JP7134345B2 - SEMICONDUCTOR MODULE, SEMICONDUCTOR MODULE MANUFACTURING METHOD AND POWER CONVERTER - Google Patents
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Description
この発明は、半導体モジュール、半導体モジュールの製造方法および電力変換装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor module, a method of manufacturing a semiconductor module, and a power converter.
従来、半導体素子を含む半導体パッケージを、ヒートシンクなどの放熱部材に対して樹脂絶縁層などの接続部材により接続した半導体モジュールおよび当該半導体モジュールを用いた電力変換装置が知られている(たとえば、特開2013-110181号公報参照)。特開2013-110181号公報では、接続部材の厚みをコントロールするため、半導体パッケージと放熱部材との間において、樹脂絶縁層の外周を囲む樹脂厚み規制部材が配置されている。このような構成とすることで、特開2013-110181号公報では樹脂絶縁層での電気絶縁性と熱伝導性とを安定して確保できるとしている。 Conventionally, a semiconductor module in which a semiconductor package including a semiconductor element is connected to a heat dissipation member such as a heat sink by a connecting member such as a resin insulating layer, and a power conversion device using the semiconductor module are known (for example, Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2013-110181). In Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2013-110181, in order to control the thickness of the connection member, a resin thickness regulating member surrounding the outer periphery of the resin insulation layer is arranged between the semiconductor package and the heat dissipation member. According to JP-A-2013-110181, with such a configuration, the electrical insulation and thermal conductivity of the resin insulation layer can be stably ensured.
上述した従来の半導体モジュールにおいて、樹脂厚み規制部材の上面および下面の位置は、樹脂絶縁層の上面および下面の位置と同じになっている。つまり、樹脂厚み規制部材の上面と半導体パッケージの下面との第1接続界面と、樹脂絶縁層と半導体パッケージとの接続界面とは同じ平面上に位置する。また、樹脂厚み規制部材の下面と放熱部材の上面との第2接続界面と、樹脂絶縁層と放熱部材との接続界面とは同じ平面上に位置する。ここで、樹脂絶縁層により半導体パッケージを放熱部材に接着する時には、樹脂絶縁層を加圧しながら加熱する。このとき、樹脂厚み規制部材における第1接続界面または第2接続界面を介して、樹脂絶縁層の樹脂成分が半導体パッケージの外周側に流れ出す場合がある。 In the conventional semiconductor module described above, the positions of the upper and lower surfaces of the resin thickness regulating member are the same as the positions of the upper and lower surfaces of the resin insulation layer. That is, the first connection interface between the upper surface of the resin thickness regulating member and the lower surface of the semiconductor package and the connection interface between the resin insulation layer and the semiconductor package are located on the same plane. Further, the second connection interface between the lower surface of the resin thickness regulating member and the upper surface of the heat radiating member and the connection interface between the resin insulating layer and the heat radiating member are located on the same plane. Here, when bonding the semiconductor package to the heat dissipating member by means of the resin insulation layer, the resin insulation layer is heated while being pressurized. At this time, the resin component of the resin insulation layer may flow out to the outer peripheral side of the semiconductor package via the first connection interface or the second connection interface of the resin thickness regulating member.
この場合、接続部材としての樹脂絶縁層内において樹脂成分が大きく移動することで樹脂絶縁層においてボイドやクラックが発生する恐れがある。このような接続部材でのボイドやクラックの発生は、半導体モジュールの絶縁性や放熱性を低下させ、結果的に半導体モジュールの信頼性が低下する原因となる。 In this case, voids and cracks may occur in the resin insulation layer due to large movement of the resin component in the resin insulation layer as the connecting member. Occurrence of voids and cracks in such connection members deteriorates the insulation and heat dissipation properties of the semiconductor module, resulting in a reduction in the reliability of the semiconductor module.
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、信頼性の高い半導体モジュールおよび当該半導体モジュールを用いた電力変換装置を提供することである。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a highly reliable semiconductor module and a power converter using the semiconductor module.
本開示に従った半導体モジュールは、放熱部材と、半導体パッケージと、接続部材と、規制部材とを備える。放熱部材は主面を有する。半導体パッケージは、主面上に配置される。半導体パッケージは半導体素子を含む。接続部材は、放熱部材と半導体パッケージとの間に位置する。接続部材は、放熱部材と半導体パッケージとを接続する。接続部材は樹脂成分を含む。規制部材は、接続部材を囲むように主面上に配置される。主面に垂直な方向において、規制部材の頂部の位置は、接続部材における半導体パッケージ側の表面の外周部の位置より主面から離れている。 A semiconductor module according to the present disclosure includes a heat dissipation member, a semiconductor package, a connecting member, and a regulating member. The heat dissipation member has a main surface. A semiconductor package is arranged on the main surface. A semiconductor package includes a semiconductor device. The connection member is positioned between the heat dissipation member and the semiconductor package. The connection member connects the heat dissipation member and the semiconductor package. The connection member contains a resin component. A restricting member is arranged on the main surface so as to surround the connecting member. In the direction perpendicular to the main surface, the position of the top of the restricting member is farther from the main surface than the position of the outer peripheral portion of the surface of the connecting member on the semiconductor package side.
本開示に従った電力変換装置は、主変換回路と制御回路とを備える。主変換回路は、上記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。制御回路は、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。 A power converter according to the present disclosure includes a main converter circuit and a control circuit. The main conversion circuit has the semiconductor module described above, converts input power, and outputs the converted power. The control circuit outputs a control signal for controlling the main conversion circuit to the main conversion circuit.
本開示に従った半導体モジュールの製造方法は、放熱部材を準備する工程と、接続部材を配置する工程と、規制部材を配置する工程と、半導体パッケージを配置する工程と、放熱部材と半導体パッケージとを接続する工程とを備える。放熱部材は主面を有する。接続部材を配置する工程では、主面上に接続部材が配置される。接続部材は樹脂成分を含む。規制部材を配置する工程では、主面上に、接続部材を囲むように規制部材が配置される。半導体パッケージを配置する工程では、接続部材上に、半導体素子を含む半導体パッケージが配置される。上記接続する工程では、半導体パッケージを接続部材側に向けて押圧しながら接続部材を加熱する。この結果、接続部材によって放熱部材と半導体パッケージとが接続される。 A method for manufacturing a semiconductor module according to the present disclosure includes a step of preparing a heat dissipation member, a step of arranging a connection member, a step of arranging a regulation member, a step of arranging a semiconductor package, and a heat dissipation member and a semiconductor package. and connecting. The heat dissipation member has a main surface. In the step of arranging the connection member, the connection member is arranged on the main surface. The connection member contains a resin component. In the step of arranging the regulating member, the regulating member is arranged on the main surface so as to surround the connection member. In the step of arranging the semiconductor package, the semiconductor package including the semiconductor element is arranged on the connection member. In the connecting step, the connecting member is heated while pressing the semiconductor package toward the connecting member. As a result, the heat dissipation member and the semiconductor package are connected by the connection member.
上記によれば、接続部材を囲むように配置された規制部材の頂部の位置は、接続部材における半導体パッケージ側の表面の外周部の位置より主面から離れているので、接続部材により半導体パッケージを放熱部材に接続する際に、接続部材の一部が半導体パッケージの外側に漏れ出すといった問題の発生を抑制できる。この結果、信頼性の高い半導体モジュールおよび当該半導体モジュールを用いた電力変換装置が得られる。 According to the above, since the position of the top of the regulating member arranged to surround the connection member is farther from the main surface than the position of the outer peripheral portion of the surface of the connection member on the semiconductor package side, the semiconductor package is held by the connection member. It is possible to suppress the occurrence of a problem that a part of the connecting member leaks out of the semiconductor package when connecting to the heat dissipating member. As a result, a highly reliable semiconductor module and a power converter using the semiconductor module can be obtained.
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。 Embodiments of the present invention will be described below. In addition, the same reference numerals are given to the same configurations, and the description thereof will not be repeated.
実施の形態1.
<半導体モジュールの構成>
図1は、実施の形態1に係る半導体モジュール100を示す断面模式図である。図2は、図1に示した半導体モジュール100を構成する半導体パッケージ200を示す断面模式図である。図3は、図1に示した半導体モジュールの平面模式図である。
<Configuration of semiconductor module>
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a
図1~図3に示した半導体モジュール100は、たとえばパワー半導体モジュールであって、放熱部材7と、半導体パッケージ200と、接続部材8と、規制部材9とを主に備える。半導体パッケージ200は、接続部材8により放熱部材7に接続されている。接続部材8の外周部を囲むように規制部材9が配置されている。規制部材9はたとえば樹脂流れ出し防止材である。主面7aに垂直な方向において、規制部材9の頂部9aの位置は、接続部材8における半導体パッケージ200側の表面の外周部の位置より主面7aから離れている。
A
ヒートシンクである放熱部材7は主面7aを有する。放熱部材7は、たとえばアルミニウムまたは銅など金属により構成されている。なお、本明細書の実施の形態における全ての図では、放熱部材7は、平坦なブロック状であるが、半導体パッケージ200を接着する主面7a以外の部分について、放熱面積を増やすためにフィン状や凹凸状に加工してもよい。
The
半導体パッケージ200は、放熱部材7の主面7a上に配置される。半導体パッケージ200は、半導体素子1と、ヒートスプレッダ3と、リードフレーム5と、ボンディングワイヤ6と、封止樹脂4とを主に含む。ヒートスプレッダ3の上面上にはんだ2を介して半導体素子1が接続されている。半導体素子1は、リードフレーム5とボンディングワイヤ6により接続されている。封止樹脂4は、ヒートスプレッダ3と、半導体素子1と、リードフレーム5の一部と、ボンディングワイヤ6とを内部に配置するように形成されている。封止樹脂4は上記半導体素子1,リードフレーム5の一部、ヒートスプレッダ3の一部、およびボンディングワイヤ6を封止する。
The
パワー半導体素子である半導体素子1としては、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)やIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などの電力制御用半導体素子、または還流ダイオードなどが用いられる。ヒートスプレッダ3は、銅またはアルミニウムなどの放熱性に優れる金属により形成されている。なお、ヒートスプレッダ3と半導体素子1とを接続する接続材料として、上記のようにはんだ2を用いているが、接続材料としてはこれに限定されるものではない、接続材料として、はんだ2に代えて焼結銀または導電性接着剤を用いてもよい。半導体素子1とヒートスプレッダ3とを、液相拡散接合技術を用いて接合してもよい。
As the
リードフレーム5は、電流および電圧の入出力に用いられる外部端子としてパターン形成されている。リードフレーム5は一般的にヒートスプレッダ3と同様に銅などの金属により構成される。リードフレーム5の一部はヒートスプレッダ3とはんだにより接合されている。リードフレーム5の他の一部は、半導体素子1とボンディングワイヤ6により電気的に接続されている。ボンディングワイヤ6は、たとえば線径0.1mm以上0.5mm以下のアルミニウム合金製もしくは銅合金製の線材である。
The
リードフレーム5とヒートスプレッダ3とを接合する接続材料としてのはんだの材質は、半導体素子1とヒートスプレッダ3とを接続するはんだ2の材質と同じであってもよい。リードフレーム5とヒートスプレッダ3とを接合する接続材料は、焼結銀または導電性接着剤であってもよい。リードフレーム5とヒートスプレッダ3とは液相拡散接合技術を用いて接合されてもよい。
The material of the solder as the connecting material that joins the
なお、上述した半導体パッケージ200では、半導体素子1とリードフレーム5との電気的接続をボンディングワイヤ6により行っているが、他の構成を用いてもよい。たとえば、ボンディングリボンまたはリードフレーム5を半導体素子1上まで延長させてもよい。当該ボンディングリボンまたはリードフレーム5と半導体素子1とをはんだ、焼結銀、または導電性接着剤により接続してもよい。ボンディングリボンまたはリードフレーム5と半導体素子1とを、液相拡散接合技術を用いて直接接合してもよい。また、リードフレーム5とヒートスプレッダ3とは金属板をエッチングまたは金型加工することにより一体成形して得られる構造としてもよい。つまり、リードフレーム5とヒートスプレッダ3とは一体化した部材であってもよい。
In the
以上に述べた各部材を覆うように、封止樹脂4が配置されている。つまり半導体素子1、はんだ2、ヒートスプレッダ3、ボンディングワイヤ6はすべて、その表面の全体が封止樹脂4に覆われている。ただし、ヒートスプレッダ3の上方から外側へ向かうように延びるリードフレーム5は、その一部、すなわちリードフレーム5の内側の部分のみが封止樹脂4に覆われている。リードフレーム5における他の一部、特にリードフレーム5の外側の部分は封止樹脂4には覆われない。これにより封止樹脂4に覆われていないリードフレーム5の外側の部分が半導体モジュール100の外側と電気的に接続可能となっている。ヒートスプレッダ3についても、当該ヒートスプレッダ3の底面は封止樹脂4には覆われず露出している。ヒートスプレッダ3の底面は接続部材8を介して放熱部材7と接続されている。このような構成により、半導体素子1から発生した熱ははんだ2およびヒートスプレッダ3を介して半導体パッケージ200の外部に放出される。
A sealing
封止樹脂4としては、任意の樹脂を用いることができるが、たとえばトランスファーモールド成形されたエポキシ樹脂を用いることができる。封止樹脂4が半導体素子1の周囲を覆うことにより、半導体素子1が埃や湿度等の外的環境の影響を受けることを防止できる。この結果、半導体パッケージ200の信頼性を向上させることができる。
Any resin can be used as the sealing
接続部材8は、放熱部材7と半導体パッケージ200との間に位置する。接続部材8は、放熱部材7と半導体パッケージ200とを接続する。接続部材8は例えば樹脂絶縁層である。接続部材8は、熱伝導性及び電気絶縁性に優れた樹脂層であることが好ましい。このような要求を満たす部材として、無機充填材を熱硬化性樹脂の硬化物中に分散させた熱伝導性シートが広く用いられている。つまり、接続部材8として上記熱伝導性シートを用いることができる。熱伝導性シートに用いられる無機充填材としては、アルミナ、窒化ホウ素、シリカ、窒化アルミニウム等が挙げられる。特に高い熱伝導性および絶縁性が要求される場合、上記無機充填材として窒化ホウ素がよく用いられる。窒化ホウ素は、熱伝導性及び電気絶縁性に加えて、化学的安定性にも優れている。さらに、窒化ホウ素は、無毒性且つ比較的安価でもある。
The
なお、接続部材8としては、窒化ホウ素のような無機材料を圧縮焼成して得た層に、熱硬化性樹脂を含浸させたものを用いてもよい。また、接続部材8として、上述した熱伝導性シートと比較して放熱性は低下するが、グリースや、無機充填材を添加していない熱硬化絶縁樹脂の層を用いてもよい。
As the connecting
以上のように構成された半導体パッケージ200は、動作中に半導体素子1から発生した熱を、はんだ2、ヒートスプレッダ3、および接続部材8を介して放熱部材7に伝える。放熱部材7は、ヒートスプレッダ3と同様、銅またはアルミニウムといった放熱性に優れる金属で構成されている。
The
規制部材9は、接続部材8を囲むように主面7a上に配置される。規制部材9は、主面7aに形成された溝部21に当該規制部材9の下部がはめ込まれた状態で固定されている。溝部21は平面視において放熱部材7の主面7aに半導体パッケージ200を囲むように形成されている。規制部材9は、金属製の枠、またはPPS(ポリフェニレンサルファイド)樹脂、PBT(ポリブチレンテレフタレート)樹脂のような樹脂製の枠であってもよい。規制部材9は、シリコーンゴムのような弾性体を含む枠体でもよい。このように規制部材9として弾性体を含む枠体を用いる場合、溝部21の寸法バラつきがあっても、規制部材9を溝部21に確実にはめ込むことができる。溝部21へ規制部材9の固定方法は、嵌合だけでも良いが、他の方法を用いてもよい。たとえば、溝部21への規制部材9の固定強度を高めるために、図4に示すように接着剤などの接着部材41を介して規制部材9を溝部21に接着してもよい。ここで、図4は、図1に示した半導体モジュールの変形例を示す断面模式図である。図4に示した半導体モジュール100は基本的には図1~図3に示した半導体モジュール100と同様の構成を備えるが、規制部材9が接着部材41により溝部21に固定されている点が図1~図3に示した半導体モジュール100と異なっている。図4に示した半導体モジュール100では、接着部材41が少なくとも規制部材9の底面と溝部21の底面および側面の一部とを接着する。
The regulating
放熱部材7に固定された規制部材9の成形方法として、上記のように予め枠状に形成された規制部材9を放熱部材7の主面7aに設置、固定してもよい。また、規制部材9を形成するため、規制部材9となるべき液状材である液体材料を放熱部材7の溝部21に配置し、そのご液体材料を固化してもよい。液体材料を溝部21の内部に配置する方法としては、任意の方法を用いることができるが、たとえば塗布法または印刷法を用いることができる。また、規制部材9の比誘電率εを、接続部材8の比誘電率εよりも大きくしてもよい。この場合、半導体モジュール100の動作中にヒートスプレッダ3の端部での部分放電を抑制できる。この結果、半導体モジュール100の絶縁性を向上させることができる。
As a molding method of the regulating
<半導体モジュールの製造方法>
図5は、図1に示した半導体モジュールの製造方法を説明するためのフローチャートである。図6は、図5に示した半導体モジュールの製造方法の配置工程を説明するためのフローチャートである。図7は、図6に示した半導体モジュールの製造方法の規制部材を配置する工程の一例を説明するためのフローチャートである。図8および図9は、参考例である半導体モジュールを示す断面模式図である。<Manufacturing method of semiconductor module>
FIG. 5 is a flow chart for explaining a method of manufacturing the semiconductor module shown in FIG. FIG. 6 is a flow chart for explaining the placement process of the method of manufacturing the semiconductor module shown in FIG. FIG. 7 is a flow chart for explaining an example of a process of arranging a regulating member in the method of manufacturing the semiconductor module shown in FIG. 8 and 9 are schematic cross-sectional views showing a semiconductor module as a reference example.
図5および図6を参照して、半導体モジュール100の製造方法では、まず準備工程(S10)を実施する。この工程(S10)では、放熱部材7、接続部材8、規制部材9、半導体パッケージ200を準備する。放熱部材7の主面7aには、図1に示すように溝部21が予め形成されている。
5 and 6, in the method for manufacturing
次に、配置工程(S20)を実施する。この工程(S20)では、放熱部材7の主面7a上に接続部材8および半導体パッケージ200を積層配置した積層体を得る。このとき接続部材8の周囲には規制部材9を配置する。
Next, an arrangement step (S20) is performed. In this step ( S<b>20 ), a laminate is obtained in which the
具体的には、この工程(S20)では図6に示すように接続部材を配置する工程(S21)を実施する。樹脂絶縁層形成工程である工程(S21)では、放熱部材7の主面7a上に樹脂成分を含む接続部材8を配置する。次に、規制部材を配置する工程(S22)を実施する。この工程(S22)では、放熱部材7の主面7aにおける溝部21に規制部材9を配置する。規制部材9は接続部材8の周囲を囲むように配置される。
Specifically, in this step (S20), as shown in FIG. 6, the step (S21) of arranging the connecting member is performed. In step ( S<b>21 ), which is a step of forming a resin insulating layer, connecting
なお、この工程(S22)では、図7に示すプロセスを用いてもよい。具体的には、規制部材9を配置するべき領域に液体を配置する工程(S221)を実施する。この工程(S221)では、たとえば放熱部材7の主面7aの溝部7a内部に規制部材9となるべき液体材料を配置する。次に、固化する工程(S222)を実施する。この工程(S222)では、液体材料を加熱または露光などの処理により固化する。このようにして、規制部材9を放熱部材7の主面7a上に配置する。なお、工程(S221)と工程(S222)を複数回繰り返し、液体材料を固化した層を複数層積層することで規制部材9を構成してもよい。
In addition, in this step (S22), the process shown in FIG. 7 may be used. Specifically, the step (S221) of arranging the liquid in the region where the regulating
次に、半導体パッケージを配置する工程(S23)を実施する。この工程(S23)では、接続部材8上に半導体パッケージ200を搭載する。
Next, the step of arranging the semiconductor package (S23) is performed. In this step ( S<b>23 ), the
次に、図5に示すように接続工程(S30)を実施する。この工程(S30)では、たとえば加圧加熱できるプレス機等を用いて、半導体パッケージ200上から、放熱部材7に向かう方向に加圧しながら接続部材8を加熱する。加熱条件としては、たとえば100℃以上250℃以下といった温度条件を用いることができる。また、加圧条件としての圧力はたとえば0.5MPa以上20MPa以下とすることができる。
Next, a connecting step (S30) is performed as shown in FIG. In this step ( S<b>30 ), the
ここで、上記工程(S30)での圧力が大きかった場合、規制部材9を配置していない構成においては、接続部材8の一部を形成している樹脂(たとえば熱硬化性樹脂)が図8に示すように、半導体パッケージ200の接着面より外にはみ出して流出部31を形成する場合がある。このような流出部31が大きくなると、半導体パッケージ200と放熱部材7と間の距離Hが設計値より小さくなる。この結果、ヒートスプレッダ3と放熱部材7との間の絶縁特性が劣化する。また上記圧力が大きい場合、接続部材8内で樹脂の移動が大きくなる。このため、接続部材8内にボイド(気泡)やクラックが発生する頻度が高くなる。この場合も同様に、ヒートスプレッダ3と放熱部材7との間の絶縁特性が劣化する。さらに、接続部材8の内部のボイドやクラックは放熱特性の劣化の原因にもなり得る。
Here, when the pressure in the above step (S30) is large, in a configuration in which the regulating
また、規制部材9を配置していない構成において、上記工程(S30)における半導体パッケージ200への圧力が小さい場合、接続部材8と半導体パッケージ200との接着強度が十分得られない場合がある。この場合、半導体モジュール100に対する温度サイクル等の信頼性試験において、図9に示すように接続部材8と半導体パッケージ200との接着界面で剥離が発生する。このような剥離の発生は、やはり絶縁特性や放熱特性の劣化の原因となる。
In addition, in a configuration in which the regulating
そこで、上述した本実施の形態に係る半導体モジュールの製造方法では、樹脂流れ出し防止材としての規制部材9を配置する工程(S22)を備えることにより、規制部材9の上下面の位置が、接続部材8の上下面と同一高さとならないように規制部材9が配置されている。異なる観点から言えば、規制部材9の側面が接続部材8の側端面と対向するとともに、接続部材8の厚さより規制部材9の厚さが厚くなっている。この結果、接続部材8からの樹脂流れ出し経路を図8および図9に示す構造のように一直線状とならないようにできる。この結果、半導体パッケージ200と放熱部材7との接続部材8による接合部の強度(接着強度)を十分高めるために必要な圧力を工程(S30)において印加しながら、図8に示すような樹脂の流出部31の発生を防止できる。
Therefore, in the manufacturing method of the semiconductor module according to the present embodiment described above, by including the step (S22) of arranging the regulating
つまり、工程(S30)において半導体パッケージ200に圧力を加えながら接続部材8を加熱したときに、接続部材8内の樹脂成分が接着面外へ流れ出すことを規制部材9により防止できる。特に、接続部材8が、窒化ホウ素のような無機材を圧縮焼成した層に熱硬化性樹脂を含浸させた構成である場合に、図8に示す上記流出部31の発生を抑制しつつ、半導体パッケージ200に十分な圧力を印加できる。この結果、半導体パッケージ200と放熱部材7との接着強度を十分高く保つことができる。したがって、高信頼性で絶縁特性および放熱特性に優れた半導体モジュール100を得ることができる。
That is, when the connecting
<作用効果>
本開示に従った半導体モジュール100は、放熱部材7と、半導体パッケージ200と、接続部材8と、規制部材9とを備える。放熱部材7は主面7aを有する。半導体パッケージ200は、主面7a上に配置される。半導体パッケージ200は半導体素子1を含む。接続部材8は、放熱部材7と半導体パッケージ200との間に位置する。接続部材8は、放熱部材7と半導体パッケージ200とを接続する。接続部材8は樹脂成分を含む。規制部材9は、接続部材8を囲むように主面7a上に配置される。主面7aに垂直な方向において、規制部材9の頂部9aの位置は、接続部材8における半導体パッケージ200側の表面の外周部の位置より主面7aから離れている。<Effect>
A
このようにすれば、接続部材8の外周を囲む規制部材9の頂部9aが、接続部材8の上面である表面より高い位置となっているので、接続部材8から樹脂成分が外側へ流出することを規制部材9により防止できる。このため、接続部材8により放熱部材7と半導体パッケージ200とを接続するため、たとえば半導体パッケージ200を放熱部材7側に押圧して接続部材8に圧力を加えても、接続部材8の樹脂成分が半導体パッケージ200の外周端部より外側に流れ出すといった不良の発生を抑制できる。そのため、半導体パッケージ200と放熱部材7との接続時に、接続部材8に対して十分な圧力を印加できる。この結果、半導体パッケージ200と放熱部材7との接着強度不足または接続不良、あるいは接続部材8における樹脂成分の流動に伴うボイドの発生といった問題の発生を抑制できる。このため、上記問題に起因する半導体モジュールにおける絶縁特性または放熱特性の劣化を抑制でき、半導体モジュールの信頼性を向上させることができる。
With this configuration, the
上記半導体モジュール100において、主面7aには、規制部材9下に位置する領域に溝部21が形成されている。規制部材9の一部は溝部21の内部に位置する。この場合、溝部21に規制部材9の一部を配置することで、規制部材9を容易に位置決めできる。
In the
上記半導体モジュール100において、規制部材9を構成する材料は弾性体を含む。この場合、規制部材9と放熱部材7との接続部、あるいは規制部材9と半導体パッケージ200との接触部に圧力を加えることで、規制部材9と放熱部材7または半導体パッケージ200とを密着させることができる。この結果、接続部材8の樹脂成分が外部へ流出する経路となり得る規制部材9と放熱部材7との接続界面または規制部材9と半導体パッケージ200との接触界面における隙間の発生を抑制できる。
In the
上記半導体モジュール100において、規制部材9の比誘電率は接続部材8の比誘電率より大きい。この場合、接続部材8と接触する半導体パッケージ200の部分から発生する部分放電を抑制できる。この結果、半導体モジュール100の絶縁特性を向上させることができる。
In the
本開示に従った半導体モジュール100の製造方法は、放熱部材7を準備する工程(S10)と、接続部材8を配置する工程(S21)と、規制部材9を配置する工程(S22)と、半導体パッケージ200を配置する工程(S23)と、放熱部材7と半導体パッケージ200とを接続する工程(S30)とを備える。放熱部材7は主面7aを有する。接続部材8を配置する工程(S21)では、主面7a上に接続部材8が配置される。接続部材8は樹脂成分を含む。規制部材9を配置する工程(S22)では、主面7a上に、接続部材8を囲むように規制部材9が配置される。半導体パッケージ200を配置する工程(S23)では、接続部材8上に、半導体素子1を含む半導体パッケージ200が配置される。上記接続する工程(S30)では、半導体パッケージ200を接続部材8側に向けて押圧しながら接続部材8を加熱する。この結果、接続部材8によって放熱部材7と半導体パッケージ200とが接続される。
The method of manufacturing the
このようにすれば、規制部材9を配置することで、接続する工程(S30)において加圧された接続部材8から樹脂成分が外部へ流れ出すことを抑制できる。このため、接続する工程(S30)において接続部材8に対して十分な圧力を印加できる。したがって、接続する工程(S30)における半導体パッケージ200と放熱部材7との接着強度不足または接続不良、あるいは接続部材8における樹脂成分の流動に伴うボイドの発生といった問題の発生を抑制できる。この結果、信頼性の高い半導体モジュール100を得ることができる。
In this way, by arranging the regulating
上記半導体モジュール100の製造方法において、規制部材9を配置する工程(S22)は、主面7a上に規制部材9となるべき液体を配置する工程(S221)と、当該液体を固化することにより規制部材9を形成する工程(S222)とを含む。
In the method of manufacturing the
この場合、規制部材9は放熱部材7の主面7aに密着した状態で形成される。したがって、放熱部材7と規制部材9との接触界面における隙間の発生を防止できるので、当該隙間を介した接続部材8の樹脂成分の外部への流出を防止できる。
In this case, the regulating
実施の形態2.
<半導体モジュールの構成>
図10は、実施の形態2に係る半導体モジュールを示す断面模式図である。図11は、図10の領域XIを示す拡大断面模式図である。図10および図11に示した半導体モジュール100は、基本的には図1から図3に示した半導体モジュール100と同様の構成を備えるが、半導体パッケージ200の構成が図1から図3に示した半導体モジュール100と異なる。すなわち、図10および図11に示した半導体モジュール100では、半導体パッケージ200の封止樹脂4の外周部に、規制部材9の頂部9aと接触する押圧部22が形成されている。押圧部22は封止樹脂4の一部である。押圧部22は封止樹脂4の外周部に形成されたツバ状の部分である。
<Configuration of semiconductor module>
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing a semiconductor module according to the second embodiment. FIG. 11 is an enlarged schematic cross-sectional view showing region XI in FIG. The
このように半導体パッケージ200に押圧部22が形成されているので、図5の接続工程(S30)において、半導体パッケージ200が接続部材8を介して放熱部材7に圧着される時に、押圧部22が規制部材9の頂部9aを押圧する。この結果、規制部材9と、放熱部材7および半導体パッケージ200との密着性をより向上させることができる。このため、接続部材8からの樹脂成分の流れ出し経路である規制部材9と放熱部材7との間の隙間、または規制部材9と半導体パッケージ200との間の隙間を小さくできる。したがって、実施の形態1に係る半導体モジュール100よりも更に安定して接続部材8からの樹脂の流れ出しを防止できる。
Since the
特に規制部材9が、シリコーンゴムのような弾性体により構成される場合、図5に示した工程(S30)において、押圧部22により規制部材9の頂部9aを押圧できるので、規制部材9が圧縮変形しながら溝部21に圧入される。この結果、樹脂流れ出し経路となる上記隙間を完全に埋めることができる。
Especially when the regulating
<作用効果>
上記半導体モジュール100において、半導体パッケージ200は、規制部材9の頂部9aに接触する押圧部22を含む。この場合、半導体パッケージ200の押圧部22により規制部材9の頂部9aを押圧することで、規制部材9と半導体パッケージ200との接触界面および規制部材9と放熱部材7との接触界面における隙間の発生を抑制できる。この結果、上記接触界面の隙間を介した接続部材8の樹脂成分の外部への流出を抑制できる。<Effect>
In the
上記半導体モジュール100において、規制部材9を構成する材料は弾性体を含むことが好ましい。この場合、上述した押圧部22により規制部材9と放熱部材7との接続部、あるいは規制部材9と半導体パッケージ200との接触部に圧力を加えることができる。この結果、規制部材9と放熱部材7または半導体パッケージ200とを密着させることができる。したがって、接続部材8の樹脂成分が外部へ流出する経路となり得る規制部材9と放熱部材7との接続界面または規制部材9と半導体パッケージ200との接触界面における隙間の発生を抑制でき、接続部材8から樹脂成分が外部へ流出することを抑制できる。
In the
実施の形態3.
<半導体モジュールの構成>
図12は、実施の形態3に係る半導体モジュールを示す断面模式図である。図12に示した半導体モジュール100は、基本的には図10に示した半導体モジュール100と同様の構成を備えるが、放熱部材7の構成が図10に示した半導体モジュール100と異なる。すなわち、図12に示した半導体モジュール100では、放熱部材7の主面7aが、接続部材8下に位置する凸部状の部分である第1領域25と、第1領域25を囲むように配置され、表面が第1領域25より下側に位置する第2領域23とを含む。規制部材9は第1領域25の外周を囲むように配置されている。第1領域25と第2領域23との間の段差部に規制部材9は接触している。
<Configuration of semiconductor module>
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing a semiconductor module according to the third embodiment. The
このような構成では、放熱部材7の主面7a上に規制部材9を設置する工程を容易に実施できる。特に規制部材9がシリコーンゴムのような弾性体で構成される場合に有利である。すなわち、半導体パッケージ200が大きく、規制部材9のサイズも大きくなった場合、実施の形態2に係る半導体モジュール100のように溝部21へ規制部材9を設置する工程の作業性が悪くなる。これは、弾性体から構成される規制部材9が変形しやすく、短時間で溝部21に規制部材9を配置することが難しいためである。一方、上記のような放熱部材7の構成とすることで、規制部材9を凸部である第1領域25の外周部である段差部に沿って配置することができるので、規制部材9を配置する工程(S22)の作業性を向上させることができる。
With such a configuration, the step of installing the regulating
<作用効果>
上記半導体モジュール100において、主面7aには、接続部材8の下に位置する第1領域25が、当該第1領域25の外側の第2領域23より半導体パッケージ200側に突出した凸部となっている。この場合、凸部である第1領域25の外周側面に接するように規制部材9を配置することで、規制部材9の位置決めを容易に行うことができる。<Effect>
In the
上記半導体モジュール100において、半導体パッケージ200は、規制部材9の頂部9aに接触する押圧部22を含む。この場合、上述した実施の形態2に係る半導体モジュール100と同様の効果を得ることができる。すなわち、半導体パッケージ200の押圧部22により規制部材9の頂部9aを押圧することで、規制部材9と半導体パッケージ200との接触界面および規制部材9と放熱部材7との接触界面における隙間の発生を抑制できる。この結果、上記接触界面の隙間を介した接続部材8の樹脂成分の外部への流出を抑制できる。上記半導体モジュール100において、規制部材9を構成する材料は弾性体を含むことが好ましい。
In the
実施の形態4.
<半導体モジュールの構成>
図13は、実施の形態4に係る半導体モジュールを示す断面模式図である。図13に示した半導体モジュール100は、基本的には図1から図3に示した半導体モジュール100と同様の構成を備えるが、放熱部材7の構成が図1から図3に示した半導体モジュール100と異なる。すなわち、図13に示した半導体モジュール100では、放熱部材7の主面7aにおいて、接続部材8の厚み以上、規制部材9の厚み以下の深さを有する凹部24を形成している。凹部24の外周部に規制部材9が配置されている。凹部24の内部であって規制部材9の内周側に接続部材8が配置されている。
<Configuration of semiconductor module>
FIG. 13 is a schematic cross-sectional view showing a semiconductor module according to the fourth embodiment. The
図13に示した半導体モジュール100では、放熱部材7と接する規制部材9の下面が、接続部材8の下面(下接着界面)と同一高さの延長線上にある。しかし、接続部材8の樹脂成分が規制部材9の下面側から染み出し、規制部材9の外側へ流れ出したとしても、当該規制部材9の外周側には凹部24の側壁が存在する。このため、接続部材8からの樹脂成分の流れ出しを最小限に抑えることができる。また、図12に示した半導体モジュール100と同様に、図6に示した工程(S22)において、規制部材9を放熱部材7の主面7a上に配置するときに、凹部24の外周部に規制部材9を配置すればよいため、当該工程(S22)の作業性を向上させることができる。
In the
<作用効果>
上記半導体モジュール100において、主面7aには、規制部材9および接続部材8の下に位置する領域に凹部24が形成されている。規制部材9の一部および接続部材8は凹部24の内部に位置する。この場合、接続部材8の樹脂成分が規制部材9側に流出しようとして規制部材9に外側に向けた圧力が加えられた場合に、凹部24の側壁により規制部材9を外周側から支えることができる。このため、規制部材9が上記圧力により変形して樹脂成分が規制部材9の外側へ流れる経路が形成される、といった問題の発生を抑制できる。また、凹部24の側壁に規制部材9を配置すればよいため、規制部材9を放熱部材7の主面7a上に配置する工程(S22)の作業性を向上させることができる。<Effect>
In the
実施の形態5.
<半導体モジュールの構成>
図14は、実施の形態5に係る半導体モジュールを示す断面模式図である。図14に示した半導体モジュール100は、基本的には図13に示した半導体モジュール100と同様の構成を備えるが、半導体パッケージ200の構成が図13に示した半導体モジュール100と異なる。すなわち、図14に示した半導体モジュール100では、実施の形態2に係る半導体モジュール100と同様に、半導体パッケージ200の封止樹脂4の外周部に、規制部材9の頂部9aと接触する押圧部22が形成されている。
<Configuration of semiconductor module>
FIG. 14 is a schematic cross-sectional view showing a semiconductor module according to the fifth embodiment. The
<作用効果>
上記半導体モジュール100は、実施の形態4に係る半導体モジュール100と同様に放熱部材7の主面7aに凹部24が形成されているので、実施の形態4に係る半導体モジュール100と同様の効果を得ることができる。さらに、上記半導体モジュール100において、半導体パッケージ200は、規制部材9の頂部9aに接触する押圧部22を含む。このため、上述した実施の形態2に係る半導体モジュール100と同様の効果を得ることができる。すなわち、半導体パッケージ200の押圧部22により規制部材9の頂部9aを押圧することで、規制部材9と半導体パッケージ200との接触界面および規制部材9と放熱部材7との接触界面における隙間の発生を抑制できる。この結果、上記接触界面の隙間を介した接続部材8の樹脂成分の外部への流出を抑制できる。上記半導体モジュール100において、規制部材9を構成する材料は弾性体を含むことが好ましい。<Effect>
Since the
実施の形態6.
本実施の形態は、上述した実施の形態1から実施の形態5に係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。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6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。
The present embodiment applies the semiconductor modules according to the first to fifth embodiments described above to a power converter. Although the present invention is not limited to a specific power converter, a case where the present invention is applied to a three-phase inverter will be described below as a sixth embodiment.
図15は、本実施の形態にかか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。 FIG. 15 is a block diagram showing the configuration of a power conversion system to which the power conversion device according to this embodiment is applied.
図15に示す電力変換システムは、電源300、電力変換装置400、負荷500から構成される。電源300は、直流電源であり、電力変換装置400に直流電力を供給する。電源300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るし、交流系統に接続された整流回路やAC/DCコンバータで構成することとしてもよい。また、電源300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することとしてもよい。
The power conversion system shown in FIG. 15 includes a
電力変換装置400は、電源300と負荷500の間に接続された三相のインバータであり、電源300から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷500に交流電力を供給する。電力変換装置400は、図15に示すように、直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路401と、主変換回路401を制御する制御信号を主変換回路401に出力する制御回路403とを備えている。
負荷500は、電力変換装置400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500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、エレベーター、もしくは、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400の詳細を説明する。主変換回路401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300から供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷500に供給する。主変換回路401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401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401の各スイッチング素子や各還流ダイオードは、上述した実施の形態1から実施の形態5のいずれかに相当する半導体モジュール402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401の3つの出力端子は、負荷500に接続される。
Details of the
また、主変換回路401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、駆動回路は半導体モジュール402に内蔵されていてもよいし、半導体モジュール402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401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401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403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。
Further, the
制御回路403は、負荷500に所望の電力が供給されるよう主変換回路401のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷500に供給すべき電力に基づいて主変換回路401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401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401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。
The
本実施の形態に係る電力変換装置では、主変換回路401のスイッチング素子と還流ダイオードとして実施の形態1から実施の形態5のいずれかにかかる半導体モジュールを適用するため、信頼性の高い電力変換装置を実現することができる。
In the power converter according to the present embodiment, the semiconductor module according to any one of the first to fifth embodiments is applied as the switching element and the freewheeling diode of 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、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レベルや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コンバータやAC/DCコンバータに本発明を適用することも可能である。 In this embodiment, an example in which the present invention is applied 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 converters. In this embodiment, a two-level power converter is used, but a three-level or multi-level power converter may be used. You can apply it. Moreover, when power is supplied to a DC load or the like, the present invention can be applied to a DC/DC converter or an AC/DC converter.
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、放電加工機やレーザー加工機、又は誘導加熱調理器や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や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。 Further, the power conversion device to which the present invention is applied is not limited to the case where the above-mentioned load is an electric motor. It can also be used as a device, and can also be used as a power conditioner for a photovoltaic power generation system, an electric storage system, or the like.
今回開示された実施の形態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請求の範囲によって示され、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 disclosed this time are illustrative in all respects and not restrictive. As long as there is no contradiction, at least two of the embodiments disclosed this time may be combined. The scope of the present invention is indicated by the scope of the claims rather than the above description, and is intended to include all changes within the scope and meaning equivalent to the scope of the claims.
1 半導体素子、2 はんだ、3 ヒートスプレッダ、4 封止樹脂、5 リードフレーム、6 ボンディングワイヤ、7 放熱部材、7a 主面、8 接続部材、9 規制部材、9a 頂部、21 溝部、22 押圧部、23 第2領域、24 凹部、25 第1領域、31 流出部、41 接着部材、100,402 半導体モジュール、200 半導体パッケージ、300 電源、400 電力変換装置、401 主変換回路、403 制御回路、500 負荷。
REFERENCE SIGNS
Claims (9)
前記主面上に配置され、半導体素子を含む半導体パッケージと、
前記放熱部材と前記半導体パッケージとの間に位置するとともに、前記放熱部材と前記半導体パッケージとを接続し、樹脂成分を含む接続部材と、
前記接続部材を囲むように前記主面上に配置された規制部材とを備え、
前記主面に垂直な方向において、前記規制部材の頂部の位置は、前記接続部材における前記半導体パッケージ側の表面の外周部の位置より前記主面から離れており、
前記半導体パッケージは、前記規制部材の前記頂部に接触する押圧部を含む、半導体モジュール。 a heat dissipation member having a main surface;
a semiconductor package disposed on the main surface and including a semiconductor element;
a connection member positioned between the heat dissipation member and the semiconductor package, connecting the heat dissipation member and the semiconductor package, and containing a resin component;
a regulating member arranged on the main surface so as to surround the connecting member;
In a direction perpendicular to the main surface, the position of the top of the restricting member is farther from the main surface than the position of the outer peripheral portion of the surface of the connecting member on the semiconductor package side ,
A semiconductor module , wherein the semiconductor package includes a pressing portion that contacts the top portion of the regulating member .
前記主面上に配置され、半導体素子を含む半導体パッケージと、a semiconductor package disposed on the main surface and including a semiconductor element;
前記放熱部材と前記半導体パッケージとの間に位置するとともに、前記放熱部材と前記半導体パッケージとを接続し、樹脂成分を含む接続部材と、a connection member positioned between the heat dissipation member and the semiconductor package, connecting the heat dissipation member and the semiconductor package, and containing a resin component;
前記接続部材を囲むように前記主面上に配置された規制部材とを備え、a regulating member arranged on the main surface so as to surround the connecting member;
前記主面に垂直な方向において、前記規制部材の頂部の位置は、前記接続部材における前記半導体パッケージ側の表面の外周部の位置より前記主面から離れており、In a direction perpendicular to the main surface, the position of the top of the restricting member is farther from the main surface than the position of the outer peripheral portion of the surface of the connecting member on the semiconductor package side,
前記主面には、前記規制部材および前記接続部材の下に位置する領域に凹部が形成され、a concave portion is formed in a region of the main surface located below the restricting member and the connecting member;
前記規制部材の一部および前記接続部材は前記凹部の内部に位置する、半導体モジュール。A semiconductor module, wherein a portion of the regulating member and the connecting member are positioned inside the recess.
前記規制部材の一部は前記溝部の内部に位置する、請求項1に記載の半導体モジュール。2. The semiconductor module according to claim 1, wherein a portion of said restricting member is located inside said groove.
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、
を備えた電力変換装置。 A main conversion circuit having the semiconductor module according to any one of claims 1 to 6 and converting input power and outputting the converted power;
a control circuit that outputs a control signal for controlling the main conversion circuit to the main conversion circuit;
A power converter with
前記主面上に、樹脂成分を含む接続部材を配置する工程と、
前記主面上に、前記接続部材を囲むように規制部材を配置する工程と、
前記接続部材上に、半導体素子を含む半導体パッケージを配置する工程と、
前記半導体パッケージを前記接続部材側に向けて押圧しながら前記接続部材を加熱することにより、前記接続部材によって前記放熱部材と前記半導体パッケージとを接続する工程と、を備える半導体モジュールの製造方法。 preparing a heat dissipating member having a main surface;
arranging a connection member containing a resin component on the main surface;
arranging a regulating member on the main surface so as to surround the connecting member;
arranging a semiconductor package including a semiconductor element on the connection member;
and connecting the heat radiating member and the semiconductor package by the connecting member by heating the connecting member while pressing the semiconductor package toward the connecting member.
前記主面上に前記規制部材となるべき液体を配置する工程と、
前記液体を固化することにより前記規制部材を形成する工程とを含む、請求項8に記載の半導体モジュールの製造方法。 The step of arranging the regulating member includes:
arranging the liquid to be the regulating member on the main surface;
9. The method of manufacturing a semiconductor module according to claim 8, further comprising the step of forming said restricting member by solidifying said liquid.
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