実装エリアを形成した第２の樹脂回路基板とからなり、パワー半導体チップの電極をはんだボールにより接続し、他の基板相互をピンヘッダもしくは、めっきスルーホールにて接続する構成にしたもので、ワイヤボンディングのループ高さおよびパッドスペースが不要となり、パワーモジュールの薄型化、小型化ができる。さらに、配線インダクタンスを最小にとることができ、パワー半導体チップ周辺の配線を一括配線することにより工数を簡略化できる。
（２）金属系絶縁基板の基材と銅配線の拡張部を設け、この拡張部に第１の樹脂回路基板に相当する回路エリアを形成し、これを折り曲げてパワー半導体チップの電極と接続し、第１の樹脂回路基板と金属系絶縁基板の基材とを一体化したので、部品の削減による製造工数の簡略化が可能となる。
（３）金属系絶縁基板と第１の樹脂回路基板とを金属スペーサにて接続したので、任意の高さで第１の樹脂回路基板を実装でき、より小型で薄型化ができる。
（４）第１の樹脂回路基板と第２の樹脂回路基板、または、金属スペーサの接続の際にピンヘッダなどの金属突起を介して接続したので、製造工程における実装位置の検査項目を削減できる。
（５） 第１の樹脂回路基板は、基材の材質にポリイミド、または、ポリエステルを用いたので、実装高さ管理などの製造工程上のコストも削減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示すパワーモジュールの展開斜視図である。
【図２】図１の側断面図である。
【図３】図２のパワー半導体チップ部の拡大図を示す部分断面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態を示すパワーモジュールの側断面図である。
【図５】 本発明の第３の実施形態を示すパワーモジュールの側断面図である。
【図６】 本発明の第４の実施形態を示すパワーモジュールの側断面図である。
【図７】 本発明の第５の実施形態を示すパワーモジュールの側断面図である。
【図８】従来のパワーモジュールを示す斜視図である。
【図９】図８の側断面図である。
【図１０】パワーモジュールの機能を示すブロック図である。
【図１１】従来の他のパワーモジュールを示す部分断面図である。
【符号の説明】
１ パワー半導体チップ
２ はんだボール
３ ヒートシンク
４ 金属系絶縁基板
４ａ アルミベース
４ｂ 基材
４ｃ 銅配線
５ 第１の樹脂回路基板
５ａ 基材
５ｂ 銅配線
６ 保護膜
７ ピンヘッダ
８ 第２の樹脂回路基板
８ａ 基材
８ｂ 銅配線
９ はんだ層
１０ スルーホール
１１ 金属スペーサ
１２ セラミック基板
１２ａ セラミック
１２ｂ 銅配線
１３ ボンディングワイヤ
１４ 放熱板（主に銅ベース）
１５ ケース
１６ 外部接続用ピンヘッダ
１７ 充填樹脂
３１ ベアチップ実装エリア
３３ 保護回路実装エリア
３４ ドライブ回路実装エリア
３５ 外部接続用部品実装エリア
３６ 回路エリア（第１の樹脂回路基板に相当）
３７ アプリケーション回路実装部
３８ フレーム
５１ マイクロエレクトロニクス構成部材
５２ 第１の支持体
５３ 第１の導体路平面
５４ 半導体チップ
５５ 第２の支持体
５６ 第２の導体路平面
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワーエレクトロニクスの分野、特にモータドライブ用インバータ装置やサーボドライブ装置に使用するパワー半導体チップを内蔵したパワーモジュール及びパワー半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のパワーモジュールにおいては、複数のパワー半導体チップを内蔵し、特にパワー半導体チップがＩＧＢＴチップ及び還流ダイオードチップであるＩＧＢＴモジュールと呼ばれるものや、前記ＩＧＢＴモジュールに整流回路やゲートドライブ回路や保護回路を付加し、インテリジェント化させたインテリジェントパワーモジュールが一般的である。
以下、インテリジェントパワーモジュールについて説明する。
図８は従来のインテリジェントパワーモジュールを示す斜視図、図９はパワー半導体チップ実装部分の拡大断面図、図１０は図８の機能ブロック図である。図において、１はパワー半導体チップ、３はヒートシンク、９ははんだ層、１２はセラミック基板、１２ａはセラミック基材、１２ｂは銅配線、１３はボンディングワイヤ、１４は放熱板（主に銅ベース）、１５はケース、１６は外部接続用ピンヘッダ、１７は充填樹脂である。
３１はベアチップ実装エリアであり、図９に示すように、パワー半導体チップ１がＩＧＢＴと還流ダイオードの場合、これにより３相分のレグを構成し、パワー半導体チップ１が整流ダイオードの場合、これにより全波整流ブリッジを構成する。３３はパワー半導体チップを保護するための保護回路が実装されている保護回路実装エリア、３４はパワー半導体チップを駆動するドライブ回路を実装するドライブ回路実装エリア、３５はインバータなどのアプリケーションに使用する際の接続用部品を実装する接続部品実装エリアである。
これらを以下に示すように構成する。
図９に示すように、パワー半導体チップ１は、はんだ層９を介してヒートシンク３へダイボンディングされる。前記ヒートシンク３はセラミック基板１２上に形成された銅配線層１２ａへはんだ層９などを介して接続され、セラミック基板１２は放熱板１４へはんだ付けされる。
パワー半導体チップ１は、パワー半導体チップがＩＧＢＴチップなどのスイッチングトランジスタや還流ダイオードチップや整流ダイオードチップとなる場合があるが、上述のようにインバータ回路または全波整流回路を構成し、ベアチップ実装エリア３１に実装される。
また、保護回路実装エリア３３、ドライブ回路実装エリア３４、外部接続用ピンヘッダが実装される外部接続用部品実装エリア３５などの付加回路は、セラミック基板１２上、もしくは、樹脂製基板上に実装され、一般のプリント基板と同様に配線され、構成される。このような回路により、図８の機能を満足する。
このような回路が構成されたセラミック基板１２は、ケース１５にて覆われ、その内部の空間には、電気絶縁及び放熱効果を高めるためにエポキシ系及びシリコーン系の樹脂１７が充填され、インテリジェントパワーモジュールとなる。このインテリジェントパワーモジュールは、モータドライブ用インバータ装置やサーボドライブ装置に使用される際は、セラミック基板により絶縁されているため、そのままインバータ装置やサーボドライブ装置の冷却用ヒートシンクにネジ止めされる。
動作としては、図１０に示すように、パワー半導体チップが整流ダイオードチップの場合は、交流を直流に変換し、ＩＧＢＴチップ及び還流ダイオードチップの場合は、外部接続用ピンヘッダより、ゲート信号などが入力され、それによりＩＧＢＴチップがスイッチングし、出力端子に任意の周波数の交流電圧を得ることができる。
上述の構成以外にも、様々な構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特表２００１−５０１３７６号公報（第１−３頁、第１図）
【０００４】
このパワーモジュールは、図１１に示すように、導体路平面を備えた２つの支持体をサンドイッチ構造とし、それら２つの支持体間に多数の半導体チップが配置され、支持体と半導体チップとの接続は、マイクロエレクトロニクス構成部材によって接続している。 第１の導体路平面５３を備えた第１の支持体５２と第２の導体路平面５６を備えた第２の支持体５５との間に、多数の半導体チップ５４を配置する。第１の支持体は、セラミック材料からなり、第２の支持体は、セラミック材料、またはフレキシブルな支持体、例えば、プラスチックシート、とりわけポリイミドシートからなる。第１の支持体と第２の支持体との間に配置された半導体チップは、第１の支持体とは、はんだ接合され、第２の支持体との接合においては固定的接続、例えば、はんだ接合、導電性接着剤、または導電性ボールを用いて接続される。この構成により、安価で、簡単に製造でき、さらに設計自由度が高く、低インダクタンスの構造となる例があげられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の技術において、図９の構成のパワーモジュールでは、ワイヤボンディングを使用して回路の配線を行うため、ワイヤボンディングのループ高さが必要となり、また、ワイヤボンディングするパッドスペースが必要となるため、パワーモジュールの薄型化、小型化ができないという問題点があった。また、ワイヤボンディングによる製造工程では、１度のボンディングでは１本ずつしかボンディングできないため、製造工数が増加するという問題点があった。
また、特許文献１において、第１の支持体と第２の支持体によるサンドイッチ構造では、半導体チップとの接合に、例にあげられた導電性ボールを使用し、特に第１の支持体と第２の支持体は同一面積の支持体を使用するため高さ管理や電極間のブリッジ検査など、製造工程上の管理、検査項目が増えるという問題点があった。
そこで、本発明は小型化でインテリジェント化しても実装面積が小さく、かつアプリケーションとの接続方法の選択の幅が広く、製造工数が少ないパワーモジュールを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明はつぎの構成にしている。
（１）表面に配線層を設けた少なくとも１枚の基板と、その上に設けたヒートシンクと、さらにその上に実装された複数のパワー半導体チップとを有するパワーモジュールにおいて、前記基板は、前記パワー半導体チップのベアチップが実装されベアチップ実装エリアを形成する金属系絶縁基板と、前記金属系絶縁基板と対向する側に前記パワー半導体チップの電極を接続した第１の樹脂回路基板と、保護回路を形成した保護回路実装エリアとドライブ回路を形成したドライブ回路実装エリアおよび外部接続用部品実装エリアを形成した第２の樹脂回路基板とからなり、前記第２の樹脂回路基板を前記金属系絶縁基板上に設け前記第１の樹脂回路基板と前記第２の樹脂回路基板とを接続し、前記第１の樹脂回路基板と前記パワー半導体チップの電極とを、はんだボールにより接続し、前記金属系絶縁基板と前記第２の樹脂回路基板はピンヘッダもしくは、めっきスルーホールにて接続し、前記第１の樹脂回路基板と前記第２の樹脂回路基板とを、はんだ層を介して接続したものである。
本構成によれば、パワーモジュールにおけるワイヤボンディングのループ高さが不要となり、また、ワイヤボンディングするパッドスペースが不要となるため、パワーモジュールの薄型化、小型化ができる。さらに、ワイヤボンディングを使用しないため、配線インダクタンスを最小にとることができる。また、製造工程においては、パワー半導体チップ周辺の配線を一括配線で、製造工数を簡略化できる。また、ベアチップ実装エリアのみ第１の樹脂回路基板で配線するため、電極間のブリッジ検査など、検査項目も比較的容易に行うことができ、実装高さ管理などの製造工程上の管理も削減できる。
（２）前記金属系絶縁基板は、アルミベースの表面に設けた基材と銅配線からなり、前記基材の材質をポリイミド、または、ポリエステルとし、前記基材と前記銅配線を同一平面内で拡張した拡張部を設け、前記第１の樹脂回路基板に相当する回路エリアを前記拡張部に形成し、これを折り曲げて前記パワー半導体チップの電極と接続し、前記第１の樹脂回路基板と、前記金属系絶縁基板の基材とを一体化したものである。
本構成によれば、第１の発明に加えて、部品の削減による製造工数の簡略化が可能となる。
（３）前記金属系絶縁基板と前記第１の樹脂回路基板とを金属スペーサにて接続したものである。
本構成によれば、第１から第３の発明に加えて、任意の高さで第１の樹脂回路基板を実装でき、より小型で薄型化ができる。
（４）前記第１の樹脂回路基板と前記第２の樹脂回路基板、または、前記金属スペーサの接続の際にピンヘッダなどの金属突起を介して接続したものである。
本構成によれば、第１から第４の発明に加えて、製造工程における実装位置の管理項目を削減できる。
（５）前記第１の樹脂回路基板は、基材と銅配線からなり、前記基材の材質にポリイミド、または、ポリエステルを用いたものである。
本構成によれば、実装高さ管理などの製造工程上の管理も削減できる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態を図１から図３に示す。図１はパワーモジュールの分解斜視図、図２は図１の側断面図、図３は図２のパワー半導体チップ部の詳細を示す部分断面図である。図において、１はパワー半導体チップ、２ははんだボール、３はヒートシンク、４は金属系絶縁基板、５は第１の樹脂回路基板で、６は保護膜、７はピンヘッダ、８は第２の樹脂回路基板、９ははんだ層、１０はスルーホールである。
金属系絶縁基板４はアルミベース４ａ、フレキシブルな基材４ｂおよび銅配線４ｃからなり、第１の樹脂回路基板５はフレキシブルな基材５ａと銅配線（５ｂ）からなり、第２の樹脂回路基板８は樹脂基板からなる基材８ａと銅配線８ｂからなる。３１はベアチップ実装エリアであり、図１に示すように、パワー半導体チップ１がＩＧＢＴと還流ダイオードの場合、これにより３相分のレグを構成し、パワー半導体チップ１が整流ダイオードの場合、これにより全波整流ブリッジを構成する。３３はパワー半導体チップを保護するための保護回路が内蔵されている保護回路実装エリア、３４はパワー半導体チップを駆動するドライブ回路を内蔵するドライブ回路実装エリア、３５はインバータなどのアプリケーションに使用する際の接続用部品を実装する接続部品実装エリアである。
これらを以下に示すように構成する。
パワー半導体チップ１は、図３に示すように、電極を有する面と反対面がはんだ層９を介してヒートシンク３へダイボンディングされる。ヒートシンク３は、金属系絶縁基板４の銅配線４ｃへ、はんだ層９を介して接続される。パワー半導体チップ１がＩＧＢＴチップなどのスイッチングトランジスタや還流ダイオードチップや整流ダイオードチップとなる場合があるが、すべて同様の構成で銅配線４ｃへ接続される。パワー半導体チップ１の電極は、ヒートシンク３をはんだ接合した面と反対側の面にあり、はんだボール２などのマイクロ接続可能な接続バンプを介して第１の樹脂回路基板５へ接続される。このバンプは、パワー半導体チップ１に予め形成されているよりも、第１の樹脂回路基板に形成されている方がよい。それは、製造時において、第１の樹脂回路基板５がフレキシブルな基材の場合に、バンプ重さによりそりを持つ。煩雑な高さ管理が不要であり、この管理工程をなくすことができる。また、パワー半導体チップ１の電極部分にはあらかじめ保護膜６が形成されており、これにより、はんだボールのセルフアライメント効果により、位置合わせの管理が削減できる。
フレキシブルな基材５ａ及び４ｂは、ポリイミドフィルム、もしくは、ポリエステルフィルムを用いるが、特性の面からは前者がよい。また、第１の樹脂回路基板は、ガラス系や紙系にエポキシやフェノールなどの樹脂を組み合わせ、プリプレグと銅箔を積層形成した銅張積層板を使用しても良い。この第１の樹脂回路基板５は、はんだ層を介して第２の樹脂回路基板８へ接続される。
ベアチップ実装エリア３１には、パワー半導体チップ１が、はんだボール２及びはんだ層を介して実装される。パワー半導体チップ１がＩＧＢＴチップと還流ダイオードチップの場合はインバータ回路を、パワー半導体チップ１が整流ダイオードチップの場合は全波整流回路を構成し、併せてベアチップ実装エリアとする。
【０００８】
以上の金属系絶縁基板４の上に形成されたベアチップ実装エリア３１は、第１の樹脂回路基板５により、一括配線される。
さらに、種々の機能をもたせたインテリジェントパワーモジュールでは、第２の樹脂回路基板８を設置する。第２の樹脂回路基板８は、少なくとも一層の銅配線８ｃを有し、基材が、ガラス系や紙系にエポキシやフェノールなどの樹脂を組み合わせ、プリプレグと銅箔を積層形成した銅張積層板を使用することが最も安価な方法である。また、この第２の樹脂回路基板８は、金属系絶縁基板４の上にパワー半導体チップ１を実装した部分は、くりぬかれた構造となる。つまり、ベアチップ実装エリア３１の部分が空間となる。この第２の樹脂回路基板８に、保護回路実装エリア３３、及びドライブ回路実装エリア３４を実装する。この第２の樹脂回路基板８とベアチップ実装エリア３１が形成された金属系絶縁基板４との接続する場合は、第２の樹脂回路基板８のスルーホール１０を介して接続する。具体的には、第２の樹脂回路基板８にあらかじめ形成されたスルーホール１０に対して、対向する金属系絶縁基板４上にピンヘッダ７を実装し、このピンヘッダ７を介して接続する。また、ピンヘッダ７は、バンプとしてもよい。さらに、あらかじめ金属系絶縁基板４と第２の樹脂回路基板８をめっきスルーホールにより接続してもよい。これらの方法では、ピンヘッダ接続かめっきスルーホール接続が有利である。なぜならば、ピンヘッダ接続では、ピンヘッダ分の材料費のみで製作可能となり、めっきスルーホール接続ではあらかじめめっきスルーホールにより第２の樹脂回路基板８と金属系絶縁基板４とを接続したものを準備しておけばよいからである。はんだバンプ接続では、バンプ分の接続スペースが必要なことにより、高さ調整などの製造工程における管理項目が増え、製造工程が複雑化する。
以上述べた回路により、図１０の機能を満足する。また、保護回路実装エリア、ドライブ回路実装エリアは、フレキシブルに変更可能であり、実装位置は特に限定することはない。
【０００９】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態を図４に示す。図４は第２の実施形態を示すパワーモジュールの側断面図である。図において、３６は第１の樹脂回路基板５に相当する回路エリアである。第１の実施形態と異なる点は、金属系絶縁基板４のフレキシブルな基材４ｂと銅配線４ｃとをアルミベース４ａよりも拡張した点である。パワー半導体チップの実装やその他の構成は、第１の実施形態と同様である。
第１の樹脂回路基板５に形成するべき回路配線を、金属系絶縁基板４のフレキシブルな基材４ｂと同一平面上に拡張し、第１の樹脂回路基板５に相当する回路エリア３６を、その拡張部に形成した。拡張部をパワー半導体チップ１の実装面方向に折り曲げてパワー半導体チップ１の電極と接続し、パワーモジュールとしたものである。
【００１０】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態を図５に示す。図５は第３の実施形態を示すパワーモジュールの側断面図である。図において、３７はアプリケーション回路実装エリア、３８はフレームである。
第２の実施形態と同じ構成であり、拡張部をさらに広げたものである。すなわち、アプリケーション回路実装エリア３７を加え、インバータなどのアプリケーションのパワー回路と一体化設計したときのそれらの部品を実装したものである。
本発明のパワーモジュールをインバータなどのアプリケーションに対して用いる場合、金属系絶縁基板４のフレキシブルな基材４ｂを、同一平面上で拡大し、前記拡張部分を、金属系絶縁基板４の上におかれたフレーム３８に沿って折り曲げた構成とし、アプリケーション回路実装エリアとすることである。
これにより、容易にインバータパワー回路部分との一体化が可能となる。
【００１１】
（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態を図６に示す。図６は、本発明の第４の実施形態を示すパワーモジュールの側断面図である。図において、１１は金属スペーサである。
パワー半導体チップ１の実装およびその他の構成は、第１の実施形態と同様である。 異なる点は、第１の樹脂回路基板５が第２の樹脂回路基板８と直接接続せず、銅ブロックの金属スペーサ１１により接続する部分である。
この構成により、第２の樹脂回路基板８の高さの影響を受けることなく、第１の樹脂回路基板５の高さを決めることができる。
【００１２】
（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態を図７に示す。図７は第５の実施形態を示すパワーモジュールの側断面図である。
パワー半導体チップ１の実装、その他の構成は、第１の実施形態と同様である。異なる点は、第１の樹脂回路基板５と第２の樹脂回路基板８の接続の際に、ピンヘッダ７の金属突起を用いて位置決めすることである。第１の樹脂回路基板５にスルーホール１０を設け、このスルーホール１０にピンヘッダ７を通すことにより位置決めする。これは、第４の実施形態に示した第１の樹脂回路基板５と金属スペーサ１１の位置決めにも使用できる。これにより、煩雑な位置決め作業は省略できる。
このように、本発明のパワーモジュールは、アルミベース板上のフレキシブルな基材に回路を形成した金属系絶縁基板上に複数のパワー半導体チップを実装し、前記パワー半導体チップの電極を有する面の配線は、第１の樹脂回路基板により、一括配線が可能であり、さらに、保護回路やドライブ回路は、第２の樹脂回路基板を設置し、それ上に実装する。第２の樹脂回路基板と、パワー半導体チップが実装された金属系絶縁基板の接続は、ピンヘッダ接続及びめっきスルーホール接続により形成したので、パワーモジュールが小型化、薄型化できるとともに、製造工数の削減が可能である。また、第１の樹脂回路基板とパワー半導体チップとの接続においては、ピンヘッダなどの金属突起により、煩雑な位置決め作業を省略できる。
なお、本発明のパワーモジュールは、保護回路、ドライブ回路を有さないパワーモジュールにも適用できる。また、本パワーモジュールに、制動用のパワー半導体チップを追加しても良い。
【００１３】
【発明の効果】
以上、述べたように、本発明によればつぎの効果がある。
（１）基板を、パワー半導体チップのベアチップを実装しベアチップ実装エリアを形成した金属系絶縁基板と、パワー半導体チップの電極を接続した第１の樹脂回路基板と、保護回路を形成した保護回路実装エリア、ドライブ回路を形成したドライブ回路実装エリア、外部接続用部品実装エリアを形成した第２の樹脂回路基板とからなり、パワー半導体チップの電極をはんだボールにより接続し、他の基板相互をピンヘッダもしくは、めっきスルーホールにて接続する構成にしたもので、ワイヤボンディングのループ高さおよびパッドスペースが不要となり、パワーモジュールの薄型化、小型化ができる。さらに、配線インダクタンスを最小にとることができ、パワー半導体チップ周辺の配線を一括配線することにより工数を簡略化できる。
（２）金属系絶縁基板の基材と銅配線の拡張部を設け、この拡張部に第１の樹脂回路基板に相当する回路エリアを形成し、これを折り曲げてパワー半導体チップの電極と接続し、第１の樹脂回路基板と金属系絶縁基板の基材とを一体化したので、部品の削減による製造工数の簡略化が可能となる。
（３）金属系絶縁基板と第１の樹脂回路基板とを金属スペーサにて接続したので、任意の高さで第１の樹脂回路基板を実装でき、より小型で薄型化ができる。
（４）第１の樹脂回路基板と第２の樹脂回路基板、または、金属スペーサの接続の際にピンヘッダなどの金属突起を介して接続したので、製造工程における実装位置の検査項目を削減できる。
（５） 第１の樹脂回路基板は、基材の材質にポリイミド、または、ポリエステルを用いたので、実装高さ管理などの製造工程上のコストも削減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示すパワーモジュールの展開斜視図である。
【図２】図１の側断面図である。
【図３】図２のパワー半導体チップ部の拡大図を示す部分断面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態を示すパワーモジュールの側断面図である。
【図５】 本発明の第３の実施形態を示すパワーモジュールの側断面図である。
【図６】 本発明の第４の実施形態を示すパワーモジュールの側断面図である。
【図７】 本発明の第５の実施形態を示すパワーモジュールの側断面図である。
【図８】従来のパワーモジュールを示す斜視図である。
【図９】図８の側断面図である。
【図１０】パワーモジュールの機能を示すブロック図である。
【図１１】従来の他のパワーモジュールを示す部分断面図である。
【符号の説明】
１ パワー半導体チップ
２ はんだボール
３ ヒートシンク
４ 金属系絶縁基板
４ａ アルミベース
４ｂ 基材
４ｃ 銅配線
５ 第１の樹脂回路基板
５ａ 基材
５ｂ 銅配線
６ 保護膜
７ ピンヘッダ
８ 第２の樹脂回路基板
８ａ 基材
８ｂ 銅配線
９ はんだ層
１０ スルーホール
１１ 金属スペーサ
１２ セラミック基板
１２ａ セラミック
１２ｂ 銅配線
１３ ボンディングワイヤ
１４ 放熱板（主に銅ベース）
１５ ケース
１６ 外部接続用ピンヘッダ
１７ 充填樹脂
３１ ベアチップ実装エリア
３３ 保護回路実装エリア
３４ ドライブ回路実装エリア
３５ 外部接続用部品実装エリア
３６ 回路エリア（第１の樹脂回路基板に相当）
３７ アプリケーション回路実装部
３８ フレーム
５１ マイクロエレクトロニクス構成部材
５２ 第１の支持体
５３ 第１の導体路平面
５４ 半導体チップ
５５ 第２の支持体
５６ 第２の導体路平面
Claims (5)
- 表面に配線層を設けた少なくとも１枚の基板と、その上に設けたヒートシンクと、さらにその上に実装された複数のパワー半導体チップとを有するパワーモジュールにおいて、
前記基板は、前記パワー半導体チップのベアチップが実装されベアチップ実装エリアを形成する金属系絶縁基板と、前記金属系絶縁基板と対向する側に前記パワー半導体チップの電極を接続した第１の樹脂回路基板と、保護回路を形成した保護回路実装エリアとドライブ回路を形成したドライブ回路実装エリアおよび外部接続用部品実装エリアを形成した第２の樹脂回路基板とからなり、前記第２の樹脂回路基板を前記金属系絶縁基板上に設け前記第１の樹脂回路基板と前記第２の樹脂回路基板とを接続し、前記第１の樹脂回路基板と前記パワー半導体チップの電極とを、はんだボールにより接続し、前記金属系絶縁基板と前記第２の樹脂回路基板はピンヘッダもしくは、めっきスルーホールにて接続し、前記第１の樹脂回路基板と前記第２の樹脂回路基板とを、はんだ層を介して接続したことを特徴とするパワーモジュール。 - 前記金属系絶縁基板は、アルミベースの表面に設けた基材と銅配線からなり、前記基材の材質をポリイミド、または、ポリエステルとし、前記基材と前記銅配線を同一平面内で拡張した拡張部を設け、前記第１の樹脂回路基板に相当する回路エリアを前記拡張部に形成し、これを折り曲げて前記パワー半導体チップの電極と接続し、前記第１の樹脂回路基板と、前記金属系絶縁基板の基材とを一体化したことを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール。
- 前記金属系絶縁基板と前記第１の樹脂回路基板とを金属スペーサにて接続したことを特徴とする請求項１または２記載のパワーモジュール。
- 前記第１の樹脂回路基板と前記第２の樹脂回路基板、または、前記金属スペーサの接続の際にピンヘッダなどの金属突起を介して接続することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
- 前記第１の樹脂回路基板は、基材と銅配線からなり、前記基材の材質にポリイミド、または、ポリエステルを用いたことを特徴とする請求項１から４記載のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
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