JP7267869B2 - パワーモジュール及びその製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、パワーモジュール及びその製造方法に関するものである。

特許文献１には、ボイドが接合部材の内部に残るのを抑制できる電子装置が記載されている。
同文献に記載の電子装置にあっては、ボイドを複数の凹部によって導き当該ボイドが接合材（半田層）から排出されるようにした。

特開２０１８－３２８１７号公報

しかし、ボイドを接合材（半田層）から排出することが難しい場合もある。例えば、接合材が大面積である場合である。
一方、発熱源となるパワー半導体チップが、回路基板を介して放熱用金属に接合されたパワーモジュールが実施される。このとき、回路基板と放熱用金属とが半田等の熱伝導性を有した接合材により接合される。放熱用金属は、パワー半導体チップからの熱を吸熱、放熱する。パワー半導体チップと放熱用金属との間に、接合材に内包されるボイドが存在することにより、パワー半導体チップから放熱用金属への熱伝達性が悪化するという問題がある。

本開示の１つの態様のパワーモジュールは、パワー半導体チップと回路基板を含むパワー半導体モジュールと、放熱用金属と、前記パワー半導体モジュールの第１面と、前記放熱用金属の第２面とを接合する接合材とを備え、前記第１面又は前記第２面は、平面視で前記パワー半導体チップの配置領域の外に凹部を有するパワーモジュールであって、前記回路基板は、絶縁基板と、当該絶縁基板の一方の面に固定された複数の回路パターンと、当該絶縁基板の他方の面に固定された金属パターンとを有し、前記パワー半導体チップが前記回路パターンにボンディングされ、前記放熱用金属の第２面が前記金属パターンに前記接合材を介して接合しており、前記金属パターンの表面に前記凹部が開口しており、前記金属パターンは貫通孔を有し、前記凹部の内側面が前記貫通孔の内側面であり、前記凹部の底面が前記絶縁基板の他方の面であって前記貫通孔の一端を塞ぐ部位であり、前記貫通孔の他端が前記凹部の開口端であり、前記接合材内のボイドは前記凹部に内包されるように構成されている。

本開示の１つの態様のパワーモジュールの製造方法は、パワー半導体チップと回路基板を含むパワー半導体モジュールと、放熱用金属と、前記パワー半導体モジュールの第１面と、前記放熱用金属の第２面とを接合する接合材とを備え、前記第１面又は前記第２面は、平面視で前記パワー半導体チップの配置領域の外に凹部を有するパワーモジュールを、製造する方法であって、前記回路基板は、絶縁基板と、当該絶縁基板の一方の面に固定された複数の回路パターンと、当該絶縁基板の他方の面に固定された金属パターンとを有し、前記パワー半導体チップが前記回路パターンにボンディングされ、前記放熱用金属の第２面が前記金属パターンに前記接合材を介して接合しており、前記金属パターンの表面に前記凹部が開口しており、前記金属パターンは貫通孔を有し、前記凹部の内側面が前記貫通孔の内側面であり、前記凹部の底面が前記絶縁基板の他方の面であって前記貫通孔の一端を塞ぐ部位であり、前記貫通孔の他端が前記凹部の開口端であり、前記接合材の溶融、再固化による前記パワー半導体モジュールと前記放熱用金属との接合工程において、溶融した前記接合材内のボイドを前記凹部に捕獲し、前記接合材を再固化して前記凹部内に前記ボイドを固定する。

本開示のパワーモジュールによれば、パワー半導体チップから放熱用金属への熱伝達性を良好にすることができる。

本開示のパワーモジュールの製造方法によれば、パワー半導体チップから放熱用金属への熱伝達性が良好なパワーモジュールを製造することができる。

本開示の一実施形態に係るパワーモジュールの斜視図である。 本開示の一実施形態に係るパワーモジュールに含まれるチップ搭載済み回路基板の上面図であり、同回路基板の下面に固定される金属パターンを透過して示す。 図３の回路基板の下面に固定される金属パターンの上面図である。 本開示の一実施形態に係るパワーモジュールの部分断面図である。

本開示の実施形態のパワーモジュール及びその製造方法について図面を参照して説明する。なお、以下の説明における上下の区別は便宜的なものであり、実際にパワーモジュールが使用される際の上下を限定するものではない。

図１から図４により示すように本実施形態のパワーモジュール１は、パワー半導体モジュール１００と、放熱用金属２０と、接合材としての半田３０とを備える。半田３０としてはフラックス入りの半田が使用されている。
パワー半導体モジュール１００は、パワー半導体チップ１１０と、回路基板１２０とを有する。
回路基板１２０は、セラミック等の絶縁材料からなる絶縁基板１２１と、複数の回路パターン１２２と、金属パターン１２３とを備える。絶縁基板１２１の上面に複数の回路パターン１２２が固定されている。そのうち回路パターン１２２ａには、パワー半導体チップ１１０がボンディングされている。また、回路パターン１２２ａには、交流出力端子１２４が接続されている。その他の回路パターン１２２ｂには直流電源接続端子１２５の内端、制御信号の入力端子１２６の内端、ブリッジ状の配線板１２７の一端が接続されている。なお、ブリッジ状の配線板１２７の他端は、パワー半導体チップ１１０の上面電極に接続されている。また、回路基板１２０及び搭載部品は樹脂等で封止される。但し、端子類の外端を除く。
パワー半導体チップ１１０は、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子である。図示例のパワーモジュール１としては、三相出力のインバーター回路である。

金属パターン１２３は、絶縁基板１２１の下面に固定されている。金属パターン１２３は、回路パターン１２２と同様の材質、製法で足りる。金属パターン１２３は半田３０により接合するための金属部分である。そのため、金属パターン１２３は、単一で絶縁基板１２１の下面の大部分に広がっている。この金属パターン１２３が設けられた面が半田３０により放熱用金属２０に接合される第１面Ｓ１である。

放熱用金属２０は、パワー半導体モジュール１００の第１面Ｓ１に半田３０により接合される第２面Ｓ２を有する。放熱用金属２０の第２面Ｓ２が金属パターン１２３に半田３０を介して接合している。放熱用金属２０は、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等の放熱性の良好な金属材料からなる。放熱用金属２０の形状は特に限定されない。

図４に示すように半田３０に発生するボイドＶを保持する凹部Ｄについて説明する。
図２及び図３に示すように本実施形態では１３個の凹部Ｄ（Ｄ１－Ｄ１３）が設けられている。凹部Ｄの数は任意に実施し得る。
図４に示すように金属パターン１２３は凹部Ｄを構成するための貫通孔を有する。凹部Ｄの内側面が同貫通孔の内側面であり、凹部Ｄの底面が絶縁基板１２１の下面であって同貫通孔の一端（上端）を塞ぐ部位である。同貫通孔の他端（下端）が凹部Ｄの開口端である。したがって、金属パターン１２３の表面に凹部Ｄが開口している構造である。また、凹部Ｄは、フラットな底面を有する。同構造により、凹部ＤからボイドＶが脱出し難くすることができる。さらに、凹部Ｄは、フラットな底面に対して略直角に配置された内側面を有する。同構造により、さらに凹部ＤからボイドＶが脱出し難くすることができる。

本実施形態に拘わらず、凹部Ｄを、金属パターン１２３に設けた底のある穴として実施してもよい。その場合も、金属パターン１２３の表面に凹部Ｄが開口している構造である。本実施形態のように凹部Ｄを金属パターン１２３に設けた貫通孔により構成する場合は、凹部Ｄを金属パターン１２３の厚みの全部に相当する深さにすることができ、ボイドＶを保持しやすい。また、凹部Ｄを容易に精度よく形成できる。凹部Ｄを、金属パターン１２３に設けた底のある穴として実施する場合は、エッチングなどによる堀設作業を途中で止める精度を要するからである。
また、本実施形態に拘わらず、凹部を放熱用金属２０の第２面Ｓ２に、底のある穴を設けることで実施してよい。この場合、放熱用金属２０の第２面Ｓ２に凹部が開口している構造となる。
本実施形態のように、金属パターン１２３の表面に凹部Ｄが開口している構造とすることで、金属パターン１２３への加工により凹部Ｄを設けることができ、放熱用金属２０の容量も欠けることなく、凹部Ｄを設けるための放熱用金属２０への加工も必要ない。

また、金属パターン１２３は外周縁部に一周に亘って小孔の列Ｅを有する。この小孔の列Ｅは、熱応力等による外周縁部からの破損、剥離の可能性を低減するための応力緩和用である。
凹部Ｄはすべてこの応力緩和用の小孔の列Ｅの内側に配置されている。さらに平面視したときの凹部Ｄの配置は次の通りである。

図２から図４に示すように第１面Ｓ１（図４）は、平面視（図２）でパワー半導体チップ１１０の配置領域の外に凹部Ｄ１－Ｄ１３を有する。逆に、平面視（図２）で凹部Ｄ１－Ｄ１３の配置領域の外にパワー半導体チップ１１０が配置される。いずれのパワー半導体チップ１１０の下にも凹部Ｄは配置されない。
かかる配置により、凹部Ｄに保持されるボイドＶが、パワー半導体チップ１１０から放熱用金属２０への熱伝導の妨げになりにくくする。

さらに一部の凹部Ｄに関しては以下の配置をとる。
図２から図４に示すように第１面Ｓ１（図４）は、平面視（図２）で複数の回路パターン１２２のうちパワー半導体チップ１１０がボンディングされた回路パターン１２２ａの配置領域の外に配置された凹部Ｄ１－Ｄ５，Ｄ８－Ｄ１１，Ｄ１３を有する。
回路パターン１２２ａは、直接にパワー半導体チップ１１０から吸熱するので高温になりやすい。
かかる配置により、パワー半導体チップ１１０がボンディングされた回路パターン１２２ａから放熱用金属２０への熱伝導の妨げになりにくく、ボイドＶを保持する凹部Ｄを設けることができる。これにより、パワー半導体チップ１１０から回路パターン１２２ａ、さらに放熱用金属２０への熱伝導性を良好にする。但し、パワー半導体チップ１１０がボンディングされた回路パターン１２２ａの配置領域内に、凹部Ｄ６，Ｄ７，Ｄ１２を配置することを禁止するものではない。

図２から図４に示すように第１面Ｓ１（図４）は、平面視（図２）で複数の回路パターン１２２の配置領域の外に、少なくとも一部が配置された凹部Ｄ１－Ｄ４を有する。凹部Ｄ１－Ｄ４のそれぞれの一部が、平面視（図２）で複数の回路パターン１２２の配置領域の外に配置されている。特に本実施形態では、第１面Ｓ１（図４）は、平面視（図２）で複数の回路パターン１２２の互いに隣接する２つの回路パターン１２２ｂ，１２２ｂの間の領域に、少なくとも一部が配置された凹部Ｄ１－Ｄ４を有する。凹部Ｄ１－Ｄ４のそれぞれの一部が、平面視（図２）で互いに隣接する２つの回路パターン１２２ｂ，１２２ｂの間の領域に配置されている。
かかる配置により、凹部Ｄに保持されるボイドＶが、回路パターン１２２から放熱用金属２０への熱伝導の妨げになりにくくする。
本実施形態に拘わらず、２つの回路パターン１２２，１２２の間の領域以外にも、外周縁部などに、回路パターン１２２の配置領域の外となる余地があれば凹部Ｄを配置してもよい。

図２から図４に示すように第１面Ｓ１（図４）は、平面視（図２）で一つのパワー半導体チップ１１０と他のパワー半導体チップ１１０との間の領域に配置された凹部Ｄ６，Ｄ７，Ｄ１０，Ｄ１２を有する。
本実施形態のように、複数のパワー半導体チップ１１０が実装されるパワーモジュールにおいて、チップ間の領域も利用してボイドＶを保持する凹部Ｄを設けることによって、発熱源となるパワー半導体チップ１１０下にボイドＶが残りにくくすることができる。また、ボイドＶを凹部Ｄに保持し、半田３０の外部に排出しないから、このような凹部Ｄ６，Ｄ７，Ｄ１０，Ｄ１２の配置も可能である。

図２から図４に示すように第１面Ｓ１（図４）は、平面視（図２）で金属パターン１２３の外縁よりもパワー半導体チップ１１０の近くに配置された凹部Ｄ４，Ｄ６－８，１０－１２を有する。
かかる配置により、パワー半導体チップ１１０から、金属パターン１２３の外縁までの距離が長くなっても、よりパワー半導体チップ１１０に近い位置にある凹部Ｄ４，Ｄ６－８，１０－１２にボイドＶを捕獲しやすくすることができる。
なお、第２面Ｓ２に凹部を設けた場合は、以上の凹部Ｄの配置の説明において、「第１面Ｓ１」を「第２面Ｓ２」と読み替える。

さらに本実施形態における凹部Ｄの長手方向とその配置は次の通りである。
凹部Ｄの開口は長手方向を有する。本実施形態では、凹部Ｄの開口は長手方向を一方向（Ｘ方向）に揃えている。
凹部Ｄ６，Ｄ７，Ｄ１１－１３の開口の長手方向は、当該凹部Ｄ６，Ｄ７，Ｄ１１－１３に近接するパワー半導体チップ１１０の縁に沿った方向である。
かかる配置により、パワー半導体チップ１１０下の領域で発生したボイドＶの凹部Ｄ６，Ｄ７，Ｄ１１－１３への捕獲率を向上できる。なお、図示例に拘わらず、凹部Ｄの開口の長手方向を一方向に揃えずに、近接するパワー半導体チップ１１０の縁に沿った方向に長手方向を有した凹部Ｄを増加してもよい。凹部Ｄの長手方向の長さも増加してもよい。

次にパワーモジュール１の製造方法につき説明する。
本製造方法は、半田３０による接合工程に関する製造方法である。
上記のパワー半導体モジュール１００の第１面Ｓ１と、放熱用金属２０の第２面Ｓ２とを半田３０を介して合わせる。
図４に示すようにパワー半導体モジュール１００を上、放熱用金属２０を下に配置し、凹部Ｄの開口を重力方向に向ける。すなわち、凹部Ｄの開口が下向きである。
半田３０をリフロー（溶融、再固化）する。このとき、溶融した半田３０にボイドＶを発生させる。半田３０はフラックス入りであるため、フラックスの析出によりボイドＶは発生しやすい。当該ボイドＶは成長しながら、空間の大きい近くの凹部Ｄに逃げ込む。このようにしてボイドＶを凹部Ｄに捕獲する。このとき、凹部Ｄが下向きに開口していることもあり、ボイドＶは凹部Ｄから脱出し難い。
あとは再固化により凹部Ｄ内にボイドＶを固定する。

以上のように、半田３０による接合工程において、含有フラックス等を原因にして半田３０内に発生するボイドＶを、そのまま半田３０に内包させておき、パワー半導体チップ１１０下の領域等の放熱性の観点で不都合な領域の外にボイドＶを保持する。
以上により、パワー半導体チップ１１０から放熱用金属２０への熱伝達性を良好にすることができる。
また、ボイドＶを半田３０の外に排出する場合、回路基板１２０の外縁部でフラックスが半田３０の外に析出することになる。この場合にフラックスの洗浄不足があると、フラックスのイオン残渣などによりパターン間（金属パターン１２３と、回路パターン１２２との間）の絶縁不良が生じることがある。しかし、上記実施形態によれば、ボイドＶを半田３０に内包させておくので、ボイドＶ内に留まるフラックス残渣が多くなる分、フラックスの外部析出は抑えられ、従ってフラックス残渣による絶縁不良の発生を低減することができる。
なお、パワーモジュール１及びその製造方法は、上記実施形態に記載された例に限定されるものではなく、本開示の要旨の範囲内で種々の変更は可能である。

１ パワーモジュール
２０ 放熱用金属
３０ 半田
１００ パワー半導体モジュール
１１０ パワー半導体チップ
１２０ 回路基板
１２１ 絶縁基板
１２２ 回路パターン
１２３ 金属パターン
１２４ 交流出力端子
１２５ 直流電源接続端子
１２６ 制御信号の入力端子
１２７ 配線板
Ｄ（Ｄ１－Ｄ１３） 凹部
Ｖ ボイド

Claims (13)

1. パワー半導体チップと回路基板を含むパワー半導体モジュールと、
   放熱用金属と、
   前記パワー半導体モジュールの第１面と、前記放熱用金属の第２面とを接合する接合材とを備え、
   前記第１面又は前記第２面は、平面視で前記パワー半導体チップの配置領域の外に凹部を有するパワーモジュールであって、
   前記回路基板は、絶縁基板と、当該絶縁基板の一方の面に固定された複数の回路パターンと、当該絶縁基板の他方の面に固定された金属パターンとを有し、
   前記パワー半導体チップが前記回路パターンにボンディングされ、
   前記放熱用金属の第２面が前記金属パターンに前記接合材を介して接合しており、
   前記金属パターンの表面に前記凹部が開口しており、
   前記金属パターンは貫通孔を有し、前記凹部の内側面が前記貫通孔の内側面であり、前記凹部の底面が前記絶縁基板の他方の面であって前記貫通孔の一端を塞ぐ部位であり、前記貫通孔の他端が前記凹部の開口端であり、
   前記接合材内のボイドは前記凹部に内包されるように構成されているパワーモジュール。
2. 前記第１面又は前記第２面は、平面視で前記複数の回路パターンのうち前記パワー半導体チップがボンディングされた回路パターンの配置領域の外に配置された前記凹部を有する請求項１に記載のパワーモジュール。
3. 前記第１面又は前記第２面は、平面視で前記複数の回路パターンの配置領域の外に、少なくとも一部が配置された前記凹部を有する請求項１又は請求項２に記載のパワーモジュール。
4. 前記第１面又は前記第２面は、平面視で前記複数の回路パターンの互いに隣接する２つの回路パターンの間の領域に、少なくとも一部が配置された前記凹部を有する請求項３に記載のパワーモジュール。
5. 前記パワー半導体モジュールは前記パワー半導体チップを複数含み、
   前記第１面又は前記第２面は、平面視で一つの前記パワー半導体チップと他の前記パワー半導体チップとの間の領域に配置された前記凹部を有する請求項１から請求項４のうちいずれか一に記載のパワーモジュール。
6. 前記第１面又は前記第２面は、平面視で前記金属パターンの外縁よりも前記パワー半導体チップの近くに配置された前記凹部を有する請求項１から請求項５のうちいずれか一に記載のパワーモジュール。
7. 前記凹部は、フラットな底面を有する請求項１から請求項６のうちいずれか一に記載のパワーモジュール。
8. 前記凹部は、前記フラットな底面に対して略直角に配置された内側面を有する請求項７に記載のパワーモジュール。
9. 前記接合材はフラックス入りの半田である請求項１から請求項８のうちいずれか一に記載のパワーモジュール。
10. 前記凹部の開口は長手方向を有する請求項１から請求項９のうちいずれか一に記載のパワーモジュール。
11. 前記凹部の長手方向は、当該凹部に近接する前記パワー半導体チップの縁に沿った方向である請求項１０に記載のパワーモジュール。
12. パワー半導体チップと回路基板を含むパワー半導体モジュールと、放熱用金属と、前記パワー半導体モジュールの第１面と、前記放熱用金属の第２面とを接合する接合材とを備え、前記第１面又は前記第２面は、平面視で前記パワー半導体チップの配置領域の外に凹部を有するパワーモジュールを、製造する方法であって、
    前記回路基板は、絶縁基板と、当該絶縁基板の一方の面に固定された複数の回路パターンと、当該絶縁基板の他方の面に固定された金属パターンとを有し、
    前記パワー半導体チップが前記回路パターンにボンディングされ、
    前記放熱用金属の第２面が前記金属パターンに前記接合材を介して接合しており、
    前記金属パターンの表面に前記凹部が開口しており、
    前記金属パターンは貫通孔を有し、前記凹部の内側面が前記貫通孔の内側面であり、前記凹部の底面が前記絶縁基板の他方の面であって前記貫通孔の一端を塞ぐ部位であり、前記貫通孔の他端が前記凹部の開口端であり、
    前記接合材の溶融、再固化による前記パワー半導体モジュールと前記放熱用金属との接合工程において、溶融した前記接合材内のボイドを前記凹部に捕獲し、前記接合材を再固化して前記凹部内に前記ボイドを固定するパワーモジュールの製造方法。
13. 前記凹部の開口を重力方向に向けて前記接合工程を実施する請求項１２に記載のパワーモジュールの製造方法。

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