JP5291872B2 - 絶縁中間層を備えたパワー半導体モジュールの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ハウジングと、このハウジング内に配置されていて好ましくは冷却体上に直接的に取り付ける電気絶縁式の少なくとも１つの基板とを有するパワー半導体モジュールの製造方法にして、その基板は絶縁材料ボディを有し、この絶縁材料ボディは、この絶縁材料ボディ上に設けられていて互いに絶縁されている金属性の複数の接続パス（接続トラック）と、これらの接続パス上に設けられていて回路に適してこれらの接続パスと接続されている複数のパワー半導体素子（パワー半導体構成品）とを備え、更に外部負荷端子及び外部補助端子用の端子要素（ターミナル要素）と、パワー半導体モジュールの内部の接続部用の接続要素をも有するパワー半導体モジュールの製造方法について説明される

本発明の出発点であるパワー半導体モジュールは例えば特許文献１から知られている。この特許文献１は上記の種類のパワー半導体モジュールを開示し、この際、パワー半導体素子はロウ付け接続部を用いて基板の接続パス上に配置されている。

従来技術として挙げられた特許文献１に従い、この種のパワー半導体モジュールの基板は電気絶縁式の基板として形成されていて、これらの基板は、支持マテリアルとしての及びベースプレート又は冷却体に対する電気絶縁のための絶縁材料ボディから成る。この絶縁材料ボディは、従来技術により、産業セラミック、例えば酸化アルミニウム又は窒化アルミニウムから成る。この絶縁材料ボディにおいてパワー半導体モジュールの内部側のその第１主面上には、互いに電気絶縁されている金属性の複数の接続パスが設けられている。またこれらの接続パス上には複数のパワー半導体素子が配置されている。

多くの場合、絶縁材料ボディはパワー半導体モジュールの内部とは反対側のその第２主面上に、同様に、第１主面上の接続パスのものと同じ素材及び同じ厚さの金属性の層を有する。しかし通常においてこの層は、それ自体は構造化（パターン化）されてなく、その理由はこの層が例えばベースプレートに対するロウ付け接続部として又は冷却体に対する熱伝導接続部として用いられるためである。接続パス並びに第２主面の金属性の層は好ましくはＤＣＢ（ダイレクト・カッパー・ボンディング）法により塗布された銅から成り、この際、この銅は１ｍｍよりも小さい典型的な厚さを有する。

パワー半導体素子と接続パスとの間の前述の接続要素は、多くの場合、ボンディング接続部、ここでは特にワイヤボンディング接続部である。上記の特許文献１は、パワー半導体素子同士の及び／又は接続パスとの回路に適した接続部の選択的な解決策としてフレキシブル導体プレート（フレキシブル回路板）を開示し、この導体プレートは、パワー半導体素子及び／又は接続パスと、ロウ付け接続部を用いて材料接合式（接続すべき構成要素をそれらの材料を介して互いに接合させること）で接続され、又は、押付コンタクト技術により材料結束式（接続すべき構成要素を外力により互いに結束させること）で接続されている。そこで開示された導体プレートは、この際、負荷端子接続部並びに制御端子接続部及び補助端子接続部をも提供するために多層構造を有する。このフレキシブル導体プレートの多層構造内では個々の層が構造化され得る及び／又は他の層又は層部分と通過接触部を用いて接続され得る。

内部絶縁に関しては、パワー半導体素子の領域において、及び多くの場合はボンディング接続部として構成されている接続要素の上方に至るまで高誘電率の封止剤（シーリングコンパウンド）で封止されているパワー半導体モジュールが多岐に渡って知られている。上記の特許文献１は、この種の封止剤を、基本的に導体プレートの製造から知られているような絶縁中間層（絶縁インサート）により置き換えている。これらの絶縁中間層はパワー半導体素子を包囲し、それらの縁においてエッジ被覆部を有し、このエッジ被覆部はこの縁領域における電圧閃絡（フラッシュオーバー）を防止するものである。更にこれらの絶縁中間層は、フレキシブル導体パス（接続パス）の配置用の平坦な面を形成するために、絶縁中間層により包囲されるパワー半導体素子と同じ厚さを有するように形成されている。

上記の特許文献１によるパワー半導体モジュールの形態において、絶縁中間層がパワー半導体モジュールの内部絶縁のためだけに用いられ、それと共にそのように形成させるパワー半導体モジュールの製造が、同じ加工素材で封止剤を有するものと比べて手間と費用がかかることは不利であり、その理由は、それらの絶縁中間層がマッチングされ、追加的なステップにより初期製品から固定絶縁層へと更に処理されなくてはならないためである。更に、絶縁中間層のエッジが、電圧閃絡を確実に防止するために追加的に被覆されなくてはならないことも不利である。

例えば特許文献２及び前公開されていない特許文献３からは加圧焼結法が知られていて、これらの加圧焼結法はパワー半導体素子と端子要素又は基板との間の永続的な接続を提供するが、開示されたこの方法は端子要素又は基板と個々のパワー半導体素子の同時の焼結接続のためだけに適している。このことは、この際には圧力導入がパワー半導体素子の平らな面上だけに行なわれることに原因がある。パワー半導体素子の縁領域に対する圧力導入時、１０ＭＰａから６０ＭＰａまでのオーダーである圧力の周知の値はこの縁領域或いはパワー半導体素子の機械的な破壊を導いてしまう。

ＤＥ１９６１７０５５Ｃ１ ＤＥ３４１４０６５Ｃ２ ＤＥ１０２００４０１９５６７Ａ１

本発明の基礎を成す課題は、内部絶縁のための手段が複数の機能を有し、効率がよく経済的な生産が可能である、パワー半導体モジュールの製造方法を紹介することである。

前記の課題は、本発明に従い、請求項１の構成要件の措置により解決される。有利な実施形態は下位請求項に記載されている。

本発明の思想は、好ましくは冷却体上に直接的に取り付けるための又はベースプレートを備えたパワー半導体モジュールから出発する。このパワー半導体モジュールは少なくとも次のコンポーネントを有する：ハウジング、負荷端子及び補助端子用の端子要素、接続パスを備えた少なくとも１つの基板、及び少なくとも１つのパワー半導体素子。

負荷端子用の端子要素は、ハウジングから外へ通じ、ハウジング内部に配置されているパワー半導体素子の電気接続のために用いられる。ベースプレート又は冷却体に対して電気絶縁式で形成されている基板の方は、絶縁材料ボディ、好ましくは産業セラミックと、この上でベースプレート又は冷却体とは反対側のその第１主面上に設けられていて互いに電気絶縁されている金属性の複数の接続パスとから成る。これらの接続パス上にはパワー半導体素子が配置され、接続要素を用いて回路に適して接続されている。これらの接続要素は、例えば上記の従来技術によるフレキシブル導体プレートとして、又は打ち抜き曲げ技術で製造された金属性の接続バーを用いた周知の配線部として形成されている。

パワー半導体モジュールは更に少なくとも１つの絶縁成形体を有し、この絶縁成形体は、少なくとも１つのパワー半導体素子を取り囲み、以下に説明する方法により、対応するパワー半導体素子の縁に全ての側で密接してこれを取り囲むように変形されて形成されている。この際、対応する接続要素は、例えばフレキシブル導体プレートとして構成されていて、絶縁成形体により取り囲まれているパワー半導体素子を例えば端子要素又は他のパワー半導体素子と接続させる。基板の対応する導体パス及び／又はここではフレキシブル導体プレートである接続要素に対するパワー半導体素子の電導接続部は加圧焼結接続部として形成されている。

パワー半導体素子を製造するための本発明に従う方法は、パワー半導体モジュール用の周知の製造ステップ以外に次のステップを有する：
・ 少なくとも１回は変形可能な少なくとも１つの絶縁成形体を配置するステップで、この絶縁成形体が基板上の少なくとも１つのパワー半導体素子を包囲し、この際にはパワー半導体素子の縁に密接しないこと。この絶縁成形体は、包囲されたパワー半導体素子よりも大きな高さを有する。更に絶縁成形体とパワー半導体素子は、絶縁成形体とパワー半導体素子との間でパワー半導体素子を包囲して全ての側で実質的に同じ幅を有する隙間が形成されているように互いに配置されている。
・ 好ましくは、このパワー半導体素子及びこのパワー半導体素子を包囲する絶縁成形体の上側でパワー半導体素子の回路に適した接続のための少なくとも１つの接続要素を追加的に配置するステップ。
・ 接続要素に対して又は直接的に少なくとも１つのパワー半導体素子及びこれを包囲する絶縁成形体に対して加圧焼結プロセスの枠内で圧力付勢するステップ。この際、基板の導体パス及び／又は接続要素とのパワー半導体素子の加圧焼結接続部が形成される。好ましくは追加的な温度付勢を伴うこの圧力付勢の両方の形態により、絶縁成形体は、パワー半導体素子の縁に全ての側で密接し、従ってパワー半導体素子を取り囲むように変形される。絶縁成形体のこの密接は加圧焼結プロセス中のパワー半導体素子の破壊を防止する。

次に本発明の解決策を図１〜図４に基づいて更に説明する。

図１は、冷却体（２）上に直接的に取り付けるための本発明に従うパワー半導体モジュール（１）を示している。パワー半導体モジュール（１）はハウジング（３）とこのハウジング（３）内に配置されている基板（５）と有し、基板（５）は、絶縁材料ボディ（５４）と、絶縁材料ボディ（５４）の両方の主面上に配置されている金属性の積層部とから成る。冷却体（２）側に設けられている絶縁材料ボディ（５４）の第２主面の金属性の積層部（５６）は熱連結のために用いられ、平面的に形成されていてそれ自体は構造化（パターン化）されていない。それに対し、パワー半導体モジュール内部側に設けられている絶縁材料ボディ（５４）の第１主面の金属性の積層部はそれ自体が構造化されていて、従って基板（５）の接続パス（接続トラック、５２）を形成している。

パワー端子の端子要素（ターミナル要素、４２、４４）は金属成形体により形成され、これらの金属成形体はそれらの一方の端部において例えばロウ付け技術により、対応する接続パス（５２）と接続されていて、それらの他方の端部において捩込み接続のための孔を有している。

これらの接続パス（５２）上にはここではパワーダイオードであるパワー半導体素子（７０）が配置されている。パワーダイオード（７０）同士の及び端子要素（４２、４４）とのパワーダイオード（７０）の回路に適した接続部はフレキシブル導体プレート（フレキシブル回路板、４０）として形成されている。パワーダイオード（７０）とフレキシブル導体プレート（４０）との間の電導接続部は加圧焼結接続部として形成されていて、パワー半導体素子（７０）と接続パス（５２）との間の電導接続部はロウ付け接続部として形成されている。

内部電気絶縁のためにパワー半導体モジュール（１）は絶縁成形体（８０）を有する。絶縁成形体（８０）はパワーダイオード（７０）を全ての側で取り囲み、この際、絶縁成形体（８０）とパワー半導体素子（７０）の縁との間の接触面（９０）はパワー半導体素子（７０）の厚さ（７００）の半分よりも大きな高さ（９００）を有する。このことは、パワー半導体素子（７０）における縁閃絡を防止するために決定的なことである。更にこの絶縁成形体（８０）は正極性の端子要素（４２）に至るまで達し、この端子要素（４２）の少なくとも１つの面と接続されている。この際、絶縁成形体（８０）が２つの導体パス（接続パス、５２）を覆い、また加圧焼結技術を用いたパワー半導体モジュール（１）の前述の製造方法に基づき、絶縁成形体（８０）の一部は両方の導体パス（５２）間の隙間の中にまで達する。

図２は、本発明に従う方法の製造ステップを示している。本発明に従う方法の第１実施バリエーションは、基板であってこの基板上に導体パス（５２）が配置されている基板から出発する。この導体パス（５２）上には、加圧焼結接続のために適切に形成された中間層を有する少なくとも１つのパワー半導体素子（７０）が配置されている（図２ａ）。パワー半導体素子（７０）を全ての側で包囲するように絶縁成形体（８０ａ／ｂ）が配置されている（図２ｂ）。絶縁成形体（８０ａ／ｂ）は、好ましくはパワー半導体素子（７０）の厚さよりもそれを１００としたときの２から１０の間で大きい厚さを有する。パワー半導体素子（７０）の縁とそれを包囲する絶縁成形体（８０）との間の間隔は、好ましくはパワー半導体素子（７０）の厚さを１００としたときの１０から３０の間の値をとる。この絶縁成形体（８０）は、好ましくは、圧力のもと場合により追加的な温度付勢のもと少なくとも１回は変形可能なプラスチックから形成されている。この際、非可逆性の変形は特に有利である。

引き続き、パワー半導体素子（７０）及び絶縁成形体（８０）に対する平らな圧力付勢（加圧、１００）が行なわれ、それにより絶縁成形体（８０）が変形される。好ましくは先行する及び／又は同時の５０℃と３００℃の間の温度を用いた温度付勢と結び付けられているこの変形は、絶縁成形体（８０）の厚さをパワー半導体素子（７０）の厚さに減少させ、この際、絶縁成形体（８０）は同時に側方に膨張する（８８）。それによりパワー半導体素子（７０）と絶縁成形体（８０）との間の隙間が閉鎖され、従ってこの絶縁成形体（８０）は、パワー半導体素子（７０）に対して圧力導入が行なわれる前にパワー半導体素子（７０）を取り囲む。この際、接触面（９０）は、好ましくはパワー半導体素子（７０）の半分の厚さよりも大きな高さを有する。絶縁成形体（８０）の素材を適切に選択することによりこの結合は存続し、パワー半導体モジュール（１）内で内部絶縁のために用いられ、その形態により稼動時にはパワー半導体素子（７０）の縁閃絡を防止する。

加圧焼結プロセスの終了後、パワー半導体モジュール（１）内に導入された状態で、絶縁成形体は、それにより取り囲まれているパワー半導体素子と同じ厚さ（図２ｄ）又はそれよりも僅かに大きな厚さを有する。

本発明に従う方法の第２実施バリエーションでは、加圧焼結プロセス前に、接続要素としてのフレキシブル導体プレート（４０）又は少なくとも１つの接続バーがパワー半導体素子（７０）の上側に及び絶縁成形体（８０）上に配置される（図２ｃ）。後でパワー半導体素子（７０）と接続要素（４０）との間の接触面を形成する領域は、加圧焼結法のために対応して準備されている。そのために接触面の領域には適切な貴金属表面がパワー半導体素子（７０）及び接続要素（４０）上に形成されている。同様に焼結金属が適切に配置されている。接続要素（４０）に対して平らに導入される圧力付勢及び好ましくは同時の温度付勢により、接続要素（４０）とパワー半導体素子（７０）との間、及び同時にパワー半導体素子（７０）と基板（５）の導体パス（５２）との間の加圧焼結接続部が形成される。

本発明に従う方法の第３実施バリエーションは、基板（５）の対応する導体パス（５２）上にロウ付けされたパワー半導体素子（７０）（図２ａ）から出発し、このパワー半導体素子（７０）は絶縁成形体（８０）により包囲され、この際、フレキシブル導体パス（４０）が絶縁成形体（８０）上に配置されている。従って加圧焼結プロセスによりパワー半導体素子（７０）と接続要素（４０）との間の焼結接続部が作られる。

本方法に関する上述の全ての実施形態において、絶縁成形体（８０）の配置により、唯一の加圧焼結プロセスで、同時に複数のパワー半導体素子（７０）が導体パス（５２）及び／又は接続要素（４０）と接続され得ることは有利である。

図３は、絶縁成形体（８０）と基板（５）の配置構成を３次元図で示している。図２のもとで説明した製造方法に従う、図１のもとで説明したパワー半導体モジュール（１）の製造の出発点は、従来技術による基板である。この基板は、絶縁材料ボディ（５４）、ここでは酸化アルミニウムセラミックと、その上に形成された銅製導体パス（５２）とを有する。これらの銅製導体パス（５２）は、少なくとも加圧焼結接続部用の接触面として用いられる領域において好ましくは金である貴金属の他の層を有する。これらの接触面上に焼結金属が好ましくはシルクスクリーン法を用いて塗布される。引き続いてパワー半導体素子（７０）が配置される。その後、これらのパワー半導体素子（７０）を包囲するように絶縁成形体（８０）が配置される。この際、その厚さは、パワー半導体素子（７０）の厚さよりもそれを１００としたときの２から１０だけ大きい。この際、絶縁成形体（８０）の穴（８６）の長さ（８０２）は、パワー半導体素子（７０）の厚さを１００としたときの２０と６０の間でパワー半導体素子（７０）の長さ（７０２）よりも大きい。同じことが穴（８６）の幅（８０４）とパワー半導体素子（７０）の幅（７０４）に当てはまる。

図４は、図３に従う絶縁成形体（８０）と基板（５）の俯瞰図を示している。この際、加圧焼結プロセス前に接触することなく絶縁成形体（８０）によりパワー半導体素子（７０）が包囲されていることが再び明らかに見てとれる。

本発明に従うパワー半導体モジュールを横断面で示す図である。 本発明に従う方法の製造ステップを示す図である。 絶縁成形体と基板の配置構成を示す３次元図である。 図３による絶縁成形体と基板の俯瞰図である。

符号の説明

１ パワー半導体モジュール
２ 冷却体
３ ハウジング
４０ 導体プレート（回路板）
４２、４４ 端子要素
５ 基板
５２ 金属性の積層部（接続パス：導体パス）
５４ 絶縁材料ボディ
５６ 金属性の積層部
７０ パワー半導体素子
７００ パワー半導体素子７０の厚さ
７０２ パワー半導体素子７０の長さ
７０４ パワー半導体素子７０の幅
８０、８０ａ、８０ｂ 絶縁成形体
８６ 絶縁成形体８０の穴
８０２ 穴８６の長さ
８０４ 穴８６の幅
８８ 絶縁成形体８０の膨張
９０ 接触面
９００ 接触面９０の高さ
１００ 圧力付勢

Claims (4)

1. ハウジング（３）と、外側に通じる端子要素（４２、４４）と、ハウジング（３）内に配置されている電気絶縁式の少なくとも１つの基板（５）とを有するパワー半導体モジュールであって、この基板（５）が、少なくとも、絶縁材料ボディ（５４）と、パワー半導体モジュール（１）の内部側の第１主面上に設けられていて互いに電気絶縁されている金属性の複数の接続パス（５２）と、これらの接続パス（５２）の１つの接続パス上に配置されている少なくとも１つのパワー半導体素子（７０）とを有し、このパワー半導体素子（７０）が、少なくとも１つの接続要素（４０）と、少なくとも１回は変形可能な構造化されている少なくとも１つの絶縁成形体（８０）とを有するパワー半導体モジュールを製造するための方法において、
   この方法が、少なくとも、次のステップ、即ち、
   ・ 基板（５）の接続パス（５２）上に少なくとも１つのパワー半導体素子（７０）を配置するステップ
   ・ 各々の少なくとも１つのパワー半導体素子（７０）を包囲するように少なくとも１つの絶縁成形体（８０）を配置するステップであり、この絶縁成形体（８０）が、対応するパワー半導体素子（７０）の高さ（７００）よりも大きな高さ（８００）を有し、更に絶縁成形体（８０）とパワー半導体素子（７０）の間にパワー半導体素子（７０）を包囲するように隙間が形成されていること
   ・ パワー半導体素子（７０）の加圧焼結接続のために少なくとも１つのパワー半導体素子（７０）とこれを囲んでいる絶縁成形体（８０）に対して加圧焼結プロセスの枠内で圧力付勢（１００）するステップであり、絶縁成形体（８０）が圧力付勢（１００）のもと、この絶縁成形体（８０）がパワー半導体素子（７０）の縁に全ての側で密接してこのパワー半導体素子（７０）を取り囲むように変形されること
   を含むことを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載のパワー半導体モジュールを製造するための方法において、基板（５）上にパワー半導体素子（７０）及びこれを包囲する絶縁成形体（８０）を配置した後、少なくとも、
   ・ 接続要素（４０）が、絶縁成形体（８０）及びパワー半導体素子（７０）上に配置され、及び、
   ・ 接続要素（４０）に対する加圧焼結プロセスの枠内の平らな圧力付勢（１００）により、パワー半導体素子（７０）を包囲する絶縁成形体（８０）が、この絶縁成形体（８０）がパワー半導体素子（７０）の縁に全ての側で密接し且つ更に進行する圧力付勢（１００）により、基板（５）の対応する接続パス（５２）及び／又は接続要素（４０）に対するパワー半導体素子（７０）の加圧焼結接続部が製造されるように変形されることを特徴とする方法。
3. 圧力付勢（１００）に対して追加的に、加圧焼結プロセス中及び／又は加圧焼結プロセス前に絶縁成形体（８０）が５０℃と３００℃の間の温度を用いて付勢されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の、パワー半導体モジュールを製造するための方法。
4. 複数のパワー半導体素子（７０）が、加圧焼結プロセスを用いて同時に、対応する接続パス（５２）及び／又は１つの又は複数の接続要素（４０）と接続され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を製造するための方法。

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