JP4253183B2

JP4253183B2 - 電力用半導体モジュール

Info

Publication number: JP4253183B2
Application number: JP2002379805A
Authority: JP
Inventors: 英樹舌間
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-12-27
Filing date: 2002-12-27
Publication date: 2009-04-08
Anticipated expiration: 2022-12-27
Also published as: JP2004214294A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インバータやサーボなどのモータ制御に用いられる半導体モジュール（パワーモジュール）の絶縁構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、電力用半導体モジュールにおいては、パワートランジスタ等の複数の電力用半導体素子を備えた電力用半導体装置が、金属ベース板と樹脂ケースとからなるケーシング内に収容され、ゲル状絶縁物で封止されている（特許文献１〜４参照）。ここで、樹脂ケースは、通常、底部が開口する略筒状体とされ、この開口部が金属ベース板で閉止された構造とされている。
【０００３】
そして、かかる電力用半導体モジュールにおいては、電力用半導体装置は、樹脂ケースに取り付けられた電極端子に接続され、この電極端子を介して外部機器と電気的に接続されるようになっている。ここで、電極端子は、例えば、樹脂ケースの底部の上面に取り付けられる。この場合、電極端子は、樹脂ケースの底部の厚さ分だけ、金属ベース板より高い位置に配置され、電力用半導体装置とともにゲル状絶縁物によって封止されることになる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−８７５６７号公報（[0016]〜［0018］、図２）
【特許文献２】
特開平９−２３２５１０号公報（第３頁、図１）
【特許文献３】
実開平６−６２５５０号公報（[0008]〜［0009］、図４）
【特許文献４】
特開平１１−２６６９１号公報（[0012]〜［0013］、図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この種の電力用半導体モジュールの製造プロセスにおいては、電力用半導体装置、電極端子等をケーシング内に配置し、該ケーシング内にゲル状絶縁物を注ぐようにしているが、その際ゲル状絶縁物内に気泡が発生ないし混入することがある。そして、この気泡が電極端子近傍に滞留した状態でゲル状絶縁物が固化すると、電極端子と金属ベース板との間に、空隙、すなわち封止樹脂が存在しない部分が発生し、電極端子と金属ベース板との間の絶縁沿面距離が短くなり、絶縁不良を起こすおそれがある。なお、ここで、「絶縁沿面距離」は、樹脂ケースの底部の開口部付近において電極端子と金属ベース板とが樹脂ケースの底部を挟むように配置されている場合において、電極端子と金属ベース板との間のゲル状絶縁物が存在する部分の距離（厚さ）を意味する（図１（ｂ）中のｄ_２参照）。
【０００６】
本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたものであって、電力用半導体装置、電極端子等をケーシング内に収容してゲル状絶縁物を注入する際に、電極端子近傍に気泡が発生ないし混入した場合でも、電極端子と金属ベース板との間の絶縁沿面距離が短くなって絶縁不良が起こるのを防止することができる半導体モジュールを提供することを解決すべき課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた本発明にかかる電力用半導体モジュールは、（ｉ）電力用半導体チップ（電力用半導体素子）と、（ii）表側主面に、電力用半導体チップの裏面が半田付けされる回路パターンを備えた絶縁基板と、（iii）表側主面に、絶縁基板の裏側主面が半田付けされる金属ベース板と、（iv）電力用半導体チップ及び絶縁基板を囲繞するとともに、その底部開口端が金属ベース板の表側主面の周縁部に固着されたケースと、（ｖ）ケースにインサートされ、その一端が底部開口端の内側面に露出する板状の電極端子と、（vi）電力用半導体チップ、絶縁基板及び電極端子を覆う（封止する）ゲル状樹脂とを備えていて、ゲル状樹脂は、電極端子の前記一端の近傍で金属ベース板と接触するようにケース内に充填され、（vii）底部開口端の内側面の、電極端子の前記一端が位置する部位と底部開口端が金属ベース板と当接する部位との間に、ゲル状樹脂によって覆われた状態でモジュール内側に向かって部分的に突出し、ケース内へのゲル状樹脂の充填時にゲル状樹脂中の気泡が金属ベース板に向かう方向に移動するのを阻止する絶縁性の突起部が配設されていることを特徴とするものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を具体的に説明する。
実施の形態．１
図１（ａ）に示すように、電力用半導体モジュール１（以下、略して「半導体モジュール１」という。）には、複数の電力用半導体チップ２（以下、略して「半導体チップ２」という。）と絶縁基板３とを備えた電力用半導体装置が設けられている。ここで、絶縁基板３の表側主面（上側主面）には、各半導体チップ２の裏面が半田付けされる回路パターン（図示せず）が形成されている。
【０００９】
そして、絶縁基板３の裏側主面（下側主面）は、半田４を用いて金属ベース板５（放熱板）の表側主面（上側主面）に接合されている（半田付けされている）。金属ベース板５の材料としては、例えば銅などが用いられる。さらに、金属ベース板５の表側主面の周縁部には、半導体チップ２及び絶縁基板３を囲繞する樹脂ケース６の底部開口端６ａが固着されている。樹脂ケース６の材料としては、例えばエポキシ樹脂などが用いられる。この底部開口端６ａは、樹脂ケース６の側壁の底部からモジュール内側に向かって突出している。
【００１０】
この樹脂ケース６の底部開口端６ａの上面には、折れ曲がった板状の電極端子７がインサートされている。すなわち、電極端子７は、底部開口端６ａの上面の切り欠かれた部分にはめ込まれている。電極端子７の材料としては、例えば銅などが用いられる。この電極端子７は、導電性材料からなるワイヤ８を介して、電力用半導体素子（絶縁基板３の配線パターン）と電気的に接続されている。ここで、電極端子７の内側端部７ａ（端面）は、底部開口端６ａの縦壁状（金属ベース板５の表側主面と垂直）の内側面６ｂと、横方向（左右方向）にみて同一面上に位置している（露出している）。
【００１１】
そして、底部開口端６ａの内側面６ｂには、電極端子７の内側端部７ａと、金属ベース板５の表側主面との間に、モジュール内側に向かって部分的に突出する２つの絶縁性の突起部１０が配設されている。ここで、突起部１０は、樹脂ケース６と一体形成されている。しかしながら、突起部１０を絶縁材料で別部材として形成し、底部開口端６ａの内側面６ｂに取り付けてもよい（インサートしてもよい）。この２つの突起部１０の一方は、底部開口端６ａの内側面６ｂの上端部近傍に位置し、他方は内側面６ｂの中間位置（高さ）よりやや低い部位に位置している。なお、下側の突起部１０は省略してもよい。
【００１２】
この半導体モジュール１においては、金属ベース板５と樹脂ケース６とからなる箱状ないし容器状のケーシング内にゲル状樹脂９が充填され、電力用半導体装置（半導体チップ２、絶縁基板３）、電極端子７及びワイヤ８は、このゲル状樹脂９によって覆われている（封止されている）。
【００１３】
ところで、この半導体モジュール１を製造する際には、半導体チップ２及び絶縁基板３を伴った電力用半導体装置、電極端子７、ワイヤ８等を、金属ベース板５と樹脂ケース６とからなるケーシング内に配置し、該ケーシング内にゲル状樹脂９を注ぐようにしているが、その際、電極端子７の内側端部７ａ近傍に気泡１１が発生しあるいは混入して滞留することがある。しかし、この気泡１１の下方への広がりないし移動は、上側の突起部１０によって阻止される。
【００１４】
したがって、電極端子７の内側端部７ａ近傍に気泡１１が滞留した状態でゲル状樹脂９が固化した場合でも、底部開口端６ａの内側面６ｂの大部分はゲル状樹脂９によって覆われ、電極端子７の内側端部７ａと、金属ベース板５の表側主面との間の絶縁沿面距離ｄ_１は短くならず、底部開口端６ａの内側面６ｂの高さとほぼ同一となる。このため、電極端子７の絶縁不良が生じない。
【００１５】
なお、図１（ｂ）に示すように、底部開口端６ａの内側面６ｂに突起部を設けない場合は、電極端子７の内側端部７ａ近傍に発生ないし混入した気泡１１は、底部開口端６ａの内側面６ｂに沿って下向きに広がり、あるいは移動するので、電極端子７の内側端部７ａと金属ベース板５の表側主面との間の絶縁沿面距離ｄ_２は短くなり、電極端子７の絶縁不良が生じるおそれがある。
【００１６】
実施の形態２．
以下、図２を参照しつつ、本発明の実施の形態２を説明する。ただし、実施の形態２にかかる半導体モジュールは、実施の形態１にかかる半導体モジュールと多くの共通点を有するので、説明の重複を避けるため、以下では主として実施の形態１と異なる点を説明する。なお、図２に示す半導体モジュールの構成要素中、図１（ａ）に示す半導体モジュールの構成要素と共通なものには、図１（ａ）と同一の参照番号を付している。
【００１７】
図２に示すように、実施の形態２にかかる半導体モジュール１では、実施の形態１にかかる半導体モジュール１とは異なり、底部開口端６ａの内側面６ｂには突起部が配設されていない。そして、横方向（左右方向）において電極端子７の内側端部７ａと対応する位置の近傍において、金属ベース板５の表側主面に、下方にへこむ溝部１２（凹部）が形成されている。つまり、電極端子７の内側端部７ａの下方では、金属ベース板５の上面（溝部１２の上面）が、底部開口端６ａの下端面より下側に位置している。その他の点については、実施の形態１と同様である。
【００１８】
実施の形態２にかかる半導体モジュール１においては、上下方向において、電極端子７の内側端部７ａと金属ベース板５の上面（溝部１２の上面）との間の距離が、実施の形態１にかかる半導体モジュールないしは従来の半導体モジュールに比べて、溝部１２の深さ分だけ長くなる。このため、電極端子７の内側端部７ａ近傍に発生ないし混入した気泡１１が、突起部を備えていない底部開口端６ａの内側面６ｂに沿って下向きに広がり、あるいは移動しても、電極端子７の内側端部７ａと金属ベース板５の上面（溝部１２の上面）との間の絶縁沿面距離ｄ_３は十分に確保される。このため、電極端子７の絶縁不良が生じない。
【００１９】
また、実施の形態１にかかる半導体モジュール１では、ゲル状樹脂９を注入する際に、樹脂ケース６の底部開口端６ａの内側面６ｂに設けられた突起部１０のすきま、ないし上側の突起部１０の下側に気泡が発生ないし混入して滞留する可能性がある。しかし、実施の形態２では、底部開口端６ａの内側面６ｂに突起部が設けられないので、このような気泡の滞留を防止することができる。さらに、実施の形態２にかかる半導体モジュールでは、底部開口端６ａの内側面６ｂに突起部を形成する必要がないので、実施の形態１に比べて、樹脂ケース６の成形が容易である（成形性が良い）。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、電極端子の一端近傍に気泡が滞留した状態でゲル状絶縁物が固化した場合でも、底部開口端の内側面の大部分はゲル状絶縁部によって覆われ、電極端子の一端と金属ベース板の表側主面との間の絶縁沿面距離は短くならず、底部開口端の内側面の高さとほぼ同一となる。このため、電極端子の絶縁不良が生じない。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の実施の形態１にかかる半導体モジュールの立面断面図であり、（ｂ）は突起部を備えていない半導体モジュールの要部の立面断面図である。
【図２】本発明の実施の形態２にかかる半導体モジュールの立面断面図である。
【符号の説明】
１半導体モジュール、２半導体チップ、３絶縁基板、４半田、５金属ベース板、６樹脂ケース、６ａ底部開口端、６ｂ内側面、７電極端子、７ａ内側端部、８ワイヤ、９ゲル状樹脂、１０突起部、１１気泡、１２溝部。

Claims

電力用半導体チップと、
表側主面に、前記電力用半導体チップの裏面が半田付けされる回路パターンを備えた絶縁基板と、
表側主面に、前記絶縁基板の裏側主面が半田付けされる金属ベース板と、
前記電力用半導体チップ及び前記絶縁基板を囲繞するとともに、その底部開口端が前記金属ベース板の表側主面の周縁部に固着されたケースと、
前記ケースにインサートされ、その一端が前記底部開口端の内側面に露出する板状の電極端子と、
前記電力用半導体チップ、前記絶縁基板及び前記電極端子を覆うゲル状樹脂とを備えていて、
前記ゲル状樹脂は、前記電極端子の前記一端の近傍で前記金属ベース板と接触するように前記ケース内に充填され、
前記底部開口端の内側面の、前記電極端子の前記一端が位置する部位と前記底部開口端が前記金属ベース板と当接する部位との間に、前記ゲル状樹脂によって覆われた状態でモジュール内側に向かって部分的に突出し、前記ケース内への前記ゲル状樹脂の充填時に前記ゲル状樹脂中の気泡が前記金属ベース板に向かう方向に移動するのを阻止する絶縁性の突起部が配設されていることを特徴とする電力用半導体モジュール。