JP5268786B2 - 半導体モジュール - Google Patents

Description

本発明は、半導体モジュールに関し、特に、制御基板との間を線材ピンで接続するための端子を備えた半導体モジュールに関する。

パワー回路基板と制御基板を基板間接続ピンで接続した従来の電力用半導体装置では、例えば特許文献１に記載されているように、基板間接続ピンは、パワー回路基板上に半田付けされた端子と、その端子に挿入される円柱または角柱の直線状の線材ピンとにより構成されている。

このような基板間接続ピンを用いることにより、パワー回路基板から直接、制御基板に配線できるため、インサートケースが不要となり、材料コストの低減や半導体モジュールの小型化が可能となる。

また、パワー半導体素子表面に端子を直接搭載するため、パワー回路基板上のエミッタ、コレクタ、ゲートの接続は、パワー回路基板上での金属細線による配線ではなく制御基板上で行なうこととなり、パワー回路基板上での煩雑な配線引き回しが低減できる。

特許第３６９１４０２号公報

しかしながら、電力用の半導体装置は動作時に高温になるため、セラミックからなるパワー回路基板上に金属からなる端子を半田付けした場合、パワー回路基板と端子との熱膨張係数の違いにより半田層にクラックが生じるという問題があり、発明者らはこの原因について研究を重ねた。

ここで、パワー回路基板上への端子の半田付けは、パワー回路基板上に予め半田ペーストを印刷し、その上に端子を載置した後に加熱して半田ペーストを溶融させるリフロー半田法により行なわれる。このようなリフロー半田法では、半田ペーストが溶融すると、端子の自重により端子下部の半田が押し出されパワー回路基板と端子との間の半田層が薄くなる。このため、パワー回路基板と端子との熱膨張の差により生じる熱応力を十分に吸収できず、半田層にクラックが発生することがわかった。

そこで、本発明は、特にリフロー半田法を用いて端子を半田付けした場合でも、半田層の膜厚を一定以上確保し、熱応力を吸収してクラックの発生を防止できる電力用の半導体モジュールの提供を目的とする。

本発明は、表面に導電性パターンを有する回路基板と、回路基板の上に設けられた半導体素子と、回路基板の上および／または半導体素子の上に半田層で固定された端子と、側面と上面とを有し回路基板を覆うように載置されたケースとを含み、制御基板と接続するための線材ピンが、ケースの上面に設けられた孔を通って端子に接続され、制御基板からの信号で制御される半導体モジュールであって、端子は、線材ピンを挿入する筒状部と、筒状部の半田層側の端部が外方に張り出した拡張部とを含み、端子は、回路基板または半導体素子と拡張部とが接した状態で半田層により固定されたことを特徴とする半導体モジュールである。

以上のように、本発明にかかる半導体モジュールでは、リフロー半田法により端子を回路基板や半導体素子に半田付けする場合でも、通常のリフロー半田法に比べて半田層の膜厚のばらつきを小さくでき、また所定の膜厚を確保できる。例えば、半田層の膜厚を通常のリフロー半田法より厚くすることもできる。更に、半田層の横方向の拡がりも大きくなり、接合強度も向上する。

この結果、半導体モジュールの動作時に、発生した熱応力を半田層で緩和することができ、半田層のクラックを防止し信頼性の高い半導体モジュールを提供することができる。

本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる端子の拡大断面図である。 銅パターンの上に端子を半田層で固定する工程の拡大断面図である。 本発明の実施の形態２にかかる端子の拡大断面図である。 銅パターンの上に端子を半田層で固定する工程の拡大断面図である。 本発明の実施の形態２にかかる他の端子の拡大断面図である。 本発明の実施の形態３にかかる端子の拡大断面図である。 本発明の実施の形態４にかかる端子の斜視図である。 本発明の実施の形態４にかかる端子の拡大断面図である。 本発明の実施の形態５にかかる端子の拡大断面図である。 本発明の実施の形態５で使用する治具の斜視図である。 本発明の実施の形態５にかかる他の端子の拡大断面図である。 本発明の実施の形態５にかかる他の端子の拡大断面図である。

以下に、図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、以下の説明では、「上」、「下」、「左」、「右」およびこれらの用語を含む名称を適宜使用するが、これらの方向は図面を参照した発明の理解を容易にするために用いるものであり、実施形態を上下反転、あるいは任意の方向に回転した形態も、当然に本願発明の技術的範囲に含まれる。

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にかかる電力用の半導体装置の断面図であり、特に、半導体モジュール５０と制御基板４の構成を示している。なお、図１では、パワー回路基板１６に搭載されるパワー半導体素子１３以外の部品や、制御基板４に搭載されるパワー半導体素子１３を制御するための制御用ＩＣ等の部品は簡略化のために図示していない。

図１に示すように、半導体装置１００は、半導体モジュール５０と制御基板４を含む。半導体モジュール５０は、パワー回路基板１６とケース７から構成されている。パワー回路基板１６の上には、銅パターン１５が形成されており、その上部には、パワー半導体素子１３や端子１１が半田１４を介して搭載されている。端子１１は、パワー半導体素子１３の表面上にも半田付けされている。パワー半導体素子１３は、ＩＧＢＴ、パワーＦＥＴ等からなる。

ケース７は、絶縁性を有するように、例えばプラスチックから形成される。ケース側面６とパワー回路基板１６によって囲まれた空間には、絶縁のために、例えばシリコンゲール１２が充填されている。ケース７と制御基板４は、例えばネジによって固定されている。

線材ピン１、２、３は、金属細線１０のボンディング後に、パワー回路基板１６上の銅パターン１５やパワー半導体素子１３上に半田付けされた端子１１に挿入され、ケース上面５に設けられた孔９を通り、更に、制御基板４のスルーホール８に通されて半田付けされる。このとき、パワー回路基板１６上のエミッタ、コレクタ、ゲートから制御基板４へ接続された線材ピン１、２、３は、制御基板４上で電気的に接続される。

図２ａは、本実施の形態１にかかる半導体モジュール５０に使用される、銅パターン１５の上に半田層２０で固定された端子１１の拡大断面図である。端子１１は円筒形状であり、例えばニッケルメッキされた銅などの金属からなる。内部には、例えば円柱形状の線材ピンが挿入される。

図２ｂは、銅パターン１５の上に端子１１を半田層２０で固定する工程の断面図である。図２ｂに示すように、ペンチのようなクランプ機構のある治具２５で端子１１を挟み、銅パターン１５と端子１１との間隔を所定の距離に維持しながら、両者をリフロー半田法により半田付けする。この結果、半田が溶融しても端子１１の受従により半田層が薄くならず、半田層２０の膜厚を所定の膜厚にすることができる。

半田層２０の膜厚は、治具２５を用いずに通常のリフロー半田法で半田付けした場合より膜厚のばらつきを小さくできるとともに、所定の膜厚にすることが可能である。膜厚は、例えば５０μｍ以上、３００μｍ以下の範囲内となり、通常のリフロー半田法より厚くすることもできる。なお、半田ペーストを最終的な半田層２０の膜厚に形成し、その上に端子１１を載置した状態で治具２５を用いて固定することが好ましい。

このように半田層２０の膜厚を従来より厚くすることにより、銅パターン１５の下のパワー回路基板（図示せず）と、端子１１との間に、熱膨張係数の違いによる熱応力が発生した場合でも、半田層２０が熱応力を吸収しクラックや割れの発生を防止できる。

次に、半田層２０が熱応力を吸収しクラックの発生を防止するメカニズムについて、説明する。端子とパワー回路基板やパワー半導体素子のような異なる材料を接合すると、両者の間で熱膨張係数が異なるため、電力用半導体装置の動作により温度が上昇すると熱応力が発生する。

例えばパワー回路基板の表面に固着された銅パターンは、通常の銅よりも線膨張係数の低い材料の挙動を示す。即ち、端子１１の材料として金属材料を用いても、温度変化による伸びの差が生じ、その差を半田層２０が吸収することになる。またパワー半導体素子表面に固着された端子においては、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＮなどの半導体材料と端子１１の間の熱膨張係数の差により発生する熱応力を半田層２０が吸収することになる。

このように、端子１１を固着している半田層２０には、電力用半導体装置の使用時の温度変化により熱応力が加わり金属疲労が生じるため、寿命設計が必要となる。このような金属疲労環境において寿命を長くするには歪み量の低減が行われる。その手段としては、このような異材間の接合の場合、半田層２０の厚みを、例えば５０μｍ以上にすることが重要である。一方、半田層２０の膜厚は厚いほど歪みが低減されるが、例えば１ｍｍなどとなると半田層２０の高抵抗化が問題となるため、例えば３００μｍ以下にするのが好ましい。

このように半田層２０の厚みを所定の範囲とすることにより、半田層２０が熱応力を吸収し、半田層２０の内部や端子１１と半田層２０の界面、あるいはパワー半導体素子の電極と半田層２０の界面におけるクラックの発生を防止できる。

また、半田層２０の膜厚が厚くなると、半田層２０の横方向の拡がりも大きくなり、半田層２０と同パターン１５との接合面積が大きくなる。このため、熱応力以外の外力が端子に加わった場合でも、外力に対する耐力を大きくすることができる。

このように、本実施の形態１にかかる半導体モジュール５０では、リフロー半田法により端子１１を銅パターン１５に半田付けする場合でも、通常のリフロー半田法の場合より半田層２０の膜厚のばらつきを小さくできるとともに、所定の膜厚に制御することができ、半導体モジュール５０の動作時の半田層２０のクラックを防止できる。また、半田層５０の横方向の拡がりも大きくなり、接合強度が向上する。

実施の形態２．
図３ａは、本実施の形態２にかかる半導体モジュールに使用される、銅パターン１５の上に半田層２０で固定された端子１１の拡大断面図である。端子１１は底面を備えた円筒状の金属からなり、内部に線材ピンが挿入される。底面には、所定の高さの突起部２２が設けられている。

かかる端子２１では、突起部２２の高さにより、端子２１と銅パターン１５との間の半導体層２０の膜厚が制御できる。突起部２２の高さは、例えば５０μｍから３００μｍの範囲にある。

図３ｂは、銅パターン１５の上に端子２１を半田層２０で固定する工程の断面図である。銅パターン１５の上に半田ペーストを塗布し、その上に端子２１の突起部２２が接するように端子２１を治具２５で垂直に保持する。次に、加熱して半田ペーストを溶融させると、突起部２２が銅パターン１５の表面に接するようになる。かかる状態で温度を下げて、溶融した半田ペーストを凝固させて半田層２０を形成する。

この結果、図３ｂに示すように、突起部２２で規定された所定の膜厚の半田層２０を形成することができる。半田層２０の膜厚が、従来のリフロー半田法を用いた場合よりも大きくなるため、半田層２０の横方向の拡がりも大きくなり、接続強度を大きくすることができる。

治具２５には、例えば端子２１が挿入される穴を開けた、ある程度の厚みのある金属板を用いることができる。かかる治具は、比較的安価に入手できるとともに、治具２５を用いることにより、端子２５を垂直に形成することができる。
なお、端子２１は、半田付けされる側が閉口された円筒形状であるため、半田付け終了後に冶具２５を上方向に持ち上げて外すことができる。

また、図３ａ、３ｂには記載していないが、銅パターン１５の表面に突起物２２の一部が挿入される孔部を設けることにより、端子２１の接続位置の位置決めが容易となる。

図４は、本実施の形態２にかかる半導体モジュールに用いられる、他の端子２１の拡大断面図である。かかる端子２１では、複数の突起部２２を有する以外は、図３ａの示す端子２１と同じ構造である。突起部２２は、端子２１を自立させるように配置されることが好ましい。端子２１は、半田ペースト上に突起部２２で自立した状態で載置された後、半田ペーストが溶融される。

図４に示すような端子２１を用いることにより、半田層２０の膜厚を突起部２２の長さで規定される膜厚に制御でき、横方向の拡がりも大きくなるとともに、半田付け時に端子２１を突起部２２で自立させることができ、治具が不要となる。

実施の形態３．
図５は、本実施の形態３にかかる半導体モジュールに使用される、銅パターン１５の上に半田層２０で固定された端子３１の拡大断面図である。端子３１は、円筒形状の金属からなり、その途中から下方に向かって直径が大きくなった拡張部３２を備え、内部に線材ピンが挿入される。

銅パターン１５の上に半田ペーストを塗布し、その上に端子３１の拡張部３２が接するように端子３１を載置する。端子３１は、拡張部３２により半田ペーストの上に自立する。半田ペーストを溶融させた後、凝固させることで、図５のような半田層２０が形成される。

半田層２０は、端子３１の内側と外側に形成されるとともに、半田層２０が拡張部３２に沿って這い上がるように形成され、拡張部３２の高さがほぼ半田層２０の膜厚となる。また、半田の供給量がバラツキにより多くなっても、濡れ広がり長さが変動することで端子が浮き上がるのを防止できる。

このように、図５に示すような端子３１を用いることにより、拡張部３２で規定された膜厚の半田層２０を形成することができ、熱応力によるクラックの発生を防止できる。また、拡張部３２に沿って半田層２０が横方向に拡がり、接続強度を大きくすることができる。

実施の形態４．
図６ａは、本実施の形態４にかかる端子４１の斜視図であり、図６ｂは、銅パターン１５上に半田層２０で端子４１を固定した場合の拡大断面図である。

端子４１では、円筒形の端子４１にスリットが形成されるとともに、端子の下部がスリットに沿って外方に湾曲した湾曲部４２が形成されている。図６ａでは４つのスリットと、４つの湾曲部４２が形成されている。

円筒状の金属板の裾を広げる加工を行う場合、通常、加工部分の肉厚は薄くなる。そして肉厚が薄くなるほど形状の安定度が損なわれることが課題となる。
本実施の形態４にかかる端子４１では、スリットにより裾を複数の領域に分割しているため、裾の不必要な薄肉化を避けることができ形状の安定度が増す。また直立性という観点からも、銅パターン１５と接する部分を水平方向に広げられ、垂直度の精度が容易に確保できる。

図６ｂに示すように、端子４１が半田層２０で銅パターン１５の上に固定された場合、湾曲部４２の内部と外部に半田層２０が形成される。半田層２０は、湾曲部４２を這い上がるように形成される。このため、湾曲部４２の形状を調整することにより、半田層２０の膜厚を制御することができる。

このように、図６ａ、６ｂに示すような端子４１を用いることにより、湾曲部４２で規定された膜厚の半田層２０を形成することができ、熱応力によるクラックの発生を防止できる。また、湾曲部４２に沿って半田層２０が横方向に拡がり、接続強度を大きくすることができる。

実施の形態５．
図７ａは、本実施の形態３にかかる半導体モジュールに使用される、銅パターン１５の上に半田層２０で固定された端子５１の拡大断面図である。端子５１は、円筒形状の金属からなり、周囲に複数の突起部５５を有している。突起部５５は、一定の高さの端子５１の周囲に、等間隔で例えば３〜６個設けられることが好ましい。

図７ｂに示すような治具６０のスリット部を、端子５１の突起部５５の下に差し込み、持ち上げることで、端子５１と銅パターン１５の距離を所定の距離に維持できる。実施の形態１と同様に、銅パターン１５と端子１１との間隔を所定の距離に維持しながら、両者をリフロー半田法により半田付けすることで、半田層２０の膜厚は治具６０を用いずに通常のリフロー半田法で半田付けした場合より厚くなり、例えば５０μｍ以上、３００μｍ以下の範囲内にできる。

このように、端子５１が突起部５５を備えることにより、半田層２０の膜厚を所定の膜厚に制御することができ、半導体モジュール５０の動作時の半田層２０のクラックを防止できる。また、半田層５０の横方向の拡がりも大きくなる、接合強度が向上する。

図８は、本実施の形態８にかかる他の端子５２の断面図であり、円筒形状の端子５２の上端部が周囲に張り出した突起部５６となっている。かかる突起部５６は、ヘッダー加工によって容易に加工できる。図８では端子５２の上端部に突起部５６を設けたが、端子５２の中央部等に設けても構わない。

端子５２がこのような突起部５６を有することにより、図７ｂに示す治具６０のスリット部を突起部５６の下に差し込み、持ち上げて、所定の膜厚の半田層２０を形成することができる。

図９は、本実施の形態８にかかる他の端子５３の断面図であり、円筒形状の端子５３の上端部が周囲に張り出した突起部５７となっている。端子５３がこのような突起部５７を有することにより、図７ｂに示す治具６０のスリット部を、突起部５７の下に差し込み、持ち上げて、所定の膜厚の半田層２０を形成することができる。

また、端子５３の上端部が周囲に張り出しているため、端子５３中に線材ピンを挿入する工程が容易となる。

実施の形態１〜５では、例えば図２ａに示すように、パワー回路基板上の銅パターン１５に、端子１１を接続する場合について説明した。かかる端子１１には、図１の線材ピン（コレクタピン、ゲートピン）２、３が挿入される。しかしながら、端子１１は、パワー半導体素子の上の電極上に設けることもできる。かかる端子１１には、図１の線材ピン（エミッタピン）１が挿入される。

１、２、３ 線材ピン、４ 制御基板、５ ケース上面、６ ケース側面、７ ケース、９ 孔、１０ 金属細線、１１ 端子、１２ シリコンゲール、１３ パワー半導体素子、１４ 半田、１５ 銅パターン、１６ パワー回路基板、１７ 銅裏箔、２０ 半田層、２５ 治具、５０ パワーモジュール、１００ 半導体装置。

Claims (3)

1. 表面に導電性パターンを有する回路基板と、
   該回路基板の上に設けられた半導体素子と、
   該回路基板の上および／または該半導体素子の上に半田層で固定された端子と、
   側面と上面とを有し該回路基板を覆うように載置されたケースとを含み、
   制御基板と接続するための線材ピンが、該ケースの上面に設けられた孔を通って該端子に接続され、該制御基板からの信号で制御される半導体モジュールであって、
   該端子は、該線材ピンを挿入する筒状部と、該筒状部の該半田層側の端部が外方に張り出した拡張部とを含み、
   該端子は、該回路基板または該半導体素子と該拡張部とが接した状態で該半田層により固定されたことを特徴とする半導体モジュール。
2. 表面に導電性パターンを有する回路基板と、
   該回路基板の上に設けられた半導体素子と、
   該回路基板の上および／または該半導体素子の上に半田層で固定された端子と、
   側面と上面とを有し該回路基板を覆うように載置されたケースとを含み、
   制御基板と接続するための線材ピンが、該ケースの上面に設けられた孔を通って該端子に接続され、該制御基板からの信号で制御される半導体モジュールであって、
   該端子は、該線材ピンを挿入する筒状部と、該筒状部の該半田層側の端部がスリットに沿って外方に折り返された湾曲部とを含み、
   該端子は、該回路基板または該半導体素子と該湾曲部とが接した状態で該半田層により固定されたことを特徴とする半導体モジュール。
3. 上記半田層は、上記端子の内側と外側で、該端子に沿って這い上がるように形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体モジュール。

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