JP7439485B2 - semiconductor module - Google Patents
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Description
本発明は、半導体モジュール、特にパワー半導体モジュールに関する。 The present invention relates to semiconductor modules, particularly power semiconductor modules.
パワー半導体モジュールは,効率的な電力変換を求められる分野で広く適用されている。例えば、近年注目を浴びている太陽光発電や風力発電などの再生可能エネルギー分野、ハイブリッド自動車や電気自動車などの車載分野、車両などの鉄道分野が挙げられる。 Power semiconductor modules are widely used in fields that require efficient power conversion. Examples include renewable energy fields such as solar power generation and wind power generation, which have been attracting attention in recent years, in-vehicle fields such as hybrid cars and electric vehicles, and railway fields such as rolling stock.
これらパワー半導体モジュールには、スイッチング素子とダイオードが内蔵されており、従来、素子にはSi(シリコン)半導体が用いられてきた。最近では、SiC(シリコンカーバード)半導体などのワイドバンドギャップ半導体が用いられ始めている。 These power semiconductor modules have built-in switching elements and diodes, and conventionally, Si (silicon) semiconductors have been used for the elements. Recently, wide bandgap semiconductors such as SiC (silicon carbide) semiconductors have begun to be used.
SiCなどのワイドバンドギャップ半導体は、Si半導体に比べ高耐圧、高耐熱、低損失といった特徴があり、パワー半導体モジュールに用いることにより、装置の小型化や低損失化が可能となる。その際に、パワー半導体素子は、耐湿性、耐熱性、機械特性に優れたエポキシ樹脂を含む封止材で封止される。 Wide bandgap semiconductors such as SiC have characteristics such as higher voltage resistance, higher heat resistance, and lower loss than Si semiconductors, and by using them in power semiconductor modules, devices can be made smaller and have lower losses. At that time, the power semiconductor element is sealed with a sealing material containing an epoxy resin that has excellent moisture resistance, heat resistance, and mechanical properties.
従来のパワー半導体モジュールは、封止材で封止した構造を有するが(例えば、特許文献1)、封止材で封止された回路基板からの外部接続用の端子ピンが、当該封止材から直接出ている構造を有している。 Conventional power semiconductor modules have a structure sealed with a sealing material (for example, Patent Document 1), but terminal pins for external connection from a circuit board sealed with a sealing material are sealed with a sealing material. It has a structure that comes directly from the
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、外部接続電極(外部バスバー)とモジュール内の取出し端子乃至バスバーとの取り付けを簡便に行うことができ、信頼性の高い半導体モジュールを提供することにある。また、取り出し端子ピンとメネジとを一体化したバスバーの接合部が補強され、さらに高信頼性のパワー半導体モジュールを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and its purpose is to easily attach external connection electrodes (external busbars) to takeout terminals or busbars in a module, and to provide highly reliable Our goal is to provide semiconductor modules. Another object of the present invention is to provide a power semiconductor module in which the joint portion of the bus bar in which the takeout terminal pin and the female screw are integrated is reinforced, and which has even higher reliability.
本発明の半導体モジュールは、
半導体素子を実装した積層基板と、
積層基板の実装面に立設された複数の外部端子ピンと、
当該複数の外部端子ピンに保持され、当該複数の外部端子ピンに電気的に接続された導電性のバスバーと、
当該バスバーに一体化されて設けられた導電性の外部接続用のメネジと、
少なくとも当該積層基板、当該半導体素子及び当該バスバーを埋設する樹脂からなる封止部と、を備えている。
The semiconductor module of the present invention includes:
A laminated substrate with semiconductor elements mounted on it,
Multiple external terminal pins installed on the mounting surface of the laminated board,
a conductive bus bar held by the plurality of external terminal pins and electrically connected to the plurality of external terminal pins;
a conductive external connection female screw integrated into the bus bar;
The device includes at least a sealing portion made of resin in which the multilayer substrate, the semiconductor element, and the bus bar are embedded.
本発明に係る半導体モジュールによれば、半導体モジュールの外部端子ピンと接合するバスバーをメネジ一体化バスバーの構造とすることにより、外部バスバーの取り付けを簡便なネジ締めで行うことができ、信頼性の高い半導体モジュールを提供することができる。また、取り出し端子ピンとメネジ一体化バスバーの接合部を封止材で覆うことにより、半導体モジュールの反りなどの変形を抑制することができ、さらに高信頼性の半導体モジュールを提供することができる。 According to the semiconductor module according to the present invention, the bus bar connected to the external terminal pin of the semiconductor module has a structure of a bus bar with an integrated female screw, so that the external bus bar can be attached by simple screw tightening, and the reliability is high. A semiconductor module can be provided. Furthermore, by covering the joint between the take-out terminal pin and the integrated female screw bus bar with a sealing material, deformation such as warping of the semiconductor module can be suppressed, and a highly reliable semiconductor module can be provided.
以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。これらを適宜改変し、組合せて適用することができる。また、以下の説明及び添付図面において、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符を付して説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施の形態によって限定されるものではない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. These can be modified as appropriate and applied in combination. Further, in the following description and the accompanying drawings, substantially the same or equivalent parts are designated by the same reference numerals. Note that the present invention is not limited to the embodiments described below.
また、以下においては、半導体モジュール10が半導体素子としてパワー半導体素子を実装したパワー半導体モジュールである場合について説明するが、種々の半導体素子を実装した半導体モジュールに適用することができる。
In addition, although a case will be described below in which the
図1は、本発明の実施例1であるパワー半導体モジュール10の構造を模式的に示す断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a
図1に示すように、パワー半導体素子11は、はんだ等の接合層12を介して、積層基板20上に実装されている。
As shown in FIG. 1, the
積層基板20の実装面には複数の外部端子ピン25が立設されている。当該複数の外部端子ピン25に保持され、かつ当該複数の外部端子ピン25に電気的に接続された導電性のバスバー15が設けられている。バスバー15は、各電子部品や配線に電流を供給するための電気配線部材の母線で、導電性の板状の接続部材であり、積層基板20に略平行に保持されている。主に、電気抵抗の小さな銅などが用いられる。
A plurality of
パワー半導体素子11の上面に、はんだ等の接合層(図示しない)によって立設され、パワー半導体素子11の電極に接続されたインプラントピン13が備えられている。バスバー15とパワー半導体素子11との間には、外部端子ピン25に保持されたインプラント方式のプリント基板14が取り付けられている。インプラントピン13はプリント基板14に電気的に接続されている。
An
外部端子ピン25は、バスバー15に接合されている。また、バスバー15上には導電性のメネジ(雌螺子)30が設けられ、バスバー15とメネジ30とは一体化されている(以下、メネジ一体化バスバーとも称する。)。
メネジ30は、円柱等の柱形状を有し、ねじ穴の内表面にオネジ(雄螺子)の受け側となるネジ部(ネジ溝)31が設けられている。より具体的には、柱形状の中心軸は、バスバー15に対して垂直方向である。また、メネジ30は四角柱などの角柱状でもよいが、樹脂で覆われる場合は、角部で応力が集中するので、円柱状が好ましい。また、楕円柱状でもよい。メネジ30には、外部回路等からの外部配線端子(例えば、外部バスバー)をネジによって固定し、バスバー15と当該外部配線端子との電気的接続をとることができる。
The
なお、本明細書において、上面又は下面とは、説明の目的で添付図中の上下を指す相対的な用語であって、パワー半導体モジュール10の使用態様等との関係で上下を限定するものではない。
Note that in this specification, the upper surface or the lower surface is a relative term that refers to the upper and lower sides in the attached drawings for the purpose of explanation, and does not limit the upper and lower sides in relation to the usage mode of the
本実施例においては、半導体素子11、積層基板20、インプラントピン13、プリント基板14及びバスバー15は絶縁性の封止樹脂からなる封止部17に埋設され、絶縁封止されている。また、外部端子ピン25は、その一部が封止部17から露出し、メネジ30はその全体が封止部17から露出している。なお、外部端子ピン25とバスバー15との接合部が封止部17に覆われていることが好ましい。なぜなら、接合部が封止部17によって固定され、ネジ締結時の応力や熱応力に対しより接合部の信頼性(強度)が高くなるからである。
In this embodiment, the
なお、本明細書において、封止部17に埋設され、絶縁封止される部材を被封止部材と指称する。
Note that in this specification, a member that is embedded in the sealing
パワー半導体素子11は、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)あるいはダイオードチップ等のパワーチップであるが、種々のSiデバイス、あるいはSiCデバイス、GaNデバイスなどのワイドギャップ半導体素子を用いることができる。また、これらのデバイスを組み合わせて用いても良い。例えば、Si-IGBTとSiC-SBD(Schottky Barrier Diode:ショットキーバリアダイオード)を用いたハイブリッドモジュールなどを用いることができる。パワー半導体素子11の搭載数は、図示する形態に限定されるものではなく、積層基板12上に複数搭載することもできる。
The
積層基板20は、絶縁基板22と、その一方の面(裏面)に形成されている第2導電性板21と、他方の面(上面)に形成される第1導電性板23とから構成されている。絶縁基板22としては、電気絶縁性、熱伝導性に優れた材料を用いることができる。
The laminated
絶縁基板22の材料としては、例えば、Al2O3、AlN、SiNなどが挙げられる。特に高耐圧用途では、電気絶縁性と熱伝導率を両立した材料が好ましく、AlN、SiNを用いることができるが、これらには限定されない。
Examples of the material of the
第1導電性板23、第2導電性板21としては、加工性の優れているCu、Alなどの金属材料を用いることができる。また、防錆などの目的で、Niメッキなどの処理を行ったCu、Alであっても良い。絶縁基板22上に導電性板21、23を配設する方法としては、直接接合法(Direct Copper Bonding法)もしくは、ろう材接合法(Active Metal Brazing法)が挙げられる。
As the first
パワー半導体素子11を接合する接合層12は、鉛フリーはんだを用いて形成することができる。例えば、Sn-Ag-Cu系、Sn-Sb系、Sn-Sb-Ag系、Sn-Cu系、Sn-Sb-Ag-Cu系、Sn-Cu-Ni系、Sn-Ag系などを用いることができるが、これらには限定されない。
The
プリント基板14としては、ポリイミドフィルム基板やエポキシフィルム基板にCu、Alなどの導電層が形成されているものを用いることができる。インプラントピン13としては、銅を用いた銅ピンを用いることができる。プリント基板14は、パワー半導体素子11の上面電極(例えば、ソース、ゲート電極)の配線に用いることができる。
As the printed
プリント基板14の導電層も、インプラントピン13も、CuやAlに、防錆などの目的でNiめっきなどの処理を施したものであってもよい。もしくは、接合の目的でSnめっきなどの処理を施したものであってもよい。
Both the conductive layer of the printed
プリント基板14とインプラントピン13は、パワー半導体素子11同士、もしくは、パワー半導体素子11と積層基板20の間を電気的に接続する。インプラントピン13と積層基板20もしくはインプラントピン13とパワー半導体素子11とは、上述のはんだ接合層12と同様な接合層により接合することができる。
The printed
積層基板20上から、上述のはんだ接合層12により接合した外部端子ピン25を封止部17の外部にまで引き出すことにより、外部回路等からの外部配線端子との外部接続端子とすることができる。
By pulling out the external terminal pins 25 bonded by the above-mentioned
なお、パワー半導体素子11の上面電極はプリント基板14の配線に電気的に接続され、外部端子ピン25はプリント基板14の配線とは絶縁されている。
Note that the upper surface electrode of the
バスバー15としては、導電性の優れているCu、Alなどの金属材料を用いることができる。また、防錆などの目的で、Niメッキなどの処理を行った方が好ましい。形状、厚さなど、特に限定するものではないが、メネジ30と一体化するため、厚さは0.8mm~1.5mm程度の板状が好ましい。これ以上厚くなると重くなり、これ以上薄いとメネジ30を保持することが難しくなる。
As the
バスバー15と外部端子ピン25との接合は、レーザー溶接やはんだ接合などを用いることができる。
The
メネジ30はその全体がバスバー15の上部であるように設けられる。メネジ30の一部がバスバー15の下部まで延在した場合、その分、封止部17の封止樹脂で覆れる高さが高くなってしまう。また、外部端子ピン25とバスバー15の接続部が高くなり、外部端子ピン25の長さが長くなり、製造時に外部端子ピン25が曲がりやすくなり不良となってしまう。
The
メネジ30としては、バスバー15と同様に、導電性の優れているCu、Alなどの金属材料を用いることができる。また、防錆などの目的で、Niメッキなどの処理を行った方が好ましい。メネジ30の形状は円柱形状が好ましい。これは、角部があると電界などが集中し、放電やノイズとなってしまうためである。
Similar to the
また、メネジ30は外径が6mm以上であることが好ましい。これ以下であると、ネジ締め時の力に対し、剛性が弱くなってしまい、前述のバスバー15と外部端子ピン25との接合部に負荷がかかってしまう。ネジ部31はM4以上であることが好ましい。これ以上小さいとネジ自体が扱いにくくなり、外部バスバー(図示しない)との接続が簡便でなくなる。バスバー15とメネジ30の一体化の方法としては、かしめ、はんだ接合やネジ式、レーザー溶接などが用いられるが、かしめによる接続が簡便で好ましい。なお、かしめとは、ネジとバスバーとに互いを嵌めあわせるような凹凸を設けて、固定する方法である。
Moreover, it is preferable that the outer diameter of the
また、メネジ30の高さ(長さ)は、用いるネジによるがネジ径の2倍以上が好ましい。ネジをある程度長くし、重量を要することにより、モジュール全体の剛性が高まり、変形しにくくなる。また、メネジ30の高さが低いと、メネジ30と外部バスバー15とを別のオネジで締結する際に、当該オネジとメネジ30の接続部の強度が弱まってしまうからである。
Further, the height (length) of the
被封止部材は以下の樹脂組成物(封止材)で封止され、封止部17を外形とするパワー半導体モジュール10が形成される。封止部17は、図1に示すように、バスバー15の裏面を覆い、バスバーの側面を覆い、バスバーの下の被封止部材まで覆われていることが強度の点から好ましい。なお、バスバーの側面とは、板状のバスバーにおける、2つの主面の間に形成される面である。また、後述する図2に示すように、バスバー15の上部を覆い、メネジ30の一部を覆うように形成されてもよい。
The member to be sealed is sealed with the following resin composition (sealing material) to form a
封止部17は、エポキシ樹脂を主剤とし、硬化剤とを含み、任意選択的に無機充填材やその他の添加剤を含んでもよいエポキシ樹脂組成物により形成することができる。エポキシ樹脂の主剤としては、脂肪族エポキシ、または脂環式エポキシを用いることができる。または、マレイミド樹脂、シアネート樹脂を用いることができ、エポキシ樹脂と含め二種類以上混合して用いてもよい。
The sealing
脂肪族エポキシとは、エポキシ基が直接結合する炭素が、脂肪族炭化水素を構成する炭素であるエポキシ化合物をいうものとする。したがって、主骨格に芳香環が含まれている化合物であっても、上記条件を満たすものは、脂肪族エポキシに分類される。脂肪族エポキシ樹脂としては、ビスフェノールA型エポキシ、ビスフェノールF型エポキシ、ビスフェノールAD型エポキシ、ビフェニル型エポキシ、クレゾールノボラック型エポキシ、3官能以上の多官能型エポキシ等が挙げられるが、これらには限定されない。これらを単独で、または二種類以上混合して使用することができる。 Aliphatic epoxy refers to an epoxy compound in which the carbon to which an epoxy group is directly bonded is a carbon that constitutes an aliphatic hydrocarbon. Therefore, even if the main skeleton contains an aromatic ring, compounds that satisfy the above conditions are classified as aliphatic epoxies. Examples of aliphatic epoxy resins include, but are not limited to, bisphenol A epoxy, bisphenol F epoxy, bisphenol AD epoxy, biphenyl epoxy, cresol novolak epoxy, trifunctional or higher polyfunctional epoxy, and the like. . These can be used alone or in combination of two or more.
脂環式エポキシ樹脂とは、エポキシ基を構成する2つの炭素原子が、脂環式化合物を構成するエポキシ化合物をいうものとする。脂環式エポキシ樹脂としては、単官能型エポキシ、2官能型エポキシ、3官能以上の多官能型エポキシ等が挙げられるが、これらには限定されない。脂環式エポキシ樹脂も、単独で、または異なる二種以上の脂環式エポキシ樹脂を混合して用いることができる。 The alicyclic epoxy resin refers to an epoxy compound in which two carbon atoms forming an epoxy group form an alicyclic compound. Examples of the alicyclic epoxy resin include, but are not limited to, monofunctional epoxy, bifunctional epoxy, trifunctional or more polyfunctional epoxy, and the like. The alicyclic epoxy resin can also be used alone or in a mixture of two or more different alicyclic epoxy resins.
硬化剤としては、エポキシ樹脂主剤と反応し、硬化し得るものであれば特に限定されないが、酸無水物系硬化剤を用いることが好ましい。酸無水物系硬化剤としては、例えば芳香族酸無水物、具体的には無水フタル酸、無水ピロメリット酸、無水トリメリット酸等が挙げられる。あるいは、環状脂肪族酸無水物、具体的にはテトラヒドロ無水フタル酸、メチルテトラヒドロ無水フタル酸、ヘキサヒドロ無水フタル酸、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸、無水メチルナジック酸等、もしくは脂肪族酸無水物、具体的には無水コハク酸、ポリアジピン酸無水物、ポリセバシン酸無水物、ポリアゼライン酸無水物等を挙げることができる。硬化剤の配合量は、エポキシ樹脂主剤100質量部に対し、50~170質量部とすることが好ましく、80~150質量部とすることがより好ましい。硬化剤の配合量が50質量部未満であると架橋不足からガラス転移温度が低下する場合があり、170質量部より多くなると耐湿性、高熱変形温度、耐熱安定性の低下を伴う場合がある。 The curing agent is not particularly limited as long as it reacts with the epoxy resin base material and can be cured, but it is preferable to use an acid anhydride curing agent. Examples of acid anhydride curing agents include aromatic acid anhydrides, specifically phthalic anhydride, pyromellitic anhydride, trimellitic anhydride, and the like. Alternatively, cyclic aliphatic acid anhydrides, specifically tetrahydrophthalic anhydride, methyltetrahydrophthalic anhydride, hexahydrophthalic anhydride, methylhexahydrophthalic anhydride, methylnadic anhydride, etc., or aliphatic acid anhydrides, specifically Specific examples include succinic anhydride, polyadipic anhydride, polysebacic anhydride, and polyazelaic anhydride. The blending amount of the curing agent is preferably 50 to 170 parts by weight, more preferably 80 to 150 parts by weight, based on 100 parts by weight of the epoxy resin base resin. If the amount of the curing agent is less than 50 parts by mass, the glass transition temperature may decrease due to insufficient crosslinking, and if it exceeds 170 parts by mass, it may be accompanied by a decrease in moisture resistance, high heat distortion temperature, and heat resistance stability.
エポキシ樹脂組成物には、さらに、任意選択的な成分として、硬化促進剤を添加することができる。硬化促進剤としては、イミダゾールもしくはその誘導体、三級アミン、ホウ酸エステル、ルイス酸、有機金属化合物、有機酸金属塩等を適宜配合することができる。硬化促進剤の添加量は、エポキシ樹脂主剤100質量部に対して、0.01~50質量部とすることが好ましく、0.1~20質量部とすることがより好ましい。 The epoxy resin composition can further include a curing accelerator as an optional component. As the curing accelerator, imidazole or its derivatives, tertiary amines, boric acid esters, Lewis acids, organometallic compounds, organic acid metal salts, etc. can be appropriately blended. The amount of the curing accelerator added is preferably 0.01 to 50 parts by weight, more preferably 0.1 to 20 parts by weight, based on 100 parts by weight of the epoxy resin base resin.
また、エポキシ樹脂組成物が任意選択的な成分として含んでもよい無機充填材としては、例えば、溶融シリカ、シリカ、アルミナ、水酸化アルミニウム、チタニア、ジルコニア、窒化アルミニウム、タルク、クレー、マイカ、ガラス繊維等が挙げられるが、これらには限定されない。これらの無機充填材により、硬化物の熱伝導率を高め、熱膨張率を低減することができる。これらの無機充填材は、単独で用いてもよいが、2種以上を混合して用いてもよい。また、これらの無機充填材は、マイクロフィラーであってもよく、ナノフィラーであってもよく、粒径及びまたは種類が異なる2種以上の無機充填材を混合して用いることもできる。特には、平均粒径が、0.2~20μm程度の無機充填材を用いることが好ましい。無機充填材の添加量は、エポキシ樹脂主剤と硬化剤との総質量を100質量部としたとき、100~600質量部であることが好ましく、200~400質量部であることがさらに好ましい。無機充填材の配合量が100質量部未満であると封止材の熱膨張係数が高くなって剥離やクラックが生じ易くなる場合がある。配合量が600質量部よりも多いと組成物の粘度が増加して押出し成形性が悪くなる場合がある。 Inorganic fillers that the epoxy resin composition may contain as optional components include, for example, fused silica, silica, alumina, aluminum hydroxide, titania, zirconia, aluminum nitride, talc, clay, mica, and glass fiber. etc., but are not limited to these. These inorganic fillers can increase the thermal conductivity of the cured product and reduce the coefficient of thermal expansion. These inorganic fillers may be used alone or in combination of two or more. Further, these inorganic fillers may be microfillers or nanofillers, and two or more types of inorganic fillers having different particle sizes and/or types may be used in combination. In particular, it is preferable to use an inorganic filler having an average particle size of about 0.2 to 20 μm. The amount of the inorganic filler added is preferably 100 to 600 parts by mass, more preferably 200 to 400 parts by mass, when the total mass of the epoxy resin base agent and curing agent is 100 parts by mass. If the amount of the inorganic filler is less than 100 parts by mass, the sealing material may have a high coefficient of thermal expansion, making it easy to peel or crack. If the amount is more than 600 parts by mass, the viscosity of the composition may increase and extrusion moldability may deteriorate.
エポキシ樹脂組成物には、また、その特性を阻害しない範囲で、任意選択的な添加剤を含んでいてもよい。添加剤としては、例えば、難燃剤、樹脂を着色するための顔料、耐クラック性を向上するための可塑剤やシリコンエラストマーが挙げられるが、これらには限定されない。これらの任意成分、およびその添加量は、半導体装置及び/または封止材に要求される仕様に応じて、当業者が適宜決定することができる。 The epoxy resin composition may also contain optional additives to the extent that their properties are not impaired. Examples of additives include, but are not limited to, flame retardants, pigments for coloring resins, plasticizers and silicone elastomers for improving crack resistance. These optional components and their additive amounts can be determined as appropriate by those skilled in the art, depending on the specifications required for the semiconductor device and/or the sealing material.
なお、上述の通り封止材を外形とするパワー半導体モジュールを示したが、ケースを用いてもよい。具体的には、PPS(ポリフェニレンスルファイド)等の樹脂などのケースに、被封止部材が搭載され、当該被封止部材が上記樹脂組成物で埋め込まれてもよい。 Note that, as described above, a power semiconductor module is shown in which the outer shape is the sealing material, but a case may also be used. Specifically, a member to be sealed may be mounted on a case made of resin such as PPS (polyphenylene sulfide), and the member to be sealed may be embedded with the resin composition.
以下に、本発明の実施例1を具体的に説明する。しかし、本発明は、以下の実施例の範囲に限定されるものではない。 Example 1 of the present invention will be specifically described below. However, the present invention is not limited to the scope of the following examples.
以下に説明するように、パワー半導体モジュール10を作製し、評価を行った。積層基板20としては、導電性板厚さ0.3mm、絶縁基板厚さ0.32mmのデンカSINプレート(電気化学工業製、額縁長1.0mm)を用いた。
A
積層基板20上に、はんだ及びパワー半導体素子11、はんだ及びインプラントピン13、外部端子ピン25、プリント基板14を、N2リフロー炉ではんだ接合を行い、配設した。
On the
さらに、メネジ30とバスバー15とが一体化されたメネジ一体化バスバー(メネジ部:外径M12、ネジ部M4、高さ10mm バスバー部:厚さ1mm)と外部端子ピン25(Φ1mm)をレーザー溶接にて接合し、次に被封止部材を金型にセットした。
Furthermore, the external terminal pin 25 (Φ1 mm) is laser welded to a bus bar with an integrated female thread (female thread part: outer diameter M12, thread part M4,
脂肪族エポキシ樹脂主剤:jER630(三菱化学製)、硬化剤:jERキュア113(三菱化学製)、無機充填剤:エクセリカ 平均粒径数μm~数十μm(トクヤマ)を、質量比10:5:3で混合した後、真空脱泡を行い、金型に注入した。これを、100℃1時間で一次硬化後、150℃3時間で二次硬化を行い、バスバー15まで封止したパワー半導体モジュール10を得た。
Aliphatic epoxy resin main agent: jER630 (manufactured by Mitsubishi Chemical), curing agent: jER Cure 113 (manufactured by Mitsubishi Chemical), inorganic filler: Excelica, average particle size of several μm to several tens of μm (Tokuyama), mass ratio 10:5: After mixing in Step 3, vacuum defoaming was performed and the mixture was poured into a mold. This was first cured at 100° C. for 1 hour and then secondary cured at 150° C. for 3 hours to obtain a
本実施例によれば、バスバー15が封止部17に埋設されるようにすることで、バスバー15と封止部17との密着性を確保でき、信頼性の高いパワー半導体モジュールを提供することができる。
According to this embodiment, by embedding the
図2は、本発明の実施例2に係るパワー半導体モジュール10の模式的な断面図である。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a
図2に示すように、本実施例においては、メネジ30の少なくとも一部が封止部17に埋設されるように封止部17が設けられていてもよい。より詳細には、パワー半導体素子11、積層基板20、インプラントピン13、プリント基板14、外部端子ピン25及びバスバー15の全体と、メネジ30の少なくとも一部と、が封止部17に埋設されるように封止部17が設けられている。
As shown in FIG. 2, in this embodiment, the sealing
このように、メネジ30の下部の一部が封止部17に埋没するように覆われていると、バスバー15と外部端子ピン25の接合部が封止材で固定され保護されるので、熱応力などによる曲げ応力が働いても、ワレやき裂などが生じることなく、信頼性が向上するので好ましい。
In this way, when the lower part of the
このように、封止部17が設けられていること以外は、実施例1と同様にして、パワー半導体モジュール10を得た。なお、上述のように、メネジ30は、外部配線端子(例えば、板状の外部バスバー)を固定し、電気的接続がなされるので、メネジ30の上面が埋設されず、露出するように封止部17が設けられる。
Thus, the
より具体的には、封止部17の上面がバスバー15よりも8mm上方の位置まで封止した。すなわち、高さ10mmのメネジ30の下部8mmの部分が埋設されるように封止部17を形成した。
More specifically, the upper surface of the sealing
本実施例によれば、メネジ30の少なくとも一部が封止部17に埋設されるように封止部17を設けることによって、メネジ一体化バスバー(すなわち、バスバー15及びメネジ30)と封止部17との密着性を高めることができ、信頼性の高いパワー半導体モジュールを提供することができる。
According to this embodiment, by providing the sealing
図3は、本発明の実施例3に係るパワー半導体モジュール10の模式的な断面図である。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a
図3に示すように、本実施例においては、メネジ30の外周部にはローレット加工が施されている。なお、以下において、当該ローレット加工が施された部分をローレット30Aと称する。なお、ローレット加工とは、表面に施される細かな凹凸状の加工のことである。
As shown in FIG. 3, in this embodiment, the outer periphery of the
ローレット30Aの少なくとも一部が封止部17に埋設されるように封止部17が設けられている。さらにローレット加工は、樹脂に埋め込まれている部分の全てに形成されることが好ましい。メネジ30の外周部にローレット30Aを設けることでメネジ30と封止部17との密着性を高めることができる。なお、ローレット30Aの全体が封止部17に埋設されるように構成されていることが密着性を高める上で好ましい。
The sealing
また、ローレット30Aは、縦溝構造(平目)を有することが好ましい。すなわち、メネジ30の高さ方向(封止部17の深さ方向)に沿って形成された複数の溝を有することが好ましい。なぜならば、メネジ30は外部配線端子とオネジによって締結される。その際、メネジ30にはネジ穴の中心軸に対して回転方向にトルクが加わる。縦溝を有すると、封止部の樹脂組成物とメネジ30の表面との間に剥離や隙間などが生じることなく、良好に締結することができる。
Moreover, it is preferable that the
本実施例によれば、メネジ一体化バスバー(すなわち、バスバー15及びメネジ30)と封止部17との密着性をさらに高めることができ、信頼性の高いパワー半導体モジュールを提供することができる。
[実施例1-3の評価]
実施例1~3、比較例1のパワー半導体モジュール対して、熱サイクル試験を実施した。なお、比較例1として、メネジ一体化バスバーを用いなかったこと以外は、実施例1と同様にしたパワー半導体モジュールを用いた。
According to this embodiment, it is possible to further improve the adhesion between the female screw integrated bus bar (that is, the
[Evaluation of Example 1-3]
A thermal cycle test was conducted on the power semiconductor modules of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1. As Comparative Example 1, a power semiconductor module was used that was the same as in Example 1 except that the female screw integrated bus bar was not used.
実施例1~3は、メネジ30と板状の外部バスバーをオネジで締結した。また、比較例は外部端子ピン25が封止樹脂外に出ている構造であり、その外部端子ピンと外部バスバーをはんだ付けした。
In Examples 1 to 3, the
熱サイクル試験は、環境温度を所定の温度範囲で上下させるもの、各条件のパワー半導体モジュール10台について、-40℃及び125℃の間で温度上昇及び降下させる温度サイクルを繰り返し、100サイクル毎に取り出し、外部バスバーの取り付け部に破壊が無いか確認した。300サイクルまで確認した。それぞれ、外部端子ピン25と外部バスバーとの接合部がとれた場合、メネジ30と外部バスバーとの接合部がとれた場合を破壊と定義した。
In the thermal cycle test, the environmental temperature was raised and lowered within a predetermined temperature range, and for 10 power semiconductor modules under each condition, the temperature cycle was repeated to raise and lower the temperature between -40°C and 125°C, and the test was carried out every 100 cycles. I took it out and checked to see if there was any damage to the attachment part of the external bus bar. Confirmed up to 300 cycles. When the joint between the external
また、実施例1~3のパワー半導体モジュールに対して、ネジ締め付け試験を実施した。締め付けトルクは6Nm及び8Nmで実施した。メネジ一体化バスバー15と外部端子ピン25との接合部がとれた場合、メネジ30と封止材が剥離した場合を破壊と定義した。
Further, a screw tightening test was conducted on the power semiconductor modules of Examples 1 to 3. The tightening torque was 6Nm and 8Nm. Failure was defined as a case where the joint between the female thread integrated
熱サイクル評価では、実施例1~3のネジで外部バスバーを取り付けるパワー半導体モジュールでは、破壊がなかったが、比較例1のはんだ付けした場合は接合強度が足りず、破壊したものがあった。ネジ締めしたことによって十分な強度を保持できたためだと考えられる。 In thermal cycle evaluation, the power semiconductor modules of Examples 1 to 3 in which the external bus bar was attached with screws were not destroyed, but in the case of comparative example 1 in which the external bus bar was attached by soldering, the bonding strength was insufficient and some of them were destroyed. This is thought to be because sufficient strength was maintained by tightening the screws.
モジュールの使われ方によっては、モジュールによって発生した熱やパワーエレクトロニクス機器自体の環境温度により、モジュール全体が変形を繰り返し、バスバーと外部接続端子との接合部にも大きな曲げ応力が生じる。しかし、本構造においては、上述のとおり、破損などは生じなかった。 Depending on how the module is used, the entire module may repeatedly deform due to the heat generated by the module or the environmental temperature of the power electronics equipment itself, and large bending stress is also generated at the joints between the bus bars and external connection terminals. However, as mentioned above, no damage occurred in this structure.
ネジ締め付け試験においては、通常の締め付けトルク(3Nm)では実施例1~3のパワー半導体モジュールで問題はないが、より強い締め付けトルク(6、8Nm)では、メネジ一体化バスバー15と外部端子ピン25の接合部を封止材で覆った実施例2、3の方が高信頼性であり、メネジ30に縦溝構造のローレット加工を施した実施例3の方がより高信頼性であった。締め付けトルクに対し、実施例1の構造では、メネジ一体化バスバー15と外部端子ピン25の接合部に負荷がかかり破壊したが、この部分を封止材で覆うことにより、締め付けトルクより強度が強くなったと考えられる。
In the screw tightening test, there was no problem with the power semiconductor modules of Examples 1 to 3 with normal tightening torque (3 Nm), but with stronger tightening torque (6, 8 Nm), the female screw integrated
図4は、本発明の実施例4に係るパワー半導体モジュール10の構成を模式的に示す断面図である。
FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a
実施例4のパワー半導体モジュール10は、実施例3のパワー半導体モジュール10と同様の構成を有しているが、特に、封止部17の埋込厚さをH0(モジュールの高さ)とし、封止部17によるメネジ30の埋込厚さをH1としたとき、0.33≦H1/H0≦0.67を満たすように、封止部17の埋込厚さが定められている。
The
上述のように、半導体モジュールは、自己の発熱や環境上の熱変化による熱応力により、反りやねじれなどの変形を生じる。この変形により、曲げ応力が加わり、封止材にクラックが入ったり、封止材と積層基板の界面が剥がれたり、はんだ接合部に割れ生じるなどの不具合が生じる。そのため、変形を抑制することが望まれる。本発明の一体化されたバスバーとメネジとを含む構造により、その変形が抑制されることが判明した。 As described above, semiconductor modules undergo deformation such as warping and twisting due to thermal stress caused by their own heat generation and environmental thermal changes. This deformation adds bending stress, causing problems such as cracks in the sealing material, peeling of the interface between the sealing material and the laminated substrate, and cracking in the solder joints. Therefore, it is desirable to suppress deformation. It has been found that the structure including the integrated busbar and female thread of the present invention suppresses its deformation.
H1/H0を変更した実施例の反り低減率 (%)とΔTcパワーサイクル試験(以下、単にパワーサイクル試験ともいう)の結果を、比較して下記の表に示す。なお、パワーサイクル試験は、半導体モジュールと冷却フィンとをサーマルコンパウンドを介して取り付け、実際に動作させて熱ストレストを加え、熱抵抗を測定する試験である。なお、図1のようにバスバーの側面と底面まで封止部で封止し、バスバーを封止部で埋設しなかった場合をサンプル0とし、サンプル0のモジュールの裏面の取り付けリング間の反りを基準にした場合の低減率を反り低減率として評価した。なお、反り低減率が15%を効果の基準(有効)とした。 The following table shows a comparison of the warpage reduction rate (%) of Examples in which H 1 /H 0 was changed and the results of a ΔTc power cycle test (hereinafter also simply referred to as a power cycle test). Note that the power cycle test is a test in which a semiconductor module and a cooling fin are attached via a thermal compound, and the module is actually operated to apply a thermal stress stress and measure the thermal resistance. As shown in Figure 1, sample 0 is the case where the side and bottom of the bus bar are sealed with the sealing part and the bus bar is not buried in the sealing part. The reduction rate when used as a standard was evaluated as the warpage reduction rate. Note that a warpage reduction rate of 15% was defined as an effectiveness standard (effective).
パワーサイクル試験は以下の方法で行った。本実施例及びサンプル0のパワー半導体モジュールの裏面をサーマルコンパウンドによって冷却フィンに取り付け、ケース温度Tc(積層基板20の裏面の温度)と冷却フィンの表面温度Tf(冷却フィンの半導体モジュールに対向する面の温度)の間の熱抵抗Rth(K/W)を測定した。温度条件は、ΔTc=75℃(25℃~100℃)とした。判定条件は、2万サイクル時に初期から熱抵抗が20%上昇した場合を×(熱抵抗大)、10%以上上昇した場合を△(やや良好)、20%未満の場合を○(良好)として判定した。 The power cycle test was conducted in the following manner. The back surfaces of the power semiconductor modules of this example and sample 0 were attached to cooling fins using a thermal compound, and the case temperature Tc (temperature of the back surface of the laminated substrate 20) and the surface temperature of the cooling fins Tf (the surface of the cooling fins facing the semiconductor module) were measured. The thermal resistance Rth (K/W) was measured between The temperature conditions were ΔTc = 75°C (25°C to 100°C). Judgment conditions are: × (high thermal resistance) if the thermal resistance increases by 20% from the initial stage after 20,000 cycles, △ (slightly good) if it increases by 10% or more, and ○ (good) if it increases by less than 20%. I judged it.
下記の表に示すように、H1/H0を上記範囲内に設定することで、当該範囲外の場合よりもさらにモジュールの反りが小さく、信頼性の高い半導体モジュールを実現できることが分かった。すなわち、メネジ30の埋込厚さH1を一定程度大きくすることでモジュール全体の剛性が向上し信頼性を向上できる一方、H1を大きくし過ぎると応力が大きくなって、埋込みの効果が低減すると考えられる。
As shown in the table below, it was found that by setting H 1 /H 0 within the above range, it was possible to realize a highly reliable semiconductor module with smaller module warpage than when it was outside the range. In other words, by increasing the embedding thickness H 1 of the
本実施例によれば、メネジ一体化バスバー(すなわち、バスバー15及びメネジ30)と封止部17との密着性をさらに高めることができ、信頼性の高いパワー半導体モジュールを提供することができる。
According to this embodiment, it is possible to further improve the adhesion between the female screw integrated bus bar (that is, the
図5は、本発明の実施例5に係るパワー半導体モジュール10の構成を模式的に示す断面図である。
FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a
実施例5のパワー半導体モジュール10は、実施例3のパワー半導体モジュール10と同様の構成を有しているが、特に、封止部17の上面の面積をS0とし、メネジ30の上面の面積をS1としたとき、0.1≦S1/S0≦0.2を満たすように、封止部17の上面の面積及びメネジ30の上面の面積が定められている。なお、各サンプルの封止部17の上面の面積S0を一定(6170mm2)として評価した。
The
S1/S0を変更した実施例の反り低減率 (%)とパワーサイクルの結果を、サンプルL、サンプルU及びサンプル0の場合と比較して下記の表に示す。なお、サンプルL及びサンプルUは、それぞれ上記S1/S0の下限及び上限に対して僅かに範囲外の値を有している。また、バスバーの底面まで封止部で封止し、バスバーを封止部で埋設しなかった場合をサンプル0とし、サンプル0のモジュールの裏面の取り付けリング間の反りを基準にした場合の低減率を反り低減率として評価した。なお、反り低減率が15%を効果の基準(有効)とした。 The warpage reduction rate (%) and power cycle results of Examples in which S 1 /S 0 were changed are shown in the table below in comparison with Sample L, Sample U, and Sample 0. Note that sample L and sample U have values slightly outside the range of the lower and upper limits of S 1 /S 0 , respectively. In addition, sample 0 is the case in which the bottom of the bus bar is sealed with the sealing part and the bus bar is not buried in the sealing part, and the reduction rate is based on the warpage between the mounting rings on the back side of the module in sample 0. was evaluated as the warpage reduction rate. Note that a warpage reduction rate of 15% was defined as an effectiveness standard (effective).
下記の表3に示すように、S1/S0を上記範囲内に設定することで、当該範囲外の場合よりもさらにモジュールの反りが小さく、信頼性の高い半導体モジュールを実現できることが分かった。なお、表中の「サンプルL」は反りの低減効果が小さく、表中の「サンプルU」は反りの低減効果はあるが、端子(メネジ30)間の絶縁距離が不足するため、範囲外とした。 As shown in Table 3 below, it was found that by setting S 1 /S 0 within the above range, it was possible to realize a highly reliable semiconductor module with smaller module warpage than when it was outside the range. . In addition, "Sample L" in the table has a small warpage reduction effect, and "Sample U" in the table has a warpage reduction effect, but is out of range because the insulation distance between the terminals (female thread 30) is insufficient. did.
図6A、6Bは、本発明の実施例6に係るパワー半導体モジュール10の構成を模式的に示す斜視図である。より詳細には、図6Aは、封止部17による埋込み前のパワー半導体モジュール10を、図6Bは、封止部17による埋込み後のパワー半導体モジュール10を模式的に示す斜視図である。
6A and 6B are perspective views schematically showing the configuration of a
図6Aに示すように、実施例6のパワー半導体モジュール10においては、積層基板20は、同一平面上に間隙を有して並置された複数の積層基板片からなる。本実施例では、積層基板20は3つの積層基板片20A,20B,20Cからなる。
As shown in FIG. 6A, in the
また、バスバー15は同一平面上に間隙を有して並置された複数のバスバー片からなる。本実施例では、バスバー15は3つのバスバー片15A、15B、15Cからなる。
Further, the
これらの積層基板片20A,20B,20Cと、バスバー片15A,15B,15Cとは、外部端子ピン25によって間隙を有して結合され、かつ互いに交差する方向(本実施例では、互いに直交する方向)に配置されている。
These
図6A、6Bに示す場合では、バスバー片15A,15Bの各々にはメネジ30が3個,バスバー片15Cにはメネジ30が2個(バスバー片15A,15Bのメネジより小さい)が各バスバー片に一体化されて取り付けられている。
In the case shown in FIGS. 6A and 6B, each of the
図6Bに示すように、積層基板片20A,20B,20Cと、バスバー片15A,15B,15Cと、複数の半導体素子(図中では、バスバー片に隠れて見えない)とメネジ30とが封止部17に埋設されている。
As shown in FIG. 6B, the
本実施例によれば、複数の半導体素子を実装する半導体モジュールにおいて、積層基板、半導体素子及びメネジ一体化バスバーを封止部17に埋設し、密着性が高く、信頼性の高い半導体モジュールを提供することができる。また、積層基板に平行な方向のみならず、直交方向の剛性も高く、反りやねじれを低減することが可能な半導体モジュールを提供することができる。
According to this embodiment, in a semiconductor module in which a plurality of semiconductor elements are mounted, a multilayer substrate, a semiconductor element, and a female screw integrated bus bar are buried in the sealing
以上、詳細に説明したように、本実施形態によれば、外部接続電極(外部バスバー)の取り付けを簡便なネジ締めで行うことができ、信頼性の高い半導体モジュールを提供することができる。また、取り出し端子ピン(外部接続用のメネジ)とバスバーの接合及び固定が確実かつ強固で、さらに高信頼性の半導体モジュールを提供することができる。 As described above in detail, according to this embodiment, external connection electrodes (external busbars) can be attached by simple screw tightening, and a highly reliable semiconductor module can be provided. Moreover, the connection and fixation of the takeout terminal pin (female thread for external connection) and the bus bar are reliable and strong, and a highly reliable semiconductor module can be provided.
11 半導体素子
12 接合層
13 インプラントピン
14 プリント基板
15 バスバー
17 封止部
20 積層基板
21 第2導電性板
22 絶縁基板
23 第1導電性板
25 外部端子ピン
30 メネジ
30A ローレット
31 ネジ溝
Claims (8)
前記積層基板の実装面に立設された複数の外部端子ピンと、
前記複数の外部端子ピンに保持され、前記複数の外部端子ピンに電気的に接続された導電性のバスバーと、
前記バスバーの上面側に前記バスバーに一体化されて設けられた導電性の外部接続用のメネジと、
前記積層基板、前記半導体素子及び前記バスバーの全体と、前記メネジの少なくとも一部とを埋設する樹脂からなる封止部と、
を備え、
前記封止部の埋込厚さ(H0)及び前記封止部による前記メネジの埋込厚さ(H1)は、0.33≦H1/H0≦0.67を満たす、半導体モジュール。 A laminated substrate with semiconductor elements mounted on it,
a plurality of external terminal pins erected on the mounting surface of the laminated board;
a conductive bus bar held by the plurality of external terminal pins and electrically connected to the plurality of external terminal pins;
a conductive female screw for external connection provided integrally with the bus bar on the upper surface side of the bus bar ;
a sealing portion made of resin that embeds the entirety of the laminated substrate, the semiconductor element , and the bus bar, and at least a portion of the female thread ;
Equipped with
A semiconductor module, wherein the embedding thickness (H 0 ) of the sealing portion and the embedding thickness (H 1 ) of the female thread by the sealing portion satisfy 0.33≦H 1 /H 0 ≦0.67. .
前記積層基板の実装面に立設された複数の外部端子ピンと、
前記複数の外部端子ピンに保持され、前記複数の外部端子ピンに電気的に接続された導電性のバスバーと、
前記バスバーに一体化されて設けられた導電性の外部接続用のメネジと、
前記積層基板、前記半導体素子及び前記バスバーを埋設する樹脂からなる封止部と、
を備え、
前記メネジは、全体が前記封止部から露出している、半導体モジュール。 A laminated substrate with semiconductor elements mounted on it,
a plurality of external terminal pins erected on the mounting surface of the laminated board;
a conductive bus bar held by the plurality of external terminal pins and electrically connected to the plurality of external terminal pins;
a conductive external connection female screw integrated into the bus bar;
a sealing part made of resin in which the laminated substrate, the semiconductor element, and the bus bar are embedded;
Equipped with
The semiconductor module , wherein the female thread is entirely exposed from the sealing portion .
8. The semiconductor module according to claim 1, wherein the female thread has a cylindrical shape.
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