JP7380124B2 - 電力用半導体モジュール及び電力用半導体モジュールの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は上記課題に着目してなされたものであって、半導体チップとプリント回路基板との相対的位置ずれの影響を回避できるようにした電力用半導体モジュール及び電力用半導体モジュールの製造方法を提供することを目的とする。
また、以下の説明では、Z軸の正方向を「上」と称し、Z軸の負方向を「下」と称する場合がある。「上」及び「下」は、必ずしも地面に対する鉛直方向を意味しない。つまり、「上」及び「下」の方向は、重力方向に限定されない。「上」及び「下」は、層及び基板等における相対的な位置関係を特定する便宜的な表現に過ぎず、本発明の技術的思想を限定するものではない。例えば、紙面を180°回転すれば「上」が「下」に、「下」が「上」になることは勿論である。
図1は、本発明の一実施形態に係る電力用半導体モジュール100Aの構成例を示す回路図である。図2は、本発明の一実施形態に係る電力用半導体モジュールの構成例を示す断面図である。図1に示すように、本発明の一実施形態に係る電力用半導体モジュール100Aは、例えば3相のインバータ回路50を備える。
インバータ回路50は、図示しない直流電源と、この直流電源の高電位側に接続されえる正端子(正の入力端子;P端子)42と、低電位側に接続される負端子(負の入力端子;N端子)43と、3相の出力端子41u、41v、41wで構成されている。出力端子41u、41v、41wは、正端子42と負端子43とに接続するU相、V相、W相の3相の回路と、接続点a、b、cでそれぞれ接続されている。出力端子41u、41v、41wは、モータ等の負荷Mに接続される。
同様に、v相の回路は、v相の上アームと、v相の下アームとで構成されている。v相の上アームは半導体チップ1vを含む。v相の下アームは半導体チップ2vを含む。w相の回路は、w相の上アームと、w相の下アームとで構成されている。w相の上アームは半導体チップ1wを含む。w相の下アームは半導体チップ2wを含む。
図2に示すように、銅板4の上面に半導体チップ1、2の裏面が接合材としてのはんだ7、8により接合されている。半導体チップ1のおもて面に設けられる主電極としてのエミッタ電極にはエミッタ用ポスト電極用はんだ9aが塗布され、半導体チップ1のおもて面に設けられる制御電極としてのゲート電極にはゲート用ポスト電極用はんだ9bが塗布される。また、半導体チップ2のおもて面に設けられる主電極としてのエミッタ電極にはエミッタ用ポスト電極用はんだ10aが塗布され、半導体チップ2おもて面に設けられる制御電極としてのゲート電極にはゲート用ポスト電極用はんだ10bが塗布される。
インターポーザ17、18の上方にプリント回路基板19が配置されている。プリント回路基板19は、インターポーザ17、18と対向する面側に第1導電板とするエミッタ用銅パターン20a、21aと、第2導電板とするゲート用銅パターン20b、21bとを有する。エミッタ用銅パターン20a、21aと、ゲート用銅パターン20b、21bは、距離x離れている。
さらに、半導体チップ1、2のエミッタ電極及びゲート電極が並ぶ方向(図2中Y軸方向)におけるエミッタ用銅パターン20a、21aと、ゲート用銅パターン20b、21bとの距離xは、エミッタ用銅パターン15aと、ゲート用銅パターン15bとの間の距離yより長い。
以後、インターポーザ17のエミッタ用ポスト電極11aは、エミッタ用ポスト電極用はんだ9aにより半導体チップ1のエミッタ電極に接合される。インターポーザ17のゲート用ポスト電極11bは、ゲート用ポスト電極用はんだ9bにより半導体チップ1のゲート電極に接合される。この接合により、プリント回路基板19は、インターポーザ17を介して、半導体チップ1のエミッタ電極及びゲート電極に電気的に接続される。
以後、インターポーザ18のエミッタ用ポスト電極12aは、エミッタ用ポスト電極用はんだ10aにより半導体チップ2のエミッタ電極に接合される。インターポーザ18のゲート用ポスト電極12bは、ゲート用ポスト電極用はんだ10bにより半導体チップ2のゲート電極に接合される。この接合により、プリント回路基板19は、インターポーザ18を介して、半導体チップ2のエミッタ電極及びゲート電極に電気的に接続される。
なお、絶縁回路基板6及びインターポーザ17、18は、u相、v相、w相の各回路にそれぞれ設けられる。
次に、電力用半導体モジュール100Aの製造工程を説明する。
図2に示すように、まず、絶縁回路基板6が用意される。続いて、絶縁回路基板6の銅板4上に半導体チップ1、2をはんだ7、8により接合する。
次に、半導体チップ1、2それぞれのエミッタ電極及びゲート電極に、インターポーザ17、18をエミッタ用ポスト電極用はんだ9a、10a、及びゲート用ポスト電極用はんだ9b、10bにより接合する。
図3に示すように、インターポーザ17、18を、はんだ等によりプリント回路基板19に接合する。
次に、以前に考えられた電力用半導体モジュールと本発明の一実施形態に係る電力用半導体モジュール100Aとを比較した場合を例にして図4、図5、図6を参照して説明する。以前に考えられた電力用半導体モジュールについて、本発明の一実施形態に係る電力用半導体モジュールと同一部分については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
図5(b)に示すように、半導体チップ120、121の搭載位置精度が高ければ、狙い通りの位置に接合される。
ところが、図6(a)に示すように、例えば絶縁回路基板6の銅板4上に搭載される半導体チップ130の位置が想定よりずれていた場合、図6(b)に示すように、エミッタ用ポスト電極用はんだ131とゲート用ポスト電極用はんだ132の位置もずれる。
ただし、プリント回路基板19は、本来の位置であるインターポーザ17の位置に合わせて搭載されるため、インターポーザ18とプリント回路基板19の相対位置はずれるが、ゲート用銅パターン16bゲート用銅パターン21bは重なる箇所があるため、電気接続上の問題は無い。
以上のように上記実施形態によれば、インターポーザ17、18を半導体チップ1、2ごとに備えることで、半導体チップ1、2とプリント回路基板19との相対的位置ずれの影響を回避できる。これにより、半導体チップ1、2を複数設置した場合の組立性向上が可能となる。
上記のように、本発明は一実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、変形例が明らかとなろう。
例えば、図7に示すように、半導体チップ1、2のゲート電極が絶縁回路基板6の端部側、つまり外側に設けられる電力用半導体モジュール100Bにも適用可能である。この電力用半導体モジュール100Bにおいて、プリント回路基板19のエミッタ用銅パターン20a、21aを1個のエミッタ用銅パターンに集積化することもできる。このようにすれば、部品点数を削減可能となる。
さらに、上記実施形態では、半導体チップ1、2がIGBT又はMOSFETであることを説明したが、半導体チップ1、2のゲート絶縁膜は、シリコン酸化膜(SiO2膜)に限定されるものではなく、他の絶縁膜であってもよい。ゲート絶縁膜としてSiO2膜以外の絶縁膜を用いたMOSFETは、MIS(metal insulator semiconductor)FETと呼んでもよい。MISFETは、MOSFETを含む、より包括的な絶縁ゲート型トランジスタを意味する。
3、13、14、101 絶縁層
4、5、102、103 銅板
6 絶縁回路基板
7、8、105、107 はんだ
9a、10a エミッタ用ポスト電極用はんだ
9b、10b ゲート用ポスト電極用はんだ
11a、12a、124a、125a エミッタ用ポスト電極
11b、12b、125b、125b ゲート用ポスト電極
15a、16a エミッタ用銅パターン(主電極用回路層)
20a、21a エミッタ用銅パターン(第1導電板)
15b、16b ゲート用銅パターン(制御電極用回路層)
20b、21b ゲート用銅パターン(第2導電板)
17、18 インターポーザ
22a、23a 第1貫通孔
22b、23b 第2貫通孔
24a、24b、25a、25b 接合材
19、200 プリント回路基板
41、41u、41v、41w 出力端子
42 正端子
43 負端子
50 インバータ回路
100A、100B 電力用半導体モジュール
104 絶縁基板
106 パワー半導体チップ
109 プリント基板
127 封止樹脂
Claims (10)
- 絶縁板及び回路板を有する積層基板と、
それぞれおもて面及び裏面を有し、前記おもて面に主電極及び制御電極を有し、前記裏面が前記回路板に固定された複数の半導体チップと、
前記積層基板の前記半導体チップの搭載面側と対向して配置され、前記対向する面側に第1導電板及び第2導電板を有するプリント回路基板と、
前記複数の半導体チップのそれぞれと前記プリント回路基板との間にそれぞれ配置された複数のインターポーザと、
を備え、
前記複数のインターポーザのそれぞれは、前記主電極を前記第1導電板に電気的に接続し、前記制御電極を前記第2導電板に電気的に接続する、電力用半導体モジュール。 - 前記プリント回路基板と前記複数のインターポーザは、接合材により接合される請求項1に記載の電力用半導体モジュール。
- 前記接合材は、はんだ及び焼結材の少なくともいずれかを含む請求項2に記載の電力用半導体モジュール。
- 前記インターポーザは、
絶縁層と、
前記絶縁層のプリント回路基板側と対向する面に設けられ前記第1導電板に接続される主電極用回路層と、
前記主電極及び前記制御電極が並ぶ方向において、前記主電極用回路層と離間して設けられ前記第2導電板に接続される制御電極用回路層と、
前記絶縁層の前記半導体チップ側と対向する面に設けられ前記主電極に接続される第1ポスト電極と、
前記絶縁層の前記半導体チップ側と対向する面に設けられ前記制御電極に接続される第2ポスト電極と
を有し、
前記主電極用回路層と前記第1ポスト電極との間は、前記絶縁層を貫通する第1貫通孔を介して導電接続され、
前記制御電極用回路層と前記第2ポスト電極との間は、前記絶縁層を貫通する第2貫通孔を介して導電接続されている、請求項1から3のいずれか1項に記載の電力用半導体モジュール。 - 前記主電極及び前記制御電極が並ぶ方向における前記第1導電板の幅は、前記主電極用回路層の幅より大きい、請求項4に記載の電力用半導体モジュール。
- 前記主電極及び前記制御電極が並ぶ方向における前記第2導電板の幅は、前記制御電極用回路層の幅より大きい、請求項4または5に記載の電力用半導体モジュール。
- 前記主電極及び前記制御電極が並ぶ方向における前記第1導電板と前記第2導電板との間の距離は、前記主電極用回路層と前記制御電極用回路層との間の距離より長い、請求項4から6のいずれか1項に記載の電力用半導体モジュール。
- 前記複数のインターポーザの隣り合う絶縁層の対向する端部が、前記主電極用回路層及び前記制御電極用回路層よりも突出している、請求項4から7のいずれか1項に記載の電力用半導体モジュール。
- 前記第1ポスト電極及び前記第2ポスト電極は、ピンまたは銅箔である、請求項4から8のいずれか1項に記載の電力用半導体モジュール。
- 絶縁板及び回路板を有する積層基板の上面に、主電極及び制御電極を有する半導体チップを搭載する工程と、
複数の半導体チップのそれぞれの前記主電極及び前記制御電極に複数のインターポーザのそれぞれを電気的に接続する工程と、
前記複数のインターポーザを、前記積層基板の前記半導体チップの搭載面側と対向する面側に第1導電板及び第2導電板を有するプリント回路基板に接合して、前記主電極を前記第1導電板に電気的に接続し、前記制御電極を前記第2導電板に電気的に接続する工程と、
を含む電力用半導体モジュールの製造方法。
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