JP6710155B2 - Power semiconductor module and method of manufacturing power semiconductor module - Google Patents
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Description
本発明は、パワー半導体モジュールに関するものである。 The present invention relates to a power semiconductor module.
例えば、特許文献１には、放熱機能を有する熱伝導器（冷却器）に絶縁層を形成し、絶縁層の上に電力半導体チップ（半導体チップ）を搭載した電力用半導体モジュール（パワー半導体モジュール）が開示されている。特許文献１の電力用半導体モジュールは、絶縁層と半導体チップとがハンダ（接合材）により接合され、絶縁層と熱伝導器とが銅材（接合材）により接合されている。また、特許文献１には、熱伝導器が複数の面において電力用半導体モジュールを搭載する構成が開示されている。 For example, in Patent Document 1, a power semiconductor module (power semiconductor module) in which an insulating layer is formed on a heat conductor (cooler) having a heat dissipation function and a power semiconductor chip (semiconductor chip) is mounted on the insulating layer Is disclosed. In the power semiconductor module of Patent Document 1, the insulating layer and the semiconductor chip are bonded by solder (bonding material), and the insulating layer and the heat conductor are bonded by copper material (bonding material). In addition, Patent Document 1 discloses a configuration in which a heat conductor mounts a power semiconductor module on a plurality of surfaces.
熱伝導器の複数の面に半導体チップを接合する場合において、先に第１面に半導体チップを接合した後に、第２面に半導体チップを接合する作業が必要となる。特許文献１では、熱伝導器の複数の面に半導体チップを搭載する場合でも、全ての面において同一の接合材を用いている。このため、冷却器の第２面に接合する際に、加熱炉の熱が第１面にも伝わり、先に第１面に接合された基板の接合材が再溶融し、第１面における半導体チップ及び基板が剥離する可能性がある。 When bonding semiconductor chips to a plurality of surfaces of the heat conductor, it is necessary to first bond the semiconductor chips to the first surface and then bond the semiconductor chips to the second surface. In Patent Document 1, even when semiconductor chips are mounted on a plurality of surfaces of the heat conductor, the same bonding material is used on all the surfaces. Therefore, when joining the second surface of the cooler, the heat of the heating furnace is also transferred to the first surface, and the joining material of the substrate previously joined to the first surface is remelted, and the semiconductor on the first surface The chip and the substrate may peel off.
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、パワー半導体モジュールの製造工程において、半導体チップの接合性を確保することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and an object thereof is to ensure the bondability of a semiconductor chip in a manufacturing process of a power semiconductor module.
上記目的を達成するために、本発明では、第１の手段として、伝熱面として第１面及び第２面を有する冷却器と、所定の溶融温度で溶融する第１接合材により第１半導体チップが接合されると共に、上記冷却器の第１面に接合される第１基板と、上記第１接合材と溶融温度が異なる第２接合材により第２半導体チップが接合されると共に上記冷却器の第２面に接合される第２基板とを備え、上記第１半導体チップは、上記第２半導体チップよりも発熱量が大きく、上記第１接合材は、上記第２接合材より熱伝導率が高く設定される、という構成を採用する。 In order to achieve the above object, in the present invention, as a first means, a cooler having a first surface and a second surface as heat transfer surfaces and a first bonding material that melts at a predetermined melting temperature are used to form a first semiconductor. The chips are joined together, the first substrate joined to the first surface of the cooler, and the second semiconductor chip joined together by the second joining material having a melting temperature different from that of the first joining material and the cooler. A second substrate bonded to the second surface of the first semiconductor chip, the first semiconductor chip has a larger heat generation amount than the second semiconductor chip, and the first bonding material has a thermal conductivity higher than that of the second bonding material. Is set to be high.
第２の手段として、上記第１の手段において、上記第１接合材は、銀焼結材であり、上記第２接合材は、ハンダである、という構成を採用する。 As a second means, in the first means, the first bonding material is a silver sintered material and the second bonding material is solder.
本発明によれば、第１接合材と、第２接合材とで溶融温度が異なっている。先に、一方の伝熱面において溶融温度が高い方の接合材を用いて基板を冷却器に接合し、次に、他方の伝熱面において溶融温度が低い方の接合材を用いて基板を冷却器に接合することにより、溶融温度が低い方の接合材による接合工程において、溶融温度が高い方の接合材が再溶融することがない。 According to the present invention, the first joining material and the second joining material have different melting temperatures. First, the substrate is joined to the cooler by using the joining material with the higher melting temperature on one heat transfer surface, and then the substrate is joined with the joining material with the lower melting temperature on the other heat transfer surface. By joining to the cooler, the joining material having the higher melting temperature will not be re-melted in the joining process using the joining material having the lower melting temperature.
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態に係るパワー半導体モジュールの一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。図１は、本実施形態に係るパワー半導体モジュールが備える電力変換装置１の断面を示す模式図である。 An embodiment of a power semiconductor module according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following drawings, the scale of each member is appropriately changed in order to make each member recognizable. FIG. 1 is a schematic diagram showing a cross section of a power conversion device 1 included in a power semiconductor module according to this embodiment.
本実施形態におけるパワー半導体モジュールは、電力変換装置１を備えている。電力変換装置１は、図１に示すように、冷却器２と、第１電子基板ユニット３と、第２電子基板ユニット４とを備えている。
冷却器２は、天板部２ａと、天板部２ａに対向する底板部２ｂと、天板部２ａと底板部２ｂとの間に設けられる放熱部２ｃとを有している。放熱部２ｃは、天板部２ａ及び底板部２ｂに垂直となるように複数の放熱フィンが立設されており、放熱フィンの間を水が通過することにより、放熱フィンの表面から熱を逃がしている。冷却器２は、第１電子基板ユニット３及び第２電子基板ユニット４の熱を放熱フィンから放熱することにより、第１電子基板ユニット３及び第２電子基板ユニット４を冷却する水冷ジャケットである。
The power semiconductor module according to the present embodiment includes the power conversion device 1. As shown in FIG. 1, the power conversion device 1 includes a
The
第１電子基板ユニット３は、冷却器２の伝熱面である天板部２ａの外面（第１面）に複数（本実施形態においては３つ）設けられ、第１基板３ａと、第１半導体チップ３ｂと、銀焼結材接合層３ｃ（第１接合材）とを備えている。第１基板３ａは、第１半導体チップ３ｂが実装された絶縁基板であり、冷却器２の天板部２ａの外面に銀焼結材接合層３ｃにより接合されている。また、第１基板３ａには、銀焼結材接合層３ｃとの間に、両面において導電部材３ｄが設けられている。導電部材３ｄは、銀焼結材接合層３ｃを第１基板３ａに定着させるために設けられる。
A plurality of (three in the present embodiment) first electronic board units 3 are provided on the outer surface (first surface) of the
第１半導体チップ３ｂは、銀焼結材接合層３ｃにより、第１基板３ａにおける冷却器２と接合される面と対向する面に実装されており、通電時において最高約１４０℃程度で発熱する。銀焼結材接合層３ｃは、銀の微粒粉を約３００℃で焼成することにより溶融させ、さらに溶融した銀の微粒粉を冷却して固化させたものである。なお、銀焼結材接合層３ｃは、再溶融する温度が約９６０℃とされ、熱伝導率が約４２０Ｗ／ｍ・Ｋとされている。
The
第２電子基板ユニット４は、冷却器２の伝熱面である底板部２ｂの外面（第２面）に複数（本実施形態においては３つ）設けられ、第２基板４ａと、第２半導体チップ４ｂと、ハンダ接合層４ｃ（第２接合材）とを備えている。第２基板４ａは、第２半導体チップ４ｂが実装された絶縁基板であり、冷却器２の底板部２ｂの外面にハンダ接合層４ｃにより接合されている。また、第２基板４ａには、ハンダ接合層４ｃとの間に、両面において導電部材４ｄが設けられている。導電部材４ｄは、ハンダ接合層４ｃを第２基板４ａに定着させるために設けられる。
A plurality of (three in the present embodiment) second electronic board units 4 are provided on the outer surface (second surface) of the
第２半導体チップ４ｂは、ハンダ接合層４ｃにより、第２基板４ａにおける冷却器２と接合される面と対向する面に実装されており、通電時において最高約１１０℃程度で発熱する。ハンダ接合層４ｃは、溶融する温度及び再溶融温度が約２７０℃とされ、熱伝導率が約６２Ｗ／ｍ・Ｋとされている。
The
すなわち、第１半導体チップ３ｂは、第２半導体チップ４ｂよりも発熱時の最高温度が高く、発熱量が大きい。また、銀焼結材接合層３ｃは、ハンダ接合層４ｃよりも熱伝導率が高く、さらに再溶融温度がハンダ接合層４ｃの溶融温度よりも高い。
That is, the
このような本実施形態における電力変換装置１における第１電子基板ユニット３及び第２電子基板ユニット４と冷却器２との組み付け方法を説明する。
まず、冷却器２の天板部２ａにおいて、第１電子基板ユニット３の取り付け作業が行われる。具体的には、第１基板３ａに設けられた導電部材３ｄと冷却器２の天板部２ａとの間に、銀ナノ粒子が配置される。そして、銀ナノ粒子は、導電部材３ｄ及び冷却器２の天板部２ａを介して加熱及び加圧されることで、表面の皮膜が除去され、粒子同士が接触する。さらに、銀ナノ粒子は、約３００℃程度で焼結されることで、粒子同士が溶融して結合し、導電部材３ｄ及び天板部２ａに溶着することで、導電部材３ｄと天板部２ａとの間に銀焼結材接合層３ｃを形成する。
A method of assembling the first electronic board unit 3 and the second electronic board unit 4 and the
First, the work of attaching the first electronic substrate unit 3 is performed on the
次に、冷却器２の底板部２ｂにおいて、第２電子基板ユニット４の取り付け作業が行われる。具体的には、第２基板４ａに設けられた導電部材４ｄと冷却器２の底板部２ｂとの間にハンダが配置される。さらに、該ハンダは、不図示の加熱炉により約２７０℃程度で加熱されることで溶融し、導電部材４ｄ及び冷却器２の底板部２ｂに密着した状態で固化することで、導電部材４ｄと冷却器２の底板部２ｂとの間にハンダ接合層４ｃを形成する。この際、加熱炉の熱と、加熱炉から冷却器２の底板部２ｂに加えられた熱とが天板部２ａ側へと伝わるものの、天板部２ａ側の銀焼結材接合層３ｃが、その再溶融温度である約９６０℃程度まで上昇することはなく、天板部２ａの銀焼結材接合層３ｃが再溶融することはない。
Next, the attachment work of the second electronic substrate unit 4 is performed on the
本実施形態によれば、銀焼結材接合層３ｃは、ハンダ接合層４ｃよりも溶融温度及び再溶融温度が高く設定されている。これにより、第２電子基板ユニット４の冷却器２への接合作業によって、銀焼結材接合層３ｃが再溶融することがない。
According to the present embodiment, the silver sintered
さらに、本実施形態によれば、銀焼結材接合層３ｃは、ハンダ接合層４ｃよりも熱伝導率が高い。また、第１半導体チップ３ｂは、第２半導体チップ４ｂよりも発熱温度が高い。したがって、第１半導体チップ３ｂの高い発熱量を銀焼結材接合層３ｃにより効率的に冷却器２へと伝えることができ、第１半導体チップ３ｂを効率よく冷却することができ、第１半導体チップ３ｂが過熱することを防止できる。
Furthermore, according to this embodiment, the silver sintered
以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。 The preferred embodiments of the present invention have been described above with reference to the drawings, but the present invention is not limited to the above embodiments. The shapes, combinations, and the like of the respective constituent members shown in the above-described embodiments are examples, and various modifications can be made based on design requirements and the like without departing from the spirit of the present invention.
上記実施形態においては、第１電子基板ユニット３及び第２電子基板ユニット４は、それぞれ３個ずつ冷却器２に接合される構成としたが、本発明はこれに限定されない。第１電子基板ユニット３及び第２電子基板ユニット４は、４個以上または２個以下としてもよい。
In the above-described embodiment, the first electronic board unit 3 and the second electronic board unit 4 are configured to be joined to the
１……電力変換装置、２……冷却器、３……第１電子基板ユニット、３ａ……第１基板、３ｂ……第１半導体チップ、３ｃ……銀焼結材接合層、４……第２電子基板ユニット、４ａ……第２基板、４ｂ……第２半導体チップ、４ｃ……ハンダ接合層 1... Power converter, 2... Cooler, 3... First electronic substrate unit, 3a... First substrate, 3b... First semiconductor chip, 3c... Silver sintered material bonding layer, 4... Second electronic substrate unit, 4a...Second substrate, 4b...Second semiconductor chip, 4c...Solder bonding layer
Claims (3)
所定の溶融温度で溶融する第１接合材により第１半導体チップが接合されると共に、前記冷却器の第１面に前記第１接合材により接合される第１基板と、
前記第１接合材と溶融温度が異なる第２接合材により第２半導体チップが接合されると共に前記冷却器の第２面に前記第２接合材により接合される第２基板と
を備え、
前記第１半導体チップは、前記第２半導体チップよりも発熱量が大きく、
前記第１接合材は、前記第２接合材より熱伝導率及び溶融温度が高く設定されることを特徴とするパワー半導体モジュール。 A cooler having both surfaces consisting of a first surface and a second surface as a heat transfer surface;
A first semiconductor chip is bonded by a first bonding material that melts at a predetermined melting temperature, and a first substrate that is bonded to the first surface of the cooler by the first bonding material ;
A second semiconductor chip is bonded to the first bonding material by a second bonding material having a different melting temperature, and a second substrate is bonded to the second surface of the cooler by the second bonding material .
The first semiconductor chip generates a larger amount of heat than the second semiconductor chip,
The power semiconductor module, wherein the first bonding material is set to have higher thermal conductivity and melting temperature than the second bonding material.
前記第２接合材は、ハンダである
ことを特徴とする請求項１記載のパワー半導体モジュール。 The first bonding material is a silver sintered material,
The power semiconductor module according to claim 1, wherein the second bonding material is solder.
冷却器の伝熱面である第１面に所定の溶融温度で溶融する第１接合材により第１基板を接合すると共に、前記第１接合材により前記第１基板に第１半導体チップを接合する第１接合工程と、The first substrate is bonded to the first surface, which is the heat transfer surface of the cooler, by the first bonding material that melts at a predetermined melting temperature, and the first semiconductor chip is bonded to the first substrate by the first bonding material. A first joining step,
前記第１面と両面をなす前記冷却器の伝熱面である第２面に前記第１接合材と溶融温度の異なる第２接合材により第２基板を接合すると共に、前記第２接合材により前記第２基板に第２半導体チップを接合する第２接合工程と、を備え、The second substrate is joined to the second surface, which is a heat transfer surface of the cooler, which is on both sides of the first surface, by the second joining material having a melting temperature different from that of the first joining material, and by the second joining material. A second bonding step of bonding a second semiconductor chip to the second substrate,
前記第１半導体チップは、前記第２半導体チップよりも発熱量が大きく、The first semiconductor chip generates a larger amount of heat than the second semiconductor chip,
前記第１接合材は、前記第２接合材より熱伝導率及び溶融温度が高く設定されることを特徴とするパワー半導体モジュールの製造方法。The method for manufacturing a power semiconductor module, wherein the first bonding material is set to have higher thermal conductivity and melting temperature than the second bonding material.
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