JP7026451B2 - Power semiconductor modules, their manufacturing methods, and power converters - Google Patents
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Description
本発明は、パワー半導体モジュール及びその製造方法並びに電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power semiconductor module, a method for manufacturing the same, and a power conversion device.
特開平10-50758号公報(特許文献1)は、セラミック基板と、トランジスタと、ダイオードと、錫のメッキが施された銅のリードとを備えるパワー半導体モジュールを開示している。セラミック基板は、ヒートシンクとして機能する金属板と、金属板上に設けられたセラミック絶縁板と、セラミック絶縁板上に形成されかつニッケルのめっきが施された金属配線パターンとを含む。リードは、トランジスタを金属配線パターンに接続するとともに、ダイオードを金属配線パターンに接続する。セラミック基板を200℃に予熱し、それから、超音波接合法によって、リードは金属配線パターンに接合される。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-50758 (Patent Document 1) discloses a power semiconductor module including a ceramic substrate, a transistor, a diode, and a tin-plated copper lead. The ceramic substrate includes a metal plate that functions as a heat sink, a ceramic insulating plate provided on the metal plate, and a metal wiring pattern formed on the ceramic insulating plate and plated with nickel. The lead connects the transistor to the metal wiring pattern and the diode to the metal wiring pattern. The ceramic substrate is preheated to 200 ° C. and then the leads are joined to the metal wiring pattern by ultrasonic joining.
特許文献1に開示されたパワー半導体モジュールはセラミック絶縁板を含むため、パワー半導体モジュールのコストは高い。パワー半導体モジュールのコストを低減するために、パワー半導体モジュールの基板として絶縁樹脂シートを含む絶縁基板を用いることが考えられる。
Since the power semiconductor module disclosed in
しかし、絶縁樹脂シートは、セラミック絶縁板より低い硬度とより低い耐熱性とを有する。また、特許文献1に開示されたパワー半導体モジュールでは、超音波接合法によって、錫のメッキが施された銅のリードをニッケルのめっきが施された金属配線パターンに接合する際、錫がリードと金属配線パターンとの間の接合界面から排出されて、銅のリードがニッケルのめっきが施された金属配線パターンに直接接合される。そのため、超音波接合法によってリードを金属配線パターンに接合する際に発生する熱及び機械的応力によって、絶縁基板に含まれる絶縁樹脂シートは熱的及び機械的な損傷を受ける。そのため、パワー半導体モジュールは低い信頼性を有する。
However, the insulating resin sheet has lower hardness and lower heat resistance than the ceramic insulating plate. Further, in the power semiconductor module disclosed in
本発明は、上記の課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、低コストかつ高い信頼性を有するパワー半導体モジュール及びその製造方法を提供することである。本発明の目的は、低コストかつ高い信頼性を有する電力変換装置を提供することである。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a power semiconductor module having high cost and high reliability and a method for manufacturing the same. An object of the present invention is to provide a power conversion device having low cost and high reliability.
本発明のパワー半導体モジュールは、絶縁基板と、パワー半導体素子と、電極端子とを備える。絶縁基板は、絶縁樹脂シートと、絶縁樹脂シートの第1の面上に設けられた導電回路パターンとを含む。パワー半導体素子は、導電性接合部材を介して導電回路パターンに接合されている。電極端子は、緩衝部材を介して導電回路パターンに超音波接合されている。電極端子は、緩衝部材に面する第1の主面と、第1の主面とは反対側の第2の主面とを有する。緩衝部材は、導電回路パターン及び電極端子より低い耐力とより低い融点とを有する材料からなる。電極端子は、導電回路パターンから離間されている。 The power semiconductor module of the present invention includes an insulating substrate, a power semiconductor element, and an electrode terminal. The insulating substrate includes an insulating resin sheet and a conductive circuit pattern provided on the first surface of the insulating resin sheet. The power semiconductor element is bonded to the conductive circuit pattern via the conductive bonding member. The electrode terminals are ultrasonically bonded to the conductive circuit pattern via a cushioning member. The electrode terminal has a first main surface facing the cushioning member and a second main surface opposite to the first main surface. The cushioning member consists of a conductive circuit pattern and a material having a lower yield strength and a lower melting point than the electrode terminals. The electrode terminals are separated from the conductive circuit pattern.
本発明のパワー半導体モジュールの製造方法は、導電性接合部材を介してパワー半導体素子を導電回路パターンに接合することを備える。絶縁基板は、絶縁樹脂シートと、絶縁樹脂シートの第1の面上に設けられた導電回路パターンとを含む。本発明のパワー半導体モジュールの製造方法は、緩衝部材を介して電極端子を導電回路パターンに接合することをさらに備える。電極端子は、緩衝部材に面する第1の主面と、第1の主面とは反対側の第2の主面とを有する。緩衝部材は、導電回路パターン及び電極端子より低い耐力とより低い融点とを有する材料からなる。緩衝部材を介して電極端子を導電回路パターンに接合することは、導電回路パターン上に緩衝部材を積み重ねることと、緩衝部材上に電極端子を積み重ねることと、第2の主面に超音波ホーンを押し当てて電極端子と緩衝部材とを超音波接合することと、緩衝部材と導電回路パターンとを接合することとを含む。第2の主面に超音波ホーンを押し当てることによって、緩衝部材は固相から液相に相転移する。電極端子は、導電回路パターンから離間されている。 The method for manufacturing a power semiconductor module of the present invention comprises joining a power semiconductor element to a conductive circuit pattern via a conductive joining member. The insulating substrate includes an insulating resin sheet and a conductive circuit pattern provided on the first surface of the insulating resin sheet. The method for manufacturing a power semiconductor module of the present invention further comprises joining electrode terminals to a conductive circuit pattern via a shock absorber. The electrode terminal has a first main surface facing the cushioning member and a second main surface opposite to the first main surface. The cushioning member consists of a conductive circuit pattern and a material having a lower yield strength and a lower melting point than the electrode terminals. Joining the electrode terminals to the conductive circuit pattern via the cushioning member means stacking the cushioning members on the conductive circuit pattern, stacking the electrode terminals on the cushioning member, and placing the ultrasonic horn on the second main surface. It includes ultrasonically joining the electrode terminal and the cushioning member by pressing them together, and joining the cushioning member and the conductive circuit pattern. By pressing the ultrasonic horn against the second main surface, the buffer member undergoes a phase transition from the solid phase to the liquid phase. The electrode terminals are separated from the conductive circuit pattern.
本発明の電力変換装置は、本発明のパワー半導体モジュールを有し、かつ、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、主変換回路を制御する制御信号を主変換回路に出力する制御回路とを備える。 The power conversion device of the present invention has the power semiconductor module of the present invention, and outputs a main conversion circuit that converts and outputs the input power and a control signal that controls the main conversion circuit to the main conversion circuit. It is equipped with a control circuit.
本発明のパワー半導体モジュールは、絶縁樹脂シートを含む絶縁基板を備えている。そのため、本発明のパワー半導体モジュールのコストは減少する。また、本発明のパワー半導体モジュールでは、電極端子は、緩衝部材を介して導電回路パターンに超音波接合され、かつ、導電回路パターンから離間されている。緩衝部材は、導電回路パターン及び電極端子より低い耐力とより低い融点とを有する材料からなる。緩衝部材は、電極端子を導電回路パターンに超音波接合する際に発生する熱及び機械的応力によって絶縁樹脂シートが熱的及び機械的な損傷を受けることを防止し得る。本発明のパワー半導体モジュールは、高い信頼性を有する。 The power semiconductor module of the present invention includes an insulating substrate including an insulating resin sheet. Therefore, the cost of the power semiconductor module of the present invention is reduced. Further, in the power semiconductor module of the present invention, the electrode terminals are ultrasonically bonded to the conductive circuit pattern via the cushioning member and separated from the conductive circuit pattern. The cushioning member consists of a conductive circuit pattern and a material having a lower yield strength and a lower melting point than the electrode terminals. The cushioning member can prevent the insulating resin sheet from being thermally and mechanically damaged by the heat and mechanical stress generated when the electrode terminals are ultrasonically bonded to the conductive circuit pattern. The power semiconductor module of the present invention has high reliability.
本発明のパワー半導体モジュールの製造方法では、絶縁基板は、絶縁樹脂シートを含む。そのため、パワー半導体モジュールのコストは減少する。また、本発明のパワー半導体モジュールの製造方法において、緩衝部材を介して電極端子を導電回路パターンに接合することは、第2の主面に超音波ホーンを押し当てて電極端子と緩衝部材とを超音波接合することと、緩衝部材と導電回路パターンとを接合することとを含む。緩衝部材は、導電回路パターン及び電極端子より低い耐力とより低い融点とを有する材料からなる。第2の主面に超音波ホーンを押し当てることによって、緩衝部材は固相から液相に相転移する。電極端子は、導電回路パターンから離間されている。緩衝部材は、電極端子を導電回路パターンに超音波接合する際に発生する熱及び機械的応力によって絶縁樹脂シートが熱的及び機械的な損傷を受けることを防止し得る。本発明のパワー半導体モジュールの製造方法によれば、高い信頼性を有するパワー半導体モジュールが得られる。 In the method for manufacturing a power semiconductor module of the present invention, the insulating substrate includes an insulating resin sheet. Therefore, the cost of the power semiconductor module is reduced. Further, in the method of manufacturing a power semiconductor module of the present invention, bonding an electrode terminal to a conductive circuit pattern via a cushioning member causes an ultrasonic horn to be pressed against a second main surface to bond the electrode terminal and the cushioning member. It includes ultrasonic bonding and bonding a cushioning member and a conductive circuit pattern. The cushioning member consists of a conductive circuit pattern and a material having a lower yield strength and a lower melting point than the electrode terminals. By pressing the ultrasonic horn against the second main surface, the buffer member undergoes a phase transition from the solid phase to the liquid phase. The electrode terminals are separated from the conductive circuit pattern. The cushioning member can prevent the insulating resin sheet from being thermally and mechanically damaged by the heat and mechanical stress generated when the electrode terminals are ultrasonically bonded to the conductive circuit pattern. According to the method for manufacturing a power semiconductor module of the present invention, a power semiconductor module having high reliability can be obtained.
本発明の電力変換装置は、本発明のパワー半導体モジュールを有する主変換回路を備える。本発明の電力変換装置は、低コストかつ高い信頼性を有する。 The power conversion device of the present invention includes a main conversion circuit having the power semiconductor module of the present invention. The power conversion device of the present invention has low cost and high reliability.
以下、本発明の実施の形態を説明する。なお、同一の構成には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. The same reference number is assigned to the same configuration, and the description thereof will not be repeated.
実施の形態1.
図1から図3を参照して、実施の形態1に係るパワー半導体モジュール1を説明する。本実施の形態のパワー半導体モジュール1は、絶縁基板11と、パワー半導体素子(40,45)と、電極端子20とを主に備える。本実施の形態のパワー半導体モジュール1は、封止部材67をさらに備えてもよい。本実施の形態のパワー半導体モジュール1は、ケース65をさらに備えてもよい。
The
絶縁基板11は、絶縁樹脂シート13と、絶縁樹脂シート13の第1の面13a上に設けられた導電回路パターン14とを含む。絶縁樹脂シート13は、特に限定されないが、エポキシ樹脂で形成されてもよい。絶縁樹脂シート13は、特に限定されないが、100℃以上130℃以下のガラス転移温度を有する材料で形成されてもよい。絶縁樹脂シート13は、導電回路パターン14よりも薄くてもよい。絶縁樹脂シート13は、特に限定されないが、0.1mm以上0.25mm以下の厚さt1を有してもよい。
The insulating
導電回路パターン14は、銅またはアルミニウムで構成されてもよい。導電回路パターン14は、絶縁樹脂シート13よりも厚くてもよい。導電回路パターン14は、電極端子20よりも薄くてもよい。導電回路パターン14は、特に限定されないが、0.3mm以上1.0mm以下の厚さt2を有してもよい。
The
絶縁基板11は、絶縁樹脂シート13の第1の面13aとは反対側の絶縁樹脂シート13の第2の面13b上に放熱部材12をさらに含んでもよい。放熱部材12は、特に限定されないが、銅板のような金属板であってもよい。放熱部材12は、絶縁樹脂シート13及び導電回路パターン14よりも厚くてもよい。放熱部材12は、特に限定されないが、1.1mm以上5.0mm以下の厚さt5を有してもよい。
The insulating
パワー半導体素子(40,45)は、特に限定されないが、スイッチング素子40と、スイッチング素子40に逆並列に接続された還流ダイオード45とを含んでもよい。スイッチング素子40は、例えば、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)または金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)であってもよい。パワー半導体素子(40,45)は、シリコン(Si)、シリコンカーバイド(SiC)または窒化ガリウム(GaN)のような半導体材料から形成されてもよい。スイッチング素子40は、第1の電極41と、第2の電極42と、第3の電極43とを含んでもよい。還流ダイオード45は、第4の電極46と、第5の電極47とを含んでもよい。第1の電極41、第2の電極42、第3の電極43、第4の電極46及び第5の電極47の各々は、例えば、Al電極、AlSi電極またはAlCu電極であってもよい。
The power semiconductor device (40, 45) is not particularly limited, but may include a switching
パワー半導体素子(40,45)は、導電性接合部材50を介して導電回路パターン14に接合されている。スイッチング素子40の第1の電極41は、導電性接合部材50を用いて、導電回路パターン14に接合されている。還流ダイオード45の第4の電極46は、導電性接合部材50を用いて、導電回路パターン14に接合されている。導電性接合部材50は、はんだであってもよい。はんだは、Sn-Cu系はんだ、Sn-Ag系はんだ、Sn-Ag-Cu系はんだまたはSn-Sb系はんだのような鉛フリーはんだであってもよい。導電性接合部材50は、特に限定されないが、導電性接着剤または導電性ナノ粒子焼結体であってもよい。導電性接着剤は、例えば、銀フィラーが分散されたエポキシ樹脂のような、金属フィラーが分散された樹脂接着剤であってもよい。導電性ナノ粒子焼結体は、銀ナノ粒子または銅ナノ粒子を350℃以下の温度で焼結させることによって形成されてもよい。
The power semiconductor element (40, 45) is bonded to the
電極端子20は、導電回路パターン14と外部回路(図示せず)とを電気的に接続する。電極端子20の一端は、導電回路パターン14に対向しており、緩衝部材60に接続されている。電極端子20の他端は、外部回路に電気的に接続される。電極端子20は、緩衝部材60に面する第1の主面21と、第1の主面21とは反対側の第2の主面22とを有する。電極端子20は、銅またはアルミニウムのような、低い電気抵抗率と高い熱伝導率とを有する金属で形成されてもよい。電極端子20は、それ自体で形状を維持できるよう剛性を有している。
The
電極端子20は、0.1mm以上の厚さt4を有してもよい。そのため、電極端子20を通してパワー半導体素子(40,45)に大電流が供給され得る。電極端子20は、1.5mm以下の厚さt4を有してもよい。そのため、超音波接合法を用いて、電極端子20と緩衝部材60とが互いに強固に接合され得るとともに、緩衝部材60と導電回路パターン14とが互いに強固に接合され得る。本明細書において、電極端子20の厚さt4は、第1の主面21と第2の主面22(凹凸構造23を除く)との間の距離として定義される。電極端子20は、例えば、0.1mm以上の幅を有してもよい。そのため、電極端子20を通してパワー半導体素子(40,45)に大電流が供給され得る。電極端子20は、例えば、5.0mm以下の幅を有してもよい。そのため、パワー半導体モジュール1に含まれる電極端子20の数が増加し得る。本明細書において、電極端子20の幅は、電極端子20の短手方向(y方向)の長さとして定義される。
The
図2を参照して、電極端子20は、第2の主面22に凹凸構造23を有している。電極端子20の凹凸構造23は、緩衝部材60を介して電極端子20を導電回路パターン14に超音波接合するために用いられる超音波ホーン70の突部71(図6を参照)と相補的な形状を有している。電極端子20の凹凸構造23は、例えば、0.3mm以上0.5mm以下の周期pと、0.1mm以上0.3mm以下の深さdとを有してもよい。
With reference to FIG. 2, the
電極端子20は、緩衝部材60を介して導電回路パターン14に超音波接合されている。電極端子20は、導電回路パターン14から離間されている。電極端子20は、導電回路パターン14に直接接合されていない。電極端子20と緩衝部材60との間の界面の一部に第1の接合層61が形成されている。第1の接合層61は、電極端子20の材料と緩衝部材60の材料とを含む合金層であってもよい。電極端子20と緩衝部材60との間の界面の一部は、導電回路パターン14の平面視において超音波ホーン70と重なる、電極端子20と緩衝部材60との間の界面の部分である。緩衝部材60と導電回路パターン14との間の界面の一部に第2の接合層62が形成されている。第2の接合層62は、緩衝部材60の材料と導電回路パターン14の材料とを含む合金層であってもよい。緩衝部材60と導電回路パターン14との間の界面の一部は、導電回路パターン14の平面視において超音波ホーン70と重なる、緩衝部材60と導電回路パターン14との間の界面の部分である。緩衝部材60、第1の接合層61及び第2の接合層62は、導電性を有している。
The
緩衝部材60は、導電回路パターン14及び電極端子20より低い耐力を有する材料からなる。本明細書において、耐力は、明確な降伏点を有しない材料において、応力を取り除いたときに0.2%の永久ひずみが発生する応力として定義される。緩衝部材60は、導電回路パターン14及び電極端子20より低い耐力を有する材料からなるため、緩衝部材60を介して電極端子20を導電回路パターン14に超音波接合する際に、緩衝部材60は、導電回路パターン14及び電極端子20よりも塑性変形しやすい。緩衝部材60は、導電回路パターン14及び電極端子20より低い融点とを有する材料からなる。緩衝部材60は、250℃以下の融点を有してもよい。緩衝部材60は、Sn-Cu系はんだ、Sn-Ag系はんだ、Sn-Ag-Cu系はんだまたはSn-Sb系はんだであってもよい。Sn-Cu系はんだ、Sn-Ag系はんだ、Sn-Ag-Cu系はんだまたはSn-Sb系はんだからなる緩衝部材60は、SnまたはInからなる比較例の緩衝部材に比べて、緩衝部材60を介した電極端子20と導電回路パターン14との間の接合の信頼性を向上させ得る。
The cushioning
緩衝部材60は、0.1mm以上の厚さt3を有してもよい。そのため、緩衝部材60を介して、電極端子20は導電回路パターン14に強固に接合され得て、パワー半導体モジュール1は高い信頼性を有する。緩衝部材60は、0.5mm未満の厚さt3を有してもよい。そのため、緩衝部材60を介して電極端子20を導電回路パターン14に超音波接合する際に、緩衝部材60と電極端子20との間の界面だけでなく、電極端子20と導電回路パターン14との間の界面にも、超音波ホーン70から十分な荷重と超音波振動とが印加され得る。緩衝部材60を介して、電極端子20は導電回路パターン14に超音波接合され得る。
The cushioning
図3を参照して、導電回路パターン14の平面視において、緩衝部材60の外周60aの全ては、電極端子20の第1の主面21の外周21aの外側にあってもよい。導電回路パターン14の平面視において、緩衝部材60は、電極端子20の長手方向(例えば、x方向)における第1の主面21の第1の両側からはみだしており、かつ、電極端子20の短手方向(例えば、y方向)における第1の主面21の第2の両側からはみだしてもよい。電極端子20の第1の主面21の全てが緩衝部材60に接合されるため、電極端子20と緩衝部材60とが互いに強固に接合され得る。導電回路パターン14の平面視において、緩衝部材60の第2の面積は、電極端子20の第1の主面21の第1の面積の100%より大きくてもよい。導電回路パターン14の平面視において、緩衝部材60の第2の面積は、電極端子20の第1の主面21の第1の面積の110%以下であってもよい。
With reference to FIG. 3, in the plan view of the
図1を参照して、導電ワイヤ55を用いて、スイッチング素子40の第2の電極42と導電回路パターン14とは互いに電気的に接続されている。導電ワイヤ56を用いて、スイッチング素子40の第3の電極43と還流ダイオード45の第5の電極47とは互いに電気的に接続されている。導電ワイヤ57を用いて、還流ダイオード45の第5の電極47と導電回路パターン14とは互いに電気的に接続されている。
With reference to FIG. 1, the
図1を参照して、ケース65は、電気的絶縁性を有する。特定的には、ケース65は、電気的絶縁性を有する樹脂から構成されてもよい。ケース65は、例えば、ポリフェニレンサルファイド(PPS)から構成されてもよい。ケース65は、絶縁基板11に接着されてもよい。ケース65は、接着剤18を用いて、絶縁基板11の絶縁樹脂シート13に接着されてもよい。接着剤18は、例えば、シリコーン樹脂接着剤のような樹脂接着剤であってもよい。電極端子20は、ケース65に一体化されてもよい。
With reference to FIG. 1, the
図1を参照して、封止部材67は、パワー半導体素子(40,45)と、導電回路パターン14と、緩衝部材60と、緩衝部材60に対向する電極端子20の一部とを封止する。封止部材67は、電気的絶縁性を有する。封止部材67は、例えば、エポキシ樹脂で形成されてもよい。封止部材67は、ケース65の内部に設けられてもよい。パワー半導体モジュール1はケース65を備えておらず、封止部材67は、トランスファーモールド封止樹脂であってもよい。
With reference to FIG. 1, the sealing
図4から図7を参照して、本実施の形態のパワー半導体モジュール1の製造方法の第1の例を説明する。
A first example of the method for manufacturing the
本実施の形態のパワー半導体モジュール1の製造方法は、導電性接合部材50を介してパワー半導体素子(40,45)を導電回路パターン14に接合すること(S10)を備える。絶縁基板11は、絶縁樹脂シート13と、絶縁樹脂シート13の第1の面13a上に設けられた導電回路パターン14とを含む。例えば、導電性接合部材50がはんだである場合、はんだをリフローすることによって、パワー半導体素子(40,45)は導電回路パターン14にはんだ付けされてもよい。
The method for manufacturing the
図4を参照して、本実施の形態のパワー半導体モジュール1の製造方法は、緩衝部材60を介して電極端子20を導電回路パターン14に接合すること(S20)をさらに備える。電極端子20は、緩衝部材60に面する第1の主面21と、第1の主面21とは反対側の第2の主面22とを有する。緩衝部材60は、導電回路パターン14及び電極端子20より低い耐力とより低い融点とを有する材料からなる。緩衝部材60は、250℃以下の融点を有してもよい。
With reference to FIG. 4, the method of manufacturing the
図5を参照して、緩衝部材60を介して電極端子20を導電回路パターン14に接合すること(S20)は、導電回路パターン14上に緩衝部材60を積み重ねることと、緩衝部材60上に電極端子20を積み重ねることとを含む。緩衝部材60は、導電回路パターン14及び電極端子20に接触している。導電回路パターン14上に積み重ねられる緩衝部材60は、0.2mm以上の厚さt6を有してもよい。そのため、超音波ホーン70を用いて電極端子20を導電回路パターン14に接合する際に、電極端子20と導電回路パターン14との間から緩衝部材60が排斥されて、電極端子20が導電回路パターン14に直接接合されることが防止される。超音波ホーン70を用いて電極端子20を導電回路パターン14に接合する間、電極端子20と導電回路パターン14との間に緩衝部材60が存在し続ける。導電回路パターン14上に積み重ねられる緩衝部材60は、0.5mm以下の厚さt6を有してもよい。そのため、超音波ホーン70によって印加される圧力と超音波振動とが電極端子20と緩衝部材60との間の界面だけでなく緩衝部材60と導電回路パターン14との間の界面にも伝達され得る。超音波ホーン70を用いて、電極端子20と緩衝部材60とが互いに超音波接合されるとともに、緩衝部材60と導電回路パターン14とが互いに超音波接合される。
With reference to FIG. 5, joining the
図6及び図7を参照して、緩衝部材60を介して電極端子20を導電回路パターン14に接合すること(S20)は、電極端子20の第2の主面22に超音波ホーン70を押し当てて電極端子20と緩衝部材60とを超音波接合することを含む。第2の主面22に超音波ホーン70を押し当てることによって、緩衝部材60は固相から液相に相転移する。電極端子20と緩衝部材60との間の界面の一部に第1の接合層61が形成される。電極端子20と緩衝部材60とは、常温の環境下で、互いに超音波接合される。
Referring to FIGS. 6 and 7, bonding the
図6及び図7を参照して、緩衝部材60を介して電極端子20を導電回路パターン14に接合すること(S20)は、緩衝部材60と導電回路パターン14とを接合することを含む。緩衝部材60と導電回路パターン14との間の界面の一部に第2の接合層62が形成される。特定的には、第2の主面22に超音波ホーン70を押し当てることによって、緩衝部材60と導電回路パターン14とは超音波接合されてもよい。すなわち、電極端子20の第2の主面22に超音波ホーン70を押し当てることによって、電極端子20と緩衝部材60とが互いに超音波接合されるだけでなく、緩衝部材60及び導電回路パターン14も互いに超音波接合されてもよい。電極端子20の第2の主面22に超音波ホーン70を押し当てることによって、第1の接合層61だけでなく、第2の接合層62も形成されてもよい。超音波ホーン70を用いて電極端子20を導電回路パターン14に接合する間、電極端子20は、導電回路パターン14から離間されている。
With reference to FIGS. 6 and 7, joining the
具体的には、超音波ホーン70は電極端子20の第2の主面22に接触する。超音波ホーン70は、電極端子20を絶縁基板11に向けて押圧する。超音波ホーン70は、電極端子20の第2の主面22(xy面)内に振動する超音波を、電極端子20、緩衝部材60及び導電回路パターン14に印加する。超音波ホーン70から電極端子20、緩衝部材60及び導電回路パターン14に印加される超音波の振動数は、例えば、数10kHzであってもよい。
Specifically, the
超音波ホーン70から印加される超音波振動によって、電極端子20の第1の主面21と緩衝部材60とが互いに摺れる。電極端子20の第1の主面21を覆う被膜(例えば、酸化膜など)と緩衝部材60の表面を覆う被膜(例えば、酸化膜など)とが除去されて、電極端子20の第1の主面21の新生面と緩衝部材60の新生面とが露出する。電極端子20の第1の主面21の新生面と緩衝部材60の新生面とが互いに接触して、電極端子20の第1の主面21と緩衝部材60との界面に第1の接合層61が形成される。こうして、電極端子20と緩衝部材60とは互いに超音波接合される。
The ultrasonic vibration applied from the
超音波ホーン70から印加される超音波振動によって、緩衝部材60と導電回路パターン14の表面とが互いに摺れて、緩衝部材60の表面を覆う被膜(例えば、酸化膜など)と導電回路パターン14の表面を覆う被膜(例えば、酸化膜など)とが除去されて、緩衝部材60の新生面と導電回路パターン14の新生面とが露出する。緩衝部材60の新生面と導電回路パターン14の新生面とが互いに接触して、緩衝部材60と導電回路パターン14の新生面との界面に第2の接合層62が形成される。こうして、緩衝部材60と導電回路パターン14の新生面とは互いに超音波接合される。
Due to the ultrasonic vibration applied from the
緩衝部材60を介して電極端子20を導電回路パターン14に超音波接合する際、電極端子20と緩衝部材60とは互いに摺れ合うため、電極端子20の第1の主面21と緩衝部材60との界面に、摩擦熱が発生する。緩衝部材60を介して電極端子20を導電回路パターン14に超音波接合する際、緩衝部材60と導電回路パターン14とは互いに摺れ合うため、緩衝部材60と導電回路パターン14との界面に、摩擦熱が発生する。これらの摩擦熱によって、電極端子20の第1の主面21の温度、緩衝部材60の温度及び緩衝部材60に面する導電回路パターン14の温度は上昇する。電極端子20の第1の主面21の温度、緩衝部材60の温度及び緩衝部材60に面する導電回路パターン14の温度は、例えば、250℃以上に上昇してもよい。
When the
緩衝部材60は、導電回路パターン14及び電極端子20より低い融点を有する。緩衝部材60の融点は、緩衝部材60を介して電極端子20を導電回路パターン14に超音波接合する間の電極端子20の第1の主面21の温度、緩衝部材60の温度及び緩衝部材60に面する導電回路パターン14の温度よりも低い。例えば、緩衝部材60の融点は、250℃以下であり、かつ、緩衝部材60を介して電極端子20を導電回路パターン14に超音波接合する間の電極端子20の第1の主面21の温度、緩衝部材60の温度及び緩衝部材60に面する導電回路パターン14の温度は、250℃より大きくてもよい。電極端子20の第2の主面22に超音波ホーン70を押し当てることによって、緩衝部材60は固相から液相に相転移する。緩衝部材60を介して電極端子20を導電回路パターン14に超音波接合している間、電極端子20及び導電回路パターン14は固相のままである。緩衝部材60が固相から液相に相転移するとき、緩衝部材60は、電極端子20と緩衝部材60との間に発生する摩擦熱と緩衝部材60と導電回路パターン14との間に発生する摩擦熱との一部を吸収する。こうして、緩衝部材60は、絶縁基板11に含まれる絶縁樹脂シート13が熱的な損傷を受けることを防止し得る。
The cushioning
さらに、緩衝部材60を介して電極端子20を導電回路パターン14に超音波接合している間、電極端子20と導電回路パターン14との間には緩衝部材60が常に介在しており、電極端子20は、導電回路パターン14から離間されている。緩衝部材60は、導電回路パターン14及び電極端子20より低い耐力と低い融点とを有する。緩衝部材60を介して電極端子20を導電回路パターン14に超音波接合する際に、緩衝部材60は選択的に変形されるとともに、超音波ホーン70によって印加される応力に対してクッションの役割を果たす。緩衝部材60は、絶縁基板11に含まれる絶縁樹脂シート13が機械的な損傷を受けることを防止し得る。
Further, while the
電極端子20の第2の主面22に、超音波ホーン70の突部71が食い込む。超音波ホーン70によって緩衝部材60に印加される圧力と超音波振動とによって、緩衝部材60は超音波振動の振動方向(xy面内の方向)に引き伸ばされ、かつ、緩衝部材60の厚さは減少する。
The
図4を参照して、本実施の形態のパワー半導体モジュール1の製造方法は、導電ワイヤ55-57を用いて、パワー半導体素子(40,45)と導電回路パターン14とを互いに電気的に接続すること(S30)をさらに備えている。具体的には、導電ワイヤ55を用いて、スイッチング素子40の第2の電極42と導電回路パターン14とは互いに電気的に接続される。導電ワイヤ56を用いて、スイッチング素子40の第3の電極43と還流ダイオード45の第5の電極47とは互いに電気的に接続される。導電ワイヤ57を用いて、還流ダイオード45の第5の電極47と導電回路パターン14とは互いに電気的に接続される。
With reference to FIG. 4, in the method of manufacturing the
図4を参照して、本実施の形態のパワー半導体モジュール1の製造方法は、ケース65を絶縁基板11に接着すること(S40)をさらに備えてもよい。ケース65は、接着剤18を用いて、絶縁基板11の絶縁樹脂シート13に接着されてもよい。電極端子20は、ケース65に一体化されてもよい。
With reference to FIG. 4, the method of manufacturing the
図4を参照して、本実施の形態のパワー半導体モジュール1の製造方法は、パワー半導体素子(40,45)と、導電回路パターン14と、緩衝部材60と、緩衝部材60に対向する電極端子20の一部とを、封止部材67で封止すること(S50)をさらに備えている。封止部材67は、例えば、ケース65の内部に封止樹脂を注入した後、封止樹脂を硬化させることによって形成されてもよい。パワー半導体モジュール1はケース65を備えておらず、パワー半導体素子(40,45)と、導電回路パターン14と、緩衝部材60と、緩衝部材60に対向する電極端子20の一部とは、トランスファーモールド法によって、封止部材67で封止されてもよい。封止部材67は、例えば、パワー半導体素子(40,45)と、導電回路パターン14と、緩衝部材60と、電極端子20とを金型内に配置し、金型内に封止樹脂を注入し、それから、封止樹脂を硬化させることによって形成されてもよい。
With reference to FIG. 4, the method of manufacturing the
本実施の形態のパワー半導体モジュール1の製造方法の第2の例では、ケース65を絶縁基板11に接着した(S40)後に、緩衝部材60を介して電極端子20を導電回路パターン14に接合すること(S20)と、導電ワイヤ55-57を用いて、パワー半導体素子(40,45)と導電回路パターン14とを互いに電気的に接続すること(S30)とが行われてもよい。
In the second example of the method for manufacturing the
図8を参照して、比較例のパワー半導体モジュールを説明する。比較例のパワー半導体モジュールは、本実施の形態のパワー半導体モジュール1と同様の構成を備えているが、以下の点で異なる。比較例のパワー半導体モジュールでは、緩衝部材60を介さずに、電極端子20は、導電回路パターン14に、直接、超音波接合されている。比較例のパワー半導体モジュールの製造方法は、超音波接合法によって、電極端子20を導電回路パターン14に直接接合することを備えている。超音波接合法によって、電極端子20を導電回路パターン14に接合する間、電極端子20と導電回路パターン14との間に、緩衝部材60は介在していない。
A power semiconductor module of a comparative example will be described with reference to FIG. The power semiconductor module of the comparative example has the same configuration as the
比較例のパワー半導体モジュールの製造方法では、超音波ホーン70を用いて電極端子20を導電回路パターン14に超音波接合する際、電極端子20と導電回路パターン14とは互いに摺れ合うため、電極端子20と導電回路パターン14との間の界面に摩擦熱が発生する。絶縁樹脂シート13の温度は、絶縁樹脂シート13の軟化温度よりも高くなり、絶縁樹脂シート13は熱分解される。例えば、絶縁樹脂シート13の表面が酸化または炭化される。比較例のパワー半導体モジュールの製造方法では、絶縁樹脂シート13は熱的な損傷を受けて、絶縁樹脂シート13は劣化する。絶縁樹脂シート13の絶縁破壊耐圧が減少し、そのため、比較例のパワー半導体モジュールは低い信頼性を有する。
In the method of manufacturing the power semiconductor module of the comparative example, when the
さらに、比較例のパワー半導体モジュールの製造方法では、電極端子20と導電回路パターン14との間の界面に発生する摩擦熱によって、絶縁樹脂シート13は軟化して変形する。加えて、比較例のパワー半導体モジュールの製造方法では、超音波ホーン70を用いて電極端子20を導電回路パターン14に超音波接合する際に超音波ホーン70によって印加される圧力が、緩衝部材60によって緩和されることなく、絶縁樹脂シート13に印加される。比較例のパワー半導体モジュールでは、絶縁樹脂シート13に、亀裂13gのような機械的な損傷が発生する。図8では、亀裂13gは、主に、絶縁樹脂シート13の厚さ方向(z方向)に垂直な方向(xy面内方向)に沿って延在しているが、亀裂13gは、絶縁樹脂シート13の厚さ方向(z方向)に沿って延在してもよい。比較例のパワー半導体モジュールの製造方法では、絶縁樹脂シート13は機械的な損傷を受けて、絶縁樹脂シート13は劣化する。絶縁樹脂シート13の絶縁破壊耐圧が減少し、そのため、比較例のパワー半導体モジュールは低い信頼性を有する。
Further, in the method of manufacturing the power semiconductor module of the comparative example, the insulating
本実施の形態のパワー半導体モジュール1及びその製造方法の効果を説明する。
本実施の形態のパワー半導体モジュール1は、絶縁基板11と、パワー半導体素子(40,45)と、電極端子20とを備える。絶縁基板11は、絶縁樹脂シート13と、絶縁樹脂シート13の第1の面13a上に設けられた導電回路パターン14とを含む。パワー半導体素子(40,45)は、導電性接合部材50を介して導電回路パターン14に接合されている。電極端子20は、緩衝部材60を介して導電回路パターン14に超音波接合されている。電極端子20は、緩衝部材60に面する第1の主面21と、第1の主面21とは反対側の第2の主面22とを有する。緩衝部材60は、導電回路パターン14及び電極端子20より低い耐力とより低い融点とを有する材料からなる。電極端子20は、導電回路パターン14から離間されている。
The effects of the
The
本実施の形態のパワー半導体モジュール1では、絶縁基板11は、絶縁樹脂シート13を含む。そのため、本実施の形態のパワー半導体モジュール1のコストは減少する。
In the
緩衝部材60は、導電回路パターン14及び電極端子20より低い融点を有する。電極端子20の第2の主面22に超音波ホーン70を押し当てることによって、緩衝部材60は固相から液相に相転移する。緩衝部材60が固相から液相に相転移するとき、緩衝部材60は、電極端子20と緩衝部材60との間の界面と緩衝部材60と導電回路パターン14との間の界面とに発生する摩擦熱一部を吸収する。緩衝部材60は、絶縁基板11に含まれる絶縁樹脂シート13が熱的な損傷を受けることを防止し得る。
The cushioning
さらに、緩衝部材60を介して電極端子20を導電回路パターン14に超音波接合している間、電極端子20と導電回路パターン14との間には緩衝部材60が常に介在しており、電極端子20は、導電回路パターン14から離間されている。緩衝部材60は、導電回路パターン14及び電極端子20より低い耐力と低い融点とを有する。緩衝部材60を介して電極端子20を導電回路パターン14に超音波接合する際に、緩衝部材60は選択的に変形されるとともに、超音波ホーン70によって印加される応力に対してクッションの役割を果たす。緩衝部材60は、絶縁基板11に含まれる絶縁樹脂シート13が機械的な損傷を受けることを防止し得る。本実施の形態のパワー半導体モジュール1は、高い信頼性を有する。
Further, while the
本実施の形態のパワー半導体モジュール1は、超音波ホーン70を用いて、緩衝部材60を介して電極端子20を導電回路パターン14に接合する際に、緩衝部材60が選択的に変形されるように構成されている。そのため、超音波ホーン70の突部71が電極端子20の第2の主面22に食い込む際の電極端子20の変形量が減少する。そのため、電極端子20が変形する際に電極端子20と超音波ホーン70との間から飛散する電極端子20のデブリの量も減少する。本実施の形態のパワー半導体モジュール1は、高い信頼性を有する。
In the
本実施の形態のパワー半導体モジュール1は、常温の環境下で製造され得るように構成されている。本実施の形態のパワー半導体モジュール1では、加熱装置無しに、緩衝部材60を介して電極端子20が導電回路パターン14に接合される。本実施の形態のパワー半導体モジュール1は、パワー半導体モジュール1の製造コストと、パワー半導体モジュール1を製造するためのスペースとを減少させ得るように構成されている。
The
本実施の形態のパワー半導体モジュール1の製造方法は、導電性接合部材50を介してパワー半導体素子(40,45)を導電回路パターン14に接合すること(S10)を備える。絶縁基板11は、絶縁樹脂シート13と、絶縁樹脂シート13の第1の面13a上に設けられた導電回路パターン14とを含む。本実施の形態のパワー半導体モジュール1の製造方法は、緩衝部材60を介して電極端子20を導電回路パターン14に接合すること(S20)をさらに備える。電極端子20は、緩衝部材60に面する第1の主面21と、第1の主面21とは反対側の第2の主面22とを有する。緩衝部材60は、導電回路パターン14及び電極端子20より低い耐力とより低い融点とを有する材料からなる。緩衝部材60を介して電極端子20を導電回路パターン14に接合すること(S20)は、導電回路パターン14上に緩衝部材60を積み重ねることと、緩衝部材60上に電極端子20を積み重ねることと、第2の主面22に超音波ホーン70を押し当てて電極端子20と緩衝部材60とを超音波接合することと、緩衝部材60と導電回路パターン14とを接合することとを含む。第2の主面22に超音波ホーン70を押し当てることによって、緩衝部材60は固相から液相に相転移する。電極端子20は、導電回路パターン14から離間されている。
The method for manufacturing the
本実施の形態のパワー半導体モジュール1の製造方法では、絶縁基板11は、絶縁樹脂シート13を含む。そのため、本実施の形態のパワー半導体モジュール1のコストは減少する。
In the method for manufacturing the
緩衝部材60は、導電回路パターン14及び電極端子20より低い融点を有する。電極端子20の第2の主面22に超音波ホーン70を押し当てることによって、緩衝部材60は固相から液相に相転移する。緩衝部材60が固相から液相に相転移するとき、緩衝部材60は、電極端子20と緩衝部材60との間の界面と緩衝部材60と導電回路パターン14との間の界面とに発生する摩擦熱一部を吸収する。緩衝部材60は、絶縁基板11に含まれる絶縁樹脂シート13が熱的な損傷を受けることを防止し得る。
The cushioning
さらに、緩衝部材60を介して電極端子20を導電回路パターン14に超音波接合している間、電極端子20と導電回路パターン14との間には緩衝部材60が常に介在しており、電極端子20は、導電回路パターン14から離間されている。緩衝部材60は、導電回路パターン14及び電極端子20より低い耐力と低い融点とを有する。緩衝部材60を介して電極端子20を導電回路パターン14に超音波接合する際に、緩衝部材60が選択的に変形されるとともに、超音波ホーン70によって印加される応力に対してクッションの役割を果たす。緩衝部材60は、絶縁基板11に含まれる絶縁樹脂シート13が機械的な損傷を受けることを防止し得る。本実施の形態のパワー半導体モジュール1の製造方法によれば、高い信頼性を有するパワー半導体モジュール1が得られる。
Further, while the
本実施の形態のパワー半導体モジュール1の製造方法では、超音波ホーン70を用いて、緩衝部材60を介して電極端子20を導電回路パターン14に接合する(S20)際に、緩衝部材60が選択的に変形される。そのため、超音波ホーン70の突部71が電極端子20の第2の主面22に食い込む際の電極端子20の変形量が減少する。そのため、電極端子20が変形する際に電極端子20と超音波ホーン70との間から飛散する電極端子20のデブリの量も減少する。本実施の形態のパワー半導体モジュール1の製造方法によれば、高い信頼性を有するパワー半導体モジュール1が得られる。
In the method for manufacturing the
本実施の形態のパワー半導体モジュール1の製造方法は、常温の環境下で行われ得る。本実施の形態のパワー半導体モジュール1の製造方法では、緩衝部材60を介して電極端子20を導電回路パターン14に接合する(S20)際に、加熱装置は不要である。本実施の形態のパワー半導体モジュール1の製造方法は、パワー半導体モジュール1の製造コストと、パワー半導体モジュール1を製造するためのスペースとを減少させることができる。
The method for manufacturing the
本実施の形態のパワー半導体モジュール1及びその製造方法では、緩衝部材60は、250℃以下の融点を有してもよい。電極端子20の第2の主面22に超音波ホーン70を押し当てることによって、緩衝部材60は固相から液相に相転移する。緩衝部材60は、電極端子20と緩衝部材60との間の界面と緩衝部材60と導電回路パターン14との間の界面とに発生する摩擦熱一部を吸収する。緩衝部材60は、絶縁基板11に含まれる絶縁樹脂シート13が熱的な損傷を受けることを防止し得る。本実施の形態のパワー半導体モジュール1は、高い信頼性を有する。
In the
本実施の形態のパワー半導体モジュール1及びその製造方法では、緩衝部材60は、Sn-Cu系はんだ、Sn-Ag系はんだ、Sn-Ag-Cu系はんだまたはSn-Sb系はんだであってもよい。緩衝部材60が、Sn-Cu系はんだ、Sn-Ag系はんだ、Sn-Ag-Cu系はんだまたはSn-Sb系はんだであるため、緩衝部材60を介した電極端子20と導電回路パターン14との間の接合の信頼性が向上され得る。本実施の形態のパワー半導体モジュール1は、高い信頼性を有する。
In the
本実施の形態のパワー半導体モジュール1及びその製造方法では、導電回路パターン14において、緩衝部材60の外周60aの全ては、電極端子20の第1の主面21の外周21aの外側にあってもよい。電極端子20は緩衝部材60に対して容易に位置合わせされ得る。
In the
本実施の形態のパワー半導体モジュール1では、導電回路パターン14の平面視において、緩衝部材60の第2の面積は、電極端子20の第1の主面21の第1の面積の100%より大きくかつ110%以下であってもよい。そのため、電極端子20は緩衝部材60に対して容易に位置合わせされ得るとともに、電極端子20は高密度でパワー半導体モジュール1内に配置され得る。
In the
本実施の形態のパワー半導体モジュール1は、封止部材67をさらに備えてもよい。封止部材67は、パワー半導体素子(40,45)と、導電回路パターン14と、緩衝部材60と、緩衝部材60に対向する電極端子20の一部とを封止する。封止部材67は、緩衝部材60を介した電極端子20と導電回路パターン14との間の接合を補強し得る。本実施の形態のパワー半導体モジュール1は、高い信頼性を有する。
The
本実施の形態のパワー半導体モジュール1の製造方法では、導電回路パターン14上に積み重ねられる緩衝部材60は、0.2mm以上の厚さt6を有してもよい。そのため、超音波ホーン70を用いて電極端子20を導電回路パターン14に接合する際に、電極端子20と導電回路パターン14との間から緩衝部材60が排斥されて、電極端子20が導電回路パターン14に直接接合されることが防止される。本実施の形態のパワー半導体モジュール1は、高い信頼性を有する。
In the method for manufacturing the
実施の形態2.
図9を参照して、実施の形態2に係るパワー半導体モジュール1b及びその製造方法を説明する。本実施の形態のパワー半導体モジュール1bは、実施の形態1のパワー半導体モジュール1と同様の構成を備えるが、主に以下の点で異なる。
The
本実施の形態のパワー半導体モジュール1bでは、緩衝部材60は、導電性接合部材50と同じまたはより低い融点を有する。緩衝部材60は、導電性接合部材50と同じ材料であってもよい。第2の接合層62は、緩衝部材60と導電回路パターン14との間の界面の全体に形成されてもよい。
In the
図10から図12を参照して、本実施の形態のパワー半導体モジュール1bの製造方法は、実施の形態1のパワー半導体モジュール1の製造方法と同様の工程を備えるが、主に以下の点で異なる。
With reference to FIGS. 10 to 12, the method for manufacturing the
図10を参照して、導電性接合部材50を介してパワー半導体素子(40,45)を導電回路パターン14に接合すること(S10)は、導電回路パターン14上に導電性接合部材50を積み重ねることと、導電性接合部材50上にパワー半導体素子(40,45)を積み重ねることと、熱を印加して、導電性接合部材50を介してパワー半導体素子(40,45)を導電回路パターン14に接合することを含む。緩衝部材60を介して電極端子20を導電回路パターン14に接合すること(S20)は、導電回路パターン14上に緩衝部材60を積み重ねることと、この熱を緩衝部材60及び導電回路パターン14に印加することによって、緩衝部材60を導電回路パターン14に接合することを含む。すなわち、熱を印加することによって、導電性接合部材50を介してパワー半導体素子(40,45)が導電回路パターン14に接合されるとともに、緩衝部材60も導電回路パターン14に接合される。熱を印加することによって、緩衝部材60と導電回路パターン14との間の界面に、第2の接合層62が形成される。
With reference to FIG. 10, joining the power semiconductor element (40, 45) to the
具体的には、導電性接合部材50が導電回路パターン14上に積み重ねられ、それから、パワー半導体素子(40,45)が導電性接合部材50上に積み重ねられる。緩衝部材60が導電回路パターン14上に積み重ねられる。それから、絶縁基板11と導電性接合部材50と緩衝部材60とパワー半導体素子(40,45)とが加熱炉の中に入れられる。加熱炉の中で導電性接合部材50と緩衝部材60とが加熱される。こうして、パワー半導体素子(40,45)が導電性接合部材50を介して導電回路パターン14に接合されるとともに、緩衝部材60と導電回路パターン14との間の界面に第2の接合層62が形成される。
Specifically, the
図11及び図12を参照して、緩衝部材60を介して電極端子20を導電回路パターン14に接合すること(S20)は、緩衝部材60上に電極端子20を積み重ねることと、電極端子20の第2の主面22に超音波ホーン70を押し当てて電極端子20と緩衝部材60とを超音波接合することとを含む。第2の主面22に超音波ホーン70を押し当てることによって、緩衝部材60は固相から液相に相転移する。電極端子20と緩衝部材60との間の界面の一部に第1の接合層61が形成される。電極端子20と緩衝部材60とは、常温の環境下で、互いに超音波接合される。
With reference to FIGS. 11 and 12, bonding the
本実施の形態のパワー半導体モジュール1b及びその製造方法の効果を説明する。
本実施の形態のパワー半導体モジュール1bでは、緩衝部材60は、導電性接合部材50と同じまたはより低い融点を有する。パワー半導体モジュール1bは、導電性接合部材50を介してパワー半導体素子(40,45)を導電回路パターン14に接合する際に、緩衝部材60もまた導電回路パターン14に接合され得るように構成されている。本実施の形態のパワー半導体モジュール1bは、パワー半導体モジュール1bを製造するための工程数が減少され得るように構成されている。
The effects of the
In the
本実施の形態のパワー半導体モジュール1bの製造方法では、導電性接合部材50を介してパワー半導体素子(40,45)を導電回路パターン14に接合すること(S10)は、導電回路パターン14上に導電性接合部材50を積み重ねることと、導電性接合部材50上に、パワー半導体素子(40,45)を積み重ねることと、熱を印加して、導電性接合部材50を介してパワー半導体素子(40,45)を導電回路パターン14に接合することを含む。熱を印加することによって、緩衝部材60と導電回路パターン14とは接合される。このように、導電性接合部材50を介してパワー半導体素子(40,45)を導電回路パターン14に接合する(S10)際に、緩衝部材60もまた導電回路パターン14に接合され得る。本実施の形態のパワー半導体モジュール1bの製造方法によれば、パワー半導体モジュール1bを製造するための工程数が減少され得る。
In the method for manufacturing the
実施の形態3.
図13から図16を参照して、実施の形態3に係るパワー半導体モジュール1cを説明する。本実施の形態のパワー半導体モジュール1cは、実施の形態1のパワー半導体モジュール1と同様の構成を備えるが、主に以下の点で異なる。
Embodiment 3.
The
本実施の形態のパワー半導体モジュール1cでは、電極端子20は、第1の主面21から突出する1つ以上の突起部25を含む。1つ以上の突起部25は、導電回路パターン14から離間されている。本実施の形態のパワー半導体モジュール1cにおける電極端子20と緩衝部材60との間の接触面積は、実施の形態1のパワー半導体モジュール1における電極端子20と緩衝部材60との間の接触面積よりも増加する。1つ以上の突起部25は、緩衝部材60を介した電極端子20と導電回路パターン14との間の接合強度を増加させ得る。
In the
図13及び図14に示されるように、1つ以上の突起部25の各々は、その頂部に凸曲面を有してもよい。1つ以上の突起部25の各々は、例えば、半球の形状を有してもよいし、半楕円球の形状を有してもよい。図15に示されるように、1つ以上の突起部25は、各々、多角錐または円錐の形状を有してもよい。図16に示されるように、1つ以上の突起部25は、各々、多角柱または円柱の形状を有してもよい。1つ以上の突起部25は、多角柱、多角錐、円錐または円柱の形状を有し、かつ、その頂部に凸曲面を有してもよい。
As shown in FIGS. 13 and 14, each of the one or
1つ以上の突起部25は、各々、緩衝部材60の厚さt3の20%以上の高さhを有してもよいし、緩衝部材60の厚さt3の30%以上の高さhを有してもよい。1つ以上の突起部25は、各々、緩衝部材60の厚さt3の70%以下の高さhを有してもよいし、緩衝部材60の厚さt3の50%以下の高さhを有してもよい。本明細書において、1つ以上の突起部25の各々の高さhは、電極端子20の第1の主面21から1つ以上の突起部25の各々の頂部の最大高さとして定義される。緩衝部材60の厚さt3は、緩衝部材60を介して電極端子20が導電回路パターン14に接合された後の緩衝部材60の、第1の主面21に対向する部分(1つ以上の突起部25を除く)の最小厚さとして定義される。
Each of the one or
図17から図19を参照して、実施の形態3に係るパワー半導体モジュール1cの製造方法を説明する。本実施の形態のパワー半導体モジュール1cの製造方法は、実施の形態1のパワー半導体モジュール1の製造方法と同様の工程を備えるが、主に以下の点で異なる。
A method for manufacturing the
図17を参照して、緩衝部材60を介して電極端子20を導電回路パターン14に接合すること(S20)は、導電回路パターン14上に緩衝部材60を積み重ねることと、緩衝部材60上に電極端子20を積み重ねることとを含む。図18及び図19を参照して、緩衝部材60を介して電極端子20を導電回路パターン14に接合すること(S20)は、第2の主面22に超音波ホーン70を押し当てて電極端子20と緩衝部材60とを超音波接合することを含む。電極端子20は、第1の主面21から突出する1つ以上の突起部25を含む。1つ以上の突起部25は、導電回路パターン14から離間されている。
Referring to FIG. 17, joining the
本実施の形態のパワー半導体モジュール1c及びその製造方法の効果を説明する。
本実施の形態のパワー半導体モジュール1c及びその製造方法では、電極端子20は、第1の主面21から突出する1つ以上の突起部25を含む。1つ以上の突起部25は、導電回路パターン14から離間されている。
The effects of the
In the
そのため、第2の主面22に超音波ホーン70を押し当てて緩衝部材60を介して電極端子20を導電回路パターン14に超音波接合し始める際の、本実施の形態における電極端子20と緩衝部材60との間の接触面積は、実施の形態1よりも減少する。電極端子20を介して超音波ホーン70から緩衝部材60に加わる圧力が増加する。1つ以上の突起部25は、緩衝部材60の変形と、緩衝部材60を介した電極端子20と導電回路パターン14との間の接合層(第1の接合層61、第2の接合層62)の形成とを促進する。本実施の形態のパワー半導体モジュール1cは、超音波ホーン70から供給しなければならない超音波振動のエネルギーが減少され得るとともに、緩衝部材60を介して電極端子20を導電回路パターン14に超音波接合するために要する時間が短縮され得るように構成されている。本実施の形態のパワー半導体モジュール1cの製造方法によれば、超音波ホーン70から供給しなければならない超音波振動のエネルギーが減少され得るとともに、緩衝部材60を介して電極端子20を導電回路パターン14に超音波接合するために要する時間が短縮され得る。
Therefore, when the
本実施の形態のパワー半導体モジュール1c及びその製造方法では、1つ以上の突起部25の各々は、その頂部に凸曲面を有してもよい。頂部に凸曲面を有する1つ以上の突起部25は、頂部に角部を有する1つ以上の突起部25よりも、電極端子20と緩衝部材60との界面に発生する摩擦熱が局所的に過度に増加することを抑制し得る。そのため、絶縁樹脂シート13が熱的な損傷を受けることが防止され得る。本実施の形態のパワー半導体モジュール1cは、高い信頼性を有する。本実施の形態のパワー半導体モジュール1cの製造方法によれば、高い信頼性を有するパワー半導体モジュール1cが得られる。
In the
実施の形態4.
本実施の形態は、実施の形態1から実施の形態3のいずれか1つに係るパワー半導体モジュールを電力変換装置に適用したものである。本発明は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、実施の形態4として、三相のインバータに本発明を適用した場合について説明する。
Embodiment 4.
In this embodiment, the power semiconductor module according to any one of the first to third embodiments is applied to a power conversion device. Although the present invention is not limited to a specific power conversion device, the case where the present invention is applied to a three-phase inverter will be described below as the fourth embodiment.
図20に示される電力変換システムは、電源100、電力変換装置200、負荷300から構成される。電源100は、直流電源であり、電力変換装置200に直流電力を供給する。電源100は、特に限定されないが、例えば、直流系統、太陽電池または蓄電池で構成されてもよいし、交流系統に接続された整流回路またはAC/DCコンバータで構成されてもよい。電源100は、直流系統から出力される直流電力を所定の電力に変換するDC/DCコンバータによって構成されてもよい。
The power conversion system shown in FIG. 20 includes a
電力変換装置200は、電源100と負荷300の間に接続された三相のインバータであり、電源100から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷300に交流電力を供給する。電力変換装置200は、図20に示されるように、直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路201と、主変換回路201を制御する制御信号を主変換回路201に出力する制御回路203とを備えている。
The
負荷300は、電力変換装置200から供給された交流電力によって駆動される三相の電動機である。なお、負荷300は特定の用途に限られるものではなく、各種電気機器に搭載された電動機であり、例えば、ハイブリッド自動車、電気自動車、鉄道車両、エレベーター、または、空調機器向けの電動機として用いられる。
The
以下、電力変換装置200の詳細を説明する。主変換回路201は、スイッチング素子(図示せず)と還流ダイオード(図示せず)を備えている。スイッチング素子が電源100から供給される電圧をスイッチングすることによって、主変換回路201は、電源100から供給される直流電力を交流電力に変換して、負荷300に供給する。主変換回路201の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態に係る主変換回路201は2レベルの三相フルブリッジ回路であり、6つのスイッチング素子とそれぞれのスイッチング素子に逆並列された6つの還流ダイオードとから構成され得る。主変換回路201の各スイッチング素子及び各還流ダイオードとして、上述した実施の形態1から実施の形態3のいずれかのパワー半導体モジュール1,1b,1cに含まれるスイッチング素子40及び還流ダイオード45が適用され得る。主変換回路201を構成するパワー半導体モジュール202として、上述した実施の形態1から実施の形態3のいずれかのパワー半導体モジュール1,1b,1cにが適用され得る。6つのスイッチング素子は2つのスイッチング素子ごとに直列接続され上下アームを構成し、各上下アームはフルブリッジ回路の各相(U相、V相及びW相)を構成する。そして、各上下アームの出力端子、すなわち主変換回路201の3つの出力端子は、負荷300に接続される。
Hereinafter, the details of the
また、主変換回路201は、各スイッチング素子を駆動する駆動回路(図示せず)を備えている。駆動回路は、パワー半導体モジュール202に内蔵されてもよいし、パワー半導体モジュール202の外部に設けられてもよい。駆動回路は、主変換回路201に含まれるスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成して、主変換回路201のスイッチング素子の制御電極に駆動信号を供給する。具体的には、制御回路203からの制御信号に従い、スイッチング素子をオン状態にする駆動信号とスイッチング素子をオフ状態にする駆動信号とを各スイッチング素子の制御電極に出力する。
Further, the
本実施の形態に係る電力変換装置200では、主変換回路201に含まれるパワー半導体モジュール202として、実施の形態1から実施の形態3のいずれかに係るパワー半導体モジュール1,1b,1cが適用される。そのため、本実施の形態に係る電力変換装置200は、低コストかつ高い信頼性を有する。
In the
本実施の形態では、2レベルの三相インバータに本発明を適用する例を説明したが、これに限られるものではなく、種々の電力変換装置に適用することができる。本実施の形態では2レベルの電力変換装置としたが、3レベルの電力変換装置であってもよいし、マルチレベルの電力変換装置であってもよい。電力変換装置が単相負荷に電力を供給する場合には、単相のインバータに本発明が適用されてもよい。電力変換装置が直流負荷等に電力を供給する場合には、DC/DCコンバータまたはAC/DCコンバータに本発明が適用されてもよい。 In the present embodiment, an example of applying the present invention to a two-level three-phase inverter has been described, but the present invention is not limited to this, and can be applied to various power conversion devices. In the present embodiment, a two-level power conversion device is used, but a three-level power conversion device or a multi-level power conversion device may be used. The present invention may be applied to a single-phase inverter when the power converter supplies power to a single-phase load. When the power converter supplies power to a DC load or the like, the present invention may be applied to a DC / DC converter or an AC / DC converter.
本発明が適用された電力変換装置は、負荷が電動機の場合に限定されるものではなく、例えば、放電加工機もしくはレーザー加工機の電源装置、または、誘導加熱調理器もしくは非接触器給電システムの電源装置に組み込まれ得る。本発明が適用された電力変換装置は、太陽光発電システムまたは蓄電システム等のパワーコンディショナーとして用いられ得る。 The power conversion device to which the present invention is applied is not limited to the case where the load is an electric motor, for example, a power supply device of an electric discharge machine or a laser machine machine, or an induction heating cooker or a non-contact power supply system. Can be incorporated into a power supply. The power conversion device to which the present invention is applied can be used as a power conditioner for a photovoltaic power generation system, a power storage system, or the like.
今回開示された実施の形態1-4はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。矛盾のない限り、今回開示された実施の形態1-4の少なくとも2つを組み合わせてもよい。本発明の範囲は、上記した説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることを意図される。 It should be considered that the embodiments 1-4 disclosed this time are exemplary in all respects and are not restrictive. As long as there is no contradiction, at least two of Embodiments 1-4 disclosed this time may be combined. The scope of the present invention is shown by the scope of claims rather than the above description, and is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims.
1,1b,1c パワー半導体モジュール、11 絶縁基板、12 放熱部材、13 絶縁樹脂シート、13a 第1の面、13b 第2の面、13g 亀裂、14 導電回路パターン、18 接着剤、20 電極端子、21 第1の主面、21a 外周、22 第2の主面、23 凹凸構造、25 突起部、40 スイッチング素子、41 第1の電極、42 第2の電極、43 第3の電極、45 還流ダイオード、46 第4の電極、47 第5の電極、50 導電性接合部材、55,56,57 導電ワイヤ、60 緩衝部材、60a 外周、61 第1の接合層、62 第2の接合層、65 ケース、67 封止部材、70 超音波ホーン、71 突部、100 電源、200 電力変換装置、201 主変換回路、202 パワー半導体モジュール、203 制御回路、300 負荷。 1,1b, 1c Power semiconductor module, 11 Insulated substrate, 12 Heat dissipation member, 13 Insulated resin sheet, 13a 1st surface, 13b 2nd surface, 13g crack, 14 Conductive circuit pattern, 18 Adhesive, 20 Electrode terminal, 21 1st main surface, 21a outer circumference, 22 2nd main surface, 23 uneven structure, 25 protrusions, 40 switching elements, 41 1st electrode, 42 2nd electrode, 43 3rd electrode, 45 freewheeling diode , 46 4th electrode, 47 5th electrode, 50 conductive bonding member, 55, 56, 57 conductive wire, 60 cushioning member, 60a outer circumference, 61 first bonding layer, 62 second bonding layer, 65 case. , 67 Sealing member, 70 Ultrasonic horn, 71 protrusion, 100 power supply, 200 power conversion device, 201 main conversion circuit, 202 power semiconductor module, 203 control circuit, 300 load.
Claims (15)
導電性接合部材を介して前記導電回路パターンに接合されたパワー半導体素子と、
緩衝部材を介して前記導電回路パターンに超音波接合された電極端子とを備え、
前記絶縁樹脂シートは、前記導電回路パターンよりも薄く、
前記電極端子は、前記緩衝部材に面する第1の主面と、前記第1の主面とは反対側の第2の主面とを有し、前記緩衝部材は、前記導電回路パターン及び前記電極端子より低い耐力とより低い融点とを有する材料からなり、
前記電極端子は、前記導電回路パターンから離間されており、
前記緩衝部材は、250℃以下の融点を有し、Sn-Cu系はんだ、Sn-Ag系はんだ、Sn-Ag-Cu系はんだまたはSn-Sb系はんだである、パワー半導体モジュール。 An insulating substrate including an insulating resin sheet and a conductive circuit pattern provided on the first surface of the insulating resin sheet.
A power semiconductor device bonded to the conductive circuit pattern via a conductive bonding member,
It is provided with an electrode terminal ultrasonically bonded to the conductive circuit pattern via a shock absorber.
The insulating resin sheet is thinner than the conductive circuit pattern,
The electrode terminal has a first main surface facing the cushioning member and a second main surface opposite to the first main surface, and the cushioning member has the conductive circuit pattern and the above-mentioned conductive circuit pattern. It consists of a material that has a lower yield strength and a lower melting point than the electrode terminals.
The electrode terminals are separated from the conductive circuit pattern .
The shock absorber is a power semiconductor module having a melting point of 250 ° C. or lower, which is a Sn—Cu based solder, a Sn—Ag based solder, a Sn—Ag—Cu based solder, or a Sn—Sb based solder .
前記1つ以上の突起部は、前記導電回路パターンから離間されている、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のパワー半導体モジュール。 The electrode terminals include one or more protrusions protruding from the first main surface.
The power semiconductor module according to any one of claims 1 to 4 , wherein the one or more protrusions are separated from the conductive circuit pattern.
前記封止部材は、前記パワー半導体素子と、前記導電回路パターンと、前記緩衝部材と、前記緩衝部材に対向する前記電極端子の一部とを封止する、請求項1から請求項7のいずれか1項に記載のパワー半導体モジュール。 Further equipped with a sealing member,
The sealing member is any of claims 1 to 7 , wherein the sealing member seals the power semiconductor element, the conductive circuit pattern, the cushioning member, and a part of the electrode terminal facing the cushioning member. The power semiconductor module according to claim 1.
絶縁基板は、絶縁樹脂シートと、前記絶縁樹脂シートの第1の面上に設けられた前記導電回路パターンとを含み、さらに、
緩衝部材を介して電極端子を前記導電回路パターンに接合することを備え、前記電極端子は、前記緩衝部材に面する第1の主面と、前記第1の主面とは反対側の第2の主面とを有し、前記緩衝部材は、前記導電回路パターン及び前記電極端子より低い耐力とより低い融点とを有する材料からなり、
前記緩衝部材を介して前記電極端子を前記導電回路パターンに接合することは、前記導電回路パターン上に前記緩衝部材を積み重ねることと、前記緩衝部材上に前記電極端子を積み重ねることと、前記第2の主面に超音波ホーンを押し当てて前記電極端子と前記緩衝部材とを超音波接合することと、前記緩衝部材と前記導電回路パターンとを接合することとを含み、前記第2の主面に前記超音波ホーンを押し当てることによって、前記緩衝部材は固相から液相に相転移し、
前記電極端子は、前記導電回路パターンから離間されている、パワー半導体モジュールの製造方法。 It comprises joining a power semiconductor device to a conductive circuit pattern via a conductive joining member.
The insulating substrate includes an insulating resin sheet and the conductive circuit pattern provided on the first surface of the insulating resin sheet, and further.
The electrode terminals are joined to the conductive circuit pattern via a cushioning member, and the electrode terminals have a first main surface facing the cushioning member and a second surface opposite to the first main surface. The cushioning member is made of a material having a conductive circuit pattern and a lower yield strength and a lower melting point than the electrode terminals.
To bond the electrode terminal to the conductive circuit pattern via the cushioning member, the cushioning member is stacked on the conductive circuit pattern, the electrode terminal is stacked on the cushioning member, and the second. The second main surface includes the ultrasonic bonding of the electrode terminal and the cushioning member by pressing an ultrasonic horn against the main surface of the surface and the bonding of the cushioning member and the conductive circuit pattern. By pressing the ultrasonic horn against the body, the buffer member undergoes a phase transition from a solid phase to a liquid phase.
A method for manufacturing a power semiconductor module, wherein the electrode terminals are separated from the conductive circuit pattern.
前記熱を印加することによって、前記緩衝部材と前記導電回路パターンとは接合される、請求項9に記載のパワー半導体モジュールの製造方法。 To join the power semiconductor element to the conductive circuit pattern via the conductive joining member, the conductive joining member is stacked on the conductive circuit pattern and the power semiconductor is placed on the conductive joining member. It comprises stacking the elements and applying heat to join the power semiconductor device to the conductive circuit pattern via the conductive joining member.
The method for manufacturing a power semiconductor module according to claim 9 , wherein the cushioning member and the conductive circuit pattern are joined by applying the heat.
前記1つ以上の突起部は、前記導電回路パターンから離間されている、請求項9から請求項13のいずれか1項に記載のパワー半導体モジュールの製造方法。 The electrode terminals include one or more protrusions protruding from the first main surface.
The method for manufacturing a power semiconductor module according to any one of claims 9 to 13 , wherein the one or more protrusions are separated from the conductive circuit pattern.
前記主変換回路を制御する制御信号を前記主変換回路に出力する制御回路とを備える、電力変換装置。 A main conversion circuit having the power semiconductor module according to any one of claims 1 to 8 and converting and outputting input power.
A power conversion device including a control circuit that outputs a control signal for controlling the main conversion circuit to the main conversion circuit.
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