JP4527292B2 - Semiconductor power module - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体パワーモジュールに関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体パワーモジュールは、電力制御用の半導体素子であるパワー素子を含む主回路と、該主回路の動作を制御する半導体素子である制御素子を含む制御回路とを、一つの装置に組み込んだものである。主としてモータ等を制御するインバータ装置等に応用されている。
【0003】
図5は、従来の半導体パワーモジュールの断面を示す模式図である。図において、1は金属ベース絶縁基板、2は金属ベース絶縁基板における後述の主回路配線パターン113上にハンダ付けにより接合されたIGBT、フライホイールダイオード等のパワー素子、3は金属ベース絶縁基板における後述の制御回路パターン116上にハンダ付けにより接合された主回路を駆動する制御素子、5は制御回路パターン116上にハンダ付けにより接合された制御回路端子であり、夫々パワー素子2や制御素子3とアルミワイヤ6により接続されている。
【0004】
また7はパワー素子2および制御素子3を囲撓するように金属ベース絶縁基板1上に配設され、かつ接着された外枠であり、金属ベース絶縁基板1と外枠7とにより、金属ベース絶縁基板1を底板とするケース8を形成している。9はパワー素子2および制御素子3を覆うようにケース8内に充填されたエポキシ樹脂であり、金属ベース絶縁基板1からエポキシ樹脂9により従来の半導体パワーモジュール100を構成している。
【0005】
次に図6により、半導体パワーモジュール100における金属ベース絶縁基板1の構成を説明する。図において、111は熱伝導性に優れたアルミ材からなる金属ベース部板、112は金属ベース板111の上に配設された絶縁板、113は絶縁板112の上に貼り付けられた銅箔をエッチングして形成された主回路配線パターンであり、金属ベース板111、絶縁板112および主回路配線パターン113により、前述の主回路基板114を構成し、主回路配線パターン113は図5に示したように、パワー素子2や主回路端子4がハンダ付けにて接合される。
【0006】
また115はガラス繊維を骨材としたエポキシ樹脂製の絶縁板(ガラスエポキシ基材)、116、117は、夫々絶縁板115の両主面に貼り付けられた、銅箔をエッチングして得られた制御回路配線パターンおよび制御回路接地用パターンである。なお、絶縁板115の所定の個所には貫通孔115aを形成してその内面に銅メッキを施し、その銅メッキ層により、制御回路配線パターン116と制御回路接地パターン117と電気的に導通し、制御回路接地用パターン117が制御回路(図示せず)の共通接地用パターンとして機能している。
【0007】
なお、絶縁板115、制御回路配線パターン116および制御回路接地用パターン117により、制御回路基板118を構成し、この制御回路基板118は絶縁板112の主回路配線パターン113が配設されていない一定の領域112aに接着シート119を介して接合されている。そして、制御回路配線パターン116には図5に示したごとく、制御素子3や制御回路端子5がハンダ付けにより接合される。
【0008】
図7は、図6に示した従来の半導体パワーモジュール100における金属ベース絶縁板1の組立方法を説明する断面の模式図である。以下、図7により、金属ベース絶縁基板1の製造プロセスを説明する。
【0009】
図7において、金属ベース板111の主面上に絶縁板112を、絶縁板112の主面上に銅箔を配置した状態において一体に熱圧着し、その後、上記銅箔をウェットエッチングにより、主回路配線パターン113を形成し、金属ベース板111、絶縁板112および主回路配線パターン113からなる主回路114が完成する。
【0010】
別途、絶縁板115の所定の位置に、その両主面に銅箔を形成すると共にNCドリルで孔明けし、貫通孔115aの内面に上記銅メッキ層を形成する。次に銅箔をウェットエッチングにより、一方の主面に制御回路パターン116aと、他方の主面に制御回路接地用パターン117とを、貫通孔115a内面の前記銅メッキ層により電気的に導通させ、これにより、制御回路接地用パターン117を制御回路(図示せず)の共通接地用パターンとして制御回路基板118が完成する。
【0011】
その後、主回路基板114における絶縁板112の所定の領域112aに制御回路基板118を接着シート119を介して接合することにより、図6に示すごとく、金属ベース絶縁基板1が完成し、図5に示した半導体パワーモジュール100の底板として供される。
【0012】
以上のごとく、従来の半導体パワーモジュール100における金属ベース絶縁基板1は、金属板111、絶縁板112および主回路配線パターン113により構成された主回路基板114、および主回路基板114に接着シート119を用いて接着された制御回路基板118により構成されている。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
従来の半導体パワーモジュールは、主回路基板114の上に制御回路基板118を積み重ねた積層構造の金属ベース絶縁基板1を用いているので、金属ベース絶縁基板1の製造に際し、主回路基板114および制御回路基板118が別々の工程で製造され、その後、積層プレスにて一体化する工程が必要であり、工数が多いためコスト高となり、また、上記、各工程で熱ストレスが加わり、結果として金属ベース絶縁基板1の絶縁特性を劣化させる要因となる等の課題があった。
【0014】
また比較的高価な主回路基板114が、放熱を必要としない制御回路基板118の直下にも設けられているので、無駄なコストを要するという課題もあった。
【0015】
また自己発生ノイズ対策上、制御回路基板118には制御回路接地用パターン117を設ける必要があったため、制御回路基板118の製作に別工程が必要であり、そのためコストがかかっていた。
【0016】
また主回路端子や制御回路端子の取り付けにハンダを用いているため、取り付けの工程に治具等が必要であり、そしてエポキシ樹脂9注型、キュア工程等が必要なために工程自体も複雑であり、しかもこれ以降の工程で影響を受け易く、端子位置が移動し製品の端子位置づれが発生したり、また端子下の回路基板にストレスがかかり、製品信頼性上の課題もあった。
【0017】
またハンダ付けによる熱ストレスの影響で金属ベース絶縁基板の絶縁信頼性が劣化するという課題もあった。
【0018】
この発明は、上記の問題点を解消するために行われたものであり、製造工数が少なくかつ安価でしかも高信頼性が得られる半導体パワーモジュールを提供することを目的とする。
【0019】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わる半導体パワーモジュールは、パワー素子を搭載して回路構成している主回路部と、このパワー素子を制御する制御素子を搭載して回路構成している制御回路部とを樹脂製のケースで囲繞した半導体パワーモジュールにおいて、
前記主回路部の外部接続用主回路端子を前記ケースにインサートすると共に、前記外部接続用主回路端子の一端側を金属ベース板上に載置された絶縁板上に接着して主回路パターンを形成し、該主回路パターン上にパワー素子を搭載したことを特徴とする。
【0020】
本発明において、前記制御回路部の外部接続用制御端子を前記ケースにインサートすると共に、前記外部接続用制御端子の一部で制御回路パターンを形成し、該制御回路パターン上に前記制御素子を搭載したことが好ましい。
【0021】
本発明において、前記絶縁板は、熱圧着により硬化する絶縁シートであることが好ましい。
【0022】
第4の発明に係わる半導体パワーモジュールは、パワー素子を搭載して回路構成している主回路部と、このパワー素子を制御する制御素子を搭載して回路構成している制御回路部とを樹脂製のケースで囲繞した半導体パワーモジュールにおいて、
前記制御回路部の外部接続用制御端子を前記ケースにインサートし、該外部接続用制御端子の一部で制御素子が搭載される制御回路パターンを形成すると共に、該制御回路パターンの前記制御素子が搭載される領域の周縁部に突起を配設したことを特徴とする。
【0023】
【発明の実施の形態】
実施の形態1
図1は、この発明の実施の形態1として半導体パワーモジュールの断面を示す模式図である。
【0024】
図において、1は金属ベース絶縁基板、2は金属ベース絶縁基板1における主回路パターン18にハンダ付けにより接合されたIGBT、フライホイールダイオード等のパワー素子、3は後述の底部7aに設けた制御回路パターン19上にハンダ付けにより接合され、パワー素子2を制御する制御素子である。
【0025】
そして、4は、後述する耐熱性に優れたPPS(ポリ・フェニレン・サルファイト)製の樹脂からなる外枠7にインサート成形された主回路端子、5も前記主回路端子と同様に、前記外枠7にインサート成形された制御回路端子である。またこの制御回路端子5は、制御回路パターン19を兼ねている。主回路端子4、制御回路端子5、夫々は金属ベース絶縁基板1の主回路パターン18やパワー素子2などからの接続として安価で電気伝導性に優れたアルミワイヤ6により接続されている。
【0026】
外枠7は、パワー素子2および制御素子3を囲繞するように金属ベース絶縁基板1上に配設され、かつ金属ベース絶縁基板1と接着されており、前述のごとく、主回路端子4および制御回路端子5はこの外枠7にインサート成形されている。また、この外枠7の一方側には内側方向に突出するようにして底部7aが一体形成されており、その先端部が金属ベース絶縁基板1の一端に当接している。この底部7aと金属ベース絶縁基板1とが底板を形成しており、そしてこの底板と外枠7とにより、インサートケース8を形成している。9はパワー素子2および制御素子3を覆うようにインサートケース8内に充填されたエポキシ樹脂であり、金属ベース絶縁基板1からエポキシ樹脂9の各構成要素により、本実施の形態1としての半導体パワーモジュール10を構成している。
【0027】
実施の形態2
図2は、もう一つの実施の形態2として半導体パワーモジュールの断面を示す模式図である。
【0028】
図において、111は熱伝導に優れたアルミ材からなる金属ベース板、112aは金属ベース板111の上に配設された絶縁板で両部材が金属ベース絶縁基板1をなす。2は主回路パターン18にハンダ付けにより接合されたIGBT、フライホイールダイオード等のパワー素子、3は制御回路パターン19上にハンダ付けにより接合され、パワー素子2を制御する制御素子である。
【0029】
また絶縁板112aは、金属ベース板111と主回路パターン18とを接着するための電気絶縁性、耐熱性および高熱伝導性を兼ね備えた高熱伝導充填剤入りのエポキシ樹脂製の接着剤であり、半硬化(Bステージ品)の絶縁シートとして供給され、熱圧着により硬化し、絶縁板を形成する。
【0030】
そして、4は、耐熱性に優れたPPS(ポリ・フェニレン・サルファイト)製の樹脂からなる外枠7にインサート成形された主回路端子、5も前記主回路端子と同様に、前記外枠7にインサート成形された制御回路端子である。この制御回路端子5は、制御回路パターン19を兼ねている。また、主回路端子4も主回路パターンを兼ねている。主回路端子4、制御回路端子5、夫々は金属ベース絶縁基板1の主回路パターン18やパワー素子2などからの接続として安価で電気伝導性に優れたアルミワイヤ6により接続されている。
【0031】
外枠7は、パワー素子2および制御素子3を囲繞するように金属ベース絶縁基板1上に配設され、かつ金属ベース絶縁基板1と接着されており、前述のごとく、主回路端子4および制御回路端子5はこの外枠7にインサート成形されている。また、この外枠7の一方側には内側方向(図2では左方向)に突出するようにして底部7aが一体形成されており、その先端部が金属ベース絶縁基板1の一端に当接している。この底部7aと金属ベース絶縁基板1とが底板を形成しており、そしてこの底板と外枠7とにより、インサートケース8を形成している。9はパワー素子2および制御素子3を覆うようにインサートケース8内に充填されたエポキシ樹脂であり、金属ベース絶縁基板1からエポキシ樹脂9の各構成要素により、本実施の形態2としての半導体パワーモジュール10aを構成している。
【0032】
実施の形態3
図3は、この発明の実施の形態3として半導体パワーモジュールの断面を示す模式図である。
【0033】
図において、1は金属ベース絶縁基板、2は主回路パターン18にハンダ付けにより接合されたIGBT、フライホイールダイオード等のパワー素子、3は後述の制御回路基板20の制御回路パターン19上にハンダ付けにより接合され、パワー素子2を制御する制御素子である。
【0034】
そして、4は、耐熱性に優れたPPS(ポリ・フェニレン・サルファイト)製の樹脂からなる外枠7にインサート成形された主回路端子、5も前記主回路端子と同様に、後記の外枠7にインサート成形された制御回路端子である。またこの制御回路端子5は、制御回路パターン19を兼ねている。主回路端子4、制御回路端子5、夫々は金属ベース絶縁基板1の主回路パターン18やパワー素子2などからの接続として安価で電気伝導性に優れたアルミワイヤ6により接続されている。
【0035】
制御回路基板20は、ガラスエポキシ機材を介した両面銅箔パターンで構成された基板であり、制御回路端子5を後記の外枠7にインサート成形する時に同時に回路パターン化された状態の基板をインサートさせ、一体化する。
【0036】
外枠7は、パワー素子2および制御素子3を囲繞するように金属ベース絶縁基板1上に配設され、かつ金属ベース絶縁基板1と接着されており、前述のごとく、主回路端子4、制御回路端子5および制御回路基板20はこの外枠7にインサート成形されている。また、この外枠7の一方側には内側方向に突出するようにして底部7aが一体形成されており、その先端部が金属ベース絶縁基板1の一端に当接している。この底部7aと金属ベース絶縁基板1とが底板を形成しており、そしてこの底板と外枠7とにより、インサートケース8を形成している。9はパワー素子2および制御素子3を覆うようにインサートケース8内に充填されたエポキシ樹脂であり、金属ベース絶縁基板1からエポキシ樹脂9の各構成要素により、本実施の形態3としての半導体パワーモジュール10bを構成している。
【0037】
図1、図2および図3で示したインサートケースを採用することによって、図5で示したように、主回路端子および制御回路端子を、従来金属ベース絶縁基板にハンダ付けしていた工程に替えてアルミワイヤでの結線としたので、熱ストレスをかける工程を排除でき、そのため熱劣化を防止でき、高信頼性のものが得られる。
【0038】
またインサートケース成形にて、主回路端子および制御回路端子を構成することによって、各端子の位置も決定するため、半導体パワーモジュールの各工程での変形もなくせる。
【0039】
また制御回路部の底面がPPS樹脂で形成され、またその厚さも厚くすることが可能であるので、ノイズの影響を受け難い構造が得られる。
【0040】
また制御回路は全てインサートケース上にて構成することが出来たため、比較的高価であった、金属ベース絶縁基板は放熱性が要求される部分の主回路のみにすることができ、基板サイズが小型化でき、そのコスト低減ができる。
【0041】
実施の形態4
図4は、この発明の実施の形態4として、図1、図2、図3で採用したインサートケースの断面を示す模式図である。
【0042】
図において、インサートケース8を構成するPPSにより、制御回路パターン19を係止させるための突起8a、8bを設ける。これらの突起により、制御素子3の搭載時に位置決めが可能となる。
【0043】
【発明の効果】
この発明は、以上のように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。
【0044】
本発明によれば、主回路パターンをケースにインサートした外部接続用主回路端子の一部で構成し、金属ベース板上に載置された絶縁板上に接着したので、前記主回路部の総体的な小型化が出来るだけでなく、構造が簡単で、生産性に優れており、結果的に、小型で、生産性に優れ、安価な半導体パワーモジュールを提供できる効果がある。
【0045】
また、制御回路パターンをケースにインサートした外部接続用端子の一部で構成したので、従来の制御回路用絶縁基板が不要で、生産性に優れ、安価な半導体パワーモジュールを提供出来る効果がある。
【0046】
また、前記絶縁板は、熱圧着により硬化する絶縁シートであるので、生産性に優れ、安価な半導体パワーモジュールを提供出来る効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態1としての半導体パワーモジュールの断面を示す模式図である。
【図2】 この発明の実施の形態2としての半導体パワーモジュールの断面を示す模式図である。
【図3】 この発明の実施の形態3としての半導体パワーモジュールの断面を示す模式図である。
【図4】 この発明の実施の形態4としての半導体パワーモジュールの断面を示す模式図である。
【図5】 従来の半導体パワーモジュールの断面を示す模式図である。
【図6】 図5に示した従来の半導体パワーモジュールにおける金属ベース絶縁基板の断面を示す模式図である。
【図7】 図6に示した従来の金属ベース絶縁板の組立方法を説明する断面の模式図である。
【符号の説明】
1 金属ベース絶縁基板、2 パワー素子、3 制御素子、7 外枠、8 インサートケース、8a 突起、8b 突起、7a 底部、10 半導体パワーモジュール(実施例1)、10a 半導体パワーモジュール(実施例2)、10b 半導体パワーモジュール(実施例3)、11金属ベース板、12 絶縁板、18 主回路配線パターン、19 制御回路配線パターン、20 制御回路基板[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor power module.
[0002]
[Prior art]
A semiconductor power module incorporates a main circuit including a power element, which is a semiconductor element for power control, and a control circuit including a control element, which is a semiconductor element that controls the operation of the main circuit, in one device. is there. It is mainly applied to inverter devices that control motors and the like.
[0003]
FIG. 5 is a schematic view showing a cross section of a conventional semiconductor power module. In the figure,
[0004]
[0005]
Next, the configuration of the metal
[0006]
115 is an epoxy resin insulating plate (glass epoxy base material) made of glass fiber as an aggregate, and 116 and 117 are obtained by etching copper foils attached to both main surfaces of the
[0007]
The
[0008]
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view illustrating a method of assembling the metal
[0009]
In FIG. 7, the
[0010]
Separately, copper foil is formed on both main surfaces of the
[0011]
Thereafter, the
[0012]
As described above, the metal
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
Since the conventional semiconductor power module uses the metal
[0014]
In addition, since the relatively expensive
[0015]
Further, since it is necessary to provide the control
[0016]
Also, since solder is used to attach the main circuit terminals and control circuit terminals, jigs are required for the attachment process, and the process itself is complicated due to the need for
[0017]
Another problem is that the insulation reliability of the metal base insulating substrate deteriorates due to the influence of thermal stress due to soldering.
[0018]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor power module with a small number of manufacturing steps, low cost, and high reliability.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
The semiconductor power module according to the present invention is made of a resin-made main circuit section having a circuit configuration with a power element mounted thereon and a control circuit section having a circuit configuration mounted with a control element for controlling the power element. In a semiconductor power module surrounded by a case,
The main circuit terminal for external connection of the main circuit portion is inserted into the case, and one end side of the main circuit terminal for external connection is bonded to an insulating plate placed on a metal base plate to form a main circuit pattern. And a power element is mounted on the main circuit pattern .
[0020]
In the present invention, an external connection control terminal of the control circuit section is inserted into the case, a control circuit pattern is formed by a part of the external connection control terminal, and the control element is mounted on the control circuit pattern. It is preferred that
[0021]
In the present invention, the insulating plate is preferably an insulating sheet that is cured by thermocompression bonding.
[0022]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a semiconductor power module comprising: a main circuit portion having a circuit configuration with a power element mounted thereon; In the semiconductor power module surrounded by the case made of
Inserting the control terminal for external connection of the control circuit section into the case, forming a control circuit pattern in which the control element is mounted by a part of the control terminal for external connection, and the control element of the control circuit pattern Protrusions are arranged at the peripheral edge of the area to be mounted.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic diagram showing a cross section of a semiconductor power module as
[0024]
In the figure, 1 is a metal base insulating substrate, 2 is a power element such as an IGBT or flywheel diode joined to the
[0025]
4 is a main circuit terminal insert-molded in an
[0026]
The
[0027]
FIG. 2 is a schematic diagram showing a cross section of a semiconductor power module as another second embodiment.
[0028]
In the figure, 111 is a metal base plate made of an aluminum material excellent in heat conduction, 112a is an insulating plate disposed on the
[0029]
The insulating
[0030]
4 is a main circuit terminal insert-molded in an
[0031]
The
[0032]
FIG. 3 is a schematic diagram showing a cross section of a semiconductor power module as
[0033]
In the figure, 1 is a metal base insulating substrate, 2 is a power element such as an IGBT or flywheel diode joined to the
[0034]
4 is a main circuit terminal insert-molded in an
[0035]
The
[0036]
The
[0037]
By adopting the insert case shown in FIG. 1, FIG. 2 and FIG. 3, as shown in FIG. 5, the main circuit terminal and the control circuit terminal are replaced with the conventional soldering process on the metal base insulating substrate. Since the connection is made with aluminum wires, the process of applying heat stress can be eliminated, so that thermal deterioration can be prevented and high reliability can be obtained.
[0038]
Further, by forming the main circuit terminal and the control circuit terminal by molding the insert case, the position of each terminal is also determined, so that there is no deformation in each process of the semiconductor power module.
[0039]
In addition, since the bottom surface of the control circuit portion is made of PPS resin and the thickness thereof can be increased, a structure that is hardly affected by noise can be obtained.
[0040]
In addition, since all the control circuits could be configured on the insert case, it was relatively expensive. The metal-based insulating board can be made only to the main circuit where heat dissipation is required, and the board size is small. The cost can be reduced.
[0041]
Embodiment 4
FIG. 4 is a schematic diagram showing a cross section of the insert case employed in FIGS. 1, 2, and 3 as Embodiment 4 of the present invention.
[0042]
In the figure, protrusions 8 a and 8 b for locking the
[0043]
【The invention's effect】
Since this invention is comprised as mentioned above, there exists an effect as shown below.
[0044]
According to the present invention, the main circuit pattern is constituted by a part of the main circuit terminals for external connection inserted in the case, and is bonded onto the insulating plate placed on the metal base plate. In addition to being able to reduce the overall size, the structure is simple and the productivity is excellent. As a result, there is an effect that it is possible to provide a semiconductor power module that is small, excellent in productivity, and inexpensive.
[0045]
Further, since the control circuit pattern is constituted by a part of the external connection terminals inserted into the case, the conventional control circuit insulating substrate is unnecessary, and there is an effect that it is possible to provide an inexpensive semiconductor power module that is excellent in productivity.
[0046]
Moreover, since the said insulating board is an insulating sheet hardened | cured by thermocompression bonding, it is excellent in productivity and has an effect which can provide an inexpensive semiconductor power module.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a cross section of a semiconductor power module as
FIG. 2 is a schematic diagram showing a cross section of a semiconductor power module as a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic diagram showing a cross section of a semiconductor power module according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic diagram showing a cross section of a semiconductor power module as Embodiment 4 of the present invention.
FIG. 5 is a schematic view showing a cross section of a conventional semiconductor power module.
6 is a schematic view showing a cross section of a metal base insulating substrate in the conventional semiconductor power module shown in FIG.
7 is a schematic cross-sectional view illustrating a method of assembling the conventional metal base insulating plate shown in FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記主回路部の外部接続用主回路端子を前記ケースにインサートすると共に、前記外部接続用主回路端子の一端側を金属ベース板上に載置された絶縁板上に接着して主回路パターンを形成し、該主回路パターン上にパワー素子を搭載したことを特徴とする半導体パワーモジュール。A main circuit which is a circuit configuration equipped with a power element, and a control circuit unit equipped with a control element is the circuit configuration for controlling the power element in the semiconductor power modules surrounded by a resin case ,
The main circuit terminal for external connection of the main circuit portion is inserted into the case, and one end side of the main circuit terminal for external connection is bonded to an insulating plate placed on a metal base plate to form a main circuit pattern. A semiconductor power module formed and mounted with a power element on the main circuit pattern .
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