JP6138500B2 - パワー半導体装置 - Google Patents

パワー半導体装置 Download PDF

Info

Publication number
JP6138500B2
JP6138500B2 JP2013014974A JP2013014974A JP6138500B2 JP 6138500 B2 JP6138500 B2 JP 6138500B2 JP 2013014974 A JP2013014974 A JP 2013014974A JP 2013014974 A JP2013014974 A JP 2013014974A JP 6138500 B2 JP6138500 B2 JP 6138500B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
semiconductor device
power semiconductor
base
electronic circuit
solder
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2013014974A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2014146723A (ja
Inventor
佑 春別府
佑 春別府
康宏 根本
康宏 根本
熊谷 幸博
幸博 熊谷
宇幸 串間
宇幸 串間
佐々木 康二
康二 佐々木
谷江 尚史
尚史 谷江
敬介 堀内
敬介 堀内
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Power Semiconductor Device Ltd
Original Assignee
Hitachi Power Semiconductor Device Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Power Semiconductor Device Ltd filed Critical Hitachi Power Semiconductor Device Ltd
Priority to JP2013014974A priority Critical patent/JP6138500B2/ja
Publication of JP2014146723A publication Critical patent/JP2014146723A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6138500B2 publication Critical patent/JP6138500B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/4805Shape
    • H01L2224/4809Loop shape
    • H01L2224/48091Arched
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/481Disposition
    • H01L2224/48135Connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip
    • H01L2224/48137Connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip the bodies being arranged next to each other, e.g. on a common substrate
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/73Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L2224/10, H01L2224/18, H01L2224/26, H01L2224/34, H01L2224/42, H01L2224/50, H01L2224/63, H01L2224/71
    • H01L2224/732Location after the connecting process
    • H01L2224/73251Location after the connecting process on different surfaces
    • H01L2224/73265Layer and wire connectors
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/11Device type
    • H01L2924/13Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
    • H01L2924/1304Transistor
    • H01L2924/1305Bipolar Junction Transistor [BJT]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/11Device type
    • H01L2924/13Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
    • H01L2924/1304Transistor
    • H01L2924/1305Bipolar Junction Transistor [BJT]
    • H01L2924/13055Insulated gate bipolar transistor [IGBT]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/19Details of hybrid assemblies other than the semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/191Disposition
    • H01L2924/19101Disposition of discrete passive components
    • H01L2924/19107Disposition of discrete passive components off-chip wires

Landscapes

  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Description

本発明はパワー半導体装置に関する。
半導体装置が広く用いられている。その中でもパワー半導体を有するパワー半導体装置は、大出力のモータや発電機等の電気機器の制御や電力変換の用途に用いられている。このようなパワー半導体装置としては、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)モジュールが挙げられる。
近年は、船舶や鉄道、さらには電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載される電力制御装置としてパワー半導体装置の需要が拡大してきている。そのため、パワー半導体装置に対しては、電気機器として高効率化や大容量化が必要とされているだけでなく、大量生産する車載用部材として、組み立てやすい構造が要求されている。このような要求に応えるべく、組み立てやすいパワー半導体装置を提供する技術として、特許文献1〜5に記載の技術が知られている。
特開平11−214612号公報 特開2007−129150号公報 特開2011−228508号公報 特開2011−77239号公報 特開2010−165764号公報
組み立てやすいパワー半導体装置を得るためには、パワー半導体装置を構成するベース(基材)上に電子回路部用の位置決め部材を設け、その位置決め部材間に電子回路部を入れ込む構造が考えられる。しかしながら、その位置決め部材がベースと別体の場合は、位置決め部材の用意、取付け、取外しに製造コストや製造時間を要する。また、位置決め部材がベースと一体の場合も、位置決め部材と電子回路部との電気的絶縁の確保等で課題が生じることがある。
また、半導体装置は動作時に通常高温になる。通常、ベースの材質として金属が用いられる一方、電子回路部の基板の材質としてはセラミックが用いられるため、半導体装置が動作と停止による温度変化を受けるとき、ベースと基板との間に熱変形差が生じる。これにより、基板とベースとを接続するはんだにひずみが生じる。したがって、半導体装置の動作と停止が繰り返されることで、はんだが疲労することがある。通常、半導体装置においては、電子回路部の素子で発生した熱を、素子下のはんだ、基板上導体層、基板、基板下導体層、基板下のはんだ、ベース、冷媒という順に伝えることで、外部に放熱する。疲労によってはんだに亀裂が進行すると、その部分での熱抵抗が増大し、十分な放熱性を確保することが難しくなる。ひいては、半導体装置の製品寿命の確保が難しくなる。
また、半導体装置は、上記の通り冷媒を用いて放熱するため、冷媒の圧力によってベースに反りが生じることがある。ベースの反りが大きい場合、ベースと冷媒流路との間の隙間が大きくなり、冷媒が漏出するという問題がある。
本発明は、前記課題に鑑みて為されたものであり、本発明の目的は、組み立てやすく、かつ電気的あるいは機械的信頼性に優れたパワー半導体装置を提供することである。
前記課題を解決するために、本発明によるパワー半導体装置は、ベースと、前記ベースに配設される電子回路部と、前記電子回路部を冷却する冷却フィンとを備えるパワー半導体装置であって、前記ベースには凹部が設けられ、前記凹部の内壁には突起が設けられ、前記電子回路部が絶縁基板と金属製導体層を備え、前記金属製導体層が2つ以上の領域に分割されており、前記突起が、前記金属導体層の分割箇所に近い位置において、前記絶縁基板の側面と接触していることを特徴とする。
本発明によれば、組み立てやすく、かつ電気的あるいは機械的信頼性に優れたパワー半導体装置を提供することができる。
第1実施例に係るパワー半導体装置100の冷却ジャケット4への取付け時の断面図である。 パワー半導体装置100におけるベース1の断面図である。 パワー半導体装置100におけるベース1の斜視図である。 パワー半導体装置100における電子回路部2の斜視図である。 ベース1と電子回路部2の斜視図である。 ベース1と電子回路部2の上面図である。 ベース1と電子回路部2の部分断面図である。 はんだの寿命を評価するためのモデル部材150の斜視図である。 モデル部材150の部分断面図である。 モデル部材150の熱変形の様子を示す図である。 ベースの厚さと寿命比との関係を示すグラフである。 ベース反り量とはんだの寿命を評価するためのモデル部材160の斜視図である。 モデル部材160の部分断面図である。 モデル部材160の部分上面図である。 ベースの厚さと反り量比との関係を示すグラフである。 モデル部材160の熱変形の様子を示す図である。 ベースの縁部と電子回路部との距離と寿命比との関係を示すグラフである。 第2実施例に係るパワー半導体装置200におけるベース1の斜視図である。 パワー半導体装置200におけるベース1と電子回路部2の部分断面図である。 第3実施例に係るパワー半導体装置300におけるベース1の斜視図である。 パワー半導体装置300におけるベース1の上面図である。 第4実施例に係るパワー半導体装置400におけるベース1の斜視図である。 第5実施例に係るパワー半導体装置500におけるベース1の斜視図である。
以下、図面を適宜参照しながら、本発明の実施例について説明する。
[1.第1実施例]
<構成>
第1実施例に係るパワー半導体装置100は、図1(a)に示すように、ベース1と、ベース1に接続される電子回路部2を備える。ベース1と電子回路部2とは、はんだ11により接続されている。ベース1は、図1(b)に示すように、冷却フィン1eを備える面と逆側の面に凹部1dを備える。また、ベース1は、図1(c)に示すように凹部1dの内壁の各側面に突起1bを備える。したがって、本実施例においては、「凹部」および「突起」がそれぞれ1つ以上設けられていることになる。凹部1dや突起1bの詳細は、後記する。
さらに、パワー半導体装置100は、図1(a)に示すように、樹脂ケース6と、電極7を備える。そして、縁部1aおよび樹脂ケース6により囲まれる空間内部は、ゲル等の封止材9によって満たされ、電子回路部2が封止されている。
パワー半導体装置100は、冷却ジャケット4に取付けられた状態で使用される。ベース1と冷却ジャケット4の間には、シール部材5を備える。さらに、ベース1と冷却ジャケット4との間に形成される空間には冷媒(図示しない)が通流している。
ベース1は、銅やアルミニウム等の金属により構成される部材である。図示していないが、ベース1の表面にはニッケル等のメッキが施されている。これによりはんだ11の濡れ性が向上するほか、ベース1の耐腐食性を向上させることもできる。ベース1は、図1(c)に示すように、縁部1aと、凹部1dと、底部1cと、突起1bと、冷却フィン1eを備える。
パワー半導体装置100に熱負荷が作用すると、ベース1と電子回路部2との間に熱変形差が生じ、両者間の接合部材であるはんだ11に負荷がかかる。これにより、はんだ11の寿命の確保が課題となる。そこで、パワー半導体装置100では、電子回路部2との接合箇所である底部1cを縁部1aよりも薄肉化して、反りやすくしている。そうすることで、上記の熱変形差を底部1cの反り変形で吸収しやすくなる。よって、はんだ11への負荷は軽減される。すなわち、はんだ11が長寿命化する。
またベース1は、薄肉な底部1cを備える一方で、厚肉な縁部1aを備える。これによりベース1は、シール部材5との接触位置において高い剛性を維持することができる。ベース1の下面から冷媒圧力が負荷されても、縁部1aにおける変形を抑制でき、冷媒の漏れを防止できる。
縁部1aと底部1cの肉厚の具体的数値としては、例えば、ベース1の紙面横方向の寸法が100mm、紙面に垂直な方向の寸法(奥行き)が150mmである場合、底部1cの厚さは、厚すぎると熱変形しにくいので、2mm程度が好ましい。このとき縁部1aの高さ(底部1cの厚さを含む)は2mmより大きく例えば5mmとする。
冷却フィン1eは、図1(a)に示すように、電子回路部2が配設される面とは逆側のベース1に配設されている。なお、本実施例においては、冷却フィン1eはベース1と一体的に成形されている。これらは別体として成形されてその後接合されるようにしてもよい。一体的に成形する場合は、製造工程の簡略化および製造コストの削減を図ることができる。このような一体成形は、例えば鍛造や鋳造により行うことができる。
冷却フィン1eのみを初めに鍛造あるいは鋳造した後に、機械加工によって凹部1dを削り出してもよい。このような方法をとることで、鍛造時に成形の必要な面がフィン側のみになり、鍛造や鋳造をしやすくなるという利点がある。
冷却フィン1eに関する具体的数値としては、例えば、ベース1の紙面横方向の寸法が150mm、紙面に垂直な方向の寸法(奥行き)が60mmである場合、冷却フィン1eの高さは6mm、最短のフィン間距離は1mmとすることができる。
電子回路部2は、パワー半導体装置100としての機能を発揮させるための回路群である。具体的には、電子回路部2は、IGBT素子2aと、ダイオード素子2bと、素子下はんだ2cと、基板上面導体層2dと、絶縁基板2eと、基板下面導体層2gを備えている。そして、電子回路部2は、配線2fを介して電極7に電気的に接続されている。さらにIGBT素子2aとダイオード素子2bとは、配線2fにより電気的に接続されている。そして、IGBT素子2aとダイオード素子2bは、基板上面導体層2dと、配線2fにより電気的に接続されている。
IGBT素子2aが発生する熱を効率よく冷媒に放出するために、絶縁基板2eは熱伝導性の優れたものを用いる。具体的に、絶縁基板2eを構成する材料としては、例えば窒化ケイ素、窒化アルミニウム、アルミナ等のセラミックスが用いられる。絶縁基板2eがこのような材料により構成されることで、IGBT素子2aからの熱を効率よく外部へ放出することができる。電子回路部2からの熱は、基板下面導体層2g、はんだ11、ベース1及び冷却フィン1eをこの順で伝わり、冷却フィン1eに接する冷媒に伝達される。
なお、パワー半導体装置100において、絶縁基板2eの紙面横方向の長さは、基板上面導体層2dおよび基板下面導体層2gの紙面横方向の長さよりも長くなっている。そのため、電子回路部2の側面がベース1に接触する場合には、絶縁基板2eがベース1と接触する。これにより、ベース1と電子回路部2との間での電気的な絶縁を確保する。
また、基板上面導体層2dは、図2にその形状の一例を示すように、複数の独立したブロックに分割されている。
冷却ジャケット4は、図示しないボルト締結によってベース1に対して固定される。そして、冷却ジャケット4とベース1とにより形成される空間に、水等の冷媒が通流する。また、ベース1と冷却ジャケット4との接続面間には、Oリング等のシール部材5が設けられる。これにより、冷媒の漏出が防止される。
樹脂ケース6は、ベース1と後記する電極7とを電気的に絶縁するものである。すなわち、樹脂ケース6は、ベース1と電極7との間に配設される絶縁部材である。樹脂の具体例としては、PBT(PolyButylene Terephtalate)、PPS(PolyPhenylene Sulfide)等が挙げられる。樹脂ケース6は、図示しない接着剤によってベース1に対して固定されている。
また、電極7は、電子回路部2と配線2fを介して接続される接続端子であって、図示しない外部装置と接続される。
封止材9は、ベース1の縁部1aおよび樹脂ケース6により囲まれて形成される空間に充填されるものである。封止材9の高さは、電子回路部2の高さよりも高い。これにより、電子回路部2が、湿気や埃等の外雰囲気から保護される。封止材9の具体例としては、電気絶縁性の高いシリコンゲル等である。
さらに図示はしていないが、封止材9の上面全体を覆うように樹脂製の蓋部材が配設されている。この蓋部材により、パワー半導体装置100内部が外雰囲気から保護される。
ここで、パワー半導体装置100における、ベース1と電子回路部2との関係について説明する。
電子回路部2は、図3に示すようにベース1の凹部1dで囲まれる空間内部に配設されている。凹部1dの内壁の各側面には突起1bを備えているので、絶縁基板2eがベース1と接触する場合には、絶縁基板2eと突起1bとが接触する。突起1bを備えずに、ただ単に電子回路部2を凹部1dで囲まれる空間内部に配設した場合は、電子回路部2の位置が突起1bによって決まらないので、電子回路部2の角部とベース1の凹部1dの角部とが近い、すなわち図3(b)の距離X3が小さい位置で電子回路部2がベース1上に配設されることがある。X3が小さい場合、パワー半導体装置100に温度負荷が作用する際に、電子回路部2の角部近傍においてベース1が熱変形しにくくなる分、はんだ11への負荷が増加する。そのため、はんだ11の熱疲労寿命の確保が課題となる。そこで、パワー半導体装置100においては、突起1bを設けている。突起1bを設けることで、はんだ11の寿命確保に必要な距離X3を、確実に確保することができる。
突起1bの位置は、図3(b)に示した点Aのように、複数のブロックに分割されている基板上面導体層2dの、分割位置に配設されていることが好ましい。突起1bが、例えば基板上面導体層2dの分割位置ではない点Bの位置に配設されている場合、基板上面導体層2dと突起1bとの最短距離はX1である。これに対して、点Aの位置に配設されている場合は、基板上面導体層2dと突起1bとの最短距離はX2であり、X1よりも長くなる。そのため、通電される基板上面導体層2dと、無通電の金属部材であるベース1との空間距離を大きく確保することができ、電気的絶縁耐力が向上する。
<効果>
パワー半導体装置100の動作時、特にIGBT素子2a及びダイオード素子2bの発熱が大きく、装置が高温になる。よって、熱膨張係数の異なる部材間には、大きな熱変形差が生じる。例えば、絶縁基板2dの熱膨張係数は、窒化ケイ素の場合で約2.5ppm/K、アルミナの場合で約7.1ppm/Kである。一方、ベース1の熱膨張係数は、アルミニウムの場合は約24.0ppm/K、銅の場合は約16.9ppm/Kである。このように、絶縁基板2dの熱膨張係数とベース1の熱膨張係数とは、大きく異なる。そのため、パワー半導体装置100のオン/オフにより温度変化が繰り返されると、特に、絶縁基板2dとベース1とを接続する部材である、はんだ11の熱疲労の抑制、すなわち、はんだ11の熱疲労寿命の確保が課題となる。これに対し、パワー半導体装置100においては、ベース1の底部1cの厚さが薄肉化されているため、底部1cの反り変形によって上記の熱変形差を吸収しやすく、はんだ11への負荷が軽減される。その結果、はんだ11の疲労寿命を向上することができる。
ベース1の下部(冷却ジャケット4が固定される側)には、冷媒が通流している。そのため、ベース1の下部には、冷媒の圧力が印加される。そして、この圧力によるベース1の反り変形が大きい場合には、通流する冷媒が外部へ漏出することがある。これに対し、ベース1には、縁部1aが形成されている。これにより、ベース1の底部を薄肉化しつつも、冷却ジャケット4との接続箇所においてはベース1の剛性を確保し、漏水を防止できる。
また、パワー半導体装置100において、縁部1aは電子回路部2を囲むように配設されており、突起1bは凹部1dの内壁の対向する側面に1つずつ以上配設されている(図3参照)。そのため、パワー半導体装置100の製造時、突起1bの間に電子回路部2をはめ込むことで、電子回路部2の位置決めを行うことができる。電子回路部2とベース1とをはんだ付けする際に別途の位置決め冶具等の用意や取付け、取外しが不要となり、製造コストや製造時間を削減できる。
突起1bを備えずに、ただ単に凹部1dの内壁を用いて電子回路部2の位置決めをした場合は、電子回路部2の角部と凹部1dの角部とが近くなる(参照:図3(b)の距離X3が小さくなる)ことがある。電子回路部2の角部と凹部1dの角部とが近い場合、前記のようにパワー半導体装置100に温度負荷が作用する際、電子回路部2の角部近傍においてベース1が熱変形しにくくなる分、はんだ11への負荷が増加し、はんだ11の熱疲労寿命の確保が課題となる。これに対し、パワー半導体装置100においては、突起1bを設けることで、はんだ11の寿命確保に必須な電子回路部2の角部と凹部1dの角部との距離を確保する。
以上の効果を、図4〜図10を参照しながらより詳細に説明する。
パワー電子回路部100による効果を確認するために、本発明者は、図4に示すモデル部材150を作製した。図4(b)には、図4(a)のC−C線断面図を示している。モデル部材150は、IGBT素子2aと、ダイオード素子2bと、基板上面導体層2dと、絶縁基板2eと、基板下面導体層2gと、はんだ11と、底部1c(ベース)を備える。モデル部材150の基板上面導体層2dと基板下面導体層2gの材質は銅であり、絶縁基板2eの材質は窒化珪素である。ベースの材質はアルミニウムである。
本発明者は、モデル部材150を対象に、はんだ11の寿命について検討した。図5は、モデル部材150全体の温度を125℃から−40℃まで変化させた場合の変形を有限要素法による熱応力解析により計算し、−40℃での変形形状を、変形量を10倍に拡大して示したものである。
図6に、ベース底部1cの厚さとはんだ11の疲労寿命との関係を示す。図6は、図5の熱応力解析結果から、はんだ11の塑性ひずみを取得して疲労寿命に換算し、ベース厚さ3mmの場合のはんだ寿命を1として正規化したもの(寿命比)である。
図6に示すように、ベース底部1cの厚さが2mmのとき、3mmの場合と比較して、寿命が20%向上する。また、厚さが1mmのとき、3mmの場合と比較して、寿命が60%向上する。このように、ベース底部1cを薄肉化すればするほど、はんだ寿命が向上する。
次に、本発明者は、パワー半導体装置100におけるベース1と冷却ジャケット4との間を通流する冷媒の漏出防止効果について検討した。まず、本発明者は、図7に示すモデル部材160を作製した。図7(c)は、図7(a)のD−D線断面図を示している。モデル部材160は、基板上面導体層2dと、絶縁基板2eと、基板下面導体層2gと、はんだ11と、ベース1を備える。また、冷却ジャケットに固定するためのボルト穴8を併せて示している。モデル部材150の基板上面導体層2dと基板下面導体層2gの材質は銅であり、絶縁基板2eの材質は窒化珪素である。ベースの材質はアルミニウムである。
前述したように、ベースを薄肉化することで、はんだ寿命を向上できる。しかし、ただ単にベースを薄肉化するとベースの剛性が低下する。特に前記したようにパワー半導体装置100においては、ベース1の下面から冷媒の圧力が負荷されが、ベースの剛性を確保するため、図1や図7に示す縁部1aを設けることで、冷媒圧力に対するベース1の反りを抑制し、冷媒の漏出を防止することができる。
図8は図7に示すモデル部材160のベース1下面から水圧を負荷する有限要素解析を実施し、ベース1の縁部1aでの最大の反り量を比較したものである。横軸は、ベース縁部1aの厚さT1(図7参照)であり、縦軸は、縁部1aの厚さT1が2mmのときの反り量を1として正規化したもの(反り量比)を示している。
図8に示すように、縁部1aの厚さT1が5mmのとき、2mmの場合と比較して反り量が50%に低減される。T1が6mmのとき、2mmの場合と比較して反り量が38%に低減される。T1が7mmのとき、2mmの場合と比較して反り量が26%に低減される。T1が8mmのとき、2mmの場合と比較して反り量が18%に低減される。このように、ベース底部を薄肉化しても、縁部1aの厚さT1を厚くすることで、反り量を大幅に低減できる。
次に、本発明者は、モデル部材160を対象に、パワー半導体装置100のはんだ11の寿命について検討した。前述したように、ベース底部1cを薄肉化し縁部1aを厚肉化することで、はんだ寿命を向上し、かつ冷媒の漏出を防止することができる。しかし、ただ単に電子回路部2の近くにベース縁部1aを配設すると、パワー半導体装置100に温度負荷が作用する際に、電子回路部2の角部近傍においてベース1が熱変形しにくくなる分、はんだ11への負荷が増加する。したがって、はんだ11の熱疲労寿命の確保が課題となる。これに対し、図3に示した突起1bを設けることで、電子回路部2と縁部1aとの距離を確保し、はんだ寿命を向上することができる。
図9は、モデル部材160全体の温度を125℃から−40℃まで変化させた場合の変形を有限要素法による熱応力解析により計算し、−40℃での変形形状を、変形量を10倍に拡大して示したものである。
図10に、電子回路部2とベース1の縁部1aとの距離(図7(b)(c)のX4)と、はんだ11の疲労強度との関係を示す。図10は、図9の熱応力解析結果から、はんだ11の塑性ひずみを取得して疲労寿命に換算し、距離X4が3mmの場合のはんだ寿命を1として正規化したもの(寿命比)である。
図10に示すように、電子回路部2と縁部1aとの距離X4が6mmのとき、3mmの場合と比較して、寿命が40%向上する。また、距離X4が9mmのとき、3mmの場合と比較して、寿命が60%向上する。このように、電子回路部2と縁部1aとの距離を大きくすればするほど、はんだ寿命が向上する。
[2.第2実施例]
次に、図11を参照しながら、第2実施例に係るパワー半導体装置200を説明する。なお、図1に示すパワー半導体装置100と同様の部材については同様の符号を付すものとし、その詳細な説明は省略する。
パワー半導体装置200においては、パワー半導体装置100における突起1bに勾配が付いている。
このように突起1bに勾配を付けることで、凹部1dを鋳造等で製造する場合に、型が抜きやすくなり生産性が向上する。さらに、図11(b)に示すように、突起1bと基板上面導体層との距離X5が大きくなり、電気的絶縁耐力が向上する。
[3.第3実施例]
次に、図12を参照しながら、第3実施例に係るパワー半導体装置300を説明する。なお、図1に示すパワー半導体装置100と同様の部材については同様の符号を付すものとし、その詳細な説明は省略する。
パワー半導体装置300においては、パワー半導体装置100における凹部1dの角部に、凹部1dと一体かつ同じ深さの円形凹部1fを備える。
このように凹部1dの角部に円形凹部1fを備えることで、凹部1dを機械加工で削り出す場合、大きな加工ツールでも角部を加工しやすくなり、製造速度が向上する。さらに、電子回路部2を取り付けた場合、電子回路部2とベース縁部1aとの距離(パワー半導体装置100における、図3(b)のX2に相当する距離)が長くなり、はんだの熱疲労寿命が向上する。
[4.第4実施例]
次に、図13を参照しながら、第4実施例に係るパワー半導体装置400を説明する。なお、図1に示すパワー半導体装置100と同様の部材については同様の符号を付すものとし、その詳細な説明は省略する。
パワー半導体装置400においては、ベース1の底部1cに、第2凹部1gを備える。第2凹部1gの外形は、接合前のはんだ11よりも大きくとる。これにより、電子回路部2をベース1にはんだ接続する際には、第2凹部1gで囲まれる空間内にはんだ11を入れ込むことができ、はんだ11を位置決めできる。パワー半導体装置100は、突起1bを備えることで、製造時の電子回路部2の位置決めをしやすくしているが、パワー半導体装置400では、突起1bでの位置決めに加え、第2凹部1gによってはんだ11の位置決めもできるため、位置決めが容易になり、製造性が向上する。
[5.第5実施例]
次に、図14を参照しながら、第4実施例に係るパワー半導体装置500を説明する。なお、図1に示すパワー半導体装置100と同様の部材については同様の符号を付すものとし、その詳細な説明は省略する。
パワー半導体装置500においては、突起1bが角柱形状である。パワー半導体装置100の突起形状は機械加工で削り出しのしやすい加工性に優れた形状である。一方、パワー半導体装置500の突起は、絶縁基板2eと接触する場合に点ではなく面で接触するため、絶縁基板2eを傷つけにくい形状である。従って、絶縁基板2eの割れ等を防止できる。
[6.変形例]
前記した5つの実施例の他にも、本発明の要旨を損なわない範囲で前記実施例を適宜変形することが実施可能である。
例えば、冷却フィン1eの構成は図1に図示したピン形状に何ら限定されず、放熱を効率よく行える限り、任意の形状にすることができる。
電子回路部2の構成も前記の実施例に何ら限定されず、任意の電子回路部を同様に適用可能である。また、電極7の数も同様に任意に設定すればよい。
1 ベース
1a 縁部
1b 突起
1c 底部
1d 凹部
1e 冷却フィン
1f 円形凹部1f
1g 第2凹部
2 電子回路部
2a IGBT素子
2b ダイオード素子
2c 素子下はんだ
2d 基板上面導体層
2e 絶縁基板
2f 配線
2g 基板下面導体層
4 冷却ジャケット
5 シール部材
6 樹脂ケース
7 電極
8 ボルト穴
9 封止材
11 はんだ

Claims (8)

  1. ベースと、前記ベースに配設される電子回路部と、前記電子回路部を冷却する冷却フィンとを備えるパワー半導体装置であって、
    前記ベースには凹部が設けられ、前記凹部の内壁には突起が設けられ、
    前記電子回路部が絶縁基板と金属製導体層を備え、前記金属製導体層が2つ以上の領域に分割されており、
    前記突起が、前記金属導体層の分割箇所に近い位置において、前記絶縁基板の側面と接触している
    ことを特徴とするパワー半導体装置。
  2. 請求項1に記載のパワー半導体装置であって、
    前記突起が凹部の内壁の各側面に設けられる
    ことを特徴とするパワー半導体装置。
  3. 請求項1または2に記載のパワー半導体装置であって、
    前記電子回路部が前記凹部に囲まれる空間内部に配設されている
    ことを特徴とするパワー半導体装置。
  4. 請求項1〜3のいずれか1項に記載のパワー半導体装置であって、
    前記凹部の底部の厚さが2mm以下である
    ことを特徴とするパワー半導体装置。
  5. 請求項1〜4のいずれか1項に記載のパワー半導体装置であって、
    前記凹部に囲まれる空間にゲルが充填されている
    ことを特徴とするパワー半導体装置。
  6. 請求項1〜5のいずれか1項に記載のパワー半導体装置であって、
    前記電子回路部が、前記ベースに対してはんだを介して固定されている
    ことを特徴とするパワー半導体装置。
  7. 請求項1〜6のいずれか1項に記載のパワー半導体装置であって、
    前記突起に勾配がある
    ことを特徴とするパワー半導体装置。
  8. 請求項1〜7のいずれか1項に記載のパワー半導体装置であって、
    前記ベースが、アルミニウムを含む部材である
    ことを特徴とするパワー半導体装置。
JP2013014974A 2013-01-30 2013-01-30 パワー半導体装置 Active JP6138500B2 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013014974A JP6138500B2 (ja) 2013-01-30 2013-01-30 パワー半導体装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013014974A JP6138500B2 (ja) 2013-01-30 2013-01-30 パワー半導体装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2014146723A JP2014146723A (ja) 2014-08-14
JP6138500B2 true JP6138500B2 (ja) 2017-05-31

Family

ID=51426727

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2013014974A Active JP6138500B2 (ja) 2013-01-30 2013-01-30 パワー半導体装置

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6138500B2 (ja)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017199829A (ja) * 2016-04-28 2017-11-02 日産自動車株式会社 パワーモジュール構造
KR101914927B1 (ko) * 2016-09-08 2018-11-05 주식회사 이지트로닉스 전력용 반도체의 냉각 모듈
CN107219232B (zh) * 2017-04-07 2020-03-17 江苏理工学院 一种可自动检测栅极腐蚀装置
JP7059714B2 (ja) * 2018-03-15 2022-04-26 三菱電機株式会社 電力変換装置及び電力変換装置の製造方法
WO2020245880A1 (ja) * 2019-06-03 2020-12-10 三菱電機株式会社 半導体モジュールおよび電力変換装置
JP7270743B2 (ja) * 2019-07-26 2023-05-10 三菱電機株式会社 半導体モジュール
JP2021111669A (ja) * 2020-01-08 2021-08-02 三菱電機株式会社 半導体装置および電力変換装置
US20230076271A1 (en) * 2020-01-28 2023-03-09 Kyocera Corporation Electronic component mounting package and electronic device

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61172393A (ja) * 1985-01-26 1986-08-04 イビデン株式会社 電子部品搭載用基板およびその製造方法
JPS6442135A (en) * 1987-08-07 1989-02-14 Mitsubishi Electric Corp Semiconductor device
JP2518775Y2 (ja) * 1989-04-05 1996-11-27 富士電機株式会社 半導体装置
JPH0629421A (ja) * 1992-07-09 1994-02-04 Ibiden Co Ltd 電子部品搭載用基板
JPH07202354A (ja) * 1993-12-28 1995-08-04 Sony Corp プリント基板
JPH09121018A (ja) * 1995-10-26 1997-05-06 Hitachi Ltd 半導体装置
JP3301577B2 (ja) * 1996-02-22 2002-07-15 日本特殊陶業株式会社 電子部品用パッケージ
JP2000049253A (ja) * 1998-07-31 2000-02-18 Nakatogawa Giken:Kk 電子部品用パッケージ及びその製造法
JP3578335B2 (ja) * 2000-06-29 2004-10-20 株式会社デンソー 電力用半導体装置
JP4172767B2 (ja) * 2003-02-25 2008-10-29 京セラ株式会社 配線基板
JP4037777B2 (ja) * 2003-03-10 2008-01-23 東京エレクトロン株式会社 基板搬送装置
JP2007266086A (ja) * 2006-03-27 2007-10-11 Toyota Motor Corp 半導体装置およびその製造方法
JP4989552B2 (ja) * 2008-05-08 2012-08-01 トヨタ自動車株式会社 電子部品
US20100148357A1 (en) * 2008-12-16 2010-06-17 Freescale Semiconductor, Inc. Method of packaging integrated circuit dies with thermal dissipation capability
JP5588956B2 (ja) * 2011-11-30 2014-09-10 株式会社 日立パワーデバイス パワー半導体装置

Also Published As

Publication number Publication date
JP2014146723A (ja) 2014-08-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6138500B2 (ja) パワー半導体装置
JP5588956B2 (ja) パワー半導体装置
JP4450230B2 (ja) 半導体装置
JP6257478B2 (ja) 電力用半導体装置
US10163752B2 (en) Semiconductor device
JP2012256746A (ja) 半導体装置
JP2014183058A (ja) パワー半導体モジュール
JP7040032B2 (ja) 半導体装置
JP5836298B2 (ja) 半導体装置
CN111373527B (zh) 半导体装置
JP6948855B2 (ja) パワー半導体装置及びそれを用いた電力変換装置
WO2013118275A1 (ja) 半導体装置
JP6200759B2 (ja) 半導体装置およびその製造方法
JP5101971B2 (ja) 半導体装置
JP2009170645A (ja) 電力変換装置及びその製造方法
JP7059714B2 (ja) 電力変換装置及び電力変換装置の製造方法
JP5125530B2 (ja) 電力変換装置
US10251256B2 (en) Heat dissipating structure
JP6488658B2 (ja) 電子装置
KR101443970B1 (ko) 전력 모듈 패키지
JP5687928B2 (ja) 半導体装置
JP2010087367A (ja) 半導体装置の製造方法
JP6603868B2 (ja) コンデンサとこのコンデンサの製造方法
JP2022050058A (ja) 半導体装置及び半導体装置の製造方法
JP2017063162A (ja) 半導体装置

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20150225

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20150225

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20160215

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20160223

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20160420

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20160906

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20161102

RD02 Notification of acceptance of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422

Effective date: 20170110

RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20170112

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20170405

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20170426

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6138500

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

S533 Written request for registration of change of name

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350