JP6522241B2 - 電力用半導体装置および電力用半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
基板と、
前記基板に接合された裏面と、第1主電極が設けられた表面と、を有する半導体素子と、
導電性接合層を介して前記半導体素子の表面に接合されて前記第1主電極に電気的に接続された電極側接合部を有する板状の第1主端子と、を備え、
前記第1主端子の電極側接合部は、その厚さ方向に沿って延び且つ前記半導体素子の表面に対向して設けられた、突起部および貫通孔を有する。
図1A、図1B、図1Cは、本発明の実施の形態1による電力用半導体装置1000を示す斜視図である。電力用半導体装置1000は、6つの半導体モジュール101,102,103,104,105,106を備えている。半導体モジュール101〜106は、ヒートシンク110の上に接合されている。ヒートシンク110の上には、長さ方向Yに延びる端子台120が固定されている。
基板10は、絶縁層11と、表面導体層12と、裏面導体層13とを有する(図3を参照)。基板10の裏面は、第1接合層61を介してヒートシンク110の表面に接合されている。具体的には、裏面導体層13の裏面が、ヒートシンク110の表面に接合されている。
実施形態1で、半導体素子21はIGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)であり、半導体素子22はFWD(フリーホイールダイオード)である。半導体素子21,22は、MOSFET(金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ)など、他の半導体素子であってもよい。
第1主端子30は、板状である。第1主端子30は、幅方向Xに延びる電極部31と、電極部31から主回路配線51に向かって延びる略L字状の配線部32とを有する。第1主端子30は、電極部31と配線部32との間、および、配線部32の途中(L字の角部)で折り曲げられている。第1主端子30の例示的な厚さは、約0.2mm以上約1.0mm以下である。第1主端子30の厚さは、小さいほど、通電時に半導体素子21,22に加わる熱応力を小さくすることができる一方、大きいほど、通電時に発生するジュール熱を小さくすることができることに鑑みて、適切な値に設定される。
第2主端子40は、板状である。第2主端子40は、電極部41と、電極部41から主回路配線54に向かって延びる略L字状の配線部42とを有する。第2主端子40は、電極部41と配線部42との間、および、配線部42の途中(L字の角部)で折り曲げられている。第2主端子40の例示的な厚さは、約0.2mm以上約1.0mm以下である。第2主端子40の厚さは、第1主端子30の厚さと同様に、小さいほど、通電時に半導体素子21,22に加わる熱応力を小さくすることができる一方、大きいほど、通電時に発生するジュール熱を小さくすることができることに鑑みて、適切な値に設定される。
図5に示すように、主回路配線51〜55は、端子台120に固定されており、電力用半導体装置1000の外部へ導出されている。図1D、図5に示すように、主回路配線51〜55は、それぞれ平板形状を有し、互いに所定の間隔を隔てて平行に配置されている。主回路配線51〜55は、端子台120に設けられた切欠部121,122から露出している。上述のとおり、主回路配線51には、半導体モジュール101〜103の第1主端子30が接合されている。主回路配線52,53,54には、それぞれ半導体モジュール103,101,103の第2主端子40が接合されている。図示していないが、主回路配線52,53,54には、半導体モジュール106,104,105の第2主端子40も接合されている。主回路配線55には、半導体モジュール104〜106の第1主端子30が接合されている。
端子台120は、PPS(ポリフェニレンサルファイド)、液晶樹脂、フッ素系樹脂などの樹脂でできていてもよい。端子台120は、シリコーン系の柔らかい接着剤でヒートシンク110の表面に接合されていてもよいし、ヒートシンク110にねじ穴を設けてボルトによりヒートシンク110に固定されてもよい。
ヒートシンク110は、これに限定されないが直方体形状を有している。ヒートシンク110の例示的な大きさは、350mm×200mm×50mmである。ヒートシンク110は、基板10の裏面に第1接合層61を介して接合された天板111と、天板111に取り付けられた複数の放熱フィン112と、水などの冷媒が流通する冷媒ジャケット113とを有する。冷媒ジャケット113は、外部のラジエータへ冷媒を循環させるための入口部114と出口部115を有する。
第1接合層61は、ヒートシンク110と半導体モジュール101の基板10との間に設けられている。第1接合層61を構成する接合材は、Alでできているヒートシンク110への直接の接合を可能とするAl−Siろう材であってもよいし、Sn系はんだ材であってもよい。ここで、本明細書において、Sn系はんだ材は、Sn(錫)を主成分とするはんだ材であって、例えばAg(銀)、Cu(銅)、Bi(ビスマス)、In(インジウム)、Sb(アンチモン)またはPb(鉛)が添加されたものを指す。以下、例えばSnにCuが添加されたSn系はんだ材をSn−Cuはんだ材、のように示す。
図7に示すように、電力用半導体装置1000の例示的な製造方法は、基板を準備するステップ1001、ヒートシンク110の表面に端子台120を固定するステップ1002、ヒートシンク110の表面に接合材を用いて基板10を接合し、第1接合層61を形成するステップ1003、基板10の表面に接合材を用いて半導体素子21,22を接合し、第2接合層62を形成するステップ1004、半導体素子21,22の表面21a,22aおよび主回路配線に接合材を用いて第1主端子30を接合して第3、第4接合層63,64を形成するステップ1005、および、基板10の表面導体層12および主回路配線に接合材を用いて第2主端子40を接合し、第5、第6接合層65,66を形成するステップ1006を含む。
本実施形態1の効果について具体的に説明する。まず、本実施形態1に係る電力用半導体装置1000において想定される課題を説明する。
図8は、本発明の実施の形態2に係る電力用半導体装置を示す斜視図である。本実施形態2の説明および図面では、実施形態1と同一または対応する構成には同じ符号を付して、当該構成の説明を省略する。
図9は、本発明の実施の形態3に係る電力用半導体装置を示す斜視図である。本実施形態3の説明および図面では、実施形態1,2と同一または対応する構成には同じ符号を付して、当該構成の説明を省略する。
本実施形態4の説明では、実施形態1から3と同一または対応する構成には同じ符号を付して、当該構成の説明を省略する。
本実施形態5の説明では、実施形態1から4と同一または対応する構成には同じ符号を付して、当該構成の説明を省略する。
本実施形態6の説明では、実施形態1から5と同一または対応する構成には同じ符号を付して、当該構成の説明を省略する。
一般的に、はんだ材の供給方法として、還元作用をもつフラックスに微小なはんだボールを含浸させたクリームはんだを印刷する方法、または、ディスペンサを用いてクリームはんだを塗布する方法が知られている。
一般的に、フラックスレスはんだ材の加熱方法として、1)リフロー槽に熱風を送り込む雰囲気加熱方式、2)加熱ブロックからワークへの伝熱方式、および、3)ハロゲンランプなど赤外線を用いた輻射熱方式の3つの方式が主として存在する。
上述のとおり、フラックスレスはんだ材の加熱方法として赤外線光源(ハロゲンランプなど)による輻射熱方式を用いた場合、受熱面を構成する材料の種類、面の粗さ、材料の酸化度によって放射率が大きく異なるところ、放射率の大きさによっては効率良く熱伝達できない場合がある。また、上述のとおり、第4、第6接合層64,66を挟んで、Cu、Alなどの材料で作られた第1、第2主端子30,40と、PPS、液晶樹脂、フッ素系樹脂などの樹脂材料で作られた端子台120とが存在する。
Claims (7)
- 基板と、
前記基板に接合された裏面と、第1主電極が設けられた表面と、を有する半導体素子と、
導電性接合層を介して前記半導体素子の表面に接合されて前記第1主電極に電気的に接続された電極側接合部を有する板状の第1主端子と、を備え、
前記第1主端子の電極側接合部は、その厚さ方向に沿って延び且つ前記半導体素子の表面に対向して設けられた、突起部および貫通孔を有する、電力用半導体装置であって、
前記基板は、導体層を有し、
前記半導体素子は、該半導体素子の裏面に設けられ且つ前記基板の導体層に接合された板状の第2主電極を有し、
前記電力用半導体装置には、導電性接合層を介して前記基板の導体層に接合されて前記半導体素子の第2主電極に電気的に接続された電極側接合部、を有する第2主端子がさらに備えられ、
前記第2主端子の電極側接合部は、その厚さ方向に沿って延び、前記導体層に対向する突起部および貫通孔を有し、
前記電力用半導体装置の外部へ導出された第2主回路配線をさらに備え、
前記第2主端子は、導電性接合層を介して前記第2主回路配線に接合された配線側接合部を有し、
前記第2主端子の配線側接合部は、その厚さ方向に沿って延び、前記導体層に対向する突起部および貫通孔を有し、
前記第1主端子の電極側接合部、前記第1主端子の配線側接合部、前記第2主端子の電極側接合部および前記第2主端子の配線側接合部のうち少なくとも1つに設けられた貫通孔は、前記厚さ方向に垂直な方向に開口して溝部を形成している、
電力用半導体装置。 - 前記半導体素子は、第1半導体素子であり、
前記電力用半導体装置には、前記基板の導体層に接合された第3主電極が設けられた裏面と、前記第1主電極の電極側接合部に接合された第4主電極が設けられた表面と、を有する第2半導体素子が備えられている、
請求項1に記載の電力用半導体装置。 - 基板を準備するステップと、
前記基板に半導体素子を接合するステップと、
前記半導体素子の上にバルクはんだ材を介して板状の主端子を配置するステップと、
前記バルクはんだ材を加熱して、前記半導体素子と前記主端子とを接合するステップと、を含み、
前記主端子は、その厚さ方向に沿って延び且つ前記半導体素子の表面に対向して設けられた、突起部および貫通孔を有し、
前記主端子を配置するステップでは、前記バルクはんだ材を前記突起部に対して固定する、
請求項1または2に記載の電力用半導体装置の製造方法。 - 前記半導体素子を接合するステップでは、前記バルクはんだ材よりも降伏応力または0.2%耐力が大きい焼結性接合材を用いて、前記基板に前記半導体素子を接合する、
請求項3に記載の電力用半導体装置の製造方法。 - 前記半導体素子を接合するステップでは、前記バルクはんだ材よりも降伏応力または0.2%耐力が大きいSn−Sbはんだ材を用いて、前記基板に前記半導体素子を接合する、
請求項3に記載の電力用半導体装置の製造方法。 - 前記バルクはんだ材は、シート状のフラックスレスはんだ材である、
請求項3から5のいずれか1項に記載の電力用半導体装置の製造方法。 - 前記主端子は、主回路配線に接合され、
前記基板をヒートシンクの上に接合するステップと、
前記ヒートシンクの上に、前記主回路配線が固定された樹脂製の端子台を固定するステップとをさらに含み、
前記端子台は、金属製の端子台カバーで覆われており、
前記端子台カバーは、前記主端子を構成する材料と同一の放射率を有し、
前記半導体素子と前記主端子とを接合するステップでは、輻射熱により前記バルクはんだ材を加熱する、
請求項3から6のいずれか1項に記載の電力用半導体装置の製造方法。
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