JP7050504B2 - パワー半導体モジュール - Google Patents

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。

例えば特許文献１等に記載されるように従来のパワー半導体モジュールとして次に述べるような構造のものがある。
放熱板の上面に、セラミック等の絶縁基板が固着されている。
絶縁基板の上面には所定の導体パターンが形成されている。
導体パターンにＩＧＢＴ若しくはＭＯＳＦＥＴ等のパワー半導体チップが電気的及び機械的に接続されている。
導体パターン上に外部導出端子の内端部が電気的及び機械的に接続されている。
放熱板の周縁部に外囲ケースの下端開口が接合され、外囲ケースの上端開口に蓋が被せられ、上記導体パターン及び半導体チップを封入するパッケージが構成されている。
外部導出端子は、蓋に形成された孔を通して外側に延設され、その外端部は外部とボルト等により接続可能とされている。
特許文献２の記載のパワー半導体モジュールにあっては、外部導出端子の内端部を半導体チップの上面電極に接続した構造も採用されている。

特開２０１４－１２０６５７号公報 実開平６－５０３５８号公報

しかしながら、従来のパワー半導体モジュールにあっては、次のような課題がある。
外部導出端子の外端部は、外部機器と電気的かつ機械的かつ熱的に接続される。
したがって、パワー半導体モジュールと外部機器とを接続するためのボルト締付け時などに、機械的応力が、外部導出端子の内端部と導導体パターンの接合部に集中し、絶縁基板の割れなど信頼性不良の原因となる。
このような機械的応力の課題に対し、特許文献１，２に記載の発明あっては、外部導出端子の一部に湾曲形状や切込み形状を形成してそのばね特性により応力を緩和しようとする。
また、特許文献１，２に記載の発明あっては、発熱体であるパワー半導体チップからの放熱経路は、パワー半導体チップから導体パターン、絶縁基板を経由して放熱板への経路、パワー半導体チップから外部導出端子を経由して外部機器への経路の２経路のみに限られていた。

本発明は以上の従来の課題に鑑みて案出されたものであり、その目的は、放熱板上の回路基板にパワー半導体チップと外部導出端子の内端部とが接合する構造を備えたパワー半導体モジュールについて、外部導出端子から回路基板に加わる機械的応力を緩和するとともに、発熱体であるパワー半導体チップからの放熱経路を増設し、機械的負荷及び熱的負荷に対する耐久性を向上することにある。

以上の課題を解決するための本発明のパワー半導体モジュールは、放熱板と、
前記放熱板の上面に固着された絶縁基板と、
前記絶縁基板の上面に形成された第１導体パターンと第２導体パターンを有する導体パターンと、
前記第１導体パターンに電気的及び機械的に接続されたパワー半導体チップと、
内端部が前記導体パターンに接合した外部導出端子と、
前記放熱板の周縁部に結合し、前記導体パターン、前記パワー半導体チップ及び前記内端部を内部に封止する絶縁ケースと、を備え、
前記外部導出端子の内端部が前記導体パターンに接合していない状態では、前記第１導体パターンと前記第２導体パターンは絶縁されており、
前記外部導出端子は、前記絶縁ケースの内部に配置される内部水平部を有し、
前記外部導出端子の外端部が前記絶縁ケースの外部に延設され、
前記内端部として、前記第１導体パターンに接合された第１種内端部と、前記第２導体パターンに接合された第２種内端部とを有し、
前記第１種内端部と前記第２種内端部とは、互いに前記内部水平部の逆側縁から逆方向に延出している。

本発明のパワー半導体モジュールによれば、パワー半導体チップに対する電流の出入力経路を構成するための第１種内端部のほかに、電気回路の構成上影響のない第２種内端部が導体パターン、絶縁基板を介して放熱板に連結され支持されるので、外部導出端子の支点が増加し、外部導出端子から回路基板に加わる機械的応力を分散し、緩和することができる。
また、発熱体であるパワー半導体チップからの放熱経路は、パワー半導体チップから導体パターン、絶縁基板を経由して放熱板への経路、パワー半導体チップから外部導出端子（第１種内端部）を経由して外部機器への経路の２経路に加えて、パワー半導体チップから外部導出端子（第１種内端部及び第２種内端部）、導体パターン、絶縁基板を経由して放熱板への経路が増設される。したがって、放熱経路が３経路となり、放熱性が向上する。
以上によりパワー半導体モジュールの機械的負荷及び熱的負荷に対する耐久性を向上することができる。

本発明の一実施形態に係るパワー半導体モジュールの斜視図である。 本発明の一実施形態に係るパワー半導体モジュールの斜視図であり、蓋部を除いたものである。 本発明の一実施形態に係るパワー半導体モジュールの斜視図であり、絶縁ケースを除いたものである。 本発明の一実施形態に係るパワー半導体モジュールの斜視図であり、絶縁ケース及び２つの外部導出端子を除いたものである。 本発明の一実施形態に係るパワー半導体モジュールの斜視図であり、絶縁ケース及び３つの外部導出端子を除いたものである。 変形例に係る回路基板の平面図である。 変形例に係る回路基板の平面図である。

以下に本発明の一実施形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。

図１に示すように本実施形態のパワー半導体モジュールは、放熱板１と、絶縁基板２と、導体パターン３１－３３と、パワー半導体チップ４と、外部導出端子５１，５２，５３と、絶縁ケース６と、を備える。絶縁ケース６は、外囲部６１と蓋部６２とからなり、樹脂製である。
放熱板１は、銅、銅合金、アルミなどの金属により構成される。
絶縁基板２，２は、窒化アルミニウム等の高熱伝導率のセラミックなどにより、上面にはＤＢＣ法により導体パターン３１～３３が形成されている。絶縁基板２は、その下面にＤＢＣ法により形成されたベタパターン及びソルダーを介して放熱板１の上面に接合する方法などで固着している。
なお、表現の簡潔のため、絶縁基板２の回路が形成される側を上側とし、「上面」等と呼称する。本装置の設置時の上下方向は特に限定されない。

パワー半導体チップ４としては、ＩＧＢＴ若しくはＭＯＳＦＥＴ等が適用される。
導体パターン３１は、パワー半導体チップ４のダイボンディング用であり、パワー半導体チップ４の下面電極が接続している。
導体パターン３１は、パワー半導体チップ４の上面電極取出し用である。パワー半導体チップ４の上面電極と導体パターン３１とがブリッジ状の接続導体７により接続されている。
以上により、パワー半導体チップ４は導体パターン３１，３２に電気的及び機械的に接続されている。

本回路は、上位側のパワー半導体チップ４と下位側のパワー半導体チップ４とを直列に接続し、その接続点である中位の電極が外部導出端子５１により外部に導出されているとともに、電位的に両端の電極が外部導出端子５２，５３により導出されている形態である。絶縁基板２、導体パターン３１，３２，３３とパワー半導体チップ４については、区別のため、中位の電極を介して一方側の要素の符号にＡを、他方側の要素の符号にＢを付す。
本実施形態にあっては、一方の絶縁基板２Ａ上の導体パターン３１Ａ，３２Ａ、３３Ａと、他方の絶縁基板２Ｂ上の導体パターン３１Ｂ，３２Ｂ、３３Ｂとは、放熱板１に垂直な軸回りに同一パターンを１８０度回転して配置したものである。
外部導出端子５１の第１種内端部５１ａが導体パターン３１Ａに接合し、外部導出端子５１の第１種内端部５１ｂが導体パターン３２Ｂに接合している。これにより、パワー半導体チップ４Ａの下面電極と、パワー半導体チップ４Ｂの上面電極とが電気的に接続されている。
外部導出端子５２の第１種内端部５２ａが導体パターン３２Ａに接合している。外部導出端子５３の第１種内端部５３ａが導体パターン３１Ｂに接合している。
また、外部導出端子５１の第２種内端部５１ｃが導体パターン３３Ａ１に接合し、外部導出端子５１の第２種内端部５１ｄが導体パターン３３Ｂ２に接合している。

絶縁ケース６の外囲部６１は、上下端が開口した枠状で、外部導出端子５１－５３を保持する。外囲部６１の下端開口が放熱板１の周縁部に結合し、外囲部６１の上端開口を蓋部６２が覆うことで、導体パターン３１－３３、パワー半導体チップ４及び内端部５１ａ－ｄ，５２ａ，５３ａを内部に封止する。

一方、外部導出端子５１、５２，５３の外端部５１ｘ、５２ｘ，５３ｘは、絶縁ケース６の上面側に延設されている。
なお、パワー半導体チップ４のスイッチングを制御するための制御信号線が孔部８を介して配線されるが、その配線材の図示が省略される。

以上説明した内端部５１ａは、接合する導体パターン３１Ａを介してパワー半導体チップ４Ａと電気的に接続した第１種内端部である。
同様に内端部５１ｂは、接合する導体パターン３２Ｂを介してパワー半導体チップ４Ｂと電気的に接続した第１種内端部である。
同様に内端部５２ａは、接合する導体パターン３１Ｂを介してパワー半導体チップ４Ｂと電気的に接続した第１種内端部である。
同様に内端部５３ａは、接合する導体パターン３２Ａを介してパワー半導体チップ４Ａと電気的に接続した第１種内端部である。
これ対し、内端部５１ｃは導体パターン３３Ａ１に接合する。この導体パターン３３Ａ１は、導体パターン３１Ａと導体パターン３２Ｂと導体パターン３１Ｂと導体パターン３２Ａと導体パターン３３Ｂ２とに対して絶縁されている。つまり、内端部５１ｃは、上記した他の導体パターンに対して絶縁された導体パターン３３Ａ１に接合する第２種内端部である。
同様に内端部５１ｄは導体パターン３３Ｂ２に接合する。この導体パターン３３Ｂ２は、導体パターン３１Ａと導体パターン３２Ｂと導体パターン３１Ｂと導体パターン３２Ａと導体パターン３３Ａ１とに対して絶縁されている。つまり、内端部５１ｄは、上記した他の導体パターンに対して絶縁された導体パターン３３Ｂ２に接合する第２種内端部である。
すなわち、内端部５１ｃと導体パターン３３Ａ１との接続は、本パワー半導体モジュールの電気回路を成立させる上で影響のないものであり、機械的及び熱的に外部導出端子５１を回路基板に接続するためのものである。第１種内端部に関しては、電気的、機械的及び熱的に外部導出端子を回路基板に接続する。第２種内端部は、第１種内端部から電気的に接続するという機能を抜いたものに相当する。

以上の実施形態のパワー半導体モジュールによれば、パワー半導体チップ４に対する電流の出入力経路を構成するための第１種内端部５１ａ，５１ｂ，５２ａ，５３ａのほかに、電気回路の構成上影響のない第２種内端部５１ｃ，５１ｄが導体パターン３３Ａ１，３３Ｂ２、絶縁基板２Ａ，２Ｂを介して放熱板１に連結され支持されるので、外部導出端子５１の支点が増加し、外部導出端子５１から回路基板（２，３１－３３）に加わる機械的応力を分散し、緩和することができる。
また、発熱体であるパワー半導体チップ４からの放熱経路は、パワー半導体チップ４から導体パターン３１、絶縁基板２を経由して放熱板１への経路、パワー半導体チップ４から外部導出端子５１，５２，５３（第１種内端部５１ａ，５１ｂ，５２ａ，５３ａ）を経由して外部機器への経路の２経路に加えて、パワー半導体チップ４から外部導出端子５１（第１種内端部５１ａ，５１ｂ及び第２種内端部５１ｃ，５１ｄ）、導体パターン３３Ａ１，３３Ｂ２、絶縁基板２Ａ，２Ｂを経由して放熱板１への経路が増設される。したがって、放熱経路が３経路となり、放熱性が向上する。
以上によりパワー半導体モジュールの機械的負荷及び熱的負荷に対する耐久性を向上することができる。

機械的負荷及び熱的負荷を分散させるために、第２種内端部５１ｃ，５１ｄは、同じ外部導出端子５１の第１種内端部５１ａ，５１ｂから十分に離間した配置とする。
本実施形態においては、絶縁基板２上において、第１種内端部５１ａ，５１ｂと導体パターン３１Ａ，３２Ｂとの接合部と、第２種内端部５１ｃ，５１ｄと導体パターン３３Ａ１，３３Ｂ２との接合部との間に、他の導体パターン３２Ａ，３１Ｂが介在する。これにより、回路面を他の導体パターン３２Ａ，３１Ｂをレイアウトのために使用するとともに、他の導体パターン３２Ａ，３１Ｂを間に配置する分だけ第２種内端部５１ｃ，５１ｄを第１種内端部５１ａ，５１ｂから離間した配置とすることができる。
また、本実施形態においては、同様に間に配置するものとしてパワー半導体チップ４が配置されている。パワー半導体チップ４を間に配置する分だけ第２種内端部５１ｃ，５１ｄを第１種内端部５１ａ，５１ｂから離間した配置とすることができる。特にパワー半導体チップ４は面積を要するため、大きく離間することができる。

外部導出端子５１は、絶縁ケース６の内部に配置され放熱板１に対して隙間を隔てて略平行に延在する内部水平部５１ｈを有する。内部水平部５１ｈの一端と外端部５１ｘの一端との間を垂直部５１ｖが繋いでいる形態である。垂直部５１ｖには、バネ性を持たせるための切込みが形成されている。他の外部導出端子５２，５３についても、同様の内部水平部５２ｈ，５３ｈ及び垂直部５２ｖ，５３ｖを有する。
第１種内端部５１ａ，５１ｂ，５２ａ，５３ａ及び第２種内端部５１ｃ，５１ｄのそれぞれは、内部水平部５１ｈ、５２ｈ、５３ｈから放熱板１に近づくように曲げられて延出している。
外部導出端子５１において、第１種内端部５１ａ，５１ｂと第２種内端部５１ｃ，５１ｄとは、互いに内部水平部５１ｈの逆側縁から逆方向に延出している。かかる構造により、第２種内端部５１ｃ，５１ｄを、同じ外部導出端子５１の第１種内端部５１ａ，５１ｂから十分に離間した配置とすることが容易である。

（変形例）
導体パターンのレイアウトについては以上の例示に限らず、図６、図７に示すように様々な形態を実施し得る。図６に示すのは、絶縁基板２Ａ上の導体パターン３１Ａ，３２Ａ、３３Ａと、他方の絶縁基板２Ｂ上の導体パターン３１Ｂ，３２Ｂ、３３Ｂとが、放熱板１に垂直な軸回りに同一パターンを１８０度回転して配置したもののグループである。
図６(a)では、各矩形状の絶縁基板２Ａ，２Ｂ上で対角の２つの角部に第２種内部端子接合用の導体パターン３３Ａ，３３Ｂが設けられている。
図６(b)では、各矩形状の絶縁基板２Ａ，２Ｂ上で４つの角部に第２種内部端子接合用の導体パターン３３Ａ，３３Ｂが設けられている。
図６(c)では、各矩形状の絶縁基板２Ａ，２Ｂ上で隣り合う２つの角部に第２種内部端子接合用の導体パターン３３Ａ，３３Ｂが設けられている。
また、図６(d)に示すように、第２種内部端子接合用の導体パターン３３Ａ，３３Ｂは、同一の大きさ、形状に限らず異なる形状や大きさに形成することもできる。
また、図７に示すように絶縁基板２Ａ上の導体パターン３１Ａ，３２Ａ、３３Ａと、他方の絶縁基板２Ｂ上の導体パターン３１Ｂ，３２Ｂ、３３Ｂとを回転対称としなくてもよい。すなわち、一方の絶縁基板２Ａ上の導体パターンと他方の絶縁基板２Ｂ上の導体パターンとを同一パターンにせずに実施してもよい。なお、同一パターンにすれば、絶縁基板２Ａをベースにした回路基板と、絶縁基板２Ｂをベースにした回路基板とは同じものであるので、生産性が向上する。同一パターンの２つの絶縁基板２を向きを異ならせて配置する場合（図１－図６）に、第１種内端部５１ａ，５１ｂの接合部位から、遠い側に第２種内端部５１ｃ，５１ｄを接合する導体パターン（３３Ａ１，３３Ｂ２）があるように、絶縁基板２における相対する側に２つ以上の第２種内部端子接合用の導体パターン３３Ａ，３３Ｂを設けている。

なお、以上の実施形態にあっては、第２種内端部５１ｃ，５１ｄを中位の外部導出端子５１に設けたが、第２種内端部を他の外部導出端子５２，５３に設けて実施してもよい。
また、以上の実施形態にあっては、パワー半導体チップ４Ａとパワー半導体チップ４Ｂとを直列に接続した回路が構成されたモジュールを実施したが、そのが片側に相当するパワー半導体チップ４単独のモジュールを構成し、その外部導出端子に第２種内端部を構成して本発明を実施してもよい。

１ 放熱板
２（２Ａ，２Ｂ） 絶縁基板
３１（３１Ａ，３１Ｂ） 導体パターン
３２（３２Ａ，３２Ｂ） 導体パターン
３３（３２Ａ，３３Ａ１，３３Ａ２，３２Ｂ，３３Ｂ１，３３Ｂ２） 導体パターン
４（４Ａ，４Ｂ） パワー半導体チップ
５１，５２，５３ 外部導出端子
５１ａ，５１ｂ，５２ａ，５３ａ 第１種内端部
５１ｃ，５１ｄ 第２種内端部
５１ｈ，５２ｈ，５３ｈ 内部水平部
５１ｖ，５２ｖ，５３ｖ 垂直部
５１ｘ，５２ｘ，５３ｘ 外端部
６ 絶縁ケース
６１ 外囲部
６２ 蓋部
７ 接続導体
８ 孔部

Claims (4)

1. 放熱板と、
   前記放熱板の上面に固着された絶縁基板と、
   前記絶縁基板の上面に形成された第１導体パターンと第２導体パターンを有する導体パターンと、
   前記第１導体パターンに電気的及び機械的に接続されたパワー半導体チップと、
   内端部が前記導体パターンに接合した外部導出端子と、
   前記放熱板の周縁部に結合し、前記導体パターン、前記パワー半導体チップ及び前記内端部を内部に封止する絶縁ケースと、を備え、
   前記外部導出端子の前記内端部が前記導体パターンに接合していない状態では、前記第１導体パターンと前記第２導体パターンは絶縁されており、
   前記外部導出端子は、前記絶縁ケースの内部に配置される内部水平部を有し、
   前記外部導出端子の外端部が前記絶縁ケースの外部に延設され、
   前記内端部として、前記第１導体パターンに接合された第１種内端部と、前記第２導体パターンに接合された第２種内端部とを有し、
   前記第１種内端部と前記第２種内端部とは、互いに前記内部水平部の逆側縁から逆方向に延出しているパワー半導体モジュール。
2. 前記絶縁基板上において、前記第１種内端部と前記導体パターンとの接合部と、前記第２種内端部と前記導体パターンとの接合部との間に、他の前記導体パターンが介在する請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
3. 前記絶縁基板上において、前記第１種内端部と前記導体パターンとの接合部と、前記第２種内端部と前記導体パターンとの接合部との間に、前記パワー半導体チップが介在する請求項１又は請求項２に記載のパワー半導体モジュール。
4. 前記内部水平部は、前記放熱板に対して隙間を隔てて略平行に延在し、
   前記第１種内端部及び前記第２種内端部のそれぞれは、前記内部水平部から前記放熱板に近づくように曲げられて延出している請求項１から請求項３のうちいずれか一に記載のパワー半導体モジュール。

Images