JP6600172B2 - Power module semiconductor device, manufacturing method thereof, and inverter device - Google Patents
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Description
本実施の形態は、パワーモジュール半導体装置およびその製造方法、およびインバータ装置に関する。 The present embodiment relates to a power module semiconductor device, a manufacturing method thereof, and an inverter device.
現在多くの研究機関において、シリコンカーバイド(SiC:Silicon Carbide)デバイスの研究開発が行われている。SiCパワーデバイスの特長として、従来のSiパワーデバイスよりも低オン抵抗であり、高速スイッチングおよび高温動作などを挙げることができる。 Currently, many research institutions are conducting research and development of silicon carbide (SiC) devices. As a feature of the SiC power device, the on-resistance is lower than that of the conventional Si power device, and high-speed switching and high-temperature operation can be exemplified.
絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor)などの従来のSiパワーデバイスでは、動作可能な温度範囲が150℃程度までである。 In a conventional Si power device such as an insulated gate bipolar transistor (IGBT), the operable temperature range is up to about 150 ° C.
しかしながら、SiCパワーデバイスでは、理論的には、約600℃まで動作可能である。 However, the SiC power device can theoretically operate up to about 600 ° C.
従来のSiパワーモジュールでは、Siパワーデバイスのオン抵抗を下げるためにデバイス面積を大きくする必要があり、パワーモジュールの小型化に限界があった。 In the conventional Si power module, it is necessary to increase the device area in order to reduce the on-resistance of the Si power device, and there is a limit to downsizing the power module.
SiCパワーモジュールでは、SiCデバイスのオン抵抗が低いために面積の小さいデバイスでも大電流を導通することができ、SiCパワーモジュールの小型化が可能となる。 In the SiC power module, since the on-resistance of the SiC device is low, even a device with a small area can conduct a large current, and the SiC power module can be downsized.
これらのSiCパワーデバイスのパッケージには、ケース型が採用されていたり、特許文献1のようにトランスファモールド成形された半導体装置や、特許文献2のようにソケットを一体成型し、端子を圧入してプレスフィット垂直端子を形成するトランスファモールドについて開示されているものもある。
The package of these SiC power devices adopts a case type, a semiconductor device formed by transfer molding as in Patent Document 1, or a socket integrally molded as in
しかしながら、特許文献1に記載のように、トランスファモールド成形された半導体装置は、端子列がパッケージ部の外周面に対して水平方向に配置されるのが一般的であったため、小型化に不向きであるという問題があった。 However, as described in Patent Document 1, a transfer-molded semiconductor device is generally not suitable for miniaturization because the terminal rows are generally arranged in the horizontal direction with respect to the outer peripheral surface of the package portion. There was a problem that there was.
これに対し、特許文献2に記載の電力用半導体モジュールは、端子をモールド樹脂の表面に対して垂直方向に配置することによって、トランスファモールドモジュールの小型化を可能にしたものである。
On the other hand, the power semiconductor module described in
ところが、この電力用半導体モジュールは、樹脂モールド後に金属筒に外部端子を圧入させることによって、モールド樹脂の表面より垂直方向に外部端子を配置するようにしたものであるため、圧入時に荷重応力が加えられることや、使用中の振動などにより外部端子が金属筒から抜け落ちる端子抜けといった問題が懸念されていた。 However, in this power semiconductor module, the external terminals are press-fitted into the metal cylinder after resin molding so that the external terminals are arranged in a direction perpendicular to the surface of the mold resin. There is a concern that the external terminal may fall out of the metal tube due to being used or vibration during use.
本実施の形態は、小型化が可能であり、荷重応力による破損や端子抜けを改善できるパワーモジュール半導体装置およびその製造方法、およびこのパワーモジュール半導体装置を有するインバータ装置を提供する。 The present embodiment provides a power module semiconductor device that can be reduced in size and can improve breakage due to load stress and terminal loss, a method for manufacturing the power module semiconductor device, and an inverter device having the power module semiconductor device.
本実施の形態の一態様によれば、絶縁基板と、前記絶縁基板上に配置された銅プレート層の第1パターンと、前記第1パターン上に配置された半導体デバイスと、前記半導体デバイスと電気的に接続された電力系端子と、前記半導体デバイスと電気的に接続されると共に、前記絶縁基板の主表面に対して垂直方向に延伸して配置された信号系端子と、前記信号系端子を係止する第1の係止部材と、前記第1の係止部材の一部を露出させるようにして、前記半導体デバイスおよび前記絶縁基板を被覆する樹脂層とを備え、前記第1の係止部材は、その内部に樹脂を充填させるための送入穴と送出穴とを有し、前記送入穴は前記送出穴よりも大きいパワーモジュール半導体装置が提供される。 According to one aspect of the present embodiment, an insulating substrate, a first pattern of a copper plate layer disposed on the insulating substrate, a semiconductor device disposed on the first pattern, and the semiconductor device and the electrical A power system terminal connected electrically, a signal system terminal electrically connected to the semiconductor device and arranged extending in a direction perpendicular to a main surface of the insulating substrate, and the signal system terminal a first locking member for locking, the portion of the first engagement member so as to expose the said and a resin layer covering the semiconductor device and the insulating substrate, wherein the first locking The member has a feed hole and a feed hole for filling the inside thereof with a resin, and the power module semiconductor device is provided in which the feed hole is larger than the feed hole .
また、本実施の形態の他の態様によれば、上記のパワーモジュール半導体装置を複数有し、前記樹脂層は長手方向と短手方向とを有する平面視矩形状をしており、各パワーモジュール半導体装置をその短手方向に近接して配置したインバータ装置が提供される。 According to another aspect of the present embodiment, the power module includes a plurality of power module semiconductor devices, and the resin layer has a rectangular shape in plan view having a longitudinal direction and a short direction, and each power module An inverter device is provided in which a semiconductor device is arranged close to the short direction.
また、本実施の形態の他の態様によれば、絶縁基板上に配置された銅プレート層の第1パターン上に配置された半導体デバイスと、前記半導体デバイスと電気的に接続された電力系端子と、前記半導体デバイスと電気的に接続されると共に、前記絶縁基板の主表面に対して垂直方向に延伸して配置された信号系端子と、前記信号系端子を係止する第1の係止部材と、を含んで、前記絶縁基板の垂直方向に対向する両表面側を第1の金型および第2の金型により保持する第1の工程と、前記第1の金型および前記第2の金型内に樹脂を充填させ、前記第1の係止部材の一部を露出させるようにして、前記半導体デバイスおよび前記絶縁基板を被覆する樹脂層を形成する第2の工程とを有し、前記第1の係止部材は、その内部に樹脂を充填させるための送入穴と送出穴とを有し、前記送入穴を前記送出穴よりも大きく形成するパワーモジュール半導体装置の製造方法が提供される。 According to another aspect of the present embodiment, the semiconductor device disposed on the first pattern of the copper plate layer disposed on the insulating substrate, and the power system terminal electrically connected to the semiconductor device And a signal system terminal electrically connected to the semiconductor device and extending in a direction perpendicular to the main surface of the insulating substrate, and a first latch for latching the signal system terminal A first step of holding both surfaces facing each other in the vertical direction of the insulating substrate with a first mold and a second mold, and the first mold and the second mold. in in the mold is filled with resin, so as to expose a portion of said first locking member, have a second step of forming a resin layer covering the semiconductor device and the insulating substrate said first locking member, it is filled with the resin therein And a dispensing holes and because the feed Nyuana, the method for manufacturing power module semiconductor device the feed Nyuana formed larger than the dispensing holes is provided.
本実施の形態によれば、小型化が可能であり、荷重応力による破損や端子抜けを改善できるパワーモジュール半導体装置およびその製造方法、およびこのパワーモジュール半導体装置を有するインバータ装置を提供することができる。 According to the present embodiment, it is possible to provide a power module semiconductor device that can be miniaturized and that can improve breakage due to load stress and terminal disconnection, a manufacturing method thereof, and an inverter device having this power module semiconductor device. .
次に、図面を参照して、実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付している。ただし、断面図は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。 Next, embodiments will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the cross-sectional view is schematic, and the relationship between the thickness and the planar dimension, the ratio of the thickness of each layer, and the like are different from the actual ones. Therefore, specific thicknesses and dimensions should be determined in consideration of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.
また、以下に示す実施の形態は、技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置などを下記のものに特定するものでない。この実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。 Further, the embodiment described below exemplifies an apparatus and a method for embodying the technical idea, and in this embodiment, the material, shape, structure, arrangement, etc. of the component parts are described below. It is not something specific. This embodiment can be modified in various ways within the scope of the claims.
[パワーモジュール半導体装置の構成]
本実施の形態に係るストレート配線構造のパワーモジュール半導体装置2であって、ワンインワンモジュール(1 in 1 Module)の鳥瞰構成は、図1に示すように表される。本実施の形態に係るストレート配線構造のパワーモジュール半導体装置2においては、信号系端子SS・G・DSは、図1に示すように、樹脂層12から垂直方向に突き出したように配置されている。
[Configuration of power module semiconductor device]
A power
1 in 1は、一つの大きなトランジスタとみることができるが、内蔵されているトランジスタデバイスは、複数個である場合もある。2 in 1、4 in 1、6 in 1などもあるが、これは、図28(インバータ装置回路)上において、縦2個分のトランジスタを接続内蔵したモジュールを2 in 1、2 in 1を2組配線内蔵したモジュールを4 in 1、全て配線内蔵したものが6 in 1と呼ばれている。 Although 1 in 1 can be regarded as one large transistor, there may be a plurality of built-in transistor devices. There are 2 in 1, 4 in 1, 6 in 1, etc., but this is a module with 2 in 1 and 2 in 1 connected to 2 vertical transistors in FIG. 28 (inverter circuit). Modules with built-in wiring are called 4 in 1, and those with all wiring are called 6 in 1.
信号系端子DSは、樹脂層12の主表面部にモールド面と同一の高さで埋設された第1の係止部材としての1端子ホルダ101によって係止された状態で保持され、信号系端子G・SSは、樹脂層12の主表面部にモールド面と同一の高さで埋設された第1の係止部材としての2端子ホルダ102によって係止された状態で保持されている。
The signal system terminal DS is held in a state of being locked by a one-
また、本実施の形態に係るストレート配線構造のパワーモジュール半導体装置2の平面構成は、図2に示すように表される。また、図1の矢印III方向の側面構造は、図3(a)に示すように表され、図1の矢印III方向の別のパワーモジュール半導体装置2Bの側面構造は、図3(b)に示すように表され、図1の矢印III方向のさらに別のパワーモジュール半導体装置2Cの側面構造は、図3(c)に示すように表される。また、図1の矢印IV方向の側面構造は、図4に示すように表される。
Further, the planar configuration of the power
本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置2であって、ワンインワンモジュールの回路表現は、図5に示すように表される。また、本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置2であって、ワンインワンモジュールの詳細回路表現は、図6に示すように表される。
In the power
本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置2は、ワンインワンモジュールの構成を備える。すなわち、1個のMOSFET(半導体デバイス)Qが1つのモジュールに内蔵されている。一例として、図7に示すように5チップ(MOSトランジスタ×5)搭載可能であり、それぞれのMOSFETQは、5個までが並列接続される。なお、5チップの内、一部をダイオードDI用として搭載することも可能である。
The power
図5には、MOSFET Qのソース・ドレイン間に逆並列接続されるダイオードDIが示されている。MOSFET Qの主電極は、電力系端子としてのドレイン端子DTおよびソース端子STで表される。ダイオードDIは、ボディDiまたは個別チップのボディDiから構成される。 FIG. 5 shows a diode DI connected in reverse parallel between the source and drain of the MOSFET Q. The main electrode of MOSFET Q is represented by a drain terminal DT and a source terminal ST as power system terminals. The diode DI is composed of a body Di or a body Di of an individual chip.
なお、図6において、SSは、ソースセンス端子、DSは、ドレインセンス端子であり、Gは、ゲート信号端子であり、いずれも信号系端子を構成している。 In FIG. 6, SS is a source sense terminal, DS is a drain sense terminal, and G is a gate signal terminal, both of which constitute a signal system terminal.
本実施の形態に係るストレート配線構造のパワーモジュール半導体装置2の平面パターン構成は、図7に示すように表される。図7のVIII−VIII線に沿う模式的断面構造は、図8に示すように表され、図7のIX−IX線に沿う模式的断面構造は、図9に示すように表され、図7のX−X線に沿う模式的断面構造は、図10に示すように表され、図7のXI−XI線に沿う模式的断面構造は、図11に示すように表される。
A planar pattern configuration of the power
本実施の形態に係るストレート配線構造のパワーモジュール半導体装置2は、図7および図8に示すように、絶縁基板10と、絶縁基板10上に配置された銅プレート層10aの第1パターン10a(D)と、第1パターン10a(D)上に配置された半導体デバイスQと、半導体デバイスQと電気的に接続される電力系端子ST・DTおよび信号系端子DS・G・SSと、信号系端子DSを係止する1端子ホルダ101と、信号系端子G・SSを係止する2端子ホルダ102と、1端子ホルダ101および2端子ホルダ102の上面部をモールド面から露出させるようにして半導体デバイスQおよび絶縁基板10を被覆する樹脂層12とを備える。
As shown in FIGS. 7 and 8, the power
ここで、信号系端子DS・G・SSは、絶縁基板10の主表面に対して垂直方向に延伸して配置され、電力系端子ST・DTは、樹脂層12の主表面と平行に、樹脂層12の長手方向に沿って、樹脂層12の対向する両側面から互いに逆方向に延伸して配置され、ストレート配線構造を有する。
Here, the signal system terminals DS, G, and SS are arranged extending in a direction perpendicular to the main surface of the insulating
本実施の形態に係るストレート配線構造のパワーモジュール半導体装置2においては、電力系端子ST・DTは、図7および図8に示すように、樹脂層12の側面から主表面と平行方向に配置されている。
In power
また、電力系端子ST・DTは、樹脂層12の長手方向に沿って、樹脂層12の対向する両側面から互いに逆方向に延伸して配置される。
Further, the power system terminals ST and DT are arranged along the longitudinal direction of the
なお、電力系端子ST・DTは、図3(a)〜図3(c)に示すように、樹脂層12の厚み方向に、所定の段差VD1・VD2・VD3をもって配置される。
The power system terminals ST · DT are arranged with predetermined steps VD1, VD2, and VD3 in the thickness direction of the
また、絶縁基板10の主表面に対する垂直方向は、樹脂層12の主表面に対する垂直方向に等しい。
Further, the direction perpendicular to the main surface of the insulating
一方、信号系端子DS・G・SSは、図1および図2に示すように、樹脂層12の主表面上に直線状に配置されていても良い。
On the other hand, the signal system terminals DS, G, and SS may be arranged linearly on the main surface of the
また、信号系端子は、ゲート信号端子Gおよびセンサ用端子を備えていても良い。また、センサ用端子は、ソースセンス端子SSおよびドレインセンス端子DSを備えていても良い。 The signal system terminal may include a gate signal terminal G and a sensor terminal. Further, the sensor terminal may include a source sense terminal SS and a drain sense terminal DS.
ここで、ソースセンス端子SS、ドレインセンス端子DSの他に、図示は省略されているが、温度センス用にサーミスタ接続端子などを信号系端子と同様に絶縁基板10の主表面に対して垂直方向に配置しても良い。
Here, in addition to the source sense terminal SS and the drain sense terminal DS, the illustration is omitted, but the thermistor connection terminal for temperature sensing is perpendicular to the main surface of the insulating
また、本実施の形態に係るストレート配線構造のパワーモジュール半導体装置2は、図7に示すように、絶縁基板10上に、半導体デバイスQに隣接して配置された電極パターンGSP・SSPを備え、信号系端子G・SSは、電極パターンGSP・SSPに半田付けにより接続されている。信号系端子DSは、第1パターン10a(D)に半田付けにより接続されている。
The power
ドレインセンス端子DSは、図7および図9に示すように、第1パターン10a(D)に対して半田層3cを介して半田付けにより接続されており、絶縁基板10の主表面に対して垂直方向に延伸して配置される。
As shown in FIGS. 7 and 9, the drain sense terminal DS is connected to the
また、ドレインセンス端子DSは、1端子ホルダ101によって係止されることにより、第1パターン10a(D)との接続部の半田層3cが保護されている。すなわち、ドレインセンス端子DSは、樹脂層12を形成するモールド工程前の段階ですでに半田層3cを介して第1パターン10a(D)に半田接続されると共に、垂直方向に突き出した状態が1端子ホルダ101によって保持される。したがって、樹脂モールド後にソケットなどの金属筒にドレインセンス端子DSを圧入させることにより、ドレインセンス端子DSや半田層3cによる接続部に圧入時の荷重応力が加えられたり、使用中の振動などによりドレインセンス端子DSが金属筒から抜け落ちたりする、いわゆる端子抜けを防止できる。
Further, the drain sense terminal DS is locked by the one-
ゲート信号端子Gは、図7および図10に示すように、ゲート信号電極パターンGSPに対して半田層3cを介して半田付けにより接続されており、かつゲート信号電極パターンGSPとソースセンス電極パターンSSPとの相互間において上方に曲げられて絶縁基板10の主表面に対して垂直方向に延伸して配置される。また、ゲート信号端子Gは、2端子ホルダ102によって係止されることにより、ゲート信号電極パターンGSPとの接続部の半田層3cが保護されている。
As shown in FIGS. 7 and 10, the gate signal terminal G is connected to the gate signal electrode pattern GSP by soldering via the
ソースセンス端子SSは、図7および図11に示すように、ソースセンス電極パターンSSPに対して半田層3cを介して半田付けにより接続されており、かつゲート信号電極パターンGSPとソースセンス電極パターンSSPとの相互間において上方に曲げられて絶縁基板10の主表面に対して垂直方向に延伸して配置される。また、ソースセンス端子SSは、2端子ホルダ102によって係止されることにより、ソースセンス電極パターンSSPとの接続部の半田層3cが保護されている。
As shown in FIGS. 7 and 11, the source sense terminal SS is connected to the source sense electrode pattern SSP by soldering via the
すなわち、ゲート信号端子Gおよびソースセンス端子SSは、樹脂層12を形成するモールド工程前の段階ですでに半田層3cを介してゲート信号電極パターンGSPおよびソースセンス電極パターンSSPに半田接続されると共に、垂直方向に突き出した状態が2端子ホルダ102によって保持される。したがって、樹脂モールド後にソケットなどの金属筒にゲート信号端子Gおよびソースセンス端子SSを圧入させることにより、ゲート信号端子Gおよびソースセンス端子SSや半田層3cによる接続部に圧入時の荷重応力が加えられたり、使用中の振動などによりゲート信号端子Gおよびソースセンス端子SSが金属筒から抜け落ちたりする、いわゆる端子抜けを防止できる。
That is, the gate signal terminal G and the source sense terminal SS are already solder-connected to the gate signal electrode pattern GSP and the source sense electrode pattern SSP through the
なお、ゲート信号端子Gおよびソースセンス端子SSは、ドレインセンス端子DSと同様に、1端子ホルダ101によって個々に係止されるようにしても良い。
Note that the gate signal terminal G and the source sense terminal SS may be individually locked by the one-
一方、絶縁基板10は、セラミック基板で構成されていても良い。ここで、セラミック基板は、例えば、Al2 O3 、Al N、SiN、AlSiC、もしくは、少なくとも表面が絶縁性のSiCで形成可能である。
On the other hand, the insulating
さらに、本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置2は、図7および図8に示すように、第1の銅プレート層10aの第2パターン10a(S)と、半導体デバイスQ上に配置された柱状電極20と、柱状電極20上に配置された上面板電極22と、第1パターン10a(D)上に配置されたドレイン端子DTと、第2パターン10a(S)上に配置され、かつ上面板電極22と接続された柱状接続電極18nと、柱状接続電極18nに接続されたソース端子STとを備える。
Furthermore, the power
電力系端子ST・DTは、半導体デバイスQのソースパッド電極SP(図27参照)に接続されたソース端子STと、半導体デバイスQのドレイン電極パターンD(図26および図27参照)に接続されたドレイン端子DTとを備える。また、ソース端子STは、半導体デバイスQのソースパッド電極SPに接続され、ドレイン端子DTは、半導体デバイスQのドレイン電極パターンDに接続される。 The power system terminals ST and DT are connected to the source terminal ST connected to the source pad electrode SP (see FIG. 27) of the semiconductor device Q and to the drain electrode pattern D (see FIGS. 26 and 27) of the semiconductor device Q. And a drain terminal DT. The source terminal ST is connected to the source pad electrode SP of the semiconductor device Q, and the drain terminal DT is connected to the drain electrode pattern D of the semiconductor device Q.
また、半導体デバイスQのゲート信号端子Gおよびソースセンス端子SSは、図7に示すように、ボンディングワイヤを介して、それぞれ半導体デバイスQに隣接して配置されたゲート信号電極パターンGSPおよびソースセンス電極パターンSSPとボンディング接続される。 Further, as shown in FIG. 7, the gate signal terminal G and the source sense terminal SS of the semiconductor device Q are respectively connected to the gate signal electrode pattern GSP and the source sense electrode arranged adjacent to the semiconductor device Q through bonding wires. Bonded with the pattern SSP.
また、第1パターン10a(D)と半導体デバイスQは、半田層3bを介して接合され、第2パターン10a(S)と柱状接続電極18nも半田層3bを介して接合される。
Further, the
また、柱状電極20と上面板電極22は、半田層3aを介して接合され、柱状接続電極18nと上面板電極22およびソース端子STも半田層3aを介して接合される。
Further, the
本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置2は、ワンインワン型モジュール構成において、第1パターン10a(D)上に半導体デバイスQに隣接して配置されたダイオードDIを備えていても良い。このダイオードDIのカソードKは、第1パターン10a(D)に接続され、アノードAは、柱状電極20を介して上面板電極22に接続される。
The power
ここで、半導体デバイスQは、例えば、SiC MOSFETで形成され、ダイオードDIは、例えば、SiCショットキーバリアダイオード(SBD:Schottky Barrier Diode)で形成可能である。 Here, the semiconductor device Q is formed of, for example, a SiC MOSFET, and the diode DI can be formed of, for example, a SiC Schottky Barrier Diode (SBD).
絶縁基板10の裏面上に配置される第2の銅プレート層10bは、ヒートスプレッダとして機能する。
The second
また、樹脂層12は、エポキシ系樹脂もしくはシリコーン系樹脂などでトランスファモールド成形されていても良い。
The
半導体デバイスQの複数のチップは、絶縁基板10の表面上に、絶縁基板10の厚み方向から見た平面視で離間した位置に配置され、樹脂層12により樹脂モールドされている。
The plurality of chips of the semiconductor device Q are arranged on the surface of the insulating
また、柱状接続電極18nは、線熱膨張係数(CTE:Coefficient of Thermal Expansion)の値が相対的に小さい電極材料、例えば、CuMo、Cuなどで形成されていても良い。
Further, the
上面板電極22の部分は、CTEの値が相対的に小さい電極材料、例えば、CuMo、Cuなどで形成されていても良い。
The portion of the upper
柱状電極20の部分は、CTEの値が相対的に小さい電極材料、例えば、CuMo、Cuなどで形成されていても良い。
The portion of the
CTEの値が同等である同じ大きさの材料を比較すると、発生応力は、ヤング率の値が大きい材料の方が大きくなる。このため、ヤング率×CTEの数値が、より小さい材料を選定することによって、発生応力の値の小さな部材を達成することができる。 When materials of the same size having the same CTE value are compared, the generated stress is larger in a material having a larger Young's modulus value. For this reason, a member with a small value of generated stress can be achieved by selecting a material having a smaller value of Young's modulus × CTE.
CuMoは、このような利点を有している。また、CuMoは、Cuには劣るが、電気抵抗率も相対的に低い。 CuMo has such advantages. Moreover, although CuMo is inferior to Cu, its electrical resistivity is relatively low.
各部材の接合構造の形成には、半田接合の他に、金属粒子接合、固相拡散接合、液相拡散(TLP:Transient Liquid Phase)接合などの技術を適用可能である。 In addition to solder bonding, techniques such as metal particle bonding, solid phase diffusion bonding, and liquid phase diffusion (TLP: Transient Liquid Phase) bonding can be applied to the formation of the bonding structure of each member.
例えば、金属粒子接合は、導電性粒子を含むペースト材料を焼成して形成される。ペースト材料の焼成温度は、例えば、約200〜400℃である。導電性粒子は、金属微粒子であり、例えば、銀粒子、金粒子またはニッケルや銅粒子などである。例えば、金属微粒子として銀粒子を適用する場合、銀粒子の濃度は、例えば、約80質量%〜約95質量%である。また、銀ナノ粒子の場合の平均粒径は、約10nm〜約100nm程度である。 For example, the metal particle bonding is formed by baking a paste material containing conductive particles. The firing temperature of the paste material is, for example, about 200 to 400 ° C. The conductive particles are metal fine particles, such as silver particles, gold particles, nickel or copper particles. For example, when silver particles are applied as the metal fine particles, the concentration of the silver particles is, for example, about 80% by mass to about 95% by mass. The average particle size in the case of silver nanoparticles is about 10 nm to about 100 nm.
本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置2の垂直端子内部構造においては、金属端子部品を電極パターンなどに対して直に半田付けなどを行うため、ソケットなどの部品を必要としない。
In the internal structure of the vertical terminal of the power
ここで、1端子ホルダ101の構造は、図12に示す四面図(図12(a)に上面から見た図、図12(b)〜図12(d)に各側面から見た図)のように表される。1端子ホルダ101は、図12(a)に示すように、パワーモジュール半導体装置2の短手方向に長方形状の上面部を有している。1端子ホルダ101の上面部には、ドレインセンス端子DSが挿入されると共に、その挿入されたドレインセンス端子DSを係止した状態で保持する開口部101bが設けられている。
Here, the structure of the one-
1端子ホルダ101の内部には、図12(b)に示すように、開口部101bにつながる樹脂充填部101aが形成されている。また、1端子ホルダ101の一方の側面には、図12(c)に示すように、樹脂充填部101aにつながる樹脂送入穴としての送入口101cが開口されている。一方、送入口101cに対向する、1端子ホルダ101の他方の側面には、図12(d)に示すように、樹脂充填部101aにつながる樹脂送出穴としての送出口101dが開口されている。
Inside the one-
本実施の形態において、1端子ホルダ101は、樹脂充填部101a内がモールド樹脂により十分に充填されるようにするために、送入口101cが送出口101dよりも大きく開口されている。すなわち、1端子ホルダ101は、モールド樹脂の注入の上流側に向かって送入口101cを、注入の下流側に向かって送出口101dを、それぞれ対応させて配置することにより、モールド樹脂によって樹脂充填部101a内をより確実に充填させることが可能である。これにより、1端子ホルダ101内における絶縁性および強度が十分に確保される。
In the present embodiment, in the one-
なお、一例として、ドレインセンス端子DSの断面寸法を1.5mm×0.5mmとした場合の、1端子ホルダ101の各部の寸法は以下のように表される(単位はmm)。例えば、図12(a)〜図12(d)において、d1=2.7、d2=3.35、d3=8.2+α、d11=2.1、d12=2.75、d13=1.5、d14=0.3、d21=1.8、d22=0.7、d23=2.0、d31=3.5、d32=2.1、d33=2.0、d41=2.1、d42=2.0、d43=2.0。
As an example, when the cross-sectional dimension of the drain sense terminal DS is 1.5 mm × 0.5 mm, the dimensions of each part of the one-
また、Ra部〜Re部の曲率は、Rを曲率半径とすると、Ra=2−R0.35、Rb=Rc=Rd=Re=4−R0.5。 The curvatures of the Ra part to the Re part are Ra = 2-R0.35 and Rb = Rc = Rd = Re = 4-R0.5, where R is the radius of curvature.
ただし、モールド工程前の製造工程において、1端子ホルダ101は、樹脂層12のモールド面(垂直方向の主表面)よりもαの分だけ背高になるよう、d3が設計されている(例えば、α=10μm〜200μm程度)。
However, in the manufacturing process before the molding process, d3 is designed so that the one-
2端子ホルダ102の構造は、図13に示す五面図(図13(a)に上面から見た図、図13(b)〜図13(e)に各側面から見た図)のように表される。2端子ホルダ102は、図13(a)に示すように、パワーモジュール半導体装置2の長手方向に長方形状の上面部を有している。2端子ホルダ102の上面部には、ゲート信号端子Gが挿入されると共に、その挿入されたゲート信号端子Gを係止した状態で保持する開口部102bと、ソースセンス端子SSが挿入されると共に、その挿入されたソースセンス端子SSを係止した状態で保持する開口部102cと、が設けられている。
The structure of the two-
2端子ホルダ102の内部には、図13(b)および図13(c)に示すように、開口部102b・102cにつながる樹脂充填部102aが形成されている。また、2端子ホルダ102の一方の側面には、図13(d)に示すように、樹脂充填部102aにつながる樹脂送入穴としての送入口102dが開口されている。一方、送入口102dに対向する、2端子ホルダ102の他方の側面には、図13(e)に示すように、樹脂充填部102aにつながる樹脂送出穴としての送出口102eが開口されている。
Inside the two-
本実施の形態において、2端子ホルダ102は、樹脂充填部102a内がモールド樹脂により十分に充填されるようにするために、送入口102dが送出口102eよりも大きく開口されている。すなわち、2端子ホルダ102は、モールド樹脂の注入の上流側に向かって送入口102dを、注入の下流側に向かって送出口102eを、それぞれ対応させて配置することにより、モールド樹脂によって樹脂充填部102a内をより確実に充填させることが可能である。これにより、2端子ホルダ102内における絶縁性および強度が十分に確保される。
In the present embodiment, in the two-
なお、一例として、ゲート信号端子Gおよびソースセンス端子SSの断面寸法を1.5mm×0.5mmとした場合の、2端子ホルダ102の各部の寸法は以下のように表される(単位はmm)。例えば、図13(a)〜図13(e)において、e1=8.4、e2=4.0、e3=8.6+α、e11=7.8、e13=6.7、e21=1.8、e22=0.7、e23=5.08、e31=3.5、e32=5.0、e33=2.0、e41=3.0、e42=2.0、e43=2.0、e51=0.4、e52=0.5、e53=1.0。
As an example, when the cross-sectional dimensions of the gate signal terminal G and the source sense terminal SS are 1.5 mm × 0.5 mm, the dimensions of each part of the two-
また、Pa部〜Pe部の曲率は、Rを曲率半径とすると、Pa=4−R0.35、Pb=Pc=Pd=Pe=4−R0.5。 The curvatures of the Pa part to the Pe part are Pa = 4-R0.35 and Pb = Pc = Pd = Pe = 4-R0.5, where R is the radius of curvature.
ただし、モールド工程前の製造工程において、2端子ホルダ102は、樹脂層12のモールド面よりもαの分だけ背高になるよう、e3が設計されている(例えば、α=10μm〜200μm程度)。
However, e3 is designed so that the two-
また、1端子ホルダ101および2端子ホルダ102は所定の耐熱性を有するプラスチック部品、例えば、PPS(ポリフェニレンサルファイド)樹脂またはPEEK(ポリエーテルエーテルケトン)樹脂、LCP(液晶ポリマー)などの高耐熱性(150℃以上、好ましくは200℃以上)を有するプラスチック(または、エンジニアリングプラスチック、スーパーエンジニアリングプラスチック)により形成される。
The one-
[3相交流インバータの構成]
本実施の形態に係るストレート配線構造のパワーモジュール半導体装置2を6個配置して3相交流インバータ装置4を構成した模式的平面構成は、図14に示すように表される。
[Configuration of three-phase AC inverter]
A schematic plan configuration in which six power
本実施の形態に係るストレート配線構造のパワーモジュール半導体装置2においては、樹脂層12の外周に信号系端子SS・G・DSを配置していないので、図14に示すように、並列配置してもパワーモジュール間距離を詰めることができる。
In the power
また、本実施の形態に係るストレート配線構造のパワーモジュール半導体装置2を6個配置して3相交流インバータ装置4を構成した各端子間の接続関係は、図15に示すように表される。
Moreover, the connection relationship between each terminal which comprised the power
また、本実施の形態に係るストレート配線構造のパワーモジュール半導体装置2を6個配置して3相交流インバータ装置4を構成した各パワー端子間の接続配線(バスバー)電極(GNDL・POWL)も含む平面構成は、図16に示すように表される。
Also included are connection wiring (bus bar) electrodes (GNDL · POWL) between the power terminals, in which six power
トランジスタQ1・Q4、Q2・Q5、Q3・Q6は、それぞれハーフブリッジのインバータを構成する。 The transistors Q1 and Q4, Q2 and Q5, and Q3 and Q6 each constitute a half-bridge inverter.
図15および図16に示すように、トランジスタQ1・Q2・Q3のドレイン端子DT1・DT2・DT3は、電源用のバスバー電極POWLによって共通に接続され、トランジスタQ4・Q5・Q6のソース端子ST4・ST5・ST6は、接地用のバスバー電極GNDLによって共通に接続される。 As shown in FIGS. 15 and 16, the drain terminals DT1, DT2, and DT3 of the transistors Q1, Q2, and Q3 are commonly connected by a power supply bus bar electrode POWL, and the source terminals ST4 and ST5 of the transistors Q4, Q5, and Q6 are connected. ST6 is commonly connected by a grounding bus bar electrode GNDL.
また、図15および図16に示すように、トランジスタQ1・Q2・Q3のソース端子ST1・ST2・ST3は、トランジスタQ4・Q5・Q6のドレイン端子DT4・DT5・DT6と、それぞれ、バスバー電極UL・VL・WLによって共通に接続される。この結果、バスバー電極UL・VL・WLからは、U・V・Wの3相出力が得られる。 As shown in FIGS. 15 and 16, the source terminals ST1, ST2, and ST3 of the transistors Q1, Q2, and Q3 are connected to the drain terminals DT4, DT5, and DT6 of the transistors Q4, Q5, and Q6, respectively. Commonly connected by VL and WL. As a result, three-phase outputs of U, V, and W are obtained from the bus bar electrodes UL, VL, and WL.
また、図16のXVIIa−XVIIa線に沿う模式的断面構造は、図17(a)に示すように表され、図16のXVIIb−XVIIb線に沿う模式的断面構造は、図17(b)に示すように表される。 Also, a schematic cross-sectional structure along the line XVIIa-XVIIa in FIG. 16 is expressed as shown in FIG. 17A, and a schematic cross-sectional structure along the line XVIIb-XVIIb in FIG. 16 is shown in FIG. Represented as shown.
また、図16のXVIIa−XVIIa線に沿う別の模式的断面構造は、図18(a)に示すように表され、図16のXVIIb−XVIIb線に沿う別の模式的断面構造は、図18(b)に示すように表される。 Further, another schematic cross-sectional structure taken along line XVIIa-XVIIa in FIG. 16 is represented as shown in FIG. 18A, and another schematic cross-sectional structure taken along line XVIIb-XVIIb in FIG. It is expressed as shown in (b).
また、図16のXVIIa−XVIIa線に沿うさらに別の模式的断面構造は、図19(a)に示すように表され、図16のXVIIb−XVIIb線に沿うさらに別の模式的断面構造は、図19(b)に示すように表される。 Further, another schematic cross-sectional structure along the line XVIIa-XVIIa in FIG. 16 is represented as shown in FIG. 19A, and yet another schematic cross-sectional structure along the line XVIIb-XVIIb in FIG. It is expressed as shown in FIG.
また、電力系端子ST・DTは、図3(a)〜図3(c)に示したように、樹脂層12の厚み方向に、所定の段差VD1・VD2・VD3をもって配置されており、図17の例は、図3(a)に示された所定の段差VD1を有する例に対応し、図18の例は、図3(b)に示された所定の段差VD2を有する例に対応し、図19の例は、図3(c)に示された所定の段差VD3を有する例に対応する。
Further, as shown in FIGS. 3A to 3C, the power system terminals ST / DT are arranged with predetermined steps VD1, VD2, and VD3 in the thickness direction of the
すなわち、図3(a)に示された所定の段差VD1を有する例では、図17(a)に示すように、バスバー電極POWL・GNDLと共に、バスバー電極UL・VL・WLはストレートな電極構造を有する。 That is, in the example having the predetermined step VD1 shown in FIG. 3A, the bus bar electrodes UL, VL, and WL have a straight electrode structure as well as the bus bar electrodes POWL and GNDL as shown in FIG. Have.
図3(b)に示された所定の段差VD2を有する例では、バスバー電極POWL・GNDLはストレートな電極構造を有するが、図18(a)に示すように、バスバー電極UL・VL・WLは所定の段差VD2の値が相対的に小さいために上方向に屈曲した電極構造を有する。 In the example having the predetermined step VD2 shown in FIG. 3B, the bus bar electrodes POWL and GNDL have a straight electrode structure, but as shown in FIG. 18A, the bus bar electrodes UL, VL, and WL are Since the value of the predetermined step VD2 is relatively small, the electrode structure is bent upward.
図3(c)に示された所定の段差VD3を有する例では、バスバー電極POWL・GNDLはストレートな電極構造を有するが、図19(a)に示すように、バスバー電極UL・VL・WLは所定の段差VD3の値が相対的に大きいために下方向に屈曲した電極構造を有する。 In the example having the predetermined step VD3 shown in FIG. 3C, the bus bar electrodes POWL and GNDL have a straight electrode structure. However, as shown in FIG. 19A, the bus bar electrodes UL, VL, and WL are Since the value of the predetermined step VD3 is relatively large, the electrode structure is bent downward.
本実施の形態に係るストレート配線構造のパワーモジュール半導体装置2を6個配置して構成した3相交流インバータ装置4において、信号系端子SS・G・DSを非直線状に配置した例は、図20に示すように表される。
In the three-phase
すなわち、本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置2においては、信号系端子DS・G・SSは、樹脂層12の主表面上に非直線状に配置されていても良い。または、信号系端子DS・G・SSは、樹脂層12の主表面上にランダムに配置されていても良い。
That is, in the power
本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置2を複数個並列に配置したインバータ装置4は、図16および図20に示すように、パワーモジュール半導体装置2を複数個並列に配置し、各パワーモジュール半導体装置2の電力系端子ST・DTを、バスバー電極GNDL・POWLを介して相互に接続している。
また、本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置2を複数個並列に配置したインバータ装置4は、パワーモジュール半導体装置2のドレイン端子DTおよびソース端子STが、隣接するパワーモジュール半導体装置2のソース端子STおよびドレイン端子DTと互いに対向するように配置している。
Further, in the
そして、本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置2を複数個並列に配置したインバータ装置4は、複数のパワーモジュール半導体装置2において、ハーフブリッジを構成する第1トランジスタ・第2トランジスタ(Q1・Q4)・(Q2・Q5)・(Q3・Q6)を隣接させて配置し、かつ第1トランジスタのソース端子・ドレイン端子と第2トランジスタのドレイン端子・ソース端子とが互いに隣接するように配置している。
The
すなわち、第1トランジスタ・第2トランジスタ(Q1・Q4)のソース端子・ドレイン端子(ST1・DT4)、第1トランジスタ・第2トランジスタ(Q1・Q4)のドレイン端子・ソース端子(DT1・ST4)、第1トランジスタ・第2トランジスタ(Q2・Q5)のソース端子・ドレイン端子(ST2・DT5)、第1トランジスタ・第2トランジスタ(Q2・Q5)のドレイン端子・ソース端子(DT2・ST5)、第1トランジスタ・第2トランジスタ(Q3・Q6)のソース端子・ドレイン端子(ST3・DT6)、第1トランジスタ・第2トランジスタ(Q3・Q6)のドレイン端子・ソース端子(DT3・ST6)が、互いに隣接するように配置している。 That is, the source terminal / drain terminal (ST1, DT4) of the first transistor / second transistor (Q1, Q4), the drain terminal / source terminal (DT1, ST4) of the first transistor / second transistor (Q1, Q4), Source terminal / drain terminal (ST2, DT5) of the first transistor / second transistor (Q2, Q5), drain terminal / source terminal (DT2, ST5) of the first transistor / second transistor (Q2, Q5), first The source terminal / drain terminal (ST3 / DT6) of the transistor / second transistor (Q3 / Q6) and the drain terminal / source terminal (DT3 / ST6) of the first transistor / second transistor (Q3 / Q6) are adjacent to each other. Are arranged as follows.
本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置2においては、各組のパワーモジュール半導体装置2の電力系端子ST・DTを、バスバー電極UL・VL・WLを介して相互に接続することによって、3相交流用のインバータ装置4をコンパクトに構成可能である。
In the power
本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置2は、ストレート配線のモジュール構造において、段差端子構造を有するため、外部配線(バスバー配線)のインダクタンスLsを低くした配線を実現することができる。
Since the power
本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置2は、ワンインワン構成において、ドレイン端子DTとソース端子STとを平面視矩形の樹脂層12の両端にストレート(直線的)に配置し、かつドレイン端子DTとソース端子STとの高さ位置に段差をつけることによって、モジュールの並列横並び配置により容易に3相交流インバータ装置(6 in 1)を構成可能である。
In the power
また、ドレイン端子DTとソース端子STとの高さ位置に段差を設けることで、モジュール間を配線するバスバー電極POWL・GNDL・UL・VL・WL同士の絶縁距離を容易に確保することができ、また、配線効率を良好にすることができる。 In addition, by providing a step at the height position of the drain terminal DT and the source terminal ST, it is possible to easily secure the insulation distance between the bus bar electrodes POWL, GNDL, UL, VL, WL for wiring between the modules. Also, the wiring efficiency can be improved.
また、絶縁距離を確保するために配線(バスバー電極)を折り曲げ加工する構成に比べ、本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置2を適用した3相交流インバータ装置4では、配線長を低減可能であり、従来に比べて寄生インダクタンスLsを約10%低減することができる。モジュール端子に段差をつけることで外部配線(バスバーというモジュール同士を配線するもの)を曲げなくても済むためバスバーの配線長が短くできる。ここで、Lsは、バスバーの配線長の直列インダクタンス成分を表す。
In addition, in the three-phase
[縦積み構造]
本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置2を6個配置して3相交流インバータ装置4を構成した各パワー端子間の接続配線(バスバー)電極(GNDL・POWL)も含む平面構成において、制御基板6および電源基板8を上部に配置した例は、図21に示すように表され、図21のXXII−XXII線に沿う模式的断面構造は、図22に示すように表される。
[Vertical stacked structure]
In the planar configuration including the connection wiring (bus bar) electrodes (GNDL · POWL) between the power terminals in which the six power
本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置2を6個配置して構成した3相交流インバータ装置4は、図21および図22に示すように、複数個並列に配置されたパワーモジュール半導体装置2上に配置され、パワーモジュール半導体装置2を制御する制御基板6と、複数個並列に配置されたパワーモジュール半導体装置2上に配置され、パワーモジュール半導体装置2および制御基板6に電源を供給する電源基板8とを備え、信号系端子DS・G・SSが延伸する垂直方向の長さは、制御基板6および電源基板8と接続可能な長さである。
A three-phase
本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置2を6個配置して構成した3相交流インバータ装置4上に制御基板6および電源基板8を配置した鳥瞰構成図は、図23に示すように表される。図23においては、6個のパワーモジュール半導体装置2の信号系端子(DS1・G1・SS1)・(DS2・G2・SS2)・(DS3・G3・SS3)・(DS4・G4・SS4)・(DS5・G5・SS5)・(DS6・G6・SS6)は、それぞれ制御基板6および電源基板8に対して垂直方向に接続されて、3相交流インバータ装置4を構成している。なお、図23においては、簡単化するために、制御基板6・電源基板8の詳細パターンは図示を省略している。また、図23においては、構造の詳細を明確にするために、パワーモジュール半導体装置2と制御基板6・電源基板8の縦方向の距離が相対的に長くなるように図示しているが、実際上は、距離を詰めて配置される。
A bird's-eye view configuration diagram in which the
本実施の形態に係るストレート配線構造のパワーモジュール半導体装置2を6個配置して構成した3相交流インバータ装置4においては、制御基板6、電源基板8、スナバコンデンサC(図示省略)などを縦積み構造に配置することが容易になり、システムのスリム化を図ることができる。
[フルブリッジインバータの構成]
本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置2を4個配置して構成したフルブリッジインバータ装置5の回路構成は、図24に示すように表される。
In the three-phase
[Configuration of full bridge inverter]
The circuit configuration of the full
また、本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置2を4個配置してフルブリッジインバータ装置5を構成した各パワー端子間の接続配線(バスバー)電極(GNDL・POWL)も含む平面構成は、図25に示すように表される。
In addition, a plan configuration including connection wiring (bus bar) electrodes (GNDL · POWL) between the power terminals in which the four power
本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置2を4個配置して構成したフルブリッジインバータ装置5においても、制御基板6(図示省略)、電源基板8(図示省略)、スナバコンデンサC(図示省略)などを縦積み構造に配置することが容易であり、システムのスリム化を図ることができる。
Also in the full
[半導体デバイスの構成例]
本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置2に適用する半導体デバイス100(Q)の例として、SiC MOSFETの模式的断面構造は、図26に示すように、n-高抵抗層からなるSiC半導体基板26と、SiC半導体基板26の表面側に形成されたpベース領域28と、pベース領域28の表面に形成されたソース領域30と、pベース領域28間のSiC半導体基板26の表面上に配置されたゲート絶縁膜32と、ゲート絶縁膜32上に配置されたゲート電極38と、ソース領域30およびpベース領域28に接続されたソース電極34と、SiC半導体基板26の表面と反対側の裏面に配置されたn+ドレイン領域24と、n+ドレイン領域24に接続されたドレインパッド電極36とを備える。
[Configuration example of semiconductor device]
As an example of the semiconductor device 100 (Q) applied to the power
図26では、半導体デバイス100は、プレーナゲート型nチャネル縦型SiC MOSFETで構成されているが、トレンチゲート型nチャネル縦型SiC MOSFETなどで構成されていても良い。
In FIG. 26, the
また、本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置2に適用する半導体デバイス100には、SiC MOSFETの代わりに、GaN系FETなどを適用することもできる。
Further, a GaN-based FET or the like can be applied to the
本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置2に適用する半導体デバイス100には、SiC系、GaN系、もしくはAlN系のいずれかのパワーデバイスを適用可能である。
For the
さらには、本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置2に適用する半導体デバイス100には、バンドギャップエネルギーが、例えば、1.1eV〜8eVのMOSトランジスタなどを用いることができる。
Furthermore, for example, a MOS transistor having a band gap energy of 1.1 eV to 8 eV can be used for the
本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置2に適用する半導体デバイス100の例であって、ソースパッド電極SP、ゲートパッド電極GPを含むSiC MOSFETの模式的断面構造は、図27に示すように表される。ゲートパッド電極GPは、ゲート絶縁膜32上に配置されたゲート電極38に接続され、ソースパッド電極SPは、ソース領域30およびpベース領域28に接続されたソース電極34に接続される。
27 is an example of the
また、ゲートパッド電極GPおよびソースパッド電極SPは、図27に示すように、半導体デバイス100の表面を覆うパッシベーション用の層間絶縁膜44上に配置される。
Further, as shown in FIG. 27, the gate pad electrode GP and the source pad electrode SP are disposed on a passivation
なお、ゲートパッド電極GPおよびソースパッド電極SPの下方のSiC半導体基板26内には、図27の構成例では図示を省略しているが、図26の中央部と同様に、微細構造のトランジスタ構造が形成されていても良い。
In the
さらに、図27に示すように、中央部のトランジスタ構造においても、パッシベーション用の層間絶縁膜44上にソースパッド電極SPが延在して配置されていても良い。
Further, as shown in FIG. 27, the source pad electrode SP may be extended and disposed on the passivation
本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置2において、電源端子PLと接地端子NL間にスナバコンデンサCを接続した回路構成は、図28に示すように表される。本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置2を蓄電池Eと接続する際、接続ラインの有するインダクタンスLによって、SiC系デバイスのスイッチング速度が速いため、大きなサージ電圧Ldi/dtを生ずる。例えば、電流変化di=300A、スイッチングに伴う時間変化dt=100nsecとすると、di/dt=3×109 (A/s)となる。インダクタンスLの値により、サージ電圧Ldi/dtの値は変化するが、蓄電池Eにこのサージ電圧Ldi/dtが重畳される。電源端子PLと接地端子NLとの間に接続されるスナバコンデンサCによって、このサージ電圧Ldi/dtを吸収することができる。
In the power
[パワーモジュール半導体装置を適用した応用例]
次に、図29を参照して、本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置2を用いて構成した3相交流インバータについて説明する。
[Application examples using power module semiconductor devices]
Next, with reference to FIG. 29, a three-phase AC inverter configured using power
図29に示すように、3相交流インバータは、ゲートドライブ部50と、ゲートドライブ部50に接続されたパワーモジュール部52と、3相交流モータ部54とを備える。パワーモジュール部52は、3相交流モータ部54のU相、V相、W相に対応して、U相、V相、W相のインバータが接続されている。ここで、ゲートドライブ部50は、図29では、SiC MOSFET Q1・Q4に接続されている。図示は省略しているが、同様に、SiC MOSFET Q2・Q5、およびSiC MOSFET Q3・Q6にも接続されている。
As shown in FIG. 29, the three-phase AC inverter includes a
パワーモジュール部52は、蓄電池(E)46の接続されたコンバータ48が接続されたプラス端子(+)とマイナス端子(−)との間に、インバータ構成のSiC MOSFET Q1・Q4、Q2・Q5、およびQ3・Q6が接続されている。さらに、SiC MOSFET Q1〜Q6のソース・ドレイン間には、ダイオードD1〜D6がそれぞれ逆並列に接続されている。
The
本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置2では、図29のU相部分に対応する単相インバータの構造について説明されていたが、V相、W相に対応しても同様に形成して、3相パワーモジュール部52を形成することもできる。
In the power
[パワーモジュール半導体装置の製造方法]
本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置2の製造方法において、電力系端子ST・DTおよび信号系端子DS・G・SSの半田付け工程に使用するカーボン治具400の模式的平面構成は、図30(a)に示すように表される。
[Method for Manufacturing Power Module Semiconductor Device]
In the method for manufacturing the power
カーボン治具400は、図30(b)に示すように、中央に基板挿入部402、左右両端に凹部形状のドレイン端子DT裁置部401a・ソース端子ST裁置部401bを備える。
As shown in FIG. 30B, the
また、パワーモジュール半導体装置2をカーボン治具400に搭載し、パワーモジュール半導体装置2を搭載したカーボン治具400をホットプレート403上に搭載し、カーボン治具400の長手方向で切った模式的断面構造は、図31に示すように表される。
Further, a schematic cross section in which the power
なお、図31は、図30(b)のXXXI−XXXIに沿う模式的断面構造に対応しており、電力系端子ST・DTおよび信号系端子DS・G・SSの半田付け工程を実施した様子を示している。ただし、信号系端子DS・G・SSは、破線により、信号系端子DS・G・SSの相対的な位置を示している。 Note that FIG. 31 corresponds to the schematic cross-sectional structure along XXXI-XXXI in FIG. 30B, and the soldering process of the power system terminals ST / DT and the signal system terminals DS / G / SS is performed. Is shown. However, the signal system terminals DS, G, and SS indicate the relative positions of the signal systems terminals DS, G, and SS by broken lines.
ホットプレート403を加熱することによって、信号系端子DSを第1パターン10a(D)に、信号系端子G・SSを電極パターンGSP・SSPに、それぞれ半田付けすることができる。また、電力系端子ST・DTを、パワーモジュール半導体装置2の柱状接続電極18n・第1パターン10a(D)に半田付けすることができる。ここで、高融点半田を使用する場合には、ホットプレート403を、例えば、約340℃〜360℃程度に加熱する。
By heating the
なお、図32に示されるように、半田付けされた信号系端子DSには1端子ホルダ101が、また、半田付けされた信号系端子G・SSには2端子ホルダ102が、それぞれ係合された後、封止の工程が行われる。
As shown in FIG. 32, the 1-
本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置2の製造方法においては、図30〜図31に示された構造のカーボン治具400を使用することによって、電力系端子ST・DTおよび絶縁基板10の平行性を確保することができる。
In the method for manufacturing power
また、本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置2の製造方法において、トランスファモールド成形工程を説明する模式的断面構造は、図32〜図34に示すように表される。
Moreover, in the manufacturing method of the power
すなわち、図32〜図34には、製造工程を経て信号系端子DS・G・SSに1端子ホルダ101・2端子ホルダ102を取り付けた構造体の上下を反対にし、上金型(第2の金型)220および下金型(第1の金型)200によって挟み込み、モールド樹脂を封入して樹脂層12を形成後、上金型220および下金型200を取り外した様子が示されている。なお、図32〜図34において、202・203は、本体載置部・端子載置部、204a・204bは、信号系端子DS・G・SSの収容部、223は、樹脂注入部である。
That is, in FIGS. 32 to 34, the structure in which the one-
本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置2の製造方法において、モールド面よりも高さda(α)の分だけ背高になるように取り付けられた1端子ホルダ101・2端子ホルダ102は、構造体の上下を上金型220および下金型200によって挟み込む際に下金型200によって垂直方向に押圧される。そして、この状態、つまり1端子ホルダ101・2端子ホルダ102が下金型200に確実に当接されて互いに密着された状態で、樹脂注入部223への樹脂の注入が実行される。
In the method for manufacturing the power
本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置2の製造方法においては、図32〜図34に示される上金型220および下金型200を使用することによって、下金型200が1端子ホルダ101・2端子ホルダ102と密着されるので樹脂漏れなどを招いたりすることなく、電力系端子ST・DTの段差端子構造が実現されている。
In the method for manufacturing the power
本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置2によれば、信号系端子DS・G・SSが垂直方向に突き出した状態で1端子ホルダ101・2端子ホルダ102によりサポートされているので、モールド後に信号系端子DS・G・SSの曲げや絶縁確保の工程を追加する必要がなく、工程数の削減および故障のリスクを低減できる。
According to the power
特に、信号系端子DS・G・SSをソケットに圧入する際の荷重応力がパワーモジュール半導体装置2に加えられたり、長期の使用中に振動などにより信号系端子DS・G・SSがパワーモジュール半導体装置2より抜けたりするのを防止できる。
In particular, a load stress applied when the signal system terminals DS, G, and SS are press-fitted into the socket is applied to the power
[実施の他の形態]
[パワーモジュール半導体装置の構成]
図35に示すように、本実施の他の形態に係るパワーモジュール半導体装置2Aにおいては、さらに、電力系端子ST・DTが絶縁基板10の主表面に対して垂直方向に延伸して配置されてなる構成とされている。
[Other forms of implementation]
[Configuration of power module semiconductor device]
As shown in FIG. 35, in power
また、本実施の他の形態に係るパワーモジュール半導体装置2Aにおいて、垂直方向に配置された電力系端子DTは1端子ホルダ(第2の係止部材)103によって、垂直方向に配置された電力系端子STは1端子ホルダ(第2の係止部材)104によって、それぞれ係止されるようにして保持されている。1端子ホルダ103・104としては、寸法以外は、1端子ホルダ101と構成が同一のものを用いることができる。
Further, in the power
本実施の他の形態に係るパワーモジュール半導体装置2Aの構成によれば、信号系端子DS・G・SSのみならず、電力系端子ST・DTに関しても、圧入時の荷重応力による破損を防いだり、使用中の振動などによる端子抜けを防止できる。
According to the configuration of the power
[パワーモジュール半導体装置を適用した応用例]
図36には、本実施の他の形態に係るパワーモジュール半導体装置2Aを6個並列に配置して3相交流インバータ装置4Aを構成した平面構成が示されている。また、図37には、本実施の他の形態に係るパワーモジュール半導体装置2Aを4個並列に配置してフルブリッジインバータ装置5Aを構成した平面構成が示されている。
[Application examples using power module semiconductor devices]
FIG. 36 shows a planar configuration in which six power
本実施の他の形態に係るパワーモジュール半導体装置2Aによれば、信号系端子DS・G・SSと同様に、電力系端子ST・DTが垂直方向に突き出した状態で1端子ホルダ103・104によりサポートされているので、より小型化が可能であり、3相交流インバータ装置4Aおよびフルブリッジインバータ装置5Aを、より一層コンパクトに構成できる。
According to the power
すなわち、本実施の他の形態に係るパワーモジュール半導体装置2Aにおいては、樹脂層12の外周に信号系端子SS・G・DSおよび電力系端子ST・DTを配置していないので、図36および図37に示したように、並列配置してもパワーモジュール間距離をさらに詰めることができる。
That is, in the power
特に、端子DS・G・SS・ST・DTの垂直方向への引き出しは、モジュール内での配線の引き回しを短縮化できるなど、耐ノイズ性や損失の低減に寄与するため、高電圧分野への応用などが期待される。 In particular, since the terminals DS, G, SS, ST, and DT can be pulled out in the vertical direction, the wiring in the module can be shortened, which contributes to noise resistance and loss reduction. Applications are expected.
以上説明したように、小型化が可能であり、荷重応力による破損や端子抜けを改善できるパワーモジュール半導体装置およびその製造方法、およびこのパワーモジュール半導体装置を有するインバータ装置を提供することができる。 As described above, it is possible to provide a power module semiconductor device that can be miniaturized and that can improve breakage due to load stress and terminal loss, a manufacturing method thereof, and an inverter device having the power module semiconductor device.
[その他の実施の形態]
上記のように、いくつかの実施の形態を記載したが、開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、実施の各形態を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
[Other embodiments]
Although several embodiments have been described above, the discussion and drawings that form part of the disclosure are illustrative and should not be understood as limiting the embodiments. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.
このように、本実施の各形態は、ここでは記載していない様々な形態などを含む。 As described above, each embodiment includes various forms not described here.
本実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置は、SiCパワー半導体モジュールなどのパワーデバイス全般に利用可能であり、特に、小型・軽量化が求められている分野、車載・太陽電池・産業機器・民生機器向けのインバータ、コンバータなどの幅広い応用分野に適用可能である。 The power module semiconductor device according to the present embodiment can be used for all power devices such as SiC power semiconductor modules, and particularly, in fields where miniaturization and weight reduction are required, in-vehicle / solar cells / industrial equipment / consumer equipment. It can be applied to a wide range of application fields such as inverters and converters.
2、2A、2B、2C…パワーモジュール半導体装置
3a、3b、3c…半田層
4、4A、5、5A…インバータ装置
6…制御基板
8…電源基板
10…絶縁基板
10a、10b…銅プレート層
10a(D)…第1パターン
10a(S)…第2パターン
12…樹脂層
18n…柱状接続電極
20…柱状電極
22…上面板電極
24…n+ ドレイン領域
26…SiC半導体基板
28…pベース領域
30…ソース領域
32…ゲート絶縁膜
34…ソース電極
36…ドレインパッド電極
38…ゲート電極
44…層間絶縁膜
46…蓄電池(E)
48…コンバータ
50…ゲートドライブ部
52…パワーモジュール部
54…3相交流モータ部
100、Q、Q1〜Q6…半導体デバイス(SiC MOSFET、半導体チップ)
101…1端子ホルダ(第1の係止部材)
101a…樹脂充填部
101b…開口部
101c…送入口(送入穴)
101d…送出口(送出穴)
102…2端子ホルダ(第1の係止部材)
102a…樹脂充填部
102b、102c…開口部
102d…送入口(送入穴)
102e…送出口(送出穴)
103、104…1端子ホルダ(第2の係止部材)
200…下金型
204a・204b…収容部
220…上金型
223…樹脂注入部
400…カーボン治具
D1〜D6、DI…ダイオード
GP…ゲートパッド電極
SP…ソースパッド電極
DT、DT1、DT2、DT3、DT4、DT5、DT6…ドレイン端子(電力系端子)
ST、ST1、ST2、ST3、ST4、ST5、ST6…ソース端子(電力系端子)
POWL、GNDL、UL、VL、WL…バスバー電極
O、U、V、W…出力端子
G、G1〜G6…ゲート信号端子(信号系端子)
SS、SS1〜SS6…ソースセンス端子(信号系端子)
DS、DS1〜DS6…ドレインセンス端子(信号系端子)
GSP…ゲート信号電極パターン
SSP…ソースセンス電極パターン
2, 2A, 2B, 2C ... power
48 ...
101 ... 1 terminal holder (first locking member)
101a ...
101d ... Outlet (outlet)
102 ... Two-terminal holder (first locking member)
102a...
102e ... Sending port (sending hole)
103, 104 ... 1 terminal holder (second locking member)
200 ...
ST, ST1, ST2, ST3, ST4, ST5, ST6 ... Source terminal (power system terminal)
POWL, GNDL, UL, VL, WL: Busbar electrodes O, U, V, W ... Output terminals G, G1-G6 ... Gate signal terminals (signal system terminals)
SS, SS1 to SS6 ... Source sense terminal (signal system terminal)
DS, DS1 to DS6 ... Drain sense terminal (signal system terminal)
GSP: Gate signal electrode pattern SSP: Source sense electrode pattern
Claims (24)
前記絶縁基板上に配置された銅プレート層の第1パターンと、
前記第1パターン上に配置された半導体デバイスと、
前記半導体デバイスと電気的に接続された電力系端子と、
前記半導体デバイスと電気的に接続されると共に、前記絶縁基板の主表面に対して垂直方向に延伸して配置された信号系端子と、
前記信号系端子を係止する第1の係止部材と、
前記第1の係止部材の一部を露出させるようにして、前記半導体デバイスおよび前記絶縁基板を被覆する樹脂層と
を備え、
前記第1の係止部材は、その内部に樹脂を充填させるための送入穴と送出穴とを有し、前記送入穴は前記送出穴よりも大きいことを特徴とするパワーモジュール半導体装置。 An insulating substrate;
A first pattern of a copper plate layer disposed on the insulating substrate;
A semiconductor device disposed on the first pattern;
A power system terminal electrically connected to the semiconductor device;
A signal system terminal that is electrically connected to the semiconductor device and arranged to extend in a direction perpendicular to the main surface of the insulating substrate;
A first locking member for locking the signal system terminal;
A resin layer covering the semiconductor device and the insulating substrate so as to expose a part of the first locking member;
The power module semiconductor device, wherein the first locking member has a feed hole and a feed hole for filling a resin therein, and the feed hole is larger than the feed hole.
前記電力系端子は、前記樹脂層の主表面と平行に、前記樹脂層の長手方向に沿って、前記樹脂層の対向する両側面から互いに逆方向に延伸して配置され、ストレート配線構造を有することを特徴とする請求項1に記載のパワーモジュール半導体装置。 The resin layer has a rectangular shape in plan view having a longitudinal direction and a short direction,
The power system terminals are arranged in parallel with the main surface of the resin layer, extending in opposite directions from opposite side surfaces of the resin layer along the longitudinal direction of the resin layer, and have a straight wiring structure. The power module semiconductor device according to claim 1.
前記センサ用端子は、前記ソース電極につながるソースセンス端子および前記MOSFETと同じ構造で、前記ドレイン電極および前記ゲート電極とそれぞれ共通に接続されたセンス用MOSFETのソース電極につながるドレインセンス端子を備えることを特徴とする請求項8に記載のパワーモジュール半導体装置。 The signal system terminal includes a gate signal terminal and a sensor terminal connected to the gate electrode,
The sensor terminal has the same structure as the source sense terminal and the MOSFET connected to the source electrode, and includes a drain sense terminal connected to the source electrode of the sense MOSFET connected in common to the drain electrode and the gate electrode. The power module semiconductor device according to claim 8.
前記ゲート信号端子および前記ソースセンス端子は、前記絶縁基板上に前記半導体デバ
イスに隣接して配置された電極パターンに半田付けにより接続されることを特徴とする請求項9に記載のパワーモジュール半導体装置。 The drain sense terminal is connected to the first pattern by soldering,
The power module semiconductor device according to claim 9 , wherein the gate signal terminal and the source sense terminal are connected to an electrode pattern disposed adjacent to the semiconductor device on the insulating substrate by soldering. .
前記半導体デバイス上に配置された柱状電極と、
前記柱状電極上に配置された上面板電極と、
前記第1パターン上に配置された第1の電力系端子と、
前記第2パターン上に配置され、かつ前記上面板電極と接続された柱状接続電極と、
前記柱状接続電極に接続された第2の電力系端子と
を備えることを特徴とする請求項1に記載のパワーモジュール半導体装置。 A second pattern of a copper plate layer disposed on the insulating substrate;
A columnar electrode disposed on the semiconductor device;
An upper surface plate electrode disposed on the columnar electrode;
A first power system terminal disposed on the first pattern;
A columnar connection electrode disposed on the second pattern and connected to the upper surface plate electrode;
The power module semiconductor device according to claim 1, further comprising: a second power system terminal connected to the columnar connection electrode.
前記第1の電力系端子は、前記ソース電極に接続され、前記第2の電力系端子は、前記ドレイン電極に接続されたことを特徴とする請求項13に記載のパワーモジュール半導体装置。 The semiconductor device is a MOSFET having a source electrode, a drain electrode and a gate electrode,
14. The power module semiconductor device according to claim 13, wherein the first power system terminal is connected to the source electrode, and the second power system terminal is connected to the drain electrode.
前記第1の金型および前記第2の金型内に樹脂を充填させ、前記第1の係止部材の一部を露出させるようにして、前記半導体デバイスおよび前記絶縁基板を被覆する樹脂層を形成する第2の工程と
を有し、
前記第1の係止部材は、その内部に樹脂を充填させるための送入穴と送出穴とを有し、前記送入穴を前記送出穴よりも大きく形成することを特徴とするパワーモジュール半導体装置の製造方法。 A semiconductor device disposed on a first pattern of a copper plate layer disposed on an insulating substrate, a power system terminal electrically connected to the semiconductor device, and electrically connected to the semiconductor device; Including a signal system terminal arranged to extend in a direction perpendicular to the main surface of the insulating substrate, and a first locking member for locking the signal system terminal in the vertical direction of the insulating substrate. A first step of holding both opposing surface sides with a first mold and a second mold;
A resin layer covering the semiconductor device and the insulating substrate is formed by filling the first mold and the second mold with a resin and exposing a part of the first locking member. A second step of forming, and
The first locking member has a feed hole and a feed hole for filling the inside thereof with a resin, and the feed hole is formed larger than the feed hole. Device manufacturing method.
前記第1の工程において、前記第1の金型および前記第2の金型により前記絶縁基板を保持する際、前記第1の係止部材が前記第1の金型によって垂直方向に押圧されることを特徴とする請求項22に記載のパワーモジュール半導体装置の製造方法。 The first locking member is provided such that a main surface in the vertical direction protrudes from a main surface in the vertical direction of the resin layer formed of the resin,
In the first step, when the insulating substrate is held by the first mold and the second mold, the first locking member is pressed in the vertical direction by the first mold. The method of manufacturing a power module semiconductor device according to claim 22.
前記第2の係止部材は、その垂直方向の主表面が、前記樹脂によって形成される前記樹脂層の垂直方向の主表面より突出するように設けられており、
前記第1の工程において、前記第1の金型および前記第2の金型により前記絶縁基板を保持する際、前記第2の係止部材が前記第1の金型によって垂直方向に押圧されることを特徴とする請求項22に記載のパワーモジュール半導体装置の製造方法。 The power system terminal further includes a second locking member that is arranged extending in a direction perpendicular to the main surface of the insulating substrate and that locks the power system terminal,
The second locking member is provided such that the main surface in the vertical direction protrudes from the main surface in the vertical direction of the resin layer formed of the resin.
In the first step, when the insulating substrate is held by the first mold and the second mold, the second locking member is pressed in the vertical direction by the first mold. The method of manufacturing a power module semiconductor device according to claim 22.
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