JP6391527B2 - パワー半導体モジュール - Google Patents

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Description

この発明は、パワー半導体モジュールのケース共有化技術に関する。
パワー半導体モジュールは、ベース板と、ベース板上の絶縁基板と、絶縁基板上の半導体チップと、これらを収容するケースとを備えている。
半導体チップの実装面積はその電流容量によって異なり、電流容量が大きい半導体チップはその実装面積が大きく、電流容量が小さい半導体チップはその実装面積が小さい。そして、ベース板は半導体チップから発せられる熱を放出する役割を担っている。そこで、電流容量が小さく実装面積が小さい半導体チップを使用するパワー半導体モジュールにおいては、放熱能力の観点からいえば、ベース板の面積も小さくすることができる。これにより、ベース板の材料を削減することができる。
ところが、ベース板の面積に合わせてケースのサイズを変えていては、ケースの種類が増加し、ケースの生産性が悪化する。
そこで、様々なサイズのベース板に対して同じサイズのケース(パッケージ)を用いるため、ベース板とケースの間にスペーサーを配置する方法が提案されている(例えば特許文献1)。
特開平06−188363号公報
特許文献1のパワー半導体モジュールでは、ベース基板の側面とスペーサーの側面とが接着剤で接合されている。そのため、接合力が弱いという問題点があった。
本発明は上述の問題点に鑑み、異なるサイズのベース板に対してケースを共用でき、ベース板の安定性が高いパワー半導体モジュールの提供を目的とする。
本発明のパワー半導体モジュールは、ベース板と、ベース板の第1主面上に配置された絶縁基板と、絶縁基板上に配置された半導体チップと、ベース板の第1主面に対向する第2主面を除き、ベース板、絶縁基板及び半導体チップを囲繞するケースと、ベース板の外周とケースの内周との間に、両者に接して設けられるスペーサーと、を備え、スペーサーは、ベース板の外周との接触において、ベース板の側面及び第1主面との接合面を有する。
本発明のパワー半導体モジュールは、ベース板と、ベース板の第1主面上に配置された絶縁基板と、絶縁基板上に配置された半導体チップと、ベース板の第1主面に対向する第2主面を除き、ベース板、絶縁基板及び半導体チップを囲繞するケースと、ベース板の外周とケースの内周との間に、両者に接して設けられるスペーサーと、を備え、スペーサーは、ベース板の外周との接触において、ベース板の側面及び第1主面との接合面を有する。従って、スペーサーがベース板の側面とのみ接合される場合に比べて、その接合強度を高くすることができる。
比較例のパワー半導体モジュールの上面図である。 比較例のパワー半導体モジュールの断面図である。 実施の形態1のパワー半導体モジュールの上面図である。 実施の形態1のパワー半導体モジュールの断面図である。 実施の形態2のパワー半導体モジュールの断面図である。 実施の形態3のパワー半導体モジュールの断面図である。 実施の形態4のパワー半導体モジュールの断面図である。
<A.比較例>
図1,2はそれぞれ、本発明に対する比較例1,2のパワー半導体モジュールの上面図を示している。各パワー半導体モジュールは、ベース板2と、ベース板2上に配置された絶縁基板3と、絶縁基板3上に配置された半導体チップ4と、ベース板2、絶縁基板3及び半導体チップ4を囲繞するケース1とを備えている。
図2に示すパワー半導体モジュールの半導体チップは、図1に示す半導体チップよりも電流容量が小さく、そのため面積が小さい。にもかかわらず、図1に示すパワー半導体モジュールにおけると同じケース1及び同じベース板2を使用すると、半導体チップ4が実装されない余剰領域がベース板2に出来てしまう。図2に示すベース板2のうち、点線枠5の外側部分が余剰領域である。
<B.実施の形態1>
<B−1.構成>
半導体チップ4の実装面積に合わせてベース板2の面積を縮小すれば、ベース板2の余剰領域をなくして材料を削減することができる。
また、ベース板2の面積を縮小した分生じたスペースにスペーサーを配置すれば、様々な寸法のベース板2に対して同じサイズのケース1を使用してパワー半導体モジュールを製造することができる。
そこで、本発明の実施の形態1では、ベース板2の面積を、半導体チップ4の電流容量に応じて縮小し、縮小した分生じたスペースにスペーサー6を配置することにより、様々な寸法のベース板2に対して同じサイズのケース1を使用してパワー半導体モジュールを製造することを可能にする。
図3は、実施の形態1のパワー半導体モジュールの上面図を示し、図4は実施の形態1のパワー半導体モジュールの断面図を示している。実施の形態1のパワー半導体モジュールは、ベース板2と、ベース板2の第1主面2A上に配置された絶縁基板3と、絶縁基板3上に配置された半導体チップ4と、ベース板2の第1主面2Aに対向する第2主面2Bを除き、ベース板2、絶縁基板3及び半導体チップ4を囲繞するケース1と、ベース板2の外周とケース1の内周との間に両者に接して設けられたスペーサー6とを備える。
スペーサー6を設けることにより、ベース板2に対して大きいサイズのケース1を用いてパワー半導体モジュールを製造することが出来る。従って、様々なサイズのベース板2に対して同一サイズのケース1を使用することが出来る。これにより、ベース板2の材料を削減しつつも、ケース1の生産性を高くすることができる。
図4に示すように、スペーサー6は、ケース1及びベース板2に引っかかる形状である。すなわち、スペーサー6は、ベース板2に対しその側面2C及び第1主面2Aとの接触面を有し、ケース1に対しても2面以上の接触面を有する。そして、スペーサー6はケース1及びベース板2に対し、当該接触面において接着剤8により接合される。このように、スペーサー6はベース板2に対しその側面2Cに加えて第1主面2Aとも接合するため、ベース板2の側面2Cにのみ接合する場合に比べて接合強度が高い。また、スペーサー6はケース1とも2つ以上の面で接触するので、ケース1との接合強度も高い。
図4では示していないが、スペーサー6上に回路を構成しても良い。しかし、スペーサー6上に回路を構成しない場合には、スペーサー6の寸法が回路基板の大きさに限定されることがないため、ベース板2のサイズに応じてスペーサー6のサイズを柔軟に変更できるという利点がある。
<B−2.スペーサー>
スペーサー6の素材には、例えば樹脂を用いる。しかし、線膨張係数が大きい樹脂でベース板2の周囲を囲うと、温度変化による樹脂の膨張又は収縮によりモジュールに反りが発生する場合がある。
これに対して、スペーサー6の素材に樹脂より線膨張係数が小さい素材、例えばセラミック等を使用すれば、モジュールの反りを軽減することが出来る。
また、スペーサー6の素材にゴムを用いると、パワー半導体モジュールを冷却フィンに固定する際、熱履歴によりモジュールに反りが発生していても、ゴム素材の弾性によりパワー半導体モジュールを冷却フィンに密着させることが出来るため、接触熱抵抗の悪化を低減することが出来る。
また、スペーサー6の素材に多孔質材料を用いると、多孔質材料は樹脂に比べて軽量であるため、パワー半導体モジュールの軽量化を図ることができる。
<B−3.効果>
実施の形態1のパワー半導体モジュールは、ベース板2と、ベース板2の第1主面上に形成された絶縁基板3と、絶縁基板3上に形成された半導体チップ4と、ベース板2の第1主面2Aに対向する第2主面2Bを除き、ベース板2、絶縁基板3及び半導体チップ4を覆うケース1と、ベース板2の側面2Cとケース1との間に、両者に接して設けられるスペーサー6と、を備え、スペーサー6は、ベース板2の側面2C及び第1主面2Aとの接合面を有する。従って、スペーサー6がベース板2の側面2Cとのみ接合される場合に比べて、スペーサー6とベース板2との接合強度を高めることができる。
また、スペーサー6は、上記接合面において接着剤8でベース板2と接合されるので、ベース板2と高い強度で接合される。
また、スペーサー6は、ケース1と2つ以上の面で接合されるので、1つの面のみで接合される場合に比べて、スペーサー6とケース1との接合強度を高めることができる。
また、スペーサー6がセラミックからなる場合、セラミックは樹脂よりも線膨張係数が小さい素材であるため、温度変化によるパワー半導体モジュールの反りを軽減することが出来る。
また、スペーサー6がゴムからなる場合は、パワー半導体モジュールを冷却フィンに固定する際、熱履歴によりパワー半導体モジュールに反りが発生していても、ゴム素材の弾性によりパワー半導体モジュールを冷却フィンに密着させることが出来るため、接触熱抵抗の悪化を低減することが出来る。
また、スペーサー6は多孔質材からなる場合は、パワー半導体モジュールを軽量化することが出来る。
<C.実施の形態2>
<C−1.構成>
図5は、実施の形態2のパワー半導体モジュールの断面図を示している。実施の形態2のパワー半導体モジュールは、インテリジェントパワーモジュール(IPM)であって、実施の形態1のパワー半導体モジュールの構成に加え、電極10及び制御基板を備えている。電極10は、半導体チップ4とワイヤ7でボンディングされ、制御基板9は電極10と電気的に接続されている。
制御基板9は、半導体チップ4の駆動回路等の制御回路を搭載した基板である。制御基板9は、ケース1の内部において半導体チップ4の上方に設けられており、実施の形態2のパワー半導体モジュールは、いわゆる2階建て構造のIPMである。
このように、制御基板9を半導体チップ4の上方に設ければ、スペーサー6の上面に制御基板9を設ける必要がない。そのため、制御回路の実装面積による制限を受けることなく、スペーサー6のサイズを任意に選択することが出来る。従って、放熱性及びコストの観点からベース板2の面積を最適化し、ベース板2の面積とケース1のサイズに応じてスペーサー6のサイズを決定することが出来る。
<C−2.効果>
実施の形態2のパワー半導体モジュールは、ケース1内部において半導体チップ4の上方に、半導体チップ4の制御基板9をさらに備えるので、制御回路の実装面積による制限を受けることなく、スペーサー6のサイズを任意に選択することが出来る。
<D.実施の形態3>
<D−1.構成>
図6は、実施の形態3のパワー半導体モジュールの断面図を示している。実施の形態3のパワー半導体モジュールは、スペーサー6の、ケース1及びベース板2との接合面が凹凸形状を有している他は、実施の形態1のパワー半導体モジュールと同様である。図6では、スペーサー6の接合面の凹凸形状を有する箇所を6A,6B,6C,6Dで示している。
このような構成によれば、接着剤8がスペーサー6の接合面に凹凸形状を形成することにより、凹凸形状の部分に接着剤8が入り込むため、接着面積を増やすことが出来る。そのため、スペーサー6とベース板2及びケース1との接着力が高まる。
なお、図6では、スペーサー6の水平方向(図6の左右方向)の接合面にのみ凹凸形状を形成しているが、スペーサー6の垂直方向(図6の上下方向)の接合面、例えばベース板2の側面2Cとの接合面に凹凸形状を形成しても良い。スペーサー6のベース板2との接合面のうち、少なくとも1つの面に凹凸形状が形成されていれば、スペーサー6とベース板2との接合力を高める効果を奏する。
<D−2.効果>
実施の形態3のパワー半導体モジュールでは、スペーサー6は、ベース板2との接合面のうち少なくとも1つの面に凹凸形状を有するので、凹凸形状の部分に接着剤8が入りこんで接着面積が増加し、スペーサー6とベース板2との接着力を高めることができる。
<E.実施の形態4>
<E−1.構成>
図7は、実施の形態4のパワー半導体モジュールの断面図を示している。実施の形態1〜3のパワー半導体モジュールでは、スペーサー6とケース1及びベース板2とは接着剤8で接合されたが、実施の形態4のパワー半導体モジュールでは、ネジ11A,11B,11C,11Dでこれらの接合を行う。この点以外の実施の形態4のパワー半導体モジュールの構成は、実施の形態1のパワー半導体モジュールの構成と同様である。
ネジ11A,11B,11C,11Dの頭部厚さは、薄い方が好ましい。また、ベース板2の付近には大電流が流れることがあるため、スペーサー6とベース板2とを接合するためのネジ11B、11Cは、絶縁性ネジであることが望ましい。
ネジで接合を行うことにより、接着剤8に比べてスペーサー6をベース板2及びケース1に対して強固に固定することが出来る。
なお、図7ではスペーサー6とケース1及びベース板2の双方との接合をネジで行っているが、スペーサー6とベース板2との接合をネジで行い、スペーサー6とケース1との接合を接着剤で行っても良い。この場合にも、スペーサー6とベース板2との接合強度を高めることが出来る。
<E−2.効果>
実施の形態4のパワー半導体モジュールでは、スペーサー6は、ベース板2との接合面において絶縁性ネジ11B,11Cでベース板2と接合される。従って、接着剤8に比べてスペーサー6をベース板2に強固に固定することが出来る。また、絶縁性を確保することができる。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
1 ケース、2 ベース板、2A 第1主面、2B 第2主面、2C 側面、3 絶縁基板、4 半導体チップ、6 スペーサー、7 ワイヤ、8 接着剤、9 制御基板、10 電極、11A,11B,11C,11D ネジ。

Claims (8)

  1. ベース板と、
    前記ベース板の第1主面上に配置された絶縁基板と、
    前記絶縁基板上に配置された半導体チップと、
    前記ベース板の前記第1主面に対向する第2主面を除き、前記ベース板、前記絶縁基板及び前記半導体チップを囲繞するケースと、
    前記ベース板の外周と前記ケースの内周との間に、両者に接して設けられるスペーサーと、を備え、
    前記スペーサーは、前記ベース板の前記外周との接触において、前記ベース板の側面及び前記第1主面との接合面を有する、
    パワー半導体モジュール。
  2. 前記スペーサーは、前記接合面において接着剤で前記ベース板と接合される、
    請求項1に記載のパワー半導体モジュール。
  3. 前記スペーサーは、前記接合面のうち少なくとも1つの面に凹凸形状を有する、
    請求項2に記載のパワー半導体モジュール。
  4. 前記スペーサーは、前記接合面において絶縁性ネジで前記ベース板と接合される、
    請求項1に記載のパワー半導体モジュール。
  5. 前記ケース内部において前記半導体チップの上方に、前記半導体チップの制御基板をさらに備える、
    請求項1又は2に記載のパワー半導体モジュール。
  6. 前記スペーサーは、前記ケースと2つ以上の面で接合される、
    請求項1から5のいずれか1項に記載のパワー半導体モジュール。
  7. 前記スペーサーはセラミックからなる、
    請求項1から6のいずれか1項に記載のパワー半導体モジュール。
  8. 前記スペーサーはゴムからなる、
    請求項1から6のいずれか1項に記載のパワー半導体モジュール。
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