JP5617244B2 - Power module, power conversion device, and refrigeration device - Google Patents
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Description
本発明は、半導体ベアチップを基板に搭載したパワーモジュール、それを用いた、電力変換装置及び冷凍装置に関するものである。 The present invention relates to a power module in which a semiconductor bare chip is mounted on a substrate, and a power conversion device and a refrigeration device using the power module.
冷凍装置（例えば空気調和機など）では、圧縮機駆動用のモータに電力を供給するために電力変換装置が一般的に用いられている。そして、電力変換装置には、半導体ベアチップを基板に搭載したパワーモジュールが用いられることが多い。このような半導体ベアチップには発熱量が比較的大きいものがあり、前記基板には、半導体ベアチップの冷却のためにヒートシンク等の放熱器が設けられる場合がある（例えば特許文献１を参照）。特許文献１の例では、基板の厚さ方向に貫通するサーマルビアを設け、該サーマルビアと半導体ベアチップを熱的に接続するとともに、半導体ベアチップが搭載された面とは反対側の面（配線パターン面）にサーマルビアと熱的に接続された金属製の放熱器を取り付けている。そして、この放熱器と基板の間には、放熱器がサーマルビアを介して半導体ベアチップと短絡するのを防止するために、電気絶縁層が設けられている。特許文献１には、電気絶縁層の例として接着剤を用いる例が記載されている。
In a refrigeration apparatus (for example, an air conditioner), a power converter is generally used to supply electric power to a compressor driving motor. In many cases, a power module in which a semiconductor bare chip is mounted on a substrate is used for the power conversion device. Some of these semiconductor bare chips generate a relatively large amount of heat, and a heat sink such as a heat sink may be provided on the substrate for cooling the semiconductor bare chips (see, for example, Patent Document 1). In the example of
しかしながら、基板の配線パターン面に接着剤などを塗布すると、配線パターンと基板本体との段差部分に気泡（ボイド）ができる場合があり、その気泡部分では絶縁破壊が起こりやすいので耐電圧性が低下する。 However, if adhesive or the like is applied to the wiring pattern surface of the substrate, bubbles (voids) may be formed in the stepped portion between the wiring pattern and the substrate body, and dielectric breakdown is likely to occur in the bubble portion, resulting in reduced voltage resistance. To do.
本発明は前記の問題に着目してなされたものであり、半導体ベアチップを基板に搭載したパワーモジュールにおいて、耐電圧性の向上を図ることを目的としている。 The present invention has been made paying attention to the above-mentioned problem, and aims to improve the voltage resistance in a power module in which a semiconductor bare chip is mounted on a substrate.
前記の課題を解決するため、第１の発明は、
半導体ベアチップ（10）と、
前記半導体ベアチップ（10）を搭載した基板（12）と、
前記基板（12）の厚さ方向に貫通し、前記半導体ベアチップ（10）と熱的に接続されたサーマルビア（13）と、
前記半導体ベアチップ（10）の搭載面（12a）とは反対側の配線パターン面（12b）に設けられて、前記サーマルビア（13）と熱的に接続された導体パターン（12d）と、
前記導体パターン（12d）と熱的に接続された放熱器（16）と、
前記基板（12）の前記配線パターン面（12b）側に固化され、前記導体パターン（12d）を覆って該導体パターン（12d）と前記放熱器（16）とを電気的に絶縁する電気絶縁層（15）と、を備え、
前記導体パターン（12d）には、前記電気絶縁層（15）よりも粘性が小さい材料を用いて形成された、少なくとも該導体パターン（12d）の周縁の段差部（12e）を直接覆うプリコート層（14）が設けられ、
前記電気絶縁層（15）は、前記プリコート層（14）を介して前記段差部（12e）を覆っており、
前記電気絶縁層（15）は、エポキシ樹脂であり、
前記プリコート層（14）は、半田レジスト、及びシルク印刷用のインクの少なくとも一方であることを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problem, the first invention
Semiconductor bare chip (10),
A substrate (12) on which the semiconductor bare chip (10) is mounted;
A thermal via (13) penetrating in the thickness direction of the substrate (12) and thermally connected to the semiconductor bare chip (10);
A conductor pattern (12d) provided on the wiring pattern surface (12b) opposite to the mounting surface (12a) of the semiconductor bare chip (10) and thermally connected to the thermal via (13);
A radiator (16) thermally connected to the conductor pattern (12d);
An electrical insulation layer that is solidified on the wiring pattern surface (12b) side of the substrate (12) and covers the conductor pattern (12d) to electrically insulate the conductor pattern (12d) and the radiator (16) (15)
The conductor pattern (12d) is made of a material having a viscosity lower than that of the electrical insulating layer (15), and is a precoat layer that directly covers at least the step (12e) at the periphery of the conductor pattern (12d). 14)
The electrical insulating layer (15) covers the stepped portion (12e) via the precoat layer (14) ,
The electrical insulating layer (15) is an epoxy resin,
The precoat layer (14) is at least one of a solder resist and an ink for silk printing .
この構成では、プリコート層（14）の外側（放熱器（16）側）では、導体パターン（12d）の周縁付近で段差を生ずるが、この段差は、導体パターン（12d）の段差部（12e）に比べて傾斜がより滑らかなので、効果的に気泡を低減させることが可能になる。したがって、プリコート層（14）の上に、電気絶縁層（15）を固化させても、電気絶縁層（15）を導体パターン（12d）に直接形成する場合と比べ、発生する気泡（ボイド）が少なくなる。 In this configuration, a step is formed near the periphery of the conductor pattern (12d) on the outside of the precoat layer (14) (on the radiator (16) side). This step is a step portion (12e) of the conductor pattern (12d). Since the inclination is smoother than that of bubbles, bubbles can be effectively reduced. Therefore, even if the electrical insulation layer (15) is solidified on the precoat layer (14), bubbles (voids) are generated compared to the case where the electrical insulation layer (15) is directly formed on the conductor pattern (12d). Less.
また、この構成では、半田レジストの塗布（印刷）やシルク印刷といった、従来から基板製造工程にある工程を利用して、プリコート層（14）を形成することが可能になる。 Further, in this configuration, such as coating (printing) and silk printing of the solder resist, by using a process in the substrate manufacturing process conventionally, it is possible to form a precoat layer (14).
また、第２の発明は、
第１の発明のパワーモジュールにおいて、
前記プリコート層（14）は、前記導体パターン（12d）の全面を覆い、
前記電気絶縁層（15）は、前記プリコート層（14）を介して前記導体パターン（12d）を覆っていることを特徴とする。
In addition, the second invention,
In the power module of the first invention,
The precoat layer (14) covers the entire surface of the conductor pattern (12d),
The electrical insulating layer (15) covers the conductor pattern (12d) through the precoat layer (14).
この構成では、プリコート層（14）が導体パターン（12d）の全面を覆っているので、プリコート層（14）の端部（14a）が電気絶縁層（15）の下側（電気絶縁層（15）と導体パターン（12d）の間）に位置しない。そのため、電気絶縁層（15）の下側にできる段差箇所を減らすことができる。これにより、より確実に気泡の発生を低減することが可能になる。 In this configuration, since the precoat layer (14) covers the entire surface of the conductor pattern (12d), the end portion (14a) of the precoat layer (14) is located below the electric insulating layer (15) (electrical insulating layer (15 ) And conductor pattern (12d). For this reason, it is possible to reduce the stepped portion that can be formed on the lower side of the electrical insulating layer (15). Thereby, it becomes possible to reduce generation | occurrence | production of a bubble more reliably.
また、第３の発明は、
第１又は第３の発明のパワーモジュールを備え、前記パワーモジュールを含む複数の電気部品（41,42,43）が接続されたことを特徴とする電力変換装置である。
In addition, the third invention,
It includes a first or third power module of the present invention in a power conversion device wherein a plurality of electrical components (41, 42, 43) are connected, including the power module.
この構成により、電力変換装置において、上記パワーモジュールの作用を得ることができる。 With this configuration, it is possible to obtain the operation of the power module in the power conversion device.
また、第４の発明は、
第３の発明の電力変換装置を備え、前記電力変換装置が駆動対象（3）と接続されたことを特徴とする冷凍装置である。
In addition, the fourth invention is
A refrigeration apparatus comprising the power conversion device according to the third aspect of the present invention, wherein the power conversion device is connected to a drive target (3).
この構成により、冷凍装置において、上記パワーモジュールの作用を得ることができる。 With this configuration, the operation of the power module can be obtained in the refrigeration apparatus.
第１の発明によれば、導体パターン（12d）周縁の気泡が低減するので、導体パターン（12d）の周縁における耐電圧性の向上を図ることが可能になる。 According to the first aspect, since bubbles at the periphery of the conductor pattern (12d) are reduced, it is possible to improve the voltage resistance at the periphery of the conductor pattern (12d).
また、第１の発明によれば、従来からある基板製造工程を利用して、プリコート層（14）を形成することが可能になるので、容易、且つ低コストで、前記耐電圧性の向上を図ることが可能になる。 In addition, according to the first invention, it is possible to form the precoat layer (14) using a conventional substrate manufacturing process, so that the withstand voltage can be improved easily and at low cost. It becomes possible to plan.
また、第２の発明によれば、より確実に気泡の発生を低減することが可能になるので、導体パターン（12d）の周縁における耐電圧性をより確実に向上させることが可能になる。 In addition, according to the second invention, it is possible to more reliably reduce the generation of bubbles, so that it is possible to more reliably improve the voltage resistance at the periphery of the conductor pattern (12d).
また、第３の発明によれば、電力変換装置において、上記の効果を得ることが可能になる。 According to the third invention, the above-described effect can be obtained in the power conversion device.
また、第４の発明によれば、冷凍装置において、上記の効果を得ることが可能になる。 Moreover, according to the 4th invention, in said refrigeration apparatus, it becomes possible to acquire said effect.
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The following embodiments are essentially preferable examples, and are not intended to limit the scope of the present invention, its application, or its use.
《発明の実施形態の概要》
本発明の実施形態に係るパワーモジュール（後述のパワーモジュール（1））は、空気調和装置等の冷凍装置に搭載される電力変換装置を構成する電気部品の一部であり、電力変換装置は複数の電気部品が接続されたものである。そこで、以下では、本実施形態に係るパワーモジュール（1）が用いられる電力変換装置、及び該電力変換装置を搭載した冷凍装置について概説した後、パワーモジュール（1）について説明する。
<< Summary of Embodiment of Invention >>
A power module according to an embodiment of the present invention (power module (1) to be described later) is a part of an electrical component that constitutes a power conversion device mounted on a refrigeration apparatus such as an air conditioner, and a plurality of power conversion devices The electrical parts are connected. Therefore, in the following, the power module (1) used in the power module (1) according to the present embodiment and a refrigeration apparatus equipped with the power converter are outlined, and then the power module (1) will be described.
図１は、パワーモジュール（1）を用いた電力変換装置（4）の構成例を示すブロック図である。この例では、電力変換装置（4）は、コンバータ回路（41）、平滑コンデンサ（42）、及びインバータ回路（43）を備えている。コンバータ回路（41）は、複数のダイオード（41a）でダイオードブリッジが構成され、接続された交流電源（2）が出力した交流を整流するようになっている。また、インバータ回路（43）は、平滑コンデンサ（42）とともに、コンバータ回路（41）に並列接続され、コンバータ回路（41）の出力を所定電圧の交流に変換して接続された負荷（例えば後述のモータ（3））に出力するようになっている。本実施形態のパワーモジュール（1）は、このインバータ回路（43）を形成している。具体的に、インバータ回路（43）は、複数のスイッチング素子（43a）がブリッジ結線されている。例えば出力する交流が三相交流であれば、このインバータ回路（43）には６個のスイッチング素子（43a）が必要になる。すなわち、三相交流を出力するインバータ回路（43）は、特に図示しないが、２つのスイッチング素子（43a,43a）を互いに直列接続してなる３つのスイッチングレグが並列に接続されてなるもので、これらのスイッチング素子（43a）のオンオフ動作によって、直流電圧を交流電圧に変換して出力する。なお、この例では各スイッチング素子（43a）には、還流ダイオード（43b）が逆並列接続されている。 FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration example of a power conversion device (4) using a power module (1). In this example, the power converter (4) includes a converter circuit (41), a smoothing capacitor (42), and an inverter circuit (43). The converter circuit (41) forms a diode bridge with a plurality of diodes (41a), and rectifies the AC output from the connected AC power supply (2). The inverter circuit (43) is connected in parallel to the converter circuit (41) together with the smoothing capacitor (42), and converts the output of the converter circuit (41) into alternating current of a predetermined voltage (for example, described later) Output to the motor (3)). The power module (1) of this embodiment forms this inverter circuit (43). Specifically, in the inverter circuit (43), a plurality of switching elements (43a) are bridge-connected. For example, if the alternating current to be output is a three-phase alternating current, the inverter circuit (43) requires six switching elements (43a). That is, the inverter circuit (43) that outputs a three-phase alternating current is not particularly shown, but is formed by connecting three switching legs formed by connecting two switching elements (43a, 43a) in series with each other in parallel. By switching on and off these switching elements (43a), the DC voltage is converted into an AC voltage and output. In this example, a free-wheeling diode (43b) is connected in antiparallel to each switching element (43a).
また、図２は、冷凍装置の配管系統の一例を示す図である。図２に示した冷凍装置（5）は、冷媒回路（51）において冷媒を循環させて、蒸気圧縮式冷凍サイクルを行う。具体的にこの例では、冷媒回路（51）は、電動圧縮機（52）、凝縮器（53）（熱交換器）、電子膨張弁（54）、及び蒸発器（55）（熱交換器）が順に配管接続されている。凝縮器（53）、蒸発器（55）には近傍に電動ファン（56）がそれぞれ設けられている。また、電動圧縮機（52）は、駆動対象であるモータ（3）を備えており、モータ（3）には電力変換装置（4）から電力が供給されている。 FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a piping system of the refrigeration apparatus. The refrigeration apparatus (5) shown in FIG. 2 performs a vapor compression refrigeration cycle by circulating refrigerant in the refrigerant circuit (51). Specifically in this example, the refrigerant circuit (51) includes an electric compressor (52), a condenser (53) (heat exchanger), an electronic expansion valve (54), and an evaporator (55) (heat exchanger). Are connected in order. An electric fan (56) is provided in the vicinity of the condenser (53) and the evaporator (55). Moreover, the electric compressor (52) includes a motor (3) to be driven, and electric power is supplied to the motor (3) from the power converter (4).
〈パワーモジュール（1）の構成〉
図３は、本発明の実施形態に係るパワーモジュール（1）の断面形状を模式的に示した図である。同図に示すように、パワーモジュール（1）は、半導体ベアチップ（10）、ヒートスプレッダ（11）、基板（12）、及びヒートシンク（16）を備えている。この例では、半導体ベアチップ（10）には、インバータ回路（43）のスイッチング素子（43a）が形成され、スイッチング素子（43a）のスイッチングに伴って発熱する。そのため、パワーモジュール（1）では、後に詳述するように、ヒートシンク（16）によって半導体ベアチップ（10）（すなわちスイッチング素子（43a））を冷却するようになっている。
<Configuration of power module (1)>
FIG. 3 is a diagram schematically showing a cross-sectional shape of the power module (1) according to the embodiment of the present invention. As shown in the figure, the power module (1) includes a semiconductor bare chip (10), a heat spreader (11), a substrate (12), and a heat sink (16). In this example, the switching element (43a) of the inverter circuit (43) is formed in the semiconductor bare chip (10), and heat is generated when the switching element (43a) is switched. Therefore, in the power module (1), as will be described in detail later, the semiconductor bare chip (10) (that is, the switching element (43a)) is cooled by the heat sink (16).
基板（12）は、半導体ベアチップ（10）を搭載し、前記インバータ回路（43）が形成される基板である。図３では、代表で１つの半導体ベアチップ（10）を図示してあるが、実際にはスイッチング素子（43a）の数に応じた半導体ベアチップ（10）が基板（12）に搭載され、さらに還流ダイオード（43b）が形成された半導体ベアチップも搭載されている。この実施形態では、基板（12）は、エポキシ樹脂などの樹脂で形成された基板である。基板（12）では、図３における上方が部品を搭載する搭載面（12a）であり、搭載面（12a）の反対側の面が、配線パターンが形成された配線パターン面（12b）である。搭載面（12a）には、図３に示すように、導体パターン（12c）が形成され、配線パターン面（12b）に導体パターン（12d）が形成されている。また、基板（12）には、該基板（12）の厚さ方向に貫通した、複数のサーマルビア（13）が形成され、これらのサーマルビア（13）は、搭載面（12a）の導体パターン（12c）と配線パターン面（12b）の導体パターン（12d）とを電気的、且つ熱的に接続している。 The substrate (12) is a substrate on which the semiconductor bare chip (10) is mounted and the inverter circuit (43) is formed. In FIG. 3, one semiconductor bare chip (10) is shown as a representative, but actually, a semiconductor bare chip (10) corresponding to the number of switching elements (43a) is mounted on the substrate (12), and further a free-wheeling diode. A semiconductor bare chip formed with (43b) is also mounted. In this embodiment, the substrate (12) is a substrate formed of a resin such as an epoxy resin. In the substrate (12), the upper side in FIG. 3 is a mounting surface (12a) on which components are mounted, and the surface opposite to the mounting surface (12a) is a wiring pattern surface (12b) on which a wiring pattern is formed. As shown in FIG. 3, a conductor pattern (12c) is formed on the mounting surface (12a), and a conductor pattern (12d) is formed on the wiring pattern surface (12b). The substrate (12) is formed with a plurality of thermal vias (13) penetrating in the thickness direction of the substrate (12). These thermal vias (13) are formed on the conductor pattern of the mounting surface (12a). (12c) and the conductor pattern (12d) on the wiring pattern surface (12b) are electrically and thermally connected.
搭載面（12a）の導体パターン（12c）には、ヒートスプレッダ（11）が搭載されている。すなわち、ヒートスプレッダ（11）は、搭載面（12a）の導体パターン（12c）、及びサーマルビア（13）を介して、配線パターン面（12b）の導体パターン（12d）に、電気的且つ熱的に接続されている。そして、このヒートスプレッダ（11）には、半導体ベアチップ（10）が搭載され、該ヒートスプレッダ（11）は、半導体ベアチップ（10）の熱を拡散させるようになっている。すなわち、半導体ベアチップ（10）は、ヒートスプレッダ（11）及び導体パターン（12c）を介して、サーマルビア（13）と熱的に接続されている。 A heat spreader (11) is mounted on the conductor pattern (12c) on the mounting surface (12a). That is, the heat spreader (11) is electrically and thermally applied to the conductor pattern (12d) on the wiring pattern surface (12b) via the conductor pattern (12c) on the mounting surface (12a) and the thermal via (13). It is connected. A semiconductor bare chip (10) is mounted on the heat spreader (11), and the heat spreader (11) diffuses the heat of the semiconductor bare chip (10). That is, the semiconductor bare chip (10) is thermally connected to the thermal via (13) via the heat spreader (11) and the conductor pattern (12c).
このパワーモジュール（1）では、少なくとも導体パターン（12d）の周縁の段差部（12e）を直接覆うプリコート層（14）が設けられている。この例では、プリコート層（14）は、導体パターン（12d）の周縁の段差部（12e）を覆っているが、導体パターン（12d）の中央部付近には、プリコート層（14）が設けられていない。本実施形態では、プリコート層（14）は、いわゆる半田レジストと同じ材料で形成されている。この半田レジストは、基板において半田付けが不要な部分をマスキングするために、該基板に塗布（印刷）されるものである。本実施形態では、プリコート層（14）は前記マスキングのための半田レジスト形成工程において前記の部位に形成（例えばスクリーン印刷）されている。この例ではプリコート層（14）は、概ね２０μｍから３０μｍの厚さを有している。なお、本実施形態では、各導体パターン（12c,12d）は、３０μｍ程度の厚さを有しており、段差部（12e）における段差も３０μｍ程度である。 The power module (1) is provided with a precoat layer (14) that directly covers at least the step portion (12e) at the periphery of the conductor pattern (12d). In this example, the precoat layer (14) covers the step portion (12e) at the periphery of the conductor pattern (12d), but the precoat layer (14) is provided near the center of the conductor pattern (12d). Not. In the present embodiment, the precoat layer (14) is formed of the same material as a so-called solder resist. This solder resist is applied (printed) to the substrate in order to mask a portion that does not require soldering on the substrate. In the present embodiment, the precoat layer (14) is formed (for example, screen-printed) at the site in the solder resist forming process for the masking. In this example, the precoat layer (14) has a thickness of approximately 20 μm to 30 μm. In the present embodiment, each conductor pattern (12c, 12d) has a thickness of about 30 μm, and the step in the step portion (12e) is also about 30 μm.
前記配線パターン面（12b）側には、導体パターン（12d）を覆う電気絶縁層（15）が設けられている。前記段差部（12e）には、プリコート層（14）（半田レジスト）が設けられているので、この段差部（12e）では、電気絶縁層（15）はプリコート層（14）を介して導体パターン（12d）を覆うことになる。具体的に、このパワーモジュール（1）では、スクリーン印刷により電気絶縁層（15）を形成している。このスクリーン印刷では、所定形状のマスクが形成されたシルクスクリーンを通して、エポキシ樹脂をスキージによって塗布し、塗布したエポキシ樹脂を基板（12）上で固化させて電気絶縁層（15）を形成している。すなわち、本実施形態では、電気絶縁層（15）を基板（12）と一体的に形成しているのである。なお、本実施形態の電気絶縁層（15）の厚さは、概ね２００μｍ程度である。 On the wiring pattern surface (12b) side, an electrical insulating layer (15) covering the conductor pattern (12d) is provided. Since the step portion (12e) is provided with a precoat layer (14) (solder resist), in this step portion (12e), the electrically insulating layer (15) is provided with a conductor pattern via the precoat layer (14). (12d) will be covered. Specifically, in the power module (1), the electrical insulating layer (15) is formed by screen printing. In this screen printing, an epoxy resin is applied with a squeegee through a silk screen on which a mask having a predetermined shape is formed, and the applied epoxy resin is solidified on a substrate (12) to form an electrical insulating layer (15). . That is, in this embodiment, the electrical insulating layer (15) is formed integrally with the substrate (12). In addition, the thickness of the electrical insulating layer (15) of this embodiment is about 200 μm.
そして、この電気絶縁層（15）（エポキシ樹脂層）には、アルミニウムなどの金属で形成されたヒートシンク（16）が固定されている。ヒートシンク（16）は、本発明の放熱器の一例であり、熱的には電気絶縁層（15）を介して導体パターン（12d）と接続され、電気的には電気絶縁層（15）によって、導体パターン（12d）とは絶縁されている。 A heat sink (16) made of a metal such as aluminum is fixed to the electrical insulating layer (15) (epoxy resin layer). The heat sink (16) is an example of the heat radiator of the present invention, and is thermally connected to the conductor pattern (12d) via the electric insulating layer (15), and electrically connected to the electric insulating layer (15), It is insulated from the conductor pattern (12d).
前記の構成により、パワーモジュール（1）では、半導体ベアチップ（10）の熱は、ヒートスプレッダ（11）、搭載面（12a）側の導体パターン（12c）、サーマルビア（13）、配線パターン面（12b）側の導体パターン（12d）、電気絶縁層（15）、ヒートシンク（16）の順に伝導し、ヒートシンク（16）が空気と熱交換を行うことによって半導体ベアチップ（10）が冷却される。 With the above configuration, in the power module (1), the heat of the semiconductor bare chip (10) is generated by the heat spreader (11), the conductor pattern (12c) on the mounting surface (12a) side, the thermal via (13), and the wiring pattern surface (12b). ) Side conductor pattern (12d), electrical insulating layer (15), and heat sink (16) are conducted in this order, and the heat sink (16) exchanges heat with air, thereby cooling the semiconductor bare chip (10).
《本実施形態における効果》
図４は、プリコート層（14）を備えていないパワーモジュール（説明の便宜上、従来のパワーモジュールという）の断面形状を模式的に示した図である。この従来のパワーモジュールは図４に示すように基板（120）を備え、該基板（120）は、本実施形態の基板（12）と同様に、搭載面（120a）側の導体パターン（120c）、サーマルビア（130）、配線パターン面（120b）側の導体パターン（120d）、電気絶縁層（150）を備えている。この基板（120）でも、導体パターン（120c）上にヒートスプレッダ（110）を介して半導体ベアチップ（100）が搭載され、電気絶縁層（150）を介してヒートシンク（160）が取り付けられている。この従来の基板（120）の構造では、例えば電気絶縁層（150）としてエポキシ樹脂を、シルクスクリーンを通してスキージで塗布すると、導体パターン（120d）の端の段差部（120e）に気泡（ボイド）が発生しがちである。そして、この気泡部分では、耐電圧性が低下し、短絡（絶縁破壊）が起こりやすくなっている。しかも、気泡部分は導体パターン（120d）がエッジ状の形状をしている箇所なので、導体パターン（120d）の他の部位と比べ電界の密度が比較的大きい。そのため、このように気泡がある基板（120）（パワーモジュール）では、気泡の箇所で短絡がより起こりやすくなる。
<< Effect in this embodiment >>
FIG. 4 is a diagram schematically showing a cross-sectional shape of a power module (referred to as a conventional power module for convenience of explanation) that does not include the precoat layer (14). This conventional power module includes a substrate (120) as shown in FIG. 4, and the substrate (120), like the substrate (12) of this embodiment, has a conductor pattern (120c) on the mounting surface (120a) side. A thermal via (130), a conductor pattern (120d) on the wiring pattern surface (120b) side, and an electrical insulating layer (150). Also in this substrate (120), the semiconductor bare chip (100) is mounted on the conductor pattern (120c) via the heat spreader (110), and the heat sink (160) is attached via the electric insulating layer (150). In this conventional substrate (120) structure, for example, when epoxy resin is applied as an electrical insulating layer (150) with a squeegee through a silk screen, bubbles (voids) are formed in the stepped portion (120e) at the end of the conductor pattern (120d). It tends to occur. And in this bubble part, withstand voltage property falls and it is easy to cause a short circuit (dielectric breakdown). Moreover, since the bubble portion is a portion where the conductor pattern (120d) has an edge shape, the density of the electric field is relatively large compared to other portions of the conductor pattern (120d). For this reason, in the substrate (120) (power module) having bubbles as described above, a short circuit is more likely to occur at the location of the bubbles.
一方、本実施形態では、プリコート層（14）には電気的な絶縁性能は特には必要が無いので、電気絶縁層（15）と比べ薄くすることができる。また、一般的には、プリコート層（14）として用いた半田レジストは、電気絶縁層（15）として塗布するエポキシ樹脂よりも粘性が小さい。そのため、本実施形態では、プリコート層（14）の形成において段差部（12e）に発生する気泡を、従来の基板（120）の段差部（120e）において発生する気泡よりも少なくできる。 On the other hand, in the present embodiment, the precoat layer (14) does not need to have an electrical insulation performance in particular, and thus can be made thinner than the electrical insulation layer (15). In general, the solder resist used as the precoat layer (14) has a lower viscosity than the epoxy resin applied as the electrical insulating layer (15). Therefore, in this embodiment, bubbles generated in the stepped portion (12e) in forming the precoat layer (14) can be less than bubbles generated in the stepped portion (120e) of the conventional substrate (120).
このプリコート層（14）（半田レジスト）の外側（ヒートシンク（16）側、図３では下側）では、導体パターン（12d）の周縁付近で段差を生ずる。しかしながら、プリコート層（14）のこの段差は、導体パターン（12d）の段差部（12e）に比べて傾斜がより滑らかなので、効果的に気泡を低減させることが可能になる。したがって、プリコート層（14）の上に、電気絶縁層（15）としてエポキシ樹脂を塗布しても、従来の基板（120）と比べ、電気絶縁層（15）形成による気泡の発生量を低減することが可能になる。そして、このように気泡が低減すると、従来のパワーモジュールよりも、導体パターン（12d）の周縁における耐電圧性の向上を図ることが可能になるのである。 On the outer side (heat sink (16) side, lower side in FIG. 3) of the precoat layer (14) (solder resist), a step is generated near the periphery of the conductor pattern (12d). However, since the step of the precoat layer (14) has a smoother slope than the step portion (12e) of the conductor pattern (12d), bubbles can be effectively reduced. Therefore, even if an epoxy resin is applied as an electrical insulation layer (15) on the precoat layer (14), the amount of bubbles generated due to the formation of the electrical insulation layer (15) is reduced compared to the conventional substrate (120). It becomes possible. And when bubbles are reduced in this way, it is possible to improve the withstand voltage at the periphery of the conductor pattern (12d) as compared with the conventional power module.
《発明の実施形態の変形例》
図５は、本実施形態の変形例に係るパワーモジュールの断面形状を模式的に示した図である。この例では、プリコート層（14）は、導体パターン（12d）の段差部（12e）だけではなく、導体パターン（12d）の全面に塗布されている。前記実施形態では、プリコート層（14）の端部（14a）（図３を参照）において、該プリコート層（14）と導体パターン（12d）と間で段差ができる。そのため、電気絶縁層（15）を塗布する際に、プリコート層（14）の端部（14a）で気泡が発生する可能性がある。この端部（14a）では、段差部（12e）部分と比べて電界の密度が小さいことから、この部分の気泡は耐電圧性への影響は小さい。また、端部（14a）の段差は従来の基板（120）の段差部（120e）における段差よりも一般的には小さいので、端部（14a）において発生する気泡は、従来の基板（120）の段差部（120e）で発生する気泡よりも少なく、この点からも、端部（14a）の気泡は耐電圧性への影響は小さいと考えられる。しかしながら、パワーモジュール（1）で取り扱う電圧等の諸条件によっては、端部（14a）における気泡も低減できた方が好ましい場合がある。
<< Modification of Embodiment of Invention >>
FIG. 5 is a diagram schematically showing a cross-sectional shape of a power module according to a modification of the present embodiment. In this example, the precoat layer (14) is applied not only to the step portion (12e) of the conductor pattern (12d) but also to the entire surface of the conductor pattern (12d). In the embodiment, there is a step between the precoat layer (14) and the conductor pattern (12d) at the end (14a) of the precoat layer (14) (see FIG. 3). Therefore, when applying the electrical insulating layer (15), bubbles may be generated at the end (14a) of the precoat layer (14). At this end (14a), the density of the electric field is smaller than that of the step (12e) portion, so that the bubbles in this portion have little influence on the voltage resistance. Further, since the step at the end (14a) is generally smaller than the step at the step (120e) of the conventional substrate (120), bubbles generated at the end (14a) From this point, it is considered that the bubbles at the end (14a) have little influence on the voltage resistance. However, depending on various conditions such as the voltage handled by the power module (1), it may be preferable to reduce bubbles at the end (14a).
そこで、本変形例では、導体パターン（12d）の全面にプリコート層（14）を塗布することで、導体パターン（12d）上の段差を解消し、気泡が発生する可能性がある箇所を減らしているのである。すなわち、この変形例の構成では、プリコート層（14）が導体パターン（12d）の全面を覆っているので、プリコート層（14）の端部（14a）（図３参照）が電気絶縁層（15）の下側（電気絶縁層（15）と導体パターン（12d）の間）に位置していない。そのため、電気絶縁層（15）の下側にできる段差箇所を減らすことができる。これにより、本変形例では、より確実に気泡の発生を低減することが可能になり、導体パターン（12d）の周縁における耐電圧性をより確実に向上させることが可能になる。 Therefore, in this modification, by applying the precoat layer (14) to the entire surface of the conductor pattern (12d), the step on the conductor pattern (12d) is eliminated and the number of places where bubbles may be generated is reduced. It is. That is, in the configuration of this modification, since the precoat layer (14) covers the entire surface of the conductor pattern (12d), the end portion (14a) (see FIG. 3) of the precoat layer (14) is electrically insulated layer (15). ) (Not between the electrical insulation layer (15) and the conductor pattern (12d)). For this reason, it is possible to reduce the stepped portion that can be formed on the lower side of the electrical insulating layer (15). Thereby, in this modification, it becomes possible to reduce generation | occurrence | production of a bubble more reliably, and it becomes possible to improve the withstand voltage property in the periphery of a conductor pattern (12d) more reliably.
《その他の実施形態》
なお、電気絶縁層（15）として用いたエポキシ樹脂は例示である。基板（12）と一体的に形成できる材料（例えば基板上で固化させることができる材料）を用いて電気絶縁層（15）を形成すればよいのである。
<< Other Embodiments >>
The epoxy resin used as the electrical insulating layer (15) is an example. The electrical insulating layer (15) may be formed using a material that can be formed integrally with the substrate (12) (for example, a material that can be solidified on the substrate).
また、電気絶縁層（15）は、スクリーン印刷によって基板（12）上に形成する工法他に、液状樹脂（例えばエポキシ樹脂）を金型に注入して固化させる工法を採用して形成してもよい。 In addition to the method of forming the electrical insulating layer (15) on the substrate (12) by screen printing, the electric insulating layer (15) may be formed by adopting a method of injecting a liquid resin (for example, epoxy resin) into a mold and solidifying it. Good.
また、プリコート層（14）には、半田レジストのほかに、例えばシルク印刷のインクなどを採用してもよい。基板（12）には、搭載する部品の名称や番号などをシルク印刷で表示することが一般に行われるが、この印刷の際にシルク印刷用インクでプリコート層（14）を形成してもよいのである。勿論、半田レジストとシルク印刷用のインクの両方を用いるなど、複数種類の手段を組み合わせて、プリコート層（14）を形成してもよい。 In addition to the solder resist, for example, silk printing ink may be employed for the precoat layer (14). On the board (12), the names and numbers of the components to be mounted are generally displayed by silk printing, but the precoat layer (14) may be formed with silk printing ink during this printing. is there. Of course, the precoat layer (14) may be formed by combining a plurality of means such as using both a solder resist and silk printing ink.
また、ヒートスプレッダ（11）は必須ではない。すなわち、搭載面（12a）側の導体パターン（12c）に半導体ベアチップ（10）を直接搭載してもよい。 Further, the heat spreader (11) is not essential. That is, the semiconductor bare chip (10) may be directly mounted on the conductor pattern (12c) on the mounting surface (12a) side.
また、放熱器として用いたヒートシンク（16）も例示である。その他にも、例えば、冷媒回路（51）を流通している冷媒で冷却されるように構成した放熱板（冷媒ジャケット）を放熱器として採用してもよい。 Further, a heat sink (16) used as a radiator is also an example. In addition, for example, a radiator plate (refrigerant jacket) configured to be cooled by the refrigerant circulating in the refrigerant circuit (51) may be employed as the radiator.
本発明は、半導体ベアチップを基板に搭載したパワーモジュール、それを用いた、電力変換装置及び冷凍装置として有用である。 The present invention is useful as a power module in which a semiconductor bare chip is mounted on a substrate, and a power conversion device and a refrigeration device using the power module.
１ パワーモジュール
４ 電力変換装置
５ 冷凍装置
１０ 半導体ベアチップ
１２ 基板
１２ａ 搭載面
１２ｂ 配線パターン面
１２ｄ 導体パターン
１２ｅ 段差部
１３ サーマルビア
１４ プリコート層
１５ 電気絶縁層
１６ ヒートシンク（放熱器）
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記半導体ベアチップ（10）を搭載した基板（12）と、
前記基板（12）の厚さ方向に貫通し、前記半導体ベアチップ（10）と熱的に接続されたサーマルビア（13）と、
前記半導体ベアチップ（10）の搭載面（12a）とは反対側の配線パターン面（12b）に設けられて、前記サーマルビア（13）と熱的に接続された導体パターン（12d）と、
前記導体パターン（12d）と熱的に接続された放熱器（16）と、
前記基板（12）の前記配線パターン面（12b）側に固化され、前記導体パターン（12d）を覆って該導体パターン（12d）と前記放熱器（16）とを電気的に絶縁する電気絶縁層（15）と、を備え、
前記導体パターン（12d）には、前記電気絶縁層（15）よりも粘性が小さい材料を用いて形成された、少なくとも該導体パターン（12d）の周縁の段差部（12e）を直接覆うプリコート層（14）が設けられ、
前記電気絶縁層（15）は、前記プリコート層（14）を介して前記段差部（12e）を覆っており、
前記電気絶縁層（15）は、エポキシ樹脂であり、
前記プリコート層（14）は、半田レジスト、及びシルク印刷用のインクの少なくとも一方であることを特徴とするパワーモジュール。 Semiconductor bare chip (10),
A substrate (12) on which the semiconductor bare chip (10) is mounted;
A thermal via (13) penetrating in the thickness direction of the substrate (12) and thermally connected to the semiconductor bare chip (10);
A conductor pattern (12d) provided on the wiring pattern surface (12b) opposite to the mounting surface (12a) of the semiconductor bare chip (10) and thermally connected to the thermal via (13);
A radiator (16) thermally connected to the conductor pattern (12d);
An electrical insulation layer that is solidified on the wiring pattern surface (12b) side of the substrate (12) and covers the conductor pattern (12d) to electrically insulate the conductor pattern (12d) and the radiator (16) (15)
The conductor pattern (12d) is made of a material having a viscosity lower than that of the electrical insulating layer (15), and is a precoat layer that directly covers at least the step (12e) at the periphery of the conductor pattern (12d). 14)
The electrical insulating layer (15) covers the stepped portion (12e) via the precoat layer (14) ,
The electrical insulating layer (15) is an epoxy resin,
The power module, wherein the precoat layer (14) is at least one of a solder resist and silk printing ink .
前記プリコート層（14）は、前記導体パターン（12d）の全面を覆い、
前記電気絶縁層（15）は、前記プリコート層（14）を介して前記導体パターン（12d）を覆っていることを特徴とするパワーモジュール。 The power module of claim 1 ,
The precoat layer (14) covers the entire surface of the conductor pattern (12d),
The power module, wherein the electrical insulating layer (15) covers the conductor pattern (12d) through the precoat layer (14).
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