JP4870204B2

JP4870204B2 - パワー半導体モジュール

Info

Publication number: JP4870204B2
Application number: JP2009286738A
Authority: JP
Inventors: 和博森下; 勲梅嵜
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-12-17
Filing date: 2009-12-17
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2025-06-10
Also published as: JP2010093287A

Description

本発明はパワー半導体モジュールに関し、特に、モータ等の電気器機の電力変換装置等に用いられるパワー半導体モジュールに関する。

従来のパワー半導体モジュールでは、絶縁基板の上に設けられた配線層に半導体素子や内部電極が半田層で接合され、更に、半導体素子等がモールド樹脂で封止されていた。

特開昭６０−２２０９３９号公報

電力用のパワー半導体モジュールでは、半導体素子から発熱があり、パワー半導体モジュールの内部に温度サイクルが発生し、電流が流れる部分に大きな熱ストレスが加わる。このため、材質の異なる部品が接合されている部分では、線膨張係数の違いから両者の間に熱応力が発生し、接合部分に亀裂が生じるという問題があった。
特に、パワー半導体モジュールでは、内部電極等の接合には半田が用いられ、半田接合部の割れが、製品寿命を決める一つの要素となっていた。

そこで、本発明は、温度サイクルが加わった場合の、半田接合部で発生した割れの広がりを防止したパワー半導体モジュールの提供を目的とする。また、半田接合部での割れの発生を防止したパワー半導体モジュールの提供を目的とする。

本発明は、絶縁板と絶縁板の主表面に設けられた配線層とを含む絶縁基板と、配線層上に固定された半導体素子と、絶縁板の主表面に略平行な接合面を有し、接合面が配線層上に半田層で接続された内部電極とを含み、内部電極が、半田層で覆われた接合面に、略平行に配置された複数のストライプ状の上部突起部を有し、かつ配線層が、半田層で覆われた領域に、略平行に配置された複数のストライプ状の下部突起部を有することを特徴とするパワー半導体モジュールに関する。

以上のように、本発明にかかるパワー半導体モジュールでは、温度サイクルが加わった場合に、半田接合部での割れを防止でき、また割れが発生してもその広がりを防止できるため、パワー半導体モジュールの製品寿命を長くし、信頼性を向上させることができる。

本発明の実施の形態１にかかるパワー半導体モジュールの断面図である。発明の実施の形態１にかかるパワー半導体モジュールの部分断面図である。従来のパワー半導体モジュールの部分断面図である。発明の実施の形態１にかかる他のパワー半導体モジュールの部分断面図である。発明の実施の形態２にかかるパワー半導体モジュールの一部の斜視図である。発明の実施の形態２にかかる他のパワー半導体モジュールの一部の斜視図である。発明の実施の形態３にかかるパワー半導体モジュールの部分断面図である。発明の実施の形態４にかかるパワー半導体モジュールの部分断面図である。発明の実施の形態４にかかる他のパワー半導体モジュールの部分断面図である。

実施の形態１．
図１は、全体が１００で表される、本発明の実施の形態１にかかるパワー半導体モジュールの断面図である。また、図２は、図１に符合Ａで示す部分を拡大した断面図である。

パワー半導体モジュール１００は、例えば銅からなるベース板１を含む。ベース板１の上には、両面に金属配線層１２、１４が設けられた絶縁体１３からなる絶縁基板２が接続されている。絶縁体１３は、例えばアルミナからなり、金属配線層１２、１４は例えば銅からなる。

絶縁基板２の上には、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）やフリーホイールダイオードなどの半導体素子３が半田層１０で接続されている。また、絶縁基板２の上には、同じく半田層１０により内部電極９が接続されている。半田層１０には、例えば、錫と鉛の合金が用いられる。半導体素子３同士の間や、半導体素子３と絶縁基板２に設けられた金属配線層１２との間は、例えばアルミニウムからなるワイヤ４で接続されている。

ベース板１はケース６で囲まれ、上部は蓋７で覆われている。ケース６の中にはシリコンゲル５が入れられ、半導体素子３等が封止されている。

パワー半導体モジュール１００では、内部電極９の周りの金属配線層１２に突起部２１が設けられている。より厳密に言えば、内部電極９の接合面と半田層１０を挟んで対向する金属配線層１２の領域を囲むように突起部２１が形成されている。図２の断面では２箇所に見えられる突起部２１は、実際には、内部電極９の周囲を囲むように連続して設けられている。

図３は、従来のパワー半導体モジュールの、図１のＡに相当する部分の断面図を示す。例えばアルミナからなる絶縁体１３と、例えば銅からなる内部電極９との線膨張係数の違いから、半導体素子３の発熱で温度サイクルが加わった場合、図３に示すように、絶縁基板２の金属配線層１２と半田層１０との境界近傍や、内部電極９と半田層１０との境界近傍に割れ２０が発生する。発生した割れ２０は、金属配線層１２と半田層１０との界面や、内部電極９と半田層１０との界面に沿って、半田層１０の内部に向かって進行する。

本実施の形態１にかかるパワー半導体モジュール１００では、金属配線層１２に突起部２１が設けられているため、絶縁基板２の金属配線層１２と半田層１０との境界近傍で発生し、内部に向かって進行する割れ２０は、突起部２１に到達した時点で、それ以上進行しなくなる。

このように、パワー半導体モジュール１００では、温度サイクルが加わった場合に、半田層１０に割れ２０が発生してもその広がりを防止できるため、パワー半導体モジュール１００の製品寿命を長くし、信頼性を向上させることができる。

また、内部電極９と絶縁基板２との半田層１０による接合面積を小さくでき、パワー半導体モジュールの小型化に寄与することもできる。

図４は、本実施の形態１にかかる他のパワー半導体モジュールの、Ａに相当する部分の断面図である。図４では、突起部２２が、内部電極９の絶縁基板２に対向する部分の周囲を囲むように設けられている。

このような突起部２２を設けることにより、内部電極９と半田層１０との境界近傍に発生して内部に向かって進行する割れ２０は、突起部２２に到達した時点で、それ以上進行しなくなる。

なお、パワー半導体モジュールは、突起部２１と突起部２２のいずれか一方だけでも良いが、双方を備えても構わない。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２にかかるパワー半導体モジュールに用いる内部電極９の、絶縁基板２に半田層１０で接続される部分の斜視図である。
本実施の形態２にかかる内部電極９は、板状部１９と縒り線部２３とからなる。絶縁基板２と半田層１０により接合される縒り線部２３は、例えば複数の銅の細線を縒り合わせた構造からなる。銅の細線には、ニッケルメッキ等が施されている。縒り線部２３は、例えば銅からなる板状部１９にろう付けされている。

本実施の形態２にかかる内部電極９では、絶縁基板２と半田層１０による接合される部分が、板状部１９に比較して変形しやすい縒り線部２３からなる。このため、温度サイクルが加わった場合に、縒り線部２３が容易に変形して、半田層１０に割れ２０が発生するのを防止できる。

図６は、本発明の実施の形態２にかかる他のパワー半導体モジュールに用いる内部電極９の、絶縁基板２に半田層１０で接続される部分の斜視図である。
かかる内部電極９は、板状部２９と編み線部２４とからなる。絶縁基板２と半田層１０により接合される編み線部２４は、例えば複数の銅の細線をメッシュ状に編んだ構造からなる。銅の細線には、ニッケルメッキ等が施されている。編み線部２４は、例えば銅からなる板状部２９にろう付けされている。

図６に示された内部電極９では、絶縁基板２と半田層１０により接合される部分が、板状部２９に比較して変形しやすい編み線部２４からなる。このため、温度サイクルが加わった場合に、編み線部２４が容易に変形して、半田層１０に割れ２０が発生するのを防止できる。

実施の形態３．
図７は、本発明の実施の形態３にかかるパワー半導体モジュールの、図１のＡに相当する部分の断面図である。Ａ以外の部分の構造は、図１と同じである（以下の実施の形態においても同じ）。

本実施の形態３にかかるパワー半導体モジュールでは、内部電極９が、Ｕ字型に曲がったベント部１８を有する。ベント部１８の断面形状は、絶縁基板２の表面に垂直な方向に延びた２つの直線部の間を円弧部でつないだ構造となっている。

このようなベント部１８を設けることにより、内部電極９が横方向（絶縁基板２の表面に平行な方向）に弾性を有するようになる。このため、温度サイクルが加わった場合に、ベント部１８が容易に変形して、半田層１０に割れ２０が発生するのを防止できる。特に、横方向の変形により発生する割れ２０の防止に効果的である。

実施の形態４．
図８は、本発明の実施の形態４にかかるパワー半導体モジュールの、図１のＡに相当する部分の断面図である。

本実施の形態４にかかるパワー半導体モジュールでは、内部電極９と金属配線層１２との、半田層１０を挟んで対向する領域にそれぞれ凸部２５、２６が設けられている。凸部２５と凸部２６は、図８の紙面に垂直な方向に延びた、断面が略矩形のストライプ形状からなる。凸部２５と凸部２６の位置は、図８の紙面に平行な方向に交互に配置されている。

かかる凸部２５、２６を設けることにより、半田層１０に金属配線層１２に沿った割れが発生した場合でも、半田層１０の内部に向かって割れが進行する距離（図８では、金属配線層１２の表面に沿った横方向の距離）が長くなるため、破断に至るまでの時間が長くなる。この結果、パワー半導体モジュールの製品寿命を長くすることができる。

図９は、本実施の形態４にかかる他のパワー半導体モジュールの、図１のＡに相当する部分の断面図である。図９では、内部電極９と金属配線層１２のそれぞれに設けられた凸部２７、２８の断面が、略三角となっている。他は図８の構造と同様である。

上述のように、かかる凸部２７、２８を設けることにより、半田層１０に金属配線層１２に沿った割れが発生した場合でも、半田層１０の内部に向かって割れが進行する距離が長くなり、破断に至るまでの時間が長くなる。この結果、パワー半導体モジュールの製品寿命を長くすることができる。

１ベース板、２絶縁基板、３半導体素子、４ワイヤ、５シリコンゲル、６ケース、７蓋、９内部電極、１０半田層、１２、１４金属配線層、１３絶縁体、１００パワー半導体モジュール。

Claims

絶縁板と該絶縁板の主表面に設けられた配線層とを含む絶縁基板と、
該配線層上に固定された半導体素子と、
該絶縁板の主表面に略平行な接合面を有し、該接合面が該配線層上に半田層で接続された内部電極とを含み、
該内部電極が、該半田層で覆われた該接合面に、略平行に配置された複数のストライプ状の上部突起部を有し、かつ該配線層が、該半田層で覆われた領域に、略平行に配置された複数のストライプ状の下部突起部を有することを特徴とするパワー半導体モジュール。
隣接する２つの上記上部突起部の間に、上記下部突起部が配置されたことを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
上記上部突起部および上記下部突起部の断面形状が、ともに略矩形であることを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
上記上部突起部および上記下部突起部の断面形状が、ともに略三角形であることを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体モジュール。