JP7087996B2 - 半導体モジュール、その製造方法及び電力変換装置 - Google Patents

半導体モジュール、その製造方法及び電力変換装置 Download PDF

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Description

本発明は、半導体モジュール、その製造方法及び電力変換装置に関する。
電力制御用の半導体モジュールは、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ＦＷＤｉ等の半導体チップをケース内部に搭載しており、パワーモジュールと呼ばれている。パワーモジュールでは、ケース内部で半導体チップと配線を互いに絶縁して信頼性を向上させるために封止樹脂が用いられている。
動作した半導体チップで発生した熱は封止樹脂を介して放熱される。このため、封止樹脂の内部に温度分布が発生する。また、材料は温度により伸び縮みする性質があり、材料固有の物性値として線膨張係数を持つ。線膨張係数が大きいと温度変化により変形しやすく、線膨張係数が小さいと変形しにくい。樹脂上部とチップ周辺の温度差により封止樹脂の上部と下部の変形量が相違するため、モジュールの反り量が増加する。これに対して、封止樹脂を２層にして封止樹脂の上部と下部で線膨張係数を変化させる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０－２７０６０９号公報
温度分布は封止樹脂の下部から上部に向かってなだらかに変化している。このため、封止樹脂を２層にすると両層の界面で剥離が生じ、変形量の不均一が懸念される。また、フルモールドタイプのパッケージのトランスファー成形において封止樹脂のフィラー濃度を連続的に変化させて線膨張係数を横方向に変化させる方法も提案されている。しかし、線膨張係数を横方向に変化させても封止樹脂の上部と下部の変形量を合わせることはできない。よって、封止樹脂の温度分布によるモジュールの反りを抑制することができないという問題があった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的はモジュールの反りを抑制することができる半導体モジュール、その製造方法及び電力変換装置を得るものである。
本発明に係る半導体モジュールは、ベース板と、前記ベース板の上に設けられた半導体チップと、前記ベース板の上で前記半導体チップを囲むケースと、前記ケース内において前記半導体チップを封止する封止樹脂とを備え、前記封止樹脂の線膨張係数は、前記半導体チップから前記封止樹脂の上面に向かって連続的に増加することを特徴とする。
本発明の他の一態様に係る半導体モジュールは、ベース板と、前記ベース板の上に設けられた半導体チップと、前記ベース板の上で前記半導体チップを囲むケースと、前記ケース内において前記半導体チップを封止する封止樹脂と、前記封止樹脂で封止され、前記封止樹脂よりも低い線膨張係数を持つ板材とを備え、前記封止樹脂の線膨張係数は、前記半導体チップから前記封止樹脂の上面に向かって増加することを特徴とする。

本発明では、封止樹脂の線膨張係数が半導体チップから封止樹脂の上面に向かって連続的に増加する。これにより、モジュール動作中の封止樹脂の上部と下部の変形量を合わせることができるため、封止樹脂に大きな温度分布が発生してもモジュールの反りを抑制することができる。
実施の形態１に係る半導体モジュールを示す断面図である。 封止樹脂の高さ方向に沿った線膨張係数の変化を示す図である。 実施の形態２に係る半導体モジュールを示す断面図である。 実施の形態３に係る半導体モジュールの製造方法を示す断面図である。 実施の形態４に係る半導体モジュールの製造方法を示す断面図である。 実施の形態５に係る半導体モジュールの製造方法を示す断面図である。 実施の形態６に係る半導体モジュールを示す断面図である。 実施の形態７に係る半導体モジュールを示す断面図である。 実施の形態８に係る電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。
実施の形態に係る半導体モジュール、その製造方法及び電力変換装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る半導体モジュールを示す断面図である。ベース板１の上に絶縁基板２と電極３が順に設けられている。電極３の上にはんだ４を介して半導体チップ５が設けられている。ケース６がベース板１の上で半導体チップ５を囲んでいる。半導体チップ５の上面電極とケース６の端子７がワイヤ８で接続されている。ケース６内において封止樹脂９が半導体チップ５等を封止している。
封止樹脂９の線膨張係数は、半導体チップ５から封止樹脂９の上面に向かって連続的に増加する。半導体チップ５の周辺における封止樹脂９の線膨張係数をα１、封止樹脂９の上面における線膨張係数をα２とすると、α１＜α２となる。
線膨張係数α１は、半導体チップ５の材質であるＳｉの線膨張係数２．０×１０－６［／℃］程度である。ただし、線膨張係数α１がベース板１の線膨張係数と同等であれば、封止樹脂９とベース板１の界面での剥離を防ぐことができる。ベース板１の材質であるＣｕの線膨張係数は１６×１０－６［／℃］である。一方、線膨張係数α２は、ワイヤ８の材質であるＡｌの線膨張係数２３×１０－６［／℃］にマージンを設けた３０×１０－６［／℃］程度である。線膨張係数α２はモジュールの構成部材の線膨張係数の最大値以下であればよい。
半導体チップ５が動作すると、半導体チップ５付近の温度Ｔ１は封止樹脂９の上面付近の温度Ｔ２よりも高くなる（Ｔ１＞Ｔ２）。従って、半導体チップ５付近の封止樹脂９の変形量α１＊Ｔ１と封止樹脂９の上面付近の変形量α２＊Ｔ２は、実使用温度領域（Ｔｊｏｐ～Ｔｊｍａｘ）で同じになる（α１＊Ｔ１＝α２＊Ｔ２）。
以上説明したように、本実施の形態では、封止樹脂９の線膨張係数が半導体チップ５から封止樹脂９の上面に向かって連続的に増加する。これにより、モジュール動作中の封止樹脂９の上部と下部の変形量を合わせることができるため、封止樹脂９に大きな温度分布が発生してもモジュールの反りを抑制することができる。従って、モジュールがヒートシンクから浮いて熱抵抗が増加するのを防ぐことができる。
図２は、封止樹脂の高さ方向に沿った線膨張係数の変化を示す図である。封止樹脂９の高さ方向に沿った線膨張係数の変化は、半導体チップ５からワイヤ８の最大高さまでは屈曲点を有しない。屈曲点は、変化が滑らかではなく折れ曲がった点であり、数学的に微分できない点である。ワイヤ８よりも上方では、封止樹脂９の線膨張係数の変化が屈曲点を有してもよい。
熱源となる半導体チップ５はベース板１付近に密集して配置されているため、ベース板１の上において熱は横方向には変化しない。従って、ベース板１の上において封止樹脂９の線膨張係数が横方向に変化しないことが好ましい。なお、本実施の形態で封止樹脂９の線膨張係数を横方向に変化させようとすると生産性が悪化する。
実施の形態２．
図３は、実施の形態２に係る半導体モジュールを示す断面図である。一般的にフィラーの線膨張係数は封止樹脂の主材料である樹脂よりも小さいため、フィラーを高密度に充填すると封止樹脂の線膨張係数は小さくなり、変形し難くなる。一方、フィラー密度が低いと、主材料の線膨張係数に近くなり、封止樹脂の線膨張係数は大きくなる。そこで、本実施の形態では、封止樹脂９におけるフィラー１０の密度を、半導体チップ５から封止樹脂９の上面に向かって連続的に減少させる。これにより、半導体チップ５から封止樹脂９の上面に向かって連続的に増加する封止樹脂９の線膨張係数の分布を実現することができる。
実施の形態３．
図４は、実施の形態３に係る半導体モジュールの製造方法を示す断面図である。フィラー１０を高充填した液状の第１の樹脂１１のディスペンサ１２と、第１の樹脂１１よりもフィラー１０の充填量が少ない液状の第２の樹脂１３のディスペンサ１４を準備する。第１の樹脂１１をベース板１及び半導体チップ５にポッティングする。次に、第２の樹脂１３を第１の樹脂１１の上にポッティングする。次に、一部が混ざり合った第１の樹脂１１と第２の樹脂１３を同時に硬化させることで、線膨張係数が連続的に変化する封止樹脂９を形成する。これにより、実施の形態２に係る半導体モジュールが製造される。このようなダイレクトポッティングであれば硬化温度、時間、樹脂粘度等の硬化処理条件を調整することで、トランスファーモールドに比べて封止樹脂９の線膨張係数をなだらかに変化させることができる。
実施の形態４．
図５は、実施の形態４に係る半導体モジュールの製造方法を示す断面図である。一般的にはディスペンサの内部でフィラーが沈降する前に樹脂をポッティングして硬化させるため、封止樹脂に含まれるフィラーの分布がほぼ均一となっている。これに対して、本実施の形態では、ディスペンサ１５の内部で樹脂１６のフィラー１０を沈降させる。このディスペンサ１５の下端から樹脂１６をベース板１及び半導体チップ５にポッティングする。そして、樹脂１６を硬化させて封止樹脂９を形成する。これにより、実施の形態２に係る半導体モジュールが製造される。実施の形態３では２本のディスペンサを用いるが、本実施の形態では１本のディスペンサを用いて１回の工程でポッティングを完了することができる。
実施の形態５．
図６は、実施の形態５に係る半導体モジュールの製造方法を示す断面図である。本実施の形態では、フィラー１０が均一に撹拌された樹脂１６をベース板１及び半導体チップ５にポッティングする。次に、一定時間放置して意図的に樹脂１６のフィラー１０を沈降させる。その後に樹脂１６を硬化させて封止樹脂９を形成する。これにより、実施の形態２に係る半導体モジュールが製造される。本実施の形態では、実施の形態３，４よりもフィラーの分布がなだらかになり、動作時の変形量をより均一にすることができる。なお、フィラー１０を沈降させるために硬化温度、硬化時間、樹脂粘度等の条件を設定する必要がある。例えば、エポキシ樹脂の主剤の粘度を低下させることで、フィラー沈降までの時間を制御することができる。
実施の形態６．
図７は、実施の形態６に係る半導体モジュールを示す断面図である。本実施の形態では、半導体チップ５の上方に配置され封止樹脂９で封止された板材１７が更に設けられている。板材１７は剛性が高く、板材１７の線膨張係数α３は封止樹脂９の線膨張係数α１，α２よりも低い（α１，α２＞α３）。板材１７は絶縁体である。板材１７は金属材料などの導電体でもよいが、半導体チップ５に電気的に接続されておらず、絶縁されている。板材１７を設けることで封止樹脂９の温度上昇によるモジュールの変形を抑制することができる。なお、板材１７を設けた場合は封止樹脂９の線膨張係数が一様な場合（α１＝α２）でもモジュールの変形を抑制することができる。
実施の形態７．
図８は、実施の形態７に係る半導体モジュールを示す断面図である。本実施の形態では、板材１７はケース６の内壁間をつないだ梁構造である。板材１７はケース６の材料からなる。これにより、ケース６と板材１７を単一部材で構成することができる。ケース６の材料の線膨張係数α４は、封止樹脂９の線膨張係数α１，α２よりも低い（α１，α２＞α４）。なお、板材１７の材料はケース６と同一でなくてもよい。その他の構成及び効果は実施の形態６と同様である。
なお、半導体チップ５は、珪素によって形成されたものに限らず、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成されたものでもよい。ワイドバンドギャップ半導体は、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、又はダイヤモンドである。このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成された半導体チップは、耐電圧性及び許容電流密度が高いため、小型化できる。この小型化された半導体チップを用いることで、この半導体チップを組み込んだ半導体装置も小型化・高集積化できる。また、半導体チップの耐熱性が高いため、ヒートシンクの放熱フィンを小型化でき、水冷部を空冷化できるので、半導体装置を更に小型化できる。また、半導体チップの電力損失が低く高効率であるため、半導体装置を高効率化できる。ワイドバンドギャップ半導体によって形成された半導体チップは高温で使用されて半導体チップ５付近の温度が更に上昇するため、実施の形態１～７が特に有効である。
実施の形態８．
本実施の形態は、上述した実施の形態１～７にかかる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。電力変換装置は、例えば、インバータ装置、コンバータ装置、サーボアンプ、電源ユニットなどである。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、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。
図９は、実施の形態８に係る電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。この電力変換システムは、電源１００、電力変換装置２００、負荷３００を備える。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は種々のもので構成することが可能であり、例えば、直流系統、太陽電池、蓄電池で構成することができ、交流系統に接続された整流回路又はＡＣ／ＤＣコンバータで構成してもよい。また、電源１００を、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してもよい。
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、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。
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や電気自動車、鉄道車両、エレベータ、もしくは、空調機器向けの電動機として用いられる。
以下、電力変換装置２００を詳細に説明する。主変換回路２０１は、スイッチング素子と還流ダイオードを備えており（図示せず）、スイッチング素子がスイッチングすることによって、電源１００から供給される直流電力を交流電力に変換し、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、本実施の形態にかかる主変換回路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から構成することができる。主変換回路２０１の各スイッチング素子と各還流ダイオードは、上述した実施の形態１～４のいずれかに相当する半導体装置２０２によって構成する。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、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。
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（図示なし）を備えているが、駆動回路は半導体装置２０２に内蔵されていてもよいし、半導体装置２０２とは別に駆動回路を備える構成であってもよい。駆動回路は、主変換回路２０１のスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成し、主変換回路２０１のスイッチング素子の制御電極に供給する。具体的には、後述する制御回路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。スイッチング素子をオン状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以上の電圧信号（オン信号）であり、スイッチング素子をオフ状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以下の電圧信号（オフ信号）となる。
制御回路２０３は、負荷３００に所望の電力が供給されるよう主変換回路２０１のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷３００に供給すべき電力に基づいて主変換回路２０１の各スイッチング素子がオン状態となるべき時間（オン時間）を算出する。例えば、出力すべき電圧に応じてスイッチング素子のオン時間を変調するＰＷＭ制御によって主変換回路２０１を制御することができる。そして、各時点においてオン状態となるべきスイッチング素子にはオン信号を、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号が出力されるよう、主変換回路２０１が備える駆動回路に制御指令（制御信号）を出力する。駆動回路は、この制御信号に従い、各スイッチング素子の制御電極にオン信号又はオフ信号を駆動信号として出力する。
本実施の形態に係る電力変換装置では、半導体装置２０２として実施の形態１～７に係る半導体モジュールを適用するため、モジュールの変形に対する耐量が向上し、電力変換装置全体の信頼性が向上する。
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、本発明は、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レベル又はマルチレベルの電力変換装置であっても構わないし、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を適用しても構わない。また、直流負荷等に電力を供給する場合にはＤＣ／ＤＣコンバータ又はＡＣ／ＤＣコンバータに本発明を適用することも可能である。
また、本発明を適用した電力変換装置は、上述した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、レーザー加工機、又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として用いることもでき、さらには太陽光発電システム又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ることも可能である。
１ ベース板、５ 半導体チップ、６ ケース、９ 封止樹脂、８ ワイヤ、１０ フィラー、１１ 第１の樹脂、１３ 第２の樹脂、１５ ディスペンサ、１６ 樹脂、１７ 板材、２００ 電力変換装置、２０１ 主変換回路、２０２ 半導体装置、２０３ 制御回路

Claims (11)

  1. ベース板と、
    前記ベース板の上に設けられた半導体チップと、
    前記ベース板の上で前記半導体チップを囲むケースと、
    前記ケース内において前記半導体チップを封止する封止樹脂とを備え、
    前記封止樹脂の線膨張係数は、前記半導体チップから前記封止樹脂の上面に向かって連続的に増加することを特徴とする半導体モジュール。
  2. 前記半導体チップに接続され、前記封止樹脂で封止されたワイヤを更に備え、
    前記封止樹脂の高さ方向に沿った線膨張係数の変化は、前記半導体チップから前記ワイヤの最大高さまでは屈曲点を有しないことを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
  3. 前記ベース板の上において前記封止樹脂の線膨張係数は横方向に変化しないことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体モジュール。
  4. 前記封止樹脂のフィラー密度は、前記半導体チップから前記封止樹脂の上面に向かって連続的に減少することを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の半導体モジュール。
  5. ベース板と、
    前記ベース板の上に設けられた半導体チップと、
    前記ベース板の上で前記半導体チップを囲むケースと、
    前記ケース内において前記半導体チップを封止する封止樹脂と、
    前記封止樹脂で封止され、前記封止樹脂よりも低い線膨張係数を持つ板材とを備え、
    前記封止樹脂の線膨張係数は、前記半導体チップから前記封止樹脂の上面に向かって増加することを特徴とする半導体モジュール。
  6. 前記板材は前記ケースの内壁間をつないだ梁構造であることを特徴とする請求項５に記載の半導体モジュール。
  7. 前記半導体チップはワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることを特徴とする請求項１～６の何れか１項に記載の半導体モジュール。
  8. 請求項４に記載の半導体モジュールを製造する方法であって、
    フィラーを充填した第１の樹脂を前記ベース板及び前記半導体チップにポッティングする工程と、
    前記第１の樹脂よりもフィラーの充填量が少ない第２の樹脂を前記第１の樹脂の上にポッティングする工程と、
    一部が混ざり合った前記第１の樹脂と前記第２の樹脂を同時に硬化させることで前記封止樹脂を形成する工程とを備えることを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
  9. 請求項４に記載の半導体モジュールを製造する方法であって、
    ディスペンサの内部で樹脂のフィラーを沈降させ、前記ディスペンサの下端から前記樹脂を前記ベース板及び前記半導体チップにポッティングする工程と、
    ポッティングした前記樹脂を硬化させて前記封止樹脂を形成する工程とを備えることを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
  10. 請求項４に記載の半導体モジュールを製造する方法であって、
    フィラーが撹拌された樹脂を前記ベース板及び前記半導体チップにポッティングする工程と、
    ポッティングした前記樹脂の前記フィラーを沈降させた後に前記樹脂を硬化させて前記封止樹脂を形成する工程とを備えることを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
  11. 請求項１～７の何れか１項に記載の半導体モジュールを有し、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
    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ことを特徴とする電力変換装置。
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